JP2004191402A - ミラー駆動装置及びその製造方法 - Google Patents

Abstract

【課題】ミラーをより密に配置できるミラー駆動装置を提供する。
【解決手段】基板と、一方の主面にミラー膜が形成されたミラープレートと、一端部で基板に固定され他端部が接続部を介してミラープレートの他方の主面に接続された梁部を有しその梁部の他端部が上下するアクチュエーターとを備えたミラー駆動装置であって、ミラープレートと接続部と梁部とは、基板上に一体で形成された後にミラープレートと接続部と梁部の一端部を除く部分が基板から分離されてなり、かつ梁部は、基板とミラープレートの間において、ミラープレートの投影領域内に設けられている。
【選択図】 図１

Description

【０００１】
【発明の属する技術分野】
本発明は、主として光スイッチに使用されるミラー駆動装置に関する。
【０００２】
【従来の技術】
データ通信量が飛躍的に増大しているテレコミュニケーションシステム等に利用される光通信システムにおいて、その高速化のために波長分割多重（ＷＤＭ）による高密度化が不可欠である。そのための高速・大容量光通信システムの光ネットワークでは、中継地や分岐点に設置されるクロスコネクト装置（ＸＣ）や挿入・分岐多重装置（ＡＤＭ）を電気式から光式に転換する必要がある。それらの装置の光化に光スイッチは不可欠な部品である。この光化したＸＣ、ＡＤＭ等に使用される光スイッチは、例えば円形の複数のミラーの方向を所望の方向に変化させる駆動機構部を備えてなり、そのミラーの方向を変化させることにより光をスイッチングする。このような光スイッチの駆動機構としては、ミラーが形成されたプレートを２軸のジンバルにより支持して、方向を変化させる方法がある。この方法では、ミラーとなる反射膜が成膜されたポリシリコンのプレートを直交する２軸の回転自由度を持つジンバルで支持し、プレート（電極）とその下の電極間に電圧をかけ静電力によりミラーの傾き角を制御している。この構成部品は全てウェハープロセスによりシリコン基板表面に形成され、ジンバルとプレートは弱いばねで接続されている。また、各部品を独立可動とするために犠牲層をエッチングし、この時、所望のミラー傾き角となってもプレート裏面が下部電極面と接触しないように、周囲に配した２本の梁でミラーを持ち上げジンバル毎横から持ち上げ支えている（例えば、非特許文献１参照。）。
【０００３】
【非特許文献１】
ディー．ティー．ニールソン（Ｄ．Ｔ．Ｎｅｉｌｓｏｎ）著、「フリー プロビィジョンド １１２×１１２マイクロ−メカニカル オプティカル クロスコネクトウイズ ３５．８Ｔｂ／ｓ デモンストレーティド キャパシティー（Ｆｕｌｌｙ Ｐｒｏｖｉｓｉｏｎｅｄ １１２×１１２ Ｍｉｃｒｏ−Ｍｅｃｈａｎｉｃａｌ Ｏｐｔｉｃａｌ Ｃｒｏｓｓｃｏｎｎｅｃｔ Ｗｉｔｈ ３５．８ Ｔｂ／ｓ Ｄｅｍｏｎｓｔｒａｔｅｄ Ｃａｐａｃｉｔｙ）」、、ＯＦＣ２０００（テクニカル・ダイジェスト）、米国、オプティカル・ソサイアティ・オブ・アメリカ（Ｏｐｔｉｃａｌ Ｓｏｃｉｅｔｙ ｏｆＡｍｅｒｉｃａ）、２０００年３月５日、第１巻、ＰＤ１２−２、ｐｐ１−２
【０００４】
【発明が解決しようとする課題】
しかしながら、上述の従来の光スイッチでは、ミラー駆動機構装置において、ミラーの外側にジンバル支持機構を配する構成を取っているので、ミラーを密に配置することができないという問題があった。
すなわち、ミラーをより密に配置できれば、同じサイズでより多くのポートの切替が可能となる。
また、同一ポート数であればより小型にできる。
【０００５】
そこで、本発明は、ミラーをより密に配置できるミラー駆動装置を提供することを目的とする。
【０００６】
【課題を解決するための手段】
本発明に係るミラー駆動装置は、基板と、一方の主面にミラー膜が形成されたミラープレートと、一端部で基板に固定され他端部が接続部を介して上記ミラープレートの他方の主面に接続された梁部を有しその梁部の他端部が上下するアクチュエーターとを備えたミラー駆動装置であって、上記ミラープレートと上記接続部と上記梁部とは、上記基板上に一体で形成された後に上記ミラープレートと上記接続部と上記梁部の上記一端部を除く部分が上記基板から分離されてなり、かつ上記梁部は、上記基板と上記ミラープレートの間において、上記ミラープレートの投影領域内に設けられたことを特徴とするものである。
【０００７】
【発明の実施の形態】
以下、図面を参照しながら、本発明に係る実施の形態のミラー駆動装置について説明する。
図１は、本実施の形態のミラー駆動装置（マイクロミラー）の平面図であり、図２は図１のＡ−Ａ’線についての断面図であり、図３は図１のＢ−Ｂ’線についての断面図である。尚、本明細書において、上面とはミラー側の面を意味し、下面とはミラーと反対側に位置する面を意味するものとする。
【０００８】
実施の形態のミラー駆動装置において、ミラーの駆動機構は、図１に示すように、３つのアクチュエーター２０によって構成される。具体的には、図１〜図３に示すように、第１基板１の上方に、ピボット３１によって揺動可能に配置されたミラープレート６が、３箇所で接続部１５を介して各アクチュエーター２０の梁の部分（梁部）１０の一端部（移動端）１２に接続され、その梁部１０の他端部（固定部）１１が第１基板１の上面に固定されることにより構成されている。
【０００９】
より詳細には、本実施の形態のミラー駆動装置において、各アクチュエーター２０は、上下に移動可能な移動端１２と固定部１１とを有しかつその下面に上部電極４を備えた梁部１０と、その上部電極４に対向するように第１基板１上に形成された下部電極２とによって構成され、上部電極４と下部電極２との間に印加された電圧に対応した静電力によって移動端１２を上下させることができる。
以上のように構成されたミラー駆動機構は、所望の反射方向に対応させて３つのアクチュエーター２０に印加する電圧を制御することによってミラープレート６を所望の方向に向けることができる。
【００１０】
ここで、特に本実施の形態のミラー駆動装置は、アクチュエーター２０の主要部を構成する梁部１０が、第１基板１と上記ミラープレート６に挟まれたミラープレート６の投影領域内に設けられたことを特徴とし、これにより小型化を実現したものである。
すなわち、光スイッチに用いられるミラー駆動装置のミラー駆動機構は、極めて微細な寸法を持つ３次元構造体であり、通常、半導体製造技術をベースとするマイクロマシニング技術を用いて作製され、このマイクロマシニング技術を用いて作製される従来のミラー駆動装置は、半導体製造技術によって容易に製造できるように、ミラープレートの外側にアクチュエーターを配置するように構成されていた。
【００１１】
しかしながら、本実施の形態（本発明）のミラー駆動装置では、後述する製造方法を用いることにより、ミラープレート６と接続部１５と梁部１０とを第１基板１上に一体で形成した後にミラープレート６と接続部１５と梁部１０の一端部を除く部分を第１基板１から分離し、第１基板１とミラープレート６に挟まれたミラープレート６の投影領域内にアクチュエーター２０を配置することを可能にしたものである。
尚、本実施の形態のミラー駆動装置では、より好ましい例としてミラープレート６の下面にミラープレート６の剛性を高めるために（変形（たわみ等）を防止するために）補強部６ａが形成されている（図３）。
この補強部６ａは、変形防止に適した例えば、格子状、放射状の凸部と同心円状の凸部の組み合わせなどのパターンで形成される。
【００１２】
以下、本発明に係る実施の形態のミラー駆動装置の製造方法について説明する。
図４〜図１１は、本実施の形態のミラー駆動装置の製造方法における、ミラー駆動機構部の加工プロセスの流れを示す断面図であり、図４〜図１１における（ａ）は、図１のＡ−Ａ’線に対応する断面図であり、（ｂ）は図１のＢ−Ｂ’線に対応する断面図である。
【００１３】
本方法ではまず、図４に示す、上面と下面に熱酸化膜１ａ，１ｂが形成されたシリコン基板からなる第１基板１を用い、第１基板１の上面の熱酸化膜１ａ上に、ＡｌやＣｕ等の金属からなる下部電極２を所定のパターンに形成する（図５）。尚、この下部電極２を形成する際に、下部電極２に信号を供給するための配線及び端子（配線、端子は図示していない）も同時に形成する。下部電極２は、図５等に示すようにアクチュエーター２０の梁部に対向する部分のみに形成することが好ましいが、本発明はこれに限定されるものではなく、例えば、第１基板１の上面の熱酸化膜１ａ上のほぼ全面に形成することもできる。
【００１４】
次に、形成した下部電極２等を絶縁するために、端子部を除いて絶縁膜３で覆う（図５）。
次に、第１犠牲層４１を、レジスト等の有機物を用いて形成する（図６）。
尚、この第１犠牲層４１は、表面が平坦になるように形成される。
そして、梁部１０の一端（固定部１１）が第１基板１に固着される部分の第１犠牲層４１を除去する（図６）。
【００１５】
次に、アクチュエータ２０において、梁部１０を構成する上部電極４を所定のパターンで形成し、上部電極４とともに梁部１０を構成する梁部絶縁膜５及び接続ばね５ａを無機膜で形成する（図７）。この梁部絶縁膜５及び接続ばね５ａを構成する無機膜は、低応力であることが好ましく、例えば、ＬＰ−ＣＶＤ法により堆積された０．３〜０．７μｍの厚さのＳｉＮｘ膜により形成する。尚、上部電極４と梁部絶縁膜５及び接続ばね５ａを構成するための無機膜の成膜順序は逆でもよい。
【００１６】
次に、表面を平坦にする（平坦化）ために、第２犠牲層４２をレジスト等の有機物を用いて形成し、接続部１５を構成するスペーサー１５ａを形成する部分の第２犠牲層４２を除去する（図８）。
そして、例えば、梁部絶縁膜５及び接続ばね５ａと同一の無機材料によりスペーサ１５ａを形成する。
次に、第３犠牲層４３を形成し（図９）、ミラープレート６の補強部６ｂを形成するためのパターンニング（具体的には、補強部６ｂに対応する溝を第３犠牲層４３に形成する）を行った後、その上に、ミラー膜（反射膜）７を形成するプレート６を無機膜で形成する（図１０）。この補強部６ｂに対応する溝の幅ａは、ミラープレート６の厚さｔの２倍程度（ａ≒２ｔ）、又はそれ以下（ａ＜２ｔ）に設定すると、ミラープレート６の表面に形成される凹部（溝を形成したことにより形成される凹部）を小さくできることから、ミラープレート６の表面を実質的に平坦にでき、光の反射特性を損なわないようにできる（図１２参照）。
ここで、スペーサ１５ａ上の第３犠牲層４３は除去されて開口されており、その開口部を介してスペーサー１５ａとプレート６が接続されて、プレート支持部６ａが形成される。
このプレート６は、表面が平坦でかつ反りのないように形成する必要があり、好ましくは、ＳｉＮｘ層（厚さ０．３μｍ〜０．７μｍ）／Ａｌ層（厚さ０．１μｍ〜０．３μｍ）からなる２層構造、ＳｉＮｘ層（厚さ０．３μｍ〜０．７μｍ）／Ａｌ層（厚さ０．１μｍ〜０．３μｍ）／ＳｉＮｘ層（厚さ０．３μｍ〜０．７μｍ）からなる３層構造により構成する。
【００１７】
次に、プレート６の表面にミラー膜７を形成する（図１１）。
このミラー膜７は、例えば、Ｃｒ層（例えば、厚さ０．０１μｍ）／Ａｕ層（例えば、厚さ０．２μｍ）からなる２層構造、Ｃｒ層（例えば、厚さ０．０１μｍ／Ｎｉ層（例えば、厚さ０．０１μｍ）／Ａｕ層（例えば、厚さ０．２μｍ）からなる３層構造により構成することができる。
また、ミラー膜７は、Ｔｉ／Ｐｔ／Ａｕからなる３層構造により構成することもできる。
【００１８】
次に、第２基板３０に形成したピボット３１が貫通する貫通孔１００を、第１基板１に形成する。この貫通孔１００は、プレート６と同軸になるように形成することが好ましく、形成方法としては、ＩＣＰ‐ＲＩＥによる光アスペクト加工法、バルクマイクロマシニング加工等、種々の方法を用いることができる。
最後に、酸素プラズマ法などにより、第１〜第３犠牲層４１，４２，４３を除去することにより、ミラープレート６と接続部１５と梁部１０の固定部１１を除く部分とを第１基板１から分離する。
【００１９】
以上のようにして、ミラープレート６と接続部１５と梁部１０とを第１基板１上に一体で形成した後に、ミラープレート６と接続部１５と梁部１０の固定部１１を除く部分が第１基板１から分離することにより、第１基板１上にミラー駆動機構に係る構造体が形成される。
【００２０】
そして、ミラー駆動機構に係る構造体が形成された第１基板１を、ピボット３１が形成された第２基板３０と組み合わせることにより、本実施の形態のミラー駆動装置が作製される。
具体的には、第１基板１と第２基板３０とはピボット３１が貫通孔１００を貫通してその先端が第１基板の上面から突出するように配置されて、プレート６がピボット３１の先端で揺動可能に支持されるように、第２基板の上面が第一の基板の下面と接着剤によって接合される。
尚、この際、ピボット３１が第１基板１の開口部の略中央に位置するように、好ましくは、同軸となるように配置されて第１基板と第２基板とは接合される。
また、第２基板３０は、例えば、シリコン基板を用いて構成し、そのピボット３１は、円錐形状又は角錐形状等にシリコンのバルクマイクロマシニングで容易に加工することができる。
【００２１】
以上説明した実施の形態のミラー駆動装置の製造方法は、半導体製造技術を用いて作製されたミラー駆動機構において、アクチュエーター２０の梁部１０を第１基板１とミラープレート６の間において、ミラープレート６の投影領域内に設けた点に特徴があり、これは、第１基板１にアクチュエーター２０を構成する各層を形成して、そのアクチュエーター２０を構成する層（積層構造）を覆うように第３の犠牲層４３を形成した後にその第３の犠牲層４３の上にアクチュエーター２０と重なるようにミラープレート６を形成することにより実現される。
【００２２】
以上の実施の形態の説明では、１つのミラープレート部分に関して説明した。しかしながら、本発明はミラープレートが１つのものに限られるものではなく、それぞれアクチュエーターを備え反射方向を変更できる２つ以上のミラープレートがアレー状またはマトリクス状に配列されたミラー駆動装置に適用できることは言うまでもない。
このようにマトリクス状に配列されたミラー駆動装置に本発明を適用することにより、各ミラー駆動機構を小型にでき、複数のミラーを備えたミラー駆動装置において、ミラーをより密に配置できる。
従って、従来例に比較して同一面積内により多くのミラープレートを配置でき、より多くのポート切替えが可能になる。また、同一ポート数のミラー駆動装置であれば、従来例に比較してより小型にできる。
【００２３】
本実施の形態では、対向配置された下部電極と上部電極とを含む静電アクチュエーターについて説明したが、本発明はこれに限られるものではなく、少なくとも一端部で基板に固定され他端部でミラープレートに接続された梁部を含むようなアクチュエーターに幅広く適用できる。
【００２４】
また、本実施の形態のミラー駆動装置では、上記梁部の上部電極と基板に形成された下部電極の間に、好ましい形態として絶縁層が設けられている。
これにより、本実施の形態のミラー駆動装置では、上部電極と下部電極の短絡を防止することができる。
【００２５】
さらに、本実施の形態のミラー駆動装置では、ピボット３１が形成された第２基板３０を用いて、ミラープレートをピボット３１の先端で揺動可能に支持している。
しかしながら、本発明はこれに限られるものではなく、ミラープレートを揺動可能に支持することができる他の手段を適用することもできる。
【００２６】
またさらに、本実施の形態のミラー駆動装置では、本発明の好ましい形態として、ミラープレートと貫通孔は互いに同軸の円形とし、梁部１０は長手方向がプレート６の外周に沿った円弧形状になるように形成した。
このように、梁部１０の長手方向がプレート６の外周に沿った円弧形状になるように形成することにより、梁部１０を長くできるので、移動端１１の変位を大きくでき、ミラーの反射方向を大きく変化させることができる。
【００２７】
また、本実施の形態のミラー駆動装置では、本発明の好ましい形態として、１つのミラープレートに対して３つのアクチュエーターでミラー駆動機構を構成しているので、反射方向の制御を容易にできる。
【００２８】
【発明の効果】
以上説明したことから明らかなように、本発明に係るミラー駆動装置は、上記ミラープレートと上記接続部と上記梁部とが上記基板上に一体で形成された後に上記ミラープレートと上記接続部と上記梁部の上記一端部を除く部分が上記基板から分離されることにより形成され、かつ上記梁部は、上記基板と上記ミラープレートの間において、上記ミラープレートの投影領域内に設けられているので、ミラー駆動機構を小型にでき、複数のミラーを備えたミラー駆動装置にあっては、ミラーをより密に配置できる。
【図面の簡単な説明】
【図１】本発明に係る実施の形態のミラー駆動装置の平面図である。
【図２】図１のＡ−Ａ’線についての断面図である。
【図３】図１のＢ−Ｂ’線についての断面図である。
【図４】本発明に係る実施の形態のミラー駆動装置の製造方法において、第１基板として用いる上面と下面に熱酸化膜１ａ，１ｂが形成されたシリコン基板の断面図である。
【図５】実施の形態のミラー駆動装置の製造方法において、第１基板の熱酸化膜１ａ上に下部電極１２と絶縁膜３とを形成した後の断面図である。
【図６】実施の形態のミラー駆動装置の製造方法において、第１犠牲層４１を形成した後の断面図である。
【図７】実施の形態のミラー駆動装置の製造方法において、上部電極４、梁部絶縁膜５及び接続ばね５ａを無機膜で形成した後の断面図である。
【図８】実施の形態のミラー駆動装置の製造方法において、第２犠牲層４２及びスペーサー１５ａを形成した後の断面図である。
【図９】実施の形態のミラー駆動装置の製造方法において、第３犠牲層４３を形成した後の断面図である。
【図１０】実施の形態のミラー駆動装置の製造方法において、プレート６を無機膜で形成した後の断面図である。
【図１１】実施の形態のミラー駆動装置の製造方法において、ミラー膜７を形成した後の断面図である。
【図１２】図１１の一部（補強部６ａを形成する部分）を拡大して示す断面図である。
【符号の説明】
１ 第１基板、１ａ，１ｂ 熱酸化膜、２ 下部電極、３ 絶縁膜、４ 上部電極、５ 梁部絶縁膜、５ａ 接続バネ、６ ミラープレート、６ａ プレート支持部、６ｂ 補強部、７ ミラー膜（反射膜）、１０ 梁部、１１ 固定部、１２ 移動端、１５ 接続部、１５ａ スペーサ、２０ アクチュエーター、３０第２基板、３１ ピボット、４１ 第１犠牲層、４２ 第２犠牲層、４３ 第３犠牲層、１００ 貫通孔。

Claims (8)

1. 基板と、一方の主面にミラー膜が形成されたミラープレートと、一端部で基板に固定され他端部が接続部を介して上記ミラープレートの他方の主面に接続された梁部を有しその梁部の他端部が上下するアクチュエーターとを備えたミラー駆動装置であって、
   上記ミラープレートと上記接続部と上記梁部とは、上記基板上に一体で形成された後に上記ミラープレートと上記接続部と上記梁部の上記一端部を除く部分が上記基板から分離されてなり、かつ上記梁部は、上記基板と上記ミラープレートの間において、上記ミラープレートの投影領域内に設けられたことを特徴とするミラー駆動装置。
2. 複数の上記ミラープレートを有し、その各ミラープレートにはそれぞれ上記アクチュエーターが設けられており、そのアクチュエーターの梁部がそれぞれ上記ミラープレートの投影領域内に設けられた請求項１記載のミラー駆動装置。
3. 上記アクチュエーターは、上記梁部に形成された正及び負の電極のうちの一方の電極と、少なくとも上記梁部に対向するように上記基板上に設けられた他方の電極とを含んでなる静電アクチュエーターである請求項１又は２記載のミラー駆動装置。
4. 上記梁部と上記他方の電極との間に絶縁層が設けられた請求項３記載のミラー駆動装置。
5. 上記基板は上記梁部の内側に貫通孔を有し、かつ上記ミラー駆動装置は上記基板とは別にさらに一方の主面にピボットが形成された第２基板を有しており、上記基板と上記第２基板とは上記ピボットが上記貫通孔を貫通してその先端が上記基板の上面から突出するように配置されて、上記ミラープレートが上記ピボットの先端で揺動可能に支持された請求項１〜４のうちのいずれか１項に記載のミラー駆動装置。
6. 上記ミラープレートと貫通孔は互いに同軸の円形であって、上記梁部は長手方向が該プレートの外周に沿った円弧形状になるように形成されている請求項５記載のミラー駆動装置。
7. 上記アクチュエーターを、３つ備えた請求項１〜６のうちのいずれか１項に記載のミラー駆動装置。
8. 基板上に一端が接続され他端が上下に移動することが可能な梁部を有するアクチュエーターと上記他端に接続されたミラープレートとを有するミラー駆動装置の製造方法であって、
   上記基板上に上記アクチュエーターを構成する各層を形成することと、
   上記アクチュエーターを構成する層を覆う犠牲層を形成することと、
   上記犠牲層の上に上記アクチュエーターと重なるように上記ミラープレートを形成することと、
   上記犠牲層を除去することとを含むミラー駆動装置の製造方法。

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