KR20160067130A - 광학 모듈 - Google Patents

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KR20160067130A
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Abstract

광학 모듈(1A)은, 반도체 기판(2)과, 반도체 기판(2)에 고정된 고정부(11) 및 고정부(11)와의 사이에 발생하는 정전력에 의해서, 고정부(11)에 대해서 이동시켜지는 가동부(12)를 가지는 정전 액추에이터(10)와, 가동부(12)에 접속되며, 제1 스프링 정수 K1을 가지는 제1 스프링부(20)와, 제1 스프링부(20)와 반도체 기판(2)과의 사이에 접속되며, 제1 스프링 정수 K1 보다도 큰 제2 스프링 정수 K2를 가지는 제2 스프링부(30)와, 제1 스프링부(20)와 제2 스프링부(30)와의 접속부(13)에 접속된 광학 부품인 가동 미러(5)를 구비한다. 이것에 의해, 정전 액추에이터를 이용하여 안정적으로 또한 고정밀도로 광학 부품을 동작시킬 수 있는 광학 모듈이 실현된다.

Description

광학 모듈{OPTICAL MODULE}
본 발명은, MEMS(Micro Electro Mechanical Systems) 기술이 이용된 광학 모듈에 관한 것이다.
MEMS 기술이 이용된 광학 모듈로서, 예를 들면, 정전(靜電) 액추에이터와, 파브리 페로(Fabry-Perot) 간섭 필터를 구비하는 것이 있다. 파브리 페로 간섭 필터에서는, 정전 액추에이터에 의해서 한 쌍의 미러 사이의 거리가 변화시켜지고, 해당 거리에 따른 파장을 가지는 광이 투과시켜진다. 따라서, 파브리 페로 간섭 필터의 파장 분해능을 높이기 위해서는, 정전 액추에이터를 이용하여 안정적으로 또한 고정밀도로 미러를 동작시킬 필요가 있다.
그래서, 정전 액추에이터의 정전 용량의 변화를 검출하는 것에 의해, 미러의 동작을 제어하는 기술이 제안되어 있다(예를 들면, 특허 문헌 1 참조). 이 기술에 의하면, 인가 전압의 불안정성, 주위 온도의 변화 등에 의하지 않고, 미러를 적절히 동작시킬 수 있다.
특허 문헌 1 : 미국특허출원공개 제2011/0222067호
그렇지만, 파브리 페로 간섭 필터의 파장 분해능을 높일수록, 정전 액추에이터의 정전 용량의 미소(微小) 변화를 적절히 검출하는 것이 용이하지는 않게 된다. 그 때문에, 특허 문헌 1에 기재된 기술에 의해서도, 정전 액추에이터를 이용하여 안정적으로 또한 고정밀도로 미러를 동작시킬 수 없게 될 우려가 있다.
그래서, 본 발명은, 정전 액추에이터를 이용하여 안정적으로 또한 고정밀도로 광학 부품을 동작시킬 수 있는 광학 모듈을 제공하는 것을 목적으로 한다.
본 발명의 광학 모듈은, 반도체 기판과, 반도체 기판에 고정된 고정부 및 고정부와의 사이에 발생하는 정전력(靜電力)에 의해서, 고정부에 대해서 이동시켜지는 가동부를 가지는 정전 액추에이터와, 가동부에 접속되며, 제1 스프링 정수(定數)를 가지는 제1 스프링부와, 제1 스프링부와 반도체 기판과의 사이에 접속되며, 제1 스프링 정수 보다도 큰 제2 스프링 정수를 가지는 제2 스프링부와, 제1 스프링부와 제2 스프링부와의 접속부에 접속된 광학 부품을 구비한다.
이 광학 모듈에서는, 정전 액추에이터의 가동부는, 제1 스프링 정수를 가지는 제1 스프링부에 접속되며, 광학 부품은, 제1 스프링부와 제2 스프링부와의 접속부에 접속되어 있다. 또, 제1 스프링 정수는 제2 스프링 정수보다 작게 설정되어 있다. 이 때문에, 정전력에 의해서 이동시켜지는 정전 액추에이터의 가동부의 이동 거리에 비해, 광학 부품의 이동 거리는 작게 된다. 따라서, 가동부의 이동 거리의 제어를 통해서, 광학 부품의 이동 거리를 제어하는 것에 의해서, 정전 액추에이터를 이용하여 안정적으로 또한 고정밀도로 광학 부품을 동작시킬 수 있다.
본 발명에 의하면, 정전 액추에이터를 이용하여 안정적으로 또한 고정밀도로 광학 부품을 동작시킬 수 있는 광학 모듈을 제공하는 것이 가능해진다.
도 1은, 제1 실시 형태의 광학 모듈의 평면도이다.
도 2는, 도 1의 광학 모듈의 II－II선을 따른 단면도이다.
도 3은, 도 1의 광학 모듈의 회로 구성을 나타내는 도면이다.
도 4는, 도 1의 광학 모듈의 동작 원리를 나타내는 도면이다.
도 5의 (a), (b)는 도 1의 광학 모듈의 제조 공정을 나타내는 단면도이다.
도 6의 (a), (b)는 도 1의 광학 모듈의 제조 공정을 나타내는 단면도이다.
도 7은, 도 1의 광학 모듈의 제조 공정을 나타내는 단면도이다.
도 8은, 제2 실시 형태의 광학 모듈의 평면도이다.
도 9는, 도 8의 광학 모듈의 IX－IX선을 따른 단면도이다.
도 10의 (a), (b)는 도 8의 광학 모듈의 X－X선을 따른 단면도이다.
도 11의 (a), (b)는 도 8의 광학 모듈의 제조 공정을 나타내는 단면도이다.
도 12의 (a), (b)는 도 8의 광학 모듈의 제조 공정을 나타내는 단면도이다.
도 13의, (a), (b)는 도 8의 광학 모듈의 제조 공정을 나타내는 단면도이다.
이하, 본 발명에 의한 광학 모듈의 실시 형태에 대해서, 도면을 참조하여 상세하게 설명한다. 또, 각 도면에서, 동일 또는 상당 부분에는 동일 부호를 부여하고, 중복하는 설명을 생략한다.
[제1 실시 형태]
도 1은, 제1 실시 형태의 광학 모듈의 평면도이다. 또, 도 2는, 도 1의 광학 모듈의 II－II선을 따른 단면도이다.
도 1 및 도 2에 나타내어지는 바와 같이, 광학 모듈(1A)은, 반도체 기판(2)을 구비하고 있다. 반도체 기판(2) 상에는, 입사 미러(3), 파브리 페로(Fabry-Perot) 간섭 필터(F), 출사 미러(6), 정전(靜電) 액추에이터(10), 제1 스프링부(20), 및 제2 스프링부(30)가 마련되어 있다. 파브리 페로 간섭 필터(F)는, 공극(S)을 매개로 하여 대향하도록 배치된 고정 미러(4) 및 가동 미러(광학 부품)(5)를 가지고 있다. 정전 액추에이터(10)의 구동은, 제어부(70)에 의해서 제어된다.
광학 모듈(1A)은, 예를 들면 SOI(Silicon On Insulator) 기판을 출발 원료로서 제작된 MEMS 디바이스이다. 광학 모듈(1A)에서는, 절연층(8)을 매개로 하여 반도체 기판(2) 상에 마련된 반도체층(9)이 에칭됨으로써, 반도체 기판(2) 상의 각 구성이 형성되어 있다. 제1 실시 형태에서는, 반도체 기판(2)은, 실리콘(Si)으로 이루어지며, 직사각형 판 모양으로 형성되어 있다. 또, 절연층(8)은, 산화 실리콘(SiO2)으로 이루어지며, 반도체층(9)은, 실리콘(Si)으로 이루어진다.
입사 미러(3)는, 반도체층(9)의 일부분에 의해서 구성되어 있고, 절연층(8)을 매개로 하여 반도체 기판(2)의 표면(2a)에 고정되어 있다. 입사 미러(3)는, 반도체 기판(2)의 표면(2a)에 대해서 45°경사진 경면(鏡面)(3a)을 가지고 있다. 경면(3a)은, 반도체 기판(2)의 표면(2a)에 대해서 수직인 방향으로부터 입사한 피측정 광(L)을 파브리 페로 간섭 필터(F)측으로 반사한다.
출사 미러(6)는, 반도체층(9)의 일부분에 의해서 구성되어 있고, 절연층(8)을 매개로 하여 반도체 기판(2)의 표면(2a)에 고정되어 있다. 출사 미러(6)는, 정전 액추에이터(10)의 구동 방향(A)에서, 파브리 페로 간섭 필터(F)를 사이에 두고 입사 미러(3)와 대향하도록, 배치되어 있다. 출사 미러(6)는, 반도체 기판(2)의 표면(2a)에 대해서 45°경사진 경면(6a)을 가지고 있다. 경면(6a)은, 파브리 페로 간섭 필터(F)를 투과한 피측정 광(L)을 반도체 기판(2)의 표면(2a)에 대해서 수직인 방향으로 반사한다.
파브리 페로 간섭 필터(F)의 고정 미러(4)는, 반도체층(9)의 일부분에 의해서 구성되어 있고, 그 바로 아래의 절연층(8)이 제거된 것에 의해서, 반도체 기판(2)의 표면(2a)에 대해서 뜬 상태로 되어 있다. 고정 미러(4)의 양단부는, 양쪽 지지 빔(beam, 고정보)과 같은 상태로, 지주(支柱)(4a, 4b)에 고정되어 있다. 지주(4a, 4b)는, 반도체층(9)의 일부분에 의해서 구성되어 있고, 절연층(8)을 매개로 하여 반도체 기판(2)의 표면(2a)에 고정되어 있다.
파브리 페로 간섭 필터(F)의 가동 미러(5)는, 반도체층(9)의 일부분에 의해서 구성되어 있고, 그 바로 아래의 절연층(8)이 제거된 것에 의해서, 반도체 기판(2)의 표면(2a)에 대해서 뜬 상태로 되어 있다. 가동 미러(5)의 양단부(5a, 5b)는, 제1 스프링부(20)와 제2 스프링부(30)와의 접속부(13)에 지지부(14, 15)를 매개로 하여 접속되어 있으며, 정전 액추에이터(10)의 구동 방향(A)으로 이동 가능한 상태로 되어 있다.
고정 미러(4) 및 가동 미러(5)의 대향 방향(D)은, 정전 액추에이터(10)의 구동 방향(A)에 대해서 경사져 있다. 고정 미러(4) 및 가동 미러(5)는, 입사 미러(3)측으로부터 입사한 피측정 광(L) 중, 고정 미러(4)와 가동 미러(5)와의 사이의 거리에 따른 파장을 가지는 광을 투과시키고, 해당 광을 구동 방향(A)을 따라서 출사 미러(6)측으로 출사한다. 또, 제1 실시 형태에서는, 고정 미러(4)가 입사 미러(3) 측에 배치되며, 가동 미러(5)가 출사 미러(6)측에 배치되어 있지만, 고정 미러(4) 및 가동 미러(5)의 배치는, 반대라도 좋다.
고정 미러(4) 및 가동 미러(5)는, 2층의 실리콘층에 의해서 구성되어 있다. 이것은, 실리콘의 굴절률이 3.5이고, 공기의 굴절률이 1로서, 그들 굴절률차가 크기 때문에, 2층의 실리콘층이라도, 충분히 반사율이 높은 브래그(Bragg) 미러를 실현할 수 있기 때문이다. 또, 고정 미러(4) 및 가동 미러(5)는, 실리콘층과 공기층이 교호로 복수층씩 적층된 것이라도 좋다. 그러한 경우라도, 정전 액추에이터(10), 제1 스프링부(20) 및 제2 스프링부(30) 등과 동일한 포토마스크(photomask) 및 동일한 에칭 공정에 의해서, 고정 미러(4) 및 가동 미러(5)를 정밀도 좋게 또한 간단히 형성할 수 있다.
정전 액추에이터(10)는, 반도체층(9)의 일부에 의해서 구성되어 있다. 정전 액추에이터(10)는, 고정부(11) 및 가동부(12)를 가지고 있다. 고정부(11)는, 절연층(8)을 매개로 하여 반도체 기판(2)의 표면(2a)에 고정되어 있다. 가동부(12)는, 그 바로 아래의 절연층(8)이 제거된 것에 의해서, 반도체 기판(2)의 표면(2a)에 대해서 뜬 상태로 되어 있고, 고정부(11)와의 사이에 발생하는 정전력에 의해서, 고정부(11)에 대해서 구동 방향(A)으로 이동시켜진다.
고정부(11)는, 반도체 기판(2)의 외부 가장자리를 따라서 직사각형 프레임 모양으로 형성된 반도체층(9) 중, 파브리 페로 간섭 필터(F)에 대해서 출사 미러(6)측에 위치하는 부분이다. 고정부(11)는, 반도체 기판(2)의 표면(2a)에 평행이고 또한 구동 방향(A)에 수직인 방향으로 연장되어 있다. 구동 방향(A)에서 가동부(12)와 대향하는 고정부(11)의 측면에는, 반도체 기판(2)의 표면(2a)에 평행이고 또한 구동 방향(A)에 수직인 방향으로 배열된 복수의 빗살을 가지는 빗살부(11a)가 형성되어 있다. 빗살부(11a)는, 그 바로 아래의 절연층(8)이 제거된 것에 의해서, 반도체 기판(2)의 표면(2a)에 대해서 뜬 상태로 되어 있다.
가동부(12)는, 고정부(11)와 출사 미러(6)와의 사이에 위치하고 있다. 가동부(12)는, 반도체 기판(2)의 표면(2a)에 평행이고 또한 구동 방향(A)에 수직인 방향으로 연장되어 있다. 구동 방향(A)에서 고정부(11)와 대향하는 가동부(12)의 측면에는, 반도체 기판(2)의 표면(2a)에 평행이고 또한 구동 방향(A)에 수직인 방향으로 배열된 복수의 빗살을 가지는 빗살부(12a)가 형성되어 있다. 고정부(11) 및 가동부(12)는, 빗살부(11a)의 각 빗살와 빗살부(12a)의 각 빗살이 서로 다르게 배치되도록 구성되어 있다.
제1 스프링부(20)는, 정전 액추에이터(10)의 가동부(12)에 접속되어 있다. 제1 스프링부(20)는, 반도체층(9)의 일부에 의해서 구성되어 있고, 그 바로 아래의 절연층(8)이 제거된 것에 의해서, 반도체 기판(2)의 표면(2a)에 대해서 뜬 상태로 되어 있다. 제1 스프링부(20)는, 병렬로 마련된 한 쌍의 제1 스프링(21, 22)을 포함하고 있다. 각 제1 스프링(21, 22)은, 지그재그 모양으로 형성되어 있고, 구동 방향(A)을 따라서 신축 가능하게 되어 있다.
각 제1 스프링(21, 22)의 일단은, 가동부(12)의 양단부의 각각에 접속되어 있으며, 각 제1 스프링(21, 22)의 타단은, 제2 스프링부(30)에 접속되어 있다. 이것에 의해, 제1 스프링부(20)는, 가동부(12)가 고정된 일단(20a)(즉, 각 제1 스프링(21, 22)의 일단), 및 제2 스프링부(30)와의 접속부(13)가 되는 타단(20b)(즉, 각 제1 스프링(21, 22)의 타단)을 가지게 된다. 이상과 같이 구성된 제1 스프링부(20)는, 제1 스프링 정수(定數) K1을 가지고 있다. 제1 스프링 정수 K1은, 한 쌍의 제1 스프링(21, 22)의 스프링 정수를 합성한 것이다.
제2 스프링부(30)는, 제1 스프링부(20)와 반도체 기판(2)과의 사이에 접속되어 있다. 제2 스프링부(30)는, 반도체층(9)의 일부에 의해서 구성되어 있고, 그 바로 아래의 절연층(8)이 제거된 것에 의해서, 반도체 기판(2)의 표면(2a)에 대해서 뜬 상태로 되어 있다. 제2 스프링부(30)는, 병렬로 마련된 한 쌍의 제2 스프링(31, 32)을 포함하고 있다. 각 제2 스프링(31, 32)은, 지그재그 모양으로 형성되어 있고, 구동 방향(A)을 따라서 신축 가능하게 되어 있다.
각 제2 스프링(31, 32)의 일단은, 제1 스프링부(20)의 각 제1 스프링(21, 22)의 타단에 접속되어 있고, 각 제2 스프링(31, 32)의 타단은, 절연층(8)을 매개로 하여 반도체 기판(2)의 표면(2a)에 고정되어 있다. 이것에 의해, 제2 스프링부(30)는, 제1 스프링부(20)와의 접속부(13)가 되는 일단(30a)(즉, 각 제2 스프링(31, 32)의 일단), 및 반도체 기판(2)에 고정된 타단(30b)(즉, 각 제2 스프링(31, 32)의 타단)을 가지게 된다. 이상과 같이 구성된 제2 스프링부(30)는, 제1 스프링부(20)의 제1 스프링 정수 K1 보다도 큰 제2 스프링 정수 K2를 가지고 있다. 제2 스프링 정수 K2는, 한 쌍의 제2 스프링(31, 32)의 스프링 정수를 합성한 것이다.
제1 스프링부(20) 및 제2 스프링부(30)는, 일체의 스프링으로서, 정전 액추에이터(10)의 정전력과 균형을 이룬다. 제1 스프링부(20)와 제2 스프링부(30)와의 접속부(13) 사이에는, 지지부(14)가 접속되어 있고, 지지부(14)에는, 구동 방향(A)을 따라서 파브리 페로 간섭 필터(F)측으로 연장되는 한 쌍의 지지부(15)가 접속되어 있다. 지지부(14, 15)는, 반도체층(9)의 일부에 의해서 구성되어 있고, 그 바로 아래의 절연층(8)이 제거된 것에 의해서, 반도체 기판(2)의 표면(2a)에 대해서 뜬 상태로 되어 있다. 각 지지부(15)의 선단부에는, 가동 미러(5)의 양단부(5a, 5b)의 각각이 접속되어 있다. 가동부(12), 제1 스프링부(20), 제2 스프링부(30), 지지부(14, 15) 및 가동 미러(5)는, 반도체 기판(2)에 일체적으로 형성되어 있고, 제2 스프링부(30)의 타단(30b)을 고정단으로 한 편(片)지지 빔(외팔보)와 같은 상태에서, 반도체 기판(2) 상에 지지되어 있다.
제1 스프링 정수 K1 및 제2 스프링 정수 K2의 크기는, 제1 스프링부(20) 및 제2 스프링부(30)를 구성하는 반도체층(9)의 폭, 길이, 두께 및 스프링의 수(數) 등에 의해서 조정하는 것이 가능하다. 이들은, 포토마스크 설계만에 의해 결정할 수 있기 때문에, 정밀도 좋게 또한 간단히 스프링 정수를 조정할 수 있다.
빔에 의한 스프링의 스프링 정수는, 빔의 폭의 3승(乘)에 비례하기 때문에, 폭을 10배로 하는 것만으로, 스프링 정수가 1000배 다른 스프링을 만들어 낼 수 있다. 예를 들면, 제1 스프링부(20)의 각 제1 스프링(21, 22)을 구성하는 빔의 폭을 5㎛로 하고, 제2 스프링부(30)의 각 제2 스프링(31, 32)을 구성하는 빔의 폭을 40㎛로 하면, 제2 스프링 정수 K2는, 제1 스프링 정수 K1의 약 1000배≒2×(40/5)3이 된다. 또, 빔에 의한 스프링의 스프링 정수는, 빔의 길이의 3승분(分)의 1에 비례하여 변화한다. 예를 들면, 제2 스프링부(30)의 길이가 제1 스프링부(20)의 길이의 2/3인 경우, 제2 스프링 정수 K2는, 제1 스프링 정수 K1의 약 3.3배≒(3/2)3이 된다.
또, 제1 스프링부(20)는, 한 쌍의 제1 스프링(21, 22)을 포함하고 있는 경우에 한정되지 않고, 1개의 스프링으로 구성되어 있어도 괜찮고, 3개 이상의 스프링으로 구성되어 있어도 괜찮다. 마찬가지로, 제2 스프링부(30)는, 한 쌍의 제2 스프링(31, 32)을 포함하고 있는 경우에 한정되지 않고, 1개의 스프링으로 구성되어 있어도 괜찮고, 3개 이상의 스프링으로 구성되어 있어도 괜찮다. 또, 제1 스프링부(20) 및 제2 스프링부(30)는, 서로 다른 재료에 의해서 형성되어 있어도 괜찮다.
제어부(70)는, 단자(16, 17)에 각각 배선(18, 19)을 매개로 하여 전기적으로 접속되어 있다. 단자(16)는, 고정부(11)에 전기적으로 접속되어 있다. 단자(17)는, 트렌치(trench)(17a)를 매개로 하여 고정부(11)와 전기적으로 절연되어 있고, 반도체 기판(2), 제2 스프링부(30) 및 제1 스프링부(20) 등을 매개로 하여, 가동부(12)에 전기적으로 접속되어 있다. 제어부(70)는, 정전 액추에이터(10)를 구동시키기 위해서, 고정부(11)와 가동부(12)와의 사이의 정전 용량을 검출하고, 그 검출 결과에 근거하여 고정부(11)와 가동부(12)와의 사이에 구동 전압을 인가한다. 또, 제1 실시 형태에서는, 가동부(12), 제1 스프링부(20), 제2 스프링부(30), 및 가동 미러(5)가 반도체층(9)에 의해서 일체적으로 형성되어 있기 때문에, 이들 전체가 동일 전위가 된다.
제어부(70)에 대해서, 도 3에 나타내는 광학 모듈의 회로 구성을 참조하면서, 보다 상세하게 설명한다. 제어부(70)는, 고정부(11)와 가동부(12)와의 사이에 구동 전압을 인가하는 가변 전원(71)과, 고정부(11)와 가동부(12)와의 사이의 정전 용량을 검출하기 위한 검출용 신호를 출력하는 교류 전원(72)을 구비하고 있다. 교류 전원(72)은, 커플링 콘덴서(73)를 매개로 하여 가동부(12)와 전기적으로 접속되어 있다. 제어부(70)는, 가변 전원(71) 및 교류 전원(72)에 의해서, 고정부(11)와 가동부(12)와의 사이에, 검출용 신호를 얹은 구동 전압을 인가한다. 이 때, 고정부(11)는, GND 레벨로 되어 있다.
제어부(70)는, 정전 용량 검출부(74)를 더 구비하고 있다. 정전 용량 검출부(74)는, 고정부(11)에 접속된 저항 성분(75)을 흐르는 전류를, 앰프(amplifier)(76)를 통해서 검출하고, 검출한 전류로부터 전하의 변동을 계측한다. 정전 용량 검출부(74)는, 또한, 교류 전원(72)이 출력하는 검출용 신호를 검출하고, 위상차 및 진폭비 측정에 의해서 정전 용량의 검출을 행한다. 여기서, 검출용 신호의 주파수는, 정전 액추에이터(10)의 공진 주파수 보다도 충분히 높게 설정되어 있다. 그 때문에, 정전 액추에이터(10)는, 검출용 신호에는 응답하지 않고, 정전 용량의 검출이 가능해진다.
정전 용량은, 고정부(11) 및 가동부(12)의 면적(전극으로서의 면적)이 일정하기 때문에, 고정부(11)와 가동부(12)와의 사이의 거리의 함수가 된다. 따라서, 제어부(70)는, 고정부(11)와 가동부(12)와의 사이의 정전 용량을 검출하는 것에 의해서, 고정부(11)와 가동부(12)와의 사이의 거리, 즉, 고정부(11)에 대한 가동부(12)의 이동 거리를 검출할 수 있다.
이상과 같이 구성된 광학 모듈(1A)에서는, 제어부(70)에 의해서, 정전 액추에이터(10)의 고정부(11)와 가동부(12)와의 사이에 구동 전압이 인가되면, 고정부(11)와 가동부(12)와의 사이에 해당 구동 전압에 따른 정전력이 발생한다. 이것에 의해서, 가동부(12)는, 구동 방향(A)을 따라서 고정부(11)로 끌어 당겨진다. 가동부(12)는, 제1 스프링부(20) 및 지지부(14, 15)를 매개로 하여 가동 미러(5)에 접속되어 있기 때문에, 가동 미러(5)는, 가동부(12)의 이동에 연동하여, 반도체 기판(2)에 대해서 평행하게(즉, 반도체 기판(2)의 표면(2a)에 평행한 방향으로) 구동시켜져, 가동 미러(5)와 고정 미러(4)와의 사이의 거리가 조정된다. 여기서, 가동 미러(5)는, 제1 스프링 정수 K1 보다도 큰 제2 스프링 정수 K2를 가지는 제2 스프링부(30)에도, 지지부(14, 15)를 매개로 하여 접속되어 있기 때문에, 가동부(12)정도로는 이동하지 않는다. 이와 같이, 광학 모듈(1A)에서는, 가동부(12)의 이동 거리에 대해서, 가동 미러(5)의 이동 거리가 축소된다.
그리고, 파브리 페로 간섭 필터(F)를 투과하는 광의 파장은, 가동 미러(5)와 고정 미러(4)와의 사이의 거리에 의존하기 때문에, 정전 액추에이터(10)에 인가하는 구동 전압을 조정함으로써, 투과하는 광의 파장을 적절히 선택할 수 있다. 즉, 외부로부터 피측정 광(L)이 입사되면, 가동 미러(5)와 고정 미러(4)와의 사이의 거리에 따른 파장을 가지는 광이 선택되어, 외부로 출사된다. 이 때, 가동 미러(5)와 고정 미러(4)와의 사이의 거리의 조정은, 제어부(70)에 의해서 정전 액추에이터(10)의 정전 용량을 계측하고, 가동부(12)의 이동 거리를 모니터하면서 행할 수 있다. 가동부(12)의 이동 거리는, 가동 미러(5)의 이동 거리를 소정의 배율로 확대한 것이 되기 때문에, 가동 미러(5)의 위치의 제어 정밀도가 안정된다.
가동 미러(5)의 이동 거리가 확대되는, 광학 모듈의 동작 원리에 대해서, 도 4를 참조하면서 설명한다. 광학 모듈(1A)에서는, 제1 스프링부(20)의 제1 스프링 정수 K1, 및 제2 스프링부(30)의 제2 스프링 정수 K2가, K1＜K2가 되도록 설정되어 있다. 구동 전압에 따라 정전 액추에이터(10)에서 발생하는 정전력을 f로 하면, 제1 스프링부(20) 및 제2 스프링부(30)에 작용하는 힘도 f가 된다. 따라서, 제1 스프링부(20)의 신장 x1, 및 제2 스프링부(30)의 신장 x2는, 각각 다음 식 (1), (2)로 나타내어진다. 또, 가동부(12)의 이동 거리 x는, 2개의 스프링의 신장의 합계로서, 다음 식 (3)으로 나타내어진다.
x1=f/K1 … (1)
x2=f/K2 … (2)
x=x1＋x2=f(1/K1＋1/K2) … (3)
여기서, x2는, 제1 스프링부(20)와 제2 스프링부(30)와의 접속부(13)의 이동 거리에 상당하고, 가동 미러(5)의 이동 거리와 동일하게 된다. 즉, 가동부(12)는, 가동 미러(5)의 이동 거리에 더하여, 제1 스프링부(20)의 신장도 더한 분(分)만큼 이동하게 된다. 예를 들면, 제2 스프링 정수 K2를, 제1 스프링 정수 K1의 1000배가 되도록 설정하면, 가동 미러(5)의 이동 거리가 1nm인 경우, 가동부(12)의 이동 거리는 1㎛(정확하게는, 1.001㎛)로 확대된다.
이와 같이, 정전 액추에이터(10)의 정전력과, 제1 스프링부(20) 및 제2 스프링부(30)에 의한 가압력이 균형을 이루는 상태에서는, 가동 미러(5)의 이동 거리 및 오차는, 가동부(12)의 이동 거리 및 오차의 K1/(K1＋K2)≒K1/K2(K2＞＞K1인 경우) 배가 되므로, 정전 액추에이터(10)에 의한 가동 미러(5)의 위치의 제어 정밀도가 향상, 안정된다. 또, 가동 미러(5)의 이동 거리를 검출할 때에도, 확대된 가동부(12)의 이동 거리를 검출하면 되기 때문에, 검출 정밀도가 향상된다.
다음으로, 광학 모듈(1A)의 제조 방법의 일례에 대해 설명한다. 먼저, 도 5의 (a)에 나타내어지는 바와 같이, 출발 원료로서, 반도체 기판(2)의 표면(2a) 상에 절연층(8)을 매개로 하여 반도체층(9)이 형성된 기판을 준비한다. 예를 들면, 2매의 실리콘 기판으로 BOX층으로 불리는 산화막을 사이에 끼운 SOI 기판을 이용할 수 있다. 이어서, 반도체층(9) 상에 산화막(SiO2막)(61)을 성막한다. 산화막(61)은, 알칼리 에칭용 마스크로서 기능한다. 게다가, 질화막(SiN막)(62) 및 레지스터(63)를 이 순서로 성막하고, DRIE(Deep Reactive Ion Etching)용 패터닝을 행한다.
이어서, 도 5의 (b)에 나타내어지는 바와 같이, DRIE 프로세스를 행하고, 반도체층(9)의 일부를 제거하여, 정전 액추에이터(10), 입사 미러(3) 및 출사 미러(6) 등에 필요한 수직벽을 형성한다. 이어서, 도 6의 (a)에 나타내어지는 바와 같이, 레지스터(63)를 없애고, 그 후에, 열산화를 행함으로써, DRIE 프로세스에 의해 형성된 수직벽의 측벽에 산화막(64)을 형성한다. 산화막(64)은, 알칼리 에칭용 마스크로서 기능한다. 이 때, 질화막(62) 아래의 질화막(62)측에 면(面)하는 실리콘의 표면은 산화되지 않는다. 이어서, 도 6의 (b)에 나타내어지는 바와 같이, 질화막(62)을 열인산으로 제거하여, 반도체층(9)의 일부를 노출시킨다.
이어서, 도 7에 나타내어지는 바와 같이, 알칼리액에 담그고, 반도체층(9)의 노출된 부분을 에칭하여, 입사 미러(3) 및 출사 미러(6)의 45°면을 형성한다. 또, 45°면의 개구의 반대측 부분에 대해서는, 90°면이 되도록 결정 방위를 선택해 두면, 45°면에 상대(相對)하는 면에는, 45°면이 아니라 90°면이 형성되도록 되기 때문에, 결과적으로, 실리콘은 에칭에 의해 제거되어 버린다. 마지막으로, 산화막(61), 산화막(64) 및 절연층(8)을 불산으로 제거한다. 이와 같이 하여, 도 1에 나타내어지는 광학 모듈(1A)이 벌크 마이크로 머신 기술에 의해 제조된다. 또, 입사 미러(3) 및 출사 미러(6)의 45°면은, 다른 구성 요소와 동일한 마스크 공정으로 형성할 수 없지만, 45°면을 가지는 입사 미러(3) 및 출사 미러(6)의 사이즈를 피측정 광(L)의 빔 지름에 대해서 충분히 크게 해 두면, 위치 정밀도는 그렇게 높을 필요가 없게 되기 때문에, 문제는 없다.
이상 설명한 바와 같이, 광학 모듈(1A)에서는, 반도체 기판(2)과, 반도체 기판(2)에 고정된 고정부(11) 및 고정부(11)와의 사이에 발생하는 정전력에 의해서, 고정부(11)에 대해서 이동시켜지는 가동부(12)를 가지는 정전 액추에이터(10)와, 가동부(12)에 접속되며 제1 스프링 정수 K1을 가지는 제1 스프링부(20)와, 제1 스프링부(20)와 반도체 기판(2)과의 사이에 접속되며, 제1 스프링 정수 K1 보다도 큰 제2 스프링 정수 K2를 가지는 제2 스프링부(30)와, 제1 스프링부(20)와 제2 스프링부(30)와의 접속부(13)에 접속된 광학 부품인 가동 미러(5)를 구비한다.
이것에 의하면, 정전력에 의해서 이동시켜지는 정전 액추에이터(10)의 가동부(12)의 이동 거리에 대해서, 가동 미러(5)의 이동 거리는, K1/(K1＋K2)≒K1/K2(K2＞＞K1인 경우)배가 된다. 이와 같이, 가동부(12)의 이동 거리에 비해, 가동 미러(5)의 이동 거리는 작게 된다. 따라서, 소정의 배율로 확대된 가동부(12)의 이동 거리의 제어를 통하여, 가동 미러(5)의 이동 거리의 제어를 하는 것에 의해서, 이동 거리가 미소한 경우에도, 가동 미러(5)의 제어 정밀도가 안정된다.
일반적으로, 파브리 페로 간섭 필터에서의 미러 사이의 공극(S)의 폭 W와 투과 파장 λ와의 관계는, m을 임의의 정수(整數)로 하면, 식 (4)로 나타내어진다.
λ=2W/m … (4)
상기 식 (4)에 의하면, 투과 파장 λ의 파장 분해능은, 폭 W의 제어 정밀도에 의해 결정된다. 임의의 정수 m을 크게 설정하는 것에 의해서, 폭 W는, 대상으로 하는 투과 파장 λ의 m배로 설정할 수 있어, 폭 W의 제어 정밀도를 향상시킬 수 있다. 예를 들면, m을 10으로 설정하면, 1㎛의 투과 파장 λ에 대해서, 폭 W를 10㎛로 설정할 수 있다. 여기서, 파장 분해능은, 파장 가변 필터에서의 투과 파장 λ의 설정이, 어느 정도의 파장 단위로 행할 수 있을지를 나타내는 것이다. 예를 들면, 파장 분해능이 1nm이면, 1nm단위로 투과 파장 λ의 설정을 행할 수 있다.
한편, 파브리 페로 간섭 필터에서는, 선택 파장의 고차(高次)의 파장도 투과 특성을 가지며, 선택 파장과 고차의 투과 파장과의 간격 Δλ은, 식 (5)로 나타내어진다.
Δλ=λ/(m＋1) … (5)
상기 식 (5)에 의하면, 임의의 정수 m을 크게 설정하는 것에 의해서, 서로 이웃하는 고차의 투과 파장과의 간격 Δλ이, 1/(m＋1)배로 축소된다. 예를 들면, m을 10으로 설정하면, 서로 이웃하는 고차의 투과 파장과의 간격 Δλ은 90nm가 되고, 서로 이웃하는 고차의 투과 파장은 1.09㎛가 된다. 즉, 1.09㎛의 파장을 가지는 광도 투과되어 버리게 된다.
파장 가변 필터로서는, 어느 파장 범위에서 선택 파장의 광만을 투과하는 것이 바람직하고, 고차의 투과 파장이 그 파장 범위의 충분히 밖이 되도록 설계할 필요가 있다. 그러기 위해서는, m을 가능한 한 작게 할 필요가 있으며, m을 1로 설정하는 것이 이상적이다. 그러나, 그렇게 되면, 공극(S)의 폭 W는, 필요한 파장 분해능의 절반의 분해능으로 제어해야만 한다. 예를 들면, 1nm의 파장 분해능이 필요한 경우에는, 폭 W는 0.5nm의 정밀도로 제어해야만 한다. 이러한 제어는, MEMS 기술이 이용된 정전 액추에이터라도, 용이하지는 않아, 종래는 교정 곡선을 작성하는 등에 의해, 구동 전압의 불안정성, 주위 온도의 영향 등을 제거할 필요가 있었다.
이것에 대해서, 광학 모듈(1A)에서는, 상술한 바와 같이 가동 미러(5)의 이동 거리의 제어는, 이와 같이 확대된 정전 액추에이터(10)의 가동부(12)의 이동 거리의 제어를 통해서 행할 수 있다. 예를 들면, 가동 미러(5)의 이동 거리의 제어를 0.5nm의 정밀도로 행하지 않으면 안 될 때에도, 제2 스프링 정수 K2를, 제1 스프링 정수 K1에 대해, 1000배가 되도록 설정하면, 가동부(12)의 이동 거리는 500nm(정확하게는, 500.5nm)로 확대되기 때문에, 제어가 용이해지고, 제어 정밀도를 안정적으로 향상시킬 수 있다.
종래, 실린더 등의 공기압식 조작기의 구동축의 위치를 검출하기 위해서, 구동축을 계측판에 고정하고, 그 계측판을 스프링 정수가 다른 2개의 스프링의 접속부에 접속함으로써 구동축의 큰 이동 거리를 작은 이동 거리로 변환하여 계측하는 기술이 알려져 있었다(예를 들면, 일본실용신안공개 평2－40481호 공보). 그러나, MEMS 기술이 이용된 광학 모듈에서, 스프링에 의해서 광학 부품의 미소 변동을 정밀도 좋게 검출하는 기술은 알려져 있지 않았다.
또, 광학 모듈(1A)에서는, 고정부(11)와 가동부(12)와의 사이의 정전 용량을 검출하고, 그 검출 결과에 근거하여 고정부(11)와 가동부(12)와의 사이에 구동 전압을 인가하는 제어부(70)를 더 구비하고 있다. 이것에 의하면, 정전 액추에이터(10)의 가동부(12)의 위치를, 정전 용량에 의해서 검출할 수 있기 때문에, 구동 전압의 불안정성, 주위 온도 등이 가동 미러(5)의 변위에 미치는 영향을 바람직하게제거할 수 있다.
MEMS의 특징인 고속성을 살리려고 하면, 공진 모드에서 동작시키게 되지만, 이 경우에는, 이미 공극(S)을 구동 전압에 의해서 직접적으로 제어하는 것이 불가능하게 된다. 또, 공진 모드에서의 진폭폭은, 주위의 기체(기압)의 특성의 영향을 받아, 사용할 때마다 필터 특성이 변화해 버리기 때문에, 종래는 기밀 씰링한 패키지 내에서 온도 일정하게 사용하는 등의 대책을 빠뜨릴 수 없었다. 그래서, 종래도 구동 전압에 의하지 않고, 정전 액추에이터의 가동부의 위치를, 정전 용량에 의해서 검출하는 것이 행해지고 있었다. 그러나, 예를 들면, 전극부 면적이 500㎛2, 폭 W(전극 사이 거리)가 1㎛, m=1인 경우에, 가동부의 위치에 대해서 0.5nm의 정밀도를 얻으려고 하면, 1fF를 측정해야만 한다. 이러한 미소한 정전 용량의 측정에는 시간이 걸려, 공진 동작시에 리얼 타임으로 모니터하는 것은 곤란하다.
이것에 대해서, 광학 모듈(1A)에서는, 가동 미러(5)의 이동 거리가 미소한 경우에도, 정전 액추에이터의 가동부(12)의 이동 거리가 소정의 배율로 확대되므로, 이것에 따라 정전 용량의 변화도 확대되어, 정전 용량의 측정이 용이해진다.
또, 광학 모듈(1A)에서는, 파브리 페로 간섭 필터(F)의 가동 미러(5)의 위치의 제어 정밀도를 안정적으로 향상시키는 것에 의해서, 파브리 페로 간섭 필터(F)의 파장 분해능을 높일 수 있다.
또, 광학 모듈(1A)에서는, 가동부(12), 제1 스프링부(20), 제2 스프링부(30) 및 가동 미러(5)는, 반도체 기판(2)에 일체적으로 형성되어 있다. 예를 들면, 피에조 액추에이터는, 고체 재료의 압전 효과를 이용하고, 나노미터 오더의 제어를 정밀도 좋게 행할 수 있지만, 이것을 이용하여 파장 가변 필터로 하기 위해서는, 복수의 부재를 조립할 필요가 있다. 이것에 대해서 광학 모듈(1A)은, 반도체 기판(2) 상에 마련한 반도체층(9)의 1매의 판으로부터 MEMS 기술을 이용하여 가동부(12), 제1 스프링부(20), 제2 스프링부(30) 및 가동 미러(5)를 모노리식(monolithic)으로 (일체적으로) 형성할 수 있다. 이것에 의해서, 제조 공정을 단순화하고, 제조 코스트를 저감할 수 있다.
또, 광학 모듈(1A)에서는, 제1 스프링부(20)는, 병렬로 마련된 2개의 제1 스프링(21, 22)을 가지며, 제2 스프링부(30)는, 병렬로 마련된 2개의 제2 스프링(31, 32)을 가진다. 이 때문에, 예를 들면, 어느 하나의 스프링이 손상된 경우에도, 가동부(12) 및 가동 미러(5)의 지지가 안정되기 쉽다.
또, 광학 모듈(1A)에서는, 가동 미러(5)는, 반도체 기판(2)에 대해서 평행하게 구동시켜진다. 또, 제1 스프링부(20) 및 제2 스프링부(30)는 반도체 기판(2)에 대해서 평행하게 신축한다. 이러한 구성에 의하면, 반도체 기판(2)의 사이즈를 적절히 확대하는 것에 의해서, 제1 스프링부(20) 및 제2 스프링부(30)에 접속되는 가동부(12)의 가동 범위를 용이하게 확대할 수 있다. 따라서, 가동부(12)의 이동 거리를 크게 하기 쉽고, 가동 미러(5)의 동작을 보다 안정적으로 또한 고정밀도로 행할 수 있다. 또한, 표면 마이크로 머신 기술을 이용한 제조 방법을 바람직하게 적용할 수 있다.
또, 광학 모듈(1A)에서는, 제1 스프링부(20)는, 가동부(12)가 고정된 일단(20a), 및 제2 스프링부(30)와의 접속부(13)가 되는 타단(20b)을 가지며, 제2 스프링부(30)는, 제1 스프링부(20)와의 접속부(13)가 되는 일단(30a), 및 반도체 기판(2)에 고정된 타단(30b)을 가지고 있다. 이러한 구성에 의하면, 제1 스프링부(20) 전체의 신장을 가동부(12)의 이동 거리로 할 수 있기 때문에, 가동부(12)의 이동 거리를 크게 하기 쉬워진다. 따라서, 가동 미러(5)의 동작을 보다 안정적으로 또한 고정밀도로 행할 수 있다.
[제2 실시 형태]
도 8은, 제2 실시 형태의 광학 모듈의 평면도이다. 또, 도 9는, 도 8의 광학 모듈의 IX－IX선을 따른 단면도이다. 또, 도 10은, 도 8의 광학 모듈의 X－X선을 따른 단면도이다.
도 8 및 도 9에 나타내어지는 바와 같이, 광학 모듈(1B)은, 반도체 기판(2)을 구비하고 있다. 반도체 기판(2) 상에는, 산화막(81), 제1 적층체(40), 중간층(82), 및 제2 적층체(50)가 이 순서로 적층되어 있으며, 파브리 페로 간섭 필터(F)가 MEMS 디바이스로서 구성되어 있다. 제2 실시 형태에서는, 반도체 기판(2)은, 실리콘(Si)으로 이루어지며, 직사각형 판 모양으로 형성되어 있다. 또, 산화막(81)은, 산화 실리콘(SiO2)으로 이루어지며, 중간층(82)은, 예를 들면, 산화 실리콘(SiO2)으로 이루어진다.
제1 적층체(40)와 제2 적층체(50)와의 사이에는, 반도체 기판(2)의 외부 가장자리를 따라서 직사각형 프레임 모양으로 형성된 중간층(82)에 의해서, 공극(S)이 형성되어 있다. 파브리 페로 간섭 필터(F)는, 그 중앙부에 형성된 광 투과 영역(83)에서, 반도체 기판(2)의 반대측으로부터 입사한 피측정 광(L) 중, 제1 적층체(40)와 제2 적층체(50)와의 사이의 거리에 따른 파장을 가지는 광을 투과시키고, 해당 광을 반도체 기판(2)측으로 출사시킨다. 또, 중간층(82)의 두께는, 예를 들면 200nm~10㎛이다. 중간층(82)의 광학적인 두께는, 제1 적층체(40)와 제2 적층체(50)와의 사이의 거리에 상당하므로, 중심 투과 파장(즉, 파브리 페로 간섭 필터(F)가 투과시키는 파장의 가변 범위의 중앙인 파장)의 1/2의 정수배인 것이 바람직하다.
제1 적층체(40)는, 복수의 폴리 실리콘층(41)과 복수의 질화 실리콘층(42)이 한층씩 교호로 적층됨으로써 구성되어 있다. 제2 실시 형태에서는, 폴리 실리콘층(41a), 질화 실리콘층(42a), 폴리 실리콘층(41b), 질화 실리콘층(42b) 및 폴리 실리콘층(41c)이, 산화막(81) 상에 이 순서로 적층되어 있다. 제1 적층체(40) 중 광 투과 영역(83)에 대응하는 부분은, 고정 미러(4)로서 기능한다.
제2 실시 형태의 고정 미러(4)는, 3층의 폴리 실리콘층(41) 및 2층의 질화 실리콘층(42)이 교호로 적층된 브래그 미러로 되어 있다. 폴리 실리콘층(41)은, 아몰퍼스 실리콘(amorphous silicon)이 아닐(anneal)에 의해서 다결정화된 것이다. 각 층(41, 42)의 두께는, 50nm~2㎛이다. 제2 실시 형태에서는, 각 폴리 실리콘층(41)의 두께는 130nm이며, 각 질화 실리콘층(42)의 두께는 200nm이다. 또, 고정 미러(4)를 구성하는 각 폴리 실리콘층(41) 및 각 질화 실리콘층(42) 각각의 광학적인 두께는, 중심 투과 파장의 1/4의 정수배인 것이 바람직하다.
제1 적층체(40)를 구성하는 폴리 실리콘층(41c) 중 광 투과 영역(83)을 둘러싸는 외부 가장자리부는, 정전 액추에이터(10)의 고정부(11)로서 기능한다. 고정부(11)는, 그 내부 가장자리를 따라서 고리 모양으로 연장되는 트렌치(trench)(43)에 의해서, 광 투과 영역(83)을 포함하는 내측의 영역과 전기적으로 절연되어 있다. 또, 트렌치(43)의 일부에는, 중간층(82)이 남아 있다.
제2 적층체(50)는, 제1 적층체(40)와 마찬가지로, 복수의 폴리 실리콘층(51)과 복수의 질화 실리콘층(52)이 한층씩 교호로 적층됨으로써 구성되어 있다. 제2 실시 형태에서는, 폴리 실리콘층(51a), 질화 실리콘층(52a), 폴리 실리콘층(51b), 질화 실리콘층(52b) 및 폴리 실리콘층(51c)이, 중간층(82) 상에 이 순서로 적층되어 있다. 제2 적층체(50)는, 부분적으로 에칭에 의해 제거되는 것에 의해서, 에칭되지 않고 남겨진 부분이 소정의 형상을 이루고 있다. 제2 적층체(50) 중, 광 투과 영역(83)에 대응하는 부분은, 공극(S)을 매개로 하여 고정 미러(4)와 대향하는 가동 미러(광학 부품)(5)로서 기능한다.
제2 실시 형태의 가동 미러(5)는, 3층의 폴리 실리콘층(51) 및 2층의 질화 실리콘층(52)이 교호로 적층된 브래그 미러로 되어 있다. 폴리 실리콘층(51)은, 아몰퍼스 실리콘이 아닐에 의해서 다결정화된 것이다. 각 층(51, 52)의 두께는, 50nm~2㎛이다. 제2 실시 형태에서는, 폴리 실리콘층(51)의 두께는 130nm이며, 질화 실리콘층(52)의 두께는 200nm이다. 또, 가동 미러(5)를 구성하는 폴리 실리콘층(51) 및 질화 실리콘층(52) 각각의 광학적인 두께는, 중심 투과 파장의 1/4의 정수배인 것이 바람직하다.
고정 미러(4) 및 가동 미러(5)를 구성하는 브래그 미러의 다층막은, 대상 파장에 대해서 투명하고 또한 굴절률이 다르면, 반드시 폴리 실리콘층과 질화 실리콘층과의 조합이 아니라도 좋다. 다만, 공극(S)측에 접하는 층(제2 실시 형태에서는, 폴리 실리콘층(41c) 및 폴리 실리콘층(51a))은, 전극을 겸하기 때문에, 도전률이 높은 막으로 할 필요가 있다. 또, 굴절률차가 작으면, 반사율을 높게 하기 위해서 필요한 층수(層數)가 증가하기 때문에, 가능한 한 굴절률차가 큰 층의 조합을 선택하는 것이 좋다.
제2 적층체(50) 중 광 투과 영역(83)의 외측의 부분은, 제1 스프링부(20), 제2 스프링부(30) 및 정전 액추에이터(10)의 가동부(12)로서 각각 기능하는 부분을 더 포함하고 있다. 제2 적층체(50)에는, 또한, 제2 적층체(50)의 표면(50a)으로부터 공극(S)에 이르는 복수의 관통공(50b)이 균일하게 분포되어 있다. 관통공(50b)은, 가동 미러(5)의 기능에 실질적으로 영향을 주지 않을 정도로 형성되어 있다. 관통공(50b)의 직경은, 100nm~5㎛이며, 관통공(50b)의 개구 면적은, 가동 미러(5)의 면적의 0.01~10%를 차지하고 있다.
제1 스프링부(20)는, 제2 적층체(50)의 일부에 의해서 구성되어 있고, 반도체 기판(2)에 수직인 방향으로 변위 가능하게 되어 있다. 제1 스프링부(20)는, 가동 미러(5)를 중심으로 하여 방사선 모양으로 병렬로 마련된 4개의 제1 스프링(21~24)을 포함하고 있다.
제1 스프링부(20)는, 제2 적층체(50) 중 프레임 모양의 중간층(82) 상에 마련된 외부 가장자리부(50c)에 고정된 4개의 일단(20a)(즉, 각 제1 스프링(21~24)의 일단)을 가지고 있다. 또, 제1 스프링부(20)는, 제2 스프링부(30)와의 접속부(13)가 되는 4개의 타단(20b)(즉, 각 제1 스프링(21~24)의 타단)을 가지고 있다. 게다가, 제1 스프링부(20)는, 가동부(12)에 접속된 4개의 중간부(20c)(즉, 각 제1 스프링(21~24)의 중간부)를 가지고 있다. 제1 스프링부(20)는, 제1 스프링 정수 K1을 가지고 있다. 여기서, 제1 스프링 정수 K1은, 제1 스프링부(20)의 중간부(20c)에서의 반도체 기판(2)에 수직인 방향으로의 변위의 용이함을 나타내는 것이다. 또, 제1 스프링 정수 K1은, 4개의 제1 스프링(21~24)의 스프링 정수를 합성한 것이다.
제2 스프링부(30)는, 제2 적층체(50)의 일부에 의해서 구성되어 있고, 반도체 기판(2)에 수직인 방향으로 변위 가능하게 되어 있다. 제2 스프링부(30)는, 가동 미러(5)를 중심으로 하여 방사선 모양으로 병렬로 마련된 4개의 제2 스프링(31~34)을 포함하고 있다. 제2 스프링(31~34)은, 가동 미러(5)의 주위에서, 제1 스프링(21~24)과 교호로 마련되어 있다.
제2 스프링부(30)는, 제1 스프링부(20)와의 접속부(13)가 되는 4개의 일단(30a)(즉, 각 제2 스프링(31~34)의 일단)을 가지고 있다. 또, 제2 스프링부(30)는, 트렌치(43)에 남겨진 중간층(82) 등을 매개로 하여 반도체 기판(2)에 고정된 4개의 타단(30b)(즉, 각 제2 스프링(31~34)의 타단)을 가지고 있다. 제2 스프링부(30)는, 제1 스프링 정수 K1 보다도 큰 제2 스프링 정수 K2를 가지고 있다. 여기서, 제2 스프링 정수 K2는, 제2 스프링부(30)의 일단(30a)에서의 반도체 기판(2)에 수직인 방향으로의 변위의 용이함을 나타내는 것이다. 또, 제2 스프링 정수 K2는, 4개의 제2 스프링(31~34)의 스프링 정수를 합성한 것이다. 또, 제2 실시 형태에서는, 이론상, 제1 스프링(21~24)과 제2 스프링(31~34)과의 4개의 접속부(13)는, 각각 가동 미러(5)의 중심에서 겹쳐 있다.
제2 적층체(50) 중, 가동 미러(5) 및 제2 스프링부(30)를 둘러싸는 원환부(圓環部)(50d)에 대응하는 부분을 구성하는 폴리 실리콘층(51a)은, 가동부(12)로서 기능한다. 가동부(12)는, 그 내부 가장자리를 따라서 폴리 실리콘층(51a)에 마련된 트렌치(53)에 의해서, 광 투과 영역(83)을 포함하는 내측의 영역과 전기적으로 절연되어 있다.
또, 제2 실시 형태에서는, 트렌치(53)는, 폴리 실리콘층(51a) 중, 트렌치(43)에 대향 방향(D)에서 대향하는 부분 모두에 마련되어 있지만, 적어도 제1 스프링부(20)의 부분에 마련되면, 광 투과 영역(83)을 포함하는 내측의 영역과 가동부(12)와의 전기적 절연을 도모할 수 있다. 트렌치(53)에는, 질화 실리콘층(52a)이 매립되어 있다. 원환부(50d), 및 원환부(50d)에 포함되는 가동부(12)는, 제1 스프링부(20)의 중간부(20c)에 접속되고, 지지되어 있다.
광학 모듈(1B)은, 제어부(70)를 더 구비하고 있다. 제어부(70)는, 단자(16, 17)에 각각 배선(18, 19)을 매개로 하여 전기적으로 접속되어 있다. 단자(16)는, 트렌치(16a)를 매개로 하여 가동부(12)(즉, 제2 적층체(50)의 폴리 실리콘층(51a))와 전기적으로 절연되어 있고, 고정부(11)(즉, 제1 적층체(40)의 폴리 실리콘층(41c))에 전기적으로 접속되어 있다. 단자(17)는, 가동부(12)(즉, 제2 적층체(50)의 폴리 실리콘층(51a))에 전기적으로 접속되어 있다. 제어부(70)는, 상술한 제1 실시 형태와 마찬가지로, 정전 액추에이터(10)를 구동시키기 위해서, 고정부(11)와 가동부(12)와의 사이의 정전 용량을 검출하고, 그 검출 결과에 근거하여 고정부(11)와 가동부(12)와의 사이에 구동 전압을 인가한다.
이상과 같이 구성된 광학 모듈(1B)에서는, 도 10의 (a)에 나타내어지는 상태에서, 제어부(70)에 의해서, 정전 액추에이터(10)의 고정부(11)와 가동부(12)와의 사이에 구동 전압이 인가되면, 고정부(11)와 가동부(12)와의 사이에 해당 구동 전압에 따른 정전력이 발생한다. 이것에 의해서, 도 10의 (b)에 나타내어지는 바와 같이, 가동부(12)는, 구동 방향(A)(반도체 기판(2)의 표면(2a)에 수직인 방향)을 따라서 고정부(11)로 끌어 당겨진다.
또, 제2 실시 형태에서는, 구동 방향(A)은, 고정 미러(4)와 가동 미러(5)가 대향하는 대향 방향(D)과 일치하고 있다. 가동부(12)는, 제1 스프링부(20)를 매개로 하여 가동 미러(5)에 접속되어 있기 때문에, 가동 미러(5)는, 가동부(12)의 이동에 연동하여, 반도체 기판(2)에 대해서 수직하게(즉, 반도체 기판(2)의 표면(2a)에 수직인 방향으로) 구동시켜지고, 가동 미러(5)와 고정 미러(4)와의 사이의 거리가 조정된다. 여기서, 가동 미러(5)는, 제1 스프링 정수 K1 보다도 큰 제2 스프링 정수 K2를 가지는 제2 스프링부(30)에도 접속되어 있기 때문에, 가동부(12) 정도로는 이동하지 않는다. 이와 같이, 광학 모듈(1B)에서는, 가동부(12)의 이동 거리에 대해서, 가동 미러(5)의 이동 거리가 축소된다.
그리고, 파브리 페로 간섭 필터(F)를 투과하는 광의 파장은, 가동 미러(5)와 고정 미러(4)와의 사이의 거리에 의존하기 때문에, 정전 액추에이터(10)에 인가하는 구동 전압을 조정함으로써, 투과하는 광의 파장을 적절히 선택할 수 있다. 즉, 외부로부터 피측정 광(L)이 입사되면, 가동 미러(5)와 고정 미러(4)와의 사이의 거리에 따른 파장을 가지는 광이 선택되고, 외부로 출사된다. 이 때, 가동 미러(5)와 고정 미러(4)와의 사이의 거리의 조정은, 제어부(70)에 의해서 정전 액추에이터(10)의 정전 용량을 계측하고, 가동부(12)의 이동 거리를 모니터하면서 행할 수 있다. 가동부(12)의 이동 거리는, 가동 미러(5)의 이동 거리를 소정의 배율로 확대한 것이 되기 때문에, 가동 미러(5)의 위치의 제어 정밀도가 안정된다.
다음으로, 광학 모듈(1B)의 제조 방법의 일례에 대해 설명한다. 먼저, 도 11의 (a)에 나타내어지는 바와 같이, 반도체 기판(2) 상에 산화막(81) 및 제1 적층체(40)를 이 순서로 형성한다. 이어서, 도 11의 (b)에 나타내어지는 바와 같이, 제1 적층체(40)의 폴리 실리콘층(41c)을 패터닝하고, 트렌치(43)를 형성한다. 이어서, 도 12의 (a)에 나타내어지는 바와 같이, 중간층(82)이 되는 산화막을 희생층으로서 형성한다. 이어서, 도 12의 (b)에 나타내어지는 바와 같이, 제2 적층체(50)의 폴리 실리콘층(51a)을 형성한다. 이어서, 폴리 실리콘층(51a)을 패터닝하고, 트렌치(53)를 형성한다.
이어서, 도 13의 (a)에 나타내어지는 바와 같이, 제2 적층체(50)의 나머지의 층을 형성한다. 이어서, 도 13의 (b)에 나타내어지는 바와 같이, 제2 적층체(50)를 부분적으로 드라이 에칭에 의해 제거하고, 가동 미러(5), 제1 스프링부(20), 제2 스프링부(30) 및 정전 액추에이터(10)의 가동부(12) 등의 각 부를 형성함과 아울러, 관통공(50b)을 형성한다. 또한, 단자(16, 17)에 대응하는 고정부(11) 및 가동부(12)용 콘택트 홀을 형성하고, 전극 메탈의 성막을 행한다. 이어서, 불산 가스에 의해서, 관통공(50b)을 통하여 기상(氣相) 에칭하고, 중간층(82)을 부분적으로 제거하여, 공극(S)을 형성한다.
이와 같이 하여, 도 8에 나타내어지는 광학 모듈(1B)이 표면 마이크로 머신 기술에 의해 제조된다. 또, 제2 스프링부(30)의 단부(30b) 및 외부 가장자리부(50c)로 하는 부분에는, 관통공(50b)을 형성하지 않는 것에 의해서, 중간층(82)을 남겨 두는 조정을 행할 수 있다.
제2 실시 형태에서는, 제1 스프링 정수 K1 및 제2 스프링 정수 K2의 크기를 조정하기 위해서, 제1 스프링부(20) 및 제2 스프링부(30)의 길이를 조정했지만, 예를 들면, 단자(16, 17)를 형성할 때에, 전극 메탈을 제2 스프링부(30)에 증착함으로써, 제1 스프링 정수 K1 및 제2 스프링 정수 K2의 크기를 조정해도 괜찮다. 또, 제1 스프링부(20)의 폴리 실리콘층(51)을 에칭하여 질화 실리콘층(52)만으로 하는 등, 제1 스프링부(20) 및 제2 스프링부(30)의 층의 재질 및 구성을 바꿈으로써, 제1 스프링 정수 K1 및 제2 스프링 정수 K2의 크기를 조정하는 것도 가능하다.
이상 설명한 바와 같이 광학 모듈(1B)에서는, 가동 미러(5)는, 반도체 기판(2)에 대해서 수직하게 구동시켜진다. 이것에 의하면, 예를 들면, 가동 미러(5)가 광학 모듈(1B)의 외부로 노출하고 있기 때문에, 가동 미러(5)에 피측정 광(L)을 입사시키기 쉬워진다. 게다가, 표면 마이크로 머신 기술을 이용한 제조 방법을 바람직하게 적용할 수 있다.
또, 광학 모듈(1B)에서는, 제1 스프링부(20)는, 반도체 기판(2)에 고정된 일단(20a), 및 제2 스프링부(30)와의 접속부(13)가 되는 타단(20b)을 가지며, 제2 스프링부(30)는, 접속부(13)가 되는 일단(30a), 및 반도체 기판(2)에 고정된 타단(30b)을 가지며, 가동부(12)는, 제1 스프링부(20)의 중간부(20c)에 접속되어 있다. 이것에 의하면, 제1 스프링부(20)의 일단이 반도체 기판(2)에 고정되어 있으므로, 제1 스프링부(20)가 손상되기 어려워진다.
이상, 본 발명의 실시 형태에 대해 설명했지만, 본 발명은, 상기 각 실시 형태에 한정되는 것은 아니다. 예를 들면, 가동부의 위치의 검출은, 고정부와 가동부와의 사이의 정전 용량의 검출에 의하지 않고, 레이저 간섭계 등에 의한 변위 측정에 의해서 행해도 괜찮다. 이것에 의하면, 정전 용량의 검출이 불필요하게 된다.
또, 예를 들면, 광학 부품은 파브리 페로 간섭 필터 이외의 간섭 필터를 구성하는 미러 등의 부재라도 좋다. 이것에 의하면, 해당 부재를 안정적으로 또한 고정밀도로 동작시키는 것에 의해서, 해당 간섭 필터의 파장 분해능을 높일 수 있다. 또, 예를 들면, 제2 실시 형태에서, 제1 스프링부(20)의 일단(20a)은, 반도체 기판(2)에 고정되어 있지 않아도 좋고, 일단(20a)이 가동부(12)에 접속함으로써, 가동부(12)를 지지하고 있어도 괜찮다. 이것에 의하면, 제1 스프링부(20) 전체의 신장을 가동부(12)의 이동 거리로 할 수 있어, 가동부(12)의 이동 거리를 확대하기 쉬워진다.
상기 실시 형태에 의한 광학 모듈에서는, 반도체 기판과, 반도체 기판에 고정된 고정부 및 고정부와의 사이에 발생하는 정전력에 의해서, 고정부에 대해서 이동시켜지는 가동부를 가지는 정전 액추에이터와, 가동부에 접속되며, 제1 스프링 정수를 가지는 제1 스프링부와, 제1 스프링부와 반도체 기판과의 사이에 접속되며, 제1 스프링 정수 보다도 큰 제2 스프링 정수를 가지는 제2 스프링부와, 제1 스프링부와 제2 스프링부와의 접속부에 접속된 광학 부품을 구비하는 구성으로 하고 있다.
상기 구성의 광학 모듈은, 고정부와 가동부와의 사이의 정전 용량을 검출하고, 그 검출 결과에 근거하여 고정부와 가동부와의 사이에 구동 전압을 인가하는 제어부를 더 구비하는 구성으로 해도 좋다. 이것에 의하면, 정전 액추에이터의 가동부의 위치를, 정전 용량에 의해서 검출할 수 있기 때문에, 구동 전압의 불안정성, 주위 온도의 변화 등에 의하지 않고 광학 부품을 적절히 동작시킬 수 있다.
상기 구성의 광학 모듈에서는, 광학 부품은, 파브리 페로 간섭 필터의 가동 미러인 구성으로 해도 좋다. 가동 미러를 안정적으로 또한 고정밀도로 동작시키는 것에 의해서, 파브리 페로 간섭 필터의 파장 분해능을 높일 수 있다.
상기 구성의 광학 모듈에서는, 가동부, 제1 스프링부, 제2 스프링부 및 광학 부품은, 반도체 기판에 일체적으로 형성되어 있는 구성으로 해도 좋다. 이것에 의하면, 예를 들면, 반도체 기판 상에 마련한 반도체층을 에칭하는 것에 의해서, 한 번에 가동부, 제1 스프링부, 제2 스프링부 및 광학 부품을 형성할 수 있기 때문에, 제조 공정을 단순화할 수 있다.
상기 구성의 광학 모듈에서는, 제1 스프링부는, 병렬로 마련된 복수의 제1 스프링을 포함하고, 제2 스프링부는, 병렬로 마련된 복수의 제2 스프링을 포함하는 구성으로 해도 괜찮다. 이것에 의하면, 제1 스프링부 및 제2 스프링부는 각각 복수의 스프링을 포함하므로, 가동부 및 광학 부품의 지지가 안정되기 쉬워진다.
상기 구성의 광학 모듈에서는, 광학 부품은, 반도체 기판에 대해서 평행하게 구동시켜지는 구성으로 해도 좋다. 이것에 의하면, 가동부의 가동 범위를 확대하기 쉬워진다.
상기 구성의 광학 모듈에서는, 제1 스프링부는, 가동부가 고정된 일단 및 접속부가 되는 타단을 가지며, 제2 스프링부는, 접속부가 되는 일단 및 반도체 기판에 고정된 타단을 가지는 구성으로 해도 좋다. 이것에 의하면, 제1 스프링부 전체의 신장을 가동부의 이동 거리로 할 수 있기 때문에, 가동부의 이동 거리를 확대하기 쉬워진다.
상기 구성의 광학 모듈에서는, 광학 부품은, 반도체 기판에 대해서 수직하게 구동시켜지는 구성으로 해도 좋다. 이것에 의하면, 예를 들면, 광학 부품이 파브리 페로 간섭 필터의 가동 미러이었던 경우에, 피측정 광을 입사시키기 쉬워진다.
상기 구성의 광학 모듈에서는, 제1 스프링부는, 반도체 기판에 고정된 일단 및 접속부가 되는 타단을 가지며, 제2 스프링부는, 접속부가 되는 일단 및 반도체 기판에 고정된 타단을 가지고, 가동부는, 제1 스프링부의 중간부에 접속되어 있는 구성으로 해도 좋다. 이것에 의하면, 제1 스프링부의 일단이 반도체 기판에 고정되어 있으므로, 제1 스프링부가 손상되기 어려워진다.
[산업상의 이용 가능성]
본 발명은, 정전 액추에이터를 이용하여 안정적으로 또한 고정밀도로 광학 부품을 동작시킬 수 있는 광학 모듈로서 이용 가능하다.
1A, 1B - 광학 모듈 2 - 반도체 기판
3 - 입사 미러 4 - 고정 미러
5 - 가동 미러(광학 부품) 6 - 출사 미러
8 - 절연층 9 - 반도체층
10 - 정전 액추에이터 11 - 고정부
12 - 가동부 13 - 접속부
14, 15 - 지지부 16, 17 - 단자
18, 19 - 배선 20 - 제1 스프링부
20a - 일단 20b - 타단
20c - 중간부 21, 22, 23, 24 - 제1 스프링
30 - 제2 스프링부 30a - 일단
30b - 타단 31, 32, 33, 34 - 제2 스프링
40 - 제1 적층체 50 - 제2 적층체
81 - 산화막 82 - 중간층
70 - 제어부 F - 파브리 페로 간섭 필터
L - 피측정 광 S - 공극

Claims (9)

  1. 반도체 기판과,
    상기 반도체 기판에 고정된 고정부 및 상기 고정부와의 사이에 발생하는 정전력(靜電力)에 의해서, 상기 고정부에 대해서 이동시켜지는 가동부를 가지는 정전 액추에이터와,
    상기 가동부에 접속되며, 제1 스프링 정수(定數)를 가지는 제1 스프링부와,
    상기 제1 스프링부와 상기 반도체 기판과의 사이에 접속되며, 상기 제1 스프링 정수 보다도 큰 제2 스프링 정수를 가지는 제2 스프링부와,
    상기 제1 스프링부와 상기 제2 스프링부와의 접속부에 접속된 광학 부품을 구비하는 광학 모듈.
  2. 청구항 1에 있어서,
    상기 고정부와 상기 가동부와의 사이의 정전 용량을 검출하고, 그 검출 결과에 근거하여 상기 고정부와 상기 가동부와의 사이에 구동 전압을 인가하는 제어부를 더 구비하는 광학 모듈.
  3. 청구항 1 또는 청구항 2에 있어서,
    상기 광학 부품은, 파브리 페로(Fabry-Perot) 간섭 필터의 가동 미러인 광학 모듈.
  4. 청구항 1 내지 청구항 3 중 어느 한 항에 있어서,
    상기 가동부, 상기 제1 스프링부, 상기 제2 스프링부 및 상기 광학 부품은, 상기 반도체 기판에 일체적으로 형성되어 있는 광학 모듈.
  5. 청구항 1 내지 청구항 4 중 어느 한 항에 있어서,
    상기 제1 스프링부는, 병렬로 마련된 복수의 제1 스프링을 포함하고,
    상기 제2 스프링부는, 병렬로 마련된 복수의 제2 스프링을 포함하는 광학 모듈.
  6. 청구항 1 내지 청구항 5 중 어느 한 항에 있어서,
    상기 광학 부품은, 상기 반도체 기판에 대해서 평행하게 구동시켜지는 광학 모듈.
  7. 청구항 6에 있어서,
    상기 제1 스프링부는, 상기 가동부가 고정된 일단 및 상기 접속부가 되는 타단을 가지며,
    상기 제2 스프링부는, 상기 접속부가 되는 일단 및 상기 반도체 기판에 고정된 타단을 가지는 광학 모듈.
  8. 청구항 1 내지 청구항 5 중 어느 한 항에 있어서,
    상기 광학 부품은, 상기 반도체 기판에 대해서 수직하게 구동시켜지는 광학 모듈.
  9. 청구항 8에 있어서,
    상기 제1 스프링부는, 상기 반도체 기판에 고정된 일단 및 상기 접속부가 되는 타단을 가지고,
    상기 제2 스프링부는, 상기 접속부가 되는 일단 및 상기 반도체 기판에 고정된 타단을 가지며,
    상기 가동부는, 상기 제1 스프링부의 중간부에 접속되어 있는 광학 모듈.
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