JP4794092B2 - 光学memsコンポーネントの製造方法 - Google Patents
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Description
【発明の属する技術分野】
本発明は、光学MEMSコンポーネントの製造方法に関する。
【0002】
【従来の技術】
受動光学コンポーネントは、MEMS/MOEMS(微小電気機械システム/微小光学電気機械システム:micro-electromechanical systems/micro-opto-electromechanical systems)の形態における光信号のリファイン及び最適化において、重要な役割を果たすことができる。光信号が変調されるとともに光学モードの品質がシステムの性能と一体である、プリントやレーザスキャン操作、データ通信における光の質的特性を制御するために、受動光学デバイスが頻繁に用いられる。故に、光学MEMS/MOEMSシステムに用いる受動光学デバイスを提供する必要がある。
【0003】
【発明が解決しようとする課題】
応力が制御されていないと、MEMSコンポーネントに湾曲やバックリングを生じることがあるので、MEMSにおいては、応力の制御が重要である。しかし、MEMSに関しては、応力制御能力を用いて、望ましい効果を得ることができる。応力勾配材料を用いて、応力の解放を制御して、三次元構造を作ることができる。薄膜の応力を制御して、MEMSコンポーネントの光学面を正確に形成することが可能である。例えば、張力又は応力勾配材料を用いて、MEMS/MOEMSに用いるための、円筒形及び球形のMEMSミラーや調整可能なMEMS回折格子を作ることができる。用途としては、光通信、ビーム走査、及び分光学の領域が含まれる。
【0004】
【課題を解決するための手段】
本発明の第1の態様は、応力薄膜を有する成形された光学MEMSコンポーネントの製造方法であって、面を有する基体を設けるステップと、前記面上に犠牲層を付着させるステップと、前記光学MEMSコンポーネントを画定するために前記犠牲層上にリフトオフマスクを配置するステップと、前記犠牲層上に金属層を、当該金属層の一方の側の圧縮力から当該金属層の他方の側の張力まで変化する厚さ方向の固有の圧力勾配を有するように、付着させるステップと、前記金属層上に反射層を形成するステップと、前記リフトオフマスク及び該リフトオフマスク上に存在する前記金属層の一部分を除去するステップと、前記光学MEMSコンポーネント上にミラーを作るために、残った前記金属層の第1の部分の下に配置された前記犠牲層の部分をエッチングすることにより当該残った金属層の第1の部分を開放するステップであって、前記固有の圧力勾配により当該第1の部分が曲げられて、前記金属層の当該第1の部分の前記反射層が曲げられる、当該ステップと、を有する、光学MEMSコンポーネントの製造方法である。
本発明の第2の態様は、第1の態様において、前記曲げられた反射層は、球状ミラーか又は円筒形ミラーであることを特徴とする。
本発明の第3の態様は、第1の態様において、前記金属層を付着させるステップは、前記金属層を形成するため各々異なる固有のストレスを有する複数のMoCr層を付着させるステップを更に備えたことを特徴とする。
【0005】
【発明の実施の形態】
光通信などの用途のために、円筒形反射ミラーを用いて、拡散光を一本の線に集束させることができる。図1及び図2は、本発明による円筒形反射ミラー100用のMEMS構造の一実施形態を示している。円筒形反射ミラー100を作るには、ポリシリコンの付着及びエッチングを含む従来の表面(平面)MEMS設計及び製造法を用いてもよく、又は、SOI(silicon-on-insulator)ウエハ材料を、パターンを画定するための従来のリソグラフィ工程と共に用いてもよい。
【0006】
応力勾配層110は、一般的に、約500nm〜1000nmの厚さを有し、一般的に、MoCrを、後で示す表1に記載されているように蒸着して作られる。応力勾配層110は、例えばポリシリコン、又はSOIウエハ材料を用いる場合には単結晶デバイス層のいずれかである、構造層530の上に蒸着される。応力勾配層110は、厚さ方向に、層110の一方の側から構造層530と隣接する他方の側に向かって圧縮力から張力へと変化する、固有の応力勾配を有する。応力勾配は、3.0Gpa以上と大きくすることができる。構造層530が基体510から解放されると(図12参照)、応力勾配層110の応力勾配により、解放された構造層530は湾曲する(図2参照)。
【0007】
構造層530の下には、円筒形反射ミラー100が共通軸に垂直な方向に湾曲するのを防止するための、共通軸に平行であり且つ約40μm離間された複数の補強はり(梁)130が存在する。補強はり130の一般的な寸法は、幅が約10μmであり、高さが約5μm以下である。円筒形反射ミラー100の一般的な寸法は、約200μm×250μmである。
【0008】
円筒形反射ミラー100の光学反射特性を高めるために、一般的にアルミニウム又は金でできている反射層140が、加熱蒸着又はRFスパッタリング技術のいずれかにより、応力勾配層110の上に、約200〜500nmの厚さに蒸着される。円筒形反射ミラー100の平面度は、応力勾配層110及び反射層140を蒸着する前に構造層530を化学的及び機械的に研磨することで得られる。尚、SOIウエハを用いる場合には研磨の必要はない。円筒形反射ミラー100の曲率は、応力勾配層110の応力勾配及び構造層530の厚さによって決定される。応力勾配層110の応力勾配を増し、構造層530の厚さを減らすと、円筒形反射ミラー100の曲率が増す。構造層530の厚さが約100nm未満の場合に生じる構造層530における円筒形反射ミラー100への応力の伝達を回避しつつ、必要な機械的支持を与えるための、構造層530の一般的な厚さは、約100nmである。構造層530の厚さが約100nm未満の場合には、円筒形反射ミラー100に、許容できないレベルの異方性の応力が存在する。厚さが約100nmを越え且つ500nm未満の場合には、異方性応力は大きくなく、このように厚さを増しても、依然として、円筒形反射ミラー100を適切に曲げることができる。
【0009】
図3には、本発明による円筒形反射ミラー100の一実施形態が示されている。円筒形反射ミラー100は、トーションバー220に支持されている。円筒形反射ミラー100の角度位置は、スライド式アクチュエータ210を用いて、又は、デインマンら(M. J. Daneman et al.)の「光学コンポーネントの配置用のリニア微振動モータ(Linear Microvibromotor for Positioning Optical Components)」(IEEE J. MEMs, vol. 5, no. 3, pp. 159-165,1996年9月、)に記載されているような静電気的に駆動されるコームドライブアクチュエータ(図示せず)によって調整できる。
【0010】
MEMS球形ミラーは光を二次元に集束させることができ、例えば、最適な結果を得るために光ビームを集束して光の強度を増す、ビーム走査や分光学等の用途に望ましい。金属薄膜の応力を制御することができれば、半球形の反射面が得られる。犠牲層520でコーティングされた基体510(図16参照)の上に、一般的にMoCrであり制御された応力勾配を有する応力勾配層110が蒸着される。本発明による一実施形態では、図4は、球形ミラー320用の金属パターン310及び、一般的に約400μm×400μmの寸法を有する解放窓315を示している。図5は、基体510から解放された、一般的に約175μmの半径を有する球形ミラー320を示している。球形ミラー320の表面は、一般的に、加熱蒸着又はRFスパッタリング技術のいずれかによってアルミニウム又は金の反射層でコーティングされている。犠牲層520は解放窓315を介してエッチングされ、それによって金属パターン310が解放されて立ち上がり、球形ミラー320が形成される。単一のカンチレバー325が、球形ミラー320を基体510に固定している。金属パターン310(図4参照)は、解放されると、二軸性の応力の存在により球面となる。
【0011】
立ち上がりの量及び、得られる曲率半径は、米国特許第5,914,218号に開示されているような、従来のマイクロスプリングの設計法を用いて設計することができる。例えば、パターン310に対して、厚さ約500nm、内部応力勾配約3.0Gpaの応力勾配層110をMoCrで形成するためのスパッタリング条件を、下の表1に示す。
【表1】
【0012】
円筒形反射ミラー100及び調整可能回折格子薄膜構造410用の応力勾配層110のスパッタリング条件も、表1の記載の通りである。
【0013】
立ち上がりが、単一のカンチレバー325が基体390から数十ミクロン上に持ち上げられる程度である場合は、球形ミラー320のカンチレバー325の下の犠牲層520(図17参照)の下に埋め込まれた金属接点(図示せず)を用いて球形ミラー320を静電気的に動かすことができる。静電気的に動かすことで、カンチレバーの角度の正確な調整が可能になると共に、位置が移動する又は調整できる光源からの光が集められる用途において、任意に、球形ミラー320を光路から移動させることができる。SOIデバイス層を用いた場合、球形ミラー320の厚さは、一般的に、2〜3μm又は5〜10μmである。
【0014】
球形ミラー320の充填比及び反射率を、本発明による一実施形態の球形ミラー320の花弁状部分321の間にウェビング(図示せず)を挿入することによって高めてもよい。応力勾配層110の蒸着の前に、固有の応力を有していない誘電層又は金属層を蒸着し、標準的なリソグラフィ技術を用いてパターニングする。次に、この誘電層又は金属層にドライエッチング又はウェットエッチングを施して、形状を定める。このウェビング層は、応力勾配層110の金属パターン310と同時に解放され、金属パターン310が解放された際の応力の緩和によって、球形に変形される。
【0015】
MEMS調整可能回折格子は、分光光度計用の用途を有する。図6は、本発明の一実施形態による調整可能回折格子薄膜構造410を示している。基体510上に付着されたアモルファスシリコン又はポリシリコン層920の上に、一般的に500〜1000nmの厚さの応力勾配層110が蒸着される。パターニングされたアモルファスシリコン又はポリシリコン層920を解放すると、層920は、応力勾配層110の応力によって上向きにカールし、回折格子薄膜構造410を形成する。基体510と各回折格子薄膜945の間に約100ボルトを越えるバイアス電圧を印加することにより、回折格子の角度415を調整できる。例えば49%フッ化水素酸での時間制御によるエッチングにより誘電層520を除去すると、各回折格子薄膜は解放された際に上向きにカールする。
【0016】
式(1)は回折格子の格子条件式である。
a sinθm=mλ (1)
式中、aは回折格子のピッチであり、光は回折格子に直角に入射するものとする。本発明による一実施形態では、例えば、a=3μm及びλ=670nmとすると、一次回折角度θ1=12.9°及び二次回折角度θ2=26.5°となる。回折格子角度415が13.25°に調整されると、回折格子の正反射率は二次回折に一致する。回折格子角度415を6.45°に調整すると、正反射率は一次回折に一致する。
【0017】
図7〜図12は、本発明の一実施形態による円筒形ミラー100の製造工程を示している。図7は、バルクシリコン基体510を示す。図8は、シリコン基体510上の犠牲層520の、一般的にスパッタリング又はプラズマ化学蒸着法(PECVD)のいずれかによる蒸着及びパターニングを示す。犠牲層520の一般的な組成はSiO2であるが、バルクシリコン基体510にSOIを用いない場合は、Si3N4等の他の材料を用いても良い。補強ビーム130を作るために、犠牲層520上にマスク610が配置される。図9は、45%KOH(水酸化カリウム)溶液でエッチングした後のシリコン基体510を示す。図10は、犠牲層525及びポリシリコン層530の蒸着を示す。ポリシリコン層530上に、図14に示されているリフトオフマスク620が配置される。リフトオフマスク620の開口した中央部は、リフトオフマスク620が除去された際に、例えばMoCr層である応力勾配層110がシリコン基体510上に残る場所を示す。図11は、上記の表1に記載されているMoCr層110の蒸着を示す。最後に、図12は、SiO2犠牲層520及び525を除去するために49%HF(フッ化水素酸)ウェットエッチングを用いた、層530の解放を示す。層530を解放すると、円筒形ミラー100が解放される。
【0018】
図15〜図19は、本発明の一実施形態による球形ミラー320の製造工程を示している。図15は、バルクシリコン基体510を示す。図16に示されるように、シリコン基体510上に、一般的にSiO2である犠牲層520が蒸着される。図20には、フォトレジストリフトオフマスク710の平面図が示されている。図17に示されるように、フォトレジストリフトオフマスク710を用いてシリコン基体510がパターニングされると、次に、一般的にMoCrである応力勾配層110が表1に記載されているように蒸着される。続いて、アセトン浸漬リフトオフ処理で、リフトオフマスク710が、応力勾配層110の余分なMoCrと共に除去される。最後に、スピン−オン技術を用いて、図21に平面図で示されているフォトレジストマスク720が、応力勾配層110の解放されない部分を覆うように応力勾配層110上に付着される。応力勾配層110の露出された領域は、49%HF(フッ化水素酸)ウェットエッチングを用いて犠牲層520を除去することで、解放される。球形ミラー320を解放するためのHFエッチングの持続時間は、一般的に約15分間である。フォトレジストマスク720により、球形ミラー320の花弁状部分321をアンダーエッチングしつつ、球形ミラー320の残りの部分をエッチングから保護することができる。上述したように、花弁状部分321の間にウェビング材料を導入することにより、球形ミラー320の効率を高めてもよい。
【0019】
図21〜図27は、本発明の一実施形態による調整可能回折格子薄膜構造410の製造工程を示している。図21に示されるように、ガラス又はバルクシリコン基体510上に、犠牲層520が約5μmの厚さに蒸着される。犠牲層520は一般的にSiO2であるが、例えば窒化シリコン(Si3N4)又は酸化窒化シリコン(SiONX)であってもよい。図23に示されるように、犠牲層520は、マスク999(図28参照)を用いた標準的なリソグラフィを用いて、個々の回折格子988の固定位置950を露出するためにパターニングされる。図24に示されるように、化学蒸着法を用いて、犠牲層520上にポリシリコン又はアモルファスシリコン層920が付着される。ポリシリコン又はアモルファスシリコン層920は、個々の回折格子薄膜945に対する機械的支持層として機能する。層920は図28に示されたマスク999を用いてパターニングされ、露出部分はドライエッチングを施されて犠牲層520が部分的に露出され、図25に示されるように、ポリシリコン層920内の個々の回折格子945が画定される。MoCrリフトオフ処理のために、層920は標準的なリソグラフィを用いて再びパターニングされる。図26に示されるように、表1に記載されている処理を用いてMoCr層110が蒸着され、リフトオフ処理で過剰なレジストが除去されると、個々の回折格子988上だけにMoCr層110が残る。一般的に49%フッ化水素酸であるウェットエッチング液を用いて、犠牲層520が除去される。図27に示されるように、一般的に100μmの長さを有する個々の回折格子薄膜945が基体510に固定された状態で残り、図4に示されるように回折格子薄膜945が上向きにカールする。
【0020】
図29〜図33は、本発明の一実施形態による球形ミラー320の製造工程を示している。図29は、製造の開始点として、単結晶シリコン(SCS)層1120を有する、絶縁体上シリコン(SOI)ウエハ1100を示す。先に述べたように、SOIウエハ1100を、本発明に従ったシリコン基体510の代わりに用いてもよい。市販のSOIウエハ1100を用いることで処理工程の数が減るとともに、ポリシリコン材料よりも高い光学的及び機械的品質を備えるSCS層1120が与えられる。単結晶シリコン(SCS)層1120の厚さは一般的に100nmであり、犠牲層520の厚さは一般的に2μmである。図30は、マスク710(図20参照)の写真ネガ及びエッチング液を用いた、SCS層1120のリソグラフィパターニングを示す。図31に示されるように、次のSCS層1120のエッチングでは、SCS層1120上にフォトレジストマスク710(図20参照)が配置され、応力勾配層110が表1に記載されているように蒸着される。次に、アセトン溶媒を用いたリフトオフ処理で、応力勾配層110の不要な部分が除去される。最後に、図32に示されるように、スピン−オン技術を用いて、図21に平面図が示されているフォトレジストマスクが、応力勾配層110の解放されない部分を覆うように、応力勾配層110上に配置される。図33に示されるように、応力勾配層110の露出されている領域は、49%HF(フッ化水素酸)ウェットエッチングを用いて犠牲層520を除去することで、解放される。球形ミラー320を解放するためのHFエッチングの持続時間は、一般的に約15分間である。フォトレジストマスク720により、球形ミラー320の花弁状部分321(図5参照)をアンダーエッチングしつつ、球形ミラー320の残りの部分をエッチングから保護することができる。ここでも、上述したように、花弁状部分321の間にウェビング材料を導入することにより、球形ミラー320の効率を高めてもよい。
【図面の簡単な説明】
【図1】本発明による円筒形MEMSミラーの一実施形態を示す図である。
【図2】本発明による円筒形MEMSミラーの一実施形態を示す図である。
【図3】本発明による円筒形MEMSミラーの一実施形態を示す図である。
【図4】本発明による一実施形態における球形MEMSミラーの金属パターンを示す図である。
【図5】本発明による球形MEMSミラーの一実施形態を示す図である。
【図6】本発明によるMEMS回折格子の一実施形態を示す図である。
【図7】本発明による円筒形MEMSミラーの一実施形態の製造工程の一部を示す図である。
【図8】本発明による円筒形MEMSミラーの一実施形態の製造工程の一部を示す図である。
【図9】本発明による円筒形MEMSミラーの一実施形態の製造工程の一部を示す図である。
【図10】本発明による円筒形MEMSミラーの一実施形態の製造工程の一部を示す図である。
【図11】本発明による円筒形MEMSミラーの一実施形態の製造工程の一部を示す図である。
【図12】本発明による円筒形MEMSミラーの一実施形態の製造工程の一部を示す図である。
【図13】図8に示される工程で用いられるマスクを示す図である。
【図14】図10に示される工程で配置されるリフトオフマスクを示す図である。
【図15】本発明による球形MEMSミラーの一実施形態の製造工程の一部を示す図である。
【図16】本発明による球形MEMSミラーの一実施形態の製造工程の一部を示す図である。
【図17】本発明による球形MEMSミラーの一実施形態の製造工程の一部を示す図である。
【図18】本発明による球形MEMSミラーの一実施形態の製造工程の一部を示す図である。
【図19】本発明による球形MEMSミラーの一実施形態の製造工程の一部を示す図である。
【図20】図16に示される工程で配置されるリフトオフマスクを示す図である。
【図21】図18に示される工程で配置されるリフトオフマスクを示す図である。
【図22】本発明によるMEMS回折格子の一実施形態の製造工程の一部を示す図である。
【図23】本発明によるMEMS回折格子の一実施形態の製造工程の一部を示す図である。
【図24】本発明によるMEMS回折格子の一実施形態の製造工程の一部を示す図である。
【図25】本発明によるMEMS回折格子の一実施形態の製造工程の一部を示す図である。
【図26】本発明によるMEMS回折格子の一実施形態の製造工程の一部を示す図である。
【図27】本発明によるMEMS回折格子の一実施形態の製造工程の一部を示す図である。
【図28】図25に示される工程で配置されるリフトオフマスクを示す図である。
【図29】本発明の一実施形態による球形ミラーの製造工程の一部を示す図である。
【図30】本発明の一実施形態による球形ミラーの製造工程の一部を示す図である。
【図31】本発明の一実施形態による球形ミラーの製造工程の一部を示す図である。
【図32】本発明の一実施形態による球形ミラーの製造工程の一部を示す図である。
【図33】本発明の一実施形態による球形ミラーの製造工程の一部を示す図である。
【符号の説明】
100 円筒形反射ミラー
110 応力勾配層
320 球形ミラー
410 回折格子薄膜構造
510 基体
520 犠牲層
Claims (3)
- 応力薄膜を有する成形された光学MEMSコンポーネントの製造方法であって、
面を有する基体を設けるステップと、
前記面上に犠牲層を付着させるステップと、
前記光学MEMSコンポーネントを画定するために前記犠牲層上にリフトオフマスクを配置するステップと、
前記犠牲層上に金属層を、当該金属層の一方の側の圧縮力から当該金属層の他方の側の張力まで変化する厚さ方向の固有の圧力勾配を有するように、付着させるステップと、
前記金属層上に反射層を形成するステップと、
前記リフトオフマスク及び該リフトオフマスク上に存在する前記金属層の一部分を除去するステップと、
前記光学MEMSコンポーネント上にミラーを作るために、残った前記金属層の第1の部分の下に配置された前記犠牲層の部分をエッチングすることにより当該残った金属層の第1の部分を開放するステップであって、前記固有の圧力勾配により当該第1の部分が曲げられて、前記金属層の当該第1の部分の前記反射層が曲げられる、当該ステップと、
を有する、光学MEMSコンポーネントの製造方法。 - 前記曲げられた反射層は、球状ミラーか又は円筒形ミラーであることを特徴とする請求項1に記載の光学MEMSコンポーネントの製造方法。
- 前記金属層を付着させるステップは、前記金属層を形成するため各々異なる固有のストレスを有する複数のMoCr層を付着させるステップを更に備えたことを特徴とする請求項1に記載の光学MEMSコンポーネントの製造方法。
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