微小機械素子
本発明は、微小機械ユニット、特に調節可能な光学フィルタ、およびまたそのユニットを製造する方法に関する。このユニットは、互いに少なくとも部分的に固定される第１の素子層と第２の基板層とを含み、素子層は、複数の可動でない固定反射素子の間に分割される複数の反射素子を含み、固定素子は基板に接続され、空洞が、基板と各々の可動素子との間に規定され、各々の可動素子は空洞内でスプリングにより負荷される動きを生じるように設置され、複数の誘電性スペーサブロックが、それらの間の電気接触を回避するために各々の可動素子と基板との間の空洞内に配置される。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、微小機械素子、特に、調節可能な光学スペクトルフィルタおよびそれを製造する方法に関し、これは、従来技術に従って、特に反射器が回折効果または光偏向効果を有する場合、交互に可動および固定の光学マイクロ／反射器の列を用いて実現できる。
【背景技術】
【０００２】
分光フィルタリングに使用される可動光学マイクロ反射器は、いくつかある中で特に特許文献１に記載されており、その文献は、回折部分素子（ｓｕｂ−ｅｌｅｍｅｎｔ）と呼ばれている一連の可動回折マイクロ反射器を備えて構成され得る回折光学素子に関する。その反射器または部分素子（１、３、図０ａおよび０ｂを参照のこと）は、変位よりかなり大きい横寸法を有し、矩形形状（図０ａ）または同心円部分（図０ｂ）を有し得る。回折部分素子から反射される光は干渉するので、特定の分光組成の光を除去でき、その素子の位置を垂直または横方向に調節することによって、フィルタの特性を連続して変化させることができる。
【０００３】
上述の構成可能な回折素子の特別な場合は列で構成されており、一つおきの反射器は同調して移動でき、他の反射器は固定したままであり、２つの異なる位置をとる。これにより、２つの状態：単一バンドパスフィルタおよび二重バンドパスフィルタの間を交互に変えることができる光学フィルタが得られ、バンドは、単一フィルタのそれら独自の側に存在する。このような交互フィルタは、特に分光および赤外線ガス測定における適用に非常に適している。微小電気機械光学システム（ＭＯＥＭＳ）としてのフィルタの実用的な実施形態は特定の条件を満たさなければならない。可動反射器の位置は、光学面に対して垂直方向において４分の１波長の距離にわたって調節可能でなければならない。波長は赤外線領域に存在するので、変位は１マイクロメートルのオーダーである。反射器は同じ面に存在しなければならない。変位は同調し、特にキロヘルツ領域における周波数、およびコンポーネントの寿命内の１０億または１兆サイクルで反復され得る。可動反射器の間に固定された反射器が形式上存在し、サイズは、可動反射器とほぼ同様である。反射器は、レリーフパターンが刻まれるように所定の回折特性であり、このパターンの深さは波長と同じ大きさのオーダーである。数平方メートルの全領域は、同調して動く反射器によって変換されるべきである。
【０００４】
上記の交互フィルタについての光学的原理は従来技術とされており、固められた微小機械形状は、非特許文献１において以前に公開されている。図０ｃは、市販のシリコンウエハに基づいた従来技術に係る実施形態を示し、二酸化ケイ素の薄層と融合される基板および構造層を含む。回折光学面が構造層の上部に形成された後、それは、エッチング法を用いて２セットのビーム（１、３）に分けられる。その後、一つおきのビーム（３）が、選択された領域において酸化層をエッチングにより除去することにより移動可能に製造される。これは単純なプロセスであるが、３つの本質的な不利点を有する。第１に、穴が可動ビームにおいて製造されなければならないので、酸化層のエッチングに使用される気体または液体がその中に侵入できる。第２に、ビームが基板に入る場合、異なる電位を有する表面が接触し、表面の間を流れる電流は、電圧の大きな低下を引き起こし得るか、または結果としてビームがそれらの間の電流により表面と共に融合する。第３に、ビームと基板との間の接触領域は、大きくかつ予測不可能になり、制止摩擦力を引き起こし得るものが存在する。２つの表面の間の接着力が非常に大きくなる場合に静止摩擦力は生じるので、表面を引き離さないように作動する利用可能な力、および継続した望ましくない接着が生じる。この場合、作動される力はシリコンにおける弾性ブリッジに由来する。
【０００５】
接着力を減少させ、静止摩擦力を回避するために、異なる種類の電気機械システムで使用されるいくつかの既知の方法が存在する。特に重要なものは、「ランディングパッド」、「ストップ」、「バンプ」または「ディンプル」とも称されるスペーサブロックの使用である。それらは、概して、２つの機能：ある動きに対するエンドストップとして正確な距離を規定すること、および大面積が接触しないことを確実にすることによって静止摩擦力を防止することを満たす。例えば、特許文献２、特許文献３、特許文献４を参照のこと。静止摩擦力を防止するための他の重要な技術は以下の通りである：
表面が異なる電位と接触することを回避すること、
誘電体の寄生帯電が起こることを回避すること、
表面を化学的または機械的に処理して、粗さを導入し、接触領域を減少させること、および
表面を化学的に処理して、それらの撥水特性を増加させること、
電気機械システムを密封して覆い、湿気を回避して、表面の撥水特性を問題なくすること。
【０００６】
既存の解決索は、大体、個々の微小機械システムの特定の必要性に適合され、標準的な方法は存在しない。既存の解決索に関する一部の典型的な問題は以下の通りである。スペーサブロックを使用しなければならない場合、製造方法が非常に複雑になり得、スペーサブロックの形態は上に存在する光学面に影響を与えるようになる場合があり（特に堆積された構造層にいわゆるサーフィスマイクロマシニングを用いる場合）、化学的に処理された撥水面は時間とともに特性を変化させ得、表面粗さの可能な生成は、接触領域が少ない表面より、システムにおける他の重要表面に損傷を与えるようになる場合がある。
【０００７】
非常に有益であるが、また非常に複雑でもあるＭＥＭＳの例は、Ｔｅｘａｓ Ｉｎｓｔｒｕｍｅｎｔｓによって製造され、例えば特許文献５およびより具体的には静止摩擦力に関する問題について特許文献６に記載されている、ＤＭＤミラーマトリクスである。この製品の製造において、上記の多くの問題が使用されている。
【０００８】
スペーサブロックを製造すること、および同時に、後で結合されるか、または積層される表面の粗さを回避することは、とりわけ、特許文献７において考慮されている。特許文献７に示されている方法にはいくつかの不都合な点が存在する。アンダーエッチングプロセスは制御することが難しく、それによって、反結合性ストップの最小の再生可能な横方向サイズに対して実用限界が存在する。また、反結合性ストップの表面は、比較的平坦であり、結合が防止される場合、不都合である。さらに、酸化プロセスは上面および空洞を変化させ、平面ミラーの代わりに回折面の使用を制限する。
【０００９】
スペーサブロックを用いる多くの従来技術の例はいわゆる犠牲層を使用する。マイクロシステムの製造の間、犠牲層は可動マイクロ構造になるものの間にあり、それらを固定する。犠牲層は、多くの場合、二酸化ケイ素から製造されるが、異なる材料、例えばポリマーから製造されてもよい。犠牲層は、エッチングを用いてプロセシングの終わり頃に取り除かれる。酸化層の除去に関する課題は、エッチングプロセスを十分に選択性にし得ることであるので、犠牲層のみを除去し、他の材料は除去しない。エッチング液が使用されなければならない場合、さらなる２つの課題が生じる：液体を微小空洞内に浸透させること、およびエッチング後に空洞を乾燥させること。
【００１０】
特許文献８は、静止摩擦力を防止するために、ディンプルが凹部の底部に含まれ得る、加速度計を提示している。しかしながら、それらのディンプルがどのように実現され得るかを明示していない。特に標準的なＭＥＭＳ製造機器が使用される場合、大きなＫＯＨまたはＴＭＡＨエッチング凹部の底面上に微細構造を製造することは非常に困難である。
【００１１】
特許文献４は、構造層の下側にスペーサブロックを製造する、中程度に複雑な方法を提示している。このような層は、通常、シリコンからなり、ＭＥＭＳ技術において、それらは素子層と称される。前記特許文献の導入（２〜８）において、一般に、ＭＥＭＳ素子層の下側を処理して、それが基板と積層される前にスペーサブロックを形成できないことが主張されている。さらに、基板と素子層との間の犠牲層の使用と一緒に、素子層の上側から処理することによってスペーサブロックが形成され得る方法が述べられている（多くの場合に使用される方法）。
【先行技術文献】
【特許文献】
【００１２】
【特許文献１】国際公開第２００４／０５９３６５号パンフレット
【特許文献２】米国特許出願公開第２００１／００５５８３１号明細書
【特許文献３】米国特許第６，４３７，９６５号明細書
【特許文献４】米国特許第６，５２８，８８７号明細書
【特許文献５】米国特許第７，４１１，７１７号明細書
【特許文献６】米国特許出願公開第２００９／０１７０３２４号明細書
【特許文献７】米国特許出願公開第２００９／０１７０３１２号明細書
【特許文献８】欧州特許第１５６１７２４号明細書
【非特許文献】
【００１３】
【非特許文献１】ＩＥＥＥ／ＬＥＯＳ Ｉｎｔｅｒｎａｔｉｏｎａｌ Ｃｏｎｆｅｒｅｎｃｅ Ｏｎ Ｏｐｔｉｃａｌ ＭＥＭＳ ａｎｄ Ｔｈｅｉｒ Ａｐｐｌｉｃａｔｉｏｎｓ ｉｎ Ａｕｇｕｓｔ ２００７（ＯＭＥＭＳ２００７）にて発表されたＨａｋｏｎ Ｓａｇｂｅｒｇら，「Ｔｗｏ−ｓｔａｔｅ Ｏｐｔｉｃａｌ Ｆｉｌｔｅｒ Ｂａｓｅｄ ｏｎ Ｍｉｃｒｏｍｅｃｈａｎｉｃａｌ Ｄｉｆｆｒａｃｔｉｖｅ Ｅｌｅｍｅｎｔｓ」
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【００１４】
本発明の目的は、微小機械ユニットおよびその微小機械ユニットを製造するための方法を提供することであり、そのユニットは、安く製造され、可動ビームの間に低い静止摩擦力を有し、制御することが容易である。本発明は、独立請求項に記載されているような特徴である上記のユニットおよび方法を提供する。
【課題を解決するための手段】
【００１５】
従って、本発明は、好ましい実施形態において、固定および可動の光学的に反射する面が、１つかつ同じ材料層からエッチングされる固定および可動ビームの上面から構成されるような列を構築するための実用的な方法を提供する。固定ビームは薄い誘電体層を介して基板に恒久的に接続され、一方、可動ビームは基板内のエッチングされた凹部にわたって広がる。従って、それらは、ビームの底部が凹部の底部におけるスペーサブロックと接触するまで、静電気力によって基板の方向へ下側に引かれ得る。スペーサブロックは少しの接触領域およびそれによって弱い接着力を得るように成形され、それにより、静電気力が機能しなくなる場合、可動ビームが出発点に戻り得ることを確保し、そのスペーサブロックは固定ビームを基板に固定する同じ誘電体層から製造および機械加工される。
【００１６】
以下の詳細な説明において、実現可能かつ比較的簡単な方法において、十分な積層特性および十分な静止摩擦力のないスペーサブロックを達成するように、結合／積層する前に、基板の上側および／または素子層の下側を処理することによってスペーサブロックを形成する実際の可能性を示す。この解決索は、特に、交互の固定および可動構造の列を形成するのに十分に適している。
【００１７】
本発明を添付の図面を参照して以下に記載し、例として本発明を示す。
【図面の簡単な説明】
【００１８】
【図０ａ】上記の特許文献１に開示されている従来技術を示す。
【図０ｂ】上記の特許文献１に開示されている従来技術を示す。
【図０ｃ】従来技術の原理を示す。
【図１ａ】本発明の好適な実施形態を示す。
【図１ｂ】本発明の好適な実施形態を示す。
【図２】本発明の代替の実施形態を示す。
【図３】上から見た場合の本発明の一実施形態を示す。
【図４】図１ａ、ｂに示した実施形態の詳細を示す。
【図５ａ】本発明の好適な実施形態に係る製造方法を示す。
【図５ｂ】本発明の好適な実施形態に係る製造方法を示す。
【図５ｃ】本発明の好適な実施形態に係る製造方法を示す。
【図５ｄ】本発明の好適な実施形態に係る製造方法を示す。
【図５ｅ】本発明の好適な実施形態に係る製造方法を示す。
【図５ｆ】本発明の好適な実施形態に係る製造方法を示す。
【図５ｇ】本発明の好適な実施形態に係る製造方法を示す。
【図５ｈ】本発明の好適な実施形態に係る製造方法を示す。
【発明を実施するための形態】
【００１９】
従って、本発明は、ＯＭＥＭＳ２００７における上述の説明に記載されているような交互光学フィルタとして機能する微小電気機械システムを製造するための新規方法を含む。新規方法に関して重要なことは、基板および材料のより薄い層の使用であり、通常、５〜５０μｍのオーダーの厚さであり、両方とも好ましくはシリコンから製造され、それらが結合される場合、一部の領域は最大接着を有し、他の領域は最小接着を有するように作製される。最小接着を有する領域において、スペーサブロックが使用されて、接着力が低下して、静止摩擦力が回避される。
【００２０】
図１ａおよび１ｂを参照すると、導入部分で記載した固定および可動の光学微小反射体（１０１）は、材料層から切り取られ／機械切りされ／エッチングされている固定ビーム（１０２）および可動ビーム（１０３）の上面から構成されている。ビームは直線として示しているが、上述の国際公開に示されるように他の形状を有してもよい。固定ビームは薄い誘電体層（１０６）により基板（１０５）に恒久的に接続されており、一方、可動ビームは基板における凹部１０７の上に広がる。従って、それらは、（図２に示すように）凹部の底部またはビームの下側にあり得るスペーサブロック（１０８）によって停止されるまで、静電気力によって基板の方向に引き下ろされ得る。本発明の本質的な特徴は、スペーサブロックが、基板に固定ビームを留める同じ誘電体層から製造されることである。スペーサブロックは、狭い接触領域およびそれによる弱い接着力を得るように成形され、それにより、静電気力が機能しなくなると、可動ビームがそれらの初期の位置に戻され得ることを確保する。従って、入射光Ｌは、ビームの相対的位置に依存して回折パターンによって操作され得る。
【００２１】
接触リソグラフィーおよび異方性エッチングを用いて、スペーサブロックの直径は１マイクロメートル未満で製造されてもよく、いわゆるステッパーまたは縮小リソグラフィーを用いて、原則として、１００ｎｍ未満の寸法を得ることもできる。
【００２２】
（図３に示すように）本発明の一実施形態において、ビームがそれらの初期の位置に戻るようにする力は、可動ビーム（３０３）が共通（可動）フレーム（３０４）に一緒に接続され、このフレームが、小さな弾性ブリッジ（スプリング）（３０５）によって固定された外側領域（３０２）に接続されることから生じる。フレームが動くと、これらのスプリングは曲がるので、その開始位置にフレームが戻るように上方向に力が生じる。開始位置から望ましい距離を離して光学面と共にフレームを移動させるために、基板と素子層との間、従って、少なくとも可動ビームに電圧を印加することによって生成される静電場が使用される。電圧が十分に高い場合、図１Ｂに示すように、フレームは、基板における凹部に存在するスペーサブロックに全て引かれる。
【００２３】
本発明は、光学面の変位にある機械的課題のために単純かつ強力な解決策を提供する。以下に詳細に記載する工程段階の組み合わせは以下のことを確実にする。
１）望ましい変位距離がエッチングした凹部の深さによって自由に決定できる。
２）エッチングが粗い表面を生成することから、接触領域がナノスケールで減少する。
３）スペーサブロックの延長が可能な限り少なくなされることから、接触領域がマイクロスケールで減少する。
４）固定ビームに対する十分な固定接着が、例えば、エッチングの間の選択された研磨面の保護によって確保される。
５）スペーサブロックの形状、厚さおよび位置は、光学面に影響を与えずに自由に決定できる。
６）光学面は、内部機械的張力のためにほぼ自由である厚いビームの上面にある。
７）例えば図０Ｃに示すように、既知の方法の多くの場合のように、「犠牲」層の複雑な除去を必要とせずにマイクロシステムが完了され得る。
【００２４】
図４は、固定ビーム（４０２）および可動ビーム（４０３）の下側の基板（４０１）の表面の間の相違をより詳細に示す。基板は、最初、誘電体層（４０５）の下に示すように平坦な（研磨した）表面（４０４）を有する。凹部のエッチングにより、粗い表面（４０６）が生じ、この粗さは、スペーサブロック（４０７）になる誘電体層の堆積または成長後にも大部分維持される。スペーサブロックが、接触領域および接着力をさらに減少させるために粗い表面を有することは有益であり得る。従って、スペーサブロックの間の全ての接触領域は、可能な限り小さく、好ましくは１％未満にすべきであるが、それらのスペーサブロックはまた、ビームがそれらに対して配置される時間を過度に生じず、そしてスペーサブロックが曲がることを防いでビームに沿った分布を有するのに十分に大きくなければならない。
【００２５】
凹部の外側の基板にある誘電体層は、研磨表面の上部に形成される場合、スペーサブロックより平坦な表面を有する。
【００２６】
ここで、構造層の静的部分との十分な結合を達成するために大きな接着力／エネルギーを有することが望ましい。
【００２７】
同じ誘電体層が、層とスペーサブロックとの両方の結合を形成できる場合でも、以前のエッチングプロセスは、２つの領域において層の異なる特性の表面を与えることができる。
【００２８】
好適な実施形態（図５Ａ〜Ｈ）において、本発明は、研磨された上面を有する基板（１０５）で開始する方法を含む（図５Ａ）。凹部（１０７）は、例えば、メタンまたは他の炭化水素の測定において、約３．３μｍの波長を有する光が測定される場合、ビームの変位距離に相当する深さ、例えば８３０ｎｍで基板内にエッチングされる（図５Ｂ）が、素子が使用される約１／４の波長の光に適合される。エッチングプロセスは、ＳＦ６およびＣ４Ｆ８の混合物およびエッチング時間の較正を用いる反応性イオンエッチングであってもよく、±５％のオーダーの深さ精度を達成できる。その後、誘電体層（５０１）が、堆積または成長され（例えば熱成長二酸化ケイ素）、その後、スペーサブロック（１０８）を形成するために一部の領域においてエッチングにより除去される（図５Ｃ〜Ｄ）。図５Ｅは、素子層（５０２）が、ウエハ積層法（例えば融合結合）およびグラウンドまたはエッチングによる除去である処理ウエハ（５０３）を用いて基板（１０５）と一緒に融合される方法を示す。研磨後、およびまた、誘電体層が基板上に堆積または成長した後、表面が非常に平坦であるので、素子層が基板と融合される場合、凹部を有さない領域において非常に十分な接着が達成される。
【００２９】
素子層が切断され、固定ビームおよび可動ビーム（図５Ｈ）を分離する狭い貫通するトレンチ（１０４）が現れる前に、光学面（１０１）は、例えば回折レリーフパターンを用いて反応性イオンエッチングにより刻まれる（図５Ｇ）。図３に示すように、可動セグメントから固定セグメントまでの一部の場所に小さな接続（ブリッジ）が存在するように切断は実施される。この切断を実施する好適な方法は、「ボッシュプロセス」として知られている、反応性イオンエッチングである。
【００３０】
代替の解決索において、融合およびスペーサブロックが可動ビームの下に位置する前に、基板が誘電体層を有さないように、図５Ｃおよび５Ｄに示す工程段階は素子層の下側で実施される。他の代替の解決索において、エッチングされた凹部または凹部およびスペーサブロックの両方は、素子層の下側にあり得る。上述の代替の解決索に関する不都合な点は、素子層が基板に対して正確に並べなければならないということである。
【００３１】
素子層の表面は、最終的に、光が反射されるように薄い金属層（金属膜）で被覆される。この層は非常に薄くおよび／または十分に平面である光学面のために低い内部機械的張力を有さなければならない。高い内部機械的張力を有する薄層は素子層を湾曲させる。金属層の熱膨張係数は、素子層についての係数とそんなに異なってはならない。可能な解決索は、応力平衡を得て、少なくとも熱補償（均衡的膨張）を得ないように２つの膜（例えばＡｌおよびＳｉＯ２）を使用することである。
【００３２】
基板および素子層の両方はドーピングにより前もって所望の電気伝導性を与えられる。電圧が基板と素子層との間に印加される場合、静電気力が生じ、素子層の可動セグメントを基板に対して下方に引っ張る。図３に示した実施形態において、隔離された固定ビーム（３０１）の電位は、例えば、基板および導電性材料の堆積に対する下方への貫通エッチング（ｔｈｒｏｕｇｈ−ｅｔｃｈｉｎｇ）を用いて接続がなされない限り、規定されない（流動している）。ビームの間の間隙が十分に大きい限り、ビームは厚いというよりかなり幅広く、規定されていない電位は可動ビームの移動に影響を与えない。可動セグメントの下側が誘導体スペーサブロックの上面と適合する場合、変位が停止する。変位と同時に、素子層の可動領域から固定領域までのブリッジ接続の弾性変形は、電位差が除去された場合、弾性変形から生じる力が、可動セグメントをそれらの最初に位置に戻すように起こる。しかしながら、これが発生するためには１つの条件が存在する。スペーサブロックとシリコンセグメントとの間の接着は、ビーム／ブリッジ／スプリングから生じる力より弱くなければならない。本発明は、この場合、基板およびダイエレクトリム（ｄｉｅｌｅｃｔｒｉｃｕｍ）の記載されるエッチングプロセスを介して、ナノスケール（粗さ）およびマイクロスケール（スペーサブロックの境界）の両方での接触領域を最小化することを確保する。同じ材料（酸化ケイ素）は、実施されるエッチングプロセスに依存して、シリコンに対して完全に固有の接着を有し、それにより、層とスペーサブロックとの両方の結合として機能する。
【００３３】
接触領域を最小化することに加えて、スペーサブロックが限定された領域を覆う別の理由も存在する。誘電体の寄生帯電は望ましくない静電接着力を生じ得る。これは、とりわけ、Ｓｅｎｓｏｒｓ ａｎｄ Ａｃｔｉｖａｔｏｒｓ Ａ ７１（１９９８），ｐ７４−８０に公開されているＷｅｂｂｅｒら，「Ｐａｒａｓｉｔｉｃ ｃｈａｒｇｉｎｇ ｏｆ ｄｉｅｌｅｃｔｒｉｃ ｓｕｒｆａｃｅｓ ｉｎ ｃａｐａｃｉｔｉｖｅ ｍｉｃｒｏｅｌｅｃｔｒｏｍｅｃｈａｎｉｃａｌ ｓｙｓｔｅｍｓ（ＭＥＭＳ）」による記事に記載されている。
【００３４】
スペーサブロックの配置は任意に近接してなされ得、１つの好ましい解決索において、スペーサブロックは、可動フレームが、原則としてＶｅｌｃｒｏに関して、一度に少数のスペーサブロックから離れて持ち上げられるように配置される。接着エネルギーが大きい場合でさえ、接着力は、常に少ない領域で機能するのみであるから少なくなされ得る。
【００３５】
従って、本発明はまた、スペーサブロックの厚さおよび配置が素子層および光学面の特性に影響を与えない解決索を提供し、ビームが可動する場合、静止摩擦力の特性およびビームの変形に関してその配置がほぼ単一になされ得ることを意味する。スペーサブロックおよび結合した層の両方を形成する誘電体層の厚さ（基板と素子層との間）は、空隙内の電場力を調節するように使用され得る自由パラメータである。
【００３６】
図３に示した型において、素子層の表面は、５つの異なる種類の領域：静的受動態領域；可動受動態領域；静的能動態領域；可動能動態領域；およびまたスプリングビーム（静的領域と可動領域との間の遷移）を含む。受動態領域と能動態領域との間の相違は、後者が所望の方向において光を曲げる周期的またはほぼ周期的レリーフ構造を有することである。
【００３７】
本発明の好ましい実施形態を図１Ａ（初期状態、状態Ａ）および図１Ｂ（可動状態、状態Ｂ）に示す。光学面（１０１）は、固定ビーム（１０２）および可動ビーム（１０３）の上部にあり、ビームは、（反応性イオンエッチングを用いる）貫通切断（１０４）によって同じ材料層／素子層（ドープされたシリコン）から製造される。固定ビームは、誘電体層（１０６）（二酸化ケイ素）を介して（シリコンの）基板（１０５）に恒久的に接続される。可動ビームの下の基板において凹部（１０７）が存在し、凹部の下部において、スペーサブロック（１０８）の形態の誘電体層の広がった領域が存在する。
【００３８】
図１Ｂは移動する場合にビームの列が現れる方法を示す。可動ビームは、それらがスペーサブロック（１０８）上で停止するまで、静電気力によって基板に対して下方に引かれる。好ましい実施形態において、結合した層（１０６）およびスペーサブロック（１０８）は同じ層から形成され、同じ厚さを有する。従って、スペーサブロック（１０８）の厚さは、基板のみにおける凹部によって規定される変位距離に影響を与えない。正確な変位距離は、正確なタイミングおよび較正エッチングプロセスを用いてエッチングされる凹部において達成され得る。
【００３９】
図２は、スペーサブロック（２０１）が可動ビーム（２０２）の下側に結合される代替の実施形態を示す。
【００４０】
図３は上から見たビームの列の可能な実施形態を示す。固定ビーム（３０１）の任意数Ｎ（ここで：Ｎ＝４）は誘電体層を介して基板に恒久的に接続される。加えて、外側領域（３０２）もまた、基板に接続される。可動ビーム（３０３）の数Ｎ＋１（ここで：Ｎ＋１＝５）は共通（可動）フレーム（３０４）に一緒に接続され、このフレームは、狭い、弾性ブリッジ（スプリング）（３０５）を介して固定された外側領域（３０２）に接続される。フレームが移動し、それにより、フレームをその元の位置に戻そうとするように矯正力が生じる場合、これらのスプリングは湾曲する。初期の位置から所望の距離を離して、光学面とともにフレームを移動させるために、静電界が使用され、それは基板と素子層との間に電圧を印加することによって発生される。
【００４１】
図４は、固定ビーム（４０２）と可動ビーム（４０３）の下側の基板（４０１）の表面の間の相違をより詳細に示す。基板は最初、誘電体層（４０５）の下側に示すように平坦（研磨）表面（４０４）を有する。凹部のエッチングは粗い表面（４０６）を生じ、この粗さは、スペーサブロック（４０７）になる誘電体層の配置後もほとんど維持される。
【００４２】
図５は、研磨された上面を有する基板（１０５）で開始する好ましい実施形態を示す（図５Ａ）。凹部（１０７）はビームの変位距離に相当する深さで基板内にエッチングされる（図５Ｂ）。誘電体層（５０１）は配置または成長した後、一部の領域でエッチングにより除去されて、スペーサブロック（１０８）を形成する（図５Ｃ〜Ｄ）。図５Ｅは、素子層（５０２）が、例えば、１５μｍの厚さを得るように、グラウンドまたはエッチングにより除去され得る処理ウエハ（５０３）を用いて基板（１０５）と結合する方法を示す（図５Ｆ）。所望の厚さは、埋められた酸化層との積層体である、いわゆるＳＯＩウエハを用いることによって図に示すように得られ得る。ここで、素子層（５０２）の厚さは十分な精度で特定される。ＳＯＩウエハの研削およびエッチングは酸化層にて停止され得る。第２の代替法は、積層体５０２／５０３／５０４の代わりに均一なウエハを使用することである。次いで研削／エッチングは残存している層の測定によって制御されなければならず、素子層の表面は最後に研磨されなければならない。その後、光学面（１０１）は回折レリーフパターンで刻まれ（図５Ｃ）、その後、素子層は貫通して切断され、狭い貫通した溝（１０４）が形成され、固定ビームと可動ビームとを分離する（図５Ｈ）。
【００４３】
従って要約すると、本発明は、微小機械システムならびに交互の固定および可動（回折）光学反射体の列を含む微小電気機械システムを構築するための方法に関し、その反射体は、１つおよび同じ材料層から形成される固定および可動ビームの上面から構成され、前記ビームは基板に直接または間接的に接続され、基板と固定ビームとの間の強力かつ固定された接着および同じ誘電体材料を用いる基板と可動ビームの下側との間の弱い接着を達成するために、選択された領域における凹部のエッチング、薄い誘電体層の配置、および選択された領域における前記層のエッチングにより、材料層の下側または基板の上側が処理された後、材料層と基板との間の接続が形成される。
【００４４】
基板および材料層はシリコンから形成されることが好ましいが、他の材料もまた、製造方法および用途に依存して使用されてもよい。
【００４５】
光学反射体は、好ましくは、例えば、直線または湾曲した回折レリーフパターン／合成ホログラムを有するが、純粋な反射表面もまた、想定されてもよい。
【００４６】
基板と材料層との間の接続は、好ましくは、融合結合を用いて形成され、誘電体層は、前記基板および／または材料層上に堆積または成長され得る。それに応じて、凹部は、例えば反応性イオンを用いて基板内および／または材料層にエッチングされてもよい。
【００４７】
実現された実施形態において、フレーム当たりのビームの数は２〜２０であってもよく、材料層の可動部分と固定部分との間の分離は、深堀り反応性イオンエッチングによって生成される。スペーサブロックの外側延長部は０．５〜５μｍであり、スペーサブロックの厚さは１００ｎｍ〜２μｍである。
【００４８】
各フレームは対称なサスペンションを生じ得る４つのスプリングを有してもよく、それにより、スペーサブロックから均一に持ち上げられるか、または下方に低下されるか、あるいはサスペンションは対称であり得るので、フレームの一側は他方より容易に持ち上がる。
【００４９】
上述のように、可動反射ビーム／素子と、下側の基板との間の移動は、それらの間に電圧を印加することによって生じる。可動でないビームは、浮遊電圧中で保持され得るか、またはこれが可動ビームの移動に影響を与える方法に応じて固定電圧を与えられ得る。
【００５０】
図面は例として本発明を示し、図面における比率および寸法は、例示のために選択されているだけであり、実現された実施形態とは異なっていてもよい。
【図０ａ】
【図０ｂ】
【図０ｃ】
【図１Ａ】
【図１Ｂ】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、微小機械素子、特に、調節可能な光学スペクトルフィルタおよびそれを製造する方法に関し、これは、従来技術に従って、特に反射器が回折効果または光偏向効果を有する場合、交互に可動および固定の光学マイクロ／反射器の列を用いて実現できる。
【背景技術】
【０００２】
分光フィルタリングに使用される可動光学マイクロ反射器は、いくつかある中で特に特許文献１に記載されており、その文献は、回折部分素子（ｓｕｂ−ｅｌｅｍｅｎｔ）と呼ばれている一連の可動回折マイクロ反射器を備えて構成され得る回折光学素子に関する。その反射器または部分素子（１、３、図０ａおよび０ｂを参照のこと）は、変位よりかなり大きい横寸法を有し、矩形形状（図０ａ）または同心円部分（図０ｂ）を有し得る。回折部分素子から反射される光は干渉するので、特定の分光組成の光を除去でき、その素子の位置を垂直または横方向に調節することによって、フィルタの特性を連続して変化させることができる。
【０００３】
上述の構成可能な回折素子の特別な場合は列で構成されており、一つおきの反射器は同調して移動でき、他の反射器は固定したままであり、２つの異なる位置をとる。これにより、２つの状態：単一バンドパスフィルタおよび二重バンドパスフィルタの間を交互に変えることができる光学フィルタが得られ、バンドは、単一フィルタのそれら独自の側に存在する。このような交互フィルタは、特に分光および赤外線ガス測定における適用に非常に適している。微小電気機械光学システム（ＭＯＥＭＳ）としてのフィルタの実用的な実施形態は特定の条件を満たさなければならない。可動反射器の位置は、光学面に対して垂直方向において４分の１波長の距離にわたって調節可能でなければならない。波長は赤外線領域に存在するので、変位は１マイクロメートルのオーダーである。反射器は同じ面に存在しなければならない。変位は同調し、特にキロヘルツ領域における周波数、およびコンポーネントの寿命内の１０億または１兆サイクルで反復され得る。可動反射器の間に固定された反射器が形式上存在し、サイズは、可動反射器とほぼ同様である。反射器は、レリーフパターンが刻まれるように所定の回折特性であり、このパターンの深さは波長と同じ大きさのオーダーである。数平方メートルの全領域は、同調して動く反射器によって変換されるべきである。
【０００４】
上記の交互フィルタについての光学的原理は従来技術とされており、固められた微小機械形状は、非特許文献１において以前に公開されている。図０ｃは、市販のシリコンウエハに基づいた従来技術に係る実施形態を示し、二酸化ケイ素の薄層と融合される基板および構造層を含む。回折光学面が構造層の上部に形成された後、それは、エッチング法を用いて２セットのビーム（１、３）に分けられる。その後、一つおきのビーム（３）が、選択された領域において酸化層をエッチングにより除去することにより移動可能に製造される。これは単純なプロセスであるが、３つの本質的な不利点を有する。第１に、穴が可動ビームにおいて製造されなければならないので、酸化層のエッチングに使用される気体または液体がその中に侵入できる。第２に、ビームが基板に入る場合、異なる電位を有する表面が接触し、表面の間を流れる電流は、電圧の大きな低下を引き起こし得るか、または結果としてビームがそれらの間の電流により表面と共に融合する。第３に、ビームと基板との間の接触領域は、大きくかつ予測不可能になり、制止摩擦力を引き起こし得るものが存在する。２つの表面の間の接着力が非常に大きくなる場合に静止摩擦力は生じるので、表面を引き離さないように作動する利用可能な力、および継続した望ましくない接着が生じる。この場合、作動される力はシリコンにおける弾性ブリッジに由来する。
【０００５】
接着力を減少させ、静止摩擦力を回避するために、異なる種類の電気機械システムで使用されるいくつかの既知の方法が存在する。特に重要なものは、「ランディングパッド」、「ストップ」、「バンプ」または「ディンプル」とも称されるスペーサブロックの使用である。それらは、概して、２つの機能：ある動きに対するエンドストップとして正確な距離を規定すること、および大面積が接触しないことを確実にすることによって静止摩擦力を防止することを満たす。例えば、特許文献２、特許文献３、特許文献４を参照のこと。静止摩擦力を防止するための他の重要な技術は以下の通りである：
表面が異なる電位と接触することを回避すること、
誘電体の寄生帯電が起こることを回避すること、
表面を化学的または機械的に処理して、粗さを導入し、接触領域を減少させること、および
表面を化学的に処理して、それらの撥水特性を増加させること、
電気機械システムを密封して覆い、湿気を回避して、表面の撥水特性を問題なくすること。
【０００６】
既存の解決索は、大体、個々の微小機械システムの特定の必要性に適合され、標準的な方法は存在しない。既存の解決索に関する一部の典型的な問題は以下の通りである。スペーサブロックを使用しなければならない場合、製造方法が非常に複雑になり得、スペーサブロックの形態は上に存在する光学面に影響を与えるようになる場合があり（特に堆積された構造層にいわゆるサーフィスマイクロマシニングを用いる場合）、化学的に処理された撥水面は時間とともに特性を変化させ得、表面粗さの可能な生成は、接触領域が少ない表面より、システムにおける他の重要表面に損傷を与えるようになる場合がある。
【０００７】
非常に有益であるが、また非常に複雑でもあるＭＥＭＳの例は、Ｔｅｘａｓ Ｉｎｓｔｒｕｍｅｎｔｓによって製造され、例えば特許文献５およびより具体的には静止摩擦力に関する問題について特許文献６に記載されている、ＤＭＤミラーマトリクスである。この製品の製造において、上記の多くの問題が使用されている。
【０００８】
スペーサブロックを製造すること、および同時に、後で結合されるか、または積層される表面の粗さを回避することは、とりわけ、特許文献７において考慮されている。特許文献７に示されている方法にはいくつかの不都合な点が存在する。アンダーエッチングプロセスは制御することが難しく、それによって、反結合性ストップの最小の再生可能な横方向サイズに対して実用限界が存在する。また、反結合性ストップの表面は、比較的平坦であり、結合が防止される場合、不都合である。さらに、酸化プロセスは上面および空洞を変化させ、平面ミラーの代わりに回折面の使用を制限する。
【０００９】
スペーサブロックを用いる多くの従来技術の例はいわゆる犠牲層を使用する。マイクロシステムの製造の間、犠牲層は可動マイクロ構造になるものの間にあり、それらを固定する。犠牲層は、多くの場合、二酸化ケイ素から製造されるが、異なる材料、例えばポリマーから製造されてもよい。犠牲層は、エッチングを用いてプロセシングの終わり頃に取り除かれる。酸化層の除去に関する課題は、エッチングプロセスを十分に選択性にし得ることであるので、犠牲層のみを除去し、他の材料は除去しない。エッチング液が使用されなければならない場合、さらなる２つの課題が生じる：液体を微小空洞内に浸透させること、およびエッチング後に空洞を乾燥させること。
【００１０】
特許文献８は、静止摩擦力を防止するために、ディンプルが凹部の底部に含まれ得る、加速度計を提示している。しかしながら、それらのディンプルがどのように実現され得るかを明示していない。特に標準的なＭＥＭＳ製造機器が使用される場合、大きなＫＯＨまたはＴＭＡＨエッチング凹部の底面上に微細構造を製造することは非常に困難である。
【００１１】
特許文献４は、構造層の下側にスペーサブロックを製造する、中程度に複雑な方法を提示している。このような層は、通常、シリコンからなり、ＭＥＭＳ技術において、それらは素子層と称される。前記特許文献の導入（２〜８）において、一般に、ＭＥＭＳ素子層の下側を処理して、それが基板と積層される前にスペーサブロックを形成できないことが主張されている。さらに、基板と素子層との間の犠牲層の使用と一緒に、素子層の上側から処理することによってスペーサブロックが形成され得る方法が述べられている（多くの場合に使用される方法）。
【先行技術文献】
【特許文献】
【００１２】
【特許文献１】国際公開第２００４／０５９３６５号パンフレット
【特許文献２】米国特許出願公開第２００１／００５５８３１号明細書
【特許文献３】米国特許第６，４３７，９６５号明細書
【特許文献４】米国特許第６，５２８，８８７号明細書
【特許文献５】米国特許第７，４１１，７１７号明細書
【特許文献６】米国特許出願公開第２００９／０１７０３２４号明細書
【特許文献７】米国特許出願公開第２００９／０１７０３１２号明細書
【特許文献８】欧州特許第１５６１７２４号明細書
【非特許文献】
【００１３】
【非特許文献１】ＩＥＥＥ／ＬＥＯＳ Ｉｎｔｅｒｎａｔｉｏｎａｌ Ｃｏｎｆｅｒｅｎｃｅ Ｏｎ Ｏｐｔｉｃａｌ ＭＥＭＳ ａｎｄ Ｔｈｅｉｒ Ａｐｐｌｉｃａｔｉｏｎｓ ｉｎ Ａｕｇｕｓｔ ２００７（ＯＭＥＭＳ２００７）にて発表されたＨａｋｏｎ Ｓａｇｂｅｒｇら，「Ｔｗｏ−ｓｔａｔｅ Ｏｐｔｉｃａｌ Ｆｉｌｔｅｒ Ｂａｓｅｄ ｏｎ Ｍｉｃｒｏｍｅｃｈａｎｉｃａｌ Ｄｉｆｆｒａｃｔｉｖｅ Ｅｌｅｍｅｎｔｓ」
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【００１４】
本発明の目的は、微小機械ユニットおよびその微小機械ユニットを製造するための方法を提供することであり、そのユニットは、安く製造され、可動ビームの間に低い静止摩擦力を有し、制御することが容易である。本発明は、独立請求項に記載されているような特徴である上記のユニットおよび方法を提供する。
【課題を解決するための手段】
【００１５】
従って、本発明は、好ましい実施形態において、固定および可動の光学的に反射する面が、１つかつ同じ材料層からエッチングされる固定および可動ビームの上面から構成されるような列を構築するための実用的な方法を提供する。固定ビームは薄い誘電体層を介して基板に恒久的に接続され、一方、可動ビームは基板内のエッチングされた凹部にわたって広がる。従って、それらは、ビームの底部が凹部の底部におけるスペーサブロックと接触するまで、静電気力によって基板の方向へ下側に引かれ得る。スペーサブロックは少しの接触領域およびそれによって弱い接着力を得るように成形され、それにより、静電気力が機能しなくなる場合、可動ビームが出発点に戻り得ることを確保し、そのスペーサブロックは固定ビームを基板に固定する同じ誘電体層から製造および機械加工される。
【００１６】
以下の詳細な説明において、実現可能かつ比較的簡単な方法において、十分な積層特性および十分な静止摩擦力のないスペーサブロックを達成するように、結合／積層する前に、基板の上側および／または素子層の下側を処理することによってスペーサブロックを形成する実際の可能性を示す。この解決索は、特に、交互の固定および可動構造の列を形成するのに十分に適している。
【００１７】
本発明を添付の図面を参照して以下に記載し、例として本発明を示す。
【図面の簡単な説明】
【００１８】
【図０ａ】上記の特許文献１に開示されている従来技術を示す。
【図０ｂ】上記の特許文献１に開示されている従来技術を示す。
【図０ｃ】従来技術の原理を示す。
【図１ａ】本発明の好適な実施形態を示す。
【図１ｂ】本発明の好適な実施形態を示す。
【図２】本発明の代替の実施形態を示す。
【図３】上から見た場合の本発明の一実施形態を示す。
【図４】図１ａ、ｂに示した実施形態の詳細を示す。
【図５ａ】本発明の好適な実施形態に係る製造方法を示す。
【図５ｂ】本発明の好適な実施形態に係る製造方法を示す。
【図５ｃ】本発明の好適な実施形態に係る製造方法を示す。
【図５ｄ】本発明の好適な実施形態に係る製造方法を示す。
【図５ｅ】本発明の好適な実施形態に係る製造方法を示す。
【図５ｆ】本発明の好適な実施形態に係る製造方法を示す。
【図５ｇ】本発明の好適な実施形態に係る製造方法を示す。
【図５ｈ】本発明の好適な実施形態に係る製造方法を示す。
【発明を実施するための形態】
【００１９】
従って、本発明は、ＯＭＥＭＳ２００７における上述の説明に記載されているような交互光学フィルタとして機能する微小電気機械システムを製造するための新規方法を含む。新規方法に関して重要なことは、基板および材料のより薄い層の使用であり、通常、５〜５０μｍのオーダーの厚さであり、両方とも好ましくはシリコンから製造され、それらが結合される場合、一部の領域は最大接着を有し、他の領域は最小接着を有するように作製される。最小接着を有する領域において、スペーサブロックが使用されて、接着力が低下して、静止摩擦力が回避される。
【００２０】
図１ａおよび１ｂを参照すると、導入部分で記載した固定および可動の光学微小反射体（１０１）は、材料層から切り取られ／機械切りされ／エッチングされている固定ビーム（１０２）および可動ビーム（１０３）の上面から構成されている。ビームは直線として示しているが、上述の国際公開に示されるように他の形状を有してもよい。固定ビームは薄い誘電体層（１０６）により基板（１０５）に恒久的に接続されており、一方、可動ビームは基板における凹部１０７の上に広がる。従って、それらは、（図２に示すように）凹部の底部またはビームの下側にあり得るスペーサブロック（１０８）によって停止されるまで、静電気力によって基板の方向に引き下ろされ得る。本発明の本質的な特徴は、スペーサブロックが、基板に固定ビームを留める同じ誘電体層から製造されることである。スペーサブロックは、狭い接触領域およびそれによる弱い接着力を得るように成形され、それにより、静電気力が機能しなくなると、可動ビームがそれらの初期の位置に戻され得ることを確保する。従って、入射光Ｌは、ビームの相対的位置に依存して回折パターンによって操作され得る。
【００２１】
接触リソグラフィーおよび異方性エッチングを用いて、スペーサブロックの直径は１マイクロメートル未満で製造されてもよく、いわゆるステッパーまたは縮小リソグラフィーを用いて、原則として、１００ｎｍ未満の寸法を得ることもできる。
【００２２】
（図３に示すように）本発明の一実施形態において、ビームがそれらの初期の位置に戻るようにする力は、可動ビーム（３０３）が共通（可動）フレーム（３０４）に一緒に接続され、このフレームが、小さな弾性ブリッジ（スプリング）（３０５）によって固定された外側領域（３０２）に接続されることから生じる。フレームが動くと、これらのスプリングは曲がるので、その開始位置にフレームが戻るように上方向に力が生じる。開始位置から望ましい距離を離して光学面と共にフレームを移動させるために、基板と素子層との間、従って、少なくとも可動ビームに電圧を印加することによって生成される静電場が使用される。電圧が十分に高い場合、図１Ｂに示すように、フレームは、基板における凹部に存在するスペーサブロックに全て引かれる。
【００２３】
本発明は、光学面の変位にある機械的課題のために単純かつ強力な解決策を提供する。以下に詳細に記載する工程段階の組み合わせは以下のことを確実にする。
１）望ましい変位距離がエッチングした凹部の深さによって自由に決定できる。
２）エッチングが粗い表面を生成することから、接触領域がナノスケールで減少する。
３）スペーサブロックの延長が可能な限り少なくなされることから、接触領域がマイクロスケールで減少する。
４）固定ビームに対する十分な固定接着が、例えば、エッチングの間の選択された研磨面の保護によって確保される。
５）スペーサブロックの形状、厚さおよび位置は、光学面に影響を与えずに自由に決定できる。
６）光学面は、内部機械的張力のためにほぼ自由である厚いビームの上面にある。
７）例えば図０Ｃに示すように、既知の方法の多くの場合のように、「犠牲」層の複雑な除去を必要とせずにマイクロシステムが完了され得る。
【００２４】
図４は、固定ビーム（４０２）および可動ビーム（４０３）の下側の基板（４０１）の表面の間の相違をより詳細に示す。基板は、最初、誘電体層（４０５）の下に示すように平坦な（研磨した）表面（４０４）を有する。凹部のエッチングにより、粗い表面（４０６）が生じ、この粗さは、スペーサブロック（４０７）になる誘電体層の堆積または成長後にも大部分維持される。スペーサブロックが、接触領域および接着力をさらに減少させるために粗い表面を有することは有益であり得る。従って、スペーサブロックの間の全ての接触領域は、可能な限り小さく、好ましくは１％未満にすべきであるが、それらのスペーサブロックはまた、ビームがそれらに対して配置される時間を過度に生じず、そしてスペーサブロックが曲がることを防いでビームに沿った分布を有するのに十分に大きくなければならない。
【００２５】
凹部の外側の基板にある誘電体層は、研磨表面の上部に形成される場合、スペーサブロックより平坦な表面を有する。
【００２６】
ここで、構造層の静的部分との十分な結合を達成するために大きな接着力／エネルギーを有することが望ましい。
【００２７】
同じ誘電体層が、層とスペーサブロックとの両方の結合を形成できる場合でも、以前のエッチングプロセスは、２つの領域において層の異なる特性の表面を与えることができる。
【００２８】
好適な実施形態（図５Ａ〜Ｈ）において、本発明は、研磨された上面を有する基板（１０５）で開始する方法を含む（図５Ａ）。凹部（１０７）は、例えば、メタンまたは他の炭化水素の測定において、約３．３μｍの波長を有する光が測定される場合、ビームの変位距離に相当する深さ、例えば８３０ｎｍで基板内にエッチングされる（図５Ｂ）が、素子が使用される約１／４の波長の光に適合される。エッチングプロセスは、ＳＦ６およびＣ４Ｆ８の混合物およびエッチング時間の較正を用いる反応性イオンエッチングであってもよく、±５％のオーダーの深さ精度を達成できる。その後、誘電体層（５０１）が、堆積または成長され（例えば熱成長二酸化ケイ素）、その後、スペーサブロック（１０８）を形成するために一部の領域においてエッチングにより除去される（図５Ｃ〜Ｄ）。図５Ｅは、素子層（５０２）が、ウエハ積層法（例えば融合結合）およびグラウンドまたはエッチングによる除去である処理ウエハ（５０３）を用いて基板（１０５）と一緒に融合される方法を示す。研磨後、およびまた、誘電体層が基板上に堆積または成長した後、表面が非常に平坦であるので、素子層が基板と融合される場合、凹部を有さない領域において非常に十分な接着が達成される。
【００２９】
素子層が切断され、固定ビームおよび可動ビーム（図５Ｈ）を分離する狭い貫通するトレンチ（１０４）が現れる前に、光学面（１０１）は、例えば回折レリーフパターンを用いて反応性イオンエッチングにより刻まれる（図５Ｇ）。図３に示すように、可動セグメントから固定セグメントまでの一部の場所に小さな接続（ブリッジ）が存在するように切断は実施される。この切断を実施する好適な方法は、「ボッシュプロセス」として知られている、反応性イオンエッチングである。
【００３０】
代替の解決索において、融合およびスペーサブロックが可動ビームの下に位置する前に、基板が誘電体層を有さないように、図５Ｃおよび５Ｄに示す工程段階は素子層の下側で実施される。他の代替の解決索において、エッチングされた凹部または凹部およびスペーサブロックの両方は、素子層の下側にあり得る。上述の代替の解決索に関する不都合な点は、素子層が基板に対して正確に並べなければならないということである。
【００３１】
素子層の表面は、最終的に、光が反射されるように薄い金属層（金属膜）で被覆される。この層は非常に薄くおよび／または十分に平面である光学面のために低い内部機械的張力を有さなければならない。高い内部機械的張力を有する薄層は素子層を湾曲させる。金属層の熱膨張係数は、素子層についての係数とそんなに異なってはならない。可能な解決索は、応力平衡を得て、少なくとも熱補償（均衡的膨張）を得ないように２つの膜（例えばＡｌおよびＳｉＯ２）を使用することである。
【００３２】
基板および素子層の両方はドーピングにより前もって所望の電気伝導性を与えられる。電圧が基板と素子層との間に印加される場合、静電気力が生じ、素子層の可動セグメントを基板に対して下方に引っ張る。図３に示した実施形態において、隔離された固定ビーム（３０１）の電位は、例えば、基板および導電性材料の堆積に対する下方への貫通エッチング（ｔｈｒｏｕｇｈ−ｅｔｃｈｉｎｇ）を用いて接続がなされない限り、規定されない（流動している）。ビームの間の間隙が十分に大きい限り、ビームは厚いというよりかなり幅広く、規定されていない電位は可動ビームの移動に影響を与えない。可動セグメントの下側が誘導体スペーサブロックの上面と適合する場合、変位が停止する。変位と同時に、素子層の可動領域から固定領域までのブリッジ接続の弾性変形は、電位差が除去された場合、弾性変形から生じる力が、可動セグメントをそれらの最初に位置に戻すように起こる。しかしながら、これが発生するためには１つの条件が存在する。スペーサブロックとシリコンセグメントとの間の接着は、ビーム／ブリッジ／スプリングから生じる力より弱くなければならない。本発明は、この場合、基板およびダイエレクトリム（ｄｉｅｌｅｃｔｒｉｃｕｍ）の記載されるエッチングプロセスを介して、ナノスケール（粗さ）およびマイクロスケール（スペーサブロックの境界）の両方での接触領域を最小化することを確保する。同じ材料（酸化ケイ素）は、実施されるエッチングプロセスに依存して、シリコンに対して完全に固有の接着を有し、それにより、層とスペーサブロックとの両方の結合として機能する。
【００３３】
接触領域を最小化することに加えて、スペーサブロックが限定された領域を覆う別の理由も存在する。誘電体の寄生帯電は望ましくない静電接着力を生じ得る。これは、とりわけ、Ｓｅｎｓｏｒｓ ａｎｄ Ａｃｔｉｖａｔｏｒｓ Ａ ７１（１９９８），ｐ７４−８０に公開されているＷｅｂｂｅｒら，「Ｐａｒａｓｉｔｉｃ ｃｈａｒｇｉｎｇ ｏｆ ｄｉｅｌｅｃｔｒｉｃ ｓｕｒｆａｃｅｓ ｉｎ ｃａｐａｃｉｔｉｖｅ ｍｉｃｒｏｅｌｅｃｔｒｏｍｅｃｈａｎｉｃａｌ ｓｙｓｔｅｍｓ（ＭＥＭＳ）」による記事に記載されている。
【００３４】
スペーサブロックの配置は任意に近接してなされ得、１つの好ましい解決索において、スペーサブロックは、可動フレームが、原則としてＶｅｌｃｒｏに関して、一度に少数のスペーサブロックから離れて持ち上げられるように配置される。接着エネルギーが大きい場合でさえ、接着力は、常に少ない領域で機能するのみであるから少なくなされ得る。
【００３５】
従って、本発明はまた、スペーサブロックの厚さおよび配置が素子層および光学面の特性に影響を与えない解決索を提供し、ビームが可動する場合、静止摩擦力の特性およびビームの変形に関してその配置がほぼ単一になされ得ることを意味する。スペーサブロックおよび結合した層の両方を形成する誘電体層の厚さ（基板と素子層との間）は、空隙内の電場力を調節するように使用され得る自由パラメータである。
【００３６】
図３に示した型において、素子層の表面は、５つの異なる種類の領域：静的受動態領域；可動受動態領域；静的能動態領域；可動能動態領域；およびまたスプリングビーム（静的領域と可動領域との間の遷移）を含む。受動態領域と能動態領域との間の相違は、後者が所望の方向において光を曲げる周期的またはほぼ周期的レリーフ構造を有することである。
【００３７】
本発明の好ましい実施形態を図１Ａ（初期状態、状態Ａ）および図１Ｂ（可動状態、状態Ｂ）に示す。光学面（１０１）は、固定ビーム（１０２）および可動ビーム（１０３）の上部にあり、ビームは、（反応性イオンエッチングを用いる）貫通切断（１０４）によって同じ材料層／素子層（ドープされたシリコン）から製造される。固定ビームは、誘電体層（１０６）（二酸化ケイ素）を介して（シリコンの）基板（１０５）に恒久的に接続される。可動ビームの下の基板において凹部（１０７）が存在し、凹部の下部において、スペーサブロック（１０８）の形態の誘電体層の広がった領域が存在する。
【００３８】
図１Ｂは移動する場合にビームの列が現れる方法を示す。可動ビームは、それらがスペーサブロック（１０８）上で停止するまで、静電気力によって基板に対して下方に引かれる。好ましい実施形態において、結合した層（１０６）およびスペーサブロック（１０８）は同じ層から形成され、同じ厚さを有する。従って、スペーサブロック（１０８）の厚さは、基板のみにおける凹部によって規定される変位距離に影響を与えない。正確な変位距離は、正確なタイミングおよび較正エッチングプロセスを用いてエッチングされる凹部において達成され得る。
【００３９】
図２は、スペーサブロック（２０１）が可動ビーム（２０２）の下側に結合される代替の実施形態を示す。
【００４０】
図３は上から見たビームの列の可能な実施形態を示す。固定ビーム（３０１）の任意数Ｎ（ここで：Ｎ＝４）は誘電体層を介して基板に恒久的に接続される。加えて、外側領域（３０２）もまた、基板に接続される。可動ビーム（３０３）の数Ｎ＋１（ここで：Ｎ＋１＝５）は共通（可動）フレーム（３０４）に一緒に接続され、このフレームは、狭い、弾性ブリッジ（スプリング）（３０５）を介して固定された外側領域（３０２）に接続される。フレームが移動し、それにより、フレームをその元の位置に戻そうとするように矯正力が生じる場合、これらのスプリングは湾曲する。初期の位置から所望の距離を離して、光学面とともにフレームを移動させるために、静電界が使用され、それは基板と素子層との間に電圧を印加することによって発生される。
【００４１】
図４は、固定ビーム（４０２）と可動ビーム（４０３）の下側の基板（４０１）の表面の間の相違をより詳細に示す。基板は最初、誘電体層（４０５）の下側に示すように平坦（研磨）表面（４０４）を有する。凹部のエッチングは粗い表面（４０６）を生じ、この粗さは、スペーサブロック（４０７）になる誘電体層の配置後もほとんど維持される。
【００４２】
図５は、研磨された上面を有する基板（１０５）で開始する好ましい実施形態を示す（図５Ａ）。凹部（１０７）はビームの変位距離に相当する深さで基板内にエッチングされる（図５Ｂ）。誘電体層（５０１）は配置または成長した後、一部の領域でエッチングにより除去されて、スペーサブロック（１０８）を形成する（図５Ｃ〜Ｄ）。図５Ｅは、素子層（５０２）が、例えば、１５μｍの厚さを得るように、グラウンドまたはエッチングにより除去され得る処理ウエハ（５０３）を用いて基板（１０５）と結合する方法を示す（図５Ｆ）。所望の厚さは、埋められた酸化層との積層体である、いわゆるＳＯＩウエハを用いることによって図に示すように得られ得る。ここで、素子層（５０２）の厚さは十分な精度で特定される。ＳＯＩウエハの研削およびエッチングは酸化層にて停止され得る。第２の代替法は、積層体５０２／５０３／５０４の代わりに均一なウエハを使用することである。次いで研削／エッチングは残存している層の測定によって制御されなければならず、素子層の表面は最後に研磨されなければならない。その後、光学面（１０１）は回折レリーフパターンで刻まれ（図５Ｃ）、その後、素子層は貫通して切断され、狭い貫通した溝（１０４）が形成され、固定ビームと可動ビームとを分離する（図５Ｈ）。
【００４３】
従って要約すると、本発明は、微小機械システムならびに交互の固定および可動（回折）光学反射体の列を含む微小電気機械システムを構築するための方法に関し、その反射体は、１つおよび同じ材料層から形成される固定および可動ビームの上面から構成され、前記ビームは基板に直接または間接的に接続され、基板と固定ビームとの間の強力かつ固定された接着および同じ誘電体材料を用いる基板と可動ビームの下側との間の弱い接着を達成するために、選択された領域における凹部のエッチング、薄い誘電体層の配置、および選択された領域における前記層のエッチングにより、材料層の下側または基板の上側が処理された後、材料層と基板との間の接続が形成される。
【００４４】
基板および材料層はシリコンから形成されることが好ましいが、他の材料もまた、製造方法および用途に依存して使用されてもよい。
【００４５】
光学反射体は、好ましくは、例えば、直線または湾曲した回折レリーフパターン／合成ホログラムを有するが、純粋な反射表面もまた、想定されてもよい。
【００４６】
基板と材料層との間の接続は、好ましくは、融合結合を用いて形成され、誘電体層は、前記基板および／または材料層上に堆積または成長され得る。それに応じて、凹部は、例えば反応性イオンを用いて基板内および／または材料層にエッチングされてもよい。
【００４７】
実現された実施形態において、フレーム当たりのビームの数は２〜２０であってもよく、材料層の可動部分と固定部分との間の分離は、深堀り反応性イオンエッチングによって生成される。スペーサブロックの外側延長部は０．５〜５μｍであり、スペーサブロックの厚さは１００ｎｍ〜２μｍである。
【００４８】
各フレームは対称なサスペンションを生じ得る４つのスプリングを有してもよく、それにより、スペーサブロックから均一に持ち上げられるか、または下方に低下されるか、あるいはサスペンションは対称であり得るので、フレームの一側は他方より容易に持ち上がる。
【００４９】
上述のように、可動反射ビーム／素子と、下側の基板との間の移動は、それらの間に電圧を印加することによって生じる。可動でないビームは、浮遊電圧中で保持され得るか、またはこれが可動ビームの移動に影響を与える方法に応じて固定電圧を与えられ得る。
【００５０】
図面は例として本発明を示し、図面における比率および寸法は、例示のために選択されているだけであり、実現された実施形態とは異なっていてもよい。
【図０ａ】
【図０ｂ】
【図０ｃ】
【図１Ａ】
【図１Ｂ】
【特許請求の範囲】
【請求項１】
互いに少なくとも部分的に固定される第１の素子層と、第２の基板層とを備える、微小機械ユニット、特に調節可能な光学フィルタであって、前記素子層は、複数の固定反射素子の間に分配される複数の可動反射素子を含み、前記固定素子は、誘電体層を介して前記基板に固定され、空洞が前記基板と各々の可動素子との間に規定され、各々の可動素子は、前記空洞内で制御可能な移動を与えるように設置され、複数の誘電体スペーサブロックが、各々の可動素子と前記基板との間の前記空洞内に配置され、前記スペーサブロックは前記基板を前記固定素子に固定する前記誘電体層と同じ誘電材料で製造される、ユニット。
【請求項２】
前記可動素子および前記基板は電源に接続されて、前記可動素子と前記基板との間に電圧を印加して、それらの間に静電気力を発生させ、それによって、前記基板に対して前記素子を移動させる、請求項１に記載のユニット。
【請求項３】
誘電体層は、前記基板から全てのビームを分離し、前記誘電体層は均一な厚さを有し、前記誘電体層は、可動ビームと前記基板との間に前記スペーサブロックを構成する、請求項１に記載のユニット。
【請求項４】
前記スペーサブロックは、前記ビームの全領域のうちの相当少ない部分、好ましくは１％未満を含む、前記可動ビームに対する接触面を有する、請求項１に記載のユニット。
【請求項５】
前記ユニットは光学フィルタであり、前記空洞の深さは、関連領域において光の波長の１／４のオーダーである、請求項１に記載のユニット。
【請求項６】
以下の工程：
ａ）基板ウエハ上の表面において選択された深さを有する選択された材料の基板ウエハに複数の凹部を形成させる工程であって、前記凹部は、可動ビームの配置および形態に相当する前記基板の表面上のパターンを示す、工程と、
ｂ）前記凹部を有する前記基板ウエハの表面上に誘電体層を提供する工程と、
ｃ）所定の位置においてスペーサブロックを規定するパターンを提供する前記凹部における前記誘電体層を除去する工程と、
ｄ）前記誘電体層上に上側素子層を固定する工程と、
ｅ）前記凹部上の前記パターンにおいて可動ビームを形成するために前記上側層を分割する工程と、
を含む、所定の形態の複数の可動ビームを有する、請求項１に記載のユニットを製造する方法。
【請求項７】
工程ｃ）は、前記誘電体層の厚さに対応する高さを有し、前記ビームの領域より相当少ない部分を構成する前記可動ビームに対する接触面を有するように設置される別々のスペーサブロックを形成するために前記凹部における前記誘電体層のエッチングを含む、請求項６に記載の方法。
【請求項８】
工程ｄ）は、いわゆる融合結合プロセスを含む、請求項６に記載の方法。
【請求項９】
前記上側素子層に反射面が供給される、請求項６に記載の方法。
【請求項１０】
前記上側素子層に回折レリーフパターンが供給される、請求項６に記載の方法。
【請求項１】
互いに少なくとも部分的に固定される第１の素子層と、第２の基板層とを備える、微小機械ユニット、特に調節可能な光学フィルタであって、前記素子層は、複数の固定反射素子の間に分配される複数の可動反射素子を含み、前記固定素子は、誘電体層を介して前記基板に固定され、空洞が前記基板と各々の可動素子との間に規定され、各々の可動素子は、前記空洞内で制御可能な移動を与えるように設置され、複数の誘電体スペーサブロックが、各々の可動素子と前記基板との間の前記空洞内に配置され、前記スペーサブロックは前記基板を前記固定素子に固定する前記誘電体層と同じ誘電材料で製造される、ユニット。
【請求項２】
前記可動素子および前記基板は電源に接続されて、前記可動素子と前記基板との間に電圧を印加して、それらの間に静電気力を発生させ、それによって、前記基板に対して前記素子を移動させる、請求項１に記載のユニット。
【請求項３】
誘電体層は、前記基板から全てのビームを分離し、前記誘電体層は均一な厚さを有し、前記誘電体層は、可動ビームと前記基板との間に前記スペーサブロックを構成する、請求項１に記載のユニット。
【請求項４】
前記スペーサブロックは、前記ビームの全領域のうちの相当少ない部分、好ましくは１％未満を含む、前記可動ビームに対する接触面を有する、請求項１に記載のユニット。
【請求項５】
前記ユニットは光学フィルタであり、前記空洞の深さは、関連領域において光の波長の１／４のオーダーである、請求項１に記載のユニット。
【請求項６】
以下の工程：
ａ）基板ウエハ上の表面において選択された深さを有する選択された材料の基板ウエハに複数の凹部を形成させる工程であって、前記凹部は、可動ビームの配置および形態に相当する前記基板の表面上のパターンを示す、工程と、
ｂ）前記凹部を有する前記基板ウエハの表面上に誘電体層を提供する工程と、
ｃ）所定の位置においてスペーサブロックを規定するパターンを提供する前記凹部における前記誘電体層を除去する工程と、
ｄ）前記誘電体層上に上側素子層を固定する工程と、
ｅ）前記凹部上の前記パターンにおいて可動ビームを形成するために前記上側層を分割する工程と、
を含む、所定の形態の複数の可動ビームを有する、請求項１に記載のユニットを製造する方法。
【請求項７】
工程ｃ）は、前記誘電体層の厚さに対応する高さを有し、前記ビームの領域より相当少ない部分を構成する前記可動ビームに対する接触面を有するように設置される別々のスペーサブロックを形成するために前記凹部における前記誘電体層のエッチングを含む、請求項６に記載の方法。
【請求項８】
工程ｄ）は、いわゆる融合結合プロセスを含む、請求項６に記載の方法。
【請求項９】
前記上側素子層に反射面が供給される、請求項６に記載の方法。
【請求項１０】
前記上側素子層に回折レリーフパターンが供給される、請求項６に記載の方法。
【図２】
【図３】
【図４】
【図５Ａ】
【図５Ｂ】
【図５Ｃ】
【図５Ｄ】
【図５Ｅ】
【図５Ｆ】
【図５Ｇ】
【図５Ｈ】
【図３】
【図４】
【図５Ａ】
【図５Ｂ】
【図５Ｃ】
【図５Ｄ】
【図５Ｅ】
【図５Ｆ】
【図５Ｇ】
【図５Ｈ】
【公表番号】特表２０１３−５０１９５４（Ｐ２０１３−５０１９５４Ａ）
【公表日】平成２５年１月１７日（２０１３．１．１７）
【国際特許分類】
【出願番号】特願２０１２−５２４２４４（Ｐ２０１２−５２４２４４）
【出願日】平成２２年８月１３日（２０１０．８．１３）
【国際出願番号】ＰＣＴ／ＥＰ２０１０／０６１８５０
【国際公開番号】ＷＯ２０１１／０１８５２１
【国際公開日】平成２３年２月１７日（２０１１．２．１７）
【公序良俗違反の表示】
（特許庁注：以下のものは登録商標）
１．ＶＥＬＣＲＯ
【出願人】（５１２０２８９５４）
【Ｆターム（参考）】
【公表日】平成２５年１月１７日（２０１３．１．１７）
【国際特許分類】
【出願日】平成２２年８月１３日（２０１０．８．１３）
【国際出願番号】ＰＣＴ／ＥＰ２０１０／０６１８５０
【国際公開番号】ＷＯ２０１１／０１８５２１
【国際公開日】平成２３年２月１７日（２０１１．２．１７）
【公序良俗違反の表示】
（特許庁注：以下のものは登録商標）
１．ＶＥＬＣＲＯ
【出願人】（５１２０２８９５４）
【Ｆターム（参考）】
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