JP2002107641A - 光スイッチングのためのマイクロアクチュエータ及びその製造方法 - Google Patents

光スイッチングのためのマイクロアクチュエータ及びその製造方法

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    • G02B6/3584—Mechanical details of the actuation mechanism associated with the moving element or mounting mechanism details constructional details of an associated actuator having a MEMS construction, i.e. constructed using semiconductor technology such as etching

Abstract

(57)【要約】 【課題】 低電圧で駆動が可能であり、別の補助装置な
しで反射鏡を正確に９０゜で回転駆動できるマイクロア
クチュエータ及びその製造方法を提供する。 【解決手段】 マイクロアクチュエータはウェーハと、
ウェーハの上面に形成された下部電極と、下部電極に垂
直にウェーハの上面に形成された側面電極と、下部電極
を挟んでウェーハの上面に突設された一対の支持ポスト
と、側面電極と所定間隔ほど離隔されたまま下部電極に
対向配置された反射鏡と、反射鏡と支持ポストとの間に
介在して反射鏡を弾性的に回動自在に支持する一対のコ
イルスプリングとを含んで構成される。

Description

【発明の詳細な説明】
【０００１】
【発明の属する技術分野】本発明はＯＸＣ(Optical Cro
ss Connect)において光スイッチング機能を行うマイク
ロアクチュエータに係り、さらに詳しくはＭＥＭＳ(Mic
ro Electro Mechanical System)方式で製作され静電力
により駆動されるマイクロアクチュエータにおいて、低
電圧で駆動が可能であり、正確な光経路変換角度を持つ
ことができるように構造が改善されたマイクロアクチュ
エータに関する。
【０００２】
【従来の技術】一般に、ＯＸＣにおいてマイクロアクチ
ュエータは反射鏡の角度を調節することによって反射鏡
に入射される光の経路を変える機能を果たす。静電力に
より駆動されるマイクロアクチュエータにはＳＤＡ(Scr
atch Drive Actuator)を使用して反射鏡を駆動する方
式、コムドライブアクチュエータ(Comb Drive Actuato
r)を使用して反射鏡を駆動する方式、別のアクチュエー
タなしで反射鏡自体を一つの電極として反射鏡の下部に
位置する他の電極との静電力により反射鏡が駆動される
方式などが使われている。
【０００３】前述した方式のうち、ＳＤＡまたはコムド
ライブアクチュエータを使用する方式の場合は、反射鏡
を駆動するための別のアクチュエータを必要とするので
全体的なチップサイズが大きくなって光経路の増加を誘
発し、光効率の低下を引き起こす問題がある。このよう
な問題は３番目の方式、すなわち別のアクチュエータな
しで反射鏡を静電力を発生させる電極として使用するこ
とによって、この反射鏡を直接駆動する方式を使用する
ことによって解決できる。
【０００４】図１に反射鏡を直接駆動する方式のマイク
ロアクチュエータが示されている。図１に示した通り、
このような方式のマイクロアクチュエータは中心部に貫
通ホールが形成された上部電極１及び下部電極２、上部
電極１と同じ高さで支持片により回動自在に支持されて
いる反射鏡３とから構成されている。反射鏡３は金(Au)
がメッキされたケイ素化合物(Poly-Si)で形成され、そ
れ自体が電極の役割を果たす。上部電極１と下部電極２
との間に一定電圧を印加すれば、反射鏡３と下部電極２
との間に静電力が発生して反射鏡３が下向きに９０゜回
動することによって入力側光フィーバー４から入射され
た光は経路が９０゜変わって出力側光フィーバー５へ伝
えられる。
【０００５】しかし、このような方式のマイクロアクチ
ュエータの場合、全体的なチップサイズは比較的大きく
ないものの、その製作工程が複雑であり反射鏡３を直接
駆動するために高い電圧が求められる問題点がある。ま
た、反射鏡３が正確に９０゜で回転されてはじめて入力
側光フィーバー４から出力側光フィーバー５に光が損失
なく伝えられるが、このために別のストッパーなどの補
助装置が含まれなければならないため構造が複雑になる
問題点がある。
【０００６】
【発明が解決しようとする課題】本発明の目的は前述し
たような問題点を解決するために案出されたものであっ
て、本発明の目的は低電圧で駆動が可能であり、別の補
助装置なしで反射鏡を正確に９０゜で回転駆動できるマ
イクロアクチュエータ及びその製造方法を提供するとこ
ろにある。
【０００７】
【課題を解決するための手段】前述した目的を達成する
ために、本発明に係るマイクロアクチュエータは、ウェ
ーハと、ウェーハの上面に形成された下部電極と、下部
電極に垂直にウェーハの上面に形成された側面電極と、
前記下部電極を挟んでウェーハの上面に突設された一対
の支持ポストと、側面電極と所定間隔ほど離隔されたま
ま下部電極に対向配置された反射鏡と、該反射鏡と支持
ポストとの間に介在して反射鏡を弾性的に回動自在に支
持する弾性手段とを含んで構成される。
【０００８】ここで、前記弾性手段は一対の捩じりばね
であることが望ましく、前記反射鏡は回動中心を基準に
して下部電極と対向する一側の長さが他側の長さより短
く配置される。前記他側には側面電極による静電力の作
用が最小化するように貫通ホールが形成されることが望
ましい。
【０００９】一方、本発明の他の側面によるマイクロア
クチュエータの製造方法は、ウェーハ上にシード層を積
層した後前記シード層を蝕刻して下部電極、側面電極ベ
ース及びポストベースを形成する段階と、前記ウェーハ
及びパターニングされた前記シード層の上面に厚膜用フ
ォトレジスト層を積層した後前記厚膜用フォトレジスト
層を蝕刻してメッキ枠を形成する段階と、前記メッキ枠
の内部に絶縁膜を形成した後前記側面電極ベースが露出
されるように前記絶縁膜を蝕刻する段階と、前記側面電
極ベース上に側面電極を積層する段階と、前記側面電極
と前記メッキ枠の上部にフォトレジスト層を積層する段
階と、前記ポストベースが露出されるように前記メッキ
枠及び前記フォトレジスト層にポストホールを形成する
段階と、前記フォトレジスト層の上面及び前記ポストホ
ールに金属層を積層した後、前記金属層を蝕刻して反射
鏡、捩じりばね及び前記支持ポストを形成する段階、及
び前記厚膜用フォトレジスト層及び前記フォトレジスト
層を全て除去する段階とを含んで構成される。
【００１０】
【発明の実施の形態】以下、添付した図面を参照して本
発明の望ましい実施例を説明する。図２は本発明の一実
施例によるマイクロアクチュエータの斜視図である。
【００１１】図２に示した通り、マイクロアクチュエー
タは、ウェーハ１０、ウェーハ１０の上面に形成された
下部電極２０、下部電極２０に垂直にウェーハ１０の上
面に形成された側面電極３０、下部電極２０を挟んでウ
ェーハ１０の上面に突設された一対の支持ポスト５０、
側面電極３０と所定間隔(ｇ:図３参照)ほど離隔された
まま下部電極２０に対向配置された反射鏡４０及び反射
鏡４０と支持ポスト５０との間に介在して反射鏡４０を
弾性的に回動自在に支持する一対の捩じりばね６０で構
成される。側面電極３０と下部電極２０は一対の支持ポ
スト５０の間にＬ字形で配置される。
【００１２】反射鏡４０は捩じりばね６０との連結部、
すなわち回動中心を基準に左右側の長さを相違に側面電
極３０上に配置されるが、下部電極２０と対向する右側
の長さＬｂが左側Ｌａより短く配置されることが望まし
い。これは、静電力を受ける右側の長さＬｂを短くする
ことで側面電極３０の高さと反射鏡４０の回転ストロー
クを短くすることができるからである。反射鏡４０は光
の反射率の高い金属で形成され、それ自体が電極の役割
を果たす。
【００１３】一方、側面電極３０による静電力は反射鏡
４０の全面に作用するので、左右側Ｌａ、Ｌｂに静電力
によるトルクが同時に作用する。これは、側面電極３０
による反射鏡４０の駆動効果を低下させる。反射鏡４０
の左側Ｌａに貫通ホール４１を形成してその面積を縮め
ることによって静電力の作用を最小化するようになっ
て、側面電極３０による反射鏡４０の駆動効果の低下を
防止できる。
【００１４】支持ポスト５０はその内部が空洞状の円筒
形または四角ビームの形態で形成される(後述する図６
Ｇ参照)。
【００１５】図３は反射鏡４０の駆動を説明するための
マイクロアクチュエータの側断面図である。図３に示し
た通り、反射鏡４０が下部電極２０と並んだ状態が原点
状態である。原点状態で反射鏡４０と側面電極３０及び
下部電極２０の間に一定電圧を印加すれば、まず反射鏡
４０から下部電極２０に向けて第１次静電力が発生し
て、第１次静電力により反射鏡４０の回動中心(Ｏ)の周
囲に第１トルクＴ１が発生する。これによって反射鏡４
０が時計回り方向に回転する。
【００１６】反射鏡４０が回転すれば、反射鏡４０から
側面電極３０に向けて第２次静電力が発生し、これは反
射鏡４０の回動中心(Ｏ)の周囲に第２トルクＴｓを発生
させる。第１トルクＴ１及び第２トルクＴｓは次の通り
計算される。
【００１７】
【数１】
【００１８】
【数２】 ここでεは真空状態での誘電率、Ｖは電位差、Ｗは反射
鏡４０の幅(図２参照)、θは反射鏡４０の回転角、Ｈは
側面電極の高さ、αは側面電極の絶縁膜の厚さを表す。
【００１９】第１トルクＴ１及び第２トルクＴｓによっ
て反射鏡４０がθほど回転すれば、捩じりばね６０には
反射鏡４０を原点状態に復元させようとする復原力によ
る第3トルクＴｔが生ずるが、これは第１トルクＴ１及
び第２トルクＴｓと反対方向(反時計回り方向)で作用す
る。第３トルクＴｔは次の通り計算される。
【００２０】
【数３】 ここでｋはスプリング定数、Ｇはスプリング材質のせん
断係数、ａはスプリングの幅、ｌはスプリングの長さ、
ｔはスプリングの厚さを表す。
【００２１】これら第１トルクＴ１、第２トルクＴｓ、
及び第３トルクＴｔ値が図４に示されている。図４に示
した通り、θが約１０゜より小さい時は下部電極２０に
よる第１トルクＴ１が側面電極３０による第２トルクＴ
ｓより大きく、θが増加するほど第２トルクＴｓが第１
トルクＴ１より大きくなる。θが９０゜に至ると第１ト
ルクＴ１はゼロ(zero)になり、第２トルクＴｓのみが反
射鏡４０に作用する。従来のマイクロアクチュエータと
比較してみれば、本発明に係るマイクロアクチュエータ
は側面電極３０をさらに具備することによって、同じ電
圧下でトルクを大きくすることができるので、結局同じ
回転角度で反射鏡４０を駆動する時、従来の場合より低
電圧で駆動が可能なことを意味する。
【００２２】一方、図４に示した通り、電圧印加時第１
トルクＴ１と第２トルクＴｓの和(Ｔ１+Ｔｓ)は全ての
θの範囲内でスプリングの復原力による第３トルクＴｔ
より大きいので、反射鏡４０は時計回り方向に９０゜回
転して側面電極３０と接触するようになり、入射された
光を反射して光経路を変える。
【００２３】図５は本発明に係るマイクロアクチュエー
タが適用された３×３光スイッチの概略図である。それ
ぞれの反射鏡４０は個別的に水平４２あるいは垂直４３
状態になるように駆動され、入力側光フィーバー７１か
ら入射された光は垂直状態の反射鏡４０により経路が変
わって出力側光フィーバー７２に伝えられる。この時、
光フィーバーの直径が非常に小さいため、反射鏡４０が
正確に９０゜で駆動されないと入力側光フィーバー７１
からの光が出力側光フィーバー７２に伝えられない。本
発明によれば、側面電極３０がストッパーの役割を果た
すことで、反射鏡４０は容易く正確に９０゜で駆動でき
る。
【００２４】図６Ａないし図６Ｂは本発明に係るマイク
ロアクチュエータの製造方法を説明するための図であ
る。図６Ａ、図６Ｆ及び図６Ｇは、図２におけるＩＩ-
ＩＩ部分の断面図であり、図６Ｂないし図６Ｅは図２に
おけるＩ-Ｉ部分の断面図である。以下、本発明のマイ
クロアクチュエータの製造方法を工程順序に従って説明
する。
【００２５】まず、絶縁膜が蒸着されいるウェーハ１０
上に導電性材料でシード層を形成した後、このシード層
を写真蝕刻して下部電極２０、側面電極ベース８２及び
ポストベース８１を形成する。その後、ウェーハ１０及
び下部電極２０、側面電極ベース８２及びポストベース
８１でパターン化されたシード層の上面に厚膜用フォト
レジスト層(Thick PR)９０を積層し、２００℃以上で熱
処理を施す。このような工程の結果が図６Ａに示されて
いる。
【００２６】次に、下部電極２０は厚膜用フォトレジス
ト層９０により覆われて側面電極ベース８２は露出され
るように、写真蝕刻工程により厚膜用フォトレジスト層
９０の一部を除去してメッキ枠９１を形成し、メッキ枠
９１の内部にスパッタリングにより絶縁膜１００を蒸着
する。メッキ枠９１を形成するにあっては、その側面の
直角度を確保するために一般現象工程ではなく反応性イ
オン蝕刻法(ＲＩＥ :Reactive Ion Etching)を使用する
ことが望ましい。このような工程の結果が図６Ｂに示さ
れている。
【００２７】その後、図６Ｃに示した通り、絶縁膜１０
０を蝕刻して側面電極ベース８２が露出されるようにす
る。次に図６Ｄに示した通り、側面電極ベース８２上に
導電性材料で側面電極３０を積層する。こうすること
で、下部電極２０と側面電極３０は通電が可能になる。
一方、側面電極３０の高さはメッキ枠９１の高さより低
くすることが望ましい。
【００２８】図６Ｅに示した通り、側面電極３０とメッ
キ枠９１の上部にフォトレジスト層１１０を形成して熱
処理する。この時の熱処理温度は前記厚膜用フォトレジ
スト層９０の熱処理温度よりは低く、１５０℃よりは高
くすることが望ましい。
【００２９】下部電極２０が露出されるように反応性イ
オン蝕刻法(ＲＩＥ)により該当部分の厚膜用フォトレジ
スト層９０及びフォトレジスト層１１０を除去してポス
トホール５１を形成する。その後、フォトレジスト層１
１０の上面及びポストホール５１に反射率の高い金属で
金属層を積層し、この金属層を蝕刻して反射鏡４０、支
持ポスト５０及び捩じりばね６０を形成する。このよう
な工程の結果が図６Ｆに示されている。
【００３０】最後に、図６Ｇに示した通り、プラズマを
利用した蝕刻工程を通じて残っている厚膜用フォトレジ
スト層９０及びフォトレジスト層１１０を除去すること
によって、マイクロアクチュエータの製造が完了する。
【００３１】
【発明の効果】以上述べた通り、本発明に係るマイクロ
アクチュエータは、側面電極３０を具備することによっ
て低い電圧で駆動が可能であり、側面電極３０が反射鏡
４０が９０°を外れて回転することを防止するストッパ
ーの役割を果たすことによって、別の装置なしで正確で
安定的に反射鏡４０を回転駆動させることができる。
【００３２】また、下部電極２０と対向する側の長さが
反対側の長さより短く反射鏡４０を成形することによっ
て、反射鏡４０の回転ストローク及び側面電極３０の高
さを低くすることができてマイクロアクチュエータの製
造が容易になる。
【００３３】以上では本発明の特定の望ましい実施例に
ついて示しかつ説明したが、本発明は前述した実施例に
限らず、特許請求の範囲で請求する本発明の要旨を逸脱
せず該当発明の属する技術分野において通常の知識を持
つ者ならば誰でも多様な変形実施が可能である。
【図面の簡単な説明】
【図１】従来のマイクロアクチュエータの斜視図であ
る。
【図２】本発明に係るマイクロアクチュエータの斜視図
である。
【図３】図２のマイクロアクチュエータの側断面図であ
る。
【図４】図２の反射鏡回転角にともなう静電力によるト
ルク値を示したグラフである。
【図５】本発明に係るマイクロアクチュエータが適用さ
れた３×３光スイッチの概略図である。
【図６Ａ】本発明に係るマイクロアクチュエータの製作
工程を示した断面図である。
【図６Ｂ】本発明に係るマイクロアクチュエータの製作
工程を示した断面図である。
【図６Ｃ】本発明に係るマイクロアクチュエータの製作
工程を示した断面図である。
【図６Ｄ】本発明に係るマイクロアクチュエータの製作
工程を示した断面図である。
【図６Ｅ】本発明に係るマイクロアクチュエータの製作
工程を示した断面図である。
【図６Ｆ】本発明に係るマイクロアクチュエータの製作
工程を示した断面図である。
【図６Ｇ】本発明に係るマイクロアクチュエータの製作
工程を示した断面図である。
【符号の説明】
１０ ウェーハ ２０ 下部電極 ３０ 側面電極 ４０ 反射鏡 ４１ 貫通ホール ５０ 支持ポスト ５１ ポストホール ６０ 捩じりばね ７１ 入力側光フィーバー ７２ 出力側光フィーバー ８１ ポストベース ８２ 側面電極ベース ９０ 厚膜用フォトレジスト層 ９１ メッキ枠 １００ 絶縁膜 １１０ フォトレジスト層

Claims (7)

    【特許請求の範囲】
  1. 【請求項１】 ウェーハと、 前記ウェーハの上面に形成された下部電極と、 前記下部電極に垂直に前記ウェーハの上面に形成された
    側面電極と、 前記下部電極を挟んで前記ウェーハの上面に突設された
    一対の支持ポストと、 前記側面電極と所定間隔ほど離隔したまま前記下部電極
    に対向配置された反射鏡と、 前記反射鏡と前記支持ポストとの間に介在して前記反射
    鏡を弾性的に回動自在に支持する弾性手段とを含むこと
    を特徴とするマイクロアクチュエータ。
  2. 【請求項２】 前記弾性手段は一対の捩じりばねである
    ことを特徴とする請求項１に記載のマイクロアクチュエ
    ータ。
  3. 【請求項３】 前記反射鏡は回動中心を基準にして前記
    下部電極と対向する一側の長さが他側の長さより短く配
    置されることを特徴とする請求項１に記載のマイクロア
    クチュエータ。
  4. 【請求項４】 前記反射鏡には回動中心を基準にして前
    記下部電極と対向する一側の反対側に前記側面電極によ
    る静電力の作用が最小化するように貫通ホールが形成さ
    れることを特徴とする請求項１に記載のマイクロアクチ
    ュエータ。
  5. 【請求項５】 前記反射鏡は回動中心を基準にして前記
    下部電極と対向する一側の長さが他側の長さより短く配
    置され、前記他側には前記側面電極による静電力の作用
    が最小化するように貫通ホールが形成されることを特徴
    とする請求項１に記載のマイクロアクチュエータ。
  6. 【請求項６】 ウェーハ上にシード層を積層した後、所
    定パターンによって前記シード層を蝕刻して下部電極、
    側面電極ベース及びポストベースを形成する段階と、 前記ウェーハ及びパターニングされた前記シード層の上
    面に厚膜用フォトレジスト層を積層した後、前記厚膜用
    フォトレジスト層を蝕刻してメッキ枠を形成する段階
    と、 前記メッキ枠の内部に絶縁膜を形成した後、前記側面電
    極ベースが露出されるように前記絶縁膜を蝕刻する段階
    と、 前記側面電極ベース上に側面電極を積層する段階と、 前記側面電極と前記メッキ枠の上部にフォトレジスト層
    を積層する段階と、 前記ポストベースが露出されるように前記メッキ枠及び
    前記フォトレジスト層にポストホールを形成する段階
    と、 前記フォトレジスト層の上面及び前記ポストホールに金
    属層を積層した後、前記金属層を蝕刻して反射鏡、捩じ
    りばね及び前記支持ポストを形成する段階と、 前記厚膜用フォトレジスト層及び前記フォトレジスト層
    を全て除去する段階とを含むことを特徴とするマイクロ
    アクチュエータの製造方法。
  7. 【請求項７】 ウェーハと、 前記ウェーハの上面に形成された下部電極と、 前記下部電極に垂直に前記ウェーハの上面に形成された
    側面電極と、 前記下部電極を挟んで前記ウェーハの上面に突設された
    一対の支持ポストと、 前記側面電極と所定間隔ほど離隔されたまま前記下部電
    極に体躯配置された反射鏡と、 前記反射鏡と前記支持ポストとの間に介在して前記反射
    鏡を弾性的に回動自在に支持する一対の捩じりばねとを
    含むことを特徴とするマイクロアクチュエータ。
JP2001162490A 2000-09-29 2001-05-30 光スイッチングのためのマイクロアクチュエータ及びその製造方法 Expired - Fee Related JP3537408B2 (ja)

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