JP5618681B2 - ホルダ部とデバイス部を有する構造体及びその固定方法 - Google Patents

Description

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マイクロ構造体などのホルダ部とデバイス部を有する構造体、及びその固定方法に関する。ここで、マイクロ構造体とは、典型的には、ミリメータオーダからマイクロメータオーダの微細な構造体であり、何らかの機能を機械的な構造で遂行する部分を有する構造機能素子、アクチュエータ、センサ等に用いられるものである。

従来、半導体プロセスによってウエハから製造されるマイクロ構造体はマイクロメータオーダの加工が可能であり、これを用いて様々な機能素子が実現されている。このようなマイクロ構造体は、ハウジングやホルダといった部品に固定されて利用される。この際、ホルダなどに接着剤やハンダで固定する方法が用いられている（特許文献１、特許文献２参照）。

特開２００９−５３６３３号公報 特開２００５−３１６０４３号公報

マイクロ構造体をホルダに固定する際に、ホルダに固定する固定個所の面積を大きくしたり、固定する複数の個所の間隔を大きくしたりすることは、それぞれ固定強度や固定位置精度の観点から望ましい。これは、固定する箇所の面積を大きくすると接着面積が大きくなり固定強度が増すためである。また、固定する複数の箇所の間隔を大きくすると、例えば板状のデバイスの場合、固定位置を決める場所の間隔が大きい方が、高さの誤差に対する角度の誤差が小さくなり固定位置精度が増すためである。しかし、そうした場合、マイクロ構造体の固定用エリアも合わせて大きくする必要があり、１枚のウエハから製造されるマイクロ構造体の個数が少なくなってしまう可能性があった。そこで、本発明は、マイクロ構造体などの構造体の面積をあまり大きくしないで、固定位置精度や固定強度を良好にすることができる構造体及びその固定方法を提供することを目的とする。

上記課題に鑑み、ホルダ部とデバイス部と、を有する本発明の構造体は次の構成を有することを特徴とする。すなわち、前記デバイス部は、一体的に形成された接着部と弾性部と複数の支持部と、を備え、前記複数の支持部はそれぞれ前記弾性部で前記接着部に対して弾性支持される。前記ホルダ部は、当該ホルダ部の周辺部より高く、前記周辺部に対して異なる高さ水準を有する複数の段差部を有する。そして、前記接着部は、前記ホルダ部の前記周辺部に固定され、前記複数の支持部は、弾性変形した前記弾性部の復元力により前記複数の段差部にそれぞれ当接させられている。

また、上記課題に鑑み、ホルダ部とデバイス部を有する構造体の本発明の固定方法は次の工程を有することを特徴とする。基板から、接着部と複数の支持部と弾性部を有するデバイス部を作成する工程。当該ホルダ部の周辺部より高く、前記周辺部に対して異なる高さ水準を有する複数の段差部を有するホルダ部を作成する工程。前記複数の段差部と前記複数の支持部とがそれぞれ接触可能になるように、前記デバイス部と前記ホルダ部とを位置調整する工程。前記接着部を前記ホルダの前記周辺部に固定し、弾性変形した前記弾性部の復元力により前記複数の段差部に前記複数の支持部をそれぞれ当接させる工程。

本発明の構造体及びその固定方法によれば、デバイス部をホルダ部に固定する際に、固定強度を得る部分及び固定位置の基準である固定位置水準とする部分を、接着部と支持部へそれぞれ分離することが可能となる。そのため、固定個所の変形などの影響を支持部は殆ど受けない構成とでき、デバイス部をホルダ部に固定する位置精度を向上させつつ固定強度を良好にすることができる。

本発明の実施形態１のマイクロ構造体を説明する図である。 本発明の実施形態２のマイクロ構造体を説明する図である。 本発明の実施形態３のマイクロアクチュエータを説明する図である。 本発明の構造体の固定方法を説明する工程図である。 本発明の実施形態４のセンサを説明する図である。

本発明の構造体及び固定方法では、デバイス部の固定強度を得る部分と固定位置の基準である固定位置水準を決定する部分をデバイス部の接着部と支持部へそれぞれ分離して固定個所の変形などの影響を支持部が受けないようにする。そして、弾性変形可能な弾性部で接着部に対して支持部を弾性支持して、ホルダ部の周辺部への接着部の固定により弾性変形する弾性部の復元力で支持部をホルダ部の段差部に当接させて固定することを特徴とする。この考え方に基づき、本発明の構造体及び固定方法は、上記課題を解決するための手段のところで述べたような基本的な構成を有する。本発明において、デバイス部は、何らかの機能を遂行する部位を含む部分である。また、当接とは、これにより支持部と段差部とが圧着状態に至るような強度の接触でもよいし、接着部の固定を無くせば支持部と段差部とが再び離れるような強度の接触でもよい。要は、当接状態において、構造体が機能を遂行する際に加わる力程度の力が支持部に加わったとしても支持部が段差部に対してずれることなく不動になるような強度の接触であればよい。弾性部は、その弾性変形により接着部と支持部とが相対的に変位するときに、その復元力で接着部と支持部とを元の位置関係に戻すような力を発生するものであればよい。典型的には、弾性変形したときに張力などの復元力を発生するバネ部である。

以下、図を用いて、本発明の構造体及びその固定方法の実施形態を説明する。
（実施形態１）
図１（ａ）、（ｂ）、（ｃ）を用いて、本発明の実施形態１を説明する。図１（ａ）はマイクロ構造体の上面図、（ｂ）、（ｃ）は、図１（ａ）のＡ−Ａ’線、Ｂ−Ｂ’線それぞれでの断面図である。図１（ａ）に示すように、本実施形態のマイクロ構造体は、ホルダ部１と、破線で囲んだデバイス部２で構成される。デバイス部２は、接着部３、弾性部であるバネ部４、支持部５を有しており、図示の通り、長方形状の支持部５とこれを三方においてコの字状に取り囲む接着部３とは、バネ部４で連結されている。ここで、バネ部４は、図１（ａ）紙面法線方向にコンプライアンスを有する弾性変形可能な多重に折れ曲がった構造等を有するバネであり、接着部３と支持部５をこの方向（厚み方向）に変位可能に相互に弾性支持している。図示例では、支持部５の左右に、それぞれ一対のバネ部４が設けられている。デバイス部２は、同一の部材から一体的に形成されている。

図１（ｂ）に示すように、ホルダ部１は段差部６を有している。段差部６は、その周辺部の面より高くなっている。そして、接着部３は、ホルダ部１と接着剤１５で固定されており、支持部５は段差部６と当接している。ここで、バネ部４は、段差部６の存在により伸ばされるため、支持部５はバネ部４の張力ないし復元力により段差部６へ当接させられる。図１（ｃ）に示すように、ホルダ部１は２つの段差部６を有している。これらは、予め所望の同一高さに加工されている。そして、支持部５が段差部６に当接しているため、デバイス部２全体は、段差部６の上面（すなわち支持部５と接触している側の面）の高さを基準に正確に位置決めされて固定される。

本実施形態のマイクロ構造体では、接着部３が接着剤１５で固定され、その結果、バネ部４が支持部５をホルダ部１側へ押えつける方向の張力などの復元力を発生することで、デバイス部２のホルダ部１への固定強度を得ている。一方、デバイス部２は段差部６の高さを基準に位置決めされている。つまり、固定強度を得る部分と位置水準とする部分が分離された構成となっている。そのため、接着部３や接着剤１５の個所に変形が生じたり、接着剤１５の厚さがばらついたりした場合でも、これらの影響は、支持部５と段差部６の位置関係に影響を与えない。したがって、予め段差部６で決めた位置水準にデバイス部２を高精度に固定することが可能となる。

また、接着部３、バネ部４、支持部５は一体的に平板状の同一部材から形成されている。したがって、それぞれの部位を接続するための領域が必要ないので、微小な領域にこれらの部位を構成することが可能となっている。そのため、デバイス部全体に占めるこれら３つの部位の領域を大きくすることなく、デバイス部の良好な固定が可能となる。さらに、３つの部位の接続強度や形態の信頼性を高くすることができるため、ホルダ部１への支持部５の当接の信頼性を高めることができる。また、当接力発生用のバネ部４を別部品として設ける必要がないため、部品点数を減らしデバイス部２の固定を比較的安価に行うことが可能となる。また、デバイス部、ホルダ部以外の部品が必要なく、マイクロ構造体の固定を比較的安価に行うことが可能となる。

デバイス部２は、単結晶シリコン、石英、樹脂、金属、セラミックスなどの基板から形成することが可能である。特に、単結晶シリコンは、大きな伸びに対しても塑性変形のない理想的な弾性特性を有している。そのため、バネ部４のクリープ現象により当接力が変化することがなく、支持部５の当接の信頼性を高めることが可能となる。そして、バネ部４の大きな伸びを用いることができるので、支持部５の当接力をバネ部４の形状だけでなく、段差部６の高さで調整することが可能となる。したがって、大きな当接力が必要な場合でも、バネ部４の形成領域を小さく設定することが可能となる。こうして、デバイス部２全体の面積を小さくすることが可能となる。

接着剤１５以外に、ハンダ、金属−金属の接合（例えば金−金接合等）、陽極接合等、ホルダ部１や接着部３の材料に応じた固定手段を選択することができる。いずれの場合でも、接着部３と支持部５はバネ部４によって機械的に分離されているので、接着剤１５による固定部分の変形や形状ばらつきが、固定位置の基準である支持部５と段差部６へ影響しない構成とすることが可能である。

次に、図１のマイクロ構造体のデバイス部２の固定方法を図４で説明する。図４（ａ）〜（ｄ）は、図１（ｂ）の断面における固定方法を工程ごとに示した図である。図４（ａ）、（ｂ）に示すように、板状の基板７を加工することにより、接着部３、バネ部４、支持部５を有するデバイス部を一体的に形成する。例えば、基板７を単結晶シリコンとすれば、フォトリソグラフにより、接着部３、バネ部４、支持部５の形成個所にエッチングマスクを形成し、シリコンドライエッチングにより基板７に貫通孔を形成することでデバイス部の作成が可能である。次に、図４（ｃ）に示すように、支持部５が後の工程（ｄ）で段差部６と接触可能になるように、ホルダ部１に対して位置調整を行う。段差部６を有するホルダ部１は、別個の作成方法により作成しておく。最後に、図４（ｄ）に示すように、ホルダ部１の段差部６以外の個所（すなわち段差部６の周辺部）に接着部３を接着剤１５で固定する。このとき、弾性変形したバネ部４の復元力により、支持部５は段差部６に図４（ｄ）に図示のように当接させられる。以上のような工程により、マイクロ構造体のデバイス部２をホルダ部１に固定することができる。

特に、固定の位置精度を調整するための工程や接着剤１５の塗布位置や塗布量の厳密な制御が必要なく、高精度の固定を行うことができる。また、基板７の１回の貫通孔加工と１回の接着という簡単な工程なので、比較的安価に固定可能となる。基板７が単結晶シリコンの場合は上述の通り、フォトリソグラフとシリコンドライエッチングにより、接着部３、バネ部４、支持部５を微細な形状で、且つ、隣接して形成可能となる。したがって、３つの部位の占める領域を小さくすることができ、ひいてはデバイス部２の領域が小さくできるので、基板７から多くのデバイス部を作製できる。

（実施形態２）
図２（ａ）、（ｂ）、（ｃ）を用いて本発明の実施形態２を説明する。図２（ａ）は、本実施形態のマイクロ構造体の上面図、（ｂ）、（ｃ）は（ａ）のＥ−Ｅ’線、Ｆ−Ｆ’線でのそれぞれの断面図を示している。以下、前述の実施形態１と同じ機能を有する個所には、同じ記号を付す。

本実施形態のマイクロ構造体は、実施形態１と異なり、図２（ｃ）に示すように、段差部６が２つの高さ水準ＧとＨを有している。そして、マイクロ構造体のデバイス部２は、接着部３、バネ部４、支持部５を２組有し、２つの支持部５が２つの高さ水準ＧとＨでそれぞれ段差部６に当接させられて固定されている。したがって、デバイス部２には、２種類の高さ水準を形成可能となる。例えば、図２（ｂ）に示すように、デバイス部２の先端付近が、この高さ水準の差によって、傾いた姿勢で配設されることが可能となる。このように、異なる高さ水準を１つのデバイス部２において確立可能となると、ホルダ部１の基板平面に対して傾斜した位置、離間した位置を初期位置とするデバイス部２の先端部の配設を高精度に容易に行うことができる。例えば、本実施形態は、傾いた部分を反射面として、光を反射するミラーとして用いることができる。さらに、高さの水準が異なることを利用する例として、シャッタが考えられる。本実施形態のマイクロ構造体を２つの高さの違う遮蔽板として、それらを駆動することで、光を遮るシャッタを形成することができる。

高さの水準は、２種類以上の複数の段階を設定することができる。そして、その場合でも、構造体を固定する工程は複雑にならず、１つの高さ水準の場合と同様な簡単な固定方法で比較的安価に製造可能となる。

本実施形態のマイクロ構造体によれば、異なる高さ水準を有する段差部に複数の支持部をそれぞれ当接することとなり、１つのデバイス部に、異なる高さで配設された部位を形成可能となる。

（実施形態３）
図３（ａ）、（ｂ）を用いて、本発明の実施形態３を説明する。図３（ａ）は本実施形態のマイクロ構造体の上面図、図３（ｂ）は（ａ）のＣ−Ｃ’線での断面図である。ここでも、前述の実施形態と同じ機能を有する個所には、同じ記号を付す。本実施形態は、実施形態１のマイクロ構造体に、支持部で可動に支持された可動部とこれを駆動するアクチュエータ部を設けたマイクロアクチュエータである。図３（ａ）に示すように、可動部９は、ねじりバネ８によって支持部５に対して揺動可能に弾性支持されている。そして、図３（ｂ）に示す通り、可動部９は永久磁石１０を有している。一方、永久磁石１０と離間して、コイル１１が図示の通り設置されている。永久磁石１０とコイル１１は可動部９を駆動するためのアクチュエータ部である。コイル１１に電流を通電して発生する磁場により、永久磁石１０にトルクが発生し、可動部９を駆動することができる。

可動部９は、永久磁石１０が設置されない面に反射率の高い金属が蒸着されている。この部分にレーザ光を入射し、アクチュエータ部１０、１１で可動部９を駆動すれば、光偏向器として用いることができる。例えば、可動部９は、横幅３ｍｍ×縦幅０．５ｍｍ、ねじりバネ８は、横幅８０μｍ×長さ３ｍｍ、接着部３の最外形は、幅２ｍｍ×長さ３ｍｍである。デバイス部２は単結晶シリコンウエハをエッチングして形成され、厚さ３００μｍとなっている。

本実施形態のマイクロアクチュエータは、段差部６の高さに正確に位置決めされて固定されている。したがって、可動部９の初期精度が高いマイクロアクチュエータとすることができる。また、ねじりバネ８のねじり軸も正確に位置決めされることとなり、ねじり運動の軌跡のずれを低減することが可能となる。このように、面の位置精度や、可動部９の運動の軸の位置精度を高精度とすることができる。本実施形態のように、光偏向器として用いる場合は、特に、反射面の意図しない倒れや光走査の軸の偏りや傾斜の少ない光偏向器とすることができる。また、永久磁石１０とコイル１１の位置関係も高精度とできるため、複数製造する場合の個体毎のトルクの発生効率のばらつきを低減することができる。高精度に位置決め可能なため、永久磁石１０とコイル１１とを近接して設置する構成とし、高トルクなアクチュエータとすることもでき、且つ、それを比較的安価に製造可能となる。

また、ホルダ部１が光学機器に設置されて利用される場合、ホルダ部１の固定により変形が生じても、その変形の応力が支持部５に直接伝達され難い構造となっている。したがって、面の位置精度の安定性が向上する。また、ねじりバネ８に応力が伝達され難いため、外部応力によってバネ定数が変化し難く、可動部９の駆動特性を安定化することができる。

このような光偏向器は、レーザビームプリンタやプロジェクタなどの光学機器の光走査系として用いることができる。微細な光偏向器にできるため、光走査系を小型化できる。また、デバイス部の位置精度を高くできるため、反射面の非駆動時の傾きや、ねじり軸の傾きを低減することができる。そのため、光走査系の組立て時に調整工程を低減することができるので、比較的安価に製造可能となる。さらに、光走査を行う可動部の質量を小さくできるため、走査に伴う機械振動のエネルギーを小さくできる。よって、この機械振動が光偏向器以外に伝達する量を低減することができる。こうして、光走査系や光学機器の別の部分へ、意図しない機械振動が伝達して引き起こす性能劣化を低減することができる。本実施形態において、実施形態２の様に異なる高さ水準を作成すると、段差を利用したアクチュエータや、可動部の重なりや初期位置の異なる設定が可能となる。

（実施形態４）
図５（ａ）、（ｂ）を用いて、本発明の実施形態４を説明する。図５（ａ）は本実施形態のマイクロ構造体の上面図、図５（ｂ）は（ａ）のＤ−Ｄ’線での断面図である。ここでも、前述の実施形態と同じ機能を有する個所には、同じ記号を付す。本実施形態では、実施形態２のマイクロ構造体のように段差部６が２つの高さ水準を有している。そして、固定櫛歯１３、可動櫛歯１４が、図５（ａ）に示すように、離隔して噛み合うように対向して形成されている。ここで、固定櫛歯１３と可動櫛歯１４が連結されている支持部５はそれぞれ異なる高さ水準で支持されており、図５（ｂ）に示すように、固定櫛歯１３より可動櫛歯１４が低く固定されている。このように、固定櫛歯１３と可動櫛歯１４には図５（ａ）の紙面法線方向に段差が形成されている。そして、それぞれの支持部５は、接着部３に設けられた絶縁部１２によって電気的に絶縁されている。また、図５（ａ）に示すように、電極パッド１７Ａ、１７Ｂが接着部３に形成されている。電極パッド１７Ａ、１７Ｂを電源に接続することにより、それぞれ固定櫛歯１３、可動櫛歯１４に電圧を印加できる。

デバイス部は、予め絶縁部１２が形成された低抵抗のシリコン基板をエッチングすることにより形成される。また本実施形態では、ホルダ部１は、シリコン基板上に銅めっきのバンプ構造を形成することで段差部６としている。ホルダ部１に銅バンプを用いることで、マイクロメータオーダの高さ水準を精度良く形成することが可能となる。また、同一のホルダ部１に数種類の高さ水準を形成する場合も、高さ水準の微小な差も形成することが可能となる。さらに、フォトリソグラフによって形成できるため、様々な高さ水準が混在していても、図５（ａ）紙面法線方向から見た配置を精度良く形成可能となる。

本実施形態のマイクロ構造体は、電極１７Ａ、１７Ｂにバイアス電圧を印加し、固定櫛歯１３と可動櫛歯１４で形成される静電容量の変化を検出する加速度センサとして用いることができる。ホルダ部１に図５（ａ）法線方向の加速度が印加されると、支持部で可動に支持されたセンサ部である可動部９がねじりバネ８のねじり軸を中心に揺動して、可動櫛歯１４と固定櫛歯１３の間の静電容量が変化する。この容量変化を検出することで、加速度を測定できる。

本実施形態のセンサは、可動部９の初期位置精度が高いセンサとすることができる。したがって、センサ毎の静電容量のばらつきを比較的簡単な製造方法で低減することが可能となる。そして、基板法線方向に段差を有する櫛歯型の静電容量を容易に形成できるので、この方向の変位（またはセンサの変位に変換される圧力、音波、超音波等）、加速度、角加速度などを検出するセンサを高感度化することが可能となる。さらに本実施形態のように、シリコンのホルダ部１に接着すれば、温度による反りも低減される。

また、本実施形態の固定櫛歯１３と可動櫛歯１４に駆動電圧を印加することにより、アクチュエータとすることも可能である。アクチュエータとして利用する場合、図５（ａ）法線方向へ発生力を持ちストロークが大きい静電アクチュエータを比較的簡単な製造方法で作製することが可能となる。こうして、マイクロアクチュエータを比較的安価に製造可能となる。また、異なる高さ水準を作成すると、段差を利用したキャパシタンスや、可動部の重なりや初期位置の異なる設定が可能となる。

１…ホルダ部、２…デバイス部、３…接着部、４…弾性部（バネ部）、５…支持部、６…段差部、１５…接着剤

Claims (5)

1. ホルダ部とデバイス部と、を有する構造体であって
   前記デバイス部は、一体的に形成された接着部と弾性部と複数の支持部と、を備え、前記複数の支持部はそれぞれ前記弾性部で前記接着部に対して弾性支持され、
   前記ホルダ部は、当該ホルダ部の周辺部より高く、前記周辺部に対して異なる高さ水準を有する複数の段差部を有し、
   前記接着部は、前記ホルダ部の前記周辺部に固定され、
   前記複数の支持部は、弾性変形した前記弾性部の復元力により前記複数の段差部にそれぞれ当接させられていることを特徴とする構造体。
2. 前記接着部と弾性部と複数の支持部と、は、一体的に平板状の同一部材から形成されていることを特徴とする請求項１に記載の構造体。
3. 前記デバイス部は、前記複数の支持部で可動に支持された可動部と前記可動部を駆動するためのアクチュエータ部を有することを特徴とする請求項１または２に記載の構造体。
4. 前記デバイス部は、前記複数の支持部で可動に支持されたセンサ部を有することを特徴とする請求項１または２に記載の構造体。
5. 基板から、接着部と複数の支持部と弾性部と、を有するデバイス部を作成する工程と、
   当該ホルダ部の周辺部より高く、前記周辺部に対して異なる高さ水準を有する複数の段差部を有するホルダ部を作成する工程と、
   前記複数の段差部と前記複数の支持部とがそれぞれ接触可能になるように、前記デバイス部と前記ホルダ部とを位置調整する工程と、
   前記接着部を前記ホルダの前記周辺部に固定し、弾性変形した前記弾性部の復元力により前記複数の段差部に前記複数の支持部をそれぞれ当接させる工程と、
   を含むことを特徴とする構造体の固定方法。

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