JP2006060966A

JP2006060966A - Ｍｅｍｓ素子及びデバイス

Info

Publication number: JP2006060966A
Application number: JP2004242498A
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: 2004-08-23
Filing date: 2004-08-23
Publication date: 2006-03-02
Anticipated expiration: 2024-08-23
Also published as: JP4099165B2

Abstract

【課題】平行平板型のＭＥＭＳ素子において、ヒステリシスやプルイン現象を伴うことのないＭＥＭＳ素子とそれを用いたデバイスを実現すること。
【解決手段】ミラー部２１の下方に支持基板１１によってストッパ３４を形成する。ミラー部２１の両側にアクチュエータ２２，２３を形成するストッパ３４は、支持基板１１の他の部分と電気的に分離して上部層１３と接続する。こうすることによって、プルイン現象やヒステリシスをなくすることができる。
【選択図】図１

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、ＭＥＭＳ素子を用いたデバイスに関する。

光通信技術の発展に伴い、各種のデ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（例えば特許文献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デバイスを製造することができる。傾斜角を変化させるチルトミラーを備えた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素子が簡単な半導体プロセスで製造できることが求められている。

上記のチルトミラーを簡単に製造する方法として、その構造と製造方法が特許文献２に提案されている。
特開２００１−１７４７２４号公報特開２００４−８５８６９号公報

従来のＭＥＭＳ素子では、下部電極パターンを支持基板の有無で実現している。これによってプロセスを簡素化しているが、ダンピング効果の低減をまねく恐れがある。ダンピング効果とは、外部からの衝撃による揺れを空気の粘性を用いて抑制する効果や、リンギングと呼ばれる印加電圧の切り替え時に発生する振動を抑制する効果である。図７は従来例におけるＭＥＭＳ素子のチルトミラーの代表的なリンギングデータである。図７（ａ）に示すように方形状の駆動電圧を印加すると、図７（ｂ）に示すようにミラー部はその印加電圧の値に応じて回動する。しかし駆動電圧の立ち上がり及び立ち下がり時に大きなリンギングを生じ、例えば３−４ミリ秒の間はミラー部が振動する。このため、ミラー部が高速に応答することができない。また、平行平板型の静電アクチュエータではある電圧に達すると変位が急激に増大するプルイン現象が伴う。プルイン現象はヒステリシスを持つため望ましくなく、改善が強く望まれている。

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と、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、前記支持基板との間で間隙を隔てて保持され、上面を機能面とする可動部と、前記可動部の両側方に回動軸に沿って前記可動部と一体に形成され、前記支持基板との間で間隙を隔てて保持され、前記支持基板からの静電気により前記可動部と共に回動する一対のアクチュエータと、前記一対のアクチュエータの外側に回動軸に沿って形成され、前記アクチュエータ及び前記ミラー部を回動自在に保持する一対のヒンジ部と、前記可動部、前記アクチュエータ及び前記ヒンジ部を取り囲む上部層外周部と、を有し、前記支持基板は、前記可動部と対応する位置に形成され、前記絶縁層に相当する間隙を介して前記アクチュエータの回動角を制限するストッパと、前記ストッパを分離する環状溝を介して前記ストッパを取り囲む支持基板外周部と、前記環状溝の側方に、前記アクチュエータの回動軸に対してその一側方に形成される一対の切欠き部と、を有することを特徴とする。

ここで前記ストッパは、前記支持基板外周部とは電気的に絶縁され、且つ前記可動部を構成する前記上部層と電気的に接続されているようにしてもよい。

ここで前記可動部の回動軸から前記ストッパに接触する位置までの距離をＬｍとし、前記アクチュエータの幅を２Ｌａとするとき、Ｌｍ＞３Ｌａを満足するようにしてもよい。

この課題を解決するために、本発明のデバイスは、請求項１〜３のいずれか１項記載のＭＥＭＳ素子を用いて形成され、前記支持基板外周部と前記アクチュエータとの間に電圧を印加することにより前記可動部の角度を変化させることを特徴とする。

本発明のＭＥＭＳ素子によれば、ストッパによって回動角が制限されるためヒステリシスやプルイン現象がなくなる。又可動部のリンギングが小さくなり、かつ収束までにかかる時間も大幅に短縮されるという効果が得られる。

本発明の実施の形態におけるＭＥＭＳ素子について説明する。図１は本発明の実施の形態におけるチルトミラーを備えたＭＥＭＳ素子の上面図、図２はＭＥＭＳ素子の背面図、図３は図１におけるＭＥＭＳ素子のＡ―Ａ線断面図、図４はそのＢ−Ｂ線の部分断面図である。この実施の形態におけるＭＥＭＳ素子１０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１３をＳＯＩ層ともいう。支持基板１１と上部層１３とはいずれも不純物がドープされて導電性を有する。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。

本実施の形態によるＭＥＭＳ素子は、上部層１３に図１に示すように円形のミラー部２１、その左右に回動軸Ｙに沿ってアクチュエータ２２，２３が設けられる。アクチュエータ２２，２３はミラー部２１の左右に対称に、回動軸Ｙに沿ってミラー部２１と一体に形成された長方形状の領域である。ここでアクチュエータ部２２，２３には多数のエッチングホール２２ａ，２２ｂを形成する。エッチングホール２２ａ，２２ｂは矩形の貫通孔であり、後述するウェットエッチングをする際にエッチング液が上部層１３の表面からアクチュエータ部の裏側に容易に拡散するよう形成される。またエッチングホール２２ａ，２２ｂは、アクチュエータ２２，２３が回動する場合のエアダンパーとして機能する。このアクチュエータ２２，２３の左右には、更に回動軸Ｙに沿ってヒンジ部２４，２５が設けられる。ヒンジ部２４，２５はミラー部２１とアクチュエータ２２，２３をその他の上部層に対して回動自在に支持するものである。これらの各部分の周囲の上部層１３には溝が形成されるが、その他の上部層１３は上部層外周部２６としてほぼそのまま残される。

一方支持基板１１は図２に示すように環状溝３１と切欠き部３２，３３が形成されている。環状溝３１は直線部と円弧部からなる環状の溝である。環状溝３１と切欠き部３２，３３とは、図３に示すように支持基板１１の背面からエッチングによって支持基板１１を除去した部分である。図２において、右側の切欠き部３２と左側の切欠き部３３とは回動軸（Ｙ軸）に対し非対称な形状を有している。即ち切欠き部３２，３３は回動軸Ｙより図中で上部にのみ形成される。

図２に示すように、トラック状の環状溝３１の内側には支持基板１１が島状に残されている。この島状の支持基板１１はストッパ３４となり、又フローティング電極ＰＯを構成している。図３に示すように、ミラー部２１の下にエッチングホール３４ａ，３４ｂが設けられる。環状溝３１の外側及び切欠き部３２，３３以外の部分は支持基板１１がそのまま残され、支持基板外周部３５を構成している。

次に絶縁層１２について説明する。絶縁層１２はミラー部２１の下面、アクチュエータ２２，２３の下面では、取り除かれている。ストッパ３４の部分の絶縁層１２も同様に取り除かれている。その他の部分では上部層１３のある領域で保持されている。

次にこのＭＥＭＳ素子の製造工程について説明する。ミラー部２１、アクチュエータ２２，２３、ヒンジ部２４，２５及び上部層外周部２６を非エッチング部分としてフォトリソグラフィによりパターンを形成し、上部層１３より異方性エッチングをする。又支持基板１１に図２に示す環状溝３１及び切欠き部３２，３３を同様にして下方より異方性エッチングをする。次いで絶縁層１２を取り除くためにウエットエッチングを行う。このときエッチングホール２２ａ，２２ｂや３４ａ，３４ｂによってアクチュエータ２２，２３の下面やミラー部２１の下面の絶縁層は取り除かれることとなる。

次にミラー部２１の上面にＣｒ／ＡｕやＡｌによって反射面２１ａ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ＭＥＭＳ素子を実現することができる。

次に上部層１３の上部層外周部２６に図１に示すように電極パッドＰ１を設け、ヒンジ部２４，２５を介してアクチュエータ２２，２３と電気的に接続状態にしておく。また別の位置において、上部層１３と絶縁層１２に対して微小範囲のエッチングを行い、支持基板１１上にランド状の電極パッドＰ２を形成する。これと同様に、環状溝３１の内側のストッパ３４上にフローティング接続用の電極パッドＰ３を形成する。電極パッドＰ３は、図２に示すフローティング電極ＰＯをＭＥＭＳ素子の上側に引き出す電極である。また上部層１３の上面に微小なフローティング接続用の電極パッドＰ４を形成し、ワイヤボンディング３６によってフローティング接続用パッドＰ３と接続する。フローティング電極ＰＯは、帯電及び不必要な静電引力の発生を防止するために、フローティング接続用の電極パッドＰ３とＰ４とを介して、上部層外周部２６と電気的に接続する。

次にこのＭＥＭＳ素子１０の動作について、図４を用いて説明する。図１の電極パッドＰ１と電極パッドＰ２との間に駆動電圧が印加されていない状態では、ストッパ３４とアクチュエータ２２，２３の下面は図４の実線で示すようにヒンジ部２４，２５の復元力により平行になっている。駆動電圧が印加されると、アクチュエータ２２，２３とこれに対向する支持基板外周部３５との間に静電吸引力が働き、回動軸Ｙを中心として図４の破線で示すようにアクチュエータ２２，２３がミラー部２１と共にＣＷ方向に回動する。このとき図５に示すように駆動電圧がある閾値Ｖｔｈ以内なら、ヒンジ部２４，２５の復元力と静電吸引力とが釣合い、所定の回転角でミラー部２１が静止する。仮にストッパ３４が無く、駆動電圧が閾値Ｖｔｈ以上になると、ミラー部２１の回転角はプルイン角度となり、回転角が急に増加する。図５に示す例では、駆動電圧が２２Ｖを超えると、点線で示すように回転角が急激に大きくなる。そして駆動電圧をＶｔｈ以上からＶｔｈ未満にしたとき、ヒステリシスが生じ、例えば駆動電圧が１５Ｖ以下になるまで、アクチュエータ１１が回動しなくなる。チルトミラーとして用いられるＭＥＭＳ素子は、駆動電圧に対し回転角が直線となる領域で使用することが望ましい。図４のような位置にストッパ３４が存在すると、回転角は例えば1°程度に制限されるが、ヒステリシスやプルイン現象は発生しなくなる。

回動軸Ｙに垂直な方向へのアクチュエータ１１の幅をＬａ、ミラー部２１の径をＬｍとすると、図４に示すようにアクチュエータ１１のプルイン角度より浅い位置でミラー部２１が止まるように設定すればよい。具体的には回動軸Ｙからストッパ３４に接触する位置までの距離をＬｍとし、アクチュエータ２２，２３の幅を２Ｌａとするとき、Ｌｍ＞３Ｌａを満足すると、概ね上記の特性を満足するようになる。以上の構造によりストッパ３４はプルイン現象を阻止する役割を果たすことになる。

図６はステップ状の駆動電圧に対するミラー部２１の回転角の変化を示す応答波形図である。ストッパ３４を上部層外周部２６と同電位としているため、図７に示した従来例に比較して、方形波の駆動電圧に対してミラー部２１のリンギング現象が解消されていることが判る。

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素子を種々のデ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デバイスに適用することができる。

本発明の実施の形態におけるＭＥＭＳ素子の構造を示す上面図である。本実施の形態におけるＭＥＭＳ素子の構造を示す背面図である。本実施の形態におけるＭＥＭＳ素子の構造を示すＡ−Ａ線断面図である。本実施の形態のＭＥＭＳ素子におけるストッパ機能を示すＢ−Ｂ線部分断面図である。本実施の形態のＭＥＭＳ素子における駆動電圧と回転角の特性を示すグラフである。本実施の形態のＭＥＭＳ素子の応答特性を示すグラフである。従来のＭＥＭＳ素子の応答特性を示すグラフである。

符号の説明

１０ＭＥＭＳ素子
１１支持基板
１２絶縁層
１３上部層
２１ミラー部
２２，２３アクチュエータ
２２ａ，２２ｂ，３４ａ，３４ｂエッチングホール
２４，２５ヒンジ部
２６上部層外周部
３１環状溝
３２，３３切り欠き部
３４ストッパ
３５支持基板外周部
３６ワイヤボンディング

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と、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、
前記支持基板との間で間隙を隔てて保持され、上面を機能面とする可動部と、
前記可動部の両側方に回動軸に沿って前記可動部と一体に形成され、前記支持基板との間で間隙を隔てて保持され、前記支持基板からの静電気により前記可動部と共に回動する一対のアクチュエータと、
前記一対のアクチュエータの外側に回動軸に沿って形成され、前記アクチュエータ及び前記ミラー部を回動自在に保持する一対のヒンジ部と、
前記可動部、前記アクチュエータ及び前記ヒンジ部を取り囲む上部層外周部と、を有し、
前記支持基板は、
前記可動部と対応する位置に形成され、前記絶縁層に相当する間隙を介して前記アクチュエータの回動角を制限するストッパと、
前記ストッパを分離する環状溝を介して前記ストッパを取り囲む支持基板外周部と、
前記環状溝の側方に、前記アクチュエータの回動軸に対してその一側方に形成される一対の切欠き部と、を有することを特徴とするＭＥＭＳ素子。
前記ストッパは、前記支持基板外周部とは電気的に絶縁され、且つ前記可動部を構成する前記上部層と電気的に接続されていることを特徴とする請求項１記載のＭＥＭＳ素子。
前記可動部の回動軸から前記ストッパに接触する位置までの距離をＬｍとし、前記アクチュエータの幅を２Ｌａとするとき、Ｌｍ＞３Ｌａを満足することを特徴とする請求項１又は２記載のＭＥＭＳ素子。
請求項１〜３のいずれか１項記載のＭＥＭＳ素子を用いて形成され、前記支持基板外周部と前記アクチュエータとの間に電圧を印加することにより前記可動部の角度を変化させることを特徴とするデバイス。