(57)【特許請求の範囲】
【請求項１】
電子の供給部及び電子の漏洩部となるエレクトリカルコンタクト（９）と、不純物を添加されたダイヤモンドまたは黒鉛状のダイヤモンドから形成された抵抗層とを有するマイクロアクチュエータであって、３００Ｋにおいて１Ｗｃｍ−１Ｋ−１未満の熱伝導率を有し、且つ、少なくとも０．２５μｍの厚さを有する少なくとも一つの断熱層（２）上に配置されたことを特徴とするマイクロアクチュエータ。
【請求項２】
前記抵抗層（４）が１ｍｍ２未満の表面積を有することを特徴とする請求項１に記載のマイクロアクチュエータ。
【請求項３】
前記断熱層（２）がアモルファス材料から構成されたことを特徴とする請求項１または請求項２に記載のマイクロアクチュエータ。
【請求項４】
前記断熱層（２）が不導体から構成されたことを特徴とする請求項１から請求項３までのいずれか１項に記載のマイクロアクチュエータ。
【請求項５】
前記断熱層（２）の材料が珪素酸化物、窒化珪素、窒化珪素酸化物またはアルミニウム酸化物から選択されたことを特徴とする請求項１から請求項４までのいずれか１項に記載のマイクロアクチュエータ。
【請求項６】
前記マイクロアクチュエータが前記断熱層（２）と前記抵抗層（４）の間に配置された少なくとも一つの中間層（３）を含むことを特徴とする請求項１から請求項５までのいずれか１項に記載のマイクロアクチュエータ。
【請求項７】
前記中間層（３）が側方構造のイントリンシックダイヤモンドから構成されることを特徴とする請求項６に記載のマイクロアクチュエータ。
【請求項８】
前記断熱層（２）が珪素または炭化珪素から選択された前記基板（１）上に配置されたことを特徴とする請求項１から請求項７までのいずれか１項に記載のマイクロアクチュエータ。
【請求項９】
前記抵抗層（４）に添加される前記物質の濃度が１０１９ｃｍ−３以上を有することを特徴とする請求項１から請求項８までのいずれか１項に記載のマイクロアクチュエータ。
【請求項１０】
前記電子の供給部及び前記電子の漏洩部となるエレクトリカルコンタクト（９）が、少なくとも一つのコンタクトマテリアル層（１０）、前記コンタクトマテリアル層（１０）の上に配置された拡散障壁（１１）、前記拡散障壁（１１）の上に配置された金属被覆層（１２）から構成されることを特徴とする請求項１から請求項９までのいずれか１項に記載のマイクロアクチュエータ。
【請求項１１】
前記コンタクトマテリアル層（１０）がアモルファス珪素から構成され前記拡散障壁（１１）が窒素を添加されたアモルファスの珪化タングステン層から構成されることを特徴とする請求項１０に記載のマイクロアクチュエータ。
【請求項１２】
前記マイクロアクチュエータが流体射出のための構造を備えたことを特徴とする請求項１から請求項１１までのいずれか１項に記載のマイクロアクチュエータ。
【請求項１３】
前記流体射出のための構造がチャネル構造（１３）とノズル（１６）を備えたことを特徴とする請求項１２に記載のマイクロアクチュエータ。
【請求項１４】
温度センサーが前記マイクロアクチュエータ領域に配置されることを特徴とする請求項１から請求項１３までのいずれか１項に記載のマイクロアクチュエータ。
【請求項１５】
前記マイクロアクチュエータ自体が前記温度センサーとなることを特徴とする請求項１から請求項１４までのいずれか１項に記載のマイクロアクチュエータ。
【請求項１６】
熱マイクロアクチュエータとして用いた請求項１から請求項１５までのいずれか１項に記載のマイクロアクチュエータ。
【請求項１７】
流体の爆発的蒸発のために用いた請求項１から請求項１５までのいずれか１項に記載のマイクロアクチュエータ。
【請求項１８】
熱気圧式マイクロアクチュエータとして用いた請求項１から請求項１５までのいずれか１項に記載のマイクロアクチュエータ。
【請求項１９】
燃料噴射のために用いた請求項１から請求項１５までのいずれか１項に記載のマイクロアクチュエータ。
【請求項２０】
インクジェットプリンティングヘッドとして動作すべく配置された請求項１から請求項１５までのいずれか１項に記載のマイクロアクチュエータ。
【発明の詳細な説明】
【０００１】
【発明の属する技術分野】
本発明は、電子の供給部及び電子の漏洩部によって供給される不純物を添加されたダイヤモンドからなる抵抗層を有するマイクロアクチュエータに関する。
【０００２】
【従来の技術】
シリコン基部を有するマイクロアクチュエータは既に商業用にも長年使われてきている。一例としてインクジェットプリンティングヘッドに組み込まれた熱気圧式アクチュエータが挙げられる。この型のアクチュエータにおいては、マイクロアクチュエータに接する液層は、２，３マイクロ秒のうちに電流で発熱する金属抵抗層で摂氏３００度以上に熱され爆発的に蒸発させられる。泡の膨張の際に生じる圧力を用いてインク粒を印刷される媒体に向けて加速する。熱アクチュエータ及び特定の抵抗層はこのようにしておきる高温と高圧のきびしい負荷にさらされている（空洞化効果）。そのためこの型のアクチュエータの抵抗層は寿命を延ばすためしばしば幾層かの安定層を伴う。
【０００３】
ダイヤモンドフイルム上のマイクロアクチュエータであってボロンを添加されたダイヤモンドの抵抗層を有するものについては「シリコン上ダイヤモンドのヘテロエピタキシャル構造を用いたミクロンスケールレジスタの製作」アール．ルーナー（Ｒ．Ｌｅｕｎｅｒ）他、第６回ヨーロッパヘテロストラクチャー工学ワークショップ，ライユ，フランス，１９９６年９月１５〜１９日。で知られる。旧来のアクチュエータで必要とされた力学的な支持層は、ダイヤモンドの力学的並びに優れた化学的及び熱的安定性により、ダイヤモンドの抵抗層を用いることで代替物なしに省くことができる。しかしながらダイヤモンド基部を有するマイクロアクチュエータにおいては、ダイヤモンドの熱伝導率が高いため、抵抗層において生じた熱の大部分が抵抗層の下に有するダイヤモンドフィルム内に拡散する。この拡散がダイヤモンド発熱体の効率を無視できないほど損なう。
【０００４】
この問題を解決するため、反応性イオンエッチングによりマイクロアクチュエータ部分裏側のダイヤモンド基板を薄くする提案がなされている。しかし、このような薄い基板では力学的強度が極端に低くなり、よってたとえば液体の爆発的な蒸発といったことさえもマイクロアクチュエータの破壊をもたらす可能性がでてくる。その上、側方への熱拡散は薄くしたダイヤモンド基板であっても発生する。
【０００５】
【発明が解決しようとする課題】
そこでこの点及び当該技術の現状における更なる不利に対して、本発明は、上記の課題を解決することのできる高い力学的安定性と高効率を併せ持つダイヤモンド基板を有するマイクロアクチュエータを提供することを目的とする。更に、このマイクロアクチュエータは生産が簡単かつ多くの利用法があり、特にガスや液体といった流体を過熱し又は蒸発させることに適したものでなければならない。
【０００６】
【課題を解決するための手段】
この目的は特許請求の範囲における独立項である請求項１に記載の特徴により達成される。また従属項である請求項２から請求項２０は本発明の更に有利な具体例を規定する。即ち、本発明により、電子の供給部及び電子の漏洩部となるエレクトリカルコンタクト（９）と、不純物を添加されたダイヤモンドまたは黒鉛状のダイヤモンドから形成された抵抗層とを有するマイクロアクチュエータであって、３００Ｋにおいて１Ｗｃｍ−１Ｋ−１未満の熱伝導率を有し、且つ、少なくとも０．２５μｍの厚さを有する少なくとも一つの断熱層（２）上に配置されたことを特徴とするマイクロアクチュエータが提供される。
【０００７】
少なくとも一つの断熱層上に配置された、不純物を添加されたダイヤモンド又は黒鉛状ダイヤモンド（ダイヤモンド類似炭素）から作られる抵抗層を有するマイクロアクチュエータにおいては、抵抗層で生じた熱の拡散が明らかに減少し、また、これによりマイクロアクチュエータの効率が有意に向上する。当該技術の現状におけるマイクロアクチュエータとは対照的に、当発明のマイクロアクチュエータはダイヤモンドフィルム大表面との熱的接触がなく、かつ適切な構造により更なる熱シンクが少ない。熱の側方拡散はメサエッチングや選択的成長といった手段で防止しうる。基板への熱拡散は断熱層を有する垂直層構造により排除される。断熱層の使用は現状の当該技術における過度の基板の薄化をなくし、よって当該発明によるアクチュエータを力学的に安定で商業的基板として配置できうるものとする。
【０００８】
断熱層の熱伝導率は300Kにおいて１Wcm-1K-1未満である。珪素酸化物、窒化ケイ(珪)素、窒化ケイ(珪)素酸化物やアルミニウム酸化物といった材料から構成される場合もあり得る。マイクロアクチュエータの十分な熱的絶縁を保証するために、断熱層の厚さは最低０．２５μmとし、できれば１μmから１０μmの範囲とするべきである。断熱層は特に熱伝導率の低いアモルファス材料から構成されることが望ましい。断熱層は絶縁体か電気伝導率が低い材料で構成されることが望ましい。
【０００９】
不純物を添加された抵抗層は直接断熱層の上に成長させてもよい。あるいは、抵抗層と断熱層の間に一又はそれ以上の中間層を配置することも考えられる。熱の側方拡散をさけるため、最低ひとつの中間層がそれ自体断熱層であるかまたは側方構造であるかするべきである。
【００１０】
マイクロアクチュエータの抵抗層は、望ましくは１mm２未満の表面積で、かつ特に１００×１００μm２未満が望ましい。驚くべきことに、マイクロアクチュエータ固有の低表面積と当発明の要である断熱層との組合せにより、表面域での熱密度は平方センチメートル当たりメガワットの範囲の値が得られた。このような表面域の高い熱密度は、当発明のマイクロアクチュエータの多数の望ましい応用の前提条件である。これにより、例えば 、マイクロアクチュエータに接する流体層が動的な操作の過程で２，３マイクロ秒の間に摂氏３００度以上に過熱されうる。これによりダイヤモンド基板を有するマイクロアクチュエータであっても流体射出手段としての熱気圧式のマイクロアクチュエータとして適当であることが証明されうる。
【００１１】
熱気圧式のマイクロアクチュエータを局所的な過熱と爆発的な蒸発による流体の射出に使用するには、抵抗層部分に配置された射出構造の存在が必要となり、各ケースに流体を供給するためのチャネルに加えて少なくとも一つのチャンバー、ノズルを好適に有する。
【００１２】
発明の好適な実現はマイクロアクチュエータの正確なコントロールを保証するためにマイクロアクチュエータとモノリシックに合成された温度センサーを用いて当発明のマイクロアクチュエータからの放熱量を記録することを予見する。しかしながら、層の抵抗が温度に強い依存性があることが温度センサーとして必要な一方で、マイクロアクチュエータを熱マイクロアクチュエータとして使用する場合は抵抗層は事実上温度に依存しない抵抗層であるべきである。抵抗層に添加される物質の濃度は、よって、最低１０１９ｃｍ−３とする必要がある。添加される物質の濃度が低く、一定の熱に対する反応の温度依存性が許容されるならば、マイクロアクチュエータ自体が温度センサーとなりうる。
【００１３】
【発明の実施の形態】
マイクロアクチュエータの構造を図１a)〜c)に示す。３μｍ厚さのSiO2層２が始めに珪素炭化物又は珪素基板１にＣＶＤ工程を用いて図１a)の層構造を作るべく溶着される。多結晶イントリンシックダイヤモンドがSiO2層２に同様にＣＶＤ工程を用いてあてがわれる。イントリンシックダイヤモンド膜３の厚さを約１μｍとするため、固体ボロン源が析出装置に差し込まれ、更にp+が添加されたダイヤモンドが４００ｎｍの厚さまで添加物濃度が１０２０〜１０２１cm-3で成長する。p+が添加されたダイヤモンド膜は抵抗層４としてはたらく。
【００１４】
構造化するべく、SiO2膜５が抵抗層４の大表面及び後に例えば基質内でメサ６として配置される範囲にスパッターされ、フォトラッカー７で覆われる。
【００１５】
メサ構造形成のためのプラズマエッチング工程後、図１b)に示される６０×６０μm２サイズの部品メサ６は、まずエレクトリカルコンタクト９を作成するためにフォトラッカー８で更に覆われる。コンタクト９はその後複数層にスパッターされる（図１c）。コンタクト９はp+ボロンが混入された珪素コンタクト層１０、珪化タングステン層１７、原子百分率１０の窒素が添加された珪化タングステン層１１、及び金被覆層１２を含む。珪化タングステン層１１は珪素コンタクト層１０と金被覆層１２間の拡散障壁としてはたらく。ラッカー層８とラッカー層上に配置されたコンタクト９の領域は最後のリフトオフ工程で除去される。
【００１６】
熱気圧部品としてのこのマイクロアクチュエータは射出構造として用意されねばならない。図２に描かれたマイクロアクチュエータは毛細チャネル構造１３をもち、その上にノズル板１４が配置されている。ノズル板１４内のノズル開口部１６に接するチャンバー１５は、抵抗層４の領域内のチャネル構造１３に設計されている。流体の微細液滴はコンタクト９へ電圧パルスを加えることで射出される。抵抗層４が不動態層であれば腐食液を使用する場合に有利である。
【００１７】
構造１３，１４，１５は、例えばメッサーオリンマイクロエレクトロニックマテリアルシリーズ７５００のポリイマイドで作られることもある。ポリイマイドは光反応性塗料の形態で存在するので一又は複数のマイクロアクチュエータが配置される基板表面の全体に塗布され、テンバリング後、チャネル構造１３がチャンバー１５と共にフォトリソグラフィー的に作成される。ノズル板１４はシリコン基板で別途前もって成形されその後フォトリソグラフィー構造で分離される。ノズルプレート１４はその後チャネル構造１３上に配置され、熱的に接着される。最後にチャネル構造１３に流体を供給するために精製鋼の接合部品をまた射出構造に接着する。
【００１８】
当発明の熱気圧的マイクロアクチュエータの補助により、商業的に入手可能な中程度の熱容量で動的操作中に最低の流体層が２，３マイクロ秒の間に三百度以上に加熱されることが試験において示された。異なる流体において熱パルス開始２マイクロ秒後には蒸発泡の核が形成されることが高速度撮影により証明される。
【００１９】
図３は核形成時の液体についての薄層構造における垂直温度分布の数値解析の結果を示す。液体内の温度は摂氏３００度以上の値に達し、よって当発明によるマイクロアクチュエータを使用することで発生する一時的局地的な圧力は５０から１００バールの範囲となることが示される。
【００２０】
一例としての前出のインクプリンティングヘッドまたは燃料インジェクションとしての熱気圧式マイクロアクチュエータとしての利用に加えて、考えられる利用方法の一例として圧力抵抗や熱素子（ヒーター）も存在しうる。更には、医療技術への応用も考えうる。例えば精密な熱治療のために微小針上にマイクロアクチュエータを配置することによって極小範囲の侵略的な手術を行うことも考えられる。
【００２１】
【発明の効果】
【図面の簡単な説明】
以下の図を用いて発明をより詳細に説明し、望ましい実施形態の例を示す。。
【図１】    当発明のマイクロアクチュエータの構造を示す。
【図２】    射出構造を伴う当発明のマイクロアクチュエータの構造を示す。
【図３】    当発明のマイクロアクチュエータの垂直温度パスシュミレーションを示す。
【符号の説明】
１  珪素基板
２  断熱層
３  中間層
４  抵抗層
５  SiO2層
６  メサ
７  フォトラッカー
８  フォトラッカー
９  エレクトリカルコンタクト
１０  珪素コンタクト層
１１  拡散障壁
１２  金属被覆層
１３  チャネル構造
１４  ノズル板
１５  チャンバー
１６  ノズル
【図１】
0003831193.tif 000002
【図２】
0003831193.tif 000003
【図３】
0003831193.tif 000004