JP2006047897A

JP2006047897A - Ｍｅｍｓ素子、その製造方法及び光ディバイス

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Publication number: JP2006047897A
Application number: JP2004231983A
Authority: JP
Inventors: Keiji Isamoto; 圭史諫本; Hiroshi Toshiyoshi; 洋年吉; Shiyoukou Tei; 昌鎬鄭; Kazuya Kato; 数矢加藤
Original assignee: Suntech Co
Current assignee: Suntech Co
Priority date: 2004-08-09
Filing date: 2004-08-09
Publication date: 2006-02-16
Anticipated expiration: 2024-08-09
Also published as: JP3869438B2

Abstract

【課題】ＶＣ方式のＭＥＭＳ素子において、簡単なプロセスで信頼性が高く面内への貼り付けの少ないＭＥＭＳ素子を実現すること。
【解決手段】支持基板１１と絶縁層１２、上部層１３の基本構造のＭＥＭＳ素子とする。上部層１３にはミラー部２１、ヒンジ部２２，２３、一対のアンカー部２４，２５と櫛歯部２６，２７，２８，２９を形成する。アンカー部２４，２５、櫛歯部２６，２７と対向する櫛歯部２８，２９は絶縁層１２を介して支持基板１１に形成する。ミラー部に接続されるスティクションパッド３０，３１は絶縁層１２を介することなく直接支持基板１１に接着する。こうすればスティクションパッド３０，３１の変位をミラー部２１の変位に変換することができる。
【選択図】図２

Description

本発明は微小電気機械システムとしてのＭＥＭＳ素子、特にチルト機構を使用したＭＥＭＳ素子とその製造方法及び光ディバイスに関する。

光通信技術の発展に伴い、各種の光ディバイスが開発されている。この中で、微細構造ディバイスとしてのＭＥＭＳ（Micro Electro Mechanical System）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ィバイスである。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。

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。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ィ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。

ＭＥＭＳ素子の代表的な方式として垂直コムアクチュエータ（Vertival Comb Actuator）方式（以下、ＶＣ方式という）がある。ＶＣ方式のＭＥＭＳ素子は櫛歯状の素子が垂直な方向にずれて配置されるものである。このＶＣ方式は平行平板型の静電アクチュエータ方式に比較すると、移動量が電圧に対して線形に近く、ヒステリシスがないという利点がある。ＶＣ方式のＭＥＭＳ素子は櫛歯状の素子が垂直な方向にずれて配置されるため、オフセットを付する方法が問題となる。このようなオフセットを有するＶＣ方式の製造方法としては、次の２つの方法が知られている。

まず第１に異なる層に櫛歯を向ける方式が知られている。特許文献１は固定の櫛歯と動く櫛歯の夫々を別のフォトマスクでパターニングし、それを接着するものである。又非特許文献１では、対の櫛歯を１枚のマスクでパターニングして作成する方法が提案されている。
特開２００４−１３０９９号公報 Pamela R. Patterson, Dooyoung Hah, Hung Nguyen, Hitoshi Tosiyoshi, Ru-min Chao, and Ming C. Wu, "A SCANNING MICROMIRROR WITH ANGULAR COMB DRIVE ACTUATION", Proc. 15th IEEE Int. Micro Electro Mech. Syst. Conf. (MEMS 2002), Jan. 20-24, 2002, Las Vegas, Nevada, USA, WP10. IEEE (2002), PP544〜547

しかしながら特許文献１の方法では、加工精度は機械的なアライメントの精度に依存する。オフセットを作成するための付加的なプロセスは必要でないが、精度が低下すれば櫛歯同士の貼り付きが生じ易いという欠点があった。一方非特許文献１の場合にはアライメントの必要がなく、櫛歯の加工精度が上がるため、面内での貼り付きの可能性は少なくなる。しかしオフセットをつけるためにシリコンに樹脂を付して歪みを生じさせるための工程が必要となり、プロセスが複雑になるという欠点があった。

本発明はこのような従来のＶＣ方式の製造時の問題点に着目してなされたものであって、簡単なプロセスで信頼性が高く、且つ面内への貼り付けの少ないＭＥＭＳ素子と、その製造方法及びこれを用いた光ディバイスを実現できるようにすることを目的とする。

この課題を解決するために、本発明のＭＥＭＳ素子は、導電性を有する支持基板と、前記支持基板上に形成された絶縁層、及び前記絶縁層の上部に形成された導電性を有する上部層の基本構造を有し、前記上部層は、前記絶縁層を介して前記支持基板に接続される一対のアンカー部と、櫛歯部を有し、前記絶縁層を介して支持基板に接続された固定側櫛歯部と、前記固定側櫛歯部と一定の間隔を介して噛合する櫛歯部を側面に有し、上面を機能面とする可動部と、前記一対のアンカー部と前記可動部を連結する一対のヒンジ部と、前記支持基板に直接接続されるスティクションパッドと、を有し、前記スティクションパッドは、前記ヒンジ部に連結部を介して接続されるものであり、前記支持基板は、前記可動部の下部の少なくとも一部分に開口を有することを特徴とする。

ここで前記スティクションパッドは、前記少なくとも一方のヒンジ部の一側方に接続されたものであり、その変位を前記可動部の回動に変換するようにしてもよい。

ここで前記スティクションパッドは、前記各ヒンジ部の両側方に夫々２つ接続されたものであり、その変位を前記可動部の上下方向への変位に変換するようにしてもよい。

この課題を解決するために、本発明のＭＥＭＳ素子の製造方法は、支持基板と、前記支持基板上に形成された絶縁層、及び前記絶縁層の上部に形成された上部層の基本構造を有するＭＥＭＳ素子の製造方法であって、前記上部層に、前記絶縁層を介して前記支持基板に接続される一対のアンカー部、櫛歯部を有し、前記絶縁層を介して支持基板に接続された固定側櫛歯部、前記固定側櫛歯部と一定の間隔を介して噛合する櫛歯部を側面に有し、上面を機能面とする可動部、前記一対のアンカー部と前記可動部を連結する一対のヒンジ部、及び前記支持基板に直接接続されるスティクションパッド、の各パターンをエッチングにより形成し、前記支持基板に対して下方よりエッチングを行い、少なくとも前記可動部の下面に相当する部分に開口を形成し、選択的エッチングによって前記スティクションパッドの下面の絶縁層を除去し、乾燥工程によって前記スティクションパッドを前記支持基板の上面に直接接着させることにより、前記可動部に初期変位を生じさせることを特徴とする。

この課題を解決するために、本発明の光ディバイスは、請求項１〜３のいずれのＭＥＭＳ素子を用いて形成され、前記固定櫛歯部を可動部との間に電圧を印加することにより前記可動部の上面の角度を変化させることを特徴とする。

このような特徴を有する本発明によれば、ＭＥＭＳ素子の製造工程においてスティクションパッドを支持基板に直接接着させることができ、これによって可動部の変位を生じさせることができる。そして固定側の櫛歯部及び可動部の側方の櫛歯部は１枚のマスクで全てのパターニングが終了するため、加工精度が良く、面内への貼り付けが低減される。又オフセットを作るために異種材料を用いることもなく、支持基板と上部層を同一の材料で形成しているため、信頼性が高いという効果が得られる。又エッチング工程やその後の乾燥工程は不可欠なものであるため、スティクションパッドの変位を生じさせるために特別な工程を付加する必要がなく、製造工程を複雑化させることもないという効果が得られる。

図１は第１の実施の形態によるＭＥＭＳ素子の要部を斜視図であり、図２はその上面図である。この実施の形態において用いるＭＥＭＳ素子は支持基板１１、支持基板１１上の絶縁膜１２、及びその上部層１３の３層の基本構造を有する。支持基板１１は例えば４００μｍの厚みを有するＳｉ層であり、絶縁層１２は例えば２μｍの厚みを有するＳｉＯ_２層である。上部層１３は例えば３０μｍの厚さを有するＳｉ層であり、この場合に上部層をＳＯＩ層という。この素子構造に対して上下からエッチングを行うことによってＭＥＭＳ素子を製造する。まず第１に上部層１３には図１、図２に示されるように、中央部の長方形状の可動部となるミラー部２１、図２においてその上下に細いヒンジ部２２，２３を介して長方形状のアンカー部２４，２５が形成される。又ミラー部２１の左右は櫛歯部２６，２７が形成されている。又櫛歯部２６，２７の更に外側には支持基板１１に接続されている固定側の櫛歯部２８，２９が形成される。更にヒンジ部２２，２３の側方には、後述するスティクションパッド３０，３１が連結部を介して夫々ヒンジ２２，２３に接続するように設けられる。

ここで中央のミラー部２１とその左右に形成される櫛歯部２６，２７の下部は、絶縁層１２、支持基板１１には接続されていない。又ヒンジ部２２，２３のミラー部２１に近い部分も絶縁層１２、支持基板１１に接続されておらず、その途中からこれらに接続される構造となっている。アンカー部２４，２５とアンカー部近傍のヒンジ部２２，２３及び固定側の櫛歯部２８，２９の下部は、前述した絶縁層１２を介して支持基板１１に接続される。又スティクションパッド３０，３１の下部は、絶縁層１２を介することなく直接に支持基板１１に接続される。ここでスティクションパッド３０，３１は図示のようにヒンジ部２２，２３と一定の間隔を隔てた長方形状の開口３０ａ，３１ａを有しており、更にその側方には多数の細かい開口がエッチングホール３０ｂ，３１ｂとして形成されている。支持基板１１には図３に示すように中央部に長方形状の開口１１ａが形成され、更にヒンジ部の途中にまでわたる線状の開口１１ｂ，１１ｃが形成されている。こうして図１に示すようにスティクションパッド３０，３１を支持基板１１に直接接続することによって、ヒンジ部２２，２３に図１に示すような回転力を与え、ミラー部２１をわずかに傾けることができる。

次にこのようなＭＥＭＳ素子の製造工程について図４の端面図を参照しつつ説明する。まず第１に図４（ａ）に示すように支持基板１１上に絶縁層１２、上部層１３を積層し、夫々が前述した厚みの基本構造を有する素子を準備する。そして上部層１３にフォトレジスト層１４を形成し、下方の支持基板１１の下面に例えば１００ｎｍの厚さのアルミニウム層１５を形成し、更にその下面にフォトレジスト層１６を形成する。次いで図４（ｂ）に示すように上部のフォトレジスト層１４に対して図２に示すようなパターンを形成し、上部よりドライエッチングを行う。ドライエッチングは例えばＲＩＥ装置を用い、イオンを基板に照射することによって行う。これによって図２に示すように、ミラー部２１、ヒンジ部２２，２３、アンカー部２４，２５、櫛歯部２６，２７，２８，２９、スティクションパッド３０，３１に到る各部のパターンを同時に形成する。そして図４（ｃ）に示すように下方のレジスト層１６をパターニングし、下方から同様にドライエッチングを行い、図３に示す支持基板１１の中央の開口１１ａ、線状の開口１１ｂ，１１ｃの形状を取り去る。ここでフォトレジスト層１６、アルミニウム層１５を取り去った状態が図４（ｄ）に示されている。この状態ではスティクションパッド３１は絶縁層１２を介して支持基板１１に接続されており、ミラー部２１の上面も支持基板１１等の面に平行となっている。次いでウェットエッチングを行う。これはフッ化水素を用いて絶縁層１２のＳｉＯ_２を溶解するものである。これによって図２に示す可動側のミラー部やヒンジの一部分の下面の絶縁層１２を取り除く。ここでスティクションパッド３０，３１には多数のエッチングホール３０ｂ，３１ｂが一様に形成されている。このためエッチング液はスティクションパッドのエッチングホール３０ｂ，３１ｂにも入り、図４（ｅ）に端面図を示すように、その周囲の絶縁層１２を溶解する。尚、ウェットエッチングに代えてガスによるエッチングとしてもよい。この状態の斜視図を図５に示す。

さてその後の乾燥工程では、スティクションパッド３０，３１の下の２μｍのギャップに入り込んだ洗浄水の乾燥に伴い、表面張力による引力を生み出し、スティクションパッド３０，３１は支持基板１１に接触するまで引きつけられる。エッチング直後のシリコン基板面は互いに接触すると貼り付く特性を持っており、この乾燥過程でスティクションパッド３０，３１は支持基板１１に接着される。そして図１に示すようにヒンジ部２２，２３の幅はその高さより狭い構造となっているため、スティクションパッド３０，３１の貼り付きによって生じる変位がヒンジ２２，２３のねじれに変換される。図６は図２に示すＡ−Ａ線の断面図、図７は図２に示すＢ−Ｂ線の断面図である。これらの図に示すように、スティクションパッド３０，３１のヒンジ２２，２３に対向する側に長方形状の開口３０ａ，３１ａを形成しておくことによって、スティクションパッド３０，３１の下方への移動を有効にヒンジの回転とすることができる。スティクションパッドとはこのような工程によって支持基板１１に直接接続されている部分をいう。

次にミラー部２１の上面にＣｒ／ＡｕやＡｌによって反射面を形成する。尚用途によってはこのような反射面は付す必要がない。このような製造工程によって図１の斜視図に示すように、ミラー部２１が支持基板１１の上面に対してわずかに傾くオフセットを持ったＭＥＭＳ素子を実現することができる。

次に図１に示すように、可動部分に連結されるアンカー部、例えばアンカー部２５と支持基板１１とを電気的に接続して接地する。一方、固定側の櫛歯部２８，２９を電気的に接続し、これらの間に図１に示すようなスイッチ３２を介して電圧源３３を接続する。この電圧源３３は例えば数Ｖ〜１０Ｖ程度とする。こうしてスイッチ３２を開閉すると、ミラー部２１の両側、及び固定の櫛歯部２６，２７と２８，２９との間に電圧が印加され、静電引力が櫛歯の重なる間に発生する。この静電引力によって櫛歯が重なりあう方向に力が働き、ミラー部２１の角度は水平に近づく。図８はこの状態を示す断面図である。このときミラー部２１に光を入射させていると、電圧の印加により光の反射角度を変化させることができる。従って光学系の構成により光のスイッチングを行う光スイッチや光の出射側の光量を電圧で連続的に変化させる光アッテネータを構成することができる。

尚この実施の形態では、ヒンジ部２２，２３の両側の夫々の一側方にスティクションパッド３０，３１を設けているが、スティクションパッドはいずれか一方のヒンジ部に設けるようにすることもできる。

図９は本発明の第２の形態によるＭＥＭＳ素子の構造を示す上面図である。本実施の形態においても３層構造の素子を用いて上下からエッチングによってＭＥＭＳ素子を形成する。前述した第１の実施の形態と同一部分は同一符号を付して詳細な説明を省略する。この実施の形態では、図示のようにヒンジ部２２の両側にスティクションパッド４１，４２が形成され、ヒンジ部２３の両側にスティクションパッド４３，４４が形成される。この実施の形態においてもスティクションパッド４１〜４３は多数のエッチングホールを形成しておく。こうすれば前述したように製造工程のウェットエッチング終了後の乾燥工程で、スティクションパッド４１〜４４を絶縁層１２を介することなく、直接に支持基板１１に密着させることができる。このように各ヒンジ部２２，２３の左右にスティクションパッド４１〜４４を形成することによってミラー部２１全体を固定側の櫛歯部２８，２９の面から支持基板側に平行に押し下げるように変位させることができる。この場合図９において、ミラー部は紙面に平行に支持基板１１側に変位することとなる。図１０はこの状態を示すＣ−Ｃ線断面図である。

そして可動のミラー部２１と一方の固定櫛歯部、例えば櫛歯部２８との間に電圧源３３より電圧を印加すると、ＭＥＭＳ素子のミラー部２１の右側が固定電極に引きつけられて上方に押し上げられ、図１１に示すようにミラー部２１がわずかに回動する。又櫛歯部２９と可動のミラー部２１との間に電圧を印加すると、ミラー部２１の左方が櫛歯部２９の電極に引きつけられて押し上げられ、逆方向にミラー部２１を回動させることができる。

次に本発明の第３の実施の形態について説明する。図１２は第３の実施の形態を示す図であり、前述した第１の実施の形態と同一部分は同一符号を付している。この場合には図示のようにミラー部２１の一方にアンカー部５１，５２，５３が設けられ、その間にスティクションパッド５４，５５が図示のようにアンカー部５２，５３とアンカー部５１との間の左右に配置される。更に図示のように可動のミラー部２１に連結するヒンジ部５６が形成され、このヒンジ部５６を中心としてＨ型の連結部５７が接続される。同様にしてミラー部の他方にもアンカー部５８，５９，６０が設けられ、その間にスティクションパッド６１，６２が図示のようにアンカー部５９，６０とアンカー部５８との間の左右に配置される。又図示のように可動のミラー部２１に連結するヒンジ部６３が形成され、このヒンジ部６３を中心としてＨ型の連結部６４が接続される。この場合もスティクションパッド５４，５５，６１，６２が直接支持基板１１に密着しているため、アンカー部５２，５３，５９，６０のレベルがスティクションパッド５４，５５，６１，６２より絶縁層１２の厚さだけ高く、ミラー部２１を引き上げることができる。そして図１と同様にミラー部に連結されるアンカー部５１を接地し、固定側の櫛歯部２８，２９にスイッチ３２を介して電圧源３３を接続しておく。

ここで可動側のミラー部２１と一方の固定櫛歯部、例えば櫛歯部２８との間に電圧源３３より電圧を印加すると、ＭＥＭＳ素子のミラー部２１の右側が固定電極に引きつけられて下方に押し下げられ、図１１に示すようにミラー部２１がわずかに回動する。又櫛歯部２９と可動のミラー部２１との間に電圧を印加すると、ミラー部２１の左方が櫛歯部２９の電極に引きつけられて押し下げられ、逆方向にミラー部２１を回動させることができる。

前述した各実施の形態ではミラー部２１に反射面を形成している。このためＭＥＭＳ素子はステップ状の電圧を印加することによって、光スイッチとすることができる。又印加電圧を連続的に変化させることによって、光アッテネータや光スキャナとすることができ、ＭＥＭＳ素子を種々の光ディバイスとして使用することができる。

又ミラー部２１は反射面を形成することなくその上面にグレーティング等を施すなど種々の機能面として用いることができる。

このように本発明によれば、簡単なプロセスでＭＥＭＳ素子を製造することができるので、光スイッチや光アッテネータ、光スキャナ等の種々の光ディバイスに適用することができる。

本発明の第１の実施の形態のＭＥＭＳ素子の斜視図である。本実施の形態のＭＥＭＳ素子の上面図である。本実施の形態の支持基板を示す上面図である。本実施の形態の製造工程を示すＡ−Ａ線での端面図である。本実施の形態の支持基板をエッチングした状態を示す斜視図である。本実施の形態のＭＥＭＳ素子のＡ−Ａ線断面図である。本実施の形態のＭＥＭＳ素子のＢ−Ｂ線断面図である。本実施の形態のＭＥＭＳ素子に電圧を印加した状態を示すＢ−Ｂ線断面図である。第２の実施の形態によるＭＥＭＳ素子を示す上面斜視図である。本実施の形態によるＭＥＭＳ素子を示すＣ−Ｃ線断面図である。本実施の形態によるＭＥＭＳ素子に電圧を印加した状態を示すＣ−Ｃ線断面図である。第３の実施の形態によるＭＥＭＳ素子の主要部を示す上面図である。

符号の説明

１１支持基板
１２絶縁層
１３上部層
２１ミラー部
２２，２３，５６，６３ヒンジ部
２４，２５，５１，５２，５３，５８，５９，６０アンカー部
２６，２７櫛歯部
２８，２９固定櫛歯部
３０，３１，４１，４２，４３，４４，５４，５５，６１，６２スティクションパッド
３０ａ，３１ａ開口
３０ｂ，３１ｂエッチングホール

Claims

導電性を有する支持基板と、前記支持基板上に形成された絶縁層、及び前記絶縁層の上部に形成された導電性を有する上部層の基本構造を有し、
前記上部層は、
前記絶縁層を介して前記支持基板に接続される一対のアンカー部と、
櫛歯部を有し、前記絶縁層を介して支持基板に接続された固定側櫛歯部と、
前記固定側櫛歯部と一定の間隔を介して噛合する櫛歯部を側面に有し、上面を機能面とする可動部と、
前記一対のアンカー部と前記可動部を連結する一対のヒンジ部と、
前記支持基板に直接接続されるスティクションパッドと、を有し、
前記スティクションパッドは、前記ヒンジ部に連結部を介して接続されるものであり、
前記支持基板は、
前記可動部の下部の少なくとも一部分に開口を有することを特徴とするＭＥＭＳ素子。
前記スティクションパッドは、前記少なくとも一方のヒンジ部の一側方に接続されたものであり、その変位を前記可動部の回動に変換することを特徴とする請求項１記載のＭＥＭＳ素子。
前記スティクションパッドは、前記各ヒンジ部の両側方に夫々２つ接続されたものであり、その変位を前記可動部の上下方向への変位に変換することを特徴とする請求項１記載のＭＥＭＳ素子。
支持基板と、前記支持基板上に形成された絶縁層、及び前記絶縁層の上部に形成された上部層の基本構造を有するＭＥＭＳ素子の製造方法であって、
前記上部層に、前記絶縁層を介して前記支持基板に接続される一対のアンカー部、櫛歯部を有し、前記絶縁層を介して支持基板に接続された固定側櫛歯部、前記固定側櫛歯部と一定の間隔を介して噛合する櫛歯部を側面に有し、上面を機能面とする可動部、前記一対のアンカー部と前記可動部を連結する一対のヒンジ部、及び前記支持基板に直接接続されるスティクションパッド、の各パターンをエッチングにより形成し、
前記支持基板に対して下方よりエッチングを行い、少なくとも前記可動部の下面に相当する部分に開口を形成し、
選択的エッチングによって前記スティクションパッドの下面の絶縁層を除去し、
乾燥工程によって前記スティクションパッドを前記支持基板の上面に直接接着させることにより、前記可動部に初期変位を生じさせることを特徴とするＭＥＭＳ素子の製造方法。
請求項１〜３のいずれのＭＥＭＳ素子を用いて形成され、前記固定櫛歯部を可動部との間に電圧を印加することにより前記可動部の上面の角度を変化させることを特徴とする光ディバイス。