JP2006251829A - マイクロミラー素子 - Google Patents

Abstract

【課題】ミラー面の数の増加に伴う素子の大型化を抑制可能なマイクロミラー素子を提供すること。
【解決手段】本発明のマイクロミラー素子は、フレーム部１３０と、ミラー部１１０を有する可動部と、フレーム部１３０および可動部を連結するトーションバー１５０とが形成されているマイクロミラー基板１００と、配線パターン２１０が形成されている配線基板２００と、マイクロミラー基板１００および配線基板２００を離隔させつつフレーム部１３０および配線パターン２１０を電気的に接続するための導電スペーサ３００とを備え、導電スペーサ３００は、積み重なる複数のバンプからなる。
【選択図】図２

Description

本発明は、複数の光ファイバ間の光路の切り換えを行う光スイッチング装置などに組み込まれる素子であって、光反射によって光の進行方向を変更するためのマイクロミラー素子に関する。

近年、光通信技術が様々な分野で広く利用されるようになってきた。光通信においては、光ファイバを媒体として光信号が伝送され、光信号の伝送経路を或るファイバから他のファイバへと切換えるためには、一般に、いわゆる光スイッチング装置が使用されている。良好な光通信を達成するうえで光スイッチング装置に求められる特性としては、切換え動作における、大容量性、高速性、高信頼性などが挙げられる。これらの観点より、光スイッチング装置に組み込まれるスイッチング素子としては、マイクロマシニング技術によって作製されるマイクロミラー素子が注目を集めている。マイクロミラー素子によると、光スイッチング装置における入力側の光伝送路と出力側の光伝送路との間で、光信号を電気信号に変換せずに光信号のままでスイッチング処理を行うことができ、上述の特性を得るうえで好適だからである。

マイクロマシニング技術で作製したマイクロミラー素子を用いた光スイッチング装置は、例えば、例えば下記の特許文献１や非特許文献１に記載されている。

国際公開第００／２０８９９号パンフレット 「Fully Provisioned 112×112 Micro-Mechanical Optical Crossconnect with 35.8Tb/sec Demonstrated Capacity」Proc. 25th Optical Fiber Communication Conf. Baltimore. PD12(2000)

図１８は、一般的な光スイッチング装置５００の概略構成を表す。光スイッチング装置５００は、一対のマイクロミラーアレイ５０１，５０２と、入力ファイバアレイ５０３と、出力ファイバアレイ５０４と、複数のマイクロレンズ５０５，５０６とを備える。入力ファイバアレイ５０３は所定数の入力ファイバ５０３ａからなり、マイクロミラーアレイ５０１には、各入力ファイバ５０３ａに対応するマイクロミラー素子５０１ａが複数配設されている。同様に、出力ファイバアレイ５０４は所定数の出力ファイバ５０４ａからなり、マイクロミラーアレイ５０２には、各出力ファイバ５０４ａに対応するマイクロミラー素子５０２ａが複数配設されている。マイクロミラー素子５０１ａ，５０２ａは、各々、光を反射するためのミラー面を有し、当該ミラー面の向きを制御できるように構成されている。複数のマイクロレンズ５０５は、各々、入力ファイバ５０３ａの端部に対向するように配置されている。同様に、複数のマイクロレンズ５０６は、各々、出力ファイバ５０４ａの端部に対向するように配置されている。

光伝送時において、入力ファイバ５０３ａから出射される光Ｌ１は、対応するマイクロレンズ５０５を通過することによって、相互に平行光とされ、マイクロミラーアレイ５０１へ向かう。光Ｌ１は、対応するマイクロミラー素子５０１ａで反射し、マイクロミラーアレイ５０２へと偏向される。このとき、マイクロミラー素子５０１ａのミラー面は、光Ｌ１を所望のマイクロミラー素子５０２ａに入射させるように、予め所定の方向を向いている。次に、光Ｌ１は、マイクロミラー素子５０２ａで反射し、出力ファイバアレイ５０４へと偏向される。このとき、マイクロミラー素子５０２ａのミラー面は、所望の出力ファイバ５０４ａに光Ｌ１を入射させるように、予め所定の方向を向いている。

このように、光スイッチング装置５００によると、各入力ファイバ５０３ａから出射した光Ｌ１は、マイクロミラーアレイ５０１，５０２における偏向によって、所望の出力ファイバ５０４ａに到達する。すなわち、入力ファイバ５０３ａと出力ファイバ５０４ａは１対１で接続される。そして、マイクロミラー素子５０１ａ，５０２ａにおける偏向角度を適宜変更することによって、光Ｌ１が到達する出力ファイバ５０４ａが切換えられる。

図１９は、他の一般的な光スイッチング装置６００の概略構成を表す。光スイッチング装置６００は、マイクロミラーアレイ６０１と、固定ミラー６０２と、入出力ファイバアレイ６０３と、複数のマイクロレンズ６０４とを備える。入出力ファイバアレイ６０３は所定数の入力ファイバ６０３ａおよび所定数の出力ファイバ６０３ｂからなり、マイクロミラーアレイ６０１には、各ファイバ６０３ａ，６０３ｂに対応するマイクロミラー素子６０１ａが複数配設されている。マイクロミラー素子６０１ａは、各々、光を反射するためのミラー面を有し、当該ミラー面の向きを制御できるように構成されている。複数のマイクロレンズ６０４は、各々、各ファイバ６０３ａ，６０３ｂの端部に対向するように配置されている。

光伝送時において、入力ファイバ６０３ａから出射された光Ｌ２は、マイクロレンズ６０４を介してマイクロミラーアレイ６０１に向かって出射する。光Ｌ２は、対応する第１のマイクロミラー素子６０１ａで反射されることによって固定ミラー６０２へと偏向され、固定ミラー６０２で反射された後、第２のマイクロミラー素子６０１ａに入射する。このとき、第１のマイクロミラー素子６０１ａのミラー面は、光Ｌ２を所望の第２のマイクロミラー素子６０１ａに入射させるように、予め所定の方向を向いている。次に、光Ｌ２は、第２のマイクロミラー素子６０１ａで反射されることによって、入出力ファイバアレイ６０３へと偏向される。このとき、第２のマイクロミラー素子６０１ａのミラー面は、光Ｌ２を所望の出力ファイバ６０３ｂに入射させるように、予め所定の方向を向いている。

このように、光スイッチング装置６００によると、各入力ファイバ６０３ａから出射した光Ｌ２は、マイクロミラーアレイ６０１および固定ミラー６０２における偏向によって、所望の出力ファイバ６０３ｂに到達する。すなわち、入力ファイバ６０３ａと出力ファイバ６０３ｂは１対１で接続される。そして、第１および第２のマイクロミラー素子６０１ａにおける偏向角度を適宜変更することによって、光Ｌ２が到達する出力ファイバ６０３ｂが切換えられる。

上述のような光スイッチング装置５００，６００においては、光通信網が大規模化するほどファイバ数は増加し、従って、マイクロミラーアレイに組み込まれるマイクロミラー素子ないしミラー面の数も増加する。ミラー面の数が増加するほど、当該ミラー面を駆動するために必要な配線の量は増加するので、単一のマイクロミラーアレイにおいて、配線形成に必要な面積は増大する。同一基板に対してミラー面とともに配線パターンを形成する場合、配線形成領域が拡大するほど、ミラー面間のピッチを大きくする必要がある。その結果、当該基板ないしマイクロミラーアレイが大きなものとなってしまう。また、ミラー面の数が増加すると、同一基板に対してミラー面とともに配線パターンを形成すること自体が困難となる傾向にある。

本発明は、このような事情のもとで考え出されたものであって、ミラー面の数の増加に伴う素子の大型化を抑制可能なマイクロミラー素子に関する。

本発明の第１の側面によるとマイクロミラー素子が提供される。このマイクロミラー素子は、フレーム部と、ミラー部を有する可動部と、フレーム部および可動部を連結するトーションバーとが形成されているマイクロミラー基板と、配線パターンが形成されている配線基板と、マイクロミラー基板および配線基板を離隔させつつフレーム部および配線パターンを電気的に接続するための導電スペーサとを備え、導電スペーサは、積み重なる複数のバンプからなる。

本発明の第１の側面に係るマイクロミラー素子では、ミラー部を有する可動部と、これを駆動するために必要な配線とは、別々の基板に形成されている。したがって、可動部と配線とを同一基板に形成することに起因してマイクロミラー素子が大型化してしまうことはない。例えば、複数のミラー部ないし可動部を有する場合であっても、マイクロミラー基板に形成されるミラー部の数の増加に伴って当該ミラー部の形成ピッチが大きくなることは、適切に回避することができる。また、マイクロミラー基板においては、可動部を駆動するための導電経路が、フレーム部ないし固定部に適宜形成されており、当該導電経路と配線基板上の配線とは、導電スペーサにより電気的に接続されている。そのため、可動部とこれを駆動するために必要な配線とが別々の基板に形成されておっても、当該配線を介しての当該可動部の駆動を行うことができる。加えて、可動部が形成されているマイクロミラー基板と、配線が形成されている配線基板とは、導電スペーサにより離隔されている。そのため、可動部を有するマイクロミラー基板に隣接する配線基板を具備しておっても、マイクロミラー基板と配線基板との間の離隔距離を導電スペーサにより充分に確保することによって、配線基板が可動部に当接して当該可動部の動作を妨げてしまうことは回避される。更に加えて、小径のバンプを複数積み重ねて各導電スペーサを構成することにより、各導電スペーサが幅太となることを回避することができ、従って、所定の複数の導電スペーサを密集して（即ち小領域内に）形成することが可能となる。このように、本発明の第１の側面によると、マイクロミラー素子の大型化を抑制しつつ、マイクロミラー素子の可動部の駆動を適切に行うことができるのである。

本発明の第２の側面によると別のマイクロミラー素子が提供される。このマイクロミラー素子は、フレーム部と、ミラー部を有する可動部と、フレーム部および可動部を連結するトーションバーとを備える複数のマイクロミラーユニットが一体的に形成されているマイクロミラー基板と、配線パターンが形成されている配線基板と、マイクロミラー基板および配線基板を離隔させつつフレーム部および配線パターンを電気的に接続するための導電スペーサとを備え、導電スペーサは、積み重なる複数のバンプからなる。

本発明の第２の側面に係るマイクロミラー素子では、複数の可動部と、各可動部を駆動するための配線とは、別々の基板に形成されている。したがって、可動部と配線とを同一基板に形成することに起因してマイクロミラー素子が大型化してしまうことはない。すなわち、マイクロミラー基板に形成されるミラー部の数が増加しても、当該ミラー部の形成ピッチを一定に維持することができ、その結果、素子の過度な大型化を抑制することができる。また、マイクロミラー基板においては、各可動部を駆動するための導電経路が、各フレーム部ないし固定部に適宜形成されており、当該導電経路と配線基板上の配線とは、導電スペーサにより電気的に接続されている。そのため、各可動部とこれを駆動するために必要な配線とが別々の基板に形成されておっても、当該配線を介しての当該可動部の駆動を行うことができる。加えて、各可動部が形成されているマイクロミラー基板と、対応する配線が形成されている配線基板とは、導電スペーサにより離隔されている。そのため、可動部を有するマイクロミラー基板に隣接する配線基板を具備しておっても、マイクロミラー基板と配線基板との間の離隔距離を導電スペーサにより充分に確保することによって、配線基板が可動部に当接して当該可動部の動作を妨げてしまうことは回避される。更に加えて、小径のバンプを複数積み重ねて各導電スペーサを構成することにより、各導電スペーサが幅太となることを回避することができ、従って、所定の複数の導電スペーサを密集して（即ち小領域内に）形成することが可能となる。このように、本発明の第２の側面によると、マイクロミラー素子の大型化を抑制しつつ、マイクロミラーユニットの可動部の駆動を適切に行うことができるのである。

本発明の第１および第２の側面において、好ましくは、導電スペーサは、電極パッドを介して配線パターンおよび／またはフレーム部に接続している。このような構成に代えて、又は、このような構成とともに、導電スペーサは、導電性接着剤を介して配線パターンおよび／またはフレーム部に接続しているのが好ましい。これらの構成により、導電スペーサを介しての配線パターンとフレーム部との電気的接続を適切に達成することができる。

好ましい実施の形態においては、導電スペーサと電極パッドは融着している。好ましい他の実施の形態においては、導電スペーサと電極パッドは圧接している。これらの構成により、配線基板に形成されている電極パッド及び／又はフレーム部に形成されている電極パッドと導電スペーサとの電気的接続および機械的接合を適切に達成することができる。

好ましくは、配線基板は、マイクロミラー基板に対向する第１の面を有し、当該第１の面には、可動部の進入を許容する退避部が形成されている。配線基板に対してこのような退避部を設けることにより、マイクロミラー基板と配線基板との間において導電スペーサにより確保されるべき離隔距離を低減することができる。その結果、導電スペーサのサイズを低減することが可能となる。

好ましくは、配線基板は、第１の面とは反対の第２の面を有し、当該第２の面には、配線パターンの一部が形成されている。より好ましくは、配線基板は、第１の面に形成されている配線パターンと第２の面に形成されている配線パターンとを電気的に接続するように、配線基板を貫通する導電連絡部を有する。本発明では、配線基板の第２の面に対して配線パターンを形成してもよい。特に配線基板の第１の面に退避部を形成する場合、配線パターンを第２の面に形成することによって、配線形成領域を充分に確保することができる。

好ましくは、マイクロミラー基板と配線基板との間に接着剤が介在する。好ましくは、フレーム部と配線基板との間に追加スペーサが介在する。より好ましくは、追加スペーサはバンプである。このように、マイクロミラー基板と配線基板との間における、導電スペーサによる機械的連結の強度、および、導電スペーサのスペーサとしての機能を補強してもよい。

好ましくは、可動部は第１櫛歯電極部を有し、フレーム部は、第１櫛歯電極部との間に静電力を生じさせることにより可動部を変位させるための第２櫛歯電極部を有する。本発明のマイクロミラー素子は、このような櫛歯電極型として構成されているのが好ましい。

可動部は、トーションバーを介してフレーム部に連結された中継フレームと、当該中継フレームから離隔するミラー形成部と、当該中継フレームおよびミラー形成部を連結する中継トーションバーを備え、中継トーションバーは、トーションバーの延び方向に対して交差する方向に延びている。本発明のマイクロミラー素子は、このような２軸型として構成されているのが好ましい。２軸型マイクロミラーにおいては、１軸型マイクロミラーよりも、可動部を駆動するために必要な配線量は多い。しかしながら、本発明に係るマイクロミラー素子においては、上述したように、配線量の増加はミラー部の形成ピッチに不当な影響を与えない。２軸型マイクロミラー素子においては、ミラー形成部は第３櫛歯電極部を有し、中継フレームは、第３櫛歯電極部との間に静電力を生じさせることによりミラー形成部を変位させるための第４櫛歯電極部を有するのが好ましい。

好ましくは、マイクロミラー基板は、絶縁膜および／または空隙により相互に絶縁された複数の区画を有し、当該複数の区画の一部は、導電スペーサと電気的に接続している。このような構成により、マイクロミラー基板において、良好な導電経路を形成することができる。

図１は、本発明の第１の実施形態に係るマイクロミラー素子Ｘ１の斜視図である。図２は、マイクロミラー素子Ｘ１の分解斜視図である。図３は、図１の線III−IIIに沿った断面図である。

マイクロミラー素子Ｘ１は、マイクロミラー基板１００と、配線基板２００と、これらの間に介在する導電スペーサ３００とを備える。マイクロミラー基板１００は、ミラー形成部１１０と、これを囲む内フレーム１２０と、内フレーム１２０を囲む外フレーム１３０と、ミラー形成部１１０および内フレーム１２０を連結する一対のトーションバー１４０と、内フレーム１２０および外フレーム１３０を連結する一対のトーションバー１５０とを備える。一対のトーションバー１４０は、内フレーム１２０に対するミラー形成部１１０の回転動作の回転軸心Ａ１を規定する。一対のトーションバー１５０は、外フレーム１３０に対する内フレーム１２０およびこれに伴うミラー形成部１１０の回転動作の回転軸心Ａ２を規定する。回転軸心Ａ１と回転軸心Ａ２は略直交している。このように、マイクロミラー基板１００には、２軸型のマイクロミラーが形成されている。

本実施形態のマイクロミラー基板１００は、厚さ１００μｍの第１シリコン層と、厚さ１００μｍの第２シリコン層と、これらに挟まれた厚さ１μｍの絶縁層とからなる積層構造を有するＳＯＩ（Silicon on Insulator）ウエハから、マイクロマシニング技術により形成されたものである。具体的には、マイクロミラー基板１００は、フォトリソグラフィ、ＤＲＩＥ（Deep Reactive Ion Etching）などのドライエッチング技術、ウエットエッチング技術などを用いて、第１シリコン層、第２シリコン層、および絶縁層の一部をエッチング除去することにより形成されたものである。第１シリコン層および第２シリコン層は、シリコンに対してＰやＡｓなどのｎ型不純物やＢなどのｐ型不純物がドープされて導電性が付与されている。ただし、本発明では、マイクロミラー基板１００は、他の形態の基板から作製してもよい。

ミラー形成部１１０は、その上面にミラー面（図示略）が薄膜形成されている。また、ミラー形成部１１０の相対向する２つの側面には、櫛歯電極１１０ａ，１１０ｂが設けられている。ミラー形成部１１０は、第１シリコン層に由来する。

内フレーム１２０は、内フレーム主部１２１と、一対の電極基台１２２と、これらの間の絶縁層とからなる積層構造を有し、内フレーム主部１２１と電極基台１２２は、絶縁層によって電気的に分断されている。一対の電極基台１２２には、内方に延出する櫛歯電極１２２ａ、１２２ｂが設けられている。内フレーム主部１２１には、外方に延出する櫛歯電極１２１ａ，１２１ｂが設けられている。櫛歯電極１２２ａ，１２２ｂは、ミラー形成部１１０の櫛歯電極１１０ａ，１１０ｂの下方に位置しており、ミラー形成部１１０の回転動作時において櫛歯電極１１０ａ，１１０ｂと当接しないように配置されている。内フレーム主部１２１は第１シリコン層に由来し、一対の電極基台１２２は第２シリコン層に由来する。

各トーションバー１４０は、ミラー形成部１１０と内フレーム主部１２１とに接続しており、第１シリコン層に由来する。

外フレーム１３０は、第１外フレーム部１３１と、第２外フレーム部１３２と、これらの間の絶縁層とからなる積層構造を有し、第１外フレーム部１３１と第２外フレーム部１３２は、絶縁層によって電気的に分断されている。第２外フレーム部１３２には、図４に表すように、空隙を介して第１アイランド１３４、第２アイランド１３５、第３アイランド１３６、および、第４アイランド１３７が設けられている。第１〜第４アイランド１３４〜１３７には、各々、電極パッド１３８ａ〜１３８ｄが設けられている。電極パッド１３８ａ〜１３８ｄは、ＡｕまたはＡｌよりなる。第３アイランド１３６および第４アイランド１３７には、各々、内方に延出する櫛歯電極１３２ａ、１３２ｂが設けられている。櫛歯電極１３２ａ，１３２ｂは、各々、内フレーム主部１２１の櫛歯電極１２１ａ，１２１ｂの下方に位置しているが、内フレーム１２０の回転動作時において、櫛歯電極１２１ａ，１２１ｂの歯と当接しないように配置されている。第１外フレーム部１３１は第１シリコン層に由来し、第２外フレーム部１３２は第２シリコン層に由来する。

各トーションバー１５０は、上層１５１と、下層１５２と、これらの間の絶縁層とからなる積層構造を有し、上層１５１と下層１５２は、絶縁層によって電気的に分断されている。上層１５１は、内フレーム主部１２１と第１外フレーム部１３１とに接続し、下層１５２は、電極基台１２２と第２外フレーム部１３２とに接続している。上層１５１は第１シリコン層に由来し、下層１５２は第２シリコン層に由来する。

配線基板２００は第１面２０１および第２面２０２を有する。第１面２０１には、所定の配線パターン２１０が形成されている。配線パターン２１０には、導通接続用の４つの電極パッド２１１ａ〜２１１ｄおよび外部接続用の４つの電極パッド２１２ａ〜２１２ｄが含まれる。電極パッド２１１ａ〜２１１ｄは、マイクロミラー基板に設けられている電極パッド１３８ａ〜１３８ｄに対応する位置に配置されている。配線基板２００の本体は、厚さ３００μｍのシリコン基板やセラミックス基板などである。配線パターン２１０は、配線基板２００の第１面２０１に対して金属材料を成膜した後にこれをパターニングすることによって、形成される。金属材料としては、ＡｕやＡｌを用いることができる。また、成膜手法としては、スパッタリング法やめっき法を採用することができる。

導電スペーサ３００は、マイクロミラー基板の電極パッド１３８ａ〜１３８ｄと配線基板の電極パッド２１１ａ〜２１１ｄとの間に介在している。本実施形態では、導電スペーサ３００は、Ａｕボールバンプが２段に積み重なった構造を有し、電極パッド２１１ａ〜２１１ｄとは融着しており、電極パッド１３８ａ〜１３８ｄとは導電性接着剤３０３を介して接合している。Ａｕボールバンプ間は、超音波ボンディングにより接合されている。

このような構成のマイクロミラー素子Ｘ１において、第１外フレーム部１３１をグランド接続すると、第１外フレーム部１３１と同一のシリコン系材料により一体的に成形されている、第１シリコン層由来のトーションバー１５０の上層１５１、内フレーム主部１２１、トーションバー１４０およびミラー形成部１１０を介して、櫛歯電極１１０ａ、１１０ｂと櫛歯電極１２１ａ、１２１ｂとがグランド接続されることとなる。この状態において、櫛歯電極１２２ａまたは櫛歯電極１２２ｂに所望の電位を付与し、櫛歯電極１１０ａと櫛歯電極１２２ａとの間、または、櫛歯電極１１０ｂと櫛歯電極１２２ｂとの間に静電力を発生させることによって、ミラー形成部１１０を、回転軸心Ａ１まわりに揺動させることができる。また、櫛歯電極１３２ａまたは櫛歯電極１３２ｂに所望の電位を付与し、櫛歯電極１２１ａと櫛歯電極１３２ａとの間、または、櫛歯電極１２１ｂと櫛歯電極１３２ｂとの間に静電力を発生させることによって、内フレーム１２０およびミラー形成部１１０を、回転軸心Ａ２まわりに揺動させることができる。

櫛歯電極１２２ａへの電位の付与は、図２〜図４を併せて参照するとよく理解できるように、配線基板２００の電極パッド２１２ａ、電極パッド２１１ａ、その上の導電スペーサ３００、マイクロミラー基板１００の電極パッド１３８ａ、第１アイランド１３４、これに接続しているトーションバー１５０の下層１５２、これに接続している電極基台１２２を介して行うことができる。櫛歯電極１２２ｂへの電位の付与は、配線基板２００の電極パッド２１２ｂ、電極パッド２１１ｂ、その上の導電スペーサ３００、マイクロミラー基板１００の電極パッド１３８ｂ、第２アイランド１３５、これに接続しているトーションバー１５０の下層１５２、これに接続している電極基台１２２を介して行うことができる。櫛歯電極１３２ａへの電位の付与は、配線基板２００の電極パッド２１２ｃ、電極パッド２１１ｃ、その上の導電スペーサ３００、マイクロミラー基板１００の電極パッド１３８ｃ、第３アイランド１３６を介して行うことができる。櫛歯電極１３２ｂへの電位の付与は、配線基板２００の電極パッド２１２ｄ、電極パッド２１１ｄ、その上の導電スペーサ３００、マイクロミラー基板１００の電極パッド１３８ｄ、第４アイランド１３７を介して行うことができる。このように４つの導電経路を介して所定の電位を付与することにより、ミラー形成部１１０を所定の方向に向けることができる。

このような電位の付与によりミラー形成部１１０および／または内フレーム１２０を揺動駆動させると、これら可動部の何れかの端部は、配線基板２００に向かって変位する。例えば、内フレーム１２０における電極基台１２２の長さＬ３が６００μｍである場合、内フレーム１２０が回転軸心Ａ２まわりに５°回転すると、電極基台１２２の端部は、非回転時の位置から６０μｍ下がることとなる。このような内フレームの変位を阻害しないように、マイクロミラー基板１００および配線基板２００は離隔している必要がある。したがって、本実施形態では、導電スペーサ３００の高さは例えば１００μｍとされている。

このように、マイクロミラー素子Ｘ１は、マイクロミラー素子の大型化を抑制しつつ、マイクロミラー素子の可動部の駆動を適切に行うための構成を有する。具体的には、導電スペーサ３００により、マイクロミラー基板１００に形成されている導電経路と、配線基板２００に形成されている配線パターン２１０とが電気的に接続されている。それとともに、導電スペーサ３００により、マイクロミラー基板１００および配線基板２００の良好な離隔状態が達成されている。また、ミラー形成部１１０および内フレーム１２０からなる可動部を駆動するための配線は、当該可動部が形成されているマイクロミラー基板１００には形成されていないため、マイクロミラー基板１００ひいてはマイクロミラー素子Ｘ１の小型化が達成されている。

図５は、本発明の第２の実施形態に係るマイクロミラー素子Ｘ２の斜視図である。図６は、マイクロミラー素子Ｘ２の分解斜視図である。図７は、図５の線VII−VIIに沿った部分断面図である。

マイクロミラー素子Ｘ２は、マイクロミラー基板１００と、配線基板２００と、これらの間に介在する導電スペーサ３００とを備える。マイクロミラー基板１００には、合計９個のマイクロミラーユニットＸ２’と、これらを囲む共通外フレーム１３０’とを備える。マイクロミラーユニットＸ２’は、ミラー形成部１１０と、これを囲む内フレーム１２０と、ミラー形成部１１０および内フレーム１２０を連結する一対のトーションバー１４０と、内フレーム１２０および共通外フレーム１３０’を連結する一対のトーションバー１５０とを備える。マイクロミラーユニットＸ２’のミラー形成部１１０、内フレーム１２０、トーションバー１４０，１５０は、マイクロミラー素子Ｘ１のそれと同様の構成を有している。共通外フレーム１３０’は、各マイクロミラーユニットＸ２’ごとに、マイクロミラー素子Ｘ１の外フレーム１３０と同様の構成を有する。

配線基板２００は第１面２０１および第２面２０２を有する。第１面２０１には、各マイクロミラーユニットＸ２’を個別に駆動するように配線パターン２１０が形成されている。配線パターン２１０には、各マイクロミラーユニットＸ２’に対応する導通接続用の４つの電極パッド２１１ａ〜２１１ｄおよび外部接続用の４つの電極パッド２１２ａ〜２１２ｄが含まれる。電極パッド２１１ａ〜２１１ｄは、各マイクロミラーユニットＸ２’に設けられている電極パッド１３８ａ〜１３８ｄに相対する位置に配置されている。配線基板２００に関する他の構成については、マイクロミラー素子Ｘ１に関して上述したのと同様である。

導電スペーサ３００は、マイクロミラー基板の電極パッド１３８ａ〜１３８ｄと配線基板の電極パッド２１１ａ〜２１１ｄとの間に介在している。導電スペーサ３００に関する他の構成については、マイクロミラー素子Ｘ１に関して上述したのと同様である。

このように、マイクロミラー素子Ｘ２は、単一のマイクロミラー基板１００および単一の配線基板２００において、９個のマイクロミラー素子Ｘ１が一体的に形成されたものに相当する。したがって、マイクロミラー素子Ｘ２においては、マイクロミラー素子Ｘ１に関して上述したのと同様に、各マイクロミラーユニットＸ２’を駆動して、マイクロミラーユニットＸ２’の可動部すなわちミラー形成部１１０および内フレーム１２０を揺動することができる。

このように、マイクロミラー素子Ｘ２は、マイクロミラー素子の大型化を抑制しつつ、マイクロミラー素子の可動部の駆動を適切に行うための構成を有する。具体的には、マイクロミラー素子Ｘ２においては、導電スペーサ３００により、マイクロミラー基板１００に形成されている導電経路と、配線基板２００に形成されている配線パターン２１０とが電気的に接続されている。それとともに、導電スペーサ３００により、マイクロミラー基板１００および配線基板２００の良好な離隔状態が達成されている。また、ミラー形成部１１０および内フレーム１２０からなる可動部を駆動するための配線は、当該可動部が形成されているマイクロミラー基板１００には形成されていないため、マイクロミラー基板１００ひいてはマイクロミラー素子Ｘ２の小型化が達成されている。本実施形態では、マイクロミラー基板１００において、合計９個のマイクロミラーユニットＸ２’が形成されているが、本発明では、これよりも多い数のマイクロミラーユニットＸ２’をマイクロミラー基板１００に一体成形する場合においても、第２の実施形態に関して上述した効果が奏される。

図８〜図１２は、マイクロミラー素子Ｘ２の製造工程を表す。マイクロミラー素子Ｘ２の製造においては、まず、図８に示すように、基板２００’の上に配線パターン２１０を形成することによって、配線基板２００を作製する。具体的には、基板２００’に対して、スパッタリング法やめっき法により、金属材料を成膜し、所定のマスクを介して当該金属膜をパターニングする。このとき形成される配線パターン２１０には、電極パッド２１１ａ〜２１１ｄおよび電極パッド２１２ａ〜２１２ｄが含まれる。基板２００’としては、Ｓｉなどの半導体基板、セラミックス基板、ガラス基板などを用いることができる。配線用の金属材料としては、ＡｕやＡｌを用いることができる。

次に、図９に示すように、電極パッド２１１ａ〜２１１ｄの上に、ワイヤボンダを用いて、Ａｕ製のボールバンプ３０１を形成する。本工程以降の説明においては、マイクロミラー素子Ｘ２のモデル断面を参照して説明する。次に、図１０に示すように、ワイヤボンダを用いて、ボールバンプ３０１の上にＡｕ製のボールバンプ３０２を形成し、これによって導電スペーサ３００を形成する。ボールバンプ３０１，３０２の形成においては、ワイヤボンダを用いた形成プロセス上、ボールバンプ３０１，３０２の頂部には、図９および図１０に示すような微小な突部が形成される。

次に、図１１に示すように、レベリングを行うことにより、導電スペーサ３００の高さを揃える。具体的には、ボールバンプ３０２の頂部をガラス板等の平坦な面に対して押し付けることによって、ボールバンプ３０２の有していた微小突部を押し潰し、導電スペーサ３００の高さを一様にする。マイクロミラー素子Ｘ１に関して上述したように、ミラー形成部１１０を含む可動部は、配線基板２００に向かって例えば６０μｍ程度下がる。そのため、駆動時において当該可動部が配線基板２００に当接しないようにするためには、マイクロミラー基板１００と配線基板２００との間を例えば６０μｍ以上離隔する必要がある。本実施形態では、ボールバンプを２段に重ねることによって、導電スペーサ３００幅が拡張されて隣り合う導電スペーサ３００どうしが接してしまうのを回避しつつ、そのような所望の離隔状態が確保されている。具体的には、２段のボールバンプ３０１，３０２からなりレベリング工程を経た導電スペーサ３００により達成される離間距離は、例えば１００μｍである。ただし、本発明では、マイクロミラー基板１００と配線基板２００との間に要求される離隔距離に応じて、導電スペーサを構成するボールバンプの数は適宜選択することができる。小径のボールバンプを複数積み重ねて各導電スペーサ３００を構成することにより、各導電スペーサ３００が幅太となることや、製造過程において隣り合う導電スペーサ３００どうしが接してしまうのを回避することができる。これは、所定の複数の導電スペーサ３００を密集して（即ち小領域内に）形成するうえで好適であり、素子の大型化を抑制するうえで好ましい。

次に、図１２に示すように、導電スペーサ３００ないしボールバンプ３０２の頂部に対して、熱硬化性の導電性接着剤３０３を塗布する。例えば、導電性接着剤３０３を厚さ２５μｍに均一に塗布した平坦な基板に対して、導電スペーサ３００を介して配線基板２００を合わせることによって、導電スペーサ３００の頂部に導電性接着剤３０３を転写することができる。

次に、フリップチップボンダを用いて、別途形成されるマイクロミラー基板１００と配線基板２００とを位置合わせしつつマイクロミラー基板１００を配線基板２００上に載置した後、加圧および加熱しながら、図７に示すように、マイクロミラー基板１００と配線基板２００とを導電スペーサ３００を介して接合する。このとき、導電性接着剤３０３が硬化することにより、導電スペーサ３００がマイクロミラー基板１００の電極パッド１３８ａ〜１３８ｄに接合される。その結果、配線基板２００の配線パターン２１０と、マイクロミラー基板１００の電極パッド１３８ａ〜１３８ｄが電気的に接続される。このようにして、マイクロミラー素子Ｘ２が製造される。

図１３および図１４は、図１２に続く別の工程を表す。まず、図１３に示す工程では、図１２に示す工程を経た配線基板２００に対して、熱硬化性の接着剤４０１を塗布する。接着剤４０１としては、例えばエポキシ系の接着剤を使用することができる。接着剤４０１は、導電スペーサ３００を被覆しないように、且つ、マイクロミラー基板１００の共通外フレーム１３０’に対向することとなる配線基板２００の所定の箇所にて、所定の量が塗布される。

次に、図１４に示すように、フリップチップボンダを用いて、別途形成されるマイクロミラー基板１００と配線基板２００とを位置合わせしつつマイクロミラー基板１００を配線基板２００上に載置した後、加圧および加熱しながら、マイクロミラー基板１００と配線基板２００とを導電スペーサ３００を介して接合する。このとき、導電性接着剤３０３が硬化することにより、導電スペーサ３００がマイクロミラー基板１００の電極パッド１３８ａ〜１３８ｄに接合される。その結果、配線基板２００の配線パターン２１０と、マイクロミラー基板１００の電極パッド１３８ａ〜１３８ｄが電気的に接続される。マイクロミラー基板１００を配線基板２００上に載置するとき、接着剤４０１の粘着力により、マイクロミラー基板１００は配線基板２００に対して仮固定される。また、加圧および加熱を経て、マイクロミラー基板１００の共通外フレーム１３０’と配線基板２００との間で接着剤４０１が硬化した後には、当該接着剤４０１は、マイクロミラー基板１００と配線基板２００との接合を補強する働きを担う。このようにしてマイクロミラー素子Ｘ２を作製してもよい。

また、マイクロミラー素子Ｘ２においては、図１５に示すように、マイクロミラー基板１００と配線基板２００との間において、追加スペーサ３００’を形成してもよい。この場合、追加スペーサ３００’は、マイクロミラー基板１００の共通外フレーム１３０’と配線基板２００の間に形成される。追加スペーサ３００’は、ハンダバンプ、金属めっき、ドライフィルムレジスト、および、ガラス製または樹脂製の球状スペーサなどにより構成することができる。ハンダバンプなどの金属材料により追加スペーサ３００’を構成する場合には、共通外フレーム１３０’および配線基板２００の追加スペーサ形成箇所において、予め金属パッドを形成しておくのが好ましい。共通外フレーム１３０’および配線基板２００と追加スペーサ３００’との間において充分な接合強度を得るためである。また、ハンダバンプなどの金属材料により追加スペーサ３００’を構成する場合には、配線基板２００上の配線パターン２１０とマイクロミラー基板１００に形成されている導電経路とが、追加スペーサ３００’によりショートしないように、追加スペーサ３００’を形成する。

導電スペーサ３００の電極パッド２１１ａ〜２１１ｄおよび／または電極パッド１３８ａ〜１３８ｄに対する接合については、上述のような方法に代えて、ＡｕパッドとＡｕバンプとの間の超音波ボンディングにより達成してもよい。或は、パッドと導電スペーサ３００を圧接することにより達成してもよい。この場合、マイクロミラー基板１００と配線基板２００の機械的接合は、他の箇所に形成される例えば図１４に示すような接着剤４０１により達成される。導電スペーサ３００については、Ａｕ製のバンプボール３０１，３０２に代えて、図１６に示すように、単一のハンダバンプ３０４を採用することもできる。めっき法やスクリーン印刷法により電極上に供給するハンダバンプ形成材料を調整することにより、単一のハンダバンプ３０４により導電スペーサ３００を形成することが可能である。

図１７は、本発明の第３の実施形態に係るマイクロミラー素子Ｘ３の部分断面図である。マイクロミラー素子Ｘ３は、配線基板２００についてはマイクロミラー素子Ｘ２と異なる構成を有し、マイクロミラー基板１００および導電スペーサ３００についてはマイクロミラー素子Ｘ２と同様の構成を有する。ただし、本実施形態では、導電スペーサ３００としては単一ハンダバンプ３０４を採用する。

マイクロミラー素子Ｘ３の配線基板２００は、第１の面２０１および第２の面２０２を有する。第１の面２０１には、退避部２０３が形成されている。この退避部２０３は、マイクロミラー基板１００のミラー形成部１１０や内フレーム１２０の進入を許容するような箇所および深さで形成されている。このように退避部２０３が形成されているため、同一サイズのミラー形成部１１０および内フレーム１２０を前提とすると、マイクロミラー素子Ｘ３の導電スペーサ３００に要求される高さは、マイクロミラー素子Ｘ１およびマイクロミラー素子Ｘ２の導電スペーサ３００に要求される高さよりも低い。したがって、比較的低い単一のハンダバンプ３０４によっても、導電スペーサ３００としての機能を良好に果たすことができる。

退避部２０３の形成によって、配線基板２００の第１の面２０１において、配線パターン２１０を形成するための領域は小さくなる。これに対応するべく、マイクロミラー素子Ｘ３では、配線パターン２１０は、配線基板２００の第２の面２０２にも形成されている。このような構成の配線パターン２１０においては、第１の面２０１の配線パターン２１０と第２の面２０２の配線パターン２１０は、配線基板２００を貫通する導電連絡部２２０によって電気的に接続されている。第１の面２０１の配線パターン２１０は、導電スペーサ３００が接合する電極パッド２１１ａ〜２１１ｄのみとしてもよい。また、第２の面２０２の配線パターン２１０には、外部接続用の電極パッド２１２ａ〜２１２ｄが含まれる。電極パッド２１２には、外部接続用の例えばハンダバンプ２３０が形成されている。

上述の第１〜第３の実施形態では、２軸型であって櫛歯電極型のマイクロミラーについて示したが、本発明では、平行平板型マイクロミラー等について実施してもよい。また、上述のマイクロミラー素子Ｘ２の製造方法においては、マイクロミラー基板１００と配線基板２００の接合の前に、導体スペーサ３００を配線基板２００に対して形成しておく手法を説明したが、本発明では、マイクロミラー基板１００と配線基板２００の接合の前に、導電スペーサ３００は、マイクロミラー基板２００に対して形成しておいてもよい。或は、両基板に対して導電スペーサ３００の一部を形成しておき、マイクロミラー基板１００と配線基板２００の接合の際に導電スペーサ３００が形成される手法を採用してもよい。マイクロミラー素子Ｘ１，Ｘ３は、これらの手法を含むマイクロミラー素子Ｘ２に関して説明した製造方法と同様な方法により、製造することができる。

以上のまとめとして、本発明の構成およびそのバリエーションを以下に付記として列挙する。

（付記１）フレーム部と、ミラー部を有する可動部と、前記フレーム部および前記可動部を連結するトーションバーとが形成されているマイクロミラー基板と、
配線パターンが形成されている配線基板と、
前記マイクロミラー基板および前記配線基板を離隔させつつ前記フレーム部および前記配線パターンを電気的に接続するための導電スペーサと、を備えることを特徴とする、マイクロミラー素子。
（付記２）フレーム部と、ミラー部を有する可動部と、前記フレーム部および前記可動部を連結するトーションバーとを備える複数のマイクロミラーユニットが一体的に形成されているマイクロミラー基板と、
配線パターンが形成されている配線基板と、
前記マイクロミラー基板および前記配線基板を離隔させつつ前記フレーム部および前記配線パターンを電気的に接続するための導電スペーサと、を備えることを特徴とする、マイクロミラー素子。
（付記３）前記導電スペーサは、単一のバンプ、または、積み重なる複数のバンプからなる、付記１または２に記載のマイクロミラー素子。
（付記４）前記導電スペーサは、電極パッドを介して前記配線パターンおよび／または前記フレーム部に接続している、付記１から３のいずれか１つに記載のマイクロミラー素子。
（付記５）前記導電スペーサは、導電性接着剤を介して前記配線パターンおよび／または前記フレーム部に接続している、付記１から４のいずれか１つに記載のマイクロミラー素子。
（付記６）前記導電スペーサと前記電極パッドは融着している、付記４に記載のマイクロミラー素子。
（付記７）前記導電スペーサと前記電極パッドは圧接している、付記４に記載のマイクロミラー素子。
（付記８）前記配線基板は、前記マイクロミラー基板に対向する第１の面を有し、当該第１の面には、前記可動部の進入を許容する退避部が形成されている、付記１から７のいずれか１つに記載のマイクロミラー素子。
（付記９）前記配線基板は、前記第１の面とは反対の第２の面を有し、当該第２の面には、前記配線パターンの一部が形成されている、付記８に記載のマイクロミラー素子。
（付記１０）前記配線基板は、前記第１の面に形成されている配線パターンと前記第２の面に形成されている配線パターンとを電気的に接続するように、前記配線基板を貫通する導電連絡部を有する、付記９に記載のマイクロミラー素子。
（付記１１）前記マイクロミラー基板と前記配線基板との間に接着剤が介在する、付記１から１０のいずれか１つに記載のマイクロミラー素子。
（付記１２）前記フレーム部と前記配線基板との間に追加スペーサが介在する、付記１から１１のいずれか１つに記載のマイクロミラー素子。
（付記１３）前記追加スペーサはバンプである、付記１２に記載のマイクロミラー素子。
（付記１４）前記可動部は第１櫛歯電極部を有し、前記フレーム部は、前記第１櫛歯電極部との間に静電力を生じさせることにより前記可動部を変位させるための第２櫛歯電極部を有する、付記１から１３のいずれか１つに記載のマイクロミラー素子。
（付記１５）前記可動部は、前記トーションバーを介して前記フレーム部に連結された中継フレームと、当該中継フレームから離隔するミラー形成部と、当該中継フレームおよびミラー形成部を連結する中継トーションバーとを備え、前記中継トーションバーは、前記トーションバーの延び方向に対して交差する方向に延びている、付記１から１４のいずれか１つに記載のマイクロミラー素子。
（付記１６）前記ミラー形成部は第３櫛歯電極部を有し、前記中継フレームは、前記第３櫛歯電極部との間に静電力を生じさせることにより前記ミラー形成部を変位させるための第４櫛歯電極部を有する、付記１５に記載のマイクロミラー素子。
（付記１７）前記マイクロミラー基板は、絶縁膜および／または空隙により相互に絶縁された複数の区画を有し、当該複数の区画の一部は、前記導電スペーサと電気的に接続している、付記１から１６のいずれか１つに記載のマイクロミラー素子。

本発明の第１の実施形態に係るマイクロミラー素子の斜視図である。 図１に示すマイクロミラー素子の分解斜視図である。 図１に示すマイクロミラー素子の断面図である。 図１に示すマイクロミラー素子のマイクミラー基板の裏面図である。 本発明の第２の実施形態に係るマイクロミラー素子の斜視図である。 図５に示すマイクロミラー素子の分解斜視図である。 図５に示すマイクロミラー素子の部分断面図である。 図５に示すマイクロミラー素子の製造工程一部を表す。 図８に続く工程を表す。 図９に続く工程を表す。 図１０に続く工程を表す。 図１１に続く工程を表す。 図１２に続く別の工程を表す。 図１３に続く工程を表す。 マイクロミラー基板と配線基板との間に追加スペーサが介在する場合の断面図である。 導電スペーサの別の態様を表す。 本発明の第３の実施形態に係るマイクロミラー素子の部分断面図である。 光スイッチング装置の一例の概略構成図である。 光スイッチング装置の他の例の概略構成図である。

符号の説明

Ｘ１，Ｘ２，Ｘ３ マイクロミラー素子
Ｘ２’ マイクロミラーユニット
１００ マイクロミラー基板
１１０ ミラー形成部
１２０ 内フレーム
１３０ 外フレーム
１３０’ 共通外フレーム
１３８ａ〜１３８ｄ 電極パッド
１４０，１５０ トーションバー
２００ 配線基板
２１０ 配線パターン
２１１ａ〜２１１ｄ，２１２ａ〜２１２ｄ 電極パッド
３００ 導電スペーサ
３００’ 追加スペーサ
３０１，３０２ ボールバンプ
３０３ 導電性接着剤
４０１ 接着剤

Claims (9)

1. フレーム部と、ミラー部を有する可動部と、前記フレーム部および前記可動部を連結するトーションバーとが形成されているマイクロミラー基板と、
   配線パターンが形成されている配線基板と、
   前記マイクロミラー基板および前記配線基板を離隔させつつ前記フレーム部および前記配線パターンを電気的に接続するための導電スペーサと、を備え、
   前記導電スペーサは、積み重なる複数のバンプからなる、マイクロミラー素子。
2. フレーム部と、ミラー部を有する可動部と、前記フレーム部および前記可動部を連結するトーションバーとを備える複数のマイクロミラーユニットが一体的に形成されているマイクロミラー基板と、
   配線パターンが形成されている配線基板と、
   前記マイクロミラー基板および前記配線基板を離隔させつつ前記フレーム部および前記配線パターンを電気的に接続するための導電スペーサと、を備え、
   前記導電スペーサは、積み重なる複数のバンプからなる、マイクロミラー素子。
3. 前記導電スペーサは、電極パッドを介して前記配線パターンおよび／または前記フレーム部に接続している、請求項１または２に記載のマイクロミラー素子。
4. 前記導電スペーサは、導電性接着剤を介して前記配線パターンおよび／または前記フレーム部に接続している、請求項１から３のいずれか１つに記載のマイクロミラー素子。
5. 前記配線基板は、前記マイクロミラー基板に対向する第１の面を有し、当該第１の面には、前記可動部の進入を許容する退避部が形成されている、請求項１から４のいずれか１つに記載のマイクロミラー素子。
6. 前記マイクロミラー基板と前記配線基板との間に接着剤が介在する、請求項１から５のいずれか１つに記載のマイクロミラー素子。
7. 前記可動部は第１櫛歯電極部を有し、前記フレーム部は、前記第１櫛歯電極部との間に静電力を生じさせることにより前記可動部を変位させるための第２櫛歯電極部を有する、請求項１から６のいずれか１つに記載のマイクロミラー素子。
8. 前記可動部は、前記トーションバーを介して前記フレーム部に連結された中継フレームと、当該中継フレームから離隔するミラー形成部と、当該中継フレームおよびミラー形成部を連結する中継トーションバーとを備え、前記中継トーションバーは、前記トーションバーの延び方向に対して交差する方向に延びている、請求項１から７のいずれか１つに記載のマイクロミラー素子。
9. 前記マイクロミラー基板は、絶縁膜および／または空隙により相互に絶縁された複数の区画を有し、当該複数の区画の一部は、前記導電スペーサと電気的に接続している、請求項１から８のいずれか１つに記載のマイクロミラー素子。

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