JP2008166676A - 超低抵抗シリコンウエハーによる低駆動電圧微細スクラッチ駆動アクチュエータの開発 - Google Patents
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Abstract
【課題】 分圧理論に基づき、本発明は、基板として超低抵抗シリコンウエハーを用いて微細スクラッチ駆動アクチュエータ(SDA)の駆動電圧を下げる新しい方法を提案する。
【解決手段】 本発明では、同一レイアウト、同一製造プロセスを用いるが異なった抵抗の基板を用いて、２つのSDAアクチュエータを比較した。超低抵抗シリコンウエハー上に製造されたSDAは、わずか約4〜12 Vo-pという低い駆動電圧を実現した。しかし、通常のシリコンウエハーを用いた従来のSDAは、より高い駆動電圧(30〜75 Vo-p)を必要とし、このため実用化への可能性は低い。これに対して、本発明は、従来のマスクアライナに固有の線幅限界２μmを4360Åの紫外線光源(ｇ線)を用いて克服し、また、さらにSDAの駆動電圧を下げるための新しいSDAプロセスを提供する。
【選択図】 図２
【解決手段】 本発明では、同一レイアウト、同一製造プロセスを用いるが異なった抵抗の基板を用いて、２つのSDAアクチュエータを比較した。超低抵抗シリコンウエハー上に製造されたSDAは、わずか約4〜12 Vo-pという低い駆動電圧を実現した。しかし、通常のシリコンウエハーを用いた従来のSDAは、より高い駆動電圧(30〜75 Vo-p)を必要とし、このため実用化への可能性は低い。これに対して、本発明は、従来のマスクアライナに固有の線幅限界２μmを4360Åの紫外線光源(ｇ線)を用いて克服し、また、さらにSDAの駆動電圧を下げるための新しいSDAプロセスを提供する。
【選択図】 図２
Description
本発明は、微細スクラッチ駆動アクチュエータの駆動電圧を下げるための２つの方法を提案する。すなわち、超低抵抗シリコンウエハーをSDA基板として使用することと、SDAのブッシングおよびサポートビームの線幅を小さくすることである。本発明に採用した主要技術は、微小電気機械システム（MEMS）のポリシリコンベースの表面の微細加工プロセスであり、同プロセスは、バッチ製造、低コストおよび集積回路技術との高い互換性という利点を有する。
小型化技術の開発と応用は、近代科学の主要トレンドである。特に、集積回路(IC)と微小電気機械システム(MEMS)は、近年、ミクロの世界の基本的な方法である。世界最小の微小ファン装置は2mm×2mmの寸法（付属書1に示すように）を有し、自己組織化微小ブレードと微小スクラッチ駆動アクチュエータ(SDAs)により構成されている。SDA駆動微小ファンは、付属書2に示すように、ポリシリコンベース表面微細加工技術(マルチユーザーMEMSプロセス、MUMPs)を用いて製造される。組み込まれた微小モータチップを付属書3に示す。
SDA装置の多くの研究や応用例が以前の先行文献に報告されている。例えば、Terunobu Akiyamaと共同研究者は、ポシリコンの微小スライダ、微小モータおよびX/Yステージにおいて静電制御逐次動作(すなわち、スクラッチ駆動アクチュエータ)を最初に提案した。彼らの実験結果が示すように、微細構造の速度は、印加されたパルス周波数の関数であり、ステップ長は、印加されたパルスのピーク値とSDA板の長さとの関数である。
上記研究者は、さらに、三次元シリコン微細構造を実現するための新規な形状補正技術（reshaping technology）を提供する。
上記研究者は、さらに、三次元シリコン微細構造を実現するための新規な形状補正技術（reshaping technology）を提供する。
一方、Ryan J. LindermanとVictor M. Brightは、半田を用いた自己組織化及びSDA技術を用いた新規なMEMSに基づく微小回転ファンを提供する。これらの論文は、静電駆動されるMEMS回転ファンを提示するものであり、同MEMS回転ファンは、モータ基板をバルクエッチングすることによって寸法を更に小さくできる。即ち、モータとファン羽根列を支持する薄肉構造層のみを残すことができる。SDA技術の設計において、構造ポリシリコン層、ブッシング、誘電層及び支持ビームの寸法が重要となる。この微小ファン設計において採用される最適寸法に関して、SDA板７８mmの長さと６５mmとの幅を有し、ブッシングは１．５mmの高さを有し、１．５mmの厚みの支持ビームは４mmの幅と３０mmの長さを有する。
R. J. Linderman、 P. E. Kladitis およびV. M. Bright、 「微小回転ファンの開発」、 センサーとアクチュエータ、 ９５巻、２００２、１３５〜１４２ページ
R. J. Linderman、 P. E. Kladitis およびV. M. Bright、 「微小回転ファンの開発」、 センサーとアクチュエータ、 ９５巻、２００２、１３５〜１４２ページ
本発明は、基板として超低抵抗シリコンウエハーを用いて微細スクラッチ駆動アクチュエータ(SDA)の駆動電圧を下げる新しい方法を提案する。
本発明は、以下の構成を有する。
（１）以下を具備する微小スクラッチ駆動アクチュエータの駆動電圧を低減するための斬新な構造。
a. SDA装置の新規基板として超低抵抗シリコンウエハーを採用すること、及び
b.従来のｇ線マスクアライナに固有の線幅限界２μmを克服するため、通常のSDAプロセスに追加蒸着プロセスを追加すること。
（２）以下を具備する微小スクラッチ駆動アクチュエータの駆動電圧を低減するための斬新なプロセス。
a. SDA装置の新規基板として超低抵抗シリコンウエハーを採用すること、及び
b.従来のｇ線マスクアライナに固有の線幅限界２μmを克服するため、通常のSDAプロセスに追加蒸着プロセスを追加すること。
（３）以下を具備する微小スクラッチ駆動アクチュエータの斬新なレイアウト。
a.エッチング孔を具備する三角形のSDA板、エッチング孔を具備する矩形のSDA板及びエッチング孔を具備する六角形のSDA板を含む少なくとも３つの形状を有するSDA板であって、従来のSDA板のレイアウトにエッチング孔を設けることによってレリースが促進され前記SDA板の前部にたくわえられた残留電荷を低減できるSDA板と、
b.それぞれ５８ｍｍ/６０ｍｍ、６８ｍｍ/６０ｍｍ、７８ｍｍ/６０ｍｍ、７８ｍｍ/６５ｍｍに設計された４つの長さ/幅比。
（４）抵抗を０．００１から０．００４Ω−ｃｍの範囲の値に設定したことを特徴とする請求項１又は２記載の超低抵抗シリコンウエハー。
（５）請求項１、２又は３記載の新規構造、プロセス及びレイアウト設計であって、前記SDA微小回転モータの開発に用いる新規構造、プロセス及びレイアウト設計。
（６）請求項１，２又は３記載の新規構造、プロセス及びレイアウト設計であって、前記SDA系微小ファンの開発に用いる新規構造、プロセス及びレイアウト設計。
（７）請求項１，２又は３記載の新規構造、プロセス及びレイアウト設計であって、微小熱モジュール/システムの開発に用いる新規構造、プロセス及びレイアウト設計。
（８）請求項１、２又は３記載の新規構造、プロセス及びレイアウト設計であって、微小装置/構造の開発に用いる新規構造、プロセス及びレイアウト設計。
（９）請求項１、２又は３記載の新規構造、プロセス及びレイアウト設計であって、微小流体システムの開発に用いる新規構造、プロセス及びレイアウト設計。
（１０）請求項１、２又は３記載の新規構造、プロセス及びレイアウト設計であって、光学/遠距離通信微小スイッチの開発に用いる新規構造、プロセス及びレイアウト設計。
（１）以下を具備する微小スクラッチ駆動アクチュエータの駆動電圧を低減するための斬新な構造。
a. SDA装置の新規基板として超低抵抗シリコンウエハーを採用すること、及び
b.従来のｇ線マスクアライナに固有の線幅限界２μmを克服するため、通常のSDAプロセスに追加蒸着プロセスを追加すること。
（２）以下を具備する微小スクラッチ駆動アクチュエータの駆動電圧を低減するための斬新なプロセス。
a. SDA装置の新規基板として超低抵抗シリコンウエハーを採用すること、及び
b.従来のｇ線マスクアライナに固有の線幅限界２μmを克服するため、通常のSDAプロセスに追加蒸着プロセスを追加すること。
（３）以下を具備する微小スクラッチ駆動アクチュエータの斬新なレイアウト。
a.エッチング孔を具備する三角形のSDA板、エッチング孔を具備する矩形のSDA板及びエッチング孔を具備する六角形のSDA板を含む少なくとも３つの形状を有するSDA板であって、従来のSDA板のレイアウトにエッチング孔を設けることによってレリースが促進され前記SDA板の前部にたくわえられた残留電荷を低減できるSDA板と、
b.それぞれ５８ｍｍ/６０ｍｍ、６８ｍｍ/６０ｍｍ、７８ｍｍ/６０ｍｍ、７８ｍｍ/６５ｍｍに設計された４つの長さ/幅比。
（４）抵抗を０．００１から０．００４Ω−ｃｍの範囲の値に設定したことを特徴とする請求項１又は２記載の超低抵抗シリコンウエハー。
（５）請求項１、２又は３記載の新規構造、プロセス及びレイアウト設計であって、前記SDA微小回転モータの開発に用いる新規構造、プロセス及びレイアウト設計。
（６）請求項１，２又は３記載の新規構造、プロセス及びレイアウト設計であって、前記SDA系微小ファンの開発に用いる新規構造、プロセス及びレイアウト設計。
（７）請求項１，２又は３記載の新規構造、プロセス及びレイアウト設計であって、微小熱モジュール/システムの開発に用いる新規構造、プロセス及びレイアウト設計。
（８）請求項１、２又は３記載の新規構造、プロセス及びレイアウト設計であって、微小装置/構造の開発に用いる新規構造、プロセス及びレイアウト設計。
（９）請求項１、２又は３記載の新規構造、プロセス及びレイアウト設計であって、微小流体システムの開発に用いる新規構造、プロセス及びレイアウト設計。
（１０）請求項１、２又は３記載の新規構造、プロセス及びレイアウト設計であって、光学/遠距離通信微小スイッチの開発に用いる新規構造、プロセス及びレイアウト設計。
SDA微小回転モータは１０年以上前から開発されている。しかし、このようなSDA微小回転モータの実用化は、その高い駆動電圧に起因して限られたものであった。この欠点を解決するため、本発明は、SDA基板として超低抵抗シリコンウエハーを用いることによって低駆動電圧微小SDAを開発すると共に、SDAのブッシングと支持ビームの線幅を低減することを目的とする。
図１は、SDAの基本的な動作メカニズムを例示する。Bright とLindermanとVictor M.の開示によれば、一連のステップからなる運動は、SDA板（１０）の自由端に電圧を印加してスナップと共に静電負荷を与え、SDA板（１０）を窒化物誘電層（１２）にステップによって接触させることによって始まる。電力が初期電圧まで増加すると、板片は、自由端での傾斜がゼロになるように十分に平坦化されるまで撓む。最後に、印加した電力が除去されると、支持ビームとブッシング(１１)に貯えられていた歪エネルギが、SDA板（１０）を前方に引き、ステップは終了する。この一連のステップからなる運動は、空気雰囲気中で、約１５kHzまでの周波数で繰り返される。
図２は本発明の設計に係る３Ｄ構造及びレイアウトを示す。微小SDAの駆動電圧を改善するため、本発明はSDA板のレイアウト設計にエッチング孔を設けるようにしている。エッチング孔をSDA板に設けることによって、構造層の除去が加速され、SDAの自由端に貯えられた残留電荷を低減できる。本発明の斬新な設計によって、SDA装置の長寿命化及び低電圧化を達成することができる。
図３は、本発明によって採用されたSDAの新規な基板及びプロセスを示す。ここでは、SDA装置の新規基板として、超低抵抗シリコンウエハー（０．００１〜０．００４Ω−ｃｍ）を用い、０．２５ｍｍ厚の捨て層のプロセスを追加することによって、２ｍｍから１．５ｍｍの範囲で変化するSDAのブッシングと支持ビームの線幅を低減することにしている。
分圧理論に基づいて、本発明は、基板として超低抵抗シリコンウエハーを用いて微細スクラッチ駆動アクチュエータ(SDA)の駆動電圧を下げる新しい方法を提案する。本発明は、また、従来のマスクアライナに固有の線幅限界２μmを4360Åの紫外線光源(ｇ線)を用いて克服し、また、さらにSDAの駆動電圧を下げるための新しいSDAプロセスを提供する。
本発明では、同一レイアウト、同一製造プロセスを用いるが異なった抵抗の基板を用いて、２つのSDAアクチュエータを比較した。低抵抗シリコンウエハー上の単一板SDAは、わずか約４〜１２Ｖｏ−ｐという低い駆動電圧を実現した。しかし、通常のシリコンウエハー（２０Ω−ｃｍ）を用いた従来のSDAは、より高い駆動電圧(３０〜７５Ｖｏ−ｐ)を必要とし、このため実用化の可能性は低い。
SDA装置は、その高駆動電圧に起因して実用化が制限されていた。この欠点を解決するため、本発明は、SDA基板として超低抵抗シリコンウエハーを用いることによって低駆動電圧微小SDAを開発すると共に、SDAのブッシングと支持ビームの線幅を低減することを目的とする。
本発明に係る新規なレイアウト及びプロセス設計を図２及び図３に示す。これらのレイアウト及びプロセス設計によって、SDA装置の駆動電圧を効果的に低減できる。この斬新な設計によって、SDA装置の長寿命化及び低電圧化を達成することができる。
図２は、本発明によって設計された三次元（３Ｄ）SDA構造およびレイアウトを示す。微小SDAの駆動電圧を改善するため、本発明はSDA板のレイアウト設計にエッチング孔を設けるようにしている。一方、静止摩擦効果を低減するため、図２に示すように、本発明では、多くの微小ディンプル（微小くぼみ）が設けられている。
図３は、本発明によって採用されたSDAの新規な基板及びプロセスを示す。ここでは、SDA装置の新規基板として、超低抵抗シリコンウエハー（０．００１〜０．００４Ω−ｃｍ）を用い、０．２５ｍｍ厚の捨て層のプロセスを追加することによって、２ｍｍから１．５ｍｍの範囲で変化するSDAのブッシングと支持ビームの線幅を低減することにしている。処理ステップを実行するためには５つのフォトマスクを必要とし、本発明で用いる主な製造技術は、ポリシリコン系表面微細加工技術である。
主な処理ステップは以下の通りである。
（a）RIE（Reactive ion etching）によって、６００nm厚みの低抵抗窒化シリコン絶縁層（２１）を超低抵抗シリコン基板上に形成する。
（b）プラズマ助長化学蒸着(PECVD)によって、１．５mm厚みのPSG捨て層（２３）を絶縁層（２１）上に形成する。反応イオンエッチング（RIE）によって、アンカー（２２）、ディンプル(２４)及びブッシングの部分をパターニングによって形成する。
（c）PECVDによって、０．２５mm厚みの第２PSG捨て層（２６）を形成し、ブッシングの幅を２mmから１．５mmに修正する。
（d）第３のフォトリソグラフィプロセスを行った後、誘導ー結合プラズマ（ICP）エッチングシステムによって、第２PSG捨て層（２６）をパターン化する。
（e） 低圧化学蒸着(PECVD)によって、２mm厚みのポリシリコン構造層(３０)を第２PSG捨て層（２６）上に形成する。その後、水平炉内でPOCAL拡散及び応力なましプロセスを行う。
（f）第４のフォトリソグラフィプロセスを行った後、誘導−結合プラズマ（ICP）エッチングシステムによって、２mm厚みのポリシリコン構造層(３０)をパターン化する。
(g) ウエハー上に１００nm/３０nm厚みのAu/Crマルチ金属層を、電子ビーム蒸発システムによって形成する。第５のフォトリソグラフィプロセス及びウエットエッチングプロセスを用いて、上部及び底部電極（４２）をパターン化する。
(h) PSG捨て層（２３，２６）をウエットエッチングプロセスでエッチングし、SDA装置ポリシリコン構造層(３０)をリリース(release)する。
主な処理ステップは以下の通りである。
（a）RIE（Reactive ion etching）によって、６００nm厚みの低抵抗窒化シリコン絶縁層（２１）を超低抵抗シリコン基板上に形成する。
（b）プラズマ助長化学蒸着(PECVD)によって、１．５mm厚みのPSG捨て層（２３）を絶縁層（２１）上に形成する。反応イオンエッチング（RIE）によって、アンカー（２２）、ディンプル(２４)及びブッシングの部分をパターニングによって形成する。
（c）PECVDによって、０．２５mm厚みの第２PSG捨て層（２６）を形成し、ブッシングの幅を２mmから１．５mmに修正する。
（d）第３のフォトリソグラフィプロセスを行った後、誘導ー結合プラズマ（ICP）エッチングシステムによって、第２PSG捨て層（２６）をパターン化する。
（e） 低圧化学蒸着(PECVD)によって、２mm厚みのポリシリコン構造層(３０)を第２PSG捨て層（２６）上に形成する。その後、水平炉内でPOCAL拡散及び応力なましプロセスを行う。
（f）第４のフォトリソグラフィプロセスを行った後、誘導−結合プラズマ（ICP）エッチングシステムによって、２mm厚みのポリシリコン構造層(３０)をパターン化する。
(g) ウエハー上に１００nm/３０nm厚みのAu/Crマルチ金属層を、電子ビーム蒸発システムによって形成する。第５のフォトリソグラフィプロセス及びウエットエッチングプロセスを用いて、上部及び底部電極（４２）をパターン化する。
(h) PSG捨て層（２３，２６）をウエットエッチングプロセスでエッチングし、SDA装置ポリシリコン構造層(３０)をリリース(release)する。
図４は、エッチング孔とディンプルを設けた自由支持状態に装着されたSDA装置の電子走査顕微鏡（SEM）写真を示す。これらの写真は、応力が十分に制御されたポリシリコン構造層を示す。微小SDAの完全なレイアウト設計は、５つのフォトマスクを必要とし、本発明で用いる主な製造技術は、ポリシリコン系表面微細加工技術である。
図５に示すように、超低抵抗シリコン基板（０．０１Ω-cm）を用いた本発明の駆動電圧は、SDA基板として用いられる通常のシリコンウエハー（１０Ω-cm）を用いた前述の検討における駆動電圧よりはるかに低い。
SDA基板の最適の幾何学的パラミータを求めるため、本発明は、三つの異なった形状及び４つの異なった長さ/幅比を有するSDA板について、駆動電圧の影響を比較した。テストの結果、図６に示すように、三角形の板は、矩形の板よりも高い駆動電圧を示した。エッチング孔を設けたSDA板は構造層のレリースを促進し貯えられた電荷を低減できるが、SDA微小回転モータの駆動電圧をわずかに増大する。SDA板の最適寸法が図６に明示されている。長さ/幅比が７８/６５と等しくなると、最小駆動電圧を得ることができる。
１０：SDA板
１１：ブッシング
１２：絶縁層
１３：シリコン基板
２０：超低抵抗シリコン基板
２１：絶縁層
２２：アンカー部
２３：第１低ストレス捨て層
２４：２mm幅ディンプル部分
２５：２mm幅ブッシング部分
２６：第２低ストレス捨て層
３０：構造層
３１：１．５mm幅ディンプル
３２：１．５mm幅ブッシング
４１：上部電極
４２：底部電極
１１：ブッシング
１２：絶縁層
１３：シリコン基板
２０：超低抵抗シリコン基板
２１：絶縁層
２２：アンカー部
２３：第１低ストレス捨て層
２４：２mm幅ディンプル部分
２５：２mm幅ブッシング部分
２６：第２低ストレス捨て層
３０：構造層
３１：１．５mm幅ディンプル
３２：１．５mm幅ブッシング
４１：上部電極
４２：底部電極
Claims (10)
- 以下を具備する微小スクラッチ駆動アクチュエータの駆動電圧を低減するための斬新な構造。
a. SDA装置の新規基板として超低抵抗シリコンウエハーを採用すること、及び
b.従来のｇ線マスクアライナに固有の線幅限界２μｍを克服するため、通常のSDAプロセスに追加蒸着プロセスを追加すること。 - 以下を具備する微小スクラッチ駆動アクチュエータの駆動電圧を低減するための斬新なプロセス。
a. SDA装置の新規基板として超低抵抗シリコンウエハーを採用すること、及び
b.従来のｇ線マスクアライナに固有の線幅限界２μmを克服するため、通常のSDAプロセスに追加蒸着プロセスを追加すること。 - 以下を具備する微小スクラッチ駆動アクチュエータの斬新なレイアウト。
a.エッチング孔を具備する三角形のSDA板、エッチング孔を具備する矩形のSDA板及びエッチング孔を具備する六角形のSDA板を含む少なくとも３つの形状を有するSDA板であって、従来のSDA板のレイアウトにエッチング孔を設けることによってレリースが促進され前記SDA板の前部にたくわえられた残留電荷を低減できるSDA板と、
b.それぞれ５８ｍｍ/６０ｍｍ、６８ｍｍ/６０ｍｍ、７８ｍｍ/６０ｍｍ、７８ｍｍ/６５ｍｍに設計された４つの長さ/幅比。 - 抵抗を０．００１から０．００４Ω−ｃｍの範囲の値に設定したことを特徴とする請求項１又は２記載の超低抵抗シリコンウエハー。
- 請求項１、２又は３記載の新規構造、プロセス及びレイアウト設計であって、前記SDA微小回転モータの開発に用いる新規構造、プロセス及びレイアウト設計。
- 請求項１，２又は３記載の新規構造、プロセス及びレイアウト設計であって、前記SDA系微小ファンの開発に用いる新規構造、プロセス及びレイアウト設計。
- 請求項１，２又は３記載の新規構造、プロセス及びレイアウト設計であって、微小熱モジュール/システムの開発に用いる新規構造、プロセス及びレイアウト設計。
- 請求項１、２又は３記載の新規構造、プロセス及びレイアウト設計であって、微小装置/構造の開発に用いる新規構造、プロセス及びレイアウト設計。
- 請求項１、２又は３記載の新規構造、プロセス及びレイアウト設計であって、微小流体システムの開発に用いる新規構造、プロセス及びレイアウト設計。
- 請求項１、２又は３記載の新規構造、プロセス及びレイアウト設計であって、光学/遠距離通信微小スイッチの開発に用いる新規構造、プロセス及びレイアウト設計。
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