KR930001801B1 - 정전형 마이크로 모우터의 구동력 전달장치 - Google Patents

정전형 마이크로 모우터의 구동력 전달장치 Download PDF

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KR930001801B1 KR1019900008839A KR900008839A KR930001801B1 KR 930001801 B1 KR930001801 B1 KR 930001801B1 KR 1019900008839 A KR1019900008839 A KR 1019900008839A KR 900008839 A KR900008839 A KR 900008839A KR 930001801 B1 KR930001801 B1 KR 930001801B1
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신지 우치다
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마쯔시다덴기산교 가부시기가이샤
다니이 아끼오
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Abstract

내용 없음.

Description

정전형 마이크로 모우터의 구동력 전달장치
제1도는 본 발명의 실시예에 있어서의 정전형 마이크로 모우터의 구동력 전달장치의 평면도.
제2도는 동실시예의 Y-Y단면도.
제3도는 동실시예의 제작설명도.
제4도는 종래의 정전형 마이크로 모우터장치의 평면도.
제5도는 동장치의 단면도.
* 도면의 주요부분에 대한 부호의 설명
1, 11, 16, 17 : 지지축 2, 12 : 로우터
1a, 11a : 상플랜지부 1b, 11b : 하플랜지부
2a, 12a : 접촉부 2b, 12b : 바깥둘레부
3a∼3l, 13a∼13r : 전극 3a'∼3g', 13a' : 안둘레부
14, 15 : 전달기어 16a, 17a : 구멍
18 : 랙판 19 : 기준층
20 : 실리콘기판 21, 26 : 산화막(또는 PSG층)
22, 27 : 질화실리콘층 23, 25, 29 : 다결정실리콘층
24, 28 : PSG층
본 발명은 예를들면 에칭이나 석판인쇄 등의 반도체 제조방법에 의해서 제작되는 마이크로 머시인의 구동원으로서 사용되는 정전형 마이크로 모우터의 구동력 전달장치에 관한 것이다.
종래의 정전형 마이크로 모우터장치로서는, 예를들면 Tai등의 논문("IC-Processed Micro-Motors : Design, Technology, and Testing" Proceedings of IEEE Micro Electro Mechanical Systems Workshop Feb. 1989)에 표시되어 있다.
제4도는 이 종래의 정전형 마이크로 모우터장치의 평면도를 표시한 것이며, 에칭이나 석판인쇄 등의 반도체 제조방법에 의해서 제작되고 있다. 도면에 있어서 (1)은 지지축이며, (2)는 최대직경 120㎛이며, 사방에 돌기가 나와있는 로우터, (3a)∼(3l)이 로우터(2)의 주위에 로우터(2)의 회전중심에 대해서 방사방향으로 형성된 12개의 전극이다. 이들 전극(3a)∼(3l)에는 도면에는 생략하나, 각각 배선이 이루어져 있으며, 3개씩 병렬로 접속되어 3상 4극의 모우터가 된다. 구체적으로는 (3a), (3d), (3g), (3j)의 조합과, (3b), (3e), (3h), (3k)의 조합, 그리고 (3c), (3f), (3i), (3l)의 조합이다.
제5도에 동장치의 단면도를 표시하나, 도면에 명백한 바와 같이 로우터(2)는 지지축(1)의 상플랜지부(1a)와 하플랜지부(1b)에 의해서 지지되고, 기준층(4)에 접촉하지 않도록 되어 있다. 또 전극(3a), (3g)(다른 전극도 동일하다)와 로우터(2)는 거의 동일높이로 되어 있다. 지지축(1), 로우터(2), 전극(3a)∼(3l), 기준층(4)은 각각 다결정실리콘인 소재이나, 로우터(2)의 지지축(1)과의 접촉부(2a) 및 바깥둘레부(2b), 전극(3a), (3g)의 안둘레부(3a'), (3g')(다른 전극도 동일하다)에는, 윤활층으로서 질화실리콘(Si3N4)의 막이 형성되어 있다.
이상과 같이 구성된 종래의 정전형 마이크로 모우터장치에 있어서는 3상 4극 구성의 전극(3a)∼(3l)에 60V∼400V정도의 전압을 상(plase)을 절환하면서 순차 인가한다. 그러면 로우터(2)와 전극(3a)∼(3l)의 끝부분에 정전인력이 작용하여 로우터(2)가 회전한다. 예를들면 먼저(3a), (3d), (3g), (3j)의 조합, 다음에 (3b), (3e), (3h), (3k)의 조합, 그리고 (3c), (3f), (3i), (3l)의 조합과 같은 방식으로 인가함으로서 로우터(2)는 제4도의 화살표 X방향으로 회전하게 된다.
그러나 상기와 같은 구성에서는 로우터(2)를 회전시킬 수는 있으나, 그 회전 구동력을 외부로 빼낼 방법이 없다. 범용 전기모우터와 같이 축에 기어를 후에 부착하는 것과 같은 구성에서는 반도체 제조방법을 사용함에 따른 소형경량화나 양산성신뢰성의 높음을 활용할 수 없다. 따라서 이 정전형 마이크로 모우터를 구동원으로서 사용한 마이크로 머시인을 구성할 수 없다고 하는 과제를 가지고 있었다.
본 발명은 이러한 점에 비추어 종래에 없는 신규마이크로 머시인의 구동원이 될 수 있는 정전형 마이크로 모우터의 구동력 전달장치를 제공하는 것을 목적으로 한다.
본 발명은 대략 기어형상인 로우터와의 로우터의 바깥쪽에 상기 로우터의 톱니형상에 대항하여 원주상의 소정의 부분이 결락(缺落)한 상태에서 배치된 복수의 전극과, 전극의 결락부에서 로우터에 이 맞물리도록 구성된 전달기어를 구비한 정전형 마이크로 모우터의 구동력 전달장치이다.
본 발명은 상기 구성에 의해, 회전하는 로우터 자체가 기어로 되어 있으며, 또 전달기어도 전극의 결락부에 존재하기 때문에, 직접 로우터와 전달기어가 이 맞물릴 수 있으므로, 이 전달기어를 개재해서 외부로 로우터의 회전구동력을 간단히 빼낼 수 있다. 또 각 부분이 평면적으로 구성되어 있기 때문에 용이하게 반도체 제조방법에 의해서 제작할 수 있기 때문에 소형경량화나 양산성, 신뢰성의 높음을 활용하면서 마이크로 머시인의 구동원이 될 수 있는 정전형 마이크로 모우터의 구동력 전달장치를 제공할 수 있다.
제1도는 본 발명의 일실시예에 있어서의 정전형 마이크로 모우터의 구동력 전달장치의 평면도를 표시한 것이다. 제1도에 있어서, (11)은 지지축이며, (12)는 외경 120㎛이며 대략 기어형상을 하고 있는 로우터, (13a)∼(13i) 및 (13j)∼(13r)은 로우터(12)의 주위에 로우터(12)의 회전중심에 대하여 방사형상으로 또한 대칭한 위치에 배치된 18개의 전극이다. 이들 전극 (13a)∼(13i) 및 (13j)∼(13r)에는 도면에는 생략하나 각각 배선이 이루어져 있으며, 3개씩 병렬로 접속되어 3상 4극의 모우터가 된다. 구체적으로는 (13a), (13d), (13g), (13j), (13m), (13p)의 조합과, (13b), (13e), (13h), (13k), (13n), (13q)의 조합 그리고 (13c), (13f), (13i), (13l), (13o), (13r)의 조합이다. (14), (15)는 전극(13a)∼(13i) 및 (13j)∼(13r)의 결락부에 존재하여 로우터(12)에 이 맞물리는 전달기어이며, (16), (17)이 각각의 지지축이다. 그리고 (18)은 전달기어(14)와 이 맞물리는 랙판이며 (19)가 기준층이다. 제2도에 동창치의 단면도를 표시하나, 이 단면도는 제1도의 Y-Y단면이다. 도면에 명백한 바와 같이 로우터(12)는 지지축(11)의 상플랜지부(11a)와 하플랜지부(11b)에 의해서 지지되고, 기준층(19)에 접촉하지 않도록 되어 있다. 또 전극(13a)(다른 전극도 동일하다)와 로우터(12), 전달기어(14)(전달기어(15)도 동일하다) 및 랙판(18)은 거의 동일높이로 되어 있다. 도면에 명백한 바와 같이 전달기어(14)(전달기어(15)도 동일하다)로우터(12)와 마찬가지로 상하의 플랜지 형상에 의해서 유지되고 있다. 또 랙판(18)도 마찬가지로 유지되고 있으나 여기서는 그 설명은 생략한다. 지지축(11), 로우터(12), 전극(13a)∼(13i) 및 (13j)∼(13r), 전달기어(14), (15) 및 그들의 지지축(16), (17) 그리고 랙판(18) 및 기준층(19)은 각각 다결정 실리콘이 소재이나, 로우터(12)의 지지축(11)과의 접촉부(12a), 제1도에서 사선을 그은 바깥둘레부(12b) 및 전극(13a)의 안둘레부(13a')(다른 전극도 동일하다)에는 질화실리콘(Si3N4)의 막이 윤활층으로서 형성되어 있다.
이와 같이 구성된 이 실시예의 정전형 마이크로 모우터의 구동력 전달장치에 있어서, 이하 그 동작을 설명한다. 3상 6극 구성의 전극(13a)∼(13i) 및 (13j)∼(13r)에 60V∼400V정도의 전압을, 상을 절환하면서 순차인가 한다. 그러면 로우터(2)와 전극(3a)∼(3l)의 끝부분에 정전인력이 작용하여, 로우터(2)가 회전한다. 예를들면 먼저 (13a), (13d), (13g), (13j), (13m), (13p)의 조합 다음에 (13b), (13e), (13h), (13k), (13n), (13q)의 조합, 그리고 (13c), (13f), (13i), (13l), (13o), (13r)의 조합과 같은 방식으로 인가함으로서 로우터(12)는 화살표 Z방향으로 회전하게 된다. 로우터(12)가 회전하면 동시에 전달기어(14), (15)가 각각 Z1, Z2방향으로 회전하고 랙판(18)이 Z3방향으로 이동한다. 이 랙판(18)의 움직임을 이용해서 소망의 메카니즘을 구성하면 된다.
이때, 전극(13a)∼(13i) 및 (13j)∼(13r)에 배치가 로우터(12)의 회전중심에 대해서 방사형상으로 또한 대칭한 위치에 설정되어 있기 때문에 정전인력에 의해서 지지축(11)에 대해서 로우터(12)가 한쪽으로 치우치는 일없이, 또 전달기어(14), (15)도 대칭한 위치에 설치되어 있기 때문에, 로우터(12)에 대해서 대체로 균등하게 부하가 걸려서 스무우드하게 회전한다.
다음에 제3a도∼제3n도를 사용해서 이 실시예의 제작방법을 설명한다. 일반적인 반도체 제조방법을 사용하기 때문에 각각의 수법의 상세한 설명은 생략하고, 제조의 프로세스를 표시하도록 한다.
(a) 먼저 단결정실리콘(100)기판(20)의 위에, 0.3㎛ 두께의 산화막(SiO2)(21)(사선을 그은 부분)을 성장시킨다. SiO2는 중량비 8%의 LPCVD/PSG(Phosphorusdoped Silicon glass)층을 약 450℃에서 0.3㎛ 퇴적시켜도 된다. 기판은 소정의 방법에 의해서 세정 및 건조를 행한다.
(b) 다음에 1㎛ 두께의 질화실리콘(Si3N4)층(22)(사선을 그은 부분)을 이 산화막(혹은 PSG층)(21)의 위에 퇴적시킨다. 산화막(혹은 PSG층)(21)과 이 질화실리콘층(22)에 의해 모우터 형성후의 절연층으로 한다. 절연내압은 500V이상이다. 또 이 질화실리콘층(22)은 최종공정에 있어서의 완충불산에 의한 산화막(혹은 PSG층)의 용해시에 산화막(혹은 PSG층)(21)을 보호한다. 여기서도 세정 및 건조를 행한다.
(c) 여기서 0.3㎛ 두께의 LPCVD다결정 실리콘층(23)(사선을 그은 부분)을 질화실리콘층(22)의 위에 610∼630℃정도에서 퇴적시키고, 사진석판에 의해서 도면과 같이 패터닝한다(이하, 평면적인 형상을 표시한 도면은 생략하나, 제1도에 표시한 형상이라는 것은 말할 나위도 없다). 패터닝은 플라즈마 에칭에 의해서 행하고, 산소 플라즈마를 사용한 포토레지스트 스트리핑에 의해서 마스크의 제거를 행한다. 이때, 잔류응력제거를 위하여 어니열을 행한다. 이 다결정 실리콘층(23)이 기준층(19)이며, 모우터 형성후의 정전시일드가 된다. 여기서도 세정과 건조를 행한다. 또한 이 다결정 실리콘층(23)에는 링을 확산하므로서 필요에 따라서 도전성을 부여할 수 있다.
(d) 다음에 2.2㎛ 두께의 중량비 8%의 LPCVD/PSG층(24)(사선을 그은 부분)을 약 450℃에서 퇴적시키고 완충불산에 의한 산화물 용해에 의해서 도면과 같이 에칭을 행한다. 마스크의 제거는 산소 플라즈마를 사용한 포토레지스트 스트리핑에 의해서 행하고, 세정과 건조를 행한다.
(e) 여기서 1.5㎛ 두께의 LPCVD다결정 실리콘층(25)(사선을 그은 부분)을 610∼630℃정도에서 전면적으로 퇴적시킨다. 이 다결정 실리콘층(25)이 제1도 및 제2도에 표시한 로우터(12), 전극(13a)∼(13i) 및 (13j)∼(13r) 전달기어(14), (15) 그리고 랙판(18)이 된다. 여기서도 잔류응력 제거를 위하여 다시 어니얼을 행한다. 또한 이 다결정 실리콘층(25)에는 링을 확산함으로서 필요에 따라서 도전성을 부여할 수 있다.
(f) 계속해서 0.1㎛의 열산화막(26)(사선을 그은 부분)을 다결정실리콘층(25)의 위에 성장시킨다. 산화막(26)은 중량비 8%의 LPCVD/PSG층을 약 450℃에서 0.1㎛ 퇴적시켜도 된다. 이 산화막(혹은 PSG층)(26)은 후에 RIE에칭할때의 보호막이 된다.
(g) 여기서 다결정실리콘층(25)(사선을 그은 부분)과, 산화막(혹은 PSG층)(26)(사선을 그은 부분)을 플라즈마 에칭에 의해서 도면과 같이 패터닝하고, 제1도 및 제2도에 표시한 대략 기어형상의 로우터(12), 소정의 위치에 배치된 전극(13a)∼(13i) 및 (13j)∼(13r) 전달기어(14), (15) 그리고 랙판(18)의 형상을 만들어낸다. 끝점의 검출은 30% 오우버 에칭에 의해서 행하고, 마스크의 제거는 산소플라즈마를 사용한 포토레지스트 스트리핑에 의해서 행한다.
(h) 또 PSG층(24)(사선을 그은 부분)을 완충불산에 의한 산화물 용해에 의해서 도면과 같이 에칭한다. 마스크의 제거는 산소플라즈마를 사용한 포토레지스트 스트리핑에 의해서 행하고, 세정건조를 행한다.
(i) 다음에 도면과 같이 0.34㎛ 두께의 질화실리콘(Si3N4)층(27)(사선을 그은 부분)을 퇴적시킨다. 패터닝은 RIE(reactiveion-etched)에 의해서 행하나, 이 질화실리콘층(27)은 모우터 형성시에 제1도 및 제2도에 표시한 로우터(12)와 전극(13a)∼(13i) 및 (13j)∼(13r), 또 지지축(11)(후에 형성)과의 사이의 마찰을 경감하거나 재료의 취약성을 보충하기 위한 윤활층이 된다. 마스크의 제거는 산소플라즈마를 사용한 포토레지스트 스트리핑에 의해서 행하고, 세정한 후 건조를 행한다.
(j) 여기서 PSG층(24)(사선을 그은 부분)을 플라즈마 에칭에 의해 도면과 같이 구멍뚫기를 행한다. 끝점의 검출은 30% 오우버 에칭에 의해서 행한다. 마스크의 제거는 산소플라즈마를 사용한 포토레지스트 스트리핑에 의해서 행하고, 세정과 건조를 행한다.
(k) 이번에는 동일 PSG층(24)(사선을 그은 부분)을 사진석판에 의해 언더커트에칭한다. 언더커트는 완충불산에 의한 시간관리의 산화물 용해에 의해서 행하고, 50% 오우버 에칭에 의해서 2㎛정도로 한다.
이 언더커트에 의해서 제1도 및 제2도에 표시한 지지축(11)(후에 형성)에 하플랜지부(11b)(후에 형성)를 만들어내는 것이다. 마스크의 제거는 산소플라즈마를 사용한 포토레지스트리핑에 의해서 행하고, 세정과 건조를 행한다.
(l) 다음에 다시 0.5㎛ 두께의 중량비 8%의 LPCVD/PSG층(28)(사선을 그은 부분)을, 약 450℃에서 퇴적시키고 완출불산에 의한 산화물 용해에 의해서 도면과 같이 에칭을 행한다. 이 에칭에 의해서 도면과 같이 에칭을 행한다. 이 에칭에 의해서 제1도 및 제2도에 표시한 전달기어(14), (15)의 지지축(16), (17)(후에 형성)이 질화실리콘층(22)에 고정되기 위한 구멍(16a), (17a)(도시하지 않음)을 형성한다. 마스크의 제거는 산소플라즈마를 사용한 포토레지스트 스트리핑에 의해서 행하고, 세정 및 건조를 행한다.
(m) 그리고 동일하게 PSG층(28)(사선을 그은 부분)에 플라즈마 에칭에 의해 도면과 같이 중심부의 구멍 뚫기를 행한다. 이 구멍(17a)에 의해서 후에 형성하는 제1도 및 제2도에 표시한 지지축(11)을 기준층(19)에 고정할 수 있다. 끝점의 검출은 30% 오우버에칭에 의해서 행하고 마스크의 제거는 산소플라즈마를 사용한 포토레지스트 스트리핑에 의해서 행한다. 또 세정, 건조를 행한다.
(n) 이 상태에서 1㎛ 두께의 LPCVD다결정 실리콘층(29)(사선을 그은 부분)을 610∼630℃정도에서 퇴적시키고, 플라즈마 에칭을 행하여 제1도 및 제2도에 표시한 각 지지축(11), (16), (17)을 만든다. 마스크의 제거는 산소플라즈마를 사용한 포토레지스트 스트리핑에 의해서 행하고, 세정과 건조를 행한다. 또 잔류응력제거를 위하여 어니얼을 행한다. 또한 이 다결정 실리콘층(29)에는 링을 확산함으로서 필요에 따라서 도전성을 부여할 수 있다.
(o) 최후에 PSG층(혹은 산화막)(24), (26), (28)을 완충불산에 의해서 용해되어 다결정실리콘층에 의한 가동물을 형성함으로서 제1도 및 제2도에 표시한 바와 같은 구성을 작제할 수 있다.
이상과 같이 이 실시예에 의하면 대략 기어형상면 로우터(12)와 이 바깥쪽에 로우터(12)의 톱니형상에 대향해서 방사형상으로 또한 원주상의 소정의 부분이 결락한 상태에서 배치된 전극(13a)∼(13i) 및 (13j)∼(13r)과, 전극(13a)∼(13i) 및 (13j)∼(13r)의 결락부에서 로우터(12)에 이 맞물리도록 구성된 전달기어(14)를 설치함으로서, 회전하는 로우터(12)와 전달기어(14)가 직접 이맞물릴 수 있기 때문에, 이 전달기어(14)를 개재해서 외부에 로우터(12)의 회전 구동력을 간단히 빼낼 수 있다. 또 도면에 명백한 바와 같이 각 부분이 평면적으로 구성되어 있기 때문에 용이하게 반도체 제조방법에 의해서 제작할 수 있다.
또한, 이 실시예에 있어서 출력에 랙판(18)을 사용하였으나, 보통의 기어라도 상관없고, 이 단계로부터 또 원칙기구 등을 사용하는 것도 가능한 것은 말할 나위도 없다.
이상 설명한 바와 같이 본 발명의 구성에 의하면, 신규마이크로 머시인의 구동원이 될 수 있는 정전형 마이크로 모우터의 구동력 전달장치를 제공할 수 있고 또 상기 구성에 의하면 반도체 제조방법을 사용할 수 있고, 소형 경량화나 양산성, 고신뢰성을 도모할 수 있다.

Claims (6)

  1. 대략 기어형상인 로우터와, 이 로우터의 바깥쪽에 상기 로우터의 톱니형상에 대향해서 방사형상이고, 또한 원주상의 소정의 부분이 결락한 상태에서 배치된 복수의 전극과, 상기 전극의 결락부에서 상기 로우터에 이맞물리도록 구성된 전달기어를 구비한 것을 특징으로 하는 정전형 마이크로 모우터의 구동력 전달장치.
  2. 제1항에 있어서, 전극의 수는 결락부가 없으면 n을 정수로 해서 로우터의 톱니수의 n배가 되도록 설정되어 있으며, 또한 상기 결락부에 포함된 전극의 수는 상기 n의 정수배인 것을 특징으로 하는 정전형 마이크로 모우터의 구동력 전달장치.
  3. 제1항에 있어서, 전극의 결락부가 로우터의 회전중심에 대해서 대칭이 되도록 구성되어 있는 것을 특징으로 하는 정전형 마이크로 모우터의 구동력 전달장치.
  4. 제3항에 있어서, 전달기어가 전극의 결락부와 마찬가지로 로우터의 회전중심에 대해서 적어도 그 개수에 있어서 대칭이 되도록 구성되어 있는 것을 특징으로 하는 정전형 마이크로 모우터의 구동력 전달장치.
  5. 제3항에 있어서, 전달기어는 로우터보다 톱니수가 적은 것을 특징으로 하는 정전형 마이크로 모우터의 구동력 전달장치.
  6. 제3항에 있어서, 전달기어가 절연물질로 구성되어 있는 것을 특징으로 하는 정전형 마이크로 모우터의 구동력 전달장치.
KR1019900008839A 1989-06-16 1990-06-15 정전형 마이크로 모우터의 구동력 전달장치 KR930001801B1 (ko)

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JP1-155365 1989-06-16

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