光フィルターおよび分析機器
【課題】印加電圧を低く抑えるためにダイアフラム部を薄くした場合においても、ダイアフラム部の強度低下を抑制することができ、その結果、最大印加電圧が低くかつダイアフラム部の強度を高め、安定的なギャップ変位を可能とし、良好に駆動することができる光フィルター及び分析機器を提供する。
【解決手段】光フィルター１は、下部基板３と、下部基板３に設けられた下部ミラー４Ｂと、下部基板３に設けられた下部電極６Ｂと、下部電極６Ｂに対向して設けられた上部基板２と、上部基板２に設けられ下部ミラー４Ｂと対向する上部ミラー４Ａと、上部基板２に設けられ下部電極６Ｂと対向する上部電極６Ａを有し、上部基板２は平面視において上部ミラー４Ａを囲む溝８を有し、前記溝８は断面視において底面部８ａと第１端部８ｂ、第２端部８ｄと第１側面部８ｃ、第２側面部８ｅとを有し、第１端部８ｂ、第２端部８ｄは曲面を有することを特徴とする。
【解決手段】光フィルター１は、下部基板３と、下部基板３に設けられた下部ミラー４Ｂと、下部基板３に設けられた下部電極６Ｂと、下部電極６Ｂに対向して設けられた上部基板２と、上部基板２に設けられ下部ミラー４Ｂと対向する上部ミラー４Ａと、上部基板２に設けられ下部電極６Ｂと対向する上部電極６Ａを有し、上部基板２は平面視において上部ミラー４Ａを囲む溝８を有し、前記溝８は断面視において底面部８ａと第１端部８ｂ、第２端部８ｄと第１側面部８ｃ、第２側面部８ｅとを有し、第１端部８ｂ、第２端部８ｄは曲面を有することを特徴とする。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、光フィルターおよび分析機器等に関する。
【背景技術】
【０００２】
従来、入射光から目的とする波長の光を選択して出射する光フィルターとして、一対の基板を対向配置し、これら基板の対向する面それぞれにミラーを設け、これらのミラーの周囲にそれぞれ電極を設けるとともに、一方のミラーの周囲にダイアフラム部を設け、これら電極間の静電力によりダイアフラム部を変位させてこれらのミラー間のギャップ（エアーギャップ）を変化させることにより、所望の波長の光を取り出すエアーギャップ型かつ静電駆動型の光フィルターが知られている（例えば、特許文献１）。
このような光フィルターでは、製造時に一対のミラー間のギャップをサブミクロンから数ミクロンと非常に狭い範囲で制御する必要があり、しかも、これらのミラー間のギャップを精度良く維持し、かつ、所望のギャップ量に制御することが重要である。
【先行技術文献】
【特許文献】
【０００３】
【特許文献１】特開２００３−５７４３８号公報
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【０００４】
ところでエアーギャップ型かつ静電駆動型の光フィルターでは、静電引力でダイアフラムを動かし、ミラー間のギャップを変化させる。このため、ダイアフラム部の厚みに応じて、ギャップの変位に必要な静電引力を生み出すための印加電圧が変化することになる。そのため、ダイアフラム部は印加電圧を低く抑えるためにも出来るだけ薄いことが望ましい。しかし、ダイアフラム部を薄くすることは強度低下に繋がり、繰り返しギャップ変位を行う光フィルターでは、変位を行う度にダイアフラム部に応力がかかるため、強度の低下は即ちダイアフラム部の破壊に繋がるという問題があった。
本発明は、上記の課題の少なくとも一部を解決するためになされたものであって、印加電圧を低く抑えるためにダイアフラム部を薄くした場合においても、ダイアフラム部の強度低下を抑制することができ、その結果、最大印加電圧が低くかつダイアフラム部の強度を高め、安定的なギャップ変位を可能とし、良好に駆動することができる光フィルター及びそれを備えた光モジュールを提供することを目的の一つとする。
【課題を解決するための手段】
【０００５】
本発明の光フィルターは、
下部基板と、
前記下部基板に設けられた下部ミラーと、
前記下部基板に設けられた下部電極と、
前記下部電極に対向して設けられた上部基板と、
前記上部基板に設けられ、前記下部ミラーと対向する上部ミラーと、
前記上部基板に設けられ、前記下部電極と対向する上部電極と、
を有し、
前記上部基板は、平面視において、前記上部ミラーを囲む溝を有し、
前記溝は、断面視において、第１側面部、第２側面部、底面部、前記第１側面部と前記底面部との間に位置する第１端部および前記第２側面部と前記底面部との間に位置する第２端部を有し、
前記第１端部および前記第２端部は曲面を有することを特徴とする。
本発明の光フィルターでは、溝の端部を曲面としている。これにより、ギャップ変位時に発生する溝の端部への応力集中が緩和され、ダイアフラム部の強度を向上させる。その結果、安定的なギャップ変位を可能とし、良好にギャップ駆動をすることができる。
【０００６】
上記に記載の光フィルターは、
前記底面部は平坦であり、
平面視において、前記上部電極は、前記底面部の下方の領域内の前記第２基板に設けられていることを特徴とする。
これにより、溝の歪みに伴う上部電極にクラック等が発生することを防止することができる。
【０００７】
上記に記載の光フィルターは、
前記第１端部は、前記上部ミラー側に位置し、
前記第１端部は、平面視において、前記上部ミラーと重なっていないことを特徴とする。
これにより、上部ミラーに入射される光の進行が、ダイアフラム部の側面部によって、遮られることを抑制することができ、良好なセンシングが可能となる。
【０００８】
上記に記載の光フィルターは、
前記第１基板および前記第２基板は、光透過性を有することを特徴とする。
このように、第１基板及び第２基板を、光透過性を有することとしたことにより、基板における光の透過率が向上し、取り出した光の強度も高くなる。よって、光の取り出し効率が向上する。
【０００９】
上記に記載の光フィルターは、
前記溝は、ドライエッチングを行った後に、ウェットエッチングを行うことにより形成されていることを特徴とする。
このように、加工にウェットエッチングを用いることで容易に端部の形状を曲面にすることが出来、端部への応力集中を緩和し、ダイアフラム部の強度を向上させることが出来る。またドライエッチングとウェットエッチングを組み合わせることで、溝の加工にかかる時間を短縮し、且つ、溝端部が曲面を有する構造とすることができ、端部への応力集中を緩和し、ダイアフラム部の強度を向上させることが出来る。その結果、安定的なギャップ変位を可能とし、良好に駆動することができる。
【００１０】
本発明の分析機器は、上記に記載の光フィルターを用いることを特徴とする。
【図面の簡単な説明】
【００１１】
【図１】本実施形態の光フィルターの平面図である。
【図２】本実施形態の光フィルターの断面図である。
【図３】本実施形態の光フィルターにおいて、電圧が印加されていない場合の波長と透過率との関係を示す図である。
【図４】本実施形態の光フィルターにおいて、電圧が印加された場合の波長と透過率との関係を示す図である。
【図５】本実施形態の光フィルターの製造方法を説明するための図である。
【図６】本実施形態の光フィルターの製造方法を説明するための図である。
【図７】本実施形態の光フィルターの製造方法を説明するための図である。
【図８】本実施形態の光フィルターの製造方法を説明するための図である。
【図９】本実施形態の光フィルターの製造方法を説明するための図である。
【発明を実施するための形態】
【００１２】
以下、本発明にかかる実施形態の光フィルターについて説明する。ここでは、光フィルターとして、エアーギャップ型かつ静電駆動型の光フィルターについて説明する。
【００１３】
図１および図２において、符号１はエアーギャップ型で静電駆動型の光フィルターである。この光フィルター１は、上部基板２と、上部基板２に対向した状態で接合（または接着）された下部基板３と、上部基板２の下部基板３と対向する側の対向面２ａの中央部に設けられた円形状のミラー４Ａ（上部ミラー）と、下部基板３の上部基板２と対向する側の面の中央部に形成された第１の凹部５の底部中央にミラー４Ａと第１のギャップＧ１を介して対向して設けられた円形状のミラー４Ｂ（下部ミラー）と、上部基板２のミラー４Ａの周囲に設けられた円環状の電極６Ａ（上部電極）と、下部基板３の第１の凹部５の周囲に形成された円環状の第２の凹部７に電極６Ａと第２のギャップＧ２を介して対向して設けられた円環状の電極６Ｂ（下部電極）と、上部基板２の対向面２ａの反対面側において、電極６Ａとほぼ対応する位置にエッチング（選択除去）により形成された薄肉の円環状のダイアフラム部８とにより構成されている。
【００１４】
ダイアフラム部８は第１側面部８ｃ、第２側面部８ｅ、底面部８ａ、第１側面部８ｃと底面部８ａとの間に位置する第１端部８ｂ、および第２側面部８ｅと底面部８ａとの間に位置する第２端部８ｄ、から構成される。また、ダイアフラム部８における、ミラー４Ａ側に位置する第１端部８ｂは、平面視においてミラー４Ａと重ならないように形成されている。このような構造とすることで、ミラー４Ａに入射される光の進行が、ダイアフラム部８の第１側面部８ｃによって、遮られることを抑制することができる。
【００１５】
そして、第２のギャップＧ２を介して対向して設けられた電極６Ａ、６Ｂと、ダイアフラム部８と、により、静電アクチュエーターが構成されている。
上部基板２および下部基板３の材料としてガラスを用いることができる。ガラスとしては、具体的には、ソーダガラス、結晶化ガラス、石英ガラス、鉛ガラス、カリウムガラス、ホウケイ酸ガラス、ホウケイ酸ナトリウムガラス、無アルカリガラス等が好適に用いられる。
【００１６】
上部基板２及び下部基板３を共に光透過性を有する材料とすることにより、電磁波のうち所望の波長帯域の電磁波や可視光線を入射光として用いることができる。
また、上部基板２及び下部基板３を共に半導体材料、例えばシリコンで形成すれば、入射光として近赤外線を用いることができる。
【００１７】
ミラー４Ａ、４Ｂは、第１のギャップＧ１を介して互いに対向して配置されたもので、高屈折率層と低屈折率層とが交互に複数積層された誘電体多層膜により構成されている。なお、ミラー４Ａ、４Ｂは、誘電体多層膜に限定されることなく、例えば、銀を主成分とする合金膜や、それらの多層膜等を用いることもできる。
【００１８】
これらミラー４Ａ、４Ｂのうち、一方のミラー４Ａは変形可能な上部基板２に設けられているので可動ミラーと称し、他方のミラー４Ｂは変形しない下部基板３に設けられているので固定ミラーと称することもある。
【００１９】
この光フィルター１を可視光線の領域あるいは赤外線の領域で用いる場合、誘電体多層膜における高屈折率層を形成する材料としては、例えば、酸化チタン（Ｔｉ2Ｏ）、酸化タンタル（Ｔａ2Ｏ5）、酸化ニオブ（Ｎｂ2Ｏ5）等が用いられる。また、光フィルター１を紫外線の領域で用いる場合、高屈折率層を形成する材料としては、例えば酸化アルミニウム（Ａｌ2Ｏ3）、酸化ハフニウム（ＨｆＯ2）、酸化ジルコニウム（ＺｒＯ2）、酸化トリウム（ＴｈＯ2）等が用いられる。
【００２０】
一方、誘電体多層膜における低屈折率層を形成する材料としては、例えば、フッ化マグネシウム（ＭｇＦ2）、酸化ケイ素（ＳｉＯ2）等が用いられる。
この高屈折率層及び低屈折率層の層数及び厚みについては、必要とする光学特性に基づいて適宜に設定される。一般に、誘電体多層膜により反射膜（ミラー）を形成する場合、その光学特性を得るために必要な層数は１２層以上である。
【００２１】
電極６Ａ、６Ｂは、第２のギャップＧ２を介して互いに対向して配置されたもので、入力される駆動電圧に応じてこれら電極６Ａ、６Ｂ間に静電力を発生させ、ミラー４Ａ、４Ｂを互いに対向した状態で相対移動させる静電アクチュエーターの一部を構成するものである。
【００２２】
これにより、電極６Ａ、６Ｂは、ダイアフラム部８を図２中上下方向に変位させてミラー４Ａ、４Ｂ間の第１のギャップＧ１を変化させ、この第１のギャップＧ１に対応する波長の光を出射するようになっている。
【００２３】
また、電極６Ａは、図２に示すように、平坦な面である底面部８ａの下方の領域内に設けられている。仮に、電極６Ａを、曲面を有する第１端部８ｂ、第２端部８ｄと重なるように形成した場合、ダイアフラム部８の駆動によってダイアフラム部８が歪み、第１端部８ｂ、第２端部８ｄの下方に位置する電極６Ａに大きな応力が発生してしまう。それにより、電極６Ａにクラック等の不具合が生じてしまう恐れがある。しかしながら、平坦な面である底面部８ａの下方の領域内に電極６Ａを形成することで、ダイアフラム部８の歪みに伴う電極６Ａのクラック等を防止することができる。
【００２４】
なお、本実施形態では、上部基板２の対向面２ａと下部基板３に形成された第２の凹部７とは平行になっているので、電極６Ａ、６Ｂ間も平行となっている。
これら電極６Ａ、６Ｂを形成する材料としては導電性であればよく、特に限定はされないが、例えば、Ｃｒ、Ａｌ、Ａｌ合金、Ｎｉ、Ｚｎ、Ｔｉ、Ａｕ等の金属、あるいはカーボン、チタン等を分散した樹脂、多結晶シリコン（ポリシリコン）、アモルファスシリコン等のシリコン、窒化シリコン、ＩＴＯ等の透明導電材料等が用いられる。
これら電極６Ａ、６Ｂには、図１に示すように、配線１１Ａ、１１Ｂが接続されており、これら電極６Ａ、６Ｂは、これら配線１１Ａ、１１Ｂを介して電源（図示せず）に接続されている。
【００２５】
なお、これら配線１１Ａ、１１Ｂは、上部基板２に形成された配線溝１２Ａ、あるいは下部基板３に形成された配線溝１２Ｂに形成されている。したがって、上部基板２と下部基板３との接合に干渉しないようになっている。
【００２６】
電源は、駆動信号として、電極６Ａ、６Ｂに電圧を印加することにより、電極６Ａ、６Ｂを駆動させ、これらの間に所望の静電力を発生させるものである。なお、この電源には制御装置（図示せず）が接続されており、この制御装置によって電源を制御することにより、電極６Ａ、６Ｂ間の電位差を調整することができるようになっている。
【００２７】
ダイアフラム部８は、このダイアフラム部８が形成されていない上部基板２の箇所に比べて厚さが薄くなっている。このように、上部基板２のうち他の箇所に比べて厚さが薄い箇所は、弾性（可撓性）を有して変形可能（変位可能）になっており、これにより、このダイアフラム部８は、第１のギャップＧ１を変化させてミラー４Ａ、４Ｂ間の間隔を所望の波長の光に対応する間隔に変化させることにより、所望の波長の光を出射させる波長選択機能を有するようになっている。
【００２８】
これらダイアフラム部８の形状や厚みは、所望の波長の範囲の光を出射させることができればよく、具体的には、ミラー４Ａ、４Ｂ間の間隔の変化量及び変化の速さ等を勘案し、この光フィルター１に求められる出射光の波長の範囲に対応して設定される。
【００２９】
本実施形態の光フィルター１では、制御装置及び電源が駆動されず、したがって、電極６Ａと電極６Ｂとの間に電圧が印加されていない場合、ミラー４Ａとミラー４Ｂとは第１のギャップＧ１を介して対向している。そこで、この光フィルター１に光が入射すると、図３に示すように、この第１のギャップＧ１に対応した波長の光、例えば７２０ｎｍの波長の光が出射されることとなる。
【００３０】
ここで、制御装置及び電源を駆動させて電極６Ａと電極６Ｂとの間に電圧を印加すると、これら電極６Ａと電極６Ｂとの間には、電圧（電位差）の大きさに対応した静電力が発生する。このように、制御装置が電源を制御することにより、電極６Ａ、６Ｂ間に所望の電圧を印加し、電極６Ａと電極６Ｂとの間に所望の静電力を発生させることができる。このようにして電極６Ａ、６Ｂ間に所望の静電力が発生すると、この静電力により電極６Ａ、６Ｂが相互に引きつけられて上部基板２が下部基板３側に向かって変形し、ミラー４Ａとミラー４Ｂとの第１のギャップＧ１が、電圧が印加されていない場合と比べて狭くなる。
この場合、静電力によりダイアフラム部８が稼動することで、第１端部８ｂ、第２端部８ｄに応力が発生するが、本実施形態によれば第１端部８ｂ、第２端部８ｄは丸み半径が大きな形状となるため、応力集中はし難くなり、繰り返しのダイアフラム部８の駆動に対しても破壊等が起き難く、良好な駆動が繰り返される。
【００３１】
そこで、この光フィルター１に光が入射すると、図４に示すように、変位した第１のギャップＧ１に対応した波長の光、例えば５９０ｎｍの波長の光が出射されることとなり、透過波長が短波長側にシフトすることとなる。
【００３２】
次に、本実施形態の光フィルター１の製造方法について、図面を参照して説明する。図５〜９は、本実施形態の光フィルター１の製造方法を示す断面図である。
この製造方法は、［１］上部基板の加工工程、［２］下部基板の加工工程、を有している。以下、各工程について順次説明する。
【００３３】
［１］上部基板の加工工程
図５（ａ）に示すように、上部基板２の全面にマスク層５１を成膜する。マスク層５１を構成する材料としては、例えば、Ｃｒ／Ａｕ等の金属膜等を用いることができる。マスク層５１の厚さは、特に限定されないが、０．０１〜１μｍ程度とすることが好ましく、０．１〜０．３μｍ程度とすることがより好ましい。マスク層５１が薄すぎると、上部基板２を十分に保護できない場合があり、マスク層５１が厚すぎると、マスク層５１の内部応力によりマスク層５１が剥がれ易くなる場合がある。本実施形態では、マスク層５１は、Ｃｒ／Ａｕ膜をスパッタ法によって成膜し、Ｃｒ、Ａｕそれぞれの膜厚は０．０１μｍ、０．３μｍとしている。
【００３４】
次に、図５（ｂ）に示すように、マスク層５１に、ダイアフラム部８を形成するための開口部５１ａを形成する。開口部５１ａは、例えばフォトリソグラフィー法により形成することができる。具体的には、マスク層５１上に、開口部５１ａに対応したパターンを有するレジスト層（図示せず）を形成し、このレジスト層をマスクとして、マスク層５１の一部を除去した後に、レジスト層を除去することで開口部５１ａが形成される。なお、マスク層５１の一部除去は、ウェットエッチング等により行われる。
【００３５】
次に、図５（ｃ）に示すように、ウェットエッチングによって上部基板２を食刻し、ダイアフラム部８を形成する。エッチング液としては、例えば、フッ酸水溶液や緩衝フッ酸水溶液（ＢＨＦ）が等を用いることができる。また、これに変えて、ドライエッチングを行った後にウェットエッチングを行って、ダイアフラム部８を形成しても良い。これによると、溝の加工にかかる時間を短縮し、且つ、溝の第１端部８ｂ、第２端部８ｄが曲面を有する構造とすることができ、端部への応力集中を緩和し、ダイアフラム部８の強度を向上させることが出来る。
【００３６】
次に、図６（ａ）に示すように、電極６Ａ、配線１１Ａを形成する。電極６Ａ、配線１１Ａを構成する材料としては、例えばＣｒ、Ａｌ等の金属膜やＩＴＯのような透明導電材料等を用いることができる。電極６Ａ、配線１１Ａの厚さは、例えば、０．１〜０．２μｍとするのが好ましい。
【００３７】
これら電極６Ａ、配線１１Ａを形成するためには、蒸着法、スパッタ法、イオンプレーティング法等によって金属膜等を成膜した後、フォトリソグラフィー法及びエッチングによってパターニングを行う。
【００３８】
次に、対向面２ａのダイアフラム部８に囲まれた位置２ａ’にミラー４Ａを形成する。例えば、高屈折率層を形成する材料として酸化チタン（Ｔｉ2Ｏ）、低屈折率層を形成する材料として酸化ケイ素（ＳｉＯ2）を積層し、それらをリフトオフ法によりパターニングするとミラー４Ａが得られる。
【００３９】
［２］下部基板の加工工程
図７（ａ）に示すように、下部基板３の上部基板２との対向面３ａにマスク層６１を成膜する。マスク層６１を構成する材料としては、一般的な材料レジスト材料を用いる。
次に、図７（ｂ）に示すように、マスク層６１に、第２の凹部７を形成するための開口部６１ａを形成する。開口部６１ａは、フォトリソグラフィー法により形成することができる。
【００４０】
次に、図７（ｃ）に示すように、ウェットエッチングによって下部基板３を食刻し、第２の凹部７を形成する。エッチング液としては、例えば、フッ酸水溶液や緩衝フッ酸水溶液（ＢＨＦ）等を用いることができる。なお、第２の凹部７の形成方法としては、ウェットエッチングに限られず、ドライエッチング等他のエッチング法を用いてもよい。
【００４１】
次に、エッチングによってマスク層６１を除去した後、第２の凹部７の形成と同じ要領で、第１の凹部５を形成する。具体的には、下部基板３上にマスク層６２を成膜し、図８（ａ）に示すように、第１の凹部５を形成するための開口部６２ａを形成する。次いで、図８（ｂ）に示すように、ウェットエッチングによって下部基板３を食刻して、第１の凹部５を形成する。その後、図８（ｃ）に示すように、マスク層６２をエッチングによって除去することによって、第１の凹部５及び第２の凹部７を備えた下部基板３が得られる。
【００４２】
次に、図９（ａ）に示すように、電極６Ｂ、配線１１Ｂを形成する。電極６Ａ、配線１１Ａを構成する材料としては、例えばＣｒ、Ａｌ等の金属膜やＩＴＯのような透明導電材料等を用いることができる。電極６Ａ、配線１１Ａの厚さは、例えば、０．１〜０．２μｍとするのが好ましい。
これら電極６Ａ、配線１１Ａを形成する、蒸着法、スパッタ法、イオンプレーティング法等によって金属膜等を成膜した後、フォトリソグラフィー法及びエッチングによってパターニングを行う。
【００４３】
次に、上部基板２のミラー４Ａに対向する位置にミラー４Ｂを形成する。例えば、高屈折率層を形成する材料として酸化チタン（Ｔｉ2Ｏ）、低屈折率層を形成する材料として酸化ケイ素（ＳｉＯ2）を積層し、それらをリフトオフ法によりパターニングするとミラー４Ｂが得られる。
【００４４】
以上説明したように、本実施形態の光フィルターによれば、選択的に波長を取り出すために第１のギャップＧ１を変動させる際にダイアフラム部８が稼動することで、第１端部８ｂ、第２端部８ｄに応力が発生するが、本実施形態によれば第１端部８ｂ、第２端部８ｄは丸み半径が大きな形状となるため、応力集中はし難くなり、繰り返しのダイアフラム部８の駆動に対しても破壊等が起き難く、良好な駆動が繰り返される。
【００４５】
なお、本発明の光フィルターは、色を測定する測色器やガスを測定するガス検出器等の分析機器に適用することができる。
【符号の説明】
【００４６】
１…光フィルター、２…上部基板、３…下部基板、４Ａ，４Ｂ…ミラー、５…第１の凹部、６Ａ，６Ｂ…電極、７…第２の凹部、８…ダイアフラム部、１１Ａ，１１Ｂ…配線、Ｇ１…第１のギャップ、Ｇ２…第２のギャップ。
【技術分野】
【０００１】
本発明は、光フィルターおよび分析機器等に関する。
【背景技術】
【０００２】
従来、入射光から目的とする波長の光を選択して出射する光フィルターとして、一対の基板を対向配置し、これら基板の対向する面それぞれにミラーを設け、これらのミラーの周囲にそれぞれ電極を設けるとともに、一方のミラーの周囲にダイアフラム部を設け、これら電極間の静電力によりダイアフラム部を変位させてこれらのミラー間のギャップ（エアーギャップ）を変化させることにより、所望の波長の光を取り出すエアーギャップ型かつ静電駆動型の光フィルターが知られている（例えば、特許文献１）。
このような光フィルターでは、製造時に一対のミラー間のギャップをサブミクロンから数ミクロンと非常に狭い範囲で制御する必要があり、しかも、これらのミラー間のギャップを精度良く維持し、かつ、所望のギャップ量に制御することが重要である。
【先行技術文献】
【特許文献】
【０００３】
【特許文献１】特開２００３−５７４３８号公報
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【０００４】
ところでエアーギャップ型かつ静電駆動型の光フィルターでは、静電引力でダイアフラムを動かし、ミラー間のギャップを変化させる。このため、ダイアフラム部の厚みに応じて、ギャップの変位に必要な静電引力を生み出すための印加電圧が変化することになる。そのため、ダイアフラム部は印加電圧を低く抑えるためにも出来るだけ薄いことが望ましい。しかし、ダイアフラム部を薄くすることは強度低下に繋がり、繰り返しギャップ変位を行う光フィルターでは、変位を行う度にダイアフラム部に応力がかかるため、強度の低下は即ちダイアフラム部の破壊に繋がるという問題があった。
本発明は、上記の課題の少なくとも一部を解決するためになされたものであって、印加電圧を低く抑えるためにダイアフラム部を薄くした場合においても、ダイアフラム部の強度低下を抑制することができ、その結果、最大印加電圧が低くかつダイアフラム部の強度を高め、安定的なギャップ変位を可能とし、良好に駆動することができる光フィルター及びそれを備えた光モジュールを提供することを目的の一つとする。
【課題を解決するための手段】
【０００５】
本発明の光フィルターは、
下部基板と、
前記下部基板に設けられた下部ミラーと、
前記下部基板に設けられた下部電極と、
前記下部電極に対向して設けられた上部基板と、
前記上部基板に設けられ、前記下部ミラーと対向する上部ミラーと、
前記上部基板に設けられ、前記下部電極と対向する上部電極と、
を有し、
前記上部基板は、平面視において、前記上部ミラーを囲む溝を有し、
前記溝は、断面視において、第１側面部、第２側面部、底面部、前記第１側面部と前記底面部との間に位置する第１端部および前記第２側面部と前記底面部との間に位置する第２端部を有し、
前記第１端部および前記第２端部は曲面を有することを特徴とする。
本発明の光フィルターでは、溝の端部を曲面としている。これにより、ギャップ変位時に発生する溝の端部への応力集中が緩和され、ダイアフラム部の強度を向上させる。その結果、安定的なギャップ変位を可能とし、良好にギャップ駆動をすることができる。
【０００６】
上記に記載の光フィルターは、
前記底面部は平坦であり、
平面視において、前記上部電極は、前記底面部の下方の領域内の前記第２基板に設けられていることを特徴とする。
これにより、溝の歪みに伴う上部電極にクラック等が発生することを防止することができる。
【０００７】
上記に記載の光フィルターは、
前記第１端部は、前記上部ミラー側に位置し、
前記第１端部は、平面視において、前記上部ミラーと重なっていないことを特徴とする。
これにより、上部ミラーに入射される光の進行が、ダイアフラム部の側面部によって、遮られることを抑制することができ、良好なセンシングが可能となる。
【０００８】
上記に記載の光フィルターは、
前記第１基板および前記第２基板は、光透過性を有することを特徴とする。
このように、第１基板及び第２基板を、光透過性を有することとしたことにより、基板における光の透過率が向上し、取り出した光の強度も高くなる。よって、光の取り出し効率が向上する。
【０００９】
上記に記載の光フィルターは、
前記溝は、ドライエッチングを行った後に、ウェットエッチングを行うことにより形成されていることを特徴とする。
このように、加工にウェットエッチングを用いることで容易に端部の形状を曲面にすることが出来、端部への応力集中を緩和し、ダイアフラム部の強度を向上させることが出来る。またドライエッチングとウェットエッチングを組み合わせることで、溝の加工にかかる時間を短縮し、且つ、溝端部が曲面を有する構造とすることができ、端部への応力集中を緩和し、ダイアフラム部の強度を向上させることが出来る。その結果、安定的なギャップ変位を可能とし、良好に駆動することができる。
【００１０】
本発明の分析機器は、上記に記載の光フィルターを用いることを特徴とする。
【図面の簡単な説明】
【００１１】
【図１】本実施形態の光フィルターの平面図である。
【図２】本実施形態の光フィルターの断面図である。
【図３】本実施形態の光フィルターにおいて、電圧が印加されていない場合の波長と透過率との関係を示す図である。
【図４】本実施形態の光フィルターにおいて、電圧が印加された場合の波長と透過率との関係を示す図である。
【図５】本実施形態の光フィルターの製造方法を説明するための図である。
【図６】本実施形態の光フィルターの製造方法を説明するための図である。
【図７】本実施形態の光フィルターの製造方法を説明するための図である。
【図８】本実施形態の光フィルターの製造方法を説明するための図である。
【図９】本実施形態の光フィルターの製造方法を説明するための図である。
【発明を実施するための形態】
【００１２】
以下、本発明にかかる実施形態の光フィルターについて説明する。ここでは、光フィルターとして、エアーギャップ型かつ静電駆動型の光フィルターについて説明する。
【００１３】
図１および図２において、符号１はエアーギャップ型で静電駆動型の光フィルターである。この光フィルター１は、上部基板２と、上部基板２に対向した状態で接合（または接着）された下部基板３と、上部基板２の下部基板３と対向する側の対向面２ａの中央部に設けられた円形状のミラー４Ａ（上部ミラー）と、下部基板３の上部基板２と対向する側の面の中央部に形成された第１の凹部５の底部中央にミラー４Ａと第１のギャップＧ１を介して対向して設けられた円形状のミラー４Ｂ（下部ミラー）と、上部基板２のミラー４Ａの周囲に設けられた円環状の電極６Ａ（上部電極）と、下部基板３の第１の凹部５の周囲に形成された円環状の第２の凹部７に電極６Ａと第２のギャップＧ２を介して対向して設けられた円環状の電極６Ｂ（下部電極）と、上部基板２の対向面２ａの反対面側において、電極６Ａとほぼ対応する位置にエッチング（選択除去）により形成された薄肉の円環状のダイアフラム部８とにより構成されている。
【００１４】
ダイアフラム部８は第１側面部８ｃ、第２側面部８ｅ、底面部８ａ、第１側面部８ｃと底面部８ａとの間に位置する第１端部８ｂ、および第２側面部８ｅと底面部８ａとの間に位置する第２端部８ｄ、から構成される。また、ダイアフラム部８における、ミラー４Ａ側に位置する第１端部８ｂは、平面視においてミラー４Ａと重ならないように形成されている。このような構造とすることで、ミラー４Ａに入射される光の進行が、ダイアフラム部８の第１側面部８ｃによって、遮られることを抑制することができる。
【００１５】
そして、第２のギャップＧ２を介して対向して設けられた電極６Ａ、６Ｂと、ダイアフラム部８と、により、静電アクチュエーターが構成されている。
上部基板２および下部基板３の材料としてガラスを用いることができる。ガラスとしては、具体的には、ソーダガラス、結晶化ガラス、石英ガラス、鉛ガラス、カリウムガラス、ホウケイ酸ガラス、ホウケイ酸ナトリウムガラス、無アルカリガラス等が好適に用いられる。
【００１６】
上部基板２及び下部基板３を共に光透過性を有する材料とすることにより、電磁波のうち所望の波長帯域の電磁波や可視光線を入射光として用いることができる。
また、上部基板２及び下部基板３を共に半導体材料、例えばシリコンで形成すれば、入射光として近赤外線を用いることができる。
【００１７】
ミラー４Ａ、４Ｂは、第１のギャップＧ１を介して互いに対向して配置されたもので、高屈折率層と低屈折率層とが交互に複数積層された誘電体多層膜により構成されている。なお、ミラー４Ａ、４Ｂは、誘電体多層膜に限定されることなく、例えば、銀を主成分とする合金膜や、それらの多層膜等を用いることもできる。
【００１８】
これらミラー４Ａ、４Ｂのうち、一方のミラー４Ａは変形可能な上部基板２に設けられているので可動ミラーと称し、他方のミラー４Ｂは変形しない下部基板３に設けられているので固定ミラーと称することもある。
【００１９】
この光フィルター１を可視光線の領域あるいは赤外線の領域で用いる場合、誘電体多層膜における高屈折率層を形成する材料としては、例えば、酸化チタン（Ｔｉ2Ｏ）、酸化タンタル（Ｔａ2Ｏ5）、酸化ニオブ（Ｎｂ2Ｏ5）等が用いられる。また、光フィルター１を紫外線の領域で用いる場合、高屈折率層を形成する材料としては、例えば酸化アルミニウム（Ａｌ2Ｏ3）、酸化ハフニウム（ＨｆＯ2）、酸化ジルコニウム（ＺｒＯ2）、酸化トリウム（ＴｈＯ2）等が用いられる。
【００２０】
一方、誘電体多層膜における低屈折率層を形成する材料としては、例えば、フッ化マグネシウム（ＭｇＦ2）、酸化ケイ素（ＳｉＯ2）等が用いられる。
この高屈折率層及び低屈折率層の層数及び厚みについては、必要とする光学特性に基づいて適宜に設定される。一般に、誘電体多層膜により反射膜（ミラー）を形成する場合、その光学特性を得るために必要な層数は１２層以上である。
【００２１】
電極６Ａ、６Ｂは、第２のギャップＧ２を介して互いに対向して配置されたもので、入力される駆動電圧に応じてこれら電極６Ａ、６Ｂ間に静電力を発生させ、ミラー４Ａ、４Ｂを互いに対向した状態で相対移動させる静電アクチュエーターの一部を構成するものである。
【００２２】
これにより、電極６Ａ、６Ｂは、ダイアフラム部８を図２中上下方向に変位させてミラー４Ａ、４Ｂ間の第１のギャップＧ１を変化させ、この第１のギャップＧ１に対応する波長の光を出射するようになっている。
【００２３】
また、電極６Ａは、図２に示すように、平坦な面である底面部８ａの下方の領域内に設けられている。仮に、電極６Ａを、曲面を有する第１端部８ｂ、第２端部８ｄと重なるように形成した場合、ダイアフラム部８の駆動によってダイアフラム部８が歪み、第１端部８ｂ、第２端部８ｄの下方に位置する電極６Ａに大きな応力が発生してしまう。それにより、電極６Ａにクラック等の不具合が生じてしまう恐れがある。しかしながら、平坦な面である底面部８ａの下方の領域内に電極６Ａを形成することで、ダイアフラム部８の歪みに伴う電極６Ａのクラック等を防止することができる。
【００２４】
なお、本実施形態では、上部基板２の対向面２ａと下部基板３に形成された第２の凹部７とは平行になっているので、電極６Ａ、６Ｂ間も平行となっている。
これら電極６Ａ、６Ｂを形成する材料としては導電性であればよく、特に限定はされないが、例えば、Ｃｒ、Ａｌ、Ａｌ合金、Ｎｉ、Ｚｎ、Ｔｉ、Ａｕ等の金属、あるいはカーボン、チタン等を分散した樹脂、多結晶シリコン（ポリシリコン）、アモルファスシリコン等のシリコン、窒化シリコン、ＩＴＯ等の透明導電材料等が用いられる。
これら電極６Ａ、６Ｂには、図１に示すように、配線１１Ａ、１１Ｂが接続されており、これら電極６Ａ、６Ｂは、これら配線１１Ａ、１１Ｂを介して電源（図示せず）に接続されている。
【００２５】
なお、これら配線１１Ａ、１１Ｂは、上部基板２に形成された配線溝１２Ａ、あるいは下部基板３に形成された配線溝１２Ｂに形成されている。したがって、上部基板２と下部基板３との接合に干渉しないようになっている。
【００２６】
電源は、駆動信号として、電極６Ａ、６Ｂに電圧を印加することにより、電極６Ａ、６Ｂを駆動させ、これらの間に所望の静電力を発生させるものである。なお、この電源には制御装置（図示せず）が接続されており、この制御装置によって電源を制御することにより、電極６Ａ、６Ｂ間の電位差を調整することができるようになっている。
【００２７】
ダイアフラム部８は、このダイアフラム部８が形成されていない上部基板２の箇所に比べて厚さが薄くなっている。このように、上部基板２のうち他の箇所に比べて厚さが薄い箇所は、弾性（可撓性）を有して変形可能（変位可能）になっており、これにより、このダイアフラム部８は、第１のギャップＧ１を変化させてミラー４Ａ、４Ｂ間の間隔を所望の波長の光に対応する間隔に変化させることにより、所望の波長の光を出射させる波長選択機能を有するようになっている。
【００２８】
これらダイアフラム部８の形状や厚みは、所望の波長の範囲の光を出射させることができればよく、具体的には、ミラー４Ａ、４Ｂ間の間隔の変化量及び変化の速さ等を勘案し、この光フィルター１に求められる出射光の波長の範囲に対応して設定される。
【００２９】
本実施形態の光フィルター１では、制御装置及び電源が駆動されず、したがって、電極６Ａと電極６Ｂとの間に電圧が印加されていない場合、ミラー４Ａとミラー４Ｂとは第１のギャップＧ１を介して対向している。そこで、この光フィルター１に光が入射すると、図３に示すように、この第１のギャップＧ１に対応した波長の光、例えば７２０ｎｍの波長の光が出射されることとなる。
【００３０】
ここで、制御装置及び電源を駆動させて電極６Ａと電極６Ｂとの間に電圧を印加すると、これら電極６Ａと電極６Ｂとの間には、電圧（電位差）の大きさに対応した静電力が発生する。このように、制御装置が電源を制御することにより、電極６Ａ、６Ｂ間に所望の電圧を印加し、電極６Ａと電極６Ｂとの間に所望の静電力を発生させることができる。このようにして電極６Ａ、６Ｂ間に所望の静電力が発生すると、この静電力により電極６Ａ、６Ｂが相互に引きつけられて上部基板２が下部基板３側に向かって変形し、ミラー４Ａとミラー４Ｂとの第１のギャップＧ１が、電圧が印加されていない場合と比べて狭くなる。
この場合、静電力によりダイアフラム部８が稼動することで、第１端部８ｂ、第２端部８ｄに応力が発生するが、本実施形態によれば第１端部８ｂ、第２端部８ｄは丸み半径が大きな形状となるため、応力集中はし難くなり、繰り返しのダイアフラム部８の駆動に対しても破壊等が起き難く、良好な駆動が繰り返される。
【００３１】
そこで、この光フィルター１に光が入射すると、図４に示すように、変位した第１のギャップＧ１に対応した波長の光、例えば５９０ｎｍの波長の光が出射されることとなり、透過波長が短波長側にシフトすることとなる。
【００３２】
次に、本実施形態の光フィルター１の製造方法について、図面を参照して説明する。図５〜９は、本実施形態の光フィルター１の製造方法を示す断面図である。
この製造方法は、［１］上部基板の加工工程、［２］下部基板の加工工程、を有している。以下、各工程について順次説明する。
【００３３】
［１］上部基板の加工工程
図５（ａ）に示すように、上部基板２の全面にマスク層５１を成膜する。マスク層５１を構成する材料としては、例えば、Ｃｒ／Ａｕ等の金属膜等を用いることができる。マスク層５１の厚さは、特に限定されないが、０．０１〜１μｍ程度とすることが好ましく、０．１〜０．３μｍ程度とすることがより好ましい。マスク層５１が薄すぎると、上部基板２を十分に保護できない場合があり、マスク層５１が厚すぎると、マスク層５１の内部応力によりマスク層５１が剥がれ易くなる場合がある。本実施形態では、マスク層５１は、Ｃｒ／Ａｕ膜をスパッタ法によって成膜し、Ｃｒ、Ａｕそれぞれの膜厚は０．０１μｍ、０．３μｍとしている。
【００３４】
次に、図５（ｂ）に示すように、マスク層５１に、ダイアフラム部８を形成するための開口部５１ａを形成する。開口部５１ａは、例えばフォトリソグラフィー法により形成することができる。具体的には、マスク層５１上に、開口部５１ａに対応したパターンを有するレジスト層（図示せず）を形成し、このレジスト層をマスクとして、マスク層５１の一部を除去した後に、レジスト層を除去することで開口部５１ａが形成される。なお、マスク層５１の一部除去は、ウェットエッチング等により行われる。
【００３５】
次に、図５（ｃ）に示すように、ウェットエッチングによって上部基板２を食刻し、ダイアフラム部８を形成する。エッチング液としては、例えば、フッ酸水溶液や緩衝フッ酸水溶液（ＢＨＦ）が等を用いることができる。また、これに変えて、ドライエッチングを行った後にウェットエッチングを行って、ダイアフラム部８を形成しても良い。これによると、溝の加工にかかる時間を短縮し、且つ、溝の第１端部８ｂ、第２端部８ｄが曲面を有する構造とすることができ、端部への応力集中を緩和し、ダイアフラム部８の強度を向上させることが出来る。
【００３６】
次に、図６（ａ）に示すように、電極６Ａ、配線１１Ａを形成する。電極６Ａ、配線１１Ａを構成する材料としては、例えばＣｒ、Ａｌ等の金属膜やＩＴＯのような透明導電材料等を用いることができる。電極６Ａ、配線１１Ａの厚さは、例えば、０．１〜０．２μｍとするのが好ましい。
【００３７】
これら電極６Ａ、配線１１Ａを形成するためには、蒸着法、スパッタ法、イオンプレーティング法等によって金属膜等を成膜した後、フォトリソグラフィー法及びエッチングによってパターニングを行う。
【００３８】
次に、対向面２ａのダイアフラム部８に囲まれた位置２ａ’にミラー４Ａを形成する。例えば、高屈折率層を形成する材料として酸化チタン（Ｔｉ2Ｏ）、低屈折率層を形成する材料として酸化ケイ素（ＳｉＯ2）を積層し、それらをリフトオフ法によりパターニングするとミラー４Ａが得られる。
【００３９】
［２］下部基板の加工工程
図７（ａ）に示すように、下部基板３の上部基板２との対向面３ａにマスク層６１を成膜する。マスク層６１を構成する材料としては、一般的な材料レジスト材料を用いる。
次に、図７（ｂ）に示すように、マスク層６１に、第２の凹部７を形成するための開口部６１ａを形成する。開口部６１ａは、フォトリソグラフィー法により形成することができる。
【００４０】
次に、図７（ｃ）に示すように、ウェットエッチングによって下部基板３を食刻し、第２の凹部７を形成する。エッチング液としては、例えば、フッ酸水溶液や緩衝フッ酸水溶液（ＢＨＦ）等を用いることができる。なお、第２の凹部７の形成方法としては、ウェットエッチングに限られず、ドライエッチング等他のエッチング法を用いてもよい。
【００４１】
次に、エッチングによってマスク層６１を除去した後、第２の凹部７の形成と同じ要領で、第１の凹部５を形成する。具体的には、下部基板３上にマスク層６２を成膜し、図８（ａ）に示すように、第１の凹部５を形成するための開口部６２ａを形成する。次いで、図８（ｂ）に示すように、ウェットエッチングによって下部基板３を食刻して、第１の凹部５を形成する。その後、図８（ｃ）に示すように、マスク層６２をエッチングによって除去することによって、第１の凹部５及び第２の凹部７を備えた下部基板３が得られる。
【００４２】
次に、図９（ａ）に示すように、電極６Ｂ、配線１１Ｂを形成する。電極６Ａ、配線１１Ａを構成する材料としては、例えばＣｒ、Ａｌ等の金属膜やＩＴＯのような透明導電材料等を用いることができる。電極６Ａ、配線１１Ａの厚さは、例えば、０．１〜０．２μｍとするのが好ましい。
これら電極６Ａ、配線１１Ａを形成する、蒸着法、スパッタ法、イオンプレーティング法等によって金属膜等を成膜した後、フォトリソグラフィー法及びエッチングによってパターニングを行う。
【００４３】
次に、上部基板２のミラー４Ａに対向する位置にミラー４Ｂを形成する。例えば、高屈折率層を形成する材料として酸化チタン（Ｔｉ2Ｏ）、低屈折率層を形成する材料として酸化ケイ素（ＳｉＯ2）を積層し、それらをリフトオフ法によりパターニングするとミラー４Ｂが得られる。
【００４４】
以上説明したように、本実施形態の光フィルターによれば、選択的に波長を取り出すために第１のギャップＧ１を変動させる際にダイアフラム部８が稼動することで、第１端部８ｂ、第２端部８ｄに応力が発生するが、本実施形態によれば第１端部８ｂ、第２端部８ｄは丸み半径が大きな形状となるため、応力集中はし難くなり、繰り返しのダイアフラム部８の駆動に対しても破壊等が起き難く、良好な駆動が繰り返される。
【００４５】
なお、本発明の光フィルターは、色を測定する測色器やガスを測定するガス検出器等の分析機器に適用することができる。
【符号の説明】
【００４６】
１…光フィルター、２…上部基板、３…下部基板、４Ａ，４Ｂ…ミラー、５…第１の凹部、６Ａ，６Ｂ…電極、７…第２の凹部、８…ダイアフラム部、１１Ａ，１１Ｂ…配線、Ｇ１…第１のギャップ、Ｇ２…第２のギャップ。
【特許請求の範囲】
【請求項１】
下部基板と、
前記下部基板に設けられた下部ミラーと、
前記下部基板に設けられた下部電極と、
前記下部電極に対向して設けられた上部基板と、
前記上部基板に設けられ、前記下部ミラーと対向する上部ミラーと、
前記上部基板に設けられ、前記下部電極と対向する上部電極と、
を有し、
前記上部基板は、平面視において、前記上部ミラーを囲む溝を有し、
前記溝は、断面視において、第１側面部、第２側面部、底面部、前記第１側面部と前記底面部との間に位置する第１端部および前記第２側面部と前記底面部との間に位置する第２端部を有し、
前記第１端部および前記第２端部は曲面を有することを特徴とする光フィルター。
【請求項２】
請求項１に記載の光フィルターにおいて、
前記底面部は平坦であり、
平面視において、前記上部電極は、前記底面部の下方の領域内の前記第２基板に設けられていることを特徴とする光フィルター。
【請求項３】
請求項１または２に記載の光フィルターにおいて、
前記第１端部は、前記上部ミラー側に位置し、
前記第１端部は、平面視において、前記上部ミラーと重なっていないことを特徴とする光フィルター。
【請求項４】
請求項１ないし３のいずれか一項に記載の光フィルターにおいて、
前記第１基板および前記第２基板は、光透過性を有することを特徴とする光フィルター。
【請求項５】
請求項１ないし４のいずれか一項に記載の光フィルターにおいて、
前記溝は、ドライエッチングを行った後に、ウェットエッチングを行うことにより形成されていることを特徴とする光フィルター。
【請求項６】
請求項１ないし５のいずれか一項に記載の光フィルターを用いた分析機器。
【請求項１】
下部基板と、
前記下部基板に設けられた下部ミラーと、
前記下部基板に設けられた下部電極と、
前記下部電極に対向して設けられた上部基板と、
前記上部基板に設けられ、前記下部ミラーと対向する上部ミラーと、
前記上部基板に設けられ、前記下部電極と対向する上部電極と、
を有し、
前記上部基板は、平面視において、前記上部ミラーを囲む溝を有し、
前記溝は、断面視において、第１側面部、第２側面部、底面部、前記第１側面部と前記底面部との間に位置する第１端部および前記第２側面部と前記底面部との間に位置する第２端部を有し、
前記第１端部および前記第２端部は曲面を有することを特徴とする光フィルター。
【請求項２】
請求項１に記載の光フィルターにおいて、
前記底面部は平坦であり、
平面視において、前記上部電極は、前記底面部の下方の領域内の前記第２基板に設けられていることを特徴とする光フィルター。
【請求項３】
請求項１または２に記載の光フィルターにおいて、
前記第１端部は、前記上部ミラー側に位置し、
前記第１端部は、平面視において、前記上部ミラーと重なっていないことを特徴とする光フィルター。
【請求項４】
請求項１ないし３のいずれか一項に記載の光フィルターにおいて、
前記第１基板および前記第２基板は、光透過性を有することを特徴とする光フィルター。
【請求項５】
請求項１ないし４のいずれか一項に記載の光フィルターにおいて、
前記溝は、ドライエッチングを行った後に、ウェットエッチングを行うことにより形成されていることを特徴とする光フィルター。
【請求項６】
請求項１ないし５のいずれか一項に記載の光フィルターを用いた分析機器。
【図１】
【図２】
【図３】
【図４】
【図５】
【図６】
【図７】
【図８】
【図９】
【図２】
【図３】
【図４】
【図５】
【図６】
【図７】
【図８】
【図９】
【公開番号】特開２０１１−１９７３８６（Ｐ２０１１−１９７３８６Ａ）
【公開日】平成２３年１０月６日（２０１１．１０．６）
【国際特許分類】
【出願番号】特願２０１０−６３９２３（Ｐ２０１０−６３９２３）
【出願日】平成２２年３月１９日（２０１０．３．１９）
【出願人】（０００００２３６９）セイコーエプソン株式会社 (51,324)
【Ｆターム（参考）】
【公開日】平成２３年１０月６日（２０１１．１０．６）
【国際特許分類】
【出願日】平成２２年３月１９日（２０１０．３．１９）
【出願人】（０００００２３６９）セイコーエプソン株式会社 (51,324)
【Ｆターム（参考）】
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