(57)【要約】【課題】振動部の昇降動作における不可逆的な変形を防止できこれによって信頼性および歩留まりの向上を図ることが可能であると共に、より低消費電力での駆動が可能なマイクロマシンを提供する。【解決手段】基板２上に設けられた下部電極３の両脇に立設された支持部１２と、支持部１２の上端から基板２の上方に空間部Ａを介して延設され、支持部１２間に掛け渡された帯状の振動部１３とを備えたマイクロマシン１０において、振動部１３における支持部１２との接合部付近の端部に、帯状の幅方向にわたって基板２側およびこれとは逆側の少なくとも一方に突出する凸部１５を設けた。これにより、凸部１５をバネとして作用させ、下部電極３に対して接近離間する振動部１３の振動動作を容易にする。【選択図】図１
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【特許請求の範囲】
【請求項１】
基板上に立設された支持部と、当該支持部から前記基板の上方に空間部を介して延設された帯状の振動部とを備えたマイクロマシンにおいて、
前記振動部は、前記支持部との接合部付近の端部に、前記帯状の幅方向にわたって前記基板側およびこれとは逆側の少なくとも一方に突出する凸部が設けられている
ことを特徴とするマイクロマシン。
【請求項２】
請求項１記載のマイクロマシンにおいて、
前記支持部は、前記基板上に立設された支持部間に掛け渡されており、これらの各支持部との接合部付近の端部に前記凸部が設けられている
ことを特徴とするマイクロマシン。
【請求項３】
請求項１記載のマイクロマシンにおいて、
前記振動部は、前記基板に設けられた下部電極を跨ぐ状態で設けられており、
前記振動部と前記支持部とで上部電極が構成されている
ことを特徴とするマイクロマシン。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明はマイクロマシンに関し、基板上に空間部を介して振動部を設けてなるマイクロマシンに関する。
【背景技術】
【０００２】
微細技術の進展に伴い、いわゆるマイクロマシン（Micro Electro Mechanical Systems：ＭＥＭＳ）、およびマイクロマシンを組み込んだ小型機器が注目されている。
【０００３】
マイクロマシンは、シリコン基板、ガラス基板等の基板上に微細構造体として形成され、機械的駆動力を出力する駆動体と、駆動体を制御する半導体集積回路等とを、電気的・機械的に結合させた素子である。マイクロマシンの基本的な特徴は、機械的構造として構成されている駆動体が素子の一部に組み込まれていることであって、駆動体の駆動は、電極間のクーロン引力などを応用して電気的に行われる。
【０００４】
このようなマイクロマシンの一例として、いわゆる両持ち梁方式の静電駆動型マイクロマシンの構成を図５の断面図に示す。この図に示すマイクロマシン１は、基板２上に形成された下部電極３を覆う状態で層間絶縁膜４が設けられ、この層間絶縁膜４上に下部電極３を跨ぐ状態で上部電極５が設けられている。この上部電極５は、下部電極３を挟んだ両側の層間絶縁膜４上に立設された支持部６と、下部電極３を跨ぐ状態で支持部６間に掛け渡された振動部７とで構成されている。振動部７は、ビームと呼ばれる平板のリボン状（帯状）に形成され、層間絶縁膜４と平行をなす状態で当該層間絶縁膜４との間に空間部Ａを有して設けられている。この振動部７は、例えば、図示したように、支持部６の上端から延設されて支持部６と一体の構造体として構成されている。
【０００５】
このような構成のマイクロマシンにおいては、電空間部Ａによって絶縁された下部電極３と上部電極５との間に微小電圧を印加すると、図６に示すように、静電現象によって振動部７が下部電極３に向かって下降（接近）し、また電圧の印加を停止すると振動部７が上昇（離間）し、図５に示した元の状態に戻る。そして、このような振動部７の動作（振動）により、当該振動部７表面で反射する光を強度変調させることができるため、このマイクロマシンを複数配列することで回折格子ライトバルブを構成することができる（以上下記特許文献１参照）。
【０００６】
【特許文献１】特開２００２−１１３７００号公報（特に図７参照）
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【０００７】
ところで、上述した構成のマイクロマシンにおいては、静電現象によって下部電極に対する振動部の昇降動作（接近、離間）を繰り返し行う過程において、上部電極及び下部電極への電圧の印加を停止しても、振動部が下部電極側に接近した状態（図６に示す状態）に留まり、元の離間した位置に戻らなくなる不具合が発生している。これは、マイクロマシンおよびこれを用いた回折格子ライトバルブなどの小型機器の寿命特性を悪化させ、信頼性および歩留まりの低下を引き起こす要因となっている。
【０００８】
また、このようなマイクロマシンにおいては、より低消費電力での駆動が求められており、これを実現するためには、振動部を下部電極側に下降させる場合により少ない電力で所定状態にまで振動部を下降可能な構成が求められている。
【０００９】
そこで本発明は、振動部の昇降動作における不可逆的な変形を防止できこれによって信頼性および歩留まりの向上を図ることが可能であると共に、より低消費電力での駆動が可能なマイクロマシンを提供することを目的とする。
【課題を解決するための手段】
【００１０】
このような目的を達成するための本発明は、基板上に立設された支持部と、当該支持部から前記基板の上方に空間部を介して延設された帯状の振動部とを備えたマイクロマシンにおいて、振動部が凸部を有していることを特徴としている。この凸部は、振動部における支持部との接合部付近の端部に帯状の幅方向にわたって設けられている。また、凸部は、基板側およびこれとは逆側の少なくとも一方に突出していれば良い。
【００１１】
このような構成のマイクロマシンによれば、振動部の端部に帯状の幅方向にわたる凸部を設けたことにより、支持部に支持された振動部が基板側に対して接近、離間する振動動作を行う際に、この凸部がバネとして作用する。これにより、振動部を基板側に向かって接近（下降）させる際には、帯状の振動部が弾性変形して振動部が下降し易くなり、振動部を所定状態にまで下降させるために必要となる力が小さくなる。また、振動部が弾性変形により基板側に下降し易くなったことにより、振動部が基板側に下降した状態において振動部と支持部とに加わる力が削減され、振動部が不可逆的に変形することが防止される。しかも、凸部で構成されるバネの弾性によって、基板側に下降した状態の振動部が元の位置に上昇するための張力が生じることにもなり、振動部が元の位置に上昇し易くなる。
【発明の効果】
【００１２】
この結果、本発明のマイクロマシンによれば、振動部を基板側に下降させる力が小さくなりかつ振動部が元の位置に上昇し易くなるため低消費電力での駆動が可能となると共に基板側に下降した状態での振動部の不可逆的な変形が防止されることから安定した駆動状態を保つことができ、信頼性および歩留まりの向上を図ることが可能になる。
【発明を実施するための最良の形態】
【００１３】
以下、本発明のマイクロマシンの実施の形態を図面に基づいて詳細に説明する。尚、以下の各実施形態で説明するマイクロマシン（いわゆるＭＥＭＳ素子）は、基板上に空間部を介して振動部を設けてなるマイクロマシンであり、例えば光変調素子を構成するものであることとする。また、図５および図６に示した従来のマイクロマシンと同様の構成要素には同一の符号を付して説明を行うこととする。
【００１４】
図１（１）は、実施形態のマイクロマシンの構成を示す斜視図であり、図１（２）は図１（１）のＳ面の断面図である。これらの図に示す実施形態のマイクロマシン１０が、図４および図５を用いて説明した従来のマイクロマシンと異なるところは、上部電極１１の構成にあり、他の部分の構成は従来と同様であることとする。
【００１５】
すなわち、この図に示すマイクロマシン１０は、シリコン基板などからなる基板２、この上部にパターン形成された下部電極３、下部電極３を埋め込む状態で形成された層間絶縁膜４、層間絶縁膜４上に設けられた上部電極１１で構成されている。
【００１６】
そして、本発明の特徴である上部電極１１は、基板２上に層間絶縁膜４を介して立設された支持部１２と、両端部が支持部１２の上端で支持された帯状の振動部１３とで構成されている。これらの支持部１２による振動部１３の支持状態は従来と同様であって良く、例えば、ここでの図示は省略したが、振動部１３および振動部の両側の支持部１２は、絶縁性の下地膜上に光反射性の電極膜を設けた積層膜をパターニングしてなる一体構造であることとする。そして、支持部１２は、下部電極４を挟んだ両側において層間絶縁膜４に接合された積層膜部分を上方に立ち上げた形状を有している。また、振動部１３は、各支持部１２を構成する積層膜の上端部分を屈曲させて延設し、さらに帯状に成形した膜部分を下部電極４上を跨ぐ状態で支持部１２−１２間に掛け渡したブリッジ状とすることで、層間絶縁膜４上に中空部Ａを介して配置されている。
【００１７】
尚、このマイクロマシン１０が、例えば光変調素子を構成するものである場合、上部電極１を構成する導電膜は、例えばアルミニウムのような光反射性の良好な材料を用いて構成することが好ましい。
【００１８】
そして、特に本実施形態のマイクロマシン１０においては、振動部１３における、各支持部１２との接合部付近の端部に、凸部１５が設けられている。この凸部１５は、振動部１３を構成する帯状材部分を基板２と反対側に突出させてなる部分であり、振動部１３を構成する帯状の幅方向にわたる状態で設けられていることとする。
【００１９】
また、このマイクロマシン１０が、例えば光変調素子を構成するものである場合、振動部１３の上面が光反射面として用いられる。このため、上述した凸部１５は、光変調素子としての機能に影響を及ぼすことのないように、その高さや大きさの範囲が設定されていることとする。
【００２０】
ところで、振動部１３の端部にこのような凸部１５を設けたことにより、振動部１３の振動動作において凸部１５がバネとして作用するようになる。このため、凸部１５の形状は、後に述べるように、上述した高さや大きさの範囲内において適宜選択された形状で形成されることとする。
【００２１】
このような構成のマイクロマシン１０は、電空間部Ａによって絶縁された下部電極３と上部電極１１との間に微小電圧を印加すると、図２の断面図に示すように、静電現象によって振動部１３が下部電極３に向かって下降（接近）し、また電圧の印加を停止すると振動部１３が上昇（離間）し、図１に示した元の状態に戻る。
【００２２】
図３には、このようなマイクロマシン１０を光変調素子として用いた回折格子ライトバルブの一構成例を示す。この図に示す回折格子ライトバルブ（いわゆるGrating Light Valve：ＧＬＶ）３０は、基板２上に、１本の下部電極３を跨ぐように６本の上部電極１１が１組として配置されており、これらの上部電極１１のうちの１つ置きに配置された３本の上部電極１１が上述した上述した静電現象による昇降動作を行うものである。このような回折格子ライトバルブ３０は、これを１画素として同一面上に配列形成し、レーザと組み合わせることにより、レーザーデジタルプロジェクターシステムを実現することができる。
【００２３】
次に、上述した構成のマイクロマシンの製造手順を説明する。先ず、基板２上に下部電極３をパターン形成して層間絶縁膜４で覆い、次いでこの層間絶縁膜４上に下部電極３上を覆う形状の犠牲層パターン（図示省略）を形成する。この際、犠牲層パターンにおける両側端部に凸条を設ける。次に、犠牲層パターンを覆う状態で絶縁膜および光反射性の導電膜からなる積層膜を形成し、この積層膜をパターニングすることにより、犠牲層パターンを跨ぐ帯状の上部電極１１を形成する。この際、犠牲層パターンの２本の凸条に交差させて、上部電極１１を形成することにより、これらの凸条に位置する部分に凸部１５が形成される。以上の後、層間絶縁膜４および上部電極１１に対して選択的に犠牲層パターンを除去することにより、上部電極１１と層間絶縁膜４との間に空間部Ａを形成する。
【００２４】
以上説明した構成のマイクロマシン１０によれば、帯状の振動部１３の端部に帯状の幅方向にわたる凸部１５を設けたことにより、支持部１２に支持された振動部１３が基板２側に対して接近、離間する振動動作を行う際に、この凸部１５がバネとして作用する。これにより、振動部１３を基板２側に向かって接近（下降）させる際には、帯状の振動部１３が弾性変形して振動部１３が下降し易くなり、振動部１３を所定状態にまで下降させるために必要となる力が小さくなる。また、振動部１３が弾性変形により基板２側に下降し易くなったことにより、振動部１３が基板２側に下降した状態において振動部１３と支持部１２とに加わる力が削減され、振動部が不可逆的に変形することが防止される。しかも、凸部１５で構成されるバネの弾性によって、基板２側に下降した状態の振動部１３が元の位置に上昇するための張力が生じることにもなり、振動部１３が元の位置に上昇し易くなる。
【００２５】
このため、凸部１５の形状は、光変調素子としての機能に影響を及ぼすことのない範囲において、必要とされる張力および弾性が得られるように設定されることとする。図４には、図１（２）のＢ部の拡大断面図を示す。これらの図に示すように、例えば、凸部１５の形状が頂部を有する場合、この頂部の内角θが小さいほど、すなわち図４（１）、図４（２）、図４（３）の順に、凸部１５の張力および弾性が大きくなる。したがって、実施形態のマイクロマシン１０においては、この内角θを適宜の角度に調整することにより、所望の張力と弾性を有する振動部を得ることが可能なのである。
【００２６】
以上の結果、実施形態のマイクロマシン１０によれば、振動部１３を基板２側に下降させるために必要な力が小さくなりかつ振動部１３が元の位置に上昇し易くなるため低消費電力での駆動が可能となり、かつ基板２側に下降した状態での振動部１３の不可逆的な変形が防止されることから安定した駆動状態を保つことができ、信頼性および歩留まりの向上を図ることが可能になる。
【００２７】
尚、上述した実施形態においては、振動部１３における、各支持部１２との接合部付近の端部に、凸部１５を一箇所ずつ設けた構成を説明した。振動部１３における、各支持部１２との接合部付近の端部には、必要に応じて複数の凸部１５を設けても良く、各端部に配置する凸部１５の個数によっても、所望の張力と弾性を有する振動部を得ることが可能である。また、各凸部１５の突出方向も、基板２と反対側に突出させた構成に限定されることはなく、基板２側に突出させた構成であっても良い。
【００２８】
さらに、本実施形態においては、支持部１２の上端から振動部１３を延設した一体形の上部電極１１の構成を説明した。しかしながら、本発明のマイクロマシンは、支柱形状の支持部の上方に別体として振動部１３を載置した構成であっても良く、同様の効果を得ることができる。さらに、上述した実施形態においては、振動部１３の両端が支持部１２によって支持されたいわゆる両持ち梁構造のマイクロマシンに本発明を適用した構成を説明した。しかしながら、本発明は、振動部の一端側のみが支持部によって支持された、いわゆる方持ち梁構造のマイクロマシンにも適用可能であり、同様の効果を得ることができる。
【００２９】
また、本発明のマイクロマシンは、図３を用いて説明したような回折格子ライトバルブとして機能するものに限定されることはなく、特定の周波数で振動部１３を振動させる周波数フィルタとして機能させることもできる。この場合であっても、振動部１３に凸部を設けたことにより、安定した駆動状態と低消費電力での駆動が可能となる。尚、この場合、振動部１３における凸部１５の大きさは、振動部１３の表面側における反射を妨げない範囲に制限されることはない。また、上部電極１１を構成する導電膜が、特に光反射性の良好な材料を用いる必要もない。
【図面の簡単な説明】
【００３０】
【図１】本発明の実施形態のマイクロマシンの構成を示す図である。
【図２】図１のマイクロマシンの駆動を説明する断面図である。
【図３】実施形態のマイクロマシンを用いた回折格子ライトバルブの斜視図である。
【図４】本発明のマイクロマシンにおける振動部の設計事項を説明する図である。
【図５】従来のマイクロマシンの構成を示す断面である。
【図６】従来のマイクロマシの駆動を説明する断面図である。
【符号の説明】
【００３１】
２…基板、３…下部電極、１０…マイクロマシン、１１…上部電極、１２…支持部、１３…振動部、１５…凸部、Ａ…空間部
【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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