JP5224945B2 - 微小可動デバイス - Google Patents

Description

この発明はＳＯＩ（Silicon On Insulator）基板等の三層構造を有する基板を使用して作製され、可動部が基板板面と平行な面内方向に静電駆動される構造とされた微小可動デバイスに関する。

導電性を有する２枚の単結晶シリコン層の間に、シリコン酸化膜よりなる中間絶縁層が挟まれてなるＳＯＩ基板を使用して各種微小可動デバイスが作製されている。この場合、２枚の単結晶シリコン層のうち、一方は一般に支持基板とされ、他方は各種構成要素が形成されるデバイス層とされ、このデバイス層及び中間絶縁層を適宜、エッチングすることによって可動部や固定部といった所要の構成要素が形成されている。

特許文献１にはこのような構造を有する微小可動デバイスの一例として、光導波手段として光ファイバを用いる１×２型の光スイッチの構成が記載されている。この光スイッチは一端に可動ミラーが形成された可動ロッド、その可動ロッドを支持するヒンジ及び可動ロッドに連結形成された可動櫛歯電極を可動部として有し、可動櫛歯電極を静電的に吸引するための固定櫛歯電極及び固定ミラー等を固定部として有し、さらに固定部分に光ファイバを位置決め固定するためのファイバガイド（ファイバ溝）が形成されたものとなっている。

デバイス層によって形成された可動部はその下の中間絶縁層がエッチング除去されることによって支持基板から浮いた状態となり、変位可能とされており、可動櫛歯電極と固定櫛歯電極よりなる櫛歯型静電アクチュエータを駆動することにより、可動ミラーを一端に有する可動ロッドが基板板面と平行な面内方向（水平方向）に駆動され、この可動ミラーの駆動により光路が切り替えられるものとなっている。

ところで、この種の微小可動デバイスにおいては、可動部と支持基板や固定部との間で張り付き（スティッキング）が発生するという問題がある。

この張り付きが発生する原因の１つは帯電であり、例えば微小可動デバイスの製造過程において、可動部が形成されてから電極に所定の配線が接続されるまでの間におけるハンドリング時に、そのハンドリングによって可動部（デバイス層）や支持基板が局所的に帯電してしまうことによって発生する。

帯電により、可動部と支持基板との間に電位差が生じた場合には、両者間に静電引力が作用し、可動部は支持基板に引き付けられて張り付いてしまう。この張り付いた状態ではファン・デル・ワールス力が作用していると言われており、張り付きの原因となった帯電状態が解消されたとしても、張り付き状態が持続し、剥離困難な状況に陥る。

このような帯電（静電引力）に起因する張り付きを防止するための一構成例が特許文献２に記載されている。

特許文献２ではＳＯＩ基板を使用して作製される半導体力学量センサ（半導体加速度センサ）において、センサ部の外周に、センサ部と絶縁したハンドリング部を設けた構成となっている。そして、ハンドリング時には治具がハンドリング部のみにふれるようにし、つまりハンドリング時に治具がセンサ部にふれることのないようにし、これによりセンサ部の帯電を防止し、センサ部内の可動部（可動電極）と固定部（固定電極）の静電引力による張り付きを防止するものとなっている。
特開２００７−３１６６２８号公報 特開２０００−２０６１４２号公報

しかるに、上述した特許文献２に記載されているような構成では、センサ部の外周に例えば全周に渡ってハンドリング部を設けるものとなっているため、その分デバイス形成に大きな面積が必要になるという問題がある。

また、特許文献２では可動部が形成されている領域においては、支持基板（第１の半導体層）に開口が形成され、支持基板が除去されているため、可動部が支持基板に張り付くといった問題は生じない構成となっているものの、可動部下に支持基板が存在するような構成を有するデバイスでは特許文献２のようなハンドリング部を設ける構成では可動部の支持基板への張り付きを防止することはできない。

即ち、作製されたデバイス（チップ）は通常、トレー等に入れて保管されるが、この時のハンドリングにおいて例えばトレーを介して支持基板が帯電する危険性が高く、可動部下の支持基板が帯電してしまった場合には可動部が支持基板に張り付くといった状況が生じる。特許文献２の構成ではこのような問題に対しては対処することができない。

加えて、特許文献２の構成ではハンドリング部の内周に溝を介して位置するセンサ部は、そのハンドリング部と向かい合う部分が可動部ではないことが要求される。つまり、ハンドリング部と向かい合う部分に可動部が存在すると、帯電したハンドリング部にその可動部が静電引力により引き付けられて張り付いてしまうといった状況が生じるためであり、この点で可動部の構成が制約を受けるものとなっている。

この発明の目的はこのような状況に鑑み、可動部の構成が制限されず、またデバイスが大きくなることもなく、静電気（帯電）による可動部の支持基板への張り付きを防止することができるようにした微小可動デバイスを提供することにある。

請求項１の発明によれば、導電性の支持基板と、単結晶シリコン層よりなるデバイス層とで中間絶縁層が挟まれた三層構造を少なくとも有し、デバイス層に固定部とその固定部に連結支持された可動部とが形成され、可動部は支持基板上に位置して支持基板の板面と平行な面内方向に静電駆動される微小可動デバイスにおいて、前記固定部にデバイス層から中間絶縁層を貫通して支持基板に達する穴を設け、その穴の内部にデバイス層と支持基板とを導通する導電性材料を収容する。

請求項２の発明では請求項１の発明において、微小可動デバイスはデバイス層に、そのデバイス層外周の側壁面に開口する凹部が形成された構造を有するものとされる。

この発明によれば、可動部と支持基板とが導通され、同電圧とされるため、帯電による可動部の支持基板への張り付きを防止することができる。なお、可動部と支持基板との導通は可動部が連結支持されている固定部に、支持基板に達するように設けた穴に導電性材料を収容することによって行われるため、これによって可動部の構成が特に制限されることはなく、またデバイスが大きくなるといったこともない。

この発明の実施形態を図面を参照して実施例により説明する。
図１はこの発明による微小可動デバイスの一実施例として、１×２型の光スイッチの構成を示したものであり、光スイッチは後述の図２−１に示すように、支持基板１１、中間絶縁層１２及びデバイス層１３の三層構造よりなるＳＯＩ基板１０を使用して作製されている。

まず、この光スイッチの基本構成及び動作について説明する。各構成要素は支持基板１１上のデバイス層１３、中間絶縁層１２を適宜、エッチングすることによって形成されている。

光導波手段としてこの例では光ファイバを用いるものとされ、光ファイバの端部を位置決め収容する３つのファイバガイド（ファイバ溝）２１〜２３が支持基板１１の内陸から外周に達するように形成されている。これらファイバガイド２１〜２３はそれらの内端が図１に示したように一箇所に併合され、ミラー収容室２４を形成している。

ミラー収容室２４には固定ミラー２５と可動ミラー２６が配置されている。固定ミラー２５はミラー収容室２４の内側壁から突出するように形成されており、可動ミラー２６は長尺の可動ロッド２７の先端に一体形成されている。

可動ロッド２７はミラー収容室２４に連通するロッド溝２８及びそのロッド溝２８に連通する凹部２９内に位置されており、その凹部２９内に位置する部分の幅方向両側には二対のヒンジ３１ａ，３１ｂ及び３２ａ，３２ｂが突出形成されている。可動ロッド２７はこれらヒンジ３１ａ，３１ｂ，３２ａ，３２ｂにより、その長手方向に変位可能に支持されている。各ヒンジ３１ａ，３１ｂ，３２ａ，３２ｂは板ばねとして機能するもので、それらの可動ロッド２７と反対側の端部は固定部３３に連結支持されている。

ヒンジ３１ａ，３１ｂと３２ａ,３２ｂとの間において、可動ロッド２７には櫛歯型静電アクチュエータが配設されている。櫛歯型静電アクチュエータは第１及び第２固定櫛歯電極３４，３５と可動櫛歯電極３６とよりなるもので、可動櫛歯電極３６は可動ロッド２７の幅方向両側に突出形成された支持ビーム３７ａ，３７ｂにそれぞれそのヒンジ３１ａ，３１ｂ側とヒンジ３２ａ，３２ｂ側とに突出されて形成されている。可動櫛歯電極３６は支持ビーム３７ａ，３７ｂ、可動ロッド２７及びヒンジ３１ａ，３１ｂ，３２ａ，３２ｂを介して固定部３３と電気的に導通されている。

可動ロッド２７の長手方向において、可動櫛歯電極３６を挟む両側には第１固定櫛歯電極３４と第２固定櫛歯電極３５とが可動櫛歯電極３６と噛み合うように配置され、これら第１、第２固定櫛歯電極３４，３５はそれぞれ固定部３８ａ，３８ｂ及び３９ａ，３９ｂから突出されて形成されている。なお、図１中、４１ａ，４１ｂ，４２ａ，４２ｂはそれぞれ固定部３８ａ，３８ｂ，３９ａ，３９ｂに連続して設けられた端子部を示す。

各ファイバガイド２１〜２３には図１には示していないが、光ファイバの端部がそれぞれ収容配置される。この場合、ファイバガイド２１に配置される光ファイバの先端部が例えば入力ポートとされ、ファイバガイド２２，２３に配置される光ファイバの先端部がそれぞれ第１及び第２の出力ポートとされ、この例ではこれら出力ポートへの光路切り替えが櫛歯型静電アクチュエータを駆動することにより行われるものとなっている。

以下、この光スイッチの動作について説明する。光スイッチ作製後の初期状態（第１安定状態）では可動ミラー２６は図１に示した位置に位置し、この時、入力ポート（ファイバガイド２１の光ファイバ）から入射された光は固定ミラー２５で反射され、その反射光が第１の出力ポート（ファイバガイド２２の光ファイバ）に入射される。

可動櫛歯電極３６と導通している固定部３３及び第１固定櫛歯電極３４をそれぞれアース（接地）した状態で第２固定櫛歯電極３５に電圧を印加すれば、第２固定櫛歯電極３５と可動櫛歯電極３６との間に静電引力が働き、その力が第１安定状態におけるヒンジ３１ａ，３１ｂ，３２ａ，３２ｂの保持力よりも大きい場合、ヒンジ３１ａ，３１ｂ，３２ａ，３２ｂは第２安定状態へと反転し、電圧の印加を絶ってもその状態で自己保持される。この時、可動ロッド２７は可動ミラー２６をミラー収容室２４内にさらに進入させるように変位し、これにより入力ポートから入射された光は可動ミラー２６によって反射され、その反射光が第２の出力ポート（ファイバガイド２３の光ファイバ）に入射される。

一方、固定部３３及び第２固定櫛歯電極３５をそれぞれアースした状態で第１固定櫛歯電極３４に電圧を印加すれば、第１固定櫛歯電極３４と可動櫛歯電極３６との間に静電引力が働き、その力が第２安定状態におけるヒンジ３１ａ，３１ｂ，３２ａ，３２ｂの保持力よりも大きい場合、ヒンジ３１ａ，３１ｂ，３２ａ，３２ｂは反転し、再び第１安定状態へと戻る。

このように、ヒンジ３１ａ，３１ｂ，３２ａ，３２ｂは双安定型の構造となっており、櫛歯型静電アクチュエータを駆動することにより、可動ミラー２６が駆動され、固定ミラー２５の手前の位置に挿抜されて光路が切り替えられるものとなっている。なお、第１固定櫛歯電極３４及び第２固定櫛歯電極３５への電圧の印加は端子部４１ａ，４１ｂ，４２ａ，４２ｂにそれぞれボンディングワイヤを接続し、それらボンディングワイヤを介して行われる。

上記のような構成及び動作を有する光スイッチにおいて、この例では可動櫛歯電極３６と導通されている固定部３３に、言い換えれば可動ミラー２６、可動ロッド２７、ヒンジ３１ａ，３１ｂ，３２ａ，３２ｂ、支持ビーム３７ａ，３７ｂ及び可動櫛歯電極３６よりなる可動部Ｍと導通され、同電位とされている固定部３３に、デバイス層１３から中間絶縁層１２を貫通して支持基板１１に達する穴５１が設けられ、その穴５１の内部にデバイス層１３と支持基板１１とを導通させる導電性材料が収容される。

穴５１はこの例では図１に示したように円形の穴（めくら穴）とされ、この穴５１の内部に導電性材料としてこの例では導電性樹脂５２が充填されている。

つまり、この例では穴５１の内壁を用いて導電性樹脂５２により、デバイス層１３と支持基板１１との導通をとり、これらを同電位とするものであり、このような構成を採用したことにより、帯電による可動部の支持基板１１への張り付きを防止することができるものとなっている。

穴５１の大きさ及び位置は特に制限されず、固定部３３の任意の位置に導電性樹脂５２を充填できる程度の大きさで形成すればよく、よってこの例ではデバイスが大きくなることもなく、また可動部の構成が制限されることもない。

なお、導電性樹脂５２を充填する部分がこの例のように穴５１ではなく、例えばデバイス（チップ）の外周につながっているような凹部であると、導電性樹脂５２を充填する際に導電性樹脂５２がデバイス外周へ流れ出し、外周を伝わってデバイス層１３外周の側壁面に開口しているファイバガイド２１〜２３に流れ込んでしまうといった不具合（不良）が発生するが、この例では穴５１に充填する構成のため、そのような導電性樹脂５２の流れ出しは生じず、よって導電性樹脂５２がファイバガイド２１〜２３といったようなデバイス層１３外周の側壁面に開口している構成要素（凹部）に流れ込む不良は発生しない。

図２−１，２−２は上述したような構成を有する光スイッチの作製工程を模式的に示したものであり、以下、各工程について説明する。
（１）ＳＯＩ基板１０を熱酸化する。デバイス層１３表面及び支持基板１１表面にそれぞれシリコン酸化膜１４，１５が形成される。
（２）シリコン酸化膜１４上にレジスト１６を塗布し、フォトリソグラフィによりレジスト１６に可動部Ｍ（可動ミラー２６、可動ロッド２７、ヒンジ３１ａ，３１ｂ，３２ａ，３２ｂ、可動櫛歯電極３６等）、第１、第２固定櫛歯電極３４，３５、ファイバガイド２１〜２３、穴５１等のパターニングをする。
（３）レジスト１６をマスクとしてＲＩＥ（反応性イオンエッチング）によりシリコン酸化膜１４をパターニングする。
（４）レジスト１６を除去する。
（５）パターニングされたシリコン酸化膜１４をマスクとしてデバイス層１３をほぼ垂直に中間絶縁層１２が露出するまでエッチングする。エッチングは例えばＩＣＰ−ＲＩＥ（誘導結合プラズマを利用した反応性イオンエッチング）によって行う。
（６）ＨＦ溶液に浸し、シリコン酸化膜１４，１５及び中間絶縁層１２をエッチング除去する。この時のエッチング時間は可動部Ｍの下に位置する中間絶縁層１２は十分に除去され、固定部Ｆ（固定部３３，３８ａ，３８ｂ，３９ａ，３９ｂ等）の下には中間絶縁層１２が残る時間とする。
（７）ミラーや電極パッドといった必要な部分にスパッタにより金属膜１７を形成する。金属膜１７は例えばＡｕ／Ｐｔ／Ｔｉ多層膜とする。
（８）穴５１に導電性樹脂５２を充填する。導電性樹脂５２には例えば熱硬化型の樹脂を用い、ディスペンサ等を使用して穴５１に適量を滴下した後、加熱硬化させる。

以上により光スイッチが作製され、ファイバガイド２１〜２３に光ファイバを実装することによって光スイッチが完成する。

ここで、上記工程（８）における穴５１への導電性樹脂５２の充填を行わないもの（従来品）を作製し、導電性樹脂５２を充填したもの（本発明品）と比較した。可動部Ｍと支持基板１１の間に電圧を印加し、可動部Ｍが支持基板１１に張り付く電圧を測定したところ、従来品は５０Ｖ以下の電圧で張り付きが発生した。これに対し、本発明品では１００Ｖの電圧印加においても張り付きが発生しないことを確認した。

なお、図１に示した実施例では穴５１に導電性樹脂５２を充填し、デバイス層１３と支持基板１１とを導通させているが、導電性樹脂５２に代え、例えば穴５１の内壁にメタルスパッタを行い、そのメタルスパッタ膜によって導通をとる構成とすることもできる。

この発明による微小可動デバイスの一実施例の構成を説明するための平面図。 図１に示した微小可動デバイスの作製方法を説明するための工程図（その１）。 図１に示した微小可動デバイスの作製方法を説明するための工程図（その２）。

Claims (2)

1. 導電性の支持基板と、単結晶シリコン層よりなるデバイス層とで中間絶縁層が挟まれた三層構造を少なくとも有し、前記デバイス層に固定部とその固定部に連結支持された可動部とが形成され、前記可動部は前記支持基板上に位置して前記支持基板の板面と平行な面内方向に静電駆動される微小可動デバイスにおいて、
   前記固定部に、前記デバイス層から前記中間絶縁層を貫通して前記支持基板に達する穴が設けられ、
   その穴の内部に、前記デバイス層と前記支持基板とを導通する導電性材料が収容されていることを特徴とする微小可動デバイス。
2. 請求項１記載の微小可動デバイスにおいて、
   前記微小可動デバイスは前記デバイス層に、そのデバイス層外周の側壁面に開口する凹部が形成された構造を有することを特徴とする微小可動デバイス。

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