JP2005046958A - マイクロ構造体 - Google Patents

Abstract

【課題】 フレームに対して回転変位可能な可動部とこれを駆動するための駆動手段とを備え、且つ、単一の材料基板から作製することのできる、マイクロ構造体を提供すること。
【解決手段】 本発明に係るマイクロ構造体Ｘ１は、可動部１０と、フレーム２０と、これらを連結する連結部３０とを備える。可動部１０は、第１面１１ａおよびこれとは反対の第２面１１ｂを有し且つ当該第１および第２面１１ａ，１１ｂにより厚さが規定される本体部１１と、第２面１１ｂの側に設けられ且つ当該第２面１１ｂと交差する方向に延びる第１電極部１２とを有する。フレーム２０は、第１電極部１２に対向し且つ当該第１電極部１２から離隔する第２電極部２４を有する。
【選択図】 図１

Description

本発明は、マイクロマシニング技術により作製されるマイクロミラー素子、光減衰素子、加速度センサ素子、角速度センサ素子、および振動素子などのマイクロ構造体に関する。

近年、様々な技術分野において、マイクロマシニング技術により形成される微小構造を有する素子の応用化が図られている。例えば光通信技術の分野においては、光反射機能を有する微小なマイクロミラー素子が注目されている。

光通信においては、光ファイバを媒体として光信号が伝送され、また、光信号の伝送経路を或るファイバから他のファイバへと切換えるべく、一般に、いわゆる光スイッチング装置が使用される。良好な光通信を達成するうえで光スイッチング装置に求められる特性としては、切換え動作における、大容量性、高速性、高信頼性などが挙げられる。これらの観点より、光スイッチング装置としては、マイクロマシニング技術により作製されるマイクロミラー素子を組み込んだものに対する期待が高まっている。マイクロミラー素子によると、光スイッチング装置における入力側の光伝送路と出力側の光伝送路との間で、光信号を電気信号に変換せずに光信号のままでスイッチング処理を行うことができ、上掲の特性を得るうえで好適だからである。

マイクロミラー素子は、光を反射するためのミラー面を備え、当該ミラー面の揺動により光の反射方向を変化させることができる。ミラー面を揺動するうえで静電力を利用する静電駆動型のマイクロミラー素子が、多くの装置で採用されている。静電駆動型マイクロミラー素子は、いわゆる表面マイクロマシニング技術により製造されるマイクロミラー素子と、いわゆるバルクマイクロマシニング技術により製造されるマイクロミラー素子との、大きく２つに類別することができる。

表面マイクロマシニング技術では、基板上において、各構成部位に対応する材料薄膜を所望のパターンに加工し、このようなパターンを順次積層することにより、支持体、ミラー面および電極部など、素子を構成する各部位や、後に除去される犠牲層を形成する。一方、バルクマイクロマシニング技術では、材料基板自体をエッチングすることにより支持体やミラー部などを所望の形状に成形し、必要に応じてミラー面や電極を薄膜形成する。バルクマイクロマシニング技術については、例えば下記の特許文献１〜３に記載されている。
特開平１０−１９０００７号公報 特開平１０−２７０７１４号公報 特開平２０００−３１５０２号公報

マイクロミラー素子に要求される技術的事項の一つとして、光反射を担うミラー面の平面度が高いことが挙げられる。しかしながら、表面マイクロマシニング技術によると、最終的に形成されるミラー面が薄いためにミラー面が湾曲し易く、従って、広面積のミラー面において高い平面度を達成するのが困難である。これに対し、バルクマイクロマシニング技術によると、相対的に分厚い材料基板自体をエッチング技術により削り込んでミラー部を構成して当該ミラー部上にミラー面を設けるため、広面積のミラー面であっても、その剛性を確保することができる。その結果、充分に高い光学的平面度を有するミラー面を形成することが可能である。

図２５および図２６は、バルクマイクロマシニング技術によって作製される従来の静電駆動型マイクロミラー素子Ｘ５を表す。図２５は、マイクロミラー素子Ｘ５の分解斜視図であり、図２６は、組み立てられた状態のマイクロミラー素子Ｘ５における図２５の線XXVI−XXVIに沿った断面図である。

マイクロミラー素子Ｘ５は、ミラー基板５０とベース基板６０とが積層する構造を有する。ミラー基板５０は、ミラー部５１と、フレーム５２と、これらを連結する一対のトーションバー５３とからなる。導電性を有するシリコン基板などの所定の材料基板に対して、その片面側からエッチングを施すことにより、ミラー基板５０におけるミラー部５１、フレーム５２、および一対のトーションバー５３の外郭形状を成形することができる。ミラー部５１の表面には、ミラー面５４が設けられている。ミラー部５１の裏面には、一対の電極５５ａ，５５ｂが設けられている。一対のトーションバー５３は、ミラー部５１の後述の揺動動作ないし回転変位における回転軸心Ａ５を規定する。ベース基板６０には、ミラー部５１の電極５５ａに対向する電極６１ａ、および、電極５５ｂに対向する電極６１ｂが設けられている。

マイクロミラー素子Ｘ５においては、ミラー基板５０のフレーム５２に電位を付与すると、フレーム５２と同一の導体材料により一体的に成形されている一対のトーションバー５３およびミラー部５１を介して、電極５５ａおよび電極５５ｂに電位が伝達される。したがって、フレーム５２に所定の電位を付与することにより、電極５５ａ，５５ｂを例えば正に帯電させることができる。この状態において、ベース基板６０の電極６１ａを負に帯電させると、電極５５ａと電極６１ａの間に静電引力が発生し、ミラー部５１は、図２６に示すように、一対のトーションバー５３を捩りながら矢印Ｍ５の方向に揺動する。ミラー部５１は、電極間の静電引力と各トーションバー５３の捩り抵抗力の総和とが釣合う角度まで揺動し、静止する。

これに代えて、ミラー部５１の電極５５ａ，５５ｂを正に帯電させた状態で電極６１ｂを負に帯電させると、電極５５ｂと電極６１ｂの間に静電引力が発生し、ミラー部５１は、矢印Ｍ５とは反対の方向に揺動し、静止する。以上のようなミラー部５１の揺動駆動により、ミラー面５４によって反射される光の反射方向を切り換えることができる。

しかしながら、マイクロミラー素子Ｘ５を製造するには、比較的多くの工程を経なければならない。マイクロミラー素子Ｘ５では、その可動部すなわちミラー部５１に一体化された電極５５ａ，５５ｂと、これらとの間で静電力を生じるための電極６１ａ，６１ｂとが、別々の基板（ミラー基板５０およびベース基板６０）に設けられている。したがって、マイクロミラー素子Ｘ５の製造においては、ミラー基板５０およびベース基板６０を個別に作製した後、両基板を位置合わせしつつ接合しなければならない。そのため、マイクロミラー素子Ｘ５の製造においては、比較的多くの工程数を経なければならないのである。工程数が多いことは、歩留りの向上や製造コストの低減を図るうえで、好ましくない。

本発明は、このような事情のもとで考え出されたものであって、フレームに対して回転変位可能な可動部とこれを駆動するための駆動手段とを備え且つ単一の材料基板から作製することのできる、マイクロ構造体を提供することを目的とする。

本発明により提供されるマイクロ構造体は、第１面およびこれとは反対の第２面を有し且つ当該第１および第２面により厚さが規定される本体部、並びに、第２面の側に設けられ且つ当該第２面と交差する方向に延びる第１電極部、を有する可動部と、第１電極部に対向し且つ当該第１電極部から離隔する第２電極部、を有するフレームと、可動部およびフレームを連結する連結部と、を備えることを特徴とする。

このような構成においては、可動部に一体化される第１電極部は、本体部の第２面側にて本体部の厚み方向に有意な長さを有し、従って、本体部の厚み方向に広がる有意な面積を有する。そのため、第１電極部に対向して当該第１電極部との間で静電力を発生させるための第２電極部については、本体部の面広がり方向に第１電極部から離隔するように配置することができる。すなわち、可動部を駆動するための第１電極部および第２電極部は、本体部の厚み方向に離隔せずに、本体部の面広がり方向に離隔して設けることができるのである。本体部の面広がり方向に両電極部が離隔する構造は、マイクロマシニング技術により単一の材料基板から形成することができる。したがって、本発明に係るマイクロ構造体における、本体部および第１電極部を有する可動部と、第２電極部を有するフレームとは、マイクロマシニング技術により単一の材料基板から形成することができるのである。このようなマイクロ構造体は、比較的少ない工程で製造できる傾向にある。製造工程数が少ないことは、歩留りの向上や製造コストの低減を図るうえで、好適である。

好ましくは、第１電極部は、本体部の端部に連結されている。このような構成は、第１および第２電極部の間に効率よく静電力を発生させるうえで、また、可動部ないし本体部を効率よく回転変位させるうえで、好適である。

好ましい実施の形態においては、可動部およびフレームを連結する連結部は、端部に接続する連結バーを含み、且つ、第１電極部および第２電極部の離隔方向に直交する方向に延びる。連結部の延び方向とは、連結部において可動部に接続する端部およびフレームに接続する端部の各横断面の重心を通る仮想線の方向をいうものとする。連結部が複数の連結バーからなる場合も同様である。このような構成において、例えば可動部の相反する２つの側方に連結部を一対設ける場合、連結部の延び方向は、可動部ないし本体部の回転変位の回転軸心に対して平行であり、更に連結部が単一の連結バーよりなる場合、当該回転軸心は、本体部の端部を通る。

他の好ましい実施の形態においては、可動部およびフレームを連結する連結部は、端部に接続する連結バーを含み、且つ、第１電極部および第２電極部の離隔方向に延びる。このような構成においては、連結部の延び方向は、可動部ないし本体部の回転変位の回転軸心に直交する。

好ましくは、連結部は複数の連結バーからなる。例えば、連結部の強度を調節するという観点や、可動部の変位について不要成分を除去ないし低減するという観点から、単一の連結部を複数の連結バーから構成することが好ましい場合は多い。

好ましくは、第１電極部は、第２面に直交する方向に延びる。このような構成は、可動部ひいては素子全体におけるバルクマシニング技術による加工形成の容易性の観点から、好ましい。本構造は、基板に対するエッチング方向が垂直である異方性エッチングを利用して容易に形成することができる。

好ましくは、第１電極部および第２電極部は、一対の平板電極を構成する。或は、好ましくは、第１電極部および第２電極部は、一対の櫛歯電極を構成する。本発明における駆動電極としては、いずれの態様をも採用することができる。

好ましくは、本体部および第１電極部の間には絶縁層が介在する。この場合、好ましくは、本発明に係るマイクロ構造体は、絶縁層を貫通して本体部および第１電極部を電気的に接続する導電連絡部を更に有する。このような構成においては、本体部を経由して第１電極部に電位を付与することが可能となる。

導電連絡部を採用する構成に代えて、本体部およびフレームに接続する第１連結バーと、第１電極部およびフレームに接続し且つ第１連結バーから電気的に分離されている第２連結バーと、を含む連結部を採用してもよい。このような構成においては、フレームから可動部に対して複数の電位を同時に付与することができ、多様な駆動態様を採用することが可能である。

図１〜図３は、本発明に係るマイクロ構造体の第１の実施形態であるマイクロミラー素子Ｘ１を表す。図１は、マイクロミラー素子Ｘ１の斜視図であり、図２は、マイクロミラー素子Ｘ１の平面図である。図３は、図１の線III−IIIに沿った断面図である。マイクロミラー素子Ｘ１は、可動部１０と、これを囲むフレーム２０と、これらを連結する一対の連結部３０とを有する。

可動部１０は、本体部１１および電極部１２を有する。本体部１１は、不純物のドープにより導電性が付与されたシリコン材料よりなり、上面１１ａ、下面１１ｂ、側面１１ｃ、相反する一対の側面１１ｄ、および側面１１ｅを有する。上面１１ａおよび下面１１ｂにより、本体部１１の所定の厚さが規定される。上面１１ａには、光反射機能を有するミラー面１３が設けられている。電極部１２は、不純物のドープにより導電性が付与されたシリコン材料よりなり、本体部１１における下面１１ｂの側において当該下面１１ｂに直交する方向に延びている。また、電極部１２は、本体部１１の側面１１ｃ側の端部に絶縁層１４を介して連結されている。絶縁層１４は、酸化シリコンよりなる。本体部１１および電極部１２は、絶縁層１４を貫通するように設けられた導通プラグ１５を介して電気的に接続されている。導通プラグ１５は、不純物のドープにより導電性が付与されたポリシリコンよりなる。

フレーム２０は、第１導体層２１、第２導体層２２、およびこれらの間の絶縁層２３よりなる積層構造を有する。第１および第２導体層２１，２２は、不純物のドープにより導電性が付与されたシリコン材料よりなる。絶縁層２３は、酸化シリコンよりなる。第１および第２導体層２１，２２上の所定の箇所には、各々、外部接続用の電極パッド（図１〜図３にて図示せず）が設けられている。また、第２導体層２２において電極部１２に対向する箇所は、電極部２４を構成する。このような電極部２４と、電極部１２とは、本素子の駆動電極としての一対の平行平板電極を構成する。駆動電極としての電極部１２，２４は、本体部１１の面広がり方向（上面１１ａおよび下面１１ｂが広がる方向）に離隔している。

連結部３０は、各々、不純物のドープにより導電性が付与されたシリコン材料よりなる１本の連結バーにより構成されている。連結部３０の一端は、可動部１０の本体部１１における電極部連結端部に接続している。すなわち、一方の連結部３０について示す図４（ａ）によく表れているように、各連結部３０の一端は、本体部１１の側面１１ｄにおける側面１１ｃとの境界付近に接続している（図４においては、本体部１１、フレーム２０、および連結部３０以外の部位の描出を省略する。後出の図５、図６、および図７についても同様である）。このような構成に代えて、本発明では、連結部３０は、側面１１ｄにおける他の箇所（例えば側面１１ｄの延び方向の中央付近）に接続してもよい。各連結部３０の他端は、一方の連結部３０について示す図４（ｂ）から理解できるように、フレーム２０の第１導体層２１に接続している。また、各連結部３０ないし各連結バーは、可動部１０の本体部１１よりも薄肉であり、且つ、フレーム２０の第１導体層２１よりも薄肉である。

このような構成のマイクロミラー素子Ｘ１において、フレーム２０の第１導体層２１に所定の電位を付与すると、当該電位は、連結部３０、本体部１１、および導通プラグ１５を介して電極部１２に伝達される。また、フレーム２０の第２導体層２２に所定の電位を付与すると、当該電位は第２導体層２２中を介して電極部２４に伝達される。電極部１２，２４の間には、各々に付与された電位に応じて静電引力または静電斥力が発生する。その結果、当該静電力に応じて、可動部１０ないし本体部１１は、一対の連結部３０を捩りながら回転軸心Ａ１まわりに回転変位する。回転変位量については、電極部１２，２４の各々に伝達される電位を調節することにより所望に調整することが可能である。

マイクロミラー素子Ｘ１においては、このような駆動原理に基づいて可動部１０ないし本体部１１を駆動することにより、ミラー面１３を所望の方向に向けることができる。したがって、マイクロミラー素子Ｘ１によると、ミラー面１３に向かって進行して当該ミラー面１３にて反射される光の反射方向について、所望の方向に切り換えることや調整することが、可能なのである。

マイクロミラー素子Ｘ１の各連結部３０については、上述のような１本の連結バーよりなる構成に代えて、一方の連結部３０について描出されている図５、図６、または図７に示すような構成を採用してもよい。図５（ａ）は、連結部３０の一変形例の平面図であり、図５（ｂ）は、図５（ａ）の線V−Vに沿った断面図である。同様に、図６（ａ）および図７（ａ）は、各々、連結部３０の他の変形例の平面図であり、図６（ｂ）および図７（ｂ）は、各々、図６（ａ）の線VI−VIおよび図７（ｂ）の線VII−VIIに沿った断面図である。

図５に示す連結部３０は、平行な２本の連結バー３１からなる。各連結バー３１の一端は、本体部１１に接続している。各連結バー３１の他端は、フレーム２０の第１導体層２１に接続している。図６に示す連結部３０は、非平行な２本の連結バー３２からなる。各連結バー３２の一端は、本体部１１に接続している。各連結バー３２の他端は、フレーム２０の第１導体層２１に接続している。２本の連結バーの間の離隔距離は、フレーム２０の側から可動部１０の側にかけて漸減している。図７に示す連結部３０は、図６に示す２本の連結バー３２に加えて連結バー３３を有する。連結バー３３の一端は、可動部１０における電極部１２に接続している。連結バー３３の他端は、フレーム２０の第２導体層２２に接続している。連結バー３３は、連結部３０の幅方向において２本の連結バー３２の間に位置する。

連結部３０の捩れ抵抗を調節するという観点や、可動部１０の変位について不要成分を除去ないし低減するという観点から、例えば図４〜図７のバリエーションの中から連結部３０の態様を適宜選択するのが好ましい場合が多い。また、図７に示す連結部３０を採用する場合には、導通プラグ１５を設けなくとも、電極部１２に電位を付与することが可能である。図７に示す連結部３０を採用する場合には、電極部２４からは電気的に分離され且つ連結バー３３には電気的に接続された箇所を第２導体層２２において設けたうえで、当該箇所に電位を付与すると、当該電位は連結バー３３を介して電極部１２に伝達される。

図８〜図１０は、マイクロミラー素子Ｘ１の製造方法における一連の工程を表す。図８〜図１０は、図１の破線Ｂに沿った断面にてマイクロミラー素子Ｘ１の形成過程を表すものである。また、本方法は、マイクロマシニング技術により上述のマイクロミラー素子Ｘ１を製造するための一手法である。

本方法においては、まず、図８（ａ）に示すような材料基板Ｓを用意する。材料基板Ｓは、シリコン層１０１、シリコン層１０２、およびこれらの間の絶縁層１０３よりなる積層構造を有する。シリコン層１０１，１０２は、不純物をドープすることにより導電性が付与されたシリコン材料よりなる。不純物としては、Ｂなどのｐ型不純物や、ＰやＡｓなどのｎ型不純物を採用することができる。絶縁層１０３は、酸化シリコンよりなる。シリコン層１０１の厚さは例えば１０〜１００μｍであり、シリコン層１０２の厚さは例えば５０〜５００μｍである。また、絶縁層１０３の厚さは、例えば０．１〜１０μｍである。

次に、図８（ｂ）に示すように、シリコン層１０１および絶縁層１０３を貫通する導通プラグ形成用ホール１５’を形成する。ホール１５’の形成においては、まず、ホール１５’に対応する開口部を有するレジストパターンをシリコン層１０１上に形成する。次に、当該レジストパターンをマスクとして、ＤＲＩＥ（Deep Reactive Ion Etching）などのドライエッチングにより、絶縁層１０３が露出するまでシリコン層１０１に対してエッチング処理を施す。ＤＲＩＥでは、エッチングと側壁保護とを交互に行うＢｏｓｃｈプロセスにおいて、異方性の高い良好なエッチング処理を行うことができる。後出のＤＲＩＥについても、このようなＢｏｓｃｈプロセスを採用することができる。シリコン層１０１に対する当該エッチング処理においては、ドライエッチングに代えて、エッチング液として水酸化カリウム水溶液を使用して行うウェットエッチングを採用してもよい。次に、エッチング液として例えばＢＨＦ（フッ酸とフッ化アンモニウムからなるバッファードフッ酸）を使用して行うウェットエッチングにより、前エッチング処理にて絶縁層１０３において露出した箇所に対してシリコン層１０２に至るまでエッチング処理を施す。この後、所定の剥離液を作用させることにより、シリコン層１０１上のレジストパターンを除去する。このようにして、ホール１５’を形成することができる。

マイクロミラー素子Ｘ１の製造においては、次に、図８（ｃ）に示すように、導通プラグ１５を形成する。具体的には、ＬＰＣＶＤ法（減圧化学気相成長法）によりホール１５’内にポリシリコンを堆積させることによって、導通プラグ１５を形成することができる。ホール１５’外に過度に堆積したポリシリコンは、必要に応じて研磨除去する。本工程で堆積されるポリシリコンは、不純物のドープにより導電性が付与されている。

次に、図９（ａ）に示すように、シリコン層１０１上にミラー面１３および外部接続用の電極パッド２５（図１〜図３では図示せず）を形成する。ミラー面１３および電極パッド２５の形成においては、まず、これらを形成すべき箇所の各々に対応する開口部を有するレジストパターンをシリコン層１０１上に形成する。次に、当該レジストパターンをマスクとして、真空蒸着法またはスパッタリング法により、単一の金属材料を、又は、複数の金属材料を順次、堆積させる。この後、所定の剥離液を作用させることにより、シリコン層１０１上のレジストパターンを除去する。金属材料としては、Ａｕ，Ｔｉ，Ａｌ，Ｎｉ，Ｐｔ，Ａｇなどを採用することができる。これにより、単層または多層構造のミラー面１３および電極パッド２５を形成することができる。ミラー面１３および電極パッド２５の形成においては、このような手法に代えて、別々の成膜工程を経る手法を採用してもよい。このような手法によると、ミラー面１３および電極パッド２５を、異なる材料および層構造で形成することが可能である。

マイクロミラー素子Ｘ１の製造においては、次に、図９（ｂ）に示すように、シリコン層１０２上に外部接続用の電極パッド２６（図１〜図３では図示せず）を形成する。具体的には、前工程で電極パッド２５を形成したのと同様の手法により電極パッド２６を形成することができる。

次に、図９（ｃ）に示すように、シリコン層１０１において可動部１０およびフレーム２０の間の空隙に対応する箇所Ｒに対し、所定の深さまでエッチング処理を施す。本工程においては、まず、シリコン層１０１において可動部１０の本体部１１へと加工される箇所、および、シリコン層１０１においてフレーム２０の第１導体層２１へと加工される箇所をマスクするための酸化膜パターンを形成する。次に、シリコン層１０１において連結部３０へと加工される箇所をマスクするためのレジストパターンを形成する。次に、これら酸化膜パターンおよびレジストパターンをマスクとして、ＤＲＩＥにより、シリコン層１０１に対して所定の深さまでエッチング処理を施す。当該所定深さは、連結部３０ないしそれを構成する連結バーの厚さに相当する。当該エッチングの後、所定の剥離液を作用させることにより、シリコン層１０１上のレジストパターンを除去する。

マイクロミラー素子Ｘ１の製造においては、次に、図１０（ａ）に示すように、上述の酸化膜パターンをマスクとして、ＤＲＩＥにより、所定箇所の絶縁層１０３が露出するまでシリコン層１０１に対してエッチング処理を施す。具体的には、シリコン層１０１において前工程にて所定深さエッチング除去された領域で絶縁層１０３が露出し、且つ、シリコン層１０１において前工程にてレジストパターンによりマスクされていた領域が適切に残存するように、シリコン層１０１に対してエッチング処理を施す。これにより、可動部１０の本体部１１、フレーム２０の第１導体層２１、および連結部３０が成形される。連結部３０ないし連結バーは、前工程から本工程にかけて行われる２段階のエッチング処理により、本体部１１および第１導体層２１より薄肉に成形される。この後、所定のエッチング液またはエッチングガスを作用させることにより、シリコン層１０１上の酸化膜パターンを除去する。

次に、図１０（ｂ）に示すように、シリコン層１０２に対してエッチング処理を施す。本工程においては、まず、シリコン層１０２において可動部１０の電極部１２へと加工される箇所およびフレーム２０の第２導体層２２へと加工される箇所をマスクするためのレジストパターンを形成する。次に、当該レジストパターンをマスクとして、ＤＲＩＥにより、シリコン層１０２に対して絶縁層１０３が露出するまでエッチング処理を施す。これにより、可動部１０の電極部１２およびフレーム２０の第２導体層２２が成形される。この後、所定の剥離液を作用させることにより、シリコン層１０２上のレジストパターンを除去する。

次に、図１０（ｃ）に示すように、所定のエッチング液またはエッチングガスを作用させることにより、露出する絶縁層１０３をエッチング除去する。これにより、可動部１０の絶縁層１４およびフレーム２０の絶縁層２３が形成される。以上のようにして、単一の材料基板Ｓにおいて図１に示すマイクロミラー素子Ｘ１を製造することができる。

図４に示す連結部３０に代えて図５または図６に示す連結部３０を有するマイクロミラー素子Ｘ１は、図８〜図１０を参照して上述したような工程を経ることにより製造することができる。

図４に示す連結部３０に代えて図７に示す連結部３０を有するマイクロミラー素子Ｘ１を製造する場合には、導通プラグ１５を形成するための工程、すなわち図８（ｂ）および図８（ｃ）を参照して上述した工程については、必ずしも行う必要はない。また、図９（ｃ）および図１０（ａ）を参照して上述した２段階のエッチング処理による薄肉連結バーの形成手法と同様の手法を、シリコン層１０２に対するエッチング加工において図１０（ｂ）を参照して上述した１段階エッチング処理に代えて採用することにより、薄肉の連結バー３３を形成する。

マイクロミラー素子Ｘ１を製造する際には、図８〜図１０を参照して上述したように、単一素子を製造する過程において例えば２枚の材料基板に対して個別に加工を施す必要がなく、且つ、当該個別に加工された例えば２枚の材料基板を張り合わせる必要はない。したがって、マイクロミラー素子Ｘ１は、比較的少ない工程で製造することができる。製造工程数が少ないことは、歩留りの向上や製造コストの低減を図るうえで、好適である。

図１１〜図１３は、本発明に係るマイクロ構造体の第２の実施形態であるマイクロミラー素子Ｘ２を表す。図１１は、マイクロミラー素子Ｘ２の斜視図であり、図１２は、マイクロミラー素子Ｘ２の平面図である。図１３は、図１１の線XIII−XIIIに沿った断面図である。マイクロミラー素子Ｘ２は、電極部１２に代えて電極部１６を有し、且つ、電極部２４に代えて電極部２７を有する点において、マイクロミラー素子Ｘ１と異なる。マイクロミラー素子Ｘ２の他の構成については、マイクロミラー素子Ｘ１に関して上述したのと同様である。

電極部１６は、複数の電極歯１６ａからなる櫛歯電極である。各電極歯１６ａは、不純物のドープにより導電性が付与されたシリコン材料よりなり、本体部１１における下面１１ｂの側において当該下面１１ｂに直交する方向に延びている。また、各電極歯１６ａは、本体部１１の側面１１ｃ側の端部に絶縁層１４を介して連結されており、絶縁層１４を貫通するように設けられた導通プラグ１５を介して本体部１１に電気的に接続されている。図１４の平面図によく表れているように、各電極歯１６ａは、フレーム２０への方向には本体部１１から延出しないように設けられている。

電極部２７は、複数の電極歯２７ａからなる櫛歯電極であり、電極部１６に対向する。また、電極部２７は、フレーム２０の第２導体層２２に設けられており、不純物のドープにより導電性が付与されたシリコン材料よりなる。図１４の平面図によく表れているように、各電極歯２７ａは、その全体が可動部１０への方向に第１導体層２１から延出するように設けられている。図１４においては、本体部１１、フレーム２０、および電極部１６，２７以外の部位の描出を省略する。後出の図１５についても同様である。

このような２つの電極部１６，２７は、本素子の駆動電極としての一対の櫛歯電極を構成する。駆動電極としての電極部１６，２７は、本体部１１の面広がり方向（上面１１ａおよび下面１１ｂが広がる方向）に離隔する。図１４に表す一対の電極部１６，２７においては、両電極部の離隔方向Ｄにおける先端間ギャップＧは所定の正の値を有する。すなわち、これら電極部１６，２７においては、互いの電極歯どうしは入り込み合っていない。

図１５は、一対の電極部１６，２７の変形例を表す。図１５（ａ）に表す変形例では、電極部１６の各電極部１６ａは、本体部１１の側面１１ｃ側の端部に絶縁層１４を介して連結されており、且つ、その一部がフレーム２０への方向に本体部１１から延出するように設けられている。電極部２７の各電極部２７ａは、その一部が可動部１０への方向に第１導体層２１から延出するように設けられている。図１５（ａ）に表す一対の電極部１６，２７においては、両電極部の離隔方向Ｄにおける先端間ギャップＧは±０である。すなわち、電極部１６，２７においても、互いの電極歯どうしは入り込み合っていない。

図１５（ｂ）に表す他の変形例では、図１５（ａ）に示す変形例と同様に、電極部１６の各電極部１６ａは、本体部１１の側面１１ｃ側の端部に絶縁層１４を介して連結されており、且つ、その一部がフレーム２０への方向に本体部１１から延出するように設けられている。電極部２７の各電極部２７ａは、その一部が可動部１０への方向に第１導体層２１から延出するように設けられている。図１５（ｂ）に表す一対の電極部１６，２７においては、両電極部の離隔方向Ｄにおける先端間ギャップＧは所定の負の値を有する。すなわち、これら電極部１６，２７においては、互いの電極歯どうしは入り込み合っている。

電極部１６，２７における電極歯の寸法、形成ピッチ、および先端間ギャップＧについては、可動部１０ないし本体部１１に要求される駆動態様に応じて適宜変更することができる。

このような構成のマイクロミラー素子Ｘ２において、フレーム２０の第１導体層２１に所定の電位を付与すると、当該電位は、連結部３０、本体部１１、および導通プラグ１５を介して電極部１６の各電極部１６ａに伝達される。また、フレーム２０の第２導体層２２に所定の電位を付与すると、当該電位は第２導体層２２中を介して電極部２７の各電極歯２７ａに伝達される。電極部１６，２７の間には、各々に付与された電位に応じて静電引力または静電斥力が発生する。その結果、当該静電力に応じて、可動部１０ないし本体部１１は、一対の連結部３０を捩りながら回転軸心Ａ１まわりに回転変位する。回転変位量については、電極部１６，２７の各々に付与される電位を調節することにより所望に調整することが可能である。マイクロミラー素子Ｘ２においては、このような駆動原理に基づいて可動部１０ないし本体部１１を回転駆動することができる。

マイクロミラー素子Ｘ２は、図８〜図１０を参照してマイクロミラー素子Ｘ１に関して上述したのと同様に、単一の材料基板Ｓにおいて製造することができる。当該製造過程において、図１０（ｂ）を参照して上述したエッチング処理では、電極部１２に代えて電極部１６が成形されるとともに、第２導体層２１にて電極部２７が加えて成形される。したがって、マイクロミラー素子Ｘ２は、マイクロミラー素子Ｘ１に関して上述したのと同様に、比較的少ない工程で製造することができる。製造工程数が少ないことは、歩留りの向上や製造コストの低減を図るうえで、好適である。

加えて、マイクロミラー素子Ｘ２では、駆動用の電極部１６，２７が一対の櫛歯電極であるので、いわゆる引入れ電圧（Pull-in Voltage：それ以上であると電極間に生ずる静電力が急激に大きくなってしまう閾電圧）の問題が生じにくい。例えば、上述のマイクロミラー素子Ｘ５の電極対５５ａ，６１ａや電極対５５ｂ，６１ｂのような、一対の平行平板電極では、対向電極との間で電場を形成し得る電極表面の略全てが当該対向電極に対面するために、駆動の際に引入れ電圧が存在することが知られている。これに対し、マイクロミラー素子Ｘ２における駆動用の一対の電極部１６，２７では、対向電極との間で電場を形成し得る電極表面のうち当該対向電極に対面する電極表面の面積は比較的小さい。そのため、電極部対１６，２７においては、相当程度に高い電圧を印加しなければ引入れ電圧には達しない。したがって、比較的低電圧領域の電圧を利用して行うマイクロミラー素子Ｘ２の駆動に際しては、引入れ電圧の問題は生じにくいのである。

図１６〜図１８は、本発明に係るマイクロ構造体の第３の実施形態であるマイクロミラー素子Ｘ３を表す。図１６はマイクロミラー素子Ｘ３の斜視図である。図１７は、マイクロミラー素子Ｘ３の平面図である。図１８は、図１６の線XVIII−XVIIIに沿った断面図である。マイクロミラー素子Ｘ３は、本体部１１の側面１１ｄと第１導体層２１とに接続する一対の連結部３０に代えて、本体部１１の側面１１ｃと第１導体層２１とに接続する連結部３０’を有する点において、マイクロミラー素子Ｘ１と異なる。マイクロミラー素子Ｘ３の他の構成については、マイクロミラー素子Ｘ１に関して上述したのと同様である。

連結部３０’は、可動部１０における本体部１１の側面１１ｃの側をフレーム２０と連結するためのものであり、不純物のドープにより導電性が付与されたシリコン材料よりなる。図１９によく表れているように、連結部３０’は、２本の連結バー３１’により構成されている。各連結バー３１’の一端は、本体部１１の電極部連結端部に含まれる側面１１ｃに接続し、他端は、フレーム２０の第１導体層２１に接続している。また、連結部３０’ないし両連結バー３１’は、可動部１０の本体部１１よりも薄肉であり、且つ、フレーム２０の第１導体層２１よりも薄肉である。図１９においては、本体部１１、フレーム２０’、および連結部３０’以外の部位の描出を省略する。後出の図２０〜図２２についても同様である。

このような構成のマイクロミラー素子Ｘ３において、フレーム２０の第１導体層２１に所定の電位を付与すると、当該電位は、連結部３０’、本体部１１、および導通プラグ１５を介して電極部１２に伝達される。また、フレーム２０の第２導体層２２に所定の電位を付与すると、当該電位は第２導体層２２中を介して電極部２４に伝達される。電極部１２，２４の間には、各々に付与された電位に応じて静電引力または静電斥力が発生する。その結果、当該静電力に応じて、可動部１０ないし本体部１１は、一対の連結部３０’を曲げながら所定の回転軸心まわりに回転変位する。回転変位量については、電極部１２，２４の各々に付与される電位を調節することにより所望に調整することが可能である。マイクロミラー素子Ｘ３においては、このような駆動原理に基づいて可動部１０ないし本体部１１を回転駆動することができる。

マイクロミラー素子Ｘ３は、図８〜図１０を参照してマイクロミラー素子Ｘ１に関して上述したのと同様に、単一の材料基板Ｓにおいて製造することができる。当該製造過程において、図９（ｃ）および図１０（ａ）を参照して上述したエッチング処理では、一対の連結部３０に代えて連結部３０’が成形される。したがって、マイクロミラー素子Ｘ３は、マイクロミラー素子Ｘ１に関して上述したのと同様に、比較的少ない工程で製造することができる。製造工程数が少ないことは、歩留りの向上や製造コストの低減を図るうえで、好適である。

マイクロミラー素子Ｘ３の連結部３０’については、上述のような２本の連結バー３１’よりなる構成に代えて、図２０、図２１、または図２２に示す構成を採用してもよい。図２０（ａ）は、連結部３０’の一変形例の平面図であり、図２０（ｂ）は、図２０（ａ）の線XX−XXに沿った断面図である。同様に、図２１（ａ）および図２２（ａ）は、各々、連結部３０’の他の変形例の平面図であり、図２１（ｂ）および図２２（ｂ）は、各々、図２１（ａ）の線XXI−XXIおよび図２２（ａ）の線XXII−XXIIに沿った断面図である。

図２０に示す連結部３０’は、図１９に示す２本の連結バー３１’に加えて連結バー３２’を有する。連結バー３２’の一端は、本体部１１の側面１１ｃに接続しており、他端は、フレーム２０の第１導体層２１に接続している。連結バー３２’は、連結部３０’の幅方向において２本の連結バー３１’の間に位置する。図２１に示す連結部３０’は、１枚の連結プレート３３’からなる。連結プレート３３’の一端は、本体部１１の側面１１ｃに接続しており、他端は、フレーム２０の第１導体層２１に接続している。図２２に示す連結部３０’は、図１９に示す２本の連結バー３１’に加えて連結バー３４’を有する。連結バー３４’の一端は、可動部１０における電極部１２に接続しており、他端は、フレーム２０の第２導体層２２に接続している。連結バー３４’は、連結部３０’の幅方向において２本の連結バー３１’の間に位置する。

連結部３０’の曲げ剛性を調節するという観点や、可動部１０の変位について不要成分を除去ないし低減するという観点から、例えば図１９〜図２２のバリエーションの中から連結部３０’の態様を適宜選択するのが好ましい。また、図２２に示す連結部３０’を採用する場合には、導通プラグ１５を設けなくとも、電極部１２に電位を付与することが可能である。図２２に示す連結部３０’を採用する場合には、電極部２４からは電気的に分離され且つ連結バー３４’には電気的に接続された箇所を第２導体層２２において適切に設けたうえで、当該箇所に電位を付与すると、当該電位は連結バー３４’を介して電極部１２に伝達される。

図１９に示す連結部３０’に代えて図２０または図２１に示す連結部３０’を有するマイクロミラー素子Ｘ３は、図８〜図１０を参照して上述した工程を経ることにより製造することができる。

図１９に示す連結部３０’に代えて図２２に示す連結部３０’を有するマイクロミラー素子Ｘ３を製造する場合には、導通プラグ１５を形成するための工程、すなわち図８（ｂ）および図８（ｃ）を参照して上述した工程については、必ずしも行う必要はない。また、図９（ｃ）および図１０（ａ）を参照して上述した２段階のエッチング処理による薄肉連結バーの形成手法と同様の手法を、シリコン層１０２に対するエッチング加工において図１０（ｂ）を参照して上述した１段階エッチング処理に代えて採用することにより、連結バー３４’を形成する。

マイクロミラー素子Ｘ３によると、図２３に示すようなマイクロミラー素子アレイＹを構成することができる。マイクロミラー素子アレイＹにおいては、複数の可動部１０が、所定のピッチで図面横方向に一列に配されており、複数の素子列が、所定のピッチで図面縦方向に離隔して配されている。各可動部１０は、連結部３０’を介して、共通のフレーム２０に連結されている。マイクロミラー素子Ｘ３では、可動部１０とフレーム２０とを連結するための連結部３０’が可動部１０の回転軸方向に延びるようには設けられていないため、複数の可動部１０をその回転軸方向に密に配置することができる。また、マイクロミラー素子Ｘ３では、ある程度の離隔距離を確保すべき空隙を、即ち、可動部１０における本体部１１の側面１１ｃの側とフレーム２０との間を、橋渡すように、連結部３０’は配設されている。したがって、マイクロミラー素子アレイＹでは、可動部１０の回転軸に直交する方向（各素子列が離隔する方向）における素子ないし素子列の配設ピッチは不当には長くならない。

図２４は、本発明に係るマイクロ構造体の第４の実施形態であるマイクロミラー素子Ｘ４を表す。マイクロミラー素子Ｘ４は、マイクロミラー素子Ｘ２と同様の電極部１６を電極部１２に代えて有し、且つ、マイクロミラー素子Ｘ２と同様の電極部２７を電極部２４に代えて有する点において、マイクロミラー素子Ｘ３と異なる。マイクロミラー素子Ｘ４の他の構成については、マイクロミラー素子Ｘ３に関して上述したのと同様である。

このような構成のマイクロミラー素子Ｘ４において、フレーム２０の第１導体層２１に所定の電位を付与すると、当該電位は、連結部３０’、本体部１１、および導通プラグ１５を介して電極部１６の各電極部１６ａに伝達される。また、フレーム２０の第２導体層２２に所定の電位を付与すると、当該電位は第２導体層２２中を介して電極部２７の各電極歯２７ａに伝達される。電極部１６，２７の間には、各々に付与された電位に応じて静電引力または静電斥力が発生する。その結果、当該静電力に応じて、可動部１０ないし本体部１１は、一対の連結部３０’を曲げながら所定の回転軸心まわりに回転変位する。回転変位量については、電極部１６，２７の各々に付与される電位を調節することにより所望に調整することが可能である。マイクロミラー素子Ｘ４においては、このような駆動原理に基づいて可動部１０ないし本体部１１を回転駆動することができる。

マイクロミラー素子Ｘ４は、図８〜図１０を参照してマイクロミラー素子Ｘ１に関して上述したのと同様に、単一の材料基板Ｓにおいて製造することができる。当該製造過程において、図９（ｃ）および図１０（ａ）を参照して上述したエッチング処理では、一対の連結部３０に代えて連結部３０’が成形される。また、図１０（ｂ）を参照して上述したエッチング処理では、電極部１２に代えて電極部１６が成形されるとともに、第２導体層２１にて電極部２７が加えて成形される。したがって、マイクロミラー素子Ｘ４は、マイクロミラー素子Ｘ１に関して上述したのと同様に、比較的少ない工程で製造することができる。製造工程数が少ないことは、歩留りの向上や製造コストの低減を図るうえで、好適である。

また、マイクロミラー素子Ｘ４では、駆動用の電極部１６，２７が一対の櫛歯電極であるので、マイクロミラー素子Ｘ２に関して上述したのと同様に、引入れ電圧(Pull-in Voltage)の問題が生じにくい。

加えて、連結部３０’を具備するマイクロミラー素子Ｘ４によると、マイクロミラー素子Ｘ３に関して上述したのと同様に、高い配置密度のマイクロミラー素子アレイを構成することができる。

以上のまとめとして、本発明の構成およびそのバリエーションを以下に付記として列挙する。
（付記１）第１面およびこれとは反対の第２面を有し且つ当該第１および第２面により厚さが規定される本体部、並びに、前記第２面の側に設けられ且つ当該第２面と交差する方向に延びる第１電極部、を有する可動部と、
前記第１電極部に対向し且つ当該第１電極部から離隔する第２電極部、を有するフレームと、
前記可動部および前記フレームを連結する連結部と、を備えることを特徴とする、マイクロ構造体。
（付記２）前記第１電極部は、前記本体部の端部に連結されている、付記１に記載のマイクロ構造体。
（付記３）前記可動部および前記フレームを連結する前記連結部は、前記端部に接続する連結バーを含み、且つ、前記第１電極部および前記第２電極部の離隔方向に直交する方向に延びる、付記２に記載のマイクロ構造体。
（付記４）前記可動部および前記フレームを連結する前記連結部は、前記端部に接続する連結バーを含み、且つ、前記第１電極部および前記第２電極部の離隔方向に延びる、付記２に記載のマイクロ構造体。
（付記５）前記連結部は複数の連結バーからなる、付記１から４のいずれか１つに記載のマイクロ構造体。
（付記６）前記第１電極部は、前記第２面に直交する方向に延びる、付記１から５のいずれか１つに記載のマイクロ構造体。
（付記７）前記第１電極部および前記第２電極部は、一対の平板電極または一対の櫛歯電極を構成する、付記１から６のいずれか１つに記載のマイクロ構造体。
（付記８）前記本体部および前記第１電極部の間に介在する絶縁層を更に有する、付記１から７のいずれか１つに記載のマイクロ構造体。
（付記９）前記絶縁層を貫通して前記本体部および前記第１電極部を電気的に接続する導電連絡部を更に有する、付記８に記載のマイクロ構造体。
（付記１０）前記連結部は複数の連結バーからなり、当該複数の連結バーは、前記本体部および前記フレームに接続する第１連結バーと、前記第１電極部および前記フレームに接続し且つ前記第１連結バーから電気的に分離されている第２連結バーとを含む、付記８に記載のマイクロ構造体。

本発明の第１の実施形態に係るマイクロミラー素子の斜視図である。 図１に示すマイクロミラー素子の平面図である。 図１の線III−IIIに沿った断面図である。 図１に示すマイクロミラー素子の一方の連結部についての拡大図である。（ａ）は、当該連結部の平面図であり、（ｂ）は、（ａ）における線IV−IVに沿った断面図である。 図１に示すマイクロミラー素子の連結部の変形例を表す。（ａ）は、当該連結部の平面図であり、（ｂ）は、（ａ）における線V−Vに沿った断面図である。 図１に示すマイクロミラー素子の連結部の他の変形例を表す。（ａ）は、当該連結部の平面図であり、（ｂ）は、（ａ）における線VI−VIに沿った断面図である。 図１に示すマイクロミラー素子の連結部の他の変形例を表す。（ａ）は、当該連結部の平面図であり、（ｂ）は、（ａ）における線VII−VIIに沿った断面図である。 図１に示すマイクロミラー素子の製造方法における一部の工程を表す。 図８の後に続く工程を表す。 図９の後に続く工程を表す。 本発明の第２の実施形態に係るマイクロミラー素子の斜視図である。 図１１に示すマイクロミラー素子の平面図である。 図１１の線XIII−XIIIに沿った断面図である。 図１１に示すマイクロミラー素子の電極部対についての拡大図である。 図１１に示すマイクロミラー素子の電極部対の変形例を表す。 本発明の第３の実施形態に係るマイクロミラー素子の斜視図である。 図１６に示すマイクロミラー素子の平面図である。 図１６の線XVIII−XVIIIに沿った断面図である。 図１６に示すマイクロミラー素子の連結部についての拡大図である。（ａ）は、当該連結部の平面図であり、（ｂ）は、（ａ）における線XIX−XIXに沿った断面図である。 図１６に示すマイクロミラー素子の連結部の変形例を表す。（ａ）は、当該連結部の平面図であり、（ｂ）は、（ａ）における線XX−XXに沿った断面図である。 図１６に示すマイクロミラー素子の連結部の変形例を表す。（ａ）は、当該連結部の平面図であり、（ｂ）は、（ａ）における線XXI−XXIに沿った断面図である。 図１６に示すマイクロミラー素子の連結部の変形例を表す。（ａ）は、当該連結部の平面図であり、（ｂ）は、（ａ）における線XXII−XXIIに沿った断面図である。 図１６に示すマイクロミラー素子を複数含むマイクロミラー素子アレイの平面図である。 本発明の第４の実施形態に係るマイクロミラー素子の斜視図である。 従来のマイクロミラー素子の分解斜視図である。 図２５の線XXVI−XXVIに沿った断面図である。

符号の説明

Ｘ１，Ｘ２，Ｘ３，Ｘ４，Ｘ５ マイクロミラー素子
１０ 可動部
１１ 本体部
１２，１６，２４，２７ 電極部
１６ａ，２７ａ 電極歯
１４，２３ 絶縁層
１５ 導通プラグ
２０ フレーム
２１ 第１導体層
２２ 第２導体層
３０，３０’ 連結部

Claims (5)

1. 第１面およびこれとは反対の第２面を有し且つ当該第１および第２面により厚さが規定される本体部、並びに、前記第２面の側に設けられ且つ当該第２面と交差する方向に延びる第１電極部、を有する可動部と、
   前記第１電極部に対向し且つ当該第１電極部から離隔する第２電極部、を有するフレームと、
   前記可動部および前記フレームを連結する連結部と、を備えることを特徴とする、マイクロ構造体。
2. 前記第１電極部は、前記本体部の端部に連結されている、請求項１に記載のマイクロ構造体。
3. 前記可動部および前記フレームを連結する前記連結部は、前記端部に接続する連結バーを含み、且つ、前記第１電極部および前記第２電極部の離隔方向に直交する方向に延びる、請求項２に記載のマイクロ構造体。
4. 前記可動部および前記フレームを連結する前記連結部は、前記端部に接続する連結バーを含み、且つ、前記第１電極部および前記第２電極部の離隔方向に延びる、請求項２に記載のマイクロ構造体。
5. 前記第１電極部および前記第２電極部は、一対の平板電極または一対の櫛歯電極を構成する、請求項１から４のいずれか１つに記載のマイクロ構造体。

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