(57)【要約】【課題】ＳＯＩ基板を用いたトーションバーによる揺動部を有するマイクロ構造体において、トーションバーの位置を精度良く測定できるようにする。【解決手段】マイクロミラー素子１は絶縁層を挟んで二つの導体層を積層したＳＯＩ基板を用いて製造される。マイクロミラー素子１はフレーム２とフレーム２内に一対のトーションバー４，４’で揺動自在に支持された揺動部材３を有する。フレーム２の上側領域２Ａに揺動部材３とトーションバー４，４’が形成され、フレーム２の下側領域２Ｂに揺動部材３の櫛歯電極３３に対応する櫛歯電極２１が形成されている。揺動部材３の一対のトーションバー４，４’の下部であって当該トーションバー４，４’の捩れ動作に干渉しない位置にそれぞれトーションバー４，４’の位置測定の基準面Ｓｒとなる構造体５，５’が形成されている。トーションバー４，４’の高さ方向における位置測定において、構造体５，５’の上面Ｓ１を基準面Ｓｒとすることで、位置測定の精度を向上させた。【選択図】  図２
2010038941.tif 000002
【特許請求の範囲】
【請求項１】
枠形状の固定部とこの固定部内に一対のトーションバーにより揺動自在に支持された揺動部を備え、絶縁層を挟んで二つの導体層を積層したＳＯＩ基板に前記固定部および前記揺動部を形成する加工を施して製造されるマイクロ構造体において、
前記一対のトーションバーは、一方の導体層の前記絶縁層に接する位置に当該導体層よりも薄い厚みで形成され、
他方の導体層の各トーションバーの下側に位置し、当該トーションバーの捩れ動作と干渉しない部分に、当該導体層と同一の厚みを有する構造体をそれぞれ設けたマイクロ構造体。
【請求項２】
前記構造体のトーションバーを臨む面を当該トーションバーの前記一方の導体層の厚み方向における位置の基準面とする、請求項１に記載のマイクロ構造体。
【請求項３】
前記構造体は、前記固定部および前記揺動部の両方の前記他方の導体層に形成されている、請求項１または２に記載のマイクロ構造体。
【請求項４】
前記構造体は、前記固定部または前記揺動部のいずれか一方の前記他方の導体層に形成されている、請求項１または２に記載のマイクロ構造体。
【請求項５】
前記トーションバーは、前記固定部と前記揺動部との間に接続された複数の棒状体を含み、
前記構造体は、前記他方の導体層の前記固定部、前記揺動部および前記複数の棒状体によって作られる空間形状の下側に位置する部分に設けられ、当該構造体の前記導体層の層に沿った断面形状は、前記空間形状と略同一の形状である、請求項１または２に記載のマイクロ構造体。
【請求項６】
前記構造体は、前記他方の導体層の前記固定部、前記揺動部および前記複数の棒状体によって作られる空間形状の下側に位置する部分に設けられる第１の構造体と、前記他方の導体層の前記複数の棒状体に対向する位置よりも外側の部分に設けられる第２の構造体とを含み、
前記第１の構造体の前記導体層の層に沿った断面形状は、前記空間形状と略同一の形状であり、前記第２の構造体の前記導体層の層に沿った断面形状は、前記複数の棒状体に沿う長辺を有する横長の矩形形状である、請求項１または２に記載のマイクロ構造体。
【請求項７】
前記構造体は、前記他方の導体層の前記絶縁体に接していない面に開口した筒形状である、請求項１または２に記載のマイクロ構造体。
【請求項８】
前記構造体は、２段エッチングプロセスによって筒形状に形成されている、請求項５に記載のマイクロ構造体。
【請求項９】
請求項１乃至８のいずれかに記載のマイクロ構造体で構成されるマイクロ素子。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、例えば、少なくとも１層の絶縁層を挟んで２層以上のシリコン層を積層してなるＳＯＩ（silicon on insulator）基板を加工して製造される、回転変位可能な揺動部を有するマイクロ構造体およびそのマイクロ構造体で構成されるマイクロ素子に関する。
【背景技術】
【０００２】
近年、ＳＯＩ基板を加工して製作される、回転変位可能な揺動部を有する各種のマイクロ構造体が提案されている。例えば、ＳＯＩ基板をマイクロマシニング技術により加工して、図２１に示すような、光反射機能を有する微小なマイクロミラー素子が提案されている（例えば、特開２００６−１６２６６３号公報）。なお、図２１は、同マイクロミラー素子の斜め上方から見た斜視図である。また、図２２は、同マイクロミラー素子のトーションバーの部分を拡大した斜視図であり、図２３は、図２２のＡ−Ａ線断面図である。
【０００３】
図２１に示すマイクロミラー素子１００は、アーム１０２の一方に円形状のミラー１０３を設ける一方、そのアーム１０２の他方に複数の櫛歯電極１０４を一列に設けた揺動部材を、アーム１０２のミラー１０３と櫛歯電極１０４との間にある１対のＶ字形のトーションバー１０５，１０５’によってマイクロミラー素子１００の高さ方向におけるフレーム１０１の上側領域１０１Ａに揺動自在に支持した構造を有している。フレーム１０１の下側領域１０１Ｂにあって、複数の櫛歯電極１０４に対向する部分には各櫛歯電極が複数の櫛歯電極１０４の隙間に位置するように複数の櫛歯電極１０６が形成されている。なお、図２１では、フレーム１０１の内側の内容が分かるように、フレーム１０１の上側領域１０１Ａの部分は一点鎖線で描いている。
【０００４】
従って、マイクロミラー素子１００は、櫛歯電極１０４と櫛歯電極１０６との間に電圧を印加することによって櫛歯電極１０４と櫛歯電極１０６との間に静電力（引力）を生じさせ、この静電力によりアーム１０２の他方端を下方に引っ張ることで、当該アーム１０２をトーションバー１０５，１０５’を回転軸として上下方向に回動させ、これによりミラー１０３のミラー面１０３Ａを微小変化させる構成となっている。
【０００５】
ＳＯＩ基板をマイクロマシニング技術により加工してマイクロミラー素子１００を製造する場合、２つのシリコン層の中間に絶縁層が形成されたＳＯＩ基板の上側のシリコン層（図２２，図２３のシリコン層ＳＬ１参照）に対して、表面からシリコン層を掘り下げてアーム１０２、ミラー１０３、複数の櫛歯電極１０４及びトーションバー１０５の部分が形成され、下側のシリコン層（図２２，図２３のシリコン層ＳＬ２参照）に対して、表面（図２３では面Ｓｂ）からシリコン層を掘り下げて複数の櫛歯電極１０６の部分が形成される。そして、最後に絶縁層（図２２，図２３の絶縁層ＢＯＸ参照）の不要部分（アーム１０２、ミラー１０３及び複数の櫛歯電極１０４をフレーム１０１の高さ方向に揺動可能にするために、フレーム１０１内で表裏面を貫通させなければならない部分。図２２の点線で示す１０９Ａの部分参照）を除去してマイクロミラー素子１００が完成される。
【０００６】
【特許文献１】特開２００６−１６２６６３号公報
【特許文献２】特開平１０−１９０００７号公報
【０００７】
ところで、図２１に示すマイクロミラー素子１００は、アーム１０２を一対のＶ字形のトーションバー１０５，１０５’によってフレーム１０１の内側面に捩れ可能に支持し、その１対のトーションバー１０５，１０５’を揺動軸としてアーム１０２を揺動させることによりミラー１０３のミラー面１０３Ａの角度を微小変化させる構成であるので、一対のトーションバー１０５，１０５’の機械的な特性、特にトーションバー１０５，１０５’への捩り力の作用とその捩り力の開放とを高速で繰り返したときのトーションバー１０５，１０５’の機械的な共振特性がミラー１０３のミラー面１０３Ａの角度制御に大きく影響する。
【０００８】
このため、１枚のＳＯＩ基板を加工して複数のマイクロミラー素子１００を製造した後、そのＳＯＩ基板の高さ方向におけるトーションバー１０５，１０５’の位置や形状を測定し、その測定結果に基づいて各ＳＯＩ基板で製造されるマイクロミラー素子１００の特性を把握することが行われている。
【０００９】
ＳＯＩ基板の高さ方向におけるトーションバー１０５，１０５’の位置情報は、図２３に示すように、ＳＯＩ基板の表面Ｓａまたは裏面Ｓｂをリファレンス面として、ＳＯＩ基板の表面Ｓａからトーションバー１０５，１０５’の表面Ｓｔまでの距離ｄ１若しくはＳＯＩ基板の裏面Ｓｂからトーションバー１０５の表面Ｓｔまでの距離ｄ２として求められ、トーションバー１０５の形状情報は、トーションバー１０５における複数の位置での距離ｄ１または距離ｄ２の集まりとして求められるが、ＳＯＩ基板に製造される複数のマイクロミラー素子１００の各トーションバー１０５，１０５’は、ＳＯＩ基板の高さ方向において宙に浮いた状態となっているので、実際に製作された複数のマイクロミラー素子１００のいずれかでトーションバー１０５，１０５’の位置や形状を正確に測定することは困難である。
【００１０】
そこで、従来は、ＳＯＩ基板のマイクロミラー素子１００が製造されない領域に、実際に製作されるトーションバー１０５，１０５’と同じ形状のダミートーションバー１１０を形成し、そのダミートーションバー１１０を用いてＳＯＩ基板の表面Ｓａまたは裏面Ｓｂからの距離ｄ１またはｄ２を測定することが行われている。
【００１１】
なお、ダミートーションバー１１０の形状はトーションバー１０５と同様にＶ字状をしているが、図２４に示すように、ダミートーションバー１１０は宙に浮いておらず、ダミートーションバー１１０の下面まで土台１１１を残しておき、その上に形成したものである。従って、ダミートーションバー１１０による位置測定では、土台１１１の表面Ｓｃとダミートーションバー１１０の表面Ｓｔの段差ｄ３をダミートーションバー１１０上の複数の箇所で測定し、各段差ｄ３に土台１１１の高さｄ４を加算してＳＯＩ基板の裏面Ｓｂからの距離ｄ２が算出されている。
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【００１２】
ところで、マイクロミラー素子１００を製造するためのＳＯＩ基板は、例えば、上側のシリコン層ＳＬ１の厚みが１００μｍ程度、下側のシリコン層ＳＬ２の厚みが数１００μｍ程度、中間の絶縁層ＢＯＸの厚みが数μｍ程度の非常に薄い基板であるから、ＳＯＩ基板の高さ方向におけるトーションバー１０５，１０５’の位置測定で測定される距離ｄ１または距離ｄ２はμｍオーダーの微小寸法である。
【００１３】
従って、トーションバー１０５，１０５’の位置測定では、数μｍの誤差が数％乃至十数％の測定誤差となるため、非常に高い精度が要求される。しかしながら、従来のトーションバー１０５，１０５’の位置測定では、実際に製造された複数のマイクロミラー素子１００のトーションバー１０５，１０５’の位置を測定しておらず、これらのマイクロミラー素子１００の製造位置とは異なる位置に製造したダミートーションバー１１０を用いて間接的に測定しているので、トーションバー１０５，１０５’の位置測定及び形状測定の精度が十分とは言えないという問題があった。
【００１４】
なお、上記の問題は、マイクロミラー素子に限られず、トーションバーを用いた同様の揺動部を有する、加速度センサ、角速度センサ、振動素子などの他のマイクロ構造体についても同様に言えることである。
【００１５】
本発明は、上記の課題に鑑みてなされたものであり、ＳＯＩ基板を加工して製造されるトーションバーを用いた揺動部を有するマイクロ構造体において、実際に製作されるマイクロ構造体のトーションバーの位置及び形状を精度良く測定することのできるマイクロ構造体及びそれを用いたマイクロデバイスを提供することを、目的とする。
【課題を解決するための手段】
【００１６】
本発明により提供されるマイクロ構造体は、枠形状の固定部とこの固定部内に一対のトーションバーにより揺動自在に支持された揺動部を備え、絶縁層を挟んで二つの導体層を積層したＳＯＩ基板に前記固定部および前記揺動部を形成する加工を施して製造されるマイクロ構造体において、前記一対のトーションバーは、一方の導体層の前記絶縁層に接する位置に当該導体層よりも薄い厚みで形成され、他方の導体層の各トーションバーの下側に位置し、当該トーションバーの捩れ動作と干渉しない部分に、当該導体層と同一の厚みを有する構造体をそれぞれ設けたものである。
【発明の効果】
【００１７】
本発明によれば、他方の導体層の各トーションバーの下側に位置し、当該トーションバーの捩れ動作と干渉しない部分に、当該導体層と同一の厚みを有する構造体をそれぞれ設けたので、この構造体のトーションバーを臨む面を当該トーションバーの一方の導体層の厚み方向における位置の基準面とすることにより、ＳＯＩ基板に固定部および揺動部を形成する加工を施してマイクロ構造体を製造するプロセスにおいて、当該ＳＯＩ基板に形成されたマイクロ構造体のトーションバーのＳＯＩ基板の厚み方向における位置を構造体の基準面からの位置として測定し、その測定結果を用いて、例えば、ＳＯＩ基板の表面または裏面からのトーションバーの位置を算出することにより、トーションバーの位置及び形状を高精度で測定することができる。
【００１８】
この結果、各ＳＯＩ基板を用いて製造されるマイクロ構造体のトーションバーの位置及び形状に基づく共振特性を高い精度で把握することができる。
【００１９】
本発明のその他の特徴および利点は、添付図面を参照して以下に行う詳細な説明によって、より明らかとなろう。
【発明を実施するための最良の形態】
【００２０】
本発明に係るマイクロ構造体について、マイクロミラー素子を例に説明する。
【００２１】
図１は、本発明に係るマイクロミラー素子を示す斜視図である。図２は、同マイクロミラー素子に設けられた構造体の部分を示す斜視図である。また、図３（ａ）は、同マイクロミラー素子のトーションバーの部分を上から見た図、図３（ｂ）は、図２のIII−III線断面図である。また、図４，図５は、同マイクロミラー素子の製造工程を示す図、図６は、同マイクロマラー素子のトーションバーの位置の測定方法を示す図である。
【００２２】
マイクロミラー素子１は、平面視で長方形の枠形状を有するフレーム２と、楕円形状のミラー部３１の長軸上に揺動軸３２を延長し、その揺動軸３２の先端部に複数の櫛歯電極３３を一列に突設した揺動部材３を備えている。揺動部材３は、フレーム２の内側に一対のＶ字状のトーションバー４，４’によって揺動可能に支持されている。
【００２３】
フレーム２は高さ方向で２つの領域に分けられ、揺動部材３はフレーム２内の上側領域２Ａに配置されている。一方、フレーム２の下側領域２Ｂの内側面であって、揺動部材３の複数の櫛歯電極３３に臨む部分には複数の櫛歯電極２１が突設されている。複数の櫛歯電極２１は、各櫛歯電極が複数の櫛歯電極３３の隙間の略中央に位置している。なお、図１では、フレーム２の内側の内容が分かるように、フレーム２の上側領域２Ａの部分は一点鎖線で描いている。
【００２４】
フレーム２の厚みの寸法Ｌ３は、例えば、５〜５０μｍであり、高さ方向の寸法Ｈは、例えば６００μｍ程度である。
【００２５】
マイクロミラー素子１は、後述するように、ＭＥＭＳ（Micro Electro Mechanical Systems）技術などのバルクマイクロマニシング技術により、例えば、絶縁膜（ＢＯＸ（Buried Oxide）層）６３を挟んで２つのシリコン層６１，６２が積層されたＳＯＩ基板６に対して加工を施して製造されたものである（図４，図５参照）。ＳＯＩ基板６の２つのシリコン層６１，６２は不純物のドープにより導電性を有している。
【００２６】
揺動部材３は、ＳＯＩ基板６の表面側のシリコン層６１（以下、「第１シリコン層６１」という。）を加工して形成される。従って、フレーム２の第１シリコン層６１に相当する領域が上側領域２Ａとなっている。また、フレーム２の複数の櫛歯電極２１は、ＳＯＩ基板６の裏面側のシリコン層６２（以下、「第２シリコン層６２」という。）を加工して形成される。従って、フレーム２の第２シリコン層６２と絶縁膜６３に相当する領域が下側領域２Ｂとなっている。
【００２７】
ミラー部３１は、第１シリコン層６１と略同一の厚みを有する楕円板状の形状を有している。楕円板の表面にミラー面３１１が形成されている。ミラー部３１の短軸方向の寸法Ｌ１は、例えば、２０〜３００μｍである。
【００２８】
一方、揺動軸３２は、第１シリコン層６１と略同一の幅を有する短冊状の板材である。揺動軸３２は、板材の幅方向をミラー部３１の高さ方向（図１の上下方向）に一致させて当該ミラー部３１に延設されている。揺動軸３２の高さ方向の寸法Ｌ２は、例えば、１０〜１００μｍである。
【００２９】
複数の櫛歯電極３３は、第１シリコン層６１と略同一の幅を有する長方形状の片部材である。複数の櫛歯電極３３は、揺動軸３２の両方の面に所定の間隔を設けてフレーム２の長辺側の側面に向かってそれぞれ突設されている。揺動軸３２の一方の面に突設された複数の櫛歯電極３３は、他方の面に突設された複数の櫛歯電極３３とそれぞれ対をなしている。
【００３０】
一方、複数の櫛歯電極２１は、第２シリコン層６２と略同一の幅を有する長方形状の片部材である。複数の櫛歯電極２１は、フレーム２の長辺に沿う両内側面に櫛歯電極３３の間隔と同一の間隔を設けて揺動軸３２に向かってそれぞれ突設されている。各櫛歯電極２１は、櫛歯電極３３の各間隔の中央に位置するように配置されている。
【００３１】
一対のトーションバー４，４’は、断面が矩形状の棒部材をＶ字状に繋ぎ合わせた形状を有している。一対のトーションバー４，４’は、揺動軸３２のミラー部３１とこのミラー部３１に最も近い櫛歯電極３３との間の所定の位置（揺動部材３の重心位置Ｍまたはその近傍位置）に設けられている。各トーションバー４，４’は、Ｖ字の開いた側が揺動軸３２の側面に接続され、Ｖ字の窄まった側がフレーム２の側面に接続されている。各トーションバー４，４’は、その厚みが揺動軸３２の高さ方向の寸法よりも短く、揺動軸３２の高さ方向において下辺の近傍位置（絶縁膜６３に近接した位置）に設けられている（図２参照）。
【００３２】
櫛歯電極３３は、揺動軸３２を揺動させるための駆動電圧（直流電圧）が印加される部分である。櫛歯電極３３は、第１シリコン層６１の導電性により電極として機能する。ミラー部３１、揺動軸３２、複数の櫛歯電極３３及び一対のトーションバー４，４’は、後述するように導電性を有する第１シリコン層６１によって一体的に形成されるので、これらの部材のいずれかに電圧が印加されると、複数の櫛歯電極３３に電圧が印加される。同様に、櫛歯電極２１も揺動軸３２を揺動させるための駆動電圧（櫛歯電極３３とは逆極性の電圧）が印加される部分である。櫛歯電極２１は、第２シリコン層６２の導電性により電極として機能する。
【００３３】
第１シリコン層６１と第２シリコン層６２は、絶縁膜６３により電気的に絶縁されている。従って、第１シリコン層６１に形成された揺動部材３と第２シリコン層６２に形成されたフレーム２との間に駆動電圧を印加しても、フレーム２の櫛歯電極２１と揺動部材３の櫛歯電極３３とが短絡することはなく、両電極間に駆動電圧に基づく電位差が生じる。そして、その電位差により櫛歯電極２１と揺動部材３の間に互いに引き合う静電力が生じ、この静電力により揺動部材３の櫛歯電極３３が下側領域２Ｂに下降し、ミラー部３１が上側領域２Ａよりも上側に上昇する。櫛歯電極３３の下側領域２Ｂへの下降により一対のトーションバー４，４’に捩れが生じ、その捩れに起因する復元力が揺動部材３に作用する。従って、櫛歯電極３３は、その復元力と静電力とがバランスする位置まで下降する。静電力は駆動電圧に比例するから、駆動電圧の大きさに応じて櫛歯電極３３の下降量が変化し、この結果、ミラー部３１のミラー面３１１の水平面（絶縁膜６３に沿う面）に対する傾斜角θが変化する。
【００３４】
一方、駆動電圧の印加がなくなると、櫛歯電極２１と櫛歯電極３３との間に生じていた静電力がなくなる。従って、各トーションバー４，４’の復元力により櫛歯電極３３は、元の位置に戻り、ミラー部３１のミラー面３１１は水平位置に戻る。この結果、駆動電圧を０［Ｖ］を含めて連続的若しくは段階的に変化させることにより、ミラー部３１のミラー面３１１の水平面に対する傾斜角θが連続的若しくは段階的に変化する。
【００３５】
マイクロミラー素子１のミラー面３１１の角度制御は、図１に示すように、フレーム２と揺動部材３との間に駆動電圧を印加する駆動回路７を接続し、この駆動回路７からの駆動電圧値を制御回路８により制御することによって行われる。ミラー面３１１の傾斜角を所定のピッチで多段階に設定するとともに、各段の傾斜角θに対応する制御信号を設定しておき、制御回路８からその制御信号を駆動回路７に出力することで、マイクロミラー素子１のミラー面３１１の傾斜角θが制御される。
【００３６】
制御回路８が駆動回路７からの駆動電圧を高速で変化させたときには、揺動部材３が図１の矢印Ｒで示す方向に、高速振動する。このときの揺動部材３の振動特性は、一対のトーションバー４，４’の機械構造に基づく捩れに対する共振特性に依存する。そして、その共振特性は、ＳＯＩ基板６を加工して形成される各トーションバー４，４’のＶ字形状やＳＯＩ基板６の高さ方向における位置によって大きく変化する。そこで、本実施形態では、各トーションバー４，４’のマイクロミラー素子１の高さ方向における位置を正確に測定できるようにするために、図２に示すように、揺動部材３の各トーションバー４，４’の下側に、それぞれ位置測定用の基準面Ｓｒを与える構造体５，５’を設けている。なお、図１，図２では、構造体５’は見えていない。また、図２では、構造体５を見易くするために、フレーム２の部分は省力している。
【００３７】
各構造体５，５’は、三角柱状を有している。一方の構造体５の三角柱の平面視の形状（絶縁層６３に沿う断面形状）は、図３（ａ）に示すように、トーションバー４と揺動軸３２とで囲まれた三角形とほぼ同一となっている。従って、一方の構造体５は、トーションバー４と揺動軸３２とで囲まれた三角形の空間Ｋの下部に位置するように、第２シリコン層６２に設けられている。構造体５の上面Ｓ１は、図３（ｂ）に示すように、第２シリコン層６２と絶縁層６３との境界面Ｓｐと一致し、構造体５の下面Ｓ２は第２シリコン層６２の開放面（図３（ｂ）では下面）Ｓｑと一致している。そして、構造体５の上面Ｓ１がトーションバー４のマイクロミラー素子１の高さ方向における位置側定の基準面Ｓｒとなっている。他方の構造体５’も上述した一方の構造体５と同様の構成である。
【００３８】
次に、図１に示すマイクロミラー素子１の製造方法について、図４および図５を用いて説明する。
【００３９】
図４および図５に示すマイクロミラー素子１の製造方法は、バルクマイクロマニシング技術を用いるマイクロ構造体の製造方法の一手法である。図４および図５においては、図５（ｄ）に示すミラー支持部Ｍ、揺動軸ＡＲ、フレームＦ１，Ｆ２、トーションバーＴ１，Ｔ２、一組の櫛歯電極Ｅ１，Ｅ２および構造体Ｇの形成過程を、一の断面の変化として表す。この一の断面は、加工が施される材料基板（多層構造を有するウエハ）における単一のマイクロミラー素子形成区画に含まれる複数の所定箇所の断面を、モデル化して連続断面として表したものである。ミラー支持部Ｍは、ミラー部３１の一部に相当する。揺動軸ＡＲは、揺動軸３２に相当し、揺動軸３２の横断面を表す。フレームＦ１，Ｆ２は、それぞれフレーム２に相当し、フレーム２の横断面を表す。トーションバーＴ１は、トーションバー４に相当し、トーションバー４の延び方向の断面を表す。トーションバーＴ２は、トーションバー４’に相当し、トーションバー４’の横断面を表す。櫛歯電極Ｅ１は、櫛歯電極３３の一部に相当し、電極歯の横断面を表す。櫛歯電極Ｅ２は、櫛歯電極２１の一部に相当し、電極歯の横断面を表す。
【００４０】
マイクロミラー素子１の製造においては、まず、図４（ａ）に示すような材料基板６を用意する。材料基板６は、第１シリコン層６１と、第２シリコン層６２と、両シリコン層６１，６２間の絶縁層６３とからなる積層構造を有するＳＯＩ基板である。第１シリコン層６１および第２シリコン層６２は、不純物をドープすることにより導電性を付与されたシリコン材料よりなる。不純物としては、Ｂなどのｐ型不純物や、ＰおよびＳｂなどのｎ型不純物を採用することができる。絶縁層６３は、例えば、酸化シリコンよりなる。第１シリコン層６１の厚さｈ１は、例えば、１０〜１００μｍであり、第２シリコン層６２の厚さｈ２は、例えば、５０〜５００μｍであり、絶縁層６３の厚さｈ３は、例えば、０．３〜３μｍである。
【００４１】
次に、図４（ｂ）に示すように、第１シリコン層６１上にミラー面３１１を形成する。ミラー面３１１の形成においては、スパッタリング法により、第１シリコン層６１の表面に、例えば、Ｃｒ（５０ｎｍ）を成膜した後、その上にＡｕ（２００ｎｍ）を成膜する。次に、所定のマスクを介してこれら金属膜に対してエッチング処理を順次行うことにより、ミラー面３１１をパターン形成する。Ａｕに対するエッチング液としては、例えば、ヨウ化カリウム−ヨウ素水溶液を使用することができる。Ｃｒに対するエッチング液としては、例えば硝酸第二セリウムアンモニウム水溶液を使用することができる。
【００４２】
次に、図４（ｃ）に示すように、第１シリコン層６１上に酸化膜パターン６４およびレジストパターン６５を形成し、第２シリコン層６２上に酸化膜パターン６６を形成する。酸化膜パターン６４は、揺動部材３（ミラー支持部Ｍ，揺動軸ＡＲ，櫛歯電極Ｅ１）およびフレーム２（フレームＦ１，Ｆ２）に対応するパターン形状を有する。レジストパターン６５は、両トーションバー４，４’（トーションバーＴ１，Ｔ２）に対応するパターン形状を有する。また、酸化膜パターン６６は、フレーム２（フレームＦ１，Ｆ２）、櫛歯電極２１（櫛歯電極Ｅ２）および構造体５，５’（構造体Ｇ）に対応するパターン形状を有する。
【００４３】
次に、図４（ｄ）に示すように、酸化膜パターン６４およびレジストパターン６５をマスクとして、ＤＲＩＥ（deep reactive ion etching）により、第１シリコン層６１に対し所定の深さまでエッチング処理を行う。所定の深さとは、トーションバーＴ１，Ｔ２の厚さに相当する深さであり、例えば５μｍである。ＤＲＩＥでは、エッチングと側壁保護とを交互に行うＢｏｓｃｈプロセスにおいて、良好なエッチング処理を行うことができる。後出のＤＲＩＥについても、このようなＢｏｓｃｈプロセスを採用することができる。
【００４４】
次に、図５（ａ）に示すように、剥離液を作用させることにより、レジストパターン６５を剥離する。剥離液としては、例えば、ＡＺリムーバ７００（クラリアントジャパン製）を使用することができる。
【００４５】
次に、図５（ｂ）に示すように、酸化膜パターン６４をマスクとして、ＤＲＩＥにより、トーションバーＴ１，Ｔ２を残存形成しつつ第１シリコン層６１に対して絶縁層６３に至るまでエッチング処理を行う。本エッチング処理により、揺動部材３（ミラー支持部Ｍ，揺動軸ＡＲ，櫛歯電極Ｅ１）、両トーションバー４，４’（トーションバーＴ１，Ｔ２）、および、フレーム２（フレームＦ１，Ｆ２）の一部が成形される。
【００４６】
次に、図５（ｃ）に示すように、酸化膜パターン６６をマスクとして、ＤＲＩＥにより第２シリコン層６２に対して絶縁層６３に至るまでエッチング処理を行う。本エッチング処理により、フレーム２（フレームＦ１，Ｆ２）の一部、櫛歯電極２１（櫛歯電極Ｅ２）および構造体５，５’（構造体Ｇ）が成形される。
【００４７】
次に、図５（ｄ）に示すように、絶縁層６３において露出している箇所、および酸化膜パターン６４，６６を、エッチング除去する。エッチング手法としては、ドライエッチングまたはウエットエッチングを採用することができる。ドライエッチングを採用する場合、エッチングガスとしては、例えば、ＣＦ4やＣＨＦ3などを採用することができる。ウエットエッチングを採用する場合、エッチング液としては、例えば、フッ酸とフッ化アンモニウムからなるバッファードフッ酸（ＢＨＦ）を使用することができる。
【００４８】
以上の一連の工程を経ることにより、ミラー支持部Ｍ、揺動軸ＡＲ、フレームＦ１，Ｆ２、トーションバーＴ１，Ｔ２、一組の櫛歯電極Ｅ１，Ｅ２および構造体Ｇを成形してマイクロミラー素子１が製造される。
【００４９】
トーションバー４，４’のマイクロミラー素子１の高さ方向における位置は、図３（ｂ）に示すように、フレーム２の下面（構造体５の下面Ｓ２に相当）から各トーションバー４，４’の上面Ｓｔまでの距離Ｌｔとして求められる。この距離Ｌｔは、例えば、第２シリコン層６２の厚みをｈ２とし、構造体５の基準面Ｓｒからトーションバー４の上面Ｓｔまでの距離をＬｔ２とすると、Ｌｔ＝ｈ２＋Ｌｔ２で表される。ＳＯＩ基板６の第２シリコン層６２の厚みｈ２は、既知であるから、距離Ｌｔ２を正確に測定できると、距離Ｌｔを正確に求めることができる。
【００５０】
本実施形態では、ＳＯＩ基板６に実際に形成されるマイクロミラー素子１に基準面Ｓｒを与える構造体５，５’を形成している。従って、例えば、図６（ａ）に示すように、測定ラインＮ上にレーザー光を照射し、その反射光によりレーザー照射位置から反射面まで距離Ｄを測定することより、その測定結果を用いて距離Ｌｔが測定される。具体的には、同図（ｂ）に示すような波形を取得し、その波形の段差から距離Ｌｔ２を正確に測定し、この測定値Ｌｔ２に予め測定されている第２シリコン層６２の厚みｈ２を加算して、各トーションバー４，４’のフレーム２の高さ方向における位置の測定値Ｌｔが測定される。
【００５１】
上記のように、本実施形態では、ＳＯＩ基板６に形成される複数のマイクロミラー素子１の全てに、一対のトーションバー４，４’のマイクロミラー素子１の高さ方向における位置を測定するための基準面Ｓｒを与える一対の構造体５，５’を一体的に形成している。従って、同一のＳＯＩ基板６に形成される複数のマイクロミラー素子１の一部のマイクロミラー素子１について、マイクロミラー素子１毎に構造体５，５’の基準面Ｓｒを用いたトーションバー４，４’の位置測定をすることにより、トーションバー４，４’の位置を正確に測定することができる。そして、その測定値を用いて同一のＳＯＩ基板６に形成された複数のマイクロミラー素子１のトーションバー４，４’の共振特性を正確に把握することができる。
【００５２】
なお、一対の構造体５，５’は、上記のように、一対のトーションバー４，４’のマイクロミラー素子１の高さ方向における位置を測定する際に測定の基準面Ｓｒを与える機能を果たすだけである。一対の構造体５，５’は、各マイクロミラー素子１の本来の機能動作（揺動部材３を揺動させてミラー面３１１の傾斜角θを変化させる動作）には関係しない。むしろ、各構造体５，５’は、各トーションバー４，４’の下部にそれぞれ設けられるので、揺動部材３の揺動動作における各トーションバー４，４’の捩れに干渉してはならないように配置する必要がある。
【００５３】
従って、構造体５については、
（１）ＳＯＩ基板６の第２シリコン層６２を加工し、少なくとも当該第２シリコン層６２の境界面Ｓｐを残して形成する、
（２）各トーションバー４，４’の下部であって各トーションバー４，４’の捩れに干渉しない位置に形成する、
の条件を満たすものであれば、図２に示す構造に限定されるものではない。
【００５４】
例えば、本実施形態では、各トーションバー４，４’がＶ字状をしているので、各構造体５，５’の断面形状を三角形の空間Ｋとほぼ同一の形状としたが、必ずしも各構造体５，５’の断面形状を三角形の空間Ｋと合わせる必要はない。例えば、各構造体５，５’の断面形状を台形状にしてもよい。
【００５５】
また、図７に示すように、構造体５を、Ｖ字形のトーションバー４の外側の下部に当該トーションバー４の外側形状に沿う一対の板部材５Ａ，５Ｂで構成してもよい。この場合は、板部材５Ａ，５Ｂの各上面Ｓ5A，Ｓ5Bが基準面Ｓｒとして機能する。さらに、構造体５を、図８に示すように、図２の構成と図７の構成を組み合わせた構成としてもよい。この場合、外側の板部材５Ａ，５Ｂと内側の三角柱部材５Ｃの各上面Ｓ5A，Ｓ5B，Ｓ5Cが基準面Ｓｒとして機能する。上記のことは、構造体５’についても同様である。なお、図７（ａ）および図８（ａ）では、構造体５Ａ〜５Ｃを見易くするために、フレーム２の部分は省略している。
【００５６】
構造体５，５’は、マイクロミラー素子１のミラー面３１１を振動させる構成要素の観点から見れば、必ずしも必要な要素ではない。従って、構造体５，５’を可及的に軽量にし、ミラー面３１１の振動特性への影響をできるだけ少なくすることが好ましい。
【００５７】
この目的のため、例えば、図９に示すように、三角柱状の構造体５の内部を第２シリコン層６２の面Ｓｑ側から刳り貫き、筒体にするとよい。筒状の構造体５は、第２シリコン層６２に２段ＤＲＩＥ（deep reactive ion etching）プロセスを適用することによって形成することができる。構造体５’についても同様である。なお、図９は、構造体５の穴を見易くするために、底面側から描いている。また、構造体５を見易くするために、フレーム２の部分は省略している。
【００５８】
ところで、ＳＯＩ基板６を加工してマイクロミラー素子１を製造する場合、ローディング効果（エッチングにおける開口面積の差に起因して第１シリコン層６１の除去速度が不均一とになり、各トーションバー４，４’のＶ字形が不均一になるという効果）を抑制するために、図１０に示すように、各トーションバー４，４’の上部に、構造体５，５’と類似した形状の第２の構造体７がそれぞれ形成される場合がある。第２の構造体７は、トーションバー４と揺動軸３２とで囲まれた三角形の空間Ｋと相似形で当該三角形よりも小さい三角形の断面形状を有する。
【００５９】
本願発明に係る構造体５，５’は、第２の構造体７とはその目的が相違し、互いに干渉するものではないので、図１０に示すように、第２の構造体７が形成されたマイクロミラー素子に対しても形成することができる。なお、図１０では、構造体５および第２の構造体７を見易くするために、フレーム２の部分は省略している。
【００６０】
次に、本発明に係るマイクロ構造体の適用例について説明する。
【００６１】
光クロスコネクト装置などの各種の光通信用デバイスに適用される光スイッチの大規模化を実現するために、反射面の角度が制御可能な複数のマイクロティルトミラーアレイを用いた空間光結合型の光スイッチが知られている。本発明に係るマイクロ構造体の適用例としてこのような光スイッチが挙げられる。
【００６２】
図１１，図１２は、本発明に係るマイクロ構造体を適用したマイクロティルトミラーアレイを用いた光スイッチの一例を示す図である。図１１は、マイクロティルトミラーアレイを用いた光スイッチの基本構成を示す図、図１２は、同光スイッチの上面図である。
チである。
【００６３】
光スイッチ１０は、光入出力部材１１と、入出力光反射ミラー１２と、折返しミラー１３を有する。光入出力部材１１は、光を入力させる光入力部１１Ａと光を出力させる光出力部１１Ｂとを同一平面上に並設した部材である。光入力部１１Ａと光出力部１１Ｂには、それぞれコリメータアレイが設けられている。各コリメータアレイは、複数のコリメータを格子状に配列したものである。
【００６４】
入出力光反射ミラー１２は、光入出力部材１１の光入力部１１Ａから入力された光を折返しミラー１３側に反射する入力光反射部１２Ａと折返しミラー１３から戻された光を光入出力部材１１の光出力部１１Ｂ側に反射する出力光反射部１２Ｂとを同一平面上に並設した部材である。入力光反射部１２Ａと出力光反射部１２Ｂには、それぞれティルトミラーアレイが設けられている。各ティルトミラーアレイは、格子状に配列された複数のマイクロミラー素子である。そして、そのマイクロミラー素子は、上述した本願発明に係るマイクロミラー素子１によって構成されている。従って、入力光反射部１２Ａおよび出力光反射部１２Ｂに形成された複数のマイクロミラー素子のそれぞれに、上述した構造体５，５’が形成されている。
【００６５】
入力光反射部１２Ａに設けられたティルトミラーアレイの各ミラー面の傾斜角を変化させることにより、入力光反射部１２Ａから折返しミラー１３に反射される入力光の光路が変化する。同様に、出力光反射部１２Ｂに設けられたティルトミラーアレイの各ミラー面の傾斜角を変化させることにより、出力光反射部１２Ｂから光入出力部材１１の光出力部１１Ｂに反射される出力光の光路が変化する。従って、入力光反射部１２Ａおよび出力光反射部１２Ｂの各ティルトミラーアレイの各ミラー面の傾斜角をそれぞれ制御することにより、光入出力部材１１の光入力部１１Ａから入出力光反射ミラー１２の入力光反射部１２Ａ、折返しミラー１３および入出力光反射ミラー１２の出力光反射部１２Ｂを通って光入出力部材１１の光出力部１１Ｂに至る光路が制御される。これにより、入力する光の光入力部１１Ａにおけるコリメータアレイの入射位置とその光の光出力部１１Ｂにおけるコリメータアレイの出射位置とが変化し、光路が切り換えられる。
【００６６】
光入出力部材１１の光の入出力面の法線方向ｎ１と、入出力光反射ミラー１２の光の反射面の法線方向ｎ２は非平行となるように設定されている。具体的には、光入出力部材１１の光の入出力面と入出力光反射ミラー１２の光の反射面のなす角度は略４５度に設定されている。また、折返しミラー１３は、略直角に開いた２つの反射面１３Ａと反射面１３Ｂを有している。２つの反射面１３Ａと反射面１３Ｂの開き角を略９０度にすることによって入射光の伝播方向に平行な方向に光のビームが折り返されるので、光学系の設計を容易に行うことができる。折返しミラー１３は、入出力光反射ミラー１２に対して、一方の反射面１３Ａが入出力光反射ミラー１２の入力光反射部１２Ａに対向し、他方の反射面１３Ｂが入出力光反射ミラー１２の出力光反射部１２Ｂに対向するように配置されている。
【００６７】
従って、図１２において、入出力光反射ミラー１２の各マイクロミラー素子のミラー面が反射面に平行であれば、例えば、光入出力部材１１の光入力部１１Ａの入力位置ａから上方に入力される光は、図１２の光路Ｔ１で示されるように、入出力光反射ミラー１２のミラー面で略直角に右方向に反射されて折返しミラー１３の反射面１３Ａに入射される。反射面１３Ａに入射した光は、略直角に上方に反射されて反射面１３Ｂに入射され、反射面１３Ｂで略直角に左方向に反射されて入出力光反射ミラー１２の出力光反射部１２Ｂに入射される。そして、出力光反射部１２Ｂで略直角に下方に反射されて光入出力部材１１の光出力部１１Ｂの出力位置ｂから出力される。
【００６８】
一方、入出力光反射ミラー１２の各マイクロミラー素子のミラー面を反射面に対して傾斜させると、例えば、図１２の光路Ｔ２で示されるように、光路が変化し、光入出力部材１１の光入力部１１Ａの入力位置ａから入射された光は、光出力部１１Ｂの出力位置ｂ’から出力される。すなわち、光出力部１１Ｂにおける出力位置が出力位置ｂから出力位置ｂ’に切り換えられる。
【００６９】
光スイッチ１０は、光入出力部材１１、入出力光反射ミラー１２および折返しミラー１３の相互の配置関係を図１２に示す配置関係にすることにより、光スイッチ１０内における光の空間伝播距離を長くすることなく、光入出力部材１１、入出力光反射ミラー１２および折返しミラー１３を一体化してコンパクトに構成される。特に、光入出力部材１１の光の入出力面と入出力光反射ミラー１２の光の反射面のなす角度を略４５度に設定することにより、入出力光反射ミラー１２の各マイクロミラー素子の光の振れ角に対する、入出力光反射ミラー１２と折返しミラー１３との間における光路の長さを最も短くすることができる。
【００７０】
なお、光入出力部材１１のコリメータアレイの配列方向（図１２のＮ１の方向）、入出力光反射ミラー１２のマイクロティルトミラーアレイの配列方向（図１２のＮ２の方向）、および折返しミラー１３の光路のシフト方向（図１２のＮ３の方向）がそれぞれ入出力光反射ミラー１２の法線方向ｎ２と光入出力部材１１から入力される光の伝播方向とを含む基準平面に対して平行になるようにしてもよい。あるいは、基準平面に対して上記のＮ１〜Ｎ３の各方向が垂直なるようにしてもよい。この場合は、光スイッチ１０内の光の空間伝播距離を更に短くすることができる。
【００７１】
次に、光スイッチの他の例として、波長毎に光路切換えを行うための光スイッチが挙げられる。このような光スイッチ（以下、「波長選択スイッチ」という。）は、例えば、図１３に示す波長分割多重（ＷＤＭ：Wavelength Division Multiplexing）通信用のメッシュ型ネットワーク１５における各ノードに配置される波長選択スイッチモジュール１７内に設けられる。
【００７２】
メッシュ型ネットワーク１５は、合波部１６と、波長選択スイッチモジュール１７と、分波部１８とを有する。合波部１６は、複数の異なる光伝送路（例えば、光ファイバーなど）によって伝送された波長の異なる複数の光を合わせて１本の光伝送路に出力するものである。一方、分波部１８は、１本の光伝送路によって伝送された異なる複数の波長を含む光から各波長の光を分光し、複数の光伝送路にそれぞれ出力するものである。波長選択スイッチモジュール１７は、波長毎のクロス・バースイッチとして機能するものである。
【００７３】
波長選択スイッチモジュール１７は、例えば、図１４に示すように、入力伝送路に接続される入力ポート数（図１４では２個）に対応して設けられる複数の分波部１７１と、出力伝送路に接続される出力ポート数（図１４では２個）に対応して設けられる複数の合波部１７３と、分波部１７１と合波部１７３との間に設けられ、各分波部１７１から出力される波長毎に分光された複数の光の複数の合波部１７３への出力先を切り換える複数の２×２光スイッチ１７２とを備えている。２×２光スイッチ１７２の数ｎは、分波部１７１で分光される波長の数ｎに対応している。
【００７４】
図１４では、第１の分波部１７１は、第１の入力ポートＰ１から入力されるｎ個の波長を含む光（ＷＤＭ光）から各波長の光を取り出し、ｎ個の２×２光スイッチ１７２にそれぞれ入力する。第２の分波部１７１は、第２の入力ポートＰ２から入力されるｎ個の波長を含むＷＤＭ光から各波長の光を取り出し、ｎ個の２×２光スイッチ１７２にそれぞれ入力する。
【００７５】
一方、第１の合波部１７３は、ｎ個の２×２光スイッチ１７２からそれぞれ入力される波長の異なる複数の光を多重化して第１の出力ポートＱ１から外部に出力する。第２の合波部１７３は、ｎ個の２×２光スイッチ１７２からそれぞれ入力される波長の異なる複数の光を多重化して第２の出力ポートＱ２から外部に出力する。
【００７６】
また、２×２光スイッチ１７２は、２個の分波部１７１からそれぞれ入力される所定波長の光の２個の合波部１７３への出力切換え（クロス出力またはバー出力）を行う。
【００７７】
波長選択スイッチモジュール１７では、例えば、第１の入力ポートＰ１に波長λ２，λ５，λ６のＷＤＭ光が入力され、第２の入力ポートＰ２に波長λ１，λ３，λ４，λ７のＷＤＭ光が入力された場合、第１の分波部１７１で波長λ２、λ５、λ６の光に分光され、各波長の光が各波長に対応する３個の２×２光スイッチ１７２（図１４で、上下に並ぶ２×２光スイッチ１７２に上から番号を付すと、２番目、５番目、６番目の２×２光スイッチ１７２）に入力される。また、第２の分波部１７１で波長λ１、λ３、λ４，λ７の光に分光され、各波長の光が１番目、３番目、４番目、７番目の２×２光スイッチ１７２にそれぞれ入力される。
【００７８】
１番目から７番目の２×２光スイッチ１７２では、それぞれ制御信号に基づいて入力された各波長の光の出力先が切り換えられる。図１４の例では、２番目、５番目、６番目の各２×２光スイッチ１７２では波長λ２，λ５の光は第２の合波部１７３に出力され、波長λ６の光は第１の合波部１７３に出力される。一方、１番目、３番目、４番目、７番目の各２×２光スイッチ１７２では波長λ１，λ４の光は第１の合波部１７３に出力され、波長λ３，λ７の光は第２の合波部１７３に出力される。従って、第１の出力ポートＱ１からは第１の合波部１７３で波長λ１，λ４，λ６の光を多重化した光が出力され、第２の出力ポートＱ２からは第２の合波部１７３で波長λ２，λ３，λ５，λ７の光を多重化した光が出力される。
【００７９】
なお、図１４に記載の利得等化機能のブロックは、例えば、２×２光スイッチ１７２内の出力用光伝送路（光ファイバー）への集光位置をコア中心から適宜ずらすことによってコアへの光結合量を変化させ、各波長の光の利得の調整を行うものである。
【００８０】
次に、波長選択スイッチモジュール１７の具体構成について説明する。
【００８１】
図１５は、波長選択スイッチモジュール１７の基本構成を示す斜視図である。また、図１６は、波長選択スイッチモジュール１７内の構成要素である分光器を示す要部断面図、図１７は、マイクロミラーアレイユニットにおけるマイクロミラー素子のアレイ構造を模式的に示した図である。
【００８２】
波長選択スイッチモジュール１７は、基板１７０１上にマウントされた、光の入出力を行う光学系を構成するコリメータアレイ１７０２、入力されたＷＤＭ光を波長毎に分光するための分光光学系を構成する分光器１７０３、集光光学系を構成する集光レンズ１７０４および光スイッチング素子であるマイクロミラーアレイユニット１７０５を有している。
【００８３】
コリメータアレイ１７０２は、例えば、ガラス基板の一方の面に一列に配列された複数（図１５では４個）のマイクロレンズ（コリメートレンズ、以下、単に「レンズ」という。）を形成し、他方の面の各レンズに対する部分に、レンズ中心にファイバ中心を一致させて接着や融着等により複数（図１５では４個）の光ファイバー１７０２Ａ，１７０２Ｂを接続した構成を有する。複数の光ファイバーは、一部が光入力用であり、残りが光出力用である。図１５では、上側２段の２つの光ファイバー１７０２Ａが光入力用で、下側２段の２つの光ファイバー１７０２Ｂが光出力用である。
【００８４】
従って、光入力用の光ファイバー１７０２Ａの一方が、図１４における上側の分波部１７１に接続され、光入力用の光ファイバー１７０２Ａの他方が、図１４における下側の分波部１７１に接続される。また、光出力用の光ファイバー１７０２Ｂの一方が、図１４における上側の合波部１７３に接続され、光出力用の光ファイバー１７０２Ｂの他方が、図１４における下側の合波部１７３に接続される。
【００８５】
分光器１７０３は、入射光を波長によって異なる方向（角度）に反射するものである。分光器１７０３には、回折格子が用いられている。回折格子は、図１６に示すように、ガラス基板１７０３Ａ上に平行な多数の溝１７０３Ｂを周期的に刻んだ光学素子である。回折格子は、光の回折現象を利用して、一定の入射角度αで入射される複数の波長成分に対して、波長毎に異なる出射角度βで反射する。これにより、入射されるＷＤＭ光は、含まれる波長が分離される。
【００８６】
なお、図１６に示す回折格子は、回折効率を高めるために、溝１７０３Ｂを鋸波状としたフレーズ型回折格子と呼ばれるものである。図１６に示す回折格子は反射型であるが、透過型の回折格子を用いることもできる。
【００８７】
集光レンズ１７０４は、分光器１７０３により分光された各波長の光をマイクロミラーアレイユニット１７０５内の所定のマイクロミラーに集光する一方、マイクロミラーアレイユニット１７０５内のいずれかのマイクロミラーで反射された光を分光器１７０３に集光するものである。
【００８８】
マイクロミラーアレイユニット１７０５は、分光器１７０３によって集光される光の反射方向を切り換えるものである。マイクロミラーアレイユニット１７０５には、図１７に示すように、本発明に係るマイクロ構造体で構成されるマイクロミラー素子が複数個、所定の間隔Ｐで一列に配列されている。なお、図１７は、マイクロミラー素子のアレイ構造を模式的に示したもので、複数の枠が所定のピッチで一列に配列された枠体１７０５Ａの各枠内にマイクロミラー素子１７０５Ｂを揺動可能に支持した構成として描いている。
【００８９】
マイクロミラーアレイユニット１７０５は、各マイクロミラー素子１７０５Ｂのミラー面の傾斜角を変更することにより、図１８に示すように、分光器１７０３によって集光される光の反射方向を切り換え、これにより２つの光入力用の光ファイバー１７０２Ａと２つの光出力用の光ファイバー１７０２Ｂの対応関係を切り換える。
【００９０】
図１８の例では、同図（ａ）では、光入力用の第１の光ファイバー１７０２Ａから入射した光が分光器１７０３および集光レンズ１７０４を通ってマイクロミラーアレイユニット１７０５に入射されると、その光は光出力用の第２の光ファイバー１７０２Ｂに対応する光路に向かう所定の角度で反射される。従って、マイクロミラーアレイユニット１７０５からの反射光は、集光レンズ１７０４および分光器１７０３によって光出力用の第２の光ファイバー１７０２Ｂに導かれ、その第２の光ファイバー１７０２Ｂから出力される。
【００９１】
一方、同図（ｂ）は、同図（ａ）の状態に対してマイクロミラーアレイユニット１７０５のミラー面を上方に傾けたもので、これによりマイクロミラーアレイユニット１７０５での反射角が同図（ａ）の場合よりも小さくなり、マイクロミラーアレイユニット１７０５で反射した光が集光レンズ１７０４で集光される位置は同図（ａ）の場合よりも上に移動し、光出力用の第１の光ファイバー１７０２Ｂに対応するようになる。従って、マイクロミラーアレイユニット１７０５からの反射光は、集光レンズ１７０４および分光器１７０３によって光出力用の第１の光ファイバー１７０２Ｂに導かれ、その第１の光ファイバー１７０２Ｂから出力される。
【００９２】
なお、マイクロミラーアレイユニット１７０５における各マイクロミラー素子のミラー面の角度制御は、マイクロミラー素子１のミラー面３１１の角度制御で説明したように、制御回路によりマイクロミラー素子毎に設けられる駆動回路への制御信号を制御することにより行われる。
【００９３】
なお、マイクロミラーアレイユニット１７０５の各ミラー面には、分光器１７０３によって分光された光が集光されるから、各ミラー面の傾斜角を制御することにより、波長毎に出力用の光ファイバー１７０２Ｂが切り換えられることになる。
【００９４】
また、マイクロミラーアレイユニット１７０５の各ミラー面の傾斜角を調整することにより、集光レンズ１７０４および分光器１７０３を経由して集光される出力用の光ファイバー１７０２Ｂの集光位置が変化する。この集光位置が出力用の光ファイバー１７０２Ｂのコア中心からずれると、光結合量が変化する。従って、マイクロミラーアレイユニット１７０５の各ミラー面の傾斜角を調整することにより、図１４に示した利得等化機能が実現される。
【００９５】
次に、本発明に係るマイクロ構造体の適用例として、コリオリ力を利用した振動型で二重ジンバル構造を有する角速度センサについて説明する。
【００９６】
角速度センサは、物体に加わる回転角速度を検出するためのセンサである。角速度センサは、ビデオカメラの手振れ検出や、カーナビゲーション、サイドエアバック開放タイミング用のロール角検出、車やロボットの姿勢検出などに使用される。
【００９７】
図１９は、本発明に係るマイクロ構造体を適用した角速度センサの基本構造を示す上面図である。
【００９８】
角速度センサ２０は、矩形状のフレーム枠２１と、このフレーム枠２１の内側に揺動自在に支持され、矩形の枠形状を有する第１のジンバル部２２と、この第１のジンバル部２２の内側に揺動自在に支持される矩形形状の第２のジンバル部２３を備えている。
【００９９】
第１のジンバル部２２は、相対する一組の側面２２ａ，２２ｃ（図１９では、上下の側面）の中央に凹部がそれぞれ形成されている。第１のジンバル部２２の各凹部はトーションバー２４によってフレーム枠２１に接続されている。他の相対する一組の側面２２ｂ，２２ｄ（図１９では、左右の側面）にはそれぞれ櫛歯電極２２１，２２２が形成されている。一方、フレーム枠２１の第１のジンバル部２２の側面２２ｂに対向する側面には、櫛歯が櫛歯電極２２１の櫛歯と噛み合うように、櫛歯電極２１１が形成されている。フレーム枠２１の第１のジンバル部２２の側面２２ｄに対向する側面には、櫛歯が櫛歯電極２２２の櫛歯と噛み合うように櫛歯電極２１２が形成されている。
【０１００】
第２のジンバル部２３は、相対する一組の側面２３ｂ，２３ｄ（図１９では、左右の側面）の中央に凹部がそれぞれ形成されている。第２のジンバル部２３の各凹部はトーションバー２５によって第１のジンバル部２２に接続されている。他の相対する一組の側面２３ａ，２３ｃ（図１９では、上下の側面）にはそれぞれ櫛歯電極２３１，２３２が形成されている。一方、第１のジンバル部２３の第２のジンバル部２３の側面２３ａに対向する内側の側面には、櫛歯が櫛歯電極２３１の櫛歯と噛み合うように櫛歯電極２２３が形成されている。第１のジンバル部２２の第２のジンバル部２３の側面２２ｃに対向する内側の側面には、櫛歯が櫛歯電極２３２の櫛歯と噛み合うように櫛歯電極２２４が形成されている。
【０１０１】
なお、図１９では、トーションバー２４，２５を１本の棒材で描いているが、トーションバー２４，２５は、図１に示すトーションバー４と同様に、Ｖ字状をなす一対の棒材で構成される。
【０１０２】
角速度センサ２０は、図２０に示すように、トーションバー２５の軸方向をＸ軸、トーションバー２４の軸方向をＹ軸、Ｘ軸およびＹ軸に垂直な方向をＺ軸とすると、櫛歯電極２１１と櫛歯電極２２１の間への駆動電圧の印加と、櫛歯電極２１２と櫛歯電極２２２の間への駆動電圧の印加とを交互に行うことにより、第１のジンバル部２２をＹ軸を中心に振動させて使用する。このとき、第２のジンバル部２３は、Ｘ軸周りの回転力が作用しなければ、第１のジンバル部２２と一体的にＹ軸を中心に振動する。すなわち、第１のジンバル部２２（以下、「駆動ジンバル部２２」という。）に対して第２のジンバル部２３（以下、「検出ジンバル部２３」という。）が傾くことはない。
【０１０３】
この状態で、Ｚ軸を中心に回転角速度Ωｚが加わると、Ｙ軸に直交する方向にコリオリ力が発生し、このコリオリ力が検出ジンバル部２３にＸ軸周りの回転力として作用し、検出ジンバル部２３がＸ軸を中心に振動する。なお、駆動ジンバル部２２は、Ｘ軸周りに回転できないので、コリオリ力により揺動することはない。検出ジンバル部２３のＸ軸を中心とした振動により、櫛歯電極２３１と櫛歯電極２２３との間の静電容量（または電極間の電位）と、櫛歯電極２３２と櫛歯電極２２４との間の静電容量（または電極間の電位）とが変化する。検出ジンバル部２３の振動の振幅、すなわち、Ｘ軸周りの変位角θｘは静電容量（または電極間の電位）の変化幅に比例するとともに、コリオリ力に比例するから、静電容量（または電極間の電位）の変化幅は変位角度θｘに比例する。従って、静電容量の変化幅または電極間の電位の変化幅を検出することにより、回転角速度Ωｚが検出される。
【０１０４】
角速度センサ２０においてもトーションバー２４、２５の高さ方向における位置と形状が駆動ジンバル部２２および検出ジンバル部２３の振動特性に影響を与えることはマイクロミラー素子１の場合と同様である。従って、ＳＯＩ基板を用いてバルクマイクロマニシング技術により角速度センサ２０を製造する場合は、トーションバー２４、２５の下部の当該トーションバー２４、２５の捩れ動作に干渉しない位置にトーションバー２４、２５の位置測定用の基準面Ｓｒを与える構造体５，５’を形成することにより、トーションバー２４、２５の位置を正確に測定することができる。
【０１０５】
上記のように、本発明は、バルクマイクロマニシング技術によりＳＯＩ基板を加工してフレームにトーションバーを介して揺動自在に揺動部材を支持する構造のマイクロ構造体に広く適用できるものである。従って、上記実施形態として開示したマイクロミラー素子や角速度センサに限定されるものではなく、加速度センサなどの他の振動素子にも適用することができる。
【０１０６】
また、上記実施形態では、１つの絶縁層を挟んで２つのシリコン層を積層したＳＯＩ基板を用いる場合について説明したが、ＳＯＩ基板の積層構造はこれに限定されるものではなく、複数の絶縁層と複数の導体層とを交互に積層した構造であってもよい。
【０１０７】
上記実施形態に関し、さらに以下の付記を開示する。
【０１０８】
（付記１）
枠形状の固定部とこの固定部内に一対のトーションバーにより揺動自在に支持された揺動部を備え、絶縁層を挟んで二つの導体層を積層してなるＳＯＩ基板に前記固定部および前記揺動部を形成する加工を施して製造されるマイクロ構造体において、前記一対のトーションバーは、一方の導体層の前記絶縁層に接する位置に当該導体層よりも薄い厚みで形成され、他方の導体層の各トーションバーの下側に位置し、当該トーションバーの捩れ動作と干渉しない部分に、当該導体層と同一の厚みを有する構造体をそれぞれ設けた、マイクロ構造体。
【０１０９】
（付記２）
前記構造体のトーションバーを臨む面を当該トーションバーの前記一方の導体層の厚み方向における位置の基準面とする、付記１に記載のマイクロ構造体。
【０１１０】
（付記３）
前記構造体は、前記固定部および前記揺動部の両方の前記他方の導体層に形成されている、付記１または２に記載のマイクロ構造体。
【０１１１】
（付記４）
前記構造体は、前記固定部または前記揺動部のいずれか一方の前記他方の導体層に形成されている、付記１または２に記載のマイクロ構造体。
【０１１２】
（付記５）
前記トーションバーは、前記固定部と前記揺動部との間に接続された複数の棒状体を含み、前記構造体は、前記他方の導体層の前記固定部、前記揺動部および前記複数の棒状体によって作られる空間形状の下側に位置する部分に設けられ、当該構造体の前記導体層の層に沿った断面形状は、前記空間形状と略同一の形状である、付記１または２に記載のマイクロ構造体。
【０１１３】
（付記６）
前記構造体は、前記他方の導体層の前記固定部、前記揺動部および前記複数の棒状体によって作られる空間形状の下側に位置する部分に設けられる第１の構造体と、前記他方の導体層の前記複数の棒状体に対向する位置よりも外側の部分に設けられる第２の構造体とを含み、前記第１の構造体の前記導体層の層に沿った断面形状は、前記空間形状と略同一の形状であり、前記第２の構造体の前記導体層の層に沿った断面形状は、前記複数の棒状体に沿う長辺を有する横長の矩形形状である、付記１または２に記載のマイクロ構造体。
【０１１４】
（付記７）
前記トーションバーは、Ｖ字の開いた側が前記揺動部に接続され、Ｖ字の窄まった側が前記固定部に接続されたＶ字形状の部材である、付記５または６に記載のマイクロ構造体。
【０１１５】
（付記８）
前記空間形状の下側に位置する部分に設けられる構造体の断面形状は、前記トーションバーと前記揺動部とで囲まれた三角形と略同一の三角形状である、付記７に記載のマイクロ構造体。
【０１１６】
（付記９）
前記構造体は、前記他方の導体層の前記絶縁体に接していない面に開口した筒形状である、付記１ないし８のいずれかに記載のマイクロ構造体。
【０１１７】
（付記１０）
前記構造体は、２段エッチングプロセスによって筒形状に形成されている、付記９に記載のマイクロ構造体。
【０１１８】
（付記１１）
付記１乃至１０のいずれかに記載のマイクロ構造体で構成されるマイクロ素子。
【０１１９】
（付記１２）
少なくともミラー素子、角速度センサ、加速度センサを含む、付記１１のマイクロ素子。
【図面の簡単な説明】
【０１２０】
【図１】本発明に係るマイクロミラー素子を示す斜視図である。
【図２】同マイクロミラー素子に設けられた構造体の部分を示す斜視図である。
【図３】マイクロミラー素子に設けられた構造体を示し、（ａ）は上から見た図、（ｂ）は図２のIII−III線断面図である。
【図４】本発明に係るマイクロミラー素子の製造方法における一部の工程を表す図である。
【図５】図４の後に続く残りの工程を表す図である。
【図６】トーションバーの位置の測定方法を示す図である。
【図７】構造体の第１の変形例を示す図である。
【図８】構造体の第２の変形例を示す図である。
【図９】構造体の第３の変形例を示す斜視図である。
【図１０】第２実施形態に係るマイクロミラー素子の構造体の部分を示す斜視図である。
【図１１】本発明に係るマイクロ構造体で構成されるマイクロティルトミラーアレイを用いた光スイッチの基本構成を示す図である。
【図１２】同光スイッチの基本構成を示す上面図である。
【図１３】メッシュ型ネットワークの基本構成を示す図である。
【図１４】波長選択スイッチモジュールの内部構成を示す図である。
【図１５】波長選択スイッチモジュールの基本構成を示す斜視図である。
【図１６】分光器の要部断面図である。
【図１７】マイクロミラーアレイユニットにおけるマイクロミラー素子のアレイ構造を模式的に示した図である。
【図１８】マイクロミラーアレイユニットにおける光スイッチ機能を説明するための図である。
【図１９】本発明に係るマイクロ構造体で構成した角速度センサの基本構造を示す図である。
【図２０】角速度センサの動作原理を説明するための斜視図である。
【図２１】従来のマイクロミラー素子を示す斜視図である。
【図２２】従来のマイクロミラー素子のトーションバーの部分を示す斜視図である。
【図２３】図２２のＡ−Ａ線断面図である。
【図２４】ダミートーションバーの構造を示す斜視図である。
【符号の説明】
【０１２１】
１  マイクロミラー素子
２  フレーム
２１  櫛歯電極
３  揺動部材
３１  ミラー部
３２  揺動軸
３３  櫛歯電極
４，４’  トーションバー
５，５’  構造体
６  ＳＯＩ基板
６１  第１シリコン層（導体層）
６２  第２シリコン層（導体層）
６３  絶縁膜（ＢＯＸ層）
６４，６６  酸化膜パターン
６５  レジストパターン
７  駆動回路
８  制御回路
９  第２の構造体
１０  光スイッチ
１１  光入出力部材
１２  入出力光反射ミラー
１３  折返しミラー
１５  メッシュ型ネットワーク
１６  合波部
１７  波長選択スイッチモジュール
１７１  分波部
１７２  ２×２光スイッチ
１７０１  基板
１７０２  コリメータアレイ
１７０３  分光器
１７０４  集光レンズ
１７０５  マイクロミラーアレイユニット
１７３  合波部
１８  分波部
２０  角速度センサ
２１  フレーム枠
２１１，２１２  櫛歯電極
２２  第１のジンバル部
２２１，２２２，２２３，２２４  櫛歯電極
２３  第２のジンバル部
２３１，２３２  櫛歯電極
２４，２５  トーションバー
【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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【図１１】
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【図１２】
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【図１３】
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【図１４】
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【図１５】
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【図１６】
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【図１７】
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【図１８】
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【図１９】
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【図２０】
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【図２１】
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【図２２】
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【図２３】
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【図２４】
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