光スイッチ素子の製造方法、光スイッチ素子、光スイッチ装置、およびＭＥＭＳ素子の製造方法
【課題】製造が容易であり、かつ製造歩留まりが高い光スイッチ素子の製造方法、光スイッチ素子、光スイッチ装置、およびＭＥＭＳ素子の製造方法を提供すること。
【解決手段】固定電極と、前記固定電極と所定の間隙を有して配置された可動電極と、前記可動電極に接続したミラーとを備えた光スイッチ素子の製造方法であって、表面導電層と絶縁層と裏面層とを有する多層基板の該表面導電層から該絶縁層に到る貫通パターン孔を形成し、前記貫通パターン孔を通して表面側から前記裏面導電層にパターンを形成する。
【解決手段】固定電極と、前記固定電極と所定の間隙を有して配置された可動電極と、前記可動電極に接続したミラーとを備えた光スイッチ素子の製造方法であって、表面導電層と絶縁層と裏面層とを有する多層基板の該表面導電層から該絶縁層に到る貫通パターン孔を形成し、前記貫通パターン孔を通して表面側から前記裏面導電層にパターンを形成する。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、固定電極と、固定電極と所定の間隙を有して配置された可動電極と、可動電極に接続したミラーとを備えた光スイッチ素子の製造方法、光スイッチ素子、光スイッチ装置、および固定電極と、固定電極と所定の間隙を有して配置された可動電極とを備えたＭＥＭＳ（Micro Electro Mechanical Systems、微少電気機械システム）素子の製造方法に関するものである。
【背景技術】
【０００２】
光伝送システムにおいて、波長多重光信号の経路を切り替えるために、光スイッチ装置が使用されている（たとえば特許文献１参照）。このような光スイッチ装置には、光信号の経路を切り替えるために、光の反射方向を変えることができるミラーを備えた光スイッチ素子が用いられる。そして、このような光スイッチ素子では、光の反射方向を変えるために、ＭＥＭＳ素子を用いた静電アクチュエータによってミラーを可動としている。
【０００３】
ＭＥＭＳ素子を用いた静電アクチュエータには、平行電極構造のもの（特許文献２参照）や、櫛歯電極構造のもの（非特許文献１参照）などがある。櫛歯電極構造とは、櫛歯の配列方向とは垂直の方向に厚さを有する固定櫛歯電極と可動櫛歯電極とが、所定のギャップを隔てて噛み合うように配置された噛み合わせ構造を有するものである。櫛歯電極構造の静電アクチュエータは、その内部に作用する静電力が強く、またプルインが起こりにくいとされている。
【先行技術文献】
【特許文献】
【０００４】
【特許文献１】特開２００６−２７６４８７号公報
【特許文献２】米国特許第７３０２１３１号明細書
【非特許文献】
【０００５】
【非特許文献１】Jin-Ho Lee ,et al.,”Bonding of silicon scanning mirror having vertical comb fingers” J. Micromech. Microeng. Vol.12(2002)pp.644-649
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【０００６】
しかしながら、従来の櫛歯電極構造の静電アクチュエータは、櫛歯電極状に加工した２つの基板を噛み合わせて製造していた。このような櫛歯電極は、たとえば１本の櫛歯の幅と櫛歯の間隔がいずれも数〜十数μｍ程度と非常に小さく、またその櫛歯の数も数１０本と非常に多い。したがって、２つの櫛歯電極の相互の位置合わせが非常に困難であるという問題があった。また、２つの基板の噛み合わせの際に櫛歯電極部にごみ等の異物が混入した場合、噛み合わせが困難または不可能になる場合があるという問題があった。また、櫛歯の加工精度が低い場合、すべての櫛歯をうまく噛み合わせることが困難または不可能であるという問題があった。一方、従来の平行電極構造の静電アクチュエータについても、複数の基板をそれぞれ加工して、その後にこれらを組み合わせて製造していたため、同様の問題があった。以上のような理由により、従来の静電アクチュエータを備えた光スイッチ素子は、製造が困難であり、かつ製造歩留まりが低いという問題があった。
【０００７】
本発明は、上記に鑑みてなされたものであって、製造が容易であり、かつ製造歩留まりが高い光スイッチ素子の製造方法、光スイッチ素子、光スイッチ装置、およびＭＥＭＳ素子の製造方法を提供することを目的とする。
【課題を解決するための手段】
【０００８】
上述した課題を解決し、目的を達成するために、本発明に係る光スイッチ素子の製造方法は、固定電極と、前記固定電極と所定の間隙を有して配置された可動電極と、前記可動電極に接続したミラーとを備えた光スイッチ素子の製造方法であって、表面導電層と絶縁層と裏面層とを有する多層基板の該表面導電層から該絶縁層に到る貫通パターン孔を形成し、前記貫通パターン孔を通して表面側から前記裏面導電層にパターンを形成することを特徴とする。
【０００９】
また、本発明に係る光スイッチ素子の製造方法は、上記の発明において、前記間隙の形状を含むように前記貫通パターン孔を形成することを特徴とする。
【００１０】
また、本発明に係る光スイッチ素子の製造方法は、上記の発明において、前記２つの電極のうち一方の電極を前記表面導電層および裏面導電層のうちの一方の導電層に形成し、他方の電極を他方の導電層に形成することを特徴とする。
【００１１】
また、本発明に係る光スイッチ素子の製造方法は、上記の発明において、前記多層基板として、ＳＯＩ基板を用いることを特徴とする。
【００１２】
また、本発明に係る光スイッチ素子は、可動電極と固定電極とを有する静電アクチュエータを備え、前記可動電極と固定電極との静電力を働かせるべき面同士が傾斜対向配置していることを特徴とする。
【００１３】
また、本発明に係る光スイッチ素子は、上記の発明において、前記面同士の傾斜角は略９０度であることを特徴とする。
【００１４】
また、本発明に係る光スイッチ装置は、上記の発明のいずれか１つに記載の製造方法により製造した光スイッチ素子、または上記の発明のいずれかに記載の光スイッチ素子を備えることを特徴とする。
【００１５】
また、本発明に係るＭＥＭＳ素子の製造方法は、固定電極と、前記固定電極と所定の間隙を有して配置された可動電極とを備えたＭＥＭＳ素子の製造方法であって、表面導電層と絶縁層と裏面導電層とを有する多層基板の該表面導電層から該絶縁層に到る貫通パターン孔を形成し、前記貫通パターン孔を通して表面側から前記裏面導電層にパターンを形成することを特徴とする。
【発明の効果】
【００１６】
本発明によれば、表面導電層から絶縁層まで貫通する貫通パターン孔を形成し、該貫通パターン孔を通して表面側から裏面導電層にパターンを形成するので、製造が容易であり、かつ製造歩留まりが高い光スイッチ素子の製造方法、光スイッチ素子、光スイッチ装置、およびＭＥＭＳ素子の製造方法を実現できるという効果を奏する。
【図面の簡単な説明】
【００１７】
【図１】図１は、実施の形態１に係る光スイッチ素子の模式的な斜視図である。
【図２】図２は、図１に示す光スイッチ素子の模式的な平面図である。
【図３】図３は、図２に示す光スイッチ素子のＡ−Ａ線断面図である。
【図４】図４は、図２に示す光スイッチ素子のＢ矢視図である。
【図５】図５は、図２に示す光スイッチ素子のＣ−Ｃ線断面図である。
【図６】図６は、実施の形態２に係る光スイッチ素子の製造方法を説明する説明図である。
【図７】図７は、実施の形態２に係る光スイッチ素子の製造方法を説明する説明図である。
【図８】図８は、実施の形態２に係る光スイッチ素子の製造方法を説明する説明図である。
【図９】図９は、実施の形態２に係る光スイッチ素子の製造方法を説明する説明図である。
【図１０】図１０は、実施の形態３に係る光スイッチ装置の構成を示すブロック図である。
【図１１】図１１は、図１０に示す光スイッチ装置の動作を説明する説明図である。
【発明を実施するための形態】
【００１８】
以下に、図面を参照して本発明に係る光スイッチ素子の製造方法、光スイッチ素子、光スイッチ装置、およびＭＥＭＳ素子の製造方法の実施の形態を詳細に説明する。なお、この実施の形態によりこの発明が限定されるものではない。また、各図面において、同一または対応する要素には適宜同一の符号を付している。さらに、図面は模式的なものであり、各層の厚みと幅との関係、各層の比率などは、現実のものとは異なる場合があることに留意する必要がある。図面の相互間においても、互いの寸法の関係や比率が異なる部分が含まれている場合がある。
【００１９】
（実施の形態１）
図１は、本発明の実施の形態１に係る光スイッチ素子の模式的な斜視図である。また、図２は、図１に示す光スイッチ素子の模式的な平面図である。この光スイッチ素子１００は、ＳＯＩ（Silicon On Insulator）基板を材料にして形成された３層からなる基板を利用する。その３層基板は、Ｓｉからなる裏面導電層としての支持層Ｌ１、ＳｉＯ２からなる絶縁層としてのＢｏｘ（Ｂuried oxide）層Ｌ２、Ｓｉからなる表面導電層としての活性層Ｌ３で構成される。図１に示すように、この光スイッチ素子１００は、第一固定基部１０と、第二固定基部２０と、可動部３０と、第三固定基部４０とを備えている。第一固定基部１０、第二固定基部２０、および第三固定基部４０とは、支持層Ｌ１、Ｂｏｘ層Ｌ２、および活性層Ｌ３の積層構造からなる。一方、可動部３０は活性層Ｌ３のみからなる。
【００２０】
つぎに、図２を用いて光スイッチ素子１００の構成について具体的に説明する。第一固定基部１０は、ブロック状の支持部１１と、支持部１１に設けられた固定櫛歯電極１２とを備える。なお、符号１２ａは櫛歯部を示している。また、第二固定基部２０は、支持部１１と所定の隙間を設けて配置したブロック状の支持部２１と、支持部２１から固定櫛歯電極１２と略平行に延伸したアーム２２とを備える。
【００２１】
可動部３０は、バネ部３１、可動櫛歯電極３２、支持部３３、バネ部３４、およびミラー部３５を備える。バネ部３１は、アーム２２と可動櫛歯電極３２とを接続し、可動部３０全体を支持している。また、可動櫛歯電極３２は、固定櫛歯電極１２と所定の間隙Ｇを有して噛み合うように配置されている。間隙Ｇの幅はたとえば３〜１０μｍである。なお、符号３２ａは櫛歯部を示している。また、支持部３３は、可動櫛歯電極３２の一端に接続しており、バネ部３４を介してミラー部３５を支持している。ミラー部３５の幅は略１００μｍ、長さは３００μｍである。また、ミラー部３５の上面３５ａには金メッキが施されている（以下、ミラー面３５ａと称する）。
【００２２】
また、第三固定基部４０は、ブロック形状であり、ミラー部３５の一端に配置されている。
【００２３】
つぎに、この光スイッチ素子１００の動作について説明する。この光スイッチ素子１００は、固定櫛歯電極１２と可動櫛歯電極３２とからなる静電アクチュエータと、ミラー部３５と第二固定基部４０とからなる静電アクチュエータとにより、ミラー部３５が二軸回転するように構成されたものである。以下、図を用いて具体的に説明する。
【００２４】
はじめに、固定櫛歯電極１２と可動櫛歯電極３２とからなる静電アクチュエータについて説明する。図３は、図２に示す光スイッチ素子のＡ−Ａ線断面図である。図３に示すように、この静電アクチュエータは、固定櫛歯電極１２のうち静電引力が働くべき部分は支持層Ｌ１に形成されており、可動櫛歯電極３２は活性層Ｌ３に形成されているため、段差櫛歯構造となっている。
【００２５】
つぎに、この静電アクチュエータの動作について説明する。まず、Ｂｏｘ層Ｌ２により絶縁されている活性層Ｌ３と支持層Ｌ１との間に電圧信号を印加する。すると、活性層Ｌ３からなる可動櫛歯電極３２と、固定櫛歯電極１２の支持層Ｌ１からなる部分との間に静電引力が働く。なお、この静電引力は特に櫛歯部１２ａと櫛歯部３２ａとの側壁間に働く。ここで、バネ部３１は可動櫛歯電極３２よりも薄く形成されているので、この静電引力によってたわみ、これによって可動櫛歯電極３２は固定櫛歯電極１２の支持層Ｌ１からなる部分に引き寄せられる。その結果、ミラー部３５を含めた可動部３０全体が、矢印Ａｒ１が示すように、バネ部３１のアーム２２側の根元付近を軸として所定の角度範囲内で回転する。なお、この回転の角度は、活性層Ｌ３と支持層Ｌ１との間に印加する電圧信号の大きさに応じたものとなる。また、回転時に可動部３０がその長手方向に傾かないように、バネ部３１はハの字型となっている。
【００２６】
つぎに、ミラー部３５と第三固定基部４０とからなる静電アクチュエータについて説明する。図４は、図２に示す光スイッチ素子のＢ矢視図である。この静電アクチュエータでは、ミラー部３５が可動電極、第三固定基部４０の支持層Ｌ１からなる部分が固定電極となっている。そして、ミラー部３５のミラー面３５ａとは反対側の下面３５ｂと、第三固定基部４０の側面４０ａとが傾斜角が略９０度で傾斜対向配置している。
【００２７】
つぎに、この静電アクチュエータの動作について説明する。上述の場合と同様に、まず、Ｂｏｘ層Ｌ２により絶縁されている活性層Ｌ３と支持層Ｌ１との間に電圧信号を印加する。すると、活性層Ｌ３からなるミラー部３５の下面３５ｂと、第三固定基部４０の支持層Ｌ１からなる側面４０ａとの間に静電引力が働く。ここで、バネ部３４は支持部３３、ミラー部３５よりも薄く形成されているので、この静電引力によってたわみ、これによってミラー部３５は第三固定基部４０の側面４０ａに引き寄せられる。その結果、ミラー部３５が、矢印Ａｒ２が示すように、バネ部３４の支持部３３側の根元付近を軸として所定の角度範囲内で回転する。なお、この回転の大きさは、活性層Ｌ３と支持層Ｌ１との間に印加する電圧信号の大きさに応じたものとなる。
【００２８】
以上のように、この光スイッチ素子１００は、電圧信号の印加によってミラー部３５が二軸回転し、その角度が様々に変えられるものとなる。
【００２９】
ちなみに、上述したような、可動電極と固定電極との静電力を働かせるべき面同士が傾斜対向配置した構造の静電アクチュエータは、可動させても電極同士がくっ付きにくく、また電極面積を大きくしやすく、電極間に働く静電力を強くできる。その結果、可動範囲を広くできるし、消費電力を低くすることができる。また、構造が簡易であるため、作製も容易である。なお、傾斜対向配置する面は平面や曲面、凹凸を有する面でもよい。また、傾斜対向配置する面同士の傾斜角は、略９０度が好ましいが、それ以外の角度でもよい。
【００３０】
（実施の形態２）
つぎに、本発明の実施の形態２に係る製造方法として、図１に示す光スイッチ素子１００の製造方法の一例について説明する。以下では、図２に示す光スイッチ素子１００のＣ−Ｃ線断面に則して説明を行なうものとする。図５は、図１に示す光スイッチ素子１００のＣ−Ｃ線断面図である。図５に示すように、このＣ−Ｃ断面には、支持部１１、櫛歯部１２ａ、３２ａ、支持部３３、バネ部３４、ミラー部３５、および第三固定基部４０を含んでいる。なお、櫛歯部１２ａ、３２ａは両端部のもののみ示しており、他のものは省略している。
【００３１】
図６〜図９は、本実施の形態２に係る光スイッチ素子１００の製造方法を説明する説明図である。はじめに、図６に示すように、Ｓｉからなる支持層Ｌ１、ＳｉＯ２からなるＢｏｘ層Ｌ２、およびＳｉからなる活性層Ｌ３を備える、たとえば直径４インチ（１０１．６ｍｍ）のＳＯＩ基板Ｓを準備する。なお、支持層Ｌ１、Ｂｏｘ層Ｌ２、活性層Ｌ３の厚さは、たとえばそれぞれ２００μｍ、１μｍ、１０μｍである。つぎに、ＳＯＩ基板Ｓを酸化性雰囲気中で熱処理して支持層Ｌ１、活性層Ｌ３の表面を酸化し、たとえば厚さ１．５μｍ程度の熱酸化膜Ｏ１、Ｏ２をそれぞれ形成する。以下、活性層Ｌ３側の表面を上面とし、支持層Ｌ１側の表面を下面と適宜記載する。つぎに、上面側に厚さ５０ｎｍ程度のクロム（Ｃｒ）膜を成膜し、ネガ型のレジストを用いたフォトリソグラフィとエッチングとにより、アラインメントマークＭを形成する。その後、アラインメントマークＭ上のレジストＲ１を除去する。
【００３２】
つぎに、図７に示すように、上面に保護用のポジ型のレジストＲ２を塗布してポストベイクし、下面にポジ型のレジストＲ３を塗布してプリベイクする。その後、ＩＲモニタ等によってアラインメントマークＭの位置を確認し、このアラインメントマークＭをもとに位置を調整して下面にフォトリソグラフィを行い、ポストベイク後、フッ酸液等を用いて熱酸化膜Ｏ１をウェットエッチングする。このとき、熱酸化膜Ｏ１をウェットエッチングする領域Ｅ１は、第一固定基部１０、第二固定基部２０、および第三固定基部４０を形成するべき領域を除いた領域である。その後、レジストＲ２、Ｒ３を剥離する。なお、以下の工程ではポジ型のレジストを用いる。
【００３３】
さらに、下面に保護用のレジストＲ４を塗布してポストベイクし、上面にレジストＲ５を塗布してプリベイクする。その後、アラインメントマークＭをもとに位置を調整して上面にフォトリソグラフィを行い、ポストベイク後、フッ酸液等を用いて熱酸化膜Ｏ２をウェットエッチングする。このとき、熱酸化膜Ｏ２をウェットエッチングする領域Ｅ２は、バネ部３１、３４を形成すべき領域である。その後、レジストＲ４、Ｒ５を剥離する。なお、以降はアラインメントマークＭを使用しないので、記載を省略する。
【００３４】
つぎに、図８に示すように、下面に保護用のレジストＲ６を塗布してポストベイクし、上面にレジストＲ７を塗布してプリベイクする。その後、領域Ｅ２のパターン等をもとに位置を調整して上面にフォトリソグラフィを行い、ポストベイク後、フッ酸液等を用いて熱酸化膜Ｏ２をウェットエッチングする。このとき、熱酸化膜Ｏ２をウェットエッチングする領域Ｅ３は、図２の平面図で示される構造のうち、活性層Ｌ３側から支持層Ｌ３側まで貫通している全ての貫通空隙部である。
【００３５】
つぎに、領域Ｅ３に対して、ドライエッチングによる活性層Ｌ３のエッチング、ウェットエッチングもしくはドライエッチングによるＢｏｘ層Ｌ２のエッチング、ドライエッチングによる支持層Ｌ１のエッチングを順次行ない、ＳＯＩ基板Ｓを貫通する貫通パターン孔Ｈを形成する。なお、ドライエッチングについては、サイドエッチングを防止するために、反応性ガスとしてＳＦ６ガスやＣＦ系ガスを用いた誘起結合プラズマによる反応性イオンエッチング（Inductively Coupled Plasma-Reactive Ion Etching、ＩＣＰ−ＲＩＥ）を用いることが好ましい。また、反応性ガスにＯ２ガスを加えるいわゆるＢｏｓｃｈ法を用いれば、サイドエッチングがさらに防止され、貫通パターン孔Ｈを高精度で形成できるのでさらに好ましい。
【００３６】
上述した図８に示す工程によって形成した貫通パターン孔Ｈは、可動櫛歯電極３２と固定櫛歯電極１２との噛み合わせを形成する間隙Ｇの形状を含むものである。このように間隙Ｇを形成すれば、可動櫛歯電極３２と固定櫛歯電極１２とが最初から噛み合わされた状態で形成されるため、所定の間隙Ｇにて容易にかつ確実に噛み合うように、噛み合わせ構造を形成できる。したがって、従来２つの基板を別々に櫛歯電極状に加工して噛み合わせる工程のような、２つの櫛歯電極の位置合わせが困難であるという問題が全く生じず、かつ異物の混入や櫛歯の加工精度の低さにより、噛み合せが困難または不可能になるという問題も全く生じない。
【００３７】
つぎに、図９に示すように、レジストＲ６、Ｒ７を除去し、熱酸化膜Ｏ２をマスクとして、バネ部３１、３４を形成すべき領域Ｅ２をわずかにドライエッチングし、活性層Ｌ３の厚さを薄くする。これによって、バネ部３１、３４をたわみやすくする。つぎに、ＳＯＩ基板Ｓをひっくり返して、熱酸化膜Ｏ１をマスクとして、可動部３０を形成すべき領域Ｅ４をドライエッチングする。その後、ウェットエッチングによって熱酸化膜Ｏ１、Ｏ２を除去し、さらにアラインメントマークＭを除去し、ミラー部３５に金メッキを施して、光スイッチ素子１００が完成する。
【００３８】
以上説明したように、本実施の形態２に係る製造方法によれば、櫛歯電極の噛み合せが困難または不可能という問題が全く生じないため、光スイッチ素子の製造が容易であり、かつ製造歩留まりが高いものとなる。
【００３９】
なお、活性層Ｌ３側から支持層Ｌ１のエッチングをする際に、必ずしも支持層Ｌ１を貫通するまでエッチングを行う必要はなく、必要に応じて途中で止めてもよい。たとえば、ＳＯＩ基板Ｓの支持層Ｌ１が厚く、活性層Ｌ３側から支持層Ｌ１を貫通エッチングすることが困難な場合は、エッチングによって活性層Ｌ３側からＢｏｘ層Ｌ２に到る貫通パターン孔を形成し、その後貫通パターン孔を通して活性層Ｌ３側から支持層Ｌ１にエッチングによってパターンを形成する際に、支持層Ｌ１内の途中までパターンを形成した時点でエッチングを止め、必要であれば、その後支持層Ｌ１側から、残りの部分をエッチングして貫通させればよい。このように必ずしも支持層Ｌ１を貫通するまでエッチングを行わなくても、可動櫛歯電極３２と固定櫛歯電極１２との位置合わせの問題は生じない。
【００４０】
すなわち、静電容量は電極間距離に反比例するため、固定櫛歯電極１２と可動櫛歯電極３２との間に働く静電力の強さを考えると、可動櫛歯電極３２との間に主な静電力が働くのは、固定櫛歯電極１２のうち可動櫛歯電極３２と近接している部分であり、その近接部分から離れるにしたがって電極間静電力は急に弱くなる。そのため、活性層Ｌ３側からのエッチングを支持層Ｌ１内の途中で止めたとしても、これによって可動櫛歯電極３２と、固定櫛歯電極１２のうちの可動櫛歯電極３２との近接部分までとを形成するようにすれば、電極間静電力が主に働くこととなる部分は適切な位置関係で形成されることとなる。したがって、その後に支持層Ｌ１側から、エッチングによって固定櫛歯電極１２の残りの部分を形成した場合に、たとえその固定櫛歯電極１２の残りの部分が可動櫛歯電極３２に対して位置ずれしていたとしても、その位置ずれによって位置合わせの問題が発生することはない。
【００４１】
（実施の形態３）
つぎに、本発明の実施の形態３に係る光スイッチ装置について説明する。本実施の形態３に係る光スイッチ装置は、入力した波長多重信号から所定の波長の光信号を選択し、その光信号の波長ごとに経路を切り換えて出力する波長選択光スイッチ装置である。
【００４２】
図１０は、実施の形態３に係る光スイッチ装置の構成を示すブロック図である。図１０に示すように、この光スイッチ装置１０００は、紙面奥行き方向に配列し、各々が異なる経路の光ファイバ伝送路に接続した４本の入出力光ファイバ５１〜５４と、入出力光ファイバ５１〜５４に対して順次配置された、アナモルフィックプリズムペア５５と、回折格子５６と、集光レンズ５７と、λ／４波長板５８と、実施の形態１に係る光スイッチ素子１００と同様の構成を有し、アレイ状に配置された３つの光スイッチ素子１０２〜１０４とを備えている。さらに、この光スイッチ装置１０００は、３つの光スイッチ素子１０２〜１０４を制御するためのモニタ素子５９と制御回路６０とを備えている。なお、実際には回折格子５６において光路は曲げられるので、アナモルフィックプリズムペア５５から光スイッチ素子１０２〜１０４までの各素子は回折格子５６の前後で角度を持って配置されるが、図１０においては、簡略化のために直列に配置して示している。
【００４３】
つぎに、光スイッチ装置１０００の動作について説明する。図１１は、光スイッチ装置１０００の動作を説明する説明図である。なお、図１１は、光スイッチ装置１０００を図１０の方向とは垂直の方向から見た図である。はじめに、入出力光ファイバ５１は、或る光ファイバ伝送路を伝送して入力した波長多重信号光信号ＯＳ１をアナモルフィックプリズムペア５５に出力する。アナモルフィックプリズムペア５５は、波長多重信号光信号ＯＳ１のビーム径を、回折格子５６の格子の配列方向に広げて、波長多重信号光信号ＯＳ１が多くの格子に当たるように、波長選択の分解能を高めるようにしている。回折格子５６は、入射した波長多重信号光信号ＯＳ１に含まれる所定の波長の光信号ＯＳ１ａを所定の角度に出力する。集光レンズ５７は、λ／４波長板５８を通して、光信号ＯＳ１ａを光スイッチ素子１０２に集光する。光スイッチ素子１０２はそのミラー面によって、集光した光信号ＯＳ１ａを反射させる。このときの反射光は、反射光信号ＯＳ２として、λ／４波長板５８、集光レンズ５７、回折格子５６、アナモルフィックプリズムペア５５を順次経由して、入出力光ファイバ５２へと入力し、入出力光ファイバ５２に接続した光ファイバ伝送路へと出力する。なお、λ／４波長板５８は、光信号ＯＳ１ａと反射光信号ＯＳ２との光の偏光状態が互いに直交するように、その偏光状態を変化させる。これによって、アナモルフィックプリズムペア５５および回折格子５６の偏波依存性を補償するようにしている。
【００４４】
また、回折格子５６は、波長多重信号光信号ＯＳ１に含まれる他の所定の波長の光信号ＯＳ１ｂ、ＯＳ１ｃをそれぞれ他の所定の角度に出力する。各光信号ＯＳ１ｂ、ＯＳ１ｃは、それぞれ光スイッチ素子１０３、１０４で反射され、反射光信号ＯＳ３または反射光信号ＯＳ４として、λ／４波長板５８、集光レンズ５７、回折格子５６、アナモルフィックプリズムペア５５を順次経由して、入出力光ファイバ５３または入出力光ファイバ５４へと入力し、入出力光ファイバ５３または入出力光ファイバ５４に接続した光ファイバ伝送路へと出力する。
【００４５】
ここで、光スイッチ素子１０２〜１０４は、モニタ素子５９が反射光信号ＯＳ２〜ＯＳ４の一部を分岐した光の波長および強度をモニタし、このモニタの結果をもとに光スイッチ素子１０２〜１０４の各ミラー部を独立に可動させることによって、それぞれの反射光信号ＯＳ２〜ＯＳ４の反射角度が最適になるように制御される。反射光信号ＯＳ２〜ＯＳ４の分岐は、たとえば入出力光ファイバ５１〜５４の一部に分岐カプラを設けたり、光スイッチ装置１０００内の適当な位置に分岐用のミラーを設けたりすることによって行うことができる。なお、モニタ素子５９は、たとえばＡＷＧ（Arrayed Waveguide Grating）素子と複数のフォトダイオードとから構成される。
【００４６】
なお、上記実施の形態２に係る製造方法では、アラインメントマークＭを形成し、間隙Ｇの形状を含むように貫通パターン孔Ｈを形成しているが、アラインメントマーク用の貫通パターン孔を形成して、これをアラインメントマークとして、別途間隙Ｇを形成してもよい。この場合も、実施の形態２の場合と同様に、櫛歯電極の噛み合せが困難または不可能という問題が全く生じないため、光スイッチ素子の製造が容易であり、かつ製造歩留まりが高いものとなる。また、この場合は、たとえばＳＯＩ基板Ｓの上面側と下面側の両側から別々にエッチングを行なって、ＳＯＩ基板Ｓを貫通する間隙Ｇを形成してもよい。このようにしても、上面と下面のそれぞれに現われている貫通パターン孔をもとに間隙Ｇを形成しているので、上下面からのエッチング孔の間の面内での位置ずれが起こりにくく、高精度に間隙Ｇを形成できる。
【００４７】
また、上記実施の形態では、回転運動を実現する段差櫛歯構造の静電アクチュエータを形成するために、ＳＯＩ基板を用いているが、絶縁層を介して積層した２つの半導体層を有する他の半導体基板を用いてもよい。また、本発明は、櫛歯電極を噛み合わせた他の構造を形成する場合にも適用することができる。また、基板の材料も他の半導体、金属等の導電性の材質からなるものを用いてもよい。
【００４８】
また、上記実施の形態は、光スイッチ素子に係るものであるが、本発明は光スイッチ素子に限らず、固定電極と、固定電極と所定の間隙を有して配置された可動電極とを備えた他のＭＥＭＳ素子にも適用できる。すなわち、上記のような固定電極と可動電極とを備えたＭＥＭＳ素子を製造する際に、表面導電層と絶縁層と裏面導電層とを有する多層基板を材料とし、この多層基板の表面導電層から絶縁層に到る貫通パターン孔を形成し、その貫通パターン孔を通して表面側から裏面導電層にパターンを形成することによって、容易に、かつ製造歩留まり高くＭＥＭＳ素子を製造することができる。
【符号の説明】
【００４９】
１０ 第一固定基部
１１ 支持部
１２ 固定櫛歯電極
１２ａ 櫛歯部
２０ 第二固定基部
２１ 支持部
２２ アーム
３０ 可動部
３１ バネ部
３２ 可動櫛歯電極
３２ａ 櫛歯部
３３ 支持部
３４ バネ部
３５ ミラー部
３５ａ 上面（ミラー面）
３５ｂ 下面
４０ 第三固定基部
４０ａ 側面
５１〜５４ 入出力光ファイバ
５５ アナモルフィックプリズムペア
５６ 回折格子
５７ 集光レンズ
５８ λ／４波長板
５９ モニタ素子
６０ 制御回路
１００、１０２〜１０４ 光スイッチ素子
１０００ 光スイッチ装置
Ａｒ１、Ａｒ２ 矢印
Ｅ１〜Ｅ４ 領域
Ｇ 間隙
Ｈ 貫通パターン孔
Ｌ１ 支持層
Ｌ２ ＢＯＸ層
Ｌ３ 活性層
Ｍ アラインメントマーク
Ｏ１、Ｏ２ 熱酸化膜
ＯＳ１ 波長多重信号光信号
ＯＳ１ａ〜ＯＳ１ｃ 光信号
ＯＳ２〜ＯＳ４ 反射光信号
Ｒ１〜Ｒ７ レジスト
Ｓ ＳＯＩ基板
【技術分野】
【０００１】
本発明は、固定電極と、固定電極と所定の間隙を有して配置された可動電極と、可動電極に接続したミラーとを備えた光スイッチ素子の製造方法、光スイッチ素子、光スイッチ装置、および固定電極と、固定電極と所定の間隙を有して配置された可動電極とを備えたＭＥＭＳ（Micro Electro Mechanical Systems、微少電気機械システム）素子の製造方法に関するものである。
【背景技術】
【０００２】
光伝送システムにおいて、波長多重光信号の経路を切り替えるために、光スイッチ装置が使用されている（たとえば特許文献１参照）。このような光スイッチ装置には、光信号の経路を切り替えるために、光の反射方向を変えることができるミラーを備えた光スイッチ素子が用いられる。そして、このような光スイッチ素子では、光の反射方向を変えるために、ＭＥＭＳ素子を用いた静電アクチュエータによってミラーを可動としている。
【０００３】
ＭＥＭＳ素子を用いた静電アクチュエータには、平行電極構造のもの（特許文献２参照）や、櫛歯電極構造のもの（非特許文献１参照）などがある。櫛歯電極構造とは、櫛歯の配列方向とは垂直の方向に厚さを有する固定櫛歯電極と可動櫛歯電極とが、所定のギャップを隔てて噛み合うように配置された噛み合わせ構造を有するものである。櫛歯電極構造の静電アクチュエータは、その内部に作用する静電力が強く、またプルインが起こりにくいとされている。
【先行技術文献】
【特許文献】
【０００４】
【特許文献１】特開２００６−２７６４８７号公報
【特許文献２】米国特許第７３０２１３１号明細書
【非特許文献】
【０００５】
【非特許文献１】Jin-Ho Lee ,et al.,”Bonding of silicon scanning mirror having vertical comb fingers” J. Micromech. Microeng. Vol.12(2002)pp.644-649
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【０００６】
しかしながら、従来の櫛歯電極構造の静電アクチュエータは、櫛歯電極状に加工した２つの基板を噛み合わせて製造していた。このような櫛歯電極は、たとえば１本の櫛歯の幅と櫛歯の間隔がいずれも数〜十数μｍ程度と非常に小さく、またその櫛歯の数も数１０本と非常に多い。したがって、２つの櫛歯電極の相互の位置合わせが非常に困難であるという問題があった。また、２つの基板の噛み合わせの際に櫛歯電極部にごみ等の異物が混入した場合、噛み合わせが困難または不可能になる場合があるという問題があった。また、櫛歯の加工精度が低い場合、すべての櫛歯をうまく噛み合わせることが困難または不可能であるという問題があった。一方、従来の平行電極構造の静電アクチュエータについても、複数の基板をそれぞれ加工して、その後にこれらを組み合わせて製造していたため、同様の問題があった。以上のような理由により、従来の静電アクチュエータを備えた光スイッチ素子は、製造が困難であり、かつ製造歩留まりが低いという問題があった。
【０００７】
本発明は、上記に鑑みてなされたものであって、製造が容易であり、かつ製造歩留まりが高い光スイッチ素子の製造方法、光スイッチ素子、光スイッチ装置、およびＭＥＭＳ素子の製造方法を提供することを目的とする。
【課題を解決するための手段】
【０００８】
上述した課題を解決し、目的を達成するために、本発明に係る光スイッチ素子の製造方法は、固定電極と、前記固定電極と所定の間隙を有して配置された可動電極と、前記可動電極に接続したミラーとを備えた光スイッチ素子の製造方法であって、表面導電層と絶縁層と裏面層とを有する多層基板の該表面導電層から該絶縁層に到る貫通パターン孔を形成し、前記貫通パターン孔を通して表面側から前記裏面導電層にパターンを形成することを特徴とする。
【０００９】
また、本発明に係る光スイッチ素子の製造方法は、上記の発明において、前記間隙の形状を含むように前記貫通パターン孔を形成することを特徴とする。
【００１０】
また、本発明に係る光スイッチ素子の製造方法は、上記の発明において、前記２つの電極のうち一方の電極を前記表面導電層および裏面導電層のうちの一方の導電層に形成し、他方の電極を他方の導電層に形成することを特徴とする。
【００１１】
また、本発明に係る光スイッチ素子の製造方法は、上記の発明において、前記多層基板として、ＳＯＩ基板を用いることを特徴とする。
【００１２】
また、本発明に係る光スイッチ素子は、可動電極と固定電極とを有する静電アクチュエータを備え、前記可動電極と固定電極との静電力を働かせるべき面同士が傾斜対向配置していることを特徴とする。
【００１３】
また、本発明に係る光スイッチ素子は、上記の発明において、前記面同士の傾斜角は略９０度であることを特徴とする。
【００１４】
また、本発明に係る光スイッチ装置は、上記の発明のいずれか１つに記載の製造方法により製造した光スイッチ素子、または上記の発明のいずれかに記載の光スイッチ素子を備えることを特徴とする。
【００１５】
また、本発明に係るＭＥＭＳ素子の製造方法は、固定電極と、前記固定電極と所定の間隙を有して配置された可動電極とを備えたＭＥＭＳ素子の製造方法であって、表面導電層と絶縁層と裏面導電層とを有する多層基板の該表面導電層から該絶縁層に到る貫通パターン孔を形成し、前記貫通パターン孔を通して表面側から前記裏面導電層にパターンを形成することを特徴とする。
【発明の効果】
【００１６】
本発明によれば、表面導電層から絶縁層まで貫通する貫通パターン孔を形成し、該貫通パターン孔を通して表面側から裏面導電層にパターンを形成するので、製造が容易であり、かつ製造歩留まりが高い光スイッチ素子の製造方法、光スイッチ素子、光スイッチ装置、およびＭＥＭＳ素子の製造方法を実現できるという効果を奏する。
【図面の簡単な説明】
【００１７】
【図１】図１は、実施の形態１に係る光スイッチ素子の模式的な斜視図である。
【図２】図２は、図１に示す光スイッチ素子の模式的な平面図である。
【図３】図３は、図２に示す光スイッチ素子のＡ−Ａ線断面図である。
【図４】図４は、図２に示す光スイッチ素子のＢ矢視図である。
【図５】図５は、図２に示す光スイッチ素子のＣ−Ｃ線断面図である。
【図６】図６は、実施の形態２に係る光スイッチ素子の製造方法を説明する説明図である。
【図７】図７は、実施の形態２に係る光スイッチ素子の製造方法を説明する説明図である。
【図８】図８は、実施の形態２に係る光スイッチ素子の製造方法を説明する説明図である。
【図９】図９は、実施の形態２に係る光スイッチ素子の製造方法を説明する説明図である。
【図１０】図１０は、実施の形態３に係る光スイッチ装置の構成を示すブロック図である。
【図１１】図１１は、図１０に示す光スイッチ装置の動作を説明する説明図である。
【発明を実施するための形態】
【００１８】
以下に、図面を参照して本発明に係る光スイッチ素子の製造方法、光スイッチ素子、光スイッチ装置、およびＭＥＭＳ素子の製造方法の実施の形態を詳細に説明する。なお、この実施の形態によりこの発明が限定されるものではない。また、各図面において、同一または対応する要素には適宜同一の符号を付している。さらに、図面は模式的なものであり、各層の厚みと幅との関係、各層の比率などは、現実のものとは異なる場合があることに留意する必要がある。図面の相互間においても、互いの寸法の関係や比率が異なる部分が含まれている場合がある。
【００１９】
（実施の形態１）
図１は、本発明の実施の形態１に係る光スイッチ素子の模式的な斜視図である。また、図２は、図１に示す光スイッチ素子の模式的な平面図である。この光スイッチ素子１００は、ＳＯＩ（Silicon On Insulator）基板を材料にして形成された３層からなる基板を利用する。その３層基板は、Ｓｉからなる裏面導電層としての支持層Ｌ１、ＳｉＯ２からなる絶縁層としてのＢｏｘ（Ｂuried oxide）層Ｌ２、Ｓｉからなる表面導電層としての活性層Ｌ３で構成される。図１に示すように、この光スイッチ素子１００は、第一固定基部１０と、第二固定基部２０と、可動部３０と、第三固定基部４０とを備えている。第一固定基部１０、第二固定基部２０、および第三固定基部４０とは、支持層Ｌ１、Ｂｏｘ層Ｌ２、および活性層Ｌ３の積層構造からなる。一方、可動部３０は活性層Ｌ３のみからなる。
【００２０】
つぎに、図２を用いて光スイッチ素子１００の構成について具体的に説明する。第一固定基部１０は、ブロック状の支持部１１と、支持部１１に設けられた固定櫛歯電極１２とを備える。なお、符号１２ａは櫛歯部を示している。また、第二固定基部２０は、支持部１１と所定の隙間を設けて配置したブロック状の支持部２１と、支持部２１から固定櫛歯電極１２と略平行に延伸したアーム２２とを備える。
【００２１】
可動部３０は、バネ部３１、可動櫛歯電極３２、支持部３３、バネ部３４、およびミラー部３５を備える。バネ部３１は、アーム２２と可動櫛歯電極３２とを接続し、可動部３０全体を支持している。また、可動櫛歯電極３２は、固定櫛歯電極１２と所定の間隙Ｇを有して噛み合うように配置されている。間隙Ｇの幅はたとえば３〜１０μｍである。なお、符号３２ａは櫛歯部を示している。また、支持部３３は、可動櫛歯電極３２の一端に接続しており、バネ部３４を介してミラー部３５を支持している。ミラー部３５の幅は略１００μｍ、長さは３００μｍである。また、ミラー部３５の上面３５ａには金メッキが施されている（以下、ミラー面３５ａと称する）。
【００２２】
また、第三固定基部４０は、ブロック形状であり、ミラー部３５の一端に配置されている。
【００２３】
つぎに、この光スイッチ素子１００の動作について説明する。この光スイッチ素子１００は、固定櫛歯電極１２と可動櫛歯電極３２とからなる静電アクチュエータと、ミラー部３５と第二固定基部４０とからなる静電アクチュエータとにより、ミラー部３５が二軸回転するように構成されたものである。以下、図を用いて具体的に説明する。
【００２４】
はじめに、固定櫛歯電極１２と可動櫛歯電極３２とからなる静電アクチュエータについて説明する。図３は、図２に示す光スイッチ素子のＡ−Ａ線断面図である。図３に示すように、この静電アクチュエータは、固定櫛歯電極１２のうち静電引力が働くべき部分は支持層Ｌ１に形成されており、可動櫛歯電極３２は活性層Ｌ３に形成されているため、段差櫛歯構造となっている。
【００２５】
つぎに、この静電アクチュエータの動作について説明する。まず、Ｂｏｘ層Ｌ２により絶縁されている活性層Ｌ３と支持層Ｌ１との間に電圧信号を印加する。すると、活性層Ｌ３からなる可動櫛歯電極３２と、固定櫛歯電極１２の支持層Ｌ１からなる部分との間に静電引力が働く。なお、この静電引力は特に櫛歯部１２ａと櫛歯部３２ａとの側壁間に働く。ここで、バネ部３１は可動櫛歯電極３２よりも薄く形成されているので、この静電引力によってたわみ、これによって可動櫛歯電極３２は固定櫛歯電極１２の支持層Ｌ１からなる部分に引き寄せられる。その結果、ミラー部３５を含めた可動部３０全体が、矢印Ａｒ１が示すように、バネ部３１のアーム２２側の根元付近を軸として所定の角度範囲内で回転する。なお、この回転の角度は、活性層Ｌ３と支持層Ｌ１との間に印加する電圧信号の大きさに応じたものとなる。また、回転時に可動部３０がその長手方向に傾かないように、バネ部３１はハの字型となっている。
【００２６】
つぎに、ミラー部３５と第三固定基部４０とからなる静電アクチュエータについて説明する。図４は、図２に示す光スイッチ素子のＢ矢視図である。この静電アクチュエータでは、ミラー部３５が可動電極、第三固定基部４０の支持層Ｌ１からなる部分が固定電極となっている。そして、ミラー部３５のミラー面３５ａとは反対側の下面３５ｂと、第三固定基部４０の側面４０ａとが傾斜角が略９０度で傾斜対向配置している。
【００２７】
つぎに、この静電アクチュエータの動作について説明する。上述の場合と同様に、まず、Ｂｏｘ層Ｌ２により絶縁されている活性層Ｌ３と支持層Ｌ１との間に電圧信号を印加する。すると、活性層Ｌ３からなるミラー部３５の下面３５ｂと、第三固定基部４０の支持層Ｌ１からなる側面４０ａとの間に静電引力が働く。ここで、バネ部３４は支持部３３、ミラー部３５よりも薄く形成されているので、この静電引力によってたわみ、これによってミラー部３５は第三固定基部４０の側面４０ａに引き寄せられる。その結果、ミラー部３５が、矢印Ａｒ２が示すように、バネ部３４の支持部３３側の根元付近を軸として所定の角度範囲内で回転する。なお、この回転の大きさは、活性層Ｌ３と支持層Ｌ１との間に印加する電圧信号の大きさに応じたものとなる。
【００２８】
以上のように、この光スイッチ素子１００は、電圧信号の印加によってミラー部３５が二軸回転し、その角度が様々に変えられるものとなる。
【００２９】
ちなみに、上述したような、可動電極と固定電極との静電力を働かせるべき面同士が傾斜対向配置した構造の静電アクチュエータは、可動させても電極同士がくっ付きにくく、また電極面積を大きくしやすく、電極間に働く静電力を強くできる。その結果、可動範囲を広くできるし、消費電力を低くすることができる。また、構造が簡易であるため、作製も容易である。なお、傾斜対向配置する面は平面や曲面、凹凸を有する面でもよい。また、傾斜対向配置する面同士の傾斜角は、略９０度が好ましいが、それ以外の角度でもよい。
【００３０】
（実施の形態２）
つぎに、本発明の実施の形態２に係る製造方法として、図１に示す光スイッチ素子１００の製造方法の一例について説明する。以下では、図２に示す光スイッチ素子１００のＣ−Ｃ線断面に則して説明を行なうものとする。図５は、図１に示す光スイッチ素子１００のＣ−Ｃ線断面図である。図５に示すように、このＣ−Ｃ断面には、支持部１１、櫛歯部１２ａ、３２ａ、支持部３３、バネ部３４、ミラー部３５、および第三固定基部４０を含んでいる。なお、櫛歯部１２ａ、３２ａは両端部のもののみ示しており、他のものは省略している。
【００３１】
図６〜図９は、本実施の形態２に係る光スイッチ素子１００の製造方法を説明する説明図である。はじめに、図６に示すように、Ｓｉからなる支持層Ｌ１、ＳｉＯ２からなるＢｏｘ層Ｌ２、およびＳｉからなる活性層Ｌ３を備える、たとえば直径４インチ（１０１．６ｍｍ）のＳＯＩ基板Ｓを準備する。なお、支持層Ｌ１、Ｂｏｘ層Ｌ２、活性層Ｌ３の厚さは、たとえばそれぞれ２００μｍ、１μｍ、１０μｍである。つぎに、ＳＯＩ基板Ｓを酸化性雰囲気中で熱処理して支持層Ｌ１、活性層Ｌ３の表面を酸化し、たとえば厚さ１．５μｍ程度の熱酸化膜Ｏ１、Ｏ２をそれぞれ形成する。以下、活性層Ｌ３側の表面を上面とし、支持層Ｌ１側の表面を下面と適宜記載する。つぎに、上面側に厚さ５０ｎｍ程度のクロム（Ｃｒ）膜を成膜し、ネガ型のレジストを用いたフォトリソグラフィとエッチングとにより、アラインメントマークＭを形成する。その後、アラインメントマークＭ上のレジストＲ１を除去する。
【００３２】
つぎに、図７に示すように、上面に保護用のポジ型のレジストＲ２を塗布してポストベイクし、下面にポジ型のレジストＲ３を塗布してプリベイクする。その後、ＩＲモニタ等によってアラインメントマークＭの位置を確認し、このアラインメントマークＭをもとに位置を調整して下面にフォトリソグラフィを行い、ポストベイク後、フッ酸液等を用いて熱酸化膜Ｏ１をウェットエッチングする。このとき、熱酸化膜Ｏ１をウェットエッチングする領域Ｅ１は、第一固定基部１０、第二固定基部２０、および第三固定基部４０を形成するべき領域を除いた領域である。その後、レジストＲ２、Ｒ３を剥離する。なお、以下の工程ではポジ型のレジストを用いる。
【００３３】
さらに、下面に保護用のレジストＲ４を塗布してポストベイクし、上面にレジストＲ５を塗布してプリベイクする。その後、アラインメントマークＭをもとに位置を調整して上面にフォトリソグラフィを行い、ポストベイク後、フッ酸液等を用いて熱酸化膜Ｏ２をウェットエッチングする。このとき、熱酸化膜Ｏ２をウェットエッチングする領域Ｅ２は、バネ部３１、３４を形成すべき領域である。その後、レジストＲ４、Ｒ５を剥離する。なお、以降はアラインメントマークＭを使用しないので、記載を省略する。
【００３４】
つぎに、図８に示すように、下面に保護用のレジストＲ６を塗布してポストベイクし、上面にレジストＲ７を塗布してプリベイクする。その後、領域Ｅ２のパターン等をもとに位置を調整して上面にフォトリソグラフィを行い、ポストベイク後、フッ酸液等を用いて熱酸化膜Ｏ２をウェットエッチングする。このとき、熱酸化膜Ｏ２をウェットエッチングする領域Ｅ３は、図２の平面図で示される構造のうち、活性層Ｌ３側から支持層Ｌ３側まで貫通している全ての貫通空隙部である。
【００３５】
つぎに、領域Ｅ３に対して、ドライエッチングによる活性層Ｌ３のエッチング、ウェットエッチングもしくはドライエッチングによるＢｏｘ層Ｌ２のエッチング、ドライエッチングによる支持層Ｌ１のエッチングを順次行ない、ＳＯＩ基板Ｓを貫通する貫通パターン孔Ｈを形成する。なお、ドライエッチングについては、サイドエッチングを防止するために、反応性ガスとしてＳＦ６ガスやＣＦ系ガスを用いた誘起結合プラズマによる反応性イオンエッチング（Inductively Coupled Plasma-Reactive Ion Etching、ＩＣＰ−ＲＩＥ）を用いることが好ましい。また、反応性ガスにＯ２ガスを加えるいわゆるＢｏｓｃｈ法を用いれば、サイドエッチングがさらに防止され、貫通パターン孔Ｈを高精度で形成できるのでさらに好ましい。
【００３６】
上述した図８に示す工程によって形成した貫通パターン孔Ｈは、可動櫛歯電極３２と固定櫛歯電極１２との噛み合わせを形成する間隙Ｇの形状を含むものである。このように間隙Ｇを形成すれば、可動櫛歯電極３２と固定櫛歯電極１２とが最初から噛み合わされた状態で形成されるため、所定の間隙Ｇにて容易にかつ確実に噛み合うように、噛み合わせ構造を形成できる。したがって、従来２つの基板を別々に櫛歯電極状に加工して噛み合わせる工程のような、２つの櫛歯電極の位置合わせが困難であるという問題が全く生じず、かつ異物の混入や櫛歯の加工精度の低さにより、噛み合せが困難または不可能になるという問題も全く生じない。
【００３７】
つぎに、図９に示すように、レジストＲ６、Ｒ７を除去し、熱酸化膜Ｏ２をマスクとして、バネ部３１、３４を形成すべき領域Ｅ２をわずかにドライエッチングし、活性層Ｌ３の厚さを薄くする。これによって、バネ部３１、３４をたわみやすくする。つぎに、ＳＯＩ基板Ｓをひっくり返して、熱酸化膜Ｏ１をマスクとして、可動部３０を形成すべき領域Ｅ４をドライエッチングする。その後、ウェットエッチングによって熱酸化膜Ｏ１、Ｏ２を除去し、さらにアラインメントマークＭを除去し、ミラー部３５に金メッキを施して、光スイッチ素子１００が完成する。
【００３８】
以上説明したように、本実施の形態２に係る製造方法によれば、櫛歯電極の噛み合せが困難または不可能という問題が全く生じないため、光スイッチ素子の製造が容易であり、かつ製造歩留まりが高いものとなる。
【００３９】
なお、活性層Ｌ３側から支持層Ｌ１のエッチングをする際に、必ずしも支持層Ｌ１を貫通するまでエッチングを行う必要はなく、必要に応じて途中で止めてもよい。たとえば、ＳＯＩ基板Ｓの支持層Ｌ１が厚く、活性層Ｌ３側から支持層Ｌ１を貫通エッチングすることが困難な場合は、エッチングによって活性層Ｌ３側からＢｏｘ層Ｌ２に到る貫通パターン孔を形成し、その後貫通パターン孔を通して活性層Ｌ３側から支持層Ｌ１にエッチングによってパターンを形成する際に、支持層Ｌ１内の途中までパターンを形成した時点でエッチングを止め、必要であれば、その後支持層Ｌ１側から、残りの部分をエッチングして貫通させればよい。このように必ずしも支持層Ｌ１を貫通するまでエッチングを行わなくても、可動櫛歯電極３２と固定櫛歯電極１２との位置合わせの問題は生じない。
【００４０】
すなわち、静電容量は電極間距離に反比例するため、固定櫛歯電極１２と可動櫛歯電極３２との間に働く静電力の強さを考えると、可動櫛歯電極３２との間に主な静電力が働くのは、固定櫛歯電極１２のうち可動櫛歯電極３２と近接している部分であり、その近接部分から離れるにしたがって電極間静電力は急に弱くなる。そのため、活性層Ｌ３側からのエッチングを支持層Ｌ１内の途中で止めたとしても、これによって可動櫛歯電極３２と、固定櫛歯電極１２のうちの可動櫛歯電極３２との近接部分までとを形成するようにすれば、電極間静電力が主に働くこととなる部分は適切な位置関係で形成されることとなる。したがって、その後に支持層Ｌ１側から、エッチングによって固定櫛歯電極１２の残りの部分を形成した場合に、たとえその固定櫛歯電極１２の残りの部分が可動櫛歯電極３２に対して位置ずれしていたとしても、その位置ずれによって位置合わせの問題が発生することはない。
【００４１】
（実施の形態３）
つぎに、本発明の実施の形態３に係る光スイッチ装置について説明する。本実施の形態３に係る光スイッチ装置は、入力した波長多重信号から所定の波長の光信号を選択し、その光信号の波長ごとに経路を切り換えて出力する波長選択光スイッチ装置である。
【００４２】
図１０は、実施の形態３に係る光スイッチ装置の構成を示すブロック図である。図１０に示すように、この光スイッチ装置１０００は、紙面奥行き方向に配列し、各々が異なる経路の光ファイバ伝送路に接続した４本の入出力光ファイバ５１〜５４と、入出力光ファイバ５１〜５４に対して順次配置された、アナモルフィックプリズムペア５５と、回折格子５６と、集光レンズ５７と、λ／４波長板５８と、実施の形態１に係る光スイッチ素子１００と同様の構成を有し、アレイ状に配置された３つの光スイッチ素子１０２〜１０４とを備えている。さらに、この光スイッチ装置１０００は、３つの光スイッチ素子１０２〜１０４を制御するためのモニタ素子５９と制御回路６０とを備えている。なお、実際には回折格子５６において光路は曲げられるので、アナモルフィックプリズムペア５５から光スイッチ素子１０２〜１０４までの各素子は回折格子５６の前後で角度を持って配置されるが、図１０においては、簡略化のために直列に配置して示している。
【００４３】
つぎに、光スイッチ装置１０００の動作について説明する。図１１は、光スイッチ装置１０００の動作を説明する説明図である。なお、図１１は、光スイッチ装置１０００を図１０の方向とは垂直の方向から見た図である。はじめに、入出力光ファイバ５１は、或る光ファイバ伝送路を伝送して入力した波長多重信号光信号ＯＳ１をアナモルフィックプリズムペア５５に出力する。アナモルフィックプリズムペア５５は、波長多重信号光信号ＯＳ１のビーム径を、回折格子５６の格子の配列方向に広げて、波長多重信号光信号ＯＳ１が多くの格子に当たるように、波長選択の分解能を高めるようにしている。回折格子５６は、入射した波長多重信号光信号ＯＳ１に含まれる所定の波長の光信号ＯＳ１ａを所定の角度に出力する。集光レンズ５７は、λ／４波長板５８を通して、光信号ＯＳ１ａを光スイッチ素子１０２に集光する。光スイッチ素子１０２はそのミラー面によって、集光した光信号ＯＳ１ａを反射させる。このときの反射光は、反射光信号ＯＳ２として、λ／４波長板５８、集光レンズ５７、回折格子５６、アナモルフィックプリズムペア５５を順次経由して、入出力光ファイバ５２へと入力し、入出力光ファイバ５２に接続した光ファイバ伝送路へと出力する。なお、λ／４波長板５８は、光信号ＯＳ１ａと反射光信号ＯＳ２との光の偏光状態が互いに直交するように、その偏光状態を変化させる。これによって、アナモルフィックプリズムペア５５および回折格子５６の偏波依存性を補償するようにしている。
【００４４】
また、回折格子５６は、波長多重信号光信号ＯＳ１に含まれる他の所定の波長の光信号ＯＳ１ｂ、ＯＳ１ｃをそれぞれ他の所定の角度に出力する。各光信号ＯＳ１ｂ、ＯＳ１ｃは、それぞれ光スイッチ素子１０３、１０４で反射され、反射光信号ＯＳ３または反射光信号ＯＳ４として、λ／４波長板５８、集光レンズ５７、回折格子５６、アナモルフィックプリズムペア５５を順次経由して、入出力光ファイバ５３または入出力光ファイバ５４へと入力し、入出力光ファイバ５３または入出力光ファイバ５４に接続した光ファイバ伝送路へと出力する。
【００４５】
ここで、光スイッチ素子１０２〜１０４は、モニタ素子５９が反射光信号ＯＳ２〜ＯＳ４の一部を分岐した光の波長および強度をモニタし、このモニタの結果をもとに光スイッチ素子１０２〜１０４の各ミラー部を独立に可動させることによって、それぞれの反射光信号ＯＳ２〜ＯＳ４の反射角度が最適になるように制御される。反射光信号ＯＳ２〜ＯＳ４の分岐は、たとえば入出力光ファイバ５１〜５４の一部に分岐カプラを設けたり、光スイッチ装置１０００内の適当な位置に分岐用のミラーを設けたりすることによって行うことができる。なお、モニタ素子５９は、たとえばＡＷＧ（Arrayed Waveguide Grating）素子と複数のフォトダイオードとから構成される。
【００４６】
なお、上記実施の形態２に係る製造方法では、アラインメントマークＭを形成し、間隙Ｇの形状を含むように貫通パターン孔Ｈを形成しているが、アラインメントマーク用の貫通パターン孔を形成して、これをアラインメントマークとして、別途間隙Ｇを形成してもよい。この場合も、実施の形態２の場合と同様に、櫛歯電極の噛み合せが困難または不可能という問題が全く生じないため、光スイッチ素子の製造が容易であり、かつ製造歩留まりが高いものとなる。また、この場合は、たとえばＳＯＩ基板Ｓの上面側と下面側の両側から別々にエッチングを行なって、ＳＯＩ基板Ｓを貫通する間隙Ｇを形成してもよい。このようにしても、上面と下面のそれぞれに現われている貫通パターン孔をもとに間隙Ｇを形成しているので、上下面からのエッチング孔の間の面内での位置ずれが起こりにくく、高精度に間隙Ｇを形成できる。
【００４７】
また、上記実施の形態では、回転運動を実現する段差櫛歯構造の静電アクチュエータを形成するために、ＳＯＩ基板を用いているが、絶縁層を介して積層した２つの半導体層を有する他の半導体基板を用いてもよい。また、本発明は、櫛歯電極を噛み合わせた他の構造を形成する場合にも適用することができる。また、基板の材料も他の半導体、金属等の導電性の材質からなるものを用いてもよい。
【００４８】
また、上記実施の形態は、光スイッチ素子に係るものであるが、本発明は光スイッチ素子に限らず、固定電極と、固定電極と所定の間隙を有して配置された可動電極とを備えた他のＭＥＭＳ素子にも適用できる。すなわち、上記のような固定電極と可動電極とを備えたＭＥＭＳ素子を製造する際に、表面導電層と絶縁層と裏面導電層とを有する多層基板を材料とし、この多層基板の表面導電層から絶縁層に到る貫通パターン孔を形成し、その貫通パターン孔を通して表面側から裏面導電層にパターンを形成することによって、容易に、かつ製造歩留まり高くＭＥＭＳ素子を製造することができる。
【符号の説明】
【００４９】
１０ 第一固定基部
１１ 支持部
１２ 固定櫛歯電極
１２ａ 櫛歯部
２０ 第二固定基部
２１ 支持部
２２ アーム
３０ 可動部
３１ バネ部
３２ 可動櫛歯電極
３２ａ 櫛歯部
３３ 支持部
３４ バネ部
３５ ミラー部
３５ａ 上面（ミラー面）
３５ｂ 下面
４０ 第三固定基部
４０ａ 側面
５１〜５４ 入出力光ファイバ
５５ アナモルフィックプリズムペア
５６ 回折格子
５７ 集光レンズ
５８ λ／４波長板
５９ モニタ素子
６０ 制御回路
１００、１０２〜１０４ 光スイッチ素子
１０００ 光スイッチ装置
Ａｒ１、Ａｒ２ 矢印
Ｅ１〜Ｅ４ 領域
Ｇ 間隙
Ｈ 貫通パターン孔
Ｌ１ 支持層
Ｌ２ ＢＯＸ層
Ｌ３ 活性層
Ｍ アラインメントマーク
Ｏ１、Ｏ２ 熱酸化膜
ＯＳ１ 波長多重信号光信号
ＯＳ１ａ〜ＯＳ１ｃ 光信号
ＯＳ２〜ＯＳ４ 反射光信号
Ｒ１〜Ｒ７ レジスト
Ｓ ＳＯＩ基板
【特許請求の範囲】
【請求項１】
固定電極と、前記固定電極と所定の間隙を有して配置された可動電極と、前記可動電極に接続したミラーとを備えた光スイッチ素子の製造方法であって、
表面導電層と絶縁層と裏面導電層とを有する多層基板の該表面導電層から該絶縁層に到る貫通パターン孔を形成し、前記貫通パターン孔を通して表面側から前記裏面導電層にパターンを形成することを特徴とする光スイッチ素子の製造方法。
【請求項２】
前記間隙の形状を含むように前記貫通パターン孔を形成することを特徴とする請求項１に記載の光スイッチ素子の製造方法。
【請求項３】
前記導電性基板として、絶前記２つの電極のうち一方の電極を前記表面導電層および裏面導電層のうちの一方の導電層に形成し、他方の電極を他方の導電層に形成することを特徴とする請求項１または２に記載の光スイッチ素子の製造方法。
【請求項４】
前記多層基板として、ＳＯＩ基板を用いることを特徴とする請求項１〜３のいずれか一つに記載の光スイッチ素子の製造方法。
【請求項５】
可動電極と固定電極とを有する静電アクチュエータを備え、前記可動電極と固定電極との静電力を働かせるべき面同士が傾斜対向配置していることを特徴とする光スイッチ素子。
【請求項６】
前記面同士の傾斜角は略９０度であることを特徴とする請求項５に記載の光スイッチ素子。
【請求項７】
請求項１〜４のいずれか１つに記載の製造方法により製造した光スイッチ素子、または請求項５もしくは６に記載の光スイッチ素子を備えることを特徴とする光スイッチ装置。
【請求項８】
固定電極と、前記固定電極と所定の間隙を有して配置された可動電極とを備えたＭＥＭＳ素子の製造方法であって、
表面導電層と絶縁層と裏面導電層とを有する多層基板の該表面導電層から該絶縁層に到る貫通パターン孔を形成し、前記貫通パターン孔を通して表面側から前記裏面導電層にパターンを形成することを特徴とするＭＥＭＳ素子の製造方法。
【請求項１】
固定電極と、前記固定電極と所定の間隙を有して配置された可動電極と、前記可動電極に接続したミラーとを備えた光スイッチ素子の製造方法であって、
表面導電層と絶縁層と裏面導電層とを有する多層基板の該表面導電層から該絶縁層に到る貫通パターン孔を形成し、前記貫通パターン孔を通して表面側から前記裏面導電層にパターンを形成することを特徴とする光スイッチ素子の製造方法。
【請求項２】
前記間隙の形状を含むように前記貫通パターン孔を形成することを特徴とする請求項１に記載の光スイッチ素子の製造方法。
【請求項３】
前記導電性基板として、絶前記２つの電極のうち一方の電極を前記表面導電層および裏面導電層のうちの一方の導電層に形成し、他方の電極を他方の導電層に形成することを特徴とする請求項１または２に記載の光スイッチ素子の製造方法。
【請求項４】
前記多層基板として、ＳＯＩ基板を用いることを特徴とする請求項１〜３のいずれか一つに記載の光スイッチ素子の製造方法。
【請求項５】
可動電極と固定電極とを有する静電アクチュエータを備え、前記可動電極と固定電極との静電力を働かせるべき面同士が傾斜対向配置していることを特徴とする光スイッチ素子。
【請求項６】
前記面同士の傾斜角は略９０度であることを特徴とする請求項５に記載の光スイッチ素子。
【請求項７】
請求項１〜４のいずれか１つに記載の製造方法により製造した光スイッチ素子、または請求項５もしくは６に記載の光スイッチ素子を備えることを特徴とする光スイッチ装置。
【請求項８】
固定電極と、前記固定電極と所定の間隙を有して配置された可動電極とを備えたＭＥＭＳ素子の製造方法であって、
表面導電層と絶縁層と裏面導電層とを有する多層基板の該表面導電層から該絶縁層に到る貫通パターン孔を形成し、前記貫通パターン孔を通して表面側から前記裏面導電層にパターンを形成することを特徴とするＭＥＭＳ素子の製造方法。
【図１】
【図２】
【図３】
【図４】
【図５】
【図６】
【図７】
【図８】
【図９】
【図１０】
【図１１】
【図２】
【図３】
【図４】
【図５】
【図６】
【図７】
【図８】
【図９】
【図１０】
【図１１】
【公開番号】特開２０１１−９５６２１（Ｐ２０１１−９５６２１Ａ）
【公開日】平成２３年５月１２日（２０１１．５．１２）
【国際特許分類】
【出願番号】特願２００９−２５１１５４（Ｐ２００９−２５１１５４）
【出願日】平成２１年１０月３０日（２００９．１０．３０）
【出願人】（０００００５２９０）古河電気工業株式会社 (4,457)
【Ｆターム（参考）】
【公開日】平成２３年５月１２日（２０１１．５．１２）
【国際特許分類】
【出願日】平成２１年１０月３０日（２００９．１０．３０）
【出願人】（０００００５２９０）古河電気工業株式会社 (4,457)
【Ｆターム（参考）】
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