JP2005134896A - 微小可動デバイス - Google Patents

Abstract

【課題】 ばね性ヒンジにより可動部を基板支持する微小可動デバイスにおいて、所望の柔軟性のヒンジのものを比較的容易に作製可能とする。
【解決手段】 ミラー４を付けた可動ロッド７に可動電極５が固定され、可動電極５と固定電極８間に電圧を印加してミラー４を十字溝１の中心部１ｃから引き込めて、それまでミラー４により反射された光を直進させ、電極５と固定電極９間に電圧を印加してミラー４を中心部１ｃに戻す。ロッド７はばねヒンジ６Ａ〜６Ｄにより固定部に支持されている。ヒンジ６Ａ〜６Ｄの断面形状を、基板３１の表面３１ｕ側を底辺とする正台形状又は正三角形状とする。
【選択図】 図１

Description

この発明はフォトリソグラフィ、深彫りガス反応性ドライエッチングにより作製され、微小光スイッチ、微小光減衰器、微小加速度計など、基板上にばね性ヒンジにより可動部を基板板面と平行に可動自在に設けた微小可動デバイスに関する。

この種の微小可動デバイスとして基板上にミラー、ヒンジ、アクチュエータ、光導波部の各要素を形成し、光導波部にミラーを挿抜することによって光路の切換えを行なう機能を有する光スイッチを説明する。
図１０に特許文献１のＭＥＭＳ（Micro Electro Mechanical Systems：微小電気機械システム）光スイッチの構造を示す。基板１００（図３では１００ａと１００ｂに分割分離して示しているが一体のものである）の上面（１００ｕ）に４本のファイバ溝１Ａ〜１Ｄが一端を互に連続して十字状に形成され、その互いに直角なファイバ溝１Ａと１Ｂ間の基板１００を駆動体形成部１０１とし、駆動体形成部１０１にファイバ溝１Ａと１Ｂに対しそれぞれ４５度をなすスロット１０３が上面（１００ｕ）に形成され、スロット１０３内に可動ロッド１１６が配され、可動ロッド１１６の両側に支持枠１３４Ａ，１３４Ｂの一端が固定され、支持枠１３４Ａ，１３４Ｂの他端が板ばねヒンジ１２８Ａ，１２８Ｂにより固定支持部１３０Ａ，１３０Ｂに固定され、可動ロッド１１６はその延長方向に、かつ基板１００の板面（上面１００ｕ）と平行に移動自在に保持されている。４本の光ファイバ１０６Ａ〜１０６Ｄがファイバ溝１Ａ〜１Ｄ内に配置され、光ファイバ１０６Ａ〜１０６Ｄの放射状配置の中心部１ｃにミラー１０２が位置して可動ロッド１１６の一端に支持され、可動ロッド１１６の他端に櫛歯型静電アクチュエータ１２２が連結される。

櫛歯型静電アクチュエータ１２２は可動ロッド１１６の両側にそれぞれ延長された可動櫛歯電極１１０と固定櫛歯電極１０８が可動ロッド１１６の延長方向に配列され、可動櫛歯電極１１０が可動ロッド１１６に固定され、固定櫛歯電極１０８が、駆動体形成部１０１にそれぞれ固定される。なお基板１００の上面１００ｕの駆動体形成部１０１領域に浅い方形状凹部１１５がスロット１０３とつながって形成され、この凹部１１５内に可動ロッド１１６が延長挿入され、静電アクチュエータ１２２、ヒンジ１２８Ａ，１２８Ｂ、支持枠１３４Ａ，１３４Ｂが位置され、固定櫛歯電極１０８、固定支持部１３０Ａ，１３０Ｂは凹部１１５の底に固定されているが、その他の可動部は凹部１１５の底面との間に隙間があり浮かされている。櫛歯電極１１０と１０８の間に電圧を印加することにより静電気の吸引力が発生し、可動ロッド１１６が固定櫛歯電極１０８側に移動し、ミラー１０２が中心部１ｃから抜き出た状態に維持させる。この電圧印加を解くと、可動ロッド１１６はヒンジ１２８Ａ，１２８Ｂの復帰力で中心部１ｃに移動しミラー１０２が中心部１ｃに位置し、元の状態に戻る。

ミラー１０２が中心部１ｃに挿入されている状態では光ファイバ１０６Ａから出射した光がミラー１０２で反射されて光ファイバ１０６Ｂに入射し、光ファイバ１０６Ｄから出射した光はミラー１０２で反射されて光ファイバ１０６Ｃに入射する。ミラー１０２を中心部１ｃから抜き出した状態では光ファイバ１０６Ａから出射した光は光ファイバ１０６Ｃに入射し、光ファイバ１０６Ｄから出射した光は受光用光ファイバ１０６Ｂに入射する。
この微小光スイッチの作製は、基板上にマスク材層を形成し、このマスク材層を、図１０に示した平面図の形状に、フォトリソグラフィ技術を用いて、パターニングしてマスクを形成し、このマスクをマスクとしてガス反応性ドライエッチングによる深彫り加工される。このドライエッチングによる深彫り加工においては、一般に、マスクの境界で基板を
その板面に対して垂直にエッチングして垂直な壁面を形成することが技術的課題となっている。この垂直性をよくするために、特許文献２では、エッチング工程とポリマー析出工程とを交互に連続させる方法が示されている。
特表２００３−５０６７５５号公報 特表平７−５０３８１５号公報

板ばねヒンジ１２８Ａ，１２８Ｂはその厚さを大きくすると、機械的剛性が強くなり、ミラーを変位させるために大きな電圧が必要になる。また板ばねヒンジ１２８Ａ，１２８Ｂの機械的剛性はヒンジの厚さの３乗に比例するためヒンジの厚さは可動部の動特性に大きな影響を与える。このため極めて高い作製精度が要求される。適切なスイッチング電圧が得られるためにはヒンジ１２８Ａ，１２８Ｂの厚さは１μｍ程度と非常に薄いものとする必要がある。しかし、その様な寸法領域においては最終仕上がり形状精度が目的のものとするのが大変である。

この問題は同様に可動部をばね性（可撓性）ヒンジにより基板上にその基板板面と平行に移動自在に支持する微小可動デバイスについて発生する。
この発明の目的はばね性ヒンジの厚さを比較的大きくすることができ、従ってフォトリソグラフィが容易となり、作製誤差の影響も比較的小さい微小可動デバイスを提供することにある。

この発明によれば、ばね性ヒンジはその延長方向と直交する断面の幅が基板の上面に近づく程、小とされている。

ヒンジの断面の幅が基板の上面に近づく程、小さいため、同一ばね定数のものとする場合に断面形状が長方形のものよりもヒンジの厚さを大きくすることができ、それだけ作製が容易になる。

この発明を微小光スイッチに適用した実施形態を図面を参照して説明する。図１に平面図、その断面を図２に示すように、基板３１の上面３１ｕに十字状にファイバ溝１が形成され、十字状ファイバ溝１の中心部１ｃに対し、放射状となっている４本のファイバ溝１Ａ〜１Ｄにそれぞれ、光ファイバ３２Ａ〜３２Ｄが挿入され、図３に示すようにファイバ溝１Ａ〜１Ｄの溝幅が光ファイバの直径に十分近く作製されてあり、光ファイバ３２Ａ〜３２Ｄをそれぞれファイバ溝１Ａ〜１Ｄに上方から圧入すれば各光ファイバはファイバ溝の両壁面に安定に挟持されると共に、中心部１ｃの近くの突き当て突部３に各光ファイバ端面が突き当てられて基板３１に対して光ファイバ３２Ａ〜３２Ｄが位置決めされる。各光ファイバ３２Ａ〜３２Ｄの端面は例えば６°に斜面研磨されたコリメーションファイバが用いられた例である。

図１に示すように基板３１の上面３１ｕ側における十字状ファイバ溝１により４分割された１つの領域が駆動体形成部１０とされ、駆動体形成部１０はこれを２分するように中心部１ｃと連通したロッド溝３３が形成され、ロッド溝３３に可動ロッド７が配され、可動ロッド７の中心部１ｃ側の一端にミラー４が保持され、可動ロッド７の両側の各２個所に連結された変形Ｓ字状板ばねヒンジ６Ａ〜６Ｄにより、可動ロッド７がその延長方向に移動自在に駆動体形成部１０に支持される。ヒンジ６Ａ，６Ｃと６Ｂ，６Ｄとの間において、櫛歯型静電アクチュエータが設けられ、その可動櫛歯電極５が可動ロッド７の両側に固定され、可動櫛歯電極５のヒンジ６Ｃ，６Ｄ側とヒンジ６Ａ，６Ｂ側とに第１、第２固
定櫛歯電極８，９が駆動体形成部１０に固定されている。また板ばねヒンジ６Ａ，６Ｂと６Ｃ，６Ｄは駆動体形成部１０に形成されたヒンジ用凹部１４ａと１４ｂ内に配されている。

光デバイス作製直後の初期状態で、ヒンジ用凹部１４ａ，１４ｂの各板ばねヒンジ６Ａ〜６Ｄの板面と対向する壁面はそれぞれその対向ヒンジ６Ａ，６Ｂまた６Ｃ，６Ｄと平行であることがよく、これらの第２、第１固定櫛歯電極９，８側とヒンジとの間隔をＤ１，Ｄ２、その反対側とヒンジとの間隔をＤ３，Ｄ４とするとＤ１＝Ｄ２＝Ｄ３＝Ｄ４とすればよい。
この実施形態ではまた板ばねヒンジ６Ａ〜６Ｄの断面形状は、その両側面がわずか、例えばθ１＝０．５°程度傾斜したテーパ面とされ、基板３１の表面（上面３１ｕ）側の面６ｓ側より内面に近づくに従って、漸次幅が狭くなるようにされていることが好ましい。例えば図４Ａに示すように下の底辺に対し上辺が広い台形状あるいは図４Ｂに示すようにくさび形三角形状とするとよい。

変形Ｓ字状板ばねヒンジ６Ａ〜６Ｄは異なる屈曲状態を保持するものである。従ってこの光デバイスの作製直後の初期形状（第１安定状態）において、例えばミラー４が中心部１ｃに挿入されているようにする。この時、光ファイバ３２Ａから出射された光はミラー４によって反射され光ファイバ３２Ｂに入射される。光ファイバ３２Ｄから出射された光は光ファイバ３２Ｃへ反射入射される。可動ロッド７、可動櫛歯電極５と板ばねヒンジ６Ａ〜６Ｄを介して電気的につながれている駆動体形成部１０、第２固定櫛歯電極９をそれぞれアースした状態で第１固定櫛歯電極８に電圧を印加すれば、第１固定櫛歯電極８と可動櫛歯電極５との間に静電吸引力が働き、その力が第１安定状態の保持力よりも大きい場合、板ばねヒンジ６Ａ〜６Ｄは第２安定状態へと反転し、その電圧の印加を絶ってもその状態で自己保持される。この時、図５に示すようにミラー４は中心部１ｃから退避した状態となり、光ファイバ３２Ａ，３２Ｄからの各出射光は光ファイバ３２Ｃ，３２Ｂにそれぞれ入射される。駆動体形成部１０、第１固定櫛歯電極８をアースした状態で第２固定櫛歯電極９に電圧を印加すれば、第２固定櫛歯電極９と可動櫛歯電極５との間に静電吸引力が作用し、その力が第２安定状態よりも大きい場合には再び第１安定状態へと戻る。なお、第１又は第２固定櫛歯電極８又は９と可動電極５との間にそれぞれ電圧を印加するには、例えば第１、第２固定櫛歯電極８，９にそれぞれボンディングワイヤを接続しておき、これらボンディングワイヤと駆動体形成部１０との間に電圧を印加すればよい。

この光デバイスにおいて、ミラー４以外の可動部はミラー駆動方向と平行な中心線（可動ロッド７の中心線）に関して線対称な構造を有し、尚且つ、４本の板ばねヒンジ６Ａ，６Ｂ，６Ｃ，６Ｄによる可動ロッド７の支持点Ａ，Ｂ，Ｃ，Ｄ（すなわち、ヒンジ反力作用点）は可動櫛歯電極５と可動ロッド７との連結部（すなわち、駆動力作用点Ｓ）に関して対象な位置に配置されている。更に、前記駆動力作用点Ｓは可動部の重心にほぼ一致するように設計されている。このような構造をとることにより、例え、アクチュエータの駆動力が前記可動部を駆動すべき所望の方向とは異なるベクトル成分を含有している場合においても、前記駆動力の不要ベクトル成分に対し前記４本の板ばねヒンジ６Ａ，６Ｂ，６Ｃ，６Ｄから均等に反力が作用するため、前記可動部の所望の駆動方向以外への動きを効果的に抑制することができる。

また、衝撃力等の外乱が作用した場合においても、１）可動部の重心に関し対称な位置に４本の板ばねヒンジ６Ａ，６Ｂ，６Ｃ，６Ｄが設けられていること、２）重い構造体である可動櫛歯電極５を４本の板ばねヒンジ６Ａ，６Ｂ，６Ｃ，６Ｄが均等に支持していること、以上２点の構造的特徴により可動部の不必要な動きを効果的に抑制することができる。
また板ばねヒンジ６Ａ〜６Ｄの両側面がわずかに傾斜したテーパ面とされ、幅が内側程
、狭くなる形状とされているため、同等なばね定数を得るためのヒンジ６Ａ〜６Ｄの表面側の幅を、断面が長方形とする場合よりも広くすることができ、それだけフォトリソグラフィが容易になり、作製誤差にも強くなる。

ばねヒンジ６の断面形状を図６に示すようにその側面テーパの傾斜θ１を一定値（例えば０．５°）として、表面６ｓ側の幅Ｗ１を各種の値とした台形ないし三角状断面ばねヒンジ６と、台形状断面ばねに対してはその幅及び高さをそれぞれ同一とした場合の、また三角形状ばねに対してはその幅を同一とした場合の、長方形断面のばねヒンジについて、ばね定数とヒンジ幅Ｗ１との関係を図７に、ヒンジ幅誤差とばね定数との関係を図８にそれぞれ示す。図７から同一ばね定数の場合、台形、三角形状断面は長方形断面より０．６μｍ以上幅Ｗ１を広くすることができることがわかる。また図８からヒンジ幅Ｗ１の誤差が大きくなるに従って、ばね定数が変化する割合が長方形断面より、台形、三角形断面の方が小さく、それだけ、同一ばね誤差に対し、大きい設計誤差が許されることが理解される。
以上述べたように板ばね６Ａ〜６Ｄの断面は細長い逆台形あるいは逆２等辺三角形とし、その側面の傾斜角度θ１を０．５°程度とするとよい。しかし板ばね６Ａ〜６Ｄの側面傾斜の形成はミラー面の作製と同時にドライエッチングにより行われる。ミラー面４Ｍの傾斜による光損失は光ビーム径に依存する。光ファイバ３２Ａ〜３２Ｄの各先端コリメーションファイバ部により、光ビームは絞られ、ミラー面４Ｍで最小径（ビームウエスト径）になる。シングルモード光ファイバよりの出射光ビームのウエスト径は２．０〜３０．０μｍ程度である。光スイッチにおける光損失は各種要因に基づく、従ってミラー面４Ｍの傾斜に起因する損失の現実的な許容損失は０．１〜０．３ｄＢ程度である。
光波長１．５５μｍ、水平方向入射角４５°の場合のミラー面の傾斜による光損失を計算すると、最小ビームウエスト径２．０μｍで最大許容損失０．３ｄＢを与える傾斜角度θ１は５．２５°であり、一方最大ビームウエスト径３０．０μｍで最小の許容損失０．１ｄＢを与える傾斜角度θ１は０．２０°である。これらより、板ばね６Ａ〜６Ｄの側面の現実的な傾斜角度θ１はほぼ０．２°〜５．０°の範囲であり、好ましくはほぼ０．５°である。

次に図１〜３に示した光デバイスを作製する方法としては以下のようにすることが考えられる。図９はその各工程における図１中２Ａ−２Ａ線断面を示す。
図９Ａに示すように中間絶縁層４１を介して２枚のシリコン単結晶層４２，４３が接合された基板、いわゆるＳＯＩ基板３１を用意する。例えばシリコン単結晶層４２として厚さ３５０μｍの単結晶シリコン基板を用い、そのシリコン基板４２上に厚さ３μｍのシリコン酸化膜４１が中間絶縁層として形成され、更にその上にシリコン単結晶層４３として単結晶のシリコンデバイス層４３が形成されて基板３１とされる。

その基板３１上、つまりシリコンデバイス層４３上にマスク材層４４を形成する。マスク材層４４としては例えばシリコン酸化膜が用いられる。
ミラー４、ヒンジ６Ａ〜６Ｂ、可動ロッド７、可動櫛歯電極５、第１、第２固定櫛歯電極８，９上と、ファイバ溝１、ロッド溝３３及び板ばねヒンジ６Ａ〜６Ｂの屈曲動作に影響を与えない空間部分（ヒンジ用凹部１４）を除く基板３１上、つまりミラー面と、ミラー面以外の基板板面に垂直な側壁面とを規定するパターン、この例では図１に示す形状パターンに、例えばフォトリソグラフィ技術を用いてマスク材層４４をパターニングして図９Ｂに示すようにマスク４５を作成する。

次に例えばＩＣＰ（Inductively Coupled Plasma）によるドライエッチングにより、マスク４５をマスクとしてシリコンデバイス層４３を、図９Ｃに示すように中間絶縁層４１が露出するまで、基板３１の板面に対し、ほぼ垂直にエッチングする。これによりファイバ溝１、ロッド溝３３、ヒンジ用凹部１４、各櫛歯電極の櫛歯などが形成される。このガス反応性ドライエッチングによる深彫り加工は特許文献２に示す対応するドライエッチング工程と同様に行う、その手法において基板板面３１ｕに対し可及的に垂直になるようにする場合に対し、エッチング工程の作用を相対的に強く、ポリマー析出工程の作用を相対的に弱くする。具体的にはポリマー析出時間をわずか短縮したり、エッチング工程時間をわずか増大し、マスク下へのサイドエッチングの作用が適宜行われ、板ばねヒンジ６Ａ〜６Ｄの両側面を所望のテーパ面とする。このようにサイドエッチング作用をわずか利用してヒンジの両側面をテーパ面とすることは、他のエッチング条件、例えば電力、ガス流量、温度、ガス圧などの１つないし複数を調整してもよい。これら条件の設定は目的とするテーパ面の傾斜角度θ１に応じて、実験的に容易に決定することができる。

このエッチングにより形成された側壁を含むシリコンデバイス層４３の表面を洗浄した後、中間絶縁層４１に対して選択的なエッチング液、例えば弗素酸（ＨＦ）の５０％溶液（又は弗化水素酸と弗化アンモニウムの混合液）に浸して中間絶縁層４１に対しエッチン
グを行う。このエッチング時間は、ミラー４、可動櫛歯電極５、ヒンジ６Ａ〜６Ｄ、可動ロッド７などの可動部と対応する部分の中間絶縁層４１は完全に除去されるが、第１、第２固定櫛歯電極８，９の櫛歯以外の部分などの基体３１に固定されているべき部分の中間絶縁層４１は周縁のわずかな部分が除去されるのみとする。このエッチング処理により、前記可動部は板ばねヒンジ６Ａ〜６Ｄにより、移動自在に基板３１に支持される。またこの例では中間絶縁層４１とマスク材層４４は同一材とし、マスク４５も同時に除去している。

ミラー４の両側面に高反射率の金属、例えばＡｕ／Ｐｔ／Ｔｉ多層膜をスパッタによりコーティングして、ミラー本体を形成する。
この発明は微小光スイッチのみならず、光スイッチのミラーを光遮蔽板に置換して構成される微小光減衰器、光スイッチのミラーを質量部に置換し、静電アクチュエータのかわりに例えば静電容量型変位センサを設けた微小加速度計など、いずれもばね性のヒンジの柔軟性が要求され、高精度のばね定数仕様をもつセンサやアクチュエータにこの発明を適用することにより、いずれにおいてもフォトリソグラフィ工程による作製が容易になる効果が得られる。従って２つの異なる安定な屈曲状態をもつヒンジに限られるものでなく、また垂直なミラー面をもつ微小可動デバイス以外においてはばね性ヒンジの両側テーパ面の傾斜角θ１は０．５°以上でもよく、例えば１０°程度まで大にすることができ、θ１が大きい程柔軟性があり、しかもヒンジの表面側の幅（厚み）が大きくなり、フォトリソグラフィ工程による作製が容易になる。

この発明の実施形態を示す平面図。 図１の２Ａ−２Ａ線断面、２Ｂ−２Ｂ線断面、２Ｃ−２Ｃ線断面を示す図。 図１に示した光デバイスの十字状ファイバ溝の中心部付近の構造を説明するための拡大平面図。 図１に示した光デバイスに用いた板ばねヒンジの拡大断面図。 図１に示した光デバイスにおいてミラーがファイバ溝中心部１ｃから抜けた状態を示す平面図。 板ばねヒンジの各種幅の拡大断面図。 板ばねヒンジのヒンジ幅と、ばね定数の関係を示す特性曲線図。 板ばねヒンジのヒンジ幅誤差とばね定数の関係を示す特性曲線図。 図１に示した光スイッチの作製方法を説明するための各工程における図１の２Ａ−２Ａ線断面図。 従来の微小光スイッチを示す平面図。

Claims (3)

1. 基板上に形成され、その基板板面と平行に変位する可動部と、上記基板上に形成されて固定配置された固定部と、ばね性を有し、上記基板板面と平行に延伸されて両端が上記可動部と上記固定部とに連結され、上記可動部を変位自在に支持するヒンジとを備える微小可動デバイスであって、
   上記ヒンジの上記延伸方向と直交する断面の幅が上記基板の上面に近づく程、小とされていることを特徴とする微小可動デバイス。
2. 請求項１記載の微小可動デバイスにおいて、
   上記断面の形状が台形である。
3. 請求項１記載の微小可動デバイスにおいて、
   上記断面の形状が三角形である。
   

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