JPH03230780A

JPH03230780A - 微小可動機械

Info

Publication number: JPH03230780A
Application number: JP2368590A
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: 2012-08-06
Also published as: JP2639154B2

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）本発明は微小可動機械に関し、特に光走査、変調等を行
う微小光学系や半導体や医療の分野等で用いられる微小
マニピュレータ、ガス精密制御系等のｉ敢小機械要素と
して用いられる微小可動機械に関する。

（従来の技術）従来、上記分野で使用されている微小可動機械は、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
械加工技術の進歩により比較的低価格で精度の良いもの
を作ることが可能である。

しかし、昨今のマイクロエレクトロニクスの飛躍的な発
展によって電子部品が急激に小型化されたため、これに
伴ってシステムの小型化がさらに要求されるようになっ
た。しかし、従来の機械加工の延長上の技術では機械要
素を電子部品の進歩程度に急激に小型化することが不可
能であるため、最近、革新的な加工技術の出現が強く期
待されている。例えば、光変調で用いられている光チョ
ッパーは従来メタルを加工して作製した歯車とこれを駆
動する電磁モータとからなっている。精密に加工するた
めに歯車の直径を数ｍｍ以下にすることが困難であるの
に加えて、この歯車を駆動するモータにコイルを使用す
るためこれも微細化することが不可能である。その結果
、光チョッパーの寸法を数０ｍ３以下にすることができ
なかった。

方、良く知られているように光ＩＣや電子ＩＣは数ｍｍ
角のチップ上にほぼ必要な機能を全て集積化することが
可能である。従って、上記分野において、システムの小
型化を実現するために機械要素およびその駆動系の大き
さが最大の障害となっていることがわかる。

二年はど前にポリシリコンの表面マイクロマシーニング
技術を利用してシリコン基板表面上に可動機械部品を互
いに結合するジヨイントが作れることが発表され、歯車
、バネ、スライダー、およびマイクロ鋏がポリシリコン
から試作された。特に、１９８８年のエレクトロデバイ
ス国際会議予稿集（Ｔｅｃｈｎｉｃａｌ　Ｄｉｇｅｓｔ
　ｏｆ　Ｉｎｔｅｒｎａｔｉｏｎａｌ　Ｅｌｅｃｔｒｏ
ｎ　ＤｅｖｉｃｅｓＭｅｅｔｉｎｇ　’８８　（ＩＥＤ
Ｍ　’８８））の６６６ページから６６９ページに記載
されたエル、ニス、ファン（Ｌ、　Ｓ、　Ｆａｎ）等に
よるｒ　ＩＣ−Ｐｒｏｃｅｓｓｅｄ　Ｅｌｅｃｔｒｏｓ
ｔａｔｉｃ　Ｍｉｃｒｏ−ｍｏｔｏｒｓ　Ｊにおいて、
１１００ｐ稈度の直径と１μｍ程度の厚さを持つ微小な
ポリシリコンマイクロモータの試作が記述され、現実に
静電力により５００ｒｐｍ程度の速さで回転することが
確かめられたことは注目に値する。この結果、機械要素
とその駆動系を小型化したシステムを現実に作製できる
のではないかと期待されるようになった。以下、この技
術を紹介し、その問題点と解決方法、および試作したデ
バイスの本発明による効果を示す。

第１５図（ａ）および（ｂ）に先に引用したり、　Ｓ、
　Ｆａｎ等が試作したポリシリコンステンプモータの上
面図と断面図を示す。このマイクロモータは回転するロ
ータ１と、ロータ１が外れることを防ぐためにロータ１
の中心側を上面から覆うキャップ４をもつシャフト２、
およびロータ１の外部に位置してロータ１の静電力を印
加するステータ３の３つの要素から構成されている。同
図に明かなように、シャフト２と固定台７に固定された
ステータ３が絶縁膜５を介してシリコン基板６に固定さ
れているのに対して、ロータ１はシリコン基板６から自
由であり、シャフト２のまわりに回転することができる
。口〜夕１とステータ３の間にお互いに反対符号の電圧
を加えるとき、静電力によりロータ１がステータ３に引
き付けられる。互いに１８０度反対側に位置する二つの
ステータに同位相の電圧を印加し、同図に示すように、
φｌ、Φ２、φ３と順次位相を回転させるとき、ロータ
１もそれに従って回転する。なお、ステータに印加する
位相の回転の向きを反対にすることによりロータ１の回
転方向を反対にすることができる。

このポリシリコンからなるステップモータは非常に微小
に作製することが可能である。第１６図（ａ）〜（ｄ）
は、ポリシリコンステップモータの作製方法である。シ
リコン基板６の一方の主面に酸化膜、窒化膜等の絶縁膜
５に堆積した後、絶縁膜５の上に第１ＰＳＧ膜１１およ
び第１ポリシリコン膜１ｏを堆積し、１０と１１の膜中
にステータとロータとの分離窓８をパターニングする（
同図（ａ））。第２ＰＳＧ膜１２を堆積した後、パター
ニングして中央部にシャフトのための窓を開ける（同図
（ｂ））。第２ボ１ノシリコン膜１３を堆積しパターニ
ングしてシャフト２とギヤノブ４を形成する（同図（Ｃ
））。この試料を弗酸液の中に長時間浸すことによりＰ
ＳＧ膜１１．１２を除去する（同図（ｄ））。

このとき、第１ＰＳＧ膜１１の一部を残して固定台７と
なるようにエツチング時間を調整する。同図（ｄ）に示
すように第１ポリシリコン膜１ｏがら先の図のステータ
３０ロータ１が作製され、ロータ１をシリコン基板６か
ら浮き上がった構造に作製できる。

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上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
がないという長所が付加されるため、今後の発展が大い
に期待される。

（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
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１μｍ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柊的にシリ
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１μｍ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　ＩｎｔｅｒｎａｔｉｎｏａｌＣｏｎｆｅｒｅ
ｎｃｅ　ｏｎ　５ｏｌｉｄ−ｓｔａｔｅ　５ｅｎｓｏｒ
ｓ　ａｎｄ　Ａｃｔｕａｔｏｒｓ　）（１９８７年６月
）に記載のニス、デ仁センチュリア（Ｓ。

Ｄ、　５ｅｎｔｕｒｉａ　）によるｒ　Ｍｉｃｒｏｆａ
ｂｒｉｃａｔｅｄ　５ｔｒｕｃｔｕｒｅｓ　ｆｏｒｔｈ
ｅ　Ｍｅａｓｕｒｅｍｅｎｔ　ｏｆ　Ｍｅｃｈａｎｉｃ
ａｌ　Ｐｒｏｐｅｒｔｉｅｓ　ａｎｄＡｄｈｅｓｉｏｎ
　ｏｆ　Ｔｈ１ｎ　Ｆｉｌｍｓ　Ｊ　（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
を作製することが現実的に容易でない。しかし、ポリシ
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。

従来例のステップモータのロータはステータとの間の電
位差に起因する静電力によって回転する。この静電力は
互いに対抗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）十分な静電力を
得るためには大きな電圧を印加する必要があった。先の
従来例では２００Ｖがら３５０ｖもの電圧が必要であっ
た。この電圧は、通常のＩＣで用いられている１０■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竜用のコイルを必
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、ロータとステータ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１１１０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
まだ充分の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械の構造
及びこれを実現する製作方法が切に望まれていた。

本発明の目的は、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た微小可動機械とその作製方
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微小可動機械において、電極
のうち少なくとも一つが単結晶半導体からなり、しかも
ストッパーを有することを特徴としている。ストッパー
は可動電極あるいは固定電極に固定するとよい。

本願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微小可動機械の
製造方法において、少なくとも一つの固定電極あるいは
可動電極パターンとストッパーとを半導体基板の一方の
主面に形成した後、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、前記電極パターンおよびストッ
パーを前記半導体基板から分離することを特徴としてい
る。

電極パターンの形成方法としては、ボロンを高濃度に拡
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。また可動電極を基板から分離する方法として
は、半導体基板にトレンチを形成し、半導体材料で埋め
、この半導体材料の上にストッパーを作製した後、この
半導体材料を除去する方法などがある。

本発明の微小可動機械として該電極に接する当該ストッ
パーの少なくとも一部に半球状の突起を設けた構造や、
外部の流体に接する少なくとも一つの可動電極あるいは
ストッパーに少なくとも一方に少なくとも一つの凹また
は凸を設けた構造もある。また可動電極の周囲にのみ当
該固定電極を設けた構造もある。また可動電極の中央に
突起を設けてもよい。あるいは可動電極の上に固定電極
に吊るしてもよい。また固定電極あるいは可動電極の一
方の電極を他方の電極の上下に設けてもよい。

（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、その機織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を工夫
することにより、微小機械の種々の運動が可能となる。

（実施例）本発明を用いて従来例と同様のステップモータを作製し
たときの構造を第１図に示す断面図を用いて説明する。

第１図で、周辺の固定電極３１．中央の固定電極３９１
、可動電極３２はシリコンの単結晶からなっており厚さ
は１０μｍである。回転時には可動電極３２はガラス基
板３４から浮き上がっている。

方、固定電極３１および３９は、シリコンからなる固定
台３６によりガラス基板３４上に固定されている。

この可動電極３２の下面にはストッパー３３が可動電極
３２に固定して設けられており、ストッパー３３の先端
が中央の固定電極３９の下面の一部を覆っている。この
ため、可動電極３２が固定電極３９がら上にはずれてし
まうことを防げる。さらにストッパー３３がガラス基板
３４の上面に接触することにより可動電極３２の下側へ
の移動が制止される。従って、可動電極３２は常にガラ
ス基板３４の上の狭い範囲の間に存在することになる。

可動電極３２がガラス基板３４の上を回転するときスト
ッパー３３とガラス基板３４との間に生じる摩擦を小さ
くする目的で接触面積を小さくするための接触柱３８が
ストッパー３３に設けられている。また、固定電極３１
と可動電極３２との間の電気的短絡を防ぐために絶縁壁
３７が固定電極３１と可動電極３２の側壁に設けられて
いる。

また中央の固定電極３９の側壁にも絶縁壁３７がある。

絶縁壁３７は可動電極３２と中央の固定電極３９とが接
触するときに潤滑膜としての機能も有している。これら
固定電極３１．３９．可動電極３２．固定台３６は全て
同一のシリコン基板から作製する。そのため、きわめて
近い機械的性質をもっている二とが本構造の主な特徴で
ある。さらに、単結晶から作製されたため個々の内部構
造の機械的性質も非常に均一で、しかも内部応力が小さ
くなっている。

固定電極３１に駆動のための電位を供給するために、リ
ード線３５がガラス基板３４上にメタルの選択的形成に
より作製される。リード線３５は固定台３６の一部と接
しており電気的に導通している。同様にして、中央の固
定電極３９もリード＆Ｓ３５と導通しており（図示せず
）、可動電極３２に固定電極３９を通してアース電位を
供給している。可動電極３２は側壁の絶縁壁３７を介し
て固定電極３９と接触するが、可動電極３２は電気的に
は浮いているので固定電極３９の電位つまりアース電位
となる。通常、メタル電極はクロム−金、チタン−白金
−金等の複数の金属膜から構成される。一方、周辺の固
定電極３１にはアース電位に等しい電位と、異なる電位
（１０Ｖ程度）との二相の交流電位が印加され、可動電
極３２の回りを順次回転するように走査される。固定、
可動の電極の厚さが１０ｐｍと従来より厚いため交流電
位もＩＯＶ程度と低くても十分回転する。可動電極３２
はアース電位である側の固定電極３１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
電力を生ずる。このため可動電極はアース電位と異なる
固定電極の側に移動し、この状態が円周上で順次回転す
るように切り替わるためにこの切り替え速度に比例して
回転する。なお、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、例えば固定電極３１と可
動電極３２のいずれかがポリシリコンであってもよい。

固定電極３１を７さ１０νｍの単結晶Ｓｉ、可動電極３
２を厚さｌｐｍのポリシリコンとしたときは、両者とも
厚さ１μｍのポリシリコンである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。

本発明の実施例の構造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Ｌ−ｆ′″バイ
スが高い湿度等の劣悪な環境にさらされるならば異なる
メタル配線間にガラス表面を通して電１九のリークが生
じるため問題となる。そのため、上記メタル配線をバタ
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、第１図の実施例の゛構造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、可動電極３２と固定
電極３１との間に基板を介した寄生容量が生じない。そ
のため、可動電極３２と固定電極３１との間に固定電極
に供給した電位差に等しい静電力が働く。これは従来例
に比べてデバイスの効率を著しく高めるのに役立つ。さ
らに、駆動の際に基板を介した電気力線の影響を全く無
視することが可能であるため、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。そのため、デバイスの解析並びにスケノングが著し
く簡素化される。

本実施例ではシリコン基板をガラス基板に張り付ケた構
造を述べたが、これをシリコン基板に張り付けた構造も
本発明に含まれる。このとき、シリコン基板がガラスに
比べて不完全な絶縁体であることから、デバイス内の電
気力線が複雑になるという欠点が生じるが、一方、容易
にシリコン基板内に凹凸の形状を作製することが可能な
ことがら、本実施例と異なる複雑な構造を作ることもで
きる。例えば、一方のシリコン基板に可動電極を他方の
シリコン基板に固定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デバイスを構成することも
可能となる。

第２図に第１図のモータを作製する方法の一実施例を述
べる。シリコン単結晶基板２ｏの上に酸化膜２１を形成
し、部分的に酸化膜２を除去した領域から高濃度のボロ
ンを拡散してホロン拡散層２２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２３を設け
、部分的に除去した後、酸化膜２３をマスクにしてホロ
ン拡散層２２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２４を形成するく同図（ｂ））。こ
のトレンチ溝２４は、ドライエッチＲＩＥ（Ｒｅａｃｔ
ｉｖｅ　Ｉｏｎ　Ｅｃｈｉｎρ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か可能である。簡単な多
角形の形状のみから電極を構成する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
ジアミンピロカテコール）等の異方性エツチング液を用
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２４を作製す
ることが可能である。酸化膜２３をパターニングして酸
化膜２５とし、これをマスクとしてボロン拡散層２２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。続いて、酸化膜２５を除去し、全面に酸化
膜２６を形成した後、ポリシリコン膜２７によりトレン
チ溝２４を埋める（同図（ｄ））。酸化膜２６はボロン
拡散層２２から外部へのボロンの拡散を防ぐ役目をする
。このポリシリコン膜２７にストッパーのための窓を開
ける。酸化膜、および窒化膜を堆積してストッパー２８
をパターニングする（ｐＪ　図（ｅ））。このときに接
触柱３８も形成される。この酸化膜と窒化膜の複合膜で
は内部に大きな応力が生じてストッパーが変形する原因
となる。この変形を小さくするために酸化膜と窒化膜の
厚さの比を４：１から２：工程度の間にすることが望ま
しい。また９００°Ｃから１１００°Ｃ程度で複合膜を
アニールすることも内部応力を減少させるのに役立つ。

この後、固定電極３１．３９の下面のポリシリコン膜２
７および酸化膜２６を除去して固定電極３１．３９を静
電接着法によりカラス基板に接着する（図示せず）。こ
のカラス基板には予め第１図のリード線３５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が
選択的にパターニングされている。

これら金窩層とホロン拡散層からなる固定電極との導通
をシリコンとガラスとの接合の力を利用して行う。ホロ
ン拡散層がメタル層に物理的に直接押し付けられること
により導通がとられるため、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ＦＤＰ等
のエツチング液に浸し、シリコン基板２０とポリシリコ
ン２７を除去し、試料を弗酸に軽く浸すことにより酸化
膜２６を除去して可動電極３２を基板から自由にする。

ＦＤＰ等のエツチング液は高濃度にホロンが拡散された
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エツチング液に溶けな
いで残る。以上述べた作製方法でボロン拡散温度と時間
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
ｌｐｍ程度から数十ｐｍ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、その機械的性質が均一であることがこの構造の
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リード線と二回のコンタク
トのために最低さらに三枚のマスク工程が必要であるた
め、合計で６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５回のマスク工程を必要
とするだけである。このため、製作が容易となった。

第３図に本発明の構造を作製するための他の方法の一例
を述べる。同図の構成要素で第２図の要素と同じ番号を
持つ要素は同じ構成要素を示している。同図の（ａ）か
ら（Ｃ）までの作製方法は第２図（ａ）から（Ｃ）まで
の作製方法と同じであるので説明を省略する。本発明で
は第２図の酸化膜２６をパターニングしてトレンチ溝２
４のみを覆う酸化膜４５を形成する。

ポリシリコンを用いてトレンチ溝２４を生めた後、この
ポリシリコンをエッチバックによりトレンチ溝２４のみ
にポリシリコン膜４７を残すようにする。

続いて、全面をＣＶＤ酸化膜４６で覆う（同図（ｄ））
。この酸化膜４６にストッパーのための窓を設け、ポリ
シリコンの堆積、パターニングにより、ポリシリコン膜
からなるストッパー４８を作製する。この試料の全面に
ボロンを拡散してストッパーのポリシリコン膜４８にボ
ロンを高濃度に拡販する（同図（ｅ））。

試料を弗酸の中に浸すことによって酸化膜４６を全面か
ら除去した後、この試料をガラス基板に接着する。この
試料のＥＤＰ等のシリコンエノチンダ液に浸して、シリ
コン基板２０およびポリシリコン４７を除去する。一方
、ポリシリコン膜４８はボロンが高濃度に拡散されてい
るためにエツチングされないで残る。最後に、試料を弗
酸溶液に軽く浸して酸化膜４５を除去して可動電極３２
を自由にする。この方法により、ポリシリコンからなる
ストッパー４８を作製することができる。この構造は単
一の材料からなるため、第２図の構造のときに問題とな
る恐れのあるストッパー内部の歪みを小さくすることが
できる。なおストッパー４８はノンドープあるいはｎ型
のポリシリコンでもがまわない。また本実施例では最初
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（Ｃ）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ジノコンの
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２２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、ジノコンのエツチング
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。

さらに、本実施例で記述したポリシリコンでトレンチ溝
を埋める方法の他にＰＳＧ、　ＢＰＳＧ等の材料をＨＴ
Ｏ（旦ｉｇｈ工ｅｍｐｅｒａｔｕｒｅ　０ｘｉｄａｔｉ
ｏｎ）ＣＶＤ　、　ＴＥ０１（Ｔｅｔｒａ　Ｅｔｈｙｌ
Ｏｒｔｈｏ−８ｉｌｉｃａｔｅ）等の方法を用いて埋め
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の構造を示す。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４図の構成は、ストッパー４９を除い
て第１図の実施例と同じである。この実施例ではストッ
パー４９が可動電極３２の周囲に設けられており、スト
ッパー４９の先端が固定電極３１の一部を覆うように作
製されている。可動電極３２が回転するとき可動電極３
２が頻繁に中央の固定電（り３９と接触するため、この
可動電極３２の内側で材料市な摩耗が生じ易い。従って
、本発明の構成のほうが可動電極の内側にストッパーを
設けた第１図の構成よりもデバイスが壊れにくいという
利点がある。

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１図の構成要素と同じ番号を持つものけ同じ要素を示
している。第５図の構成は、ストッパー５０の構造を除
いて第１図の実施例と同じである。本実施例ではストッ
パー３３に加えてストッパー５０が固定電極３１に接し
て設けられている。このストッパー５０により可動電極
３２のガラス基板３４に接触するのを防止できることに
加えて、可動電極３２の上下方向の移動範囲を小さく制
限できるため、常に可動電極３２と固定電極３１との相
対的位置を一定に設定することが可能となる。従って、
可動電極３２に働く静電力の大きさを可動電極の運動に
拘わらずに一定に保つことが可能となった。

第６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要素を示
している。第６図の構成は、ストッパー６２が中央の固
定電極６１および可動電極６０と接触する部分の構造を
除いて第１図の実施例と同じである。本実施例ではスト
ッパー６２の可動電極６０側に半球面状の突起６４が設
けられており、この突起６４を介してストッパー６２が
半球状のくぼみが設けられた中央の固定電極６１と接触
している。このように球面で接触する構造は第１図の構
造のような平面で接触する構造に比べてストッパーと固
定電極との接触面積を小さくできる。従って、ストッパ
ー６２と固定電極６１との摩擦を小さくすることが出来
る。これはデバイスの摩耗を小さくし、可動電極６０が
効率よく運動することに役立つ。突起６４やくぼみの形
状は半球状に限らず、接触面積を小さくできる滑らかな
形状であれば何でもよく、例えば回転楕円体を半分に割
ったような形状でもよい。

第７図（ａ）〜（ｅ）に第６図の構造を作製する方法の
一実施例を示す。同図の構成要素で第２図の構成要素と
同じ番号を持つものは同し要素を示している。

シリコン単結晶基板２０の上に酸化膜２１を形成し、部
分的に酸化膜２１を除去した領域からシリコンを除去し
てトレンチ溝２４を形成する（同図（ａ））。酸化膜２
１を部分的に除去して酸化膜２３を形成し、これをマス
クにしてシリコン基板２０を浅くエツチングする（同図
（ｂ））。酸化膜２３を除去し酸化膜７０を設ける。

この酸化膜７０の一部に窓を開け、硝酸弗酸の混合液等
の等注性のエツチング液を用いてシリコン基板に半球面
状の穴７１を形成する（同図（Ｃ））。再びシリコン基
板を酸化した後、トレンチ溝２４及び半球面穴７３の内
部に酸化膜を残してボロンを拡散する（同図（ｄ））。

続いて、第２図あるいは第３図に示した方法によりスト
ッパー６２を作製する（同図（ｅ））。その後の作製方
法は第２、あるいは３図の方法で記述したと同様である
ため省略する。

第８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要素を示
している。第８図の構成では、可動電極８２の一部に半
球状の凹凸突起８０および８１とが設けられている。流
体力学で良く知られているように流体に接する部分に突
起があるときその部分に働く流体の圧力が変化する。第
８図の構造の場合には可動電極８２が回転するに従って
、可動電極８２に上向きの揚力が働く。この結果、スト
ッパー３３と基板３４との摩擦が減少して可動電極の運
動を効率良く行うことが可能となる。なお、第８図では
凹と凸をともに形成したが、凹のみや凸のみでもよい。

また第８図では凹凸を可動電極８２に設けたがストッパ
ー３３にこれを設けてもよいし、両方に設けてもよい。

突起の形状は半球状に限らず、揚力が働くような形状で
あれば何でもよい。また本実施例のモータに第６図に示
したような突起とくぼみを設けてもよい。

第９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。第９図の構成は、第４図の中央の固定電極３
９が除去されたことと可動電極９２の構造が歯のない円
形となったことを除いて第４図の実施例と同じである。

しかし、本発明の構造は第４図の構造と運動状態および
性能の点で著しく異なる。第４図の構造では従来例の第
１５図（ａ）に示した歯車の形状をもつ可動電極３２が
中央の固定電極３９に接触して回転する。駆動のための
静電力が可動電極の外周に設けられた固定電極により供
給されるため、可動電極が中央の固定電極に接触する部
分には常に大きな摩擦力が発生した。この摩擦力のため
に可動電極の内周部がすり減りデバイスの寿命が短縮化
されるという問題があった。一方、本実施例では可動電
極９２が周囲の固定電極３１に接しながら転がるような
状態で回転する。通常の摩擦に比べて転がり摩擦のほう
が非常に小さいことから、可動電極は滑らかに運動を行
い、その結果、可動電極の摩耗による損傷を著しく減少
させることが可能となる。なお、同図の絶縁壁３７の材
質として酸化膜あるいは窒化膜、もしくはこの複合膜等
を用いることができる。また本実施例のモータに第６図
に示したような突起とくぼみを設けてもよいし、第８図
に示したような凹や凸を設けることも可能である。

第１０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。第１０図の構成は、第４図の実施例に比べ
て、第４図の中央の固定電極３９が除去されたこと、可
動電極１０２の構造に中央突起部１００を設けたことが
主な特徴である。可動電極１０２が中央の突起部１００
をガラス基板３４に接触させて、独楽の回転と同様の原
理で回転運動を行う。可動電極１０２が回転していると
き、可動電極は中央突起１００のみて他の材質と接触す
る。従って、接触面積が小さいことから、可動電極に働
く摩擦を小さく抑えることが可能となる。なお、同図に
はガラス基板３４の上に可動電極の突起部１００が動け
るためのすき間となる穴１０１が開口されている。この
実施例のほかに、突起部１００の長さを短くして可動電
極１０２の運動の隙間を作った構成も本発明に含まれる
。

このときガラス基板３４に穴１０１を設ける必要がない
という利点がある。また本実施例に第６図で示したよう
な突起とくぼみを設けてもよいし、第８図で示したよう
な凹や凸を設けてもよい。また突起部は半球状のもので
もよい。

第１１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要素を
示している。第１１図の構成は、第１図の中央の固定電
極の構造と、ストッパーの構造が第１図の実施例と大き
く異なる。この実施例では、中央の固定電極１１０がア
ーム１１３により可動電極１１２の上につり上げられて
いる。ストッパー１１１は可動電極１１２を連結すると
ともに固定電極１１０の中央部に設けられた半球状の穴
１１４で固定電極１１０と接している。第６図の例と同
様に本発明の構成も可動電極と固定電極との摩擦を減少
させるのに効果的である。また第１１図の実施例に第８
図に示したような凹や凸を設けてもよい。さらに、第１
１図に示すように可動電極１１２の下側のガラス基板３
４表面に空間ができるため、ここに新たな機能をもつ要
素を以下の実施例に述べるように設けることも可能であ
る。

第１２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要素を
示している。第１２図の構成は、周囲の固定電極１２１
の構造と、ガラス基板３４の上に新たに設けられた固定
電極１２２の構造が第１図の実施例と異なる。本発明で
は、可動電極３２がその上下に設けられた固定電極１２
１および１２２とにより駆動される。１２１と１２２の
平面状の位置が異なるように配置したとき、１２１と１
２２に加える電圧を制御することにより可動電極３２が
中央の固定電極３９およびガラス基板３４０表面に接触
することなく回転させることが可能となる。これにより
、デバイスの摩擦の問題が著しく軽！に、される。また
、固定電極１２１と１２２の平面上の相対位置をずらせ
て配置し、駆動電圧を１２１−１２２−１２１と順次供
給するとき、可動電極３２を第１図の構成に比べて固定
電極配置の半分のピッチで微細に回転させることができ
る。さらに、第１１図の構成により中央の固定電極をガ
ラス塾仮の上に吊るすことにより拡大された可動電極の
下の領域に第１２図のような固定電極を設けることによ
り可動電極の上下方向の位置を制御することも′ｉ′ｉ
Ｔ能である。また、ガラス基板にかえてシリコシ店阪を
用いるならば、この領域に設けることもｉｉｊ　ＱＦ、
である。なお、ガラス基板上の固定電極１２２はメタル
の選択エツチング、あるいは高濃度ポロシが拡散さオし
たシリコン等から形成することができる。また不実施例
に第６図に示したような突起とくぼみを設けてもよいし
、第８図に示したような凹や凸を設けてもよい。また第
９図のように中央の固定電極を除去してもよいし、第１
０図のように中央突起部を設けてもよい。

第１３図に本発明のほかの実施例を示す。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要素
を示している。第１３図の構成は、可動電極１３２と周
囲の固定電極３１の相対位置と、ストッパー１３０の構
造が第１図の実施例と異なる。本発明では、ストッパー
１３０のノブ１３１が可動電極１３２の上表面と同じ高
さに設けられている。このため、可動電極１３２が固定
電極３１．３９の上表面よりも低く位置するようになる
ので、周囲の固定電極３１と中央の固定電極３９との間
の電気力線の分布が同図の可動電極の全体でガラス基板
３４の表面に平行となる。これにより、固定電極３１お
よび３９の上表面付近で電気力線の分布がガラス基板３
４と平行でない影響を除去できる。従って、本発明の構
造により可動電極１３２に均一な力が働くため、可動電
極の回転が滑らかとなる利点が生まれる。

第１４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要素を
示している。第１４図の構成では、可動電極１４２が従
来例と同様のポリシリコンから作製されるのに対して、
固定電極３１と３９が高濃度ボロンが拡散された単結晶
シリコンからなっている。このような構造を取ることに
よりデバイスの設計の自由度が大きくなり、用途に応じ
て種々に構造と材料とを選ぶことが可能となる。

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基板から形成した力飄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５〜第１４図に示した例およびその変形例は電極
の少なくとも一つが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。

以上述べたデバイスでは、異なる電位か印加された固定
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の歯の
位置に可動電極の歯が合致するように可動電極を移動で
きる。印加電圧を隣り合う固定電極の歯に順次に操作す
ることによりこの操作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位を検出する
ことも可能である。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れ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。

以上、平面上を回転可能なステップモータの構造、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ステップ回転モータとして利
用することが出来る。さらに、可動電極の歯の位置の平
坦面の上にメタル等を既知の方法で堆積、パターニング
することにより微小な光反射シャッターを作製すること
が可能である。つまり可動電極をシャッターとして使う
わけである。この光シヤツターの作製方法としてさらに
光ＣＶＤ等の技術を用いて直接描画する手法も本発明に
含まれる。また、ガラス基板３４を通して裏面から進入
した光を歯車（可動電極）の歯によりチョッピングする
光チョッパーにも容易に応用できる。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
光ディスクを読み書きする微少な光回転ヘッドを構成す
ることも可能である。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
、本発明のアクチュエータは回転運動をするものに限ら
れることなく、直線上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、固定電極が可動電極の周囲に直線的に配列さ
れる。

（発明の効果）本発明の微小可動機械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、厚くし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できる。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ので、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。特に、基板の寄生容量が非常に小さくす
ることができることから、外部の印加電圧を効率的に利
用できることの利点は著しいものである。本文で述べた
利用方法の他に、この単結晶半導体からなるアクチュエ
ータの上に種々のセンサを形成するとき非常に微小で高
速に動作する可動センサ機械も実現することが可動であ
る。これらの効果は著しいものであり、本発明は有効な
ものである。

【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断面図、第２．３
図は本願発明の作製方法の一実施例の断面図、第４図か
ら第６図は本願発明の他の実施例の断面図、第７図は第
６図に示した本願発明の実施例の作製方法の断面図、第
８図から第１４図は他の実施例の断面図を示している。さらに、第１５図（ａ）および（ｂ）は従来の構造の上
面図および断面図、第１６図はその作製方法の断面図を
示す。 ■・・・ロータ、２・・・シャフト、３・・・ステータ
、４・・・キャブ、５・・・絶縁膜、６・・・シリコン
基板、７．・・固定台、８１．。分訓、窓、■０・・・第１ポリシリコン、１１・・・Ｈ
ｌｐｓａ、　１２−１・第２ＰＳＧ、　１３・・・第２
ポリシリコン、２０・・・シリコン基板、２１．２３．
２５．２６．４５・・・酸化膜、２２・・・ボロン拡散
層、２４・・斗しンチ講、２７・・・ポリシリコン膜、
２８・・・ストッパー、３１・・・固定電極、３２．・
・可動電極、３３．・・ストッパー、３４−９．カラス
基板、３５．、・リード線、３６・・・固定台、３７・
・・絶縁壁、３８・・・接触柱、３９・・・固定台、４
６−、ＣＶＤ酸化膜、４７・・・ポリシリコン、４８．
４９．、、　ストッパー、５０．６２．１１１．１３０
・・・ストッパー、６０．８２．９２゜１０２、１１２
．１３２．１４２・・・可動電極、７０．７２．７３・
・・酸化膜、７１・・・半球状穴、８０・・・半球状突
起、８１．１１４・・・半球状穴、１００・・・突起、
１０１・・・穴、１１０．１２１．１２２・・・固定電
極、１１３・・・アーム、１３１・・・ノブ。

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において、電極のうち少なくとも一
つが単結晶半導体からなり、しかもストッパーを有する
ことを特徴とする微小可動機械。
（２）ストッパーが可動電極あるいは固定電極に固定さ
れていることを特徴とする請求項１に記載の微小可動機
械。
（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とストッパーと
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
電極パターンおよびストッパーを前記半導体基板から分
離することを特徴とする微小可動機械の製造方法。
（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の製造方
法。
（６）半導体基板に形成したトレンチを半導体材料で埋
め、ストッパーを作製した後、当該半導体材料を除去し
たことを特徴とする請求項３、４または５に記載の微小
可動機械の製造方法。
（７）ストッパーの電極と接する部分に滑らかな形状の
突起を設けたことを特徴とする請求項１または２に記載
の微小可動機械。
（８）外部の流体に接する少なくとも一つの可動電極あ
るいはストッパーの少なくとも一方に少なくとも一つの
凹あるいは凸を設けたことを特徴とする請求項１、２ま
たは７に記載の微小可動機械。
（９）可動電極の周囲にのみ当該固定電極を設けたこと
を特徴とする請求項１、２、７または８に記載の微小可
動機械。
（１０）可動電極の中央に突起を設けたことを特徴とす
る請求項１、２、７、８または９に記載の微小可動機械
。
（１１）可動電極の上に該固定電極を吊るしたことを特
徴とする請求項１、２、７または８に記載の微小可動機
械。
（１２）固定電極あるいは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、２、
７、８、９、１０または１１に記載の微小可動機械。