JP2004201499A - 静電機械及びこれの製造方法 - Google Patents

Abstract

【課題】 マイクロマシン技術で実施されるよりもかなり大きい、有用な仕事が可能な機械及び製造方法を提供する。
【解決手段】 互いに積層された複数のマイクロマシン層をそれぞれ含む機械構造、ならびにその製作方法を提示する。各機械構造は、スタックを含む複数のマイクロマシン層のうちの少なくとも１つの層の超小型構造から画定された可動部材を含む。製作の際には、ＶＬＳＩ技術を使用してマイクロマシン層を別々に形成し、その後でスタックの形で選択された配列で互いに積層して機械構造を画定する。
【選択図】 図１

Description

本発明は、一般には機械構造の製作に関し、具体的には別々に形成され、その後で、機械を形成するように選択されたスタック配列で積層された複数層の超小型構造を含む機械の製作に係わる。

マイクロマシン技術は急速に発展し続けているが、そのような機械は実際には一般にマイクロセンサとしてのみ使用されてきた。たとえば、機械的振動を検知して加速度を設定するシリコン・マイクロセンサ・チップがあり、圧力を測定するシリコン・ダイアフラム圧力センサと呼ばれるマイクロセンサもある。材料のイオン濃度、誘電特性、有機体蒸気濃度、気体濃度などを検知する化学センサもシリコン基板上に製作されている。

ダイアフラム及びマイクロブリッジなどの大部分の超小型構造は、比較的動かせない要素または部材を有する構造であった。しかし、最近、可動部材を有するマイクロアクチュエータの製作までマイクロマシン技術が広がっている。たとえば、両者とも「Electrostatic Micromotor」という名称である米国特許第４９４３７５０号及び第４９９７５２１号を参照されたい。

基本シリコン技術を使用して、機械として形成された多くの可動マイクロ物体をシリコン基板上に製作することができる。これらのマイクロマシンは、従来の大規模集積（ＬＳＩ）処理または超大規模集積（ＶＬＳＩ）処理を用いて、単一の基板上に画定された超小型構造で構成される。残念ながら、既存のマイクロマシンの重大な欠点は、それらの素子がそれほど小型ではなく、実用的用途がほとんどないことである。たとえば、１マイクロメータ×０．１マイクロメータの静電モータは、恐らく他のマイクロマシン・ギヤ以外は何も駆動することができない。

したがって、本発明は、マイクロマシン技術の実用化を追求する既存のマイクロマシン技術の新規の拡大である。本発明の目的は、マイクロマシン技術を用いて製作されるが、マイクロマシン技術で実施されるよりもかなり大きい、有用な仕事が可能な機械を提供することである。

要約すると、本発明は主要な態様では、積層された複数の層で形成されたスタック構造を含む機械を開示する。このスタック構造は、スタック内の複数の層を含む層のうちの少なくとも１つの層の超小型構造から画定された可動部材を含む。具体的な例として、この機械は、固定子構造と、固定子を基準にして固定子に接触せずに動くように配置された回転子構造とを含むスタックを備えた静電モータを含むことができる。回転子構造は、スタックを含む複数の層内の少なくとも１つのマイクロマシン層の超小型構造から画定される。

他の態様では、本発明は、複数の基板を設けるステップと、少なくとも１つの穴が少なくとも１つの基板内に構造を画定する、少なくとも１枚の基板内に少なくとも１つの穴を形成するステップと、少なくとも１つの穴の少なくとも一部に犠牲材料を充填して、少なくとも１つの穴によって分離されている選択された構造を一時的に互いに固定するステップと、複数の基板を選択された配列で積み重ねてスタック構造を形成するステップと、前記穴によって基板内に画定された構造が前記スタック構造内に可動部材を含むようにして少なくとも１つの穴から犠牲材料を除去し、それによって機械を形成するステップとを含む機械製作方法を含む。

他の態様では、穴が、選択された配列で基板を積み重ねたときに機械を製作する基板内の超小型構造を画定し、少なくとも２枚の基板のそれぞれの基板内に少なくとも１つの穴を形成するステップと、基板内の穴のうちの少なくともいくつかに犠牲材料を充填して穴によって分離されている選択された超小型構造を一時的に互いに固定するステップと、基板を選択された配列で積み重ねてスタックを形成するステップと、基板内の穴から犠牲材料を除去するステップとを含み、スタックを形成する少なくとも２枚の基板の積み重ねられた超小型構造によってスタック内に可動部材が画定され、それによって機械を形成する、機械製作方法を開示する。

本明細書では、静電機械、特に静電モータを参照しながら説明するが、当業者なら、提示されている概念が１つまたは複数の可動部材を有する多種多様な機械の製作にも等しく適用可能であるものと理解されよう。概念的には、本発明は、一連のマスクを使用して、後で選択された配列で組み立てられる基板またはウエハ上に層またはスライスを画定して、機械を含むスタックを形成する。スタックが形成されるまで、犠牲層によって可動部材を層内で一時的に保持する。機械をスタックとして製作することによって、マイクロメータからミリメータ、センチメータまでの寸法を持つ機械を実現することができる。本質的には、提示されている概念によって、マクロ（センチメータ）の大きさの機械とミクロの大きさの機械の間の既存の間隙を満たす大きさの機械を製作することが可能である。

さらに、本明細書で提示されている技法を使用して、多様な機械を構築することができる。たとえば、スタックの個々の層がそれぞれ異なるマイクロマシン構造を含むことができる。または、同じ構造を含む場合には、それらの構造を異なる大きさまたは形状あるいはその両方とすることができる。たとえば、本明細書で提示されている層化手法を使用して、西洋梨形の回転子を放射状に構想し、構築することができる。本明細書の基本概念を用いて行えることにはほとんど制限がない。

図１及び図２に、基板１２内に部分的に画定されたマイクロマシン層（一般的に１０で示す）の１つの実施例を示す。層１０は、第１のマスク１３（点線で図示されている）を使用してパターン形成された、基板１２内の穴または溝１４によって画定されている。マイクロマシン層は、固定子構造１６と回転子構造１８を含む。この実施例では、マスク１３は基板内に、ハブ２２を画定する第２の穴２０も形成する。最終的に固定子構造１６に当技術分野で周知の方式で適切な電位を加えると、このハブを中心にして回転子構造１８が回転する。したがって、マイクロマシン層１０は静電マイクロモータを含む。静電マイクロモータは超大規模集積（ＶＬＳＩ）技法を使用して画定されることが好ましい。穴１４及び２０によって画定された基板構造（１６、１８、２０）を、本明細書ではマイクロマシン層１０内の「超小型構造」と呼ぶ。また、この実施例ではマイクロマシン内で回転子１８のみが可動部材を構成することになることにも留意されたい。

一例として、基板１２は、方向性ウェット・エッチングを用いて穴を形成することができるように結晶学的に配向されたシリコン基板またはシリコン・ウエハを含むことができる。穴１４及び２０は、基板１２の少なくとも半分まで通るように時間エッチングされることが好ましい。したがって、所望の深さを実現するようにウェット・エッチングすることが必要である。シリコンのウェット・エッチングは当技術分野で周知である。たとえば、「Accelerated Etching of Silicon in Anisotropic Ethylene Diamine−Water-Pyrazine-Pyrocathecol Bath」、IBMテクニカル・ディスクロージャ・ブルテン（Vol.31, No. 7, 1988年12月）に記載されているその一形態を参照されたい。

本発明によると、次に犠牲層２４（図３）を基板１２の上面１５の上に共形に付着させ、穴１４及び２０が上面１５と交わるようにする。穴を充填した後、犠牲材料が穴１４及び２０の中にのみ残るように任意の適切な方法で犠牲層２４を元通りに同一平面化する。適切な犠牲材料には、ポリイミド、パラリエン（paralyene）、窒化物、または酸化物などの材料だけでなく、ある種の金属及び多結晶材料も含まれる。材料の必要条件は、選定された犠牲材料がウェット槽内できれいに除去されなければならないと同時に、シリコン基板またはその中に形成された超小型構造（たとえば固定子、回転子、ハブ）がエッチングされてはならないということである。図１には図示されていないが、当業者なら、回転子１８の方に向いていない各固定子構造１６の３つの面を、固い取り外し不能絶縁層を介して基板１２から離隔することができることがわかるであろう。この絶縁層は、穴の残り部分を充填する犠牲材料とは異なる材料を含むことになることは明らかである。

次に、基板１２の下面が最上部になるように基板１２を裏返し、図１〜図３の処理を繰り返す。具体的には、基板１２の上面１７に第２のマスク２６を形成し、第１の穴２８と第２の穴３０によってパターン形成する。これらの穴は、基板１２上にすでに形成されている上面１５と交わる穴または溝と位置合わせされるように配置する。赤外線を使用して、第２のマスクの穴を、基板１２内にすでに形成済みの穴と位置合わせすることができる。この第２のエッチング操作の場合は充填された穴がエッチ・ストップの役割を果たすため、面１７から基板１２内への穴のエッチングは非時限式に進めることができる。次に、面１７と交わる穴に、面１５と交わる穴の充填に使用したもののような犠牲材料を充填する。その結果、充填されたスルーホールまたは穴１４'及び２０'が、基板またはウエハの主平面１５と１７の間に延びることになる。これらの穴内に付着させた犠牲材料は、回転子、ハブ、及び固定子構造を固定した位置関係に保持することに留意されたい。この材料をこの時点で除去したとすれば、ハブと回転子が基板から分離されることになる。構築する機械に合わせて、穴１４'及び２０'内で取り外し不能絶縁材料を選択的に使用することができることにも留意されたい。

図６を参照すると、同じマイクロマシン層１０'を製作し、次に、選択された配列で積層してスタック構造４０を形成する。本明細書では、「スタック」とは、各層の少なくとも１つの主平面が隣接する層の主平面に積層されているモノリシック構造を含む。この実施例では、スタック内の各マイクロマシン層を通る穴１４'及び２０'が整列するようになっている配列である。基板またはチップのスタッキングは現在当技術分野で周知である。たとえば、共通譲渡された米国特許第５２０２７５４号、第５２７０２６１号、及び第５４２６５６６号を参照されたい。

積み重ね時に、様々な手法を使用して層１０'を積層することができる。たとえば、各層の外縁部上のみで接着材を使用することもできる。接着加工によって、超小型構造（たとえばハブ、回転子、固定子構造）が接触するのを妨げる厚みが生じる場合は、加工時に追加のマスクを使用して各層の外縁部を接着材を受け入れるのに十分な量だけへこませることもできる。あるいは、各基板内に穴を形成する前に各基板の主平面上にチタニウムまたはタングステンなどの層を形成し、穴が形成されたらチタニウム層またはタングステン層が穴に自己整列するようにし、後でスタック構造内にマイクロマシン層を配置するときに使用できるようにすることも可能である。チタニウム層またはタングステン層をスタック内に配置した状態で、熱処理を行うとスタック内の様々な層の整列した超小型構造間の電気ボンディングまたは機械ボンディングが強化される。

図７及び図８に、本発明によって完成した機械７０を図示する。機械７０は図６のスタック構造４０を使用し、図のように、機械の端部層としてエンドキャップ・マイクロマシン層５０を使用する。エンドキャップ層５０は、スタックの各端部に配置され、機械内の可動部材を所定位置に保持する機能を果たす。このようなキャップ構造がないと、層１０'内の穴から犠牲材料を除去すると同時に、回転子構造とハブ構造がスタックの残りの部分から簡単に離れることになる。当業者なら、キャップ５０は上記でマイクロマシン層１０'に関して述べたのと同一または同様の工程によって製作することができるが、使用するマスクは明らかに異なることに気づくであろう。

エンドキャップ層５０は、マイクロマシン層１０'の積み重ねられた固定子超小型構造に電気的に接続する構造５４を、電気的に絶縁するための窒化物などの硬質絶縁材５６を含む。回転子の領域内の隣接するマイクロマシン層１０'とエンドキャップ・マイクロマシン層５０との間にギャップ６０を設けて、回転子がエンドキャップ層と接触することなく自由に回転することができるようにする。この実施例では、固定されたハブ構造５８を、ハブ構造が隣接するマイクロマシン層１０'に接触するように配置する。しかし、ハブ構造はマイクロマシン層内の回転子構造に接続することも接続しないことも可能であることに留意されたい。ハブ構造を回転子に接続した場合、エンドキャップ層５０の構成は明らかに異なることになる。たとえば、ハブが機械の外部の機構を駆動する必要がある場合は、ハブを回転子構造に接続しなければならず、エンドキャップ層は外部シャフトを駆動するように設計することになる。

図８は、様々な層から犠牲材料を除去するために腐食液に浸漬した後の図７の構造である。犠牲材料との連絡及び犠牲材料のエッチングは、エンドキャップ層５０内のアクセス穴（図示せず）を通して行われることになる。最終パッケージ化の前に、固定子構造に電気信号線を接続する。既存のＶＬＳＩ技法を使用して、本明細書で提示している基本静電モータに強化機構（図示せず）を設けることもできる。たとえば、ブッシング、軸受、マイクロ潤滑剤、タイミング素子などを付加することができる。

本明細書では静電機械、特に静電モータを参照しながら説明したが、当業者なら、提示されている概念が１つまたは複数の可動部材を有する多種多様な機械の製作に等しく適用可能であることがわかるであろう。たとえば、静電機械において、回転部材を含む層を接続せず、異なる速度で回転するように異なる薄さにすることができ、所望であれば異なる方向に回転するように制御することさえもできる。これは２つの回転子セグメントが、固定子構造に積層スタックの各端部で別々に接触し、中央付近で分離するようにすれば、実現することができる。さらに、少なくとも１つの固定子構造を速度センサとして使用すれば、フィードバックを使用して回転子構造の速度を制御することができる。たとえば、回転速度を回転子内にエッチングされた溝と関連させることができる。

概念的には、本発明は、一連のマスクを使用して基板上またはウエハ上に層またはスライスを画定し、後で選択された配列で組み立ててスタックを形成し、それによって機械を形成する。スタックが形成されるまで、犠牲層によって層内に可動部材を一時的に保持する。機械をスタックとして製作することによって、マイクロメータからミリメータ、センチメータまでの寸法の機械を実現することができる。本質的には、提示されている概念によってマクロ（センチメータ）の大きさの機械とミクロの大きさの機械の間の既存の間隙を埋める大きさの機械を製作することができる。

さらに、本明細書で提示されている技法を使用して、多様な機械を構築することができる。たとえば、スタックの個々の層がそれぞれ異なるマイクロマシン構造を含むことができる。または、同じ構造を含む場合には、それらの構造を異なる大きさまたは形状あるいはその両方とすることができる。たとえば、本明細書で提示されている層化手法を使用して、西洋なし形の回転子を放射状に構想し、構築することができる。本明細書の基本概念を用いて行えることにはほとんど制限がない。

以上、本明細書では本発明について本発明の特定の好ましい実施例に従って詳細に説明したが、当業者なら本発明に多くの修正及び変更を加えることができる。したがって、特許請求の範囲によってそのような修正及び変更はすべて本発明の真の精神及び範囲に含まれるものと意図される。

本発明により製作した静電マイクロマシン層の平面図である。 線Ａ−Ａに沿って切り取った図１のマイクロマシン層の断面図である。 画定された穴に犠牲材料を付着させ、同一平面化した後の図２のマイクロマシン層の断面図である。 反転し、マイクロマシン層にすでに形成されている穴に穴を位置合わせしてパターン・マスクを配置した、図３のマイクロマシン層の断面図である。 パターン形成面内に穴を形成し、それらの穴に犠牲材料を充填した後の図４のマイクロマシン層の断面図である。 各層が図５の構造を含む、複数のマイクロマシン層の積層から形成されたスタックの部分断面図である。 犠牲材料が入った状態のままの、本発明により図６から製作された機械の部分断面図である。 機械が複数のマイクロマシン層によって画定された可動部材を含むようにして、犠牲材料を除去した後の、図７の機械の部分断面図である。

符号の説明

１０ マイクロマシン層
１２ 基板
１３ マスク
１４ 穴
１５ 主平面（上面）
１６ 固定子構造
１７ 主平面（上面）
１８ 回転子構造
２０ 穴
２２ ハブ
２４ 犠牲層
２８ 穴
３０ 穴
４０ スタック構造
５０ エンドキャップ層
５６ 絶縁材
５８ ハブ構造
６０ ギャップ
７０ 機械

Claims (21)

1. 独自に形成されて相互にスタック状に積層された複数の層を含むスタック構造を有し、該スタック構造の前記複数の層は、少なくとも２つのマイクロマシン層を含み、該マイクロマシン層のそれぞれは、ハブ部材、回転子部材及び該回転子部材の周囲に隣接して配置された複数個の固定子部材を含む同一の形状の超小型構造を有し、前記複数のマイクロマシン層のそれぞれの前記ハブ部材同士がボンディングされ、前記複数のマイクロマシン層のそれぞれの前記回転子部材同士がボンディングされ、前記複数のマイクロマシン層のそれぞれの前記固定子部材同士がボンディングされていることを特徴とする静電機械。
2. 前記少なくとも２つのマイクロマシン層を挟むように２つのエンドキャップ層が設けられ、該２つのエンドキャップ層のそれぞれは、前記ハブ部材に接続し且つ前記回転子部材からギャップを介して配置されているハブ構造を有することを特徴とする請求項１に記載の静電機械。
3. 前記２つのエンドキャップ層の少なくとも一方に、前記複数個の固定子部材のそれぞれに接続する電気的接続部が設けられていることを特徴とする請求項２に記載の静電機械。
4. 前記回転子部材が前記ハブ部材の周りで回転することを特徴とする請求項１に記載の静電機械。
5. 前記回転子部材が前記ハブ部材を介して前記２つのエンドキャップ層の少なくとも一方の前記ハブ構造に接続されており、前記ハブ構造が前記回転子部材により回転されるいることを特徴とする請求項２に記載の静電機械。
6. （ａ）複数の基板を用意するステップと、
   （ｂ）前記複数の基板のうちの少なくとも１つの基板に、ハブ部材、該ハブ部材を中心とする回転子部材及び該回転子部材の周囲に隣接して配置された複数個の固定子部材からなる超小型構造を画定する穴を設けて、該穴を犠牲材料で充填し、前記ハブ部材、前記回転子部材及び前記複数個の固定子部材の位置関係を一時的に正しく固定するステップと、
   （ｃ）前記複数の基板を選択された配列で積み重ねてスタック構造を形成するステップと、
   （ｄ）前記穴に充填されている前記犠牲材料を除去して、前記回転子部材を回転可能にするステップとを含む静電機械の製造方法。
7. 前記複数の基板が、シリコン基板であることを特徴とする請求項６に記載の静電機械の製造方法。
8. 前記ステップ（ｃ）が、前記積み重ねた複数の基板を接着することを特徴とする請求項６に記載の静電機械の製造方法。
9. 前記ステップ（ｂ）が、前記複数の基板に接着層を形成することを特徴とする請求項６に記載の静電機械の製造方法。
10. 前記接着層が、チタニウム層又はタングステン層であることを特徴とする請求項９に記載の静電機械の製造方法。
11. 前記ステップ（ｃ）が、熱処理により前記積み重ねた複数の基板を接着する
    ことを特徴とする請求項１０に記載の静電機械の製造方法。
12. 前記ステップ（ｂ）が、前記超小型構造を画定する第１の穴を前記少なくとも１つの基板の上面から該基板の厚さよりも浅い深さまで形成するステップと、前記第１の穴を前記犠牲材料で充填するステップと、前記少なくとも１つの基板の下面から前記超小型構造を画定する第２の穴を前記犠牲材料に達するまで形成するステップと、前記第２の穴を前記犠牲材料で充填するステップとを含むことを特徴とする請求項６に記載の静電機械の製造方法。
13. 前記ステップ（ｂ）が、前記ハブ部材に接続可能であり且つ前記回転子部材に対してギャップを介して対面可能に延びる延長部を有するハブ構造を有するエンドキャップ基板を２つ形成し、前記ステップ（ｃ）が、前記少なくとも１つの基板を挟むように、前記２つのエンドキャップ基板を積層し接着することを特徴とする請求項６に記載の静電機械の製造方法。
14. （ａ）複数の基板を用意するステップと、
    （ｂ）前記複数の基板のうちの少なくとも２つの基板のそれぞれに、ハブ部材、該ハブ部材を中心とする回転子部材及び該回転子部材の周囲に隣接して配置された複数個の固定子部材からなる超小型構造を画定する穴を設けて、該穴を犠牲材料で充填し、前記ハブ部材、前記回転子部材及び前記複数個の固定子部材の位置関係を一時的に正しく固定することにより少なくとも２つのマイクロマシン基板を形成ステップと、
    （ｃ）前記２つのマイクロマシン基板を積み重ねた状態で、前記複数の基板を選択された配列で積み重ねてスタック構造を形成するステップと、
    （ｄ）前記穴に充填されている前記犠牲材料を除去して、前記回転子部材を回転可能にするステップとを含む静電機械の製造方法。
15. 前記複数の基板が、シリコン基板であることを特徴とする請求項１４に記載の静電機械の製造方法。
16. 前記ステップ（ｃ）が、前記積み重ねた複数の基板を接着することを特徴とする請求項１４に記載の静電機械の製造方法。
17. 前記ステップ（ｂ）が、前記複数の基板に接着層を形成することを特徴とする請求項１４に記載の静電機械の製造方法。
18. 前記接着層が、チタニウム層又はタングステン層であることを特徴とする請求項１７に記載の静電機械の製造方法。
19. 前記ステップ（ｃ）が、熱処理により前記積み重ねた複数の基板を接着する
    ことを特徴とする請求項１８に記載の静電機械の製造方法。
20. 前記ステップ（ｂ）が、前記超小型構造を画定する第１の穴を前記少なくとも２つの基板のそれぞれの基板の上面から該基板の厚さよりも浅い深さまで形成するステップと、前記第１の穴を前記犠牲材料で充填するステップと、前記基板の下面から前記超小型構造を画定する第２の穴を前記犠牲材料に達するまで形成するステップと、前記第２の穴を前記犠牲材料で充填するステップとを含むことを特徴とする請求項１４に記載の静電機械の製造方法。
21. 前記ステップ（ｂ）が、前記ハブ部材に接続可能であり且つ前記回転子部材に対してギャップを介して対面可能に延びる延長部を有するハブ構造を有するエンドキャップ基板を２つ形成し、前記ステップ（ｃ）が、前記少なくとも２つのマイクロマシン基板を挟むように、前記２つのエンドキャップ基板を積層し接着することを特徴とする請求項１４に記載の静電機械の製造方法。

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