JP6465145B2 - 光学デバイスおよびその製造方法 - Google Patents

Description

本発明は、光学デバイス、特に、ＭＥＭＳ（Ｍｉｃｒｏ Ｅｌｅｃｔｒｏ Ｍｅｃｈａｎｉｃａｌ Ｓｙｓｔｅｍｓ）技術で製造される走査ミラー構造体に関する。

近年、光線を反射するためのミラーは微小電気機械システム（ＭＥＭＳ）技術に基づいて開発されている。走査ミラーでは、反射の方向は時間の関数として変動させることができる。走査ミラーは、一定範囲にわたる一次元または二次元の方向に光線を導くことができ、さらに、十分な角度精度および解像度で一定範囲の方向から光を集めるために用いられてもよい。角度範囲にわたる走査の動作は、ミラーをある角度に傾け、時間の関数としてこの角度を変動させることにより達成される。多くの場合、傾斜の変動は、周期的または揺動的に行われる。そのような走査ミラーの用途はいくつかあり、例えば、コードスキャナ、走査ディスプレイ、レーザー測距、および撮像センサ（ライダー）などに適用される。

一般的に、ＭＥＭＳミラーは、頂面にミラーコーティングが施されたシリコン板、懸架するためのシリコン柱、および反射シリコン板が１軸または２軸の傾斜動作を行うための駆動構造を有する。圧電気駆動および静電気駆動のいずれも既知の用途に用いられている。

上記の駆動方法のいずれにおいても、得られた力は、駆動電圧をそのまま利用して適切な振り幅を生成するには小さすぎる傾向にある。そのため、所望の大きな傾斜角を得るためには、共振モードで動作させる必要がある。共振モードでの動作では、気体による減衰を最小限にするために周囲圧力を低くする必要がある。すなわち、ミラーを気密封止して低圧な状態にパッケージする必要があるということである。ミラーの反射面が腐食しないようにするため、気密性のキャッピングも重要である。

コスト、寸法、および製造性の観点から、ＭＥＭＳデバイスには、現時点ではウエハレベルパッケージが好ましい。ウエハレベルパッケージは、ジャイロスコープおよびタイミング共振器のように、共振するＭＥＭＳデバイスを大量生産するために広く用いられる。
しかしながら、ＭＥＭＳミラーにはウエハレベルパッケージのために次のようないくつかの特別な条件が必要になる。ミラーを保護する要素は、好適な光学的特性を提供するものが必要であり、パッケージは、ミラーの傾斜動作の垂直方向の遊びとして十分な空間を提供するものである必要がある。

図１は、従来のウエハレベルでパッケージされたＭＥＭＳミラー要素を示す（非特許文献１参照）。図１に示されるように、可動ミラー要素１００およびそれを駆動させるための要素は、ＳＯＩウエハの表面および背面をエッチングすることによって、ＳＯＩウエハ１０２から形成されてもよい。次に、ＳＯＩウエハは、ガラスキャップウエハ１０４および１０６の側壁にガラスフリットにより接合されてもよい。図１に示されるガラスキャップウエハ１０４および１０６は、ＭＥＭＳミラーパッケージを気密封止するための簡単な解決策である。しかしながら、ガラスキャップの平面部または平坦部１０８には、ミラー要素の垂直方向の必要な遊びとしての空間を提供するためにスペーサ部１１０も必要である。実際には、必要とする間隔距離は、数百マイクロメートルまであってもよい。

スペーサ部１１０は、従来、光学窓を提供する板ガラスウエハに接合したスペーサウエハから形成される。しかしながら、この方法では、２以上の接合界面を形成する必要があり、場合によっては２以上の接合技術を用いなければならないため、ウエハの封入のためのコストおよび複雑度が上昇する。例えば、板ガラスウエハをシリコンスペーサーウエハに陽極接合することが可能であるとしても、このシリコンスペーサーウエハをＳＯＩウエハのシリコンウエハに接合するための何らかの他の技術が必要であろう。

あるいは、スペーサ部１１０は板ガラスのキャップウエハに窪みをエッチングすることにより形成されてもよい。しかしながら、考えられる用途の多くにとって、そのようなガラスキャップの光学的品質は不十分である。窪みの奥までエッチングすることによって、光学的な用途に適した滑らかな表面を作製することが非常に困難であることは周知である。一般的に、エッチングされたガラスの表面は粗く、平面ではないため、光を分散させたり不要に屈折させたりすることで光損失を招く。

図１に示される解決策では、高温でガラスキャップウエハを軟化させることで所望の外形および空隙を成形することにより、光損失を防ぐ。これはウエハ接合の観点からふさわしい解決策であるかもしれないが、そのように成形されたガラスの製造は、比較的複雑で高価なプロセスになる。そのプロセスには、まず、ガラスを犠牲シリコンウエハに接合し、熱成形後にこの犠牲シリコンウエハをエッチングにより取り除くことが含まれる。したがって、このプロセスに必要なウエハの総数は、追加のスペーサウエハを利用する場合と同じである。すなわち、このプロセスでは材料費の節約が実現できない。また、ガラスを軟化させるための高温によりガラスが結晶化し、それにより光学的特性が低下するリスクもある。

Ｒｅｓｏｎａｎｔ ｂｉａｘｉａｌ ７−ｍｍ ＭＥＭＳ ｍｉｒｒｏｒ ｆｏｒ ｏｍｎｉｄｉｒｅｃｔｉｏｎａｌ ｓｃａｎｎｉｎｇ」、Ｊｏｕｒｎａｌ ｏｆ Ｍｉｃｒｏ／Ｎａｎｏｌｉｔｏｇｒａｈｙ、ＭＥＭＳ ａｎｄ ＭＯＥＭＳ、Ｊａｎ−Ｍａｒ ２０１４／Ｖｏｌ．１３（１）

本発明は、製造が容易であり、なおかつ走査ミラーにとして優れた光学的キャッピング特性を有するデバイスを提供することを目的とする。本発明のこの目的および他の目的は、独立請求項に記載の光学デバイスおよび光学デバイスの製造方法によって実現される。

本発明の実施形態は、可動ミラー部を備える光学デバイスを含む。前記光学デバイスは、少なくとも一方の面に第１平面を有するガラスウエハと、導電性材料の第１層と、導電性材料の第２層と、前記第１層および前記第２層の間に絶縁性材料の第３層とを含むパッケージを有し、前記第１層は、前記第３層に背向する第１面を有し、前記第２層は、前記第３層に対向する第２面を有するミラーウエハと、前記可動ミラー部を懸架する懸架ばね構造体であって、前記可動ミラー部および前記懸架ばね構造体は、前記ミラーウエハの第２層から作られる懸架ばね構造体と、前記ミラーウエハの前記第１層の前記第１面から延在して少なくとも前記第１層を貫通し、前記第１面において第２平面によって画定される第２空隙と、前記第２層の前記第２面の表面で前記第２空隙の奥の前記可動ミラー部によって保持された反射層と、第３面および第４面を有するキャップウエハであって、前記キャップウエハの前記第４面から前記キャップウエハ内に入り込むように延在する第１空隙を含むキャップウエハと、前記懸架ばね構造体上の、前記第２層の前記第２面に背向する面に作製された圧電駆動要素とを有する。前記キャップウエハは、前記第３面が前記ミラーウエハに背向し、前記第４面は、前記ミラーウエハの前記第２層に対向するようにミラーウエハに接合される。前記ガラスウエハは、前記ガラスウエハの前記第１平面が前記第２空隙の全体を覆う平面として延在し、前記第１平面が前記第２平面に接触して接合されるように前記ミラーウエハに接合される。前記可動ミラー部および前記懸架ばね構造体を封止する気密空間は、前記ガラスウエハの前記第１平面と前記キャップウエハの前記第１空隙の奥にある面との間に延在し、前記圧電駆動要素は、導電接続を通じて受信した電気信号に応じて前記可動ミラー部を駆動し、前記導電接続は、前記キャップウエハの第３面から接触可能な電気接触要素、および前記キャップウエハを貫通して延在する導電性ビアを含み、前記圧電駆動要素は、前記第２層の前記圧電駆動要素と同じ面に作製された配線によって前記導電性ビアに電気的に接続される。

本発明の実施形態は、ミラーウエハ、キャップウエハ、およびガラスウエハから光学デバイスを製造する方法も含む。前記ミラーウエハは、導電性材料の第１層と、導電性材料の第２層と、前記第１層および前記第２層の間に絶縁性材料の第３層とを含む層パッケージであり、前記第１層は、前記第３層に背向する第１面を有し、前記第２層は、前記第３層に対向する第２面を有し、前記キャップウエハは、互いに対向する第３面および第４面を有し、前記ガラスウエハは、前記ガラスウエハの少なくとも一方の面に第１平面を有する。前記方法は、前記キャップウエハに、前記第４面から前記キャップウエハに入り込むように延在する第１空隙を作製するステップと、前記ミラーウエハの前記第１層の中に、第１面において第２平面によって画定される第２空隙を作製するステップと、前記ミラーウエハの前記第２層に、前記第２層の前記第２面に反射層を有する可動ミラー部と、懸架ばね構造体とを作製するステップと、前記ミラーウエハの前記第２層に、導電接続を通じて受信された電気信号に応じて前記可動ミラー部を駆動させる電気駆動要素と、前記電気駆動要素を前記導電接続に接続するための配線とを作製するステップと、前記キャップウエハを、前記第４面が前記第２層に対向するように前記ミラーウエハに接合し、前記ガラスウエハを、前記ガラスウエハの前記第１平面が前記第２空隙の全体を覆う平面として延在し、かつ前記第２平面に接触して接合されるように前記ミラーウエハに接合することで、前記ガラスウエハの前記第１平面と前記キャップウエハ内の前記第１空隙の奥にある面との間に延在し、前記可動ミラー部を封止する気密空間を形成するステップとを含む。

組み合わせたウエハおよびウエハ構造体の特定の配向により、予め処理されて高品質に仕上げられたガラスウエハの表面を走査ミラーの光学窓として用いることができるウエハパッケージを提供することが可能である。光学窓側にミラー部の垂直方向の遊びのための空間を設けるための複雑な処理工程は必要なく、光学窓として良好な光学的品質が非常に容易に得られる。

さらに得られる発明の効果は、以下の実施形態においてより詳細に説明する。

以下、添付の図面を参照し、本発明の好ましい実施形態と関連して、本発明をより詳細に説明する。
図１は、従来のウエハレベルパッケージされたＭＥＭＳミラー要素を示す図である。 図２は、光学デバイス構造体の断面図である。 図３は、図２の構造体の傾斜している状態を示す図である。 図４は、光学デバイス構造体の別の実施形態を示す図である。 図５は、反射層の別の実施例を示す図である。 図６は、誘電体積層体の一使用例を示す図である。 図７は、誘電体積層体の別の使用例を示す図である。 図８は、誘電体積層体のさらに別の使用例を示す図である。 図９−１は、光学デバイスの製造方法の一実施形態を示す図である。 図９−２は、光学デバイスの製造方法の一実施形態を示す図である。 図９−３は、光学デバイスの製造方法の一実施形態を示す図である。

以下の各実施形態は例示である。本明細書では、「一（ａｎ）」実施形態、「１つの（ｏｎｅ）」実施形態、または「いくつかの（ｓｏｍｅ）」実施形態を参照している場合があるが、そのような各参照は、必ずしも同じ１つ又は複数の実施形態に対するものであること、または、その特徴が単一の実施形態のみに適用されることを意味するものではない。異なる実施形態の特徴を組み合わせて、別の実施形態としてもよい。

以下、本発明の特徴について、本発明の様々な実施形態を実現することができるデバイス構造の簡単な一例を用いて説明する。実施形態の説明に関連する要素のみを詳細に説明する。当業者に一般的に知られている微小電気機械光学デバイスの様々な実装については、本明細書で具体的には説明しない場合がある。

図２は、ミラーウエハ２００と、キャップウエハ２４０と、ガラスウエハ２６０とを接合させたパッケージを備える光学デバイスの実施形態を図示するデバイス構造体の断面図である。

ミラーウエハ２００は、導電性材料の第１層２０２と、導電性材料の第２層２０４と、第１層および第２層の間に絶縁性材料の第３層２０６とを含むパッケージを有する。ミラーウエハは、シリコンオンインシュレータ（ＳＯＩ）ウエハのように層状の固体構造体から製造されてもよい。ＳＯＩウエハは、一般的に、ハンドルウエハ層、埋め込み酸化膜（ＢＯＸ）層およびデバイスウエハ層を含む。ハンドルウエハ層が通常最も厚い部分であり、数百ミクロンの厚みを有する一方、デバイス層ウエハは、一般的に数十ミクロンの厚みを有する。ＢＯＸ層の厚みは、一般的に、数分の１ミクロンから数ミクロンの厚みまでの範囲である。ＢＯＸ層は、ハンドルウエハ層またはデバイスウエハ層のいずれかに積層されてもよく、２片のシリコンを、ＢＯＸ層を介在させてデバイスウエハ層とハンドルウエハ層とを電気的に分離するように接合してもよい。通常、電気機械的特性を有する構造体は、デバイス層内に、および／またはデバイス層を貫通するよう溝をエッチングすることにより、ＳＯＩウエハのデバイス層に作製される。これらの構造体の駆動およびその動きの検知のために、圧電薄膜を、デバイス層上に積層してパターニングしてもよい。選択されたＭＥＭＳ構造体をＢＯＸ層からも機械的に分離するために、ＢＯＸ層の犠牲エッチングを行うことができる。

上記のとおり、可動ミラー部２１０および懸架ばね構造体２１２を備えるミラー要素２０８は、ミラーウエハの第２層２０４から作られてもよい。懸架ばね構造体２１２は、第２層の材料をエッチングすることにより形成され、ミラー部の動きに応じてスプリングとして機能するために求められる剛性および弾性を併せ持つような構造を有してもよい。懸架ばね構造体２１２は、第２層２０４の静止部位にミラー部２１０を結合してもよく、この静止部位はミラーウエハの他の層に接合されるが、懸架ばね構造体２１２がミラー部の静止部位に対する制御された動きを可能にしている。ミラー部２１０も第２層の材料からエッチングされてもよい。

ミラー部２１０は、反射層２１４を保持してもよい。ここで、保持するという用語は、反射層２１４はミラー部の一部であるか、またはミラー部に機械的に一体化あるいは固定されているため、ミラー部とともに、かつミラー部の動きに伴って動くことを意味する。ミラーウエハ２００において、第１層２０２が第３層２０６に背向する第１面２１６を有し、第２層２０４は、第３層２０６に対向する第２面２１８を有すると定義する。反射層２１４は、ミラーウエハ２００の第２層２０４の第２面２１８側の表面にある。図２の例示的な構造において、ミラー部２１０および懸架ばね構造体２１２は、第３層２０６からもエッチングによって分離される。

電気駆動要素２２０は、ミラー要素２０８に結合され、電気エネルギーをミラー部２１０の機械的エネルギー（動き）に変換する電気機械変換器を備えてもよい。電気駆動要素は電気エネルギー源に接続され、導電接続を通じて電気エネルギー源から受信した電気信号に応じてミラー部を駆動させてもよい。電気駆動要素は、容量性変換、静電気変換、または圧電気変換を行ってもよい。図２の例示的な構成においては、制御可能にミラーの動きを駆動する複数の圧電要素が示される。圧電要素は、圧電材料の１以上の層を、ミラー部２１０の反射層２１４の面に背向する第２層の他方の面上に堆積して、パターニングすることにより形成されてもよい。

電気駆動要素２２０は、配線２２２で電気エネルギー源に結合されてもよく、配線２２２は、ミラーウエハの構造体内、またはミラーウエハの構造体上に作製されてもよい。ミラーウエハ側から電気接続のために配線２２２に接続してもよい。図２の例示的な構造においては、配線２２２は、ミラーウエハの第２面２１８に背向する第２層の面に作製される。したがって、配線２２２は、配線２２２に覆いかぶさるキャップウエハ２４０の導電性構造体を通じて電気接続に接続することが可能である。しかしながら、他の方法で配線２２２に導電接続を提供してもよい。例えば、キャップウエハはミラーウエハより小さくてもよく、導電接続は、ミラーウエハにおいてキャップウエハに覆われていない表面を走る複数の接触子を介して配線２２２に提供されてもよい。

キャップウエハ２４０はミラーウエハ２００に接合されてもよい。キャップウエハ２４０は、ミラーウエハ２００に背向する第３面２４２と、ミラーウエハ２００の第２層２０４に対向して接合される第４面２４４とを有すると定義する。さらにウエハの各平面は、図２において、ＸおよびＹで示す水平方向に沿って延在すると定義し、これらの水平方向に直交する方向は垂直方向であり、図２においてＺで示す。キャップウエハ２４０は、キャップウエハの第４面２４４からキャップウエハ内に入り込むよう延在する、第１空隙２４６を備えてもよい。第１空隙２４６は、走査の動きをするミラー要素の垂直方向に変位できるための空間をキャップウエハの内側に形成するために必要な大きさにしてもよい。図３は、走査サイクル中にミラー部２１０が傾斜姿勢にある図２の構造体を示す。

キャップウエハ２４０はさらに、キャップウエハの第３面２４２から接触可能な電気接触要素２４８、およびキャップウエハを貫通して延在する導電性リード２５０を含んでもよい。導電性リード２５０は、キャップウエハのシリコン材料から形成された導電性ビアであってもよく、周囲を囲むガラス充填剤によって絶縁されてもよい。しかしながら、他の種類の導電性リードを適用することも本発明の範囲内である。導電性リード２５０は、第３面の電気接触要素２４８を起点とし、キャップウエハの第４面２４４からミラーウエハの配線２２２に接続可能としてもよい。導電性リード２５０の配置は、キャップウエハとミラーウエハとを接合させるときに、電気駆動要素２２０がキャップウエハの導電性リード２５０に電気的に接続されるよう、ミラーウエハの配線２２２の位置と対応する。これにより、電気駆動要素２２０は、キャップウエハ２４０の外部から接触可能な第３面２４２の電気接触要素２４８を通じて受信された電気信号に応じて可動ミラー部２１０を駆動させることができる。

図２の例示的な実施形態において、懸架ばね構造体２１２は構造化された複数のシリコンビームスプリングを含んでもよい。ここで各スプリングの一端はミラーウエハの動かない、接着された部分に結合され、他端はミラー部２１０に結合される。懸架ばね構造体は、図１において参照した先行技術文献で利用された湾曲形状の柱を含んでもよい。あるいは、懸架ばね構造体のスプリングは、所望の走査の動きを可能にするように結合された、１以上の直線状柱または湾曲した柱の組み合わせで構成されてもよい。ミラーウエハの動かない部分とミラー部との間で制御された弾性懸架が可能であれば、種々のスプリング形状を適用することも本発明の範囲内である。

ミラーウエハ２００は、ミラーウエハの第１層２０２を貫通して延在する、第２空隙２２４を含んでもよい。そのため、反射層２１４は、第２空隙２２４経由でアクセス可能となるように露出されるミラー部２１０上に第２空隙の奥で積層される金属反射層または金属反射積層体で構成されてもよい。反射層２１４のミラー部２１０への形成は、第３層２０６を取り除いて第２層における可動部および懸架部を分離した後であり、かつ図２の例示的な実施形態に示されるようにガラスウエハ２６０およびミラーウエハ２００が接合される前に行われてもよい。あるいは、反射層２１４を第３層２０６に形成してもよいが、この場合でもガラスウエハ２６０およびミラーウエハ２００が、図２の例示的な実施形態に示されるように接合される前に形成する。

ガラスウエハ２６０は、ミラーウエハ２００の第１層２０２に対向して接合されてもよい。例えば、アルカリを含む種々のガラスは、陽極接合によってシリコンに容易に接合することが可能である。すべての種類の（アルカリか、無アルカリの）ガラスについては、周知のガラスフリットまたは金属接合技術が利用可能である。ガラスウエハ２６０は、平面状の要素であってもよい。これは、ガラスウエハの少なくとも一方の面に第１平面２６２を有してもよいことを意味する。種々のガラス材料は、広い波長領域において透過性を有し、高い光学的品質を有するよう処理された表面を提供することができる。

第２空隙２２４は、第１層の第１面２１６において第２平面２２６によって画定されてもよい、すなわち、囲まれてもよい。ガラスウエハ２６０の第１平面２６２がミラーウエハ２００の第１層２０２の第２平面２２６に対向して配置されるように、ガラスウエハ２６０はミラーウエハ２００に接合されてもよい。それによって、ガラスウエハの第１平面２６２は、第２空隙２２４の全体を覆う平面として延在し、ミラーウエハ２００の第２平面２２６に接触して接合された状態で当該平面と同じ平面に沿ってさらに延在する。その結果、ガラスウエハの第１平面２６２とキャップウエハ内の第１空隙２４６の奥にある面との間に垂直に延在して可動ミラー部２１０を封止する気密空間が形成される。

上記の構成において、第１平面２６２は、光学窓の内表面を構成するため、これによって、走査ミラー部２１０が動作するための光学窓２６４の品質が一部決定される。組み合わせたウエハおよびウエハ構造体の特定の配向により、光学窓の内表面は、予め処理されて高品質に仕上げられたガラスウエハの面で形成されてもよい。光学窓面にミラー部の垂直方向の遊びのための空間を設けるための複雑な処理工程は必要ではなく、光学窓として良好な光学的品質が非常に容易に得られる。

ガラスウエハ２６０の他方の面、つまり、高い光学的品質を有するような仕上げがなされた平面であるガラスウエハの外表面２６６、または少なくともミラー要素２０８のための光学窓２６４を構成する部分にそのような平面を含むことが好ましい。光学窓２６４での光損失をさらに最小限にするために、薄膜の反射防止光学コーティングをガラスウエハの外表面にさらに積層させてもよい。接合を行う前に、薄膜の反射防止コーティングをガラスウエハの内表面２６２にも積層させてもよい。そのような場合、接合を行う前に、当業者に一般的に知られているリソグラフィおよびエッチングの技術を用いて、コーティングを接合界面２２６から除去する必要がある。

図４は、図２および図３に示す構造体の別の実施形態を示す。図４の実施形態において、ミラー部２１０の背面は、複数の凹部４２０を含む。ここで、ミラー部の背面は、反射層に背向する、ミラーウエハの第２層２０４側である。よって、ミラー部の背面は、第２層の第２面２１８に背向し、キャップウエハ２４０の第１空隙２４６に面する。１以上の凹部４２０は、ミラーウエハ２００とキャップウエハ２４０とが接合される前に、例えばリセスエッチングによって第２層内２０４にエッチングされてもよい。他の形状の凹部も適用してもよい。比較的大きな領域のミラーが比較的薄いシリコン層から形成される場合、慣性力によってミラー部が曲げられやすい。そのため、従来、ミラー部はかなり厚いか、または薄いミラー部が厚い構造体を付加して強化される。図４に示される構造において、凹部は、ミラー部の慣性質量を低減させつつ、凹部４２０を囲む第２層の領域により構造が強化される。慣性力によるミラー部２１０の曲がりやすさが改善される。

図２、図３、および図４において、ミラー部２１０上に反射面を作製するために、反射性金属または誘電体薄膜を積層させてパターニングを行い、比較的深い第２空隙のもっとも深いところに積み重ねる必要がある。実際に適用される深さは、６５０マイクロメートルオーダであってもよく、これにはＭＥＭＳ製作のために開発された特別のパターニング技術を用いる必要がある。そのような技術には、フォトレジストのスプレーコーティングおよびインクジェッティングが含まれる。それらの技術は、商用化されているが、まだ広く用いられていない。図５は、別の実施形態を示す。この実施形態では、ミラーウエハを製造する時点で反射層がミラーウエハの第３層に含まれているため、そのような特殊処理は必要でない。例えば、図５に示されるように、反射層２１４は、接合処理の前に、または接合処理の一部としてミラーウエハの第１層のウエハまたは第２層のウエハに積層される、誘電体膜の積層体で構成されてもよい。

反射層２１４は、屈折率ｎの値の異なる複数の誘電体膜、すなわち、低ｎ（ｎＬ）を有する誘電体膜および高ｎ（ｎＨ）を有する誘電体膜の積層体を含んでもよい。積層体中の膜の厚さおよび数を慎重に選択することで、正確に選択された位相シフトによって透過した光線を互いに相殺しあうよう配置することが可能である。それによって、積層体はミラーとして機能する。この技術は様々な目的、例えば高品質のレーザミラーのための反射面を作成するために広く用いられる。積層体の設計の数学的な詳細は光学の教科書に述べられているため、当業者には周知である。簡潔にするために、詳細な説明は省略する。

反射積層体の高ｎ材料は、例えば、Ｔａ_２Ｏ_５（五酸化タンタル）、ＴｉＯ_２（二酸化チタン）、Ｎｂ_２Ｏ_５（五酸化ニオブ）およびＬａＴｉＯ_３（チタン酸ランタン）などである。反射積層体の低ｎ材料は、例えば二酸化ケイ素（ＳｉＯ_２）などである。また、アモルファスシリコンを高ｎ材料として用いることもある。

上述のように、反射層を、ハンドルウエハとＳＯＩウエハのデバイス層ウエハとの融合接合の処理中に形成してもよい。融合接合に用いられる焼ナマシ温度が１１００〜１２００℃まで上昇することがあるので、融解温度がこの温度を上回るよう誘電体材料を選択することが好ましい。いくつかの一般的に使用される材料の融点は、Ｔａ_２Ｏ_５は１，８７２℃、ＴｉＯ_２は１，８４３℃、Ｎｂ_２Ｏ_５は１，５１２℃、およびＬａＴｉＯ_３は、２０００℃より高く、ＳｉＯ２は、１，７１３℃である。

図５の例示的な実施形態において、低ｎ材料がＳｉＯ２で、高ｎ材料がＴａ２Ｏ５であると仮定する。簡潔にするために、高ｎと低ｎとペアを３組含む構造を示す。誘電体積層体を設計する方法として、光の波長をλ、膜の屈折率をｎとすると、積層体における各膜の幾何学的厚さｄの値がλ／４ｎとなるよう膜厚を選択することが考えられる。反射率が所望の値に達するまで、例えば、高ｎ／低ｎのペアが５〜１０組になるまで、フィルム層の数を増加してもよい。所望の反射率および帯域幅を有する誘電体のミラーの設計のために利用可能なソフトウエアパッケージが商用およびフリーのいずれもある。

図６および図７は、図２および図３の構成における図５の誘電体積層体の一使用例を示す。図６は、第１層（ＳＯＩウエハのハンドルウエハ）２０２と、第２層（ＳＯＩウエハのデバイス層ウエハ）２０４と、第３層２０６とを有する上述のミラーウエハ２００を示す。ここでは、ミラーウエハ２００は、第１層２０２および第２層ウエハ２０４の間の誘電体膜層で形成される。図７に示されるように、反射層２１４を形成する誘電体積層体は、第１層を貫通するようエッチングして設けられた第２空隙２２４を通して露出されてもよい。そして第３層２０６はミラー部に残されてもよく、ミラー要素の可動部分および弾性部分を第２層２０４および第３層２０６から分離するために必要な部分のみがエッチングされる。第３層のエッチングされていない部分は、第２層２０４のミラー部に保持される反射層２１４を形成する。

反射性の誘電体積層体において、高ｎ材料Ｔａ_２Ｏ_５は最上層に、つまりレーザー光線が入射する方向に配置される。しかしながら、ＴａＯ_５膜の反射率は真空下の酸素欠乏により低下する傾向があることは観察と実験により確認されている。図８に示されるように、Ｔａ_２Ｏ_５フィルムミラーコーティングの質を維持するために、非常に薄い（１ｎｍの）ＳｉＯ_２の不活性化層を反射層の最上層に配置してもよい。

図９−１〜図９−３は、光学デバイスの製造方法の一実施形態を示す。図９−１は、この方法の主要なステップを示す。最初の２つのステップ９−１１および９−１２は、基本的に互いに独立しているため、この順序は変更してもよく、または、これらのステップを並行して行ってもよい。この方法のステップの説明について、さらなる詳細は図２〜８の記述を参照してもよい。当該方法において、ミラーウエハＭＷの構造体を作製する（ステップ９−１１）。ミラーウエハＭＷは、導電性材料の第１層と、導電性材料の第２層と、第１層および第２層の間に絶縁性材料の第３層とを含む層パッケージでもよい。第１層は第３層に背向する第１面を有し、第２層は、第３層に対向する第２面を有してもよい。既製のＳＯＩウエハをこのステップで用いてもよい。または、図５〜図８で開示した誘電体の積層体を含むウエハパッケージを、この目的のために製造してもよい。

ステップ９−１１の主要なステップを、図９−２を用いてより詳細に説明する。さらにここでも、この方法のステップは、方法の各工程を一般的な順序で示しているため、適用される製造プロセスに応じて変更してもよい。第２空隙である、第２ＣＡＶは、ミラーウエハ（ステップ９−１１１）の第１層をエッチングすることにより作製されてもよい。第２空隙を、上記で第２平面と示したウエハの平面によって画定されるようにウエハの平面までエッチングしてもよい。可動ミラー部および懸架ばね構造体を含むミラー要素ＭＥは、ミラーウエハの第２層に作製されてもよい（ステップ９−１１２）。ミラー部は、第２層の第２面に反射層を有するように配置されてもよい。第３層を第２空隙からエッチングすることにより除去し、反射層を第２空隙を通して第２層に積層させてもよい。あるいは、反射層を第３層に積層させてもよい。あるいは、第３層は、第２空隙の作製中に露出される反射層であってもよく、または第３層はそのような反射層を含んでもよい。

ミラーウエハの第２層に、電気駆動要素ＥＡが作製されてもよい（ステップ９−１１３）。さらに、外部駆動エネルギー源に電気駆動要素を接続するための配線ＷＲを、ミラーウエハの第２層に作製してもよい（ステップ９−１１４）。電気駆動要素は、外部駆動エネルギー源から受信された電気信号に応じて可動ミラー部を駆動させるように構成されてもよい。

主要な方法において、キャップウエハＣＷの構造体も作製される（ステップ９−１２）。キャップウエハは、背向する第３面および第４面がある。ステップ９−１２の主要ステップは、図９−３を用いてより詳細に説明する。この方法のステップは、この方法の各工程を一般的な順序で示しているため、適用される製造プロセスに応じて変更してもよい。キャップウエハを貫通して延在する導電性リードＣＣをキャップウエハに作製してもよい（ステップ９−２１１）。導電性リードは、例えば、ある深さまでエッチングして縦方向のビア構造を設けて材料を除去し、周囲の空間をガラス材料で充填することにより形成されてもよい。次に、ビア構造は、対向面側からキャップウエハを薄くすることにより露出されてもよい。説明したように、層貫通リードを必要としない代替の方法を用いても本発明の範囲内である。第３面から接触可能な電気接触要素ＣＥもキャップウエハに作製してもよい（ステップ９−２１２）。電気接触要素は、例えば、キャップウエハの第３面の表面に導電性材料の構造をパターニングすることにより被着させてもよい。さらに、第４面からキャップウエハ内に入り込むよう延在する第１空隙である第１ＣＡＶは、キャップウエハをエッチングすることにより作製されてもよい（ステップ９−２１３）。

ガラスウエハは、ガラスウエハの少なくとも一方の面に第１平面を有する。主要な方法において、キャップウエハ、ミラーウエハ、およびガラスウエハを接合してもよい（ステップ９−１３）。キャップウエハは、第４面が、第２層に対向し、かつガラスウエハがミラーウエハに対向するように、ガラスウエハの第１平面が第２空隙の全体を覆う平面として延在し、第１平面が第２平面に接触して接合されるようにミラーウエハに接合されてもよい。各ウエハの接合は、複数の工程に分けて行われてもよいし、１つの工程で行われてもよい。これによって、ガラスウエハの第１平面とキャップウエハの内側の第１空隙の奥にある面との間に垂直に延在して可動ミラー部を封止する気密空間が形成される。

技術の進歩に伴い、様々な方法で本発明の基本概念を実施することができることは当業者に自明である。したがって、本発明およびその実施形態は、上記の例に限定されるものではなく、本発明の請求の範囲内で変更することができる。

２００ ミラーウエハ
２０２ 第１層
２０４ 第２層
２０６ 第３層
２０８ ミラー要素
２１０ （可動）ミラー部
２１２ 懸架ばね構造体
２１４ 反射層
２１６ 第１面
２１８ 第２面
２２０ 電気駆動要素
２２２ 配線
２２４ 第２空隙
２２６ 第２平面
２４０ キャップウエハ
２４２ 第３面
２４４ 第４面
２４６ 第１空隙
２４８ 電気接触要素
２６０ ガラスウエハ
２６２ 第１平面（内表面）
２６４ 光学窓
２６６ 外表面
４２０ 凹部

Claims (13)

1. 可動ミラー部を備える光学デバイスであって、
   少なくとも一方の面に第１平面を有するガラスウエハと、
   導電性材料の第１層と、導電性材料の第２層と、前記第１層および前記第２層の間に絶縁性材料の第３層とを含むパッケージを有し、前記第１層は、前記第３層に背向する第１面を有し、前記第２層は、前記第３層に対向する第２面を有するミラーウエハと、
   前記可動ミラー部を懸架する懸架ばね構造体であって、前記可動ミラー部および前記懸架ばね構造体は、前記ミラーウエハの第２層から作られる懸架ばね構造体と、
   前記ミラーウエハの前記第１層の前記第１面から延在して少なくとも前記第１層を貫通し、前記第１面において第２平面によって画定される第２空隙と、
   前記第２層の前記第２面の表面で前記第２空隙の奥の前記可動ミラー部によって保持された反射層と、
   第３面および第４面を有するキャップウエハであって、前記キャップウエハの前記第４面から前記キャップウエハ内に入り込むように延在する第１空隙を含むキャップウエハと、
   前記懸架ばね構造体上の、前記第２層の前記第２面に背向する面に作製された圧電駆動要素とを有し、
   前記キャップウエハは、前記第３面が前記ミラーウエハに背向し、前記第４面は、前記ミラーウエハの前記第２層に対向するようにミラーウエハに接合され、
   前記ガラスウエハは、前記ガラスウエハの前記第１平面が前記第２空隙の全体を覆う平面として延在し、前記第１平面が前記第２平面に接触して接合されるように前記ミラーウエハに接合され、
   前記可動ミラー部および前記懸架ばね構造体を封止する気密空間は、前記ガラスウエハの前記第１平面と前記キャップウエハの前記第１空隙の奥にある面との間に延在し、
   前記圧電駆動要素は、導電接続を通じて受信された電気信号に応じて前記可動ミラー部を駆動し、
   前記導電接続は、前記キャップウエハの第３面から接触可能な電気接触要素、および前記キャップウエハを貫通して延在する導電性ビアを含み、
   前記圧電駆動要素は、前記第２層の前記圧電駆動要素と同じ面に作製された配線によって前記導電性ビアに電気的に接続される
   光学デバイス。
2. 前記導電性ビアは、前記キャップウエハのシリコン材料で形成され、周囲を囲むガラス充填剤で絶縁される、
   請求項１に記載の光学デバイス。
3. 前記ミラーウエハは、シリコンオンインシュレータ（ＳＯＩ）ウエハで形成される、
   請求項１または２に記載の光学デバイス。
4. 前記ガラスウエハは、前記ガラスウエハの両側の面に平面を有し、前記ガラスウエハの一方の面に内表面と、他方の面に外表面とを有し、前記内表面は、前記第１平面であり、
   前記外表面は、少なくとも第２空隙の全体を覆う平面として延在する、
   請求項１〜３のいずれか１項に記載の光学デバイス。
5. 前記ガラスウエハの前記外表面上に、反射防止光学コーティングを有する、
   請求項４に記載の光学デバイス。
6. 前記可動ミラー部の前面は、前記ミラーウエハの前記第２層の前記第２面にあり、前記可動ミラー部の背面は、前記第２層の他方の面にあり、
   前記可動ミラー部の背面は、複数の凹部を有する、
   請求項１〜５のいずれか１項に記載の光学デバイス。
7. 前記反射層は、第２空隙の奥に積層される金属反射材を含む、
   請求項１〜６のいずれか１項に記載の光学デバイス。
8. 前記反射層は、第２空隙で光に露される複数の誘電体膜の積層体を含み、
   前記複数の誘電体膜は、前記複数の誘電体膜の積層体がミラーとして光を反射するよう、異なる屈折率を有する、
   請求項１〜７のいずれか１項に記載の光学デバイス。
9. 前記誘電体膜の積層体の頂面は、入射する光線に向かって配向され、
   前記誘電体膜の積層体の最上層は、高屈折率を有する誘電体材料の膜を含む、
   請求項８に記載の光学デバイス。
10. 前記最上層は、二酸化ケイ素の保護膜によって被覆される、
    請求項９に記載の光学デバイス。
11. ミラーウエハ、キャップウエハ、およびガラスウエハから光学デバイスを製造する方法であって、
    前記ミラーウエハは、導電性材料の第１層と、導電性材料の第２層と、前記第１層および前記第２層の間に絶縁性材料の第３層とを含む層パッケージであり、前記第１層は、前記第３層に背向する第１面を有し、前記第２層は、前記第３層に対向する第２面を有し、
    前記キャップウエハは、互いに対向する第３面および第４面を有し、
    前記ガラスウエハは、前記ガラスウエハの少なくとも一方の面に第１平面を有し、
    前記方法は、
    前記キャップウエハに、前記第４面から前記キャップウエハに入り込むように延在する第１空隙を作製するステップと、
    前記ミラーウエハの前記第１層の前記第１面から前記第１層を貫通して、前記第１面において第２平面によって画定される第２空隙を作製するステップと、
    前記ミラーウエハの前記第２層に、前記第２層の前記第２面の表面に反射層を有する可動ミラー部と、懸架ばね構造体とを作製するステップと、
    前記ミラーウエハの前記第２層の前記第１面に、導電接続を通じて受信された電気信号に応じて前記可動ミラー部を駆動させる圧電駆動要素と、前記圧電駆動要素を前記導電接続に接続するための配線とを作製するステップと、
    前記キャップウエハに入る前記導電接続として、前記第３面から接触可能な電気接触要素及び前記キャップウエハを貫通して延在する導電性ビアを作製するステップと、
    前記キャップウエハを、前記第４面が前記第２層に対向するように前記ミラーウエハに接合し、前記ガラスウエハを、前記ガラスウエハの前記第１平面が前記第２空隙の全体を覆う平面として延在し、かつ前記第２平面に接触して接合されるように前記ミラーウエハに陽極接合することで、前記ガラスウエハの前記第１平面と前記キャップウエハ内の前記第１空隙の奥にある面との間に延在し、前記可動ミラー部および前記懸架ばね構造体を封止する気密空間を形成するステップとを含む、
    光学デバイスの製造方法。
12. 前記ミラーウエハの構造体をシリコンオンインシュレータ（ＳＯＩ）ウエハで作製するステップを含む、
    請求項１１に記載の光学デバイスの製造方法。
13. 異なる屈折率を有する複数の誘電体膜の積層体を含み、かつ前記複数の誘電体膜の積層体がミラーとして光を反射するように、前記ミラーウエハの第３層を作製する、
    請求項１２に記載の光学デバイスの製造方法。