JP2006113108A - Thin film element and method of manufacturing the same - Google Patents

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Hirota Hashimoto
洋太 橋本
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Abstract

<P>PROBLEM TO BE SOLVED: To provide a thin film element used as a variable shape mirror element which is sufficiently miniaturized as an optical pickup component by integrating a variable shape thin film element whose shape is freely controllable and a mirror and simplifying the structure, the element in which a large displacement is available at low voltage, and to provide a method of manufacturing the thin film element. <P>SOLUTION: The thin film element comprises a diaphragm part having a curved face composed of at least one layer and a substrate 1 which supports the diaphragm part. The thin film element is characterized by that a cross section at an arbitrary position of the diaphragm part has no inflexion point. Further, the thin film element is characterized by that the shape of the diaphragm part is controlled by forming the thin film after the substrate 1 is machined beforehand into a desired shape. <P>COPYRIGHT: (C)2006,JPO&NCIPI

Description

本発明は、光学装置や光ディスク装置の光学ピックアップ、特にその波面収差補正ミラーに用いられる薄膜素子及びその製造方法に関する。   The present invention relates to an optical pickup for an optical apparatus or an optical disk apparatus, and more particularly to a thin film element used for a wavefront aberration correction mirror and a method for manufacturing the same.

従来より、顕微鏡、カメラ等の光学装置における可変焦点及び収差補正手段として様々な形状可変ミラーが考案されてきたが、近年、光ディスク技術の発展に伴ってその需要は高まりつつある。   Conventionally, various variable shape mirrors have been devised as variable focus and aberration correction means in optical devices such as microscopes and cameras, but in recent years, the demand has increased with the development of optical disc technology.

光ディスクを用いた情報記録媒体として、コンパクトディスク(CD)やデジタルビデオディスク(DVD)などがある。近年、光ディスク装置においては複数の記録媒体を同じ光ディスク装置で読み書きする構成が一般的となっており、従来品よりさらに光ディスク装置を小型化する技術が必要となっている。特に、ノート型PC用の光ディスク装置は小型・薄型の必要性が高まっている。また、マルチメディア技術の発展に合わせて、年々光ディスクへの記憶もしくは記録容量への要求は増大する傾向にあり、(1)波長の短い青色レーザーを用いる、(2)対物レンズの開口数(NA)を大きくする、などの手段による記録密度の向上が図られ、しかも、(3)メディアにおける記録層を複数にすることによる記録面積の増加が図られ、大容量化を達成している。   As an information recording medium using an optical disk, there are a compact disk (CD) and a digital video disk (DVD). 2. Description of the Related Art In recent years, an optical disk device is generally configured to read and write a plurality of recording media with the same optical disk device, and a technique for further downsizing the optical disk device is required as compared with conventional products. In particular, there is an increasing need for a compact and thin optical disk device for a notebook PC. In addition, with the development of multimedia technology, the demand for storage or recording capacity on an optical disc tends to increase year by year, (1) using a blue laser with a short wavelength, (2) numerical aperture (NA) of an objective lens. ) Is increased, the recording density is improved, and (3) the recording area is increased by using a plurality of recording layers in the medium, so that the capacity is increased.

光ディスク装置には、レーザー光源、光学ピックアップ、受光素子等が設けられる。レーザー光源から出射されたレーザービームは光学ピックアップを通して、光ディスクのデータ面へ集光し、反射された後、受光素子によって受光され、光ディスクに記録された情報が読み取られ、或いは光ディスクに情報が書き込まれる。この際にビームの波面はさまざまな光学部品や光ディスクによって収差を受けるので、情報を正しく読み書きするためには収差補正が不可欠である。特に、光ディスクの回転中や、異なる層を読み替える際などに生じるダイナミックな収差に関しては、光学ピックアップを構成するレンズや回折光学素子による固定的な補正手段は不適当であり、アクチュエータによる動的補正が不可欠である。   The optical disk device is provided with a laser light source, an optical pickup, a light receiving element, and the like. The laser beam emitted from the laser light source is condensed on the data surface of the optical disk through the optical pickup, reflected, and then received by the light receiving element, and the information recorded on the optical disk is read or the information is written on the optical disk. . At this time, the wavefront of the beam is subjected to aberrations by various optical components and optical disks, so that aberration correction is indispensable for reading and writing information correctly. In particular, with respect to dynamic aberrations that occur during rotation of an optical disk or when different layers are read, fixed correction means using lenses and diffractive optical elements that constitute an optical pickup are inappropriate, and dynamic correction by an actuator is not possible. It is essential.

従来から、上記のような収差を補正する方法が考案されており、例えば、(特許文献1)に記載の方法においては、補正レンズをアクチュエータにより動かすことによって球面収差が補正される。しかしながら、この方法はアクチュエータ部が大きく、余分なレンズが必要で、PC用途など小型化の要求の大きな光学ピックアップには不向きであった。   Conventionally, a method for correcting the aberration as described above has been devised. For example, in the method described in Patent Document 1, spherical aberration is corrected by moving a correction lens by an actuator. However, this method has a large actuator portion, requires an extra lens, and is unsuitable for optical pickups that are required to be miniaturized, such as PC applications.

また、(特許文献2)に記載の方法においては、反射面の背面に微小なアクチュエータを多数配置し、これらのアクチュエータを駆動させることにより収差が補正される。しかしながら、この方法も構造や配線が複雑であるため、小型化は困難である。   In the method described in (Patent Document 2), a large number of minute actuators are arranged on the back surface of the reflecting surface, and the aberration is corrected by driving these actuators. However, this method is also difficult to reduce in size because of its complicated structure and wiring.

したがって、光ピックアップの部品として用いる程度の小型化を達成するためには、ミラーとアクチュエータが一体であり、且つ構造が単純な、例えば圧電素子を用いたユニモルフ型のような素子を用いることが望ましい。しかしながら、このような素子は薄膜積層構造をとるため、薄膜の内部応力の影響が大きく、ミラーの初期形状、変形形状を制御する事、及び低電圧で大きな変位を得ることが困難であるという問題がある。また、膜応力に依存した変形では大きな曲率を得ることは困難で、用途が限られるという問題もある。
特開平10−241201号公報 特開平5−333274号公報
Therefore, in order to achieve downsizing to the extent that it can be used as a part of an optical pickup, it is desirable to use an element such as a unimorph type using a piezoelectric element in which a mirror and an actuator are integrated and the structure is simple. . However, since such an element has a thin film laminated structure, the influence of the internal stress of the thin film is large, and it is difficult to control the initial shape and deformation shape of the mirror and to obtain a large displacement at a low voltage. There is. In addition, it is difficult to obtain a large curvature by deformation depending on the film stress, and there is a problem that the application is limited.
JP-A-10-241201 JP-A-5-333274

本発明は、形状を自由に制御できる形状可変な薄膜素子とミラーを一体化し、構造を単純にする事により光ピックアップの部品として十分に小型であり、低電圧で大きな変位を得られる形状可変ミラー素子として用いられる薄膜素子及びその製造方法を提供することを目的とする。   The present invention is a shape variable mirror which is sufficiently small as a component of an optical pickup by integrating a shape-variable thin film element and a mirror whose shape can be freely controlled, and simplifying the structure, and can obtain a large displacement at a low voltage. It aims at providing the thin film element used as an element, and its manufacturing method.

前記課題を解決するため、本発明は、少なくとも1層の薄膜から構成される曲面を有するダイアフラム部と、前記ダイアフラム部を支持する基板とから構成される薄膜素子において、ダイアフラム部の任意の位置における断面形状が変曲点を持たないことを特徴とする。また、薄膜素子の製造方法において、あらかじめ基板を所望の形状に加工した後に薄膜を形成することにより、ダイアフラム部の形状を制御することを特徴とする。   In order to solve the above-described problems, the present invention provides a thin film element including a diaphragm portion having a curved surface formed of at least one layer of thin film and a substrate supporting the diaphragm portion, at an arbitrary position of the diaphragm portion. The cross-sectional shape has no inflection point. In the method of manufacturing a thin film element, the shape of the diaphragm portion is controlled by forming a thin film after processing the substrate into a desired shape in advance.

本発明によれば、薄膜素子の形状は膜応力のみに依存しないため、形状制御が容易にでき、大きな曲率をもった球面、非対称形状など膜応力のみに依存した変形によると実現困難である形状にも制御可能である。その中でも、ダイアフラム部の任意の位置における断面において変曲点を持たない形状であることによって、低電圧で大きな変位を得ることができる。   According to the present invention, since the shape of the thin film element does not depend only on the film stress, the shape can be easily controlled, and a shape that is difficult to realize by deformation depending only on the film stress such as a spherical surface having a large curvature or an asymmetric shape. Can also be controlled. Among them, a large displacement can be obtained at a low voltage by having a shape having no inflection point in a cross section at an arbitrary position of the diaphragm portion.

本願の第1の発明は、少なくとも1層の薄膜から構成される曲面を有するダイアフラム部と、前記ダイアフラム部を支持する基板とから構成される薄膜素子において、ダイアフラム部の任意の位置における断面形状が変曲点を持たないことを特徴とする薄膜素子であり、変曲点を持たない構造とすることでダイアフラム部内の広い領域で収差補正用の素子として利用可能であり、圧電、熱、静電などで薄膜素子を変位させる場合も、変曲点を持つ構造と比べて大きな変位を得ることが可能である。   According to a first aspect of the present invention, there is provided a thin film element including a diaphragm portion having a curved surface composed of at least one thin film and a substrate that supports the diaphragm portion, and a cross-sectional shape at an arbitrary position of the diaphragm portion is It is a thin film element characterized by having no inflection point, and it can be used as an element for correcting aberrations in a wide area within the diaphragm portion by having a structure without an inflection point. Piezoelectric, thermal, electrostatic Even when the thin film element is displaced by, for example, a large displacement can be obtained as compared with a structure having an inflection point.

ここで、変曲点とは断面形状を現す式をY=f(x)としたときに、f(x)の2回微分であるf”(x)が、f”(x)=0となるxの値を持つY=f(x)上の点で定義される。図1に示す本発明による薄膜素子を上から見た時の斜視図において、図1(a)のような形状の場合、薄膜素子の断面形状は全て曲線で表される。しかし、図1(b)のような形状の場合、薄膜素子の断面形状は曲線で表される部分と直線で表される部分が存在する。本発明はこのような直線で表される断面が存在する形状であっても、ダイアフラム部が曲面を持ち、任意の位置における断面が曲線で表される形状であれば良い。   Here, the inflection point is defined as Y = f (x), which represents the cross-sectional shape, and f ″ (x), which is the second derivative of f (x), is f ″ (x) = 0. It is defined by a point on Y = f (x) having a value of x as follows. In the perspective view when the thin film element according to the present invention shown in FIG. 1 is viewed from above, in the case of the shape as shown in FIG. 1A, the cross-sectional shape of the thin film element is all represented by a curve. However, in the case of the shape as shown in FIG. 1B, the cross-sectional shape of the thin film element has a portion represented by a curve and a portion represented by a straight line. In the present invention, even if such a shape having a cross section represented by a straight line exists, the diaphragm portion may have a curved surface and the cross section at an arbitrary position may be represented by a curve.

本願の第2の発明は、少なくとも1層の薄膜から構成されるダイアフラム部と前記ダイアフラム部を支持する基板とから構成される薄膜素子において、ダイアフラム部の総膜厚が100μm以下であり、ダイアフラム部の断面の少なくとも一部分が円形状であり、前記円形状の曲率半径が5mm以下であることを特徴とする薄膜素子であり、曲率半径の小さい薄膜素子とすることにより、レンズなどの他の部品を用いることなく、省スペース、低コストで焦点可変ミラーを作製することができる。   According to a second aspect of the present invention, in the thin film element including a diaphragm portion including at least one layer of thin film and a substrate supporting the diaphragm portion, the total film thickness of the diaphragm portion is 100 μm or less. The thin film element is characterized in that at least a part of a cross section of the film is circular and the circular curvature radius is 5 mm or less. By using a thin film element having a small curvature radius, other parts such as lenses can be obtained. Without using it, it is possible to produce a variable focus mirror with space saving and low cost.

本願の第3の発明は、本願の第1または第2の発明において、ダイアフラム部の少なくとも一部分が可動であることを特徴とする薄膜素子であり、圧電、熱、静電気力、気圧、加速力などの外力を加えることによりダイアフラム部を可動させることによって、マイクロアクチュエータ、圧力センサ、加速度センサなど、様々な用途で利用可能な薄膜素子とすることができる。   A third invention of the present application is a thin film element according to the first or second invention of the present application, characterized in that at least a part of the diaphragm portion is movable, such as piezoelectric, heat, electrostatic force, atmospheric pressure, acceleration force, etc. By moving the diaphragm portion by applying an external force, a thin film element that can be used in various applications such as a microactuator, a pressure sensor, and an acceleration sensor can be obtained.

本願の第4の発明は、本願の第3の発明において、ダイアフラム部が圧電体と、前記圧電体を挟むように位置する第1電極膜及び第2電極膜とから構成されていることを特徴とする薄膜素子であり、前記構成により、省スペースで形状を可変することができる薄膜素子とすることができる。   According to a fourth invention of the present application, in the third invention of the present application, the diaphragm portion is constituted by a piezoelectric body and a first electrode film and a second electrode film positioned so as to sandwich the piezoelectric body. According to the above-described configuration, the thin film element can be changed in shape while saving space.

本願の第5の発明は、本願の第1から第4のいずれかの発明において、少なくともミラーとしての機能を有する薄膜が形成されていることを特徴とする薄膜素子であり、薄膜素子と一体となるミラーを形成することで、光ピックアップの部品として十分に小型である薄膜素子を製造することができる。   A fifth invention of the present application is a thin film element according to any one of the first to fourth inventions of the present application, wherein a thin film having at least a function as a mirror is formed. By forming such a mirror, a thin film element that is sufficiently small as an optical pickup component can be manufactured.

本願の第6の発明は、本願の第1から第5のいずれかの発明において、各膜の膜応力、膜厚、膜厚分布、膜分割により薄膜素子の形状を制御することを特徴とする薄膜素子であり、薄膜素子の微細な形状制御ができる。特に圧電素子を用いた形状可変素子の場合は、電極を分割し、電圧印加領域と非電圧印加領域を設けることにより、電圧印加時の形状を微細に制御することが可能である。   According to a sixth invention of the present application, in any one of the first to fifth inventions of the present application, the shape of the thin film element is controlled by film stress, film thickness, film thickness distribution, and film division of each film. It is a thin film element, and fine shape control of the thin film element can be performed. In particular, in the case of a variable shape element using a piezoelectric element, it is possible to finely control the shape at the time of voltage application by dividing the electrode and providing a voltage application region and a non-voltage application region.

本願の第7の発明は、本願の第1から第6のいずれかの発明において、基板が少なくともSiを含む単層もしくは多層構造であることを特徴とする薄膜素子で、Siを用いることにより、安価で材料特性が安定した材料を入手することができ、半導体プロセスで用いられる加工方法を応用することが可能であるため、微細な加工が可能である。   A seventh invention of the present application is the thin film element according to any one of the first to sixth inventions of the present application, wherein the substrate is a single layer or a multilayer structure containing at least Si, and using Si, Since an inexpensive material with stable material properties can be obtained and a processing method used in a semiconductor process can be applied, fine processing is possible.

本願の第8の発明は、本願の第1から第7のいずれかの発明の薄膜素子の製造方法において、あらかじめ基板を所望の形状に加工した後に薄膜を形成することにより、ダイアフラム部の形状を制御することを特徴とする薄膜素子の製造方法であり、あらかじめ基板を所望の形状に加工することにより、通常薄膜素子の形状を決める因子として支配的である膜応力の影響を小さくすることができる。また、膜応力等による初期形状の制御方法では大きな曲率をもたせることは非常に困難だが、本発明によれば容易に大きな曲率をもたせた薄膜素子を製造することができる。   According to an eighth aspect of the present invention, in the method for manufacturing a thin film element according to any one of the first to seventh aspects of the present invention, the shape of the diaphragm portion is changed by forming a thin film after processing the substrate into a desired shape in advance. A method of manufacturing a thin film element characterized by controlling, and by previously processing a substrate into a desired shape, the influence of film stress, which is usually dominant as a factor determining the shape of the thin film element, can be reduced. . In addition, although it is very difficult to give a large curvature by the method of controlling the initial shape by film stress or the like, a thin film element having a large curvature can be easily manufactured according to the present invention.

本願の第9の発明は、本願の第8の発明において、前記基板の加工を、ウェットエッチング法を用いて行うことを特徴とする薄膜素子の製造方法であり、ウェットエッチングの等方性エッチングや結晶異方性を利用した異方性エッチングをすることにより、所望の形状へ加工することができる。大がかりな装置を必要としないなど、比較的簡単に製造可能であるという利点も有する。   A ninth invention of the present application is a method of manufacturing a thin film element according to the eighth invention of the present application, wherein the substrate is processed using a wet etching method. By performing anisotropic etching utilizing crystal anisotropy, it can be processed into a desired shape. There is also an advantage that it can be manufactured relatively easily, such as not requiring a large-scale device.

本願の第10の発明は、本願の第8の発明において、前記基板の加工を、ドライエッチング法を用いて行うことを特徴とする薄膜素子の製造方法であり、RIEを利用した等方性エッチング、ICP方式による異方性エッチング、など、加工方法の自由度が高く、微細な加工を行うことができる。前記ウェットエッチング法と比較すると、結晶異方性を利用しなくても異方性エッチングが可能で、プロセスの再現性が良く、管理しやすいという利点を持つ。基板の材料、形状精度などを考慮した上で、ウェットエッチング法と組み合わせて用いることにより形状自由度の向上、プロセスの効率化が可能である。   A tenth invention of the present application is a method of manufacturing a thin film element according to the eighth invention of the present application, wherein the substrate is processed using a dry etching method, and isotropic etching using RIE. The degree of freedom of the processing method such as anisotropic etching by the ICP method is high, and fine processing can be performed. Compared with the wet etching method, anisotropic etching is possible without using crystal anisotropy, and there is an advantage that process reproducibility is good and management is easy. In consideration of the substrate material, shape accuracy, etc., it is possible to improve the degree of shape freedom and process efficiency by using it in combination with the wet etching method.

本願の第11の発明は、本願の第9または第10の発明において、前記基板の加工を、グレースケールレジストを用いて行うことを特徴とする薄膜素子の製造方法であり、膜厚分布をもったグレースケールレジストを用い、レジストをエッチングしながら基板もエッチングすることにより、レジストの形状を基板に転写することができる。レジストと基板材料のエッチング選択比によりレジストの形状よりZ軸方向(高さ方向)に伸縮した形状を得ることができ、高精度で再現性の良い加工が可能である。   An eleventh invention of the present application is the method of manufacturing a thin film element according to the ninth or tenth invention of the present application, wherein the substrate is processed using a gray scale resist, and has a film thickness distribution. By using the gray scale resist and etching the resist while etching the resist, the shape of the resist can be transferred to the substrate. Depending on the etching selectivity between the resist and the substrate material, it is possible to obtain a shape that expands and contracts in the Z-axis direction (height direction) from the resist shape, and processing with high accuracy and good reproducibility is possible.

本願の第12の発明は、本願の第9または第10の発明において、前記基板の加工を、ドーピング法を用いて行うことを特徴とする薄膜素子の製造方法であり、ドーピングを行うことにより材料特性を変化させ、選択的にドーピングされた部分のみ、または逆にドーピングされていない部分のみをウェットもしくはドライエッチング法でエッチングする方法である。ドーピング法にはイオン注入やプラズマドーピングなど、方法も多彩であり、等方性、異方性も自由に制御できることから微細な加工を行うことができる。   A twelfth aspect of the present invention is a method for manufacturing a thin film element according to the ninth or tenth aspect of the present invention, wherein the processing of the substrate is performed using a doping method. In this method, the characteristics are changed, and only a selectively doped portion or, on the contrary, only an undoped portion is etched by a wet or dry etching method. There are various doping methods such as ion implantation and plasma doping, and isotropic and anisotropy can be freely controlled, so that fine processing can be performed.

本願の第13の発明は、本願の第8の発明において、前記基板の加工を、レーザーを用いて行うことを特徴とする薄膜素子の製造方法であり、加工形状が自由で、精度の良い加工を行うことができる。   A thirteenth aspect of the present invention is a method for manufacturing a thin film element according to the eighth aspect of the present invention, wherein the substrate is processed using a laser, the processing shape is free, and the processing is accurate. It can be performed.

本願の第14の発明は、本願の第8の発明において、前記基板の加工を、機械的研削、研磨により行うことを特徴とする薄膜素子の製造方法であり、加工形状が自由で、加工時間が短く、精度の良い加工を行うことができる。   A fourteenth invention of the present application is the method of manufacturing a thin film element according to the eighth invention of the present application, wherein the processing of the substrate is performed by mechanical grinding and polishing, the processing shape is free, and the processing time is Can be processed with high accuracy.

本願の第15の発明は、本願の第8の発明において、前記基板の加工を、金型を用いたプレス加工により行うことを特徴とする薄膜素子の製造方法であり、精度良く再現性の良い加工ができ、生産性が非常に高い加工方法である。   A fifteenth invention of the present application is the method of manufacturing a thin film element according to the eighth invention of the present application, wherein the processing of the substrate is performed by press working using a mold, and the reproducibility is good with high accuracy. It is a processing method that can be processed and is extremely productive.

(実施の形態)
以下、本発明の実施の形態を、図面を用いてより詳細に説明する。なお、図面中の膜厚、基板の厚み、変形量等の寸法は理解を容易にするために実際の寸法とは異なる。
(Embodiment)
Hereinafter, embodiments of the present invention will be described in more detail with reference to the drawings. It should be noted that the film thickness, substrate thickness, deformation amount, and other dimensions in the drawings are different from the actual dimensions in order to facilitate understanding.

図1は本発明の実施の形態に係る薄膜素子を上から見た時の斜視図である。この薄膜素子は、基板1の上に、第1電極2a、圧電膜3、第2電極2b、反射膜4が順次積層されてなるものである。   FIG. 1 is a perspective view of a thin film element according to an embodiment of the present invention as viewed from above. In this thin film element, a first electrode 2a, a piezoelectric film 3, a second electrode 2b, and a reflective film 4 are sequentially laminated on a substrate 1.

以下、図1(a)のA−B断面図である図2により、本発明の薄膜素子の製造方法を説明する。   Hereinafter, the manufacturing method of the thin film element of the present invention will be described with reference to FIG. 2 which is a cross-sectional view taken along the line AB of FIG.

初めに、図2(a)のような両面とも平面な基板1に図2(b)のように凹部を形成する加工を施す。基板1の材料として特に限定はないが、SiもしくはSiを含む多層基板を用いると半導体プロセスを用いて加工ができるため、精度の良い加工が可能である。加工形状は円形に限らず、平面形として図3に示すような楕円形、三角形、四角形、その他の多角形、星形など、断面形として図4に示すような上に凸な形状、非対称な形状、三角形、四角形、その他の多角形など、どのような形状をとっても良い。   First, the substrate 1 that is flat on both sides as shown in FIG. 2A is processed to form a recess as shown in FIG. The material of the substrate 1 is not particularly limited. However, when Si or a multilayer substrate containing Si is used, processing can be performed using a semiconductor process, so that processing with high accuracy is possible. The processing shape is not limited to a circle, but a plane shape such as an ellipse, a triangle, a quadrangle, other polygons, or a star as shown in FIG. Any shape such as a shape, a triangle, a quadrangle, and other polygons may be used.

加工方法は、フライス盤を用いて所望の形状に加工を施し、研削表面を滑らかにするために回転軸付の砥石にて研磨を行う。このような研削、研磨を行う機器は多数存在するが、前記加工方法は一例を挙げているのであって、使用する加工機器は特に限定されない。   In the processing method, a desired shape is processed using a milling machine, and polishing is performed with a grindstone with a rotating shaft in order to smooth the ground surface. There are many devices that perform such grinding and polishing, but the processing method is an example, and the processing device to be used is not particularly limited.

基板加工を行う別の手段として、レジスト塗布、レジストのパターンニング、エッチングといった一連の半導体プロセスを用いた方法がある。一般的なエッチング方法として、ウェットエッチング、ドライエッチングがあり、材料、手法を選択することにより等方性または異方性エッチングが可能であるが、これらの組み合わせとさらに陰影効果を利用することにより自由な形状に加工することができる。しかし、この方法は複雑な曲面や精度を求められる形状の場合、再現性良く加工するのは非常に困難であるため、グレースケールレジストと組み合わせることが好ましい。グレースケールレジストとは、レジスト塗布後にバイナリマスクを複数回使用する多重露光をしたり、露光強度を変化させることができるグレースケール描画装置を用いて、レジストをグレースケール露光したり、また、透
過率が離散的または事実上連続的に変化するグレースケールマスクを用いてレジストを露光したりすることにより、制御された膜厚分布を持つレジスト膜のことである。このようにレジストの形状を所望の形状に加工を施した上でエッチングを行えば、レジストの形状が基板に転写され、比較的簡単に再現性の良い加工ができる。
As another means for processing a substrate, there is a method using a series of semiconductor processes such as resist coating, resist patterning, and etching. Common etching methods include wet etching and dry etching, and isotropic or anisotropic etching is possible by selecting materials and methods. However, these combinations and free of shadow effects can be used. Can be processed into various shapes. However, this method is very difficult to process with high reproducibility in the case of a complicated curved surface and a shape that requires accuracy, and therefore it is preferable to combine it with a gray scale resist. A grayscale resist is a multiple exposure that uses a binary mask multiple times after resist coating, a grayscale lithography system that can change the exposure intensity, and the resist is exposed to grayscale. Is a resist film having a controlled film thickness distribution by exposing the resist using a gray scale mask that changes discretely or virtually continuously. If etching is performed after processing the resist shape into a desired shape in this manner, the resist shape is transferred to the substrate, and processing with good reproducibility can be performed relatively easily.

この他にもドーピング法を用いて、一部分だけ材料特性を変化させた上で、ウェットエッチングやドライエッチングにより材料特性を変化させた部分だけエッチングする方法や、種々のレーザーを用いた加工、金型を用いたプレスにより塑性変形を行うといった方法もある。   In addition to this, the doping method is used to change only part of the material characteristics, and then etch only the part where the material characteristics have been changed by wet etching or dry etching. There is also a method in which plastic deformation is performed by a press using.

次に、ダイアフラムを形成する膜を成膜する。膜の材料、形状、膜厚などに特に限定は無いが、ここでは形状可変薄膜ミラー素子として図2(c)のように第1電極2a、圧電膜3、第2電極2b、反射膜4の順に成膜する。成膜方法として、蒸着、スパッタ、CVDなどの真空プロセス、電着、めっきなどの電気化学反応、滴下、スピンコートなどによる塗布などを用いて行う。   Next, a film for forming a diaphragm is formed. There are no particular limitations on the material, shape, film thickness, etc. of the film, but here, as the variable shape thin film mirror element, the first electrode 2a, the piezoelectric film 3, the second electrode 2b, and the reflective film 4 are formed as shown in FIG. Films are formed in order. As a film forming method, a vacuum process such as vapor deposition, sputtering, or CVD, an electrochemical reaction such as electrodeposition or plating, application by dropping, spin coating, or the like is used.

最後に、図2(d)のように基板1の裏面の加工を行う。加工方法は、ウェットエッチング、ドライエッチング、レーザー加工、機械的研削、研磨などを用いて行う。加工形状は円形に限らず楕円形、三角形、四角形、その他の多角形、星形など、どのような形状でも良い。   Finally, the back surface of the substrate 1 is processed as shown in FIG. The processing method is performed using wet etching, dry etching, laser processing, mechanical grinding, polishing, or the like. The machining shape is not limited to a circle, and may be any shape such as an ellipse, a triangle, a quadrangle, other polygons, and a star.

このようにして作製した形状可変薄膜ミラー素子の初期形状は、基板の加工形状、ダイアフラムを形成する膜の構造などで大きく異なるが、ここではわかりやすくするために基板1の加工形状を下に凸な球面形状、膜は均一な2層膜として図5を用いて説明する。   The initial shape of the variable shape thin film mirror element thus fabricated differs greatly depending on the processed shape of the substrate, the structure of the film forming the diaphragm, etc., but here the processed shape of the substrate 1 is convex downward for easy understanding. A spherical shape and film will be described as a uniform two-layer film with reference to FIG.

図5のような構造の場合、ダイアフラムは大きく分けると図6のような3通りの形状をとる。図6において、7はSi基板の加工形状を示す線であり、8はダイアフラムの形状(0V時)を示す線である。   In the case of the structure as shown in FIG. 5, the diaphragm can be roughly divided into three shapes as shown in FIG. In FIG. 6, 7 is a line indicating the processed shape of the Si substrate, and 8 is a line indicating the shape of the diaphragm (at 0 V).

図5において、第1膜5と第2膜6の膜応力により発生するモーメントが0または上方向の場合、図6(a)のような変曲点の存在しない、球面に非常に近い形状となる。第1膜5と第2膜6の膜応力により発生するモーメントが下方向の場合、変曲点の存在しない形状とすることもできるが、膜応力の制御により図6(b)のような外周側に変曲点が存在する形状とすることもできる。この場合、内周側は極めて球面に近い形状となる。第1膜5が圧縮応力、第2膜6が引張応力であって、第1膜5と第2膜6の膜応力の差が大きい場合には、図6(c)のような上に凸であって、内周付近がつぶれた形状となる。   In FIG. 5, when the moment generated by the film stress of the first film 5 and the second film 6 is 0 or upward, a shape very close to a spherical surface having no inflection point as shown in FIG. Become. When the moment generated by the film stress of the first film 5 and the second film 6 is in the downward direction, the shape can be made to have no inflection point, but the outer periphery as shown in FIG. It can also be made into the shape where an inflection point exists in the side. In this case, the inner peripheral side has a shape very close to a spherical surface. When the first film 5 is compressive stress and the second film 6 is tensile stress, and the difference in film stress between the first film 5 and the second film 6 is large, the first film 5 protrudes upward as shown in FIG. In addition, the shape near the inner periphery is crushed.

図7に前述の形状をシミュレーションにより解析した結果を示す。図7(a)が図6(a)に、図7(b)が図6(b)に、図7(c)が図6(c)にそれぞれ対応する解析結果である。このように、膜応力を調整することにより、様々な形状のダイアフラムを作成できることがわかる。ここでは膜応力についてのみ説明したが、膜厚、膜の分割、膜厚分布を制御することにより、さらにダイアフラム形状の自由度は高まる。   FIG. 7 shows the result of analyzing the above-described shape by simulation. FIG. 7A shows the analysis results corresponding to FIG. 6A, FIG. 7B the analysis results corresponding to FIG. 6B, and FIG. 7C the analysis results corresponding to FIG. Thus, it can be seen that various shapes of diaphragms can be created by adjusting the film stress. Although only the film stress has been described here, the degree of freedom of the diaphragm shape is further increased by controlling the film thickness, film division, and film thickness distribution.

特に、圧電素子を用いてダイアフラムを駆動させる場合は、電極を分割することにより電圧印加時の形状も制御可能である。   In particular, when the diaphragm is driven using a piezoelectric element, the shape at the time of voltage application can be controlled by dividing the electrode.

図8(a)に基板が平面のときの、図8(b)に基板が球面のときのダイアフラム形状(0V時)と電圧印加時のダイアフラムの変位形状のシミュレーション結果を、それぞれ示す。これによると、同一電圧を加えた時の変位量は、基板形状が平面の時に比べて球面の時の方が100倍以上大きく、本発明によって形状制御できるという効果だけではなく
、変位を拡大させることができるという効果もあることがわかる。
FIG. 8A shows the simulation results of the diaphragm shape (at 0V) when the substrate is a plane and FIG. 8B shows the displacement shape of the diaphragm when a voltage is applied. According to this, the amount of displacement when the same voltage is applied is not less than 100 times larger when the substrate shape is spherical than when the substrate shape is flat, and not only the effect that the shape can be controlled by the present invention but also the displacement is enlarged. It can be seen that there is also an effect that it is possible.

図9に光学ピックアップの基本的な構成例を示す。レーザー光源9から発せられた光束はビームスプリッタ11を透過し、立ち上げミラーを兼用する形状可変ミラー素子12で反射され、対物レンズ14を通って、光ディスク15に結像する。そこで反射した光は形状可変ミラー素子12で反射して、ビームスプリッタ11を反射して受光素子10において電気信号に変換される。この構成においては、光束は形状可変ミラー素子12に45度入射する。形状可変ミラー素子12はドライバ13から制御電圧を供給される。ドライバ13は球面収差量を検知するモニター用受光素子(図示しない)や受光素子10等の受光手段の内で少なくとも一つからの信号をもとに、制御電圧の値を定め、形状可変ミラー素子12の曲率を変化させることができる。特に、レーザー光源9から出射される光が青から青紫の短波長光の場合、上記構成は特に有用である。   FIG. 9 shows a basic configuration example of the optical pickup. The light beam emitted from the laser light source 9 passes through the beam splitter 11, is reflected by the variable shape mirror element 12 that also serves as a rising mirror, passes through the objective lens 14, and forms an image on the optical disk 15. The reflected light is reflected by the variable shape mirror element 12, reflected by the beam splitter 11, and converted into an electric signal by the light receiving element 10. In this configuration, the light beam enters the deformable mirror element 12 by 45 degrees. The deformable mirror element 12 is supplied with a control voltage from the driver 13. The driver 13 determines the value of the control voltage based on a signal from at least one light receiving means such as a light receiving means (not shown) for detecting the spherical aberration and the light receiving element 10, and the variable shape mirror element. Twelve curvatures can be varied. In particular, the above configuration is particularly useful when the light emitted from the laser light source 9 is blue to blue-violet short wavelength light.

別の形態における光学ピックアップの構成を図10に示す。レーザー光源9から発せられた光束は偏光ビームスプリッタ17を透過し、立ち上げミラー18で反射し、1/4波長板16および対物レンズ14を経て光ディスク15上で集光する。その後、光ディスクを反射した光は偏光状態を90度変え、立ち上げミラー18を経て、偏光ビームスプリッタ17で反射され、もう一枚の1/4波長板16を透過し形状可変ミラー素子12で反射され、再び1/4波長板16を透過して偏光状態を90度変えた後、偏光ビームスプリッタ17を透過して、受光素子10において電気信号に変換される。形状可変ミラー素子12はドライバ13から制御電圧を供給される。ドライバ13は球面収差量を検知するモニター用受光素子(図示しない)や受光素子10等の受光手段の内で少なくとも一つからの信号をもとに、制御電圧の値を定め、形状可変ミラー素子12の曲率を変化させることができる。特に、レーザー光源9から出射される光が青から青紫の短波長光の場合、上記構成は特に有用である。   FIG. 10 shows a configuration of an optical pickup in another form. The light beam emitted from the laser light source 9 is transmitted through the polarization beam splitter 17, reflected by the rising mirror 18, and condensed on the optical disk 15 through the quarter-wave plate 16 and the objective lens 14. Thereafter, the light reflected from the optical disk changes its polarization state by 90 degrees, passes through the rising mirror 18, is reflected by the polarization beam splitter 17, passes through the other quarter-wave plate 16, and is reflected by the variable shape mirror element 12. Then, after passing through the quarter-wave plate 16 again to change the polarization state by 90 degrees, it passes through the polarizing beam splitter 17 and is converted into an electric signal in the light receiving element 10. The deformable mirror element 12 is supplied with a control voltage from the driver 13. The driver 13 determines the value of the control voltage based on a signal from at least one light receiving means such as a light receiving means (not shown) for detecting the spherical aberration and the light receiving element 10, and the variable shape mirror element. Twelve curvatures can be varied. In particular, the above configuration is particularly useful when the light emitted from the laser light source 9 is blue to blue-violet short wavelength light.

本発明によれば、顕微鏡、カメラ等、光学装置のフォーカス及び、CD/DVDドライブレコーダ、デコーダ、CD/DVDドライブなどに用いられる光学ピックアップ、特に、青色レーザーを用いた光学ピックアップや収差の補正が必要な光学装置に利用可能である。   According to the present invention, focus of an optical device such as a microscope, a camera, etc., and an optical pickup used for a CD / DVD drive recorder, decoder, CD / DVD drive, etc., in particular, an optical pickup using a blue laser and correction of aberrations can be performed. It can be used for necessary optical devices.

また、本発明によれば低エネルギー入力で大きな変位が得られるという特徴があるため、光学装置以外、例えばプリンタヘッド等の薄膜マイクロアクチュエータとして利用でき、圧電素子と電極を構成材料として組み込むことにより、正圧電効果を利用した高感度な圧力センサもしくは加速度センサのようなセンサとして利用することもできる。   In addition, according to the present invention, since a large displacement can be obtained with low energy input, it can be used as a thin film microactuator such as a printer head other than an optical device, and by incorporating a piezoelectric element and an electrode as constituent materials, It can also be used as a highly sensitive pressure sensor or acceleration sensor using the positive piezoelectric effect.

本発明の一実施の形態における薄膜素子を示す斜視図The perspective view which shows the thin film element in one embodiment of this invention 本発明の一実施の形態における薄膜素子の断面図Sectional drawing of the thin film element in one embodiment of this invention 本発明の一実施の形態における基板を示す平面図The top view which shows the board | substrate in one embodiment of this invention 本発明の一実施の形態における基板の断面図Sectional drawing of the board | substrate in one embodiment of this invention 本発明の一実施の形態における薄膜素子の断面図Sectional drawing of the thin film element in one embodiment of this invention 本発明の一実施の形態における薄膜素子の形状を示す図The figure which shows the shape of the thin film element in one embodiment of this invention 本発明の一実施の形態における薄膜素子の形状を示すシミュレーションのグラフGraph of simulation showing shape of thin film element in one embodiment of the present invention 本発明の一実施の形態における形状可変薄膜素子の変位形状を示すシミュレーションのグラフGraph of simulation showing displacement shape of variable shape thin film element in one embodiment of the present invention 本発明による光学ピックアップの光路を示す図The figure which shows the optical path of the optical pick-up by this invention 本発明による別の形態における光学ピックアップの光路を示す図The figure which shows the optical path of the optical pick-up in another form by this invention

符号の説明Explanation of symbols

1 基板
2a 第1電極
2b 第2電極
3 圧電膜
4 反射膜
5 第1膜
6 第2膜
7 Si基板の加工形状を示す線
8 ダイアフラムの形状(0V時)を示す線
9 レーザー光源
10 受光素子
11 ビームスプリッタ
12 形状可変ミラー素子
13 ドライバ
14 対物レンズ
15 光ディスク
16 1/4波長板
17 偏光ビームスプリッタ
18 立ち上げミラー
DESCRIPTION OF SYMBOLS 1 Board | substrate 2a 1st electrode 2b 2nd electrode 3 Piezoelectric film 4 Reflective film 5 1st film | membrane 6 2nd film | membrane 7 The line | wire which shows the process shape of Si substrate 8 The line | wire which shows the shape (at 0V) of a diaphragm 9 Laser light source 10 Light receiving element DESCRIPTION OF SYMBOLS 11 Beam splitter 12 Shape variable mirror element 13 Driver 14 Objective lens 15 Optical disk 16 1/4 wavelength plate 17 Polarizing beam splitter 18 Standing mirror

Claims (15)

少なくとも1層の薄膜から構成される曲面を有するダイアフラム部と、前記ダイアフラム部を支持する基板とから構成される薄膜素子において、ダイアフラム部の任意の位置における断面形状が変曲点を持たないことを特徴とする薄膜素子。 In a thin film element composed of a diaphragm portion having a curved surface composed of at least one thin film and a substrate supporting the diaphragm portion, the cross-sectional shape at an arbitrary position of the diaphragm portion has no inflection point. A thin film element characterized. 少なくとも1層の薄膜から構成されるダイアフラム部と、前記ダイアフラム部を支持する基板とから構成される薄膜素子において、ダイアフラム部の総膜厚が100μm以下であり、ダイアフラム部の断面の少なくとも一部分が円形状であり、前記円形状の曲率半径が5mm以下であることを特徴とする薄膜素子。 In a thin film element composed of a diaphragm portion composed of at least one thin film and a substrate supporting the diaphragm portion, the total thickness of the diaphragm portion is 100 μm or less, and at least a part of the cross section of the diaphragm portion is a circle. A thin film element having a shape and a circular radius of curvature of 5 mm or less. 前記ダイアフラム部の少なくとも一部分が可動であることを特徴とする請求項1または2に記載の薄膜素子。 The thin film element according to claim 1, wherein at least a part of the diaphragm portion is movable. 前記ダイアフラム部が圧電体と、前記圧電体を挟むように位置する第1電極膜及び第2電極膜とから構成されていることを特徴とする請求項3に記載の薄膜素子。 4. The thin film element according to claim 3, wherein the diaphragm portion includes a piezoelectric body and a first electrode film and a second electrode film positioned so as to sandwich the piezoelectric body. 少なくともミラーとしての機能を有する薄膜が形成されていることを特徴とする請求項1から4のいずれかに記載の薄膜素子。 5. The thin film element according to claim 1, wherein a thin film having at least a function as a mirror is formed. 各膜の膜応力、膜厚、膜厚分布、膜分割により形状が制御されることを特徴とする請求項1から5のいずれかに記載の薄膜素子。 6. The thin film element according to claim 1, wherein the shape is controlled by film stress, film thickness, film thickness distribution, and film division of each film. 前記基板が少なくともSiを含む単層もしくは多層構造であることを特徴とする請求項1から6のいずれかに記載の薄膜素子。 7. The thin film element according to claim 1, wherein the substrate has a single layer or multilayer structure containing at least Si. 請求項1から7のいずれかに記載の薄膜素子の製造方法であって、あらかじめ基板を所望の形状に加工した後に薄膜を形成することにより、ダイアフラム部の形状を制御することを特徴とする薄膜素子の製造方法。 8. The method of manufacturing a thin film element according to claim 1, wherein the shape of the diaphragm portion is controlled by forming the thin film after processing the substrate into a desired shape in advance. Device manufacturing method. 前記基板の加工を、ウェットエッチング法を用いて行うことを特徴とする請求項8に記載の薄膜素子の製造方法。 The method of manufacturing a thin film element according to claim 8, wherein the substrate is processed using a wet etching method. 前記基板の加工を、ドライエッチング法を用いて行うことを特徴とする請求項8に記載の薄膜素子の製造方法。 The method of manufacturing a thin film element according to claim 8, wherein the substrate is processed using a dry etching method. 前記基板の加工を、グレースケールレジストを用いて行うことを特徴とする請求項9または10に記載の薄膜素子の製造方法。 The method of manufacturing a thin film element according to claim 9 or 10, wherein the substrate is processed using a gray scale resist. 前記基板の加工を、ドーピング法を用いて行うことを特徴とする請求項9または10に記載の薄膜素子の製造方法。 The method of manufacturing a thin film element according to claim 9 or 10, wherein the substrate is processed using a doping method. 前記基板の加工を、レーザーを用いて行うことを特徴とする請求項8に記載の薄膜素子の製造方法。 The method of manufacturing a thin film element according to claim 8, wherein the substrate is processed using a laser. 前記基板の加工を、機械的研削、研磨により行うことを特徴とする請求項8に記載の薄膜素子の製造方法。 9. The method of manufacturing a thin film element according to claim 8, wherein the substrate is processed by mechanical grinding or polishing. 前記基板の加工を、金型を用いたプレス加工により行うことを特徴とする請求項8に記載の薄膜素子の製造方法。 The method of manufacturing a thin film element according to claim 8, wherein the substrate is processed by pressing using a mold.
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JP2011511410A (en) * 2008-02-05 2011-04-07 コーニンクレッカ フィリップス エレクトロニクス エヌ ヴィ Illumination device comprising a reflective electroactive polymer actuator
JP2016048389A (en) * 2009-09-15 2016-04-07 コミッサリア ア レネルジー アトミーク エ オ ゼネルジ ザルタナテイヴ Optical device with deformable piezoelectric actuation membrane

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