JP3579015B2 - マイクロミラー装置およびその製造方法 - Google Patents
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Description
【０００１ 】
【発明の属する技術分野】
本発明は、通信用の光スイッチング素子、計測機器、ディスプレイ、スキャナなどに使用可能なマイクロミラー装置およびその製造方法に関する。
【０００２ 】
【従来の技術】
図３４は従来のマイクロミラー装置を示す概略斜視図である。
このマイクロミラー装置では、図に示すように、基板１上に回動可能な支持部２が設けられ、これら支持部２にヒンジ７を介して基部３が回動可能に設けられている。基部３にトーションスプリング（図示せず）を介して枠体４が設けられ、枠体４にトーションスプリング（図示せず）を介してミラー５が設けられ、基板１のミラー５と対向する部分に複数の下部電極６が設けられている。これら下部電極６に対して電圧を加えることにより、ミラー５を静電気力で吸引し、ミラー５を任意の方向へ傾動させることができる。
【０００３ 】
図３４に示したマイクロミラー装置は表面マイクロマシニング技術により作製されている。すなわち、多結晶シリコン層の成長と酸化シリコン（ＳｉＯ２）層の形成とを各層をパターニングしながら行なうことにより、多結晶シリコン層と酸化シリコン層とを交互に堆積し、最終的に緩衝フッ酸などに浸漬して酸化シリコン層を溶解して、酸化シリコン層を除去することにより、可動部を形成している。この酸化シリコン層、たとえば図３５に示す酸化シリコン層１１は可動部やギャップを構成するために存在することから犠牲層と呼ばれている。
【０００４ 】
図３４に示したマイクロミラー装置においては、酸化シリコン層と多結晶シリコンとからなるパターニングした層を形成したのち、緩衝フッ酸で酸化シリコン層を除去することにより、支持部２、基部３、枠体４、ミラー５を形成している。
この方法によりマイクロミラー装置を作製したときには、多数個のミラーパターンを形成しておくと、犠牲層である酸化シリコン層１１を除去するだけで多数個のミラー５が形成される利点がある。
【０００５ 】
【発明が解決しようとする課題】
しかし、上記のマイクロミラー装置では、ミラー５の電極と下部電極６とが平行に配置されており、電極間ギャップが大きい。ミラー５に加わる静電気力は電極間ギャップの２乗に反比例することから、ミラー５に大きな傾きを引き起こすには高い電圧が必要だった。
【０００６ 】
また、このようなマイクロミラー装置においては、ミラー５が多結晶シリコンで形成されているため、結晶成長条件により内部ひずみが残留し、それがミラー５の変形を引き起こす。この変形のために、コリメート光が入射すると、いびつな形状のビームプロファイルをもつビームとなって反射される。したがって、例えば入力光ファイバから出力光ファイバへ切り替える光スイッチとしてこのマイクロミラー装置を使用する場合には、入力ファイバから出射したコリメートビームが反射後出力ファイバに入射する際に損失が大きかった。
【０００７ 】
そこで、ミラー５の変形に基づく損失を低減するために、変形を補償できる下部電極６とミラー５の電極間における電圧の面分布を予めコンピュータのメモリに記憶しておき、これに基づいてミラー５に与える静電気力の分布をコントロールし、ミラー５の変形を補正している。しかし、このような補正は非常に面倒である。
【０００８ 】
また、ミラー５の復元力を与えるトーションスプリングが多結晶シリコンで形成され、多結晶シリコンは多数の結晶粒界を有しているから、繰り返しの力が作用すると結晶粒界が疲労破壊の原因となる。したがって、繰り返し力をかけると疲労が速く進み、寿命に問題がある。
【０００９ 】
また、ミラー５を支える支持部２も多結晶シリコンから構成されていることから、ミラー５に加わる静電気力の変動によって支持部２が変形するという問題もあった。
また、各下部電極６へ通電するプリント配線が基板１の表面側に形成されているために、ミラー５を多数並べてアレイを構成する場合には、必要な配線パターン幅が細かくなる。しかも支持部２を避けて配線する必要があるために、配線自由度が低い問題を有していた。
【００１０ 】
本発明は、低い電圧でミラーを大きく傾動させることができるマイクロミラー装置を提供することを課題とする。
【００１１ 】
【課題を解決するための手段】
上記課題を達成するため、本発明のマイクロミラー装置は、ミラー、前記ミラーを上部基板に対して傾動可能に支持する複数のトーションスプリング、前記ミラーの下面と対向して配置された下部基板、前記下部基板の上面に前記ミラーの中央部と対向して設けられた凸部、および前記凸部の外面に形成された複数の下部電極を有する。
【００１２ 】
このマイクロミラー装置によれば、前記凸部を形成したことにより、ミラーと下部電極の少なくとも一部を接近させることができ、ミラーの傾動に要する電圧を低下することが可能である。
【００１３ 】
前記トーションスプリングは、その長手方向に対して垂直な断面における、高さ／幅のアスペクト比が１．８以上であってもよい。この場合には、トーションスプリングによるミラー支持強度は維持しつつ、ミラーの傾動がより容易になるので、ミラーの傾動に要する電圧を低減することができる。
【００１４ 】
前記下部基板の上面には、前記凸部の周囲であって前記ミラーの外周縁と対向する位置に、凹部が形成されていてもよい。この場合には、ミラーの外周縁が凹部に入るまでミラーを傾動させることが可能となるから、ミラーの傾動範囲を拡大できるうえ、ミラーが下部基板と接触しにくくなるから、ミラーの破壊を防止できる。
【００１５ 】
前記凸部には、ミラーの中心と対向して、絶縁体からなる支点突起が形成されていてもよい。この場合には、支点突起によってミラーが過剰に下方へ変位することが防止でき、ミラー電極と下部電極とがショートすることがないので、ミラー電極および下部電極の破損が防止できる。
【００１６ 】
前記トーションスプリングは蛇行形状部を有し、前記上部基板には、前記トーションスプリングの変位範囲を規制するための位置規制部が形成されていてもよい。この場合には、位置規制部によりトーションスプリングおよびミラーの過剰な変位を防ぐとともに、トーションスプリングの損傷が防止できる。
【００１７ 】
前記ミラー、前記トーションスプリング、および前記上部基板は、シリコン単結晶によって一体的に形成され、このシリコン単結晶が、前記下部基板上に形成されたスペーサに接合されていてもよい。この場合には、ミラーの平面度を高め、トーションスプリングの寿命を延ばすことができる。
【００１８ 】
前記下部基板の下面には配線パターンが形成され、これら配線パターンと、前記下部電極のそれぞれは、前記下部基板の内部に形成されたスルーホールを通じて導通されていてもよい。この場合には、下部電極への配線の自由度が増し、配線が容易になるだけでなく、配線のパターン幅を太くすることができる。
【００１９ 】
本発明のマイクロミラー装置の製造方法は、以下の工程を具備する：
支持基板上に、第１酸化物層、第１単結晶シリコン層、第２酸化物層、および第２単結晶シリコン層を順に形成する工程；
前記第２単結晶シリコン層、前記第２酸化物層、および前記第１単結晶シリコン層を貫通する溝を形成する工程；
前記溝内に多結晶シリコン層を形成する工程；
前記第２単結晶シリコン層をエッチングして、前記第２単結晶シリコン層によりミラーおよびトーションスプリングを形成する工程；
前記溝内の前記多結晶シリコン層を除去する工程；
前記溝を通じて、前記第１単結晶シリコン層の、前記トーションスプリングの下方に位置する部分をエッチングする工程；および
前記第１酸化物層および前記第２酸化物層を除去して、前記トーションスプリングを独立させる工程。
この製造方法によれば、ミラーおよびトーションスプリングを容易に一体成形できる。
【００２０ 】
【発明の実施の形態】
図１は本発明に係るマイクロミラー装置の第１実施形態を示す分解斜視図、図２はミラー支持構造を示す斜視図、図３は図２のＡ−Ａ断面図である。本発明は以下の実施形態のみに限定されるものではなく、本発明の趣旨を逸脱しない範囲で様々な変更を加えてよい。
【００２１ 】
図に示すように、結晶方位が（１００）の単結晶シリコンからなる下部基板（下部電極基板）２１の中央部に矩形状をなす突出部３４が設けられ、突出部３４の上面には四隅の近くにそれぞれ下部電極２２が設けられている。
突出部３４の周囲にも間隔を空けて複数の下部電極２３が設けられている（この例では８個）。下部基板２１の下面には、パターン状の配線２４が形成され、下部電極２３と配線２４とは、下部基板２１を貫通するスルホール２５を通じてそれぞれ電気的に接続されている。
【００２２ 】
下部基板２１の上面の両側にはＡｕＳｎからなるはんだ部２６が設けられている。また、ＳＯＩ（Ｓｉｌｉｃｏｎ Ｏｎ Ｉｎｓｕｌａｔｏｒ）基板からなる上部基板（ミラー形成基板）２７の下面には、結晶方位が（１００）の単結晶シリコンからなる支柱２８が設けられている。支柱２８の上部幅は例えば１ｍｍであり、下部幅が３００μｍである。支柱２８の下部に３層のＴｉ／Ｐｔ／Ａｕからなる接合部２９が設けられ、支柱２８は下部基板２１のはんだ部２６に接合されている。これにより下部基板２１に上部基板２７がボンディングされている。
【００２３ 】
上部基板２７の上面には酸化シリコン層３０が設けられ、酸化シリコン層３０上に単結晶シリコンからなる基部３１が設けられ、基部３１の内側に円環状の枠体３２が設けられ、さらに枠体３２の内側にミラー３３が設けられている。ミラー３３の表面には３層のＴｉ／Ｐｔ／Ａｕ層が形成され、導電性が付与されている。支柱２８によりミラー３３が支えられており、例えば下部電極２２とミラー３３との間隔は２０μｍ、下部電極２３とミラー３３との間隔は４０μｍに設定されている。
【００２４ 】
基部３１と枠体３２とは、１８０゜隔てた２か所においてトーションスプリング３５により連結され、枠体３２とミラー３３とは１８０゜隔てた２か所においてトーションスプリング３６により連結されている。トーションスプリング３５、３６は同様の形状をしている。トーションスプリング３５同士を結ぶ線と、トーションスプリング３６同士を結ぶ線は直交する。基部３１、枠体３２、ミラー３３、およびトーションスプリング３５、３６は単結晶シリコンで一体形成されている。
【００２５ 】
トーションスプリング３５、３６の断面の高さをａ、幅をｂとすると、高さａと幅ｂとのアスペクト比ａ／ｂが重要なパラメータとなる。アスペクト比ａ／ｂは１．８以上であることが望ましく、より好ましくは２．５〜８であり、最も好ましくは約３である。アスペクト比ａ／ｂは１．８以上であれば、トーションスプリング３５、３６はよりねじれやすくなるうえ、ミラー３３の自重や静電気力Ｆによってトーションスプリング３５、３６が撓みにくくなる。よって、ミラー３３の姿勢制御がより高精度に行える。この効果を説明すると以下の通りである。
【００２６ 】
トーションスプリング３５はねじれ（トーション）の復元力を与えるスプリングとして機能するのみならず、ミラー３３部の自重を支える支持部として機能する。このため、ミラー３３の自重やミラー３３を駆動するための静電気力Ｆにより、トーションスプリング３５に曲げ応力が加わり、ミラー３３を支柱２８で頑丈に支えてはいるものの、ミラー３３の撓みを引き起こす原因となる。トーションスプリング３５の断面の高さをａ、幅をｂ、定数をβ、単結晶シリコンのせん断弾性係数をＧとすると、トーションスプリング３５のねじれ角θとトルクＴとの関係式は次式で表される。
θ＝Ｔ／βａｂ３Ｇ
【００２７ 】
また、定数をα、単結晶シリコンの縦断弾性係数をＥ、トーションスプリング３５の断面二次モーメントをＩとすると、曲げ撓み量δと静電気力Ｆとの関係式は次式で表される。
δ＝Ｆα／ＥＩ
断面二次モーメントＩは次式で表される。
Ｉ＝ｂａ３／１２
【００２８ 】
したがって、定数をＡとすると、曲げ撓み量δとねじれ角θとの比δ／θは次式で表される。
δ／θ＝Ａβ（ｂ／ａ）２
このため、幅ｂに比べて高さａを大きくすることにより、相対的にねじれやすくなり、ミラー３３の自重や静電気力Ｆによる撓みが少なくなるのである。
【００２９ 】
このマイクロミラー装置においては、上部基板２７を負、下部電極２２、２３に正の電場を与えて、しかも下部電極２２、２３間で非対称な電位差を生じさせることにより、ミラー３３を任意の方向へ傾動させる。たとえば、６０Ｖの電圧を下部電極２２、２３の片側全電極に印加すると、ミラー３３を約１０°傾けることができる。
【００３０ 】
このようなマイクロミラー装置においては、ミラー３３に加わる静電気力は電極間ギャップの２乗に反比例するが、下部基板２１の上面にミラー３３の中央部と対向する突出部３４を形成し、この突出部３４の上面に下部電極２２を形成したから、ミラー３３の回動範囲を狭めることなく、ミラー３３と下部電極２２との間の距離を小さくすることができる。したがって、低い電圧でミラー３３を大きく傾けることができる。
【００３１ 】
また、この実施形態では、ミラー３３が多結晶シリコンよりも硬質の単結晶シリコンで形成されているから、ミラー３３に内部ひずみが残留することがなく、内部歪みによる変形が少ない。よって、コリメート光を照射させたときにいびつな形状のビームプロファイルを生じず、入力光ファイバから出力光ファイバへ光路を切り替える光スイッチとしてこのマイクロミラー装置を使用する場合にも、入力光ファイバから出射したコリメートビームが反射後に出力ファイバに入射する際の損失を低減できる。したがって、ミラー３３に与える静電気力の分布をコントロールしてミラー３３の変形を補償する必要がない。
【００３２ 】
また、この実施形態では、ミラー３３の復元力を与えるトーションスプリング３５、３６が単結晶シリコンで形成されていることから、繰り返しの力に対して疲労が生じにくく、寿命が長い。
また、上部基板２７としてＳＯＩ基板を用いているから、容易にマイクロミラー装置を製造することができる。
【００３３ 】
また、ミラー３３を支える支柱２８も、硬質の単結晶シリコンから構成されているから、ミラー３３に加わる静電気力の変動によって支柱２８が変形することがなく、ミラー３３の姿勢制御を正確に行える。
また、ミラー３３が設けられた上部基板２７は、下部電極２２、２３が設けられた下部基板２１とは別個に製造されているから、製造時にミラーがスティッキングを生じることがない。
【００３４ 】
また、下部電極２３と配線２４とをスルホール２５により接続しているから、下部電極２２、２３および支柱２８を避けて配線する必要がないので、ミラー３３を駆動するための配線２４のパターン幅を太くすることができ、また配線自由度ならびに配線密度を高くすることができる。
【００３５ 】
図１〜図３に示したマイクロミラー装置の製造方法について説明する。まず、結晶方位が（１００）の単結晶シリコン基板に酸素イオン注入して、一定の深さに酸化シリコン層３０を形成してＳＩＭＯＸ基板とする。ＳＩＭＯＸ基板の活性層の上にエピタキシャルで単結晶シリコンを成長させて、約１０μｍの厚さのＳＯＩ層を形成して、ＳＯＩ基板を用意する。
【００３６ 】
つぎに、ＳＯＩ基板のＳＯＩ層に不純物濃度が１×１０２０となるように不純物をドープして、比抵抗を１０００分の数Ωｃｍにする。つぎに、リフトオフにより３層のＴｉ／Ｐｔ／Ａｕからなる反射膜を形成する。その表面のミラーパターンに合わせて両面アライナを用いてＳＯＩ基板の支持基板の裏面に３層のＴｉ／Ｐｔ／Ａｕからなる接合部２９をパターニングする。支持基板のバックエッチングを行なうことにより支柱２８を形成する。
【００３７ 】
つぎに、ＩＣＰ（ｉｎｄｕｃｔｉｖｅｌｙ−ｃｏｕｐｌｅｄ ｐｌａｓｍａ）を用いてＳＯＩ層をエッチングして、基部３１、枠体３２、ミラー３３ならびにトーションスプリング３５、３６を一体形成する。ＰＣＶＤ（プラズマＣＶＤ）で表面に酸化シリコン層（パッシベーション膜）を形成して表面を保護したのちに、ＫＯＨのエッチャントでエッチングする。エッチング条件等については、Ｈ． Ｓｅｉｄｅｌ他、Ａｎｉｓｏｔｒｏｐｉｃ Ｅｔｃｈｉｎｇ ｏｆ Ｃｒｙｓｔａｌｌｉｎｅ Ｓｉｌｉｃｏｎ ｉｎ Ａｌｋａｌｉｎｅ Ｓｏｌｕｔｉｏｎｓ Ｉ．， Ｊ． Ｅｌｅｃｔｒｏｃｈｅｍ． Ｓｏｃ．， Ｖｏｌ．１３７， Ｎｏ．１１ （１９９０） ３６１２−３６２６およびＨ． Ｓｅｉｄｅｌ他、Ａｎｉｓｏｔｒｏｐｉｃ Ｅｔｃｈｉｎｇ ｏｆ Ｃｒｙｓｔａｌｌｉｎｅ Ｓｉｌｉｃｏｎ ｉｎ Ａｌｋａｌｉｎｅ Ｓｏｌｕｔｉｏｎｓ ＩＩ．， Ｊ． Ｅｌｅｃｔｒｏｃｈｅｍ． Ｓｏｃ．， Ｖｏｌ．１３７， Ｎｏ．１１ （１９９０） ３６２６を参照することができる。
【００３８ 】
結晶方位が（１００）の単結晶シリコン基板をＫＯＨでエッチングして突出部３４を形成し、下部電極２２、２３を形成し、段差の最下部には３層のＴｉ／Ｐｔ／Ａｕ層を形成したのち、Ｔｉ／Ｐｔ／Ａｕ層上にはんだ部２６を形成する。
【００３９ 】
つぎに、下部電極２３に対応してスルーホール２５を形成し、単結晶シリコン基板の裏面側に配線２４を形成する。その後、上部基板２７と下部基板２１との位置合わせを行なったのち、接合部２９をはんだ部２６に押し付けた状態で３９０℃で加熱により、はんだ部２６のはんだを溶融して下部基板２１に上部基板２７をボンディングする。
【００４０ 】
このマイクロミラー装置の製造方法によれば、ミラー３３が単結晶シリコンで形成されるから、内部歪みによる変形が少なく、またトーションスプリング３５、３６が単結晶シリコンで形成されていることから、繰り返しの力に対して寿命が長くなる。
【００４１ 】
図４は本発明に係る他のマイクロミラー装置の一部を示す斜視図である。図に示すように、支柱２８上に単結晶シリコンからなる下部シリコン層４１が設けられ、下部シリコン層４１上に酸化シリコン層４２が設けられ、酸化シリコン層４２上に単結晶シリコンからなる上部シリコン層４３が設けられ、基部３１が下部シリコン層４１、酸化シリコン層４２、上部シリコン層４３により構成されている。
【００４２ 】
トーションスプリング３５、枠体３２は上部シリコン層４３で形成されている。また、トーションスプリング３５の下方には、ミラー３３部の自重や静電気力Ｆによるトーションスプリング３５の撓みが生ずるのを防止するために、水平な保持部４４が設けられている。保持部４４は下部シリコン層４１の一部から構成されている。ミラー３３に過剰な荷重がかかると、トーションスプリング３５の先端が保持部４４に当接して、それ以上の変位を規制する。
【００４３ 】
このようなマイクロミラー装置においては、トーションスプリング３５にミラー３３部の自重や静電気力Ｆによる撓みが生ずるのを防止するための保持部４４が設けられているから、トーションスプリング３５の比ａ／ｂをそれほど大きくする必要がないので、トーションスプリング３５の形成が容易になる。
【００４４ 】
図４のマイクロミラー装置の製造方法を図５（ａ）〜５（ｄ）および図６（ａ）〜６（ｃ）により説明する。
図５（ａ）に示すように、単結晶シリコンからなる支持基板５０上に順に、酸化シリコン層４５、下部シリコン層４１、酸化シリコン層４２、上部シリコン層４３を形成し、この５層構造の基板の下部に接合部２９を形成する。
【００４５ 】
つぎに、図５（ｂ）に示すように、エッチングにより下部シリコン層４１に達する溝（穴）４６を形成する。つぎに、図５（ｃ）に示すように、エッチングにより酸化シリコン層４５までを貫通した溝（穴）４７ａ、４７ｂを形成する。この場合、まず上部シリコン層４３をＳＦ６ガスでＩＣＰを用いてエッチングし、酸化シリコン層４２をＣＦ系ガスで反応性エッチングする。その後、さらにＳＦ６ガスでＩＣＰを用いて下部シリコン層４１をエッチングし、酸化シリコン層４５をＣＦ系ガスで反応性エッチングする。
【００４６ 】
つぎに、図５（ｄ）に示すように、溝４６、４７ａ、４７ｂ内に多結晶シリコン層４８を形成する。
つぎに、図６（ａ）に示すように、上部シリコン層４３をエッチングすることにより、トーションスプリング３５を形成する。この場合、酸化シリコン層４２がエッチングストッパになる。
【００４７ 】
つぎに、図６（ｂ）に示すように、上部シリコン層４３の上面に３層のＴｉ／Ｐｔ／Ａｕ層４９を形成する。つぎに、図６（ｃ）に示すように、支持基板５０のバックエッチングを行なうことにより支柱２８を形成する。この場合、溝４７ｂは酸化シリコン層４５を貫通しているから、下部シリコン層４１の溝４７ｂ部もエッチングされ、保持部４４が形成される。
【００４８ 】
つぎに、緩衝フッ酸に浸漬することにより酸化シリコン層４２、４５を除去して、トーションスプリング３５の根元と保持部４４とを互いに分離する。
【００４９ 】
このマイクロミラー装置の製造方法においては、溝４７ａが酸化シリコン層４２、４５を貫通しているから、緩衝フッ酸に浸漬することにより酸化シリコン層４２、４５を除去したときに、基部３１において酸化シリコン層４２、４５が除去されるのを防止することができるので、基部３１において支持基板５０（支柱２８）、下部シリコン層４１、上部シリコン層４３が分離することがない。
【００５０ 】
図７は本発明に係る他のマイクロミラー装置の一部を示す斜視図、図８は図７に示したマイクロミラー装置の一部を示す断面図である。図に示すように、支柱２８上に単結晶シリコンからなる下部シリコン層５１が設けられ、下部シリコン層５１上にＳｉ−Ｂ−Ｏからなりかつ厚さが１０μｍの中間層５２が設けられ、中間層５２上に単結晶シリコンからなる上部シリコン層５３が設けられ、基部３１が下部シリコン層５１、中間層５２、上部シリコン層５３により構成されている。
【００５１ 】
下部シリコン層５１の一部に下部電極板５４が設けられ、上部シリコン層５３により構成されたトーションスプリング３５と枠体３２との間に上部電極板５５が設けられている。上部電極板５５の幅すなわちトーションスプリング３５の両端を結ぶ線の方向の寸法が４０μｍ、それに直角方向の長さが５５μｍである。
【００５２ 】
基部３１に下部電極板５４の電極に接続された入力電極５６が設けられ、トーションスプリング３５の両側部に上部電極板５５の電極に接続された入力電極５７が設けられている。
【００５３ 】
このマイクロミラー装置においては、入力電極５６に負の電圧を印加し、入力電極５７に正の電圧を印加すると、上部電極板５５を傾斜することができるから、ミラー３３を傾斜することができる。
【００５４ 】
このようなマイクロミラー装置においては、中間層５２の厚さが１０μｍであるから、下部電極板５４と上部電極板５５との間のギャップすなわち電極間ギャップが１０μｍである。静電気力は電極間ギャップの２乗に反比例するから、ミラー３３をより大きく傾斜することができる。すなわち、上部電極板５５の面積はミラー３３の面積の６分の１であるが、この電極間ギャップは下部基板の電極部に段差を設けないときの電極間ギャップ４０μｍの４分の１であるから、下部基板の電極部に段差を設けないときと比べて入力電極５６、５７に印加する電圧を２分の１以下すなわち４０Ｖとすることができる。
【００５５ 】
この例ではさらに、図１に示すように下部基板２１の突出部３４にも下部電極が設けられており、こちらも併用した場合には、入力電極５６、５７に印加する電圧を例えば２５Ｖ以下にすることができる。
【００５６ 】
図７、図８に示したマイクロミラー装置を製造する場合には、ＳＯＩ基板のＳＯＩ層（下部シリコン層５１）上にＳｉ−Ｂ−Ｏを堆積し、その上にエピタキシャル結晶成長を施したＳＩＭＯＸ基板を重ね合わせてシンク（焼結）することにより、ＳＯＩ基板とＳＩＭＯＸ基板とをボンディングし（特開昭６１−２４２０３３号公報参照）、その後研磨とエッチングを行なうことによって基板を作製すれば、容易に中間層５２の厚さを１０μｍにすることができる。
【００５７ 】
図９は本発明に係る他のマイクロミラー装置の一部を示す図である。図に示すように、基部３１と枠体３２との間にトーションスプリング６１が設けられており、枠体３２を基部３１に対して直角に交わる２方向線を中心に傾けることができる。
【００５８ 】
図１０は本発明に係る他のマイクロミラー装置を示す分解斜視図である。図に示すように、結晶方位が（１００）の単結晶シリコンからなる下部基板（下部電極基板）７１に突出部７２が設けられ、突出部７２に下部電極７３が設けられ、下部基板７１の上面に配線７４が設けられている。配線７４に下部電極７３が接続され、下部基板７１の上面に単結晶シリコンからなる支柱８０が設けられている。
【００５９ 】
上部基板（ミラー形成基板）７５に結晶方位が（１００）の単結晶シリコンからなる枠部７９が設けられ、枠部７９に単結晶シリコンからなる基部７６が設けられ、基部７６の内部に円環状の枠体７７が設けられている。枠体７７の内側部にミラー７８が設けられ、ミラー７８の表面には３層のＴｉ／Ｐｔ／Ａｕ層が設けられ、下部電極７３とミラー７８との間隔は２０μｍである。
【００６０ 】
図１に示したマイクロミラー装置と同様に、基部７６と枠体７７とは２か所においてトーションスプリング（図示せず）により連結されており、枠体７７とミラー７８とは２か所においてトーションスプリング（図示せず）により連結されている。また、支柱８０にはんだにより上部基板７５が取り付けられ、下部基板７１に上部基板７５がボンディングされている。
【００６１ 】
このマイクロミラー装置においては、ＳＯＩ基板の支持基板をバックエッチングすることにより枠部７９を形成することができ、またＳＯＩ基板のＳＯＩ層をエッチングすることにより枠体７７、ミラー７８、トーションスプリングを一体形成することができる。
【００６２ 】
図１１は本発明に係る他のマイクロミラー装置を示す分解斜視図である。図に示すように、下部基板７１の下面すなわち図１１紙面下部面に配線８１が設けられ、下部電極７３と配線８１とを接続するスルホール８２が設けられている。
【００６３ 】
このマイクロミラー装置においては、下部電極７３と配線８１とをスルホール８２により接続しているから、下部電極７３、支柱８０を避けて配線する必要がないので、ミラー７８を駆動するための配線８１のパターン幅を太くすることができる。
【００６４ 】
図１２は本発明に係る他のマイクロミラー装置を示す分解斜視図である。図に示すように、結晶方位が（１００）の単結晶シリコンからなる下部基板（下部電極基板）９１の上面すなわち図１２紙面上部面に下部電極９２が設けられ、下部基板９１に配線９３が設けられ、配線９３に下部電極９２が接続されている。
【００６５ 】
上部基板（ミラー形成基板）９４に結晶方位が（１００）の単結晶シリコンからなる枠部１０１が設けられ、枠部１０１に単結晶シリコンからなる基部９５が設けられている。基部９５の内部に円環状の枠体９６が設けられ、枠体９６の内側部にミラー９７が設けられ、ミラー９７の表面には３層のＴｉ／Ｐｔ／Ａｕ層が設けられている。ミラー９７の裏面には突出部９８が設けられている。
【００６６ 】
図１に示したマイクロミラー装置と同様に、基部９５と枠体９６とは２か所においてトーションスプリング（図示せず）により連結されており、枠体９６とミラー９７とは２か所においてトーションスプリング（図示せず）により連結されている。単結晶シリコンからなる基部９５、枠体９６、ミラー９７、トーションスプリングが一体形成されている。
【００６７ 】
基部９５の両側部には支柱１０２が設けられ、支柱１０２ははんだにより下部基板９１に取り付けられ、下部基板９１に上部基板９４がボンディングされている。すなわち、この実施形態では、図１２に示した上部基板９４を裏返してつまり表と裏とを反対にして、下部基板９１に上部基板９４がボンディングされている。
【００６８ 】
このマイクロミラー装置においては、ミラー９７の裏面に突出部９８が設けられているから、下部電極９２とミラー９７の電極との間のギャップすなわち電極間ギャップを小さくすることができ、上述の如く静電気力は電極間ギャップの２乗に反比例するから、ミラー９７をより大きく傾斜することができる。
【００６９ 】
図１３は本発明に係る他のマイクロミラー装置の一部を示す斜視図である。図に示すように、基部７６と枠体７７との間にトーションスプリング９９が設けられ、ミラー７８部の自重や静電気力Ｆによる曲げが生ずるのを防止するための保持部１００が設けられている。
【００７０ 】
図１３に示したマイクロミラー装置の製造方法を図１４（ａ）〜１４（ｄ）、図１５（ａ）〜１５（ｃ）により説明する。
図１４（ａ）に示すように、単結晶シリコンからなる支持基板１１１上に酸化シリコン層１１２が設けられ、かつ酸化シリコン層１１２上にシリコン層（ＳＯＩ層）１１３が設けられたＳＯＩ基板の下部に、３層のＴｉ／Ｐｔ／Ａｕからなる接合部１１４を設け、シリコン層１１３上にエッチングレジスト層を形成し、さらにシリコン層１１３に溝（穴）１１５を形成する。
【００７１ 】
つぎに、図１４（ｂ）に示すように、シリコン層１１３の表面を熱酸化して酸化シリコン層１１６を形成したのち、エッチングにより支持基板１１１に達する溝（穴）１１７を形成する。この場合、まず酸化シリコン層１１６をＣＦ系ガスで反応性エッチングしたのち、ＳＦ６ガスでＩＣＰを用いてシリコン層１１３をエッチングする。その後、さらに酸化シリコン層１１２をＣＦ系ガスで反応性エッチングしたのち、ＳＦ６ガスでＩＣＰを用いて支持基板１１１をエッチングする。
【００７２ 】
つぎに、図１４（ｃ）に示すように、エッチングにより酸化シリコン層１１６に溝（穴）１１８を形成する。つぎに、図１４（ｄ）に示すように、表面に多結晶シリコン層１１９を形成したのち、多結晶シリコン層１１９の一部をエッチングにより除去する。
【００７３ 】
つぎに、図１５（ａ）に示すように、ＰＣＶＤで表面に酸化シリコン層（パッシベーション膜）１２０を形成する。つぎに、図１５（ｂ）に示すように、支持基板１１１のバックエッチングを行なうことにより枠部７９を形成する。
つぎに、図１５（ｃ）に示すように、緩衝フッ酸に浸漬することにより酸化シリコン層１１２、１１６、１２０を除去してトーションスプリング９９、保持部１００を形成する。
【００７４ 】
このマイクロミラー装置の製造方法においては、溝１１７が酸化シリコン層１１２を貫通しているから、緩衝フッ酸に浸漬することにより酸化シリコン層１１２を除去したときに、基部７６において酸化シリコン層１１２が除去されるのを防止することができるので、基部７６において支持基板１１１（枠部７９）とシリコン層１１３とが分離することがない。
【００７５ 】
上述した各実施形態においては、基板すなわち上部基板としてＳＯＩ基板を用いたが、基板としてＳＩＭＯＸ基板を用いてもよい。
また、上述した各実施形態においては、酸化物層として酸化シリコン層４２、４５、中間層５２、酸化シリコン層１１２を用いたが、他の酸化物層を用いてもよい。
【００７６ 】
また、上述した各実施形態においては、上部基板２７、７５に１つのミラー３３、７８を設けたが、上部基板に多数個のミラー（アレイミラー）を設けてもよく、この場合に下部基板の下面にミラーを駆動するための配線を設け、下部基板に下部電極と配線とを接続するスルーホールを設けたときには、配線のパターン幅を太くすることができる。
【００７７ 】
また、上述した各実施形態においては、単結晶シリコンからなる支持基板５０上に酸化シリコン層４５が設けられ、酸化シリコン層４５上に下部シリコン層４１、酸化シリコン層４２、上部シリコン層４３が設けられた３層構造の基板を用いたが、２枚のエピタキシャル結晶成長を施したＳＩＭＯＸ基板のうちの一方にシリカを主成分とするガラス微粒子（スート）を堆積したのち、他方のＳＩＭＯＸ基板を重ね合わせてシンク（焼結）することにより、両ＳＩＭＯＸ基板をボンディングし（特開昭６１−２４２０３３号公報参照）、その後研磨とエッチングを行なうことによって基板を作製してもよい。
【００７８ 】
次に、ミラー３３と突出部３４とが大面積で接触してしまうこと（プルインという）を防止できる実施形態を説明する。
【００７９ 】
静電気力Ｆは距離ｄの２乗に反比例するから、ミラー３３が突出部３４にある所定距離以下に近づいたとたんに、静電気力Ｆが、ミラー３３を元の位置に戻そうとするトーションスプリング３５、３６の復元力よりも遥かに大きくなり、ミラー３３と突出部３４とが大面積で接触してしまう場合がある。
【００８０ 】
このプルインは、電圧Ｖを小さくしてミラー３３を回転させたいがために、距離ｄをできるだけ小さくするほど、トーションスプリング３５、３６のバネ定数を小さくするほど、傾動限界値をプルインが起こるしきい値のぎりぎりの値まで近づけるほど、起こりやすくなる。このため、プルインが生じるしきい値を超えないように、数ミリ秒の間に高精度の電圧制御をしていかなければならない。この数ミリ秒のミラー３３の姿勢制御がスイッチング時間に相当する。
【００８１ 】
ミラー３３がプルインを起こすと、ミラー３３の電極と下部電極２２とがショートして、ミラー３３の電極、下部電極２２が破損することがある。アレイミラーの場合には、各ミラー３３のトーションスプリング３５、３６のバネ定数が均一でないから、ミラー３３のプルインが起こる静電気力Ｆが異なる場合がある。この場合、各ミラー３３の特性が大きく異なり、実用に供しない。
【００８２ 】
また、ミラー３３の回転が大きくなったときには、ミラー３３のエッジ（周辺部）と下部基板２１とが点で接触するから、瞬間的にミラー３３のエッジに応力集中が起こり、ミラー３３の破壊を引きやすくなる。また、薄くて変形しやすいミラー３３であれば、プルインの起こる距離ｄがしきい値よりも小さくなる傾向がある。また、プルインが起こらなくとも、静電気力Ｆによりミラー３３が下部電極２２、２３に接近したとき、すなわちミラー３３が下部電極２２、２３の方向にシフトしたときには、ミラー３３に入射した光ビームの光軸がシフトすることになるから、ミラー３３の下部電極２２、２３の方向へのシフトは極力小さく抑える必要がある。
【００８３ 】
本実施形態はこのような問題を解決するためになされたもので、この目的を達成するため、本実施形態においては、ミラーと、下部電極が設けられた下部基板とを有するマイクロミラー装置において、上記下部基板の上記下部電極が設けられた部分に絶縁体からなる突起を設ける。
【００８４ 】
図１６は本実施形態に係るマイクロミラー装置を示す概略断面図、図１７は図１６に示したマイクロミラー装置の下部基板を示す概略平面図である。図に示すように、結晶方位が（１００）の単結晶シリコンからなる下部基板（下部電極基板）２４１に高さ４０μｍの突出部２５３が設けられ、突出部２５３に下部電極２４２が設けられている。突出部２５３の中央部すなわち下部電極２４２の中央部には、表面が絶縁体からなり、かつ高さが５μｍ、幅が３μｍの突起２４３が設けられている。下部電極２４２の周辺には溝２４４が設けられ、溝２４４の側壁上部および開口縁部を含む下部基板２４１の表面に絶縁膜２４５が設けられている。下部電極２４２は絶縁膜２４５上に設けられている。
【００８５ 】
ＳＯＩ基板からなる上部基板（ミラー形成基板）２５２に結晶方位が（１００）の単結晶シリコンからなる支柱２４６が設けられ、支柱２４６は下部基板２４１に取り付けられ、下部基板２４１に上部基板２５２がボンディングされている。
【００８６ 】
支柱２４６に厚さが約１０μｍの単結晶シリコンからなる基部２４７が設けられ、基部２４７の内部に円環状の枠体２４８が設けられ、枠体２４８の内側部にミラー２４９が設けられている。ミラー２４９の表面には３層のＴｉ／Ｐｔ／Ａｕ層からなる電極が設けられている。支柱２４６によりミラー２４９が空間に支えられており、下部電極２４２とミラー２４９との距離は２０μｍである。そして、基部２４７と枠体２４８とは２か所において、図４、７、９に示したトーションスプリングと同様のトーションスプリング２５０により連結されており、枠体２４８とミラー２４９とは２か所においてトーションスプリング２５０と同様の形状をしたトーションスプリング２５１により連結され、２つのトーションスプリング２５０を結ぶ線と２つのトーションスプリング２５１を結ぶ線とは直交している。厚さが約１０μｍの単結晶シリコンからなる基部２４７、枠体２４８、ミラー２４９、トーションスプリング２５０、２５１が一体形成されている。
【００８７ 】
つぎに、図１６、図１７に示したマイクロミラー装置の製造方法について説明する。まず、結晶方位が（１００）の単結晶シリコン基板に酸素イオン注入して、一定の深さに酸化シリコン層を形成してＳＩＭＯＸ基板とし、ＳＩＭＯＸ基板の活性層の上にエピタキシャルで単結晶シリコンを成長させて、約１０μｍの厚さのＳＯＩ層を形成して、ＳＯＩ基板を用意する。つぎに、ＳＯＩ基板のＳＯＩ層に不純物濃度が１×１０２０となるように不純物をドープして、比抵抗を１０００分の数Ωｃｍにする。つぎに、リフトオフにより３層のＴｉ／Ｐｔ／Ａｕからなる反射膜を形成し、その表面のミラーパターンに合わせて両面アライナを用いてＳＯＩ基板の支持基板の裏面に３層のＴｉ／Ｐｔ／Ａｕからなる接合部をパターニングする。つぎに、ＩＣＰ（ｉｎｄｕｃｔｉｖｅｌｙ−ｃｏｕｐｌｅｄ ｐｌａｓｍａ）を用いてＳＯＩ層をエッチングして、基部２４７、枠体２４８、ミラー２４９ならびにトーションスプリング２５０、２５１を一体形成する。つぎに、ＰＣＶＤ（プラズマＣＶＤ）で表面に酸化シリコン層（パッシベーション膜）を形成して表面を保護したのちに、ＫＯＨのエッチャントでＳＯＩ基板の支持基板をエッチングすることにより、支柱２４６を形成する。
【００８８ 】
結晶方位が（１００）の単結晶シリコン基板の中央部に異方性エッチングにより突起２４３を形成し、突起２４３をマスクして単結晶シリコン基板をＫＯＨでエッチングして突出部２５３を形成し、単結晶シリコン基板の突出部２５３の周囲に溝２４４を形成し、単結晶シリコン基板の表面を熱酸化することにより絶縁膜２４５を形成するとともに、突起２４３の表面を絶縁体とし、また絶縁膜２４５上に下部電極２４２を形成し、単結晶シリコン基板の周囲部に３層のＴｉ／Ｐｔ／Ａｕ層を形成したのち、Ｔｉ／Ｐｔ／Ａｕ層上にＡｕＳｎからなるはんだ部を形成する。つぎに、下部基板２４１と上部基板２５２との位置合わせを行なったのち、接合部をはんだ部に押し付けた状態で３９０℃で加熱により、はんだ部のはんだを溶融して下部基板２４１に上部基板２５２をボンディングする。
【００８９ 】
このマイクロミラー装置においては、下部電極２４２に大きな電圧を対称に印加したときに、図１８に示すようにミラー２４９が下部基板２４１の方向即ち図１８紙面下方に移動するが、ミラー２４９が突起２４３に接触するから、ミラー２４９と突出部２５３とが大面積で接触してしまうことはなく、プルインが起こることもない。
【００９０ 】
また、下部電極２４２に大きな電圧を非対称に印加したときには、図１９に示すようにミラー２４９が大きく傾斜するが、ミラー２４９のエッジが溝２４４内に位置するから、ミラー２４９のエッジが下部基板２４１と接触することがない。
【００９１ 】
たとえば９５Ｖ差の電圧を下部電極２４２の片側の全電極に与えると、ミラー２４９を１２°だけ傾斜させることができた。この時点で、ミラー２４９の中央部が突起２４３に接触し、同時にミラー２４９の周辺が溝２４４の縁と線で接触をした。
【００９２ 】
さらに、下部電極２４２に２００Ｖ差の電圧を加えても、ミラー２４９は突起２４３のみで接触し、その接触面積が狭いから、プルインが起こらなかった。プルインが起こっていないことを実証するために、２００Ｖ差の電圧を下部電極２４２に与えた上で、数十Ｖ差の電圧を下部電極２４２に非対称に印加したときには、ミラー２４９を回転させることができた。つぎに、最大回転角を与える９５Ｖを遥かに超える２００Ｖ差の電圧を下部電極２４２に非対称に与えて回転させても、ミラー２４９と下部基板２４１との接触部は電圧差が９５Ｖの場合と変わらず突起２４３と溝２４４の上部縁のみであった（図２０参照）。
【００９３ 】
また、ミラー２４９のエッジが下部電極２４２に衝突することがないから、ミラー２４９が破壊することは全くなかった。
【００９４ 】
同じ実験を突起なしで行なったら、電圧差が７０Ｖでプルインが起こるために、回転制御は電圧差が６５Ｖ以内で行なう必要があり、ミラーの可動回転角は±６度が限界であった。このように、本発明ではミラー２４９は突起２４３と絶縁膜２４５が形成された溝２４４の縁でその動きが止められるから、プルインが起こることもなく、またショートも起こらない。
【００９５ 】
以上のように、このマイクロミラー装置においては、ミラー２４９がプルインを起こすことがないから、ミラー２４９の電極と下部電極２４２とがショートすることがないので、ミラー２４９の電極、下部電極２４２が破損することがない。また、アレイミラーの場合に、各ミラー２４９のトーションスプリング２５０、２５１のバネ定数が均一でなくとも、実用に供することができる。また、ミラー２４９の回転がかなり大きくなったときにも、ミラー２４９が下部基板２４１と接触することがないから、ミラー２４９の破壊を防止することができる。
【００９６ 】
また、少なくとも溝２４４の側壁上部および開口縁部に絶縁膜２４５が設けられているから、たとえ仮りにミラー２４９の回転が非常に大きくなって、ミラー２４９が下部基板２４１と接触したとしても、ミラー２４９の破壊を確実に防止することができる。
【００９７ 】
図２１は本発明に係る他のマイクロミラー装置の下部基板を示す概略平面図、図２２は図２１のＢ−Ｂ断面図である。図に示すように、下部基板２４１に下部基板２４１を貫通した穴２６１が設けられ、穴２６１の側壁上部および開口縁部を含む下部基板２４１の表面に絶縁膜２６２が設けられている。
【００９８ 】
なお、以上の実施形態においては、凹部として溝２４４と穴２６１を設けたが、他の凹部を設けてもよい。
また、上述した実施形態においては、表面が絶縁体からなる突起２４３を設けたが、全体が絶縁体からなる突起を設けてもよい。
【００９９ 】
また、上述実施形態においては、高さが５μｍの突起２４３を設けたが、下部電極に電圧を印加しないときのミラーと突起との距離をより小さくすれば、ミラー２４９が下部電極２４２に接近することすなわちミラー２４９の下部電極２４２の方向へのシフトを防止することができるから、ミラー２４９に入射した光ビームの光軸がシフトすることがない。
【０１００ 】
図２３〜図２７は、より具体的な本発明の他の実施形態を示している。この実施形態のマイクロミラー装置は、図２７に示すように、平行に接合された下部基板３００および上部基板３０１とを有している。
【０１０１ 】
下部基板３００には、図２３に示すように、上面の中央部にミラー３１８の下面中央部と対向して凸部３０２が形成されている。この凸部３０２は、平面視してほぼ正方形をなし、中央にはほぼ正方形状をなす水平な上段面３０２ｂが形成され、その周囲には一段低い水平な下段面３０２ａが形成されている。上段面３０２ｂの中心には、ミラー３１８の中心部と対向する支点突起３０４が形成され、ミラー３１８との間に僅かな間隙が形成されている。支点突起３０４はすくなくとも表面が絶縁体で形成されている。
【０１０２ 】
凸部３０２の外面を含む下部基板３００の上面中央には、平面視してミラー３１８と同心の円形をなすように、それぞれ扇状をなす４つの下部電極３０６が形成されている。下部電極３０６の材質等は前述した実施形態と同様である。下部電極３０６の扇の中心は支点突起３０４と一致し、各下部電極３０６の間には、一定幅の間隙３０７が形成されている。図示していないが下部電極３０６の下方において、下部基板３００にはそれぞれスルーホールが形成され、これらスルーホールを通じて下部電極３０６は下部基板３００の下面に形成されている配線パターン（図示略）に接続されている。配線パターンを通じて下部電極３０６とミラー３１８とに電圧を印可することにより、ミラー３１８を傾動させることができる。このとき、ミラー３１８が所定値以上に下方へ変位すれば、支点突起３０４がミラー３１８の中心に当接してミラー３１８が傾動するための支点となる。
【０１０３ 】
下部電極３０６の数はこの実施形態では４つであるが、３つ以上であればミラー３１８を任意の方向へ傾動させることができる。ただし、配線の容易さ、および制御の容易さを考慮すると、４つの場合が好ましい。
【０１０４ 】
下部基板３００の上面には、リング部３１４の外周部の２カ所、およびミラー３１８の外周部の２カ所と対向する位置に、それぞれ凹部３０８、３０９が形成されている。凹部３０８はリング部３１４を支えるトーションスプリング３１６から９０゜隔てた位置、凹部３０９はミラー３１８を支えるトーションスプリング３１６から９０゜隔てた位置にそれぞれ形成されている。これにより、トーションスプリング３１６を軸とするミラー３１８およびリング部３１４の傾動範囲を大きく採ることができる。
【０１０５ 】
図２４に示すように、上部基板３０１は、中央のミラー３１８、ミラー３１８の外周を取り巻くリング部３１４、リング部３１４の外周を取り巻く基部３１２、および外周縁に形成されたフレーム３２２が、一体的にシリコン単結晶で形成されたものである。フレーム３２２はシリコン酸化膜３２０を介して形成されている。基部３１２とリング部３１４との間は１８０゜隔てた一対のトーションスプリング３１６で接続され、リング部３１４とミラー３１８との間は、先のトーションスプリング３１６から９０゜隔てた位置において、一対のトーションスプリング３１６で接続されている。これらトーションスプリング３１６も、ミラー３１８、リング部３１４、基部３１２と一体的に形成されている。
【０１０６ 】
図２５はトーションスプリング３１６の詳細を示している。この図はリング部３１４と基部３１２とを接続するトーションスプリング３１６を示しているが、リング部３１４とミラー３１８とを接続するものも全く同様である。
【０１０７ 】
トーションスプリング３１６は、基部３１２に形成された凹部３３２内に収容され、基部３１２に接続された基端部３１６ａと、蛇行部３１６ｂと、蛇行部３１６ｂの先端に形成されたストッパ３１６ｃと、ストッパ３１６ｃから延びてリング部３１４に接続された先端部３１６ｄとからなる。基端部３１６ａと先端部３１６ｄはリング部３１４の径方向に向けて延び、蛇行部３１６ｂは径方向と垂直な方向へ延びている。先端部３１６ｄは基部３１２に形成されたスリット３３０を通過している。スリット３３０の幅は、先端部３１６ｄの捻れを許容するように、先端部３１６ｄの幅よりも十分に大きくされている。
【０１０８ 】
基端部３１６ａ、蛇行部３１６ｂ、および先端部３１６ｄは、ほぼ長方形をなす互いに同一の断面形状を有し、その高さＨ（図２７参照）と幅Ｗ（図２５参照）とのアスペクト比Ｈ／Ｗは１．８以上、より好ましくは２．５〜８であり、最も好ましくは約３である。このようなアスペクト比を採ることにより、鉛直方向におけるリング部３１４の支持強度を高めつつも、先端部３１６ｄの捻れ方向への弾力を低下させることができ、より少ない電力でミラー３１８を傾動させることが可能となる。
【０１０９ 】
この実施形態のストッパ３１６ｃは、リング部３１４へ向けて凸をなす二等辺三角柱状であり、スリット３３０に形成されている一対の位置規制部３３０ａとの間に若干の間隙が形成されている。ストッパ３１６ｃの幅は、スリット３３０の幅よりも小さい。このため、リング部３１４が下方またはトーションスプリング３１６から離間する方向へ過剰に変位した場合にも、ストッパ３１６ｃと位置規制部３３０ａとが接触して、それ以上の変位を抑制する。これにより、トーションスプリング３１６の損傷を防ぐことができる。ミラー３１８側のトーションスプリング３１６についても同様の作用が得られる。
【０１１０ 】
図２６はストッパ機構の変形例を示す。この例のストッパ３１６ｅは、先端部３１６ｄに対して垂直な面を有する直方体状をなしている。基部３１２のスリット３３０の開口縁には、ストッパ３１６ｅへ向けて突出する一対の位置規制部３３０ｂが形成されている。これら位置規制部３３０ｂは水平断面がほぼ半円形状をなしており、ストッパ３１６ｅとの間に僅かな間隙があいている。このため、リング部３１４が下方またはトーションスプリング３１６から離間する方向へ過剰に変位した場合にも、ストッパ３１６ｅと位置規制部３３０ｂとが接触して、それ以上の変位を抑制する。これにより、トーションスプリング３１６の損傷を防ぐことができる。また、ストッパ３１６ｅと位置規制部３３０ｂとは当接しつつリング部３１４の半径方向に対して垂直な面に沿って任意方向へ摺動できるため、リング部３１４の傾動を抑制することが少ない。
【０１１１ 】
上記構成からなるマイクロミラー装置によれば、トーションスプリング３１６の変位量を規制するストッパ３１６ｃまたは３１６ｅと、位置規制部３３０ａまたは３３０ｂを形成しているから、リング部３１４およびミラー３１８の過剰な変位、ならびにトーションスプリング３１６の損傷を防ぐことができる。
【０１１２ 】
また、下段面３０２ａおよび上段面３０２ｂを有する凸部３０２を形成して下部電極３０６のミラー中心側をミラー３１８に接近させたことにより、比較的低電圧でミラー３１８を傾動させることが可能である。
【０１１３ 】
また、下部基板３００に凹部３０８、３０９を形成したことにより、装置全体の厚さを抑えつつ、リング部３１４およびミラー３１８の傾動範囲を拡大することができる。なお、凹部３０８、３０９は下部基板３００を貫通していてもよい。
【０１１４ 】
図２８は本発明のさらに他の実施形態を示している。この実施形態では、下部基板３００の中央部に形成された凸部３４０が円錐形状をなし、その外面３４０ａ上にも下部電極３０６が形成されている。その他の構成は図２３〜図２７の実施形態と同様でよい。
【０１１５ 】
図３３は、図２３〜図２７の実施形態を一部変更した実施形態を示している。この実施形態では、凸部３０２の上部（すなわち中央部）であって、支点突起３０４および上段面３０２ｂを含む部分が絶縁層で覆われ、４つの下部電極３０６は下段面３０２ａおよびそれより下の領域のみに形成されている。
【０１１６ 】
これにより、この実施形態では、凸部３０２の頂点を中心とする一定の領域において、凸部３０２の外周面に下部電極３０６が形成されていない。この実施形態では、凸部３０２の頂点（中心）を中心とし、前記ミラーの直径の１／５〜１／２の直径を有する円形の領域には、下部電極３０６が形成されていないことが好ましい。その場合には、傾斜角の正確な制御がより容易に行える。また、凸部３０２の高さの５０％までの範囲において、下部電極３０６が形成されていないことが好ましい。凸部３０２の高さとは、支点突起３０４の高さを含むものとする。
【０１１７ 】
このように、下部電極３０６を凸部３０２の上部（すなわち中央部）を除く環状部分にのみ形成した場合、図２３〜図２７の実施形態に比べて傾斜角／印加電圧の比は低下するものの、比較的高電圧の領域（傾斜角が比較的大きい領域）において、傾斜角の正確な制御が容易に行えるという利点が得られる。
【０１１８ 】
【実施例】
［実験１］
本発明の実施例を４種作成した。いずれの実施例も図２３〜２５および図２７に示す共通の構造を有しており、各部の寸法は図３０に示すとおりとした。各実施例はトーションスプリングの断面のアスペクト比（Ｈ／Ｗ）のみが異なり、それぞれ０．２、１．２、２．０、３．０とした。これら実施例を用いて、５０Ｖを印加した場合のミラー傾斜角度、およびミラーが下部基板に衝突するプルイン現象の起きる電圧（プルイン電圧と称す）を測定した。電圧を印加する際には、ミラーの片側に対応する２つの下部電極のみに電圧を印加した。結果を図２９に示す。このグラフから明らかなように、各実施例の感度すなわち５０Ｖ印加時の傾斜角度はいずれも同程度であったが、プルイン電圧はアスペクト比を大きくすることにより顕著に向上した。
【０１１９ 】
［実験２］
次に、図３１に示す比較例のマイクロミラー装置を作成した。この比較例におけるトーションスプリングのアスペクト比（Ｈ／Ｗ）は３．０とした。比較例は凸部３０２が形成されていない点のみ実施例と異なり、他の構成はアスペクト比３．０である実施例と全く同じである。
【０１２０ 】
さらに実施例５として、図３３に示す構造を有し、図３０に示したとおりの各部寸法を有するマイクロミラー装置を作成した。
これら６種のマイクロミラー装置に様々な電圧を印加し、ミラーの傾斜角度を測定した。結果を図３２に示す。このグラフから明らかな通り、図３０および図３３に示すように下部基板上に凸部３０２を形成することにより、同じ印加電圧でも傾斜角度を大きくできた。また、図３３の実施例は、傾斜角度が特に４゜を超えた場合に、傾斜角度を制御することが容易であることもわかった。
【０１２１ 】
【発明の効果】
本発明のマイクロミラー装置は、下部基板の上面にミラーの中央部と対向して凸部を設け、この凸部の外面に形成された下部電極を形成しているので、ミラーと下部電極の少なくとも一部を接近させることができ、ミラーの傾動に要する電圧を低下することが可能である。
【図面の簡単な説明】
【図１】本発明に係るマイクロミラー装置を示す分解斜視図である。
【図２】図１に示したマイクロミラー装置の一部を示す斜視図である。
【図３】図２のＡ−Ａ断面図である。
【図４】本発明に係る他のマイクロミラー装置の一部を示す斜視図である。
【図５】図４に示したマイクロミラー装置の製造方法の説明図である。
【図６】図４に示したマイクロミラー装置の製造方法の説明図である。
【図７】本発明に係る他のマイクロミラー装置の一部を示す斜視図である。
【図８】図７に示したマイクロミラー装置の一部を示す断面図である。
【図９】本発明に係る他のマイクロミラー装置の一部を示す図である。
【図１０】本発明に係る他のマイクロミラー装置を示す分解斜視図である。
【図１１】本発明に係る他のマイクロミラー装置を示す分解斜視図である。
【図１２】本発明に係る他のマイクロミラー装置を示す分解斜視図である。
【図１３】図１２に示したマイクロミラー装置の一部を示す斜視図である。
【図１４】図１２および図１３に示したマイクロミラー装置の製造方法の説明図である。
【図１５】図１２および図１３に示したマイクロミラー装置の製造方法の説明図である。
【図１６】本発明に係るマイクロミラー装置を示す概略断面図である。
【図１７】図１６に示したマイクロミラー装置の下部基板を示す概略平面図である。
【図１８】図１６および図１７に示したマイクロミラー装置の動作説明図である。
【図１９】図１６および図１７に示したマイクロミラー装置の動作説明図である。
【図２０】図１６および図１７に示したマイクロミラー装置の動作説明図である。
【図２１】本発明に係る他のマイクロミラー装置の下部基板を示す概略平面図である。
【図２２】図２１のＢ−Ｂ断面図である。
【図２３】本発明の他の実施形態の下部基板を示す平面図である。
【図２４】他の実施形態の上部基板を示す平面図である。
【図２５】トーションスプリングのストッパ機構を示す平面図である。
【図２６】トーションスプリングのストッパ機構を示す平面図である。
【図２７】他の実施形態の縦断面図である。
【図２８】さらに他の実施形態を示す縦断面図である。
【図２９】本発明の効果を示すグラフである。
【図３０】本発明の実施例を示す断面図である。
【図３１】比較例を示す断面図である。
【図３２】図３０および図３１の装置による実験結果を示すグラフである。
【図３３】他の実施形態の断面図である。
【図３４】従来のマイクロミラー装置を示す概略斜視図である。
【図３５】図３４に示したマイクロミラー装置の製造方法の説明図である。
【符号の説明】
２１、７１、９１、２４１、３００ 下部基板
２２、２３、７３、９２、２４２、３０６ 下部電極
２４、７４、８１、９３ 配線パターン
２５ スルーホール
２７、７５、９４、２５２、３０１ 上部基板
２８、８０、１０２、２４６ 支柱
３３、７８、９７、２４９、３１８ ミラー
３４、７２、９８、２５３ 突出部
３５、３６、９９、２５０、２５１、３１６ トーションスプリング
３０２ 凸部
３０４ 支点突起
３３０ａ、３３０ｂ 位置規制部
４１、５１ 下部シリコン層
４２、４５、１１２ 酸化シリコン層
４３、５３ 上部シリコン層
【発明の属する技術分野】
本発明は、通信用の光スイッチング素子、計測機器、ディスプレイ、スキャナなどに使用可能なマイクロミラー装置およびその製造方法に関する。
【０００２ 】
【従来の技術】
図３４は従来のマイクロミラー装置を示す概略斜視図である。
このマイクロミラー装置では、図に示すように、基板１上に回動可能な支持部２が設けられ、これら支持部２にヒンジ７を介して基部３が回動可能に設けられている。基部３にトーションスプリング（図示せず）を介して枠体４が設けられ、枠体４にトーションスプリング（図示せず）を介してミラー５が設けられ、基板１のミラー５と対向する部分に複数の下部電極６が設けられている。これら下部電極６に対して電圧を加えることにより、ミラー５を静電気力で吸引し、ミラー５を任意の方向へ傾動させることができる。
【０００３ 】
図３４に示したマイクロミラー装置は表面マイクロマシニング技術により作製されている。すなわち、多結晶シリコン層の成長と酸化シリコン（ＳｉＯ２）層の形成とを各層をパターニングしながら行なうことにより、多結晶シリコン層と酸化シリコン層とを交互に堆積し、最終的に緩衝フッ酸などに浸漬して酸化シリコン層を溶解して、酸化シリコン層を除去することにより、可動部を形成している。この酸化シリコン層、たとえば図３５に示す酸化シリコン層１１は可動部やギャップを構成するために存在することから犠牲層と呼ばれている。
【０００４ 】
図３４に示したマイクロミラー装置においては、酸化シリコン層と多結晶シリコンとからなるパターニングした層を形成したのち、緩衝フッ酸で酸化シリコン層を除去することにより、支持部２、基部３、枠体４、ミラー５を形成している。
この方法によりマイクロミラー装置を作製したときには、多数個のミラーパターンを形成しておくと、犠牲層である酸化シリコン層１１を除去するだけで多数個のミラー５が形成される利点がある。
【０００５ 】
【発明が解決しようとする課題】
しかし、上記のマイクロミラー装置では、ミラー５の電極と下部電極６とが平行に配置されており、電極間ギャップが大きい。ミラー５に加わる静電気力は電極間ギャップの２乗に反比例することから、ミラー５に大きな傾きを引き起こすには高い電圧が必要だった。
【０００６ 】
また、このようなマイクロミラー装置においては、ミラー５が多結晶シリコンで形成されているため、結晶成長条件により内部ひずみが残留し、それがミラー５の変形を引き起こす。この変形のために、コリメート光が入射すると、いびつな形状のビームプロファイルをもつビームとなって反射される。したがって、例えば入力光ファイバから出力光ファイバへ切り替える光スイッチとしてこのマイクロミラー装置を使用する場合には、入力ファイバから出射したコリメートビームが反射後出力ファイバに入射する際に損失が大きかった。
【０００７ 】
そこで、ミラー５の変形に基づく損失を低減するために、変形を補償できる下部電極６とミラー５の電極間における電圧の面分布を予めコンピュータのメモリに記憶しておき、これに基づいてミラー５に与える静電気力の分布をコントロールし、ミラー５の変形を補正している。しかし、このような補正は非常に面倒である。
【０００８ 】
また、ミラー５の復元力を与えるトーションスプリングが多結晶シリコンで形成され、多結晶シリコンは多数の結晶粒界を有しているから、繰り返しの力が作用すると結晶粒界が疲労破壊の原因となる。したがって、繰り返し力をかけると疲労が速く進み、寿命に問題がある。
【０００９ 】
また、ミラー５を支える支持部２も多結晶シリコンから構成されていることから、ミラー５に加わる静電気力の変動によって支持部２が変形するという問題もあった。
また、各下部電極６へ通電するプリント配線が基板１の表面側に形成されているために、ミラー５を多数並べてアレイを構成する場合には、必要な配線パターン幅が細かくなる。しかも支持部２を避けて配線する必要があるために、配線自由度が低い問題を有していた。
【００１０ 】
本発明は、低い電圧でミラーを大きく傾動させることができるマイクロミラー装置を提供することを課題とする。
【００１１ 】
【課題を解決するための手段】
上記課題を達成するため、本発明のマイクロミラー装置は、ミラー、前記ミラーを上部基板に対して傾動可能に支持する複数のトーションスプリング、前記ミラーの下面と対向して配置された下部基板、前記下部基板の上面に前記ミラーの中央部と対向して設けられた凸部、および前記凸部の外面に形成された複数の下部電極を有する。
【００１２ 】
このマイクロミラー装置によれば、前記凸部を形成したことにより、ミラーと下部電極の少なくとも一部を接近させることができ、ミラーの傾動に要する電圧を低下することが可能である。
【００１３ 】
前記トーションスプリングは、その長手方向に対して垂直な断面における、高さ／幅のアスペクト比が１．８以上であってもよい。この場合には、トーションスプリングによるミラー支持強度は維持しつつ、ミラーの傾動がより容易になるので、ミラーの傾動に要する電圧を低減することができる。
【００１４ 】
前記下部基板の上面には、前記凸部の周囲であって前記ミラーの外周縁と対向する位置に、凹部が形成されていてもよい。この場合には、ミラーの外周縁が凹部に入るまでミラーを傾動させることが可能となるから、ミラーの傾動範囲を拡大できるうえ、ミラーが下部基板と接触しにくくなるから、ミラーの破壊を防止できる。
【００１５ 】
前記凸部には、ミラーの中心と対向して、絶縁体からなる支点突起が形成されていてもよい。この場合には、支点突起によってミラーが過剰に下方へ変位することが防止でき、ミラー電極と下部電極とがショートすることがないので、ミラー電極および下部電極の破損が防止できる。
【００１６ 】
前記トーションスプリングは蛇行形状部を有し、前記上部基板には、前記トーションスプリングの変位範囲を規制するための位置規制部が形成されていてもよい。この場合には、位置規制部によりトーションスプリングおよびミラーの過剰な変位を防ぐとともに、トーションスプリングの損傷が防止できる。
【００１７ 】
前記ミラー、前記トーションスプリング、および前記上部基板は、シリコン単結晶によって一体的に形成され、このシリコン単結晶が、前記下部基板上に形成されたスペーサに接合されていてもよい。この場合には、ミラーの平面度を高め、トーションスプリングの寿命を延ばすことができる。
【００１８ 】
前記下部基板の下面には配線パターンが形成され、これら配線パターンと、前記下部電極のそれぞれは、前記下部基板の内部に形成されたスルーホールを通じて導通されていてもよい。この場合には、下部電極への配線の自由度が増し、配線が容易になるだけでなく、配線のパターン幅を太くすることができる。
【００１９ 】
本発明のマイクロミラー装置の製造方法は、以下の工程を具備する：
支持基板上に、第１酸化物層、第１単結晶シリコン層、第２酸化物層、および第２単結晶シリコン層を順に形成する工程；
前記第２単結晶シリコン層、前記第２酸化物層、および前記第１単結晶シリコン層を貫通する溝を形成する工程；
前記溝内に多結晶シリコン層を形成する工程；
前記第２単結晶シリコン層をエッチングして、前記第２単結晶シリコン層によりミラーおよびトーションスプリングを形成する工程；
前記溝内の前記多結晶シリコン層を除去する工程；
前記溝を通じて、前記第１単結晶シリコン層の、前記トーションスプリングの下方に位置する部分をエッチングする工程；および
前記第１酸化物層および前記第２酸化物層を除去して、前記トーションスプリングを独立させる工程。
この製造方法によれば、ミラーおよびトーションスプリングを容易に一体成形できる。
【００２０ 】
【発明の実施の形態】
図１は本発明に係るマイクロミラー装置の第１実施形態を示す分解斜視図、図２はミラー支持構造を示す斜視図、図３は図２のＡ−Ａ断面図である。本発明は以下の実施形態のみに限定されるものではなく、本発明の趣旨を逸脱しない範囲で様々な変更を加えてよい。
【００２１ 】
図に示すように、結晶方位が（１００）の単結晶シリコンからなる下部基板（下部電極基板）２１の中央部に矩形状をなす突出部３４が設けられ、突出部３４の上面には四隅の近くにそれぞれ下部電極２２が設けられている。
突出部３４の周囲にも間隔を空けて複数の下部電極２３が設けられている（この例では８個）。下部基板２１の下面には、パターン状の配線２４が形成され、下部電極２３と配線２４とは、下部基板２１を貫通するスルホール２５を通じてそれぞれ電気的に接続されている。
【００２２ 】
下部基板２１の上面の両側にはＡｕＳｎからなるはんだ部２６が設けられている。また、ＳＯＩ（Ｓｉｌｉｃｏｎ Ｏｎ Ｉｎｓｕｌａｔｏｒ）基板からなる上部基板（ミラー形成基板）２７の下面には、結晶方位が（１００）の単結晶シリコンからなる支柱２８が設けられている。支柱２８の上部幅は例えば１ｍｍであり、下部幅が３００μｍである。支柱２８の下部に３層のＴｉ／Ｐｔ／Ａｕからなる接合部２９が設けられ、支柱２８は下部基板２１のはんだ部２６に接合されている。これにより下部基板２１に上部基板２７がボンディングされている。
【００２３ 】
上部基板２７の上面には酸化シリコン層３０が設けられ、酸化シリコン層３０上に単結晶シリコンからなる基部３１が設けられ、基部３１の内側に円環状の枠体３２が設けられ、さらに枠体３２の内側にミラー３３が設けられている。ミラー３３の表面には３層のＴｉ／Ｐｔ／Ａｕ層が形成され、導電性が付与されている。支柱２８によりミラー３３が支えられており、例えば下部電極２２とミラー３３との間隔は２０μｍ、下部電極２３とミラー３３との間隔は４０μｍに設定されている。
【００２４ 】
基部３１と枠体３２とは、１８０゜隔てた２か所においてトーションスプリング３５により連結され、枠体３２とミラー３３とは１８０゜隔てた２か所においてトーションスプリング３６により連結されている。トーションスプリング３５、３６は同様の形状をしている。トーションスプリング３５同士を結ぶ線と、トーションスプリング３６同士を結ぶ線は直交する。基部３１、枠体３２、ミラー３３、およびトーションスプリング３５、３６は単結晶シリコンで一体形成されている。
【００２５ 】
トーションスプリング３５、３６の断面の高さをａ、幅をｂとすると、高さａと幅ｂとのアスペクト比ａ／ｂが重要なパラメータとなる。アスペクト比ａ／ｂは１．８以上であることが望ましく、より好ましくは２．５〜８であり、最も好ましくは約３である。アスペクト比ａ／ｂは１．８以上であれば、トーションスプリング３５、３６はよりねじれやすくなるうえ、ミラー３３の自重や静電気力Ｆによってトーションスプリング３５、３６が撓みにくくなる。よって、ミラー３３の姿勢制御がより高精度に行える。この効果を説明すると以下の通りである。
【００２６ 】
トーションスプリング３５はねじれ（トーション）の復元力を与えるスプリングとして機能するのみならず、ミラー３３部の自重を支える支持部として機能する。このため、ミラー３３の自重やミラー３３を駆動するための静電気力Ｆにより、トーションスプリング３５に曲げ応力が加わり、ミラー３３を支柱２８で頑丈に支えてはいるものの、ミラー３３の撓みを引き起こす原因となる。トーションスプリング３５の断面の高さをａ、幅をｂ、定数をβ、単結晶シリコンのせん断弾性係数をＧとすると、トーションスプリング３５のねじれ角θとトルクＴとの関係式は次式で表される。
θ＝Ｔ／βａｂ３Ｇ
【００２７ 】
また、定数をα、単結晶シリコンの縦断弾性係数をＥ、トーションスプリング３５の断面二次モーメントをＩとすると、曲げ撓み量δと静電気力Ｆとの関係式は次式で表される。
δ＝Ｆα／ＥＩ
断面二次モーメントＩは次式で表される。
Ｉ＝ｂａ３／１２
【００２８ 】
したがって、定数をＡとすると、曲げ撓み量δとねじれ角θとの比δ／θは次式で表される。
δ／θ＝Ａβ（ｂ／ａ）２
このため、幅ｂに比べて高さａを大きくすることにより、相対的にねじれやすくなり、ミラー３３の自重や静電気力Ｆによる撓みが少なくなるのである。
【００２９ 】
このマイクロミラー装置においては、上部基板２７を負、下部電極２２、２３に正の電場を与えて、しかも下部電極２２、２３間で非対称な電位差を生じさせることにより、ミラー３３を任意の方向へ傾動させる。たとえば、６０Ｖの電圧を下部電極２２、２３の片側全電極に印加すると、ミラー３３を約１０°傾けることができる。
【００３０ 】
このようなマイクロミラー装置においては、ミラー３３に加わる静電気力は電極間ギャップの２乗に反比例するが、下部基板２１の上面にミラー３３の中央部と対向する突出部３４を形成し、この突出部３４の上面に下部電極２２を形成したから、ミラー３３の回動範囲を狭めることなく、ミラー３３と下部電極２２との間の距離を小さくすることができる。したがって、低い電圧でミラー３３を大きく傾けることができる。
【００３１ 】
また、この実施形態では、ミラー３３が多結晶シリコンよりも硬質の単結晶シリコンで形成されているから、ミラー３３に内部ひずみが残留することがなく、内部歪みによる変形が少ない。よって、コリメート光を照射させたときにいびつな形状のビームプロファイルを生じず、入力光ファイバから出力光ファイバへ光路を切り替える光スイッチとしてこのマイクロミラー装置を使用する場合にも、入力光ファイバから出射したコリメートビームが反射後に出力ファイバに入射する際の損失を低減できる。したがって、ミラー３３に与える静電気力の分布をコントロールしてミラー３３の変形を補償する必要がない。
【００３２ 】
また、この実施形態では、ミラー３３の復元力を与えるトーションスプリング３５、３６が単結晶シリコンで形成されていることから、繰り返しの力に対して疲労が生じにくく、寿命が長い。
また、上部基板２７としてＳＯＩ基板を用いているから、容易にマイクロミラー装置を製造することができる。
【００３３ 】
また、ミラー３３を支える支柱２８も、硬質の単結晶シリコンから構成されているから、ミラー３３に加わる静電気力の変動によって支柱２８が変形することがなく、ミラー３３の姿勢制御を正確に行える。
また、ミラー３３が設けられた上部基板２７は、下部電極２２、２３が設けられた下部基板２１とは別個に製造されているから、製造時にミラーがスティッキングを生じることがない。
【００３４ 】
また、下部電極２３と配線２４とをスルホール２５により接続しているから、下部電極２２、２３および支柱２８を避けて配線する必要がないので、ミラー３３を駆動するための配線２４のパターン幅を太くすることができ、また配線自由度ならびに配線密度を高くすることができる。
【００３５ 】
図１〜図３に示したマイクロミラー装置の製造方法について説明する。まず、結晶方位が（１００）の単結晶シリコン基板に酸素イオン注入して、一定の深さに酸化シリコン層３０を形成してＳＩＭＯＸ基板とする。ＳＩＭＯＸ基板の活性層の上にエピタキシャルで単結晶シリコンを成長させて、約１０μｍの厚さのＳＯＩ層を形成して、ＳＯＩ基板を用意する。
【００３６ 】
つぎに、ＳＯＩ基板のＳＯＩ層に不純物濃度が１×１０２０となるように不純物をドープして、比抵抗を１０００分の数Ωｃｍにする。つぎに、リフトオフにより３層のＴｉ／Ｐｔ／Ａｕからなる反射膜を形成する。その表面のミラーパターンに合わせて両面アライナを用いてＳＯＩ基板の支持基板の裏面に３層のＴｉ／Ｐｔ／Ａｕからなる接合部２９をパターニングする。支持基板のバックエッチングを行なうことにより支柱２８を形成する。
【００３７ 】
つぎに、ＩＣＰ（ｉｎｄｕｃｔｉｖｅｌｙ−ｃｏｕｐｌｅｄ ｐｌａｓｍａ）を用いてＳＯＩ層をエッチングして、基部３１、枠体３２、ミラー３３ならびにトーションスプリング３５、３６を一体形成する。ＰＣＶＤ（プラズマＣＶＤ）で表面に酸化シリコン層（パッシベーション膜）を形成して表面を保護したのちに、ＫＯＨのエッチャントでエッチングする。エッチング条件等については、Ｈ． Ｓｅｉｄｅｌ他、Ａｎｉｓｏｔｒｏｐｉｃ Ｅｔｃｈｉｎｇ ｏｆ Ｃｒｙｓｔａｌｌｉｎｅ Ｓｉｌｉｃｏｎ ｉｎ Ａｌｋａｌｉｎｅ Ｓｏｌｕｔｉｏｎｓ Ｉ．， Ｊ． Ｅｌｅｃｔｒｏｃｈｅｍ． Ｓｏｃ．， Ｖｏｌ．１３７， Ｎｏ．１１ （１９９０） ３６１２−３６２６およびＨ． Ｓｅｉｄｅｌ他、Ａｎｉｓｏｔｒｏｐｉｃ Ｅｔｃｈｉｎｇ ｏｆ Ｃｒｙｓｔａｌｌｉｎｅ Ｓｉｌｉｃｏｎ ｉｎ Ａｌｋａｌｉｎｅ Ｓｏｌｕｔｉｏｎｓ ＩＩ．， Ｊ． Ｅｌｅｃｔｒｏｃｈｅｍ． Ｓｏｃ．， Ｖｏｌ．１３７， Ｎｏ．１１ （１９９０） ３６２６を参照することができる。
【００３８ 】
結晶方位が（１００）の単結晶シリコン基板をＫＯＨでエッチングして突出部３４を形成し、下部電極２２、２３を形成し、段差の最下部には３層のＴｉ／Ｐｔ／Ａｕ層を形成したのち、Ｔｉ／Ｐｔ／Ａｕ層上にはんだ部２６を形成する。
【００３９ 】
つぎに、下部電極２３に対応してスルーホール２５を形成し、単結晶シリコン基板の裏面側に配線２４を形成する。その後、上部基板２７と下部基板２１との位置合わせを行なったのち、接合部２９をはんだ部２６に押し付けた状態で３９０℃で加熱により、はんだ部２６のはんだを溶融して下部基板２１に上部基板２７をボンディングする。
【００４０ 】
このマイクロミラー装置の製造方法によれば、ミラー３３が単結晶シリコンで形成されるから、内部歪みによる変形が少なく、またトーションスプリング３５、３６が単結晶シリコンで形成されていることから、繰り返しの力に対して寿命が長くなる。
【００４１ 】
図４は本発明に係る他のマイクロミラー装置の一部を示す斜視図である。図に示すように、支柱２８上に単結晶シリコンからなる下部シリコン層４１が設けられ、下部シリコン層４１上に酸化シリコン層４２が設けられ、酸化シリコン層４２上に単結晶シリコンからなる上部シリコン層４３が設けられ、基部３１が下部シリコン層４１、酸化シリコン層４２、上部シリコン層４３により構成されている。
【００４２ 】
トーションスプリング３５、枠体３２は上部シリコン層４３で形成されている。また、トーションスプリング３５の下方には、ミラー３３部の自重や静電気力Ｆによるトーションスプリング３５の撓みが生ずるのを防止するために、水平な保持部４４が設けられている。保持部４４は下部シリコン層４１の一部から構成されている。ミラー３３に過剰な荷重がかかると、トーションスプリング３５の先端が保持部４４に当接して、それ以上の変位を規制する。
【００４３ 】
このようなマイクロミラー装置においては、トーションスプリング３５にミラー３３部の自重や静電気力Ｆによる撓みが生ずるのを防止するための保持部４４が設けられているから、トーションスプリング３５の比ａ／ｂをそれほど大きくする必要がないので、トーションスプリング３５の形成が容易になる。
【００４４ 】
図４のマイクロミラー装置の製造方法を図５（ａ）〜５（ｄ）および図６（ａ）〜６（ｃ）により説明する。
図５（ａ）に示すように、単結晶シリコンからなる支持基板５０上に順に、酸化シリコン層４５、下部シリコン層４１、酸化シリコン層４２、上部シリコン層４３を形成し、この５層構造の基板の下部に接合部２９を形成する。
【００４５ 】
つぎに、図５（ｂ）に示すように、エッチングにより下部シリコン層４１に達する溝（穴）４６を形成する。つぎに、図５（ｃ）に示すように、エッチングにより酸化シリコン層４５までを貫通した溝（穴）４７ａ、４７ｂを形成する。この場合、まず上部シリコン層４３をＳＦ６ガスでＩＣＰを用いてエッチングし、酸化シリコン層４２をＣＦ系ガスで反応性エッチングする。その後、さらにＳＦ６ガスでＩＣＰを用いて下部シリコン層４１をエッチングし、酸化シリコン層４５をＣＦ系ガスで反応性エッチングする。
【００４６ 】
つぎに、図５（ｄ）に示すように、溝４６、４７ａ、４７ｂ内に多結晶シリコン層４８を形成する。
つぎに、図６（ａ）に示すように、上部シリコン層４３をエッチングすることにより、トーションスプリング３５を形成する。この場合、酸化シリコン層４２がエッチングストッパになる。
【００４７ 】
つぎに、図６（ｂ）に示すように、上部シリコン層４３の上面に３層のＴｉ／Ｐｔ／Ａｕ層４９を形成する。つぎに、図６（ｃ）に示すように、支持基板５０のバックエッチングを行なうことにより支柱２８を形成する。この場合、溝４７ｂは酸化シリコン層４５を貫通しているから、下部シリコン層４１の溝４７ｂ部もエッチングされ、保持部４４が形成される。
【００４８ 】
つぎに、緩衝フッ酸に浸漬することにより酸化シリコン層４２、４５を除去して、トーションスプリング３５の根元と保持部４４とを互いに分離する。
【００４９ 】
このマイクロミラー装置の製造方法においては、溝４７ａが酸化シリコン層４２、４５を貫通しているから、緩衝フッ酸に浸漬することにより酸化シリコン層４２、４５を除去したときに、基部３１において酸化シリコン層４２、４５が除去されるのを防止することができるので、基部３１において支持基板５０（支柱２８）、下部シリコン層４１、上部シリコン層４３が分離することがない。
【００５０ 】
図７は本発明に係る他のマイクロミラー装置の一部を示す斜視図、図８は図７に示したマイクロミラー装置の一部を示す断面図である。図に示すように、支柱２８上に単結晶シリコンからなる下部シリコン層５１が設けられ、下部シリコン層５１上にＳｉ−Ｂ−Ｏからなりかつ厚さが１０μｍの中間層５２が設けられ、中間層５２上に単結晶シリコンからなる上部シリコン層５３が設けられ、基部３１が下部シリコン層５１、中間層５２、上部シリコン層５３により構成されている。
【００５１ 】
下部シリコン層５１の一部に下部電極板５４が設けられ、上部シリコン層５３により構成されたトーションスプリング３５と枠体３２との間に上部電極板５５が設けられている。上部電極板５５の幅すなわちトーションスプリング３５の両端を結ぶ線の方向の寸法が４０μｍ、それに直角方向の長さが５５μｍである。
【００５２ 】
基部３１に下部電極板５４の電極に接続された入力電極５６が設けられ、トーションスプリング３５の両側部に上部電極板５５の電極に接続された入力電極５７が設けられている。
【００５３ 】
このマイクロミラー装置においては、入力電極５６に負の電圧を印加し、入力電極５７に正の電圧を印加すると、上部電極板５５を傾斜することができるから、ミラー３３を傾斜することができる。
【００５４ 】
このようなマイクロミラー装置においては、中間層５２の厚さが１０μｍであるから、下部電極板５４と上部電極板５５との間のギャップすなわち電極間ギャップが１０μｍである。静電気力は電極間ギャップの２乗に反比例するから、ミラー３３をより大きく傾斜することができる。すなわち、上部電極板５５の面積はミラー３３の面積の６分の１であるが、この電極間ギャップは下部基板の電極部に段差を設けないときの電極間ギャップ４０μｍの４分の１であるから、下部基板の電極部に段差を設けないときと比べて入力電極５６、５７に印加する電圧を２分の１以下すなわち４０Ｖとすることができる。
【００５５ 】
この例ではさらに、図１に示すように下部基板２１の突出部３４にも下部電極が設けられており、こちらも併用した場合には、入力電極５６、５７に印加する電圧を例えば２５Ｖ以下にすることができる。
【００５６ 】
図７、図８に示したマイクロミラー装置を製造する場合には、ＳＯＩ基板のＳＯＩ層（下部シリコン層５１）上にＳｉ−Ｂ−Ｏを堆積し、その上にエピタキシャル結晶成長を施したＳＩＭＯＸ基板を重ね合わせてシンク（焼結）することにより、ＳＯＩ基板とＳＩＭＯＸ基板とをボンディングし（特開昭６１−２４２０３３号公報参照）、その後研磨とエッチングを行なうことによって基板を作製すれば、容易に中間層５２の厚さを１０μｍにすることができる。
【００５７ 】
図９は本発明に係る他のマイクロミラー装置の一部を示す図である。図に示すように、基部３１と枠体３２との間にトーションスプリング６１が設けられており、枠体３２を基部３１に対して直角に交わる２方向線を中心に傾けることができる。
【００５８ 】
図１０は本発明に係る他のマイクロミラー装置を示す分解斜視図である。図に示すように、結晶方位が（１００）の単結晶シリコンからなる下部基板（下部電極基板）７１に突出部７２が設けられ、突出部７２に下部電極７３が設けられ、下部基板７１の上面に配線７４が設けられている。配線７４に下部電極７３が接続され、下部基板７１の上面に単結晶シリコンからなる支柱８０が設けられている。
【００５９ 】
上部基板（ミラー形成基板）７５に結晶方位が（１００）の単結晶シリコンからなる枠部７９が設けられ、枠部７９に単結晶シリコンからなる基部７６が設けられ、基部７６の内部に円環状の枠体７７が設けられている。枠体７７の内側部にミラー７８が設けられ、ミラー７８の表面には３層のＴｉ／Ｐｔ／Ａｕ層が設けられ、下部電極７３とミラー７８との間隔は２０μｍである。
【００６０ 】
図１に示したマイクロミラー装置と同様に、基部７６と枠体７７とは２か所においてトーションスプリング（図示せず）により連結されており、枠体７７とミラー７８とは２か所においてトーションスプリング（図示せず）により連結されている。また、支柱８０にはんだにより上部基板７５が取り付けられ、下部基板７１に上部基板７５がボンディングされている。
【００６１ 】
このマイクロミラー装置においては、ＳＯＩ基板の支持基板をバックエッチングすることにより枠部７９を形成することができ、またＳＯＩ基板のＳＯＩ層をエッチングすることにより枠体７７、ミラー７８、トーションスプリングを一体形成することができる。
【００６２ 】
図１１は本発明に係る他のマイクロミラー装置を示す分解斜視図である。図に示すように、下部基板７１の下面すなわち図１１紙面下部面に配線８１が設けられ、下部電極７３と配線８１とを接続するスルホール８２が設けられている。
【００６３ 】
このマイクロミラー装置においては、下部電極７３と配線８１とをスルホール８２により接続しているから、下部電極７３、支柱８０を避けて配線する必要がないので、ミラー７８を駆動するための配線８１のパターン幅を太くすることができる。
【００６４ 】
図１２は本発明に係る他のマイクロミラー装置を示す分解斜視図である。図に示すように、結晶方位が（１００）の単結晶シリコンからなる下部基板（下部電極基板）９１の上面すなわち図１２紙面上部面に下部電極９２が設けられ、下部基板９１に配線９３が設けられ、配線９３に下部電極９２が接続されている。
【００６５ 】
上部基板（ミラー形成基板）９４に結晶方位が（１００）の単結晶シリコンからなる枠部１０１が設けられ、枠部１０１に単結晶シリコンからなる基部９５が設けられている。基部９５の内部に円環状の枠体９６が設けられ、枠体９６の内側部にミラー９７が設けられ、ミラー９７の表面には３層のＴｉ／Ｐｔ／Ａｕ層が設けられている。ミラー９７の裏面には突出部９８が設けられている。
【００６６ 】
図１に示したマイクロミラー装置と同様に、基部９５と枠体９６とは２か所においてトーションスプリング（図示せず）により連結されており、枠体９６とミラー９７とは２か所においてトーションスプリング（図示せず）により連結されている。単結晶シリコンからなる基部９５、枠体９６、ミラー９７、トーションスプリングが一体形成されている。
【００６７ 】
基部９５の両側部には支柱１０２が設けられ、支柱１０２ははんだにより下部基板９１に取り付けられ、下部基板９１に上部基板９４がボンディングされている。すなわち、この実施形態では、図１２に示した上部基板９４を裏返してつまり表と裏とを反対にして、下部基板９１に上部基板９４がボンディングされている。
【００６８ 】
このマイクロミラー装置においては、ミラー９７の裏面に突出部９８が設けられているから、下部電極９２とミラー９７の電極との間のギャップすなわち電極間ギャップを小さくすることができ、上述の如く静電気力は電極間ギャップの２乗に反比例するから、ミラー９７をより大きく傾斜することができる。
【００６９ 】
図１３は本発明に係る他のマイクロミラー装置の一部を示す斜視図である。図に示すように、基部７６と枠体７７との間にトーションスプリング９９が設けられ、ミラー７８部の自重や静電気力Ｆによる曲げが生ずるのを防止するための保持部１００が設けられている。
【００７０ 】
図１３に示したマイクロミラー装置の製造方法を図１４（ａ）〜１４（ｄ）、図１５（ａ）〜１５（ｃ）により説明する。
図１４（ａ）に示すように、単結晶シリコンからなる支持基板１１１上に酸化シリコン層１１２が設けられ、かつ酸化シリコン層１１２上にシリコン層（ＳＯＩ層）１１３が設けられたＳＯＩ基板の下部に、３層のＴｉ／Ｐｔ／Ａｕからなる接合部１１４を設け、シリコン層１１３上にエッチングレジスト層を形成し、さらにシリコン層１１３に溝（穴）１１５を形成する。
【００７１ 】
つぎに、図１４（ｂ）に示すように、シリコン層１１３の表面を熱酸化して酸化シリコン層１１６を形成したのち、エッチングにより支持基板１１１に達する溝（穴）１１７を形成する。この場合、まず酸化シリコン層１１６をＣＦ系ガスで反応性エッチングしたのち、ＳＦ６ガスでＩＣＰを用いてシリコン層１１３をエッチングする。その後、さらに酸化シリコン層１１２をＣＦ系ガスで反応性エッチングしたのち、ＳＦ６ガスでＩＣＰを用いて支持基板１１１をエッチングする。
【００７２ 】
つぎに、図１４（ｃ）に示すように、エッチングにより酸化シリコン層１１６に溝（穴）１１８を形成する。つぎに、図１４（ｄ）に示すように、表面に多結晶シリコン層１１９を形成したのち、多結晶シリコン層１１９の一部をエッチングにより除去する。
【００７３ 】
つぎに、図１５（ａ）に示すように、ＰＣＶＤで表面に酸化シリコン層（パッシベーション膜）１２０を形成する。つぎに、図１５（ｂ）に示すように、支持基板１１１のバックエッチングを行なうことにより枠部７９を形成する。
つぎに、図１５（ｃ）に示すように、緩衝フッ酸に浸漬することにより酸化シリコン層１１２、１１６、１２０を除去してトーションスプリング９９、保持部１００を形成する。
【００７４ 】
このマイクロミラー装置の製造方法においては、溝１１７が酸化シリコン層１１２を貫通しているから、緩衝フッ酸に浸漬することにより酸化シリコン層１１２を除去したときに、基部７６において酸化シリコン層１１２が除去されるのを防止することができるので、基部７６において支持基板１１１（枠部７９）とシリコン層１１３とが分離することがない。
【００７５ 】
上述した各実施形態においては、基板すなわち上部基板としてＳＯＩ基板を用いたが、基板としてＳＩＭＯＸ基板を用いてもよい。
また、上述した各実施形態においては、酸化物層として酸化シリコン層４２、４５、中間層５２、酸化シリコン層１１２を用いたが、他の酸化物層を用いてもよい。
【００７６ 】
また、上述した各実施形態においては、上部基板２７、７５に１つのミラー３３、７８を設けたが、上部基板に多数個のミラー（アレイミラー）を設けてもよく、この場合に下部基板の下面にミラーを駆動するための配線を設け、下部基板に下部電極と配線とを接続するスルーホールを設けたときには、配線のパターン幅を太くすることができる。
【００７７ 】
また、上述した各実施形態においては、単結晶シリコンからなる支持基板５０上に酸化シリコン層４５が設けられ、酸化シリコン層４５上に下部シリコン層４１、酸化シリコン層４２、上部シリコン層４３が設けられた３層構造の基板を用いたが、２枚のエピタキシャル結晶成長を施したＳＩＭＯＸ基板のうちの一方にシリカを主成分とするガラス微粒子（スート）を堆積したのち、他方のＳＩＭＯＸ基板を重ね合わせてシンク（焼結）することにより、両ＳＩＭＯＸ基板をボンディングし（特開昭６１−２４２０３３号公報参照）、その後研磨とエッチングを行なうことによって基板を作製してもよい。
【００７８ 】
次に、ミラー３３と突出部３４とが大面積で接触してしまうこと（プルインという）を防止できる実施形態を説明する。
【００７９ 】
静電気力Ｆは距離ｄの２乗に反比例するから、ミラー３３が突出部３４にある所定距離以下に近づいたとたんに、静電気力Ｆが、ミラー３３を元の位置に戻そうとするトーションスプリング３５、３６の復元力よりも遥かに大きくなり、ミラー３３と突出部３４とが大面積で接触してしまう場合がある。
【００８０ 】
このプルインは、電圧Ｖを小さくしてミラー３３を回転させたいがために、距離ｄをできるだけ小さくするほど、トーションスプリング３５、３６のバネ定数を小さくするほど、傾動限界値をプルインが起こるしきい値のぎりぎりの値まで近づけるほど、起こりやすくなる。このため、プルインが生じるしきい値を超えないように、数ミリ秒の間に高精度の電圧制御をしていかなければならない。この数ミリ秒のミラー３３の姿勢制御がスイッチング時間に相当する。
【００８１ 】
ミラー３３がプルインを起こすと、ミラー３３の電極と下部電極２２とがショートして、ミラー３３の電極、下部電極２２が破損することがある。アレイミラーの場合には、各ミラー３３のトーションスプリング３５、３６のバネ定数が均一でないから、ミラー３３のプルインが起こる静電気力Ｆが異なる場合がある。この場合、各ミラー３３の特性が大きく異なり、実用に供しない。
【００８２ 】
また、ミラー３３の回転が大きくなったときには、ミラー３３のエッジ（周辺部）と下部基板２１とが点で接触するから、瞬間的にミラー３３のエッジに応力集中が起こり、ミラー３３の破壊を引きやすくなる。また、薄くて変形しやすいミラー３３であれば、プルインの起こる距離ｄがしきい値よりも小さくなる傾向がある。また、プルインが起こらなくとも、静電気力Ｆによりミラー３３が下部電極２２、２３に接近したとき、すなわちミラー３３が下部電極２２、２３の方向にシフトしたときには、ミラー３３に入射した光ビームの光軸がシフトすることになるから、ミラー３３の下部電極２２、２３の方向へのシフトは極力小さく抑える必要がある。
【００８３ 】
本実施形態はこのような問題を解決するためになされたもので、この目的を達成するため、本実施形態においては、ミラーと、下部電極が設けられた下部基板とを有するマイクロミラー装置において、上記下部基板の上記下部電極が設けられた部分に絶縁体からなる突起を設ける。
【００８４ 】
図１６は本実施形態に係るマイクロミラー装置を示す概略断面図、図１７は図１６に示したマイクロミラー装置の下部基板を示す概略平面図である。図に示すように、結晶方位が（１００）の単結晶シリコンからなる下部基板（下部電極基板）２４１に高さ４０μｍの突出部２５３が設けられ、突出部２５３に下部電極２４２が設けられている。突出部２５３の中央部すなわち下部電極２４２の中央部には、表面が絶縁体からなり、かつ高さが５μｍ、幅が３μｍの突起２４３が設けられている。下部電極２４２の周辺には溝２４４が設けられ、溝２４４の側壁上部および開口縁部を含む下部基板２４１の表面に絶縁膜２４５が設けられている。下部電極２４２は絶縁膜２４５上に設けられている。
【００８５ 】
ＳＯＩ基板からなる上部基板（ミラー形成基板）２５２に結晶方位が（１００）の単結晶シリコンからなる支柱２４６が設けられ、支柱２４６は下部基板２４１に取り付けられ、下部基板２４１に上部基板２５２がボンディングされている。
【００８６ 】
支柱２４６に厚さが約１０μｍの単結晶シリコンからなる基部２４７が設けられ、基部２４７の内部に円環状の枠体２４８が設けられ、枠体２４８の内側部にミラー２４９が設けられている。ミラー２４９の表面には３層のＴｉ／Ｐｔ／Ａｕ層からなる電極が設けられている。支柱２４６によりミラー２４９が空間に支えられており、下部電極２４２とミラー２４９との距離は２０μｍである。そして、基部２４７と枠体２４８とは２か所において、図４、７、９に示したトーションスプリングと同様のトーションスプリング２５０により連結されており、枠体２４８とミラー２４９とは２か所においてトーションスプリング２５０と同様の形状をしたトーションスプリング２５１により連結され、２つのトーションスプリング２５０を結ぶ線と２つのトーションスプリング２５１を結ぶ線とは直交している。厚さが約１０μｍの単結晶シリコンからなる基部２４７、枠体２４８、ミラー２４９、トーションスプリング２５０、２５１が一体形成されている。
【００８７ 】
つぎに、図１６、図１７に示したマイクロミラー装置の製造方法について説明する。まず、結晶方位が（１００）の単結晶シリコン基板に酸素イオン注入して、一定の深さに酸化シリコン層を形成してＳＩＭＯＸ基板とし、ＳＩＭＯＸ基板の活性層の上にエピタキシャルで単結晶シリコンを成長させて、約１０μｍの厚さのＳＯＩ層を形成して、ＳＯＩ基板を用意する。つぎに、ＳＯＩ基板のＳＯＩ層に不純物濃度が１×１０２０となるように不純物をドープして、比抵抗を１０００分の数Ωｃｍにする。つぎに、リフトオフにより３層のＴｉ／Ｐｔ／Ａｕからなる反射膜を形成し、その表面のミラーパターンに合わせて両面アライナを用いてＳＯＩ基板の支持基板の裏面に３層のＴｉ／Ｐｔ／Ａｕからなる接合部をパターニングする。つぎに、ＩＣＰ（ｉｎｄｕｃｔｉｖｅｌｙ−ｃｏｕｐｌｅｄ ｐｌａｓｍａ）を用いてＳＯＩ層をエッチングして、基部２４７、枠体２４８、ミラー２４９ならびにトーションスプリング２５０、２５１を一体形成する。つぎに、ＰＣＶＤ（プラズマＣＶＤ）で表面に酸化シリコン層（パッシベーション膜）を形成して表面を保護したのちに、ＫＯＨのエッチャントでＳＯＩ基板の支持基板をエッチングすることにより、支柱２４６を形成する。
【００８８ 】
結晶方位が（１００）の単結晶シリコン基板の中央部に異方性エッチングにより突起２４３を形成し、突起２４３をマスクして単結晶シリコン基板をＫＯＨでエッチングして突出部２５３を形成し、単結晶シリコン基板の突出部２５３の周囲に溝２４４を形成し、単結晶シリコン基板の表面を熱酸化することにより絶縁膜２４５を形成するとともに、突起２４３の表面を絶縁体とし、また絶縁膜２４５上に下部電極２４２を形成し、単結晶シリコン基板の周囲部に３層のＴｉ／Ｐｔ／Ａｕ層を形成したのち、Ｔｉ／Ｐｔ／Ａｕ層上にＡｕＳｎからなるはんだ部を形成する。つぎに、下部基板２４１と上部基板２５２との位置合わせを行なったのち、接合部をはんだ部に押し付けた状態で３９０℃で加熱により、はんだ部のはんだを溶融して下部基板２４１に上部基板２５２をボンディングする。
【００８９ 】
このマイクロミラー装置においては、下部電極２４２に大きな電圧を対称に印加したときに、図１８に示すようにミラー２４９が下部基板２４１の方向即ち図１８紙面下方に移動するが、ミラー２４９が突起２４３に接触するから、ミラー２４９と突出部２５３とが大面積で接触してしまうことはなく、プルインが起こることもない。
【００９０ 】
また、下部電極２４２に大きな電圧を非対称に印加したときには、図１９に示すようにミラー２４９が大きく傾斜するが、ミラー２４９のエッジが溝２４４内に位置するから、ミラー２４９のエッジが下部基板２４１と接触することがない。
【００９１ 】
たとえば９５Ｖ差の電圧を下部電極２４２の片側の全電極に与えると、ミラー２４９を１２°だけ傾斜させることができた。この時点で、ミラー２４９の中央部が突起２４３に接触し、同時にミラー２４９の周辺が溝２４４の縁と線で接触をした。
【００９２ 】
さらに、下部電極２４２に２００Ｖ差の電圧を加えても、ミラー２４９は突起２４３のみで接触し、その接触面積が狭いから、プルインが起こらなかった。プルインが起こっていないことを実証するために、２００Ｖ差の電圧を下部電極２４２に与えた上で、数十Ｖ差の電圧を下部電極２４２に非対称に印加したときには、ミラー２４９を回転させることができた。つぎに、最大回転角を与える９５Ｖを遥かに超える２００Ｖ差の電圧を下部電極２４２に非対称に与えて回転させても、ミラー２４９と下部基板２４１との接触部は電圧差が９５Ｖの場合と変わらず突起２４３と溝２４４の上部縁のみであった（図２０参照）。
【００９３ 】
また、ミラー２４９のエッジが下部電極２４２に衝突することがないから、ミラー２４９が破壊することは全くなかった。
【００９４ 】
同じ実験を突起なしで行なったら、電圧差が７０Ｖでプルインが起こるために、回転制御は電圧差が６５Ｖ以内で行なう必要があり、ミラーの可動回転角は±６度が限界であった。このように、本発明ではミラー２４９は突起２４３と絶縁膜２４５が形成された溝２４４の縁でその動きが止められるから、プルインが起こることもなく、またショートも起こらない。
【００９５ 】
以上のように、このマイクロミラー装置においては、ミラー２４９がプルインを起こすことがないから、ミラー２４９の電極と下部電極２４２とがショートすることがないので、ミラー２４９の電極、下部電極２４２が破損することがない。また、アレイミラーの場合に、各ミラー２４９のトーションスプリング２５０、２５１のバネ定数が均一でなくとも、実用に供することができる。また、ミラー２４９の回転がかなり大きくなったときにも、ミラー２４９が下部基板２４１と接触することがないから、ミラー２４９の破壊を防止することができる。
【００９６ 】
また、少なくとも溝２４４の側壁上部および開口縁部に絶縁膜２４５が設けられているから、たとえ仮りにミラー２４９の回転が非常に大きくなって、ミラー２４９が下部基板２４１と接触したとしても、ミラー２４９の破壊を確実に防止することができる。
【００９７ 】
図２１は本発明に係る他のマイクロミラー装置の下部基板を示す概略平面図、図２２は図２１のＢ−Ｂ断面図である。図に示すように、下部基板２４１に下部基板２４１を貫通した穴２６１が設けられ、穴２６１の側壁上部および開口縁部を含む下部基板２４１の表面に絶縁膜２６２が設けられている。
【００９８ 】
なお、以上の実施形態においては、凹部として溝２４４と穴２６１を設けたが、他の凹部を設けてもよい。
また、上述した実施形態においては、表面が絶縁体からなる突起２４３を設けたが、全体が絶縁体からなる突起を設けてもよい。
【００９９ 】
また、上述実施形態においては、高さが５μｍの突起２４３を設けたが、下部電極に電圧を印加しないときのミラーと突起との距離をより小さくすれば、ミラー２４９が下部電極２４２に接近することすなわちミラー２４９の下部電極２４２の方向へのシフトを防止することができるから、ミラー２４９に入射した光ビームの光軸がシフトすることがない。
【０１００ 】
図２３〜図２７は、より具体的な本発明の他の実施形態を示している。この実施形態のマイクロミラー装置は、図２７に示すように、平行に接合された下部基板３００および上部基板３０１とを有している。
【０１０１ 】
下部基板３００には、図２３に示すように、上面の中央部にミラー３１８の下面中央部と対向して凸部３０２が形成されている。この凸部３０２は、平面視してほぼ正方形をなし、中央にはほぼ正方形状をなす水平な上段面３０２ｂが形成され、その周囲には一段低い水平な下段面３０２ａが形成されている。上段面３０２ｂの中心には、ミラー３１８の中心部と対向する支点突起３０４が形成され、ミラー３１８との間に僅かな間隙が形成されている。支点突起３０４はすくなくとも表面が絶縁体で形成されている。
【０１０２ 】
凸部３０２の外面を含む下部基板３００の上面中央には、平面視してミラー３１８と同心の円形をなすように、それぞれ扇状をなす４つの下部電極３０６が形成されている。下部電極３０６の材質等は前述した実施形態と同様である。下部電極３０６の扇の中心は支点突起３０４と一致し、各下部電極３０６の間には、一定幅の間隙３０７が形成されている。図示していないが下部電極３０６の下方において、下部基板３００にはそれぞれスルーホールが形成され、これらスルーホールを通じて下部電極３０６は下部基板３００の下面に形成されている配線パターン（図示略）に接続されている。配線パターンを通じて下部電極３０６とミラー３１８とに電圧を印可することにより、ミラー３１８を傾動させることができる。このとき、ミラー３１８が所定値以上に下方へ変位すれば、支点突起３０４がミラー３１８の中心に当接してミラー３１８が傾動するための支点となる。
【０１０３ 】
下部電極３０６の数はこの実施形態では４つであるが、３つ以上であればミラー３１８を任意の方向へ傾動させることができる。ただし、配線の容易さ、および制御の容易さを考慮すると、４つの場合が好ましい。
【０１０４ 】
下部基板３００の上面には、リング部３１４の外周部の２カ所、およびミラー３１８の外周部の２カ所と対向する位置に、それぞれ凹部３０８、３０９が形成されている。凹部３０８はリング部３１４を支えるトーションスプリング３１６から９０゜隔てた位置、凹部３０９はミラー３１８を支えるトーションスプリング３１６から９０゜隔てた位置にそれぞれ形成されている。これにより、トーションスプリング３１６を軸とするミラー３１８およびリング部３１４の傾動範囲を大きく採ることができる。
【０１０５ 】
図２４に示すように、上部基板３０１は、中央のミラー３１８、ミラー３１８の外周を取り巻くリング部３１４、リング部３１４の外周を取り巻く基部３１２、および外周縁に形成されたフレーム３２２が、一体的にシリコン単結晶で形成されたものである。フレーム３２２はシリコン酸化膜３２０を介して形成されている。基部３１２とリング部３１４との間は１８０゜隔てた一対のトーションスプリング３１６で接続され、リング部３１４とミラー３１８との間は、先のトーションスプリング３１６から９０゜隔てた位置において、一対のトーションスプリング３１６で接続されている。これらトーションスプリング３１６も、ミラー３１８、リング部３１４、基部３１２と一体的に形成されている。
【０１０６ 】
図２５はトーションスプリング３１６の詳細を示している。この図はリング部３１４と基部３１２とを接続するトーションスプリング３１６を示しているが、リング部３１４とミラー３１８とを接続するものも全く同様である。
【０１０７ 】
トーションスプリング３１６は、基部３１２に形成された凹部３３２内に収容され、基部３１２に接続された基端部３１６ａと、蛇行部３１６ｂと、蛇行部３１６ｂの先端に形成されたストッパ３１６ｃと、ストッパ３１６ｃから延びてリング部３１４に接続された先端部３１６ｄとからなる。基端部３１６ａと先端部３１６ｄはリング部３１４の径方向に向けて延び、蛇行部３１６ｂは径方向と垂直な方向へ延びている。先端部３１６ｄは基部３１２に形成されたスリット３３０を通過している。スリット３３０の幅は、先端部３１６ｄの捻れを許容するように、先端部３１６ｄの幅よりも十分に大きくされている。
【０１０８ 】
基端部３１６ａ、蛇行部３１６ｂ、および先端部３１６ｄは、ほぼ長方形をなす互いに同一の断面形状を有し、その高さＨ（図２７参照）と幅Ｗ（図２５参照）とのアスペクト比Ｈ／Ｗは１．８以上、より好ましくは２．５〜８であり、最も好ましくは約３である。このようなアスペクト比を採ることにより、鉛直方向におけるリング部３１４の支持強度を高めつつも、先端部３１６ｄの捻れ方向への弾力を低下させることができ、より少ない電力でミラー３１８を傾動させることが可能となる。
【０１０９ 】
この実施形態のストッパ３１６ｃは、リング部３１４へ向けて凸をなす二等辺三角柱状であり、スリット３３０に形成されている一対の位置規制部３３０ａとの間に若干の間隙が形成されている。ストッパ３１６ｃの幅は、スリット３３０の幅よりも小さい。このため、リング部３１４が下方またはトーションスプリング３１６から離間する方向へ過剰に変位した場合にも、ストッパ３１６ｃと位置規制部３３０ａとが接触して、それ以上の変位を抑制する。これにより、トーションスプリング３１６の損傷を防ぐことができる。ミラー３１８側のトーションスプリング３１６についても同様の作用が得られる。
【０１１０ 】
図２６はストッパ機構の変形例を示す。この例のストッパ３１６ｅは、先端部３１６ｄに対して垂直な面を有する直方体状をなしている。基部３１２のスリット３３０の開口縁には、ストッパ３１６ｅへ向けて突出する一対の位置規制部３３０ｂが形成されている。これら位置規制部３３０ｂは水平断面がほぼ半円形状をなしており、ストッパ３１６ｅとの間に僅かな間隙があいている。このため、リング部３１４が下方またはトーションスプリング３１６から離間する方向へ過剰に変位した場合にも、ストッパ３１６ｅと位置規制部３３０ｂとが接触して、それ以上の変位を抑制する。これにより、トーションスプリング３１６の損傷を防ぐことができる。また、ストッパ３１６ｅと位置規制部３３０ｂとは当接しつつリング部３１４の半径方向に対して垂直な面に沿って任意方向へ摺動できるため、リング部３１４の傾動を抑制することが少ない。
【０１１１ 】
上記構成からなるマイクロミラー装置によれば、トーションスプリング３１６の変位量を規制するストッパ３１６ｃまたは３１６ｅと、位置規制部３３０ａまたは３３０ｂを形成しているから、リング部３１４およびミラー３１８の過剰な変位、ならびにトーションスプリング３１６の損傷を防ぐことができる。
【０１１２ 】
また、下段面３０２ａおよび上段面３０２ｂを有する凸部３０２を形成して下部電極３０６のミラー中心側をミラー３１８に接近させたことにより、比較的低電圧でミラー３１８を傾動させることが可能である。
【０１１３ 】
また、下部基板３００に凹部３０８、３０９を形成したことにより、装置全体の厚さを抑えつつ、リング部３１４およびミラー３１８の傾動範囲を拡大することができる。なお、凹部３０８、３０９は下部基板３００を貫通していてもよい。
【０１１４ 】
図２８は本発明のさらに他の実施形態を示している。この実施形態では、下部基板３００の中央部に形成された凸部３４０が円錐形状をなし、その外面３４０ａ上にも下部電極３０６が形成されている。その他の構成は図２３〜図２７の実施形態と同様でよい。
【０１１５ 】
図３３は、図２３〜図２７の実施形態を一部変更した実施形態を示している。この実施形態では、凸部３０２の上部（すなわち中央部）であって、支点突起３０４および上段面３０２ｂを含む部分が絶縁層で覆われ、４つの下部電極３０６は下段面３０２ａおよびそれより下の領域のみに形成されている。
【０１１６ 】
これにより、この実施形態では、凸部３０２の頂点を中心とする一定の領域において、凸部３０２の外周面に下部電極３０６が形成されていない。この実施形態では、凸部３０２の頂点（中心）を中心とし、前記ミラーの直径の１／５〜１／２の直径を有する円形の領域には、下部電極３０６が形成されていないことが好ましい。その場合には、傾斜角の正確な制御がより容易に行える。また、凸部３０２の高さの５０％までの範囲において、下部電極３０６が形成されていないことが好ましい。凸部３０２の高さとは、支点突起３０４の高さを含むものとする。
【０１１７ 】
このように、下部電極３０６を凸部３０２の上部（すなわち中央部）を除く環状部分にのみ形成した場合、図２３〜図２７の実施形態に比べて傾斜角／印加電圧の比は低下するものの、比較的高電圧の領域（傾斜角が比較的大きい領域）において、傾斜角の正確な制御が容易に行えるという利点が得られる。
【０１１８ 】
【実施例】
［実験１］
本発明の実施例を４種作成した。いずれの実施例も図２３〜２５および図２７に示す共通の構造を有しており、各部の寸法は図３０に示すとおりとした。各実施例はトーションスプリングの断面のアスペクト比（Ｈ／Ｗ）のみが異なり、それぞれ０．２、１．２、２．０、３．０とした。これら実施例を用いて、５０Ｖを印加した場合のミラー傾斜角度、およびミラーが下部基板に衝突するプルイン現象の起きる電圧（プルイン電圧と称す）を測定した。電圧を印加する際には、ミラーの片側に対応する２つの下部電極のみに電圧を印加した。結果を図２９に示す。このグラフから明らかなように、各実施例の感度すなわち５０Ｖ印加時の傾斜角度はいずれも同程度であったが、プルイン電圧はアスペクト比を大きくすることにより顕著に向上した。
【０１１９ 】
［実験２］
次に、図３１に示す比較例のマイクロミラー装置を作成した。この比較例におけるトーションスプリングのアスペクト比（Ｈ／Ｗ）は３．０とした。比較例は凸部３０２が形成されていない点のみ実施例と異なり、他の構成はアスペクト比３．０である実施例と全く同じである。
【０１２０ 】
さらに実施例５として、図３３に示す構造を有し、図３０に示したとおりの各部寸法を有するマイクロミラー装置を作成した。
これら６種のマイクロミラー装置に様々な電圧を印加し、ミラーの傾斜角度を測定した。結果を図３２に示す。このグラフから明らかな通り、図３０および図３３に示すように下部基板上に凸部３０２を形成することにより、同じ印加電圧でも傾斜角度を大きくできた。また、図３３の実施例は、傾斜角度が特に４゜を超えた場合に、傾斜角度を制御することが容易であることもわかった。
【０１２１ 】
【発明の効果】
本発明のマイクロミラー装置は、下部基板の上面にミラーの中央部と対向して凸部を設け、この凸部の外面に形成された下部電極を形成しているので、ミラーと下部電極の少なくとも一部を接近させることができ、ミラーの傾動に要する電圧を低下することが可能である。
【図面の簡単な説明】
【図１】本発明に係るマイクロミラー装置を示す分解斜視図である。
【図２】図１に示したマイクロミラー装置の一部を示す斜視図である。
【図３】図２のＡ−Ａ断面図である。
【図４】本発明に係る他のマイクロミラー装置の一部を示す斜視図である。
【図５】図４に示したマイクロミラー装置の製造方法の説明図である。
【図６】図４に示したマイクロミラー装置の製造方法の説明図である。
【図７】本発明に係る他のマイクロミラー装置の一部を示す斜視図である。
【図８】図７に示したマイクロミラー装置の一部を示す断面図である。
【図９】本発明に係る他のマイクロミラー装置の一部を示す図である。
【図１０】本発明に係る他のマイクロミラー装置を示す分解斜視図である。
【図１１】本発明に係る他のマイクロミラー装置を示す分解斜視図である。
【図１２】本発明に係る他のマイクロミラー装置を示す分解斜視図である。
【図１３】図１２に示したマイクロミラー装置の一部を示す斜視図である。
【図１４】図１２および図１３に示したマイクロミラー装置の製造方法の説明図である。
【図１５】図１２および図１３に示したマイクロミラー装置の製造方法の説明図である。
【図１６】本発明に係るマイクロミラー装置を示す概略断面図である。
【図１７】図１６に示したマイクロミラー装置の下部基板を示す概略平面図である。
【図１８】図１６および図１７に示したマイクロミラー装置の動作説明図である。
【図１９】図１６および図１７に示したマイクロミラー装置の動作説明図である。
【図２０】図１６および図１７に示したマイクロミラー装置の動作説明図である。
【図２１】本発明に係る他のマイクロミラー装置の下部基板を示す概略平面図である。
【図２２】図２１のＢ−Ｂ断面図である。
【図２３】本発明の他の実施形態の下部基板を示す平面図である。
【図２４】他の実施形態の上部基板を示す平面図である。
【図２５】トーションスプリングのストッパ機構を示す平面図である。
【図２６】トーションスプリングのストッパ機構を示す平面図である。
【図２７】他の実施形態の縦断面図である。
【図２８】さらに他の実施形態を示す縦断面図である。
【図２９】本発明の効果を示すグラフである。
【図３０】本発明の実施例を示す断面図である。
【図３１】比較例を示す断面図である。
【図３２】図３０および図３１の装置による実験結果を示すグラフである。
【図３３】他の実施形態の断面図である。
【図３４】従来のマイクロミラー装置を示す概略斜視図である。
【図３５】図３４に示したマイクロミラー装置の製造方法の説明図である。
【符号の説明】
２１、７１、９１、２４１、３００ 下部基板
２２、２３、７３、９２、２４２、３０６ 下部電極
２４、７４、８１、９３ 配線パターン
２５ スルーホール
２７、７５、９４、２５２、３０１ 上部基板
２８、８０、１０２、２４６ 支柱
３３、７８、９７、２４９、３１８ ミラー
３４、７２、９８、２５３ 突出部
３５、３６、９９、２５０、２５１、３１６ トーションスプリング
３０２ 凸部
３０４ 支点突起
３３０ａ、３３０ｂ 位置規制部
４１、５１ 下部シリコン層
４２、４５、１１２ 酸化シリコン層
４３、５３ 上部シリコン層
Claims (10)
- マイクロミラー装置であって、
ミラー；
前記ミラーを上部基板に対して傾動可能に支持する複数のトーションスプリング；
前記ミラーの下面と対向して配置された下部基板；
前記下部基板の上面に前記ミラーの中央部と対向して設けられた凸部；および前記凸部の外面に形成された複数の下部電極を具備し、
前記トーションスプリングは、その長手方向に対して垂直な断面における、高さ／幅のアスペクト比が１．８以上であることを特徴とするマイクロミラー装置。 - 請求項１のマイクロミラー装置であって、前記下部基板の上面には、前記凸部の周囲であって前記ミラーの外周縁と対向する位置に、凹部が形成されていることを特徴とするマイクロミラー装置。
- 請求項１のマイクロミラー装置であって、
前記凸部には、前記ミラーの中心と対向して、絶縁体からなる支点突起が形成されていることを特徴とするマイクロミラー装置。 - マイクロミラー装置であって、
ミラー；
前記ミラーを上部基板に対して傾動可能に支持する複数のトーションスプリング；
前記ミラーの下面と対向して配置された下部基板；
前記下部基板の上面に前記ミラーの中央部と対向して設けられた凸部；および前記凸部の外面に形成された複数の下部電極を具備し、
前記トーションスプリングは蛇行形状部を有し、前記上部基板には、前記トーションスプリングの変位範囲を規制するための位置規制部が形成されていることを特徴とするマイクロミラー装置。 - マイクロミラー装置であって、
ミラー；
前記ミラーを上部基板に対して傾動可能に支持する複数のトーションスプリング；
前記ミラーの下面と対向して配置された下部基板；
前記下部基板の上面に前記ミラーの中央部と対向して設けられた凸部；および前記凸部の外面に形成された複数の下部電極を具備し、
前記ミラー、前記トーションスプリング、および前記上部基板は、シリコン単結晶によって一体的に形成され、このシリコン単結晶が、前記下部基板上に形成されたスペーサに接合されていることを特徴とするマイクロミラー装置。 - マイクロミラー装置であって、
ミラー；
前記ミラーを上部基板に対して傾動可能に支持する複数のトーションスプリング；
前記ミラーの下面と対向して配置された下部基板；
前記下部基板の上面に前記ミラーの中央部と対向して設けられた凸部；および前記凸部の外面に形成された複数の下部電極を具備し、
前記下部基板の下面には配線パターンが形成され、これら配線パターンと、前記下部電極のそれぞれは、前記下部基板の内部に形成されたスルーホールを通じて導通されていることを特徴とするマイクロミラー装置。 - マイクロミラー装置であって、
ミラー；
前記ミラーを上部基板に対して傾動可能に支持する複数のトーションスプリング；
前記ミラーの下面と対向して配置された下部基板；
前記下部基板の上面に前記ミラーの中央部と対向して設けられた凸部；および前記凸部の外面に形成された複数の下部電極を具備し、
前記上部基板は、ＳＯＩ基板またはＳＩＭＯＸ基板であることを特徴とするマイクロミラー装置。 - マイクロミラー装置であって、
ミラー；
前記ミラーを上部基板に対して傾動可能に支持する複数のトーションスプリング；
前記ミラーの下面と対向して配置された下部基板；
前記下部基板の上面に前記ミラーの中央部と対向して設けられた凸部；および前記凸部の外面に形成された複数の下部電極を具備し、
前記下部基板の上面には、前記凸部の周囲であって前記ミラーの外周縁と対向する位置に、凹部が形成されており、
少なくとも前記凹部の開口縁部に絶縁膜が形成されていることを特徴とするマイクロミラー装置。 - マイクロミラー装置であって、
ミラー；
前記ミラーを上部基板に対して傾動可能に支持する複数のトーションスプリング；
前記ミラーの下面と対向して配置された下部基板；
前記下部基板の上面に前記ミラーの中央部と対向して設けられた凸部；および前記凸部の外面に形成された複数の下部電極を具備し、
前記凸部の頂点を中心とし、前記ミラーの直径の１／５〜１／２の直径を有する円形の領域には、前記下部電極が形成されていないことを特徴とするマイクロミラー装置。 - マイクロミラー装置の製造方法であって、
支持基板上に、第１酸化物層、第１単結晶シリコン層、第２酸化物層、および第２単結晶シリコン層を順に形成する工程；
前記第２単結晶シリコン層、前記第２酸化物層、および前記第１単結晶シリコン層を貫通する溝を形成する工程；
前記溝内に多結晶シリコン層を形成する工程；
前記第２単結晶シリコン層をエッチングして、前記第２単結晶シリコン層によりミラーおよびトーションスプリングを形成する工程；
前記溝内の前記多結晶シリコン層を除去する工程；
前記溝を通じて、前記第１単結晶シリコン層の、前記トーションスプリングの下方に位置する部分をエッチングする工程；および
前記第１酸化物層および前記第２酸化物層を除去して、前記トーションスプリングを独立させる工程を具備することを特徴とするマイクロミラー装置の製造方法。
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