(57)【要約】【課題】下部電極の傾斜角度及び傾斜構造を任意に設計できるマイクロアクチュエータ及びその製造方法を提供する。【解決手段】ガラス基板５００上には、１対の支持台５０ａ及び５０ｂが設けられ、支持台５０ａ及び５０ｂに設けられた支持梁５１ａ及び５１ｂにより外周板５２２が傾動可能な状態で支持され、この外周板５２２の内側には支持梁５１１ａ及び５１１ｂにより捩り振動板５２が支持され、更に捩り振動板の下のガラス基板５００上には高さの異なる複数個の突起で構成されている４個の下部電極５０１が設けられているマイクロアクチュエータ。【選択図】    図１
2004177436.tif 000002
【特許請求の範囲】
【請求項１】
基板と、前記基板上に設けられた１対の支持部と、前記支持部間を結ぶ線を中心にして傾動可能に前記支持部に支持された構造体と、前記構造体の下方の前記基板上に設けられた下部電極と、を有し、前記下部電極は高さが前記構造体の中心から外側に向かうにつれて低くなるように配置された複数個の突起により構成され、前記構造体と前記下部電極との間に作用する静電力により前記構造体が傾動することを特徴とするマイクロアクチュエータ。
【請求項２】
前記構造体は、前記支持部により支持部間を結ぶ線を中心にして傾動可能に支持されたリング状の第１部材と、前記第１部材の内側に配置され前記支持部間を結ぶ線に直交する線分上の位置にて前記第１部材に前記直交する線分を中心にして傾動可能に支持された第２部材とを有し、前記構造体と前記下部電極との間に作用する静電力により、前記第２部材の向きを調節することを特徴とする請求項１に記載のマイクロアクチュエータ。
【請求項３】
前記下部電極は、前記構造体の中心の周りの４等配の位置に設けられていることを特徴とする請求項１又は２に記載のマイクロアクチュエータ。
【請求項４】
前記下部電極は金属材料からなることを特徴とする請求項１乃至３のいずれか１項に記載のマイクロアクチュエータ。
【請求項５】
前記下部電極は不純物が導入された半導体材料からなることを特徴とする請求項１乃至３のいずれか１項に記載のマイクロアクチュエータ。
【請求項６】
前記下部電極の表面が絶縁膜によって被覆されていることを特徴とする請求項１乃至５のいずれか１項に記載のマイクロアクチュエータ。
【請求項７】
前記突起の高さは、前記基板と突起が接する面の幅に比例することを特徴とする請求項１乃至６のいずれか１項に記載のマイクロアクチュエータ。
【請求項８】
前記突起が角錐状をなす場合は、その側面が基板に対して一定の角度で傾斜しており、前記突起が円錐状をなす場合は、その稜線が基板に対して一定の角度で傾斜していることを特徴とする請求項１乃至７のいずれか１項に記載のマイクロアクチュエータ。
【請求項９】
前記突起の先端が尖っていることを特徴とする請求項１乃至８のいずれか１項に記載のマイクロアクチュエータ。
【請求項１０】
前記基板がガラスであることを特徴とする請求項１乃至９のいずれか１項に記載のマイクロアクチュエータ。
【請求項１１】
第１基板に開口部の面積を変化させたマスクパターンを形成する工程と、前記第１基板をエッチングすることにより深さの異なる穴を形成する工程と、前記穴の内部に埋め込み膜を形成する工程と、前記第１基板とは異なる材料からなる第２基板を前記第１基板に接合する工程と、前記第１基板の埋め込み膜以外の部分を除去する工程と、を有し、これにより高さの異なる複数個の突起からなる下部電極を形成することを特徴とするマイクロアクチュエータの製造方法。
【請求項１２】
前記埋め込み膜は金属材料からなることを特徴とする請求項１１に記載のマイクロアクチュエータの製造方法。
【請求項１３】
前記埋め込み膜は不純物が導入された半導体材料からなることを特徴とする請求項１１に記載のマイクロアクチュエータの製造方法。
【請求項１４】
穴を作製した後に、絶縁膜を形成し、その後に埋め込み膜を形成することを特徴とする請求項１１乃至１３のいずれか１項に記載のマイクロアクチュエータの製造方法。
【請求項１５】
半導体からなる第１基板に開口部の面積を変化させたマスクパターンを形成する工程と、前記第１基板をエッチングすることにより深さの異なる穴を形成する工程と、前記第１基板に不純物を拡散させた拡散層を形成する工程と、前記第１基板とは異なる材料からなる第２基板を前記第１基板に接合する工程と、前記第１基板の拡散層以外の部分を除去する工程と、を有し、これにより高さの異なる複数個の突起からなる下部電極を形成することを特徴とするマイクロアクチュエータの製造方法。
【請求項１６】
前記第２基板がガラスであることを特徴とする請求項１１乃至１５のいずれか１項に記載のマイクロアクチュエータの製造方法。
【発明の詳細な説明】
【０００１】
【発明の属する技術分野】
本発明は、ＤＣから数百ギガヘルツまでの広い信号周波数をオン・オフするマイクロスイッチ、ミラーの傾きによって光信号の方向を切り替える光スイッチ、及び無線アンテナの方向を切り替えるスキャナー等に使用されるマイクロアクチュエータ及びその製造方法に関する。
【０００２】
【従来の技術】
固定電極と、ばね構造で保持され前記固定電極と相対する可動電極を設け、両電極間に電圧を印加することにより発生する静電力により、前記可動電極を動作させる静電型マイクロアクチュエータは、各種アクチュエータの中でも最も使用頻度が高いアクチュエータである。例えば、静電型マイクロアクチュエータを光スイッチに応用した場合、ミラーを可動電極とし、前記ミラーの下部にもう一方の電極を設け、両者の間に発生する静電力により、ミラーを駆動させる方式がとられている。従来の静電型マイクロアクチュエーターによる光スイッチは、上部電極及び下部電極の距離が長いため、直径５００μｍの円板状の上部構造を±５゜スキャンするために、約１５０Ｖの電圧が必要であった。また、スキャン角度を増大させると、電極間の距離がより長くなるため、必要とする電圧も２００Ｖを超えることが予想される。更に、従来の静電型マイクロアクチュエーターは、空気の耐圧を超える電圧を印加することができないため、これ以上の電圧を利用することができない。そのため、静電型マイクロアクチュエータでは、印加電圧を低減させることが必須の要求となっている。
【０００３】
静電型マイクロアクチュエータの印加電圧を低減方法としては、固定電極と垂直の位置に側面電極を設ける（特許文献１参照）、固定電極を３個以上に分割し、夫々独立に制御できる構造とする（特許文献２参照）等が提案されている。しかし、特許文献１及び２のマイクロアクチュエータは、印加電圧を低減する効果は見られるが、充分ではない。
【０００４】
そこで、ドミニク・ショーベル（Ｄｏｍｉｎｉｑｕｅ  Ｃｈａｕｖｅｌ）等により提案された傾斜電極構造（非特許文献１参照）が、印加電圧低減に有効であると期待されている。図８はショーベル等により提案されたマイクロアクチュエータの構造を示す斜視図である。図８に示すように、非特許文献１のマイクロアクチュエータは、石英基板６１０を加工することにより、捩り振動板６１１及びその両端を支える捩りばね６１３が形成されている。捩り振動板６１１の上面にはクロム及び金からなる上部電極６１２が設けられており、上部電極６１２は配線６１５を介して、石英基板６１０上に設けられたコンタクトパッド６１４と電気的に接続されている。一方、シリコン基板６２０には、傾斜構造体６２１が形成されている。ショーベル等は、（１１０）面を有するシリコン基板を異方性ウェットエッチングすることにより、傾斜面の角度が３５．３°である傾斜構造体６２１を形成している。前記傾斜面には夫々クロムからなる下部電極６２２ａ及び６２２ｂが形成されている。下部電極６２２ａ及び６２２ｂは夫々コンタクトパッド６２４ａ及び６２４ｂに電気的に接続されている。石英基板６１０及びシリコン基板６２０は、捩り振動板６１１が傾斜構造体６２１の上に位置するように調整された後、接着される。
【０００５】
次に、前記傾斜構造体の作製方法について、シリコン基板を使用した場合を例に説明する。図９（ａ）乃至（ｄ）は、その製造工程を示す断面図である。（１１０）面を主面にするシリコン基板７１の両面に、低圧気相成長（ＬＰＣＶＤ：Ｌｏｗ  Ｐｒｅｓｓｕｒｅ  Ｃｈｅｍｉｃａｌ  Ｖａｐｏｒ  Ｄｅｐｏｓｉｔｉｏｎ）装置によりシリコン窒化膜７２ａ及び７２ｂを堆積し、その後シリコン窒化膜７２ａの表面にのみ、フォトリソグラフィーによりパターニングを行う（図９（ａ））。この基板を３３％ＫＯＨ液の中に浸漬し、異方性エッチングすることにより、３５．３°の傾斜を有する傾斜構造体７３を形成する（図９（ｂ））。続いて、傾斜構造体７３が形成された面に、スパッタによりシリコン酸化膜７４を堆積する。その後、傾斜構造体７３が形成された面に金属マスク７６を配置し、クロムの蒸着を行う。それにより、クロムが金属マスク７６に設けられた開口を通して、傾斜構造体７３上に堆積し、下部電極７５が作製される（図９（ｃ））。その後、再びスパッタによりシリコン酸化膜７７を下部電極７５の上に堆積する（図９（ｄ））。最後に、石英基板を加工して作製した捩り振動板をシリコン基板７１の上に固定する。
【０００６】
非特許文献１のマイクロアクチュエータは、上部電極６１２と下部電極６２２又は６２３との間に電圧を印加すると、静電気力により捩り振動板６１１に基板方向（下側）の引力が働き、それにより、捩りばね６１３が捩り変形して捩り振動板６１１が回転する。上部電極６１２及び下部電極６２２又は６２３に印加する電圧を変化させることにより、捩れ振動板６１１の回転角度を調節することができ、また、下部電極６２２又は６２３の一方を選択することにより、捩れ振動板６１１の回転方向を逆向きに変えることができる。
【０００７】
非特許文献１では、振動板６１１の方向を変化させて無線信号の送信及び受信の方向を変化させることで、アンテナに応用できると述べているが、前記マイクロアクチュエータにおいて、特に注目する点は、下部電極を傾斜構造体にすることによって、印加電圧を低減することができるということである。これは、静電気力は二つの構造体の間の距離の二乗に反比例して減少するため、仮に上部電極と下部電極との距離を短くすることができれば、印加電圧を減少させることが可能であるという原理に基づいている。例えば、捩り振動板６１１の回転角度が０゜の場合には、傾斜構造体体６２１の頂点に近い位置に設けられた下部電極６２２ａ及び６２２ｂの領域との間に大きな静電気力が発生する。更に、捩り振動板６１１が回転するに従って、下部電極６２２ａ及び６２２ｂのその他の領域に対しても大きな静電気力が発生していく。一方、平坦な面の上に下部電極６２２ａ及び６２２ｂを設けた場合は、上部電極と下部電極との距離が長いため、捩り振動板６１１を回転させるのに大きな電圧を必要とする。
【０００８】
【特許文献１】
特開２００２−１０７６４１号公報  （第２−５頁、図２−３）
【特許文献２】
特開２００２−２８７０４５号公報  （第２−７頁、図１−２）
【非特許文献１】
Ｄｏｍｉｎｉｑｕｅ  Ｃｈａｕｖｅｌ、他４名，「静電型空間スキャナーと集積したマイクロマシンマイクロウェーブアンテナ（Ａ  Ｍｉｃｒｏ−Ｍａｃｈｉｎｅｄ  Ｍｉｃｒｏｗａｖｅ  Ａｎｔｅｎｎａｉｎｔｅｇｒａｔｅｄ  ｗｉｔｈ  ｉｔｓ  Ｅｌｅｃｔｒｏｓｔａｔｉｃ  Ｓｐａｔｉａｌ  Ｓｃａｎｎｉｎｇ）」，“Ｐｒｏｃｅｅｄｉｎｇ  ｏｆＩＥＥＥ  Ｍｉｃｒｏ  Ｅｌｅｃｔｒｏ  Ｍｅｃｈａｎｉｃａｌ  Ｓｙｓｔｅｍｓ，  Ｎａｇｏｙａ”，１９９７，ｐ．８４−８９
【０００９】
【発明が解決しようとする課題】
しかしながら、非特許文献１のマイクロアクチュエータは、特許文献１及び２のマイクロアクチュエータに比べて、印加電圧を低減することが可能であるが、以下のような問題点がある。例えば、非特許文献１のマイクロアクチュエータは、傾斜角が３５．３°のシリコン結晶面方位を利用しているため、長さ１ｍｍ、幅２ｍｍ、厚さ０．１ｍｍの捩れ振動板６１１を±１０゜傾かせるために、傾斜構造体の高さを７００μｍ以上にしなければならない。また、非特許文献１のマイクロアクチュエータは、（１１１）方向のシリコン基板のエッチング速度が他の結晶面方位に比べて著しく小さいことを利用して傾斜構造体を作製しているが、このようにして作製できる傾斜角度は制限されており、自由度が著しく小さいという問題もある。
【００１０】
静電型マイクロアクチュエータに傾斜構造体を設けた場合、その傾斜角度を小さくする程、印加電圧を低減する効果は増大する。例えば、光スイッチの分野では±５゜のスキャン角度が要求されているが、この場合、１０゜程度の傾斜角度が作製可能であるならば、印加電圧は傾斜のない場合に比べて５０％程度低減することができる。また、電機的マイクロスイッチは１゜以下の角度の回転であるが、この場合、１゜程度の傾斜を実現できれば、傾斜のない場合に比べて印加電圧を約１／１０に低減することができる。このように小さな傾斜角度を有する傾斜構造体に対する期待が大きいにも拘わらず、従来技術では任意の角度で傾斜を形成することが困難であった。
【００１１】
更に、従来技術では、傾斜構造体を平面的に任意の角度に配置することも困難であった。これもシリコンの結晶面方位の制限によるものであるが、例えば、非特許文献１のマイクロアクチュエータにおいては、傾斜構造体をＸＹ方向の二自由度に配置することができないため、捩れ振動板６１１は一軸の周りの自由度しか有することができないという制限がある。光スキャナ等では二軸の自由度を有するものが強く要求されており、従来のアクチュエータではこの要求を満足させることができなかった。
【００１２】
以上の理由から、傾斜構造体は印加電圧を低減できるという原理的な利点があるにも関わらず、自由に傾斜構造体を実現できないという問題があるために、現実的な設計にこの構造を利用できていないのが現状である。
【００１３】
本発明はかかる問題点に鑑みてなされたものであって、下部電極の傾斜角度及び傾斜構造を任意に設計できるマイクロアクチュエータ及びその製造方法を提供することを目的とする。
【００１４】
【課題を解決するための手段】
本願第１発明に係るマイクロアクチュエータは、基板と、前記基板上に設けられた１対の支持部と、前記支持部間を結ぶ線を中心にして傾動可能に前記支持部に支持された構造体と、前記構造体の下方の前記基板上に設けられた下部電極と、を有し、前記下部電極は高さが前記構造体の中心から外側に向かうにつれて低くなるように配置された複数個の突起により構成され、前記構造体と前記下部電極の間に作用する静電力により前記構造体が傾動することを特徴とする。
【００１５】
前記構造体は、前記支持部により支持部間を結ぶ線を中心にして傾動可能に支持されたリング状の第１部材と、前記第１部材の内側に配置され前記支持部間を結ぶ線に直交する線分上の位置にて前記第１部材に前記直交する線分を中心にして傾動可能に支持された第２部材とを有し、前記構造体と前記下部電極との間に作用する静電力により、前記第２部材の向きを調節することが好ましい。
【００１６】
前記下部電極は、前記構造体の中心の周りの４等配の位置に設けられていることが好ましい。また、前記下部電極は金属材料又は半導体材料からなることが好ましい。更に、前記下部電極の表面は絶縁膜によって被覆されていてもよい。前記下部電極を構成する突起の高さは、前記基板と突起が接する面の幅に比例していることが好ましい。更に、前記突起が角錐状をなす場合は、その側面が基板に対して一定の角度で傾斜しており、前記突起が円錐状をなす場合は、その稜線が基板に対して一定の角度で傾斜していることが好ましい。前記突起の先端は尖っていることが好ましい。更に、前記基板はガラスであることが好ましい。
【００１７】
本願第２発明のマイクロアクチュエータの製造方法は、第１基板に開口部の面積を変化させたマスクパターンを形成する工程と、前記第１基板をエッチングすることにより深さの異なる穴を形成する工程と、前記穴の内部に埋め込み膜を形成する工程と、前記第１基板とは異なる材料からなる第２基板を前記第１基板に接合する工程と、前記第１基板の埋め込み膜以外の部分を除去する工程と、を有し、これにより高さの異なる複数個の突起からなる下部電極を形成することを特徴とする。
【００１８】
前記埋め込み膜は金属材料又は半導体材料からなることが好ましい。また、穴を作製した後に、絶縁膜を形成し、その後に埋め込み膜を形成してもよい。
【００１９】
本願第３発明に係るマイクロアクチュエータの製造方法は、半導体からなる第１基板に開口部の面積を変化させたマスクパターンを形成する工程と、前記第１基板をエッチングすることにより深さの異なる穴を形成する工程と、前記第１基板に不純物を拡散させた拡散層を形成する工程と、前記第１基板とは異なる材料からなる第２基板を前記第１基板に接合する工程と、前記第１基板の拡散層以外の部分を除去する工程と、を有し、これにより高さの異なる複数個の突起からなる下部電極を形成することを特徴とする。
【００２０】
前記第２及び第３発明に係るマイクロアクチュエータの製造方法における第２基板はガラスであることが好ましい。
【００２１】
【発明の実施の形態】
以下、本発明の実施の形態に係るマイクロアクチュエータ及びその製造方法について、添付の図面を参照して具体的に説明する。
【００２２】
先ず、本発明の第１実施形態に係るマイクロアクチュエータについて説明する。図１は本実施形態のマイクロアクチュエータの構造を示す平面図であり、図２（ａ）は図１のＡ−Ａ線による断面図であり、図２（ｂ）は図１のＢ−Ｂ線による断面図である。図１に示すように、本実施形態のマイクロアクチュエータでは、ガラス基板５００の上にシリコンからなる１対の支持台５０ａ及び５０ｂが固定されており、支持台５０ａ及び５０ｂの一端にはシリコンからなる支持梁５１ａ及び５１ｂが設けられている。支持梁５１ａ及び５１ｂは第１部材としてのリング状の外周板５２２をその両端部にて傾動可能な状態で支持している。更に、この外周板５２２の内側には、シリコンからなる支持梁５１１ａ及び５１１ｂが支持梁５１ａ及び５１ｂを結ぶ線と直交する線分上に位置するように設けられている。この支持梁５１１ａ及び５１１ｂは第２部材としての捩り振動板５２をその両端部にて傾動可能な状態で支持している。本実施形態における支持梁５１ａ、５１ｂ、５１１ａ及び５１１ｂは、デバイス全体の寸法を小さく抑え、且つねじりのばね剛性を小さくするために、折れ曲がった構造にしているが、直線的な構造にすることも可能である。
【００２３】
また、図２（ａ）及び（ｂ）に示すように、捩り振動板５２及び外周板５２２の下側のガラス基板５００上には、夫々高さの異なる複数個の突起により構成されている４個の下部電極５０１ａ、５０１ｂ、５０１ｃ及び５０１ｄが設けられている。これらの突起は、捻り振動板５２に対してある傾斜角を有する包絡線５０５を形成している。前記突起は、個々は急峻な角度有しているが、それらを複数個配置することにより、下部電極としてはなだらかな傾斜角を形成することができる。この包絡線５０５の傾斜角は、突起の高さ及び配置等により、任意に設計することができる。
【００２４】
更に、下部電極の外周部には、金属からなるコンタクトパッド５０３が４個形成されている。コンタクトパッド５０３は夫々下部電極に接続されている。更に、捻り振動板５２の中心部直下の基板上には、支柱５０４が形成されている。これは、捻り振動板５２が下部電極の方向に変位することを防ぐために設けられたものであるが、本発明の請求範囲には、支柱５０４が形成されていないものも含まれる。
【００２５】
捩り振動板５２上面は、平坦であることが好ましい。例えば、本発明を光スイッチのミラーとして応用する際は、この捩り振動板５２の表面が光を反射させるミラーとなる。また、捩り振動板５２は、その厚さを厚くすることにより、剛性が大きくなり、回転時の平坦性が保たれる。一方、支持梁の剛性は、回転に必要な印加電圧を少なくするため、小さい方が好ましい。そのため、本実施形態では、捩り振動板５２並びに支持梁５１ａ、５１ｂ、５１１ａ及び５１１ｂの厚さは全て等しくしている。但し、本発明はこのような構成に限定するものではなく、支持梁の厚さを捩り振動板５２よりも薄くしてもよい。
【００２６】
また、本実施形態のマイクロアクチュエーターでは、二酸化シリコン又は窒化シリコン等からなる絶縁膜が、ねじり振動板５２の底面、外周板５２２の底面、並びに下部電極５０１ａ、５０１ｂ、５０１ｃ及び５０１ｄの表面の少なくとも１つに形成されている。これにより、振動板５２及び外周板５２２と下部電極が接触した際の電気的な短絡を防止し、更に、両者が付着することを防止することもできる。また、前記絶縁膜にフッ素を含有することにより、その効果をより高めることができる。本実施形態の下部電極５０１ａ、５０１ｂ、５０１ｃ及び５０１ｄは複数の突起により構成されているため、捻り振動板５２及び外周板５２２と下部電極との付着は起こりにくい。
【００２７】
次に、本実施形態のマイクロアクチュエータの下部構造についてより詳細に説明する。図３は、本実施形態のマイクロアクチュエータの下部構造を示した断面図であり、図２（ａ）に対応している。図３に示すように、ガラス基板２００の上には高さの異なる複数の突起からなる下部電極２０１が形成されている。前記突起は、先端が鋭角に形成されており、不純物を導入した半導体又は金属からなる埋め込み膜２０３により形成されている。埋め込み膜２０３の表面は、酸化物又は窒化物等からなる絶縁膜２１０により被覆されている。また、高さが高い突起の内部には空洞２２０が形成されていることもある。空洞２２０は、下部構造の製造方法に起因するものであるが、デバイスの特性には特に影響を与えるものではない。
【００２８】
前記突起において、埋め込み膜２０３の一部の表面は絶縁膜２１０が除去されており、その部分にはコンタクトパッド（図示せず）が形成される。同様に、支柱２０４も埋め込み膜２３０によって形成されており、その表面は絶縁膜２１０により被覆されている。支柱２０４にも突起と同様の理由で、空洞が形成されることがある。支柱２０４の埋め込み膜２３０と、下部電極２０１ｂ及び２０１ｄの埋め込み膜２０３は接続せず、電気的に絶縁されている。
【００２９】
次に、本実施形態のマイクロアクチュエータの動作について説明する。支持台５０と４個の下部電極５０１の少なくともいずれか１つとの間に０〜５０Ｖの電圧を印加すると、静電気力により捩り振動板５２及び外周板５２２に基板方向（下側）への引力が働く。それにより、捩り振動板５２は支持梁５１１ａ及び５１１ｂとを結んだ線を、外周板５２２は支持梁５１ａ及び５１ｂとを結んだ線を回転軸とし、互いに垂直方向に回転する。電圧が増大するに従い、支持梁５１又は５１１の回転が大きくなり、捩り振動板５２又は外周板５２２の回転も同時に大きくなる。本実施形態のマイクロアクチュエータは、印加電圧の大きさを変化させたり、電圧を印加する下部電極の組み合わせを切り替えたりすることにより、捩り振動板５２の回転角度及び方向を制御することができる。
【００３０】
捩り振動板５２及び外周板５２２への電圧の印加は、支持台５０をワイアボンディング等により外部電源と電気に接続し、支持梁５１及び５１１を介して捩り振動板５２及び外周板５２２の電位を外部電源の電位と等しくすることにより行われる。静電型アクチュエータでは電流が流れないため、電気抵抗を小さくする必要はないが、支持台５０、支持梁５１及び５１１、及び捩り振動板５２、外周板５２２を形成しているシリコンにｐ型又はｎ型の不純物を注入することにより、電気抵抗を下げることもできる。また、これらを金属材料によって形成したり、又は、表面を金属等の導電性材料で被覆したりすることで、電気抵抗を下げることもできる。後者の場合、石英及びセラミックス等の絶縁材料により支持台５０、支持梁５１及び５１１、捩り振動板５２並びに外周板５２２を作製することが可能である。支持台５０、支持梁５１及び５１１、及び捩り振動板５２、外周板５２２が形成される基板としては、本実施形態においては、シリコンとガラスの静電接着を利用するため、ガラス基板を使用したが、それに限ることなく、本発明の基板は、セラミックス、金属、及び半導体等を使用することができる。金属又は半導体基板を使用する際は、下部電極５０１と基板５００との間に絶縁膜を設けることにより、両者の電気的絶縁を確保することができる。
【００３１】
また、本発明者等は、静電型マイクロアクチュエータの静電力について計算を行ったところ、３５．３°の傾斜角度を有する傾斜構造体を設けることにより、傾斜構造体を設けていないものに比べ、印加電圧を約３０％程度低減できた。更に、静電型マイクロアクチュエータでは、捩りばねの曲げ変形のばね剛性が回転の剛性に比べて小さい場合、回転よりもシリコン基板側に垂直に変形しやすいが、本発明マイクロアクチュエータのように、下部電極を傾斜構造にすることにより、垂直変形を防止して捩り振動板に回転運動のみを生じさせることができる。
【００３２】
本実施形態のマイクロアクチュエータの下部電極は、複数の突起の包絡線によって傾斜構造体を形成するものであるが、前記突起の周辺に生じる電界のフリンジ効果が大きいため、従来法で傾斜構造体を形成した場合と比較しても、印加電圧の大幅な増加は認められない。よって、本実施形態のマクロアクチュエータにおける傾斜構造体は、従来のものより印加電圧の低減効果が高く、更に傾斜構造体による静電気力の有効利用ができるため、従来のものに比べ印加電圧を低減することができる。また、二次元的に、異なる傾斜角を有する電極を配置することが可能であるという従来例にない特徴を有する。
【００３３】
次に、本発明の第２実施形態に係るマイクロアクチュエータについて説明する。図４は、本実施形態のマイクロアクチュエータの下部構造を示す断面図である。本実施形態のマイクロアクチュエータの下部構造は、ガラス基板２００の上に高さの異なる複数の突起からなる下部電極４０１が形成されている。個々の突起は、先端が鋭角で、不純物を導入した半導体又は金属からなる埋め込み膜４１０により構成されている。本実施形態では、埋め込み膜４１０の表面には絶縁膜は設けられていない。また、高さが高い突起の内部には空洞４２０が形成されていることもある。空洞４２０は第１実施形態同様、製造方法に起因し、デバイスの特性には特に影響を与えるものではない。埋め込み膜４１０の一部は、金属からなるコンタクトパッド４０３に接続されている。また、支柱４０４は、不純物を導入した半導体又は金属からなる埋め込み膜４１０により形成されている。支柱４０４にも同様に、空洞が形成されることがある。支柱４０４と、下部電極４０１ｂ及び４０１ｄの突起４１０とは接続されていないため、夫々電気的に絶縁されている。
【００３４】
次に、本発明の第１実施形態に係るマイクロアクチュエータの製造方法について説明する。図５（ａ）乃至（ｄ）及び図６（ａ）乃至（ｃ）は、その製造方法の一例を示す断面図である。初めに、下部構造の作製方法について、シリコン基板を使用した場合を例にして説明する。先ず、（１００）面を主面にするシリコン基板３００の一方の面に、レジスト３０１を塗布してパターニングし、その開口部からシリコン基板３００をエッチングする。その際、反応性イオンエッチング（ＲＩＥ：Ｒｅａｃｔｉｖｅ  Ｉｏｎ  Ｅｔｃｈｉｎｇ）等のドライエッチング法を利用すると、図に示すような垂直の深いトレンチ穴３０２を形成することができる（図５（ａ））。
【００３５】
レジスト３０１を除去した後、シリコン基板表面に酸化膜３０３を形成する。その後、酸化膜３０３に大きさの異なる開口パターンを設け、更にエチレンジアミン、ピロカテコール及び水の混合液（以下、ＥＰＷとする：Ｅｔｈｙｌｅｎｅｄｉａｍｉｎｅ  Ｐｙｃｏｃａｔｅｃｈｏｌ  Ｗａｔｅｒ）に浸漬してシリコン基板３００を異方性エッチングし、四角錐型穴３０４を形成する。但し、トレンチ穴３０２の内部は酸化膜３０３によって被覆されているため、ＥＰＷに浸漬してもエッチングされない。（図５（ｂ））。本実施形態の四角錐型穴３０４は５７．４°の傾斜を有する四つの傾斜面から構成されている。四角錐型穴３０４の深さは、酸化膜３０３に設けられた開口パターンの寸法に応じて変化させることができる。例えば、中心から離れるに従って開口パターンを小さくすると、図５（ｂ）に示すような形状となる。
【００３６】
酸化膜３０３を除去した後、再び酸化膜３０５を形成してパターニングする。続いて、スパッタ又は蒸着等により、金属膜３０６を形成する。本実施形態の金属膜３０６は、Ｔａを使用し、その厚さは２００ｎｍである。また、金属膜３０６は、トレンチ穴３０２及び四角錐型穴３０４の内部にも形成され、それらの穴を埋め込む（図５（ｃ））。
【００３７】
続いて、このシリコン基板３００をガラス基板３１０に接着する。接着方法としては、シリコン−ガラス静電接着法等を利用することができる。前記シリコン−ガラス静電接着法は、シリコンとガラスを重ね合わせ、約４００℃に加熱した後、シリコンに正電荷（又はガラスに負電荷）を印加し、シリコンとガラスの間に静電引力を発生させて、それらの界面で化学結合するというものである。但し、本実施形態では、金属膜３０６を形成しているＴａとガラス基板３１０を接着する。前記シリコン−ガラス静電接着法は、Ｔａ以外にも、Ｔｉ、Ｗ及びＡｌ等の金属、又は、不純物を導入して抵抗を低くしたシリコン膜等にも適用することができる。シリコン基板３００とガラス基板３１０を接着した後、それらをＥＰＷエッチング液の中に浸漬し、シリコン基板３００を除去する（図５（ｄ））。
【００３８】
次に、上部構造の作製方法について説明する。本実施形態の上部構造には、基板とデバイスの間に約２μｍの厚さの酸化膜３２１を有するＳＯＩ（Ｓｉｌｉｃｏｎ  ｏｎＩｎｓｕｌａｔｏｒ）基板を使用する。前記ＳＯＩ基板は、基板層３２０及びデバイス層３２２で構成されている。デバイス層３２２に酸化膜３２４ａのパターンを形成後、ＥＰＷエッチング液に浸漬し、デバイス層３２２を異方性エッチングすることにより、支持台３２３を形成する。その際、基板層３２０の裏面にも酸化膜３２４ｂを形成し、裏面がエッチングされるのを防止する。続いて、絶縁膜３２５のパターンを形成する。本実施形態の絶縁膜３２５は、酸化膜を１００ｎｍ堆積した後、その上に窒化膜を２００ｎｍ堆積したものである（図６（ａ））。
【００３９】
次に、デバイス層３２２の表面に化学気相成長法（ＣＶＤ：Ｃｈｅｍｉｃａｌ  Ｖａｐｏｒ  Ｄｅｐｏｓｉｔｉｏｎ）により、酸化膜３２６を形成し、パターニングする。この酸化膜３２５６のパターンをマスクとして、デバイス層３２２をドライエッチングする（図６（ｂ））。
【００４０】
このようにして作製した上部構造から酸化膜３２５を除去し、先に作製した下部構造に接着する。（図６（ｃ））その際、接着方法としては、シリコン−ガラス静電接着法等が利用できる。最後に、酸化膜３２４ｂ、シリコン基板層３２０、及び酸化膜３２１をドライエッチングにより除去し、マイクロアクチュエータとする。
【００４１】
本実施形態のマイクロアクチュエータの代表的な寸法は、支持梁５１が幅３μｍ、長さ１０００μｍ、厚さ１０μｍであり、捩り振動板５２が直径６００μｍ、厚さ１０μｍである。また、支持台３２３は高さ約６０μｍである。沈み防止構造２０４は直径１０μｍ、高さ５５μｍである。下部電極２０１ａ及び２０１ｃは、夫々９個の突起から形成されており、中心の最も高い突起が基板と接する面の幅が６０μｍ、続いて、４５μｍ、３３μｍ、２４μｍ、１７μｍ、１１μｍ、７μｍ、３μｍ及び１μｍである。前記突起の高さはその幅を２の平方根で割ったもので与えられる。また、基板上において夫々の突起は１０μｍの間隔で配置されている。本実施形態においては、９個の突起によって形成される包絡線の傾斜角度は９．５゜である。
【００４２】
次に、本発明の第２実施形態に係るマイクロアクチュエータの製造方法について説明する。図７（ａ）乃至（ｄ）はその製造方法を示す断面図である。先ず、（１００）面を主面とするシリコン基板３００の一方の表面にレジスト３０１を塗布してパターニングする。その後、反応性イオンエッチング（ＲＩＥ）等のドライエッチングにより、レジスト３０１の開口部からシリコン基板３００をエッチングし、垂直の深いトレンチ穴３０２を形成する（図７（ａ））。レジスト３０１を除去し、表面に酸化膜３０３を形成し、更に大きさの異なる開口パターンを設ける。続いて、シリコン基板３００をＥＰＷに浸漬し、異方性エッチングを行い、５７．４°の傾斜をもつ四つの傾斜面から構成されている四角錐型穴３０４を形成する（図７（ｂ））。四角錐型穴３０４は、酸化膜３０３に設けられた開口パターンの寸法に応じて深さを変化させることができる。本実施形態は、中心から離れるに従って開口パターンを小さくしている。また、先に形成したトレンチ穴３０２の内部は酸化膜３０３によって被覆されているため、エッチングされない。更に、酸化膜３０３をパターニングし、酸化膜マスク５０６を形成する。その後、Ｂの拡散を１１５０℃で約２時間行い、シリコン基板上にＢ拡散層５０７を形成する。そのＢ拡散層により、下部電極５０１ｂ及び５０１ｄ並びに支柱５０４を構成する（図７（ｃ））。シリコン基板３００を、シリコン−ガラス静電接着法により、ガラス基板３１０に接合する。ガラス基板３１０には、１０ｎｍのＴａ膜上に金を１００ｎｍ堆積したコンタクトパッドが設けられている。その後、ＥＰＷに浸漬し、シリコン基板３００を除去する。このとき、Ｂ拡散層５０７はエッチングされずに残る（図７（ｄ））。以降の工程は、図６（ａ）乃至（ｃ）と同様である。
【００４３】
本実施形態のマイクロアクチュエータの寸法は、沈み防止構造２０４が直径１０μｍ、高さ５５μｍであり、９個の突起から構成されている下部電極２０１ｃ及び２０１ａは、中心の最も高い突起の基板と接する面の幅が６０μｍ、続いて、４５μｍ、３３μｍ、２４μｍ、１７μｍ、１１μｍ、７μｍ、３μｍ、１μｍである。突起の高さはこの幅を２の平方根で割ったもので与えられる。また、基板上において夫々の突起は１０μｍの間隔で配置されている。更に、９個の突起によって形成される包絡線の傾斜角度は９．５度である。
【００４４】
以上の実施形態においては、エッチング液を利用したシリコンの異方性エッチングにより複数の突起を形成したが、ドライエッチングでも形成することができる。ドライエッチングでは、開口が小さくなるに従いエッチング速度が遅くなり、エッチング穴の深さが浅くなる現象（マイクロローディング効果）が生じる。この現象を利用すると、本実施形態同様、開口パターンの寸法を変えることにより、突起の深さを変化させることができる。
【００４５】
また、本実施形態においては（１００）シリコン基板を利用したが、これは、前記シリコン基板が、ＸＹ方向に突起を配置することが容易であるという特徴を有するためである。しかし、本実施形態の製造方法は、この結晶面方位に依存するものではない。特に、一次元方向のみに捻り振動板を回転させるだけでよい場合は、（１１０）シリコン基板等も使用できる。
【００４６】
突起と基板とが接する面を形成するための開口パターンの幅を短くし、長さを長くすると、個々の突起はナイフ状の細長い形状となる。また、全ての辺の長さを等しくすると、個々の突起は四角錐状となる。四角錐状の突起は、二次元平面に自由に配置することができるため、ナイフ形状の突起に比べ、下部電極を設計する際に制限されない。
【００４７】
本発明において、支持梁の長さは同一にする必要はない。また、傾斜面の角度も等しくする必要はない。例えば、図１のＡ−Ａ線を回転軸とする回転を±１０゜、Ｂ−Ｂ線を回転軸とする回転を±５゜とする場合は、支持梁５１の剛性を大きくしたり、包絡線の傾斜角を小さくしたりすることができる。
【００４８】
また、捩り振動板及び外周板に穴を開けて下部電極との間に存在する空気によるスクイーズ効果を減少させたり、下部電極及びその基板の一部に穴をあけたりすることにより、同様の効果を得ることができる。
【００４９】
上述の構造を有するデバイスを光スイッチ、ＤＣ乃至高周波用スイッチ、及びアンテナ等に応用することもできる。例えば、光スイッチの場合、捩り振動板の表面に０．２μｍ程度金を堆積して反射膜とし、捩り振動板をミラーとして使用することができる。このとき、捩り振動板に上部電極が設けられている場合は、電気的短絡を起こさないように、上部電極とミラー反射膜との間に絶縁膜を挿入するか、又は、両者のパターンを平面的に分離する。また、ＤＣ乃至高周波用スイッチの場合、捩り振動板の下側に接触電極を設け、下側基板上に設けられた信号線との間で接触及び非接触を行わせるとよい。更に、アンテナ等の高周波デバイスの場合は、捩り振動板の上側面にコプレナー回路パターンを形成するとよい。前記光スイッチ及びアンテナにおいては、捩り振動板の上面の平坦部にパターンを形成するが、本発明のマイクロアクチュエータは、通常のフォトリソグラフィー技術を利用して正確なパターニングを行うことができる。上述のように、本発明のマイクロアクチュエータは、種々の用途に対して適用可能で、優れた特性を示す。
【００５０】
更に、本発明のマイクロアクチュエータは、個々に使用する単純なスイッチの応用に留まらずに、大面積の基板の上に数万個のオーダで集積化することが要求されるフェーズドアレイ・アンテナ又は光クロスコネクト用スイッチのような新たな分野への応用も可能である。
【００５１】
【発明の効果】
以上詳述したように本発明によれば、微小な突起を複数個配置することにより傾斜を有する下部電極を形成できる。前記突起により構成された下部電極は、個々の突起の傾斜角に制限がある場合でも、突起の高さ及び配置を調整することにより、包絡線の角度を変化させることができるため、任意の傾斜角度を設定することができる。また、前記突起の高さ及び配置は任意に設定できるため、下部電極の傾斜面の角度を小さくすることができ、それにより印加電圧を減少させることができる。更に、前記突起を二次元的に配置することにより、上部構造体を二次元的に駆動することができる。これにより、印加電圧に対する捩り振動板の回転角度の制御が容易で、且つ正確に行うことができる低電圧駆動のアクチュエータを提供することができる。
【図面の簡単な説明】
【図１】本発明の第１実施形態の構造を示す平面図である。
【図２】（ａ）は図１のＡ−Ａ線による断面図であり、（ｂ）はＢ−Ｂ線による断面図である。
【図３】本発明の第１実施形態の下部構造を示す断面図である。
【図４】本発明の第２実施形態の下部構造を示す断面図である。
【図５】（ａ）乃至（ｄ）は本発明の第１実施形態の下部構造の製造方法を示す断面図である。
【図６】（ａ）乃至（ｃ）は本発明の第１実施形態の上部構造の製造方法を示す断面図である。
【図７】（ａ）乃至（ｄ）は本発明の第２実施形態の下部構造の製造方法を示す断面図である。
【図８】従来のマイクロアクチュエータの構造を示す斜視図である。
【図９】（ａ）乃至（ｄ）は従来のマイクロアクチュエータの製造方法を示す模式図である。
【符号の説明】
５０ａ、５０ｂ、３２３；支持台
５１ａ、５１ｂ、５１１ａ、５１１ｂ；支持梁
５２、６１１；捩り振動板
７１、３００、６２０；シリコン基板
７２ａ、７２ｂ；シリコン窒化膜
７３、６２１；傾斜構造体
７４、７７；シリコン酸化膜
７５、２０１ｂ、２０１ｄ、４０１ｂ、４０１ｄ、５０１ａ、５０１ｂ、５０１ｃ、５０１ｄ、６２２ａ、６２２ｂ；下部電極
７６；金属マスク
２００、３１０、５００；ガラス基板
２０３、２３０、４１０；埋め込み膜
２０４、４０４、５０４；支柱
２１０、３２５；絶縁膜
２２０、４２０；空洞
３０１；レジスト
３０２；トレンチ穴
３０３、３０５、３２１、３２４ａ、３２４ｂ、３２６；酸化膜
３０４；四角錐型穴
３０６；金属膜
３２０；基板層
３２２；デバイス層
４０３、５０３、６１４、６２４ａ、６２４ｂ；コンタクトパッド
５０５；包絡線
５０６；酸化膜マスク
５０７；Ｂ拡散層
５２２；外周板
６１０；石英基板
６１２；上部電極
６１３；捩りばね
６１５；配線
【図１】
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【図２】
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【図３】
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【図４】
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【図５】
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【図６】
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【図７】
2004177436.tif 000009
【図８】
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【図９】
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