JPH0564464A - 微小可動機械とその製造方法 - Google Patents
微小可動機械とその製造方法Info
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Abstract
ルギーを容易に外部や周囲の可動部に取り出すことを可
能とする。 【構成】 高濃度ボロン拡散によるシリコンエッチスト
ップを用いた多層構造の微小可動機械である。第一層目
に静電気力で運動エネルギーを与えると、与えられたエ
ネルギーは突起5と空隙6を伝わって第二層目に伝達さ
れる。第二層目に伝達されたエネルギーは歯車やビーム
等を使って外部に取り出すことが可能となる。
Description
れる微小可動機械とその製造方法に関するものである。
よく加工された多くの部品の組立を行うために、多くの
工程と技術を必要とした。また、微小な動きを精度よく
制御するために、全体として、大がかりなシステムにな
らざるを得なかった。これは、システムの高精度化、高
機能化において、機械要素の複雑化、大型化が不可避で
あったからである。一方従来の機械システムでは入り込
めなかった空間に侵入したり、微小な動きを制御したり
するシステムを作製するために、機械部品の縮小化が要
求されるようになった。シリコン集積回路技術を利用し
た微細加工技術を用いると、100μm程度の微小なロ
ーターを回したり、直線的に動かしたりすることが可能
である。この技術の例として、1989年の微小電気機
械システム国際会議(Micro Electro M
echanical Systems(MEMS’ 8
9))の論文集P53〜P59に記載されたウイリアム
・シー・タング(William・C・Tang)等に
よる「LaterallyDriven Resona
nt Microstructures」や、単結晶半
導体を用いた特願平2−023685号明細書に記載の
構造がある。これらの微小可動機械の構造は、基板上に
固定された固定部と、基板から浮き上がった可動部から
成り、固定部と可動部の間の静電気引力によって可動部
の運動が生じる。また、これらの微小機械の可動部は非
常に軽量なため、極めて高い共振周波数とQ値を有する
ことが確認されている。
は、可動部と固定部を同一平面上に配置するために固定
部に妨げられて可動部の回転エネルギーを外部に取り出
すことが困難であった。一方、直線運動型の微小機械で
は、この困難さが減少するが、依然として、運動の基本
の一つである回転運動が実現できないためにシステムの
自由度が制限されてしまうという問題があった。
除去するために、新たに三次元の構造を用いることによ
って可動部の回転、直線の両方の運動を容易に外部に取
り出すことができる微小機械とその作製方法を提供する
ことにある。
部に突起または空隙を設け、上層または下層に動力を伝
えることによって、アクチュエータで発生した動力を外
部または他の可動部に伝達することを特徴とし、また、
本構造を実現するために、層同士の位置合わせのための
突起を持つことを特徴としている。
にすることにより、発生した可動部のエネルギーを一平
面上だけでなく、上下方向を含めた三次元方向に伝達す
ることが可能となる。これは、一方の可動部に設けた突
起を他方の可動部の空隙に挿入することにより上下方向
に力が伝達することを可能としたことによる。なお、平
面上の動きに関しては従来例のように、歯車やビーム等
を用いることにより、力を横方向に伝達することが可能
である。一方、このような三次元構造を実現するため
に、上下の構造を位置合わせして貼り合わせる工程が非
常に重要である。本発明では、図4に示すように、位置
合わせ用の突起と穴を設けることにより、可動部を傷つ
けることなく正確に位置合わせすることを可能とした。
以上のように、各層を別々に作成して最後に張りつける
ことで、プロセスの簡単化と歩留まりの向上が期待でき
る。
図、同面(b)に同図(a)のA−B面断面図をそれぞ
れ示す。第一層目の固定部1と第一層目の可動部3の間
に電圧を印加すると、静電気力が発生し、両者の間に引
力が働く。これを回転方向に繰り返すことによって、第
一層目の可動部3は固定軸2を軸にして回転方向にトル
クを生じる。すなわち第一層目はモータである。発生し
たトルクは、突起5によって第二層目の可動部4に伝え
られ、可動部4とかみあう歯車100、これとかみあう
歯車200によって外部へエネルギーを伝えることがで
きる。図2に第一層目の作製方法を、図3に第二層目の
作製方法をそれぞれ示す。本発明の構造は図4に示した
ように、第一層目と第二層目とを互いに貼り合わせた後
で試料をエッチングすることにより、実現できる。以
下、図2〜図4を用いて本発明の微小機械の作製方法を
説明する。なお、図2〜図4は作製過程における図1
(a)のA−B断面を示したものである。
21を形成し、これをマスクにしてドライエッチング装
置(RIE)を用いてトレンチ23を形成する(図2
(a))。モータを形成する部分にボロンを高濃度に拡
散して拡散層24(同図(b))を形成し、続いて酸化
膜26を形成してトレンチ23を埋める。これをマスク
にしてボロン拡散24よりも深いトレンチ25を形成す
る(同図(c))。次に、浅いトレンチ27を形成した
後、深いトレンチ25をポリシリコン28で埋め、全面
をポリシリコン膜29で覆う(同図(d))。トレンチ
23を含む領域のポリシリコン膜29を除去した後、酸
化膜を堆積しパターニングしてトレンチ23を含む領域
から固定軸2にかかるようにしてストッパー10を形成
する(同図(e))。最後にウエハ表面の酸化膜を除去
し、静電接着法を用いてガラス基板8に接着し、全体を
ヒドラジン液に侵してエッチングを行う(同図
(f))。ボロンの高濃度拡散エッチストップによって
自動的に可動部3、固定部1、固定軸2、突起部5、
7、およびストッパー10が作製される。なおストッパ
ー10は可動部3が固定軸2から外れないようにするた
めに設けた。
同様にして作製することができる。 1)一層目と二層目の位置合わせに用いる穴11は、デ
バイス作製後は不必要になるために、図3(b)に示す
ように穴の部分にはボロン拡散を行わない。また、同図
(e)に示すように、この穴の表面付近をシリコン(1
00)面の異方性エッチングを利用して傾斜30を設け
ている。これは、第一層目と第二層目の位置合わせの
際、多少の位置のずれが生じても傾斜によってウエハ同
士を正確に位置合わせする事を可能としている。また、
可動部等の機械要素を傷つけないように突起においては
他の部分よりも先に穴の表面に接触するように厚く製作
した。 2)第二層目の固定軸2にはガラス層9が堆積されてい
る(同図(f))。このガラス層9は第一層目をガラス
基板に接着するときに用いた静電接着法によって第二層
目の固定軸を第一層目に固定するのに役立つ。以上のよ
うにして作製した図2(f)と図3(f)の各試料を図
4(a)のように位置合わせした後、接着し、最後に全
体をヒドラジン液中でエッチングすることにより、図4
(b)の構造が得られる。
第一層目に静電気力で運動エネルギーを与えると、与え
られたエネルギーは突起5と空隙6を伝わって第二層目
に伝達される。第二層目に伝達されたエネルギーは図1
のような歯車列等を使って外部に取り出すことが可能と
なる。なお、本発明では、二つの層からなる構造を例と
して説明したが、本発明は、これに限定されることがな
い。例えば第二層目の可動部4に第一層目の可動部3の
突起5と同じような突起を設け、その上にその突起とは
まりあう空隙をもった第三層目の可動部を設けてもよ
い。また歯車100、200の回転運動を上方に伝えた
いときは同様に突起を歯車100、200に設け、その
上にその突起とはまりあう空隙をもった上層の歯車を設
ければよい。従って、本発明の作製方法を用いることに
より、三層、四層等の多層構造を順次作製することが可
能である。また、本発明の実施例では、外部からの印加
力として静電気力を例にとり示したが、外部力として、
静電気力の他に、電磁力、熱力あるいは1991年の微
小電気機械システム国際会議(MicroElectr
o Mechanical Systems(MEM
S’89))の論文集p69〜73に記載されたダブリ
ュー・メンツ(W・Menz)等による「The LI
GA Technique−a Novel Conc
eptforMicrostructures and
the Combinationwith Si−T
echnologies by Injection
Molding」に報告されているような流体力等も使
用可能であることは言うまでもない。
ることにより、運動エネルギーを容易に外部や周囲の可
動部に取り出すことが可能となった。また、従来の技術
では微小機械を厚く作製することができないため、大き
なトルクを得るために高い電圧を印加することが必要で
あるという難点があった。しかし、本発明を用いると、
上下方向に複数の動力源から積算した運動エネルギーを
積算させて印加することも可能となるので、従来に比べ
て低い電圧で微小機械を運動させることも可能になっ
た。
車を三段連結した構造の上面とその動力部分の断面図で
ある。
製を工程順に示した断面図である。
製を工程順に示した断面図である。
両者の貼り合わせを行った断面図であり、(b)はデバ
イスの完成図である。
Claims (3)
- 【請求項1】 外部から印加された力により可動電極が
運動する微小可動機械において、突起を持った可動部
と、前記可動部の上層または下層に位置し、かつ前記突
起がはまる空隙を持った可動部の少なくとも二層以上の
微小可動機械層から構成されることを特徴とする微小可
動機械。 - 【請求項2】 別々に作製した上層と下層の固定部同士
を接合することを特徴とする請求項1に記載の微小可動
機械の製造方法。 - 【請求項3】 一方の層に他方の層との位置合わせのた
めの突起を有し、他方の層に位置合わせのための空隙を
有することを特徴とする請求項2に記載の微小可動機械
の製造方法。
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