JP4336123B2 - Ｍｅｍｓ素子および光デバイス - Google Patents
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Description
【０００１】
【発明の属する技術分野】
本発明は微小電気機械システムとしてのＭＥＭＳ素子およびＭＥＭＳ素子を使用した光減衰器、光スイッチ、光スキャナ等の光デバイスに係わり、特にチルトミラー等のミラーを使用したＭＥＭＳ素子およびＭＥＭＳ素子を使用した光デバイスに関する。
【０００２】
【従来の技術】
光通信技術の発展に伴い、各種の光デバイスが開発されている。この中で、微細構造デバイスとしてのＭＥＭＳ（Micro Electro Mechanical System）素子が近年注目を集めている。ＭＥＭＳ素子は固体の弾性的あるいは機械的な性質を制御する技術を応用したもので、金属等の各種の材料で作られた従来の機械システムをシリコン加工により極小サイズで製造するデバイスである。部品が小型のため最終的な製品も小さくなるという利点があり、また金属疲労が無く、素子としての信頼性が高い。
【０００３】
ＭＥＭＳ素子のうちで、その一部にミラーが備えられているものは、電圧を印加することでこのミラーの傾斜角やミラーの位置を変化させ、入射した光の反射方向等を変化させることができる（たとえば特許文献１）。この原理を用いることで、ＭＥＭＳ素子を使用した光減衰器や光スイッチあるいは光スキャナ等の各種の光デバイスを製造することができる。傾斜角を変化させるミラーを備えたＭＥＭＳ素子では、ミラー自体が比較的大面積であっても、電圧印加に応じて傾斜角が変化したときに反りが少ないことが重要である。また、このような精度の高いＭＥＭＳ素子が簡単なプロセスで製造できることが求められている。以下、単にＭＥＭＳ素子と表現するときにはその一部にミラーを備えた素子をいうものとする。
【０００４】
ＭＥＭＳ素子として、従来からＳＯＩ（Silicon-on-Insulator）プロセスによる片持ち梁の素子が知られている。
【０００５】
図１２（ａ）はこのＳＯＩプロセスを使用したＭＥＭＳ素子を上から見たもので、同図（ｂ）はこれをＫ−Ｋ方向に切断したものである。このＭＥＭＳ素子１０１は、電極を兼ねたシリコン基板１０２上に所定の厚さの酸化層からなる支持部１０３を配置し、更にこの上に単結晶シリコンの上部電極１０４を配置して、この上部電極１０４におけるこれらの図で右半分部分にミラー１０５を形成した構造となっている。上部電極１０４におけるミラー１０５が形成された領域の直下の酸化層は、除去されている。
【０００６】
このようなＭＥＭＳ素子１０１は上部電極１０４と、下部電極を兼ねたシリコン基板１０２との間に電圧を印加すると、両者の間に矢印１０６で示す静電引力が働く。これにより、ミラー１０５が形成され下方に空隙が生じている上部電極１０４が、矢印１０７方向に傾斜して、ミラー面の上方から入射する図示しない光の反射角度を変えることができる。
【０００７】
図１２に示したＭＥＭＳ素子１０１は次のようにして製造される。まずシリコン基板１０２の上に支持部１０３となる酸化層および上部電極１０４となる単結晶シリコンの層を形成する。この後、上部電極１０４となる単結晶シリコンにおけるミラー１０５が形成される直下の部分を切削する。次に、シリコン基板１０２上の酸化層における図１３で支持部１０３となっている部分以外をエッチングにより取り除く。この後、このエッチングにより除去した酸化層の上側の上部電極１０４の部分にミラー１０５を積層する。
【０００８】
このように図１２に示したＭＥＭＳ素子１０１は、比較的簡単なＳＯＩプロセスで製造できるという利点がある。また、上部電極１０４は単結晶のシリコン板であるため、膜厚を厚く構成することができ、その上に積層して形成するミラー１０５の反りが少ないという長所がある。しかしながら、ミラー１０５が片持ち梁の構造となっているので、ミラー面がシリコン基板１０２に吸引される方向にのみ傾斜することになる。このように、図１２に示したバルクマイクロマシニングを使用して製造すると、ＭＥＭＳ素子のミラー１０５の傾斜の自由度が少ないという問題があった。
【０００９】
そこで、表面マイクロマシニングを使用してＭＥＭＳ素子の設計の自由度を高めることで、ミラーが跳ね上がる方向にも傾斜できるようにする提案が行われている。
【００１０】
図１３（ａ）は、表面マイクロマシニングの技術を使用して製造したＭＥＭＳ素子を上から見たもので、同図（ｂ）はこれをＬ−Ｌ方向に切断したものである。このＭＥＭＳ素子１２１は、同図（ｂ）に示すように非導電体の基板１２２上に酸化層からなる支持部１２３を配置し、その上にポリシリコン薄膜１２４を配置した構造となっている。ポリシリコン薄膜１２４は同図（ａ）における左半分の部分が上部電極１２５を構成しており、ここには、多数のエッチングホールと呼ばれる開口１２６が開けられている。ポリシリコン薄膜１２４の右側の部分にはその上部にミラー部１２７が形成されている。ポリシリコン薄膜１２４は同図（ａ）でほぼ中央部に図で上下に細く伸びたヒンジ部１２８1、１２８2を有しており、これらヒンジ部１２８1、１２８2の端部と一体となった矩形領域からなる固定部１２９1、１２９2は同図（ｂ）に示した支持部１２３のちょうど上に積層されている。基板１２２とポリシリコン薄膜１２４の間は支持部１２３を除いて空隙となっており、上部電極１２５と対向する基板１２２上には下部電極１３１が形成されている。
【００１１】
このような図１３に示す構造のＭＥＭＳ素子１２１では、上部電極１２５と下部電極１３１の間に電圧を印加することで、矢印１３０で示すように静電引力が働き、ヒンジ部１２８1、１２８2を回転中心としてミラー部１２７を矢印１３２、１３３方向にチルトさせることができる。すなわちミラー部１２７を上方向に蹴り上げるように傾斜させることができる。これにより、静電引力による駆動時に傾斜角度をより大きく変化させることができる。また図１２と図１３を比較すると分かるように、ミラー面をより大型のものとすることも可能である。
【００１２】
なお、図１３でポリシリコン薄膜１２４はヒンジ部１２８1、１２８2を結ぶ直線（回転軸）に対して図でわずかに左側が長くなった形状となっている。これは回転軸を中心に左右の重さのバランスをとることで最も効率的な駆動特性を得るようにするためである。図で回転軸の左側を構成するポリシリコン薄膜１２４の幅を右側よりも若干広くしても、同様に質量によるモーメントを左右対称として駆動特性を最も効率的なものとすることができる。
【００１３】
図１３に示したＭＥＭＳ素子１２１は次のようにして製造する。まず、非導電体の基板１２２の同図（ｂ）に示す上部電極１２５と対向する領域に下部電極１３１を積層して形成する。支持部１２３は下部電極１３１を有する基板１２２上の全面に酸化層を積層した後、基板１２２の両端にある必要部分をマスクしてエッチングすることによって形成する。このＭＥＭＳ素子では、このエッチングの前の工程で酸化層の上面に、下部電極に対向する面を上部電極とするポリシリコン薄膜１２４を形成する。このポリシリコン薄膜１２４は、支持部１２３に相当する領域と、そこから伸びる細いヒンジ部１２８1、１２８2と、上部電極１２５およびミラー部１２７から構成される。上部電極１２５に開けられたエッチングホールと呼ばれる開口１２６は、エッチング液の染み込みを促進させるだけでなく、上部電極１２５の動作時にスクイーズダンピングと呼ばれる空気の粘性抵抗を低減して高速動作を可能とさせる機能もある（たとえば特許文献２）。ポリシリコン薄膜１２４を形成した後、エッチングによって支持部１２３以外の領域で酸化層を除去し、その上のポリシリコン薄膜１２４をヒンジ部１２８1、１２８2のみで支持するようにしている。
【００１４】
図１４および図１５は、この表面マイクロマシニングの技術を使用したＭＥＭＳ素子の製造プロセスを更に具体的に表わしたものである。ここで、図１４は図１３に示したＭＥＭＳ素子１２１をＬ−Ｌ方向に、すなわち上部電極１２５を縦断するように切断した面で示したものであり、図１５はＭ−Ｍ方向に、すなわち図１３に示した固定部１２９1を縦断するように切断した面で示したものである。
【００１５】
まず、図１４（ａ）および図１５の（ａ）に示すように基板１２２としてのシリコンウエハを用意する。次に、これらの図（ｂ）に示すように基板１２２の上に下部電極１３１の元となる電極層１３１Ａを堆積する。次にこれらの図（ｃ）に示すようにフォトリソグラフィ(photolithography)とエッチングを行って下部電極１３１を作成する。このとき、図１５に示す固定部１２９1については電極層１３１Ａが全部除去される。図１４では図１３（ａ）の上部電極１２５に対向する部位が下部電極１３１として残ることになる。
【００１６】
図１６はフォトリソグラフィとエッチングの一般的な工程を具体的に示したものである。ここでは図１４に対応する部分を示している。まず同図（ｉ）に示すように電極層１３１Ａがあったものとすると、同図（ｉｉ）に示すようにこの上に感光性保護材としてのレジスト１４１を塗布する。そして、同図（ｉｉｉ）に示すように図１３（ｂ）の下部電極１３１に対応させたマスクパターン１４２を用意して矢印１４３で示すように上部から光を照射して、レジスト露光を行う。次に図１６（ｉｖ）に示すように露光部分を現像して、光の照射されたレジスト１４１を除去する。次に同図（ｖ）に示すようにエッチングによってレジスト１４１の残っている領域以外の電極層１３１Ａを除去する。これにより、基板１２２の上に下部電極１３１が形成され、その上にレジスト１４１が残ったことになる。そこで、同図（ｖｉ）に示すように下部電極１３１の上のレジスト１４１を除去してフォトリソグラフィとエッチングの処理が終了する。
【００１７】
以上のようにして図１４（ｃ）に示すように基板１２２上に下部電極１３１が形成されたら図１４（ｄ）および図１５（ｄ）に示すようにその上に犠牲層１４５を堆積する。ここで犠牲層１４５とは最終工程で除去する層のことをいう。次にこれらの図(ｅ）に示すようにフォトリソグラフィとエッチングで犠牲層パターンを作成して、図１３の固定部１２９1の箇所の犠牲層１４５のみを除去する。そして、これらの図(ｆ）に示すように構造体１４６の層を堆積して、研磨によってその表面を平坦化する。
【００１８】
次に、この構造体１４６に対してこれらの図（ｇ）に示すようにフォトリソグラフィとエッチングの処理を行って、図１３および図１４に示したように上部電極１２５の層とする。このとき、図１５に示した部位では固定部１２９1以外の構造体１４６が除去されることになる。最後にこれらの図（ｈ）に示すように犠牲層１４５が除去されることになる。
【００１９】
【特許文献１】
特開２００１−１７４７２４号公報（第００１７段落、図５）
【特許文献２】
特開２００１−２６４６５０号公報（第００２７段落、図３）
【００２０】
【発明が解決しようとする課題】
表面マイクロマシニングによってＭＥＭＳ素子を製造すれば、以上説明したようにウエハ上に次々と層を形成しながら加工を行うことができる。したがって、図１２に示した予め層構造を持った基板を加工するバルクマイクロマシニングと比較すると、非常に自由度の高い構造のＭＥＭＳ素子を製造することができる。しかしながら、表面マイクロマシニングでは、図１４および図１６で説明したように、製造工程が複雑化しコストダウンを図りにくいという問題があった。また、ミラーについて考察すると、図１２に示した単結晶シリコンの層の方が膜厚を厚く構成することができるので、表面マイクロマシニングの方が品質が低下するという問題があった。
【００２１】
そこで本発明の目的は、たとえばＳＯＩを用いたバルクマイクロマシニングの技術を使用して、ミラーの品質およびミラーの駆動についての設計の自由度を高めることのできるＭＥＭＳ素子およびＭＥＭＳ素子を使用した光減衰器、光スイッチ、光スキャナ等の光デバイスを提供することにある。
【００２２】
【課題を解決するための手段】
請求項１記載の発明では、（イ）導電性を有する第１の厚さの平板を所定の回転軸に軸対称にその表面と垂直に切り抜いた形状とされ、表面が光の反射面となったミラー部と、前記した平板の一部として前記したミラー部と連続して切り抜いた形状とされ、このミラー部の少なくとも一方の端部から前記した回転軸に沿って軸対称な形状で所定長だけ帯状に伸び出した部位としてのアクチュエータと、前記した平板の一部として前記したミラー部ならびに前記したアクチュエータと連続して切り抜いた形状とされ、前記したアクチュエータの端部から前記した回転軸に沿って細幅な形状で伸び出し外力により回動自在となった部位としてのトーションスプリングとから構成される第１の電極部材と、（ロ）この第１の電極部材を形成する前記した平板と所定の間隔を置いて対向配置され、全体として前記した第１の厚さよりも厚い第２の厚さの導電性の基板であって、前記したトーションスプリングが前記した外力によって回動する角度範囲で前記したミラー部の移動空間を確保すべくこのミラー部と対向する領域が前記した基板表面と垂直に少なくとも所定の深さだけ切除された形状に形成されていると共に、前記したアクチュエータと対向する面が前記した回転軸を境として２つの領域に分断されており、その一方の領域は、前記したトーションスプリングが前記した外力によって回動していない状態で前記した平板と前記した基板表面とが前記した所定の間隔を置いて対向配置される第１の電気特性領域を構成し、他方の領域では前記した基板表面の少なくとも一部が基板面と垂直方向に切除された第２の電気特性領域を構成している第２の電極部材とをＭＥＭＳ素子に具備させ、（ハ）前記した第１の電極部材と前記した第２の電極部材の間に電圧が印加されたときに前記した第１の電気特性領域と前記した第２の電気特性領域による前記したアクチュエータに対する位置的に不均一な静電引力が前記したトーションスプリングに接続された前記したミラー部に前記した電圧の印加の程度に応じて回転する外力を与えるようにする。
【００２３】
すなわち請求項１記載の発明では、ＭＥＭＳ素子に第１の電極部材と第２の電極部材の２つを少なくとも具備させる。ここで第１の電極部材は、平板状の導電性部材からなる。そして、２種類の領域の電極特性の違いによる第１の電極部材と第２の電極部材の間に電圧を印加したときの静電引力の違いによってアクチュエータは印加電圧に応じた回転力を受け、これによって電圧の印加の程度に応じてミラー部を回転させるようにしている。
【００２４】
このように請求項１記載の発明では、所定の間隔あるいは他の層を介して存在する第１の電極部材と第２の電極部材を用いて、印加電圧に応じてミラー部を回転させるＭＥＭＳ素子を構成するので、バルクマイクロマシニングの技術を使用してミラー部を比較的厚く形成することができ、歪み等が少ない高品質のＭＥＭＳ素子を作製することができる。しかもＭＥＭＳ素子を表面マイクロマシニングで作製する必要が必ずしもないのでミラー部の駆動についての設計の自由度を高めることが可能である。
【００２５】
請求項２記載の発明では、（イ）導電性を有する第１の厚さの平板を所定の回転軸に軸対称にその表面と垂直に切り抜いた形状とされ、表面が光の反射面となったミラー部と、前記した平板の一部として前記したミラー部と連続して切り抜いた形状とされ、このミラー部の少なくとも一方の端部から前記した回転軸に沿って軸対称な形状で所定長だけ帯状に伸び出した部位としてのアクチュエータと、前記した平板の一部として前記したミラー部ならびに前記したアクチュエータと連続して切り抜いた形状とされ、前記したアクチュエータの端部から前記した回転軸に沿って細幅な形状で伸び出し外力により回動自在となった部位としてのトーションスプリングとから構成される第１の電極部材と、（ロ）この第１の電極部材を形成する前記した平板と所定の間隔を置いて対向配置され、全体として前記した第１の厚さよりも厚い第２の厚さの導電性の基板であって、前記したトーションスプリングが前記した外力によって回動する角度範囲で前記したミラー部の移動空間を確保すべくこのミラー部と対向する領域が前記した基板表面と垂直に少なくとも所定の深さだけ切除された形状に形成されていると共に、前記したアクチュエータと対向する面が前記した回転軸を境として２つの領域に分断されており、その一方の領域は、前記したトーションスプリングが前記した外力によって回動していない状態で前記した平板と前記した基板表面とが前記した所定の間隔を置いて対向配置される第１の電気特性領域を構成し、他方の領域では前記した基板表面が基板面と垂直方向に切除された第３の電気特性領域を構成している第２の電極部材とをＭＥＭＳ素子に具備させ、前記した第１の電極部材と前記した第２の電極部材の間に電圧が印加されたときに前記した第１の電気特性領域と前記した第３の電気特性領域による前記したアクチュエータに対する位置的に不均一な静電引力が前記したトーションスプリングに接続された前記したミラー部に前記した電圧の印加の程度に応じて回転する外力を与えるようにする。
【００２６】
すなわち請求項２記載の発明では、ＭＥＭＳ素子に第１の電極部材と第２の電極部材の２つを少なくとも具備させる。ここで第１の電極部材は、平板状の導電性部材からなる。そして、２種類の領域の電極特性の違いによる第１の電極部材と第２の電極部材の間に電圧を印加したときの静電引力の違いによってアクチュエータは印加電圧に応じた回転力を受け、これによって電圧の印加の程度に応じてミラー部を回転させるようにしている。
【００２７】
このように請求項２記載の発明では、所定の間隔あるいは他の層を介して存在する第１の電極部材と第２の電極部材を用いて、印加電圧に応じてミラー部を回転させるＭＥＭＳ素子を構成するので、バルクマイクロマシニングの技術を使用してミラー部を比較的厚く形成することができ、歪み等が少ない高品質のＭＥＭＳ素子を作製することができる。しかもＭＥＭＳ素子を表面マイクロマシニングで作製する必要が必ずしもないのでミラー部の駆動についての設計の自由度を高めることが可能である。
【００３１】
請求項３記載の発明では、（イ）導電性を有する第１の厚さの平板を所定の回転軸に軸対称にその表面と垂直に切り抜いた形状とされ、表面が光の反射面となったミラー部と、前記した平板の一部として前記したミラー部と連続して切り抜いた形状とされ、このミラー部の少なくとも一方の端部から前記した回転軸に沿って軸対称な形状で所定長だけ帯状に伸び出した部位としてのアクチュエータと、前記した平板の一部として前記したミラー部ならびに前記したアクチュエータと連続して切り抜いた形状とされ、前記したアクチュエータの端部から前記した回転軸に沿って細幅な形状で伸び出し外力により回動自在となった部位としてのトーションスプリングとから構成される第１の電極部材と、この第１の電極部材を形成する前記した平板と所定の間隔を置いて対向配置され、全体として前記した第１の厚さよりも厚い第２の厚さの導電性の基板であって、前記したトーションスプリングが前記した外力によって回動する角度範囲で前記したミラー部の移動空間を確保すべくこのミラー部と対向する領域が前記した基板表面と垂直に少なくとも所定の深さだけ切除された形状に形成されていると共に、前記したアクチュエータと対向する面が前記した回転軸を境として２つの領域に分断されており、その一方の領域は、前記したトーションスプリングが前記した外力によって回動していない状態で前記した平板と前記した基板表面とが前記した所定の間隔を置いて対向配置される第１の電気特性領域を構成し、他方の領域では前記した基板表面の少なくとも一部が基板面と垂直方向に切除された第２の電気特性領域を構成している第２の電極部材とを備え、前記した第１の電極部材と前記した第２の電極部材の間に電圧が印加されたときに前記した第１の電気特性領域と前記した第２の電気特性領域による前記したアクチュエータに対する位置的に不均一な静電引力が前記したトーションスプリングに接続された前記したミラー部に前記した電圧の印加の程度に応じて回転する外力を与えるＭＥＭＳ素子と、（ロ）このＭＥＭＳ素子の第１の電極部材と第２の電極部材との間に電圧を印加する電源と、（ハ）この電源の電圧印加に応じて回転するミラー部を用いて光線の入出力を行う入出力手段とを光デバイスに具備させる。
【００３２】
すなわち請求項３記載の発明では、請求項１記載のＭＥＭＳ素子を、光減衰器、光スイッチ、光スキャナ等のミラー部の傾斜角を用いて光の減衰率の調整や光のオン・オフあるいは光の走査等に利用する光デバイスに応用し、光デバイス自体の設計の自由度を高めたり、高品質化を達成している。
【００３３】
請求項４記載の発明では、（イ）導電性を有する第１の厚さの平板を所定の回転軸に軸対称にその表面と垂直に切り抜いた形状とされ、表面が光の反射面となったミラー部と、前記した平板の一部として前記したミラー部と連続して切り抜いた形状とされ、このミラー部の少なくとも一方の端部から前記した回転軸に沿って軸対称な形状で所定長だけ帯状に伸び出した部位としてのアクチュエータと、前記した平板の一部として前記したミラー部ならびに前記したアクチュエータと連続して切り抜いた形状とされ、前記したアクチュエータの端部から前記した回転軸に沿って細幅な形状で伸び出し外力により回動自在となった部位としてのトーションスプリングとから構成される第１の電極部材と、この第１の電極部材を形成する前記した平板と所定の間隔を置いて対向配置され、全体として前記した第１の厚さよりも厚い第２の厚さの導電性の基板であって、前記したトーションスプリングが前記した外力によって回動する角度範囲で前記したミラー部の移動空間を確保すべくこのミラー部と対向する領域が前記した基板表面と垂直に少なくとも所定の深さだけ切除された形状に形成されていると共に、前記したアクチュエータと対向する面が前記した回転軸を境として２つの領域に分断されており、その一方の領域は、前記したトーションスプリングが前記した外力によって回動していない状態で前記した平板と前記した基板表面とが前記した所定の間隔を置いて対向配置される第１の電気特性領域を構成し、他方の領域では前記した基板表面が基板面と垂直方向に切除された第３の電気特性領域を構成している第２の電極部材とを備え、前記した第１の電極部材と前記した第２の電極部材の間に電圧が印加されたときに前記した第１の電気特性領域と前記した第３の電気特性領域による前記したアクチュエータに対する位置的に不均一な静電引力が前記したトーションスプリングに接続された前記したミラー部に前記した電圧の印加の程度に応じて回転する外力を与えるＭＥＭＳ素子と、（ロ）このＭＥＭＳ素子の第１の電極部材と第２の電極部材との間に電圧を印加する電源と、（ハ）この電源の電圧印加に応じて回転するミラー部を用いて光線の入出力を行う入出力手段とを光デバイスに具備させる。
【００３４】
すなわち請求項４記載の発明では、請求項２記載のＭＥＭＳ素子を、光減衰器、光スイッチ、光スキャナ等のミラー部の傾斜角を用いて光の減衰率の調整や光のオン・オフあるいは光の走査等に利用する光デバイスに応用し、光デバイス自体の設計の自由度を高めたり、高品質化を達成している。
【００３７】
【発明の実施の形態】
【００３８】
【実施例】
以下実施例につき本発明を詳細に説明する。
【００３９】
＜第１の実施例＞
【００４０】
図１は本発明の第１の実施例におけるＭＥＭＳ素子の要部を斜め上方から見たものである。このＭＥＭＳ素子２０１は、円盤状のミラー部２０２を備えている。このミラー部２０２は、円盤の中心部を上面と平行な方向に貫通する１本の回転軸２０３を中心として傾斜角度θで矢印２０４方向に回転するようになっている。ミラー部２０２は、この回転軸２０３の貫通した２方向に突出した第１および第２のアクチュエータ２０５、２０６を備えている。これら第１および第２のアクチュエータ２０５、２０６の延長上には、回転軸２０３が同じく中心部分を貫通した形で細い棒状の第１および第２のトーションスプリング２０７、２０８のそれぞれ一端が配置されており、これらの他端は第１および第２の固定部２０９、２１０に接続された構造となっている。ただし、ミラー部２０２、第１および第２のアクチュエータ２０５、２０６、第１および第２のトーションスプリング２０７、２０８ならびに第１および第２の固定部２０９、２１０は別々の部品が組み合わされているのではなく、上部電極層と呼ばれる１つの層を所定の処理によって加工したものである。第１および第２のアクチュエータ２０５、２０６にはエッチングホールと呼ばれる開口２１２が複数配置されている。また、ミラー部２０２には図示しないが必要に応じて金等の金属によって反射面が形成されている。
【００４１】
この図１で第１および第２のアクチュエータ２０５、２０６の右半分部分の下側には所定の間隔ｄをおいて、下部電極を兼ねたシリコン基板２１５が配置されている。ミラー部２０２の下側では、このミラー部２０２の円形形状よりもやや大きなサイズでシリコン基板２１５がその面とほぼ垂直方向にくり抜かれるように切除されており、円形開口部２１６を形成している。これは、回転軸２０３を中心としてミラー部２０２が矢印２０４方向に回転するとき、シリコン基板２１５の上面と接触するのを防止するためと、上部電極層と下部電極を兼ねたシリコン基板２１５の間に電源２１７によって電圧を印加したときミラー部２０２に静電的な力が直接及ぼされないようにするためである。
【００４２】
また、円形開口部２１６に連なって第１および第２のアクチュエータ２０５、２０６の図で左側の領域でもシリコン基板２１５がその面とほぼ垂直方向にくり抜かれるように切除されており、矩形開口部２１８を構成している。これに対して第１および第２のアクチュエータ２０５、２０６の図で右側の領域ではシリコン基板２１５は切除されていない。このように回転軸２０３を中心としてシリコン基板２１５が左右不均衡に存在することによって、電源２１７による電圧印加の大きさに応じて第１および第２のアクチュエータ２０５、２０６が左右異なった静電引力を受ける。この結果、印加電圧に応じてミラー部２０２は矢印２０４方向に回転する力を第１および第２のアクチュエータ２０５、２０６から伝達され、第１および第２のトーションスプリング２０７、２０８のこれに逆らう力と均衡する傾斜角にミラー面が設定されることになる。
【００４３】
すなわち、電圧が印加されていない状態におけるミラー部２０２のミラー面と直交する垂線２２１に対して入射角αで光ビーム２２２が入射したとすると、電源２１７の印加電圧が大きくなるに応じて傾斜角度θが角度αから次第に大きな値に変化することになる。このようにミラー部２０２の傾斜角度θを電源２１７による印加電圧によって任意に変化させることで、後に説明するようにＭＥＭＳ素子を光減衰器、光スイッチあるいは光スキャナ等の各種の光学部品あるいは光学装置に応用することができる。
【００４４】
なお、この図１では層構造を分りやすくするために、第１のアクチュエータ２０５の手前側（電源２１７を示している側）のシリコン基板２１５を適宜切除して図解している。
【００４５】
図２は、第１の実施例のＭＥＭＳ素子の平面構造を表わしたものである。また、図３は図２でＡ−Ａ方向にＭＥＭＳ素子を切断した場合の端面の構造を表わしたものである。図３に示すように第１の実施例ではミラー部２０２の上部に金（Ａｕ）やクロム（Ｃｒ）等の薄膜からなる反射層２３１が形成されている。また、ミラー部２０２の直下のシリコン基板２１５は図で下方からくり抜かれ、円形開口部２１６を形成している。なお、反射層２３１はミラー部２０２に限定せず、製造上のプロセス等によっては、たとえば第１および第２のアクチュエータ２０５、２０６の全部または一部にまで形成するようにしてもよい。
【００４６】
図４は、図２でＢ−Ｂ方向にＭＥＭＳ素子を切断した場合の端面の構造を表わしたものである。この図では図２における第２のアクチュエータ２０６を横断する形で切断している。第２のアクチュエータ２０６には、エッチングホールとしての開口２１２が上下に貫通している。この開口２１２は、第１のアクチュエータ２０５を構成する上部電極層とシリコン基板２１５の間にＭＥＭＳ素子のパターン作成処理前にこの部分に存在していた図示しない中間層活性層をエッチングによって除去する際のエッチング液の染み込みを促進させる役割を果たしている。また、上部電極層を構成する第１および第２のアクチュエータ２０５、２０６（図１および図２）が印加電圧に応じて傾斜する際に、スクイーズダンピングと呼ばれる空気の粘性抵抗を低減して高速動作を可能とする。
【００４７】
図５は、この第１の実施例のＭＥＭＳ素子をバルクマイクロマシニングによって製造するプロセスを示したものである。まず、同図（ａ）に示すようにシリコン基板２１５と中間層２４１および上部電極層２４２がそれぞれ所望の厚さとなった３層構造のウエハ２４３を用意する。ここでシリコン基板２１５と上部電極層２４２は共にシリコン（Ｓｉ）にボロン（Ｂ）やリン（Ｐ）等の不純物をドープして導体としたものである。中間層２４１はシリコン酸化膜（ＳｉＯ2）である。このうち、上部電極層２４２は、図１等で説明したミラー部２０２、第１および第２のアクチュエータ２０５、２０６、第１および第２のトーションスプリング２０７、２０８ならびに第１および第２の固定部２０９、２１０が形成される層である。中間層２４１は、図１に示した間隔ｄに対応する厚さとなっている。本実施例ではシリコン基板２１５の厚さは３００〜８００μｍ、中間層２４１の厚さは０．５〜５μｍ、上部電極層２４２の厚さは１０〜５０μｍのものを使用する。
【００４８】
次に、同図（ｂ）に示すようにフォトリソグラフィとエッチングによって上部電極層２４２のパターンを作成する。フォトリソグラフィとエッチングによるパターンの作成については、すでに図１６で説明したので、図示を省略する。この処理で図１等で説明したミラー部２０２、第１および第２のアクチュエータ２０５、２０６、第１および第２のトーションスプリング２０７、２０８、第１および第２の固定部２０９、２１０ならびに開口２１２が形成される。
【００４９】
次に、同図（ｃ）に示すようにシリコン基板２１５側からフォトリソグラフィとエッチングを行い、図１に示したミラー部２０２に対応する円形開口部２１６や、この図５には示していない矩形開口部２１８を作成する。このときには、必要に応じてウエハ２４３の表裏を反転させて処理を行うことになる。
【００５０】
最後に、同図（ｄ）に示すように中間層２４１を除去する。ただし、図１および図２に示した第１および第２の固定部２０９、２１０は中間層２４１と上部電極層２４２で構成されているので、エッチングの時間を調整することでこの部分の中間層２４１は残存する。
【００５１】
以上説明した第１の実施例ではＳＯＩを用いたバルクマイクロマシニングを使用してＭＥＭＳ素子２０１を製造したので、表面マイクロマシニングと比べて簡単な工程となり、コストダウンを図ることができる。しかもＳＯＩを用いた場合、構造体が結晶シリコンとなるため、ミラー等の光学部品を高い品質で製造することができる。
【００５２】
また、第１および第２のアクチュエータ２０５、２０６は第１および第２のトーションスプリング２０７、２０８に対して対称形となり、回転軸２０３の両側に開口２１２を均等に配置している。このため、回転軸２０３に対して質量のモーメントが対称形となり、第１および第２のトーションスプリング２０７、２０８が特定方向に余計に回転してねじ切れるのを効果的に防止することができる。更に第１および第２のアクチュエータ２０５、２０６のほぼ全面に開口２１２が配置されているので、エッチング液の染み込みを均一に行えると共に空気の粘性抵抗の低減も回転軸２０３を中心にバランスよく行うことができる。
【００５３】
＜第１の実施例の変形例＞
【００５４】
図６は以上説明した第１の実施例の変形例におけるＭＥＭＳ素子の平面構造を表わしたものであり、第１の実施例の図２に対応するものである。図２に示した第１の実施例では、ミラー部２０２の直下のシリコン基板２１５が円筒状に完全に切除されて円形開口部２１６を構成している。これに対して図６に示した変形例のＭＥＭＳ素子２０１Ａでは、ミラー部２０２の直下のシリコン基板２１５が２つの半月状開口部２５１、２５２となっており、これらの間にはシリコン基板２１５がそのまま残っていて両者を仕切る仕切板２５３を構成している。
【００５５】
図７は、第１の実施例の図３に対応するものであり、図６のＣ−Ｃ方向の切断面を表わしたものである。この変形例のＭＥＭＳ素子２０１Ａでは、Ｂ−Ｂ方向の切断面の構造は第１の実施例における図４と全く同一であるので、この部分の図示は省略する。図３における円形開口部２１６の代わりに仕切板２５３を境として２つの半月状開口部２５１、２５２が形成されている。
【００５６】
この変形例のＭＥＭＳ素子２０１Ａでは、仕切板２５３がミラー部２０２の中心よりも図で右側にずれている。したがって、ミラー部２０２を構成する上部電極層と仕切板２５３を構成する下部電極の上面との静電引力によってミラー部２０２は矢印２６１方向に回転する力を受けることになる。これは、第１および第２のアクチュエータ２０５、２０６とシリコン基板２１５の間における非対称な静電引力と同様である。すなわち、この変形例ではミラー部２０２でも静電引力による回転力を受けることになる。
【００５７】
この第１の実施例の変形例で示したように、ミラー部２０２を構成する上部電極層とシリコン基板２１５からなる下部電極の上下方向の重なりは、一部でもあればこれによる両者の吸引力でミラーの駆動力を発生させることができる。
【００５８】
＜第２の実施例＞
【００５９】
図８は、本発明の第２の実施例のＭＥＭＳ素子を表わしたものである。同図（ａ）はＭＥＭＳ素子の要部を上から見たものであり、同図（ｂ）はそのＤ−Ｄ方向の切断面を表わしたものである。このＭＥＭＳ素子３０１は、シリコン基板からなる支持基板としての下部電極３０２と、図示しない中間層と、上部電極３０３およびその上に蒸着等によって形成されたミラー層３０４から構成されている。ミラー層３０４を形成した上部電極３０３の部分は全体として細長い矩形となっており、その長手方向の中間点よりも図で左側に寄った位置に、上部電極３０３を回動させる回転軸３０６が配置されている。
【００６０】
この回転軸３０６に沿って、ミラー層３０４を形成した上部電極３０３の端面から第１および第２のトーションスプリング３０７、３０８が伸び出しており、これら第１および第２のトーションスプリング３０７、３０８は同じく上部電極３０３の一部を構成する第１および第２の固定部３０９、３１０に固定されている。
【００６１】
このように第２の実施例のＭＥＭＳ素子３０１は回転軸３０６を中心としてミラー層３０４を形成した上部電極３０３の部分が左右非対称な長さで配置されている。下部電極３０２と上部電極３０３の間に図示しない電源によって直流電圧を印加すると、図８（ｂ）に示すように矢印３１２で示す静電引力が働く。このとき、ミラー層３０４を形成した上部電極３０３の部分が左右非対称な長さとなっているために、この図では回転軸３０６の右側の部分の引力の総和が左側の部分の引力の総和よりも大きくなる。これにより、ミラー層３０４を形成した上部電極３０３の部分は矢印３１３で示すように時計回りに回転する力を与えられ、第１および第２のトーションスプリング３０７、３０８の剛性と印加電圧による静電引力の大きさとの釣り合いで決定される角度だけ回転することになる。
【００６２】
この第２の実施例のＭＥＭＳ素子３０１も第１の実施例のＭＥＭＳ素子２０１と同様にバルクマイクロマシニングで製造することができる。このため、その製造プロセスの説明は省略する。図１２では従来のバルクマイクロマシニングで製造したＭＥＭＳ素子１０１について説明した。この従来のＭＥＭＳ素子１０１と第２の実施例のＭＥＭＳ素子３０１を比較する。従来のＭＥＭＳ素子１０１の場合には、図１２に示したように、埋め込みの酸化膜からなる支持部１０３上に単結晶シリコンの上部電極１０４を配置し、支持部１０３の除去された片持梁構造で静電引力による上部電極１０４の撓みを利用してミラー１０５を傾斜させている。これに対して第２の実施例のＭＥＭＳ素子３０１は、回転軸３０６を中心としてミラー層３０４を形成した上部電極３０３の部分を静電引力によって回転させている。したがって、回転軸３０６の両側のミラー層３０４をミラーとして使用することができ、ミラーの相対的な面積を増大させることができる。また、第１および第２のトーションスプリング３０７、３０８によってミラー層３０４を形成した上部電極３０３の部分を回転させるので、ミラー面の平面性をより高精度に保つことができる。
【００６３】
＜第３の実施例＞
【００６４】
図９は、本発明の第３の実施例のＭＥＭＳ素子を表わしたものである。同図（ａ）はＭＥＭＳ素子の要部を上から見たものであり、同図（ｂ）はそのＥ−Ｅ方向の切断面を表わしたものである。このＭＥＭＳ素子４０１は、ダイヤフラム型をしており、シリコン基板からなる支持基板としての下部電極４０２と、図示しない中間層と、上部電極４０３およびその上に蒸着等によって形成されたミラー層４０４から構成されている。ミラー層３０４を形成した上部電極４０３の部分は全体として細長い矩形となっており、その長手方向の両端部から長手方向と直交する方向に上部電極４０３の一部を構成する細長い第１〜第４の支持棒４０５〜４０８が伸び出している。これら第１〜第４の支持棒４０５〜４０８は、それぞれ下部電極４０２上に図示しない中間層を介して配置された上部電極４０３の一部を構成する第１〜第４の固定部４１１〜４１４のうちの対応するものに固定されている。ミラー層４０４は同図（ａ）に示すように細長い矩形をした上部電極４０３の中央部分に配置されており、これとほぼ相似形でこれよりも大きなサイズの貫通孔４１５が下部電極４０２の中央部に設けられている。
【００６５】
第３の実施例のＭＥＭＳ素子４０１はこのような構造となっているので、上部電極４０３と下部電極４０２の間に図示しない電源によって所定の電圧を印加すると、図９（ｂ）に示すように矢印４１２で示す静電引力が働く。上部電極４０３はミラー層４０４をその中央部に配置しており、貫通孔４１５がその直下の中央部に配置されているので、この静電引力によって上部電極４０３は貫通孔４１５の方向に変位することになる。印加電圧によってこの変位量は変化する。したがって、この電圧印加によるミラー層４０４の微小な変位を、たとえば干渉現象における反射光の変化として検出することで、このＭＥＭＳ素子４０１を変位検出センサ等の各種デバイスとして使用することができる。
【００６６】
また、このミラー層４０４を水平方向に配置して、これに対して４５度の入射角で光ビームを入射させると、ミラー層４０４の上下方向の変位に応じて反射後の光ビームの進路が水平方向にシフトする。したがって、反射後の光ビームを光学レンズに入射して屈性させると、屈性後の光ビームが光軸に対してなす角度がミラー層４０４の変位に応じて変動することになり、これにより光ビームをスキャンさせることができる。
【００６７】
なお、この第３の実施例のＭＥＭＳ素子４０１も第１の実施例のＭＥＭＳ素子２０１と同様にバルクマイクロマシニングで製造できる。このため、その製造プロセスの説明は省略する。
【００６８】
＜第４の実施例＞
【００６９】
図１０は、本発明の第４の実施例として第１の実施例のＭＥＭＳ素子を光減衰器に応用した例を示したものである。この光減衰器５０１は、減衰を行う光を入射する第１の光ファイバ５０２と減衰後の光を射出する第２の光ファイバ５０３のそれぞれ端部近傍を収容するキャピラリ５０４を備えている。このキャピラリ５０４における第１および第２の光ファイバ５０２、５０３の端部側にはレンズホルダ５０５が接続されている。第１の光ファイバ５０２から射出された光は、このレンズホルダ５０５内を進行して非球面レンズ５０６に入射し、前方に配置されたＭＥＭＳ素子２０１のミラー部２０２に入射する。
【００７０】
このミラー部２０２と下部電極を兼ねたシリコン基板２１５の間には電圧制御部５０８から出力電圧が印加されるようになっている。この出力電圧は所定範囲で連続的にその値を変化させることができるようになっており、この電圧変化によってミラー部２０２の傾斜角が０度（水平）から所定の角度まで変化するようになっている。
【００７１】
電圧制御部５０８による印加電圧を連続的に変化させ、ミラー部２０２の傾斜角をこれに応じて変化させると、レンズホルダ５０５の非球面レンズ５０６から出射しミラー部２０２で反射された光は、非球面レンズ５０６に入射する量および入射角を連続的に変化させる。この結果、非球面レンズ５０６に戻った光のうちで第２の光ファイバ５０３に結合する光の量が連続的に変化することになる。したがって、光減衰器５０１は電圧制御部５０８の出力電圧に応じて光の減衰量を変化させることができる。
【００７２】
このような連続的な光の減衰制御の代わりに、電圧制御部５０８から電圧が２値のいずれかとなったオン・オフ制御信号を出力することで、たとえば第２の光ファイバ５０３に入射する光を第１の光ファイバ５０２から出射された光のほぼ１００パーセントの状態とほぼ０パーセントの状態に切り換えることができる。これにより、図１０に示したデバイスを光スイッチとして動作させることができる。
【００７３】
＜第５の実施例＞
【００７４】
図１１は、本発明の第５の実施例として第１の実施例のＭＥＭＳ素子を光スキャナに応用した例を示したものである。この光スキャナ５５１の一部を構成する光ファイバ５５２から射出された光は、コリメータレンズ５５３によって平行光にされて、図１あるいは図２に示したＭＥＭＳ素子２０１のミラー部２０２に入射する。このミラー部２０２と下部電極を兼ねたシリコン基板２１５の間には電圧制御部５５４から出力電圧が印加されるようになっている。この出力電圧はその値がサイン波状あるいは鋸歯状等種々の波形で周期的に変化するようになっており、これによるミラー部２０２の傾斜角の周期的な変化で反射光５５５が矢印５５６に示すように方向を周期的に変える。したがって、この反射光５５５を用いた光学的なスキャンが可能になる。
【００７５】
なお、第３の実施例のダイヤフラム型をしたＭＥＭＳ素子を用いてスキャナを構成することができることについては、すでに説明した。
【００７６】
以上、各実施例ではＭＥＭＳ素子をＳＯＩを用いたバルクマイクロマシニングで実現する例を説明したが、最終的に同一の構造のＭＥＭＳ素子を他の周知のプロセスで作成した物に対しても本発明を適用することができることは当然である。
【００７７】
【発明の効果】
以上説明したように請求項１または請求項２記載の発明によれば、所定の間隔を介して存在する第１の電極部材と第２の電極部材を用いて、印加電圧に応じてミラー部を回転させるＭＥＭＳ素子を構成するので、バルクマイクロマシニングの技術を使用してミラー部を比較的厚く形成することができ、歪み等が少ない高品質のＭＥＭＳ素子を安価に作成することができる。しかもＭＥＭＳ素子を表面マイクロマシニングで作成する必要が必ずしもないのでミラー部の駆動についての設計の自由度を高めることが可能である。
【００７９】
更に請求項３または請求項４記載の発明によれば、ＭＥＭＳ素子を、光減衰器、光スイッチ、光スキャナ等のミラー部の傾斜角を用いて光の減衰率の調整や光のオン・オフあるいは光の走査等に利用する光デバイスに応用し、光デバイス自体の設計の自由度を高めたり、高品質化を達成することができるだけでなくコストダウンも図ることができる。
【図面の簡単な説明】
【図１】本発明の第１の実施例におけるＭＥＭＳ素子の要部斜視図である。
【図２】第１の実施例のＭＥＭＳ素子の要部を上から見た平面図である。
【図３】図２でＭＥＭＳ素子の要部をＡ−Ａ方向に切断した端面図である。
【図４】図２でＭＥＭＳ素子の要部をＢ−Ｂ方向に切断した端面図である。
【図５】第１の実施例のＭＥＭＳ素子をバルクマイクロマシニングによって製造する一連のプロセスを示した説明図である。
【図６】第１の実施例の変形例におけるＭＥＭＳ素子の要部を上から見た平面図である。
【図７】図６でＭＥＭＳ素子の要部をＣ−Ｃ方向に切断した端面図である。
【図８】本発明の第２の実施例のＭＥＭＳ素子の平面および断面を示した図である。
【図９】本発明の第３の実施例のＭＥＭＳ素子の平面および断面を示した図である。
【図１０】本発明の第４の実施例として第１の実施例のＭＥＭＳ素子を光減衰器に応用した例を示した概略構成図である。
【図１１】本発明の第５の実施例として第１の実施例のＭＥＭＳ素子を光スキャナに応用した例を示した概略構成図である。
【図１２】従来ＳＯＩプロセスを使用して製造されたＭＥＭＳ素子の平面および断面を示した図である。
【図１３】表面マイクロマシニングにより従来製造されたＭＥＭＳ素子の平面および断面を示した図である。
【図１４】表面マイクロマシニングの技術を使用したＭＥＭＳ素子の製造プロセスをＬ−Ｌ方向の切断面について表わした説明図である。
【図１５】表面マイクロマシニングの技術を使用したＭＥＭＳ素子の製造プロセスをＭ−Ｍ方向の切断面について表わした説明図である。
【図１６】フォトリソグラフィとエッチングの一般的な工程を示した説明図である。
【符号の説明】
２０１、２０１Ａ、３０１、４０１ ＭＥＭＳ素子
２０２ ミラー部（上部電極）
２０５、２０６ アクチュエータ（上部電極）
２０７、２０８、３０７、３０８ トーションスプリング
２０９、２１０、３０９、３１０ 固定部
２１５ シリコン基板（下部電極）
２１６ 円形開口部
２１７ 電源
２１８ 矩形開口部
２５３ 仕切板（下部電極）
３０４、４０４ ミラー層
４０３ 上部電極
４０５〜４０８ 支持棒
４１５ 貫通孔
５０１ 光減衰器（光スイッチ）
５０８、５５４ 電圧制御部
５５１ 光スキャナ
【発明の属する技術分野】
本発明は微小電気機械システムとしてのＭＥＭＳ素子およびＭＥＭＳ素子を使用した光減衰器、光スイッチ、光スキャナ等の光デバイスに係わり、特にチルトミラー等のミラーを使用したＭＥＭＳ素子およびＭＥＭＳ素子を使用した光デバイスに関する。
【０００２】
【従来の技術】
光通信技術の発展に伴い、各種の光デバイスが開発されている。この中で、微細構造デバイスとしてのＭＥＭＳ（Micro Electro Mechanical System）素子が近年注目を集めている。ＭＥＭＳ素子は固体の弾性的あるいは機械的な性質を制御する技術を応用したもので、金属等の各種の材料で作られた従来の機械システムをシリコン加工により極小サイズで製造するデバイスである。部品が小型のため最終的な製品も小さくなるという利点があり、また金属疲労が無く、素子としての信頼性が高い。
【０００３】
ＭＥＭＳ素子のうちで、その一部にミラーが備えられているものは、電圧を印加することでこのミラーの傾斜角やミラーの位置を変化させ、入射した光の反射方向等を変化させることができる（たとえば特許文献１）。この原理を用いることで、ＭＥＭＳ素子を使用した光減衰器や光スイッチあるいは光スキャナ等の各種の光デバイスを製造することができる。傾斜角を変化させるミラーを備えたＭＥＭＳ素子では、ミラー自体が比較的大面積であっても、電圧印加に応じて傾斜角が変化したときに反りが少ないことが重要である。また、このような精度の高いＭＥＭＳ素子が簡単なプロセスで製造できることが求められている。以下、単にＭＥＭＳ素子と表現するときにはその一部にミラーを備えた素子をいうものとする。
【０００４】
ＭＥＭＳ素子として、従来からＳＯＩ（Silicon-on-Insulator）プロセスによる片持ち梁の素子が知られている。
【０００５】
図１２（ａ）はこのＳＯＩプロセスを使用したＭＥＭＳ素子を上から見たもので、同図（ｂ）はこれをＫ−Ｋ方向に切断したものである。このＭＥＭＳ素子１０１は、電極を兼ねたシリコン基板１０２上に所定の厚さの酸化層からなる支持部１０３を配置し、更にこの上に単結晶シリコンの上部電極１０４を配置して、この上部電極１０４におけるこれらの図で右半分部分にミラー１０５を形成した構造となっている。上部電極１０４におけるミラー１０５が形成された領域の直下の酸化層は、除去されている。
【０００６】
このようなＭＥＭＳ素子１０１は上部電極１０４と、下部電極を兼ねたシリコン基板１０２との間に電圧を印加すると、両者の間に矢印１０６で示す静電引力が働く。これにより、ミラー１０５が形成され下方に空隙が生じている上部電極１０４が、矢印１０７方向に傾斜して、ミラー面の上方から入射する図示しない光の反射角度を変えることができる。
【０００７】
図１２に示したＭＥＭＳ素子１０１は次のようにして製造される。まずシリコン基板１０２の上に支持部１０３となる酸化層および上部電極１０４となる単結晶シリコンの層を形成する。この後、上部電極１０４となる単結晶シリコンにおけるミラー１０５が形成される直下の部分を切削する。次に、シリコン基板１０２上の酸化層における図１３で支持部１０３となっている部分以外をエッチングにより取り除く。この後、このエッチングにより除去した酸化層の上側の上部電極１０４の部分にミラー１０５を積層する。
【０００８】
このように図１２に示したＭＥＭＳ素子１０１は、比較的簡単なＳＯＩプロセスで製造できるという利点がある。また、上部電極１０４は単結晶のシリコン板であるため、膜厚を厚く構成することができ、その上に積層して形成するミラー１０５の反りが少ないという長所がある。しかしながら、ミラー１０５が片持ち梁の構造となっているので、ミラー面がシリコン基板１０２に吸引される方向にのみ傾斜することになる。このように、図１２に示したバルクマイクロマシニングを使用して製造すると、ＭＥＭＳ素子のミラー１０５の傾斜の自由度が少ないという問題があった。
【０００９】
そこで、表面マイクロマシニングを使用してＭＥＭＳ素子の設計の自由度を高めることで、ミラーが跳ね上がる方向にも傾斜できるようにする提案が行われている。
【００１０】
図１３（ａ）は、表面マイクロマシニングの技術を使用して製造したＭＥＭＳ素子を上から見たもので、同図（ｂ）はこれをＬ−Ｌ方向に切断したものである。このＭＥＭＳ素子１２１は、同図（ｂ）に示すように非導電体の基板１２２上に酸化層からなる支持部１２３を配置し、その上にポリシリコン薄膜１２４を配置した構造となっている。ポリシリコン薄膜１２４は同図（ａ）における左半分の部分が上部電極１２５を構成しており、ここには、多数のエッチングホールと呼ばれる開口１２６が開けられている。ポリシリコン薄膜１２４の右側の部分にはその上部にミラー部１２７が形成されている。ポリシリコン薄膜１２４は同図（ａ）でほぼ中央部に図で上下に細く伸びたヒンジ部１２８1、１２８2を有しており、これらヒンジ部１２８1、１２８2の端部と一体となった矩形領域からなる固定部１２９1、１２９2は同図（ｂ）に示した支持部１２３のちょうど上に積層されている。基板１２２とポリシリコン薄膜１２４の間は支持部１２３を除いて空隙となっており、上部電極１２５と対向する基板１２２上には下部電極１３１が形成されている。
【００１１】
このような図１３に示す構造のＭＥＭＳ素子１２１では、上部電極１２５と下部電極１３１の間に電圧を印加することで、矢印１３０で示すように静電引力が働き、ヒンジ部１２８1、１２８2を回転中心としてミラー部１２７を矢印１３２、１３３方向にチルトさせることができる。すなわちミラー部１２７を上方向に蹴り上げるように傾斜させることができる。これにより、静電引力による駆動時に傾斜角度をより大きく変化させることができる。また図１２と図１３を比較すると分かるように、ミラー面をより大型のものとすることも可能である。
【００１２】
なお、図１３でポリシリコン薄膜１２４はヒンジ部１２８1、１２８2を結ぶ直線（回転軸）に対して図でわずかに左側が長くなった形状となっている。これは回転軸を中心に左右の重さのバランスをとることで最も効率的な駆動特性を得るようにするためである。図で回転軸の左側を構成するポリシリコン薄膜１２４の幅を右側よりも若干広くしても、同様に質量によるモーメントを左右対称として駆動特性を最も効率的なものとすることができる。
【００１３】
図１３に示したＭＥＭＳ素子１２１は次のようにして製造する。まず、非導電体の基板１２２の同図（ｂ）に示す上部電極１２５と対向する領域に下部電極１３１を積層して形成する。支持部１２３は下部電極１３１を有する基板１２２上の全面に酸化層を積層した後、基板１２２の両端にある必要部分をマスクしてエッチングすることによって形成する。このＭＥＭＳ素子では、このエッチングの前の工程で酸化層の上面に、下部電極に対向する面を上部電極とするポリシリコン薄膜１２４を形成する。このポリシリコン薄膜１２４は、支持部１２３に相当する領域と、そこから伸びる細いヒンジ部１２８1、１２８2と、上部電極１２５およびミラー部１２７から構成される。上部電極１２５に開けられたエッチングホールと呼ばれる開口１２６は、エッチング液の染み込みを促進させるだけでなく、上部電極１２５の動作時にスクイーズダンピングと呼ばれる空気の粘性抵抗を低減して高速動作を可能とさせる機能もある（たとえば特許文献２）。ポリシリコン薄膜１２４を形成した後、エッチングによって支持部１２３以外の領域で酸化層を除去し、その上のポリシリコン薄膜１２４をヒンジ部１２８1、１２８2のみで支持するようにしている。
【００１４】
図１４および図１５は、この表面マイクロマシニングの技術を使用したＭＥＭＳ素子の製造プロセスを更に具体的に表わしたものである。ここで、図１４は図１３に示したＭＥＭＳ素子１２１をＬ−Ｌ方向に、すなわち上部電極１２５を縦断するように切断した面で示したものであり、図１５はＭ−Ｍ方向に、すなわち図１３に示した固定部１２９1を縦断するように切断した面で示したものである。
【００１５】
まず、図１４（ａ）および図１５の（ａ）に示すように基板１２２としてのシリコンウエハを用意する。次に、これらの図（ｂ）に示すように基板１２２の上に下部電極１３１の元となる電極層１３１Ａを堆積する。次にこれらの図（ｃ）に示すようにフォトリソグラフィ(photolithography)とエッチングを行って下部電極１３１を作成する。このとき、図１５に示す固定部１２９1については電極層１３１Ａが全部除去される。図１４では図１３（ａ）の上部電極１２５に対向する部位が下部電極１３１として残ることになる。
【００１６】
図１６はフォトリソグラフィとエッチングの一般的な工程を具体的に示したものである。ここでは図１４に対応する部分を示している。まず同図（ｉ）に示すように電極層１３１Ａがあったものとすると、同図（ｉｉ）に示すようにこの上に感光性保護材としてのレジスト１４１を塗布する。そして、同図（ｉｉｉ）に示すように図１３（ｂ）の下部電極１３１に対応させたマスクパターン１４２を用意して矢印１４３で示すように上部から光を照射して、レジスト露光を行う。次に図１６（ｉｖ）に示すように露光部分を現像して、光の照射されたレジスト１４１を除去する。次に同図（ｖ）に示すようにエッチングによってレジスト１４１の残っている領域以外の電極層１３１Ａを除去する。これにより、基板１２２の上に下部電極１３１が形成され、その上にレジスト１４１が残ったことになる。そこで、同図（ｖｉ）に示すように下部電極１３１の上のレジスト１４１を除去してフォトリソグラフィとエッチングの処理が終了する。
【００１７】
以上のようにして図１４（ｃ）に示すように基板１２２上に下部電極１３１が形成されたら図１４（ｄ）および図１５（ｄ）に示すようにその上に犠牲層１４５を堆積する。ここで犠牲層１４５とは最終工程で除去する層のことをいう。次にこれらの図(ｅ）に示すようにフォトリソグラフィとエッチングで犠牲層パターンを作成して、図１３の固定部１２９1の箇所の犠牲層１４５のみを除去する。そして、これらの図(ｆ）に示すように構造体１４６の層を堆積して、研磨によってその表面を平坦化する。
【００１８】
次に、この構造体１４６に対してこれらの図（ｇ）に示すようにフォトリソグラフィとエッチングの処理を行って、図１３および図１４に示したように上部電極１２５の層とする。このとき、図１５に示した部位では固定部１２９1以外の構造体１４６が除去されることになる。最後にこれらの図（ｈ）に示すように犠牲層１４５が除去されることになる。
【００１９】
【特許文献１】
特開２００１−１７４７２４号公報（第００１７段落、図５）
【特許文献２】
特開２００１−２６４６５０号公報（第００２７段落、図３）
【００２０】
【発明が解決しようとする課題】
表面マイクロマシニングによってＭＥＭＳ素子を製造すれば、以上説明したようにウエハ上に次々と層を形成しながら加工を行うことができる。したがって、図１２に示した予め層構造を持った基板を加工するバルクマイクロマシニングと比較すると、非常に自由度の高い構造のＭＥＭＳ素子を製造することができる。しかしながら、表面マイクロマシニングでは、図１４および図１６で説明したように、製造工程が複雑化しコストダウンを図りにくいという問題があった。また、ミラーについて考察すると、図１２に示した単結晶シリコンの層の方が膜厚を厚く構成することができるので、表面マイクロマシニングの方が品質が低下するという問題があった。
【００２１】
そこで本発明の目的は、たとえばＳＯＩを用いたバルクマイクロマシニングの技術を使用して、ミラーの品質およびミラーの駆動についての設計の自由度を高めることのできるＭＥＭＳ素子およびＭＥＭＳ素子を使用した光減衰器、光スイッチ、光スキャナ等の光デバイスを提供することにある。
【００２２】
【課題を解決するための手段】
請求項１記載の発明では、（イ）導電性を有する第１の厚さの平板を所定の回転軸に軸対称にその表面と垂直に切り抜いた形状とされ、表面が光の反射面となったミラー部と、前記した平板の一部として前記したミラー部と連続して切り抜いた形状とされ、このミラー部の少なくとも一方の端部から前記した回転軸に沿って軸対称な形状で所定長だけ帯状に伸び出した部位としてのアクチュエータと、前記した平板の一部として前記したミラー部ならびに前記したアクチュエータと連続して切り抜いた形状とされ、前記したアクチュエータの端部から前記した回転軸に沿って細幅な形状で伸び出し外力により回動自在となった部位としてのトーションスプリングとから構成される第１の電極部材と、（ロ）この第１の電極部材を形成する前記した平板と所定の間隔を置いて対向配置され、全体として前記した第１の厚さよりも厚い第２の厚さの導電性の基板であって、前記したトーションスプリングが前記した外力によって回動する角度範囲で前記したミラー部の移動空間を確保すべくこのミラー部と対向する領域が前記した基板表面と垂直に少なくとも所定の深さだけ切除された形状に形成されていると共に、前記したアクチュエータと対向する面が前記した回転軸を境として２つの領域に分断されており、その一方の領域は、前記したトーションスプリングが前記した外力によって回動していない状態で前記した平板と前記した基板表面とが前記した所定の間隔を置いて対向配置される第１の電気特性領域を構成し、他方の領域では前記した基板表面の少なくとも一部が基板面と垂直方向に切除された第２の電気特性領域を構成している第２の電極部材とをＭＥＭＳ素子に具備させ、（ハ）前記した第１の電極部材と前記した第２の電極部材の間に電圧が印加されたときに前記した第１の電気特性領域と前記した第２の電気特性領域による前記したアクチュエータに対する位置的に不均一な静電引力が前記したトーションスプリングに接続された前記したミラー部に前記した電圧の印加の程度に応じて回転する外力を与えるようにする。
【００２３】
すなわち請求項１記載の発明では、ＭＥＭＳ素子に第１の電極部材と第２の電極部材の２つを少なくとも具備させる。ここで第１の電極部材は、平板状の導電性部材からなる。そして、２種類の領域の電極特性の違いによる第１の電極部材と第２の電極部材の間に電圧を印加したときの静電引力の違いによってアクチュエータは印加電圧に応じた回転力を受け、これによって電圧の印加の程度に応じてミラー部を回転させるようにしている。
【００２４】
このように請求項１記載の発明では、所定の間隔あるいは他の層を介して存在する第１の電極部材と第２の電極部材を用いて、印加電圧に応じてミラー部を回転させるＭＥＭＳ素子を構成するので、バルクマイクロマシニングの技術を使用してミラー部を比較的厚く形成することができ、歪み等が少ない高品質のＭＥＭＳ素子を作製することができる。しかもＭＥＭＳ素子を表面マイクロマシニングで作製する必要が必ずしもないのでミラー部の駆動についての設計の自由度を高めることが可能である。
【００２５】
請求項２記載の発明では、（イ）導電性を有する第１の厚さの平板を所定の回転軸に軸対称にその表面と垂直に切り抜いた形状とされ、表面が光の反射面となったミラー部と、前記した平板の一部として前記したミラー部と連続して切り抜いた形状とされ、このミラー部の少なくとも一方の端部から前記した回転軸に沿って軸対称な形状で所定長だけ帯状に伸び出した部位としてのアクチュエータと、前記した平板の一部として前記したミラー部ならびに前記したアクチュエータと連続して切り抜いた形状とされ、前記したアクチュエータの端部から前記した回転軸に沿って細幅な形状で伸び出し外力により回動自在となった部位としてのトーションスプリングとから構成される第１の電極部材と、（ロ）この第１の電極部材を形成する前記した平板と所定の間隔を置いて対向配置され、全体として前記した第１の厚さよりも厚い第２の厚さの導電性の基板であって、前記したトーションスプリングが前記した外力によって回動する角度範囲で前記したミラー部の移動空間を確保すべくこのミラー部と対向する領域が前記した基板表面と垂直に少なくとも所定の深さだけ切除された形状に形成されていると共に、前記したアクチュエータと対向する面が前記した回転軸を境として２つの領域に分断されており、その一方の領域は、前記したトーションスプリングが前記した外力によって回動していない状態で前記した平板と前記した基板表面とが前記した所定の間隔を置いて対向配置される第１の電気特性領域を構成し、他方の領域では前記した基板表面が基板面と垂直方向に切除された第３の電気特性領域を構成している第２の電極部材とをＭＥＭＳ素子に具備させ、前記した第１の電極部材と前記した第２の電極部材の間に電圧が印加されたときに前記した第１の電気特性領域と前記した第３の電気特性領域による前記したアクチュエータに対する位置的に不均一な静電引力が前記したトーションスプリングに接続された前記したミラー部に前記した電圧の印加の程度に応じて回転する外力を与えるようにする。
【００２６】
すなわち請求項２記載の発明では、ＭＥＭＳ素子に第１の電極部材と第２の電極部材の２つを少なくとも具備させる。ここで第１の電極部材は、平板状の導電性部材からなる。そして、２種類の領域の電極特性の違いによる第１の電極部材と第２の電極部材の間に電圧を印加したときの静電引力の違いによってアクチュエータは印加電圧に応じた回転力を受け、これによって電圧の印加の程度に応じてミラー部を回転させるようにしている。
【００２７】
このように請求項２記載の発明では、所定の間隔あるいは他の層を介して存在する第１の電極部材と第２の電極部材を用いて、印加電圧に応じてミラー部を回転させるＭＥＭＳ素子を構成するので、バルクマイクロマシニングの技術を使用してミラー部を比較的厚く形成することができ、歪み等が少ない高品質のＭＥＭＳ素子を作製することができる。しかもＭＥＭＳ素子を表面マイクロマシニングで作製する必要が必ずしもないのでミラー部の駆動についての設計の自由度を高めることが可能である。
【００３１】
請求項３記載の発明では、（イ）導電性を有する第１の厚さの平板を所定の回転軸に軸対称にその表面と垂直に切り抜いた形状とされ、表面が光の反射面となったミラー部と、前記した平板の一部として前記したミラー部と連続して切り抜いた形状とされ、このミラー部の少なくとも一方の端部から前記した回転軸に沿って軸対称な形状で所定長だけ帯状に伸び出した部位としてのアクチュエータと、前記した平板の一部として前記したミラー部ならびに前記したアクチュエータと連続して切り抜いた形状とされ、前記したアクチュエータの端部から前記した回転軸に沿って細幅な形状で伸び出し外力により回動自在となった部位としてのトーションスプリングとから構成される第１の電極部材と、この第１の電極部材を形成する前記した平板と所定の間隔を置いて対向配置され、全体として前記した第１の厚さよりも厚い第２の厚さの導電性の基板であって、前記したトーションスプリングが前記した外力によって回動する角度範囲で前記したミラー部の移動空間を確保すべくこのミラー部と対向する領域が前記した基板表面と垂直に少なくとも所定の深さだけ切除された形状に形成されていると共に、前記したアクチュエータと対向する面が前記した回転軸を境として２つの領域に分断されており、その一方の領域は、前記したトーションスプリングが前記した外力によって回動していない状態で前記した平板と前記した基板表面とが前記した所定の間隔を置いて対向配置される第１の電気特性領域を構成し、他方の領域では前記した基板表面の少なくとも一部が基板面と垂直方向に切除された第２の電気特性領域を構成している第２の電極部材とを備え、前記した第１の電極部材と前記した第２の電極部材の間に電圧が印加されたときに前記した第１の電気特性領域と前記した第２の電気特性領域による前記したアクチュエータに対する位置的に不均一な静電引力が前記したトーションスプリングに接続された前記したミラー部に前記した電圧の印加の程度に応じて回転する外力を与えるＭＥＭＳ素子と、（ロ）このＭＥＭＳ素子の第１の電極部材と第２の電極部材との間に電圧を印加する電源と、（ハ）この電源の電圧印加に応じて回転するミラー部を用いて光線の入出力を行う入出力手段とを光デバイスに具備させる。
【００３２】
すなわち請求項３記載の発明では、請求項１記載のＭＥＭＳ素子を、光減衰器、光スイッチ、光スキャナ等のミラー部の傾斜角を用いて光の減衰率の調整や光のオン・オフあるいは光の走査等に利用する光デバイスに応用し、光デバイス自体の設計の自由度を高めたり、高品質化を達成している。
【００３３】
請求項４記載の発明では、（イ）導電性を有する第１の厚さの平板を所定の回転軸に軸対称にその表面と垂直に切り抜いた形状とされ、表面が光の反射面となったミラー部と、前記した平板の一部として前記したミラー部と連続して切り抜いた形状とされ、このミラー部の少なくとも一方の端部から前記した回転軸に沿って軸対称な形状で所定長だけ帯状に伸び出した部位としてのアクチュエータと、前記した平板の一部として前記したミラー部ならびに前記したアクチュエータと連続して切り抜いた形状とされ、前記したアクチュエータの端部から前記した回転軸に沿って細幅な形状で伸び出し外力により回動自在となった部位としてのトーションスプリングとから構成される第１の電極部材と、この第１の電極部材を形成する前記した平板と所定の間隔を置いて対向配置され、全体として前記した第１の厚さよりも厚い第２の厚さの導電性の基板であって、前記したトーションスプリングが前記した外力によって回動する角度範囲で前記したミラー部の移動空間を確保すべくこのミラー部と対向する領域が前記した基板表面と垂直に少なくとも所定の深さだけ切除された形状に形成されていると共に、前記したアクチュエータと対向する面が前記した回転軸を境として２つの領域に分断されており、その一方の領域は、前記したトーションスプリングが前記した外力によって回動していない状態で前記した平板と前記した基板表面とが前記した所定の間隔を置いて対向配置される第１の電気特性領域を構成し、他方の領域では前記した基板表面が基板面と垂直方向に切除された第３の電気特性領域を構成している第２の電極部材とを備え、前記した第１の電極部材と前記した第２の電極部材の間に電圧が印加されたときに前記した第１の電気特性領域と前記した第３の電気特性領域による前記したアクチュエータに対する位置的に不均一な静電引力が前記したトーションスプリングに接続された前記したミラー部に前記した電圧の印加の程度に応じて回転する外力を与えるＭＥＭＳ素子と、（ロ）このＭＥＭＳ素子の第１の電極部材と第２の電極部材との間に電圧を印加する電源と、（ハ）この電源の電圧印加に応じて回転するミラー部を用いて光線の入出力を行う入出力手段とを光デバイスに具備させる。
【００３４】
すなわち請求項４記載の発明では、請求項２記載のＭＥＭＳ素子を、光減衰器、光スイッチ、光スキャナ等のミラー部の傾斜角を用いて光の減衰率の調整や光のオン・オフあるいは光の走査等に利用する光デバイスに応用し、光デバイス自体の設計の自由度を高めたり、高品質化を達成している。
【００３７】
【発明の実施の形態】
【００３８】
【実施例】
以下実施例につき本発明を詳細に説明する。
【００３９】
＜第１の実施例＞
【００４０】
図１は本発明の第１の実施例におけるＭＥＭＳ素子の要部を斜め上方から見たものである。このＭＥＭＳ素子２０１は、円盤状のミラー部２０２を備えている。このミラー部２０２は、円盤の中心部を上面と平行な方向に貫通する１本の回転軸２０３を中心として傾斜角度θで矢印２０４方向に回転するようになっている。ミラー部２０２は、この回転軸２０３の貫通した２方向に突出した第１および第２のアクチュエータ２０５、２０６を備えている。これら第１および第２のアクチュエータ２０５、２０６の延長上には、回転軸２０３が同じく中心部分を貫通した形で細い棒状の第１および第２のトーションスプリング２０７、２０８のそれぞれ一端が配置されており、これらの他端は第１および第２の固定部２０９、２１０に接続された構造となっている。ただし、ミラー部２０２、第１および第２のアクチュエータ２０５、２０６、第１および第２のトーションスプリング２０７、２０８ならびに第１および第２の固定部２０９、２１０は別々の部品が組み合わされているのではなく、上部電極層と呼ばれる１つの層を所定の処理によって加工したものである。第１および第２のアクチュエータ２０５、２０６にはエッチングホールと呼ばれる開口２１２が複数配置されている。また、ミラー部２０２には図示しないが必要に応じて金等の金属によって反射面が形成されている。
【００４１】
この図１で第１および第２のアクチュエータ２０５、２０６の右半分部分の下側には所定の間隔ｄをおいて、下部電極を兼ねたシリコン基板２１５が配置されている。ミラー部２０２の下側では、このミラー部２０２の円形形状よりもやや大きなサイズでシリコン基板２１５がその面とほぼ垂直方向にくり抜かれるように切除されており、円形開口部２１６を形成している。これは、回転軸２０３を中心としてミラー部２０２が矢印２０４方向に回転するとき、シリコン基板２１５の上面と接触するのを防止するためと、上部電極層と下部電極を兼ねたシリコン基板２１５の間に電源２１７によって電圧を印加したときミラー部２０２に静電的な力が直接及ぼされないようにするためである。
【００４２】
また、円形開口部２１６に連なって第１および第２のアクチュエータ２０５、２０６の図で左側の領域でもシリコン基板２１５がその面とほぼ垂直方向にくり抜かれるように切除されており、矩形開口部２１８を構成している。これに対して第１および第２のアクチュエータ２０５、２０６の図で右側の領域ではシリコン基板２１５は切除されていない。このように回転軸２０３を中心としてシリコン基板２１５が左右不均衡に存在することによって、電源２１７による電圧印加の大きさに応じて第１および第２のアクチュエータ２０５、２０６が左右異なった静電引力を受ける。この結果、印加電圧に応じてミラー部２０２は矢印２０４方向に回転する力を第１および第２のアクチュエータ２０５、２０６から伝達され、第１および第２のトーションスプリング２０７、２０８のこれに逆らう力と均衡する傾斜角にミラー面が設定されることになる。
【００４３】
すなわち、電圧が印加されていない状態におけるミラー部２０２のミラー面と直交する垂線２２１に対して入射角αで光ビーム２２２が入射したとすると、電源２１７の印加電圧が大きくなるに応じて傾斜角度θが角度αから次第に大きな値に変化することになる。このようにミラー部２０２の傾斜角度θを電源２１７による印加電圧によって任意に変化させることで、後に説明するようにＭＥＭＳ素子を光減衰器、光スイッチあるいは光スキャナ等の各種の光学部品あるいは光学装置に応用することができる。
【００４４】
なお、この図１では層構造を分りやすくするために、第１のアクチュエータ２０５の手前側（電源２１７を示している側）のシリコン基板２１５を適宜切除して図解している。
【００４５】
図２は、第１の実施例のＭＥＭＳ素子の平面構造を表わしたものである。また、図３は図２でＡ−Ａ方向にＭＥＭＳ素子を切断した場合の端面の構造を表わしたものである。図３に示すように第１の実施例ではミラー部２０２の上部に金（Ａｕ）やクロム（Ｃｒ）等の薄膜からなる反射層２３１が形成されている。また、ミラー部２０２の直下のシリコン基板２１５は図で下方からくり抜かれ、円形開口部２１６を形成している。なお、反射層２３１はミラー部２０２に限定せず、製造上のプロセス等によっては、たとえば第１および第２のアクチュエータ２０５、２０６の全部または一部にまで形成するようにしてもよい。
【００４６】
図４は、図２でＢ−Ｂ方向にＭＥＭＳ素子を切断した場合の端面の構造を表わしたものである。この図では図２における第２のアクチュエータ２０６を横断する形で切断している。第２のアクチュエータ２０６には、エッチングホールとしての開口２１２が上下に貫通している。この開口２１２は、第１のアクチュエータ２０５を構成する上部電極層とシリコン基板２１５の間にＭＥＭＳ素子のパターン作成処理前にこの部分に存在していた図示しない中間層活性層をエッチングによって除去する際のエッチング液の染み込みを促進させる役割を果たしている。また、上部電極層を構成する第１および第２のアクチュエータ２０５、２０６（図１および図２）が印加電圧に応じて傾斜する際に、スクイーズダンピングと呼ばれる空気の粘性抵抗を低減して高速動作を可能とする。
【００４７】
図５は、この第１の実施例のＭＥＭＳ素子をバルクマイクロマシニングによって製造するプロセスを示したものである。まず、同図（ａ）に示すようにシリコン基板２１５と中間層２４１および上部電極層２４２がそれぞれ所望の厚さとなった３層構造のウエハ２４３を用意する。ここでシリコン基板２１５と上部電極層２４２は共にシリコン（Ｓｉ）にボロン（Ｂ）やリン（Ｐ）等の不純物をドープして導体としたものである。中間層２４１はシリコン酸化膜（ＳｉＯ2）である。このうち、上部電極層２４２は、図１等で説明したミラー部２０２、第１および第２のアクチュエータ２０５、２０６、第１および第２のトーションスプリング２０７、２０８ならびに第１および第２の固定部２０９、２１０が形成される層である。中間層２４１は、図１に示した間隔ｄに対応する厚さとなっている。本実施例ではシリコン基板２１５の厚さは３００〜８００μｍ、中間層２４１の厚さは０．５〜５μｍ、上部電極層２４２の厚さは１０〜５０μｍのものを使用する。
【００４８】
次に、同図（ｂ）に示すようにフォトリソグラフィとエッチングによって上部電極層２４２のパターンを作成する。フォトリソグラフィとエッチングによるパターンの作成については、すでに図１６で説明したので、図示を省略する。この処理で図１等で説明したミラー部２０２、第１および第２のアクチュエータ２０５、２０６、第１および第２のトーションスプリング２０７、２０８、第１および第２の固定部２０９、２１０ならびに開口２１２が形成される。
【００４９】
次に、同図（ｃ）に示すようにシリコン基板２１５側からフォトリソグラフィとエッチングを行い、図１に示したミラー部２０２に対応する円形開口部２１６や、この図５には示していない矩形開口部２１８を作成する。このときには、必要に応じてウエハ２４３の表裏を反転させて処理を行うことになる。
【００５０】
最後に、同図（ｄ）に示すように中間層２４１を除去する。ただし、図１および図２に示した第１および第２の固定部２０９、２１０は中間層２４１と上部電極層２４２で構成されているので、エッチングの時間を調整することでこの部分の中間層２４１は残存する。
【００５１】
以上説明した第１の実施例ではＳＯＩを用いたバルクマイクロマシニングを使用してＭＥＭＳ素子２０１を製造したので、表面マイクロマシニングと比べて簡単な工程となり、コストダウンを図ることができる。しかもＳＯＩを用いた場合、構造体が結晶シリコンとなるため、ミラー等の光学部品を高い品質で製造することができる。
【００５２】
また、第１および第２のアクチュエータ２０５、２０６は第１および第２のトーションスプリング２０７、２０８に対して対称形となり、回転軸２０３の両側に開口２１２を均等に配置している。このため、回転軸２０３に対して質量のモーメントが対称形となり、第１および第２のトーションスプリング２０７、２０８が特定方向に余計に回転してねじ切れるのを効果的に防止することができる。更に第１および第２のアクチュエータ２０５、２０６のほぼ全面に開口２１２が配置されているので、エッチング液の染み込みを均一に行えると共に空気の粘性抵抗の低減も回転軸２０３を中心にバランスよく行うことができる。
【００５３】
＜第１の実施例の変形例＞
【００５４】
図６は以上説明した第１の実施例の変形例におけるＭＥＭＳ素子の平面構造を表わしたものであり、第１の実施例の図２に対応するものである。図２に示した第１の実施例では、ミラー部２０２の直下のシリコン基板２１５が円筒状に完全に切除されて円形開口部２１６を構成している。これに対して図６に示した変形例のＭＥＭＳ素子２０１Ａでは、ミラー部２０２の直下のシリコン基板２１５が２つの半月状開口部２５１、２５２となっており、これらの間にはシリコン基板２１５がそのまま残っていて両者を仕切る仕切板２５３を構成している。
【００５５】
図７は、第１の実施例の図３に対応するものであり、図６のＣ−Ｃ方向の切断面を表わしたものである。この変形例のＭＥＭＳ素子２０１Ａでは、Ｂ−Ｂ方向の切断面の構造は第１の実施例における図４と全く同一であるので、この部分の図示は省略する。図３における円形開口部２１６の代わりに仕切板２５３を境として２つの半月状開口部２５１、２５２が形成されている。
【００５６】
この変形例のＭＥＭＳ素子２０１Ａでは、仕切板２５３がミラー部２０２の中心よりも図で右側にずれている。したがって、ミラー部２０２を構成する上部電極層と仕切板２５３を構成する下部電極の上面との静電引力によってミラー部２０２は矢印２６１方向に回転する力を受けることになる。これは、第１および第２のアクチュエータ２０５、２０６とシリコン基板２１５の間における非対称な静電引力と同様である。すなわち、この変形例ではミラー部２０２でも静電引力による回転力を受けることになる。
【００５７】
この第１の実施例の変形例で示したように、ミラー部２０２を構成する上部電極層とシリコン基板２１５からなる下部電極の上下方向の重なりは、一部でもあればこれによる両者の吸引力でミラーの駆動力を発生させることができる。
【００５８】
＜第２の実施例＞
【００５９】
図８は、本発明の第２の実施例のＭＥＭＳ素子を表わしたものである。同図（ａ）はＭＥＭＳ素子の要部を上から見たものであり、同図（ｂ）はそのＤ−Ｄ方向の切断面を表わしたものである。このＭＥＭＳ素子３０１は、シリコン基板からなる支持基板としての下部電極３０２と、図示しない中間層と、上部電極３０３およびその上に蒸着等によって形成されたミラー層３０４から構成されている。ミラー層３０４を形成した上部電極３０３の部分は全体として細長い矩形となっており、その長手方向の中間点よりも図で左側に寄った位置に、上部電極３０３を回動させる回転軸３０６が配置されている。
【００６０】
この回転軸３０６に沿って、ミラー層３０４を形成した上部電極３０３の端面から第１および第２のトーションスプリング３０７、３０８が伸び出しており、これら第１および第２のトーションスプリング３０７、３０８は同じく上部電極３０３の一部を構成する第１および第２の固定部３０９、３１０に固定されている。
【００６１】
このように第２の実施例のＭＥＭＳ素子３０１は回転軸３０６を中心としてミラー層３０４を形成した上部電極３０３の部分が左右非対称な長さで配置されている。下部電極３０２と上部電極３０３の間に図示しない電源によって直流電圧を印加すると、図８（ｂ）に示すように矢印３１２で示す静電引力が働く。このとき、ミラー層３０４を形成した上部電極３０３の部分が左右非対称な長さとなっているために、この図では回転軸３０６の右側の部分の引力の総和が左側の部分の引力の総和よりも大きくなる。これにより、ミラー層３０４を形成した上部電極３０３の部分は矢印３１３で示すように時計回りに回転する力を与えられ、第１および第２のトーションスプリング３０７、３０８の剛性と印加電圧による静電引力の大きさとの釣り合いで決定される角度だけ回転することになる。
【００６２】
この第２の実施例のＭＥＭＳ素子３０１も第１の実施例のＭＥＭＳ素子２０１と同様にバルクマイクロマシニングで製造することができる。このため、その製造プロセスの説明は省略する。図１２では従来のバルクマイクロマシニングで製造したＭＥＭＳ素子１０１について説明した。この従来のＭＥＭＳ素子１０１と第２の実施例のＭＥＭＳ素子３０１を比較する。従来のＭＥＭＳ素子１０１の場合には、図１２に示したように、埋め込みの酸化膜からなる支持部１０３上に単結晶シリコンの上部電極１０４を配置し、支持部１０３の除去された片持梁構造で静電引力による上部電極１０４の撓みを利用してミラー１０５を傾斜させている。これに対して第２の実施例のＭＥＭＳ素子３０１は、回転軸３０６を中心としてミラー層３０４を形成した上部電極３０３の部分を静電引力によって回転させている。したがって、回転軸３０６の両側のミラー層３０４をミラーとして使用することができ、ミラーの相対的な面積を増大させることができる。また、第１および第２のトーションスプリング３０７、３０８によってミラー層３０４を形成した上部電極３０３の部分を回転させるので、ミラー面の平面性をより高精度に保つことができる。
【００６３】
＜第３の実施例＞
【００６４】
図９は、本発明の第３の実施例のＭＥＭＳ素子を表わしたものである。同図（ａ）はＭＥＭＳ素子の要部を上から見たものであり、同図（ｂ）はそのＥ−Ｅ方向の切断面を表わしたものである。このＭＥＭＳ素子４０１は、ダイヤフラム型をしており、シリコン基板からなる支持基板としての下部電極４０２と、図示しない中間層と、上部電極４０３およびその上に蒸着等によって形成されたミラー層４０４から構成されている。ミラー層３０４を形成した上部電極４０３の部分は全体として細長い矩形となっており、その長手方向の両端部から長手方向と直交する方向に上部電極４０３の一部を構成する細長い第１〜第４の支持棒４０５〜４０８が伸び出している。これら第１〜第４の支持棒４０５〜４０８は、それぞれ下部電極４０２上に図示しない中間層を介して配置された上部電極４０３の一部を構成する第１〜第４の固定部４１１〜４１４のうちの対応するものに固定されている。ミラー層４０４は同図（ａ）に示すように細長い矩形をした上部電極４０３の中央部分に配置されており、これとほぼ相似形でこれよりも大きなサイズの貫通孔４１５が下部電極４０２の中央部に設けられている。
【００６５】
第３の実施例のＭＥＭＳ素子４０１はこのような構造となっているので、上部電極４０３と下部電極４０２の間に図示しない電源によって所定の電圧を印加すると、図９（ｂ）に示すように矢印４１２で示す静電引力が働く。上部電極４０３はミラー層４０４をその中央部に配置しており、貫通孔４１５がその直下の中央部に配置されているので、この静電引力によって上部電極４０３は貫通孔４１５の方向に変位することになる。印加電圧によってこの変位量は変化する。したがって、この電圧印加によるミラー層４０４の微小な変位を、たとえば干渉現象における反射光の変化として検出することで、このＭＥＭＳ素子４０１を変位検出センサ等の各種デバイスとして使用することができる。
【００６６】
また、このミラー層４０４を水平方向に配置して、これに対して４５度の入射角で光ビームを入射させると、ミラー層４０４の上下方向の変位に応じて反射後の光ビームの進路が水平方向にシフトする。したがって、反射後の光ビームを光学レンズに入射して屈性させると、屈性後の光ビームが光軸に対してなす角度がミラー層４０４の変位に応じて変動することになり、これにより光ビームをスキャンさせることができる。
【００６７】
なお、この第３の実施例のＭＥＭＳ素子４０１も第１の実施例のＭＥＭＳ素子２０１と同様にバルクマイクロマシニングで製造できる。このため、その製造プロセスの説明は省略する。
【００６８】
＜第４の実施例＞
【００６９】
図１０は、本発明の第４の実施例として第１の実施例のＭＥＭＳ素子を光減衰器に応用した例を示したものである。この光減衰器５０１は、減衰を行う光を入射する第１の光ファイバ５０２と減衰後の光を射出する第２の光ファイバ５０３のそれぞれ端部近傍を収容するキャピラリ５０４を備えている。このキャピラリ５０４における第１および第２の光ファイバ５０２、５０３の端部側にはレンズホルダ５０５が接続されている。第１の光ファイバ５０２から射出された光は、このレンズホルダ５０５内を進行して非球面レンズ５０６に入射し、前方に配置されたＭＥＭＳ素子２０１のミラー部２０２に入射する。
【００７０】
このミラー部２０２と下部電極を兼ねたシリコン基板２１５の間には電圧制御部５０８から出力電圧が印加されるようになっている。この出力電圧は所定範囲で連続的にその値を変化させることができるようになっており、この電圧変化によってミラー部２０２の傾斜角が０度（水平）から所定の角度まで変化するようになっている。
【００７１】
電圧制御部５０８による印加電圧を連続的に変化させ、ミラー部２０２の傾斜角をこれに応じて変化させると、レンズホルダ５０５の非球面レンズ５０６から出射しミラー部２０２で反射された光は、非球面レンズ５０６に入射する量および入射角を連続的に変化させる。この結果、非球面レンズ５０６に戻った光のうちで第２の光ファイバ５０３に結合する光の量が連続的に変化することになる。したがって、光減衰器５０１は電圧制御部５０８の出力電圧に応じて光の減衰量を変化させることができる。
【００７２】
このような連続的な光の減衰制御の代わりに、電圧制御部５０８から電圧が２値のいずれかとなったオン・オフ制御信号を出力することで、たとえば第２の光ファイバ５０３に入射する光を第１の光ファイバ５０２から出射された光のほぼ１００パーセントの状態とほぼ０パーセントの状態に切り換えることができる。これにより、図１０に示したデバイスを光スイッチとして動作させることができる。
【００７３】
＜第５の実施例＞
【００７４】
図１１は、本発明の第５の実施例として第１の実施例のＭＥＭＳ素子を光スキャナに応用した例を示したものである。この光スキャナ５５１の一部を構成する光ファイバ５５２から射出された光は、コリメータレンズ５５３によって平行光にされて、図１あるいは図２に示したＭＥＭＳ素子２０１のミラー部２０２に入射する。このミラー部２０２と下部電極を兼ねたシリコン基板２１５の間には電圧制御部５５４から出力電圧が印加されるようになっている。この出力電圧はその値がサイン波状あるいは鋸歯状等種々の波形で周期的に変化するようになっており、これによるミラー部２０２の傾斜角の周期的な変化で反射光５５５が矢印５５６に示すように方向を周期的に変える。したがって、この反射光５５５を用いた光学的なスキャンが可能になる。
【００７５】
なお、第３の実施例のダイヤフラム型をしたＭＥＭＳ素子を用いてスキャナを構成することができることについては、すでに説明した。
【００７６】
以上、各実施例ではＭＥＭＳ素子をＳＯＩを用いたバルクマイクロマシニングで実現する例を説明したが、最終的に同一の構造のＭＥＭＳ素子を他の周知のプロセスで作成した物に対しても本発明を適用することができることは当然である。
【００７７】
【発明の効果】
以上説明したように請求項１または請求項２記載の発明によれば、所定の間隔を介して存在する第１の電極部材と第２の電極部材を用いて、印加電圧に応じてミラー部を回転させるＭＥＭＳ素子を構成するので、バルクマイクロマシニングの技術を使用してミラー部を比較的厚く形成することができ、歪み等が少ない高品質のＭＥＭＳ素子を安価に作成することができる。しかもＭＥＭＳ素子を表面マイクロマシニングで作成する必要が必ずしもないのでミラー部の駆動についての設計の自由度を高めることが可能である。
【００７９】
更に請求項３または請求項４記載の発明によれば、ＭＥＭＳ素子を、光減衰器、光スイッチ、光スキャナ等のミラー部の傾斜角を用いて光の減衰率の調整や光のオン・オフあるいは光の走査等に利用する光デバイスに応用し、光デバイス自体の設計の自由度を高めたり、高品質化を達成することができるだけでなくコストダウンも図ることができる。
【図面の簡単な説明】
【図１】本発明の第１の実施例におけるＭＥＭＳ素子の要部斜視図である。
【図２】第１の実施例のＭＥＭＳ素子の要部を上から見た平面図である。
【図３】図２でＭＥＭＳ素子の要部をＡ−Ａ方向に切断した端面図である。
【図４】図２でＭＥＭＳ素子の要部をＢ−Ｂ方向に切断した端面図である。
【図５】第１の実施例のＭＥＭＳ素子をバルクマイクロマシニングによって製造する一連のプロセスを示した説明図である。
【図６】第１の実施例の変形例におけるＭＥＭＳ素子の要部を上から見た平面図である。
【図７】図６でＭＥＭＳ素子の要部をＣ−Ｃ方向に切断した端面図である。
【図８】本発明の第２の実施例のＭＥＭＳ素子の平面および断面を示した図である。
【図９】本発明の第３の実施例のＭＥＭＳ素子の平面および断面を示した図である。
【図１０】本発明の第４の実施例として第１の実施例のＭＥＭＳ素子を光減衰器に応用した例を示した概略構成図である。
【図１１】本発明の第５の実施例として第１の実施例のＭＥＭＳ素子を光スキャナに応用した例を示した概略構成図である。
【図１２】従来ＳＯＩプロセスを使用して製造されたＭＥＭＳ素子の平面および断面を示した図である。
【図１３】表面マイクロマシニングにより従来製造されたＭＥＭＳ素子の平面および断面を示した図である。
【図１４】表面マイクロマシニングの技術を使用したＭＥＭＳ素子の製造プロセスをＬ−Ｌ方向の切断面について表わした説明図である。
【図１５】表面マイクロマシニングの技術を使用したＭＥＭＳ素子の製造プロセスをＭ−Ｍ方向の切断面について表わした説明図である。
【図１６】フォトリソグラフィとエッチングの一般的な工程を示した説明図である。
【符号の説明】
２０１、２０１Ａ、３０１、４０１ ＭＥＭＳ素子
２０２ ミラー部（上部電極）
２０５、２０６ アクチュエータ（上部電極）
２０７、２０８、３０７、３０８ トーションスプリング
２０９、２１０、３０９、３１０ 固定部
２１５ シリコン基板（下部電極）
２１６ 円形開口部
２１７ 電源
２１８ 矩形開口部
２５３ 仕切板（下部電極）
３０４、４０４ ミラー層
４０３ 上部電極
４０５〜４０８ 支持棒
４１５ 貫通孔
５０１ 光減衰器（光スイッチ）
５０８、５５４ 電圧制御部
５５１ 光スキャナ
Claims (4)
- 導電性を有する第１の厚さの平板を所定の回転軸に軸対称にその表面と垂直に切り抜いた形状とされ、表面が光の反射面となったミラー部と、前記平板の一部として前記ミラー部と連続して切り抜いた形状とされ、このミラー部の少なくとも一方の端部から前記回転軸に沿って軸対称な形状で所定長だけ帯状に伸び出した部位としてのアクチュエータと、前記平板の一部として前記ミラー部ならびに前記アクチュエータと連続して切り抜いた形状とされ、前記アクチュエータの端部から前記回転軸に沿って細幅な形状で伸び出し外力により回動自在となった部位としてのトーションスプリングとから構成される第１の電極部材と、
この第１の電極部材を形成する前記平板と所定の間隔を置いて対向配置され、全体として前記第１の厚さよりも厚い第２の厚さの導電性の基板であって、前記トーションスプリングが前記外力によって回動する角度範囲で前記ミラー部の移動空間を確保すべくこのミラー部と対向する領域が前記基板表面と垂直に少なくとも所定の深さだけ切除された形状に形成されていると共に、前記アクチュエータと対向する面が前記回転軸を境として２つの領域に分断されており、その一方の領域は、前記トーションスプリングが前記外力によって回動していない状態で前記平板と前記基板表面とが前記所定の間隔を置いて対向配置される第１の電気特性領域を構成し、他方の領域では前記基板表面の少なくとも一部が基板面と垂直方向に切除された第２の電気特性領域を構成している第２の電極部材
とを備え、
前記第１の電極部材と前記第２の電極部材の間に電圧が印加されたときに前記第１の電気特性領域と前記第２の電気特性領域による前記アクチュエータに対する位置的に不均一な静電引力が前記トーションスプリングに接続された前記ミラー部に前記電圧の印加の程度に応じて回転する外力を与える
ことを特徴とするＭＥＭＳ素子。 - 導電性を有する第１の厚さの平板を所定の回転軸に軸対称にその表面と垂直に切り抜いた形状とされ、表面が光の反射面となったミラー部と、前記平板の一部として前記ミラー部と連続して切り抜いた形状とされ、このミラー部の少なくとも一方の端部から前記回転軸に沿って軸対称な形状で所定長だけ帯状に伸び出した部位としてのアクチュエータと、前記平板の一部として前記ミラー部ならびに前記アクチュエータと連続して切り抜いた形状とされ、前記アクチュエータの端部から前記回転軸に沿って細幅な形状で伸び出し外力により回動自在となった部位としてのトーションスプリングとから構成される第１の電極部材と、
この第１の電極部材を形成する前記平板と所定の間隔を置いて対向配置され、全体として前記第１の厚さよりも厚い第２の厚さの導電性の基板であって、前記トーションスプリングが前記外力によって回動する角度範囲で前記ミラー部の移動空間を確保すべくこのミラー部と対向する領域が前記基板表面と垂直に少なくとも所定の深さだけ切除された形状に形成されていると共に、前記アクチュエータと対向する面が前記回転軸を境として２つの領域に分断されており、その一方の領域は、前記トーションスプリングが前記外力によって回動していない状態で前記平板と前記基板表面とが前記所定の間隔を置いて対向配置される第１の電気特性領域を構成し、他方の領域では前記基板表面が基板面と垂直方向に切除された第３の電気特性領域を構成している第２の電極部材
とを備え、
前記第１の電極部材と前記第２の電極部材の間に電圧が印加されたときに前記第１の電気特性領域と前記第３の電気特性領域による前記アクチュエータに対する位置的に不均一な静電引力が前記トーションスプリングに接続された前記ミラー部に前記電圧の印加の程度に応じて回転する外力を与える
ことを特徴とするＭＥＭＳ素子。 - 導電性を有する第１の厚さの平板を所定の回転軸に軸対称にその表面と垂直に切り抜いた形状とされ、表面が光の反射面となったミラー部と、前記平板の一部として前記ミラー部と連続して切り抜いた形状とされ、このミラー部の少なくとも一方の端部から前記回転軸に沿って軸対称な形状で所定長だけ帯状に伸び出した部位としてのアクチュエータと、前記平板の一部として前記ミラー部ならびに前記アクチュエータと連続して切り抜いた形状とされ、前記アクチュエータの端部から前記回転軸に沿って細幅な形状で伸び出し外力により回動自在となった部位としてのトーションスプリングとから構成される第１の電極部材と、この第１の電極部材を形成する前記平板と所定の間隔を置いて対向配置され、全体として前記第１の厚さよりも厚い第２の厚さの導電性の基板であって、前記トーションスプリングが前記外力によって回動する角度範囲で前記ミラー部の移動空間を確保すべくこのミラー部と対向する領域が前記基板表面と垂直に少なくとも所定の深さだけ切除された形状に形成されていると共に、前記アクチュエータと対向する面が前記回転軸を境として２つの領域に分断されており、その一方の領域は、前記トーションスプリングが前記外力によって回動していない状態で前記平板と前記基板表面とが前記所定の間隔を置いて対向配置される第１の電気特性領域を構成し、他方の領域では前記基板表面の少なくとも一部が基板面と垂直方向に切除された第２の電気特性領域を構成している第２の電極部材とを備え、前記第１の電極部材と前記第２の電極部材の間に電圧が印加されたときに前記第１の電気特性領域と前記第２の電気特性領域による前記アクチュエータに対する位置的に不均一な静電引力が前記トーションスプリングに接続された前記ミラー部に前記電圧の印加の程度に応じて回転する外力を与えるＭＥＭＳ素子と、
このＭＥＭＳ素子の前記第１の電極部材と第２の電極部材との間に電圧を印加する電源と、
この電源の電圧印加に応じて回転する前記ミラー部を用いて光線の入出力を行う入出力手段
とを具備することを特徴とする光デバイス。 - 導電性を有する第１の厚さの平板を所定の回転軸に軸対称にその表面と垂直に切り抜いた形状とされ、表面が光の反射面となったミラー部と、前記平板の一部として前記ミラー部と連続して切り抜いた形状とされ、このミラー部の少なくとも一方の端部から前記回転軸に沿って軸対称な形状で所定長だけ帯状に伸び出した部位としてのアクチュエータと、前記平板の一部として前記ミラー部ならびに前記アクチュエータと連続して切り抜いた形状とされ、前記アクチュエータの端部から前記回転軸に沿って細幅な形状で伸び出し外力により回動自在となった部位としてのトーションスプリングとから構成される第１の電極部材と、この第１の電極部材を形成する前記平板と所定の間隔を置いて対向配置され、全体として前記第１の厚さよりも厚い第２の厚さの導電性の基板であって、前記トーションスプリングが前記外力によって回動する角度範囲で前記ミラー部の移動空間を確保すべくこのミラー部と対向する領域が前記基板表面と垂直に少なくとも所定の深さだけ切除された形状に形成されていると共に、前記アクチュエータと対向する面が前記回転軸を境として２つの領域に分断されており、その一方の領域は、前記トーションスプリングが前記外力によって回動していない状態で前記平板と前記基板表面とが前記所定の間隔を置いて対向配置される第１の電気特性領域を構成し、他方の領域では前記基板表面が基板面と垂直方向に切除された第３の電気特性領域を構成している第２の電極部材とを備え、前記第１の電極部材と前記第２の電極部材の間に電圧が印加されたときに前記第１の電気特性領域と前記第３の電気特性領域による前記アクチュエータに対する位置的に不均一な静電引力が前記トーションスプリングに接続された前記ミラー部に前記電圧の印加の程度に応じて回転する外力を与えるＭＥＭＳ素子と、
このＭＥＭＳ素子の前記第１の電極部材と第２の電極部材との間に電圧を印加する電源と、
この電源の電圧印加に応じて回転する前記ミラー部を用いて光線の入出力を行う入出力手段
とを具備することを特徴とする光デバイス。
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