(57)【要約】【課題】半導体静電モータの動作中に、電子の供給源である可動体の第１の不純物添加部１ｂから電荷が流出するこを防ぎ、高速回転が可能な回転むらのない半導体静電モータを提供する。【解決手段】電子の供給源である可動体の第１の不純物添加部１ｂと可動体の半導体基板部１ａとの間に両者と異なる導電型の可動体の第２の不純物添加部１ｃを導入しで接合分離構造とする。あるいは、電子の供給源である可動体の第１の不純物添加部１ｂと可動体の半導体基板部１ａとのｐｎ接合界面を高濃度のｐｎ接合とし電位障壁を高くする。本発明により半導体静電モータの動作中に、電子の供給源である可動体の第１の不純物添加部１ｂから電荷が流出することを防ぎ、高速回転が可能な回転むらのない半導体静電モータを得た。【選択図】  図２
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【特許請求の範囲】
【請求項１】
第１導電型の半導体基板であって、該半導体基板の表面に接して複数の第１導電型の第１の不純物添加部が形成され、該第１の不純物添加部と前記半導体基板は第２導電型の第２の不純物添加部により分離されている可動体と、電圧によって作用する固定子とからなる半導体静電モータ。
【請求項２】
第２導電型の半導体基板であって、該半導体基板の表面に接して第１導電型の複数の第１の不純物添加部が形成された可動部と、電圧によって作用する固定子とからなる半導体静電モータであって、前記半導体基板内における前記第１の不純物添加部の界面の少なくとも一部に前記半導体基板より高濃度の第２導電型の第１の半導体領域があることを特徴とする半導体静電モータ。
【請求項３】
前記第１導電型はｎ型であり、第２導電型はｐ型であることを特徴とする請求項１または請求項２記載の半導体静電モータ。
【発明の詳細な説明】
【０００１】
【発明の属する技術分野】
本発明は、電荷に働くクーロン力を利用した回転型の半導体静電モータであって、回転むらのない高速回転可能な半導体静電モータである。
【０００２】
【従来の技術】
微細加工の進歩に伴ないマイクロアクチュエータとして半導体静電モータを利用する研究が活発に行なわれている。半導体静電モータはそれぞれ電極部あるいは不純物添加部を有する可動体と固定子からなり、それぞれの不純物添加部内の電荷間あるいは、不純物添加部内の電荷と電極部間に働くクーロン力を利用して超高速で駆動するものである（例えば、非特許文献１参照。）。
【０００３】
図５は従来の半導体静電モータの例を説明するための回転中心を通る縦断面図である（例えば、非特許文献１、特許文献１参照。）。以下従来の半導体静電モータの例の構造と動作について説明する。
【０００４】
この従来の半導体静電モータは、真性半導体からなる半導体基板を加工してなる円板状の可動体１、固定子の絶縁体部２ａと固定子の電極部２ｂによる同心円状の固定子２、絶縁物であるガラス基板など電荷が流入及び流出しにくい材料による下側軸受け３と上側軸受け４、鋼の円柱状の軸５、絶縁物であるモールド部６、絶縁物７で構成されている。固定子２は絶縁物である貝殻などによる同心円状の固定子の絶縁体部２ａと、この絶縁体部の表面に設けられた導体である固定子の電極部２ｂとで構成されている。
【０００５】
円板状の可動体１の中心に円柱状の軸５が埋め込まれ、両者はコマ型に一体化されており、軸５は下側軸受け３に支えられ、上側軸受け４の中央には軸５の直径より大きい穴が空けられており、軸５の上部がこの穴の中に位置されている。上側軸受け４と下側軸受け３の間には円板状の可動体１を取り囲むように同心円状に固定子２が配置されており、固定子２と上側軸受け４の間は、モールド部６により接着されている。
【０００６】
軸５は下側軸受け３との接触抵抗を少なくするために下側を円錐状にすることが多い。
【０００７】
また、可動体１の円板の外周面部分にはｎ型高濃度層による可動体の第１の不純物添加部１ｂが等間隔で複数個配置されている。
【０００８】
固定子の電極部２ｂは可動体の第１の不純物添加部１ｂに対応する固定子の絶縁体部２ａの内周側面とその中間に等間隔に配置されている。即ち固定子の電極部２ｂは可動体の第１の不純物添加部１ｂの２倍の数である（例えば、特許文献２参照。）。
【０００９】
図４は従来の半導体静電モータの例の動作を説明するための図である。
図４は可動体１と固定子の電極部２ｂを上面から見たものである。以下、本図面に基づき、可動体の第１の不純物添加部１ｂがｎ型高濃度層である場合における半導体静電モータの回転動作について説明する。
【００１０】
固定子の電極部２ｂに対して一つおきに正の電位、その間の固定子の電極部２ｂに負の電位を印加する。ｎ型高濃度層による可動体の第１の不純物添加部１ｂの多数キャリアである電子群は負の電位の固定子の電極部２ｂから斥力を受けると同時に正の電位の固定子の電極部２ｂから引力を受けるので可動体１は図の矢印方向に回転する。
【００１１】
ｎ型高濃度層による可動体の第１の不純物添加部１ｂの多数キャリアである電子群は正の電位の固定子の電極部２ｂの方向に偏る。可動体の第１の不純物添加部１ｂのイオン化したアクセプタ即ちイオン化したｎ型拡散不純物（例えば燐）は固定電荷であるため、位置が固定されており、この負の電位の電極方向に動けない。
したがって、多数キャリアの電子群に働くクーロン力は、イオン化したアクセプタ原子群に働くクーロン力より大きくなるので、ｎ型高濃度層による可動体の第１の不純物添加部１ｂ全体は正電位の電極側に電気的に引き寄せられる。
【００１２】
この後、可動体の第１の不純物添加部１ｂが最初正の電位に印加した固定子の電極部２ｂの正面を通過するまで、全ての固定子の電極部２ｂに電圧を加えない。可動体１は引き続き慣性により回転方向に回転する。
【００１３】
可動体１が回転方向における最初の固定子の電極部２ｂの正面を通過した後、各固定子の電極部２ｂに上記電位と逆の電圧を加える。この電圧極性の変更により、可動体１は上記回転方向に更に回転する。
【００１４】
時計周りの方向にそって正電位の固定子の電極部２ｂと負電位の固定子の電極部２ｂがあり、その間に可動体の第１の不純物添加部１ｂがあれば可動体１は負電位から正電位の電極方向、反時計周りに回転する。反時計周りの方向にそって正電位の固定子の電極部２ｂと負電位の固定子の電極２ｂがあり、その間に可動体の第１の不純物添加部１ｂがあれば可動体１は負電位から正電位の電極方向、時計周りに回転する。
【００１５】
したがって、回転方向を一定にするためには、正電位の固定子の電極部２ｂ、負電位の固定子の電極部２ｂとその間にある可動体の第１の不純物添加部１ｂの位置関係を回転の開始前に確認調整する必要がある。
【００１６】
上記動作原理と図４に示される構造から推定されるように、隣合う固定子の電極部２ｂ間にかかる電圧の影響により、可動体の第１の不純物添加部１ｂと可動体の半導体基板部１ａの接合に順バイアスがかかる。上記の説明のように、可動体の第１の不純物添加部１ｂはｎ型である。可動体の半導体基板部１ａがｎ型の真性半導体である場合、可動体の第１の不純物添加部１ｂ内の電荷は電界に引き寄せられ、可動体の第１の不純物添加部１ｂ内より可動体の半導体基板部１ａ内に拡散し、ほとんど回転に寄与しないという問題がある。
【００１７】
可動体の半導体基板部１ａがｐ型の真性半導体である場合、可動体の第１の不純物添加部１ｂ内の電荷は正電位の固定子の電極部２ｂに引寄与せられる。このとき、可動体の第１の不純物添加部１ｂと可動体の半導体基板部１ａとの間のｐｎ接合に対して正の固定子の電極部２ｂに近い方のｐｎ接合部に順バイアスがかかる。この順バイアスが大きくなると、可動体の第１の不純物添加部１ｂ内の電荷は、可動体の第１の不純物添加部１ｂと可動体の半導体基板１ａとの間にあるｐｎ接合を越えて可動体の半導体基板部１ａ内へ拡散し、回転に十分寄与しないため、高速回転が得られず、且つ、回転むらが出るという問題がある。
【００１８】
この問題点を改善するために、相対する可動体の第１の不純物添加部１ｂ間における可動体の半導体基板部１ａを可動体１の側面から中心方向に除去した従来の実施例がある。
【００１９】
図６はこの考え方による従来の半導体静電モータの他の可動体の実施例を示す図である（例えば、特許文献２参照。）。可動体１をこのように加工するのは困難である。
【００２０】
【特許文献１】
特開昭６３−１６１８７９号公報（第４頁、第６図）
【特許文献２】
特開平２−２５０６８２号公報（第３頁、第２図）
【非特許文献１】
「不純物半導体を用いたパルスモータ」、静電気学会誌、第１５巻、第５号、１９９１年、ｐ．３８１−ｐ．３８２。
【００２１】
【発明が解決しようとする課題】
本発明は上記問題を解決しようとするものであり、回転速度を制限し、回転むらを起こす原因となる可動体の第１の不純物添加部１ｂから可動体の半導体基板部１ａへの電荷の流出を押え、簡易な工程で、高速にしかも均一に回転する半導体静電モータを提供する。
【００２２】
【課題を解決するための手段】
上記問題を解決するために可動体の不純物添加部と可動体の半導体基板をｐｎ接合で分離する手段と、可動体の不純物添加部の境界をより高濃度のｐｎ接合とする手段により、可動体の半導体基板内の電荷の流出を押えるものである。
具体的には、請求項１に記載の発明は第１導電型の半導体基板であって、該半導体基板の表面に接して複数の第１導電型の第１の不純物添加部が形成され、該第１の不純物添加部と前記半導体基板は第２導電型の第２の不純物添加部により分離されている可動体と、電圧によって作用する固定子とからなる半導体静電モータである。
請求項２に記載の発明は第２導電型の半導体基板であって、該半導体基板の表面に接して複数の第１導電型の第１の不純物添加部が形成された可動部と、電圧によって作用する固定子とからなる半導体静電モータであって、前記半導体基板内における前記第１の不純物添加部の界面の少なくとも一部に前記半導体基板より高濃度の第２導電型の第１の半導体領域があることを特徴とする半導体静電モータである。
請求項３に記載の発明は、前記第１導電型はｎ型であり、第２導電型はｐ型であることを特徴とする請求項１または請求項２記載の半導体静電モータである。
【００２３】
【発明の実施の形態】
図１は本発明の第１の実施例を説明するための縦断面構造図である。半導体静電モータの回転中心を通る縦断面図である。図１に示される固定子２の形状は図２に示される固定子２のＡＡ線断面を示す。以下、本発明の第１の実施例を図１に基づいて説明する。
【００２４】
本発明の半導体静電モータは、円板状の可動体１、同心円状に配置された固定子２、下側軸受け３、上側軸受け４、円柱状の軸５で構成されている。また、同心円状に配置された固定子２と下側軸受け３、上側軸受け４はモールド部６、絶縁物７で接着されているとともに電気的に絶縁されている。
【００２５】
円板状の可動体１の中心に円柱状の軸５が埋め込まれ、コマ型にされており、軸５は下側軸受け３に支えられ、上側軸受け４には、中央に軸５の径より大きい穴が空けられており、軸５の上部がこの穴の中に位置されている。
【００２６】
軸５は下側軸受け３との接触抵抗を少なくするために下側が円錐状になっている。材質は耐摩耗性のある鋼やセラミックを用いる。下側軸受け３と上側軸受け４は絶縁物であってもよいが、電荷が蓄積されないように導体である金属、シリコンなどの半導体あるいは半絶縁物を用いる。
【００２７】
対摩耗性のあるシリコン半導体を用いると長期にわたり回転が安定し、このシリコン半導体基板内あるいは基板上に配線や駆動回路を形成できる利点がある。
【００２８】
図２は本発明の第１の実施例を説明するための可動体の上面図である。可動体１は円板のｎ型の半導体基板からなる。この半導体基板はシリコン半導体の単結晶が望ましいが多結晶であってもよい。
【００２９】
後に述べるｎ型不純物を高濃度に拡散させた可動体の第１の不純物添加部１ｂを固定子２の電位に作用する電荷の供給源とし、ｎ型の半導体基板よりなる可動体の半導体基板部１ａ（ｎ型）の領域を電荷の供給源として働かない領域にする必要がある。従って、本実施例のｎ型の半導体基板の濃度は低濃度が望ましく、本実施例ではこのｎ型の不純物の濃度は１０１４ａｔｏｍ／ｃｍ３を用いた。
【００３０】
まず、中心部に軸５を取り付ける穴が空けられた、ｎ型の半導体基板の全面に、水蒸気と酸素を含むを高温酸化雰囲気にて、厚い熱酸化膜を形成する。
【００３１】
次に、写真、弗酸系のエッチング処理により、この半導体基板の周辺側面とこの側面に接する上面、下面に拡散用の窓を形成する。この窓は４ヶ所、側面に均等に隔離して形成する。
【００３２】
この拡散窓から、ｐ型不純物を拡散させて可動体の第２の不純物添加部１ｃを形成する。具体的には、厚い酸化膜をマスクに、硼素を半導体基板の拡散窓部分に注入し、高温にて拡散する。拡散時間の一部において、酸化雰囲気で処理することにより半導体基板を薄い酸化膜で被覆する。この拡散層の表面濃度は１０１８個／ｃｍ３、拡散深さは３０μｍである。
【００３３】
次に、半導体基板を弗酸系のエッチング液にて、短時間処理し、硼素拡散における薄い酸化膜のみを除去し、拡散用の窓明けをする。
【００３４】
この拡散窓から、ｎ型不純物を拡散させて可動体の第１の不純物添加部１ｂを形成する。具体的には、厚い酸化膜をマスクにオキシ塩化燐を用い、燐を半導体基板の拡散窓部分に堆積し、高温の乾燥酸素雰囲気にて拡散する。拡散窓の表面には薄い酸化膜が形成される。この拡散層の不純物の表面濃度は、５×１０１９ａｔｏｍ／ｃｍ３、拡散深さは５μｍである。
【００３５】
これら硼素と燐の拡散より、可動体は、ｎ型の拡散領域である可動体の第１の不純物添加部１ｂとｐ型である可動体の第２の不純物添加部１ｃとこれらの部分を除く可動体の半導体基板部１ａ（ｎ型）の領域にわけられ、ｎ型の拡散領域である可動体の第１の不純物添加部１ｂは固定子２の電位に作用する電荷の供給源である。
【００３６】
図１、図２には図示していないが、半導体基板上に残されている酸化膜は、酸化膜中に硼素と燐を含む良好な保護膜であるため、除去しないでそのまま用いる。
【００３７】
ｎ型の拡散領域である可動体の第１の不純物添加部１ｂ、ｐ型である第２の不純物添加部１ｃ、これらの部分を除く可動体の半導体基板部１ａ（ｎ型）の領域はｎｐｎ接合を形成しており、ｎ型の拡散領域である可動体の第１の不純物添加部１ｂと可動体の半導体基板部１ａ（ｎ型）の領域は、ｐ型である第２の不純物添加部１ｃにより、電気的に分離されている。従って、回転動作中に、ｎ型の拡散領域である可動体の第１の不純物添加部１ｂから可動体の半導体基板部１ａ（ｎ型）の領域に電荷が流れ出すことはない。
【００３８】
また、ｎｐｎ接合によりいずれかのｎ型から他方ｎ型への電流が遮断されるため、ｎ型の拡散領域である可動体の第１の不純物添加部１ｂからｐ型である第２の不純物添加部１ｃへの電荷の流出も遮断される。
【００３９】
図３は本発明の第２の実施例を説明するための可動体の上面図である。可動体１の拡散構造を除いて第１の実施例と構造が同じなので、以下、図３に基づいて本発明の第２の実施例における可動体の拡散構造について説明する。
【００４０】
可動体１は実施例１と異なり、円板状のｐ型の半導体基板からなる。この半導体基板はシリコン半導体の単結晶が望ましいが多結晶であってもよい。
【００４１】
まず、中心部に軸５取り付け用の穴が空けられた、ｐ型の半導体基板の全面に、水蒸気と酸素を含むを高温酸化雰囲気にて、厚い熱酸化膜を形成する。
【００４２】
次に、写真、弗酸系のエッチング処理により、この半導体基板の周辺側面とこの側面に接する上面、下面に拡散用の窓を形成する。この窓は４ヶ所、側面に均等に隔離して形成する。
【００４３】
この拡散窓から、ｎ型不純物を拡散させて可動体の第１の不純物添加部１ｂを形成する。具体的には、厚い酸化膜をマスクにオキシ塩化燐を用いて燐を半導体基板の拡散窓部分に堆積し、高温の酸化性雰囲気にて拡散する。拡散窓の表面に酸化膜が形成される。不純物の表面濃度は、５×１０１９ａｔｏｍ／ｃｍ３、拡散深さは５μｍである。
【００４４】
次に、ｐ型の半導体基板とｎ型不純物を拡散させて作製した可動体の第１の不純物添加部１ｂのｐｎ接合部で、半導体基板表面に出ている部分をまたいで、帯状に酸化膜を除去し、ｐ型不純物拡散用の窓明けをする。上記ｎ型不純物を拡散するときと同じく、写真、弗酸系のエッチング液による処理による。
【００４５】
この拡散窓から、イオン注入を利用してｐ型不純物である硼素を拡散させてｐ型の可動体の第１の半導体領域１ｄを形成する。この拡散層の表面濃度は１０１８ａｔｏｍ／ｃｍ３以上であり、拡散深さはｎ型の可動体の第１の不純物添加部１ｂより若干深い、７μｍが望ましい。
【００４６】
これら硼素と燐の拡散より、可動体は、ｎ型の拡散領域である可動体の第１の不純物添加部１ｂとｐ型の可動体の第１の半導体領域１ｄとこれらの部分を除く可動体の半導体基板部１ａ（ｐ型）の領域にわけられ、ｎ型の拡散領域である可動体の第１の不純物添加部１ｂは固定子２の電位に作用する電荷の供給源である。
【００４７】
図３には図示していないが、半導体基板上に残されている酸化膜は、酸化膜中に硼素と燐を含む良好な保護膜であるため、除去しないでそのまま用いる。
【００４８】
ｎ型の拡散領域であり、電子の供給源である、可動体の第１の不純物添加部１ｂとｐ型の可動体の第１の半導体領域１ｄは高濃度のｎ型と高濃度のｐ型との接合となる。従来の実施例であるｎ型の拡散領域であり可動体の第１の不純物添加部１ｂとｐ型である可動体の半導体基板部１ａの接合は高濃度のｎ型と真性半導体に近い低濃度のｐ型の接合である。本発明で問題にしている電界は可動体の表面近くにかかるので、この部分の接合を考えると、前者の高濃度同士による接合の電子に対する障壁は高濃度のｎ型と低濃度のｐ型で形成される接合より大きい。
【００４９】
従って、ｎ型の拡散領域である可動体の第１の不純物添加部１ｂから可動体の半導体基板部１ａ（ｐ型）の領域に流出する電荷は非常に少なくなる。
【００５０】
ｎ型の拡散領域であり、電子の供給源である、可動体の第１の不純物添加部１ｂは今回の実施例では４ヶ所であったが、２ヶ所以上であれば幾つであってもかまわない。
【００５１】
各実施例において、可動体の半導体基板部１ａはｎ型半導体を用いたが、ｐ型半導体であってもかまわない。
【００５２】
可動体の第１の不純物添加部１ｂと可動体の第２の不純物添加部１ｃは半導体基板の周辺側面とこの側面に接する上面、下面から拡散して例を示したが、これらの一ヶ所あるいは各２ヶ所の面の組み合わせをもった部分から拡散することもできる。
【００５３】
ｐ型の可動体の第１の半導体領域１ｄは可動体の第１の不純物添加部１ｂの可動体１の表面に出ている界面部分に拡散した例を示したが、表面に出ている界面部分の一部に拡散してもよい。また、可動子２の内部の接合部分すべてにわたってもよい。即ち、ｐ型の可動体の第１の半導体領域１ｄを拡散した後に、この領域内にｎ型を拡散し、電子供給源である可動体の第１の不純物添加部１ｂを作ってもよい。
【００５４】
可動体の半導体基板部１ａは製造しやすい点でシリコンが望ましいが、ＧａＡｓやＳｉＣ等の半導体材料を用いることもできる。
【００５５】
【発明の効果】
本発明によれば、半導体静電モータの動作中に、電子の供給源である、可動体の第１の不純物添加部１ｂから電荷が流出することを防ぎ、高速回転が可能な回転むらのない半導体静電モ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の実施例を説明するための縦断面構造図である。
【図２】本発明の第１の実施例を説明するための可動体の上面図である。
【図３】本発明の第２の実施例を説明するための可動体の上面図である。
【図４】従来の半導体静電モータの例の動作を説明するための図である。
【図５】従来の半導体静電モータの例を説明するための回転中心を通る縦断面図である。
【図６】従来の半導体静電モータの他の可動体の実施例を説明するための上面図である。
【符号の説明】
１    可動体
１ａ  可動体の半導体基板部
１ｂ  可動体の第１の不純物添加部
１ｃ  可動体の第２の不純物添加部
１ｄ  可動体の第１の半導体領域
２    固定子
２ａ  固定子の絶縁体部
２ｂ  固定子の電極部
３    下側軸受け
４    上側軸受け
５    軸
６    モールド部
７    絶縁物
【図１】
2004282965.tif 000003
【図２】
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【図３】
2004282965.tif 000005
【図４】
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【図５】
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【図６】
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