JPH0790436A

JPH0790436A - ＴｉＮｉ系形状記憶合金堆積膜

Info

Publication number: JPH0790436A
Application number: JP23303693A
Authority: JP
Inventors: Yoshinori Ota; 好紀太田
Original assignee: Olympus Optical Co Ltd
Current assignee: Olympus Corp
Priority date: 1993-09-20
Filing date: 1993-09-20
Publication date: 1995-04-04

Abstract

(57)【要約】【目的】この発明は、異なる変態点を持つ層状ＳＭＡを
堆積して形成される堆積積層膜ＳＭＡあるいは面状に異
なる変態点を持つ堆積膜を用いることにより、アナログ
的に形状を変化できＳＭＡを得ることを目的とする。【構成】ＴｉＮｉ系形状記憶合金堆積膜において、Ｔｉ
組成あるいはＮｉ組成の異なる膜が順次堆積されている
構成であることを特徴とするＴｉＮｉ系形状記憶合金堆
積膜、あるいは酸素濃度の異なる膜が順次堆積された構
成であることを特徴とするＴｉＮｉ系形状記憶合金堆積
膜。

Description

【発明の詳細な説明】

【０００１】

【産業上の利用分野】本発明はＴｉＮｉ系形状記憶合金
堆積膜に関し、特に微細化に適すると期待される形状記
憶合金（以下ＳＭＡと呼ぶ）でアナログ的な屈曲や変位
が可能な堆積膜に関するものである。

【０００２】

【従来の技術】近年、半導体微細加工技術を応用した種
々のセンサやアクチュエータが提案され、小型化、集積
化、ＩＣとの一体化の方向で技術蓄積が行われている。
マイクロマシンの分野はこれらを包含する広い技術領域
であり、特に微小化に適するアクチュエータの開発が重
要課題の１つになっている。

【０００３】ＳＭＡは単位体積当りの力量が大きいとい
う特徴があり、従来から板材あるいは線材として実用化
が図られてきた。しかし、さらにアクチュエータとして
微細化を進めて行くと板材、線材等の、いわゆるバルク
材を用いる方法では、ＳＭＡ自身の高精度加工あるいは
所定の場所への精密実装が困難になる等の問題が生じて
くる。このようなＳＭＡの加工精度あるいは実装精度に
関する問題はＩＣ微細加工に用いられるフォトリソグラ
フィーによる微細加工の適用により解決できる可能性が
ある。

【０００４】フォトリソグラフィーを微細加工や微細実
装に適用する為には平板の上に薄膜あるいは厚膜等の、
いわゆる堆積膜を用いる必要がある。ＳＭＡの堆積膜を
得る為の方法として一般にスパッタ法が用いられ、一部
の研究機関からスパッタ法による堆積膜を用いた形状記
憶効果の確認がなされている（例えばＡ．Ｄ．Ｊｏｈｎ
ｓｏｎ，Ｊ．Ｍｉｃｒｏｍｅｃｈ．Ｍｉｃｒｏｅｎｇ．
１（１９９１）３４−４１．あるいはＪ．Ｄ．Ｂｕｓｃ
ｈａｎｄＡ．Ｄ．Ｊｏｈｎｓｏｎ，Ｊ．Ａｐｐｌ．
Ｐｈｙｓ．６８（１２），１９９０，６２２４−６２２
８．等）。

【０００５】ＳＭＡに用いられる材料を大きく分けると
ＴｉＮｉ系とＣｕ系がある。ＴｉＮｉ系はその機械的特
性、耐疲労性等すべての面でＣｕ系を凌ぐ優秀な素材で
あるので、以下ではＳＭＡとしてＴｉＮｉに限定して述
べるが、本発明の主旨はすべてのＳＭＡ材料に適用でき
る。

【０００６】ＴｉＮｉはＴｉとＮｉの金属間化合物であ
り、その状態図より室温で安定に存在できる範囲は、両
金属組成が１：１の付近に限定される。ＴｉＮｉＳＭ
Ａのバルク材を用いた実験ではオーステナイト相からマ
ルテンサイト相に変態する温度、いわゆる変態点はＴｉ
とＮｉの組成に敏感に依存し、Ｎｉの１ａｔ．％の変動
が変態点にして７５℃の変動に相当することが知られて
いる。また膜中の酸素の取り込みにも十分配慮する必要
があり、酸素の１ａｔ．％の変動が変態点に換算してや
はり１００℃の変化をもたらすことが一般的に知られて
いる。

【０００７】スパッタ法によりＴｉＮｉを成膜するに
は、予め組成の分かったＴｉＮｉ合金をターゲットとし
て用いる。堆積されたＴｉＮｉ膜の組成はターゲットの
組成とは必ずしも一致せず、通常Ｎｉのスパッタ率がＴ
ｉよりも大きいのでＮｉ過剰の膜が成膜される。Ｎｉ組
成の増加は変態点の低下を招く。また、スパッタ時の真
空中にＨ₂ Ｏが存在すると活性なＴｉと反応し、ＴｉＮ
ｉ膜中に捕獲される酸素（ＴｉＯ₂ 等）の増加を招く。
膜中の酸素濃度が増加すると変態点の低下を招く。従っ
て変態点を室温かそれ以上の温度に定めるにはＨ₂ Ｏを
極力抑えた高真空中でスパッタし、成膜内のＮｉ組成を
過剰にならない程度に抑える必要がある。

【０００８】スパッタ法でＮｉ組成の制御を行なう手段
としてスパッタ時の成膜条件を変える方法も考えられる
が、通常スパッタ成膜に用いるターゲットの組成を変え
るのが一般的である。

【０００９】

【発明が解決しようとする課題】ＴｉＮｉ系形状記憶合
金のバルク材からなる線材や板材等のＮｉ組成は均一な
ので、マルテンサイト相からオーステナイト相に相変態
する温度（変態点）は一義的に決まる。形状記憶された
ＳＭＡは、変態点以上の温度に加熱されると形状記憶処
理された時の形状に復元する。ＳＭＡには加熱により１
方向だけに屈曲変位するもの、加熱で屈曲し冷却すると
初期の形状に復元する２方向に屈曲変位するものとがあ
る。

【００１０】いずれにしてもバルク材を用いる限り変態
点を複数持つＳＭＡを実現することはできない。また、
堆積膜を用いるＳＭＡも通常単一ターゲットを用いて成
膜する方法では、変態点はＮｉ組成や膜中に取り込まれ
る酸素等の不純物あるいは膜堆積後の熱処理で一義的に
決まることに変わりはない。変態点が１つであると、変
態点を境にして例えば水平方向から垂直方向へ屈曲し、
１か０かのディジタル的な形状状態を取ることになる。

【００１１】本発明はこうした事情を考慮してなされた
もので、異なる変態点を持つ層状ＳＭＡを積層して形成
される堆積積層膜ＳＭＡあるいは面状に異なる変態点を
持つ堆積膜を用いることで、アナログ的に形状を変化で
きるＳＭＡを提案するものである。

【００１２】

【課題を解決するための手段】単一組成のＳＭＡでは変
態点を境にして低温側ではマルテンサイト相の形状（形
状記憶する前の形状：仮に形状Ａ）、高温側ではオース
テナイト相の形状（形状記憶された形状：仮に形状Ｂ）
の２つの形状を取りディジタル的な運動しかできない。
形状Ａと形状Ｂの間で任意の形状で静止することは原理
的に不可能である。

【００１３】本願第１の発明は、ＴｉＮｉ系形状記憶合
金堆積膜において、Ｔｉ組成あるいはＮｉ組成の異なる
膜が順次堆積されている構成であることを特徴とするＴ
ｉＮｉ系形状記憶合金堆積膜である。この第１の発明に
おいては、Ｔｉ組成あるいはＮｉ組成の異なる膜が順次
堆積される場合が考えられる。

【００１４】本願第２の発明は、ＴｉＮｉ系形状記憶合
金堆積膜において、酸素濃度の異なる膜が順次堆積され
た構成であることを特徴とするＴｉＮｉ系形状記憶合金
堆積膜である。この第２の発明においては、膜中の酸素
濃度が連続的に変化された構成になつている場合が考え
られる。

【００１５】本発明は、光スキャナー（光偏向器）、あ
るいはこの光スキャナーを２次元的に配列し各ミラーを
選択するアドレス回路を有する光偏向器アレイ、あるい
は温度センサ、あるいは複合温度センサアレイ、その他
電気的スイッチ、光シャッター等に使用可能である。

【００１６】

【作用】本発明は変態点の異なる複数のＳＭＡを層状に
堆積し、溶体化処理、時効処理を施した後、加熱するこ
とで変態点の最も低いＳＭＡ層から順次相変態が起こり
変態点の最も高いＳＭＡ層が相変態することで形状変化
が終了する。即ち、本発明によるＳＭＡでは、全てのＳ
ＭＡ層がマルテンサイト相での形状Ａと全てのＳＭＡ層
がオーステナイト相での形状Ｂの間で適当な温度に加熱
することにより、形状Ａから形状Ｂの間の任意の形状で
静止させたり、あるいは加熱シーケンスを組むことによ
りそれに応じた任意の運動を行わせることができる。

【００１７】

【実施例】以下、本発明の実施例について図面を参照し
て述べる。（実施例１）この実施例１は組成の異なる２層のＴｉＮ
ｉで２つの変態点を持つＳＭＡの場合であり、図１を参
照する。図１（Ａ）において１は平面基材であり、通常
シリコン基板あるいは石英基板等を用いる。２，３はＴ
ｉＮｉ堆積膜であり、例えばＮｉ５０ａｔ．％付近のタ
ーゲットを用いてスパッタ法にて成膜したものである。
また、前記ＴｉＮｉ堆積膜２はＴｉ過剰、ＴｉＮｉ堆積
膜３はＮｉ過剰の組成にするものとする。ＴｉＮｉ堆積
膜２，３の厚みは、数μｍから数１０μｍ程度とし、力
量を必要とされる場合には厚い膜厚に設定する。この時
変態点は堆積膜２の方が堆積膜３よりも高い。

【００１８】次に、図１（Ｂ）に示すように、前記Ｔｉ
Ｎｉ堆積膜２，３を平面基材１から剥離させ必要な形状
に切り出し、溶体化処理、時効処理の熱工程を加える。
溶体化処理の目的は成膜時にはアモルファスであったＴ
ｉＮｉ堆積膜を結晶化することであり、時効処理の目的
は形状記憶させることである。通常これらの熱処理は、
真空、Ｎ₂ 、Ａｒ等の不活性雰囲気で行なわれる。溶体
化処理は８００℃程度の高温で行なわれ、電気炉あるい
は急速昇温、高速降温可能なＲＴＡ（ＲａｐｉｄＴｈ
ｅｒｍａｌＡｎｎｅａｌ）炉で行なっても良い。時効
処理は４５０〜５００℃程度の温度領域で数時間から数
１０時間行なわれる。

【００１９】形状記憶処理は、図１（Ｂ）の右側が下方
へ屈曲するように行なっている。図１（Ｃ）は昇温し堆
積膜３はマルテンサイト相からオーステナイト相に相変
態し、堆積膜２はマルテンサイト相のままの温度に保っ
た状態を示す。この時堆積膜３は応力を発生し下方に屈
曲しようとするが、堆積膜２が機械的な負荷となるため
両者が釣合った状態で停止する。図１（Ｄ）は更に昇温
し堆積膜２もマルテンサイト相からオーステナイト相へ
相変態する温度に保った状態を示す。この温度では堆積
膜２も相変態し下方へ屈曲変位し図１（Ｃ）の状態より
も更に下方へ屈曲変位し、図１（Ｂ）の工程で記憶処理
した形状になる。

【００２０】以上説明したように、従来の均一組成のＴ
ｉＮｉ堆積膜では１つの変形状態しか取れなかったもの
が、Ｎｉ組成の異なる２層膜を積層することにより、２
つの変形状態を取ることができる。

【００２１】（実施例２）この実施例２は組成の異なる
多層のＴｉＮｉで複数の変態点を持つＳＭＡの場合であ
り、図２を参照する。

【００２２】図２（Ａ）において11〜18はＴｉＮｉ層状
堆積膜（以下、単に堆積膜と呼ぶ）でありそれぞれの層
でＮｉ組成が異なり、変態点が異なる。製作工程は、実
施例１と同様にシリコン基板等の平面基材上に各々Ｎｉ
組成の異なる堆積膜11〜18をスパッタ法により堆積す
る。本実施例２では堆積膜11から堆積膜18に向かってＴ
ｉ組成を増加してある。従って堆積膜11〜18の順に変態
点が上昇する。堆積膜11〜18からなるＳＭＡ堆積膜19を
シリコン基板上に形成した後、ＳＭＡ堆積膜19を剥離さ
せる。その後、ＳＭＡ堆積膜19を適当な形状に切り出
し、溶体化処理と時効処理の熱処理を行なう。この時の
溶体処理は８００℃程度の高温になるので、堆積膜11〜
18各層の相互拡散により各層のＮｉ組成の変化を最小に
抑えるため実施例１で述べたＲＴＡを用いるのが良い。
時効処理は不活性雰囲気中で数時間から数１０時間を行
なう。

【００２３】形状記憶処理は、図２（Ａ）において右側
が下方向に屈曲するように行なうものとする。図２
（Ｂ）は、ＳＭＡ堆積膜19を昇温し堆積層11〜13が相変
態した時の屈曲状態を示す。図２（Ｃ）は、更に昇温し
堆積膜11〜13に加え堆積層14〜16も相変態した時の形状
を示す。図２（Ｂ）と比較して更に下方への屈曲が進行
する。図２（Ｄ）は、更に昇温し堆積膜11〜16に加え堆
積膜17，18も相変態した時の形状を示す。図（Ｃ）の形
状と比較し更に下方への屈曲が進行し、図２（Ａ）で形
状記憶処理を行なった形状となる。

【００２４】（実施例３）この実施例３は連続的に組成
変化を持つＴｉＮｉで連続的な変態点を持つＳＭＡの場
合であり、図３を参照する。

【００２５】図３（Ａ）において31はシリコン等の平面
基材で、32は厚み方向で徐々にＮｉ組成を変化させたＳ
ＭＡ堆積膜である。本実施例３ではＳＭＡ堆積膜32の厚
み方向に上下に向かってＴｉ組成を増加させてある。こ
のような成膜は、例えば純Ｔｉターゲットと純Ｎｉター
ゲットを用意し個々のターゲットに加える電力を変化さ
せるイオンビーム堆積法によって可能である。図３
（Ｂ）はＳＭＡ堆積膜32を成膜後、基板として用いたシ
リコン31を除去したＳＭＡ堆積膜である。その後適当な
形状にＳＭＡ堆積膜32を切り出し、溶体化処理、時効処
理の熱処理を行ない、成膜時にはアモルファス状態であ
ったＳＭＡ堆積膜32を結晶化し、形状記憶させる。

【００２６】形状記憶は、図３（Ｂ）の右側を下方に屈
曲するように行なうものとする。ＳＭＡ堆積膜32の変態
点は下部表面33で最も低く、上部表面34で最も高く、Ｓ
ＭＡ堆積膜32内部では連続的に変化している。図３
（Ｃ）では、昇温しＳＭＡ堆積膜32の下部表面33を含ん
で中央部付近まで相変態が進行した状態のＳＭＡ堆積膜
32の屈曲状態を示す。図３（Ｄ）では更に昇温し上部表
面34を含みＳＭＡ堆積膜32全体が相変態した時の形状を
示し、図３（Ｄ）の形状は図３（Ｂ）で形状記憶した形
状と一致する。本実施例３の特徴は、図３（Ｂ）に示し
た初期状態から図３（Ｄ）に示した最終形状まで連続的
に形状変化が可能となることである。

【００２７】（実施例４）この実施例４は酸素濃度の異
なる２層のＴｉＮｉで２つの変態点を持つＳＭＡの場合
であり、図４を参照して説明する。

【００２８】図４（Ａ）において41は平面基材であり、
通常シリコン基板あるいは石英基板等を用いる。42，43
はＴｉＮｉ堆積膜であり、例えばＮｉ５０ａｔ．％付近
のターゲットを用いてスパッタ法にて成膜したものであ
る。また、堆積膜42の酸素濃度は堆積膜43より過剰に混
入させる。堆積膜42，43の成膜にはスパッタ装置のチャ
ンバー内を高真空に排気した後、微量のＨ₂ Ｏをチャン
バー内に導入して行なう。ＴｉＮｉ堆積膜42，43の厚み
は、数μｍから数１０μｍ程度とし、力量を必要とされ
る場合には厚い膜厚に設定する。この時変態点は堆積膜
42の方が堆積膜43りも低い。次に、図４（Ｂ）に示すよ
うに、前記堆積膜42，43を平面基材41から剥離させ必要
な形状に切り出し、溶体化処理、時効処理の熱工程を加
える。溶体化処理の目的は成膜時にはアモルファスであ
ったＴｉＮｉ堆積膜を結晶化することであり、時効処理
の目的は形状記憶させることである。通常これらの熱処
理は、真空、Ｎ₂ 、Ａｒ等の不活性雰囲気で行なわれ
る。溶体化処理は８００℃程度の高温で行なわれ、電気
炉あるいは急速昇温、高速降温可能なＲＴＡ炉で行なっ
ても良い。時効処理は４５０〜５００℃程度の温度領域
で数時間から数１０時間行なわれる。

【００２９】形状記憶処理は、図４（Ｂ）の右側が下方
へ屈曲するように行なっている。図４（Ｃ）は昇温し堆
積膜42はマルテンサイト相からオーステナイト相に相変
態し、堆積膜43はマルテンサイト相のままの温度に保っ
た状態を示す。この時、堆積膜42は応力を発生し下方に
屈曲しようとするが、堆積膜43が機械的な負荷となるた
め両者が釣合った状態で停止する。図４（Ｄ）は更に昇
温し堆積膜43もマルテンサイト相からオーステナイト相
へ相変態する温度に保った状態を示す。この温度では堆
積膜43も相変態し下方へ屈曲変位し図４（Ｃ）の状態よ
りも更に下方へ屈曲変位し、図４（Ｂ）の工程で記憶処
理した形状になる。

【００３０】以上説明したように従来の均一酸素濃度の
ＴｉＮｉ堆積膜では１つの変形状態しか取れなかったも
のが、酸素濃度の異なる２層膜を積層することにより、
２つの変形状態を取ることができる。

【００３１】（実施例５）この実施例５は酸素濃度の異
なる多層のＴｉＮｉで複数の変態点を持つＳＭＡの場合
であり、図５を参照して説明する。

【００３２】図５（Ａ）において51〜58はＴｉＮｉ層状
堆積膜でありそれぞれの層で酸素が異なり、変態点が異
なる。製作工程は、実施例４と同様にシリコン基板等の
平面基材上に各々酸素濃度の異なる前記堆積膜51〜58を
スパッタ法により堆積する。本実施例５では積層膜51か
ら積層膜58に向かって酸素濃度を減少してある。従って
積層膜51〜58の順に変態点が高くなる。積層膜51〜58か
らなるＳＭＡ堆積膜59をシリコン基板上に形成した後、
ＳＭＡ堆積膜59を剥離させる。その後、ＳＭＡ堆積膜59
を適当な形状に切り出し、溶体化処理と時効処理の熱処
理を行なう。この時の溶体化処理は、８００℃程度の高
温になるので、積層膜51〜58各層の相互拡散による各層
の酸素濃度の変化を最小に抑えるため実施例４で述べた
ＲＴＡを用いるのが良い。時効処理は不活性雰囲気中で
数時間から数１０時間行なう。

【００３３】形状記憶処理は、図５（Ａ）において右側
が下方向に屈曲するように行なうものとする。図５
（Ｂ）はＳＭＡ堆積膜59を昇温し堆積層51〜53が相変態
した時の屈曲状態を示す。図５（Ｃ）は更に昇温し堆積
膜51〜53に加え堆積層54〜56も相変態した時の形状を示
す。図５（Ｂ）と比較して更に下方への屈曲が進行す
る。図５（Ｄ）は、更に昇温し堆積膜51〜56に加え堆積
層57，58も相変態した時の形状を示す。図５（Ｃ）の形
状と比較し更に下方への屈曲が進行し、図５（Ａ）で形
状記憶処理を行なった形状となる。

【００３４】（実施例６）この実施例６は酸素濃度が連
続的に変化するＴｉＮｉで連続的に変態点を持つＳＭＡ
の場合であり、図６を参照する。図６（Ａ）において61
はシリコン等の平面基材で、62は厚み方向で徐々に酸素
組成を変化させたＳＭＡ堆積膜である。本実施例６では
ＳＭＡ堆積膜62の厚み方向に上方に向かって酸素濃度を
減少させてある。図６（Ｂ）はＳＭＡ堆積膜62を成膜
後、基板として用いたシリコン61を除去したＳＭＡ堆積
膜である。その後、適当な形状に堆積膜62を切り出し、
溶体化処理、時効処理の熱処理を行ない、成膜時にはア
モルファス状態であった堆積膜62を結晶化し、形状記憶
させる。

【００３５】形状記憶は、図６（Ｂ）の右側を下方に屈
曲するように行なうものとする。ＳＭＡ堆積膜62の変態
点は下部表面63で最も低く、上部表面64で最も高く、堆
積膜62内部では連続的に変化している。図６（Ｃ）では
昇温し堆積膜62の下部表面63を含んで中央部付近まで相
変態が進行した状態のＳＭＡ堆積膜62の屈曲状態を示
す。図６（Ｄ）では更に昇温し上部表面64を含みＳＭＡ
堆積膜62全体が相変態した時の形状を示し、図６（Ｄ）
の形状は図６（Ｂ）で形状記憶した形状と一致する。本
実施例６の特徴は、図６（Ｂ）に示した初期状態から図
６（Ｄ）に示した最終形状まで連続的に形状変化が可能
となることである。

【００３６】（実施例７）この実施例７は光スキャナと
しての応用：電流で直接加熱の場合であり、図７を参照
する。図７（Ａ）はＳＭＡ堆積膜を光スキャナーに応用
する例を示す斜視図である。71は例えばシリコン基板で
あり、72はシリコン基板71上に形成される絶縁膜で例え
ば熱酸化膜やポリイミド膜である。73はＳＭＡ堆積膜、
74，75は電気的にコンタクトを取るためのパッド、76は
ＳＭＡ堆積膜による光の反射面である。77，78はコンタ
クトパッド74，74と反射面76とを接続するためにＳＭＡ
堆積膜で形成される抵抗体である。前記ＳＭＡ堆積膜73
は、下方向に屈曲するように形状記憶されているものと
する。図７（Ｂ）は図７（Ａ）のＸ−Ｘでの断面をＹ方
向から見た断面図である。図７（Ａ）と対応する部材に
ついては同符号を記し説明を省略する。

【００３７】図７（Ｂ）は通電加熱しない状態のＳＭＡ
堆積膜73の形状であり、通常ＳＭＡ堆積膜は全体を通し
て平坦である。79ａは反射面76へ入射する入射光であ
り、79ｂはその反射光である。図７（Ｃ）はコンタクト
パッド74，75に通電しＳＭＡ堆積膜73を昇温し、形状記
憶効果を発現させた状態で、反射面76は下方向に屈曲す
るので反射光79ｂは反射面76の角度に応じて偏向する。
加熱のための通電を止めると図７（Ｂ）の初期状態に戻
るように熱処理条件を選ぶと、電流のオン、オフで図７
（Ｂ）と図７（Ｃ）の状態を繰り返すことができる。Ｓ
ＭＡ堆積膜73に上記実施例１〜６のようなものを選ぶ
と、反射光79ｂを多段階あるいは連続的に偏向すること
ができる。

【００３８】（実施例８）この実施例８は光スキャナー
としての応用：薄膜ヒーターで間接的加熱であり、図８
を参照する。本実施例８はＳＭＡ堆積膜の昇温方法とし
てＳＭＡ直下に設けた堆積膜ヒーターを用いることを特
徴とする。本実施例の形状は図７（Ａ）に示す形状でも
良く、あるいはカンチレバー形状でも良い。本実施例で
は図７（Ａ）の構造を念頭において説明する。図８
（Ａ）において81はシリコン基板、82は熱酸化膜（ある
いはポリイミド膜）、83は堆積膜ヒーター、84は絶縁
膜、85はＳＭＡ堆積膜、86は光反射面、87は反射面86へ
の入射光、88は反射面86からの反射光である。図８
（Ａ）は堆積ヒーターに通電していない状態の断面形状
であり、堆積膜ヒーター83、絶縁膜84、ＳＭＡ堆積膜85
を含む堆積膜89は全体として平坦である。図８（Ｂ）は
堆積膜ヒーター83に通電し、絶縁膜84を介してＳＭＡ堆
積膜85を昇温した時の形状である。ＳＭＡ堆積膜85が下
方向に屈曲するように形状記憶されていれば堆積膜89も
下方向に屈曲する。堆積膜ヒーター83への通電を止める
と堆積膜85が図８（Ａ）の形状に復帰するように形状
記憶されているとすると、電流のオン、オフにより反射
面86からの反射光を偏向することができる。またＳＭＡ
堆積膜86に、上記実施例１〜６に記したＳＭＡ堆積膜を
用いれば、多段階光偏向、連続光偏向が可能となる。（実施例９）この実施例９は光スキャナとしての応用：
光加熱で偏向し信号光は別に用意する場合であり、図９
を参照する。本実施例９は、ＳＭＡ堆積膜を加熱する手
段として光を用いることを特徴とする。図９（Ａ）にお
いて91はシリコン基板、92は熱酸化膜（あるいはポリイ
ミド膜）、93はＳＭＡ堆積膜である。本実施例９ではＳ
ＭＡ堆積膜93はカンチレバーを構成する。94はカンチレ
バー93の裏面から照射し、ＳＭＡ堆積膜93を加熱するた
めの光（以後、加熱光と呼ぶことにする）である。図９
（Ｂ）では加熱光の照射がないためＳＭＡカンチレバー
は水平に保たれる。95，96はそれぞれ反射面97への入射
光、反射面97からの反射光である。

【００３９】図９（Ｃ）はカンチレバー93の裏面98に照
射される加熱光94により、ＳＭＡ堆積膜の温度が上昇し
形状記憶効果が発現し、カンチレバー93が当初形状記憶
させた下方向に屈曲した様子を示す。カンチレバー93の
反射面97に入射した光はカンチレバーの変形量に応じて
偏向し、反射光96となる。加熱光93を切った状態で図９
（Ｂ）の形状に戻るように形状記憶処理を行うと、加熱
光のオン、オフに応じた光偏向が可能となる。また、前
記実施例１〜６に示したＳＭＡ堆積膜をカンチレバー93
に用いることで、多段階光偏向、連続的な光偏向が可能
となる。

【００４０】（実施例１０）この実施例１０は光スキャ
ナーとしての応用：光加熱で偏向し同時に信号光として
利用する場合であり、図１０（Ａ），（Ｂ）を参照す
る。本実施例10はＳＭＡ堆積膜で形成したカンチレバー
の先端付近に照射する光ビームを、ＳＭＡ堆積膜を加熱
すると同時に偏向光としても用いることを特徴とする。
本実施例によるカンチレバーの外観は図９（Ａ）に示し
たもの同様とする。図１０（Ａ），（Ｂ）において101
はシリコン基板、102 はシリコン基板101 表面に形成さ
れた熱酸化膜（あるいはポリイミド膜）、 103はＳＭＡ
堆積膜で形成されるカンチレバーである。104 ，105
は、夫々カンチレバー103 の先端付近106 の反射面107
への入射光と反射面107 からの反射光を示す。入射光10
4 の光強度が弱い時にはカンチレバー103 を形成するＳ
ＭＡ堆積膜はマルテンサイト相のままである。

【００４１】図１０（Ｂ）は入射光104 の光強度が強く
ＳＭＡ堆積膜を加熱昇温し、カンチレバー103 が相変態
を起こし、当初形状記憶処理された下方向に屈曲してい
る様子を示している。これに伴い反射光105 は偏向す
る。再度光強度を下げるとＳＭＡカンチレバー103 の温
度が下がり図１０（Ａ）の状態に戻るように形状記憶処
理を施しておくと、光強度の大小によって光偏向が可能
となる。またカンチレバー103 に本実施例１〜６に示し
たＳＭＡ堆積膜を用いることで、多段階あるいは連続的
な光偏向が可能となる。

【００４２】（実施例１１）この実施例11はＳＭＡミラ
ーを２次元的に配列しＸ−Ｙアドレス方式でキャラクタ
ー表示する光ディスプレイの場合であり、図11（Ａ），
（Ｂ）を参照する。

【００４３】本実施例11では実施例７（図７）や実施例
８（図８）に示した単体のＳＭＡ堆積膜光スキャナーを
２次元的に配置し、Ｘ−Ｙアドレス方式により特定スキ
ャナー（以後画素と呼ぶことにする）を選択し、文字や
絵等のキャラクターを表示するディスプレイの概念図を
示す。111 は２次元的に配置された画素群、112 はＸア
ドレス回路、113 はＸアドレス回路と画素群111 を電気
的に接続する配線、114 はＹアドレス回路、115 はＹア
ドレス回路と画素群111 を電気的に接続する配線であ
る。

【００４４】図11（Ａ）は画素内のミラーが水平に保た
れている状態で、紙面に対して垂直に入射した光はミラ
ーで反射し紙面に垂直方向から観察すると全面が白とな
る。図11（Ｂ）ではＸ−Ｙアドレス回路で画素群111 か
ら特定の画素を選択し画素内のミラーを傾けることによ
り、特定のキャラクター116 （本実施例では“ア”）を
表示することができる。また入射光の方向と観察方向を
変えることでポジ像、ネガ像いずれでも得ることができ
る。

【００４５】本実施例11ではＳＭＡ堆積膜を用いる光ス
キャナーを画素とする２次元ディスプレイを示している
が、同様な方法で１次元ディスプレイへ応用することも
可能である。

【００４６】（実施例１２）この実施例12は光シャッタ
ー：電流で直接加熱の場合であり、図12（Ａ）〜（Ｄ）
を参照する。本実施例12は光路の途中に光吸収膜あるい
は光反射膜を配置し、これら光遮断膜にＳＭＡ堆積膜を
組み込み、ＳＭＡ堆積膜の屈曲により、光路を開閉する
ことを特徴とする。図12（Ａ），（Ｂ）は光シャッター
膜の開閉動作を模式的に示す。図12（Ａ）において 121
ａ， 121ｂは基材で例えばシリコン基板である。 122
ａ，122 ｂは絶縁膜で例えば熱酸化膜，あるいはシリコ
ン窒化膜（あるいはポリイミド膜）を用いる。123 は基
板 121ａの裏面に形成された絶縁膜であり、突出部12を
有する。125 は光吸収膜あるいは光反射膜とＳＭＡ堆積
膜とからなるシャッター膜である。突出部124 は光シャ
ッター膜125 が屈曲した時のストッパーの役割をする。

【００４７】図12（Ｂ）はＳＭＡ堆積膜が加熱され変態
点を越えた時の本光シャッターの形状を示す。ＳＭＡ堆
積膜は、予め相変態により下方に屈曲するように熱処理
されているものとする。屈曲したシャッター膜125 はス
トッパー124 に接触し停止する。図12（Ｃ）は図12
（Ａ）に示した光シャッターのＸ−Ｘでの断面を示して
いる。シャッター膜125 はＳＭＡ堆積膜126 と光吸収膜
127 とで構成されている。図12（Ｂ）の状態では入射光
128 は光吸収膜127 で吸収されるため透過できない。図
12（Ｄ）はＳＭＡ堆積膜128 に通電することで加熱し、
ＳＭＡ堆積膜127 の変態点を越して温度上昇した時の断
面形状を示す。入射光128 は開口129 を通過することが
できる。

【００４８】（実施例１３）この実施例13は光シャッタ
ー：薄膜ヒーターで加熱する場合であり、図13（Ａ），
（Ｂ）を参照する。本実施例13では光シャッターの動作
は実施例12（図１２（Ａ），（Ｂ））と同じであるが、
ＳＭＡ堆積膜の加熱に薄膜ヒーターを用いる点が異な
る。131 ａ，131ｂは基材で本実施例ではシリコン基板
とする。 132ａ， 132ｂ， 132ｃ，132ｄは絶縁膜であ
り、これは実施例12（図12（Ｃ），（Ｄ））と同様であ
る。133 はシャッター膜であり、薄膜ヒーター134 、絶
縁膜135 、ＳＭＡ堆積膜136で構成される。図13（Ａ）
は薄膜ヒーター134 に通電せず、ＳＭＡ堆積膜136 は室
温に保持されており、シャッター膜133 は閉じた状態で
ある。入射光137 はＳＭＡ堆積膜136 で反射され開口13
8 を通過できない。図13（Ｂ）は薄膜ヒーター134 に通
電し、ＳＭＡ堆積膜136 の温度が上がり変態点を越える
と、予め形状記憶した形状に屈曲する。本実施例13では
ＳＭＡ堆積膜は下方へ屈曲するように形状記憶処理が行
われており、シャッター膜は下方に屈曲し、絶縁膜 132
ｃの先端部に設けられたストッパー138 の位置まで屈曲
して停止する。入射光137 は開口139 を通過し下方へと
導かれる。

【００４９】（実施例１４）この実施例14は温度セン
サ：カンチレバーの変位を光の反射で検出の場合であ
り、図14（Ａ）〜（Ｃ）を参照する。本実施例14は厚み
方向に相変態温度を段階的に、あるいは連続的に変化さ
せたＳＭＡ堆積膜でカンチレバーを構成し、温度変化に
伴うカンチレバーの変位を光学的に検出することによ
り、精度の高い温度センサを実現するものである。図14
（Ａ）において141 は基材であり本実施例ではシリコン
基板を用いる。142 は例えば熱酸化膜、シリコン窒化膜
のような絶縁膜で、143 は厚み方向に相変態温度を多段
階あるいは連続的に変えて作製されたＳＭＡ堆積膜を用
いたカンチレバーで、144 はライン状に配置した受光セ
ンサで例えばＣＣＤ、ＳＩＴ、ＣＭＤ等を用いる。145
はカンチレバー143 の先端付近に入射する光ビーム、14
6 はカンチレバー143 で反射した光ビームを示す。

【００５０】いま、室温、例えば２５℃でカンチレバー
143 は水平であるとし、反射光はラインセンサ144 の左
端の絵素147 に入射するように配置されているとする。
図14（Ｂ）は温度が２９℃の時の様子であり、ＳＭＡカ
ンチレバー143 は下方に屈曲し、それに伴い反射光146
は絵素148 へ入射する。すなわち１℃の温度変化で反射
光146 は１絵素分偏向されることになる。図14（Ｃ）は
温度を３４℃に上げた時の様子を示したもので、ＳＭＡ
カンチレバーは図14（Ｂ）の時よりもさらに下方へ屈曲
し、この時の反射光146 はラインセンサ144 の右端の絵
素149 へ入射する。

【００５１】上に述べたようにＳＭＡ堆積膜の厚み方向
に変態点が連続的に変化するように構成したカンチレバ
ーを用いると、温度変化に伴い連続的にカンチレバーが
変位し、この変位を光梃子法を用いた位置検出法により
検出し、かつラインセンサの絵素寸法を縮小し高密度化
を図ることによって高感度な温度センサを実現すること
が可能である。

【００５２】（実施例１５）この実施例15は温度セン
サ：温度スイッチの場合であり、図15（Ａ）〜（Ｄ）を
参照する。本実施例15は周囲の温度でカンチレバー状の
ＳＭＡ堆積膜が変形し、別途設けた電気的接点と接触す
ることでカンチレバーとの電気的コンタクトを可能とす
る温度センサを一体化した温度スイッチである。図15
（Ａ），（Ｂ）がノーマリーオフ型、図15（Ｃ），
（Ｄ）がノーマリーオン型の温度スイッチの動作を示
す。

【００５３】図15（Ａ）において151 ，152 は基材であ
り、ここではシリコン基板を用いる。153 ，154 は酸化
膜あるいはシリコン窒化膜等の絶縁膜、155 はカンチレ
バー状のＳＭＡ堆積膜で、カンチレバー155 の先端部15
7 は本温度スイッチの一方の接点となる。156 は本温度
スイッチの他方の接点となる。

【００５４】図15（Ａ）において本温度スイッチが例え
ば室温中に置かれているとし、この時ＳＭＡカンチレバ
ー155 は水平に保たれ接点157 と接点156 は電気的には
分離されている（オフ状態）。図15（Ｂ）においてＳＭ
Ａカンチレバー155 の変態点が例えば５０℃に設定され
ているとすると、本温度スイッチが５０℃を越える周囲
温度に置かれた時、ＳＭＡカンチレバー155 は下方に屈
曲し、カンチレバー155 の先端部の接点157 と接点156
は機械的に接触し、電気的にオン状態になる。図15
（Ｃ），（Ｄ）において本温度スイッチの構成は図15
（Ａ），（Ｂ）と同様なので同じ部材については同一番
号を記載して説明は省略する。

【００５５】図15（Ｃ）において本スイッチが室温中に
置かれているとし、この時ＳＭＡカンチレバー155 は水
平に保たれカンチレバー155 の接点157 と別基板152 上
に設けた接点156 は機械的に接触しており、電気的にオ
ン状態である。図15（Ｄ）においてＳＭＡカンチレバー
155 の変態点を例えば５０℃に設定してあるとし、本温
度スイッチを５０℃を越える周囲温度中に置くとＳＭＡ
カンチレバー155 は上方に屈曲し、ＳＭＡカンチレバー
155 の先端部に設けた接点157 は別基板152 上に設けた
接点157 から分離し、電気的にオフ状態となる。

【００５６】（実施例１６）この実施例16は温度セン
サ：変態点の異なるカンチレバーを複数配列し電気的に
温度を検出の場合であり、図16（Ａ）〜（Ｃ）を参照す
る。本実施例16は変位点の異なるＳＭＡカンチレバーを
並列に配列し、変態点を越えたＳＭＡカンチレバーが屈
曲するのを電気的に検出し温度センサを構成するもので
ある。図16（Ａ）において161 は基材となるシリコン基
板、162 は絶縁膜、163 はＳＭＡ堆積膜、 164ａ〜 164
ｅはＳＭＡ堆積膜163 からなるカンチレバーである。カ
ンチレバーの変態点は製作工程でＴｉ、Ｎｉ、酸素等変
態点を変化できる元素をイオン注入し熱処理することで
結晶化と形状記憶処理を行う。本実施例16ではカンチレ
バー 164ａ〜 164ｅの順に変態点が１℃づつ高くなるよ
うにしてある。例えばカンチレバー 164ａの変態点を２
５℃とすると、カンチレバー164ｅの変態点は２９℃と
なるように設定してある。温度によるカンチレバーの変
形を電気的に検出するために以下のような電気的接点を
設ける。165 は基材となるシリコン基板、166 は絶縁
膜、 167ａ〜167 ｅはカンチレバー 164ａ〜 164ｅから
電気的コンタクトを取るための接点を兼ねた配線であ
る。

【００５７】以下に本温度センサの動作についてその概
略を示す。図16（Ｂ），（Ｃ）は図16（Ａ）に示したＸ
−Ｘ（カンチレバー 164ｃと接点 167ｃを横切る）の断
面図であり、同一部材については図16（Ａ）と同一番号
を付け説明は省略する。図16（Ｂ）は本温度センサを２
６℃以下の温度雰囲気中に置いた時の状態で、カンチレ
バー 164ｃは水平に保たれカンチレバー 164ｃと電気的
接点 167ｃは分離している。図16（Ｃ）は本温度センサ
を２７℃以上の温度雰囲気中置いた時の状態を示す。２
７℃以上の温度でカンチレバー 164ｃは相変態し、下向
きに屈曲し接点167ｃと機械的に接触するため電気的に
オン状態となる。従ってＳＭＡ堆積膜163 に電圧を印加
し接点 167ａ〜 167ｅに流れる電流を検知することで、
温度測定を行うことができる。

【００５８】（実施例１７）この実施例17は電気的スイ
ッチ：ＳＭＡに直接通電し電気的接点は積層した金属で
行なう場合であり、図17（Ａ），（Ｂ）を参照する。本
実施例17ではＳＭＡ堆積膜を通電加熱して昇温し、ＳＭ
Ａ堆積膜に絶縁層を介して接着された導電膜が、別途基
板に設けられた接点と接触することで電気的スイッチと
して機能することを特徴とする。図17（Ａ）において17
1 はシリコン基板、172 は絶縁膜、173 は導電膜、174
は絶縁層、175 はＳＭＡ堆積膜で形成されたヒーターで
ある。前記導電膜173 、絶縁層174 、ＳＭＡヒーターで
カンチレバー状の電気的接点を形成する。176 はシリコ
ン基板、177 は絶縁層、178 は電気的接点と配線を兼ね
る導電膜である。

【００５９】ＳＭＡ堆積膜ヒーター175 を通電加熱しな
い時はＳＭＡ堆積膜の形状変形がないので、カンチレバ
ー179 の先端部に設けた接点180 と基板176 上に設けた
導電膜178 の先端部に設けた接点181 は電気的に分離し
ている。図17（Ｂ）はＳＭＡヒーター175 を通電加熱す
ることで下向きに屈曲させることによってカンチレバー
170 の接点180 と、別基板176 上の導電膜178 の先端部
の接点181 とは機械的に接触することで、電気的スイッ
チとして機能する。また本電気的スイッチは薄膜カンチ
レバーの熱容量が小さいので冷却速度が速く、従来のバ
ルク材を用いたものに比べ高速応答が得られる。

【００６０】（実施例18）この実施例18は電気的スイッ
チ：ＳＭＡに接着した薄膜ヒーターで加熱する場合であ
り、図18（Ａ），（Ｂ）を参照する。本実施例18はＳＭ
Ａ堆積膜を加熱昇温する手段として絶縁膜を介して接着
された薄膜ヒーターを用いることを特徴とする電気的ス
イッチに関する。図18（Ａ）において191 はシリコン基
板、192 は絶縁膜、193 はＳＭＡ堆積膜、194 は絶縁
膜、195 は薄膜ヒーターである。前記ＳＭＡ堆積膜193
、絶縁膜194 、薄膜ヒーター195 は積層カンチレバー1
99 を構成する。196 はシリコン基板、197 は絶縁膜、1
98 は導電膜である。いま薄膜ヒーター195 を通電加熱
しない状態ではＳＭＡ堆積膜193 は水平に保たれ、カン
チレバー199 の先端部の接点200 と別基板上に堆積した
導電膜198 の先端部の接点201 とは電気的に分離されて
いる。

【００６１】図18（Ｂ）は薄膜ヒーター195 を通電加熱
しＳＭＡ堆積膜193 を加熱し、ＳＭＡ堆積膜193 の変態
点を越える温度になるとＳＭＡ堆積膜は下方向に屈曲
し、カンチレバー199 の接点200 と導電膜198 の先端部
の接点201 とは機械的に接触し、電気的スイッチとして
機能する。また本電気的スイッチは薄膜カンチレバーの
熱容量が小さいので冷却速度が速く、従来のバルク材を
用いたものに比べ高速応答が得られる。

【００６２】

【発明の効果】本発明による堆積膜を用いるＳＭＡは厚
み方向に組成分布や酸素濃度分布を持たせることで、以
下のような効果を得ることができる。１）ＳＭＡ堆積膜が複数の異なる変態点を持つ堆積膜の
積層膜からなる場合、積層膜を加熱しＳＭＡの温度が上
昇することで、変態点の低い堆積膜から順次マルテンサ
イト相からオーステナイト相への相変態が起き、これに
応じて形状記憶された形状に順次段階的に変形する。

【００６３】２）ＳＭＡ堆積膜が厚み方向に連続的に変
態点を持つ場合、加熱することによりＳＭＡの温度が上
昇することで、最も変態点の低い層から順次マルテンサ
イト相からオーステナイト相への相変態が始まり、ＳＭ
Ａの温度が上昇することで、形状記憶された形状へ連続
的に変形する。３）温度に対して段階的に形状変化するＳＭＡや連続的
に形状変化するＳＭＡを用いて、多段階あるいはアナロ
グ的な光偏向が可能となり光スキャナ、光ディスプレ
イ、光シャッターへの応用が可能となる。４）同ＳＭＡを用いてアナログ温度センサ、マルチ温度
センサあるいは電気的スイッチ等への応用が可能とな
る。

【図面の簡単な説明】

【図１】本発明の実施例１に係る組成の異なる２つのＴ
ｉＮｉで２つの変態点を持つＳＭＡの説明図。

【図２】本発明の実施例２に係る組成の異なる多層のＴ
ｉＮｉで複数の変態点を持つＳＭＡの説明図。

【図３】本発明の実施例３に係る連続的な組成変化を持
つＴｉＮｉで連続的な変態点を持つＳＭＡの説明図。

【図４】本発明の実施例４に係る酸素濃度の異なる２層
のＴｉＮｉで２つの変態点を持つＳＭＡの説明図。

【図５】本発明の実施例５に係る酸素濃度の異なる多層
のＴｉＮｉで複数の変態点を持つＳＭＡの説明図。

【図６】本発明の実施例６に係る酸素濃度が連続的に変
化するＴｉＮｉで連続的に変態点を持つＳＭＡの説明
図。

【図７】本発明の実施例７に係る光スキャナーで電流で
直接加熱する場合の説明図。

【図８】本発明の実施例８に係る光スキャナーで薄膜ヒ
ーターで間接的に加熱する場合の説明図。

【図９】本発明の実施例９に係る光スキャナーで光加熱
で偏向し信号光は別に用意する場合の説明図。

【図１０】本発明の実施例10に係る光スキャナーで光加
熱で偏向し同時に信号光として利用する場合の説明図。

【図１１】本発明の実施例11に係り、図７や図８のＳＭ
Ａ堆積膜光スキャナーを２次元的に配置し、Ｘ−Ｙアド
レス方式により画素を選択し、文字等のキャラクターを
表示するディスプレイの概念図。

【図１２】本発明の実施例12に係る光シャッターで電流
で直接加熱する場合の説明図。

【図１３】本発明の実施例13に係る光シャッターで薄膜
ヒーターで加熱する場合の説明図。

【図１４】本発明の実施例14に係る温度センサでカンチ
レバーの変位を光の反射で検出する場合の説明図。

【図１５】本発明の実施例15に係る温度センサの説明
図。

【図１６】本発明の実施例16に係る温度センサで変態点
の異なるカンチレバーを複数配列し電気的に温度で検出
する場合の説明図。

【図１７】本発明の実施例17に係る電気的スイッチでＳ
ＭＡに直接通電し電気的接点は積層した金属で行なう場
合の説明図。

【図１８】本発明の実施例18に係る電気的スイッチでＳ
ＭＡに接着した薄膜ヒーターで加熱する場合の説明図。

【符号の説明】

１，31，61…平面基材、２，３，11〜18，41，42，51〜
58…ＴｉＮｉ堆積膜、19，32，59，62，73，85，93，12
6 ，136 ，155 ，162 ，163 ，193 …ＳＭＡ堆積膜、3
3，63…下部表面、 34，64…上
部表面、71，81，91，101 ，121a，121b，131a，131b，
141 ，161 ，165 ，171 ，176，191 ，196 …シリコン
基板、74，75…パッド、 76，
86，97…反射面、79ａ，95，96，104 ，128 ，137 …入
射光、79ｂ，105 ，146 …反射光、 82，
92，102 ，142 …熱酸化膜、83…堆積膜ヒーター、84，
122a，122b，123 ，132a，132b，132c，132d，135 ，15
3 ，154 ，162 ，166 ，172 ，192 ，194 ，197 …絶縁
膜、 94…加熱光、103 ，143 ，164a〜164e，167a〜
167e，179 ，199 …カンチレバー、111 …画素群、
112 …Ｘアドレス回路、113 ，
115 …配線、 114 …Ｙアドレス
回路、116 …キャラクター、 124
…突出部、125 ，133 …シャッター膜、
127 …光吸収膜、129 ，138 …開口、
134 ，195 …薄膜ヒーター、144 …受光センサ、
145 …光ビーム、147 ，148 ，
149 …絵素、 151 ，152 …基材、156
，157 ，180 ，181 ，200 …接点、 173 ，178 ，1
98 …導電膜、175 …ヒーター。

Claims

【特許請求の範囲】

【請求項１】ＴｉＮｉ系形状記憶合金堆積膜におい
て、Ｔｉ組成あるいはＮｉ組成の異なる膜が順次堆積さ
れている構成であることを特徴とするＴｉＮｉ系形状記
憶合金堆積膜。
【請求項２】ＴｉＮｉ系形状記憶合金堆積膜におい
て、酸素濃度の異なる膜が順次堆積された構成である
ことを特徴とするＴｉＮｉ系形状記憶合金堆積膜。