(57)【要約】【課題】  正確な曲率可変制御が期待できる可変曲率ミラーデバイス及びその製造方法を提供することを課題とし、特にマイクロマシン技術またはこれに準じた微細加工技術によって得られる小形かつ正確な可変曲率ミラーデバイスおよびその製造方法を提供する。【解決手段】  基材薄板（１）と、該基材薄板とは異なる熱膨張係数を有する素材を前記基材薄板表面に被着せしめたミラー金属薄膜（３）と、前記基材薄板の内部または表面に形成された加熱素子（４）と、から構成される可変曲率ミラーデバイスである。この可変曲率ミラーデバイスの製造に当たっては、基材薄板（１）の出発原料として単結晶シリコンウェハ、ＳＯＩウェハが使用可能であり、半導体加工技術、ＭＥＭＳなどの技術を個々にまたは組み合わせた製造プロセスからなる可変曲率ミラーデバイスの製造方法が適用可能である。【選択図】  図２
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【特許請求の範囲】
【請求項１】
基材薄板と、該基材薄板とは異なる熱膨張係数を有する素材を前記基材薄板表面に被着せしめたミラー金属薄膜と、前記基材薄板の内部または表面に形成された加熱素子と、から成り、該加熱素子による温度変化に伴って前記ミラー金属薄膜の表面に任意の曲率変化がもたらされることを特徴とする、可変曲率ミラーデバイス。
【請求項２】
前記基材薄板と前記ミラー金属薄膜との間に、絶縁用薄膜が前記両者に密着するように介在せしめられることを特徴とする、請求項１に記載の可変曲率ミラーデバイス。
【請求項３】
前記加熱素子が、前記ミラー金属薄膜部分に直接接触することなく外方から包囲するように前記基材薄板上に形成されたことを特徴とする、請求項１または２のいずれかに記載の可変曲率ミラーデバイス。
【請求項４】
前記ミラー金属薄膜が円形、楕円形、方形状または多角形状のいずれかであって、該ミラー金属薄膜の周囲を取り囲むように前記加熱素子が形成されたダイヤフラム構造形であることを特徴とする、請求項１ないし３のいずれかに記載の可変曲率ミラーデバイス。
【請求項５】
前記加熱素子の外側を包囲するスリットであって、前記ミラー金属薄膜を含むデバイス主要部とデバイス外枠部とを連繋する少なくとも１箇所の梁部分を除き熱的に分離するとともに前記ミラー金属薄膜部分の曲率変化を助長するためのスリットを配設した梁構造形であることを特徴とする、請求項１ないし３のいずれかに記載の可変曲率ミラーデバイス。
【請求項６】
前記デバイス主要部とデバイス外枠部とを連繋する前記梁部分が２箇所またはそれ以上形成されることにより、前記デバイス主要部における曲率変化時における平衡性を向上させたことを特徴とする、請求項１ないし３のいずれかに記載の可変曲率ミラーデバイス。
【請求項７】
前記加熱素子が前記ミラー金属薄膜と同質の金属薄膜抵抗体として形成されることを特徴とする、請求項１ないし６のいずれかに記載の可変曲率ミラーデバイス。
【請求項８】
前記加熱素子が前記ミラー金属薄膜と異質の金属を被着せしめた金属薄膜抵抗体であることを特徴とする、請求項１ないし６のいずれかに記載の可変曲率ミラーデバイス。
【請求項９】
前記基材薄板が珪素ウェハから構成され、前記加熱素子が前記珪素の層中に形成された不純物拡散層からなる拡散層抵抗体であることを特徴とする、請求項１ないし８のいずれかに記載の可変曲率ミラーデバイス。
【請求項１０】
前記ミラー金属薄膜が、非加熱の初期状態で凸面、凹面または平面のいずれかに選定されることを特徴とする、請求項１ないし９のいずれかに記載の可変曲率ミラーデバイス。
【請求項１１】
前記基材薄板上に測温センサまたは曲率検出センサの少なくとも一方を被着せしめたこと、を特徴とする請求項１ないし１０のいずれかに記載の可変曲率ミラーデバイス。
【請求項１２】
基材薄板として珪素薄板を選択し、該珪素薄板上に形成される前記絶縁用薄膜として二酸化珪素（SiO2）膜、窒化珪素（Si3N4）膜、酸窒化珪素（ＳｉＯＮ膜）またはこれらと同等の特性を有する薄膜を形成し、ミラー金属薄膜として金（Au）、アルミニウム（Al）、銀（Ag）またはこれらと他金属との合金のいずれかから選択されたミラー金属薄膜を形成し、該ミラー金属薄膜領域を外方から包囲するように加熱素子を形成せしめることを特徴とする、可変曲率ミラーデバイスの製造方法。
【請求項１３】
前記加熱素子が、基材薄板の所望部位に不純物を拡散せしめた拡散層加熱体であることを特徴とする、請求項１２に記載の可変曲率ミラーデバイスの製造方法。
【請求項１４】
前記加熱素子が、基材薄板の所望部位に選択された発熱特性を有する金属層を被着せしめた金属層加熱体であることを特徴とする、請求項１２に記載の可変曲率ミラーデバイスの製造方法。
【請求項１５】
（１）単結晶シリコン板を出発原料として用い、表面に熱酸化処理またはＣＶＤ等の適宜成膜法により絶縁用薄膜を形成し；
（２）該絶縁用薄膜を所望パターンに加工し、次いで該単結晶シリコン板の不要部分をエッチングすることにより基材薄膜を形成し；
（３）前工程により形成された前記絶縁用薄膜上の所望領域に蒸着成膜法、スパッタ成膜法、ＣＶＤ成膜法などの適宜成膜手段を採用してミラー金属薄膜ならびに加熱素子を形成することを特徴とする、可変曲率ミラーデバイスの製造方法。
【請求項１６】
前記（２）工程におけるエッチング処理が、アルカリ性溶液による結晶異方性エッチング、フッ酸および硝酸系溶液による等方性エッチング等によるウェットエッチングであることを特徴とする、請求項１５に記載の可変曲率ミラーデバイスの製造方法。
【請求項１７】
前記（２）工程におけるエッチング処理が、反応性イオンエッチング（ＲＩＥ）等によるドライエッチングであることを特徴とする、請求項１５に記載の可変曲率ミラーデバイスの製造方法。
【請求項１８】
前記（３）工程における成膜手法による加熱素子の形成に代えて、前記基材薄板に対する不純物拡散処理によって得られる不純物拡散層として形成されることを特徴とする、請求項１５に記載の可変曲率ミラーデバイスの製造方法。
【請求項１９】
前記基材薄板を形成する出発原料として、両面が鏡面となるように研磨された単結晶シリコン板を選択することを特徴とする、請求項１５に記載の可変曲率ミラーデバイスの製造方法。
【請求項２０】
前記基材薄板を形成する出発原料として、表面から一定の深さにシリコン酸化膜が形成されたＳＯＩ素材を選択することを特徴とする、請求項１５に記載の可変曲率ミラーデバイスの製造方法。
【請求項２１】
前記ミラー金属薄膜を形成する前記基材薄板の裏面に密封空間を形成し、前記基材薄板全体を調整された加圧雰囲気下または減圧雰囲気下において前記ミラー金属薄膜の形成を行なうことにより、非加熱の初期状態で凸面または凹面のいずれかの任意状態として形成し、かつ雰囲気圧力を調整することにより初期曲率の調整が行われること、を特徴とする請求項１２ないし２０のいずれかに記載の可変曲率ミラーデバイスの製造方法。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、ミラー部材における所要部の曲率を変更することにより可視光線、レーザー光、紫外線、赤外線等の放射エネルギーを収束、拡散、反射、可変焦点等を達成することができる可変曲率ミラーデバイス及びその製造方法に関する。
【背景技術】
【０００２】
各種カメラ、光学的記録・再生装置、自動合焦装置、測距装置、その他各種光学装置類における可変焦点機構の構成要素として、所定制御信号に応じて焦点を任意に変更することができる可変曲率ミラーデバイスがあれば都合が良い。従来の各種光学装置にあっては、適宜順序および位置に配設されたレンズ、反射ミラー、プリズム、絞り機構等を目的に応じて所要素子の配列、組合せ順序、回転変位機構等の組合せにより、自動または手動により合焦（ピント合わせ）、集光、拡散等の機能を達成してきた。このような光学装置類も使用者が直接使用するカメラやビデオカメラ等の場合はもとより、各種装置類に組み込まれる様な用途にあっては小形軽量で自動操作が必要となることが多い。かかる自動操作にあたっては可能な限り少ない部品点数により構成され、かつ迅速かつ正確な応答動作が要求される。
【０００３】
用途や目的に応じて焦点を変えることが可能な可変焦点ミラーとして、特許文献１は、可撓性素材からなる薄膜ダイヤフラムに対向する電極を設け、この対向電極に電圧を印加した際に作用する静電吸引力を利用することにより、薄膜ダイヤフラム面の曲率を変更することを開示している。ここで、可変焦点を達成するための駆動力はクーロン力であるからその大きさは距離の２乗に反比例する。したがって、初期状態から撓みの進行に応じて作用力が非線形的に変化し、可変焦点の微細な制御が難しくなることが予想される。また、電極とミラーとの距離がミラーの各場所により異なるため各場所に働く力が均一ではなく、球面への変形が困難であると予想される。特許文献２は、表面に反射ミラー面を設けた可撓性部材を、所要凹部の設けられた基板上に配設し、所要凹部表面に静電気を印加して、可撓性部材を静電吸引力により吸着して基板上の所要形状に沿った形状とすることにより、反射ミラー面の形状を変えようとするもので、文献1と同様の問題点が生ずる可能性がある。
【０００４】
特許文献３は、表面に反射面を形成した可撓性部材を所要形状の凹部を設けた円柱状基板の表面に貼り付け、上記凹部の下面に設けられた吸引小穴から減圧することにより、可撓性部材を上記凹部に沿った形状に吸引し、結果的に変形可能なミラー面が得られることを開示している。このような構造では可撓性部材の鏡面は所要形状の凹部の形状に吸引された状態でのみ安定するため、任意の曲率を達成することは困難である。さらに、特許文献２、３における可撓性素材のダイヤフラムの表面には反射膜としての金属層が蒸着されているが、かかるダイヤフラム膜はその耐久性などの点で問題がある。
【０００５】
特許文献４は、基板に支持されて曲率の変化する薄膜を備え、この薄膜に付着されて曲率変化に伴って曲率の変化する反射面を有する可変焦点ミラーを開示している。そして上記曲率を変化させる原理として、電位差を付与することによる静電力、磁性体とコイルとの組み合わせによって得られる電磁力、永久磁石とコイルとによる電磁力、圧電体と電源とを組み合わせ、電圧印加時の圧電体変化を利用することができる旨開示している。さらに、反射面の周囲を包囲するように２種類の熱膨張手段を積層した円環状の熱膨張体二重層を形成し、各層形成物質の熱膨張係数の違いに基づく撓み量の変化によって円環状の熱膨張体を変形させることを開示している。ここでは、円環状熱膨張体の変形を原因として、包囲されている反射面に作用し、受動的な（間接的な）曲率変化がもたらされるとしている。また、静電力、電磁力を用いる場合には外部駆動体を必要とするため、構造が複雑かつ大きくなる。また、特許文献５は、薄膜に反射面が形成されたミラー部を１またはそれ以上の永久磁石ならびにコイルにより得られる電磁力を利用する可変焦点ミラーを開示している。これら先行文献にかかる、静電力、電磁力等、いずれも距離の２乗に反比例する駆動力を前提とする可変焦点ミラーは、極めて高い精度が要求される用途にあっては高精密制御が難しい短所がある。
【特許文献１】特開平７−４９４６０号公報
【特許文献２】特開平９−１５２５０５号公報
【特許文献３】特開平１０−３１１０７号公報
【特許文献４】特開２００６−２０９１３６号公報
【特許文献５】特開２００６−２９３３６７号公報
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【０００６】
本発明は、正確な曲率可変制御が期待できる可変曲率ミラーデバイス及びその製造方法を提供することを課題とし、特にマイクロマシン技術（Micro Electromechanical Systems：以下「ＭＥＭＳ」と略称する）、もしくはこれに準じた微細加工技術によって得られる小形かつ正確な可変曲率ミラーデバイスおよびその製造方法を提供することを課題とする。
【課題を解決するための手段】
【０００７】
請求項１に記載の発明は、基材薄板と、該基材薄板とは異なる熱膨張係数を有する素材を前記基材薄板表面に被着せしめたミラー金属薄膜と、前記基材薄板の内部または表面に形成された加熱素子とから成り、該加熱素子による温度変化に伴って前記ミラー金属薄膜の表面に任意の曲率変化がもたらされる、可変曲率ミラーデバイスであることを特徴とする。
【０００８】
請求項２に記載の発明は、前記基材薄板と前記ミラー金属薄膜との間に、絶縁用薄膜が前記両者に密着するように介在せしめられた、可変曲率ミラーデバイスであることを特徴とする。請求項３に記載の発明は、前記加熱素子が、前記ミラー金属薄膜部分に直接接触することなく外方から包囲するように前記基材薄板上に形成された、可変曲率ミラーデバイスであることを特徴とする。
【０００９】
請求項４に記載の発明は、前記ミラー金属薄膜が円形、楕円形、方形状または多角形状のいずれかであって、該ミラー金属薄膜の周囲を取り囲むように前記加熱素子が形成されたダイヤフラム構造形である、可変曲率ミラーデバイスであることを特徴とする。
【００１０】
請求項５に記載の発明は、前記加熱素子の外側を包囲するスリットであって、前記ミラー金属薄膜を含むデバイス主要部とデバイス外枠部とを連繋する少なくとも１箇所の梁部分を除き熱的に分離するとともに前記ミラー金属薄膜部分の曲率変化を助長するためのスリットを配設した梁構造形である、可変曲率ミラーデバイスであることを特徴とする。
【００１１】
請求項６に記載の発明は、前記デバイス主要部とデバイス外枠部とを連繋する前記梁部分が２箇所またはそれ以上形成されることにより、前記デバイス主要部における曲率変化時における平衡性を向上させた、可変曲率ミラーデバイスであることを特徴とする。請求項７に記載の発明は、前記加熱素子が前記ミラー金属薄膜と同質の金属薄膜抵抗体として形成される、可変曲率ミラーデバイスであることを特徴とする。
【００１２】
請求項８に記載の発明は、前記加熱素子が前記ミラー金属薄膜と異質の金属を被着せしめた金属薄膜抵抗体である、可変曲率ミラーデバイスであることを特徴とする。請求項９に記載の発明は、前記基材薄板が珪素から構成され、前記加熱素子が前記珪素の層中に形成された不純物拡散層からなる拡散層抵抗体である、可変曲率ミラーデバイスであることを特徴とする。
【００１３】
請求項１０に記載の発明は、前記ミラー金属薄膜が、非加熱の初期状態で凸面、凹面または平面のいずれかに選定される、可変曲率ミラーデバイスであることを特徴とする。請求項１１に記載の発明は、前記基材薄板上の適宜部位に測温センサまたは曲率検出センサの少なくとも一方を被着せしめた、可変曲率ミラーデバイスであることを特徴とする。
【００１４】
請求項１２に記載の発明は、基材薄板として珪素薄板を選択し、該珪素薄板上に形成される前記絶縁用薄膜として二酸化珪素（ＳｉＯ2）膜、窒化珪素（Si3N4）膜、酸窒化珪素（ＳｉＯＮ膜）またはこれらと同等の特性を有する薄膜を形成し、ミラー金属薄膜として金（Ａｕ）、アルミニウム（Ａｌ）、銀（Ａｇ）またはこれらと他金属との合金のいずれかから選択されたミラー金属薄膜を形成し、該ミラー金属薄膜領域を外方から包囲するように加熱素子を形成せしめる、可変曲率ミラーデバイスの製造方法であることを特徴とする。
【００１５】
請求項１３に記載の発明は、前記加熱素子が、基材薄板の所望部位に不純物を拡散せしめた拡散層加熱体である、可変曲率ミラーデバイスの製造方法であることを特徴とする。
【００１６】
請求項１４に記載の発明は、前記加熱素子が、基材薄板の所望部位に選択された発熱特性を有する金属層を被着せしめた金属層加熱体である、可変曲率ミラーデバイスの製造方法であることを特徴とする。
【００１７】
請求項１５に記載の発明は、（１）単結晶シリコン板を出発原料として用い、表面に熱酸化処理またはＣＶＤ等の適宜成膜法により絶縁用薄膜を形成し；（２）該絶縁用薄膜を所望パターンに加工し、次いで該単結晶シリコン板の不要部分をエッチングすることにより基材薄膜を形成し；（３）前工程により形成された前記絶縁用薄膜上の所望領域に蒸着成膜法、スパッタ成膜法、ＣＶＤ成膜法などの適宜成膜手段を採用してミラー金属薄膜ならびに加熱素子を形成する、可変曲率ミラーデバイスの製造方法であることを特徴とする。
【００１８】
請求項１６に記載の発明は、前記（２）工程におけるエッチング処理が、アルカリ性溶液による結晶異方性エッチング、フッ酸および硝酸系溶液による等方性エッチング等によるウェットエッチングである、可変曲率ミラーデバイスの製造方法であることを特徴とする。請求項１７に記載の発明は、前記（２）工程におけるエッチング処理が、反応性イオンエッチング（ＲＩＥ）等によるドライエッチングである、可変曲率ミラーデバイスの製造方法であることを特徴とする。
【００１９】
請求項１８に記載の発明は、前記（３）工程における成膜手法による加熱素子の形成に代えて、前記基材薄板に対する不純物拡散処理によって得られる不純物拡散層として形成される、可変曲率ミラーデバイスの製造方法であることを特徴とする。
【００２０】
請求項１９に記載の発明は、前記基材薄板を形成する出発原料として、両面が鏡面となるように研磨された単結晶シリコン板を選択する、可変曲率ミラーデバイスの製造方法であることを特徴とする。請求項２０に記載の発明は、記基材薄板を形成する出発原料として、表面から一定の深さにシリコン酸化膜が形成されたＳＯＩ(Silicon on Insulator)素材を選択する、可変曲率ミラーデバイスの製造方法であることを特徴とする。
【００２１】
請求項２１に記載の発明は、前記ミラー金属薄膜を形成する前記基材薄板の裏面に密封空間を形成し、前記基材薄板全体を調整された加圧雰囲気下または減圧雰囲気下において前記ミラー金属膜の形成を行なうことにより、非加熱の初期状態で凸面または凹面のいずれかに形成し、かつ雰囲気圧力を調整することにより初期曲率の調整が行われる、可変曲率ミラーデバイスの製造方法であることを特徴とする。
【発明の効果】
【００２２】
本発明により特定された構成として得られる可変曲率ミラーデバイスは、各種半導体回路素子の製法技術、ＭＥＭＳ技術等に属する各手法等を選択的に採用することにより、珪素板（シリコンウェハ）、SOIウェハ等の基材薄板上に、この基材薄板とは熱膨張係数の異なる金、アルミ、銀またはこれらと他金属との合金等の金属材料により直径または差し渡しが数ｍｍ〜１０数ｍｍの円形、楕円形、四辺形、多角形等適宜形状のミラー金属薄膜を形成したものである。そして、この基材薄板および熱膨張係数の異なるミラー金属薄膜の双方に対して同時に温度変化を与える加熱素子を作動させることにより、前記ミラー金属薄膜の曲率が任意に変化することになる。
【００２３】
この際の曲率変化は、接合された複数部材の熱膨張係数の差異に起因する、いわばバイメタルの原理による曲率変化現象を利用するものである。この曲率変化現象は構成素材自体に固有の熱膨張現象に起因するものであり、したがって直接駆動型の可変曲率ミラーデバイスである。この場合の曲率変化の状態は、基材薄板およびミラー金属薄膜に対する加熱状態によって正確に制御可能であり、全体を平等に加熱すれば略球面状となり、部分的に温度ムラを形成することにより所望の非球面形状とすることも可能である。
【００２４】
そのため、従来技術として広く採用されていたような、ミラーデバイス自体の周縁に配設された付加手段によって発生せしめられる静電力、電磁力、圧電力、アクチュエータによる機械力等を利用する、間接駆動型素子とは異なり、極めて高い再現性をもって曲率変化が制御できる可変曲率ミラーデバイスが得られる。かかる可変曲率ミラーデバイスは、小形のミラーデバイスでありながら、例えば集光、合焦、測距、反射等の各種光学分野における可変焦点ミラーその他高精度の光学素子としての利用が可能である。
【００２５】
本発明にかかる可変曲率ミラーデバイスの製造方法は、集積回路（ＩＣ）、ＬＳＩ、ＶＬＳＩ等によって確立された各種半導体の加工および製造技術が利用可能であり、さらに前述のＭＥＭＳ技術を適用することによってより有利な素材加工ならびに素子製造が達成される。このようにかなり高度なレベルまで確立されている製造技術の援用が可能であることから高精度の素子製造が可能であり、得られる可変曲率ミラーデバイスを用いた光学装置の精度を大幅に向上させることが期待できる。
【発明を実施するための最良の形態】
【００２６】
次に、本発明にかかる可変曲率ミラーデバイスの構成および特性、さらにこのような可変曲率ミラーデバイスの製造方法について開示する。本発明にかかる可変曲率ミラーデバイスは、第1の実施例を示す図１のように、珪素板（シリコンウェハ）またはこれに類する基材薄板１上に、直接にまたはシリコン酸化膜のような絶縁被膜２（図Ｂ参照）を介して基材薄板とは熱膨張係数の異なる金属、例えば金（Au）、アルミニウム（Al）、銀（Ag）またはこれらと適宜金属との合金等によるミラー金属膜３を被着させ、さらにこのミラー金属薄膜３の外側を包囲するように加熱用抵抗体４を配設したものである。このような構造において加熱用抵抗体４に電源５から端子１０を介して通電し、発熱させることにより、基材薄板１とミラー金属薄膜３との熱膨張係数の差異に基づき、バイメタルの原理により曲率変化が生起する。なお、加熱用抵抗体４に代えて、または加熱用抵抗体４に加えて、基材薄板１の裏面に加熱用抵抗体を付加してもよい。
【００２７】
図２は本発明にかかる可変曲率ミラーデバイスの第２の実施例を示すもので、加熱用抵抗体４の外周に沿うように、上下左右4箇所の支持梁７部分（Ｂ−Ｂ’断面参照）を除いて太線で示したように、反応性イオンエッチング、プラズマエッチング等のエッチング加工により弧状スリット６（Ｂ断面参照）を設けたものである。このように弧状スリット６を有するデバイスを、以下「梁構造形」と称し、図1のようにスリットを設けないデバイスを「ダイヤフラム構造形」と区別する。
【００２８】
このような弧状スリット６は、温度変化を真に必要とするミラー金属薄膜３部分に限定して加熱抵抗体４による発熱の応答速度を高めると共に、ミラー金属薄膜３部分に対して平衡の取れた曲率変化をもたらす効果がある。なお、このスリット６は、ミラーデバイスの寸法、用途、加熱抵抗体４の発熱容量等を考慮して、図２のような４分割スリット以外に、上下の２箇所に支持梁７を設けた２分割スリット、円周を３等分するような３分割スリットでもよい。さらに電源配線を設ける１箇所のみに支持梁７を形成した１梁形とし、それ以外の部分をエッチング加工し略円環状スリットであってもよい。
【００２９】
図３は、電源からの加熱配線８をミラー金属薄膜３に接続し、このミラー金属薄膜３を加熱素子として利用する第３の実施例を示すものである。ミラー金属薄膜３の成分や厚さ等を適宜選択して抵抗率を調整することにより、所望抵抗率の抵抗体とすることができる。
【００３０】
これら実施例において、ミラー金属薄膜３は、基材薄板１上にスパッタリング、真空蒸着、メッキ等の各種金属被膜形成法により形成することができる。加熱用抵抗体４は、ミラー金属薄膜３を形成する際に、同時に同質の金属素材によって形成することも可能であるが、ミラー金属薄膜３の形成工程の前後いずれかにおける別工程により形成することもできる。ミラー金属薄膜３は、基材薄板１とは異なる熱膨張係数を有すること、優れた反射特性を有しかつ経年変化が少ないこと、などが所要要件とされるのに対し、加熱用抵抗体は適当な抵抗率を有し、発熱による特性変化や剥離が生じないこと、などが要件となるため、工程数は増えるものの個別工程であればそれぞれに適する構成を得ることが容易である。
【００３１】
図４は、加熱用抵抗体として基材薄板１の所要部位に不純物拡散処理を施し、連続的な拡散抵抗体層９を形成する第４の実施例を示すものである。このような構成によれば、不純物拡散状態に応じて抵抗率や形状の選択も可変となり、基材薄板１の内部から発熱させることから加熱効率が向上し、望ましい熱変形を惹起せしめることができる。
【００３２】
本発明にかかる可変曲率ミラーデバイスは、デバイスのミラー金属薄膜を含む領域全体を均等に加熱することにより球面の曲率を変形させることができるが、用途によっては、不均一または非対称等の曲率変化を必要とする用途もあり得る。このような用途に対しては、例えば第５の実施例を示す図５のように部分的に設けた加熱抵抗体４に対して電源を接続することにより、偏った曲率変化をもたらすことができる。右下区間で偏った発熱が起こるため、Ａ−Ａ’断面を示す図（Ｃ）のようにこの区間の曲率変化を他区間よりも大きくすることができる。
【００３３】
図６は、ミラー金属薄膜１３を下面凸に形成した第６の実施例を示すもので、基材薄板１の上表面に同心円状の曲率制御用金属膜１４を被着させたものである。このようにミラー金属薄膜１３貼付面の裏側に曲率制御用金属膜１４を配設することによりミラー金属薄膜１３の形状を適宜変化させることができる。曲率制御用金属膜のパターンとしては、目的とする形状に応じて他に放射状、まだら状等のパターンでもよい。
【００３４】
このように、本発明にかかる可変曲率ミラーデバイスでは、少なくともミラー金属薄膜１３を含む基材薄板１の領域を加熱することによって曲率変化を生起させるものである。この場合の曲率変化は温度変化を受けて熱膨張係数の差異によってもたらされるものであるから、適当な部位の温度を測定し、この測定結果にしたがって加熱電流を制御することにより、曲率変化を制御することができる。このような観点から、図７は図上方の支持梁７部分に測温センサとしてのサーミスタ１４を配設し、端子１０ｂ、１０ｃから取り出せるように構成した第７の実施例を示すものである。このサーミスタ１４の出力により温度変化を検出し、この検出結果をフィードバックして加熱電流を制御することにより、ミラー金属薄膜１３の曲率を所望範囲に自動制御することができる。
【００３５】
図８は第８の実施例を示すもので、図７のサーミスタ１５に代えて、歪み測定センサとしてのピエゾ抵抗素子１６を支持梁７部分に配設し、端子１０ｂ、１０ｃから取り出せるように構成したものである。このようなピエゾ抵抗素子１６は、支持梁７の配設部位における歪み量を抵抗率変化として捉えることから、取付け点における曲率変化をより直接的な検出が可能となる。このようにして得られる曲率変化を検出してフィードバックし、その結果に基づいて加熱電流を制御することにより、ミラー金属薄膜１３の曲率を所望範囲により正確に制御することができる。
【００３６】
本発明にかかる可変曲率ミラーデバイスは、凹面は集光や可変焦点等の用途に用いられ、凸面は可変焦点の他に可変広視野観察や可変範囲の虚像形成などの用例に用いられる。ミラー金属薄膜３の初期形態を凹面とするか凸面とするかは、材料、膜厚、成膜方法等により適宜対応可能であるため、製造プロセスにおいて後述する。
【００３７】
以下、本発明にかかる可変曲率ミラーデバイスは、集積回路（ＩＣ）、ＬＳＩ、ＶＬＳＩのような各種半導体素子の製造技術やＭＥＭＳ等の技術を応用することにより製造することができる。以下、典型的な製造プロセスにしたがって開示するが、その他当業界において知られている多くの周辺技術を分的に、または組合わせて援用することにより同様の可変曲率ミラーデバイスが得られることを付記しておく。
【００３８】
本発明にかかる可変曲率ミラーデバイスは、出発原料として単結晶シリコンウェハが有利に用いられるが、ＳＯＩ（Silicon on Insulator）ウェハを用いることも可能である。図９は、単結晶シリコンウェハを出発原料として本発明にかかる可変曲率ミラーデバイスを製造する代表的製造プロセスを図示したものである。
【００３９】
工程１において、単結晶シリコンウェハ２０の表面の全体および裏面の所望部位に酸化膜（SiO2）が形成される。次いで、工程２において、酸化膜が形成されていない不要部分のエッチングが行なわれる。エッチングは、アルカリ性溶液による結晶異方性エッチング、フッ酸および硝酸系溶液による等方性エッチング等によるウェットエッチング、またはプラズマを利用した反応性イオンエッチング、高密度プラズマによるエッチング等により実施される。エッチング工程により、基材薄板部分１が所望厚さとなった状態で工程２が終了する。
【００４０】
次いで、工程３において、基材薄板部分１の表面にスパッタ法、真空蒸着、ＣＶＤ、メッキ等の適宜手段により環状の加熱用抵抗体４が形成される。工程４も金（Ａｕ）、アルミニウム（Ａｌ）、銀（Ａｇ）、またはこれらと他金属との合金等によるミラー金属薄膜３の成膜工程であるから、前工程と同様または類似のスパッタ法、真空蒸着、ＣＶＤ、メッキ等の適宜手段が採用される。なお、工程３および工程４の順序を前後させること、または同時に行うことも可能である。
【００４１】
工程５は、上述のように支持梁部分を除き、ミラー金属薄膜３部分と外縁部との間を熱的に分離すると共にミラー金属薄膜３の曲率変化を惹起し易くするためのスリット６をエッチング法その他適宜手段により形成するものである。したがって、この工程５は「梁構造型」の場合にのみ必要となり、スリット６を設けない「ダイヤフラム構造型」では不要である。
【００４２】
図１０は、出発原料をＳＯＩ（Silicon On Insulator）ウェハを用いて可変曲率ミラーデバイスを製造する代表的製造工程を示すものである。工程１では、ＳＯＩウェハ表面の全体および裏面の所望部位に酸化膜（SiO2）が形成される。次いで、工程２において、裏面の酸化膜が形成されていない不要なシリコン部分のエッチングが行なわれる。エッチング工程により、ＳＯＩからシリコン部分が除去された状態で工程２が終了する。
【００４３】
次いで、工程３において、基材薄板部分１の表面の所望部位にスパッタ法、真空蒸着、ＣＶＤ、メッキ等の適宜手段により環状の加熱用抵抗体４が形成される。次いで工程４ではミラー金属薄膜３が基材薄板３１の裏面に形成される実施例を示している。これは、ＳＯＩウェハを出発原料とした結果可能となるものである。工程４も金（Ａｕ）、アルミニウム（Ａｌ）、銀（Ａｇ）、これらと適宜金属との合金等によるミラー金属薄膜３の成膜工程であるから、前工程と同様または類似のスパッタ法、真空蒸着、ＣＶＤ、メッキ等の適宜手段が採用される。
【００４４】
工程５は、上述のように支持梁部分を除き、ミラー金属薄膜３部分と外縁部との間を熱的に分離すると共にミラー金属薄膜３の曲率変化を惹起し易くするためのスリット６をエッチング等により形成するものである。したがって、この工程５は「梁構造型」の場合にのみ必要となり、スリット６を設けない「ダイヤフラム構造型」では不要である。
【００４５】
本発明におけるミラー金属薄膜３の初期形態は、前述のように凹面および凸面の双方が考えられ、これらのいずれを要するかは、用途により異なる。このような反射面の初期形態は、例えば材料、膜厚、成膜方法によって異なるものとなる。基材薄板１上に金属を成膜する際に図１１のようなスパッタ法を採用すると、金属薄膜は成膜条件により圧縮または引っ張り応力を受けることになり、凸面または凹面となる。これに対し、金属を素材として図１２のような真空蒸着法を採用する場合や成膜後に加熱処理を施す場合には金属薄膜に引っ張り応力が作用して凹面となる。また、膜厚も初期形態に影響を与える。
【００４６】
既に形成された可変曲率ミラーデバイスに付加手段を組み合わせることにより、ミラー金属薄膜３の初期形態を調整することができる。図１３のように、予め作成された可変曲率ミラーデバイスＭＤの下側周縁部を、減圧雰囲気下でガラス基板Ｇの表面に高温接合法により封着密閉する。このようにして得られたガラス基板密閉の可変曲率ミラーデバイスＭＤのミラー面は、密閉空間ＡＳが減圧されているため常圧下での使用状態では凹面となる。
【００４７】
これとは逆に、図１４のようにガラス基板Ｇと可変曲率ミラーデバイスＭＤの下側周縁部とを、加圧雰囲気下でガラス基板Ｇの表面に高温接合法により封着密閉する。この場合の密閉空間ＡＳ内部は常圧よりも高くなっており、常圧下での使用状態ではミラー面は凸面となる。図１３および図１４のようなガラス基板Ｇに可変曲率ミラーデバイスＭＤの下側周縁部とを封着密閉する場合のミラー面の初期形態の凹凸ならびにその曲率は、封着密封作業時の雰囲気圧力によって微細に調整することができる。さらに、使用環境の気圧等を予め考慮しておくことにより、所望曲率の初期形態を実現することができる。
【００４８】
本発明にかかる可変曲率ミラーデバイスでは、ミラー金属薄膜１と酸化膜（絶縁膜）２との素材の組合せならびに各々の膜厚を選択することにより、曲率変化状態を制御することができる。例えば、図１５のように、基材薄板の珪素より大きい熱膨張係数を有するミラー金属薄膜１が絶縁膜２に対して十分厚く、ミラー金属薄膜１の熱応力が絶縁膜２の熱応力よりも大きい場合には、温度上昇に応じて曲率が大きくなる方向へと変化する。これに対して図１６のように、基材薄板の珪素より小さい熱膨張係数を有する絶縁膜２がミラー金属薄膜よりも十分厚く、絶縁膜２の熱応力がミラー金属薄膜１の熱応力よりも大きい場合には、温度上昇に応じて曲率が小さくなる方向へと変化する。さらに、裏面にも成膜することにより、さらに微細な曲率変化を達成することができる。
【００４９】
図１７は本発明にかかる可変曲率ミラーデバイスを具現することにより試作した実施例を示すもので、三重の加熱用抵抗体を備えたダイヤフラム構造デバイスの拡大平面写真である。図１８は本発明にかかる可変曲率ミラーデバイスの他の実施例を示すもので、一重の加熱用抵抗体の外側に上下左右４箇所の支持梁を除き黒く写っている４分割スリットを設け、各支持梁のそれぞれに沿って接続端子を備えた梁構造デバイスの拡大平面写真である。
【００５０】
図１９は、本発明を具現した可変曲率ミラーデバイスの実施例の形状測定結果で、円形凹面のミラー金属薄膜を中央に示している。また、図２０は凹面ミラー部の形状を示すもので、径を表す横軸（Distance）は最大で１ミリメートル、縦軸は凹部の深さを示すもので、単位はミクロン（μｍ）である。
【００５１】
表１は、本発明にかかる可変曲率ミラーデバイスの実施例において、加熱のための印加電圧を０〜３２〔Ｖ〕変化させた場合における、加熱体の温度上昇〔Ｋ〕、供給電力〔Ｗ〕、ミラー中心部分の曲率半径Ｒ〔ｍ〕、曲率半径の変化デルタＲ〔ｍ〕、および変化率デルタＲ／Ｒの変化を示したものである。図２１は、横軸をＸ位置（径方向）、縦軸をＺ位置（深さ方向）とした場合の印加電圧による変化を単位〔ｍｍ〕としてプロットしたものである。
【００５２】
【表１】
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【００５３】
図２２は、本発明にかかる可変曲率ミラーデバイスの実施例における加熱抵抗体への供給電力〔Ｗ〕を横軸に、曲率半径の変化率を縦軸にとったグラフで、ほぼ直線的変化が生じたことを示している。図２３は温度変化〔Ｋ〕を横軸に、曲率半径の変化率を縦軸にとったグラフで、図２２と同様にほぼ直線的変化が生じたことを示している。
【産業上の利用可能性】
【００５４】
本発明にかかる可変曲率ミラーデバイスは、加熱用抵抗体に印加される電圧および電流、すなわち供給電力を変化させることによって、基材薄板にミラー金属薄膜が被着せしめられたミラー面の曲率を任意に変化させることができる。ミラー面は円形、楕円形、方形状またはそれ以上多角形等任意に形成することができ、その凹面または凸面の初期形態、さらに初期曲率も適宜選択することができる。このような可変曲率ミラーデバイスは、各種半導体加工技術をはじめＭＥＭＳのような完成された製造・加工技術によって高精度に製造することができ、外形も小形であるため、集光、合焦、測距、反射等の各種光学分野における可変焦点ミラーその他高精度の光学素子としての利用が可能であり、利用光学装置類の構造を簡潔とし小形・軽量化に資することが期待できる。
【図面の簡単な説明】
【００５５】
【図１】本発明にかかる可変曲率ミラーデバイスの第１の実施例の基本構成（ダイヤフラム構造形）を示す平面図（Ａ）および立断面図（Ｂ）である。
【図２】本発明にかかる可変曲率ミラーデバイスの第２の実施例の基本構成（梁構造形）を示す平面図（Ａ）および立断面図（Ｂ、Ｃ）である。
【図３】本発明にかかる可変曲率ミラーデバイスの第３の実施例の構成（梁構造形）を示す平面図（Ａ）および立断面図（Ｂ、Ｃ）である。
【図４】本発明にかかる可変曲率ミラーデバイスの第４の実施例の構成（梁構造形）を示す平面図（Ａ）および立断面図（Ｂ、Ｃ）である。
【図５】本発明にかかる可変曲率ミラーデバイスの第５の実施例の構成（梁構造形）を示す平面図（Ａ）および立断面図（Ｂ、Ｃ）である。
【図６】本発明にかかる可変曲率ミラーデバイスの第６の実施例の構成（梁構造形）を示す立断面図である。
【図７】本発明にかかる可変曲率ミラーデバイスに温度センサを付加した第７の実施例の構成（梁構造形）を示す平面図である。
【図８】本発明にかかる可変曲率ミラーデバイスに歪みセンサを付加した第８の実施例の構成（梁構造形）を示す平面図である。
【図９】単結晶シリコンウェハを初期原料とした本発明にかかる可変曲率ミラーデバイス製造プロセスにおける工程説明図である。
【図１０】ＳＯＩウェハを初期原料とした本発明にかかる可変曲率ミラーデバイス製造プロセスにおける工程説明図である。
【図１１】本発明にかかる可変曲率ミラーデバイスの製造プロセスにおいてミラー面の初期形態を凸形とする製造プロセスの説明図である。
【図１２】本発明にかかる可変曲率ミラーデバイスの製造プロセスにおいてミラー面の初期形態を凸形とする製造プロセスの説明図である。
【図１３】本発明にかかる可変曲率ミラーデバイスの製造プロセスにおいてミラー面の初期形態を凸形とする製造プロセスの説明図である。
【図１４】本発明にかかる可変曲率ミラーデバイスの製造プロセスにおいてミラー面の初期形態を凸形とする製造プロセスの説明図である。
【図１５】本発明にかかる可変曲率ミラーデバイスの構成要素の組み合わせにより曲率変化が異なることを示す第１の実施例の立断面図である。
【図１６】本発明にかかる可変曲率ミラーデバイスの構成要素の組み合わせにより曲率変化が異なることを示す第２の実施例の立断面図である。
【図１７】本発明にかかる可変曲率ミラーデバイスの構成例（ダイヤフラム構造）を示す拡大写真である。
【図１８】本発明にかかる可変曲率ミラーデバイスの構成例（梁構造）を示す拡大写真である。
【図１９】図１７に示した可変曲率ミラーデバイスの実施例の形状測定結果を表示した図である。
【図２０】図１９の凹面ミラー中心切断面の形状を表示したグラフである。
【図２１】実験的に製造した可変曲率ミラーデバイスの印加電圧の変化による凹面変化例を示すグラフである。
【図２２】供給電力の変化とミラー部凹面の曲率半径の変化との対応を示すグラフである。
【図２３】温度変化とミラー部凹面の曲率半径の変化との対応を示すグラフである。
【符号の説明】
【００５６】
１  基材薄板
２  絶縁被膜（酸化珪素）
３  ミラー金属薄膜
４  加熱用抵抗体
５  電源
６  スリット
７  支持梁
８  加熱用配線
９  加熱用拡散抵抗体
１０  端子
１３  ミラー金属薄膜
１４  曲率制御用金属膜パターン
１５  測温センサ（サーミスタ）
１６  歪みセンサ（ピエゾ抵抗素子）
２０  シリコンウェハ
２１  絶縁被膜（酸化珪素）
３０  ＳＯＩ（Silicon On Insulator）ウェハ
ＭＤ  可変曲率ミラーデバイス
ＡＳ  空隙
Ｇ  ガラス基板
【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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