(57)【特許請求の範囲】
【請求項１】
基板上に設けられた支持台にアームを介して接続され、基板上の空間に支持された上部構造体と、該上部構造体に対向して基板位置に設けられた下部構造体と、を有し、
前記上部構造体および下部構造体のいずれか一方の構造体に、互いの距離を小さくする傾斜構造が設けられると共に、他方の構造体の平坦面には、前記一方の構造体の該傾斜構造に対応した１つ以上の電極が設けられ、
該電極と、前記傾斜構造を持つ一方の構造体と、の間に電圧が印加されることにより、前記上部構造体が前記下部構造体の側に傾くことを特徴とする静電アクチュエータ。
【請求項２】
前記他方の構造体の平坦面の上に絶縁膜が設けられ、該絶縁膜上に前記電極が導電性材料を用いて作製されることを特徴とする請求項１記載の静電アクチュエータ。
【請求項３】
前記平坦面を持つ構造体は半導体材料から構成され、該構造体の表面に、前記半導体材料の導電性のタイプと反対の導電性のタイプの不純物を注入して、前記電極が作製されることを特徴とする請求項１記載の静電アクチュエータ。
【請求項４】
前記下部構造体に、前記傾斜構造が設けられ、
前記電極は、前記上部構造体における、前記上部構造体と下部構造体の互いに対向する面の反対側の面に設けられることを特徴とする請求項１から３のいずれか１項に記載の静電アクチュエータ。
【請求項５】
基板上に設けられた支持台にアームを介して接続され、基板上の空間に支持された上部構造体と、該上部構造体に対向して基板位置に設けられた下部構造体と、を有し、
前記上部構造体に、前記下部構造体との距離を小さくする傾斜構造が設けられると共に、前記下部構造体における、前記上部構造体の傾斜構造と対向する平坦面には、前記上部構造体の該傾斜構造に対応した１つ以上の電極が設けられ、
該電極と前記上部構造体との間に電圧が印加されることにより、前記上部構造体が前記下部構造体の側に傾くことを特徴とする静電アクチュエータ。
【請求項６】
ガラス基板からなる基板上に設けられた支持台にアームを介して接続され、基板上の空間に支持された上部構造体と、該上部構造体に対向して基板位置に設けられた下部構造体と、を有し、
前記上部構造体および下部構造体のいずれか一方の構造体に、互いの距離を小さくする傾斜構造が設けられると共に、他方の構造体の平坦面には、前記一方の構造体の該傾斜構造に対応した１つ以上の電極が設けられ、
該電極と、前記傾斜構造を持つ一方の構造体と、の間に電圧が印加されることにより、前記上部構造体が前記下部構造体の側に傾くことを特徴とする静電アクチュエータ。
【請求項７】
前記支持台およびアームは２個１組で構成され、該アームは捩りばねの機能を持ち、該アームにより前記上部構造体が両端から支持され、一方、前記電極は２つ以上設けられ、電圧の印加される電極の切り替えがなされることによって前記上部構造体の傾く方向が制御されることを特徴とする請求項１から６のいずれか１項に記載の静電アクチュエータ。
【請求項８】
前記上部構造体と下部構造体の互いに対向する面のいずれか一方の面に、前記電極と前記傾斜構造の接触による短絡を防止するための絶縁膜が設けられることを特徴する請求項１から７のいずれか１項に記載の静電アクチュエータ。
【発明の詳細な説明】
【０００１】
【発明の属する技術分野】
本発明は、ＭＥＭＳ（Micro Electro-Mechanical Systems）技術を利用して作製する静電アクチュエータに関し、特に、ＤＣから数百ＧＨｚまでの広い信号周波数をオン／オフするマイクロスイッチ、ミラーの傾きによって光信号の方向を切り替える光スイッチ、無線アンテナの方向を切り替えるスキャナなどに応用される静電アクチュエータに関する。
【０００２】
【従来の技術】
従来技術として、東京大学ＬＩＭＭＳ／ＳＮＲＳ−ＩＩＳのドミニク・ショーベル（Dominique Chauver)らがＩＥＥＥ第１０回ＭｉｃｒｏＥｌｅｃｔｒｏＭｅｃｈａｎｉｃａｌＳｙｓｔｅｍｓ国際会議にて発表した「静電型空間スキャナと集積したマイクロマシンマイクロウェーブアンテナ（A Micro-Machined Microwave Antenna Integrated with its Electrostatic Spatial Scanning ）」（Proceedings of IEEE Micro Electro Mechanical Systems,Nagoya,pp.84-89,1997 ）に記載の技術・装置を例にして説明する。
【０００３】
この装置の斜視図を図６に示す。この装置では、石英基板６１０を加工して、捩り振動板６１１と、この両端を支えるばね６１３とが作製されている。捩り振動板６１１の上側表面にはクロム・金からなる上部電極６１２が設けられており、配線６１５を通して、コンタクトパッド６１４に電気的に接続されている。一方、シリコン基板６２０には、傾斜構造６２１が作製されている。ショーベルらは、（１１０）Ｓｉ結晶面を持つシリコン基板を異方性ウェットエッチングして３５．３°の２つの傾斜面を持つ傾斜構造６２１を作製した。この２つの傾斜面のそれぞれにクロムからなる下部電極６２２ａおよび６２２ｂの２つの電極パターンを作製した。これら下部電極６２２ａおよびｂは、コンタクトパッド６２４ａおよびｂにそれぞれ電気的に接続されている。これら石英基板６１０とシリコン基板６２０は、捩り振動板６１１が傾斜構造６２１の上に位置するように目合わせされて互いに接着されている（接着方法は述べられていない）。
【０００４】
上部電極６１２と下部電極６２２ａあるいはｂとの間に電圧を印加すると、静電引力により捩り振動板６１１に基板方向（下側）の引力が働く。このため、ばね６１３が捩れ変形して捩り振動板６１１がばね６１３を軸に回転して傾く。上部電極６１２と下部電極６２２ａあるいはｂとに印加する電圧を変化させることによって、捩り振動板６１１の回転角度を調節することができ、また、下部電極６２２ａとｂのいずれに電圧を印加するかを選択することによって捩り振動板６１１の回転方向を変化させることが可能である。
【０００５】
この従来技術では、捩り振動板６１１の回転方向を変化させて無線信号の送信・受信の方向を変化させるアンテナとしての応用が述べられていた。特に注目する点は、下部電極を傾斜構造上に作製することによって、印加電圧を低減させることができるということである。これは、静電引力は、２つの構造体の間の距離の２乗に反比例して減少するため、もし上部電極と下部電極の距離を小さく設計することができれば印加電圧を減少させることができるという原理に基づいている。捩り振動板６１１の回転角度がゼロのときには、傾斜構造体６２１の頂点に近い位置に設けられた下部電極６２２ａ／ｂの領域との間に大きな静電引力が発生する。捩り振動板６１１が回転するに従って、下部電極６２２ａ／ｂのその他の領域に対しても大きな静電引力が発生してゆく。もし傾斜構造体６２１を持たない平坦な面の上に下部電極６２２ａ／ｂが設けられる場合には、上部電極と下部電極との間の距離が大きいために、捩り振動板６１１を回転させるのに大きな電圧を必要とする。ショーベルらは、傾斜構造体のこの効果を具体的には示していないが、３５．３°の傾斜構造に対して静電引力の計算を行うと、平坦構造に対して印加電圧を約３０％程度低減できることがわかった。
【０００６】
また、ショーベルらは述べていないが、傾斜構造６２１の第２の効果は、捩り振動板６１１のばね６１３を中心にした回転運動を生じやすくすることである。上部電極６１２と下部電極６２２ａ／ｂとの間に電圧を印加すると、上部電極６１２に対して下部電極方向への力が発生する。しかし、ばね６１３の曲げ変形の剛性が回転（捩り）の剛性に比べて小さいときには回転よりもシリコン基板６２０側に垂直に変形しようとする傾向が起こりやすい。傾斜構造６２１は、この垂直変形を防止して捩り振動板６１１に回転運動のみを生じさせる役割を持っている。
【０００７】
図７は、この従来技術のシリコン基板側の製造方法を示す断面図である。（１１０）Ｓｉ結晶面を主面にするシリコン基板７１の両面に低圧気相成長（ＬＰ−ＣＶＤ）装置を用いてシリコン窒化膜７２ａおよびｂを堆積し、一方の面をフォトリソグラフィー技術を用いて窒化膜７２ａのパターニングを行う（同図ａ）。この基板を３３％ＫＯＨ液の中に入れ、シリコン基板７１を異方性エッチングする。平面に対して３５．３°の傾斜を持つ傾斜構造７３が作製される（同図ｂ）。続いて、この傾斜構造７３を持つシリコン基板側に、スパッタリングにより、シリコン酸化膜を堆積させる。金属マスク７６をこのシリコン基板の上に配置し、クロムの蒸着を行う。このとき、金属マスク７６に設けられた開口を通してクロムが傾斜構造上に堆積し、下部電極７５を作製することができる（同図ｃ）。その後、再びスパッタリングによりシリコン酸化膜７７をクロム下部電極７５の上に堆積させる（同図ｄ）。最後に、石英基板を加工して作製した捩り振動板をこのシリコン基板７１の上に接着することによって、図６に示すデバイスが作製される。
【０００８】
この従来技術では、捩り振動板は１×２×０．１ｍｍの寸法を持っていた。特に２ｍｍも幅のある捩り振動板を±１０°傾かせる設計から、傾斜構造の高さを１７５μｍ以上に構成する必要があった。ショーベルらは、このような大きな段差を持つ基板上に下部電極パターンを作製するために、図７に示すような金属マスク７６を利用したクロム蒸着方法を採用した。しかし、金属マスク７６と傾斜構造７５との間に設けられた隙間により、下部電極７５を設計通りの寸法と位置に作製することは困難である。これは、蒸着装置のターゲットから出たクロム粒子がある広がり角度をもって基板に衝突するため、基板とターゲットの距離が異なると衝突位置がずれてくるためである。この従来例では傾斜構造の高さが大きいために、傾斜構造の頂点から離れるに従って傾斜面とターゲットとの距離が増大してくるので金属マスクとパターンが異なってくるという問題が生じた。静電駆動アクチュエータは、上下電極の形状および位置関係に対して非常に敏感に特性が影響される。このため、上記従来技術のデバイスを用いて駆動電圧に対する捩れ角度を評価したところ、デバイス間で大きく特性がばらつくことがわかった。
【０００９】
下部電極パターンがマスクに忠実に作製されないという問題は、傾斜構造に直接レジストパターンを作製するという方法を用いても解決することができない。この場合、フォトマスクパターンを傾斜構造の斜面に忠実に転写することが露光装置の光学系の焦点距離の制限から極めて困難であるからである。また、傾斜構造に均一にレジストを塗布することも困難である。
【００１０】
以上の理由から、傾斜構造は印加電圧を低減できるという利点があるにも関わらず、傾斜構造上に電極パターンを正確に形成させることが困難であるために信頼性のある特性の揃ったデバイスを作製することが困難であるという問題があった。このため、量産品として品質の揃った製品を多量に供給することができないばかりか、多数のアレイ配置が必要とされる高機能アンテナ、多数の信号を切り替える光スイッチおよび電気的スイッチの用途に対して傾斜構造を利用することが困難であるという深刻な問題があった。
【００１１】
【発明が解決しようとする課題】
本発明は、かかる問題点に鑑みてなされたものであり、傾斜構造の利点を持ちつつ、量産品として信頼性のある特性の揃ったデバイスを作製することのできる静電アクチュエータを提供することを目的とする。
【００１２】
【課題を解決するための手段】
かかる目的を達成するために、請求項１記載の発明は、基板上に設けられた支持台にアームを介して接続され、基板上の空間に支持された上部構造体と、上部構造体に対向して基板位置に設けられた下部構造体と、を有し、上部構造体および下部構造体のいずれか一方の構造体に、互いの距離を小さくする傾斜構造が設けられると共に、他方の構造体の平坦面には、一方の構造体の該傾斜構造に対応した１つ以上の電極が設けられ、電極と、傾斜構造を持つ一方の構造体と、の間に電圧が印加されることにより、上部構造体が下部構造体の側に傾くことを特徴としている。
【００１４】
請求項２記載の発明は、請求項１記載の発明において、他方の構造体の平坦面の上に絶縁膜が設けられ、絶縁膜上に電極が導電性材料を用いて作製されることを特徴としている。
【００１５】
請求項３記載の発明は、請求項１記載の発明において、平坦面を持つ構造体は半導体材料から構成され、構造体の表面に、半導体材料の導電性のタイプと反対の導電性のタイプの不純物を注入して、電極が作製されることを特徴としている。
【００１６】
請求項４記載の発明は、請求項１から３のいずれか１項に記載の発明において、下部構造体に、傾斜構造が設けられ、電極は、上部構造体における、上部構造体と下部構造体の互いに対向する面の反対側の面に設けられることを特徴としている。
請求項５記載の発明は、基板上に設けられた支持台にアームを介して接続され、基板上の空間に支持された上部構造体と、上部構造体に対向して基板位置に設けられた下部構造体と、を有し、上部構造体に、下部構造体との距離を小さくする傾斜構造が設けられると共に、下部構造体における、上部構造体の傾斜構造と対向する平坦面には、上部構造体の傾斜構造に対応した１つ以上の電極が設けられ、電極と上部構造体との間に電圧が印加されることにより、上部構造体が下部構造体の側に傾くことを特徴としている。
【００１７】
請求項６記載の発明は、ガラス基板からなる基板上に設けられた支持台にアームを介して接続され、基板上の空間に支持された上部構造体と、上部構造体に対向して基板位置に設けられた下部構造体と、を有し、上部構造体および下部構造体のいずれか一方の構造体に、互いの距離を小さくする傾斜構造が設けられると共に、他方の構造体の平坦面には、一方の構造体の傾斜構造に対応した１つ以上の電極が設けられ、電極と、傾斜構造を持つ一方の構造体と、の間に電圧が印加されることにより、上部構造体が下部構造体の側に傾くことを特徴としている。
【００１８】
請求項７記載の発明は、請求項１から６のいずれか１項に記載の発明において、支持台およびアームは２個１組で構成され、アームは捩りばねの機能を持ち、アームにより上部構造体が両端から支持され、一方、電極は２つ以上設けられ、電圧の印加される電極の切り替えがなされることによって上部構造体の傾く方向が制御されることを特徴としている。請求項８記載の発明は、請求項１から７のいずれか１項に記載の発明において、上部構造体と下部構造体の互いに対向する面のいずれか一方の面に、電極と傾斜構造の接触による短絡を防止するための絶縁膜が設けられることを特徴としている。
【００１９】
【発明の実施の形態】
以下、本発明の実施の形態を添付図面を参照しながら詳細に説明する。本発明では、静電アクチュエータ（マイクロ構造体デバイス、特に、静電駆動型アクチュエータ）において、電極パターンを、傾斜構造を持つ基板の側ではなく、他方の基板側に作製する。この他方の基板は平坦であるか、あるいは、平坦ではなくともパターニングがなされる領域に傾斜構造のような突起形状を持たないものである。従って、この電極パターンは、通常のフォトリソグラフィー技術を用いてフォトマスクに忠実に作製することが可能である。一方、傾斜構造を持つ基板は、傾斜構造全体が等電位に置かれるようになされ、傾斜構造側に電極パターンを作製する必要がない。このため、傾斜構造を用いることの利点を活かしつつ、特性の揃ったデバイスを供給することが可能となる。
【００２０】
図１は、本発明の第１の実施の形態における静電アクチュエータの構造を示す図である。図１（ａ）は、上から見た平面構造を示す。また、同図のＡＡ’断面とＢＢ’断面をそれぞれ（ｂ）および（ｃ）に示す。本発明では、ガラス基板１００上にシリコンからなる支持台１０およびチタン・金からなる下部電極１０１ａとｂが設けられている。２つの支持台１０の一端からは、シリコンからなる片持ちアーム１１が延びており、捩り振動板１２の両端に接続され、これをガラス基板１００上の空間に支えている。
【００２１】
一対の片持ちアーム１１は、捩り振動板１２を基板上の空間に支持する役割と、捩りのばねとしての役割を担う。片持ちアーム１１は、デバイス全体の寸法を小さく抑えつつ、ねじりのばね剛性を小さくするために、同図に示すように平面上で折れ曲がる構造を持たせている。この形状は一例であって、従来例のような直線的な構造・その他の構造を持たせることも可能である。捩り振動板１２は、この片持ちアーム１１のある軸を中心にして回転することができる（後述）。さらに、捩り振動板１２は、図１（ｃ）に示すように下面に傾斜構造１４を持っている。この傾斜構造１４は、その傾斜面が下部電極１０１ａおよびｂに対向するように位置するように配置されている。
【００２２】
捩り振動板１２のガラス基板１００に対向する側と反対の表面は一般に平坦であることが要求される。例えば、本発明を、光マイクロスイッチとして応用する場合、この捩り振動板１２の表面を、光を反射させるミラーとして用いる。このとき、捩り振動板１２の厚さを厚くすると剛性が大きくなり、回転しても平坦性が保たれるという特徴があるので都合がよい。一方、片持ちアーム１１は、剛性を小さくする方が回転のための印加電圧を減少させるのに役立つ。このため、本実施例では、捩り振動板１２と片持ちアーム１０の厚さを変えた構造を示した。
【００２３】
また、二酸化シリコンあるいは窒化シリコン膜などの絶縁膜からなる絶縁膜１０２が、下部電極１０１ａおよびｂの上に形成されている。これは、捩り振動板１２と下部電極１０１とが接触した場合に電気的な短絡が起こらないようにするためである。さらに、両者の付着を防止するという機能を持っている。絶縁膜１０２の一部には、コンタクトパッド１０３が作製されている。このパッドを通して下部電極１０１に電圧を印加することができる。なお、絶縁膜１０２は、本実施例のように、下部電極１０１の面に必ずしも作製する必要はなく、捩り振動板１２の下側面に設けても良く、さらには両者に共に設けても良い。また、付着を防止するために、表面に凹凸を設けたり、フッ素含有系の絶縁膜で表面を覆っても良い。
【００２４】
捩り振動板１２への電圧の印加については、支持台１０に例えばワイアボンディングにより外部の電源との電気的接続を行うことにより、捩り振動板１２を片持ちアーム１１を通して電源に等しい電位とすることができる。静電駆動型アクチュエータでは、電流を流すわけではないため抵抗を小さくする必要はないが、支持台１０、片持ちアーム１１、および捩り振動板１２を、ｐ型またはｎ型の不純物を注入したシリコンで構成することにより抵抗を下げることも可能である。さらに、これらを金属材料によって作製したり、あるいは、表面に金属などの導電性材料をコーティングすることなどにより電気的導通をとることも可能である。後者の場合には、石英、セラミックなどの絶縁材料によって支持台１０、片持ちアーム１１、および捩り振動板１２を作製することが可能である。
【００２５】
また、本実施例では、支持台１０、片持ちアーム１１、および捩り振動板１２が作製される基板としてガラス基板１００を用いた。これは、シリコンとガラスの静電接着を利用することができるという特徴を持っているためである。しかしながら、ガラスに限ることなく、セラミック、金属、あるいは半導体基板を用いることも可能である。金属や半導体基板を用いる場合には、下部電極１０１と基板１００との間に絶縁膜を設けておけば、両者の電気的絶縁をとることが容易にできる。
【００２６】
支持台１０と下部電極１０１ａあるいはｂとの間に０〜５０Ｖの電圧を印加すると、静電引力により捩り振動板１２に基板方向（下側）への引力が働く。電圧が増大するに従って、アーム１１の回転および捩り振動板１２の回転が大きくなる。このようにして、印加電圧の大きさを変化させたり、電圧を印加する下部電極を切り替えることによって、捩り振動板１２の回転角度および方向を制御することができる。
【００２７】
また、本実施例では、２つのアーム１１により両側から振動板１２を支持する構造を示したが、これに限らず例えば、図８のように、１つのアーム（振動板の１部位に接続されるアーム）により振動板を支持する構造にすることもできる。この場合、上部構造体と下部構造体との間の印加電圧を制御することにより、振動板が基板側へ傾く。図８で、アームは、曲がりばね、あるいは、捩ればねの構造および役割をとり、それぞれに応じて本発明の主旨に従って傾斜構造および電極が形成される。
【００２８】
また、本発明において、電極１０１ａおよびｂは、必ずしも両方使用する必要もなく、用途に応じて片側のみ使用あるいは作製する構成にしても良い。その場合、傾斜構造１４は作製する電極１０１に対応する側のみ作製すれば良い。
【００２９】
図２は、本発明の第１の実施例の静電アクチュエータの製造方法の一例を示した図である。この図はＡＡ’断面を例にした製造工程図ある。ここでは、シリコン基板上に構造体を作製する場合を示す。まず、（１１０）Ｓｉ結晶面を主面にするシリコン基板２００の一方の表面にボロン（Ｂ）を３μｍ拡散してｐ型拡散層２１を形成する（同図（ａ））。
【００３０】
次に、シリコン基板２００の反対面にパイレックスガラスを３μｍ拡散してパターニングを行い、接着層２２を形成する。続いてシリコン酸化膜を堆積し、これをパターニングしてエッチングパターン２３を作製する。一方、拡散層２１を含む面にシリコン酸化膜を堆積し、これをパターニングしてばねパターン２４を作製する（同図（ｂ））。
【００３１】
次に、シリコン基板２００をエチレンジアミン・ピロカテコール・水（ＥＰＷ）の混合液の中に入れて異方性エッチングを行う。このようにしてエッチングパターン２３を通してエッチングを行い、２つの面が３５．３°の傾斜を持つ傾斜構造２６が作製される。ＥＰＷは拡散層２１をエッチングしないため、ばねとなる拡散層２１の厚さを正確に制御することができる（同図（ｃ））。
【００３２】
シリコン酸化膜２３を除去し、シリコン基板２００を、既に下部電極パターンなどが作製されている（※非図示）他のシリコン基板２１０に静電接着する（同図（ｄ））。このとき、ガラス接着層２２がシリコン基板２１０と結合して強固な接着が実現される。
【００３３】
続いて、ばねパターン２４を介して拡散層２１に対してプラズマ中でのＳＦ６などのガスを用いたエッチングを行うことによって、ばね２７を作製する（同図（ｅ））。最後に、シリコン酸化膜２４をプラズマ中でのＣＨ４などのガスを用いたエッチングを行って除去する。
【００３４】
本実施例の代表的な寸法は以下のようになる。アーム１１が、｛幅５μｍ、長さ１００μｍ、厚さ３μｍ｝となり、捩り振動板１２が、｛直径５００μｍ、最小厚さ２０μｍ、平面に対して３５．３°の傾斜構造｝を持つ。下部電極１０１が捩り振動板１２よりも１０μｍ程度外側に位置するように作製され、０．３μｍ厚のチタン・金材料からなっている。この上に、絶縁膜１０２が０．３μｍの厚さで設けられている。支持台１０は、高さが８０μｍあり、捩り振動板１２が±１０°回転しても下部電極１０１に接触しないようになっている。
【００３５】
図３は、本発明の第２の実施の形態における静電アクチュエータの構造を示す図である。図３（ａ）は、上から見た平面構造を示す。また、同図の断面ＡＡ’と断面ＢＢ’をそれぞれ（ｂ）および（ｃ）に示す。図中、図１の第１の実施例と同一の番号を持つ要素は、同一の構成要素を示している。第２の実施例では、傾斜構造３１２がシリコン基板３００側に作製されており、また、上部電極３５ａおよびｂが捩り振動板３２側に作製されていることが第１の実施例と大きく異なる点である。
【００３６】
第２の実施例では、傾斜構造３１２がシリコン基板３００上に作製されている。しかし、従来例とは異なり、下部電極パターンはこの傾斜構造３１２上には作製されず、傾斜構造全体が１つの等電位電極となっている。また、傾斜構造３１２上には、絶縁膜３０２が電気的短絡を防ぐために設けられている。一方、捩り振動板３２は、第１の実施例と異なり傾斜構造を持たない形状となっている。捩り振動板３２の両側の表面は、酸化膜３６で覆われている（図３（ｃ））。この酸化膜３６上の一方の面上（図３では下側面）に上部電極３５ａおよびｂが作製されている。
【００３７】
この上部電極３５ａおよびｂの電気的配線を捩り振動板３２の上側にもってくるために、捩り振動板３２の一部に貫通穴３４が作製されており、この貫通穴３４を介して上部電極３５ａおよびｂの配線が片持ちアーム１１上を通って支持台１０上に設けられたコンタクトパッド３３に接続されている。貫通穴３４の側壁は、酸化膜によって覆われており（※非図示）、上部電極３５ａおよびｂの配線が捩り振動板３２と電気的短絡を起こさないようにされている。
【００３８】
シリコン基板３００と電源との接続については、表面の絶縁膜３０２の一部を除去して接続口とするか、あるいは、基板３００の裏面を通してとることができる。基板３００とコンタクトパッド３３の一つとの間に電圧を印加することによって捩り振動板３２を回転させることができる。
【００３９】
なお、本実施例では、上部電極３５ａおよびｂを捩り振動板３２の下側面に作製した例を示したが、上部電極３５ａおよびｂを捩り振動板の上側面に作製してもよい。この場合、貫通穴３４が不要であるために構造が簡略化されるという利点がある。また、静電型アクチュエータでは電流を流すわけではないため抵抗を小さくする必要はないので、支持台１０、片持ちアーム（ばね）１１、および捩り振動板３２の上部電極３５ａおよびｂの領域を、上部電極３５ａおよびｂ間の境界領域３９と異なる型（※導電性のタイプ）の不純物を注入した半導体材料で作製することも可能である。このとき、特に上部電極３５ａおよびｂ、また、ばね１１上の金属配線を設けることが不要となる。ばね１１上に金属配線を無くすことは、ばね１１を設計通りに作製するという点に対して非常に有効である。
【００４０】
また、捩り振動板３２、ばね１１、および支持台１０は、シリコン材料に限定されることはなく、これらを金属材料によって作製したり、あるいは、石英、セラミックなどの絶縁材料の表面に金属などの導電性材料をコーティングするなどして作製することも可能である。また、本実施例では、支持台１０、アーム１１、および捩り振動板３２が作製される基板として、シリコン基板３００を用いた。これは、シリコンに対して異方性エッチング技術を利用して傾斜構造３１２を作製することができるという特徴があるためである。しかし、シリコンに限ることなく、セラミック、金属、あるいは他の半導体基板を用いることも可能である。
【００４１】
第２の実施例の代表的な寸法は、第１の実施例で示したものとほぼ同様である。
【００４２】
図４は、第２の実施例の静電アクチュエータの製造方法を示したものである。まず、（１００）Ｓｉ結晶面を主面にするシリコン基板４００の一方の表面に０．５μｍのシリコン酸化膜を形成する。そして、その上にチタン・金の薄膜０．２μｍを堆積させて電気接続用配線４３を作製する（同図（ａ））。
【００４３】
この電気接続用配線４３の上に、プラズマＣＶＤによりシリコン酸化膜を堆積させ、通常のフォトリソグラフィーを用いてばねパターン４０１を作製する。基板４００の反対面にパイレックスガラスを３μｍ拡散させてパターニングを行い、接着層４２を作製する。続いてこれをマスクにしてシリコン基板４００をＳＦ６などのガスで約８０μｍの深さだけプラズマエッチングを行い、溝４０２を作製する（同図（ｂ））。
【００４４】
溝４０２のある側のシリコン基板４００の面に、レジストマスクを用いて貫通穴４０４をシリコンドライエッチングによって作製する。そして、この面にプラズマＣＶＤによりシリコン酸化膜を堆積し、酸化膜ドライエッチングによって絶縁膜パターン４０３を作製する。このとき、貫通穴４０４の測壁にも酸化膜４０５が作製されている（同図（ｃ））。
【００４５】
続いて、この面にチタン・金を１μｍスパッタリングして貫通穴４０４の埋め込みを行う。そして、このチタン・金をパターニングして上部電極パターン４５を作製する。一方、（１１０）Ｓｉ結晶面を主面とするシリコン基板４１０を用いて、傾斜構造４１２を異方性エッチングにより作製する。この表面をシリコン酸化膜により覆った後、このシリコン基板４１２とシリコン基板４００とを静電接着する。このとき、ガラス接着層４２が接着材としての役割を果たす（同図（ｄ））。
【００４６】
最後に、シリコン基板４００に対し、プラズマ中でＳＦ６などのガスを用いてばねパターン４０１を通してエッチングを行い、ばね４１１を作製する。また、ばねパターン４０１の一部をエッチングして電気接続用配線４３の一部を露出させてコンタクトパッド３３とする（同図（ｅ））。
【００４７】
この作製方法では、シリコン溝４０２の中に上部電極４５を作製するためのフォトリソグラフィーが使用されている。しかし、溝４０２の底面は平坦であるために従来例で直面した傾斜面の側壁にパターンを作製することに比べてはるかに容易かつ正確にパターンを作製することができる。
【００４８】
図５は、本発明の第３の実施の形態における静電アクチュエータの構造を示す図である。図５（ａ）は、上から見た平面図である。また、同図のＡＡ’断面とＢＢ’断面をそれぞれ（ｂ）と（ｃ）に示す。第３の実施例では、捩り振動板５２が外周板５２２を介して二組のアーム５１および５１１によって支持されており、この二組のアームの軸それぞれを中心に回転制御を行うことにより、振動板５２の２次元的な傾きの制御ができるようになっていることが第１および第２の実施例と大きく異なる点である。
【００４９】
第３の実施例では、ガラス基板５００上に、シリコンからなる支持台５０およびチタン・金からなる４個の下部電極５０１ａ・ｂ・ｃ・ｄが設けられている。２つの支持台５０の一端からはシリコンからなる片持ちアーム５１が延びており、外周板５２２の両端に接続している。さらにこの外周板５２２の内側にはシリコンからなる片持ちアーム５１１がアーム５１と垂直の位置に設けられている。この片持ちアーム５１１は、捩り振動板５２の両端に接続してこれをガラス基板５００上の空間に支えている。片持ちアーム５１１および５１は、デバイス全体の寸法を小さく抑えながらねじりのばね剛性を小さくするために同図に示すように折れ曲がった構造をしている。勿論、従来例のように直線的な構造を持つことも可能である。
【００５０】
捩り振動板５２は、二組のアーム５１および５１１を中心軸にして互いに垂直方向に回転することができる。さらに、捩り振動板５２および外周板５２２は、図５（ｂ）および（ｃ）に示すように、四辺に傾斜構造５３を持っている。この傾斜構造５３は、下部電極５０１に対向するようその傾斜面が位置するように構成・配置されている。捩り振動板５２のガラス基板５００側に向く面と反対側の表面は一般に平坦であることが要求される。例えば、本発明を光ミラーとして応用する場合、この捩り振動板５２の表面が光を反射させるミラーとなる。このとき、捩り振動板５２の厚さを厚くすると、剛性が大きくなって回転しても平坦性が保たれるという特徴があり都合がよい。一方、片持ちアーム５１および５１１は、剛性を小さくする方が回転のための印加電圧を減少させるのに役立つ。このため、本実施例では、捩り振動板５２と片持ちアーム５１および５１１との厚さを変えた構造を示した。
【００５１】
また、二酸化シリコンあるいは窒化シリコンなどの絶縁膜からなる絶縁膜５０２が、下部電極５０１上に形成されている。これは、捩り振動板５２あるいは外周板５２２と下部電極５０１とが接触したときに電気的な短絡が起こらないようにするためである。さらに、両者の付着を防止するという機能を持っている。絶縁膜５０２の一部には、コンタクトパッド５０３が作製されている。このパッド５０３を通して電源との接続をとることにより下部電極５０１に電圧を印加することができる。なお、絶縁膜５０２は、本実施例のように必ずしも下部電極５０１に作製する必要はなく、捩り振動板５２および外周板５２２の下側に設けても良く、さらに両者に共に設けても良い。また、付着を防止するために、表面に凹凸を設けたり、フッ素含有系の絶縁膜で表面を覆っても良い。
【００５２】
捩り振動板５２への電圧の印加は、支持台５０に例えばワイアボンディングにより外部の電源と電気的接続を行うことにより、片持ちアーム５１および５１１を通して電源に等しい電位とすることができる。静電型アクチュエータでは電流を流すわけではないため抵抗を小さくする必要はないが、支持台５０、片持ちアーム５１および５１１、捩り振動板５２、および外周板５２２を、ｐ型またはｎ型の不純物を注入したシリコンで構成することにより抵抗を下げることも可能である。さらに、これらを金属材料によって作製したり、あるいは、表面に金属などの導電性材料をコーティングすることなどにより電気的導通をとることも可能である。後者の場合には、石英、セラミックなどの絶縁材料によって支持台５０、片持ちアーム５２および５１１、捩り振動板５２、および外周板５２２を作製することが可能である。
【００５３】
また、本実施例では、支持台５０、片持ちアーム５１および５１１、捩り振動板５２、および外周板５２２が作製される基板としてガラス基板５００を用いた。これは、シリコンとガラスの静電接着を利用することができるという特徴を持っているためである。しかしながら、ガラスに限ることなく、セラミック、金属、あるいは半導体基板などを用いることも可能である。金属や半導体基板を用いる場合には、下部電極５０１と基板５００との間に絶縁膜を設けておけば、両者の電気的絶縁をとることが容易にできる。
【００５４】
支持台５０と４個の下部電極５０１ａ〜ｄのいずれか一つとの間に０〜５０Ｖの電圧を印加すると、静電引力により捩り振動板５２および外周板５２２に基板方向（下側）への引力が働く。電圧が増大するに従って、電圧が印加される下部電極５０１に応じて、アーム５１および外周板５２２、あるいは、アーム５１１および捩り振動板５２の回転が大きくなる。このようにして、印加電圧の大きさを変化させたり、電圧を印加する下部電極５０１を切り替えることによって最終的に捩り振動板５２の回転角度および方向を制御することができる。
【００５５】
第３の実施例の静電アクチュエータの製造方法は、基本的に図２に示した第１の実施例の場合と同様である。ただ、傾斜構造５３が４個の傾斜面を持つことが異なる。このような構造を作製するには、例えば、（１１０）Ｓｉ結晶面を主面にするシリコン基板に（１００）Ｓｉ結晶軸方向の正方形のパターンを作製してＥＰＷなどの異方性エッチング液を用いてエッチングを行うと、４５°の傾斜を持つ４個の傾斜面に囲まれた構造を作製することが可能である。
【００５６】
第３の実施例の代表的な寸法は以下のようになる。アーム５１および５１１が、｛幅５μｍ、長さ１００μｍ、厚さ３μｍ｝となり、捩り振動板５２が、｛直径５００μｍ、最小厚さが２０μｍ、４５°の傾斜構造｝を持つ。また、外周板５１２は、直径５５０μｍと７００μｍの同心円の形状を持つ。下部電極５０１が外周板５１２よりも１０μｍ程度外側に位置するように作製され、０．３μｍ厚のチタン・金材料からなっている。この上に、絶縁膜５０２が０．３μｍの厚さで設けられている。支持台１０は、高さが１３０μｍあり、捩り振動板５２および外周板５１２が±１０°回転しても下部電極５０１に接触しないようになっている。
【００５７】
なお、第３の実施例では、傾斜構造５３を、第１の実施例と同じ基板側（上部構造体）に作製した例を示したが、第２の実施例と同じ基板側（下部構造体）に作製することも可能である。
【００５８】
本発明の実施例では、上部電極あるいは下部電極を２つあるいは４つに分けた構造を示したが、電極の数はこれに限られるものではなく、これ以上の数を構成しても本発明の効果を得ることが可能である。また、これら複数の電極に対しての電圧の印加は、いくつか同時に行っても、あるいは、最初にある電極に印加した後に他の電極に電圧を印加するという方法を用いても、本発明の効果を得ることができる。
【００５９】
また、第３の実施例のアーム５１および５１１の長さは同一にする必要はない。また、傾斜構造５３の傾斜面の角度を同じにする必要もない。例えば、図のＡＡ’を軸にする回転を±１０°、ＢＢ’を軸にする回転を±５°とする構成にする場合に、アーム５１の方のの剛性を大きくしたり、傾斜面の角度を小さくするなどすることも有効である。
【００６０】
また、捩り振動板５２および外周板５２２に穴を開口して下部電極５０１との間に存在する空気によるスクイーズ効果を減少させたり、下部電極５０１およびその基板５００の一部に穴を開口して同様の効果を得る手法を用いても良い。本実施例では、振動板がばね（アーム）に対して厚くなっているため構造の強度を補強することが容易である。このため、内部に複数個の穴を設けたとしても、可動部全体の剛性は十分に大きく保つことが可能である。
【００６１】
以上の実施例で詳述したような構造を持つマイクロデバイスを、光スイッチ、ＤＣ〜高周波用スイッチ、および、アンテナに応用することが以下のようにしてできる。光スイッチに用いる場合、捩り振動板の表面に例えば０．２μｍの金を堆積させて反射膜（ミラー）とすることができる。このとき、捩り振動板に上部電極が設けられているときには、これと電気的短絡を起こさないように上部電極と反射膜との間に絶縁膜を挿入するか、あるいは、両者のパターンを平面的に分離することで容易に実現することができる。また、ＤＣ〜高周波用スイッチの用途では、捩り振動板の下側に接触電極を設け、下側基板上に設けられた信号線との間で接触・非接触を行わせるとよい。さらに、アンテナなどの高周波デバイス用途では、捩り振動板の上側面にコプレナー回路パターンを作製すると良い。
【００６２】
以上の光スイッチおよびアンテナ用途では、捩り振動板の上側の平坦面にパターンが作製されるために通常のフォトリソグラフィー技術を利用して正確なパターニングを行うことが可能である。一方、ＤＣ〜高周波用スイッチの用途では、接触電極を捩り振動板の下側の平坦ではない面に作製するために正確なパターンを作製できないという問題が残る。しかし、デバイス特性に非常に敏感に影響するのは下部／上部電極と傾斜構造との位置関係および形状であり、接触電極の形状および位置は敏感には影響しない。このため、本発明の構造を用いて、これらの種々の用途に対して特性の優れたデバイスを作製することが可能である。
【００６３】
以上により本発明の実施形態について説明した。なお、上述した実施形態は、本発明の好適な実施形態の一例を示すものであり、本発明はそれに限定されるものではなく、その要旨を逸脱しない範囲内において、種々変形実施が可能である。
【００６４】
【発明の効果】
以上の説明から明らかなように、本発明によれば、傾斜構造による静電引力の有効利用ができるため、平面構造に比べて印加電圧を３０％程低減させることが可能となる。さらに傾斜面の角度を小さく構成すれば印加電圧を半分以下に減少させることも可能である。しかも、上部電極あるいは下部電極は平坦面に作製されるため、電極パターンの作製を正確に行うことができ、品質の揃ったデバイスを量産し供給することができる。このため、印加電圧に対する振動板の回転角度の制御の精度が著しく向上する。
【００６５】
以上の利点が生まれたために、本発明の静電アクチュエータは、単純に個々ばらばらにして使用するスイッチへの応用に留まらず、大面積の基板上に数万個のオーダーで集積化することが要求されるフェーズドアレイ・アンテナや、光クロスコネクト用スイッチのような新たな応用を可能とするものである。以上の効果は大変著しいものである。
【図面の簡単な説明】
【図１】本発明の第１の実施の形態における静電アクチュエータの構成を示す図（平面図および断面図）である。
【図２】本発明の第１の実施の形態における静電アクチュエータの製造方法を示す図（製造工程図）である。
【図３】本発明の第２の実施の形態における静電アクチュエータの構成を示す図である。
【図４】本発明の第２の実施の形態における静電アクチュエータの製造方法を示す図である。
【図５】本発明の第３の実施の形態における静電アクチュエータの構成を示す図である。
【図６】参照従来技術の構成を示す斜視図である。
【図７】参照従来技術の製造方法を示す図である。
【図８】本発明の別の構成（アーム１つの構成）を示す図である。
【符号の説明】
１００  ガラス基板
１０１ａ、ｂ  下部電極
１０２  絶縁膜
１０３  コンタクトパッド
１０  支持台
１１  片持ちアーム
１２  捩り振動板
１４  傾斜構造
２００  基板
２１０  他方の基板
２１  ｐ型拡散層
２２  接着層
２３  シリコン酸化膜パターン
２４  シリコン酸化膜（ばねパターン）
２６  傾斜構造
２７  ばね（アーム）
３００  シリコン基板
３０２  絶縁膜
３１２  傾斜構造
３２  捩り振動板
３３  コンタクトパッド
３４  貫通穴
３５ａ、ｂ  上部電極
３６  酸化膜
３７  境界領域
４００  シリコン基板
４０１  ばねパターン
４０２  溝
４０３  絶縁膜パターン
４０４  貫通穴
４０５  酸化膜
４１０  シリコン基板
４１１  ばね（アーム）
４１２  傾斜構造
４２  接着層
４３  配線
４４  配線（貫通穴部分）
４５  上部電極
４６  シリコン酸化膜
５００  ガラス基板
５０１ａ、ｂ、ｃ、ｄ  下部電極
５０２  絶縁膜
５０３  コンタクトパッド
５１１  片持ちアーム（内側）
５２２  外周板
５０  支持台
５１  片持ちアーム（外側）
５２  捩り振動板
５３  傾斜構造
６１０  石英基板
６１１  捩り振動板
６１２  上部電極
６１３  捩りばね
６１４  コンタクトパッド
６１５  配線
６２０  シリコン基板
６２１  傾斜構造
６２２ａ、ｂ  下部電極
６２４ａ、ｂ  コンタクトパッド
７１  シリコン基板
７２ａ、ｂ  シリコン窒化膜
７３  傾斜構造
７４  シリコン酸化膜
７５  下部電極パターン
７６  金属マスク
７７  シリコン酸化膜
【図１】
0003775276.tif 000002
【図２】
0003775276.tif 000003
【図３】
0003775276.tif 000004
【図４】
0003775276.tif 000005
【図５】
0003775276.tif 000006
【図６】
0003775276.tif 000007
【図７】
0003775276.tif 000008
【図８】
0003775276.tif 000009