JPH03230779A

JPH03230779A - 微小可動機械機構

Info

Publication number: JPH03230779A
Application number: JP2368490A
Authority: JP
Inventors: Kenichiro Suzuki; 健一郎鈴木
Original assignee: NEC Corp
Current assignee: NEC Corp
Priority date: 1990-02-02
Filing date: 1990-02-02
Publication date: 1991-10-14
Anticipated expiration: 2012-11-26
Also published as: JP2682181B2

Abstract

(57)【要約】本公報は電子出願前の出願データであるた
め要約のデータは記録されません。

Description

【発明の詳細な説明】（産業上の利用分野）本発明は微／」・可動機械機構に関し、特に微小で高精
度の振動型センサや高・性能なマイクロコホノトのアク
チュエータ、さらに磁気ディスクや光ディスクの−・ノ
ド等の微小可動機構として用いられるものに関する。

（従来の技術）現在、上記分野で使用されている微小可動機械十幾溝は
、主に旋盤加工等の機械加工技術によって作製されてお
り、機械加工技術の飛躍的な進歩により比較的低価＋ｈ
で精度の良いものを作ることが可能である。しかし、シ
ステム側の進歩はさらに１．激であって、より高性能な
ものを求めている。

そのため、従来の機械加工の延長上でこれに対応するこ
とが困難になりつつあり、革新的な加工技術の８現が期
待されているのが現状である。以下、これを磁気あるい
は光デイスクヘッドを例にあけ゛て説明−・［る。

現在、高密度に作製された記録媒体を読み出す・＼ノド
の検出＆５分は非常に微小に加工されている。しかし、
これを記録媒体上で動かすために検出部分は数ｃｍ程度
の金属からなるアーム上に実装されており、サーボ技術
を使って、１５〜３０ｐｍ程度の（２１度で・＼ノドの
読みたし部分を駆動している。

この駆動ピッチは機械の固有振動数によって制限されて
いる。可動機械が小さくなるにつれて機［或の固有振動
数が大きくなり、その結果、機械を高速に駆動すること
が可能となるから、これにサーボ技術を組み合わせるこ
とによりさらに微小な動きをさせることか出来るように
なる。しかし、検出部分を金属のアームの上に実装する
現在の構造では個々の部品をさらに微細に作製しても微
小な部品を実装することの困難さ等により機械全体を小
さくすることが困難になりつつあった。一方、記録媒体
の技術の進歩は、現在、ｐｍ以下程度のピッチて信号を
記録することが可能となりつつある。従って、信号を記
録する分野において、高密度化を実現するためにヘッド
の駆動機構系の大きさが最大の障害となっていることが
わかる。

以上述べたヘッドの１ａ小化を従来技術の延長と異なる
手法で実現した報告はまだなされていないが、つい最近
、これを実現することができるかもしれないと期待でき
る革新的な技術がシリコン振動型センサ技術に関連して
発表された。以下、この技術を紹介し、その問題点と解
決方法を示した後、これを応用すると（’ｉｉ細なヘッ
ドが作製できることを示す。

第９図は、アイトリプルイーマイクロエレクトロメカニ
カルシステムズ予稿集（Ｐｒｏｃｅｅｄｉｎｇｓ　ｏｆ
　ＩＥＥＥＭｉｃｒｏ　Ｅｌｅｃｔｒｏ　Ｍｅｃｈａｎ
ｉｃａｌ　Ｓｙｓｔｅｍｓ　（１９８９年２月））の５
３頁から５９頁に記載されたダブリュー・シー・タング
（Ｗ、　Ｃ，Ｔａｎｇ）等によるｒ　Ｌａｔｅｒａｌｌ
ｙ　Ｄｒｉｖｅｎ　Ｐｏ１ｙｓｉｌｉｃｏｎＲｅｓｏｎ
ａｎｔ　Ｍｉｃｒｏｓｔｒｕｃｔｕｒｅｓ　Ｊから引用
した振動型センサの上面図である。これら全ての構造は
シリコン基板表面上に堆積したポリシリコンからなって
いる。同図で固定電極１１ａ、　ｌｌｂに連結する固定
台１３と折り返しビーム１５に結び付いた支持台１４が
シリコン基板に密着して作製されている。固定電極１１
ａ。

１１ｂと、折り返しビーム１５に連結している可動電極
１２とは、それぞれ固定台１３と支持台１４とによりシ
リコン基板から浮き上がる状態で支持されている。固定
電極１１ａ、　ｌｌｂと可動電極１２はそれぞれ櫛の歯
状の形に形成され、互いに１／３程度だけ相手の側に女
い込んでいる。この振動型センサは三つの電圧供給用の
パッドをもっている。パッド１７とパッド１８はそれぞ
れ同図の固定電極１１ａ、　ｌｌｂに電位を与えるため
のもので、供給電位とグラウンドとの間を互いに逆相に
交差的に印加される。一方、パッド１６には常にグラウ
ンドの電位が与えられ、支持台１４と折り返しビーム１
５を介して可動電極１２にグラウンド電位が与えられる
。パッド１７かある供給Ｎ（ｎをもつときパッド１８が
グラウンドになるので、可動電極１２が固定電極１１ａ
に静電力により引き付けられて図の上向きに移動する。

続いて、パッド１７の電位がグラウンドに変化すると同
時にパッド１８の電位がグラウンドでない電圧になった
とき可動電極１２が図の下向きに引き付けられ、下方向
に移動する。このパッド１７とパッド１８の電圧を可動
電極１２の固有振動数に近い周期で変化させるとき可動
電極１２が大きく振動する。可動電極１２の固有振動数
は構造が決まっているとき可動電極１２の周囲の気圧等
の関数である。そのため、固有振動数を検出することに
より空気等の圧力を検出することができ、センサとして
利用できる。なお、折り返しビーム１５は可動電極１２
の移動により形状が変化し、この歪みの力により可動電
極１２を元の位置に戻そうとする。そのため、可動電極
１２の移動距離は印加電圧たけでなく折り返しビーム１
５の剛性の関数でもある。

このポリシリコンからなる振動型センサは非常に微小に
作製することが可能である。第１０図は、上記文献に記
載された振動型センサの作製方法である。以下、同図を
用いて振動型センサの作製方法を説明する。シリコン基
板２０の一方の主面に酸化膜２１および窒化膜２２を堆
積した後、固定電極と可動電極との分離窓２３をパター
ニングする（同図（ａ））。ポリシリコンを堆積しパタ
ーニングをして先の図のパッド１６につながるポリシリ
コン電極２５およびパッド１７あるいはパッド１８につ
ながるポリシリコン電極２４を形成する（同図（ｂ））
。ＰＳＧ膜２６を堆積しパターニングしく同図（Ｃ））
、第２ポリシリコン膜２７と第２ＰＳＧ膜２８を堆積す
る（同図（ｄ））。ＰＳＧ膜２８をパターニングし、こ
れをマスクとしてポリシリコン膜２８をパターニングし
てＰＳＧ膜２８を除去する（同図（ｅ））。この試料を
弗酸液の中に長時間浸すことによりＰＳＧ膜２６を除去
する（同図（Ｏ）。同図（Ｏに示すように第２ポリシリ
コン膜２７は先の図の固定電極１１ａ。

１１ｂと可動電極１２となり、これら電極はシリコン基
板２０から浮き上がった構造となる。電極１１ａ、　ｂ
、　１２の厚さは２μｍ程度である。さらに、同図（Ｄ
には先の図の固定台１３が示されている。

以上水したように、ポリシリコンからなる可動機械はシ
リコンＩＣプロセスで作製することが可能であるため、
微小なものを作製することが出来る。さらに、シリコン
ＩＣプロセスによるパターニングにより形の異なる機械
要素を同一シリコン基板状に一度に作製することができ
、個々の部品を従来の機械加工のように組み立てる必要
がない。

現時点では、具体的応用として上に記述した振動型セン
サのみが発表されているにすぎないが、この技術を磁気
や光のヘッドを作製することに応用することが以下に示
すように可能である。

（発明が解決しようとする課題）しかし、上記従来技術は、堆積したポリシリコン薄膜を
機械要素として使用しているため、以下の問題点が生じ
ている。

（１）ポリシリコン薄膜をスパッタ装置で堆積するとき
堆積速度が小さいために厚い膜を作製するのに長い時間
を必要とする。通常のＩＣプロセスに於てポリシリコン
膜の厚さはｌｐｍ程度までである。もちろん長時間の成
長を厭わないならばこれよりも厚い膜を形成することが
可能である。しかし、そのとき高価な装置を長時間占有
することからデバイスのコストが高くなる。さらに悪い
ことに、厚いポリシリコン薄膜の内部には大きな内部応
力が生じており、基板の反りやクラックの原因となる。

ましてこの例のようにポリシリコン薄膜が最終的にシリ
コン基板から分離されるときには内部応力によりポリシ
リコン構造が変形し、上に反ったり、下に反ってシリコ
ン基板に接触したり固着してしまったり等の問題が多数
生ずる。これらトラブルはｌｐｍ程度の厚さで既に数多
く報告されている。例えば、第四回固体センサとアクチ
ュエータ国際会議予稿集（Ｄｉｇｅｓｔ　ｏｆ　Ｔｈｅ
　４ｔｈ　ＩｎｔｅｒｎａｔｉｏｎａｌＣｏｎｆｅｒｅ
ｎｃｅ　　ｏｎ　　５ｏｌｉｄ−８ｔａｔｅ　　５ｅｎ
ｓｏｒｓ　　ａｎｄＡｃｔｕａｔｏｒｓ）（１９８７年
６月）にＩＩＬ　ＩＩのニス・デイ、センチュリア（Ｓ
、　Ｄ、　５ｅｎｔｕｒｉａ）によるｒ　Ｍｉｃｒｏｆ
ａｂｒｉｃａｔｅｄＳｔｒｕｃｔｕｒｅｓ　ｆｏｒ　ｔ
ｈｅ　Ｍｅａｓｕｒｅｍｅｎｔ　ｏｆ　Ｍｅｃｈａｎｉ
ｃａｌＰｒｏｐｅｒｔｉｅｓ　ａｎｄ　Ａｄｈｅｓｉｏ
ｎ　ｏｆ　Ｔｈ１ｎ　Ｆｉｌｍｓ　ｌ　（１１頁−１６
頁）に詳しく記述されている。これらの経験から均一な
内部応力をもつポリシリコン薄膜を作製することが容易
でないことがわかる。

（２）上記（１）に記したように厚いポリシリコン薄膜
を作製することは現実には容易でない。しかし、ボッシ
リコンの厚さを厚くしたほうが以下に述べるように得策
である。

従来例の振動型センサの可動電極は固定電極との間の電
位差に起因する静電力によって振動する。この静電力は
互いに対向する電極面の断面積に比例する。従って、断
面積が小さい場合（ｌｐｍ程度の厚さ）に充分な静電力
を得るためには大きな電圧を印加する必要があった。先
の例は固有振動数の近くで動かすために比較的効率良く
可動電極を動かすことができた。しかし、固有振動数か
ら離れた周波数で動かすとき２００Ｖがら３５０Ｖもの
電圧が必要である。この電圧は、通常のＩＣで用いられ
ているＩＯＶ程度の電圧に比べて非常に大きく、もしこ
の機械を駆動しようとするとき、通常の電圧の他に昇電
用コイルを必要とするため全体の装置が大きくなるとい
う欠点があった。従って、可動電極と固定電極とを厚く
することが出来るならば、例えば、１０ｐｍ程度の薄膜
を作ることができたならば印加電圧を１７１０にするこ
とができ、たいへん望ましいことがわかる。

（３）ポリシリコンの内部応力や機械定数等の機械的性
質が現在精力的に研究されているが、形成する際のプロ
セス条件に強く依存しており、微小機械の構造を設計す
るのにまだ充分なデータの蓄積がない。このため、作製
前に機械を精密に最適設計することができなかった。

以上の困難は従来のポリシリコンからなる微小可動機械
に固有の問題であり、これを解決する新しい機織の１１
η造及びこれを実現する製作方法が切に望まれていた。

下是明の目的は、上記従来技術の欠点を除去し、ポリシ
リコンにかわる物質を用いて微小な可動機織とその製法
および駆動方法を提供することにある。

（課題を解決するための手段〉本発明の微小可動機械は、固定電極に印加された静電力
により可動電極が移動する機構において、少なくとも一
つの電極が単結晶半導体からなることを特徴としている
。本発明の微小可動機械の一例として固定電極および可
動電極を互いに入り組んだ櫛の歯状に配置するものがあ
る。またこのように配置ししかも当該一方の電極を当該
他方の電極から離れるにしたがってその電極間の距離が
変化するようにＬだものがある本発明の微小可動機械の製造方法は、固定電極に印加さ
れた静電力により可動電極が移動する機構の製造方法に
おいて、少なくとも一つの固定電極あるいは可動電極パ
ターンを半導体基板の一方の主面に形成した後、当該半
導体基板のパターンを形成した側を他の基板に張り付け
、前記半導体基板から前記電極パターンを分離すること
を特ｉ致としている。電極パターンの形成方法としては
、ポロンを高濃度に拡散したシリコン基板内に形成する
方法や、半導体基板と異なるタイプの不純物を拡散して
そこに形成する方法などがある。

本発明の微小可動機械の駆動方法は、固定電極に印加さ
れた静電力により可動電極が移動する機構において、固
定電極の歯に順次に電圧を走査することにより、当該可
動電極を移動させることを特徴としている。

また本発明の微小可動機械に薄膜へノドあるいは光ヘッ
ドを搭載することもできる。

（作用）本発明の微小可動機械機構では、可動電極あるいは固定
電極を単結晶半導体から構成する。単結晶は堆積したポ
リシリコン薄膜と異なり、その機械的性質が均一であり
内部応力も小さく、さらに、良く知られた豊富なデータ
を使用することができるという長所をもっている。一方
、単結晶基板は通常微小な可動機械を作るには厚すぎる
という困難があったが、本発明の作製方法に述べたよう
に可動電極をパターニングした単結晶基板を薄くするこ
とにより、微小な機械を作製することが可能となった。

このさい、単結晶基板を薄くする前に他の基板に張り付
けるので、エツチング後も個々の部品に分離してしまう
ことがなく、微小機械の組み立ての手間を必要としない
。さらに、本発明により容易に作製することができるよ
うになった微小機械の固定電極と可動電極の構造と、画
電極の間に印加する静電力の駆動方法とを工夫すること
により、微小機械の制御が精密にできるようになる。

（実施例）本発明を用いて従来例と同様の振動型センサを作製した
ときの構造を第１図を用いて説明する。第１図はかきの
従来例の説明で用いた図と若干の部分を除いて同一のも
のであるが、材質などの構造が全く異なる。同図の構成
要素の番号で従来例の図と同一の番号は同じ作用をもっ
た構成要素を示している。

第１図で、固定電極１１ａ、ｂと可動電極１２は厚さ１
０ｐｍのシリコンの単結晶がらなり、ガラス基板１から
浮き上がった構造をしている。可動電極１２は、支持台
１４により基板がら１７いた単結晶シリコンからなる折
り返しビーム１５を介してガラス基板１の上に支持され
ている。一方、固定電極１１ａ、　ｂは、シリコンから
なる固定台１３により支持されている。これら固定電極
１１ａ、　ｂ、可動電極１２、折り返しビーム１５、固
定台１３、および支持台１４は全て同一のシリコン基板
がら作製されたものであるため、互いに機械的性質が極
めて近い。さらに、個々の内部構造も均一な機械的性質
を有ししかも内部応力も小さい。固定電極１１ａ、　ｂ
と可動電極に電位を供給するためにパッド１７．１６．
１８をガラス基板上にメタルを選択的に形成することに
より作製する。これらのメタルの電極は固定台１３の一
部および支持台１４の一部と接しており電気的に通じて
いる。メタル電極はクロム−金、チタン−白金−金等の
複数の金慎から通常構成される。パノドエ６と通ずるグ
ラウンド電（セ２を図に示すように可動電極１２の周囲
に広がるように大きくすることにより、電極の電１ヶか
固定され、外界のノイズか小さくなる。同図に示すよう
に固定電極１１ａ、ｂと可動電極１２は相似の櫛の歯の
形状で互いに入り組んで配置されている。可動電極１２
にはパッド１６よりグラウンド電極２を通してアース電
位が印加される。一方、固定電極１１ａ、ｂにはアース
電位に等しい電１ヶと、異なる電位（１０Ｖ程度）との
二相の交流電位が印加され、ｌｌａとｌｌｂとで反対の
位相となるように駆動される。可動電極１２はアース電
位である側の固定電極との間に力を生じないが、他方の
固定電極との間に電位の差に比例した静電引力を生ずる
。このため可動電極はアース電１ヶと異なる固定電極の
側に移動し、この状態がｌｌａとｌｌｂで交互に切り替
わるためにこの切り替え速度に比例して振動する。固定
、可動の電極の厚さが１０μｍと従来より厚いため交流
ＮＭもＩＯＶ程度と低くても充分振動する。可動電極１
２と折り返しビーム１５と支持台１４からなる系の固有
振動数に近い振動数で上記電位が切り替えられるとき最
も大きな振幅で可動電極１２が振動する。

第１図の実施例ではすべての電極を単結晶Ｓｉで作った
。しかし一方の電極はポリシリコンであってもよい。例
えば固定電極１１ａ、ｂを厚さｌｐｍのポリシリコン、
可動電極１２を厚さ１０ｐｍの単結晶Ｓｉとしたときは
、両方ともポリシリコンの場合に比べ両者の間に生じる
電気力線が平行になるので設計等がしやすい。

この実施例は静電力で駆動されるため小さな領域に大き
な電界が生ずる。従って、もしデバイスが高い湿度等の
劣悪な環境にさらされると異なるメタル配線間にガラス
表面を通した電流のリークが生じて問題となる。そのた
め、上記メタル配線をパターニングした後、メタル配線
の上に酸化膜、窒化膜等の絶縁膜をスパッタ等により堆
積することによりガラス基板を通したリーク電流を低く
抑えることが出来る。さらに、この実施例がガラス基板
上に設けられていることは注目に値する。ガラス基板は
シリコン基板と異なり完全な絶縁体であるため駆動の際
に生じた基板の電気力線に利する影響を全く無視するこ
とが可能で、固定電極と可動電極との間の電気力線のみ
を考慮するだけでデバイスを設計できるのでデバイスの
解析並ひにスケーリングを著しく簡素化するのに役立つ
。

本実施例ではシリコン基板をカラス基板に張り付けた構
造を述べたが、シリコン基板に張り付けてもよい。この
とき、シリコン基板がカラスに比へて不完全な絶縁体で
あることがら、テハイス内の電気力線が桟雑になるとい
う欠点か生しるが、方、容易にシリコン基板内に凹凸の
形状を作製することか可能なことから、本実施例と異な
る複雑な構造を作ることもてきる。例えは、一方のシリ
コン基板に固定電極を、他方のシリコン基板に可動電極
を本発明の作製方法に従って作製し、これらの基板をシ
リコン−シリコン直接接合法によって接着することによ
って構成することも可能である。

第２図（ａ）〜（Ｃ丹こ第１図の構造を作製するための
新しい方法を述べる。第２図は、第１図のＡ−Ａ’断面
を示している。シリコン単結晶基板２０の上に酸化膜２
１を形成し、部分的に酸化膜２１を除去した領域から高
濃度のホロンを拡散してホロン拡散層３を形成する（同
図（ａ））。酸化膜２１を全面から除去し再び酸化膜２
９を設け、部分的に除去した後、酸化膜２９をマスクに
してボロン拡散層３をシリコン基板２０に到達するまで
エツチングしてトレンチ溝４を形成する（同図（ｂ））
っこのトレンチ溝４はドライエッチＲＩＥ（Ｒｅａｃｔ
ｉｖｅ　Ｉｏｎ　Ｅｔｃｈｉｎｇ）を用いると例えば円
等の任意の断面形状を作製することが可能である。第１
図に示す形状のように互いに直交する形状の場合にはシ
リコン基板２０の面方位を（１１０）に選び、ＦＤＰ（
エチレンシアミンピロカテコール）等の異方性エツチン
グ族を用いるウェットエツチングの技術によっても同図
（ｂ）に示すような垂直の壁に囲まれたトレンチ溝４を
作製することが可能である。酸化膜２９をバタ一二シグ
して酸化膜３０を形成し、これをマスクとしてボロン拡
散層３およびシリコン基板２０のエツチングを同図（Ｃ
）に示すように行う。これら三回のマスク工程により固
定電極３１および可動電極３２が形成される。続いて、
酸化膜３０を除去して固定電極３１が静電接着法により
ガラス基板に接着される。可動電極３２は同図には示し
ていないが、図面に垂直な方向に設けられた支持台を介
してカラス基板上に支持される。このカラス基板には予
め第１図のパッドやグラウンド電極となるクロム−金、
あるいはチタン−白金−金等の複合メタル層か選択的に
パターニングされでいる。これら金属層と丁ロン拡散層
からなる固定電極および可動電極との導通はシリコンと
ガラスとの接合の力を利用してボロン拡散層をメタル層
に物理的に押し付ける方法によりなされるため、接着剤
を必要としない。最後に、シリコンとガラスとが接着し
た試料をＥＤＰ等のエツチング液に浸し、シリコン基板
２０を除去する。ＦＤＰ等のエツチング液は高濃度にボ
ロンが拡Ｗ＆、れた層のみを残してシリコン基板を溶か
す性質があり、さらに、ガラス基板や金等のメタルも１
ノチング液に溶けないで残る。以上述へた作製方法のホ
ロン拡販温度と時間を変化させることにより固定電極と
可動電極との厚さを１μｍ程度から数十νｍ程度に容易
に変化させることが出来る。この際、ボロン拡散層が単
結晶シリコンからなるため、その機械的性質が約−で内
部応力も小さいことがこの構造の大きな特徴である。従
って、厚い固定電極あるいは可動電極を作製しても従来
のポリシリコン薄膜と異なりその形状が反ったりするこ
とがない。さらに、従来例の作製方法では先に図示した
以外にコンタクト用にさらに一枚のマスク工程が必要で
あるため、合計で５回のマスク工程を必要とするのに対
し、本発明の製作方法ではシリコンに３回とガラス基板
に１回のマスク工程を必要とするだけである。このため
、製作が著しく容易となった。なお本実施例では最初に
ボロンの拡散を行ったが、この順番をかえて、図の（ｂ
）、　（ｃ）の後にボロンの拡散（ａ）を行ってもよい
。また図の（ｂ）と（ｅ）の各工程の順序も逆にしても
よい。

本作製方法で用いた高濃度ボロン拡散によるシリコンの
エツチング停止の他に、シリコン基板と異なる不純物を
拡散した層に静電圧を印加してエツチングを停止させる
電気化学的エッチストップ法も有効である。この方法を
行うには例えば第２図の３をｎ型拡散層とし、基板をｐ
型とすればよい。

エツチングが停止する不純物層全体が等電位となるよう
にするため、例えば、ガラス基板のメタル配線をデバイ
スの外部でショートさせておき、シリコンのエツチング
が終了した後、例えば、チップに切断する際にこの外部
のショート部を同時に切断する等の工夫が必要である。

第３図に本発明の他の実施例を示す。同図で第１図の構
成要素と同一の番号をもつ構成要素は同一の要素を示し
ている。第３図の構成は、固定電極１１の構造を除いて
第１図の実施例と同じである。この実施例では固定電極
１１ａ、ｂの電極の歯の幅が固定台１３の側へ行くにつ
れて大きくなる、つまり電極間の距離が可動電極１２か
ら離れるにしたがって快くなるように構成されている。

第１図の実施例で説明したように可動電極１２に働く力
は固定電極１１に印加する電位に比例する。一方、この
静電力は固定電極と可動電極との間の距離にも比例する
。第１図の実施例の場合、固定電極と可動電極との間の
距離が一定のため可動電極の単位長さ当たりに働く静電
力は可動電極の動きに無関係に一定であるのに対し、本
実施例のように固定電極と可動電極との間の距離が可動
電極の移動により変化するとき単位長さ当たりの可動電
極に働く静電力もこれにしたがって変化し、両電極間の
距離に反比例して増大する。従って、可動電極はさらに
固定電極の奥の方に進もうとするようになる。この実施
例は第１図の場合より小さな力で駆動できるという利点
がある。この可動電極の固定電極の方向への動きは折り
返しビーム１５の剛性による反対方向の力によってつり
あい、やがて停止する。この運動は固定電極１１ａ、　
ｂの個・ヤの歯の幅と折り返しビームの剛性という構造
的要素を変化させることにより可変であり、第１図の構
造に比べて設計の自由度が増すという利点が生じること
がわかる。なお、本実施例では固定電極側の歯の幅を変
えたが、可動電極側の歯の幅を変えてもこれと同じ効果
が生しる。

さらに、固定電極側および可動電極側の両方を変化させ
ることも本発明に含まれる。

第４図に本発明の他の実施例を示す。同図の構成要素で
第１図の構成要素と同じ番号を持つものは同じ安素を示
している。本実施例では可動電極４０とその両側の固定
電＋１４１ａ、ｂがそれぞれ横方向に配置されており、
第１図の実施例と異なって互いに相手の側に入り組んで
いない。さらに、同図に示すように可動電極４０と固定
電極４１ａ、　ｂではそれぞれの歯のピッチが異なって
いる。同図の実施例では、同図に矢印で示す上下それぞ
れ４箇所で可動電極４０と固定電極４１ａ、　ｂとの歯
の位置が合致している。可動電極４０の左右の側に位置
し可動電極４０に一端を固定された折り返しビーム４４
はガラス基板１に固定された支持台４２により基板から
浮いた状態で支持されており、可動電極４０を基板から
浮き上げている。一方、可動電極４０の中央部において
も直線ビーム４３．４７と連結板４５からなる緩衝機構
４８により可動電極４０が基板から支持されている。こ
の緩衝機構４８と折り返しビーム４４上に述べた可動電
極４０を支持するほかに以下の二つの機能を有している
。第一に、可動電極４０が同図の左右に移動するとき折
り返しビーム４４および直線ビーム４３の変形により生
じる復元力によりこの運動を抑制し可動電極４０をもと
の位置に戻そうとする。第二に、緩衝機構４８および折
り返しビーム４４はその一端で支持台４２を介して基板
に固定されているため、基板と支持台との接触面から発
生する熱や湿度等の応力等の影響が可動電極に伝達され
るのを小さくすることができる。さらに、同図に示した
ような折り返しビーム４４の繰り返し構造や可動の連結
板４５を介して直線ビーム４３が直交する構造は、ビー
ム内部の応力等の影響を緩衝機構４８や折り返しビーム
４４の形状が変化することによって緩和するのに役立つ
。

本発明の実施例では可動電極４０が固定電極４１ａ、　
ｂに印加される電圧の変化に従って図の左右方向に移動
する。この動きを左右の一次元に制限するために基板１
に固定されたスライダー突起４６が設けられている。も
し可動電極４０が左右の一次元の動きからそれて図の上
下方向に動いたときこのスライダー突起４６に接触して
垂直な方向の移動が妨げられる。

固定電極４１ａルの各々の歯には個々独立に異なる電圧
を印加することができるが、同図の実施例では可動電柄
４０を挟んで相対する固定電極４１ａ、　ｂの歯を６個
おきに同電位となるように選んで、可動電極４０の電位
と異なる電位を印加している。このとき、他の固定電極
の歯には可動電極と同じ電位が供給される。同図の実施
例では固定電極４１ａ、　ｂの６個毎の歯の間隔と可動
電極４００５個毎の歯の間隔が一致するように設計して
いる。異なる電位が印加された固定電極と可動電極との
歯の間にのみ静電力が働くので、力の釣り合いの条件か
ら、電圧が供給された固定電極４１ａ、　ｂの歯の位置
に可動電極４０の歯が合致する位置に可動電極４０が移
動する。１０加電圧を隣合う固定電極の歯に順次に走査
することによりこの走査方向に可動電極をうごかすこと
が可能となる。

また、可動電極４０の一部の位置を固定電極側の一部で
検出することにより可動電極の変移を検出することが出
来る。例えば、駆動電圧が印加されない固定電極側の歯
と可動電極の歯との電気容量を検出する回路を設けると
か、固定電極側に可動電極に向かってレーザを放出しそ
の反射光を検出する手段を設ける等の方法がある。この
可動電極の位置を示す信号を固定電極側の駆動回路にフ
ィードバックさせることにより可動電極の移動制御をさ
らに精密にすることが可能である。

第５図に本発明の他の実施例を示す。同図の構成要素で
第４図の構成要素と同じ番号を持つものは同じ要素を示
している。同図に示す実施例は固定電極の構造が第４図
の実施例と異なる。本実施例ではシリコン基板（図示せ
ず）側に固定電極５１、ガラス基板１の側に固定電極５
２、の二つの電極が設けられている。ガラス基板１とシ
リコン基板の間に空間がありそこを可動電極４０が移動
する。可動電極４０の歯５５は固定電極５１と５２の間
に位置しており、電位を加えることによって移動する。

互いに上下に相対する［〃置にある固定電極の歯に同じ
′展圧を供給し、第４図の実施例で述べたと同じ駆動方
法により可動型（英４０を左右に移動させる。このとき
可動電極の移動する最小の距離は固定電極のピッチによ
り決められる。可動電極４０はカラス基板１０面方向だ
けでなくそれを最小限に抑えるためその波うちの動きと
反対方向に固定電極５１と５２の間に電位差を与えるこ
ともできる。第６図に第５図のＢ−Ｂ’断面を、第７図
に第５図のｃ−ｃ’断面の作成方法を示す。同図の構成
要素で第２図と同じ番号を持つ要素は同じ構成要素を示
している。、初めに、深い溝４が開けられ（第６，７図
（ａ））、続いて支持台（図示せず）と固定台３１を残
して浅くエツチングされる（第６，７図（ｂ））。最後
にボロンが拡散され可動電極４０（第６図）と固定電極
５１（第７図）とが形成される。ガラス基板上に固定電
極５２がメタルにより形成され（図示せず）、シリコン
基板とガラス基板が静電ボンディングにより接着され、
ボロンが拡散されていない領域がウエノｒエノ千ングに
より除去される。なお、第５図の可動電極４００両端に
位置する端側平坦部５３と中央平坦部５４を固定電極５
１と同じ高さに作製することにより可動電極４０が左右
に移動してもこれら平坦部がスライダー突起４６に接触
することがなく、可動電極４０の作動範囲を大きくとれ
ることも本実施例の特徴である。

第８図に本発明の他の実施例の断面図を示す。同図の構
成で第５図と同じ番号を持つものは同じ要素を示してい
る。同図に示す実施例は第５図の実施例と固定電極の構
造が異なる。シリコン側固定電極５１とガラス基板側固
定電極５２とが互いにそのピッチ幅の１／２程度だけず
らせて配置されており、シリコン側−ガラス側−シリコ
ン側等の順に電圧が固定電極ニ印加される。このとき、
可動電極４０は印加されている固定電極の歯の位置に合
致するように移動する。この構造は固定電極のピンチの
半分の精度で可動電極を制御できるという利点がある。

上記実施例の他に第４図の実施例と同様に可動電極と同
じ高さ位置に固定電極をさらに追加して、可動電極の上
側−側面−下側といった順に固定電極を駆動することも
本発明に含まれる。このとき、各固定電極をその幅の１
／３程度にずらして配列することにより、可動電極を固
定電極の歯のピッチの１７３の精度で駆動させることが
可能である。

以上、−次元に移動用能なリニアアクチュエータの構造
、作製方法、および駆動方法を述べた。

このアクチュエータはこのままで従来例で述べた振動型
センサとして利用することが出来る。さらに、第４図の
可動電極４０内の中央の平坦面あるいは第５図、第８図
の可動電極４０内の中央平坦部５４の上にフェライト等
による磁性体からなる薄膜ヘッドを既知の方法で堆積、
パターニングすることによりＥｆ小な磁気ヘッドを作製
する、−とが可能である。この薄膜ヘッドの作製方法と
してさらに光ＣＶＤ等の技術を用いてデバイスに直接描
画する手法も本発明に含まれる。さらに、光ファイバー
あるいは発光素子と受光素子とをのせることにより微小
な光ヘッドを構成することが可能である。本発明の実施
例では静電力で駆動する方法を述べたが固定電極をコイ
ル等で構成し可動電極を電磁力で駆動する方法も本発明
に含まれる。さらに、本実施例のアクチュエータは直線
上を動くものに限られることなく、円弧状に動くアクチ
ュエータにも容易に適用することが出来る。このとき、
円弧状の形状をもつ可動電極の周囲に固定電極が円弧上
に配列される。

なお、以上説明した例では電極を構成する単結晶Ｓｉは
すべてＳｉ基板から形成したが、これに限らずガラス基
板、サファイア基板、表面に絶縁膜を形成した半導体基
板等の上に気相エビ（選択エビも含む）、レーザアニー
ル等で形成した単結晶Ｓｉを用いてもよいことは明らか
である。

また第３〜８図に示した例およびその変形例は電極がす
べて単結晶半導体であるが、電極の一方またはすべてが
ポリシリコンであってもよい。

（発明の効果）本発明の微小可動機械機構は単結晶半導体から構成要素
が構成されるため、従来例のポリシリコン薄膜からなる
構造の欠点が著しく改善された。

構成要素の厚さを大きく変化させることが可能であるた
め製作および駆動が容易になった。さらに　厚＜シても
内部に応力が生じないので反り等の形状変化を小さくす
ることが出来る。

本発明の製造方法を用いると従来例よりも少ないマスク
工程で製作することができ、デバイスの歩留りを飛躍的
に改善できた。本発明の構造では単結晶半導体基板をも
う一つ他の基板に張り合わせて製作されている。この他
の基板にガラス基板を選ぶならば、デバイス内部の電気
力線の解析が容易になり、デバイス設計を著しく簡素化
することができる。この単結晶半導体からなるアクチュ
エータの上に薄膜磁気ヘッドを形成するとき非常に微小
で高速に動作する磁気ディスク用のヘッドを実現するこ
とが出来る。さらに、光素子をアクチュエータの上に搭
載するとき非常に高性能な光デイスクヘッドを実現する
ことが出来る。これらディスクヘッドを利用することに
よりディスクの書き込みや読み出しを従来例の百倍程度
も高密度にすることができ、ディスク装置の小型化に非
常な貢献をすることが明らかである。

【図面の簡単な説明】

第１図は本願第一の発明の一実施例の上面図、第２図は
本願発明の作製方法の一実施例の断面図、第３図、第４
図および第５図は本願発明の他の実施例の上面図、第６
図および第７図は第５図に示した本願発明の実施例の作
製方法の断面図、第８図は他の実施例の断面図を示して
いる。さらに、第９図および第１０図は従来の構造の上
面図およびその作製方法の断面図を示す。１・・・基板、２・・・グラウンド電極、３、・・ボロ
ン拡散層、４・・・トレンチ溝、１１・・・固定電極、
１２・・・可動電極、１３・・・固定台、１４・・・支
持台、１５・・・折り返しビーム、１６、１７．１８・
・・パッド、２０・・・シリコン基板、２１・・・酸化
膜、２２・・・窒化膜、２３・・・分離窓、２４、２５
・・・ポリシリコン電極、２６．ＰＳＧ膜、２７００．
第２ポリシリコン膜、２８・・・第２ＰＳＧ膜、２９、
３０６９．酸化膜、３１・・・固定電極、３２・・・可
動電極、４０・・・可動電極、４１・・・固定電極、４
２・・・支持台、４３・・・直線ビーム、４４・・・折
り返しビーム、４５・・・連結板、４６・・・スライダ
ー突起、４７・・・直線ビーム、４８・・・緩衝機構、
５１・・・固定電極（シリコン側）、６２・・・固定電極（ガラス基板側）、５３゜鴨■側平
坦部、５４・・・中央平坦部

Claims

【特許請求の範囲】

（１）固定電極に印加された静電力により可動電極が移
動する微小可動機械機構において、少なくとも一つの電
極が単結晶半導体からなることを特徴とする微小可動機
械機構。
（２）固定電極および可動電極を互いに入り組んだ櫛の
歯状に配置したことを特徴とする請求項１に記載の微小
可動機械機構。
（３）固定電極に印加された静電力により可動電極が移
動する微小可動機械機構の製造方法において、少なくと
も一つの固定電極あるいは可動電極パターンを半導体基
板の一方の主面に形成した後、当該半導体基板のパター
ンを形成した側を他の基板に張り付け、前記半導体基板
から前記電極パターンを分離することを特徴とする微小
可動機械機構の製造方法。
（４）電極パターンをボロンが高濃度に拡散されたシリ
コン基板内に形成したことを特徴とする請求項３に記載
の微小可動機械機構の製造方法。
（５）電極パターンを半導体基板の不純物のタイプと異
なる不純物タイプを拡散した半導体基板内に形成したこ
とを特徴とする請求項３に記載の微小可動機械機構の製
造方法。
（６）一方の電極を他方の電極から離れるに従ってその
電極間の距離が変化するようにしたことを特徴とする請
求項２に記載の微小可動機械機構。
（７）固定電極および可動電極を互いにそれぞれ異なる
電極ピッチで横方向に配置したことを特徴とする請求項
１に記載の微小可動機械機構。
（８）固定電極および可動電極の一方の電極を他方の電
極の上下に設けたことを特徴とする請求項１、７に記載
の微小可動機械機構。
（９）基板からの影響を減少させる緩衝機構を用いて当
該可動電極を基板上に支持したことを特徴とする請求項
１、７または８に記載の微小可動機械機構。
（１０）緩衝機構を可動連結板を介して複数のビームか
ら構成したことを特徴とする請求項９に記載の微小可動
機械機構。
（１１）固定電極に印加された静電力により可動電極が
移動する微小可動機械機構において、固定電極の歯に順
次に電圧を走査することにより、当該可動電極を移動さ
せることを特徴とする微小可動機械機構の駆動方法。
（１２）微小可動機械機構の位置を検出し、この位置信
号を当該固定電極駆動信号にフィードバックさせること
により、当該可動電極の運動を制御したことを特徴とす
る請求項１１に記載の微小可動機械機構の駆動方法。
（１３）薄膜磁気ヘッドあるいは光ディスクヘッドを可
動電極上に搭載したことを特徴とする請求項１、２、６
、７、８、９または１０に記載の微小可動機械機構。