JP3705068B2 - 半導体装置及びこれを用いた半導体マイクロアクチュエータ及び半導体マイクロバルブ及び半導体マイクロリレー - Google Patents
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Description
【０００１】
【発明の属する技術分野】
本発明は、半導体基板と、半導体基板から切り離され温度変化により変位する可撓領域と、両者の間に設けられた熱絶縁領域から構成される半導体装置及びこれを用いた半導体マイクロアクチュエータ及び半導体マイクロバルブ及び半導体マイクロリレーに関するものである。
【０００２】
【従来の技術】
半導体基板と、半導体基板から切り離され温度変化により変位する可撓領域と、両者の間に設けられた熱絶縁領域から構成される半導体装置を用いたものとして、異なった熱膨張係数を有する少なくとも２つの材料を組み合わせ（バイメタル構造）、その部分を加熱し熱膨張係数の差を利用して変位を得る半導体マイクロアクチュエータがある。この半導体マイクロアクチュエータについては、特表平４−５０６３９２号「半導体マイクロアクチュエータ」に開示されている。
【０００３】
特表平４−５０６３９２号に記載されている半導体マイクロアクチュエータは、図５３の上面図、図５４の断面図に示すとおりであり、シリコンのダイアフラム３００の一部にアルミニウム薄膜３０４が形成されたバイメタル構造になっている可撓領域を有している。シリコンからなるダイアフラム３００中に形成されたヒータ３０１に電流を流すと発熱し、ダイアフラム３００の温度が上昇する。ここで、シリコンとアルミニウムは熱膨張係数が大きく異なるため、熱応力が発生しダイアフラム３００を撓ませ、ダイアフラム３００に連設された可動部３０５の変位を生じる機構となっている。また、効率的な変位を得るために、ダイアフラム３００の周辺と半導体基板であるシリコン枠３０２の間に二酸化ケイ素薄膜のヒンジ３０３を設け、ダイアフラム３００で発生した熱がシリコン枠３０２に逃げることを防ぐ構造となっている。
【０００４】
しかし、このような構造をもつ半導体マイクロアクチュエータにおいては以下のような問題点がある。まず、二酸化ケイ素薄膜のヒンジ構造の熱絶縁効果について考察する。一般に、高温部分から低温部分へ逃げる熱量Ｑは
Ｑ（Ｗ）＝−λ（（ｔ２−ｔ１）／δ）Ａ （式Ｘ）となる。
ここで、Ｑ；熱量（熱移動の速さ）
ｔ２−ｔ１；温度差（℃）
δ；熱源からの距離（ｃｍ）
Ａ；熱流の向きに垂直な断面（ｃｍ２）
λ；熱伝導率（Ｊ／ｃｍ・ｓ・℃）
で与えられる。
【０００５】
そこで、この関係式を用いてダイアフラム３００からシリコン枠３０２へ逃げる熱量を計算する。ダイアフラム３００とシリコン枠３０２の温度差を１５０℃、ヒンジ３０３の横幅を３０μｍ、ダイアフラム３００の直径を２．５ｍｍ、ヒンジ３０３の厚みを２μｍ（「Electrically‐Activated，Micromachined Diaphram Valves」 Technical Digest IEEE Solid−State Sensor and Actuator Workshop，pp65−69，June1990より推定）とすると、熱流の向きに垂直な断面Ａ１は、
Ａ１＝２．５ｍｍ×π×２μｍ＝０．２５ｃｍ×π×２×１０−４ｃｍ＝１．５７×１０−４ｃｍ２
となり、二酸化ケイ素の熱伝導率λ＝０．０８４（Ｗ／ｃｍ・℃）であるから、逃げる熱量Ｑ１は、
Ｑ１＝０．０８４（Ｗ／ｃｍ・℃）×１５０℃／（３０×１０−４ｃｍ）×１．５７×１０−４ｃｍ２＝０．６６Ｗ＝６６０ｍＷ
となる。次に二酸化ケイ素のヒンジ構造を設けなかった場合を計算する。シリコンのダイアフラム３００の厚みを１０μｍとし、熱流の向きに垂直な断面Ａ２を計算すると、
Ａ２＝２．５ｍｍ×π×１０μｍ＝０．２５ｃｍ×π×１０×１０−４ｃｍ＝７．８５×１０−４ｃｍ２
となり、シリコンの熱伝導率λ＝１．４８（Ｗ／ｃｍ・℃）であるから、逃げる熱量Ｑ２は、
Ｑ２＝１．４８（Ｗ／ｃｍ・℃）×１５０℃／（３０×１０−４ｃｍ）×７．８５×１０−４ｃｍ２＝５８Ｗ
となる。そこで、二酸化ケイ素薄膜のヒンジ３０３を設けることにより約９０倍の熱絶縁効果が得られたことになる。このように特表平４−５０６３９２号に記載されている半導体マイクロアクチュエータは、従来の構造のものよりも熱効率の良い構造となっている。しかし、現状の使用用途を考えた場合には熱損失の更なる低減が望まれている。具体的には、この熱の逃げ（熱損失）はダイアフラム３００を所定の温度（例えば１５０℃）に維持するために常時供給される電力（消費電力）と考えられる。
【０００６】
そこで、特表平４−５０６３９２号に記載されている半導体マイクロアクチュエータの消費電力は数百ｍＷ（計算では６６０ｍＷ）と推定できるわけであるが、小型で携帯できる電池駆動用途の場合を考えた場合には百ｍＷ以下であることが望ましい。
【０００７】
また、特表平４−５０６３９２号記載の半導体マイクロアクチュエータは、二酸化ケイ素薄膜がヒンジ３０３の部分は、厚さ２μｍと厚くなっている。このヒンジ３０３の二酸化ケイ素薄膜の厚みを決める要因については、明細書中に明確に記載されていない。しかし、特表平４−５０６３９２号記載の半導体マイクロアクチュエータがマイクロバルブ等に使用された場合には、可動エレメントに加えられた圧力がこのヒンジ３０３に集中することが予想され、この圧力に対し破壊しない程度の膜厚が必要となる。ところが、ヒンジ３０３の膜厚を増すと上記熱の逃げの計算式（式Ｘ）に示されるように熱絶縁効果が低下する。そこで、ある程度の強度をもち、かつ熱絶縁効果を有する二酸化ケイ素薄膜の膜厚として２μｍが決定されたものと推定できる。
【０００８】
ところで、特表平４−５０６３９２号記載の半導体マイクロアクチュエータは、明細書にも記載のごとくシリコンからなるダイアフラム３００とアルミニウム薄膜３０４により構成されたバイメタルにより可動する構造となっているが、ダイアフラム３００とアルミニウム薄膜３０４の間には電気的絶縁を得るために二酸化ケイ素薄膜３０６が挿入されている。
【０００９】
半導体製造プロセスでは、この二酸化ケイ素薄膜３０６とヒンジ３０３の二酸化ケイ素薄膜は同時に形成され、これらの膜厚は同じであることが望ましい。しかし、ダイアフラム３００とアルミニウム薄膜３０４の間に挿入された二酸化ケイ素薄膜３０６の膜厚が２μｍと厚くなった場合には、駆動源となるバイメタル特性を劣化させることが予想できる。文献（「Electrically‐Activated，Micromachined Diaphram Valves」Technical Digest IEEE Solid−State Sensor and Actuator Workshop，pp65−69，June1990）に記載されている例においてはアルミニウム薄膜３０４の膜厚５〜６μｍとなっており、膜厚２μｍの二酸化ケイ素薄膜３０６がダイアフラム３００とアルミニウム薄膜３０４の間に挿入されれば、加熱時のダイアフラム３００の撓みを阻害する要因となることは容易に推定できる。
【００１０】
また半導体製造プロセスでは、二酸化ケイ素の薄膜は通常１０００℃程度の高温で形成されるため、シリコンと二酸化ケイ素の熱膨張係数を考慮するとシリコンのダイアフラム３００−二酸化ケイ素薄膜３０６間でかなりの内部応力が発生するものと考えられる。この内部応力は二酸化ケイ素薄膜３０６の厚みが増すにつれ大きくなり、バイメタル特性を低下させる要因となるのである。以上のような点から考えて、ダイアフラム３００−アルミニウム薄膜３０４間の二酸化ケイ素薄膜３０６はできるだけ薄く（２×１０−８ｍ（２００Å））、またヒンジ３０３の二酸化ケイ素の膜はある程度厚く（２μｍ）しなければならない。しかし、このような二酸化ケイ素の薄膜構造を形成するためには、非常に複雑な半導体製造プロセスが必要となる。この製造プロセスについては、特表平４−５０６３９２号の明細書では言及されていない。
【００１１】
またこの改善策として米国特許Ｎｏ．5,271,597に他のヒンジ構造が開示されている。これは上記のような二酸化ケイ素の薄膜構造ではなく、ヒンジ部分の二酸化ケイ素とダイアフラム−アルミニウム薄膜間の二酸化ケイ素薄膜は同一膜厚となっている。この方法はヒンジ部分の二酸化ケイ素薄膜を薄くし、それにより生じるヒンジ部の強度低下を補うために、ヒンジ以外にダイアフラムとシリコン枠の結合をダイアフラムの一部のシリコンを用いているので熱絶縁効果が低下し、半導体マイクロアクチュエータの消費電力を小さくする構造になっていない。このように半導体マイクロアクチュエータにおける熱絶縁構造においては、まだ多くの問題点が残されている。
【００１２】
また、半導体マイクロバルブの従来例として、特開平５−１８７５７４号に記載されている超小型バルブがある。この超小型バルブにおいても異なった熱膨張係数を有する少なくとも２つの材料を組み合わせ、その部分を加熱し熱膨張係数の差を利用して変位を得る半導体マイクロアクチュエータが使用されている。このマイクロアクチュエータの熱絶縁構造はトーション・バー式サスペンションを設けることにより行われている。この構造は、熱流に垂直な断面の減少と熱流が通過する経路長の増加の双方により、シリコン枠への熱損失を最小化するものとなっている。しかし、このトーション・バー式サスペンション構造がシリコンにより形成されているため、熱の逃げの計算において考察したように、熱絶縁効果が十分に得られないと考えられる。
【００１３】
これは、文献「SILICON MICROVALVES FOR GAS FLOW CONTROL」The 8th International Conference on Solid-State Sensor and Actuators,Stockholm,Sweden,1995,p276-279に記載されているマイクロバルブ性能比較表より推定できる。この文献には、特表平４−５０６３９２号に開示の「半導体マイクロアクチュエータ」に係わるマイクロバルブと、特開平５−１８７５７４号に開示の「超小型バルブ」に係わるバイクロバルブの比較がなされており、後者は前者に比べて耐圧が６倍、流量範囲が１０倍であるが、消費電力は約２倍、熱抵抗で約１／３となっている。
【００１４】
このように特開平５−１８７５７４号に記載されている超小型バルブは、シリコンにより形成されたトーション・バー式サスペンション構造により大きな力を発生できる構造となっているが、消費電力が大きくなってしまう。
【００１５】
さらに、半導体マイクロリレーの従来例として、特開平６−３３８２４４号や特開平７−１４４８３号に開示されたものがある。これらに示された半導体マイクロリレーを図面を参照して説明する。
【００１６】
図５５は従来の半導体マイクロリレーの構成を示した断面図である。図５５に示すように、第１の熱膨張係数を有し、一方端が移動可能なように他端が支持されたシリコン単結晶基板３１２からなるカンチレバー梁３１３を有している。このカンチレバー梁３１３の裏面側には導電層３１５を介して、第１の熱膨張係数よりも大きい第２の熱膨張係数を有する金属層３１６を有している。このカンチレバー梁３１３の主表面には、一方端側に酸化膜３１４を介して接点回路３１７が設けられている。また、カンチレバー梁３１３の主表面の略全面には、酸化膜３１４を介してヒータ回路３１８が設けられている。
【００１７】
一方、接点回路３１７の上方には、所定の空間を介在して対面する位置に導電層３１９を対向表面に有する対向接点部３２０が設けられている。ヒータ回路３１８に電流を流すことによりヒータ回路３１８を加熱する。これにより、カンチレバー梁３１３と金属層３１６からなる可撓領域とが加熱される。このとき、金属層３１６の方の熱膨張率が大きくなるように設定していることにより、カンチレバー梁３１３と金属層３１６は上方に変位する。従って、カンチレバー梁３１３の一方端に設けられた接点回路３１７が対向接点部３２０に押し付けられ導通状態となる。このようなバイメタル駆動のリレーは従来の静電駆動型リレーに比べ、接点間隔を大きくすることができ、且つ接点荷重を大きくすることができる。このため、接触抵抗が小さく、溶着などの少ない信頼性のよいリレーを実現できる。
【００１８】
しかし、従来の半導体マイクロリレーにおいても、次のような問題点がある。リレーの駆動には、カンチレバー梁３１３の主表面に設けられたヒータ回路３１８に電流を流しカンチレバー梁３１３と金属層３１６とを加熱することが必要である。ところが、カンチレバー梁３１３を構成するシリコン単結晶は熱伝導が非常によい材料であり、またカンチレバー梁３１３の他方端はシリコン単結晶基板３１２と繋がっており、カンチレバー梁３１３からシリコン単結晶基板３１２への熱の逃げが大きく、少ない消費電力でカンチレバー梁３１３の温度を上昇させることが非常に困難となる。
【００１９】
ここで、図５６に熱伝導のモデルを示す。破線はカンチレバー梁３１３の断面と仮定する。このモデルを用いてシリコン単結晶基板３１２への熱の逃げ（矢印方向）を概算すると以下のようになる。まず、カンチレバー梁３１３のサイズを１．５ｍｍ×１．５ｍｍ、厚さを１０μｍとすると、熱流の向きに垂直な断面Ａ３は、
Ａ３＝１０μｍ（厚さ）×１５００μｍ（幅）＝１．５０×１０−４ｃｍ２
となる。シリコンの熱伝導率λはλ＝１．４８Ｗ／ｃｍ・℃であり、例えば加熱時のカンチレバー梁３１３の温度を２５０℃とすると、シリコン単結晶基板３１２に逃げる熱量Ｑ３は、上記式Ｘを用いて、
Ｑ３＝１．４８（Ｗ／ｃｍ・℃）×（２５０（℃）／２８０×１０−４（ｃｍ））×１．５０×１０−４（ｃｍ２）＝１．９８（Ｗ）
となる。つまり、従来の半導体マイクロリレーでは導通状態を維持するために、概算で２Ｗ程度の電力を常時供給しなければならない。これは、数十ｍＷで駆動できるメカ式リレーと比べると非常に大きな値であり、実用化においては低消費電力化が大きな課題となっている。
【００２０】
【発明が解決しようとする課題】
上述したように、従来の半導体装置を用いた半導体マイクロアクチュエータ、半導体マイクロバルブ、半導体マイクロリレーは、大きな消費電力を必要とするものであるため、電池で駆動することが困難となり、それらの小型化や携帯しての使用ができなくなってしまう。
【００２１】
本発明は上記事由に鑑みて為されたものであり、その目的は消費電力が小さく、かつ製造プロセスが簡単な半導体装置及びこれを用いた半導体マイクロアクチュエータ及び半導体マイクロバルブ及び半導体マイクロリレー を提供することにある。
【００２２】
【課題を解決するための手段】
上記課題を解決するために、請求項１の発明は、半導体基板と、温度変化により前記半導体基板に対して変位する可撓領域と、前記半導体基板と前記可撓領域との間に設けられ前記半導体基板と前記可撓領域を連結する樹脂製の熱絶縁領域とから構成され、前記半導体基板および前記可撓領域の前記熱絶縁領域に接する部分が、前記半導体基板と前記可撓領域の連結方向に櫛刃を形成する形状になるとともに、前記半導体基板と前記可撓領域との各櫛刃形状が前記熱絶縁領域を介して互いに噛み合っていることを特徴としており、樹脂製の熱絶縁領域を半導体基板と可撓領域の間に設けることで、可撓領域を温度変化させるときの熱の逃げを防ぐため、消費電力を抑えることができ、さらにその製造工程も簡単である。さらに、半導体基板と可撓領域の連結強度を上げることができる。
【００２３】
また、請求項２の発明は、請求項１記載の発明において、前記熱絶縁領域を構成する材料がポリイミドであることを特徴としており、可撓領域と半導体基板の熱絶縁性が良くなるとともに、製造が容易となる。
【００２４】
また、請求項３の発明は、請求項１記載の発明において、前記熱絶縁領域を構成する材料がフッ素化樹脂であることを特徴としており、可撓領域と半導体基板の熱絶縁性が良くなるとともに、製造が容易となる。
【００２５】
また、請求項４の発明は、請求項１から請求項３のいずれかに記載の発明において、前記熱絶縁領域に前記熱絶縁領域を構成する材料よりも硬い材料からなる補強層が設けられていることを特徴としており、半導体基板と可撓領域の連結強度を上げることができる。
【００２６】
また、請求項５の発明は、請求項４記載の発明において、前記補強層のヤング率が、９．８×１０９Ｎ／ｍ２以上であることを特徴としており、半導体基板と可撓領域の連結強度を上げることができる。
【００２７】
また、請求項６の発明は、請求項５に記載の発明において、前記補強層が二酸化ケイ素薄膜であることを特徴としており、半導体基板と可撓領域の連結強度を上げることができる。
【００２８】
また、請求項７の発明は、請求項１から請求項６のいずれかに記載の半導体装置と、前記可撓領域に連設された可動エレメントとを備え、前記可撓領域の温度が変化したときに、前記可動エレメントが前記半導体基板に対して変位することを特徴としており、低消費電力で駆動可能であることに加えて、請求項１から請求項６の発明と同様の効果を有する半導体マイクロアクチュエータが得られる。
【００２９】
また、請求項８の発明は、請求項７記載の発明において、前記可撓領域は片持ち梁構造を有していることを特徴としており、可動エレメントの変位の大きな半導体マイクロアクチュエータが得られる。
【００３０】
また、請求項９の発明は、請求項７記載の発明において、前記可動エレメントは複数の可撓領域により支持されていることを特徴としており、可動エレメントを安定して支持できる。
【００３１】
また、請求項１０の発明は、請求項９記載の発明において、前記可撓領域は前記可動エレメントを挟んで十字形状であることを特徴としており、可動エレメントの変位の精度が良いものとなる。
【００３２】
また、請求項１１の発明は、請求項９記載の発明において、前記可動エレメントの変位は、前記半導体基板の基板面に対して水平方向に回転する変位を含むことを特徴としており、可動エレメントの変位が大きなものとなる。
【００３３】
また、請求項１２の発明は、請求項９又は請求項１１記載の発明において、前記可撓領域は、それぞれがＬ字形状をしている４つ可撓領域が前記可動エレメントを中心として四方向に等間隔で設けられていることを特徴としており、可撓領域の長さを大きくすることができ、そのため可動エレメントの変位を大きくすることができる。
【００３４】
また、請求項１３の発明は、請求項７から請求項１２のいずれかに記載の発明において、前記可撓領域は異なる熱膨張係数を有する少なくとも２つの領域からなり熱膨張係数差に応じて変位をすることを特徴としており、可撓領域の温度変化により可撓領域の変位を得ることができる。
【００３５】
また、請求項１４の発明は、請求項７から請求項１３のいずれかに記載の発明において、前記可撓領域と前記可動エレメントの間に、前記可撓領域と前記可動エレメントを連結する樹脂からなる熱絶縁領域が設けられていることを特徴としており、可撓領域と可動エレメントの熱絶縁性を確保することができ、可撓領域を温度変化させるときの消費電力をより抑えることができる。
【００３６】
また、請求項１５の発明は、請求項１４記載の発明において、前記半導体基板と前記可撓領域の間に設けられた熱絶縁領域の剛性と、前記可撓領域と前記可動エレメントの間に設けられた熱絶縁領域の剛性とを異なるようにすることを特徴としており、各熱絶縁領域の剛性の違いにより可動エレメントの変位の方向を決めることができる。
【００３７】
また、請求項１６の発明は、請求項７から請求項１５のいずれかに記載の半導体マイクロアクチュエータと、前記半導体マイクロアクチュエータに接合され、前記可動エレメントの変位に応じて流れる流体量が変化する流路を有する流体エレメントとを備えたことを特徴としており、低消費電力で駆動可能であることに加えて、請求項７から請求項１５の発明と同様の効果を有する半導体マイクロバルブが得られる。
【００３８】
また、請求項１７の発明は、請求項７から請求項１５のいずれかに記載の半導体マイクロアクチュエータと、前記可動エレメントに可動接点が設けられ、その対応する位置に前記可動接点と接触可能な固定接点を有し前記半導体マイクロアクチュエータに接合される固定エレメントとを備えたことを特徴としており、低消費電力で駆動可能であることに加えて、請求項７から請求項１５の発明と同様の効果を有する半導体マイクロリレーが得られる。
【００３９】
この発明は、ポリイミドまたはフッ素化樹脂等の樹脂材料が高い熱絶縁性（二酸化ケイ素の約８０倍）を有し、さらに液状で加工し易くスピンコートなどの半導体製造工程により所望の厚さ（数μｍ〜数十μｍ）の薄膜を容易に得ることができるという特徴に着目しなされたものである。
【００４０】
【発明の実施の形態】
（実施形態１）
本発明の実施形態１を説明する。図１は本発明に係わる半導体装置を用いた半導体マイクロアクチュエータの構造を示す一部破断の斜視図、図２（ａ）は断面図、図２（ｂ）は上面図である。
【００４１】
図示したように、半導体マイクロアクチュエータ１は、中空で略四角形状の枠体となる半導体基板３と、半導体基板３より切り離され半導体基板３の各辺の略中央より内方向に熱絶縁領域７を介して一端が連結される略四角片状の４つの薄肉部２Ｓと、上面が四角形状に開口し下方に向かうにつれて幅が狭くなる中空の四角錐台形状に形成され、上記各薄肉部２Ｓの他端に上面の開口部周縁が連設される可動エレメント５と、上記各薄肉部２Ｓの上面に設けられ、薄肉部２Ｓとともに可撓領域２を構成するアルミニウム薄膜またはニッケル薄膜などの薄膜２Ｍにより構成されている。
【００４２】
上記半導体基板３、薄肉部２Ｓ、および可動エレメント５は、例えばシリコン基板などの半導体基板を加工して形成される。また、薄肉部２Ｓの表面には加熱手段である不純物拡散抵抗６（以下、拡散抵抗６という）が形成されており、この拡散抵抗６は半導体基板３の４隅に設けられた電極パッド４と接続された配線４ａにより電力が供給されて温度が上昇し、薄肉部２Ｓと薄膜２Ｍにより構成される可撓領域２を加熱する。薄膜２Ｍは上述したようにアルミニウムまたはニッケルなどにより構成され、また薄肉部２Ｓはシリコンなどにより構成され、両者は異なる熱膨張係数を有している。
【００４３】
半導体基板３と可撓領域２を連結する熱絶縁領域７は、薄肉部２Ｓと略同じ厚さであり、フッ素化樹脂、ポリイミド等の熱絶縁材料により構成されており、半導体基板３と可撓領域２を熱絶縁している。なお、半導体基板３の４隅に設けられた電極パッド４は図２（ｂ）における右上の電極パッド４と左下の電極パッド４が外部電源に接続され、電源に対して２つの拡散抵抗６の直列回路が並列に接続されている。
【００４４】
また、上記４つの可撓領域２が中央の可動エレメント５を挟んで十字形状となっており、可動エレメント５はその周囲を複数の可撓領域２により支持される構造となっている。ここで、半導体基板３と可撓領域２とその間の熱絶縁領域７とで半導体装置８が構成される。
【００４５】
上記半導体マイクロアクチュエータ１は、拡散抵抗６に電力が加えられると温度上昇し可撓領域２が加熱され、可撓領域２を構成する薄膜２Ｍと薄肉部２Ｓの熱膨張係数の違いによる熱応力が発生する。例えば、薄膜２Ｍとしてアルミニウム、ニッケル等の金属薄膜が形成させている場合には、薄肉部２Ｓを構成するシリコンよりも熱膨張係数が大きいため、可撓領域２は図中下方向へ曲げられる。すなわち、可撓領域２は半導体基板３に対して下方向に変位する。そして、可撓領域２に連設された可動エレメント５は、可撓領域２の熱応力を受けて、半導体基板３に対して下方向に変位する。
【００４６】
上述したように、半導体マイクロアクチュエータ１は、４つの可撓領域が中央の可動エレメント５を挟んで十字形状となっており、可動エレメント５の変位は半導体基板３に対して非回転的な変位となり、変位の制御精度が良く大きな力を発生することができる。また、上述したように可撓領域２はその表面に可撓領域２を加熱するための拡散抵抗６が設けられているので、すなわち可撓領域２に拡散抵抗６が含まれているため、半導体マイクロアクチュエータ１を小型化できる。
【００４７】
なお、本実施形態の半導体マイクロアクチュエータ１は、可撓領域２として異なる熱膨張係数を有する２つの領域である薄肉部２Ｓと薄膜２Ｍにより構成されるものとしたがこれに限定されず、例えば可撓領域２がニッケルチタンなどの形状記憶合金により構成され、温度変化により形状記憶合金からなる可撓領域２を変位させるようにしてもよい。
【００４８】
また、本発明は半導体マイクロアクチュエータに限定されるものではなく、温度変化による可撓領域の変位をレーザ変位計等により測定し、その変位に応じて温度を検出する温度センサなど、可撓領域２と半導体基板３の間に熱絶縁領域７が設けられていることで、可撓領域を加熱するときの熱が半導体基板３へ逃げるのを防止できる効果が利用される半導体装置であればよい。
【００４９】
ここで本発明の半導体マイクロアクチュエータ１に用いられる半導体装置８の作用を説明するために、具体的例として図３の断面図に示すように熱絶縁領域７における半導体基板３と可撓領域２の連結方向の長さを３０μｍ、厚さを２０μｍとし、その構成材料としてポリイミド（商品名「フォトニース」、以下ポリイミドという）を使用した場合について考察する。また図１に示した可撓領域２の上記連結方向の長さを８００μｍ、可撓領域２の幅（上記連結方向と直交する方向の長さ）を６００μｍとする。
【００５０】
可撓領域２から熱絶縁領域７を通して半導体基板３へ逃げる熱量Ｑ３を計算すると、従来例で示した式Ｘに従う。ここで、逃げる熱の熱流の向きに垂直な断面Ａ１０は
Ａ１０＝（ポリイミドの厚み）×（可撓領域の幅）＝２０μｍ×６００μｍ＝１．２×１０−４ｃｍ
となる。また、ポリイミドの熱伝導率は１．１７×１０−３（Ｗ／ｃｍ℃）であり、熱源から距離δ、すなわち可撓領域２と半導体基板３の距離は３０μｍであるから、１５０℃に加熱された可撓領域２から半導体基板３へ逃げる熱量Ｑ３は
Ｑ３＝１．１７×１０−３（Ｗ／ｃｍ・℃）×（１５０℃／（３０×１０−４ｃｍ））×１．２×１０−４（ｃｍ２）＝４．２×１０−３（Ｗ）＝４．２（ｍＷ）
となる。上記したように半導体装置８は４つの可撓領域２を有しているため、全体として１６．８ｍＷの熱量となる。これは、拡散抵抗６に入力電力１６．８ｍＷを投入することにより可撓領域２の温度を１５０℃に維持できることを示しており、従来例の６６０ｍＷに比べて、消費電力を１／４０に低減できる。
【００５１】
次に、ポリイミドで構成された熱絶縁領域７の強度について考察する。図４（ａ）に示す両端固定の両持ち梁構造のモデルを考える。図４（ａ）に示すように梁２１（可撓領域２と対応する）の中心に荷重Ｗが下から加えられた場合には、梁２１のせん断力、モーメント力はそれぞれ図４（ｂ）（ｃ）に示すようになる。熱絶縁領域７は、図４（ａ）においては、両端の固定端２２ａ，２２ｂと梁２１の間のいずれか一方に位置する。そこで、例えば荷重Ｗが１ｇ、梁２１の中央に加わった場合（マイクロバルブの場合にオリフィス５００μｍに４６．７ｋＰａの圧力がかかった場合に相当する）における梁２１にかかる力を求める。
【００５２】
梁にかかるせん断力Ｆ１は
Ｆ１＝Ｗ／２＝１．０×１０−３（ｋｇｆ）／２＝０．５×１０−３（ｋｇｆ）＝４．９×１０−３（Ｎ）となり、梁にかかる最大せん断応力Ｆｍａｘは、
Ｆｍａｘ＝Ｆ１／Ｓ１（Ｓ１は梁の断面積）となる。ここで、梁２１の幅ｂ１＝６００μｍ、梁２１の厚みｈ１＝２０μｍとすると断面積Ｓ１は
Ｓ１＝（ｂ１）（ｈ１）＝６００×１０−４×２０×１０−４＝１．２×１０−４ｃｍ２となる。よって、梁２１にかかる最大せん断応力Ｆｍａｘは、
Ｆｍａｘ＝０．５０×１０−３（ｋｇｆ）／１．２×１０−４（ｃｍ２）＝４．１６（ｋｇｆ／ｃｍ２）＝４．１６×０．０９８（ＭＰａ）＝０．４１（ＭＰａ）
となる。次に、梁２１にかかる最大応力σｍａｘを求める。最大応力σｍａｘは、σｍａｘ＝Ｍｍａｘ／Ｚ１で表される。このとき、Ｍｍａｘは最大モーメントであり、Ｚ１は断面係数である。最大モーメントＭｍａｘは図４（ｃ）に示したとおり、Ｍｍａｘ＝ＷＬ／８（Ｌは梁の長さ８００μｍ）であり、よって、最大モーメントＭｍａｘは、
Ｍｍａｘ＝ＷＬ／８＝１．０×１０−３（ｋｇｆ）×８００×１０−４（ｃｍ）／８＝１．０×１０−５（ｋｇｆ・ｃｍ）＝９．８×１０−５（Ｎ・ｃｍ）となる。また、断面係数Ｚ１は
Ｚ１＝（ｂ１）（ｈ１）２／６＝１／６×６００×１０−４×（２０×１０−４）２＝４．０×１０−８（ｃｍ３）となる。そこで、モーメントによる最大応力σｍａｘは
σｍａｘ＝Ｍｍａｘ／Ｚ＝１．０×１０−５（ｋｇｆ・ｃｍ）／４．０×１０−８（ｃｍ３）＝２５０（ｋｇｆ／ｃｍ２）＝２４．５（ＭＰａ）となる。ここで、梁２１の寸法を上述したように、幅６００μｍ、長さ８００μｍとして求めた。
【００５３】
ポリイミドの破壊強度は３０ＭＰａ程度であるため、上記した熱絶縁領域７で１ｇ程度の荷重に耐えうる半導体マイクロアクチュエータを実現できる。またこの熱絶縁領域７の強度については、他の例に示すように強度を上げることが可能である。また、ここで記載していないが、フッ素化樹脂においても同様の効果が期待できる。
【００５４】
ここで、熱絶縁領域７の形成方法例を図５を用いて説明する。まず、図５（ａ）に示すように半導体基板１７の表面の熱絶縁領域に対応する部分をＫＯＨなどによりエッチングして溝１５を形成する。その後、図５（ｂ）に示すように、ポリイミド薄膜１６をコータ等により回転塗布し、溝１５を埋め尽くすように形成する。次に、図５（ｃ）に示すように半導体のフォトリソ工程などにより溝１５を埋め尽くした部分のポリイミド薄膜１６を残し、その他の部分を除去するようにパターニングし、４００℃程度に加熱してポリイミド中に含まれる有機溶剤などを蒸発させ固化させる。次に、図５（ｄ）に示すように半導体基板１７の裏面よりＫＯＨなどによりエッチングを行う。このとき、１９は枠体となる半導体基板、２０は可撓領域を示している。このような工程を経て熱絶縁領域７が形成される。
【００５５】
以上のように、熱絶縁領域７は、ポリイミド、フッ素化樹脂等の樹脂材料が高い熱絶縁性（熱伝導率：０．４Ｗ／（ｍ・℃）以下、二酸化ケイ素の約８０倍）を有し、さらに液状で加工し易くスピンコートなどの半導体製造工程により所望の厚さ（数μｍ〜数十μｍ）の薄膜を容易に得ることができるという性質をうまく利用して、可撓領域２と半導体基板３の間に形成されるので、従来例に比べて熱絶縁効果が優れかつ強度をもつ半導体装置を、半導体製造工程を用い容易に実現できる。また、上記したように熱絶縁領域７を可撓領域２の薄肉部２Ｓとほぼ同じ厚さにすることで、半導体基板３と可撓領域２の連結を確実にし、その連結部分の強度を強くできる。
【００５６】
このような効果を備えた半導体装置８を用いた半導体マイクロアクチュエータ１は、製造プロセスが簡単であり、また熱絶縁性が高いため拡散抵抗６により発生した熱の逃げを防いで低消費電力で駆動可能となり、電池で駆動できるので小型化が可能となる。
【００５７】
次に、上記半導体装置８の他の構成例を説明する。本構成例の半導体装置８は図６（ａ）、図６（ｂ）に示すように、半導体基板３と可撓領域２との間に、フッ素化樹脂あるいはポリイミドなどの熱絶縁材料からなる熱絶縁領域７が形成される点は図３と同じであるが、この熱絶縁領域７の下面（厚み方向と直交する面）に例えば二酸化ケイ素薄膜（ヤング率：９．８×１０９Ｎ／ｍ２以上）のような熱絶縁領域７を構成する材料よりも硬い材料からなる補強層１２が設けられている点が異なる。尚、図６（ａ）は断面図、図６（ｂ）は上面図であり、図７は図６（ｂ）のＹ−Ｙ’断面図である。
【００５８】
図７に示したように具体的な寸法は、熱絶縁領域７が１９μｍの厚さであり、、補強層１２は１μｍの厚さである。そして、図６（ａ）に示すように熱絶縁領域７における半導体基板３と可撓領域２の連結方向の長さが３０μｍ、そしてＹ−Ｙ’方向、すなわち奥行き方向の長さが６００μｍである。ここで、熱絶縁材料領域７を構成する材料としてポリイミドを用い、補強層１２を構成する材料として二酸化ケイ素を使用した場合の熱絶縁領域７の強度を上述した図３における熱絶縁領域７の強度計算と同様な条件で行う。
【００５９】
熱絶縁領域７、補強層１２の各構成材料のヤング率をＥｉ、各領域の図７で示した断面の断面積をＡｉとすると、底面から中立軸までの距離をηａは次式で与えられる。
【００６０】
【式１】
補強層１２を構成する二酸化ケイ素について各値を求めると次のようになる。
【００６１】
【式２】
また、熱絶縁材料７を構成するポリイミドについて各値を求めると次のようになる。
【００６２】
【式３】
ここで、上記値を用いて中立軸までの距離ηａを求めると次のようになる。
【００６３】
【式４】
次に、二酸化ケイ素、ポリイミドの中立軸に関する２次モーメントＩs、Ｉfを求めると次のようになる。
【００６４】
【式５】
ここで、ηｉ＝η−ηａ、すなわちηｉは中立軸からの距離を示している。図４で説明したように両端が固定された梁の中央に１ｇの荷重が加えられた場合、梁にかかる最大モーメントＭｍａｘは、Ｍｍａｘ＝１．００×１０−５（ｋｇｆ・ｃｍ）＝９．８×１．００×１０−５×１０−２（Ｎ・ｍ）＝９．８×１０−７（Ｎ・ｍ）となる。二酸化ケイ素の最大曲げ応力σｓｍａｘを計算すると、
【００６５】
【式６】
ここで、Ｉｉは上記各２次モーメントＩｓ，Ｉｆを示している。また、ポリイミドの最大曲げ応力σｆｍａｘを計算すると次のようになる。
【００６６】
【式７】
よって、ポリイミドにより構成された熱絶縁領域７にかかる応力は図３で示した例に比べ約１／２となる。これは見かけ上、強度が２倍になったことと等価である。なお図６では、補強層１２を熱絶縁領域７の下面に設けているが、厚さ方向と直交する方向であれば上面であっても同等の効果が得られる。また、上下両面に設けた場合は下面、上面それぞれに設けた場合の２倍の効果が得られる。
【００６７】
このように、図６で示した熱絶縁領域７の形成方法例を、図８を用いて説明する。まず、図８（ａ）に示すように半導体基板１７ａの表面の熱絶縁領域に対応する部分をＫＯＨなどによりエッチングし、溝１５ａを形成する。その後、図８（ｂ）に示すように熱酸化などにより半導体基板１７ａの表面に二酸化ケイ素薄膜１８を形成する。二酸化ケイ素薄膜１８はエッチングなどにより溝１５ａの表面部分以外は除去される。
【００６８】
次に、図８（ｃ）に示すように、ポリイミド薄膜１６ａをコータなどにより回転塗布し、溝１５ａを埋め尽くすように形成する。さらに、図８（ｄ）に示すように、半導体のフォトリソ工程などにより溝１５ａを埋め尽くした部分のポリイミド薄膜１６ａを残し、その他の部分を除去するようにパターニングし、４００℃程度に加熱してポリイミド中に含まれる有機溶剤などを蒸発させ固化させる。次に、図８（ｅ）に示すように、半導体基板１７ａに裏面よりＫＯＨなどによりエッチングを行い、熱絶縁領域７が形成される。このとき、１９ａは枠体となる半導体基板、２０ａは可撓領域である。
【００６９】
次に、本発明の半導体装置におけるさらに他の構成例を説明する。図９（ｂ）の上面図に示されるとおり、半導体基板３と可撓領域２の間に熱絶縁領域１０が設けられ、半導体基板３および可撓領域２の熱絶縁領域１０と接する部分が、半導体基板３と可撓領域２の連結方向（Ｂ−Ｂ’と直交方向）に櫛刃を形成する互いに櫛刃状となっている。図９（ｂ）のＢ−Ｂ’断面図である図１０に示されるように、Ｂ−Ｂ’方向に可撓領域２、半導体基板３、熱絶縁領域１０が混在した構成となる。ここで、熱絶縁領域１０はフッ素化樹脂、ポリイミドなどにより構成される。
【００７０】
この熱絶縁領域１０の強度を計算するために、具体例として図９（ａ）（ｂ）に示すように熱絶縁領域１０の厚さを２０μｍ、Ｂ−Ｂ’方向と垂直方向の幅を３０μｍとする。また図１０に示すように、上記可撓領域２と半導体基板３からなる各櫛刃のＢ−Ｂ’方向の幅を１８０μｍ、熱絶縁領域１０のＢ−Ｂ’方向の幅を３０μｍとする。また、熱絶縁領域１０の材料をポリイミドとし、半導体基板３、可撓領域２がシリコンにより構成されるものとする。尚、比較のため図３の強度計算と同様の条件で熱絶縁領域１０の強度を計算する。
【００７１】
図１０のようなシリコンとポリイミドからなる組み合わせ構造の場合、シリコンのヤング率をＥｓｉ、ポリイミドのヤング率をＥＰｈ、シリコン部の断面２次モーメントをＩＳｉ、ポリイミド部の断面２次モーメントをＩＰｈ、シリコン部にかかるモーメントＭＳｉ、ポリイミド部にかかるモーメントをＭＰｈとすると、以下の関係式に従う。
【００７２】
【式８】
【００７３】
【式９】
ここで、シリコン部、ポリイミド部に関する各値を計算する。シリコンのヤング率ＥＳｉ＝０．１９×１０１２（Ｎ／ｍ２）＝１．９×１０１２（ｄｙｎｅ／ｃｍ２）であり、
【００７４】
【式１０】
よって、ＥＳｉ・ＩＳｉ＝１．９３×１０６（ｋｇｆ／ｃｍ２）×３．６×１０−１１（ｃｍ４）＝６．９４×１０−５（ｋｇｆ・ｃｍ２）＝６．８×１０−４Ｎ・ｃｍ２である。ポリイミドのヤング率ＥＰｈは５００ＭＰａであり、
【００７５】
【式１１】
よって、ＥＰｈ・ＩＰｈ＝５．１０×１０３（ｋｇｆ／ｃｍ２）×４×１０−１２（ｃｍ４）＝２．０４×１０−８（ｋｇｆ・ｃｍ２）＝２．００×１０−７（Ｎ・ｃｍ２）である。
【００７６】
ここで、ポリイミド部にかかるモーメントＭＰｈは次のようになる。
【００７７】
【式１２】
ここで、ＭＰｈ＝２．９３×１０−９（ｋｇｆ・ｃｍ）＝２．８７×１０−８（Ｎ・ｃｍ）である。
【００７８】
同様にしてシリコン部にかかるモーメントＭＳｉは次のようになる。
【００７９】
【式１３】
ここで、ＭＳｉ＝９．９９×１０−６（ｋｇｆ・ｃｍ）＝９．７９×１０−５（Ｎ・ｃｍ）である。
【００８０】
そこで、ポリイミド部にかかる最大応力σＰｈは次のようになる。
【００８１】
【式１４】
ここで、Ｚａは断面係数である。また、シリコン部にかかる最大応力σＳｉを求めると次のようになる。
【００８２】
【式１５】
ここで、Ｚｂは断面係数である。
【００８３】
よって、ポリイミドで構成された熱絶縁領域にかかる応力は図３で示した例に比べて約１／３００となる。これは見かけ上、強度が３００倍になったことと等価である。図９においては、半導体基板３と可撓領域２により櫛刃の数は図９で示したものにこれに限定されるものではなく、少なくとも２本以上の櫛刃状の構造にすることにより同様の効果が得られる。
【００８４】
（実施形態２）
次に本発明の第２の実施形態を説明する。図１１は本実施形態における半導体マイクロアクチュエータの斜視図であり、図１２（ａ）は断面図、図１２（ｂ）は上面図を示している。
【００８５】
本実施形態の半導体マイクロアクチュエータ１ａにおいて、図１、図２に示す実施形態と異なる点は、本実施形態では可撓領域２と可動エレメント５の間に新たに熱絶縁領域７Ａを設け、可撓領域２と可動エレメント５は熱絶縁領域７Ａにより連結されている点である。
【００８６】
このように、熱絶縁領域７Ａを設けることで、可撓領域２と可動エレメント５の間の熱絶縁性が高まり、拡散抵抗６より発生する熱が可動エレメント５に逃げるのを防いで可撓領域２の加熱を効果的に行い消費電力の低減が図れる。
【００８７】
また、半導体基板３と可撓領域２の間に設けられた熱絶縁領域７と、可撓領域２と可動エレメント５の間に設けられた熱絶縁領域７Ａの剛性を異なるようにして、可動エレメント５の変位の方向を決めている。例えば、熱絶縁領域７の剛性を高くし、熱絶縁領域７Ａの剛性を低くすることで、可動エレメント５を半導体基板３の厚み方向下側（図１１中下側）に変位させることができ、逆にすることで可動エレメント５を逆側に変位させることができる。
【００８８】
また、本実施形態では、可撓領域２と半導体基板３の連結部分、又は可撓領域２と可動エレメント５との連結部分近傍に可撓領域２が変位したときに加わる応力を緩和する丸みが設けられている。
【００８９】
すなわち、図１２（ｂ）に示すように、枠体となる半導体基板３の各辺略中央より内方向に向かって突出形成している突出部２５と可撓領域２が熱絶縁領域７により連結されており、この突出部２５の基端部両端に半導体基板３での基板面での形状がＲ形状となるように丸み２５ａが形成されているのである。この丸み２５ａはマスクを形成してウェットエッチングなどして形成される。
【００９０】
また、図１２（ａ）に示すように、可撓領域２を構成する薄肉部２Ｓは半導体基板３の図中下面側より凹部２７を設けてその凹部２７の底面部に形成され、凹部２７の底面部２７ａと側面部２７ｂの境界にＲ形状となるように丸み２８が形成されているのである。この凹部２７は半導体基板の基板面よりエッチングにより設けられ、例えばこの凹部２７の上記境界に犠牲層を形成しエッチングにより犠牲層を除去することにより、犠牲層を拡散するときの等方性を利用して丸み２８が形成される。
【００９１】
このように、丸み２５ａ、２８を形成することで、可撓領域２が変位したときの応力が丸み２５ａ、２８により分散されて緩和され、半導体基板３が破壊されるのを防止している。つまり、半導体基板３より内方向に突出する突出部２５の基端部両端が角（エッジ）のある形状である場合は、可撓領域２の応力がその角に集中して半導体基板３が割れる可能性がある。また、可撓領域２を形成するために設けた凹部２７の底面部２７ａと側面部２７ｂの境界についても同様、角のある形状であると可撓領域２の応力がその角に集中して半導体基板３が割れる可能性がある。
【００９２】
ここで、図１１、図１２に示したように、可撓領域と半導体基板の間、および可撓領域と可動エレメントの間に熱絶縁領域が設けられている半導体マイクロアクチュエータにおける他の構成例を図１３に示し、その作成方法を説明する。
【００９３】
図示したように、半導体基板３ａと可撓領域２ａとは熱絶縁領域７ａを介して連結しており、可撓領域２ａと可動エレメント５ａは熱絶縁領域７ｂを介して連結している。また、可撓領域２ａは互いに熱膨張係数の異なる薄膜２ｍと薄肉部２ｓにより構成され、薄肉部２ｓの表面には拡散抵抗６ａが設けられている。また、拡散抵抗６ａに電力を供給するための配線１３ａが、半導体基板３ａ上の電極パッド（図示せず）より熱絶縁領域７ａの下面を通って拡散抵抗６ａに接続されている。また、９ａ，９ｂは保護薄膜である。
【００９４】
この半導体マイクロアクチュエータの作成方法を図１４を用いて説明する。まず、単結晶シリコン基板８０の両面に熱酸化等によりシリコン酸化膜８０ａを形成し、所定形状にパターニングされたフォトレジストをマスクとして、単結晶シリコン基板８０の裏面に設けられたシリコン酸化膜８０ａのエッチングを行うことにより開口部８０ｂを形成し、プラズマアッシング等によりそのフォトレジストを除去する。形成された開口部８０ｂを水酸化カリウム水溶液（以後、ＫＯＨ水溶液と呼ぶ）等によりエッチングすることでギャップ８０ｃを形成する（図１４（ａ））。このとき、ＫＯＨ水溶液の他にＴＭＡＨ（テトラメチル水酸化アンモニウム溶液）、ヒトラジン水溶液などを用いてもよい。以降に述べるＫＯＨ水溶液についても同様である。
【００９５】
次に、上記シリコン酸化膜８０ａを全面除去した後、ボロン等をデポジション、熱拡散を行い、単結晶シリコン基板８０の表面にヒータとなる拡散抵抗６ａを形成する。続いて、この単結晶シリコン基板８０の両面上に熱酸化等によりシリコン酸化膜８１ｂを形成し、各シリコン酸化膜８１ｂの上部に減圧ＣＶＤによりシリコン窒化膜８１ａを形成する（図１４（ｂ））。
【００９６】
そして、所定形状にパターニングされたフォトレジストをマスクとして、シリコン酸化膜８１ｂ及びシリコン窒化膜８１ａのエッチングを行うことにより開口部８２を形成し、プラズマアッシング等によりフォトレジストを除去する（図１４（ｃ））。
【００９７】
次に、単結晶シリコン基板８０の開口部８２をＫＯＨ水溶液等によりエッチングすることで可動エレメント５ａと薄肉部２ｓを形成する。このとき、所望の可動エレメント５ａの厚さ、及び薄肉部２ｓの厚さを得るために、単結晶シリコン基板８０の各面からのエッチング開始に時間差を設けてもよい。その後、単結晶シリコン基板８０のエッチングにより、熱絶縁領域７ａ，７ｂを形成するための溝８３ａ，８３ｂを形成する。この溝８３ａ，８３ｂは、後工程でポリイミド等の有機材料を埋め込むための溝であり、その底厚が１０μｍ程度の厚みとなるようにエッチングを行う（図１４（ｄ））。
【００９８】
続いて、可動エレメント５ａ、薄肉部２ｓを形成するためにエッチングされた基板表面を酸化して、基板にメッキするときの保護膜８４を形成する（図１４（ｅ））。
【００９９】
そして、単結晶シリコン基板８０の上面にアルミニウムをスパッタリング又はＥＢ蒸着により形成して、拡散抵抗６ａに接続される配線１３ａ（アルミ配線）を形成する（図１５（ａ））。
【０１００】
次に、上記溝８３ａ，８３ｂにポリイミド等の有機物８５を埋め込む（図１５（ｂ））。このようにして有機物８５の下部面に配線１３ａが形成された構造となる。またここで、ポリイミド等の有機物８５は半導体リソグラフィ工程を用いて所定の部分のみに形成する。
【０１０１】
そして次に、所定形状の金属パターンをメッキなどで薄肉部２ｓ上部のシリコン窒化膜８１ａ（図１３の保護薄膜９ａ）上に形成して薄膜２ｍとし（図１５（ｃ））、薄肉部２ｓと薄膜２ｍで半導体マイクロアクチュエータの駆動源であるバイメタル構造となる。
【０１０２】
次に、薄肉部２ｓの裏面からＲＩＥ等でエッチングして、薄肉部２ｓを単結晶シリコン基板８０の周辺部（図１３での半導体基板３ａ）及び可動エレメント５ａと分離させる（図１５（ｄ））。これにより、可動エレメント５ａ、可撓領域２ａ、半導体基板３ａは各々が熱絶縁され、各々の間に熱絶縁領域７ａ，７ｂが設けられる構成となっている。
【０１０３】
ところで、図１３に示す構成例では、配線１３ａが熱絶縁領域７ａの下部面に設けられているが、図１６に示すように配線（アルミ配線）１３ｂが熱絶縁領域７ａの上面と下面の略中間、すなわち熱絶縁領域７ａの内部に設けられるようにしてもよい。
【０１０４】
このように配線１３ｂを形成するには、図１４（ｅ）に示す保護膜８４の形成工程の後、図１４（ｄ）の工程で形成された溝８３ａに、図１５（ｂ）に示すポリイミド等の有機物８５を埋め込む工程により略中央部までポリイミドを埋め込み、図１５（ａ）に示す配線の形成工程を行い、再度図１５（ｂ）に示す埋め込み工程により溝８３ａを埋めるようにすればよい。
【０１０５】
このように配線１３ｂが熱絶縁領域７ａの内部に形成されているため、後工程のエッチング工程等でのアルミの保護効果があり、信頼性の高い配線構造が実現できる。
【０１０６】
また、上記配線構造において、配線が熱絶縁領域の上面に設けられる（図１２（ａ））ようにしてもよく、配線を可撓領域、熱絶縁領域、半導体基板が面一である側の面上に形成することで、配線が熱絶縁領域７ａの内部あるいは下面部に設けられる場合に比べて配線の段差が小さくなり断線防止効果がある。
【０１０７】
このように熱絶縁領域の上面に配線を形成するには、図１４（ｅ）に示す保護膜８４の形成工程の後、図１４（ｄ）の工程で形成された溝８３ａに、図１５（ｂ）に示すポリイミド等の有機物８５を埋め込む工程によりポリイミドを埋め込み、その後図１５（ａ）に示す配線の形成工程にてポリイミドの上面に配線を形成すればよい。
【０１０８】
（実施形態３）
次に、第３の実施形態を説明する。図１７は本実施形態における半導体マイクロアクチュエータの構造を示す斜視図であり、図１８はその上面図である。本実施形態において、実施形態２と異なる点は、実施形態２では拡散抵抗６に電力を供給する配線４ａが熱絶縁領域７の上部を通って拡散抵抗６に接続されているのに対して、本実施形態では半導体基板３と可撓領域２の薄肉部２Ｓに跨る部位（いわゆる入り隅の部位）に例えば有機材料からなる隅肉部２９を形成し、この隅肉部２９の上部を通って配線４ａが形成されている点である。すなわち、本実施形態では、配線４ａが熱絶縁領域７を介さずに形成されている。
【０１０９】
この構造は、例えば異方性エッチングによって半導体基板の上面（可撓領域２の形成されている面）側から溝部を形成し、この溝部に有機材料の樹脂（例えばポリイミドなど）を流し込んで高温硬化し、半導体基板の裏面から隅肉部２９が現れるまでエッチング除去した後、隅肉部２９の上面にアルミニウムのスパッタリングなどにより配線４ａを形成するという方法で製造可能である。
【０１１０】
この配線４ａはアルミニウムなどの非常に熱伝導性のよい材料であるため、断面積が小さいにも関わらず、樹脂からなる熱絶縁領域７の数分の１の熱抵抗となる場合があり、この配線４ａが熱絶縁領域７に形成されていると、配線４ａの熱絶縁距離が確保できず、結果として熱絶縁領域７の熱絶縁性能が得られないという問題がある。本実施形態では、熱絶縁領域７を介さずに配線４ａが形成されていることで、配線４ａの熱絶縁距離を大きくとることができ熱抵抗の低下を抑えて熱絶縁効果を向上させることができる。また、隅肉部２９によって熱絶縁領域７の機械的強度が補強される。
【０１１１】
このように、本実施形態における半導体マイクロアクチュエータでは、実施形態２に比べて熱絶縁効果が向上し、さらに低消費電力化が図れる。
【０１１２】
（実施形態４）
次に、第４の実施形態を説明する。図１９は、本実施形態における半導体マイクロアクチュエータの構造を示す斜視図であり、図２０はその上面図である。本実施形態において実施形態１と異なる点は、実施形態１では、可撓領域２の略四角片状の４つの薄肉部２Ｓが可動エレメント５を挟んで略十字形状であるのに対して、本実施形態の半導体マイクロアクチュエータ３１は、可撓領域３２の４つの薄肉部３２Ｓが略Ｌ字形状をしており、各薄肉部３２Ｓの一端が可動エレメント３５の四角形状に開口した上面周縁の各辺略中央に連なり、各可撓領域３２が中央の可動エレメント３５を挟んでいわゆる卍字形状をしている点である。すなわち、可撓領域３２の各薄肉部３２Ｓが可動エレメント３５を中心として四方向に等間隔で設けられている。さらに、各薄肉部３２Ｓの他端は、四角形状の枠体である半導体基板３３の各辺の端部に熱絶縁領域３７を介して連結されている。
【０１１３】
また、可撓領域３２は上記薄肉部３２Ｓとアルミニウムやニッケルなどからなる薄膜３２Ｍとで構成される点は実施形態１と同様であり、加熱手段である拡散抵抗３６が薄肉部３２Ｓの表面に形成されている点も実施形態１と同様である。この拡散抵抗３６は半導体基板３３の４隅に設けられた電極パッド３４および配線３４ａを介して外部から電力が供給される。なお、半導体基板３３、可撓領域３２、熱絶縁領域３７により半導体装置３８が構成される。
【０１１４】
上記半導体マイクロアクチュエータ３１は、実施形態１と同様に、拡散抵抗３６の温度上昇により可撓領域３２が加熱され、薄肉部３２Ｓと薄膜３２Ｍの熱膨張差により可撓領域３２が下方向に変位する（薄膜３２Ｍが薄肉部３２Ｓより熱膨張係数が大きい場合）。可撓領域３２が下方向に変位することで、可撓領域３２に連設された可動エレメント３５が可撓領域３２の熱応力を受けて半導体基板３３に対して下方向に変位する。
【０１１５】
本実施形態では、上述したように、各可撓領域３２は中央の可動エレメント３５を挟んでいわゆる卍字形状であるため、可動エレメント３５の変位は半導体基板３３に対して水平方向の回転を含んでいる。また、可撓領域３２はＬ字形状であるため、単なる四角片状である場合に比べてその長さを長くすることができ、可撓領域３２の変位が大きくなるので、可動エレメント３５の変位を大きくすることができる。ここで、半導体装置３８は前述した図３、図６、図９に示したいずれの構成としてもよく、上述したものと同様の効果を有する半導体マイクロアクチュエータが得られる。
【０１１６】
（実施形態５）
次に、第５の実施形態を説明する。図２１は本実施形態の半導体マイクロアクチュエータの構造を示す斜視図、図２２はその上面図である。本実施形態の半導体マイクロアクチュエータ３１ａは、上述した可撓領域３２が可動エレメント３５を挟んでいわゆる卍字形状をした構成であるものにおいて、可動エレメント３５と可撓領域３２を連結する熱膨張領域３７ａがそれらの間に設けられているものである。
【０１１７】
このように、熱絶縁領域３７ａを設けることで、可撓領域３２と可動エレメント３５の間の熱絶縁性が高まり、拡散抵抗３６より発生する熱が可動エレメント３５に逃げるのを防ぐことができる。よって、実施形態４に比べて可撓領域３２の加熱を効果的に行い消費電力の低減が図れる。
【０１１８】
また、本実施形態では、可撓領域３２と半導体基板３３の連結部分、又は可撓領域３２と可動エレメント３５との連結部分近傍に可撓領域３２が変位したときに加わる応力を緩和する丸みが設けられている点は、図１１、図１２の実施形態と同様である。例えば、図２２（ａ）に示すように、半導体基板３３の各辺端部より内方向に突出する突出部３９の基端部両端にＲ形状の丸み３９ａが形成されている。
【０１１９】
（実施形態６）
次に、本発明の第６の実施形態を説明する。図２３は本実施形態の半導体マイクロアクチュエータの構造を示す斜視図である。本実施形態の半導体マイクロアクチュエータ４１は、中空で略四角形状の枠体となる半導体基板４３と、半導体基板４３より切り離され半導体基板４３の一辺より熱絶縁領域４７を介して一端が連結される略四角片状の薄肉部４２Ｓと、上面が四角形状に開口し下方に向かうにつれて幅が狭くなる中空の四角錐台形状に形成され、上記薄肉部４２Ｓの他端に上面の開口部周縁が連設される可動エレメント４５と、上記薄肉部４２Ｓの上面に設けられ、薄肉部４２Ｓとともに可撓領域４２を構成するアルミニウム薄膜またはニッケル薄膜などの薄膜４２Ｍにより構成されている。
【０１２０】
上記半導体基板４３、薄肉部４２Ｓ、および可動エレメント４５は、例えばシリコン基板などの半導体基板を加工して形成される。また、薄肉部４２Ｓの表面には加熱手段である不純物拡散抵抗４６（以下、拡散抵抗４６という）が形成されており、この拡散抵抗４６は半導体基板４３上に設けられ外部電源に接続された電極パッド４４と接続された配線４４ａにより電力が供給されて温度が上昇し可撓領域４２を加熱する。薄膜４２Ｍは上述したようにアルミニウムまたはニッケルなどにより構成され、また薄肉部４２Ｓはシリコンなどにより構成され、両者は異なる熱膨張係数を有している。
【０１２１】
半導体基板４３と可撓領域４２を連結する熱絶縁領域４７は、薄肉部４２Ｓと略同じ厚さであり、フッ素化樹脂、ポリイミド等の熱絶縁材料により構成されており、半導体基板４３と可撓領域４２を熱絶縁している。ここで、半導体基板４３と可撓領域４２とその間の熱絶縁領域４７とで半導体装置４８が構成される。また上記半導体マイクロアクチュエータ４１は、可撓領域４２が半導体基板４３に一端で支持される片持ち梁構造を有している。
【０１２２】
半導体マイクロアクチュエータ４１は、拡散抵抗４６に電力が加えられると温度上昇し可撓領域４２が加熱され、可撓領域４２を構成する薄膜４２Ｍと薄肉部４２Ｓの熱膨張係数の違いによる熱応力が発生する。例えば薄膜４２Ｍとしてアルミニウム、ニッケル等の金属薄膜が形成させている場合には、薄肉部４２Ｓを構成するシリコンよりも熱膨張係数が大きいため、可撓領域４２は図中下方向へ曲げられる。そして、可撓領域４２に連設された可動エレメント４５は、可撓領域４２の熱応力を受けて、半導体基板４３に対して下方向に変位する。
【０１２３】
本実施形態では、可撓領域４２を片持ち梁構造としているため、可撓領域４２の自由度を大きくとれ、加熱時の可撓領域４２の変位が大きくなる。そのため、可動エレメント４５の変位が大きくなり、大きな力が得られる。ここで、半導体装置４８は実施形態１で説明した図３、図６、図９のいずれの構成としてもよく、同様の効果を有する半導体マイクロアクチュエータが得られる。
【０１２４】
（実施形態７）
次に、第７の実施形態を説明する。図２４は本実施形態の半導体マイクロアクチュエータ４１ａの構造を示す斜視図であり、本実施形態において、実施形態６と異なる点は、可撓領域４２と可動エレメント４５がその間に設けられたポリイミド又はフッ素化樹脂などの樹脂からなる熱絶縁領域４７ａにより連結されている点である。
【０１２５】
このように新たに熱絶縁領域４７ａを設けることで、可撓領域４２と可動エレメント４５の間の熱絶縁性が高まり、拡散抵抗４６より発生する熱が可動エレメント４５に逃げるのを防ぐことができ、実施形態６に比べてより可撓領域４２の加熱を効果的に行い消費電力の低減が図れる。
【０１２６】
（実施形態８）
次に、本発明の第８の実施形態を説明する。図２５は本実施形態の半導体マイクロアクチュエータ４１ｂの構造を示す斜視図であり、本実施形態において実施形態７と異なる点は、可撓領域４２の薄肉部４７Ｍと、熱絶縁領域４７とが同一材料である熱絶縁性を有する樹脂（例えばポリイミド、フッ素化樹脂）により構成されている点である。これにより、熱絶縁領域４７と薄膜４７Ｍを同時に形成することが可能となり、製造工程を簡単にすることができる。
【０１２７】
また、この半導体マイクロアクチュエータ４１ｂの可動エレメント４５には、上面から掘り込みを設けて凹部４５Ｈが形成されており、可動エレメントに凹部が形成されていない場合（図２６に示す半導体マイクロアクチュエータ４１ｃの可動エレメント４５ａ）に比べて、可動エレメント４５の熱容量が小さくなるため、可撓領域４２の温度上昇が急速に行えることになる。また、凹部４５Ｈを形成することで可動エレメントの重量（体積）が小さくなるので、外部からの衝撃に対して誤動作しないという利点もある。
【０１２８】
（実施形態９）
次に、本発明の実施形態９を説明する。図２７は本実施形態における半導体マイクロバルブの構造を示す一部破断の斜視図である。この半導体マイクロバルブは、基板を加工して形成される流体エレメントである台座５０と、その上部に陽極接合、共晶接合などにより接合されているアクチュエータ部とにより構成されており、このアクチュエータ部として、図１、図２で示した可撓領域２が可動エレメント５を挟んで十字形状をしている半導体マイクロアクチュエータ１を用いている。
【０１２９】
台座５０はその表面上の半導体マイクロアクチュエータ１の可動エレメント５と対応する位置に流体の流路に相当する貫通孔５１（いわゆるオリフィス）が設けられており、その貫通孔５１の上面開口部の周囲部には、周りより高く突出し上面が略平面状の台部５２が形成されている。ここで、可動エレメント５はいわゆる弁体に相当する。
【０１３０】
このように構成された半導体マイクロバルブ５５は、拡散抵抗６に電力が供給されて可撓領域２が加熱されると薄肉部２Ｓと薄膜２Ｍの熱膨張差により変位し、可撓領域２に連設された可動エレメント５が変位する。この可動エレメント５の変位によりその下面部と台座５０の台部５２の間隔が変化し、貫通孔５１を流れる流体量が制御される。
【０１３１】
本実施形態の半導体マイクロバルブにおいても、半導体基板３と可撓領域２との間にポリイミドなどの樹脂からなる熱絶縁領域７が設けられているため、可撓領域２を加熱する際の熱が半導体基板３へ逃げるのを防止することができる。そのため、その駆動における消費電力を抑えることが可能となる。
【０１３２】
また、４つの可撓領域２が中央の可動エレメント５を挟んで十字形状となっているため可動エレメント５の制御精度がよく、流体の制御精度のよい半導体マイクロバルブが得られる。
【０１３３】
ここで、図２７における半導体マイクロバルブのアクチュエータ部を図１１、図１２で示した半導体マイクロアクチュエータ１ａで構成した例を図２８に示す。本構成例の半導体マイクロバルブは、台座５０と半導体マイクロアクチュエータ１ａがポリイミドからなるスペーサ層５３を介して接合されている。
【０１３４】
また、可撓領域２と可動エレメント５の間にも熱絶縁領域７Ａが設けられており、図２７で示した半導体マイクロバルブに比べて可撓領域２より逃げる熱をさらに少なくすることが可能となり、その駆動における消費電力を抑えることができる。
【０１３５】
また、可撓領域２と半導体基板３の連結部分、又は可撓領域２と可動エレメント５との連結部分近傍に可撓領域２が変位したときに加わる応力を緩和する丸みが設けられていることによる効果は、図１１、図１２で説明したものと同様である。
【０１３６】
さらに、台座５０と半導体マイクロアクチュエータ１ａの間にスペーサ層５３が形成されていることで、次のような効果がある。通常、半導体マイクロアクチュエータ１ａはシリコン基板からなり、台座５０はガラス基板からなる。この両者は高温下で接合される（４００℃で陽極接合される）ため、常温では両者の熱膨張差に起因する収縮度合いの違いにより両者間にストレスが発生する。このストレスは半導体マイクロアクチュエータ１ａの可撓領域２に集中するため、可撓領域２の十分な変位が得られず、半導体マイクロバルブの駆動性が悪くなってしまう。そこで、両者間にスペーサ層５３を設けることで、上述したように両者間に発生するストレスを吸収して緩和させることができる。
【０１３７】
なお、本構成例の半導体マイクロバルブの動作は図２７の場合と同様であるのでその説明を省略する。
【０１３８】
またここで、図２７における半導体マイクロバルブのアクチュエータ部を図１７で示した半導体マイクロアクチュエータ１ｂで構成した例を図２９に示す。本構成例の半導体マイクロバルブは、可撓領域２を加熱する拡散抵抗６に電力を供給する配線４ａが熱絶縁領域７を介さずに形成されている点が図２８に示した構成例と異なり、熱伝導率のよい配線４ａの熱絶縁距離を長くとることが可能となるため、さらに熱絶縁効果の高い半導体マイクロバルブが得られ、それを駆動するための消費電力を抑えることができる。
【０１３９】
なお、本構成例の半導体マイクロバルブの動作も図２７の場合と同様のため、その説明を省略する。
【０１４０】
（実施形態１０）
次に、本発明の第１０の実施形態を説明する。図３０は本実施形態の半導体マイクロバルブの構造を示す一部破断の斜視図である。図３０に示す半導体マイクロバルブは、基板を加工して形成される流体エレメントである台座５６と、その上部に陽極接合、共晶接合などにより接合されているアクチュエータ部とにより構成されており、このアクチュエータ部として、図１９、図２０で示した可撓領域３２が可動エレメント３５を挟んでいわゆる卍字形状をした半導体マイクロアクチュエータ３１を用いている。
【０１４１】
台座５６はその表面上の半導体マイクロアクチュエータ３１の可動エレメント３５と対応する位置に流体の流路に相当する貫通孔５７（いわゆるオリフィス）が設けられており、その貫通孔５７の上面開口部の周囲部には、周りより高く突出し上面が略平面状の台部５８が形成されている。ここで、可動エレメント３５は弁体に相当する。
【０１４２】
このように構成された半導体マイクロバルブは、拡散抵抗３６に電力が供給されて可撓領域３２が加熱されると薄肉部３２Ｓと薄膜３２Ｍの熱膨張差により変位し、可撓領域３２に連設された可動エレメント３５が変位する。この可動エレメント３５の変位によりその下面部と台座５６の台部５８の間隔が変化し、貫通孔５７を流れる流体量が制御される。
【０１４３】
本実施形態の半導体マイクロバルブにおいても、半導体基板３３と可撓領域３２との間にポリイミドなどの樹脂からなる熱絶縁領域３７が設けられているため、可撓領域３２を加熱する際の熱が半導体基板３３へ逃げるのを防止することができる。そのため、その駆動における消費電力を抑えることが可能となる。
【０１４４】
また、本実施形態の半導体マイクロバルブは、可撓領域３２がＬ字形状であるためその長さが長くなっており、そのため可撓領域３２の変位が大きくなるので、可動エレメント３５の変位を大きくすることができる。よって、流体の流量制御範囲の広い半導体マイクロバルブとなる。
【０１４５】
ここで、図３０におけるアクチュエータ部を図２１、図２２で示した半導体マイクロアクチュエータ３１ａで構成した例を図３１に示す。本構成例の半導体マイクロバルブは、可撓領域３２と可動エレメント３５の間にも熱絶縁領域３７ａが設けられており、図３０で示した半導体マイクロバルブに比べて可撓領域３２より逃げる熱をさらに少なくすることが可能となり、その駆動における消費電力を抑えることができる。
【０１４６】
また、可撓領域３２と半導体基板３３の連結部分、又は可撓領域３２と可動エレメント３５との連結部分近傍に可撓領域３２が変位したときに加わる応力を緩和する丸みが設けられていることによる効果は、図２１、図２２で説明したものと同様である。
【０１４７】
（実施形態１１）
次に、本発明の第１１の実施形態を説明する。図３２は本実施形態における半導体マイクロリレーの構造を示す一部破断の斜視図である。図３２における半導体マイクロリレーは、表面に固定接点６７，６８が設けられた固定エレメントである固定片６５と、その上部に陽極接合、共晶接合などにより接合されたアクチュエータ部とにより構成されており、このアクチュエータ部は、図２３で示した半導体マイクロアクチュエータ４１で構成される。
【０１４８】
半導体マイクロアクチュエータ４１の可動エレメント４５の下面には、可動接点６６が設けられており、固定片６５上の固定接点６７，６８は可動接点６６と対応する位置に可動接点６６と接触可能に離間して設けられている。
【０１４９】
ここで、拡散抵抗４６に電流が流れ可撓領域４２が加熱されると、薄肉部４２Ｓと薄膜４２Ｍの熱膨張差により可撓領域４２が変位し、可動エレメント４５が変位する。この変位により可動エレメント４５の下面に設けられた可動接点６６と固定接点６７，６８が接触し、固定接点６７，６８が可動接点６６を介して導通してリレーがオンする。
【０１５０】
本実施形態の半導体マイクロリレーのアクチュエータ部は半導体マイクロアクチュエータ４１で構成されており、実施形態６で説明したように可撓領域４２と半導体基板４３の熱絶縁効果が高く、消費電力の少ない半導体マイクロリレーが得られる。また、半導体マイクロアクチュエータ４１は半導体基板４３を固定端とする片持ち梁構造をしており、接点圧力の大きい半導体マイクロリレーが得られる。
【０１５１】
（実施形態１２）
次に、第１２の実施形態を説明する。図３３は本実施形態における半導体マイクロリレーの構造を示す斜視図であり、図３２で示したアクチュエータ部を図２５で示した半導体マイクロアクチュエータ４１ｂで構成したものである。
【０１５２】
すなわち、本実施形態の半導体マイクロリレーは、可撓領域４２の薄膜４７Ｍと、可撓領域４２と半導体基板４３を連結する熱絶縁領域４７が例えばポリイミドなどの同一材料により構成されている。
【０１５３】
また、図３３に示す半導体マイクロリレーは、可動エレメント４５に凹部４５Ｈが設けられており、凹部が設けられていないもの（図３７参照）に比べて、熱容量が小さく、可撓領域４２の温度上昇が急速に行える点、可動エレメントの重量（体積）が小さくなるので、外部からの衝撃に対して誤動作しない点は、図２５で説明した通りである。
【０１５４】
次に、本実施形態における半導体マイクロリレーの製造方法を示す。例えばシリコン基板などの半導体基板４３（図３４（ａ）参照）をシリコン窒化膜などをマスクとしてＫＯＨなどにより下面からエッチング除去して、ギャップ４０を形成する（図３４（ｂ）参照）。このギャップ４０は、半導体マイクロリレーにおける可動接点と固定接点間の接点ギャップとなる。ここで、シリコン基板である半導体基板４３はｐ型、ｎ型のどちらでもよく、結晶方位は＜１００＞が望ましい。
【０１５５】
次に、イオン注入または不純物拡散などにより拡散抵抗４６を半導体基板４３の上面に形成する（図３４（ｃ）参照）。ここで、不純物はｐ型、ｎ型のどちらであってもよい。
【０１５６】
さらに、半導体基板４３の両面にシリコン窒化膜などを形成しパターニングする。その後、半導体基板４３の上面からＫＯＨなどによりエッチング除去して（異方性エッチング）、可動エレメント４５の上部に凹部４５Ｈを形成し中空形状とすると同時に、半導体基板４３の下面からＫＯＨなどによりエッチング（異方性エッチング）除去して凹部を設けてその底面部を可撓領域を構成する薄肉部４２Ｓとして形成する（図３４（ｄ）参照）。
【０１５７】
次に、半導体基板４３の上面よりシリコン窒化膜などをマスクにして、エッチング除去して後に熱絶縁領域４７，４７ａとなる部分に孔部４７Ｂ，４７Ｃを形成する（図３５（ａ）参照）。このときエッチングされる深さは、熱絶縁領域４７，４７ａの厚みに対応する。
【０１５８】
そして次の工程では、スパッタリングなどによりアルミニウム薄膜を形成しパターニングすることで、拡散抵抗４６に電力を供給する配線４９Ａなどが形成される（図３５（ｂ）参照）。
【０１５９】
次に、ポリイミドなどの熱絶縁材料を半導体基板４３の全面にコートし、孔部４７Ｂ，４７Ｃを埋める。その後、その埋め込まれた部分と薄肉部４２Ｓ上部の熱絶縁材料以外の熱絶縁材料をエッチングなどにより除去して、熱絶縁領域４７，４７ａと薄膜４７Ｍをポリイミドなどの同一材料により形成する（図３５（ｃ）参照）。そして、熱絶縁領域４７，４７ａの下面側をエッチング除去し（図３５（ｄ）参照）、可動エレメント４５の下面側に金コバルトなどからなる後述する可動接点６６をメッキなどにより形成する（図３５（ｅ）参照）。
【０１６０】
その後、このように加工された半導体基板４３と、メッキなどにより金コバルトなどの固定接点６７が形成された固定片６５を陽極接合などにより接合し（図３６（ａ））、最後にＲＩＥなどにより可動エレメント４５及び可撓領域４２を枠体となる半導体基板４３から切り離し、半導体マイクロリレーが製造される（図３６（ｂ））。すなわち、半導体マイクロアクチュエータ４１ｂが製造されることになる。
【０１６１】
このように、可撓領域４２の薄膜４７Ｍと熱絶縁領域４７とを同一材料で同時に形成するため、製造工程が簡単になりコストを低減できる。
【０１６２】
ここで、本実施形態の半導体マイクロリレーにおける可撓領域４２の薄肉部４２Ｓと薄膜４７Ｍからなるいわゆるバイメタルの構成を図３８に示す。図示したように、１０μｍ厚のシリコンからなる薄肉部４２Ｓの上部に、薄膜４７Ｍとして２０μｍ厚のポリイミド（商品名：フォトニース）が形成されている。この可撓領域４２の平面サイズは１０００μｍ×１０００μｍとする。このとき、可撓領域４２の曲りは以下に示すチモチェンコの式によって表される。
【０１６３】
【式１６】
ここでΔＴは温度変化を示している。
【０１６４】
上記式に具体的な数値を導入し計算した結果を図３９に示す。図３９に示すように、可撓領域４２の温度が高くなればその変位（曲り）が大きくなる。この曲りが半導体マイクロリレーの可動接点６６と固定接点６７，６８の接点ギャップよりも大きくなると、可動接点６６と固定接点６７，６８が接触しリレーがオンする。
【０１６５】
ここで、接点ギャップが２０μｍであり、バイメタルを２００℃とした場合のバイメタルの動作を考察する。図３９に示すように、２００℃におけるバイメタルの変位は約６５μｍである。
【０１６６】
半導体マイクロリレーは片持ち梁構造であり、可撓領域４２に対応する梁は図４０に示すように変位する。その先端部の変位Ｘａは、Ｘａ＝（Ｆａ・τａ３）／（３Ｅａ・Ｉａ）で表される。Ｆａは梁の先端部に加えられる力、ｔａは梁の厚み、τａは梁の長さ、Ｅａは梁のヤング率を示している。ここで、Ｉａは梁の断面２次モーメントを示しており、その断面が長方形の場合は、Ｉａ＝ｂａ・ｔａ３／１２（ｂａは梁の奥行き幅）で表されるため、先端の撓みＸａは、Ｘａ＝４・Ｆａ・τａ３／（ｂａ・ｔａ３・Ｅａ）となる。この式より梁の先端部に加えられた力Ｆａは、Ｆａ＝（Ｘａ・ｂａ・ｔａ３・Ｅａ）／（４・τａ３）で表される。ここで、接点ギャップ２０μｍとすると接点圧ｆａは、ｆａ＝（（Ｘａ−２０μｍ）・ｂａ・ｔａ３・Ｅａ）／（４・τａ３）となる。先端部の撓みＸａは、Ｘａ＝６５μｍであるから、接点圧ｆａはｆａ＝０．８７ｇｆ＝８．５×１０−３Ｎとなり、ほぼ１ｇｆ（９．８×１０−３Ｎ）に近い接点圧が得られる。
【０１６７】
（実施形態１３）
次に、本発明の第１３の実施形態を説明する。図４１は本実施形態の半導体マイクロリレーの構造を示す斜視図である。図４１に示す半導体マイクロリレーは、図３３で示した半導体マイクロリレーのアクチュエータ部を図２３で示した半導体マイクロアクチュエータ４１で構成したものであり、図３３と異なる点は、可撓領域４２の薄膜４２Ｍがアルミニウム薄膜あるいはニッケル薄膜などの金属薄膜により構成されている点である。
【０１６８】
本実施形態の半導体マイクロリレーにおいても、可動エレメント４５に凹部４５Ｈが形成されており、図４８に示す半導体マイクロリレーのように凹部が形成されていない場合に比べて、可撓領域４２の温度上昇を急速に行える点、可動エレメントの重量（体積）が小さくなるので、外部からの衝撃に対して誤動作を防止できる点は実施形態１２と同様である。
【０１６９】
次に、図４１で示した半導体マイクロリレーの製造方法を示す。まず、可撓領域４２を構成する薄膜４２Ｍをアルミニウム薄膜で構成した場合についての製造方法を説明する。
【０１７０】
例えばシリコン基板などの半導体基板４３（図４２（ａ）参照）をシリコン窒化膜などをマスクとしてＫＯＨなどにより下面からエッチング除去して、ギャップ４０を形成する（図４２（ｂ）参照）。このギャップ４０は、半導体マイクロリレーにおける可動接点と固定接点間の接点ギャップとなる。ここで、半導体基板４３（シリコン基板）はｐ型、ｎ型のどちらでもよく、結晶方位は＜１００＞が望ましい。
【０１７１】
次に、イオン注入または不純物拡散などにより拡散抵抗４６を半導体基板４３の上面に形成する（図４２（ｃ）参照）。ここで、不純物はｐ型、ｎ型のどちらであってもよい。
【０１７２】
さらに、半導体基板４３の両面にシリコン窒化膜などを形成しパターニングする。その後、半導体基板４３の上面からＫＯＨなどによりエッチング除去して（異方性エッチング）、可動エレメント４５の上部に凹部４５Ｈを形成し中空形状とすると同時に、半導体基板４３の下面からＫＯＨなどによりエッチング（異方性エッチング）除去して凹部を設けてその底面部を可撓領域を構成する薄肉部４２Ｓとして形成する（図４２（ｄ）参照）。
【０１７３】
次に、半導体基板４３の上面よりシリコン窒化膜などをマスクにして、エッチング除去して後に熱絶縁領域４７，４７ａとなる部分に孔部４７Ｂ，４７Ｃを形成する（図４３（ａ）参照）。このときエッチングされる深さは、熱絶縁領域４７，４７ａの厚みに対応する。
【０１７４】
そして次の工程では、図４３（ｂ）に示すように、スパッタリングなどによりアルミニウム薄膜を形成しパターニングして、可撓領域を構成する薄膜４２Ｍと、拡散抵抗４６に電力を供給する配線４９Ａが形成される。そして、ポリイミドなどの熱絶縁材料を半導体基板４３の全面にコートし、半導体基板４３の上面に設けられた孔部４７Ｂ，４７Ｃを埋め、埋め込んだ部分以外の熱絶縁材料をエッチングなどにより除去して熱絶縁領域４７，４７ａを形成する（図４３（ｃ）参照）。
【０１７５】
その後、熱絶縁領域４７，４７ａの下面側をエッチング除去して熱絶縁材料のみで構成される熱絶縁領域４７，４７ａを形成する（図４３（ｄ）参照）。そして次に、可動エレメント４５の下面側に金コバルトなどからなる可動接点６６をメッキなどにより形成する。
【０１７６】
次に、このように加工された半導体基板４３とメッキなどにより金コバルトなどの固定接点６７が形成された固定片６５を陽極接合などにより接合し（図４４（ａ）参照）、最後にＲＩＥなどにより可動エレメント４５及び可撓領域４２を枠体となる半導体基板４３から切り離し、半導体マイクロリレーが製造される。すなわち、半導体マイクロアクチュエータ４１ａが製造されることになる（図４４（ｂ）参照）。
【０１７７】
次に、図４１で示した半導体マイクロリレーの薄膜４２Ｍをニッケルで構成した場合の製造方法を説明する。図４５（ａ）〜（ｅ）の工程で示されるように、半導体基板４３の下面にギャップ４０を形成する工程、半導体基板４３の上面に拡散抵抗４６を形成する工程、可動エレメント４５の上部に凹部４５Ｈを形成する工程、可撓領域４２の薄肉部４２Ｓを形成する工程、後に熱膨張領域となる部分である孔部４７Ｂ，４７Ｃを形成する工程は、図４２（ａ）〜（ｄ）、図４３（ａ）で説明した工程と同様であるためその説明を省略する。
【０１７８】
その次の工程では、図４６（ａ）に示すように、スパッタリングなどによりアルミニウム薄膜を形成しパターニングすることで、拡散抵抗４６に電力を供給する配線４９Ａなどが形成される。次に、図４６（ｂ）に示すように、ポリイミドなどの熱絶縁材料を半導体基板４３の全面にコートし、半導体基板４３の上面に設けられた孔部４７Ｂ，４７Ｃを埋め、埋め込んだ部分以外の熱絶縁材料をエッチングなどにより除去して熱絶縁領域４７，４７ａを形成する。
【０１７９】
その後、熱絶縁領域４７，４７ａの下面側をエッチング除去し（図４６（ｃ）参照）、薄肉部４２Ｓの上面に薄膜４２Ｍとしてメッキなどによりニッケル薄膜を形成し（図４６（ｄ）参照）、可動エレメント４５の下面側に金コバルトなどからなる可動接点６６をメッキなどにより形成する（図４６（ｅ）参照）。
【０１８０】
そして次に、このように加工された半導体基板４３と、メッキなどにより金コバルトなどの固定接点６７が形成された固定片６５を陽極接合などにより接合し（図４７（ａ）参照）、最後にＲＩＥなどにより可動エレメント４５及び可撓領域４２を枠体となる半導体基板４３から切り離し、半導体マイクロリレーが製造される（図４７（ｂ）参照）。すなわち、半導体マイクロアクチュエータ４１ａが製造される。
【０１８１】
ここで、図４１で示した半導体マイクロバルブにおける可撓領域４２の薄肉部４２Ｓと薄膜４２Ｍからなるいわゆるバイメタルの構成を図４９に示す。図示したように、１５μｍ厚のシリコンからなる薄肉部４２Ｓの上部に、薄膜４２Ｍとして５μｍ厚のアルミニウム薄膜が形成されている。可撓領域４２の平面サイズは１０００μｍ×１０００μｍとする。
【０１８２】
このとき、可撓領域４２の変位（曲り）は以下に示すチモチェンコの式によって表される。
【０１８３】
【式１７】
ここで、ΔＴは温度変化を示している。
【０１８４】
上記式に具体的な数値を導入し計算した結果を図５０に示す。図５０に示すように、可撓領域４２の温度が高くなれば変位（曲り）が大きくなる。この変位が半導体マイクロリレーの可動接点６６と固定接点６７，６８の接点ギャップよりも大きくなると、可動接点６６と固定接点６７，６８が接触しリレーがオンする。
【０１８５】
ここで、接点ギャップが２０μｍであり、可撓領域４２を２００℃とした場合の動作を考察する。図５０に示すように、２００℃における可撓領域４２の変位は約７０μｍである。
【０１８６】
上述したように、接点圧ｆａはｆａ＝（（Ｘａ−２０μｍ）・ｂａ・ｔａ３・Ｅａ）／（４・τａ３）で表されるため、接点圧ｆａを求めるとｆａ＝０．８２ｇｆ＝８．０×１０−３Ｎとなり、ほぼ１ｇｆ（９．８×１０−３Ｎ）に近い接点圧が得られる。
【０１８７】
一方、薄膜４２Ｍとしてニッケル薄膜を用いると、ニッケルはアルミニウムに比べて熱膨張係数が小さいため、温度変化に対する可撓領域４２の変位（曲り）が小さい。ところが、ニッケルはアルミニウムに比べてヤング率が大きいため、大きな熱応力を発生することができる。
【０１８８】
図５１には、シリコンにより構成される薄肉部４２Ｓの厚さを変化させた場合の薄膜４２Ｍがアルミニウムである場合とニッケルである場合のそれぞれにおける可撓領域４２の変位特性を示している。アルミニウムとニッケルはそれぞれ５μｍ厚で可撓領域４２の温度は２００℃で計算している。図より明らかなように薄肉部４２Ｓの厚さが２０μｍでアルミニウムとニッケルの特性が逆転しており、厚さが２０μｍ以上となると、薄膜４２Ｍがニッケルで構成されている場合に可撓領域４２の変位特性が大きくなっている。このように、薄肉部４２Ｓの厚さが厚い場合は薄膜４２Ｍとしてニッケルを用いた方が良い特性が得られる。
【０１８９】
ここで、本実施形態における半導体マイクロリレーの他の構成例を図５２に示す。図５２の半導体マイクロリレーにおいて図４１に示したものとの違いは、図５２では固定片６５と半導体マイクロアクチュエータ４１ａとがポリイミドからなるスペーサ層６３を介して接合（例えば陽極接合）されている点であり、固定片６５と半導体マイクロアクチュエータ４１ａの両者間に発生するストレスを吸収して緩和させることができる点は図２８に対応する実施形態と同様である。
【０１９０】
【発明の効果】
上記したように、請求項１の発明は、半導体基板と、温度変化により前記半導体基板に対して変位する可撓領域と、前記半導体基板と前記可撓領域との間に設けられ前記半導体基板と前記可撓領域を連結する樹脂製の熱絶縁領域とから構成され、前記半導体基板および前記可撓領域の前記熱絶縁領域に接する部分が、前記半導体基板と前記可撓領域の連結方向に櫛刃を形成する形状になるとともに、前記半導体基板と前記可撓領域との各櫛刃形状が前記熱絶縁領域を介して互いに噛み合っており、樹脂製の熱絶縁領域を半導体基板と可撓領域の間に設けることで、可撓領域を温度変化させるときの熱の逃げを防ぐため、消費電力を抑えることができ、さらにその製造工程も簡単である。さらに、半導体基板と可撓領域の連結強度を上げることができる。
【０１９１】
また、請求項２の発明は、請求項１記載の発明において、前記熱絶縁領域を構成する材料がポリイミドであるため、可撓領域と半導体基板の熱絶縁性が良くなるとともに、製造が容易となる。
【０１９２】
また、請求項３の発明は、請求項１記載の発明において、前記熱絶縁領域を構成する材料がフッ素化樹脂であるため、可撓領域と半導体基板の熱絶縁性が良くなるとともに、製造が容易となる。
【０１９３】
また、請求項４の発明は、請求項１から請求項３のいずれかに記載の発明において、前記熱絶縁領域に前記熱絶縁領域を構成する材料よりも硬い材料からなる補強層が設けられているため、半導体基板と可撓領域の連結強度を上げることができる。
【０１９４】
また、請求項５の発明は、請求項４記載の発明において、前記補強層のヤング率が、９．８×１０９Ｎ／ｍ２以上であるため、半導体基板と可撓領域の連結強度を上げることができる。
【０１９５】
また、請求項６の発明は、請求項５に記載の発明において、前記補強層が二酸化ケイ素薄膜であるため、半導体基板と可撓領域の連結強度を上げることができる。
【０１９６】
また、請求項７の発明は、請求項１から請求項６のいずれかに記載の半導体装置と、前記可撓領域に連設された可動エレメントとを備え、前記可撓領域の温度が変化したときに、前記可動エレメントが前記半導体基板に対して変位するため、低消費電力で駆動可能であることに加えて、請求項１から請求項６の発明と同様の効果を有する半導体マイクロアクチュエータが得られる。
【０１９７】
また、請求項８の発明は、請求項７記載の発明において、前記可撓領域は片持ち梁構造を有しているため、可動エレメントの変位の大きな半導体マイクロアクチュエータが得られる。
【０１９８】
また、請求項９の発明は、請求項７記載の発明において、前記可動エレメントは複数の可撓領域により支持されているため、可動エレメントを安定して支持できる。
【０１９９】
また、請求項１０の発明は、請求項９記載の発明において、前記可撓領域は前記可動エレメントを挟んで十字形状であるため、可動エレメントの変位の精度が良いものとなる。
【０２００】
また、請求項１１の発明は、請求項９記載の発明において、前記可動エレメントの変位は、前記半導体基板の基板面に対して水平方向に回転する変位を含むため、可動エレメントの変位が大きなものとなる。
【０２０１】
また、請求項１２の発明は、請求項９又は請求項１１記載の発明において、前記可撓領域は、それぞれがＬ字形状をしている４つ可撓領域が前記可動エレメントを中心として四方向に等間隔で設けられているため、可撓領域の長さを大きくすることができ、そのため可動エレメントの変位を大きくすることができる。
【０２０２】
また、請求項１３の発明は、請求項７から請求項１２のいずれかに記載の発明において、前記可撓領域は異なる熱膨張係数を有する少なくとも２つの領域からなり熱膨張係数差に応じて変位をするため、可撓領域の温度変化により可撓領域の変位を得ることができる。
【０２０３】
また、請求項１４の発明は、請求項７から請求項１３のいずれかに記載の発明において、前記可撓領域と前記可動エレメントの間に、前記可撓領域と前記可動エレメントを連結する樹脂からなる熱絶縁領域が設けられているため、可撓領域と可動エレメントの熱絶縁性を確保することができ、可撓領域を温度変化させるときの消費電力をより抑えることができる。
【０２０４】
また、請求項１５の発明は、請求項１４記載の発明において、前記半導体基板と前記可撓領域の間に設けられた熱絶縁領域の剛性と、前記可撓領域と前記可動エレメントの間に設けられた熱絶縁領域の剛性とを異なるようにするため、各熱絶縁領域の剛性の違いにより可動エレメントの変位の方向を決めることができる。
【０２０５】
また、請求項１６の発明は、請求項７から請求項１５のいずれかに記載の半導体マイクロアクチュエータと、前記半導体マイクロアクチュエータに接合され、前記可動エレメントの変位に応じて流れる流体量が変化する流路を有する流体エレメントとを備えたため、低消費電力で駆動可能であることに加えて、請求項７から請求項１５の発明と同様の効果を有する半導体マイクロバルブが得られる。
【０２０６】
また、請求項１７の発明は、請求項７から請求項１５のいずれかに記載の半導体マイクロアクチュエータと、前記可動エレメントに可動接点が設けられ、その対応する位置に前記可動接点と接触可能な固定接点を有し前記半導体マイクロアクチュエータに接合される固定エレメントとを備えたため、低消費電力で駆動可能であることに加えて、請求項７から請求項１５の発明と同様の効果を有する半導体マイクロリレーが得られる。
【図面の簡単な説明】
【図１】 本発明の実施形態１に対応する半導体装置を用いた半導体マイクロアクチュエータの構造を示す一部破断の斜視図である。
【図２】 同上の構造を示す図であって、（ａ）は断面図、（ｂ）は上面図である。
【図３】 同上の半導体装置の構造を示す断面図である。
【図４】 同上の半導体装置の強度を求めるために用いる構造モデルを示すものであって、（ａ）は模式図、（ｂ）は分布図、（ｃ）は分布図である。
【図５】 同上の半導体装置の製造工程を示す図であって、（ａ）から（ｄ）はいずれも断面図である。
【図６】 同上の他の半導体装置の構造を示す図であって、（ａ）は断面図、（ｂ）は上面図である。
【図７】 同上の構造を示す断面図である。
【図８】 同上の製造工程を示す図であって、（ａ）から（ｅ）はいずれも断面図である。
【図９】 同上のさらに他の半導体装置の構造を示すものであって、（ａ）は断面図、（ｂ）は上面図である。
【図１０】 同上の構造を示す断面図である。
【図１１】 本発明の実施形態２に対応する半導体マイクロアクチュエータの構造を示す一部破断の斜視図である。
【図１２】 同上の構造を示す図であって、（ａ）は断面図、（ｂ）は上面図である。
【図１３】 同上の他の半導体マイクロアクチュエータの構造を示す断面図である。
【図１４】 同上の製造工程を示す図であって、（ａ）から（ｅ）はいずれも断面図である。
【図１５】 同上の製造工程を示す図であって、（ａ）から（d）はいずれも断面図である。
【図１６】 同上の半導体マイクロアクチュエータの他の配線構造を示す断面図である。
【図１７】 本発明の実施形態３に対応する半導体マイクロアクチュエータの構造を示す一部破断の斜視図である。
【図１８】 同上の構造を示す上面図である。
【図１９】 本発明の実施形態４に対応する半導体マイクロアクチュエータの構造を示す一部破断の斜視図である。
【図２０】 同上の構造を示す上面図である。
【図２１】 本発明の実施形態５に対応する半導体マイクロアクチュエータの構造を示す一部破断の斜視図である。
【図２２】 同上の構造を示す上面図である。
【図２３】 本発明の実施形態６に対応する半導体マイクロアクチュエータの構造を示す一部破断の斜視図である。
【図２４】 本発明の実施形態７に対応する半導体マイクロアクチュエータの構造を示す一部破断の斜視図である。
【図２５】 本発明の実施形態８に対応する半導体マイクロアクチュエータの構造を示す一部破断の斜視図である。
【図２６】 同上の他の半導体マイクロアクチュエータの構造を示す一部破断の斜視図である。
【図２７】 本発明の実施形態９に対応する半導体マイクロバルブの構造を示す一部破断の斜視図である。
【図２８】 同上の他の半導体マイクロバルブの構造を示す一部破断の斜視図である。
【図２９】 同上のさらに他の半導体マイクロバルブの構造を示す一部破断の斜視図である。
【図３０】 本発明の実施形態１０に対応する半導体マイクロバルブの構造を示す一部破断の斜視図である。
【図３１】 同上の他の半導体マイクロバルブの構造を示す一部破断の斜視図である。
【図３２】 本発明の実施形態１１に対応する半導体マイクロリレーの構造を示す一部破断の斜視図である。
【図３３】 本発明の実施形態１２に対応する半導体マイクロリレーの構造を示す一部破断の斜視図である。
【図３４】 同上の製造工程を示す図であって、（ａ）から（ｄ）はいずれも断面図である。
【図３５】 同上の製造工程を示す図であって、（ａ）から（ｅ）はいずれも断面図である。
【図３６】 同上の製造工程を示す図であって、（ａ）、（ｂ）はいずれも断面図である。
【図３７】 同上の他の半導体マイクロリレーの構造を示す一部破断の斜視図である。
【図３８】 同上の半導体マイクロリレーの作用説明に用いる斜視図である。
【図３９】 同上の半導体マイクロリレーの作用説明に用いる関係図である。
【図４０】 同上の半導体マイクロリレーの作用説明に用いる側面図である。
【図４１】 本発明の実施形態１３に対応する半導体マイクロリレーの構造を示す一部破断の斜視図である
【図４２】 同上の製造工程を示す図であって、（ａ）から（ｄ）はいずれも断面図である。
【図４３】 同上の製造工程を示す図であって、（ａ）から（ｅ）はいずれも断面図である。
【図４４】 同上の製造工程を示す図であって、（ａ）、（ｂ）はいずれも断面図である。
【図４５】 同上の他の製造工程を示す図であって、（ａ）から（ｅ）はいずれも断面図である。
【図４６】 同上の他の製造工程を示す図であって、（ａ）から（ｅ）はいずれも断面図である。
【図４７】 同上の他の製造工程を示す図であって、（ａ）、（ｂ）はいずれも断面図である。
【図４８】 同上の他の半導体マイクロリレーの構造を示す一部破断の斜視図である
【図４９】 同上の半導体マイクロリレーの作用説明に用いる斜視図である。
【図５０】 同上の半導体マイクロリレーの作用説明に用いる関係図である。
【図５１】 同上の半導体マイクロリレーの作用説明に用いる関係図である。
【図５２】 同上の他の半導体マイクロリレーの構造を示す図である。
【図５３】 従来の半導体マイクロアクチュエータの構造を示す上面図である。
【図５４】 同上の構造を示す断面図である。
【図５５】 従来の半導体マイクロリレーの構造を示す断面図である。
【図５６】 同上の作用説明のために用いる模式図である。
【符号の説明】
１ 半導体マイクロアクチュエータ
２ 可撓領域
２Ｓ 薄肉部
２Ｍ 薄膜
３ 半導体基板
４ａ 配線
５ 可動エレメント
６ 拡散抵抗
７ 熱絶縁領域
８ 半導体装置
【発明の属する技術分野】
本発明は、半導体基板と、半導体基板から切り離され温度変化により変位する可撓領域と、両者の間に設けられた熱絶縁領域から構成される半導体装置及びこれを用いた半導体マイクロアクチュエータ及び半導体マイクロバルブ及び半導体マイクロリレーに関するものである。
【０００２】
【従来の技術】
半導体基板と、半導体基板から切り離され温度変化により変位する可撓領域と、両者の間に設けられた熱絶縁領域から構成される半導体装置を用いたものとして、異なった熱膨張係数を有する少なくとも２つの材料を組み合わせ（バイメタル構造）、その部分を加熱し熱膨張係数の差を利用して変位を得る半導体マイクロアクチュエータがある。この半導体マイクロアクチュエータについては、特表平４−５０６３９２号「半導体マイクロアクチュエータ」に開示されている。
【０００３】
特表平４−５０６３９２号に記載されている半導体マイクロアクチュエータは、図５３の上面図、図５４の断面図に示すとおりであり、シリコンのダイアフラム３００の一部にアルミニウム薄膜３０４が形成されたバイメタル構造になっている可撓領域を有している。シリコンからなるダイアフラム３００中に形成されたヒータ３０１に電流を流すと発熱し、ダイアフラム３００の温度が上昇する。ここで、シリコンとアルミニウムは熱膨張係数が大きく異なるため、熱応力が発生しダイアフラム３００を撓ませ、ダイアフラム３００に連設された可動部３０５の変位を生じる機構となっている。また、効率的な変位を得るために、ダイアフラム３００の周辺と半導体基板であるシリコン枠３０２の間に二酸化ケイ素薄膜のヒンジ３０３を設け、ダイアフラム３００で発生した熱がシリコン枠３０２に逃げることを防ぐ構造となっている。
【０００４】
しかし、このような構造をもつ半導体マイクロアクチュエータにおいては以下のような問題点がある。まず、二酸化ケイ素薄膜のヒンジ構造の熱絶縁効果について考察する。一般に、高温部分から低温部分へ逃げる熱量Ｑは
Ｑ（Ｗ）＝−λ（（ｔ２−ｔ１）／δ）Ａ （式Ｘ）となる。
ここで、Ｑ；熱量（熱移動の速さ）
ｔ２−ｔ１；温度差（℃）
δ；熱源からの距離（ｃｍ）
Ａ；熱流の向きに垂直な断面（ｃｍ２）
λ；熱伝導率（Ｊ／ｃｍ・ｓ・℃）
で与えられる。
【０００５】
そこで、この関係式を用いてダイアフラム３００からシリコン枠３０２へ逃げる熱量を計算する。ダイアフラム３００とシリコン枠３０２の温度差を１５０℃、ヒンジ３０３の横幅を３０μｍ、ダイアフラム３００の直径を２．５ｍｍ、ヒンジ３０３の厚みを２μｍ（「Electrically‐Activated，Micromachined Diaphram Valves」 Technical Digest IEEE Solid−State Sensor and Actuator Workshop，pp65−69，June1990より推定）とすると、熱流の向きに垂直な断面Ａ１は、
Ａ１＝２．５ｍｍ×π×２μｍ＝０．２５ｃｍ×π×２×１０−４ｃｍ＝１．５７×１０−４ｃｍ２
となり、二酸化ケイ素の熱伝導率λ＝０．０８４（Ｗ／ｃｍ・℃）であるから、逃げる熱量Ｑ１は、
Ｑ１＝０．０８４（Ｗ／ｃｍ・℃）×１５０℃／（３０×１０−４ｃｍ）×１．５７×１０−４ｃｍ２＝０．６６Ｗ＝６６０ｍＷ
となる。次に二酸化ケイ素のヒンジ構造を設けなかった場合を計算する。シリコンのダイアフラム３００の厚みを１０μｍとし、熱流の向きに垂直な断面Ａ２を計算すると、
Ａ２＝２．５ｍｍ×π×１０μｍ＝０．２５ｃｍ×π×１０×１０−４ｃｍ＝７．８５×１０−４ｃｍ２
となり、シリコンの熱伝導率λ＝１．４８（Ｗ／ｃｍ・℃）であるから、逃げる熱量Ｑ２は、
Ｑ２＝１．４８（Ｗ／ｃｍ・℃）×１５０℃／（３０×１０−４ｃｍ）×７．８５×１０−４ｃｍ２＝５８Ｗ
となる。そこで、二酸化ケイ素薄膜のヒンジ３０３を設けることにより約９０倍の熱絶縁効果が得られたことになる。このように特表平４−５０６３９２号に記載されている半導体マイクロアクチュエータは、従来の構造のものよりも熱効率の良い構造となっている。しかし、現状の使用用途を考えた場合には熱損失の更なる低減が望まれている。具体的には、この熱の逃げ（熱損失）はダイアフラム３００を所定の温度（例えば１５０℃）に維持するために常時供給される電力（消費電力）と考えられる。
【０００６】
そこで、特表平４−５０６３９２号に記載されている半導体マイクロアクチュエータの消費電力は数百ｍＷ（計算では６６０ｍＷ）と推定できるわけであるが、小型で携帯できる電池駆動用途の場合を考えた場合には百ｍＷ以下であることが望ましい。
【０００７】
また、特表平４−５０６３９２号記載の半導体マイクロアクチュエータは、二酸化ケイ素薄膜がヒンジ３０３の部分は、厚さ２μｍと厚くなっている。このヒンジ３０３の二酸化ケイ素薄膜の厚みを決める要因については、明細書中に明確に記載されていない。しかし、特表平４−５０６３９２号記載の半導体マイクロアクチュエータがマイクロバルブ等に使用された場合には、可動エレメントに加えられた圧力がこのヒンジ３０３に集中することが予想され、この圧力に対し破壊しない程度の膜厚が必要となる。ところが、ヒンジ３０３の膜厚を増すと上記熱の逃げの計算式（式Ｘ）に示されるように熱絶縁効果が低下する。そこで、ある程度の強度をもち、かつ熱絶縁効果を有する二酸化ケイ素薄膜の膜厚として２μｍが決定されたものと推定できる。
【０００８】
ところで、特表平４−５０６３９２号記載の半導体マイクロアクチュエータは、明細書にも記載のごとくシリコンからなるダイアフラム３００とアルミニウム薄膜３０４により構成されたバイメタルにより可動する構造となっているが、ダイアフラム３００とアルミニウム薄膜３０４の間には電気的絶縁を得るために二酸化ケイ素薄膜３０６が挿入されている。
【０００９】
半導体製造プロセスでは、この二酸化ケイ素薄膜３０６とヒンジ３０３の二酸化ケイ素薄膜は同時に形成され、これらの膜厚は同じであることが望ましい。しかし、ダイアフラム３００とアルミニウム薄膜３０４の間に挿入された二酸化ケイ素薄膜３０６の膜厚が２μｍと厚くなった場合には、駆動源となるバイメタル特性を劣化させることが予想できる。文献（「Electrically‐Activated，Micromachined Diaphram Valves」Technical Digest IEEE Solid−State Sensor and Actuator Workshop，pp65−69，June1990）に記載されている例においてはアルミニウム薄膜３０４の膜厚５〜６μｍとなっており、膜厚２μｍの二酸化ケイ素薄膜３０６がダイアフラム３００とアルミニウム薄膜３０４の間に挿入されれば、加熱時のダイアフラム３００の撓みを阻害する要因となることは容易に推定できる。
【００１０】
また半導体製造プロセスでは、二酸化ケイ素の薄膜は通常１０００℃程度の高温で形成されるため、シリコンと二酸化ケイ素の熱膨張係数を考慮するとシリコンのダイアフラム３００−二酸化ケイ素薄膜３０６間でかなりの内部応力が発生するものと考えられる。この内部応力は二酸化ケイ素薄膜３０６の厚みが増すにつれ大きくなり、バイメタル特性を低下させる要因となるのである。以上のような点から考えて、ダイアフラム３００−アルミニウム薄膜３０４間の二酸化ケイ素薄膜３０６はできるだけ薄く（２×１０−８ｍ（２００Å））、またヒンジ３０３の二酸化ケイ素の膜はある程度厚く（２μｍ）しなければならない。しかし、このような二酸化ケイ素の薄膜構造を形成するためには、非常に複雑な半導体製造プロセスが必要となる。この製造プロセスについては、特表平４−５０６３９２号の明細書では言及されていない。
【００１１】
またこの改善策として米国特許Ｎｏ．5,271,597に他のヒンジ構造が開示されている。これは上記のような二酸化ケイ素の薄膜構造ではなく、ヒンジ部分の二酸化ケイ素とダイアフラム−アルミニウム薄膜間の二酸化ケイ素薄膜は同一膜厚となっている。この方法はヒンジ部分の二酸化ケイ素薄膜を薄くし、それにより生じるヒンジ部の強度低下を補うために、ヒンジ以外にダイアフラムとシリコン枠の結合をダイアフラムの一部のシリコンを用いているので熱絶縁効果が低下し、半導体マイクロアクチュエータの消費電力を小さくする構造になっていない。このように半導体マイクロアクチュエータにおける熱絶縁構造においては、まだ多くの問題点が残されている。
【００１２】
また、半導体マイクロバルブの従来例として、特開平５−１８７５７４号に記載されている超小型バルブがある。この超小型バルブにおいても異なった熱膨張係数を有する少なくとも２つの材料を組み合わせ、その部分を加熱し熱膨張係数の差を利用して変位を得る半導体マイクロアクチュエータが使用されている。このマイクロアクチュエータの熱絶縁構造はトーション・バー式サスペンションを設けることにより行われている。この構造は、熱流に垂直な断面の減少と熱流が通過する経路長の増加の双方により、シリコン枠への熱損失を最小化するものとなっている。しかし、このトーション・バー式サスペンション構造がシリコンにより形成されているため、熱の逃げの計算において考察したように、熱絶縁効果が十分に得られないと考えられる。
【００１３】
これは、文献「SILICON MICROVALVES FOR GAS FLOW CONTROL」The 8th International Conference on Solid-State Sensor and Actuators,Stockholm,Sweden,1995,p276-279に記載されているマイクロバルブ性能比較表より推定できる。この文献には、特表平４−５０６３９２号に開示の「半導体マイクロアクチュエータ」に係わるマイクロバルブと、特開平５−１８７５７４号に開示の「超小型バルブ」に係わるバイクロバルブの比較がなされており、後者は前者に比べて耐圧が６倍、流量範囲が１０倍であるが、消費電力は約２倍、熱抵抗で約１／３となっている。
【００１４】
このように特開平５−１８７５７４号に記載されている超小型バルブは、シリコンにより形成されたトーション・バー式サスペンション構造により大きな力を発生できる構造となっているが、消費電力が大きくなってしまう。
【００１５】
さらに、半導体マイクロリレーの従来例として、特開平６−３３８２４４号や特開平７−１４４８３号に開示されたものがある。これらに示された半導体マイクロリレーを図面を参照して説明する。
【００１６】
図５５は従来の半導体マイクロリレーの構成を示した断面図である。図５５に示すように、第１の熱膨張係数を有し、一方端が移動可能なように他端が支持されたシリコン単結晶基板３１２からなるカンチレバー梁３１３を有している。このカンチレバー梁３１３の裏面側には導電層３１５を介して、第１の熱膨張係数よりも大きい第２の熱膨張係数を有する金属層３１６を有している。このカンチレバー梁３１３の主表面には、一方端側に酸化膜３１４を介して接点回路３１７が設けられている。また、カンチレバー梁３１３の主表面の略全面には、酸化膜３１４を介してヒータ回路３１８が設けられている。
【００１７】
一方、接点回路３１７の上方には、所定の空間を介在して対面する位置に導電層３１９を対向表面に有する対向接点部３２０が設けられている。ヒータ回路３１８に電流を流すことによりヒータ回路３１８を加熱する。これにより、カンチレバー梁３１３と金属層３１６からなる可撓領域とが加熱される。このとき、金属層３１６の方の熱膨張率が大きくなるように設定していることにより、カンチレバー梁３１３と金属層３１６は上方に変位する。従って、カンチレバー梁３１３の一方端に設けられた接点回路３１７が対向接点部３２０に押し付けられ導通状態となる。このようなバイメタル駆動のリレーは従来の静電駆動型リレーに比べ、接点間隔を大きくすることができ、且つ接点荷重を大きくすることができる。このため、接触抵抗が小さく、溶着などの少ない信頼性のよいリレーを実現できる。
【００１８】
しかし、従来の半導体マイクロリレーにおいても、次のような問題点がある。リレーの駆動には、カンチレバー梁３１３の主表面に設けられたヒータ回路３１８に電流を流しカンチレバー梁３１３と金属層３１６とを加熱することが必要である。ところが、カンチレバー梁３１３を構成するシリコン単結晶は熱伝導が非常によい材料であり、またカンチレバー梁３１３の他方端はシリコン単結晶基板３１２と繋がっており、カンチレバー梁３１３からシリコン単結晶基板３１２への熱の逃げが大きく、少ない消費電力でカンチレバー梁３１３の温度を上昇させることが非常に困難となる。
【００１９】
ここで、図５６に熱伝導のモデルを示す。破線はカンチレバー梁３１３の断面と仮定する。このモデルを用いてシリコン単結晶基板３１２への熱の逃げ（矢印方向）を概算すると以下のようになる。まず、カンチレバー梁３１３のサイズを１．５ｍｍ×１．５ｍｍ、厚さを１０μｍとすると、熱流の向きに垂直な断面Ａ３は、
Ａ３＝１０μｍ（厚さ）×１５００μｍ（幅）＝１．５０×１０−４ｃｍ２
となる。シリコンの熱伝導率λはλ＝１．４８Ｗ／ｃｍ・℃であり、例えば加熱時のカンチレバー梁３１３の温度を２５０℃とすると、シリコン単結晶基板３１２に逃げる熱量Ｑ３は、上記式Ｘを用いて、
Ｑ３＝１．４８（Ｗ／ｃｍ・℃）×（２５０（℃）／２８０×１０−４（ｃｍ））×１．５０×１０−４（ｃｍ２）＝１．９８（Ｗ）
となる。つまり、従来の半導体マイクロリレーでは導通状態を維持するために、概算で２Ｗ程度の電力を常時供給しなければならない。これは、数十ｍＷで駆動できるメカ式リレーと比べると非常に大きな値であり、実用化においては低消費電力化が大きな課題となっている。
【００２０】
【発明が解決しようとする課題】
上述したように、従来の半導体装置を用いた半導体マイクロアクチュエータ、半導体マイクロバルブ、半導体マイクロリレーは、大きな消費電力を必要とするものであるため、電池で駆動することが困難となり、それらの小型化や携帯しての使用ができなくなってしまう。
【００２１】
本発明は上記事由に鑑みて為されたものであり、その目的は消費電力が小さく、かつ製造プロセスが簡単な半導体装置及びこれを用いた半導体マイクロアクチュエータ及び半導体マイクロバルブ及び半導体マイクロリレー を提供することにある。
【００２２】
【課題を解決するための手段】
上記課題を解決するために、請求項１の発明は、半導体基板と、温度変化により前記半導体基板に対して変位する可撓領域と、前記半導体基板と前記可撓領域との間に設けられ前記半導体基板と前記可撓領域を連結する樹脂製の熱絶縁領域とから構成され、前記半導体基板および前記可撓領域の前記熱絶縁領域に接する部分が、前記半導体基板と前記可撓領域の連結方向に櫛刃を形成する形状になるとともに、前記半導体基板と前記可撓領域との各櫛刃形状が前記熱絶縁領域を介して互いに噛み合っていることを特徴としており、樹脂製の熱絶縁領域を半導体基板と可撓領域の間に設けることで、可撓領域を温度変化させるときの熱の逃げを防ぐため、消費電力を抑えることができ、さらにその製造工程も簡単である。さらに、半導体基板と可撓領域の連結強度を上げることができる。
【００２３】
また、請求項２の発明は、請求項１記載の発明において、前記熱絶縁領域を構成する材料がポリイミドであることを特徴としており、可撓領域と半導体基板の熱絶縁性が良くなるとともに、製造が容易となる。
【００２４】
また、請求項３の発明は、請求項１記載の発明において、前記熱絶縁領域を構成する材料がフッ素化樹脂であることを特徴としており、可撓領域と半導体基板の熱絶縁性が良くなるとともに、製造が容易となる。
【００２５】
また、請求項４の発明は、請求項１から請求項３のいずれかに記載の発明において、前記熱絶縁領域に前記熱絶縁領域を構成する材料よりも硬い材料からなる補強層が設けられていることを特徴としており、半導体基板と可撓領域の連結強度を上げることができる。
【００２６】
また、請求項５の発明は、請求項４記載の発明において、前記補強層のヤング率が、９．８×１０９Ｎ／ｍ２以上であることを特徴としており、半導体基板と可撓領域の連結強度を上げることができる。
【００２７】
また、請求項６の発明は、請求項５に記載の発明において、前記補強層が二酸化ケイ素薄膜であることを特徴としており、半導体基板と可撓領域の連結強度を上げることができる。
【００２８】
また、請求項７の発明は、請求項１から請求項６のいずれかに記載の半導体装置と、前記可撓領域に連設された可動エレメントとを備え、前記可撓領域の温度が変化したときに、前記可動エレメントが前記半導体基板に対して変位することを特徴としており、低消費電力で駆動可能であることに加えて、請求項１から請求項６の発明と同様の効果を有する半導体マイクロアクチュエータが得られる。
【００２９】
また、請求項８の発明は、請求項７記載の発明において、前記可撓領域は片持ち梁構造を有していることを特徴としており、可動エレメントの変位の大きな半導体マイクロアクチュエータが得られる。
【００３０】
また、請求項９の発明は、請求項７記載の発明において、前記可動エレメントは複数の可撓領域により支持されていることを特徴としており、可動エレメントを安定して支持できる。
【００３１】
また、請求項１０の発明は、請求項９記載の発明において、前記可撓領域は前記可動エレメントを挟んで十字形状であることを特徴としており、可動エレメントの変位の精度が良いものとなる。
【００３２】
また、請求項１１の発明は、請求項９記載の発明において、前記可動エレメントの変位は、前記半導体基板の基板面に対して水平方向に回転する変位を含むことを特徴としており、可動エレメントの変位が大きなものとなる。
【００３３】
また、請求項１２の発明は、請求項９又は請求項１１記載の発明において、前記可撓領域は、それぞれがＬ字形状をしている４つ可撓領域が前記可動エレメントを中心として四方向に等間隔で設けられていることを特徴としており、可撓領域の長さを大きくすることができ、そのため可動エレメントの変位を大きくすることができる。
【００３４】
また、請求項１３の発明は、請求項７から請求項１２のいずれかに記載の発明において、前記可撓領域は異なる熱膨張係数を有する少なくとも２つの領域からなり熱膨張係数差に応じて変位をすることを特徴としており、可撓領域の温度変化により可撓領域の変位を得ることができる。
【００３５】
また、請求項１４の発明は、請求項７から請求項１３のいずれかに記載の発明において、前記可撓領域と前記可動エレメントの間に、前記可撓領域と前記可動エレメントを連結する樹脂からなる熱絶縁領域が設けられていることを特徴としており、可撓領域と可動エレメントの熱絶縁性を確保することができ、可撓領域を温度変化させるときの消費電力をより抑えることができる。
【００３６】
また、請求項１５の発明は、請求項１４記載の発明において、前記半導体基板と前記可撓領域の間に設けられた熱絶縁領域の剛性と、前記可撓領域と前記可動エレメントの間に設けられた熱絶縁領域の剛性とを異なるようにすることを特徴としており、各熱絶縁領域の剛性の違いにより可動エレメントの変位の方向を決めることができる。
【００３７】
また、請求項１６の発明は、請求項７から請求項１５のいずれかに記載の半導体マイクロアクチュエータと、前記半導体マイクロアクチュエータに接合され、前記可動エレメントの変位に応じて流れる流体量が変化する流路を有する流体エレメントとを備えたことを特徴としており、低消費電力で駆動可能であることに加えて、請求項７から請求項１５の発明と同様の効果を有する半導体マイクロバルブが得られる。
【００３８】
また、請求項１７の発明は、請求項７から請求項１５のいずれかに記載の半導体マイクロアクチュエータと、前記可動エレメントに可動接点が設けられ、その対応する位置に前記可動接点と接触可能な固定接点を有し前記半導体マイクロアクチュエータに接合される固定エレメントとを備えたことを特徴としており、低消費電力で駆動可能であることに加えて、請求項７から請求項１５の発明と同様の効果を有する半導体マイクロリレーが得られる。
【００３９】
この発明は、ポリイミドまたはフッ素化樹脂等の樹脂材料が高い熱絶縁性（二酸化ケイ素の約８０倍）を有し、さらに液状で加工し易くスピンコートなどの半導体製造工程により所望の厚さ（数μｍ〜数十μｍ）の薄膜を容易に得ることができるという特徴に着目しなされたものである。
【００４０】
【発明の実施の形態】
（実施形態１）
本発明の実施形態１を説明する。図１は本発明に係わる半導体装置を用いた半導体マイクロアクチュエータの構造を示す一部破断の斜視図、図２（ａ）は断面図、図２（ｂ）は上面図である。
【００４１】
図示したように、半導体マイクロアクチュエータ１は、中空で略四角形状の枠体となる半導体基板３と、半導体基板３より切り離され半導体基板３の各辺の略中央より内方向に熱絶縁領域７を介して一端が連結される略四角片状の４つの薄肉部２Ｓと、上面が四角形状に開口し下方に向かうにつれて幅が狭くなる中空の四角錐台形状に形成され、上記各薄肉部２Ｓの他端に上面の開口部周縁が連設される可動エレメント５と、上記各薄肉部２Ｓの上面に設けられ、薄肉部２Ｓとともに可撓領域２を構成するアルミニウム薄膜またはニッケル薄膜などの薄膜２Ｍにより構成されている。
【００４２】
上記半導体基板３、薄肉部２Ｓ、および可動エレメント５は、例えばシリコン基板などの半導体基板を加工して形成される。また、薄肉部２Ｓの表面には加熱手段である不純物拡散抵抗６（以下、拡散抵抗６という）が形成されており、この拡散抵抗６は半導体基板３の４隅に設けられた電極パッド４と接続された配線４ａにより電力が供給されて温度が上昇し、薄肉部２Ｓと薄膜２Ｍにより構成される可撓領域２を加熱する。薄膜２Ｍは上述したようにアルミニウムまたはニッケルなどにより構成され、また薄肉部２Ｓはシリコンなどにより構成され、両者は異なる熱膨張係数を有している。
【００４３】
半導体基板３と可撓領域２を連結する熱絶縁領域７は、薄肉部２Ｓと略同じ厚さであり、フッ素化樹脂、ポリイミド等の熱絶縁材料により構成されており、半導体基板３と可撓領域２を熱絶縁している。なお、半導体基板３の４隅に設けられた電極パッド４は図２（ｂ）における右上の電極パッド４と左下の電極パッド４が外部電源に接続され、電源に対して２つの拡散抵抗６の直列回路が並列に接続されている。
【００４４】
また、上記４つの可撓領域２が中央の可動エレメント５を挟んで十字形状となっており、可動エレメント５はその周囲を複数の可撓領域２により支持される構造となっている。ここで、半導体基板３と可撓領域２とその間の熱絶縁領域７とで半導体装置８が構成される。
【００４５】
上記半導体マイクロアクチュエータ１は、拡散抵抗６に電力が加えられると温度上昇し可撓領域２が加熱され、可撓領域２を構成する薄膜２Ｍと薄肉部２Ｓの熱膨張係数の違いによる熱応力が発生する。例えば、薄膜２Ｍとしてアルミニウム、ニッケル等の金属薄膜が形成させている場合には、薄肉部２Ｓを構成するシリコンよりも熱膨張係数が大きいため、可撓領域２は図中下方向へ曲げられる。すなわち、可撓領域２は半導体基板３に対して下方向に変位する。そして、可撓領域２に連設された可動エレメント５は、可撓領域２の熱応力を受けて、半導体基板３に対して下方向に変位する。
【００４６】
上述したように、半導体マイクロアクチュエータ１は、４つの可撓領域が中央の可動エレメント５を挟んで十字形状となっており、可動エレメント５の変位は半導体基板３に対して非回転的な変位となり、変位の制御精度が良く大きな力を発生することができる。また、上述したように可撓領域２はその表面に可撓領域２を加熱するための拡散抵抗６が設けられているので、すなわち可撓領域２に拡散抵抗６が含まれているため、半導体マイクロアクチュエータ１を小型化できる。
【００４７】
なお、本実施形態の半導体マイクロアクチュエータ１は、可撓領域２として異なる熱膨張係数を有する２つの領域である薄肉部２Ｓと薄膜２Ｍにより構成されるものとしたがこれに限定されず、例えば可撓領域２がニッケルチタンなどの形状記憶合金により構成され、温度変化により形状記憶合金からなる可撓領域２を変位させるようにしてもよい。
【００４８】
また、本発明は半導体マイクロアクチュエータに限定されるものではなく、温度変化による可撓領域の変位をレーザ変位計等により測定し、その変位に応じて温度を検出する温度センサなど、可撓領域２と半導体基板３の間に熱絶縁領域７が設けられていることで、可撓領域を加熱するときの熱が半導体基板３へ逃げるのを防止できる効果が利用される半導体装置であればよい。
【００４９】
ここで本発明の半導体マイクロアクチュエータ１に用いられる半導体装置８の作用を説明するために、具体的例として図３の断面図に示すように熱絶縁領域７における半導体基板３と可撓領域２の連結方向の長さを３０μｍ、厚さを２０μｍとし、その構成材料としてポリイミド（商品名「フォトニース」、以下ポリイミドという）を使用した場合について考察する。また図１に示した可撓領域２の上記連結方向の長さを８００μｍ、可撓領域２の幅（上記連結方向と直交する方向の長さ）を６００μｍとする。
【００５０】
可撓領域２から熱絶縁領域７を通して半導体基板３へ逃げる熱量Ｑ３を計算すると、従来例で示した式Ｘに従う。ここで、逃げる熱の熱流の向きに垂直な断面Ａ１０は
Ａ１０＝（ポリイミドの厚み）×（可撓領域の幅）＝２０μｍ×６００μｍ＝１．２×１０−４ｃｍ
となる。また、ポリイミドの熱伝導率は１．１７×１０−３（Ｗ／ｃｍ℃）であり、熱源から距離δ、すなわち可撓領域２と半導体基板３の距離は３０μｍであるから、１５０℃に加熱された可撓領域２から半導体基板３へ逃げる熱量Ｑ３は
Ｑ３＝１．１７×１０−３（Ｗ／ｃｍ・℃）×（１５０℃／（３０×１０−４ｃｍ））×１．２×１０−４（ｃｍ２）＝４．２×１０−３（Ｗ）＝４．２（ｍＷ）
となる。上記したように半導体装置８は４つの可撓領域２を有しているため、全体として１６．８ｍＷの熱量となる。これは、拡散抵抗６に入力電力１６．８ｍＷを投入することにより可撓領域２の温度を１５０℃に維持できることを示しており、従来例の６６０ｍＷに比べて、消費電力を１／４０に低減できる。
【００５１】
次に、ポリイミドで構成された熱絶縁領域７の強度について考察する。図４（ａ）に示す両端固定の両持ち梁構造のモデルを考える。図４（ａ）に示すように梁２１（可撓領域２と対応する）の中心に荷重Ｗが下から加えられた場合には、梁２１のせん断力、モーメント力はそれぞれ図４（ｂ）（ｃ）に示すようになる。熱絶縁領域７は、図４（ａ）においては、両端の固定端２２ａ，２２ｂと梁２１の間のいずれか一方に位置する。そこで、例えば荷重Ｗが１ｇ、梁２１の中央に加わった場合（マイクロバルブの場合にオリフィス５００μｍに４６．７ｋＰａの圧力がかかった場合に相当する）における梁２１にかかる力を求める。
【００５２】
梁にかかるせん断力Ｆ１は
Ｆ１＝Ｗ／２＝１．０×１０−３（ｋｇｆ）／２＝０．５×１０−３（ｋｇｆ）＝４．９×１０−３（Ｎ）となり、梁にかかる最大せん断応力Ｆｍａｘは、
Ｆｍａｘ＝Ｆ１／Ｓ１（Ｓ１は梁の断面積）となる。ここで、梁２１の幅ｂ１＝６００μｍ、梁２１の厚みｈ１＝２０μｍとすると断面積Ｓ１は
Ｓ１＝（ｂ１）（ｈ１）＝６００×１０−４×２０×１０−４＝１．２×１０−４ｃｍ２となる。よって、梁２１にかかる最大せん断応力Ｆｍａｘは、
Ｆｍａｘ＝０．５０×１０−３（ｋｇｆ）／１．２×１０−４（ｃｍ２）＝４．１６（ｋｇｆ／ｃｍ２）＝４．１６×０．０９８（ＭＰａ）＝０．４１（ＭＰａ）
となる。次に、梁２１にかかる最大応力σｍａｘを求める。最大応力σｍａｘは、σｍａｘ＝Ｍｍａｘ／Ｚ１で表される。このとき、Ｍｍａｘは最大モーメントであり、Ｚ１は断面係数である。最大モーメントＭｍａｘは図４（ｃ）に示したとおり、Ｍｍａｘ＝ＷＬ／８（Ｌは梁の長さ８００μｍ）であり、よって、最大モーメントＭｍａｘは、
Ｍｍａｘ＝ＷＬ／８＝１．０×１０−３（ｋｇｆ）×８００×１０−４（ｃｍ）／８＝１．０×１０−５（ｋｇｆ・ｃｍ）＝９．８×１０−５（Ｎ・ｃｍ）となる。また、断面係数Ｚ１は
Ｚ１＝（ｂ１）（ｈ１）２／６＝１／６×６００×１０−４×（２０×１０−４）２＝４．０×１０−８（ｃｍ３）となる。そこで、モーメントによる最大応力σｍａｘは
σｍａｘ＝Ｍｍａｘ／Ｚ＝１．０×１０−５（ｋｇｆ・ｃｍ）／４．０×１０−８（ｃｍ３）＝２５０（ｋｇｆ／ｃｍ２）＝２４．５（ＭＰａ）となる。ここで、梁２１の寸法を上述したように、幅６００μｍ、長さ８００μｍとして求めた。
【００５３】
ポリイミドの破壊強度は３０ＭＰａ程度であるため、上記した熱絶縁領域７で１ｇ程度の荷重に耐えうる半導体マイクロアクチュエータを実現できる。またこの熱絶縁領域７の強度については、他の例に示すように強度を上げることが可能である。また、ここで記載していないが、フッ素化樹脂においても同様の効果が期待できる。
【００５４】
ここで、熱絶縁領域７の形成方法例を図５を用いて説明する。まず、図５（ａ）に示すように半導体基板１７の表面の熱絶縁領域に対応する部分をＫＯＨなどによりエッチングして溝１５を形成する。その後、図５（ｂ）に示すように、ポリイミド薄膜１６をコータ等により回転塗布し、溝１５を埋め尽くすように形成する。次に、図５（ｃ）に示すように半導体のフォトリソ工程などにより溝１５を埋め尽くした部分のポリイミド薄膜１６を残し、その他の部分を除去するようにパターニングし、４００℃程度に加熱してポリイミド中に含まれる有機溶剤などを蒸発させ固化させる。次に、図５（ｄ）に示すように半導体基板１７の裏面よりＫＯＨなどによりエッチングを行う。このとき、１９は枠体となる半導体基板、２０は可撓領域を示している。このような工程を経て熱絶縁領域７が形成される。
【００５５】
以上のように、熱絶縁領域７は、ポリイミド、フッ素化樹脂等の樹脂材料が高い熱絶縁性（熱伝導率：０．４Ｗ／（ｍ・℃）以下、二酸化ケイ素の約８０倍）を有し、さらに液状で加工し易くスピンコートなどの半導体製造工程により所望の厚さ（数μｍ〜数十μｍ）の薄膜を容易に得ることができるという性質をうまく利用して、可撓領域２と半導体基板３の間に形成されるので、従来例に比べて熱絶縁効果が優れかつ強度をもつ半導体装置を、半導体製造工程を用い容易に実現できる。また、上記したように熱絶縁領域７を可撓領域２の薄肉部２Ｓとほぼ同じ厚さにすることで、半導体基板３と可撓領域２の連結を確実にし、その連結部分の強度を強くできる。
【００５６】
このような効果を備えた半導体装置８を用いた半導体マイクロアクチュエータ１は、製造プロセスが簡単であり、また熱絶縁性が高いため拡散抵抗６により発生した熱の逃げを防いで低消費電力で駆動可能となり、電池で駆動できるので小型化が可能となる。
【００５７】
次に、上記半導体装置８の他の構成例を説明する。本構成例の半導体装置８は図６（ａ）、図６（ｂ）に示すように、半導体基板３と可撓領域２との間に、フッ素化樹脂あるいはポリイミドなどの熱絶縁材料からなる熱絶縁領域７が形成される点は図３と同じであるが、この熱絶縁領域７の下面（厚み方向と直交する面）に例えば二酸化ケイ素薄膜（ヤング率：９．８×１０９Ｎ／ｍ２以上）のような熱絶縁領域７を構成する材料よりも硬い材料からなる補強層１２が設けられている点が異なる。尚、図６（ａ）は断面図、図６（ｂ）は上面図であり、図７は図６（ｂ）のＹ−Ｙ’断面図である。
【００５８】
図７に示したように具体的な寸法は、熱絶縁領域７が１９μｍの厚さであり、、補強層１２は１μｍの厚さである。そして、図６（ａ）に示すように熱絶縁領域７における半導体基板３と可撓領域２の連結方向の長さが３０μｍ、そしてＹ−Ｙ’方向、すなわち奥行き方向の長さが６００μｍである。ここで、熱絶縁材料領域７を構成する材料としてポリイミドを用い、補強層１２を構成する材料として二酸化ケイ素を使用した場合の熱絶縁領域７の強度を上述した図３における熱絶縁領域７の強度計算と同様な条件で行う。
【００５９】
熱絶縁領域７、補強層１２の各構成材料のヤング率をＥｉ、各領域の図７で示した断面の断面積をＡｉとすると、底面から中立軸までの距離をηａは次式で与えられる。
【００６０】
【式１】
【００６１】
【式２】
【００６２】
【式３】
【００６３】
【式４】
【００６４】
【式５】
【００６５】
【式６】
【００６６】
【式７】
【００６７】
このように、図６で示した熱絶縁領域７の形成方法例を、図８を用いて説明する。まず、図８（ａ）に示すように半導体基板１７ａの表面の熱絶縁領域に対応する部分をＫＯＨなどによりエッチングし、溝１５ａを形成する。その後、図８（ｂ）に示すように熱酸化などにより半導体基板１７ａの表面に二酸化ケイ素薄膜１８を形成する。二酸化ケイ素薄膜１８はエッチングなどにより溝１５ａの表面部分以外は除去される。
【００６８】
次に、図８（ｃ）に示すように、ポリイミド薄膜１６ａをコータなどにより回転塗布し、溝１５ａを埋め尽くすように形成する。さらに、図８（ｄ）に示すように、半導体のフォトリソ工程などにより溝１５ａを埋め尽くした部分のポリイミド薄膜１６ａを残し、その他の部分を除去するようにパターニングし、４００℃程度に加熱してポリイミド中に含まれる有機溶剤などを蒸発させ固化させる。次に、図８（ｅ）に示すように、半導体基板１７ａに裏面よりＫＯＨなどによりエッチングを行い、熱絶縁領域７が形成される。このとき、１９ａは枠体となる半導体基板、２０ａは可撓領域である。
【００６９】
次に、本発明の半導体装置におけるさらに他の構成例を説明する。図９（ｂ）の上面図に示されるとおり、半導体基板３と可撓領域２の間に熱絶縁領域１０が設けられ、半導体基板３および可撓領域２の熱絶縁領域１０と接する部分が、半導体基板３と可撓領域２の連結方向（Ｂ−Ｂ’と直交方向）に櫛刃を形成する互いに櫛刃状となっている。図９（ｂ）のＢ−Ｂ’断面図である図１０に示されるように、Ｂ−Ｂ’方向に可撓領域２、半導体基板３、熱絶縁領域１０が混在した構成となる。ここで、熱絶縁領域１０はフッ素化樹脂、ポリイミドなどにより構成される。
【００７０】
この熱絶縁領域１０の強度を計算するために、具体例として図９（ａ）（ｂ）に示すように熱絶縁領域１０の厚さを２０μｍ、Ｂ−Ｂ’方向と垂直方向の幅を３０μｍとする。また図１０に示すように、上記可撓領域２と半導体基板３からなる各櫛刃のＢ−Ｂ’方向の幅を１８０μｍ、熱絶縁領域１０のＢ−Ｂ’方向の幅を３０μｍとする。また、熱絶縁領域１０の材料をポリイミドとし、半導体基板３、可撓領域２がシリコンにより構成されるものとする。尚、比較のため図３の強度計算と同様の条件で熱絶縁領域１０の強度を計算する。
【００７１】
図１０のようなシリコンとポリイミドからなる組み合わせ構造の場合、シリコンのヤング率をＥｓｉ、ポリイミドのヤング率をＥＰｈ、シリコン部の断面２次モーメントをＩＳｉ、ポリイミド部の断面２次モーメントをＩＰｈ、シリコン部にかかるモーメントＭＳｉ、ポリイミド部にかかるモーメントをＭＰｈとすると、以下の関係式に従う。
【００７２】
【式８】
【式９】
【００７４】
【式１０】
【００７５】
【式１１】
【００７６】
ここで、ポリイミド部にかかるモーメントＭＰｈは次のようになる。
【００７７】
【式１２】
【００７８】
同様にしてシリコン部にかかるモーメントＭＳｉは次のようになる。
【００７９】
【式１３】
【００８０】
そこで、ポリイミド部にかかる最大応力σＰｈは次のようになる。
【００８１】
【式１４】
【００８２】
【式１５】
【００８３】
よって、ポリイミドで構成された熱絶縁領域にかかる応力は図３で示した例に比べて約１／３００となる。これは見かけ上、強度が３００倍になったことと等価である。図９においては、半導体基板３と可撓領域２により櫛刃の数は図９で示したものにこれに限定されるものではなく、少なくとも２本以上の櫛刃状の構造にすることにより同様の効果が得られる。
【００８４】
（実施形態２）
次に本発明の第２の実施形態を説明する。図１１は本実施形態における半導体マイクロアクチュエータの斜視図であり、図１２（ａ）は断面図、図１２（ｂ）は上面図を示している。
【００８５】
本実施形態の半導体マイクロアクチュエータ１ａにおいて、図１、図２に示す実施形態と異なる点は、本実施形態では可撓領域２と可動エレメント５の間に新たに熱絶縁領域７Ａを設け、可撓領域２と可動エレメント５は熱絶縁領域７Ａにより連結されている点である。
【００８６】
このように、熱絶縁領域７Ａを設けることで、可撓領域２と可動エレメント５の間の熱絶縁性が高まり、拡散抵抗６より発生する熱が可動エレメント５に逃げるのを防いで可撓領域２の加熱を効果的に行い消費電力の低減が図れる。
【００８７】
また、半導体基板３と可撓領域２の間に設けられた熱絶縁領域７と、可撓領域２と可動エレメント５の間に設けられた熱絶縁領域７Ａの剛性を異なるようにして、可動エレメント５の変位の方向を決めている。例えば、熱絶縁領域７の剛性を高くし、熱絶縁領域７Ａの剛性を低くすることで、可動エレメント５を半導体基板３の厚み方向下側（図１１中下側）に変位させることができ、逆にすることで可動エレメント５を逆側に変位させることができる。
【００８８】
また、本実施形態では、可撓領域２と半導体基板３の連結部分、又は可撓領域２と可動エレメント５との連結部分近傍に可撓領域２が変位したときに加わる応力を緩和する丸みが設けられている。
【００８９】
すなわち、図１２（ｂ）に示すように、枠体となる半導体基板３の各辺略中央より内方向に向かって突出形成している突出部２５と可撓領域２が熱絶縁領域７により連結されており、この突出部２５の基端部両端に半導体基板３での基板面での形状がＲ形状となるように丸み２５ａが形成されているのである。この丸み２５ａはマスクを形成してウェットエッチングなどして形成される。
【００９０】
また、図１２（ａ）に示すように、可撓領域２を構成する薄肉部２Ｓは半導体基板３の図中下面側より凹部２７を設けてその凹部２７の底面部に形成され、凹部２７の底面部２７ａと側面部２７ｂの境界にＲ形状となるように丸み２８が形成されているのである。この凹部２７は半導体基板の基板面よりエッチングにより設けられ、例えばこの凹部２７の上記境界に犠牲層を形成しエッチングにより犠牲層を除去することにより、犠牲層を拡散するときの等方性を利用して丸み２８が形成される。
【００９１】
このように、丸み２５ａ、２８を形成することで、可撓領域２が変位したときの応力が丸み２５ａ、２８により分散されて緩和され、半導体基板３が破壊されるのを防止している。つまり、半導体基板３より内方向に突出する突出部２５の基端部両端が角（エッジ）のある形状である場合は、可撓領域２の応力がその角に集中して半導体基板３が割れる可能性がある。また、可撓領域２を形成するために設けた凹部２７の底面部２７ａと側面部２７ｂの境界についても同様、角のある形状であると可撓領域２の応力がその角に集中して半導体基板３が割れる可能性がある。
【００９２】
ここで、図１１、図１２に示したように、可撓領域と半導体基板の間、および可撓領域と可動エレメントの間に熱絶縁領域が設けられている半導体マイクロアクチュエータにおける他の構成例を図１３に示し、その作成方法を説明する。
【００９３】
図示したように、半導体基板３ａと可撓領域２ａとは熱絶縁領域７ａを介して連結しており、可撓領域２ａと可動エレメント５ａは熱絶縁領域７ｂを介して連結している。また、可撓領域２ａは互いに熱膨張係数の異なる薄膜２ｍと薄肉部２ｓにより構成され、薄肉部２ｓの表面には拡散抵抗６ａが設けられている。また、拡散抵抗６ａに電力を供給するための配線１３ａが、半導体基板３ａ上の電極パッド（図示せず）より熱絶縁領域７ａの下面を通って拡散抵抗６ａに接続されている。また、９ａ，９ｂは保護薄膜である。
【００９４】
この半導体マイクロアクチュエータの作成方法を図１４を用いて説明する。まず、単結晶シリコン基板８０の両面に熱酸化等によりシリコン酸化膜８０ａを形成し、所定形状にパターニングされたフォトレジストをマスクとして、単結晶シリコン基板８０の裏面に設けられたシリコン酸化膜８０ａのエッチングを行うことにより開口部８０ｂを形成し、プラズマアッシング等によりそのフォトレジストを除去する。形成された開口部８０ｂを水酸化カリウム水溶液（以後、ＫＯＨ水溶液と呼ぶ）等によりエッチングすることでギャップ８０ｃを形成する（図１４（ａ））。このとき、ＫＯＨ水溶液の他にＴＭＡＨ（テトラメチル水酸化アンモニウム溶液）、ヒトラジン水溶液などを用いてもよい。以降に述べるＫＯＨ水溶液についても同様である。
【００９５】
次に、上記シリコン酸化膜８０ａを全面除去した後、ボロン等をデポジション、熱拡散を行い、単結晶シリコン基板８０の表面にヒータとなる拡散抵抗６ａを形成する。続いて、この単結晶シリコン基板８０の両面上に熱酸化等によりシリコン酸化膜８１ｂを形成し、各シリコン酸化膜８１ｂの上部に減圧ＣＶＤによりシリコン窒化膜８１ａを形成する（図１４（ｂ））。
【００９６】
そして、所定形状にパターニングされたフォトレジストをマスクとして、シリコン酸化膜８１ｂ及びシリコン窒化膜８１ａのエッチングを行うことにより開口部８２を形成し、プラズマアッシング等によりフォトレジストを除去する（図１４（ｃ））。
【００９７】
次に、単結晶シリコン基板８０の開口部８２をＫＯＨ水溶液等によりエッチングすることで可動エレメント５ａと薄肉部２ｓを形成する。このとき、所望の可動エレメント５ａの厚さ、及び薄肉部２ｓの厚さを得るために、単結晶シリコン基板８０の各面からのエッチング開始に時間差を設けてもよい。その後、単結晶シリコン基板８０のエッチングにより、熱絶縁領域７ａ，７ｂを形成するための溝８３ａ，８３ｂを形成する。この溝８３ａ，８３ｂは、後工程でポリイミド等の有機材料を埋め込むための溝であり、その底厚が１０μｍ程度の厚みとなるようにエッチングを行う（図１４（ｄ））。
【００９８】
続いて、可動エレメント５ａ、薄肉部２ｓを形成するためにエッチングされた基板表面を酸化して、基板にメッキするときの保護膜８４を形成する（図１４（ｅ））。
【００９９】
そして、単結晶シリコン基板８０の上面にアルミニウムをスパッタリング又はＥＢ蒸着により形成して、拡散抵抗６ａに接続される配線１３ａ（アルミ配線）を形成する（図１５（ａ））。
【０１００】
次に、上記溝８３ａ，８３ｂにポリイミド等の有機物８５を埋め込む（図１５（ｂ））。このようにして有機物８５の下部面に配線１３ａが形成された構造となる。またここで、ポリイミド等の有機物８５は半導体リソグラフィ工程を用いて所定の部分のみに形成する。
【０１０１】
そして次に、所定形状の金属パターンをメッキなどで薄肉部２ｓ上部のシリコン窒化膜８１ａ（図１３の保護薄膜９ａ）上に形成して薄膜２ｍとし（図１５（ｃ））、薄肉部２ｓと薄膜２ｍで半導体マイクロアクチュエータの駆動源であるバイメタル構造となる。
【０１０２】
次に、薄肉部２ｓの裏面からＲＩＥ等でエッチングして、薄肉部２ｓを単結晶シリコン基板８０の周辺部（図１３での半導体基板３ａ）及び可動エレメント５ａと分離させる（図１５（ｄ））。これにより、可動エレメント５ａ、可撓領域２ａ、半導体基板３ａは各々が熱絶縁され、各々の間に熱絶縁領域７ａ，７ｂが設けられる構成となっている。
【０１０３】
ところで、図１３に示す構成例では、配線１３ａが熱絶縁領域７ａの下部面に設けられているが、図１６に示すように配線（アルミ配線）１３ｂが熱絶縁領域７ａの上面と下面の略中間、すなわち熱絶縁領域７ａの内部に設けられるようにしてもよい。
【０１０４】
このように配線１３ｂを形成するには、図１４（ｅ）に示す保護膜８４の形成工程の後、図１４（ｄ）の工程で形成された溝８３ａに、図１５（ｂ）に示すポリイミド等の有機物８５を埋め込む工程により略中央部までポリイミドを埋め込み、図１５（ａ）に示す配線の形成工程を行い、再度図１５（ｂ）に示す埋め込み工程により溝８３ａを埋めるようにすればよい。
【０１０５】
このように配線１３ｂが熱絶縁領域７ａの内部に形成されているため、後工程のエッチング工程等でのアルミの保護効果があり、信頼性の高い配線構造が実現できる。
【０１０６】
また、上記配線構造において、配線が熱絶縁領域の上面に設けられる（図１２（ａ））ようにしてもよく、配線を可撓領域、熱絶縁領域、半導体基板が面一である側の面上に形成することで、配線が熱絶縁領域７ａの内部あるいは下面部に設けられる場合に比べて配線の段差が小さくなり断線防止効果がある。
【０１０７】
このように熱絶縁領域の上面に配線を形成するには、図１４（ｅ）に示す保護膜８４の形成工程の後、図１４（ｄ）の工程で形成された溝８３ａに、図１５（ｂ）に示すポリイミド等の有機物８５を埋め込む工程によりポリイミドを埋め込み、その後図１５（ａ）に示す配線の形成工程にてポリイミドの上面に配線を形成すればよい。
【０１０８】
（実施形態３）
次に、第３の実施形態を説明する。図１７は本実施形態における半導体マイクロアクチュエータの構造を示す斜視図であり、図１８はその上面図である。本実施形態において、実施形態２と異なる点は、実施形態２では拡散抵抗６に電力を供給する配線４ａが熱絶縁領域７の上部を通って拡散抵抗６に接続されているのに対して、本実施形態では半導体基板３と可撓領域２の薄肉部２Ｓに跨る部位（いわゆる入り隅の部位）に例えば有機材料からなる隅肉部２９を形成し、この隅肉部２９の上部を通って配線４ａが形成されている点である。すなわち、本実施形態では、配線４ａが熱絶縁領域７を介さずに形成されている。
【０１０９】
この構造は、例えば異方性エッチングによって半導体基板の上面（可撓領域２の形成されている面）側から溝部を形成し、この溝部に有機材料の樹脂（例えばポリイミドなど）を流し込んで高温硬化し、半導体基板の裏面から隅肉部２９が現れるまでエッチング除去した後、隅肉部２９の上面にアルミニウムのスパッタリングなどにより配線４ａを形成するという方法で製造可能である。
【０１１０】
この配線４ａはアルミニウムなどの非常に熱伝導性のよい材料であるため、断面積が小さいにも関わらず、樹脂からなる熱絶縁領域７の数分の１の熱抵抗となる場合があり、この配線４ａが熱絶縁領域７に形成されていると、配線４ａの熱絶縁距離が確保できず、結果として熱絶縁領域７の熱絶縁性能が得られないという問題がある。本実施形態では、熱絶縁領域７を介さずに配線４ａが形成されていることで、配線４ａの熱絶縁距離を大きくとることができ熱抵抗の低下を抑えて熱絶縁効果を向上させることができる。また、隅肉部２９によって熱絶縁領域７の機械的強度が補強される。
【０１１１】
このように、本実施形態における半導体マイクロアクチュエータでは、実施形態２に比べて熱絶縁効果が向上し、さらに低消費電力化が図れる。
【０１１２】
（実施形態４）
次に、第４の実施形態を説明する。図１９は、本実施形態における半導体マイクロアクチュエータの構造を示す斜視図であり、図２０はその上面図である。本実施形態において実施形態１と異なる点は、実施形態１では、可撓領域２の略四角片状の４つの薄肉部２Ｓが可動エレメント５を挟んで略十字形状であるのに対して、本実施形態の半導体マイクロアクチュエータ３１は、可撓領域３２の４つの薄肉部３２Ｓが略Ｌ字形状をしており、各薄肉部３２Ｓの一端が可動エレメント３５の四角形状に開口した上面周縁の各辺略中央に連なり、各可撓領域３２が中央の可動エレメント３５を挟んでいわゆる卍字形状をしている点である。すなわち、可撓領域３２の各薄肉部３２Ｓが可動エレメント３５を中心として四方向に等間隔で設けられている。さらに、各薄肉部３２Ｓの他端は、四角形状の枠体である半導体基板３３の各辺の端部に熱絶縁領域３７を介して連結されている。
【０１１３】
また、可撓領域３２は上記薄肉部３２Ｓとアルミニウムやニッケルなどからなる薄膜３２Ｍとで構成される点は実施形態１と同様であり、加熱手段である拡散抵抗３６が薄肉部３２Ｓの表面に形成されている点も実施形態１と同様である。この拡散抵抗３６は半導体基板３３の４隅に設けられた電極パッド３４および配線３４ａを介して外部から電力が供給される。なお、半導体基板３３、可撓領域３２、熱絶縁領域３７により半導体装置３８が構成される。
【０１１４】
上記半導体マイクロアクチュエータ３１は、実施形態１と同様に、拡散抵抗３６の温度上昇により可撓領域３２が加熱され、薄肉部３２Ｓと薄膜３２Ｍの熱膨張差により可撓領域３２が下方向に変位する（薄膜３２Ｍが薄肉部３２Ｓより熱膨張係数が大きい場合）。可撓領域３２が下方向に変位することで、可撓領域３２に連設された可動エレメント３５が可撓領域３２の熱応力を受けて半導体基板３３に対して下方向に変位する。
【０１１５】
本実施形態では、上述したように、各可撓領域３２は中央の可動エレメント３５を挟んでいわゆる卍字形状であるため、可動エレメント３５の変位は半導体基板３３に対して水平方向の回転を含んでいる。また、可撓領域３２はＬ字形状であるため、単なる四角片状である場合に比べてその長さを長くすることができ、可撓領域３２の変位が大きくなるので、可動エレメント３５の変位を大きくすることができる。ここで、半導体装置３８は前述した図３、図６、図９に示したいずれの構成としてもよく、上述したものと同様の効果を有する半導体マイクロアクチュエータが得られる。
【０１１６】
（実施形態５）
次に、第５の実施形態を説明する。図２１は本実施形態の半導体マイクロアクチュエータの構造を示す斜視図、図２２はその上面図である。本実施形態の半導体マイクロアクチュエータ３１ａは、上述した可撓領域３２が可動エレメント３５を挟んでいわゆる卍字形状をした構成であるものにおいて、可動エレメント３５と可撓領域３２を連結する熱膨張領域３７ａがそれらの間に設けられているものである。
【０１１７】
このように、熱絶縁領域３７ａを設けることで、可撓領域３２と可動エレメント３５の間の熱絶縁性が高まり、拡散抵抗３６より発生する熱が可動エレメント３５に逃げるのを防ぐことができる。よって、実施形態４に比べて可撓領域３２の加熱を効果的に行い消費電力の低減が図れる。
【０１１８】
また、本実施形態では、可撓領域３２と半導体基板３３の連結部分、又は可撓領域３２と可動エレメント３５との連結部分近傍に可撓領域３２が変位したときに加わる応力を緩和する丸みが設けられている点は、図１１、図１２の実施形態と同様である。例えば、図２２（ａ）に示すように、半導体基板３３の各辺端部より内方向に突出する突出部３９の基端部両端にＲ形状の丸み３９ａが形成されている。
【０１１９】
（実施形態６）
次に、本発明の第６の実施形態を説明する。図２３は本実施形態の半導体マイクロアクチュエータの構造を示す斜視図である。本実施形態の半導体マイクロアクチュエータ４１は、中空で略四角形状の枠体となる半導体基板４３と、半導体基板４３より切り離され半導体基板４３の一辺より熱絶縁領域４７を介して一端が連結される略四角片状の薄肉部４２Ｓと、上面が四角形状に開口し下方に向かうにつれて幅が狭くなる中空の四角錐台形状に形成され、上記薄肉部４２Ｓの他端に上面の開口部周縁が連設される可動エレメント４５と、上記薄肉部４２Ｓの上面に設けられ、薄肉部４２Ｓとともに可撓領域４２を構成するアルミニウム薄膜またはニッケル薄膜などの薄膜４２Ｍにより構成されている。
【０１２０】
上記半導体基板４３、薄肉部４２Ｓ、および可動エレメント４５は、例えばシリコン基板などの半導体基板を加工して形成される。また、薄肉部４２Ｓの表面には加熱手段である不純物拡散抵抗４６（以下、拡散抵抗４６という）が形成されており、この拡散抵抗４６は半導体基板４３上に設けられ外部電源に接続された電極パッド４４と接続された配線４４ａにより電力が供給されて温度が上昇し可撓領域４２を加熱する。薄膜４２Ｍは上述したようにアルミニウムまたはニッケルなどにより構成され、また薄肉部４２Ｓはシリコンなどにより構成され、両者は異なる熱膨張係数を有している。
【０１２１】
半導体基板４３と可撓領域４２を連結する熱絶縁領域４７は、薄肉部４２Ｓと略同じ厚さであり、フッ素化樹脂、ポリイミド等の熱絶縁材料により構成されており、半導体基板４３と可撓領域４２を熱絶縁している。ここで、半導体基板４３と可撓領域４２とその間の熱絶縁領域４７とで半導体装置４８が構成される。また上記半導体マイクロアクチュエータ４１は、可撓領域４２が半導体基板４３に一端で支持される片持ち梁構造を有している。
【０１２２】
半導体マイクロアクチュエータ４１は、拡散抵抗４６に電力が加えられると温度上昇し可撓領域４２が加熱され、可撓領域４２を構成する薄膜４２Ｍと薄肉部４２Ｓの熱膨張係数の違いによる熱応力が発生する。例えば薄膜４２Ｍとしてアルミニウム、ニッケル等の金属薄膜が形成させている場合には、薄肉部４２Ｓを構成するシリコンよりも熱膨張係数が大きいため、可撓領域４２は図中下方向へ曲げられる。そして、可撓領域４２に連設された可動エレメント４５は、可撓領域４２の熱応力を受けて、半導体基板４３に対して下方向に変位する。
【０１２３】
本実施形態では、可撓領域４２を片持ち梁構造としているため、可撓領域４２の自由度を大きくとれ、加熱時の可撓領域４２の変位が大きくなる。そのため、可動エレメント４５の変位が大きくなり、大きな力が得られる。ここで、半導体装置４８は実施形態１で説明した図３、図６、図９のいずれの構成としてもよく、同様の効果を有する半導体マイクロアクチュエータが得られる。
【０１２４】
（実施形態７）
次に、第７の実施形態を説明する。図２４は本実施形態の半導体マイクロアクチュエータ４１ａの構造を示す斜視図であり、本実施形態において、実施形態６と異なる点は、可撓領域４２と可動エレメント４５がその間に設けられたポリイミド又はフッ素化樹脂などの樹脂からなる熱絶縁領域４７ａにより連結されている点である。
【０１２５】
このように新たに熱絶縁領域４７ａを設けることで、可撓領域４２と可動エレメント４５の間の熱絶縁性が高まり、拡散抵抗４６より発生する熱が可動エレメント４５に逃げるのを防ぐことができ、実施形態６に比べてより可撓領域４２の加熱を効果的に行い消費電力の低減が図れる。
【０１２６】
（実施形態８）
次に、本発明の第８の実施形態を説明する。図２５は本実施形態の半導体マイクロアクチュエータ４１ｂの構造を示す斜視図であり、本実施形態において実施形態７と異なる点は、可撓領域４２の薄肉部４７Ｍと、熱絶縁領域４７とが同一材料である熱絶縁性を有する樹脂（例えばポリイミド、フッ素化樹脂）により構成されている点である。これにより、熱絶縁領域４７と薄膜４７Ｍを同時に形成することが可能となり、製造工程を簡単にすることができる。
【０１２７】
また、この半導体マイクロアクチュエータ４１ｂの可動エレメント４５には、上面から掘り込みを設けて凹部４５Ｈが形成されており、可動エレメントに凹部が形成されていない場合（図２６に示す半導体マイクロアクチュエータ４１ｃの可動エレメント４５ａ）に比べて、可動エレメント４５の熱容量が小さくなるため、可撓領域４２の温度上昇が急速に行えることになる。また、凹部４５Ｈを形成することで可動エレメントの重量（体積）が小さくなるので、外部からの衝撃に対して誤動作しないという利点もある。
【０１２８】
（実施形態９）
次に、本発明の実施形態９を説明する。図２７は本実施形態における半導体マイクロバルブの構造を示す一部破断の斜視図である。この半導体マイクロバルブは、基板を加工して形成される流体エレメントである台座５０と、その上部に陽極接合、共晶接合などにより接合されているアクチュエータ部とにより構成されており、このアクチュエータ部として、図１、図２で示した可撓領域２が可動エレメント５を挟んで十字形状をしている半導体マイクロアクチュエータ１を用いている。
【０１２９】
台座５０はその表面上の半導体マイクロアクチュエータ１の可動エレメント５と対応する位置に流体の流路に相当する貫通孔５１（いわゆるオリフィス）が設けられており、その貫通孔５１の上面開口部の周囲部には、周りより高く突出し上面が略平面状の台部５２が形成されている。ここで、可動エレメント５はいわゆる弁体に相当する。
【０１３０】
このように構成された半導体マイクロバルブ５５は、拡散抵抗６に電力が供給されて可撓領域２が加熱されると薄肉部２Ｓと薄膜２Ｍの熱膨張差により変位し、可撓領域２に連設された可動エレメント５が変位する。この可動エレメント５の変位によりその下面部と台座５０の台部５２の間隔が変化し、貫通孔５１を流れる流体量が制御される。
【０１３１】
本実施形態の半導体マイクロバルブにおいても、半導体基板３と可撓領域２との間にポリイミドなどの樹脂からなる熱絶縁領域７が設けられているため、可撓領域２を加熱する際の熱が半導体基板３へ逃げるのを防止することができる。そのため、その駆動における消費電力を抑えることが可能となる。
【０１３２】
また、４つの可撓領域２が中央の可動エレメント５を挟んで十字形状となっているため可動エレメント５の制御精度がよく、流体の制御精度のよい半導体マイクロバルブが得られる。
【０１３３】
ここで、図２７における半導体マイクロバルブのアクチュエータ部を図１１、図１２で示した半導体マイクロアクチュエータ１ａで構成した例を図２８に示す。本構成例の半導体マイクロバルブは、台座５０と半導体マイクロアクチュエータ１ａがポリイミドからなるスペーサ層５３を介して接合されている。
【０１３４】
また、可撓領域２と可動エレメント５の間にも熱絶縁領域７Ａが設けられており、図２７で示した半導体マイクロバルブに比べて可撓領域２より逃げる熱をさらに少なくすることが可能となり、その駆動における消費電力を抑えることができる。
【０１３５】
また、可撓領域２と半導体基板３の連結部分、又は可撓領域２と可動エレメント５との連結部分近傍に可撓領域２が変位したときに加わる応力を緩和する丸みが設けられていることによる効果は、図１１、図１２で説明したものと同様である。
【０１３６】
さらに、台座５０と半導体マイクロアクチュエータ１ａの間にスペーサ層５３が形成されていることで、次のような効果がある。通常、半導体マイクロアクチュエータ１ａはシリコン基板からなり、台座５０はガラス基板からなる。この両者は高温下で接合される（４００℃で陽極接合される）ため、常温では両者の熱膨張差に起因する収縮度合いの違いにより両者間にストレスが発生する。このストレスは半導体マイクロアクチュエータ１ａの可撓領域２に集中するため、可撓領域２の十分な変位が得られず、半導体マイクロバルブの駆動性が悪くなってしまう。そこで、両者間にスペーサ層５３を設けることで、上述したように両者間に発生するストレスを吸収して緩和させることができる。
【０１３７】
なお、本構成例の半導体マイクロバルブの動作は図２７の場合と同様であるのでその説明を省略する。
【０１３８】
またここで、図２７における半導体マイクロバルブのアクチュエータ部を図１７で示した半導体マイクロアクチュエータ１ｂで構成した例を図２９に示す。本構成例の半導体マイクロバルブは、可撓領域２を加熱する拡散抵抗６に電力を供給する配線４ａが熱絶縁領域７を介さずに形成されている点が図２８に示した構成例と異なり、熱伝導率のよい配線４ａの熱絶縁距離を長くとることが可能となるため、さらに熱絶縁効果の高い半導体マイクロバルブが得られ、それを駆動するための消費電力を抑えることができる。
【０１３９】
なお、本構成例の半導体マイクロバルブの動作も図２７の場合と同様のため、その説明を省略する。
【０１４０】
（実施形態１０）
次に、本発明の第１０の実施形態を説明する。図３０は本実施形態の半導体マイクロバルブの構造を示す一部破断の斜視図である。図３０に示す半導体マイクロバルブは、基板を加工して形成される流体エレメントである台座５６と、その上部に陽極接合、共晶接合などにより接合されているアクチュエータ部とにより構成されており、このアクチュエータ部として、図１９、図２０で示した可撓領域３２が可動エレメント３５を挟んでいわゆる卍字形状をした半導体マイクロアクチュエータ３１を用いている。
【０１４１】
台座５６はその表面上の半導体マイクロアクチュエータ３１の可動エレメント３５と対応する位置に流体の流路に相当する貫通孔５７（いわゆるオリフィス）が設けられており、その貫通孔５７の上面開口部の周囲部には、周りより高く突出し上面が略平面状の台部５８が形成されている。ここで、可動エレメント３５は弁体に相当する。
【０１４２】
このように構成された半導体マイクロバルブは、拡散抵抗３６に電力が供給されて可撓領域３２が加熱されると薄肉部３２Ｓと薄膜３２Ｍの熱膨張差により変位し、可撓領域３２に連設された可動エレメント３５が変位する。この可動エレメント３５の変位によりその下面部と台座５６の台部５８の間隔が変化し、貫通孔５７を流れる流体量が制御される。
【０１４３】
本実施形態の半導体マイクロバルブにおいても、半導体基板３３と可撓領域３２との間にポリイミドなどの樹脂からなる熱絶縁領域３７が設けられているため、可撓領域３２を加熱する際の熱が半導体基板３３へ逃げるのを防止することができる。そのため、その駆動における消費電力を抑えることが可能となる。
【０１４４】
また、本実施形態の半導体マイクロバルブは、可撓領域３２がＬ字形状であるためその長さが長くなっており、そのため可撓領域３２の変位が大きくなるので、可動エレメント３５の変位を大きくすることができる。よって、流体の流量制御範囲の広い半導体マイクロバルブとなる。
【０１４５】
ここで、図３０におけるアクチュエータ部を図２１、図２２で示した半導体マイクロアクチュエータ３１ａで構成した例を図３１に示す。本構成例の半導体マイクロバルブは、可撓領域３２と可動エレメント３５の間にも熱絶縁領域３７ａが設けられており、図３０で示した半導体マイクロバルブに比べて可撓領域３２より逃げる熱をさらに少なくすることが可能となり、その駆動における消費電力を抑えることができる。
【０１４６】
また、可撓領域３２と半導体基板３３の連結部分、又は可撓領域３２と可動エレメント３５との連結部分近傍に可撓領域３２が変位したときに加わる応力を緩和する丸みが設けられていることによる効果は、図２１、図２２で説明したものと同様である。
【０１４７】
（実施形態１１）
次に、本発明の第１１の実施形態を説明する。図３２は本実施形態における半導体マイクロリレーの構造を示す一部破断の斜視図である。図３２における半導体マイクロリレーは、表面に固定接点６７，６８が設けられた固定エレメントである固定片６５と、その上部に陽極接合、共晶接合などにより接合されたアクチュエータ部とにより構成されており、このアクチュエータ部は、図２３で示した半導体マイクロアクチュエータ４１で構成される。
【０１４８】
半導体マイクロアクチュエータ４１の可動エレメント４５の下面には、可動接点６６が設けられており、固定片６５上の固定接点６７，６８は可動接点６６と対応する位置に可動接点６６と接触可能に離間して設けられている。
【０１４９】
ここで、拡散抵抗４６に電流が流れ可撓領域４２が加熱されると、薄肉部４２Ｓと薄膜４２Ｍの熱膨張差により可撓領域４２が変位し、可動エレメント４５が変位する。この変位により可動エレメント４５の下面に設けられた可動接点６６と固定接点６７，６８が接触し、固定接点６７，６８が可動接点６６を介して導通してリレーがオンする。
【０１５０】
本実施形態の半導体マイクロリレーのアクチュエータ部は半導体マイクロアクチュエータ４１で構成されており、実施形態６で説明したように可撓領域４２と半導体基板４３の熱絶縁効果が高く、消費電力の少ない半導体マイクロリレーが得られる。また、半導体マイクロアクチュエータ４１は半導体基板４３を固定端とする片持ち梁構造をしており、接点圧力の大きい半導体マイクロリレーが得られる。
【０１５１】
（実施形態１２）
次に、第１２の実施形態を説明する。図３３は本実施形態における半導体マイクロリレーの構造を示す斜視図であり、図３２で示したアクチュエータ部を図２５で示した半導体マイクロアクチュエータ４１ｂで構成したものである。
【０１５２】
すなわち、本実施形態の半導体マイクロリレーは、可撓領域４２の薄膜４７Ｍと、可撓領域４２と半導体基板４３を連結する熱絶縁領域４７が例えばポリイミドなどの同一材料により構成されている。
【０１５３】
また、図３３に示す半導体マイクロリレーは、可動エレメント４５に凹部４５Ｈが設けられており、凹部が設けられていないもの（図３７参照）に比べて、熱容量が小さく、可撓領域４２の温度上昇が急速に行える点、可動エレメントの重量（体積）が小さくなるので、外部からの衝撃に対して誤動作しない点は、図２５で説明した通りである。
【０１５４】
次に、本実施形態における半導体マイクロリレーの製造方法を示す。例えばシリコン基板などの半導体基板４３（図３４（ａ）参照）をシリコン窒化膜などをマスクとしてＫＯＨなどにより下面からエッチング除去して、ギャップ４０を形成する（図３４（ｂ）参照）。このギャップ４０は、半導体マイクロリレーにおける可動接点と固定接点間の接点ギャップとなる。ここで、シリコン基板である半導体基板４３はｐ型、ｎ型のどちらでもよく、結晶方位は＜１００＞が望ましい。
【０１５５】
次に、イオン注入または不純物拡散などにより拡散抵抗４６を半導体基板４３の上面に形成する（図３４（ｃ）参照）。ここで、不純物はｐ型、ｎ型のどちらであってもよい。
【０１５６】
さらに、半導体基板４３の両面にシリコン窒化膜などを形成しパターニングする。その後、半導体基板４３の上面からＫＯＨなどによりエッチング除去して（異方性エッチング）、可動エレメント４５の上部に凹部４５Ｈを形成し中空形状とすると同時に、半導体基板４３の下面からＫＯＨなどによりエッチング（異方性エッチング）除去して凹部を設けてその底面部を可撓領域を構成する薄肉部４２Ｓとして形成する（図３４（ｄ）参照）。
【０１５７】
次に、半導体基板４３の上面よりシリコン窒化膜などをマスクにして、エッチング除去して後に熱絶縁領域４７，４７ａとなる部分に孔部４７Ｂ，４７Ｃを形成する（図３５（ａ）参照）。このときエッチングされる深さは、熱絶縁領域４７，４７ａの厚みに対応する。
【０１５８】
そして次の工程では、スパッタリングなどによりアルミニウム薄膜を形成しパターニングすることで、拡散抵抗４６に電力を供給する配線４９Ａなどが形成される（図３５（ｂ）参照）。
【０１５９】
次に、ポリイミドなどの熱絶縁材料を半導体基板４３の全面にコートし、孔部４７Ｂ，４７Ｃを埋める。その後、その埋め込まれた部分と薄肉部４２Ｓ上部の熱絶縁材料以外の熱絶縁材料をエッチングなどにより除去して、熱絶縁領域４７，４７ａと薄膜４７Ｍをポリイミドなどの同一材料により形成する（図３５（ｃ）参照）。そして、熱絶縁領域４７，４７ａの下面側をエッチング除去し（図３５（ｄ）参照）、可動エレメント４５の下面側に金コバルトなどからなる後述する可動接点６６をメッキなどにより形成する（図３５（ｅ）参照）。
【０１６０】
その後、このように加工された半導体基板４３と、メッキなどにより金コバルトなどの固定接点６７が形成された固定片６５を陽極接合などにより接合し（図３６（ａ））、最後にＲＩＥなどにより可動エレメント４５及び可撓領域４２を枠体となる半導体基板４３から切り離し、半導体マイクロリレーが製造される（図３６（ｂ））。すなわち、半導体マイクロアクチュエータ４１ｂが製造されることになる。
【０１６１】
このように、可撓領域４２の薄膜４７Ｍと熱絶縁領域４７とを同一材料で同時に形成するため、製造工程が簡単になりコストを低減できる。
【０１６２】
ここで、本実施形態の半導体マイクロリレーにおける可撓領域４２の薄肉部４２Ｓと薄膜４７Ｍからなるいわゆるバイメタルの構成を図３８に示す。図示したように、１０μｍ厚のシリコンからなる薄肉部４２Ｓの上部に、薄膜４７Ｍとして２０μｍ厚のポリイミド（商品名：フォトニース）が形成されている。この可撓領域４２の平面サイズは１０００μｍ×１０００μｍとする。このとき、可撓領域４２の曲りは以下に示すチモチェンコの式によって表される。
【０１６３】
【式１６】
【０１６４】
上記式に具体的な数値を導入し計算した結果を図３９に示す。図３９に示すように、可撓領域４２の温度が高くなればその変位（曲り）が大きくなる。この曲りが半導体マイクロリレーの可動接点６６と固定接点６７，６８の接点ギャップよりも大きくなると、可動接点６６と固定接点６７，６８が接触しリレーがオンする。
【０１６５】
ここで、接点ギャップが２０μｍであり、バイメタルを２００℃とした場合のバイメタルの動作を考察する。図３９に示すように、２００℃におけるバイメタルの変位は約６５μｍである。
【０１６６】
半導体マイクロリレーは片持ち梁構造であり、可撓領域４２に対応する梁は図４０に示すように変位する。その先端部の変位Ｘａは、Ｘａ＝（Ｆａ・τａ３）／（３Ｅａ・Ｉａ）で表される。Ｆａは梁の先端部に加えられる力、ｔａは梁の厚み、τａは梁の長さ、Ｅａは梁のヤング率を示している。ここで、Ｉａは梁の断面２次モーメントを示しており、その断面が長方形の場合は、Ｉａ＝ｂａ・ｔａ３／１２（ｂａは梁の奥行き幅）で表されるため、先端の撓みＸａは、Ｘａ＝４・Ｆａ・τａ３／（ｂａ・ｔａ３・Ｅａ）となる。この式より梁の先端部に加えられた力Ｆａは、Ｆａ＝（Ｘａ・ｂａ・ｔａ３・Ｅａ）／（４・τａ３）で表される。ここで、接点ギャップ２０μｍとすると接点圧ｆａは、ｆａ＝（（Ｘａ−２０μｍ）・ｂａ・ｔａ３・Ｅａ）／（４・τａ３）となる。先端部の撓みＸａは、Ｘａ＝６５μｍであるから、接点圧ｆａはｆａ＝０．８７ｇｆ＝８．５×１０−３Ｎとなり、ほぼ１ｇｆ（９．８×１０−３Ｎ）に近い接点圧が得られる。
【０１６７】
（実施形態１３）
次に、本発明の第１３の実施形態を説明する。図４１は本実施形態の半導体マイクロリレーの構造を示す斜視図である。図４１に示す半導体マイクロリレーは、図３３で示した半導体マイクロリレーのアクチュエータ部を図２３で示した半導体マイクロアクチュエータ４１で構成したものであり、図３３と異なる点は、可撓領域４２の薄膜４２Ｍがアルミニウム薄膜あるいはニッケル薄膜などの金属薄膜により構成されている点である。
【０１６８】
本実施形態の半導体マイクロリレーにおいても、可動エレメント４５に凹部４５Ｈが形成されており、図４８に示す半導体マイクロリレーのように凹部が形成されていない場合に比べて、可撓領域４２の温度上昇を急速に行える点、可動エレメントの重量（体積）が小さくなるので、外部からの衝撃に対して誤動作を防止できる点は実施形態１２と同様である。
【０１６９】
次に、図４１で示した半導体マイクロリレーの製造方法を示す。まず、可撓領域４２を構成する薄膜４２Ｍをアルミニウム薄膜で構成した場合についての製造方法を説明する。
【０１７０】
例えばシリコン基板などの半導体基板４３（図４２（ａ）参照）をシリコン窒化膜などをマスクとしてＫＯＨなどにより下面からエッチング除去して、ギャップ４０を形成する（図４２（ｂ）参照）。このギャップ４０は、半導体マイクロリレーにおける可動接点と固定接点間の接点ギャップとなる。ここで、半導体基板４３（シリコン基板）はｐ型、ｎ型のどちらでもよく、結晶方位は＜１００＞が望ましい。
【０１７１】
次に、イオン注入または不純物拡散などにより拡散抵抗４６を半導体基板４３の上面に形成する（図４２（ｃ）参照）。ここで、不純物はｐ型、ｎ型のどちらであってもよい。
【０１７２】
さらに、半導体基板４３の両面にシリコン窒化膜などを形成しパターニングする。その後、半導体基板４３の上面からＫＯＨなどによりエッチング除去して（異方性エッチング）、可動エレメント４５の上部に凹部４５Ｈを形成し中空形状とすると同時に、半導体基板４３の下面からＫＯＨなどによりエッチング（異方性エッチング）除去して凹部を設けてその底面部を可撓領域を構成する薄肉部４２Ｓとして形成する（図４２（ｄ）参照）。
【０１７３】
次に、半導体基板４３の上面よりシリコン窒化膜などをマスクにして、エッチング除去して後に熱絶縁領域４７，４７ａとなる部分に孔部４７Ｂ，４７Ｃを形成する（図４３（ａ）参照）。このときエッチングされる深さは、熱絶縁領域４７，４７ａの厚みに対応する。
【０１７４】
そして次の工程では、図４３（ｂ）に示すように、スパッタリングなどによりアルミニウム薄膜を形成しパターニングして、可撓領域を構成する薄膜４２Ｍと、拡散抵抗４６に電力を供給する配線４９Ａが形成される。そして、ポリイミドなどの熱絶縁材料を半導体基板４３の全面にコートし、半導体基板４３の上面に設けられた孔部４７Ｂ，４７Ｃを埋め、埋め込んだ部分以外の熱絶縁材料をエッチングなどにより除去して熱絶縁領域４７，４７ａを形成する（図４３（ｃ）参照）。
【０１７５】
その後、熱絶縁領域４７，４７ａの下面側をエッチング除去して熱絶縁材料のみで構成される熱絶縁領域４７，４７ａを形成する（図４３（ｄ）参照）。そして次に、可動エレメント４５の下面側に金コバルトなどからなる可動接点６６をメッキなどにより形成する。
【０１７６】
次に、このように加工された半導体基板４３とメッキなどにより金コバルトなどの固定接点６７が形成された固定片６５を陽極接合などにより接合し（図４４（ａ）参照）、最後にＲＩＥなどにより可動エレメント４５及び可撓領域４２を枠体となる半導体基板４３から切り離し、半導体マイクロリレーが製造される。すなわち、半導体マイクロアクチュエータ４１ａが製造されることになる（図４４（ｂ）参照）。
【０１７７】
次に、図４１で示した半導体マイクロリレーの薄膜４２Ｍをニッケルで構成した場合の製造方法を説明する。図４５（ａ）〜（ｅ）の工程で示されるように、半導体基板４３の下面にギャップ４０を形成する工程、半導体基板４３の上面に拡散抵抗４６を形成する工程、可動エレメント４５の上部に凹部４５Ｈを形成する工程、可撓領域４２の薄肉部４２Ｓを形成する工程、後に熱膨張領域となる部分である孔部４７Ｂ，４７Ｃを形成する工程は、図４２（ａ）〜（ｄ）、図４３（ａ）で説明した工程と同様であるためその説明を省略する。
【０１７８】
その次の工程では、図４６（ａ）に示すように、スパッタリングなどによりアルミニウム薄膜を形成しパターニングすることで、拡散抵抗４６に電力を供給する配線４９Ａなどが形成される。次に、図４６（ｂ）に示すように、ポリイミドなどの熱絶縁材料を半導体基板４３の全面にコートし、半導体基板４３の上面に設けられた孔部４７Ｂ，４７Ｃを埋め、埋め込んだ部分以外の熱絶縁材料をエッチングなどにより除去して熱絶縁領域４７，４７ａを形成する。
【０１７９】
その後、熱絶縁領域４７，４７ａの下面側をエッチング除去し（図４６（ｃ）参照）、薄肉部４２Ｓの上面に薄膜４２Ｍとしてメッキなどによりニッケル薄膜を形成し（図４６（ｄ）参照）、可動エレメント４５の下面側に金コバルトなどからなる可動接点６６をメッキなどにより形成する（図４６（ｅ）参照）。
【０１８０】
そして次に、このように加工された半導体基板４３と、メッキなどにより金コバルトなどの固定接点６７が形成された固定片６５を陽極接合などにより接合し（図４７（ａ）参照）、最後にＲＩＥなどにより可動エレメント４５及び可撓領域４２を枠体となる半導体基板４３から切り離し、半導体マイクロリレーが製造される（図４７（ｂ）参照）。すなわち、半導体マイクロアクチュエータ４１ａが製造される。
【０１８１】
ここで、図４１で示した半導体マイクロバルブにおける可撓領域４２の薄肉部４２Ｓと薄膜４２Ｍからなるいわゆるバイメタルの構成を図４９に示す。図示したように、１５μｍ厚のシリコンからなる薄肉部４２Ｓの上部に、薄膜４２Ｍとして５μｍ厚のアルミニウム薄膜が形成されている。可撓領域４２の平面サイズは１０００μｍ×１０００μｍとする。
【０１８２】
このとき、可撓領域４２の変位（曲り）は以下に示すチモチェンコの式によって表される。
【０１８３】
【式１７】
【０１８４】
上記式に具体的な数値を導入し計算した結果を図５０に示す。図５０に示すように、可撓領域４２の温度が高くなれば変位（曲り）が大きくなる。この変位が半導体マイクロリレーの可動接点６６と固定接点６７，６８の接点ギャップよりも大きくなると、可動接点６６と固定接点６７，６８が接触しリレーがオンする。
【０１８５】
ここで、接点ギャップが２０μｍであり、可撓領域４２を２００℃とした場合の動作を考察する。図５０に示すように、２００℃における可撓領域４２の変位は約７０μｍである。
【０１８６】
上述したように、接点圧ｆａはｆａ＝（（Ｘａ−２０μｍ）・ｂａ・ｔａ３・Ｅａ）／（４・τａ３）で表されるため、接点圧ｆａを求めるとｆａ＝０．８２ｇｆ＝８．０×１０−３Ｎとなり、ほぼ１ｇｆ（９．８×１０−３Ｎ）に近い接点圧が得られる。
【０１８７】
一方、薄膜４２Ｍとしてニッケル薄膜を用いると、ニッケルはアルミニウムに比べて熱膨張係数が小さいため、温度変化に対する可撓領域４２の変位（曲り）が小さい。ところが、ニッケルはアルミニウムに比べてヤング率が大きいため、大きな熱応力を発生することができる。
【０１８８】
図５１には、シリコンにより構成される薄肉部４２Ｓの厚さを変化させた場合の薄膜４２Ｍがアルミニウムである場合とニッケルである場合のそれぞれにおける可撓領域４２の変位特性を示している。アルミニウムとニッケルはそれぞれ５μｍ厚で可撓領域４２の温度は２００℃で計算している。図より明らかなように薄肉部４２Ｓの厚さが２０μｍでアルミニウムとニッケルの特性が逆転しており、厚さが２０μｍ以上となると、薄膜４２Ｍがニッケルで構成されている場合に可撓領域４２の変位特性が大きくなっている。このように、薄肉部４２Ｓの厚さが厚い場合は薄膜４２Ｍとしてニッケルを用いた方が良い特性が得られる。
【０１８９】
ここで、本実施形態における半導体マイクロリレーの他の構成例を図５２に示す。図５２の半導体マイクロリレーにおいて図４１に示したものとの違いは、図５２では固定片６５と半導体マイクロアクチュエータ４１ａとがポリイミドからなるスペーサ層６３を介して接合（例えば陽極接合）されている点であり、固定片６５と半導体マイクロアクチュエータ４１ａの両者間に発生するストレスを吸収して緩和させることができる点は図２８に対応する実施形態と同様である。
【０１９０】
【発明の効果】
上記したように、請求項１の発明は、半導体基板と、温度変化により前記半導体基板に対して変位する可撓領域と、前記半導体基板と前記可撓領域との間に設けられ前記半導体基板と前記可撓領域を連結する樹脂製の熱絶縁領域とから構成され、前記半導体基板および前記可撓領域の前記熱絶縁領域に接する部分が、前記半導体基板と前記可撓領域の連結方向に櫛刃を形成する形状になるとともに、前記半導体基板と前記可撓領域との各櫛刃形状が前記熱絶縁領域を介して互いに噛み合っており、樹脂製の熱絶縁領域を半導体基板と可撓領域の間に設けることで、可撓領域を温度変化させるときの熱の逃げを防ぐため、消費電力を抑えることができ、さらにその製造工程も簡単である。さらに、半導体基板と可撓領域の連結強度を上げることができる。
【０１９１】
また、請求項２の発明は、請求項１記載の発明において、前記熱絶縁領域を構成する材料がポリイミドであるため、可撓領域と半導体基板の熱絶縁性が良くなるとともに、製造が容易となる。
【０１９２】
また、請求項３の発明は、請求項１記載の発明において、前記熱絶縁領域を構成する材料がフッ素化樹脂であるため、可撓領域と半導体基板の熱絶縁性が良くなるとともに、製造が容易となる。
【０１９３】
また、請求項４の発明は、請求項１から請求項３のいずれかに記載の発明において、前記熱絶縁領域に前記熱絶縁領域を構成する材料よりも硬い材料からなる補強層が設けられているため、半導体基板と可撓領域の連結強度を上げることができる。
【０１９４】
また、請求項５の発明は、請求項４記載の発明において、前記補強層のヤング率が、９．８×１０９Ｎ／ｍ２以上であるため、半導体基板と可撓領域の連結強度を上げることができる。
【０１９５】
また、請求項６の発明は、請求項５に記載の発明において、前記補強層が二酸化ケイ素薄膜であるため、半導体基板と可撓領域の連結強度を上げることができる。
【０１９６】
また、請求項７の発明は、請求項１から請求項６のいずれかに記載の半導体装置と、前記可撓領域に連設された可動エレメントとを備え、前記可撓領域の温度が変化したときに、前記可動エレメントが前記半導体基板に対して変位するため、低消費電力で駆動可能であることに加えて、請求項１から請求項６の発明と同様の効果を有する半導体マイクロアクチュエータが得られる。
【０１９７】
また、請求項８の発明は、請求項７記載の発明において、前記可撓領域は片持ち梁構造を有しているため、可動エレメントの変位の大きな半導体マイクロアクチュエータが得られる。
【０１９８】
また、請求項９の発明は、請求項７記載の発明において、前記可動エレメントは複数の可撓領域により支持されているため、可動エレメントを安定して支持できる。
【０１９９】
また、請求項１０の発明は、請求項９記載の発明において、前記可撓領域は前記可動エレメントを挟んで十字形状であるため、可動エレメントの変位の精度が良いものとなる。
【０２００】
また、請求項１１の発明は、請求項９記載の発明において、前記可動エレメントの変位は、前記半導体基板の基板面に対して水平方向に回転する変位を含むため、可動エレメントの変位が大きなものとなる。
【０２０１】
また、請求項１２の発明は、請求項９又は請求項１１記載の発明において、前記可撓領域は、それぞれがＬ字形状をしている４つ可撓領域が前記可動エレメントを中心として四方向に等間隔で設けられているため、可撓領域の長さを大きくすることができ、そのため可動エレメントの変位を大きくすることができる。
【０２０２】
また、請求項１３の発明は、請求項７から請求項１２のいずれかに記載の発明において、前記可撓領域は異なる熱膨張係数を有する少なくとも２つの領域からなり熱膨張係数差に応じて変位をするため、可撓領域の温度変化により可撓領域の変位を得ることができる。
【０２０３】
また、請求項１４の発明は、請求項７から請求項１３のいずれかに記載の発明において、前記可撓領域と前記可動エレメントの間に、前記可撓領域と前記可動エレメントを連結する樹脂からなる熱絶縁領域が設けられているため、可撓領域と可動エレメントの熱絶縁性を確保することができ、可撓領域を温度変化させるときの消費電力をより抑えることができる。
【０２０４】
また、請求項１５の発明は、請求項１４記載の発明において、前記半導体基板と前記可撓領域の間に設けられた熱絶縁領域の剛性と、前記可撓領域と前記可動エレメントの間に設けられた熱絶縁領域の剛性とを異なるようにするため、各熱絶縁領域の剛性の違いにより可動エレメントの変位の方向を決めることができる。
【０２０５】
また、請求項１６の発明は、請求項７から請求項１５のいずれかに記載の半導体マイクロアクチュエータと、前記半導体マイクロアクチュエータに接合され、前記可動エレメントの変位に応じて流れる流体量が変化する流路を有する流体エレメントとを備えたため、低消費電力で駆動可能であることに加えて、請求項７から請求項１５の発明と同様の効果を有する半導体マイクロバルブが得られる。
【０２０６】
また、請求項１７の発明は、請求項７から請求項１５のいずれかに記載の半導体マイクロアクチュエータと、前記可動エレメントに可動接点が設けられ、その対応する位置に前記可動接点と接触可能な固定接点を有し前記半導体マイクロアクチュエータに接合される固定エレメントとを備えたため、低消費電力で駆動可能であることに加えて、請求項７から請求項１５の発明と同様の効果を有する半導体マイクロリレーが得られる。
【図面の簡単な説明】
【図１】 本発明の実施形態１に対応する半導体装置を用いた半導体マイクロアクチュエータの構造を示す一部破断の斜視図である。
【図２】 同上の構造を示す図であって、（ａ）は断面図、（ｂ）は上面図である。
【図３】 同上の半導体装置の構造を示す断面図である。
【図４】 同上の半導体装置の強度を求めるために用いる構造モデルを示すものであって、（ａ）は模式図、（ｂ）は分布図、（ｃ）は分布図である。
【図５】 同上の半導体装置の製造工程を示す図であって、（ａ）から（ｄ）はいずれも断面図である。
【図６】 同上の他の半導体装置の構造を示す図であって、（ａ）は断面図、（ｂ）は上面図である。
【図７】 同上の構造を示す断面図である。
【図８】 同上の製造工程を示す図であって、（ａ）から（ｅ）はいずれも断面図である。
【図９】 同上のさらに他の半導体装置の構造を示すものであって、（ａ）は断面図、（ｂ）は上面図である。
【図１０】 同上の構造を示す断面図である。
【図１１】 本発明の実施形態２に対応する半導体マイクロアクチュエータの構造を示す一部破断の斜視図である。
【図１２】 同上の構造を示す図であって、（ａ）は断面図、（ｂ）は上面図である。
【図１３】 同上の他の半導体マイクロアクチュエータの構造を示す断面図である。
【図１４】 同上の製造工程を示す図であって、（ａ）から（ｅ）はいずれも断面図である。
【図１５】 同上の製造工程を示す図であって、（ａ）から（d）はいずれも断面図である。
【図１６】 同上の半導体マイクロアクチュエータの他の配線構造を示す断面図である。
【図１７】 本発明の実施形態３に対応する半導体マイクロアクチュエータの構造を示す一部破断の斜視図である。
【図１８】 同上の構造を示す上面図である。
【図１９】 本発明の実施形態４に対応する半導体マイクロアクチュエータの構造を示す一部破断の斜視図である。
【図２０】 同上の構造を示す上面図である。
【図２１】 本発明の実施形態５に対応する半導体マイクロアクチュエータの構造を示す一部破断の斜視図である。
【図２２】 同上の構造を示す上面図である。
【図２３】 本発明の実施形態６に対応する半導体マイクロアクチュエータの構造を示す一部破断の斜視図である。
【図２４】 本発明の実施形態７に対応する半導体マイクロアクチュエータの構造を示す一部破断の斜視図である。
【図２５】 本発明の実施形態８に対応する半導体マイクロアクチュエータの構造を示す一部破断の斜視図である。
【図２６】 同上の他の半導体マイクロアクチュエータの構造を示す一部破断の斜視図である。
【図２７】 本発明の実施形態９に対応する半導体マイクロバルブの構造を示す一部破断の斜視図である。
【図２８】 同上の他の半導体マイクロバルブの構造を示す一部破断の斜視図である。
【図２９】 同上のさらに他の半導体マイクロバルブの構造を示す一部破断の斜視図である。
【図３０】 本発明の実施形態１０に対応する半導体マイクロバルブの構造を示す一部破断の斜視図である。
【図３１】 同上の他の半導体マイクロバルブの構造を示す一部破断の斜視図である。
【図３２】 本発明の実施形態１１に対応する半導体マイクロリレーの構造を示す一部破断の斜視図である。
【図３３】 本発明の実施形態１２に対応する半導体マイクロリレーの構造を示す一部破断の斜視図である。
【図３４】 同上の製造工程を示す図であって、（ａ）から（ｄ）はいずれも断面図である。
【図３５】 同上の製造工程を示す図であって、（ａ）から（ｅ）はいずれも断面図である。
【図３６】 同上の製造工程を示す図であって、（ａ）、（ｂ）はいずれも断面図である。
【図３７】 同上の他の半導体マイクロリレーの構造を示す一部破断の斜視図である。
【図３８】 同上の半導体マイクロリレーの作用説明に用いる斜視図である。
【図３９】 同上の半導体マイクロリレーの作用説明に用いる関係図である。
【図４０】 同上の半導体マイクロリレーの作用説明に用いる側面図である。
【図４１】 本発明の実施形態１３に対応する半導体マイクロリレーの構造を示す一部破断の斜視図である
【図４２】 同上の製造工程を示す図であって、（ａ）から（ｄ）はいずれも断面図である。
【図４３】 同上の製造工程を示す図であって、（ａ）から（ｅ）はいずれも断面図である。
【図４４】 同上の製造工程を示す図であって、（ａ）、（ｂ）はいずれも断面図である。
【図４５】 同上の他の製造工程を示す図であって、（ａ）から（ｅ）はいずれも断面図である。
【図４６】 同上の他の製造工程を示す図であって、（ａ）から（ｅ）はいずれも断面図である。
【図４７】 同上の他の製造工程を示す図であって、（ａ）、（ｂ）はいずれも断面図である。
【図４８】 同上の他の半導体マイクロリレーの構造を示す一部破断の斜視図である
【図４９】 同上の半導体マイクロリレーの作用説明に用いる斜視図である。
【図５０】 同上の半導体マイクロリレーの作用説明に用いる関係図である。
【図５１】 同上の半導体マイクロリレーの作用説明に用いる関係図である。
【図５２】 同上の他の半導体マイクロリレーの構造を示す図である。
【図５３】 従来の半導体マイクロアクチュエータの構造を示す上面図である。
【図５４】 同上の構造を示す断面図である。
【図５５】 従来の半導体マイクロリレーの構造を示す断面図である。
【図５６】 同上の作用説明のために用いる模式図である。
【符号の説明】
１ 半導体マイクロアクチュエータ
２ 可撓領域
２Ｓ 薄肉部
２Ｍ 薄膜
３ 半導体基板
４ａ 配線
５ 可動エレメント
６ 拡散抵抗
７ 熱絶縁領域
８ 半導体装置
Claims (17)
- 半導体基板と、温度変化により前記半導体基板に対して変位する可撓領域と、前記半導体基板と前記可撓領域との間に設けられ前記半導体基板と前記可撓領域を連結する樹脂製の熱絶縁領域とから構成され、前記半導体基板および前記可撓領域の前記熱絶縁領域に接する部分が、前記半導体基板と前記可撓領域の連結方向に櫛刃を形成する形状になるとともに、前記半導体基板と前記可撓領域との各櫛刃形状が前記熱絶縁領域を介して互いに噛み合っていることを特徴とする半導体装置。
- 前記熱絶縁領域を構成する材料がポリイミドであることを特徴とする請求項１に記載の半導体装置。
- 前記熱絶縁領域を構成する材料がフッ素化樹脂であることを特徴とする請求項１に記載の半導体装置。
- 前記熱絶縁領域に前記熱絶縁領域を構成する材料よりも硬い材料からなる補強層が設けられていることを特徴とする請求項１から請求項３のいずれかに記載の半導体装置。
- 前記補強層のヤング率が、９．８×１０ ９ Ｎ／ｍ ２ 以上であることを特徴とする請求項４に記載の半導体装置。
- 前記補強層が二酸化ケイ素薄膜であることを特徴とする請求項５に記載の半導体装置。
- 請求項１から請求項６のいずれかに記載の半導体装置と、前記可撓領域に連設された可動エレメントとを備え、前記可撓領域の温度が変化したときに、前記可動エレメントが前記半導体基板に対して変位することを特徴とする半導体マイクロアクチュエータ。
- 前記可撓領域は片持ち梁構造を有していることを特徴とする請求項７記載の半導体マイクロアクチュエータ。
- 前記可動エレメントは、複数の可撓領域により支持されていることを特徴とする請求項７記載の半導体マイクロアクチュエータ。
- 前記可撓領域は前記可動エレメントを挟んで十字形状であることを特徴とする請求項９記載の半導体マイクロアクチュエータ。
- 前記可動エレメントの変位は、前記半導体基板の基板面に対して水平方向に回転する変位を含むことを特徴とする請求項９記載の半導体マイクロアクチュエータ。
- 前記可撓領域は、それぞれがＬ字形状をしている４つ可撓領域が前記可動エレメントを中心として四方向に等間隔で設けられていることを特徴とする請求項９又は請求項１１記載の半導体マイクロアクチュエータ。
- 前記可撓領域は、異なる熱膨張係数を有する少なくとも２つの領域からなり熱膨張係数差に応じて変位をすることを特徴とする請求項７から請求項１２のいずれかに記載の半導体マイクロアクチュエータ。
- 前記可撓領域と前記可動エレメントの間に、前記可撓領域と前記可動エレメントを連結する樹脂からなる熱絶縁領域が設けられていることを特徴とする請求項７から請求項１３のいずれかに記載の半導体マイクロアクチュエータ。
- 前記半導体基板と前記可撓領域の間に設けられた熱絶縁領域の剛性と、前記可撓領域と前記可動エレメントの間に設けられた熱絶縁領域の剛性とを異なるようにすることを特徴とする請求項１４記載の半導体マイクロアクチュエータ。
- 請求項７から請求項１５のいずれかに記載の半導体マイクロアクチュエータと、前記半導体マイクロアクチュエータに接合され、前記可動エレメントの変位に応じて流れる流体量が変化する流路を有する流体エレメントとを備えたことを特徴とする半導体マイクロバルブ。
- 請求項７から請求項１５のいずれかに記載の半導体マイクロアクチ ュエータと、前記可動エレメントに可動接点が設けられ、その対応する位置に前記可動接点と接触可能な固定接点を有し前記半導体マイクロアクチュエータに接合される固定エレメントとを備えたことを特徴とする半導体マイクロリレー。
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