JP2682181B2 - 微小可動機械機構 - Google Patents

Description

【発明の詳細な説明】 （産業上の利用分野） 本発明は微小可動機械機構に関し、特に微小で高精度
の振動型センサや高性能なマイクロロボットのアクチュ
エータ、さらに磁気ディスクや光ディスクのヘッド等の
微小可動機構として用いられるものに関する。

（従来の技術） 現在、上記分野で使用されている微小可動機械機構
は、主に旋盤加工等の機械加工技術によって作製されて
おり、機械加工技術の飛躍的な進歩により比較的低価格
で精度の良いものを作ることが可能である。しかし、シ
ステム側の進歩はさらに急激であって、より高性能なも
のを求めている。そのため、従来の機械加工の延長上で
これに対応することが困難になりつつあり、革新的な加
工技術の出現が期待されているのが現状である。以下、
これを磁気あるいは光ディスクヘッドを例にあげて説明
する。

現在、高密度に作製された記録媒体を読み出すヘッド
の検出部分は非常に微小に加工されている。しかし、こ
れを記録媒体上で動かすために検出部分は数cm程度の金
属からなるアーム上に実装されており、サーボ技術を使
って、15〜30μｍ程度の精度でヘッドの読みだし部分を
駆動している。この駆動ピッチは機械の固有振動数によ
って制限されている。可動機械が小さくなるにつれて機
械の固有振動数が大きくなり、その結果、機械を高速に
駆動することが可能となるから、これにサーボ技術を組
み合わせることによりさらに微小な動きをさせることが
出来るようになる。しかし、検出部分を金属のアームの
上に実装する現在の構造では個々の部品をさらに微細に
作製しても微小な部品を実装することの困難さ等により
機械全体を小さくすることが困難になりつつあった。一
方、記録媒体の技術の進歩は、現在、μｍ以下程度のピ
ッチで信号を記録することが可能となりつつある。従っ
て、信号を記録する分野において、高密度化を実現する
ためにヘッドの駆動機構系の大きさが最大の障害となっ
ていることがわかる。

以上述べたヘッドの微小化を従来技術の延長と異なる
手法で実現した報告はまだなされていないが、つい最
近、これを実現することができるかもしれないと期待で
きる革新的な技術がシリコン振動型センサ技術に関連し
て発表された。以下、この技術を紹介し、その問題点と
解決方法を示した後、これを応用すると微細はヘッドが
作製できることを示す。

第９図は、アイトリプルイーマイクロエレクトロメカ
ニカルシステムズ予稿集（Proceedings of IEEE Micro
Electro Mechanical Systems（1989年２月））の53頁か
ら59頁に記載されたダブリュー・シー・タング（W.C.Ta
ng）等による「Laterally Driven Polysilicon Resonan
t Microstructures」から引用した振動型センサの上面
図である。これら全ての構造はシリコン基板表面上に堆
積したポリシリコンからなっている。同図で固定電極11
a,11bに連結する固定台13と折り返しビーム15に結び付
いた支持台14がシリコン基板に密着して作製されてい
る。固定電極11a,11bと、折り返しビーム15に連結して
いる可動電極12とは、それぞれ固定台13と支持台14とに
よりシリコン基板から浮き上がる状態で支持されてい
る。固定電極11a,11bと可動電極12はそれぞれ櫛の歯状
の形に形成され、互いに1/3程度だけ相手の側に食い込
んでいる。この振動型センサは三つの電圧供給用のパッ
ドをもっている。パッド17とパッド18はそれぞれ同図の
固定電極11a,11bに電位を与えるためのもので、供給電
位とグラウンドとの間を互いに逆相に交差的に印加され
る。一方、パッド16には常にグラウンドの電位が与えら
れ、支持台14と折り返しビーム15を介して可動電極12に
グラウンド電位が与えられる。パッド17がある供給電位
をもつときパッド18がグラウンドになるので、可動電極
12が固定電極11aに静電力により引き付けられて図の上
向きに移動する。続いて、パッド17の電位がグラウンド
に変化すると同時にパッド18の電位がグラウンドでない
電圧になったとき可動電極12が図の下向きに引き付けら
れ、下方向に移動する。このパッド17とパッド18の電圧
を可動電極12の固有振動数に近い周期で変化させるとき
可動電極12が大きく振動する。可動電極12の固有振動数
は構造が決まっているとき可動電極12の周囲の気圧等の
関数である。そのため、固有振動数を検出することによ
り空気等の圧力を検出することができ、センサとして利
用できる。なお、折り返しビーム15は可動電極12の移動
により形状が変化し、この歪みの力により可動電極12を
元の位置に戻そうとする。そのため、可動電極12の移動
距離は印加電圧だけでなく折り返しビーム15の剛性の関
数でもある。

このポリシリコンからなる振動型センサは非常に微小
に作製することが可能である。第10図は、上記文献に記
載された振動型センサの作製方法である。以下、同図を
用いて振動型センサの作製方法を説明する。シリコン基
板20の一方の主面に酸化膜21および窒化膜22を堆積した
後、固定電極と可動電極との分離窓23をパターニングす
る（同図（ａ））。ポリシリコンを堆積しパターニング
をして先の図のパッド16につながるポリシリコン電極25
およびパッド17あるいはパッド18につながるポリシリコ
ン電極24を形成する（同図（ｂ））。PSG膜26を堆積し
パターニングし（同図（ｃ））、第２ポリシリコン膜27
と第2PSG膜28を堆積する（同図（ｄ））。PSG膜28をパ
ターニングし、これをマスクとしてポリシリコン膜27を
パターニングしたあとPSG膜28を除去する（同図
（ｅ））。この試料を弗酸液の中に長時間浸すことによ
りPSG膜26を除去する（同図（ｆ））。同図（ｆ）に示
すように第２ポリシリコン膜27は先の図の固定電極11a,
11bと可動電極12となり、これら電極はシリコン基板20
から浮き上がった構造となる。電極11a,b,12の厚さは２
μｍ程度である。さらに、同図（ｆ）には先の図の固定
台13が示されている。

以上示したように、ポリシリコンからなる可動機械は
シリコンICプロセスで作製することが可能であるため、
微小なものを作製することが出来る。さらに、シリコン
ICプロセスによるパターニングにより形の異なる機械要
素を同一シリコン基板状に一度に作製することができ、
個々の部品を従来の機械加工のように組み立てる必要が
ない。現時点では、具体的応用として上に記述した振動
型センサのみが発表されているにすぎないが、この技術
を磁気や光のヘッドを作製することに応用することが以
下に示すように可能である。

（発明が解決しようとする課題） しかし、上記従来技術は、堆積したポリシリコン薄膜
を機械要素として使用しているため、以下の問題点が生
じている。

（１）ポリシリコン薄膜をスパッタ装置で堆積するとき
堆積速度が小さいために厚い膜を作製するのに長い時間
を必要とする。通常のICプロセスに於てポリシリコン膜
の厚さは１μｍ程度までである。もちろん長時間の成長
を厭わないならばこれよりも厚い膜を形成することが可
能である。しかし、そのとき高価な装置を長時間占有す
ることからデバイスのコストが高くなる。さらに悪いこ
とに、厚いポリシリコン薄膜の内部には大きな内部応力
が生じており、基板の反りやクラックの原因となる。ま
してこの例のようにポリシリコン薄膜が最終的にシリコ
ン基板から分離されるときには内部応力によりポリシリ
コン構造が変形し、上に反ったり、下に反ってシリコン
基板に接触したり固着してしまったり等の問題が多数生
ずる。これらトラブルは１μｍ程度の厚さで既に数多く
報告されている。例えば、第四回固体センサとアクチュ
エータ国際会議予稿集（Digest of The 4th Internatio
nal Conference on Solid-State Sensors and Actuator
s）（1987年６月）に記載のエス・ディ・センチュリア
（S.D.Senturia）による「Microfabricated Structures
for the Measurement of Mechanical Properties and
Adhesion of Thin Films」（11頁−16頁）に詳しく記述
されている。これらの経験から均一な内部応力をもつポ
リシリコン薄膜を作製することが容易でないことがわか
る。

（２）上記（１）に記したように厚いポリシリコン薄膜
を作製することは現実には容易でない。しかし、ポリシ
リコンの厚さを厚くしたほうが以下に述べるように得策
である。

従来例の振動型センサの可動電極は固定電極との間の
電位差に起因する静電力によって振動する。この静電力
は互いに対向する電極面の断面積に比例する。従って、
断面積が小さい場合（１μｍ程度の厚さ）に充分な静電
力を得るためには大きな電圧を印加する必要があった。
先の例は固有振動数の近くで動かすために比較的効率良
く可動電極を動かすことができた。しかし、固有振動数
から離れた周波数で動かすとき200Vから350Vもの電圧が
必要である。この電圧は、通常のICで用いられている10
V程度の電圧に比べて非常に大きく、もしこの機械を駆
動しようとするとき、通常の電圧の他に昇電用コイルを
必要とするため全体の装置が大きくなるという欠点があ
った。従って、可動電極と固定電極とを厚くすることが
出来るならば、例えば、10μｍ程度の薄膜を作ることが
できたならば印加電圧を1/10にすることができ、たいへ
ん望ましいことがわかる。

（３）ポリシリコンの内部応力や機械定数等の機械的性
質が現在精力的に研究されているが、形成する際のプロ
セス条件に強く依存しており、微小機械の構造を設計す
るのにまだ充分なデータの蓄積がない。このため、作製
前に機械を精密に最適設計することができなかった。

以上の困難は従来のポリシリコンからなる微小可動機
械に固有の問題であり、これを解決する新しい機械の構
造及びこれを実現する製作方法が切に望まれていた。

本発明の目的は、上記従来技術の欠点を除去し、ポリ
シリコンにかわる物質を用いて微小な可動機械とその製
法および駆動方法を提供することにある。

（課題を解決するための手段） 本発明の微小可動機械は、固定電極に印加された静電
力により可動電極が移動する機構において、少なくとも
一つの電極が単結晶半導体からなることを特徴としてい
る。本発明の微小可動機械の一例として固定電極および
可動電極を互いに入り組んだ櫛の歯状に配置するものが
ある。またこのように配置ししかも当該一方の電極を当
該他方の電極から離れるにしたがってその電極間の距離
が変化するようにしたものがある。

本発明の微小可動機械の製造方法は、固定電極に印加
された静電力により可動電極が移動する機構の製造方法
において、少なくとも一つの固定電極あるいは可動電極
パターンを半導体基板の一方の主面に形成した後、当該
半導体基板のパターンを形成した側を他の基板に張り付
け、前記半導体基板から前記電極パターンを分離するこ
とを特徴としている。電極パターンの形成方法として
は、ボロンを高濃度に拡散したシリコン基板内に形成す
る方法や、半導体基板と異なるタイプの不純物を拡散し
てそこに形成する方法などがある。

本発明の微小可動機械の駆動方法は、固定電極に印加
された静電力により可動電極が移動する機構において、
固定電極の歯に順次に電圧を走査することにより、当該
可動電極を移動させることを特徴としている。

また本発明の微小可動機械に薄膜ヘッドあるいは光ヘ
ッドを搭載することもできる。

（作用） 本発明の微小可動機械機構では、可動電極あるいは固
定電極を単結晶半導体から構成する。単結晶は堆積した
ポリシリコン薄膜と異なり、その機械的性質が均一であ
り内部応力も小さく、さらに、良く知られた豊富なデー
タを使用することができるという長所をもっている。一
方、単結晶基板は通常微小な可動機械を作るには厚すぎ
るという困難があったが、本発明の作製方法に述べたよ
うに可動電極をパターニングした単結晶基板を薄くする
ことにより、微小な機械を作製することが可能となっ
た。このさい、単結晶基板を薄くする前に他の基板に張
り付けるので、エッチング後も個々の部品に分離してし
まうことがなく、微小機械の組み立ての手間を必要とし
ない。さらに、本発明により容易に作製することができ
るようになった微小機械の固定電極と可動電極の構造
と、両電極の間に印加する静電力の駆動方法とを工夫す
ることにより、微小機械の制御が精密にできるようにな
る。

（実施例） 本発明を用いて従来例と同様の振動型センサを作製し
たときの構造を第１図を用いて説明する。第１図はさき
の従来例の説明で用いた図と若干の部分を除いて同一の
ものであるが、材質などの構造が全く異なる。同図の構
成要素の番号で従来例の図と同一の番号は同じ作用を持
った構成要素を示している。

第１図で、固定電極11a,bと可動電極12は厚さ10μｍ
のシリコンの単結晶からなり、ガラス基板１から浮き上
がった構造をしている。可動電極12は、支持台14により
基板から浮いた単結晶シリコンからなる折り返しビーム
15を介してガラス基板１の上に支持されている。一方、
固定電極11a,bは、シリコンからなる固定台13により支
持されている。これら固定電極11a,b、可動電極12、折
り返しビーム15、固定台13、および支持台14は全て同一
のシリコン基板から作製されたものであるため、互いに
機械的性質が極めて近い。さらに、個々の内部構造も均
一な機械的性質を有ししかも内部応力も小さい。固定電
極11a,bと可動電極に電位を供給するためにパッド17,1
6,18をガラス基板上にメタルを選択的に形成することに
より作製する。これらのメタルの電極は固定台13の一部
および支持台14の一部と接しており電気的に通じてい
る。メタル電極はクロム−金、チタン−白金−金等の複
数の金属から通常構成される。パッド16と通ずるグラウ
ンド電極２を図に示すように可動電極12の周囲に広がる
ように大きくすることにより、電極の電位が固定され、
外界のノイズが小さくなる。同図に示すように固定電極
11a,bと可動電極12は相似の櫛の歯の形状で互いに入り
組んで配置されている。可動電極12にはパッド16よりグ
ラウンド電極２を通してアース電位が印加される。一
方、固定電極11a,bにはアース電位に等しい電位と、異
なる電位（10V程度）との二相の交流電位が印加され、1
1aと11bとで反対の位相となるように駆動される。可動
電極12はアース電位である側の固定電極との間に力を生
じないが、他方の固定電極との間に電位の差に比例した
静電引力を生ずる。このため可動電極はアース電位と異
なる固定電極の側に移動し、この状態が11aと11bで交互
に切り替わるためにこの切り替え速度に比例して振動す
る。固定、可動の電極の厚さが10μｍと従来より厚いた
め交流電位も10V程度と低くても充分振動する。可動電
極12と折り返しビーム15と支持台14からなる系の固有振
動数に近い振動数で上記電位が切り替えられるとき最も
大きな振幅で可動電極12が振動する。第１図の実施例で
はすべての電極を単結晶Siで作った。しかし一方の電極
はポリシリコンであってもよい。例えば固定電極11a,b
を厚さ１μｍのポリシリコン、可動電極12を厚さ10μｍ
の単結晶Siとしたときは、両方ともポリシリコンの場合
に比べ両者の間に生じる電気力線が平行になるので設計
等がしやすい。

この実施例は静電力で駆動されるため小さな領域に大
きな電界が生ずる。従って、もしデバイスが高い湿度等
の劣悪な環境にさらされると異なるメタル配線間にガラ
ス表面を通した電流のリークが生じて問題となる。その
ため、上記メタル配線をパターニングした後、メタル配
線の上に酸化膜、窒化膜等の絶縁膜をスパッタ等により
堆積することによりガラス基板を通したリーク電流を低
く抑えることが出来る。さらに、この実施例がガラス基
板上に設けられていることは注目に値する。ガラス基板
はシリコン基板と異なり完全な絶縁体であるため駆動の
際に生じた基板の電気力線に対する影響を全く無視する
ことが可能で、固定電極と可動電極との間の電気力線の
みを考慮するだけでデバイスを設計できるのでデバイス
の解析並びにスケーリングを著しく簡素化するのに役立
つ。

本実施例ではシリコン基板をガラス基板に張り付けた
構造を述べたが、シリコン基板に張り付けてもよい。こ
のとき、シリコン基板がガラスに比べて不完全な絶縁体
であることから、デバイス内の電気力線が複雑になると
いう欠点が生じるが、一方、容易にシリコン基板内に凹
凸の形状を作製することが可能なことから、本実施例と
異なる複雑な構造を作ることもできる。例えば、一方の
シリコン基板に固定電極を、他方のシリコン基板に可動
電極を本発明の作製方法に従って作製し、これらの基板
をシリコン−シリコン直接接合法によって接着すること
によって構成することも可能である。

第２図（ａ）〜（ｃ）に第１図の構造を作製するため
の新しい方法を述べる。第２図は、第１図のＡ−Ａ′断
面を示している。シリコン単結晶基板20の上に酸化膜21
を形成し、部分的に酸化膜21を除去した領域から高濃度
のボロンを拡散してボロン拡散層３を形成する（同図
（ａ））。酸化膜21を全面から除去し再び酸化膜29を設
け、部分的に除去した後、酸化膜29をマスクにしてボロ
ン拡散層３をシリコン基板20に到達するまでエッチング
してトレンチ溝４を形成する（同図（ｂ））。このトレ
ンチ溝４はドライエッチRIE（Reactive Ion Etching）
を用いると例えば円等の任意の断面形状を作製すること
が可能である。第１図に示す形状のように互いに直交す
る形状の場合にはシリコン基板20の面方位を（110）に
選び、EDP（エチレンジアミンピロカテコール）等の異
方性エッチング液を用いるウェットエッチングの技術に
よっても同図（ｂ）に示すような垂直の壁に囲まれたト
レンチ溝４を作製することが可能である。酸化膜29をパ
ターニングして酸化膜30を形成し、これをマスクとして
ボロン拡散層３およびシリコン基板20のエッチングを同
図（ｃ）に示すように行う。これら三回のマスク工程に
より固定電極31および可動電極32が形成される。続い
て、酸化膜30を除去して固定電極31が静電接着法により
ガラス基板に接着される。可動電極32は同図には示して
いないが、図面に垂直な方向に設けられた支持台を介し
てガラス基板上に支持される。このガラス基板には予め
第１図のパッドやグラウンド電極となるクロム−金、あ
るいはチタン−白金−金等の複合メタル層が選択的にパ
ターニングされている。これら金属層とボロン拡散層か
らなる固定電極および可動電極との導通はシリコンとガ
ラスとの接合の力を利用してボロン拡散層をメタル層に
物理的に押し付ける方法によりなされるため、接着材を
必要としない。最後に、シリコンとガラスとが接着した
試料をEDP等のエッチング液に浸し、シリコン基板20を
除去する。EDP等のエッチング液は高濃度にボロンが拡
散された層のみを残してシリコン基板を溶かす性質があ
り、さらに、ガラス基板や金等のメタルもエッチング液
に溶けないで残る。以上述べた作製方法のボロン拡散温
度と時間を変化させることにより固定電極と可動電極と
の厚さを１μｍ程度から数十μｍ程度に容易に変化させ
ることが出来る。この際、ボロン拡散層が単結晶シリコ
ンからなるため、その機械的性質が均一で内部応力も小
さいことがこの構造の大きな特徴である。従って、厚い
固定電極あるいは可動電極を作製しても従来のポリシリ
コン薄膜と異なりその形状が反ったりすることがない。
さらに、従来例の作製方法では先に図示した以外にコン
タクト用にさらに一枚のマスク工程が必要であるため、
合計で５回のマスク工程を必要とするのに対し、本発明
の製作方法ではシリコンに３回とガラス基板に１回のマ
スク工程を必要とするだけである。このため、製作が著
しく容易となった。なお本実施例では最初にボロンの拡
散を行ったが、この順番をかえて、図の（ｂ），（ｃ）
の後にボロンの拡散（ａ）を行ってもよい。また図の
（ｂ）と（ｃ）の各工程の順序も逆にしてもよい。

本作製方法で用いた高濃度ボロン拡散によるシリコン
のエッチング停止の他に、シリコン基板と異なる不純物
を拡散した層に静電圧を印加してエッチングを停止させ
る電気化学的エッチストップ法も有効である。この方法
を行うには例えば第２図の３をｎ型拡散層とし、基板を
ｐ型とすればよい。エッチングが停止する不純物層全体
が等電位となるようにするため、例えば、ガラス基板の
メタル配線をデバイスの外部でショートさせておき、シ
リコンのエッチングが終了した後、例えば、チップに切
断する際にこの外部のショート部を同時に切断する等の
工夫が必要である。

第３図に本発明の他の実施例を示す。同図で第１図の
構成要素と同一の番号をもつ構成要素は同一の要素を示
している。第３図の構成は、固定電極11の構造を除いて
第１図の実施例と同じである。この実施例では固定電極
11a,bの電極の歯の幅が固定台13の側へ行くにつれて大
きくなる、つまり電極間の距離が可動電極12から離れる
にしたがって狭くなるように構成されている。第１図の
実施例で説明したように可動電極12に働く力は固定電極
11に印加する電位に比例する。一方、この静電力は固定
電極と可動電極との間の距離にも比例する。第１図の実
施例の場合、固定電極と可動電極との間の距離が一定の
ため可動電極の単位長さ当たりに働く静電力は可動電極
の動きに無関係に一定であるのに対し、本実施例のよう
に固定電極と可動電極との間の距離が可動電極の移動に
より変化するとき単位長さ当たりの可動電極に働く静電
力もこれにしたがって変化し、両電極間の距離に反比例
して増大する。従って、可動電極はさらに固定電極の奥
の方に進もうとするようになる。この実施例は第１図の
場合より小さな力で駆動できるという利点がある。この
可動電極の固定電極の方向への動きは折り返しビーム15
の剛性による反対方向の力によってつりあい、やがて停
止する。この運動は固定電極11a,bの個々の歯の幅と折
り返しビームの剛性という構造的要素を変化させること
により可変であり、第１図の構造に比べて設計の自由度
が増すという利点が生じることがわかる。なお、本実施
例では固定電極側の歯の幅を変えたが、可動電極側の歯
の幅を変えてもこれと同じ効果が生じる。さらに、固定
電極側および可動電極側の両方を変化させることも本発
明に含まれる。

第４図に本発明の他の実施例を示す。同図の構成要素
で第１図の構成要素と同じ番号を持つものは同じ要素を
示している。本実施例では可動電極40とその両側の固定
電極41a,bがそれぞれ横方向に配置されており、第１図
の実施例と異なって互いに相手の側に入り組んでいな
い。さらに、同図に示すように可動電極40と固定電極41
a,bではそれぞれの歯のピッチが異なっている。同図の
実施例では、同図に矢印で示す上下それぞれ４箇所で可
動電極40と固定電極41a,bとの歯の位置が合致してい
る。可動電極40の左右の側に位置し可動電極40に一端を
固定された折り返しビーム44はガラス基板１に固定され
た支持台42により基板から浮いた状態で支持されてお
り、可動電極40を基板から浮き上げている。一方、可動
電極40の中央部においても直線ビーム43、47と連結板45
からなる緩衝機構48により可動電極40が基板から支持さ
れている。この緩衝機構48と折り返しビーム44上に述べ
た可動電極40を支持するほかに以下の二つの機能を有し
ている。第一に、可動電極40が同図の左右に移動すると
き折り返しビーム44および直線ビーム43の変形により生
じる復元力によりこの運動を抑制し可動電極40をもとの
位置に戻そうとする。第二に、緩衝機構48および折り返
しビーム44はその一端で支持台42を介して基板に固定さ
れているため、基板と支持台との接触面から発生する熱
や湿度等の応力等の影響が可動電極に伝達されるのを小
さくすることができる。さらに、同図に示したような折
り返しビーム44の繰り返し構造や可動の連結板45を介し
て直線ビーム43が直交する構造は、ビーム内部の応力等
の影響を緩衝機構48や折り返しビーム44の形状が変化す
ることによって緩和するのに役立つ。

本発明の実施例では可動電極40が固定電極41a,bに印
加される電圧の変化に従って図の左右方向に移動する。
この動きを左右の一次元に制限するために基板１に固定
されたスライダー突起46が設けられている。もし可動電
極40が左右の一次元の動きからそれて図の上下方向に動
いたときこのスライダー突起46に接触して垂直な方向の
移動が妨げられる。

固定電極41a,bの各々の歯には個々独立に異なる電圧
を印加することができるが、同図の実施例では可動電極
40を挟んで相対する固定電極41a,bの歯を６個おきに同
電位となるように選んで、可動電極40の電位と異なる電
位を印加している。このとき、他の固定電極の歯には可
動電極と同じ電位が供給される。同図の実施例では固定
電極41a,bの６個毎の歯の間隔と可動電極40の５個毎の
歯の間隔が一致するように設計している。異なる電位が
印加された固定電極と可動電極との歯の間にのみ静電力
が働くので、力の釣り合いの条件から、電圧が供給され
た固定電極41a,bの歯の位置に可動電極40の歯が合致す
る位置に可動電極40が移動する。印加電圧を隣合う固定
電極の歯に順次に走査することによりこの走査方向に可
動電極をうごかすことが可能となる。

また、可動電極40の一部の位置を固定電極側の一部で
検出することにより可動電極の変移を検出することが出
来る。例えば、駆動電圧が印加されない固定電極側の歯
と可動電極の歯との電気容量を検出する回路を設けると
か、固定電極側に可動電極に向かってレーザを放出しそ
の反射光を検出する手段を設ける等の方法がある。この
可動電極の位置を示す信号を固定電極側の駆動回路にフ
ィードバックさせることにより可動電極の移動制御をさ
らに精密にすることが可能である。

第５図に本発明の他の実施例を示す。同図の構成要素
で第４図の構成要素と同じ番号を持つものは同じ要素を
示している。同図に示す実施例は固定電極の構造が第４
図の実施例と異なる。本実施例ではシリコン基板（図示
せず）側に固定電極51、ガラス基板１の側に固定電極5
2、の二つの電極が設けられている。ガラス基板１とシ
リコン基板の間に空間がありそこを可動電極40が移動す
る。可動電極40の歯55は固定電極51と52の間に位置して
おり、電位を加えることによって移動する。互いに上下
に相対する位置にある固定電極の歯に同じ電圧を供給
し、第４図の実施例で述べたと同じ駆動方法により可動
電極40を左右に移動させる。このとき可動電極の移動す
る最小の距離は固定電極のピッチにより決められる。可
動電極40はガラス基板１の面方向だけでなくそれを最小
限に抑えるためその波うちの動きと反対方向に固定電極
51と52の間に電位差を与えることもできる。第６図に第
５図のＢ−Ｂ′断面を、第７図に第５図のＣ−Ｃ′断面
の作成方法を示す。同図の構成要素で第２図と同じ番号
を持つ要素は同じ構成要素を示している。初めに、深い
溝４が開けられ（第6,7図（ａ））、続いて支持台（図
示せず）と固定台31を残して浅くエッチングされる（第
6,7図（ｂ））。最後にボロンが拡散され可動電極40
（第６図）と固定電極51（第７図）とが形成される。ガ
ラス基板上に固定電極52がメタルにより形成され（図示
せず）、シリコン基板とガラス基板が静電ボンディング
により接着され、ボロンが拡散されていない領域がウェ
ットエッチングにより除去される。なお、第５図の可動
電極40の両端に位置する端側平坦部53と中央平坦部54を
固定電極51と同じ高さに作製することにより可動電極40
が左右に移動してもこれら平坦部がスライダー突起46に
接触することがなく、可動電極40の作動範囲を大きくと
れることも本実施例の特徴である。

第８図に本発明の他の実施例の断面図を示す。同図の
構成で第５図と同じ番号を持つものは同じ要素を示して
いる。同図に示す実施例は第５図の実施例と固定電極の
構造が異なる。シリコン側固定電極51とガラス基板側固
定電極52とが互いにそのピッチ幅の1/2程度だけずれせ
て配置されており、シリコン側−ガラス側−シリコン側
等の順に電圧が固定電極に印加される。このとき、可動
電極40は印加されている固定電極の歯の位置に合致する
ように移動する。この構造は固定電極のピッチの半分の
精度で可動電極を制御できるという利点がある。上記実
施例の他に第４図の実施例と同様に可動電極と同じ高さ
位置に固定電極をさらに追加して、可動電極の上側−側
面−下側といった順に固定電極を駆動することも本発明
に含まれる。このとき、各固定電極をその幅の1/3程度
にずらして配列することにより、可動電極を固定電極の
歯のピッチの1/3の精度で駆動させることが可能であ
る。

以上、一次元に移動可能なリニアアクチュエータの構
造、作製方法、および駆動方法を述べた。このアクチュ
エータはこのままで従来例で述べた振動型センサとして
利用することが出来る。さらに、第４図の可動電極40内
の中央の平坦面あるいは第５図、第８図の可動電極40内
の中央平坦部54の上にフェライト等による磁性体からな
る薄膜ヘッドを既知の方法で堆積、パターニングするこ
とにより微小な磁気ヘッドを作製することが可能であ
る。この薄膜ヘッドの作製方法としてさらに光CVD等の
技術を用いてデバイスに直接描画する手法も本発明に含
まれる。さらに、光ファイバーあるいは発光素子と受光
素子とをのせることにより微小な光ヘッドを構成するこ
とが可能である。本発明の実施例では静電力で駆動する
方法を述べたが固定電極をコイル等で構成し可動電極を
電磁力で駆動する方法も本発明に含まれる。さらに、本
実施例のアクチュエータは直線上を動くものに限られる
ことなく、円弧状に動くアクチュエータにも容易に適用
することが出来る。このとき、円弧状の形状をもつ可動
電極の周囲に固定電極が円弧上に配列される。

なお、以上説明した例では電極を構成する単結晶Siは
すべてSi基板から形成したが、これに限らずガラス基
板、サファイア基板、表面に絶縁膜を形成した半導体基
板等の上に気相エピ（選択エピも含む）、レーザアニー
ル等で形成した単結晶Siを用いてもよいことは明らかで
ある。

また第３〜８図に示した例およびその変形例は電極が
すべて単結晶半導体であるが、電極の一方またはすべて
がポリシリコンであってもよい。

（発明の効果） 本発明の微小可動機械機構は単結晶半導体から構成要
素が構成されるため、従来例のポリシリコン薄膜からな
る構造の欠点が著しく改善された。構成要素の厚さを大
きく変化させることが可能であるため製作および駆動が
容易になった。さらに、厚くしても内部に応力が生じな
いので反り等の形状変化を小さくすることが出来る。

本発明の製造方法を用いると従来例よりも少ないマス
ク工程で製作することができ、デバイスの歩留りを飛躍
的に改善できた。本発明の構造では単結晶半導体基板を
もう一つ他の基板に張り合わせて製作されている。この
他の基板にガラス基板を選ぶならば、デバイス内部の電
気力線の解析が容易になり、デバイス設計を著しく簡素
化することができる。この単結晶半導体からなるアクチ
ュエータの上に薄膜磁気ヘッドを形成するとき非常に微
小で高速に動作する磁気ディスク用のヘッドを実現する
ことが出来る。さらに、光素子をアクチュエータの上に
搭載するとき非常に高性能な光ディスクヘッドを実現す
ることが出来る。これらディスクヘッドを利用すること
によりディスクの書き込みや読み出しを従来例の百倍程
度も高密度にすることができ、ディスク装置の小型化に
非常な貢献をすることが明らかである。

【図面の簡単な説明】

第１図は本願第一の発明の一実施例の上面図、第２図は
本願発明の作製方法の一実施例の断面図、第３図、第４
図および第５図は本願発明の他の実施例の上面図、第６
図および第７図は第５図に示した本願発明の実施例の作
製方法の断面図、第８図は他の実施例の断面図を示して
いる。さらに、第９図および第10図は従来の構造の上面
図およびその作製方法の断面図を示す。 １……基板、２……グラウンド電極、３……ボロン拡散
層、４……トレンチ溝、11……固定電極、12……可動電
極、13……固定台、14……支持台、15……折り返しビー
ム、16,17,18……パッド、20……シリコン基板、21……
酸化膜、22……窒化膜、23……分離窓、24,25……ポリ
シリコン電極、26……PSG膜、27……第２ポリシリコン
膜、28……第2PSG膜、29,30……酸化膜、31……固定電
極、32……可動電極、40……可動電極、41……固定電
極、42……支持台、43……直線ビーム、44……折り返し
ビーム、45……連結板、46……スライダー突起、47……
直線ビーム、48……緩衝機構、51……固定電極（シリコ
ン側）、62……固定電極（ガラス基板側）、53……端側
平坦部、54……中央平坦部

Claims (20)

(57)【特許請求の範囲】
1. 【請求項１】固定電極に印加された静電力により可動電
   極が移動する微小可動機械機構において、少なくとも１
   つの電極が他の１つの電極に対向した位置に凹凸形状を
   直接に設けた単結晶半導体からなることを特徴とする微
   小可動機械機構。
2. 【請求項２】固定電極および可動電極を互いに入り組ん
   だ櫛の歯状に配置したことを特徴とする請求項１に記載
   の微小可動機械機構。
3. 【請求項３】固定電極に印加された静電力により可動電
   極が移動する微小可動機械機構の製造方法において、少
   なくとも１つの固定電極あるいは可動電極パターンを半
   導体基板の一方の主面に形成した後、前記半導体基板の
   パターンを形成した側を他の基板に張り付け、前記半導
   体基板から前記電極パターンを分離することを特徴とす
   る微小可動機械機構の製造方法。
4. 【請求項４】電極パターンをボロンが高濃度に拡散され
   たシリコン基板内に形成したことを特徴とする請求項３
   に記載の微小可動機械機構の製造方法。
5. 【請求項５】電極パターンを半導体基板の不純物のタイ
   プと異なる不純物タイプを拡散した半導体基板内に形成
   したことを特徴とする請求項３に記載の微小可動機械機
   構の製造方法。
6. 【請求項６】固定電極に印加された静電力により可動電
   極が移動する微小可動機械機構において、少なくとも１
   つの電極が単結晶半導体からなり、固定電極および可動
   電極を互いに入り組んだ櫛の歯状に配置され、一方の電
   極を他方の電極から離れるに従ってその電極間の距離が
   変化するようにしたことを特徴とする微小可動機械機
   構。
7. 【請求項７】一方の電極を他方の電極から離れるに従っ
   てその電極間の距離が変化するようにしたことを特徴と
   する請求項２に記載の微小可動機械機構。
8. 【請求項８】固定電極および可動電極を互いにそれぞれ
   異なる電極ピッチで横方向に配置したことを特徴とする
   請求項１に記載の微小可動機械機構。
9. 【請求項９】固定電極を可動電極の上下に設けたことを
   特徴とする請求項１または８に記載の微小可動機械機
   構。
10. 【請求項１０】基板からの影響を減少させる緩衝機構を
    用いて当該可動電極を基板上に支持したことを特徴とす
    る請求項１または８または９に記載の微小可動機械機
    構。
11. 【請求項１１】固定電極に印加された静電力により可動
    電極が移動する微小可動機械機構において、少なくとも
    １つの電極が単結晶半導体からなり、基板からの影響を
    減少させる緩衝機構を用いて当該可動電極を基板上に支
    持したことを特徴とする微小可動機械機構。
12. 【請求項１２】緩衝機構を可動連結板を介して複数のビ
    ームから構成したことを特徴とする請求項10または請求
    項11に記載の微小可動機械機構。
13. 【請求項１３】請求項１、２、６、７、８、９、10、1
    1、12のいずれかに記載の微小可動機械機構であって、
    固定電極と可動電極が半導体基板上に設けられているこ
    とを特徴とする微小可動機械機構。
14. 【請求項１４】請求項１、２、６、７、８、９、10、1
    1、12、13のいずれかに記載の微小可動機械機構の駆動
    方法であって、固定電極の歯に順次に電圧を走査するこ
    とにより、当該可動電極を移動させることを特徴とする
    微小可動機械機構の駆動方法。
15. 【請求項１５】微小可動機械機構の位置を検出し、この
    位置信号を当該固定電極駆動信号にフィードバックさせ
    ることにより、当該可動電極の運動を制御することを特
    徴とする請求項14に記載の微小可動機械機構の駆動方
    法。
16. 【請求項１６】固定電極に印加された静電力により可動
    電極が移動する微小可動機械機構において、当該固定電
    極と可動電極が同一の絶縁基板上に設けられたことを特
    徴とする微小可動機械機構。
17. 【請求項１７】固定電極に印加された静電力により可動
    電極が移動する微小可動機械機構において、少なくとも
    １つの電極が単結晶半導体からなり、当該固定電極と可
    動電極が絶縁基板上に設けられたことを特徴とする微小
    可動機械機構。
18. 【請求項１８】固定電極に印加された静電力により可動
    電極が移動する微小可動機械機構において、可動電極を
    固定電極に対して支持する構造と、当該可動電極が移動
    方向以外に動くことを制限するスライダー突起構造とを
    設けたことを特徴とする微小可動機械機構。
19. 【請求項１９】請求項１または請求項２または請求項６
    から13または請求項16から18のいずれかに記載の微小可
    動機械機構の可動電極上に薄膜磁気ヘッドを搭載したこ
    とを特徴とする磁気ヘッド。
20. 【請求項２０】請求項１または請求項２または請求項６
    から13または請求項16から18のいずれかに記載の微小可
    動機械機構の可動電極上に、光ファイバーあるいは受光
    素子と発光素子を搭載したことを特徴とする光ディスク
    ヘッド。