JP2008233405A - Variable curvature mirror device and manufacturing method thereof - Google Patents
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Abstract
Description
本発明は、ミラー部材における所要部の曲率を変更することにより可視光線、レーザー光、紫外線、赤外線等の放射エネルギーを収束、拡散、反射、可変焦点等を達成することができる可変曲率ミラーデバイス及びその製造方法に関する。 The present invention relates to a variable curvature mirror device capable of converging, diffusing, reflecting, and changing a focus of radiation energy such as visible light, laser light, ultraviolet light, and infrared light by changing the curvature of a required portion in a mirror member, and It relates to the manufacturing method.
各種カメラ、光学的記録・再生装置、自動合焦装置、測距装置、その他各種光学装置類における可変焦点機構の構成要素として、所定制御信号に応じて焦点を任意に変更することができる可変曲率ミラーデバイスがあれば都合が良い。従来の各種光学装置にあっては、適宜順序および位置に配設されたレンズ、反射ミラー、プリズム、絞り機構等を目的に応じて所要素子の配列、組合せ順序、回転変位機構等の組合せにより、自動または手動により合焦(ピント合わせ)、集光、拡散等の機能を達成してきた。このような光学装置類も使用者が直接使用するカメラやビデオカメラ等の場合はもとより、各種装置類に組み込まれる様な用途にあっては小形軽量で自動操作が必要となることが多い。かかる自動操作にあたっては可能な限り少ない部品点数により構成され、かつ迅速かつ正確な応答動作が要求される。 Variable curvature that can arbitrarily change the focus according to a predetermined control signal as a component of the variable focus mechanism in various cameras, optical recording / reproducing devices, automatic focusing devices, ranging devices, and other various optical devices A mirror device is convenient. In various conventional optical devices, lenses, reflecting mirrors, prisms, diaphragm mechanisms, etc., which are arranged in the appropriate order and position, depending on the purpose, the arrangement of required elements, the combination order, the combination of rotational displacement mechanisms, etc. Functions such as focusing (focusing), focusing, and diffusion have been achieved automatically or manually. Such optical devices are often small and lightweight and require automatic operation in applications such as cameras and video cameras directly used by the user, as well as applications incorporated into various devices. Such an automatic operation is required to have a quick and accurate response operation with as few parts as possible.
用途や目的に応じて焦点を変えることが可能な可変焦点ミラーとして、特許文献1は、可撓性素材からなる薄膜ダイヤフラムに対向する電極を設け、この対向電極に電圧を印加した際に作用する静電吸引力を利用することにより、薄膜ダイヤフラム面の曲率を変更することを開示している。ここで、可変焦点を達成するための駆動力はクーロン力であるからその大きさは距離の2乗に反比例する。したがって、初期状態から撓みの進行に応じて作用力が非線形的に変化し、可変焦点の微細な制御が難しくなることが予想される。また、電極とミラーとの距離がミラーの各場所により異なるため各場所に働く力が均一ではなく、球面への変形が困難であると予想される。特許文献2は、表面に反射ミラー面を設けた可撓性部材を、所要凹部の設けられた基板上に配設し、所要凹部表面に静電気を印加して、可撓性部材を静電吸引力により吸着して基板上の所要形状に沿った形状とすることにより、反射ミラー面の形状を変えようとするもので、文献1と同様の問題点が生ずる可能性がある。
As a variable focus mirror that can change the focus according to the application and purpose,
特許文献3は、表面に反射面を形成した可撓性部材を所要形状の凹部を設けた円柱状基板の表面に貼り付け、上記凹部の下面に設けられた吸引小穴から減圧することにより、可撓性部材を上記凹部に沿った形状に吸引し、結果的に変形可能なミラー面が得られることを開示している。このような構造では可撓性部材の鏡面は所要形状の凹部の形状に吸引された状態でのみ安定するため、任意の曲率を達成することは困難である。さらに、特許文献2、3における可撓性素材のダイヤフラムの表面には反射膜としての金属層が蒸着されているが、かかるダイヤフラム膜はその耐久性などの点で問題がある。
In
特許文献4は、基板に支持されて曲率の変化する薄膜を備え、この薄膜に付着されて曲率変化に伴って曲率の変化する反射面を有する可変焦点ミラーを開示している。そして上記曲率を変化させる原理として、電位差を付与することによる静電力、磁性体とコイルとの組み合わせによって得られる電磁力、永久磁石とコイルとによる電磁力、圧電体と電源とを組み合わせ、電圧印加時の圧電体変化を利用することができる旨開示している。さらに、反射面の周囲を包囲するように2種類の熱膨張手段を積層した円環状の熱膨張体二重層を形成し、各層形成物質の熱膨張係数の違いに基づく撓み量の変化によって円環状の熱膨張体を変形させることを開示している。ここでは、円環状熱膨張体の変形を原因として、包囲されている反射面に作用し、受動的な(間接的な)曲率変化がもたらされるとしている。また、静電力、電磁力を用いる場合には外部駆動体を必要とするため、構造が複雑かつ大きくなる。また、特許文献5は、薄膜に反射面が形成されたミラー部を1またはそれ以上の永久磁石ならびにコイルにより得られる電磁力を利用する可変焦点ミラーを開示している。これら先行文献にかかる、静電力、電磁力等、いずれも距離の2乗に反比例する駆動力を前提とする可変焦点ミラーは、極めて高い精度が要求される用途にあっては高精密制御が難しい短所がある。
本発明は、正確な曲率可変制御が期待できる可変曲率ミラーデバイス及びその製造方法を提供することを課題とし、特にマイクロマシン技術(Micro Electromechanical Systems:以下「MEMS」と略称する)、もしくはこれに準じた微細加工技術によって得られる小形かつ正確な可変曲率ミラーデバイスおよびその製造方法を提供することを課題とする。 It is an object of the present invention to provide a variable curvature mirror device that can be expected to perform accurate variable curvature control and a method for manufacturing the same, and in particular, micromachine technology (hereinafter, abbreviated as “MEMS”) or the like. It is an object of the present invention to provide a small and accurate variable curvature mirror device obtained by a microfabrication technique and a manufacturing method thereof.
請求項1に記載の発明は、基材薄板と、該基材薄板とは異なる熱膨張係数を有する素材を前記基材薄板表面に被着せしめたミラー金属薄膜と、前記基材薄板の内部または表面に形成された加熱素子とから成り、該加熱素子による温度変化に伴って前記ミラー金属薄膜の表面に任意の曲率変化がもたらされる、可変曲率ミラーデバイスであることを特徴とする。
The invention according to
請求項2に記載の発明は、前記基材薄板と前記ミラー金属薄膜との間に、絶縁用薄膜が前記両者に密着するように介在せしめられた、可変曲率ミラーデバイスであることを特徴とする。請求項3に記載の発明は、前記加熱素子が、前記ミラー金属薄膜部分に直接接触することなく外方から包囲するように前記基材薄板上に形成された、可変曲率ミラーデバイスであることを特徴とする。
The invention according to
請求項4に記載の発明は、前記ミラー金属薄膜が円形、楕円形、方形状または多角形状のいずれかであって、該ミラー金属薄膜の周囲を取り囲むように前記加熱素子が形成されたダイヤフラム構造形である、可変曲率ミラーデバイスであることを特徴とする。
The invention according to
請求項5に記載の発明は、前記加熱素子の外側を包囲するスリットであって、前記ミラー金属薄膜を含むデバイス主要部とデバイス外枠部とを連繋する少なくとも1箇所の梁部分を除き熱的に分離するとともに前記ミラー金属薄膜部分の曲率変化を助長するためのスリットを配設した梁構造形である、可変曲率ミラーデバイスであることを特徴とする。
The invention according to
請求項6に記載の発明は、前記デバイス主要部とデバイス外枠部とを連繋する前記梁部分が2箇所またはそれ以上形成されることにより、前記デバイス主要部における曲率変化時における平衡性を向上させた、可変曲率ミラーデバイスであることを特徴とする。請求項7に記載の発明は、前記加熱素子が前記ミラー金属薄膜と同質の金属薄膜抵抗体として形成される、可変曲率ミラーデバイスであることを特徴とする。
The invention according to
請求項8に記載の発明は、前記加熱素子が前記ミラー金属薄膜と異質の金属を被着せしめた金属薄膜抵抗体である、可変曲率ミラーデバイスであることを特徴とする。請求項9に記載の発明は、前記基材薄板が珪素から構成され、前記加熱素子が前記珪素の層中に形成された不純物拡散層からなる拡散層抵抗体である、可変曲率ミラーデバイスであることを特徴とする。
The invention according to
請求項10に記載の発明は、前記ミラー金属薄膜が、非加熱の初期状態で凸面、凹面または平面のいずれかに選定される、可変曲率ミラーデバイスであることを特徴とする。請求項11に記載の発明は、前記基材薄板上の適宜部位に測温センサまたは曲率検出センサの少なくとも一方を被着せしめた、可変曲率ミラーデバイスであることを特徴とする。
The invention according to
請求項12に記載の発明は、基材薄板として珪素薄板を選択し、該珪素薄板上に形成される前記絶縁用薄膜として二酸化珪素(SiO2)膜、窒化珪素(Si3N4)膜、酸窒化珪素(SiON膜)またはこれらと同等の特性を有する薄膜を形成し、ミラー金属薄膜として金(Au)、アルミニウム(Al)、銀(Ag)またはこれらと他金属との合金のいずれかから選択されたミラー金属薄膜を形成し、該ミラー金属薄膜領域を外方から包囲するように加熱素子を形成せしめる、可変曲率ミラーデバイスの製造方法であることを特徴とする。 The invention according to claim 12 selects a silicon thin plate as a substrate thin plate, and a silicon dioxide (SiO 2 ) film, a silicon nitride (Si 3 N 4 ) film as the insulating thin film formed on the silicon thin plate, A silicon oxynitride (SiON film) or a thin film having characteristics equivalent to these is formed, and the mirror metal thin film is made of either gold (Au), aluminum (Al), silver (Ag), or an alloy of these with another metal. It is a method for manufacturing a variable curvature mirror device in which a selected mirror metal thin film is formed and a heating element is formed so as to surround the mirror metal thin film region from the outside.
請求項13に記載の発明は、前記加熱素子が、基材薄板の所望部位に不純物を拡散せしめた拡散層加熱体である、可変曲率ミラーデバイスの製造方法であることを特徴とする。 A thirteenth aspect of the present invention is a method of manufacturing a variable curvature mirror device, wherein the heating element is a diffusion layer heating body in which impurities are diffused in a desired portion of a base material thin plate.
請求項14に記載の発明は、前記加熱素子が、基材薄板の所望部位に選択された発熱特性を有する金属層を被着せしめた金属層加熱体である、可変曲率ミラーデバイスの製造方法であることを特徴とする。
The invention according to
請求項15に記載の発明は、(1)単結晶シリコン板を出発原料として用い、表面に熱酸化処理またはCVD等の適宜成膜法により絶縁用薄膜を形成し;(2)該絶縁用薄膜を所望パターンに加工し、次いで該単結晶シリコン板の不要部分をエッチングすることにより基材薄膜を形成し;(3)前工程により形成された前記絶縁用薄膜上の所望領域に蒸着成膜法、スパッタ成膜法、CVD成膜法などの適宜成膜手段を採用してミラー金属薄膜ならびに加熱素子を形成する、可変曲率ミラーデバイスの製造方法であることを特徴とする。
The invention according to
請求項16に記載の発明は、前記(2)工程におけるエッチング処理が、アルカリ性溶液による結晶異方性エッチング、フッ酸および硝酸系溶液による等方性エッチング等によるウェットエッチングである、可変曲率ミラーデバイスの製造方法であることを特徴とする。請求項17に記載の発明は、前記(2)工程におけるエッチング処理が、反応性イオンエッチング(RIE)等によるドライエッチングである、可変曲率ミラーデバイスの製造方法であることを特徴とする。
The invention according to
請求項18に記載の発明は、前記(3)工程における成膜手法による加熱素子の形成に代えて、前記基材薄板に対する不純物拡散処理によって得られる不純物拡散層として形成される、可変曲率ミラーデバイスの製造方法であることを特徴とする。 The invention according to claim 18 is a variable curvature mirror device, which is formed as an impurity diffusion layer obtained by an impurity diffusion process on the substrate thin plate, instead of forming the heating element by the film forming method in the step (3). It is the manufacturing method of this.
請求項19に記載の発明は、前記基材薄板を形成する出発原料として、両面が鏡面となるように研磨された単結晶シリコン板を選択する、可変曲率ミラーデバイスの製造方法であることを特徴とする。請求項20に記載の発明は、記基材薄板を形成する出発原料として、表面から一定の深さにシリコン酸化膜が形成されたSOI(Silicon on Insulator)素材を選択する、可変曲率ミラーデバイスの製造方法であることを特徴とする。
The invention according to claim 19 is a method of manufacturing a variable curvature mirror device, wherein a single crystal silicon plate polished so that both surfaces thereof become mirror surfaces is selected as a starting material for forming the substrate thin plate. And The invention according to
請求項21に記載の発明は、前記ミラー金属薄膜を形成する前記基材薄板の裏面に密封空間を形成し、前記基材薄板全体を調整された加圧雰囲気下または減圧雰囲気下において前記ミラー金属膜の形成を行なうことにより、非加熱の初期状態で凸面または凹面のいずれかに形成し、かつ雰囲気圧力を調整することにより初期曲率の調整が行われる、可変曲率ミラーデバイスの製造方法であることを特徴とする。
The invention according to
本発明により特定された構成として得られる可変曲率ミラーデバイスは、各種半導体回路素子の製法技術、MEMS技術等に属する各手法等を選択的に採用することにより、珪素板(シリコンウェハ)、SOIウェハ等の基材薄板上に、この基材薄板とは熱膨張係数の異なる金、アルミ、銀またはこれらと他金属との合金等の金属材料により直径または差し渡しが数mm〜10数mmの円形、楕円形、四辺形、多角形等適宜形状のミラー金属薄膜を形成したものである。そして、この基材薄板および熱膨張係数の異なるミラー金属薄膜の双方に対して同時に温度変化を与える加熱素子を作動させることにより、前記ミラー金属薄膜の曲率が任意に変化することになる。 The variable curvature mirror device obtained as a configuration specified by the present invention is a silicon plate (silicon wafer), SOI wafer by selectively adopting each method belonging to the manufacturing technology of various semiconductor circuit elements, MEMS technology, etc. On a base material sheet such as gold, aluminum, silver or a metal material such as an alloy of these and other metals having a different thermal expansion coefficient from that of the base material sheet, a circular shape having a diameter or span of several millimeters to several tens of millimeters, A mirror metal thin film having an appropriate shape such as an ellipse, a quadrangle, or a polygon is formed. And the curvature of the said mirror metal thin film changes arbitrarily by operating the heating element which gives a temperature change simultaneously to both this base-material thin plate and the mirror metal thin film from which a thermal expansion coefficient differs.
この際の曲率変化は、接合された複数部材の熱膨張係数の差異に起因する、いわばバイメタルの原理による曲率変化現象を利用するものである。この曲率変化現象は構成素材自体に固有の熱膨張現象に起因するものであり、したがって直接駆動型の可変曲率ミラーデバイスである。この場合の曲率変化の状態は、基材薄板およびミラー金属薄膜に対する加熱状態によって正確に制御可能であり、全体を平等に加熱すれば略球面状となり、部分的に温度ムラを形成することにより所望の非球面形状とすることも可能である。 The curvature change at this time uses a so-called curvature change phenomenon based on the bimetal principle, which is caused by a difference in thermal expansion coefficients of a plurality of joined members. This curvature change phenomenon is caused by a thermal expansion phenomenon inherent to the constituent material itself, and is therefore a direct drive type variable curvature mirror device. The state of curvature change in this case can be accurately controlled by the heating state of the base material thin plate and the mirror metal thin film. When the whole is heated evenly, it becomes a substantially spherical shape, and is desired by partially forming temperature unevenness. It is also possible to have an aspherical shape.
そのため、従来技術として広く採用されていたような、ミラーデバイス自体の周縁に配設された付加手段によって発生せしめられる静電力、電磁力、圧電力、アクチュエータによる機械力等を利用する、間接駆動型素子とは異なり、極めて高い再現性をもって曲率変化が制御できる可変曲率ミラーデバイスが得られる。かかる可変曲率ミラーデバイスは、小形のミラーデバイスでありながら、例えば集光、合焦、測距、反射等の各種光学分野における可変焦点ミラーその他高精度の光学素子としての利用が可能である。 Therefore, an indirect drive type that utilizes electrostatic force, electromagnetic force, piezoelectric power, mechanical force by an actuator, etc. generated by additional means arranged at the periphery of the mirror device itself, which has been widely adopted as the prior art. Unlike the element, a variable curvature mirror device can be obtained in which the change in curvature can be controlled with extremely high reproducibility. Although such a variable curvature mirror device is a small mirror device, it can be used as a variable focus mirror and other high-precision optical elements in various optical fields such as condensing, focusing, ranging, and reflection.
本発明にかかる可変曲率ミラーデバイスの製造方法は、集積回路(IC)、LSI、VLSI等によって確立された各種半導体の加工および製造技術が利用可能であり、さらに前述のMEMS技術を適用することによってより有利な素材加工ならびに素子製造が達成される。このようにかなり高度なレベルまで確立されている製造技術の援用が可能であることから高精度の素子製造が可能であり、得られる可変曲率ミラーデバイスを用いた光学装置の精度を大幅に向上させることが期待できる。 The variable curvature mirror device manufacturing method according to the present invention can use various semiconductor processing and manufacturing techniques established by integrated circuits (ICs), LSIs, VLSIs, etc., and further, by applying the above-described MEMS technology. More advantageous material processing and device manufacture are achieved. Since it is possible to use manufacturing technology established to a considerably high level in this way, high-precision element manufacturing is possible, and the accuracy of the optical apparatus using the obtained variable curvature mirror device is greatly improved. I can expect that.
次に、本発明にかかる可変曲率ミラーデバイスの構成および特性、さらにこのような可変曲率ミラーデバイスの製造方法について開示する。本発明にかかる可変曲率ミラーデバイスは、第1の実施例を示す図1のように、珪素板(シリコンウェハ)またはこれに類する基材薄板1上に、直接にまたはシリコン酸化膜のような絶縁被膜2(図B参照)を介して基材薄板とは熱膨張係数の異なる金属、例えば金(Au)、アルミニウム(Al)、銀(Ag)またはこれらと適宜金属との合金等によるミラー金属膜3を被着させ、さらにこのミラー金属薄膜3の外側を包囲するように加熱用抵抗体4を配設したものである。このような構造において加熱用抵抗体4に電源5から端子10を介して通電し、発熱させることにより、基材薄板1とミラー金属薄膜3との熱膨張係数の差異に基づき、バイメタルの原理により曲率変化が生起する。なお、加熱用抵抗体4に代えて、または加熱用抵抗体4に加えて、基材薄板1の裏面に加熱用抵抗体を付加してもよい。
Next, the configuration and characteristics of the variable curvature mirror device according to the present invention and a method for manufacturing such a variable curvature mirror device will be disclosed. As shown in FIG. 1 showing the first embodiment, the variable curvature mirror device according to the present invention is insulated directly on a silicon plate (silicon wafer) or a similar substrate
図2は本発明にかかる可変曲率ミラーデバイスの第2の実施例を示すもので、加熱用抵抗体4の外周に沿うように、上下左右4箇所の支持梁7部分(B−B’断面参照)を除いて太線で示したように、反応性イオンエッチング、プラズマエッチング等のエッチング加工により弧状スリット6(B断面参照)を設けたものである。このように弧状スリット6を有するデバイスを、以下「梁構造形」と称し、図1のようにスリットを設けないデバイスを「ダイヤフラム構造形」と区別する。
FIG. 2 shows a second embodiment of the variable curvature mirror device according to the present invention. Four supporting
このような弧状スリット6は、温度変化を真に必要とするミラー金属薄膜3部分に限定して加熱抵抗体4による発熱の応答速度を高めると共に、ミラー金属薄膜3部分に対して平衡の取れた曲率変化をもたらす効果がある。なお、このスリット6は、ミラーデバイスの寸法、用途、加熱抵抗体4の発熱容量等を考慮して、図2のような4分割スリット以外に、上下の2箇所に支持梁7を設けた2分割スリット、円周を3等分するような3分割スリットでもよい。さらに電源配線を設ける1箇所のみに支持梁7を形成した1梁形とし、それ以外の部分をエッチング加工し略円環状スリットであってもよい。
Such an arc-shaped
図3は、電源からの加熱配線8をミラー金属薄膜3に接続し、このミラー金属薄膜3を加熱素子として利用する第3の実施例を示すものである。ミラー金属薄膜3の成分や厚さ等を適宜選択して抵抗率を調整することにより、所望抵抗率の抵抗体とすることができる。
FIG. 3 shows a third embodiment in which the
これら実施例において、ミラー金属薄膜3は、基材薄板1上にスパッタリング、真空蒸着、メッキ等の各種金属被膜形成法により形成することができる。加熱用抵抗体4は、ミラー金属薄膜3を形成する際に、同時に同質の金属素材によって形成することも可能であるが、ミラー金属薄膜3の形成工程の前後いずれかにおける別工程により形成することもできる。ミラー金属薄膜3は、基材薄板1とは異なる熱膨張係数を有すること、優れた反射特性を有しかつ経年変化が少ないこと、などが所要要件とされるのに対し、加熱用抵抗体は適当な抵抗率を有し、発熱による特性変化や剥離が生じないこと、などが要件となるため、工程数は増えるものの個別工程であればそれぞれに適する構成を得ることが容易である。
In these embodiments, the mirror metal
図4は、加熱用抵抗体として基材薄板1の所要部位に不純物拡散処理を施し、連続的な拡散抵抗体層9を形成する第4の実施例を示すものである。このような構成によれば、不純物拡散状態に応じて抵抗率や形状の選択も可変となり、基材薄板1の内部から発熱させることから加熱効率が向上し、望ましい熱変形を惹起せしめることができる。
FIG. 4 shows a fourth embodiment in which a continuous
本発明にかかる可変曲率ミラーデバイスは、デバイスのミラー金属薄膜を含む領域全体を均等に加熱することにより球面の曲率を変形させることができるが、用途によっては、不均一または非対称等の曲率変化を必要とする用途もあり得る。このような用途に対しては、例えば第5の実施例を示す図5のように部分的に設けた加熱抵抗体4に対して電源を接続することにより、偏った曲率変化をもたらすことができる。右下区間で偏った発熱が起こるため、A−A’断面を示す図(C)のようにこの区間の曲率変化を他区間よりも大きくすることができる。
The variable curvature mirror device according to the present invention can deform the curvature of the spherical surface by uniformly heating the entire region including the mirror metal thin film of the device. There may be applications that require it. For such an application, for example, by connecting a power supply to the
図6は、ミラー金属薄膜13を下面凸に形成した第6の実施例を示すもので、基材薄板1の上表面に同心円状の曲率制御用金属膜14を被着させたものである。このようにミラー金属薄膜13貼付面の裏側に曲率制御用金属膜14を配設することによりミラー金属薄膜13の形状を適宜変化させることができる。曲率制御用金属膜のパターンとしては、目的とする形状に応じて他に放射状、まだら状等のパターンでもよい。
FIG. 6 shows a sixth embodiment in which the mirror metal
このように、本発明にかかる可変曲率ミラーデバイスでは、少なくともミラー金属薄膜13を含む基材薄板1の領域を加熱することによって曲率変化を生起させるものである。この場合の曲率変化は温度変化を受けて熱膨張係数の差異によってもたらされるものであるから、適当な部位の温度を測定し、この測定結果にしたがって加熱電流を制御することにより、曲率変化を制御することができる。このような観点から、図7は図上方の支持梁7部分に測温センサとしてのサーミスタ14を配設し、端子10b、10cから取り出せるように構成した第7の実施例を示すものである。このサーミスタ14の出力により温度変化を検出し、この検出結果をフィードバックして加熱電流を制御することにより、ミラー金属薄膜13の曲率を所望範囲に自動制御することができる。
Thus, in the variable curvature mirror device according to the present invention, the curvature change is caused by heating at least the region of the substrate
図8は第8の実施例を示すもので、図7のサーミスタ15に代えて、歪み測定センサとしてのピエゾ抵抗素子16を支持梁7部分に配設し、端子10b、10cから取り出せるように構成したものである。このようなピエゾ抵抗素子16は、支持梁7の配設部位における歪み量を抵抗率変化として捉えることから、取付け点における曲率変化をより直接的な検出が可能となる。このようにして得られる曲率変化を検出してフィードバックし、その結果に基づいて加熱電流を制御することにより、ミラー金属薄膜13の曲率を所望範囲により正確に制御することができる。
FIG. 8 shows an eighth embodiment. In place of the
本発明にかかる可変曲率ミラーデバイスは、凹面は集光や可変焦点等の用途に用いられ、凸面は可変焦点の他に可変広視野観察や可変範囲の虚像形成などの用例に用いられる。ミラー金属薄膜3の初期形態を凹面とするか凸面とするかは、材料、膜厚、成膜方法等により適宜対応可能であるため、製造プロセスにおいて後述する。
In the variable curvature mirror device according to the present invention, the concave surface is used for applications such as condensing and variable focus, and the convex surface is used for examples such as variable wide-field observation and variable range virtual image formation in addition to variable focus. Whether the initial shape of the mirror metal
以下、本発明にかかる可変曲率ミラーデバイスは、集積回路(IC)、LSI、VLSIのような各種半導体素子の製造技術やMEMS等の技術を応用することにより製造することができる。以下、典型的な製造プロセスにしたがって開示するが、その他当業界において知られている多くの周辺技術を分的に、または組合わせて援用することにより同様の可変曲率ミラーデバイスが得られることを付記しておく。 Hereinafter, the variable curvature mirror device according to the present invention can be manufactured by applying a manufacturing technology of various semiconductor elements such as an integrated circuit (IC), LSI, VLSI, or a technology such as MEMS. The following is disclosed in accordance with a typical manufacturing process, but it is added that a similar variable curvature mirror device can be obtained by incorporating many other peripheral techniques known in the art, either separately or in combination. Keep it.
本発明にかかる可変曲率ミラーデバイスは、出発原料として単結晶シリコンウェハが有利に用いられるが、SOI(Silicon on Insulator)ウェハを用いることも可能である。図9は、単結晶シリコンウェハを出発原料として本発明にかかる可変曲率ミラーデバイスを製造する代表的製造プロセスを図示したものである。 In the variable curvature mirror device according to the present invention, a single crystal silicon wafer is advantageously used as a starting material, but an SOI (Silicon on Insulator) wafer can also be used. FIG. 9 illustrates a typical manufacturing process for manufacturing a variable curvature mirror device according to the present invention using a single crystal silicon wafer as a starting material.
工程1において、単結晶シリコンウェハ20の表面の全体および裏面の所望部位に酸化膜(SiO2)が形成される。次いで、工程2において、酸化膜が形成されていない不要部分のエッチングが行なわれる。エッチングは、アルカリ性溶液による結晶異方性エッチング、フッ酸および硝酸系溶液による等方性エッチング等によるウェットエッチング、またはプラズマを利用した反応性イオンエッチング、高密度プラズマによるエッチング等により実施される。エッチング工程により、基材薄板部分1が所望厚さとなった状態で工程2が終了する。
In
次いで、工程3において、基材薄板部分1の表面にスパッタ法、真空蒸着、CVD、メッキ等の適宜手段により環状の加熱用抵抗体4が形成される。工程4も金(Au)、アルミニウム(Al)、銀(Ag)、またはこれらと他金属との合金等によるミラー金属薄膜3の成膜工程であるから、前工程と同様または類似のスパッタ法、真空蒸着、CVD、メッキ等の適宜手段が採用される。なお、工程3および工程4の順序を前後させること、または同時に行うことも可能である。
Next, in
工程5は、上述のように支持梁部分を除き、ミラー金属薄膜3部分と外縁部との間を熱的に分離すると共にミラー金属薄膜3の曲率変化を惹起し易くするためのスリット6をエッチング法その他適宜手段により形成するものである。したがって、この工程5は「梁構造型」の場合にのみ必要となり、スリット6を設けない「ダイヤフラム構造型」では不要である。
In
図10は、出発原料をSOI(Silicon On Insulator)ウェハを用いて可変曲率ミラーデバイスを製造する代表的製造工程を示すものである。工程1では、SOIウェハ表面の全体および裏面の所望部位に酸化膜(SiO2)が形成される。次いで、工程2において、裏面の酸化膜が形成されていない不要なシリコン部分のエッチングが行なわれる。エッチング工程により、SOIからシリコン部分が除去された状態で工程2が終了する。
FIG. 10 shows a typical manufacturing process for manufacturing a variable curvature mirror device using an SOI (Silicon On Insulator) wafer as a starting material. In
次いで、工程3において、基材薄板部分1の表面の所望部位にスパッタ法、真空蒸着、CVD、メッキ等の適宜手段により環状の加熱用抵抗体4が形成される。次いで工程4ではミラー金属薄膜3が基材薄板31の裏面に形成される実施例を示している。これは、SOIウェハを出発原料とした結果可能となるものである。工程4も金(Au)、アルミニウム(Al)、銀(Ag)、これらと適宜金属との合金等によるミラー金属薄膜3の成膜工程であるから、前工程と同様または類似のスパッタ法、真空蒸着、CVD、メッキ等の適宜手段が採用される。
Next, in
工程5は、上述のように支持梁部分を除き、ミラー金属薄膜3部分と外縁部との間を熱的に分離すると共にミラー金属薄膜3の曲率変化を惹起し易くするためのスリット6をエッチング等により形成するものである。したがって、この工程5は「梁構造型」の場合にのみ必要となり、スリット6を設けない「ダイヤフラム構造型」では不要である。
In
本発明におけるミラー金属薄膜3の初期形態は、前述のように凹面および凸面の双方が考えられ、これらのいずれを要するかは、用途により異なる。このような反射面の初期形態は、例えば材料、膜厚、成膜方法によって異なるものとなる。基材薄板1上に金属を成膜する際に図11のようなスパッタ法を採用すると、金属薄膜は成膜条件により圧縮または引っ張り応力を受けることになり、凸面または凹面となる。これに対し、金属を素材として図12のような真空蒸着法を採用する場合や成膜後に加熱処理を施す場合には金属薄膜に引っ張り応力が作用して凹面となる。また、膜厚も初期形態に影響を与える。
The initial form of the mirror metal
既に形成された可変曲率ミラーデバイスに付加手段を組み合わせることにより、ミラー金属薄膜3の初期形態を調整することができる。図13のように、予め作成された可変曲率ミラーデバイスMDの下側周縁部を、減圧雰囲気下でガラス基板Gの表面に高温接合法により封着密閉する。このようにして得られたガラス基板密閉の可変曲率ミラーデバイスMDのミラー面は、密閉空間ASが減圧されているため常圧下での使用状態では凹面となる。
By combining additional means with the already formed variable curvature mirror device, the initial form of the mirror metal
これとは逆に、図14のようにガラス基板Gと可変曲率ミラーデバイスMDの下側周縁部とを、加圧雰囲気下でガラス基板Gの表面に高温接合法により封着密閉する。この場合の密閉空間AS内部は常圧よりも高くなっており、常圧下での使用状態ではミラー面は凸面となる。図13および図14のようなガラス基板Gに可変曲率ミラーデバイスMDの下側周縁部とを封着密閉する場合のミラー面の初期形態の凹凸ならびにその曲率は、封着密封作業時の雰囲気圧力によって微細に調整することができる。さらに、使用環境の気圧等を予め考慮しておくことにより、所望曲率の初期形態を実現することができる。 On the contrary, as shown in FIG. 14, the glass substrate G and the lower peripheral edge of the variable curvature mirror device MD are sealed and sealed to the surface of the glass substrate G by a high-temperature bonding method in a pressurized atmosphere. In this case, the inside of the sealed space AS is higher than the normal pressure, and the mirror surface becomes a convex surface when used under normal pressure. The unevenness and the curvature of the initial form of the mirror surface when sealing and sealing the lower peripheral edge of the variable curvature mirror device MD to the glass substrate G as shown in FIGS. 13 and 14 are the atmospheric pressure during the sealing and sealing operation. Can be finely adjusted. Furthermore, the initial form of the desired curvature can be realized by taking into consideration the atmospheric pressure and the like of the use environment in advance.
本発明にかかる可変曲率ミラーデバイスでは、ミラー金属薄膜1と酸化膜(絶縁膜)2との素材の組合せならびに各々の膜厚を選択することにより、曲率変化状態を制御することができる。例えば、図15のように、基材薄板の珪素より大きい熱膨張係数を有するミラー金属薄膜1が絶縁膜2に対して十分厚く、ミラー金属薄膜1の熱応力が絶縁膜2の熱応力よりも大きい場合には、温度上昇に応じて曲率が大きくなる方向へと変化する。これに対して図16のように、基材薄板の珪素より小さい熱膨張係数を有する絶縁膜2がミラー金属薄膜よりも十分厚く、絶縁膜2の熱応力がミラー金属薄膜1の熱応力よりも大きい場合には、温度上昇に応じて曲率が小さくなる方向へと変化する。さらに、裏面にも成膜することにより、さらに微細な曲率変化を達成することができる。
In the variable curvature mirror device according to the present invention, the state of curvature change can be controlled by selecting the combination of materials of the mirror metal
図17は本発明にかかる可変曲率ミラーデバイスを具現することにより試作した実施例を示すもので、三重の加熱用抵抗体を備えたダイヤフラム構造デバイスの拡大平面写真である。図18は本発明にかかる可変曲率ミラーデバイスの他の実施例を示すもので、一重の加熱用抵抗体の外側に上下左右4箇所の支持梁を除き黒く写っている4分割スリットを設け、各支持梁のそれぞれに沿って接続端子を備えた梁構造デバイスの拡大平面写真である。 FIG. 17 is an enlarged plan view of a diaphragm structure device including a triple heating resistor, showing an embodiment experimentally produced by embodying the variable curvature mirror device according to the present invention. FIG. 18 shows another embodiment of the variable curvature mirror device according to the present invention, in which four divided slits appearing in black except for four supporting beams in the upper, lower, left and right sides are provided outside the single heating resistor. It is an enlarged plane photograph of the beam structure device provided with the connection terminal along each of a support beam.
図19は、本発明を具現した可変曲率ミラーデバイスの実施例の形状測定結果で、円形凹面のミラー金属薄膜を中央に示している。また、図20は凹面ミラー部の形状を示すもので、径を表す横軸(Distance)は最大で1ミリメートル、縦軸は凹部の深さを示すもので、単位はミクロン(μm)である。 FIG. 19 shows a shape measurement result of an embodiment of the variable curvature mirror device embodying the present invention, and shows a circular concave mirror metal thin film in the center. FIG. 20 shows the shape of the concave mirror part, the horizontal axis (Distance) representing the diameter is 1 mm at the maximum, the vertical axis shows the depth of the concave part, and the unit is micron (μm).
表1は、本発明にかかる可変曲率ミラーデバイスの実施例において、加熱のための印加電圧を0〜32〔V〕変化させた場合における、加熱体の温度上昇〔K〕、供給電力〔W〕、ミラー中心部分の曲率半径R〔m〕、曲率半径の変化デルタR〔m〕、および変化率デルタR/Rの変化を示したものである。図21は、横軸をX位置(径方向)、縦軸をZ位置(深さ方向)とした場合の印加電圧による変化を単位〔mm〕としてプロットしたものである。 Table 1 shows the temperature rise [K] and supply power [W] of the heating body when the applied voltage for heating is changed by 0 to 32 [V] in the embodiment of the variable curvature mirror device according to the present invention. The curvature radius R [m] of the mirror central portion, the change delta R [m] of the curvature radius, and the change of the change rate delta R / R are shown. FIG. 21 is a plot of changes in applied voltage when the horizontal axis is the X position (radial direction) and the vertical axis is the Z position (depth direction) in units [mm].
図22は、本発明にかかる可変曲率ミラーデバイスの実施例における加熱抵抗体への供給電力〔W〕を横軸に、曲率半径の変化率を縦軸にとったグラフで、ほぼ直線的変化が生じたことを示している。図23は温度変化〔K〕を横軸に、曲率半径の変化率を縦軸にとったグラフで、図22と同様にほぼ直線的変化が生じたことを示している。 FIG. 22 is a graph with the horizontal axis representing the electric power [W] supplied to the heating resistor and the vertical axis representing the rate of change of the radius of curvature in the embodiment of the variable curvature mirror device according to the present invention. Indicates that it has occurred. FIG. 23 is a graph with the temperature change [K] on the horizontal axis and the change rate of the radius of curvature on the vertical axis, and shows that a substantially linear change has occurred as in FIG.
本発明にかかる可変曲率ミラーデバイスは、加熱用抵抗体に印加される電圧および電流、すなわち供給電力を変化させることによって、基材薄板にミラー金属薄膜が被着せしめられたミラー面の曲率を任意に変化させることができる。ミラー面は円形、楕円形、方形状またはそれ以上多角形等任意に形成することができ、その凹面または凸面の初期形態、さらに初期曲率も適宜選択することができる。このような可変曲率ミラーデバイスは、各種半導体加工技術をはじめMEMSのような完成された製造・加工技術によって高精度に製造することができ、外形も小形であるため、集光、合焦、測距、反射等の各種光学分野における可変焦点ミラーその他高精度の光学素子としての利用が可能であり、利用光学装置類の構造を簡潔とし小形・軽量化に資することが期待できる。 The variable curvature mirror device according to the present invention can arbitrarily set the curvature of the mirror surface on which the mirror metal thin film is applied to the base thin plate by changing the voltage and current applied to the heating resistor, that is, the supplied power. Can be changed. The mirror surface can be arbitrarily formed such as a circle, an ellipse, a square shape or a polygon more than that, and the initial shape of the concave or convex surface, and the initial curvature can be selected as appropriate. Such a variable curvature mirror device can be manufactured with high precision by completed manufacturing and processing technologies such as MEMS, as well as various semiconductor processing technologies. It can be used as a variable focus mirror and other high-precision optical elements in various optical fields such as distance and reflection, and can be expected to contribute to a reduction in size and weight by simplifying the structure of the optical devices used.
1 基材薄板
2 絶縁被膜(酸化珪素)
3 ミラー金属薄膜
4 加熱用抵抗体
5 電源
6 スリット
7 支持梁
8 加熱用配線
9 加熱用拡散抵抗体
10 端子
13 ミラー金属薄膜
14 曲率制御用金属膜パターン
15 測温センサ(サーミスタ)
16 歪みセンサ(ピエゾ抵抗素子)
20 シリコンウェハ
21 絶縁被膜(酸化珪素)
30 SOI(Silicon On Insulator)ウェハ
MD 可変曲率ミラーデバイス
AS 空隙
G ガラス基板
1 Substrate
3 Mirror metal
16 Strain sensor (piezoresistive element)
20
30 SOI (Silicon On Insulator) wafer MD Variable curvature mirror device AS Air gap G Glass substrate
Claims (21)
(2)該絶縁用薄膜を所望パターンに加工し、次いで該単結晶シリコン板の不要部分をエッチングすることにより基材薄膜を形成し;
(3)前工程により形成された前記絶縁用薄膜上の所望領域に蒸着成膜法、スパッタ成膜法、CVD成膜法などの適宜成膜手段を採用してミラー金属薄膜ならびに加熱素子を形成することを特徴とする、可変曲率ミラーデバイスの製造方法。 (1) A single crystal silicon plate is used as a starting material, and an insulating thin film is formed on the surface by an appropriate film formation method such as thermal oxidation treatment or CVD;
(2) forming the base thin film by processing the insulating thin film into a desired pattern, and then etching unnecessary portions of the single crystal silicon plate;
(3) A mirror metal thin film and a heating element are formed in a desired region on the insulating thin film formed in the previous process by employing appropriate film forming means such as a vapor deposition film forming method, a sputter film forming method, and a CVD film forming method. A method of manufacturing a variable curvature mirror device, characterized in that:
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