マイクロ構造体及びその製造方法
【課題】基板の伸びとマイクロ構造体の伸びの差などによる応力の弾性支持部への伝達が低減されたマイクロ構造体を提供する。
【解決手段】マイクロ構造体１８は、電極基板などの基板９と、基板９に支持部１を固定する１つのポスト１０と、支持部１の外周に枠状に配置される可動部５と、可動部５と支持部１とを弾性的に連結する弾性支持部２、３、４を有する。弾性支持部２、３、４は、支持部１に対して枠状の可動部５を可動に支持する。弾性支持部は、ねじりバネ２、４、弾性変形可能な連結部３などにより構成される。
【解決手段】マイクロ構造体１８は、電極基板などの基板９と、基板９に支持部１を固定する１つのポスト１０と、支持部１の外周に枠状に配置される可動部５と、可動部５と支持部１とを弾性的に連結する弾性支持部２、３、４を有する。弾性支持部２、３、４は、支持部１に対して枠状の可動部５を可動に支持する。弾性支持部は、ねじりバネ２、４、弾性変形可能な連結部３などにより構成される。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、半導体プロセスによってウエハから作製される微小電気機械構造体（ＭｉｃｒｏＥｌｅｃｔｒｏ Ｍｅｃｈａｎｉｃａｌ Ｓｙｓｔｅｍｓ；ＭＥＭＳ）などのマイクロ構造体、それを複数配列したマイクロ構造体アレイ、それらの製造方法などに関する。ここで、マイクロ構造体とは、主に、マイクロメータオーダ等の微細なサイズの構造体で、可動部を有し、例えば、力学量センサ（加速度センサ、圧力センサ、ジャイロセンサなど）、光偏向器、光スイッチ、光変調素子等に用いることができるものである。
【背景技術】
【０００２】
従来、微小電気機械構造体（ＭＥＭＳ）は、アクチュエータ、センサなどとして利用されている（特許文献１、特許文献２参照）。例えば、基板上に可動部を形成し、基板と可動部を静電容量可変なコンデンサとするものがある。このコンデンサを、静電アクチュエータとしたり、容量変化を検出するセンサとしたりすることができる。また、集積回路を含む基板上にマイクロ構造体を集積化したものがある。こうしたマイクロ構造体は、例えば、光を偏向する光偏向器として利用される。また、マイクロ構造体は、複数配列してアレイとして利用される。特に、反射面を有する可動部を含むマイクロ構造体が２次元に光を偏向するＭＥＭＳデバイスは、光スイッチ、空間的な強度変調器や位相変調器として用いることができる。
【先行技術文献】
【特許文献】
【０００３】
【特許文献１】特開２００８−１２２９５５号公報
【特許文献２】ＷＯ０６−１１２３８７号公報
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【０００４】
従来、可動部を有するマイクロ構造体は、マイクロ構造体とそれが形成される基板との温度差や基板の伸びで、ねじりバネのバネ定数などが変化し、可動部の変位運動が安定しないということがあった。また、２次元にねじり変位可能な可動部を有するマイクロ構造体は、２つのねじり変位方向へのバネ定数を小さくするとその他の方向へのバネ定数も小さくなってしまい、ねじり変位と共に不要な変位が生じ易かった。
【課題を解決するための手段】
【０００５】
上記課題に鑑み、本発明のマイクロ構造体は、基板と、前記基板に支持部を固定する１つのポストと、前記支持部の外周に枠状に配置される可動部と、前記可動部と前記支持部とを弾性的に連結する弾性支持部と、を有する。そして、前記弾性支持部は、前記支持部の外周に枠状に配置された連結部と第１のねじりバネと第２のねじりバネと、を含み、前記第１のねじりバネは、前記支持部に対して、第１のねじり軸の回りにねじり変位可能に前記連結部を支持し、前記第２のねじりバネは、前記連結部に対して、第２のねじり軸の回りにねじり変位可能に前記可動部を支持し、前記可動部は可動電極を有し、前記可動電極と前記基板上の固定電極とで、静電容量の変化するコンデンサを形成する様に構成されている。
【発明の効果】
【０００６】
本発明のマイクロ構造体によれば、中央部の１箇所の固定支持部が基板と固定されているため、枠状の可動部と支持部とを弾性的に連結する弾性支持部への、基板の伸びとマイクロ構造体の伸びの差などによる応力の伝達が低減された構成とできる。この様な部材の伸びの差は、例えば、基板とマイクロ構造体の線膨張係数差、使用時の温度差、基板の変形等で生じ、ねじりバネ、弾性変形可能な連結部などを含む弾性支持部にこれらによる応力がかかると、バネ定数などが変化してしまう。本発明のマイクロ構造体では、中央部の１箇所の固定支持部のみが基板と固定されるので、たとえ上記の如き伸びの差などが生じても、弾性支持部への基板からの応力の伝達が低減される。そのため、製造個体や使用環境などが異なることによる弾性支持部の機能の変化や不均一を低減でき、可動部の変位運動を安定化できる。
【図面の簡単な説明】
【０００７】
【図１】本発明のマイクロ構造体の実施形態を説明する図。
【図２】ねじりバネの概念及び連結部の近似モデルを示す図。
【図３】連結部の周長と垂直方向バネ定数の関係を示すグラフ。
【図４】比較例のマイクロ構造体を説明する図。
【図５】本発明のマイクロ構造体の実施例及びマイクロ構造体アレイを説明する図。
【図６】本発明のマイクロ構造体の他の実施例を説明する図。
【図７】本発明のマイクロ構造体アレイの製造方法の実施例を説明する図。
【図８】本発明のマイクロ構造体アレイの製造方法の他の実施例を説明する図。
【図９】本発明のマイクロ構造体アレイの製造方法の他の実施例を説明する図。
【発明を実施するための形態】
【０００８】
本発明のマイクロ構造体は、固定支持部とこれの外周に枠状に配置される可動部とを弾性的に連結して可動部を固定支持部に対して可動に支持する弾性支持部を有する構成において、１箇所で固定支持部を基板に固定する。これにより、上記の如き応力が弾性支持部に殆ど伝達されない構成とできる。
【０００９】
以下、図を用いて本発明の実施形態及び実施例を説明する。
図１（ａ）〜（ｃ）は本発明のＭＥＭＳデバイスであるマイクロ構造体の一実施形態１を示す。図１において、（ａ）は上面図、（ｂ）は図１（ａ）のＣ−Ｃ’線での断面図、（ｃ）は電極基板の固定電極付近の上面図である。図１（ｂ）に示す様に、本実施形態は、電極基板９と、破線で囲んだマイクロ構造体１８を有する。可動部５を含むマイクロ構造体１８の支持部１は、ポスト１０を介して電極基板９に固定されている。ポスト１０は導電性の材料で形成されており、電極基板９上の受け部１７と支持部１を電気的に接続している。マイクロ構造体１８の可動部５は、図１（ａ）のＡ−Ａ線、Ｂ−Ｂ線を夫々第１のねじり軸、第２のねじり軸として、支持部１に対して２次元ねじり変位可能に弾性支持されている。すなわち、Ａ−Ａ線をねじり軸として、第１のねじりバネ２により連結部３が支持部１に対してねじり変位自在に弾性支持されている。更に、Ｂ−Ｂ線をねじり軸として、第２のねじりバネ４により可動部５が連結部３に対してねじり変位自在に弾性支持されている。この様に、連結部３によって２組のねじりバネ２、４を連結することで、２次元ねじり変位可能に可動部５を弾性支持することができる。本実施形態では、ＭＥＭＳデバイスの中央に支持部１、その外周を順次取り囲む様に周長１５の枠状の連結部３、枠状の可動部５が形成されている。本明細書では、この様な特徴的な連結構造を中央固定ジンバル構造とも呼ぶ。ここでは、支持部１の外周に枠状に配置される弾性変形可能な連結部３と第１のねじりバネ２と第２のねじりバネ４が、弾性支持部を構成している。また、支持部１が円形状、連結部３が円環状、可動部５が、中央部の刳り貫かれた四角形状をしているが、これらの形状は場合に応じて種々に設計することができる。
【００１０】
一方、可動部５の電極基板９側の面と一定の空隙を隔てて対向して、固定電極８が絶縁層１６を介して電極基板９上に形成されている。従って、この部分で、可動部５の変位に応じて静電容量が変化するコンデンサを形成している。この空隙は、図１（ｂ）に示す様に、ポスト１０の高さ、受け部１７の厚さで規定される。固定電極８は、図１（ｃ）に示す様に、導電性の受け部１７の回りに４枚の扇型で形成される。４枚の扇型は、Ａ−Ａ線とＢ−Ｂ線に沿った部分で夫々分離されている。ここで、固定電極８とマイクロ構造体１８との間に電位差を発生させると、固定電極８と可動部５との間で静電引力が発生する静電アクチュエータとできる。可動部５に対して静電引力が発生する箇所は、固定電極８と対向する位置付近となる。この位置付近は、固定されているポスト１０から離れているので、静電引力は可動部５をねじり変位するモーメントとなる。このモーメントのアームは、比較的長く設定することができる。第１、第２のねじり軸の伸長方向と扇型の固定電極８の分離形態が上述した様になっているので、４枚の固定電極８のうちの１枚または隣接する２枚に夫々任意の電圧を印加することによって、可動部６を２次元的にねじり変位することが可能となる。可動部５上に図示の如く光反射面６を設ければ、この静電アクチュエータを光スキャナ、光スイッチ、光変調素子などとして用いることができる。
【００１１】
一方、可動部５の変位に応じた静電容量の変化を容量検出回路で検出することにより、センサを構成することが可能となる。特に、可動部５が外部から力（例えば、力、加速度、角速度等）を受けることで生じる変位を検出することで、これらの力を検出するセンサとできる。
【００１２】
本実施形態の効果について図を用いて詳細に説明する。
第一に、中央固定ジンバル構造により、使用環境などが異なることによるバネ定数の変化を低減することが可能となる。これは、２組のねじりバネの何れにもねじり軸方向の応力が印加されない構成により達成できる。ねじりバネの断面の模式図である図２（ａ）を用いて説明する。ねじり軸に平行なねじりバネの長さをＬとし、断面の幅ｔ、厚さｂを図２（ａ）の様に定義する。ねじり軸方向の応力σが印加されたとすると、ねじりバネ定数Ｋは以下の式１の関係で近似される。
Ｋ＝（Ｇｂｔ２／３Ｌ）＊（１＋（ｂ２／４Ｇｔ２）＊σ） 式１
ここで、Ｇは構成部材の横弾性係数である。式１に示す様に、応力σによりねじりバネ定数Ｋは変化する。応力σは、電極基板９とマイクロ構造体１８の変形量の差によりねじりバネが伸縮されることで生じる。この様な変形量の差は、製造工程での電極基板９の変形、機器への固定時の変形などで生じる。これらの変形は製造個体毎にばらつきを有する。また、光偏向器の場合は、光の照射で、マイクロ構造体１８と電極基板９が昇温することが考えられる。昇温が生じた場合、線膨張係数の差や温度の差により伸び量が異なるため、光照射の状況により応力σが変化してしまう。更に、使用環境温度が変化する場合や、マイクロ構造体の冷却のために背面から吸熱する場合も、環境毎にマイクロ構造体１８と電極基板９の伸びの差が異なるため、応力σが変化してしまう。従って、ねじりバネ定数Ｋもこれらの要因で変化することとなる。
【００１３】
中央固定ジンバル構造によれば、電極基板９に対してマイクロ構造体１８は１つのポスト１０で固定される。そして、第１、第２のねじりバネ２、４のいずれも、一端が外側に向かっているのみで、電極基板９へ固定される箇所が存在しない。従って、電極基板９の変形により２組のねじりバネにねじり軸方向の応力σが伝達されることがない構成とできる。つまり、応力σが第１、第２のねじりバネ２、４に殆ど発生しないため、この要因によるねじりバネ定数の変化が低減可能となる。この効果は、中央固定ジンバル構造などの様に、中央部の１箇所の支持部のみが基板と固定される構成であれば、達成される。
【００１４】
また、断面アスペクト比の大きいねじりバネは、ねじり軸方向への応力によるバネ定数変化が大きくなるが、本実施形態では、電極基板から応力が伝達されないため、この様なねじりバネを用いてもバネ定数の変化を低減することが可能となる。また、ねじりバネ定数が基板からの応力の影響を受けないので、光照射でマイクロ構造体や電極基板に温度変化が生じても、応力を要因とするねじりバネ定数変化を低減できる。そのため、高出力の光を偏向しても安定動作が可能となる。また、電極基板からの応力が伝達されないので、複数配列されたマイクロ構造体間でのバネ定数のばらつきの応力要因を取り除くことが可能となる。例えば、光変調器として用いる場合、隣接するマイクロ構造体の偏向軸に偏芯が生じて、意図しない回折光が発生するのを低減することができる。また、光偏向器アレイとして用いる場合、微小な可動ミラーをアレイ状に配列し、各ミラーの変位量を個別に精度良く制御することで、ミラーアレイに照射した光を所望の位置（ないし形状）に偏向できる。この様なミラーアレイによりマスクレス露光等ができる。更に、大規模なアレイを構成した場合も、マイクロ構造体間でのバネ定数のばらつきや経時変化を小さくできる。特に、アレイの面積が大きい場合、アレイ内の温度や基板の変形の分布が生じ易いが、本実施形態の構成を用いれば、こうした分布の悪影響を低減でき、効果が大きい。
【００１５】
第二に、本実施形態では、２次元変位と共に発生する不要な変位を低減することが可能となる。特に、本実施形態では、可動部５と電極基板９が平行状態のままで近接する方向への変位を低減することが可能となる。これは、第１のねじり軸、第２のねじり軸が含まれる平面の法線方向で特にこの方向を垂直方向と呼ぶ。これは、マイクロ構造体の垂直方向のバネ定数を大きくし、且つ、駆動トルクと共に発生する垂直方向の力を低減することで達成できる。この効果について、図２（ｂ）、（ｃ）、図３、及び比較例を示す図４を用いて説明する。図４は、２次元ねじり変位を行うＭＥＭＳデバイスの比較例を示し、（ａ）はＭＥＭＳデバイスの上面図、（ｂ）はＣ−Ｃ’線での断面図、（ｃ）は電極基板の固定電極付近の上面図である。本実施形態と同じ機能を有する個所には同じ符号が付してある。符号２１は、支持部１を支えるスペーサである。本実施形態と比較例とは、支持部１、連結部３、可動部５の位置関係が逆となっている。つまり、本実施形態の中央固定ジンバル構造に対し、比較例は、可動部５の外周を取り囲む様に連結部３、支持部１が形成されている。
【００１６】
まず、中央固定ジンバル構造により、マイクロ構造体の垂直方向のバネ定数を大きくできることを説明する。可動部５はコンデンサの可動電極となるので、静電容量変化を大きくするには、可動部５を大きくする必要がある。また、光偏向器となる場合には、可動部５には光反射面が設けられるので、開口率の増大のためには可動部５を大きくする必要がある。よって、比較例では、周長１５の小さい連結部３の構成が困難である。一方、本実施形態では、図１（ａ）に示す様に、周長１５は可動部５のサイズには依らない構成となっている。つまり、本実施形態では、連結部３の周長１５を長くすることなく、大きな可動部５を構成できる。特に、可動部５の垂直方向からみた面積が、弾性支持部の垂直方向から見た面積より大きい構成とすることによって、マイクロ構造体全体のサイズに占める可動部面積を大きくすることができる。このことは、可動電極の面積を大きくすることができるため、マイクロ構造体を低電圧で駆動可能となる。また、反射面を有する可動部で光学的な偏向や変調を行う場合、有効な開口率を向上することができる。
【００１７】
周長１５を小さくすると、垂直方向のバネ定数を著しく向上できることを、図２（ｂ）、（ｃ）、及び図３を用いて説明する。図２（ｂ）は連結部３の近似モデルの上面図、図２（ｃ）は図２（ｂ）のＤ−Ｄ’線での断面図を示す。近似モデル１２は、枠状の連結部３の周長１５と垂直方向のバネ定数の関係を明示するため、幅Ｐ、厚さＱのドーナツ型を考える。これは、図１（ａ）の様な連結部３を含む２次元ねじり変位機構において可動部５がねじり変位している状態での垂直方向の力による連結部３の釣り合い状態を近似的に示している。固定端１９、試験荷重２０の場所は、図１（ａ）の、夫々、第１のねじりバネ２及び第２のねじりバネ４と連結部３との接続部分に相当している。固定電極８と可動部５との静電引力により、駆動トルクと共に、垂直方向の力が印加される。第２のねじりバネ４を介して連結部３は垂直方向へ変位される。これは、ここでの近似モデルの試験荷重２０に相当する。そして、連結部３は第１のねじりバネ２を介して支持部１に固定されている。これは近似モデルの固定端１９に相当している。従って、試験荷重２０による近似モデル１２のバネ定数は、弾性支持部の２次元ねじり変位時の不要な垂直方向の変位に対するバネ定数、つまり垂直方向のバネ定数のうち連結部３のバネ定数に相当する。近似モデル１２の垂直方向のバネ定数は、幅Ｐ、厚さＱが大きいほど、そして周長１５が小さいほど増大する。ここで、幅Ｐは、可動部５を大きくして光の開口率や静電容量を増大するためには小さくする必要があるが、こうしようとすると、連結部３の垂直方向のバネ定数が低下してしまう。また、厚さＱは、微細構造を得るための厚みの加工限界が存在するので、上限が製法により規定されてしまう。以上のことから、２次元ねじり変位を行うＭＥＭＳデバイスの垂直方向のバネ定数を大きくするためには、周長１５を小さくすることが好適な手段となる。比較例のように周長１５が大きいと、弾性支持部の垂直方向のバネ定数（つまり第１のねじりバネ２、第２のねじりバネ４、連結部３の３つのバネ定数の合成バネ定数）のうち、連結部３のバネ定数が最も小さくなり、不要な変位は連結部３の変形によって主に生じてしまう。周長１５を小さくすることにより、２つのねじりバネの垂直方向のバネ定数より連結部３の垂直方向のバネ定数を大きくすることができるため、効果的に弾性支持部の不要な変位を低減することができる。
【００１８】
ここで、具体的な計算値を示す。例示のため、材質を、微細加工が可能な材料である単結晶シリコンとし、幅Ｐを３μｍ、厚さＱを１．６μｍとする。周長を４７μｍ（内径１２μｍに相当）から１７３μｍ（内径５２μｍに相当）へと変化させたときの垂直方向バネ定数の算出結果を図３に示す。図３の様に、垂直方向バネ定数は、周長のおよそ−２．８乗に比例して減少する。周長１５を小さくすると垂直方向のバネ定数が著しく向上するのが分かる。中央固定ジンバル構造により、周長１５が可動部５に影響されない構成とできるので、可動部５を大きくしつつ連結部３の周長１５を小さくでき、これにより静電容量変化や光の開口率などを大きくしながら垂直方向のバネ定数を向上することができる。比較例の変形例として、垂直方向のバネ定数が低い場合、可動部５を電極基板９側から接触支持するピポット構造を用いるものもあるが、上記中央固定ジンバル構造では、この種の接触構造を必要としない。そのため、本実施形態では、繰り返し変位による接触部分の磨耗や接触部分の摩擦抵抗の変化といった現象がなく、駆動安定性の高いＭＥＭＳデバイスを実現できる。
【００１９】
次に、中央固定ジンバル構造により、アクチュエータとして利用する際の駆動トルクに伴う垂直方向の力を低減できることを説明する。図１と図４を用いて中央固定ジンバル構造と比較例との固定電極８を比較する。図１（ｂ）、（ｃ）に示す様に、中央固定ジンバル構造では、静電トルクを作用させる可動電極となる可動部５は、マイクロ構造体の最外周にある。それに対応する位置に固定電極８が図示の様に配置される。よって、ねじり軸Ａ−Ａ線、Ｂ−Ｂ線から遠い位置で静電引力を作用させることができ、小さな静電引力で大きな駆動トルクを発生できる。従って、２次元ねじり変位に伴う垂直方向の静電引力を小さくするのに、好適な構成となる。同時に、小さな静電引力で大きな駆動トルクを得られるため、低電圧で２次元ねじり変位が可能となる。また、センサとして利用する場合は、作用点とねじり軸との距離が大きいため、小さな面積で、単位ねじり変位あたりの静電容量変化を大きくすることができる。
【００２０】
一方、図４（ｂ）、（ｃ）に示す様に、比較例では、可動部５は、２つのねじり軸Ａ−Ａ線、Ｂ−Ｂ線が交差する中央付近にある。そして、固定電極８と可動部５との間の静電引力のＡ−Ａ線、Ｂ−Ｂ線まわりのトルクが夫々のねじり変位方向の駆動トルクとなる。そのため、静電引力の作用点とＡ−Ａ線、Ｂ−Ｂ線の距離を大きくできず、２次元ねじり変位に伴う垂直方向の静電引力を低減することが難しくなる。
【００２１】
以上のことから、少ない面積で連結部の剛性を高くすることができ、マイクロ構造体のねじり変位方向以外の不要変位を低減することが可能となる。そして、ねじり軸が異なる２本のねじりバネを連結部で接続することにより、ねじり易く撓み難いバネ構成とできる。特に、ねじりバネの断面の縦横比を大きくし、長辺方向への剛性を高めることで、最大許容ねじり角が大きく、撓み難いバネとできる。また、例えば、光偏向器として用いる場合、ねじり易く撓み難いため、光を偏向する軸の偏芯や倒れが少ない正確な光偏向が可能となる。
【００２２】
第三に、中央固定ジンバル構造により、２次元ねじり変位を低電圧で行い得ることについて説明する。これは、２次元ねじり変位を行うねじりバネをねじり易く、撓み難く構成し、且つ、静電引力の作用点をねじり軸から離れた箇所にすることで達成できる。静電引力の作用点の効果は前述した通りである。ねじりバネをねじり易く撓み難い構成とできることについて、図２（ａ）で示すねじりバネで説明する。これは、幅ｔを小さく厚さｂを大きくして断面の縦横比を大きくするか、長さＬを短くすることで実現可能である。ただし、長さＬを短くすると最大ねじり角が制限されてしまうので、最大ねじり角が大きく撓み難いバネとするためには、断面の縦横比を大きくするのが望ましい。その場合、比較例では、前述の式１の通り、応力σの影響が大きくなってしまうが、中央固定ジンバル構造を用いれば、前述の理由で応力σの変化は著しく低減できるので、ねじりバネ定数を安定にできる。
【００２３】
以上のことより、本実施形態をアクチュエータとして用いる場合、静電力によるトルクのモーメントアームが大きく小さな静電力で大きな駆動トルクが得られ、ねじりバネ定数が小さくできるため、低電圧駆動が可能となる。低電圧駆動が可能であるため、アレイ化した場合、アレイを駆動する駆動回路を簡略化することが可能となる。また、アレイを駆動するための引き出し配線間の絶縁構造を簡略化することが可能となる。更に、配線間の電流リークの影響も小さくすることができる。また、センサとして用いる場合も、可動部の変位角あたりの静電容量変化を大きくし、感度を向上することができる。
【００２４】
また、単結晶シリコンでねじりバネを構成する場合、これはほぼ理想的な弾性特性を有するので、繰り返し硬化や、バネの変形時の塑性変形、応力緩和（短時間で生じるクリープひずみ）によるねじり変位のドリフトを低減することが可能となる。特に、単結晶シリコンは微細加工が可能であるため、マイクロオーダーのねじりバネを精度良く製造可能となる。そのため、バネ定数の製造ばらつきを低減することができる。また、縦横比の高い断面を有するバネを製造可能となるため、ねじり易く撓み難いバネとすることができる。従って、マイクロミラーアレイとした場合、光偏向角のドリフトが低減されたミラーが作製可能となる。更に、マイクロミラーアレイの製造ばらつきや駆動電圧のばらつきを低減できるため、駆動ばらつきが小さい空間的な位相変調器や強度変調器を構成可能となる。
【００２５】
以下、より具体的な実施例を説明する。
（実施例１）
図５（ａ）〜（ｃ）を用いて本発明のマイクロ構造体アレイに係る実施例１を説明する。図５において、（ａ）は実施例１の各マイクロ構造体の上面図、（ｂ）はマイクロ構造体アレイの上面図、（ｃ）は断面図である。前述の実施形態と同じ機能を有する個所には同じ符号を付し、詳しい説明は省略する。
【００２６】
本実施例では、中央固定ジンバル構造を構成する２組のねじりバネ２、４が、図示の通り、蛇行したミアンダ構造を有する。各マイクロ構造体の断面構造は図１（ｂ）と同じである。そして、図５（ｂ）、（ｃ）に示す様に、電極基板９上に、図５（ａ）のマイクロ構造体が複数配列され、マイクロ構造体アレイ２２を構成している。電極基板９は、上記実施形態で示した通り、各マイクロ構造体１８に対応した固定電極８を有する。電極基板９は、半導体集積回路で構成された駆動回路を予め有し、各マイクロ構造体１８の固定電極８へ印加する電圧を制御することができる。電極基板９が駆動回路を有するため、アレイの各々の固定電極８を制御するための配線を減らすことができる。本実施例では、支持部１、第１のねじりバネ２、連結部３、第２のねじりバネ４、可動部５は、単結晶シリコンで一体的に形成されている。また、ポスト１０は金で形成され、受け部１７も金で形成されている。
【００２７】
マイクロ構造体１８の１辺Ｒは６４μｍ、厚さは１．６μｍである。ポスト１０の直径は１０μｍ、支持部１の直径は１５μｍ、連結部３の幅は３μｍとなっている。更に、隣接するマイクロ構造体１８の間隔、及び支持部１、第１のねじりバネ２、連結部３、第２のねじりバネ４、可動部５を夫々離間する間隔（隙間）は、０．５μｍである。蛇行したミアンダ構造のねじりバネ２、４は、折り返される直線部分のねじり軸方向に垂直な幅が０．５μｍ、長さが５μｍである。可動部５と固定電極８の間には、４μｍの空隙が形成されている。マイクロ構造体アレイ２２は、縦横夫々３２個のマイクロ構造体が配列され、１０２４個のアレイである。各々、４枚の固定電極８を有している。固定電極８に最大４０Ｖまでの電圧を印加することで、各可動部５を独立に最大±１度の変位角で２次元ねじり変位することができる。また、第１のねじりバネ２、第２のねじりバネ４の垂直方向のバネ定数に対して、連結部３の垂直方向のバネ定数は約２．３倍となっている。こうしたマイクロ構造体アレイ２２に光を照射して、空間的な光強度変調器や位相変調器とできる。本実施例の各マイクロ構造体でも、上記実施形態と同じ効果が得られる。
【００２８】
（実施例２）
図６（ａ）、（ｂ）を用いて本発明のマイクロ構造体に係る実施例２を説明する。図６（ａ）は実施例２のＭＥＭＳデバイスの上面図、（ｂ）は電極基板の上面図である。前述の実施形態、実施例１と同じ機能を有する個所には同じ符号を付し、詳しい説明を省略する。本実施例では、電極基板９は１つのマイクロ構造体１８を有している。そして、図示の如く、固定電極８及び受け部１７には、夫々、電極基板９上に引き出し配線１３と電極パッド１４が形成されている。電極パッド１４を駆動回路と電気的に接続することにより、マイクロ構造体１８を２次元ねじり変位させることができる。
【００２９】
マイクロ構造体１８の１辺は２５０μｍである。ポスト１０の直径は３０μｍであり、可動部５と固定電極９の間には１０μｍの空隙が形成されている。こうして、可動部８を最大±２．５度の変位角で２次元ねじり変位させることができる。マイクロ構造体１８に光を照射して、小型の光偏向器とすることができる。一定の電圧を印加して角度保持することもできる。また、マイクロ構造体１８の共振周波数付近の交流電圧を印加して光走査を行うこともできる。中央固定ジンバル構造では、可動部を接触支持する構造がないため、共振駆動を行っても、高い振幅増幅率で可動部５を駆動可能となる。また、環境温度が変化しても、電極基板８からの応力の影響でねじりバネ定数が変化しない。そのため、バネ定数変化は、バネを構成する部材のヤング率変化と膨張のみを考慮すればよく、共振周波数の環境温度による変化やバネ定数の変化を予測し易くなる。よって、制御精度が向上し、制御方法と制御回路を簡略化できる。特に、この様に、環境温度が変化しても走査性能を安定化できるため、小型の光偏向器を利用して、温度制御機構なしで小型光学機器を構成することができる。
【００３０】
本実施例のＭＥＭＳデバイスによれば、固定電極８と可動電極（可動部５）から夫々１対１で配線を外部の駆動回路へ引き出す必要がなく、配線を低減し、配列数の大きい大規模なアレイを構成することが可能となる。また、センサとして用いるときは、検出するコンデンサと検出回路とを結ぶ配線を短くできるため、ノイズを低減することができる。
【００３１】
（実施例３）
次に、図７（ａ）〜（ｃ）を用いて、本発明のマイクロ構造体アレイ（マイクロミラーアレイなどとして用いられる）の製造方法に係る実施例３を説明する。 図７は図１（ａ）のＣ−Ｃ’線でのマイクロ構造体の断面図であり、ここでは、３個のマイクロ構造体アレイを作製する工程として説明する。図７（ａ）において、後に、中央固定ジンバル構造が形成されるデバイス層１０３を含むＳＯＩ基板１００は、単結晶シリコンのＳＯＩ（Ｓｉｌｉｃｏｎ ｏｎ Ｉｎｓｕｌａｔｏｒ）構造を有する基板である。
【００３２】
デバイス層１０３上に、バンプ１０５ａ〜１０５ｃ（以下、１０５で代表する）をＡｕめっきで形成する工程を説明する。まず、シード部１０４ａ〜１０４ｃ（以下、１０４で代表する）を形成する。ここで、シード部１０４は、ＡｕとＣｒと２層で構成されている。Ｃｒは、ＳＯＩ基板１００のデバイス層１０３のシリコンとＡｕの密着性を向上させるためと、バンプ１０５のＡｕとシリコンが相互に拡散するのを低減するバリア層の役目を果たすために形成される。ＡｕとＣｒの成膜には、スパッタ法や蒸着法などを用いることができる。Ｃｒの膜厚は３０ｎｍ〜５０ｎｍ、Ａｕの膜厚は２００ｎｍ〜４００ｎｍである。また、Ｃｒ、Ｐｄ、Ａｕの３層構造として、相互拡散の効果を高めることもできる。次に、ＡｕとＣｒを成膜した後、各マイクロ構造体のシード部１０５をエッチングによって形成する。シード部１０４を形成した後、Ａｕめっきの型となるパターンをめっき用の厚膜レジストを用いて形成した後、めっきによって各マイクロ構造体のバンプ１０５を形成する。このとき、シード部１０４により通電させ、電気めっきを行うことができる。本実施例のバンプ１０５の形状は、高さ１０μｍ、直径１０μｍの円柱である。Ａｕめっきを形成する前に、ＴｉＷを成膜し、バンプのＡｕとシリコンが相互に拡散するのを低減することもできる。一方、電極基板９には、単結晶シリコン基板上の絶縁層１６に、固定電極８と受け部１７を形成する。固定電極８と受け部１７は、デバイス層１０３上のシード部１０４と同様に、ＡｕとＣｒから成る２層で構成されている。この形成のために、ＡｕとＣｒを成膜し、パターニングする。配線材料は、Ａｕ／Ｃｒに限定されるものではなく、Ａｕ、Ｐｄ、Ｃｒの３層構成などでもよい。バンプ１０５の材料も、Ａｕに限定するものではなく、Ｃｕ、Ａｌ、ＡｕＳｎなどの比較的つぶれ易い材料を用いてもよい。また、バンプ１０５の材料は、１種類とは限らず、Ｃｕめっき上にＡｕをめっきする様な２層構造でもよい。バンプ形状は、上記円柱形状に限らず、直方体、三角柱などの柱状、多角形などでもよい。電極材料も、Ａｕ／Ｃｒに限定されるものではなく、一般的な集積回路で用いられている材料などでもよい。更に、上述の固定電極８と受け部１７は、集積回路基板上に形成されてもよく、その場合は、外部の駆動回路へ引き出す必要がないため、配線を低減し、集積度の大きい大規模なアレイを容易に構成することが可能となる。また、上記の数値は一例であって、必ずしもこれらに限定するものではない。上記工程においては、デバイス基板と電極基板のいずれか一方にバンプなどの連結部となる金属の突起を形成し、他方に突起と接合するためのパッドなどの受け部を形成すればよい。よって、バンプを形成する基板と受け部を形成する基板とを上記製造方法とは逆にしてもよい。以上の工程が、マイクロ構造体の製造方法における、２つの基板のいずれか一方にポストとなる金属の突起を形成する突起形成工程と、２つの基板の他方に突起と接合するための受け部を形成する受け部形成工程である。
【００３３】
次に、ＳＯＩ基板１００上のバンプ１０５の接合面と電極基板９上の受け部１７の接合面に対して、真空チャンバ内でアルゴンプラズマを照射する活性化により、洗浄・活性化を行う。この活性化工程において、接合面の水分やゴミを除去できるため、表面の原子の結合手同士を直接結合でき、常温でも強固な接合をすることができる。洗浄・活性化を行う手段としては、アルゴンイオンビームや原子ビームを照射する方法を用いてもよい。また、活性化工程で用いるガスは、窒素やヘリウムなどの不活性ガスを用いてもよい。次に、ＳＯＩ基板１００上のバンプ１０５の形成面と、電極基板９上の受け部１７の形成面を対向して配置し、接合可能になる様に、各基板に形成されたアライメントマーク（不図示）によって位置決めを行う。次に、図７（ｂ）に示す如く、バンプ１０５を受け部１７へ押し付ける様に、ＳＯＩ基板１００と電極基板９に対して常温で加圧し、ＳＯＩ基板１００と電極基板９との間に空隙を形成する接合を行う。例えば、常温で、２５ｋｇｆから５０ｋｇｆの荷重で３００秒間、加圧する。ここで常温とは、室温から１００℃以下の温度とする。以上の工程が、突起と受け部が形成された面を対向させて２つの基板を配置し、突起と受け部が接合可能になる様に位置決めした後に、突起と受け部を押し付ける様に加圧し、２つの基板の間に空隙を形成して突起と受け部を常温で接合する工程である。
【００３４】
本実施例の接合工程は、常温で加圧してＳＯＩ基板１００と電極基板９を接合するため、接合時に上下基板には熱膨張が発生しない。つまり、加熱をしながら接合する場合と異なり、上下基板の熱膨張の差による基板の伸びの差を低減することができる。従って、接合後の上下基板に位置ずれが発生せず、高精度に接合することができる。
【００３５】
また、バンプ１０５を押しつぶしながら接合を行うため、接合面はバンプの常に新しい面で接合されることとなる。つまり、接合表面の原子の結合手同士での直接結合となり、より強固な接合ができる。また、つぶされて最終的に達する寸法より小さいゴミを乗り越えて接合を行うことができる。そのため、接合工程の歩留まりを向上することができる。バンプ１０５と受け部１７の形状の大小関係は、パッドである受け部１７に押しつぶされて広がる分と、接合時に発生するアライメント誤差分を考慮して、バンプ１０５よりも受け部１７を大きくしておくとよい。例えば、バンプ１０５よりも受け部１７を各辺とも１０μｍ以上長くしておく。支持部１の直径はポスト１０より大きくなっており、製造工程で支持部１の範囲内でポスト１０の位置がずれても、第１のねじりバネ２の固定される箇所には影響しない（図１参照）。また、上述のＳＯＩ基板１００と電極基板９との空隙は、バンプ１０５を押しつぶす量によって決まるため、バンプ１０５の高さや幅（形状）、加圧する大きさを調整することによって、所望の空隙距離を設けることができる。バンプの数も押しつぶす量に影響をするので、空隙の距離を制御するためには、必要なパラメータである。また、本実施例では、平面の基板の状態で貼り合わせを行っているため、基板全体を均一な力で押すことができ、ＳＯＩ基板１００と電極基板９との空隙を均一に形成できる。
【００３６】
次に、図７（ｃ）に示す様に、ＳＯＩ基板１００のハンドル層１０１とＳｉＯ２層１０２をウエットエッチングまたはドライエッチングによって除去し、デバイス層１０３だけを残して薄板化する。その後、フォトリソグラフとエッチングを行い、支持部１、第１のねじりバネ２、連結部３、第２のねじりバネ４、可動部５を形成する。また、図示の通り、シード部１０４とバンプ１０５は、固定支持部１を電極基板９に対して固定するポスト１０に相当する構造となる。以上の工程が、２つの基板のいずれか一方を加工することによって、支持部と可動部と弾性支持部を含む構造体を形成する工程である。以上の様にして、電極基板９上にマイクロ構造体アレイが作製される。
【００３７】
本実施例のＭＥＭＳデバイスによれば、高い熱伝導性を有する金でポストを構成することにより、光吸収などでマイクロ構造体に熱が発生しても、電極基板へ熱を逃がすことが可能となる。そのため、マイクロ構造体の昇温を低減することが可能となる。また、熱的な接続が良好なので、電極基板側から良好に温度調整を行うことも可能となる。特に、金でポストを構成することにより、金―金の常温接合により強固な接合が得られて機械的にも強く接続されたＭＥＭＳデバイスを製造できる。金は電気抵抗も低いので、電気的にも良好な接続となる。この様に、ポスト１０が金で構成されているので、マイクロ構造体１８と電極基板９を、電気的、熱的、機械的に良好に接続できる。
【００３８】
また、電極基板とマイクロ構造体を別々に作製して接合することによりＭＥＭＳデバイスとできる。電極基板とマイクロ構造体を別々に作製することによりＭＥＭＳデバイスの歩留まりを向上できる。更に、電極基板に凹凸があってもマイクロ構造体の平坦性に影響を及ぼさないため、研磨などの平坦化工程を省略して、平坦なコンデンサのギャップを形成することが可能となる。また、接合時に大きな昇温がないため、接合前後での電極基板やマイクロ構造体の反りや伸びが低減でき、マイクロ構造体と電極基板を高い位置精度で接合できる。特に、複数のマイクロ構造体のアレイを形成する場合、マイクロ構造体間の可動電極（可動部）及び固定電極の位置ばらつきを低減できる。そのため、静電アクチュエータとして用いる場合、駆動電圧のばらつきを低減できる。また、センサとして用いる場合、検出容量のばらつきを低減できる。そして、駆動回路を有する電極基板と接合する場合も、大きな昇温がないため、駆動回路特性を劣化させずに形成可能となる。
【００３９】
また、本実施例では、デバイス層と電極基板とを接合した後に構造体分割工程を行う。そのため、デバイス層の構造体パターンを、電極基板に対して、一般的なアライナーのアライメント精度で位置合わせを行うことができ、固定電極に対して高精度にマイクロ構造体を作製できる。その効果として、駆動電圧に対して、構造体の駆動を高精度に制御することができる様になる。一般的なアライナーのアライメント精度は、接合装置のアライメント精度よりも高いため、接合時に特殊なアライメント精度向上のための措置を行わなくてよい。また、常温で加圧しているため、加熱をした場合に生じる電極基板のアライメントマークの変形などを防ぐことができ、固定電極に対して高精度にマイクロミラーなどのマイクロ構造体のアレイを作製できる。また、マイクロ構造体アレイを形成した後に、電極基板と接合する場合と比較して、マイクロ構造体アレイには不要な応力が発生しないため、接合時にマイクロ構造体が破損するということが起きない。
【００４０】
（実施例４）
次に、図８（ａ）〜（ｃ）を用いて、本発明のマイクロ構造体アレイの製造方法に係る実施例４を説明する。 図８は図１（ａ）のＣ−Ｃ’線でのマイクロ構造体の断面図であり、ここでも、３個のマイクロ構造体アレイを作製する工程として説明する。また、前述の実施形態や実施例と同じ機能を有する個所には、同じ符号を付し、詳しい説明を省略する。本実施例は、実施例３と以下の点で異なる。
【００４１】
本実施例では、電極基板９の固定電極８とパッド（受け部）１７をウエットエッチングによって形成した後、ＳＯＩ基板１００と電極基板９の間の空隙を規定するためのスペーサ２０４を形成する。スペーサ２０４は、Ｐｌａｓｍａ−ＣＶＤを用いて、ＳｉＯ２で成膜する。ＳｉＯ２の厚さは、Ａｕバンプ１０５が十分な接合強度で押しつぶされる時の高さよりも低い高さにする必要がある。こうすることで、Ａｕバンプ１０５に高さばらつきが生じた場合においても、ＳＯＩ基板１００と電極基板９の空隙をスペーサ２０４の高さ精度で高精度に規定することができる。その効果として、マイクロ構造体アレイが形成された時に、同一駆動電圧に対する、マイクロミラーなどのマイクロ構造体間の偏向角ばらつきを低減することができる。
【００４２】
次に、図８（ｂ）に示す如く、バンプ１０５を受け部１７へ押し付ける様に、ＳＯＩ基板１００と電極基板９に対して常温で加圧し、ＳＯＩ基板１００と電極基板９との間に空隙を形成する接合を行う。この後、デバイス基板１００のＳＯＩウエハのハンドル層１０１とＳｉＯ２層１０２をドライエッチングによって除去し、図８（ｃ）で示す様に、デバイス層１０３だけを残して薄板化した後、スペーサ２０４を除去する。この薄板化の工程において、スペーサ２０４がある場合には、シード層１０４、バンプ１０５、固定電極８、受け部１７には長時間エッチングガスが晒されないため、スペーサ２０４は、エッチング保護層としての役割も果たす。なお、上記製造方法において、スペーサを形成する基板をデバイス基板にしてもよい。
【００４３】
（実施例５）
図９を用いて本発明の実施例５を説明する。本実施例では、スペーサ３０４として、図８のＳｉＯ２のスペーサ２０４でなく、ポリイミドなどの樹脂材料を用いている。その他の点は、実施例４と同じである。
【００４４】
本実施例では、スピンコートによってポリイミドを塗付し、フォトリソグラフィによってスペーサ３０４のパターンを形成する。パターンを形成した後のポリイミドは、最終的に３５０℃で１時間以上焼き固められることによって、形状を安定させると同時に耐薬品性も高めることができる。次に、実施例４と同様に、バンプ１０５と受け部１７に対して活性化工程を行い、接合可能になる様にし、各基板に形成されているアライメントマーク（図示せず）によって位置決めを行う。この時、ポリイミド製のスペーサ３０４は、ＳｉＯ２と比較すると、アルゴンプラズマに対するエッチングレートが早いため、エッチングレートを考慮して初期の膜厚を厚めに設定する必要がある。その後、デバイス基板１００と電極基板９との間に空隙を形成しつつ、機械的かつ電気的に、強固に接合する。実施例４と同様に、その後の薄板化工程において、ポリイミド製のスペーサ３０４は、デバイス基板１００のハンドル層１０１とＳｉＯ２層１０２の除去時のエッチング保護層としての役割も果たす。また、ポリイミドはＯ２によって除去できるため、スペーサの除去が実施例４と比較すると容易である。また、他の材料に対するエッチングダメージを低減することができ、電極材料の選択肢を広げることができる。
【符号の説明】
【００４５】
１…固定支持部、２…第１のねじりバネ（弾性支持部）、３…連結部（弾性支持部）、４…第２のねじりバネ（弾性支持部）、５…可動部、９…電極基板（基板）、１０…ポスト、１８…マイクロ構造体
【技術分野】
【０００１】
本発明は、半導体プロセスによってウエハから作製される微小電気機械構造体（ＭｉｃｒｏＥｌｅｃｔｒｏ Ｍｅｃｈａｎｉｃａｌ Ｓｙｓｔｅｍｓ；ＭＥＭＳ）などのマイクロ構造体、それを複数配列したマイクロ構造体アレイ、それらの製造方法などに関する。ここで、マイクロ構造体とは、主に、マイクロメータオーダ等の微細なサイズの構造体で、可動部を有し、例えば、力学量センサ（加速度センサ、圧力センサ、ジャイロセンサなど）、光偏向器、光スイッチ、光変調素子等に用いることができるものである。
【背景技術】
【０００２】
従来、微小電気機械構造体（ＭＥＭＳ）は、アクチュエータ、センサなどとして利用されている（特許文献１、特許文献２参照）。例えば、基板上に可動部を形成し、基板と可動部を静電容量可変なコンデンサとするものがある。このコンデンサを、静電アクチュエータとしたり、容量変化を検出するセンサとしたりすることができる。また、集積回路を含む基板上にマイクロ構造体を集積化したものがある。こうしたマイクロ構造体は、例えば、光を偏向する光偏向器として利用される。また、マイクロ構造体は、複数配列してアレイとして利用される。特に、反射面を有する可動部を含むマイクロ構造体が２次元に光を偏向するＭＥＭＳデバイスは、光スイッチ、空間的な強度変調器や位相変調器として用いることができる。
【先行技術文献】
【特許文献】
【０００３】
【特許文献１】特開２００８−１２２９５５号公報
【特許文献２】ＷＯ０６−１１２３８７号公報
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【０００４】
従来、可動部を有するマイクロ構造体は、マイクロ構造体とそれが形成される基板との温度差や基板の伸びで、ねじりバネのバネ定数などが変化し、可動部の変位運動が安定しないということがあった。また、２次元にねじり変位可能な可動部を有するマイクロ構造体は、２つのねじり変位方向へのバネ定数を小さくするとその他の方向へのバネ定数も小さくなってしまい、ねじり変位と共に不要な変位が生じ易かった。
【課題を解決するための手段】
【０００５】
上記課題に鑑み、本発明のマイクロ構造体は、基板と、前記基板に支持部を固定する１つのポストと、前記支持部の外周に枠状に配置される可動部と、前記可動部と前記支持部とを弾性的に連結する弾性支持部と、を有する。そして、前記弾性支持部は、前記支持部の外周に枠状に配置された連結部と第１のねじりバネと第２のねじりバネと、を含み、前記第１のねじりバネは、前記支持部に対して、第１のねじり軸の回りにねじり変位可能に前記連結部を支持し、前記第２のねじりバネは、前記連結部に対して、第２のねじり軸の回りにねじり変位可能に前記可動部を支持し、前記可動部は可動電極を有し、前記可動電極と前記基板上の固定電極とで、静電容量の変化するコンデンサを形成する様に構成されている。
【発明の効果】
【０００６】
本発明のマイクロ構造体によれば、中央部の１箇所の固定支持部が基板と固定されているため、枠状の可動部と支持部とを弾性的に連結する弾性支持部への、基板の伸びとマイクロ構造体の伸びの差などによる応力の伝達が低減された構成とできる。この様な部材の伸びの差は、例えば、基板とマイクロ構造体の線膨張係数差、使用時の温度差、基板の変形等で生じ、ねじりバネ、弾性変形可能な連結部などを含む弾性支持部にこれらによる応力がかかると、バネ定数などが変化してしまう。本発明のマイクロ構造体では、中央部の１箇所の固定支持部のみが基板と固定されるので、たとえ上記の如き伸びの差などが生じても、弾性支持部への基板からの応力の伝達が低減される。そのため、製造個体や使用環境などが異なることによる弾性支持部の機能の変化や不均一を低減でき、可動部の変位運動を安定化できる。
【図面の簡単な説明】
【０００７】
【図１】本発明のマイクロ構造体の実施形態を説明する図。
【図２】ねじりバネの概念及び連結部の近似モデルを示す図。
【図３】連結部の周長と垂直方向バネ定数の関係を示すグラフ。
【図４】比較例のマイクロ構造体を説明する図。
【図５】本発明のマイクロ構造体の実施例及びマイクロ構造体アレイを説明する図。
【図６】本発明のマイクロ構造体の他の実施例を説明する図。
【図７】本発明のマイクロ構造体アレイの製造方法の実施例を説明する図。
【図８】本発明のマイクロ構造体アレイの製造方法の他の実施例を説明する図。
【図９】本発明のマイクロ構造体アレイの製造方法の他の実施例を説明する図。
【発明を実施するための形態】
【０００８】
本発明のマイクロ構造体は、固定支持部とこれの外周に枠状に配置される可動部とを弾性的に連結して可動部を固定支持部に対して可動に支持する弾性支持部を有する構成において、１箇所で固定支持部を基板に固定する。これにより、上記の如き応力が弾性支持部に殆ど伝達されない構成とできる。
【０００９】
以下、図を用いて本発明の実施形態及び実施例を説明する。
図１（ａ）〜（ｃ）は本発明のＭＥＭＳデバイスであるマイクロ構造体の一実施形態１を示す。図１において、（ａ）は上面図、（ｂ）は図１（ａ）のＣ−Ｃ’線での断面図、（ｃ）は電極基板の固定電極付近の上面図である。図１（ｂ）に示す様に、本実施形態は、電極基板９と、破線で囲んだマイクロ構造体１８を有する。可動部５を含むマイクロ構造体１８の支持部１は、ポスト１０を介して電極基板９に固定されている。ポスト１０は導電性の材料で形成されており、電極基板９上の受け部１７と支持部１を電気的に接続している。マイクロ構造体１８の可動部５は、図１（ａ）のＡ−Ａ線、Ｂ−Ｂ線を夫々第１のねじり軸、第２のねじり軸として、支持部１に対して２次元ねじり変位可能に弾性支持されている。すなわち、Ａ−Ａ線をねじり軸として、第１のねじりバネ２により連結部３が支持部１に対してねじり変位自在に弾性支持されている。更に、Ｂ−Ｂ線をねじり軸として、第２のねじりバネ４により可動部５が連結部３に対してねじり変位自在に弾性支持されている。この様に、連結部３によって２組のねじりバネ２、４を連結することで、２次元ねじり変位可能に可動部５を弾性支持することができる。本実施形態では、ＭＥＭＳデバイスの中央に支持部１、その外周を順次取り囲む様に周長１５の枠状の連結部３、枠状の可動部５が形成されている。本明細書では、この様な特徴的な連結構造を中央固定ジンバル構造とも呼ぶ。ここでは、支持部１の外周に枠状に配置される弾性変形可能な連結部３と第１のねじりバネ２と第２のねじりバネ４が、弾性支持部を構成している。また、支持部１が円形状、連結部３が円環状、可動部５が、中央部の刳り貫かれた四角形状をしているが、これらの形状は場合に応じて種々に設計することができる。
【００１０】
一方、可動部５の電極基板９側の面と一定の空隙を隔てて対向して、固定電極８が絶縁層１６を介して電極基板９上に形成されている。従って、この部分で、可動部５の変位に応じて静電容量が変化するコンデンサを形成している。この空隙は、図１（ｂ）に示す様に、ポスト１０の高さ、受け部１７の厚さで規定される。固定電極８は、図１（ｃ）に示す様に、導電性の受け部１７の回りに４枚の扇型で形成される。４枚の扇型は、Ａ−Ａ線とＢ−Ｂ線に沿った部分で夫々分離されている。ここで、固定電極８とマイクロ構造体１８との間に電位差を発生させると、固定電極８と可動部５との間で静電引力が発生する静電アクチュエータとできる。可動部５に対して静電引力が発生する箇所は、固定電極８と対向する位置付近となる。この位置付近は、固定されているポスト１０から離れているので、静電引力は可動部５をねじり変位するモーメントとなる。このモーメントのアームは、比較的長く設定することができる。第１、第２のねじり軸の伸長方向と扇型の固定電極８の分離形態が上述した様になっているので、４枚の固定電極８のうちの１枚または隣接する２枚に夫々任意の電圧を印加することによって、可動部６を２次元的にねじり変位することが可能となる。可動部５上に図示の如く光反射面６を設ければ、この静電アクチュエータを光スキャナ、光スイッチ、光変調素子などとして用いることができる。
【００１１】
一方、可動部５の変位に応じた静電容量の変化を容量検出回路で検出することにより、センサを構成することが可能となる。特に、可動部５が外部から力（例えば、力、加速度、角速度等）を受けることで生じる変位を検出することで、これらの力を検出するセンサとできる。
【００１２】
本実施形態の効果について図を用いて詳細に説明する。
第一に、中央固定ジンバル構造により、使用環境などが異なることによるバネ定数の変化を低減することが可能となる。これは、２組のねじりバネの何れにもねじり軸方向の応力が印加されない構成により達成できる。ねじりバネの断面の模式図である図２（ａ）を用いて説明する。ねじり軸に平行なねじりバネの長さをＬとし、断面の幅ｔ、厚さｂを図２（ａ）の様に定義する。ねじり軸方向の応力σが印加されたとすると、ねじりバネ定数Ｋは以下の式１の関係で近似される。
Ｋ＝（Ｇｂｔ２／３Ｌ）＊（１＋（ｂ２／４Ｇｔ２）＊σ） 式１
ここで、Ｇは構成部材の横弾性係数である。式１に示す様に、応力σによりねじりバネ定数Ｋは変化する。応力σは、電極基板９とマイクロ構造体１８の変形量の差によりねじりバネが伸縮されることで生じる。この様な変形量の差は、製造工程での電極基板９の変形、機器への固定時の変形などで生じる。これらの変形は製造個体毎にばらつきを有する。また、光偏向器の場合は、光の照射で、マイクロ構造体１８と電極基板９が昇温することが考えられる。昇温が生じた場合、線膨張係数の差や温度の差により伸び量が異なるため、光照射の状況により応力σが変化してしまう。更に、使用環境温度が変化する場合や、マイクロ構造体の冷却のために背面から吸熱する場合も、環境毎にマイクロ構造体１８と電極基板９の伸びの差が異なるため、応力σが変化してしまう。従って、ねじりバネ定数Ｋもこれらの要因で変化することとなる。
【００１３】
中央固定ジンバル構造によれば、電極基板９に対してマイクロ構造体１８は１つのポスト１０で固定される。そして、第１、第２のねじりバネ２、４のいずれも、一端が外側に向かっているのみで、電極基板９へ固定される箇所が存在しない。従って、電極基板９の変形により２組のねじりバネにねじり軸方向の応力σが伝達されることがない構成とできる。つまり、応力σが第１、第２のねじりバネ２、４に殆ど発生しないため、この要因によるねじりバネ定数の変化が低減可能となる。この効果は、中央固定ジンバル構造などの様に、中央部の１箇所の支持部のみが基板と固定される構成であれば、達成される。
【００１４】
また、断面アスペクト比の大きいねじりバネは、ねじり軸方向への応力によるバネ定数変化が大きくなるが、本実施形態では、電極基板から応力が伝達されないため、この様なねじりバネを用いてもバネ定数の変化を低減することが可能となる。また、ねじりバネ定数が基板からの応力の影響を受けないので、光照射でマイクロ構造体や電極基板に温度変化が生じても、応力を要因とするねじりバネ定数変化を低減できる。そのため、高出力の光を偏向しても安定動作が可能となる。また、電極基板からの応力が伝達されないので、複数配列されたマイクロ構造体間でのバネ定数のばらつきの応力要因を取り除くことが可能となる。例えば、光変調器として用いる場合、隣接するマイクロ構造体の偏向軸に偏芯が生じて、意図しない回折光が発生するのを低減することができる。また、光偏向器アレイとして用いる場合、微小な可動ミラーをアレイ状に配列し、各ミラーの変位量を個別に精度良く制御することで、ミラーアレイに照射した光を所望の位置（ないし形状）に偏向できる。この様なミラーアレイによりマスクレス露光等ができる。更に、大規模なアレイを構成した場合も、マイクロ構造体間でのバネ定数のばらつきや経時変化を小さくできる。特に、アレイの面積が大きい場合、アレイ内の温度や基板の変形の分布が生じ易いが、本実施形態の構成を用いれば、こうした分布の悪影響を低減でき、効果が大きい。
【００１５】
第二に、本実施形態では、２次元変位と共に発生する不要な変位を低減することが可能となる。特に、本実施形態では、可動部５と電極基板９が平行状態のままで近接する方向への変位を低減することが可能となる。これは、第１のねじり軸、第２のねじり軸が含まれる平面の法線方向で特にこの方向を垂直方向と呼ぶ。これは、マイクロ構造体の垂直方向のバネ定数を大きくし、且つ、駆動トルクと共に発生する垂直方向の力を低減することで達成できる。この効果について、図２（ｂ）、（ｃ）、図３、及び比較例を示す図４を用いて説明する。図４は、２次元ねじり変位を行うＭＥＭＳデバイスの比較例を示し、（ａ）はＭＥＭＳデバイスの上面図、（ｂ）はＣ−Ｃ’線での断面図、（ｃ）は電極基板の固定電極付近の上面図である。本実施形態と同じ機能を有する個所には同じ符号が付してある。符号２１は、支持部１を支えるスペーサである。本実施形態と比較例とは、支持部１、連結部３、可動部５の位置関係が逆となっている。つまり、本実施形態の中央固定ジンバル構造に対し、比較例は、可動部５の外周を取り囲む様に連結部３、支持部１が形成されている。
【００１６】
まず、中央固定ジンバル構造により、マイクロ構造体の垂直方向のバネ定数を大きくできることを説明する。可動部５はコンデンサの可動電極となるので、静電容量変化を大きくするには、可動部５を大きくする必要がある。また、光偏向器となる場合には、可動部５には光反射面が設けられるので、開口率の増大のためには可動部５を大きくする必要がある。よって、比較例では、周長１５の小さい連結部３の構成が困難である。一方、本実施形態では、図１（ａ）に示す様に、周長１５は可動部５のサイズには依らない構成となっている。つまり、本実施形態では、連結部３の周長１５を長くすることなく、大きな可動部５を構成できる。特に、可動部５の垂直方向からみた面積が、弾性支持部の垂直方向から見た面積より大きい構成とすることによって、マイクロ構造体全体のサイズに占める可動部面積を大きくすることができる。このことは、可動電極の面積を大きくすることができるため、マイクロ構造体を低電圧で駆動可能となる。また、反射面を有する可動部で光学的な偏向や変調を行う場合、有効な開口率を向上することができる。
【００１７】
周長１５を小さくすると、垂直方向のバネ定数を著しく向上できることを、図２（ｂ）、（ｃ）、及び図３を用いて説明する。図２（ｂ）は連結部３の近似モデルの上面図、図２（ｃ）は図２（ｂ）のＤ−Ｄ’線での断面図を示す。近似モデル１２は、枠状の連結部３の周長１５と垂直方向のバネ定数の関係を明示するため、幅Ｐ、厚さＱのドーナツ型を考える。これは、図１（ａ）の様な連結部３を含む２次元ねじり変位機構において可動部５がねじり変位している状態での垂直方向の力による連結部３の釣り合い状態を近似的に示している。固定端１９、試験荷重２０の場所は、図１（ａ）の、夫々、第１のねじりバネ２及び第２のねじりバネ４と連結部３との接続部分に相当している。固定電極８と可動部５との静電引力により、駆動トルクと共に、垂直方向の力が印加される。第２のねじりバネ４を介して連結部３は垂直方向へ変位される。これは、ここでの近似モデルの試験荷重２０に相当する。そして、連結部３は第１のねじりバネ２を介して支持部１に固定されている。これは近似モデルの固定端１９に相当している。従って、試験荷重２０による近似モデル１２のバネ定数は、弾性支持部の２次元ねじり変位時の不要な垂直方向の変位に対するバネ定数、つまり垂直方向のバネ定数のうち連結部３のバネ定数に相当する。近似モデル１２の垂直方向のバネ定数は、幅Ｐ、厚さＱが大きいほど、そして周長１５が小さいほど増大する。ここで、幅Ｐは、可動部５を大きくして光の開口率や静電容量を増大するためには小さくする必要があるが、こうしようとすると、連結部３の垂直方向のバネ定数が低下してしまう。また、厚さＱは、微細構造を得るための厚みの加工限界が存在するので、上限が製法により規定されてしまう。以上のことから、２次元ねじり変位を行うＭＥＭＳデバイスの垂直方向のバネ定数を大きくするためには、周長１５を小さくすることが好適な手段となる。比較例のように周長１５が大きいと、弾性支持部の垂直方向のバネ定数（つまり第１のねじりバネ２、第２のねじりバネ４、連結部３の３つのバネ定数の合成バネ定数）のうち、連結部３のバネ定数が最も小さくなり、不要な変位は連結部３の変形によって主に生じてしまう。周長１５を小さくすることにより、２つのねじりバネの垂直方向のバネ定数より連結部３の垂直方向のバネ定数を大きくすることができるため、効果的に弾性支持部の不要な変位を低減することができる。
【００１８】
ここで、具体的な計算値を示す。例示のため、材質を、微細加工が可能な材料である単結晶シリコンとし、幅Ｐを３μｍ、厚さＱを１．６μｍとする。周長を４７μｍ（内径１２μｍに相当）から１７３μｍ（内径５２μｍに相当）へと変化させたときの垂直方向バネ定数の算出結果を図３に示す。図３の様に、垂直方向バネ定数は、周長のおよそ−２．８乗に比例して減少する。周長１５を小さくすると垂直方向のバネ定数が著しく向上するのが分かる。中央固定ジンバル構造により、周長１５が可動部５に影響されない構成とできるので、可動部５を大きくしつつ連結部３の周長１５を小さくでき、これにより静電容量変化や光の開口率などを大きくしながら垂直方向のバネ定数を向上することができる。比較例の変形例として、垂直方向のバネ定数が低い場合、可動部５を電極基板９側から接触支持するピポット構造を用いるものもあるが、上記中央固定ジンバル構造では、この種の接触構造を必要としない。そのため、本実施形態では、繰り返し変位による接触部分の磨耗や接触部分の摩擦抵抗の変化といった現象がなく、駆動安定性の高いＭＥＭＳデバイスを実現できる。
【００１９】
次に、中央固定ジンバル構造により、アクチュエータとして利用する際の駆動トルクに伴う垂直方向の力を低減できることを説明する。図１と図４を用いて中央固定ジンバル構造と比較例との固定電極８を比較する。図１（ｂ）、（ｃ）に示す様に、中央固定ジンバル構造では、静電トルクを作用させる可動電極となる可動部５は、マイクロ構造体の最外周にある。それに対応する位置に固定電極８が図示の様に配置される。よって、ねじり軸Ａ−Ａ線、Ｂ−Ｂ線から遠い位置で静電引力を作用させることができ、小さな静電引力で大きな駆動トルクを発生できる。従って、２次元ねじり変位に伴う垂直方向の静電引力を小さくするのに、好適な構成となる。同時に、小さな静電引力で大きな駆動トルクを得られるため、低電圧で２次元ねじり変位が可能となる。また、センサとして利用する場合は、作用点とねじり軸との距離が大きいため、小さな面積で、単位ねじり変位あたりの静電容量変化を大きくすることができる。
【００２０】
一方、図４（ｂ）、（ｃ）に示す様に、比較例では、可動部５は、２つのねじり軸Ａ−Ａ線、Ｂ−Ｂ線が交差する中央付近にある。そして、固定電極８と可動部５との間の静電引力のＡ−Ａ線、Ｂ−Ｂ線まわりのトルクが夫々のねじり変位方向の駆動トルクとなる。そのため、静電引力の作用点とＡ−Ａ線、Ｂ−Ｂ線の距離を大きくできず、２次元ねじり変位に伴う垂直方向の静電引力を低減することが難しくなる。
【００２１】
以上のことから、少ない面積で連結部の剛性を高くすることができ、マイクロ構造体のねじり変位方向以外の不要変位を低減することが可能となる。そして、ねじり軸が異なる２本のねじりバネを連結部で接続することにより、ねじり易く撓み難いバネ構成とできる。特に、ねじりバネの断面の縦横比を大きくし、長辺方向への剛性を高めることで、最大許容ねじり角が大きく、撓み難いバネとできる。また、例えば、光偏向器として用いる場合、ねじり易く撓み難いため、光を偏向する軸の偏芯や倒れが少ない正確な光偏向が可能となる。
【００２２】
第三に、中央固定ジンバル構造により、２次元ねじり変位を低電圧で行い得ることについて説明する。これは、２次元ねじり変位を行うねじりバネをねじり易く、撓み難く構成し、且つ、静電引力の作用点をねじり軸から離れた箇所にすることで達成できる。静電引力の作用点の効果は前述した通りである。ねじりバネをねじり易く撓み難い構成とできることについて、図２（ａ）で示すねじりバネで説明する。これは、幅ｔを小さく厚さｂを大きくして断面の縦横比を大きくするか、長さＬを短くすることで実現可能である。ただし、長さＬを短くすると最大ねじり角が制限されてしまうので、最大ねじり角が大きく撓み難いバネとするためには、断面の縦横比を大きくするのが望ましい。その場合、比較例では、前述の式１の通り、応力σの影響が大きくなってしまうが、中央固定ジンバル構造を用いれば、前述の理由で応力σの変化は著しく低減できるので、ねじりバネ定数を安定にできる。
【００２３】
以上のことより、本実施形態をアクチュエータとして用いる場合、静電力によるトルクのモーメントアームが大きく小さな静電力で大きな駆動トルクが得られ、ねじりバネ定数が小さくできるため、低電圧駆動が可能となる。低電圧駆動が可能であるため、アレイ化した場合、アレイを駆動する駆動回路を簡略化することが可能となる。また、アレイを駆動するための引き出し配線間の絶縁構造を簡略化することが可能となる。更に、配線間の電流リークの影響も小さくすることができる。また、センサとして用いる場合も、可動部の変位角あたりの静電容量変化を大きくし、感度を向上することができる。
【００２４】
また、単結晶シリコンでねじりバネを構成する場合、これはほぼ理想的な弾性特性を有するので、繰り返し硬化や、バネの変形時の塑性変形、応力緩和（短時間で生じるクリープひずみ）によるねじり変位のドリフトを低減することが可能となる。特に、単結晶シリコンは微細加工が可能であるため、マイクロオーダーのねじりバネを精度良く製造可能となる。そのため、バネ定数の製造ばらつきを低減することができる。また、縦横比の高い断面を有するバネを製造可能となるため、ねじり易く撓み難いバネとすることができる。従って、マイクロミラーアレイとした場合、光偏向角のドリフトが低減されたミラーが作製可能となる。更に、マイクロミラーアレイの製造ばらつきや駆動電圧のばらつきを低減できるため、駆動ばらつきが小さい空間的な位相変調器や強度変調器を構成可能となる。
【００２５】
以下、より具体的な実施例を説明する。
（実施例１）
図５（ａ）〜（ｃ）を用いて本発明のマイクロ構造体アレイに係る実施例１を説明する。図５において、（ａ）は実施例１の各マイクロ構造体の上面図、（ｂ）はマイクロ構造体アレイの上面図、（ｃ）は断面図である。前述の実施形態と同じ機能を有する個所には同じ符号を付し、詳しい説明は省略する。
【００２６】
本実施例では、中央固定ジンバル構造を構成する２組のねじりバネ２、４が、図示の通り、蛇行したミアンダ構造を有する。各マイクロ構造体の断面構造は図１（ｂ）と同じである。そして、図５（ｂ）、（ｃ）に示す様に、電極基板９上に、図５（ａ）のマイクロ構造体が複数配列され、マイクロ構造体アレイ２２を構成している。電極基板９は、上記実施形態で示した通り、各マイクロ構造体１８に対応した固定電極８を有する。電極基板９は、半導体集積回路で構成された駆動回路を予め有し、各マイクロ構造体１８の固定電極８へ印加する電圧を制御することができる。電極基板９が駆動回路を有するため、アレイの各々の固定電極８を制御するための配線を減らすことができる。本実施例では、支持部１、第１のねじりバネ２、連結部３、第２のねじりバネ４、可動部５は、単結晶シリコンで一体的に形成されている。また、ポスト１０は金で形成され、受け部１７も金で形成されている。
【００２７】
マイクロ構造体１８の１辺Ｒは６４μｍ、厚さは１．６μｍである。ポスト１０の直径は１０μｍ、支持部１の直径は１５μｍ、連結部３の幅は３μｍとなっている。更に、隣接するマイクロ構造体１８の間隔、及び支持部１、第１のねじりバネ２、連結部３、第２のねじりバネ４、可動部５を夫々離間する間隔（隙間）は、０．５μｍである。蛇行したミアンダ構造のねじりバネ２、４は、折り返される直線部分のねじり軸方向に垂直な幅が０．５μｍ、長さが５μｍである。可動部５と固定電極８の間には、４μｍの空隙が形成されている。マイクロ構造体アレイ２２は、縦横夫々３２個のマイクロ構造体が配列され、１０２４個のアレイである。各々、４枚の固定電極８を有している。固定電極８に最大４０Ｖまでの電圧を印加することで、各可動部５を独立に最大±１度の変位角で２次元ねじり変位することができる。また、第１のねじりバネ２、第２のねじりバネ４の垂直方向のバネ定数に対して、連結部３の垂直方向のバネ定数は約２．３倍となっている。こうしたマイクロ構造体アレイ２２に光を照射して、空間的な光強度変調器や位相変調器とできる。本実施例の各マイクロ構造体でも、上記実施形態と同じ効果が得られる。
【００２８】
（実施例２）
図６（ａ）、（ｂ）を用いて本発明のマイクロ構造体に係る実施例２を説明する。図６（ａ）は実施例２のＭＥＭＳデバイスの上面図、（ｂ）は電極基板の上面図である。前述の実施形態、実施例１と同じ機能を有する個所には同じ符号を付し、詳しい説明を省略する。本実施例では、電極基板９は１つのマイクロ構造体１８を有している。そして、図示の如く、固定電極８及び受け部１７には、夫々、電極基板９上に引き出し配線１３と電極パッド１４が形成されている。電極パッド１４を駆動回路と電気的に接続することにより、マイクロ構造体１８を２次元ねじり変位させることができる。
【００２９】
マイクロ構造体１８の１辺は２５０μｍである。ポスト１０の直径は３０μｍであり、可動部５と固定電極９の間には１０μｍの空隙が形成されている。こうして、可動部８を最大±２．５度の変位角で２次元ねじり変位させることができる。マイクロ構造体１８に光を照射して、小型の光偏向器とすることができる。一定の電圧を印加して角度保持することもできる。また、マイクロ構造体１８の共振周波数付近の交流電圧を印加して光走査を行うこともできる。中央固定ジンバル構造では、可動部を接触支持する構造がないため、共振駆動を行っても、高い振幅増幅率で可動部５を駆動可能となる。また、環境温度が変化しても、電極基板８からの応力の影響でねじりバネ定数が変化しない。そのため、バネ定数変化は、バネを構成する部材のヤング率変化と膨張のみを考慮すればよく、共振周波数の環境温度による変化やバネ定数の変化を予測し易くなる。よって、制御精度が向上し、制御方法と制御回路を簡略化できる。特に、この様に、環境温度が変化しても走査性能を安定化できるため、小型の光偏向器を利用して、温度制御機構なしで小型光学機器を構成することができる。
【００３０】
本実施例のＭＥＭＳデバイスによれば、固定電極８と可動電極（可動部５）から夫々１対１で配線を外部の駆動回路へ引き出す必要がなく、配線を低減し、配列数の大きい大規模なアレイを構成することが可能となる。また、センサとして用いるときは、検出するコンデンサと検出回路とを結ぶ配線を短くできるため、ノイズを低減することができる。
【００３１】
（実施例３）
次に、図７（ａ）〜（ｃ）を用いて、本発明のマイクロ構造体アレイ（マイクロミラーアレイなどとして用いられる）の製造方法に係る実施例３を説明する。 図７は図１（ａ）のＣ−Ｃ’線でのマイクロ構造体の断面図であり、ここでは、３個のマイクロ構造体アレイを作製する工程として説明する。図７（ａ）において、後に、中央固定ジンバル構造が形成されるデバイス層１０３を含むＳＯＩ基板１００は、単結晶シリコンのＳＯＩ（Ｓｉｌｉｃｏｎ ｏｎ Ｉｎｓｕｌａｔｏｒ）構造を有する基板である。
【００３２】
デバイス層１０３上に、バンプ１０５ａ〜１０５ｃ（以下、１０５で代表する）をＡｕめっきで形成する工程を説明する。まず、シード部１０４ａ〜１０４ｃ（以下、１０４で代表する）を形成する。ここで、シード部１０４は、ＡｕとＣｒと２層で構成されている。Ｃｒは、ＳＯＩ基板１００のデバイス層１０３のシリコンとＡｕの密着性を向上させるためと、バンプ１０５のＡｕとシリコンが相互に拡散するのを低減するバリア層の役目を果たすために形成される。ＡｕとＣｒの成膜には、スパッタ法や蒸着法などを用いることができる。Ｃｒの膜厚は３０ｎｍ〜５０ｎｍ、Ａｕの膜厚は２００ｎｍ〜４００ｎｍである。また、Ｃｒ、Ｐｄ、Ａｕの３層構造として、相互拡散の効果を高めることもできる。次に、ＡｕとＣｒを成膜した後、各マイクロ構造体のシード部１０５をエッチングによって形成する。シード部１０４を形成した後、Ａｕめっきの型となるパターンをめっき用の厚膜レジストを用いて形成した後、めっきによって各マイクロ構造体のバンプ１０５を形成する。このとき、シード部１０４により通電させ、電気めっきを行うことができる。本実施例のバンプ１０５の形状は、高さ１０μｍ、直径１０μｍの円柱である。Ａｕめっきを形成する前に、ＴｉＷを成膜し、バンプのＡｕとシリコンが相互に拡散するのを低減することもできる。一方、電極基板９には、単結晶シリコン基板上の絶縁層１６に、固定電極８と受け部１７を形成する。固定電極８と受け部１７は、デバイス層１０３上のシード部１０４と同様に、ＡｕとＣｒから成る２層で構成されている。この形成のために、ＡｕとＣｒを成膜し、パターニングする。配線材料は、Ａｕ／Ｃｒに限定されるものではなく、Ａｕ、Ｐｄ、Ｃｒの３層構成などでもよい。バンプ１０５の材料も、Ａｕに限定するものではなく、Ｃｕ、Ａｌ、ＡｕＳｎなどの比較的つぶれ易い材料を用いてもよい。また、バンプ１０５の材料は、１種類とは限らず、Ｃｕめっき上にＡｕをめっきする様な２層構造でもよい。バンプ形状は、上記円柱形状に限らず、直方体、三角柱などの柱状、多角形などでもよい。電極材料も、Ａｕ／Ｃｒに限定されるものではなく、一般的な集積回路で用いられている材料などでもよい。更に、上述の固定電極８と受け部１７は、集積回路基板上に形成されてもよく、その場合は、外部の駆動回路へ引き出す必要がないため、配線を低減し、集積度の大きい大規模なアレイを容易に構成することが可能となる。また、上記の数値は一例であって、必ずしもこれらに限定するものではない。上記工程においては、デバイス基板と電極基板のいずれか一方にバンプなどの連結部となる金属の突起を形成し、他方に突起と接合するためのパッドなどの受け部を形成すればよい。よって、バンプを形成する基板と受け部を形成する基板とを上記製造方法とは逆にしてもよい。以上の工程が、マイクロ構造体の製造方法における、２つの基板のいずれか一方にポストとなる金属の突起を形成する突起形成工程と、２つの基板の他方に突起と接合するための受け部を形成する受け部形成工程である。
【００３３】
次に、ＳＯＩ基板１００上のバンプ１０５の接合面と電極基板９上の受け部１７の接合面に対して、真空チャンバ内でアルゴンプラズマを照射する活性化により、洗浄・活性化を行う。この活性化工程において、接合面の水分やゴミを除去できるため、表面の原子の結合手同士を直接結合でき、常温でも強固な接合をすることができる。洗浄・活性化を行う手段としては、アルゴンイオンビームや原子ビームを照射する方法を用いてもよい。また、活性化工程で用いるガスは、窒素やヘリウムなどの不活性ガスを用いてもよい。次に、ＳＯＩ基板１００上のバンプ１０５の形成面と、電極基板９上の受け部１７の形成面を対向して配置し、接合可能になる様に、各基板に形成されたアライメントマーク（不図示）によって位置決めを行う。次に、図７（ｂ）に示す如く、バンプ１０５を受け部１７へ押し付ける様に、ＳＯＩ基板１００と電極基板９に対して常温で加圧し、ＳＯＩ基板１００と電極基板９との間に空隙を形成する接合を行う。例えば、常温で、２５ｋｇｆから５０ｋｇｆの荷重で３００秒間、加圧する。ここで常温とは、室温から１００℃以下の温度とする。以上の工程が、突起と受け部が形成された面を対向させて２つの基板を配置し、突起と受け部が接合可能になる様に位置決めした後に、突起と受け部を押し付ける様に加圧し、２つの基板の間に空隙を形成して突起と受け部を常温で接合する工程である。
【００３４】
本実施例の接合工程は、常温で加圧してＳＯＩ基板１００と電極基板９を接合するため、接合時に上下基板には熱膨張が発生しない。つまり、加熱をしながら接合する場合と異なり、上下基板の熱膨張の差による基板の伸びの差を低減することができる。従って、接合後の上下基板に位置ずれが発生せず、高精度に接合することができる。
【００３５】
また、バンプ１０５を押しつぶしながら接合を行うため、接合面はバンプの常に新しい面で接合されることとなる。つまり、接合表面の原子の結合手同士での直接結合となり、より強固な接合ができる。また、つぶされて最終的に達する寸法より小さいゴミを乗り越えて接合を行うことができる。そのため、接合工程の歩留まりを向上することができる。バンプ１０５と受け部１７の形状の大小関係は、パッドである受け部１７に押しつぶされて広がる分と、接合時に発生するアライメント誤差分を考慮して、バンプ１０５よりも受け部１７を大きくしておくとよい。例えば、バンプ１０５よりも受け部１７を各辺とも１０μｍ以上長くしておく。支持部１の直径はポスト１０より大きくなっており、製造工程で支持部１の範囲内でポスト１０の位置がずれても、第１のねじりバネ２の固定される箇所には影響しない（図１参照）。また、上述のＳＯＩ基板１００と電極基板９との空隙は、バンプ１０５を押しつぶす量によって決まるため、バンプ１０５の高さや幅（形状）、加圧する大きさを調整することによって、所望の空隙距離を設けることができる。バンプの数も押しつぶす量に影響をするので、空隙の距離を制御するためには、必要なパラメータである。また、本実施例では、平面の基板の状態で貼り合わせを行っているため、基板全体を均一な力で押すことができ、ＳＯＩ基板１００と電極基板９との空隙を均一に形成できる。
【００３６】
次に、図７（ｃ）に示す様に、ＳＯＩ基板１００のハンドル層１０１とＳｉＯ２層１０２をウエットエッチングまたはドライエッチングによって除去し、デバイス層１０３だけを残して薄板化する。その後、フォトリソグラフとエッチングを行い、支持部１、第１のねじりバネ２、連結部３、第２のねじりバネ４、可動部５を形成する。また、図示の通り、シード部１０４とバンプ１０５は、固定支持部１を電極基板９に対して固定するポスト１０に相当する構造となる。以上の工程が、２つの基板のいずれか一方を加工することによって、支持部と可動部と弾性支持部を含む構造体を形成する工程である。以上の様にして、電極基板９上にマイクロ構造体アレイが作製される。
【００３７】
本実施例のＭＥＭＳデバイスによれば、高い熱伝導性を有する金でポストを構成することにより、光吸収などでマイクロ構造体に熱が発生しても、電極基板へ熱を逃がすことが可能となる。そのため、マイクロ構造体の昇温を低減することが可能となる。また、熱的な接続が良好なので、電極基板側から良好に温度調整を行うことも可能となる。特に、金でポストを構成することにより、金―金の常温接合により強固な接合が得られて機械的にも強く接続されたＭＥＭＳデバイスを製造できる。金は電気抵抗も低いので、電気的にも良好な接続となる。この様に、ポスト１０が金で構成されているので、マイクロ構造体１８と電極基板９を、電気的、熱的、機械的に良好に接続できる。
【００３８】
また、電極基板とマイクロ構造体を別々に作製して接合することによりＭＥＭＳデバイスとできる。電極基板とマイクロ構造体を別々に作製することによりＭＥＭＳデバイスの歩留まりを向上できる。更に、電極基板に凹凸があってもマイクロ構造体の平坦性に影響を及ぼさないため、研磨などの平坦化工程を省略して、平坦なコンデンサのギャップを形成することが可能となる。また、接合時に大きな昇温がないため、接合前後での電極基板やマイクロ構造体の反りや伸びが低減でき、マイクロ構造体と電極基板を高い位置精度で接合できる。特に、複数のマイクロ構造体のアレイを形成する場合、マイクロ構造体間の可動電極（可動部）及び固定電極の位置ばらつきを低減できる。そのため、静電アクチュエータとして用いる場合、駆動電圧のばらつきを低減できる。また、センサとして用いる場合、検出容量のばらつきを低減できる。そして、駆動回路を有する電極基板と接合する場合も、大きな昇温がないため、駆動回路特性を劣化させずに形成可能となる。
【００３９】
また、本実施例では、デバイス層と電極基板とを接合した後に構造体分割工程を行う。そのため、デバイス層の構造体パターンを、電極基板に対して、一般的なアライナーのアライメント精度で位置合わせを行うことができ、固定電極に対して高精度にマイクロ構造体を作製できる。その効果として、駆動電圧に対して、構造体の駆動を高精度に制御することができる様になる。一般的なアライナーのアライメント精度は、接合装置のアライメント精度よりも高いため、接合時に特殊なアライメント精度向上のための措置を行わなくてよい。また、常温で加圧しているため、加熱をした場合に生じる電極基板のアライメントマークの変形などを防ぐことができ、固定電極に対して高精度にマイクロミラーなどのマイクロ構造体のアレイを作製できる。また、マイクロ構造体アレイを形成した後に、電極基板と接合する場合と比較して、マイクロ構造体アレイには不要な応力が発生しないため、接合時にマイクロ構造体が破損するということが起きない。
【００４０】
（実施例４）
次に、図８（ａ）〜（ｃ）を用いて、本発明のマイクロ構造体アレイの製造方法に係る実施例４を説明する。 図８は図１（ａ）のＣ−Ｃ’線でのマイクロ構造体の断面図であり、ここでも、３個のマイクロ構造体アレイを作製する工程として説明する。また、前述の実施形態や実施例と同じ機能を有する個所には、同じ符号を付し、詳しい説明を省略する。本実施例は、実施例３と以下の点で異なる。
【００４１】
本実施例では、電極基板９の固定電極８とパッド（受け部）１７をウエットエッチングによって形成した後、ＳＯＩ基板１００と電極基板９の間の空隙を規定するためのスペーサ２０４を形成する。スペーサ２０４は、Ｐｌａｓｍａ−ＣＶＤを用いて、ＳｉＯ２で成膜する。ＳｉＯ２の厚さは、Ａｕバンプ１０５が十分な接合強度で押しつぶされる時の高さよりも低い高さにする必要がある。こうすることで、Ａｕバンプ１０５に高さばらつきが生じた場合においても、ＳＯＩ基板１００と電極基板９の空隙をスペーサ２０４の高さ精度で高精度に規定することができる。その効果として、マイクロ構造体アレイが形成された時に、同一駆動電圧に対する、マイクロミラーなどのマイクロ構造体間の偏向角ばらつきを低減することができる。
【００４２】
次に、図８（ｂ）に示す如く、バンプ１０５を受け部１７へ押し付ける様に、ＳＯＩ基板１００と電極基板９に対して常温で加圧し、ＳＯＩ基板１００と電極基板９との間に空隙を形成する接合を行う。この後、デバイス基板１００のＳＯＩウエハのハンドル層１０１とＳｉＯ２層１０２をドライエッチングによって除去し、図８（ｃ）で示す様に、デバイス層１０３だけを残して薄板化した後、スペーサ２０４を除去する。この薄板化の工程において、スペーサ２０４がある場合には、シード層１０４、バンプ１０５、固定電極８、受け部１７には長時間エッチングガスが晒されないため、スペーサ２０４は、エッチング保護層としての役割も果たす。なお、上記製造方法において、スペーサを形成する基板をデバイス基板にしてもよい。
【００４３】
（実施例５）
図９を用いて本発明の実施例５を説明する。本実施例では、スペーサ３０４として、図８のＳｉＯ２のスペーサ２０４でなく、ポリイミドなどの樹脂材料を用いている。その他の点は、実施例４と同じである。
【００４４】
本実施例では、スピンコートによってポリイミドを塗付し、フォトリソグラフィによってスペーサ３０４のパターンを形成する。パターンを形成した後のポリイミドは、最終的に３５０℃で１時間以上焼き固められることによって、形状を安定させると同時に耐薬品性も高めることができる。次に、実施例４と同様に、バンプ１０５と受け部１７に対して活性化工程を行い、接合可能になる様にし、各基板に形成されているアライメントマーク（図示せず）によって位置決めを行う。この時、ポリイミド製のスペーサ３０４は、ＳｉＯ２と比較すると、アルゴンプラズマに対するエッチングレートが早いため、エッチングレートを考慮して初期の膜厚を厚めに設定する必要がある。その後、デバイス基板１００と電極基板９との間に空隙を形成しつつ、機械的かつ電気的に、強固に接合する。実施例４と同様に、その後の薄板化工程において、ポリイミド製のスペーサ３０４は、デバイス基板１００のハンドル層１０１とＳｉＯ２層１０２の除去時のエッチング保護層としての役割も果たす。また、ポリイミドはＯ２によって除去できるため、スペーサの除去が実施例４と比較すると容易である。また、他の材料に対するエッチングダメージを低減することができ、電極材料の選択肢を広げることができる。
【符号の説明】
【００４５】
１…固定支持部、２…第１のねじりバネ（弾性支持部）、３…連結部（弾性支持部）、４…第２のねじりバネ（弾性支持部）、５…可動部、９…電極基板（基板）、１０…ポスト、１８…マイクロ構造体
【特許請求の範囲】
【請求項１】
基板と、支持部と、前記基板に支持部を固定する１つのポストと、前記支持部の外周に枠状に配置された可動部と、前記可動部と前記支持部とを弾性的に連結する弾性支持部と、を有し、
前記弾性支持部は、前記支持部の外周に枠状に配置された連結部と第１のねじりバネと第２のねじりバネと、を含み、
前記第１のねじりバネは、前記支持部に対して、第１のねじり軸の回りにねじり変位可能に前記連結部を支持し、
前記第２のねじりバネは、前記連結部に対して、第２のねじり軸の回りにねじり変位可能に前記可動部を支持し、
前記可動部は可動電極を有し、
前記可動電極と前記基板上の固定電極とで、静電容量の変化するコンデンサを形成することを特徴とするマイクロ構造体。
【請求項２】
前記第１のねじり軸と前記第２のねじり軸は１つの平面上に配され、
前記平面の法線方向を垂直方向としたとき、前記連結部の前記垂直方向へのバネ定数は、前記第１のねじりバネおよび前記第２のねじりバネの前記垂直方向へのバネ定数よりも大きいことを特徴とする請求項１に記載のマイクロ構造体。
【請求項３】
前記垂直方向からみた前記可動部の面積は、前記垂直方向からみた前記弾性支持部の面積より大きいことを特徴とする請求項２に記載のマイクロ構造体。
【請求項４】
前記可動部は、光を反射する反射面を有し、
前記可動部の電極と前記基板上の固定電極との間に電圧を印加することで前記可動部を駆動して前記光を偏向することを特徴とする請求項１から３の何れか１項に記載のマイクロ構造体。
【請求項５】
前記基板上に、前記支持部と前記ポストと前記可動部と前記弾性支持部を含む構造体が複数配列されることを特徴とする請求項１から４の何れか１項に記載のマイクロ構造体。
【請求項６】
前記弾性支持部は単結晶シリコンで形成されることを特徴とする請求項１から５の何れか１項に記載のマイクロ構造体。
【請求項７】
前記ポストは金を含んで形成されることを特徴とする請求項１から６の何れか１項に記載のマイクロ構造体。
【請求項８】
請求項１から７の何れか１項に記載のマイクロ構造体の製造方法であって、
２つの基板のいずれか一方に前記ポストとなる金属の突起を形成する突起形成工程と、
前記２つの基板の他方に前記突起と接合するための受け部を形成する受け部形成工程と、
前記突起と前記受け部が形成されている面を対向させて前記２つの基板を配置し、前記突起と前記受け部が接合可能になる様に位置決めする位置決め工程と、
前記突起と前記受け部を押し付ける様に加圧し、前記２つの基板の間に空隙を形成して前記突起と前記受け部を常温で接合する接合工程と、
前記２つの基板のいずれか一方を加工することによって、前記支持部と前記可動部と前記弾性支持部を含む構造体を形成する構造体分割工程と、
を含むことを特徴とする製造方法。
【請求項９】
前記２つの基板のいずれか一方に前記空隙を規定するためのスペーサを形成する工程を含むことを特徴とする請求項８に記載の製造方法。
【請求項１】
基板と、支持部と、前記基板に支持部を固定する１つのポストと、前記支持部の外周に枠状に配置された可動部と、前記可動部と前記支持部とを弾性的に連結する弾性支持部と、を有し、
前記弾性支持部は、前記支持部の外周に枠状に配置された連結部と第１のねじりバネと第２のねじりバネと、を含み、
前記第１のねじりバネは、前記支持部に対して、第１のねじり軸の回りにねじり変位可能に前記連結部を支持し、
前記第２のねじりバネは、前記連結部に対して、第２のねじり軸の回りにねじり変位可能に前記可動部を支持し、
前記可動部は可動電極を有し、
前記可動電極と前記基板上の固定電極とで、静電容量の変化するコンデンサを形成することを特徴とするマイクロ構造体。
【請求項２】
前記第１のねじり軸と前記第２のねじり軸は１つの平面上に配され、
前記平面の法線方向を垂直方向としたとき、前記連結部の前記垂直方向へのバネ定数は、前記第１のねじりバネおよび前記第２のねじりバネの前記垂直方向へのバネ定数よりも大きいことを特徴とする請求項１に記載のマイクロ構造体。
【請求項３】
前記垂直方向からみた前記可動部の面積は、前記垂直方向からみた前記弾性支持部の面積より大きいことを特徴とする請求項２に記載のマイクロ構造体。
【請求項４】
前記可動部は、光を反射する反射面を有し、
前記可動部の電極と前記基板上の固定電極との間に電圧を印加することで前記可動部を駆動して前記光を偏向することを特徴とする請求項１から３の何れか１項に記載のマイクロ構造体。
【請求項５】
前記基板上に、前記支持部と前記ポストと前記可動部と前記弾性支持部を含む構造体が複数配列されることを特徴とする請求項１から４の何れか１項に記載のマイクロ構造体。
【請求項６】
前記弾性支持部は単結晶シリコンで形成されることを特徴とする請求項１から５の何れか１項に記載のマイクロ構造体。
【請求項７】
前記ポストは金を含んで形成されることを特徴とする請求項１から６の何れか１項に記載のマイクロ構造体。
【請求項８】
請求項１から７の何れか１項に記載のマイクロ構造体の製造方法であって、
２つの基板のいずれか一方に前記ポストとなる金属の突起を形成する突起形成工程と、
前記２つの基板の他方に前記突起と接合するための受け部を形成する受け部形成工程と、
前記突起と前記受け部が形成されている面を対向させて前記２つの基板を配置し、前記突起と前記受け部が接合可能になる様に位置決めする位置決め工程と、
前記突起と前記受け部を押し付ける様に加圧し、前記２つの基板の間に空隙を形成して前記突起と前記受け部を常温で接合する接合工程と、
前記２つの基板のいずれか一方を加工することによって、前記支持部と前記可動部と前記弾性支持部を含む構造体を形成する構造体分割工程と、
を含むことを特徴とする製造方法。
【請求項９】
前記２つの基板のいずれか一方に前記空隙を規定するためのスペーサを形成する工程を含むことを特徴とする請求項８に記載の製造方法。
【図１】
【図２】
【図３】
【図４】
【図５】
【図６】
【図７】
【図８】
【図９】
【図２】
【図３】
【図４】
【図５】
【図６】
【図７】
【図８】
【図９】
【公開番号】特開２０１１−１９１５９３（Ｐ２０１１−１９１５９３Ａ）
【公開日】平成２３年９月２９日（２０１１．９．２９）
【国際特許分類】
【出願番号】特願２０１０−５８７２７（Ｐ２０１０−５８７２７）
【出願日】平成２２年３月１６日（２０１０．３．１６）
【出願人】（０００００１００７）キヤノン株式会社 (59,756)
【Ｆターム（参考）】
【公開日】平成２３年９月２９日（２０１１．９．２９）
【国際特許分類】
【出願日】平成２２年３月１６日（２０１０．３．１６）
【出願人】（０００００１００７）キヤノン株式会社 (59,756)
【Ｆターム（参考）】
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