JP2004264702A

JP2004264702A - Ｍｅｍｓ素子および光デバイス

Info

Publication number: JP2004264702A
Application number: JP2003056303A
Authority: JP
Inventors: Keiji Isamoto; 圭史諫本; Hiroshi Toshiyoshi; 洋年吉; Shiyoukou Tei; 昌鎬鄭
Original assignee: Suntech Co
Current assignee: Suntech Co
Priority date: 2003-03-03
Filing date: 2003-03-03
Publication date: 2004-09-24

Abstract

【課題】ミラーを回転させるヒンジ部を細くしてもミラーが元に戻らない状態やヒンジ部の破損を回避することのできるＭＥＭＳ素子およびこれを使用した光減衰器、光スイッチ、光スキャナ等の光デバイスを得ること。
【解決手段】ミラー部２０２とアクチュエータ２０５、２０６はトーションスプリング（ヒンジ部）２０７、２０８によって固定部２０９、２１０に接続され、電源２１７によるアクチュエータ２０５、２０６とシリコン基板２１５の静電的な引力によって回転軸２０３の回りを回転する力を受ける。ヒンジ部を構成する所定層の厚さ方向の長さがこれと直交する面方向の長さよりも長いので、厚さ方向の衝撃に強い。またストッパ部２１９が水平方向の過度な移動を阻止する。ヒンジ部の両端部と接合する箇所にも衝撃に強い形状が採られている。
【選択図】図１

Description

【０００１】
【発明の属する技術分野】
本発明は微小電気機械システムとしてのＭＥＭＳ素子と、これを使用した光減衰器、光スイッチ、光スキャナ等の光デバイスに係わり、特にチルトミラーを使用したＭＥＭＳ素子と、ＭＥＭＳ素子を使用した光デバイスに関する。
【０００２】
【従来の技術】
光通信技術の発展に伴い、各種の光デバイスが開発されている。この中で、微細構造デバイスとしてのＭＥＭＳ（ＭｉｃｒｏＥｌｅｃｔｒｏＭｅｃｈａｎｉｃａｌＳｙｓｔｅｍ）素子が近年注目を集めている。ＭＥＭＳ素子は固体の弾性的あるいは機械的な性質を制御する技術を応用したもので、金属等の各種の材料で作られた従来の機械システムをシリコン加工により極小サイズで製造するデバイスである。部品が小型のため最終的な製品も小さくなるという利点があり、また金属疲労が無く、素子としての信頼性が高い。
【０００３】
ＭＥＭＳ素子のうちで、その一部にミラーが備えられているものは、電圧を印加することでこのミラーの傾斜角やミラーの位置を変化させ、入射した光の反射方向等を変化させることができる（たとえば特許文献１）。この原理を用いることで、ＭＥＭＳ素子を使用した光減衰器や光スイッチあるいは光スキャナ等の各種の光デバイスを製造することができる。傾斜角を変化させるミラーを備えたＭＥＭＳ素子では、ミラー自体が比較的大面積であっても、電圧印加に応じて傾斜角が変化したときに反りが少ないことが重要である。また、このような精度の高いＭＥＭＳ素子が簡単なプロセスで製造できることが求められている。以下、単にＭＥＭＳ素子と表現するときにはその一部にミラーを備えた素子をいうものとする。
【０００４】
ＭＥＭＳ素子として、従来からＳＯＩ（Ｓｉｌｉｃｏｎ−ｏｎ−Ｉｎｓｕｌａｔｏｒ）プロセスによる片持ち梁の素子が知られている。
【０００５】
図１１（ａ）はこのＳＯＩプロセスを使用したＭＥＭＳ素子を上から見たもので、同図（ｂ）はこれをＫ−Ｋ方向に切断したものである。このＭＥＭＳ素子１０１は、電極を兼ねたシリコン基板１０２上に所定の厚さの酸化層からなる支持部１０３を配置し、更にこの上に単結晶シリコンの上部電極１０４を配置して、この上部電極１０４におけるこれらの図で右半分部分にミラー１０５を形成した構造となっている。上部電極１０４におけるミラー１０５が形成された領域の直下の酸化層は、除去されている。
【０００６】
このようなＭＥＭＳ素子１０１は上部電極１０４と、下部電極を兼ねたシリコン基板１０２との間に電圧を印加すると、両者の間に矢印１０６で示す静電引力が働く。これにより、ミラー１０５が上面に形成され下方に空隙が生じている上部電極１０４が、矢印１０７方向に傾斜して、ミラー面の上方から入射する図示しない光の反射角度を変えることができる。
【０００７】
図１１に示したＭＥＭＳ素子１０１は次のようにして製造される。まずシリコン基板１０２の上に支持部１０３となる酸化層および上部電極１０４となる単結晶シリコンの層を形成する。この後、上部電極１０４となる単結晶シリコンにおけるミラー１０５が形成される直下の部分を切削する。次に、シリコン基板１０２上の酸化層における支持部１０３となっている部分以外をエッチングにより取り除く。この後、このエッチングにより除去した酸化層の上側の上部電極１０４の部分にミラー１０５を蒸着等で形成する。
【０００８】
このように図１１に示したＭＥＭＳ素子１０１は、比較的簡単なＳＯＩプロセスで製造できるという利点がある。また、上部電極１０４は単結晶のシリコン板であるため、膜厚を厚く構成することができ、その上に形成するミラー１０５の反りが少ないという長所がある。しかしながら、ミラー１０５が片持ち梁の構造となっているので、ミラー面がシリコン基板１０２に吸引される方向にのみ傾斜することになる。このように、図１１に示したバルクマイクロマシニングによる製造では、ＭＥＭＳ素子のミラー１０５の傾斜の自由度が少ないという問題があった。
【０００９】
そこで、表面マイクロマシニングを使用してＭＥＭＳ素子の設計の自由度を高めることで、ミラーが跳ね上がる方向にも傾斜できるようにする提案が行われている。
【００１０】
図１２（ａ）は、表面マイクロマシニングの技術を使用して製造したＭＥＭＳ素子を上から見たもので、同図（ｂ）はこれをＬ−Ｌ方向に切断したものである。このＭＥＭＳ素子１２１は、同図（ｂ）に示すように非導電体の基板１２２上に酸化層からなる支持部１２３を配置し、その上にポリシリコン薄膜１２４を配置した構造となっている。ポリシリコン薄膜１２４は同図（ａ）における左半分の部分が上部電極１２５を構成しており、ここには、多数のエッチングホールと呼ばれる開口１２６が開けられている。ポリシリコン薄膜１２４の右側の部分にはその上部にミラー部１２７が形成されている。ポリシリコン薄膜１２４は同図（ａ）でほぼ中央部に図で上下に細く伸びたヒンジ部１２８_１、１２８_２を有しており、これらヒンジ部１２８_１、１２８_２の端部と一体となった矩形領域からなる固定部１２９_１、１２９_２は同図（ｂ）に示した支持部１２３のちょうど上に積層されている。基板１２２とポリシリコン薄膜１２４の間は支持部１２３を除いて空隙となっており、上部電極１２５と対向する基板１２２上には下部電極１３１が形成されている。
【００１１】
このような図１２に示す構造のＭＥＭＳ素子１２１では、上部電極１２５と下部電極１３１の間に電圧を印加することで、矢印１３０で示すように静電引力が働き、ヒンジ部１２８_１、１２８_２を回転中心としてミラー部１２７を矢印１３２、１３３方向にチルトさせることができる。すなわちミラー部１２７を上方向に蹴り上げるように傾斜させることができる。これにより、静電引力による駆動時に傾斜角度をより大きく変化させることができる。また図１１と図１２を比較すると分かるように、ミラー面をより大型のものとすることも可能である。
【００１２】
なお、図１２でポリシリコン薄膜１２４はヒンジ部１２８_１、１２８_２を結ぶ直線（回転軸）に対して図でわずかに左側が長くなった形状となっている。これは回転軸を中心に左右の重さのバランスをとることで最も効率的な駆動特性を得るようにするためである。図で回転軸の左側を構成するポリシリコン薄膜１２４の幅を右側よりも若干広くしても、同様に質量によるモーメントを左右対称として駆動特性を最も効率的なものとすることができる。
【００１３】
【特許文献１】
特開２００１−１７４７２４号公報（第００１７段落、図５）
【００１４】
【発明が解決しようとする課題】
ところで、ＭＥＭＳ素子に関してもこれが組み込まれる装置の他の電子回路等との兼ね合いで低電圧駆動の要請が強い。たとえば図１２に示したＭＥＭＳ素子で低電圧駆動に対処しようとすると、ヒンジ部１２８_１、１２８_２をより細くあるいは長くして、その曲げ剛性を低下させ、わずかの静電引力でミラー部１２７が回転する必要がある。
【００１５】
ところが、このようにヒンジ部１２８_１、１２８_２を細くしたり、その曲げ剛性を低下させると、ＭＥＭＳ素子に何らかの原因で大きな衝撃が加わったときに、ミラー部がヒンジ部１２８_１、１２８_２を中心として回転し、その端部が非導電体の基板１２２に衝突したり、ミラー部自体が横揺れする。ヒンジ部１２８_１、１２８_２が細くなるとこのような衝突や横揺れがひどくなり、場合によってはヒンジ部１２８_１、１２８_２自体が破壊されるといった現象を生じる。
【００１６】
そこで本発明の目的は、ミラーを回転させるヒンジ部に外力が加わったような場合でも、その破損を回避することのできるＭＥＭＳ素子およびこれを使用した光減衰器、光スイッチおよび光スキャナ等の光デバイスを提供することにある。
【００１７】
【課題を解決するための手段】
請求項１記載の発明では、（イ）一方の電極となる導電性の基板と、（ロ）この基板と絶縁状態で間隔を置いて平行に配置された導電性の所定層から形成され、前記した一方の電極との間に印加される静電的な力によって所定の回転軸を中心として回転力を生じるアクチュエータと、（ハ）前記した所定層から同じく形成され回転軸を中心軸としてアクチュエータと所定の固定箇所との間を接続する棒状部材であって前記した所定層の厚さ方向の長さがこれと直交する面方向の長さよりも長いヒンジ部材と、（ニ）アクチュエータと一体的に配置され、アクチュエータの回転に応じて入射光の反射方向を変化させるミラーとをＭＥＭＳ素子に具備させる。
【００１８】
すなわち請求項１記載の発明では、導電性の基板の上のアクチュエータがこの基板との静電的な力によってヒンジ部材を中心として回転しミラーの入射光の反射方向を変化させるようになっている。低電圧駆動の要請等によってヒンジ部材の断面の面積が小さくなっている場合であっても、この棒状のヒンジ部材を構成する所定層の厚さ方向の長さがこれと直交する面方向の長さよりも長いので、同じくこの所定層から構成されるミラーやアクチュエータにこの所定層の厚さ方向の力が作用してもこれに耐えることができヒンジ部の破損を回避することができる。
【００１９】
請求項２記載の発明では、（イ）一方の電極となる導電性の基板と、（ロ）この基板と絶縁状態で間隔を置いて平行に配置された導電性の所定層から形成され、前記した一方の電極との間に印加される静電的な力によって所定の回転軸を中心として回転力を生じるアクチュエータと、（ハ）前記した所定層から同じく形成され回転軸に沿ってアクチュエータと所定の固定箇所との間を接続するヒンジ部材と、（ニ）アクチュエータと一体的に配置され、アクチュエータの回転に応じて入射光の反射方向を変化させるミラーと、（ホ）前記した所定層から同じく形成されアクチュエータの回転軸を中心とした回転範囲からわずかに離れた位置に固定されたストッパとをＭＥＭＳ素子に具備させる。
【００２０】
すなわち請求項２記載の発明では、導電性の基板の上のアクチュエータがこの基板との静電的な力によってヒンジ部材を中心として回転しミラーの入射光の反射方向を変化させるようになっている。このＭＥＭＳ素子には、アクチュエータの回転軸を中心とした回転範囲からわずかに離れた位置におけるアクチュエータと同一の層としての所定層に、ストッパが位置的に固定された状態で配置されている。そこで、ミラーやアクチュエータに前記した所定層の面方向の力が加わった場合にストッパが過剰な移動を阻止することができ、ヒンジ部材が破損するのを防止することができる。
【００２１】
請求項３記載の発明では、（イ）一方の電極となる導電性の基板と、（ロ）この基板と絶縁状態で間隔を置いて平行に配置された導電性の所定層から形成され、前記した一方の電極との間に印加される静電的な力によって所定の回転軸を中心として回転力を生じるアクチュエータと、（ハ）前記した所定層から同じく形成され回転軸に沿ってアクチュエータと所定の固定箇所との間を接続する棒状部材であってアクチュエータとの接続箇所でこのアクチュエータに近づく方向に少なくとも所定距離の範囲内では回転軸と直交する前記した所定層の面方向の長さが幅広となったヒンジ部材と、（ニ）前記した所定層から同じく形成され固定箇所に位置的に固定して配置され、ヒンジ部材との接続箇所でこのヒンジ部材から遠ざかる方向に少なくとも所定距離の範囲内では回転軸と直交する前記した所定層の面方向の長さが幅広となった固定部材と、（ホ）アクチュエータと一体的に配置され、アクチュエータの回転に応じて入射光の反射方向を変化させるミラーとをＭＥＭＳ素子に具備させる。
【００２２】
すなわち請求項３記載の発明では、導電性の基板の上のアクチュエータがこの基板との静電的な力によってヒンジ部材を中心として回転しミラーの入射光の反射方向を変化させるようになっている。ヒンジ部材は所定層から形成されており、回転軸に沿ってアクチュエータと固定箇所との間を接続している棒状の部材であるが、その固定箇所にはヒンジ部材から遠ざかる方向に少なくとも所定距離の範囲内では回転軸と直交する前記した所定層の面方向の長さが幅広となった固定部材が配置されているので、ヒンジ部材の長手方向の衝撃をこの幅広となった固定部材の部分でゆるやかに吸収することができ、その破損を効果的に防止することができる。
【００２３】
請求項４記載の発明では、（イ）一方の電極となる導電性の基板と、この基板と絶縁状態で間隔を置いて平行に配置された導電性の所定層から形成され、前記した一方の電極との間に印加される静電的な力によって所定の回転軸を中心として回転力を生じるアクチュエータと、前記した所定層から同じく形成され回転軸を中心軸としてアクチュエータと所定の固定箇所との間を接続する棒状部材であって前記した所定層の厚さ方向の長さがこれと直交する面方向の長さよりも長いヒンジ部材と、アクチュエータと一体的に配置され、アクチュエータの回転に応じて入射光の反射方向を変化させるミラーとを備えたＭＥＭＳ素子と、（ロ）このＭＥＭＳ素子の基板と前記した所定層との間に電圧を印加する電源と、（ハ）この電源の電圧印加に応じて傾斜するミラーを用いて光線の入出力を行う入出力手段とを光デバイスに具備させる。
【００２４】
すなわち請求項４記載の発明では、請求項１記載のＭＥＭＳ素子を、光減衰器、光スイッチ、光スキャナ等のミラーの傾斜角を用いて光の減衰率の調整や光のオン・オフあるいは光の走査等に利用する光デバイスに応用し、光デバイス自体の耐衝撃性を高めている。
【００２５】
請求項５記載の発明では、（イ）一方の電極となる導電性の基板と、この基板と絶縁状態で間隔を置いて平行に配置された導電性の所定層から形成され、前記した一方の電極との間に印加される静電的な力によって所定の回転軸を中心として回転力を生じるアクチュエータと、前記した所定層から同じく形成され回転軸に沿ってアクチュエータと所定の固定箇所との間を接続するヒンジ部材と、アクチュエータと一体的に配置され、アクチュエータの回転に応じて入射光の反射方向を変化させるミラーと、前記した所定層から同じく形成されアクチュエータの回転軸を中心とした回転範囲からわずかに離れた位置に固定されたストッパとを備えたＭＥＭＳ素子と、（ロ）このＭＥＭＳ素子の基板と前記した所定層との間に電圧を印加する電源と、（ハ）この電源の電圧印加に応じて傾斜するミラーを用いて光線の入出力を行う入出力手段とを光デバイスに具備させる。
【００２６】
すなわち請求項５記載の発明では、請求項２記載のＭＥＭＳ素子を、光減衰器、光スイッチ、光スキャナ等のミラーの傾斜角を用いて光の減衰率の調整や光のオン・オフあるいは光の走査等に利用する光デバイスに応用し、光デバイス自体の耐衝撃性を高めている。
【００２７】
請求項６記載の発明では、（イ）一方の電極となる導電性の基板と、この基板と絶縁状態で間隔を置いて平行に配置された導電性の所定層から形成され、前記した一方の電極との間に印加される静電的な力によって所定の回転軸を中心として回転力を生じるアクチュエータと、前記した所定層から同じく形成され回転軸に沿ってアクチュエータと所定の固定箇所との間を接続する棒状部材であってアクチュエータとの接続箇所でこのアクチュエータに近づく方向に少なくとも所定距離の範囲内では回転軸と直交する前記した所定層の面方向の長さが幅広となったヒンジ部材と、前記した所定層から同じく形成され固定箇所に位置的に固定して配置され、ヒンジ部材との接続箇所でこのヒンジ部材から遠ざかる方向に少なくとも所定距離の範囲内では回転軸と直交する前記した所定層の面方向の長さが幅広となった固定部材と、アクチュエータと一体的に配置され、アクチュエータの回転に応じて入射光の反射方向を変化させるミラーを備えたＭＥＭＳ素子と、（ロ）このＭＥＭＳ素子の基板と前記した所定層との間に電圧を印加する電源と、（ハ）この電源の電圧印加に応じて傾斜するミラーを用いて光線の入出力を行う入出力手段とを光デバイスに具備させる。
【００２８】
すなわち請求項６記載の発明では、請求項３記載のＭＥＭＳ素子を、光減衰器、光スイッチ、光スキャナ等のミラーの傾斜角を用いて光の減衰率の調整や光のオン・オフあるいは光の走査等に利用する光デバイスに応用し、光デバイス自体の耐衝撃性を高めている。
【００２９】
【発明の実施の形態】
【００３０】
【実施例】
以下実施例につき本発明を詳細に説明する。
【００３１】
図１は本発明の実施例におけるＭＥＭＳ素子の要部を斜め上方から見たものである。このＭＥＭＳ素子２０１は、円盤状のミラー部２０２を備えている。このミラー部２０２は、円盤の中心部を上面と平行な方向に貫通する１本の回転軸２０３を中心として傾斜角度θで矢印２０４方向に回転するようになっている。ミラー部２０２は、この回転軸２０３の貫通した２方向に突出した第１および第２のアクチュエータ２０５、２０６を備えている。これら第１および第２のアクチュエータ２０５、２０６の延長上には回転軸２０３が同じく中心部分を貫通した形で細い棒状の第１および第２のトーションスプリング（ヒンジ部）２０７、２０８のそれぞれ一端が配置されており、これらの他端は第１および第２の固定部２０９、２１０に接続された構造となっている。ただし、ミラー部２０２、第１および第２のアクチュエータ２０５、２０６、第１および第２のトーションスプリング２０７、２０８ならびに第１および第２の固定部２０９、２１０は別々の部品が組み合わされているのではなく、上部電極層と呼ばれる１つの層を所定の処理によって加工したものである。第１および第２のアクチュエータ２０５、２０６にはエッチングホールと呼ばれる開口２１２が複数配置されている。また、ミラー部２０２には図示しないが必要に応じて金（Ａｕ）やクロム（Ｃｒ）等の金属によって反射面が形成されている。
【００３２】
この図１で第１および第２のアクチュエータ２０５、２０６の右半分部分の下側には所定の間隔ｄをおいて、下部電極を兼ねたシリコン基板２１５が配置されている。ミラー部２０２の下側では、このミラー部２０２の円形形状よりもやや大きなサイズでシリコン基板２１５がその面とほぼ垂直方向にくり抜かれるように切除されており、円形開口部２１６を形成している。これは、回転軸２０３を中心としてミラー部２０２が矢印２０４方向に回転するとき、シリコン基板２１５の上面と接触するのを防止するためと、上部電極層と下部電極を兼ねたシリコン基板２１５の間に電源２１７によって電圧を印加したときミラー部２０２に静電的な力が直接及ぼされないようにするためである。
【００３３】
また、円形開口部２１６に連なって第１および第２のアクチュエータ２０５、２０６の図で左側の領域でもシリコン基板２１５がその面とほぼ垂直方向にくり抜かれるように切除されており、矩形開口部２１８を構成している。これに対して第１および第２のアクチュエータ２０５、２０６の図で右側の領域ではシリコン基板２１５は切除されていない。このように回転軸２０３を中心としてシリコン基板２１５が左右不均衡に存在することによって、電源２１７による電圧印加の大きさに応じて第１および第２のアクチュエータ２０５、２０６が左右異なった静電引力を受ける。この結果、印加電圧に応じてミラー部２０２は矢印２０４方向に回転する力を第１および第２のアクチュエータ２０５、２０６から伝達され、第１および第２のトーションスプリング２０７、２０８のこれに逆らう力と均衡する傾斜角にミラー面が設定されることになる。
【００３４】
すなわち、電圧が印加されていない状態におけるミラー部２０２のミラー面と直交する垂線（Ｙ軸方向）２２１に対して入射角αで光ビーム２２２が入射したとすると、電源２１７の印加電圧が大きくなるに応じて傾斜角度θが角度αから次第に大きな値に変化することになる。このようにミラー部２０２の傾斜角度θを電源２１７による印加電圧によって任意に変化させることで、後に説明するようにＭＥＭＳ素子を光減衰器、光スイッチあるいは光スキャナ等の各種の光学部品あるいは光学装置に応用することができる。
【００３５】
シリコン基板２１５におけるミラー部２０２の周辺あるいは第１または第２のアクチュエータ２０５、２０６の両側部のいずれかと対向する位置には、共にわずかの間隔を置いてストッパ部２１９の端部が配置されている。ストッパ部２１９は上部電極層で構成されている。この図１で回転軸２０３の方向をＺ軸方向とし、前記した垂線２２１の方向がＹ軸方向のとき、このストッパ部２１９の端部は、ミラー部２０２および第１または第２のアクチュエータ２０５、２０６のＸ軸方向の揺れを制限する役割を果たしている。本実施例の第１および第２のアクチュエータ２０５、２０６は低電圧駆動を可能にするためにそれらの断面のサイズを小さくしているが、図でハッチングで示したようにＹ軸方向に細長い断面構造となっており、Ｙ軸方向の衝撃に強い。その分だけＸ軸方向の衝撃に対して変形あるいは破壊が生じやすい構造となっているので、ストッパ部２１９の端部がこれらのＸ軸方向の大幅な移動を阻止するようになっている。
【００３６】
なお、この図１では層構造を分りやすくするために、第１のアクチュエータ２０５の手前側（電源２１７を示している側）のシリコン基板２１５およびストッパ部２１９を適宜切除して図解している。また、上部電極層とシリコン基板２１５の間の中間層の図示は省略している。
【００３７】
図２は、本実施例のＭＥＭＳ素子の平面構造を表わしたものである。この図で実線２２４、２２５で示したのがストッパ部２１９における第１または第２のアクチュエータ２０５、２０６に対するストッパとしての役割を果たす前記した端部を示したものである。すでに説明したようにストッパ部２１９はミラー部２０２や第１または第２のアクチュエータ２０５、２０６と同一の上部電極層で構成されている。本来、ミラー部２０２や第１または第２のアクチュエータ２０５、２０６以外のこれらの領域は下部電極としてのシリコン基板２１５が露出していてもよい。本実施例のＭＥＭＳ素子２０１ではこれらの領域に上部電極層を残すことで、ミラー部２０２や第１または第２のアクチュエータ２０５、２０６と対向する壁を作り、これによってＹ軸方向の不必要な移動を阻止するようにしている。
【００３８】
図３は、図２でＡ−Ａ方向にＭＥＭＳ素子を切断した場合の端面の構造を表わしたものである。図３に示すように実施例ではミラー部２０２の上部に金の薄膜からなる反射層２３１が形成されている。また、ミラー部２０２の直下のシリコン基板２１５は図で下方からくり抜かれ、円形開口部２１６を形成している。ストッパ部２１９はミラー部２０２を挟むような形でそれぞれ所定の間隔を置いてこの両側に配置されている。
【００３９】
図４は、図２でＢ−Ｂ方向にＭＥＭＳ素子を切断した場合の端面の構造を表わしたものである。この図では図２における第２のアクチュエータ２０６を横断する形で切断している。第２のアクチュエータ２０６には、エッチングホールとしての開口２１２が上下に貫通している。この開口２１２は、第２のアクチュエータ２０６を構成する上部電極層とシリコン基板２１５の間にＭＥＭＳ素子のパターン作成処理前にこの部分に存在していた図示しない中間層（活性層）をエッチングによって除去する際のエッチング液の染み込みを促進させる役割を果たしている。また、上部電極層を構成する第１および第２のアクチュエータ２０５、２０６（図１および図２）が印加電圧に応じて傾斜する際に、スクイーズダンピングと呼ばれる空気の粘性抵抗を低減して高速動作を可能とする。ストッパ部２１９は第２のアクチュエータ２０６を挟むような形で所定の間隔を置いてこの両側に配置されている。図示しないが第１のアクチュエータ２０５とストッパ部２１９の関係も同様である。
【００４０】
図５（ａ）は、図２でＣ−Ｃ方向にＭＥＭＳ素子を切断した場合の端面の構造を表わしたものである。この図では図２における第１のトーションスプリング２０７を横断する形で切断している。ストッパ部２１９は第１のトーションスプリング２０７を挟むような形で所定の間隔を置いてこの両側に配置されている。同図（ｂ）は第１のトーションスプリングの断面を拡大して示したものである。本実施例では第１のトーションスプリング２０７のＸ軸方向の長さとＹ軸方向の長さは１対１０程度となっている。この場合、Ｘ軸方向の第１のトーションスプリング２０７の長さは最も短い場合には数μｍ程度となる。図示しないが第２のトーションスプリング２０８とストッパ部２１９の関係も同様である。
【００４１】
図６は、この実施例のＭＥＭＳ素子をバルクマイクロマシニングによって製造するプロセスを示したものである。まず、同図（ａ）に示すようにシリコン基板２１５と中間層２４１および上部電極層２４２がそれぞれ所望の厚さとなった３層構造のウエハ２４３を用意する。ここでシリコン基板２１５と上部電極層２４２は共にシリコン（Ｓｉ）にボロン（Ｂ）やリン（Ｐ）等の不純物をドープして導体としたものである。中間層２４１はシリコン酸化膜（ＳｉＯ_２）である。このうち、上部電極層２４２は、図１等で説明したミラー部２０２、第１および第２のアクチュエータ２０５、２０６、第１および第２のトーションスプリング２０７、２０８、第１および第２の固定部２０９、２１０ならびにストッパ部２１９が形成される層である。中間層２４１は、図１に示した間隔ｄに対応する厚さとなっている。本実施例ではシリコン基板２１５の厚さは３００〜８００μｍ、中間層２４１の厚さは０．５〜５μｍ、上部電極層２４２の厚さは１０〜５０μｍのものを使用する。
【００４２】
次に、同図（ｂ）に示すようにフォトリソグラフィとエッチングによって上部電極層２４２のパターンを作成する。フォトリソグラフィとエッチングによるパターンの作成については、従来から用いられている手法なので図示および説明を省略する。この処理で図１等で説明したミラー部２０２、第１および第２のアクチュエータ２０５、２０６、第１および第２のトーションスプリング２０７、２０８、第１および第２の固定部２０９、２１０、開口２１２およびストッパ部２１９が形成される。なお、図６では上部電極層２４２の詳細な図示は省略している。
【００４３】
次に、同図（ｃ）に示すようにシリコン基板２１５側からフォトリソグラフィとエッチングを行い、図１に示したミラー部２０２に対応する円形開口部２１６や、この図５には示していない矩形開口部２１８を作成する。このときには、必要に応じてウエハ２４３の表裏を反転させて処理を行うことになる。
【００４４】
最後に、同図（ｄ）に示すように中間層２４１を除去する。ただし、図１および図２に示した第１および第２の固定部２０９、２１０およびストッパ部２１９の部分は中間層２４１と上部電極層２４２で構成されているので、エッチングの時間を調整することでこの部分の中間層２４１（図３〜図５で図示を省略）は残存させる。
【００４５】
以上説明した実施例ではＳＯＩを用いたバルクマイクロマシニングを使用してＭＥＭＳ素子２０１を製造したので、表面マイクロマシニングと比べて簡単な工程となり、コストダウンを図ることができる。しかもＳＯＩを用いた場合、構造体が結晶シリコンとなるため、ミラー等の光学部品を高い品質で製造することができる。更に通常の表面マイクロマシニングと比べて上部電極層２４２を厚く形成することができるので、図５（ｂ）に示したように第１および第２のトーションスプリング２０７のＹ軸方向をＸ軸方向に比べて厚くすることができ、低電圧駆動を行う場合にもＹ軸方向に特に補強を行うことなく衝撃に対する耐性を十分持たせることができる。また、構造上、回転軸２０３の方向としてのＺ軸方向（図１）の耐衝撃性が高いので、結果的にすべての方向に対する耐衝撃性を高めることができる。
【００４６】
また、第１および第２のアクチュエータ２０５、２０６は第１および第２のトーションスプリング２０７、２０８に対して対称形となり、回転軸２０３の両側に開口２１２を均等に配置している。このため、回転軸２０３に対して質量のモーメントが対称形となり、第１および第２のトーションスプリング２０７、２０８が特定方向に余計に回転してねじ切れる事態の発生を効果的に防止することができる。更に第１および第２のアクチュエータ２０５、２０６のほぼ全面に開口２１２が配置されているので、エッチング液の染み込みを均一に行えると共に空気の粘性抵抗の低減も回転軸２０３を中心にバランスよく行うことができる。
【００４７】
＜第１の実施例の第１の変形例＞
図７は本発明の第１の実施例のＭＥＭＳ素子の第１の変形例における平面構造を表わしたものである。図７で図２と同一部分には同一の符号を付しており、これらの説明を適宜省略する。第１の変形例のＭＥＭＳ素子２０１Ａは、図２に示した第１の実施例のＭＥＭＳ素子２０１と次の点が大きく相違している。第１の実施例では、図２に示したように第１および第２のトーションスプリング２０７、２０８が第１および第２の固定部２０９、２１０のうちの対応するもので終端している。第１の変形例では第１および第２のトーションスプリング２０７Ａ、２０８Ａが第１および第２の補強部２０９Ａ、２１０Ａを途中に挟んで更に延長されており、ストッパ部２１９の一部をなす第１および第２の緩衝吸収領域３０１、３０２に接続されている。
【００４８】
これら第１および第２の緩衝吸収領域３０１、３０２は第１および第２の補強部２０９Ａ、２１０Ａと共に上部電極層２４２を構成しているが、第１および第２のトーションスプリング２０７Ａ、２０８Ａの終端が９０度以上の鈍角で他の部材と接続されるように渦巻き状に進路を変え、進路を２分岐することで力の掛かる方向を２つに分散している。なお、第１および第２の補強部２０９Ａ、２１０Ａは第１の実施例における第１および第２の固定部２０９、２１０と異なり位置的に固定されているものではない。第１および第２の補強部２０９Ａ、２１０Ａは中間層としての酸化層を除去するまでの工程での強度を保持するための役割を果たしており、第１および第２のトーションスプリング２０７Ａ、２０８Ａは第１または第２の緩衝吸収領域３０１、３０２で固定されている。
【００４９】
したがって、ＭＥＭＳ素子２０１ＡにＺ軸方向（図１）の衝撃が加わったとき、第１の実施例ではこれを図２に示す第１および第２の固定部２０９、２１０で受け止めていたが、第１の変形例では第１および第２の補強部２０９Ａ、２１０Ａならびに第１および第２の緩衝吸収領域３０１、３０２で受け止めるようになっている。これにより、Ｚ軸方向の衝撃に対する耐力が飛躍的に増大する。なお、第１の実施例および第１の変形例共に、第１または第２のトーションスプリング２０７、２０８、２０７Ａ、２０８Ａの両端の接続箇所は、図１にも示されているようにＲ（アール）を形成し、次第に幅広となって対向するアクチュエータ２０５、２０６あるいは補強部２０９Ａ、２１０Ａと接続されている。これもＺ軸方向の衝撃に対する耐力の増強に効果がある。
【００５０】
また、第１および第２のトーションスプリング２０７Ａおよび２０８Ａの横に壁を設けることで、構造体のパターンをエッチングで作製する際のばらつきを低減することができる。
【００５１】
＜第１の実施例の第２の変形例＞
図８は本発明の第１の実施例のＭＥＭＳ素子の第２の変形例における平面構造を表わしたものである。この第２の変形例のＭＥＭＳ素子２０１Ｂでは、ミラー部２０２の周辺と第１または第２のアクチュエータ２０５、２０６におけるＺ軸（図１）に平行な側部に沿って第１および第２のストッパ部３１１、３１２が所定の幅を有する壁状に設けられている。したがって、この図に示すようにＭＥＭＳ素子２０１Ｂを上から見たとき、ミラー部２０２、第１および第２のアクチュエータ２０５、２０６、第１および第２のトーションスプリング２０７、２０８、第１および第２の固定部２０９、２１０ならびに第１および第２のストッパ部３１１、３１２以外の部分では下部電極としてのシリコン基板２１５が露出している。このように第１および第２のストッパ部３１１、３１２を壁のような構造にしても、衝撃に対するストッパとしての効果を得ることができる。
【００５２】
＜第２の実施例＞
【００５３】
図９は、本発明の第２の実施例として第１の実施例のＭＥＭＳ素子を光減衰器に応用した例を示したものである。この光減衰器５０１は、減衰を行う光を入射する第１の光ファイバ５０２と減衰後の光を射出する第２の光ファイバ５０３のそれぞれ端部近傍を収容するキャピラリ５０４を備えている。このキャピラリ５０４における第１および第２の光ファイバ５０２、５０３の端部側にはレンズホルダ５０５が接続されている。第１の光ファイバ５０２から射出された光は、このレンズホルダ５０５内を進行して非球面レンズ５０６に入射し、前方に配置されたＭＥＭＳ素子２０１のミラー部２０２に入射する。
【００５４】
このミラー部２０２と下部電極を兼ねたシリコン基板２１５の間には電圧制御部５０８から出力電圧が印加されるようになっている。この出力電圧は所定範囲で連続的にその値を変化させることができるようになっており、この電圧変化によってミラー部２０２の傾斜角が０度（水平）から所定の角度まで変化するようになっている。
【００５５】
電圧制御部５０８による印加電圧を連続的に変化させ、ミラー部２０２の傾斜角をこれに応じて変化させると、レンズホルダ５０５の非球面レンズ５０６から出射しミラー部２０２で反射された光は、非球面レンズ５０６に入射する量および入射角を連続的に変化させる。この結果、非球面レンズ５０６に戻った光のうちで第２の光ファイバ５０３に結合する光の量が連続的に変化することになる。したがって、光減衰器５０１は電圧制御部５０８の出力電圧に応じて光の減衰量を変化させることができる。
【００５６】
このような連続的な光の減衰制御の代わりに、電圧制御部５０８から電圧が２値のいずれかとなったオン・オフ制御信号を出力することで、たとえば第２の光ファイバ５０３に入射する光を第１の光ファイバ５０２から出射された光のほぼ１００パーセントの状態とほぼ０パーセントの状態に切り換えることができる。これにより、図９に示したデバイスを光スイッチとして動作させることができる。
【００５７】
＜第３の実施例＞
【００５８】
図１０は、本発明の第３の実施例として第１の実施例のＭＥＭＳ素子を光スキャナに応用した例を示したものである。この光スキャナ５５１の一部を構成する光ファイバ５５２から射出された光は、コリメータレンズ５５３によって平行光にされて、図１あるいは図２に示したＭＥＭＳ素子２０１のミラー部２０２に入射する。このミラー部２０２と下部電極を兼ねたシリコン基板２１５の間には電圧制御部５５４から出力電圧が印加されるようになっている。この出力電圧はその値がサイン波状あるいは鋸歯状等種々の波形で周期的に変化するようになっており、これによるミラー部２０２の傾斜角の周期的な変化で反射光５５５が矢印５５６に示すように方向を周期的に変える。したがって、この反射光５５５を用いた光学的なスキャンが可能になる。
【００５９】
以上、各実施例ではＭＥＭＳ素子をＳＯＩを用いたバルクマイクロマシニングで実現する例を説明したが、最終的に同一の構造のＭＥＭＳ素子を他の周知のプロセスで作成した物に対しても本発明を適用することができることは当然である。また、第１の実施例および変形例ではトーションスプリングを固定部で固定したが、第１の変形例のような緩衝吸収領域に接続しているときは固定部を省略してもよいことは当然である。
【００６０】
【発明の効果】
以上説明したように請求項１記載の発明によれば、棒状のヒンジ部材を構成する所定層の厚さ方向の長さがこれと直交する面方向の長さよりも長いので、同じくこの所定層から構成されるミラーやアクチュエータにこの所定層の厚さ方向の力が作用してもこれに耐えることができヒンジ部の破損を回避しながらその剛性を低下させ低電圧駆動を実現することができる。
【００６１】
また請求項２記載の発明によれば、ミラーやアクチュエータと同一の層としての所定層に間隔を置いてストッパを形成したので、ミラーやアクチュエータが外力によってこの層の面方向に移動することがあってもこの動きを制動することができ、結果的にヒンジ部材を細長くすることでその剛性を低下させ低電圧駆動を実現することができる。
【００６２】
更に請求項３記載の発明によれば、ヒンジ部材は所定層から形成されており、回転軸に沿ってアクチュエータと固定箇所との間を接続している棒状の部材であるが、その固定箇所にはヒンジ部材から遠ざかる方向に少なくとも所定距離の範囲内では回転軸と直交する前記した所定層の面方向の長さが幅広となった固定部材が配置されているので、ヒンジ部材の長手方向の衝撃をこの幅広となった固定部材の部分でゆるやかに吸収することができ、その破損を効果的に防止することができるので、ヒンジ部材を細長くしてその剛性を低下させ低電圧駆動を実現することが可能になる。
【００６３】
また、請求項４記載の発明によれば、請求項１記載のＭＥＭＳ素子を、光減衰器、光スイッチ、光スキャナ等のミラーの傾斜角を用いて光の減衰率の調整や光のオン・オフあるいは光の走査等に利用する光デバイスに応用し、光デバイス自体の耐衝撃性を高めると共に低電圧駆動を実現することができる。
【００６４】
更に請求項５記載の発明によれば、請求項２記載のＭＥＭＳ素子を、光減衰器、光スイッチ、光スキャナ等のミラーの傾斜角を用いて光の減衰率の調整や光のオン・オフあるいは光の走査等に利用する光デバイスに応用し、光デバイス自体の耐衝撃性を高めると共に低電圧駆動を実現することができる。
【００６５】
また請求項６記載の発明によれば、請求項３記載のＭＥＭＳ素子を、光減衰器、光スイッチ、光スキャナ等のミラーの傾斜角を用いて光の減衰率の調整や光のオン・オフあるいは光の走査等に利用する光デバイスに応用し、光デバイス自体の耐衝撃性を高めると共に低電圧駆動を実現することができる。
【図面の簡単な説明】
【図１】本発明の実施例におけるＭＥＭＳ素子の要部斜視図である。
【図２】実施例のＭＥＭＳ素子の要部を上から見た平面図である。
【図３】図２でＭＥＭＳ素子の要部をＡ−Ａ方向に切断した端面図である。
【図４】図２でＭＥＭＳ素子の要部をＢ−Ｂ方向に切断した端面図である。
【図５】図２でＭＥＭＳ素子の要部をＣ−Ｃ方向に切断した端面図である。
【図６】実施例のＭＥＭＳ素子をバルクマイクロマシニングによって製造する一連のプロセスを示した説明図である。
【図７】本発明の第１の実施例の第１の変形例におけるＭＥＭＳ素子の要部を表わした平面図である。
【図８】本発明の第１の実施例の第２の変形例におけるＭＥＭＳ素子の要部を表わした平面図である。
【図９】本発明の第２の実施例として第１の実施例のＭＥＭＳ素子を光減衰器に応用した例を示した概略構成図である。
【図１０】本発明の第３の実施例として第１の実施例のＭＥＭＳ素子を光スキャナに応用した例を示した概略構成図である。
【図１１】従来ＳＯＩプロセスを使用して製造されたＭＥＭＳ素子の平面および断面を示した図である。
【図１２】表面マイクロマシニングにより従来製造されたＭＥＭＳ素子の平面および断面を示した図である。
【符号の説明】
２０１、２０１Ａ、２０１ＢＭＥＭＳ素子
２０２ミラー部（上部電極）
２０３回転軸
２０５、２０６アクチュエータ（上部電極）
２０７、２０８トーションスプリング（ヒンジ部）
２０９、２１０固定部
２１５シリコン基板（下部電極）
２１６円形開口部
２１７電源
２１８矩形開口部
２１９、３１１、３１２ストッパ部
５０１光減衰器（光スイッチ）
５０８、５５４電圧制御部
５５１光スキャナ

Claims

一方の電極となる導電性の基板と、
この基板と絶縁状態で間隔を置いて平行に配置された導電性の所定層から形成され、前記一方の電極との間に印加される静電的な力によって所定の回転軸を中心として回転力を生じるアクチュエータと、
前記所定層から同じく形成され前記回転軸を中心軸として前記アクチュエータと所定の固定箇所との間を接続する棒状部材であって前記所定層の厚さ方向の長さがこれと直交する面方向の長さよりも長いヒンジ部材と、
前記アクチュエータと一体的に配置され、アクチュエータの回転に応じて入射光の反射方向を変化させるミラー
とを具備することを特徴とするＭＥＭＳ素子。
一方の電極となる導電性の基板と、
この基板と絶縁状態で間隔を置いて平行に配置された導電性の所定層から形成され、前記一方の電極との間に印加される静電的な力によって所定の回転軸を中心として回転力を生じるアクチュエータと、
前記所定層から同じく形成され前記回転軸に沿って前記アクチュエータと所定の固定箇所との間を接続するヒンジ部材と、
前記アクチュエータと一体的に配置され、アクチュエータの回転に応じて入射光の反射方向を変化させるミラーと、
前記所定層から同じく形成され前記アクチュエータの前記回転軸を中心とした回転範囲からわずかに離れた位置に固定されたストッパ
とを具備することを特徴とするＭＥＭＳ素子。
一方の電極となる導電性の基板と、
この基板と絶縁状態で間隔を置いて平行に配置された導電性の所定層から形成され、前記一方の電極との間に印加される静電的な力によって所定の回転軸を中心として回転力を生じるアクチュエータと、
前記所定層から同じく形成され前記回転軸に沿って前記アクチュエータと所定の固定箇所との間を接続する棒状部材であってアクチュエータとの接続箇所でこのアクチュエータに近づく方向に少なくとも所定距離の範囲内では前記回転軸と直交する前記所定層の面方向の長さが幅広となったヒンジ部材と、
前記所定層から同じく形成され前記固定箇所に位置的に固定して配置され、ヒンジ部材との接続箇所でこのヒンジ部材から遠ざかる方向に少なくとも所定距離の範囲内では前記回転軸と直交する前記所定層の面方向の長さが幅広となった固定部材と、
前記アクチュエータと一体的に配置され、アクチュエータの回転に応じて入射光の反射方向を変化させるミラー
とを具備することを特徴とするＭＥＭＳ素子。
一方の電極となる導電性の基板と、この基板と絶縁状態で間隔を置いて平行に配置された導電性の所定層から形成され、前記一方の電極との間に印加される静電的な力によって所定の回転軸を中心として回転力を生じるアクチュエータと、前記所定層から同じく形成され前記回転軸を中心軸として前記アクチュエータと所定の固定箇所との間を接続する棒状部材であって前記所定層の厚さ方向の長さがこれと直交する面方向の長さよりも長いヒンジ部材と、前記アクチュエータと一体的に配置され、アクチュエータの回転に応じて入射光の反射方向を変化させるミラーとを備えたＭＥＭＳ素子と、
このＭＥＭＳ素子の前記基板と前記所定層との間に電圧を印加する電源と、
この電源の電圧印加に応じて傾斜する前記ミラーを用いて光線の入出力を行う入出力手段
とを具備することを特徴とする光デバイス。
一方の電極となる導電性の基板と、この基板と絶縁状態で間隔を置いて平行に配置された導電性の所定層から形成され、前記一方の電極との間に印加される静電的な力によって所定の回転軸を中心として回転力を生じるアクチュエータと、前記所定層から同じく形成され前記回転軸に沿って前記アクチュエータと所定の固定箇所との間を接続するヒンジ部材と、前記アクチュエータと一体的に配置され、アクチュエータの回転に応じて入射光の反射方向を変化させるミラーと、前記所定層から同じく形成され前記アクチュエータの前記回転軸を中心とした回転範囲からわずかに離れた位置に固定されたストッパとを備えたＭＥＭＳ素子と、
このＭＥＭＳ素子の前記基板と前記所定層との間に電圧を印加する電源と、
この電源の電圧印加に応じて傾斜する前記ミラーを用いて光線の入出力を行う入出力手段
とを具備することを特徴とする光デバイス。
一方の電極となる導電性の基板と、この基板と絶縁状態で間隔を置いて平行に配置された導電性の所定層から形成され、前記一方の電極との間に印加される静電的な力によって所定の回転軸を中心として回転力を生じるアクチュエータと、前記所定層から同じく形成され前記回転軸に沿って前記アクチュエータと所定の固定箇所との間を接続する棒状部材であってアクチュエータとの接続箇所でこのアクチュエータに近づく方向に少なくとも所定距離の範囲内では前記回転軸と直交する前記所定層の面方向の長さが幅広となったヒンジ部材と、前記所定層から同じく形成され前記固定箇所に位置的に固定して配置され、ヒンジ部材との接続箇所でこのヒンジ部材から遠ざかる方向に少なくとも所定距離の範囲内では前記回転軸と直交する前記所定層の面方向の長さが幅広となった固定部材と、前記アクチュエータと一体的に配置され、アクチュエータの回転に応じて入射光の反射方向を変化させるミラーを備えたＭＥＭＳ素子と、
このＭＥＭＳ素子の前記基板と前記所定層との間に電圧を印加する電源と、
この電源の電圧印加に応じて傾斜する前記ミラーを用いて光線の入出力を行う入出力手段
とを具備することを特徴とする光デバイス。