(57)【要約】【課題】回転むらを起こす原因となる半導体基板表面のチャネルによる可動体の第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。【解決手段】電子の供給源であるｎ型半導体である可動体の第１の不純物添加部１ｂを除くｐ型である可動体の半導体基板部１ａの全部または少なくとも表面の一部をｐ型の高濃度の不純物添加部とし、回転特性を劣化させるチャネル形成を押えあるいは無害化した。  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がなくなり、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。【選択図】  図３
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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第２導電型の複数の第１の不純物添加部が形成された可動体と、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って、前記半導体基板の第１導電型の不純物濃度は１０１８ａｔｏｍ／ｃｍ３以上であることを特徴とする半導体静電モータ。
【請求項２】
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第２導電型の複数の第１の不純物添加部が形成された可動体と、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って、隣合う前記第１の不純物添加部の前記半導体基板の表面に接して前記半導体基板より高濃度の第１導電型の第２の不純物添加部があることを特徴とする半導体静電モータ。
【請求項３】
第２の不純物添加部の不純物濃度は１０１８ａｔｏｍ／ｃｍ３以上であることを特徴とする請求項２に記載の半導体静電モータ。
【請求項４】
前記第１導電型はｐ型であることを特徴とする請求項１乃至請求項３に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。図６は従来の半導体静電モータの可動体の実施例を説明するための上面図である。図７は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。図５に示される固定子２の形状は図６あるいは図７に示される固定子のＡＡ線断面を示す。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】
図５、６に示される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を上面から見た図である。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】
理論的には、真性半導体にはｎ型もｐ型もないということになるが、現実には完全な真性半導体は作れず、従来の実施例も高抵抗の半導体を利用する目的で真性半導体を使っていることから、真性半導体に近い不純物濃度で、ｎ型のものをｎ型の真性半導体と称した。
【００１８】
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。
【００１９】
しかし、ｐｎ接合の障壁により、可動体の第１の不純物添加部１ｂ内の電荷が可動体の第１の不純物添加部１ｂと可動体の半導体基板部１ａとの間にあるｐｎ接合を越えて可動体の半導体基板部１ａ内へ拡散する量は、ｎ／ｎ型接合となってしまう上記ｎ型の真性半導体である場合に比べて少ない。
【００２０】
固定子２の電圧に作用する可動体の第１の不純物添加部１ｂはｎ型高濃度層が望ましい。このため、可動体の真性の半導体基板はｐ型の真性半導体がよいことになる。しかしながら、半導体製造のプロセスではナトリウム等のイオン汚染によりｐ型の半導体表面はｎ型に反転しやすく電子を流してしまうチャネルを作ってしまう。従って、回転動作中に、固定子２の電圧に作用する電子は、可動体の第１の不純物添加部１ｂ表面から、チャネルに流れ出し、回転に寄与しなくなる。
【００２１】
可動体の第１の不純物添加部１ｂからの電荷の流出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。
【００２２】
図７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。）。この方法は、ｐｎ接合を越える電荷の流出に効果があると考えられるが、可動体１をこのように加工するのは困難であることに加え、半導体基板のチャネルによる問題は残されたままである。
【００２３】
【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。
【００２４】
【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半導体基板表面のチャネルによる可動体の第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。
【００２５】
【課題を解決するための手段】
上記問題を解決するために電子の供給源である可動体の不純物添加部を除く可動体の半導体基板の全部または一部を高濃度の不純物添加部とし、回転特性を劣化させるチャネル形成を押えあるいは無害化するものである。
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第２導電型の複数の第１の不純物添加部が形成された可動体と、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って、前記半導体基板の第１導電型の不純物濃度は１０１８ａｔｏｍ／ｃｍ３以上であることを特徴とする半導体静電モータである。
請求項２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第２導電型の複数の第１の不純物添加部が形成された可動体と、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って、隣合う前記第１の不純物添加部の前記半導体基板の表面に接して前記半導体基板より高濃度の第１導電型の第２の不純物添加部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に記載の発明は第２の不純物添加部の不純物濃度は１０１８ａｔｏｍ／ｃｍ３以上であることを特徴とする請求項２に記載の半導体静電モータである。
請求項４に記載の発明は前記第１導電型はｐ型であることを特徴とする請求項１乃至請求項３に記載の半導体静電モータである。
【００２６】
【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。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ＡＡ線断面を示す。以下、本発明の第１の実施例を図１、図２に基づいて説明する。
【００２７】
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。
【００２８】
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。
【００２９】
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。
【００３０】
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。
【００３１】
図２は本発明の第１の実施例を説明するための可動体１の上面図である。可動体１は円板の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。
【００３２】
ｐ型の半導体基板のｐ型の不純物の濃度は半導体基板の表面が反転してチャネルを形成しないように、１０１８ａｔｏｍ／ｃｍ３以上とする。
【００３３】
まず、中心部に軸５を取り付ける穴が空けられた、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、熱酸化膜を形成する。
【００３４】
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。
【００３５】
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、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。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。
【００３６】
この拡散より、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とこの領域を除くｐ型の半導体である可動体の半導体基板部１ａ（ｐ型）の領域にわけられる。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。
【００３７】
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。
【００３８】
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。図１に示される固定子２の形状は図３に示される固定子ＡＡ線断面を示す。可動体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、本発明の第２の実施例について、図３に基づいて可動体の拡散構造について説明する。
【００３９】
可動体１は円板の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。
【００４０】
ｐ型の半導体基板のｐ型の不純物の濃度は、１０１４ａｔｏｍ／ｃｍ３とする。チャネル防止用の拡散層（可動体の第２の不純物添加部１ｃ）は別途作製されるため実施例１のように高濃度である必要はない。ｐ型の不純物の濃度が比較的低いため、ｐ型領域の正孔が、固定子２と不必要に作用せず素子設計がし易い利点がある。
【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、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を除くｐ型の半導体基板の表面、即ち、可動体の半導体基板部１ａの表面の少なくとも一部の酸化膜を除去し、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２の不純物添加部１ｃ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１からｎ型の可動体の第１の不純物添加部１ｂより若干深い、７μｍである。
【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（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。ｐ型の可動体の第２の不純物添加部１ｃは、チャネルが形成されない領域であり、この領域をまたいでチャネルを連続させないチャネルストッパーである。
【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、酸化膜中に燐、硼素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】
ｐ型の可動体の第２の不純物添加部１ｃの領域により、チャネルがストップさせられるため、回転動作中電子の流出が止められ、回転むらのない高速回転が得られる。
【００４９】
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。
【００５０】
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持って拡散することもできる。
【００５１】
ｐ型の可動体の第２の不純物添加部１ｃは隣合う可動体の第１の不純物添加部１ｂ間に２個の領域を作る例を示したが、１個であっても、３個以上であってもよい。ｐ型の可動体の第２の不純物添加部１ｃは、基板の周辺側面とこの側面に接する上面、下面から拡散する例を示したが、これらの一ヶ所あるいは各２ヶ所の面の組み合わせを持って拡散することもできる。
【００５２】
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。
【００５３】
第１導電型がｐ型である半導体基板を用いたが、可動体１を樹脂膜で保護するときは半導体表面に負電荷が誘起されやすくなる。このような場合は、第１導電型としてｎ型を用いるのがよい。ｐ型同様チャネルストッパーとしての効果を出すためには１０１８ａｔｏｍ／ｃｍ３以上の濃度が必要になる。
【００５４】
【発明の効果】
本発明によれば、半導体基板表面のチャネル形成を防ぎあるいはストップさせることにより、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可動体の実施例を説明するための上面図である。
【図７】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
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】
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【図２】
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【図３】
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【図４】
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【図５】
2004282967.tif 000007
【図６】
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【図７】
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