JP4288567B2

JP4288567B2 - 磁気駆動型機構デバイス及びその製造方法

Info

Publication number: JP4288567B2
Application number: JP2003127965A
Authority: JP
Inventors: 裕康虎澤
Original assignee: Oki Sensor Device Corp
Current assignee: Oki Sensor Device Corp
Priority date: 2003-05-06
Filing date: 2003-05-06
Publication date: 2009-07-01
Anticipated expiration: 2023-05-06
Also published as: JP2004335216A

Description

【０００１】
【発明の属する技術分野】
本発明は、磁気駆動型機構デバイス等に関するものである。特に、磁気効率（駆動電力効率）のよい片持ち梁構造の機構デバイス及びその機構デバイスをマイクロマシーニング技術を用いて製造する方法に関するものである。
【０００２】
【従来の技術】
従来の磁気駆動型機構デバイスは、基板に成膜された金属薄膜の上に下部電極及び上部電極が形成されていた。また、上部電極に一端が固定された片持ち梁（以下、単に梁という）が備えられており、梁の他端は上下に可動するようになっている。梁及び下部電極には、外部磁界によって磁化され、磁気吸引力を生じさせるための磁性材料が設けられている（例えば非特許文献１参照）。
【０００３】
そして、従来の磁気駆動型デバイスは、磁性材料が外部磁界によって磁化されて発生する磁気吸引力によって、梁の他端が下部電極に引き付けられ、接触することで、上部電極と下部電極とが電気的に接続されるようになっていた。
【０００４】
【非特許文献１】
電子情報通信学会技術研究報告、ＩＳＳＮ０９１３−５６８５、信学技報Ｖｏｌ．１０２Ｎｏ．２６、１７〜２０ページ、２００２／４／１２発行
【０００５】
【発明が解決しようとする課題】
しかしながら、上記のような機構デバイスでは、外部磁界が基板面に対して垂直にかけられた場合、梁長手方向に伸びた磁性材料には、その性質上、磁性材料全体として梁長手方向の両端に磁極が生じることとなる。したがって、上部電極（梁）の磁性材料の端部の極微小部分と下部電極の磁性材料の端の極微小部分との間にだけ磁気吸引力が発生することとなり、磁気効率が低くなってしまい、駆動電力の多くが無駄に失われてしまう。
【０００６】
そこで、磁気効率を高め、従来より少ない駆動電力で駆動することができる磁気駆動型機構デバイスの実現が望まれていた。
【０００７】
【課題を解決するための手段】
本発明に係る磁気駆動型機構デバイスは、
基板と、基板に導電性を有する薄膜を積層して形成される第一の電極及び第二の電極と、導電性を有する金属薄膜により形成され、一端が第一の電極に固定され、他端は第二の電極と所定の間隙をもって配置される梁からなる可動部と、可動部に設けられた複数の磁性材料からなる第一の駆動部と、第二の電極に設けられ、外部磁界作用により第一の駆動部との間に生じる磁気吸引力により可動部を駆動させる、１以上の磁性材料からなる第二の駆動部とを備える。
本発明においては、可動部を磁気で駆動させるための磁性材料からなる第一の駆動部を、可動部において複数形成することにより、磁極を可動方向に発生させ、駆動電極効率（磁気効率）をよくする。
【０００８】
本発明に係る磁気駆動型機構デバイスの製造方法は、レジストパターンを形成するフォトリソグラフィ工程と、レジストパターン内に薄膜形成する成膜工程とを所定回数繰り返し、基板に導電性を有する薄膜を積層して、第一の電極及び第二の電極を形成する工程と、フォトリソグラフィ工程と成膜工程とを行って、１以上の磁性材料を第二の電極に形成する工程と、基板に犠牲層を形成し、フォトリソグラフィ工程と成膜工程とを行った後に犠牲層を除去することで、一端が第一の電極に固定され、他端は第二の電極と所定の間隙を有して配置される、導電性を有する金属薄膜の可動部を形成する工程と、第二の電極に形成した磁性材料との間に外部磁界作用により生じる磁気吸引力で可動部を駆動させるための複数の磁性材料を、フォトリソグラフィ工程と成膜工程とにより可動部に形成する工程とを有する。
本発明においては、マイクロマシーニング技術で用いられているフォトリソグラフィ法、エッチング等を用いて、微小な片持ち梁構造の磁気駆動型デバイスを形成する際、可動部に１つの磁性材料を形成した後、フォトレジストによるパターニングを施し、エッチングにより細分化した磁性材料を一度に形成する。
【０００９】
【発明の実施の形態】
実施形態１．
図１は本発明の第１の実施の形態に係る磁気駆動型機構デバイスの構成図である。図１において、基板１に成膜された金属薄膜７（本実施の形態では銅（Ｃｕ）とする）上に下部電極２及び上部電極４が形成される。また、上部電極４に一端が固定された梁３を備えており、梁３の他端は上下に可動する。梁３には、外部磁界によって磁化され、磁極が発生する梁部磁性材料６が設けられている。また、下部電極２にも下部電極磁性材料５が設けられている。
【００１０】
図２は機構デバイスと磁界との関係を表す図である。磁石１７は電磁石又はマグネット（永久磁石）である。電磁石は流す電流のオン・オフによって、磁界の発生の有無を制御する。一方、マグネットは、マグネットを移動させて距離を制御することで磁界発生を制御する。磁石１７による磁界発生により生じた磁力は磁力線１８として表される。ここで下部電極磁性材料５及び梁部磁性材料６が基板１の面に平行に設けられている場合には、梁部磁性材料６には垂直上向きに、下部電極磁性材料５には垂直下向きに磁力線１８が透過する。
【００１１】
図３は梁部磁性材料６の各磁性体を表す図である。図３（ａ）には梁部磁性材料６には複数の磁性体が集まっている。図３（ｂ）は従来の梁部磁性材料である。本実施の形態では、図３（ａ）のように各磁性体を直方体で構成するものとし、高さ方向（梁３の面（基板１の面）に垂直な方向）をｔとする。長さ方向（梁３の長手方向）をａとすると、ａ＜ｔとなるように形成した磁性体を整列させ、梁部磁性材料６を構成する。ここで、一般に磁性材料は、厚さ方向には磁化され難く、長手方向に磁化される性質がある。そして、長手方向の一端がＮ極となり、他端がＳ極となり易い。従来は、高さ方向が厚さ方向であり、長さ方向が長手方向であった。本実施の形態の梁部磁性材料６の各磁性材料では、各磁性体にかかる磁力が高さ方向に向くものとすると、長さ方向が厚さ方向となり、幅方向が長手方向となる。つまり、各磁性材料は従来の磁性材料に対して、磁極方向が９０度回転した状態となる。この結果、各磁性材料の下側全体が同極に磁化された状態となり、磁気吸引力が高められ、駆動電力の低減がはかれることとなる。
【００１２】
図４は金属薄膜７の形成過程を表す図である。次に本実施の形態における機構デバイスの製造手順について説明する。基板１上全体に金属薄膜を成膜した後、フォトリソグラフィ法を用いて基板１上の金属薄膜７にフォトレジスト１０で下部電極２及び上部電極４となる部分を含めてパターニングする（図４（ａ））。ここでは、後述する犠牲層１２を支えておくために、下部電極２及び上部電極４となる部分以外にもパターニングを行う。パターニングした後、例えば塩化第二鉄（ＦｅＣｌ₃）等の溶液でウェットエッチングを行い、余分な金属薄膜７を除去する（図４（ｂ））そして、フォトレジスト１０を除去することにより、下部電極２及び上部電極４となる位置に金属薄膜７を形成する（図４（ｃ））。図４（ｄ）は金属薄膜７を上面から見た図である。
【００１３】
図５は下部電極２の製造過程を表す図である。機構デバイスを磁気駆動させるための下部磁性材料５として、本実施の形態ではニッケル（Ｎｉ）を用いる。また、下部磁性材料５の酸化を防止するための保護膜及び梁３との接点材料体１１として金（Ａｕ）を下部磁性材料５の上に積層し、下部電極２を形成する。下部磁性材料５及び接点材料体１１を形成するためにめっき処理を行う。そのため、まず、フォトグラフィ法により下部電極２となる位置の金属薄膜７を除いてフォトレジスト１０で覆う（図５（ａ））。つまり、下部電極２を形成する部分の金属薄膜７のみを露出させた開口パターンを形成する。その後、ニッケルめっき処理して下部磁性材料５となる層を形成し、さらにその上に金めっき処理して接点材料１１となる層を形成する（図５（ｂ））。これにより、下部電極２が形成される。その後、フォトレジスト１０を除去する（図５（ｃ））。
【００１４】
図６は犠牲層１２の形成過程を表す図である。犠牲層１２とは、梁３の立体構造を形成するために必要となる層である。完成した機構デバイスには残らない。本実施の形態では、犠牲層１２の材料としてニッケルを用いるものとする。まず、フォトリソグラフィ法を用い、犠牲層１２を形成する部分を露出させた開口パターンを形成する（図６（ａ））。そして、ニッケルめっき処理して犠牲層１２を形成する（図６（ｂ））。その後、フォトレジスト１０を除去する（図６（ｃ））。
【００１５】
図７は上部電極４及び梁３の形成過程を表す図である。上部電極４及び梁３は一体形成する。本実施の形態では、上部電極４及び梁３の材料として金を用いるものとする。まず、フォトリソグラフィ法を用い、犠牲層１２を形成する部分を露出させた開口パターンを形成する（図７（ａ））。そして、金めっき処理して上部電極４及び梁３を一体形成する（図７（ｂ））。その後、フォトレジスト１０を除去する（図７（ｃ））。
【００１６】
図８は梁３上に形成する梁部磁性材料６の形成過程を表す図である。梁３を磁力により可動させるため、本実施の形態では梁部磁性材料６に例えばニッケルを用いる。まず、フォトリソグラフィ法を用い、梁部磁性材料６を形成する部分を露出させた開口パターンを形成する（図８（ａ））。ここで、梁部磁性材料６を構成する複数の磁性材料に合わせて形成するため、開口部分の長さをａとする。また、各磁性材料の高さをｔとするために、フォトレジスト１０もｔ以上になるように形成する。そして、そして、ニッケルめっき処理して梁部磁性材料６を形成する（図８（ｂ））。その後、フォトレジスト１０を除去する（図８（ｃ））。
【００１７】
図９は梁部磁性材料６を覆う磁性材料保護層１５の形成過程を表す図である。梁部磁性材料６の剥離防止、酸化又はウェットエッチングの保護層等の役割を果たす磁性材料保護層１５を梁部磁性材料６上に積層する。磁性材料保護層１５の材料として金を用いる。まず、フォトリソグラフィ法を用い、梁部磁性材料６を形成する部分を露出させた開口パターンを形成する（図８（ａ））。そして、金めっき処理して磁性材料保護層１５形成する（図８（ｂ））。その後、フォトレジスト１０を除去する（図８（ｃ））。
【００１８】
図１０は機構デバイス製造の最終過程を表す図である。梁３を支えていた犠牲層１２及び最終的に不必要な金属薄膜を除去するため、塩化第二鉄及び塩酸によるウェットエッチングを行って機構デバイスが完成する（図１０）。
【００１９】
以上のように第１の実施の形態によれば、磁気駆動型機構デバイスにおいて、梁部磁性材料６を高さｔよりも短い長さａの磁性材料に細分化して構成するようにしたので、基板１に垂直方向（つまり、梁３が可動する方向）に磁化され、基板１と平行な面（梁３の可動方向）に磁極ができるので、磁気吸引の効率が向上し、少ない駆動電力でも感度よく駆動することができる。しかも、フォトリソグラフィ法によるフォトレジストのパターンを変えることにより、従来の製造方法を大幅に変更することなく、一度に複数の磁性材料を形成することができる。また、梁部磁性材料６を残留磁化率の低いニッケルで構成したので、応答がよい磁気駆動型機構デバイスを得ることができる。さらに、下部電極２及び上部電極４を導電率のよい金で形成したので、駆動電力効率をさらによくすることができる。
【００２０】
実施形態２．
図１１は本発明の第２の実施の形態に係る磁気駆動型機構デバイスを示す図である。図１１（ａ）は全体図を表し、図１１（ｂ）は梁部磁性材料６Ａをさらに拡大した図を表す。図１１において、梁部磁性材料６Ａは、各磁性材料において、長さａだけでなく、幅（上面から見て梁３長手方向に垂直な方向）ｂを規定している点で梁部磁性材料６とは異なる。上述の実施の形態では長さａを規定し、高さｔ＞長さａとした。本実施の形態では、さらに幅ｂを規定し、高さｔ＞幅ｂとする。実施の形態１では幅ｂを規定しなかったが、幅によっては各磁性材料の高さ方向（梁３の可動方向）に磁極が発生しないことがあり、このような場合には磁気吸引力が弱まる。そこで、本実施の形態では、梁３の可動方向に確実に磁極が発生するように、梁部磁性材料６Ａを構成する各磁性体をより細分化する。
【００２１】
製造方法については、第１の実施の形態と同様であるが、梁部磁性材料６Ａの形成において、フォトリソグラフィ法を用いてフォトレジスト１０で梁部磁性材料６Ａの形状に応じた開口パターンを形成する。完成した機構デバイスの動作方法は、第１の実施の形態で説明したことと同様であるので説明を省略する。
【００２２】
以上のように第２の実施の形態によれば、梁部磁性材料６Ａの各磁性材料について、さらに幅ｂを規定し、さらに細分化を図るようにしたので、各磁性材料の基板に対して垂直方向（梁３の可動方向）への磁化は更に強くでき、磁気吸引の効率が向上し、少ない駆動電力でも感度よく駆動することができる。しかも、梁部磁性材料６Ａの重量が軽減することになるので、梁３の可動速度が向上し、スイッチングスピードを向上させることができる。
【００２３】
実施形態３．
上述の第１及び第２の実施の形態では、磁性材料の例としてニッケルを用いたがこれに限定されるものではない。例えば、鉄（Ｆｅ）、コバルト（Ｃｏ）、鉄ニッケル合金等のような磁性材料であればよい。
【００２４】
実施形態４．
また、上述の第１及び第２の実施の形態では、梁３の磁性材料を細分化した。本発明はこれに限定するものではなく、例えば、下部電極２の下部電極磁性材料５の構造を同様に細分化して形成しても同様の効果を得ることができる。また、上部電極４において、可動方向に磁極を発生させることができれば、梁部磁性材料６を形成する場所は梁３の上側でなくてもよい。
【００２５】
【発明の効果】
以上のように本発明によれば、片持ち梁を磁気で駆動させるための磁性材料を、片持ち梁において複数形成することにより、磁極を可動方向に発生させることができるので、磁気吸引の効率が向上し、少ない駆動電力でも感度よく駆動することができる。
【００２６】
また、本発明によれば、フォトリソグラフィ法、エッチング等を用いて片持ち梁構造の磁気駆動型デバイスを形成するようにしたので、ＭＥＭＳ（Micro Electro Mechanical Systems）分野に適用することができ、微小なデバイスを得ることができる。そして、その際に、片持ち梁に１つの磁性材料を形成した後、フォトレジストによるパターニングを施し、エッチングにより細分化した磁性材料を一度に形成するようにしたので、パターンを変えるだけで、大幅に変更することなく、磁気吸引力を高められるように一度に複数の磁性材料を形成することができる。
【図面の簡単な説明】
【図１】本発明の第１の実施の形態に係る磁気駆動型機構デバイスの構成図である。
【図２】機構デバイスと磁界との関係を表す図である。
【図３】梁部磁性材料６の各磁性体を表す図である。
【図４】金属薄膜７の形成過程を表す図である。
【図５】下部電極２の製造過程を表す図である。
【図６】犠牲層１２の形成過程を表す図である。
【図７】上部電極４及び梁３の形成過程を表す図である。
【図８】梁３上に形成する梁部磁性材料６の形成過程を表す図である。
【図９】梁部磁性材料６を覆う磁性材料保護層１５の形成過程を表す図である。
【図１０】機構デバイス製造の最終過程を表す図である。
【図１１】本発明の第２の実施の形態に係る磁気駆動型機構デバイスを示す図である。
【符号の説明】
１基板、２下部電極、３梁、４上部電極、５下部電極磁性材料、６、６Ａ梁部磁性材料、７金属薄膜、１０フォトレジスト、１１接点材料、１２犠牲層、１５磁性材料保護層、１７磁石、１８磁力線。

Claims

基板と、
前記基板に導電性を有する薄膜を積層して形成される第一の電極及び第二の電極と、
導電性を有する金属薄膜により形成され、一端が前記第一の電極に固定され、他端は前記第二の電極と所定の間隙をもって配置される梁からなる可動部と、
前記可動部に設けられた複数の磁性材料からなる第一の駆動部と、
前記第二の電極に設けられ、外部磁界作用により第一の駆動部との間に生じる磁気吸引力により前記可動部を駆動させる、１以上の磁性材料からなる第二の駆動部と
を備えることを特徴とする磁気駆動型機構デバイス。
前記第一の駆動部及び第二の駆動部において、
前記磁性材料は、前記磁気吸引力により前記可動部が可動する方向と平行な辺が、他の辺よりも長くなるように形成されていることを特徴とする請求項１記載の磁気駆動型機構デバイス。
ニッケルを前記磁性材料とすることを特徴とする請求項１又は２記載の磁気駆動型機構デバイス。
レジストパターンを形成するフォトリソグラフィ工程と、前記レジストパターン内に薄膜形成する成膜工程とを所定回数繰り返し、基板に導電性を有する薄膜を積層して、第一の電極及び第二の電極を形成する工程と、
前記フォトリソグラフィ工程と前記成膜工程とを行って、１以上の磁性材料を前記第二の電極に形成する工程と、
前記基板に犠牲層を形成し、前記フォトリソグラフィ工程と前記成膜工程とを行った後に前記犠牲層を除去することで、一端が前記第一の電極に固定され、他端は前記第二の電極と所定の間隙を有して配置される、導電性を有する金属薄膜の可動部を形成する工程と、
前記第二の電極に形成した磁性材料との間に外部磁界作用により生じる磁気吸引力で前記可動部を駆動させるための複数の磁性材料を、前記フォトリソグラフィ工程と前記成膜工程とにより前記可動部に形成する工程と
を有することを特徴とする磁気駆動型デバイスの製造方法。