(57)【要約】複数の第１櫛形フィンガーを有する第１櫛形構造体と、複数の第２櫛形フィンガーを有する第２櫛形構造体とを備え、第１及び第２の櫛形フィンガーが実質的に指を組んだ状態にされる多層垂直櫛形ドライブアクチュエータを製造する方法が提供される。本発明は、これらの多数の層を含む構造体をマスキングしそしてエッチングする段階を含み、第１及び第２の櫛形フィンガーは、同時に製造される。第１及び第２の櫛形フィンガーは、絶縁層又はエアギャップで互いに電気的に分離された２つ以上の積層導電層を含む。或いは又、第１又は第２のいずれかの櫛形フィンガーが１つの導電層のみを含んでもよい。
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【特許請求の範囲】
【請求項１】
多層垂直櫛形ドライブ構造体を製造する方法において、
多層構造体を用意し、該多層構造体は、
第１導電層と、
第２導電層と、
上記第１導電層と第２導電層との間に配置された第１絶縁層と、
を備えたものであり、そして
上記第１導電層、絶縁層及び第２導電層にパターンをエッチングし、該パターンは、第１櫛形構造体の複数の櫛形フィンガーを画成し、該フィンガーが、第２櫛形構造体の複数の櫛形フィンガーと指を組んだ状態になるようにする方法。
【請求項２】
上記多層構造体は、第２導電層と基体層との間に配置された第２絶縁層を含む請求項１に記載の方法。
【請求項３】
上記基体は、シリコン、シリコン−ゲルマニウム、炭化シリコン、ニッケル及び金より成るグループから選択された材料を含む請求項１に記載の方法。
【請求項４】
上記第２絶縁層の一部分及び上記基体層の一部分をエッチングして、櫛形構造体を解放する段階を更に含む請求項１に記載の方法。
【請求項５】
上記エッチングの前に上記第１導電層の上にマスキング層を配置する段階を更に含む請求項１に記載の方法。
【請求項６】
上記エッチングの前に、上記マスキング層の選択された部分を除去して、上記第１導電層の選択された部分を露出させる段階を更に含む請求項５に記載の方法。
【請求項７】
上記エッチングは、上記第１導電層、第１絶縁層及び第２導電層の露出された部分をエッチングすることを含む請求項６に記載の方法。
【請求項８】
上記選択された部分は、上記マスキング層の選択された部分の上に第２のマスキング層を配置することにより露出され、該第２のマスキング層は、その第２のマスキング層によってカバーされない上記マスキング層の部分を除去するエッチングプロセスに耐える請求項７に記載の方法。
【請求項９】
上記エッチングは、上記第１導電層、第１絶縁層及び第２導電層の露出された部分をエッチングすることを含む請求項８に記載の方法。
【請求項１０】
上記第２マスキング層の選択された部分を除去して、上記第１導電層の部分を露出させる段階を更に含む請求項９に記載の方法。
【請求項１１】
上記第１導電層の露出された部分をエッチングする段階を更に含む請求項１０に記載の方法。
【請求項１２】
上記多層構造体は、上記第２導電層と基体層との間に配置された第２絶縁層を含む請求項１１に記載の方法。
【請求項１３】
上記第２絶縁層は、窒化シリコン、酸化シリコン、炭化シリコン、水晶、高抵抗率シリコン、高抵抗率シリコン−ゲルマニウム、ポリアミド、又はポリマーフィルムより成るグループから選択された材料を含む請求項１２に記載の方法。
【請求項１４】
上記基体層は、シリコン、シリコン−ゲルマニウム、炭化シリコン、ニッケル及び金より成るグループから選択された材料を含む請求項１２に記載の方法。
【請求項１５】
上記基体層及び第２絶縁層の１つ以上の部分をエッチングする段階を更に含む請求項１２に記載の方法。
【請求項１６】
上記第１及び第２の導電層の１つ以上は、シリコン−ゲルマニウム、炭化シリコン、ニッケル及び金より成るグループから選択された材料を含む請求項１に記載の方法。
【請求項１７】
上記絶縁層は、酸化シリコン、窒化シリコン、炭化シリコン、高抵抗率シリコン、高抵抗率シリコン−ゲルマニウム、水晶、ポリアミド、及びポリマーフィルムより成るグループから選択された材料を含む請求項１に記載の方法。
【発明の詳細な説明】
【０００１】
【関連出願のクロスレファレンス】
本出願は、参考としてここに援用する２０００年３月２４日に出願されたプロビジョナル出願第６０／１９２，０９７号をベースとするものである。
【技術分野】
本発明は、一般に、マイクロエレクトロメカニカルシステム（ＭＥＭＳ）に係る。より詳細には、本発明は、垂直櫛形ドライブ静電アクチュエータ及びその製造方法に係る。
【０００２】
【背景技術】
シリコン集積処理技術を用いて製造されたマイクロ構造体は、種々様々な感知、操作及び光学アプリケーションに使用されている。１つの特に有用なデバイスは、一方が可動で一方が固定の２つの櫛形構造体が指を組んだ状態にされる櫛形ドライブアクチュエータである。その交互のフィンガーに電位差を与えると、それにより生じる静電気の力で可動フィンガーが動いて重畳面積を最大にする。各フィンガーにより与えられる力はかなり小さいが、櫛形ドライブに多数のフィンガーを含ませることで、特に、２つの隣接フィンガー間に大きな容量性重畳面積があるときには、低い電圧を使用して比較的大きな力を付与することができる。又、櫛形ドライブは、フィンガーのキャパシタンスを感知することにより正確に位置を測定する方法も与える。
【０００３】
櫛形ドライブは、固定及び可動の櫛の互いの運動平面により区別される。直線的又は横方向櫛形ドライブアクチュエータは、２つの櫛形デバイスが比較的離間された状態から完全に指を組んだ状態へと移動するときに単一平面において並進移動を与える。２つの櫛形構造体は、固定の櫛が基体に固定されそして可動の櫛が基体に対して移動する状態で操作中に同じ平面に留まる。横方向櫛形ドライブは、例えば、タング氏等の米国特許第５，０２５，３４６号及びジャーマン氏等の第５，９９８，９０６号に開示されている。
【０００４】
基体に平行な軸の周りでミラーを回転するように、種々のマイクロ構造体の平面から外れた操作を形成することがしばしば望まれる。これらの回転するミラーは、適応光学系、可視表示、又は光ファイバースイッチングのようなアプリケーションに対して個々に又はアレー形態で使用することができる。垂直櫛形ドライブアクチュエータは、回転運動又は基体に垂直な並進移動を与える。マイクロ加工された静電垂直アクチュエータが、リー氏等の米国特許第５，９６９，８４８号に開示されている。リー氏等のデバイスは、１組の垂直櫛形ドライブを含み、各ドライブは、方形ミラーの１つの縁を偏向することができる。電界の非対称的分布に依存することにより、固定及び可動の櫛形フィンガー間にバイアス電圧を印加したときに、リー氏等のデバイスは、各ミラー縁の小さな、せいぜい１．５μｍの垂直（即ち櫛形フィンガーの平面から外れた）移動を許す。
【０００５】
固定及び可動の櫛形ドライブが互いに平行に配置されるが、可動の櫛の平面が固定の櫛の平面の上にあるような食い違った垂直櫛形ドライブにより大きな移動の簡単な製造技術が提供される。固定の櫛形フィンガーは、基体の一体的部分であるが、可動の櫛は、撓み部材のみを経て基体に固定される。２つの櫛形層間に電圧を印加すると、可動の櫛の歯が固定の歯に吸引されそして重畳面積を増加するように移動され、可動の櫛に力を作用させる。標準的なホトリソグラフィープロセスを使用する垂直櫛形ドライブのための従来の製造技術は、櫛形フィンガーをパターン化するための多数のステップを必要とする。最初に、第１ウェハ層の上に１組の櫛の歯が製造される。第１ウェハ層の上に第２ウェハ層が接着され、その後、第２層をパターン化及びエッチングして、第２組の櫛の歯を形成する。２つのウェハ層は、非常に高い精度で整列されねばならず、典型的なアプリケーションでは、２μｍ巾の櫛形フィンガーが６μｍの分離距離を持つことが必要とされ、従って、隣接する重畳フィンガーは、２μｍしか分離されない。この技術を使用して垂直櫛形ドライブを製造する場合には、整列上問題が発生し勝ちである。ウェハ上に個々のダイを整列するのに使用されるステッパーは、横方向の分解能が通常±０．２５μｍである。この分解能は、隣接櫛形フィンガー間のギャップに約２μｍの下限を課する。２つの隣接フィンガーは、動作中に異なる電位にあるので、互いに接触することができない。高い動作電圧においては、フィンガーの整列エラーにより、櫛形ドライブに側方移動及び不安定さを生じさせる。その結果、従来の製造技術は、通常、生産収率が低い。
【０００６】
それ故、従来の製造方法で必要とされたものより少数のステップで製造でき、且つ複雑な整列手順を必要とせずに櫛形フィンガーの２つの層間に正確な整列を与える垂直櫛形ドライブが要望される。
【０００７】
【発明の開示】
本発明は、第１及び第２の櫛形フィンガーが単一の多層基体から同時に製造される多層垂直櫛形ドライブアクチュエータを提供する。フィンガーは一緒に製造されるので、従来の垂直櫛形ドライブアクチュエータを製造するのに必要とされた第１及び第２フィンガーの冗長な整列は回避される。整列は、製造中に使用されるマスクにより直接的に得られ、従って、このデバイスは、自己整列型と称される。各フィンガーは、絶縁層又はエアギャップで分離された２つの垂直導電層を有し、そして第１及び第２の櫛形フィンガーの対向層の吸引により移動が与えられる。
【０００８】
本発明は、複数の第１櫛形フィンガーを有する第１櫛形構造体と、複数の第２櫛形フィンガーを有する第２櫛形構造体とを備えた多層垂直櫛形ドライブアクチュエータを提供する。第２櫛形フィンガーは、１つ以上の撓み部材を経て基体に接続された櫛形ブリッジから延びて、垂直運動又は軸の周りでの回転運動を行えるようにし、そして第１櫛形フィンガーと指を組んだ状態になるように配置される。回転可能な撓み部材には可動素子が取り付けられそして第２の櫛形構造体に結合される。１つの実施形態では、第１櫛形フィンガー及び第２櫛形フィンガーの両方が、絶縁層又はエアギャップにより互いに電気的に分離された第１及び第２の導電層を含む。第１櫛形フィンガーの第１導電層は、第２櫛形フィンガーの第１導電層と実質的に整列され、そして第１櫛形フィンガーの第２導電層は、第２櫛形フィンガーの第２導電層と実質的に整列される。別の実施形態では、第２櫛形フィンガーは、第１櫛形フィンガーの第１導電層と垂直方向に整列された第１導電層のみを有する。更に別の実施形態では、第２櫛形フィンガーは、絶縁層又はエアギャップで互いに電気的に分離された第１及び第２の導電層を有し、そして第１櫛形フィンガーは、第２櫛形フィンガーの第１導電層と整列された第１導電層のみを有する。全ての実施形態において、第１及び第２の両フィンガーの第１層と第２層との間に電圧を印加すると、第２櫛形構造体が偏向し、第１及び第２の櫛形フィンガーの対向層間の重畳面積を最大にする。可動素子がある回転自由度をもって取り付けられた場合には、この垂直移動を使用して回転を生じさせることができる。
【０００９】
又、アクチュエータは、可動素子の位置を測定するための位置センサも有し、そして可動素子の位置を制御するために電圧ソースに接続されたフィードバック機構にこのような位置テレメトリーが供給されるのが好ましい。又、櫛形ドライブフィンガーは、それに取り付けられた可動素子の角度回転を駆動するのに加えて、その可動素子の位置を指示するフィンガーのキャパシタンスを読み取ることにより、位置感知機能も遂行することができる。この位置センサの実施形態は、櫛形層の組み合わせ間の容量性感知を含む。或いは、当業者であれば、ギャップ閉じ電極、付加的な櫛形フィンガー、ピエゾ抵抗歪計、コイル、磁石、圧電センサ及び光学センサのような他の位置センサを使用して、可動素子の位置を追跡することもできよう。
【００１０】
アクチュエータは、可動素子の位置を制御するために位置センサ及び電圧ソースに接続されたフィードバック機構を有する。種々の位置センサをタンデムに使用して、センサの位置追跡精度を高めることができる。更に、第１センサを第２位置センサにリンクして、２つのリンクされないセンサにより与えられる以上の位置追跡精度を可能にするように第２センサを構成又は同調することができる。
【 ００１１】
本発明のアクチュエータは、一次元又は二次元のジンバル型アクチュエータである。二次元のアクチュエータにおいては、回転可能な撓み部材がフレームに取り付けられ、該フレームは、基体に取り付けられて第２軸に沿って配置された第２の回転可能な撓み部材に機械的に係合される。又、フレームは、第３の櫛形構造体から延びる複数の第３櫛形フィンガーと実質的に同一平面である複数の第４櫛形フィンガーを有する第４の櫛形構造体にも接続される。第３及び第４の櫛形フィンガーの各々又は両方は、絶縁層、エアギャップ、又は当業者が適用し得る手段により互いに電気的に分離された第１及び第２の導電層を含む。第３の櫛形フィンガー及び第４の櫛形フィンガーは、第２の所定の係合状態で実質的に指を組んだ状態にされる。この実施形態では、第２の軸が第１の軸に実質的に直交する。２つの直交する第１及び第２軸においてアクチュエータの回転を制御するために２つの独立した電圧が印加される。
【００１２】
又、本発明の種々の実施形態に基づく多層垂直櫛形ドライブアクチュエータを製造する方法も提供される。この方法は、絶縁層で分離された第１及び第２の導電層を有する多層構造体を用意し、そしてこれら第１及び第２の導電層と絶縁層の上部パターンをエッチングして、第２及び第１の櫛形フィンガーを画成するという段階を含む。又、基体は、フィンガーの下面を画成するようにエッチングされる付加的な層も含む。
この製造方法の別の実施形態では、第１の導電層が付加的な段階において第２又は第１のフィンガーから除去され、第２の導電層のみを残すようにする。
【００１３】
【発明を実施するための最良の形態】
以下の詳細な説明は、例示のために多数の仕様を含むが、当業者であれば、本発明の範囲内で以下の詳細に対して多数の変更や修正がなされ得ることが明らかであろう。従って、本発明の以下の実施形態は、請求の範囲に規定した発明に対して一般性を失うことなく且つ制約を課することなく説明する。
本発明は、多層垂直櫛形ドライブアクチュエータを提供する。第２の櫛形フィンガー及び第１の櫛形フィンガーは、異なる平面ではなくて、同じ平面内に存在し、その各々は、絶縁材、層又はエアギャップにより分離された第１及び第２の導電層を有する。第１及び第２の櫛形フィンガーの対向する層間に電圧が印加されると、第１及び第２構造体の対向する層が互いに吸引され、垂直及び／又は回転運動を与える。
【００１４】
本発明の多層垂直櫛形ドライブアクチュエータ１０の好ましい実施形態が図１Ａに示されている。このアクチュエータ１０は、基体１２上に形成される。第１の櫛形構造体２５が基体１２に取り付けられ、その第１櫛形フィンガー１４は、第１絶縁層２０により互いに電気的に分離された第１導電層１６及び第２導電層１８を有する。第２の櫛形構造体２２は、櫛形ブリッジ２６から延びる第２櫛形フィンガー２４を含む。第１櫛形フィンガー１４は、第２櫛形フィンガー２４と指を組んだ状態にされる。例えば、櫛形フィンガー１４及び２４の巾は、約６μｍであり、隣接フィンガー間の分離距離は約２μｍである。第１櫛形構造体２５は、第２櫛形構造体２２及び／又は基体１２から電気的に分離される。
【００１５】
図１Ａに示す実施形態では、第２の櫛形フィンガー２４及び櫛形ブリッジ２６は、絶縁層３２で互いに電気的に分離された第１導電層３０及び第２導電層２８を有する。第１及び第２の櫛形フィンガー１４、２４の絶縁層２０、３２は、二酸化シリコン又は絶縁エアギャップのような絶縁材の層を含む。第２櫛形フィンガー２４の第１及び第２導電層２８、３０は、第１櫛形フィンガー１４の対応する第１及び第２導電層１６、１８と実質的に整列される。
【００１６】
可動素子３６は、撓み部材３４により第２櫛形構造体２２及び基体１２に機械的に結合される。撓み部材３４は、可動素子３６を軸３８の周りで回転できるようにする回転可能な撓み部材である。このような回転可能な撓み部材は、軸３８の周りでの可動素子３６の回転に反作用するトルクを与えるのに適した何らかの構造体、例えば、１つ以上のねじれヒンジ、片持ち梁撓み部材、曲がりくねった撓み部材、又は１つ以上のスプリングに結合されたピン／ステープルヒンジである。又、撓み部材３４は、基体１２の平面に対して可動素子の垂直方向移動を許す柔軟性部材でもよい。或いは又、可動素子３６の運動に反作用するトルクは、例えば、磁気又は電気的な力を可動素子に付与するか、或いは圧電歪計を介してトルクを制御可能に結合することにより、制御された固定及び可変のモードで非機械的に与えることができる。この非機械的トルクは、例えば、可動素子に向いた回復力を与えないピン／ステープルヒンジ撓み部材を使用するときに、ねじれ力を与えるのに有用である。
【００１７】
アクチュエータ１０の動作は、従来の垂直櫛形ドライブアクチュエータの動作に対する類似性を共有するように構成される。１つの動作モードでは、電圧ソース１５が、第１及び第２の櫛形フィンガー１４、２４の第１導電層１６、３０と第２導電層１８、２８との間に電圧を各々印加することができる。図１Ａに示す実施形態では、第１及び第２の櫛形フィンガー１４、２４の第１導電層１６、３０が接地され、そして電圧ソース１５は、第１及び第２の櫛形フィンガー１４、２４の第２導電層１８、２８に電圧を印加する。印加された電位差により、第２櫛形フィンガー２４の第１導電層３０は、第１櫛形フィンガー１４の第２導電層１８に吸引される。この吸引により、第２櫛形構造体２２を第１櫛形構造体２５に対して移動させ、ひいては、可動素子３６を軸３８の周りで回転させる。
【００１８】
図１Ａは、第１導電層１６、３０が接地される間に第２導電層１８、２８に電圧が印加されることを示しているが、本発明は、第１層と第２層との間に電圧を印加するこの特定の構成に何ら限定されるものではない。電圧ソース１５が第１導電層１６、３０に電圧を供給する間に、第２導電層１８、２８が接地されてもよい。或いは又、電圧ソース１５が第１及び第２の櫛形フィンガー１４、２４の第１及び第２の導電層に逆極性の電圧を印加してもよい。第１及び第２の櫛形フィンガー間に印加される電圧は、可動素子の制御を最適化するために種々の波形整形手段に通すことができる。当業者であれば、第１及び第２の櫛形フィンガー間に電圧を印加する他の方法も明らかであろう。
【００１９】
図１Ａのアクチュエータ１０を操作する典型的な方法は、第２及び第１櫛形フィンガー２４、１４の第２導電層１８、２８と、第２及び第１櫛形フィンガー２４、１４の第１導電層３０、１６との間に電圧を印加することである。この構成では、第２の櫛形フィンガー２４は、その公称状態において不安定平衡の状態にあり、そして所与の電圧に対して２つの安定状態があるためにアップ方向又はダウン方向のいずれかに回転することができる。一方の安定状態においては、第２櫛形フィンガー２４の第１導電部分３０が、第１櫛形フィンガー１４の第２導電部分１８と係合され、そして２つの安定状態の他方においては、第２櫛形フィンガー２４の第２導電部分２８が、静的櫛形フィンガー１４の第１導電部分１６と係合される。
【００２０】
この曖昧さを軽減するために、もっと複雑な操作スキムを使用することができる。このようなスキムは、櫛形フィンガーの４つの導電部分に３つ以上の電圧を使用することを必要とする。例えば、第１及び第２の両櫛形フィンガー１４、２４の第１導電層１６、３０を接地状態に保持できる一方、第１櫛形フィンガー１４の第２導電層１８をＶに保持し、そして第２櫛形フィンガー２４の第２導電層２８をＶ＋ｄＶに保持することができる。ここで、ｄＶは、ある付加的な電圧である。これは、第２の櫛形構造体２２を静的な櫛形構造体２５に対してダウン方向に移動させる。この操作スキムは、好ましい方向が確立されると、元の二電圧スキムに迅速に戻すことができる。又、このスキムは、第２の櫛形フィンガーをアップ方向に移動するように逆転することもできる。又、異なる電圧を使用する同様の操作スキムを用いて、アクチュエータに好ましい移動方向を与えることもできる。
【００２１】
本発明の多レベル垂直櫛形ドライブの主たる効果は、プッシュ−プル操作をもつことができることである。隣接電極に対する電圧差は、吸引力を発生することしかできない。従来の櫛形ドライブアクチュエータでは、櫛形ドライブは、アクチュエータを一方向に引っ張るのに使用され、そして第１とは逆に方向付けされた機械的なスプリング力又は対抗櫛形ドライブを使用して、それを逆方向に引っ張っていた。本発明は、１組の櫛形フィンガーが第２構造体を両方向に引っ張ることができるようにし、換言すれば、第２構造体を引いたり押したりの両方を行えるという独特のものである。このプッシュ−プル操作は、フィードバックスキムを使用して重要なシステムパラメータを変更する大きな自由度を与えることができる。プッシュ−プルスキムは、システムの減衰比及び固有周波数の両方を変更できるが、プルスキムは、減衰比しか変更できない。公知の垂直櫛形ドライブでは、プル操作方法しか使用できない。図１Ａのアクチュエータ１０のプル操作方法は、上記で述べた。プッシュ−プル操作の一例を以下に述べる。アクチュエータは、第１及び第２の両櫛形フィンガー１４、２４の第２導電部分１８、２８に電圧を印加する一方、第１導電層１６、３０を接地状態に保持することによりある位置にもっていくことができる。撓み部材により与えられるものより大きな力でアクチュエータをその休止位置に押し戻すために、第１櫛形フィンガー１４又は第２櫛形フィンガー２４の２つの層にかかる電圧の極性を逆転することができる。可動素子の動的特性は、同時のプッシュ−プル力の付与により変更することができる。又、アクチュエータ１０には、第１櫛形フィンガーと第２櫛形フィンガーとの間のキャパシタンスを測定するための位置センサの感知素子を設けてもよい。例えば、図１Ａに示すように、感知素子１７がフィードバック素子１９に接続され、そしてこのフィードバック素子が電圧ソース１５に接続される。位置センサの感知素子１７及びフィードバック素子１９は、ハードウェア、ソフトウェア、又はその両方の組み合わせで実施されてもよく、例えば、アプリケーション志向の集積回路（ＡＳＩＣ）で実施されてもよい。多数の感知及びフィードバックスキムが考えられる。例えば、感知素子１７は、電圧ソース１５によって印加される電圧に応答して櫛形フィンガーへ又は櫛形フィンガーから転送される電荷の量を測定する。或いは又、位置感知素子１７は、第１又は第２の櫛形フィンガーに高周波数ディザを与えてもよい。位置センサの感知素子１７は、次いで、駆動されない櫛形フィンガーにおいて戻り信号を感知する。ディザ信号と戻り信号との間の位相差がキャパシタンスを決定する。このようなキャパシタンスを第２及び第１櫛形ドライブの相対的な位置に相関させて、非常に正確な位置測定値を得ることができる。この位置測定値は、次いで、フィードバック素子１９を経て電圧ソース１５にフィードバックされ、可動素子３６の相対的な位置を制御することができる。
【００２２】
差動キャパシタンス測定方法を使用することもできる。これは、温度のような環境変化に対して高い敏感さ及び非寛容度を許す。差動キャパシタンス感知スキムでは、多数のキャパシタンスが感知され、そしてこれら多数のキャパシタンス測定値を使用して位置を計算することができる。例えば、図１Ａの感知素子１７は、第２櫛形フィンガー２４の第１導電層３０と第１櫛形フィンガー１４の第１導電層１６との間のキャパシタンスを感知し、そしてそれを、第２櫛形フィンガー２４の第１導電層３０と第１櫛形フィンガー１４の第２導電層１８との間のキャパシタンスと比較することができる。或いは又、２つの電気的に分離された層、例えば、層３０と１６、層１８と２８、層１６と２８、又は層１８と３０との間で単一キャパシタンスが感知されてもよい。図１Ｂ及び１Ｃの構造体に同様の方法を使用することもできる。
【００２３】
本発明は、ギャップ閉じ電極、付加的な櫛形フィンガー、ピエゾ抵抗歪計、コイル、磁石、圧電センサ、光学センサ及びその組み合わせより成る別の位置センサも受け入れることができる。
図１Ｂは、本発明の別の実施形態による多層櫛形ドライブアクチュエータ４０を示す。このアクチュエータ４０は、アクチュエータ１０に対する類似性を共有する。アクチュエータ４０は、一般に、基体１２’に機械的に接続された第１櫛形構造体２５’と、可動素子３６’に取り付けられた第２櫛形構造体４１とを含む。この可動素子３６’は、例えば、軸３８’の周りで回転するように１つ以上の撓み部材３４’により基体に機械的に接続される。第２の櫛形構造体４１は、櫛形ブリッジ４６から延びる第２の櫛形フィンガー４２を含む。第２の櫛形構造体４１の１つ以上の第２櫛形フィンガー４２は、第１導電層４４しかもたず、第２導電層も絶縁層ももたない。
【００２４】
第１櫛形構造体２５’は、第２櫛形フィンガー４２と指を組んだ状態になる第１櫛形フィンガー１４’を有する。この第１櫛形フィンガーは、絶縁層２０’又はエアギャップにより電気的に分離された第１及び第２の導電層１６’、１８’を含む。第１櫛形フィンガー１４’の第１導電層１６’は、第２櫛形フィンガーの第１導電層４４と実質的に整列される。或いは又、第１櫛形フィンガー１４’の第２導電層１８’は、第２櫛形フィンガーの第１導電層４４と実質的に整列される。
アクチュエータ４０は、アクチュエータ１０と同様に動作するように構成される。例えば、電圧ソース１５’は、第２櫛形フィンガー４２の導電層４４と、第１櫛形フィンガー１４’のいずれかの導電層１６’、１８’との間に電圧差を印加する。又、電圧ソース１５’は、上述したように、感知素子１７’及びフィードバック素子１９’にも接続される。
【００２５】
図１Ｃは、基体１２”に機械的に接続された第１櫛形構造体５１と、可動素子３６”に取り付けられた第２櫛形構造体２２”とを一般に備えた更に別の実施形態による多層櫛形ドライブアクチュエータ５０を示す。可動素子３６”は、例えば、軸３８”の周りで回転するために１つ以上の撓み部材３４”によって基体に機械的に接続される。第２の櫛形構造体２２”は、櫛形ブリッジ２６”から延びる第２の櫛形フィンガー２４”を有する。この櫛形ブリッジ２６”及び第２櫛形フィンガー２４”は、絶縁層３２”で分離された第１及び第２の導電層２８”、３０”を有する。第１櫛形構造体５１は、図１Ａの第１櫛形構造体２５と同様であるが、第１櫛形構造体５１の１つ以上の第１櫛形フィンガー５２は、第１導電層５４しかもたず、第２導電層も絶縁層ももたない。第１櫛形フィンガー５２の第１導電層５４は、第２櫛形フィンガー２４”の第１導電層３０”と実質的に整列される。或いは又、第１櫛形フィンガー５２の第１導電層５４は、第２櫛形フィンガーの第２導電層２８”と実質的に整列される。
【００２６】
アクチュエータ５０は、アクチュエータ１０及び／又はアクチュエータ４０と同様に動作するように構成できる。例えば、電圧ソース１５”は、櫛形フィンガー５２の導電層５４と、第２櫛形構造体２２”の導電層２８”、３０”のいずれかとの間に電圧差を印加する。又、電圧ソース１５”は、上述したように、感知素子１７”及びフィードバック素子１９”にも接続できる。可動素子の動的特性は、同時のプッシュ−プル力を付与することにより変更できる。
【００２７】
アクチュエータ１０、４０又は５０を使用して、マイクロミラーのような可動素子を位置設定するときには、ミラーを第２櫛形構造体と一体的に形成することができる。第２櫛形構造体を回転すると、ミラーが傾斜され、そして回転撓み部材３４、３４”、３４”が回復トルクを与える。操作機構は、製造中にミラーと一体化することができ、著しく大きな運動範囲にわたって直線的で且つ安定にすることができる。比較的大きなトルクは、高い速度での操作を許し、そして大きな角度の定常ビーム位置設定を可能にする。更に、一体化されたデバイスは、容量性位置感知を許す。従って、一体化されたデバイスは、既存の磁気、圧電及びギャップ閉じアクチュエータに勝る顕著な効果を与える。しかしながら、既存のアクチュエータは、アプリケーションにより望まれる可動素子の動的特性を変更するように、本発明と整合して使用することができる。
【００２８】
更に、本発明は、ジンバル型構造に構成された図１Ａないし１Ｃに示す形式の２つの多層垂直櫛形ドライブと、本発明の別の実施形態により図１Ｄに示すように両櫛形ドライブに機械的に結合された回転素子とを備えた二次元回転アクチュエータを提供する。図１Ｄに示すように、二次元回転アクチュエータ１００においては、第２の櫛形構造体１１８が、複数の第２櫛形フィンガー１１７を有し、これらは、第１櫛形構造体１１６から延びる複数の第１櫛形フィンガー１１５と実質的に指を組んだ状態にされる。第１及び第２の櫛形フィンガー１１５及び１１７のいずれか又は両方は、図１Ａ−１Ｃについて述べたように、絶縁層又はエアギャップで分離された２つの導電層を含む。第１櫛形フィンガー１１５及び第２櫛形フィンガー１１７は、第１の所定の係合状態で実質的に指を組んだ状態にされる。図１Ｄの実施形態では、第１櫛形フィンガー１１５は、第２櫛形フィンガー１１７、基体１０２、フレーム１０４及び回転素子１０６から電気的に分離されることに注意されたい。
【００２９】
回転素子１０６は、デバイス１００がＭＥＭＳミラーとして動作できるように反射面を含む。回転素子１０６は、第１軸１２４に沿って配置された第１の回転可能な撓み部材１０８に取り付けられる。又、回転素子１０６は、第１の可動の櫛形フィンガー１１７をもつ第２櫛形構造体１１８にも機械的に係合される。第１の回転可能な撓み部材１０８は、フレーム１０４に取り付けられ、該フレームは、次いで、第２の回転可能な撓み部材１１０に機械的に係合され、そしてこの撓み部材は、基体１０２に取り付けられそして第２の軸１２６に沿って配置される。又、フレーム１０４は、第４の櫛形構造体１１４にも接続され、その複数の第４櫛形フィンガー１１３は、第３櫛形構造体１１２から延びる複数の第３櫛形フィンガー１１１と実質的に指を組んだ状態にされる。第２の櫛形構造体１１２は、基体１０２、フレーム１０４、回転素子１０６及び第４櫛形フィンガー１１３から電気的に分離される。第３及び第４の櫛形フィンガー１１１及び１１３のいずれか又は両方は、図１Ａないし１Ｃについて述べたように、絶縁層又はエアギャップで分離された２つの導電層を含む。第３櫛形フィンガー１１１及び第４櫛形フィンガー１１３は、第２の所定係合状態で実質的に指を組んだ状態にされる。第３櫛形フィンガー１１１は、同様に、第４櫛形フィンガー１１３から電気的に分離される。更に、第１櫛形フィンガー１１５は、第３櫛形フィンガー１１１から電気的に分離される。従って、第１及び第２の櫛形ドライブは、フレーム１０４により接続される。第１軸１２４は、この実施形態では、第２軸１２６に対して実質的に直交するように構成される。
【００３０】
第１及び第２の回転可能な撓み部材１０８、１１０、フレーム１０４、回転素子１０６は、第１及び第２の櫛形ドライブと共に、実質的に同一平面であることに注意されたい。更に、回転可能な撓み部材１０８、１１０は、第１軸１２４の周りでの第２櫛形フィンガーの回転に反作用するトルクを与えるのに適した何らかの構造体、例えば、１つ以上のねじれヒンジ、片持ち梁撓み部材、曲がりくねった撓み部材、又は１つ以上のスプリングに結合されたピン／ステープルヒンジでよい。磁気的な原理を含む他の記述された原理により非機械的トルクを動的に与えることもでき、第１撓み部材のテレメトリー感知をリンクして、第２トルク素子を動的に構成し、２つの非リンク素子により与えられる以上の高精度のねじれ制御を達成することができる。
【００３１】
ソース１２０から第２櫛形フィンガー１１７と第１櫛形フィンガー１１５との間に電圧を印加すると、第２櫛形フィンガー１１７が第１櫛形フィンガー１１５へ吸引され、これは、第１櫛形構造体１１８を第２櫛形構造体１１６に対して垂直方向に移動させる。従って、回転素子１０６にトルクが作用し、回転素子１０６を第１軸１２４の周りで回転させる。別のソース１２２から第４櫛形フィンガー１１３と第３櫛形フィンガー１１１との間に別の電圧を印加すると、第４櫛形フィンガー１１３が第３櫛形フィンガー１１１へ吸引され、これは、第４櫛形構造体１１４を第３櫛形構造体１１２に対して垂直方向に移動させる。従って、フレーム１０４にトルクが作用し、フレーム１０４を第２軸１２６の周りで回転させる。それ故、回転素子１０６は、第２軸１２６の周りで回転することができる。ソース１２０及び１２２から印加される電圧は、通常、約３０Ｖである。ソース１２０及び１２２からの印加電圧を調整して、フレーム１０４と基体１０２との間の角度、及び回転素子１０６とフレーム１０４との間の角度を独立して制御することができる。
【００３２】
上述したように、垂直の櫛形ドライブのキャパシタンスは、一般に、回転素子１０６及びフレーム１０４の角度位置を監視するために測定することができる。更に、櫛形フィンガー１１５及び１１７、又は１１１及び１１３間のキャパシタンスを使用して、回転素子１０６の角度位置を感知することができる。例えば、キャパシタンスセンサ１３２及び１３４を、櫛形フィンガー１１１及び１１５に各々接続することができる。キャパシタンスセンサ１３２、１３４は、コントローラ１３６、１３８を経て電圧ソース１２０、１２２へのフィードバックを与える。センサ１３２、１３４からの容量性位置監視信号は、コントローラ１３６、１３８を経て回転素子１０６及びフレーム１０４の角度を制御するための閉ループフィードバックを実施するように使用できる。それ故、容量性角度信号は、回転素子１０６の位置を能動的に制御するようにサーボループに使用される。ギャップ閉じ電極、付加的な櫛形フィンガー、ピエゾ抵抗歪計、コイル、磁石、圧電センサ、光学センサ及びその組み合わせのような多数の別の位置感知技術を、櫛形フィンガーによる容量性感知に代わって、及び本発明の容量性感知特徴とタンデムに、使用することができる。更に、第１位置センサ素子をリンクして、第２位置センサ素子を構成し、２つの非リンクのセンサにより与えられる以上の高精度の位置感知を達成することもできる。
【００３３】
又、本発明は、その好ましい製造方法においても、既存の垂直櫛形ドライブアクチュエータに勝る顕著な効果を発揮する。第２櫛形フィンガー及び第１櫛形フィンガーは、同じ垂直平面内にあるので、単一の多層構造体から、フィンガーの自動整列を与える単一のステップで形成することができる。図１Ａに示すような多層垂直櫛形ドライブ構造体を製造する方法が、本発明の第２の実施形態に基づいて図２Ａないし２Ｅに示されている。シリコン・オン・絶縁体（ＳＯＩ）基体の場合には、標準的ホトリソグラフィーツール、酸化物エッチング剤及び深い反応性イオンシリコンエッチング剤（これらは全て商業的な製造工場において入手できる）を使用して全てのステップを実行することができる。以下、本発明の櫛形ドライブアクチュエータを製造する方法の一例を説明する。このような構造体を製造するのに他の製造方法を使用してもよく、そして他の方法で作られた構造体も本発明の範囲内であることを理解されたい。
【００３４】
図２Ａは、第１導電層２０２、第２導電層２０４、第１絶縁層２０８、任意の第２絶縁層２１０、及び任意の基体層２０６を含む多層基体２００を示す断面図である。導電層２０２及び２０４と、基体層２０６は、シリコン、シリコン−ゲルマニウム、炭化シリコン、ニッケル及び金を含む（これらに限定されないが）適当な材料で作ることができる。導電層２０２及び２０４は、シリコンであるのが好ましい。絶縁層２０８及び２１０は、窒化シリコン、酸化シリコン、炭化シリコン、水晶、高抵抗率シリコン、高抵抗率シリコン−ゲルマニウム、ポリイミド、又はポリマーフィルムを含む（これらに限定されないが）適当な絶縁材料で作ることができる。絶縁層２０８及び２１０は、シリコン導電層２０２及び２０４の熱酸化により形成された酸化シリコンであるのが好ましく、これらは、次いで、一緒に接合される。基体層２０６も、シリコンであるのが好ましい。異なる製造プロセスでは、他の基体及び材料の組み合わせも使用できる。
【００３５】
図２Ｂにおいては、マスキング層２１２（例えば、ホトレジスト又はアルミニウム）が層２０２の上に付着されてパターン化され、図２Ｃに示すように、複数の第１及び第２の櫛形フィンガー２１４、２１６を各々画成する。パターンは、紙面に垂直な方向に均一でなく、図１Ａないし１Ｃに示すものと同様の櫛形構造体を形成することに注意されたい。図２Ｃは、残留マスキング層２１２を除去した後に、図２Ｂの第１及び第２の導電層２０２及び２０４（例えば、シリコン）と、第１絶縁層２０８（例えば、酸化シリコン）の深い反応性イオンエッチングを行うことにより生成された櫛形フィンガーを示している。図２Ｄでは、任意の基体層２０６（例えば、シリコン）の一部分がエッチング除去されて、櫛形フィンガー２１４、２１６の下面を解放し、第１櫛形フィンガー２１４及び第２櫛形フィンガー２１６を残す。第２絶縁層２１０も、下面からの非等方性エッチングによるか又は等方性エッチングにより、エッチング除去される。任意の基体層２０６は、そのまま残され、第２櫛形フィンガー２１６の動きを基体より上の動きのみに制限する。第２櫛形フィンガー２１６は、紙面より上又は下で紙面に平行な平面において第２の櫛形ブリッジに接続されることに注意されたい。第１絶縁層２０８が任意に除去される。それにより生じるアクチュエータ２２０の動作が図２Ｅに示されている。第２及び第１（即ち固定）櫛形フィンガー両方の上層に電位が印加され、一方、両形式の櫛形フィンガーの下層が接地される。この電位は、第２櫛形フィンガー２１６を図示されたように移動させることができる。
【００３６】
図２Ａないし２Ｅに示すプロセスにおいて、第１及び第２の両方の全櫛形フィンガーは、単一のエッチングで形成されることに注意されたい。従って、これらフィンガーの適切な整列は、単一マスクを正確に製造する結果であり、これは、標準的な技術を使用して容易に達成できる。更に、前側及び後側エッチングステップの順序を逆にすることもでき、これは、例えば、導電層２０２、２０４及び絶縁層２０８をエッチングして櫛形フィンガー２１４、２１６を画成する前に、基体２０６の一部分を選択的にエッチング除去することにより行われる。
【００３７】
本発明の第３の実施形態が図３Ａないし３Ｉに示されており、これは、図１Ｂ−１Ｃに示された形式の多層垂直櫛形ドライブ構造体を製造する方法を示す。この方法では、１組の櫛形フィンガーが２つの層を有し、そして他の組は、１つの層しかもたない。図３Ａは、第１導電層３０２及び第２導電層３０４と、第１及び第２の絶縁層３０６及び３０８とを含む構造体３００を示す。任意の基体層３１０も示されている。この構造体３００は、図２Ａの構造体２００と同一である。導電層３０２及び３０４は、シリコンであるのが好ましく、一方、絶縁層３０６及び３０８は、シリコンウェハ層３０２及び３０４の熱酸化により生成された酸化シリコンであるのが好ましく、これらは、次いで、一緒に接合される。
【００３８】
図３Ｂにおいて、第１のマスキング層３１２（例えば、酸化シリコン、アルミニウム、ホトレジスト）が、第１導電層３０２の上に付着されてパターン化される。このマスキング層のある残留部分は、最終的に第１櫛形フィンガーとなるエリアをカバーする。次いで、図３Ｃにおいて、第２のマスキング層３１４（例えば、ホトレジスト）が、第１マスキング層３１２の上に付着され、そして最終的に櫛形フィンガーの位置を画成する第２パターンに基づいて除去される。層３１２及び３１４は、異なる形式のマスキング材用を含み、その１つを、他に影響なく選択的に除去することができる。図３Ｄでは、第２マスキング層３１４によりカバーされない第１マスキング層３１２の領域３１６が除去される。これは、第２マスク３１４が櫛形構造体を画成するように保証する。それ故、第１マスク３１２と第２マスク３１４との間の整列が櫛の巾に影響することはない。次いで、図３Ｅにおいて、第１導電層３０２、第１絶縁層３１６及び第２導電層３０４が、例えば、深い反応性イオンエッチング（ＤＲＩＥ）を使用してエッチングされて、２組の櫛形フィンガー３２２、３２４を形成し、これらは各々第２及び第１の櫛形フィンガーとなる。次いで、第２マスキング層３１４が除去されて、図３Ｆの構造体を形成し、これは、ＤＲＩＥ又は他の非等方性シリコンエッチング方法を使用してエッチングされて、第１の導電層３０２を交互の櫛形フィンガーから除去する。それにより得られる構造体が図３Ｇに示されている。次いで、図３Ｈにおいてフィンガーがアンダーカットされ、その後、第１及び第２の絶縁層３０６及び３０８と、残留する第１マスキング層３１２の部分が任意に除去されて、図３Ｉのアクチュエータ３３０が露呈される。タイミングを合わせたＨＦエッチングにより絶縁酸化物層が除去される。図示された実施形態では、第２櫛形フィンガー３２２が、紙面の上又は下で紙面に平行な平面において第２櫛形ブリッジに接続される。第２櫛形ブリッジは、第２櫛形構造体の移動を許すねじれヒンジ又は撓み部材を介して基体に接続される。アクチュエータ３３０を操作する１つの方法は、第１櫛形フィンガー３２４の上層３２４Ａが接地される間に、第１櫛形フィンガー３２４の下層３２４Ｂと第２櫛形フィンガー３２２とに電圧Ｖを印加して、第２櫛形フィンガー３２２を移動する電気的な力を生じさせることである。
【００３９】
図３Ａないし３Ｉに示す方法は、第１櫛形フィンガーが単一層を有し、そして第２フィンガーが２つの層を有するアクチュエータを形成するのにも使用でき、この場合は、電圧を印加すると、第２のフィンガーがダウン方向に回転される。この方法は、２つの形式のマスキング層の若干異なるパターン化を必要とする。  本発明のアクチュエータは、適当な用途に使用することができる。この二次元アクチュエータは、同様のプロセスを使用して製造することができる。必要とされる用途に基づき、上記製造プロセスに付加的なステップを追加して、集積デバイスを形成することができる。公知の方法を使用して、金属を基体に蒸着、スパッタリング又は電気メッキすることができる。
【００４０】
図示された製造方法の２つの実施形態において、全てのフィンガーは、単一のプロセスにおいて、単一の多層ウェハ構造体に形成され、従って、櫛形フィンガーの整列が非常に高い精度で行われる。
上述した実施形態は、本発明の範囲から逸脱せずに種々変更がなされ得ることが当業者に明らかであろう。従って、本発明の範囲は、特許請求の範囲及びその等効物によって規定されるものとする。
【図面の簡単な説明】
【図１Ａ】
本発明の第１実施形態による多層櫛形ドライブアクチュエータの簡単な概略図である。
【図１Ｂ】
本発明の第１実施形態による多層櫛形ドライブアクチュエータの簡単な概略図である。
【図１Ｃ】
本発明の第１実施形態による多層櫛形ドライブアクチュエータの簡単な概略図である。
【図１Ｄ】
本発明の別の実施形態による二次元回転アクチュエータの簡単な平面図である。
【図２Ａ】
本発明の第２実施形態による多層櫛形ドライブアクチュエータの製造を示す簡単な断面図である。
【図２Ｂ】
本発明の第２実施形態による多層櫛形ドライブアクチュエータの製造を示す簡単な断面図である。
【図２Ｃ】
本発明の第２実施形態による多層櫛形ドライブアクチュエータの製造を示す簡単な断面図である。
【図２Ｄ】
本発明の第２実施形態による多層櫛形ドライブアクチュエータの製造を示す簡単な断面図である。
【図２Ｅ】
本発明の第２実施形態による多層櫛形ドライブアクチュエータの製造を示す簡単な断面図である。
【図３Ａ】
本発明の第３実施形態による多層櫛形ドライブアクチュエータの製造を示す簡単な断面図である。
【図３Ｂ】
本発明の第３実施形態による多層櫛形ドライブアクチュエータの製造を示す簡単な断面図である。
【図３Ｃ】
本発明の第３実施形態による多層櫛形ドライブアクチュエータの製造を示す簡単な断面図である。
【図３Ｄ】
本発明の第３実施形態による多層櫛形ドライブアクチュエータの製造を示す簡単な断面図である。
【図３Ｅ】
本発明の第３実施形態による多層櫛形ドライブアクチュエータの製造を示す簡単な断面図である。
【図３Ｆ】
本発明の第３実施形態による多層櫛形ドライブアクチュエータの製造を示す簡単な断面図である。
【図３Ｇ】
本発明の第３実施形態による多層櫛形ドライブアクチュエータの製造を示す簡単な断面図である。
【図３Ｈ】
本発明の第３実施形態による多層櫛形ドライブアクチュエータの製造を示す簡単な断面図である。
【図３Ｉ】
本発明の第３実施形態による多層櫛形ドライブアクチュエータの製造を示す簡単な断面図である。
【国際公開パンフレット】
2004500252.tif 000003
2004500252.tif 000004
2004500252.tif 000005
2004500252.tif 000006
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2004500252.tif 000009
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2004500252.tif 000034
2004500252.tif 000035
【国際公開パンフレット（コレクトバージョン）】
2004500252.tif 000036
2004500252.tif 000037
【国際調査報告】
2004500252.tif 000038
2004500252.tif 000039
2004500252.tif 000040