JP2006276729A - 光スイッチ及びその製造方法 - Google Patents

Abstract

【課題】 可動部底面がシリコン支持基板表面に張り付くスティクションの発生を抑制した光スイッチ、及びその製造方法を提供することを目的とする。
【解決手段】 可動部１が、シリコン支持基板３ｃ上に一定の間隙を介した中空状態で保持されており、前記可動部１の先端には、幅広に拡張されたミラー台座１０が設けられ、その上部には角柱状のミラー部６が一体的に形成されている。前記ミラー台座１０底面には、前記シリコン基板３ｃ側へ向かい階段状に突出した凸型段部１０ａが形成され、前記シリコン基板３ａの前記台座部底面と対向する領域には、前記台座部底面側へ向かい階段状に突出した凸型段部３ｄが形成され、互いの凸型段部の先端部が対向配置された構成とする。
【選択図】 図１

Description

本発明は、光スイッチ及びその製造方法に関するものである。

従来より、ＭＥＭＳ（Micro-Erectro-Mechanical-Systems）技術を用いてシリコン基板を加工し、光スイッチ等のマイクロ構造体を形成することが知られている。図４は、ＭＥＭＳ技術により製造された従来の光スイッチを示す斜視図である。櫛歯形状の櫛歯電極１ａとそれを支持する梁部１ｂとが一体的に形成されて可動部１を構成しており、該可動部１は梁部１ｂの末端部に同じく一体的に形成された支持電極２を支点として、シリコン支持基板３ｃの平坦面上に中空状態で保持されている。（例えば、特許文献１、２参照）

櫛歯電極１ａと対向する位置には、光スイッチの外縁部を構成するフレーム部４と一体的に形成された櫛歯形状の対向電極４ａが設けられており、それら対向する電極間に電圧を印加すると各櫛歯間（電極間）に静電引力が発生し、可動部１の梁部１ｂが撓むことで可動部１全体が支持電極２を支点としてシリコン支持基板３ｃの平坦面に沿って揺動する。可動部１の先端部は、幅広に拡張されたミラー台座５として形成されており、その上部には角柱状のミラー部６が設けられている。静電引力により可動部１が揺動すると、ミラー部６に照射される光の光路が偏向され、光スイッチとして機能する。

図５は、図４に示した従来の光スイッチの製造工程を説明するための図で、工程毎の要部断面図である。以下、図５を参照して従来の光スイッチの製造工程について説明する。
工程（ａ）：シリコン活性層３ａ、シリコン酸化物層である中間層３ｂ、シリコン支持基板３ｃよりなるシリコン積層体（ＳＯＩ基板）３のシリコン活性層３ａ表面全体にマスキング用の耐性膜７をスパッタリング等により形成する。耐性膜７は、例えばクロム（Ｃｒ）よりなり、シリコンの深異方性の反応性イオンエッチングとフッ酸（ＨＦ）に対して耐性のある膜である。

工程（ｂ）：耐性膜７をエッチングにより所望のパターン形状にパターニングし、第一のマスキングパターン７ａを形成する。この第一のマスキングパターン７ａは、ＳＯＩ基板３のシリコン支持基板３ｃ上に光スイッチを構成する主な構造体（可動部１、支持電極２等）をエッチングにより形成するためのものであり、そのパターン形状は、それら構造体を上方から見た外形と同一である。（第一のマスキング工程）

耐性膜７をパターニングする際には、まず、ポジ型フォトレジストを前記耐性膜７表面にスピンコートにより均一に塗布する。塗布後、所望のマスキングパターン形状を有するフォトマスクを被せてフォトレジストの紫外線露光を行い、露光後、現像液を用いて露光された領域のフォトレジストを除去する。その後、以上の工程により形成されたフォトレジストパターンをエッチングマスクとして、露出領域の耐性膜７をウェットエッチングにより除去する。

工程（ｃ）：前工程（ｂ）で形成された第一のマスキングパターン７ａをエッチングマスクとして、露出領域のシリコン活性層３ａを深異方性の反応性イオンエッチングにより、エッチングのストップ層である中間層３ｂが露出するまでエッチングする。これにより、シリコン活性層３ａが加工されて、光スイッチを構成する主な構造体（可動部１、支持電極２等）が形成される。

工程（ｄ）：前工程（ｃ）でエッチングマスクとして用いた第一のマスキングパターン７ａをウェットエッチングにより除去する。

工程（ｅ）：露出領域の中間層３ｂ表面を含め、シリコン活性層３ａの表面全体にクロム（Ｃｒ）からなる耐性膜７をスパッタリング等により形成する。尚、耐性膜７は、前記工程（ａ）で用いたものと同じである。

工程（ｆ）：前工程（ｅ）で形成した耐性膜７を前記工程（ｂ）に倣ってウェットエッチングにより所望のパターン形状にパターニングし、第二のマスキングパターン７ｂを形成する。この第二のマスキングパターン７ｂは、エッチングによりミラー台座５上にミラー部６を形成するためのものであり、そのパターン形状は、ミラー部６を上方から見た外形と同一である。（第二のマスキング工程）

工程（ｇ）：前工程（ｆ）で形成した第二のマスキングパターン７ｂをエッチングマスクとして、露出領域のシリコン活性層３ａを深異方性の反応性イオンエッチングにより一定量エッチングする。エッチング量は、形成するミラー部６の高さに応じて適宜選択すればよく、例えば、深さ方向に５０μｍである。これにより、ミラー台座５上に角柱状のミラー部６が形成される。

工程（ｈ）：前工程（ｇ）でエッチングマスクとして用いた第二のマスキングパターン７ｂをウェットエッチングにより除去する。

工程（ｉ）：中間層３ｂを一部（支持電極２下部、フレーム部４下部等）を除いて等方性のウェットエッチングにより除去し、シリコン活性層３ａの一部（可動部１）をシリコン支持基板３ｃより切り離す。ウェットエッチングに用いるエッチング液としては、例えばフッ酸（ＨＦ）が挙げられるが、中間層３ｂのみを選択的にエッチングできるものであれば、他のエッチング液を用いても構わない。

以上の工程により、シリコン支持基板３ｃ上に光スイッチを構成する各構造体が形成され、光スイッチとして完成した状態となる。そして、完成した光スイッチ全体をアセトン等の洗浄液に浸漬することで洗浄し、その後洗浄液を乾燥させる。

特開２０００−２８９３５号公報 特開２００３−５７５６９号公報

以上説明した光スイッチにおいては、シリコン支持基板上に形成された可動部の底面と、シリコン支持基板表面との隙間は数μｍと非常に狭いため、構造体形成後に洗浄液による構造体の洗浄を行うと、可動部底面とシリコン支持基板表面との間に入り込んだ洗浄液の表面張力により、洗浄液乾燥後に可動部底面がシリコン支持基板表面に張り付く「スティクション」が発生するという問題が生じていた。このような現象は、可動部底面の中でも比較的面積の広いミラー台座底面において発生しやすくなっている。

具体的には、構造体が形成されたＳＯＩ基板を洗浄液の浸漬から開放した直後は、可動部底面とシリコン支持基板表面との間にある程度の洗浄液が存在しており、可動部はその洗浄液の流動に任せてシリコン支持基板表面上を揺動可能な状態となっているが、その後の洗浄液乾燥工程で可動部底面とシリコン支持基板表面との間の洗浄液が蒸発して徐々に減少すると、それに伴って洗浄液の表面張力により可動部底面がシリコン支持基板表面側に引っ張られ、洗浄液の表面張力が強い場合には、洗浄液が完全に蒸発した瞬間に可動部底面がその時点での揺動位置でシリコン支持基板表面に張り付いてしまう。このようにスティクションが発生したものは、当然光スイッチとして正常な動作を行えるものではなく、不良となってしまう。

本発明は、以上の問題点に鑑みてなされたものであり、可動部底面がシリコン支持基板表面に張り付くスティクションの発生を抑制した光スイッチ、及びその製造方法を提供することを目的とする。

少なくとも、平坦面を有する基部と、当該基部の平坦面上に固定された固定部を支点として可撓性の梁部を介し中空状態で保持された可動部と、当該可動部の一端部に形成された台座部と、当該台座部上に形成されたミラー部と、前記可動部に駆動力を発生させる駆動力発生手段とで構成され、前記可動部を前記基部の平坦面に沿って揺動させる光スイッチであって、前記台座部底面には、前記基部側へ向かい突出した凸型段部が形成され、前記基部の前記台座部底面と対向する領域には前記台座部底面側へ向かい突出した凸型段部が形成され、互いの凸型段部の先端部が対向配置されて成る光スイッチとする。

前記台座部底面に形成された凸型段部と、これと対向する前記基部に形成された凸型段部が、同一形状である光スイッチとする。

平坦面を有する基部の当該平坦面上に固定された固定部を支点として可撓性の梁部を介し中空状態で保持された可動部を有すると共に、当該可動部の一端部にはミラー部が形成された台座部が設けられ、当該台座部底面には、前記基部側へ向かい突出した凸型段部が形成され、前記基部の前記台座部底面と対向する領域には前記台座部底面側へ向かい突出した凸型段部が形成され、互いの凸型段部の先端部が対向配置されて成る光スイッチの製造方法であって、
少なくとも、中間層をシリコン支持基板とシリコン活性層とで挟持してなるシリコン積層体の前記シリコン活性層表面に第一のマスキングパターンを形成する第一のマスキング工程と、当該第一のマスキングパターンをエッチングマスクとして、露出領域の前記シリコン活性層を前記中間層が露出するまでドライエッチングする工程と、
前記第一のマスキングパターンを除去する工程と、残存する前記シリコン活性層表面に第二のマスキングパターンを形成する第二のマスキング工程と、当該第二のマスキングパターンをエッチングマスクとして、露出領域の前記シリコン活性層をドライエッチングにより一定量除去する工程と、前記第二のマスキングパターンを除去する工程と、前記中間層をウェットエッチングにより一部を除いて除去する工程と、前記シリコン活性層と前記シリコン支持基板に酸化膜を形成する工程と、前記酸化膜をウェットエッチングにより除去する工程とを有し、前記酸化膜形成工程と前記酸化膜除去工程を、前記台座部と前記基部の間に残存する中間層が除去されるまで複数回繰り返すことにより、前記台座部底面と前記基台の前記台座部底面と対向する領域に凸型段部を形成する光スイッチの製造方法とする。

本発明では、ミラー台座底面に凸型段部を形成し、基板の前記ミラー台座底面と対向する領域にも凸型段部を形成したので、ミラー台座底面及びこれと対向する領域のシリコン基板表面の先端部面積が減ぜられ、ミラー台座底面とその直下のシリコン支持基板表面との間に作用する洗浄液の表面張力が低減されて、洗浄液乾燥直後に可動部底面がシリコン支持基板表面に張り付くスティクションが防止される。

可動部先端のミラー台座底面に凸型段部を形成し、基板の前記ミラー台座底面と対向する領域にも凸型段部を形成し、ミラー台座底面の表面積と、該ミラー台座底面と対向するシリコン基板表面の面積を減ずることにより、ミラー台座底面とシリコン支持基板表面との間に作用する洗浄液の表面張力を低減させる構成とする。

図１は、本発明による光スイッチの一実施形態を示す図で、（ａ）は平面図、（ｂ）はＡ−Ａ断面図である。基本的な構成は、従来の光スイッチと同様であり、シリコン支持基板３ｃ上に中間層３ｂを介して固定された支持電極２を支点として、それと一体的に形成された可撓性の梁部１ｂと、同じく一体的に形成された櫛歯電極１ａを有する可動部１とが、シリコン支持基板３ｃ上に一定の間隙を介した中空状態で保持されている。可動部１の先端には、幅広に拡張されたミラー台座１０が設けられており、その上部には角柱状のミラー部６が一体的に形成されている。また、シリコン支持基板３ｃの周縁部には、以上の構造体を取り囲むようにシリコン活性層３ａからなるフレーム部４が設けられており、その内周側の前記可動部１の櫛歯電極１ａと対向する位置には、当該櫛歯電極１ａと噛合する櫛歯電極を有する対向電極４ａがフレーム部４と一体的に形成されている。

ここで本発明の特徴として、本実施例では前記従来の構成に加え、前記ミラー台座１０底面に前記シリコン基板３ｃ側へ向かい階段状に突出した凸型段部１０ａが形成され、前記シリコン基板３ｃの前記台座部底面と対向する領域には、前記台座部底面側へ向かい階段状に突出した凸型段部３ｄが形成され、互いの凸型段部の先端部が対向配置された構成である。

前記ミラー台座１０底面に形成された凸型段部１０ａと、これに対向した前記シリコン基板３ｃに形成された凸型段部３ｄは、それぞれの凸型段部先端のごく僅かな面をもって対向配置された状態となるので、ミラー台座１０底面とシリコン支持基板３ｃ表面との間に介在する洗浄液の絶対量を減少することができ、スティクションが防止されるという効果を奏するものである。

続いて、前記した本発明の光スイッチの製造方法ついて説明する。図２は、本発明による光スイッチの製造工程を示しており、工程毎の要部断面図である。以下、図２を参照して当該製造工程について説明する。尚、図２に示す工程（ａ）〜（ｈ）までは従来の製造工程と同様であるため詳細な説明は省略する。

工程（ａ）：シリコン活性層３ａ、シリコン酸化物層である中間層３ｂ、シリコン支持基板３ｃよりなるシリコン積層体（ＳＯＩ基板）３のシリコン活性層３ａ表面全体にマスキング用の耐性膜７をスパッタリング等により形成する。

工程（ｂ）：耐性膜７をエッチングにより所望のパターン形状にパターニングし、第一のマスキングパターン７ａを形成する。

工程（ｃ）：前工程（ｂ）で形成された第一のマスキングパターン７ａをエッチングマスクとして、露出領域のシリコン活性層３ａを深異方性の反応性イオンエッチングにより、エッチングのストップ層である中間層３ｂが露出するまでエッチングする。これにより、シリコン活性層３ａが加工されて、光スイッチを構成する主な構造体（可動部１、支持電極２等）が形成される。

工程（ｄ）：前工程（ｃ）でエッチングマスクとして用いた第一のマスキングパターン７ａをウェットエッチングにより除去する。
工程（ｅ）：露出領域の中間層３ｂ表面を含め、シリコン活性層３ａの表面全体にクロム（Ｃｒ）からなる耐性膜７をスパッタリング等により形成する。尚、耐性膜７は、前記工程（ａ）で用いたものと同じである。

工程（ｆ）：前工程（ｅ）で形成した耐性膜７を前記工程（ｂ）に倣ってウェットエッチングにより所望のパターン形状にパターニングし、第二のマスキングパターン７ｂを形成する。この第二のマスキングパターン７ｂは、エッチングによりミラー台座１０上にミラー部６を形成するためのものである。（第二のマスキング工程）

工程（ｇ）：前工程（ｆ）で形成した第二のマスキングパターン７ｂをエッチングマスクとして、露出領域のシリコン活性層３ａを深異方性の反応性イオンエッチングにより一定量エッチングする。エッチング量は、形成するミラー部６の高さに応じて適宜選択すればよく、例えば、深さ方向に５０μｍである。これにより、ミラー台座１０上に角柱状のミラー部６が形成される。

工程（ｈ）：前工程（ｇ）でエッチングマスクとして用いた第二のマスキングパターン７ｂをウェットエッチングにより除去する。ここまでの製造工程は従来技術と同様である。

工程（ｉ）：中間層３ｂを一部（ミラー台座１０下部、支持電極２下部、フレーム部４下部）を除いて等方性のウェットエッチングにより除去し、シリコン活性層３ａの一部（櫛歯電極１ａ）をシリコン支持基板３ｃより切り離す。ここで、ミラー台座１０は切り離されない状態となるようエッチング時間を管理して行う。ウェットエッチングに用いるエッチング液としては、例えばフッ酸（ＨＦ）が挙げられるが、中間層３ｂのみを選択的にエッチングできるものであれば、他のエッチング液を用いても構わない。

工程（ｊ）：前記までの工程を経た光スイッチを酸化炉に投入し、シリコン活性層３ａとシリコン支持基板３ｃに酸化膜１１を形成する。該酸化膜１１は、シリコン酸化物層である中間層３ｂを除く光スイッチ構造体の表面に形成される。

工程（ｋ）：前工程（ｊ）で形成した酸化膜１１とミラー台座１０下部に残る中間層３ｂの一部を等方性のウェットエッチングにより除去する。ここで、工程（ｊ）の酸化膜形成工程と、工程（ｋ）の酸化膜・中間層除去工程を、ミラー台座１０下部の中間層３ｂの全てを除去するまで複数回繰り返す。これにより、ミラー台座１０底面部の凸型段部１０ａと、シリコン支持基板３ｃの凸型段部３ｄがそれぞれ対向した状態で階段状に形成される。当該工程で形成される凸型段部１０ａ、３ｄは同一形状となる。

前記したミラー台座１０の凸型段部１０ａとこれに対向するシリコン支持基板３ｃの凸型段部３ｄの形成工程について、図３のミラー台座近傍の部分拡大図を参照してさらに説明する。

図３（ａ）は、中間層３ｂの除去工程を経たもので、ミラー台座下部には中間層３ｃが一部残存した状態を示すものである。

図３（ｂ）は、酸化膜１１が形成された状態を示すものである。一般にシリコンは酸化される時、成長する酸化膜厚の４５％がシリコン基板内部に成長し、５５％が外部に成長することが知られているが、本図に示すミラー６、ミラー台座１０、シリコン支持基板３ｃにおいても、形成した酸化膜厚の約半分がその内部に成長した状態となっている。

図３（ｃ）は、前記の酸化膜１１を等方性のウェットエッチングにより除去した状態を示すもので、シリコン内部にまで成長した酸化膜１１を除去することによりミラー台座１０底面には凸型段部１０ａが形成され、シリコン支持基板３ｃには凸型段部３ｄが形成される。また、ミラー台座下部に残存する中間層３ｂもその一部が除去される。

図３（ｄ）〜（ｇ）は、酸化膜形成と酸化膜除去をさらに繰り返した状態を示しており、複数回に分けて行うことにより凸型段部を階段状にし、その先端部面積を減少している。また、ミラー台座１０下部に残存する中間層３ｂは酸化膜除去工程において徐々に除去され、最終的には完全に除去される。本構成においては、酸化膜形成と酸化膜除去を３回繰り返すことにより、３段の階段状凸型段部を形成するとともに、中間層３ｂを完全に除去し、ミラー台座１０下部とシリコン支持基板３ｃを切り離している。

以上の工程により、本発明のスティクションを防止した光スイッチが完成する。
本明細書では、本発明による技術を光スイッチに適用した場合について説明したが、当然、ミラー部が形成されていない他用途のアクチュエータにも適用可能であることは言うまでもない。

本発明による光スイッチの一実施形態を示す図で、（ａ）は平面図、（ｂ）はＡ−Ａ断面図 本発明による光スイッチの製造方法を示す工程毎の要部断面図 ミラー台座近傍の部分拡大図 従来の光スイッチを示す斜視図 従来の光スイッチの製造工程を示す工程毎の要部断面図

符号の説明

１ 可動部
１ａ 櫛歯電極
１ｂ 梁部
２ 支持電極
３ シリコン積層体（ＳＯＩ基板）
３ａ シリコン活性層
３ｂ 中間層
３ｃ シリコン支持基板
３ｄ 凸型段部
４ フレーム部
４ａ 対向電極
５ ミラー台座
６ ミラー部
７ 耐性膜
７ａ 第一のマスキングパターン
７ｂ 第二のマスキングパターン
７ｃ 第一のマスキングパターン
７ｄ 第一のマスキングパターン
１０ ミラー台座
１０ａ 凸型段部
１１ 酸化膜

Claims (3)

1. 少なくとも、
   平坦面を有する基部と、
   当該基部の平坦面上に固定された固定部を支点として可撓性の梁部を介し中空状態で保持された可動部と、
   当該可動部の一端部に形成された台座部と、
   当該台座部上に形成されたミラー部と、
   前記可動部に駆動力を発生させる駆動力発生手段とで構成され、
   前記可動部を前記基部の平坦面に沿って揺動させる光スイッチであって、
   前記台座部底面には、前記基部側へ向かい突出した凸型段部が形成され、
   前記基部の前記台座部底面と対向する領域には前記台座部底面側へ向かい突出した凸型段部が形成され、互いの凸型段部の先端部が対向配置されて成ることを特徴とする光スイッチ。
2. 前記台座部底面に形成された凸型段部と、これと対向する前記基部に形成された凸型段部が、同一形状であることを特徴とする請求項１に記載の光スイッチ。
3. 平坦面を有する基部の当該平坦面上に固定された固定部を支点として可撓性の梁部を介し中空状態で保持された可動部を有すると共に、当該可動部の一端部にはミラー部が形成された台座部が設けられ、当該台座部底面には、前記基部側へ向かい突出した凸型段部が形成され、前記基部の前記台座部底面と対向する領域には前記台座部底面側へ向かい突出した凸型段部が形成され、互いの凸型段部の先端部が対向配置されて成る光スイッチの製造方法であって、
   少なくとも、
   中間層をシリコン支持基板とシリコン活性層とで挟持してなるシリコン積層体の前記シリコン活性層表面に第一のマスキングパターンを形成する第一のマスキング工程と、
   当該第一のマスキングパターンをエッチングマスクとして、露出領域の前記シリコン活性層を前記中間層が露出するまでドライエッチングする工程と、
   前記第一のマスキングパターンを除去する工程と、
   残存する前記シリコン活性層表面に第二のマスキングパターンを形成する第二のマスキング工程と、
   当該第二のマスキングパターンをエッチングマスクとして、露出領域の前記シリコン活性層をドライエッチングにより一定量除去する工程と、
   前記第二のマスキングパターンを除去する工程と、
   前記中間層をウェットエッチングにより一部を除いて除去する工程と、
   前記シリコン活性層と前記シリコン支持基板に酸化膜を形成する工程と、
   前記酸化膜をウェットエッチングにより除去する工程とを有し、
   前記酸化膜形成工程と前記酸化膜除去工程を、前記台座部と前記基部の間に残存する中間層が除去されるまで複数回繰り返すことにより、前記台座部底面と前記基台の前記台座部底面と対向する領域に凸型段部を形成することを特徴とする光スイッチの製造方法。
   

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