JP2007025720A - Method of manufacturing micro optical device - Google Patents
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Abstract
Description
この発明は例えばミラーを利用して光路の切り換えや光量調節を行うことができる微小光デバイスのようにミラーおよび複雑な構造物を有し、深彫りドライエッチングにより作製されたミラーを備える微小光デバイスの作製方法に関する。 The present invention relates to a micro optical device having a mirror and a complex structure, such as a micro optical device that can switch an optical path and adjust the amount of light using a mirror, and includes a mirror manufactured by deep etching and dry etching. It relates to a manufacturing method.
半導体異方性ドライエッチング等の方法により、基板上にミラー、ヒンジ、アクチュエータ、光導波部の各要素を形成し、光導波部にミラーを挿抜することによって光路の切換えを行なう機能を有する光スイッチが提案されている。
その具体例として、特許文献1に開示されているMEMS(Micro Electro Mechanical Systems:微小電気機械システム)光スイッチの構造を図12に示す。板状基体100(図12では100aと100bに分割分離して示しているが一体のものである)上に4本のファイバ溝1A〜1Dが十字状に形成され、その互いに直角なファイバ溝1Aと1B間の基体100を駆動体形成部101とし、駆動体形成部101にファイバ溝1Aと1Bに対しそれぞれ45度をなすスロット103が形成され、スロット103に可動ロッド116が配され、可動ロッド116の両側に支持枠134A,134Bの一端が固定され、支持枠134A,134Bの他端が板ばねヒンジ128A,128Bにより固定支持部130A,130Bに固定され、可動ロッド116はその延長方向に移動自在に保持されている。4本の光ファイバ106A〜106Dがファイバ溝1A〜1D内に配置され、光ファイバ106A〜106Dの放射状配置の中心部1cにミラー102が位置して可動ロッド116の一端に支持され、可動ロッド116の他端に櫛歯型静電アクチュエータ122が連結される。
An optical switch having a function of switching the optical path by forming each element of a mirror, hinge, actuator, and optical waveguide section on a substrate by a method such as semiconductor anisotropic dry etching and inserting and removing the mirror in the optical waveguide section Has been proposed.
As a specific example, the structure of a MEMS (Micro Electro Mechanical Systems) optical switch disclosed in
櫛歯型静電アクチュエータ122は可動ロッド116の両側にそれぞれ延長された可動櫛歯電極110と固定櫛歯電極108が可動ロッド116の延長方向に配列され、可動櫛歯電極110が可動ロッド116に固定され、固定櫛歯電極108が、駆動体形成部101にそれぞれ固定される。これら櫛歯電極110と108の間に電圧を印加することにより静電気の吸引力が発生し、可動ロッド116が固定櫛歯電極108側に移動し、ミラー102が中心部1cから抜き出た状態に維持させる。この電圧印加を解くと、可動ロッド116はヒンジ128A,128Bの復帰力で中心部1cに移動しミラー102が中心部1cに位置し、元の状態に戻る。
In the comb-shaped
ミラー102が中心部1cに挿入されている状態では光ファイバ106Aから出射した光がミラー102で反射されて光ファイバ106Bに入射し、光ファイバ106Dから出射した光はミラー102で反射されて光ファイバ106Cに入射する。ミラー102を中心部1cから抜き出した状態では光ファイバ106Aから出射した光は光ファイバ106Cに入射し、光ファイバ106Dから出射した光は受光用光ファイバ106Bに入射する。 In a state where the mirror 102 is inserted into the central portion 1c, the light emitted from the optical fiber 106A is reflected by the mirror 102 and enters the optical fiber 106B, and the light emitted from the optical fiber 106D is reflected by the mirror 102 and is reflected by the optical fiber. Incident on 106C. When the mirror 102 is extracted from the central portion 1c, the light emitted from the optical fiber 106A enters the optical fiber 106C, and the light emitted from the optical fiber 106D enters the light receiving optical fiber 106B.
この光スイッチの作製は次のように行われる。図13Aに示すようにシリコン基板301としてこれを上方部304と下方部306に分離する酸化シリコン層302が形成されたものが用いられる。基板301上にマスク層303をフォトレジスト材で形成する。このマスク層303をフォトリソグラフィ技術によりパターニングして図12に示した基体の表面の形状パターンにする。つまりファイバ溝1A〜1D、スロット103部分などにはマスク層303は除去され、櫛歯電極108,110、ヒンジ128A,128B、可動スロット116、支持枠134A,134Bなどの上部にはマスク層303が残される(図13B)。ミラー102が形成される部分上のマスク層311の両側にこれと近接平行して犠牲隆起層用マスク層313が形成される。基板301に対しマスクされていない露出部分を深い反応性イオンエッチング(Deep Reaction Ion Etching:DRIE)により図13Cに示すようにエッチングして酸化シリコン層302が露出するようにする。これにより垂直なエッチング側壁をもつファイバ溝1A〜1D、スロット103などが形成される。
This optical switch is manufactured as follows. As shown in FIG. 13A, a
次に図13Dに示すようにマスク層303を除去した後、酸化シリコン層302に選択的なエッチャント322内に浸して図13Fに示すように残存マスク層303の幅狭部分と対応する酸化シリコン層302を除去するが残存マスク層303の幅広部分と対する酸化シリコン層302は残され、ミラー102(319)を可動ロッド116、可動櫛歯電極110、支持枠134A,134Bがヒンジ128A,128Bにより、固定部130A,130Bに対し可動自在に保持する。この酸化シリコン層302のエッチングにより、ミラー319(102)の両側に残った犠牲隆起層321も除去され、図13Fに示すようになる。ミラー102の両側面に蒸着し、反射性金属を被覆する。
Next, after removing the
このように、深い反応性イオンエッチング(ドライエッチング)を利用すると、シリコン基板301に対し、その結晶方位に左右されることなく、垂直なエッチング側壁を形成することができ、よって図に示した微細なかつ複雑な形状の構造物を作製することができる。なおシリコン基板に対しエッチング液によるウエットエッチングにより深彫りエッチングを行うことができるが、このウエットエッチングはシリコンの結晶面方位に対し異方性を示すため、図12に示した光スイッチデバイスのような複雑な構造をした微小電気機械システムの光デバイスを作製することはできない。このため、この種の微小光デバイスは反応性イオンによる深彫りドライエッチングにより作製されていた。
As described above, when deep reactive ion etching (dry etching) is used, a vertical etching side wall can be formed on the
なるべく垂直なエッチング側壁が得られるように、深い反応性イオンエッチングを行うと、エッチング側壁面に100nmオーダ以上の凸凹が生じる。従って、そのような凸凹があるエッチング側壁面を可動ミラー102のミラー面とすると良好な反射特性のミラーにはならない。そこで前記特許文献1では深い反応性イオンエッチングを行う際に図13Cに示したように犠牲隆起層321をミラー319(102)の両側にこれと接近平行して形成している。このような手法をとることにより、犠牲隆起層321を形成しない場合より、ミラー319の両側壁を、凹凸が30nmオーダ以下の平滑な面としている。
When deep reactive ion etching is performed so that an etching sidewall as vertical as possible is obtained, unevenness of the order of 100 nm or more is generated on the etching sidewall surface. Therefore, if the etched side wall surface having such irregularities is used as the mirror surface of the movable mirror 102, the mirror does not have good reflection characteristics. Therefore, in
また深い反応性イオンドライエッチングにより形成されたミラーの荒れたシリコン表面を熱酸化し、その酸化膜を除去することにより荒れの少ないミラー表面を得ることが知られている(非特許文献1参照)。なお、深い反応性イオンドライエッチングにより光スイッチを作製する方法は特許文献2にも記載されている。
深い反応性イオンドライエッチングにより生じる荒れたミラー面を平滑にする特許文献1に示す手法は、深彫りドライエッチングの後、犠牲隆起層を除去することが必要であるが、材質的にはミラーと同一であるため選択的にエッチングすることは困難であり、基本的には基板から剥がして落とす(剥離する)ことになる。この剥離した犠牲隆起層は小さなかけらであり、櫛歯電極の櫛歯の間や、ばねヒンジなど狭い間隔の部分が多数接近して存在しており、この部分に前記かけらが引っかかり、光デバイスに悪影響を及ぼしたり、歩留りを低下させるおそれがあった。
The technique shown in
非特許文献1に示す手法では熱酸化により酸化膜を形成するための時間が、例えば10時間程度と長く、光デバイスの作製時間が長くなり、この点で光デバイスの価格が高くなる。光スイッチのみならず、一般にミラーおよびそれ以外の複雑な構造物を備えた微小光デバイスを、ガス反応性のドライエッチングにより、基板面と垂直にエッチングして作製する場合は同様の問題が生じる。
In the method shown in
この発明の作製方法によれば、上方部と下方部の2枚のシリコン単結晶層により中間絶縁層を挟んだSOI基板の上方部上面にマスク層を形成し、上方部の単結晶の基板板面に垂直な(100)面または(111)面のいずれかに一致するミラー面と、それ以外の基板板面に垂直な側壁面とを規定するパターンを、フォトリソグラフィによりマスク層にパターニングしてマスクを形成し、このマスクによりマスクされていない上方部を中間絶縁層が露出するまでガス反応性のドライエッチングによって除去し、上方部のドライエッチングによって露出された側壁の表面のうちの(100)面または(111)面に一致する面を、シリコンに対する異方性ウェットエッチング溶液によって平滑化し、平滑化された(100)面または(111)面に一致する面のうちのミラー面とする面に高反射率を有する金属を被覆する。 According to the manufacturing method of the present invention, a mask layer is formed on an upper surface of an upper portion of an SOI substrate with an intermediate insulating layer sandwiched between two upper and lower silicon single crystal layers, and an upper single crystal substrate plate is formed. A pattern that defines a mirror surface that coincides with either the (100) surface or the (111) surface perpendicular to the surface and a side wall surface perpendicular to the other substrate plate surface is patterned on the mask layer by photolithography. A mask is formed, and the upper portion not masked by the mask is removed by gas reactive dry etching until the intermediate insulating layer is exposed, and (100) of the surface of the side wall exposed by the dry etching of the upper portion. The surface corresponding to the surface or (111) surface is smoothed by an anisotropic wet etching solution for silicon, and the smoothed (100) surface or (111) surface Coating a metal having a high reflectivity on the mirror surface to the surface of the matching surface to.
この発明によればミラー面は(100)面又は(111)面であるが、光デバイス構造の他の垂直側壁面にはその制約を付けず、(100)面又は(111)面になっていない面、つまり他の結晶面あるいは他の結晶面をある角度で切断した面があってもよい。従ってミラー面が(100)面又は(111)面となるように、シリコン単結晶基板に対し、ガス反応性ドライエッチングによる深彫り加工により微細で複雑な形状の構造とすることができ、しかも、その深彫りエッチング加工の後に結晶方位に対して異方性を示す溶液によりエッチングを行うことにより、エッチング速度が速い高次の面が素早くエッチングされて、ミラー面が結晶面(100)面又は(111)面となり、つまり凸凹が10nmオーダ以下の平滑なミラー面となり、かつこのウエットエッチングの時間は短いものとすることができる。 According to the present invention, the mirror surface is the (100) surface or the (111) surface, but the other vertical side wall surface of the optical device structure is not restricted and is the (100) surface or the (111) surface. There may be a non-existing plane, that is, another crystal plane or a plane obtained by cutting another crystal plane at an angle. Therefore, the silicon single crystal substrate can be formed into a fine and complicated structure by deep etching by gas reactive dry etching so that the mirror surface becomes the (100) surface or the (111) surface, Etching is performed with a solution exhibiting anisotropy with respect to the crystal orientation after the deep etching process, so that a high-order surface having a high etching rate is quickly etched, and the mirror surface is a crystal plane (100) plane or ( 111) surface, that is, a smooth mirror surface with irregularities on the order of 10 nm or less, and the wet etching time can be short.
この発明を光スイッチに適用した実施形態を図面を参照して説明する。図1に平面図、その断面を図11に示すように、シリコン板状基体31の上面31uに十字状にファイバ溝1が形成され、十字状ファイバ溝1の中心部1cに対し、放射状となっている4本のファイバ溝1A〜1Dにそれぞれ、光ファイバ32A〜32Dが挿入され、図2に示すように光ファイバ32A〜32Dはそれぞれファイバ溝1の一方の側壁に形成された押圧ばね2により、ファイバ溝1の他方の側壁に押し当てられると共に、中心部1cの近くの突き当て突部3に各光ファイバ端面が突き当てられて基体31に対して光ファイバ32A〜32Dが位置決めされる。各光ファイバ32A〜32Dの端面は例えば6°に斜面研磨されたコリメーションファイバが用いられた例である。
An embodiment in which the present invention is applied to an optical switch will be described with reference to the drawings. As shown in a plan view in FIG. 1 and a cross section thereof in FIG. 11, a
図1に示すように基体31の上面31u側における十字状ファイバ溝1により4分割された1つの領域が駆動体形成部10とされ、駆動体形成部10はこれを2分するように中心部1cと連通したロッド溝33が形成され、ロッド溝33に可動ロッド7が配され、可動ロッド7の中心部1c側の一端にミラー4が保持され、可動ロッド7の両側の各2個所に連結された板ばねヒンジ6A〜6Dにより、可動ロッド7がその延長方向に移動自在に駆動体形成部10に支持される。ヒンジ6A,6Cと6B,6Dとの間において、櫛歯型静電アクチュエータが設けられ、その可動櫛歯電極5が可動ロッド7の両側に固定され、可動櫛歯電極5のヒンジ6C,6D側とヒンジ6A,6B側とに第1、第2固定櫛歯電極8,9が駆動体形成部10に固定されている。可動櫛歯電極5と第1、第2固定櫛歯電極8,9との櫛歯の関係を図3に拡大して示す。
As shown in FIG. 1, one region divided into four by the
この実施形態ではミラー4の両側面、つまりミラー面4Mは板状基体31の板面、つまり上面31uと垂直であり、かつ単結晶シリコンの結晶面(100)とされている。この光デバイス中のミラー面4Mと平行または直交して上面31uと垂直な露出面はシリコンの結晶面(100)であるが、それら以外の垂直な面は(100)面ではない。板状基体31の上面31uは(100)面である。
In this embodiment, both side surfaces of the
また板ばねヒンジ6A,6Bと6C,6Dは駆動体形成部10に形成されたヒンジ用凹部14aと14b内に配されている。ミラー4以外の構造物、つまり可動櫛歯電極5、可動ロッド7、ヒンジ6A〜6D、第1、第2固定櫛歯電極8、9の面はすべて基体板面(上面31u)と垂直な側壁面または上面31uと平行な面で構成されている。光デバイス作製直後の初期状態で、ヒンジ用凹部14a,14bの各板ばねヒンジ6A〜6Dの板面と対向する壁面はそれぞれその対向ヒンジ6A,6Bまた6C,6Dと平行であることがよく、これらの第2、第1固定櫛歯電極9,8側とヒンジとの間隔をD1,D2、その反対側とヒンジとの間隔をD3,D4とするとD1=D2=D3=D4とすればよい。また板ばねヒンジ6A〜6Dの断面形状は、その両側面がわずか、例えばθ1=0.5°程度傾斜したテーパ面とされ、その表面6s側より内面に近づくに従って、漸次幅が狭くなるようにされていることが好ましい。例えば図4Aに示すように下の底辺に対し上辺が広い台形状あるいは図4Bに示すようにくさび形三角形状とするとよい。
The leaf spring hinges 6A, 6B and 6C, 6D are disposed in
この光デバイスの作製直後の初期形状(第1安定状態)においては、ミラー4は中心部1cに挿入されている。この時、光ファイバ32Aから出射された光はミラー4によって反射され光ファイバ32Bに入射される。光ファイバ32Dから出射された光は光ファイバ32Cへ反射入射される。可動ロッド7、可動櫛歯電極5と板ばねヒンジ6A〜6Dを介して電気的につながれている駆動体形成部10、第2固定櫛歯電極9をそれぞれアースした状態で第1固定櫛歯電極8に電圧を印加すれば、第1固定櫛歯電極8と可動櫛歯電極5との間に静電吸引力が働き、その力が第1安定状態の保持力よりも大きい場合、板ばねヒンジ6A〜6Dは第2安定状態へと反転し、その電圧の印加を絶ってもその状態で自己保持される。この時、図5に示すようにミラー4は中心部1cから退避した状態となり、光ファイバ32A,32Dからの各出射光は光ファイバ32C,32Bにそれぞれ入射される。駆動体形成部10、第1固定櫛歯電極8をアースした状態で第2固定櫛歯電極9に電圧を印加すれば、第2固定櫛歯電極9と可動櫛歯電極5との間に静電吸引力が作用し、その力が第2安定状態よりも大きい場合には再び第1安定状態へと戻る。なお、第1又は第2固定櫛歯電極8又は9と可動電極5との間にそれぞれ電圧を印加するには、例えば第1、第2固定櫛歯電極8、9にそれぞれボンディングワイヤを接続しておき、これらボンディングワイヤと駆動体形成部101との間に電圧を印加すればよい。
In the initial shape (first stable state) immediately after the production of the optical device, the
この光デバイスにおいて、ミラー4以外の可動部はミラー駆動方向と平行な中心線(可動ロッド7の中心線)に関して線対称な構造を有し、尚且つ、4本の板ばねヒンジ6A,6B,6C,6Dによる可動ロッド7の支持点A,B,C,D(すなわち、ヒンジ反力作用点)は可動櫛歯電極5と可動ロッド7との連結部(すなわち、駆動力作用点S)に関して対象な位置に配置されている。更に、前記駆動力作用点Sは可動部の重心にほぼ一致するように設計されている。このような構造をとることにより、例え、アクチュエータの駆動力が前記可動部を駆動すべき所望の方向とは異なるベクトル成分を含有している場合においても、前記駆動力の不要ベクトル成分に対し前記4本の板ばねヒンジ6A,6B,6C,6Dから均等に反力が作用するため、前記可動部の所望の駆動方向以外への動きを効果的に抑制することができる。
In this optical device, the movable parts other than the
また、衝撃力等の外乱が作用した場合においても、1)可動部の重心に関し対称な位置に4本の板ばねヒンジ6A,6B,6C,6Dが設けられていること、2)重い構造体である可動櫛歯電極5を4本の板ばねヒンジ6A,6B,6C,6Dが均等に支持していること、以上2点の構造的特徴により可動部の不必要な動きを効果的に抑制することができる。
また板ばねヒンジ6A〜6Dの両側面がわずかに傾斜したテーパ面とされ、幅が内側程、狭くなる形状とされているため、同等なばね定数を得るためのヒンジ6A〜6Dの表面側の幅を、断面が長方形とする場合よりも広くすることができ、それだけフォトリソグラフィが容易になり、作製誤差にも強くなる。
Even when a disturbance such as an impact force is applied, 1) the four leaf spring hinges 6A, 6B, 6C, 6D are provided at symmetrical positions with respect to the center of gravity of the movable part, and 2) a heavy structure. The four leaf spring hinges 6A, 6B, 6C, 6D are uniformly supported by the
Further, since both side surfaces of the leaf spring hinges 6A to 6D are tapered surfaces that are slightly inclined and the width becomes narrower toward the inner side, the surface side of the
つまり板ばねヒンジ6A〜6Dの機械的剛性はヒンジ厚さの3乗に比例するため、ヒンジ6A〜6Dの厚さは可動部の動特性に大きな影響を及ぼす。よって適切なスイッチング電圧が得られるためには、ヒンジ6A〜6Dの厚さは例えば1μm程度と非常に薄い形状に加工する必要があり、極めて高い製作精度が要求される。しかしそのような寸法領域で最終仕上り形状精度を十分に達成することは難しい。
That is, since the mechanical rigidity of the leaf spring hinges 6A to 6D is proportional to the cube of the hinge thickness, the thickness of the
ばねヒンジ6の断面形状を図6に示すようにその側面テーパの傾斜θ1を一定値(例えば0.5°)として、表面6s側の幅W1を各種の値とした台形ないし三角状断面ばねヒンジ6と、その幅及び高さとそれぞれ同一とした場合の長方形断面のばねヒンジについて、ばね定数とヒンジ幅W1との関係を図7に、ヒンジ幅誤差とばね定数との関係を図8にそれぞれ示す。図7から同一ばね定数の場合、台形、三角形状断面は長方形断面より0.6μm以上幅W1を広くすることができることがわかる。また図8からヒンジ幅W1の誤差が大きくなるに従って、ばね定数が変化する割合が長方形断面より、台形、三角形断面の方が小さく、それだけ、同一ばね誤差に対し、大きい設計誤差が許されることが理解される。
As shown in FIG. 6, the cross-sectional shape of the
光デバイスの作製時におけるウエットエッチング後の乾燥工程で、液体の表面張力により可動部分が固定部に従い寄せられ、乾燥後においてもそのまま固着したままとなる不具合が生じ易い。これを防止するため、減圧下で昇華する液体で置換した後、低温にして固定させ、減圧下で昇華させる方法や、二酸化炭素(CO2 )で置換し、液相から気相への状態変化を伴わない高温高圧下で行う超臨界乾燥法あるいは単純に表面張力の小さい液体で置換した後、乾燥するといった方法などがある。これらのなかで、表面張力の小さい液体から乾燥する方法が簡便であるが、確実性に欠ける難点がある。 In the drying process after wet etching at the time of manufacturing the optical device, the movable part tends to follow the fixed part due to the surface tension of the liquid, and a defect that remains fixed even after drying is likely to occur. In order to prevent this, after substituting with a liquid that sublimes under reduced pressure, fix at a low temperature and sublimate under reduced pressure, or by substituting with carbon dioxide (CO 2 ) to change the state from the liquid phase to the gas phase There are a supercritical drying method performed under a high temperature and a high pressure without accompanying, or a method of simply replacing with a liquid having a low surface tension and then drying. Among these, a method of drying from a liquid having a small surface tension is simple, but there is a difficulty in lacking certainty.
またこのような問題が生じないように、吸着し難い程度に機械的剛性を大きくすることが考えられる。しかし、板ばねヒンジ6A〜6Bは駆動電圧との関係から剛性を増すことができず、吸着が起こり易い。これは以下の理由に基づくものと分かった。可動部の位置が、第1安定状態と、第2安定状態とをとることができるように、板ばねヒンジ6A〜6Dとして屈曲されたものが用いられている。従って図9Aに示すようにヒンジ用凹部14を長方形にすると板ばねヒンジ6の板面と、これと対向するヒンジ用凹部14の壁面との間隔が大きい部分や小さい部分が生じ、乾燥工程で液体の蒸発のタイミングにずれが生じ、狭部分の液体15の蒸発が遅れ、その残った液体15によりヒンジ6が凹部14の壁面に引き寄せられる。
In order not to cause such a problem, it is conceivable to increase the mechanical rigidity to such an extent that it is difficult to adsorb. However, the leaf spring hinges 6 </ b> A to 6 </ b> B cannot increase in rigidity because of the relationship with the drive voltage, and are easily attracted. This was found to be based on the following reasons. Bent spring hinges 6A to 6D are used so that the position of the movable portion can be in the first stable state and the second stable state. Accordingly, as shown in FIG. 9A, when the
しかし図1に示した例のようにヒンジ6A〜6Dの周りの空間形状、つまりヒンジ板面と凹部壁面との間隔を均一とすることにより、図9Bに示すように蒸発遅れした液体15がヒンジの両側で同一量となり、ヒンジが吸着されたままになるおそれがない。簡便な液体からの直接乾燥を確実に行うことができる。
However, as in the example shown in FIG. 1, the
次に図1〜3に示した光デバイスを作製する方法の例を図10を参照して説明する。図10は各工程における図1中11A−11A線断面を示す。
図10Aに示すように中間絶縁層41を介して2枚のシリコン単結晶層42,43が接合された板状基体、いわゆるSOI基板31を用意する。例えばシリコン単結晶層42として厚さ350μmの単結晶シリコン基板を用い、そのシリコン基板42上に厚さ3μmのシリコン酸化膜41が中間絶縁層として形成され、更にその上にシリコン単結晶層43として単結晶のシリコンデバイス層43が形成されて基体31とされる。
Next, an example of a method for manufacturing the optical device shown in FIGS. 1 to 3 will be described with reference to FIGS. FIG. 10 shows a cross section taken along
As shown in FIG. 10A, a plate-like substrate, that is, a so-called
その基体31上、つまりシリコンデバイス層43上にマスク材層44を形成する。マスク材層44としては例えばシリコン酸化膜が用いられる。
ミラー4、ヒンジ6A〜6B、可動ロッド7、可動櫛歯電極5、第1、第2固定櫛歯電極8,9上と、ファイバ溝1、ロッド溝33及び板ばねヒンジ6A〜6Bの屈曲動作に影響を与えない空間部分(ヒンジ用凹部14)を除く基体31上、つまりミラー面と、ミラー面以外の基板板面に垂直な側壁面とを規定するパターン、この実施例では図1に示す形状パターンに、例えばフォトリソグラフィ技術を用いてマスク材層44をパターニングして図10Bに示すようにマスク45を作成する。この場合ミラー4のミラー面と、その他の基板板面に垂直な側壁面がシリコン単結晶の(100)面となるようにパターニングする。従ってシリコンデバイス層43の上面がシリコン単結晶の(100)面であるSOI基板31を用いる。
A
Bending operation of the
次に例えばICP(Inductively Coupled Plasma)によるドライエッチングにより、マスク45をマスクとしてシリコンデバイス層43を、図10Cに示すように中間絶縁層41が露出するまで、板状基板31の板面に対し、ほぼ垂直にエッチングする。これによりファイバ溝1、ロッド溝33、ヒンジ用凹部14、各櫛歯電極の櫛歯などが形成される。
Next, for example, by dry etching using ICP (Inductively Coupled Plasma), the
このエッチングにより形成された側壁を含むシリコンデバイス層43の表面を洗浄した後、シリコン結晶方位に対してエッチングレートが異方性を示すエッチングレートが常温で小さい、例えば0.03μm/min溶液、例えば水酸化カリウム(KOH)の8mol/リットル(8規定)の溶液に、常温で10分程度浸してシリコンデバイス層43のエッチングにより形成された側壁をわずかウエットエッチングする。このエッチング液としてはエチレンジアミンピロカテコール(EDP)水溶液、4メチル水酸化アンモニウム(TMAH)水溶液などでもよく、いずれもエッチングレートが常温で0.01μm/minのオーダのものを用いるのが好適である。
After cleaning the surface of the
その後中間絶縁層41に対して選択的なエッチング液、例えば弗素酸(HF)の50%溶液(又は弗化水素酸と弗化アンモニウムの混合液)に浸して中間絶縁層41に対しエッチングを行う。このエッチング時間は、ミラー4、可動櫛歯電極5、ヒンジ6A〜6D、可動ロッド7などの可動部と対応する部分の中間絶縁層41は完全に除去されるが、第1、第2固定櫛歯電極8,9の櫛歯以外の部分などの基体31に固定されているべき部分の中間絶縁層41は周縁のわずかな部分が除去されるのみとする。このエッチング処理により、前記可動部は板ばねヒンジ6A〜6Dにより、移動自在に基体31に支持される。またこの例では中間絶縁層41とマスク材層44は同一材とし、マスク45も同時に除去している。
Thereafter, the intermediate insulating
このエッチング処理後の、図1中の11A−11A線断面、11B−11B線断面、11C−11C線断面をそれぞれ図11A、図11B、図11Cに図1、図10と対応する部分に同一参照番号を付けて示す。
前述したシリコンデバイス層43のエッチング側壁に対するわずかな時間の異方性ウエットエッチングは、中間絶縁層41に対するエッチング、つまり可動部を可動状態にするためのエッチングの後に行ってもよい。
これら両エッチングはいずれもウエットエッチングであり、この両エッチング処理の間に、乾燥工程を介在させることなくエッチング液の置換によって連続して行うことができる。
After this etching process, the same reference is made to the cross section taken along
The anisotropic wet etching for a short time with respect to the etching side wall of the
Both of these etchings are wet etching, and can be continuously performed by replacing the etching solution without interposing a drying step between the both etching processes.
前記シリコンデバイス層43に対する深彫りドライエッチングを行った状態ではそのエッチング側壁面は、シリコン結晶方位によらない無秩序な方向(高次の面方位)を向いた凸部の集合とみなせる荒れた面になっている。しかし水酸化カリウムのようなシリコンの結晶方位に対しエッチングレートが異方性を示すエッチング液によるエッチングにより、エッチングレートの速い高次の面が素早くエッチングされる。ミラー4の両側面はシリコン結晶の(100)面とされているため、結晶方位による異方性エッチングによりミラー面はシリコン結晶の(100)方向の凹凸が10nmオーダ以下の平滑な面となる。このミラー4の平滑とした両側面に高反射率の金属、例えばAu/Pt/Ti多層膜をスパッタによりコーティングして、ミラー本体を形成する。
In the state in which the deep dry etching is performed on the
単結晶シリコンに対する異方性ウエットエッチング加工では通常は、KOHの溶液を70℃程度で使用するが、この場合はエッチングレートが前述した小さいエッチングレートより2桁近く大きい1μm/min程度のオーダとなっており、厚さが2μmの可動ミラー4を加工するとエッチング時間がごく短時間になり、この時間を極めて精度よく制御しないとミラー部分が溶解してしまう、よって実質的には加工制御が困難であるが、この発明では小さいエッチングレートで行うため比較的容易に行うことができる。このエッチングレートは常温で0.01μm/minのオーダが好ましい値であるが、必ずしもこの値に限るものでない。先に述べたようにエッチングレートが1.0μm/minオーダではエッチング制御が現実的に困難になるためであるから、エッチング制御を比較的容易に行うことができるエッチングレート、例えば常温で0.05μm/min程度、場合によっては0.1〜0.2μm/min程度のエッチングレートでもよく、あまり遅いとこのウェットエッチング時間が長くなり過ぎて、工業的でないから、生産性をそれ程害しない程度、例えば常温で0.001〜0.005μm/min程度のエッチングレートでもよい。
In an anisotropic wet etching process for single crystal silicon, a KOH solution is usually used at about 70 ° C. In this case, the etching rate is on the order of about 1 μm / min, which is almost two orders of magnitude higher than the small etching rate described above. If the
前述した板ばねヒンジ6A〜6Dの両側面をテーパ面とすることは、深彫りドライエッチングの際に表面側より、中間絶縁層41側の方がヒンジの厚さ(断面の幅)が薄くなるように、側壁角度を基体表面に対し垂直からわずかずらして、エッチング条件を調整してエッチングを行えばよい。この場合ミラー4のミラー面、つまり結晶面(100)も基体表面(基板板面)に対し、厳密な意味では垂直からわずかずれるが、このずれが0.5°程度であれば、光学性能への影響は極めて小さい。この明細書ではこのようなかすかなずれを含めて深い反応性イオンのドライエッチングに形成された側壁面が、基体表面(基板板面)に対して垂直であるという。
The two side surfaces of the leaf spring hinges 6A to 6D described above are tapered surfaces because the hinge thickness (cross-sectional width) is smaller on the side of the intermediate insulating
深彫りドライエッチングにより形成された側壁面に対する異方性ウエットエッチングは可動部の動特性に大きな影響を与える板ばねヒンジ6A〜6Dの厚さの微調整にも利用できる。
上述ではエッチングレートが遅い面として(100)面を利用し、ミラーのミラー面をシリコン単結晶の(100)面としたが、シリコンデバイス層43の上面が(110)面のSOI基板31を用い、ミラーのミラー面を(111)面としても、異方性ウェットエッチングにより平滑なミラー面とすることができる。これらの面のどちらかといえば(100)面の方が好ましい。
The anisotropic wet etching for the side wall surface formed by deep carving dry etching can also be used for fine adjustment of the thickness of the leaf spring hinges 6A to 6D, which greatly affects the dynamic characteristics of the movable part.
In the above description, the (100) plane is used as the slow etching rate plane, and the mirror plane of the mirror is the (100) plane of silicon single crystal. However, the
上述ではミラー4以外の複雑な構造物はミラー駆動部の場合にこの発明を適用したが、これに限られるものではなく、深彫りドライエッチングによりミラーおよびミラー以外の構造物を形成する微小光デバイスであって、ミラー面がシリコン単結晶の(100)面又は(111)面であり、かつ基板板面と垂直であり、またそのミラーとミラー以外の構造物のなす面は基板板面に垂直な側壁面又は基板板面に平行な面で構成されている微小光デバイスにも、従ってミラーが固定のもの、構造物に可動部を含まないものにも、この発明を適用することができる。以下にその例を述べる。
In the above description, the present invention is applied to a complicated structure other than the
・可動デバイスとして、
可変光減衰器(VOA,Variable Optic Attenuator)・・・光スイッチとほぼ同一構成であるが、板ばねヒンジに双安定動作の機能がなく、ミラーを二値的移動制御する替りに、駆動印加電圧に応じてミラーを連続的に変位させる。
共振器型可変光フィルタ・・・2枚のミラーを向かい合わせて共振器を構成し、その少なくとも一方を可変としてミラー相互の間隔を可変とし、共振器の透過波長特性を変更させる。
・ As a movable device,
Variable optical attenuator (VOA, Variable Optic Attenuator): It has almost the same configuration as an optical switch, but the leaf spring hinge does not have the function of bistable operation, and instead of controlling the binary movement of the mirror, the drive applied voltage The mirror is continuously displaced in response to.
Resonator-type variable optical filter: A resonator is formed by two mirrors facing each other, and at least one of them is made variable to change the distance between the mirrors, thereby changing the transmission wavelength characteristics of the resonator.
・静止デバイスとして、
ミラーとともに、光ファイバ、半導体レーザ素子、受光素子、板状の光フィルタ素子を搭載してなる送受信用の光モジュール。これらの各種素子を搭載するための溝や座繰り等の構造を深い反応性イオンによるドライエッチングにより形成する。光ファイバや板状の光フィルタ素子などを位置決めする押圧バネ(例えば図2中の押圧ばね2)による押圧機構を備える微小光学デバイス。
結晶方位によらない異方性深彫りドライエッチングは、前記ICPのみならず、反応性イオンエッチング(RIE)などを用いてもよい。
・ As a stationary device,
An optical module for transmission / reception, in which an optical fiber, a semiconductor laser element, a light receiving element, and a plate-like optical filter element are mounted together with a mirror. Structures such as grooves and countersinks for mounting these various elements are formed by dry etching using deep reactive ions. A micro optical device provided with a pressing mechanism by a pressing spring (for example, pressing
The anisotropic deep etching dry etching independent of the crystal orientation may use not only the ICP but also reactive ion etching (RIE).
Claims (1)
上方部と下方部の2枚のシリコン単結晶層とこれにより挟まれた絶縁中間層とでなるSOI基板の上記上方部上面にマスク層を形成し、
上記上方部の単結晶の基板板面に垂直な(100)面または(111)面のいずれかに一致するミラー面と、それ以外の基板板面に垂直な側壁面とを規定するパターンを、フォトリソグラフィによりマスク層にパターニングしてマスクを形成し、
上記マスクによりマスクされていない上記上方部を上記絶縁中間層が露出するまでガス反応性のドライエッチングによって除去し、
上方部の上記ドライエッチングによって露出された側壁の表面のうちの(100)面または(111)面に一致する面を、シリコンに対する異方性ウェットエッチング溶液によって平滑化し、
上記平滑化された(100)面または(111)面に一致する面のうちのミラー面とする面に高反射率を有する金属を被覆することを特徴とする微小光デバイスの作製方法。 A method for producing a micro optical device comprising a mirror and a structure other than a mirror on a single crystal silicon substrate,
Forming a mask layer on the upper surface of the upper portion of the SOI substrate composed of the upper and lower silicon single crystal layers and the insulating intermediate layer sandwiched therebetween;
A pattern defining a mirror surface that coincides with either the (100) plane or the (111) plane perpendicular to the upper single crystal substrate plate surface, and a sidewall surface perpendicular to the other substrate plate surface, Pattern the mask layer by photolithography to form a mask,
Removing the upper part not masked by the mask by gas reactive dry etching until the insulating intermediate layer is exposed;
The surface corresponding to the (100) plane or the (111) plane of the surface of the side wall exposed by the dry etching in the upper part is smoothed by an anisotropic wet etching solution for silicon,
A method for manufacturing a micro-optical device, wherein a surface to be a mirror surface out of the smoothed (100) surface or (111) surface is coated with a metal having a high reflectance.
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