説明

薄膜素子及びその製造方法

【課題】形状を自由に制御できる形状可変な薄膜素子とミラーを一体化し、構造を単純にする事により光ピックアップの部品として十分に小型であり、低電圧で大きな変位を得られる形状可変ミラー素子として用いられる薄膜素子及びその製造方法を提供する。
【解決手段】少なくとも1層の薄膜から構成される曲面を有するダイアフラム部と、前記ダイアフラム部を支持する基板1とから構成される薄膜素子において、ダイアフラム部の任意の位置における断面形状が変曲点を持たないことを特徴とする。
また、薄膜素子において、あらかじめ基板1を所望の形状に加工した後に薄膜を形成することにより、ダイアフラム部の形状を制御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、光学装置や光ディスク装置の光学ピックアップ、特にその波面収差補正ミラーに用いられる薄膜素子及びその製造方法に関する。
【背景技術】
【0002】
従来より、顕微鏡、カメラ等の光学装置における可変焦点及び収差補正手段として様々な形状可変ミラーが考案されてきたが、近年、光ディスク技術の発展に伴ってその需要は高まりつつある。
【0003】
光ディスクを用いた情報記録媒体として、コンパクトディスク(CD)やデジタルビデオディスク(DVD)などがある。近年、光ディスク装置においては複数の記録媒体を同じ光ディスク装置で読み書きする構成が一般的となっており、従来品よりさらに光ディスク装置を小型化する技術が必要となっている。特に、ノート型PC用の光ディスク装置は小型・薄型の必要性が高まっている。また、マルチメディア技術の発展に合わせて、年々光ディスクへの記憶もしくは記録容量への要求は増大する傾向にあり、(1)波長の短い青色レーザーを用いる、(2)対物レンズの開口数(NA)を大きくする、などの手段による記録密度の向上が図られ、しかも、(3)メディアにおける記録層を複数にすることによる記録面積の増加が図られ、大容量化を達成している。
【0004】
光ディスク装置には、レーザー光源、光学ピックアップ、受光素子等が設けられる。レーザー光源から出射されたレーザービームは光学ピックアップを通して、光ディスクのデータ面へ集光し、反射された後、受光素子によって受光され、光ディスクに記録された情報が読み取られ、或いは光ディスクに情報が書き込まれる。この際にビームの波面はさまざまな光学部品や光ディスクによって収差を受けるので、情報を正しく読み書きするためには収差補正が不可欠である。特に、光ディスクの回転中や、異なる層を読み替える際などに生じるダイナミックな収差に関しては、光学ピックアップを構成するレンズや回折光学素子による固定的な補正手段は不適当であり、アクチュエータによる動的補正が不可欠である。
【0005】
従来から、上記のような収差を補正する方法が考案されており、例えば、(特許文献1)に記載の方法においては、補正レンズをアクチュエータにより動かすことによって球面収差が補正される。しかしながら、この方法はアクチュエータ部が大きく、余分なレンズが必要で、PC用途など小型化の要求の大きな光学ピックアップには不向きであった。
【0006】
また、(特許文献2)に記載の方法においては、反射面の背面に微小なアクチュエータを多数配置し、これらのアクチュエータを駆動させることにより収差が補正される。しかしながら、この方法も構造や配線が複雑であるため、小型化は困難である。
【0007】
したがって、光ピックアップの部品として用いる程度の小型化を達成するためには、ミラーとアクチュエータが一体であり、且つ構造が単純な、例えば圧電素子を用いたユニモルフ型のような素子を用いることが望ましい。しかしながら、このような素子は薄膜積層構造をとるため、薄膜の内部応力の影響が大きく、ミラーの初期形状、変形形状を制御する事、及び低電圧で大きな変位を得ることが困難であるという問題がある。また、膜応力に依存した変形では大きな曲率を得ることは困難で、用途が限られるという問題もある。
【特許文献1】特開平10−241201号公報
【特許文献2】特開平5−333274号公報
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【0008】
本発明は、形状を自由に制御できる形状可変な薄膜素子とミラーを一体化し、構造を単純にする事により光ピックアップの部品として十分に小型であり、低電圧で大きな変位を得られる形状可変ミラー素子として用いられる薄膜素子及びそ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】
【0009】
前記課題を解決するため、本発明は、少なくとも1層の薄膜から構成される曲面を有するダイアフラム部と、前記ダイアフラム部を支持する基板とから構成される薄膜素子において、ダイアフラム部の任意の位置における断面形状が変曲点を持たないことを特徴とする。また、薄膜素子の製造方法において、あらかじめ基板を所望の形状に加工した後に薄膜を形成することにより、ダイアフラム部の形状を制御することを特徴とする。
【発明の効果】
【0010】
本発明によれば、薄膜素子の形状は膜応力のみに依存しないため、形状制御が容易にでき、大きな曲率をもった球面、非対称形状など膜応力のみに依存した変形によると実現困難である形状にも制御可能である。その中でも、ダイアフラム部の任意の位置における断面において変曲点を持たない形状であることによって、低電圧で大きな変位を得ることができる。
【発明を実施するための最良の形態】
【0011】
本願の第1の発明は、少なくとも1層の薄膜から構成される曲面を有するダイアフラム部と、前記ダイアフラム部を支持する基板とから構成される薄膜素子において、ダイアフラム部の任意の位置における断面形状が変曲点を持たないことを特徴とする薄膜素子であり、変曲点を持たない構造とすることでダイアフラム部内の広い領域で収差補正用の素子として利用可能であり、圧電、熱、静電などで薄膜素子を変位させる場合も、変曲点を持つ構造と比べて大きな変位を得ることが可能である。
【0012】
ここで、変曲点とは断面形状を現す式をY=f(x)としたときに、f(x)の2回微分であるf”(x)が、f”(x)=0となるxの値を持つY=f(x)上の点で定義される。図1に示す本発明による薄膜素子を上から見た時の斜視図において、図1(a)のような形状の場合、薄膜素子の断面形状は全て曲線で表される。しかし、図1(b)のような形状の場合、薄膜素子の断面形状は曲線で表される部分と直線で表される部分が存在する。本発明はこのような直線で表される断面が存在する形状であっても、ダイアフラム部が曲面を持ち、任意の位置における断面が曲線で表される形状であれば良い。
【0013】
本願の第2の発明は、少なくとも1層の薄膜から構成されるダイアフラム部と前記ダイアフラム部を支持する基板とから構成される薄膜素子において、ダイアフラム部の総膜厚が100μm以下であり、ダイアフラム部の断面の少なくとも一部分が円形状であり、前記円形状の曲率半径が5mm以下であることを特徴とする薄膜素子であり、曲率半径の小さい薄膜素子とすることにより、レンズなどの他の部品を用いることなく、省スペース、低コストで焦点可変ミラーを作製することができる。
【0014】
本願の第3の発明は、本願の第1または第2の発明において、ダイアフラム部の少なくとも一部分が可動であることを特徴とする薄膜素子であり、圧電、熱、静電気力、気圧、加速力などの外力を加えることによりダイアフラム部を可動させることによって、マイクロアクチュエータ、圧力センサ、加速度センサなど、様々な用途で利用可能な薄膜素子とすることができる。
【0015】
本願の第4の発明は、本願の第3の発明において、ダイアフラム部が圧電体と、前記圧電体を挟むように位置する第1電極膜及び第2電極膜とから構成されていることを特徴とする薄膜素子であり、前記構成により、省スペースで形状を可変することができる薄膜素子とすることができる。
【0016】
本願の第5の発明は、本願の第1から第4のいずれかの発明において、少なくともミラーとしての機能を有する薄膜が形成されていることを特徴とする薄膜素子であり、薄膜素子と一体となるミラーを形成することで、光ピックアップの部品として十分に小型である薄膜素子を製造することができる。
【0017】
本願の第6の発明は、本願の第1から第5のいずれかの発明において、各膜の膜応力、膜厚、膜厚分布、膜分割により薄膜素子の形状を制御することを特徴とする薄膜素子であり、薄膜素子の微細な形状制御ができる。特に圧電素子を用いた形状可変素子の場合は、電極を分割し、電圧印加領域と非電圧印加領域を設けることにより、電圧印加時の形状を微細に制御することが可能である。
【0018】
本願の第7の発明は、本願の第1から第6のいずれかの発明において、基板が少なくともSiを含む単層もしくは多層構造であることを特徴とする薄膜素子で、Siを用いることにより、安価で材料特性が安定した材料を入手することができ、半導体プロセスで用いられる加工方法を応用することが可能であるため、微細な加工が可能である。
【0019】
本願の第8の発明は、本願の第1から第7のいずれかの発明の薄膜素子の製造方法において、あらかじめ基板を所望の形状に加工した後に薄膜を形成することにより、ダイアフラム部の形状を制御することを特徴とする薄膜素子の製造方法であり、あらかじめ基板を所望の形状に加工することにより、通常薄膜素子の形状を決める因子として支配的である膜応力の影響を小さくすることができる。また、膜応力等による初期形状の制御方法では大きな曲率をもたせることは非常に困難だが、本発明によれば容易に大きな曲率をもたせた薄膜素子を製造することができる。
【0020】
本願の第9の発明は、本願の第8の発明において、前記基板の加工を、ウェットエッチング法を用いて行うことを特徴とする薄膜素子の製造方法であり、ウェットエッチングの等方性エッチングや結晶異方性を利用した異方性エッチングをすることにより、所望の形状へ加工することができる。大がかりな装置を必要としないなど、比較的簡単に製造可能であるという利点も有する。
【0021】
本願の第10の発明は、本願の第8の発明において、前記基板の加工を、ドライエッチング法を用いて行うことを特徴とする薄膜素子の製造方法であり、RIEを利用した等方性エッチング、ICP方式による異方性エッチング、など、加工方法の自由度が高く、微細な加工を行うことができる。前記ウェットエッチング法と比較すると、結晶異方性を利用しなくても異方性エッチングが可能で、プロセスの再現性が良く、管理しやすいという利点を持つ。基板の材料、形状精度などを考慮した上で、ウェットエッチング法と組み合わせて用いることにより形状自由度の向上、プロセスの効率化が可能である。
【0022】
本願の第11の発明は、本願の第9または第10の発明において、前記基板の加工を、グレースケールレジストを用いて行うことを特徴とする薄膜素子の製造方法であり、膜厚分布をもったグレースケールレジストを用い、レジストをエッチングしながら基板もエッチングすることにより、レジストの形状を基板に転写することができる。レジストと基板材料のエッチング選択比によりレジストの形状よりZ軸方向(高さ方向)に伸縮した形状を得ることができ、高精度で再現性の良い加工が可能である。
【0023】
本願の第12の発明は、本願の第9または第10の発明において、前記基板の加工を、ドーピング法を用いて行うことを特徴とする薄膜素子の製造方法であり、ドーピングを行うことにより材料特性を変化させ、選択的にドーピングされた部分のみ、または逆にドーピングされていない部分のみをウェットもしくはドライエッチング法でエッチングする方法である。ドーピング法にはイオン注入やプラズマドーピングなど、方法も多彩であり、等方性、異方性も自由に制御できることから微細な加工を行うことができる。
【0024】
本願の第13の発明は、本願の第8の発明において、前記基板の加工を、レーザーを用いて行うことを特徴とする薄膜素子の製造方法であり、加工形状が自由で、精度の良い加工を行うことができる。
【0025】
本願の第14の発明は、本願の第8の発明において、前記基板の加工を、機械的研削、研磨により行うことを特徴とする薄膜素子の製造方法であり、加工形状が自由で、加工時間が短く、精度の良い加工を行うことができる。
【0026】
本願の第15の発明は、本願の第8の発明において、前記基板の加工を、金型を用いたプレス加工により行うことを特徴とする薄膜素子の製造方法であり、精度良く再現性の良い加工ができ、生産性が非常に高い加工方法である。
【0027】
(実施の形態)
以下、本発明の実施の形態を、図面を用いてより詳細に説明する。なお、図面中の膜厚、基板の厚み、変形量等の寸法は理解を容易にするために実際の寸法とは異なる。
【0028】
図1は本発明の実施の形態に係る薄膜素子を上から見た時の斜視図である。この薄膜素子は、基板1の上に、第1電極2a、圧電膜3、第2電極2b、反射膜4が順次積層されてなるものである。
【0029】
以下、図1(a)のA−B断面図である図2により、本発明の薄膜素子の製造方法を説明する。
【0030】
初めに、図2(a)のような両面とも平面な基板1に図2(b)のように凹部を形成する加工を施す。基板1の材料として特に限定はないが、SiもしくはSiを含む多層基板を用いると半導体プロセスを用いて加工ができるため、精度の良い加工が可能である。加工形状は円形に限らず、平面形として図3に示すような楕円形、三角形、四角形、その他の多角形、星形など、断面形として図4に示すような上に凸な形状、非対称な形状、三角形、四角形、その他の多角形など、どのような形状をとっても良い。
【0031】
加工方法は、フライス盤を用いて所望の形状に加工を施し、研削表面を滑らかにするために回転軸付の砥石にて研磨を行う。このような研削、研磨を行う機器は多数存在するが、前記加工方法は一例を挙げているのであって、使用する加工機器は特に限定されない。
【0032】
基板加工を行う別の手段として、レジスト塗布、レジストのパターンニング、エッチングといった一連の半導体プロセスを用いた方法がある。一般的なエッチング方法として、ウェットエッチング、ドライエッチングがあり、材料、手法を選択することにより等方性または異方性エッチングが可能であるが、これらの組み合わせとさらに陰影効果を利用することにより自由な形状に加工することができる。しかし、この方法は複雑な曲面や精度を求められる形状の場合、再現性良く加工するのは非常に困難であるため、グレースケールレジストと組み合わせることが好ましい。グレースケールレジストとは、レジスト塗布後にバイナリマスクを複数回使用する多重露光をしたり、露光強度を変化させることができるグレースケール描画装置を用いて、レジストをグレースケール露光したり、また、透
過率が離散的または事実上連続的に変化するグレースケールマスクを用いてレジストを露光したりすることにより、制御された膜厚分布を持つレジスト膜のことである。このようにレジストの形状を所望の形状に加工を施した上でエッチングを行えば、レジストの形状が基板に転写され、比較的簡単に再現性の良い加工ができる。
【0033】
この他にもドーピング法を用いて、一部分だけ材料特性を変化させた上で、ウェットエッチングやドライエッチングにより材料特性を変化させた部分だけエッチングする方法や、種々のレーザーを用いた加工、金型を用いたプレスにより塑性変形を行うといった方法もある。
【0034】
次に、ダイアフラムを形成する膜を成膜する。膜の材料、形状、膜厚などに特に限定は無いが、ここでは形状可変薄膜ミラー素子として図2(c)のように第1電極2a、圧電膜3、第2電極2b、反射膜4の順に成膜する。成膜方法として、蒸着、スパッタ、CVDなどの真空プロセス、電着、めっきなどの電気化学反応、滴下、スピンコートなどによる塗布などを用いて行う。
【0035】
最後に、図2(d)のように基板1の裏面の加工を行う。加工方法は、ウェットエッチング、ドライエッチング、レーザー加工、機械的研削、研磨などを用いて行う。加工形状は円形に限らず楕円形、三角形、四角形、その他の多角形、星形など、どのような形状でも良い。
【0036】
このようにして作製した形状可変薄膜ミラー素子の初期形状は、基板の加工形状、ダイアフラムを形成する膜の構造などで大きく異なるが、ここではわかりやすくするために基板1の加工形状を下に凸な球面形状、膜は均一な2層膜として図5を用いて説明する。
【0037】
図5のような構造の場合、ダイアフラムは大きく分けると図6のような3通りの形状をとる。図6において、7はSi基板の加工形状を示す線であり、8はダイアフラムの形状(0V時)を示す線である。
【0038】
図5において、第1膜5と第2膜6の膜応力により発生するモーメントが0または上方向の場合、図6(a)のような変曲点の存在しない、球面に非常に近い形状となる。第1膜5と第2膜6の膜応力により発生するモーメントが下方向の場合、変曲点の存在しない形状とすることもできるが、膜応力の制御により図6(b)のような外周側に変曲点が存在する形状とすることもできる。この場合、内周側は極めて球面に近い形状となる。第1膜5が圧縮応力、第2膜6が引張応力であって、第1膜5と第2膜6の膜応力の差が大きい場合には、図6(c)のような上に凸であって、内周付近がつぶれた形状となる。
【0039】
図7に前述の形状をシミュレーションにより解析した結果を示す。図7(a)が図6(a)に、図7(b)が図6(b)に、図7(c)が図6(c)にそれぞれ対応する解析結果である。このように、膜応力を調整することにより、様々な形状のダイアフラムを作成できることがわかる。ここでは膜応力についてのみ説明したが、膜厚、膜の分割、膜厚分布を制御することにより、さらにダイアフラム形状の自由度は高まる。
【0040】
特に、圧電素子を用いてダイアフラムを駆動させる場合は、電極を分割することにより電圧印加時の形状も制御可能である。
【0041】
図8(a)に基板が平面のときの、図8(b)に基板が球面のときのダイアフラム形状(0V時)と電圧印加時のダイアフラムの変位形状のシミュレーション結果を、それぞれ示す。これによると、同一電圧を加えた時の変位量は、基板形状が平面の時に比べて球面の時の方が100倍以上大きく、本発明によって形状制御できるという効果だけではなく
、変位を拡大させることができるという効果もあることがわかる。
【0042】
図9に光学ピックアップの基本的な構成例を示す。レーザー光源9から発せられた光束はビームスプリッタ11を透過し、立ち上げミラーを兼用する形状可変ミラー素子12で反射され、対物レンズ14を通って、光ディスク15に結像する。そこで反射した光は形状可変ミラー素子12で反射して、ビームスプリッタ11を反射して受光素子10において電気信号に変換される。この構成においては、光束は形状可変ミラー素子12に45度入射する。形状可変ミラー素子12はドライバ13から制御電圧を供給される。ドライバ13は球面収差量を検知するモニター用受光素子(図示しない)や受光素子10等の受光手段の内で少なくとも一つからの信号をもとに、制御電圧の値を定め、形状可変ミラー素子12の曲率を変化させることができる。特に、レーザー光源9から出射される光が青から青紫の短波長光の場合、上記構成は特に有用である。
【0043】
別の形態における光学ピックアップの構成を図10に示す。レーザー光源9から発せられた光束は偏光ビームスプリッタ17を透過し、立ち上げミラー18で反射し、1/4波長板16および対物レンズ14を経て光ディスク15上で集光する。その後、光ディスクを反射した光は偏光状態を90度変え、立ち上げミラー18を経て、偏光ビームスプリッタ17で反射され、もう一枚の1/4波長板16を透過し形状可変ミラー素子12で反射され、再び1/4波長板16を透過して偏光状態を90度変えた後、偏光ビームスプリッタ17を透過して、受光素子10において電気信号に変換される。形状可変ミラー素子12はドライバ13から制御電圧を供給される。ドライバ13は球面収差量を検知するモニター用受光素子(図示しない)や受光素子10等の受光手段の内で少なくとも一つからの信号をもとに、制御電圧の値を定め、形状可変ミラー素子12の曲率を変化させることができる。特に、レーザー光源9から出射される光が青から青紫の短波長光の場合、上記構成は特に有用である。
【産業上の利用可能性】
【0044】
本発明によれば、顕微鏡、カメラ等、光学装置のフォーカス及び、CD/DVDドライブレコーダ、デコーダ、CD/DVDドライブなどに用いられる光学ピックアップ、特に、青色レーザーを用いた光学ピックアップや収差の補正が必要な光学装置に利用可能である。
【0045】
また、本発明によれば低エネルギー入力で大きな変位が得られるという特徴があるため、光学装置以外、例えばプリンタヘッド等の薄膜マイクロアクチュエータとして利用でき、圧電素子と電極を構成材料として組み込むことにより、正圧電効果を利用した高感度な圧力センサもしくは加速度センサのようなセンサとして利用することもできる。
【図面の簡単な説明】
【0046】
【図1】本発明の一実施の形態における薄膜素子を示す斜視図
【図2】本発明の一実施の形態における薄膜素子の断面図
【図3】本発明の一実施の形態における基板を示す平面図
【図4】本発明の一実施の形態における基板の断面図
【図5】本発明の一実施の形態における薄膜素子の断面図
【図6】本発明の一実施の形態における薄膜素子の形状を示す図
【図7】本発明の一実施の形態における薄膜素子の形状を示すシミュレーションのグラフ
【図8】本発明の一実施の形態における形状可変薄膜素子の変位形状を示すシミュレーションのグラフ
【図9】本発明による光学ピックアップの光路を示す図
【図10】本発明による別の形態における光学ピックアップの光路を示す図
【符号の説明】
【0047】
1 基板
2a 第1電極
2b 第2電極
3 圧電膜
4 反射膜
5 第1膜
6 第2膜
7 Si基板の加工形状を示す線
8 ダイアフラムの形状(0V時)を示す線
9 レーザー光源
10 受光素子
11 ビームスプリッタ
12 形状可変ミラー素子
13 ドライバ
14 対物レンズ
15 光ディスク
16 1/4波長板
17 偏光ビームスプリッタ
18 立ち上げミラー

【特許請求の範囲】
【請求項1】
少なくとも1層の薄膜から構成される曲面を有するダイアフラム部と、前記ダイアフラム部を支持する基板とから構成される薄膜素子において、ダイアフラム部の任意の位置における断面形状が変曲点を持たないことを特徴とする薄膜素子。
【請求項2】
少なくとも1層の薄膜から構成されるダイアフラム部と、前記ダイアフラム部を支持する基板とから構成される薄膜素子において、ダイアフラム部の総膜厚が100μm以下であり、ダイアフラム部の断面の少なくとも一部分が円形状であり、前記円形状の曲率半径が5mm以下であることを特徴とする薄膜素子。
【請求項3】
前記ダイアフラム部の少なくとも一部分が可動であることを特徴とする請求項1または2に記載の薄膜素子。
【請求項4】
前記ダイアフラム部が圧電体と、前記圧電体を挟むように位置する第1電極膜及び第2電極膜とから構成されていることを特徴とする請求項3に記載の薄膜素子。
【請求項5】
少なくともミラーとしての機能を有する薄膜が形成されていることを特徴とする請求項1から4のいずれかに記載の薄膜素子。
【請求項6】
各膜の膜応力、膜厚、膜厚分布、膜分割により形状が制御されることを特徴とする請求項1から5のいずれかに記載の薄膜素子。
【請求項7】
前記基板が少なくともSiを含む単層もしくは多層構造であることを特徴とする請求項1から6のいずれかに記載の薄膜素子。
【請求項8】
請求項1から7のいずれかに記載の薄膜素子の製造方法であって、あらかじめ基板を所望の形状に加工した後に薄膜を形成することにより、ダイアフラム部の形状を制御することを特徴とする薄膜素子の製造方法。
【請求項9】
前記基板の加工を、ウェットエッチング法を用いて行うことを特徴とする請求項8に記載の薄膜素子の製造方法。
【請求項10】
前記基板の加工を、ドライエッチング法を用いて行うことを特徴とする請求項8に記載の薄膜素子の製造方法。
【請求項11】
前記基板の加工を、グレースケールレジストを用いて行うことを特徴とする請求項9または10に記載の薄膜素子の製造方法。
【請求項12】
前記基板の加工を、ドーピング法を用いて行うことを特徴とする請求項9または10に記載の薄膜素子の製造方法。
【請求項13】
前記基板の加工を、レーザーを用いて行うことを特徴とする請求項8に記載の薄膜素子の製造方法。
【請求項14】
前記基板の加工を、機械的研削、研磨により行うことを特徴とする請求項8に記載の薄膜素子の製造方法。
【請求項15】
前記基板の加工を、金型を用いたプレス加工により行うことを特徴とする請求項8に記載の薄膜素子の製造方法。

【図1】
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【図2】
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【図3】
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【図4】
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【図5】
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【図6】
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【図7】
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【図8】
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【図9】
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【図10】
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【公開番号】特開2006−113108(P2006−113108A)
【公開日】平成18年4月27日(2006.4.27)
【国際特許分類】
【出願番号】特願2004−297423(P2004−297423)
【出願日】平成16年10月12日(2004.10.12)
【出願人】(000005821)松下電器産業株式会社 (73,050)
【Fターム(参考)】