-
GEBIET DER
ERFINDUNG
-
Die
vorliegende Erfindung bezieht sich auf ein elektrostatisches Stell-
oder Betätigungsglied
gemäß dem Oberbegriff
des Anspruches 1, das unter Verwendung einer MEMS(mikro-elektromechanische Systeme)-Technik
hergestellt werden kann, und insbesondere auf ein elektrostatisches
Betätigungsglied,
das für
einen Mikroschalter zum Ein- oder
Ausschalten einer Gleichstrom-Breitbrandsignalfrequenz auf mehrere
Hundert GHz, einen Lichtschalter zum Schalten der Richtung eines
Lichtsignals gemäß der Neigung
eines Spiegels, einen Scanner zum Schalten der Richtung einer einschlägigen drahtlosen
Antenne etc. eingesetzt werden kann.
-
HINTERGRUND
DER ERFINDUNG
-
Es
wird jetzt eine herkömmliche
Technik erläutert,
indem als Beispiel dafür
eine Technik und eine Einrichtung angenommen werden, wie sie in
einer Abhandlung unter dem Titel „A Micro-Machined Microwave
Antenna Integrated with its Electrostatic Spatial Scanning" (Proceedings of
IEEE Micro Electro Mechanical Systems, Nagoya, pp. 84–89, 1997), vorgestellt
in der IEEE 10ten Internationalen Konferenz für mikro-elektromechanische
Systeme durch Dominique Chauver et al. von der Tokyo Universität LIMMS/SNRS-II,
beschrieben sind.
-
Eine
perspektivische Ansicht dieser Einrichtung ist in 1 dargestellt.
Bei dieser Einrichtung wird ein Quarzsubstrat 610 maschinell(spanabhebend)bearbeitet,
um eine Torsionsschwingungsplatte 611 und Federn 613 auszubilden,
die die beiden Enden der Schwingungsplatte 611 tragen.
Auf der oberen Oberfläche
der Torsionsschwingungsplatte 611 ist eine obere Elektrode 612 vorgesehen,
die aus Chrom-/Goldmaterial besteht, und diese obere Elektrode 612 ist
elektrisch mit einem Kontaktanschluß(flecken) 614 über eine
Verdrahtung 615 verbunden. Andererseits ist im Bezug auf
ein Siliziumsubstrat 620 eine Neigungsstruktur 621 gebildet. Chauver
et al. haben die Neigungsstruktur 621 mit zwei geneigten
Oberflächen,
deren Neigungswinkel 35,3° beträgt, ausgebildet,
indem ein anisotropes Naßätzen für ein Siliziumsubstrat
durchgeführt
wurde, das eine (110) Si-Kristallfläche hat. Sie haben zwei Elektrodenmuster
gebildet, wobei untere Elektroden 622a und 622b,
jeweils aus Chrom hergestellt, auf den zwei geneigten Oberflächen gebildet
wurden. Diese unteren Elektroden 622a und 622b sind
elektrisch mit Kontaktanschlüssen 624a bzw. 624b verbunden.
Quarzsubstrat 610 und Siliziumsubstrat 620 sind
auf die Weise miteinander verbunden, daß sie zueinander so ausgerichtet
sind, daß die
Torsionsschwingungsplatte 611 über der Neigungsstruktur 621 (vorausgesetzt
jedoch, daß kein
Verfahren zum Verbinden beschrieben wird) angeordnet sein kann.
-
Bei
Anlegen einer Spannung zwischen der oberen Elektrode 612 und
der unteren Elektrode 622a oder 622b tritt in
der Torsionsschwingungsplatte 611 auf Grund der elektrostatischen
Anziehungskraft eine Anziehungskraft auf, die zum Substrat (Unterseite)
hin wirkt. Aus diesem Grund werden die Federn 613 torsionsverformt
(verdrillt), und zwar mit dem Ergebnis, daß sich die Torsionsschwingungsplatte 611 um
die Federn 613 dreht und geneigt wird. Durch Variieren
der zwischen der oberen Elektrode 612 und der unteren Elektrode 622a oder 622b angelegten
Spannung ist es möglich,
den Drehwinkel der Torsionsschwingungsplatte 611 einzustellen.
Auch ist es durch Auswählen
des Umstandes, an welche der unteren Elektroden 622a und 622b eine
Spannung angelegt wird, möglich,
die Drehrichtung der Torsionsschwingungsplatte 611 zu ändern.
-
Bei
dieser herkömmlichen
Technik wurde die Anwendung der Einrichtung auf eine Antenne dargelegt,
die die Senderichtung oder Empfangsrichtung eines Funksignals durch
Variieren der Drehrichtung der Torsionsschwingungsplatte 611 ändert. Besonders
bemerkenswert ist, daß es
durch Ausbilden der unteren Elektrode zu einer Neigungsstruktur
möglich ist,
die angelegte Spannung zu verringern. Da eine elektrostatische Anziehungskraft
im umgekehrten Verhältnis
zum Quadrat des Abstandes zwischen zwei Strukturen abnimmt, basiert
dies auf dem Prinzip, daß,
wenn die Einrichtung so gestaltet werden kann, daß der Abstand
zwischen der oberen Elektrode und der unteren Elektrode klein gehalten
wird, die angelegte Spannung klein gehalten werden kann. Wenn der
Drehwinkel der Torsionsschwingungsplatte 611 null beträgt, tritt
eine große
elektrostatische Anziehungskraft zwischen dem Bereich der oberen Elektrode
und dem Bereich der unteren Elektrode 622a/622b auf,
von dem der untere Elektrodenteil an einer Stelle vorgesehen ist,
die sich nahe dem Scheitel der Neigungsstruktur 621 befindet.
Wenn sich die Torsionsschwingungsplatte 611 dreht, so tritt
ebenfalls weiterhin eine große
elektrostatische Anziehungskraft in dem übrigen Bereichsteil der unteren Elektrode 622a/622b auf.
Wenn die untere Elektrode 622a/622b auf einer
ebenen Oberfläche
ohne Neigungsstruktur 621 vorgesehen ist, so ist, da der
Abstand zwischen der oberen Elektrode und der unteren Elektrode
groß ist,
ein hohes Spannungsniveau zum Zwecke des Drehens der Torsionsschwingungsplatte 611 erforderlich.
Obwohl Chauver et al. nicht ausdrücklich diese Wirkung der Neigungsstruktur
angeben, nämlich
das Berechnen der elektrostatischen Anziehungskraft im Verhältnis zur
Neigungsstruktur von 35,3°,
hat sich herausgestellt, daß die
angelegte Spannung um annähernd
30% im Bezug auf die flache bzw. ebene Struktur vermindert werden
kann. Außerdem
liegt, obwohl Chauver et al. dies nicht darlegen, die zweite Wirkung
der Neigungsstruktur 621 darin, die Drehbewegung um die
Federn 613 der Torsionsschwingungsplatte 611 eher
eintreten zu lassen. Wenn man zwischen der oberen Elektrode 612 und
der unteren Elektrode 622a/622b eine Spannung anlegt,
tritt in der oberen Elektrode 612 eine zur unteren Elektrode
hin wirkende Kraft auf. In einem Fall jedoch, in dem die Steifigkeit
der Biegeverformung der Federn 613 geringer als die Steifigkeit
der Drehung (Torsion) ist, wird die Tendenz, daß eine Verformung zur Seite
des Siliziumsubstrats 620 hin senkrecht dazu auftritt,
wahrscheinlicher als die Tendenz zum Drehen. Die Neigungsstruktur 621 spielt
dabei die Rolle, diese senkrechte Verformung zu verhindern und allein
die Drehbewegung in der Torsionsschwingungsplatte 611 auftreten
zu lassen.
-
2A bis 2D sind
geschnittene Ansichten, die ein Verfahren des Herstellens der Struktur
auf der Seite des Siliziumsubstrats gemäß der oben beschriebenen herkömmlichen
Technik darstellen. Eine Siliziumnitrid(dünn)schicht 72a bzw.
eine Siliziumnitrid(dünn)schicht 72b sind
auf beiden Oberflächen
eines Siliziumsubstrats 71 abgelagert, dessen (110)
Si-Kristall-Fläche
als grundlegende Oberfläche
dient, indem eine Niedrigdruck-Dampfphasen-Epitaxie (LP-CVD) verwendet
wird. Und in bezug auf eine Oberfläche davon wird unter Verwendung
einer photolithographischen Technik (die gleiche A)
ein Gestalten der Nitridschicht 72a durchgeführt. Dieses
Substrat wird in eine 33%-ige KOH-Lösung gelegt, wodurch in bezug
auf das Siliziumsubstrat 71 ein anisotropes Ätzen erfolgt.
Als Ergebnis davon wird eine Neigungsstruktur 73 mit einer
Neigung von 35,3° relativ
zur ebenen Fläche
(gleiche B) gebildet. Darauf wird
durch Sputtern auf der Oberfläche
des diese Neigungsstruktur 73 aufweisenden Siliziumsubstrats
eine Siliziumoxidschicht abgelagert. Auf diesem resultierenden Substrat
wird eine metallische Maske 76 angeordnet, und sodann wird
Chrom abgelagert. Dabei wird das Chrom auf der Neigungsstruktur
durch die in der Metallmaske 76 gebildeten Öffnungen
abgelagert, wodurch eine untere Elektrode 75 gebildet werden
kann (gleiche C). Danach wird wiederum
durch Sputtern eine Siliziumoxid(dünn)schicht 77 auf
der unteren Chromelektrode 75 abgelagert (gleiche D). Schließlich wird eine Torsionsschwingungsplatte,
die durch maschinelle Bearbeitung eines Quarzsubstrats gebildet
ist, auf jenem Siliziumsubstrat 71 befestigt, wodurch die
in 1 dargestellte Einrichtung hergestellt
ist.
-
Bei
dieser herkömmlichen
Technik hat die Torsionsschwingungsplatte eine Abmessung von 1 × 2 × 0,1 mm.
Insbesondere liegt der Grund, warum die Torsionsschwingungsplatte
mit einer Breite von 2 mm konstruiert ist, um ±10° geneigt zu werden, darin, daß es nötig ist,
sie in dieser Weise aufzubauen, damit die Höhe der Neigungsstruktur gleich
oder größer als 175 μm sein kann.
Zum Ausbilden des unteren Elektrodenrasters auf dem Substrat mit
einer Niveaudifferenz, die so groß wie jene Höhe ist,
haben Chauver et al. das Chromablagerungsverfahren unter Verwendung
einer Metallmaske 76 so, wie sie in 2C dargestellt
ist, verwendet. Wegen des Vorhandenseins eines Spielraums zwischen
der Metallmaske 76 und der Neigungsstruktur 75 ist
es jedoch schwierig, die untere Elektrode 75 mit den Abmessungen,
wie sie entworfen sind, und die Lage so, wie sie entworfen ist,
auszubilden. Da die Chrompartikel, die von dem Target der Ablagerungseinrichtung
ausgegangen sind, mit dem Substrat unter einem gewissen Streuwinkel
zusammentreffen, tritt dies wegen des Umstandes ein, daß der Abstand
zwischen dem Substrat und dem Target variiert und, wenn dies erfolgt,
eine Verschiebung der Auftreffstelle von ihrer zutreffenden weg
verursacht. Bei dieser herkömmlichen
Technik nimmt, wenn die Stelle von dem Scheitel der Neigungstruktur
weg verschoben wird, der Abstand zwischen der geneigten Oberfläche und
dem Target zu. Dies führt
zu dem Problem, daß das
Muster unterschiedlich zur Metallmaske wird. Bei dem elektrostatisch
angetriebenen Betätigungsglied
wird dessen Charakteristik äußerst hoch
empfindlich durch die Konfigurationen der oberen unteren Elektroden
und das Lageverhältnis
dazwischen beeinflußt.
Daher hat sich die Eigenschaft zwischen den Einrichtungen als stark
variierend herausgestellt, wenn der Torsionswinkel im Verhältnis zur
Antriebsspannung unter Verwendung der Einrichtung gemäß der herkömmlichen Technik
geschätzt
bzw. beurteilt wurde.
-
Das
Problem, daß das
untere Elektrodenmuster nicht genau gemäß der Maske ausgebildet werden
kann, kann nicht gelöst
werden, und zwar selbst dann nicht, wenn man das Verfahren der Bildung
eines Resistmusters direkt mit Bezug auf die Neigungsstruktur verwendet.
In diesem Falle nämlich ist
das genaue Übertragen
des Photomaskenmusters im Bezug auf die geneigte Oberfläche der
Neigungsstruktur wegen einer Begrenzung sehr schwierig, die vorhanden
ist, wenn man die Brennweite des optischen Systems einer geeigneten
Belichtungseinrichtung genau erhält.
Auch ist es schwierig, den Resist gleichmäßig im Bezug auf die Neigungsstruktur zu
beschichten.
-
Weil
es schwierig ist, das Elektrodenmuster auf der Neigungsstruktur
genau auszubilden, bestand aus den vorstehend beschriebenen Gründen trotz
des Vorzuges, daß die
Neigungsstruktur die angelegte Spannung verringern kann, das Problem, daß es schwierig
war, eine Einrichtung herzustellen, die zuverlässig war und deren Eigenschaften
gleichmäßig qualifiziert
waren. Aus diesem Grund war es nicht nur unmöglich, eine einheitlich uneingeschränkte Qualität der Produkte
in großer
Menge als Waren der Massenherstellung zu liefern, sondern es war auch
schwierig, die Neigungsstruktur in bezug auf die Verwendungszwecke
einschließlich
einer hochfunktionalen Antenne, die erforderlich ist, um eine große Anzahl
Stellglieder in Matrixfeldbeschaltung zu erreichen, eines Lichtschalters
zum Schalten einer Anzahl Signale und eines elektrischen Schalters,
der dem gleichen Zweck dient, nutzbar zu machen.
-
DE 42 24 599 A offenbart
ein elektrostatisches Stell- oder Betätigungsglied gemäß dem Oberbegriff
des Anspruches 1.
-
Ziel
der vorliegenden Erfindung ist es, ein elektrostatisches Stell-
oder Bestätigungsglied
zur Verfügung
zu stellen, das das Herstellen elektrostatischer Stellgliedeinrichtungen
ermöglicht,
die als Massenherstellungsprodukte zuverlässig sind, und deren Eigenschaften
gleichmäßig qualifiziert
sind, während
sie den Vorzug der Neigungsstruktur aufweisen.
-
Die
Erfindung löst
diese Aufgabe mittels der Merkmale des Anspruches 1.
-
KURZE BESCHREIBUNG
DER ZEICHNUNGEN
-
1A und 1B sind
perspektivische Ansichten, die zu Vergleichszwecken eine Konstruktion
einer diesbezüglichen
herkömmlichen
Technik darstellen;
-
2A bis 2D sind
Ansichten, die zu Referenzzwecken ein Herstellungsverfahren in der diesbezüglichen
herkömmlichen
Technik darstellen;
-
3A bis 3C sind
Ansichten (Draufsicht und Schnittansichten), die die Struktur eines elektrostatischen
Stellgliedes gemäß einem
ersten Beispiel der vorliegenden Erfindung darstellen;
-
4A bis 4E sind
Ansichten (Ansichten der Herstellungsverfahrensschritte), die ein
Herstellungsverfahren für
das elektrostatische Stellglied gemäß dem ersten Beispiel der vorliegenden
Erfindung darstellen;
-
5A bis 5C sind
Ansichten, die den Aufbau des elektrostatischen Stellgliedes gemäß einem
zweiten Beispiel der vorliegenden Erfindung darstellen; und
-
6A bis 6C sind
Ansichten, die weitere Konstruktionen (Konstruktionen eines Arms)
der vorliegenden Erfindung darstellen.
-
BESCHREIBUNG
DER BEVORZUGTEN AUSFÜHRUNGSFORMEN
-
Nachfolgend
wird im Detail ein Beispiel der vorliegenden Erfindung unter Bezugnahme
auf die beiliegenden Zeichnungen erläutert. Bei der vorliegenden
Erfindung wird bei einem elektrostatischen Stellglied (mikrostrukturelle
Einrichtung, insbesondere ein Stellglied der elektrostatisch getriebenen
Art) das Elektrodenmuster nicht auf der Seite des Substrats, das
eine Neigungsstruktur hat, gebildet, sondern auf der Seite des weiteren
Substrats. Dieses weitere Substrat ist entweder dasjenige, das eben
ist, oder, wenn es nicht eben ist, dasjenige, das keine hervortretende
Struktur, wie z. B. eine Neigungsstruktur, in dem Bereich aufweist,
an bzw. in dem eine Mustergestaltung durchgeführt worden ist. Demgemäß kann das
Elektrodenmuster genau wie in Form einer Photomaske durch Verwendung üblicher
Photolithographie hergestellt werden. Andererseits wird das Substrat
mit einer Neigungsstruktur so gestaltet, daß die gesamte Neigungsstruktur
ein gleichmäßiges Potential
aufweisen kann, und deshalb ist es nicht nötig, irgendein Elektrodenmuster
auf der Seite des Neigungsstruktursubstrats auszubilden. Aus diesem
Grunde wird es möglich,
Einrichtungen zur Verfügung
zu stellen, deren Eigenschaften gleichmäßig qualifiziert sind, während eine
wirksame Nutzung des Vorteils erfolgt, der aus der Verwendung der
Neigungsstruktur entsteht.
-
3A stellt
eine ebene Struktur in Draufsicht dar. Schnitte AA' und BB' der 3A sind
in 3B bzw. 3C dargestellt.
Bei der vorliegenden Erfindung sind auf einem Glassubstrat 100 aus Silizium
bestehende Tragbasen 10 und untere Elektroden 101A und 101B vorgesehen,
die jeweils aus Titan-/Goldmaterial bestehen. Von einem Ende jeder der
zwei Tragbasen 10 erstreckt sich ein freitragender Arm 11 aus
Silizium, der mit einem entsprechenden der beiden Enden einer Torsionsschwingungsplatte 12 verbunden
ist. Die Torsionsschwingungsplatte wird dadurch in dem Raum über dem
Substrat 100 getragen.
-
Das
Paar freitragender Arme 11 dient dem Tragen der Torsionsschwingungsplatte 12 im
Raum über
dem Substrat und jeweils auch als Torsionsfeder. Um die Federsteifigkeit
der Torsion klein zu halten, während
die Abmessung der Gesamteinrichtung auf einen kleineren Wert reduziert
wird, ist der freitragende Arm 11 so gestaltet, daß er, wie
in 3A dargestellt, eine Struktur aufweist, die, wenn
man sie von oben betrachtet, gekrümmt ist. Diese Ausbildung ist
nur ein Beispiel. Der freitragende Arm 11 kann natürlich auch
gestaltet sein, daß er
eine geradlinige etc. Struktur wie im Falle des Standes der Technik aufweist.
Die Torsionsschwingungsplatte 12 kann um die Achse dieser
freitragenden Arme 11 (dies wird später beschrieben) gedreht werden.
Weiterhin weist die Torsionsschwingungsplatte 12 an ihrer
Unterseite eine Neigungsstruktur 14, wie dies in 3C dargestellt
ist, auf. Diese Neigungsstruktur 14 ist auf die Weise angeordnet,
in der ihre geneigten Oberflächen in
solcher Weise angeordnet sein können,
daß sie den
unteren Elektroden 101a bzw. 101b gegenüberliegen.
-
Allgemein
soll die Oberfläche
der Torsionsschwingungsplatte 12 auf einer Seite, die ihrer
Seite, auf der die Torsionsschwingungsplatte 12 dem Glassubstrat 100 gegenüberliegt,
entgegengesetzt ist, flach bzw. eben sein. Beispielsweise wird diese
Oberfläche
der Torsionsschwingungsplatte 12 im Falle der Anwendung
der vorliegenden Erfindung auf einen Lichtmikroschalter als Spiegel
zum Reflektieren von Licht verwendet. Dabei wird, wenn man die Stärke der
Torsionsschwingungsplatte 12 groß vorsieht, deren Steifigkeit
hoch, und daher weist sie das Merkmal auf, daß ihre Ebenheit selbst dann,
wenn sie gedreht wird, aufrechterhalten werden kann. Das bietet
eine Annehmlichkeit/einen Vorteil. Andererseits dient, bezugnehmend
auf den freitragenden Arm 11, dessen niedrige Steifigkeit
dem Verringern der für
die Drehung angelegten Spannung. Aus diesem Grund wurde in diesem
Beispiel das Stellglied in einer Struktur ausgebildet, in der die
Stärke
der Torsionsschwingungsplatte 12 und die Stärke des
freitragenden Arms 10 zueinander verschieden ausgestaltet
sind.
-
Auch
wird auf den unteren Elektroden 101a und 101b eine
Isolierschicht 102, bestehend aus Siliziumdioxid, Siliziumnitrit
oder dergleichen ausgebildet. Dies geschieht zu dem Zweck, zu verhindern, daß ein elektrischer
Kurzschluß eintritt,
wenn die Torsionsschwingungsplatte 12 und die untere Elektrode 101 miteinander
in Berührung
treten. Jene Isolationsschicht 102 hat weiterhin auch die
Funktion, zu verhindern, daß beide
aneinander haften. An einem Teil der Isolierschicht 102 ist
eine Kontaktanschlußfläche 103 gebildet.
Durch diese Anschlußfläche kann
an die untere Elektrode 101 eine Spannung angelegt werden.
Nebenbei bemerkt braucht die Isolierschicht 102 nicht immer
an der unteren Elektrode 101 wie im Falle dieses Beispiels
ausgebildet zu sein. Sie kann nämlich
an der unteren Seitenfläche
der Torsionsschwingungsplatte 12 und weiterhin auch an
jeder der beiden vorgesehen sein. Außerdem kann zur Verhinderung
von Haften ein Konkav-/Konvexmuster an der Oberfläche vorgesehen
sein, oder die Oberfläche
kann mit einer Isolierschicht auf Fluorbasis abgedeckt sein.
-
Bezugnehmend
auf das Anlegen einer Spannung an die Torsionsschwingungsplatte 12 durch Ausführen einer
elektrischen Verbindung zwischen der Tragbasis 10 und einer äußeren Energiequelle, beispielsweise
durch Drahtverbindung, kann die Torsionsschwingungsplatte 12 ausgebildet
werden, ein Potential aufzuweisen, das gleich dem der Energiequelle über/durch
den freitragenden Arm 11 ist. Obwohl man bei dem elektrostatisch
angetriebenen Stellglied keinen Strom dort hindurchfließen läßt und es
deshalb nicht nötig
ist, den Widerstand niedrig zu halten, ist es auch möglich, den
Widerstand zu verringern, indem sowohl die Tragbasis 10,
der freitragende Arm 11 als auch die Torsionsschwingungsplatte 12 aus
Silizium gestaltet werden, wobei an diesem eine p-Typ oder n-Typ
Verunreinigungsimplantation durchgeführt worden ist. Weiterhin ist
es möglich, eine
elektrische Leitung zwischen diesen Bauelementen herzustellen, indem
jedes dieser Bauelemente durch Verwendung eines metallischen Materials
hergestellt wird, auf dessen Oberfläche ein elektrisch leitfähiges Material
wie Metall aufgebracht wird etc. In letzterem Falle können sowohl
Tragbasis 10, freitragender Arm 11 als auch Torsionsschwingungsplatte 12 unter
Verwendung eines isolierenden Materials wie Quarz, Keramik etc.
ausgebildet werden.
-
Auch
wurde in diesem Beispiel das Glassubstrat 100 als Substrat
benutzt, zu dem Tragbasis 10, freitragender Arm 11 und
Torsionsschwingungsplatte 12 ausgebildet werden. Dies deshalb,
weil eine solche Verwendung für
das Merkmal sorgt, daß es
möglich
wird, die elektrostatische Haftung zwischen dem Silizium und dem
Glas zu nutzen. Das Material des Substrats ist jedoch nicht auf
Glas beschränkt.
Keramik, Metall oder Halbleitersubstrat können ebenfalls verwendet werden.
In einem Fall, in dem Metall oder Halbleitersubstrat verwendet werden,
macht es das Vorsehen einer Isolierschicht zwischen der unteren Elektrode 101 und
dem Substrat 100 im voraus leicht, eine elektrische Isolation
zwischen jenen beiden herzustellen.
-
Wenn
man eine Spannung von 0 bis 50 V zwischen der Tragbasis 10 und
der unteren Elektrode 101a oder 101b anlegt, tritt
in der Torsionsschwingungsplatte 12 wegen der elektrostatischen
Anziehungskraft eine Anziehungskraft auf, die zum Substrat hin (nach
unten) wirkt. Wenn das Spannungsniveau zunimmt, werden sowohl die
Drehung des Arms 11 als auch die Drehung der Torsionsschwingungsplatte 12 hinsichtlich
des Winkels größer. Durch
Variieren des Niveaus der angelegten Spannung oder durch Schalten
der unteren Elektrode, an die die Spannung in der vorstehend beschriebenen
Weise angelegt wird, ist es möglich,
den Drehwinkel sowie die Drehrichtung der Torsionsschwingungsplatte 12 zu
kontrollieren.
-
Obwohl
in diesem Beispiel ein Aufbau dargestellt wurde, bei dem eine Schwingungsplatte 12 von ihren
beiden Seiten her jeweils durch zwei Arme getragen wird, ist die
vorliegende Erfindung dennoch nicht darauf beschränkt. Beispielsweise
kann, wie in 6, das dementsprechende
elektrostatische Stellglied auch in einer Struktur gestaltet werden,
in der die Schwingungsplatte von einem Arm (dem Arm, der mit einem
Teil der Schwingungsplatte verbunden ist) getragen wird. In diesem
Fall wird sich, indem die angelegte Spannung zwischen der oberen
Struktur und der unteren Struktur gesteuert wird, die Vibrationsplatte
zur Substratseite hin neigen. In 6 hat
der Arm eine Struktur oder spielt die Rolle einer Biegefeder oder
Torsionsfeder, und in bezug darauf und dementsprechend werden Neigungsstruktur
und Elektroden gemäß dem Gegenstand
der vorliegenden Erfindung ausgebildet.
-
Auch
brauchen bei der vorliegenden Erfindung nicht notwendigerweise beide
Elektroden 101a und 101b verwendet zu werden.
Gemäß dem Verwendungszweck
kann das Stellglied in der Weise aufgebaut werden, bei der nur eine
Seite der Elektroden verwendet oder ausgebildet wird. In diesem
Fall braucht die Neigungsstruktur 14 nur in bezug auf die Seite
ausgebildet zu werden, die der Elektrode 101 entspricht.
-
4A bis 4E sind
Ansichten von Herstellungsverfahrensschritten, jeweils gesehen durch Nutzen
des Schnitts AA' als
Beispiel. Dabei ist ein Fall dargestellt, bei dem die Struktur auf
dem Siliziumsubstrat ausgebildet ist. Zuerst wird Bor (B) mit 3 μm auf eine
Oberfläche
eines Siliziumsubstrats 200 gesprüht, dessen (110) Siliziumkristallfläche als Hauptfläche dient,
um dadurch eine p-Typ Diffusionslage 21 (gleiche A) zu bilden.
-
Als
nächstes
wird Pyrex®-Glas
mit 3 μm
auf die entgegengesetzte Oberfläche
des Siliziumsubstrats 200 diffundiert, um dadurch eine
Adhäsionsschicht 22 auszubilden.
In der Folge wird darauf eine Siliziumoxidschicht abgelagert, und
es wird im Bezug darauf eine Gestaltung durchgeführt, um dadurch ein Ätzmuster 23 zu
bilden. Andererseits wird eine Siliziumoxidschicht auf der Oberfläche, die
die Diffusionslage 21 einschließt, abgelagert, und es wird
ein Musterausbilden daran ausgeführt,
um dadurch eine Federgestaltung 24 (gleiche B) auszubilden.
-
Als
nächstes
wird das Siliziumsubstrat 200 in ein Lösungsgemisch von Ethylendiamin/Pyrocatechol/Wasser
(EPW) eingeführt,
um dadurch ein anisotropes Ätzen
auszuführen.
Auf diese Weise wird das Ätzen
durch das Ätzmuster 23 durchgeführt, und im
Ergebnis wird eine Neigungsstruktur 26, deren zwei geneigte
Oberflächen
einen Neigungswinkel von 35,3° haben,
ausgebildet. Da das EPW die Diffusionslage 21 nicht ätzt, ist
es möglich,
die Stärke
der Diffusionslage 21, die zu einer Feder wird (gleiche C) genau zu kontrollieren.
-
Die
Siliziumoxidschicht 23 wird entfernt, und das Siliziumsubstrat 200 wird
elektrostatisch zum Anhaften an einem weiteren Siliziumsubstrat 210 gebracht,
das sich bereits mit Bezug darauf das untere Elektrodenmuster usw.
(nicht dargestellt) (gleiche D) gebildet
hat. Dabei wird die Glashaftlage 22 mit dem Siliziumsubstrat 210 verbunden,
wodurch eine feste Haftung dazwischen realisiert wird.
-
Danach
wird über
das Federmuster 24 ein Ätzen
in Plasma, das ein Gas wie zum Beispiel SF6 verwendet, bezüglich der
Diffusionslage 32 durchgeführt, um dadurch eine Feder 27 (gleiche E) auszubilden. Schließlich wird die Siliziumoxidschicht 24 mittels Ätzens in
Plasma, das Gas wie CH4 verwendet, in bezug darauf entfernt.
-
In
diesem Beispiel sind die Abmessungen der Hauptbauelemente des elektrostatischen
Stellgliedes wie folgt: der Arm 11 hat eine Abmessung von 5 μm in der
Breite, 100 μm
in der Länge
und 3 μm
in der Stärke,
und die Torsionsschwingungsplatte 12 hat eine Abmessung
von 500 μm
im Durchmesser, 20 μm
in der maximalen Stärke
und 35,3° in
der Neigungsstruktur im Verhältnis
zur Ebene. Die untere Elektrode 101 ist derart ausgebildet,
daß sie
etwa 10 μm
außerhalb
der Torsionsschwingungsplatte 12 platziert werden kann,
und diese untere Elektrode 101 ist aus Titan-/Goldmaterial,
das eine Stärke
von 0,3 μm
hat, hergestellt. An dieser unteren Elektrode 101 ist eine
Isolierschicht 102 mit einer Stärke von 0,3 μm vorgesehen.
Die Tragbasis 10 hat eine Höhe von 80 μm, wobei sie so angeordnet ist,
daß selbst dann,
wenn die Torsionsschwingungsplatte 12 um ±10° gedreht
wird, sie nicht mit der unteren Elektrode 101 in Berührung tritt.
-
5A ist
eine Ansicht von oben. Auch sind die Schnitte AA' und BB' in der gleichen Figur wie jeweils in 5B und 5C dargestellt.
Bei diesem zweiten Beispiel ist die Torsionsschwingungsplatte 52 von
zwei Paaren Armen getragen, d. h. einem Armpaar 51 und
einem Armpaar 511, und zwar von einer Außenumfangsplatte 522.
Mittels Durchführung einer
Drehsteuerung, indem man die Drehung der Torsionsschwingungsplatte
um die Achse jedes der beiden Armpaare verursacht, wird vorgesehen,
daß die
zweidimensionale Neigungskontrolle der Torsionsplatte 52 durchgeführt werden
kann. In dieser Beziehung unterscheidet sich dieses zweite Beispiel von
dem ersten Beispiel.
-
In
dem zweiten Beispiel sind auf dem Glassubstrat 500 die
Tragbasen 50, bestehend aus Silizium, und vier untere Elektroden 501a, 501b, 501c und 501d,
die aus Titan-/Goldmaterial bestehen, vorgesehen. Von einem Ende
der zwei Tragbasen 50 erstrecken sich die aus Silizium
bestehenden freitragenden Arme 51, die mit beiden Enden
der Außenumfangsplatte 522 verbunden
sind. Zusätzlich
sind innerhalb der Außenumfangsplatte 522 die
aus Silizium bestehenden freitragenden Arme 511 an Positionen
senkrecht zu jenen der Arme 51 vorgesehen. Diese freitragenden
Arme 511 sind mit den jeweiligen beiden Enden der Torsionsschwingungsplatte 52 verbunden
und stützen
sie in dem Raum über
dem Glassubstrat 500. Um die Federsteifigkeit der Torsion niedrig
zu halten, während
die Abmessung der Einrichtung im ganzen auf einem kleinen Wert gehalten wird,
sind die freitragenden Arme 511 und 51 jeweils in
gebogener Anordnung, wie in der gleichen A, dargestellt,
ausgebildet. Natürlich
kann der freitragende Arm auch in geradliniger Struktur wie beim Stand
der Technik hergestellt werden.
-
Die
Torsionsschwingungsplatte 52 kann um die Mittelachse jedes
der Armpaare 51 und 511 in Richtungen gedreht
werden, die aufeinander senkrecht stehen. Weiterhin haben die Torsionsvibrationsplatte 52 und
die außenperiphere
Platte 522 jeweils eine Neigungsstruktur 53 an
ihren vier Seiten, wie dies in 5B und 5C dargestellt
ist. Die Neigungsstruktur 53 ist derart konstruiert und
angeordnet, daß ihre
geneigten Oberflächen
den unteren Elektroden 501 gegenüberliegen können. Im allgemeinen soll die
Oberfläche
der Torsionsschwingungsplatte 52 auf einer Seite entgegengesetzt
zu ihrer Seite, an der die Platte 52 zur Seite des Glassubstrats 50 hin
gerichtet ist, eben ist. Beispielsweise wird in einem Fall, in dem
die vorliegende Erfindung auf einen Lichtspiegel angewendet wird,
jene Vorderfläche
der Torsionsschwingungsplatte 52 zu einem Spiegel, der
die Reflektion des Lichtes verursacht. Dabei macht eine Steigerung
der Stärke
der Torsionsschwingungsplatte 52 deren Steifigkeit größer, und
dies sorgt in geeigneter Weise für
das Merkmal, daß selbst
dann, wenn die Platte 52 gedreht wird, ihre Ebenheit so,
wie sie ist, aufrechterhalten wird. Andererseits ist es mit Bezug
auf die freitragenden Arme 51 und 511 besser,
deren Steifigkeit klein zu halten. Dies deshalb, weil das dazu dient,
die zum Herbeiführen
der Drehung angelegte Spannung zu verringern. Aus diesem Grund ist
in diesem Beispiel eine Struktur dargestellt worden, bei der sich
die Stärke
der Torsionsschwingungsplatte 52 von der Stärke der
freitragenden Arme 51 und 511 unterscheidet.
-
Auch
ist ein/e aus einer Isolierschicht aus Siliziumdioxid oder Siliziumnitrid
bestehende Isolierfilm/-schicht 502 auf der unteren Elektrode 501 ausgebildet.
Der Grund hierfür
ist es, zu vermeiden, daß ein
Kurzschluß eintritt,
wenn die Torsionsschwingungsplatte 52 oder die außenperiphere
Platte 522 und die untere Elektrode 501 in Berührung miteinander
gebracht werden. Zusätzlich
hat die Isolierschicht 502 die Funktion, beide am Zusammenhaften
zu hindern. An einem Teil der Isolierschicht 502 ist eine Kontaktfläche 503 ausgebildet.
Indem man mittels dieser Fläche 503 eine
elektrische Verbindung zwischen der unteren Elektrode 501 und
der Stromquelle herstellt, kann an die untere Elektrode 501 eine Spannung
angelegt werden. Als Folge davon ist es nicht immer notwendig, die
Isolierschicht 502 im Bezug auf die untere Elektrode 501 wie
in diesem Beispiel auszubilden. Die Isolierschicht 502 kann
ebenfalls an der Unterseite der Torsionsschwingungsplatte 52 und
der außenperipheren
Platte 522 vorgesehen sein. Weiterhin kann jene Schicht 502 in
bezug auf beide vorgesehen sein. Zusätzlich können, um zu verhindern, daß beide
zusammenhaften, Konkavitäten/Konvexitäten in bezug
auf die Oberfläche
vorgesehen sein, oder diese Oberfläche kann ebensogut mit einer
Isolierschicht, bestehend aus einem Material auf Fluorbasis bedeckt
sein.
-
Das
Anlegen einer Spannung an die Torsionsschwingungsplatte kann wie
folgt vorgenommen werden. Im Bezug auf die Tragbasis 50 wird
eine elektrische Verbindung mit einer äußeren Energie- bzw. Stromquelle
beispielsweise durch Drahtverbinden durchgeführt. Dabei kann durch die freitragenden
Arme 51 und 511 die Torsionsschwingungsplatte 52 hinsichtlich
des Niveaus gleich dem Potential der Stromquelle vorgesehen werden.
Bei dem elektrostatischen Stellglied wird kein elektrischer Strom
hindurchfließen
gelassen. Daher besteht keine Notwendigkeit, den Widerstand klein
zu halten. Jedoch ist es, indem man jedes der folgenden Elemente
Tragbasis 50, freitragender Arm 51 und freitragender
Arm 511, Torsionsschwingungsplatte 52 und außenperiphere Platte 552 mit
Silizium herstellt, für
das eine Verunreinigungsimplantation des p-Typs oder des n-Typs durchgeführt wurde,
ebenso möglich,
den Widerstand niedrig zu halten. Weiterhin kann jedes jener Elemente
auch elektrisch leitfähig
hergestellt werden, indem man es unter Verwendung metallischen Materials
ausbildet oder indem man ein elektrisch leitfähiges Material wie Metall auf
dessen Oberfläche aufträgt. In letzterem
Fall ist es möglich,
jedes der Elemente Tragbasis 50, freitragende Arme 51 und 511,
Torsionsschwingungsplatte 52 und außenperiphere Platte 522 auszubilden,
indem man isolierendes Material wie Quarz, Keramik etc. verwendet.
-
Auch
wurde in diesem Beispiel das Substrat 500 als das Substrat,
das im Bezug darauf mit der Tragbasis 50, den freitragenden
Armen 51, 511, der Torsionsschwingungsplatte 52 und
der außenperipheren
Platte 522 ausgebildet ist, verwendet. Dies deshalb, weil
das Merkmal besteht, daß es
möglich sein
soll, die elektrostatische Haftfähigkeit
zwischen Silizium und Glas auszunutzen. Die vorliegende Erfindung
ist jedoch nicht auf Glas beschränkt.
Es ist auch möglich,
als solches Substrat Keramik, Metall, Halbleitermaterial etc. zu
verwenden. In einem Fall, in dem ein Metallsubstrats oder ein Halbleitersubstrat verwendet
wird, kann nur, wenn zuvor eine Isolierschicht zwischen der unteren
Elektrode 501 und dem Substrat 500 vorgesehen
wurde, leicht eine elektrische Isolation zwischen diesen beiden
hergestellt werden.
-
Beim
Anlegen einer Spannung von 0 bis 50 V zwischen der Tragbasis 50 und
einer der vier unteren Elektroden 501a bis 501d tritt
wegen der elektrostatischen Anziehungskraft in der Torsionsschwingungsplatte 52 und
der außenperipheren
Platte 522 eine Anziehungskraft, die zum Substrat (der
Unterseite) hin wirkt, auf. Bei Steigerung des Spannungsniveaus
in entsprechendem Verhältnis
zur unteren Elektrode 501, an die eine Spannung angelegt
ist, wird die Drehung des Arms 51 und der außenperipheren
Platte 522, oder des Arms 511 und der Torsionsschwingungsplatte 52 hinsichtlich
des Drehwinkels erhöht.
Durch Variieren des angelegten Spannungspegels oder durch Schalten
der unteren Elektrode 501, an die eine Spannung angelegt
wird, ist es bei der oben beschriebenen Weise gelegentlich möglich, den Rotationswinkel
und die Rotationsrichtung der Drehschwingungsplatte 52 zu
kontrollieren.
-
Das
Verfahren zum Herstellen des elektrostatischen Stellgliedes gemäß dem zweiten
Beispiel ist grundlegend das gleiche wie im Falle des ersten, in 4 dargestellten Beispiels, mit Ausnahme
des Umstandes, daß die
Neigungsstruktur 53 vier geneigte Oberflächen hat.
Um diese Struktur auszubilden, kann beispielsweise folgende Maßnahme getroffen
werden. Im Hinblick auf ein Siliziumsubstrat, dessen (110)
Si-Kristallfläche
als grundlegende Oberfläche
dient, wird ein quadratisches Muster ausgebildet, das entlang der
(100) Si-Kristallaxialen Richtung verläuft. Sodann wird im Bezug auf
das sich ergebende Substrat ein Ätzen
durchgeführt,
indem eine anositrope Ätzlösung wie
EPW verwendet wird. Wenn dies geschieht, ist es möglich, eine
Struktur auszubilden, die von vier geneigten Oberflächen umgeben
ist, von denen jede einen Neigungswinkel von 45° aufweist.
-
Die
typischen Abmessungen des zweiten Beispiels sind wie folgt: die
Arme 51 und 511 haben jeweils eine Breite von
5 μm, eine
Länge von
100 μm und
eine Stärke
von 3 μm;
und die Torsionsschwingungsplatte 52 hat einen Durchmesser
von 500 μm, eine
minimale Stärke
von 20 μm
und eine Neigungsstruktur von 45°.
Ebenfalls hat die außenperiphere Platte 512 eine
konzentrische Konfiguration mit einem Durchmesser von 550 μm und einem
Durchmesser von 700 μm.
Die untere Elektrode 501 ist so ausgebildet, daß sie etwa
10 μm außerhalb
der außenperipheren
Platte 512 angeordnet werden kann, und ist aus einem Titan-/Goldmaterial mit
einer Stärke
von 0,3 μm
hergestellt. An jener unteren Elektrode 501 ist die Isolierschicht 502 mit
einer Stärke
von 0,3 μm
vorgesehen. Die Tragbasis 10 hat eine Höhe von 130 μm und ist so angeordnet, daß sie nicht
die untere Elektrode 501 berührt, selbst wenn die Torsionsschwingungsplatte 52 und
die außenperiphere
Platte 512 jeweils um ±10° gedreht werden.
-
Nebenbei
bemerkt wurde in diesem zweiten Beispiel die Neigungsstruktur 53 auf
der Substratseite (an der oberen Struktur) wie im ersten Beispiel ausgebildet.
-
In
den Beispielen der vorliegenden Erfindung wurde eine Struktur dargestellt,
bei der die untere Elektrode in zwei oder vier Teile aufgeteilt
ist. Jedoch ist die Zahl der Elektrodenteile hierauf nicht beschränkt. Selbst
wenn die Zahl der Elektrodenteile größer als diese ist, ist das
Erreichen der Wirkung der vorliegenden Erfindung möglich. Zusätzlich ist
es, selbst wenn im Bezug auf mehrere davon zur gleichen Zeit Spannung
angelegt wird oder selbst wenn man das Verfahren verwendet, bei
dem zuerst eine Spannung an eine bestimmte davon angelegt wird und
danach die Spannung an eine andere davon angelegt wird, möglich, die
Wirkung der vorliegenden Erfindung zu erzielen.
-
Auch
ist es nicht nötig,
die Länge
der Arme 51 und die der Arme 511 gemäß dem zweiten
Beispiel gleich zu halten, noch besteht irgendeine Notwendigkeit,
die Winkel der geneigten Oberflächen der
Neigungsstruktur 53 gleich vorzusehen. Beispielsweise besteht
auch Wirksamkeit in einem Fall, in dem die Gestaltung in der Weise
vorgesehen ist, daß die
Rotation um AA' ±10° und die
Rotation um BB' ±5° erfolgt,
daß die
Steifigkeit des Arms 51 höher vorgesehen wird oder daß der Winkel
der entsprechenden geneigten Oberfläche klein gehalten wird etc.
-
Außerdem ist
es wirkungsvoll, Löcher
in der Torsionsschwingungsplatte 52 und der außenperipheren
Platte 522 auszubilden und dadurch eine Quetschwirkung
zu verringern, die von der zwischen diesen Elementen und der unteren
Elektrode 501 vorhandenen Luft herrührt. Oder es kann auch ein Verfahren
zum Bilden von Löchern
in einem Teil der unteren Elektrode 501 und dem darunter
angeordneten Substrat 500 verwendet werden, um dadurch
den gleichen Effekt zu erreichen. In den vorliegenden Beispielen
ist es, da die Stärke
der Schwingungsplatte größer als
die der/des Feder/-Arms ist, leicht, die Festigkeit der Konstruktion
zu verstärken.
Deshalb kann, selbst wenn in dem Inneren eine Mehrzahl Löcher angeordnet
ist, die Steifigkeit des bewegbaren Teils als Ganzes genügend hoch
gehalten werden.
-
Eine
Mikroeinrichtung mit einem Aufbau wie dem, der im Detail in den
vorstehend beschriebenen Beispielen erläutert wurde, kann auf einen
Lichtschalter, einen Gleichstrom-bis-Hochfrequenzschalter
und eine Antenne in der nachstehend erwähnten Weise angewendet werden.
In einem Falle, in dem diese Mikroeinrichtung als Lichtschalter
eingesetzt wird, ist es möglich,
beispielsweise Gold einer 0,2 μm Stärke auf
der Oberfläche
der Torsionschwingungsplatte abzulagern und diese dadurch zur reflektierenden
Schicht (Spiegel) zu machen. Dabei kann, wenn die obere Elektrode
an der Torsionsschwingungsplatte angeordnet ist, zum Verhindern
des Auftretens eines elektrischen Kurzschlusses zwischen dieser oberen
Elektrode und jener reflektierenden Schicht eine Isolierschicht
zwischen der oberen Elektrode und der reflektierenden Schicht eingefügt werden oder
die Muster beider derselben, die bei Betrachtung von oben bestehen,
können
voneinander getrennt werden. Indem man dies durchführt, ist
es möglich,
leicht eine solche Verhinderung eines elektrischen Kurzschlusses
zu verwirk lichen. Auch im Falle des Verwendungszweckes, daß die Mikroeinrichtung
als Gleichstrom-bis-Hochfrequenzschalter verwendet
wird, kann eine Kontaktelektrode an der Unterseite der Torsionsschwingungsplatte
vorgesehen werden, wodurch die Kontaktelektrode mit der Signalleitung,
die an dem unteren Substrat vorgesehen ist, in Berührung oder
Nicht-Berührung
tritt. Dies bietet einen vernünftigen
Annehmlichkeitsgrad. Weiterhin bietet dieses im Falle des Verwendungszwecks
für eine
Hochfrequenzeinrichtung wie eine Antenne Vorteile, wenn ein co-planares
Schaltungsmuster auf der oberen Oberfläche der Torsionsschwingungsplatte
ausgebildet wird.
-
Bei
den vorstehend beschriebenen Verwendungszwecken für einen
Lichtschalter und eine Antenne ist es, weil das Muster an der ebenen
Oberfläche
an der Oberseite der Torsionsschwingungsplatte ausgebildet wird,
möglich,
eine genaue Musterausbildung durchzuführen, indem man die normale
photolithographische Technik einsetzt. Andererseits bleibt bei dem
Verwendungszweck für
einen Gleichstrom-bis-Hochfrequenzschalter das Problem, daß es unmöglich ist,
ein genaues Muster zu bilden, weil die Kontaktelektrode an der nicht
ebenen Oberfläche an
der Unterseite der Torsionsschwingungsplatte gebildet wird. Es sind
jedoch gerade die Lagebeziehung zwischen den unteren/oberen Elektroden
und der Neigungsstruktur sowie deren Konfigurationen, die sich auf
die Eigenschaften der Einrichtung mit hoher Empfindlichkeit bzw.
Anfälligkeit
auswirken. Konfiguration und Position der Kontaktelektrode haben
keine hochempfindliche Wirkung darauf. Daher ist es möglich, eine
Einrichtung mit hervorragenden Eigenschaften für jene verschiedenen Arten
von Verwendungszwecken auszubilden.
-
Wie
aus der vorgehenden Erläuterung
erhellt, wird es gemäß der vorliegenden
Erfindung, da eine wirkungsvolle Nutzung der elektrostatischen Anziehungskräfte stattfinden
kann, die von der Benutzung der Neigungsstruktur herrühren, möglich, die angelegte
Spannung um etwa 30% im Vergleich zu der ebenen Struktur zu verringern.
Wenn man die Gestaltung auf die Weise vornimmt, daß der Winkel der
geneigten Oberfläche
klein ist, ist es weiter ebenfalls möglich, die angelegte Spannung
auf die Hälfte oder
weniger als die Hälfte
der Spannung zu verringern, die im Fall der planaren Struktur angelegt
wird. Außerdem
ist es, da die untere Elektrode an der ebenen Oberfläche ausgebildet
wird, möglich,
das Elektrodenmuster genau auszubilden und daher Einrichtungen mit
einheitlichem Qualitätsniveau
in Massenproduktion her- und zur Verfügung zu stellen. Deshalb wir
die Genauigkeit, mit der der Drehwinkel der Schwingungsplatte in
entsprechendem Verhältnis
zur daran angelegten Spannung kontrolliert wird, merklich verbessert.
-
Da
die vorstehend beschriebenen Vorteile zustande gebracht worden sind,
wird es mit dem elektrostatischen Stellglied der vorliegenden Erfindung
möglich,
dieses nicht nur für
Schalter, die einfach individuell und beweglich gebraucht werden, sondern
auch für
neue Anwendungszwecke, wie z. B. eine Flächen-Gruppenantenne, bei der
es erforderlich ist, auf einem großen Substratbereich Stellglieder
integriert in der Größenordnung
von mehreren Zehntausenden Teilen vorzusehen, einen Licht-Verzweigungsschalter
etc. zu verwenden.