(57)【要約】【課題】固定子として半導体を用いた場合、固定子の電極部２ｂに電圧かけたとき、順または逆電圧どちらかのときに順方向動作となって、固定子の電極部２ｂは電圧を持たず回転むらが出たり高速回転が選られないという問題があった。【解決手段】作用する電圧を持つｐ型の固定子の第２の不純物添加部２ｄとＰ型の固定子の半導体基板２ａの間にｎ型の固定子の第１の不純物添加部２ｃを配置し、ｐｎｐ接合として双方向に耐圧を持たせるもの、またｐ型の固定子の第２の不純物添加部２ｄを金属によるショットキ接合におきかえたものにより双方向に耐圧を持たせた。作用する電圧を供給する固定子の第２の不純物添加部２ｄあるいは金属によるショットキ接合がその逆電圧か、ｎ型の固定子の第２の不純物添加部２ｃとｐ型の固定子の半導体基板２ａによる逆電圧を持つことにより、高速回転が可能な回転むらのない半導体静電モータを得た。【選択図】  図２
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【特許請求の範囲】
【請求項１】
外部の電圧によって作用する電荷を保有する可動体と、前記電圧によって作用する固定子からなる半導体静電モータにおいて、前記固定子は第１導電型の半導体基板からなり、該半導体基板の表面に接して複数の第２導電型の第１の不純物添加部が形成され、該第１の不純物添加部内に前記半導体基板の表面に接し第１導電型の第２の不純物添加部が形成されていることを特徴とする半導体静電モータ。
【請求項２】
外部の電圧によって作用する電荷を保有する可動体と、前記電圧によって作用する固定子からなる半導体静電モータにおいて、前記固定子は第１導電型の半導体基板からなり、該半導体基板の表面に接して複数の第２導電型の第１の不純物添加部が形成され、該第１の不純物添加部内に前記半導体基板の表面に接しショットキ障壁を形成する金属が堆積されていることを特徴とする半導体静電モータ。
【請求項３】
上記第１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と固定子の上面図である（例えば、非特許文献１、特許文献１参照。）。図５に示される固定子２の形状は図６に示される固定子２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】
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、真性半導体からなる固定子の半導体基板部２ａと金属からなる固定子の電極部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。
【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。固定子２と下側軸受け４の間は絶縁物７によって絶縁されている。
【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。完全なる真性半導体は存在しないため、従来例の真性半導体からなる可動体の半導体基板部１ａは高抵抗のｐ型半導体と仮定して説明する。
【０００８】
固定子の電極部２ｂは可動体の第１の不純物添加部１ｂに対応する真性半導体である固定子の半導体基板部２ａの内側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。
【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。固定子の半導体基板部２ａは省略してある。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、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（例えば、特許文献１参照。）。
【００１６】
固定子２が絶縁基板と固定子の電極部２ｂからなっておれば、固定子の電極部２ｂに、正逆の電圧がかけられ上記説明の動作が行われる。しかしながらに既に説明したように絶縁物とみなせる真性半導体は実際には存在しないため、有効な電圧がかからないことがある。
【００１７】
上記説明では、固定子の半導体基板２ａは高抵抗のｐ型半導体と仮定した。この場合、固定子の電極部２ｂと固定子の半導体基板（ｐ型）２ａ間にはショットキ障壁ができ、固定子の電極部２ｂに正電圧を印加した場合、ショットキ障壁は逆バイアスされ、固定子の電極部２ｂまたこれより広がる空乏層領域に正電圧がかかる。しかしながら、その隣合う固定子の電極部２ｂに負の電圧かけようとしても固定子の電極部２ｂと固定子の半導体基板（ｐ型）２ａ間のショットキ障壁は順バイアスされ固定子の半導体基板（ｐ型）２ａと固定子の電極部２ｂ間で負電圧を持つことができない。半導体基板が高抵抗のｎ型半導体であっても同様である。
【００１８】
したがって、ショットキ障壁が逆バイアスされた場合の固定子の電極部２ｂ（またはその付近のみ）だけ正電圧がかかるものの、その他の領域は全て接地電位（または印加負電圧）となる。電圧により作用する電荷のある可動体の第１の不純物添加部１ｂが正電圧になっている固定子の電極部２ｂの近く以外である場合、正の電圧がこの電荷（電子）に作用しにくく、高速回転が得られず、回転むらも生じ易い。
【００１９】
我々は、固定子の電極部２ｂが正の電圧を持ち、逆の電圧が印加されたときも、同程度の電圧、あるいは数ボルトでも電圧を持てば、高速回転が得られ、回転むらもなくなることを見出した。半導体静電モータでは、電圧に作用する電荷は電子が望ましいため、負電圧に対する耐圧が高くても正電圧に対する耐圧が低い場合は効果が少ない。
【００２０】
【特許文献１】
特開平２−２５０６８２号公報（第３頁、第１図）
【特許文献２】
特開昭６３−１６１８７９号公報（第４頁、第６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、固定子の電極部２ｂに相当する部分が電荷に作用する正電圧を持ち、更に、逆の電圧が印加されたときも、同程度の電圧、あるいは数ボルトでも負電圧を持つような構造を考え、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ことにある。
【００２２】
【課題を解決するための手段】
上記問題を解決するための手段は、固定子の不純物添加部と固定子の半導体基板をｐｎｐあるいはｎｐｎ接合で分離し双方向に耐圧を持たせるもの、金属によるショットキ接合と固定子の不純物添加部と固定子の半導体基板間をショットキ接合／ｎｐあるいはショットキ接合／ｐｎ接合とし、双方向に耐圧を持たせるものである。
具体的には、請求項１に記載の発明は外部の電圧によって作用する電荷を保有する可動体と、前記電圧によって作用する固定子からなる半導体静電モータにおいて、前記固定子は第１導電型の半導体基板からなり、該半導体基板の表面に接して複数の第２導電型の第１の不純物添加部が形成され、該第１の不純物添加部内に前記半導体基板の表面に接し第１導電型の第２の不純物添加部が形成されていることを特徴とする半導体静電モータである。
請求項２記載の発明は外部の電圧によって作用する電荷を保有する可動体と、前記電圧によって作用する固定子からなる半導体静電モータにおいて、前記固定子は第１導電型の半導体基板からなり、該半導体基板の表面に接して複数の第２導電型の第１の不純物添加部が形成され、該第１の不純物添加部内に前記半導体基板の表面に接しショットキ障壁を形成する金属が堆積されていることを特徴とする半導体静電モータである。
請求項３記載の発明は上記第１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に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】
可動体１は円板のｐ型の半導体基板からなる。本実施例ではこのｐ型の不純物の濃度は１０１４ａｔｏｍ／ｃｍ３を用いた。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】
まず、可動体１は、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、厚い熱酸化膜を形成する。  次に、写真、酸系のエッチング処理により、厚い酸化膜を部分的に除去し、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。
【００３０】
不純物として燐を用い、不純物の表面濃度は、５×１０１９ａｔｏｍ／ｃｍ３、拡散深さは５μｍの可動体の第１の不純物添加部１ｂを４ヶ所形成し、固定子２の電圧に作用する電荷（電子）の供給源とする。
【００３１】
図２は本発明の第１の実施例を説明するための固定子の上面図である。固定子は、図２に示すように、ｐ型の半導体基板をリング状に切り出して作製する。こ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。この酸化膜を可動体の第１の不純物添加部１ｂの４ヶ所に対応する固定子となるｐ型の半導体基板の内側側面４ヶ所とその間の側面に、写真工程、弗酸系のエッチング液を利用して窓明けする。燐を不純物として用いて拡散し、可動体の第１の不純物添加部２ｃを８ヶ所形成する。拡散中、短時間、酸素を流し、拡散窓に相当する部分にも薄い酸化膜を形成する。この拡散層の不純物の表面濃度は、１×１０１８ａｔｏｍ／ｃｍ３、拡散深さは３０μｍである。
【００３２】
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、燐拡散における薄い酸化膜のみを除去し、硼素拡散用の窓明けをする。
【００３３】
この拡散窓から、ｐ型不純物を拡散させて固定子の第２の不純物添加部２ｄを形成する。具体的には、厚い酸化膜をマスクに三塩化硼素を用い、硼素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。
【００３４】
これら燐と硼素の拡散より、固定子は、ｎ型の拡散領域である固定子の第１の不純物添加部２ｃとｐ型である固定子の第２の不純物添加部２ｄとこれらの部分を除く固定子の半導体基板部２ａ（ｐ型）の領域にわけられ、ｎ型の拡散領域である固定子の第１の不純物添加部２ｃはｐ型である固定子の第２の不純物添加部２ｄに正の電圧が印加されたときの電圧を持つ部分である。固定子の第２の不純物添加部２ｄと固定子の第の１の不純物添加部２ｃとその空乏層が可動体１の電荷に作用する電圧の供給源である。
【００３５】
ｎ型の拡散領域である固定子の第１の不純物添加部２ｃとｐ型の固定子の半導体基板部２ａ間はｐ型の濃度に対応した大きな耐圧を持つ。ｐ型である第２の不純物添加部２ｄとｎ型の拡散領域である固定子の第１の不純物添加部２ｃは両者ともかなり濃度が高いので、１５ボルトほどの耐圧しか持たないが、良好な回転特性を得るには十分である。
【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、酸化膜中に燐と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。また固定子の第２の不純物添加部２ｄは図示していない金属などの電極により外部の電源に接続される。
【００３７】
図３は本発明の第２の実施例を説明するための固定子の上面図である。可動体１は第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に基づいて固定子２の拡散構造について説明する。
【００３８】
実施例１と同様、固定子２は、図３に示すように、ｐ型の半導体基板をリング状に切り出し、ｎ型不純物として燐を拡散させて固定子の第１の不純物添加部２ｃを形成する。この拡散層の不純物の表面濃度は、１×１０１８ａｔｏｍ／ｃｍ３、拡散深さは３０μｍである。
【００３９】
このｎ型不純物として燐を拡散させた固定子の第１の不純物添加部２ｃの表面に、蒸着法、写真工程、エッチング工程を利用して金属の電極を形成し、ショットキ電極２ｅを形成する。ショットキ電極２ｅはｎ型不純物による固定子の第１の不純物添加部２ｃとの間で、ショットキダイオードを形成し、第１の実施例同様、ショットキ電極２ｅに負電圧がかかったとき約１５ボルトの電圧を持つ。第１の実施例同様、第２の実施例も良好な回転特性を得る。
【００４０】
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ヶ所以上であれが幾つであってもかまわない。
【００４１】
各実施例において、固定子の半導体基板はｐ型半導体を用いたが、ｎ型半導体であってもかまわない。
【００４２】
ショットキ電極２ｅとして金属を用いたが、シリサイド等他のものであってもショットキ障壁を形成するものであればよい。
【００４３】
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。
【００４４】
【発明の効果】
本発明によれば固定子として半導体を用いた場合、電位を供給する部分、即ち、固定子の第２の不純物添加部２ｄまたはショットキ電極２ｅが正と逆の電圧を持ち得るため、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固定子の上面図である。
【図３】本発明の第２の実施例を説明するための固定子の上面図である。
【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固定子の上面図である。
【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
２    固定子
２ａ  固定子の半導体基板部
２ｂ  固定子の電極部
２ｃ  固定子の第１の不純物添加部
２ｄ  固定子の第２の不純物添加部
２ｅ  ショットキ電極
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】
2004282966.tif 000003
【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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