バウンス駆動アクチュエータおよび微小モータ
【課題】長い寿命を獲得でき、消費電力が低減でき、一定の回転方向を確保できる新規な微小回転モータの開発に寄与するバウンス駆動アクチュエータ（ＢＤＡ）を提供する。
【解決手段】ＢＤＡ板８のブッシング部のアスペクト比（高さ／幅）を１より小さい値に設定し、ＢＤＡ板８の長さを７５ｍｍより短い値に設定する。微小回転モータは、起動電圧を超える追加静電気を印加してもＢＤＡ板８の自由端をそれ以上撓ませることができず、ブッシングを圧縮し内向し、印加電圧が解除されると、短尺かつ幅広のブッシングの摩擦力は自由端より大きくなり、蓄積された歪みエネルギーはアクチュエータを後方に跳ね返すようにした。
【解決手段】ＢＤＡ板８のブッシング部のアスペクト比（高さ／幅）を１より小さい値に設定し、ＢＤＡ板８の長さを７５ｍｍより短い値に設定する。微小回転モータは、起動電圧を超える追加静電気を印加してもＢＤＡ板８の自由端をそれ以上撓ませることができず、ブッシングを圧縮し内向し、印加電圧が解除されると、短尺かつ幅広のブッシングの摩擦力は自由端より大きくなり、蓄積された歪みエネルギーはアクチュエータを後方に跳ね返すようにした。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、フォトリソグラフィによるパターニングによって製造し一般に微小電気機械システム（MEMS）に適用可能な微小回転モータに関する。本発明はまた新規なＢＤＡアクチュエート機構と、従来の駆動微小回転モータの性能の向上に関する。本発明が採用する主要な技術はMEMS技術におけるポリシリコン系の表面微細加工プロセスであり、同プロセスはバッチ製造、低コストおよび集積回路技術との高い適合性という利点を有する。
【背景技術】
【０００２】
小型化技術の開発と応用は、近代科学の主要トレンドである。特に、集積回路(IC)と微小電気機械システム（ＭＥＭＳ）技術は、近年、ミクロの世界の基礎となる方法である。
【０００３】
付属書１は精密かつ階段的線状動作機構を有する従来のスクラッチ動作アクチュエータ（ＳＤＡ）を示す。
【０００４】
BrightとLinderman[1-2]の記述によれば、窒化誘電層に接触するようスナップしたＳＤＡ板の自由端に静電的に電圧が印加されると、スナップ動作が段階的に行われ、板の先端が下方にスナップして窒化誘電体層に接触する。電力が起動電圧まで上昇すると、ＳＤＡ板の先端は十分に曲がり、その自由端において勾配が０になり平坦になる。最後に、印加した電力を解除すると、支持ビーム、ＳＤＡ板およびブッシングに蓄えられた歪エネルギーがＳＤＡ板を前方に引っ張り、ステップを完了する。
【０００５】
先行文献（R.J. Lindermanと V.M. Bright）は、付属書２に示すように、微小ＳＤＡ板の基本的な最適寸法を、シミュレーションソフトウェアと実験的測定に基づいて、長さ７８μmとし、幅６５μmとしている。
【０００６】
実施されたＳＤＡ型微小回転モータを付属書３に示す。２mm×２mmの寸法（付属書４に示すように）の世界最小のＳＤＡ型微小ファン装置は、自己組織化微小羽根と微小スクラッチ駆動アクチュエータ （ＳＤＡ） により構成されている。このようなＳＤＡ駆動微小ファンは、付属書５に示すように、ポリシリコン系の表面微細加工技術（マルチユーザーＭＥＭＳプロセス、ＭＵＭＰｓ) により製作される。
【非特許文献１】R. J. Linderman、 P. E. Kladitis およびV. M. Bright、 「微小回転ファンの開発」、 センサーとアクチュエータ Ａ、 ９５巻、２００２、１３５〜１４２ページ。
【非特許文献２】R. J. LindermanおよびV. M. Bright、「最適スクラッチ駆動アクチュエータを用いたナノメータ精度の位置決めロボット」、センサとアクチュエータ Ａ、第９１巻、２００１年、２９２〜３００ページ
【非特許文献３】R.J. LindermanおよびV.M. Bright、「チップサイズ部品の限界ナノメータ位置決め用最適スクラッチ駆動アクチュエータ」、半導体センサとアクチュエータ作業部会の技術ダイジェスト、ヒルトンヘッド島、サウスカロライナ州、米国、２０００年、２１４〜２１７ページ
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【０００７】
従来のＳＤＡ型微小モータや微小ファン装置は、寿命が短く、消費電力が大きく、さらに突然逆回転することに鑑み、商業的使用は限られていた。本発明はこのような課題を解決するためなされたものであり、新規なリブとフランジ構造設計を具備し、寿命を延ばし、速度を上げ、消費電力を低減でき、確実な回転を得ることができる革新的なＢＤＡ型微小ファンを提供することを目的とする。
【課題を解決するための手段】
【０００８】
本発明のバウンス駆動アクチュエータ（ＢＤＡ）は、請求項１に記載するように、ＢＤＡ板のブッシング部をアスペクト比（高さ／幅）を１より小さい値に設定し、ＢＤＡ板の長さを７５mmより短い寸法に設定したことを特徴とする。
【０００９】
本発明の微小回転モータの設計及びレイアウトは、請求項1記載の寸法基準に基づいた微小回転モータの設計及びレイアウトであって、微小回転モータはバウンス駆動微小回転モータであり、ＢＤＡ板は短い長さによって高い曲げ剛性を有し、曲げ板と窒化絶縁体の接触面積は、同一の起動電圧がＳＤＡ板に印加された際に実質的に低減でき、起動電圧を超えるいかなる追加静電気を印加してもＢＤＡ板の自由端をそれ以上撓ませることができず、ブッシングを圧縮し内向し、印加電圧が解除されると、短尺でかつ幅広のブッシングの摩擦力は自由端より大きくなり、蓄積された歪エネルギーはアクチュエータを後方に跳ね返すようにしたことを特徴とする。
【００１０】
本発明のＢＤＡ型微小モータの新規な構造設計は、請求項２記載のＢＤＡ型微小モータの新規な構造設計であって、前記リブとフランジの構造設計をＢＤＡ型微小モータの設計と製造に採用し、寿命（＞１００時間）と回転速度（＞３０ｒｐｍ）とを向上するようにしたことを特徴とする。
【００１１】
本発明のＢＤＡ型微小回転モータを形成する方法は、以下の工程からなる。
ａ．引張り応力が小さく摩擦係数が低い窒化シリコン絶縁材料からなる第１の層をシリコン基板上に蒸着する工程と、
ｂ．低応力窒化シリコン絶縁材料の層をフォトリソグラフィによりパターニングし、少なくとも一つのシリコン基板の電気コンタクト窓を形成する工程と、
ｃ．極低応力の適所ドープドポリシリコンからなる第２の層を、シリコン基板上に蒸着する工程と、
ｄ．第１の低応力適所ドープドポリシリコン構造層をフォトリソグラフィによりパターニングし、ＢＤＡ型微小回転モータの少なくとも一つの結合路と一つのアンカーパッドを形成する工程と、
ｅ．低応力を有し、ＢＤＡ型微小回転モータの構造層の捨て層として機能する蛍光ケイ酸（ＰＳＧ）材からなる第３の層をシリコン基板上に蒸着する工程と、
ｆ．第１の低応力ＰＳＧ捨て層をフォトリソグラフィによりパターニングし、ＢＤＡ型微小回転モータの少なくとも一つのブッシング窓と一つのディンプル窓を形成する工程と、
g. 極低応力を有する、適所ドープドポリシリコンからなる第４の層を、第１のＰＳＧ捨て層上に蒸着する工程と、
h. 第２の低応力適所ドープドポリシリコン層をフォトリソグラフィによりパターニングし、ＢＤＡ型微小回転モータの少なくとも一つのリブ微小構造部を形成する工程と、
i. 低応力を有し、ＢＤＡ型微小回転モータの構造層の第２の捨て層として機能する蛍光ケイ酸（ＰＳＧ）材からなる第５層を、リブおよび第１のＰＳＧ捨て層部上に蒸着する工程と、
j. 第２のＰＳＧ捨て層をフォトリソグラフィによりパターニングし、少なくとも一つのディンプル窓と一つのブッシング窓を形成する工程と、
k. 第１と第２のＰＳＧ捨て層をフォトリソグラフィによりパターニングし、ＢＤＡ型微小モータの少なくとも一つのカバー窓を形成する工程と、
l. 低応力を有し、ＢＤＡ型微小回転モータの主構造層として機能する適所ドープドポリシリコン材からなる第６層を、リブ部および第２のＰＳＧ捨て層部上に蒸着する工程と、
m. 第３の低応力ポリシリコン構造層をフォトリソグラフィによりパターニングし、微小回転モータのカバー部および少なくとも一つのＢＤＡロータ部を形成する工程と、
n. クロムと金からなる金属層によって形成される第７層を、第３の低応力ポリシリコン層および第２のＰＳＧ捨て層部上に蒸着する工程と、
o. クロムと金からなる金属層をフォトリソグラフィによりパターニングし、ＢＤＡ型微小回転モータのバイアスおよび接地パッドを形成する工程と、
p. ＢＤＡ型微小回転モータのカバーと結合路部は基板に固定した状態で、第１および第２のＰＳＧ捨て層にアンダーカットエッチングを行い、基板からＢＤＡ型微小回転モータのＢＤＡロータ部を解除（ｒｅｌｅａｓｅ）し、解除プロセスの後、窒化シリコン絶縁層上で、適切な静電駆動により自立した状態のＢＤＡロータを回転可能とする工程。
【００１２】
本発明のＢＤＡ型微小回転モータを形成する方法において、前記絶縁層の蒸着工程は、低圧化学蒸着（ＬＰＣＶＤ）法による蒸着工程とポストアニールプロセスとを含み、前記低応力窒化絶縁体の応力が２５０ＭＰａ未満に調整されていることを特徴とする。
【００１３】
本発明のＢＤＡ型微小回転モータを形成する方法において、シリコン基板の電気的コンタクト窓は、金属層とシリコン基板の電気的コンタクトを図るため形成され、ＢＤＡ微小モータの駆動に際し、前記シリコン基板が、接地電極および機械的支持部として機能することを特徴とする。
【００１４】
本発明のＢＤＡ型微小回転モータを形成する方法において、低応力適所ドープドポリシリコン層を蒸着する工程は、低圧化学蒸着（ＬＰＣＶＤ）法において、蒸着工程と、適所(in situ) ドーピングプロセスとポストアニールプロセスを含み、本工程の各サブプロセスは、異なった圧力、ガス流および温度の下で行われ、前記低応力ポリシリコン薄膜構造の応力は２００ＭＰａ未満に調整されていることを特徴とする。
【００１５】
本発明のＢＤＡ型微小回転モータを形成する方法において、低応力ＰＳＧ捨て層の蒸着工程は、プラズマ強化化学蒸着（ＰＥＣＶＤ）法を用いた蒸着工程とポストアニールプロセスとを含み、前記低応力ＰＳＧ捨て層の応力は３００ＭＰａ未満に調整されることを特徴とする。
【００１６】
本発明のＢＤＡ型微小回転モータを形成する方法において、前記捨て層の蒸着工程は、低応力蛍光ケイ酸（ＰＳＧ）を蒸着する工程を含むことを特徴とする。
【００１７】
本発明のＢＤＡ型微小ファンの形成方法は、
a. 最終の解除プロセスを除いた請求項１に記載のプロセスによるＢＤＡ型微小モータの製造工程と、
b. 前記ＢＤＡ型微小ファンの第３低応力ポリシリコン構造層上にポリイミド薄膜をスピンコーティングする工程と、
c. 前記ポリイミド薄膜上に、弾性ジョイントを、フォトリソグラフィによりパターニングしエッチングする工程と、
d. 第１および第２ＰＳＧ捨て層をアンダーカットエッチングして基板からＢＤＡロータ部および微小羽根部を解除し、ＢＤＡ微小モータのカバー部および結合路部は基板に固定した状態に保持する工程と、
e. リフロープロセスを実施して前記ポリイミド弾性ジョイントを収縮させ、予め形成した微小羽根部を回転させて持ち上げ、微小羽根部の持ち上げ角度は、ポリイミド層のリフロー温度を調整することにより調整可能とする工程と、を含み、
構造解除およびポリイミド硬化プロセス後に、自立するＢＤＡ微小ファンを適切な静電駆動によりシリコン基板上で回転可能とすることを特徴とする。
【００１８】
本発明のＢＤＡ型微小ファンの形成方法において、持ち上げて微小羽根の形成することによって、ポリイミド自己組織化微細構造を形成し、ポリイミド自己組織化の基本的な駆動機構として、構造層を持ち上げるための高温リフロープロセス中に発生したポリイミド弾性ジョイントの表面張力を利用することを特徴とする。
【００１９】
本発明のＢＤＡ型微小ファンの形成方法において、エッチング工程は、アンダーカットエッチングプロセスであることを特徴とする。
【００２０】
本発明のＢＤＡ型微小ファンの形成方法において、エッチング工程は、選択的エッチングプロセスであり、ポリシリコン構造層よりも速くＰＳＧ捨て層をエッチング可能な希釈ＨＦ酸性溶液を用いることを特徴とする。
【発明の効果】
【００２１】
本発明は、長い寿命を獲得でき、消費電力が低減でき、一定の回転方向を確保できる新規な微小回転モータまたは微小ファンの開発に寄与する新規なバウンス駆動アクチュエータ（ＢＤＡ）の設計と製作を提供する。すなわち、本発明は、寿命を延ばし、速度を上げ、消費電力を低減でき、確実な回転を得ることができる新規なリブとフランジ構造設計を具備する革新的なバウンス駆動アクチュエータを提供する。かかる目的を達成するため、バウンス駆動アクチュエータ（ＢＤＡ）の主要な寸法仕様として、ＢＤＡ板のブッシング部のアスペクト比(高さ／幅)が１より小さく設定し、かつ、ＢＤＡ板の長さを７５mmより短い寸法に設定している。
【００２２】
従来のＳＤＡ装置と比較すると、本発明はＢＤＡ板の設計において、短く広いブッシング構造を提供することによって、板の曲げ剛性を増大でき、かつ、ＳＤＡ板の起動電圧同じ電圧を印加しても曲げ板と絶縁基板との接触（摩擦）面積は低減することができる。起動電圧を超えるいかなる追加静電気負荷もＢＤＡ板の自由端をそれ以上撓ませることができず、ブッシングを圧縮しかつ内向する。印加電圧が解除されると、ブッシングの摩擦力はＢＤＡ板の自由端より大きくなるので、蓄積された歪エネルギーはアクチュエータを後方に跳ね返すことになる。
【００２３】
さらに、新規なリブとフランジの構造設計によって、ＢＤＡ型微小モータの寿命（＞１００時間）と回転速度（＞３０ｒｐｍ）とを向上することができる。
【発明を実施するための最良の形態】
【００２４】
従来のＳＤＡ微小モータは、その短寿命と高駆動電力と突然の逆回転に起因して商業的使用は限られていた。図１は、L-editソフトウェアのシミュレーション結果による従来のＳＤＡおよび新規なＢＤＡ微小モータの主構造を示す。支持ビーム（０９）の破壊抵抗性（捩り力によって生じる）を向上させるために、本発明は、ＢＤＡ板（０８）、支持ビーム（０９）、リング（１０）およびカバー（１２）を同時に形成するため、ポリシリコン３（０５）層を利用する。ここに、これらの部材はリング（１０）部に隣接する厚肉の「リブ（１１）」構造（ポリシリコン２（０４）層およびポリシリコン３（０５）層の積層からなる）を形成し、ＢＤＡ微小モータの曲げ剛性と寿命を改善することができる。
【００２５】
図２は、本発明において提案された新規な「フランジ（１３）」レイアウトを示す。このフランジ設計によって、支持ビームの構造堅牢性をさらに向上することができ、かつ、ＢＤＡ微小モータの歩留りを改善し、動作時の亀裂破損を減少させることができる。付属書６は、装着したＢＤＡ微小モータが有するフランジレイアウト設計のＳＥＭ電子顕微鏡写真である。本発明は、ＢＤＡ微小モータの寿命（＞７５時間）と回転速度（＞３０ｒｐｍ）を改善するための新規なリブおよびフランジ構造設計を提供する。
【００２６】
図３は、ＳＤＡ装置とＢＤＡ装置の断面構造と寸法を示す図である。図から明らかなように、ＢＤＡ板（０８）はＳＤＡ板（０６）より長さが短く、ＢＤＡブッシング（１５）はＳＤＡブッシング（１４）よりも短くかつ広くなっている。 図４は、ＳＤＡ板（０６）とＢＤＡ板（０８）の作動機構をそれぞれ示す。図１と図３に戻って、BrightとLindermanの記述によれば、窒化誘電層に接触するようスナップしたＳＤＡ板（０６）の自由端に静電的に電圧が印加されると、スナップ動作が段階的に行われ、板の先端が下方にスナップして窒化誘電体層（０２）に接触する。電力が起動電圧まで上昇すると、ＳＤＡ板（０６）の先端は十分に曲がり、その自由端において勾配が０になり平坦になる。最後に、印加した電力を解除すると、支持ビーム（０７）、ＳＤＡ板（０６）およびブッシング（１４）に蓄えられた歪エネルギーがＳＤＡ板（０６）を前方に引っ張り、ステップを完了する。 一方、ＢＤＡ板（０８）は、その短い長さによって高い曲げ剛性を有する。従って、曲げ板と窒化誘電体層（０２）の接触面積は、ＳＤＡ板（０６）の起動値と同じ電圧の下で低減することになる。起動電圧を超えるいかなる追加静電気が印加されてもＢＤＡ板（０８）の自由端をそれ以上撓ませることができず、ブッシング（１５）を圧縮しかつ内向する。印加電圧が解除されると、短尺でかつ幅広のブッシング（１５）の摩擦力はＢＤＡ板（０８）の自由端より大きくなるので、蓄積された歪エネルギーはアクチュエータを後方に跳ね返すことになる。
【００２７】
図５は、本発明に係るＢＤＡ微小モータのレイアウトと断面構造の設計を示す。リブ（１１）とフランジ(１３)とからなる構造によって、支持ビームの堅牢性を向上することができ、その結果、ＢＤＡ微小モータの歩留りを高め、さらに、動作時の亀裂破損を減少させることができる。
【００２８】
図６は、本発明に係るＢＤＡ微小モータの製造フローを示す。全プロセスは、少なくとも８つのフォトリソグラフィ工程と、７つの薄膜蒸着工程を必要とする。本発明の主な製造技術は、ポリシリコン型表面微細加工技術である。主な処理工程の詳細は以下の通りである。
（ａ） ＬＰＣＶＤ法により超低抵抗シリコン基板（２０）上に蒸着した６００ｎｍ厚みの低応力窒化シリコンからなる絶縁層（２１）を、フォトリソグラフィによりパターニングする。図６（a）に示すように、まず、基板（２２）に少なくとも一つの電気的コンタクト窓をフォトリソグラフィおよびエッチングプロセスにおいて形成することができる。
（ｂ） ＬＰＣＶＤ法を用いて、１．５μｍ厚の低応力適所(in situ) ドープドリシリコン（２３）をシリコン基板上（on or above）に蒸着する。図６（b）に示すように、本発明は、第２のフォトリソグラフィカルパターニングプロセスにおいて、結合路（２４）およびアンカーのパッド（２５）の領域を正確に形成するため、誘導結合プラズマ（ＩＣＰ）エッチング法を用いる。
（ｃ） プラズマ助長化学蒸着（ＰＥＣＶＤ）により、２μｍ厚の低応力ＰＳＧ捨て層（２６）を基板上に形成する。重要寸法を正確に管理し、エッチングの異方性を向上させるため、本発明はＩＣＰドライエッチング法を採用し、第３のフォトリソグラフィプロセス（図６（ｃ））によって、ＢＤＡ微小モータの少なくとも一つの７５０ｎｍ深さのディンプル窓（２７）とブッシング窓（２８）をパターニングする。
（ｄ） ２μｍ厚の低応力適所ドープドリシリコン（２９）層を、ＬＰＣＶＤ法を用いて基板上に蒸着し、フォトリソグラフィおよびドライエッチングプロセス（図６（ｄ））を用いたパターニングによって、ＢＤＡ微小モータの少なくとも一つのリブ（３０）微細構造を形成する。
（ｅ） １．５μｍ厚の低応力ＰＳＧ捨て層（３１）を、ＰＥＣＶＤ法を用いて、基板上に蒸着する。図６（ｅ）に示すように、５番目のフォトマスクを用いて、ＢＤＡ微小モータのディンプル窓（３２）、カバー窓（３３）およびブッシング窓（３４）の領域をパターニングする。
（ｆ） 第６のフォトリソグラフィおよびドライエッチングプロセスにより、本発明は、さらに、図６（ｆ）に示すように、ＢＤＡ微小モータのアンカー窓（３５）の領域を形成する。
（ｇ） ３番目の２μｍ厚の低応力適所ドープドリシリコン（３６）層を、ＬＰＣＶＤ法を用いて、基板上に蒸着し、第７のフォトリソグラフィおよびドライエッチングプロセス（図６（ｇ））を用いたパターニングにより、ＢＤＡ微小モータの少なくとも一つのディンプル（３７）、支持ビーム（３８）、リング（３９）、カバー（４０）、ブッシング（４１）、およびＢＤＡロータ（４２）を形成する。
（ｈ） ２００ｎｍ厚のクロムと２５０ｎｍ厚の金からなる金属膜（４３）を、電子ビームエバポレータ蒸着システムを用いて、基板上に蒸着する。第８のフォトリソグラフィプロセスにおいて、本発明は、リフトオフ法を用いてクロムおよび金の金属層をパターニングし、ＢＤＡ微小モータ（図６（ｈ））の少なくとも一つのバイアスパッド（４４）および接地パッド（４５）を形成する。
（ｉ） 第１および第２のＰＳＧ捨て層（２６と３１）に、４９％のＨＦ酸性溶液を用いてアンダーカットエッチングを施し、基板（２０）からＢＤＡ微小モータのＢＤＡロータ（４２）部を解除（ｒｅｌｅａｓｅ）する。解除プロセスの後、適切な静電駆動を行うことにより（図６（ｉ））、自由起立状態のＢＤＡロータ（４２）を窒化シリコン絶縁体（２１）上で、回転させることができる。
【００２９】
付属書７は、異なった板長さを有する１つのＳＤＡ微小モータと３つのＢＤＡ微小モータのＳＥＭ電子顕微鏡写真を示す。動的測定によって、板長さが７５mｍより長くなると(例えば,７８〜８８mｍ)、モータはＳＤＡ機能を有し、周波数９００Hzの正弦９０Vo-p ac約１rpmの”前方“回転(及び突然の逆回転)を示す。板長さが７５mｍより短くなると(例えば,６８，５８，３３mｍ)、モータはＢＤＡ機能を有し、同じ出力と周波数で約＞３０rpmの安定した”逆“回転を示す。図７は、ＳＤＡ微小モータ及びＢＤＡ微小モータの４つの異なる長さ設計から測定した対応する回転速度を示す。明らかに、板長さが短くなると、同じ出力条件では回転速度が高くなる。図８は、同じ板長さと同じ半円形状を有する２つの駆動ＢＤＡ微小モータの動的回転を示す電子顕微鏡写真である。図９はＢＤＡ微小モータの周波数応答を示し、駆動周波数の変化に伴うＢＤＡ微小モータの回転数の予定される略直線状の増加を示す。
【００３０】
図１０は、ＢＤＡ微小モータ（５０）と、ＢＤＡ微小モータ（５０）を用いて製造したＢＤＡ微小ファンに適用可能な新規な設計の応用例を示し、ＢＤＡ微小モータ（５０）と８枚のポリイミド自己組織化微小羽根（５１）により構成されている。ポリイミド自己組織化の基本的な駆動機構は、構造層を持ち上げるための高温リフロープロセス中に発生するポリイミド弾性ジョイント（５２）の表面張力を利用している。
【００３１】
（付属書の説明）
付属書 １： 従来のＳＤＡ装置
付属書 ２： ＳＤＡ板長の最適化のシミュレーション結果
付属書 ３： 実施されたＳＤＡ型微小回転モータ
付属書 ４： ＭＥＭＳ技術を使って製造された微小ＳＤＡ型の微小ファン
付属書 ５： MEMSCAPのマルチユーザMEMS工程(ＭＵＭＰｓ)
付属書 ６： ＢＤＡの曲げ剛性と寿命の向上を目的としたフランジ構造設計のＳＥＭ電子顕微鏡写真
付属書 ７： ＳＤＡ微小モータとＢＤＡ微小モータの回転方向と板長さ
【図面の簡単な説明】
【００３２】
【図１】L-edit (商標)ソフトウェアのシミュレーション結果に基づく従来のＳＤＡ微小モータと新規なＢＤＡ微小モータの主要な構造を示す図である。
【図２】ＢＤＡ微小モータの構造性と寿命をさらに向上させるための革新的な「フランジ」設計を示す図である。
【図３】ＳＤＡ装置とＢＤＡ装置の断面構造と寸法を示す図である。
【図４】ＳＤＡ装置とＢＤＡ装置の異なる駆動機構を示す図である。
【図５】本発明に係るＢＤＡ微小モータのレイアウトと断面構造の設計を示す図である。
【図６】ＳＤＡ微小モータの主要なプロセスの工程の断面図である。
【図７】ＢＤＡ微小モータとＳＤＡ微小モータの回転速度対板長さの説明図である。
【図８】二つの異なった駆動振動数におけるＢＤＡ微小モータの動的電子顕微鏡写真である。
【図９】ＢＤＡ微小モータの回転速度と駆動振動数の説明図である。
【図１０】ＢＤＡ微小モータによって駆動される微小ファンの新規な設計を示す図である。
【符号の説明】
【００３３】
（１） シリコンウェーハ
（２） 窒化物
（３） ポリシリコン−１
（４） ポリシリコンー2
（５） ポリシリコンー3
（６） ＳＤＡ板
（７） ＳＤＡの支持ビーム
（８） ＢＤＡ板
（９） ＢＤＡの支持ビーム
（１０） リング
（１１） リブ
（１２） カバー
（１３） フランジ
（１４） ＳＤＡブッシング
（１５） ＢＤＡブッシング
（１６） バイアスパッド
（１７） 接地パッド
（２０） シリコン基板
（２１） 低応力 Si3N4
（２２） 基板の接触窓
（２３） 低応力適所ドープドポリシリコンー１
（２４） 結合路
（２５） アンカーのパッド
（２６） 低応力ＰＳＧ−１
（２７） ディンプル窓
（２８） ブッシング窓
（２９） 低応力適所ドープドポリシリコンー２
（３０） リブ
（３１） 低応力ＰＳＧ−２
（３２） ディンプル窓
（３３） カバー窓
（３４） ブッシング窓
（３５） アンカー窓
（３６） 低応力適所ドープドポリシリコンー３
（３７） ディンプル
（３８） 支持ビーム
（３９） リング
（４０） カバー
（４１） ブッシング
（４２） ＢＤＡロータ
（４３） Cr/Au金属
（４４） バイアスパッド
（４５） 接地パッド
（５０） ＢＤＡ微小モータ
（５１） 微小羽根
（５２） ポリイミドジョイント
【技術分野】
【０００１】
本発明は、フォトリソグラフィによるパターニングによって製造し一般に微小電気機械システム（MEMS）に適用可能な微小回転モータに関する。本発明はまた新規なＢＤＡアクチュエート機構と、従来の駆動微小回転モータの性能の向上に関する。本発明が採用する主要な技術はMEMS技術におけるポリシリコン系の表面微細加工プロセスであり、同プロセスはバッチ製造、低コストおよび集積回路技術との高い適合性という利点を有する。
【背景技術】
【０００２】
小型化技術の開発と応用は、近代科学の主要トレンドである。特に、集積回路(IC)と微小電気機械システム（ＭＥＭＳ）技術は、近年、ミクロの世界の基礎となる方法である。
【０００３】
付属書１は精密かつ階段的線状動作機構を有する従来のスクラッチ動作アクチュエータ（ＳＤＡ）を示す。
【０００４】
BrightとLinderman[1-2]の記述によれば、窒化誘電層に接触するようスナップしたＳＤＡ板の自由端に静電的に電圧が印加されると、スナップ動作が段階的に行われ、板の先端が下方にスナップして窒化誘電体層に接触する。電力が起動電圧まで上昇すると、ＳＤＡ板の先端は十分に曲がり、その自由端において勾配が０になり平坦になる。最後に、印加した電力を解除すると、支持ビーム、ＳＤＡ板およびブッシングに蓄えられた歪エネルギーがＳＤＡ板を前方に引っ張り、ステップを完了する。
【０００５】
先行文献（R.J. Lindermanと V.M. Bright）は、付属書２に示すように、微小ＳＤＡ板の基本的な最適寸法を、シミュレーションソフトウェアと実験的測定に基づいて、長さ７８μmとし、幅６５μmとしている。
【０００６】
実施されたＳＤＡ型微小回転モータを付属書３に示す。２mm×２mmの寸法（付属書４に示すように）の世界最小のＳＤＡ型微小ファン装置は、自己組織化微小羽根と微小スクラッチ駆動アクチュエータ （ＳＤＡ） により構成されている。このようなＳＤＡ駆動微小ファンは、付属書５に示すように、ポリシリコン系の表面微細加工技術（マルチユーザーＭＥＭＳプロセス、ＭＵＭＰｓ) により製作される。
【非特許文献１】R. J. Linderman、 P. E. Kladitis およびV. M. Bright、 「微小回転ファンの開発」、 センサーとアクチュエータ Ａ、 ９５巻、２００２、１３５〜１４２ページ。
【非特許文献２】R. J. LindermanおよびV. M. Bright、「最適スクラッチ駆動アクチュエータを用いたナノメータ精度の位置決めロボット」、センサとアクチュエータ Ａ、第９１巻、２００１年、２９２〜３００ページ
【非特許文献３】R.J. LindermanおよびV.M. Bright、「チップサイズ部品の限界ナノメータ位置決め用最適スクラッチ駆動アクチュエータ」、半導体センサとアクチュエータ作業部会の技術ダイジェスト、ヒルトンヘッド島、サウスカロライナ州、米国、２０００年、２１４〜２１７ページ
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【０００７】
従来のＳＤＡ型微小モータや微小ファン装置は、寿命が短く、消費電力が大きく、さらに突然逆回転することに鑑み、商業的使用は限られていた。本発明はこのような課題を解決するためなされたものであり、新規なリブとフランジ構造設計を具備し、寿命を延ばし、速度を上げ、消費電力を低減でき、確実な回転を得ることができる革新的なＢＤＡ型微小ファンを提供することを目的とする。
【課題を解決するための手段】
【０００８】
本発明のバウンス駆動アクチュエータ（ＢＤＡ）は、請求項１に記載するように、ＢＤＡ板のブッシング部をアスペクト比（高さ／幅）を１より小さい値に設定し、ＢＤＡ板の長さを７５mmより短い寸法に設定したことを特徴とする。
【０００９】
本発明の微小回転モータの設計及びレイアウトは、請求項1記載の寸法基準に基づいた微小回転モータの設計及びレイアウトであって、微小回転モータはバウンス駆動微小回転モータであり、ＢＤＡ板は短い長さによって高い曲げ剛性を有し、曲げ板と窒化絶縁体の接触面積は、同一の起動電圧がＳＤＡ板に印加された際に実質的に低減でき、起動電圧を超えるいかなる追加静電気を印加してもＢＤＡ板の自由端をそれ以上撓ませることができず、ブッシングを圧縮し内向し、印加電圧が解除されると、短尺でかつ幅広のブッシングの摩擦力は自由端より大きくなり、蓄積された歪エネルギーはアクチュエータを後方に跳ね返すようにしたことを特徴とする。
【００１０】
本発明のＢＤＡ型微小モータの新規な構造設計は、請求項２記載のＢＤＡ型微小モータの新規な構造設計であって、前記リブとフランジの構造設計をＢＤＡ型微小モータの設計と製造に採用し、寿命（＞１００時間）と回転速度（＞３０ｒｐｍ）とを向上するようにしたことを特徴とする。
【００１１】
本発明のＢＤＡ型微小回転モータを形成する方法は、以下の工程からなる。
ａ．引張り応力が小さく摩擦係数が低い窒化シリコン絶縁材料からなる第１の層をシリコン基板上に蒸着する工程と、
ｂ．低応力窒化シリコン絶縁材料の層をフォトリソグラフィによりパターニングし、少なくとも一つのシリコン基板の電気コンタクト窓を形成する工程と、
ｃ．極低応力の適所ドープドポリシリコンからなる第２の層を、シリコン基板上に蒸着する工程と、
ｄ．第１の低応力適所ドープドポリシリコン構造層をフォトリソグラフィによりパターニングし、ＢＤＡ型微小回転モータの少なくとも一つの結合路と一つのアンカーパッドを形成する工程と、
ｅ．低応力を有し、ＢＤＡ型微小回転モータの構造層の捨て層として機能する蛍光ケイ酸（ＰＳＧ）材からなる第３の層をシリコン基板上に蒸着する工程と、
ｆ．第１の低応力ＰＳＧ捨て層をフォトリソグラフィによりパターニングし、ＢＤＡ型微小回転モータの少なくとも一つのブッシング窓と一つのディンプル窓を形成する工程と、
g. 極低応力を有する、適所ドープドポリシリコンからなる第４の層を、第１のＰＳＧ捨て層上に蒸着する工程と、
h. 第２の低応力適所ドープドポリシリコン層をフォトリソグラフィによりパターニングし、ＢＤＡ型微小回転モータの少なくとも一つのリブ微小構造部を形成する工程と、
i. 低応力を有し、ＢＤＡ型微小回転モータの構造層の第２の捨て層として機能する蛍光ケイ酸（ＰＳＧ）材からなる第５層を、リブおよび第１のＰＳＧ捨て層部上に蒸着する工程と、
j. 第２のＰＳＧ捨て層をフォトリソグラフィによりパターニングし、少なくとも一つのディンプル窓と一つのブッシング窓を形成する工程と、
k. 第１と第２のＰＳＧ捨て層をフォトリソグラフィによりパターニングし、ＢＤＡ型微小モータの少なくとも一つのカバー窓を形成する工程と、
l. 低応力を有し、ＢＤＡ型微小回転モータの主構造層として機能する適所ドープドポリシリコン材からなる第６層を、リブ部および第２のＰＳＧ捨て層部上に蒸着する工程と、
m. 第３の低応力ポリシリコン構造層をフォトリソグラフィによりパターニングし、微小回転モータのカバー部および少なくとも一つのＢＤＡロータ部を形成する工程と、
n. クロムと金からなる金属層によって形成される第７層を、第３の低応力ポリシリコン層および第２のＰＳＧ捨て層部上に蒸着する工程と、
o. クロムと金からなる金属層をフォトリソグラフィによりパターニングし、ＢＤＡ型微小回転モータのバイアスおよび接地パッドを形成する工程と、
p. ＢＤＡ型微小回転モータのカバーと結合路部は基板に固定した状態で、第１および第２のＰＳＧ捨て層にアンダーカットエッチングを行い、基板からＢＤＡ型微小回転モータのＢＤＡロータ部を解除（ｒｅｌｅａｓｅ）し、解除プロセスの後、窒化シリコン絶縁層上で、適切な静電駆動により自立した状態のＢＤＡロータを回転可能とする工程。
【００１２】
本発明のＢＤＡ型微小回転モータを形成する方法において、前記絶縁層の蒸着工程は、低圧化学蒸着（ＬＰＣＶＤ）法による蒸着工程とポストアニールプロセスとを含み、前記低応力窒化絶縁体の応力が２５０ＭＰａ未満に調整されていることを特徴とする。
【００１３】
本発明のＢＤＡ型微小回転モータを形成する方法において、シリコン基板の電気的コンタクト窓は、金属層とシリコン基板の電気的コンタクトを図るため形成され、ＢＤＡ微小モータの駆動に際し、前記シリコン基板が、接地電極および機械的支持部として機能することを特徴とする。
【００１４】
本発明のＢＤＡ型微小回転モータを形成する方法において、低応力適所ドープドポリシリコン層を蒸着する工程は、低圧化学蒸着（ＬＰＣＶＤ）法において、蒸着工程と、適所(in situ) ドーピングプロセスとポストアニールプロセスを含み、本工程の各サブプロセスは、異なった圧力、ガス流および温度の下で行われ、前記低応力ポリシリコン薄膜構造の応力は２００ＭＰａ未満に調整されていることを特徴とする。
【００１５】
本発明のＢＤＡ型微小回転モータを形成する方法において、低応力ＰＳＧ捨て層の蒸着工程は、プラズマ強化化学蒸着（ＰＥＣＶＤ）法を用いた蒸着工程とポストアニールプロセスとを含み、前記低応力ＰＳＧ捨て層の応力は３００ＭＰａ未満に調整されることを特徴とする。
【００１６】
本発明のＢＤＡ型微小回転モータを形成する方法において、前記捨て層の蒸着工程は、低応力蛍光ケイ酸（ＰＳＧ）を蒸着する工程を含むことを特徴とする。
【００１７】
本発明のＢＤＡ型微小ファンの形成方法は、
a. 最終の解除プロセスを除いた請求項１に記載のプロセスによるＢＤＡ型微小モータの製造工程と、
b. 前記ＢＤＡ型微小ファンの第３低応力ポリシリコン構造層上にポリイミド薄膜をスピンコーティングする工程と、
c. 前記ポリイミド薄膜上に、弾性ジョイントを、フォトリソグラフィによりパターニングしエッチングする工程と、
d. 第１および第２ＰＳＧ捨て層をアンダーカットエッチングして基板からＢＤＡロータ部および微小羽根部を解除し、ＢＤＡ微小モータのカバー部および結合路部は基板に固定した状態に保持する工程と、
e. リフロープロセスを実施して前記ポリイミド弾性ジョイントを収縮させ、予め形成した微小羽根部を回転させて持ち上げ、微小羽根部の持ち上げ角度は、ポリイミド層のリフロー温度を調整することにより調整可能とする工程と、を含み、
構造解除およびポリイミド硬化プロセス後に、自立するＢＤＡ微小ファンを適切な静電駆動によりシリコン基板上で回転可能とすることを特徴とする。
【００１８】
本発明のＢＤＡ型微小ファンの形成方法において、持ち上げて微小羽根の形成することによって、ポリイミド自己組織化微細構造を形成し、ポリイミド自己組織化の基本的な駆動機構として、構造層を持ち上げるための高温リフロープロセス中に発生したポリイミド弾性ジョイントの表面張力を利用することを特徴とする。
【００１９】
本発明のＢＤＡ型微小ファンの形成方法において、エッチング工程は、アンダーカットエッチングプロセスであることを特徴とする。
【００２０】
本発明のＢＤＡ型微小ファンの形成方法において、エッチング工程は、選択的エッチングプロセスであり、ポリシリコン構造層よりも速くＰＳＧ捨て層をエッチング可能な希釈ＨＦ酸性溶液を用いることを特徴とする。
【発明の効果】
【００２１】
本発明は、長い寿命を獲得でき、消費電力が低減でき、一定の回転方向を確保できる新規な微小回転モータまたは微小ファンの開発に寄与する新規なバウンス駆動アクチュエータ（ＢＤＡ）の設計と製作を提供する。すなわち、本発明は、寿命を延ばし、速度を上げ、消費電力を低減でき、確実な回転を得ることができる新規なリブとフランジ構造設計を具備する革新的なバウンス駆動アクチュエータを提供する。かかる目的を達成するため、バウンス駆動アクチュエータ（ＢＤＡ）の主要な寸法仕様として、ＢＤＡ板のブッシング部のアスペクト比(高さ／幅)が１より小さく設定し、かつ、ＢＤＡ板の長さを７５mmより短い寸法に設定している。
【００２２】
従来のＳＤＡ装置と比較すると、本発明はＢＤＡ板の設計において、短く広いブッシング構造を提供することによって、板の曲げ剛性を増大でき、かつ、ＳＤＡ板の起動電圧同じ電圧を印加しても曲げ板と絶縁基板との接触（摩擦）面積は低減することができる。起動電圧を超えるいかなる追加静電気負荷もＢＤＡ板の自由端をそれ以上撓ませることができず、ブッシングを圧縮しかつ内向する。印加電圧が解除されると、ブッシングの摩擦力はＢＤＡ板の自由端より大きくなるので、蓄積された歪エネルギーはアクチュエータを後方に跳ね返すことになる。
【００２３】
さらに、新規なリブとフランジの構造設計によって、ＢＤＡ型微小モータの寿命（＞１００時間）と回転速度（＞３０ｒｐｍ）とを向上することができる。
【発明を実施するための最良の形態】
【００２４】
従来のＳＤＡ微小モータは、その短寿命と高駆動電力と突然の逆回転に起因して商業的使用は限られていた。図１は、L-editソフトウェアのシミュレーション結果による従来のＳＤＡおよび新規なＢＤＡ微小モータの主構造を示す。支持ビーム（０９）の破壊抵抗性（捩り力によって生じる）を向上させるために、本発明は、ＢＤＡ板（０８）、支持ビーム（０９）、リング（１０）およびカバー（１２）を同時に形成するため、ポリシリコン３（０５）層を利用する。ここに、これらの部材はリング（１０）部に隣接する厚肉の「リブ（１１）」構造（ポリシリコン２（０４）層およびポリシリコン３（０５）層の積層からなる）を形成し、ＢＤＡ微小モータの曲げ剛性と寿命を改善することができる。
【００２５】
図２は、本発明において提案された新規な「フランジ（１３）」レイアウトを示す。このフランジ設計によって、支持ビームの構造堅牢性をさらに向上することができ、かつ、ＢＤＡ微小モータの歩留りを改善し、動作時の亀裂破損を減少させることができる。付属書６は、装着したＢＤＡ微小モータが有するフランジレイアウト設計のＳＥＭ電子顕微鏡写真である。本発明は、ＢＤＡ微小モータの寿命（＞７５時間）と回転速度（＞３０ｒｐｍ）を改善するための新規なリブおよびフランジ構造設計を提供する。
【００２６】
図３は、ＳＤＡ装置とＢＤＡ装置の断面構造と寸法を示す図である。図から明らかなように、ＢＤＡ板（０８）はＳＤＡ板（０６）より長さが短く、ＢＤＡブッシング（１５）はＳＤＡブッシング（１４）よりも短くかつ広くなっている。 図４は、ＳＤＡ板（０６）とＢＤＡ板（０８）の作動機構をそれぞれ示す。図１と図３に戻って、BrightとLindermanの記述によれば、窒化誘電層に接触するようスナップしたＳＤＡ板（０６）の自由端に静電的に電圧が印加されると、スナップ動作が段階的に行われ、板の先端が下方にスナップして窒化誘電体層（０２）に接触する。電力が起動電圧まで上昇すると、ＳＤＡ板（０６）の先端は十分に曲がり、その自由端において勾配が０になり平坦になる。最後に、印加した電力を解除すると、支持ビーム（０７）、ＳＤＡ板（０６）およびブッシング（１４）に蓄えられた歪エネルギーがＳＤＡ板（０６）を前方に引っ張り、ステップを完了する。 一方、ＢＤＡ板（０８）は、その短い長さによって高い曲げ剛性を有する。従って、曲げ板と窒化誘電体層（０２）の接触面積は、ＳＤＡ板（０６）の起動値と同じ電圧の下で低減することになる。起動電圧を超えるいかなる追加静電気が印加されてもＢＤＡ板（０８）の自由端をそれ以上撓ませることができず、ブッシング（１５）を圧縮しかつ内向する。印加電圧が解除されると、短尺でかつ幅広のブッシング（１５）の摩擦力はＢＤＡ板（０８）の自由端より大きくなるので、蓄積された歪エネルギーはアクチュエータを後方に跳ね返すことになる。
【００２７】
図５は、本発明に係るＢＤＡ微小モータのレイアウトと断面構造の設計を示す。リブ（１１）とフランジ(１３)とからなる構造によって、支持ビームの堅牢性を向上することができ、その結果、ＢＤＡ微小モータの歩留りを高め、さらに、動作時の亀裂破損を減少させることができる。
【００２８】
図６は、本発明に係るＢＤＡ微小モータの製造フローを示す。全プロセスは、少なくとも８つのフォトリソグラフィ工程と、７つの薄膜蒸着工程を必要とする。本発明の主な製造技術は、ポリシリコン型表面微細加工技術である。主な処理工程の詳細は以下の通りである。
（ａ） ＬＰＣＶＤ法により超低抵抗シリコン基板（２０）上に蒸着した６００ｎｍ厚みの低応力窒化シリコンからなる絶縁層（２１）を、フォトリソグラフィによりパターニングする。図６（a）に示すように、まず、基板（２２）に少なくとも一つの電気的コンタクト窓をフォトリソグラフィおよびエッチングプロセスにおいて形成することができる。
（ｂ） ＬＰＣＶＤ法を用いて、１．５μｍ厚の低応力適所(in situ) ドープドリシリコン（２３）をシリコン基板上（on or above）に蒸着する。図６（b）に示すように、本発明は、第２のフォトリソグラフィカルパターニングプロセスにおいて、結合路（２４）およびアンカーのパッド（２５）の領域を正確に形成するため、誘導結合プラズマ（ＩＣＰ）エッチング法を用いる。
（ｃ） プラズマ助長化学蒸着（ＰＥＣＶＤ）により、２μｍ厚の低応力ＰＳＧ捨て層（２６）を基板上に形成する。重要寸法を正確に管理し、エッチングの異方性を向上させるため、本発明はＩＣＰドライエッチング法を採用し、第３のフォトリソグラフィプロセス（図６（ｃ））によって、ＢＤＡ微小モータの少なくとも一つの７５０ｎｍ深さのディンプル窓（２７）とブッシング窓（２８）をパターニングする。
（ｄ） ２μｍ厚の低応力適所ドープドリシリコン（２９）層を、ＬＰＣＶＤ法を用いて基板上に蒸着し、フォトリソグラフィおよびドライエッチングプロセス（図６（ｄ））を用いたパターニングによって、ＢＤＡ微小モータの少なくとも一つのリブ（３０）微細構造を形成する。
（ｅ） １．５μｍ厚の低応力ＰＳＧ捨て層（３１）を、ＰＥＣＶＤ法を用いて、基板上に蒸着する。図６（ｅ）に示すように、５番目のフォトマスクを用いて、ＢＤＡ微小モータのディンプル窓（３２）、カバー窓（３３）およびブッシング窓（３４）の領域をパターニングする。
（ｆ） 第６のフォトリソグラフィおよびドライエッチングプロセスにより、本発明は、さらに、図６（ｆ）に示すように、ＢＤＡ微小モータのアンカー窓（３５）の領域を形成する。
（ｇ） ３番目の２μｍ厚の低応力適所ドープドリシリコン（３６）層を、ＬＰＣＶＤ法を用いて、基板上に蒸着し、第７のフォトリソグラフィおよびドライエッチングプロセス（図６（ｇ））を用いたパターニングにより、ＢＤＡ微小モータの少なくとも一つのディンプル（３７）、支持ビーム（３８）、リング（３９）、カバー（４０）、ブッシング（４１）、およびＢＤＡロータ（４２）を形成する。
（ｈ） ２００ｎｍ厚のクロムと２５０ｎｍ厚の金からなる金属膜（４３）を、電子ビームエバポレータ蒸着システムを用いて、基板上に蒸着する。第８のフォトリソグラフィプロセスにおいて、本発明は、リフトオフ法を用いてクロムおよび金の金属層をパターニングし、ＢＤＡ微小モータ（図６（ｈ））の少なくとも一つのバイアスパッド（４４）および接地パッド（４５）を形成する。
（ｉ） 第１および第２のＰＳＧ捨て層（２６と３１）に、４９％のＨＦ酸性溶液を用いてアンダーカットエッチングを施し、基板（２０）からＢＤＡ微小モータのＢＤＡロータ（４２）部を解除（ｒｅｌｅａｓｅ）する。解除プロセスの後、適切な静電駆動を行うことにより（図６（ｉ））、自由起立状態のＢＤＡロータ（４２）を窒化シリコン絶縁体（２１）上で、回転させることができる。
【００２９】
付属書７は、異なった板長さを有する１つのＳＤＡ微小モータと３つのＢＤＡ微小モータのＳＥＭ電子顕微鏡写真を示す。動的測定によって、板長さが７５mｍより長くなると(例えば,７８〜８８mｍ)、モータはＳＤＡ機能を有し、周波数９００Hzの正弦９０Vo-p ac約１rpmの”前方“回転(及び突然の逆回転)を示す。板長さが７５mｍより短くなると(例えば,６８，５８，３３mｍ)、モータはＢＤＡ機能を有し、同じ出力と周波数で約＞３０rpmの安定した”逆“回転を示す。図７は、ＳＤＡ微小モータ及びＢＤＡ微小モータの４つの異なる長さ設計から測定した対応する回転速度を示す。明らかに、板長さが短くなると、同じ出力条件では回転速度が高くなる。図８は、同じ板長さと同じ半円形状を有する２つの駆動ＢＤＡ微小モータの動的回転を示す電子顕微鏡写真である。図９はＢＤＡ微小モータの周波数応答を示し、駆動周波数の変化に伴うＢＤＡ微小モータの回転数の予定される略直線状の増加を示す。
【００３０】
図１０は、ＢＤＡ微小モータ（５０）と、ＢＤＡ微小モータ（５０）を用いて製造したＢＤＡ微小ファンに適用可能な新規な設計の応用例を示し、ＢＤＡ微小モータ（５０）と８枚のポリイミド自己組織化微小羽根（５１）により構成されている。ポリイミド自己組織化の基本的な駆動機構は、構造層を持ち上げるための高温リフロープロセス中に発生するポリイミド弾性ジョイント（５２）の表面張力を利用している。
【００３１】
（付属書の説明）
付属書 １： 従来のＳＤＡ装置
付属書 ２： ＳＤＡ板長の最適化のシミュレーション結果
付属書 ３： 実施されたＳＤＡ型微小回転モータ
付属書 ４： ＭＥＭＳ技術を使って製造された微小ＳＤＡ型の微小ファン
付属書 ５： MEMSCAPのマルチユーザMEMS工程(ＭＵＭＰｓ)
付属書 ６： ＢＤＡの曲げ剛性と寿命の向上を目的としたフランジ構造設計のＳＥＭ電子顕微鏡写真
付属書 ７： ＳＤＡ微小モータとＢＤＡ微小モータの回転方向と板長さ
【図面の簡単な説明】
【００３２】
【図１】L-edit (商標)ソフトウェアのシミュレーション結果に基づく従来のＳＤＡ微小モータと新規なＢＤＡ微小モータの主要な構造を示す図である。
【図２】ＢＤＡ微小モータの構造性と寿命をさらに向上させるための革新的な「フランジ」設計を示す図である。
【図３】ＳＤＡ装置とＢＤＡ装置の断面構造と寸法を示す図である。
【図４】ＳＤＡ装置とＢＤＡ装置の異なる駆動機構を示す図である。
【図５】本発明に係るＢＤＡ微小モータのレイアウトと断面構造の設計を示す図である。
【図６】ＳＤＡ微小モータの主要なプロセスの工程の断面図である。
【図７】ＢＤＡ微小モータとＳＤＡ微小モータの回転速度対板長さの説明図である。
【図８】二つの異なった駆動振動数におけるＢＤＡ微小モータの動的電子顕微鏡写真である。
【図９】ＢＤＡ微小モータの回転速度と駆動振動数の説明図である。
【図１０】ＢＤＡ微小モータによって駆動される微小ファンの新規な設計を示す図である。
【符号の説明】
【００３３】
（１） シリコンウェーハ
（２） 窒化物
（３） ポリシリコン−１
（４） ポリシリコンー2
（５） ポリシリコンー3
（６） ＳＤＡ板
（７） ＳＤＡの支持ビーム
（８） ＢＤＡ板
（９） ＢＤＡの支持ビーム
（１０） リング
（１１） リブ
（１２） カバー
（１３） フランジ
（１４） ＳＤＡブッシング
（１５） ＢＤＡブッシング
（１６） バイアスパッド
（１７） 接地パッド
（２０） シリコン基板
（２１） 低応力 Si3N4
（２２） 基板の接触窓
（２３） 低応力適所ドープドポリシリコンー１
（２４） 結合路
（２５） アンカーのパッド
（２６） 低応力ＰＳＧ−１
（２７） ディンプル窓
（２８） ブッシング窓
（２９） 低応力適所ドープドポリシリコンー２
（３０） リブ
（３１） 低応力ＰＳＧ−２
（３２） ディンプル窓
（３３） カバー窓
（３４） ブッシング窓
（３５） アンカー窓
（３６） 低応力適所ドープドポリシリコンー３
（３７） ディンプル
（３８） 支持ビーム
（３９） リング
（４０） カバー
（４１） ブッシング
（４２） ＢＤＡロータ
（４３） Cr/Au金属
（４４） バイアスパッド
（４５） 接地パッド
（５０） ＢＤＡ微小モータ
（５１） 微小羽根
（５２） ポリイミドジョイント
【特許請求の範囲】
【請求項１】
ＢＤＡ板のブッシング部をアスペクト比（高さ／幅）を１より小さい値に設定し、ＢＤＡ板の長さを７５mmより短い寸法に設定したことを特徴とするバウンス駆動アクチュエータ（ＢＤＡ）。
【請求項２】
請求項1記載の寸法基準に基づいた微小回転モータの設計及びレイアウトであって、微小回転モータはバウンス駆動微小回転モータであり、ＢＤＡ板は短い長さによって高い曲げ剛性を有し、曲げ板と窒化絶縁体の接触面積は、同一の起動電圧がＳＤＡ板に印加された際に実質的に低減でき、起動電圧を超えるいかなる追加静電気を印加してもＢＤＡ板の自由端をそれ以上撓ませることができず、ブッシングを圧縮し内向し、印加電圧が解除されると、短尺でかつ幅広のブッシングの摩擦力は自由端より大きくなり、蓄積された歪エネルギーはアクチュエータを後方に跳ね返すようにしたことを特徴とする微小回転モータの設計及びレイアウト。
【請求項３】
請求項２記載のＢＤＡ型微小モータの新規な構造設計であって、前記リブとフランジの構造設計をＢＤＡ型微小モータの設計と製造に採用し、寿命（＞１００時間）と回転速度（＞３０ｒｐｍ）とを向上するようにしたことを特徴とするＢＤＡ型微小モータの新規な構造設計。
【請求項４】
以下の工程からなるＢＤＡ型微小回転モータを形成する方法。
ａ．引張り応力が小さく摩擦係数が低い窒化シリコン絶縁材料からなる第１の層をシリコン基板上に蒸着する工程と、
ｂ．低応力窒化シリコン絶縁材料の層をフォトリソグラフィによりパターニングし、少なくとも一つのシリコン基板の電気コンタクト窓を形成する工程と、
ｃ．極低応力の適所ドープドポリシリコンからなる第２の層を、シリコン基板上に蒸着する工程と、
ｄ．第１の低応力適所ドープドポリシリコン構造層をフォトリソグラフィによりパターニングし、ＢＤＡ型微小回転モータの少なくとも一つの結合路と一つのアンカーパッドを形成する工程と、
ｅ．低応力を有し、ＢＤＡ型微小回転モータの構造層の捨て層として機能する蛍光ケイ酸（ＰＳＧ）材からなる第３の層をシリコン基板上に蒸着する工程と、
ｆ．第１の低応力ＰＳＧ捨て層をフォトリソグラフィによりパターニングし、ＢＤＡ型微小回転モータの少なくとも一つのブッシング窓と一つのディンプル窓を形成する工程と、
g. 極低応力を有する、適所ドープドポリシリコンからなる第４の層を、第１のＰＳＧ捨て層上に蒸着する工程と、
h. 第２の低応力適所ドープドポリシリコン層をフォトリソグラフィによりパターニングし、ＢＤＡ型微小回転モータの少なくとも一つのリブ微小構造部を形成する工程と、
i. 低応力を有し、ＢＤＡ型微小回転モータの構造層の第２の捨て層として機能する蛍光ケイ酸（ＰＳＧ）材からなる第５層を、リブおよび第１のＰＳＧ捨て層部上に蒸着する工程と、
j. 第２のＰＳＧ捨て層をフォトリソグラフィによりパターニングし、少なくとも一つのディンプル窓と一つのブッシング窓を形成する工程と、
k. 第１と第２のＰＳＧ捨て層をフォトリソグラフィによりパターニングし、ＢＤＡ型微小モータの少なくとも一つのカバー窓を形成する工程と、
l. 低応力を有し、ＢＤＡ型微小回転モータの主構造層として機能する適所ドープドポリシリコン材からなる第６層を、リブ部および第２のＰＳＧ捨て層部上に蒸着する工程と、
m. 第３の低応力ポリシリコン構造層をフォトリソグラフィによりパターニングし、微小回転モータのカバー部および少なくとも一つのＢＤＡロータ部を形成する工程と、
n. クロムと金からなる金属層によって形成される第７層を、第３の低応力ポリシリコン層および第２のＰＳＧ捨て層部上に蒸着する工程と、
o. クロムと金からなる金属層をフォトリソグラフィによりパターニングし、ＢＤＡ型微小回転モータのバイアスおよび接地パッドを形成する工程と、
p. ＢＤＡ型微小回転モータのカバーと結合路部は基板に固定した状態で、第１および第２のＰＳＧ捨て層にアンダーカットエッチングを行い、基板からＢＤＡ型微小回転モータのＢＤＡロータ部を解除（ｒｅｌｅａｓｅ）し、解除プロセスの後、窒化シリコン絶縁層上で、適切な静電駆動により自立した状態のＢＤＡロータを回転可能とする工程。
【請求項５】
絶縁層の蒸着工程は、低圧化学蒸着（ＬＰＣＶＤ）法による蒸着工程とポストアニールプロセスとを含み、前記低応力窒化絶縁体の応力が２５０ＭＰａ未満に調整されていることを特徴とする、請求項４に記載の方法。
【請求項６】
シリコン基板の電気的コンタクト窓は、金属層とシリコン基板の電気的コンタクトを図るため形成され、ＢＤＡ微小モータの駆動に際し、前記シリコン基板が、接地電極および機械的支持部として機能することを特徴とする、請求項４に記載の方法。
【請求項７】
低応力適所ドープドポリシリコン層を蒸着する工程は、低圧化学蒸着（ＬＰＣＶＤ）法において、蒸着工程と、適所(in situ) ドーピングプロセスとポストアニールプロセスを含み、本工程の各サブプロセスは、異なった圧力、ガス流および温度の下で行われ、前記低応力ポリシリコン薄膜構造の応力は２００ＭＰａ未満に調整されていることを特徴とする、請求項４に記載の方法。
【請求項８】
低応力ＰＳＧ捨て層の蒸着工程は、プラズマ強化化学蒸着（ＰＥＣＶＤ）法を用いた蒸着工程とポストアニールプロセスとを含み、前記低応力ＰＳＧ捨て層の応力は３００ＭＰａ未満に調整されることを特徴とする、請求項４に記載の方法。
【請求項９】
前記捨て層の蒸着工程は、低応力蛍光ケイ酸（ＰＳＧ）を蒸着する工程を含むことを特徴とする、請求項４に記載の方法。
【請求項１０】
以下の工程からなるＢＤＡ型微小ファンの形成方法。
a. 最終の解除プロセスを除いた請求項１に記載のプロセスによるＢＤＡ型微小モータの製造工程と、
b. 前記ＢＤＡ型微小ファンの第３低応力ポリシリコン構造層上にポリイミド薄膜をスピンコーティングする工程と、
c. 前記ポリイミド薄膜上に、弾性ジョイントを、フォトリソグラフィによりパターニングしエッチングする工程と、
d. 第１および第２ＰＳＧ捨て層をアンダーカットエッチングして基板からＢＤＡロータ部および微小羽根部を解除し、ＢＤＡ微小モータのカバー部および結合路部は基板に固定した状態に保持する工程と、
e. リフロープロセスを実施して前記ポリイミド弾性ジョイントを収縮させ、予め形成した微小羽根部を回転させて持ち上げ、微小羽根部の持ち上げ角度は、ポリイミド層のリフロー温度を調整することにより調整可能とする工程と、を含み、
構造解除およびポリイミド硬化プロセス後に、自立するＢＤＡ微小ファンを適切な静電駆動によりシリコン基板上で回転可能とすることを特徴とする微小ファンの形成方法。
【請求項１１】
持ち上げて微小羽根の形成することによって、ポリイミド自己組織化微細構造を形成し、ポリイミド自己組織化の基本的な駆動機構として、構造層を持ち上げるための高温リフロープロセス中に発生したポリイミド弾性ジョイントの表面張力を利用することを特徴とする、請求項１０に記載の方法。
【請求項１２】
エッチング工程は、アンダーカットエッチングプロセスであることを特徴とする、請求項１０に記載の方法。
【請求項１３】
エッチング工程は、選択的エッチングプロセスであり、ポリシリコン構造層よりも速くＰＳＧ捨て層をエッチング可能な希釈ＨＦ酸性溶液を用いることを特徴とする、請求項１０に記載の方法。
【請求項１】
ＢＤＡ板のブッシング部をアスペクト比（高さ／幅）を１より小さい値に設定し、ＢＤＡ板の長さを７５mmより短い寸法に設定したことを特徴とするバウンス駆動アクチュエータ（ＢＤＡ）。
【請求項２】
請求項1記載の寸法基準に基づいた微小回転モータの設計及びレイアウトであって、微小回転モータはバウンス駆動微小回転モータであり、ＢＤＡ板は短い長さによって高い曲げ剛性を有し、曲げ板と窒化絶縁体の接触面積は、同一の起動電圧がＳＤＡ板に印加された際に実質的に低減でき、起動電圧を超えるいかなる追加静電気を印加してもＢＤＡ板の自由端をそれ以上撓ませることができず、ブッシングを圧縮し内向し、印加電圧が解除されると、短尺でかつ幅広のブッシングの摩擦力は自由端より大きくなり、蓄積された歪エネルギーはアクチュエータを後方に跳ね返すようにしたことを特徴とする微小回転モータの設計及びレイアウト。
【請求項３】
請求項２記載のＢＤＡ型微小モータの新規な構造設計であって、前記リブとフランジの構造設計をＢＤＡ型微小モータの設計と製造に採用し、寿命（＞１００時間）と回転速度（＞３０ｒｐｍ）とを向上するようにしたことを特徴とするＢＤＡ型微小モータの新規な構造設計。
【請求項４】
以下の工程からなるＢＤＡ型微小回転モータを形成する方法。
ａ．引張り応力が小さく摩擦係数が低い窒化シリコン絶縁材料からなる第１の層をシリコン基板上に蒸着する工程と、
ｂ．低応力窒化シリコン絶縁材料の層をフォトリソグラフィによりパターニングし、少なくとも一つのシリコン基板の電気コンタクト窓を形成する工程と、
ｃ．極低応力の適所ドープドポリシリコンからなる第２の層を、シリコン基板上に蒸着する工程と、
ｄ．第１の低応力適所ドープドポリシリコン構造層をフォトリソグラフィによりパターニングし、ＢＤＡ型微小回転モータの少なくとも一つの結合路と一つのアンカーパッドを形成する工程と、
ｅ．低応力を有し、ＢＤＡ型微小回転モータの構造層の捨て層として機能する蛍光ケイ酸（ＰＳＧ）材からなる第３の層をシリコン基板上に蒸着する工程と、
ｆ．第１の低応力ＰＳＧ捨て層をフォトリソグラフィによりパターニングし、ＢＤＡ型微小回転モータの少なくとも一つのブッシング窓と一つのディンプル窓を形成する工程と、
g. 極低応力を有する、適所ドープドポリシリコンからなる第４の層を、第１のＰＳＧ捨て層上に蒸着する工程と、
h. 第２の低応力適所ドープドポリシリコン層をフォトリソグラフィによりパターニングし、ＢＤＡ型微小回転モータの少なくとも一つのリブ微小構造部を形成する工程と、
i. 低応力を有し、ＢＤＡ型微小回転モータの構造層の第２の捨て層として機能する蛍光ケイ酸（ＰＳＧ）材からなる第５層を、リブおよび第１のＰＳＧ捨て層部上に蒸着する工程と、
j. 第２のＰＳＧ捨て層をフォトリソグラフィによりパターニングし、少なくとも一つのディンプル窓と一つのブッシング窓を形成する工程と、
k. 第１と第２のＰＳＧ捨て層をフォトリソグラフィによりパターニングし、ＢＤＡ型微小モータの少なくとも一つのカバー窓を形成する工程と、
l. 低応力を有し、ＢＤＡ型微小回転モータの主構造層として機能する適所ドープドポリシリコン材からなる第６層を、リブ部および第２のＰＳＧ捨て層部上に蒸着する工程と、
m. 第３の低応力ポリシリコン構造層をフォトリソグラフィによりパターニングし、微小回転モータのカバー部および少なくとも一つのＢＤＡロータ部を形成する工程と、
n. クロムと金からなる金属層によって形成される第７層を、第３の低応力ポリシリコン層および第２のＰＳＧ捨て層部上に蒸着する工程と、
o. クロムと金からなる金属層をフォトリソグラフィによりパターニングし、ＢＤＡ型微小回転モータのバイアスおよび接地パッドを形成する工程と、
p. ＢＤＡ型微小回転モータのカバーと結合路部は基板に固定した状態で、第１および第２のＰＳＧ捨て層にアンダーカットエッチングを行い、基板からＢＤＡ型微小回転モータのＢＤＡロータ部を解除（ｒｅｌｅａｓｅ）し、解除プロセスの後、窒化シリコン絶縁層上で、適切な静電駆動により自立した状態のＢＤＡロータを回転可能とする工程。
【請求項５】
絶縁層の蒸着工程は、低圧化学蒸着（ＬＰＣＶＤ）法による蒸着工程とポストアニールプロセスとを含み、前記低応力窒化絶縁体の応力が２５０ＭＰａ未満に調整されていることを特徴とする、請求項４に記載の方法。
【請求項６】
シリコン基板の電気的コンタクト窓は、金属層とシリコン基板の電気的コンタクトを図るため形成され、ＢＤＡ微小モータの駆動に際し、前記シリコン基板が、接地電極および機械的支持部として機能することを特徴とする、請求項４に記載の方法。
【請求項７】
低応力適所ドープドポリシリコン層を蒸着する工程は、低圧化学蒸着（ＬＰＣＶＤ）法において、蒸着工程と、適所(in situ) ドーピングプロセスとポストアニールプロセスを含み、本工程の各サブプロセスは、異なった圧力、ガス流および温度の下で行われ、前記低応力ポリシリコン薄膜構造の応力は２００ＭＰａ未満に調整されていることを特徴とする、請求項４に記載の方法。
【請求項８】
低応力ＰＳＧ捨て層の蒸着工程は、プラズマ強化化学蒸着（ＰＥＣＶＤ）法を用いた蒸着工程とポストアニールプロセスとを含み、前記低応力ＰＳＧ捨て層の応力は３００ＭＰａ未満に調整されることを特徴とする、請求項４に記載の方法。
【請求項９】
前記捨て層の蒸着工程は、低応力蛍光ケイ酸（ＰＳＧ）を蒸着する工程を含むことを特徴とする、請求項４に記載の方法。
【請求項１０】
以下の工程からなるＢＤＡ型微小ファンの形成方法。
a. 最終の解除プロセスを除いた請求項１に記載のプロセスによるＢＤＡ型微小モータの製造工程と、
b. 前記ＢＤＡ型微小ファンの第３低応力ポリシリコン構造層上にポリイミド薄膜をスピンコーティングする工程と、
c. 前記ポリイミド薄膜上に、弾性ジョイントを、フォトリソグラフィによりパターニングしエッチングする工程と、
d. 第１および第２ＰＳＧ捨て層をアンダーカットエッチングして基板からＢＤＡロータ部および微小羽根部を解除し、ＢＤＡ微小モータのカバー部および結合路部は基板に固定した状態に保持する工程と、
e. リフロープロセスを実施して前記ポリイミド弾性ジョイントを収縮させ、予め形成した微小羽根部を回転させて持ち上げ、微小羽根部の持ち上げ角度は、ポリイミド層のリフロー温度を調整することにより調整可能とする工程と、を含み、
構造解除およびポリイミド硬化プロセス後に、自立するＢＤＡ微小ファンを適切な静電駆動によりシリコン基板上で回転可能とすることを特徴とする微小ファンの形成方法。
【請求項１１】
持ち上げて微小羽根の形成することによって、ポリイミド自己組織化微細構造を形成し、ポリイミド自己組織化の基本的な駆動機構として、構造層を持ち上げるための高温リフロープロセス中に発生したポリイミド弾性ジョイントの表面張力を利用することを特徴とする、請求項１０に記載の方法。
【請求項１２】
エッチング工程は、アンダーカットエッチングプロセスであることを特徴とする、請求項１０に記載の方法。
【請求項１３】
エッチング工程は、選択的エッチングプロセスであり、ポリシリコン構造層よりも速くＰＳＧ捨て層をエッチング可能な希釈ＨＦ酸性溶液を用いることを特徴とする、請求項１０に記載の方法。
【図７】
【図９】
【図１】
【図２】
【図３】
【図４】
【図５】
【図６】
【図８】
【図１０】
【図９】
【図１】
【図２】
【図３】
【図４】
【図５】
【図６】
【図８】
【図１０】
【公開番号】特開２００８−２８３８４４（Ｐ２００８−２８３８４４Ａ）
【公開日】平成２０年１１月２０日（２００８．１１．２０）
【国際特許分類】
【出願番号】特願２００７−１６８２４４（Ｐ２００７−１６８２４４）
【出願日】平成１９年６月２６日（２００７．６．２６）
【出願人】（５０５３８１９１０）サノンウェルス エレクトリック マシーン インダストリー カンパニー リミテッド (24)
【氏名又は名称原語表記】Ｓｕｎｏｎｗｅａｌｔｈ Ｅｌｅｃｔｒｉｃ Ｍａｃｈｉｎｅ Ｉｎｄｕｓｔｒｙ Ｃｏ．， Ｌｔｄ．
【住所又は居所原語表記】１２ｔｈ Ｆｒｏｏｒ， １２０ Ｃｈｕｎｇ Ｃｈｅｎｇ １ｓｔ Ｒｏａｄ， Ｌｉｎｇ Ｙａ Ｄｔ．， Ｋａｏｈｓｉｕｎｇ Ｃｉｔｙ， ＴＡＩＷＡＮ
【Ｆターム（参考）】
【公開日】平成２０年１１月２０日（２００８．１１．２０）
【国際特許分類】
【出願日】平成１９年６月２６日（２００７．６．２６）
【出願人】（５０５３８１９１０）サノンウェルス エレクトリック マシーン インダストリー カンパニー リミテッド (24)
【氏名又は名称原語表記】Ｓｕｎｏｎｗｅａｌｔｈ Ｅｌｅｃｔｒｉｃ Ｍａｃｈｉｎｅ Ｉｎｄｕｓｔｒｙ Ｃｏ．， Ｌｔｄ．
【住所又は居所原語表記】１２ｔｈ Ｆｒｏｏｒ， １２０ Ｃｈｕｎｇ Ｃｈｅｎｇ １ｓｔ Ｒｏａｄ， Ｌｉｎｇ Ｙａ Ｄｔ．， Ｋａｏｈｓｉｕｎｇ Ｃｉｔｙ， ＴＡＩＷＡＮ
【Ｆターム（参考）】
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