(57)【要約】【課題】  微小スクラッチ駆動アクチュエータ(ＳＤＡ)の歩留り、寿命および駆動電圧を改善するために、本発明は、エッチング孔およびフランジ構造設計を含む新規なレイアウト設計を提案する。【解決手段】エッチング孔が、従来のＳＤＡ板のレイアウトに加えられると、構造層の解放が促進され、ＳＤＡ板の前端における蓄積された残留電荷が低下する。この斬新な設計により、ＳＤＡ装置の長寿命化および低電圧化が実現する。他方、ビーム−ＳＤＡ板結合路間のコーナー部にフランジ構造設計を追加することで、細いポリシリコンサポートビームの曲げ剛性が向上し、さらにＳＤＡ装置の歩留りが高まり、作動中の亀裂破損を減少させることができる。【選択図】  図２
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【特許請求の範囲】
【請求項１】
微小スクラッチ駆動アクチュエータの斬新なレイアウトであって、
ａ．エッチング孔設計を施した三角形のＳＤＡ板、エッチング孔設計を施した矩形のＳＤＡ板およびエッチング孔設計を施した六角形のＳＤＡ板の少なくとも３つの形状のＳＤＡ板であって、従来のＳＤＡ板のレイアウトにエッチング孔を追加することによって、構造層の除去（ｒｅｌｅａｓｅ）が促進し、ＳＤＡ板の前端の蓄積された残留電荷を減少するＳＤＡ板と、
ｂ．少なくとも新規「フランジ」構造設計のＳＤＡ板サポートビームであって、ビームと−ＳＤＡ板との連結部のコーナーにフランジ構造設計を追加して細いポリシリコンサポートビームの曲げ剛性を改善し、さらにＳＤＡ装置の歩留りを高め、動作状態での亀裂損傷を少なくすることができるサポートビームとを具備し、
ｃ．本発明において設計された少なくとも４種類のＳＤＡ板の長さ／幅比を、５８μｍ／６０μｍ、６８μｍ／６０μｍ、７８μｍ／６０μｍ、７８μｍ／６５μｍとしたことを特徴とする微小スクラッチ駆動アクチュエータの斬新なレイアウト。
【請求項２】
超低抵抗シリコンウエハー（０．００１〜０．００４Ωｃｍ）上に形成し、駆動電圧をさらに低減するようにしたことを特徴とする、請求項１に記載の新規なレイアウトおよび構造設計を用いたＳＤＡ装置。
【請求項３】
ＳＤＡ微小モータの開発に適用可能としたことを特徴とする、請求項１に記載の新規なレイアウトおよび構造設計を用いたＳＤＡ装置。
【請求項４】
ＳＤＡ系の微小ファンの開発に適用可能としたことを特徴とする、請求項１に記載の新規なレイアウトおよび構造設計を用いたＳＤＡ装置。
【請求項５】
熱モジュール／システム組立部の開発に適用可能としたことを特徴とする、請求項１に記載の新規なレイアウトおよび構造設計を用いたＳＤＡ装置。
【請求項６】
微小装置／微細構造組立部の開発に適用可能としたことを特徴とする、請求項１に記載の新規なレイアウトおよび構造設計を用いたＳＤＡ装置。
【請求項７】
微小流体システムの開発に適用可能としたことを特徴とする、請求項１に記載の新規なレイアウトおよび構造設計を用いたＳＤＡ装置。
【請求項８】
光学／遠隔通信用微小スイッチの開発に適用したことを特徴とする、請求項１に記載の新規なレイアウトおよび構造設計を用いたＳＤＡ装置。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、微小スクラッチ駆動アクチュエータの歩留り向上、電力低減、寿命向上のための新規なレイアウト設計を提供する。本発明において採用された主要技術は、微小電気機械システム(MEMS)技術によるポリシリコン系の表面微細加工プロセスであり、それはバッチ製造、低コストおよび集積回路技術との高い互換性という利点を有する。
【背景技術】
【０００２】
小型化技術の開発と応用は、近代科学の主要トレンドである。特に、集積回路(IC)と微小電気機械システム（ＭＥＭＳ）技術は、近年、ミクロの世界の基礎となる方法である。世界最小の微小ファン装置は２ｍｍ×２ｍｍの寸法（付属書１に示すように）を有し、微小スクラッチ駆動アクチュエータ （ＳＤＡ） により作動し、付属書２に示すように、ポリシリコン系の表面微細加工技術（マルチユーザーＭＥＭＳプロセス、ＭＵＭＰｓ) により製造されている。従来の小型化された微小ファンチップは、自己組織化微小ブレードと微小スクラッチ駆動アクチュエータ （ＳＤＡ） により構成されている(付属書１と付属書３に示すように)。
【非特許文献１】Ryan  J. Linderman、Paul  E. KladitisおよびVictor  M. Bright、「微小回転ファンの開発」、センサとアクチュエータ、第９５巻、２００２年、１３５〜１４２ページ。
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【０００３】
本発明は、生産歩留り向上、製造のコストダウン、消費電力の低減および装置寿命の向上のための微小ＳＤＡを基板とした装置の新規なレイアウト設計を提供することを課題とするものである。
【課題を解決するための手段】
【０００４】
本発明は以下の構成を有する。
（１）微小スクラッチ駆動アクチュエータの斬新なレイアウトであって、
ａ．エッチング孔設計を施した三角形のＳＤＡ板、エッチング孔設計を施した矩形のＳＤＡ板およびエッチング孔設計を施した六角形のＳＤＡ板の少なくとも３つの形状のＳＤＡ板であって、従来のＳＤＡ板のレイアウトにエッチング孔を追加することによって、構造層の除去（ｒｅｌｅａｓｅ）が促進し、ＳＤＡ板の前端の蓄積された残留電荷を減少するＳＤＡ板と、
ｂ．少なくとも新規「フランジ」構造設計のＳＤＡ板サポートビームであって、ビームと−ＳＤＡ板との連結部のコーナーにフランジ構造設計を追加して細いポリシリコンサポートビームの曲げ剛性を改善し、さらにＳＤＡ装置の歩留りを高め、動作状態での亀裂損傷を少なくすることができるサポートビームとを具備し、
ｃ．本発明において設計された少なくとも４種類のＳＤＡ板の長さ／幅比を、５８μｍ／６０μｍ、６８μｍ／６０μｍ、７８μｍ／６０μｍ、７８μｍ／６５μｍとしたことを特徴とする微小スクラッチ駆動アクチュエータの斬新なレイアウト。
（２）超低抵抗シリコンウエハー（０．００１〜０．００４Ωｃｍ）上に形成し、駆動電圧をさらに低減するようにしたことを特徴とする、請求項１に記載の新規なレイアウトおよび構造設計を用いたＳＤＡ装置。
（３）ＳＤＡ微小モータの開発に適用可能としたことを特徴とする、請求項１に記載の新規なレイアウトおよび構造設計を用いたＳＤＡ装置。
（４）ＳＤＡ系の微小ファンの開発に適用可能としたことを特徴とする、請求項１に記載の新規なレイアウトおよび構造設計を用いたＳＤＡ装置。
（５）熱モジュール／システム組立部の開発に適用可能としたことを特徴とする、請求項１に記載の新規なレイアウトおよび構造設計を用いたＳＤＡ装置。
（６）微小装置／微細構造組立部の開発に適用可能としたことを特徴とする、請求項１に記載の新規なレイアウトおよび構造設計を用いたＳＤＡ装置。
（７）微小流体システムの開発に適用可能としたことを特徴とする、請求項１に記載の新規なレイアウトおよび構造設計を用いたＳＤＡ装置。
（８）光学／遠隔通信用微小スイッチの開発に適用したことを特徴とする、請求項１に記載の新規なレイアウトおよび構造設計を用いたＳＤＡ装置。
【発明を実施するための最良の形態】
【０００５】
微小ＳＤＡを基板とした装置の基本的最適化寸法は、先行文献 (R.J.LindermanとV.M.Brightによって報告されているように) によれば、シミュレーションソフトウェアと実験的測定により、長さ７８μｍおよび幅６５μｍであることが実証されている。このような設計では、ＳＤＡは多くの優れた性能を得ることができるが、ＳＤＡ板の形状、エッチング孔およびサポートビームのフランジの影響について言及した報告あるいは研究はない。ＭＥＭＳ技術により製造された従来のＳＤＡ板には、以下のような３タイプがある。すなわち、図１に示すように、（ｉ）三角形タイプ、（ｉｉ）矩形タイプ、（ｉｉｉ）六角形タイプである。ここで、赤丸は、摩擦を少なくするために設計されたディンプルレイアウトを表している。
【０００６】
三角形タイプのＳＤＡは、同一の板長さにおいて最も小さい自由端寸法を有するため、最も頻繁に採用される。かかる構成によって、ＳＤＡ板の自由端領域において蓄積される残留電荷量はかなり少なくすることができる。従って、この電荷により生じる静摩擦効果を効果的に制御することができ、また、寿命を向上させることができる。
【０００７】
しかしながら、三角形タイプのＳＤＡ板は、他のタイプよりも小さい面積を有するため、そのＳＤＡ板を曲げたり作動させたりするのに高バイアス（電力）を必要とする。言い換えれば、矩形タイプのＳＤＡ板は、少ない消費電力ではあるが寿命が短いと言える。三番目の従来型ＳＤＡは六角形タイプで、三角形タイプと矩形タイプの中間の特性を有する。
本発明においては、矩形タイプおよび六角形タイプのＳＤＡ板のレイアウト設計において加えられた新規なエッチング孔は、構造層の解放（ｒｅｌｅａｓｅ）を容易にし、ＳＤＡ板の前端に蓄積された電荷を少なくする。この斬新な設計により、ＳＤＡ装置の長寿命化および低駆動電圧が実現する。
【０００８】
代表的なＳＤＡ基板の微小モータは、表面微細加工技術を用いて作られる。除去（ｒｅｌｅａｓｉｎｇ）プロセスの後、浮動ＳＤＡ板は、ポリシリコンサポートビームを介してＳＤＡの主構造部に連結される。中間駆動電圧が印加されると、基板上のサポートビームとＳＤＡ板間の静電力によりそれぞれ発生する合成トルクは、ＳＤＡを前進させるように作動する。その詳細についてBrightとLindermanを参照して説明すると、窒化誘電層に接触するようスナップしたＳＤＡ板の先端に発生した電圧により静電負荷されたＳＤＡ板の自由端から、ステップ動作が始まる。電力が起動電圧まで高まれば、ＳＤＡ板の先端は十分に曲がり、その自由端において勾配が０になり平坦になる。最後に、印加した電力がなくなると、サポートビーム、ＳＤＡ板およびブッシングに蓄えられた歪エネルギーがＳＤＡ板を前方に引っ張り、ステップが完了する。
【０００９】
しかしながら、以前の文献あるいは技術レポートにおいて設計されたポリシリコンサポートビームの幅は、わずか約２〜３μｍであり、これは、ＳＤＡ板の寸法より小さく、これが非常に限定的なトルクをもたらす原因となっている。さらに、細いポリシリコンビームは、ウエットエッチングあるいは犠牲層除去プロセス中にアンダーカットの影響を受け、このアンダーカットが装置の歩留りをさらに減少させ、作動中の亀裂破損を増加させる。本発明においては、ビーム−ＳＤＡ板およびビーム−ＳＤＡ結合路間のコーナー部のフランジ構造設計を付加することにより、この欠点を改善することができる。
【００１０】
微小スクラッチ駆動アクチュエータの生産歩留り、寿命および駆動電圧を改善するために、本発明は、エッチング孔およびフランジ構造設計を含む新規なレイアウトを提案する。エッチング孔を、従来の矩形および六角形タイプのＳＤＡ板のレイアウト設計において加えることによって、ＳＤＡ板の有効面積が減少するため、構造層の除去が容易となり、ＳＤＡ板の前端における蓄積された残留電荷およびＳＤＡ板と基板間の摩擦が低下する。この斬新な設計により、ＳＤＡ装置の長寿命化および低駆動電圧化が実現できる。他方、ビーム−ＳＤＡ板およびビーム−ＳＤＡ結合路間のコーナー部のフランジ構造設計を追加することで、細いポリシリコンビームの曲げ剛性が向上し、さらに装置の歩留りが高まり、作動中の亀裂破損を減少させることができる。要約すれば、本発明において提案された新しいタイプのレイアウト設計を用いることにより、従来のＳＤＡの低歩留り、高駆動電圧および短寿命特性を改善し、最適化することが可能となる。
【００１１】
本発明が提案する新規なレイアウト設計を図２および図３に示す。このレイアウト設計により、蓄積した残留電荷が効果的に減少し、サポートビームの曲げ剛性を実質的に増加させることができる。この斬新な設計により、ＳＤＡ装置の長寿命化および低駆動電圧化を実現することができる。
【００１２】
図４は、エッチング孔とフランジ構造設計による独立型ＳＤＡ装置のＳＥＭ（走査電子顕微鏡）顕微鏡写真を示す。微小ＳＤＡの完全なレイアウト設計には、少なくとも五つのフォトマスクと、本発明において採用された主要製造技術すなわちポリシリコン系表面微細加工技術を必要とする。
【００１３】
ＳＤＡ板の最適化幾何学的パラメータを調査するために、本発明では、異なった３形状および４種類の長さ／幅比のＳＤＡ板について駆動電圧の影響を比較した。図５に示す試験結果では、三角形のＳＤＡ板は矩形のＳＤＡ板よりも高い駆動電圧を有する。エッチング孔を付加したＳＤＡ板は、構造層の解放を促進し、蓄積電荷を減少させることができるが、ＳＤＡ微小モータの駆動電圧は、わずかではあるが増加する。ＳＤＡ板の最適化寸法は、図５に明確に示されている。板長と板幅の比が７８／６５の場合、最も低い駆動電圧が得られる。
【図面の簡単な説明】
【００１４】
【図１】図１は従来のスクラッチ駆動アクチュエータの異なった３種類のレイアウト設計を示す概念図である。
【図２】図２は本発明において提供されたＳＤＡ板のレイアウト設計における新しい「エッチング孔を追加した」新しいレイアウト設計を示す概念図である。
【図３】図３は本発明において提供されたＳＤＡ板のサポートビームの新しい「フランジ」構造設計を示す概念図である。
【図４】図４はエッチング孔レイアウトとフランジ構造設計を用いて実現した独立ＳＤＡ装置を示すＳＥＭ顕微鏡写真である。
【図５】図５は異なった３形状および４種類の長さ／幅比のＳＤＡ板における駆動電圧の影響を示す図である。
【図５】
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【図１】
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【図２】
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【図３】
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【図４】
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