(57)【要約】【課題】小型でＳｏＣ構造化への要請に応じることができ、単結晶Ｓｉを材料とすることに限定されず材料の選択が可能であり、複雑なプロセスを経ることなく従来の加工技術をＭＥＭＳ構造体の製造へ援用できる光ＭＥＭＳ加速度センサを提供する。【解決手段】光ＭＥＭＳにより形成されたファブリ・ペロ型光共振器１６と、その下部に設けられた錘８および光取り出し開口部１９とを備えている。ファブリ・ペロ型光共振器１６は、光取り出し開口部１９側と光導入側Ａとに各々設けられた基本膜厚が１μｍ以下の複数種類の薄膜１４（高屈折率の誘電体薄膜）および１５（低屈折率の誘電体薄膜）を交互に積層した多層膜構造体１３と１１とにより空気層１２を挟んだ構造を有している。重力加速度を受けた時、錘１８が取り付けられた多層膜構造体１３と１１とではその撓み量が異なるため、重力加速度が反映された分光波形が光取り出し開口部１９から取り出される。【選択図】図１
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【特許請求の範囲】
【請求項１】
微小電気機械素子により形成されたファブリ・ペロ型光共振器と、該ファブリ・ペロ型光共振器の下部に設けられた錘及び光取り出し開口部とを備えたことを特徴とする微小光電気機械素子加速度センサ。
【請求項２】
請求項１記載の微小光電気機械素子加速度センサにおいて、前記ファブリ・ペロ型光共振器は、前記光取り出し開口部側と光導入側とに各々設けられた複数種類の薄膜を交互に積層した多層膜構造体により空気層を挟んだ構造を有することを特徴とする微小光電気機械素子加速度センサ。
【請求項３】
請求項２記載の微小光電気機械素子加速度センサにおいて、前記複数種類の薄膜は高屈折率及び低屈折率の２種類の誘電体薄膜であることを特徴とする微小光電気機械素子加速度センサ。
【請求項４】
請求項３記載の微小光電気機械素子加速度センサにおいて、前記誘電体薄膜はＳｉＯ２、Ｔａ２Ｏ５又はＴａＯｘＮｙのいずれか２つの組合せであることを特徴とする微小光電気機械素子加速度センサ。
【請求項５】
請求項２乃至４のいずれかに記載の微小光電気機械素子加速度センサの多層膜構造体を電子サイクロトロン共鳴プラズマ成膜により形成することを特徴とする微小光電気機械素子加速度センサ製造方法。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、微小光電気機械素子により形成された微小光電気機械素子加速度センサおよびその製造方法に関する。
【背景技術】
【０００２】
微小電気機械素子（Micro Electro Mechanical Systems : ＭＥＭＳ）は、シリコン半導体デバイスの製造技術およびその構造を援用して、微小な電気機械構造を形成したものである。マイクロ・ナノ機械は様々な応用分野があり、なかでもセンサへの応用として加速度センサへの応用がある。加速度センサの原理は、バネに支持された錘構造に加速度が作用することにより発生する慣性力と、この慣性力によりバネが変位して発生するバネ力とがバランスすることに基づくものであり、変位の時間２次微分関数である加速度をバネ変位の原関数で計測するものである（非特許文献１参照）。この原理によれば計測回路の簡略化が可能となるため、ほとんどの加速度センサは当該原理を用いている（特許文献１参照）。特許文献１では、バネにシリコン（Ｓｉ）メンブレンダイヤフラムを用いる構造が示されている。
【０００３】
図１３は、はり構造のバネ（はりバネ）を採用した従来の加速度センサの原理および構造を示す。図１３において、符号１はＳｉで形成されたはりバネ、２は錘、３はベースである。加速度（α）が錘２（質量：ｍ）に作用すると、錘２には加速度の方向に慣性力による力（Ｆα＝ｍα）が作用する。一方、はりバネ１のバネ定数（ｋ）と、加速度とは反対方向の変位（ｘ）とによりバネ力による反力（Ｆｋ＝ｋｘ）が錘２に作用する。この慣性力（Ｆα）と反力（Ｆｋ）とはバランスするため、Ｆα＝ｍα＝ｋｘ＝Ｆｋとなり、これより、α＝（ｋ／ｍ）ｘとなる。この結果、はりバネ１の変位（ｘ）を計測することにより加速度（α）を測定することができる。加速度（α）は、一般に変位（ｘ）の時間２次微分の形式（α＝ｄ２ｘ／ｄｔ２）であるため、これから直接計測するには変位（ｘ）の時間変化を記録して計算することが必要となり、そのためには煩雑な処理回路が必要となる。上述したはりバネを用いることにより簡便に加速度（α）の測定ができるため、多くの加速度センサに上記原理が採用されている。
【０００４】
上述したバネの構造は、厚みが約１０〜１００μｍとなっている。バネ構造は繰返し荷重による負荷が印加されるため、材料の疲労現象により加速度センサ等のセンサの信頼性が低下したり、バネ構造自体が破壊されたりする（疲労破壊現象）。材料の疲労現象は、材料組成そのものよりも多結晶で構成される材料の結晶粒界（多結晶粒界）に負荷が集中することにより起きる。ＭＥＭＳ構造体で用いられる厚みが約１０〜１００μｍ程度の成膜においては電解めっき法が有用であるが、その膜質は膜密度が低く多結晶粒界が多い。従って、疲労破壊現象の発生が予測されるため、多結晶で構成される材料のＭＥＭＳ構造体への応用には限界があるという問題があった。
【０００５】
上述した問題を解決するために、バネ等のマイクロ機械構造材料として結晶性の優れた単結晶Ｓｉが広く用いられている。単結晶Ｓｉは半導体デバイス産業分野でその材料技術、加工技術等の周辺技術が完成度高く構築されており、これらの周辺技術をＭＥＭＳ構造体の製造に援用することができるということも、単結晶Ｓｉがマイクロ機械構造材料として広く用いられている一因となっている。しかし、本来、Ｓｉ半導体加工技術は半導体デバイスの平坦化構造技術に併せて構築されてきたものであるため、その加工深さ（膜厚）は半導体デバイスおよびその加工技術共に１μｍ程度である。一方、上記バネの構造は厚みが約１０〜１００μｍとなっているため、１０〜１００μｍを構成単位（膜厚）とするＭＥＭＳ構造体の製造（ＭＥＭＳ構造化）への当該加工技術の応用には種々の制限があるという問題があった。例えば、特許文献１では、ウエハ厚みのバラツキ等のためダイヤフラム厚みを正確に制御することが難しい等、加速度検知の特性に影響する基本性能である膜厚の制御が問題であることが提示されている。特許文献１にはこの問題を回避するための複雑なプロセスが記載されている。
【０００６】
Ｓｉ基板を加工して得られるＭＥＭＳ構造体は、その構造自体の形成に関しては加工技術および材料特性の観点において優れている。しかし、当該ＭＥＭＳ構造体はＳｉ基板上に形成するべき計測、制御等の本来の半導体電気回路（半導体装置）との共存は困難である。詳しくは、ＭＥＭＳ構造体の製造と半導体装置の製造とではそのプロセス温度が異なっているため、一連のプロセスでＭＥＭＳ構造体と半導体装置とを製造する過程において、ＭＥＭＳ構造体、半導体装置に損傷を与える可能性があり、従って、Ｓｉ基板上でのＭＥＭＳ構造体と半導体装置との共存は困難であるという問題があった。この問題を解決するために、従来、全く別の工程、基板で製造したＭＥＭＳ構造体と半導体装置とを電気機械的に貼り合せてシステム化する手法が一般的に用いられている。
【０００７】
【非特許文献１】藤田博之著、「マイクロ・ナノマシン技術入門」、株式会社工業調査会発行、２００３年８月１５日．
【特許文献１】特開平５−６３２１２号公報
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【０００８】
上述した全く別の工程、基板で製造したＭＥＭＳ構造体と半導体装置とを電気機械的に貼り合せてシステム化する手法では、表面実装方式またはチップボンディング構造のデバイスとなるため、小型化という観点からは不利である。近年、ＲＦＩＤ（Radio Frequency IDentification）を用いたユビキタス環境でのセンシングが望まれている。このため、小型で、ＭＥＭＳセンサ構造体、計測・制御電子回路および外部入出力回路等が同一チップ上に配置されるシステム・オン・チップ（System on Chip : ＳｏＣ）構造化への要請が高い。従って、上述した全く別の工程、基板で製造したＭＥＭＳ構造体と半導体装置とを電気機械的に貼り合せてシステム化する従来の手法には、ＳｏＣ構造化への要請に応じることが極めて困難であるという問題があった。
【０００９】
上述したＳｉ基板を加工して得られるＭＥＭＳ構造体は単結晶Ｓｉを材料とすることに限定されてしまうため、構造化のプロセス、必要とされる機械特性および使用される環境等に合わせた材料の選択が困難であるという問題があった。
【００１０】
上述したように、ＭＥＭＳ構造体の製造（ＭＥＭＳ構造化）への従来の加工技術の応用には種々の制限があり、これを回避するためには、複雑なプロセスを経る必要があるという問題があった。
【００１１】
そこで、本発明の目的は、上記問題を解決するためになされたものであり、小型で、ＳｏＣ構造化への要請に応じることが可能な微小光電気機械素子加速度センサおよびその製造方法を提供することにある。
【００１２】
本発明の第２の目的は、単結晶Ｓｉを材料とすることに限定されず、構造化のプロセス、必要とされる機械特性および使用される環境等に合わせた材料の選択が可能なＭＥＭＳ構造体による微小光電気機械素子加速度センサ等を提供することにある。
【００１３】
本発明の第３の目的は、複雑なプロセスを経ることなく、従来の加工技術をＭＥＭＳ構造体の製造へ援用することができる微小光電気機械素子加速度センサ等を提供することにある。
【課題を解決するための手段】
【００１４】
この発明の微小光電気機械素子加速度センサは、微小電気機械素子により形成されたファブリ・ペロ型光共振器と、該ファブリ・ペロ型光共振器の下部に設けられた錘及び光取り出し開口部とを備えたことを特徴とする。
【００１５】
ここで、この発明の微小光電気機械素子加速度センサにおいて、前記ファブリ・ペロ型光共振器は、前記光取り出し開口部側と光導入側とに各々設けられた複数種類の薄膜を交互に積層した多層膜構造体により空気層を挟んだ構造を有することができる。
【００１６】
ここで、この発明の微小光電気機械素子加速度センサにおいて、前記複数種類の薄膜は高屈折率及び低屈折率の２種類の誘電体薄膜とすることができる。
【００１７】
ここで、この発明の微小光電気機械素子加速度センサにおいて、前記誘電体薄膜はＳｉＯ２、Ｔａ２Ｏ５又はＴａＯｘＮｙのいずれか２つの組合とすることができる。
【００１８】
この発明の微小光電気機械素子加速度センサ製造方法は、本発明のいずれかの微小光電気機械素子加速度センサの多層膜構造体を電子サイクロトロン共鳴プラズマ成膜により形成することを特徴とする。
【発明の効果】
【００１９】
本発明の微小光電気機械素子加速度センサ（光ＭＥＭＳ加速度センサ）は、ＭＥＭＳにより形成されたファブリ・ペロ型光共振器と、ファブリ・ペロ型光共振器の下部に設けられた錘および光取り出し開口部とを備えている。ファブリ・ペロ型光共振器は、光取り出し開口部側と光導入側とに各々設けられた複数種類の薄膜を交互に積層した２つの多層膜構造体（上層多層膜構造体よび下層多層膜構造体）により空気層を挟んだ構造を有している。この複数種類の薄膜の基本膜厚は１μｍ以下であり、屈折率の異なる誘電体薄膜とすることが好適である。例えば、高屈折率の誘電体薄膜と低屈折率の誘電体薄膜との２種類の誘電体薄膜とすればよい。光ＭＥＭＳ加速度センサにおいて、加速度検出を行う基本部分はファブリ・ペロ型光共振器である。上層および下層の２つの多層膜構造（上層および下層の２つのメンブレン）が重力加速度を受けた時、錘が取り付けられた下層メンブレンと、上層メンブレンとではその撓み量が異なるため、両メンブレンの中心部における空気層の厚みは重力加速度の変化に対応して変化する。この時、ファブリ・ペロ型光共振器に外部（光導入側）から光を導入すると、重力加速度が反映された分光波形が光取り出し開口部から取り出される。この結果、光ＭＥＭＳ加速度センサはファブリ・ペロ型光共振器を用いて加速度検出を行うことができる。
【００２０】
光ＭＥＭＳ加速度センサのメンブレンの作製は、室温で形成できるＥＣＲプラズマ成膜により形成する。即ち、１０００℃級で成膜する従来の成膜手法と同等の品質の薄膜を、より低温プロセス且つ簡略化した工程で成膜することができるため、半導体電子回路とのＳｏｃ化を可能とすることができる。ＭＥＭＳ加速度センサのメンブレンの基本膜厚は１μｍ以下であるため、半導体集積回路の製造を目的に高品位の薄膜を形成する従来の装置および加工技術をそのまま援用することが可能であり、構造化材料の選択性の拡大、構造プロセスの簡略化を可能とすることができる。さらに、ＭＥＭＳ加速度センサにより例示されるように、従来は単結晶Ｓｉを材料とすることに限定されていたＭＥＭＳ構造体を種々の材料に置き換えることも可能であり、構造化のプロセス、必要とされる機械特性および使用される環境等に合わせた材料の選択が可能なＭＥＭＳ構造体によるＭＥＭＳ加速度センサを提供することができる。以上より、ＭＥＭＳ加速度センサの経済性、高感度・広帯域測定性、高機能化、高信頼化を実現することが可能であるという効果がある。
【発明を実施するための最良の形態】
【００２１】
以下、実施例について図面を参照して詳細に説明する。
【実施例１】
【００２２】
図１は本発明の実施例１における光ＭＥＭＳ加速度センサ（微小光電気機械素子加速度センサ）１０を示す。図１において、符号１１、１３は各々低屈折率の誘電体薄膜１５と高屈折率の誘電体薄膜１４とを交互に積層することにより形成された多層膜構造体、１２は多層膜構造体１１と１３との間に挟まれた空気層、１６は多層膜構造体１１および１３と空気層１２とにより形成されるファブリ・ペロ型光共振器、１７は多層膜構造体１１および１３を支持・固定するスペーサ、１８はファブリ・ペロ型光共振器１６の下部に取り付けられた錘、１９は光取り出し開口部である。
【００２３】
図１に示されるように、本発明の実施例１における光ＭＥＭＳ加速度センサ１０では、背景技術で説明したような従来構造のはりバネは見られず、従来構造とは全く異なる新規の構造となっている。即ち、本発明の実施例１における光ＭＥＭＳ加速度センサ１０は、ＭＥＭＳにより形成されたファブリ・ペロ型光共振器１６と、ファブリ・ペロ型光共振器１６の下部に設けられた錘１８および光取り出し開口部１９とを備えている。光取り出し開口部１９は、図１に示されるように左右の錘１８の中央部に設けることが好適である。ファブリ・ペロ型光共振器１６は、光取り出し開口部１９側と光導入側Ａとに各々設けられた複数種類の薄膜１４および１５を交互に積層した多層膜構造体１１と１３とにより空気層１２を挟んだ構造を有している。この複数種類の薄膜１４および１５は、屈折率の異なる誘電体薄膜とすることが好適であり、例えば上述のように、高屈折率の誘電体薄膜１４と低屈折率の誘電体薄膜１５との２種類の誘電体薄膜とすればよい。
【００２４】
光ＭＥＭＳ加速度センサ１０において、加速度検出を行う基本部分はファブリ・ペロ型光共振器１６である。多層膜構造１１および１３は低屈折率の誘電体薄膜１５により支持・固定されているため、メンブレン構造となっている（以下、多層膜構造１１をメンブレン１１、多層膜構造１３をメンブレン１３とも言う。）。このメンブレン１１および１３が重力加速度を受けた時、錘１８が取り付けられたメンブレン１３と、上部（光導入側Ａ）のメンブレン１１とではその撓み量が異なるため、両メンブレン１１および１３の中心部における空気層１２の厚みは重力加速度の変化に対応して変化する。この時、ファブリ・ペロ型光共振器１６に外部（光導入側Ａ）から光を導入すると（詳しくは、メンブレン１１の上部からメンブレン１３へ向けて光を導入すると）、重力加速度が反映された分光波形が光取り出し開口部１９から取り出される。以上のようにして、光ＭＥＭＳ加速度センサ１０はファブリ・ペロ型光共振器１６を用いて加速度検出を行うことができる。
【００２５】
図２は、光ＭＥＭＳ加速度センサ１０において計算から得られた典型的な分光波形を示す。図２で、横軸は波長（Wavelength(nm)）、縦軸は強度（Intensity(a.u.)）である。原図では透過率（Transmittance）は黒三角および黒線で表示され、反射率（Reflectance）は赤三角および赤線で表示されているが、出願図面では白黒でしか表示できないため、透過率の方をＴ、反射率の方をＲと付してある。ファブリ・ペロ型光共振器１６の設計波長はλ＝７８０ｎｍとした。この時、メンブレン１１および１３を構成する低屈折率の誘電体薄膜１５（ＳｉＯ２：屈折率ｎ＝１．５）および高屈折率の誘電体薄膜１４（Ｔａ２Ｏ５:屈折率ｎ＝１．９）の厚みはλ／４、空気層１２の厚みはλ／２である。図２に示されるように、設計波長λ＝７８０ｎｍにおいて、反射率０％、透過率１００％となっていることがわかる。詳しくは、反射率は６８５ｎｍあたりから上がってほぼ１．０となり７８０ｎｍ直前で１．０から急峻に下がり、７８０ｎｍで０となり、７８０ｎｍ直後に０から１．０へ急峻に上がっている。一方、透過率は６８５ｎｍあたりから下がってほぼ０となり７８０ｎｍ直前で０から急峻に上がり、７８０ｎｍで１．０となり、７８０ｎｍ直後に１．０から０へ急峻に下がっている。透過率は７８０ｎｍで最大値１．０となっており、その強度が半分になるスペクトルの幅（半値全幅。Full Width with Half-Maximum : ＦＷＨＭ）は1ｎｍ以下と非常に小さい。これらはファブリ・ぺロ型光共振器１０の特徴的な性質である。以上のスペクトルは一般的な分光測定系を用いることで容易に検出することができる。
【００２６】
図３は、光ＭＥＭＳ加速度センサ１０を構成する時の単一薄膜の光損失の計算結果を示す。光ＭＥＭＳ加速度センサ１０のメンブレン１１等の作製においては電子サイクロトロン共鳴（Electron Cyclotron Resonance : ＥＣＲ）プラズマ成膜により形成するため、ＥＣＲ装置により作製された薄膜の表面状態を反映させて計算を行った（参照文献:Y.
Jin et al., Electron-cyclotron-resonance sputtering apparatus for multilayered
optical bandpass filters to  wavelength division multiplexing, JVST A22, p.2431)。図３で、横軸はＥＣＲ薄膜の表面粗さRrms（Surface roughness σ（ｎｍ））、縦軸は５００ｎｍ単位の散乱損失（Scattering loss(%)@500nm）である。原図では波長λ＝５００ｎｍを黒丸および黒線、波長λ＝７８０ｎｍを赤四角および赤線で表示してあるが、出願図面では白黒でしか表示できないため、波長λ＝５００ｎｍ、波長λ＝７８０ｎｍと付してある。参照文献によれば、ＥＣＲ薄膜の表面粗さRrmsは〜０．２ｎｍ程度（図３では０．２ｎｍ付近の縦線Ｂで示す。）である。図３の縦線Ｂと波長λ＝５００ｎｍおよび７８０ｎｍの両グラフとの交わる付近に示されるように、計算からＥＣＲ薄膜の光損失は、計算したいずれの設計波長（λ＝５００ｎｍ、７８０ｎｍ）においても、１０−３％程度と非常に低い値である。これは、ＥＣＲ技術を用いることにより光損失の少ない光ＭＥＭＳ加速度センサ１０を実現することができることを示している。
【００２７】
図４は、低屈折率の誘電体薄膜１５および高屈折率の誘電体薄膜１４の組合せを変えた場合における光ＭＥＭＳ加速度センサ１０の計算された分光波形を示す。用いる誘電体薄膜（材料）１５および１４は、ＳｉＯ２（屈折率ｎ＝１．５）、Ｔａ２Ｏ５（屈折率ｎ＝１．９）またはＴａＯｘＮｙ（屈折率ｎ＝２．９）のいずれか２つの組合せである。図４で、横軸は波長（Wavelength(nm)）、縦軸は透過率（Transmittance(%)）である。原図では、ＳｉＯ２を低屈折率の誘電体薄膜１５としＴａ２Ｏ５を高屈折率の誘電体薄膜１４とする組合せ（Ｃ１）を黒丸および黒線、Ｔａ２Ｏ５を低屈折率の誘電体薄膜１５としＴａＯｘＮｙを高屈折率の誘電体薄膜１４とする組合せ（Ｃ２）を青四角および青線、ＳｉＯ２を低屈折率の誘電体薄膜１５としＴａＯｘＮｙを高屈折率の誘電体薄膜１４とする組合せ（Ｃ３）を赤三角および赤線で表示してあるが、出願図面では白黒でしか表示できないため、各々Ｃ１，Ｃ２、Ｃ３と付してある。図４に示されるように、いずれの計算結果においても、設計波長７８０ｎｍで鋭いピークが現れており、ピーク波長の長波長および短波長の両サイドでは低反射率を示している。上記両サイドではしばらく低反射を示すが、その後、ピーク波長から徐々に透過スペクトル（サイドバンドスペクトル）が現れてきている。屈折率比を高屈折率ｎＨ／低屈折率ｎＬと定義すると、組合せＣ１の屈折率比は１．９／１．５〜１．２、組合せＣ２の屈折率比は２．９／１．９〜１．５、組合せＣ３の屈折率比は２．９／１．５〜１．９となり、組合せＣ１、Ｃ２およびＣ３の順に屈折率比は大きくなる。図４に示されるように、組合せの屈折率比が大きくなると、短波長および長波長のサイドバンドスペクトルが現れる波長城（設計波長７８０ｎｍに対してサイドバンドスペクトルが現れるまでの透過率０の領域の幅）が幅広くなっていることがわかる。具体的には、組合せＣ１の波長域は１７０ｎｍ、Ｃ２は２５０ｎｍ、Ｃ３は３４０ｎｍとなっている。この波長域（幅）で空気層１２の厚みの変化が可能である。
【００２８】
図５は、光ＭＥＭＳ加速度センサ１０の空気層１２の厚みを変化させた時における分光波形の計算結果を示す。図５で、横軸は波長（Wavelength(nm)）、縦軸は透過率（Transmittance(%)）である。誘電体薄膜（材料）１５および１４は各々ＳｉＯ２およびＴａ２Ｏ５（組合せＣ１。屈折率比〜１．２）であり、設計波長は７８０ｎｍである。空気層１２の厚みは、設計波長７８０ｎｍに対して、λ／２であるため、３９０ｎｍとなる。この値から、図５に示される凡例ＬＤ中の数字を引いたものが空気層１２の厚みである。例えば、図５の曲線Ｒ１は空気層１２の厚みが３９０−１００（＝凡例ＬＤ中の一番上の数字）＝２９０ｎｍの場合の分光波形を示し、曲線Ｒ２は空気層１２の厚みが３９０−１４５（＝凡例ＬＤ中の一番下の数字）＝２４５ｎｍの場合の分光波形を示している。凡例ＬＤ中の数字は０ｎｍから１４５ｎｍまでとすることができるが、図５では、図面の都合上、１００ｎｍから１４５ｎｍまでの範囲のプロットになっている。図５に示されるように、空気層１２の厚みを薄くしていくと（図５の曲線Ｒ１からＲ２への方向の矢印で示す。）、ピーク波長は、７８０ｎｍよりも短波長側へ移動していくことが確認できる。これとは逆に、空気層１２の厚みが厚くなるとピーク波長は長波長側へ移動していく。図６は組合せＣ２（屈折率比〜１．５）の場合における図５と同様の分光波形の計算結果を示し、図７は組合せＣ３（屈折率比〜１．９）の場合における図５と同様の分光波形の計算結果を示す。図６および７で、縦軸、横軸は図５と同様であるため説明は省略する。但し、凡例ＬＤ中の数字は０ｎｍから１４５ｎｍまでとなっており、０ｎｍから１４５ｎｍまでの範囲のプロットになっている。図５ないし７に示されるように、屈折率比が大きくなる薄膜の組合せほど同じ空気層１２の厚みの変化に対してピーク波長の移動範囲が広い。この結果、屈折率比が大きくなる薄膜の組合せが大きな波長変化に対応できることがわかる。
【００２９】
図８は、図５の空気層１２の厚みの変化に対してピーク波長の変化およびピーク強度へ読み替えたものを示す。図８で、横軸は空気層１２の厚み（変位）に対応する図５の凡例ＬＤ中の数字（Variation of air gap(nm)）、左側の縦軸は空気層１２の厚みに対応するピーク波長の変化（Wavelength(nm)）であり、楕円Ｅ１で囲まれたデータに関してはその矢印の方向にある左側の縦軸が対応し、右側の縦軸は空気層１２の厚みに対応するピーク波長の強度（Transmittance×１００（％））であり、楕円Ｅ２で囲まれたデータに関してはその矢印の方向にある右側の縦軸が対応する。原図では、組合せＣ１を黒丸および黒線、組合せＣ２を青四角および青線、組合せＣ３を赤三角および赤線で表示してあるが、出願図面では白黒でしか表示できないため、各々Ｃ１，Ｃ２、Ｃ３と付してある。
【００３０】
図８に示されるように、空気層１２の厚みの変化に対してピーク強度はほとんど１００％と一定である。ピーク波長は空気層１２の厚みが薄くなっていくと短くなっていく。しかし、空気層１２の厚みが薄い領域では、わずかではあるが線形性が失われていることが確認できる。この領域でも、光の波長から加速度を検出可能であるが、補正を要する。加速度の検出を光の波長から直接計測するために、線形性が失われていない部分を利用する。この線形性は相対誤差が±５％の範囲で決定した。図８に示されるように、組合せＣ１では直線Ｌ１で示される付近まで、組合せＣ２では直線Ｌ２示される付近まで、組合せＣ３では直線Ｌ３示される付近までは相対誤差が±５％であり、線形性が保たれているものとする。空気層１２の厚みの変化は錘１８により調整可能であるため、ピーク波長のずれを重力加速度の変化に割り当てることが可能である。つまり、錘１８の重さと最大重力加速度（１００ｇ）とにより決まる空気層１２の変位と、線形性の相対誤差が±５％の範囲で計測に有効な最大ピーク波長のずれとを対応させることが可能である。この波長の変化を加速度計測に必要な桁数で割ると、加速度計測に必要な分光測定系の波長分解能を見積もることができる。例えば、組合せＣ３のグラフの場合、図８に示されるように相対誤差が±５％に収まる有効ピーク波長は、左縦軸７８０ｎｍから６６０ｎｍを引いた１２０ｎｍであり、この波長の変化の値を加速度計測定器に必要な０．１〜１００ｇまでの桁数１０００で割ったものが、加速度計測に必要な分光測定系の波長分解能Δλとなる。従って、例の場合、波長分解能Δλは、１２０ｎｍ／１０００＝０．１２ｎｍとなる。従来の加速度計測デバイスでは１〜２弱桁程度の加速度計側を行っていることを考慮すると、本発明の光ＭＥＭＳ加速度センサ１０では上記桁程度の計測は容易に行うことができるということがわかる。ここで、０．１〜１００ｇまでの加速度を計測する場合、各組合せＣ１等についての波長分解能△λは図８の上に示される枠内の値となる（組合せＣ１：Δλ＝０．０４９ｎｍ、組合せＣ２：Δλ＝０．０７６ｎｍ、組合せＣ３：Δλ＝０．１２０ｎｍ）。これらの波長分解能の分光計測系を用いることにより、幅の広いダイナミックレンジを持った加速度計側も可能となる。
【００３１】
図９は、多層膜構造（メンブレン１１等）の平面図を示す。図９に示されるように、メンブレン１１等の形状は正方形であり、その一辺の長さは２ａである。その正方形の外周部２０がメンブレン１１等の固定部分となっている。ここで、一辺２ａのメンブレン１１等に等分布加重Ｐ（Ｐａ）を加えた時、メンブレン１１等の中央部の撓み量（メンブレン１１であれば空気層１２方向へ撓む撓み量）ｗ（ｍ）は以下の式１で表される。
【００３２】
ｗ  ＝  ０．２２１×（Ｐａ４／Ｅｈ３）                （１）
【００３３】
ここで、Ｅはメンブレン１１等のヤング率（Ｐａ）、ｈはメンブレン１１等の厚み（ｍ）、Ｐ＝ρｇｈ（ρは密度。ｇは重力加速度）、ａはメンブレン１１等の一辺÷２である。式１を用いて、光ＭＥＭＳ加速度センサ１０ヘ取付ける錘１８の厚みｔを機械力学的計算により求める。簡略化のためメンブレン１１等および錘１８はＳｉで構成すると仮定した場合、ρ＝２３３０ｋｇ／ｍ３、Ｅ＝１６０ＧＰａとなる。ｈは、錘１８の厚みｔを考慮する場合、ｈ＋ｔとする。
【００３４】
図１０は、僥み量ｗの計算のためのモデル光ＭＥＭＳ加速度センサ１０の概略図である。図１０で図１と同じ符号を付した箇所は同じ要素を示すため、説明は省略する。僥み量ｗの計算において、メンブレン１１等を構成する材料は組合せＣ１、即ちＳｉＯ２およびＴａ２Ｏ５であり、１０対（pairs）のＳｉＯ２／Ｔａ２Ｏ５で空気層１２を挟むことにより、ファブリ・ぺロ型光共振器１６を構成している。図１０に示されるように、ｈは鍾１８（Ｓｉ）の厚みｔを含めた下層メンブレン１３の厚みとしている。
【００３５】
図１１は、Ｓｉ錘１８の厚みｔを変えた場合の空気層１２の変位量ｄを示す。図１１で、横軸はＳｉ錘１８の厚みｔ（thickness of weight t(μｍ）)、縦軸は空気層１２の変位量ｄ（Displacement d(nm)）である。原図ではメンブレン１１等の一辺２ａが１．０ｍｍの場合は黒、５．０ｍｍの場合は水色と表示されているが、出願図面では白黒でしか表示できないため、各々１．０、２．０、３．０、４．０、５．０と付してある。空気層１２の変位量ｄは以下の式２で表される。
【００３６】
ｄ  ＝  ｗ  −  ｗ０                                          （２）
【００３７】
ここで、ｗ０はＳｉ鍾１８がない場合、即ち上層メンブレン１１の僥み量、ｗはＳｉ錘１８がある場合、即ち下層メンブレン１３の僥み量である。式１の計算におけるヤング率ＥはＳｉのものとして仮定したため、上述のようにＥ＝１６０ＧＰａとなる。下層メンブレン１３の僥み量ｗの場合はメンブレン１３の厚みをｈ＋ｔとするため、式２の計算、従って式１の計算におけるパラメータは、錘１８の厚みｔおよびメンブレン１１等の一辺の長さ（窓の大きさ）２ａである。図１１に示されるように、窓の大きさ２ａに関わらず、錘１８の厚みｔが僅かに与えられた領域（ｔ〜０．３位までの領域）では、空気層１２の変位量ｄは急激な変化をしている。しかし、錘１８の厚みｔが厚い領域（ｔ＞０．５の領域）では、空気層１２の変位量ｄは一定の値に収束する傾向にある。空気層１２の厚みの最大変位量を１００ｎｍとすれば、図１１に示されるように、１００ｎｍ一定の線と計算曲線とが交差するのは、窓の大きさ２ａが２ｍｍ以上の場合である。
【００３８】
図１２は、重力加速度に対する空気層１２の変位量を示す。図１２で、横軸は重力定数（Gravitational constant(g)）、縦軸は空気層１２の変位量（Displacement d(nm)）である。原図では錘１８の厚みｔが０．３μｍの場合は黒、２．０μｍの場合は橙、５．０μｍの場合は緑で表示されているが、出願図面では白黒でしか表示できないため、各々０．３、２．０、５．０と付してある。この場合、式１の計算における窓の大きさ２ａは２ｍｍ（即ちａ＝１ｍｍ）とし、メンブレン１１の厚みはｈとし、メンブレン１３の厚みはｈ＋ｔとした。その他の値は上述と同様である。計算におけるパラメータは、重力加速度Ｇおよび錘の厚みｔである。重力加速度ｇは等分布加重Ｐに変換して計算を行った。図１２に示されるように、錘１８の厚みｔおよび重力加速度が大きくなるにつれて、空気層１２の変位量ｄは大きくなっていることがわかる。空気層１２の厚みの最大変位量を１００ｎｍとすれば、図１２に示されるように錘１８の厚みｔは０．３μｍ以下とすることが好適である。従って、錘１８の作製には、ｎｍ精度の成膜が行える従来の半導体デバイス製造技術が十分利用可能であることがわかる。
【００３９】
以上より、本発明の実施例１によれば、光ＭＥＭＳ加速度センサ１０は、ＭＥＭＳにより形成されたファブリ・ペロ型光共振器１６と、ファブリ・ペロ型光共振器１６の下部に設けられた錘８および光取り出し開口部１９とを備えている。ファブリ・ペロ型光共振器１６は、光取り出し開口部１９側と光導入側Ａとに各々設けられた複数種類の薄膜１４および１５を交互に積層した多層膜構造体１３と１１とにより空気層１２を挟んだ構造を有している。この複数種類の薄膜１４および１５の基本膜厚は１μｍ以下であり、屈折率の異なる誘電体薄膜とすることが好適である。例えば、高屈折率の誘電体薄膜１４と低屈折率の誘電体薄膜１５との２種類の誘電体薄膜とすればよい。光ＭＥＭＳ加速度センサ１０において、加速度検出を行う基本部分はファブリ・ペロ型光共振器１６である。多層膜構造１１および１３（メンブレン１１および１３）が重力加速度を受けた時、錘１８が取り付けられたメンブレン１３と、上部（光導入側Ａ）のメンブレン１１とではその撓み量が異なるため、両メンブレン１１および１３の中心部における空気層１２の厚みは重力加速度の変化に対応して変化する。この時、ファブリ・ペロ型光共振器１６に外部（光導入側Ａ）から光を導入すると、重力加速度が反映された分光波形が光取り出し開口部１９から取り出される。以上のようにして、光ＭＥＭＳ加速度センサ１０はファブリ・ペロ型光共振器１６を用いて加速度検出を行うことができる。
【００４０】
光ＭＥＭＳ加速度センサ１０のメンブレン１１等の作製は、室温で形成できるＥＣＲプラズマ成膜により形成する。即ち、１０００℃級で成膜する従来の成膜手法と同等の品質の薄膜を、より低温プロセス且つ簡略化した工程で成膜することができるため、半導体電子回路とのＳｏｃ化を可能とすることができる。つまり、小型で、ＳｏＣ構造化への要請に応じることが可能な光ＭＥＭＳ加速度センサ１０およびその製造方法を提供することができる。光ＭＥＭＳ加速度センサ１０のメンブレン１１等の基本膜厚は１μｍ以下であるため、半導体集積回路の製造を目的に高品位の薄膜を形成する従来の装置および加工技術をそのまま援用することが可能であり、構造化材料の選択性の拡大、構造プロセスの簡略化を可能とすることができる。即ち、複雑なプロセスを経ることなく、従来の加工技術をＭＥＭＳ構造体の製造へ援用することができる光ＭＥＭＳ加速度センサ１０を提供することができる。さらに、光ＭＥＭＳ加速度センサ１０により例示されるように、従来は単結晶Ｓｉを材料とすることに限定されていたＭＥＭＳ構造体を種々の材料に置き換えることも可能であり、構造化のプロセス、必要とされる機械特性および使用される環境等に合わせた材料の選択が可能なＭＥＭＳ構造体による光ＭＥＭＳ加速度センサ１０を提供することができる。以上より、光ＭＥＭＳ加速度センサ１０の経済性、高感度・広帯域測定性、高機能化、高信頼化を実現することが可能である。
【産業上の利用可能性】
【００４１】
本発明の活用例として、加速度センサ以外の機械的、物理的に稼動する構造体を有する電子、電気、化学、物理素子のＭＥＭＳ構造化に適用することができる。
【図面の簡単な説明】
【００４２】
【図１】本発明の実施例１における微小光電気機械素子加速度センサを示す図である。
【図２】光ＭＥＭＳ加速度センサ１０において計算から得られた典型的な分光波形を示す図である。
【図３】光ＭＥＭＳ加速度センサ１０を構成する時の単一薄膜の光損失の計算結果を示す図である。
【図４】低屈折率の誘電体薄膜１５および高屈折率の誘電体薄膜１４の組合せを変えた場合における光ＭＥＭＳ加速度センサ１０の計算された分光波形を示す図である。
【図５】光ＭＥＭＳ加速度センサ１０の空気層１２の厚みを変化させた時における分光波形の計算結果を示す図である。
【図６】組合せＣ２（屈折率比〜１．５）の場合における図５と同様の分光波形の計算結果を示す図である。
【図７】組合せＣ３（屈折率比〜１．９）の場合における図５と同様の分光波形の計算結果を示す図である。
【図８】図５の空気層１２の厚みの変化に対してピーク波長の変化およびピーク強度へ読み替えたものを示す図である。
【図９】多層膜構造（メンブレン１１等）の平面図である。
【図１０】僥み量ｗの計算のためのモデル光ＭＥＭＳ加速度センサ１０の概略図である。
【図１１】Ｓｉ錘１８の厚みｔを変えた場合の空気層１２の変位量ｄを示す図である。
【図１２】重力加速度に対する空気層１２の変位量を示す図である。
【図１３】はり構造のバネ（はりバネ）を採用した従来の加速度センサの原理および構造を示す図である。
【符号の説明】
【００４３】
１  はりバネ、  ２、１８  錘、  ３  ベース、  １０  光ＭＥＭＳ加速度センサ、  １１、１３  多層膜構造体（メンブレン）、  １２  空気層、  １６  ファブリ・ペロ型光共振器、  １７  スペーサ、  １９  光取り出し開口部、  ２０  メンブレン固定部。
【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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