(57)【要約】【課題】焦点可変で且つ高精度の一様な近似放物面形状を得ることができるようにしたミラー装置及びその製造方法を提供する。【解決手段】ミラー装置３０は、薄板状のミラー部３１ａと、ミラー部３１ａを懸架するサスペンション３１ｂを有し、ミラー部３１ａの周縁の少なくとも一部を包囲し、かつサスペンション３１ｂによりミラー部３１ａをその表面に垂直な方向へ移動可能に支持するベース部３１ｃと、から成るミラー基板３１と、ミラー基板３１のベース部３１ｃの表面に配設した支持基板３２と、を備え、支持基板３２が、ミラー基板３１の周縁の内側に対向してミラー部３１ａの表面に当接する支持部３２ａと、支持部３２ａより外側でミラー部３１ａに対向して形成された固定電極部３２ｂを有している。【選択図】図７
2010096997.tif 000002
【特許請求の範囲】
【請求項１】
薄板状のミラー部と、該ミラー部を懸架するサスペンションを有し該ミラー部の周縁の少なくとも一部を包囲しかつ上記サスペンションにより上記ミラー部をその表面に垂直な方向へ移動可能に支持するベース部と、から成るミラー基板と、
上記ミラー基板のベース部の表面に配設される支持基板と、
を備え、
上記支持基板が、上記ミラー基板の周縁の内側に対向してミラー部の表面に当接する支持部と、上記支持部より外側で上記ミラー部に対向して形成された固定電極部と、を有しており、
上記固定電極部と上記ミラー部との間に電圧を印加することにより、上記ミラー部の支持部より外側の領域を静電引力によって、対応する固定電極側に向かって変位させて、上記ミラー部の支持部より内側の領域を断面放物線状に変形させることを特徴とする、ミラー装置。
【請求項２】
前記ミラー部が円形に形成されており、前記サスペンションが前記ミラー部の中心に関して等角度間隔に配置されていて、
前記支持部が前記ミラー部と同心の環状に形成されていることを特徴とする、請求項１に記載のミラー装置。
【請求項３】
前記ミラー部が長方形に形成されており、前記サスペンションが前記ミラー部の互いに対向する端縁に関して配置されていて、
前記支持部が前記ミラー部の互いに対向する端縁の内側に沿って配置されていることを特徴とする、請求項１に記載のミラー装置。
【請求項４】
前記ミラー基板が、半導体層から構成されており、
前記ミラー基板のベース部が、絶縁層を介して半導体基板上に形成されていることを特徴とする、請求項１〜３の何れかに記載のミラー装置。
【請求項５】
前記支持基板が、ガラス基板または半導体基板から構成されていることを特徴とする、請求項１〜４の何れかに記載のミラー装置。
【請求項６】
前記固定電極部が、前記支持基板の表面に形成された凹陥部内に配置されていることを特徴とする、請求項１〜５の何れかに記載のミラー装置。
【請求項７】
前記ミラー部の支持部より内側の領域の静電引力による変形量が、前記電圧に対応して変化し、一様な近似放物面状に変形した前記ミラー部の焦点距離が変更可能であることを特徴とする、請求項６に記載のミラー装置。
【請求項８】
犠牲層を介して上層を備えた第１の基板に対して、上層側から上記犠牲層に達するエッチングによりミラー部及びサスペンションを画成する溝部を形成すると共に、上記第１の基板側から上記犠牲層に達するエッチングにより、上記第１の基板の上記ミラー部に対応する領域を除去して、ミラー基板を作製する第一の段階と、
第２の基板の表面に対して支持部を形成する第二の段階と、
上記第２の基板の表面の上記支持部の外側に固定電極部を形成して支持基板を作製する第三の段階と、
上記第三の段階で作製された支持基板上に上記第一の段階で作製されたミラー基板を反転して上記ミラー基板の上層のベース部を上記支持基板の表面に対して陽極接合する第四の段階と、
を含んでいることを特徴とする、ミラー装置の製造方法。
【請求項９】
前記第二の段階にて、前記支持基板の前記支持部となるべき表面領域の周囲に凹陥部を形成することにより各支持部を画成することを特徴とする、請求項８に記載のミラー装置の製造方法。
【請求項１０】
前記第三の段階にて、各支持部の上面に前記ミラー部の表面への接合を阻止する金属層を形成することを特徴とする、請求項８又は９に記載のミラー装置の製造方法。
【請求項１１】
前記金属層が、前記固定電極部と同じ材料により前記固定電極部と同時に形成されることを特徴とする、請求項１０に記載のミラー装置の製造方法。
【請求項１２】
前記ミラー基板が半導体基板を用いて構成されており、前記支持基板がガラス基板または半導体基板を用いて構成されていることを特徴とする、請求項８〜１１の何れかに記載のミラー装置の製造方法。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、焦点が可変で近似放物面ミラーを備えたミラー装置及びその製造方法に関するものである。
【背景技術】
【０００２】
近年、光ＭＥＭＳ（Micro Electro Mechanical System）と光マイクロシステムは、盛んに研究されており、大きく成長し続けている。特に、データ通信や高分解能画像ディスプレイ等の種々のアプリケーションにおいて著しい発展がみられる。これは、カメラ等の光学機器の機能向上及び小型化が注目されていることによるものである。
【０００３】
例えばカメラにおいては、レンズによる屈折光を利用した光学系では色収差の問題が発生するが、ミラーによる反射光を利用した光学系では色収差は発生しない。しかしながら、上述したどちらの光学系においても、焦点距離を調節するためにはレンズまたはミラーを移動させる必要があり、光学系を移動することに起因して、光学性能を保持したままで小型化することは困難である。
【０００４】
さらに、ミラーによる反射光を利用した光学系では、色収差は発生しないものの、ミラーの形状が非一様な球面或いは非一様な放物面である場合には、収差が発生し、集光性が低下することが知られている。また、ミラーの形状が一様な放物面である場合には、入射する平行光を収差なく一点に集光させることが可能であり、また点光源から出射する光を平行光とすることができる。
【０００５】
他方、一様な近似放物面形状で且つ焦点可変のマイクロミラーを使用すれば、集光性に優れた小型の光学系を構成することが可能である。例えば、非特許文献１，２では、焦点可変のマイクロミラー装置が報告されている。
図１５（Ａ）は、従来のマイクロミラー装置７０の構成例における非動作時の、（Ｂ）は動作時の、概略断面図である。
図１５（Ａ）において、マイクロミラー装置７０は、マイクロミラー７１と、マイクロミラー７１の周縁を支持する固定部７２と、マイクロミラー７１の下部に配設される固定電極７３と、から構成されている。マイクロミラー７１の周縁は固定部７２に対して支持されていると共に、その下方に間隔をあけて固定電極７３が配置されている。マイクロミラー７１は、薄膜の円板からなるシリコン窒化膜（Ｓｉ３Ｎ４）等を用いて形成することができる。マイクロミラー７１の周縁の固定部７２に対する支持は、サスペンションなどによる部分的な支持や周縁を不動に固定保持（非特許文献３，４参照）することで行われる。
このように構成されたマイクロミラー装置７０において、マイクロミラー７１と固定電極７３との間に電圧を印加すると、マイクロミラー７１が静電引力によって変形する。具体的には、図１５（Ｂ）に示すように、マイクロミラー７１を静電引力によって下方に向かって放物面状に変形させて、焦点可変の放物面形状を有する反射面を形成することができる。
【０００６】
マイクロミラー７１の周縁が固定部７２に対してサスペンションなどによって部分的に支持されている場合の放物面物面形状の一例を図１６に示す。
図１６は、図１５のマイクロミラー７１の変形状態を示すグラフである。図１６から明らかなように、マイクロミラー７１においては、実際の変形形状は、符号Ａで示すように、一様な近似放物面形状Ｂに対して各所で５％から１００％以上のずれを生じてしまう。
【０００７】
非特許文献３，４には、マイクロミラー７１の周縁が固定部７２に対して固定保持されている以外は、図１５のマイクロミラー装置７０と同様の焦点可変のマイクロミラー装置が報告されている。このマイクロミラー装置の動作もおおよそ図１５に示したマイクロミラー装置７０と同様である。
図１７は、従来のマイクロミラー７１の周縁が固定部７２に対して固定保持されている場合の変形状態を示すグラフである。実際のマイクロミラー７１の変形形状Ａは、一様な近似放物面形状Ｂから大きくずれてしまう。
【０００８】
【非特許文献１】Y. Shao, D.L. Dickensheets and P. Himmer, "3-D MOEMS m-irror for laser beam pointing and focus control", IEEE J. Sel. Topi. Qua-ntum Electron., vol.10, No.3, pp. 528-534, 2004年8月16日
【非特許文献２】Y. Shao,"MEMS 3D-scan mirror for an endoscopic confocal microscope", Ph.D. Thesis, p.82, Montana State University, November14, 2005
【非特許文献３】U. M. Mescheder, C. Estan, G. Somogyi and M. Freudenre-ich, "Distortion optimized focusing mirror device with large aperture", Sensor Actuators, Vol.A130-131, pp.20-27, 2005年11月14日
【非特許文献４】Greger W, Arnold D, Juurischka R, Schoth A, Muller C,  Wilde J and Reinecke H, "A new approach for focusing deformable mirror f-abricated in polymer technology", IEEE/LEOS Int. Conf. Optical MEMS, pp.45-46, 2005年8月1日
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【０００９】
非特許文献１及び２のマイクロミラー装置７０では、張力の加わったシリコン窒化膜からなるマイクロミラー７１の固定部７２の内部に二重の電極を設けて、放物面に近い形状を発生させている。さらに、マイクロミラー７１の固定部７２の周辺を穴あけ加工して、固定部７２周辺の変形を改善している。
しかしながら、従来のマイクロミラー装置７０では、何れの場合も精度のよい一様な放物面形状のミラーが得られていないという課題がある。
【００１０】
本発明は上記課題に鑑み、簡単な構成により、焦点可変で且つ高精度の一様近似放物面等の形状を得ることができるようにしたミラー装置及びその製造方法を提供することを目的としている。
【課題を解決するための手段】
【００１１】
上記目的を達成するため、本発明のミラー装置は、薄板状のミラー部と、ミラー部を懸架するサスペンションを有し、ミラー部の周縁の少なくとも一部を包囲し、かつサスペンションによりミラー部をその表面に垂直な方向へ移動可能に支持するベース部と、から成るミラー基板と、ミラー基板のベース部の表面に配設される支持基板と、を備え、支持基板が、ミラー基板の周縁の内側に対向してミラー部の表面に当接する支持部と、支持部より外側でミラー部に対向して形成された固定電極部と、を有しており、固定電極部とミラー部との間に電圧を印加することにより、ミラー部の支持部より外側の領域を静電引力により、対応する固定電極側に向かって変位させて、ミラー部の支持部より内側の領域を断面放物線状に変形させることを特徴とする。
【００１２】
上記構成において、好ましくは、ミラー部は円形に形成され、サスペンションがミラー部の中心に関して等角度間隔に配置され、支持部がミラー部と同心の環状に形成される。ミラー部は長方形に形成されてもよく、この場合、サスペンションがミラー部の互いに対向する端縁に関して配置され、支持部がミラー部の互いに対向する端縁の内側に沿って配置される。
好ましくは、ミラー基板は半導体層から構成され、ミラー基板のベース部が絶縁層を介して半導体基板上に形成される。好ましくは、支持基板はガラス基板または半導体基板から構成される。
固定電極部は、支持基板の表面に形成された凹陥部内に配置されてもよい。
ミラー部の支持部より内側の領域の静電引力による変形量は、好ましくは、電圧に対応して変化し、一様な近似放物面状に変形したミラー部の焦点距離が変更可能である。
【００１３】
本発明のミラー装置によれば、支持基板の固定電極部とミラー部との間に電圧を印加することにより、ミラー部の支持部より外側の領域が静電引力によって固定電極部に向かって変位する。よって、ミラー部の支持部より内側の領域には、支持部を中心とする上向きの一定の曲げモーメントが作用する。従って、ミラー部の支持部より内側の領域は、中心を頂点とする上方に向かって凹状の精度の高い一様な近似放物面形状に変形する。その際、印加電圧を適宜に調整することによって、静電引力の大きさが調整される。これにより、上述した曲げモーメントの大きさが調整され、ミラー部の支持部より内側の領域の一様な近似放物面形状による焦点距離が調整される。
【００１４】
上記目的を達成するため、本発明のミラー装置の製造方法は、犠牲層を介して上層を備えた第１の基板に対して上層側から犠牲層に達するエッチングによりミラー部及びサスペンションを画成する溝部を形成すると共に、第１の基板側から犠牲層に達するエッチングにより第１の基板のミラー部に対応する領域を除去してミラー基板を作製する第一の段階と、第２の基板の表面に対して支持部を形成する第二の段階と、第２の基板の表面の支持部の外側に固定電極部を形成して支持基板を作製する第三の段階と、第三の段階で作製された支持基板上に第一の段階で作製されたミラー基板を反転し、ミラー基板の上層のベース部を支持基板の表面に対して陽極接合する第四の段階と、を含んでいることを特徴とする。
【００１５】
上記構成において、好ましくは、第二の段階において、支持基板の支持部となるべき表面領域の周囲に凹陥部を形成することにより、各支持部を画成する。
第三の段階において、各支持部の上面に、ミラー部の表面への接合を阻止する金属層を形成してもよい。金属層が、固定電極部と同じ材料により固定電極部と同時に形成されてもよい。ミラー基板を半導体基板を用いて構成してもよく、支持基板をガラス基板または半導体基板を用いて構成してもよい。
【００１６】
本発明のミラー装置の製造方法によれば、ミラー基板と支持基板を作製し、これらの基板を陽極接合するという簡単な工程で、精度の高い一様な近似放物面形状を有しているミラー装置を作製することができる。
【発明の効果】
【００１７】
本発明のミラー装置によれば、簡単な構成により、焦点可変で且つ高精度の一様な近似放物面形状を得ることができる。
【００１８】
本発明のミラー装置の製造方法によれば、ミラー基板と支持基板を作製し、これらの基板を陽極接合するという簡単な工程で、精度の高い一様な近似放物面形状を有しているミラー装置を作製することができる。
【発明を実施するための最良の形態】
【００１９】
以下、図面に示した実施形態に基づいて本発明を詳細に説明する。
（ミラー装置）
図１は本発明の第１の実施形態に係るミラー装置の構成を模式的に示す図で、（Ａ）は斜視透視図、（Ｂ）は平面図であり、図２（Ａ）は図１のミラー装置１０の非動作時の、（Ｂ）が動作時の概略断面図である。
図１に示すように、ミラー装置１０は、ミラー基板１１と、ミラー基板１１を支持する支持部１２ａと固定電極部１２ｂとを備えた支持基板１２と、を含んで構成されている。
【００２０】
ミラー基板１１はＳｉ基板等から構成されており、薄板状のミラー部１１ａと、ミラー部１１ａの周縁を包囲し且つ複数個のサスペンション１１ｂによりミラー部１１ａを支持するベース部１１ｃと、を含んでいる。
【００２１】
ミラー部１１ａは、図示の場合、円形に形成されている。ミラー部１１ａの周縁とベース部１１ｃとは、殆どの部分が空隙部１１ｇによって分離され、ミラー部１１ａの周縁で空隙部１１ｇによって分離されていない箇所が複数個のバネとなるサスペンション１１ｂによってベース部１１ｃと接続されている。つまり、ミラー部１１ａは、サスペンション１１ｂを介してベース部１１ｃに懸架され、上下方向に移動可能に支持されている。
ここで、サスペンション１１ｂは、線状、ジグザグ線状等のバネ形状を有している。各サスペンション１１ｂは、ミラー部１１ａの中心に関して等角度間隔に配置されることにより、ミラー部１１ａの各半径方向に関して一様な変形を妨げないようになっている。
【００２２】
支持基板１２はガラス基板等から構成されており、図２（Ａ）に示すように、上述したミラー基板１１の下方に、所定の間隔ｇをあけて平行に配置されている。ミラー部１１ａが円形の場合には、支持基板１２は、その上面から上方に突出する環状の支持部１２ａ及びこの支持部１２ａの外側に環状に配置された固定電極部１２ｂを備えている。
【００２３】
支持部１２ａは、ミラー基板１１のミラー部１１ａの中心と同心の環状に形成されており、ミラー部１１ａの周縁より内側でミラー部１１ａを下方から支持する。
【００２４】
固定電極部１２ｂは、支持部１２ａの外側で支持基板１２の表面に形成されており、ミラー部１１ａの周縁の支持部１２ａより外側の外側領域１１ｄに対向するように配置されている。ミラー基板１１と固定電極部１２ｂとの間に、電圧を印加するミラー駆動電源１８が接続される。
これにより、ミラー駆動電源１８からミラー部１１ａと固定電極部１２ｂとの間に電圧が印加されると、固定電極部１２ｂとミラー部１１ａの外側領域１１ｄとの間に静電引力Ｐが作用する。この際、静電引力Ｐは、支持部１２ａによる支持点より距離Ｌだけ外側の位置で、ミラー部１１ａの外側領域１１ｄに作用し、下方へ移動させる。従って、ミラー部１１ａは、支持部１２ａによる支持点より内側の内側領域１１ｅが、支持点を中心とする一定の曲げモーメントＭ０を受けて、図２（Ｂ）に示すように、中心が上方に向かって移動するように変形する。
【００２５】
（円形ミラー部の変形）
ここで、ミラー部１１ａの変形について考察する。
図３は、両端が固定された梁の荷重印加時の変位量を計算するための模式図である。
図３に示すように、先ず、両端が固定された梁２０の両端に曲げモーメントＭが作用したとき、梁２０の長手方向の位置をｘ，高さをｙ，ヤング率をＥ，断面二次モーメントをＩとすると、下記（１）式で表わされるたわみ曲線の微分方程式が成立する。
【数１】
2010096997.tif 000003
従って、曲げモーメントＭがｘの関数の場合には、たわみ曲線はｘの三次以上の曲線となってしまう。
これに対して、曲げモーメントＭが一定（Ｍ０）であれば、上記式（１）をｙについて解くと、ｙは下記（２）式で表わされ、梁２０のたわみが近似放物線となることが分かる。
【数２】
2010096997.tif 000004
即ち、梁２０の両端の外側に一定の荷重を加えたとき、梁２０の両端には一定の曲げモーメントＭ０が作用して、一様な近似放物線状に変形することになる。
【００２６】
次に、図１に示すミラー装置１０のミラー部１１ａの変位量を計算する方法について説明する。
図４は、環状の支持部に支持された円板２１の荷重印加時の変形を計算するために用いるモデル図であって、（Ａ）はミラー装置モデルの斜視図で、（Ｂ）は平面図、（Ｃ）は断面図である。
図４（Ａ）に示すように、梁２０の代わりに、円板２１がその周縁２１ａの内側で環状の支持部２２により支持され、周縁２１ａに下向きの荷重Ｐが印加される場合には、円板２１の中心軸を通る任意の断面において、前述した梁２０の場合と同様の曲げモーメントＭが発生するので、円板２１の支持部２２より内側の領域が同様に一様な近似放物面形状に変形することになる。即ち、円板２１において、円板中心を原点とし、光軸をｚ（下向きに正）、支点から作用点までの長さをＬ、作用点の変位をｒ（ｒ２＝ｘ２＋ｙ２）とし、荷重分布をＰ（ｒ）、曲げこわさをＤとすると、この曲げこわさＤは、板厚ｈ、ポアソン比νとしたとき、下記（３）式で与えられる。
【数３】
2010096997.tif 000005
【００２７】
円板２１のたわみ曲線の微分方程式は、下記（４）式で与えられる。
【数４】
2010096997.tif 000006
この式の一般解は、Ｚｓを特解、Ｃ１，Ｃ２，Ｃ３，Ｃ４を任意定数としたとき、下記（５）式で与えられる。
【数５】
2010096997.tif 000007
なお、特解Ｚｓは、Ｐ（ｒ）＝Ｃｒｎのとき、下記（６）式で与えられる。
【数６】
2010096997.tif 000008
そして、周方向の曲げモーメント，半径方向の曲げモーメント，たわみ角及び剪断力を計算し、初期条件及び境界条件を考慮すると、円板のたわみ曲線は下記（７）式で表わされる。
【数７】
2010096997.tif 000009
【００２８】
上記円板のたわみ曲線が図１に示したミラー部１１ａの内側領域１１ｅのたわみに相当する。よって上記（７）式から、図２（Ｂ）に示すようにミラー部１１ａの内側領域１１ｅの中心が上方に向かって移動して高精度で一様な近似放物面形状に変形することが導かれる。つまり、ミラー部１１ａの内側領域１１ｅは静電引力Ｐによって支持部１２ａによる支持点の周りに一定の曲げモーメントＭ０を受けて近似放物面形状に変形する
【００２９】
ここで、静電引力Ｐは、印加電圧をＶ，真空の誘電率をε０，ミラー部１１ａの面積をＳ，ミラー部１１ａの移動量をｕ（ｒ）とすると、下記（８）式で表わされる。
【数８】
2010096997.tif 000010
曲げモーメントＭ０は、静電引力Ｐの作用点から支持部１２ａによる支持点までの距離をＬ１とすると、Ｍ０＝Ｐ×Ｌ１で表わされる。
【００３０】
（円形ミラーの設計例）
表１は、円形のミラー部１１ａのたわみ量に影響があるパラメータとバネ定数の関係を纏めた表である。円形のミラー部１１ａを備えたミラー装置１０におけるミラー部１１ａの直径、支持部１２ａの円の直径、ミラー部１１ａのバネ定数及びサスペンション１１ｂのバネ定数の設計例を示している。サスペンション１１ｂの個数は４個とした。Ｓｉのヤング率が１６２ＧＰａ、ポアソン比が０．２２、真空の誘電率が８．８５×１０−１２Ｆ／ｍ、ミラーの厚さが１０μｍとして算出した。サスペンション１１ｂのバネ定数はミラー部１１ａのバネ定数の百分の一程度に設計した。
【表１】
2010096997.tif 000011
【００３１】
（ミラー装置の変形例）
次に、本発明の第２の実施形態に係るミラー装置について説明する。
図５は本発明の第２の実施形態に係るミラー装置１５の構成を模式的に示す図であり、（Ａ）は斜視透視図、（Ｂ）は平面図である。
図５（Ａ）に示すように、ミラー装置１５は、ミラー基板１１のミラー部１１ａを長方形とした点でミラー装置１０と異なっている。
【００３２】
支持基板１２は、ミラー部１１ａを支持する支持部１２ｃ，１２ｄを備えている。二つの支持部１２ｃ，１２ｄは直方体形状を有しており、それぞれ、それらの長手方向がミラー部１１ａの両短辺側に平行に配置されている。支持部１２ｃ，１２ｄの長手方向の寸法は、ミラー部１１ａの短辺寸法（ｂ）程度でよい。ミラー部１１ａの中央から支持部１２ｃ，１２ｄまでの長辺側の長さはａ、短辺の長さはｂである。
【００３３】
二つの固定電極部１２ｅ，１２ｆは、長方形の電極であり、それぞれ、それらの長手方向が二つの支持部１２ｃ，１２ｄの外側に配置されている。つまり、二つの固定電極部１２ｅ，１２ｆは、ミラー部１１ａの短辺側の下部に配置されている。二つの固定電極部１２ｅ，１２ｆは、互いに接続されてミラー駆動電源１８に接続されている。
【００３４】
図５（Ｂ）に示すように、ミラー部１１ａの長方形の各頂点にサスペンション１１ｂが配置され、ミラー部１１ａがベース部１１ｃに懸架される。ミラー駆動電源１８等の他の構成は、ミラー装置１０と同じであるので説明は省略する。
【００３５】
（長方形ミラー部の変形）
長方形の形状を有するミラー部１１ａの鏡の作用について説明する。
長方形ミラー部１１ａを梁に見立て、たわみ曲線の計算を行う。梁の場合の曲げモーメントＭ０は、下記（９）式で与えられる。
【数９】
2010096997.tif 000012
ここで、Ｐは静電引力であり、Ｌは静電引力の作用点から支持部１２ｄによる支持点までの距離である（図２（Ａ）参照）。
【００３６】
（１）式より、境界条件ｘ＝ａのときｙ＝０、対称性からｘ＝０，ｄｙ／ｄｘ＝０であるから下記（１０）式を得る。
【数１０】
2010096997.tif 000013
【００３７】
断面二次モーメントＩは、Ｉ＝ｂｈ３／１２で与えられることから、（１０）式は下向きを正に置き直すと、下記（１１）で表わされる。
【数１１】
2010096997.tif 000014
ここで、ｂはミラー部１１ａの短辺の長さ、ｈはミラー部１１ａの厚さである。これにより、（１１）式の変数Ｐ，Ｌ，ａ，ｂ，ｈを設定することで、長方形の形状を有しているミラー部１１ａのたわみ形状を変化させることができる。
【００３８】
（長方形ミラーの設計例）
表２は、長方形のミラー部１１ａのたわみ量に影響があるパラメータとバネ定数の関係を纏めた表である。長方形のミラーのたわみ量に影響があるミラー部１１ａの長さ、支持部１２ａによる支持間隔、ミラー部１１ａのバネ定数及びサスペンション１１ｂのバネ定数の計算例を示している。２辺を支持した長方形ミラーの幅（短辺ｂ）はたわみに無関係であるから５００μｍとし、サスペンション１１ｂの個数は４個とした。Ｓｉのヤング率、ポアソン比、真空の誘電率、ミラー部１１ａの厚さは、円形のミラー部１１ａと同じ値を用いた。サスペンション１１ｂのバネ定数はミラーのバネ定数の百分の一程度に設計した。
【表２】
2010096997.tif 000015
【００３９】
本発明のミラー装置１０，１５によれば、ミラー部１１ａの駆動手段、即ちミラー部１１ａ，支持部１２ａ及び固定電極部１２ｂを、後述するように所謂ＭＥＭＳ技術によって作製することができる。これにより、ミラー装置１０，１５全体が小型に構成され、且つミラー部１１ａが高精度に一様な近似放物面状に形成されると共に、焦点距離が変更可能である。
【００４０】
（ミラー装置の構成例）
次に、ミラー装置の具体的な構成例について説明する。
図６はミラー装置３０の構成を示す平面図であり、図７は図６のＸ−Ｘ方向の断面図である。
図６及び図７に示すように、ミラー装置３０は、図１及び図５に示したミラー装置１０，１５と同様に、ミラー基板３１と支持基板３２とから構成されている。ミラー基板３１はＳｉ基板等から構成されており、薄板状のミラー部３１ａと、ミラー部３１ａの周縁を包囲し且つサスペンション３１ｂにより支持するベース部３１ｃと、を含んでいる。ミラー基板３１に用いるＳｉ基板は、所謂ＳＯＩ（Silicon On Insulator）ウェハを用いることができる。ミラー部３１ａは、例えば図６に示すように円形に形成されている。ミラー部３１ａの周縁とベース部３１ｃとは、殆どの部分が空隙部３１ｇによって分離され、ミラー部３１ａの周縁で空隙部３１ｇによって分離されていない箇所が複数個のバネとなるサスペンション１１ｂによってベース部３１ｃと接続されている。図示の場合は、四個のサスペンション３１ｂによりベース部３１ｃに懸架され、上下方向に移動可能に支持されている。サスペンション３１ｂは、図示するようにジグザグ線状や線状等のバネ形状を有している。
【００４１】
各サスペンション３１ｂは、ミラー部３１ａの中心に関して等角度間隔に配置されることで、ミラー部３１ａの各半径方向に関して一様な変形を妨げないようになっている。
【００４２】
ミラー基板３１のベース部３１ｃの上面には、犠牲層３１ｄを介してＳｉ基板３１ｅが形成されている。これにより、ベース部３１ｃがＳｉ基板３１ｅにより補強される。ここで、ミラー部３１ａそしてサスペンション３１ｂ及びベース部３１ｃは、その厚さが、例えば１０μｍ程度に選定されている。
【００４３】
支持基板３２はガラス基板等から構成されており、図７に示すように、ガラス基板の表面に、上方に突出する環状の支持部３２ａと、この支持部３２ａの外側に環状に配置された固定電極部３２ｂと、を備えている。ここで、支持部３２ａは、ガラス基板の表面に形成された凹陥部３２ｃ，３２ｄによってそれぞれ内縁及び外縁が画成されており、その上面はガラス基板の表面と同じ高さである。
【００４４】
これにより、ミラー基板３１のミラー部３１ａは、支持部３２ａの上端に支持されると共に、凹陥部３２ｃ，３２ｄによって、ミラー基板３１のミラー部３１ａが、ガラス基板の凹陥部３２ｃ，３２ｄの底面に対して所定の間隔ｇをあけて平行に配置されることになる。
【００４５】
ここで、間隔ｇは、例えば２〜１５μｍ程度に選定されており、支持部３２ａの半径ａは、５０〜１０００μｍ程度に選定されている。
【００４６】
上記凹陥部３２ｃ，３２ｄと同時に、支持基板３２の表面には、凹陥部３２ｄの外側にさらに別の凹陥部３２ｅも形成される。この凹陥部３２ｅは、電極配線溝として利用されるものである。
【００４７】
支持基板３２の固定電極部３２ｂは、その外側の凹陥部３２ｄの底面に環状に配置されている。これにより、固定電極部３２ｂは、支持部３２ａの外側でミラー部３１ａの周縁の支持部３２ａより外側の領域３１ｆに対向するように配置されている。
なお、ミラー装置３０のミラー部３１ａの形状は円形に限らず長方形でもよい。ミラー部３１ａの形状を長方形とした場合には、固定電極部３２ｂの形状は、図５に示す固定電極部１２ｅ，１２ｆの形状と同様な形状とすればよい。
【００４８】
従って、本発明によるミラー装置１０，１５，３０は、従来のＭＥＭＳ技術を利用しないミラー装置と比較して、高精度で一様な近似放物面形状を形成することができると共に、小型，軽量に構成される。ミラー基板１１，３１又は支持基板１２，３２上において例えば処理回路と集積化することにより、高性能化，高速化，低消費電力化，低コスト化を実現することができる。
【００４９】
（ミラー装置の製造方法）
ミラー装置３０の製造方法について説明する。ミラー装置３０は、図６及び図７に示した構成として説明する。
最初に、ミラー基板３１の製造について説明する。
図８は、図７に示したミラー基板３１の製造方法を順次に示す模式的な断面図である。
ミラー基板３１として、ＳＯＩ構造を有する第１の基板４０を用いる。第１の基板４０においては、シリコン基板４１上にＳｉＯ２から成る犠牲層４２と上層Ｓｉ層４３が順に積層されている。具体的には、例えば、厚さが２００μｍのシリコン基板４１の表面に、厚さ２μｍのＳｉＯ２から成る犠牲層４２を介して、厚さ１０μｍの上層Ｓｉ層４３が形成されている。
そして、図８（Ａ）に示すように、この第１の基板４０の下面に、例えばポジレジストのマスクパターン４４を形成して、誘導結合プラズマによるイオンエッチング（ＩＣＰ−ＲＩＥ法と呼ぶ）等により、犠牲層４２に達するエッチング４５を行う。
これにより、ミラー部３１ａに対応するシリコン基板４１の領域を、一部を残して除去する。
【００５０】
続いて、図８（Ｂ）に示すように、第１の基板４０の上面、即ち上層Ｓｉ層４３の表面に、高解像ポジレジストのマスクパターン４６を形成して、同様にＩＣＰ−ＲＩＥ法等により、犠牲層４２に達するエッチング４７を行う。このエッチング４７により、上層Ｓｉ層４３に、ミラー部３１ａ，サスペンション３１ｂ及びベース部３１ｃを形成する。
【００５１】
その後、図８（Ｃ）に示すように、この第１の基板４０の下面に関して、例えば気相フッ酸等により、シリコン基板４１のエッチング４５を行ない、残った領域を除去すると共にミラー部３１ａに対応する犠牲層４２の領域を除去する。
これにより、ミラー部３１ａはシリコン基板４１から解放され、浮いた状態でサスペンション３１ｂにより支持された状態となる。
以上で、ミラー基板３１が作製される。
【００５２】
（支持基板の製造方法）
次に、支持基板３２の製造について説明する。
図９は、図７に示した支持基板３２の製造方法を順次に示す模式的な断面図である。
第２の基板、例えばガラス基板５０を用意して、図９（Ａ）に示すように、このガラス基板５０の表面に、Ｃｒ膜５１をスパッタリング等により形成する。このＣｒ膜５１は、例えば厚さ２５０〜３００ｎｍ程度に選定されている。
そして、図９（Ｂ）に示すように、このＣｒ膜５１の表面に、例えばポジレジストのマスクパターン５２を形成して、Ｃｒエッチング５３を行う。この場合、Ｃｒ膜５１をエッチングするエッチャントとして、例えばＨＣｌ０４（７０％）４．５ｇと、Ｈ２Ｏ８９ｃｍ３と、硝酸二アンモニウムセリウム（II）２０ｇとからなる混合溶液を使用することができる。
【００５３】
その後、図９（Ｃ）に示すように、５０％のＨＦ溶液を使用して、ガラス基板５０の表面に対して、例えば深さ３μｍ程度の等方性エッチング５４を行う。
これにより、ガラス基板５０の表面に、凹陥部３２ｃ，３２ｄ，３２ｅが形成されると共に、凹陥部３２ｃ，３２ｄの間に、支持部３２ａが画成されることになる。
【００５４】
続いて、Ｃｒ膜５１及びマスクパターン５２を除去した後、図９（Ｄ）に示すように、ガラス基板５０の表面全体に亘って、例えば厚さ４０μｍ程度のＣｒ膜５５及び厚さ６０μｍ程度のＡｕ膜５６を形成する。
ここで、Ａｕ膜５６のガラス基板５０への密着性が良くないため、Ａｕ膜５６及びガラス基板５０の双方に対する密着性の良好なＣｒ膜５５等を介在させて、間接的にＡｕ膜５６のガラス基板５０への密着性を高めるようにしている。
【００５５】
最後に、図９（Ｅ）に示すように、Ｃｒ膜５５及びＡｕ膜５６をパターンエッチングして、凹陥部３２ｄ内に固定電極部３２ｂを、また凹陥部３２ｅ内に電極配線３２ｆを形成する。
なお、支持部３２ａ上のＣｒ膜５５及びＡｕ膜５６もエッチングされずに残される。この場合、Ａｕ膜５６をエッチングするエッチャントとして、Ｉ２を１．２ｇとＮＨ４Ｉを８ｇとＨ２Ｏを４０ｃｍ３とＣＨ３ＯＨを６０ｃｍ３とからなる混合溶液を使用することができる。固定電極部３２ｂを形成するためには、所謂リフトオフプロセス法等を利用してもよい。
以上で、支持基板３２が作製される。
【００５６】
（ミラー基板と支持基板の接合方法）
図１０はミラー基板３１及び支持基板３２の陽極接合を示す模式的な断面図である。
図１０に示すように、図８に示す方法によって作製されたミラー基板３１が反転された状態で、図９に示す方法によって作製された支持基板３２上に載置され、ヒータ５７により加熱されると共に、電源５８により電圧が印加されて陽極接合が行われる。陽極接合の条件は、例えば４００℃，１００Ｖである。これは、電圧を例えば２００〜３００Ｖ程度と高くすると、ミラー部３１ａがガラス基板５０に引き込まれて接合してしまうので、このような接合を排除するためである。ミラー装置３０では、接合面全体を気密性良く密着させる必要はないので、低電圧の陽極接合でも、接合が可能である。
【００５７】
このとき、支持部３２ａの上面には、Ｃｒ膜５５及びＡｕ膜５６が在るので、支持部３２ａの上面がミラー部３１ａの表面に接合してしまうことがない。これにより、ミラー部３１ａが曲げモーメントにより放物面状に変形する際に、支持部３２ａの影響を受けることなく、円滑に変形することが可能である。
【００５８】
例えば、上述した実施形態においては、ミラー基板３１がＳｉ基板４１、犠牲層４２、及び上層Ｓｉ層４３とから構成されているが、これに限らず、他の半導体基板及び上層半導体層から構成されていてもよい。支持基板３２がガラス基板から構成されているが、これに限らず、他の基板から構成されていてもよいことは明らかである。
【００５９】
以上述べたように、本発明によれば、簡単な構成により、焦点可変で且つ高精度の一様な近似放物面形状を得ることができるようにした、極めて優れたミラー装置１０，１５，３０及びその製造方法が提供される。
【実施例１】
【００６０】
実施例１として、厚さが１０μｍの円形のミラー部３１ａを備えたミラー装置３０を、図８〜１０を用いて説明した製造方法によって種々の寸法で製作した。ミラー基板３１の材料はＳＯＩ基板を用い、支持基板３２の材料はパイレックス（登録商標）ガラスを用いた。
ここで、ミラー部３１ａの直径を５００μｍとして、対応する支持部３２ｂの円の直径を１００μｍ及び２００μｍとした。ミラー部３１ａの直径を１０００μｍとした場合、対応する支持部の円直径を３００μｍ及び４００μｍとした。ミラー部３１ａの直径を１５００μｍとした場合、対応する支持部３２ｂの円の直径を６００μｍとした。支持間隔ｇは何れの場合も１０μｍとした。
【００６１】
図１１は、実施例１のミラー装置３０の走査電子顕微鏡像を示す図であり、（Ａ）がミラー基板３１の表面要部を、（Ｂ）が支持基板３２の表面要部をそれぞれ示している。図１１から明らかなように、微細加工によってミラー基板３１及び支持基板３２が精度良く製作されていることが分かる。
【００６２】
上記実施例１で製作したミラー装置３０の動作特性を説明する。
ミラー装置３０のミラー部３１ａと固定電極部３２ｂとの間に正弦波（１Ｈｚ）を種々の電圧を印加して形状測定を行った。形状測定には白色光干渉計（ザイゴ社)を用いた。
図１２は、実施例１のミラー部３１ａの断面形状における印加電圧依存性を示す図である。測定した円形ミラー部３１ａの直径は１０００μｍであり、支持部３２ｂの円の直径が４００μｍである。図の横軸はミラー部３１ａの直径方向の寸法（ｍｍ）であり、図の縦軸はミラー部３１ａの変形量（μｍ）である。
図１２から明らかなように、１００Ｖ以下の印加電圧ではミラー部３１ａの支持への接触が弱く、形状が傾いていた。１００Ｖ以上の印加電圧ではミラー部３１ａの支持への接触が強いので形状が安定であり、印加電圧の増大と共にミラー部３１ａの中央部が上方へ膨らむことが分かる。
【００６３】
表３は実際のミラー部３１ａの印加電圧０Ｖ，１００Ｖ，１５０Ｖ，２００Ｖ，２１５Ｖにおける高低差を示す表である。表３から明らかなように、印加電圧０Ｖ，１００Ｖ，１５０Ｖ，２００Ｖ，２１５Ｖにおける高低差は、それぞれ、１５０ｎｍ，８４０ｎｍ，１７００ｎｍ，２６００ｎｍ（２．６μｍ）であることが分かった。これらの高低差は、設計値と良く一致していることが判明した。
【表３】
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【００６４】
表４は、印加電圧とミラー部３１ａの各所における放物面に対する変形量の平均二重偏差と焦点距離を示す表である。表４に示すように、原理的に一様な近似放物面になるミラー部３１ａの支持内部領域では、平均二乗偏差が安定して数ｎｍ程度の誤差であった。さらに、印加電圧が１００Ｖ，１５０Ｖ，２００Ｖ，２１５Ｖの場合、焦点距離が１４０ｍｍ，７７ｍｍ，３６ｍｍ，２４ｍｍと変動していることが分かる。支持外部領域では印加電圧を大きくすることに伴う変化量の増大によって、放物面との誤差も大きくなっていっている。これから、焦点距離は２４ｍｍから無限大（∞）の範囲で可変にすることができた。
【表４】
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【実施例２】
【００６５】
ミラー部３１ａを長方形とした以外は、実施例１と同様にして実施例２のミラー装置３０を製作した。ミラー部３１ａにおける長方形の長辺の長さを１０００μｍ，１５００μｍとし、短辺の長さを４００μｍとした。
【００６６】
図１３は、実施例２のミラー装置３０の走査電子顕微鏡像を示す図であり、（Ａ）がミラー基板３１の表面要部を、（Ｂ）が支持基板３２の表面要部をそれぞれ示している。
図１３から明らかなように、微細加工によってミラー基板３１及び互いに平行な直線状の支持部３２ａを有する支持基板３１が精度良く製作されていることが分かる。
【００６７】
上記実施例２で製作したミラー装置３０の動作特性を説明する。
図１４は、実施例２のミラー部３１ａの断面形状における印加電圧依存性を示す図である。測定した長方形のミラー部の長辺の長さは１０００μｍである。図の横軸はミラー部３１ａの長辺方向の寸法（ｍｍ）であり、図の縦軸は、ミラー部３１ａの変形量（μｍ）である。
図１４から明らかなように、印加電圧によってミラー部３１ａへの支持部３２ａの接触が強く、形状が安定であり、印加電圧を５０Ｖから２００Ｖまで５０Ｖ毎に増加させると、印加電圧の増大と共に、ミラー部３１ａの中央部が上方へ膨らむことが分かる。
【００６８】
表５は、印加電圧が０Ｖ，１００Ｖ，２００Ｖにおけるミラー部３１ａの高低差を示す表である。表５に示すように、印加電圧０Ｖ，１００Ｖ，２００Ｖにおける高低差は、それぞれ、７５ｎｍ，４００ｎｍ，１９００ｎｍ（１．９μｍ）であることが分かった。これらの高低差は、設計値と良く一致していることが判明した。
【表５】
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【００６９】
表６は、実施例２において、印加電圧とミラー部３１ａの各所における放物面に対する変形量の平均二重偏差と焦点距離を示す表である。
表６から明らかなように、印加電圧が０Ｖ〜２００Ｖでは、原理的に一様な近似放物面になるミラー部３１ａの支持内部領域では、平均二乗偏差が安定して約１．１ｎｍ以下程度の非常に小さい誤差であった。ミラー部の全領域では、印加電圧が０Ｖ，５０Ｖ，１００Ｖ，１５０Ｖ，２００Ｖの場合、平均二乗偏差が、それぞれ、２．５８ｎｍ，４．５３ｎｍ，１０．７ｎｍ，２３．３ｎｍ，５１．１ｎｍと小さかった。
さらに、実施例２のミラー装置３０では、印加電圧を０Ｖ，５０Ｖ，１００Ｖ，１５０Ｖ，２００Ｖと変化させたときに得られる焦点距離が、それぞれ、７１０ｍｍ，３７０ｍｍ，１５０ｍｍ，７０ｍｍ，３２ｍｍと変動していることが分かった。
【表６】
2010096997.tif 000019
【００７０】
本発明は、上記実施の形態に限定されることなく、特許請求の範囲に記載した発明の範囲内で種々の変形が可能であり、それらも本発明の範囲内に含まれることはいうまでもない。上述した実施形態における、ミラー部３１ａ及び支持部３２ａの形状や各寸法は、所望の放物線特性に応じて適宜に設計することが可能である。
【図面の簡単な説明】
【００７１】
【図１】本発明の実施形態に係るミラー装置の構成を示す概略斜視図である。
【図２】図１のミラー装置において、（Ａ）は非動作時の、（Ｂ）は動作時の概略断面図である。
【図３】両端が固定された梁の荷重印加時の変位量を計算するための模式図である。
【図４】環状の支持部に支持された円板の荷重印加時の変形を説明する、（Ａ）は概略斜視図，（Ｂ）は平面図、（Ｃ）は断面図である。
【図５】第２の実施形態に係るミラー装置の構成を模式的に示す図で、（Ａ）は斜視図、（Ｂ）は平面図である。
【図６】ミラー装置の構成を示す平面図である。
【図７】図６のＸ−Ｘ方向の断面図である。
【図８】図７に示したミラー基板の製造方法を順次に示す模式的な断面図である。
【図９】図７に示した支持基板の製造方法を順次に示す模式的な断面図である。
【図１０】ミラー基板及び支持基板の陽極接合を示す模式的な断面図である。
【図１１】実施例１のミラー装置の走査電子顕微鏡像であり、（Ａ）はミラー基板の表面要部を、（Ｂ）は支持基板の表面要部をそれぞれ示している。
【図１２】実施例１のミラー部の断面形状における印加電圧依存性を示す図である。
【図１３】実施例１のミラー装置の走査電子顕微鏡像であり、（Ａ）はミラー基板の表面要部を、（Ｂ）は支持基板の表面要部をそれぞれ示している。
【図１４】実施例２のミラー部の断面形状における印加電圧依存性を示す図である。
【図１５】従来のマイクロミラーの構成例において、（Ａ）は非動作時の、（Ｂ）は動作時の概略断面図である。
【図１６】従来のマイクロミラー装置において、ミラーの周縁がサスペンションによって支持されている場合の変形状態を示すグラフである。
【図１７】従来のマイクロミラー装置において、ミラーの周縁が固定保持されている場合の変形状態を示すグラフである。
【符号の説明】
【００７２】
１０，１５，３０：ミラー装置
１１，３１：ミラー基板
１１ａ，３１ａ：ミラー基板のミラー部
１１ｂ，３１ｂ：ミラー基板のサスペンション
１１ｃ，３１ｃ：ミラー基板のベース部
１１ｄ，３１ｆ：ミラー基板の外側領域
１１ｅ：ミラー基板の内側領域
１１ｇ，３１ｇ：ミラー基板の空隙部
１２，３２：支持基板
１２ａ，１２ｃ，１２ｄ，３２ａ：支持基板の支持部
１２ｂ，１２ｅ，１２ｆ，３２ｂ：支持基板の固定電極部
１８：ミラー駆動電源
２０：梁
２１：円板
２１ａ：周縁
２２：支持部
３１ｄ：犠牲層
３１ｅ：Ｓｉ基板
３２ｃ，３２ｄ，３２ｅ：ミラー基板の凹陥部
４０：第１の基板
４１：シリコン基板
４２：犠牲層
４３：上層Ｓｉ層
４４，４６，５２：マスクパターン
４５，４７，５３，５４：エッチング
５０：第２の基板（ガラス基板）
５１，５５：Ｃｒ膜
５６：Ａｕ膜
５７：ヒータ
５８：電源
【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１５】
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【図１６】
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【図１７】
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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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