JP4133155B2 - 静電駆動型装置、光スイッチ、光スキャナ及びインクジェットヘッド - Google Patents
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Description
【０００１】
【発明の属する技術分野】
本発明は、静電型アクチュエータを含む光スイッチ、光スキャナ、インクジェットヘッドなどの静電駆動型装置に関する。
【０００２】
【従来の技術】
静電型アクチュエータは、半導体プロセスに近い工程で製作可能であるのでマイクロマシンニングデバイスとして脚光を浴びている。
【０００３】
静電型アクチュエータを利用したデバイスとしては、例えば、片持ち梁を静電力で撓ませて光の反射方向を変えて光スイッチするデバイスとそれを用いた光変調システム、回折格子を静電力で駆動して光スイッチするデバイス、円筒状に変形する光スイッチデバイスが考案されている（特許文献１，２，３，４、非特許文献１，２等参照）。静電型の光スキャナは米国Applid MEMS社のHoward Goldbergらによっても考案されている。本願出願人も静電型アクチュエータを利用した光スイッチデバイスに関する様々な考案を提案している（特願２００１−１０８７０号，特願２００１−４９４８５号など）。また、静電アクチュエータにより振動板を振動させてインク滴を吐出させる静電駆動型インクジェットヘッドが考案されている（特許文献５，６，７参照）。
【０００４】
【特許文献１】
特許第２９４１９５２号公報
【特許文献２】
特許第３０１６８７１号公報
【特許文献３】
特許第３１６４８２４号公報
【特許文献４】
特開２０００−２８４２号公報
【特許文献５】
特開平６−７１８８２号公報
【特許文献６】
特開２０００−５２５４４号公報
【特許文献７】
特開２０００−５２７０５号公報
【非特許文献１】
Applied Physics Letters,Vol.31, No.8, pp.521−523
【非特許文献２】
Optics Letters,Vol.7, No.9, pp.688−690
【０００５】
【発明が解決しようとする課題】
静電型アクチュエータは、薄膜を積層して形成できるため集積回路プロセスとの整合性がよく、光スイッチ、光スキャナ、インクジェットヘッドなどのマイクロマシニングデバイスやMEMS(マイクロ・エレクトロニック・メカニカル・システム)のアクチュエータとして利用されている。
【０００６】
静電型アクチュエータの問題点は、比較的大きな駆動力を必要とされる場合、高速動作を必要とされる場合、不要な変形を防止するため剛性を高める場合などに、数十ボルト以上の駆動電圧を印加しなければならないことである。一般に集積回路の動作電圧は数ボルト以下であり、電子機器に接続されるＡＣアダプタ類の電圧も高々十数ボルトであるから、同じ電源で直接には静電型アクチュエータを駆動できない。
【０００７】
しかし、静電型アクチュエータ用の高電圧電源を集積回路用電源と別に設けることは、コストや実装スペース、電源配線等の面で極めて好ましくないので、集積回路用電源などの低電圧電源を利用して静電型アクチュエータを駆動可能にすることが望まれる。
【０００８】
したがって、本発明の目的は、静電型アクチュエータを含む静電駆動型装置における静電型アクチュエータの駆動に関する前記問題点を解決することにある。
【０００９】
【課題を解決するための手段】
前記目的を達成するための本発明の特徴を列記すれば以下の通りである。
【００１０】
請求項１に記載のように、１つ以上の静電型アクチュエータを含む静電駆動型装置において、コンデンサ群及びスイッチ群からなる昇圧回路が組み込まれて縦続に接続され、装置外部からの電圧を最前段の昇圧回路に印加して昇圧し、昇圧後の電圧を後段の昇圧回路に印加して更に昇圧し、最終段の昇圧回路から出力される昇圧電圧を前記静電型アクチュエータに駆動電圧として印加せしめ、前記最前段の昇圧回路のスイッチは熱型リレーで構成され、２段目以降の昇圧回路のスイッチは静電型リレーで構成されることを特徴とする静電駆動型装置。
【００１１】
請求項２に記載のように、請求項１に記載の静電駆動型装置において、前記昇圧回路はスイッチ群によりコンデンサ群を並列接続と直列接続に切り替える回路構成であることを特徴とする静電駆動型装置。
【００１２】
請求項３に記載のように、請求項１に記載の静電駆動型装置において、前記昇圧回路はコッククロフト・ウォルトン型回路であることを特徴とする静電駆動型装置。
【００１３】
請求項４に記載のように、各段の前記昇圧回路で昇圧された電圧でそれぞれ充電される複数のバッファコンデンサが組み込まれたことを特徴とする請求項１に記載の静電駆動型装置。
【００１４】
請求項５に記載のように、請求項１に記載の静電駆動型装置において、前記昇圧回路のコンデンサ群及びスイッチ群と前記静電型アクチュエータは同一基板の同一面上に形成されることを特徴とする静電駆動型装置。
【００１５】
請求項６に記載のように、請求項１に記載の静電駆動型装置において、前記昇圧回路のコンデンサ群及びスイッチ群と、前記静電型アクチュエータは同一基板の反対面にそれぞれ形成されることを特徴とする静電駆動型装置。
【００１６】
請求項７に記載のように、請求項１に記載の静電駆動型装置において、前記静電型リレーは、両端固定梁に形成された第１電極と空隙を介して対向する第２電極との間の静電力により前記梁を変位させ、前記梁に形成された第３電極と空隙を介し対向する第４電極とを接触させる構成であり、前記空隙は前記梁に対し非平行な空隙であることを特徴とする静電駆動型装置。
【００１７】
請求項８に記載のように、請求項７に記載の静電駆動型装置において、前記静電型リレーの前記第１電極と前記第３電極及び前記第４電極が絶縁されていることを特徴とする静電駆動型装置。
【００１８】
請求項９に記載のように、請求項１に記載の静電駆動型装置において、前記熱型リレーの発熱抵抗体とスイッチング端子とが絶縁されていることを特徴とする静電駆動型装置。
【００１９】
請求項１０に記載のように、静電型アクチュエータを駆動して光スイッチングする光スイッチであって、請求項１乃至９のいずれか１項に記載の静電駆動型装置を使用した光スイッチ。
【００２０】
請求項１１に記載のように、静電型アクチュエータを駆動して光走査する光スキャナであって、請求項１乃至９のいずれか１項に記載の静電駆動型装置を使用した光スキャナ。
【００２１】
請求項１２に記載のように、静電型アクチュエータにより振動板を振動させて液滴を吐出させるインクジェットヘッドであって、請求項１乃至９のいずれか１項に記載の静電駆動型装置を使用したインクジェットヘッド。
【００３２】
【発明の実施の形態】
以下、添付図面を参照し、本発明の実施の形態について説明する。
【００３３】
図１は、本発明の実施の形態の一例を説明するためのブロック図である。図１において、１０は本発明による静電駆動型装置であり、静電型アクチュエータ（群）１４と、その駆動回路１３に加え、昇圧回路１１とバッファコンデンサ１２が組み込まれた構成である。バッファコンデンサ１２は昇圧回路１１の要素ともみなし得るが、それと分離して明示的に図示されている。昇圧回路１１とバッファコンデンサ１２は、例えば、静電型アクチュエータ（群）１４と同一基板の同一面又はその裏面、あるいは同基板に張り合わせた別の基板上に実装される。
【００３４】
この静電駆動型装置１０は、具体的には後述するような光スイッチ、光スキャナ、インクジェットヘッドなどであり、その可動部の駆動手段が静電型アクチュエータ（群）１４である。駆動トランジスタ（群）１３は、昇圧された電圧を用いて静電型アクチュエータ（群）１４を駆動するためのものである。
【００３５】
昇圧回路１１は、コンデンサ群とスイッチ群から構成されるものであるが、その具体的構成については後述する。バッファコンデンサ１２は昇圧回路１１により昇圧された電圧で充電されるコンデンサであり、駆動トランジスタ（群）１３に与えられる静電型アクチュエータ駆動用電圧の変動を減らすために設けられている。この静電駆動型装置１０には例えば５Ｖの電圧が外部より供給されるが、この５Ｖの電圧は昇圧回路１１によって例えば５０Ｖに昇圧される。したがって、駆動トランジスタ（群）１３により、静電型アクチュエータ（群）１４を約５０Ｖの電圧で駆動することができる。
【００３６】
昇圧回路１１の回路構成の２つの例を図２及び図３は示す。図中、Ｋはスイッチ、Ｃはコンデンサである。端子２０，２１間に外部から供給される電圧が印加され、端子２２，２３間に昇圧された電圧が得られる。バッファコンデンサ１２は端子２２，２３間に並列に接続されることになる。
【００３７】
図２に示す回路構成について説明する。同図（ａ）に示す状態１では、スイッチＫib,Ｋic（ｉ＝１〜ｎ）により全コンデンサＣi（ｉ＝１〜ｎ）が端子間２０，２１間に並列接続され、外部供給電圧Ｅに充電される。同図（ｂ）に示す状態２では、スイッチＫia,Ｋidにより全コンデンサＣi が端子２２，２３間に直列に接続されるため、外部電圧Ｅを約ｎ倍に昇圧した電圧が端子間２２，２３間に出力される。
【００３８】
図３に示す回路構成について説明する。これは「コッククロフト・ウォルトン型」と呼ばれる昇圧回路である。ただしｎは偶数である。同図（ａ）に示す状態１では、奇数番号のスイッチＫがオンし、偶数番号のスイッチＫがオフし、コンデンサＣ1は電圧Ｅに充電される。Ｃ２とＣ３は並列接続され同一電圧に充電される。同図（ｂ）に示す状態２では、奇数番号のスイッチＫがオフし、偶数番号のスイッチＫがオンするため、Ｃ１とＣ２，Ｃ３とＣ４，．．．，Ｃn-1とＣnがそれぞれ並列接続になり、同一電圧に充電される。端子２２，２３間に全コンデンサが直列接続されるため、昇圧された電圧が端子２２，２３間に出力される。
【００３９】
静電型アクチュエータは消費電力が極めて小さいため、このようなコンデンサ群とスイッチ群による簡易な構成の昇圧回路を用いることができる。
【００４０】
図２又は図３に示したスイッチＫとしては、半導体ダイオードのほか、後述の静電型リレーや熱型リレーを用いることができる。半導体ダイオードを用いると、駆動回路１３に用いられるトランジスタなどと同様に一般的な半導体プロセスでスイッチＫとしての半導体ダイオードを形成できる利点がある。なお、スイッチＫとして半導体ダイオードを用いる場合には、端子２０，２１間に両極性の電圧を印加する必要がある。この電圧の極性の切り替えによってスイッチＫのオン、オフを行うためである。熱型リレーや静電型リレーを用いる場合には、それらをオン、オフするための制御信号が別に必要になる。
【００４１】
図４は、スイッチＫとして用いられる熱型リレーの一例を示す。同図（ａ）は平面図、同図（ｂ）は最上層のＡｌ膜３０９を除去した平面図、同図（ｃ）はＡ−Ｂ断面図である。ここに示す熱型リレーにおいては、基板３０１上に電極３０２があり、絶縁膜３０３により覆われている。接点が接する部分に開口部３０５があり、ギャップ３０４を介して梁がある。この梁は、下層の絶縁膜３０６、ヒータ（発熱抵抗体）３０７、その上の絶縁膜３０８、さらに上層のＡｌ膜３０９からなる積層構造である。ヒータ３０７は、その引き出し線３１１に電圧が印加されると発熱する。ヒータ３０７は多結晶シリコンからなるが、Alの熱膨張係数は多結晶シリコンより一桁大きいので、ヒータ３０７の発熱により梁は下方に曲がり、開口部３０５に接点３１０が当接して電極３０２とAlの引きだし線３１４が導通する。
【００４２】
ヒータ３０７と可動側電極であるAl膜３０９及びスイッチ端子である電極３０２は絶縁されているが、これは、リレー駆動電源と出力を分離し、電圧入力側に高い電圧がかかることがないようするためである。
【００４３】
このような熱型リレーは駆動電圧は低くできるが、放熱の時間がかかるため、駆動速度はせいぜい数kHzにとどまる。速度面では後述する静電型リレーが優れている。
【００４４】
図４に示した熱型リレーの製造工程の一例を図５及び図６により説明する。ここでは、梁の幅を５０μm、梁の長を２００μm、空隙最大深さを１μm、コンデンサを１mm角とした。
【００４５】
工程（ａ）：半導体プロセス用SiウエハのようなSi基板３０１に有機フォトレジストで空隙となる溝をパターン形成する。SF6ガスのRIE(リアクティブ・イオン・エッチング)でドライエッチングして、溝を掘る。溝に傾斜を形成する場合、フォトマスクに階調を設け、フォトリソグラフィを行うことで有機レジストパターンの厚さ方向に傾斜を形成する。RIEを行うと、フォトマスクの階調にしたがった構造がSi基板の溝に転写される。溝が深い場合はRIEの際に基板温度を−40℃程度以下の低温にすることで側面への広がりを抑制できる。次に基板と個別電極を絶縁するため、酸化し溝を1μm程度の熱酸化膜321で覆う。
【００４６】
工程（ｂ）：例えばTiNなどの導体薄膜をスパッタ法で１５０nm成膜する。電極パターンを有機レジストのフォトリソグラフィでパターンニングし、Cl2ガスでRIE（リアクティブ・イオン・エッチング）によりエッチングして個別電極３０２を形成する。同時に一層目配線も形成する。絶縁膜３０３としてSi窒化膜１００nmをNH3とSiH4の混合ガスの熱CVD法で成膜する。
【００４７】
工程（ｃ）：接点が接触するコンタクト孔３０５をレジストにフォトリソグラフィで形成し、CF4+H2の混合ガスのRIEでエッチングする。
【００４８】
工程（ｄ）：犠牲層322となるポリシリコンをSiH4ガスの熱CVD法により635℃で行い成膜する。CMP（ケミカル・メカニカル・ポリシング）技術を用い研磨して平坦化する。
【００４９】
工程（ｅ）：SiH4とNH3の混合ガスの熱CVD法で絶縁膜となるSiN膜３０６を１００nm成膜する。ヒータとなる多結晶シリコンを０．５μm成膜する。例えばSiCl4とPOClの混合ガスによる熱CVD法で抵抗の低い膜を成膜できる。フォトリソグラフィでレジストマスクをパターンニングしCl2ガスでエッチングし、ヒータを形成する。SiH4とNH3の混合ガスの熱CVD法でSiN膜５０nmを絶縁膜３０８として成膜する。
【００５０】
工程（ｆ）：絶縁膜の平面形状を有機レジストのフォトリソグラフィでパターンニングし、CHF3のRIEでエッチングしSiN絶縁膜に穴を形成する。個別電極パッドを開口する。多結晶シリコンに対するビアも同時に開口する。また、空隙に埋められた犠牲層がエッチング用のスリット３１１も形成し犠牲層を露出する。リレーの接点となるメタル膜に対応した穴３２３上の窒化膜も除去される。SF6とO2の混合ガスによりポリシリコンを０２．mmエッチングする。
【００５１】
工程（ｇ）：リレー接点３１０となるAl膜５００nmをスパッタ法で成膜し、フォトリソグラフィ接点パターンを形成する。Cl2ガスのRIEでエッチングする。このAl層はコンタクトメタル、パッドメタルと同じ層にすることができる。
【００５２】
工程（ｈ）：可動電極３０９となる金属薄膜、例えばAlをスパッタ法で成膜し、フォトリソグラフィで有機レジストをパターンニングし、Cl2ガスのRIEでエッチングし可動電極３０７を形成する。
【００５３】
工程（ｉ）：TMAH（テトラメチル・アンモニウム・ハイドレイド）により犠牲層酸化膜をスリット311を介しエッチングし除去し犠牲層を除去する。可動電極は犠牲層がなくなったので空間に浮き空隙３０４が完成する。Alで覆われた多結晶シリコンはAlがマスクとなりエッチングされない。
【００５４】
図７は、スイッチＫとして用いられる静電型リレーの一例を示す。同図（ａ）は平面図、同図（ｂ）はＡ−Ｂ断面図、同図（ｃ）はＣ−Ｄ断面図である。ここに示す静電型リレーにおいては、基板７０１上に絶縁酸化膜７２１を介し、対向電極７０２と一層目配線７０９がある。さらに空隙７０４を介し、梁７０６とその上に三層目配線及び電極７０７、接点７０８がある。絶縁膜７０３を介し二層目配線７１０があり、その上部に層間絶縁膜７１１が形成されている。駆動端子S,Tに駆動電圧を印加すると、電極７０７と対向電極７０２ｂの間に静電力が働き当接する。すると、接点７０８も降下し、電極７０２ａに当接し端子Q,R間のスイッチがオン状態になる。駆動端子S,Tをオフにすると、静電力は消失し、梁７０６は剛性により復元しQ,R間のスイッチはオフになる。このような静電型リレーは梁の剛性を高めれば数十kHzの高速で駆動することができる。なお、空隙７０４を梁７０６に対し非平行な空隙にすると、駆動電圧を下げる効果がある。また、この静電型リレーは、スイッチの接点７０８と駆動電極７０７が絶縁されているため、昇圧回路に用いた場合に、コンデンサの直列、並列の結線切り替え時のリーク電流を極めて小さくできる。
【００５５】
図７に示した静電型リレーの製造工程の一例を図８及び図９により説明する。ここでは、梁の幅を５０μm、梁の長さを１５０μm、空隙最大深さを１μm、コンデンサを１mm角とした。
【００５６】
工程（ａ）：半導体プロセス用Siウエハのような Si基板７０１に有機フォトレジストで空隙となる溝をパターン形成する。SF6ガスのRIE(リアクティブ・イオン・エッチング)でドライエッチングして、溝を掘る。溝に傾斜を形成する場合、フォトマスクに階調を設け、フォトリソグラフィを行うことで有機レジストパターンの厚さ方向に傾斜を形成する。RIEを行うと、フォトマスクの階調にしたがった構造がSi基板の溝に転写される。溝が深い場合はRIEの際に基板温度を−４０℃程度以下の低温にすることで側面への広がりを抑制できる。次に基板と個別電極を絶縁するため、酸化し溝を1μm程度の熱酸化膜７２１で覆う。
【００５７】
工程（ｂ）：例えばTiNなどの導体薄膜をスパッタ法で１５０nm成膜する。個別電極パターンを有機レジストのフォトリソグラフィでパターンニングし、Cl2ガスでRIE（リアクティブ・イオン・エッチング）によりエッチングして個別電極７０２を形成する。同時に一層目配線７０９を形成する。絶縁膜７０３としてSi窒化膜２００nmをNH3とSiH4の混合ガスの熱CVD法で成膜する。
【００５８】
工程（ｃ）：二層目配線用TiN層７１０をスパッタ法で１５０nm成膜する。層間絶縁膜７１１となるSi窒化膜２００nmを同様に熱CVD法で成膜する。
【００５９】
工程（ｄ）：接点が接触するコンタクト孔７０５や配線用のビアホール７１３をレジストにフォトリソグラフィで形成し、CF4+H2の混合ガスのRIEでエッチングする。
【００６０】
工程（ｅ）：犠牲層７２２となるポリシリコンをSiH4ガスの熱CVD法により６３５℃で行い成膜する。CMP（ケミカル・メカニカル・ポリシング）技術を用い研磨して平坦化する。
【００６１】
工程（ｆ）：SiH4とNH3の混合ガスの熱CVD法で梁７０６となるSiN膜を１００nm成膜する。
【００６２】
工程（ｇ）：梁の平面形状を有機レジストのフォトリソグラフィでパターンニングし、CHF3のRIEでエッチングしSiNの梁の形状を製作する。また、ビア７０３上の窒化膜も除去される。このようにして梁７０６を形成する。空隙に埋められた犠牲層がエッチング用のスリット７１２（図7に示す）により露出する。さらに、フォトリソグラフィによりリレーの接点となるメタル膜に対応した穴７２４のパターンを形成し、SF6とO2の混合ガスにより深さ０．５mmの穴をエッチングする。
【００６３】
工程（ｈ）：リレー接点７０８となるAl膜５００nmをスパッタ法で成膜し、フォトリソグラフィ接点パターンを形成する。Cl2ガスのRIEでエッチングする。このAl層はコンタクトメタル、パッドメタルと同じ層にすることができる。
【００６４】
工程（ｉ）：可動電極７０７となる金属薄膜、例えばAlをスパッタ法で成膜し、フォトリソグラフィで有機レジストをパターンニングし、Cl2ガスのRIEでエッチングし可動電極７０７を形成する。
【００６５】
工程（ｊ）：TMAH（テトラメチル・アンモニウム・ハイドレイド）により犠牲層酸化膜をスリット７１２(図７)を介しエッチングし犠牲層を除去する。梁は空間に浮きスリット７１２で分離され、空隙が完成する。
【００６６】
以上に述べた熱型リレー又は静電型リレーをスイッチとして用いた昇圧回路の物理的レイアウト及び配線の例を図１０及び図１１に示す。図１０は図２に示した回路構成であり、図１１は図３に示した回路構成である。図１０及び図１１において、Ｓ，Ｔは駆動端子、Ｑ，Ｒは接点端子であり、図４又は図７中の同符号の部位と対応している。Ｖlow1,Ｖlow2は図２又は図３における端子２０，２１に対応した配線であり、ＶHi1,ＶHi2は図２又は図３における端子２２，２３に対応した配線である。Ａ，Ｂ，Ｃは駆動端子Ｓ，Ｔに駆動用パルスを供給するための配線である。
【００６７】
図１２は、各リレーの駆動タイミングを説明するためのタイミング図であり、（ａ）は配線Ａ，Ｂ間の電圧波形を示し、（ｂ）は配線Ｃ，Ｂ間の電圧波形を示す。配線Ａ，Ｂ間に印加される駆動パルスのHiレベル期間に図２又は図３の状態２になり、配線Ｃ，Ｄ間に印加される駆動パルスのHiレベル期間に状態１になる。両配線間に印加されるパルスに間隔Ｔを設け、全てのリレーが同時にオンになる状態を防止するようにしている。
【００６８】
本発明の装置において、昇圧回路を２つ以上設けて縦続に接続（多段接続）し、２段以上の昇圧を行うこともできる。図１３に、そのような装置の一例を示す。ここに示す静電駆動型装置１０においては、２つの昇圧回路１１Ａ，１１Ｂと２つのバッファコンデンサ１２Ａ，１２Ｂが設けられている。１段目の昇圧回路１１Ａは、外部から供給される電圧を昇圧しバッファコンデンサ１２Ａを充電する。バッファコンデンサ１２Ａの電圧は駆動トランジスタ群１５を介して２段目の昇圧回路１１Ｂに印加される。昇圧回路１１Ｂ、その電圧をさらに昇圧しバッファコンデンサ１２Ｂを充電する。される。このバッファコンデンサ１２Ｂの電圧が駆動トランジスタ（群）１３に印加される。
【００６９】
静電型リレーは、低電圧で駆動するには梁の剛性を弱くする必要があり、動作速度が低下する場合がある。逆に、熱型リレーは、速度が遅いが５Ｖ以下の低電圧で駆動可能である。
【００７０】
そこで、１段目の昇圧回路１１Ａでは低電圧駆動が可能な熱型リレーをスイッチとして用い、２段目の昇圧回路１１Ｂでは高速駆動が可能な静電型リレーをスイッチとして用いると効果的である。２段目の昇圧回路１１Ｂでは容易に高い駆動電圧を用いることができるため、静電型リレーの梁の剛性を高めて数十kHzの高速で駆動させ、高速のスイッチ切り替えにより駆動回路１３側に供給可能な電流を増やすことができる。熱型リレーと静電型リレーを併用する場合、プロセスとしては２層目配線を多結晶シリコンとすることができる。
【００７１】
バッファコンデンサ１２（１２Ｂ）は静電型アクチュエータ（群）１４の駆動のための電圧を安定化することを目的としているため、静電型アクチュエータの駆動電極の合計静電容量よりもバッファコンデンサの静電容量を大きくする必要がある。蓄積される電荷量Ｑ、静電容量Ｃ、電圧Ｖの間にはＱ＝ＣＶの関係があるため、バッファコンデンサの静電容量が静電型アクチュエータの合計静電容量より大きければ大きいほど、静電アクチュエータの駆動のために電荷を放電しても駆動電圧は変動しにくい。
【００７２】
このようにバッファコンデンサの静電容量を大きくしたいが、基板やパッケージの利用可能な面積は限られている。そこで、図１４に示すように、バッファコンデンサの誘電体膜８０１の厚さを、静電駆動型デバイス１４の静電型アクチュエータの絶縁膜８０２の厚さより薄くすることで単位面積あたりの静電容量を大きくすることができる。平行平板型コンデンサの静電容量は
C=ε0×εs×A/d
ε0；真空中の誘電率 εs;誘電体の誘電率 A;面積 d;電極間隔
で決まるため、誘電体膜の厚さを薄くすると静電容量は増加する。コンデンサの誘電体膜８０１としてはシリコン窒化膜、シリコン酸化膜、シリコン酸窒化膜が好ましい。これらの膜は、半導体プロセスで一般的に用いられ、かつ耐圧が高く、１００μｍの厚さでも５０Ｖの耐圧を得られるからである。
【００７３】
また、図１５に示すように、コンデンサを複数段に積層して形成し、それを並列接続することで容量を増加することができる。図示のように２段に積層した場合は、同じ静電容量を得るための面積を半分にできる。
【００７４】
静電型アクチュエータ（群）１４を含む静電駆動型装置１０の一例として、図１６に示すような構成の光スイッチがある。図１６の（ａ）は断面図、（ｂ）は平面図である。この光スイッチは、本願出願人が特願２００１−４９４８５号で提案した光スイッチである。ここに示す例では、同図（ｂ）から容易に理解されるように、基板１３０２上に同一構造の光スイッチが一列に並べられて形成されている。各光スイッチは、基板１３０２の凹部に絶縁膜１３１０、固定電極１３０３、保護膜としての絶縁膜１３０４が積層され、それらと空隙１３０５を介して対向して基板１３０２の表面側に梁１３０１が設けられ、その表面にミラー電極１３０８が形成された構成である。梁１３０１は両端固定梁であるが、駆動電圧の低減のために、一方の固定端部１３０６の面積を減らし、その剛性を弱めている。固定電極１３０４と、ミラー電極１３０８を持つ梁１３０１は静電型アクチュエータを構成しているが、ミラー電極１３０８は静電型アクチュエータの可動電極であるとともに、光スイッチとして作用するミラーである。固定電極１３０３は各光スイッチごとに電気的に独立し、それぞれの電極パッド１３０９に引き出されているが、ミラー電極１３０８は全ての光スイッチで電気的に共通している。
【００７５】
ある光スイッチの固定電極引き出しパッド１３０９とミラー電極１３０８の間に駆動電圧を印加すると、その光スイッチの固定電極１３０３とミラー電極１３０８との間に静電力が作用し、梁１３０１及びミラー電極１３０８は固定電極１３０３側に変形する。したがって、ミラー電極１３０１に入射する光束の反射方向が非駆動時と大きく変化する。このように反射方向を切り替えることにより光スイッチが行われる。
【００７６】
図示しないが、本発明によれば、このような光スイッチと同じ基板上に昇圧回路１１とバッファコンデンサ１２が形成される。この場合、固定電極１３０３は、熱型リレーの電極３０２（図４）、静電型リレーの電極７０２（図７）と同時に形成できる。梁１３０１は熱型リレーの絶縁膜３０６、静電型リレーの梁７０６に対応し、ミラー電極１３０８は熱型リレーの可動電極３０９、静電型リレーの電極７０７に対応し、それぞれ同じプロセスで同時に形成できる。
【００７７】
静電駆動型装置の別の例として、捻り梁で支持したミラーを静電力により駆動し、捻り梁を回転軸としてミラーを往復振動させる構成の光スキャナ（スキャンミラー）がある。
【００７８】
このような光スキャナの一例を図１７により説明する。図１７の（ａ）は分解斜視図、（ｂ）は裏面側から見た斜視図である。
【００７９】
９００はミラー基板、９０１は電極基板であり、これらは図１７（ｂ）に示すように接合される。ミラー基板９００は、深堀の誘導結合型リアクティブ・イオン・エッチング装置を用い、シリコン基板に捻り梁９０６に支持されたミラー９０５を一体的に形成してなる。ミラー基板９００のサイズは例えば４mm×３mm、ミラー９０５は例えば１．５mm角である。電極基板９０１には、ミラー９０５の裏面（反射面の反対側の面）に対向する一対の電極９１２が形成されている。電極９１２は、例えばTiN膜からなる。電極９１２とミラー９０５は、静電型アクチュエータの固定電極と可動電極を構成し、電極９１２とミラー９０５の間にパルス電圧を印加すると、ミラー９０５は捻り梁９０６を捻り回転軸として往復振動する。
【００８０】
ここに示す例では、図１７（ｂ）に示すように、電極基板９０１の裏面側に、前述のような昇圧回路１１とバッファコンデンサ１２が駆動回路１３とともに形成される。駆動回路１３と電極９１２及びミラー９０５（ミラー基板９００）との間の電気的接続は、例えば、電極基板９０１を貫通する貫通電極を介してなされる。
【００８１】
例えば、昇圧回路１１は図３及び図１１で説明したコッククロフト・ウォルトン型の構成であり、そのスイッチは前述の静電型リレー、コンデンサは0.3mm角で誘電体膜の厚さは２００nmである。用いられたコンデンサの個数は34個、静電型リレーの個数は36個である。バッファコンデンサ１２は２mm角とした。この例では、外部から供給される５Ｖの電圧を８５Ｖまで昇圧できた。光スキャナ駆動中のバッファコンデンサ１２の電圧は８０〜８３Ｖ程度となり、光スキャナ駆動電圧は約８０Ｖとなった。
【００８２】
詳細は省くが、図２及び図１０で説明したタイプでコンデンサ数が１０の昇圧回路では、５Ｖから約４０Ｖへの昇圧ができた。
【００８３】
静電駆動型装置の別の例として、特許文献６，７などに記載されているような静電駆動型インクジェットヘッドがある。このインクジェットヘッドは、静電型アクチュエータを構成する振動板と対向電極を持ち、振動板を静電力により変形させ、その復元力を利用して液室内のインクを加圧しノズルよりインク滴を吐出させる構成である。このような静電駆動型インクジェットヘッドの一例を図１８に示す。
【００８４】
この静電駆動型インクジェットヘッドは、液室部１００２と駆動部１００３から構成される。液室部１００２はノズルプレート１００４を有し、そこに形成されたノズルよりインク滴が図中下向きに吐出される。駆動回路１３は駆動部１００３の内部に組み込まれている。昇圧回路１１とバッファコンデンサ１２は駆動部１００３の裏面側に形成され、バッファコンデンサ１２と駆動回路１３とは導体ペースト燒結配線１００５によって電気的に接続される。
【００８５】
【発明の効果】
以上の説明から明らかなように、（１）コンデンサ群及びスイッチ群からなる昇圧回路を複数縦続に接続して、外部より印加される電圧を複数段階に昇圧して静電型アクチュエータの駆動のための電圧を発生し、一段目の昇圧回路のスイッチとして低電圧駆動が可能な熱型リレーを用い、二段目以降の昇圧回路のスイッチとして高速駆動が可能な静電型リレーを用いるため、外部から供給される電圧を十分に低くすることが可能であり、かつ、後段の昇圧回路の静電型リレーを高速駆動することにより静電型アクチュエータに供給可能な電流を増やすことができる。したがって、静電駆動型の光スイッチ、光スキャナ、インクジェットヘッドなどの装置を、低電圧電源に接続して駆動することが可能となり、静電型アクチュエータを駆動するための高電圧を外部より印加する必要がないため、コストや実装スペース、電源配線等の面で大きな効果を得られる。また、コンデンサ群とスイッチ群からなる昇圧回路は静電型アクチュエータとの製造プロセス上の相性がよい。（２）昇圧回路をコッククロフト・ウォルトン型回路とすることにより、昇圧回路のリレー数を減らすことができ、その分接点が少なく歩留まりがよい。（３）各段の昇圧回路により昇圧された電圧で充電されるバッファコンデンサを組み込むことにより、静電型アクチュエータの駆動のための安定した電圧を供給できる。（４）昇圧回路のスイッチ群及びコンデンサ群と静電型アクチュエータ群を同一基板の同一面に形成することにより、スイッチ群、コンデンサ群及び静電型アクチュエータ群を一貫した製造工程で製作でき、製造コストの面で有利である。（５）昇圧回路のコンデンサ群及びスイッチ群と、静電型アクチュエータを同一基板の反対面にそれぞれ形成することにより、インクジェットヘッドのような、基板の表側をすべて覆うような装置においても、裏面にスペースがあれば昇圧回路を組み込むことができる。（６）静電型リレーの構成を、両端固定梁に形成された第１電極と空隙を介して対向する第２電極との間の静電力により前記梁を変位させ、前記梁に形成された第３電極と空隙を介し対向する第４電極とを接触させ、前記空隙を前記梁に対し非平行な空隙とすることにより、静電型リレーの駆動電圧を下げることができ、また、前記第１電極と前記第３，４電極とを絶縁することにより、昇圧回路のコンデンサの直列、並列の結線切り替え時のリーク電流を極めて小さくすることができる。（７）熱型リレーの発熱抵抗対とスイッチング端子とを絶縁することにより、最前段の昇圧回路の入力側に高電圧がかかることがない、等々の効果を得られる。
【図面の簡単な説明】
【図１】本発明による静電駆動型装置の構成を説明するためのブロック図である。
【図２】昇圧回路の回路構成の一例を示す回路図である。
【図３】昇圧回路の回路構成の別の例を示す回路図である。
【図４】熱型リレーの一例を示す平面図及び断面図である。
【図５】熱型リレーの製造工程説明図である。
【図６】熱型リレーの製造工程説明図である。
【図７】静電型リレーの一例を示す平面図及び断面図である。
【図８】静電型リレーの製造工程説明図である。
【図９】静電型リレーの製造工程説明図である。
【図１０】昇圧回路の具体的なレイアウト及び配線等を示す図である。
【図１１】昇圧回路の具体的なレイアウト及び配線等を示す図である。
【図１２】昇圧回路の駆動パルスを示す波形図である。
【図１３】本発明による複数の昇圧回路を含む静電駆動型装置の構成を説明するためのブロック図である。
【図１４】コンデンサの説明図である。
【図１５】積層型コンデンサの説明図である。
【図１６】静電駆動型の光スイッチの一例を説明するための平面図及び断面図である。
【図１７】本発明による静電駆動型光スキャナの一例を説明するための分解斜視図及び斜視図である。
【図１８】本発明による静電駆動型インクジェットヘッドの一例を説明するための斜視図である。
【符号の説明】
１１ 昇圧回路
１２ バッファコンデンサ
１３ 駆動トランジスタ（群）
１４ 静電型アクチュエータ
【発明の属する技術分野】
本発明は、静電型アクチュエータを含む光スイッチ、光スキャナ、インクジェットヘッドなどの静電駆動型装置に関する。
【０００２】
【従来の技術】
静電型アクチュエータは、半導体プロセスに近い工程で製作可能であるのでマイクロマシンニングデバイスとして脚光を浴びている。
【０００３】
静電型アクチュエータを利用したデバイスとしては、例えば、片持ち梁を静電力で撓ませて光の反射方向を変えて光スイッチするデバイスとそれを用いた光変調システム、回折格子を静電力で駆動して光スイッチするデバイス、円筒状に変形する光スイッチデバイスが考案されている（特許文献１，２，３，４、非特許文献１，２等参照）。静電型の光スキャナは米国Applid MEMS社のHoward Goldbergらによっても考案されている。本願出願人も静電型アクチュエータを利用した光スイッチデバイスに関する様々な考案を提案している（特願２００１−１０８７０号，特願２００１−４９４８５号など）。また、静電アクチュエータにより振動板を振動させてインク滴を吐出させる静電駆動型インクジェットヘッドが考案されている（特許文献５，６，７参照）。
【０００４】
【特許文献１】
特許第２９４１９５２号公報
【特許文献２】
特許第３０１６８７１号公報
【特許文献３】
特許第３１６４８２４号公報
【特許文献４】
特開２０００−２８４２号公報
【特許文献５】
特開平６−７１８８２号公報
【特許文献６】
特開２０００−５２５４４号公報
【特許文献７】
特開２０００−５２７０５号公報
【非特許文献１】
Applied Physics Letters,Vol.31, No.8, pp.521−523
【非特許文献２】
Optics Letters,Vol.7, No.9, pp.688−690
【０００５】
【発明が解決しようとする課題】
静電型アクチュエータは、薄膜を積層して形成できるため集積回路プロセスとの整合性がよく、光スイッチ、光スキャナ、インクジェットヘッドなどのマイクロマシニングデバイスやMEMS(マイクロ・エレクトロニック・メカニカル・システム)のアクチュエータとして利用されている。
【０００６】
静電型アクチュエータの問題点は、比較的大きな駆動力を必要とされる場合、高速動作を必要とされる場合、不要な変形を防止するため剛性を高める場合などに、数十ボルト以上の駆動電圧を印加しなければならないことである。一般に集積回路の動作電圧は数ボルト以下であり、電子機器に接続されるＡＣアダプタ類の電圧も高々十数ボルトであるから、同じ電源で直接には静電型アクチュエータを駆動できない。
【０００７】
しかし、静電型アクチュエータ用の高電圧電源を集積回路用電源と別に設けることは、コストや実装スペース、電源配線等の面で極めて好ましくないので、集積回路用電源などの低電圧電源を利用して静電型アクチュエータを駆動可能にすることが望まれる。
【０００８】
したがって、本発明の目的は、静電型アクチュエータを含む静電駆動型装置における静電型アクチュエータの駆動に関する前記問題点を解決することにある。
【０００９】
【課題を解決するための手段】
前記目的を達成するための本発明の特徴を列記すれば以下の通りである。
【００１０】
請求項１に記載のように、１つ以上の静電型アクチュエータを含む静電駆動型装置において、コンデンサ群及びスイッチ群からなる昇圧回路が組み込まれて縦続に接続され、装置外部からの電圧を最前段の昇圧回路に印加して昇圧し、昇圧後の電圧を後段の昇圧回路に印加して更に昇圧し、最終段の昇圧回路から出力される昇圧電圧を前記静電型アクチュエータに駆動電圧として印加せしめ、前記最前段の昇圧回路のスイッチは熱型リレーで構成され、２段目以降の昇圧回路のスイッチは静電型リレーで構成されることを特徴とする静電駆動型装置。
【００１１】
請求項２に記載のように、請求項１に記載の静電駆動型装置において、前記昇圧回路はスイッチ群によりコンデンサ群を並列接続と直列接続に切り替える回路構成であることを特徴とする静電駆動型装置。
【００１２】
請求項３に記載のように、請求項１に記載の静電駆動型装置において、前記昇圧回路はコッククロフト・ウォルトン型回路であることを特徴とする静電駆動型装置。
【００１３】
請求項４に記載のように、各段の前記昇圧回路で昇圧された電圧でそれぞれ充電される複数のバッファコンデンサが組み込まれたことを特徴とする請求項１に記載の静電駆動型装置。
【００１４】
請求項５に記載のように、請求項１に記載の静電駆動型装置において、前記昇圧回路のコンデンサ群及びスイッチ群と前記静電型アクチュエータは同一基板の同一面上に形成されることを特徴とする静電駆動型装置。
【００１５】
請求項６に記載のように、請求項１に記載の静電駆動型装置において、前記昇圧回路のコンデンサ群及びスイッチ群と、前記静電型アクチュエータは同一基板の反対面にそれぞれ形成されることを特徴とする静電駆動型装置。
【００１６】
請求項７に記載のように、請求項１に記載の静電駆動型装置において、前記静電型リレーは、両端固定梁に形成された第１電極と空隙を介して対向する第２電極との間の静電力により前記梁を変位させ、前記梁に形成された第３電極と空隙を介し対向する第４電極とを接触させる構成であり、前記空隙は前記梁に対し非平行な空隙であることを特徴とする静電駆動型装置。
【００１７】
請求項８に記載のように、請求項７に記載の静電駆動型装置において、前記静電型リレーの前記第１電極と前記第３電極及び前記第４電極が絶縁されていることを特徴とする静電駆動型装置。
【００１８】
請求項９に記載のように、請求項１に記載の静電駆動型装置において、前記熱型リレーの発熱抵抗体とスイッチング端子とが絶縁されていることを特徴とする静電駆動型装置。
【００１９】
請求項１０に記載のように、静電型アクチュエータを駆動して光スイッチングする光スイッチであって、請求項１乃至９のいずれか１項に記載の静電駆動型装置を使用した光スイッチ。
【００２０】
請求項１１に記載のように、静電型アクチュエータを駆動して光走査する光スキャナであって、請求項１乃至９のいずれか１項に記載の静電駆動型装置を使用した光スキャナ。
【００２１】
請求項１２に記載のように、静電型アクチュエータにより振動板を振動させて液滴を吐出させるインクジェットヘッドであって、請求項１乃至９のいずれか１項に記載の静電駆動型装置を使用したインクジェットヘッド。
【００３２】
【発明の実施の形態】
以下、添付図面を参照し、本発明の実施の形態について説明する。
【００３３】
図１は、本発明の実施の形態の一例を説明するためのブロック図である。図１において、１０は本発明による静電駆動型装置であり、静電型アクチュエータ（群）１４と、その駆動回路１３に加え、昇圧回路１１とバッファコンデンサ１２が組み込まれた構成である。バッファコンデンサ１２は昇圧回路１１の要素ともみなし得るが、それと分離して明示的に図示されている。昇圧回路１１とバッファコンデンサ１２は、例えば、静電型アクチュエータ（群）１４と同一基板の同一面又はその裏面、あるいは同基板に張り合わせた別の基板上に実装される。
【００３４】
この静電駆動型装置１０は、具体的には後述するような光スイッチ、光スキャナ、インクジェットヘッドなどであり、その可動部の駆動手段が静電型アクチュエータ（群）１４である。駆動トランジスタ（群）１３は、昇圧された電圧を用いて静電型アクチュエータ（群）１４を駆動するためのものである。
【００３５】
昇圧回路１１は、コンデンサ群とスイッチ群から構成されるものであるが、その具体的構成については後述する。バッファコンデンサ１２は昇圧回路１１により昇圧された電圧で充電されるコンデンサであり、駆動トランジスタ（群）１３に与えられる静電型アクチュエータ駆動用電圧の変動を減らすために設けられている。この静電駆動型装置１０には例えば５Ｖの電圧が外部より供給されるが、この５Ｖの電圧は昇圧回路１１によって例えば５０Ｖに昇圧される。したがって、駆動トランジスタ（群）１３により、静電型アクチュエータ（群）１４を約５０Ｖの電圧で駆動することができる。
【００３６】
昇圧回路１１の回路構成の２つの例を図２及び図３は示す。図中、Ｋはスイッチ、Ｃはコンデンサである。端子２０，２１間に外部から供給される電圧が印加され、端子２２，２３間に昇圧された電圧が得られる。バッファコンデンサ１２は端子２２，２３間に並列に接続されることになる。
【００３７】
図２に示す回路構成について説明する。同図（ａ）に示す状態１では、スイッチＫib,Ｋic（ｉ＝１〜ｎ）により全コンデンサＣi（ｉ＝１〜ｎ）が端子間２０，２１間に並列接続され、外部供給電圧Ｅに充電される。同図（ｂ）に示す状態２では、スイッチＫia,Ｋidにより全コンデンサＣi が端子２２，２３間に直列に接続されるため、外部電圧Ｅを約ｎ倍に昇圧した電圧が端子間２２，２３間に出力される。
【００３８】
図３に示す回路構成について説明する。これは「コッククロフト・ウォルトン型」と呼ばれる昇圧回路である。ただしｎは偶数である。同図（ａ）に示す状態１では、奇数番号のスイッチＫがオンし、偶数番号のスイッチＫがオフし、コンデンサＣ1は電圧Ｅに充電される。Ｃ２とＣ３は並列接続され同一電圧に充電される。同図（ｂ）に示す状態２では、奇数番号のスイッチＫがオフし、偶数番号のスイッチＫがオンするため、Ｃ１とＣ２，Ｃ３とＣ４，．．．，Ｃn-1とＣnがそれぞれ並列接続になり、同一電圧に充電される。端子２２，２３間に全コンデンサが直列接続されるため、昇圧された電圧が端子２２，２３間に出力される。
【００３９】
静電型アクチュエータは消費電力が極めて小さいため、このようなコンデンサ群とスイッチ群による簡易な構成の昇圧回路を用いることができる。
【００４０】
図２又は図３に示したスイッチＫとしては、半導体ダイオードのほか、後述の静電型リレーや熱型リレーを用いることができる。半導体ダイオードを用いると、駆動回路１３に用いられるトランジスタなどと同様に一般的な半導体プロセスでスイッチＫとしての半導体ダイオードを形成できる利点がある。なお、スイッチＫとして半導体ダイオードを用いる場合には、端子２０，２１間に両極性の電圧を印加する必要がある。この電圧の極性の切り替えによってスイッチＫのオン、オフを行うためである。熱型リレーや静電型リレーを用いる場合には、それらをオン、オフするための制御信号が別に必要になる。
【００４１】
図４は、スイッチＫとして用いられる熱型リレーの一例を示す。同図（ａ）は平面図、同図（ｂ）は最上層のＡｌ膜３０９を除去した平面図、同図（ｃ）はＡ−Ｂ断面図である。ここに示す熱型リレーにおいては、基板３０１上に電極３０２があり、絶縁膜３０３により覆われている。接点が接する部分に開口部３０５があり、ギャップ３０４を介して梁がある。この梁は、下層の絶縁膜３０６、ヒータ（発熱抵抗体）３０７、その上の絶縁膜３０８、さらに上層のＡｌ膜３０９からなる積層構造である。ヒータ３０７は、その引き出し線３１１に電圧が印加されると発熱する。ヒータ３０７は多結晶シリコンからなるが、Alの熱膨張係数は多結晶シリコンより一桁大きいので、ヒータ３０７の発熱により梁は下方に曲がり、開口部３０５に接点３１０が当接して電極３０２とAlの引きだし線３１４が導通する。
【００４２】
ヒータ３０７と可動側電極であるAl膜３０９及びスイッチ端子である電極３０２は絶縁されているが、これは、リレー駆動電源と出力を分離し、電圧入力側に高い電圧がかかることがないようするためである。
【００４３】
このような熱型リレーは駆動電圧は低くできるが、放熱の時間がかかるため、駆動速度はせいぜい数kHzにとどまる。速度面では後述する静電型リレーが優れている。
【００４４】
図４に示した熱型リレーの製造工程の一例を図５及び図６により説明する。ここでは、梁の幅を５０μm、梁の長を２００μm、空隙最大深さを１μm、コンデンサを１mm角とした。
【００４５】
工程（ａ）：半導体プロセス用SiウエハのようなSi基板３０１に有機フォトレジストで空隙となる溝をパターン形成する。SF6ガスのRIE(リアクティブ・イオン・エッチング)でドライエッチングして、溝を掘る。溝に傾斜を形成する場合、フォトマスクに階調を設け、フォトリソグラフィを行うことで有機レジストパターンの厚さ方向に傾斜を形成する。RIEを行うと、フォトマスクの階調にしたがった構造がSi基板の溝に転写される。溝が深い場合はRIEの際に基板温度を−40℃程度以下の低温にすることで側面への広がりを抑制できる。次に基板と個別電極を絶縁するため、酸化し溝を1μm程度の熱酸化膜321で覆う。
【００４６】
工程（ｂ）：例えばTiNなどの導体薄膜をスパッタ法で１５０nm成膜する。電極パターンを有機レジストのフォトリソグラフィでパターンニングし、Cl2ガスでRIE（リアクティブ・イオン・エッチング）によりエッチングして個別電極３０２を形成する。同時に一層目配線も形成する。絶縁膜３０３としてSi窒化膜１００nmをNH3とSiH4の混合ガスの熱CVD法で成膜する。
【００４７】
工程（ｃ）：接点が接触するコンタクト孔３０５をレジストにフォトリソグラフィで形成し、CF4+H2の混合ガスのRIEでエッチングする。
【００４８】
工程（ｄ）：犠牲層322となるポリシリコンをSiH4ガスの熱CVD法により635℃で行い成膜する。CMP（ケミカル・メカニカル・ポリシング）技術を用い研磨して平坦化する。
【００４９】
工程（ｅ）：SiH4とNH3の混合ガスの熱CVD法で絶縁膜となるSiN膜３０６を１００nm成膜する。ヒータとなる多結晶シリコンを０．５μm成膜する。例えばSiCl4とPOClの混合ガスによる熱CVD法で抵抗の低い膜を成膜できる。フォトリソグラフィでレジストマスクをパターンニングしCl2ガスでエッチングし、ヒータを形成する。SiH4とNH3の混合ガスの熱CVD法でSiN膜５０nmを絶縁膜３０８として成膜する。
【００５０】
工程（ｆ）：絶縁膜の平面形状を有機レジストのフォトリソグラフィでパターンニングし、CHF3のRIEでエッチングしSiN絶縁膜に穴を形成する。個別電極パッドを開口する。多結晶シリコンに対するビアも同時に開口する。また、空隙に埋められた犠牲層がエッチング用のスリット３１１も形成し犠牲層を露出する。リレーの接点となるメタル膜に対応した穴３２３上の窒化膜も除去される。SF6とO2の混合ガスによりポリシリコンを０２．mmエッチングする。
【００５１】
工程（ｇ）：リレー接点３１０となるAl膜５００nmをスパッタ法で成膜し、フォトリソグラフィ接点パターンを形成する。Cl2ガスのRIEでエッチングする。このAl層はコンタクトメタル、パッドメタルと同じ層にすることができる。
【００５２】
工程（ｈ）：可動電極３０９となる金属薄膜、例えばAlをスパッタ法で成膜し、フォトリソグラフィで有機レジストをパターンニングし、Cl2ガスのRIEでエッチングし可動電極３０７を形成する。
【００５３】
工程（ｉ）：TMAH（テトラメチル・アンモニウム・ハイドレイド）により犠牲層酸化膜をスリット311を介しエッチングし除去し犠牲層を除去する。可動電極は犠牲層がなくなったので空間に浮き空隙３０４が完成する。Alで覆われた多結晶シリコンはAlがマスクとなりエッチングされない。
【００５４】
図７は、スイッチＫとして用いられる静電型リレーの一例を示す。同図（ａ）は平面図、同図（ｂ）はＡ−Ｂ断面図、同図（ｃ）はＣ−Ｄ断面図である。ここに示す静電型リレーにおいては、基板７０１上に絶縁酸化膜７２１を介し、対向電極７０２と一層目配線７０９がある。さらに空隙７０４を介し、梁７０６とその上に三層目配線及び電極７０７、接点７０８がある。絶縁膜７０３を介し二層目配線７１０があり、その上部に層間絶縁膜７１１が形成されている。駆動端子S,Tに駆動電圧を印加すると、電極７０７と対向電極７０２ｂの間に静電力が働き当接する。すると、接点７０８も降下し、電極７０２ａに当接し端子Q,R間のスイッチがオン状態になる。駆動端子S,Tをオフにすると、静電力は消失し、梁７０６は剛性により復元しQ,R間のスイッチはオフになる。このような静電型リレーは梁の剛性を高めれば数十kHzの高速で駆動することができる。なお、空隙７０４を梁７０６に対し非平行な空隙にすると、駆動電圧を下げる効果がある。また、この静電型リレーは、スイッチの接点７０８と駆動電極７０７が絶縁されているため、昇圧回路に用いた場合に、コンデンサの直列、並列の結線切り替え時のリーク電流を極めて小さくできる。
【００５５】
図７に示した静電型リレーの製造工程の一例を図８及び図９により説明する。ここでは、梁の幅を５０μm、梁の長さを１５０μm、空隙最大深さを１μm、コンデンサを１mm角とした。
【００５６】
工程（ａ）：半導体プロセス用Siウエハのような Si基板７０１に有機フォトレジストで空隙となる溝をパターン形成する。SF6ガスのRIE(リアクティブ・イオン・エッチング)でドライエッチングして、溝を掘る。溝に傾斜を形成する場合、フォトマスクに階調を設け、フォトリソグラフィを行うことで有機レジストパターンの厚さ方向に傾斜を形成する。RIEを行うと、フォトマスクの階調にしたがった構造がSi基板の溝に転写される。溝が深い場合はRIEの際に基板温度を−４０℃程度以下の低温にすることで側面への広がりを抑制できる。次に基板と個別電極を絶縁するため、酸化し溝を1μm程度の熱酸化膜７２１で覆う。
【００５７】
工程（ｂ）：例えばTiNなどの導体薄膜をスパッタ法で１５０nm成膜する。個別電極パターンを有機レジストのフォトリソグラフィでパターンニングし、Cl2ガスでRIE（リアクティブ・イオン・エッチング）によりエッチングして個別電極７０２を形成する。同時に一層目配線７０９を形成する。絶縁膜７０３としてSi窒化膜２００nmをNH3とSiH4の混合ガスの熱CVD法で成膜する。
【００５８】
工程（ｃ）：二層目配線用TiN層７１０をスパッタ法で１５０nm成膜する。層間絶縁膜７１１となるSi窒化膜２００nmを同様に熱CVD法で成膜する。
【００５９】
工程（ｄ）：接点が接触するコンタクト孔７０５や配線用のビアホール７１３をレジストにフォトリソグラフィで形成し、CF4+H2の混合ガスのRIEでエッチングする。
【００６０】
工程（ｅ）：犠牲層７２２となるポリシリコンをSiH4ガスの熱CVD法により６３５℃で行い成膜する。CMP（ケミカル・メカニカル・ポリシング）技術を用い研磨して平坦化する。
【００６１】
工程（ｆ）：SiH4とNH3の混合ガスの熱CVD法で梁７０６となるSiN膜を１００nm成膜する。
【００６２】
工程（ｇ）：梁の平面形状を有機レジストのフォトリソグラフィでパターンニングし、CHF3のRIEでエッチングしSiNの梁の形状を製作する。また、ビア７０３上の窒化膜も除去される。このようにして梁７０６を形成する。空隙に埋められた犠牲層がエッチング用のスリット７１２（図7に示す）により露出する。さらに、フォトリソグラフィによりリレーの接点となるメタル膜に対応した穴７２４のパターンを形成し、SF6とO2の混合ガスにより深さ０．５mmの穴をエッチングする。
【００６３】
工程（ｈ）：リレー接点７０８となるAl膜５００nmをスパッタ法で成膜し、フォトリソグラフィ接点パターンを形成する。Cl2ガスのRIEでエッチングする。このAl層はコンタクトメタル、パッドメタルと同じ層にすることができる。
【００６４】
工程（ｉ）：可動電極７０７となる金属薄膜、例えばAlをスパッタ法で成膜し、フォトリソグラフィで有機レジストをパターンニングし、Cl2ガスのRIEでエッチングし可動電極７０７を形成する。
【００６５】
工程（ｊ）：TMAH（テトラメチル・アンモニウム・ハイドレイド）により犠牲層酸化膜をスリット７１２(図７)を介しエッチングし犠牲層を除去する。梁は空間に浮きスリット７１２で分離され、空隙が完成する。
【００６６】
以上に述べた熱型リレー又は静電型リレーをスイッチとして用いた昇圧回路の物理的レイアウト及び配線の例を図１０及び図１１に示す。図１０は図２に示した回路構成であり、図１１は図３に示した回路構成である。図１０及び図１１において、Ｓ，Ｔは駆動端子、Ｑ，Ｒは接点端子であり、図４又は図７中の同符号の部位と対応している。Ｖlow1,Ｖlow2は図２又は図３における端子２０，２１に対応した配線であり、ＶHi1,ＶHi2は図２又は図３における端子２２，２３に対応した配線である。Ａ，Ｂ，Ｃは駆動端子Ｓ，Ｔに駆動用パルスを供給するための配線である。
【００６７】
図１２は、各リレーの駆動タイミングを説明するためのタイミング図であり、（ａ）は配線Ａ，Ｂ間の電圧波形を示し、（ｂ）は配線Ｃ，Ｂ間の電圧波形を示す。配線Ａ，Ｂ間に印加される駆動パルスのHiレベル期間に図２又は図３の状態２になり、配線Ｃ，Ｄ間に印加される駆動パルスのHiレベル期間に状態１になる。両配線間に印加されるパルスに間隔Ｔを設け、全てのリレーが同時にオンになる状態を防止するようにしている。
【００６８】
本発明の装置において、昇圧回路を２つ以上設けて縦続に接続（多段接続）し、２段以上の昇圧を行うこともできる。図１３に、そのような装置の一例を示す。ここに示す静電駆動型装置１０においては、２つの昇圧回路１１Ａ，１１Ｂと２つのバッファコンデンサ１２Ａ，１２Ｂが設けられている。１段目の昇圧回路１１Ａは、外部から供給される電圧を昇圧しバッファコンデンサ１２Ａを充電する。バッファコンデンサ１２Ａの電圧は駆動トランジスタ群１５を介して２段目の昇圧回路１１Ｂに印加される。昇圧回路１１Ｂ、その電圧をさらに昇圧しバッファコンデンサ１２Ｂを充電する。される。このバッファコンデンサ１２Ｂの電圧が駆動トランジスタ（群）１３に印加される。
【００６９】
静電型リレーは、低電圧で駆動するには梁の剛性を弱くする必要があり、動作速度が低下する場合がある。逆に、熱型リレーは、速度が遅いが５Ｖ以下の低電圧で駆動可能である。
【００７０】
そこで、１段目の昇圧回路１１Ａでは低電圧駆動が可能な熱型リレーをスイッチとして用い、２段目の昇圧回路１１Ｂでは高速駆動が可能な静電型リレーをスイッチとして用いると効果的である。２段目の昇圧回路１１Ｂでは容易に高い駆動電圧を用いることができるため、静電型リレーの梁の剛性を高めて数十kHzの高速で駆動させ、高速のスイッチ切り替えにより駆動回路１３側に供給可能な電流を増やすことができる。熱型リレーと静電型リレーを併用する場合、プロセスとしては２層目配線を多結晶シリコンとすることができる。
【００７１】
バッファコンデンサ１２（１２Ｂ）は静電型アクチュエータ（群）１４の駆動のための電圧を安定化することを目的としているため、静電型アクチュエータの駆動電極の合計静電容量よりもバッファコンデンサの静電容量を大きくする必要がある。蓄積される電荷量Ｑ、静電容量Ｃ、電圧Ｖの間にはＱ＝ＣＶの関係があるため、バッファコンデンサの静電容量が静電型アクチュエータの合計静電容量より大きければ大きいほど、静電アクチュエータの駆動のために電荷を放電しても駆動電圧は変動しにくい。
【００７２】
このようにバッファコンデンサの静電容量を大きくしたいが、基板やパッケージの利用可能な面積は限られている。そこで、図１４に示すように、バッファコンデンサの誘電体膜８０１の厚さを、静電駆動型デバイス１４の静電型アクチュエータの絶縁膜８０２の厚さより薄くすることで単位面積あたりの静電容量を大きくすることができる。平行平板型コンデンサの静電容量は
C=ε0×εs×A/d
ε0；真空中の誘電率 εs;誘電体の誘電率 A;面積 d;電極間隔
で決まるため、誘電体膜の厚さを薄くすると静電容量は増加する。コンデンサの誘電体膜８０１としてはシリコン窒化膜、シリコン酸化膜、シリコン酸窒化膜が好ましい。これらの膜は、半導体プロセスで一般的に用いられ、かつ耐圧が高く、１００μｍの厚さでも５０Ｖの耐圧を得られるからである。
【００７３】
また、図１５に示すように、コンデンサを複数段に積層して形成し、それを並列接続することで容量を増加することができる。図示のように２段に積層した場合は、同じ静電容量を得るための面積を半分にできる。
【００７４】
静電型アクチュエータ（群）１４を含む静電駆動型装置１０の一例として、図１６に示すような構成の光スイッチがある。図１６の（ａ）は断面図、（ｂ）は平面図である。この光スイッチは、本願出願人が特願２００１−４９４８５号で提案した光スイッチである。ここに示す例では、同図（ｂ）から容易に理解されるように、基板１３０２上に同一構造の光スイッチが一列に並べられて形成されている。各光スイッチは、基板１３０２の凹部に絶縁膜１３１０、固定電極１３０３、保護膜としての絶縁膜１３０４が積層され、それらと空隙１３０５を介して対向して基板１３０２の表面側に梁１３０１が設けられ、その表面にミラー電極１３０８が形成された構成である。梁１３０１は両端固定梁であるが、駆動電圧の低減のために、一方の固定端部１３０６の面積を減らし、その剛性を弱めている。固定電極１３０４と、ミラー電極１３０８を持つ梁１３０１は静電型アクチュエータを構成しているが、ミラー電極１３０８は静電型アクチュエータの可動電極であるとともに、光スイッチとして作用するミラーである。固定電極１３０３は各光スイッチごとに電気的に独立し、それぞれの電極パッド１３０９に引き出されているが、ミラー電極１３０８は全ての光スイッチで電気的に共通している。
【００７５】
ある光スイッチの固定電極引き出しパッド１３０９とミラー電極１３０８の間に駆動電圧を印加すると、その光スイッチの固定電極１３０３とミラー電極１３０８との間に静電力が作用し、梁１３０１及びミラー電極１３０８は固定電極１３０３側に変形する。したがって、ミラー電極１３０１に入射する光束の反射方向が非駆動時と大きく変化する。このように反射方向を切り替えることにより光スイッチが行われる。
【００７６】
図示しないが、本発明によれば、このような光スイッチと同じ基板上に昇圧回路１１とバッファコンデンサ１２が形成される。この場合、固定電極１３０３は、熱型リレーの電極３０２（図４）、静電型リレーの電極７０２（図７）と同時に形成できる。梁１３０１は熱型リレーの絶縁膜３０６、静電型リレーの梁７０６に対応し、ミラー電極１３０８は熱型リレーの可動電極３０９、静電型リレーの電極７０７に対応し、それぞれ同じプロセスで同時に形成できる。
【００７７】
静電駆動型装置の別の例として、捻り梁で支持したミラーを静電力により駆動し、捻り梁を回転軸としてミラーを往復振動させる構成の光スキャナ（スキャンミラー）がある。
【００７８】
このような光スキャナの一例を図１７により説明する。図１７の（ａ）は分解斜視図、（ｂ）は裏面側から見た斜視図である。
【００７９】
９００はミラー基板、９０１は電極基板であり、これらは図１７（ｂ）に示すように接合される。ミラー基板９００は、深堀の誘導結合型リアクティブ・イオン・エッチング装置を用い、シリコン基板に捻り梁９０６に支持されたミラー９０５を一体的に形成してなる。ミラー基板９００のサイズは例えば４mm×３mm、ミラー９０５は例えば１．５mm角である。電極基板９０１には、ミラー９０５の裏面（反射面の反対側の面）に対向する一対の電極９１２が形成されている。電極９１２は、例えばTiN膜からなる。電極９１２とミラー９０５は、静電型アクチュエータの固定電極と可動電極を構成し、電極９１２とミラー９０５の間にパルス電圧を印加すると、ミラー９０５は捻り梁９０６を捻り回転軸として往復振動する。
【００８０】
ここに示す例では、図１７（ｂ）に示すように、電極基板９０１の裏面側に、前述のような昇圧回路１１とバッファコンデンサ１２が駆動回路１３とともに形成される。駆動回路１３と電極９１２及びミラー９０５（ミラー基板９００）との間の電気的接続は、例えば、電極基板９０１を貫通する貫通電極を介してなされる。
【００８１】
例えば、昇圧回路１１は図３及び図１１で説明したコッククロフト・ウォルトン型の構成であり、そのスイッチは前述の静電型リレー、コンデンサは0.3mm角で誘電体膜の厚さは２００nmである。用いられたコンデンサの個数は34個、静電型リレーの個数は36個である。バッファコンデンサ１２は２mm角とした。この例では、外部から供給される５Ｖの電圧を８５Ｖまで昇圧できた。光スキャナ駆動中のバッファコンデンサ１２の電圧は８０〜８３Ｖ程度となり、光スキャナ駆動電圧は約８０Ｖとなった。
【００８２】
詳細は省くが、図２及び図１０で説明したタイプでコンデンサ数が１０の昇圧回路では、５Ｖから約４０Ｖへの昇圧ができた。
【００８３】
静電駆動型装置の別の例として、特許文献６，７などに記載されているような静電駆動型インクジェットヘッドがある。このインクジェットヘッドは、静電型アクチュエータを構成する振動板と対向電極を持ち、振動板を静電力により変形させ、その復元力を利用して液室内のインクを加圧しノズルよりインク滴を吐出させる構成である。このような静電駆動型インクジェットヘッドの一例を図１８に示す。
【００８４】
この静電駆動型インクジェットヘッドは、液室部１００２と駆動部１００３から構成される。液室部１００２はノズルプレート１００４を有し、そこに形成されたノズルよりインク滴が図中下向きに吐出される。駆動回路１３は駆動部１００３の内部に組み込まれている。昇圧回路１１とバッファコンデンサ１２は駆動部１００３の裏面側に形成され、バッファコンデンサ１２と駆動回路１３とは導体ペースト燒結配線１００５によって電気的に接続される。
【００８５】
【発明の効果】
以上の説明から明らかなように、（１）コンデンサ群及びスイッチ群からなる昇圧回路を複数縦続に接続して、外部より印加される電圧を複数段階に昇圧して静電型アクチュエータの駆動のための電圧を発生し、一段目の昇圧回路のスイッチとして低電圧駆動が可能な熱型リレーを用い、二段目以降の昇圧回路のスイッチとして高速駆動が可能な静電型リレーを用いるため、外部から供給される電圧を十分に低くすることが可能であり、かつ、後段の昇圧回路の静電型リレーを高速駆動することにより静電型アクチュエータに供給可能な電流を増やすことができる。したがって、静電駆動型の光スイッチ、光スキャナ、インクジェットヘッドなどの装置を、低電圧電源に接続して駆動することが可能となり、静電型アクチュエータを駆動するための高電圧を外部より印加する必要がないため、コストや実装スペース、電源配線等の面で大きな効果を得られる。また、コンデンサ群とスイッチ群からなる昇圧回路は静電型アクチュエータとの製造プロセス上の相性がよい。（２）昇圧回路をコッククロフト・ウォルトン型回路とすることにより、昇圧回路のリレー数を減らすことができ、その分接点が少なく歩留まりがよい。（３）各段の昇圧回路により昇圧された電圧で充電されるバッファコンデンサを組み込むことにより、静電型アクチュエータの駆動のための安定した電圧を供給できる。（４）昇圧回路のスイッチ群及びコンデンサ群と静電型アクチュエータ群を同一基板の同一面に形成することにより、スイッチ群、コンデンサ群及び静電型アクチュエータ群を一貫した製造工程で製作でき、製造コストの面で有利である。（５）昇圧回路のコンデンサ群及びスイッチ群と、静電型アクチュエータを同一基板の反対面にそれぞれ形成することにより、インクジェットヘッドのような、基板の表側をすべて覆うような装置においても、裏面にスペースがあれば昇圧回路を組み込むことができる。（６）静電型リレーの構成を、両端固定梁に形成された第１電極と空隙を介して対向する第２電極との間の静電力により前記梁を変位させ、前記梁に形成された第３電極と空隙を介し対向する第４電極とを接触させ、前記空隙を前記梁に対し非平行な空隙とすることにより、静電型リレーの駆動電圧を下げることができ、また、前記第１電極と前記第３，４電極とを絶縁することにより、昇圧回路のコンデンサの直列、並列の結線切り替え時のリーク電流を極めて小さくすることができる。（７）熱型リレーの発熱抵抗対とスイッチング端子とを絶縁することにより、最前段の昇圧回路の入力側に高電圧がかかることがない、等々の効果を得られる。
【図面の簡単な説明】
【図１】本発明による静電駆動型装置の構成を説明するためのブロック図である。
【図２】昇圧回路の回路構成の一例を示す回路図である。
【図３】昇圧回路の回路構成の別の例を示す回路図である。
【図４】熱型リレーの一例を示す平面図及び断面図である。
【図５】熱型リレーの製造工程説明図である。
【図６】熱型リレーの製造工程説明図である。
【図７】静電型リレーの一例を示す平面図及び断面図である。
【図８】静電型リレーの製造工程説明図である。
【図９】静電型リレーの製造工程説明図である。
【図１０】昇圧回路の具体的なレイアウト及び配線等を示す図である。
【図１１】昇圧回路の具体的なレイアウト及び配線等を示す図である。
【図１２】昇圧回路の駆動パルスを示す波形図である。
【図１３】本発明による複数の昇圧回路を含む静電駆動型装置の構成を説明するためのブロック図である。
【図１４】コンデンサの説明図である。
【図１５】積層型コンデンサの説明図である。
【図１６】静電駆動型の光スイッチの一例を説明するための平面図及び断面図である。
【図１７】本発明による静電駆動型光スキャナの一例を説明するための分解斜視図及び斜視図である。
【図１８】本発明による静電駆動型インクジェットヘッドの一例を説明するための斜視図である。
【符号の説明】
１１ 昇圧回路
１２ バッファコンデンサ
１３ 駆動トランジスタ（群）
１４ 静電型アクチュエータ
Claims (12)
- １つ以上の静電型アクチュエータを含む静電駆動型装置において、
コンデンサ群及びスイッチ群からなる昇圧回路が複数組み込まれて縦続に接続され、
装置外部からの電圧を最前段の昇圧回路に印加して昇圧し、昇圧後の電圧を後段の昇圧回路に印加して更に昇圧し、最終段の昇圧回路から出力される昇圧電圧を前記静電型アクチュエータに駆動電圧として印加せしめ、
前記最前段の昇圧回路のスイッチは熱型リレーで構成され、２段目以降の昇圧回路のスイッチは静電型リレーで構成されることを特徴とする静電駆動型装置。 - 請求項１に記載の静電駆動型装置において、前記昇圧回路はスイッチ群によりコンデンサ群を並列接続と直列接続に切り替える回路構成であることを特徴とする静電駆動型装置。
- 請求項１に記載の静電駆動型装置において、前記昇圧回路はコッククロフト・ウォルトン型回路であることを特徴とする静電駆動型装置。
- 各段の前記昇圧回路で昇圧された電圧でそれぞれ充電される複数のバッファコンデンサが組み込まれたことを特徴とする請求項１に記載の静電駆動型装置。
- 請求項１に記載の静電駆動型装置において、前記昇圧回路のコンデンサ群及びスイッチ群と前記静電型アクチュエータは同一基板の同一面上に形成されることを特徴とする静電駆動型装置。
- 請求項１に記載の静電駆動型装置において、前記昇圧回路のコンデンサ群及びスイッチ群と、前記静電型アクチュエータは同一基板の反対面にそれぞれ形成されることを特徴とする静電駆動型装置。
- 請求項１に記載の静電駆動型装置において、前記静電型リレーは、両端固定梁に形成された第１電極と空隙を介して対向する第２電極との間の静電力により前記梁を変位させ、前記梁に形成された第３電極と空隙を介し対向する第４電極とを接触させる構成であり、前記空隙は前記梁に対し非平行な空隙であることを特徴とする静電駆動型装置。
- 請求項７に記載の静電駆動型装置において、前記静電型リレーの前記第１電極と前記第３電極及び前記第４電極が絶縁されていることを特徴とする静電駆動型装置。
- 請求項１に記載の静電駆動型装置において、前記熱型リレーの発熱抵抗体とスイッチング端子とが絶縁されていることを特徴とする静電駆動型装置。
- 静電型アクチュエータを駆動して光スイッチングする光スイッチであって、
請求項１乃至９のいずれか１項に記載の静電駆動型装置を使用した光スイッチ。 - 静電型アクチュエータを駆動して光走査する光スキャナであって、
請求項１乃至９のいずれか１項に記載の静電駆動型装置を使用した光スキャナ。 - 静電型アクチュエータにより振動板を振動させて液滴を吐出させるインクジェットヘッドであって、
請求項１乃至９のいずれか１項に記載の静電駆動型装置を使用したインクジェットヘッド。
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