JP3994885B2 - Ｍｅｍｓ素子とその製造方法、回折型ｍｅｍｓ素子 - Google Patents
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Description
【０００１】
【発明の属する技術分野】
本発明は、ＭＥＭＳ素子とその製造方法、回折型ＭＥＭＳ素子に関する。
【０００２】
【従来の技術】
微細技術の進展に伴い、いわゆるマイクロマシン（ＭＥＭＳ：Ｍｉｃｒｏ Ｅｌｅｃｔｒｏ Ｍｅｃｈａｎｉｃａｌ Ｓｙｓｔｅｍｓ、超小型電気的・機械的複合体）素子、及びＭＥＭＳ素子を組み込んだ小型機器が、注目されている。
ＭＥＭＳ素子は、シリコン基板、ガラス基板等の基板上に微細構造体として形成され、機械的駆動力を出力する駆動体と、駆動体を制御する半導体集積回路等とを電気的に、更に機械的に結合させた素子である。ＭＥＭＳ素子の基本的な特徴は、機械的構造として構成されている駆動体が素子の一部に組み込まれていることであって、駆動体の駆動は、電極間の静電力、即ちクローン引力等を応用して電気的に行われる。
【０００３】
従来、光の反射や回折を利用し、光スイッチ、光変調素子等に適用される光学ＭＥＭＳ素子が開発されている。 図１１は、光学ＭＥＭＳ素子の代表例を示す。この光学ＭＥＭＳ素子１は、例えばシリコン基板２上に表面が絶縁膜４で覆われた基板側電極３を形成し、この基板側電極３と空間５を挟んで対向するように駆動側電極６を含むビーム８を支持して構成される。ビーム８は、絶縁膜、例えばシリコン窒化（ＳｉＮ）膜７と光反射膜を兼ねる駆動側電極６の積層薄膜で形成され、同じ積層薄膜で形成された支柱９により両端部が支持される。このビーム８は、いわゆる両持ち梁構造に形成される。この光学ＭＥＭＳ素子１では、基板側電極３と駆動側電極６間に印加される電圧（電気信号）により、両電極３及び６間に静電力が発生し、実線及び破線で示すようにビーム８が基板側電極３に対して、静電力で近接・離間するように駆動（振動）する。
【０００４】
また、反射光を利用する場合の光学ＭＥＭＳ素子は、ビームの駆動位置に応じて、ビーム表面に入射された光の反射方向が異なるのを利用し、一方向の反射光を検出してスイッチ機能を持たせた光スイッチとして適用される。また、光学ＭＥＭＳ素子は、光強度を変調させる光変調素子として適用できる。光の反射を利用するときは、ビームを振動させて単位時間当たりの一方向の反射光量で光強度を変調する。この光変調素子は、いわゆる時間変調である。光の回折を利用して光強度を変調することができる。光の回折によって駆動側電極で反射する光の強度（回折強度）を変調する光変調素子は、いわゆる空間変調である。
【０００５】
一方、光変調素子等に適用される光学ＭＥＭＳ素子として、回折型ＭＥＭＳ素子、いわゆるＧＬＶ（Ｇｒａｔｉｎｇ Ｌｉｇｈｔ Ｖａｌｖｅ）素子が提案されている（特許文献１参照）。
【０００６】
ＧＬＶ素子は、基本的には基板上に共通の基板側電極を形成し、この基板側電極と空間を挟んで対向するように、支柱を介して絶縁膜とその表面を被覆する反射膜を兼ねる駆動側電極からなる複数のリボン状のビームを形成して構成される。ＧＬＶ素子では、複数のビームのうちの１本置きのビームが基板側電極に対して静電力で接近・離間する可動ビームとなり、その他のビームが固定ビームとなる。そして、６本のビームが１本置きに沈み込んで回折格子を形成する。
【０００７】
【特許文献１】
特表２００１−５１８１９８号
【０００８】
【発明が解決しようとする課題】
ところで、このようなＭＥＭＳ素子は、半導体プロセスを用いて作製することができる。半導体プロセスを用いてビーム構造で形成したＭＥＭＳ素子は、ビームの形状がＭＥＭＳ素子の特性を決めるための重要な要素となる。しかしながら、図１２に示すように、しばしばビーム８に両支柱９を結ぶ方向と直交する方向（幅方向）に関して変形（反り）が発生する。
【０００９】
これは次のような理由による。ＭＥＭＳ素子では、ビームの形状を作製するために半導体プロセスを用いた薄膜を使用するが、複数種類の材質の薄膜を積層して、図示の例ではシリコン窒化（ＳｉＮ）膜７とＡｌ駆動側電極６の２層膜を用いてビームを作製すると、基板２よりビーム８を切り離すと材質間、即ちＳｉＮ膜７とＡｌ膜６間の膜応力の違いによりビーム８の幅方向が歪み変形する。ビーム８の歪みは、ＭＥＭＳ素子の特性、特に反射効率、回折効率に悪影響を及ぼすことが多く、この歪みの低減が課題となっていた。
【００１０】
また、この歪みを解決する技術として、応力を打ち消すような材質の膜をビーム８に追加するものがあるが、半導体プロセスでは、使用できる材質は限られている上、材質の違う膜を追加したとき、膜厚の増加などによりＭＥＭＳ素子の特性が低下するなどの問題があった。
【００１１】
本発明は、上述の点に鑑み、ビームの歪み変形を低減し、特性向上を図ったＭＥＭＳ素子及びその製造方法、並び回折型ＭＥＭＳ素子を提供するものである。
【００１２】
【課題を解決するための手段】
本発明に係るＭＥＭＳ素子は、基板側電極と、この基板側電極との間で静電力により駆動するビームを備えている。ビームは、駆動側電極を含む複数の薄膜で形成されると共に、長手方向の固定端が支持部にて支持され、ビーム内に、薄膜の応力歪みによるビーム変形を阻止する変形阻止手段が設けられる。変形阻止手段は、ビームの光照射領域の近傍で該光照射領域を挟んで両側に設けられると共に、ビームの長手方向と直交する短辺方向のビーム内において、短辺方向に細長い形状でかつ光照射側から見て凹状となるように反対面側に突出した突出部で形成される。
【００１３】
本発明のＭＥＭＳ素子においては、ビーム内に変形阻止手段である突出部を設けることで、ビームの強度が上がり、ビームの変形である反りが生じにくくなる。突出部が光照射領域の近傍で該光照射領域を挟んで両側に設けられるので、光照射領域の反射面の平坦性が確保される。突出部がビームの長手方向と直交する短辺方向のビーム内において、短辺方向に細長い形状で形成されるので、ビームの張力が維持される。突出部が光照射側から見て凹状となるように反対面側に突出して形成されるので、反射膜を兼ねるビームの駆動側電極の平坦性が確保される。
【００１４】
本発明に係る回折型ＭＥＭＳ素子は、共通の基板側電極と、共通の基板側電極に対向して互いに独立に並列配置され、この基板側電極との間で静電力により駆動する複数のビームとを備えている。各ビームは、駆動側電極を含む複数の薄膜で形成されると共に、長手方向の両固定端が支持部にて支持され、各ビーム内に、薄膜の応力歪みによるビーム変形を阻止する変形阻止手段が設けられる。変形阻止手段は、ビームの光照射領域の近傍で該光照射領域を挟んで両側に設けられると共に、ビームの長手方向と直交する短辺方向のビーム内において、短辺方向に細長い形状でかつ光照射側から見て凹状となるように反対面側に突出した突出部で形成される。
【００１５】
本発明の回折型ＭＥＭＳ素子においては、並列配置される各ビーム内に変形阻止手段である突出部を設けることで、各ビームの強度が上がり、ビームの変形である反りが生じにくくなる。突出部が光照射領域の近傍で該光照射領域を挟んで両側に設けられるので、光照射領域の反射面の平坦性が確保される。突出部がビームの長手方向と直交する短辺方向のビーム内において、短辺方向に細長い形状で形成されるので、ビームの張力が維持される。突出部が光照射側から見て凹状となるように反対面側に突出して形成されるので、反射膜を兼ねるビームの駆動側電極の平坦性が確保される。
【００１６】
本発明に係るＭＥＭＳ素子の製造方法は、基板側電極が形成された基板上に犠牲層を形成する工程と、支柱を形成すべき犠牲層の位置に前記基板に達する開孔を形成する工程と、犠牲層の表面において、後で形成されるビームの光照射領域の近傍で該光照射領域を挟んで両側に対応する位置に、ビームの長手方向と直交する短辺方向のビーム内で短辺方向に細長い凹状溝を選択的に形成する工程と、開孔内と凹状溝とを含んで犠牲層表面に、駆動側電極を含む複数の薄膜によるビームを形成する工程と、犠牲層を除去して、支柱、及び光照射領域を挟んで両側にビームの短辺方向に細長い形状でかつ光照射側から見て凹状となるように反対面側に突出した突出部による変形阻止手段を一体に有するビームを形成する工程とを有することを特徴とする。
【００１７】
本発明のＭＥＭＳ素子の製造方法においては、犠牲層の表面の変形阻止手段を形成すべき部分を選択的に除去し、除去部分を含んで複数の薄膜による変形阻止手段となる突出部を有するビームを形成することにより、突出部を一体に有したビームが形成される。従って、反りにくいビームを備えたＭＥＭＳ素子を容易且つ精度良く製造することがでる。
【００１８】
【発明の実施の形態】
以下、図面を参照して本発明の実施の形態を説明する。
【００１９】
図１は、本発明に係るＭＥＭＳ素子の一実施の形態を示す。
本実施の形態に係るＭＥＭＳ素子２１は、基板２２上に基板側電極２３を形成し、この基板側電極２３上に保護膜を兼ねる絶縁膜２４を形成し、両端が支柱２５〔２５Ａ，２５Ｂ〕で支持されるように空間２６を挟んで基板側電極２３と対向するビーム２７を形成して構成される。ビーム２７は、駆動側電極２９を含む材質の異なる複数の薄膜で形成される。本例では、絶縁薄膜、例えばシリコン窒化膜２８とその上の金属薄膜による駆動側電極２９とによる２層膜構造で長方形をなすリボン状のビーム２７が形成される。駆動側電極２９は、入射する光を反射する反射膜を兼ねる。支柱２５は、本例ではビーム２７と同じ絶縁薄膜２８及び金属薄膜２９による２層膜で形成される。
【００２０】
そして、本実施の形態においては、特に、ビーム２７の一部にビーム２７を構成する薄膜の応力に起因した歪みによる変形、つまり反りを阻止する変形阻止手段３１が設けられる。この変形阻止手段３１は、ビーム２７の一部を押し出すように突出させた突出部３２で形成することができる。突出部３２は、原理的には絶縁薄膜２８側、或いは駆動側電極２９側に突出させてもよいが、絶縁薄膜２８側に突出させる方が好ましい。即ち、ビーム２７の光照射側から見て凹状となるように反対面側（つまり絶縁薄膜２８側）の突出する突出部３２とする。理由は、後述（製造工程で説明）するように反射膜を兼ねる駆動側電極２９の平坦性を確保するためである。
【００２１】
変形阻止手段３１となる突出部３２は、図２Ａ〜Ｃに示すように、特に光照射領域３３の反射面の平坦性を確保するために、光照射領域３３の近傍に設けられる。また、突出部３２は、光照射領域３３を挟んで複数設けるようになす。本例では光照射領域３３を挟んで２つの突出部３２Ａ，３２Ｂが設けられる。さらに、突出部３２は、ビーム２７の両支柱２５〔２５Ａ，２５Ｂ〕に支持された両固定端を結ぶ方向と直交する方向、即ち本例ではリボン状の長手方向と直交する短辺方向に細長い形状に形成される。突出部３２は、前述で明らかなようにビーム２７を短辺方向に横断させずにビーム２７内に止まるように形成される。これはビーム２７の張力を維持するためである。
【００２２】
本実施の形態のＭＥＭＳ素子２１では、前述と同様に基板側電極２３と駆動側電極２９間に所要の電圧（電気信号）を印加することにより、両電極２３及び２９間に静電力が発生し、オン・オフ制御でビーム２７が基板側電極２３に対して近接・離間するように駆動（振動）される。ＭＥＭＳ素子２１は、このビーム２７の変位によってビーム２７に入射した光の反射光、回折光、或いは反射方向等が変調するのを利用して、光変調素子、光スイッチ等に適用される。
【００２３】
図３は、図１及び図２に示す本実施の形態のＭＥＭＳ素子２１におけるビーム２７の具体的な寸法の一例を示す。ビーム２７は、長手方向の全長Ｌが５０μｍ程度、幅方向の長さＷが５μｍ程度の長方形であり、長手方向の両端から夫々距離Ｓ1 ，Ｓ2 が２０μｍ程度の位置に２つの変形阻止手段３１である突出部３２が設けられている。この突出部３２は、ビーム２７の長手方向に平行した長さｔが２μｍ程度、幅方向に平行した幅ｄが４．５μｍ程度の細長い四角形状とされている。２層膜構造のビーム２７では、そのシリコン窒化膜２８の膜厚ｆ1 が１００ｎｍ程度、駆動側電極２９となる例ではＡｌ膜の膜厚ｆ2 が１００ｎｍ程度となっている。
【００２４】
図４は本実施の形態に係るＭＥＭＳ素子のビーム２７（図３参照）の変形状態を示し、図５は比較のために従来に係るＭＥＭＳ素子のビーム８（図１１及び図１２参照）の変形状態を示す。ビーム２７及び８の寸法形状は、いずれも図３の寸法形状とした。図４及び図５のシミュレータのよる計算結果は、いずれも図３のＤーＤ線上のビーム断面におけるものである。
【００２５】
図５に示す従来例の計算結果を見ると、位置１μｍから４μｍ間の中間領域で大きく変位し、１８．５ｎｍ程落ち込んでいる、即ち、ビーム８が幅方向の中央付近で歪み変形していることがわかる。いわゆる歪みは１８．５ｎｍである。一方、図４に示す本実施の計算結果を見ると、位置０．５μｍから４．５μｍ間の中間領域で変位し、１１．５ｎｍ程度落ち込んでいるが（いわゆる歪みは１１．５ｎｍである）、上述した図５の従来例に比べると変位の落ち込みが３８％低減していることがわかる。
【００２６】
次に、図６〜図７を用いて、上述の本実施の形態に係るＭＥＭＳ素子２１の製造方法を説明する。なお、図６Ａ2 は図６Ａ1 のＥ−Ｅ線上の断面図であり、以後の各図も同様である。
先ず、図６Ａ1 ，Ａ2 に示すように、例えば、シリコン（Ｓｉ）やガリウム砒素（ＧａＡｓ）などの半導体基板上に絶縁膜を形成した基板、石英基板やガラス基板のような絶縁性基板等の基板、本例ではシリコン基板上に絶縁膜基板２２上に所要の導電膜、本例では多結晶シリコン膜からなる基板側電極２３を形成し、基板側電極２３を被覆するように絶縁膜２４、例えばシリコン酸化（ＳｉＯ2 ）膜を形成する。その後、全面上に犠牲層３５、本例では非結晶シリコン膜を堆積する。
【００２７】
次に、図６Ｂ1 ，Ｂ2 に示すように、犠牲層３５上面にレジストマスク（図示せず）を形成し、レジストマスクを介して犠牲層３５の支柱を形成すべき位置に対応する部分を選択的にエッチング除去して、基板２２側の絶縁膜２４に達するような開孔３６を形成する。
【００２８】
次に、図６Ｃ1 、Ｃ2 に示すように、再度犠牲層３５上面にレジストマスク（図示せず）を形成し、レジストマスクを介して犠牲層３５表面の変形阻止手段を形成すべき位置に対応した部分を選択的にエッチング除去して２つの凹状溝３７を形成する。
【００２９】
次に、図７Ｄ1 ，Ｄ2 に示すように、開孔３６内及び凹状溝３７内を含んで犠牲層３５上面全面に絶縁膜、本例ではシリコン窒化（ＳｉＮ）膜２８を堆積する。後述するように、開孔３６内に埋め込まれたシリコン窒化膜２８は支柱に対応し、凹状溝３７内に埋め込まれたシリコン窒化膜２８は変形阻止手段に対応する。
【００３０】
次に、図７Ｅ1 ，Ｅ2 に示すように、シリコン窒化膜２８の全面上に駆動側電極となる金属薄膜（反射膜兼用）、本例ではアルミニウム（Ａｌ）を主成分とした金属薄膜（以下、便宜的にＡｌ膜という）２９′を蒸着する。Ａｌを主成分とする金属薄膜としては、例えばＡｌ−Ｓｉ，Ａｌ−Ｃｕ，Ａｌ−Ｓｉ−Ｃｕ，Ａｌ−Ｈｆ，Ａｌ−Ｚｒ等を用いることができる。次いで、Ａｌ膜２９′及びシリコン窒化膜２８をビーム及び支柱に対応するパターンになるように選択的にエッチング除去する。これにより、シリコン窒化膜２８とＡｌ膜による駆動側電極２９とから成る２層膜構造のビーム２７、及びビーム２７の両端を支持する１対の支柱２５[ ２５Ａ，２５Ｂ] を形成する。
【００３１】
次に、図７Ｆ1 、Ｆ2 に示すように、犠牲層３５をエッチング除去する、これにより、基板側電極２３と空間２６を挟んで対向するビーム２７が支柱２５〔２５Ａ，２５Ｂ〕により支持され、且つビーム２７に之と一体の変形阻止手段３１となる２つの突出部３２が形成されてなる目的のＭＥＭＳ素子２１を得る。
【００３２】
本実施の形態の製造方法では、突出部３２の形成に際して図６Ｃ1 、Ｃ2 の工程で、犠牲層３５の表面の一部を選択エッチングして凹状溝３７を形成し、ビーム２７の基板側の裏面に突出する突出部３２を形成するようにしている。通常、エッチングされた面は、ＣＶＤ（化学気相成長）法等で堆積した表面より平坦性が悪くなる。従って、本方法により犠牲層３５表面に堆積されたシリコン窒化膜２８及び駆動側電極２９となるＡｌ膜の表面の平坦性が良好となり、平坦性の良い反射面を有するビーム２７を形成することができる。
本実施の形態の製造方法によれば、半導体プロセスを用いて変形（反り）しにくいビーム２７を備えたＭＥＭＳ素子２１を容易且つ精度良く製造することができる。
【００３３】
上述した本実施の形態に係るＭＥＭＳ素子２１によれば、ビーム２７に変形阻止手段３１となる突出部３２を設けることにより、ビーム２７の強度が上がり、ビーム変形を低減、即ちビーム２７を反りにくくすることができる。これによりＭＥＭＳ素子の光学特性を改善、即ち向上することができる。有限要素法を使ったシミュレーションにより、ビーム２７の反りが４０％以上低減することを確認した。例えば歪みが１５ｎｍから６ｎｍに低減することを確認した。
突出部３２がビーム２７の光照射領域３３の近傍に設けられるので、光照射領域３３でのビーム平坦性をより良くし、且つ入射光が突出部３２により邪魔されることがなく、より特性の改善を図ることができる。特に、突出部３２を光照射領域３３を挟んで２つの突出部３２を設けるときは、さらにビーム２７の光照射領域３３での反りを低減することができる。
【００３４】
更に、突出部３２としては、ビーム２７の長手方向と直交する方向に細長い形状で形成することにより、ビーム幅方向における強度を上げることができ、反りを低減できる。上例の両持ち梁構造のビーム２７の場合は、両端が固定されているので、長手方向の反りは殆ど無視できる。突出部３２がビーム３２の幅を横断させず、ビーム３２内に形成したことにより、ビーム２７の張力を維持することができる。
【００３５】
本発明は、片持ち梁構造のビームを有するＭＥＭＳ素子にも適用できる。図８は、その代表例の実施の形態を示す。
本実施の形態に係るＭＥＭＳ素子３９は、基板２２上に基板側電極２３を形成し、この基板側電極２３上に保護膜を兼ねる絶縁膜２４を形成し、一端が支柱２５で支持されるように空間２６を挟んで基板側電極２３と対向するビーム２７を形成して構成される。上例と同様にビーム２７は、駆動側電極２９を含む材質の異なる複数の薄膜、本例ではシリコン窒化膜２８とその上の金属薄膜による駆動側電極２９とによる２層膜構造で形成される。駆動側電極２９は、入射する光を反射する反射膜を兼ねる。支柱２５は、ビーム２７と同じ絶縁薄膜２８及び金属薄膜２９による２層膜で形成される。そして、ビーム２７の一部に光照射領域を挟んで２つの変形阻止手段３１となる突出部３２が設けられる。この突出部３２は、ビーム２７の固定端と該固定端に対向した遊端とを結ぶ方向と直交する方向に細長い形状で形成される。その他の構成は図１と同様であるので、重複説明を省略する。
本実施の形態のＭＥＭＳ素子３９においても、上述と同様にビーム２７の幅方向の強度が上がり、ビーム幅方向の反りを低減することができ、光学特性を向上することができる。
【００３６】
上例では、ビーム２７の膜構成をシリコン窒化膜２８と駆動側電極２９との２層膜構造としたが、その他、２層膜以上の積層膜のビームにも本発明は適用できる。
【００３７】
図９及び図１０は、上述した図１のＭＥＭＳ素子を回折光を利用する回折型ＭＥＭＳ素子であるＧＬＶ素子に適用した実施の形態を示す。
本実施の形態に係るＧＬＶ素子４１は、基板４２上に表面が絶縁膜４４で被覆された共通の基板側電極４３を形成し、この基板側電極４３と空間４６を挟んで対向するように支柱４５〔４５Ａ，４５Ｂ〕を介して絶縁薄膜、本例ではシリコン窒化（ＳｉＮ）膜４８と金属薄膜による駆動側電極４９からなる２層膜構造の複数、本例では６本のリボン状のビーム２７〔２７1 、２７2 、２７3 、２７4 、２７5 、２７6 〕を形成して構成される。そして、本実施の形態では、特に各ビーム２７〔２７1 〜２７6 〕に図１で示したと同様の変形阻止手段３１となる突出部３２が形成される。この突出部３２の構成は、図１で説明したと同様であるので、重複説明を省略する。
【００３８】
このＧＬＶ素子４１では、複数のビーム２７のうち、１本置きのビーム２７1 、２７3 、２７5 が基板側電極４３に対して静電力で近接・離間する可動ビームとなり、その他のビーム２７2 、２７4 、２７6 が固定ビームとなる。図９では、１本置きのビーム２７1 、２７3 、２７5 が基板側電極４３に引き寄せられた状態を示している。このとき、６本のビーム２７が１本置きに沈み込んで回折格子を形成する。
【００３９】
ＧＬＶ素子４１は、可動ビーム２７1 ，２７3 ，２７5 の表面で反射する光の位相と、固定ビーム２７2 ，２７4 ，２７6 の表面で反射する位相との差が０又はλ／４になるようにデジタル的に制御すること、或いは０〜λ／４の間でアナログ的に制御することが可能である。例えば、６本のビーム２７[ ２７1 〜２７6 ] が同一平面を形成していれば、ビーム２７表面における反射光は、０次光である。一方、図９に示すようにビーム２７が１本置きに沈み込んでいれば、回折により±１次光が発生する。ＧＬＶ素子４１は、この±１次光を加算して使用し、光の回折によって駆動側電極６で反射する光の強度（回折強度）を変調する光変調素子として適用される。
【００４０】
本実施の形態のＧＬＶ素子４１においても、前述と同様に各ビーム２７に突出部３２が設けられるので、ビーム２７の強度が上がり、ビーム２７の張力を維持したままビーム２７の変形である反りを低減し、ＧＬＶ素子４１の光学特性をより向上することができる。
【００４１】
【発明の効果】
本発明のＭＥＭＳ素子によれば、ビームの変形である反りが低減でき、特性を向上することができる。有限要素法を使ったシミュレーションにより、ビームの反りが４０％以上低減できることが確認されている。
【００４２】
本発明の回折型ＭＥＭＳ素子によれば、各ビームの張力を維持したまま、各ビームの変形である反りを低減することができ、光学特性を向上することができる。
【００４３】
変形阻止手段である突出部をビームの光照射領域の近傍に設け、光照射領域でのビーム平坦性をより良くするので、入射光が突出部により邪魔されることがなく、より特性の改善を図ることがきる。
突出部を光照射領域を挟んで両側に設けるので、さらにビームの光照射領域での反りを低減することができる。
変形阻止手段である突出部としては、両持ち梁構造のビームの場合、ビームの両固定端を結ぶ方向と直交する方向に細長い形状で形成することにより、ビーム幅方向における強度を上げることができ、反りを低減できる。両端が固定されているので、長手方向の反りは殆ど無視できる。変形阻止手段である突出部としては、片持ち梁構造のビームの場合、ビームの固定端と之に対向する遊端を結ぶ方向と直交する方向に細長い形状で形成することにより、ビーム幅方向における強度を上げることができ、反りを低減できる。
変形阻止手段である突出部をビームの光照射領域側から見て凹状となるように反対面側に突出して形成することにより、ビームの張力を維持したまま、阻止を低減することができる。
【００４４】
本発明のＭＥＭＳ素子の製造方法によれば、上述のＭＥＭＳ素子、回折型ＭＥＭＳ素子を容易に且つ精度良く製造することができる。
【図面の簡単な説明】
【図１】Ａ 本発明に係るＭＥＭＳ素子の一実施の形態を示す構成図である。
【図２】Ａ 本発明に係るＭＥＭＳ素子の一実施の形態を示すビームの上面図である。
Ｂ 図２ＡのＡ−Ａ線上の断面図である。
Ｃ 図２ＡのＢ−Ｂ線上の断面図である。
【図３】Ａ 本発明に係るＭＥＭＳ素子の一実施の形態を示すビームの寸法図である。
Ｂ 図３ＡのＤ−Ｄ線上の断面図である。
【図４】本発明に係るビームのシミュレーション結果に基づく断面構造図である。
【図５】従来例に係るビームのシミュレーション結果に基づく断面構造図である。
【図６】Ａ1 〜Ｃ1 本発明に係るＭＥＭＳ素子の一実施の形態を示す製造工程図（その１）である。
Ａ2 〜Ｃ2 図６Ａ1 〜Ｃ1 のＥ−Ｅ線上の断面図である。
【図７】Ｄ1 〜Ｆ1 本発明に係るＭＥＭＳ素子の一実施の形態を示す製造工程図（その２）である。
Ｄ2 〜Ｆ2 図７Ｄ2 〜Ｆ2 のＥ−Ｅ線上の断面図である。
【図８】本発明に係るＭＥＭＳ素子の他の実施の形態（片持ち梁構造）を示す断面図である。
【図９】本発明に係る回折型ＭＥＭＳ素子であるＧＬＶ素子の実施の形態を示す構成図である。
【図１０】図９の回折型ＭＥＭＳ素子を示す断面図である。
【図１１】従来の光学ＭＥＭＳ素子を示す断面図である。
【図１２】Ａ 従来のＭＥＭＳ素子を示す上面図である。
Ｂ 図１２ＡのＣ−Ｃ線上の断面図である。
【符号の説明】
１・・光学ＭＥＭＳ素子、２・・シリコン基板、３・・基板側電極、４・・絶縁膜、５・・空間、６・・駆動側電極、７・・シリコン窒化（ＳｉＮ）膜、８・・ビーム、９・・支柱、２１・・ＭＥＭＳ素子、２２・・基板、２３・・基板側電極、２４・・絶縁膜、２５・・支柱、２６・・空間、２７・・ビーム、２８・・シリコン窒化膜、２９・・駆動側電極、３１・・変形阻止手段、３２・・突出部、３３・・光照射領域、３５・・犠牲層、３６・・開孔、３７・・凹状溝、３９・・ＭＥＭＳ素子、４１・・ＧＬＶ素子、４２・・基板、４３・・基板側電極、４４・・絶縁膜、４５・・支柱、４８・・シリコン窒化（ＳｉＮ）膜、４９・・駆動側電極
【発明の属する技術分野】
本発明は、ＭＥＭＳ素子とその製造方法、回折型ＭＥＭＳ素子に関する。
【０００２】
【従来の技術】
微細技術の進展に伴い、いわゆるマイクロマシン（ＭＥＭＳ：Ｍｉｃｒｏ Ｅｌｅｃｔｒｏ Ｍｅｃｈａｎｉｃａｌ Ｓｙｓｔｅｍｓ、超小型電気的・機械的複合体）素子、及びＭＥＭＳ素子を組み込んだ小型機器が、注目されている。
ＭＥＭＳ素子は、シリコン基板、ガラス基板等の基板上に微細構造体として形成され、機械的駆動力を出力する駆動体と、駆動体を制御する半導体集積回路等とを電気的に、更に機械的に結合させた素子である。ＭＥＭＳ素子の基本的な特徴は、機械的構造として構成されている駆動体が素子の一部に組み込まれていることであって、駆動体の駆動は、電極間の静電力、即ちクローン引力等を応用して電気的に行われる。
【０００３】
従来、光の反射や回折を利用し、光スイッチ、光変調素子等に適用される光学ＭＥＭＳ素子が開発されている。 図１１は、光学ＭＥＭＳ素子の代表例を示す。この光学ＭＥＭＳ素子１は、例えばシリコン基板２上に表面が絶縁膜４で覆われた基板側電極３を形成し、この基板側電極３と空間５を挟んで対向するように駆動側電極６を含むビーム８を支持して構成される。ビーム８は、絶縁膜、例えばシリコン窒化（ＳｉＮ）膜７と光反射膜を兼ねる駆動側電極６の積層薄膜で形成され、同じ積層薄膜で形成された支柱９により両端部が支持される。このビーム８は、いわゆる両持ち梁構造に形成される。この光学ＭＥＭＳ素子１では、基板側電極３と駆動側電極６間に印加される電圧（電気信号）により、両電極３及び６間に静電力が発生し、実線及び破線で示すようにビーム８が基板側電極３に対して、静電力で近接・離間するように駆動（振動）する。
【０００４】
また、反射光を利用する場合の光学ＭＥＭＳ素子は、ビームの駆動位置に応じて、ビーム表面に入射された光の反射方向が異なるのを利用し、一方向の反射光を検出してスイッチ機能を持たせた光スイッチとして適用される。また、光学ＭＥＭＳ素子は、光強度を変調させる光変調素子として適用できる。光の反射を利用するときは、ビームを振動させて単位時間当たりの一方向の反射光量で光強度を変調する。この光変調素子は、いわゆる時間変調である。光の回折を利用して光強度を変調することができる。光の回折によって駆動側電極で反射する光の強度（回折強度）を変調する光変調素子は、いわゆる空間変調である。
【０００５】
一方、光変調素子等に適用される光学ＭＥＭＳ素子として、回折型ＭＥＭＳ素子、いわゆるＧＬＶ（Ｇｒａｔｉｎｇ Ｌｉｇｈｔ Ｖａｌｖｅ）素子が提案されている（特許文献１参照）。
【０００６】
ＧＬＶ素子は、基本的には基板上に共通の基板側電極を形成し、この基板側電極と空間を挟んで対向するように、支柱を介して絶縁膜とその表面を被覆する反射膜を兼ねる駆動側電極からなる複数のリボン状のビームを形成して構成される。ＧＬＶ素子では、複数のビームのうちの１本置きのビームが基板側電極に対して静電力で接近・離間する可動ビームとなり、その他のビームが固定ビームとなる。そして、６本のビームが１本置きに沈み込んで回折格子を形成する。
【０００７】
【特許文献１】
特表２００１−５１８１９８号
【０００８】
【発明が解決しようとする課題】
ところで、このようなＭＥＭＳ素子は、半導体プロセスを用いて作製することができる。半導体プロセスを用いてビーム構造で形成したＭＥＭＳ素子は、ビームの形状がＭＥＭＳ素子の特性を決めるための重要な要素となる。しかしながら、図１２に示すように、しばしばビーム８に両支柱９を結ぶ方向と直交する方向（幅方向）に関して変形（反り）が発生する。
【０００９】
これは次のような理由による。ＭＥＭＳ素子では、ビームの形状を作製するために半導体プロセスを用いた薄膜を使用するが、複数種類の材質の薄膜を積層して、図示の例ではシリコン窒化（ＳｉＮ）膜７とＡｌ駆動側電極６の２層膜を用いてビームを作製すると、基板２よりビーム８を切り離すと材質間、即ちＳｉＮ膜７とＡｌ膜６間の膜応力の違いによりビーム８の幅方向が歪み変形する。ビーム８の歪みは、ＭＥＭＳ素子の特性、特に反射効率、回折効率に悪影響を及ぼすことが多く、この歪みの低減が課題となっていた。
【００１０】
また、この歪みを解決する技術として、応力を打ち消すような材質の膜をビーム８に追加するものがあるが、半導体プロセスでは、使用できる材質は限られている上、材質の違う膜を追加したとき、膜厚の増加などによりＭＥＭＳ素子の特性が低下するなどの問題があった。
【００１１】
本発明は、上述の点に鑑み、ビームの歪み変形を低減し、特性向上を図ったＭＥＭＳ素子及びその製造方法、並び回折型ＭＥＭＳ素子を提供するものである。
【００１２】
【課題を解決するための手段】
本発明に係るＭＥＭＳ素子は、基板側電極と、この基板側電極との間で静電力により駆動するビームを備えている。ビームは、駆動側電極を含む複数の薄膜で形成されると共に、長手方向の固定端が支持部にて支持され、ビーム内に、薄膜の応力歪みによるビーム変形を阻止する変形阻止手段が設けられる。変形阻止手段は、ビームの光照射領域の近傍で該光照射領域を挟んで両側に設けられると共に、ビームの長手方向と直交する短辺方向のビーム内において、短辺方向に細長い形状でかつ光照射側から見て凹状となるように反対面側に突出した突出部で形成される。
【００１３】
本発明のＭＥＭＳ素子においては、ビーム内に変形阻止手段である突出部を設けることで、ビームの強度が上がり、ビームの変形である反りが生じにくくなる。突出部が光照射領域の近傍で該光照射領域を挟んで両側に設けられるので、光照射領域の反射面の平坦性が確保される。突出部がビームの長手方向と直交する短辺方向のビーム内において、短辺方向に細長い形状で形成されるので、ビームの張力が維持される。突出部が光照射側から見て凹状となるように反対面側に突出して形成されるので、反射膜を兼ねるビームの駆動側電極の平坦性が確保される。
【００１４】
本発明に係る回折型ＭＥＭＳ素子は、共通の基板側電極と、共通の基板側電極に対向して互いに独立に並列配置され、この基板側電極との間で静電力により駆動する複数のビームとを備えている。各ビームは、駆動側電極を含む複数の薄膜で形成されると共に、長手方向の両固定端が支持部にて支持され、各ビーム内に、薄膜の応力歪みによるビーム変形を阻止する変形阻止手段が設けられる。変形阻止手段は、ビームの光照射領域の近傍で該光照射領域を挟んで両側に設けられると共に、ビームの長手方向と直交する短辺方向のビーム内において、短辺方向に細長い形状でかつ光照射側から見て凹状となるように反対面側に突出した突出部で形成される。
【００１５】
本発明の回折型ＭＥＭＳ素子においては、並列配置される各ビーム内に変形阻止手段である突出部を設けることで、各ビームの強度が上がり、ビームの変形である反りが生じにくくなる。突出部が光照射領域の近傍で該光照射領域を挟んで両側に設けられるので、光照射領域の反射面の平坦性が確保される。突出部がビームの長手方向と直交する短辺方向のビーム内において、短辺方向に細長い形状で形成されるので、ビームの張力が維持される。突出部が光照射側から見て凹状となるように反対面側に突出して形成されるので、反射膜を兼ねるビームの駆動側電極の平坦性が確保される。
【００１６】
本発明に係るＭＥＭＳ素子の製造方法は、基板側電極が形成された基板上に犠牲層を形成する工程と、支柱を形成すべき犠牲層の位置に前記基板に達する開孔を形成する工程と、犠牲層の表面において、後で形成されるビームの光照射領域の近傍で該光照射領域を挟んで両側に対応する位置に、ビームの長手方向と直交する短辺方向のビーム内で短辺方向に細長い凹状溝を選択的に形成する工程と、開孔内と凹状溝とを含んで犠牲層表面に、駆動側電極を含む複数の薄膜によるビームを形成する工程と、犠牲層を除去して、支柱、及び光照射領域を挟んで両側にビームの短辺方向に細長い形状でかつ光照射側から見て凹状となるように反対面側に突出した突出部による変形阻止手段を一体に有するビームを形成する工程とを有することを特徴とする。
【００１７】
本発明のＭＥＭＳ素子の製造方法においては、犠牲層の表面の変形阻止手段を形成すべき部分を選択的に除去し、除去部分を含んで複数の薄膜による変形阻止手段となる突出部を有するビームを形成することにより、突出部を一体に有したビームが形成される。従って、反りにくいビームを備えたＭＥＭＳ素子を容易且つ精度良く製造することがでる。
【００１８】
【発明の実施の形態】
以下、図面を参照して本発明の実施の形態を説明する。
【００１９】
図１は、本発明に係るＭＥＭＳ素子の一実施の形態を示す。
本実施の形態に係るＭＥＭＳ素子２１は、基板２２上に基板側電極２３を形成し、この基板側電極２３上に保護膜を兼ねる絶縁膜２４を形成し、両端が支柱２５〔２５Ａ，２５Ｂ〕で支持されるように空間２６を挟んで基板側電極２３と対向するビーム２７を形成して構成される。ビーム２７は、駆動側電極２９を含む材質の異なる複数の薄膜で形成される。本例では、絶縁薄膜、例えばシリコン窒化膜２８とその上の金属薄膜による駆動側電極２９とによる２層膜構造で長方形をなすリボン状のビーム２７が形成される。駆動側電極２９は、入射する光を反射する反射膜を兼ねる。支柱２５は、本例ではビーム２７と同じ絶縁薄膜２８及び金属薄膜２９による２層膜で形成される。
【００２０】
そして、本実施の形態においては、特に、ビーム２７の一部にビーム２７を構成する薄膜の応力に起因した歪みによる変形、つまり反りを阻止する変形阻止手段３１が設けられる。この変形阻止手段３１は、ビーム２７の一部を押し出すように突出させた突出部３２で形成することができる。突出部３２は、原理的には絶縁薄膜２８側、或いは駆動側電極２９側に突出させてもよいが、絶縁薄膜２８側に突出させる方が好ましい。即ち、ビーム２７の光照射側から見て凹状となるように反対面側（つまり絶縁薄膜２８側）の突出する突出部３２とする。理由は、後述（製造工程で説明）するように反射膜を兼ねる駆動側電極２９の平坦性を確保するためである。
【００２１】
変形阻止手段３１となる突出部３２は、図２Ａ〜Ｃに示すように、特に光照射領域３３の反射面の平坦性を確保するために、光照射領域３３の近傍に設けられる。また、突出部３２は、光照射領域３３を挟んで複数設けるようになす。本例では光照射領域３３を挟んで２つの突出部３２Ａ，３２Ｂが設けられる。さらに、突出部３２は、ビーム２７の両支柱２５〔２５Ａ，２５Ｂ〕に支持された両固定端を結ぶ方向と直交する方向、即ち本例ではリボン状の長手方向と直交する短辺方向に細長い形状に形成される。突出部３２は、前述で明らかなようにビーム２７を短辺方向に横断させずにビーム２７内に止まるように形成される。これはビーム２７の張力を維持するためである。
【００２２】
本実施の形態のＭＥＭＳ素子２１では、前述と同様に基板側電極２３と駆動側電極２９間に所要の電圧（電気信号）を印加することにより、両電極２３及び２９間に静電力が発生し、オン・オフ制御でビーム２７が基板側電極２３に対して近接・離間するように駆動（振動）される。ＭＥＭＳ素子２１は、このビーム２７の変位によってビーム２７に入射した光の反射光、回折光、或いは反射方向等が変調するのを利用して、光変調素子、光スイッチ等に適用される。
【００２３】
図３は、図１及び図２に示す本実施の形態のＭＥＭＳ素子２１におけるビーム２７の具体的な寸法の一例を示す。ビーム２７は、長手方向の全長Ｌが５０μｍ程度、幅方向の長さＷが５μｍ程度の長方形であり、長手方向の両端から夫々距離Ｓ1 ，Ｓ2 が２０μｍ程度の位置に２つの変形阻止手段３１である突出部３２が設けられている。この突出部３２は、ビーム２７の長手方向に平行した長さｔが２μｍ程度、幅方向に平行した幅ｄが４．５μｍ程度の細長い四角形状とされている。２層膜構造のビーム２７では、そのシリコン窒化膜２８の膜厚ｆ1 が１００ｎｍ程度、駆動側電極２９となる例ではＡｌ膜の膜厚ｆ2 が１００ｎｍ程度となっている。
【００２４】
図４は本実施の形態に係るＭＥＭＳ素子のビーム２７（図３参照）の変形状態を示し、図５は比較のために従来に係るＭＥＭＳ素子のビーム８（図１１及び図１２参照）の変形状態を示す。ビーム２７及び８の寸法形状は、いずれも図３の寸法形状とした。図４及び図５のシミュレータのよる計算結果は、いずれも図３のＤーＤ線上のビーム断面におけるものである。
【００２５】
図５に示す従来例の計算結果を見ると、位置１μｍから４μｍ間の中間領域で大きく変位し、１８．５ｎｍ程落ち込んでいる、即ち、ビーム８が幅方向の中央付近で歪み変形していることがわかる。いわゆる歪みは１８．５ｎｍである。一方、図４に示す本実施の計算結果を見ると、位置０．５μｍから４．５μｍ間の中間領域で変位し、１１．５ｎｍ程度落ち込んでいるが（いわゆる歪みは１１．５ｎｍである）、上述した図５の従来例に比べると変位の落ち込みが３８％低減していることがわかる。
【００２６】
次に、図６〜図７を用いて、上述の本実施の形態に係るＭＥＭＳ素子２１の製造方法を説明する。なお、図６Ａ2 は図６Ａ1 のＥ−Ｅ線上の断面図であり、以後の各図も同様である。
先ず、図６Ａ1 ，Ａ2 に示すように、例えば、シリコン（Ｓｉ）やガリウム砒素（ＧａＡｓ）などの半導体基板上に絶縁膜を形成した基板、石英基板やガラス基板のような絶縁性基板等の基板、本例ではシリコン基板上に絶縁膜基板２２上に所要の導電膜、本例では多結晶シリコン膜からなる基板側電極２３を形成し、基板側電極２３を被覆するように絶縁膜２４、例えばシリコン酸化（ＳｉＯ2 ）膜を形成する。その後、全面上に犠牲層３５、本例では非結晶シリコン膜を堆積する。
【００２７】
次に、図６Ｂ1 ，Ｂ2 に示すように、犠牲層３５上面にレジストマスク（図示せず）を形成し、レジストマスクを介して犠牲層３５の支柱を形成すべき位置に対応する部分を選択的にエッチング除去して、基板２２側の絶縁膜２４に達するような開孔３６を形成する。
【００２８】
次に、図６Ｃ1 、Ｃ2 に示すように、再度犠牲層３５上面にレジストマスク（図示せず）を形成し、レジストマスクを介して犠牲層３５表面の変形阻止手段を形成すべき位置に対応した部分を選択的にエッチング除去して２つの凹状溝３７を形成する。
【００２９】
次に、図７Ｄ1 ，Ｄ2 に示すように、開孔３６内及び凹状溝３７内を含んで犠牲層３５上面全面に絶縁膜、本例ではシリコン窒化（ＳｉＮ）膜２８を堆積する。後述するように、開孔３６内に埋め込まれたシリコン窒化膜２８は支柱に対応し、凹状溝３７内に埋め込まれたシリコン窒化膜２８は変形阻止手段に対応する。
【００３０】
次に、図７Ｅ1 ，Ｅ2 に示すように、シリコン窒化膜２８の全面上に駆動側電極となる金属薄膜（反射膜兼用）、本例ではアルミニウム（Ａｌ）を主成分とした金属薄膜（以下、便宜的にＡｌ膜という）２９′を蒸着する。Ａｌを主成分とする金属薄膜としては、例えばＡｌ−Ｓｉ，Ａｌ−Ｃｕ，Ａｌ−Ｓｉ−Ｃｕ，Ａｌ−Ｈｆ，Ａｌ−Ｚｒ等を用いることができる。次いで、Ａｌ膜２９′及びシリコン窒化膜２８をビーム及び支柱に対応するパターンになるように選択的にエッチング除去する。これにより、シリコン窒化膜２８とＡｌ膜による駆動側電極２９とから成る２層膜構造のビーム２７、及びビーム２７の両端を支持する１対の支柱２５[ ２５Ａ，２５Ｂ] を形成する。
【００３１】
次に、図７Ｆ1 、Ｆ2 に示すように、犠牲層３５をエッチング除去する、これにより、基板側電極２３と空間２６を挟んで対向するビーム２７が支柱２５〔２５Ａ，２５Ｂ〕により支持され、且つビーム２７に之と一体の変形阻止手段３１となる２つの突出部３２が形成されてなる目的のＭＥＭＳ素子２１を得る。
【００３２】
本実施の形態の製造方法では、突出部３２の形成に際して図６Ｃ1 、Ｃ2 の工程で、犠牲層３５の表面の一部を選択エッチングして凹状溝３７を形成し、ビーム２７の基板側の裏面に突出する突出部３２を形成するようにしている。通常、エッチングされた面は、ＣＶＤ（化学気相成長）法等で堆積した表面より平坦性が悪くなる。従って、本方法により犠牲層３５表面に堆積されたシリコン窒化膜２８及び駆動側電極２９となるＡｌ膜の表面の平坦性が良好となり、平坦性の良い反射面を有するビーム２７を形成することができる。
本実施の形態の製造方法によれば、半導体プロセスを用いて変形（反り）しにくいビーム２７を備えたＭＥＭＳ素子２１を容易且つ精度良く製造することができる。
【００３３】
上述した本実施の形態に係るＭＥＭＳ素子２１によれば、ビーム２７に変形阻止手段３１となる突出部３２を設けることにより、ビーム２７の強度が上がり、ビーム変形を低減、即ちビーム２７を反りにくくすることができる。これによりＭＥＭＳ素子の光学特性を改善、即ち向上することができる。有限要素法を使ったシミュレーションにより、ビーム２７の反りが４０％以上低減することを確認した。例えば歪みが１５ｎｍから６ｎｍに低減することを確認した。
突出部３２がビーム２７の光照射領域３３の近傍に設けられるので、光照射領域３３でのビーム平坦性をより良くし、且つ入射光が突出部３２により邪魔されることがなく、より特性の改善を図ることができる。特に、突出部３２を光照射領域３３を挟んで２つの突出部３２を設けるときは、さらにビーム２７の光照射領域３３での反りを低減することができる。
【００３４】
更に、突出部３２としては、ビーム２７の長手方向と直交する方向に細長い形状で形成することにより、ビーム幅方向における強度を上げることができ、反りを低減できる。上例の両持ち梁構造のビーム２７の場合は、両端が固定されているので、長手方向の反りは殆ど無視できる。突出部３２がビーム３２の幅を横断させず、ビーム３２内に形成したことにより、ビーム２７の張力を維持することができる。
【００３５】
本発明は、片持ち梁構造のビームを有するＭＥＭＳ素子にも適用できる。図８は、その代表例の実施の形態を示す。
本実施の形態に係るＭＥＭＳ素子３９は、基板２２上に基板側電極２３を形成し、この基板側電極２３上に保護膜を兼ねる絶縁膜２４を形成し、一端が支柱２５で支持されるように空間２６を挟んで基板側電極２３と対向するビーム２７を形成して構成される。上例と同様にビーム２７は、駆動側電極２９を含む材質の異なる複数の薄膜、本例ではシリコン窒化膜２８とその上の金属薄膜による駆動側電極２９とによる２層膜構造で形成される。駆動側電極２９は、入射する光を反射する反射膜を兼ねる。支柱２５は、ビーム２７と同じ絶縁薄膜２８及び金属薄膜２９による２層膜で形成される。そして、ビーム２７の一部に光照射領域を挟んで２つの変形阻止手段３１となる突出部３２が設けられる。この突出部３２は、ビーム２７の固定端と該固定端に対向した遊端とを結ぶ方向と直交する方向に細長い形状で形成される。その他の構成は図１と同様であるので、重複説明を省略する。
本実施の形態のＭＥＭＳ素子３９においても、上述と同様にビーム２７の幅方向の強度が上がり、ビーム幅方向の反りを低減することができ、光学特性を向上することができる。
【００３６】
上例では、ビーム２７の膜構成をシリコン窒化膜２８と駆動側電極２９との２層膜構造としたが、その他、２層膜以上の積層膜のビームにも本発明は適用できる。
【００３７】
図９及び図１０は、上述した図１のＭＥＭＳ素子を回折光を利用する回折型ＭＥＭＳ素子であるＧＬＶ素子に適用した実施の形態を示す。
本実施の形態に係るＧＬＶ素子４１は、基板４２上に表面が絶縁膜４４で被覆された共通の基板側電極４３を形成し、この基板側電極４３と空間４６を挟んで対向するように支柱４５〔４５Ａ，４５Ｂ〕を介して絶縁薄膜、本例ではシリコン窒化（ＳｉＮ）膜４８と金属薄膜による駆動側電極４９からなる２層膜構造の複数、本例では６本のリボン状のビーム２７〔２７1 、２７2 、２７3 、２７4 、２７5 、２７6 〕を形成して構成される。そして、本実施の形態では、特に各ビーム２７〔２７1 〜２７6 〕に図１で示したと同様の変形阻止手段３１となる突出部３２が形成される。この突出部３２の構成は、図１で説明したと同様であるので、重複説明を省略する。
【００３８】
このＧＬＶ素子４１では、複数のビーム２７のうち、１本置きのビーム２７1 、２７3 、２７5 が基板側電極４３に対して静電力で近接・離間する可動ビームとなり、その他のビーム２７2 、２７4 、２７6 が固定ビームとなる。図９では、１本置きのビーム２７1 、２７3 、２７5 が基板側電極４３に引き寄せられた状態を示している。このとき、６本のビーム２７が１本置きに沈み込んで回折格子を形成する。
【００３９】
ＧＬＶ素子４１は、可動ビーム２７1 ，２７3 ，２７5 の表面で反射する光の位相と、固定ビーム２７2 ，２７4 ，２７6 の表面で反射する位相との差が０又はλ／４になるようにデジタル的に制御すること、或いは０〜λ／４の間でアナログ的に制御することが可能である。例えば、６本のビーム２７[ ２７1 〜２７6 ] が同一平面を形成していれば、ビーム２７表面における反射光は、０次光である。一方、図９に示すようにビーム２７が１本置きに沈み込んでいれば、回折により±１次光が発生する。ＧＬＶ素子４１は、この±１次光を加算して使用し、光の回折によって駆動側電極６で反射する光の強度（回折強度）を変調する光変調素子として適用される。
【００４０】
本実施の形態のＧＬＶ素子４１においても、前述と同様に各ビーム２７に突出部３２が設けられるので、ビーム２７の強度が上がり、ビーム２７の張力を維持したままビーム２７の変形である反りを低減し、ＧＬＶ素子４１の光学特性をより向上することができる。
【００４１】
【発明の効果】
本発明のＭＥＭＳ素子によれば、ビームの変形である反りが低減でき、特性を向上することができる。有限要素法を使ったシミュレーションにより、ビームの反りが４０％以上低減できることが確認されている。
【００４２】
本発明の回折型ＭＥＭＳ素子によれば、各ビームの張力を維持したまま、各ビームの変形である反りを低減することができ、光学特性を向上することができる。
【００４３】
変形阻止手段である突出部をビームの光照射領域の近傍に設け、光照射領域でのビーム平坦性をより良くするので、入射光が突出部により邪魔されることがなく、より特性の改善を図ることがきる。
突出部を光照射領域を挟んで両側に設けるので、さらにビームの光照射領域での反りを低減することができる。
変形阻止手段である突出部としては、両持ち梁構造のビームの場合、ビームの両固定端を結ぶ方向と直交する方向に細長い形状で形成することにより、ビーム幅方向における強度を上げることができ、反りを低減できる。両端が固定されているので、長手方向の反りは殆ど無視できる。変形阻止手段である突出部としては、片持ち梁構造のビームの場合、ビームの固定端と之に対向する遊端を結ぶ方向と直交する方向に細長い形状で形成することにより、ビーム幅方向における強度を上げることができ、反りを低減できる。
変形阻止手段である突出部をビームの光照射領域側から見て凹状となるように反対面側に突出して形成することにより、ビームの張力を維持したまま、阻止を低減することができる。
【００４４】
本発明のＭＥＭＳ素子の製造方法によれば、上述のＭＥＭＳ素子、回折型ＭＥＭＳ素子を容易に且つ精度良く製造することができる。
【図面の簡単な説明】
【図１】Ａ 本発明に係るＭＥＭＳ素子の一実施の形態を示す構成図である。
【図２】Ａ 本発明に係るＭＥＭＳ素子の一実施の形態を示すビームの上面図である。
Ｂ 図２ＡのＡ−Ａ線上の断面図である。
Ｃ 図２ＡのＢ−Ｂ線上の断面図である。
【図３】Ａ 本発明に係るＭＥＭＳ素子の一実施の形態を示すビームの寸法図である。
Ｂ 図３ＡのＤ−Ｄ線上の断面図である。
【図４】本発明に係るビームのシミュレーション結果に基づく断面構造図である。
【図５】従来例に係るビームのシミュレーション結果に基づく断面構造図である。
【図６】Ａ1 〜Ｃ1 本発明に係るＭＥＭＳ素子の一実施の形態を示す製造工程図（その１）である。
Ａ2 〜Ｃ2 図６Ａ1 〜Ｃ1 のＥ−Ｅ線上の断面図である。
【図７】Ｄ1 〜Ｆ1 本発明に係るＭＥＭＳ素子の一実施の形態を示す製造工程図（その２）である。
Ｄ2 〜Ｆ2 図７Ｄ2 〜Ｆ2 のＥ−Ｅ線上の断面図である。
【図８】本発明に係るＭＥＭＳ素子の他の実施の形態（片持ち梁構造）を示す断面図である。
【図９】本発明に係る回折型ＭＥＭＳ素子であるＧＬＶ素子の実施の形態を示す構成図である。
【図１０】図９の回折型ＭＥＭＳ素子を示す断面図である。
【図１１】従来の光学ＭＥＭＳ素子を示す断面図である。
【図１２】Ａ 従来のＭＥＭＳ素子を示す上面図である。
Ｂ 図１２ＡのＣ−Ｃ線上の断面図である。
【符号の説明】
１・・光学ＭＥＭＳ素子、２・・シリコン基板、３・・基板側電極、４・・絶縁膜、５・・空間、６・・駆動側電極、７・・シリコン窒化（ＳｉＮ）膜、８・・ビーム、９・・支柱、２１・・ＭＥＭＳ素子、２２・・基板、２３・・基板側電極、２４・・絶縁膜、２５・・支柱、２６・・空間、２７・・ビーム、２８・・シリコン窒化膜、２９・・駆動側電極、３１・・変形阻止手段、３２・・突出部、３３・・光照射領域、３５・・犠牲層、３６・・開孔、３７・・凹状溝、３９・・ＭＥＭＳ素子、４１・・ＧＬＶ素子、４２・・基板、４３・・基板側電極、４４・・絶縁膜、４５・・支柱、４８・・シリコン窒化（ＳｉＮ）膜、４９・・駆動側電極
Claims (5)
- 基板側電極と、該基板側電極との間で静電力により駆動するビームを備え、
前記ビームは、駆動側電極を含む複数の薄膜で形成されると共に、長手方向の固定端が支持部にて支持され、
前記ビーム内に、前記薄膜の応力歪みによるビーム変形を阻止する変形阻止手段が設けられ、
前記変形阻止手段は、前記ビームの光照射領域の近傍で該光照射領域を挟んで両側に設けられると共に、前記ビームの長手方向と直交する短辺方向のビーム内において、短辺方向に細長い形状でかつ光照射側から見て凹状となるように反対面側に突出した突出部で形成されている
ことを特徴とするＭＥＭＳ素子。 - 前記ビームは長手方向の相対向する両固定端が支柱にて支持されている
ことを特徴とする請求項１記載のＭＥＭＳ素子。 - 前記ビームは長手方向の一方の固定端が支柱にて支持されている
ことを特徴とする請求項１記載のＭＥＭＳ素子。 - 共通の基板側電極と、
前記共通の基板側電極に対向して互いに独立に並列配置され、該基板側電極との間で静電力により駆動する複数のビームとを備え、
前記各ビームは、駆動側電極を含む複数の薄膜で形成されると共に、長手方向の両固定端が支持部にて支持され、
前記各ビーム内に、前記薄膜の応力歪みによるビーム変形を阻止する変形阻止手段が設けられ、
前記変形阻止手段は、前記ビームの光照射領域の近傍で該光照射領域を挟んで両側に設けられると共に、前記ビームの長手方向と直交する短辺方向のビーム内において、短辺方向に細長い形状でかつ光照射側から見て凹状となるように反対面側に突出した突出部で形成されている
ことを特徴とする回折型ＭＥＭＳ素子。 - 基板側電極が形成された基板上に犠牲層を形成する工程と、
支柱を形成すべき前記犠牲層の位置に前記基板に達する開孔を形成する工程と、
前記犠牲層の表面において、後で形成されるビームの光照射領域の近傍で該光照射領域を挟んで両側に対応する位置に、前記ビームの長手方向と直交する短辺方向のビーム内で短辺方向に細長い凹状溝を選択的に形成する工程と、
前記開孔内と前記凹状溝とを含んで前記犠牲層表面に、駆動側電極を含む複数の薄膜によるビームを形成する工程と、
前記犠牲層を除去して、前記支柱、及び光照射領域を挟んで両側にビームの短辺方向に細長い形状でかつ光照射側から見て凹状となるように反対面側に突出した突出部による変形阻止手段を一体に有するビームを形成する工程とを有する
ことを特徴とするＭＥＭＳ素子の製造方法。
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