(57)【特許請求の範囲】
【請求項１】
光システムであって、
基板と、
前記基板をエッチングすることにより当該基板内に形成された、第１の光ビームを受けるよう光学的に結合され且つ第２の光ビームを生成するよう動作可能な３次元湾曲光素子と、
を備え、
前記第１の光ビームの光軸、前記３次元湾曲光素子の中心軸、及び前記第２の光ビームの光軸は、前記エッチングを行う前の前記基板の表面位置より下に存在し、且つ前記基板の平面に対し平行である、
光システム。
【請求項２】
前記基板にエッチングされた可動光素子と、
前記可動光素子に結合された微細電気機械システム（ＭＥＭＳ）アクチュエータと、
を更に備える、
請求項１に記載の光システム。
【請求項３】
３次元湾曲光素子は、前記可動光素子である、
請求項２に記載の光システム。
【請求項４】
前記ＭＥＭＳアクチュエータは、前記３次元湾曲光素子が、前記基板に関し面内に移動して当該基板の平面に平行に伝搬する光ビームの伝搬距離を調整し、又は前記基板に関し面外に移動して前記中心軸の位置を調整するよう構成され得るように、当該３次元湾曲光素子と結合されている、
請求項３に記載の光システム。
【請求項５】
前記ＭＥＭＳアクチュエータは、静電櫛歯形アクチュエータである、
請求項２に記載の光システム。
【請求項６】
前記基板をエッチングすることにより当該基板内に形成された平坦素子であって、前記基板の平面に対し垂直な平坦面を備える平坦素子を更に備える、
請求項２に記載の光システム。
【請求項７】
前記平坦素子は、光素子、電気素子、又は機械素子である、
請求項６に記載の光システム。
【請求項８】
前記平坦素子及び前記３次元湾曲光素子の少なくとも一方が可動光素子である、
請求項６に記載の光システム。
【請求項９】
前記３次元湾曲光素子は、球面ミラー、又は球面レンズ若しくは楕円レンズの一方である、
請求項１に記載の光システム。
【請求項１０】
前記３次元湾曲光素子は、凹形プロファイル又は凸形プロファイルを持つ、
請求項１に記載の光システム。
【請求項１１】
前記基板は、ハンドル層と、デバイス層と、前記ハンドル層と前記デバイス層の間の犠牲層と、を備える、
請求項１に記載の光システム。
【請求項１２】
前記３次元湾曲光素子の中心軸と一致するように調整された光ファイバを更に備える、
請求項１に記載の光システム。
【請求項１３】
前記３次元湾曲光素子の中心軸と一致するように調整された光源を更に備え、
前記３次元湾曲光素子と前記光源とは、全体としてレンズ付きファイバとして機能する、
請求項１に記載の光システム。
【請求項１４】
前記３次元湾曲光素子は、屈折光素子であり、
前記３次元湾曲光素子の中心軸と一致するように調整された光源と、
外部環境及び前記光源から前記光ベンチシステムが隔離されるように、前記光ベンチシステムを封止するキャッピング層と、
を更に備える、
請求項１に記載の光システム。
【請求項１５】
前記光システムは、集積されたモノリシック光ベンチシステムである、
請求項１に記載の光システム。
【請求項１６】
モノリシック光ベンチを作製する方法であって、
基板を準備するステップと、
前記基板をエッチングすることにより３次元湾曲光素子を前記基板内に形成するステップであって、前記３次元湾曲光素子の中心軸と、前記３次元湾曲光素子に入射し及び生成されるそれぞれの光ビームの光軸とが、前記エッチングを行う前の前記基板の表面位置より下に存在し且つ前記基板の平面に対し平行となるように、前記３次元湾曲光素子を形成するステップと、
を備える、
方法。
【請求項１７】
前記３次元湾曲光素子をエッチングするステップは、さらに、描画マスクとリソグラフィ手法から生成される面内の湾曲形状と、多段階エッチング手法から生成される面外の湾曲形状とを組み合わせることを含む、
請求項１６に記載の方法。
【請求項１８】
前記基板は、ハンドル層と、デバイス層と、前記ハンドル層と前記デバイス層の間の犠牲層と、を備え、
前記３次元湾曲光素子をエッチングするステップは、さらに、前記デバイス層及び前記ハンドル層の一方における複数の時間制御されたエッチングステップを用いることを含み、
前記複数の時間制御されたエッチングステップは、少なくとも一つの異方性エッチングステップと、少なくとも一つの表面保護ステップと、少なくとも一つの等方性エッチングステップと、を含み、
前記複数の時間制御されたエッチングステップのそれぞれの、それぞれ対応するエッチング深さは、前記３次元湾曲光素子についての目標とする湾曲プロファイルに関連している、
請求項１６に記載の方法。
【請求項１９】
前記３次元湾曲光素子をエッチングするステップは、さらに、前記等方性エッチングステップの際に異方性エッチング要素を付加することを含む、
請求項１８に記載の方法。
【請求項２０】
前記３次元湾曲光素子の曲率半径は、少なくとも部分的には、マスク開口のサイズとエッチングパラメータとに基づいている、
請求項１８に記載の方法。
【請求項２１】
前記基板は、ハンドル層と、デバイス層と、前記ハンドル層と前記デバイス層の間の犠牲層と、を備え、
前記３次元湾曲光素子をエッチングするステップは、さらに、前記デバイス層及び前記ハンドル層の一方における複数の時間制御されたエッチングステップを用いることを含み、
前記複数の時間制御されたエッチングステップは、少なくとも二つの等方性エッチングステップと、少なくとも一つの表面保護ステップと、を含み、
前記複数の時間制御されたエッチングステップのそれぞれの、それぞれ対応するエッチング深さは、前記３次元湾曲光素子についての目標とする湾曲プロファイルに関連している、
請求項１６に記載の方法。
【請求項２２】
前記３次元湾曲光素子は、第１のエッチングマスクを用いて作製され、
第２のエッチングマスクを用いて、前記基板の平面に対し垂直な平坦面を備える平坦素子を作製するステップを、更に含み、
前記３次元湾曲光素子は、前記平坦素子の作製中においては、前記第２のエッチングマスク下の陰領域内で保護される、
請求項１６に記載の方法。
【請求項２３】
前記犠牲層は、前記３次元湾曲光素子の作製後の前記第２のエッチングマスクを用いた異方性エッチングによる前記平坦素子の作製を可能とする、エッチストップ層である、
請求項２２に記載の方法。
【請求項２４】
前記３次元湾曲光素子をエッチングするステップは、前記第２のエッチングマスクを用いた前記平坦素子の作製時に除去されることとなるダミー壁を生成する、
請求項２２に記載の方法。
【請求項２５】
前記基板は、ハンドル層と、デバイス層と、前記ハンドル層と前記デバイス層の間の犠牲層と、を備え、
前記３次元湾曲光素子は前記ハンドル層内に作製され、前記平坦素子は前記デバイス層内に作製される、
請求項２２に記載の方法。
【請求項２６】
前記３次元湾曲光素子をエッチングするステップは、さらに、前記３次元光素子のエッチングされた湾曲面を後処理することを含む、
請求項１６に記載の方法。
【請求項２７】
前記後処理することには、単層コーティング、多層コーティング、表面平滑化、及び酸化のうちの少なくとも一つが含まれる、
請求項２６に記載の方法。
【請求項２８】
前記３次元湾曲光素子の中心軸と一致するように調整された光源を支持するための溝部を前記基板にエッチングするステップを更に備える、
請求項１６に記載の方法。
【請求項２９】
前記基板は、ハンドル層と、デバイス層と、前記ハンドル層と前記デバイス層の間の犠牲層と、を備え、
前記溝部をエッチングするステップは、さらに、前記ハンドル層及び前記デバイス層の両者をエッチングすることにより前記溝部を作製することを含む、
請求項２８に記載の方法。
【請求項３０】
前記溝部は、前記３次元湾曲光素子の作製の際に作製される３次元ファイバ溝である、
請求項２８に記載の方法。
【請求項３１】
前記基板は、ハンドル層と、デバイス層と、前記ハンドル層と前記デバイス層の間の犠牲層と、を備え、
前記３次元湾曲光素子をエッチングするステップは、さらに、１００マイクロメータ未満のマスク開口を介した前記デバイス層及び前記ハンドル層の一方におけるエッチングを行う異方性エッチングステップの際にエッチングパラメータを連続的に変更することにより、前記３次元湾曲光システムの凹形面を作製することを含む、
請求項１６に記載の方法。
【請求項３２】
前記３次元湾曲光素子の曲率半径は、前記マスク開口のサイズと前記エッチングパラメータとに基づいている、
請求項３１に記載の方法。
【請求項３３】
前記凹形面のための前記マスク開口よりも大きなサイズの付加的なマスク開口を介した前記異方性エッチングステップの際に平坦面を作製するステップ、を更に備える、
請求項３１に記載の方法。
【請求項３４】
前記基板は、ハンドル層と、デバイス層と、前記ハンドル層と前記デバイス層の間の犠牲層と、を備え、
前記デバイス層は、第１のデバイス層と第２のデバイス層とを含み、
前記犠牲層は、第１の犠牲層と第２の犠牲層を含み、
前記第１の犠牲層は、前記第１のデバイス層及び前記第２のデバイス層と分離しており、
前記第２の犠牲層は、前記第２のデバイス層と隣接して形成されており、
前記３次元湾曲光素子をエッチングするステップは、さらに、前記第１のデバイス層を異方性エッチングすることと、前記第１のデバイス層及び前記第２のデバイス層を等方性エッチングすることと、を含み、
前記光軸は、前記第１の犠牲層により定まる、
請求項１６に記載の方法。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
（発明の技術分野）
本発明は、概して光ベンチシステムに関し、特に、基板上に微細加工されたモノリシック光ベンチシステムの製作に関する。
【背景技術】
【０００２】
（関連特許の相互参照）
本米国実用特許出願は、以下に示す米国仮特許出願について、米国特許法３５ＵＳＣ§１１９（ｅ）による優先権を主張するものである。当該米国仮特許出願は、参照によりその全体が本明細書に組み込まれ、あらゆる目的に関し本米国実用特許出願の一部を構成する。
１．米国仮出願番号６１／５４９，３５３、発明の名称「３Ｄ湾曲光素子を含む集積化されたモノリシック光ベンチ、及びその作製方法」（代理人整理番号第ＢＡＳＳ０１−０００１２）、２０１１年１０月２０日出願、係属中。
【０００３】
（関連技術の説明）
微小電気機械システム（MEMS、Micro Electro-Mechanical Systems）とは、微細加工技術（microfabrication technology）を用いて共通のシリコン基板上に作製された機械要素、センサ、アクチュエータ、及び電気回路の集積をいう。例えば、マイクロエレクトロニクス（微細電子回路）は、通常、集積回路（IC、integrated circuit）プロセスを用いて作製されるが、微小電気機械素子（micromechanical components）は、これと同等な微細加工プロセス（複数）（micromachining processes）を用いて作製される。これらの微細加工プロセスでは、シリコンウェハを部分的にエッチング除去したり、機械素子及び電気機械素子を形成するための複数の新たな構成層（structural layers）の付加が行われて、機械要素（mechanical components）や電気機械要素（electromechanical components）が形成される。ＭＥＭＳデバイスは、安価で、バッチ生産が可能であり、標準的なマイクロエレクトロニクスとの親和性（compatibility）を有することから、分光測定（spectroscopy）、形状測定（profilometry）、環境センシング（environmental sensing）、屈折率測定（又は材料認識（material recognition））、及びその他のセンサ応用の用途において魅力的な候補である。また、ＭＥＭＳデバイスは形状が小さいことから、携帯可能な可搬型のデバイスにそれらＭＥＭＳデバイスを容易に組み込むことができる。
【０００４】
光学用途（複数）においては、ＭＥＭＳ技術は、光ベンチシステムに組み込まれ、MEMSアクチュエータによる一つ又は複数の光学素子の移動制御を可能にする。これらの用途には、干渉計、分光計、チューナブル光共振器、ファイバ結合器、光スイッチ、可変光ビーム成形器、光マイクロスキャナ、可変光減衰器、チューナブルレーザ、並びに、センサ及び通信の両分野におけるその他の多くの用途が含まれる。
【０００５】
従来のシリコン・オン・インシュレータ（Silicon On Insulator、SOI）基板の光ベンチでは、当該基板の表面に対し垂直な方向に平坦な光素子を形成する。そのような光素子は、入射光ビームを反射し、屈折させ、又は回折させることができるが、これらの光素子は、通常、光ビームを集光したりコリメートしたりすることはできない。その結果、従来の光ベンチシステムには、結合効率が低く、伝搬損失が大きく、及び又は光ベンチ内で許容される光ビームの伝搬距離が制限される、といった不利益がある。これらの欠点は、そのようなシステムの、全体としての光学的性能を制限してしまう。
【０００６】
近年では、コリメーション機能を持つ光ベンチシステムが提案されている。この光ベンチシステムは、垂直方向にフラットなミラー（複数）を、張力で動作する機械移動メカニズムに取り付けて、Ｎ×Ｎの光ＭＥＭＳスイッチを構成したものであり、レンズ加工された光ファイバを用いることにより光ビーム・コリメーションの機能を備える。しかしながら、そのようなレンズ加工された光ファイバは、高価であり、光学的な作動距離（working distance）も限られる。
【０００７】
シリンドリカル・ミラー（面内方向（in-plane direction）に湾曲し、面外方向（out-of-plane direction）に平坦なミラー）をリニアＭＥＭＳアクチュエータに取り付けて上記面内方向にビームを集光することにより、可変光減衰器を構成したり、ＭＥＭＳチューナブルレーザの結合効率を増加させることも提案されている。上記面外方向に光ビームを集光させるために、ＨＦを用いて細く加工した光ファイバを挿入し、これをロッド型シリンドリカルレンズとして機能させている。しかしながら、このファイバの追加により、光ベンチはモノリシックではなくなり、標準的なファイバの円形断面半径のため集光性能も限られている。さらに、単一の面ではなく２つの異なる面を利用するため、付加的な反射損失が発生すると共に、３Ｄ成形性能が低下する。
【０００８】
近年では、他の３Ｄ集光性光素子も知られている。この光素子は、基板に対して±４５°に傾いて形成され互いに９０度の回転角度を持つ２つの円筒面で構成された屈折エレメント（refractive elements）を利用したものである。このエレメントは、レジストをパターンニングするための、基板に対して−４５°及び＋４５°の角度で傾いたコリメートされたＸ線ビームによるリソグラフィを用いて、エッチングされる。しかしながら、これらのミラーは、円筒形状であり、特殊なアライメントを用いた特殊なリソグラフィを必要とする。したがって、この場合も、動作が屈折構成に限られると共に性能も限定されたものとなる。
【０００９】
近年では、作製後に更なるアセンブリ工程を必要とする３Ｄマイクロ光ベンチシステム（複数）も知られている。回転アセンブリ（rotational assembly）を用いて、チップの表面上を伝搬する自由空間ビームを処理するマイクロ光サブシステムが作製されている。このサブシステムでは、作製後の光エレメントが９０度回転され、ラッチ機構によりその側面部分が支持される。これらのシステムでは、光軸の確定性（the definition of the optical axis）は、機械エレメントの精度と安定性に支配される。さらに、光軸は基板上方に存在するので、光源挿入のための溝をモノリシック集積することはできず、光学要素（光コンポーネント、optical components）を面内方向又は面外方向へ移動させるＭＥＭＳアクチュエータの集積は困難となる。
【００１０】
近年では、ハイブリッド集積された３Ｄ光ベンチも知られている。ＳＯＩウェハ上にポリマーレンズ、ポリシリコンのＭＵＭＰ（複数）、及び単結晶シリコンのＨＡＲＭ構造を集積することにより作製された、面内ポリマーレンズ、肉厚ファイバホルダ、及び電熱アクチュエータ（electrothermal actuator）により駆動される機械シャッタを備えるマイクロデバイスの実証が行われている。集光素子その他の光コンポーネントを含む光ベンチ上で、光コンポーネントを接続し及び位置調整するための機械実装システムも提案されている。しかしながら、このハイブリッド集積は、モノリシック集積されたシステムのバッチ製造にとっては障害となる。
【００１１】
ガラスやシリコン等の異なる表面上で、３Ｄ湾曲を持つ光素子形状をバッチ作製する試みが行われている。しかしながら、既知のほとんどの方法は、表面上に位置する光学素子を作製するものであり、マイクロ光ベンチにおける面内光ビームの操作を可能とするものではない。報告されている３Ｄ凹面構造は、通常、面外の光ビームを反射するフォトニック結晶ミラー（photonic crystal mirrors）として作用し、面内光ビームを集光したりコリメートしたりすることはできず、ウェハ基板上への光源の挿入を可能とするものでもない。
【発明の概要】
【００１２】
したがって、必要とされているのは、面内光ビームの操作を行うことができ、かつ、光源を集積することのできる、３Ｄ湾曲光素子を備えたモノリシック光ベンチシステムである。また、必要とされているのは、３Ｄ湾曲光素子、及びＭＥＭＳアクチュエータにより駆動することのできる一つ又は複数の可動光素子の両者を含んだ、モノリシック光ベンチシステムである。
【課題を解決するための手段】
【００１３】
（発明の概要）
本発明の実施形態は、基板と、当該基板にエッチングされた３次元湾曲光素子とを含むモノリシック光ベンチのような光システムであって、当該光システムの光軸が上記基板内にあって当該基板の平面に対し平行である光システムを提供する。一の実施形態では、さらに、可動光素子が基板内にエッチングされ、当該可動光素子に微小電気機械システム（MEMS、Micro-Electro-Mechanical Systems）アクチュエータが結合される。
【００１４】
一の実施形態では、３次元湾曲光素子は、可動光素子である。例えば、３次元湾曲光素子は、ＭＥＭＳアクチュエータに結合されて、基板に対し面内を動くよう構成されて基板面に対し平行に伝搬する光ビームの伝搬距離を調整したり、基板に対し面外を動くように構成されて光軸の位置を調整することができる。
【００１５】
他の例示的な実施形態では、本光システムは、基板上に形成された平坦な素子を更に備え、当該平坦素子は、光軸に対して垂直な平坦面を有する。この実施形態では、平坦素子及び又は３次元湾曲光素子は、可動光素子であるものとすることができる。また、３次元湾曲光素子は、第１のエッチングマスクを用いて作製することができ、平坦素子は、第２のエッチングマスクを用いて作製することができる。そして、３次元湾曲光素子は、平坦素子の作製中には、第２のエッチングマスク下の陰領域（shadow region）内で保護されるものとすることができる。
【００１６】
更に他の実施形態では、基板は、ハンドル層（handle layer）と、デバイス層（device layer）と、当該ハンドル層とデバイス層との間のエッチストップ層と、を含む。一の例示的な実施形態では、３次元湾曲光素子は、デバイス層及びハンドル層の一方についての時間制御された複数回のエッチングステップを用いて作製され、当該時間制御された複数回のエッチングステップは、少なくとも１回の異方性エッチングステップと、少なくとも１回の表面保護ステップ（surface-protection step）と、少なくとも１回の等方性エッチングステップを含み、エッチングステップのエッチング深さは、３次元湾曲光素子についての目標とする面形状（surface profile）に関連する。この実施形態では、３次元湾曲光素子の曲率半径は、マスク開口のサイズとエッチングパラメータに基づくものとなり得る。
【００１７】
他の例示的な実施形態では、３次元湾曲光素子の凹面は、小さなマスク開口を介してデバイス層及びハンドル層の一方のエッチングを行う異方性エッチングステップ中に、エッチングパラメータを連続的に変化させることで作製される。この実施形態では、３次元湾曲光素子の曲率半径は、マスク開口のサイズとエッチングパラメータに基づく。
【００１８】
本発明の実施形態は、さらに、基板上に光システムを作製するための方法を提供する。本方法では、３次元湾曲光素子は、光システムの光軸が基板内に配され且つ当該基板の平面に平行となるように、当該基板においてエッチングされる。
【図面の簡単な説明】
【００１９】
（図面の簡単な説明）
本発明は、下記の添付図面に関連して示された以下の詳細な説明を参照することにより、より完全に理解され得る：
【図１】図１は、本発明の実施形態に従う、３次元湾曲光素子を備えた例示的な集積モノリシック光ベンチ（integrated monolithic optical bench）を示す図である。
【図２Ａ】図２Ａ−２Ｍは、本発明の実施形態に従う、３次元湾曲光素子を備えたモノリシック光ベンチを作製するための例示的なプロセスステップを示す図である。
【図２Ｂ】図２Ａ−２Ｍは、本発明の実施形態に従う、３次元湾曲光素子を備えたモノリシック光ベンチを作製するための例示的なプロセスステップを示す図である。
【図２Ｃ】図２Ａ−２Ｍは、本発明の実施形態に従う、３次元湾曲光素子を備えたモノリシック光ベンチを作製するための例示的なプロセスステップを示す図である。
【図２Ｄ】図２Ａ−２Ｍは、本発明の実施形態に従う、３次元湾曲光素子を備えたモノリシック光ベンチを作製するための例示的なプロセスステップを示す図である。
【図２Ｅ】図２Ａ−２Ｍは、本発明の実施形態に従う、３次元湾曲光素子を備えたモノリシック光ベンチを作製するための例示的なプロセスステップを示す図である。
【図２Ｆ】図２Ａ−２Ｍは、本発明の実施形態に従う、３次元湾曲光素子を備えたモノリシック光ベンチを作製するための例示的なプロセスステップを示す図である。
【図２Ｇ】図２Ａ−２Ｍは、本発明の実施形態に従う、３次元湾曲光素子を備えたモノリシック光ベンチを作製するための例示的なプロセスステップを示す図である。
【図２Ｈ】図２Ａ−２Ｍは、本発明の実施形態に従う、３次元湾曲光素子を備えたモノリシック光ベンチを作製するための例示的なプロセスステップを示す図である。
【図２Ｉ】図２Ａ−２Ｍは、本発明の実施形態に従う、３次元湾曲光素子を備えたモノリシック光ベンチを作製するための例示的なプロセスステップを示す図である。
【図２Ｊ】図２Ａ−２Ｍは、本発明の実施形態に従う、３次元湾曲光素子を備えたモノリシック光ベンチを作製するための例示的なプロセスステップを示す図である。
【図２Ｋ】図２Ａ−２Ｍは、本発明の実施形態に従う、３次元湾曲光素子を備えたモノリシック光ベンチを作製するための例示的なプロセスステップを示す図である。
【図２Ｌ】図２Ａ−２Ｍは、本発明の実施形態に従う、３次元湾曲光素子を備えたモノリシック光ベンチを作製するための例示的なプロセスステップを示す図である。
【図２Ｍ】図２Ａ−２Ｍは、本発明の実施形態に従う、３次元湾曲光素子を備えたモノリシック光ベンチを作製するための例示的なプロセスステップを示す図である。
【図３Ａ】図３Ａ及び３Ｂは、本発明の実施形態に従う、３次元湾曲光素子の例示的な湾曲面を示す図である。
【図３Ｂ】図３Ａ及び３Ｂは、本発明の実施形態に従う、３次元湾曲光素子の例示的な湾曲面を示す図である。
【図４】図４は、本発明の実施形態に従う、光ファイバ光源の挿入を容易にする例示的なモノリシック光ベンチを示す図である。
【図５Ａ】図５Ａ−５Ｄは、本発明の実施形態に従う、光ファイバ光源の挿入を容易にするモノリシック光ベンチを作製するための例示的なプロセスステップを示す図である。
【図５Ｂ】図５Ａ−５Ｄは、本発明の実施形態に従う、光ファイバ光源の挿入を容易にするモノリシック光ベンチを作製するための例示的なプロセスステップを示す図である。
【図５Ｃ】図５Ａ−５Ｄは、本発明の実施形態に従う、光ファイバ光源の挿入を容易にするモノリシック光ベンチを作製するための例示的なプロセスステップを示す図である。
【図５Ｄ】図５Ａ−５Ｄは、本発明の実施形態に従う、光ファイバ光源の挿入を容易にするモノリシック光ベンチを作製するための例示的なプロセスステップを示す図である。
【図６Ａ】図６Ａ−６Ｌは、本発明の実施形態に従う、３次元湾曲光素子を備えたモノリシック光ベンチを作製するための他の例示的なプロセスステップを示す図である。
【図６Ｂ】図６Ａ−６Ｌは、本発明の実施形態に従う、３次元湾曲光素子を備えたモノリシック光ベンチを作製するための他の例示的なプロセスステップを示す図である。
【図６Ｃ】図６Ａ−６Ｌは、本発明の実施形態に従う、３次元湾曲光素子を備えたモノリシック光ベンチを作製するための他の例示的なプロセスステップを示す図である。
【図６Ｄ】図６Ａ−６Ｌは、本発明の実施形態に従う、３次元湾曲光素子を備えたモノリシック光ベンチを作製するための他の例示的なプロセスステップを示す図である。
【図６Ｅ】図６Ａ−６Ｌは、本発明の実施形態に従う、３次元湾曲光素子を備えたモノリシック光ベンチを作製するための他の例示的なプロセスステップを示す図である。
【図６Ｆ】図６Ａ−６Ｌは、本発明の実施形態に従う、３次元湾曲光素子を備えたモノリシック光ベンチを作製するための他の例示的なプロセスステップを示す図である。
【図６Ｇ】図６Ａ−６Ｌは、本発明の実施形態に従う、３次元湾曲光素子を備えたモノリシック光ベンチを作製するための他の例示的なプロセスステップを示す図である。
【図６Ｈ】図６Ａ−６Ｌは、本発明の実施形態に従う、３次元湾曲光素子を備えたモノリシック光ベンチを作製するための他の例示的なプロセスステップを示す図である。
【図６Ｉ】図６Ａ−６Ｌは、本発明の実施形態に従う、３次元湾曲光素子を備えたモノリシック光ベンチを作製するための他の例示的なプロセスステップを示す図である。
【図６Ｊ】図６Ａ−６Ｌは、本発明の実施形態に従う、３次元湾曲光素子を備えたモノリシック光ベンチを作製するための他の例示的なプロセスステップを示す図である。
【図６Ｋ】図６Ａ−６Ｌは、本発明の実施形態に従う、３次元湾曲光素子を備えたモノリシック光ベンチを作製するための他の例示的なプロセスステップを示す図である。
【図６Ｌ】図６Ａ−６Ｌは、本発明の実施形態に従う、３次元湾曲光素子を備えたモノリシック光ベンチを作製するための他の例示的なプロセスステップを示す図である。
【図７Ａ】図７Ａ−７Ｐは、本発明の実施形態に従う、３次元湾曲光素子を備えたモノリシック光ベンチを作製するための、更に他の例示的なプロセスステップを示す図である。
【図７Ｂ】図７Ａ−７Ｐは、本発明の実施形態に従う、３次元湾曲光素子を備えたモノリシック光ベンチを作製するための、更に他の例示的なプロセスステップを示す図である。
【図７Ｃ】図７Ａ−７Ｐは、本発明の実施形態に従う、３次元湾曲光素子を備えたモノリシック光ベンチを作製するための、更に他の例示的なプロセスステップを示す図である。
【図７Ｄ】図７Ａ−７Ｐは、本発明の実施形態に従う、３次元湾曲光素子を備えたモノリシック光ベンチを作製するための、更に他の例示的なプロセスステップを示す図である。
【図７Ｅ】図７Ａ−７Ｐは、本発明の実施形態に従う、３次元湾曲光素子を備えたモノリシック光ベンチを作製するための、更に他の例示的なプロセスステップを示す図である。
【図７Ｆ】図７Ａ−７Ｐは、本発明の実施形態に従う、３次元湾曲光素子を備えたモノリシック光ベンチを作製するための、更に他の例示的なプロセスステップを示す図である。
【図７Ｇ】図７Ａ−７Ｐは、本発明の実施形態に従う、３次元湾曲光素子を備えたモノリシック光ベンチを作製するための、更に他の例示的なプロセスステップを示す図である。
【図７Ｈ】図７Ａ−７Ｐは、本発明の実施形態に従う、３次元湾曲光素子を備えたモノリシック光ベンチを作製するための、更に他の例示的なプロセスステップを示す図である。
【図７Ｉ】図７Ａ−７Ｐは、本発明の実施形態に従う、３次元湾曲光素子を備えたモノリシック光ベンチを作製するための、更に他の例示的なプロセスステップを示す図である。
【図７Ｊ】図７Ａ−７Ｐは、本発明の実施形態に従う、３次元湾曲光素子を備えたモノリシック光ベンチを作製するための、更に他の例示的なプロセスステップを示す図である。
【図７Ｋ】図７Ａ−７Ｐは、本発明の実施形態に従う、３次元湾曲光素子を備えたモノリシック光ベンチを作製するための、更に他の例示的なプロセスステップを示す図である。
【図７Ｌ】図７Ａ−７Ｐは、本発明の実施形態に従う、３次元湾曲光素子を備えたモノリシック光ベンチを作製するための、更に他の例示的なプロセスステップを示す図である。
【図７Ｍ】図７Ａ−７Ｐは、本発明の実施形態に従う、３次元湾曲光素子を備えたモノリシック光ベンチを作製するための、更に他の例示的なプロセスステップを示す図である。
【図７Ｎ】図７Ａ−７Ｐは、本発明の実施形態に従う、３次元湾曲光素子を備えたモノリシック光ベンチを作製するための、更に他の例示的なプロセスステップを示す図である。
【図７Ｏ】図７Ａ−７Ｐは、本発明の実施形態に従う、３次元湾曲光素子を備えたモノリシック光ベンチを作製するための、更に他の例示的なプロセスステップを示す図である。
【図７Ｐ】図７Ａ−７Ｐは、本発明の実施形態に従う、３次元湾曲光素子を備えたモノリシック光ベンチを作製するための、更に他の例示的なプロセスステップを示す図である。
【図８Ａ】図８Ａ及び８Ｂは、本発明の実施形態に従う、３次元湾曲光素子と、光ファイバ光源を受けるためのファイバ溝と、を備えた、他の例示的な集積光ベンチを示す図である。
【図８Ｂ】図８Ａ及び８Ｂは、本発明の実施形態に従う、３次元湾曲光素子と、光ファイバ光源を受けるためのファイバ溝と、を備えた、他の例示的な集積光ベンチを示す図である。
【図９Ａ】図９Ａ及び９Ｂは、本発明の実施形態に従う、劈開したファイバ（劈開ファイバ、cleaved fiber）と共に用いるための３次元湾曲光素子を備えた、他の例示的なモノリシック光ベンチを示す図である。
【図９Ｂ】図９Ａ及び９Ｂは、本発明の実施形態に従う、劈開したファイバ（劈開ファイバ、cleaved fiber）と共に用いるための３次元湾曲光素子を備えた、他の例示的なモノリシック光ベンチを示す図である。
【図１０】図１０は、本発明の実施形態に従う、３次元屈折光素子（three-dimensional refractive optical element）を用いる例示的な縮小されたモノリシック光ベンチを示す図である。
【図１１】図１１は、本発明の実施形態に従う、複数のエッチストップ層を用いて作製された３次元湾曲光素子を備える他の例示的な集積モノリシック光ベンチを示す図である。
【図１２】図１２は、本発明の実施形態に従う、３次元湾曲光素子を作製するための、種々の縦方向位置における例示的な横方向エッチング深さを示す図である。
【図１３】図１３は、本発明の実施形態に従う、３次元湾曲光素子を作製するための、例示的な多段階エッチングプロセスを示す図である。
【図１４Ａ】図１４Ａ−１４Ｅは、本発明の実施形態に従う、３次元湾曲光素子を作製するための例示的なエッチングステップを示す図である。
【図１４Ｂ】図１４Ａ−１４Ｅは、本発明の実施形態に従う、３次元湾曲光素子を作製するための例示的なエッチングステップを示す図である。
【図１４Ｃ】図１４Ａ−１４Ｅは、本発明の実施形態に従う、３次元湾曲光素子を作製するための例示的なエッチングステップを示す図である。
【図１４Ｄ】図１４Ａ−１４Ｅは、本発明の実施形態に従う、３次元湾曲光素子を作製するための例示的なエッチングステップを示す図である。
【図１４Ｅ】図１４Ａ−１４Ｅは、本発明の実施形態に従う、３次元湾曲光素子を作製するための例示的なエッチングステップを示す図である。
【図１５Ａ】図１５Ａ及び１５Ｂは、本発明の実施形態に従う、３次元湾曲光素子を作製するための例示的な平滑化（スムージング）ステップを示す図である。
【図１５Ｂ】図１５Ａ及び１５Ｂは、本発明の実施形態に従う、３次元湾曲光素子を作製するための例示的な平滑化（スムージング）ステップを示す図である。
【図１６】図１６は、本発明の実施形態に従う、３次元湾曲光素子の例示的な作製シミュレーションを示す図である。
【図１７】図１７は、本発明の実施形態に従う、図１６に示す３次元湾曲光素子の例示的な作製シミュレーションの拡大図である。
【図１８Ａ】図１８Ａ及び１８Ｂは、本発明の実施形態に従う、３次元湾曲光素子を作製するための例示的な異方性エッチングステップを示す図である。
【図１８Ｂ】図１８Ａ及び１８Ｂは、本発明の実施形態に従う、３次元湾曲光素子を作製するための例示的な異方性エッチングステップを示す図である。
【図１９Ａ】図１９Ａ及び１９Ｂは、本発明の実施形態に従う、３次元湾曲光素子を作製するための、例示的な、リソグラフィとエッチングのステップを示す図である。
【図１９Ｂ】図１９Ａ及び１９Ｂは、本発明の実施形態に従う、３次元湾曲光素子を作製するための、例示的な、リソグラフィとエッチングのステップを示す図である。
【図２０Ａ】図２０Ａ及び２０Ｂは、本発明の実施形態に従う、３次元湾曲光素子を作製するための、他の例示的な、リソグラフィとエッチングのステップを示す図である。
【図２０Ｂ】図２０Ａ及び２０Ｂは、本発明の実施形態に従う、３次元湾曲光素子を作製するための、他の例示的な、リソグラフィとエッチングのステップを示す図である。
【図２１Ａ】図２１Ａ−２１Ｄは、本発明の実施形態に従う、３次元湾曲光素子を作製するための例示的な等方性エッチングステップを示す図である。
【図２１Ｂ】図２１Ａ−２１Ｄは、本発明の実施形態に従う、３次元湾曲光素子を作製するための例示的な等方性エッチングステップを示す図である。
【図２１Ｃ】図２１Ａ−２１Ｄは、本発明の実施形態に従う、３次元湾曲光素子を作製するための例示的な等方性エッチングステップを示す図である。
【図２１Ｄ】図２１Ａ−２１Ｄは、本発明の実施形態に従う、３次元湾曲光素子を作製するための例示的な等方性エッチングステップを示す図である。
【図２２Ａ】図２２Ａ−２２Ｄは、本発明の実施形態に従う、３次元湾曲光素子を作製するための他の例示的な等方性エッチングステップを示す図である。
【図２２Ｂ】図２２Ａ−２２Ｄは、本発明の実施形態に従う、３次元湾曲光素子を作製するための他の例示的な等方性エッチングステップを示す図である。
【図２２Ｃ】図２２Ａ−２２Ｄは、本発明の実施形態に従う、３次元湾曲光素子を作製するための他の例示的な等方性エッチングステップを示す図である。
【図２２Ｄ】図２２Ａ−２２Ｄは、本発明の実施形態に従う、３次元湾曲光素子を作製するための他の例示的な等方性エッチングステップを示す図である。
【図２３Ａ】図２３Ａ及び２３Ｂは、本発明の実施形態に従う、３次元湾曲光素子を作製するための、例示的な、リソグラフィ及び等方性エッチングのステップを示す図である。
【図２３Ｂ】図２３Ａ及び２３Ｂは、本発明の実施形態に従う、３次元湾曲光素子を作製するための、例示的な、リソグラフィ及び等方性エッチングのステップを示す図である。
【図２４Ａ】図２４Ａ及び２４Ｂは、本発明の実施形態に従う、３次元湾曲光素子を作製するための、他の例示的な、リソグラフィ及び等方性エッチングのステップを示す図である。
【図２４Ｂ】図２４Ａ及び２４Ｂは、本発明の実施形態に従う、３次元湾曲光素子を作製するための、他の例示的な、リソグラフィ及び等方性エッチングのステップを示す図である。
【図２５Ａ】図２５Ａ及び２５Ｂは、本発明の実施形態に従う、種々の３次元湾曲光素子を作製するための、種々のリソグラフィ及びエッチングのステップを示す図である。
【図２５Ｂ】図２５Ａ及び２５Ｂは、本発明の実施形態に従う、種々の３次元湾曲光素子を作製するための、種々のリソグラフィ及びエッチングのステップを示す図である。
【図２６Ａ】図２６Ａ−２６Ｅは、本発明の実施形態に従う、３次元湾曲光素子を作製するための、例示的なボッシュプロセス（Bosch process）によるエッチングステップを示す図である。
【図２６Ｂ】図２６Ａ−２６Ｅは、本発明の実施形態に従う、３次元湾曲光素子を作製するための、例示的なボッシュプロセス（Bosch process）によるエッチングステップを示す図である。
【図２６Ｃ】図２６Ａ−２６Ｅは、本発明の実施形態に従う、３次元湾曲光素子を作製するための、例示的なボッシュプロセス（Bosch process）によるエッチングステップを示す図である。
【図２６Ｄ】図２６Ａ−２６Ｅは、本発明の実施形態に従う、３次元湾曲光素子を作製するための、例示的なボッシュプロセス（Bosch process）によるエッチングステップを示す図である。
【図２６Ｅ】図２６Ａ−２６Ｅは、本発明の実施形態に従う、３次元湾曲光素子を作製するための、例示的なボッシュプロセス（Bosch process）によるエッチングステップを示す図である。
【図２７Ａ】図２７Ａ及び２７Ｂは、本発明の実施形態に従う、３次元湾曲光素子と一つ又は複数の平坦素子の両者を作製するための、例示的なボッシュプロセス（Bosch process）によるエッチングステップを示す図である。
【図２７Ｂ】図２７Ａ及び２７Ｂは、本発明の実施形態に従う、３次元湾曲光素子と一つ又は複数の平坦素子の両者を作製するための、例示的なボッシュプロセス（Bosch process）によるエッチングステップを示す図である。
【図２８】図２８は、本発明の実施形態に従う、ボッシュ・エッチングプロセスを用いて作製された３次元湾曲光素子の例示的な曲率半径を示す図である。
【図２９】図２９は、本発明の実施形態に従う、光ファイバ光源に結合された例示的な３次元湾曲光素子を示す図である。
【図３０】図３０は、本発明の実施形態に従う、図２９における光ファイバ光源と３次元湾曲光素子との間の結合効率の、例示的な測定結果を示す図である。
【図３１】図３１は、本発明の実施形態に従う、光ファイバ光源に結合された他の例示的な３次元湾曲光素子を示す図である。
【図３２】図３２は、本発明の実施形態に従う、図３１における光ファイバ光源と３次元湾曲光素子との間の距離に基づくビーム直径の、例示的な測定結果を示す図である。
【発明を実施するための形態】
【００２０】
（図面の詳細な説明）
本発明の実施形態に従い、一つ又は複数の３次元（３Ｄ）湾曲光素子を含む集積されたモノリシック光ベンチシステムなどの光システムは、基板又はＳＯＩウェハ（以下では、これらを総称して「基板」という）上に微細加工され得る。光システムは、さらに、一つ又は複数の平坦素子と、一つ又は複数の微細電気機械システム（ＭＥＭＳ）アクチュエータと、を含むものとすることができる。３次元湾曲光素子は、反射構成又は屈折構成の、単一湾曲型（singly-curved）の光素子又は面内方向及び面外方向に二重湾曲（doubly-curved）した光素子とすることができる。さらに、本発明の実施形態は、基板面及び基板に対し垂直な面の双方において制御された曲率を持つ３次元湾曲光素子を作製するための手法を提供する。結果として、本光システムは、基板に平行に伝搬する面内光ビームを、３Ｄ集光、コリメーション、及びビーム変換（beam transformation）機能により操作することができる。また、本光システムの特徴サイズ（feature size）は、数ミクロンから数百ミクロンの範囲とすることができ、このため、本光システムは、光ファイバ、ＬＥＤ、及び半導体レーザとの親和性が良い。このような光システムは、自由空間伝搬損失及び結合損失が大きな意味を持つ種々の用途において、大きな性能向上をもたらす。これらの用途には、干渉計、分光計、チューナブル光キャビティ、ファイバカプラ、光スイッチ、可変光ビーム成形器、光マイクロスキャナ、可変光減衰器、チューナブルレーザ、並びに、センサ分野及び通信分野の双方におけるその他の多くの用途が含まれる。
【００２１】
図１を参照すると、本発明の実施形態に従う例示的なモノリシック光ベンチシステム１００が示されている。モノリシック光ベンチシステム１００は、３次元湾曲光素子１１０、可動光素子１２０、及びＭＥＭＳアクチュエータ１３０を含む。ＭＥＭＳアクチュエータ１３０は、例えば、櫛歯アクチュエータ（comb drive actuator）、平行平板アクチュエータ（parallel plate actuator）、又はその他のタイプのアクチュエータのような、静電アクチュエータとすることができる。可動光素子１２０は、ＭＥＭＳアクチュエータ１３０に結合されており、ＭＥＭＳアクチュエータが動くことにより可動光素子１２０の位置に変位が発生する。モノリシック光ベンチシステム１００の表面には一つ又は複数のパッド１５０を形成するものとすることができ、これにより他のコンポーネントに対してモノリシック光ベンチシステム１００を電気的に接続することができる。
【００２２】
図１に示す光ベンチシステム１００は、シリコン（Ｓｉ）又は他のタイプの基板（例えば、プラスチック、ガラス等）などの、基板２００上に形成されている。基板２００は、ハンドル層２１０、エッチストップ層又は犠牲層（例えば、埋め込み酸化物（buried oxide 、BOX）層）２２０、及びデバイス層２３０を備える。一の例示的な実施形態では、ハンドル層２１０は、デバイス層２３０の数倍の厚さを持つ。図１に示すように、３次元湾曲光素子１１０、可動光素子１２０、及びＭＥＭＳアクチュエータ１３０は、デバイス層２３０内に形成されている。しかしながら、他の実施形態では、一つ又は複数の３次元湾曲光素子１１０と、可動光素子１２０と、ＭＥＭＳアクチュエータ１３０とを、ハンドル層２１０内に形成したり、デバイス層２３０とハンドル層２１０の両者に及ぶ部分に形成するものとすることもできる。他の実施形態では、モノリシック光ベンチシステム１００の光素子１１０及び１２０は、モノリシック光ベンチシステム１００の光軸１４０が基板２００の面と平行であって且つ基板２００内に存在するように形成される。
【００２３】
したがって、ここでは、“３次元湾曲光素子”とは、基板２００の面に垂直な少なくとも一つの面であって凹面形状又は凸面形状となるように反射構成又は屈折構成に湾曲した面を持つ光素子をいう。したがって、３次元湾曲光素子は、基板の平面に平行に（例えば光軸１４０に沿って）伝搬する面内光ビームを操作して、３Ｄ集光、コリメーション、光ビーム変換の一つ又は複数を行うことができる。例えば、３次元湾曲光素子１１０は、光ビームの伝搬方向に対し垂直なｘ方向及びｙ方向の両者における光の回折を制御する球面ミラー、又は球面レンズ若しくは楕円面レンズとすることができる。
【００２４】
可動光素子１２０は、基板２００の面に対して垂直な面が平坦になっている平坦素子として図示されている。しかしながら、他の実施形態では、可動光素子１２０は、３次元湾曲光素子とすることもできる。さらに、光ベンチシステム１００内に他の平坦素子が含まれていても良い。そのような平坦素子は、光学素子、機械素子、及び又は電気素子であるものとすることができる。平坦素子の一つの例は、ＭＥＭＳアクチュエータ１３０である。平坦素子の他の例には、反射モード又は屈折モードで作用する光学的な平坦面が含まれる。
【００２５】
湾曲面は、描画されたマスクレイアウトとホトリソグラフィにより生成される面内の曲線と、面外方向（例えば、基板２００の面に垂直な方向）に所望の形状（プロファイル）を生成する多段階エッチングプロセスとを組み合わせることにより生成される。一の実施形態では、図１３に関連して詳細に後述するように、多段階エッチングは、所望の凹形状又は凸形状と所望の曲面（curvature）に従い、予め計算された態様にプログラムされる。基板２００内で３次元湾曲光素子１１０をエッチングすることにより、モノリシック光ベンチ１００の光軸１４０は、基板２００内に存在するものとなり、上記リソグラフィとエッチングのステップにより規定されたものとなる。
【００２６】
図２Ａ―２Ｍに、モノリシック光ベンチシステムを作製するための例示的なプロセスステップを示す。図２Ａにおいて、本プロセスは、ハンドル層２１０、ＢＯＸ層（エッチストップ層）２２０、及びデバイス層２３０を備える基板２００から開始する。図２Ｂ−２Ｃでは、第１のエッチングマスク２４０が堆積されてパターン形成され、図２Ｄ−２Ｅでは、第２のエッチングマスクが堆積されてパターン形成される。第１のエッチングマスク２４０は、平坦面及び湾曲面の双方のエッチング部分のための開口を有し、第２のエッチングマスク２５０は、湾曲面部分のための開口のみを有する。３次元湾曲光素子の凹型湾曲面２６０は、図２Ｆにおいてエッチングされ、これによりダミー層２７５の、対向する側の凹型湾曲面２７０も形成される。
【００２７】
光学面は任意選択で平滑化され、図２Ｇにおいて第２のエッチングマスクが除去される。第１と第２のエッチングマスク２４０及び２５０は、平滑化ステップと親和性を持つように選択すべき点に留意する。また、湾曲面２６０は第１のエッチングマスク２４０の下の陰領域（shadow region）にあり、また後続のエッチングステップは異方性であって湾曲面２６０には影響を与えないので、コーティング層により湾曲面２６０がさらにエッチングされるのを防止することは任意選択である点にも留意する。図２Ｈにおいて、第１のエッチングマスク２４０を用い、例えば深堀反応性イオンエッチング（Deep Reactive Ion Etching、DRIE）により、平坦面のエッチングを行う。平坦面としては、例えば、ＭＥＭＳアクチュエータ１３０及び又は光学的な平坦面がある。図２Ｉにおいて第１のエッチングマスク２４０が除去され、図２Ｊにおいてエッチストップ層２２０が選択的に除去されて可動構造の拘束が解放される。
【００２８】
図２Ｋに示すように、スパッタリングその他のメタライゼーション手法を用い、シャドウマスク２８０を介して湾曲面２６０上にメタル層２９０を堆積させることができる。同じステップにおいて、湾曲面２６０と共に電気接続用のパッド１５０をメタライズするか、又は図２Ｌに示すように異なるステップにおいてパッド１５０をメタライズすることができる。最後に、図２Ｍにおいて、光ファイバ又は他の光源（即ち、ＬＥＤ又は半導体レーザ）を挿入し、３次元湾曲光素子１１０を含む光ベンチシステム１００を完成させる。図２Ｍに示すように、３次元湾曲光素子１１０は、一つの凹形湾曲面を備え、ＭＥＭＳアクチュエータ１３０により動くことができる。
【００２９】
湾曲面については種々の変形が存在する。例えば、図３Ａに示すように、ダミー壁２７５の一部のみを除去し、２つの（凹型）光学面２６０及び２７０を残して３次元光キャビティ１１０を形成するものとしても良い。他の例では、図３Ｂに示すように、使用する作製プロセスに依存して、３次元湾曲光素子１１０の湾曲面２６０が凸形状を持つものとすることができる。任意の数の湾曲面及び平坦面を組み合わせて、他の構成のモノリシック光ベンチ１００を構成することもできる。
【００３０】
一の実施形態では、小径クラッド・ファイバ（reduced-cladding-diameter fiber）が用いられて、ファイバ光軸と湾曲素子の光軸との整合が行われるものとすることができる。しかしながら、デバイス層２３０の深さが、ファイバ光軸と３次元湾曲光素子の中心軸との位置合わせを行うには不十分であることに起因して、大径のファイバを用いる場合には光ファイバの挿入が問題となる場合がある。したがって、基板２００のハンドル層２１０の一部を、３次元湾曲光素子１１０の形成の前又は後にエッチングしてもよい。
【００３１】
一の例示的な実施形態では、図４に示すように、ウェハボンディング（wafer bonding）を行う前にまずハンドル層２１０を所定の位置でエッチングすることができる。その後、図２Ａ−２Ｍに示したように作製プロセスを完了させることができる。他の例示的な実施形態では、図５Ａ−５Ｄに示すように、基板２００のハンドル層２１０を、平坦面のエッチングを行う際にエッチングすることができる。例えば、図５Ａに示すように、ファイバ挿入位置のダミー面を、湾曲面２６０の形成時にエッチングする。図５Ｂにおいてエッチストップ層を異方性エッチングし、図５Ｃにおいて第２のエッチングマスク２５０を除去する。図５Ｄにおいて平坦面を異方性エッチングし、同時に、ハンドル層２１０をファイバ挿入用にエッチングする。エッチングは、平坦面の深さがエッチストップ層２２０に達した後、ハンドル層２１０内に向かってファイバ挿入用の所望の深さに達するまで行うことができる点に留意する。
【００３２】
湾曲光学面２６０は、誘電体材料の多層膜をコーティングしてブラッグ反射器（Bragg reflector）として機能させたり、無反射コーティングを施してレンズとして機能させることができる。図６Ａ−６Ｌは、湾曲光学面をコートし、（もしあれば）平坦光学面をメタライズする、他のプロセスフローを示す図である。等方性エッチングにより光学面のスムージング（平滑化）を行う実施形態では、第２のエッチングマスク２５０は、例えばアルミニウム（Ａｌ）とすることができ、同時にパッド１５０のメタライゼーション用として用いることができる。すなわち、図６Ａ及び６Ｂに示すように、第１のエッチングマスク２４０を、基板２００のデバイス層２３０上に堆積し又は成長させる。図６Ｃにおいて第１のエッチングマスク２４０がパターン形成され、図６Ｄにおいてメタル（即ち、Ａｌ）が第２のエッチングマスク２５０として堆積される。第２のエッチングマスク２５０は、図６Ｅにおいてパターン形成され、パッド位置がフォトレジスト又は何らかの保護材料２５５により保護される。
【００３３】
図６Ｆにおいて、湾曲光学面２６２及び２６４が、第２のエッチングマスク２５０を介してデバイス層２３０内でエッチングされる。図６Ｇにおいて、湾曲光学面２６２及び２６４が平滑化され、第２のエッチングマスク２５０が除去される。そして、図６Ｈにおいて湾曲光学面２６２及び２６４がコーティング材料２６５によりコーティングされる。例えば、コーティング材料２６５は、単層の無反射コーティング材料、又は多層の誘電体材料とすることができる。パッド位置が保護されているので、一の実施形態では、上記平滑化は、例えばＨＮＡ（フッ化水素酸、硝酸、及び酢酸の混合液）を用いて、ドライ又はウェットの化学エッチングにより行うことができる。他の実施形態では、第２のエッチングマスク２５０は平滑化の後に除去され、湾曲光学面が多層コーティングされる。コーティング２６５は共形的（conformal）でありどの場所にも堆積するので、図６Ｈにおいては異方性エッチングも行って、コーティング２６５を他の表面から除去する。コーティング除去のためのエッチングの際には、湾曲面２６２及び２６４のコーティング２６５を、例えば第１のエッチングマスク２４０の陰領域の下で、保護するものとすることができる。
【００３４】
平坦面のエッチングは、図６Ｉにおいて、第１のエッチングマスク２４０を用いて、例えばＤＲＩＥにより行われる。図６Ｊにおいて第１のエッチングマスク２４０が除去され、図６Ｋにおいてデバイス層２３０の下のエッチストップ層２２０を選択的に除去することにより、可動部分の拘束が解放される。一つ又は複数の平坦面がミラー１２０である実施形態では、図６Ｋに示すように、平坦ミラーの表面のメタライゼーション２９０を、シャドウマスク２８０を介して行うものとすることができる。
【００３５】
図７Ａ―７Ｐは、ＭＥＭＳアクチュエーションのための平坦素子と共に３次元湾曲光素子をモノリシックに作製するための他の方法を示す図である。この方法では、光素子は基板２００のハンドル層２１０上でエッチングされ、電気素子及び機械素子が当該基板のデバイス層２３０上に形成される。例えば、図７Ａ及び７Ｂに示すように、第１のエッチングマスク３１０が基板２００のハンドル層２１０上に堆積され、第２のエッチングマスク３２０が基板２００のデバイス層２３０上に堆積される。図７Ｃにおいて、第１のエッチングマスク３１０が基板２００のハンドル層２１０上でパターン形成され、図７Ｄ−７Ｅにおいて第３のエッチングマスク３３０が基板２００のハンドル層２１０上に堆積されてパターン形成される。第１のエッチングマスク３１０は平坦面と湾曲面の双方のエッチング位置に開口を有し、第３のエッチングマスク３３０は湾曲面の場所にのみ開口を有する。３次元湾曲光素子の湾曲面２６６及び２６８は、図７Ｆにおいてエッチングされる。
【００３６】
湾曲光学面２６６及び２６８は、図７Ｇにおいてコーティング材料３４０によりコーティングされる。例えば、湾曲光学面２６６及び２６９には、誘電体材料による多層コート、無反射コート、又はシャドウマスクを介したスパッタリングによるメタライズを行うことができる。第３のエッチングマスク３３０は図７Ｈにおいて除去され、図７Ｉにおいて平坦面のエッチングが行われて、ファイバ溝と共に光ベンチシステムの他の平坦素子が形成され、可動部分の拘束解除の準備が整う。一の実施形態では、可動部分は、デバイス層２３０内のＭＥＭＳアクチュエータに取り付けられた、ハンドル層２１０から形成された部分（複数）で構成されている。
【００３７】
デバイス層２３０は、図７Ｊにおいてエッチングのための準備が行われ、図７Ｋにおいてデバイス層２３０のための第２のエッチングマスク３２０のパターン形成が行われる。図７Ｌにおいて、金属パッド１５０を生成するためメタル層３５０が堆積され、図７Ｍにおいてメタル層３５０を除去する前に、フォトレジスト又は他の任意の保護材料３５５によりパッド位置が保護される。金属パッド１５０を覆う保護材料３５５は、図７Ｎにおいて除去される。平坦な電気素子及び機械素子についてのＤＲＩＥと第２のエッチングマスク３２０の除去は、図７Ｏにおいて行われる。
【００３８】
図７Ｐにおいて、エッチストップ層２２０を選択的に除去することにより可動部分の拘束が解放される。例えば、ＭＥＭＳアクチュエータ１３０は、デバイス層２３０において解放され、ハンドル層２１０の３次元湾曲光素子１１０Ａの動きを制御できるようになる。このような動きは、図７Ｐに示すような面内の動き、又は面外の動きであるものとすることができる。また、３次元湾曲光学素子１１０Ｂなどの、ハンドル層２１０における他の光学素子は、図７Ｐに示すように固定されているか、又は面内若しくは面外の方向へ移動可能であり得る。単一のダイ内において生じた僅かなプロセスの変動が、光素子の各光軸に、垂直（面外）方向における僅かな配置ずれを生じさせ得るため、一つ又は複数の光素子の面外可動部が必要となり得る。配置は、光学素子をそれぞれの垂直移動メカニズムに取り付けることにより、作製後に微調整するものとすることができる。この移動は、例えば基板２００のＢＯＸ層２２０のギャップを利用するか又はその他の方法を利用して、この目的のために作製された垂直方向のＭＥＭＳ櫛歯アクチュエータにより、行うものとすることができる。
【００３９】
センシングやアクチュエーション用のＭＥＭＳ（電気的及び機械的）コンポーネントとして機能する湾曲面及び又は平坦面と３次元湾曲光素子及び又は平坦光学素子とが併存するモノリシック光ベンチを実現する処理ステップについては、多くの変形が存在するものと理解すべきである。
【００４０】
図８Ａ及び８Ｂに示すように、３次元湾曲光素子の軸に対する光ファイバ軸の調整を容易にするため、３次元ファイバ溝を、湾曲面の形成と実質的に同時にエッチングすることができる。図８Ａに示すように、ファイバ３００の位置調整が簡単かつ精度よく行えるような所望のファイバ溝高さｈ１がそのエッチング時間において実現されるように、湾曲面エッチングマスク３３０の幅ｗ１及びｗ２を選択することができる。３次元溝は、図８Ａ及び８Ｂに示すように、湾曲面をエッチングする間に完全に形成することもできるし、又は部分的に形成した後、平坦面エッチングの際に完成させるものとすることもできる。
【００４１】
図９Ａ及び９Ｂは、全体としてレンズ付きファイバ（lensed fiber）を構成する３次元湾曲光素子１１０と劈開光ファイバ３００とを備えた、例示的なモノリシック光ベンチを示す図である。３次元湾曲光素子１１０は、図９Ａに示すように屈折構成とすることもできるし、図９Ｂに示すように反射構成とすることもできる。また、種々のコーティング材料４００を用いて、レンズ付きファイバの挿入損失を最小化することができる。レンズ付きファイバは、スタンドアローンの光ベンチとすることもできるし、より大きな光ベンチシステムの一部とすることもできる。
【００４２】
図１０に示すように、３次元湾曲光素子１１０が屈折構成を有する実施形態では、光ベンチシステム１００（３次元湾曲光素子１１０を備える）は、キャッピング材料４１０によりキャップされる（覆われる）ものとすることができ、これにより、光ファイバ３００を支持するファイバ溝を光ベンチシステム１００から分離し、かつ光ベンチシステム１００を外部環境から分離することができる。キャッピング材料４１０は、例えば金属材料若しくは誘電体材料、又は光ベンチシステム１００を封止（seal）するのに用いることのできる他の任意の材料とすることができる。
【００４３】
図１１は、作製誤差の影響を受けることなく光軸深さを規定することのできる、他の例示的な多段階エッチングプロセスを示す図である。図１１では、基板２００は、２つの埋め込み酸化物（Buried Oxide、BOX）層２２０及び２３５と、２つのデバイス層２３０Ａ及び２３０Ｂを備える。第１のＢＯＸ層２３５は、３次元湾曲光素子１１０の面外湾曲面形状を作製するのに用いる異方性エッチングステップのためのエッチストップ層として用いられる。すなわち、上部デバイス層２３０Ｂの高さ（厚さｔ１）は、基板の上面から測定した光軸の深さと同じであり、底部デバイス層２３０Ａの高さ（厚さｔ２）は、ｔ１と同じか、又はｔ１よりも大きい。第２のＢＯＸ層２２０は、何らかの可動部分の拘束を解放するために用いる犠牲層として用いられる。例えば、３次元湾曲光素子１１０及び又は一つ又は複数の平坦光学素子１２０が可動である場合、犠牲層２２０が除去されて、これらの素子１１０及び１２０の拘束が解放されるものとすることができる。
【００４４】
一の実施形態では、犠牲層のエッチングは、可動部分の下に基板の穴が生成されている場合には、ハンドル層２１０から行うことができる。この実施形態では、基板２００上に複数の３次元湾曲光素子１１０が作製される場合には、そのそれぞれは、反応性イオンエッチングに伴うプロセス変動にかかわらず、実質的に同じ光軸を有するものとなる。光ファイバ３００又は他の光源が基板２００上に集積され、光源の光軸を３次元湾曲光素子１１０の光軸に合わせなければならない実施形態においては、デバイス層２３０Ａ及び２３０Ｂの厚さ（ｔ１及びｔ２）は、その調整を行えるように選択される。ＢＯＸ層２２０及び２３５の厚さが十分小さい場合には、当該ＢＯＸ層の厚さは無視することができる。
【００４５】
上述したいずれの実施形態においても、３次元湾曲光素子は、多段階エッチング手法を用いてエッチングされる。一の実施形態では、多段階エッチング手法には、面外方向（基板面に対し垂直な方向）に所望の湾曲面形状を生成するための、等方性エッチング及び異方性エッチングの両方が含まれ、二次元マスクのレイアウトとリソグラフィが、面内方向（基板面に対し平行な方向）における断面を制御する。
【００４６】
図１２は、３次元湾曲光素子を作成するため複数回の時間制御された等方性エッチング及び異方性エッチングのステップを利用する、例示的な多段階エッチング手法を示す図である。図１２に示すように、等方性エッチングを用いて所与の深さに横（ｘ−ｙ）方向のエッチングが行われ、必要であれば異方性エッチングを用いて、等方性エッチングの一の垂直位置から他の垂直位置まで、エッチング深さ（ｚ）が拡大される。図１２には、種々の横方向エッチングのアンダーカット深さ（ｘ−ｙエッチング量）が、ｄｌａｔ−１、ｄｌａｔ−２、及びｄｌａｔ−３で示されている。一の実施形態では、パッシベーション（側面保護）を用いて、既に横方向にエッチングされた部分が更にエッチングされるのを防ぎ、これにより複数回の等方性エッチングのステップ間で干渉が発生するのを防止する。
【００４７】
図１３に、多段階の等方性エッチング及び異方性エッチングを行うための例示的なプロセス５００を示す。５１０において、目標とする３次元湾曲光素子の湾曲面形状に基づき、エッチング時間が算出され、等方性エッチング時間配列及び異方性エッチング時間配列に入力される。例えば、エッチング時間の算出には、次のようなパラメータを用いることができる：面形状のタイプ（凹面、凸面など）、曲率半径Ｒ、直径（湾曲部分の高さ）φ、等方性エッチング速度ｒｉｓｏ、異方性エッチング速度ｒａｎｉｓｏ、及び最小エッチングピッチｐ。エッチング速度ｒｉｓｏ及びｒａｎｉｓｏは、その手法についてのキャリブレーションにより定めることができる。また、これらのエッチング速度は、マスク開口のサイズが十分に大きくない場合には、アスペクト比に依存し得る。この場合、エッチング速度は、深さを独立変数とする入力配列である。最小エッチングピッチｐは、エッチングの際に異方性エッチングのステップを必要とするか否かを決定付ける。或る場合、例えば凸形状の頂点（vertex）近傍では、横方向エッチングは殆どゼロであり、異方性エッチングが適用されないのであれば、少量の等方性エッチングのステップを多数回にわたって何度も行うことが必要となり得る。
【００４８】
以下では、横方向エッチング深さ（アンダーカット）をｄｌａｔ、垂直エッチング深さをｄｖｅｒ、全深さをｈで示す。横方向エッチング深さの算出に用いられる式は、形状（プロファイル）のタイプに依存する。凸面形状の場合には、横方向エッチング深さは次式で与えられる：
【数１】
0006040253.tif 000002
一方、凹面形状の場合は、横方向エッチング深さは次式で与えられる：
【数２】
0006040253.tif 000003
【００４９】
入力パラメータと上述の式に基づき、エッチング時間を次のように求めることができる：
【表１】
0006040253.tif 000004
【００５０】
等方性エッチング時間と異方性エッチング時間とが算出されると、等方性エッチング時間配列（複数）と異方性エッチング時間配列（複数）には、次のような情報が格納され得る：算出された各等方性エッチング時間についての等方性エッチング時間配列ｔｉｓｏ＝ｄｌａｔ／ｒｉｓｏ；算出された各異方性エッチング時間についての異方性エッチング時間配列ｔａｎｉｓｏ＝ｄｖｅｒ／ｒａｎｉｓｏ。
【００５１】
５２０において、ｉを１に設定して、等方性エッチング時間配列に従い、時間ｔｉｓｏ（ｉ）にわたって等方性エッチングが実行される。５３０において、エッチング時間配列の最後に達したか否かが判断される。達したときは、５４０において、湾曲面の平滑化が行われ、本プロセスは終了する。達していないときは、５５０において、ｉを１に設定して、異方性エッチング時間配列に従い、時間ｔａｎｉｓｏ（ｉ）にわたって異方性エッチングが実行される。５６０において、エッチング面は、等方性エッチングが更に行われないように保護され、５２０において、ｉをｉ＋１に設定して処理が繰り返される。最初のエッチングステップは、目的とする形状（プロファイル）に依存して、等方性エッチング又は異方性エッチングのいずれでもよい点に留意する。さらに、等方性エッチング時間又は異方性エッチング時間をゼロに設定して、同じタイプのエッチングステップが続けて実行されるようにすることができる。
【００５２】
図１４Ａ−１４Ｅに示すように、凸形の目標面形状６００（図１４Ａに図示）の場合には、最初のエッチングステップは等方性エッチング６０５である（図１４Ｂに図示）。図１４Ｂからわかるように、等方性エッチングの際には横方向のエッチングと垂直方向のエッチングの両方が発生し、エッチング時間は、目標形状６００に必要な横方向エッチングが達成されるように調整される。等方性エッチングの際に発生する垂直方向エッチングは、自動的にそのエッチングを基板２００内部に向かってより深く進行させる。しかしながら、その深さ方向の進行が十分でなければ、次の横方向エッチングステップを行うのに必要な深さに達するように、図１４Ｃに示す如く異方性エッチング６１０が実行される。次に、図１４Ｄに示すように、エッチングされた面は、何らかのタイプの保護材料６１５を用いて、等方性エッチングが更に進行しないように保護される。表面保護層は、次に続くエッチングステップを妨げないように、エッチングされた面の底部分からは除去されなければならないものと理解すべきである。図１４Ｅに示すように、追加の等方性エッチング６２０が実行されるものとすることができ、所望の目標形状６００が達成されるように、更なる異方性エッチングと等方性エッチングとが実行されるものとすることができる。
【００５３】
シリコン基板の場合、異方性エッチングは、例えば、集束イオンビーム（Focused Ion Beam、FIB）、レーザエッチング若しくはレーザアシスト・エッチング、ＲＩＥ、ＤＲＩＥ，又は選択性ウェットエッチングを用いて行うことができる。等方性エッチングは、ドライエッチング（例えば、ＸｅＦ２によるもの、又は等方性エッチング条件用に最適化されたＲＩＥ若しくはＤＲＩＥによるもの）、又はウェットエッチング（例えば、ＨＮＡを用いるもの、又は電気機械エッチング若しくは選択性ウェットエッチングを用いるもの）とすることができる。パッシベーション層（保護材料６１５）は、例えば、フォトレジスト（ＰＲ）、Ｃ４Ｆ８等のポリマー、成長若しくは堆積されたＳｉＯ２若しくはＳｉＮ、又はその他の、シリコンに対し良好なエッチング選択性を有する材料とすることができる。ガラス基板又はパイレックス基板（Pyrex substrates）の場合、異方性エッチングは、例えば、ＦＩＢ、レーザエッチング若しくはレーザアシスト・エッチング、ＲＩＥ、ＤＲＩＥ、又はサンドブラスト（sand blasting）を用いて行うことができる。等方性エッチングは、例えばＨＦを用いて行うことができる。パッシベーション層は、例えば、ＰＲ、ポリマー、堆積されたＳｉＮ、又はその他の、ガラスに対し良好なエッチング選択性を有する材料とすることができる。
【００５４】
一の例示的な実施形態では、エッチングマスク２５０としてＳｉＯ２を備える、シリコン基板２００が用いられる。エッチングは、誘導結合型プラズマエッチング装置（inductively coupled plasma etcher）内で実行される。異方性エッチングはＳＦ６ガス及びＣ４Ｆ８ガスによるボッシュプロセス（Bosch process）ＤＲＩＥを用いて実行され、一方、等方性エッチングは、基板バイアス（ＲＩＥ電源）をオフに切り替えて、ＩＣＰ電源をＳＦ６ガスとのみ反応させることで行われる。この実施形態では、パッシベーション層６１５はＣ４Ｆ８ポリマーである。
【００５５】
図１５Ａ及び１５Ｂに示すように、結果として作製される面６２５は、図１５Ａに示すように粗い状態であり得る。したがって、図１５Ｂに示すように、表面平滑化（スムージング）ステップを実行して、目標プロファイル６００に実質的に相当する十分な品質を持つ平滑化された面６３０を得るものとすることができる。例えば、例示的な実施形態では、湾曲面は、ＳＦ６による等方性ドライエッチング及び又はＨＮＡによるウェット化学エッチングにより平滑化することができる。
【００５６】
図１６は、作製された面６２５及び目標プロファイル６００の数値例であり、図１７は、頂点部分の周辺を拡大した図である。図１６及び１７の例では、目標プロファイル６００は、曲率半径Ｒ＝１００μｍ、直径（高さ）φ＝１５０μｍの凸形状である。エッチングマスク２５０のエッジ部６４０が、横方向位置０に対応するものとして示されており、基板２００に隣接するエッチングマスク２５０の底部が、垂直方向位置０に対応するものとして示されている。また、図１６には、いくつかの最初の等方性エッチングステップが、ｉ＝１、ｉ＝２、ｉ＝３、及びｉ＝４により示されており、これらは、全体としてエッチングマスク２５０下の陰領域６４５を構成している。作製された面６２５の分解能及び精度は、事実上の制御された最小エッチング深さとその精度に依存する。エッチング条件は、等方性エッチングステップ中における横方向エッチングと垂直方向エッチングの比を制御するように最適化されるものとすることができる。この条件も、結果として得られる形状（プロファイル）に影響する。
【００５７】
図１８Ａ及び１８Ｂから判るように、湾曲面形成の前又は後に、プレエッチング又はポストエッチングを実行することもできる。例えば、図１８Ａに示すように、エッチストップ層２２０に到達させるため、湾曲面形成の後に異方性エッチングを実行することができる。他の例では、図１８Ｂに示すように、光軸１４０の高さを調整するため、湾曲面形成の前に、異方性エッチングを実行するものとすることができる。
【００５８】
図１９Ａ及び１９Ｂ、図２０Ａ及び２０Ｂでは、マスクレイアウト３６０上の湾曲描画とパターンニングのためのリソグラフィ技術を組み合わせることにより、当該湾曲描画が、基板上面上（例えば、デバイス層２３０の面上）のエッチングマスク２５０に転写されている。湾曲描画は、パターンニング後においてエッチングマスク２５０の開口部に対応することとなる一つ又は複数の領域を含んでいる。上述の多段階エッチングプロセスを用いてエッチングマスク２５０の開口部を介してｚ方向に湾曲面を画定すると、所望の光軸１４０を持つ３次元湾曲光素子１１０が生成される。
【００５９】
図２１Ａ−２１Ｄを参照すると、他の多段階エッチングの実施形態では、１回の主たる長時間の等方性エッチングステップを用いて、図２１Ｃ及び２１Ｄに示すように、対応する曲率半径を持つ凹面が形成され得る。この長時間の等方性エッチングステップは、図２１Ａ及び２１Ｂに示すように、光軸深さ１４０を設定するための異方性又は等方性のエッチングステップの後に行うものとすることができる。また、保護層７００を、溝部の底部分からはその保護を除去した状態で、エッチング面に適用するものとすることができる。また、ポスト異方性エッチングを実行して、図２１Ｄに示すように、凹面キャビティ１１０を分割することもできる。分割された部分は、さらに、拘束が解除されてＭＥＭＳアクチュエータにより駆動されるものとすることができる。図２１Ｃにおける等方性エッチングステップのエッチング条件は、作製される光学面の形状（プロファイル）と曲率半径を決定付ける。基板２００の上面（例えば、デバイス層２３０の上面）から測った光軸の位置は、次式により定められる：
【数３】
0006040253.tif 000005
ここに、ｒｓｔｅｐ１は、最初のエッチングステップ（異方性、等方性、又はこれらの複合）のエッチング速度であり、ｔｓｔｅｐ１は、当該最初のエッチングステップの持続時間である。面内における曲率半径Ｒｘｙは描画されたレイアウトから定めることができ、一方、面外方向における曲率半径Ｒｚは、時間により制御され、次式の如く等方性エッチングステップにおけるエッチング速度と持続時間から定まる：
【数４】
0006040253.tif 000006
【００６０】
エッチストップ層２２０を備えた基板を用いるため、面外方向における曲率半径Ｒｚは、基板厚さによっては制限されず、例えば、数１００ミクロンとなり得る。
【００６１】
図２２Ａ−２２Ｄは、長時間の等方性エッチングステップから得られる凹形形状（プロファイル）が１ｍｍオーダの曲率半径となる実施形態を示している。この実施形態では、側面保護材料７００は、機械的に安定であって、開口部においてエッチングマスク２５０と繋がっていなければならない。例えば、等方性エッチングをドライエッチング手法により行う場合には、熱成長ＳｉＯ２を、エッチングマスク２５０及びＳｉ基板２００の保護材料７００として用いることができる。
【００６２】
図２３Ａ及び２３Ｂ、並びに図２４Ａ及び２４Ｂは、得られる凹形状を制御すべく等方性エッチング条件が最適化される種々の実施形態を示している。最適化は、例えば、等方性エッチングの際に異方性要素（異方性成分、anisotropic component）を付加することで行うことができる。図２３Ａ及び２４Ａにおいて、マスクレイアウト３６０は同一である。しかしながら、図２３Ｂ及び２４Ｂにおいて得られる凹形状は異なっている。図２３Ｂでは、円形断面の３次元湾曲光素子１１０が生成されるようにエッチング条件が選択されているのに対し、図２４Ｂでは、楕円断面の３次元湾曲光素子１１０が得られるようにエッチング条件が選択されている。
【００６３】
図２５Ａ及び２５Ｂは、マスクレイアウト３６０の異なる開口サイズ（ｄ１、ｄ２、ｄ３）により異なる形状の３次元湾曲光素子（１１０Ａ、１１０Ｂ、１１０Ｃ）を得る実施形態を示している。各３次元湾曲素子は、異なる曲率半径（Ｒ１、Ｒ２、Ｒ３）の凹面形状を有するが、その光軸１４０は、異方性エッチングにより決定された同じ深さに維持されている。これらの実施形態では、等方性エッチングの際のラグ効果（lag effect）が最大となり、且つ異方性エッチングの際のラグ効果が最小となるように、エッチング条件を調整するものとすることができる。一般に、マスクレイアウト３６０上の種々の描画図形と共にラグ効果を利用することで、基板（すなわちデバイス層２３０）内に埋め込まれた複雑な３次元形状を生成することができる。
【００６４】
図２６Ａ−２６Ｅを参照すると、他の多段階エッチングの実施形態では、連続的な異方性エッチングを、エッチングスロープの連続的な制御と共に用いることができる。この実施形態では、エッチング条件は、ｚ方向（面外）に沿って必要とされる湾曲面を構築する目的のため連続的に変更され、一方、レイアウト描画図は、ｘ−ｙ平面における断面プロファイルを制御する。
【００６５】
一の例示的な実施形態では、ボッシュプロセス（Bosch process）を用いてＳｉ基板の異方性エッチングが行われる。ボッシュプロセスにおけるエッチングパラメータは、マスク開口が小さく、例えば１００μｍより小さいか、望ましくは５０μｍより小さいときに、エッチングプロファイルの傾斜を変化させるのに有効である。この実施形態では、エッチング条件に依存して、垂直、正、又は負のプロファイルを実現することができる。これらのプロファイルを組み合わせることにより、図２６Ａ−２６Ｃに示すように、より一般的なプロファイル（形状）を得ることができる。例えば、凹形状は、図２６Ａに示すように、まず外側に向かうテーパ状に異方性エッチングを行い、続いて図２６Ｂに示すように垂直方向に異方性エッチングを行った後、図２６Ｃに示すように、内側に向かうテーパ状に異方性エッチングを行うことで生成され得る。簡単のため３つの調整ステップのみを示しているが、許容可能な精度で目標プロファイルを生成するためには、より多くの調整ステップが必要となり得るものと理解すべきである。図２６Ｄ及び２６Ｅは、エッチストップ層２２０までの連続的な異方性エッチングを行うことと、エッチング面のスムージングを行って３次元湾曲光素子１１０を生成することを示している。
【００６６】
マスク開口が小さくないと、エッチングパラメータを調整してもエッチング部のテーパ形状は変化しない。したがって、図２７Ａ及び２７Ｂに示すように、同じエッチングマスク２５０上に小さな開口部と大きな開口部とを持たせることにより、湾曲面と平坦面の両方を作製することができる。図２７Ａでは、ダミー壁（dummy wall）２７５を用いることで、小さな開口部により所望の曲面プロファイルの位置でエッチング傾斜を制御できるようにしている。その後、図２７Ｂに示すように、ダミー壁２７５が除去されると、３次元湾曲光素子１１０が現れる。例えば、一の例示的な実施形態では、ダミー壁２７５は、２つのエッチングマスクを用いて異方性エッチングの方法により除去することができる。他の例示的な実施形態では、当該除去は、ウェット又はドライの等方性エッチングにより行われ得る。さらに他の例示的な実施形態では、ダミー壁２７５は、光ベンチシステムの何らかの可動部分の拘束を解放する際に、同時に除去され得る。さらに他の例示的な実施形態では、酸化及び酸化物エッチングを用いて、ダミー壁２７５がエッチングされ得る。
【００６７】
図２８から判るように、異なるサイズの開口と図２６Ａ−２６Ｅに示す手法とにより、互いに同様のプロファイル形状を持ちつつ異なる曲率半径を有する３次元湾曲光素子１１０Ａ、１１０Ｂ、及び１１０Ｃを作製することができる。
【００６８】
図２９及び図３０を参照すると、レーザ光源３００とＭＥＭＳミラー（例えば、ＭＥＭＳアクチュエータ１３０に結合されたミラー１１０）との間の結合効率は、チューナブルレーザ光源やファブリペロー・フィルタなどの多くの用途において重要である。作製された凹形の非球面３次元ミラー１１０とＳＭ光ファイバ３００との間の、波長１．５５μｍにおける結合効率を測定し、従来の平坦ミラーと比較した。光ファイバ３００内へ戻って結合するパワーを、方向性結合器を介して測定した。その結果を図３０に示す。図示のように、間隔２６０μｍでの平坦ミラーの結合効率は１５％未満であるのに対し、３次元湾曲ミラー１１０の結合効率は約４５％であった。３次元ミラーの面内方向及び面外方向における曲率半径は、それぞれ、３５０μｍ及び２５０μｍである。３次元ミラーの作製を最適化して曲率半径を一致させれば、より高い結合効率を得ることができる。
【００６９】
図３１及び図３２を参照すると、ＭＥＭＳ光システムに用いるＳＭファイバ出力のコリメーションは、通常は、ファイバ先端にレンズを作製することにより、すなわちレンズ付きファイバを作製することにより行われる。本発明の実施形態によれば、ＭＥＭＳアクチュエータ１３０に結合された３次元湾曲光素子１１０を用いることにより、図３１に示すように、反射構成又は屈折構成のいずれかを用いたモノリシック光ベンチシステム自体により、ＳＭファイバ３００出力のコリメーションを行うことができる。
【００７０】
例えば、波長６７５ｎｍで動作するＳＭファイバ３００からの出力は、作製された３次元ミラー１１０を用いてコリメートされる。円形断面を持つ出力ビームを得るため、図３１に示すように、ミラー１１０への入射角は５０°に調整された。作製されたミラーの面内方向及び面外方向の曲率半径は、それぞれ３２５μｍ及び１３５μｍであり、次式が成り立つ：
【数５】
0006040253.tif 000007
３次元ミラー１１０からの出力ビームは、ミラー１１０から既知の距離だけ離れたスクリーン８００に投影された。この距離を変化させて、スクリーン上のビームスポット直径を測定した。測定された平坦ミラーからの（コリメートされていない）出力と、測定された３次元非球面ミラー１１０からの（コリメートされた）出力との比較を、図３２に示す。図示のように、３次元ミラー１１０からの出力は、その発散角が、平坦ミラーからの出力よりも約４倍小さい。
【００７１】
当業者により理解されるように、本発明に示す革新的概念は、種々の用途にわたって修正し及び改変することが可能である。したがって、特許付与される主題の範囲は、記載した特定の例示的な教示のいずれかに限定されるものではなく、以下に示す特許請求の範囲によって規定される。
【図１】
0006040253.tif 000008
【図２Ａ】
0006040253.tif 000009
【図２Ｂ】
0006040253.tif 000010
【図２Ｃ】
0006040253.tif 000011
【図２Ｄ】
0006040253.tif 000012
【図２Ｅ】
0006040253.tif 000013
【図２Ｆ】
0006040253.tif 000014
【図２Ｇ】
0006040253.tif 000015
【図２Ｈ】
0006040253.tif 000016
【図２Ｉ】
0006040253.tif 000017
【図２Ｊ】
0006040253.tif 000018
【図２Ｋ】
0006040253.tif 000019
【図２Ｌ】
0006040253.tif 000020
【図２Ｍ】
0006040253.tif 000021
【図３Ａ】
0006040253.tif 000022
【図３Ｂ】
0006040253.tif 000023
【図４】
0006040253.tif 000024
【図５Ａ】
0006040253.tif 000025
【図５Ｂ】
0006040253.tif 000026
【図５Ｃ】
0006040253.tif 000027
【図５Ｄ】
0006040253.tif 000028
【図６Ａ】
0006040253.tif 000029
【図６Ｂ】
0006040253.tif 000030
【図６Ｃ】
0006040253.tif 000031
【図６Ｄ】
0006040253.tif 000032
【図６Ｅ】
0006040253.tif 000033
【図６Ｆ】
0006040253.tif 000034
【図６Ｇ】
0006040253.tif 000035
【図６Ｈ】
0006040253.tif 000036
【図６Ｉ】
0006040253.tif 000037
【図６Ｊ】
0006040253.tif 000038
【図６Ｋ】
0006040253.tif 000039
【図６Ｌ】
0006040253.tif 000040
【図７Ａ】
0006040253.tif 000041
【図７Ｂ】
0006040253.tif 000042
【図７Ｃ】
0006040253.tif 000043
【図７Ｄ】
0006040253.tif 000044
【図７Ｅ】
0006040253.tif 000045
【図７Ｆ】
0006040253.tif 000046
【図７Ｇ】
0006040253.tif 000047
【図７Ｈ】
0006040253.tif 000048
【図７Ｉ】
0006040253.tif 000049
【図７Ｊ】
0006040253.tif 000050
【図７Ｋ】
0006040253.tif 000051
【図７Ｌ】
0006040253.tif 000052
【図７Ｍ】
0006040253.tif 000053
【図７Ｎ】
0006040253.tif 000054
【図７Ｏ】
0006040253.tif 000055
【図７Ｐ】
0006040253.tif 000056
【図８Ａ】
0006040253.tif 000057
【図８Ｂ】
0006040253.tif 000058
【図９Ａ】
0006040253.tif 000059
【図９Ｂ】
0006040253.tif 000060
【図１０】
0006040253.tif 000061
【図１１】
0006040253.tif 000062
【図１２】
0006040253.tif 000063
【図１３】
0006040253.tif 000064
【図１４Ａ】
0006040253.tif 000065
【図１４Ｂ】
0006040253.tif 000066
【図１４Ｃ】
0006040253.tif 000067
【図１４Ｄ】
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【図１４Ｅ】
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【図１５Ａ】
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【図１５Ｂ】
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【図１６】
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【図１７】
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【図１８Ａ】
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【図１８Ｂ】
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【図１９Ａ】
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【図１９Ｂ】
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【図２０Ａ】
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【図２０Ｂ】
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【図２１Ａ】
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【図２１Ｂ】
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【図２１Ｃ】
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【図２１Ｄ】
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【図２２Ａ】
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【図２２Ｂ】
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【図２２Ｃ】
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【図２２Ｄ】
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【図２３Ａ】
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【図２３Ｂ】
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【図２４Ａ】
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【図２４Ｂ】
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【図２５Ａ】
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【図２５Ｂ】
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【図２６Ａ】
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【図２６Ｂ】
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【図２６Ｃ】
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【図２６Ｄ】
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【図２６Ｅ】
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【図２７Ａ】
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【図２７Ｂ】
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【図２８】
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【図２９】
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【図３０】
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【図３１】
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【図３２】
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