JP6040253B2 - 3d湾曲光素子を含む集積化されたモノリシック光ベンチ、及びその作製方法 - Google Patents
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Description
本発明は、概して光ベンチシステムに関し、特に、基板上に微細加工されたモノリシック光ベンチシステムの製作に関する。
本米国実用特許出願は、以下に示す米国仮特許出願について、米国特許法35USC§119(e)による優先権を主張するものである。当該米国仮特許出願は、参照によりその全体が本明細書に組み込まれ、あらゆる目的に関し本米国実用特許出願の一部を構成する。
1.米国仮出願番号61/549,353、発明の名称「3D湾曲光素子を含む集積化されたモノリシック光ベンチ、及びその作製方法」(代理人整理番号第BASS01−00012)、2011年10月20日出願、係属中。
微小電気機械システム(MEMS、Micro Electro-Mechanical Systems)とは、微細加工技術(microfabrication technology)を用いて共通のシリコン基板上に作製された機械要素、センサ、アクチュエータ、及び電気回路の集積をいう。例えば、マイクロエレクトロニクス(微細電子回路)は、通常、集積回路(IC、integrated circuit)プロセスを用いて作製されるが、微小電気機械素子(micromechanical components)は、これと同等な微細加工プロセス(複数)(micromachining processes)を用いて作製される。これらの微細加工プロセスでは、シリコンウェハを部分的にエッチング除去したり、機械素子及び電気機械素子を形成するための複数の新たな構成層(structural layers)の付加が行われて、機械要素(mechanical components)や電気機械要素(electromechanical components)が形成される。MEMSデバイスは、安価で、バッチ生産が可能であり、標準的なマイクロエレクトロニクスとの親和性(compatibility)を有することから、分光測定(spectroscopy)、形状測定(profilometry)、環境センシング(environmental sensing)、屈折率測定(又は材料認識(material recognition))、及びその他のセンサ応用の用途において魅力的な候補である。また、MEMSデバイスは形状が小さいことから、携帯可能な可搬型のデバイスにそれらMEMSデバイスを容易に組み込むことができる。
本発明の実施形態は、基板と、当該基板にエッチングされた3次元湾曲光素子とを含むモノリシック光ベンチのような光システムであって、当該光システムの光軸が上記基板内にあって当該基板の平面に対し平行である光システムを提供する。一の実施形態では、さらに、可動光素子が基板内にエッチングされ、当該可動光素子に微小電気機械システム(MEMS、Micro-Electro-Mechanical Systems)アクチュエータが結合される。
本発明は、下記の添付図面に関連して示された以下の詳細な説明を参照することにより、より完全に理解され得る:
本発明の実施形態に従い、一つ又は複数の3次元(3D)湾曲光素子を含む集積されたモノリシック光ベンチシステムなどの光システムは、基板又はSOIウェハ(以下では、これらを総称して「基板」という)上に微細加工され得る。光システムは、さらに、一つ又は複数の平坦素子と、一つ又は複数の微細電気機械システム(MEMS)アクチュエータと、を含むものとすることができる。3次元湾曲光素子は、反射構成又は屈折構成の、単一湾曲型(singly-curved)の光素子又は面内方向及び面外方向に二重湾曲(doubly-curved)した光素子とすることができる。さらに、本発明の実施形態は、基板面及び基板に対し垂直な面の双方において制御された曲率を持つ3次元湾曲光素子を作製するための手法を提供する。結果として、本光システムは、基板に平行に伝搬する面内光ビームを、3D集光、コリメーション、及びビーム変換(beam transformation)機能により操作することができる。また、本光システムの特徴サイズ(feature size)は、数ミクロンから数百ミクロンの範囲とすることができ、このため、本光システムは、光ファイバ、LED、及び半導体レーザとの親和性が良い。このような光システムは、自由空間伝搬損失及び結合損失が大きな意味を持つ種々の用途において、大きな性能向上をもたらす。これらの用途には、干渉計、分光計、チューナブル光キャビティ、ファイバカプラ、光スイッチ、可変光ビーム成形器、光マイクロスキャナ、可変光減衰器、チューナブルレーザ、並びに、センサ分野及び通信分野の双方におけるその他の多くの用途が含まれる。
一方、凹面形状の場合は、横方向エッチング深さは次式で与えられる:
Claims (34)
- 光システムであって、
基板と、
前記基板をエッチングすることにより当該基板内に形成された、第1の光ビームを受けるよう光学的に結合され且つ第2の光ビームを生成するよう動作可能な3次元湾曲光素子と、
を備え、
前記第1の光ビームの光軸、前記3次元湾曲光素子の中心軸、及び前記第2の光ビームの光軸は、前記エッチングを行う前の前記基板の表面位置より下に存在し、且つ前記基板の平面に対し平行である、
光システム。 - 前記基板にエッチングされた可動光素子と、
前記可動光素子に結合された微細電気機械システム(MEMS)アクチュエータと、
を更に備える、
請求項1に記載の光システム。 - 3次元湾曲光素子は、前記可動光素子である、
請求項2に記載の光システム。 - 前記MEMSアクチュエータは、前記3次元湾曲光素子が、前記基板に関し面内に移動して当該基板の平面に平行に伝搬する光ビームの伝搬距離を調整し、又は前記基板に関し面外に移動して前記中心軸の位置を調整するよう構成され得るように、当該3次元湾曲光素子と結合されている、
請求項3に記載の光システム。 - 前記MEMSアクチュエータは、静電櫛歯形アクチュエータである、
請求項2に記載の光システム。 - 前記基板をエッチングすることにより当該基板内に形成された平坦素子であって、前記基板の平面に対し垂直な平坦面を備える平坦素子を更に備える、
請求項2に記載の光システム。 - 前記平坦素子は、光素子、電気素子、又は機械素子である、
請求項6に記載の光システム。 - 前記平坦素子及び前記3次元湾曲光素子の少なくとも一方が可動光素子である、
請求項6に記載の光システム。 - 前記3次元湾曲光素子は、球面ミラー、又は球面レンズ若しくは楕円レンズの一方である、
請求項1に記載の光システム。 - 前記3次元湾曲光素子は、凹形プロファイル又は凸形プロファイルを持つ、
請求項1に記載の光システム。 - 前記基板は、ハンドル層と、デバイス層と、前記ハンドル層と前記デバイス層の間の犠牲層と、を備える、
請求項1に記載の光システム。 - 前記3次元湾曲光素子の中心軸と一致するように調整された光ファイバを更に備える、
請求項1に記載の光システム。 - 前記3次元湾曲光素子の中心軸と一致するように調整された光源を更に備え、
前記3次元湾曲光素子と前記光源とは、全体としてレンズ付きファイバとして機能する、
請求項1に記載の光システム。 - 前記3次元湾曲光素子は、屈折光素子であり、
前記3次元湾曲光素子の中心軸と一致するように調整された光源と、
外部環境及び前記光源から前記光ベンチシステムが隔離されるように、前記光ベンチシステムを封止するキャッピング層と、
を更に備える、
請求項1に記載の光システム。 - 前記光システムは、集積されたモノリシック光ベンチシステムである、
請求項1に記載の光システム。 - モノリシック光ベンチを作製する方法であって、
基板を準備するステップと、
前記基板をエッチングすることにより3次元湾曲光素子を前記基板内に形成するステップであって、前記3次元湾曲光素子の中心軸と、前記3次元湾曲光素子に入射し及び生成されるそれぞれの光ビームの光軸とが、前記エッチングを行う前の前記基板の表面位置より下に存在し且つ前記基板の平面に対し平行となるように、前記3次元湾曲光素子を形成するステップと、
を備える、
方法。 - 前記3次元湾曲光素子をエッチングするステップは、さらに、描画マスクとリソグラフィ手法から生成される面内の湾曲形状と、多段階エッチング手法から生成される面外の湾曲形状とを組み合わせることを含む、
請求項16に記載の方法。 - 前記基板は、ハンドル層と、デバイス層と、前記ハンドル層と前記デバイス層の間の犠牲層と、を備え、
前記3次元湾曲光素子をエッチングするステップは、さらに、前記デバイス層及び前記ハンドル層の一方における複数の時間制御されたエッチングステップを用いることを含み、
前記複数の時間制御されたエッチングステップは、少なくとも一つの異方性エッチングステップと、少なくとも一つの表面保護ステップと、少なくとも一つの等方性エッチングステップと、を含み、
前記複数の時間制御されたエッチングステップのそれぞれの、それぞれ対応するエッチング深さは、前記3次元湾曲光素子についての目標とする湾曲プロファイルに関連している、
請求項16に記載の方法。 - 前記3次元湾曲光素子をエッチングするステップは、さらに、前記等方性エッチングステップの際に異方性エッチング要素を付加することを含む、
請求項18に記載の方法。 - 前記3次元湾曲光素子の曲率半径は、少なくとも部分的には、マスク開口のサイズとエッチングパラメータとに基づいている、
請求項18に記載の方法。 - 前記基板は、ハンドル層と、デバイス層と、前記ハンドル層と前記デバイス層の間の犠牲層と、を備え、
前記3次元湾曲光素子をエッチングするステップは、さらに、前記デバイス層及び前記ハンドル層の一方における複数の時間制御されたエッチングステップを用いることを含み、
前記複数の時間制御されたエッチングステップは、少なくとも二つの等方性エッチングステップと、少なくとも一つの表面保護ステップと、を含み、
前記複数の時間制御されたエッチングステップのそれぞれの、それぞれ対応するエッチング深さは、前記3次元湾曲光素子についての目標とする湾曲プロファイルに関連している、
請求項16に記載の方法。 - 前記3次元湾曲光素子は、第1のエッチングマスクを用いて作製され、
第2のエッチングマスクを用いて、前記基板の平面に対し垂直な平坦面を備える平坦素子を作製するステップを、更に含み、
前記3次元湾曲光素子は、前記平坦素子の作製中においては、前記第2のエッチングマスク下の陰領域内で保護される、
請求項16に記載の方法。 - 前記犠牲層は、前記3次元湾曲光素子の作製後の前記第2のエッチングマスクを用いた異方性エッチングによる前記平坦素子の作製を可能とする、エッチストップ層である、
請求項22に記載の方法。 - 前記3次元湾曲光素子をエッチングするステップは、前記第2のエッチングマスクを用いた前記平坦素子の作製時に除去されることとなるダミー壁を生成する、
請求項22に記載の方法。 - 前記基板は、ハンドル層と、デバイス層と、前記ハンドル層と前記デバイス層の間の犠牲層と、を備え、
前記3次元湾曲光素子は前記ハンドル層内に作製され、前記平坦素子は前記デバイス層内に作製される、
請求項22に記載の方法。 - 前記3次元湾曲光素子をエッチングするステップは、さらに、前記3次元光素子のエッチングされた湾曲面を後処理することを含む、
請求項16に記載の方法。 - 前記後処理することには、単層コーティング、多層コーティング、表面平滑化、及び酸化のうちの少なくとも一つが含まれる、
請求項26に記載の方法。 - 前記3次元湾曲光素子の中心軸と一致するように調整された光源を支持するための溝部を前記基板にエッチングするステップを更に備える、
請求項16に記載の方法。 - 前記基板は、ハンドル層と、デバイス層と、前記ハンドル層と前記デバイス層の間の犠牲層と、を備え、
前記溝部をエッチングするステップは、さらに、前記ハンドル層及び前記デバイス層の両者をエッチングすることにより前記溝部を作製することを含む、
請求項28に記載の方法。 - 前記溝部は、前記3次元湾曲光素子の作製の際に作製される3次元ファイバ溝である、
請求項28に記載の方法。 - 前記基板は、ハンドル層と、デバイス層と、前記ハンドル層と前記デバイス層の間の犠牲層と、を備え、
前記3次元湾曲光素子をエッチングするステップは、さらに、100マイクロメータ未満のマスク開口を介した前記デバイス層及び前記ハンドル層の一方におけるエッチングを行う異方性エッチングステップの際にエッチングパラメータを連続的に変更することにより、前記3次元湾曲光システムの凹形面を作製することを含む、
請求項16に記載の方法。 - 前記3次元湾曲光素子の曲率半径は、前記マスク開口のサイズと前記エッチングパラメータとに基づいている、
請求項31に記載の方法。 - 前記凹形面のための前記マスク開口よりも大きなサイズの付加的なマスク開口を介した前記異方性エッチングステップの際に平坦面を作製するステップ、を更に備える、
請求項31に記載の方法。 - 前記基板は、ハンドル層と、デバイス層と、前記ハンドル層と前記デバイス層の間の犠牲層と、を備え、
前記デバイス層は、第1のデバイス層と第2のデバイス層とを含み、
前記犠牲層は、第1の犠牲層と第2の犠牲層を含み、
前記第1の犠牲層は、前記第1のデバイス層及び前記第2のデバイス層と分離しており、
前記第2の犠牲層は、前記第2のデバイス層と隣接して形成されており、
前記3次元湾曲光素子をエッチングするステップは、さらに、前記第1のデバイス層を異方性エッチングすることと、前記第1のデバイス層及び前記第2のデバイス層を等方性エッチングすることと、を含み、
前記光軸は、前記第1の犠牲層により定まる、
請求項16に記載の方法。
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