JP2019152687A - 可動回折格子、外部共振器型レーザモジュール、可動回折格子の製造方法 - Google Patents

Abstract

【課題】入射した光を精度良く回折及び反射することができる可動回折格子、そのような可動回折格子を備える外部共振器型レーザモジュール、及び、そのような可動回折格子の製造方法を提供する。【解決手段】可動回折格子１０は、支持部１１と、第１表面１３ａを有し、支持部１１に揺動可能に連結された可動部１３と、第１表面１３ａに沿うように第１表面１３ａ上に設けられ、回折格子パターン３５が形成された樹脂層１７と、回折格子パターン３５に沿うように樹脂層１７上に設けられ、金属により形成された反射層１８と、可動部１３に応力を生じさせる応力調整部１９と、を備える。第１表面１３ａは、当該応力によって凹状に湾曲させられている。【選択図】図３

Description

本発明は、例えばＭＥＭＳ（Micro Electro Mechanical Systems）デバイスとして構成される可動回折格子、当該可動回折格子を備える外部共振器型レーザモジュール、及び、当該可動回折格子の製造方法に関する。

ＭＥＭＳデバイスとして、支持部と、支持部に揺動可能に連結された可動部と、可動部上に設けられ、回折格子パターンが形成された金属膜と、を備える可動回折格子が知られている（例えば特許文献１参照）。このような可動回折格子では、例えば可動部がその共振周波数レベルで高速に揺動させられる。

特許第５３５１７２９号公報

上述したような可動回折格子において、回折格子パターンの設計の自由度を向上するために、可動部上に樹脂層を設け、当該樹脂層に回折格子パターンを形成することが考えられる。しかしながら、そのような構成においては、入射した光を精度良く回折及び反射することができない場合がある。

そこで、本発明は、入射した光を精度良く回折及び反射することができる可動回折格子、そのような可動回折格子を備える外部共振器型レーザモジュール、及び、そのような可動回折格子の製造方法を提供することを目的とする。

本発明の可動回折格子は、支持部と、第１表面を有し、前記支持部に揺動可能に連結された可動部と、前記第１表面に沿うように前記第１表面上に設けられ、回折格子パターンが形成された樹脂層と、前記回折格子パターンに沿うように前記樹脂層上に設けられ、金属により形成された反射層と、前記可動部に応力を生じさせる応力調整部と、を備え、前記第１表面は、前記応力によって凹状に湾曲させられている。

可動部上に樹脂層が設けられる場合、樹脂層自体に生じる応力及び下地層の影響等により、樹脂層が様々に湾曲した形状となる場合がある。この場合、樹脂層上の反射層も湾曲した形状となるが、入射した光を精度良く回折及び反射することができず、例えばそのような可動回折格子が外部共振器型レーザモジュールの外部共振器として用いられた場合、回折効率が低下するおそれがある。これに対し、この可動回折格子では、可動部に応力を生じさせる応力調整部が設けられており、当該応力によって第１表面が凹状に湾曲させられている。これにより、第１表面に沿って設けられた樹脂層を確実に凹状に湾曲した形状とすることができる。その結果、入射した光を精度良く回折及び反射することができ、例えばこの可動回折格子が外部共振器型レーザモジュールの外部共振器として用いられた場合に、回折効率の低下を抑制することが可能となる。

本発明の可動回折格子では、応力調整部は、第１表面と対向する第２表面上に層状に設けられていてもよい。この場合、より好適に可動部に応力を生じさせることができる。

本発明の可動回折格子では、応力調整部は、第１表面と対向する第２表面上に設けられた第１層と、第１層上に設けられた第２層と、を有していてもよい。この場合、より一層好適に可動部に応力を生じさせることができる。

本発明の可動回折格子では、第１層及び第２層のそれぞれは、酸化膜であってもよい。この場合、第１層上に第２層を均一に形成することができる。

本発明の可動回折格子では、第１層が可動部に生じさせる単位厚さ当たりの応力は、第２層が可動部に生じさせる単位厚さ当たりの応力よりも大きくてもよい。この場合、第１層上に第２層を形成することにより、可動部に生じさせる応力の大きさを容易に且つ確実に調整することができ、その結果、第１表面を容易に且つ確実に所望の凹状に湾曲させることができる。

本発明の可動回折格子では、回折格子パターンは、可動部が揺動する中心線に平行な方向に沿って延在する複数の溝を有するブレーズドグレーティングパターンであってもよい。このように構成された可動回折格子は、より好適に外部共振器型レーザモジュールに用いることができる。

本発明の可動回折格子は、中心線に沿って延在し、支持部と可動部とを互いに連結するトーションバーを更に備えてもよい。このように構成された可動回折格子は、より一層好適に外部共振器型レーザモジュールに用いることができる。

本発明の可動回折格子では、第１表面は、可動部が揺動する中心線と直交する第１断面において、凹状に湾曲させられていてもよい。このように構成された可動回折格子は、より一層好適に外部共振器型レーザモジュールに用いることができる。

本発明の可動回折格子では、第１表面は、第１断面と直交する第２断面において、凹状に湾曲させられていてもよい。このように構成された可動回折格子は、より一層好適に外部共振器型レーザモジュールに用いることができる。

本発明の可動回折格子では、可動部は、第１表面と直交する方向から見た場合に、円形状を呈していてもよい。この場合、第１表面を容易に且つ確実に所望の凹状に湾曲させることができる。

本発明の可動回折格子では、第１表面と対向する第２表面は、応力調整部が生じさせる応力によって凸状に湾曲させられていてもよい。この場合、第１表面を容易に且つ確実に所望の凹状に湾曲させることができる。

本発明の外部共振器型レーザモジュールは、上述した可動回折格子と、レーザ素子と、を備え、可動回折格子は、レーザ素子により発振された光を回折及び反射させることにより、光のうち特定波長の光をレーザ素子に帰還させる。この外部共振器型レーザモジュールでは、可動回折格子が外部共振器として機能することにより、特定波長の光を増幅させて外部に出力することができる。更に、可動回折格子の可動部を揺動させて格子面の向きを変化させることにより、出力光の波長を高速に変化させることができる。そのため、例えば気体の濃度の分析用の光源としてこの外部共振器型レーザモジュールを用いることにより、１つの光源で様々な種類の気体の分析を行うことが可能となると共に、分析にかかる時間を短縮することが可能となる。

本発明の可動回折格子の製造方法は、上述した可動回折格子の製造方法であって、支持部及び可動部に対応する部分を含む基板を用意し、樹脂層及び反射層を形成する第１ステップと、第１ステップの後に、応力調整部を形成して可動部に応力を生じさせることにより、第１表面を凹状に湾曲させる第２ステップと、を備える。この可動回折格子の製造方法では、樹脂層及び反射層を形成した後に、応力調整部を形成して第１表面を凹状に湾曲させるため、第１表面を確実に所望の湾曲させることができる。

本発明の可動回折格子の製造方法においては、第２ステップでは、スパッタリングにより、応力調整部の少なくとも一部を形成してもよい。この場合、高密度な応力調整部を形成することができ、より好適に可動部に応力を生じさせることができる。更に、スパッタリングは低い温度で行なうことができるため、応力調整部の形成が樹脂層に与える影響を低減することができる。

本発明の可動回折格子の製造方法では、基板は、半導体層及び絶縁層を有し、第２ステップでは、絶縁層の一部が残るように絶縁層の残部をエッチングによって除去することにより、応力調整部の少なくとも一部を形成してもよい。この場合、基板が有する絶縁層の一部を残すことにより、応力調整部を形成することができる。

本発明の可動回折格子の製造方法では、第２ステップでは、絶縁層をエッチングストップ層として半導体層をエッチングしてもよい。この場合、絶縁層をエッチングストップ層として機能させることにより、半導体層を好適にエッチングすることができる。更に、エッチングストップ層として機能する絶縁層の一部を残すことにより、応力調整部を形成することができる。

本発明によれば、入射した光を精度良く回折及び反射することができる可動回折格子、そのような可動回折格子を備える外部共振器型レーザモジュール、及び、そのような可動回折格子の製造方法を提供することができる。

実施形態に係る外部共振器型レーザモジュールの構成図である。 図１に示される可動回折格子の回路構成図である。 図２のIII−III線に沿っての断面図である。 回折格子パターンを示す図である。 実施例及び各比較例における第１表面の形状を示すグラフである。 図２の可動回折格子の製造方法を説明する図である。 図２の可動回折格子の製造方法を説明する図である。 図２の可動回折格子の製造方法を説明する図である。 （ａ）及び（ｂ）は、図２の可動回折格子の製造方法を説明する図である。 （ａ）及び（ｂ）は、図２の可動回折格子の製造方法を説明する図である。 （ａ）及び（ｂ）は、図２の可動回折格子の製造方法を説明する図である。 （ａ）及び（ｂ）は、図２の可動回折格子の製造方法を説明する図である。

以下、本発明の一実施形態について、図面を参照しつつ詳細に説明する。なお、以下の説明において、同一又は相当要素には同一符号を用い、重複する説明を省略する。
［外部共振器型レーザモジュールの構成］

図１に示されるように、外部共振器型レーザモジュール１は、量子カスケードレーザ素子２、反射低減膜３、レンズ４、レンズ５及び可動回折格子１０を備えている。

量子カスケードレーザ素子２は、互いに対向する第１端面２ａ及び第２端面２ｂを有し、中赤外領域の広帯域（例えば、４μｍ以上１６μｍ以下）の光を第１端面２ａ及び第２端面２ｂのそれぞれから出射する。量子カスケードレーザ素子２は、中心波長が互いに異なる複数の活性層がスタック状に積層された構造を有しており、上記のような広帯域の光を出射することができる。量子カスケードレーザ素子２は、単一の活性層からなる構造を有していてもよく、この場合でも上記のような広帯域の光を出射することができる。

第１端面２ａには、第１端面２ａの反射率を低減する反射低減膜３が設けられており、第１端面２ａは、量子カスケードレーザ素子２内を進行して第１端面２ａに入射した光を透過させる。第２端面２ｂは、量子カスケードレーザ素子２内を進行して第２端面２ｂに入射した光の一部を反射し、残部を透過させる。本実施形態では第２端面２ｂは外部に露出しているが、第２端面２ｂには、第２端面２ｂの反射率を低減する反射低減膜が設けられていてもよい。

レンズ４は、第１端面２ａから出射される光をコリメートする。レンズ５は、第２端面２ｂから出射される光をコリメートする。レンズ５によりコリメートされた光は、出力光として外部共振器型レーザモジュール１の外部に出力される。

可動回折格子１０には、レンズ４によりコリメートされた光が入射される。可動回折格子１０は、この入射光を回折及び反射させることにより、当該入射光のうち特定波長の光を量子カスケードレーザ素子２の第１端面２ａに帰還させる。すなわち、可動回折格子１０及び第２端面２ｂは、リトロー型の外部共振器を構成している。これにより、外部共振器型レーザモジュール１は、特定波長の光を増幅させて外部に出力することができる。

更に、可動回折格子１０では、後述するように、格子面の向きを高速に変化させることができる。これにより、可動回折格子１０から量子カスケードレーザ素子２の第１端面２ａに帰還する光の波長が可変となっており、ひいては外部共振器型レーザモジュール１の出力光の波長が可変となっている。このような外部共振器型レーザモジュール１は、例えば、中赤外領域の波長の光の吸収に基づく各種の気体の濃度の分析に用いられる。
［可動回折格子の構成］

図２及び図３を参照しつつ、可動回折格子１０について更に説明する。可動回折格子１０は、支持部１１、一対のトーションバー１２、可動部１３、コイル１４、磁界発生部１５、絶縁層１６、樹脂層１７、反射層１８及び応力調整部１９を備えている。可動回折格子１０は、中心線Ｘ周りに可動部１３を揺動させるＭＥＭＳデバイスとして構成されている。図２及び図３では、可動部１３、絶縁層１６、樹脂層１７、反射層１８及び応力調整部１９が模式的に平坦に表されているが、後述するように、実際には、これらの部材は凹状に湾曲している。

支持部１１は、平面視において（可動部１３の第１表面１３ａと直交する方向から見た場合に）矩形状を呈する平板状の枠体である。支持部１１は、一対のトーションバー１２を介して可動部１３等を支持している。一対のトーションバー１２は、中心線Ｘ上における可動部１３の両側にそれぞれ配置されている。各トーションバー１２は、中心線Ｘに沿って延在しており、可動部１３が中心線Ｘ周りに揺動可能となるように、支持部１１と可動部１３とを互いに連結している。

可動部１３は、平面視において円形状を呈する板状の部材であり、支持部１１の内側に位置している。可動部１３は、互いに対向する第１表面１３ａ及び第２表面１３ｂを有している。可動部１３は、上述したように、トーションバー１２を介して支持部１１に揺動可能に連結されている。支持部１１、トーションバー１２及び可動部１３は、１つの基板５０に作り込まれることにより、一体に形成されている。

基板５０は、半導体層５１，５２と、半導体層５１，５２の間に介在する絶縁層５３と、を有している。基板５０は、例えばＳＯＩ基板である。この場合、半導体層５１，５２はシリコン（Ｓｉ）からなり、絶縁層５３はシリコン酸化膜（ＳｉＯ_２）からなる。絶縁層５３は、例えば、シリコンの熱酸化により形成されたシリコン酸化膜である。半導体層５１の厚さは、例えば６０μｍ程度である。半導体層５２の厚さは、例えば４００μｍ程度である。絶縁層５３の厚さは、例えば１μｍ程度である。

支持部１１は、半導体層５１，５２及び絶縁層５３により構成されている。トーションバー１２及び可動部１３のそれぞれは、半導体層５１により構成されている。トーションバー１２及び可動部１３上に位置する絶縁層５３は、後述するように、応力調整部１９の第１層４１を構成している。

コイル１４は、可動部１３の第１表面１３ａに形成された溝２１内に埋め込まれている。溝２１の内面には、例えばシリコン酸化膜からなる絶縁層２２が設けられている。コイル１４は、例えば、絶縁層２２上に銅（Ｃｕ）をメッキすることにより形成される。コイル１４は、平面視において渦巻き状に複数周回巻回されている。

コイル１４の外側端部には、配線２３の一端が電気的に接続されている。コイル１４の内側端部には、配線２４の一端が電気的に接続されている。配線２３の他端は、支持部１１に設けられた電極２６Ａと電気的に接続されている。配線２４の他端は、配線２５を介して、支持部１１に設けられた電極２６Ｂと電気的に接続されている。各電極２６Ａ，２６Ｂは、制御回路等と電気的に接続されている。

配線２３は、支持部１１、一方のトーションバー１２、及び可動部１３の表面にわたって形成された溝２７内に埋め込まれている。溝２７は、コイル１４と配線２３との接続部分において溝２１と繋がっている。配線２４は、絶縁層１６内に設けられており、コイル１４の上方を通ってコイル１４と立体的に交差している。配線２５は、支持部１１、他方のトーションバー１２、及び可動部１３の表面にわたって形成された溝２８内に埋め込まれている。配線２３，２５は、コイル１４と同様に、それぞれ、絶縁層３１，３２を介して溝２７，２８内に配置されている。

磁界発生部１５は、コイル１４に磁界を作用させる。磁界発生部１５は、例えば永久磁石等により構成されている。磁界発生部１５は、例えば樹脂製の配線基板上に永久磁石が配置されてなり、当該配線基板上に支持部１１が配置されている。一対のトーションバー１２、及び可動部１３は、当該配線基板から離間するように配置されている。磁界発生部１５は、支持部１１における中心線Ｘと平行な一対の辺部と対向する一対の部分１５ａ，１５ａを有している。磁界発生部１５における磁極の配列は、例えばハルバッハ配列である。

コイル１４及び磁界発生部１５は、可動部１３を揺動させる駆動部を構成している。可動回折格子１０では、コイル１４に電流が流れると、磁界発生部１５で生じる磁界により、コイル１４内を流れる電子に所定の方向にローレンツ力が生じる。これにより、コイル１４は所定方向に力を受ける。このため、コイル１４に流れる電流の向き又は大きさ等を制御することで、可動部１３を中心線Ｘ周りに揺動させることができる。更に、可動部１３の共振周波数に対応する周波数の電流をコイル１４に流すことで、可動部１３を共振周波数レベルで高速に揺動させることができる。

図３に示されるように、絶縁層１６は、コイル１４及び配線２３，２５を覆うように、支持部１１、一対のトーションバー１２、及び可動部１３の表面上にわたって設けられている。すなわち、絶縁層１６は、可動部１３の第１表面１３ａ上に設けられている。絶縁層１６は、例えばシリコン酸化膜である。各電極２６Ａ，２６Ｂは、支持部１１上に位置する絶縁層１６に設けられている。

絶縁層１６には、開口１６ａ〜１６ｄが設けられている。配線２３と電極２６Ａとは、開口１６ａを介して互いに電気的に接続されている。配線２４とコイル１４とは、開口１６ｂを介して互いに電気的に接続されている。配線２４と配線２５とは、開口１６ｃを介して互いに電気的に接続されている。配線２５と電極２６Ｂとは、開口１６ｄを介して互いに電気的に接続されている。

樹脂層１７は、可動部１３上に位置する絶縁層１６上に設けられている。すなわち、樹脂層１７は、絶縁層１６を介して可動部１３の第１表面１３ａ上に設けられている。樹脂層１７は、第１表面１３ａに沿うように、第１表面１３ａ上に設けられている。樹脂層１７は、例えば、平面視において可動部１３と重なる領域の全面に配置されている。樹脂層１７は、基板５０を構成する材料よりも熱伝導率が低い材料により構成されていることが好ましい。樹脂層１７を構成する材料としては、例えば、CELVENUS LU1303HA（DAICEL社製）等の紫外線硬化樹脂が挙げられる。樹脂層１７における絶縁層１６とは反対側の表面には、回折格子パターン３５が形成されている。

図４は、中心線Ｘに平行な方向から見た場合の回折格子パターン３５を示す図である。図４に示されるように、回折格子パターン３５は、例えば、鋸歯状断面のブレーズドグレーティングパターンであり、中心線Ｘに平行な方向に沿って延在する複数の溝３５ａを有している。複数の溝３５ａは、中心線Ｘと直交する方向に沿って並んでいる。

本実施形態のように可動回折格子１０がリトロー型の外部共振器として用いられる場合、入射光Ｌ１が入射する方向とは反対の方向に回折光Ｌ２が反射される。回折格子パターン３５では、格子面の法線方向Ｎに対する溝３５ａの角度であるブレーズド角θは、回折次数ｍ、入射光の波長λ、及び溝間隔ｄを用いて、下記の式（１）で表される。なお、リトロー型の場合、回折次数ｍは値１である。
ｓｉｎθ＝ｍλ／２ｄ …（１）

一例として、例えば、量子カスケードレーザ素子２の発振波長が４μｍ〜１６μｍであり、溝間隔ｄが４μｍ〜１０μｍ（すなわち、溝密度が１００本／ｍｍ〜２５０本／ｍｍ）である場合、ブレーズド角θは、２０度〜５０度である。この場合、溝深さｈは、３μｍ〜６μｍである。

図３に示されるように、反射層１８は、回折格子パターン３５を覆うように樹脂層１７上に設けられている。反射層１８は、例えば、樹脂層１７における絶縁層１６とは反対側の表面の全面に配置されている。反射層１８は、例えばチタン及び金等の金属材料により構成されている。反射層１８は、回折格子パターン３５の形状に沿って形成されており、この部分が反射型グレーティングとして機能する。

応力調整部１９は、可動部１３の第２表面１３ｂ上に層状に設けられており、可動部１３に応力（曲げ応力）を生じさせている。応力調整部１９は、第２表面１３ｂ上に設けられた第１層４１と、第１層４１上に設けられた第２層４２と、を有している。第１層４１及び第２層４２のそれぞれは、シリコン酸化膜である。第１層４１の厚さは、例えば、０．５μｍ以上２μｍ以下である。第２層４２の厚さは、例えば、０．１μｍ以上３μｍ以下である。

第１層４１は、一対のトーションバー１２、及び可動部１３上に位置する絶縁層５３により構成されている。すなわち、第１層４１は、第２表面１３ｂの全面に配置されている。第１層４１は、第２表面１３ｂ上から、各トーションバー１２の表面上にわたって延在している。第２層４２は、第１層４１の全面に配置されている。第２層４２は、平面視において一対のトーションバー１２、及び可動部１３と重なるように設けられている。
［可動部等の形状］

可動部１３の第１表面１３ａは、応力調整部１９が可動部１３に生じさせている応力によって凹状に湾曲させられている（反らされている）。第１表面１３ａは、例えば、その全体が椀状に滑らかに湾曲した形状を呈している。すなわち、第１表面１３ａは、中心線Ｘと直交する第１断面、及び第１断面と直交する第２断面の双方において、凹状に湾曲させられている。第２表面１３ｂは、応力調整部１９が可動部１３に生じさせている応力によって凸状に湾曲させられている。第２表面１３ｂは、例えば、中心線Ｘと直交する第１断面、及び第１断面と直交する第２断面の双方において、凸状に湾曲させられている。

可動部１３は、応力調整部１９が可動部１３に生じさせている応力によって、第１表面１３ａから第２表面１３ｂに向かう方向（以下、反り方向Ｄともいう）に向かって凹むように凹状に湾曲させられている。これにより、可動部１３上に設けられた絶縁層１６、樹脂層１７、反射層１８及び応力調整部１９についても同様に、反り方向Ｄに向かって凹むように凹状に湾曲している。

図５は、実施例、第１比較例及び第２比較例における第１表面１３ａの形状を示すグラフである。実施例は、上記実施形態の可動回折格子１０に対応する。実施例では、応力調整部１９の第１層４１の厚さを１μｍ又はそれよりも僅かに小さい厚さとし、第２層４２の厚さを１．５μｍとした。第１比較例では、第２層４２を設けなかった。第２比較例では、第２層４２の厚さを０．５μｍとした。第１比較例及び第２比較例のその他の構成は、実施例と同様とした。図５では、中心線Ｘと直交する第１断面における面内位置（ｍｍ）と高さ（μｍ）との関係が示されている。

図５に示されるように、第１比較例では、第１表面１３ａは凸状に湾曲していた。第１比較例では、第１表面１３ａは、第１比較例よりも平坦に近い形状となったが、中央部において凸状に湾曲していた。一方、実施例では、第１表面１３ａは凹状に湾曲していた。

第１比較例と第２比較例との比較から分かるように、応力調整部１９の第２層４２を設けることにより、第１表面１３ａが凹状に湾曲するように、可動部１３に応力を生じさせることができる。更に、実施例と第２比較例との比較から分かるように、応力調整部１９の第２層４２の厚さを増加させることにより、当該応力を増加させることができる。実施例（上記実施形態）では、第１層４１が可動部１３に生じさせる単位厚さ当たりの応力は、第２層４２が可動部１３に生じさせる単位厚さ当たりの応力よりも大きい。第１層４１が可動部１３に生じさせる応力の総量は、第２層４２が可動部１３に生じさせる応力の総量よりも大きい。

第１比較例及び第２比較例において第１表面１３ａが凸状に湾曲していたのは、次の理由による。すなわち、可動部１３、絶縁層１６、樹脂層１７及び反射層１８は互いに異なる材料により構成されており、しかも、可動部１３及び絶縁層１６には金属材料からなるコイル１４及び配線２４等が設けられているため、製造時に可動部１３に生じる応力のコントロールは困難である。また、シリコン酸化膜からなる絶縁層１６に生じる応力のコントロールも困難である。更に、樹脂層１７に生じる応力は、下地層、塗布条件及び硬化条件等により変化する。そのため、製造時に生じる応力にはばらつきが存在し、例えば樹脂層１７（第１表面１３ａ）を平坦に形成しようとしても、樹脂層１７が様々に湾曲した形状となる場合がある。
［作用及び効果］

上述したように、可動部１３上に樹脂層１７が設けられる場合、樹脂層１７自体に生じる応力及び下地層の影響等により、樹脂層１７が様々に湾曲した形状となる場合がある。この場合、樹脂層１７上の反射層１８も湾曲した形状となるが、入射した光を精度良く回折及び反射することができず、例えばそのような可動回折格子が外部共振器型レーザモジュール１の外部共振器として用いられた場合、回折効率が低下するおそれがある。これに対し、可動回折格子１０では、可動部１３に応力を生じさせる応力調整部１９が設けられており、当該応力によって第１表面１３ａが凹状に湾曲させられている。これにより、第１表面１３ａに沿って設けられた樹脂層１７を確実に凹状に湾曲した形状とすることができる。その結果、入射した光を精度良く回折及び反射することができ、例えば可動回折格子１０が外部共振器型レーザモジュール１の外部共振器として用いられた場合に、回折効率の低下を抑制することが可能となる。より詳細には、例えば樹脂層１７が凸状に湾曲している場合、反射光が広がるため、回折効率が低下する。これに対し、可動回折格子１０では、樹脂層１７が凹状に湾曲しているため、反射光が広がるのを抑制することができ、回折効率の低下を抑制することができる。更に、可動回折格子１０では、樹脂層１７が凹状に湾曲しているため、樹脂層１７の形状のばらつき（例えば曲率のばらつき）が分光特性に与える影響を低減することができる。

可動回折格子１０では、応力調整部１９が、第２表面１３ｂ上に層状に設けられている。これにより、一層好適に可動部１３に応力を生じさせることができる。

可動回折格子１０では、応力調整部１９が、第２表面１３ｂ上に設けられた第１層４１と、第１層４１上に設けられた第２層４２と、を有している。これにより、より一層好適に可動部１３に応力を生じさせることができる。

可動回折格子１０では、第１層４１及び第２層４２のそれぞれが酸化膜である。これにより、第１層４１上に第２層４２を均一に形成することができる。

可動回折格子１０では、第１層４１が可動部１３に生じさせる応力が、第２層４２が可動部１３に生じさせる応力よりも大きい。これにより、第１層４１上に第２層４２を形成することにより、可動部１３に生じさせる応力の大きさを容易に且つ確実に調整することができ、その結果、第１表面１３ａを容易に確実に所望の凹状に湾曲させることができる。

可動回折格子１０では、回折格子パターン３５が、可動部１３が揺動する中心線Ｘに平行な方向に沿って延在する複数の溝３５ａを有するブレーズドグレーティングパターンである。これにより、可動部１３を揺動させることで、可動回折格子１０から量子カスケードレーザ素子２に帰還する光の波長を可変とすることができる。

可動回折格子１０は、中心線Ｘに沿って延在し、支持部１１と可動部１３とを互いに連結するトーションバー１２を備えている。これにより、可動部１３を揺動させることで、可動回折格子１０から量子カスケードレーザ素子２に帰還する光の波長を可変とすることができる。

可動回折格子１０では、第１表面１３ａは、中心線Ｘと直交する第１断面において、凹状に湾曲させられている。これにより、反射光が広がるのを一層確実に抑制することができる。

可動回折格子１０では、第１表面１３ａは、第１断面、及び第１断面と直交する第２断面の双方において、凹状に湾曲させられている。これにより、反射光が広がるのをより一層確実に抑制することができる。

可動回折格子１０では、可動部１３が平面視において円形状を呈していてもよい。これにより、第１表面１３ａを容易に且つ確実に所望の凹状に湾曲させることができる。すなわち、可動部１３が平面視において円形状を呈している場合、第１表面１３ａを第１断面及び第２断面の双方において容易に且つ確実に凹状に湾曲させることができる。

可動回折格子１０では、第２表面１３ｂは、応力調整部１９が生じさせる応力によって凸状に湾曲させられている。これにより、第１表面１３ａを容易に且つ確実に所望の凹状に湾曲させることができる。

可動回折格子１０では、コイル１４が可動部１３に埋め込まれている。これにより、可動部１３を薄型化することができ、高速且つ大きな振れ角で可動部１３を揺動させることができる。更に、コイル１４が可動部１３に埋め込まれているため、例えばコイル１４が可動部１３上に設けられる場合と比べてコイル１４の厚さを確保することができ、コイル１４の低抵抗化を図ることもできる。コイル１４が低抵抗化されると、コイル１４での発熱が抑制されるため、コイル１４からの伝熱による反射層１８の変形を抑制することが可能となる。

可動回折格子１０では、樹脂層１７に回折格子パターン３５が形成されており、回折格子パターン３５に沿うように樹脂層１７上に反射層１８が設けられている。これにより、可動部１３と反射層１８との間に樹脂層１７が配置されているため、コイル１４から反射層１８への伝熱を抑制すると共に、可動部１３における反射層１８とは反対側の表面（第２表面１３ｂ）からの放熱を促進することができる。その結果、コイル１４からの伝熱による反射層１８の変形を一層抑制することができ、熱変形による光学的特性の低下を抑制することができる。

可動回折格子１０では、回折格子パターン３５が、中赤外領域の波長の光を回折させるブレーズドグレーティングパターンである。これにより、高い回折効率が得られる。更に、中赤外領域の波長用のブレーズドグレーティングは、中赤外領域よりも短波長用のものと比べて溝３５ａが深いため、反射層１８の変形が回折効率に与える影響を低減することができる。

可動回折格子１０では、樹脂層１７が紫外線硬化樹脂により構成されているので、例えば樹脂層１７が熱硬化樹脂により構成されている場合と比べて、コイル１４から反射層１８への伝熱を一層抑制すると共に、可動部１３における反射層１８とは反対側の表面からの放熱を一層促進することができる。更に、樹脂層１７は経年劣化し難く、耐久性に優れるため、可動回折格子１０の信頼性が高められている。

外部共振器型レーザモジュール１では、可動回折格子１０が外部共振器として機能することにより、特定波長の光を増幅させて外部に出力することができる。更に、可動回折格子１０の可動部１３を揺動させて格子面の向きを変化させることにより、出力光の波長を高速に変化させることができる。そのため、例えば気体の濃度の分析用の光源として外部共振器型レーザモジュール１を用いることにより、１つの光源で様々な種類の気体の分析を行うことが可能となると共に、分析にかかる時間を短縮することが可能となる。
［可動回折格子の製造方法］

次に、図６〜図１２を参照しつつ、可動回折格子１０の製造方法の一例を説明する。まず、図６〜図８に示されるように、支持部１１、一対のトーションバー１２、及び可動部１３に対応する部分Ｒを含むウェハ４０を用意し、絶縁層１６、樹脂層１７及び反射層１８を形成する（第１ステップ）。図６〜図８では、中心線Ｘと直交する第１断面が示されている。

ウェハ４０は、例えばＳＯＩ基板であり、互いに隣接するように配置された複数の部分Ｒを含んでいる。この場合、以下で説明する各加工ステップが各部分Ｒについて同時に行われる。そして、加工完了後のウェハ４０が部分Ｒ同士の境界（ダイシングライン）に沿ってエッチングされることにより、ウェハ４０から分離された基板５０が得られる。このエッチングは、例えば、可動部１３を周囲から分離させるためのエッチングと同時に行なわれる。以下では、１つの部分Ｒに着目して説明する。

第１ステップでは、まず、エッチングにより、部分Ｒの表面に溝２１，２７，２８を形成する。続いて、溝２１，２７，２８の内面を熱酸化することにより、溝２１，２７，２８の内面上に絶縁層２２，３１，３２を形成する。続いて、スパッタリングにより、溝２１，２７，２８内の絶縁層２２，３１，３２上にシード層を形成する。続いて、メッキにより、溝２１，２７，２８内に埋め込まれるようにコイル１４及び配線２３，２５を形成する。続いて、化学機械研磨（ＣＭＰ：Chemical Mechanical Polishing）により、コイル１４及び配線２３，２５の表面をウェハ４０の表面と面一となるように平坦化する。

続いて、図７に示されるように、可動部１３の第１表面１３ａ上に絶縁層１６を形成する。この工程では、まず、ＣＶＤ（Chemical Vapor Deposition）により、支持部１１、一対のトーションバー１２、及び可動部１３の表面上に絶縁層１６の厚さ方向の一部を形成する。続いて、エッチングにより、開口１６ａ〜１６ｄに相当するコンタクトホールを当該絶縁層１６の一部に形成する。続いて、スパッタリングにより、当該絶縁層１６の一部上に配線２４を形成する。続いて、ＣＶＤにより、当該絶縁層１６の一部上に絶縁層１６の残りの一部を形成する。続いて、エッチングにより、開口１６ａ，１６ｄに相当するコンタクトホールを絶縁層１６に形成する。続いて、スパッタリングにより、絶縁層１６上に電極２６Ａ，２６Ｂを形成する。以上の工程により、電極２６Ａ，２６Ｂ及び配線２４が設けられた絶縁層１６が形成される。

続いて、紫外線硬化性を有する樹脂材料を絶縁層１６上に配置する（図８）。この工程では、まず、スピンコートにより、絶縁層１６の表面のうち、平面視において可動部１３を含む領域上に、樹脂材料の層を一様に形成する。すなわち、この時点では、樹脂材料は、平面視において可動部１３の外側に位置する部分を有している。

続いて、回折格子パターン３５に対応する転写パターンを有するモールドを用いて樹脂材料に転写パターンを転写することにより、回折格子パターン３５が形成された樹脂層１７を形成する。この工程においては、例えば、紫外線透過性を有するモールドを樹脂材料に密着させた状態で、モールドを介して樹脂材料に紫外線を照射することにより、回折格子パターン３５を樹脂材料に形成する。このモールドは、例えば次の工程により作製される。まず、（３１１）面等の高指数面シリコン基板に異方性エッチングによって傾斜したブレーズド型の回折格子パターン３５を形成することにより、マスターを作製する。続いて、このマスターを用いて、回折格子パターン３５に対応する転写パターンを有する紫外線透過樹脂製のモールドを複製する。これらの工程により上記モールドが得られる。

続いて、例えばスパッタリング又は蒸着等により、回折格子パターン３５に沿うように樹脂層１７上に反射層１８を形成する。続いて、エッチングによって樹脂材料をパターニングすることにより、樹脂材料のうち平面視において可動部１３における第１表面１３ａよりも外側に位置する部分（樹脂層１７以外の部分）を除去する。以上の工程により、図８に示されるように、絶縁層１６上に樹脂層１７及び反射層１８が形成される。

続いて、図９〜図１２に示されるように、応力調整部１９を形成して可動部１３に応力を生じさせることにより、第１表面１３ａを凹状に湾曲させる（第２ステップ）。図９〜図１２の（ａ）では、中心線Ｘと直交する第１断面が示されており、図９〜図１２の（ｂ）では、第１断面と直交する第２断面が示されている。

第２ステップでは、まず、図９（ａ）及び図９（ｂ）に示されるように、エッチングにより、絶縁層１６のうち、支持部１１、一対のトーションバー１２、及び可動部１３上に位置する部分以外を除去する。続いて、図１０（ａ）及び図１０（ｂ）に示されるように、絶縁層５３をエッチングストップ層として半導体層５１をエッチングすることにより、半導体層５１のうち、支持部１１、一対のトーションバー１２、及び可動部１３を構成する部分以外を除去する。これにより、絶縁層５３の一部が露出する。続いて、エッチングにより、絶縁層５３の当該一部を除去する。

続いて、図１１（ａ）及び図１１（ｂ）に示されるように、絶縁層５３をエッチングストップ層として半導体層５２をエッチングすることにより、半導体層５２のうち、支持部１１を構成する部分以外を除去する。これにより、一対のトーションバー１２、及び可動部１３上に位置する絶縁層５３が残され、応力調整部１９の第１層４１が形成される。すなわち、第２ステップでは、絶縁層５３の一部が残るように絶縁層５３の残部をエッチングによって除去することにより、第１層４１を形成する。

上述したように、半導体層５２のエッチングと同時に、ダイシングラインに沿ってウェハ４０がエッチングされる。これにより、ウェハ４０から分離された基板５０が得られる。続いて、図１２（ａ）及び図１２（ｂ）に示されるように、スパッタリングにより、第１層４１上に第２層４２を形成する。第１層４１及び第２層４２を形成することにより、可動部１３に応力が生じ、第１表面１３ａが凹状に湾曲させられる。以上の工程により、可動回折格子１０が得られる。
［作用及び効果］

以上説明した可動回折格子１０の製造方法では、樹脂層１７及び反射層１８を形成した後に、応力調整部１９を形成して第１表面１３ａを凹状に湾曲させるため、第１表面１３ａを確実に所望の凹状に湾曲させることができる。

可動回折格子１０の製造方法では、スパッタリングにより、応力調整部１９の第２層４２を形成する。これにより、高密度な第２層４２を形成することができ、より好適に可動部１３に応力を生じさせることができる。更に、スパッタリングは低い温度で行なうことができるため、第２層４２の形成が樹脂層１７に与える影響を低減することができる。

可動回折格子１０の製造方法では、絶縁層５３の一部が残るように絶縁層５３の残部をエッチングによって除去することにより、応力調整部１９の第１層４１を形成する。これにより、基板５０が有する絶縁層５３の一部を残すことにより、第１層４１を形成することができる。

可動回折格子１０の製造方法では、絶縁層５３をエッチングストップ層として半導体層５１，５２をエッチングする。これにより、絶縁層５３をエッチングストップ層として機能させることにより、半導体層５１，５２を好適にエッチングすることができる。更に、エッチングストップ層として機能する絶縁層５３の一部を残すことにより、応力調整部１９の第１層４１を形成することができる。

可動回折格子１０の製造方法では、高精度な回折格子パターン３５を容易に形成することができる。すなわち、例えば、絶縁層１６に回折格子パターン３５を形成することも考えられるが、回折格子パターン３５のようなμｍオーダーのパターンを、シリコン酸化膜により構成された絶縁層１６に精度良く形成することは極めて困難である。また、数μｍの厚さのシリコン酸化膜を精度良く成膜すること自体も困難である。これらのことは、本実施形態のように回折格子パターン３５が中赤外領域の波長の光を回折するものであり、回折格子パターン３５の溝３５ａが深い場合に特に顕著となる。これに対し、この可動回折格子１０の製造方法では、回折格子パターン３５に対応する転写パターンを有するモールドを用いて樹脂材料に転写パターンを転写することにより、回折格子パターン３５が形成された樹脂層１７を形成するため、高精度な回折格子パターン３５を容易に形成することができ、回折格子パターン３５の設計の自由度を向上することができる。

以上、本発明の一実施形態について説明したが、本発明は、上記実施形態に限られない。応力調整部１９は、第１表面１３ａが凹状に湾曲するように可動部１３に応力を生じさせることができればよく、任意に構成されてよい。例えば、応力調整部１９は、可動部１３における第２表面１３ｂ側の部分が部分的に肉抜きされることにより形成された梁部を含んでいてもよい。応力調整部１９は、可動部１３における第２表面１３ｂ側の部分にイオン打ち込みにより形成されたイオン打ち込み部を含んでいてもよい。応力調整部１９の少なくとも一部は、窒化物、酸化物、フッ化物又は金属等により構成されてもよい。

上記実施形態では、応力調整部１９の第１層４１がトーションバー１２上及び可動部１３上に設けられていたが、第１層４１は、可動部１３上のみに設けられてもよい。第１層４１は、可動部１３の第２表面１３ｂの全面ではなく、第２表面１３ｂの一部に配置されてもよい。第２層４２は、第１層４１の全面ではなく、第１層４１の一部に配置されてもよい。第１層４１及び第２層４２の一方のみが設けられてもよい。第１層４１が省略される場合、基板５０は必ずしもＳＯＩ基板である必要はなく、シリコン基板であってもよい。応力調整部１９上に他の層が設けられてもよいし、応力調整部１９と第２表面１３ｂとの間に他の層が設けられてもよい。すなわち、応力調整部１９は、他の層を介して第２表面１３ｂ上に設けられてもよい。応力調整部１９は、省略されてもよい。この場合、第１表面１３ａは、可動部１３に生じている応力によって凹状に湾曲させられていてもよいし、可動部１３に生じている応力によらずに凹状に湾曲していてもよい。

上記実施形態において、中心線Ｘ（第１中心線）周りに揺動する可動部１３（第１可動部）に加えて、第１中心線と直交する第２中心線周りに揺動する第２可動部が設けられてもよい。この場合、第２可動部は、枠状に形成され、第１可動部を囲むように配置される。第１可動部は、一対の第１トーションバーを介して第２可動部に揺動可能に連結される。第２可動部は、一対の第２トーションバーを介して支持部１１に揺動可能に連結される。第２可動部には、第２可動部を駆動させるためのコイルが設けられる。このような構成によれば、第１中心線周りに第１可動部を揺動させるだけでなく、第２中心線周りに第２可動部を揺動させることで、第２中心線周りに第１可動部を揺動させることもできる。また、第１可動部にコイルが設けられず、第２可動部（支持部）のみにコイルが設けられてもよい。この場合、第２可動部上のコイルの駆動力によって第１可動部が揺動させられてもよい。

上記実施形態では、電磁駆動式の可動回折格子１０が例示されたが、可動回折格子１０は、圧電駆動式又は静電駆動式等であってもよい。例えば、可動部１３を駆動する駆動部は、可動部１３に設けられた圧電膜（圧電素子）により構成されてもよいし、支持部１１に設けられた固定櫛歯電極と可動部１３に設けられた可動櫛歯電極とにより構成されてもよい。

上記実施形態において、第１表面１３ａは、第１断面及び第２断面の一方のみにおいて凹状に湾曲していてもよい。この場合、第１断面及び第２断面の他方における第１表面１３ａの形状は例えば平坦であってもよい。平面視における可動部１３の形状は、矩形状、楕円形状、菱形状等の任意の形状であってよい。

コイル１４は、可動部１３の第１表面１３ａに埋め込まれず、第１表面１３ａ上に設けられてもよい。或いは、コイル１４は、第２表面１３ｂに埋め込まれてもよいし、第２表面１３ｂ上に設けられてもよい。回折格子パターン３５は、必ずしも中赤外領域の波長の光を回折させるものでなくてもよく、任意の波長の光を回折させるものであってよい。回折格子パターン３５は、矩形状断面のバイナリグレーティング、正弦波状断面のホログラフィックグレーティング等であってもよい。

上述した可動回折格子１０の製造方法において、第１層４１を構成する絶縁層５３の一部が残るように絶縁層５３をエッチングする工程は、上述した例に限られず、工程の一部が省略されてもよいし、工程の順序が変更されてもよい。例えば、半導体層５１のエッチングの直後には絶縁層５３における露出した一部を除去せず、半導体層５２のエッチングの後に、絶縁層５３の当該一部を除去してもよい。或いは、半導体層５２をエッチングした後に半導体層５１をエッチングし、その後に、第１層４１を構成する絶縁層５３の一部が残るように絶縁層５３の残部をエッチングにより除去してもよい。上述した可動回折格子１０の製造方法では、エッチング以外の方法によりウェハ４０から基板５０が分離されてもよい。例えば、レーザ光の照射によってダイシングラインに沿ってウェハ４０の内部に改質領域を形成し、テープエキスパンド等によって改質領域からウェハ４０の厚さ方向に亀裂を伸展させることにより、ウェハ４０が切断されてもよい。

１…外部共振器型レーザモジュール、２…量子カスケードレーザ素子、１０…可動回折格子、１１…支持部、１２…トーションバー、１３…可動部、１３ａ…第１表面、１３ｂ…第２表面、１７…樹脂層、１８…反射層、１９…応力調整部、３５…回折格子パターン、３５ａ…溝、４１…第１層、４２…第２層、５０…基板、５１，５２…半導体層、５３…絶縁層、Ｒ…部分、Ｘ…中心線。

Claims (16)

1. 支持部と、
   第１表面を有し、前記支持部に揺動可能に連結された可動部と、
   前記第１表面に沿うように前記第１表面上に設けられ、回折格子パターンが形成された樹脂層と、
   前記回折格子パターンに沿うように前記樹脂層上に設けられ、金属により形成された反射層と、
   前記可動部に応力を生じさせる応力調整部と、を備え、
   前記第１表面は、前記応力によって凹状に湾曲させられている、可動回折格子。
2. 前記応力調整部は、前記第１表面と対向する第２表面上に層状に設けられている、請求項１に記載の可動回折格子。
3. 前記応力調整部は、前記第１表面と対向する第２表面上に設けられた第１層と、前記第１層上に設けられた第２層と、を有している、請求項１又は２に記載の可動回折格子。
4. 前記第１層及び前記第２層のそれぞれは、酸化膜である、請求項３に記載の可動回折格子。
5. 前記第１層が前記可動部に生じさせる単位厚さ当たりの応力は、前記第２層が前記可動部に生じさせる単位厚さ当たりの応力よりも大きい、請求項３又は４に記載の可動回折格子。
6. 前記回折格子パターンは、前記可動部が揺動する中心線に平行な方向に沿って延在する複数の溝を有するブレーズドグレーティングパターンである、請求項１〜５のいずれか一項に記載の可動回折格子。
7. 前記中心線に沿って延在し、前記支持部と前記可動部とを互いに連結するトーションバーを更に備える、請求項６に記載の可動回折格子。
8. 前記第１表面は、前記可動部が揺動する中心線と直交する第１断面において、凹状に湾曲させられている、請求項１〜７のいずれか一項に記載の可動回折格子。
9. 前記第１表面は、前記第１断面と直交する第２断面において、凹状に湾曲させられている、請求項８に記載の可動回折格子。
10. 前記可動部は、前記第１表面と直交する方向から見た場合に、円形状を呈している、請求項１〜９のいずれか一項に記載の可動回折格子。
11. 前記第１表面と対向する第２表面は、前記応力調整部が生じさせる前記応力によって凸状に湾曲させられている、請求項１〜１０のいずれか一項に記載の可動回折格子。
12. 請求項１〜１１のいずれか一項に記載の可動回折格子と、
    レーザ素子と、を備え、
    前記可動回折格子は、前記レーザ素子により発振された光を回折及び反射させることにより、前記光のうち特定波長の光を前記レーザ素子に帰還させる、外部共振器型レーザモジュール。
13. 請求項１〜１１のいずれか一項に記載の可動回折格子の製造方法であって、
    前記支持部及び前記可動部に対応する部分を含む基板を用意し、前記樹脂層及び前記反射層を形成する第１ステップと、
    前記第１ステップの後に、前記応力調整部を形成して前記可動部に前記応力を生じさせることにより、前記第１表面を凹状に湾曲させる第２ステップと、を備える、可動回折格子の製造方法。
14. 前記第２ステップでは、スパッタリングにより、前記応力調整部の少なくとも一部を形成する、請求項１３に記載の可動回折格子の製造方法。
15. 前記基板は、半導体層及び絶縁層を有し、
    前記第２ステップでは、前記絶縁層の一部が残るように前記絶縁層の残部をエッチングによって除去することにより、前記応力調整部の少なくとも一部を形成する、請求項１３又は１４に記載の可動回折格子の製造方法。
16. 前記第２ステップでは、前記絶縁層をエッチングストップ層として前記半導体層をエッチングする、請求項１５に記載の可動回折格子の製造方法。

Images