JP2006208547A - ミラー基板及びその形成方法 - Google Patents

Abstract

【課題】より安価に容易に入手できるバルクのシリコン基板を用いてミラー基板が形成できるようにする。
【解決手段】シリコン基板１０１の露出している全面に、炭化シリコンからなるシリコン化合物層１０２が形成された状態とし、シリコン基板１０１の主表面側のシリコン化合物層１０２の上に、溝部１０４ａ，溝部１０４ｂを備えるレジストパターン１０４が形成された状態とする。ついで、レジストパターン１０４をマスクとしてシリコン化合物層１０２を選択的にエッチングし、溝部１０４ａ，溝部１０４ｂに対応する箇所のシリコン化合物層１０２に溝が形成された状態とし、シリコン基板１０１の主表面側のシリコン化合物層１０２に、基部１３１，可動枠１３２，ミラー１３３，及び図示していない連結部，ミラー連結部が形成された状態とする。
【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及びそ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３，図４を用いて説明する。図３は、ミラー基板及び電極基板の構成を示す概略斜視図、図４は、ミラー素子の構成を示す概略斜視図である。なお、図３，図４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３，図４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４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３，図４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）面に比べてアルカリによるエッチング速度が著しく小さい。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４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３及び図４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、ＭＥＭＳ素子であるミラー素子を構成するミラーの部分（ミラー基板）は、一般にＳＯＩ基板を用いて形成され、単結晶シリコンから構成されている。単結晶シリコンは、ポリシリコンなどに比較して機械的強度が高く、平坦性もよく、また、加工技術も発達しており、マイクロマシーンを構成する構造体の材料として好適である。ただし、上述したミラー基板の構造は、バルクのシリコン基板から加工して形成することは容易ではない。このため、前述したように、ＳＯＩ基板を利用することで、ミラーの構造を形成するようにしている。しかしながら、バルクのシリコン基板（ウエハ）に比較し、ＳＯＩ基板は高価であり、厚い活性層（ＳＯＩ層）を持つＳＯＩ基板は入手性も低い。

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、より安価に容易に入手できるバルクのシリコン基板を用いてミラー基板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、シリコン基板の主表面にシリコン化合物から構成された第１シリコン化合物層が形成され、かつ主表面の反対側の裏面にシリコン化合物から構成された第２シリコン化合物層が形成された状態とする工程と、第１シリコン化合物層の上に形成した第１マスクパターンをマスクとして第１シリコン化合物層を選択的にエッチングし、第１シリコン化合物層のミラー形成領域に、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、第２シリコン化合物層の上に形成した第２マスクパターンをマスクとして第２シリコン化合物層を選択的にエッチングし、ミラー形成領域に対応する第１開口部が第２シリコン化合物層に形成された状態とする工程と、第１開口部に露出するシリコン基板の裏面からシリコン基板を選択的にエッチングし、第１シリコン化合物層のシリコン基板側が露出する第２開口部がシリコン基板に形成された状態とする工程とを少なくとも備え、第１シリコン化合物層に、基部に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ようにしたものである。ただし、シリコン化合物は、炭化シリコン，窒化シリコン，酸窒化シリコン，及び酸化シリコンの少なくとも１つである。従って、ミラー構造体は、上述したシリコン化合物から構成されたものとなる。

また、本発明に係るミラー基板は、シリコン基板の上に形成されたシリコン化合物からなるシリコン化合物層と、シリコン化合物層のミラー形成領域に形成された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されたミラー構造体と、シリコン基板のミラー形成領域に形成された開口部とを少なくとも備えるものである。ただし、シリコン化合物は、炭化シリコン，窒化シリコン，酸窒化シリコン，及び酸化シリコンの少なくとも１つである。

以上説明したように、本発明によれば、シリコン基板の主表面にシリコン化合物から構成された第１シリコン化合物層を形成し、第１シリコン化合物層をパターニングすることでミラー構造体を形成するようにしたので、より安価に容易に入手できるバルクのシリコン基板を用いてミラー基板が形成できるように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について説明する工程図である。まず、図１（ａ）に示すように、例えば単結晶シリコンから構成されたシリコン基板１０１を用意し、次に、図１（ｂ）に示すように、シリコン基板１０１の露出している全面に、炭化シリコンからなるシリコン化合物層１０２が形成された状態とする。例えば、スパッタ法やＣＶＤ法などにより炭化シリコンを堆積することで、シリコン基板１０１の主表面及び裏面を含む露出面に、シリコン化合物層１０２が形成された状態とすることができる。また、プラズマアシストＣＶＤ法などを用いることで、主表面及び裏面に同時にシリコン化合物層１０２が形成された状態とすることが可能である。シリコン化合物層１０２は、シリコン基板１０１に接して形成されていることになる。なお、図１において、紙面上方を向く面が、シリコン基板１０１の主表面である。

次に、図１（ｃ）に示すように、シリコン基板１０１の主表面側のシリコン化合物層（第１シリコン化合物層）１０２の上に、フォトレジスト層１０３が形成された状態とする。フォトレジスト層１０３は、例えば、波長３６５ｎｍの紫外線に感光するポジ型のフォトレジスト材料を、回転塗布法により塗布することで形成すればよい。なお、他の波長の光に感光するフォトレジストを用いるようにしてもよく、また、ネガ型のフォトレジストを用いるようにしてもよいことは、いうまでもない。

次に、所定の露光装置により所定の光像をフォトレジスト層１０３に露光して潜像が形成された状態とし、この後、フォトレジスト層１０３を現像することにより、図１（ｄ）に示すように、溝部１０４ａ，溝部１０４ｂを備えるレジストパターン１０４が、シリコン化合物層１０２の上に形成された状態とする。ついで、レジストパターン１０４をマスクとしてシリコン化合物層１０２を選択的にエッチングすることで、図１（ｅ）に示すように、溝部１０４ａ，溝部１０４ｂに対応する箇所のシリコン化合物層１０２に溝が形成された状態とする。

このことにより、シリコン基板１０１の主表面側のシリコン化合物層１０２に、基部１３１，可動枠１３２，ミラー（ミラー構造体）１３３，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。基部１３１は、図３に示す基部２１０に対応し、可動枠１３２は、図３に示す可動枠２２０に対応し、ミラー１３３は、図３に示すミラー２３０に対応する。なお、可動枠は必ず必要なものではなく、ミラーのみが形成されるようにしてもよい。

次に、図１（ｆ）に示すように、シリコン基板１０１の裏面側のシリコン化合物層（第２シリコン化合物層）１０２の上に、レジストパターン１０５が形成された状態とする。レジストパターン１０５は、前述したレジストパターン１０４と同様に、公知のフォトリソグラフィ技術により形成すればよい。レジストパターン１０５は、ミラーアレイを構成する１つのミラー部分（ミラー領域）に対応するパターンであり、ミラー１３３毎に各々１つの正方形の領域に開口部１０５ａを備えるパターンである。なお、図１は、シリコン基板１０１上の一部領域を部分的に示し、図１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が示されている。

次に、レジストパターン１０５の開口部１０５ａに露出しているシリコン化合物層１０２を選択的にエッチング除去し、図１（ｇ）に示すように、シリコン基板１０１の裏面側のシリコン化合物層１０２に開口部１０２ｂが形成された状態とする。ついで、シリコン化合物層１０２の開口部１０２ｂ（レジストパターン１０５の開口部１０５ａ）に露出しているシリコン基板１０１の裏面をエッチングする。また、このエッチング処理により、図１（ｈ）に示すように、シリコン化合物層１０２のミラー１３３などが形成されているミラー領域が露出するように、シリコン基板１０１に開口部１０１ｂが形成された状態とする。

このエッチングでは、シリコン化合物に対してシリコンが選択的にエッチングされる状態とする。例えば、アルカリ溶液を用いたウエットエッチングが適用可能である。また、ＣＣｌ₄などの塩素系のガスやＳＦ₆などのフッ素系のガスを用いた反応性イオンエッチングを用い、ガス圧などを所定の条件とすることで、シリコン化合物に対してシリコを選択的にエッチングすることができる。

前述したように、シリコン化合物に対してシリコンが選択的にエッチングされる状態としているので、上記エッチング処理では、シリコン基板１０１の主表面側のシリコン化合物層１０２がエッチングストップ層となる。従って、上記工程によれば、エッチング時間を高い精度で制御するなどのことなく、容易にミラー領域を露出させた状態が得られる。最後に、レジストパターン１０４及びレジストパターン１０５を、例えば、酸素のプラズマを用いた灰化処理により除去し、図１（ｉ）に示すように、ミラー基板が形成された状態とする。

このようにミラー基板が形成された後、図３に示した電極基板３００に貼り合わせることで、図４に示すミラー素子と同様に、電極基板に設けられた電極に対する電界印加によって、ミラー１３３や可動枠１３２が可動（回動）するミラー素子が形成できる。また、図１（ｉ）に示すミラー基板においても、ミラー１３３における光の反射率を向上させるために、表面に金などの金属膜を形成する場合もある。

なお、可動枠１３３は、基部１３１の開口内に配置され、図示していない一対の連結部により基部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、図示していない一対のミラー連結部により可動枠１３３に連結されている。また、開口部１０１ｂが形成されたことにより、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、シリコン基板１０１の一部から構成された枠部が形成された状態となる。基部１３１に連結された可動枠１３３は、上述した連結部を通る回動軸（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１３５は、上述したミラー連結部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３に示したミラー基板２００と同様である。

上述した図１に示す形成方法によれば、図３に示した従来のミラー基板とは異なり、炭化シリコンからなるシリコン化合物層１０２にミラー構造体が形成された状態となる。言い換えると、図１（ｉ）に示すミラー基板は、ミラー構造体がシリコン化合物から構成されていることになる。このように、図１に示す形成方法によれば、ＳＯＩ基板を用いることなく、バルクのシリコン基板を用いることで、ミラー基板が形成できるようになる。また、ミラー構造体が形成されるシリコン化合物層１０２は、シリコンに対して密着性よく形成でき、また、よく知られている半導体装置の製造技術により容易に形成できる。

なお、シリコン化合物としては、炭化シリコンに限るものではなく、窒化シリコン，酸窒化シリコン，酸化シリコンなど他のシリコン化合物を用いるようにしてもよい。窒化シリコンや酸化シリコンからシリコン化合物層１０２を構成する場合、シリコン基板１０１の露出している面を、窒化や酸化することによりシリコン化合物層１０２を形成することができる。

次に、本発明の実施の形態における他の形成方法例について、図２を用いて説明する。まず、図２（ａ）に示すように、単結晶シリコンから構成されたシリコン基板１０１の露出している全面に、炭化シリコンからなるシリコン化合物層１０２が形成された状態とする。これは、図１に示した形成方法と同様である。なお、図２においても、紙面上方を向く面をシリコン基板１０１の主表面とする。

次に、図２（ｂ）に示すように、シリコン基板１０１の裏面側のシリコン化合物層１０２の上にレジストパターン１１３が形成された状態とする。レジストパターン１１３は、前述したレジストパターン１０５と同様に、公知のフォトリソグラフィ技術により形成すればよい。レジストパターン１１３は、ミラーアレイを構成する１つのミラー部分（ミラー領域）に対応するパターンであり、ミラー１３３毎に各々１つの正方形の領域に開口部１１３ａを備えるパターンである。なお、図２も、シリコン基板１０１上の一部領域を部分的に示し、切り出すことで１つのミラー基板となる正方形の領域が示されている。

次に、レジストパターン１１３の開口部１１３ａに露出しているシリコン化合物層１０２を選択的にエッチング除去し、図２（ｃ）に示すように、シリコン基板１０１の裏面側のシリコン化合物層１０２に開口部１０２ｂが形成された状態とする。ついで、シリコン化合物層１０２の開口部１０２ｂ（レジストパターン１１３の開口部１１３ａ）に露出しているシリコン基板１０１の裏面をエッチングする。このエッチングでは、シリコン化合物に対してシリコンが選択的にエッチングされる状態とする。このエッチング処理により、図２（ｄ）に示すように、シリコン化合物層１０２のミラー領域が露出するように、シリコン基板１０１に開口部１０１ｂが形成された状態とする。

前述したように、シリコン化合物に対してシリコンが選択的にエッチングされる状態としているので、上記エッチング処理では、シリコン基板１０１の主表面側のシリコン化合物層１０２がエッチングストップ層となる。従って、上記工程によれば、エッチング時間を高い精度で制御するなどのことなく、容易にミラー領域を露出させた状態が得られる。

次に、図２（ｅ）に示すように、シリコン基板１０１の主表面側のシリコン化合物層１０２の上に、溝部１１４ａ，溝部１１４ｂを備えるレジストパターン１１４が、シリコン化合物層１０２の上に形成された状態とする。ついで、レジストパターン１１４をマスクとしてシリコン化合物層１０２を選択的にエッチングし、溝部１１４ａ，溝部１１４ｂに対応する箇所のシリコン化合物層１０２に溝が形成された状態とする。

このことにより、シリコン基板１０１の主表面側のシリコン化合物層１０２に、基部１３１，可動枠１３２，ミラー（ミラー構造体）１３３，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。基部１３１は、図３に示す基部２１０に対応し、可動枠１３２は、図３に示す可動枠２２０に対応し、ミラー１３３は、図３に示すミラー２３０に対応する。

最後に、レジストパターン１１３及びレジストパターン１１４を、例えば、酸素のプラズマを用いた灰化処理により除去し、図２（ｆ）に示すように、ミラー基板が形成された状態とする。図２に示す形成方法によれば、図３に示した従来のミラー基板とは異なり、炭化シリコンからなるシリコン化合物層１０２にミラー構造体が形成された状態となる。言い換えると、図２（ｆ）に示すミラー基板も、図１（ｉ）に示すミラー基板と同様に、ミラー構造体がシリコン化合物から構成されている。

本実施の形態におけるミラー基板の形成方法例を模式的な断面図を用いて説明する工程図である。 本実施の形態における他のミラー基板の形成方法例を模式的な断面図を用いて説明する工程図である。 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。

符号の説明

１０１…シリコン基板、１０１ｂ…開口部、１０２…シリコン化合物層、１０２ｂ…開口部、１０３…フォトレジスト層、１０４…レジストパターン、１０４ａ，１０４ｂ…溝部、１０５…レジストパターン、１０５ａ…レジストパターン、１３１…基部、１３２…可動枠、１３３…ミラー（ミラー構造体）。

Claims (4)

1. シリコン基板の主表面にシリコン化合物から構成された第１シリコン化合物層が形成され、かつ前記主表面の反対側の裏面にシリコン化合物から構成された第２シリコン化合物層が形成された状態とする工程と、
   前記第１シリコン化合物層の上に形成した第１マスクパターンをマスクとして前記第１シリコン化合物層を選択的にエッチングし、前記第１シリコン化合物層のミラー形成領域に、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、
   前記第２シリコン化合物層の上に形成した第２マスクパターンをマスクとして前記第２シリコン化合物層を選択的にエッチングし、前記ミラー形成領域に対応する第１開口部が前記第２シリコン化合物層に形成された状態とする工程と、
   前記第１開口部に露出する前記シリコン基板の裏面から前記シリコン基板を選択的にエッチングし、前記第１シリコン化合物層の前記シリコン基板側が露出する第２開口部が前記シリコン基板に形成された状態とする工程と
   を少なくとも備え、
   前記第１シリコン化合物層に、前記基部に前記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
   ことを特徴とするミラー基板の形成方法。
2. 請求項１記載のミラー基板の形成方法において、
   前記シリコン化合物は、炭化シリコン，窒化シリコン，酸窒化シリコン，及び酸化シリコンの少なくとも１つである
   ことを特徴とするミラー基板の形成方法。
3. シリコン基板の上に形成されたシリコン化合物からなるシリコン化合物層と、
   前記シリコン化合物層のミラー形成領域に形成された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されたミラー構造体と、
   前記シリコン基板の前記ミラー形成領域に形成された開口部と
   を少なくとも備えることを特徴とするミラー基板。
4. 請求項３記載のミラー基板において、
   前記シリコン化合物は、炭化シリコン，窒化シリコン，酸窒化シリコン，及び酸化シリコンの少なくとも１つである
   ことを特徴とするミラー基板。
   

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