JP4578587B2 - 集積型同調可能型ファブリペロット形干渉計 - Google Patents
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Description
【０００１】
【発明の属する技術分野】
本発明は、干渉計に関するものであり、特に、静電制御可能なかつ同調可能なファブリペロット（Fabry-Perot） 形干渉計の構成に関するものである。このタイプの装置は、例えば、干渉フィルタとして使用することができる。
【０００２】
【従来の技術】
欧州特許文献第６６８ ４９０号および欧州特許文献第６９３ ６８３号には、静電制御式の集積型ファブリペロット形干渉計が開示されている。
【０００３】
このタイプの干渉計は、また、M.Blomberg氏他による、”Physica Scripta”,vol. T69, pages 119-121, 1997 における、”Electrically Tunable Micro- machined Fabry-Perot Interferometer in Gas Analysis” と題する文献にも開示されている。また、M.Viitasalo氏他による、SENSOR 97, Poster A7.36, pages 193-198 における、”Carbon Dioxide Sensor based on Micromachined Fabry-Perot Interferometer”と題する文献にも開示されている。
【０００４】
これらの文献には、シリコン基板内に加工された光学共鳴キャビティが開示されている。このキャビティは、動作波長をλとしたときに、厚さがλ／２の空気層を備えている。空気層は、２つの平行誘電ミラーどうしの間に設けられている。ミラーのうちの一方は、移動可能とされており、他方は、固定されている。各ミラーには、それぞれ、制御電極が設けられている。制御電極は、高度にドーピングされた導電性シリコン層からなる成膜層を備えることができる。制御電極どうしの間に電位差を印加することにより、可動ミラーを固定ミラーに向けて引っ張ることができる。これによって、空気ギャップの寸法を可変として、共鳴波長を変えることができる。
【０００５】
欧州特許文献第６６８ ４９０号に開示された装置においては、 可動ミラーの電極は、環状であって、そのため、ミラーの周縁部を薄くすることができる。これにより、中央部の剛性を高めることができて、中央部における有効光学領域の平面配置性を向上させることができる。
【０００６】
【発明が解決しようとする課題】
上記文献に開示された装置においては、２つの平行ミラーに対してそれぞれ取り付けられた複数の制御電極を使用している。静電的な命令は、これら電極間に電圧を印加することにより、直接的に得られる。この方法においては、互いに対向して配置される２つの導電表面に、電気的コンタクトが形成される必要がある。このため、装置が複雑化してしまい、製造に要する作業が多くなってしまう。とりわけ、上側ミラーへのコンタクト形成が困難であり、高度にドーピングされた複数層の局所積層を必要とする。様々な能動要素どうしを絶縁することに注意が払われなければならず、回路の短絡が発生しないようにすることに注意が払われなければならない。
【０００７】
【課題を解決するための手段】
本発明は、静電的に制御される同調可能なファブリペロット形干渉計であって、
−浮遊電極が取り付けられた第１ミラーと、
−第１および第２制御電極が取り付けられた第２ミラーと、
−前記第１および第２ミラーによって画定され長さがｄとされている共鳴キャビティと、
を具備してなり、
前記第１および第２ミラーのうちの一方が固定され、かつ、他方が移動可能とされ、前記２つの制御電極の間に電圧を印加することにより、移動可能とされたミラーが、固定された方のミラーに対して変位し、それにより、前記共鳴キャビティの長さを変えることができるようになっている干渉計に関するものである。
【０００８】
ミラーの一方に取り付けられた電極が浮遊電極（接続されていない電極）であることにより、このミラーにコンタクトを設ける必要がない。したがって、最終的な構造においては、コンタクトが形成される必要があるのは、１ポイントだけであり、それはとりわけ両制御電極である。
【０００９】
その結果、本発明による干渉計は、２つの制御電極の双方が装置の一面に取り付けられているだけであっても、静電的に制御可能である。
【００１０】
浮遊電極および浮遊電極が取り付けられたミラーは、第１基板の表面上に形成することができる。例えば、この基板は、シリコン製とすることができ、浮遊電極は、シリコンをドーピングすることによって形成することができる。
【００１１】
他方のミラーおよび制御電極は、また例えばシリコン製とされた第２基板の表面上に形成することができる。
【００１２】
本発明の一実施形態においては、可動ミラーは、基板内にエッチングされた膜から構成することができる。
【００１３】
制御電極は、例えば可動ミラーとされている、制御電極が取り付けられたミラーの反射領域の両サイド（または両面または両側面または両側部）に形成することができる。言い換えれば、このミラーは、中央反射領域と、制御電極が取り付けられている側方領域と、を備えている。
【００１４】
中央反射領域は、円形形状とすることができる。これが可動ミラーである場合には、制御電極によって形成されたこの円形形状によって、可動反射領域の完全な平面的変位（平面性を維持したままの変位）を可能とすることができる。その理由は、静電引力が、反射領域の周縁部においてのみ引き起こされるからである。そのため、フィルタ出力をダイヤフラムに取り付けることができる。
【００１５】
制御電極は、金属成膜から構成することができる。しかも、一方の基板の表面上において、制御電極に、電気的コンタクトを直接的に形成することができる。
【００１６】
本発明は、また、同調可能なファブリペロット形干渉計の製造方法であって、−第１ミラーと該第１ミラーに取り付けられた浮遊電極とを備えた第１アセンブリを形成するステージと、
−反射領域を有した第２ミラーと該第２ミラーに取り付けられた第１および第２制御電極とを備えた第２アセンブリを形成するステージと、
−前記第１アセンブリおよび前記第２アセンブリを組み合わせることによって、前記第１および第２ミラーによって画定され長さがｄとされた共鳴キャビティを形成するステージと、
を具備してなり、
前記第１および第２ミラーのうちの一方を固定し、かつ、他方を移動可能とし、
前記制御電極どうしの間に電圧を印加することにより、前記移動可能なミラーの前記反射領域を、前記固定ミラーに対して変位させ、それにより、前記共鳴キャビティの長さを変え得るようになっている方法に関するものである。
【００１７】
特に、浮遊電極および対応するミラーを、第１基板の表面上に形成することができる。例えば、基板は、シリコン製とすることができ、浮遊電極は、少なくとも１つの誘電体層により形成されている第１ミラーの表面上におけるシリコン薄膜をドーピングすることによって形成することができる。この場合、第１ミラー自身は、基板上に成膜される。
【００１８】
他方のミラーおよび第１および第２制御電極は、第２基板の表面上に形成することができる。例えば、第２ミラーは、膜から構成することができ、膜の一部（可動反射領域）は、第２基板のエッチングにより移動可能とすることができる。
【００１９】
制御電極は、一方のミラー上における金属成膜によって構成することができる。
【００２０】
【発明の実施の形態】
図１は、本発明によるファブリペロット形干渉計を概略的に示す図である。
図２は、本発明による干渉計における制御電極および可動ミラーを示す平面図である。
図３は、本発明による干渉計の実施形態を示す断面図である。
図４は、本発明による干渉計における制御電極の電気的接続を示す図である。
図５は、本発明による干渉計における反射膜の偏向のシミュレーションである。
図６〜図１８は、本発明による干渉計の各製造ステージを示す図である。
【００２１】
図１は、本発明による静電制御式の同調可能型ファブリペロット形干渉計の構造を示している。
【００２２】
この構造は、浮遊電極２が設けられた第１の固定されたミラー４を備えている。固定ミラー４は、例えば、基板上に形成されている。浮遊電極２は、ミラー４の表面に取り付けられている。ミラー４は、異なる誘電特性を有した複数層の積層から構成されている。例えば、ＳｉＯ2 とドーピングされていないＳｉとから、あるいは、少なくとも１つのＳｉＯ2 層と誘電体としての１つのドーピングされていないＳｉ層とから、構成されている。浮遊電極は、ミラーを形成している積層のうちの、最後の層とすることができる。その場合、浮遊電極は、ドーピングされた、したがって導電性を有した、シリコンから構成される。第２ミラー６は、干渉計の軸ＸＸ’に関して移動可能であるようにして、固定ミラー２に対向して設けられている。２つの制御電極８，１０が、この第２ミラーに取り付けられている。これら電極は、例えば、第２ミラー６をなす反射膜の電気メッキ部分によって構成することができる。
【００２３】
２つのミラーは、互いの間の距離がｄであるように維持されている。この距離は、ミラー４，６によって形成される共鳴キャビティの長さを構成している。
【００２４】
２つのミラーは、例えば、図１には図示していない十字形部材（クロスピース）や係止体やスペーサによって、互いの間の距離がｄであるように維持されている。
【００２５】
図１には図示していない手段を使用して、２つの電極８，１０間に電圧を印加することにより、可動ミラー６を、固定ミラーに向けて軸ＸＸ’に沿って変位させることができる。これにより、共鳴キャビティの長さを変えることができる。
【００２６】
ファブリペロットキャビティの長さｄは、次の関係式によって記述することができる。
２ｎｄ＝ｍλ …（１）
ここで、ｄは反射表面どうしの離間距離、ｍは全体数、ｎは２つのミラーどうしの間に位置しているキャビティの屈折係数、λは波長である。したがって、ｄが変化すると、干渉計透過バンドの中心波長が変化する。
【００２７】
電気的に説明すれば、上記のように形成されたキャビティは、制御電極８，１０と浮遊電極２との間に、キャパシタＣ1 を形成する。制御電極どうしの間に電圧を印加すれば、空気ギャップからなるキャパシタＣ1 を介して、浮遊電極２の電位を変えることができる。これにより、可動ミラー２は、固定ミラーに向けて引っ張られる。
【００２８】
上記手法は、浮遊電極が可動ミラーに取り付けられかつ制御電極が固定ミラー固定ミラーに取り付けられている場合でも、変わることがない。詳細な説明は、浮遊電極が固定ミラーに取り付けられている構成に関して、以下に与えられている。しかしながら、本発明は、双方の構成に対して適用することができる。第２の構成であれば、第１の構成に対して、制御電極と参照電極とを入れ替えることにより、容易に構成することができる。
【００２９】
図２は、制御電極８，１０と可動ミラー６とを示す平面図である。この実施形態においては、制御電極８，１０は、反射表面または反射膜を電気メッキすることにより、構成されている。金属成膜には、反射表面上に円形開口１２が設けられている。これにより、反射性でありかつ移動可能とされた中央領域が設けられている。成膜には、２つのグルーブ１４，１６が設けられている。これらグルーブは、制御電極８，１０を互いに絶縁するよう機能する。実用的には、電極は、電気メッキの後に、領域１２，１４，１６をエッチングすることにより形成される。
【００３０】
図３は、本発明による干渉計の実施形態を示している。干渉計は、例えば、ＳＯＩ（Silicon On Insulator）から形成された２つの基板２０，２２に構成されている。ミラー３２，２６は、薄膜成膜によって形成されており、例えば、異なる誘電性を有した複数層の積層から構成された成膜とすることができ、２つの基板の互いに対向した各表面２８，３０上にλ／４の厚さで形成することができる。積層は、例えば、ＳｉＯ2 層とＳｉ層との交互積層とすることができ、この場合、ドーピングされていないＳｉ層は、誘電体である。成膜されるべき積層をなす各層の厚さおよび積層数は、フィルタまたは干渉計が共鳴するまた所望の透過精度が得られるような波長に依存する。
【００３１】
ミラー３２上においては、積層の外層２４が、外層２４を導電性とするよう既にドーピングされているシリコンから形成されている。
【００３２】
２つのミラー３２，２６は、ファブリペロットキャビティを形成している。このキャビティの共鳴波長は、上記式（１）によって決定される。この場合、ｄは、２つのミラーの表面どうしの離間距離である。
【００３３】
固定ミラー３２には、浮遊電極として知られている電極２４が設けられている。ミラー２６には、例えば図２に関して上述したようなタイプの、２つの制御電極３８，４０が設けられている。電気的コンタクトは、これら制御電極に取り付けられている。２つのキャビティ４２，４４は、これら電気的コンタクトの挿通を可能とするよう、基板２２内にエッチングすることができる。
【００３４】
浮遊電極は、例えば基板２２へのドーピング量の大きなドーピングによって、形成することができる。
【００３５】
２つの基板は、係止体４６，４８によって、長さｄのファブリペロットキャビティを形成し得るよう互いに所定位置に維持されており、シールまたは樹脂スタッド５０，５２によってシールすることにより、互いに所定位置に維持されている。好ましくは、ファブリペロットキャビティの内外の圧力を均等とし得るよう、樹脂シール内に通風口が形成されている。
【００３６】
図４は、構造全体の電気接続を示している。図において、Ｃ1 は、制御電極と浮遊電極との間の制御キャパシタであり、Ｃ2 は、例えば図２の実施形態におけるグルーブ１４，１６に基づく浮遊キャパシタである。再度、図２の例を使用すれば、直径Ｄ＝１ｍｍ、長さＬ＝１．３７ｍｍ（つまり、スタッド４６，４８間の間隔）、ｌ1 ＝２ｍｍかつｌ2 ＝１．９ｍｍというサイズの電極、約１０μｍ幅のグルーブ１４，１６、約３００ｎｍ厚さに電気メッキされて形成された電極８，１０であって、ｄ＝１．８μｍに対しては、Ｃ1 ＝３３ｐＦ、Ｃ2 ＝０．２６ｆＦとなる。
【００３７】
Ｓｉ3Ｎ4（厚さ：２μｍ）／ＳｉＯ2 （厚さ：０．７μｍ）／Ｓｉ（厚さ：０．３μｍ）／ＳｉＯ2 （厚さ：０．７μｍ）／Ｓｉ（厚さ：０．３μｍ）という積層から構成された膜からなる可動ミラーの偏向を、３０ボルトのもとでシミュレートすることにより、膜の中央活性領域全体の偏向が平面的であることが確認された。この例においては、電圧は、２つの平行電極どうしの間に印加された。このシミュレーションは、有限要素法（ＡＮＳＹＳ）を使用して行われた。図５に結果を示す。膜の半分だけが図示されている。すなわち、中央可動領域５４と周縁メッキ領域５６とが示されている。矢印は、静電力が印加されている領域を示している。得られた偏向δは、０．３２μｍである。
【００３８】
図６〜図１８は、本発明による装置を形成するための製造ステージを示している。
【００３９】
図６〜図１１は、干渉計の第１部分を形成するための製造ステージを示している。
【００４０】
例えばＳＯＩタイプからなる、基板６０の上表面には、ＳｉＯ2 からなる成膜６２が設けられている。符号６４も、また、ＳｉＯ2 層を示している。これら２つの層間には、Ｓｉ製の層６３が存在している。
【００４１】
次のステージにおいては、光リソグラフィーが使用される。すなわち、Ｓｃｈｉｐｌｅｙ １８２８タイプのポジティブ樹脂が、基板上に広げられて、その後、乾燥される。続いて、照射ステージが行われて、分離した係止体が形成される（図７参照。図３に図示された係止体４６，４８）。その後、基板が現像される。すなわち、照射された樹脂が除去される。基板は、その後、焼鈍処理される。係止体は、ＣＨＦ3／Ｏ2を使用してエッチングすることができ、樹脂は、発煙硝酸で除去することができる。
【００４２】
結果的に得られた係止体（図８）の両面は、その後、Ｓｉ3Ｎ4製の１μｍ厚さのコーティング層７０でコーティングされる。
【００４３】
次のステージ（図９）においては、キャビティ４２，４４を形成するために、上面のＳｉ3Ｎ4のためのポジティブ樹脂が光リソグラフィー的にエッチングされる。このエッチングは、ＣＨＦ3／Ｏ2によって行われ、樹脂は、発煙ＨＮＯ3 を使用して除去される。
【００４４】
次に、キャビティ４２，４４が、ＣＨＦ3／Ｏ2を使用し、その後、約２時間にわたって８５℃の２０％ＫＯＨでもってエッチングされる（図１０）。
【００４５】
最後に（図１１）、上面のＳｉ3Ｎ4が、ＣＨＦ3／Ｏ2によるエッチングによって除去される。
【００４６】
図１２〜図１７は、干渉計の第２部分を形成するための製造ステージを示している。
【００４７】
上記と同様に、例えばＳＯＩタイプからなる基板７２が使用される。基板の上面には、３００ｎｍ厚さの金と、１０ｎｍ厚さのクロム成膜７４が設けられる。
【００４８】
制御電極は、その後、
−ポジティブ樹脂による光リソグラフィーと、
−４００ｍｌのＨ2Ｏ と６００ｍｌのエタノールとの中に８０ｇのＮＨ4Ｉ と２１ｇのＩ2 とを混合した混合体を使用した金層のエッチングと、
−６２５ｍｌのＨ2Ｏ と１２５ｍｌのＨＮＯ3 との中に２５ｇのＣｅ（ＳＯ4）2、２ＮＨ2ＳＯ4、２Ｈ2Ｏ を混合した混合体を使用したクロム層のエッチングと、
−発煙ＨＮＯ3 を使用した樹脂の除去と、
を使用してエッチングされる（図１３）。
【００４９】
次に、両面が、Ｓｉ3Ｎ4製の１μｍ厚さのコーティング層７５でコーティングされる（図１４）。
【００５０】
ポジティブ樹脂による光リソグラフィーが、樹脂の下層内にウィンドウ７６を開けるために使用される（図１５）。つまり、下側のＳｉ3Ｎ4の表面がＣＨＦ3 ／Ｏ2 によってエッチングされ、樹脂が発煙ＨＮＯ3 を使用して除去される。
【００５１】
次のステージにおいては（図１６）、反射膜の下面が、約５時間にわたって８５℃の２０％ＫＯＨでもってエッチングされる。
【００５２】
Ｓｉ3Ｎ4製の上側層７４は、制御電極を露出させるよう、ＣＨＦ3／Ｏ2を使用してエッチングされる。
【００５３】
このようにして得られた２つの構造は、連結され、ネガティブ樹脂を使用してシールされる（図１８）。ネガティブ樹脂による光リソグラフィーが、基板６０の上表面に対して適用され、シールは、２００℃でもって行われる。
【００５４】
最後に、制御電極が結線される。
【００５５】
浮遊電極が可動ミラーに取り付けられる場合には、浮遊電極は、制御電極が形成される基板ではない基板上においてエッチングされる。
【００５６】
本発明による干渉計は、同調可能なものであって、波長選択が要求されるようなすべてのガス分析システム内に組み込むことができる。本発明の同調可能性により、動作波長でもって複数のガスを検出することができる。本発明による干渉計は、光学周波数変調モードにおいても動作することができる。
【００５７】
最後に、本発明による干渉計は、遠隔通信の分野において使用することができる。というのは、シリコンは、微細加工することができるからであり、そのため、１．３μｍおよび１．５５μｍの領域の波長で共鳴させることができるような非常に小さなキャビティを作ることができる。
【図面の簡単な説明】
【図１】本発明によるファブリペロット形干渉計を概略的に示す図である。
【図２】本発明による干渉計における制御電極および可動ミラーを示す平面図である。
【図３】本発明による干渉計の実施形態を示す断面図である。
【図４】本発明による干渉計における制御電極の電気的接続を示す図である。
【図５】本発明による干渉計における反射膜の偏向のシミュレーションである。
【図６】本発明による干渉計の各製造ステージを示す図である。
【図７】本発明による干渉計の各製造ステージを示す図である。
【図８】本発明による干渉計の各製造ステージを示す図である。
【図９】本発明による干渉計の各製造ステージを示す図である。
【図１０】本発明による干渉計の各製造ステージを示す図である。
【図１１】本発明による干渉計の各製造ステージを示す図である。
【図１２】本発明による干渉計の各製造ステージを示す図である。
【図１３】本発明による干渉計の各製造ステージを示す図である。
【図１４】本発明による干渉計の各製造ステージを示す図である。
【図１５】本発明による干渉計の各製造ステージを示す図である。
【図１６】本発明による干渉計の各製造ステージを示す図である。
【図１７】本発明による干渉計の各製造ステージを示す図である。
【図１８】本発明による干渉計の各製造ステージを示す図である。
【符号の説明】
２ 浮遊電極
４ 第１ミラー
６ 第２ミラー
８ 制御電極
１０ 制御電極
２０ 基板
２２ 基板
２４ 浮遊電極
２６ ミラー
３２ ミラー
３８ 制御電極
４０ 制御電極
４６ 係止体
４８ 係止体
【発明の属する技術分野】
本発明は、干渉計に関するものであり、特に、静電制御可能なかつ同調可能なファブリペロット（Fabry-Perot） 形干渉計の構成に関するものである。このタイプの装置は、例えば、干渉フィルタとして使用することができる。
【０００２】
【従来の技術】
欧州特許文献第６６８ ４９０号および欧州特許文献第６９３ ６８３号には、静電制御式の集積型ファブリペロット形干渉計が開示されている。
【０００３】
このタイプの干渉計は、また、M.Blomberg氏他による、”Physica Scripta”,vol. T69, pages 119-121, 1997 における、”Electrically Tunable Micro- machined Fabry-Perot Interferometer in Gas Analysis” と題する文献にも開示されている。また、M.Viitasalo氏他による、SENSOR 97, Poster A7.36, pages 193-198 における、”Carbon Dioxide Sensor based on Micromachined Fabry-Perot Interferometer”と題する文献にも開示されている。
【０００４】
これらの文献には、シリコン基板内に加工された光学共鳴キャビティが開示されている。このキャビティは、動作波長をλとしたときに、厚さがλ／２の空気層を備えている。空気層は、２つの平行誘電ミラーどうしの間に設けられている。ミラーのうちの一方は、移動可能とされており、他方は、固定されている。各ミラーには、それぞれ、制御電極が設けられている。制御電極は、高度にドーピングされた導電性シリコン層からなる成膜層を備えることができる。制御電極どうしの間に電位差を印加することにより、可動ミラーを固定ミラーに向けて引っ張ることができる。これによって、空気ギャップの寸法を可変として、共鳴波長を変えることができる。
【０００５】
欧州特許文献第６６８ ４９０号に開示された装置においては、 可動ミラーの電極は、環状であって、そのため、ミラーの周縁部を薄くすることができる。これにより、中央部の剛性を高めることができて、中央部における有効光学領域の平面配置性を向上させることができる。
【０００６】
【発明が解決しようとする課題】
上記文献に開示された装置においては、２つの平行ミラーに対してそれぞれ取り付けられた複数の制御電極を使用している。静電的な命令は、これら電極間に電圧を印加することにより、直接的に得られる。この方法においては、互いに対向して配置される２つの導電表面に、電気的コンタクトが形成される必要がある。このため、装置が複雑化してしまい、製造に要する作業が多くなってしまう。とりわけ、上側ミラーへのコンタクト形成が困難であり、高度にドーピングされた複数層の局所積層を必要とする。様々な能動要素どうしを絶縁することに注意が払われなければならず、回路の短絡が発生しないようにすることに注意が払われなければならない。
【０００７】
【課題を解決するための手段】
本発明は、静電的に制御される同調可能なファブリペロット形干渉計であって、
−浮遊電極が取り付けられた第１ミラーと、
−第１および第２制御電極が取り付けられた第２ミラーと、
−前記第１および第２ミラーによって画定され長さがｄとされている共鳴キャビティと、
を具備してなり、
前記第１および第２ミラーのうちの一方が固定され、かつ、他方が移動可能とされ、前記２つの制御電極の間に電圧を印加することにより、移動可能とされたミラーが、固定された方のミラーに対して変位し、それにより、前記共鳴キャビティの長さを変えることができるようになっている干渉計に関するものである。
【０００８】
ミラーの一方に取り付けられた電極が浮遊電極（接続されていない電極）であることにより、このミラーにコンタクトを設ける必要がない。したがって、最終的な構造においては、コンタクトが形成される必要があるのは、１ポイントだけであり、それはとりわけ両制御電極である。
【０００９】
その結果、本発明による干渉計は、２つの制御電極の双方が装置の一面に取り付けられているだけであっても、静電的に制御可能である。
【００１０】
浮遊電極および浮遊電極が取り付けられたミラーは、第１基板の表面上に形成することができる。例えば、この基板は、シリコン製とすることができ、浮遊電極は、シリコンをドーピングすることによって形成することができる。
【００１１】
他方のミラーおよび制御電極は、また例えばシリコン製とされた第２基板の表面上に形成することができる。
【００１２】
本発明の一実施形態においては、可動ミラーは、基板内にエッチングされた膜から構成することができる。
【００１３】
制御電極は、例えば可動ミラーとされている、制御電極が取り付けられたミラーの反射領域の両サイド（または両面または両側面または両側部）に形成することができる。言い換えれば、このミラーは、中央反射領域と、制御電極が取り付けられている側方領域と、を備えている。
【００１４】
中央反射領域は、円形形状とすることができる。これが可動ミラーである場合には、制御電極によって形成されたこの円形形状によって、可動反射領域の完全な平面的変位（平面性を維持したままの変位）を可能とすることができる。その理由は、静電引力が、反射領域の周縁部においてのみ引き起こされるからである。そのため、フィルタ出力をダイヤフラムに取り付けることができる。
【００１５】
制御電極は、金属成膜から構成することができる。しかも、一方の基板の表面上において、制御電極に、電気的コンタクトを直接的に形成することができる。
【００１６】
本発明は、また、同調可能なファブリペロット形干渉計の製造方法であって、−第１ミラーと該第１ミラーに取り付けられた浮遊電極とを備えた第１アセンブリを形成するステージと、
−反射領域を有した第２ミラーと該第２ミラーに取り付けられた第１および第２制御電極とを備えた第２アセンブリを形成するステージと、
−前記第１アセンブリおよび前記第２アセンブリを組み合わせることによって、前記第１および第２ミラーによって画定され長さがｄとされた共鳴キャビティを形成するステージと、
を具備してなり、
前記第１および第２ミラーのうちの一方を固定し、かつ、他方を移動可能とし、
前記制御電極どうしの間に電圧を印加することにより、前記移動可能なミラーの前記反射領域を、前記固定ミラーに対して変位させ、それにより、前記共鳴キャビティの長さを変え得るようになっている方法に関するものである。
【００１７】
特に、浮遊電極および対応するミラーを、第１基板の表面上に形成することができる。例えば、基板は、シリコン製とすることができ、浮遊電極は、少なくとも１つの誘電体層により形成されている第１ミラーの表面上におけるシリコン薄膜をドーピングすることによって形成することができる。この場合、第１ミラー自身は、基板上に成膜される。
【００１８】
他方のミラーおよび第１および第２制御電極は、第２基板の表面上に形成することができる。例えば、第２ミラーは、膜から構成することができ、膜の一部（可動反射領域）は、第２基板のエッチングにより移動可能とすることができる。
【００１９】
制御電極は、一方のミラー上における金属成膜によって構成することができる。
【００２０】
【発明の実施の形態】
図１は、本発明によるファブリペロット形干渉計を概略的に示す図である。
図２は、本発明による干渉計における制御電極および可動ミラーを示す平面図である。
図３は、本発明による干渉計の実施形態を示す断面図である。
図４は、本発明による干渉計における制御電極の電気的接続を示す図である。
図５は、本発明による干渉計における反射膜の偏向のシミュレーションである。
図６〜図１８は、本発明による干渉計の各製造ステージを示す図である。
【００２１】
図１は、本発明による静電制御式の同調可能型ファブリペロット形干渉計の構造を示している。
【００２２】
この構造は、浮遊電極２が設けられた第１の固定されたミラー４を備えている。固定ミラー４は、例えば、基板上に形成されている。浮遊電極２は、ミラー４の表面に取り付けられている。ミラー４は、異なる誘電特性を有した複数層の積層から構成されている。例えば、ＳｉＯ2 とドーピングされていないＳｉとから、あるいは、少なくとも１つのＳｉＯ2 層と誘電体としての１つのドーピングされていないＳｉ層とから、構成されている。浮遊電極は、ミラーを形成している積層のうちの、最後の層とすることができる。その場合、浮遊電極は、ドーピングされた、したがって導電性を有した、シリコンから構成される。第２ミラー６は、干渉計の軸ＸＸ’に関して移動可能であるようにして、固定ミラー２に対向して設けられている。２つの制御電極８，１０が、この第２ミラーに取り付けられている。これら電極は、例えば、第２ミラー６をなす反射膜の電気メッキ部分によって構成することができる。
【００２３】
２つのミラーは、互いの間の距離がｄであるように維持されている。この距離は、ミラー４，６によって形成される共鳴キャビティの長さを構成している。
【００２４】
２つのミラーは、例えば、図１には図示していない十字形部材（クロスピース）や係止体やスペーサによって、互いの間の距離がｄであるように維持されている。
【００２５】
図１には図示していない手段を使用して、２つの電極８，１０間に電圧を印加することにより、可動ミラー６を、固定ミラーに向けて軸ＸＸ’に沿って変位させることができる。これにより、共鳴キャビティの長さを変えることができる。
【００２６】
ファブリペロットキャビティの長さｄは、次の関係式によって記述することができる。
２ｎｄ＝ｍλ …（１）
ここで、ｄは反射表面どうしの離間距離、ｍは全体数、ｎは２つのミラーどうしの間に位置しているキャビティの屈折係数、λは波長である。したがって、ｄが変化すると、干渉計透過バンドの中心波長が変化する。
【００２７】
電気的に説明すれば、上記のように形成されたキャビティは、制御電極８，１０と浮遊電極２との間に、キャパシタＣ1 を形成する。制御電極どうしの間に電圧を印加すれば、空気ギャップからなるキャパシタＣ1 を介して、浮遊電極２の電位を変えることができる。これにより、可動ミラー２は、固定ミラーに向けて引っ張られる。
【００２８】
上記手法は、浮遊電極が可動ミラーに取り付けられかつ制御電極が固定ミラー固定ミラーに取り付けられている場合でも、変わることがない。詳細な説明は、浮遊電極が固定ミラーに取り付けられている構成に関して、以下に与えられている。しかしながら、本発明は、双方の構成に対して適用することができる。第２の構成であれば、第１の構成に対して、制御電極と参照電極とを入れ替えることにより、容易に構成することができる。
【００２９】
図２は、制御電極８，１０と可動ミラー６とを示す平面図である。この実施形態においては、制御電極８，１０は、反射表面または反射膜を電気メッキすることにより、構成されている。金属成膜には、反射表面上に円形開口１２が設けられている。これにより、反射性でありかつ移動可能とされた中央領域が設けられている。成膜には、２つのグルーブ１４，１６が設けられている。これらグルーブは、制御電極８，１０を互いに絶縁するよう機能する。実用的には、電極は、電気メッキの後に、領域１２，１４，１６をエッチングすることにより形成される。
【００３０】
図３は、本発明による干渉計の実施形態を示している。干渉計は、例えば、ＳＯＩ（Silicon On Insulator）から形成された２つの基板２０，２２に構成されている。ミラー３２，２６は、薄膜成膜によって形成されており、例えば、異なる誘電性を有した複数層の積層から構成された成膜とすることができ、２つの基板の互いに対向した各表面２８，３０上にλ／４の厚さで形成することができる。積層は、例えば、ＳｉＯ2 層とＳｉ層との交互積層とすることができ、この場合、ドーピングされていないＳｉ層は、誘電体である。成膜されるべき積層をなす各層の厚さおよび積層数は、フィルタまたは干渉計が共鳴するまた所望の透過精度が得られるような波長に依存する。
【００３１】
ミラー３２上においては、積層の外層２４が、外層２４を導電性とするよう既にドーピングされているシリコンから形成されている。
【００３２】
２つのミラー３２，２６は、ファブリペロットキャビティを形成している。このキャビティの共鳴波長は、上記式（１）によって決定される。この場合、ｄは、２つのミラーの表面どうしの離間距離である。
【００３３】
固定ミラー３２には、浮遊電極として知られている電極２４が設けられている。ミラー２６には、例えば図２に関して上述したようなタイプの、２つの制御電極３８，４０が設けられている。電気的コンタクトは、これら制御電極に取り付けられている。２つのキャビティ４２，４４は、これら電気的コンタクトの挿通を可能とするよう、基板２２内にエッチングすることができる。
【００３４】
浮遊電極は、例えば基板２２へのドーピング量の大きなドーピングによって、形成することができる。
【００３５】
２つの基板は、係止体４６，４８によって、長さｄのファブリペロットキャビティを形成し得るよう互いに所定位置に維持されており、シールまたは樹脂スタッド５０，５２によってシールすることにより、互いに所定位置に維持されている。好ましくは、ファブリペロットキャビティの内外の圧力を均等とし得るよう、樹脂シール内に通風口が形成されている。
【００３６】
図４は、構造全体の電気接続を示している。図において、Ｃ1 は、制御電極と浮遊電極との間の制御キャパシタであり、Ｃ2 は、例えば図２の実施形態におけるグルーブ１４，１６に基づく浮遊キャパシタである。再度、図２の例を使用すれば、直径Ｄ＝１ｍｍ、長さＬ＝１．３７ｍｍ（つまり、スタッド４６，４８間の間隔）、ｌ1 ＝２ｍｍかつｌ2 ＝１．９ｍｍというサイズの電極、約１０μｍ幅のグルーブ１４，１６、約３００ｎｍ厚さに電気メッキされて形成された電極８，１０であって、ｄ＝１．８μｍに対しては、Ｃ1 ＝３３ｐＦ、Ｃ2 ＝０．２６ｆＦとなる。
【００３７】
Ｓｉ3Ｎ4（厚さ：２μｍ）／ＳｉＯ2 （厚さ：０．７μｍ）／Ｓｉ（厚さ：０．３μｍ）／ＳｉＯ2 （厚さ：０．７μｍ）／Ｓｉ（厚さ：０．３μｍ）という積層から構成された膜からなる可動ミラーの偏向を、３０ボルトのもとでシミュレートすることにより、膜の中央活性領域全体の偏向が平面的であることが確認された。この例においては、電圧は、２つの平行電極どうしの間に印加された。このシミュレーションは、有限要素法（ＡＮＳＹＳ）を使用して行われた。図５に結果を示す。膜の半分だけが図示されている。すなわち、中央可動領域５４と周縁メッキ領域５６とが示されている。矢印は、静電力が印加されている領域を示している。得られた偏向δは、０．３２μｍである。
【００３８】
図６〜図１８は、本発明による装置を形成するための製造ステージを示している。
【００３９】
図６〜図１１は、干渉計の第１部分を形成するための製造ステージを示している。
【００４０】
例えばＳＯＩタイプからなる、基板６０の上表面には、ＳｉＯ2 からなる成膜６２が設けられている。符号６４も、また、ＳｉＯ2 層を示している。これら２つの層間には、Ｓｉ製の層６３が存在している。
【００４１】
次のステージにおいては、光リソグラフィーが使用される。すなわち、Ｓｃｈｉｐｌｅｙ １８２８タイプのポジティブ樹脂が、基板上に広げられて、その後、乾燥される。続いて、照射ステージが行われて、分離した係止体が形成される（図７参照。図３に図示された係止体４６，４８）。その後、基板が現像される。すなわち、照射された樹脂が除去される。基板は、その後、焼鈍処理される。係止体は、ＣＨＦ3／Ｏ2を使用してエッチングすることができ、樹脂は、発煙硝酸で除去することができる。
【００４２】
結果的に得られた係止体（図８）の両面は、その後、Ｓｉ3Ｎ4製の１μｍ厚さのコーティング層７０でコーティングされる。
【００４３】
次のステージ（図９）においては、キャビティ４２，４４を形成するために、上面のＳｉ3Ｎ4のためのポジティブ樹脂が光リソグラフィー的にエッチングされる。このエッチングは、ＣＨＦ3／Ｏ2によって行われ、樹脂は、発煙ＨＮＯ3 を使用して除去される。
【００４４】
次に、キャビティ４２，４４が、ＣＨＦ3／Ｏ2を使用し、その後、約２時間にわたって８５℃の２０％ＫＯＨでもってエッチングされる（図１０）。
【００４５】
最後に（図１１）、上面のＳｉ3Ｎ4が、ＣＨＦ3／Ｏ2によるエッチングによって除去される。
【００４６】
図１２〜図１７は、干渉計の第２部分を形成するための製造ステージを示している。
【００４７】
上記と同様に、例えばＳＯＩタイプからなる基板７２が使用される。基板の上面には、３００ｎｍ厚さの金と、１０ｎｍ厚さのクロム成膜７４が設けられる。
【００４８】
制御電極は、その後、
−ポジティブ樹脂による光リソグラフィーと、
−４００ｍｌのＨ2Ｏ と６００ｍｌのエタノールとの中に８０ｇのＮＨ4Ｉ と２１ｇのＩ2 とを混合した混合体を使用した金層のエッチングと、
−６２５ｍｌのＨ2Ｏ と１２５ｍｌのＨＮＯ3 との中に２５ｇのＣｅ（ＳＯ4）2、２ＮＨ2ＳＯ4、２Ｈ2Ｏ を混合した混合体を使用したクロム層のエッチングと、
−発煙ＨＮＯ3 を使用した樹脂の除去と、
を使用してエッチングされる（図１３）。
【００４９】
次に、両面が、Ｓｉ3Ｎ4製の１μｍ厚さのコーティング層７５でコーティングされる（図１４）。
【００５０】
ポジティブ樹脂による光リソグラフィーが、樹脂の下層内にウィンドウ７６を開けるために使用される（図１５）。つまり、下側のＳｉ3Ｎ4の表面がＣＨＦ3 ／Ｏ2 によってエッチングされ、樹脂が発煙ＨＮＯ3 を使用して除去される。
【００５１】
次のステージにおいては（図１６）、反射膜の下面が、約５時間にわたって８５℃の２０％ＫＯＨでもってエッチングされる。
【００５２】
Ｓｉ3Ｎ4製の上側層７４は、制御電極を露出させるよう、ＣＨＦ3／Ｏ2を使用してエッチングされる。
【００５３】
このようにして得られた２つの構造は、連結され、ネガティブ樹脂を使用してシールされる（図１８）。ネガティブ樹脂による光リソグラフィーが、基板６０の上表面に対して適用され、シールは、２００℃でもって行われる。
【００５４】
最後に、制御電極が結線される。
【００５５】
浮遊電極が可動ミラーに取り付けられる場合には、浮遊電極は、制御電極が形成される基板ではない基板上においてエッチングされる。
【００５６】
本発明による干渉計は、同調可能なものであって、波長選択が要求されるようなすべてのガス分析システム内に組み込むことができる。本発明の同調可能性により、動作波長でもって複数のガスを検出することができる。本発明による干渉計は、光学周波数変調モードにおいても動作することができる。
【００５７】
最後に、本発明による干渉計は、遠隔通信の分野において使用することができる。というのは、シリコンは、微細加工することができるからであり、そのため、１．３μｍおよび１．５５μｍの領域の波長で共鳴させることができるような非常に小さなキャビティを作ることができる。
【図面の簡単な説明】
【図１】本発明によるファブリペロット形干渉計を概略的に示す図である。
【図２】本発明による干渉計における制御電極および可動ミラーを示す平面図である。
【図３】本発明による干渉計の実施形態を示す断面図である。
【図４】本発明による干渉計における制御電極の電気的接続を示す図である。
【図５】本発明による干渉計における反射膜の偏向のシミュレーションである。
【図６】本発明による干渉計の各製造ステージを示す図である。
【図７】本発明による干渉計の各製造ステージを示す図である。
【図８】本発明による干渉計の各製造ステージを示す図である。
【図９】本発明による干渉計の各製造ステージを示す図である。
【図１０】本発明による干渉計の各製造ステージを示す図である。
【図１１】本発明による干渉計の各製造ステージを示す図である。
【図１２】本発明による干渉計の各製造ステージを示す図である。
【図１３】本発明による干渉計の各製造ステージを示す図である。
【図１４】本発明による干渉計の各製造ステージを示す図である。
【図１５】本発明による干渉計の各製造ステージを示す図である。
【図１６】本発明による干渉計の各製造ステージを示す図である。
【図１７】本発明による干渉計の各製造ステージを示す図である。
【図１８】本発明による干渉計の各製造ステージを示す図である。
【符号の説明】
２ 浮遊電極
４ 第１ミラー
６ 第２ミラー
８ 制御電極
１０ 制御電極
２０ 基板
２２ 基板
２４ 浮遊電極
２６ ミラー
３２ ミラー
３８ 制御電極
４０ 制御電極
４６ 係止体
４８ 係止体
Claims (22)
- 静電的に制御されかつ共鳴キャビティの長さを変えることができるファブリペロット形干渉計であって、
−浮遊電極が取り付けられた第１ミラーと、
−第１および第２制御電極が取り付けられた第２ミラーと、
−前記第１および第２ミラーによって画定され長さがｄとされている共鳴キャビティと、
を具備してなり、
前記第１および第２ミラーのうちの一方が固定され、かつ、他方が移動可能とされ、
前記２つの制御電極の間に電圧を印加することにより、移動可能とされたミラーが、固定された方のミラーに対して変位し、それにより、前記共鳴キャビティの長さを変えることができるようになっていることを特徴とする干渉計。 - 前記浮遊電極および該浮遊電極が取り付けられたミラーは、第１基板の表面上に形成されていることを特徴とする請求項１記載の干渉計。
- 前記基板がシリコン製であり、前記浮遊電極がドーピングされたシリコンから形成されていることを特徴とする請求項２記載の干渉計。
- 前記制御電極および該制御電極が取り付けられたミラーは、第２基板の表面上に形成されていることを特徴とする請求項１記載の干渉計。
- 前記浮遊電極および該浮遊電極が取り付けられたミラーは、第１基板の表面上に形成され、
前記制御電極および該制御電極が取り付けられたミラーは、第２基板の表面上に形成され、
前記移動可能とされたミラーは、前記第１基板または前記第２基板のエッチングにより当該基板に形成された膜の一部とされていることを特徴とする請求項１記載の干渉計。 - 前記基板がシリコン製であることを特徴とする請求項４または５記載の干渉計。
- 前記制御電極が、該制御電極が取り付けられたミラーの反射領域の両サイドに形成されていることを特徴とする請求項１記載の干渉計。
- 前記移動可能とされたミラーは、中央反射領域と、前記制御電極または前記浮遊電極が取り付けられている側方領域と、を備えていることを特徴とする請求項１記載の干渉計。
- 前記制御電極が、金属成膜から構成されていることを特徴とする請求項１記載の干渉計。
- 前記制御電極には、電気的コンタクトが直接的に形成されていることを特徴とする請求項１記載の干渉計。
- 前記反射領域が、円形形状とされていることを特徴とする請求項７または８記載の干渉計。
- 共鳴キャビティの長さを変えることができるファブリペロット形干渉計の製造方法であって、
−第１ミラーと該第１ミラーに取り付けられた浮遊電極とを備えた第１アセンブリを形成するステージと、
−反射領域を有した第２ミラーと該第２ミラーに取り付けられた第１および第２制御電極とを備えた第２アセンブリを形成するステージと、
−前記第１アセンブリおよび前記第２アセンブリを組み合わせることによって、前記第１および第２ミラーによって画定され長さがｄとされた共鳴キャビティを形成するステージと、
を具備してなり、
前記第１アセンブリを形成する前記ステージおよび前記第２アセンブリを形成する前記ステージにおいては、前記第１および第２ミラーのうちの一方を固定されたミラーとして形成し、かつ、前記第１および第２ミラーのうちの他方を移動可能なミラーとして形成し、
前記制御電極どうしの間に電圧を印加することにより、前記移動可能なミラーの前記反射領域を、前記固定されたミラーに対して変位させ、それにより、前記共鳴キャビティの長さを変え得るようになっていることを特徴とする方法。 - 前記浮遊電極および該浮遊電極が取り付けられたミラーを、第１基板の表面上に形成することを特徴とする請求項１２記載の方法。
- 前記基板がシリコン製であり、前記浮遊電極を、前記基板のドーピングによって形成することを特徴とする請求項１３記載の方法。
- 前記第１アセンブリを形成する前記ステージの直後に、前記第１ミラーに対して、前記固定されたミラーおよび前記移動可能とされたミラーを休止状態において距離ｄに維持するための手段を設けるというステージを適用することを特徴とする請求項１２または１３記載の方法。
- 前記固定されたミラーおよび前記移動可能とされたミラーを距離ｄに維持するための前記手段が、係止体であることを特徴とする請求項１５記載の方法。
- 前記固定されたミラーおよび前記移動可能とされたミラーを休止状態において距離ｄに維持するための前記手段が、エッチングにより得られていることを特徴とする請求項１５記載の方法。
- 前記第１アセンブリを形成する前記ステージの直後に、さらに、側方キャビティをエッチングによって前記第１アセンブリの両側方位置において、前記第１アセンブリのうちの前記浮遊電極が形成されている面において開口しているようにして、形成するというステージを具備することを特徴とする請求項１３記載の方法。
- 前記第２ミラーおよび前記第１および第２制御電極を、第２基板の表面上に形成することを特徴とする請求項１２記載の方法。
- 前記第２ミラーは、移動可能なミラーとされ、前記第２基板のエッチングによりこの第２基板に形成された膜の一部とされていることを特徴とする請求項１９記載の方法。
- 前記制御電極を、前記第２ミラーを電気メッキすることにより形成することを特徴とする請求項１２記載の方法。
- 前記第２アセンブリを形成する前記ステージの直後に、前記第１および第２制御電極の金属コンタクトを形成するという付加的なステージを具備することを特徴とする請求項１９記載の方法。
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