JP2006201541A - ミラー基板の形成方法 - Google Patents

Abstract

【課題】枠部などの大きな段差を備えている状態のミラー基板に形成されているミラーに対し、より精度よく選択的に金属膜が形成できるようにする。
【解決手段】枠部１０１ａの側にステンシルマスク１０７を配置し、開口部１７１を通して、蒸着源より飛来した蒸着原子１１０をミラー１３５に到達させ、ミラー１３５にのみ、金属膜１０８が形成された状態とする。ステンシルマスク１０７は、板状の基板部１７２の上に、枠部１０１ａの開口部に嵌合する嵌合部１７３を備え、嵌合部１７３の先端面１７４に開口部１７１が形成されている。嵌合部１７３は、ミラーアレイを構成する１つのミラー１３５の部分に対応し、各々のミラー毎に各々１つの円形の開口部１７１を備え、開口部１７１が形成されている先端面１７４は、基板部１７２の平面に略平行に形成されている。
【選択図】 図１

Description

本発明は、通信用の光スイッチング素子などに適用可能なミラー素子を構成するミラー基板の形成方法に関する。

インターネット通信網などにおける基盤となる光ネットワークの分野では、多チャンネル化、波長分割多重（ＷＤＭ）化、及び低コスト化を実現する技術として、光ＭＥＭＳ（Micro Electro Mechanical System）技術が脚光を浴びており、この技術を用いて光スイッチが開発されている（例えば、特許文献１参照。）。ＭＥＭＳ技術による光スイッチの構成部品として最も特徴的なものが、複数のミラー素子が配列されたミラーアレイである。

ミラーアレイは、ミラー基板と、これに対向配置された電極基板とから構成されている。ミラー基板は、ミラーとして作用する複数の可動構造体と、この可動構造体をトーションバネなどのバネ部材によって回動可能に支持する支持部材とを有する。また、電極基板は、ミラーとして作用する可動構造体に対応した複数の電極部が、土台となる基板の上に形成されたものである。

特許文献１に示された従来のミラーアレイについて図４，図５を用いて説明する。図４は、ミラー基板及び電極基板の構成を示す概略斜視図、図５は、ミラー素子の構成を示す概略斜視図である。なお、図４，図５は、主にミラーアレイの１構成単位であるミラー素子を部分的に示している。ミラーアレイは、図４，図５に示すミラー素子が、２次元的に正方配列されたものである。ミラー素子は、ミラーが形成されたミラー基板２００と、電極が形成された電極基板３００とを備え、これらが平行に配設されている。

ミラー基板２００は、板状の基部２１０とリング状の可動枠２２０と円板状のミラー２３０とを備える。基部２１０は、平面視略円形の開口を備える。可動枠２２０は、基部２１０の開口内に配置され、一対の連結部２１１ａ，２１１ｂにより基部２１０に連結している。また、可動枠２２０も、平面視略円形の開口を備えている。ミラー２３０は、可動枠２２０の開口内に配置され、一対のミラー連結部２２１ａ，２２１ｂにより可動枠２２０に連結されている。また、基部２１０の周辺部には、可動枠２２０及びミラー２３０を取り囲むような枠部２４０が形成されている。枠部２４０は、絶縁層２５０を介して基部２１０に固定されている。

連結部２１１ａ，２１１ｂは、可動枠２２０の切り欠き内に設けられており、つづら折りの形状を有するトーションバネから構成され、基部２１０と可動枠２２０とを連結している。このように基部２１０に連結された可動枠２２０は、連結部２１１ａ，２１１ｂを通る回動軸（可動枠回動軸）を中心に、回動可能とされている。また、ミラー連結部２２１ａ，２２１ｂは、可動枠２２０の切り欠き内に設けられており、つづら折りの形状を有するトーションバネから構成され、可動枠２２０とミラー２３０とを連結している。このように可動枠２２０に連結されたミラー２３０は、ミラー連結部２２１ａ，２２１ｂを通る回動軸（ミラー回動軸）を中心に回動可能とされている。なお、可動枠回動軸とミラー回動軸とは、互いに直交している。

一方、電極基板３００は、突出部３２０と、突出部３２０の周辺部に設けられたリブ構造体３１０とを備える。突出部３２０は、角錐台の形状を有する第３テラス３２３と、第３テラス３２３の上面に形成された角錐台の形状を有する第２テラス３２２と、第２テラス３２２の上面に形成された角錐台の形状を有する第１テラス３２１と、第１テラス３２１の上面に形成された角錐台の形状を有するピボット３３０とから構成される。

また、突出部３２０の外面を含む電極基板３００の上面には、対向するミラー基板２００のミラー２３０と同心の円内に、扇形の電極３４０ａ，電極３４０ｂ，電極３４０ｃ，電極３４０ｄが形成されている。さらに、電極基板３００の突出部３２０周囲には、配線３７０が形成され、配線３７０には、引き出し線３４１ａ〜３４１ｄを介して電極３４０ａ〜３４０ｄが接続されている。

上述した構成とされたミラー基板２００と電極基板３００とは、各々対応するミラー２３０と電極３４０ａ〜３４０ｄとが対向配置され、基部２１０の下面とリブ構造体３１０の上面とが接合され、図５に示すようなミラー素子が形成される。

次に、製造方法について簡単に説明する。まず、ミラー基板２００は、ＳＯＩ(Silicon On Insulator)基板から形成できる。ＳＯＩ基板は、シリコンからなる厚い基体部の上に埋め込み絶縁層を介して薄いシリコン層（ＳＯＩ層）を備えたものであり、ＳＯＩ層を加工することで、前述した基部２１０，可動枠２２０，ミラー２３０などの板状の構造体が形成できる。また、ＳＯＩ基板の厚い基体部を枠状に残すように除去することで、枠部２４０が形成できる。なお、図４，図５に示す絶縁層２５０が、ＳＯＩ基板の埋め込み絶縁層に対応している。

また、電極基板３００は、主表面の結晶方位が（１００）面の単結晶シリコン基板を、水酸化カリウムなどのアルカリ溶液でエッチング加工することで形成できる。よく知られているように、単結晶シリコンは、（１１１）面が、（１００）面や（１１０）面に比べて著しくアルカリによるエッチング速度が小さい。この現象を利用することで、角錐台の突出部３２０や、リブ構造体３１０が形成可能である。

以上のように、ミラー基板２００及び電極基板３００が形成された後、これらを貼り合わせることで、図５に示すように、電極３４０ａ〜３４０ｄに対する電界印加によってミラー２３０が可動（回動）するミラー素子が形成できる。また、ミラー２３０における光の反射率を向上させるために、ミラー２３０の表面（図４及び図５に示されている面）に金などの金属膜を形成する。

なお、出願人は、本明細書に記載した先行技術文献情報で特定される先行技術文献以外には、本発明に関連する先行技術文献を出願時までに発見するには至らなかった。
特開２００３−５７５７５号公報

上述したように、ミラー２３０にＡｕなどの金属膜を形成する場合、よく知られている技術である蒸着法やスパッタ法などを用いればよい。ところで、ミラー２３０に金属膜を形成するときに、連結部にも金属膜が形成されると、連結部の正常な動作が阻害されるようになる。図４，図５に示すよなつづら折りの形状のトーションバネでは、動作の中で隣り合う部分が接触することが起こる。ところが、Ａｕなどの金属膜が表面に形成されていると、接触により固着（スティッキング）が起こり、トーションバネ自体が動かなくなる。

ミラーの部分に選択的に金属膜が形成された状態とすることで、上述した問題が解消可能である。部分的に金属膜を形成するためには、一般にフォトリソグラフィ技術により形成されるレジストパターンを用いる技術が応用できる。例えば、全域に金属膜を形成した後、所望とする領域が隠されるレジストパターンを形成し、このレジストパターンをマスクとしてエッチングすれば、所望とする領域のみに金属膜が形成された状態が得られる。また、所望とする領域が露出するレジストパターンを形成し、この上から金属膜を形成し、この後、レジストパターンを除去することで、所望とする領域のみに金属膜が形成された状態が得られる。

しかしながら、ミラー基板２００は、ミラー２３０や連結部２１１ａ，２１１ｂなどの可動する構造体から構成されている。このため、フォトレジストの塗布や現像などの工程において受ける機械的な振動により、微細な可動部分が破壊されいやすく、上述した技術の適用が容易ではない。また、図４に示すように、ＳＯＩ基板を利用して形成されたミラー基板２００においては、ミラー基板２００の強度を維持するためなどにより、高さが５００μｍ程度となる枠部２４０が存在している。このような大きな段差が存在している状態でも、上述した技術の適用を阻害している。

上述したリソグラフィ技術を用いることなく、選択的に金属膜を形成する技術として、蒸着法やスパッタ法においてステンシルマスクを用いることで、所望とする領域に選択的に金属膜を形成する技術がある。この技術では、図６に示すように、ミラー２３０の金属膜形成面側に、開口部４０２を備えたステンシルマスク４０１を配置し、開口部４０２を通して、蒸着原子４１０をミラー基板２００に到達させ、所望の領域に金属膜を形成する。この技術によれば、レジストの塗布や現像などの破壊につながる機械的な振動が加わる工程がなく、また、工程数も短いため、これらの点では、ミラーへの選択的な金属膜の形成に適している。

しかしながら、前述したＳＯＩ基板を用いて形成されたミラー基板２００の場合、金属膜の形成面側に枠部２４０が存在するため、金属膜の形成面とステンシルマスク４０１とが、５００μｍ程度離れることになる。ここで、蒸着法やスパッタ法による成膜において、成膜面に飛散してくる蒸着原子（粒子）は、全てが成膜面の法線に対して角度の分布を有している。このため、成膜面に対する開口部４０２の投影領域以外である、可動枠２２０や連結部（図示せず）にまで、金属膜が形成されるようになる。また、ステンシルマスク４０１とミラー基板２００との位置合わせの精度は、数十μｍ以下を実現することが非常に困難であり、この点においても、位置ずれの結果、開口部４０２の投影領域以外に金属膜が形成されやすい状態である。

本発明は、以上のような問題点を解消するためになされたものであり、枠部などの大きな段差を備えている状態のミラー基板に形成されているミラーに対し、より精度よく選択的に金属膜が形成できるようにすることを目的とする。

本発明に係るミラー基板の形成方法は、基板の第１面にミラー形成領域が開口した第１マスクパターンを形成し、この第１マスクパターンをマスクとしたエッチングにより、ミラー形成領域における基板を所定の厚さにまで薄くし、ミラー形成領域の外側に枠部が形成された状態とする工程と、基板の第２面に第２マスクパターンを形成し、この第２マスクパターンをマスクとしたエッチングにより基板を加工し、ミラー形成領域に開口部を備えた基部及びこの基部の開口部内側に一対の連結部を介して回動可能に連結する板状のミラー構造体が形成された状態とする工程と、基板部，基板部の上に形成されてミラー形成領域に対応する枠部の内側に嵌合する嵌合部，この嵌合部の先端部に配置されたて基板部の平面に平行な先端面、この先端面に形成されてミラー構造体の平面形状に一致した開口部を備えたステンシルマスクを用意する工程と、嵌合部をミラー形成領域に対応する枠部の内側に嵌入させてステンシルマスクを基板の第１面の側に配置し、嵌合部が枠部の内側に嵌合された状態とし、第１面の側より基板に対して金属粒子を飛散させ、ミラー構造体の第１面の側に金属粒子を堆積させて金属膜が形成された状態とする工程とを少なくとも備えるようにしたものである。

上記形成方法によれば、ステンシルマスクの嵌合部に形成された開口部の嵌合部における相対的な位置関係と、枠とこの内側のミラー形成領域に形成されたミラー構造体との相対的な位置関係とにより、開口部とミラー構造体との相対的な位置関係が規定されるようになる。

以上説明したように、本発明によれば、基板部，基板部の上に形成されてミラー形成領域に対応する枠部の内側に嵌合する嵌合部，この嵌合部の先端部に配置されたて基板部の平面に平行な先端面、この先端面に形成されてミラー構造体の平面形状に一致した開口部を備えたステンシルマスクを用いるようにした。この結果、枠部などの大きな段差を備えている状態のミラー基板に形成されているミラー（ミラー構造体）に対し、より精度よく選択的に金属膜が形成できるようなるという優れた効果が得られる。

以下、本発明の実施の形態について図を参照して説明する。図１は、本発明の実施の形態におけるミラー基板の形成方法例を示す工程図である。まず、図１（ａ）に示すように、面方位が（１００）であるシリコン基部１０１の上に、例えば膜厚１μｍの酸化シリコンからなる埋め込み絶縁層１０２と、膜厚１０μｍのシリコン単結晶層（ＳＯＩ層）１０３とが形成されているＳＯＩ基板を用意する。ついで、ＳＯＩ層１０３の側（表面）に、有機樹脂からなる保護膜１０４が形成された状態とする。

次に、図１（ｂ）に示すように、シリコン基部１０１の裏面にマスクパターン１０５が形成された状態とする。マスクパターン１０５は、ミラーアレイを構成する１つのミラー部分に対応するパターンであり、ミラー毎に各々１つの正方形の領域が開口しているパターンである。なお、図１は、シリコン基部１０１上の一部領域を示すものであり、ここでは、切り出すことで１つのミラー基板となる正方形の領域を示している。

この後、マスクパターン１０５をマスクにし、ＣＦ系ガスを用いたドライエッチングにより、シリコン基部１０１を埋め込み絶縁層１０２が露出するまでエッチングされた状態とする。このとき、保護膜１０４が形成されているので、上記エッチング処理の際に、ＳＯＩ層１０３は、エッチングされずに保護される。なお、上記エッチングにおいて、ウエットエッチングを用いるようにしてもよい。ところで、マスク１０５は、単層構造としたが、これに限るものではなく、２層，３層構造のマスクであってもよい。また、保護層１０４は、有機樹脂に限らず、金属や誘電体から構成されていてもよい。

この後、マスクパターン１０５及び保護膜１０４を除去することで、図１（ｃ）に示すように、枠部１０１ａが形成された状態が得られる。マスクパターン１０５及び保護膜１０４は、灰化処理や適当なエッチング方法により除去すればよい。ここで、枠部１０１ａの開口内は、ミラー形成領域となるが、ミラーが形成されるＳＯＩ層１０３の裏面は、埋め込み絶縁層１０２により覆われて保護された状態となっている。

次に、図１（ｄ）に示すように、ＳＯＩ層１０３上にマスクパターン１０６が形成された状態とし、マスクパターン１０６をマスクとしてＳＯＩ層１０３がエッチング加工された状態とする。このエッチングでは、例えばリアクティブイオンエッチングなどの方向性エッチングにより行い、エッチング箇所において埋め込み絶縁層１０２の表面を露出させる。このエッチングにより、基部１３１，可動枠１３３，ミラー（ミラー構造体）１３５，及び図示していない連結部，ミラー連結部が形成され、ミラー基板の基本的な構成が形成された状態が得られる。このとき、マスクパターン１０６の図示していない領域に、ダイシングの際にガイドとなるスクライブラインを形成するためのパターンが備えられ、ＳＯＩ層１０３の図示しない領域にスクライブラインが備えられた状態としておく。

次に、マスクパターン１０６が除去された状態とし、加えて枠部１０１ａの内部に露出している部分の埋め込み絶縁層１０２が除去された状態とした後、ミラー基板を所定の蒸着装置内に搬入し、図１（ｅ）に示すように、枠部１０１ａの側にステンシルマスク１０７を配置し、開口部１７１を通して、図示しない蒸着源（例えばＡｕ）より飛来した蒸着原子（金属粒子）１１０をミラー１３５に到達させる。蒸着原子１１０は、ステンシルマスク１０７の配置側よりＳＯＩ基板（シリコン単結晶層１０３）の側に飛散させればよい。このことにより、ミラー基板１００を構成するミラー１３５にのみ、例えばＡｕからなる金属膜１０８が形成された状態が得られる。

図１（ｅ）に示すステンシルマスク１０７は、板状の基板部１７２の上に、枠部１０１ａの開口部に嵌合する嵌合部１７３を備え、嵌合部１７３の先端面１７４に開口部１７１が形成されている。嵌合部１７３は、ミラーアレイを構成する１つのミラー１３５の部分に対応し、各々のミラー毎に各々１つの円形の開口部１７１を備えた構造体である。開口部１７１の開口形状は、ミラー１３５の平面形状に対応させればよい。また、開口部１７１が形成されている先端面１７４は、基板部１７２の平面に略平行に形成されている。

このように構成されたステンシルマスク１０７を用い、嵌合部１７３を枠部１０１ａの内部に嵌入させて嵌合した状態とすれば、実質的なステンシルマスクとして機能する先端面１７４が、金属膜の形成面に近設配置されるようになる。この結果、開口部１７１以外の領域に、蒸着原子１１０が到達することが抑制できるようになる。また、嵌合部１７３を枠部１０１ａの内部に嵌入させれば、開口部１７１とミラー１３５とが自動的（自己整合的）に位置合わせされた状態となる。開口部１７１とミラー１３５との位置合わせ精度は、開口部１７１の加工精度、並びにステンシルマスクを構成する構造体各部の加工精度により決定される。この結果、少なくとも数μｍ以下の精度で、ミラー１３５に対して開口部１７１の位置を合わせることが可能となる。

図２は、以上にようにして形成されたミラー基板１００の概略的な構成を模式的に示す斜視図である。図２に示すように、ミラー基板１００は、ＳＯＩ層１０３に形成された基部１３１と可動枠１３３とミラー１３５とを備える。可動枠１３３は、基部１３１の開口内に配置され、一対の連結部１３２ａ，１３２ｂにより基部１３１に連結している。また、ミラー１３５は、可動枠１３３の開口内に配置され、一対のミラー連結部１３４ａ，１３４ｂにより可動枠１３３に連結されている。また、基部１３１の周辺部には、可動枠１３３及びミラー１３５を取り囲むように枠部１０１ａが形成されている。枠部１０１ａは、埋め込み絶縁層１０２を介して基部１３１に固定されている。

連結部１３２ａ，１３２ｂは、可動枠１３３の切り欠き内に設けられ、基部１３１と可動枠１３３とを連結している。このように基部１３１に連結された可動枠１３３は、連結部１３２ａ，１３２ｂを通る回動軸（可動枠回動軸）を中心に、回動可能とされている。また、ミラー連結部１３４ａ，１３４ｂは、可動枠１３３の切り欠き内に設けられ、可動枠１３３とミラー１３５とを連結している。このように可動枠１３３に連結されたミラー１３５は、ミラー連結部１３４ａ，１３４ｂを通るミラー回動軸を中心に回動可能とされている。以上の構成は、図４に示したミラー基板２００と同様である。ただし、図２に示すミラー基板１００では、ミラー１３５に選択的に金属膜１０８が形成されている。金属膜１０８は、反射膜として機能する。

次に、本実施の形態における他のミラー基板の形成方法例について、図３を用いて説明する。図３では、ステンシルマスク１０７ａを構成する嵌合部１７３ａの側部が、ミラー１３５に近くなるほど細くなるテーパ形状とされている。また、先端面１７４ａには、ミラー１３５の平面形状に対応した開口形状の開口部１７１が備えられている。このように構成されたステンシルマスク１０７ａにおいても、嵌合部１７３ａの付け根の部分の形状が、枠部１０１ａの開口形状に一致していれば、開口部１７１とミラー１３５とが自動的（自己整合的）に位置合わせされた状態となる。

従って、図３に示すように構成したステンシルマスク１０７ａを用いても、開口部１７１とミラー１３５との位置合わせ精度は、開口部１７１の加工精度などにより決定され、容易に数μｍ以下の精度で、ミラー１３５に対して開口部１７１の位置を合わせることが可能となる。この結果、図３に示すステンシルマスク１０７ａを用いても、精度よく、ミラー１３５にのみ金属膜１０８が形成された状態が得られる。なお、上述では、真空蒸着法を例に説明したが、これに限るものではなく、スパッタ法やレーザアブレーション法などの他の成膜方法にも、上述した方法が適用できることはいうまでもない。

本発明の実施の形態におけるミラー基板の形成方法例を示す工程図である。 ミラー基板１００の概略的な構成を模式的に示す斜視図である。 本実施の形態における他のミラー基板の形成方法例を説明するための模式的な断面図である。 ＭＥＭＳ技術を用いて形成された従来よりあるミラーアレイの構成を示す斜視図である。 ＭＥＭＳ技術を用いて形成された従来よりあるミラーアレイの構成を示す斜視図である。 ステンシルマスクを用いた選択的な成膜技術について説明する説明図である。

符号の説明

１００…ミラー基板、１０１…シリコン基部、１０１ａ…枠部、１０２…埋め込み絶縁層、１０３…シリコン単結晶層（ＳＯＩ層）、１０４…保護膜、１０５…マスクパターン、１０６…マスクパターン、１０７…ステンシルマスク、１０８…金属膜、１１０…蒸着原子、１３１…基部、１３２…連結部、１３３…可動枠、１３４…ミラー連結部、１３５…ミラー、１７１…開口部、１７２…基板部、１７３…嵌合部、１７４…先端面。

Claims (1)

1. 基板の第１面にミラー形成領域が開口した第１マスクパターンを形成し、この第１マスクパターンをマスクとしたエッチングにより、前記ミラー形成領域における前記基板を所定の厚さにまで薄くし、前記ミラー形成領域の外側に枠部が形成された状態とする工程と、
   前記基板の第２面に第２マスクパターンを形成し、この第２マスクパターンをマスクとしたエッチングにより前記基板を加工し、前記ミラー形成領域に開口部を備えた基部及びこの基部の開口部内側に一対の連結部を介して回動可能に連結する板状のミラー構造体が形成された状態とする工程と、
   基板部，前記基板部の上に形成されて前記ミラー形成領域に対応する前記枠部の内側に嵌合する嵌合部，この嵌合部の先端部に配置されたて前記基板部の平面に平行な先端面、この先端面に形成されて前記ミラー構造体の平面形状に一致した開口部を備えたステンシルマスクを用意する工程と、
   前記嵌合部を前記前記ミラー形成領域に対応する前記枠部の内側に嵌入させて前記ステンシルマスクを前記基板の前記第１面の側に配置し、前記嵌合部が前記枠部の内側に嵌合された状態とし、前記第１面の側より前記基板に対して金属粒子を飛散させ、前記ミラー構造体の前記第１面の側に前記金属粒子を堆積させて金属膜が形成された状態とする工程と
   を少なくとも備えることを特徴とするミラー基板の形成方法。
   

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