JP4336123B2

JP4336123B2 - MEMS element and optical device

Info

Publication number: JP4336123B2
Application number: JP2003056302A
Authority: JP
Inventors: 圭史諫本; 洋年吉; 昌鎬鄭
Original assignee: Santec Corp
Current assignee: Santec Corp
Priority date: 2003-03-03
Filing date: 2003-03-03
Publication date: 2009-09-30
Anticipated expiration: 2023-03-03
Also published as: JP2004264701A

Description

【０００１】
【発明の属する技術分野】
本発明は微小電気機械システムとしてのＭＥＭＳ素子およびＭＥＭＳ素子を使用した光減衰器、光スイッチ、光スキャナ等の光デバイスに係わり、特にチルトミラー等のミラーを使用したＭＥＭＳ素子およびＭＥＭＳ素子を使用した光デバイスに関する。
【０００２】
【従来の技術】
光通信技術の発展に伴い、各種の光デバイスが開発されている。この中で、微細構造デバイスとしてのＭＥＭＳ（Micro Electro Mechanical System）素子が近年注目を集めている。ＭＥＭＳ素子は固体の弾性的あるいは機械的な性質を制御する技術を応用したもので、金属等の各種の材料で作られた従来の機械システムをシリコン加工により極小サイズで製造するデバイスである。部品が小型のため最終的な製品も小さくなるという利点があり、また金属疲労が無く、素子としての信頼性が高い。
【０００３】
ＭＥＭＳ素子のうちで、その一部にミラーが備えられているものは、電圧を印加することでこのミラーの傾斜角やミラーの位置を変化させ、入射した光の反射方向等を変化させることができる（たとえば特許文献１）。この原理を用いることで、ＭＥＭＳ素子を使用した光減衰器や光スイッチあるいは光スキャナ等の各種の光デバイスを製造することができる。傾斜角を変化させるミラーを備えたＭＥＭＳ素子では、ミラー自体が比較的大面積であっても、電圧印加に応じて傾斜角が変化したときに反りが少ないことが重要である。また、このような精度の高いＭＥＭＳ素子が簡単なプロセスで製造できることが求められている。以下、単にＭＥＭＳ素子と表現するときにはその一部にミラーを備えた素子をいうものとする。
【０００４】
ＭＥＭＳ素子として、従来からＳＯＩ（Silicon-on-Insulator）プロセスによる片持ち梁の素子が知られている。
【０００５】
図１２（ａ）はこのＳＯＩプロセスを使用したＭＥＭＳ素子を上から見たもので、同図（ｂ）はこれをＫ−Ｋ方向に切断したものである。このＭＥＭＳ素子１０１は、電極を兼ねたシリコン基板１０２上に所定の厚さの酸化層からなる支持部１０３を配置し、更にこの上に単結晶シリコンの上部電極１０４を配置して、この上部電極１０４におけるこれらの図で右半分部分にミラー１０５を形成した構造となっている。上部電極１０４におけるミラー１０５が形成された領域の直下の酸化層は、除去されている。
【０００６】
このようなＭＥＭＳ素子１０１は上部電極１０４と、下部電極を兼ねたシリコン基板１０２との間に電圧を印加すると、両者の間に矢印１０６で示す静電引力が働く。これにより、ミラー１０５が形成され下方に空隙が生じている上部電極１０４が、矢印１０７方向に傾斜して、ミラー面の上方から入射する図示しない光の反射角度を変えることができる。
【０００７】
図１２に示したＭＥＭＳ素子１０１は次のようにして製造される。まずシリコン基板１０２の上に支持部１０３となる酸化層および上部電極１０４となる単結晶シリコンの層を形成する。この後、上部電極１０４となる単結晶シリコンにおけるミラー１０５が形成される直下の部分を切削する。次に、シリコン基板１０２上の酸化層における図１３で支持部１０３となっている部分以外をエッチングにより取り除く。この後、このエッチングにより除去した酸化層の上側の上部電極１０４の部分にミラー１０５を積層する。
【０００８】
このように図１２に示したＭＥＭＳ素子１０１は、比較的簡単なＳＯＩプロセスで製造できるという利点がある。また、上部電極１０４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、その上に積層して形成するミラー１０５の反りが少ないという長所がある。しかしながら、ミラー１０５が片持ち梁の構造となっているので、ミラー面がシリコン基板１０２に吸引される方向にのみ傾斜することになる。このように、図１２に示したバルクマイクロマシニングを使用して製造すると、ＭＥＭＳ素子のミラー１０５の傾斜の自由度が少ないという問題があった。
【０００９】
そこで、表面マイクロマシニングを使用してＭＥＭＳ素子の設計の自由度を高めることで、ミラーが跳ね上がる方向にも傾斜できるようにする提案が行われている。
【００１０】
図１３（ａ）は、表面マイクロマシニングの技術を使用して製造したＭＥＭＳ素子を上から見たもので、同図（ｂ）はこれをＬ−Ｌ方向に切断したものである。このＭＥＭＳ素子１２１は、同図（ｂ）に示すように非導電体の基板１２２上に酸化層からなる支持部１２３を配置し、その上にポリシリコン薄膜１２４を配置した構造となっている。ポリシリコン薄膜１２４は同図（ａ）における左半分の部分が上部電極１２５を構成しており、ここには、多数のエッチングホールと呼ばれる開口１２６が開けられている。ポリシリコン薄膜１２４の右側の部分にはその上部にミラー部１２７が形成されている。ポリシリコン薄膜１２４は同図（ａ）でほぼ中央部に図で上下に細く伸びたヒンジ部１２８₁、１２８₂を有しており、これらヒンジ部１２８₁、１２８₂の端部と一体となった矩形領域からなる固定部１２９₁、１２９₂は同図（ｂ）に示した支持部１２３のちょうど上に積層されている。基板１２２とポリシリコン薄膜１２４の間は支持部１２３を除いて空隙となっており、上部電極１２５と対向する基板１２２上には下部電極１３１が形成されている。
【００１１】
このような図１３に示す構造のＭＥＭＳ素子１２１では、上部電極１２５と下部電極１３１の間に電圧を印加することで、矢印１３０で示すように静電引力が働き、ヒンジ部１２８₁、１２８₂を回転中心としてミラー部１２７を矢印１３２、１３３方向にチルトさせることができる。すなわちミラー部１２７を上方向に蹴り上げるように傾斜させることができる。これにより、静電引力による駆動時に傾斜角度をより大きく変化させることができる。また図１２と図１３を比較すると分かるように、ミラー面をより大型のものとすることも可能である。
【００１２】
なお、図１３でポリシリコン薄膜１２４はヒンジ部１２８₁、１２８₂を結ぶ直線（回転軸）に対して図でわずかに左側が長くなった形状となっている。これは回転軸を中心に左右の重さのバランスをとることで最も効率的な駆動特性を得るようにするためである。図で回転軸の左側を構成するポリシリコン薄膜１２４の幅を右側よりも若干広くしても、同様に質量によるモーメントを左右対称として駆動特性を最も効率的なものとすることができる。
【００１３】
図１３に示したＭＥＭＳ素子１２１は次のようにして製造する。まず、非導電体の基板１２２の同図（ｂ）に示す上部電極１２５と対向する領域に下部電極１３１を積層して形成する。支持部１２３は下部電極１３１を有する基板１２２上の全面に酸化層を積層した後、基板１２２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。このＭＥＭＳ素子では、この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薄膜１２４を形成する。このポリシリコン薄膜１２４は、支持部１２３に相当する領域と、そこから伸びる細いヒンジ部１２８₁、１２８₂と、上部電極１２５およびミラー部１２７から構成される。上部電極１２５に開けられたエッチングホールと呼ばれる開口１２６は、エッチング液の染み込みを促進させるだけでなく、上部電極１２５の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を可能とさせる機能もある（たとえば特許文献２）。ポリシリコン薄膜１２４を形成した後、エッチングによって支持部１２３以外の領域で酸化層を除去し、その上のポリシリコン薄膜１２４をヒンジ部１２８₁、１２８₂のみで支持するようにしている。
【００１４】
図１４および図１５は、この表面マイクロマシニングの技術を使用したＭＥＭＳ素子の製造プロセスを更に具体的に表わしたものである。ここで、図１４は図１３に示したＭＥＭＳ素子１２１をＬ−Ｌ方向に、すなわち上部電極１２５を縦断するように切断した面で示したものであり、図１５はＭ−Ｍ方向に、すなわち図１３に示した固定部１２９₁を縦断するように切断した面で示したものである。
【００１５】
まず、図１４（ａ）および図１５の（ａ）に示すように基板１２２としてのシリコンウエハを用意する。次に、これらの図（ｂ）に示すように基板１２２の上に下部電極１３１の元となる電極層１３１Ａを堆積する。次にこれらの図（ｃ）に示すようにフォトリソグラフィ(photolithography)とエッチングを行って下部電極１３１を作成する。このとき、図１５に示す固定部１２９₁については電極層１３１Ａが全部除去される。図１４では図１３（ａ）の上部電極１２５に対向する部位が下部電極１３１として残ることになる。
【００１６】
図１６はフォトリソグラフィとエッチングの一般的な工程を具体的に示したものである。ここでは図１４に対応する部分を示している。まず同図（ｉ）に示すように電極層１３１Ａがあったものとすると、同図（ｉｉ）に示すようにこの上に感光性保護材としてのレジスト１４１を塗布する。そして、同図（ｉｉｉ）に示すように図１３（ｂ）の下部電極１３１に対応させたマスクパターン１４２を用意して矢印１４３で示すように上部から光を照射して、レジスト露光を行う。次に図１６（ｉｖ）に示すように露光部分を現像して、光の照射されたレジスト１４１を除去する。次に同図（ｖ）に示すようにエッチングによってレジスト１４１の残っている領域以外の電極層１３１Ａを除去する。これにより、基板１２２の上に下部電極１３１が形成され、その上にレジスト１４１が残ったことになる。そこで、同図（ｖｉ）に示すように下部電極１３１の上のレジスト１４１を除去してフォトリソグラフィとエッチングの処理が終了する。
【００１７】
以上のようにして図１４（ｃ）に示すように基板１２２上に下部電極１３１が形成されたら図１４（ｄ）および図１５（ｄ）に示すようにその上に犠牲層１４５を堆積する。ここで犠牲層１４５とは最終工程で除去する層のことをいう。次にこれらの図(ｅ）に示すようにフォトリソグラフィとエッチングで犠牲層パターンを作成して、図１３の固定部１２９₁の箇所の犠牲層１４５のみを除去する。そして、これらの図(ｆ）に示すように構造体１４６の層を堆積して、研磨によってその表面を平坦化する。
【００１８】
次に、この構造体１４６に対してこれらの図（ｇ）に示すようにフォトリソグラフィとエッチングの処理を行って、図１３および図１４に示したように上部電極１２５の層とする。このとき、図１５に示した部位では固定部１２９₁以外の構造体１４６が除去されることになる。最後にこれらの図（ｈ）に示すように犠牲層１４５が除去されることになる。
【００１９】
【特許文献１】
特開２００１−１７４７２４号公報（第００１７段落、図５）
【特許文献２】
特開２００１−２６４６５０号公報（第００２７段落、図３）
【００２０】
【発明が解決しようとする課題】
表面マイクロマシニングによってＭＥＭＳ素子を製造すれば、以上説明したようにウエハ上に次々と層を形成しながら加工を行うことができる。したがって、図１２に示した予め層構造を持った基板を加工するバルクマイクロマシニングと比較すると、非常に自由度の高い構造のＭＥＭＳ素子を製造することができる。しかしながら、表面マイクロマシニングでは、図１４および図１６で説明したように、製造工程が複雑化しコストダウンを図りにくいという問題があった。また、ミラーについて考察すると、図１２に示した単結晶シリコンの層の方が膜厚を厚く構成することができるので、表面マイクロマシニングの方が品質が低下するという問題があった。
【００２１】
そこで本発明の目的は、たとえばＳＯＩを用いたバルクマイクロマシニングの技術を使用して、ミラーの品質およびミラーの駆動についての設計の自由度を高めることのできるＭＥＭＳ素子およびＭＥＭＳ素子を使用した光減衰器、光スイッチ、光スキャナ等の光デバイスを提供することにある。
【００２２】
【課題を解決するための手段】
請求項１記載の発明では、（イ）導電性を有する第１の厚さの平板を所定の回転軸に軸対称にその表面と垂直に切り抜いた形状とされ、表面が光の反射面となったミラー部と、前記した平板の一部として前記したミラー部と連続して切り抜いた形状とされ、このミラー部の少なくとも一方の端部から前記した回転軸に沿って軸対称な形状で所定長だけ帯状に伸び出した部位としてのアクチュエータと、前記した平板の一部として前記したミラー部ならびに前記したアクチュエータと連続して切り抜いた形状とされ、前記したアクチュエータの端部から前記した回転軸に沿って細幅な形状で伸び出し外力により回動自在となった部位としてのトーションスプリングとから構成される第１の電極部材と、（ロ）この第１の電極部材を形成する前記した平板と所定の間隔を置いて対向配置され、全体として前記した第１の厚さよりも厚い第２の厚さの導電性の基板であって、前記したトーションスプリングが前記した外力によって回動する角度範囲で前記したミラー部の移動空間を確保すべくこのミラー部と対向する領域が前記した基板表面と垂直に少なくとも所定の深さだけ切除された形状に形成されていると共に、前記したアクチュエータと対向する面が前記した回転軸を境として２つの領域に分断されており、その一方の領域は、前記したトーションスプリングが前記した外力によって回動していない状態で前記した平板と前記した基板表面とが前記した所定の間隔を置いて対向配置される第１の電気特性領域を構成し、他方の領域では前記した基板表面の少なくとも一部が基板面と垂直方向に切除された第２の電気特性領域を構成している第２の電極部材とをＭＥＭＳ素子に具備させ、（ハ）前記した第１の電極部材と前記した第２の電極部材の間に電圧が印加されたときに前記した第１の電気特性領域と前記した第２の電気特性領域による前記したアクチュエータに対する位置的に不均一な静電引力が前記したトーションスプリングに接続された前記したミラー部に前記した電圧の印加の程度に応じて回転する外力を与えるようにする。
【００２３】
すなわち請求項１記載の発明では、ＭＥＭＳ素子に第１の電極部材と第２の電極部材の２つを少なくとも具備させる。ここで第１の電極部材は、平板状の導電性部材からなる。そして、２種類の領域の電極特性の違いによる第１の電極部材と第２の電極部材の間に電圧を印加したときの静電引力の違いによってアクチュエータは印加電圧に応じた回転力を受け、これによって電圧の印加の程度に応じてミラー部を回転させるようにしている。
【００２４】
このように請求項１記載の発明では、所定の間隔あるいは他の層を介して存在する第１の電極部材と第２の電極部材を用いて、印加電圧に応じてミラー部を回転させるＭＥＭＳ素子を構成するので、バルクマイクロマシニングの技術を使用してミラー部を比較的厚く形成することができ、歪み等が少ない高品質のＭＥＭＳ素子を作製することができる。しかもＭＥＭＳ素子を表面マイクロマシニングで作製する必要が必ずしもないのでミラー部の駆動についての設計の自由度を高めることが可能である。
【００２５】
請求項２記載の発明では、（イ）導電性を有する第１の厚さの平板を所定の回転軸に軸対称にその表面と垂直に切り抜いた形状とされ、表面が光の反射面となったミラー部と、前記した平板の一部として前記したミラー部と連続して切り抜いた形状とされ、このミラー部の少なくとも一方の端部から前記した回転軸に沿って軸対称な形状で所定長だけ帯状に伸び出した部位としてのアクチュエータと、前記した平板の一部として前記したミラー部ならびに前記したアクチュエータと連続して切り抜いた形状とされ、前記したアクチュエータの端部から前記した回転軸に沿って細幅な形状で伸び出し外力により回動自在となった部位としてのトーションスプリングとから構成される第１の電極部材と、（ロ）この第１の電極部材を形成する前記した平板と所定の間隔を置いて対向配置され、全体として前記した第１の厚さよりも厚い第２の厚さの導電性の基板であって、前記したトーションスプリングが前記した外力によって回動する角度範囲で前記したミラー部の移動空間を確保すべくこのミラー部と対向する領域が前記した基板表面と垂直に少なくとも所定の深さだけ切除された形状に形成されていると共に、前記したアクチュエータと対向する面が前記した回転軸を境として２つの領域に分断されており、その一方の領域は、前記したトーションスプリングが前記した外力によって回動していない状態で前記した平板と前記した基板表面とが前記した所定の間隔を置いて対向配置される第１の電気特性領域を構成し、他方の領域では前記した基板表面が基板面と垂直方向に切除された第３の電気特性領域を構成している第２の電極部材とをＭＥＭＳ素子に具備させ、前記した第１の電極部材と前記した第２の電極部材の間に電圧が印加されたときに前記した第１の電気特性領域と前記した第３の電気特性領域による前記したアクチュエータに対する位置的に不均一な静電引力が前記したトーションスプリングに接続された前記したミラー部に前記した電圧の印加の程度に応じて回転する外力を与えるようにする。
【００２６】
すなわち請求項２記載の発明では、ＭＥＭＳ素子に第１の電極部材と第２の電極部材の２つを少なくとも具備させる。ここで第１の電極部材は、平板状の導電性部材からなる。そして、２種類の領域の電極特性の違いによる第１の電極部材と第２の電極部材の間に電圧を印加したときの静電引力の違いによってアクチュエータは印加電圧に応じた回転力を受け、これによって電圧の印加の程度に応じてミラー部を回転させるようにしている。
【００２７】
このように請求項２記載の発明では、所定の間隔あるいは他の層を介して存在する第１の電極部材と第２の電極部材を用いて、印加電圧に応じてミラー部を回転させるＭＥＭＳ素子を構成するので、バルクマイクロマシニングの技術を使用してミラー部を比較的厚く形成することができ、歪み等が少ない高品質のＭＥＭＳ素子を作製することができる。しかもＭＥＭＳ素子を表面マイクロマシニングで作製する必要が必ずしもないのでミラー部の駆動についての設計の自由度を高めることが可能である。
【００３１】
請求項３記載の発明では、（イ）導電性を有する第１の厚さの平板を所定の回転軸に軸対称にその表面と垂直に切り抜いた形状とされ、表面が光の反射面となったミラー部と、前記した平板の一部として前記したミラー部と連続して切り抜いた形状とされ、このミラー部の少なくとも一方の端部から前記した回転軸に沿って軸対称な形状で所定長だけ帯状に伸び出した部位としてのアクチュエータと、前記した平板の一部として前記したミラー部ならびに前記したアクチュエータと連続して切り抜いた形状とされ、前記したアクチュエータの端部から前記した回転軸に沿って細幅な形状で伸び出し外力により回動自在となった部位としてのトーションスプリングとから構成される第１の電極部材と、この第１の電極部材を形成する前記した平板と所定の間隔を置いて対向配置され、全体として前記した第１の厚さよりも厚い第２の厚さの導電性の基板であって、前記したトーションスプリングが前記した外力によって回動する角度範囲で前記したミラー部の移動空間を確保すべくこのミラー部と対向する領域が前記した基板表面と垂直に少なくとも所定の深さだけ切除された形状に形成されていると共に、前記したアクチュエータと対向する面が前記した回転軸を境として２つの領域に分断されており、その一方の領域は、前記したトーションスプリングが前記した外力によって回動していない状態で前記した平板と前記した基板表面とが前記した所定の間隔を置いて対向配置される第１の電気特性領域を構成し、他方の領域では前記した基板表面の少なくとも一部が基板面と垂直方向に切除された第２の電気特性領域を構成している第２の電極部材とを備え、前記した第１の電極部材と前記した第２の電極部材の間に電圧が印加されたときに前記した第１の電気特性領域と前記した第２の電気特性領域による前記したアクチュエータに対する位置的に不均一な静電引力が前記したトーションスプリングに接続された前記したミラー部に前記した電圧の印加の程度に応じて回転する外力を与えるＭＥＭＳ素子と、（ロ）このＭＥＭＳ素子の第１の電極部材と第２の電極部材との間に電圧を印加する電源と、（ハ）この電源の電圧印加に応じて回転するミラー部を用いて光線の入出力を行う入出力手段とを光デバイスに具備させる。
【００３２】
すなわち請求項３記載の発明では、請求項１記載のＭＥＭＳ素子を、光減衰器、光スイッチ、光スキャナ等のミラー部の傾斜角を用いて光の減衰率の調整や光のオン・オフあるいは光の走査等に利用する光デバイスに応用し、光デバイス自体の設計の自由度を高めたり、高品質化を達成している。
【００３３】
請求項４記載の発明では、（イ）導電性を有する第１の厚さの平板を所定の回転軸に軸対称にその表面と垂直に切り抜いた形状とされ、表面が光の反射面となったミラー部と、前記した平板の一部として前記したミラー部と連続して切り抜いた形状とされ、このミラー部の少なくとも一方の端部から前記した回転軸に沿って軸対称な形状で所定長だけ帯状に伸び出した部位としてのアクチュエータと、前記した平板の一部として前記したミラー部ならびに前記したアクチュエータと連続して切り抜いた形状とされ、前記したアクチュエータの端部から前記した回転軸に沿って細幅な形状で伸び出し外力により回動自在となった部位としてのトーションスプリングとから構成される第１の電極部材と、この第１の電極部材を形成する前記した平板と所定の間隔を置いて対向配置され、全体として前記した第１の厚さよりも厚い第２の厚さの導電性の基板であって、前記したトーションスプリングが前記した外力によって回動する角度範囲で前記したミラー部の移動空間を確保すべくこのミラー部と対向する領域が前記した基板表面と垂直に少なくとも所定の深さだけ切除された形状に形成されていると共に、前記したアクチュエータと対向する面が前記した回転軸を境として２つの領域に分断されており、その一方の領域は、前記したトーションスプリングが前記した外力によって回動していない状態で前記した平板と前記した基板表面とが前記した所定の間隔を置いて対向配置される第１の電気特性領域を構成し、他方の領域では前記した基板表面が基板面と垂直方向に切除された第３の電気特性領域を構成している第２の電極部材とを備え、前記した第１の電極部材と前記した第２の電極部材の間に電圧が印加されたときに前記した第１の電気特性領域と前記した第３の電気特性領域による前記したアクチュエータに対する位置的に不均一な静電引力が前記したトーションスプリングに接続された前記したミラー部に前記した電圧の印加の程度に応じて回転する外力を与えるＭＥＭＳ素子と、（ロ）このＭＥＭＳ素子の第１の電極部材と第２の電極部材との間に電圧を印加する電源と、（ハ）この電源の電圧印加に応じて回転するミラー部を用いて光線の入出力を行う入出力手段とを光デバイスに具備させる。
【００３４】
すなわち請求項４記載の発明では、請求項２記載のＭＥＭＳ素子を、光減衰器、光スイッチ、光スキャナ等のミラー部の傾斜角を用いて光の減衰率の調整や光のオン・オフあるいは光の走査等に利用する光デバイスに応用し、光デバイス自体の設計の自由度を高めたり、高品質化を達成している。
【００３７】
【発明の実施の形態】
【００３８】
【実施例】
以下実施例につき本発明を詳細に説明する。
【００３９】
＜第１の実施例＞
【００４０】
図１は本発明の第１の実施例におけるＭＥＭＳ素子の要部を斜め上方から見たものである。このＭＥＭＳ素子２０１は、円盤状のミラー部２０２を備えている。このミラー部２０２は、円盤の中心部を上面と平行な方向に貫通する１本の回転軸２０３を中心として傾斜角度θで矢印２０４方向に回転するようになっている。ミラー部２０２は、この回転軸２０３の貫通した２方向に突出した第１および第２のアクチュエータ２０５、２０６を備えている。これら第１および第２のアクチュエータ２０５、２０６の延長上には、回転軸２０３が同じく中心部分を貫通した形で細い棒状の第１および第２のトーションスプリング２０７、２０８のそれぞれ一端が配置されており、これらの他端は第１および第２の固定部２０９、２１０に接続された構造となっている。ただし、ミラー部２０２、第１および第２のアクチュエータ２０５、２０６、第１および第２のトーションスプリング２０７、２０８ならびに第１および第２の固定部２０９、２１０は別々の部品が組み合わされているのではなく、上部電極層と呼ばれる１つの層を所定の処理によって加工したものである。第１および第２のアクチュエータ２０５、２０６にはエッチングホールと呼ばれる開口２１２が複数配置されている。また、ミラー部２０２には図示しないが必要に応じて金等の金属によって反射面が形成されている。
【００４１】
この図１で第１および第２のアクチュエータ２０５、２０６の右半分部分の下側には所定の間隔ｄをおいて、下部電極を兼ねたシリコン基板２１５が配置されている。ミラー部２０２の下側では、このミラー部２０２の円形形状よりもやや大きなサイズでシリコン基板２１５がその面とほぼ垂直方向にくり抜かれるように切除されており、円形開口部２１６を形成している。これは、回転軸２０３を中心としてミラー部２０２が矢印２０４方向に回転するとき、シリコン基板２１５の上面と接触するのを防止するためと、上部電極層と下部電極を兼ねたシリコン基板２１５の間に電源２１７によって電圧を印加したときミラー部２０２に静電的な力が直接及ぼされないようにするためである。
【００４２】
また、円形開口部２１６に連なって第１および第２のアクチュエータ２０５、２０６の図で左側の領域でもシリコン基板２１５がその面とほぼ垂直方向にくり抜かれるように切除されており、矩形開口部２１８を構成している。これに対して第１および第２のアクチュエータ２０５、２０６の図で右側の領域ではシリコン基板２１５は切除されていない。このように回転軸２０３を中心としてシリコン基板２１５が左右不均衡に存在することによって、電源２１７による電圧印加の大きさに応じて第１および第２のアクチュエータ２０５、２０６が左右異なった静電引力を受ける。この結果、印加電圧に応じてミラー部２０２は矢印２０４方向に回転する力を第１および第２のアクチュエータ２０５、２０６から伝達され、第１および第２のトーションスプリング２０７、２０８のこれに逆らう力と均衡する傾斜角にミラー面が設定されることになる。
【００４３】
すなわち、電圧が印加されていない状態におけるミラー部２０２のミラー面と直交する垂線２２１に対して入射角αで光ビーム２２２が入射したとすると、電源２１７の印加電圧が大きくなるに応じて傾斜角度θが角度αから次第に大きな値に変化することになる。このようにミラー部２０２の傾斜角度θを電源２１７による印加電圧によって任意に変化させることで、後に説明するようにＭＥＭＳ素子を光減衰器、光スイッチあるいは光スキャナ等の各種の光学部品あるいは光学装置に応用することができる。
【００４４】
なお、この図１では層構造を分りやすくするために、第１のアクチュエータ２０５の手前側（電源２１７を示している側）のシリコン基板２１５を適宜切除して図解している。
【００４５】
図２は、第１の実施例のＭＥＭＳ素子の平面構造を表わしたものである。また、図３は図２でＡ−Ａ方向にＭＥＭＳ素子を切断した場合の端面の構造を表わしたものである。図３に示すように第１の実施例ではミラー部２０２の上部に金（Ａｕ）やクロム（Ｃｒ）等の薄膜からなる反射層２３１が形成されている。また、ミラー部２０２の直下のシリコン基板２１５は図で下方からくり抜かれ、円形開口部２１６を形成している。なお、反射層２３１はミラー部２０２に限定せず、製造上のプロセス等によっては、たとえば第１および第２のアクチュエータ２０５、２０６の全部または一部にまで形成するようにしてもよい。
【００４６】
図４は、図２でＢ−Ｂ方向にＭＥＭＳ素子を切断した場合の端面の構造を表わしたものである。この図では図２における第２のアクチュエータ２０６を横断する形で切断している。第２のアクチュエータ２０６には、エッチングホールとしての開口２１２が上下に貫通している。この開口２１２は、第１のアクチュエータ２０５を構成する上部電極層とシリコン基板２１５の間にＭＥＭＳ素子のパターン作成処理前にこの部分に存在していた図示しない中間層活性層をエッチングによって除去する際のエッチング液の染み込みを促進させる役割を果たしている。また、上部電極層を構成する第１および第２のアクチュエータ２０５、２０６（図１および図２）が印加電圧に応じて傾斜する際に、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を可能とする。
【００４７】
図５は、この第１の実施例のＭＥＭＳ素子をバルクマイクロマシニングによって製造するプロセスを示したものである。まず、同図（ａ）に示すようにシリコン基板２１５と中間層２４１および上部電極層２４２がそれぞれ所望の厚さとなった３層構造のウエハ２４３を用意する。ここでシリコン基板２１５と上部電極層２４２は共にシリコン（Ｓｉ）にボロン（Ｂ）やリン（Ｐ）等の不純物をドープして導体としたものである。中間層２４１はシリコン酸化膜（ＳｉＯ₂）である。このうち、上部電極層２４２は、図１等で説明したミラー部２０２、第１および第２のアクチュエータ２０５、２０６、第１および第２のトーションスプリング２０７、２０８ならびに第１および第２の固定部２０９、２１０が形成される層である。中間層２４１は、図１に示した間隔ｄに対応する厚さとなっている。本実施例ではシリコン基板２１５の厚さは３００〜８００μｍ、中間層２４１の厚さは０．５〜５μｍ、上部電極層２４２の厚さは１０〜５０μｍのものを使用する。
【００４８】
次に、同図（ｂ）に示すようにフォトリソグラフィとエッチングによって上部電極層２４２のパターンを作成する。フォトリソグラフィとエッチングによるパターンの作成については、すでに図１６で説明したので、図示を省略する。この処理で図１等で説明したミラー部２０２、第１および第２のアクチュエータ２０５、２０６、第１および第２のトーションスプリング２０７、２０８、第１および第２の固定部２０９、２１０ならびに開口２１２が形成される。
【００４９】
次に、同図（ｃ）に示すようにシリコン基板２１５側からフォトリソグラフィとエッチングを行い、図１に示したミラー部２０２に対応する円形開口部２１６や、この図５には示していない矩形開口部２１８を作成する。このときには、必要に応じてウエハ２４３の表裏を反転させて処理を行うことになる。
【００５０】
最後に、同図（ｄ）に示すように中間層２４１を除去する。ただし、図１および図２に示した第１および第２の固定部２０９、２１０は中間層２４１と上部電極層２４２で構成されているので、エッチングの時間を調整することでこの部分の中間層２４１は残存する。
【００５１】
以上説明した第１の実施例ではＳＯＩを用いたバルクマイクロマシニングを使用してＭＥＭＳ素子２０１を製造したので、表面マイクロマシニングと比べて簡単な工程となり、コストダウンを図ることができる。しかもＳＯＩを用いた場合、構造体が結晶シリコンとなるため、ミラー等の光学部品を高い品質で製造することができる。
【００５２】
また、第１および第２のアクチュエータ２０５、２０６は第１および第２のトーションスプリング２０７、２０８に対して対称形となり、回転軸２０３の両側に開口２１２を均等に配置している。このため、回転軸２０３に対して質量のモーメントが対称形となり、第１および第２のトーションスプリング２０７、２０８が特定方向に余計に回転してねじ切れるのを効果的に防止することができる。更に第１および第２のアクチュエータ２０５、２０６のほぼ全面に開口２１２が配置されているので、エッチング液の染み込みを均一に行えると共に空気の粘性抵抗の低減も回転軸２０３を中心にバランスよく行うことができる。
【００５３】
＜第１の実施例の変形例＞
【００５４】
図６は以上説明した第１の実施例の変形例におけるＭＥＭＳ素子の平面構造を表わしたものであり、第１の実施例の図２に対応するものである。図２に示した第１の実施例では、ミラー部２０２の直下のシリコン基板２１５が円筒状に完全に切除されて円形開口部２１６を構成している。これに対して図６に示した変形例のＭＥＭＳ素子２０１Ａでは、ミラー部２０２の直下のシリコン基板２１５が２つの半月状開口部２５１、２５２となっており、これらの間にはシリコン基板２１５がそのまま残っていて両者を仕切る仕切板２５３を構成している。
【００５５】
図７は、第１の実施例の図３に対応するものであり、図６のＣ−Ｃ方向の切断面を表わしたものである。この変形例のＭＥＭＳ素子２０１Ａでは、Ｂ−Ｂ方向の切断面の構造は第１の実施例における図４と全く同一であるので、この部分の図示は省略する。図３における円形開口部２１６の代わりに仕切板２５３を境として２つの半月状開口部２５１、２５２が形成されている。
【００５６】
この変形例のＭＥＭＳ素子２０１Ａでは、仕切板２５３がミラー部２０２の中心よりも図で右側にずれている。したがって、ミラー部２０２を構成する上部電極層と仕切板２５３を構成する下部電極の上面との静電引力によってミラー部２０２は矢印２６１方向に回転する力を受けることになる。これは、第１および第２のアクチュエータ２０５、２０６とシリコン基板２１５の間における非対称な静電引力と同様である。すなわち、この変形例ではミラー部２０２でも静電引力による回転力を受けることになる。
【００５７】
この第１の実施例の変形例で示したように、ミラー部２０２を構成する上部電極層とシリコン基板２１５からなる下部電極の上下方向の重なりは、一部でもあればこれによる両者の吸引力でミラーの駆動力を発生させることができる。
【００５８】
＜第２の実施例＞
【００５９】
図８は、本発明の第２の実施例のＭＥＭＳ素子を表わしたものである。同図（ａ）はＭＥＭＳ素子の要部を上から見たものであり、同図（ｂ）はそのＤ−Ｄ方向の切断面を表わしたものである。このＭＥＭＳ素子３０１は、シリコン基板からなる支持基板としての下部電極３０２と、図示しない中間層と、上部電極３０３およびその上に蒸着等によって形成されたミラー層３０４から構成されている。ミラー層３０４を形成した上部電極３０３の部分は全体として細長い矩形となっており、その長手方向の中間点よりも図で左側に寄った位置に、上部電極３０３を回動させる回転軸３０６が配置されている。
【００６０】
この回転軸３０６に沿って、ミラー層３０４を形成した上部電極３０３の端面から第１および第２のトーションスプリング３０７、３０８が伸び出しており、これら第１および第２のトーションスプリング３０７、３０８は同じく上部電極３０３の一部を構成する第１および第２の固定部３０９、３１０に固定されている。
【００６１】
このように第２の実施例のＭＥＭＳ素子３０１は回転軸３０６を中心としてミラー層３０４を形成した上部電極３０３の部分が左右非対称な長さで配置されている。下部電極３０２と上部電極３０３の間に図示しない電源によって直流電圧を印加すると、図８（ｂ）に示すように矢印３１２で示す静電引力が働く。このとき、ミラー層３０４を形成した上部電極３０３の部分が左右非対称な長さとなっているために、この図では回転軸３０６の右側の部分の引力の総和が左側の部分の引力の総和よりも大きくなる。これにより、ミラー層３０４を形成した上部電極３０３の部分は矢印３１３で示すように時計回りに回転する力を与えられ、第１および第２のトーションスプリング３０７、３０８の剛性と印加電圧による静電引力の大きさとの釣り合いで決定される角度だけ回転することになる。
【００６２】
この第２の実施例のＭＥＭＳ素子３０１も第１の実施例のＭＥＭＳ素子２０１と同様にバルクマイクロマシニングで製造することができる。このため、その製造プロセスの説明は省略する。図１２では従来のバルクマイクロマシニングで製造したＭＥＭＳ素子１０１について説明した。この従来のＭＥＭＳ素子１０１と第２の実施例のＭＥＭＳ素子３０１を比較する。従来のＭＥＭＳ素子１０１の場合には、図１２に示したように、埋め込みの酸化膜からなる支持部１０３上に単結晶シリコンの上部電極１０４を配置し、支持部１０３の除去された片持梁構造で静電引力による上部電極１０４の撓みを利用してミラー１０５を傾斜させている。これに対して第２の実施例のＭＥＭＳ素子３０１は、回転軸３０６を中心としてミラー層３０４を形成した上部電極３０３の部分を静電引力によって回転させている。したがって、回転軸３０６の両側のミラー層３０４をミラーとして使用することができ、ミラーの相対的な面積を増大させることができる。また、第１および第２のトーションスプリング３０７、３０８によってミラー層３０４を形成した上部電極３０３の部分を回転させるので、ミラー面の平面性をより高精度に保つことができる。
【００６３】
＜第３の実施例＞
【００６４】
図９は、本発明の第３の実施例のＭＥＭＳ素子を表わしたものである。同図（ａ）はＭＥＭＳ素子の要部を上から見たものであり、同図（ｂ）はそのＥ−Ｅ方向の切断面を表わしたものである。このＭＥＭＳ素子４０１は、ダイヤフラム型をしており、シリコン基板からなる支持基板としての下部電極４０２と、図示しない中間層と、上部電極４０３およびその上に蒸着等によって形成されたミラー層４０４から構成されている。ミラー層３０４を形成した上部電極４０３の部分は全体として細長い矩形となっており、その長手方向の両端部から長手方向と直交する方向に上部電極４０３の一部を構成する細長い第１〜第４の支持棒４０５〜４０８が伸び出している。これら第１〜第４の支持棒４０５〜４０８は、それぞれ下部電極４０２上に図示しない中間層を介して配置された上部電極４０３の一部を構成する第１〜第４の固定部４１１〜４１４のうちの対応するものに固定されている。ミラー層４０４は同図（ａ）に示すように細長い矩形をした上部電極４０３の中央部分に配置されており、これとほぼ相似形でこれよりも大きなサイズの貫通孔４１５が下部電極４０２の中央部に設けられている。
【００６５】
第３の実施例のＭＥＭＳ素子４０１はこのような構造となっているので、上部電極４０３と下部電極４０２の間に図示しない電源によって所定の電圧を印加すると、図９（ｂ）に示すように矢印４１２で示す静電引力が働く。上部電極４０３はミラー層４０４をその中央部に配置しており、貫通孔４１５がその直下の中央部に配置されているので、この静電引力によって上部電極４０３は貫通孔４１５の方向に変位することになる。印加電圧によってこの変位量は変化する。したがって、この電圧印加によるミラー層４０４の微小な変位を、たとえば干渉現象における反射光の変化として検出することで、このＭＥＭＳ素子４０１を変位検出センサ等の各種デバイスとして使用することができる。
【００６６】
また、このミラー層４０４を水平方向に配置して、これに対して４５度の入射角で光ビームを入射させると、ミラー層４０４の上下方向の変位に応じて反射後の光ビームの進路が水平方向にシフトする。したがって、反射後の光ビームを光学レンズに入射して屈性させると、屈性後の光ビームが光軸に対してなす角度がミラー層４０４の変位に応じて変動することになり、これにより光ビームをスキャンさせることができる。
【００６７】
なお、この第３の実施例のＭＥＭＳ素子４０１も第１の実施例のＭＥＭＳ素子２０１と同様にバルクマイクロマシニングで製造できる。このため、その製造プロセスの説明は省略する。
【００６８】
＜第４の実施例＞
【００６９】
図１０は、本発明の第４の実施例として第１の実施例のＭＥＭＳ素子を光減衰器に応用した例を示したものである。この光減衰器５０１は、減衰を行う光を入射する第１の光ファイバ５０２と減衰後の光を射出する第２の光ファイバ５０３のそれぞれ端部近傍を収容するキャピラリ５０４を備えている。このキャピラリ５０４における第１および第２の光ファイバ５０２、５０３の端部側にはレンズホルダ５０５が接続されている。第１の光ファイバ５０２から射出された光は、このレンズホルダ５０５内を進行して非球面レンズ５０６に入射し、前方に配置されたＭＥＭＳ素子２０１のミラー部２０２に入射する。
【００７０】
このミラー部２０２と下部電極を兼ねたシリコン基板２１５の間には電圧制御部５０８から出力電圧が印加されるようになっている。この出力電圧は所定範囲で連続的にその値を変化させることができるようになっており、この電圧変化によってミラー部２０２の傾斜角が０度（水平）から所定の角度まで変化するようになっている。
【００７１】
電圧制御部５０８による印加電圧を連続的に変化させ、ミラー部２０２の傾斜角をこれに応じて変化させると、レンズホルダ５０５の非球面レンズ５０６から出射しミラー部２０２で反射された光は、非球面レンズ５０６に入射する量および入射角を連続的に変化させる。この結果、非球面レンズ５０６に戻った光のうちで第２の光ファイバ５０３に結合する光の量が連続的に変化することになる。したがって、光減衰器５０１は電圧制御部５０８の出力電圧に応じて光の減衰量を変化させることができる。
【００７２】
このような連続的な光の減衰制御の代わりに、電圧制御部５０８から電圧が２値のいずれかとなったオン・オフ制御信号を出力することで、たとえば第２の光ファイバ５０３に入射する光を第１の光ファイバ５０２から出射された光のほぼ１００パーセントの状態とほぼ０パーセントの状態に切り換えることができる。これにより、図１０に示したデバイスを光スイッチとして動作させることができる。
【００７３】
＜第５の実施例＞
【００７４】
図１１は、本発明の第５の実施例として第１の実施例のＭＥＭＳ素子を光スキャナに応用した例を示したものである。この光スキャナ５５１の一部を構成する光ファイバ５５２から射出された光は、コリメータレンズ５５３によって平行光にされて、図１あるいは図２に示したＭＥＭＳ素子２０１のミラー部２０２に入射する。このミラー部２０２と下部電極を兼ねたシリコン基板２１５の間には電圧制御部５５４から出力電圧が印加されるようになっている。この出力電圧はその値がサイン波状あるいは鋸歯状等種々の波形で周期的に変化するようになっており、これによるミラー部２０２の傾斜角の周期的な変化で反射光５５５が矢印５５６に示すように方向を周期的に変える。したがって、この反射光５５５を用いた光学的なスキャンが可能になる。
【００７５】
なお、第３の実施例のダイヤフラム型をしたＭＥＭＳ素子を用いてスキャナを構成することができることについては、すでに説明した。
【００７６】
以上、各実施例ではＭＥＭＳ素子をＳＯＩを用いたバルクマイクロマシニングで実現する例を説明したが、最終的に同一の構造のＭＥＭＳ素子を他の周知のプロセスで作成した物に対しても本発明を適用することができることは当然である。
【００７７】
【発明の効果】
以上説明したように請求項１または請求項２記載の発明によれば、所定の間隔を介して存在する第１の電極部材と第２の電極部材を用いて、印加電圧に応じてミラー部を回転させるＭＥＭＳ素子を構成するので、バルクマイクロマシニングの技術を使用してミラー部を比較的厚く形成することができ、歪み等が少ない高品質のＭＥＭＳ素子を安価に作成することができる。しかもＭＥＭＳ素子を表面マイクロマシニングで作成する必要が必ずしもないのでミラー部の駆動についての設計の自由度を高めることが可能である。
【００７９】
更に請求項３または請求項４記載の発明によれば、ＭＥＭＳ素子を、光減衰器、光スイッチ、光スキャナ等のミラー部の傾斜角を用いて光の減衰率の調整や光のオン・オフあるいは光の走査等に利用する光デバイスに応用し、光デバイス自体の設計の自由度を高めたり、高品質化を達成することができるだけでなくコストダウンも図ることができる。
【図面の簡単な説明】
【図１】本発明の第１の実施例におけるＭＥＭＳ素子の要部斜視図である。
【図２】第１の実施例のＭＥＭＳ素子の要部を上から見た平面図である。
【図３】図２でＭＥＭＳ素子の要部をＡ−Ａ方向に切断した端面図である。
【図４】図２でＭＥＭＳ素子の要部をＢ−Ｂ方向に切断した端面図である。
【図５】第１の実施例のＭＥＭＳ素子をバルクマイクロマシニングによって製造する一連のプロセスを示した説明図である。
【図６】第１の実施例の変形例におけるＭＥＭＳ素子の要部を上から見た平面図である。
【図７】図６でＭＥＭＳ素子の要部をＣ−Ｃ方向に切断した端面図である。
【図８】本発明の第２の実施例のＭＥＭＳ素子の平面および断面を示した図である。
【図９】本発明の第３の実施例のＭＥＭＳ素子の平面および断面を示した図である。
【図１０】本発明の第４の実施例として第１の実施例のＭＥＭＳ素子を光減衰器に応用した例を示した概略構成図である。
【図１１】本発明の第５の実施例として第１の実施例のＭＥＭＳ素子を光スキャナに応用した例を示した概略構成図である。
【図１２】従来ＳＯＩプロセスを使用して製造されたＭＥＭＳ素子の平面および断面を示した図である。
【図１３】表面マイクロマシニングにより従来製造されたＭＥＭＳ素子の平面および断面を示した図である。
【図１４】表面マイクロマシニングの技術を使用したＭＥＭＳ素子の製造プロセスをＬ−Ｌ方向の切断面について表わした説明図である。
【図１５】表面マイクロマシニングの技術を使用したＭＥＭＳ素子の製造プロセスをＭ−Ｍ方向の切断面について表わした説明図である。
【図１６】フォトリソグラフィとエッチングの一般的な工程を示した説明図である。
【符号の説明】
２０１、２０１Ａ、３０１、４０１ＭＥＭＳ素子
２０２ミラー部（上部電極）
２０５、２０６アクチュエータ（上部電極）
２０７、２０８、３０７、３０８トーションスプリング
２０９、２１０、３０９、３１０固定部
２１５シリコン基板（下部電極）
２１６円形開口部
２１７電源
２１８矩形開口部
２５３仕切板（下部電極）
３０４、４０４ミラー層
４０３上部電極
４０５〜４０８支持棒
４１５貫通孔
５０１光減衰器（光スイッチ）
５０８、５５４電圧制御部
５５１光スキャナ[0001]
BACKGROUND OF THE INVENTION
The present invention relates to a MEMS element as a microelectromechanical system and an optical device such as an optical attenuator, an optical switch, and an optical scanner using the MEMS element. In particular, the MEMS element and the MEMS element using a mirror such as a tilt mirror are used. The present invention relates to an optical device.
[0002]
[Prior art]
With the development of optical communication technology, various optical devices have been developed. Among these, MEMS (Micro Electro Mechanical System) elements as fine structure devices have recently attracted attention. The MEMS element is a device that applies a technique for controlling the elastic or mechanical properties of a solid, and is a device that manufactures a conventional mechanical system made of various materials such as metal in a minimum size by silicon processing. Since the parts are small, there is an advantage that the final product is also small, there is no metal fatigue, and the reliability as an element is high.
[0003]
Among MEMS elements, some of which are equipped with mirrors can change the angle of reflection of the incident light, change the reflection direction of incident light, etc. by applying a voltage. (For example, Patent Document 1). By using this principle, various optical devices such as an optical attenuator, an optical switch or an optical scanner using a MEMS element can be manufactured. In a MEMS element provided with a mirror that changes the tilt angle, it is important that even if the mirror itself has a relatively large area, the warp is small when the tilt angle changes according to voltage application. Moreover, it is required that such a highly accurate MEMS element can be manufactured by a simple process. Hereinafter, when it is simply expressed as a MEMS element, it means an element provided with a mirror in a part thereof.
[0004]
Conventionally known as a MEMS element is a cantilever element by an SOI (Silicon-on-Insulator) process.
[0005]
FIG. 12A is a top view of a MEMS element using this SOI process, and FIG. 12B is a cross-sectional view taken along the KK direction. In the MEMS element 101, a support portion 103 made of an oxide layer having a predetermined thickness is disposed on a silicon substrate 102 that also serves as an electrode, and an upper electrode 104 made of single crystal silicon is further disposed on the support portion 103. In these drawings at 104, a mirror 105 is formed in the right half portion. The oxide layer immediately below the region where the mirror 105 is formed in the upper electrode 104 is removed.
[0006]
In such a MEMS element 101, when a voltage is applied between the upper electrode 104 and the silicon substrate 102 also serving as the lower electrode, an electrostatic attractive force indicated by an arrow 106 acts between the two. Thereby, the upper electrode 104 in which the mirror 105 is formed and a gap is formed below is inclined in the direction of the arrow 107, and the reflection angle of light (not shown) incident from above the mirror surface can be changed.
[0007]
The MEMS element 101 shown in FIG. 12 is manufactured as follows. First, an oxide layer to be the support portion 103 and a single crystal silicon layer to be the upper electrode 104 are formed on the silicon substrate 102. Thereafter, the portion immediately below where the mirror 105 of single crystal silicon to be the upper electrode 104 is formed is cut. Next, the oxide layer on the silicon substrate 102 is removed by etching except for the portion which is the support portion 103 in FIG. Thereafter, a mirror 105 is stacked on the upper electrode 104 above the oxide layer removed by this etching.
[0008]
As described above, the MEMS element 101 shown in FIG. 12 has an advantage that it can be manufactured by a relatively simple SOI process. Further, since the upper electrode 104 is a single crystal silicon plate, the thickness can be increased, and there is an advantage that the mirror 105 formed by being stacked thereon has less warpage. However, since the mirror 105 has a cantilever structure, the mirror surface is inclined only in the direction attracted by the silicon substrate 102. As described above, when the bulk micromachining shown in FIG. 12 is used, there is a problem that the degree of freedom in tilting the mirror 105 of the MEMS element is small.
[0009]
Therefore, a proposal has been made to increase the degree of freedom in designing the MEMS element using surface micromachining so that the mirror can be tilted in the direction of jumping up.
[0010]
FIG. 13 (a) is a top view of a MEMS device manufactured using surface micromachining technology, and FIG. 13 (b) is a cross-sectional view taken along the LL direction. The MEMS element 121 has a structure in which a support portion 123 made of an oxide layer is disposed on a non-conductive substrate 122 and a polysilicon thin film 124 is disposed thereon as shown in FIG. In the polysilicon thin film 124, the left half portion in FIG. 1A constitutes the upper electrode 125, and a number of openings 126 called etching holes are opened therein. A mirror portion 127 is formed on the right side of the polysilicon thin film 124 at the top thereof. The polysilicon thin film 124 has a hinge portion 128 extending thinly in the vertical direction in the figure at approximately the center in FIG.₁, 128₂These hinge portions 128 are provided.₁, 128₂Fixed portion 129 made of a rectangular region integrated with the end of₁129₂Are stacked just above the support 123 shown in FIG. A gap is formed between the substrate 122 and the polysilicon thin film 124 except for the support portion 123, and a lower electrode 131 is formed on the substrate 122 facing the upper electrode 125.
[0011]
In the MEMS element 121 having the structure shown in FIG. 13, by applying a voltage between the upper electrode 125 and the lower electrode 131, electrostatic attraction acts as indicated by an arrow 130, and the hinge portion 128 is applied.₁, 128₂The mirror part 127 can be tilted in the directions of arrows 132 and 133 with the rotation center as the center. That is, the mirror portion 127 can be tilted so as to be kicked upward. Thereby, the inclination angle can be changed more greatly during driving by electrostatic attraction. Further, as can be seen by comparing FIG. 12 and FIG. 13, the mirror surface can be made larger.
[0012]
In FIG. 13, the polysilicon thin film 124 has a hinge portion 128.₁, 128₂The left side in the figure is slightly longer than the straight line (rotating axis) connecting the two. This is to obtain the most efficient driving characteristics by balancing the left and right weights around the rotation axis. In the figure, even if the width of the polysilicon thin film 124 constituting the left side of the rotation axis is slightly wider than that on the right side, the driving characteristics can be made most efficient by making the moment due to the mass symmetrical in the same manner.
[0013]
The MEMS element 121 shown in FIG. 13 is manufactured as follows. First, the lower electrode 131 is formed by laminating the non-conductive substrate 122 in a region facing the upper electrode 125 shown in FIG. The support portion 123 is formed by stacking an oxide layer on the entire surface of the substrate 122 having the lower electrode 131 and then etching by masking necessary portions at both ends of the substrate 122. In this MEMS element, a polysilicon thin film 124 is formed on the upper surface of the oxide layer in the step before this etching, with the surface facing the lower electrode as the upper electrode. The polysilicon thin film 124 includes a region corresponding to the support portion 123 and a thin hinge portion 128 extending therefrom.₁, 128₂And an upper electrode 125 and a mirror part 127. The opening 126 called an etching hole opened in the upper electrode 125 not only promotes the penetration of the etching solution, but also reduces the viscous resistance of air called squeeze damping when the upper electrode 125 is operated, thereby enabling high-speed operation. There is also a function (for example, Patent Document 2). After the polysilicon thin film 124 is formed, the oxide layer is removed in an area other than the support portion 123 by etching, and the polysilicon thin film 124 thereon is attached to the hinge portion 128.₁, 128₂Only to support.
[0014]
14 and 15 show the manufacturing process of the MEMS device using this surface micromachining technique more specifically. Here, FIG. 14 shows the MEMS element 121 shown in FIG. 13 in the LL direction, that is, a surface cut so as to cut the upper electrode 125 vertically, and FIG. 15 shows the MM direction, that is, Fixed portion 129 shown in FIG.₁It is shown by the surface cut | disconnected so that may be cut | disconnected longitudinally.
[0015]
First, as shown in FIGS. 14A and 15A, a silicon wafer as a substrate 122 is prepared. Next, as shown in FIG. 2B, an electrode layer 131 </ b> A that is a base of the lower electrode 131 is deposited on the substrate 122. Next, as shown in these figures (c), the lower electrode 131 is formed by performing photolithography and etching. At this time, the fixing portion 129 shown in FIG.₁The electrode layer 131A is entirely removed. In FIG. 14, a portion facing the upper electrode 125 in FIG. 13A remains as the lower electrode 131.
[0016]
FIG. 16 specifically shows general steps of photolithography and etching. Here, the part corresponding to FIG. 14 is shown. First, assuming that there is an electrode layer 131A as shown in FIG. 6 (i), a resist 141 as a photosensitive protective material is applied thereon as shown in FIG. 2 (ii). Then, a mask pattern 142 corresponding to the lower electrode 131 of FIG. 13B is prepared as shown in FIG. 13 (iii), and light is irradiated from above as shown by an arrow 143 to perform resist exposure. Next, as shown in FIG. 16 (iv), the exposed portion is developed, and the resist 141 irradiated with light is removed. Next, as shown in FIG. 6 (v), the electrode layer 131A other than the region where the resist 141 remains is removed by etching. As a result, the lower electrode 131 is formed on the substrate 122, and the resist 141 remains thereon. Therefore, the resist 141 on the lower electrode 131 is removed as shown in FIG.
[0017]
When the lower electrode 131 is formed on the substrate 122 as shown in FIG. 14C as described above, a sacrificial layer 145 is deposited thereon as shown in FIGS. 14D and 15D. Here, the sacrificial layer 145 refers to a layer to be removed in the final step. Next, a sacrificial layer pattern is created by photolithography and etching as shown in FIG.₁Only the sacrificial layer 145 is removed. Then, as shown in FIG. 5F, a layer of the structure 146 is deposited and the surface thereof is flattened by polishing.
[0018]
Next, the structure 146 is subjected to photolithography and etching as shown in FIG. 13G to form a layer of the upper electrode 125 as shown in FIGS. At this time, in the part shown in FIG.₁Other structures 146 are removed. Finally, the sacrificial layer 145 is removed as shown in FIG.
[0019]
[Patent Document 1]
JP 2001-174724 A (paragraph 0017, FIG. 5)
[Patent Document 2]
JP 2001-264650 A (paragraph 0027, FIG. 3)
[0020]
[Problems to be solved by the invention]
If a MEMS device is manufactured by surface micromachining, it can be processed while forming layers one after another on the wafer as described above. Therefore, a MEMS element having a very high degree of freedom can be manufactured as compared with bulk micromachining in which a substrate having a layer structure shown in FIG. 12 is processed. However, in the surface micromachining, as described with reference to FIGS. 14 and 16, there is a problem that the manufacturing process is complicated and it is difficult to reduce the cost. Further, considering the mirror, the single crystal silicon layer shown in FIG. 12 can be configured to have a larger film thickness, so that the surface micromachining has a problem that the quality is deteriorated.
[0021]
SUMMARY OF THE INVENTION An object of the present invention is to provide a MEMS element capable of increasing the mirror quality and the degree of design freedom for driving the mirror by using, for example, bulk micromachining technology using SOI, and optical attenuation using the MEMS element. An optical device such as an optical device, an optical switch, and an optical scanner is provided.
[0022]
[Means for Solving the Problems]
  In the first aspect of the invention, (a)A mirror portion having a conductive first thickness flat plate cut out in a direction perpendicular to the surface of the flat plate with respect to a predetermined rotation axis, and a part of the flat plate. And an actuator as a portion extending in a strip shape by a predetermined length in an axisymmetric shape along the rotation axis from at least one end portion of the mirror portion. As a part of the flat plate, the mirror portion and the actuator described above are continuously cut out. The end portion of the actuator extends in a narrow shape along the rotation axis and is rotated by an external force. Consists of a torsion spring as a movable partA first electrode member; (b)A conductive substrate having a second thickness which is opposed to the flat plate forming the first electrode member at a predetermined interval and is thicker than the first thickness as a whole. The area facing the mirror part is cut out at least by a predetermined depth perpendicular to the substrate surface in order to ensure the movement space of the mirror part in an angular range in which the torsion spring rotates by the external force described above. The surface facing the actuator is divided into two regions with the rotation axis as a boundary, and one of the regions is not rotated by the external force described above in one region. In the state, the above-described flat plate and the above-described substrate surface constitute a first electric characteristic region that is arranged to face each other with the above-described predetermined interval, and the other region described above A MEMS element having a second electrode member constituting a second electric characteristic region in which at least a part of the plate surface is cut off in a direction perpendicular to the substrate surface; (c) the first electrode member described above When the voltage is applied between the first electrode member and the second electrode member, the first electric characteristic region and the second electric characteristic region cause a non-uniform electrostatic attraction force on the actuator. An external force that rotates according to the degree of voltage application is applied to the mirror portion connected to the torsion spring..
[0023]
  That is, in the first aspect of the present invention, the MEMS element includes at least two of the first electrode member and the second electrode member. Here, the first electrode member is a flat conductive member.The AndDue to the difference in electrostatic attraction when a voltage is applied between the first electrode member and the second electrode member due to the difference in the electrode characteristics of the two types of regions, the actuator receives a rotational force corresponding to the applied voltage, therebyVoltageDepending on the degree of applicationMirror partIs trying to rotate.
[0024]
  As described above, in the first aspect of the present invention, the first electrode member and the second electrode member that are present at a predetermined interval or other layers are used, depending on the applied voltage.Mirror partBecause the MEMS element that rotates the oscilloscope is configured, using bulk micromachining technologyMirror partCan be formed relatively thick, and a high-quality MEMS element with little distortion or the like can be manufactured. Moreover, it is not always necessary to fabricate the MEMS element by surface micromachining.Mirror partIt is possible to increase the degree of design freedom for driving.
[0025]
  In the invention according to claim 2, (a)A mirror portion having a conductive first thickness flat plate cut out in a direction perpendicular to the surface of the flat plate with respect to a predetermined rotation axis, and a part of the flat plate. And an actuator as a portion extending in a strip shape by a predetermined length in an axisymmetric shape along the rotation axis from at least one end portion of the mirror portion. As a part of the flat plate, the mirror portion and the actuator described above are continuously cut out. The end portion of the actuator extends in a narrow shape along the rotation axis and is rotated by an external force. Consists of a torsion spring as a movable partA first electrode member; (b)A conductive substrate having a second thickness which is opposed to the flat plate forming the first electrode member at a predetermined interval and is thicker than the first thickness as a whole. The area facing the mirror part is cut out at least by a predetermined depth perpendicular to the substrate surface in order to ensure the movement space of the mirror part in an angular range in which the torsion spring rotates by the external force described above. The surface facing the actuator is divided into two regions with the rotation axis as a boundary, and one of the regions is not rotated by the external force described above in one region. In the state, the above-described flat plate and the above-described substrate surface constitute a first electric characteristic region that is arranged to face each other with the above-described predetermined interval, and the other region described above Plate surface constitutes a third electrical characteristic area excised to the substrate surface and the direction perpendicularThe MEMS element is provided with the second electrode memberWhen the voltage is applied between the first electrode member and the second electrode member, the position of the actuator with respect to the first electric characteristic region and the third electric characteristic region is determined. The non-uniform electrostatic attraction force applies an external force that rotates in accordance with the degree of voltage application to the mirror portion connected to the torsion spring.
[0026]
  That is, in the invention described in claim 2, the MEMS element is provided with at least two of the first electrode member and the second electrode member. Here, the first electrode member is a flat conductive member.The AndDue to the difference in electrostatic attraction when a voltage is applied between the first electrode member and the second electrode member due to the difference in the electrode characteristics of the two types of regions, the actuator receives a rotational force corresponding to the applied voltage, thereby Depending on the degree of voltage applicationMirror partIs trying to rotate.
[0027]
  As described above, in the second aspect of the present invention, the first electrode member and the second electrode member that are present at a predetermined interval or other layers are used according to the applied voltage.Mirror partBecause the MEMS element that rotates the oscilloscope is configured, using bulk micromachining technologyMirror partCan be formed relatively thick, and a high-quality MEMS element with little distortion or the like can be manufactured. Moreover, it is not always necessary to fabricate the MEMS element by surface micromachining.Mirror partIt is possible to increase the degree of design freedom for driving.
[0031]
  Claim 3In the described invention, (a) a mirror portion in which a flat plate having a first thickness having conductivity is cut out in a direction perpendicular to the surface of the flat plate with respect to a predetermined rotation axis, and the surface becomes a light reflecting surface. And a shape that is continuously cut out from the mirror portion as a part of the flat plate described above, and is in a strip shape with a predetermined length in an axially symmetric shape from the at least one end portion of the mirror portion along the rotation axis. The extended part of the actuator, the mirror part as a part of the flat plate described above, and the shape cut out continuously from the actuator described above, the narrow width from the end part of the actuator along the rotation axis. A first electrode member composed of a torsion spring as a portion that extends in an arbitrary shape and is rotatable by an external force, and the above-described flat plate forming the first electrode member and a predetermined A conductive substrate having a second thickness, which is opposed to each other at an interval and is thicker than the first thickness as a whole, and the angle range in which the torsion spring is rotated by the external force described above. A region facing the mirror portion is formed in a shape that is cut at least by a predetermined depth perpendicular to the substrate surface to secure a moving space of the mirror portion, and the surface facing the actuator is the surface The above-mentioned flat plate and the above-mentioned substrate surface are in the state where the above-mentioned torsion spring is not rotated by the above-mentioned external force, and the above-mentioned flat plate surface and the above-mentioned substrate surface are divided into two regions. The first electrical characteristic region is disposed opposite to each other with an interval of at least one portion, and in the other region, at least a part of the substrate surface is cut in a direction perpendicular to the substrate surface. And the second electrode member constituting the second electric characteristic region, and the second electrode member described above when a voltage is applied between the first electrode member and the second electrode member. The position-uneven electrostatic attraction force to the actuator due to the first electrical property region and the second electrical property region is such that the voltage is applied to the mirror unit connected to the torsion spring. (B) a power source for applying a voltage between the first electrode member and the second electrode member of the MEMS element; and (c) depending on the voltage application of the power source. The optical device is provided with input / output means for inputting / outputting light rays using a rotating mirror unit.
[0032]
  IeClaim 3In the described invention, the MEMS element according to claim 1 is used to adjust the light attenuation factor, turn on / off light, or scan light using the tilt angle of the mirror part of an optical attenuator, optical switch, optical scanner, or the like. It is applied to optical devices used in the field, increasing the degree of freedom in designing the optical device itself and achieving high quality.
[0033]
  Claim 4In the described invention, (a) a mirror portion in which a flat plate having a first thickness having conductivity is cut out in a direction perpendicular to the surface of the flat plate with respect to a predetermined rotation axis, and the surface becomes a light reflecting surface. And a shape that is continuously cut out from the mirror portion as a part of the flat plate described above, and is in a strip shape with a predetermined length in an axially symmetric shape from the at least one end portion of the mirror portion along the rotation axis. The extended part of the actuator, the mirror part as a part of the flat plate described above, and the shape cut out continuously from the actuator described above, the narrow width from the end part of the actuator along the rotation axis. A first electrode member composed of a torsion spring as a portion that extends in an arbitrary shape and is rotatable by an external force, and the above-described flat plate forming the first electrode member and a predetermined A conductive substrate having a second thickness, which is opposed to each other at an interval and is thicker than the first thickness as a whole, and the angle range in which the torsion spring is rotated by the external force described above. A region facing the mirror portion is formed in a shape that is cut at least by a predetermined depth perpendicular to the substrate surface to secure a moving space of the mirror portion, and the surface facing the actuator is the surface The above-mentioned flat plate and the above-mentioned substrate surface are in the state where the above-mentioned torsion spring is not rotated by the above-mentioned external force, and the above-mentioned flat plate surface and the above-mentioned substrate surface are divided into two regions. A first electric characteristic region arranged opposite to each other is formed, and in the other region, the above-described substrate surface is cut away in a direction perpendicular to the substrate surface. A second electrode member constituting a characteristic region, and the first electric characteristic region described above when a voltage is applied between the first electrode member and the second electrode member. An external force that rotates in accordance with the degree of application of the voltage to the mirror portion connected to the torsion spring due to a positionally non-uniform electrostatic attraction force to the actuator due to the third electrical characteristic region described above. A MEMS element to be applied; (b) a power source that applies a voltage between the first electrode member and the second electrode member of the MEMS element; and (c) a mirror unit that rotates in response to the voltage application of the power source. The optical device is provided with input / output means for inputting and outputting light rays.
[0034]
  IeClaim 4In the described invention, the MEMS element according to claim 2 is used to adjust the light attenuation factor, turn on / off light, or scan light using the tilt angle of the mirror part of an optical attenuator, optical switch, optical scanner, or the like. It is applied to optical devices used in the field, increasing the degree of freedom in designing the optical device itself and achieving high quality.
[0037]
DETAILED DESCRIPTION OF THE INVENTION
[0038]
【Example】
Hereinafter, the present invention will be described in detail with reference to examples.
[0039]
<First embodiment>
[0040]
FIG. 1 shows an essential part of a MEMS device according to a first embodiment of the present invention as viewed obliquely from above. The MEMS element 201 includes a disk-shaped mirror unit 202. The mirror unit 202 rotates in the direction of an arrow 204 at an inclination angle θ about a single rotation shaft 203 that passes through the center of the disk in a direction parallel to the upper surface. The mirror unit 202 includes first and second actuators 205 and 206 protruding in two directions through which the rotating shaft 203 passes. On the extension of the first and second actuators 205 and 206, one end of each of the thin rod-shaped first and second torsion springs 207 and 208 is arranged so that the rotation shaft 203 also penetrates the central portion. These other ends are connected to the first and second fixing portions 209 and 210. However, the mirror unit 202, the first and second actuators 205 and 206, the first and second torsion springs 207 and 208, and the first and second fixing units 209 and 210 are combined with different parts. Instead, one layer called an upper electrode layer is processed by a predetermined process. The first and second actuators 205 and 206 are provided with a plurality of openings 212 called etching holes. In addition, although not shown in the drawings, the mirror unit 202 has a reflective surface made of metal such as gold as necessary.
[0041]
In FIG. 1, a silicon substrate 215 also serving as a lower electrode is disposed below the right half of the first and second actuators 205 and 206 with a predetermined distance d. On the lower side of the mirror part 202, the silicon substrate 215 is cut out in a size slightly larger than the circular shape of the mirror part 202 so as to be cut out in a direction substantially perpendicular to the surface, thereby forming a circular opening 216. Yes. This is to prevent the mirror unit 202 from contacting the upper surface of the silicon substrate 215 when the mirror unit 202 rotates in the direction of the arrow 204 around the rotation axis 203 and between the silicon substrate 215 serving as the upper electrode layer and the lower electrode. This is to prevent an electrostatic force from being directly applied to the mirror unit 202 when a voltage is applied to the mirror unit 202 by the power source 217.
[0042]
In addition, the silicon substrate 215 is cut out so as to be cut out in a direction substantially perpendicular to the surface of the first and second actuators 205 and 206 in the left side of the drawing of the first and second actuators 205 and 206. 218 is configured. On the other hand, the silicon substrate 215 is not removed in the region on the right side in the drawing of the first and second actuators 205 and 206. Since the silicon substrate 215 exists in a left-right unbalanced manner around the rotation shaft 203 in this way, the first and second actuators 205 and 206 have different electrostatic attraction forces depending on the magnitude of voltage application by the power source 217. Receive. As a result, according to the applied voltage, the mirror unit 202 is transmitted with a force rotating in the direction of the arrow 204 from the first and second actuators 205 and 206, and a force against the force of the first and second torsion springs 207 and 208. Therefore, the mirror surface is set at an inclination angle that balances with the above.
[0043]
That is, when the light beam 222 is incident on the perpendicular 221 perpendicular to the mirror surface of the mirror unit 202 in a state where no voltage is applied, at an incident angle α, the inclination angle is increased as the applied voltage of the power source 217 increases. θ will gradually change from the angle α to a larger value. In this way, by arbitrarily changing the tilt angle θ of the mirror unit 202 according to the voltage applied by the power source 217, the MEMS element can be changed to various optical components or optical devices such as an optical attenuator, optical switch, or optical scanner as will be described later. It can be applied to.
[0044]
In FIG. 1, for easy understanding of the layer structure, the silicon substrate 215 on the near side of the first actuator 205 (the side where the power source 217 is shown) is appropriately cut out and illustrated.
[0045]
FIG. 2 shows a planar structure of the MEMS element of the first embodiment. FIG. 3 shows the structure of the end face when the MEMS element is cut in the AA direction in FIG. As shown in FIG. 3, in the first embodiment, a reflective layer 231 made of a thin film such as gold (Au) or chromium (Cr) is formed on the upper part of the mirror portion 202. In addition, the silicon substrate 215 immediately below the mirror part 202 is cut out from below in the figure to form a circular opening 216. The reflective layer 231 is not limited to the mirror unit 202, and may be formed, for example, on all or part of the first and second actuators 205 and 206 depending on the manufacturing process.
[0046]
FIG. 4 shows the structure of the end face when the MEMS element is cut in the BB direction in FIG. In this figure, the second actuator 206 in FIG. 2 is cut across. The second actuator 206 has an opening 212 as an etching hole extending vertically. This opening 212 is formed when an intermediate layer active layer (not shown) existing between the upper electrode layer constituting the first actuator 205 and the silicon substrate 215 in this portion before the pattern forming process is removed by etching. It plays a role in promoting the penetration of the etching solution. Further, when the first and second actuators 205 and 206 (FIGS. 1 and 2) constituting the upper electrode layer are inclined according to the applied voltage, the air viscous resistance called squeeze damping is reduced to operate at high speed. Is possible.
[0047]
FIG. 5 shows a process for manufacturing the MEMS device of the first embodiment by bulk micromachining. First, as shown in FIG. 6A, a wafer 243 having a three-layer structure in which a silicon substrate 215, an intermediate layer 241 and an upper electrode layer 242 have desired thicknesses is prepared. Here, both the silicon substrate 215 and the upper electrode layer 242 are made by doping silicon (Si) with impurities such as boron (B) and phosphorus (P). The intermediate layer 241 is formed of a silicon oxide film (SiO₂). Among these, the upper electrode layer 242 includes the mirror portion 202, the first and second actuators 205 and 206, the first and second torsion springs 207 and 208, and the first and second fixing portions described in FIG. 209 and 210 are formed layers. The intermediate layer 241 has a thickness corresponding to the distance d shown in FIG. In this embodiment, the silicon substrate 215 has a thickness of 300 to 800 μm, the intermediate layer 241 has a thickness of 0.5 to 5 μm, and the upper electrode layer 242 has a thickness of 10 to 50 μm.
[0048]
Next, a pattern of the upper electrode layer 242 is created by photolithography and etching as shown in FIG. The creation of the pattern by photolithography and etching has already been described with reference to FIG. In this process, the mirror unit 202, the first and second actuators 205 and 206, the first and second torsion springs 207 and 208, the first and second fixing units 209 and 210, and the opening 212 described with reference to FIG. Is formed.
[0049]
Next, as shown in FIG. 5C, photolithography and etching are performed from the silicon substrate 215 side, and a circular opening 216 corresponding to the mirror part 202 shown in FIG. 1 or a rectangle not shown in FIG. An opening 218 is created. At this time, processing is performed by inverting the front and back of the wafer 243 as necessary.
[0050]
Finally, the intermediate layer 241 is removed as shown in FIG. However, since the first and second fixing portions 209 and 210 shown in FIGS. 1 and 2 include the intermediate layer 241 and the upper electrode layer 242, the intermediate layer of this portion can be adjusted by adjusting the etching time. 241 remains.
[0051]
In the first embodiment described above, since the MEMS element 201 is manufactured using bulk micromachining using SOI, the process is simpler than that of surface micromachining, and the cost can be reduced. In addition, when SOI is used, the structure is made of crystalline silicon, so that optical parts such as mirrors can be manufactured with high quality.
[0052]
The first and second actuators 205 and 206 are symmetrical with respect to the first and second torsion springs 207 and 208, and the openings 212 are evenly arranged on both sides of the rotating shaft 203. For this reason, the mass moment is symmetrical with respect to the rotation shaft 203, and the first and second torsion springs 207 and 208 can be effectively prevented from rotating and twisting in a specific direction. Furthermore, since the opening 212 is disposed on almost the entire surface of the first and second actuators 205 and 206, the etching solution can be uniformly infiltrated and the air viscous resistance can be reduced with a good balance around the rotating shaft 203. Can do.
[0053]
<Modification of the first embodiment>
[0054]
FIG. 6 shows a planar structure of the MEMS element in the modified example of the first embodiment described above, and corresponds to FIG. 2 of the first embodiment. In the first embodiment shown in FIG. 2, the silicon substrate 215 immediately below the mirror portion 202 is completely cut into a cylindrical shape to form a circular opening 216. On the other hand, in the MEMS element 201A of the modified example shown in FIG. 6, the silicon substrate 215 immediately below the mirror part 202 has two half-moon shaped openings 251 and 252 between which the silicon substrate 215 is formed. A partition plate 253 is formed which remains as it is and partitions the two.
[0055]
FIG. 7 corresponds to FIG. 3 of the first embodiment, and represents a cut surface in the CC direction of FIG. 6. In the MEMS element 201A of this modification, the structure of the cut surface in the BB direction is exactly the same as that in FIG. 4 in the first embodiment, and thus this part is not shown. Instead of the circular opening 216 in FIG. 3, two half-moon shaped openings 251 and 252 are formed with a partition plate 253 as a boundary.
[0056]
In the MEMS element 201 </ b> A of this modification, the partition plate 253 is shifted to the right side in the drawing from the center of the mirror unit 202. Therefore, the mirror part 202 receives a force rotating in the direction of the arrow 261 due to electrostatic attraction between the upper electrode layer constituting the mirror part 202 and the upper surface of the lower electrode constituting the partition plate 253. This is similar to the asymmetric electrostatic attractive force between the first and second actuators 205 and 206 and the silicon substrate 215. That is, in this modification, the mirror unit 202 also receives a rotational force due to electrostatic attraction.
[0057]
As shown in the modification of the first embodiment, the upper electrode layer constituting the mirror part 202 and the lower electrode made of the silicon substrate 215 overlap in the vertical direction, if at least partly, the attraction force between them. Thus, the driving force of the mirror can be generated.
[0058]
<Second embodiment>
[0059]
FIG. 8 shows a MEMS element according to the second embodiment of the present invention. FIG. 4A shows the main part of the MEMS element as viewed from above, and FIG. 4B shows the cut surface in the DD direction. The MEMS element 301 includes a lower electrode 302 as a support substrate made of a silicon substrate, an intermediate layer (not shown), an upper electrode 303, and a mirror layer 304 formed thereon by vapor deposition or the like. The portion of the upper electrode 303 on which the mirror layer 304 is formed has an elongated rectangular shape as a whole, and a rotating shaft 306 for rotating the upper electrode 303 is disposed at a position closer to the left side in the drawing than the intermediate point in the longitudinal direction. Has been.
[0060]
Along the rotation axis 306, first and second torsion springs 307 and 308 extend from the end face of the upper electrode 303 on which the mirror layer 304 is formed. The first and second torsion springs 307 and 308 are Similarly, the first and second fixing portions 309 and 310 constituting a part of the upper electrode 303 are fixed.
[0061]
As described above, in the MEMS element 301 of the second embodiment, the portion of the upper electrode 303 on which the mirror layer 304 is formed with the rotational axis 306 as the center is arranged with a left-right asymmetric length. When a DC voltage is applied between the lower electrode 302 and the upper electrode 303 by a power source (not shown), an electrostatic attractive force indicated by an arrow 312 works as shown in FIG. At this time, since the portion of the upper electrode 303 on which the mirror layer 304 is formed has an asymmetrical length, the sum of the attractive forces in the right portion of the rotating shaft 306 is greater than the sum of the attractive forces in the left portion in this figure. growing. As a result, the portion of the upper electrode 303 on which the mirror layer 304 is formed is given a force that rotates clockwise as indicated by an arrow 313, and the electrostatic force due to the rigidity of the first and second torsion springs 307 and 308 and the applied voltage. It rotates by an angle determined by the balance with the magnitude of the attractive force.
[0062]
The MEMS element 301 of the second embodiment can be manufactured by bulk micromachining similarly to the MEMS element 201 of the first embodiment. For this reason, description of the manufacturing process is omitted. In FIG. 12, the MEMS element 101 manufactured by conventional bulk micromachining has been described. The conventional MEMS element 101 is compared with the MEMS element 301 of the second embodiment. In the case of the conventional MEMS element 101, as shown in FIG. 12, the upper electrode 104 of single crystal silicon is disposed on the support portion 103 made of a buried oxide film, and the cantilever beam from which the support portion 103 is removed. In the structure, the mirror 105 is tilted using the deflection of the upper electrode 104 due to electrostatic attraction. In contrast, in the MEMS element 301 of the second embodiment, the portion of the upper electrode 303 on which the mirror layer 304 is formed is rotated by electrostatic attraction, with the rotation axis 306 as the center. Therefore, the mirror layers 304 on both sides of the rotating shaft 306 can be used as a mirror, and the relative area of the mirror can be increased. In addition, since the portion of the upper electrode 303 on which the mirror layer 304 is formed is rotated by the first and second torsion springs 307 and 308, the flatness of the mirror surface can be maintained with higher accuracy.
[0063]
<Third embodiment>
[0064]
FIG. 9 shows a MEMS device according to a third embodiment of the present invention. FIG. 4A shows the main part of the MEMS element as viewed from above, and FIG. 4B shows the cut surface in the EE direction. The MEMS element 401 has a diaphragm shape, and includes a lower electrode 402 as a support substrate made of a silicon substrate, an intermediate layer (not shown), an upper electrode 403, and a mirror layer 404 formed thereon by vapor deposition or the like. Has been. The portion of the upper electrode 403 on which the mirror layer 304 is formed has an elongated rectangular shape as a whole, and the first to fourth elongated portions constituting a part of the upper electrode 403 in the direction perpendicular to the longitudinal direction from both ends in the longitudinal direction. The support rods 405 to 408 are extended. The first to fourth support rods 405 to 408 are first to fourth fixing portions 411 to 414 that constitute a part of the upper electrode 403 disposed on the lower electrode 402 via an intermediate layer (not shown). Is fixed to the corresponding one. The mirror layer 404 is disposed in the central portion of the upper electrode 403 having an elongated rectangular shape as shown in FIG. 5A, and a through-hole 415 having a substantially similar shape and a larger size than that of the upper electrode 403 is formed in the center of the lower electrode 402. Provided in the department.
[0065]
Since the MEMS element 401 of the third embodiment has such a structure, when a predetermined voltage is applied between the upper electrode 403 and the lower electrode 402 by a power source (not shown), as shown in FIG. An electrostatic attractive force indicated by an arrow 412 works. In the upper electrode 403, the mirror layer 404 is disposed in the central portion thereof, and the through hole 415 is disposed in the central portion immediately below, so that the upper electrode 403 is displaced in the direction of the through hole 415 by this electrostatic attraction. It will be. The amount of displacement changes depending on the applied voltage. Therefore, the MEMS element 401 can be used as various devices such as a displacement detection sensor by detecting a minute displacement of the mirror layer 404 due to the voltage application as, for example, a change in reflected light due to an interference phenomenon.
[0066]
Further, when the mirror layer 404 is disposed in the horizontal direction and a light beam is incident at an incident angle of 45 degrees with respect to the mirror layer 404, the path of the reflected light beam is changed according to the vertical displacement of the mirror layer 404. Shift horizontally. Therefore, when the reflected light beam is incident on the optical lens and bent, the angle formed by the bent light beam with respect to the optical axis varies according to the displacement of the mirror layer 404. The light beam can be scanned.
[0067]
The MEMS element 401 of the third embodiment can be manufactured by bulk micromachining similarly to the MEMS element 201 of the first embodiment. For this reason, description of the manufacturing process is omitted.
[0068]
<Fourth embodiment>
[0069]
FIG. 10 shows an example in which the MEMS element of the first embodiment is applied to an optical attenuator as a fourth embodiment of the present invention. The optical attenuator 501 includes capillaries 504 that accommodate the vicinity of the ends of the first optical fiber 502 that receives the light to be attenuated and the second optical fiber 503 that emits the light after attenuation. A lens holder 505 is connected to end portions of the first and second optical fibers 502 and 503 in the capillary 504. The light emitted from the first optical fiber 502 travels through the lens holder 505, enters the aspheric lens 506, and enters the mirror unit 202 of the MEMS element 201 disposed in front.
[0070]
An output voltage is applied from the voltage control unit 508 between the mirror unit 202 and the silicon substrate 215 that also serves as a lower electrode. The output voltage can be continuously changed within a predetermined range, and the change in the voltage causes the tilt angle of the mirror unit 202 to change from 0 degree (horizontal) to a predetermined angle. ing.
[0071]
When the voltage applied by the voltage control unit 508 is continuously changed and the tilt angle of the mirror unit 202 is changed accordingly, the light emitted from the aspherical lens 506 of the lens holder 505 and reflected by the mirror unit 202 is The amount and the incident angle incident on the aspheric lens 506 are continuously changed. As a result, the amount of light coupled to the second optical fiber 503 among the light returned to the aspherical lens 506 continuously changes. Therefore, the optical attenuator 501 can change the amount of attenuation of light according to the output voltage of the voltage controller 508.
[0072]
Instead of such continuous light attenuation control, the voltage control unit 508 outputs an on / off control signal whose voltage is one of two values, for example, light incident on the second optical fiber 503. Can be switched between a substantially 100% state and a nearly 0% state of the light emitted from the first optical fiber 502. Thereby, the device shown in FIG. 10 can be operated as an optical switch.
[0073]
<Fifth embodiment>
[0074]
FIG. 11 shows an example in which the MEMS element of the first embodiment is applied to an optical scanner as a fifth embodiment of the present invention. Light emitted from an optical fiber 552 constituting a part of the optical scanner 551 is converted into parallel light by a collimator lens 553 and is incident on the mirror unit 202 of the MEMS element 201 shown in FIG. 1 or FIG. An output voltage is applied from the voltage control unit 554 between the mirror unit 202 and the silicon substrate 215 that also serves as a lower electrode. The value of the output voltage periodically changes in various waveforms such as a sine wave shape or a sawtooth shape, and the reflected light 555 is indicated by an arrow 556 by the periodic change of the tilt angle of the mirror unit 202 due to this. Change the direction periodically. Therefore, an optical scan using the reflected light 555 becomes possible.
[0075]
It has already been described that the scanner can be configured using the diaphragm type MEMS element of the third embodiment.
[0076]
As described above, in each of the embodiments, the example in which the MEMS element is realized by bulk micromachining using SOI has been described. However, the present invention is also applied to an object in which the MEMS element having the same structure is finally formed by another known process. Of course you can apply.
[0077]
【The invention's effect】
  As described above, according to the invention described in claim 1 or claim 2,Predetermined intervalDepending on the applied voltage, using the first electrode member and the second electrode member present viaMirror partBecause the MEMS element that rotates the oscilloscope is configured, using bulk micromachining technologyMirror partCan be formed relatively thick, and a high-quality MEMS element with less distortion and the like can be produced at low cost. Moreover, it is not always necessary to create the MEMS element by surface micromachining.Mirror partIt is possible to increase the degree of design freedom for driving.
[0079]
  MoreClaim 3 or claim 4According to the described invention, the MEMS element is used for adjusting the light attenuation factor, turning on / off the light, scanning the light, or the like using the tilt angle of the mirror part of the optical attenuator, the optical switch, the optical scanner, or the like. It can be applied to an optical device to increase the degree of freedom of design of the optical device itself and achieve high quality as well as cost reduction.
[Brief description of the drawings]
FIG. 1 is a perspective view of an essential part of a MEMS element according to a first embodiment of the present invention.
FIG. 2 is a plan view of the main part of the MEMS element according to the first embodiment as viewed from above.
FIG. 3 is an end view of the main part of the MEMS element in FIG. 2 cut in the AA direction.
4 is an end view of the main part of the MEMS element in FIG. 2 cut in the BB direction. FIG.
FIG. 5 is an explanatory diagram showing a series of processes for manufacturing the MEMS element of the first embodiment by bulk micromachining.
FIG. 6 is a plan view of a main part of a MEMS element according to a modification of the first embodiment as viewed from above.
7 is an end view of the main part of the MEMS element shown in FIG. 6 cut in the CC direction.
FIG. 8 is a view showing a plane and a cross section of a MEMS device according to a second embodiment of the present invention.
FIG. 9 is a diagram showing a plane and a cross section of a MEMS device according to a third embodiment of the present invention.
FIG. 10 is a schematic configuration diagram showing an example in which the MEMS element of the first embodiment is applied to an optical attenuator as a fourth embodiment of the present invention.
FIG. 11 is a schematic configuration diagram showing an example in which the MEMS element of the first embodiment is applied to an optical scanner as a fifth embodiment of the present invention.
12A and 12B are a plan view and a cross-sectional view of a MEMS device manufactured using a conventional SOI process.
FIG. 13 is a view showing a plane and a cross section of a MEMS device conventionally manufactured by surface micromachining.
FIG. 14 is an explanatory diagram showing a manufacturing process of a MEMS device using a surface micromachining technique with respect to a cut surface in the LL direction.
FIG. 15 is an explanatory diagram showing a manufacturing process of the MEMS element using the surface micromachining technique with respect to a cut surface in the MM direction.
FIG. 16 is an explanatory diagram showing general steps of photolithography and etching.
[Explanation of symbols]
201, 201A, 301, 401 MEMS element
202 Mirror part (upper electrode)
205, 206 Actuator (upper electrode)
207, 208, 307, 308 Torsion spring
209, 210, 309, 310 fixed part
215 Silicon substrate (lower electrode)
216 circular opening
217 power supply
218 Rectangular opening
253 Partition plate (lower electrode)
304, 404 Mirror layer
403 Upper electrode
405-408 Support rod
415 Through hole
501 Optical attenuator (optical switch)
508, 554 Voltage controller
551 Optical scanner

Claims

As a part of the flat plate, a first flat plate having electrical conductivity is cut into a shape perpendicular to the surface of the flat plate with a predetermined axis of rotation, and the surface is a light reflecting surface. An actuator as a portion that is cut out continuously with the mirror portion, and extends in a strip shape by a predetermined length in an axisymmetric shape along the rotation axis from at least one end of the mirror portion; and the flat plate As a part that is cut out continuously with the mirror part and the actuator as a part of the part, extends from the end part of the actuator along the rotation axis in a narrow shape and can be rotated by an external force. A first electrode member comprising a torsion spring;
A conductive substrate having a second thickness which is opposed to the flat plate forming the first electrode member at a predetermined interval and is thicker than the first thickness as a whole, wherein the torsion spring includes A region facing the mirror portion is formed in a shape cut at least by a predetermined depth perpendicular to the substrate surface so as to ensure a moving space of the mirror portion in an angular range rotated by the external force, A surface facing the actuator is divided into two regions with the rotation axis as a boundary, and in one of the regions, the flat plate and the substrate surface are in a state where the torsion spring is not rotated by the external force. A first electrical characteristic region is arranged to be opposed to each other at a predetermined interval, and in the other region, at least a part of the substrate surface is cut away in a direction perpendicular to the substrate surface. And a second electrode members constituting the electrical characteristic area,
When the voltage is applied between the first electrode member and the second electrode member, the first electric characteristic region and the second electric characteristic region cause a non-uniform electrostatic force to the actuator. An MEMS element, wherein an attractive force applies an external force that rotates in accordance with a degree of application of the voltage to the mirror portion connected to the torsion spring.

As a part of the flat plate, a first flat plate having electrical conductivity is cut into a shape perpendicular to the surface of the flat plate with a predetermined axis of rotation, and the surface is a light reflecting surface. An actuator as a portion that is cut out continuously with the mirror portion, and extends in a strip shape by a predetermined length in an axisymmetric shape along the rotation axis from at least one end of the mirror portion; and the flat plate As a part that is cut out continuously with the mirror part and the actuator as a part of the part, extends from the end part of the actuator along the rotation axis in a narrow shape and can be rotated by an external force. A first electrode member comprising a torsion spring;
A conductive substrate having a second thickness which is opposed to the flat plate forming the first electrode member at a predetermined interval and is thicker than the first thickness as a whole, wherein the torsion spring includes A region facing the mirror portion is formed in a shape cut at least by a predetermined depth perpendicular to the substrate surface so as to ensure a moving space of the mirror portion in an angular range rotated by the external force, A surface facing the actuator is divided into two regions with the rotation axis as a boundary, and in one of the regions, the flat plate and the substrate surface are in a state where the torsion spring is not rotated by the external force. A third electrical property region is formed in which the first electrical property region disposed opposite to the predetermined interval is formed, and in the other region, the substrate surface is cut in a direction perpendicular to the substrate surface. And a second electrode members constituting,
When the voltage is applied between the first electrode member and the second electrode member, the first electric characteristic region and the third electric characteristic region cause a non-uniform electrostatic force on the actuator. An MEMS element, wherein an attractive force applies an external force that rotates in accordance with a degree of application of the voltage to the mirror portion connected to the torsion spring.

As a part of the flat plate, a first flat plate having electrical conductivity is cut into a shape perpendicular to the surface of the flat plate with a predetermined axis of rotation, and the surface is a light reflecting surface. An actuator as a portion that is cut out continuously with the mirror portion, and extends in a strip shape by a predetermined length in an axisymmetric shape along the rotation axis from at least one end of the mirror portion; and the flat plate As a part that is cut out continuously with the mirror part and the actuator as a part of the part, extends from the end part of the actuator along the rotation axis in a narrow shape and can be rotated by an external force. A first electrode member composed of a torsion spring and the flat plate forming the first electrode member are arranged opposite to each other at a predetermined interval, and as a whole, more than the first thickness. A conductive substrate having a second thickness which is opposite to the mirror surface so as to secure a moving space of the mirror portion in an angular range in which the torsion spring is rotated by the external force. It is formed in a shape vertically cut at least by a predetermined depth, and a surface facing the actuator is divided into two regions with the rotation axis as a boundary, and one of the regions is the torsion spring Constitutes a first electrical characteristic region in which the flat plate and the substrate surface are opposed to each other at the predetermined interval in a state where the plate is not rotated by the external force, and at least one of the substrate surfaces is disposed in the other region. And a second electrode member constituting a second electric characteristic region cut away in a direction perpendicular to the substrate surface, and an electric current is provided between the first electrode member and the second electrode member. When the voltage is applied, the voltage applied to the mirror portion connected to the torsion spring is a positionally non-uniform electrostatic attraction force applied to the actuator by the first electric characteristic region and the second electric characteristic region. A MEMS element that gives an external force that rotates according to the degree of
A power source for applying a voltage between the first electrode member and the second electrode member of the MEMS element;
An optical device comprising: input / output means for performing input / output of light rays using the mirror section that rotates in response to voltage application of the power source.

As a part of the flat plate, a first flat plate having electrical conductivity is cut into a shape perpendicular to the surface of the flat plate with a predetermined axis of rotation, and the surface is a light reflecting surface. An actuator as a portion that is cut out continuously with the mirror portion, and extends in a strip shape by a predetermined length in an axisymmetric shape along the rotation axis from at least one end of the mirror portion; and the flat plate As a part that is cut out continuously with the mirror part and the actuator as a part of the part, extends from the end part of the actuator along the rotation axis in a narrow shape and can be rotated by an external force. A first electrode member composed of a torsion spring and the flat plate forming the first electrode member are arranged opposite to each other at a predetermined interval, and as a whole, more than the first thickness. A conductive substrate having a second thickness which is opposite to the mirror surface so as to secure a moving space of the mirror portion in an angular range in which the torsion spring is rotated by the external force. It is formed in a shape vertically cut at least by a predetermined depth, and a surface facing the actuator is divided into two regions with the rotation axis as a boundary, and one of the regions is the torsion spring Constitutes a first electrical characteristic region in which the flat plate and the substrate surface are opposed to each other with the predetermined distance in a state where the substrate surface is not rotated by the external force, and in the other region, the substrate surface is the substrate surface. And a second electrode member that constitutes a third electrical property region cut in the vertical direction, and a voltage is applied between the first electrode member and the second electrode member According to the degree of application of the voltage to the mirror portion connected to the torsion spring, a positionally non-uniform electrostatic attractive force with respect to the actuator due to the first electric characteristic area and the third electric characteristic area. A MEMS element for applying a rotating external force;
A power source for applying a voltage between the first electrode member and the second electrode member of the MEMS element;
An optical device comprising: input / output means for performing input / output of light rays using the mirror section that rotates in response to voltage application of the power source .