JP2005118944A - Micromachine - Google Patents
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Abstract
Description
本発明はマイクロマシンに関し、基板上に空間部を介して振動部を設けてなるマイクロマシンに関する。 The present invention relates to a micromachine, and more particularly to a micromachine having a vibrating portion provided on a substrate via a space portion.
微細技術の進展に伴い、いわゆるマイクロマシン(Micro Electro Mechanical Systems:MEMS)、およびマイクロマシンを組み込んだ小型機器が注目されている。 With the progress of micro technology, so-called micro electro mechanical systems (MEMS) and small devices incorporating micro machines are drawing attention.
マイクロマシンは、シリコン基板、ガラス基板等の基板上に微細構造体として形成され、機械的駆動力を出力する駆動体と、駆動体を制御する半導体集積回路等とを、電気的・機械的に結合させた素子である。マイクロマシンの基本的な特徴は、機械的構造として構成されている駆動体が素子の一部に組み込まれていることであって、駆動体の駆動は、電極間のクーロン引力などを応用して電気的に行われる。 A micromachine is formed as a microstructure on a substrate such as a silicon substrate or a glass substrate, and electrically and mechanically connects a driver that outputs mechanical driving force and a semiconductor integrated circuit that controls the driver. Element. The basic feature of a micromachine is that a drive body configured as a mechanical structure is incorporated in a part of the element, and the drive of the drive body is performed by applying Coulomb attractive force between electrodes. Done.
このようなマイクロマシンの一例として、いわゆる両持ち梁方式の静電駆動型マイクロマシンの構成を図5の断面図に示す。この図に示すマイクロマシン1は、基板2上に形成された下部電極3を覆う状態で層間絶縁膜4が設けられ、この層間絶縁膜4上に下部電極3を跨ぐ状態で上部電極5が設けられている。この上部電極5は、下部電極3を挟んだ両側の層間絶縁膜4上に立設された支持部6と、下部電極3を跨ぐ状態で支持部6間に掛け渡された振動部7とで構成されている。振動部7は、ビームと呼ばれる平板のリボン状(帯状)に形成され、層間絶縁膜4と平行をなす状態で当該層間絶縁膜4との間に空間部Aを有して設けられている。この振動部7は、例えば、図示したように、支持部6の上端から延設されて支持部6と一体の構造体として構成されている。
As an example of such a micromachine, a configuration of a so-called doubly-supported electrostatic drive type micromachine is shown in a cross-sectional view of FIG. In the
このような構成のマイクロマシンにおいては、電空間部Aによって絶縁された下部電極3と上部電極5との間に微小電圧を印加すると、図6に示すように、静電現象によって振動部7が下部電極3に向かって下降(接近)し、また電圧の印加を停止すると振動部7が上昇(離間)し、図5に示した元の状態に戻る。そして、このような振動部7の動作(振動)により、当該振動部7表面で反射する光を強度変調させることができるため、このマイクロマシンを複数配列することで回折格子ライトバルブを構成することができる(以上下記特許文献1参照)。
In the micromachine having such a configuration, when a minute voltage is applied between the
ところで、上述した構成のマイクロマシンにおいては、静電現象によって下部電極に対する振動部の昇降動作(接近、離間)を繰り返し行う過程において、上部電極及び下部電極への電圧の印加を停止しても、振動部が下部電極側に接近した状態(図6に示す状態)に留まり、元の離間した位置に戻らなくなる不具合が発生している。これは、マイクロマシンおよびこれを用いた回折格子ライトバルブなどの小型機器の寿命特性を悪化させ、信頼性および歩留まりの低下を引き起こす要因となっている。 By the way, in the micromachine having the above-described configuration, even when the application of voltage to the upper electrode and the lower electrode is stopped in the process of repeatedly raising and lowering the moving portion (approaching and separating) with respect to the lower electrode due to an electrostatic phenomenon, There is a problem that the portion remains in the state approaching the lower electrode side (the state shown in FIG. 6) and cannot return to the original separated position. This deteriorates the life characteristics of small devices such as a micromachine and a diffraction grating light valve using the micromachine, and causes a decrease in reliability and yield.
また、このようなマイクロマシンにおいては、より低消費電力での駆動が求められており、これを実現するためには、振動部を下部電極側に下降させる場合により少ない電力で所定状態にまで振動部を下降可能な構成が求められている。 Further, in such a micro machine, driving with lower power consumption is required, and in order to realize this, the vibrating unit is brought to a predetermined state with less power when the vibrating unit is lowered to the lower electrode side. The structure which can descend | fall is required.
そこで本発明は、振動部の昇降動作における不可逆的な変形を防止できこれによって信頼性および歩留まりの向上を図ることが可能であると共に、より低消費電力での駆動が可能なマイクロマシンを提供することを目的とする。 Accordingly, the present invention provides a micromachine that can prevent irreversible deformation in the raising and lowering operation of the vibration part, thereby improving reliability and yield, and capable of being driven with lower power consumption. With the goal.
このような目的を達成するための本発明は、基板上に立設された支持部と、当該支持部から前記基板の上方に空間部を介して延設された帯状の振動部とを備えたマイクロマシンにおいて、振動部が凸部を有していることを特徴としている。この凸部は、振動部における支持部との接合部付近の端部に帯状の幅方向にわたって設けられている。また、凸部は、基板側およびこれとは逆側の少なくとも一方に突出していれば良い。 In order to achieve such an object, the present invention includes a support portion erected on a substrate and a belt-like vibration portion extending from the support portion above the substrate via a space portion. The micromachine is characterized in that the vibrating part has a convex part. This convex part is provided over the strip | belt-shaped width direction in the edge part vicinity of a junction part with the support part in a vibration part. Moreover, the convex part should just protrude at least one of the board | substrate side and the opposite side.
このような構成のマイクロマシンによれば、振動部の端部に帯状の幅方向にわたる凸部を設けたことにより、支持部に支持された振動部が基板側に対して接近、離間する振動動作を行う際に、この凸部がバネとして作用する。これにより、振動部を基板側に向かって接近(下降)させる際には、帯状の振動部が弾性変形して振動部が下降し易くなり、振動部を所定状態にまで下降させるために必要となる力が小さくなる。また、振動部が弾性変形により基板側に下降し易くなったことにより、振動部が基板側に下降した状態において振動部と支持部とに加わる力が削減され、振動部が不可逆的に変形することが防止される。しかも、凸部で構成されるバネの弾性によって、基板側に下降した状態の振動部が元の位置に上昇するための張力が生じることにもなり、振動部が元の位置に上昇し易くなる。 According to the micromachine having such a configuration, by providing the band-shaped convex portion at the end of the vibration part, the vibration part supported by the support part performs a vibration operation that approaches and separates from the substrate side. When performing, this convex part acts as a spring. As a result, when the vibrating part is approached (lowered) toward the substrate side, the band-like vibrating part is elastically deformed so that the vibrating part is easily lowered, and is necessary for lowering the vibrating part to a predetermined state. The power to become smaller. In addition, since the vibration part is easily lowered to the substrate side due to elastic deformation, the force applied to the vibration part and the support part when the vibration part is lowered to the substrate side is reduced, and the vibration part is irreversibly deformed. It is prevented. Moreover, due to the elasticity of the spring formed by the convex portion, a tension is generated for the vibrating portion lowered to the substrate side to rise to the original position, and the vibrating portion is likely to rise to the original position. .
この結果、本発明のマイクロマシンによれば、振動部を基板側に下降させる力が小さくなりかつ振動部が元の位置に上昇し易くなるため低消費電力での駆動が可能となると共に基板側に下降した状態での振動部の不可逆的な変形が防止されることから安定した駆動状態を保つことができ、信頼性および歩留まりの向上を図ることが可能になる。 As a result, according to the micromachine of the present invention, the force for lowering the vibration part to the substrate side becomes small and the vibration part easily rises to the original position, so that it can be driven with low power consumption and the substrate side. Since the irreversible deformation of the vibration part in the lowered state is prevented, a stable driving state can be maintained, and reliability and yield can be improved.
以下、本発明のマイクロマシンの実施の形態を図面に基づいて詳細に説明する。尚、以下の各実施形態で説明するマイクロマシン(いわゆるMEMS素子)は、基板上に空間部を介して振動部を設けてなるマイクロマシンであり、例えば光変調素子を構成するものであることとする。また、図5および図6に示した従来のマイクロマシンと同様の構成要素には同一の符号を付して説明を行うこととする。 Embodiments of a micromachine according to the present invention will be described below in detail with reference to the drawings. Note that a micromachine (so-called MEMS element) described in each of the following embodiments is a micromachine in which a vibrating part is provided on a substrate via a space, and constitutes, for example, a light modulation element. Further, the same components as those of the conventional micromachine shown in FIGS. 5 and 6 are denoted by the same reference numerals for description.
図1(1)は、実施形態のマイクロマシンの構成を示す斜視図であり、図1(2)は図1(1)のS面の断面図である。これらの図に示す実施形態のマイクロマシン10が、図4および図5を用いて説明した従来のマイクロマシンと異なるところは、上部電極11の構成にあり、他の部分の構成は従来と同様であることとする。
FIG. 1A is a perspective view showing the configuration of the micromachine of the embodiment, and FIG. 1B is a cross-sectional view of the S plane of FIG. The
すなわち、この図に示すマイクロマシン10は、シリコン基板などからなる基板2、この上部にパターン形成された下部電極3、下部電極3を埋め込む状態で形成された層間絶縁膜4、層間絶縁膜4上に設けられた上部電極11で構成されている。
That is, the
そして、本発明の特徴である上部電極11は、基板2上に層間絶縁膜4を介して立設された支持部12と、両端部が支持部12の上端で支持された帯状の振動部13とで構成されている。これらの支持部12による振動部13の支持状態は従来と同様であって良く、例えば、ここでの図示は省略したが、振動部13および振動部の両側の支持部12は、絶縁性の下地膜上に光反射性の電極膜を設けた積層膜をパターニングしてなる一体構造であることとする。そして、支持部12は、下部電極4を挟んだ両側において層間絶縁膜4に接合された積層膜部分を上方に立ち上げた形状を有している。また、振動部13は、各支持部12を構成する積層膜の上端部分を屈曲させて延設し、さらに帯状に成形した膜部分を下部電極4上を跨ぐ状態で支持部12−12間に掛け渡したブリッジ状とすることで、層間絶縁膜4上に中空部Aを介して配置されている。
The
尚、このマイクロマシン10が、例えば光変調素子を構成するものである場合、上部電極1を構成する導電膜は、例えばアルミニウムのような光反射性の良好な材料を用いて構成することが好ましい。
When the
そして、特に本実施形態のマイクロマシン10においては、振動部13における、各支持部12との接合部付近の端部に、凸部15が設けられている。この凸部15は、振動部13を構成する帯状材部分を基板2と反対側に突出させてなる部分であり、振動部13を構成する帯状の幅方向にわたる状態で設けられていることとする。
In particular, in the
また、このマイクロマシン10が、例えば光変調素子を構成するものである場合、振動部13の上面が光反射面として用いられる。このため、上述した凸部15は、光変調素子としての機能に影響を及ぼすことのないように、その高さや大きさの範囲が設定されていることとする。
Further, when the
ところで、振動部13の端部にこのような凸部15を設けたことにより、振動部13の振動動作において凸部15がバネとして作用するようになる。このため、凸部15の形状は、後に述べるように、上述した高さや大きさの範囲内において適宜選択された形状で形成されることとする。
By the way, by providing such a
このような構成のマイクロマシン10は、電空間部Aによって絶縁された下部電極3と上部電極11との間に微小電圧を印加すると、図2の断面図に示すように、静電現象によって振動部13が下部電極3に向かって下降(接近)し、また電圧の印加を停止すると振動部13が上昇(離間)し、図1に示した元の状態に戻る。
When a micro voltage is applied between the
図3には、このようなマイクロマシン10を光変調素子として用いた回折格子ライトバルブの一構成例を示す。この図に示す回折格子ライトバルブ(いわゆるGrating Light Valve:GLV)30は、基板2上に、1本の下部電極3を跨ぐように6本の上部電極11が1組として配置されており、これらの上部電極11のうちの1つ置きに配置された3本の上部電極11が上述した上述した静電現象による昇降動作を行うものである。このような回折格子ライトバルブ30は、これを1画素として同一面上に配列形成し、レーザと組み合わせることにより、レーザーデジタルプロジェクターシステムを実現することができる。
FIG. 3 shows a configuration example of a diffraction grating light valve using such a
次に、上述した構成のマイクロマシンの製造手順を説明する。先ず、基板2上に下部電極3をパターン形成して層間絶縁膜4で覆い、次いでこの層間絶縁膜4上に下部電極3上を覆う形状の犠牲層パターン(図示省略)を形成する。この際、犠牲層パターンにおける両側端部に凸条を設ける。次に、犠牲層パターンを覆う状態で絶縁膜および光反射性の導電膜からなる積層膜を形成し、この積層膜をパターニングすることにより、犠牲層パターンを跨ぐ帯状の上部電極11を形成する。この際、犠牲層パターンの2本の凸条に交差させて、上部電極11を形成することにより、これらの凸条に位置する部分に凸部15が形成される。以上の後、層間絶縁膜4および上部電極11に対して選択的に犠牲層パターンを除去することにより、上部電極11と層間絶縁膜4との間に空間部Aを形成する。
Next, a manufacturing procedure of the micromachine having the above-described configuration will be described. First, the
以上説明した構成のマイクロマシン10によれば、帯状の振動部13の端部に帯状の幅方向にわたる凸部15を設けたことにより、支持部12に支持された振動部13が基板2側に対して接近、離間する振動動作を行う際に、この凸部15がバネとして作用する。これにより、振動部13を基板2側に向かって接近(下降)させる際には、帯状の振動部13が弾性変形して振動部13が下降し易くなり、振動部13を所定状態にまで下降させるために必要となる力が小さくなる。また、振動部13が弾性変形により基板2側に下降し易くなったことにより、振動部13が基板2側に下降した状態において振動部13と支持部12とに加わる力が削減され、振動部が不可逆的に変形することが防止される。しかも、凸部15で構成されるバネの弾性によって、基板2側に下降した状態の振動部13が元の位置に上昇するための張力が生じることにもなり、振動部13が元の位置に上昇し易くなる。
According to the
このため、凸部15の形状は、光変調素子としての機能に影響を及ぼすことのない範囲において、必要とされる張力および弾性が得られるように設定されることとする。図4には、図1(2)のB部の拡大断面図を示す。これらの図に示すように、例えば、凸部15の形状が頂部を有する場合、この頂部の内角θが小さいほど、すなわち図4(1)、図4(2)、図4(3)の順に、凸部15の張力および弾性が大きくなる。したがって、実施形態のマイクロマシン10においては、この内角θを適宜の角度に調整することにより、所望の張力と弾性を有する振動部を得ることが可能なのである。
For this reason, the shape of the
以上の結果、実施形態のマイクロマシン10によれば、振動部13を基板2側に下降させるために必要な力が小さくなりかつ振動部13が元の位置に上昇し易くなるため低消費電力での駆動が可能となり、かつ基板2側に下降した状態での振動部13の不可逆的な変形が防止されることから安定した駆動状態を保つことができ、信頼性および歩留まりの向上を図ることが可能になる。
As a result of the above, according to the
尚、上述した実施形態においては、振動部13における、各支持部12との接合部付近の端部に、凸部15を一箇所ずつ設けた構成を説明した。振動部13における、各支持部12との接合部付近の端部には、必要に応じて複数の凸部15を設けても良く、各端部に配置する凸部15の個数によっても、所望の張力と弾性を有する振動部を得ることが可能である。また、各凸部15の突出方向も、基板2と反対側に突出させた構成に限定されることはなく、基板2側に突出させた構成であっても良い。
In the above-described embodiment, the configuration in which the
さらに、本実施形態においては、支持部12の上端から振動部13を延設した一体形の上部電極11の構成を説明した。しかしながら、本発明のマイクロマシンは、支柱形状の支持部の上方に別体として振動部13を載置した構成であっても良く、同様の効果を得ることができる。さらに、上述した実施形態においては、振動部13の両端が支持部12によって支持されたいわゆる両持ち梁構造のマイクロマシンに本発明を適用した構成を説明した。しかしながら、本発明は、振動部の一端側のみが支持部によって支持された、いわゆる方持ち梁構造のマイクロマシンにも適用可能であり、同様の効果を得ることができる。
Furthermore, in the present embodiment, the configuration of the integrated
また、本発明のマイクロマシンは、図3を用いて説明したような回折格子ライトバルブとして機能するものに限定されることはなく、特定の周波数で振動部13を振動させる周波数フィルタとして機能させることもできる。この場合であっても、振動部13に凸部を設けたことにより、安定した駆動状態と低消費電力での駆動が可能となる。尚、この場合、振動部13における凸部15の大きさは、振動部13の表面側における反射を妨げない範囲に制限されることはない。また、上部電極11を構成する導電膜が、特に光反射性の良好な材料を用いる必要もない。
Further, the micromachine of the present invention is not limited to the one functioning as a diffraction grating light valve as described with reference to FIG. 3, and may function as a frequency filter that vibrates the
2…基板、3…下部電極、10…マイクロマシン、11…上部電極、12…支持部、13…振動部、15…凸部、A…空間部
DESCRIPTION OF
Claims (3)
前記振動部は、前記支持部との接合部付近の端部に、前記帯状の幅方向にわたって前記基板側およびこれとは逆側の少なくとも一方に突出する凸部が設けられている
ことを特徴とするマイクロマシン。 In a micromachine comprising a support portion erected on a substrate, and a belt-shaped vibration portion extending from the support portion above the substrate via a space portion,
The vibrating portion is provided with a protruding portion that protrudes at least one of the substrate side and the opposite side across the width direction of the belt at the end portion near the joint portion with the support portion. Micromachine to do.
前記支持部は、前記基板上に立設された支持部間に掛け渡されており、これらの各支持部との接合部付近の端部に前記凸部が設けられている
ことを特徴とするマイクロマシン。 The micromachine according to claim 1,
The support portion is spanned between support portions erected on the substrate, and the convex portion is provided at an end portion near a joint portion with each of the support portions. Micro machine.
前記振動部は、前記基板に設けられた下部電極を跨ぐ状態で設けられており、
前記振動部と前記支持部とで上部電極が構成されている
ことを特徴とするマイクロマシン。
The micromachine according to claim 1,
The vibrating portion is provided in a state straddling the lower electrode provided on the substrate,
An upper electrode is constituted by the vibration part and the support part.
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- 2003-10-17 JP JP2003357186A patent/JP2005118944A/en active Pending
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