JP2002156514A - 可変形状鏡及びその作成方法 - Google Patents

Abstract

(57)【要約】 【課題】本発明は、小型で高い結像性能が得られる低コ
ストの可変形状鏡及びその作成方法を提供する。 【解決手段】本発明の一態様によると、開口部を有する
枠部材と、反射面を有する第１の領域と、上記第１の領
域の外周部であり上記第１の領域より高剛性である第２
の領域を有し、上記開口部に支持された薄膜とを有する
ことを特徴とする可変形状鏡が提供される。また、本発
明の別態様によると、可変形状の反射面側の枠部材と、
基板とを所定の間隔で接合して可変形状鏡を作成する方
法であり、上記枠部材又は上記基板の一方に、感光性の
塗布材を塗布し、所定のマスクを用いて露光し、現像し
てスペーサを形成する手順と、上記枠部材又は上記基板
の他方を、上記スペーサに接合し、熱処理して接着する
手順とを有することを特徴とする可変形状鏡の作成方法
が提供される。

Description

【発明の詳細な説明】

【０００１】

【発明の属する技術分野】本発明は曲率を連続的に可変
せしめる可変形状鏡に係り、特に、半導体技術を応用し
た小型の可変形状鏡及びその作成方法に関する。

【０００２】

【従来の技術】光ピックアップなどのマイクロオプティ
クスに適用される微小な光学系において、従来は、電磁
式アクチュエータを用いていたフォーカシング等に関係
する機構の簡素化を目的として、反射面の曲率を変える
ことができる超小型の可変焦点鏡の提案が行われてい
る。

【０００３】また、小型の撮像用光学系においても、可
変焦点鏡の適用は、小型化に大きく寄与することができ
る。

【０００４】このような可変焦点鏡では、半導体製造技
術を適用した、いわゆるＭＥＭＳ(Micro Electro-Mecha
nicalSystem)技術を適用することによって、低コスト・
高精度の製作が期待できる。

【０００５】この種の技術の一例として、特開平２−１
０１４０２号公報に開示されている可変焦点鏡としての
反射鏡装置が挙げられる。

【０００６】次に、上記特開平２−１０１４０２号公報
に開示されている反射鏡装置について、図１及び図２を
用いて簡単に説明する。

【０００７】図１の（ａ），（ｂ）は、上記特開平２−
１０１４０２号公報に開示されている静電引力駆動方式
を用いる反射鏡装置の構成を示す断面図と斜視図であ
る。

【０００８】図１の（ａ），（ｂ）において、参照符号
１１は、ガラス等の絶縁基板（以下、ガラス基板と記
す）であり、このガラス基板１１の上面には、導電性薄
膜からなる固定側電極層１２が被着されている。

【０００９】また、参照符号１３は、シリコン等の半導
体基板（以下、シリコン基板と記す）であり、このシリ
コン基板１３の一主面には絶縁薄膜として二酸化シリコ
ンの薄膜１４が形成されている。

【００１０】また、参照符号１５は、上記シリコン基板
１３の中央部の他主面に形成された空所であり、この空
所１５は上記二酸化シリコンの薄膜１４の中央部を厚さ
方向へ変位可能に設定するものである。

【００１１】また、参照符号１６は、可動側電極層であ
り、この可動側電極層１６は上記二酸化シリコンの薄膜
１４に積層されて形成されている。

【００１２】上記二酸化シリコンの薄膜１４及び可動側
電極層１６の中央部は反射鏡部１７を構成している。

【００１３】そして、この反射鏡部１７は、固定側電極
層１２と可動側電極層１６との両電極層間に印加された
電圧により、該固定側電極層１２側へ凹入変形するよう
になっている。

【００１４】上記シリコン基板１３は、二酸化シリコン
薄膜１４側を下側にしてガラス基板１１にスペーサ部材
１８を介して接合されている。

【００１５】なお、図１の（ａ），（ｂ）において、参
照符号１９は、シリコン基板１３の他主面に形成された
二酸化シリコンの薄膜である。

【００１６】上記反射鏡装置の製造は、図２の（ａ）乃
至（ｅ）に示す製作工程図に基づいて行われる。

【００１７】図２の（ａ）乃至（ｅ）は、上記特開平２
−１０１４０２号公報に開示されている静電引力駆動方
式を用いる反射鏡装置の製作工程を説明するための断面
図である。

【００１８】まず、図２の（ａ）に示すように、両面を
鏡面研磨した面方位＜１００＞のシリコン基板１３の両
面に厚さ４００〜５００ｎｍの二酸化シリコン薄膜１
９，１４を形成し、さらに、下側の薄膜１４上に厚さ１
００ｎｍ程度の金薄膜１６を被着する。

【００１９】次に、図２の（ｂ）に示すように、所定パ
ターンのフォトレジスト２０を塗布し、フォトリソグラ
フィーにより円形の窓孔２１を形成する。

【００２０】その後、基板の下側の面を保護した状態
で、フォトレジスト２０をマスクとして、フッ酸系の溶
液で二酸化シリコン薄膜１４に窓あけを行う。

【００２１】次に、図２の（ｃ）に示すように、エチレ
ン・ジアミン・ピカテコールの水溶液にシリコン基板１
３を浸して、窓孔２１の部分からシリコン基板をエッチ
ングする。

【００２２】この際、図示したように、エッチングは、
下面側の二酸化シリコン１６が露出した時点で停止す
る。

【００２３】このようにして、二酸化シリコン膜１４と
金薄膜１６とからなる薄膜上の反射鏡部１７が残存す
る。

【００２４】一方、上記工程とは別に、図２の（ｄ）に
示すように、厚さ３００ｎｍのガラス基板１１の上面
に、固定側電極層１２として、厚さ１００ｎｍの金属膜
を形成する。

【００２５】次に、図２の（ｅ）に示すように、ガラス
基板１１上に、厚さ１００μｍ程度のポリエチレン製ス
ペーサ部材１８を介してシリコン基板１３を接着すれ
ば、図１に示した反射鏡装置が製作される。

【００２６】

【発明が解決しようとする課題】ところで、上述のよう
な上記特開平２−１０１４０２号公報に開示されている
基板張り合わせによる可変焦点鏡は、高精細カメラなど
の高い結像性能が要求される光学系に適用した場合、以
下のような２つの問題がある。

【００２７】まず、第１の問題は、反射面を形成する上
部基板の開口部形状に関する問題である。

【００２８】すなわち、開口部を形成するには、コスト
や、薄膜部材との選択性の問題から、上述のエチレン・
ジアミン・ピカテコールや水酸化カリウム水溶液などの
アルカリ溶液を用いたエッチングによるのが、特に、好
適である。

【００２９】しかるに、このエッチングでは、シリコン
基板の結晶方位依存性があり、正確な円形もしくは楕円
形の開口形状を得ることはできない。

【００３０】そして、開口部が方形もしくは多角形とな
っていると、応力による反射面の変形が非対称となり、
非点収差が増大して結像性能が低下する。

【００３１】第２の問題としては、アセンブリ時の上部
基板の歪みの問題である。

【００３２】すなわち、上部基板には単結晶シリコン基
板を用いることによって、高いミラーの平面性が確保さ
れるが、下部基板との接合時や、上部基板の電極を外部
リードに引き出すための接続工程に生じる応力によっ
て、上部基板が微妙に変形して、ミラーの結像性能に悪
影響を及ぼす。

【００３３】この問題は、基板間の接合部位や上部基板
の電極の外部への接続部位をミラー開口部から十分に離
すことによってある程度までは回避することができる
が、それでは全体としてのミラー素子のサイズが大きく
なってしまい、光学系の小型化と低コスト化の妨げとな
る。

【００３４】本発明は、上記の点に鑑みてなされたもの
で、小型で高い結像性能が得られる低コストの可変形状
鏡及びその作成方法を提供することを目的としている。

【００３５】

【課題を解決するための手段】本発明によると、上記課
題を解決するために、（１） 開口部を有する枠部材
と、反射面を有する第１の領域と、上記第１の領域の外
周部であり上記第１の領域より高剛性である第２の領域
とを有し、上記開口部に支持された薄膜と、を有するこ
とを特徴とする可変形状鏡が提供される。

【００３６】また、本発明によると、上記課題を解決す
るために、（２） 第１の開口部及び第２の開口部を有
する枠部材と、反射面を有するとともに、電極が形成さ
れ、上記第１の開口部に支持された第１の薄膜と、上記
第１の薄膜の電極と電気的に導通する電極が形成され、
上記第２の開口部に支持された第２の薄膜と、上記枠部
材と所定の間隔をおいて接合され、上記第２の薄膜の電
極と対向する位置に電極をもつ基板と、上記第２の薄膜
の電極又は上記基板の電極に設けられ、上記所定の間隔
を上回る高さをもつ、導電性の突起部と、を有すること
を特徴とする可変形状鏡が提供される。

【００３７】また、本発明によると、上記課題を解決す
るために、（３） 開口部を有する枠部材と、上記開口
部に支持された反射面を有する薄膜と、上記枠部材とス
ペーサ部を介して所定の間隔で接合された基板と、を有
し、上記枠部材の開口部を有する部分と上記基板との間
の空間は、閉塞されていないことを特徴とする可変形状
鏡が提供される。

【００３８】また、本発明によると、上記課題を解決す
るために、（４） 可変形状の反射面側の枠部材と、基
板とを所定の間隔で接合して可変形状鏡を作成する方法
であり、上記枠部材又は上記基板の一方に、感光性の塗
布材を塗布し、所定のマスクを用いて露光し、現像して
スペーサを形成する手順と、上記枠部材又は上記基板の
他方を、上記スペーサに接合し、熱処理して接着する手
順と、を有することを特徴とする可変形状鏡の作成方法
が提供される。

【００３９】

【発明の実施の形態】以下、図３乃至図５を参照して本
発明の実施の形態について説明する。

【００４０】本実施の形態では、形状可変の反射面及び
上部電極を有する上部基板と、下部電極を有する下部基
板を張り合わせることによって、可変形状鏡を構成す
る。

【００４１】図３は、本発明の一実施の形態による可変
形状鏡の構成を示す分解斜視図である。

【００４２】すなわち、図３には、上部基板１０１と下
部基板１０２とが示されている。

【００４３】上部基板１０１は、主として、ミラー開口
部１０３と電極開口部１０４とを有する単結晶シリコン
よりなる枠部１０５で構成さる。

【００４４】この枠部１０５の表面（図中で下側の面）
には、後述するようにポリイミド膜１０６が形成され
る。

【００４５】このポリイミド膜１０６のミラー開口部１
０３における所定領域には、上部電極１０７が形成され
る。

【００４６】この上部電極１０７から引き出された上部
電極パッド１０８が、電極開口部１０４の端の部分に配
置されている。

【００４７】また、電極開口部１０４におけるポリイミ
ド膜１０６は、上部電極パッド１０８及びその周囲を除
いて除去されている。

【００４８】一方、単結晶シリコン基板１０９で構成さ
れる下部基板１０２には、絶縁膜１１０（ここでは図示
せず）を介して下部電極１１１及びそこから引き出され
た第１電極パッド１１２と、下部電極１１１とは電気的
に分離された第２電極パッド１１３とが形成されてい
る。

【００４９】そして、この第２電極パッド１１３の所定
領域には、Ａｕバンプ１１４が形成されている。

【００５０】また、下部電極１１１の周囲には、ネガテ
ィブ型の厚膜フォトレジストよりなるスペーサ１１５が
配置されている。

【００５１】ここで、スペーサ１１３は、下部電極１１
１の周囲を完全には囲わず、切り欠き１１６をもって配
置されている。

【００５２】また、スペーサ１１３の高さは、Ａｕバン
プ１１４よりも若干低くなされているものとする。

【００５３】図４の（ａ），（ｂ），（ｃ）は、それぞ
れ、上部基板１０１の構造の詳細を示す上面図、該上面
図におけるＡ−Ａ′断面図，Ｂ−Ｂ′断面図である。

【００５４】なお、ここで言う、図４の（ａ）に示す上
面図は、図３における上部基板１０１を下側からみた図
に該当する。

【００５５】枠部１０５のミラー開口部１０３において
は、下層ポリイミド膜１０６−１と上部電極１０７及び
上層ポリイミド膜１０６−２とで構成される薄膜が残存
しており、上部電極１０７の直上の上層ポリイミド膜１
０６−２は、外周部のわずかな領域以外では除去されて
いる。

【００５６】一方、電極開口部１０４におけるポリイミ
ド膜１０６は、上部電極１０７から引き出された上部電
極パッド１０８の領域とその周囲のわずかな領域のみで
存在する。

【００５７】具体的には、図中の領域１１７と１１８の
領域において、ポリイミド膜１０６は除去されている。

【００５８】従って、上記電極パッド１０８は、ポリイ
ミド膜１０６によって枠部１０５に支持された両持ち梁
の構造となっている。

【００５９】なお、電極開口部１０４に残存するポリイ
ミド膜１０６の内、上層ポリイミド膜１０６−２は、上
部電極パッド１０８の直上では除去されており、上部電
極パッドの上面側は露出した状態となっている。

【００６０】また、上層ポリイミド膜１０６−２は、下
層ポリイミド膜１０６−１や上部電極１０７と比較して
十分に厚いものとする。

【００６１】次に、上部基板１０１と下部基板１０２と
を張り合わせ後の断面構造について、図５の（ａ），
（ｂ）を用いて説明する。

【００６２】ここで、図５の（ａ），（ｂ）は、図４の
（ｂ），（ｃ）に示したＡ−Ａ′断面，Ｂ−Ｂ′断面に
対応する領域について示している。

【００６３】張り合わせ工程では、ネガティブ型の厚膜
フォトレジストのスペーサ１１５を接着剤としても用い
る。

【００６４】具体的には、フリップチップボンダーなど
を用いて上部基板１０１と下部基板１０２のアライメン
トを行い、極く微小な力を加えて加熱することによって
両基板１０１，１０２間の接合を得る。

【００６５】このとき、下部基板１０２の製作工程にお
いて、ネガティブ型の厚膜フォトレジストは、スピンコ
ートで塗布され、通常の露光装置で所定のマスクを用い
て露光し、これを現像した後に比較的低温の熱処理を行
うことで形成される。

【００６６】この後で、下部基板１０２に上部基板１０
１を乗せて高温の熱処理を行うことにより、下部基板１
０２と上部基板１０１との間に十分な接着力が得られ
る。

【００６７】例として、一般的なネガティブ型フォトレ
ジストにおいては、前述の下部基板１０２の製造工程に
おける比較的低温の熱処理は８０°Ｃ程度、接合のため
の高温の熱処理は１５０°Ｃ程度である。

【００６８】このように両基板１０１，１０２間の接合
にネガティブ型の厚膜フォトレジストを使うと、スピン
コートによって均一な厚さのスペーサを容易に形成でき
ることから、両基板１０１，１０２間の接着時の抑圧力
を極く小さくしても安定した接合が可能になる。

【００６９】この場合、スペーサ部位の高さが均一であ
ることと、接合時の抑圧力を小さくすることとは、接合
時の両基板１０１，１０２の歪みを抑制する上で、非常
に重要である。

【００７０】このため、Ａ−Ａ′断面においては、下部
基板１０２上に形成されたスペーサ１１５の表面で上部
基板１０１の枠部１０５上のポリイミド膜１０６に接合
されルコトにより、両基板１０１，１０２間の間隔はス
ペーサ１１５の高さによって正確に規定されるようにし
ている。

【００７１】また、Ｂ−Ｂ′断面においては、下部基板
１０２の第２電極パッド１１３上に形成されたＡｕバン
プ１１４の上部に上部電極パッド１０８が対応する。

【００７２】ここでも両基板１０１，１０２間の間隔
は、スペーサ１１５の高さによって規定されるが、前述
したようにＡｕバンプ１１４の高さは、スペーサ１１３
の高さよりもわずかに高いので、上部電極パッド１０８
はＡｕバンプ１１４に接触してその周囲のポリイミド膜
１０６と共にわずかに押し上げられる。

【００７３】この際、ポリイミド膜１０６は、枠部１０
５に支持された両持ち梁の形となっているので、このポ
リイミド膜１０６の張力によってＡｕバンプ１１４と上
部電極パッド１０８との間で安定した電気的接合を得る
ことが可能になる。

【００７４】この構成では、第１電極パッド１１２が下
部電極１１１と導通し、第２電極パッド１１３が上部電
極１０７に導通している。

【００７５】従って、これら２つの電極パッド１１２，
１１３に電圧を印加することによって、上部電極１０７
と下部電極１１１との間に静電引力が作用し、上部電極
１０７がその領域の下層ポリイミド膜１０６−１と共に
変形し、所定の曲率を得ることができる。

【００７６】この場合、上部電極１０７が反射面として
機能するが、張り合わせ後に別途金属薄膜を蒸着などの
方法で形成して、これを反射面とすることももちろん可
能である。

【００７７】このとき、静電力は上部電極１０７と下部
電極１１１との間の領域に作用するが、ミラー開口部１
０３の領域で上部電極１０７が形成されていない領域に
あっては、下層ポリイミド膜１０６−１の他に上層ポリ
イミド膜１０６−２が形成されているので、上部電極１
０７の領域よりも十分に剛性が高く、変形は非常に小さ
くなる。

【００７８】これによって、ミラー開口部１０３の形状
に依らずに変形部位を規定することができるので、ミラ
ー開口部にアルカリ性溶液によるシリコンの異方性エッ
チングを用いることにより、そのエッチング速度の面方
位依存性から最適な開口形状を得られない場合にあって
も、非点収差の少ない良好な結像性能を得ることができ
る。

【００７９】すなわち、上部電極１０７と下部電極１１
１との間に静電引力が作用した際に、その周囲の上層ポ
リイミド膜１０６−２が形成されている領域では十分に
剛性が高いので、大きく変形することがない。

【００８０】このため、ミラー開口部１０３の形状に依
らずに任意の変形領域を規定できるので、不適正なミラ
ー開口部形状に起因した結像性能の低下を緩和すること
ができる。

【００８１】ここで、外部からのリード線接続に当たっ
ては、第１電極パッド１１２と、第２電極パッド１１３
のＡｕバンプ１１４から離れた領域（図５においては、
参照符号１１３′で示されている）で、上部基板１０１
の電極開口部１０４においてポリイミド膜が除去された
領域１１８を通して下部基板１０２に直接的に接続する
ことができるので、上部基板１０１に対して応力が加わ
るような接続工程を行う必要はない。

【００８２】すなわち、上部電極１０７はポリイミド膜
１０６と上部電極１０７とで構成される薄膜のわずかな
張力によって安定した導通を得ながら、リード線接続部
位を下部電極１１１に移せるので、上部電極１０７に直
接的にリード線を接続する場合や、半田付け等の方法で
下部基板１０２の電極に導通させる方法と比較して枠部
１０５の歪みが非常に小さく、これに起因した結像性能
の低下を回避することができる。

【００８３】また、図５では図示されていないが、図３
に示したようにスペーサ１１５には切り欠き１１６が設
けられているので、静電引力によってミラー部位が変形
する際に、スペーサ１１５で規定される両基板間１０
１，１０２間の空間領域１１９内の空気が外部にスムー
スに流れるので、この領域の空気の吸引・掃き出しに起
因した応答性の低下を緩和することができる。

【００８４】なお、本実施の形態の可変焦点鏡の作成方
法について簡単に言及すると、上部基板１０１、下部基
板１０２は共にシリコンウェハー上に通常の半導体プロ
セスを応用して製作され、個々のデバイスは各々の基板
をダイシングした後で組み立てられる。

【００８５】このため、スペーサ１１５を下部基板１０
２にフォトリソグラフィーで一括して形成できること
は、個々のチップにスペーサ部材を貼り付ける方法より
もコストや製作安定性の点で有利である。

【００８６】さらに、多数のチップを形成した上部基板
１０１と下部基板１０２をウェハーの状態で接合した後
にダイシングを行うことにより、製造コストの面で、特
に、好適なものとなる。

【００８７】また、本実施の形態においては、ミラー開
口部１０３の、上部電極１０７が形成されていない領域
の剛性を高めるために、比較的厚さの大きい上層ポリイ
ミド膜１０６−２を配したが、この代わりにセラミック
薄膜などのより弾性率の大きい材料を用いることはもち
ろん可能である。

【００８８】また、本実施の形態では、スペーサ１１５
やＡｕバンプ１１４を下部基板１０２に形成したが、こ
れを上部基板１０１に、あるいは上部基板１０１と下部
基板１０２との両方に形成することも可能であるのはい
うまでもない。

【００８９】

【発明の効果】従って、以上説明したように、請求項１
乃至３記載の本発明によれば、小型で高い結像性能が得
られる低コストの可変形状鏡を提供することができる。

【００９０】また、以上説明したように、請求項４記載
の本発明によれば、小型で高い結像性能が得られる低コ
ストの可変形状鏡の作成方法を提供することができる。

【図面の簡単な説明】

【図１】図１の（ａ），（ｂ）は、従来技術として特開
平２−１０１４０２号公報に開示されている静電引力駆
動方式を用いる反射鏡装置の構成を示す断面図と斜視図
である。

【図２】図２の（ａ）乃至（ｅ）は、従来技術として特
開平２−１０１４０２号公報に開示されている静電引力
駆動方式を用いる反射鏡装置の製作工程を説明するため
の断面図である。

【図３】図３には、本発明の一実施の形態による可変形
状鏡の構成を示す分解斜視図である。

【図４】図４の（ａ），（ｂ），（ｃ）は、それぞれ図
３の上部基板１０１の構造の詳細を示す上面図、該上面
図におけるＡ−Ａ′断面図，Ｂ−Ｂ′断面図である。

【図５】図５の（ａ），（ｂ）は、図３の上部基板１０
１と下部基板１０２を張り合わせ後の断面構造につい
て、図４の（ｂ），（ｃ）に示したＡ−Ａ′断面，Ｂ−
Ｂ′断面に対応する領域について示す図である。

【符号の説明】

１０１…上部基板、 １０２…下部基板、 １０３…ミラー開口部、 １０４…電極開口部、 １０５…枠部、 １０６…ポリイミド膜、 １０７…上部電極、 １０８…上部電極パッド、 １０９…単結晶シリコン基板、 １１１…下部電極、 １１２…第１電極パッド、 １１３…第２電極パッド、 １１４…Ａｕバンプ、 １１５…スペーサ、 １１６…切り欠き、 １０６−１…下層ポリイミド膜、 １０６−２…上層ポリイミド膜、 １１７，１１８…電極開口部１０４においてポリイミド
膜が除去された領域、 １１３′…第２電極パッド１１３のＡｕバンプから離れ
た領域、 １１９…基板間の空間領域。

Claims (4)

【特許請求の範囲】
1. 【請求項１】 開口部を有する枠部材と、 反射面を有する第１の領域と、上記第１の領域の外周部
   であり上記第１の領域より高剛性である第２の領域とを
   有し、上記開口部に支持された薄膜と、 を有することを特徴とする可変形状鏡。
2. 【請求項２】 第１の開口部及び第２の開口部を有する
   枠部材と、 反射面を有するとともに、電極が形成され、上記第１の
   開口部に支持された第１の薄膜と、 上記第１の薄膜の電極と電気的に導通する電極が形成さ
   れ、上記第２の開口部に支持された第２の薄膜と、 上記枠部材と所定の間隔をおいて接合され、上記第２の
   薄膜の電極と対向する位置に電極をもつ基板と、 上記第２の薄膜の電極又は上記基板の電極に設けられ、
   上記所定の間隔を上回る高さをもつ、導電性の突起部
   と、 を有することを特徴とする可変形状鏡。
3. 【請求項３】 開口部を有する枠部材と、 上記開口部に支持された反射面を有する薄膜と、 上記枠部材とスペーサ部を介して所定の間隔で接合され
   た基板と、 を有し、 上記枠部材の開口部を有する部分と上記基板との間の空
   間は、閉塞されていないことを特徴とする可変形状鏡。
4. 【請求項４】 可変形状の反射面側の枠部材と、基板と
   を所定の間隔で接合して可変形状鏡を作成する方法であ
   り、 上記枠部材又は上記基板の一方に、感光性の塗布材を塗
   布し、所定のマスクを用いて露光し、現像してスペーサ
   を形成する手順と、 上記枠部材又は上記基板の他方を、上記スペーサに接合
   し、熱処理して接着する手順と、 を有することを特徴とする可変形状鏡の作成方法。