JP3716241B2

JP3716241B2 - Ｍｅｍｓ素子及びこれを用いた光減衰器、光スイッチ及び光スキャナ

Info

Publication number: JP3716241B2
Application number: JP2002246576A
Authority: JP
Inventors: 圭史諫本; 昌鎬鄭; 洋年吉
Original assignee: Santec Corp
Current assignee: Santec Corp
Priority date: 2002-08-27
Filing date: 2002-08-27
Publication date: 2005-11-16
Anticipated expiration: 2022-08-27
Also published as: JP2004085869A

Description

【０００１】
【発明の属する技術分野】
本発明は光制御用のＭＥＭＳ素子とこれを用いた光減衰器、光スイッチ及び光スキャナに関するものである。
【０００２】
【従来の技術】
近年光通信技術の発展に伴い光制御用素子としてＭＥＭＳ（Micro Electro Mechanical System)素子が注目されてきている。このような光制御用のＭＥＭＳ素子は、その一部にミラー部分を有し、電圧に応じて光の反射方向を変化させることを基本としている。従って一般的に反りが少なく大面積のミラーを有するＭＥＭＳ素子を簡単なプロセスで製造できることが求められている。
【０００３】
従来のＭＥＭＳ素子として、ＳＯＩプロセスによる片持ち梁の素子が知られている。これは図８（ａ）に平面図、図８（ｂ）にＡ−Ａ線断面図を示すように、電極を兼ねたシリコン基板１１上に酸化層の支持部１２を設け、その上面に上部電極１３を貼り付けた構造を有するものである。この素子はシリコン基板１１と酸化層及び上部電極となる単結晶シリコンの３層構造から成る素子を上面の電極部を切削して形成し、酸化層の支持部１２となる領域以外をエッチングにより取り除き、上部電極の右側にミラー１４を積層することによって製造することができる。そしてＭＥＭＳ素子の上部電極１３と、下部電極を兼ねたシリコン基板１１との間に電圧を印加することによって、静電引力が働き、上部電極１３が矢印方向に傾き、光の反射角度を変えることができる。このようにＳＩＯプロセスで製造したＭＥＭＳ素子は比較的簡単なプロセスで製造が可能であり、上面は単結晶のシリコン板であるため、膜厚を厚く構成することができ、反りが少ないミラーとすることができる。
【０００４】
又表面マイクロマシニングによるＭＥＭＳ素子も知られている。このＭＥＭＳ素子では図９（ａ）に平面図、図９（ｂ）にＢ−Ｂ線断面図を示すように、非導電体の基板２１の左方の中央部分にのみ下部電極２２を積層する。そして基板２１の左右端部に酸化層を設けて支持部２３とする。この支持部２３は下部電極２２を有する基板２１上の全面に酸化層を積層し、基板の両端にある必要部分をマスクしてエッチングすることによって形成する。エッチングの前の工程で酸化層の上面に、下部電極に対向する面を上部電極とするポリシリコンの薄膜ミラー２４を形成する。この薄膜ミラー２４は、支持部２３に相当する領域と、そこから伸びる細いヒンジ部２５と、平板部とを有している。平板部の左方の下部電極に対向する面は上部電極部２６として用いられ、右部分はミラー部２７として用いられる。上部電極部２６には多数のエッチングホールと呼ばれる開口２８が設けられる。エッチングホールは、エッチング液の染み込みを促進させるだけでなく、動作時にスクイーズダンピングと呼ばれる空気の粘性抵抗を低減して高速動作させるためにも機能する。このような薄膜ミラー２４を形成した後、エッチングによって支持部２３以外の酸化層を除き、その上面の薄膜ミラー２４をヒンジ部２５のみで支持する。こうして構成した４層構造のＭＥＭＳ素子は、薄膜ミラー２４の左方の上部電極部２６と下部電極２２との間に電圧を印加することで静電引力が働き、薄膜ミラー２４を矢印方向にチルトさせることができる。
【０００５】
【発明が解決しようとする課題】
しかるに図８に示すＭＥＭＳ素子によれば、上部電極を兼ねたシリコンミラー１３が下部電極となるシリコン基板１１に接近するため、チルト角やチルト角を決定する駆動電圧とミラーサイズとがトレードオフの関係にあり、ミラーサイズを任意に大きくすることができないという欠点があった。
【０００６】
又図９に示すＭＥＭＳ素子では、支持部２３を支点として薄膜ミラー２４をはね上げる構造となっているため、大面積のミラーを製造することができる。しかしポリシリコンの薄膜ミラーを用いるため、ミラーの反りが出る可能性がある。又構造も４層構造となるため、図８に示す３層構造のＭＥＭＳ素子より製造工程が複雑になるという欠点があった。
【０００７】
本発明はこのような従来のＭＥＭＳ素子の問題点に鑑みてなされたものであって、ミラーの反りがなく、大面積のミラーを有するＭＥＭＳ素子を簡単なプロセスで製造できるＭＥＭＳ素子と、これを用いた光減衰器、光スイッチ、光スキャナを提供することを目的とする。
【０００８】
【課題を解決するための手段】
本願の請求項１の発明は、導電性材料又は半導体材料で形成され、平面を分割して一方の領域を上部電極部とし、他方の領域をミラー部とし、前記上部電極部とミラー部の境界近傍の端部をヒンジ部としたミラー板と、導電性材料又は半導体材料で形成され、前記ミラー板のミラー部に対向する位置に前記ミラー板のミラー部より大きい貫通孔を有する、下部電極を構成する基板と、前記貫通孔に近接する位置に設けられ、前記ミラー板を前記ヒンジ部を介して保持する支持部と、を具備し、前記上部電極部と下部電極を構成する基板との間に電圧を印加することにより、静電引力によって前記ミラー板を傾かせるようにしたことを特徴とするものである。
【０００９】
本願の請求項２の発明は、平面を分割して一方の領域を上部電極部とし、他方の領域をミラー部とし、前記上部電極部とミラー部の境界近傍の端部をヒンジ部としたミラー板と、導電性材料又は半導体材料で形成され、前記ミラー板のミラー部に対向する位置に第１の貫通孔、前記上部電極部に対向する部分の周囲に第２の貫通孔を有する、下部電極を構成する基板と、前記第１、第２の貫通孔の間の側方に設けられ、前記ミラー板を前記ヒンジ部を介して保持する支持部と、を具備し、前記上部電極部と下部電極を構成する基板との間に電圧を印加することにより、静電引力によって前記ミラー板を傾かせるようにしたことを特徴とするものである。
【００１０】
本願の請求項３の発明は、請求項１又は２記載のＭＥＭＳ素子と、前記ＭＥＭＳ素子のミラー部に光を入射する光入射部と、前記ＭＥＭＳ素子のミラー部によって反射された光を出射する光出射部と、前記ＭＥＭＳ素子に印加する電圧を変化させ、前記光入射部より前記ＭＥＭＳ素子に入射する光の反射角を連続的に変化させることによって減衰率を変化させる電圧制御部と、を具備することを特徴とするものである。
【００１１】
本願の請求項４の発明は、請求項１又は２記載のＭＥＭＳ素子と、前記ＭＥＭＳ素子のミラー部に光を入射する光入射部と、前記ＭＥＭＳ素子のミラー部によって反射された光を出射する光出射部と、前記ＭＥＭＳ素子に印加する電圧を変化させ、前記光入射部より前記ＭＥＭＳ素子に入射する光を反射させて前記光出射部に入射する状態と光を入射しない状態とに切換える電圧制御部と、を具備することを特徴とするものである。
【００１２】
本願の請求項５の発明は、請求項１又は２記載のＭＥＭＳ素子と、前記ＭＥＭＳ素子のミラー部に光を入射する光入射部と、前記ＭＥＭＳ素子に印加する電圧を変化させ、前記光入射部より前記ＭＥＭＳ素子に入射する光の反射角を連続的に変化させる電圧制御部と、を具備することを特徴とするものである。
【００１３】
【発明の実施の形態】
次に本発明の実施の形態１によるＭＥＭＳ素子について説明する。図１はこの実施の形態によるＭＥＭＳ素子の平面図、図２はそのＣ−Ｃ線断面図、図３はその製造過程を示す断面図である。本実施の形態ではＳＯＩ基板を用いたマイクロマシニングプロセスと同様の製造過程により製造する。これらの図に示すように、シリコン（Ｓｉ）基板に不純物をドープして下部電極基板３１として用いる。図１，図２に示すように、下部電極基板３１は長方形状の部材とし、その右方中央部には図示のようにミラー部分の下部に長方形状の貫通孔３２を設ける。この貫通孔３２に隣接する位置には、図示のように基板の両側のみでミラーを支持する支持部３３を設ける。支持部３３の上部には、単結晶シリコンミラー板３４が積層されている。単結晶シリコンミラー３４は支持部３３の上面となる部分とヒンジ部３５、上部電極部３６とミラー部３７とが一体化されたものである。
【００１４】
次にこの実施の形態によるＭＥＭＳ素子の製造工程について、図３を用いて説明する。まず図３（ａ）に示すように下部電極基板３１と支持部となる酸化層３３Ａ及び単結晶シリコンミラー板３４を持つ三層構造のウェハを準備する。次いで図３（ｂ）に示すように、単結晶シリコンミラー板３４に支持部３３の上面となるヒンジ部等のパターンをフォトリソグラフィ及びエッチングによって形成する。上部電極部３６にはエッチングプロセスで用いるために、下部電極と対応する部分に図９と同様に多数のエッチングホール３８を形成しておく。次いで図３（ｃ）に示すように裏面の下部電極基板３１も同様にして貫通孔３２を形成する。そして図３（ｄ）に示すように下部電極基板３１の上面の酸化層３３Ａをエッチングする。このとき必要部分をマスクして、このエッチングホール３８からエッチング液を浸透させて支持部３３以外の部分を取り除くことで、ＭＥＭＳ素子を形成する。
【００１５】
こうして構成されたＭＥＭＳ素子は下部電極基板３１と上部電極部３６との間に電圧を印加することによって、これらの電極間に静電引力が働く。このときミラー部３７の下方は図示のように貫通孔３２が設けられているため、対応する電極がなく、ミラー部に静電引力が働かない。このため上部電極部のみに静電引力が働くこととなって、矢印で示すようにミラー部３７をはね上げるようにチルトさせることができる。そしてミラー部３７は下部電極基板３１の貫通孔３２と共にその大きさ、形状を任意に選択することができ、従ってミラー部の歪みなく面積の大きいミラー部を有するＭＥＭＳ素子も構成することができる。
【００１６】
次に本発明の実施の形態２によるＭＥＭＳ素子について、図４、図５を用いて説明する。図４はこの実施の形態によるＭＥＭＳ素子の平面図、図５（ａ）はそのＤ−Ｄ線断面図、図５（ｂ）はそのＥ−Ｅ線断面図であり、前述した実施の形態１と同一部分は同一符号を付して詳細な説明を省略する。本実施の形態では、下部電極基板３１にミラー部分の長方形状の貫通孔３２だけでなく、上部電極部３６の外周部分に断面がコ字状の貫通孔３９を設けたものである。その他の構成は実施の形態１と同様である。このように貫通孔３９を設けることによって上部電極以外の対向部分に電極がある場合に発生する横方向への駆動力をなくし、不必要な動作モードを抑制するようにしている。
【００１７】
次に本実施の形態によるＭＥＭＳ素子を用いた光減衰器について説明する。図６はこの光減衰器を示す断面図である。本図においてキャピラリ４１は入射用の光ファイバ４２と出射用の光ファイバ４３とを保持するものであり、その先端部にはレンズホルダ４４が設けられる。レンズホルダ４４のほぼ中央部には図示のような非球面レンズ４５が設けられている。そして非球面レンズ４５は光ファイバ４２から出射された光をほぼ平行な光とすると共に、反射した光を集束して光ファイバ４３に与えるものである。ここでキャピラリ４１と光ファイバ４２、レンズホルダ４４、非球面レンズ４５はＭＥＭＳ素子のミラー部に光を入射する光入射部を構成しており、キャピラリ４１、出射用の光ファイバ４３、レンズホルダ４４、非球面レンズ４５はＭＥＭＳ素子のミラー部によって反射された光を出射する光出射部を構成している。このレンズホルダ４４の光軸上には光制御用のＭＥＭＳ素子４６が配置されている。ＭＥＭＳ素子４６は前述した実施の形態１又は２によるＭＥＭＳ素子であり、その下部電極基板と上部電極部とに可変電圧を供給する電圧制御部４７が設けられている。
【００１８】
さてＭＥＭＳ素子４６に電圧を与えなければ、光ファイバ４２から入射した光はレンズホルダ４４の非球面レンズ４５によって平行光線としてＭＥＭＳ素子４６のミラー部に入射する。この光はそのまま反射されて再び非球面レンズ４５を通って出射用の光ファイバ４３に導かれる。ここで上部電極と下部電極との間に電圧を与えると、前述したようにミラーが傾き、出射用の光ファイバに反射光の入射するピーク位置が変化する。従って電圧を徐々に変化させ、ミラーのチルト角を連続的に変化させることによって、反射光が光ファイバ４３に入射するレベルを連続的に変化させることができる。従って電圧制御によって光の減衰量を変化させることができる。
【００１９】
又これと同一の構造でＭＥＭＳ素子に電圧を印加しない状態、及び所定の電圧を印加する状態をスイッチングにより切換えることによって、ほぼ１００％の反射光が得られる第１の状態と、反射光が出射用の光ファイバ４３に入射しない第２の状態とに切換える光スイッチを実現することができる。
【００２０】
又このＭＥＭＳ素子はレーザ走査顕微鏡など種々の用途に使用される光スキャナとしても用いることができる。図７は光スキャナの一例を示す図である。本図において、光ファイバ５１は光を導くものであって、その光軸上にはコリメートレンズ５２が設けられ、光を約４５°の角度から前述した実施の形態１又は２によるＭＥＭＳ素子５３に導いている。光ファイバ５１及びコリメートレンズ５２はＭＥＭＳ素子に光ファイバを入射する光入射部である。又ＭＥＭＳ素子５３には連続的に変化する電圧を印加する電圧制御部５４が設けられる。こうすれば電圧制御部５４の電圧をサイン波状、のこぎり波状等種々の波形で変化させることによって、入射光を所望の速度でスキャニングすることができる。
【００２１】
【発明の効果】
以上詳細に説明したように本発明によれば、ＳＯＩ基板を用いたマイクロマシンプロセスと同様に比較的簡単なプロセスでＭＥＭＳ素子を製造することができる。そして基板上に開口が設けられ、はね上げ構造となっているため、任意の大面積ミラーを製造することができる。又単結晶のシリコン厚膜ミラーを用いるため、薄膜ミラーに比べてミラーの反りを少なくすることができ、光の制御ディバイスとして好適となる。又このＭＥＭＳ素子を用いて光減衰器、光スイッチ及び光スキャナを実現することができる。
【図面の簡単な説明】
【図１】本発明の実施の形態１によるＭＥＭＳ素子の構造を示す平面図である。
【図２】本実施の形態によるＭＥＭＳ素子のＣ−Ｃ線断面図である。
【図３】本実施の形態によるＭＥＭＳ素子の製造過程を示す概略図である。
【図４】本発明の実施の形態２によるＭＥＭＳ素子の平面図である。
【図５】（ａ）は本実施の形態２によるＭＥＭＳ素子のＤ−Ｄ線断面図、（ｂ）本実施の形態２によるＭＥＭＳ素子のＥ−Ｅ線断面図である。
【図６】本実施の形態によるＭＥＭＳ素子を利用した光減衰器及び光スイッチの構造を示す断面図である。
【図７】本発明の実施の形態によるＭＥＭＳ素子を用いた光スキャナを示す概略図である。
【図８】従来のＳＯＩプロセスによるＭＥＭＳ素子の構造を示す平面図及び断面図である。
【図９】従来の表面マイクロマシニングによるＭＥＭＳ素子の構造を示す平面図及び断面図である。
【符号の説明】
３１下部電極基板
３２，３９貫通孔
３３支持部
３３Ａ酸化層
３４単結晶シリコンミラー
３５ヒンジ
３６上部電極部
３７ミラー部
３８エッチングホール
４１キャピラリ
４２，４３，５１光ファイバ
４４レンズ保持部
４５非球面レンズ
４６，５３ＭＥＭＳ素子
４７，５４電圧制御部
５２コリメートレンズ

Claims

導電性材料又は半導体材料で形成され、平面を分割して一方の領域を上部電極部とし、他方の領域をミラー部とし、前記上部電極部とミラー部の境界近傍の端部をヒンジ部としたミラー板と、
導電性材料又は半導体材料で形成され、前記ミラー板のミラー部に対向する位置に前記ミラー板のミラー部より大きい貫通孔を有する、下部電極を構成する基板と、
前記貫通孔に近接する位置に設けられ、前記ミラー板を前記ヒンジ部を介して保持する支持部と、を具備し、前記上部電極部と下部電極を構成する基板との間に電圧を印加することにより、静電引力によって前記ミラー板を傾かせるようにしたことを特徴とするＭＥＭＳ素子。
平面を分割して一方の領域を上部電極部とし、他方の領域をミラー部とし、前記上部電極部とミラー部の境界近傍の端部をヒンジ部としたミラー板と、
導電性材料又は半導体材料で形成され、前記ミラー板のミラー部に対向する位置に第１の貫通孔、前記上部電極部に対向する部分の周囲に第２の貫通孔を有する、下部電極を構成する基板と、
前記第１、第２の貫通孔の間の側方に設けられ、前記ミラー板を前記ヒンジ部を介して保持する支持部と、を具備し、前記上部電極部と下部電極を構成する基板との間に電圧を印加することにより、静電引力によって前記ミラー板を傾かせるようにしたことを特徴とするＭＥＭＳ素子。
請求項１又は２記載のＭＥＭＳ素子と、
前記ＭＥＭＳ素子のミラー部に光を入射する光入射部と、
前記ＭＥＭＳ素子のミラー部によって反射された光を出射する光出射部と、
前記ＭＥＭＳ素子に印加する電圧を変化させ、前記光入射部より前記ＭＥＭＳ素子に入射する光の反射角を連続的に変化させることによって減衰率を変化させる電圧制御部と、を具備することを特徴とする光減衰器。
請求項１又は２記載のＭＥＭＳ素子と、
前記ＭＥＭＳ素子のミラー部に光を入射する光入射部と、
前記ＭＥＭＳ素子のミラー部によって反射された光を出射する光出射部と、
前記ＭＥＭＳ素子に印加する電圧を変化させ、前記光入射部より前記ＭＥＭＳ素子に入射する光を反射させて前記光出射部に入射する状態と光を入射しない状態とに切換える電圧制御部と、を具備することを特徴とする光スイッチ。
請求項１又は２記載のＭＥＭＳ素子と、
前記ＭＥＭＳ素子のミラー部に光を入射する光入射部と、
前記ＭＥＭＳ素子に印加する電圧を変化させ、前記光入射部より前記ＭＥＭＳ素子に入射する光の反射角を連続的に変化させる電圧制御部と、を具備することを特徴とする光スキャナ。