ポリマーＭＥＭＳアクチュエータ、光スイッチ及びポリマーＭＥＭＳアクチュエータの製造方法
【課題】本発明は、ポリマー材料を用いてアクチュエータを単純な構造で実現することにより破損や故障し難くすること、また、その製造工程及び工数を削減することを目的とする。
【解決手段】本発明のポリマーＭＥＭＳアクチュエータ１は、シリコン基板１０の上にポリマー材料により電気で駆動可能な微小機械構造を成しており、シリコン基板１０の上に固定した導電材料による第１の電極１１と、光反射用の鏡１４が固定された先端部がシリコン基板１０上の空間で当該基板１０に対して垂直方向に可動可能なポリマー材料によるポリマー可動部１２と、このポリマー可動部１２及びシリコン基板１０の上に、ポリマー可動部１２で第１の電極１１と電気的に絶縁状態に固定した導電材料による第２の電極１３とを備えて構成されている。
【解決手段】本発明のポリマーＭＥＭＳアクチュエータ１は、シリコン基板１０の上にポリマー材料により電気で駆動可能な微小機械構造を成しており、シリコン基板１０の上に固定した導電材料による第１の電極１１と、光反射用の鏡１４が固定された先端部がシリコン基板１０上の空間で当該基板１０に対して垂直方向に可動可能なポリマー材料によるポリマー可動部１２と、このポリマー可動部１２及びシリコン基板１０の上に、ポリマー可動部１２で第１の電極１１と電気的に絶縁状態に固定した導電材料による第２の電極１３とを備えて構成されている。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、シリコン基板上にポリマー材料を用いて、電気で駆動可能な微小機械構造であるＭＥＭＳ（マイクロ電子機械システム）を形成したポリマーＭＥＭＳアクチュエータ、光スイッチ及びポリマーＭＥＭＳアクチュエータの製造方法に関する。
【背景技術】
【０００２】
ＭＥＭＳ（Ｍｉｃｒｏ Ｅｌｅｃｔｒｏ Ｍｅｃｈａｎｉｃａｌ Ｓｙｓｔｅｍ）は、電気と機械を融合した超小型システム（微小機械構造）であり、半導体（ＬＳＩ）の製造技術を応用した微細加工技術で製造される。ＬＳＩがシリコン基板上に電子回路を集積させるのに対し、ＭＥＭＳはシリコン基板上に微小機械構造を造りこむ技術である。このＭＥＭＳ技術は、微細加工・組み合わせ技術の集大成で、世の中のあらゆる分野の既存製品の超小型化に貢献するため、潜在的に応用可能な製品は無数にあると言われている。
【０００３】
ＭＥＭＳ技術は、例えばシリコン基板上にポリマー等の絶縁材料によって複数の光導波路がマトリクス状に形成された光通信デバイスに、光スイッチを形成する場合に用いられている。その光スイッチは、各光導波路に伝送される光を通過又は反射させて伝送経路を変更する制御を行うように鏡を駆動するものであり、ＭＥＭＳアクチュエータによって実現されている。最近では、ＭＥＭＳアクチュエータを、特許文献１に記載のように、シリコン基板上にポリマー等の絶縁材料で形成する技術がある。
【０００４】
この内容として、基板上に固定された固定コームと、基板から分離された可動コームと、基板上に固定されたポストと、基板から分離された状態でポストに連結されて可動コームを可動可能に支持するバネと、を備えるＭＥＭＳコームアクチュエータであることが開示されている。更に、前記固定コーム、可動コーム、ポスト及びバネは基板上に形成された絶縁物質層に構成され、固定コーム及び可動コームの表面には各々導電性金属コーティング膜が形成される。
【０００５】
そして、基板を備える段階と、基板上にシリカまたはポリマーよりなる所定厚さの絶縁物質層を形成する段階と、絶縁物質層及び基板を選択的にエッチングして絶縁物質層に固定コーム、可動コーム、ポスト及びバネを形成し、固定コーム及び可動コームの表面に各々導電性金属コーティング膜を形成する段階と、を備えるＭＥＭＳコームアクチュエータの製造方法であることが開示されている。また、固定コームと可動コームは、双方とも櫛歯状で互いに歯の凹凸部分が、凸部が凹部にギャップを介して入り組む対向状態に配設されている。
【特許文献１】特開２００５−５１９７８４号公報
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【０００６】
ところで、特許文献１においては、ＭＥＭＳアクチュエータの固定コームと可動コームを絶縁物質層で形成するが、それら形状が双方とも櫛歯状で互いに歯の凹凸部分が、凸部が凹部にギャップを介して入り組む対向状態に配設されているので、構造が複雑であり、また、絶縁物質層をエッチングして固定コームと可動コーム並びにポスト及びバネを形成しなければならない。つまり、アクチュエータの構造が複雑であるがゆえ、破損や故障し易く、また、複雑な構造を絶縁物質層をエッチングして形成しなければならないので、その製造工程及び工数が嵩むという課題があった。
【０００７】
前記課題を解決するために、本発明は、ポリマー材料を用いてアクチュエータを単純な構造で実現することにより破損や故障し難くすること、また、その製造工程及び工数を削減することを目的とする。
【課題を解決するための手段】
【０００８】
上記目的を達成するために、発明者は、基板上にポリマー材料を用いて、長手状の一端が固定され、他端が基板に対して垂直方向に移動可能な片持ち梁構造で且つ単純なバイメタルに類似する構造であるポリマーＭＥＭＳアクチュエータを作製することとした。
【０００９】
具体的には、基板上にポリマー材料により電気で駆動可能な微小機械構造であるＭＥＭＳを形成して成るポリマーＭＥＭＳアクチュエータであって、前記基板上に固定した導電材料による第１の電極と、光反射用の鏡が固定された先端部が前記基板上の空間で当該基板に対して垂直方向に可動可能なポリマー材料によるポリマー可動部と、前記基板上に前記第１の電極と対向するようにポリマー部材を介在して該第１の電極と電気的に絶縁状態に固定した導電材料による第２の電極と、を備えたことを特徴とするポリマーＭＥＭＳアクチュエータである。
【００１０】
この構成によれば、第１の電極と第２の電極との間に所定電位差の電圧を印加すると、静電気力によって、移動可能な第２の電極が固定された第１の電極に引き寄せられる。これに伴ってポリマー可動部の先端部の鏡も同方向に移動して基板側で保持状態となる。電圧印加を解除すると第２の電極が元の位置に戻るので鏡も元の位置に戻る。このような簡単な構造でポリマーＭＥＭＳアクチュエータを実現したので、従来の複雑な構造のものと比較して破損や故障し難くなる。また、静電気力を利用するため、消費電力が少ない。
本発明のポリマーＭＥＭＳアクチュエータは、前記ポリマー部材は、前記ポリマー可動部であることが望ましい。
【００１１】
この構成によれば、第２の電極が第１の電極の方へ移動した際に、ポリマー可動部が双方の電極の間に介在するのでショートを防止することができ、この防止を行う絶縁部材をポリマー可動部で兼ねることができるので、その分、ポリマーＭＥＭＳアクチュエータの構造並びに製造方法を簡単にすることができる。
【００１２】
また、具体的には、基板上にポリマー材料によって光を伝送する光導波路が縦横で交差するマトリクス状に形成されており、これら光導波路に伝送される光を該交差位置で通過又は反射させて伝送経路を変えるスイッチング制御を行う光スイッチにおいて、前記交差位置に、請求項１に記載のポリマーＭＥＭＳアクチュエータを配設し、このポリマーＭＥＭＳアクチュエータの前記第１の電極及び第２の電極への電圧印加の有無を制御することにより前記スイッチング制御を行うことを特徴とする光スイッチである。
【００１３】
この構成によれば、ポリマーＭＥＭＳアクチュエータもポリマー材料によって形成できるので、それら光導波路の交差位置にも容易に形成して配設することが可能となり、縦横の光導波路の本数が多くてもポリマーＭＥＭＳアクチュエータを集積化することが可能となる。
【００１４】
更に、具体的には、基板上にポリマー材料により電気で駆動可能な微小機械構造であるＭＥＭＳを形成するポリマーＭＥＭＳアクチュエータの製造方法であって、前記基板上に導電材料によって長手膜状の第１の電極を形成する第１の電極形成工程と、前記第１の電極形成工程で形成された第１の電極の上と前記基板上にレジスト層を形成したのち露光及び現像により当該レジスト層を該第１の電極上に凸状に成形し、これを犠牲層とする犠牲層形成工程と、前記犠牲層形成工程で形成された犠牲層及び前記第１の電極を含む前記基板上にネガ型のポリマー材料を塗布してポリマー層を形成し、このポリマー層を露光及び現像により、前記基板上の一部から前記第１の電極及び前記犠牲層の上面に架かって長手状に延びる形状に成形し、これをポリマー可動部とする可動部形成工程と、前記可動部形成工程で形成されたポリマー可動部の先端部以外の上面部分から後端側面を介して前記基板上まで長手状に繋がり、且つ該ポリマー可動部を挟んで前記第１の電極と電気的に絶縁状態とされた導電材料による膜を形成し、この膜を第２の電極とする第２の電極形成工程と、前記第２の電極形成工程を経た後、前記ポリマー可動部の先端部に光を反射する鏡面を形成する鏡面形成工程と、前記鏡面形成工程での鏡面形成後に、前記犠牲層を除去する除去工程と、を順に備えるポリマーＭＥＭＳアクチュエータの製造方法である。
【００１５】
この方法によれば、ポリマー可動部の下方の犠牲層が除去されることで、ポリマー可動部の一端部のみが基板上に固定された状態、つまり片持ち梁構造となるので、その固定された一端部と長手方向で対向し、鏡面の形成された先端部が、基板の上方で同基板の上面に対して垂直な方向に可動できるアクチュエータを形成することができる。
【発明の効果】
【００１６】
本発明によれば、ポリマー材料を用いてアクチュエータを単純な構造で実現することにより破損や故障し難くすること、また、その製造工程及び工数を削減するポリマーＭＥＭＳアクチュエータ、光スイッチ及びポリマーＭＥＭＳアクチュエータの製造方法を提供することができる。
【発明を実施するための最良の形態】
【００１７】
添付の図面を参照して本発明の実施形態を説明する。以下に説明する実施形態は本発明の実施例であり、本発明は、以下の実施形態に制限されるものではない。なお、本明細書及び図面において符号が同じ構成要素は、相互に同一のものを示すものとする。
【００１８】
図１は、本発明の実施形態に係るポリマーＭＥＭＳアクチュエータの構成を示す断面図である。本実施形態のポリマーＭＥＭＳアクチュエータ１は、シリコン基板１０の上にポリマー材料により電気で駆動可能な微小機械構造であるＭＥＭＳを有する構成を成している。このＭＥＭＳは、シリコン基板１０の上面に長手板状に形成された第１の電極１１と、この第１の電極１１及びシリコン基板１０の上面に形成された所定の厚みを有する胴部１２ａ及びこの胴部１２ａから先端方向に長手状に延びる長手可動部１２ｂを有するポリマー材料によるポリマー可動部１２と、このポリマー可動部１２の上面から後端側面を介してシリコン基板１０の上面に架かって固着され、且つポリマー可動部１２を挟んで第１の電極１１と電気的に絶縁状態とされた第２の電極１３と、ポリマー可動部１２及び第２の電極１３の先端部に固定され、光を反射する鏡面１４ａを表裏面に有する鏡１４とを備えて構成されている。但し、第１及び第２の電極１１，１３は、金、銀、錫、アルミニュウムや銅などの導電材料によって形成されている。
【００１９】
更に詳細には、ポリマー可動部１２は、胴部１２ａの殆どの裏面が第１の電極１１に固定され、後端部分の裏面がシリコン基板１０の上面に固定され、この固定された胴部１２ａから先端方向に長手板状に延びる長手可動部１２ｂが、シリコン基板１０の上方で同基板１０の上面に対して垂直方向（以降、上下方向とも称す）に可動可能な片持ち梁構造となっている。また本例では、ポリマー可動部１２の厚さは１〜２０μｍ、第１及び第２の電極１１，１３の厚さは５０〜３００μｍ、鏡１４の高さは１０〜２００μｍであるとする。
【００２０】
つまり、ポリマー可動部１２を挟んで絶縁状態に配設された第１及び第２の電極１１，１３に、図示せぬ電源から電圧を印加することより双方を所定の電位差とした場合、各電極１１，１３に生じる静電気力によって、矢印Ｙ１で示すように、移動可能な第２の電極１３が固定された第１の電極１１へ引き寄せられ、必然的にポリマー可動部１２も第２の電極１３と供に下方へ移動し、第１の電極１１に引き寄せられた状態で保持する。従ってポリマー可動部１２の長手可動部１２ｂの先端部に固定された鏡１４も同様に下方に移動して保持状態となる。この状態で第１及び第２の電極１１，１３の間には絶縁体であるポリマー可動部１２が介在するので各電極１１，１３間のショートは生じない。一方、電圧印加を解除すれば静電気力は働かなくなるので第２の電極１３及びポリマー可動部１２は元の位置に戻り、必然的に鏡１４もに元の位置に戻る。
【００２１】
次に、このようなポリマーＭＥＭＳアクチュエータ１の製造方法を、図２〜図７を参照して説明する。
最初に、図２（ａ）〜（ｄ）に示す第１の電極形成工程において、（ａ）に示すように、シリコン基板１０の上面に銅を蒸着して金属膜１１−０を形成する。次に、（ｂ）に示すように、金属膜１１−０の上にシリコン酸化材料を所定の厚さ塗布してレジスト膜１５−０を形成し、（ｃ）に示すように、そのレジスト膜１５−０を露光及び現像して所定形状にパターニングする。これによって形成されたレジストパターン膜１５は長手板状を成す。次に、（ｄ）に示すように、そのレジストパターン膜１５を利用して金属エッチングを行った後、レジストパターン膜１５を除去すると、レジストパターン膜１５と同形状の金属膜が残り、これが第１の電極１１となる。
【００２２】
次に、図３（ｅ）〜（ｇ）に示す犠牲層形成工程において、（ｅ）に示すように、シリコン基板１０及び第１の電極１１の上面にシリコン酸化材料を所定の厚さ塗布することによりポジ型のフォトレジスト層１７−０を形成する。次に、（ｆ）に示すように、フォトレジスト層１７−０の上方に所定のマスクパターン部１８ａを有するフォトマスク１８を配置し、複数の矢印で示すように、そのフォトマスク１８の上から紫外線を照射する。これによって、マスクパターン部１８ａ以外の部分に紫外線が照射されて露光される。そして、（ｇ）に示すように、現像を行うとフォトレジスト層１７−０の紫外線照射部分以外が凸状に残る。これが犠牲層１７となる。
【００２３】
次に、図４（ｈ）〜（ｊ）に示す可動部形成工程において、（ｈ）に示すように、犠牲層１７を含むシリコン基板１０の上全面にネガ型のポリマー材料（ＳＵ８：化学増幅型ネガレジスト）を所定の厚さ塗布してポリマー層１２−０を形成する。次に、（ｉ）に示すように、ポリマー層１２−０の上方に所定のマスクパターン部２１ａを有するフォトマスク２１を配置し、複数の矢印で示すように、フォトマスク２１の上から紫外線を照射する。これによって、マスクパターン部２１ａ以外の部分に紫外線が照射されて露光される。そして、（ｊ）に示すように、現像を行うとネガ型なのでポリマー層１２−０の紫外線照射部分が残る。即ち、シリコン基板１０の一部から第１の電極１１及び犠牲層１７の上面に架かって長手状に延びる形状に残る。これがポリマー可動部１２となる。
【００２４】
次に、図５（ｋ）〜（ｏ）に示す第２の電極形成工程において、（ｋ）に示すように、ポリマー可動部１２、犠牲層１７及び第１の電極１１を含むシリコン基板１０の上にシリコン酸化材料を所定の厚さ塗布してポジ型のレジスト層２３−０を形成する。次に、（ｌ）に示すように、レジスト層２３−０の上方に所定のマスクパターン部２４ａを有するフォトマスク２４を配置し、複数の矢印で示すように、フォトマスク２４の上から紫外線を照射する。これによって、マスクパターン部２４ａ以外の部分に紫外線が照射されて露光される。（ｍ）に示すように、現像を行うとレジスト層２３−０の紫外線照射部分以外が残る。つまり、マスクパターン領域のポリマー可動部１２及びシリコン基板１０が露出する。
【００２５】
次に、（ｎ）に示すように、その露出した部分に、銅を蒸着して金属膜１３−０を形成し、（ｏ）に示すように、金属膜１３−０以外のレジスト層２３−０を除去する。これによって、ポリマー可動部１２の上面から後端側面を介してシリコン基板１０の上面に架かって固着され、且つポリマー可動部１２を挟んで第１の電極１１と電気的に絶縁状態とされた金属膜が残り、これが第２の電極１３となる。
【００２６】
次に、図６（ｐ）〜（ｔ）に示す鏡面形成工程において、（ｐ）に示すように、第２の電極１３の形成後の全面にミラー層１４−０を成膜し、（ｑ）ではそのミラー層１４−０の上に、ミラー形成用のマスクパターン部２５ａを有するフォトマスク２５を配置し、複数の矢印で示すように、そのフォトマスク２５の上から紫外線を照射する。これによって、マスクパターン部２５ａ以外の部分に紫外線が照射されて露光される。次に、（ｒ）に示すように、現像を行い、鏡のベースとなるミラー構造１４ｂを形成する。（ｓ）では、その形成したミラー構造１４ｂに金属膜を選択的に形成するために、ミラー構造１４ｂの形成後の全面をマスキング用材料２６で覆い、（ｔ）でミラー構造１４ｂの部分のみのマスキング用材料２６を除去するためのフォトマスク２５を用いて露光を行う。
【００２７】
次に、図７（ｕ）〜（ｘ）に示す鏡面形成工程及び除去工程において、（ｕ）に示すように、露光を行った部分のマスキング用材料２６を現像で除去することによって、ミラー構造１４ｂのみが露出されたマスキングとなる。次に、（ｖ）に示すように、ミラー構造１４ｂが露出した基板上全面に反射膜となる金属膜１４ａ−０を形成した後、（ｗ）に示すように、ミラー構造１４ｂ以外の金属膜１４ａ−０を除去して鏡面１４ａを形成する。これによって鏡面１４ａを有する鏡１４が形成される。最後に、（ｘ）に示すように、犠牲層１７を除去する。
【００２８】
このような本実施形態のポリマーＭＥＭＳアクチュエータの製造方法によれば、最後に、ポリマー可動部１２の下方の犠牲層１７が除去されることで、ポリマー可動部１２の後端側の胴部１２ａのみが第１の電極１１及びシリコン基板１０の上に固定され、この固定された胴部１２ａから先端方向に長手板状に延びる長手可動部１２ｂを有する片持ち梁構造となる。従って、ポリマー可動部１２の長手可動部１２ｂの先端部に固定された鏡１４が、シリコン基板１０の上方で同基板上面に対して垂直な方向に可動できるポリマーＭＥＭＳアクチュエータ１を形成することができる。
【００２９】
このポリマーＭＥＭＳアクチュエータ１は、第１の電極１１と第２の電極１３の間にポリマー可動部１２を電気的に絶縁状態に介在させ、双方の電極１１，１３間に所定電位差の電圧を印加した静電気力による電極移動に伴い、ポリマー可動部１２を上下に移動可能とした簡単な構造である。従って、従来のアクチュエータのように構造が複雑であるがゆえ、破損や故障し易く、また、複雑な構造を絶縁物質層のエッチングで形成することによる製造工程及び工数の嵩みの問題が無くなる。
【００３０】
換言すれば、本実施形態のポリマーＭＥＭＳアクチュエータ１によれば、ポリマー材料を用いてアクチュエータを単純な構造で実現することができるので、破損や故障し難くなり、また、その製造工程及び工数を削減することができる。
【００３１】
また、ポリマーＭＥＭＳアクチュエータ１において、ポリマー可動部１２の長手可動部１２ｂにおける第１の電極１１への当接面全面（下面全面）を図示はしないが複数の凹凸状態とすることで、各電極１１，１３間への電圧印加時の静電気力で長手可動部１２ｂが第１の電極１１に当接状態となった場合に、その当接面積が極力少なくなるようにすることが好ましい。
【００３２】
上記の当接状態では、ポリマー可動部１２が第１の電極１１と異なる陽極又は陰極に帯電して、電圧印加を解除しても長手可動部１２ｂが第１の電極１１から離れなくなることがある。しかし、上記のように当接面積を極力少なくすることで、その帯電による吸着力が減少するので電圧印加を解除すれば長手可動部１２ｂが第１の電極１１から離れて元の位置に戻ることになる。
【００３３】
また、長手可動部１２ｂの下面全面を複数の凹凸状態に形成する場合、犠牲層形成工程において、犠牲層１７を形成する際に犠牲層１７の上面全面を複数の凹凸状に形成すればよい。これによって、犠牲層１７の上に長手可動部１２ｂを形成した際に、必然的に長手可動部１２ｂの下面全面が複数の凹凸状態に形成されることになる。
【００３４】
なお、上述のポリマーＭＥＭＳアクチュエータ１は、第１及び第２の電極１１，１３間に所定電位差の電圧を印加した静電気力（引力）によって、図１に矢印Ｙ１で示したように、ポリマー可動部１２に固着された第２の電極１３が上から下へ動作し、電圧印加解除時に逆方向に動作して元の位置に戻る構造であった。しかし、第１及び第２の電極１１，１３に同電位の電圧を印加すれば、双方に斥力の静電気力が働くので矢印Ｙ１と逆方向に動作可能な構造とすることができる。
【００３５】
次に、図８に示すように、このようなポリマーＭＥＭＳアクチュエータ１を用いた光スイッチ３０を説明する。
【００３６】
この光スイッチ３０は、シリコン基板３１の上にポリマー材料によって、光を伝送する光導波路３２，３３が縦横に交差するマトリクス状に形成されている。より詳述すると、シリコン基板１０の縦方向の端面間に４本の光導波路３２が一定隣接間隔で形成され、また、横方向の端面間に４本の光導波路３３が一定隣接間隔で形成されており、各々の光導波路３２，３３が直交状態に交差するマトリクス状に配設されている。但し、光導波路３２，３３を形成するポリマー材料には、光伝送損失が低損失となる全フッ素化ポリイミド等が用いられているとする。
【００３７】
縦横の各光導波路３２，３３の交差位置には、光導波路３２，３３に対して４５度の角度で溝３４が形成されており、溝３４には鏡１４が移動自在に挿入された状態でポリマーＭＥＭＳアクチュエータ１が配設されている。溝３４は、縦横双方の光導波路３２，３３を所定間隙で切断した状態で形成されている。但し、その溝３４の間隙は、各光導波路３２，３３の光伝送に全く影響を与えない寸法としてある。
【００３８】
このような溝３４に挿入されている鏡１４は、光スイッチ３０のスイッチング制御手段（図示せず）によって、第１及び第２の電極１１，１３間に所定電位差の電圧印加が制御されることによって、電圧印加時に図１に矢印Ｙ１で示したように下方に移動して下方に位置する状態となり、電圧未印加時に上方に位置する状態となる。また、電圧未印加時は、鏡１４が上方位置に在り、各光導波路３２，３３の伝送光を溝３４の部分で反射する状態となる。電圧印加時は、鏡１４が下方に移動して各光導波路３２，３３の伝送光を溝３４の部分で通過する状態となる。このようなスイッチング制御は、光スイッチ３０に配設された個々のポリマーＭＥＭＳアクチュエータ１に対して行われるようになっている。
【００３９】
次に、光スイッチ３０の動作を説明する。例えば、図８の各々のポリマーＭＥＭＳアクチュエータ１の内、右上角の１つのポリマーＭＥＭＳアクチュエータ１の第１及び第２の電極１１，１３に対して電圧未印加状態とされており、これによって鏡１４が上方位置に在るとする。この場合に、矢印Ｙ２で示すように、光が縦方向の光導波路３２に入力されると、その光は光導波路３２へ伝送され、鏡１４で９０度反射されて横方向の光導波路３３へ伝送ルートを変え、矢印Ｙ３で示す方向に出力される。
【００４０】
一方、上記の右上角の１つのポリマーＭＥＭＳアクチュエータ１のみの第１及び第２の電極１１，１３に対して電圧印加状態とされており、これによって鏡１４が下方位置に在るとする。この場合は、矢印Ｙ２で示すように縦方向の光導波路３２に入力された光は、最初の溝３４の部分は通過し、次の縦方向の光導波路３２を伝送する。この伝送光は、右上角の直下のポリマーＭＥＭＳアクチュエータ１の鏡１４で９０度反射されて横方向の光導波路３３へ伝送ルートを変え、矢印Ｙ４で示す方向に出力される。
【００４１】
このように、光スイッチ３０において、縦横の光導波路３２，３３の交差位置にポリマーＭＥＭＳアクチュエータ１を配設して光伝送ルート変更のスイッチング制御が行えるようにした。光スイッチ３０は、シリコン基板１０の上にポリマー材料でマトリクス状に縦横の光導波路３２，３３を形成するが、ポリマーＭＥＭＳアクチュエータ１もポリマー材料によって形成できるので、それら光導波路３２，３３の交差位置にも容易に形成して配設することが可能となり、縦横の光導波路３２，３３の本数が多くてもポリマーＭＥＭＳアクチュエータ１を集積化することが可能となる。
【００４２】
また、上記では、第１及び第２の電極１１，１３に対して電圧未印加時は、鏡１４が伝送光を反射状態、電圧印加時は、鏡１４が下方に移動して伝送光を通過状態としたが、これを逆にして、電圧未印加時は、鏡１４が各光導波路３２，３３の上方に在って伝送光を通過状態、電圧印加時は、鏡１４が下方に移動して伝送光を反射状態とするようにしてもよい。上記実施形態では、各光導波路３２，３３が直交に交差していることを前提としたが、斜めに交差していてもよい。この場合、伝送光は交差する角度で反射する。
【産業上の利用可能性】
【００４３】
本発明のポリマーＭＥＭＳアクチュエータ、光スイッチ及びポリマーＭＥＭＳアクチュエータの製造方法は、加速度により構造体がひずみ、静電容量が変わることで加速度を検知する加速度センサ、薄い膜が圧力差によりたわみ、それを静電容量変化としてとらえる事で圧力を検知する圧力センサ、入射した光の反射の有無を可動ミラーで制御する構成のスイッチ、センサ及びディスプレイ等に使われる光ＭＥＭＳスキャナ、多数の微小鏡（マイクロミラー）を平面に配列した表示素子であるＤＭＤ（デジタルマイクロディスプレイ）等に適用することができる。
【図面の簡単な説明】
【００４４】
【図１】本発明の実施形態に係るポリマーＭＥＭＳアクチュエータの構成を示す断面図である。
【図２】本発明の実施形態に係るポリマーＭＥＭＳアクチュエータの製造方法による第１の電極形成工程の説明図である。
【図３】本発明の実施形態に係るポリマーＭＥＭＳアクチュエータの製造方法による犠牲層形成工程の説明図である。
【図４】本発明の実施形態に係るポリマーＭＥＭＳアクチュエータの製造方法による可動部形成工程の説明図である。
【図５】本発明の実施形態に係るポリマーＭＥＭＳアクチュエータの製造方法による第２の電極形成工程の説明図である。
【図６】本発明の実施形態に係るポリマーＭＥＭＳアクチュエータの製造方法による鏡面形成工程の説明図である。
【図７】本発明の実施形態に係るポリマーＭＥＭＳアクチュエータの製造方法による鏡面形成工程及び除去工程の説明図である。
【図８】本発明の実施形態に係るポリマーＭＥＭＳアクチュエータを用いた光スイッチの構成を示す平面図である。
【符号の説明】
【００４５】
１：ポリマーＭＥＭＳアクチュエータ
１０，３１：シリコン基板
１１：第１の電極
１１−０：金属膜
１２：ポリマー可動部
１２−０：ポリマー層
１２ａ：胴部
１２ｂ：長手可動部
１３：第２の電極
１３−０：金属膜
１４：鏡
１４ａ：鏡面
１４ａ−０：金属膜
１４ｂ：ミラー構造
１４−０：ミラー層
１５−０：レジスト膜
１５：レジストパターン膜
１７：犠牲層
１７−０：フォトレジスト層（ポジ型）
１８，２１，２４，２５：フォトマスク
１８ａ，２１ａ，２４ａ，２５ａ：マスクパターン部
２３−０：レジスト層
２６：マスキング用材料
３０：光スイッチ
３２，３３：光導波路
３４：溝
【技術分野】
【０００１】
本発明は、シリコン基板上にポリマー材料を用いて、電気で駆動可能な微小機械構造であるＭＥＭＳ（マイクロ電子機械システム）を形成したポリマーＭＥＭＳアクチュエータ、光スイッチ及びポリマーＭＥＭＳアクチュエータの製造方法に関する。
【背景技術】
【０００２】
ＭＥＭＳ（Ｍｉｃｒｏ Ｅｌｅｃｔｒｏ Ｍｅｃｈａｎｉｃａｌ Ｓｙｓｔｅｍ）は、電気と機械を融合した超小型システム（微小機械構造）であり、半導体（ＬＳＩ）の製造技術を応用した微細加工技術で製造される。ＬＳＩがシリコン基板上に電子回路を集積させるのに対し、ＭＥＭＳはシリコン基板上に微小機械構造を造りこむ技術である。このＭＥＭＳ技術は、微細加工・組み合わせ技術の集大成で、世の中のあらゆる分野の既存製品の超小型化に貢献するため、潜在的に応用可能な製品は無数にあると言われている。
【０００３】
ＭＥＭＳ技術は、例えばシリコン基板上にポリマー等の絶縁材料によって複数の光導波路がマトリクス状に形成された光通信デバイスに、光スイッチを形成する場合に用いられている。その光スイッチは、各光導波路に伝送される光を通過又は反射させて伝送経路を変更する制御を行うように鏡を駆動するものであり、ＭＥＭＳアクチュエータによって実現されている。最近では、ＭＥＭＳアクチュエータを、特許文献１に記載のように、シリコン基板上にポリマー等の絶縁材料で形成する技術がある。
【０００４】
この内容として、基板上に固定された固定コームと、基板から分離された可動コームと、基板上に固定されたポストと、基板から分離された状態でポストに連結されて可動コームを可動可能に支持するバネと、を備えるＭＥＭＳコームアクチュエータであることが開示されている。更に、前記固定コーム、可動コーム、ポスト及びバネは基板上に形成された絶縁物質層に構成され、固定コーム及び可動コームの表面には各々導電性金属コーティング膜が形成される。
【０００５】
そして、基板を備える段階と、基板上にシリカまたはポリマーよりなる所定厚さの絶縁物質層を形成する段階と、絶縁物質層及び基板を選択的にエッチングして絶縁物質層に固定コーム、可動コーム、ポスト及びバネを形成し、固定コーム及び可動コームの表面に各々導電性金属コーティング膜を形成する段階と、を備えるＭＥＭＳコームアクチュエータの製造方法であることが開示されている。また、固定コームと可動コームは、双方とも櫛歯状で互いに歯の凹凸部分が、凸部が凹部にギャップを介して入り組む対向状態に配設されている。
【特許文献１】特開２００５−５１９７８４号公報
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【０００６】
ところで、特許文献１においては、ＭＥＭＳアクチュエータの固定コームと可動コームを絶縁物質層で形成するが、それら形状が双方とも櫛歯状で互いに歯の凹凸部分が、凸部が凹部にギャップを介して入り組む対向状態に配設されているので、構造が複雑であり、また、絶縁物質層をエッチングして固定コームと可動コーム並びにポスト及びバネを形成しなければならない。つまり、アクチュエータの構造が複雑であるがゆえ、破損や故障し易く、また、複雑な構造を絶縁物質層をエッチングして形成しなければならないので、その製造工程及び工数が嵩むという課題があった。
【０００７】
前記課題を解決するために、本発明は、ポリマー材料を用いてアクチュエータを単純な構造で実現することにより破損や故障し難くすること、また、その製造工程及び工数を削減することを目的とする。
【課題を解決するための手段】
【０００８】
上記目的を達成するために、発明者は、基板上にポリマー材料を用いて、長手状の一端が固定され、他端が基板に対して垂直方向に移動可能な片持ち梁構造で且つ単純なバイメタルに類似する構造であるポリマーＭＥＭＳアクチュエータを作製することとした。
【０００９】
具体的には、基板上にポリマー材料により電気で駆動可能な微小機械構造であるＭＥＭＳを形成して成るポリマーＭＥＭＳアクチュエータであって、前記基板上に固定した導電材料による第１の電極と、光反射用の鏡が固定された先端部が前記基板上の空間で当該基板に対して垂直方向に可動可能なポリマー材料によるポリマー可動部と、前記基板上に前記第１の電極と対向するようにポリマー部材を介在して該第１の電極と電気的に絶縁状態に固定した導電材料による第２の電極と、を備えたことを特徴とするポリマーＭＥＭＳアクチュエータである。
【００１０】
この構成によれば、第１の電極と第２の電極との間に所定電位差の電圧を印加すると、静電気力によって、移動可能な第２の電極が固定された第１の電極に引き寄せられる。これに伴ってポリマー可動部の先端部の鏡も同方向に移動して基板側で保持状態となる。電圧印加を解除すると第２の電極が元の位置に戻るので鏡も元の位置に戻る。このような簡単な構造でポリマーＭＥＭＳアクチュエータを実現したので、従来の複雑な構造のものと比較して破損や故障し難くなる。また、静電気力を利用するため、消費電力が少ない。
本発明のポリマーＭＥＭＳアクチュエータは、前記ポリマー部材は、前記ポリマー可動部であることが望ましい。
【００１１】
この構成によれば、第２の電極が第１の電極の方へ移動した際に、ポリマー可動部が双方の電極の間に介在するのでショートを防止することができ、この防止を行う絶縁部材をポリマー可動部で兼ねることができるので、その分、ポリマーＭＥＭＳアクチュエータの構造並びに製造方法を簡単にすることができる。
【００１２】
また、具体的には、基板上にポリマー材料によって光を伝送する光導波路が縦横で交差するマトリクス状に形成されており、これら光導波路に伝送される光を該交差位置で通過又は反射させて伝送経路を変えるスイッチング制御を行う光スイッチにおいて、前記交差位置に、請求項１に記載のポリマーＭＥＭＳアクチュエータを配設し、このポリマーＭＥＭＳアクチュエータの前記第１の電極及び第２の電極への電圧印加の有無を制御することにより前記スイッチング制御を行うことを特徴とする光スイッチである。
【００１３】
この構成によれば、ポリマーＭＥＭＳアクチュエータもポリマー材料によって形成できるので、それら光導波路の交差位置にも容易に形成して配設することが可能となり、縦横の光導波路の本数が多くてもポリマーＭＥＭＳアクチュエータを集積化することが可能となる。
【００１４】
更に、具体的には、基板上にポリマー材料により電気で駆動可能な微小機械構造であるＭＥＭＳを形成するポリマーＭＥＭＳアクチュエータの製造方法であって、前記基板上に導電材料によって長手膜状の第１の電極を形成する第１の電極形成工程と、前記第１の電極形成工程で形成された第１の電極の上と前記基板上にレジスト層を形成したのち露光及び現像により当該レジスト層を該第１の電極上に凸状に成形し、これを犠牲層とする犠牲層形成工程と、前記犠牲層形成工程で形成された犠牲層及び前記第１の電極を含む前記基板上にネガ型のポリマー材料を塗布してポリマー層を形成し、このポリマー層を露光及び現像により、前記基板上の一部から前記第１の電極及び前記犠牲層の上面に架かって長手状に延びる形状に成形し、これをポリマー可動部とする可動部形成工程と、前記可動部形成工程で形成されたポリマー可動部の先端部以外の上面部分から後端側面を介して前記基板上まで長手状に繋がり、且つ該ポリマー可動部を挟んで前記第１の電極と電気的に絶縁状態とされた導電材料による膜を形成し、この膜を第２の電極とする第２の電極形成工程と、前記第２の電極形成工程を経た後、前記ポリマー可動部の先端部に光を反射する鏡面を形成する鏡面形成工程と、前記鏡面形成工程での鏡面形成後に、前記犠牲層を除去する除去工程と、を順に備えるポリマーＭＥＭＳアクチュエータの製造方法である。
【００１５】
この方法によれば、ポリマー可動部の下方の犠牲層が除去されることで、ポリマー可動部の一端部のみが基板上に固定された状態、つまり片持ち梁構造となるので、その固定された一端部と長手方向で対向し、鏡面の形成された先端部が、基板の上方で同基板の上面に対して垂直な方向に可動できるアクチュエータを形成することができる。
【発明の効果】
【００１６】
本発明によれば、ポリマー材料を用いてアクチュエータを単純な構造で実現することにより破損や故障し難くすること、また、その製造工程及び工数を削減するポリマーＭＥＭＳアクチュエータ、光スイッチ及びポリマーＭＥＭＳアクチュエータの製造方法を提供することができる。
【発明を実施するための最良の形態】
【００１７】
添付の図面を参照して本発明の実施形態を説明する。以下に説明する実施形態は本発明の実施例であり、本発明は、以下の実施形態に制限されるものではない。なお、本明細書及び図面において符号が同じ構成要素は、相互に同一のものを示すものとする。
【００１８】
図１は、本発明の実施形態に係るポリマーＭＥＭＳアクチュエータの構成を示す断面図である。本実施形態のポリマーＭＥＭＳアクチュエータ１は、シリコン基板１０の上にポリマー材料により電気で駆動可能な微小機械構造であるＭＥＭＳを有する構成を成している。このＭＥＭＳは、シリコン基板１０の上面に長手板状に形成された第１の電極１１と、この第１の電極１１及びシリコン基板１０の上面に形成された所定の厚みを有する胴部１２ａ及びこの胴部１２ａから先端方向に長手状に延びる長手可動部１２ｂを有するポリマー材料によるポリマー可動部１２と、このポリマー可動部１２の上面から後端側面を介してシリコン基板１０の上面に架かって固着され、且つポリマー可動部１２を挟んで第１の電極１１と電気的に絶縁状態とされた第２の電極１３と、ポリマー可動部１２及び第２の電極１３の先端部に固定され、光を反射する鏡面１４ａを表裏面に有する鏡１４とを備えて構成されている。但し、第１及び第２の電極１１，１３は、金、銀、錫、アルミニュウムや銅などの導電材料によって形成されている。
【００１９】
更に詳細には、ポリマー可動部１２は、胴部１２ａの殆どの裏面が第１の電極１１に固定され、後端部分の裏面がシリコン基板１０の上面に固定され、この固定された胴部１２ａから先端方向に長手板状に延びる長手可動部１２ｂが、シリコン基板１０の上方で同基板１０の上面に対して垂直方向（以降、上下方向とも称す）に可動可能な片持ち梁構造となっている。また本例では、ポリマー可動部１２の厚さは１〜２０μｍ、第１及び第２の電極１１，１３の厚さは５０〜３００μｍ、鏡１４の高さは１０〜２００μｍであるとする。
【００２０】
つまり、ポリマー可動部１２を挟んで絶縁状態に配設された第１及び第２の電極１１，１３に、図示せぬ電源から電圧を印加することより双方を所定の電位差とした場合、各電極１１，１３に生じる静電気力によって、矢印Ｙ１で示すように、移動可能な第２の電極１３が固定された第１の電極１１へ引き寄せられ、必然的にポリマー可動部１２も第２の電極１３と供に下方へ移動し、第１の電極１１に引き寄せられた状態で保持する。従ってポリマー可動部１２の長手可動部１２ｂの先端部に固定された鏡１４も同様に下方に移動して保持状態となる。この状態で第１及び第２の電極１１，１３の間には絶縁体であるポリマー可動部１２が介在するので各電極１１，１３間のショートは生じない。一方、電圧印加を解除すれば静電気力は働かなくなるので第２の電極１３及びポリマー可動部１２は元の位置に戻り、必然的に鏡１４もに元の位置に戻る。
【００２１】
次に、このようなポリマーＭＥＭＳアクチュエータ１の製造方法を、図２〜図７を参照して説明する。
最初に、図２（ａ）〜（ｄ）に示す第１の電極形成工程において、（ａ）に示すように、シリコン基板１０の上面に銅を蒸着して金属膜１１−０を形成する。次に、（ｂ）に示すように、金属膜１１−０の上にシリコン酸化材料を所定の厚さ塗布してレジスト膜１５−０を形成し、（ｃ）に示すように、そのレジスト膜１５−０を露光及び現像して所定形状にパターニングする。これによって形成されたレジストパターン膜１５は長手板状を成す。次に、（ｄ）に示すように、そのレジストパターン膜１５を利用して金属エッチングを行った後、レジストパターン膜１５を除去すると、レジストパターン膜１５と同形状の金属膜が残り、これが第１の電極１１となる。
【００２２】
次に、図３（ｅ）〜（ｇ）に示す犠牲層形成工程において、（ｅ）に示すように、シリコン基板１０及び第１の電極１１の上面にシリコン酸化材料を所定の厚さ塗布することによりポジ型のフォトレジスト層１７−０を形成する。次に、（ｆ）に示すように、フォトレジスト層１７−０の上方に所定のマスクパターン部１８ａを有するフォトマスク１８を配置し、複数の矢印で示すように、そのフォトマスク１８の上から紫外線を照射する。これによって、マスクパターン部１８ａ以外の部分に紫外線が照射されて露光される。そして、（ｇ）に示すように、現像を行うとフォトレジスト層１７−０の紫外線照射部分以外が凸状に残る。これが犠牲層１７となる。
【００２３】
次に、図４（ｈ）〜（ｊ）に示す可動部形成工程において、（ｈ）に示すように、犠牲層１７を含むシリコン基板１０の上全面にネガ型のポリマー材料（ＳＵ８：化学増幅型ネガレジスト）を所定の厚さ塗布してポリマー層１２−０を形成する。次に、（ｉ）に示すように、ポリマー層１２−０の上方に所定のマスクパターン部２１ａを有するフォトマスク２１を配置し、複数の矢印で示すように、フォトマスク２１の上から紫外線を照射する。これによって、マスクパターン部２１ａ以外の部分に紫外線が照射されて露光される。そして、（ｊ）に示すように、現像を行うとネガ型なのでポリマー層１２−０の紫外線照射部分が残る。即ち、シリコン基板１０の一部から第１の電極１１及び犠牲層１７の上面に架かって長手状に延びる形状に残る。これがポリマー可動部１２となる。
【００２４】
次に、図５（ｋ）〜（ｏ）に示す第２の電極形成工程において、（ｋ）に示すように、ポリマー可動部１２、犠牲層１７及び第１の電極１１を含むシリコン基板１０の上にシリコン酸化材料を所定の厚さ塗布してポジ型のレジスト層２３−０を形成する。次に、（ｌ）に示すように、レジスト層２３−０の上方に所定のマスクパターン部２４ａを有するフォトマスク２４を配置し、複数の矢印で示すように、フォトマスク２４の上から紫外線を照射する。これによって、マスクパターン部２４ａ以外の部分に紫外線が照射されて露光される。（ｍ）に示すように、現像を行うとレジスト層２３−０の紫外線照射部分以外が残る。つまり、マスクパターン領域のポリマー可動部１２及びシリコン基板１０が露出する。
【００２５】
次に、（ｎ）に示すように、その露出した部分に、銅を蒸着して金属膜１３−０を形成し、（ｏ）に示すように、金属膜１３−０以外のレジスト層２３−０を除去する。これによって、ポリマー可動部１２の上面から後端側面を介してシリコン基板１０の上面に架かって固着され、且つポリマー可動部１２を挟んで第１の電極１１と電気的に絶縁状態とされた金属膜が残り、これが第２の電極１３となる。
【００２６】
次に、図６（ｐ）〜（ｔ）に示す鏡面形成工程において、（ｐ）に示すように、第２の電極１３の形成後の全面にミラー層１４−０を成膜し、（ｑ）ではそのミラー層１４−０の上に、ミラー形成用のマスクパターン部２５ａを有するフォトマスク２５を配置し、複数の矢印で示すように、そのフォトマスク２５の上から紫外線を照射する。これによって、マスクパターン部２５ａ以外の部分に紫外線が照射されて露光される。次に、（ｒ）に示すように、現像を行い、鏡のベースとなるミラー構造１４ｂを形成する。（ｓ）では、その形成したミラー構造１４ｂに金属膜を選択的に形成するために、ミラー構造１４ｂの形成後の全面をマスキング用材料２６で覆い、（ｔ）でミラー構造１４ｂの部分のみのマスキング用材料２６を除去するためのフォトマスク２５を用いて露光を行う。
【００２７】
次に、図７（ｕ）〜（ｘ）に示す鏡面形成工程及び除去工程において、（ｕ）に示すように、露光を行った部分のマスキング用材料２６を現像で除去することによって、ミラー構造１４ｂのみが露出されたマスキングとなる。次に、（ｖ）に示すように、ミラー構造１４ｂが露出した基板上全面に反射膜となる金属膜１４ａ−０を形成した後、（ｗ）に示すように、ミラー構造１４ｂ以外の金属膜１４ａ−０を除去して鏡面１４ａを形成する。これによって鏡面１４ａを有する鏡１４が形成される。最後に、（ｘ）に示すように、犠牲層１７を除去する。
【００２８】
このような本実施形態のポリマーＭＥＭＳアクチュエータの製造方法によれば、最後に、ポリマー可動部１２の下方の犠牲層１７が除去されることで、ポリマー可動部１２の後端側の胴部１２ａのみが第１の電極１１及びシリコン基板１０の上に固定され、この固定された胴部１２ａから先端方向に長手板状に延びる長手可動部１２ｂを有する片持ち梁構造となる。従って、ポリマー可動部１２の長手可動部１２ｂの先端部に固定された鏡１４が、シリコン基板１０の上方で同基板上面に対して垂直な方向に可動できるポリマーＭＥＭＳアクチュエータ１を形成することができる。
【００２９】
このポリマーＭＥＭＳアクチュエータ１は、第１の電極１１と第２の電極１３の間にポリマー可動部１２を電気的に絶縁状態に介在させ、双方の電極１１，１３間に所定電位差の電圧を印加した静電気力による電極移動に伴い、ポリマー可動部１２を上下に移動可能とした簡単な構造である。従って、従来のアクチュエータのように構造が複雑であるがゆえ、破損や故障し易く、また、複雑な構造を絶縁物質層のエッチングで形成することによる製造工程及び工数の嵩みの問題が無くなる。
【００３０】
換言すれば、本実施形態のポリマーＭＥＭＳアクチュエータ１によれば、ポリマー材料を用いてアクチュエータを単純な構造で実現することができるので、破損や故障し難くなり、また、その製造工程及び工数を削減することができる。
【００３１】
また、ポリマーＭＥＭＳアクチュエータ１において、ポリマー可動部１２の長手可動部１２ｂにおける第１の電極１１への当接面全面（下面全面）を図示はしないが複数の凹凸状態とすることで、各電極１１，１３間への電圧印加時の静電気力で長手可動部１２ｂが第１の電極１１に当接状態となった場合に、その当接面積が極力少なくなるようにすることが好ましい。
【００３２】
上記の当接状態では、ポリマー可動部１２が第１の電極１１と異なる陽極又は陰極に帯電して、電圧印加を解除しても長手可動部１２ｂが第１の電極１１から離れなくなることがある。しかし、上記のように当接面積を極力少なくすることで、その帯電による吸着力が減少するので電圧印加を解除すれば長手可動部１２ｂが第１の電極１１から離れて元の位置に戻ることになる。
【００３３】
また、長手可動部１２ｂの下面全面を複数の凹凸状態に形成する場合、犠牲層形成工程において、犠牲層１７を形成する際に犠牲層１７の上面全面を複数の凹凸状に形成すればよい。これによって、犠牲層１７の上に長手可動部１２ｂを形成した際に、必然的に長手可動部１２ｂの下面全面が複数の凹凸状態に形成されることになる。
【００３４】
なお、上述のポリマーＭＥＭＳアクチュエータ１は、第１及び第２の電極１１，１３間に所定電位差の電圧を印加した静電気力（引力）によって、図１に矢印Ｙ１で示したように、ポリマー可動部１２に固着された第２の電極１３が上から下へ動作し、電圧印加解除時に逆方向に動作して元の位置に戻る構造であった。しかし、第１及び第２の電極１１，１３に同電位の電圧を印加すれば、双方に斥力の静電気力が働くので矢印Ｙ１と逆方向に動作可能な構造とすることができる。
【００３５】
次に、図８に示すように、このようなポリマーＭＥＭＳアクチュエータ１を用いた光スイッチ３０を説明する。
【００３６】
この光スイッチ３０は、シリコン基板３１の上にポリマー材料によって、光を伝送する光導波路３２，３３が縦横に交差するマトリクス状に形成されている。より詳述すると、シリコン基板１０の縦方向の端面間に４本の光導波路３２が一定隣接間隔で形成され、また、横方向の端面間に４本の光導波路３３が一定隣接間隔で形成されており、各々の光導波路３２，３３が直交状態に交差するマトリクス状に配設されている。但し、光導波路３２，３３を形成するポリマー材料には、光伝送損失が低損失となる全フッ素化ポリイミド等が用いられているとする。
【００３７】
縦横の各光導波路３２，３３の交差位置には、光導波路３２，３３に対して４５度の角度で溝３４が形成されており、溝３４には鏡１４が移動自在に挿入された状態でポリマーＭＥＭＳアクチュエータ１が配設されている。溝３４は、縦横双方の光導波路３２，３３を所定間隙で切断した状態で形成されている。但し、その溝３４の間隙は、各光導波路３２，３３の光伝送に全く影響を与えない寸法としてある。
【００３８】
このような溝３４に挿入されている鏡１４は、光スイッチ３０のスイッチング制御手段（図示せず）によって、第１及び第２の電極１１，１３間に所定電位差の電圧印加が制御されることによって、電圧印加時に図１に矢印Ｙ１で示したように下方に移動して下方に位置する状態となり、電圧未印加時に上方に位置する状態となる。また、電圧未印加時は、鏡１４が上方位置に在り、各光導波路３２，３３の伝送光を溝３４の部分で反射する状態となる。電圧印加時は、鏡１４が下方に移動して各光導波路３２，３３の伝送光を溝３４の部分で通過する状態となる。このようなスイッチング制御は、光スイッチ３０に配設された個々のポリマーＭＥＭＳアクチュエータ１に対して行われるようになっている。
【００３９】
次に、光スイッチ３０の動作を説明する。例えば、図８の各々のポリマーＭＥＭＳアクチュエータ１の内、右上角の１つのポリマーＭＥＭＳアクチュエータ１の第１及び第２の電極１１，１３に対して電圧未印加状態とされており、これによって鏡１４が上方位置に在るとする。この場合に、矢印Ｙ２で示すように、光が縦方向の光導波路３２に入力されると、その光は光導波路３２へ伝送され、鏡１４で９０度反射されて横方向の光導波路３３へ伝送ルートを変え、矢印Ｙ３で示す方向に出力される。
【００４０】
一方、上記の右上角の１つのポリマーＭＥＭＳアクチュエータ１のみの第１及び第２の電極１１，１３に対して電圧印加状態とされており、これによって鏡１４が下方位置に在るとする。この場合は、矢印Ｙ２で示すように縦方向の光導波路３２に入力された光は、最初の溝３４の部分は通過し、次の縦方向の光導波路３２を伝送する。この伝送光は、右上角の直下のポリマーＭＥＭＳアクチュエータ１の鏡１４で９０度反射されて横方向の光導波路３３へ伝送ルートを変え、矢印Ｙ４で示す方向に出力される。
【００４１】
このように、光スイッチ３０において、縦横の光導波路３２，３３の交差位置にポリマーＭＥＭＳアクチュエータ１を配設して光伝送ルート変更のスイッチング制御が行えるようにした。光スイッチ３０は、シリコン基板１０の上にポリマー材料でマトリクス状に縦横の光導波路３２，３３を形成するが、ポリマーＭＥＭＳアクチュエータ１もポリマー材料によって形成できるので、それら光導波路３２，３３の交差位置にも容易に形成して配設することが可能となり、縦横の光導波路３２，３３の本数が多くてもポリマーＭＥＭＳアクチュエータ１を集積化することが可能となる。
【００４２】
また、上記では、第１及び第２の電極１１，１３に対して電圧未印加時は、鏡１４が伝送光を反射状態、電圧印加時は、鏡１４が下方に移動して伝送光を通過状態としたが、これを逆にして、電圧未印加時は、鏡１４が各光導波路３２，３３の上方に在って伝送光を通過状態、電圧印加時は、鏡１４が下方に移動して伝送光を反射状態とするようにしてもよい。上記実施形態では、各光導波路３２，３３が直交に交差していることを前提としたが、斜めに交差していてもよい。この場合、伝送光は交差する角度で反射する。
【産業上の利用可能性】
【００４３】
本発明のポリマーＭＥＭＳアクチュエータ、光スイッチ及びポリマーＭＥＭＳアクチュエータの製造方法は、加速度により構造体がひずみ、静電容量が変わることで加速度を検知する加速度センサ、薄い膜が圧力差によりたわみ、それを静電容量変化としてとらえる事で圧力を検知する圧力センサ、入射した光の反射の有無を可動ミラーで制御する構成のスイッチ、センサ及びディスプレイ等に使われる光ＭＥＭＳスキャナ、多数の微小鏡（マイクロミラー）を平面に配列した表示素子であるＤＭＤ（デジタルマイクロディスプレイ）等に適用することができる。
【図面の簡単な説明】
【００４４】
【図１】本発明の実施形態に係るポリマーＭＥＭＳアクチュエータの構成を示す断面図である。
【図２】本発明の実施形態に係るポリマーＭＥＭＳアクチュエータの製造方法による第１の電極形成工程の説明図である。
【図３】本発明の実施形態に係るポリマーＭＥＭＳアクチュエータの製造方法による犠牲層形成工程の説明図である。
【図４】本発明の実施形態に係るポリマーＭＥＭＳアクチュエータの製造方法による可動部形成工程の説明図である。
【図５】本発明の実施形態に係るポリマーＭＥＭＳアクチュエータの製造方法による第２の電極形成工程の説明図である。
【図６】本発明の実施形態に係るポリマーＭＥＭＳアクチュエータの製造方法による鏡面形成工程の説明図である。
【図７】本発明の実施形態に係るポリマーＭＥＭＳアクチュエータの製造方法による鏡面形成工程及び除去工程の説明図である。
【図８】本発明の実施形態に係るポリマーＭＥＭＳアクチュエータを用いた光スイッチの構成を示す平面図である。
【符号の説明】
【００４５】
１：ポリマーＭＥＭＳアクチュエータ
１０，３１：シリコン基板
１１：第１の電極
１１−０：金属膜
１２：ポリマー可動部
１２−０：ポリマー層
１２ａ：胴部
１２ｂ：長手可動部
１３：第２の電極
１３−０：金属膜
１４：鏡
１４ａ：鏡面
１４ａ−０：金属膜
１４ｂ：ミラー構造
１４−０：ミラー層
１５−０：レジスト膜
１５：レジストパターン膜
１７：犠牲層
１７−０：フォトレジスト層（ポジ型）
１８，２１，２４，２５：フォトマスク
１８ａ，２１ａ，２４ａ，２５ａ：マスクパターン部
２３−０：レジスト層
２６：マスキング用材料
３０：光スイッチ
３２，３３：光導波路
３４：溝
【特許請求の範囲】
【請求項１】
基板上にポリマー材料により電気で駆動可能な微小機械構造であるＭＥＭＳを形成して成るポリマーＭＥＭＳアクチュエータであって、
前記基板上に固定した導電材料による第１の電極と、
光反射用の鏡が固定された先端部が前記基板上の空間で当該基板に対して垂直方向に可動可能なポリマー材料によるポリマー可動部と、
前記基板上に前記第１の電極と対向するようにポリマー部材を介在して該第１の電極と電気的に絶縁状態に固定した導電材料による第２の電極と、
を備えたことを特徴とするポリマーＭＥＭＳアクチュエータ。
【請求項２】
前記ポリマー部材は、前記ポリマー可動部であることを特徴とする請求項１に記載のポリマーＭＥＭＳアクチュエータ。
【請求項３】
基板上にポリマー材料によって光を伝送する光導波路が縦横で交差するマトリクス状に形成されており、これら光導波路に伝送される光を該交差位置で通過又は反射させて伝送経路を変えるスイッチング制御を行う光スイッチにおいて、
前記交差位置に、請求項１又は２に記載のポリマーＭＥＭＳアクチュエータを配設し、このポリマーＭＥＭＳアクチュエータの前記第１の電極及び第２の電極への電圧印加の有無を制御することにより前記スイッチング制御を行うことを特徴とする光スイッチ。
【請求項４】
基板上にポリマー材料により電気で駆動可能な微小機械構造であるＭＥＭＳを形成するポリマーＭＥＭＳアクチュエータの製造方法であって、
前記基板上に導電材料によって長手膜状の第１の電極を形成する第１の電極形成工程と、
前記第１の電極形成工程で形成された第１の電極の上と前記基板上にレジスト層を形成したのち露光及び現像により当該レジスト層を該第１の電極上に凸状に成形し、これを犠牲層とする犠牲層形成工程と、
前記犠牲層形成工程で形成された犠牲層及び前記第１の電極を含む前記基板上にネガ型のポリマー材料を塗布してポリマー層を形成し、このポリマー層を露光及び現像により、前記基板上の一部から前記第１の電極及び前記犠牲層の上面に架かって長手状に延びる形状に成形し、これをポリマー可動部とする可動部形成工程と、
前記可動部形成工程で形成されたポリマー可動部の先端部以外の上面部分から後端側面を介して前記基板上まで長手状に繋がり、且つ該ポリマー可動部を挟んで前記第１の電極と電気的に絶縁状態とされた導電材料による膜を形成し、この膜を第２の電極とする第２の電極形成工程と、
前記第２の電極形成工程を経た後、前記ポリマー可動部の先端部に光を反射する鏡面を形成する鏡面形成工程と、
前記鏡面形成工程での鏡面形成後に、前記犠牲層を除去する除去工程と、
を順に備えるポリマーＭＥＭＳアクチュエータの製造方法。
【請求項１】
基板上にポリマー材料により電気で駆動可能な微小機械構造であるＭＥＭＳを形成して成るポリマーＭＥＭＳアクチュエータであって、
前記基板上に固定した導電材料による第１の電極と、
光反射用の鏡が固定された先端部が前記基板上の空間で当該基板に対して垂直方向に可動可能なポリマー材料によるポリマー可動部と、
前記基板上に前記第１の電極と対向するようにポリマー部材を介在して該第１の電極と電気的に絶縁状態に固定した導電材料による第２の電極と、
を備えたことを特徴とするポリマーＭＥＭＳアクチュエータ。
【請求項２】
前記ポリマー部材は、前記ポリマー可動部であることを特徴とする請求項１に記載のポリマーＭＥＭＳアクチュエータ。
【請求項３】
基板上にポリマー材料によって光を伝送する光導波路が縦横で交差するマトリクス状に形成されており、これら光導波路に伝送される光を該交差位置で通過又は反射させて伝送経路を変えるスイッチング制御を行う光スイッチにおいて、
前記交差位置に、請求項１又は２に記載のポリマーＭＥＭＳアクチュエータを配設し、このポリマーＭＥＭＳアクチュエータの前記第１の電極及び第２の電極への電圧印加の有無を制御することにより前記スイッチング制御を行うことを特徴とする光スイッチ。
【請求項４】
基板上にポリマー材料により電気で駆動可能な微小機械構造であるＭＥＭＳを形成するポリマーＭＥＭＳアクチュエータの製造方法であって、
前記基板上に導電材料によって長手膜状の第１の電極を形成する第１の電極形成工程と、
前記第１の電極形成工程で形成された第１の電極の上と前記基板上にレジスト層を形成したのち露光及び現像により当該レジスト層を該第１の電極上に凸状に成形し、これを犠牲層とする犠牲層形成工程と、
前記犠牲層形成工程で形成された犠牲層及び前記第１の電極を含む前記基板上にネガ型のポリマー材料を塗布してポリマー層を形成し、このポリマー層を露光及び現像により、前記基板上の一部から前記第１の電極及び前記犠牲層の上面に架かって長手状に延びる形状に成形し、これをポリマー可動部とする可動部形成工程と、
前記可動部形成工程で形成されたポリマー可動部の先端部以外の上面部分から後端側面を介して前記基板上まで長手状に繋がり、且つ該ポリマー可動部を挟んで前記第１の電極と電気的に絶縁状態とされた導電材料による膜を形成し、この膜を第２の電極とする第２の電極形成工程と、
前記第２の電極形成工程を経た後、前記ポリマー可動部の先端部に光を反射する鏡面を形成する鏡面形成工程と、
前記鏡面形成工程での鏡面形成後に、前記犠牲層を除去する除去工程と、
を順に備えるポリマーＭＥＭＳアクチュエータの製造方法。
【図１】
【図２】
【図３】
【図４】
【図５】
【図６】
【図７】
【図８】
【図２】
【図３】
【図４】
【図５】
【図６】
【図７】
【図８】
【公開番号】特開２００９−２２３２２７（Ｐ２００９−２２３２２７Ａ）
【公開日】平成２１年１０月１日（２００９．１０．１）
【国際特許分類】
【出願番号】特願２００８−７０３０３（Ｐ２００８−７０３０３）
【出願日】平成２０年３月１８日（２００８．３．１８）
【出願人】（５０２１９１５５０）フォトニックサイエンステクノロジ株式会社 (24)
【Ｆターム（参考）】
【公開日】平成２１年１０月１日（２００９．１０．１）
【国際特許分類】
【出願日】平成２０年３月１８日（２００８．３．１８）
【出願人】（５０２１９１５５０）フォトニックサイエンステクノロジ株式会社 (24)
【Ｆターム（参考）】
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