JP2005024966A - 光変調装置 - Google Patents

Abstract

【課題】マイクロミラーデバイス（ＭＭＤ）の多くは、ミラー部が片持ち梁で支えられているため、作動時に振動が発生しやすく、制御が不安定になる。発明者らは両持ち梁を用いたＭＭＤを提案したが、梁が当接する対向面を、基準面に対する角度が異なる第１の対向面と第２の対向面に分け、両者を屈曲点によって接続しているので、製造工程が複雑になっていた。
【解決手段】ほぼＶ字形の浅い凹部の両側に平坦部を有する基板２０２上に、該平坦部に両端を固定し、該凹部に掛け渡すように光反射膜２０６を有する両持ち梁２０１を設ける。凹部は両持ち梁２０１の固定端部２０１ａに近い側の第１の対向面２０７ａと、それに接続され基板電極２０４を備える第２の対向面２０７ｂを有する。第１の対向面２０７ａと第２の対向面２０７ｂは同一面をなす。両持ち梁２０１は静電引力によって変形し光の反射方向を変えることができる。
【選択図】 図２

Description

【０００１】
【産業上の利用分野】
本発明は光投影システムに関し、光変調装置、特に光スイッチデバイスの構成及び製法に関する。応用分野として、電子写真プロセスにおける光書き込みデバイスなどがある。
【０００２】
【従来の技術】
静電力を利用した光スイッチデバイスの、入射光の反射方向を変えて光変調を行う光変調装置では、片持ち梁を静電力で撓ませて、入射光の反射方向を変えてスイッチするデバイス、及び、それを用いた光変調システムは、既に公知である。
片持ち梁は、静電力が解放されて梁の撓みが回復するときに振動する。これは、梁の一端のみが固定されていることにより、梁の自由振動が発生するためである。
また、梁を薄膜で形成する場合には、残留応力が発生する。片持ち梁の場合、残留応力により梁が変形する。しかも、残留応力は時間を経て緩和されるために、片持ち梁の変形状態が経時変化する。以上の理由で片持ち梁は安定性が悪い。
片持ち梁の場合は、自由振動に起因して、信号応答性が悪くなる。したがって片持ち梁は安定性の確保が難しく、片持ち梁の固有振動数が低い為に、応答速度を速くすることが出来なかった。
【０００３】
ミラーを細いねじり棒で保持し、静電力によりミラーの向きを変え、光の反射方向を変えてスイッチするデバイスも既に公知であるが、その構造が複雑になり、歩留まりを高くすることが困難であるだけでなく、ミラーの保持が細いねじり棒による為に、その寿命を長くすることが出来なかった。
回折格子を静電力で駆動して、光スイッチするデバイスも公知である（例えば、特許文献１ 参照。）。
しかし、このような、回折格子を静電力で駆動して、光スイッチするデバイスは、使用する入射光の波長が制限されると言う問題点があった。
【０００４】
静電力により梁を湾曲させ、反射光の焦点を合わせて、スリットを通過させることで光スイッチするデバイスも公知である（例えば、特許文献２ 参照。）。
しかし、このような、静電力により梁を湾曲させ、反射光の焦点を合わせて、スリットを通過させることで光スイッチするデバイスは、梁の湾曲の度合いが不安定になり易く、信頼性もあまり高くできなかった。
したがって、従来の光変調装置及びその光変調装置を具備する光学応用装置は、入射光の反射方向を変えて光変調を行う構造が複雑で応答も遅く、使用する入射光の波長が制限され、作動が不安定で信頼性も低下すると言う不具合が生じていた。
【０００５】
【特許文献１】
特許第３０１６８７１号公報（第２、３頁）
【特許文献２】
特開２０００−２８４２号公報（第３頁、第１図）
【０００６】
【発明が解決しようとする課題】
入射光束の反射方向を変えて光変調を行う従来の光変調装置は、構造が複雑で応答も遅く、使用する入射光の波長が制限され、作動が不安定で信頼性も低下すると言う問題が発生していた。
【０００７】
このような問題を解決するため、発明者らは先に、梁の両端を固定して梁の変形を対向面への当接により規制し、入射光を変調する構造を出願した（特願２００２−２２７８３４号）。この方法では梁の安定性が向上し、信号応答性も改善される。
しかし、上記構造では、梁を当接させるべき対向面を、第１の対向面と第２の対向面とし、両者の接続部分を屈曲点として、２つの対向面が基準面に対して異なる角度で形成されている。そのため製造工程がやや複雑になる。
本発明はこのような課題を解決するものである。即ち、入射光の反射方向を変えて光変調を行うに当たって、応答も速く、使用する入射光の波長が制限されることなく、長期間の使用でも作動が安定で信頼性も高い、という従来の特性を損なうことなく、製造工程が少なく、低コストの光変調装置、及びその光変調装置を具備する光学応用装置を提供することを目的とする。
【０００８】
【課題を解決するための手段】
請求項１の発明では、入射光の反射方向を変えて光変調を行う光変調装置であって、少なくとも、上面の両端に平坦部を有する基板と、該基板の前記平坦部に両端を固定され中間を静電引力により変形し得る変形部とする梁電極を備えた両持ち梁とを有し、前記基板はほぼ中央部に、前記両持ち梁の両端の固定部分を結ぶ基準面と、前記平坦部に近い第１の対向面と、中央部に近く基板電極を備えた第２の対向面とによって囲まれた凹部を有し、前記両持ち梁は、少なくとも入射光を正反射する光反射膜を有し、前記変形部が前記第１及び第２の対向面に対向して配置され、前記変形を少なくとも上記第２の対向面への当接により規制して前記光反射膜への入射光の光変調を行う光変調装置において、前記第１の対向面は前記第２の対向面と同一面をなすことを特徴とする。
【０００９】
請求項２の発明では、請求項１に記載の光変調装置において、前記第１の対向面と第２の対向面の接続する点の深さは、少なくとも前記両持ち梁の厚さの２倍以上であることを特徴とする。
請求項３の発明では、請求項１または２に記載の光変調装置において、前記両持ち梁と前記第２の対向面とは互いに異なる材料で形成されていることを特徴とする。
【００１０】
請求項４の発明では、請求項１ないし３のいずれか１つに記載の光変調装置において、前記両持ち梁は導電性材料からなる梁電極を有した窒化シリコン薄膜で形成されていることを特徴とする。
請求項５の発明では、請求項４に記載の光変調装置において、前記梁電極はアルミニウムで形成されていることを特徴とする。
【００１１】
請求項６の発明では、請求項４または５に記載の光変調装置において、前記梁電極が前記光反射膜を兼ねることを特徴とする。
請求項７の発明では、請求項１ないし３のいずれか１つに記載の光変調装置において、前記両持ち梁に備えられた梁電極は、導電性を有する多結晶シリコン薄膜で形成されることを特徴とする。
【００１２】
請求項８の発明では、請求項１ないし７のいずれか１つに記載の光変調装置において、前記基板電極はＺｎＯからなることを特徴とする。
請求項９の発明では、請求項１ないし８のいずれか１つに記載の光変調装置において、前記基板電極は絶縁性材料で覆われて形成されていることを特徴とする。
請求項１０の発明では、請求項９に記載の光変調装置において、前記絶縁性材料はシリコンの酸化物であることを特徴とする。
【００１３】
請求項１１の発明では、請求項９または１０に記載の光変調装置において、前記第２の対向面は凹凸構造を有し、該凹凸構造は前記絶縁性材料にて形成されていることを特徴とする。
請求項１２の発明では、請求項１１に記載の光変調装置において、前記凹凸構造は複数の円形凹部からなることを特徴とする。
請求項１３の発明では、請求項１１に記載の光変調装置において、前記凹凸構造は前記両持ち梁の固定端を結ぶ方向に平行な複数の線条構造であることを特徴とする。
【００１４】
請求項１４の発明では、請求項１１に記載の光変調装置において、前記凹凸構造は前記両持ち梁の固定端を結ぶ方向に直交する複数の線条構造であることを特徴とする。
請求項１５の発明では、請求項１１ないし１４のいずれか１つに記載の光変調装置において、前記基板電極は前記凹凸構造の凹部にのみ対応して配置されていることを特徴とする。
請求項１６の発明では、請求項１ないし７のいずれか１つに記載の光変調装置において、前記第２の対向面は凹凸構造を有することを特徴とする。
【００１５】
請求項１７の発明では、請求項１６に記載の光変調装置において、前記凹凸構造は複数の円形凹部からなることを特徴とする。
請求項１８の発明では、請求項１６に記載の光変調装置において、前記凹凸構造は前記両持ち梁の固定端を結ぶ方向に平行な複数の線条構造であることを特徴とする。
【００１６】
請求項１９の発明では、請求項１６に記載の光変調装置において、前記凹凸構造は前記両持ち梁の固定端を結ぶ方向に直交する複数の線条構造であることを特徴とする。
請求項２０の発明では、請求項１６に記載の光変調装置において、前記凹凸構造の凹部の底に導電性の基板電極が形成されていることを特徴とする。
【００１７】
請求項２１の発明では、請求項２０に記載の光変調装置において、前記凹凸構造は前記両持ち梁の固定端を結ぶ方向に平行な複数の線条構造を基本とし、凹部はすべてが相互につながった形状をしていることを特徴とする。
請求項２２の発明では、請求項２０に記載の光変調装置において、前記凹凸構造は前記両持ち梁の固定端を結ぶ方向に直交する複数の線条構造を基本とし、凹部はすべてが相互につながった形状をしていることを特徴とする。
請求項２３の発明では、請求項１ないし２２のいずれか１つに記載の光変調装置において、前記両持ち梁と前記第２の対向面とが互いに対向する面の少なくとも一方の面の、少なくとも相互に接する部分は撥水性を示す膜で覆われていることをを特徴とする。
【００１８】
請求項２４の発明では、請求項１ないし２３のいずれか１つに記載の光変調装置において、前記両持ち梁と前記第２の対向面とが互いに対向する面の少なくとも一方の面の表面粗さが０．００５μｍ〜０．１μｍの範囲であることを特徴とする。
請求項２５の発明では、請求項１ないし２４のいずれか１つに記載の光変調装置において、透光性材料で形成されたカバー部材が、前記基板上の空隙及び前記両持ち梁を含むように前記基板に取り付けられていて、前記カバー部材と前記基板とで囲まれた空間は真空であることを特徴とする。
【００１９】
請求項２６の発明では、請求項１ないし２４のいずれか１つに記載の光変調装置において、透光性材料で形成されたカバー部材が、前記基板上の空隙及び前記両持ち梁を含むように前記基板に取り付けられていて、前記カバー部材と前記基板とで囲まれた空間はほぼ１ｔｏｒｒの減圧状態であることを特徴とする。
【００２０】
【実施例】
以下に実施例に従って本発明を説明する。
図１は本発明の実施形態を説明する概略図である。
図中符号１０１は基板、１０２は対向面、１０２ａは第１の対向面、１０２ｂは第２の対向面、１０３、１０４、１０５は両端が基板１０１に固定された両持ち梁、１０３ａは両持ち梁１０３の両端の固定部、１０３ｂは両持ち梁１０３の、外力により変形可能な変形部をそれぞれ示す。両持ち梁１０４、１０５の構成も同様である。符号１０６は互いに平行な入射光、１０７、１０８、１０９は反射光、１１０は対向面１０２より上で基板１０１上面より下の部分に形成される空隙をそれぞれ示す。
【００２１】
同図において、両持ち梁１０３ないし１０５の表面には光反射膜が形成されている。両持ち梁は両固定端の中間部分が、後述の静電引力により対向面に近づく様に変形させられ、第２の対向面１０２ｂに当接する。図１においては両持ち梁１０３、１０４は両持ち梁が変形していない状態で、両持ち梁１０５が静電引力により変形し、基板１０１の第２の対向面１０２ｂに当接している状態である。上記、変形していないときの両持ち梁の下面、すなわち、梁の両固定端を結ぶ平面を、便宜上、基準面と呼ぶ。
【００２２】
光変調装置に入射する光１０６はそれぞれ両持ち梁の表面の光反射膜で反射される。変形していない状態の両持ち梁１０３、１０４では、入射光１０６の反射方向は１０７のようになる。両持ち梁１０５が変形し第２の対向面１０２ｂに当接した状態では、入射光１０６の反射方向は変形により１０８及び１０９の方向へ変化する。この２つの状態の変化により本発明の光変調装置は光の反射方向を変更出来る。なお、光の反射方向は実際より誇張して示してある。
【００２３】
基板１０１を形成する材料としては、シリコンウエハー、セラミック、ガラス基板等目的により種々選択可能である。シリコンウエハーを基板として用いる場合には、梁を変形させる外力の発生及び制御用の電子回路を基板上に形成可能である。ガラスを基板として用いれば透明基板とすることが出来るので、光を基板裏面から入射できる。
基板上の上下面が非平行な空隙１１０は半導体微細加工技術により形成可能である。具体的には面積階調マスク、グレートーンマスクといわれるフォトマスクを用いたフォトリソグラフィーの手法によりフォトレジストを両面が非平行な斜面形状に形成することができる。この斜面形状のフォトレジストをドライエッチングのマスクとして、基板材料をドライエッチングすると、基板上に符号１１０で示すような一部斜面を有する空隙を形成することができる。
【００２４】
両持ち梁１０３、１０４、１０５は薄膜材料、具体的には、窒化シリコン膜、酸化シリコン膜、多結晶シリコン膜、種々金属薄膜などが材料として選択できる。本発明の光変調装置のような両持ち梁構造を形成する方法としては、犠牲層プロセスの手法を使うのが一般的である。すなわち、上記のように形成した、空隙を後工程で除去可能な材料、いわゆる犠牲層材料で埋めて、平坦化し、その上に梁材料の成膜、フォトリソグラフィー、エッチング等の微細加工手段により両持ち梁をパターニングして、最後に犠牲層をエッチングにより除去するものである。犠牲層材料としては梁材料とのエッチング選択性が高いものが選ばれる。例えば梁を窒化シリコンで形成する場合には、犠牲層は多結晶シリコンで形成されることが多い。この場合には、多結晶シリコンの犠牲層は、ＴＭＡＨというエッチング液で除去される。また梁を多結晶シリコンで形成する場合には、犠牲層はＣＶＤのＳｉＯ_２膜が選ばれることが多い。この場合の犠牲層エッチングは緩衝フッ酸が使われる。
【００２５】
両持ち梁の一面には光反射膜が形成されている。光反射膜は金属薄膜、誘電体薄膜等で形成出来るが、光反射膜と上記両持ち梁を兼ねることが出来る。両持ち梁を変形させる外力としては一般には静電引力、磁力等が用いられるが、本発明では静電引力で両持ち梁を変形させる。両持ち梁に静電引力を発生させる電極の一つとして梁電極を形成し、他の電極として基板上の前記斜面からなる対向面に沿って基板電極を形成する。
【００２６】
図２は本発明の実施例を示す図である。図２（ａ）は本発明の光変調装置の断面図、図２（ｂ）、図２（ｃ）は従来の光変調装置の動作状態を説明するための図である。図２（ｄ）は本発明の光変調装置の動作状態を説明するための図である。
同図において、符号２０１は表面に光反射面を有した両持ち梁、２０１ａは固定端、２０１ｂは変形部、２０２は梁を保持する基板、２０３は酸化膜、２０４は基板電極、２０５は保護膜、２０６は光反射膜、２０７は対向面、２０７ａは第１の対向面、２０７ｂは第２の対向面をそれぞれ示す。
【００２７】
図２（ａ） において、基板２０２は面方位（１００）のシリコンウエハーから形成されており、厚さは５２５μｍである。半導体微細加工の手法により一部斜面からなる凹形状の空隙２１０が形成され、その表面を熱酸化により形成した酸化膜２０３が厚さ２μｍで覆っている。該凹形状は両持ち梁２０１の固定端２０１ａから梁の中央部に向かって深さが深くなるように形成され、中央部での深さは１．３μｍである。基板電極２０４は梁を変形させる静電引力を発生する電極の一つで、高融点金属であるＴｉＮで形成されている。厚さは０．２μｍで、スパッタ装置で成膜されたものである。保護膜２０５は基板電極２０４を保護する膜で、プラズマＣＶＤの手法により形成されたＳｉＯ_２膜である。その厚さは０．３μｍに形成されている。この保護膜２０５の上面が、両持ち梁２０１が変形して当接する対向面２０７を形成している。
【００２８】
両持ち梁２０１はＬＰＣＶＤの手法により形成された窒化シリコン膜により形成されている。その大きさは長さ（両持ち梁２０１の固定端２０１ａ間の距離）２５μｍで幅（両持ち梁の自由端間の距離）２０μｍ、厚さ０．０５μｍである。両持ち梁２０１の上にはスパッタ法で形成された厚さ０．０３μｍのＡｌ光反射膜２０６が形成されている。この反射膜は梁を変形させる静電引力を発生させる梁電極を兼ねている。光反射膜２０６の材料は波長選択性さえなければＡｌに限る必要はない。
【００２９】
保護膜２０５の上面で形成される対向面２０７と前記基準面とにより形成される角度は凹形状の空隙の深さ１．３μｍと梁の長さの半分１２．５μｍとから、概略６度になる。この角度のことを、以後、端部傾斜角度と呼ぶことにする。すなわち、対向面と前記基準面とのなす角度は、両持ち梁の左右２つの固定端２０１ａにおいては６度に始まり、凹部の途中で第２の対向面２０７ｂに同じ角度６度で接続し、凹部の中央で左右の対向面が繋がる。さらに本実施例では第１の対向面２０７ａと第２の対向面２０７ｂが接続する点は基準面からの深さ０．２μｍの位置にある。これは両持ち梁２０１の厚さの４倍になっている。
【００３０】
対向面をこのような形状にすることによって、光変調装置の信頼性を高めることが出来る。その理由を図２（ｂ）、（ｃ）を用いて説明する。なお、この両図においては、両持ち梁２０１の表現は簡略化してある。
図２（ｂ）において、両持ち梁２０１は静電引力により、２点鎖線で示すように対向面２０７に当接するように変形させられる。変調の一回の動作において、両持ち梁２０１の固定端２０１ａに近い部分は電極間のギャップが小さいので強い静電引力が作用すること、また梁の変形のエネルギーが小さいことから、変形の過程を見ると、最初に対向面に当接して、この部分には動作中静電引力が作用し続け、また戻りの過程においては、変形のエネルギーが小さい最後に離れることになる。変形の繰り返し回数が多くなると、このような端部においては繰り返し当接が行われることにより、梁の回復力（＝変形のエネルギー）より、梁表面と対向面の付着エネルギーの方が大きくなる状況が発生し、当接した状態を保持する状況、すなわち、固着の状態になる。
【００３１】
図２（ｃ）において、対向面２０７は、屈曲点をもって接続された第１の対向面２０７ａと、第２の対向面２０７ｂとを有している。第２の対向面２０７ｂには基板電極２０４が配設されているのに対し、第１の対向面２０７ａには基板電極２０４が配置されていない。そのため、図の２点鎖線のように、両持ち梁２０１は静電引力により、第２の対向面２０７ｂに当接するが、固定端付近の第１の対向面２０７ａにおいては、静電引力が働いていないので、梁が対向面に当接せず、固着が発生し難くなる。ただし、屈曲点の位置があまり浅いと、図２（ｂ）に示した従来型との違いが明確にならず、十分な効果が発揮できなくなる。前記基準面からの屈曲点の深さは、両持ち梁２０１の厚さの２倍以上にしている。
この構成は第１の対向面と第２の対向面が屈曲点によって接続されており、その分製造工程が複雑になっている。
【００３２】
図２（ｄ）において、対向面２０７は、第１の対向面２０７ａと、第２の対向面２０７ｂとを有している。第１の対向面と第２の対向面とは単純に同一面をなしている。第２の対向面２０７ｂには基板電極２０４が配設されているのに対し、第１の対向面２０７ａには基板電極２０４が配置されていない。そのため、図の２点鎖線のように、両持ち梁２０１は静電引力により、第２の対向面２０７ｂに吸着され当接するが、固定端付近の第１の対向面２０７ａにおいては、静電引力が働いていないので、梁が対向面に強くは当接せず、固着が発生し難くなる。ただし、基板電極２０４の配置の上限の位置があまり浅いと、図２（ｂ）に示した従来型との違いが明確にならず、十分な効果が発揮できなくなる。前記基準面からの基板電極２０４の配置の上限の深さ、すなわち、第１の対向面と第２の対向面が接する点の深さは、本実施例のように、両持ち梁２０１の厚さの２倍以上にするのがよい。
【００３３】
本実施例に示すような屈曲点の有無のみの差で、他の構成寸法は同じ２種類の光変調装置の信頼性を比較すると、単に屈曲点がない図２（ｂ）に示した形状の場合には、連続繰り返し動作回数１×１０^８回で固定端付近に梁の固着が認められた。それに対して、屈曲点がある図２（ｃ）に示した形状の場合には、連続繰り返し動作回数１×１０^１１回でも固着の発生が認められなかった。更に、屈曲点は無いが、対向面７ｂに対応した位置のみ基板電極を形成した図２（ｄ）に示した形状の場合には、連続繰り返し動作回数１×１０^１０回でも固着の発生が認められなかった。すなわち、第１と第２の対向面の間の接続部に屈曲点を設けるという複雑な構成にしなくても、実用上十分な連続繰り返し動作回数が得られることが明らかとなった。
【００３４】
本実施例では両持ち梁２０１の下面が絶縁性材料からなっているので、基板電極２０４の上の保護膜２０５はなくても短絡などの問題は発生しない。
逆に、基板電極２０４上に絶縁性の保護膜２０５が設けられている場合は、両持ち梁２０１を導電性を有した多結晶シリコン薄膜で構成し、あえて、絶縁性の保護膜を重ねなくても、上記同様問題は発生しない。
基板電極の材料として、本実施例では ＴｉＮを用いているが、ＺｎＯを用いることもできる。基板電極にＺｎＯを用いると、上記のように保護膜２０５を用いない場合にも、固着の発生が少なくなる。
【００３５】
両持ち梁２０１と第２の対向面２０７ｂの相互の接触面は、双方が鏡面のようにあまり滑らかであると、接触によって真空吸着のような現象が起き、信号が解除されても両者が離れなくなってしまうおそれがある。しかし、両持ち梁２０１はその厚さが、０．０５μｍと非常に薄いので、両面の表面状態があまり粗くても光反射性能の劣化が生ずる。これらの条件から、上記接触面の少なくとも一方の表面粗さが、０．００５μｍないし０．１μｍの範囲であることが望ましい。
【００３６】
図３は本発明の他の実施例の光変調装置の断面図である。
図中符号３０１、３１１は表面に光反射面を有した両持ち梁、３０１ａ、３１１ａは該両持ち梁の固定端、３０１ｂ、３１１ｂは変形部、３０２、３１２は梁を保持する基板、３０３、３１３は酸化膜、３０４、３１４は基板電極、３０５、３１５は保護膜、３０６、３１６は反射膜、３０７、３１７は対向面、３０７ａ、３１７ａは第１の対向面、３０７ｂ、３１７ｂは第２の対向面をそれぞれ示す。
【００３７】
同図において、基板３０２は面方位（１００）のシリコンウエハーから形成されていて、厚さは ５２５μｍである。半導体微細加工の手法により一部斜面からなる凹形状の空隙３１０が形成され、その表面を熱酸化により形成した酸化膜３０３が厚さ２μｍで覆っている。凹形状は両持ち梁３０１の固定端３０１ａから梁の中央部に向かって深さが深くなるように形成され、中央部での深さは ２．５μｍである。基板電極３０４は梁を変形させる静電引力を発生する電極の一つで、高融点金属であるＴｉＮで形成されている。厚さは０．２μｍで、スパッタ装置で成膜されたものである。保護膜３０５はプラズマＣＶＤの手法により形成したＳｉＯ２膜である。その厚さは０．３μｍに形成されている。この保護膜３０５の上面が対向面３０７となる。
【００３８】
両持ち梁３０１はＬＰＣＶＤの手法により形成された窒化シリコン膜により形成されている。その大きさは長さ（両持ち梁の固定端間の距離）５０μｍで幅（両持ち梁の自由端間の距離）４０μｍ、厚さ０．０７μｍである。両持ち梁３０１の上にはスパッタ法で形成された厚さ０．０３μｍのＡｌ光反射膜３０６が形成されている。この光反射膜３０６は両持ち梁３０１を変形させる静電引力を発生させる梁電極を兼ねている。
【００３９】
保護膜３０５の上面で形成される対向面３０７と前記基準面とにより形成される角度は、凹形状３１０の空隙の深さ２．５μｍと梁の長さの半分２５μｍとから、概略６度になる。すなわち、対向面と前記基準面とのなす角度は両持ち梁の左右２つの固定端３０１ａにおいて６度に始まり、凹部の途中で第２の対向面に同じ角度６度で接続し、凹部の中央で左右の対向面が繋がる。さらに本実施例では第１の対向面３０７ａと第２の対向面３０７ｂの屈曲点は前記基準面からの深さ０．１５μｍの位置にある。これは両持ち梁３０１の厚さの約２．１倍になっている。
【００４０】
本実施例に示すような基板電極を持たない第１の対向面の有無のみの差で、他の構成寸法は同じ２種類の光変調装置の信頼性を比較すると、第１の対向面がない場合には、連続繰り返し動作回数１×１０^８回で固定端付近に梁の固着が認められた。それに対して、第１の対向面がある場合には連続繰り返し動作回数１×１０^１１回でも固着の発生が認められなかった。
【００４１】
図４は本発明の更に他の実施例を示す図である。
図４（ａ）は本実施例の光変調装置の断面図である。図４（ｂ）は本実施例の光変調装置の基板の斜視図である。
図において、符号４０１両持ち梁、４０２は基板、４０３は酸化膜、４０４は基板電極、４０５は保護膜、４０６は光反射膜、４０７は対向面、４０７ａは第１の対向面、４０７ｂは第２の対向面、４０８はディンプルと呼ばれる穴、４１０は空隙をそれぞれ示す。
【００４２】
基板４０２は面方位（１００）のシリコンウエハーから形成されており、厚さは５２５μｍである。半導体微細加工の手法により一部斜面からなる凹形状の空隙４１０が形成され、その表面を熱酸化により形成した酸化膜４０３が厚さ２μｍで覆っている。該凹形状は両持ち梁４０１の固定端４０１ａから梁の中央部に向かって深さが深くなるように形成され、中央部での深さは２．５μｍである。基板電極４０４は梁を変形させる静電引力を発生する電極の一つで、高融点金属であるＴｉＮで形成されている。厚さは０．２μｍで、スパッタ装置で成膜されたものである。
【００４３】
保護膜４０５は基板電極４０４を保護する膜で、プラズマＣＶＤの手法により形成されたＳｉＯ_２膜である。その厚さは１．０μｍに形成されている。この保護膜４０５の上面が両持ち梁４０１が変形して当接する対向面４０７を形成している。さらにこの対向面４０７の表面には、図４（ｂ）に示すように、直径１．０μｍ、深さ０．８μｍのディンプル４０８がピッチ２．０μｍで、全面に形成されている。このディンプル４０８は、両持ち梁４０１が第２の対向面４０７ｂに当接した状態のときに、実際に密着している面積を減少させるので、両持ち梁４０１と第２の対向面４０７ｂ間の密着力を弱める効果がある。また、両持ち梁４０１が第２の対向面４０７ｂに当接したときには、ディンプル４０８内に気体が圧縮されて封じ込められる。この圧縮気体の圧力が、反発力として梁に作用するので、ディンプル４０８が存在することにより、より固着が発生し難くなる。
【００４４】
両持ち梁４０１はプラズマＣＶＤの手法により形成された窒化シリコン膜により形成されている。その大きさは長さ（両持ち梁４０１の固定端４０１ａ間の距離）５０μｍで幅（両持ち梁の自由端間の距離）４０μｍ、厚さ０．１μｍである。両持ち梁４０１の上にはスパッタ法で形成された厚さ０．０３μｍのＡｌ光反射膜４０６が形成されている。この反射膜は梁を変形させる静電引力を発生させる梁電極を兼ねている。
【００４５】
保護膜４０５の上面で形成される対向面４０７と前記基準面とから形成される角度は凹形状の空隙４１０の深さ ２．５μｍと梁の長さの半分２５μｍとから、概略６度になる。すなわち、対向面と前記基準面とのなす角度は両持ち梁の左右２つの固定端４０１ａにおいて６度に始まり、凹部の途中で第２の対向面４０１ｂに同じ角度６度で接続し、凹部の中央で左右の対向面が繋がる。さらに本実施例では第１の対向面４０１ａと第２の対向面４０１ｂの接続点は前記基準面からの深さ０．２μｍの位置にある。これは両持ち梁４０１の厚さの２倍になっている。
【００４６】
本実施例に示すような第１の対向面とディンプル４０８の有無のみの差で、他の構成寸法は同じ２種類の光変調装置の信頼性を比較すると、第１の対向面とディンプル４０８がない場合には、連続繰り返し動作回数１×１０^８回で固定端付近で梁の固着が認められた。それに対して、第１の対向面とディンプル４０８がある場合には連続繰り返し動作回数１×１０^１２回でも固着の発生が認められなかった。
なお、本実施例ではディンプル４０８を保護膜４０５の上面に形成しているが、図２を用いて説明した実施例の一部として、基板電極の上に保護膜をつけない場合の例を説明したが、そのような場合は上記ディンプルを基板電極そのものに形成してもよい。
【００４７】
図５は本発明の他の実施形態を示す光変調装置の断面図である。図５を用いて本発明の更に他の実施例を説明する。
図５において、符号５０１は表面に光反射面を有した両持ち梁、５０２は基板、５０３は酸化膜、５０４は基板電極、５０５は保護膜、５０６は光反射膜、
５０７は対向面、５０８はディンプル、５０９はカバーをそれぞれ示す。
【００４８】
基板５０２は面方位（１００）のシリコンウエハーから形成されており、厚さは５２５μｍである。半導体微細加工の手法により２つの斜面からなる凹形状の空隙５１０が形成され、その表面を熱酸化により形成した酸化膜５０３が厚さ２μｍで覆っている。該凹形状は両持ち梁５０１の固定端５０１ａから梁の中央部に向かって深さが深くなるように形成され、中央部での深さは２．５μｍである。基板電極５０４は梁を変形させる静電引力を発生する電極の一つで、高融点金属であるＴｉＮで形成されている。厚さは０．２μｍで、スパッタ装置で成膜されたものである。
【００４９】
保護膜５０５は基板電極５０４を保護する膜で、プラズマＣＶＤの手法により形成されたＳｉＯ_２膜である。その厚さは１．０μｍに形成されている。この保護膜５０５が両持ち梁５０１が変形して当接する対向面５０７を形成している。さらにこの対向面５０７の表面には、直径１．０μｍ、深さ０．８μｍのディンプル５０８がピッチ２．０μｍで、全面に形成されている。このディンプル５０８は、両持ち梁５０１が第２の対向面５０７ｂに当接状態のときに、実際に密着している面積を減少させるので、両持ち梁５０１と第２の対向面５０７ｂ間の密着力を弱める効果がある。また、両持ち梁５０１が第２の対向面５０７ｂに瞬間的に当接したときには、ディンプル５０８内に気体が圧縮されて閉じ込められる。この圧縮気体の圧力が、反発力として梁に作用するので、ディンプル５０８が存在することにより、より固着が発生し難くなる。
【００５０】
両持ち梁５０１はプラズマＣＶＤの手法により形成された窒化シリコン膜により形成されている。その大きさは長さ（両持ち梁５０１の固定端間４０１ａの距離）５０μｍで幅（両持ち梁の自由端間の距離）４０μｍ、厚さ０．１μｍである。両持ち梁５０１の上にはスパッタ法で形成された厚さ０．０３μｍのＡｌ光反射膜５０６が形成されている。この反射膜は梁を変形させる静電引力を発生させる梁電極を兼ねている。
【００５１】
保護膜５０５の上面で形成される対向面５０７と両持ち梁５０１とから形成される角度は凹形状の空隙の深さ２ ．５μｍと梁の長さの半分２５μｍにより、概略６度になる。すなわち、対向面と両持ち梁５０１とのなす角度は両持ち梁の左右２つの固定端５０１ａにおいて６度に始まり、凹部の途中で第２の対向面５０１ｂに同じ角度６度で接続し、凹部の中央で左右の対向面が繋がる。さらに本実施例では第１の対向面５０７ａと第２の対向面５０７ｂの接続点は凹部の深さ０．２μｍの位置にある。さらに本実施例では、上記基板上で両持ち梁を覆うようにパイレックス（登録商標）ガラスのような透光性ガラスで形成されたカバー５０９が取りつけられ、その内部は真空に保たれる。ここで言う真空とは１×１０^−５ Ｔｏｒｒ以下の減圧に保持することを言う。本実施例の光変調装置では外部環境、特に湿度の影響を受けないので、より長期信頼性が高くなった。
【００５２】
本実施例のようなカバーの有無の差で、他の構成寸法は同じ２種類の光変調装置の信頼性を比較すると、カバーがない場合には、連続繰り返し動作回数１×１０^１３回で固定端付近で梁の固着が認められた。それに対して、カバーがある場合には連続繰り返し動作回数１×１０^１５回でも固着の発生が認められなかった。
【００５３】
１×１０^−５Ｔｏｒｒという圧力は実用上真空と呼んでいる範囲であるが、そこまで圧力を減らさなくとも湿度の影響は大幅に軽減できる。真空度を高めるとそれ相応にコストも高くつくので、或る程度の減圧で妥協してもよい。１ｔｏｒｒ以下の減圧状態、例えば、ほぼ１ｔｏｒｒの減圧状態であれば、問題となるような湿度の影響も少ないことが分かっているので、敢えて高度な真空にせずこの程度の減圧状態にしても良い。
【００５４】
図４（ｂ）において、ディンプル４０８を円形の凹部として示したが、パターンの製作が簡単なために示した例であって、製造の際のパターン次第でいろいろな形状が可能である。
図６、７は直線状のディンプルを示す図である。符号は図４に準ずる。
図６においては、凹凸構造は両持ち梁の固定端を結ぶ方向に平行な複数の線条構造になっている。すなわち、保護膜４０５の一部が第２の対向面４０７ｂとなるよう、任意の幅の直線状凸部を複数形成し、それぞれの間にはディンプル４０８となる凹部を溝状に形成する。したがって、第２の対向面４０７ｂとディンプル４０８は交互に並ぶことになる。ディンプル４０８の幅は、両持ち梁が静電引力によって対向面４０７ｂに吸着されたとき、ディンプル４０８に対応する両持ち梁の部分が変形しない程度に狭くしておく。これらのパターンもまた製作は非常に容易である。
【００５５】
図７においては、凹凸構造は両持ち梁の固定端を結ぶ方向に対し直交する方向に複数の線条構造になっている。図６の場合と線条の方向が異なるだけで、その他は図６の場合と同様である。どちらの線条構造の場合も、静電引力による吸着時に、両持ち梁４０１と第２の対向面との接触面積が小さくなることと、同じく吸着時に、非接触部分であるディンプル部に気体が封じ込められるため、吸着力解除の際に両持ち梁４０１が第２の対向面４０７ｂに真空吸着されることが防げることにより、固着が発生し難くなる。
【００５６】
図４においては、基板電極４０４が、基板４０２の凹形状の部分のほぼ全面に存在する構成で説明してきたが、基板電極の形状をディンプルの形状に関係づけることもできる。
図８は基板電極がディンプルに対応していることを説明するための図である。
図において符号は図４に準ずる。図４と異なる構成は、基板電極４０４がディンプル４０８の下にのみ存在する点である。このようにする理由は、基板電極４０４に吸着用の電位を与えると、基板電極４０４を覆っている絶縁層である保護膜４０５の表面に、その都度静電誘導による電荷が発生し、それが両持ち梁４０１を吸引したとき、電荷の発生した箇所が両持ち梁に直接接触すると、固着の原因になりやすくなるからである。本構成によれば、基板電極の上の保護膜の表面に静電誘導による電荷が現れても、それは両持ち梁４０１に直接接触しないので、固着の原因になりにくい。
【００５７】
図９は基板電極形状とディンプルの形状の関係の他の例を示す図である。
図において符号は図４に準ずる。絶縁層である保護膜４０５は、酸化膜４０３の上に直接形成されており、保護膜４０５には所定の条件を満たす形状のディンプル４０８が設けられている。ディンプルの底には基板電極４０４が形成されている。ディンプルの深さは、両持ち梁４０１が吸着されたとき、両持ち梁４０１の裏面が基板電極４０４に触れる危険性のない程度とする。
【００５８】
図１０は基板電極形状とディンプルの形状の関係をカバー付きの光変調装置に適用した例を示す図である。
符号は図５に準ずる。カバーの有無以外は図９の例と同じであるので詳細な説明は省略する。
【００５９】
ここで言う所定の条件を満たす形状のディンプルとは、その底に設けた基板電極が電極としての機能を果たせる形状のことを意味する。例えば、図４（ｂ）に示す円形凹部のディンプルの場合、その底に基板電極を設けてもお互いが独立しているため一カ所を電源に接続してもすべての電極に電位を与えることができない。したがって、ディンプルは相互に独立な形状であってはならない。
【００６０】
図１１、１２は所定の条件を満たす形状をしたディンプルの例である。
符号は図４に準ずる。図において、ディンプル４０８は線条構造を基本とした複雑な形をしているが、すべてが相互につながった形状をしている。基板電極４０４はディンプル４０８の底全体に一様に形成されている。したがって、基板電極４０４のどこか一カ所電源に接続するだけで、基板４０２の凹形状のほぼ全面に亘って静電引力を発生させることができる。
【００６１】
図１３は両持ち梁の裏面に撥水性を有する層が形成されていることを示す図である。
同図において、符号２１８は撥水性の層を示す。その他の符号は図２に準ずる。
梁と対向面との固着の起こりやすさは、湿度の影響を受けることは既に述べた。それは梁および対向面の材質が、表面に水分を吸着しやすい性質を持っているからと考えられる。そして、双方の水分が互いに吸着し合うことによって固着が起こるものと推測される。そこで、本実施形態のように、梁の裏面側、すなわち対向面に接する側に撥水性の層２１８を形成する。こうすることにより、周囲の気体中にたとえ水分が含まれていたとしても、梁の裏面側には水分が吸着されないので、対向面との間で水分が原因による固着は起こらない。
撥水性の層の材質としては、ＯＴＳ（ｏｃｔａｄｅｃｙｌｔｒｉｃｈｌｏｒｏｓｉｌａｎｅ）、ＦＤＴＳ（ｐｅｒｆｌｕｏｒｏｄｅｃｙｌｔｒｉｃｈｌｏｒｏｓｉｌａｎｅ）、ＤＤＭＳ（ｄｉｃｈｌｏｒｏｄｉｍｅｔｈｙｌｓｉｌａｎｅ）等が用いられる。
【００６２】
図１４は第２の対向面の表面に撥水性の層を重ねた状態を示す図である。
図において、符号２１９は撥水性の層を示す。その他の符号は図２に準ずる。
前記したように水分同士の吸着により、梁と対向面の固着が生ずるのであるから、第２の対向面の側に撥水性の層２１９を形成しても同じ効果が得られる。もちろん、両持ち梁の裏面側と、第２の対向面の表面の双方に撥水性の層を形成すれば、より効果は大きくなると期待できる。図の都合で、第２の対向面としてディンプルのない例を示したが、ディンプルがあっても、梁と接触する面に撥水性の層を形成すればよいので、本構成は図３以下に示した対向面の形状においてもすべて適用できる。
【００６３】
【発明の効果】
本発明によれば、両持ち梁が基板との固定部付近においては、動作時であっても対向面に当接しないので固着が発生せず、長期信頼性の高い光変調装置とすることができる。
【図面の簡単な説明】
【図１】本発明の実施形態を説明する概略図である。
【図２】本発明の実施例を示す図である。
【図３】本発明の他の実施例の光変調装置の断面図である。
【図４】本発明の更に他の実施例を示す図である。
【図５】本発明の他の実施形態を示す光変調装置の断面図である。
【図６】直線状のディンプルを示す図である。
【図７】直線状のディンプルを示す図である。
【図８】基板電極がディンプルに対応していることを説明するための図である。
【図９】基板電極形状とディンプルの形状の関係の他の例を示す図である。
【図１０】基板電極形状とディンプルの形状の関係をカバー付きの光変調装置に適用した例を示す図である。
【図１１】所定の条件を満たす形状をしたディンプルの例である。
【図１２】所定の条件を満たす形状をしたディンプルの例である。
【図１３】両持ち梁の裏面に撥水性を有する層が形成されていることを示す図である。
【図１４】対向面の表面に撥水性の層を重ねた状態を示す図である。
【符号の説明】
１０１ 基板
１０２ 対向面
１０３、１０４、１０５ 両持ち梁
１０６ 入射光
１０７、１０８、１０９ 反射光
２０１ 両持ち梁
２０２ 基板
２０４ 基板電極
２０５ 保護膜
２０６ 光反射膜
２０７ 対向面
４０８ ディンプル
５０９ カバー
２１０、２１１ 撥水性の層

Claims (26)

1. 入射光の反射方向を変えて光変調を行う光変調装置であって、少なくとも、上面の両端に平坦部を有する基板と、該基板の前記平坦部に両端を固定され中間を静電引力により変形し得る変形部とする梁電極を備えた両持ち梁とを有し、前記基板はほぼ中央部に、前記両持ち梁の両端の固定部分を結ぶ基準面と、前記平坦部に近い第１の対向面と、中央部に近く基板電極を備えた第２の対向面とによって囲まれた凹部を有し、前記両持ち梁は、少なくとも入射光を正反射する光反射膜を有し、前記変形部が前記第１及び第２の対向面に対向して配置され、前記変形を少なくとも上記第２の対向面への当接により規制して前記光反射膜への入射光の光変調を行う光変調装置において、前記第１の対向面は前記第２の対向面と同一面をなすことを特徴とする光変調装置。
2. 請求項１に記載の光変調装置において、前記第１の対向面と第２の対向面の接続する点の深さは、少なくとも前記両持ち梁の厚さの２倍以上であることを特徴とする光変調装置。
3. 請求項１または２に記載の光変調装置において、前記両持ち梁と前記第２の対向面とは互いに異なる材料で形成されていることを特徴とする光変調装置。
4. 請求項１ないし３のいずれか１つに記載の光変調装置において、前記両持ち梁は導電性材料からなる梁電極を有した窒化シリコン薄膜で形成されていることを特徴とする光変調装置。
5. 請求項４に記載の光変調装置において、前記梁電極はアルミニウムで形成されていることを特徴とする光変調装置。
6. 請求項４または５に記載の光変調装置において、前記梁電極が前記光反射膜を兼ねることを特徴とする光変調装置。
7. 請求項１ないし３のいずれか１つに記載の光変調装置において、前記両持ち梁に備えられた梁電極は、導電性を有する多結晶シリコン薄膜で形成されることを特徴とする光変調装置。
8. 請求項１ないし７のいずれか１つに記載の光変調装置において、前記基板電極はＺｎＯからなることを特徴とする光変調装置。
9. 請求項１ないし８のいずれか１つに記載の光変調装置において、前記基板電極は絶縁性材料で覆われて形成されていることを特徴とする光変調装置。
10. 請求項９に記載の光変調装置において、前記絶縁性材料はシリコンの酸化物であることを特徴とする光変調装置。
11. 請求項９または１０に記載の光変調装置において、前記第２の対向面は凹凸構造を有し、該凹凸構造は前記絶縁性材料にて形成されていることを特徴とする光変調装置。
12. 請求項１１に記載の光変調装置において、前記凹凸構造は複数の円形凹部からなることを特徴とする光変調装置。
13. 請求項１１に記載の光変調装置において、前記凹凸構造は前記両持ち梁の固定端を結ぶ方向に平行な複数の線条構造であることを特徴とする光変調装置。
14. 請求項１１に記載の光変調装置において、前記凹凸構造は前記両持ち梁の固定端を結ぶ方向に直交する複数の線条構造であることを特徴とする光変調装置。
15. 請求項１１ないし１４のいずれか１つに記載の光変調装置において、前記基板電極は前記凹凸構造の凹部にのみ対応して配置されていることを特徴とする光変調装置。
16. 請求項１ないし７のいずれか１つに記載の光変調装置において、前記第２の対向面は凹凸構造を有することを特徴とする光変調装置。
17. 請求項１６に記載の光変調装置において、前記凹凸構造は複数の円形凹部からなることを特徴とする光変調装置。
18. 請求項１６に記載の光変調装置において、前記凹凸構造は前記両持ち梁の固定端を結ぶ方向に平行な複数の線条構造であることを特徴とする光変調装置。
19. 請求項１６に記載の光変調装置において、前記凹凸構造は前記両持ち梁の固定端を結ぶ方向に直交する複数の線条構造であることを特徴とする光変調装置。
20. 請求項１６に記載の光変調装置において、前記凹凸構造の凹部の底に導電性の基板電極が形成されていることを特徴とする光変調装置。
21. 請求項２０に記載の光変調装置において、前記凹凸構造は前記両持ち梁の固定端を結ぶ方向に平行な複数の線条構造を基本とし、凹部はすべてが相互につながった形状をしていることを特徴とする光変調装置。
22. 請求項２０に記載の光変調装置において、前記凹凸構造は前記両持ち梁の固定端を結ぶ方向に直交する複数の線条構造を基本とし、凹部はすべてが相互につながった形状をしていることを特徴とする光変調装置。
23. 請求項１ないし２２のいずれか１つに記載の光変調装置において、前記両持ち梁と前記第２の対向面とが互いに対向する面の少なくとも一方の面の、少なくとも相互に接する部分は撥水性を示す膜で覆われていることをを特徴とする光変調装置。
24. 請求項１ないし２３のいずれか１つに記載の光変調装置において、前記両持ち梁と前記第２の対向面とが互いに対向する面の少なくとも一方の面の表面粗さが０．００５μｍ〜０．１μｍの範囲であることを特徴とする光変調装置。
25. 請求項１ないし２４のいずれか１つに記載の光変調装置において、透光性材料で形成されたカバー部材が、前記基板上の空隙及び前記両持ち梁を含むように前記基板に取り付けられていて、前記カバー部材と前記基板とで囲まれた空間は真空であることを特徴とする光変調装置。
26. 請求項１ないし２４のいずれか１つに記載の光変調装置において、透光性材料で形成されたカバー部材が、前記基板上の空隙及び前記両持ち梁を含むように前記基板に取り付けられていて、前記カバー部材と前記基板とで囲まれた空間はほぼ１ｔｏｒｒの減圧状態であることを特徴とする光変調装置。

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