(57)【特許請求の範囲】
【請求項１】
マイクロ電子機械的システム（ＭＥＭＳ）干渉計であって、
第１媒体の、第２媒体との界面にある第１の表面に形成され、当該第１の表面への入射ビームを前記第１媒体中を伝播する第１干渉ビームおよび前記第２媒体中を伝播する第２干渉ビームに分割するビームスプリッタと、
前記第１干渉ビームを反射するように、前記第１媒体の第２の表面に形成された第１のミラーと、
前記第２干渉ビームを反射するように、前記第１媒体の第３の表面に形成された第２のミラーと、
前記第１干渉ビームの光路内および前記第２干渉ビームの光路内に設けられた前記第１媒体の付加的な表面と、
前記第１のミラーにより反射された前記第１干渉ビームと前記第２のミラーにより反射された前記第２干渉ビームとの間の干渉により生成された干渉パターンを検出するよう光学的に結合された検出器と、
前記第１および第２のミラーの一つに変位を生じさせるよう結合された静電アクチュエータであって、前記変位により、前記第１干渉ビームと前記第２干渉ビームとの間に前記変位の２倍に等しい光路長差を生成する静電アクチュエータと、
を備え、
前記第１干渉ビームの光路内には、第２干渉ビームの光路内の第１媒体のそれぞれの表面に対応する第１媒体の表面であって、当該それぞれの表面と同じ方向に同じ大きさのティルト角を持って且つ当該それぞれの表面と同じ反射又は透過の機能を持つ対応する表面が存在するよう構成されており、
前記第２干渉ビームの光路内に設けられた前記付加的な表面の少なくとも一つは、第１干渉ビームと第２干渉ビームとの間のそれぞれの位相誤差における相違を最小化するために前記第２干渉ビームの光路内に配置された第１媒体のブロックの表面である、
干渉計。
【請求項２】
前記第１媒体がシリコンで、前記第２媒体が空気であり、
基板を構成する頂部層および底部層を含むシリコンオンインシュレータ（ＳＯＩ）ウェハをさらに備え、
前記ビームスプリッタ、前記第１のミラー、前記第２のミラー、前記付加的な表面および前記静電アクチュエータが、前記ＳＯＩウェハの頂部表面に形成されており、
前記静電アクチュエータと、該静電アクチュエータに結合された前記第１および第２のミラーの前記一つとは、前記ＳＯＩウェハの底部層から分離されている、
請求項１に記載の干渉計。
【請求項３】
前記ビームスプリッタ、前記第１のミラー、前記第２のミラー、前記付加的な表面および前記静電アクチュエータを、前記ＳＯＩウェハの頂部表面にフォトリソグラフィ技術を用いて形成し、
前記静電アクチュエータと、該静電アクチュエータに結合された前記第１および第２のミラーの前記一つとを、前記ＳＯＩウェハの頂部層と底部層との間のエッチングによって形成する、
請求項２に記載の干渉計を製造する方法。
【請求項４】
前記第１、第２、第３の表面および前記付加的な表面を、それぞれ、深反応性イオンエッチング（ＤＲＩＥ）プロセスを使用して前記ＳＯＩウェハの頂部表面の一部をエッチングすることによって形成する、
請求項２に記載の干渉計を作製する方法。
【請求項５】
前記第１、第２，第３の表面のそれぞれのティルト角が等しく同じ方向である、請求項２に記載の干渉計。
【請求項６】
前記第３の表面が前記第２干渉ビームの伝播方向に関して向けられていて該第２干渉ビームが前記第２媒体から第１媒体を介して伝播し前記第２のミラーに達する、請求項５に記載の干渉計。
【請求項７】
前記干渉計がフーリエ変換（FT）分光計として使用され、
第１の干渉計アームにおいて、
前記第１媒体の第１区分は、前記ビームスプリッタが形成される前記第１の表面を持ち、
前記第１媒体の前記第２の表面に前記第１のミラーが形成されており、
第２の干渉計アームにおいて、
前記ブロックである前記第１媒体の第２区分は、前記第２のミラーが形成される前記第３の表面と、前記付加的な表面の一つとを持ち、該付加的な表面の一つは前記第３の表面に対向して前記第２干渉ビームを当該第３の表面に向かわせ、
前記ビームスプリッタ、前記第１のミラー、および前記第２のミラーのそれぞれの、基板との間のティルト角が、すべて同じである、請求項１に記載の干渉計。
【請求項８】
前記第１干渉ビームおよび第２干渉ビームが前記第１媒体を等しい距離伝播して、前記第１干渉ビームおよび第２干渉ビームに等しい位相シフトが生じる、請求項７に記載の干渉計。
【請求項９】
前記第１区分は前記第２の表面を含み、前記第１の表面は、前記第２干渉ビームが前記第１区分内で内部反射するように、前記第１区分の前記第２の表面に対向して配置されている、
請求項７に記載の干渉計。
【請求項１０】
前記第１のミラーの一部が部分的な内部反射器として機能するように、前記第１のミラーが前記第２の表面に形成されている、
請求項９に記載の干渉計。
【請求項１１】
前記第２の表面は、さらに、前記干渉パターンを、前記第２の表面と前記第１の表面との間の前記第１媒体内での完全内部反射を介して前記検出器に導く、請求項９に記載の干渉計。
【請求項１２】
前記第２の表面は、前記干渉パターンを受け取って前記検出器に向かわせるよう光学的に結合している、請求項９に記載の干渉計。
【請求項１３】
前記第１の干渉計アームは、さらに、前記第２媒体のエリアにより前記第１区分から分離された前記第１媒体の第３区分を持ち、該第３区分は前記第２の表面を持ち、かつ、
前記第１区分は、さらに、前記付加的な表面の一つを含み、前記付加的な表面の当該一つは、前記第１の表面と対向し、前記第１干渉ビームを前記第２の表面へ導く、
請求項７に記載の干渉計。
【請求項１４】
前記第１の表面が入射ビームの入力スポットのサイズに等しいサイズを持ち、前記第１区分の厚みが該第１の表面に面する不所望の反射ビームを最小にするよう調整されている、請求項７に記載の干渉計。
【請求項１５】
前記第１のミラーが前記第１干渉ビームに垂直な角度で配置され、前記第２のミラーが前記第２干渉ビームに垂直な角度で配置されている、請求項１に記載の干渉計。
【請求項１６】
前記ビームスプリッタが、前記第１媒体と第２媒体との間の界面を形成する一つの反射、屈折表面からなり、
前記第１干渉ビームが、前記一つの反射、屈折表面から前記入射ビームが一部屈折して生成され、
前記第２干渉ビームが、前記一つの反射、屈折表面から前記入射ビームが一部反射されて生成される、請求項１に記載の干渉計。
【請求項１７】
前記第１および第２のミラーの少なくとも一つが金属ミラーである、請求項１に記載の干渉計。
【請求項１８】
前記アクチュエータに結合された前記第１および第２のミラーの一方が可動ミラーであり、他方が固定ミラーである、請求項１に記載の干渉計。
【請求項１９】
前記ビームスプリッタに入射ビームを提供するよう光結合した入力ファイバ溝と、
前記検出器に前記干渉パターンを提供するよう光結合した出力ファイバ溝と、
をさらに備える、請求項１に記載の干渉計。
【請求項２０】
前記干渉計がフーリエ変換紫外線分光（ＦＴＩＲ）分光計として使用される、請求項１に記載の干渉計。
【請求項２１】
前記第１、第２、第３の表面、及び前記付加的な表面を含む各表面がそれぞれのビーム伝播方向に垂直ではない通常の調整状態において、前記付加的な表面の少なくとも一つの平面と対応するビームの伝播方向との間の角度が、前記第１のミラーで反射された前記第１干渉ビームと前記第２のミラーで反射された前記第２干渉ビームとの間の角度およびその波長依存性を最小にするよう設計されている、請求項１に記載の干渉計。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
この発明は概して分光学および干渉学に関し、特に光学的分光計（スペクトロメータ）におけるマイクロ電子機械システム（Micro Electro-Mechanical System, MEMS）の使用に関する。
【背景技術】
【０００２】
マイクロ電子機械システム（ＭＥＭＳ）とは、機械素子、センサ、アクチュエータおよび典型的には微細加工技術によって共通のシリコン基板に設けられたエレクトロニクスの統合をいう。例えば、マイクロエレクトロニクスは、典型的には集積回路（ＩＣ）プロセスを使って製造され、マイクロメカニカル部品は、シリコンウェハの一部を選択的にエッチングして取り除き新しい構造層を加えて機械的なおよび電子機械的な部品を形成する微細加工プロセスを使って製造される。ＭＥＭＳデバイスは、その低コスト、バッチ処理可能性、および標準的なマイクロエレクトロニクスとの互換性により、分光学、プロフィロメトリ（形状測定法）、環境センシング、屈折率測定（材料認識）その他のセンサ分野での使用する魅力的な候補である。さらに、ＭＥＭＳデバイスはサイズが小さいので、移動（モバイル）デバイスおよび手持ち式デバイスに容易に統合することができる。
【０００３】
さらにＭＥＭＳ技術は、その多数の作動技法により、光同調およびダイナミックセンシング応用のような光デバイスの新しい機能および特徴の実現を可能にする。たとえば、ＭＥＭＳ作動（静電的、磁気的または熱的）を使用してマイケルソン干渉計の可動ミラーを制御することによって、干渉計の光路長に小さな変位を導入することができ、したがって、干渉ビーム間の位相差を得ることができる。得られた位相差は干渉計ビームのスペクトル応答（たとえば、フーリエ変換分光学を使う）、動いているミラーの速度（たとえば、ドプラー効果を使う）を測定するのに使うことができ、または単に光位相遅延素子として使うことができる。
【０００４】
ＭＥＭＳに基づく分光計では、ビーム分割は典型的にはシリコン（Ｓｉ）またはガラスの薄い壁を使って行われる。たとえば、ビームスプリッタは、シリコン壁または単に空気―シリコン（または他の材料）の界面（インターフェイス）であることができる。このような構造は、完全な集積性という利点をもち、ミラーおよびビームスプリッタすべてが一つの自己位置合わせされたリソグラフィステップで製造され、他の素子の追加的なアセンブリを必要としない。しかし、そのような構造においては、光ビームが典型的には一つのアームにおいてシリコンを通り、第２のアームにはシリコンがない（すなわち、空気中だけを伝播する）。シリコン（またはビームスプリッタ用のその他の同等な材料）は波長によって変化する屈折率をもつので、干渉計に位相誤差（すなわち、波長に依存する位相シフト）が導入されることにより分散が生じ得る。
【０００５】
この位相誤差を克服するためには簡単なコサイン変換ではなく複雑なフーリエ変換（ＦＴ）が必要とされる。実際上、複雑なＦＴは、ミラーがそのゼロ光路差位置に関し正および負の方向に動くことを必要とする。したがって、ミラーが距離Ｌを動くためには、波長解像度はＬ/２のミラー変位だけによって決められる。しかし、ＭＥＭＳ技術でのミラーの動きは、ミラーを駆動するのに使われるアクチュエータのフル移動範囲によって通常制限される。したがって、位相誤差の訂正による移動範囲のロスは、結果として得られる分光計の波長解像度を制限する。
【０００６】
現存のＭＥＭＳに基づく分光計のもう一つの問題は、製造プロセスそのものからくるものである。多くのＭＥＭＳベースの分光計は、絶縁体上シリコン（Silicon on Insulator、SOI）ウェハに深反応性イオンエッチング（Deep Reactive Ion Etching、DRIE）技術を使用して光ミラーおよびビームスプリッタを形成する。ＤＲＩＥは、簡単なリソグラフィプロセスを使って異なる部品（コンポーネント）を集積化することを可能にするが、干渉計の光ミラーおよびビームスプリッタを形成するのに使った壁の融通性が低いという難点がある。例えば、ＤＲＩＥ技術では壁の垂直性についての従来技術は、基板に垂直な線に関して0.5度のオーダーにあり、これは干渉測定システムでは大きいと考えられている。典型的には、右許容可能な垂直角度（ティルト角）は数ミリラジアン（＜0.1度）のオーダーである。大きなティルト角は視認性の低下および構造体の挿入ロスの増加を招くので、このことはＤＲＩＥベースの分光計にとって障害となる。さらに、大きなティルト角は、干渉計の波長精度および解像度にも影響する。さらに、ビームスプリッタと２つの作動ミラーとの間には本来的なずれがあるので、入力ビームの位置合わせによって大きなティルト角を避けることはできない。  
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【０００７】
したがって、分光計（スペクトロメータ、分光器）のバランスのとれた構造に対する必要性があり、ミラーおよびビームスプリッタを作るのに使われるＤＲＩＥプロセスにおけるティルト角または垂直性が両方のアームにおいて補償され、一つのアームにおける分散が第２のアームにおける類似の分散によってバランスされることが望まれる。
【課題を解決するための手段】
【０００８】
この発明の実施例は、垂直性および分散の問題を解決するためバランス界面を使うマイクロメカニカルシステム（ＭＥＭＳ）干渉計を提供する。ＭＥＭＳ干渉計は、第１媒体の第１表面上で第１媒体と第２媒体との界面に形成されたビームスプリッタ、第１媒体の第２表面に形成された第１のミラー、第１媒体の第３表面上に形成された第２のミラー、およびバランス界面を有する。
【０００９】
ビームスプリッタは、入射ビームを受け取り、第１媒体中を伝播する第１干渉ビームおよび第２媒体中を伝播する第２干渉ビームに分割するよう、光学的に結合されている。第１のミラーが第１干渉ビームを受け取り第１干渉ビームを反射して第１の反射した干渉ビームを生成するよう光学的に結合しており、第２のミラーが第２干渉ビームを受け取り、第２干渉ビームを反射して第２の反射した干渉ビームを生成するよう結合されている。第１干渉ビームおよび第２干渉ビームのそれぞれの光路にバランス界面があり、ティルト角の相違および位相誤差の相違を最小にする。
【００１０】
例示的な実施例では、第１の反射した干渉ビームおよび第２の反射した干渉ビームの間の干渉の結果として生成される干渉パターンを検出するよう、検出器が工学的に結合されており、第１のミラーおよび第２のミラーの一つにアクチュエータが結合されていて、その変位を生じさせる。この変位は、第１の反射した干渉ビームおよび第２の反射した干渉ビームの間に変位の２倍の光路長差を生成する。
【図面の簡単な説明】
【００１１】
【図１Ａ】深反応性イオンエッチング（ＤＲＩＥ）を使って形成される構造体の典型的なプロファイルの描画的な図。
【図１Ｂ】あるティルト角をもつ直線プロファイルによって近似した図１Ａのエッチングプロファイルを示す描画的な図。
【図２Ａ】分光計の分散のない例示的な干渉写真（インターフェログラム）。
【図２Ｂ】分光計の分散のある例示的な干渉写真。
【図３Ａ】この発明の実施例による例示的な補償されたＭＥＭＳ分光計を示す図。
【図３Ｂ】この発明の実施例による例示的な補償されたＭＥＭＳ分光計を示す図。
【図４】この発明の実施例による補償されたＭＥＭＳ分光計のコンポーネントの位置づけの例を示す図。
【図５】この発明の実施例によるビームスプリッタの例示的なデザインを示す図。
【図６Ａ】この発明の実施例によるもう一つの例示的な補償されたＭＥＭＳ分光計構造を示す図。
【図６Ｂ】この発明の実施例によるさらにもう一つの例示的な補償されたＭＥＭＳ分光計構造を示す図。
【図７】この発明による例示的な部分的に補償されたＭＥＭＳ分光計構造を示す図。
【図８】この発明の実施例によるもう一つの例示的な部分的に補償されたＭＥＭＳ分光計構造を示す図。
【図９Ａ】この発明の実施例による補償されたＭＥＭＳ分光計を製造する例示的な製造工程を示す図。
【図９Ｂ】この発明の実施例による補償されたＭＥＭＳ分光計を製造する例示的な製造工程を示す図。
【図９Ｃ】この発明の実施例による補償されたＭＥＭＳ分光計を製造する例示的な製造工程を示す図。
【図９Ｄ】この発明の実施例による補償されたＭＥＭＳ分光計を製造する例示的な製造工程を示す図。
【図９Ｅ】この発明の実施例による補償されたＭＥＭＳ分光計を製造する例示的な製造工程を示す図。
【図９Ｆ】この発明の実施例による補償されたＭＥＭＳ分光計を製造する例示的な製造工程を示す図。
【図９Ｇ】この発明の実施例による補償されたＭＥＭＳ分光計を製造する例示的な製造工程を示す図。
【図９Ｈ】この発明の実施例による補償されたＭＥＭＳ分光計を製造する例示的な製造工程を示す図。
【図９Ｉ】この発明の実施例による補償されたＭＥＭＳ分光計を製造する例示的な製造工程を示す図。
【図９Ｊ】この発明の実施例による補償されたＭＥＭＳ分光計を製造する例示的な製造工程を示す図。
【発明を実施するための形態】
【００１２】
ＤＲＩＥ技術では、シリコン（および同様に最も一般的な材料）に深い溝（トレンチ）をエッチングすることはある垂直性誤差を通常伴い、これは、深さによるエッチングレート（速度）の変化により垂直面は100%垂直ではないことを意味する。たとえば、ＤＲＩＥを使ったシリコン（Ｓｉ）の典型的なエッチングプロファイルを図１Ａに示す。このプロファイルは、図１Ｂに示すあるティルト角αをもつ直線プロファイルで近似することができる。垂直な点線に関し小さな角度αの面が、この技術によって製造される分光計/干渉計に使用されるミラーまたはビームスプリッタの面を表す。
【００１３】
溝（トレンチ）の底のオーバーエッチングは、同じ技術パラメータで製造する構造のすべてにおいて同じ方向を持つ。その結果、ＤＲＩＥを使用して分光計/干渉計を作るとき、作られるミラーおよびビームスプリッタの表面は垂直方向に対しある固定の角度を持つ。しかし、この角度は、いくつかの面では正で他の面では負なので、入力ビームの位置合わせによって補償することはできない。その結果、分光計/干渉計からの出力ビームは、それらの間に角度θ（αよりずっと大きい）を持ち、分光計から得られる出力縞に有意な視認性低下が生じる。
【００１４】
さらに従来のＭＥＭＳベースの干渉計においては、一つのアームのビームがシリコン（または他の材料）を通り、第２のアームにおけるビームが典型的には空気を通り、Ｓｉ材料は（他の材料と同様に）波長とともに変化する屈折率を持ち得るので、分光計出力で得られる信号に位相誤差が導入され得る。したがって、ＤＣ成分を取り除いた後の信号は、次の式１のようになるのではなく、出力信号は、式２のようになる。
【数１】
0005860809.tif 000002
【数２】
0005860809.tif 000003
【００１５】
ここで、B(σ)は波数σの関数として測定される照射のスペクトル分布であり、χは光路差であり、位相誤差ψ(σ)が分光計に存在する。    
【００１６】
B(σ)は負の周波数を含むよう拡張することができるので、実の物理的スペクトラムを想定すると、B(σ)= B(-σ)  となる。こうして、分散のないMEMSベースの分光計では、出力信号は次の式で表すことができる。
【数３】
0005860809.tif 000004
【００１７】
簡単なフーリエコサイン変換は、次の形のスペクトルを与えるに十分である。
【数４】
0005860809.tif 000005
【００１８】
しかし、分光計が分散効果を受けると、スペクトルは複雑なフーリエ変換だけから得ることになる。ψ(σ)= - ψ(-σ)であるならば、B(σ)ejψ(σ) はI(χ)の複雑なフーリエ変換であり、次の式で表される。
【数５】
0005860809.tif 000006
【００１９】
こうしてスペクトルは、（２サイドの）サインおよびコサイン積分の二乗の和の平方根で与えられる。
【数６】
0005860809.tif 000007
ここで、Jr(σ)およびJi(σ)はJ(σ)の実部および虚部である。しかし、そのような技術は、ミラーを正および負の方向に動かすことを必要とし、これは、所与の解像度を得るためにはフーリエ変換が倍にされねばならないことを意味する。この問題を示すため、図２Ａが分散なしのマイケルソン干渉計の干渉を示し、図２Ｂが分散ありのマイケルソン干渉計の干渉を示す。図２Ａおよび２Ｂから、材料分散により干渉が広い光路差（またはミラー変位）にわたることがわかる。
【００２０】
この発明の実施例によると、マイクロ・エレクトロメカニカル・システム（ＭＥＭＳ）分光計/干渉計について均衡した構造が使用され、ミラーおよびビームスプリッタ壁を作るのに使われるＤＲＩＥプロセスにおけるティルト角または垂直性が両アームにおいて補償され、一つのアームにおける分散が第２のアームにおける分散とバランスする。例示的な実施例は幾何的なバランス界面を使い、光干渉計の２つのアームが実質的に同じ垂直性のミラーおよびビームスプリッタを持つことができるようにし、これにより分光計出力に得られる縞の視認性を改善させ、挿入ロスを低減しスループットを増大させ分光計の解像度を改善する。もう一つの例示的実施例では、バランス界面が分光計の２つのアームの間のバランスをとり、一つのアームに存在する波長依存の位相シフトが第２のアームに導入され分光計における分散を補償する。
【００２１】
図３Ａおよび３Ｂは、この発明の実施例による例示的な補償されたＭＥＭＳベースの分光計構造１０を示す。補償されたＭＥＭＳベースの分光計１０は、たとえばフーリエ変換紫外線（ＦＴＩＲ）干渉計であることができる。分光計１０はＭＥＭＳで作動される可動ミラーを許容するＳＯＩウェハで実現される。
【００２２】
図３Ａおよび３Ｂにおいて、光源２０が入射光ビームＬ１を生成し、これが入力ファイバ溝２５を通って補償されたＭＥＭＳベースの分光計１０に入る。入射ビームＬ１は入力ファイバ溝２５を通って、第１媒体（すなわち、シリコン（Ｓｉ）４０）と第２媒体（すなわち、空気４５）との界面に形成される半平面ビームスプリッタ３０に至る。シリコン/空気界面ビームスプリッタ３０は入射ビームからある角度（たとえば、４５度）で配置されている。所望の角度は、入力ファイバ溝２５近くのシリコン媒体４０の面Ｓ３をリソグラフ的に規定することにより生成される。
【００２３】
半平面ビームスプリッタ３０に衝突すると、入射ビームＬ１は２つの干渉ビームＬ２およびＬ４に分割される。Ｌ２は、シリコン/空気半平面ビームスプリッタ３０からの入射ビームＬ１の部分反射から生じ、ビームの入射角に等しい反射角を持つ。Ｌ４はシリコン/空気半平面ビームスプリッタ３０を通る入射ビームＬ１の部分伝播から生じ、ある屈折角（スネルの法則によって決まる）でシリコン４０の中を伝播する。その結果、Ｌ２がミラーＭ１に向かって空気４５中を伝播し、Ｌ４がミラーＭ２に向かってシリコン４０中を伝播する。
【００２４】
ミラーＭ１はシリコン媒体４０のもう一つの面Ｓ５上にビームＬ２に垂直な角度で形成されている。特にミラーＭ１は、Ｌ２がシリコン４０の面Ｓ１に衝突するまでまず空気４０を通って伝播し、次いでシリコン媒体４０を通って伝播してミラーＭ１に到達するよう、Ｌ２の伝播の方向に関して位置づけられている。同様にミラーＭ２は、シリコン媒体４０のもう一つの面Ｓ４上にビームＬ４に垂直な角度で形成されている。しかし、Ｍ２は、Ｌ４がシリコン媒体４０の面Ｓ２に達するまでまずシリコン４０を通って伝播し、次いで空気４５を介して伝播しミラーＭ２に到達するよう、Ｌ４の伝播方向に関して位置づけられている。ビームＬ２は、ミラーＭ１で反射され反射ビームＬ３を生成し、ビームＬ４は、ミラーＭ２で反射され反射ビームＬ５を生成する。図３Ａに示すように、それぞれミラーＭ１およびＭ２から反射した後、両ビームＬ３およびＬ５は半平面ビームスプリッタ３０に向かって、それぞれＬ２およびＬ４と同じ光路をとる（反対方向に）。こうして、分光計/干渉計がフーリエ変換（ＦＴ）分光計として使用される実施例では、一つの干渉計アームがビームＬ２/Ｌ３によって形成され、ビームスプリッタ３０およびミラーＭ１を含み、もう一つの干渉計アームがビームＬ４/Ｌ５で形成され、ミラーＭ２を含む。
【００２５】
ビームスプリッタ３０で干渉がはじまり、干渉パターンＬ６が反射ビームＬ３およびＬ５から生成される。干渉パターンＬ６は出力ファイバ溝５０を介して出力され検出平面（検出器）６０によって検出される。一つの実施例では、検出器６０は、光検出器を含み、これは、基板の表面を微細加工する（たとえば、基板の表面をエッチングして光り検出器を配置する開口を実現する）ことによって組み立てられるか、またはドーピング（たとえば、Ｐ―Ｉ―Ｎダイオードを実現するため）または部分的なメタライゼーション（たとえば、金属―半導体―金属  ＭＳＭ光検出器を実現するため）を介して基板内にモノリシック的に実現される。
【００２６】
図３Ａに示す例示的な実施例では、ミラーＭ１はＳＯＩ静電ＭＥＭＳアクチュエータ７０を使って可動であり、図３ＢではミラーＭ２が静電ＭＥＭＳアクチュエータ７０を使用して可動である。たとえば、一つの実施例では、静電ＭＥＭＳアクチュエータ７０は、くし形ドライブおよびばねで形成されている。キャパシタンスを有するくし形ドライブに電圧を加えることにより、アクチュエータ７０に電位差が生じて駆動力が発生するとともにばねから復元力が発生し、ビームＬ２またはＬ４を反射させる所望の位置への可動ミラーＭ１またはＭ２の変位を生じさせる。ミラーＭ１またはＭ２のどちらが可動であろうと、ミラー変位の２倍に実質的に等しいＬ３、Ｌ５間の光路長差を達成することができる。
【００２７】
一つの実施例では、ミラーＭ１およびＭ２が金属ミラーであり、ビームスプリッタを保護するために選択的メタライゼーション（たとえば、メタライゼーションステップ中にシャドウマスクを使用する）が使われる。もう一つの実施例では、小さなフットプリント分光計を得るために非金属の垂直ブラッグ(Bragg)ミラーが使用される。ブラッグミラーは、深反応性イオンエッチング（ＤＲＩＥ）を使って連続的な垂直シリコン/空気界面を生成することにより実現することができる。さらに、ブラッグミラーは、簡単な反射器として作用するために広いスペクトル反射応答を持つように設計することができ、または応用によっては波長選択応答を持つように設計することができる。
【００２８】
ビームスプリッタとしてシリコン/空気界面を説明したが、半波平面ビームスプリッタを提供するその他の材料を使ってこの発明を実現することができる。たとえば、他の例示的実施例では、微細加工のまたは組み立てられたガラス半平面またはパイレックス（Pyrex）のようなその他の材料をシリコンの代わりに使いより広い動作スペクトルウィンドウをつくることができる。さらに、液体または異なるガスのような他の材料を空気の代わりに使い、半平面ビーム分割界面の反射率を修正する自由度を提供することができる。
【００２９】
使用する材料のタイプに拘わらず、２つのビームＬ２/Ｌ３およびＬ４/Ｌ５は第１の媒体４０および第２の媒体４５の両方を通るので、構造の寸法は、２つのビームＬ２/Ｌ３およびＬ４/Ｌ５が媒体（シリコン４０）中で等距離を通るよう調整することができる。これにより、干渉計の機能性において材料（すなわちＳｉ）の分散を実質的に完全に補償することができる。等しく２つの光路に位相誤差が導入されるからである。
【００３０】
たとえば、図４に示すようにミラーＭ１をシリコン４０の表面Ｓ５に形成し、ミラーＭ２をシリコン４０の表面Ｓ４に形成すると、ビームＬ２/Ｌ３はシリコン４０の距離ｄ１（すなわち、ある厚み）を通り、ビームＬ４/Ｌ５はシリコン４０の距離ｄ２（すなわち、ある厚み）を通る。この発明の実施例では、シリコン中のビーム分散を補償するためにｄ１が実質的にｄ２に等しい（すなわち、d1=d2）。こうして、表面Ｓ３/Ｓ２/Ｓ４および表面Ｓ３/Ｓ１/Ｓ５がバランスする界面を形成し、ビームＬ３とＬ５との間のそれぞれの位相誤差における相違を最小にする設計となる。
【００３１】
さらに、図４に示すように、ビームスプリッタ３０および２つのミラーＭ１およびＭ２は、それぞれ実質的に同じ方向に実質的に同じ垂直性（ティルト角α）を持つ。したがって、ＤＲＩＥ技術における垂直誤差または存在するティルト角に拘わらず、分光計の実効表面Ｓ２、Ｓ４およびＳ５のすべてが平行である。したがって、表面Ｓ３/Ｓ２/Ｓ４および表面Ｓ３/Ｓ１/Ｓ５によって形成されるバランス界面が実効表面間のティルト角の相違をも最小化する。分光計/干渉計における２つの他の表面Ｓ１およびＳ２からの反射は、表面Ｓ１およびＳ２の方向付けを使って避けることができ、表面Ｓ１およびＳ２から反射されたビームが異なる方向に向くようにする。しかし、表面Ｓ１およびＳ２は、分光計/干渉計１０の挿入ロスを増大させ得る。この挿入ロスを低減するために表面Ｓ１およびＳ２がビームＬ１およびＬ２にそれぞれ直角になるようフォトリソグラフ的に規定するか、反射防止（ＡＲ）コーティングを行うことができる。
【００３２】
さらに、誘電体界面からの伝播角が波長に依存することから生じる２つの反射したビームＬ３とＬ５との間の角度を最小にするよう、表面Ｓ１およびＳ２の方向を設計することができる。角度分散は、表面Ｓ１およびＳ２の方向を調整して、動作レンジにおけるすべての波長が２つの反射ビームＬ３とＬ５との間でほぼ同じ角度を持つようにすることにより最小にすることができる。こうして、干渉計スペクトル応答は視認性および挿入ロスの点でよりよい均一性を持つ。
【００３３】
例示的実施例では、シリコン媒体４０の表面Ｓ２は、ビームスプリッタ３０と平行であ
るかまたはある角度を持つことがある。Ｓ２がビームスプリッタ表面Ｓ３と平行であるならば、Ｓ２とビームスプリッタ表面Ｓ３との間のファブリ・ペロー（Fabry-Perot）効果は、ビームスプリッタ３０の表面を入射ビームＬ１の入力スポットのサイズ７０に制限し、ビームスプリッタ表面Ｓ３とＳ２との間の分離を調整して、図５に示すように表面Ｓ２からの反射ビームがビームスプリッタ表面Ｓ３に面しないようにすることにより解消することができる。図５において、表面Ｓ２からの反射ビームＬ７はビームスプリッタ表面Ｓ３に面しないので、ファブリ・ペロー効果は実質的に解消される。
【００３４】
図６Ａおよび６Ｂを参照すると、表面Ｓ２は検出器６０への出力方向付けのための界面としても使用することができる。たとえば、図６Ａおよび６Ｂに示されるように、干渉パターンＬ６が表面Ｓ２によって検出器６０に向けられることができる。図６Ａおよび６Ｂでは、検出器はミラーＭ２の近くに配置されており、干渉パターンＬ６が表面Ｓ２で検出器６０に向けて屈折してミラーＭ２からは遠ざかる。この構造は、ミラーＭ１が可動か（図６Ａに示すように）、Ｍ２が可動（図６Ｂに示すように）とすることにより可能である。
【００３５】
例示的な動作では、入射ビームＬ１が補償されたＭＥＭＳベースの分光計１０に入力ファイバ溝２５を通って入り、表面Ｓ３に形成された半平面ビームスプリッタ３０に達するまで入力ファイバ溝２５を通って伝播する。半平面ビームスプリッタ３０に衝突すると、入射ビームＬ１は、２つの干渉ビームＬ２およびＬ４に分割される。Ｌ２がミラーＭ１に向かって空気中を伝播し、Ｌ４がミラーＭ２に向かってシリコン４０の中を伝播する。特にＬ２はシリコン４０の表面Ｓ１に衝突するまでまず空気４０中を伝播し、次いでシリコン媒体４０を伝播し、ミラーＭ１に達する。Ｌ４は、シリコン媒体４０の表面Ｓ２に達するまでまずシリコン４０を伝播し、次いで空気４５を伝播してミラーＭ２に達する。
【００３６】
ビームＬ２がミラーＭ１で反射して反射ビームＬ３を生成し、ビームＬ３がミラーＭ２で反射して反射ビームＬ５を生成する。ビームＬ３およびＬ５はそれぞれミラーＭ１およびＭ２から反射した後に両方とも同じ光路（反対方向に）をとり、半平面ビームスプリッタ３０に向けてもどる。反射ビームＬ３およびＬ５がビームスプリッタ３０で干渉した結果として生成される干渉パターンＬ６がシリコン４０を伝播し表面Ｓ２に達し、検出器６０に向けて屈折する。
【００３７】
図７は、垂直性および分散問題の部分的な補償をもたらすＭＥＭＳベースの分光計１０のためのもう一つの構造を示す。さらに図７の構造は、表面Ｓ１およびＳ２から生成される挿入ロスを図３Ａおよび３Ｂの構造に比較して低減する。たとえば、図７において、ミラーＭ２のメタライゼーションが取り除かれ、表面Ｓ２が不完全な反射器として使われ（すなわち、シリコン４０と空気４５との間の屈折率の相違を使用し）実効的ミラーＭ２となる。この構造では、２つの厚み（図４に示すｄ１およびｄ２）は、空気伝播に対応する位相シフトを許容するように等しくなくてよく、したがって部分的な分散補償しか生成しない。さらに、２つのミラーＭ１およびＭ２は完全には平行でなく（すなわち、ティルト角が異なる方向を向いている）、不完全なティルト角補償しか生成しない。
【００３８】
例示的な動作において、入射ビームＬ１が一部補償されたＭＥＭＳベースの分光計１０に入力ファイバ溝２５を通って入り、入力ファイバ溝２５を伝播して表面Ｓ３に形成された半平面ビームスプリッタ３０に達する。半平面ビームスプリッタ３０に衝突すると、入射ビームＬ１は２つの干渉ビームＬ２およびＬ４に分割される。Ｌ２が空気４５中をミラーＭ１に向かって伝播し、Ｌ４がシリコン４０中を表面/ミラーＳ２/Ｍ２に向かって伝播する。特に、Ｌ２はまず空気４５中をシリコン４０の表面Ｓ１に衝突するまで伝播し、次いでシリコン媒体４０を伝播してミラーＭ１に達する。Ｌ４はシリコン４０を伝播してシリコン媒体４０の表面/ミラーＳ２/Ｍ２に達する。
【００３９】
ビームＬ２がミラーＭ１で反射されて反射ビームＬ３を生成し、ビームＬ４が表面/ミラーＳ２/Ｍ２で反射されて反射ビームＬ５を生成する。ビームＬ３およびＬ５は、反射された後、両方とも同じ光路（反対方向に）をとり、半平面ビームスプリッタ３０に向かう。反射ビームＬ３およびＬ５がビームスプリッタ３０で干渉して生成される干渉パターンＬ６がシリコン４０を伝播して出力ファイバ溝５０を介して検出器６０に向けて出力される。
【００４０】
次に図８を参照すると、もう一つの一部補償されたＭＥＭＳベースの分光計１０が示されている。図８において、表面Ｓ２は部分的反射器（Ｓ２/Ｍ２）として作用するだけでなく、干渉パターンＬ６を表面Ｓ２とＳ３との間の完全内部反射を介して検出器に導く。
【００４１】
例示的な動作において、入射ビームＬ１が入力ファイバ溝２５を介して一部補償されたＭＥＭＳベースの分光計１０に入り、入力ファイバ溝２５を伝播して表面Ｓ３に形成された半平面ビームスプリッタ３０に達する。半平面ビームスプリッタ３０に衝突すると、入射ビームＬ１は２つの干渉ビームＬ２およびＬ４に分割される。Ｌ２が空気４５中をミラーＭ１に向かって伝播し、Ｌ４がシリコン４０を表面/ミラーＳ２/Ｍ２に向かって伝播する。特に、Ｌ２はまず空気４５を伝播してシリコン４０の表面Ｓ１に衝突し、次いでシリコン媒体４０を伝播してミラーＭ１に達する。Ｌ４はシリコン４０を伝播してシリコン媒体４０の表面/んミラーＳ２/Ｍ２に達する。
【００４２】
ビームＬ２がミラーＭ１で反射されて反射ビームＬ３を生成し、ビームＬ４が表面/ミラーＳ２/Ｍ２で反射されて反射ビームＬ５を生成する。ビームＬ３およびＬ５は、反射後、同じ光路を（反対方向に）とって半平面ビームスプリッタ３０に向かう。ビームＬ３およびＬ５がビームスプリッタ３０で干渉して生成される干渉パターンＬ６がシリコン４０を伝播して表面/ミラーＳ２/Ｍ２に達し、Ｓ３とＳ２との間の完全内部反射によって反射され、出力ファイバ溝５０を介して検出器６０に向けて出力される。
【００４３】
補償されたＭＥＭＳベースの分光計の例示的な製造プロセスを図９Ａ―９Ｉに示す。図９Ａにおいて、アルミニウムのスパッタリング工程がＳＯＩウェハ（層９００―９１０）に行われてアルミニウム層９１５が形成され、この層は、図９Ｅに示すようにＤＲＩＥを使ってＳＯＩウェハの頂部シリコン層９１０をエッチングするためのマスクとして機能する。図９Ｂにおいて、フォトレジスト材料９２０がアルミニウム層上にスピン被覆される。図９Ｃにおいて、ミラー、半平面ビームスプリッタ、ファイバ溝、検出器および静電アクチュエータを実現するためにリソグラフィ工程が実施される。フォトレジスト材料９２０におけるリソグラフィパターンが、図９Ｄに示すようにアルミニウム層のプラズマ塩素エッチングによってアルミニウムマスク９１５に移される。次いで図９Ｅ似示すようにＳＯＩのエッチストップ層９０５に達するまで、ＤＲＩＥをウェハに実施する。次いで、図９Ｆに示すように、Aluエッチを使用して残りのアルミニウムマスク９１５を取り除く。
【００４４】
図９Ｉを参照すると、マイクロミラーおよび反射面の選択的メタライゼーションのためおよび接続パッド形成のために、シャドウマスク９４０が使用される。図９Ｉに見られるように、シャドウマスク９４０は、頂部のシリコン層９１０の所望の部分にＣｒ/Ａｕ９５０を選択的にスパッタするために、ＳＯＩ基板９００―９１０の上方に配置される。ブラッグミラー(Bragg mirror)のような非金属のミラーを使う実施例では、シャドウマスク工程は実施されず、パッドのメタライゼーションは、残りのプロセス工程で耐えられるだけ強いメタライゼーション厚みが得られるならば、はじめに実施することができる。図９Ｊに示されるように、くし形のフィンガー、ばね、および可動ミラーのような可動構造がＨＦを使って埋め込みＳｉＯ２層をエッチングすることによって解放され、固定の構造は下のＳｉＯ２が広い面積なので解放されない。くし形の駆動アクチュエータを説明したが、可動ミラーは相性のよい技術によって製造される任意のＭＥＭＳアクチュエータを使って作動させることができる。たとえば、アクチュエータは、同じマスクで同じ先の工程を使って分光計と共に製造することができる。
【００４５】
ＤＲＩＥエッチングにボッシュ（Bosch）プロセスを使用する実施例においては（図９Ｅ）、このプロセスの期間的な性質によりミラー面が荒くなることがある。したがって、図９Ｇに示すように、表面に厚い酸化層９３０を成長させ、次いで図９Ｈに示すようにＨＦによってこれを取り除き、構造を貴方する前にミラー面を滑らかにすることが有用である。しかし、高温度アニーリング、エッチングまたは酸化のような任意の使用可能な技法を使って光学表面の平滑化を行うことができることが理解されねばならない。低温のＤＲＩＥプロセスを図９Ｅにおいて使用するならば、エッチング後に滑らかな表面が得られるので、図９Ｇおよび９Ｈに示すプロセス工程は必要ないであろう。さらに、このプロセスは低温度においてフォトレジスト材料とシリコンとの間でよい選択性を持つので、図９Ａに示すアルミニウムマスクは必要ない。
【００４６】
当業者には明らかなように、この明細書に記載した革新的概念は、広いレンジの応用において修正市変更することができる。したがって、この発明の範囲は上述した特定の例示的な教示によって限定されてはならず、特許請求の範囲によって規定される。
【図１Ａ】
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【図１Ｂ】
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【図２Ａ】
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【図２Ｂ】
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【図３Ａ】
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【図３Ｂ】
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【図４】
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【図５】
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【図６Ａ】
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【図６Ｂ】
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【図７】
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【図８】
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【図９Ａ】
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【図９Ｂ】
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【図９Ｃ】
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【図９Ｄ】
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【図９Ｅ】
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【図９Ｆ】
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【図９Ｇ】
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【図９Ｈ】
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【図９Ｉ】
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【図９Ｊ】
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