低駆動電圧と長寿命用途のためのＳＤＡ微小モータのレイアウト設計および組立
【課題】低駆動電圧と長寿命特性を有するスクラッチ駆動アクチュエータ（ＳＤＡ）微小回転モータの新規な設計と製造方法を提供する。
【解決手段】駆動電圧を交流振幅で３０〜１５０Ｖｏ−ｐから１２〜３０Ｖｏ−ｐに大幅に減少するべく、超低抵抗（＜０．００４Ω−ｃｍ未満）のシリコンウェハをＳＤＡ微小モータの基板として用いる。さらに、本発明は、ＳＤＡ微小モータの寿命（＞７５時間）および回転速度（〜３０ｒｐｍ）の改善ができる新規なＳＤＡ構造および形状設計方法を提供する。
【解決手段】駆動電圧を交流振幅で３０〜１５０Ｖｏ−ｐから１２〜３０Ｖｏ−ｐに大幅に減少するべく、超低抵抗（＜０．００４Ω−ｃｍ未満）のシリコンウェハをＳＤＡ微小モータの基板として用いる。さらに、本発明は、ＳＤＡ微小モータの寿命（＞７５時間）および回転速度（〜３０ｒｐｍ）の改善ができる新規なＳＤＡ構造および形状設計方法を提供する。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、一般に、微小電気機械システム(MEMS)に適用可能なフォトリソグラフィ技術によりパターン化したＳＤＡ微小モータに関する。
【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。世界最小の微小ファン装置は２ｍｍ ｘ ２ｍｍの寸法（付属書１に示すように）を有し、自己組織化微小ブレード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。ＳＤＡ駆動微小ファンは、付属書２に示すように、ポリシリコンベース表面微細加工技術（マルチユーザーＭＥＭＳプロセス、ＭＵＭＰｓ) を用いて製造される。実際に製造された微小モータチップを付属書３に示す。
【０００３】
SDA装置の多くの研究や応用例が先行文献に報告されている。例えば、Terunobu Akiyamaと共同研究者は、ポシリコンの微小スライダ、微小モータおよびX/Yステージにおいて静電制御階段状動作(すなわち、スクラッチ駆動アクチュエータ)を最初に提案した。彼らの実験結果が示すように、微細構造の速度は、印加されたパルス周波数の関数であり、ステップ長は、印加されたパルスのピーク値とSDA板の長さとの関数である。上記研究者は、さらに、三次元シリコン微細構造を実現するための新規な基本形状補正技術（reshaping technology）を提供する。
【０００４】
一方、Ryan J. LindermanとVictor M. Brightは、半田による自己組織化及びSDA技術を用いた新規なMEMS型微小回転ファンを提供する。これらの論文は、静電駆動されるMEMS回転ファンを提示するものであり、同MEMS回転ファンは、モータ基板をバルクエッチングすることによって寸法と重量を更に小さくできる。即ち、モータとファン羽根列を支持する薄肉構造層のみを残すことができる。SDA装置の設計において、構造ポリシリコン層、ブッシング、誘電層及び支持ビームの寸法が重要となる。この微小ファン設計において採用される最適寸法に関して、SDA板は７８mmの長さと６５mmの幅を有し、ブッシングは１．５mmの高さを有し、１．５mmの厚みの支持ビームは４mmの幅と３０mmの長さを有する。
【０００５】
SDA微小回転モータは１０年以上前から開発されている。しかし、このようなSDA微小回転モータの実用化は、その高い駆動電圧（３０〜１５０Ｖｏ−ｐ）のために限られたものであった。この欠点を解決するため、本発明は、チップ基板として超低抵抗シリコンウエハーを用いることによって低駆動電圧ＳＤＡ微小モータを開発することを目的とする。本発明によってフォトリソグラフィ技術によりパターン化したＳＤＡ微小モータを、超低抵抗（＜０．００４W−ｃｍ）シリコン基板上に形成するプロセスが開発された。超低抵抗シリコン基板は、ＳＤＡ微小モータの駆動電圧を交流振幅で３０〜１５０Ｖ０−ｐから１２〜３０Ｖ０−ｐに低減できる。
【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」、センサとアクチュエータ A、第９５巻、２００２年、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】
【０００６】
従来のＳＤＡ微小モータにはその他に寿命が短いという問題がある。この点を改善するために、本発明は、ＳＤＡ微小モータの寿命を延ばし、歩留りを向上させ、電力を低減させ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。このような新規なリブおよびフランジ構造設計による新規なＳＤＡ微小モータは、本発明において長寿命（＞７５時間）および高回転（〜３０ｒｐｍ）を実現した。
【課題を解決するための手段】
【０００７】
本発明のＳＤＡ型微小モータを形成する方法は、以下の工程からなることを特徴とする。
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の層を超低抵抗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、少なくとも一つの低抵抗シリコン基板の電気コンタクト窓を形成する工程と、
ｃ．超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、窒化シリコン蒸着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によりパターニングし、ＳＤＡ微小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．低応力勾配を有し、ＳＤＡ微小モータの構造層の捨て層として機能する蛍光ケイ酸（ＰＳＧ）からなる第３の層を基板上または基板の上方に蒸着する工程と、
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、ＳＤＡ微小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. 低応力勾配を有する、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、ＳＤＡ微小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. 低応力勾配を有し、ＳＤＡ微小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）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、ＳＤＡ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. 低応力勾配を有し、ＳＤＡ微小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、微小モータのカバー部および少なくとも一つのＳＤＡ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、ＳＤＡ微小モータのバイアスおよびグラウンドパッドを形成する工程と、
p. ＳＤＡ微小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ＳＤＡ微小モータのＳＤＡロータ部を解放（ｒｅｌｅａｓｅ）し、解放プロセスの後、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ＳＤＡロータを回転可能とする工程。
【０００８】
本発明のＳＤＡ型微小モータを形成する方法において、前記超低抵抗シリコン基板の抵抗は０．００４Ω−ｃｍ未満とし、前記超低抵抗（＜０．００４Ω−ｃｍ）シリコンウエハをＳＤＡ微小モータの基板として採用したことにより、駆動電圧を交流振幅で３０〜１５０Ｖｏ−ｐから１２〜３０Ｖｏ−ｐに効率的に減少可能としたことを特徴とする。
【０００９】
本発明のＳＤＡ型微小モータを形成する方法において、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からなり、前記低応力シリコン窒化絶縁層の応力が２５０ＭＰａ以下に調整されていることを特徴とする。
【００１０】
本発明のＳＤＡ型微小モータを形成する方法において、低抵抗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、ＳＤＡ微小モータの駆動に際し、前記超低抵抗シリコン基板が、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。
【００１１】
本発明のＳＤＡ型微小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) ドーピングとポストアニールプロセスを含み、本工程の各プロセスは、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構造膜の応力は２００ＭＰａ未満に調整されていることを特徴とする。
【００１２】
本発明のＳＤＡ型微小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。
【００１３】
本発明のＳＤＡ型微小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。
【００１４】
前記リブ構造設計およびフランジ形状設計方法は、ＳＤＡ型微小モータの設計と製造に用いられ、ＳＤＡ型微小モータの寿命（７５時間超）と回転速度（３０ｒｐｍ以下）を向上可能である。
【００１５】
本発明の微小ファンの形成方法は、以下の工程からなる。
a. 最終の解放プロセスを除いた請求項１に記載のプロセスによるＳＤＡ微小モータの製造工程と、
b. 前記ＳＤＡ微小モータの第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ＳＤＡ微小ファンのＳＤＡロータ部および微小羽根部を解放し、ＳＤＡ微小モータのカバーおよび結合路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、
構造解放およびポリイミド硬化プロセス後に、自立するＳＤＡ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。
【００１６】
本発明の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操作機構として、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。
【００１７】
本発明の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。
【００１８】
本発明の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】
【００１９】
本発明は低駆動電圧で長寿命のＳＤＡ微小モータを提供する。まず、駆動電圧を交流振幅で３０〜１５０Ｖｏ−ｐから１２〜３０Ｖｏ−ｐに大幅に低減するために、ＳＤＡ微小モータの基板として、超低抵抗（＞０．００４W−ｃｍ）シリコンウェハを用いる。次に、ＳＤＡ微小モータの寿命を延ばすために、本発明は主構造およびフランジ構造設計を含む新規なレイアウトを提供する。ビーム−ＳＤＡ板間およびビーム−ＳＤＡ結合路間のコーナーにフランジ構造設計をさらに用いることによって、フランジ構造は、細いポリシリコンビームの曲げ剛性を向上させることができ、装置の歩留りを高め、さらに、動作時の亀裂破損を減少させることができる。
【００２０】
さらに、本発明は、ＳＤＡ微小モータの寿命（＞７５時間）および回転速度（〜３０ｒｐｍ）を改善できる新規なリブ構造設計およびフランジレイアウト設計を提供する。
【００２１】
本発明が採用する主要な技術は、微小電気機械システム（ＭＥＭＳ）技術のポリシリコンベースの表面微細加工プロセスであり、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。
【発明を実施するための最良の形態】
【００２２】
従来のＳＤＡ微小モータは、その高駆動電圧と短寿命に起因して実用化が制限されていた。図１は、L-edit（商標）ソフトウェアのシミュレーション結果による従来および新規なＳＤＡ微小モータの主構造を示す。支持ビーム（０５）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、ＳＤＡ板（０４）、支持ビーム（０５）、リング（０６）およびカバー（０８）を同時に形成するため、ポリシリコン３（０３）層を利用する。ここに、これらの部材はリング（０６）部に隣接する厚肉の「リブ（０７）」構造（ポリシリコン２（０２）層およびポリシリコン３（０３）層の積層からなる）を形成し、ＳＤＡ微小モータの曲げ剛性と寿命を改善することができる。図２は、本発明において提案された新規な「フランジ（０９）」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、ＳＤＡ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５は、製造されたＳＤＡ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、ＳＤＡ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。
【００２３】
さらに、本発明は、駆動電圧を交流振幅で３０〜１５０Ｖｏ−ｐから１２〜３０Ｖｏ−ｐに大幅に減少させるために、超低抵抗（＜０．００４W−ｃｍ未満）（１０）シリコンウェハをＳＤＡ微小モータの基板として用いる。
【００２４】
図３は、本発明に係るＳＤＡ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、ポリシリコン系表面微細加工工程である。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（１０）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（１１）を、フォトリソグラフィによりパターニングする。図３に示すように、まず、基板（１２）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（１３）をシリコン基板上（on or above）に蒸着する。図３（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（１４）およびアンカーのパッド（１５）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（１６）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３（ｃ））によって、ＳＤＡ微小モータの少なくとも一つの７５０ｎｍ深さのディンプル窓（１７）とブッシング窓（１８）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（１９）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３（ｄ））を用いたパターニングによって、ＳＤＡ微小モータの少なくとも一つのリブ（２０）微細構造を形成する。
（ｅ） １．５μｍ厚の低応力ＰＳＧ捨て層（２１）を、ＰＥＣＶＤ法を用いて、基板上に蒸着する。図３（ｅ）に示すように、５番目のフォトマスクを用いて、ＳＤＡ微小モータのディンプル窓（２２）、カバー窓（２３）およびブッシング窓（２４）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３（ｆ）に示すように、ＳＤＡ微小モータのアンカー窓（２５）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（２６）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３（ｇ））を用いたパターニングにより、ＳＤＡ微小モータの少なくとも一つのディンプル（２７）、支持ビーム（２８）、リング（２９）、カバー（３０）、ブッシング（３１）、およびＳＤＡロータ（３２）を形成する。
（ｈ） ２００ｎｍ厚のクロムと２５０ｎｍ厚の金（３３）からなる金属膜を、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、ＳＤＡ微小モータ（図３（ｈ））の少なくとも一つのバイアスパッド（３４）およびグラウンドパッド（３５）を形成する。
（ｉ） 第１および第２のＰＳＧ捨て層に、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、基板からＳＤＡ微小モータのＳＤＡロータ部を解放（ｒｅｌｅａｓｅ）し、一方、ＳＤＡ微小モータのカバーと結合路部は基板に固定された状態に保持する。解放プロセスの後、適切な静電駆動を行うことにより、自由起立状態のＳＤＡロータを窒化シリコン絶縁層上で、回転させることができる。
【００２５】
図４は、本発明に係るＳＤＡ微小モータのレイアウトおよび断面構造設計、すなわち、わずか直径４７５μｍの世界最小のＳＤＡ微小モータを示す。
【００２６】
電圧分圧理論に基づき、ＳＤＡ微小モータの駆動電圧は、基板の抵抗に比例して減少する。図５は、レイアウト及び製造プロセスは同一であるが、基板の抵抗を異ならせた２つのSDAアクチュエータ（単一ＳＤＡ板）を比較した結果を示す。低抵抗シリコンウエハ上の単一板SDAは、わずか約4 - ７Vo-pという低い駆動電圧を実現した。一方、８枚板からなるＳＤＡ微小モータの駆動電圧は、１２〜３０Ｖｏ−ｐである。この値は、他の特許文献において示された結果よりもはるかに小さい値となっている。
【００２７】
図６は、ＳＤＡ微小モータ（４０）と、ＳＤＡ微小モータ（４０）を用いて製造したＳＤＡ微小ファンに適用可能な新規な応用例を示し、ＳＤＡ微小モータ（４０）と８枚のポリイミド自己組織化微小羽根（４１）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動作機構は、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継手（４２）の表面張力を利用している。
【００２８】
（付属書の説明）
付属書１：MEMS技術によって製造されかつ自己組織化微小ブレードを用いて形成された微小ファン装置と微小スクラッチ駆動アクチュエータ（ＳＤＡｓ）
付属書２：マルチユーザMEMS処理（MUMPｓ）
付属書３：製造された微小モータチップ
付属書４：装着したＳＤＡ微小モータの断面および上面から写した電子顕微鏡写真（ＳＥＭ）。新規なリブ構造およびフランジレイアウト設計の小型化４７５μｍ幅ＳＤＡ微小モータ。
付属書５：ＳＤＡ微小モータの曲げ剛性および寿命改善のためのフランジ構造設計のSEM電子顕微鏡写真
【図面の簡単な説明】
【００２９】
【図１】L-edit（商標）ソフトウェアのシミュレーション結果による従来および新規なＳＤＡ微小モータの主構造を示す図である。
【図２】ＳＤＡ微小モータの構造の堅牢性および寿命を効果的に向上させる斬新なフランジ構造設計を表す図である。
【図３】ＳＤＡ微小モータの主要工程段階の断面図を示す図である。
【図４】本発明が提供するＳＤＡ微小モータのレイアウトおよび断面構造設計を示す図である。
【図５】２種類のシリコンウェハによるＳＤＡ板の長さ／幅比に対する単板ＳＤＡの駆動電圧を示す図である。
【図６】ＳＤＡ微小モータにより作動する微小ファンの新規な設計を示す図である。
【符号の説明】
【００３０】
（０１）通常シリコンウェハ
（０２）ポリシリコン２
（０３）ポリシリコン３
（０４）ＳＤＡ板
（０５）支持ビーム
（０６）リング
（０７）リブ
（０８）カバー
（０９）フランジ
（１０）低抵抗シリコン基板
（１１）低応力Ｓｉ３Ｎ４
（１２）基板のコンタクト窓
（１３）低応力適所ドープドリシリコン１
（１４）結合路
（１５）アンカーのパッド
（１６）低応力ＰＳＧ１
（１７）ディンプル窓
（１８）ブッシング窓
（１９）低応力適所ドープドリシリコン２
（２０）リブ
（２１）低応力ＰＳＧ２
（２２）ディンプル窓
（２３）カバー窓
（２４）ブッシング窓
（２５）アンカー窓
（２６）低応力適所ドープドリシリコン３
（２７）ディンプル
（２８）支持ビーム
（２９）リング
（３０）カバー
（３１）ブッシング
（３２）ＳＤＡロータ
（３３）Ｃｒ／Ａｕ金属
（３４）バイアスパッド
（３５）グラウンドパッド
（４０）ＳＤＡ微小モータ
（４１）微小羽根
（４２）ポリイミドジョイント
【技術分野】
【０００１】
本発明は、一般に、微小電気機械システム(MEMS)に適用可能なフォトリソグラフィ技術によりパターン化したＳＤＡ微小モータに関する。
【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。世界最小の微小ファン装置は２ｍｍ ｘ ２ｍｍの寸法（付属書１に示すように）を有し、自己組織化微小ブレード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。ＳＤＡ駆動微小ファンは、付属書２に示すように、ポリシリコンベース表面微細加工技術（マルチユーザーＭＥＭＳプロセス、ＭＵＭＰｓ) を用いて製造される。実際に製造された微小モータチップを付属書３に示す。
【０００３】
SDA装置の多くの研究や応用例が先行文献に報告されている。例えば、Terunobu Akiyamaと共同研究者は、ポシリコンの微小スライダ、微小モータおよびX/Yステージにおいて静電制御階段状動作(すなわち、スクラッチ駆動アクチュエータ)を最初に提案した。彼らの実験結果が示すように、微細構造の速度は、印加されたパルス周波数の関数であり、ステップ長は、印加されたパルスのピーク値とSDA板の長さとの関数である。上記研究者は、さらに、三次元シリコン微細構造を実現するための新規な基本形状補正技術（reshaping technology）を提供する。
【０００４】
一方、Ryan J. LindermanとVictor M. Brightは、半田による自己組織化及びSDA技術を用いた新規なMEMS型微小回転ファンを提供する。これらの論文は、静電駆動されるMEMS回転ファンを提示するものであり、同MEMS回転ファンは、モータ基板をバルクエッチングすることによって寸法と重量を更に小さくできる。即ち、モータとファン羽根列を支持する薄肉構造層のみを残すことができる。SDA装置の設計において、構造ポリシリコン層、ブッシング、誘電層及び支持ビームの寸法が重要となる。この微小ファン設計において採用される最適寸法に関して、SDA板は７８mmの長さと６５mmの幅を有し、ブッシングは１．５mmの高さを有し、１．５mmの厚みの支持ビームは４mmの幅と３０mmの長さを有する。
【０００５】
SDA微小回転モータは１０年以上前から開発されている。しかし、このようなSDA微小回転モータの実用化は、その高い駆動電圧（３０〜１５０Ｖｏ−ｐ）のために限られたものであった。この欠点を解決するため、本発明は、チップ基板として超低抵抗シリコンウエハーを用いることによって低駆動電圧ＳＤＡ微小モータを開発することを目的とする。本発明によってフォトリソグラフィ技術によりパターン化したＳＤＡ微小モータを、超低抵抗（＜０．００４W−ｃｍ）シリコン基板上に形成するプロセスが開発された。超低抵抗シリコン基板は、ＳＤＡ微小モータの駆動電圧を交流振幅で３０〜１５０Ｖ０−ｐから１２〜３０Ｖ０−ｐに低減できる。
【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」、センサとアクチュエータ A、第９５巻、２００２年、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】
【０００６】
従来のＳＤＡ微小モータにはその他に寿命が短いという問題がある。この点を改善するために、本発明は、ＳＤＡ微小モータの寿命を延ばし、歩留りを向上させ、電力を低減させ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。このような新規なリブおよびフランジ構造設計による新規なＳＤＡ微小モータは、本発明において長寿命（＞７５時間）および高回転（〜３０ｒｐｍ）を実現した。
【課題を解決するための手段】
【０００７】
本発明のＳＤＡ型微小モータを形成する方法は、以下の工程からなることを特徴とする。
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の層を超低抵抗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、少なくとも一つの低抵抗シリコン基板の電気コンタクト窓を形成する工程と、
ｃ．超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、窒化シリコン蒸着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によりパターニングし、ＳＤＡ微小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．低応力勾配を有し、ＳＤＡ微小モータの構造層の捨て層として機能する蛍光ケイ酸（ＰＳＧ）からなる第３の層を基板上または基板の上方に蒸着する工程と、
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、ＳＤＡ微小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. 低応力勾配を有する、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、ＳＤＡ微小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. 低応力勾配を有し、ＳＤＡ微小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）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、ＳＤＡ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. 低応力勾配を有し、ＳＤＡ微小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、微小モータのカバー部および少なくとも一つのＳＤＡ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、ＳＤＡ微小モータのバイアスおよびグラウンドパッドを形成する工程と、
p. ＳＤＡ微小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ＳＤＡ微小モータのＳＤＡロータ部を解放（ｒｅｌｅａｓｅ）し、解放プロセスの後、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ＳＤＡロータを回転可能とする工程。
【０００８】
本発明のＳＤＡ型微小モータを形成する方法において、前記超低抵抗シリコン基板の抵抗は０．００４Ω−ｃｍ未満とし、前記超低抵抗（＜０．００４Ω−ｃｍ）シリコンウエハをＳＤＡ微小モータの基板として採用したことにより、駆動電圧を交流振幅で３０〜１５０Ｖｏ−ｐから１２〜３０Ｖｏ−ｐに効率的に減少可能としたことを特徴とする。
【０００９】
本発明のＳＤＡ型微小モータを形成する方法において、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からなり、前記低応力シリコン窒化絶縁層の応力が２５０ＭＰａ以下に調整されていることを特徴とする。
【００１０】
本発明のＳＤＡ型微小モータを形成する方法において、低抵抗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、ＳＤＡ微小モータの駆動に際し、前記超低抵抗シリコン基板が、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。
【００１１】
本発明のＳＤＡ型微小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) ドーピングとポストアニールプロセスを含み、本工程の各プロセスは、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構造膜の応力は２００ＭＰａ未満に調整されていることを特徴とする。
【００１２】
本発明のＳＤＡ型微小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。
【００１３】
本発明のＳＤＡ型微小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。
【００１４】
前記リブ構造設計およびフランジ形状設計方法は、ＳＤＡ型微小モータの設計と製造に用いられ、ＳＤＡ型微小モータの寿命（７５時間超）と回転速度（３０ｒｐｍ以下）を向上可能である。
【００１５】
本発明の微小ファンの形成方法は、以下の工程からなる。
a. 最終の解放プロセスを除いた請求項１に記載のプロセスによるＳＤＡ微小モータの製造工程と、
b. 前記ＳＤＡ微小モータの第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ＳＤＡ微小ファンのＳＤＡロータ部および微小羽根部を解放し、ＳＤＡ微小モータのカバーおよび結合路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、
構造解放およびポリイミド硬化プロセス後に、自立するＳＤＡ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。
【００１６】
本発明の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操作機構として、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。
【００１７】
本発明の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。
【００１８】
本発明の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】
【００１９】
本発明は低駆動電圧で長寿命のＳＤＡ微小モータを提供する。まず、駆動電圧を交流振幅で３０〜１５０Ｖｏ−ｐから１２〜３０Ｖｏ−ｐに大幅に低減するために、ＳＤＡ微小モータの基板として、超低抵抗（＞０．００４W−ｃｍ）シリコンウェハを用いる。次に、ＳＤＡ微小モータの寿命を延ばすために、本発明は主構造およびフランジ構造設計を含む新規なレイアウトを提供する。ビーム−ＳＤＡ板間およびビーム−ＳＤＡ結合路間のコーナーにフランジ構造設計をさらに用いることによって、フランジ構造は、細いポリシリコンビームの曲げ剛性を向上させることができ、装置の歩留りを高め、さらに、動作時の亀裂破損を減少させることができる。
【００２０】
さらに、本発明は、ＳＤＡ微小モータの寿命（＞７５時間）および回転速度（〜３０ｒｐｍ）を改善できる新規なリブ構造設計およびフランジレイアウト設計を提供する。
【００２１】
本発明が採用する主要な技術は、微小電気機械システム（ＭＥＭＳ）技術のポリシリコンベースの表面微細加工プロセスであり、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。
【発明を実施するための最良の形態】
【００２２】
従来のＳＤＡ微小モータは、その高駆動電圧と短寿命に起因して実用化が制限されていた。図１は、L-edit（商標）ソフトウェアのシミュレーション結果による従来および新規なＳＤＡ微小モータの主構造を示す。支持ビーム（０５）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、ＳＤＡ板（０４）、支持ビーム（０５）、リング（０６）およびカバー（０８）を同時に形成するため、ポリシリコン３（０３）層を利用する。ここに、これらの部材はリング（０６）部に隣接する厚肉の「リブ（０７）」構造（ポリシリコン２（０２）層およびポリシリコン３（０３）層の積層からなる）を形成し、ＳＤＡ微小モータの曲げ剛性と寿命を改善することができる。図２は、本発明において提案された新規な「フランジ（０９）」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、ＳＤＡ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５は、製造されたＳＤＡ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、ＳＤＡ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。
【００２３】
さらに、本発明は、駆動電圧を交流振幅で３０〜１５０Ｖｏ−ｐから１２〜３０Ｖｏ−ｐに大幅に減少させるために、超低抵抗（＜０．００４W−ｃｍ未満）（１０）シリコンウェハをＳＤＡ微小モータの基板として用いる。
【００２４】
図３は、本発明に係るＳＤＡ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、ポリシリコン系表面微細加工工程である。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（１０）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（１１）を、フォトリソグラフィによりパターニングする。図３に示すように、まず、基板（１２）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（１３）をシリコン基板上（on or above）に蒸着する。図３（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（１４）およびアンカーのパッド（１５）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（１６）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３（ｃ））によって、ＳＤＡ微小モータの少なくとも一つの７５０ｎｍ深さのディンプル窓（１７）とブッシング窓（１８）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（１９）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３（ｄ））を用いたパターニングによって、ＳＤＡ微小モータの少なくとも一つのリブ（２０）微細構造を形成する。
（ｅ） １．５μｍ厚の低応力ＰＳＧ捨て層（２１）を、ＰＥＣＶＤ法を用いて、基板上に蒸着する。図３（ｅ）に示すように、５番目のフォトマスクを用いて、ＳＤＡ微小モータのディンプル窓（２２）、カバー窓（２３）およびブッシング窓（２４）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３（ｆ）に示すように、ＳＤＡ微小モータのアンカー窓（２５）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（２６）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３（ｇ））を用いたパターニングにより、ＳＤＡ微小モータの少なくとも一つのディンプル（２７）、支持ビーム（２８）、リング（２９）、カバー（３０）、ブッシング（３１）、およびＳＤＡロータ（３２）を形成する。
（ｈ） ２００ｎｍ厚のクロムと２５０ｎｍ厚の金（３３）からなる金属膜を、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、ＳＤＡ微小モータ（図３（ｈ））の少なくとも一つのバイアスパッド（３４）およびグラウンドパッド（３５）を形成する。
（ｉ） 第１および第２のＰＳＧ捨て層に、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、基板からＳＤＡ微小モータのＳＤＡロータ部を解放（ｒｅｌｅａｓｅ）し、一方、ＳＤＡ微小モータのカバーと結合路部は基板に固定された状態に保持する。解放プロセスの後、適切な静電駆動を行うことにより、自由起立状態のＳＤＡロータを窒化シリコン絶縁層上で、回転させることができる。
【００２５】
図４は、本発明に係るＳＤＡ微小モータのレイアウトおよび断面構造設計、すなわち、わずか直径４７５μｍの世界最小のＳＤＡ微小モータを示す。
【００２６】
電圧分圧理論に基づき、ＳＤＡ微小モータの駆動電圧は、基板の抵抗に比例して減少する。図５は、レイアウト及び製造プロセスは同一であるが、基板の抵抗を異ならせた２つのSDAアクチュエータ（単一ＳＤＡ板）を比較した結果を示す。低抵抗シリコンウエハ上の単一板SDAは、わずか約4 - ７Vo-pという低い駆動電圧を実現した。一方、８枚板からなるＳＤＡ微小モータの駆動電圧は、１２〜３０Ｖｏ−ｐである。この値は、他の特許文献において示された結果よりもはるかに小さい値となっている。
【００２７】
図６は、ＳＤＡ微小モータ（４０）と、ＳＤＡ微小モータ（４０）を用いて製造したＳＤＡ微小ファンに適用可能な新規な応用例を示し、ＳＤＡ微小モータ（４０）と８枚のポリイミド自己組織化微小羽根（４１）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動作機構は、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継手（４２）の表面張力を利用している。
【００２８】
（付属書の説明）
付属書１：MEMS技術によって製造されかつ自己組織化微小ブレードを用いて形成された微小ファン装置と微小スクラッチ駆動アクチュエータ（ＳＤＡｓ）
付属書２：マルチユーザMEMS処理（MUMPｓ）
付属書３：製造された微小モータチップ
付属書４：装着したＳＤＡ微小モータの断面および上面から写した電子顕微鏡写真（ＳＥＭ）。新規なリブ構造およびフランジレイアウト設計の小型化４７５μｍ幅ＳＤＡ微小モータ。
付属書５：ＳＤＡ微小モータの曲げ剛性および寿命改善のためのフランジ構造設計のSEM電子顕微鏡写真
【図面の簡単な説明】
【００２９】
【図１】L-edit（商標）ソフトウェアのシミュレーション結果による従来および新規なＳＤＡ微小モータの主構造を示す図である。
【図２】ＳＤＡ微小モータの構造の堅牢性および寿命を効果的に向上させる斬新なフランジ構造設計を表す図である。
【図３】ＳＤＡ微小モータの主要工程段階の断面図を示す図である。
【図４】本発明が提供するＳＤＡ微小モータのレイアウトおよび断面構造設計を示す図である。
【図５】２種類のシリコンウェハによるＳＤＡ板の長さ／幅比に対する単板ＳＤＡの駆動電圧を示す図である。
【図６】ＳＤＡ微小モータにより作動する微小ファンの新規な設計を示す図である。
【符号の説明】
【００３０】
（０１）通常シリコンウェハ
（０２）ポリシリコン２
（０３）ポリシリコン３
（０４）ＳＤＡ板
（０５）支持ビーム
（０６）リング
（０７）リブ
（０８）カバー
（０９）フランジ
（１０）低抵抗シリコン基板
（１１）低応力Ｓｉ３Ｎ４
（１２）基板のコンタクト窓
（１３）低応力適所ドープドリシリコン１
（１４）結合路
（１５）アンカーのパッド
（１６）低応力ＰＳＧ１
（１７）ディンプル窓
（１８）ブッシング窓
（１９）低応力適所ドープドリシリコン２
（２０）リブ
（２１）低応力ＰＳＧ２
（２２）ディンプル窓
（２３）カバー窓
（２４）ブッシング窓
（２５）アンカー窓
（２６）低応力適所ドープドリシリコン３
（２７）ディンプル
（２８）支持ビーム
（２９）リング
（３０）カバー
（３１）ブッシング
（３２）ＳＤＡロータ
（３３）Ｃｒ／Ａｕ金属
（３４）バイアスパッド
（３５）グラウンドパッド
（４０）ＳＤＡ微小モータ
（４１）微小羽根
（４２）ポリイミドジョイント
【特許請求の範囲】
【請求項１】
以下の工程からなるＳＤＡ型微小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の層を超低抵抗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、少なくとも一つの低抵抗シリコン基板の電気コンタクト窓を形成する工程と、
ｃ．超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、窒化シリコン蒸着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によりパターニングし、ＳＤＡ微小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．低応力勾配を有し、ＳＤＡ微小モータの構造層の捨て層として機能する蛍光ケイ酸（ＰＳＧ）からなる第３の層を基板上または基板の上方に蒸着する工程と、
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、ＳＤＡ微小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. 低応力勾配を有する、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、ＳＤＡ微小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. 低応力勾配を有し、ＳＤＡ微小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）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、ＳＤＡ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. 低応力勾配を有し、ＳＤＡ微小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、微小モータのカバー部および少なくとも一つのＳＤＡ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、ＳＤＡ微小モータのバイアスおよびグラウンドパッドを形成する工程と、
p. ＳＤＡ微小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ＳＤＡ微小モータのＳＤＡロータ部を解放（ｒｅｌｅａｓｅ）し、解放プロセスの後、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ＳＤＡロータを回転可能とする工程。
【請求項２】
前記超低抵抗シリコン基板の抵抗は０．００４Ω−ｃｍ未満とし、前記超低抵抗（＜０．００４Ω−ｃｍ）シリコンウエハをＳＤＡ微小モータの基板として採用したことにより、駆動電圧を交流振幅で３０〜１５０Ｖｏ−ｐから１２〜３０Ｖｏ−ｐに効率的に減少可能としたことを特徴とする、請求項１に記載の方法。
【請求項３】
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からなり、前記低応力シリコン窒化絶縁層の応力が２５０ＭＰａ以下に調整されていることを特徴とする、請求項１に記載の方法。
【請求項４】
低抵抗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、ＳＤＡ微小モータの駆動に際し、前記超低抵抗シリコン基板が、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１に記載の方法。
【請求項５】
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) ドーピングとポストアニールプロセスを含み、本工程の各プロセスは、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構造膜の応力は２００ＭＰａ未満に調整されていることを特徴とする、請求項１に記載の方法。
【請求項６】
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１に記載の方法。
【請求項７】
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１に記載の方法。
【請求項８】
ＳＤＡ型微小モータの設計と製造に用いられ、ＳＤＡ型微小モータの寿命（７５時間超）と回転速度（３０ｒｐｍ以下）を向上可能な前記リブ構造設計およびフランジ形状設計方法。
【請求項９】
以下の工程からなる微小ファンの形成方法。
a. 最終の解放プロセスを除いた請求項１に記載のプロセスによるＳＤＡ微小モータの製造工程と、
b. 前記ＳＤＡ微小モータの第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ＳＤＡ微小ファンのＳＤＡロータ部および微小羽根部を解放し、ＳＤＡ微小モータのカバーおよび結合路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、
構造解放およびポリイミド硬化プロセス後に、自立するＳＤＡ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１０】
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操作機構として、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９に記載の方法。
【請求項１１】
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９に記載の方法。
【請求項１２】
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９に記載の方法。
【請求項１】
以下の工程からなるＳＤＡ型微小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の層を超低抵抗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、少なくとも一つの低抵抗シリコン基板の電気コンタクト窓を形成する工程と、
ｃ．超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、窒化シリコン蒸着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によりパターニングし、ＳＤＡ微小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．低応力勾配を有し、ＳＤＡ微小モータの構造層の捨て層として機能する蛍光ケイ酸（ＰＳＧ）からなる第３の層を基板上または基板の上方に蒸着する工程と、
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、ＳＤＡ微小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. 低応力勾配を有する、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、ＳＤＡ微小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. 低応力勾配を有し、ＳＤＡ微小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）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、ＳＤＡ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. 低応力勾配を有し、ＳＤＡ微小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、微小モータのカバー部および少なくとも一つのＳＤＡ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、ＳＤＡ微小モータのバイアスおよびグラウンドパッドを形成する工程と、
p. ＳＤＡ微小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ＳＤＡ微小モータのＳＤＡロータ部を解放（ｒｅｌｅａｓｅ）し、解放プロセスの後、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ＳＤＡロータを回転可能とする工程。
【請求項２】
前記超低抵抗シリコン基板の抵抗は０．００４Ω−ｃｍ未満とし、前記超低抵抗（＜０．００４Ω−ｃｍ）シリコンウエハをＳＤＡ微小モータの基板として採用したことにより、駆動電圧を交流振幅で３０〜１５０Ｖｏ−ｐから１２〜３０Ｖｏ−ｐに効率的に減少可能としたことを特徴とする、請求項１に記載の方法。
【請求項３】
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からなり、前記低応力シリコン窒化絶縁層の応力が２５０ＭＰａ以下に調整されていることを特徴とする、請求項１に記載の方法。
【請求項４】
低抵抗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、ＳＤＡ微小モータの駆動に際し、前記超低抵抗シリコン基板が、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１に記載の方法。
【請求項５】
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) ドーピングとポストアニールプロセスを含み、本工程の各プロセスは、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構造膜の応力は２００ＭＰａ未満に調整されていることを特徴とする、請求項１に記載の方法。
【請求項６】
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１に記載の方法。
【請求項７】
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１に記載の方法。
【請求項８】
ＳＤＡ型微小モータの設計と製造に用いられ、ＳＤＡ型微小モータの寿命（７５時間超）と回転速度（３０ｒｐｍ以下）を向上可能な前記リブ構造設計およびフランジ形状設計方法。
【請求項９】
以下の工程からなる微小ファンの形成方法。
a. 最終の解放プロセスを除いた請求項１に記載のプロセスによるＳＤＡ微小モータの製造工程と、
b. 前記ＳＤＡ微小モータの第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ＳＤＡ微小ファンのＳＤＡロータ部および微小羽根部を解放し、ＳＤＡ微小モータのカバーおよび結合路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、
構造解放およびポリイミド硬化プロセス後に、自立するＳＤＡ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１０】
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操作機構として、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９に記載の方法。
【請求項１１】
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９に記載の方法。
【請求項１２】
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９に記載の方法。
【図４】
【図５】
【図１】
【図２】
【図３】
【図６】
【図５】
【図１】
【図２】
【図３】
【図６】
【公開番号】特開２００８−２８３８４３（Ｐ２００８−２８３８４３Ａ）
【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２００７−１６８２４３（Ｐ２００７−１６８２４３）
【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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