KR20170027281A - 미세 기계 장치 - Google Patents

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Abstract

본 발명은 높은 절연성의 기재(基材)를 이용한 미세 기계 장치에 있어서 유효한 스티킹 방지책을 얻는 것을 목적으로 한다.
볼록부(104)가 형성되어 있는 영역(122)에서 마주보는 기판(101)측의 면(101a) 및 가동부(103)측의 면(103a)에 도전체[107(107a) 및 108(108a)]를 설치한다. 기판(101)측의 면(101a)에 설치된 도전체(107)는, 기판(101)의 면(101a)에 형성되어 있는 전극(105)에 간극(h)을 형성하여 주위가 둘러싸인 독립된 도전체로 한다. 이 독립된 도전체(독립 도전체)(107) 주위를 둘러싸는 간극(링 형상의 간극)(h)을 표면 저항이 대전 방지 레벨(109 Ω/□∼1014 Ω/□)로 된 대전 방지층(109)으로 한다.

Description

미세 기계 장치{MICRO MECHANICAL DEVICE}
본 발명은 미세한 가동부를 구비하는 미세 기계 장치에 관한 것이다.
최근, 스위치나 센서에 있어서 기계적인 동작으로 기능을 발휘하는 미세 기계 장치를 이용하는 MEMS(Micro Electro Mechanical System)가 중요시되고 있다. MEMS는, 이미 압력 센서나 가속도 센서로서 사용되며, LSI와 함께 중요한 부품이 되고 있다. MEMS는, 박막 형성 기술, 포토리소그래피 기술, 및 각종의 에칭 기술을 이용한 미세 가공에 의해, 미세한 가동 구조체를 구비하는 입체적인 구조를 갖고 있다.
예컨대, 정전 용량식의 압력 센서에서는, 도 8a에 도시된 바와 같이, 압력에 의해 변위하는 미세한 다이어프램(가동부)(401)을, 기판(402) 위에 이격시켜 지지부(403)에 의해 지지하여 배치하고 있다. 기판(402)과 다이어프램(401) 사이에는 공극(404)이 존재하고, 공극(404)에 면한 부위의 각각에 전극(도시하지 않음)을 대향해서 배치하여, 용량을 형성한다.
피측정 매체의 압력은, 도 8b에 도시된 바와 같이, 다이어프램(401)의 용량을 형성하는 면과는 반대측의 면에 인가되고, 이 압력 인가로 다이어프램(401)이 변형한다. 이 변화에 대응하여 상기 전극 사이의 거리가 변화하고, 이 변화에 대응하여 전극 사이의 용량이 변화하여 센서 출력이 된다. 공극이 진공이면, 이 압력 센서는 절대압을 계측할 수 있다.
이러한 미세 기계 장치에서는, 계측 전압에 기인하는 풀인 현상이 발생하는 것이 알려져 있다. 일반적으로, 어느 거리를 두고 평행하게 대향하는 2장의 전극 사이에 전압이 가해지면, 거리의 제곱에 반비례하는 인력(전압 기인의 인력)이 발생한다. 이 때문에, 전술한 정전 용량식의 압력 센서에 있어서, 압력이 인가되었을 때에 보다 변형한 다이어프램(401)이 기판(402)에 매우 가까운 거리까지 근접하면, 다이어프램(401)과 기판(402) 사이의 거리가 극단적으로 좁아지기 때문에, 전압 기인의 인력이 커지고, 강하게 끌어 당겨져 착저(着底)한다(풀인).
여기서, 착저한 순간 전극 사이는 단락되기 때문에 전압 기인의 인력은 작용하지 않게 되어, 다이어프램(401)이 기판(402)으로부터 이탈한다. 그러나, 이탈한 직후에는 다시 전압 기인의 인력이 가해지기 때문에 강하게 끌어 당겨져, 다시 착저한다. 전극 사이의 거리가 매우 작은 경우에는, 이러한 착저와 이탈이 반복되는 것이 된다.
정전 용량식의 압력 센서의 경우, 용량을 계측하기 위해서 전압을 인가할 필요가 있고, 이에 따르는 전압 기인의 인력의 영향을 받아 풀인 현상이 발생하며, 결과로서 전술한 착저와 이탈이 반복되어, 센서의 출력은 다이어프램이 받은 압력과는 무관하게 불안정해져 버린다. 이 풀인 현상은, 소형이며 전극 사이의 거리가 작고, 또한 기재(基材)나 전극 상의 접촉부 표면이 매끄러운 MEMS 센서에서 현저히 발생한다.
또한, 상기 미세 기계 장치에서는, 전술한 착저 등의 가동부의 일부의 기판에 대한 접촉으로, 이들이 접합하여, 탄성력에 의한 반발로는 가동부가 원래대로 되돌아가지 않게 되는 경우가 있다(특허문헌 1, 2, 3, 4, 5, 6 참조). 이 현상은 스티킹이나 고착 등으로 불리며, 미세 기계 장치에 있어서 문제가 되고 있다.
예컨대, 정전 용량식의 격막 진공계와 같이 대기압보다 작은 압력을 계측하는 압력 센서는, 반송·부착 시나 메인터넌스 시에 대기에 노출되기 때문에, 계측 범위 이상의 과대한 압력이 인가되는 상황이 빈번히 발생한다. 이와 같이 과대한 압력이 인가되면, 수압(受壓)한 다이어프램(401)은, 도 8c에 도시된 바와 같이, 실사용 범위를 넘어 크게 휘어져, 다이어프램(401)의 일부가, 기판(402)에 접촉(착저)해 버린다.
다이어프램(401)의 두께 및 변형 영역의 크기, 또한, 다이어프램(401)의 재료 등의 설계 파라미터에 따라, 전술한 착저의 상태는 다르지만, 대부분의 경우, 착저에 의해 스티킹이 발생한다. 특히, 전술한 풀인 현상을 억제하기 위해서, 접촉 부위에서는 전극이 형성되어 있지 않은 구성으로 한 경우에, 스티킹이 현저히 발생한다. 이것은, 풀인 현상 방지를 위해서 전극을 형성하고 있지 않은 영역에서는, 착저 시에, 다이어프램(401) 및 기판(402)을 구성하는 재료끼리가 직접 접촉하기 때문이라고 생각된다.
스티킹이 발생하면, 압력을 제거해도 다이어프램(401)이 복귀하지 않고, 마치 압력이 인가되고 있는 것과 같은 출력을 내어 버려, 측정 에러를 초래하게 된다. 특히, 표면 거칠기(Rz)가 0.1 ㎚∼수 ㎚로 매우 평탄한 기재로 제작하는 미세 기계 장치에서는, 큰 문제가 되고 있다. 또한, 격막 진공계의 경우, 기판과 가동부 사이가 진공 상태로 유지되기 때문에, 보다 스티킹이 발생하기 쉬운 경향이 있다.
[특허문헌 1] 일본 특허 공표 평성 제10-512675호 공보 [특허문헌 2] 일본 특허 공개 평성 제11-340477호 공보 [특허문헌 3] 일본 특허 공개 제2000-040830호 공보 [특허문헌 4] 일본 특허 공개 제2000-196106호 공보 [특허문헌 5] 일본 특허 공개 제2002-299640호 공보 [특허문헌 6] 일본 특허 공개 제2007-078439호 공보 [특허문헌 7] 일본 특허 제3668935호 공보
종래의 미세 기계 장치에서는, 전술한 바와 같은 전압에 기인하는 풀인 현상과 스티킹 현상을 방지하기 위해서, 접촉 부위에서는 전극이 형성되어 있지 않은 구성으로 하는 한편, 가동부 또는 기판 중 적어도 한쪽의 마주보는 면에, 돌기 등의 미세한 구조를 형성하여 접촉 면적을 줄여 접촉력을 억제하도록 하고 있다.
구체적으로는, 잘 알려진 반도체 장치의 제조 기술을 이용하여, 미세 기계 장치를 구성하고 있는 실리콘 등의 반도체나 석영 등의 기재에, 미소한 돌기를 형성하고 있다. 예컨대, 공지의 리소그래피 기술 및 에칭 기술에 의한 패터닝으로, 반도체나 석영 등의 기재에 수 ㎛ 정도의 크기의 돌기를 형성하도록 하고 있다. 한편, 본 명세서에서 말하는 기재란, 기판 및 가동부를 총칭하는 부재를 말한다.
그러나, 돌기에 의해 접촉 면적을 적게 하는 스티킹 대책은, 어느 정도 유효하지만, 특히 압력 센서의 경우, 과대 압력 인가 시에 큰 응력이 가해지기 때문에, 작은 돌기에서는 다이어프램이나 기판의 파괴로 이어진다. 한편, 이것을 방지하기 위해서 돌기를 크게 하면, 접촉 면적을 크게 하게 되어, 대책의 효과 그 자체를 얻을 수 없다. 이와 같이, 돌기에 의한 스티킹 방지 대책은, 돌기의 부분에 있어서의 접촉면의 크기를 엄밀히 관리하지 않으면 안 되어, 관리가 복잡해진다.
또한, 격막 진공계에서는, 사용하는 환경에 대응시켜 내산성이나 내열성을 갖게 하기 위해서, 사파이어 등의 결정 재료나 알루미나 세라믹스 등의 재료가 이용된다. 이러한 높은 절연성을 갖는 재료에서는, 실리콘이나 유리 등의 경우와 비교하여 스티킹이 보다 발생하기 쉽다.
즉, 초기에는 대전하고 있지 않은 절연 저항이 큰 기판 및 가동부가 반복해서 접촉함으로써, 접촉 대전이 일어나 표면에 정전기가 발생한다. 이들 정전기는 기재의 절연 저항이 크고, 또한 접촉하는 분위기도 진공 중이어서 도망갈 곳이 없기 때문에 접촉을 반복할 때마다 축적되며, 기판과 가동부 사이에 정전 인력을 발생시켜 스티킹을 일으킨다고 생각된다.
특히, 다이어프램이 얇은 구조가 되면, 수 ㎛ 정도의 크기의 돌기로는 스티킹에 대한 유효한 대책이 되지 않는다. 이러한 접촉 대전의 발생을 억제하기 위해서는, 접촉하는 면적 자체를 더욱 줄이는 것이 유효한 대책이다. 이 때문에, 예컨대 서브 ㎛ 이하의 사이즈의 미소 요철을 형성하는 것이 고려되지만, 사파이어나 알루미나 세라믹스 등의 재료는, 높은 기계적 강도나 높은 내식성, 내약품성을 갖고 있는 반면, 실리콘이나 유리 등의 재료보다 가공하기 어려워, 서브 ㎛ 이하의 사이즈의 미세 가공은 매우 곤란하다.
한편, 표면을 안정화시키는 표면 피막에 의해 스티킹을 방지하는 기술도 있으나, 이 경우, 표면 피복에 유기 재료가 사용되는 경우가 많아, 고온 환경에서 이용되는 경우나, 다이어프램과 기판 사이의 공간을 진공으로 하는 구성에서는 사용할 수 없다.
또한, 서브 ㎛ 이하의 요철 구조를 형성하는 종래 기술은, 일반적으로 2가지 생각된다. 하나는 샌드 블라스트 등의 표면을 기계적으로 거칠게 하는 수법인데, 거칠기를 컨트롤하는 것이 어려운 데다가 기재의 파괴 기점을 형성하게 되어, 가동부를 구비하는 압력 센서에 채용하기에는 리스크가 크다. 다른 하나는, 반도체 제조 프로세스에서 이용되고 있는 스테퍼나 전자선 묘화 노광 장치를 이용하는 방법인데, 진공계의 사용 용도나 조건에 따라서는, 예컨대 가동부의 두께가 두꺼워 계측하는 압력의 레인지가 높은 센서 등과 같이 수 ㎚∼수 100 ㎚의 요철은 불필요한 것도 있는 것을 고려하면, 공정이나 장치에 대해 요철이 불필요한 것과 공통화할 수 있는 비율이 저하되어, 제조 비용이나 생산 관리라고 하는 점에서 불리해진다. 또한, 제조 시나 센서 사용의 초기에 있어서는 스티킹이 발생하지 않으나, 사용이 장기간에 이르면 발생한다고 하는 성가신 일도 많이 일어나고 있다.
또한, 돌기 등의 표면을 절연체로 종단(終端)하는 경우에는 대전하기 쉬워지기 때문에, 접촉부를 통합하여 동전위로 한다고 하는 것과 같은 방법도 있다(예컨대, 특허문헌 7 참조). 그러나, 접촉부를 통합하여 동전위로 하는 방법에서는, 회로 등의 전기적인 전환 조작을 포함하는 전압 구동 회로를 필요로 하여, 디바이스 그 자체로의 과제 해결은 되지 않는다. 또한, 실리콘 및 산화실리콘을 염두에 둔 것으로, 보다 절연성이 높은 재료에 대해서는 그대로 적용하기 어렵다.
이러한 점에서, 특히, 사파이어나 알루미나 세라믹스 등과 같은 높은 절연성의 기재를 이용한 미세 기계 장치에서는, 유효한 스티킹 방지책을 취하기 어려운 상황에 있었다.
본 발명은 이러한 과제를 해결하기 위해서 이루어진 것으로, 높은 절연성의 기재를 이용한 미세 기계 장치에 있어서 유효한 스티킹 방지책을 얻는 것을 목적으로 한다.
이러한 목적을 달성하기 위해서 본 발명은, 절연체로 이루어지는 기판과, 기판 위에 지지부에 의해 지지되어 가동 영역에서 기판과 이격되어 배치되고, 가동 영역에서 기판의 방향으로 변위 가능하게 된 절연체로 이루어지는 가동부와, 가동 영역에서 마주보는 기판 및 가동부 중 적어도 한쪽의 면에 형성된 볼록부와, 가동 영역에서 마주보는 기판 및 가동부의 각각의 표면에 형성된 전극과, 볼록부가 형성되어 있는 영역에서 마주보는 기판측의 면 및 가동부측의 면에 설치된 도전체를 구비하고, 기판측의 면 및 가동부측의 면에 설치된 도전체 중 적어도 한쪽은, 그 도전체가 설치되어 있는 기판 또는 가동부의 표면에 형성되어 있는 전극에 간극을 형성하여 주위가 둘러싸인 독립 도전체로 되고, 독립 도전체 주위를 둘러싸는 간극은, 표면 저항이 대전 방지 레벨로 된 대전 방지층으로 되어 있는 것을 특징으로 한다.
본 발명에서는, 볼록부가 형성되어 있는 영역에서 마주보는 기판측의 면 및 가동부측의 면에 도전체를 설치하고, 기판측의 면 및 가동부측의 면에 설치된 도전체 중 적어도 한쪽을, 그 도전체가 설치되어 있는 기판 또는 가동부의 표면에 형성되어 있는 전극에 간극을 형성하여 주위가 둘러싸인 독립 도전체로 한다. 그리고, 이 독립 도전체 주위를 둘러싸는 간극을 표면 저항이 대전 방지 레벨(예컨대, 109 Ω/□∼1014 Ω/□)로 된 대전 방지층으로 한다.
본 발명에서는, 독립 도전체 주위를 둘러싸는 간극을 대전 방지층으로 함으로써, 이 대전 방지층을 통해 독립 도전체와 이 독립 도전체 주위를 둘러싸는 전극이 접속된다. 이에 의해, 접촉 대전에 의한 전하가 발생했다고 해도, 그 전하를 대전 방지층을 통해 주위의 전극으로 방출하도록 하여, 스티킹을 방지하는 것이 가능해진다. 또한, 독립 도전체의 전위를 주위의 전극의 전위에 추종시키지 않고, 풀인 현상을 발생시키지 않도록 하는 것도 가능해진다.
본 발명에 있어서, 독립 도전체와 이 독립 도전체 주위를 둘러싸는 전극 사이에 형성되는 저항을 R, 독립 도전체와 이 독립 도전체 주위를 둘러싸는 전극 사이에 형성되는 용량을 C, 저항(R)과 용량(C)의 곱을 시상수(RC), 가동 영역에서 마주보는 기판 및 가동부의 각각의 표면에 형성된 전극 사이에 동작 시에 인가되는 교류 전압의 진동 주기를 T라고 했을 때, 시상수(RC)가 교류 전압의 진동 주기(T)보다 커지는 것과 같은 값으로서 대전 방지층의 표면 저항을 설정하도록 하는 것이 바람직하다.
본 발명에 있어서, 기판측의 면 및 가동부측의 면에 설치된 도전체 중 적어도 볼록부가 형성되어 있는 측의 면에 설치된 도전체는, 볼록부를 형성하고 있는 재료에 보다 가까운 경도의 재료로 하는 것이 바람직하다. 이에 의해, 볼록부가 도전체에 파고들어 소성 변형이나 고착이 발생하거나 하는 일이 없고, 내구성이나 재현성을 높일 수 있게 된다.
또한, 본 발명에 있어서, 기판측의 면 및 가동부측의 면에 설치된 도전체는, 상이한 재료로 하는 것이 바람직하다. 이에 의해, 분자간 결합을 발생시키기 어렵게 하여, 도전체끼리가 직접 접합되어 버리는 것을 방지하는 것이 가능해진다.
본 발명에 의하면, 기판측의 면 및 가동부측의 면에 설치된 도전체 중 적어도 한쪽을, 그 도전체가 설치되어 있는 기판 또는 가동부의 표면에 형성되어 있는 전극에 간극을 형성하여 주위가 둘러싸인 독립 도전체로 하고, 독립 도전체 주위를 둘러싸는 간극을 표면 저항이 대전 방지 레벨로 된 대전 방지층으로 하도록 했기 때문에, 높은 절연성의 기재를 이용한 미세 기계 장치에 있어서 유효한 스티킹 방지책을 얻는 것이 가능해진다.
도 1a는 본 발명의 실시형태에서의 미세 기계 장치의 구성예를 도시한 단면도이다.
도 1b는 본 발명의 실시형태에서의 미세 기계 장치의 일부 구성예를 도시한 단면도이다.
도 2는 본 발명의 실시형태에서의 미세 기계 장치의 기판 상의 볼록부가 형성된 영역을 위에서 본 도면이다.
도 3은 본 발명의 실시형태에서의 미세 기계 장치의 동작 상태를 설명하는 도면이다.
도 4는 본 발명의 실시형태에서의 다른 미세 기계 장치의 일부 구성예를 도시한 단면도이다.
도 5는 본 발명의 실시형태에서의 다른 미세 기계 장치의 일부 구성예를 도시한 단면도이다.
도 6은 본 발명의 실시형태에서의 다른 미세 기계 장치의 일부 구성예를 도시한 단면도이다.
도 7은 본 발명의 실시형태에서의 다른 미세 기계 장치의 구성예를 도시한 단면도이다.
도 8a는 압력 센서의 일부 구성을 도시한 단면 사시도이다.
도 8b는 압력 센서의 일부 구성을 도시한 단면 사시도이다.
도 8c는 압력 센서의 일부 구성을 도시한 단면 사시도이다.
이하, 본 발명의 실시형태를 도면에 기초하여 상세히 설명한다. 도 1a는 본 발명의 실시형태에서의 미세 기계 장치의 구성예를 도시한 단면도이다. 또한, 도 1b는 본 발명의 실시형태에서의 미세 기계 장치의 일부 구성예를 도시한 단면도이다. 도 1b는 도 1a의 일부를 확대하여 나타내고 있다.
이 미세 기계 장치[100(100A)]는, 절연체로 이루어지는 기판(101)과, 기판(101) 위에 지지부(102)에 의해 지지되어 가동 영역(121)에서 기판(101)과 이격되어 배치되고, 가동 영역(121)에서 기판(101)의 방향으로 변위 가능하게 된 절연체로 이루어지는 가동부(103)를 구비한다. 가동부(103)는, 지지부(102)에 고정되어 있다. 기판(101) 및 가동부(103)는 높은 절연성을 가지며, 그 절연 레벨은 1014 Ω/□보다 크다.
이 미세 기계 장치(100A)에 있어서, 가동 영역(121)에서 마주보는 기판(101) 및 가동부(103)의 기판(101)측의 면(101a)에는, 복수의 볼록부(104)가 형성되어 있다. 볼록부(104)는, 예컨대, 평면에서 보아 원형으로 된 기둥이고, 직경이 1 ㎛∼수 10 ㎛로 되어 있다. 이 예에 있어서, 인접하는 볼록부(104)의 간격(L)은, 예컨대 0.5 ㎜ 정도로 되어 있다.
또한, 가동 영역(121)에서 마주보는 기판(101) 및 가동부(103)의 각각의 면(표면)(101a, 103a)에는, 전극(105), 전극(106)이 형성되어 있다. 즉, 기판(101)측의 면(101a)에 전극(105)이 형성되고, 가동부(103)측의 면(103a)에 전극(106)이 형성되어 있다.
이 미세 기계 장치(100A)는, 예컨대, 가동부(103)가 다이어프램인 압력 센서이다. 예컨대, 기판(101) 및 가동부(103)는, 사파이어로 구성되어 있다. 수압한 가동부(103)가 기판(101)의 방향으로 변위함으로써, 가동 영역(121)에 있어서의 전극(105)과 전극(106)의 간격이 변화하여, 용량이 변화한다. 이 용량 변화에 의해 가동부(103)가 수압한 압력을 측정한다. 전극 형성 영역이 진공으로 되어 있으면, 절대 압력을 측정할 수 있는 압력 센서로서 이용할 수 있다.
이 미세 기계 장치(100A)는, 볼록부(104)가 형성되어 있는 영역(122)마다, 이 볼록부(104)가 형성되어 있는 영역(122)에서 마주보는 기판(101)측의 면(101a) 및 가동부(103)측의 면(103a)에 도전체[107(107a) 및 108(108a)]가 설치되어 있다.
기판(101)측의 면(101a)에 설치된 도전체(107)는, 도 2에 기판(101) 상의 볼록부(104)가 형성되어 있는 영역(이하, 볼록부 형성 영역이라고 부름)(122)을 위에서 본 도면을 나타내는 바와 같이, 기판(101)의 면(101a)에 형성되어 있는 전극(105)에 간극(h)을 형성하여 주위가 둘러싸인 독립된 도전체로 되어 있다. 이 독립된 도전체(107)는 볼록부(104) 전부를 덮고 있다. 이하, 이 도전체(107)를 독립 도전체라고 부른다.
이에 비해, 가동부(103)측의 면(103a)에 설치된 도전체(108)는, 가동부(103)의 면(103a)에 형성되어 있는 전극(106)의 일부로 되어 있다. 즉, 본 실시형태에서는, 가동부(103)측의 전극(106)이 형성된 영역 중, 기판(101)측의 독립 도전체(107)에 대향하는 영역을 도전체(108)라고 부르고 있다.
본 실시형태에 있어서, 독립 도전체(107) 및 도전체(108)의 표면 저항은 109 Ω/□ 이하의 전기 전도 레벨로 되어 있는데, 독립 도전체(107)와 도전체(108)는 동일한 재료가 아니라, 상이한 재료로 형성되어 있다.
또한, 본 실시형태에 있어서, 독립 도전체(107)는 볼록부(104)를 형성하고 있는 재료, 즉 기판(101)의 재료인 사파이어에 보다 가까운 경도의 재료로 되어 있다. 이 예에서는 비커스 경도가 400 ㎫ 이상인 재료가 이용되고 있다. 예컨대, W, Mo, Ti, Fe, Ni, Cu, Nb, Ta, Cr, Ga, Ir, Rh, Ru, V, Pd, Zr 등의 재료가 이용되고 있다. 한편, 도전체(108)에 대해서도, 비커스 경도가 400 ㎫ 이상인 재료를 이용하도록 해도 좋다.
기판(101)에 있어서, 독립 도전체(107) 주위를 둘러싸는 간극(링 형상의 간극)(h)은, 표면 저항이 대전 방지 레벨로 된 대전 방지층(109)으로 되어 있다. 즉, 간극(h)의 표면의 저항값을 대전 방지 레벨을 유지하도록, 간극(h)의 사이즈나 간극(h) 내의 재료를 결정하여 배치함으로써, 대전 방지층(109)이 형성되어 있다. 본 실시형태에 있어서, 대전 방지층(109)의 표면 저항은, 109 Ω/□∼1014 Ω/□로 되어 있다.
이러한 대전 방지층(109)은, 예컨대, 스퍼터, 증착, CVD(Chemical Vapor Deposition), ALD(Atomic Layer Deposition) 등의 성막(成膜) 방법 및 패터닝에 의해, 독립 도전체(107) 주위를 둘러싸는 간극(h)에만 저항이 약간 낮은 막을 형성함으로써 작성할 수 있다. 이 경우, 대전 방지층(109)을 형성하는 재료로서는, 기판(101) 및 가동부(103)를 구성하는 절연체보다 저항이 낮은 재료를 이용하는 것으로 한다. 구체적인 재료로서, SiC, Si 등의 반도체, 티탄산화물, 인듐산화물, 아연산화물, 주석산화물, 루테늄산화물, 지르코니아산화물 등의 산화물, 질화알루미늄, 질화티탄, 질화실리콘, 탄화티탄 등의 질화물 또는 탄화물 등을 들 수 있다.
또한, 대전 방지층(109)은, 이온 주입을 실시하여, 표면 저항을 낮추는 것에 의해서도 작성하는 것이 가능하다. 이 경우의 재료로서, 철, 니켈, 금, 은, 붕소, 구리, 크롬, 세륨, 테르븀, 망간, 인, 불소, 아르곤 등을 들 수 있다.
또한, 대전 방지층(109)은, 금속을 성막 후에 고온에서 열확산시킨 다음에 여분의 금속을 화학적·물리적으로 제거하여, 표면의 저항을 낮추는 것에 의해서도 작성하는 것이 가능하다. 이 경우, 확산시키는 금속은, 티탄, 니오브, 탄탈, 니켈, 철, 크롬, 망간 등을 들 수 있다.
또한, 대전 방지층(109)은, 원자층 오더의 두께의 산화금속층으로 구성해도 좋다. 예컨대, 몰리브덴산화물, 텅스텐의 산화물 등으로 구성한 원자층 오더의 두께의 산화금속층으로 대전 방지층(109)을 구성하면 된다. 산화몰리브덴이나 산화텅스텐은, 사파이어 등과 비교하여 증기압이 낮다. 이 재료를, 사파이어로 이루어지는 기판(101)과 함께 동일한 노(爐) 내에서 900℃ 정도로 가열함으로써 상기 산화금속을 증발(승화)시키면, 기판(101)의 표면에 원자층 오더의 두께의 상기 산화금속층을 형성할 수 있다.
이 미세 기계 장치(100A)에 의하면, 수압한 가동부(103)가 실사용 범위를 넘어 크게 휘어지면, 가동부(103)의 일부의 면(103a)이, 기판(101)의 볼록부(104)의 상면에 착저한다. 이 상태에 있어서, 가동부(103)의 면(103a)에 설치되어 있는 도전체(108)는, 기판(101)의 볼록부(104)의 상면에 설치되어 있는 독립 도전체(107)에 접촉한다. 이에 의해, 접촉 대전에 의한 전하가 발생했다고 해도, 그 전하를 대전 방지층(109)을 통해 주위의 전극(105)으로 방출하도록 하여, 스티킹을 방지하는 것이 가능해진다. 또한, 독립 도전체(107)의 전위를 주위의 전극(105)의 전위에 추종시키지 않고, 풀인 현상을 발생시키지 않도록 하는 것도 가능해진다. 그 이유에 대해서는 후술한다.
또한, 본 실시형태에서는, 독립 도전체(107)와 도전체(108)가 상이한 재료로 되어 있기 때문에, 독립 도전체(107)와 도전체(108)가 직접 접합되어 버리는 것을 방지할 수 있다. 즉, 독립 도전체(107)와 도전체(108)가 동일한 재료였던 경우, 진공 중에서 독립 도전체(107)와 도전체(108)가 접촉하면, 독립 도전체(107)와 도전체(108)의 분자간 결합이 발생하여, 접합되어 버리는 경우가 있다. 본 실시형태에서는, 독립 도전체(107)와 도전체(108)를 상이한 재료로 하고 있기 때문에, 이러한 분자간 결합이 발생하기 어려워, 독립 도전체(107)와 도전체(108)가 직접 접합되어 버리는 것을 방지할 수 있다.
또한, 본 실시형태에서는, 독립 도전체(107)가 볼록부(104)를 형성하고 있는 재료에 보다 가까운 경도의 재료로 되어 있기 때문에, 독립 도전체(107)와 도전체(108)의 접촉이 반복되어도, 볼록부(104)가 독립 도전체(107)에 파고들어 소성 변형이나 고착이 발생하거나 하는 일이 없고, 내구성이나 재현성을 높일 수 있다.
여기서, 본 발명에 이른 경위에 대해 설명한다. 먼저, 전술한 바와 같이, 가동 영역(121)에서 마주보는 기판(101)의 면(101a) 및 가동부(103)의 면(103a)에 있어서, 각각의 전역에 전극이 형성되어 있으면, 착저 시에 이들이 접촉하여 문제가 된다. 즉, 풀인 현상에 의한 착저와 이탈이 반복되어, 문제가 된다. 이 문제를 해소하기 위해서, 접촉 부위에는 전극을 배치하지 않는 상태로 하는 것이 고려된다. 그러나, 전극이 형성되어 있지 않은 부위에서는 기판(101)의 면(101a)과 가동부(103)의 면(103a)이 직접 접촉하게 된다.
절연 저항이 큰 기판(101)과 가동부(103)의 접촉이 반복해서 발생하면, 접촉 대전이 일어나 표면에 정전기가 발생한다. 이들 정전기는, 기판(101) 및 가동부(103)의 절연 저항이 크고, 또한 접촉하는 분위기도 진공 중이어서 도망갈 곳이 없기 때문에 접촉을 반복할 때마다 축적된다. 이 결과, 기판(101)과 가동부(103) 사이에 정전 인력이 발생하여, 스티킹이 발생하게 된다.
이러한 접촉 대전의 발생을 억제하기 위해서는, 접촉하는 면적 자체를 줄이는 것이 유효한 대책이다. 이 때문에, 볼록부(104)를 형성하여, 착저 시의 접촉 면적을 작게 하고 있다. 그러나, 사파이어 등의 절연 재료에서는, 잘 알려져 있는 바와 같이, 수 ㎛ 정도의 패턴인 볼록부(104)의 형성은 용이하게 실시할 수 있으나, ㎚ 레벨의 미세 가공이 매우 곤란하다. 따라서, 용이하게 실현할 수 있는 볼록부(104)의 치수는, 수 ㎛ 단위가 된다. 그러나, 수 ㎛ 정도의 크기의 볼록부(104)만으로는, 전술한 정전기에 의한 스티킹에 대해 유효한 대책이 되지 않는다.
이에 대해, 착저 시에 접촉하는 부위를 도전체(107, 108)로 함으로써, 접촉 대전을 발생하기 어렵게 한다. 그러나, 도전체(107)를 도전체(108)와 마찬가지로 전극(105)의 일부로 하면, 전극이 형성되어 있는 상태와 동일하여, 전극(105)과 전극(106) 사이의 접속을 발생시켜, 풀인 현상이 발생하여, 문제가 된다.
이에 비해, 본 실시형태에서는, 도전체(107)를 독립 도전체로 하고, 이 독립 도전체(107) 주위를 둘러싸는 간극(h)을 대전 방지층(109)으로 하며, 이 대전 방지층(109)을 통해 독립 도전체(107)와 주위의 전극(105)을 접속하는 구성으로 하고 있기 때문에, 접촉 대전이 발생했다고 해도, 그 접촉 대전에 의한 전하를 대전 방지층(109)을 통해 전극(105)으로 방출하도록 하여, 스티킹을 방지할 수 있다. 또한, 독립 도전체(107)의 전위를 주위의 전극(105)의 전위에 추종시키지 않고, 풀인 현상을 발생시키지 않도록 할 수 있다.
즉, 본 실시형태에서는, 대전 방지층(109)의 표면 저항을 109 Ω/□∼1014 Ω/□로 하고 있다. 이 대전 방지층(109)의 표면 저항은, 독립 도전체(107)와 이 독립 도전체(107) 주위를 둘러싸는 전극(105) 사이에 형성되는 저항을 R, 독립 도전체(107)와 이 독립 도전체(107) 주위를 둘러싸는 전극(105) 사이에 형성되는 용량을 C, 저항(R)과 용량(C)의 곱을 시상수(RC), 가동 영역(121)에서 마주보는 기판(101) 및 가동부(103)의 각각의 표면[면(101a, 103b)]에 형성된 전극(105, 106)에 동작 시에 인가되는 교류 전압의 진동 주기를 T[진동수(f)의 역수]라고 했을 때, 시상수(RC)가 교류 전압의 진동 주기(T)보다 커지는 것과 같은 값(RC≫T)으로서 설정되어 있다.
이 대전 방지층(109)에 있어서의 시상수(RC)에 대해 도 3을 이용하여 보다 구체적으로 설명한다. 도 3은 미세 기계 장치(100A)의 가동부(103)가 기판(101)에 착저하고 있는 상태의 일부를 도시한 단면도이다. 도 3에 있어서, 미세 기계 장치(100A)는, 가동부(103)가 다이어프램인 압력 센서이고, 동작 시에 인가되는 계측 전압이 교류인 것으로 한다.
도 3에 도시된 바와 같이, 착저한 순간의, 전극(106) 즉 도전체(108)의 전위를 0이라고 하고, 전극(105)의 전위를 V0sin(2πft)라고 한다. 이 경우, 도전체(108)에 접촉한 볼록부(104) 상의 독립 도전체(107)의 전위도 당연히 0이지만, 동일한 면에 있는 전극(105)과의 사이의 저항이 지나치게 작으면, 가동부(103)가 기판(101)으로부터 이탈했을 때, 독립 도전체(107)의 전위가 전극(105)의 전위에 추종하여 곧 V0sin(2πft)가 되어, 전위 0의 도전체(108)와의 사이에서 전위차가 발생한다. 이 때문에, 전압에 기인하는 인력이 발생하여, 풀인 현상에 의한 착저와 이탈이 반복되어 버린다.
이에 비해, 독립 도전체(107)와 이 독립 도전체(107) 주위를 둘러싸는 전극(105) 사이에 형성되는 저항을 R, 독립 도전체(107)와 이 독립 도전체(107) 주위를 둘러싸는 전극(105) 사이에 형성되는 용량을 C라고 하면, 독립 도전체(107)와 교류가 인가되고 있는 전극(105) 사이는, 단순한 일차 필터(RC 회로)로 간주할 수 있다. 따라서, 전극(105)에 인가되는 교류의 진동수(f)에 대해 정의되는 RC 회로의 차단 주파수 1/(2πRC)가 충분히 작으면, 독립 도전체(107)의 전위는, 주변의 전극(105)의 전위에 추종하지 않아, 도전체(108)와의 사이에서 전위차가 발생하지 않는다. 이 결과, 전압에 기인하는 인력은 발생하지 않아, 즉 풀인 현상은 발생하지 않아, 착저와 이탈의 반복을 방지할 수 있다.
한편, 접촉에 의해 발생하는 정전기에 의한 대전의 확산은 직류이기 때문에, 초기에 대전한 전하를 Q0이라고 하면, 이 전하는, 대전 방지층(109)을 통해 전극(105)으로 방출되어, Q0exp(-t/RC)와 같이 감쇠한다. 시상수(RC)가 압력 센서의 응답 속도보다 충분히 작으면, 대전 원인의 스티킹은 발생하지 않으나, 일반적으로는 독립 도전체(107)의 표면 저항이 109 Ω/□ 이하이면 대전은 하기 어렵고, 대전이 발생했다고 해도 정전기는 대전 방지층(109)을 통해 신속히 제거된다. 이와 같이, 스티킹 및 풀인 현상에 의한 이상을 회피하기 위해서, 독립 도전체(107)와 이 독립 도전체(107) 주위를 둘러싸는 전극(105) 사이의 저항(R)은, 하한을 차단 주파수, 상한을 대전 방지를 위해서 제한하면 되게 된다.
한편, 전술한 실시형태에서는, 가동부(103)측의 면(103a)에 형성되어 있는 전극(106)의 일부를 가동부(103)측의 도전체(108)로 하였으나, 예컨대 도 4에 도시된 바와 같이, 가동부(103)측의 면(103a)에 형성되어 있는 전극(106)과는 별도의 도전체[108(108b)]를 설치하도록 해도 좋다.
또한, 도 5에 도시된 바와 같이, 기판(101)측의 독립 도전체(107)와 마찬가지로, 가동부(103)측에도 독립 도전체[108(108c)]를 설치하고, 이 독립 도전체(108c) 주위를 대전 방지층(110)으로 둘러싸도록 해도 좋다.
또한, 도 6에 도시된 바와 같이, 기판(101)측의 도전체[107(107b)]를 기판(101)측의 면(101a)에 형성되어 있는 전극(105)의 일부로 하고, 가동부(103)측에 독립 도전체[108(108c)]를 설치하며, 이 독립 도전체(108c) 주위를 대전 방지층(110)으로 둘러싸도록 해도 좋다.
또한, 전술한 실시형태에서는, 기판(101)측에 볼록부(104)를 형성하도록 하였으나, 도 7에 도시된 미세 기계 장치[100(100B)]와 같이, 가동 영역(121)에서 마주보는 가동부(103)측의 면(103a)에 볼록부(104)를 형성하고, 전술과 동일한 구성을 채용하도록 해도 좋다. 또한, 가동 영역(121)에서 마주보는 기판(101)측의 면(101a)과 가동부(103)측의 면(103a)의 양방에 볼록부(104)를 형성하고, 전술과 동일한 구성을 채용하도록 해도 좋다.
또한, 전술한 실시형태에서는, 기판(101) 및 가동부(103)를 구성하는 절연 재료를 사파이어(단결정 사파이어)로 하였으나, 알루미나 세라믹스(다결정 알루미나 세라믹스)로 해도 좋다. 또한, 사파이어나 알루미나 세라믹스와 동등한 절연성을 보유하는 절연 재료이면, 탄화실리콘, 질화알루미늄, 질화실리콘, 산화지르코늄, 산화이트륨, 코디어라이트(2MgO·2Al2O3·5SiO2), 멀라이트(3Al2O3·2SiO2), 스테아타이트(MgO·SiO2), 포스테라이트(2MgO·SiO2) 등의 화합물 등이어도 좋다.
〔실시형태의 확장〕
이상, 실시형태를 참조하여 본 발명을 설명하였으나, 본 발명은 상기한 실시형태에 한정되는 것이 아니다. 본 발명의 구성이나 상세에는, 본 발명의 기술 사상의 범위 내에서 당업자가 이해할 수 있는 여러 가지 변경을 할 수 있다.
100(100A, 100B): 미세 기계 장치 101: 기판
101a: 면(기판측의 면) 102: 지지부
103: 가동부 103a: 면(가동부측의 면)
104: 볼록부 105, 106: 전극
107(107a): 도전체(독립 도전체) 108(108a): 도전체
109: 대전 방지층 121: 가동 영역
122: 볼록부 형성 영역 h: 간극

Claims (7)

  1. 절연체로 이루어지는 기판과,
    상기 기판 위에 지지부에 의해 지지되어 가동 영역에서 상기 기판과 이격되어 배치되고, 상기 가동 영역에서 상기 기판의 방향으로 변위 가능하게 된 절연체로 이루어지는 가동부와,
    상기 가동 영역에서 마주보는 상기 기판 및 상기 가동부 중 적어도 한쪽의 면에 형성된 볼록부와,
    상기 가동 영역에서 마주보는 상기 기판 및 상기 가동부의 각각의 표면에 형성된 전극과,
    상기 볼록부가 형성되어 있는 영역에서 마주보는 상기 기판측의 면 및 상기 가동부측의 면에 설치된 도전체를 포함하고,
    상기 기판측의 면 및 상기 가동부측의 면에 설치된 도전체 중 적어도 한쪽은,
    그 도전체가 설치되어 있는 상기 기판 또는 상기 가동부의 표면에 형성되어 있는 전극에 간극을 형성하여 주위가 둘러싸인 독립 도전체로 되고,
    상기 독립 도전체 주위를 둘러싸는 상기 간극은,
    표면 저항이 대전 방지 레벨로 된 대전 방지층으로 되어 있는 것을 특징으로 하는 미세 기계 장치.
  2. 제1항에 있어서,
    상기 기판측의 면 및 상기 가동부측의 면에 설치된 도전체 중 적어도 상기 볼록부가 형성되어 있는 측의 면에 설치된 도전체는,
    상기 볼록부를 형성하고 있는 재료에 보다 가까운 경도의 재료로 되어 있는 것을 특징으로 하는 미세 기계 장치.
  3. 제1항에 있어서,
    상기 기판측의 면 및 상기 가동부측의 면에 설치된 도전체는,
    상이한 재료로 되어 있는 것을 특징으로 하는 미세 기계 장치.
  4. 제1항 내지 제3항 중 어느 한 항에 있어서,
    상기 대전 방지층의 표면 저항은, 109 Ω/□∼1014 Ω/□로 되어 있는 것을 특징으로 하는 미세 기계 장치.
  5. 제1항 내지 제3항 중 어느 한 항에 있어서,
    상기 독립 도전체와 이 독립 도전체 주위를 둘러싸는 상기 전극 사이에 형성되는 저항을 R, 상기 독립 도전체와 이 독립 도전체 주위를 둘러싸는 상기 전극 사이에 형성되는 용량을 C, 상기 저항(R)과 상기 용량(C)의 곱을 시상수(RC), 상기 가동 영역에서 마주보는 상기 기판 및 상기 가동부의 각각의 표면에 형성된 상기 전극 사이에 동작 시에 인가되는 교류 전압의 진동 주기를 T라고 했을 때, 상기 시상수(RC)가 상기 교류 전압의 진동 주기(T)보다 커지는 것과 같은 값으로서 상기 대전 방지층의 표면 저항이 설정되어 있는 것을 특징으로 하는 미세 기계 장치.
  6. 제1항 내지 제3항 중 어느 한 항에 있어서,
    상기 절연체는, 사파이어인 것을 특징으로 하는 미세 기계 장치.
  7. 제1항 내지 제3항 중 어느 한 항에 있어서,
    상기 절연체는, 알루미나 세라믹스인 것을 특징으로 하는 미세 기계 장치.
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