JP3775082B2 - 微小物体輸送装置、微小物体輸送装置の製造方法、および微小物体の輸送方法 - Google Patents
微小物体輸送装置、微小物体輸送装置の製造方法、および微小物体の輸送方法 Download PDFInfo
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Description
【０００１】
【発明の属する技術分野】
本発明は、マイクロマニュピュレータで取り扱うような微小物体を連続的に輸送するのに適した微小物体輸送装置、微小物体輸送装置の製造方法、および微小物体の輸送方法に関するものである。
【０００２】
【従来の技術】
近年の電子技術やメカトロニクスの発達により、マイクロマシンはマイクロマニュピュレータ、プリントパターンの欠陥検査、微小で高速駆動を必要とする液体噴射器等の広い産業分野で利用されている。この様なマイクロマシンはその用途に従って回転駆動や直線駆動、押圧駆動等を行う為、ミクロン単位の大きさの歯車などの機構部品をはじめ、微小モータ、小型アクチュエータ、センサ等を組み合わせて構成される。
【０００３】
これらマイクロマシンの微小な部品の取り扱いに関しては、例えば、論文「日本ロボット学会誌Ｖｏｌ．１４ ＮＯ．８、ＰＰ・１１１３〜１１１６，１９９６」で述べられているように、マイクロマニュピュレータを用いてピンセット式に把持することにより、微小部品を１個づつ移動、搬送、輸送等して、組立を行うのが一般的である。
【０００４】
【発明が解決しようとする課題】
しかしながら、マイクロマニュピュレータは、ピンセット式に微小部品を１個ずつ把持して移動する構成を採るので、微小部品の取り扱いに手間と時間を要する。また、多量の微小物体の連続的な輸送等には不向きである。
【０００５】
そこで、本発明の目的は、上記課題を解決し、マイクロマシンの微小部品等を効率良く水平方向に輸送等することができる微小物体輸送装置、微小物体輸送装置の製造方法、および微小物体の輸送方法を提供することにある。
【０００６】
【課題を解決するための手段】
本発明は、上記目的を達成するために提案されたものであり、請求項１に記載のものは、基板に微細なＶ型溝を凹凸が繰り返すように連続して設け、各Ｖ型溝の同一側に位置する一方の斜面に、電極を有する圧電体膜を配設し、該圧電体膜で前記溝上の微小物体に前記斜面と直交する方向の振動を付与して微小物体を順次隣の溝に移動できるようにしたことを特徴とする微小物体輸送装置である。
【０００７】
請求項２に記載のものは、前記圧電体膜を配設したＶ型溝の斜面の裏面側にキャビティを形成し、前記圧電体膜を配設したＶ型溝の斜面を振動板として機能するように構成したことを特徴とする微小物体輸送装置である。
【０００８】
請求項３に記載のものは、Ｓｉ基板に微細なＶ型溝を凹凸が繰り返すように連続して設けるとともに、Ｖ型溝の表面にＳｉＯ２膜を形成し、各Ｖ型溝の同一側に位置する一方の斜面に圧電体膜を配設し、圧電体膜を配設したＶ型溝の斜面の裏面側に、Ｓｉ基板を除去することによりキャビティを形成し、このキャビティの形成により残されたＳｉＯ２膜を振動板とし、圧電体膜で振動板を振動させて前記溝上の微小物体に前記斜面と直交する方向の振動を付与して微小物体を順次隣の溝に移動できるようにしたことを特徴とする微小物体輸送装置である。
【０００９】
請求項４に記載のものは、シリコンウェハの両面に、ＳｉＯ２膜を形成するＳｉ基板両面酸化膜形成工程と、
ディバイス面側のＳｉＯ２膜を第１パターニングマスクにより、反対側のＳｉＯ２膜を第２パターニングマスクにより、両面同時にパターニングするＳｉＯ２パターニング工程と、
ディバイス面側のみ異方性エッチングしてＶ型の溝を形成するＶ溝形成工程と、
ディバイス面のＳｉＯ２膜を除去するＳｉＯ２除去工程と、
Ｓｉ基板の両面にＳｉＯ２膜を形成するＳｉ基板両面酸化膜形成工程と、
Ｓｉ基板の裏面側のＳｉＯ２膜をハーフエッチングする裏面ＳｉＯ２不要部分除去工程と、
ディバイス面に下部電極となる導電性膜を成膜する下部電極成膜工程と、
下部電極上に圧電体膜となるＰＺＴを成膜するＰＺＴ膜成膜工程と、
このＰＺＴ上に上部電極となる導電性膜を成膜する上部電極成膜工程と、
少なくとも上部電極導電性膜、圧電体膜をエッチングし、上部電極、圧電体膜、下部電極を形成するディバイス面パターニング工程と、
Ｖ型溝の斜面のうち圧電体膜の形成されている斜面を構成しているＳｉＯ２膜の下方のＳｉを裏面からのエッチングにより除去し、これによりキャビティを形成するキャビティ形成工程と、
からなる微小輸送装置の製造方法である。
【００１０】
請求項５に記載のものは、Ｖ型溝を凹凸が繰り返すように連続して設けるとともに、各Ｖ型溝の対向する一対の斜面のうち同一側に位置する一方の斜面に圧電体膜を配設した基板上に微小物体を載せ、前記圧電体膜で前記溝上の微小物体に前記斜面と直交する方向の振動を付与して微小物体を順次隣の溝に移動することを特徴とする微小物体の輸送方法である。
【００１１】
【発明の実施の形態】
以下、本発明を図示の実施形態に基づいて説明する。
【００１２】
図１において、１は半導体基板であるＳｉ基板、そして２はこのＳｉ基板１に凹凸が繰り返すように連続して多数本並べて設けられた微細なＶ型溝である。Ｖ型溝２は、Ｓｉ基板１の表面に形成された酸化膜であるＳｉＯ２膜３からできている。
【００１３】
各Ｖ型溝２の対向する一対の斜面２ａ，２ｂのうち同一側に位置する一方の斜面２ａには、ピエゾ素子（ＰＺＴ）から成る圧電体膜４が配設されている。なお、圧電体膜４は、図５に示すように、上面に上部電極４ａを、下面に下部電極４ｂをそれぞれ有し、下部電極４ｂがＶ型溝２の斜面２ａに接合されている。そして、この圧電体膜４が配設されたＶ型溝２の斜面２ａの裏面側にはキャビティ５を設ける。この結果、Ｖ型溝２の斜面のうち、圧電体膜４を配設した斜面２ａは薄いＳｉＯ２膜３のみから成り、圧電体膜４の振動板として機能するように構成されている。
【００１４】
上記のように構成される微小物体輸送装置は、概略次のようにして造ることができる。
【００１５】
まず、図３に示すように、主面の面方位が（１１０）面のシリコンウェハから成るＳｉ基板１上に、オリエンテーションフラットＯＦから５４゜傾けてＶ型溝２を形成する。これは図４に示すように、Ｓｉ基板１上に、所定間隔の隙間を有するパターニングマスク８を配置し、異方性ウエット・エッチングを行うことによって、斜面が（１１０）面に対して３５゜に傾斜したＶ角度θを持つＶ型の溝として形成する。その際、パターニングマスク８の直下の領域もオーバエッチングされ、Ｖ型の溝の形成に寄与する。
【００１６】
なお、主面が（１００）面のＳｉ基板１を使用することもでき、この場合は斜面が主面に対してなすＶ角度θは４５°とする。そして、図１及び図２はこのようにして得られた図３のＶ型溝２のＡ−Ａ′断面に相当する。
【００１７】
図７は、圧電体膜４の上下の電極４ａ、４ｂにかける印加電圧の波形を示し、図８は、圧電体膜４が撓む様子を示したものである。
【００１８】
図８に示すように、電圧の印加されていない待機状態(1) では圧電体膜４に撓みはなく（図８(a) ）、電圧波形が立ち上がる過程の充電状態(2) で圧電体膜４が撓み、これに伴って振動板たるＳｉＯ２膜３が撓み、電圧一定の間、そのたわんだ状態が保持される（保持状態(3)、図８(b) ）。そして印加電圧がゼロに戻される放電状態(4) で圧電体膜４及びＳｉＯ２膜３がもとに戻って撓みがなくなり、待機状態(5)に戻る（図８(c)）。
【００１９】
このように圧電体膜４の上下に電極４ａ、４ｂを設けて電圧（図７）を印加し、圧電体膜４に斜面２ａと直交する方向の振動（図８）を発生させることにより、ＳｉＯ２膜３から成る振動板を加振する。基本的には全ての圧電体膜４を同時に同位相で駆動する。この状態で、比較的大きな微小物体として、例えば図２の如くマイクロマシンの微小部品６をＶ型溝２上に載置すると、その微小部品６を順次隣の溝に移動させることができる。なお、図２中、符号７はこの微小部品６の中心点の移動軌跡（動線）を示す。
【００２０】
本発明で取り扱う微小物体については、重力に対して、ファンデルワールス力、静電気力等の付着力が無視できない。よって、物体を移動させる際には付着力に抗する力が必要となる。
【００２１】
図５に、上記微小物体輸送装置における微小部品６の輸送原理を示す。
【００２２】
Ｖ型溝２の一方の斜面２ａに設けられている圧電体膜４が振動すると、付着力に抗して比較的大きな微小部品６が上記振動によって隣りの溝に移動する。順次隣りの溝に移動することを繰り返すことにより微小部品６を輸送することが可能である。
【００２３】
一方、図６（ａ）に示すように、比較的小さな微小物体である粉体（粒状物又は粉状物）９を取り扱った場合には図６（ｂ）に示すような力が微小物体に作用する。そして、付着力、重力およびＰＺＴ振動の合力である推進力が微小物体を斜面２ａ下方に移動させる力となる。また、図６（ｃ）に示すように、Ｖ型溝２の下部に溜った微小物体９は、前記推進力により斜面２ｂを上方に押し上げられる。そして、図６（ｄ）に示すように、斜面２ｂの最上端の微小物体は、斜面２ｂを上昇してくる微小物体に押し上げられて当該Ｖ型溝２の頂部を乗り越えて隣りのＶ型溝２に移動する。
【００２４】
この様な原理により比較的小さな微小物体である粉体の輸送が可能となる。
【００２５】
既に述べたように、印加電圧１０は基本的には全ての圧電体膜４に対し同時に同位相で印加し、駆動する。与える印加電圧１０の周波数は、微小部品等の比較的大きい物体の場合は１Ｈｚ〜１ｋＨｚ程度の低周波駆動とし、粉体等の比較的小さい物体の場合は１ｋＨｚ〜１０ｋＨｚ程度の高周波駆動とする。
【００２６】
しかし、微小部品等の比較的大きい物体の場合は圧電体膜４の位相をずらせて駆動してもよい。
【００２７】
また、駆動する圧電体膜４と駆動しない圧電体膜４とを設けることにより、任意の位置で物体を停止することができる。
【００２８】
このように前記微小物体輸送装置によれば、１個から多量の微小物体を、容易に連続的に、移動、輸送、搬送することが可能であり、上記物体の水平輸送が可能である。また、この微小物体輸送装置はマイクロマシンの組立に利用できるだけでなく、化学的な粉体を調合するマイクロファクトリーにも利用することができる。
【００２９】
次に、具体的な製造方法について述べる。
【００３０】
（ａ）Ｓｉ基板両面酸化膜形成工程
まず、主面の面方位が（１１０）面のシリコンウェハから成る厚さ１００〜１０００μｍのＳｉ基板１の両面に、例えば１０００〜１２００℃で１〜３時間拡散炉にて焼成することにより、酸化膜であるＳｉＯ２膜１１を０．５〜３μｍの厚さに形成する（図９（ａ））。なお、本実施形態の場合、Ｓｉ基板１の厚さは２２０μｍ、ＳｉＯ２膜１１の厚さは１μｍである。
【００３１】
（ｂ）ＳｉＯ２パターニング工程
次に、ディバイス側（ＰＺＴ形成側）のＳｉＯ２膜１１を所定幅Ｗ1及び所定ピッチ間隔Ｐ1の第１パターニングマスク８ａにより、またディバイス側のＳｉＯ２膜１１を所定幅Ｗ2及び所定ピッチ間隔Ｐ2の第２パターニングマスク８ｂにより、両面同時にパターニングする（図９（ｂ））。これはエッチャントにＨＦ（フッ酸）を用いた通常のフォトリソエッチングによる。パターニングマスク８ａの所定幅Ｗ1は３〜１０μｍ（本実施形態例では５μｍ）とし、所定ピッチ間隔Ｐ1は１０〜５００μｍ（本実施形態では２５μｍ）とする。また、パターニングマスク８ｂはパターニングマスク８ａの所定ピッチ間隔Ｐ1の中央から始まり隣接する所定幅Ｗ1の中央で終わる長さ６．５〜２５５μｍ（本実施形態では１５μｍ）で設ける。
【００３２】
（ｃ）Ｖ溝形成工程
ディバイス面側のみ、ＫＯＨ水溶液（例えば１０％）、あるいはＴＭＡＨ水溶液でＳｉを異方性エッチングする（図９（ｃ））。異方性によりシリコンの方が先に深さ方向にエッチングされるため、サイドエッチによりＶ字状にエッチングが進行する。この異方性ウエット・エッチングを行うことによって、斜面が（１１０）面に対して３５゜に傾斜したＶ角度θを持つＶ型の溝を形成することができる。
【００３３】
（ｄ）ＳｉＯ２除去工程
ディバイス面のみＳｉＯ２膜を除去する（図９（ｄ））。
【００３４】
（ｅ）Ｓｉ基板両面酸化膜形成工程
Ｓｉ基板１の両面に、酸化膜であるＳｉＯ２膜３を０．５〜３μｍ（本実施形態では１μｍ）の厚さに形成する（図１０（ｅ））。
【００３５】
（ｆ）裏面ＳｉＯ２不要部分除去工程
Ｓｉ基板１の裏面側のＳｉＯ２膜１１のみハーフエッチングする（図１０（ｆ））。
【００３６】
（ｇ）下部電極成膜工程
ディバイス面に下部電極（Ｐｔ、Ｉｒ、ＲｕＯ２等）導電性膜１２をスパッタ法により２００〜８００ｎｍ（本実施形態では５００ｎｍ）の厚さで成膜する（図１０（ｇ））。
【００３７】
（ｈ）ＰＺＴ膜成膜工程、および上部電極成膜工程
ゾルゲル法、スパッタ法、ＣＶＤ法、レーザーアブレーション法等によりＰＺＴの圧電体膜１３を０．５〜１０μｍ（本実施形態では１μｍ）の厚さで成膜後、６００〜９００℃でＲＴＡ装置によりアニール結晶化し、その後スパッタ法により上部電極導電性成膜１４を５０〜２００ｎｍ（本実施形態では１００ｎｍ）の厚さで成膜する（図１０（ｈ））。
【００３８】
（ｉ）ディバイス面パターニング工程
イオンミリング装置、ＲＩＥ装置等により上部電極導電性成膜１４、圧電体膜１３、下部電極導電性膜１２をエッチングし、上部電極４ａ、圧電体膜４、下部電極４ｂを形成する（図１１（ｉ））。その際、下部電極導電性膜１２は残してもよい。
【００３９】
（ｊ）裏面のＳｉのエッチング工程
ＫＯＨ水溶液（例えば１０％）、あるいはＴＭＡＨ水溶液で裏面からＳｉをエッチングする（図１１（ｊ））。これにより、ＳｉＯ２膜で覆われていない部分、つまりＶ型溝２の斜面２ａ，２ｂのうち圧電体膜４の形成されている斜面２ａを構成しているＳｉＯ２膜３の下方のＳｉが除去され、これによりキャビティ５が形成される。
【００４０】
（ｋ）完成
上記のようにして完成された装置を裏面から見ると、図１１（ｋ）に示すように、エッチングされたキャビティ５の部分が半導体基板の一部に窪部として存在する。したがって、装置は構造がしっかりとしたものになる。なお、図１１の（ｉ），（ｊ）は、この図１１（ｋ）のＡ−Ａ′断面に相当する。
【００４１】
また、図１２（ｌ）はデバイス面を上から見た平面図である。この図で示すように、下部電極４ｂは各Ｖ型溝２のＰＺＴ素子の共通電極になっている。
【００４２】
さらに、図１２（ｍ）は図１２（ｌ）のＢ−Ｂ′断面図である。この図で示すように、ＰＺＴはＳｉエッチング部の外まで延設されており、その上に上部電極４ａが各Ｖ型溝２のＰＺＴの個別電極となっている。
【００４３】
【発明の効果】
以上説明したように本発明によれば、半導体基板に微細なＶ型溝を凹凸が繰り返すように連続して設け、各Ｖ型溝の対向する一対の斜面のうち同一側に位置する一方の斜面に圧電体膜を配設し、該圧電体膜で前記溝上の微小物体に前記斜面と直交する方向の振動を付与して微小物体を順次隣の溝に移動できるようにしたので、大きさが５００μｍ〜１ｎｍの無機粉体、有機粉体あるいは微小部品等といった微小物体を、簡易かつ多量に移動、輸送、搬送することができる。
【００４４】
また、前記圧電体膜を配設したＶ型溝の斜面の裏面側にキャビティを設け、前記圧電体膜を配設したＶ型溝の斜面を振動板として機能させる構成を採るので、Ｖ型溝の斜面の振動板としての働きにより、効率良く微小物体を移動、輸送、搬送することができる。
【図面の簡単な説明】
【図１】微小物体輸送装置の断面図である。
【図２】比較的大きな微小物体を取り扱った状態を示す微小物体輸送装置の正面図である。
【図３】微小物体輸送装置のＶ型溝がシリコンウェハ上に作成された状態を示す説明図である。
【図４】微小物体輸送装置のＶ型溝をエッチングにより作成する工程を示す説明図である。
【図５】比較的大きな微小物体の輸送原理を示す説明図である。
【図６】（ａ）は比較的小さな微小物体を取り扱った状態を示す微小物体輸送装置の比較的広い範囲の正面図であり、（ｂ）は１つのＶ型溝におけるＰＺＴ上の微小物体に作用する力の説明図、（ｃ）は斜面の頂部に位置する微小物体に作用する力の説明図、（ｄ）は（ｃ）に示した微小物体が隣りのＶ型溝に移動した状態を示す説明図である。
【図７】微小物体輸送装置の圧電体膜に印加する電圧波形を示す説明図である。
【図８】図７の電圧波形を印加した場合の圧電体膜の撓みの変化を示す説明図であり、（ａ）は待機状態を示し、（ｂ）は充電して保持した状態を示し、（ｃ）は放電してもとの待機状態を示す。
【図９】微小物体輸送装置の製造工程の一部を示す説明図であり、（ａ）はＳｉ基板両面酸化膜形成、（ｂ）はＳｉＯ２パターニング、（ｃ）はＶ溝形成、（ｄ）はＳｉＯ２除去の工程を示す説明図である。
【図１０】微小物体輸送装置の製造工程の一部を示す説明図であり、（ｅ）はＳｉ基板両面酸化膜形成、（ｆ）は裏面ＳｉＯ２不要部除去、（ｇ）は下部電極成膜、（ｈ）はＰＺＴ膜成膜、上部電極成膜の構成を示す説明図である。
【図１１】微小物体輸送装置の製造工程の一部を示す説明図であり、（ｉ）はデバイス面パターニング、（ｊ）は裏面のＳｉのエッチングの工程を示す説明図、（ｋ）は完成状態を示す説明図である。
【図１２】図１１の説明図の続きであり、（ｌ）はデバイス面を上から見た平面図、（ｍ）は（ｌ）のＢ−Ｂ′断面図である。
【符号の説明】
１ Ｓｉ基板
２ Ｖ型溝
２ａ，２ｂ 斜面
３ ＳｉＯ２膜
４ 圧電体膜
４ａ、４ｂ 電極
５ キャビティ
６ 微小部品（微小物体）
７ 移動軌跡
８、８ａ、８ｂ パターニングマスク
９ 粉体
１０ 印加電圧
１１ ＳｉＯ２膜
１２ 下部電極導電性膜
１３ 圧電体膜
１４ 上部電極導電性成膜
【発明の属する技術分野】
本発明は、マイクロマニュピュレータで取り扱うような微小物体を連続的に輸送するのに適した微小物体輸送装置、微小物体輸送装置の製造方法、および微小物体の輸送方法に関するものである。
【０００２】
【従来の技術】
近年の電子技術やメカトロニクスの発達により、マイクロマシンはマイクロマニュピュレータ、プリントパターンの欠陥検査、微小で高速駆動を必要とする液体噴射器等の広い産業分野で利用されている。この様なマイクロマシンはその用途に従って回転駆動や直線駆動、押圧駆動等を行う為、ミクロン単位の大きさの歯車などの機構部品をはじめ、微小モータ、小型アクチュエータ、センサ等を組み合わせて構成される。
【０００３】
これらマイクロマシンの微小な部品の取り扱いに関しては、例えば、論文「日本ロボット学会誌Ｖｏｌ．１４ ＮＯ．８、ＰＰ・１１１３〜１１１６，１９９６」で述べられているように、マイクロマニュピュレータを用いてピンセット式に把持することにより、微小部品を１個づつ移動、搬送、輸送等して、組立を行うのが一般的である。
【０００４】
【発明が解決しようとする課題】
しかしながら、マイクロマニュピュレータは、ピンセット式に微小部品を１個ずつ把持して移動する構成を採るので、微小部品の取り扱いに手間と時間を要する。また、多量の微小物体の連続的な輸送等には不向きである。
【０００５】
そこで、本発明の目的は、上記課題を解決し、マイクロマシンの微小部品等を効率良く水平方向に輸送等することができる微小物体輸送装置、微小物体輸送装置の製造方法、および微小物体の輸送方法を提供することにある。
【０００６】
【課題を解決するための手段】
本発明は、上記目的を達成するために提案されたものであり、請求項１に記載のものは、基板に微細なＶ型溝を凹凸が繰り返すように連続して設け、各Ｖ型溝の同一側に位置する一方の斜面に、電極を有する圧電体膜を配設し、該圧電体膜で前記溝上の微小物体に前記斜面と直交する方向の振動を付与して微小物体を順次隣の溝に移動できるようにしたことを特徴とする微小物体輸送装置である。
【０００７】
請求項２に記載のものは、前記圧電体膜を配設したＶ型溝の斜面の裏面側にキャビティを形成し、前記圧電体膜を配設したＶ型溝の斜面を振動板として機能するように構成したことを特徴とする微小物体輸送装置である。
【０００８】
請求項３に記載のものは、Ｓｉ基板に微細なＶ型溝を凹凸が繰り返すように連続して設けるとともに、Ｖ型溝の表面にＳｉＯ２膜を形成し、各Ｖ型溝の同一側に位置する一方の斜面に圧電体膜を配設し、圧電体膜を配設したＶ型溝の斜面の裏面側に、Ｓｉ基板を除去することによりキャビティを形成し、このキャビティの形成により残されたＳｉＯ２膜を振動板とし、圧電体膜で振動板を振動させて前記溝上の微小物体に前記斜面と直交する方向の振動を付与して微小物体を順次隣の溝に移動できるようにしたことを特徴とする微小物体輸送装置である。
【０００９】
請求項４に記載のものは、シリコンウェハの両面に、ＳｉＯ２膜を形成するＳｉ基板両面酸化膜形成工程と、
ディバイス面側のＳｉＯ２膜を第１パターニングマスクにより、反対側のＳｉＯ２膜を第２パターニングマスクにより、両面同時にパターニングするＳｉＯ２パターニング工程と、
ディバイス面側のみ異方性エッチングしてＶ型の溝を形成するＶ溝形成工程と、
ディバイス面のＳｉＯ２膜を除去するＳｉＯ２除去工程と、
Ｓｉ基板の両面にＳｉＯ２膜を形成するＳｉ基板両面酸化膜形成工程と、
Ｓｉ基板の裏面側のＳｉＯ２膜をハーフエッチングする裏面ＳｉＯ２不要部分除去工程と、
ディバイス面に下部電極となる導電性膜を成膜する下部電極成膜工程と、
下部電極上に圧電体膜となるＰＺＴを成膜するＰＺＴ膜成膜工程と、
このＰＺＴ上に上部電極となる導電性膜を成膜する上部電極成膜工程と、
少なくとも上部電極導電性膜、圧電体膜をエッチングし、上部電極、圧電体膜、下部電極を形成するディバイス面パターニング工程と、
Ｖ型溝の斜面のうち圧電体膜の形成されている斜面を構成しているＳｉＯ２膜の下方のＳｉを裏面からのエッチングにより除去し、これによりキャビティを形成するキャビティ形成工程と、
からなる微小輸送装置の製造方法である。
【００１０】
請求項５に記載のものは、Ｖ型溝を凹凸が繰り返すように連続して設けるとともに、各Ｖ型溝の対向する一対の斜面のうち同一側に位置する一方の斜面に圧電体膜を配設した基板上に微小物体を載せ、前記圧電体膜で前記溝上の微小物体に前記斜面と直交する方向の振動を付与して微小物体を順次隣の溝に移動することを特徴とする微小物体の輸送方法である。
【００１１】
【発明の実施の形態】
以下、本発明を図示の実施形態に基づいて説明する。
【００１２】
図１において、１は半導体基板であるＳｉ基板、そして２はこのＳｉ基板１に凹凸が繰り返すように連続して多数本並べて設けられた微細なＶ型溝である。Ｖ型溝２は、Ｓｉ基板１の表面に形成された酸化膜であるＳｉＯ２膜３からできている。
【００１３】
各Ｖ型溝２の対向する一対の斜面２ａ，２ｂのうち同一側に位置する一方の斜面２ａには、ピエゾ素子（ＰＺＴ）から成る圧電体膜４が配設されている。なお、圧電体膜４は、図５に示すように、上面に上部電極４ａを、下面に下部電極４ｂをそれぞれ有し、下部電極４ｂがＶ型溝２の斜面２ａに接合されている。そして、この圧電体膜４が配設されたＶ型溝２の斜面２ａの裏面側にはキャビティ５を設ける。この結果、Ｖ型溝２の斜面のうち、圧電体膜４を配設した斜面２ａは薄いＳｉＯ２膜３のみから成り、圧電体膜４の振動板として機能するように構成されている。
【００１４】
上記のように構成される微小物体輸送装置は、概略次のようにして造ることができる。
【００１５】
まず、図３に示すように、主面の面方位が（１１０）面のシリコンウェハから成るＳｉ基板１上に、オリエンテーションフラットＯＦから５４゜傾けてＶ型溝２を形成する。これは図４に示すように、Ｓｉ基板１上に、所定間隔の隙間を有するパターニングマスク８を配置し、異方性ウエット・エッチングを行うことによって、斜面が（１１０）面に対して３５゜に傾斜したＶ角度θを持つＶ型の溝として形成する。その際、パターニングマスク８の直下の領域もオーバエッチングされ、Ｖ型の溝の形成に寄与する。
【００１６】
なお、主面が（１００）面のＳｉ基板１を使用することもでき、この場合は斜面が主面に対してなすＶ角度θは４５°とする。そして、図１及び図２はこのようにして得られた図３のＶ型溝２のＡ−Ａ′断面に相当する。
【００１７】
図７は、圧電体膜４の上下の電極４ａ、４ｂにかける印加電圧の波形を示し、図８は、圧電体膜４が撓む様子を示したものである。
【００１８】
図８に示すように、電圧の印加されていない待機状態(1) では圧電体膜４に撓みはなく（図８(a) ）、電圧波形が立ち上がる過程の充電状態(2) で圧電体膜４が撓み、これに伴って振動板たるＳｉＯ２膜３が撓み、電圧一定の間、そのたわんだ状態が保持される（保持状態(3)、図８(b) ）。そして印加電圧がゼロに戻される放電状態(4) で圧電体膜４及びＳｉＯ２膜３がもとに戻って撓みがなくなり、待機状態(5)に戻る（図８(c)）。
【００１９】
このように圧電体膜４の上下に電極４ａ、４ｂを設けて電圧（図７）を印加し、圧電体膜４に斜面２ａと直交する方向の振動（図８）を発生させることにより、ＳｉＯ２膜３から成る振動板を加振する。基本的には全ての圧電体膜４を同時に同位相で駆動する。この状態で、比較的大きな微小物体として、例えば図２の如くマイクロマシンの微小部品６をＶ型溝２上に載置すると、その微小部品６を順次隣の溝に移動させることができる。なお、図２中、符号７はこの微小部品６の中心点の移動軌跡（動線）を示す。
【００２０】
本発明で取り扱う微小物体については、重力に対して、ファンデルワールス力、静電気力等の付着力が無視できない。よって、物体を移動させる際には付着力に抗する力が必要となる。
【００２１】
図５に、上記微小物体輸送装置における微小部品６の輸送原理を示す。
【００２２】
Ｖ型溝２の一方の斜面２ａに設けられている圧電体膜４が振動すると、付着力に抗して比較的大きな微小部品６が上記振動によって隣りの溝に移動する。順次隣りの溝に移動することを繰り返すことにより微小部品６を輸送することが可能である。
【００２３】
一方、図６（ａ）に示すように、比較的小さな微小物体である粉体（粒状物又は粉状物）９を取り扱った場合には図６（ｂ）に示すような力が微小物体に作用する。そして、付着力、重力およびＰＺＴ振動の合力である推進力が微小物体を斜面２ａ下方に移動させる力となる。また、図６（ｃ）に示すように、Ｖ型溝２の下部に溜った微小物体９は、前記推進力により斜面２ｂを上方に押し上げられる。そして、図６（ｄ）に示すように、斜面２ｂの最上端の微小物体は、斜面２ｂを上昇してくる微小物体に押し上げられて当該Ｖ型溝２の頂部を乗り越えて隣りのＶ型溝２に移動する。
【００２４】
この様な原理により比較的小さな微小物体である粉体の輸送が可能となる。
【００２５】
既に述べたように、印加電圧１０は基本的には全ての圧電体膜４に対し同時に同位相で印加し、駆動する。与える印加電圧１０の周波数は、微小部品等の比較的大きい物体の場合は１Ｈｚ〜１ｋＨｚ程度の低周波駆動とし、粉体等の比較的小さい物体の場合は１ｋＨｚ〜１０ｋＨｚ程度の高周波駆動とする。
【００２６】
しかし、微小部品等の比較的大きい物体の場合は圧電体膜４の位相をずらせて駆動してもよい。
【００２７】
また、駆動する圧電体膜４と駆動しない圧電体膜４とを設けることにより、任意の位置で物体を停止することができる。
【００２８】
このように前記微小物体輸送装置によれば、１個から多量の微小物体を、容易に連続的に、移動、輸送、搬送することが可能であり、上記物体の水平輸送が可能である。また、この微小物体輸送装置はマイクロマシンの組立に利用できるだけでなく、化学的な粉体を調合するマイクロファクトリーにも利用することができる。
【００２９】
次に、具体的な製造方法について述べる。
【００３０】
（ａ）Ｓｉ基板両面酸化膜形成工程
まず、主面の面方位が（１１０）面のシリコンウェハから成る厚さ１００〜１０００μｍのＳｉ基板１の両面に、例えば１０００〜１２００℃で１〜３時間拡散炉にて焼成することにより、酸化膜であるＳｉＯ２膜１１を０．５〜３μｍの厚さに形成する（図９（ａ））。なお、本実施形態の場合、Ｓｉ基板１の厚さは２２０μｍ、ＳｉＯ２膜１１の厚さは１μｍである。
【００３１】
（ｂ）ＳｉＯ２パターニング工程
次に、ディバイス側（ＰＺＴ形成側）のＳｉＯ２膜１１を所定幅Ｗ1及び所定ピッチ間隔Ｐ1の第１パターニングマスク８ａにより、またディバイス側のＳｉＯ２膜１１を所定幅Ｗ2及び所定ピッチ間隔Ｐ2の第２パターニングマスク８ｂにより、両面同時にパターニングする（図９（ｂ））。これはエッチャントにＨＦ（フッ酸）を用いた通常のフォトリソエッチングによる。パターニングマスク８ａの所定幅Ｗ1は３〜１０μｍ（本実施形態例では５μｍ）とし、所定ピッチ間隔Ｐ1は１０〜５００μｍ（本実施形態では２５μｍ）とする。また、パターニングマスク８ｂはパターニングマスク８ａの所定ピッチ間隔Ｐ1の中央から始まり隣接する所定幅Ｗ1の中央で終わる長さ６．５〜２５５μｍ（本実施形態では１５μｍ）で設ける。
【００３２】
（ｃ）Ｖ溝形成工程
ディバイス面側のみ、ＫＯＨ水溶液（例えば１０％）、あるいはＴＭＡＨ水溶液でＳｉを異方性エッチングする（図９（ｃ））。異方性によりシリコンの方が先に深さ方向にエッチングされるため、サイドエッチによりＶ字状にエッチングが進行する。この異方性ウエット・エッチングを行うことによって、斜面が（１１０）面に対して３５゜に傾斜したＶ角度θを持つＶ型の溝を形成することができる。
【００３３】
（ｄ）ＳｉＯ２除去工程
ディバイス面のみＳｉＯ２膜を除去する（図９（ｄ））。
【００３４】
（ｅ）Ｓｉ基板両面酸化膜形成工程
Ｓｉ基板１の両面に、酸化膜であるＳｉＯ２膜３を０．５〜３μｍ（本実施形態では１μｍ）の厚さに形成する（図１０（ｅ））。
【００３５】
（ｆ）裏面ＳｉＯ２不要部分除去工程
Ｓｉ基板１の裏面側のＳｉＯ２膜１１のみハーフエッチングする（図１０（ｆ））。
【００３６】
（ｇ）下部電極成膜工程
ディバイス面に下部電極（Ｐｔ、Ｉｒ、ＲｕＯ２等）導電性膜１２をスパッタ法により２００〜８００ｎｍ（本実施形態では５００ｎｍ）の厚さで成膜する（図１０（ｇ））。
【００３７】
（ｈ）ＰＺＴ膜成膜工程、および上部電極成膜工程
ゾルゲル法、スパッタ法、ＣＶＤ法、レーザーアブレーション法等によりＰＺＴの圧電体膜１３を０．５〜１０μｍ（本実施形態では１μｍ）の厚さで成膜後、６００〜９００℃でＲＴＡ装置によりアニール結晶化し、その後スパッタ法により上部電極導電性成膜１４を５０〜２００ｎｍ（本実施形態では１００ｎｍ）の厚さで成膜する（図１０（ｈ））。
【００３８】
（ｉ）ディバイス面パターニング工程
イオンミリング装置、ＲＩＥ装置等により上部電極導電性成膜１４、圧電体膜１３、下部電極導電性膜１２をエッチングし、上部電極４ａ、圧電体膜４、下部電極４ｂを形成する（図１１（ｉ））。その際、下部電極導電性膜１２は残してもよい。
【００３９】
（ｊ）裏面のＳｉのエッチング工程
ＫＯＨ水溶液（例えば１０％）、あるいはＴＭＡＨ水溶液で裏面からＳｉをエッチングする（図１１（ｊ））。これにより、ＳｉＯ２膜で覆われていない部分、つまりＶ型溝２の斜面２ａ，２ｂのうち圧電体膜４の形成されている斜面２ａを構成しているＳｉＯ２膜３の下方のＳｉが除去され、これによりキャビティ５が形成される。
【００４０】
（ｋ）完成
上記のようにして完成された装置を裏面から見ると、図１１（ｋ）に示すように、エッチングされたキャビティ５の部分が半導体基板の一部に窪部として存在する。したがって、装置は構造がしっかりとしたものになる。なお、図１１の（ｉ），（ｊ）は、この図１１（ｋ）のＡ−Ａ′断面に相当する。
【００４１】
また、図１２（ｌ）はデバイス面を上から見た平面図である。この図で示すように、下部電極４ｂは各Ｖ型溝２のＰＺＴ素子の共通電極になっている。
【００４２】
さらに、図１２（ｍ）は図１２（ｌ）のＢ−Ｂ′断面図である。この図で示すように、ＰＺＴはＳｉエッチング部の外まで延設されており、その上に上部電極４ａが各Ｖ型溝２のＰＺＴの個別電極となっている。
【００４３】
【発明の効果】
以上説明したように本発明によれば、半導体基板に微細なＶ型溝を凹凸が繰り返すように連続して設け、各Ｖ型溝の対向する一対の斜面のうち同一側に位置する一方の斜面に圧電体膜を配設し、該圧電体膜で前記溝上の微小物体に前記斜面と直交する方向の振動を付与して微小物体を順次隣の溝に移動できるようにしたので、大きさが５００μｍ〜１ｎｍの無機粉体、有機粉体あるいは微小部品等といった微小物体を、簡易かつ多量に移動、輸送、搬送することができる。
【００４４】
また、前記圧電体膜を配設したＶ型溝の斜面の裏面側にキャビティを設け、前記圧電体膜を配設したＶ型溝の斜面を振動板として機能させる構成を採るので、Ｖ型溝の斜面の振動板としての働きにより、効率良く微小物体を移動、輸送、搬送することができる。
【図面の簡単な説明】
【図１】微小物体輸送装置の断面図である。
【図２】比較的大きな微小物体を取り扱った状態を示す微小物体輸送装置の正面図である。
【図３】微小物体輸送装置のＶ型溝がシリコンウェハ上に作成された状態を示す説明図である。
【図４】微小物体輸送装置のＶ型溝をエッチングにより作成する工程を示す説明図である。
【図５】比較的大きな微小物体の輸送原理を示す説明図である。
【図６】（ａ）は比較的小さな微小物体を取り扱った状態を示す微小物体輸送装置の比較的広い範囲の正面図であり、（ｂ）は１つのＶ型溝におけるＰＺＴ上の微小物体に作用する力の説明図、（ｃ）は斜面の頂部に位置する微小物体に作用する力の説明図、（ｄ）は（ｃ）に示した微小物体が隣りのＶ型溝に移動した状態を示す説明図である。
【図７】微小物体輸送装置の圧電体膜に印加する電圧波形を示す説明図である。
【図８】図７の電圧波形を印加した場合の圧電体膜の撓みの変化を示す説明図であり、（ａ）は待機状態を示し、（ｂ）は充電して保持した状態を示し、（ｃ）は放電してもとの待機状態を示す。
【図９】微小物体輸送装置の製造工程の一部を示す説明図であり、（ａ）はＳｉ基板両面酸化膜形成、（ｂ）はＳｉＯ２パターニング、（ｃ）はＶ溝形成、（ｄ）はＳｉＯ２除去の工程を示す説明図である。
【図１０】微小物体輸送装置の製造工程の一部を示す説明図であり、（ｅ）はＳｉ基板両面酸化膜形成、（ｆ）は裏面ＳｉＯ２不要部除去、（ｇ）は下部電極成膜、（ｈ）はＰＺＴ膜成膜、上部電極成膜の構成を示す説明図である。
【図１１】微小物体輸送装置の製造工程の一部を示す説明図であり、（ｉ）はデバイス面パターニング、（ｊ）は裏面のＳｉのエッチングの工程を示す説明図、（ｋ）は完成状態を示す説明図である。
【図１２】図１１の説明図の続きであり、（ｌ）はデバイス面を上から見た平面図、（ｍ）は（ｌ）のＢ−Ｂ′断面図である。
【符号の説明】
１ Ｓｉ基板
２ Ｖ型溝
２ａ，２ｂ 斜面
３ ＳｉＯ２膜
４ 圧電体膜
４ａ、４ｂ 電極
５ キャビティ
６ 微小部品（微小物体）
７ 移動軌跡
８、８ａ、８ｂ パターニングマスク
９ 粉体
１０ 印加電圧
１１ ＳｉＯ２膜
１２ 下部電極導電性膜
１３ 圧電体膜
１４ 上部電極導電性成膜
Claims (5)
- 基板に微細なＶ型溝を凹凸が繰り返すように連続して設け、各Ｖ型溝の対向する一対の斜面のうち同一側に位置する一方の斜面に、電極を有する圧電体膜を配設し、該圧電体膜で前記溝上の微小物体に前記斜面と直交する方向の振動を付与して微小物体を順次隣の溝に移動できるようにしたことを特徴とする微小物体輸送装置。
- 前記圧電体膜を配設したＶ型溝の斜面の裏面側にキャビティを形成し、前記圧電体膜を配設したＶ型溝の斜面を振動板として機能するように構成したことを特徴とする請求項１記載の微小物体輸送装置。
- Ｓｉ基板に微細なＶ型溝を凹凸が繰り返すように連続して設けるとともに、Ｖ型溝の表面にＳｉＯ２膜を形成し、各Ｖ型溝の同一側に位置する一方の斜面に圧電体膜を配設し、圧電体膜を配設したＶ型溝の斜面の裏面側に、Ｓｉ基板を除去することによりキャビティを形成し、このキャビティの形成により残されたＳｉＯ２膜を振動板とし、圧電体膜で振動板を振動させて前記溝上の微小物体に前記斜面と直交する方向の振動を付与して微小物体を順次隣の溝に移動できるようにしたことを特徴とする微小物体輸送装置。
- シリコンウェハの両面に、ＳｉＯ２膜を形成するＳｉ基板両面酸化膜形成工程と、
ディバイス面側のＳｉＯ２膜を第１パターニングマスクにより、反対側のＳｉＯ２膜を第２パターニングマスクにより、両面同時にパターニングするＳｉＯ２パターニング工程と、
ディバイス面側のみ異方性エッチングしてＶ型の溝を形成するＶ溝形成工程と、
ディバイス面のＳｉＯ２膜を除去するＳｉＯ２除去工程と、
Ｓｉ基板の両面にＳｉＯ２膜を形成するＳｉ基板両面酸化膜形成工程と、
Ｓｉ基板の裏面側のＳｉＯ２膜をハーフエッチングする裏面ＳｉＯ２不要部分除去工程と、
ディバイス面に下部電極となる導電性膜を成膜する下部電極成膜工程と、
下部電極上に圧電体膜となるＰＺＴを成膜するＰＺＴ膜成膜工程と、
このＰＺＴ上に上部電極となる導電性膜を成膜する上部電極成膜工程と、
少なくとも上部電極導電性膜、圧電体膜をエッチングし、上部電極、圧電体膜、下部電極を形成するディバイス面パターニング工程と、
Ｖ型溝の斜面のうち圧電体膜の形成されている斜面を構成しているＳｉＯ２膜の下方のＳｉを裏面からのエッチングにより除去し、これによりキャビティを形成するキャビティ形成工程と、
からなる微小輸送装置の製造方法。 - Ｖ型溝を凹凸が繰り返すように連続して設けるとともに、各Ｖ型溝の対向する一対の斜面のうち同一側に位置する一方の斜面に圧電体膜を配設した基板上に微小物体を載せ、前記圧電体膜で前記溝上の微小物体に前記斜面と直交する方向の振動を付与して微小物体を順次隣の溝に移動することを特徴とする微小物体の輸送方法。
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