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JP5256914B2 - MICROSTRUCTURE, MICRO DEVICE COMPRISING THE STRUCTURE, AND METHOD FOR PRODUCING MICROSTRUCTURE - Google Patents

MICROSTRUCTURE, MICRO DEVICE COMPRISING THE STRUCTURE, AND METHOD FOR PRODUCING MICROSTRUCTURE Download PDF

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JP5256914B2 JP2008198124A JP2008198124A JP5256914B2 JP 5256914 B2 JP5256914 B2 JP 5256914B2 JP 2008198124 A JP2008198124 A JP 2008198124A JP 2008198124 A JP2008198124 A JP 2008198124A JP 5256914 B2 JP5256914 B2 JP 5256914B2
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Description

本発明は、例えば、少なくとも1層の絶縁層を挟んで2層以上のシリコン層を積層してなるSOI(silicon on insulator)基板を加工して製造される、回転変位可能な揺動部を有するマイクロ構造体およびそのマイクロ構造体で構成されるマイクロ素子並びにマイクロ構造体の製造方法に関する。 The present invention has, for example, a rotationally displaceable swinging part manufactured by processing an SOI (silicon on insulator) substrate formed by laminating two or more silicon layers with at least one insulating layer interposed therebetween. The present invention relates to a micro structure, a micro element including the micro structure, and a method for manufacturing the micro structure .

近年、SOI基板を加工して製作される、回転変位可能な揺動部を有する各種のマイクロ構造体が提案されている。例えば、SOI基板をマイクロマシニング技術により加工して、図21に示すような、光反射機能を有する微小なマイクロミラー素子が提案されている(例えば、特開2006−162663号公報)。なお、図21は、同マイクロミラー素子の斜め上方から見た斜視図である。また、図22は、同マイクロミラー素子のトーションバーの部分を拡大した斜視図であり、図23は、図22のA−A線断面図である。   2. Description of the Related Art In recent years, various microstructures having a swingable swingable portion manufactured by processing an SOI substrate have been proposed. For example, a micro-mirror element having a light reflection function as shown in FIG. 21 by processing an SOI substrate by a micromachining technique has been proposed (for example, Japanese Patent Laid-Open No. 2006-162663). FIG. 21 is a perspective view of the micromirror element as viewed obliquely from above. 22 is an enlarged perspective view of the torsion bar portion of the micromirror element, and FIG. 23 is a cross-sectional view taken along line AA of FIG.

図21に示すマイクロミラー素子100は、アーム102の一方に円形状のミラー103を設ける一方、そのアーム102の他方に複数の櫛歯電極104を一列に設けた揺動部材を、アーム102のミラー103と櫛歯電極104との間にある1対のV字形のトーションバー105,105’によってマイクロミラー素子100の高さ方向におけるフレーム101の上側領域101Aに揺動自在に支持した構造を有している。フレーム101の下側領域101Bにあって、複数の櫛歯電極104に対向する部分には各櫛歯電極が複数の櫛歯電極104の隙間に位置するように複数の櫛歯電極106が形成されている。なお、図21では、フレーム101の内側の内容が分かるように、フレーム101の上側領域101Aの部分は一点鎖線で描いている。   In the micromirror element 100 shown in FIG. 21, a circular mirror 103 is provided on one side of an arm 102, and a swing member having a plurality of comb electrodes 104 arranged in a row on the other side of the arm 102 is used as a mirror of the arm 102. 103, and a pair of V-shaped torsion bars 105 and 105 ′ between the comb electrode 104 and the comb-shaped electrode 104. The micromirror element 100 is supported in a swingable manner on the upper region 101A of the frame 101 in the height direction. ing. In the lower region 101B of the frame 101, a plurality of comb electrodes 106 are formed in a portion facing the plurality of comb electrodes 104 so that each comb electrode is positioned in a gap between the plurality of comb electrodes 104. ing. In FIG. 21, the upper region 101 </ b> A of the frame 101 is drawn with an alternate long and short dash line so that the contents inside the frame 101 can be understood.

従って、マイクロミラー素子100は、櫛歯電極104と櫛歯電極106との間に電圧を印加することによって櫛歯電極104と櫛歯電極106との間に静電力(引力)を生じさせ、この静電力によりアーム102の他方端を下方に引っ張ることで、当該アーム102をトーションバー105,105’を回転軸として上下方向に回動させ、これによりミラー103のミラー面103Aを微小変化させる構成となっている。   Therefore, the micromirror element 100 generates an electrostatic force (attractive force) between the comb-tooth electrode 104 and the comb-tooth electrode 106 by applying a voltage between the comb-tooth electrode 104 and the comb-tooth electrode 106. By pulling the other end of the arm 102 downward by an electrostatic force, the arm 102 is rotated in the vertical direction about the torsion bars 105 and 105 ′ as a rotation axis, whereby the mirror surface 103A of the mirror 103 is slightly changed. It has become.

SOI基板をマイクロマシニング技術により加工してマイクロミラー素子100を製造する場合、2つのシリコン層の中間に絶縁層が形成されたSOI基板の上側のシリコン層(図22,図23のシリコン層SL1参照)に対して、表面からシリコン層を掘り下げてアーム102、ミラー103、複数の櫛歯電極104及びトーションバー105の部分が形成され、下側のシリコン層(図22,図23のシリコン層SL2参照)に対して、表面(図23では面Sb)からシリコン層を掘り下げて複数の櫛歯電極106の部分が形成される。そして、最後に絶縁層(図22,図23の絶縁層BOX参照)の不要部分(アーム102、ミラー103及び複数の櫛歯電極104をフレーム101の高さ方向に揺動可能にするために、フレーム101内で表裏面を貫通させなければならない部分。図22の点線で示す109Aの部分参照)を除去してマイクロミラー素子100が完成される。   When the micromirror element 100 is manufactured by processing the SOI substrate by micromachining technology, the upper silicon layer of the SOI substrate in which an insulating layer is formed between the two silicon layers (see the silicon layer SL1 in FIGS. 22 and 23). ), The silicon layer is dug from the surface to form the arm 102, the mirror 103, the plurality of comb electrodes 104, and the torsion bar 105, and the lower silicon layer (see the silicon layer SL2 in FIGS. 22 and 23). ), The silicon layer is dug down from the surface (surface Sb in FIG. 23) to form a plurality of comb electrodes 106. Finally, in order to make the unnecessary portions (the arm 102, the mirror 103, and the plurality of comb electrodes 104) of the insulating layer (see the insulating layer BOX in FIGS. 22 and 23) swingable in the height direction of the frame 101, The portion that must penetrate the front and back surfaces in the frame 101 (see the portion 109A shown by the dotted line in FIG. 22) is removed to complete the micromirror device 100.

特開2006−162663号公報JP 2006-162663 A 特開平10−190007号公報Japanese Patent Laid-Open No. 10-190007

ところで、図21に示すマイクロミラー素子100は、アーム102を一対のV字形のトーションバー105,105’によってフレーム101の内側面に捩れ可能に支持し、その1対のトーションバー105,105’を揺動軸としてアーム102を揺動させることによりミラー103のミラー面103Aの角度を微小変化させる構成であるので、一対のトーションバー105,105’の機械的な特性、特にトーションバー105,105’への捩り力の作用とその捩り力の開放とを高速で繰り返したときのトーションバー105,105’の機械的な共振特性がミラー103のミラー面103Aの角度制御に大きく影響する。   Incidentally, in the micromirror element 100 shown in FIG. 21, the arm 102 is supported by a pair of V-shaped torsion bars 105 and 105 ′ so as to be twistable on the inner surface of the frame 101, and the pair of torsion bars 105 and 105 ′ is supported. Since the angle of the mirror surface 103A of the mirror 103 is minutely changed by swinging the arm 102 as the swing axis, the mechanical characteristics of the pair of torsion bars 105, 105 ′, particularly the torsion bars 105, 105 ′. The mechanical resonance characteristics of the torsion bars 105 and 105 ′ when the action of the torsional force and the release of the torsional force are repeated at high speed greatly affect the angle control of the mirror surface 103A of the mirror 103.

このため、1枚のSOI基板を加工して複数のマイクロミラー素子100を製造した後、そのSOI基板の高さ方向におけるトーションバー105,105’の位置や形状を測定し、その測定結果に基づいて各SOI基板で製造されるマイクロミラー素子100の特性を把握することが行われている。   Therefore, after processing a single SOI substrate to manufacture a plurality of micromirror elements 100, the positions and shapes of the torsion bars 105, 105 ′ in the height direction of the SOI substrate are measured, and based on the measurement results. The characteristics of the micromirror element 100 manufactured by each SOI substrate are grasped.

SOI基板の高さ方向におけるトーションバー105,105’の位置情報は、図23に示すように、SOI基板の表面Saまたは裏面Sbをリファレンス面として、SOI基板の表面Saからトーションバー105,105’の表面Stまでの距離d1若しくはSOI基板の裏面Sbからトーションバー105の表面Stまでの距離d2として求められ、トーションバー105の形状情報は、トーションバー105における複数の位置での距離d1または距離d2の集まりとして求められるが、SOI基板に製造される複数のマイクロミラー素子100の各トーションバー105,105’は、SOI基板の高さ方向において宙に浮いた状態となっているので、実際に製作された複数のマイクロミラー素子100のいずれかでトーションバー105,105’の位置や形状を正確に測定することは困難である。   As shown in FIG. 23, the positional information of the torsion bars 105 and 105 ′ in the height direction of the SOI substrate is obtained from the surface Sa of the SOI substrate to the torsion bars 105 and 105 ′ using the surface Sa or the back surface Sb of the SOI substrate as a reference surface. The distance d1 to the front surface St or the distance d2 from the back surface Sb of the SOI substrate to the surface St of the torsion bar 105 is obtained, and the shape information of the torsion bar 105 is the distance d1 or the distance d2 at a plurality of positions on the torsion bar 105. The torsion bars 105 and 105 ′ of the plurality of micromirror elements 100 manufactured on the SOI substrate are in a state of floating in the height direction of the SOI substrate. One of the plurality of micromirror elements 100 formed It is difficult to accurately measure the position and shape of the 105 and 105 '.

そこで、従来は、SOI基板のマイクロミラー素子100が製造されない領域に、実際に製作されるトーションバー105,105’と同じ形状のダミートーションバー110を形成し、そのダミートーションバー110を用いてSOI基板の表面Saまたは裏面Sbからの距離d1またはd2を測定することが行われている。   Therefore, conventionally, a dummy torsion bar 110 having the same shape as the torsion bars 105 and 105 ′ that are actually manufactured is formed in an area where the micromirror element 100 of the SOI substrate is not manufactured, and the dummy torsion bar 110 is used to perform SOI. The distance d1 or d2 from the front surface Sa or the back surface Sb of the substrate is measured.

なお、ダミートーションバー110の形状はトーションバー105と同様にV字状をしているが、図24に示すように、ダミートーションバー110は宙に浮いておらず、ダミートーションバー110の下面まで土台111を残しておき、その上に形成したものである。従って、ダミートーションバー110による位置測定では、土台111の表面Scとダミートーションバー110の表面Stの段差d3をダミートーションバー110上の複数の箇所で測定し、各段差d3に土台111の高さd4を加算してSOI基板の裏面Sbからの距離d2が算出されている。   The shape of the dummy torsion bar 110 is V-shaped like the torsion bar 105, but the dummy torsion bar 110 does not float in the air as shown in FIG. The base 111 is left and formed on it. Therefore, in the position measurement using the dummy torsion bar 110, the level difference d3 between the surface Sc of the base 111 and the surface St of the dummy torsion bar 110 is measured at a plurality of locations on the dummy torsion bar 110, and the height of the base 111 is measured at each level difference d3. The distance d2 from the back surface Sb of the SOI substrate is calculated by adding d4.

ところで、マイクロミラー素子100を製造するためのSOI基板は、例えば、上側のシリコン層SL1の厚みが100μm程度、下側のシリコン層SL2の厚みが数100μm程度、中間の絶縁層BOXの厚みが数μm程度の非常に薄い基板であるから、SOI基板の高さ方向におけるトーションバー105,105’の位置測定で測定される距離d1または距離d2はμmオーダーの微小寸法である。   By the way, in the SOI substrate for manufacturing the micromirror element 100, for example, the thickness of the upper silicon layer SL1 is about 100 μm, the thickness of the lower silicon layer SL2 is about several hundred μm, and the thickness of the intermediate insulating layer BOX is several. Since it is a very thin substrate of about μm, the distance d1 or the distance d2 measured by the position measurement of the torsion bars 105, 105 ′ in the height direction of the SOI substrate is a minute dimension on the order of μm.

従って、トーションバー105,105’の位置測定では、数μmの誤差が数%乃至十数%の測定誤差となるため、非常に高い精度が要求される。しかしながら、従来のトーションバー105,105’の位置測定では、実際に製造された複数のマイクロミラー素子100のトーションバー105,105’の位置を測定しておらず、これらのマイクロミラー素子100の製造位置とは異なる位置に製造したダミートーションバー110を用いて間接的に測定しているので、トーションバー105,105’の位置測定及び形状測定の精度が十分とは言えないという問題があった。   Therefore, in measuring the position of the torsion bars 105 and 105 ', an error of several μm becomes a measurement error of several to tens of percent, and thus very high accuracy is required. However, in the conventional position measurement of the torsion bars 105 and 105 ′, the positions of the torsion bars 105 and 105 ′ of the plurality of actually manufactured micromirror elements 100 are not measured. Since the measurement is performed indirectly using the dummy torsion bar 110 manufactured at a position different from the position, there is a problem that the accuracy of position measurement and shape measurement of the torsion bars 105 and 105 ′ is not sufficient.

なお、上記の問題は、マイクロミラー素子に限られず、トーションバーを用いた同様の揺動部を有する、加速度センサ、角速度センサ、振動素子などの他のマイクロ構造体についても同様に言えることである。   Note that the above problem is not limited to the micromirror element, but can be similarly applied to other micro structures such as an acceleration sensor, an angular velocity sensor, and a vibration element having a similar swinging portion using a torsion bar. .

本発明は、上記の課題に鑑みてなされたものであり、SOI基板を加工して製造されるトーションバーを用いた揺動部を有するマイクロ構造体において、実際に製作されるマイクロ構造体のトーションバーの位置及び形状を精度良く測定することのできるマイクロ構造体及びそれを用いたマイクロデバイス並びにマイクロ構造体の製造方法を提供することを、目的とする。 The present invention has been made in view of the above problems, and in a microstructure having a swinging portion using a torsion bar manufactured by processing an SOI substrate, the torsion of the microstructure actually manufactured. It is an object of the present invention to provide a microstructure that can accurately measure the position and shape of a bar, a microdevice using the same, and a method for manufacturing the microstructure .

本発明により提供されるマイクロ構造体は、枠形状の固定部とこの固定部内に一対のトーションバーにより揺動自在に支持された揺動部を備え、絶縁層を挟んで二つの導体層を積層したSOI基板に前記固定部および前記揺動部を形成する加工を施して製造されるマイクロ構造体において、前記一対のトーションバーは、一方の導体層の前記絶縁層に接する位置に当該導体層よりも薄い厚みで形成され、他方の導体層の各トーションバーの下側に位置し、当該トーションバーの捩れ動作と干渉しない部分に、当該導体層と同一の厚みを有する構造体をそれぞれ設け 前記構造体のトーションバーを臨む面を当該トーションバーの上面までの距離を測定するための基準面とするものである。 The microstructure provided by the present invention includes a frame-shaped fixing portion and a swinging portion supported in a swingable manner by a pair of torsion bars in the fixing portion, and laminates two conductor layers with an insulating layer interposed therebetween. In the microstructure manufactured by subjecting the SOI substrate to the processing for forming the fixed portion and the swinging portion, the pair of torsion bars are positioned closer to the insulating layer of one conductor layer than the conductor layer. is formed in a thin thickness, is located on the lower side of each torsion bar of the other conductor layer, the portion that does not interfere with the torsional motion of the torsion bar, provided structure having the conductive layer and the same thickness, respectively, the The surface of the structure facing the torsion bar is used as a reference surface for measuring the distance to the upper surface of the torsion bar .

本発明によれば、他方の導体層の各トーションバーの下側に位置し、当該トーションバーの捩れ動作と干渉しない部分に、当該導体層と同一の厚みを有する構造体をそれぞれ設けたので、この構造体のトーションバーを臨む面を当該トーションバーの一方の導体層の厚み方向における位置の基準面とすることにより、SOI基板に固定部および揺動部を形成する加工を施してマイクロ構造体を製造するプロセスにおいて、当該SOI基板に形成されたマイクロ構造体のトーションバーのSOI基板の厚み方向における位置を構造体の基準面からの位置として測定し、その測定結果を用いて、例えば、SOI基板の表面または裏面からのトーションバーの位置を算出することにより、トーションバーの位置及び形状を高精度で測定することができる。   According to the present invention, the structure having the same thickness as that of the conductor layer is provided on the portion of the other conductor layer located below each torsion bar and not interfering with the twisting operation of the torsion bar. The surface of the structure facing the torsion bar is used as a reference surface at a position in the thickness direction of one conductor layer of the torsion bar, so that a process of forming a fixed portion and a swing portion on the SOI substrate is performed. In the process of manufacturing, the position of the torsion bar of the microstructure formed on the SOI substrate in the thickness direction of the SOI substrate is measured as the position from the reference plane of the structure, and the measurement result is used, for example, SOI By calculating the position of the torsion bar from the front or back surface of the substrate, the position and shape of the torsion bar can be measured with high accuracy. That.

この結果、各SOI基板を用いて製造されるマイクロ構造体のトーションバーの位置及び形状に基づく共振特性を高い精度で把握することができる。   As a result, it is possible to grasp the resonance characteristics based on the position and shape of the torsion bar of the microstructure manufactured using each SOI substrate with high accuracy.

本発明のその他の特徴および利点は、添付図面を参照して以下に行う詳細な説明によって、より明らかとなろう。   Other features and advantages of the present invention will become more apparent from the detailed description given below with reference to the accompanying drawings.

本発明に係るマイクロ構造体について、マイクロミラー素子を例に説明する。   The micro structure according to the present invention will be described using a micro mirror element as an example.

図1は、本発明に係るマイクロミラー素子を示す斜視図である。図2は、同マイクロミラー素子に設けられた構造体の部分を示す斜視図である。また、図3(a)は、同マイクロミラー素子のトーションバーの部分を上から見た図、図3(b)は、図2のIII−III線断面図である。また、図4,図5は、同マイクロミラー素子の製造工程を示す図、図6は、同マイクロマラー素子のトーションバーの位置の測定方法を示す図である。   FIG. 1 is a perspective view showing a micromirror element according to the present invention. FIG. 2 is a perspective view showing a portion of the structure provided in the micromirror element. 3A is a view of the torsion bar portion of the micromirror element as viewed from above, and FIG. 3B is a cross-sectional view taken along the line III-III in FIG. 4 and 5 are diagrams showing the manufacturing process of the micromirror element, and FIG. 6 is a diagram showing a method for measuring the position of the torsion bar of the micromuller element.

マイクロミラー素子1は、平面視で長方形の枠形状を有するフレーム2と、楕円形状のミラー部31の長軸上に揺動軸32を延長し、その揺動軸32の先端部に複数の櫛歯電極33を一列に突設した揺動部材3を備えている。揺動部材3は、フレーム2の内側に一対のV字状のトーションバー4,4’によって揺動可能に支持されている。   The micromirror element 1 includes a frame 2 having a rectangular frame shape in plan view, and an oscillation shaft 32 extending on the major axis of an elliptical mirror portion 31, and a plurality of combs at the tip of the oscillation shaft 32. The swing member 3 is provided with tooth electrodes 33 protruding in a row. The swing member 3 is supported on the inner side of the frame 2 by a pair of V-shaped torsion bars 4, 4 ′ so as to be swingable.

フレーム2は高さ方向で2つの領域に分けられ、揺動部材3はフレーム2内の上側領域2Aに配置されている。一方、フレーム2の下側領域2Bの内側面であって、揺動部材3の複数の櫛歯電極33に臨む部分には複数の櫛歯電極21が突設されている。複数の櫛歯電極21は、各櫛歯電極が複数の櫛歯電極33の隙間の略中央に位置している。なお、図1では、フレーム2の内側の内容が分かるように、フレーム2の上側領域2Aの部分は一点鎖線で描いている。   The frame 2 is divided into two regions in the height direction, and the swing member 3 is arranged in the upper region 2A in the frame 2. On the other hand, a plurality of comb-shaped electrodes 21 project from the inner surface of the lower region 2 </ b> B of the frame 2 and face the plurality of comb-shaped electrodes 33 of the swing member 3. The plurality of comb-shaped electrodes 21 are located at substantially the center of the gap between the plurality of comb-shaped electrodes 33. In FIG. 1, the upper region 2 </ b> A of the frame 2 is drawn with a one-dot chain line so that the contents inside the frame 2 can be understood.

フレーム2の厚みの寸法L3は、例えば、5〜50μmであり、高さ方向の寸法Hは、例えば600μm程度である。   The dimension L3 of the thickness of the frame 2 is, for example, 5 to 50 μm, and the dimension H in the height direction is, for example, about 600 μm.

マイクロミラー素子1は、後述するように、MEMS(Micro Electro Mechanical Systems)技術などのバルクマイクロマニシング技術により、例えば、絶縁膜(BOX(Buried Oxide)層)63を挟んで2つのシリコン層61,62が積層されたSOI基板6に対して加工を施して製造されたものである(図4,図5参照)。SOI基板6の2つのシリコン層61,62は不純物のドープにより導電性を有している。   As will be described later, the micromirror element 1 includes, for example, two silicon layers 61, sandwiching an insulating film (BOX (Buried Oxide) layer) 63 by bulk micromachining technology such as MEMS (Micro Electro Mechanical Systems) technology. This is manufactured by processing the SOI substrate 6 on which 62 is laminated (see FIGS. 4 and 5). The two silicon layers 61 and 62 of the SOI substrate 6 have conductivity by doping impurities.

揺動部材3は、SOI基板6の表面側のシリコン層61(以下、「第1シリコン層61」という。)を加工して形成される。従って、フレーム2の第1シリコン層61に相当する領域が上側領域2Aとなっている。また、フレーム2の複数の櫛歯電極21は、SOI基板6の裏面側のシリコン層62(以下、「第2シリコン層62」という。)を加工して形成される。従って、フレーム2の第2シリコン層62と絶縁膜63に相当する領域が下側領域2Bとなっている。   The swing member 3 is formed by processing a silicon layer 61 on the surface side of the SOI substrate 6 (hereinafter referred to as “first silicon layer 61”). Accordingly, the region corresponding to the first silicon layer 61 of the frame 2 is the upper region 2A. The plurality of comb electrodes 21 of the frame 2 are formed by processing a silicon layer 62 on the back surface side of the SOI substrate 6 (hereinafter referred to as “second silicon layer 62”). Therefore, a region corresponding to the second silicon layer 62 and the insulating film 63 of the frame 2 is the lower region 2B.

ミラー部31は、第1シリコン層61と略同一の厚みを有する楕円板状の形状を有している。楕円板の表面にミラー面311が形成されている。ミラー部31の短軸方向の寸法L1は、例えば、20〜300μmである。   The mirror part 31 has an elliptical plate shape having substantially the same thickness as the first silicon layer 61. A mirror surface 311 is formed on the surface of the elliptical plate. A dimension L1 in the minor axis direction of the mirror part 31 is, for example, 20 to 300 μm.

一方、揺動軸32は、第1シリコン層61と略同一の幅を有する短冊状の板材である。揺動軸32は、板材の幅方向をミラー部31の高さ方向(図1の上下方向)に一致させて当該ミラー部31に延設されている。揺動軸32の高さ方向の寸法L2は、例えば、10〜100μmである。   On the other hand, the swing shaft 32 is a strip-shaped plate material having substantially the same width as the first silicon layer 61. The swing shaft 32 is extended to the mirror portion 31 such that the width direction of the plate material coincides with the height direction of the mirror portion 31 (vertical direction in FIG. 1). A dimension L2 in the height direction of the swing shaft 32 is, for example, 10 to 100 μm.

複数の櫛歯電極33は、第1シリコン層61と略同一の幅を有する長方形状の片部材である。複数の櫛歯電極33は、揺動軸32の両方の面に所定の間隔を設けてフレーム2の長辺側の側面に向かってそれぞれ突設されている。揺動軸32の一方の面に突設された複数の櫛歯電極33は、他方の面に突設された複数の櫛歯電極33とそれぞれ対をなしている。   The plurality of comb-teeth electrodes 33 are rectangular piece members having substantially the same width as the first silicon layer 61. The plurality of comb-teeth electrodes 33 are provided so as to project toward the side surfaces on the long side of the frame 2 with predetermined intervals on both surfaces of the swing shaft 32. The plurality of comb electrodes 33 projecting from one surface of the swing shaft 32 are paired with the plurality of comb electrodes 33 projecting from the other surface.

一方、複数の櫛歯電極21は、第2シリコン層62と略同一の幅を有する長方形状の片部材である。複数の櫛歯電極21は、フレーム2の長辺に沿う両内側面に櫛歯電極33の間隔と同一の間隔を設けて揺動軸32に向かってそれぞれ突設されている。各櫛歯電極21は、櫛歯電極33の各間隔の中央に位置するように配置されている。   On the other hand, the plurality of comb electrodes 21 are rectangular piece members having substantially the same width as the second silicon layer 62. The plurality of comb-shaped electrodes 21 are provided so as to protrude toward the swing shaft 32 at the same inner spacing along the long side of the frame 2 as the spacing between the comb-shaped electrodes 33. Each comb-tooth electrode 21 is arranged so as to be positioned at the center of each interval of the comb-tooth electrode 33.

一対のトーションバー4,4’は、断面が矩形状の棒部材をV字状に繋ぎ合わせた形状を有している。一対のトーションバー4,4’は、揺動軸32のミラー部31とこのミラー部31に最も近い櫛歯電極33との間の所定の位置(揺動部材3の重心位置Mまたはその近傍位置)に設けられている。各トーションバー4,4’は、V字の開いた側が揺動軸32の側面に接続され、V字の窄まった側がフレーム2の側面に接続されている。各トーションバー4,4’は、その厚みが揺動軸32の高さ方向の寸法よりも短く、揺動軸32の高さ方向において下辺の近傍位置(絶縁膜63に近接した位置)に設けられている(図2参照)。   The pair of torsion bars 4, 4 ′ has a shape in which rod members having a rectangular cross section are connected in a V shape. The pair of torsion bars 4, 4 ′ is a predetermined position between the mirror portion 31 of the swing shaft 32 and the comb-shaped electrode 33 closest to the mirror portion 31 (the center of gravity position M of the swing member 3 or a position in the vicinity thereof). ). Each torsion bar 4, 4 ′ has a V-shaped open side connected to the side surface of the swing shaft 32 and a V-shaped narrowed side connected to the side surface of the frame 2. Each torsion bar 4, 4 ′ has a thickness that is shorter than the dimension in the height direction of the swing shaft 32, and is provided at a position near the lower side (position close to the insulating film 63) in the height direction of the swing shaft 32. (See FIG. 2).

櫛歯電極33は、揺動軸32を揺動させるための駆動電圧(直流電圧)が印加される部分である。櫛歯電極33は、第1シリコン層61の導電性により電極として機能する。ミラー部31、揺動軸32、複数の櫛歯電極33及び一対のトーションバー4,4’は、後述するように導電性を有する第1シリコン層61によって一体的に形成されるので、これらの部材のいずれかに電圧が印加されると、複数の櫛歯電極33に電圧が印加される。同様に、櫛歯電極21も揺動軸32を揺動させるための駆動電圧(櫛歯電極33とは逆極性の電圧)が印加される部分である。櫛歯電極21は、第2シリコン層62の導電性により電極として機能する。   The comb electrode 33 is a portion to which a drive voltage (DC voltage) for swinging the swing shaft 32 is applied. The comb electrode 33 functions as an electrode due to the conductivity of the first silicon layer 61. Since the mirror portion 31, the swing shaft 32, the plurality of comb electrodes 33, and the pair of torsion bars 4, 4 ′ are integrally formed by a first silicon layer 61 having conductivity as described later, these When a voltage is applied to any of the members, a voltage is applied to the plurality of comb electrodes 33. Similarly, the comb electrode 21 is a portion to which a drive voltage for swinging the swing shaft 32 (voltage having a polarity opposite to that of the comb electrode 33) is applied. The comb electrode 21 functions as an electrode due to the conductivity of the second silicon layer 62.

第1シリコン層61と第2シリコン層62は、絶縁膜63により電気的に絶縁されている。従って、第1シリコン層61に形成された揺動部材3と第2シリコン層62に形成されたフレーム2との間に駆動電圧を印加しても、フレーム2の櫛歯電極21と揺動部材3の櫛歯電極33とが短絡することはなく、両電極間に駆動電圧に基づく電位差が生じる。そして、その電位差により櫛歯電極21と揺動部材3の間に互いに引き合う静電力が生じ、この静電力により揺動部材3の櫛歯電極33が下側領域2Bに下降し、ミラー部31が上側領域2Aよりも上側に上昇する。櫛歯電極33の下側領域2Bへの下降により一対のトーションバー4,4’に捩れが生じ、その捩れに起因する復元力が揺動部材3に作用する。従って、櫛歯電極33は、その復元力と静電力とがバランスする位置まで下降する。静電力は駆動電圧に比例するから、駆動電圧の大きさに応じて櫛歯電極33の下降量が変化し、この結果、ミラー部31のミラー面311の水平面(絶縁膜63に沿う面)に対する傾斜角θが変化する。   The first silicon layer 61 and the second silicon layer 62 are electrically insulated by an insulating film 63. Therefore, even if a driving voltage is applied between the swing member 3 formed on the first silicon layer 61 and the frame 2 formed on the second silicon layer 62, the comb-tooth electrode 21 and the swing member of the frame 2 are applied. The third comb-teeth electrode 33 is not short-circuited, and a potential difference based on the drive voltage is generated between the two electrodes. Then, an electrostatic force attracting each other is generated between the comb electrode 21 and the swing member 3 due to the potential difference, and the comb electrode 33 of the swing member 3 is lowered to the lower region 2B by this electrostatic force, and the mirror portion 31 is moved. It rises above the upper region 2A. The pair of torsion bars 4, 4 ′ are twisted due to the lowering of the comb electrode 33 to the lower region 2 </ b> B, and a restoring force due to the twist acts on the swing member 3. Therefore, the comb electrode 33 is lowered to a position where the restoring force and the electrostatic force are balanced. Since the electrostatic force is proportional to the drive voltage, the descending amount of the comb electrode 33 changes in accordance with the magnitude of the drive voltage. As a result, the horizontal surface of the mirror surface 311 of the mirror portion 31 (the surface along the insulating film 63). The inclination angle θ changes.

一方、駆動電圧の印加がなくなると、櫛歯電極21と櫛歯電極33との間に生じていた静電力がなくなる。従って、各トーションバー4,4’の復元力により櫛歯電極33は、元の位置に戻り、ミラー部31のミラー面311は水平位置に戻る。この結果、駆動電圧を0[V]を含めて連続的若しくは段階的に変化させることにより、ミラー部31のミラー面311の水平面に対する傾斜角θが連続的若しくは段階的に変化する。   On the other hand, when the drive voltage is no longer applied, the electrostatic force generated between the comb electrode 21 and the comb electrode 33 disappears. Therefore, the comb electrode 33 returns to the original position by the restoring force of each torsion bar 4, 4 ′, and the mirror surface 311 of the mirror portion 31 returns to the horizontal position. As a result, by changing the driving voltage including 0 [V] continuously or stepwise, the inclination angle θ of the mirror surface 311 of the mirror unit 31 with respect to the horizontal plane changes continuously or stepwise.

マイクロミラー素子1のミラー面311の角度制御は、図1に示すように、フレーム2と揺動部材3との間に駆動電圧を印加する駆動回路7を接続し、この駆動回路7からの駆動電圧値を制御回路8により制御することによって行われる。ミラー面311の傾斜角を所定のピッチで多段階に設定するとともに、各段の傾斜角θに対応する制御信号を設定しておき、制御回路8からその制御信号を駆動回路7に出力することで、マイクロミラー素子1のミラー面311の傾斜角θが制御される。   As shown in FIG. 1, the angle control of the mirror surface 311 of the micromirror element 1 is performed by connecting a drive circuit 7 for applying a drive voltage between the frame 2 and the swing member 3, and driving from the drive circuit 7. This is done by controlling the voltage value by the control circuit 8. The tilt angle of the mirror surface 311 is set in multiple stages at a predetermined pitch, a control signal corresponding to the tilt angle θ of each stage is set, and the control signal is output from the control circuit 8 to the drive circuit 7. Thus, the tilt angle θ of the mirror surface 311 of the micromirror element 1 is controlled.

制御回路8が駆動回路7からの駆動電圧を高速で変化させたときには、揺動部材3が図1の矢印Rで示す方向に、高速振動する。このときの揺動部材3の振動特性は、一対のトーションバー4,4’の機械構造に基づく捩れに対する共振特性に依存する。そして、その共振特性は、SOI基板6を加工して形成される各トーションバー4,4’のV字形状やSOI基板6の高さ方向における位置によって大きく変化する。そこで、本実施形態では、各トーションバー4,4’のマイクロミラー素子1の高さ方向における位置を正確に測定できるようにするために、図2に示すように、揺動部材3の各トーションバー4,4’の下側に、それぞれ位置測定用の基準面Srを与える構造体5,5’を設けている。なお、図1,図2では、構造体5’は見えていない。また、図2では、構造体5を見易くするために、フレーム2の部分は省力している。   When the control circuit 8 changes the drive voltage from the drive circuit 7 at high speed, the swing member 3 vibrates at high speed in the direction indicated by the arrow R in FIG. The vibration characteristic of the swing member 3 at this time depends on the resonance characteristic against torsion based on the mechanical structure of the pair of torsion bars 4 and 4 ′. The resonance characteristics vary greatly depending on the V shape of each torsion bar 4, 4 ′ formed by processing the SOI substrate 6 and the position of the SOI substrate 6 in the height direction. Therefore, in the present embodiment, in order to be able to accurately measure the position of each torsion bar 4, 4 ′ in the height direction of the micromirror element 1, as shown in FIG. Structures 5 and 5 ′ are provided on the lower side of the bars 4 and 4 ′ to provide reference positions Sr for position measurement, respectively. 1 and 2, the structure 5 'is not visible. Moreover, in FIG. 2, in order to make the structure 5 easy to see, the portion of the frame 2 is saved.

各構造体5,5’は、三角柱状を有している。一方の構造体5の三角柱の平面視の形状(絶縁層63に沿う断面形状)は、図3(a)に示すように、トーションバー4と揺動軸32とで囲まれた三角形とほぼ同一となっている。従って、一方の構造体5は、トーションバー4と揺動軸32とで囲まれた三角形の空間Kの下部に位置するように、第2シリコン層62に設けられている。構造体5の上面S1は、図3(b)に示すように、第2シリコン層62と絶縁層63との境界面Spと一致し、構造体5の下面S2は第2シリコン層62の開放面(図3(b)では下面)Sqと一致している。そして、構造体5の上面S1がトーションバー4のマイクロミラー素子1の高さ方向における位置側定の基準面Srとなっている。他方の構造体5’も上述した一方の構造体5と同様の構成である。   Each structure 5, 5 'has a triangular prism shape. The shape of the triangular prism of one structure 5 in plan view (cross-sectional shape along the insulating layer 63) is substantially the same as the triangle surrounded by the torsion bar 4 and the swing shaft 32, as shown in FIG. It has become. Accordingly, one structure 5 is provided in the second silicon layer 62 so as to be positioned below the triangular space K surrounded by the torsion bar 4 and the swing shaft 32. As shown in FIG. 3B, the upper surface S1 of the structure 5 coincides with the boundary surface Sp between the second silicon layer 62 and the insulating layer 63, and the lower surface S2 of the structure 5 is an opening of the second silicon layer 62. It corresponds to the surface (the lower surface in FIG. 3B) Sq. The upper surface S1 of the structure 5 serves as a reference surface Sr that is fixed in position in the height direction of the micromirror element 1 of the torsion bar 4. The other structure 5 ′ has the same configuration as that of the one structure 5 described above.

次に、図1に示すマイクロミラー素子1の製造方法について、図4および図5を用いて説明する。   Next, a method for manufacturing the micromirror element 1 shown in FIG. 1 will be described with reference to FIGS.

図4および図5に示すマイクロミラー素子1の製造方法は、バルクマイクロマニシング技術を用いるマイクロ構造体の製造方法の一手法である。図4および図5においては、図5(d)に示すミラー支持部M、揺動軸AR、フレームF1,F2、トーションバーT1,T2、一組の櫛歯電極E1,E2および構造体Gの形成過程を、一の断面の変化として表す。この一の断面は、加工が施される材料基板(多層構造を有するウエハ)における単一のマイクロミラー素子形成区画に含まれる複数の所定箇所の断面を、モデル化して連続断面として表したものである。ミラー支持部Mは、ミラー部31の一部に相当する。揺動軸ARは、揺動軸32に相当し、揺動軸32の横断面を表す。フレームF1,F2は、それぞれフレーム2に相当し、フレーム2の横断面を表す。トーションバーT1は、トーションバー4に相当し、トーションバー4の延び方向の断面を表す。トーションバーT2は、トーションバー4’に相当し、トーションバー4’の横断面を表す。櫛歯電極E1は、櫛歯電極33の一部に相当し、電極歯の横断面を表す。櫛歯電極E2は、櫛歯電極21の一部に相当し、電極歯の横断面を表す。   The manufacturing method of the micromirror element 1 shown in FIGS. 4 and 5 is one method for manufacturing a microstructure using a bulk micromachining technique. 4 and 5, the mirror support M, the swing axis AR, the frames F1 and F2, the torsion bars T1 and T2, the pair of comb electrodes E1 and E2, and the structure G shown in FIG. The formation process is expressed as a change in one cross section. This one cross section is a model of a cross section of a plurality of predetermined portions included in a single micromirror element formation section on a material substrate (a wafer having a multilayer structure) to be processed, and is represented as a continuous cross section. is there. The mirror support part M corresponds to a part of the mirror part 31. The swing axis AR corresponds to the swing shaft 32 and represents a cross section of the swing shaft 32. Frames F <b> 1 and F <b> 2 respectively correspond to frame 2 and represent a cross section of frame 2. The torsion bar T1 corresponds to the torsion bar 4 and represents a cross section in the extending direction of the torsion bar 4. The torsion bar T2 corresponds to the torsion bar 4 'and represents a cross section of the torsion bar 4'. The comb electrode E1 corresponds to a part of the comb electrode 33, and represents a cross section of the electrode teeth. The comb-tooth electrode E2 corresponds to a part of the comb-tooth electrode 21 and represents a cross section of the electrode teeth.

マイクロミラー素子1の製造においては、まず、図4(a)に示すような材料基板6を用意する。材料基板6は、第1シリコン層61と、第2シリコン層62と、両シリコン層61,62間の絶縁層63とからなる積層構造を有するSOI基板である。第1シリコン層61および第2シリコン層62は、不純物をドープすることにより導電性を付与されたシリコン材料よりなる。不純物としては、Bなどのp型不純物や、PおよびSbなどのn型不純物を採用することができる。絶縁層63は、例えば、酸化シリコンよりなる。第1シリコン層61の厚さh1は、例えば、10〜100μmであり、第2シリコン層62の厚さh2は、例えば、50〜500μmであり、絶縁層63の厚さh3は、例えば、0.3〜3μmである。   In manufacturing the micromirror element 1, first, a material substrate 6 as shown in FIG. The material substrate 6 is an SOI substrate having a laminated structure including a first silicon layer 61, a second silicon layer 62, and an insulating layer 63 between the silicon layers 61 and 62. The first silicon layer 61 and the second silicon layer 62 are made of a silicon material imparted with conductivity by doping impurities. As the impurities, p-type impurities such as B and n-type impurities such as P and Sb can be employed. The insulating layer 63 is made of, for example, silicon oxide. The thickness h1 of the first silicon layer 61 is, for example, 10 to 100 μm, the thickness h2 of the second silicon layer 62 is, for example, 50 to 500 μm, and the thickness h3 of the insulating layer 63 is, for example, 0 .3 to 3 μm.

次に、図4(b)に示すように、第1シリコン層61上にミラー面311を形成する。ミラー面311の形成においては、スパッタリング法により、第1シリコン層61の表面に、例えば、Cr(50nm)を成膜した後、その上にAu(200nm)を成膜する。次に、所定のマスクを介してこれら金属膜に対してエッチング処理を順次行うことにより、ミラー面311をパターン形成する。Auに対するエッチング液としては、例えば、ヨウ化カリウム−ヨウ素水溶液を使用することができる。Crに対するエッチング液としては、例えば硝酸第二セリウムアンモニウム水溶液を使用することができる。   Next, as illustrated in FIG. 4B, a mirror surface 311 is formed on the first silicon layer 61. In forming the mirror surface 311, for example, Cr (50 nm) is deposited on the surface of the first silicon layer 61 by sputtering, and then Au (200 nm) is deposited thereon. Next, the mirror surface 311 is patterned by sequentially performing an etching process on these metal films through a predetermined mask. As an etching solution for Au, for example, a potassium iodide-iodine aqueous solution can be used. As an etchant for Cr, for example, an aqueous solution of ceric ammonium nitrate can be used.

次に、図4(c)に示すように、第1シリコン層61上に酸化膜パターン64およびレジストパターン65を形成し、第2シリコン層62上に酸化膜パターン66を形成する。酸化膜パターン64は、揺動部材3(ミラー支持部M,揺動軸AR,櫛歯電極E1)およびフレーム2(フレームF1,F2)に対応するパターン形状を有する。レジストパターン65は、両トーションバー4,4’(トーションバーT1,T2)に対応するパターン形状を有する。また、酸化膜パターン66は、フレーム2(フレームF1,F2)、櫛歯電極21(櫛歯電極E2)および構造体5,5’(構造体G)に対応するパターン形状を有する。   Next, as shown in FIG. 4C, an oxide film pattern 64 and a resist pattern 65 are formed on the first silicon layer 61, and an oxide film pattern 66 is formed on the second silicon layer 62. The oxide film pattern 64 has a pattern shape corresponding to the swing member 3 (mirror support part M, swing axis AR, comb electrode E1) and frame 2 (frames F1, F2). The resist pattern 65 has a pattern shape corresponding to both torsion bars 4, 4 '(torsion bars T1, T2). The oxide film pattern 66 has a pattern shape corresponding to the frame 2 (frames F1 and F2), the comb electrode 21 (comb electrode E2), and the structures 5 and 5 '(structure G).

次に、図4(d)に示すように、酸化膜パターン64およびレジストパターン65をマスクとして、DRIE(deep reactive ion etching)により、第1シリコン層61に対し所定の深さまでエッチング処理を行う。所定の深さとは、トーションバーT1,T2の厚さに相当する深さであり、例えば5μmである。DRIEでは、エッチングと側壁保護とを交互に行うBoschプロセスにおいて、良好なエッチング処理を行うことができる。後出のDRIEについても、このようなBoschプロセスを採用することができる。   Next, as shown in FIG. 4D, the first silicon layer 61 is etched to a predetermined depth by DRIE (deep reactive ion etching) using the oxide film pattern 64 and the resist pattern 65 as a mask. The predetermined depth is a depth corresponding to the thickness of the torsion bars T1 and T2, for example, 5 μm. In DRIE, a good etching process can be performed in a Bosch process in which etching and sidewall protection are alternately performed. Such a Bosch process can also be adopted for the later DRIE.

次に、図5(a)に示すように、剥離液を作用させることにより、レジストパターン65を剥離する。剥離液としては、例えば、AZリムーバ700(クラリアントジャパン製)を使用することができる。   Next, as shown in FIG. 5A, the resist pattern 65 is peeled by applying a stripping solution. As the stripper, for example, AZ remover 700 (manufactured by Clariant Japan) can be used.

次に、図5(b)に示すように、酸化膜パターン64をマスクとして、DRIEにより、トーションバーT1,T2を残存形成しつつ第1シリコン層61に対して絶縁層63に至るまでエッチング処理を行う。本エッチング処理により、揺動部材3(ミラー支持部M,揺動軸AR,櫛歯電極E1)、両トーションバー4,4’(トーションバーT1,T2)、および、フレーム2(フレームF1,F2)の一部が成形される。   Next, as shown in FIG. 5B, the oxide film pattern 64 is used as a mask to etch the first silicon layer 61 up to the insulating layer 63 while remaining the torsion bars T1 and T2 by DRIE. I do. By this etching process, the swing member 3 (mirror support part M, swing axis AR, comb electrode E1), both torsion bars 4, 4 '(torsion bars T1, T2), and frame 2 (frames F1, F2) ) Is molded.

次に、図5(c)に示すように、酸化膜パターン66をマスクとして、DRIEにより第2シリコン層62に対して絶縁層63に至るまでエッチング処理を行う。本エッチング処理により、フレーム2(フレームF1,F2)の一部、櫛歯電極21(櫛歯電極E2)および構造体5,5’(構造体G)が成形される。   Next, as shown in FIG. 5C, the second silicon layer 62 is etched by DRIE until the insulating layer 63 is reached using the oxide film pattern 66 as a mask. By this etching process, a part of the frame 2 (frames F1 and F2), the comb electrode 21 (comb electrode E2), and the structures 5 and 5 '(structure G) are formed.

次に、図5(d)に示すように、絶縁層63において露出している箇所、および酸化膜パターン64,66を、エッチング除去する。エッチング手法としては、ドライエッチングまたはウエットエッチングを採用することができる。ドライエッチングを採用する場合、エッチングガスとしては、例えば、CF4やCHF3などを採用することができる。ウエットエッチングを採用する場合、エッチング液としては、例えば、フッ酸とフッ化アンモニウムからなるバッファードフッ酸(BHF)を使用することができる。 Next, as shown in FIG. 5D, the exposed portions of the insulating layer 63 and the oxide film patterns 64 and 66 are removed by etching. As an etching method, dry etching or wet etching can be employed. When dry etching is employed, for example, CF 4 or CHF 3 can be employed as the etching gas. When wet etching is employed, for example, buffered hydrofluoric acid (BHF) made of hydrofluoric acid and ammonium fluoride can be used as the etchant.

以上の一連の工程を経ることにより、ミラー支持部M、揺動軸AR、フレームF1,F2、トーションバーT1,T2、一組の櫛歯電極E1,E2および構造体Gを成形してマイクロミラー素子1が製造される。   Through the above series of steps, the mirror support portion M, the swing axis AR, the frames F1 and F2, the torsion bars T1 and T2, the pair of comb electrodes E1 and E2, and the structure G are formed to form a micromirror. Element 1 is manufactured.

トーションバー4,4’のマイクロミラー素子1の高さ方向における位置は、図3(b)に示すように、フレーム2の下面(構造体5の下面S2に相当)から各トーションバー4,4’の上面Stまでの距離Ltとして求められる。この距離Ltは、例えば、第2シリコン層62の厚みをh2とし、構造体5の基準面Srからトーションバー4の上面Stまでの距離をLt2とすると、Lt=h2+Lt2で表される。SOI基板6の第2シリコン層62の厚みh2は、既知であるから、距離Lt2を正確に測定できると、距離Ltを正確に求めることができる。   The positions of the torsion bars 4 and 4 ′ in the height direction of the micromirror element 1 are as shown in FIG. 3B from the lower surface of the frame 2 (corresponding to the lower surface S 2 of the structure 5) to the torsion bars 4 and 4. It is calculated | required as distance Lt to the upper surface St of '. For example, the distance Lt is expressed as Lt = h2 + Lt2 where the thickness of the second silicon layer 62 is h2 and the distance from the reference surface Sr of the structure 5 to the upper surface St of the torsion bar 4 is Lt2. Since the thickness h2 of the second silicon layer 62 of the SOI substrate 6 is known, if the distance Lt2 can be measured accurately, the distance Lt can be obtained accurately.

本実施形態では、SOI基板6に実際に形成されるマイクロミラー素子1に基準面Srを与える構造体5,5’を形成している。従って、例えば、図6(a)に示すように、測定ラインN上にレーザー光を照射し、その反射光によりレーザー照射位置から反射面まで距離Dを測定することより、その測定結果を用いて距離Ltが測定される。具体的には、同図(b)に示すような波形を取得し、その波形の段差から距離Lt2を正確に測定し、この測定値Lt2に予め測定されている第2シリコン層62の厚みh2を加算して、各トーションバー4,4’のフレーム2の高さ方向における位置の測定値Ltが測定される。   In this embodiment, the structures 5 and 5 ′ that give the reference surface Sr to the micromirror element 1 actually formed on the SOI substrate 6 are formed. Therefore, for example, as shown in FIG. 6A, the measurement line N is irradiated with laser light, and the distance D from the laser irradiation position to the reflection surface is measured by the reflected light, and the measurement result is used. The distance Lt is measured. Specifically, a waveform as shown in FIG. 5B is acquired, the distance Lt2 is accurately measured from the step of the waveform, and the thickness h2 of the second silicon layer 62 measured in advance at this measured value Lt2. Are added to measure the measured value Lt of the position of each torsion bar 4, 4 ′ in the height direction of the frame 2.

上記のように、本実施形態では、SOI基板6に形成される複数のマイクロミラー素子1の全てに、一対のトーションバー4,4’のマイクロミラー素子1の高さ方向における位置を測定するための基準面Srを与える一対の構造体5,5’を一体的に形成している。従って、同一のSOI基板6に形成される複数のマイクロミラー素子1の一部のマイクロミラー素子1について、マイクロミラー素子1毎に構造体5,5’の基準面Srを用いたトーションバー4,4’の位置測定をすることにより、トーションバー4,4’の位置を正確に測定することができる。そして、その測定値を用いて同一のSOI基板6に形成された複数のマイクロミラー素子1のトーションバー4,4’の共振特性を正確に把握することができる。   As described above, in this embodiment, the positions of the pair of torsion bars 4 and 4 ′ in the height direction of the micromirror elements 1 are measured on all of the plurality of micromirror elements 1 formed on the SOI substrate 6. A pair of structures 5 and 5 ′ for providing the reference plane Sr are integrally formed. Therefore, with respect to some micromirror elements 1 of the plurality of micromirror elements 1 formed on the same SOI substrate 6, the torsion bar 4 using the reference surface Sr of the structures 5 and 5 ′ for each micromirror element 1. By measuring the position 4 ′, the positions of the torsion bars 4 and 4 ′ can be accurately measured. And the resonance characteristic of the torsion bars 4 and 4 ′ of the plurality of micromirror elements 1 formed on the same SOI substrate 6 can be accurately grasped using the measured value.

なお、一対の構造体5,5’は、上記のように、一対のトーションバー4,4’のマイクロミラー素子1の高さ方向における位置を測定する際に測定の基準面Srを与える機能を果たすだけである。一対の構造体5,5’は、各マイクロミラー素子1の本来の機能動作(揺動部材3を揺動させてミラー面311の傾斜角θを変化させる動作)には関係しない。むしろ、各構造体5,5’は、各トーションバー4,4’の下部にそれぞれ設けられるので、揺動部材3の揺動動作における各トーションバー4,4’の捩れに干渉してはならないように配置する必要がある。   The pair of structures 5 and 5 ′ has a function of providing a measurement reference plane Sr when measuring the position of the pair of torsion bars 4 and 4 ′ in the height direction of the micromirror element 1 as described above. It only fulfills. The pair of structures 5 and 5 ′ are not related to the original functional operation of each micromirror element 1 (operation to change the tilt angle θ of the mirror surface 311 by swinging the swinging member 3). Rather, the structures 5 and 5 ′ are provided below the torsion bars 4 and 4 ′, respectively, and therefore must not interfere with the torsion of the torsion bars 4 and 4 ′ during the swinging motion of the swinging member 3. It is necessary to arrange so that.

従って、構造体5については、
(1)SOI基板6の第2シリコン層62を加工し、少なくとも当該第2シリコン層62の境界面Spを残して形成する、
(2)各トーションバー4,4’の下部であって各トーションバー4,4’の捩れに干渉しない位置に形成する、
の条件を満たすものであれば、図2に示す構造に限定されるものではない。
Therefore, for structure 5,
(1) Processing the second silicon layer 62 of the SOI substrate 6 to form at least the boundary surface Sp of the second silicon layer 62;
(2) It is formed at a position below each torsion bar 4 and 4 'so as not to interfere with the twist of each torsion bar 4 and 4'.
The structure shown in FIG. 2 is not limited as long as the above condition is satisfied.

例えば、本実施形態では、各トーションバー4,4’がV字状をしているので、各構造体5,5’の断面形状を三角形の空間Kとほぼ同一の形状としたが、必ずしも各構造体5,5’の断面形状を三角形の空間Kと合わせる必要はない。例えば、各構造体5,5’の断面形状を台形状にしてもよい。   For example, in the present embodiment, each torsion bar 4, 4 ′ has a V shape, and thus the cross-sectional shape of each structure 5, 5 ′ is substantially the same as the triangular space K. It is not necessary to match the cross-sectional shape of the structures 5 and 5 ′ with the triangular space K. For example, the cross-sectional shape of each structural body 5, 5 ′ may be trapezoidal.

また、図7に示すように、構造体5を、V字形のトーションバー4の外側の下部に当該トーションバー4の外側形状に沿う一対の板部材5A,5Bで構成してもよい。この場合は、板部材5A,5Bの各上面S5A,S5Bが基準面Srとして機能する。さらに、構造体5を、図8に示すように、図2の構成と図7の構成を組み合わせた構成としてもよい。この場合、外側の板部材5A,5Bと内側の三角柱部材5Cの各上面S5A,S5B,S5Cが基準面Srとして機能する。上記のことは、構造体5’についても同様である。なお、図7(a)および図8(a)では、構造体5A〜5Cを見易くするために、フレーム2の部分は省略している。 Further, as shown in FIG. 7, the structure 5 may be configured by a pair of plate members 5 </ b> A and 5 </ b> B along the outer shape of the torsion bar 4 at the lower portion outside the V-shaped torsion bar 4. In this case, the upper surfaces S 5A and S 5B of the plate members 5A and 5B function as the reference surface Sr. Furthermore, as shown in FIG. 8, the structure 5 may have a configuration in which the configuration in FIG. 2 and the configuration in FIG. 7 are combined. In this case, the upper surfaces S 5A , S 5B and S 5C of the outer plate members 5A and 5B and the inner triangular prism member 5C function as the reference surface Sr. The same applies to the structure 5 ′. In FIGS. 7A and 8A, the portion of the frame 2 is omitted in order to make the structures 5A to 5C easier to see.

構造体5,5’は、マイクロミラー素子1のミラー面311を振動させる構成要素の観点から見れば、必ずしも必要な要素ではない。従って、構造体5,5’を可及的に軽量にし、ミラー面311の振動特性への影響をできるだけ少なくすることが好ましい。   The structures 5 and 5 ′ are not necessarily necessary elements from the viewpoint of the components that vibrate the mirror surface 311 of the micromirror element 1. Therefore, it is preferable to make the structures 5 and 5 ′ as light as possible and to reduce the influence on the vibration characteristics of the mirror surface 311 as much as possible.

この目的のため、例えば、図9に示すように、三角柱状の構造体5の内部を第2シリコン層62の面Sq側から刳り貫き、筒体にするとよい。筒状の構造体5は、第2シリコン層62に2段DRIE(deep reactive ion etching)プロセスを適用することによって形成することができる。構造体5’についても同様である。なお、図9は、構造体5の穴を見易くするために、底面側から描いている。また、構造体5を見易くするために、フレーム2の部分は省略している。   For this purpose, for example, as shown in FIG. 9, the inside of the triangular prism-like structure 5 may be penetrated from the surface Sq side of the second silicon layer 62 to form a cylinder. The cylindrical structure 5 can be formed by applying a two-stage DRIE (deep reactive ion etching) process to the second silicon layer 62. The same applies to the structure 5 '. In addition, FIG. 9 is drawn from the bottom side in order to make the hole of the structure 5 easy to see. Further, in order to make the structure 5 easy to see, the portion of the frame 2 is omitted.

ところで、SOI基板6を加工してマイクロミラー素子1を製造する場合、ローディング効果(エッチングにおける開口面積の差に起因して第1シリコン層61の除去速度が不均一とになり、各トーションバー4,4’のV字形が不均一になるという効果)を抑制するために、図10に示すように、各トーションバー4,4’の上部に、構造体5,5’と類似した形状の第2の構造体7がそれぞれ形成される場合がある。第2の構造体7は、トーションバー4と揺動軸32とで囲まれた三角形の空間Kと相似形で当該三角形よりも小さい三角形の断面形状を有する。   By the way, when manufacturing the micromirror element 1 by processing the SOI substrate 6, the loading effect (the removal rate of the first silicon layer 61 becomes non-uniform due to the difference in the opening area in the etching), and each torsion bar 4 , 4 ′ in order to suppress the non-uniform V-shape), as shown in FIG. 10, the top of each torsion bar 4, 4 ′ has a shape similar to that of the structures 5, 5 ′. 2 structures 7 may be formed. The second structure 7 has a triangular cross-sectional shape that is similar to the triangular space K surrounded by the torsion bar 4 and the swing shaft 32 and is smaller than the triangle.

本願発明に係る構造体5,5’は、第2の構造体7とはその目的が相違し、互いに干渉するものではないので、図10に示すように、第2の構造体7が形成されたマイクロミラー素子に対しても形成することができる。なお、図10では、構造体5および第2の構造体7を見易くするために、フレーム2の部分は省略している。   The structures 5 and 5 'according to the present invention are different in purpose from the second structure 7 and do not interfere with each other, so that the second structure 7 is formed as shown in FIG. It can also be formed for micromirror elements. In FIG. 10, the portion of the frame 2 is omitted in order to make the structure 5 and the second structure 7 easier to see.

次に、本発明に係るマイクロ構造体の適用例について説明する。   Next, application examples of the microstructure according to the present invention will be described.

光クロスコネクト装置などの各種の光通信用デバイスに適用される光スイッチの大規模化を実現するために、反射面の角度が制御可能な複数のマイクロティルトミラーアレイを用いた空間光結合型の光スイッチが知られている。本発明に係るマイクロ構造体の適用例としてこのような光スイッチが挙げられる。   In order to realize a large-scale optical switch applied to various optical communication devices such as optical cross-connect devices, a spatial optical coupling type using multiple micro tilt mirror arrays with controllable reflection surface angles Optical switches are known. An application example of the microstructure according to the present invention is such an optical switch.

図11,図12は、本発明に係るマイクロ構造体を適用したマイクロティルトミラーアレイを用いた光スイッチの一例を示す図である。図11は、マイクロティルトミラーアレイを用いた光スイッチの基本構成を示す図、図12は、同光スイッチの上面図である。
チである。
11 and 12 are diagrams showing an example of an optical switch using a micro tilt mirror array to which the microstructure according to the present invention is applied. FIG. 11 is a diagram showing a basic configuration of an optical switch using a micro tilt mirror array, and FIG. 12 is a top view of the optical switch.
It is Chi.

光スイッチ10は、光入出力部材11と、入出力光反射ミラー12と、折返しミラー13を有する。光入出力部材11は、光を入力させる光入力部11Aと光を出力させる光出力部11Bとを同一平面上に並設した部材である。光入力部11Aと光出力部11Bには、それぞれコリメータアレイが設けられている。各コリメータアレイは、複数のコリメータを格子状に配列したものである。   The optical switch 10 includes a light input / output member 11, an input / output light reflecting mirror 12, and a folding mirror 13. The light input / output member 11 is a member in which a light input portion 11A for inputting light and a light output portion 11B for outputting light are arranged in parallel on the same plane. Each of the light input unit 11A and the light output unit 11B is provided with a collimator array. Each collimator array has a plurality of collimators arranged in a grid.

入出力光反射ミラー12は、光入出力部材11の光入力部11Aから入力された光を折返しミラー13側に反射する入力光反射部12Aと折返しミラー13から戻された光を光入出力部材11の光出力部11B側に反射する出力光反射部12Bとを同一平面上に並設した部材である。入力光反射部12Aと出力光反射部12Bには、それぞれティルトミラーアレイが設けられている。各ティルトミラーアレイは、格子状に配列された複数のマイクロミラー素子である。そして、そのマイクロミラー素子は、上述した本願発明に係るマイクロミラー素子1によって構成されている。従って、入力光反射部12Aおよび出力光反射部12Bに形成された複数のマイクロミラー素子のそれぞれに、上述した構造体5,5’が形成されている。   The input / output light reflecting mirror 12 reflects the light input from the light input portion 11A of the light input / output member 11 to the folding mirror 13 side and the light returned from the folding mirror 13 to the light input / output member. 11 is a member in which the output light reflecting portion 12B that reflects to the light output portion 11B side is arranged in parallel on the same plane. Each of the input light reflecting portion 12A and the output light reflecting portion 12B is provided with a tilt mirror array. Each tilt mirror array is a plurality of micromirror elements arranged in a lattice pattern. And the micromirror element is comprised by the micromirror element 1 which concerns on this invention mentioned above. Therefore, the structures 5 and 5 ′ described above are formed in each of the plurality of micromirror elements formed in the input light reflecting portion 12 </ b> A and the output light reflecting portion 12 </ b> B.

入力光反射部12Aに設けられたティルトミラーアレイの各ミラー面の傾斜角を変化させることにより、入力光反射部12Aから折返しミラー13に反射される入力光の光路が変化する。同様に、出力光反射部12Bに設けられたティルトミラーアレイの各ミラー面の傾斜角を変化させることにより、出力光反射部12Bから光入出力部材11の光出力部11Bに反射される出力光の光路が変化する。従って、入力光反射部12Aおよび出力光反射部12Bの各ティルトミラーアレイの各ミラー面の傾斜角をそれぞれ制御することにより、光入出力部材11の光入力部11Aから入出力光反射ミラー12の入力光反射部12A、折返しミラー13および入出力光反射ミラー12の出力光反射部12Bを通って光入出力部材11の光出力部11Bに至る光路が制御される。これにより、入力する光の光入力部11Aにおけるコリメータアレイの入射位置とその光の光出力部11Bにおけるコリメータアレイの出射位置とが変化し、光路が切り換えられる。   By changing the inclination angle of each mirror surface of the tilt mirror array provided in the input light reflecting portion 12A, the optical path of the input light reflected from the input light reflecting portion 12A to the folding mirror 13 changes. Similarly, the output light reflected from the output light reflecting portion 12B to the light output portion 11B of the light input / output member 11 by changing the inclination angle of each mirror surface of the tilt mirror array provided in the output light reflecting portion 12B. The optical path changes. Therefore, by controlling the inclination angle of each mirror surface of each tilt mirror array of the input light reflecting portion 12A and the output light reflecting portion 12B, the light input portion 11A of the light input / output member 11 can be controlled by the input / output light reflecting mirror 12. The optical path from the input light reflecting portion 12A, the folding mirror 13 and the output light reflecting portion 12B of the input / output light reflecting mirror 12 to the light output portion 11B of the light input / output member 11 is controlled. As a result, the incident position of the collimator array in the light input section 11A of the input light and the emission position of the collimator array in the light output section 11B of the light change, and the optical path is switched.

光入出力部材11の光の入出力面の法線方向n1と、入出力光反射ミラー12の光の反射面の法線方向n2は非平行となるように設定されている。具体的には、光入出力部材11の光の入出力面と入出力光反射ミラー12の光の反射面のなす角度は略45度に設定されている。また、折返しミラー13は、略直角に開いた2つの反射面13Aと反射面13Bを有している。2つの反射面13Aと反射面13Bの開き角を略90度にすることによって入射光の伝播方向に平行な方向に光のビームが折り返されるので、光学系の設計を容易に行うことができる。折返しミラー13は、入出力光反射ミラー12に対して、一方の反射面13Aが入出力光反射ミラー12の入力光反射部12Aに対向し、他方の反射面13Bが入出力光反射ミラー12の出力光反射部12Bに対向するように配置されている。   The normal direction n1 of the light input / output surface of the light input / output member 11 and the normal direction n2 of the light reflection surface of the input / output light reflecting mirror 12 are set to be non-parallel. Specifically, the angle between the light input / output surface of the light input / output member 11 and the light reflection surface of the input / output light reflecting mirror 12 is set to approximately 45 degrees. The folding mirror 13 has two reflecting surfaces 13A and 13B that are opened at substantially right angles. By setting the opening angle of the two reflecting surfaces 13A and 13B to approximately 90 degrees, the light beam is folded back in the direction parallel to the propagation direction of the incident light, so that the optical system can be easily designed. In the folding mirror 13, one reflecting surface 13 A faces the input light reflecting portion 12 A of the input / output light reflecting mirror 12 and the other reflecting surface 13 B of the input / output light reflecting mirror 12 is opposite to the input / output light reflecting mirror 12. It arrange | positions so that the output light reflection part 12B may be opposed.

従って、図12において、入出力光反射ミラー12の各マイクロミラー素子のミラー面が反射面に平行であれば、例えば、光入出力部材11の光入力部11Aの入力位置aから上方に入力される光は、図12の光路T1で示されるように、入出力光反射ミラー12のミラー面で略直角に右方向に反射されて折返しミラー13の反射面13Aに入射される。反射面13Aに入射した光は、略直角に上方に反射されて反射面13Bに入射され、反射面13Bで略直角に左方向に反射されて入出力光反射ミラー12の出力光反射部12Bに入射される。そして、出力光反射部12Bで略直角に下方に反射されて光入出力部材11の光出力部11Bの出力位置bから出力される。   Accordingly, in FIG. 12, if the mirror surface of each micromirror element of the input / output light reflecting mirror 12 is parallel to the reflecting surface, for example, the light is input upward from the input position a of the light input portion 11A of the light input / output member 11. As shown by the optical path T <b> 1 in FIG. 12, the reflected light is reflected to the right by the mirror surface of the input / output light reflecting mirror 12 at a substantially right angle and is incident on the reflecting surface 13 </ b> A of the folding mirror 13. The light incident on the reflecting surface 13A is reflected upward at a substantially right angle and incident on the reflecting surface 13B. The light is reflected at the reflecting surface 13B in the left direction at a substantially right angle and is reflected on the output light reflecting portion 12B of the input / output light reflecting mirror 12. Incident. Then, the light is reflected downward at a substantially right angle by the output light reflecting portion 12B and output from the output position b of the light output portion 11B of the light input / output member 11.

一方、入出力光反射ミラー12の各マイクロミラー素子のミラー面を反射面に対して傾斜させると、例えば、図12の光路T2で示されるように、光路が変化し、光入出力部材11の光入力部11Aの入力位置aから入射された光は、光出力部11Bの出力位置b’から出力される。すなわち、光出力部11Bにおける出力位置が出力位置bから出力位置b’に切り換えられる。   On the other hand, when the mirror surface of each micromirror element of the input / output light reflecting mirror 12 is tilted with respect to the reflecting surface, for example, as shown by the optical path T2 in FIG. The light incident from the input position a of the light input unit 11A is output from the output position b ′ of the light output unit 11B. That is, the output position in the light output unit 11B is switched from the output position b to the output position b '.

光スイッチ10は、光入出力部材11、入出力光反射ミラー12および折返しミラー13の相互の配置関係を図12に示す配置関係にすることにより、光スイッチ10内における光の空間伝播距離を長くすることなく、光入出力部材11、入出力光反射ミラー12および折返しミラー13を一体化してコンパクトに構成される。特に、光入出力部材11の光の入出力面と入出力光反射ミラー12の光の反射面のなす角度を略45度に設定することにより、入出力光反射ミラー12の各マイクロミラー素子の光の振れ角に対する、入出力光反射ミラー12と折返しミラー13との間における光路の長さを最も短くすることができる。   In the optical switch 10, the spatial propagation distance of light in the optical switch 10 is increased by setting the mutual positional relationship of the light input / output member 11, the input / output light reflecting mirror 12 and the folding mirror 13 to the positional relationship shown in FIG. 12. The light input / output member 11, the input / output light reflecting mirror 12, and the folding mirror 13 are integrated into a compact configuration. In particular, by setting the angle formed by the light input / output surface of the light input / output member 11 and the light reflection surface of the input / output light reflection mirror 12 to approximately 45 degrees, each micromirror element of the input / output light reflection mirror 12 The length of the optical path between the input / output light reflecting mirror 12 and the folding mirror 13 with respect to the light deflection angle can be minimized.

なお、光入出力部材11のコリメータアレイの配列方向(図12のN1の方向)、入出力光反射ミラー12のマイクロティルトミラーアレイの配列方向(図12のN2の方向)、および折返しミラー13の光路のシフト方向(図12のN3の方向)がそれぞれ入出力光反射ミラー12の法線方向n2と光入出力部材11から入力される光の伝播方向とを含む基準平面に対して平行になるようにしてもよい。あるいは、基準平面に対して上記のN1〜N3の各方向が垂直なるようにしてもよい。この場合は、光スイッチ10内の光の空間伝播距離を更に短くすることができる。   The arrangement direction of the collimator array of the light input / output member 11 (direction N1 in FIG. 12), the arrangement direction of the micro tilt mirror array of the input / output light reflection mirror 12 (direction N2 in FIG. 12), and the folding mirror 13 The optical path shift direction (direction N3 in FIG. 12) is parallel to a reference plane including the normal direction n2 of the input / output light reflecting mirror 12 and the propagation direction of light input from the light input / output member 11. You may do it. Alternatively, the directions N1 to N3 may be perpendicular to the reference plane. In this case, the spatial propagation distance of light in the optical switch 10 can be further shortened.

次に、光スイッチの他の例として、波長毎に光路切換えを行うための光スイッチが挙げられる。このような光スイッチ(以下、「波長選択スイッチ」という。)は、例えば、図13に示す波長分割多重(WDM:Wavelength Division Multiplexing)通信用のメッシュ型ネットワーク15における各ノードに配置される波長選択スイッチモジュール17内に設けられる。   Next, as another example of the optical switch, an optical switch for performing optical path switching for each wavelength can be cited. Such an optical switch (hereinafter referred to as “wavelength selective switch”) is, for example, a wavelength selector arranged in each node in a mesh network 15 for wavelength division multiplexing (WDM) communication shown in FIG. Provided in the switch module 17.

メッシュ型ネットワーク15は、合波部16と、波長選択スイッチモジュール17と、分波部18とを有する。合波部16は、複数の異なる光伝送路(例えば、光ファイバーなど)によって伝送された波長の異なる複数の光を合わせて1本の光伝送路に出力するものである。一方、分波部18は、1本の光伝送路によって伝送された異なる複数の波長を含む光から各波長の光を分光し、複数の光伝送路にそれぞれ出力するものである。波長選択スイッチモジュール17は、波長毎のクロス・バースイッチとして機能するものである。   The mesh network 15 includes a multiplexing unit 16, a wavelength selective switch module 17, and a demultiplexing unit 18. The multiplexing unit 16 combines a plurality of lights having different wavelengths transmitted through a plurality of different optical transmission paths (for example, optical fibers) and outputs the combined light to one optical transmission path. On the other hand, the demultiplexing unit 18 separates light of each wavelength from light including a plurality of different wavelengths transmitted through one optical transmission path, and outputs the light to each of the plurality of optical transmission paths. The wavelength selective switch module 17 functions as a cross bar switch for each wavelength.

波長選択スイッチモジュール17は、例えば、図14に示すように、入力伝送路に接続される入力ポート数(図14では2個)に対応して設けられる複数の分波部171と、出力伝送路に接続される出力ポート数(図14では2個)に対応して設けられる複数の合波部173と、分波部171と合波部173との間に設けられ、各分波部171から出力される波長毎に分光された複数の光の複数の合波部173への出力先を切り換える複数の2×2光スイッチ172とを備えている。2×2光スイッチ172の数nは、分波部171で分光される波長の数nに対応している。   For example, as shown in FIG. 14, the wavelength selective switch module 17 includes a plurality of demultiplexing units 171 provided corresponding to the number of input ports (two in FIG. 14) connected to the input transmission path, and an output transmission path. Are provided between a plurality of multiplexing units 173 provided corresponding to the number of output ports (two in FIG. 14), and between the demultiplexing unit 171 and the multiplexing unit 173. And a plurality of 2 × 2 optical switches 172 that switch output destinations of a plurality of light beams separated for each output wavelength to a plurality of multiplexing units 173. The number n of 2 × 2 optical switches 172 corresponds to the number n of wavelengths that are split by the demultiplexing unit 171.

図14では、第1の分波部171は、第1の入力ポートP1から入力されるn個の波長を含む光(WDM光)から各波長の光を取り出し、n個の2×2光スイッチ172にそれぞれ入力する。第2の分波部171は、第2の入力ポートP2から入力されるn個の波長を含むWDM光から各波長の光を取り出し、n個の2×2光スイッチ172にそれぞれ入力する。   In FIG. 14, the first demultiplexing unit 171 takes out light of each wavelength from light (WDM light) including n wavelengths input from the first input port P1, and n 2 × 2 optical switches. Input to 172 respectively. The second demultiplexing unit 171 takes out light of each wavelength from the WDM light including n wavelengths input from the second input port P2, and inputs the light to the n 2 × 2 optical switches 172, respectively.

一方、第1の合波部173は、n個の2×2光スイッチ172からそれぞれ入力される波長の異なる複数の光を多重化して第1の出力ポートQ1から外部に出力する。第2の合波部173は、n個の2×2光スイッチ172からそれぞれ入力される波長の異なる複数の光を多重化して第2の出力ポートQ2から外部に出力する。   On the other hand, the first multiplexing unit 173 multiplexes a plurality of lights having different wavelengths respectively input from the n 2 × 2 optical switches 172, and outputs the multiplexed light from the first output port Q1 to the outside. The second multiplexing unit 173 multiplexes a plurality of lights having different wavelengths respectively input from the n 2 × 2 optical switches 172, and outputs the multiplexed light from the second output port Q2 to the outside.

また、2×2光スイッチ172は、2個の分波部171からそれぞれ入力される所定波長の光の2個の合波部173への出力切換え(クロス出力またはバー出力)を行う。   The 2 × 2 optical switch 172 performs output switching (cross output or bar output) to the two multiplexing units 173 of light having a predetermined wavelength respectively input from the two demultiplexing units 171.

波長選択スイッチモジュール17では、例えば、第1の入力ポートP1に波長λ2,λ5,λ6のWDM光が入力され、第2の入力ポートP2に波長λ1,λ3,λ4,λ7のWDM光が入力された場合、第1の分波部171で波長λ2、λ5、λ6の光に分光され、各波長の光が各波長に対応する3個の2×2光スイッチ172(図14で、上下に並ぶ2×2光スイッチ172に上から番号を付すと、2番目、5番目、6番目の2×2光スイッチ172)に入力される。また、第2の分波部171で波長λ1、λ3、λ4,λ7の光に分光され、各波長の光が1番目、3番目、4番目、7番目の2×2光スイッチ172にそれぞれ入力される。   In the wavelength selective switch module 17, for example, WDM lights with wavelengths λ2, λ5, and λ6 are input to the first input port P1, and WDM lights with wavelengths λ1, λ3, λ4, and λ7 are input to the second input port P2. In this case, the first demultiplexing unit 171 splits the light into wavelengths λ2, λ5, and λ6, and the light of each wavelength is arranged in three 2 × 2 optical switches 172 corresponding to each wavelength (in FIG. When the 2 × 2 optical switch 172 is numbered from the top, it is input to the second, fifth and sixth 2 × 2 optical switches 172). In addition, the light is split into light of wavelengths λ1, λ3, λ4, and λ7 by the second demultiplexing unit 171, and the light of each wavelength is input to the first, third, fourth, and seventh 2 × 2 optical switches 172, respectively. Is done.

1番目から7番目の2×2光スイッチ172では、それぞれ制御信号に基づいて入力された各波長の光の出力先が切り換えられる。図14の例では、2番目、5番目、6番目の各2×2光スイッチ172では波長λ2,λ5の光は第2の合波部173に出力され、波長λ6の光は第1の合波部173に出力される。一方、1番目、3番目、4番目、7番目の各2×2光スイッチ172では波長λ1,λ4の光は第1の合波部173に出力され、波長λ3,λ7の光は第2の合波部173に出力される。従って、第1の出力ポートQ1からは第1の合波部173で波長λ1,λ4,λ6の光を多重化した光が出力され、第2の出力ポートQ2からは第2の合波部173で波長λ2,λ3,λ5,λ7の光を多重化した光が出力される。   In the first to seventh 2 × 2 optical switches 172, the output destinations of the light of each wavelength input based on the control signal are switched. In the example of FIG. 14, the second, fifth, and sixth 2 × 2 optical switches 172 output the light of wavelengths λ2 and λ5 to the second multiplexing unit 173, and the light of wavelength λ6 It is output to the wave unit 173. On the other hand, in each of the first, third, fourth, and seventh 2 × 2 optical switches 172, the light of wavelengths λ1 and λ4 is output to the first multiplexer 173, and the light of wavelengths λ3 and λ7 is the second The signal is output to the multiplexing unit 173. Accordingly, the first output port Q1 outputs the light multiplexed with the light having the wavelengths λ1, λ4, and λ6 by the first multiplexer 173, and the second output port Q2 outputs the second multiplexer 173. As a result, light multiplexed with wavelengths λ2, λ3, λ5, and λ7 is output.

なお、図14に記載の利得等化機能のブロックは、例えば、2×2光スイッチ172内の出力用光伝送路(光ファイバー)への集光位置をコア中心から適宜ずらすことによってコアへの光結合量を変化させ、各波長の光の利得の調整を行うものである。   Note that the gain equalization function block shown in FIG. 14 includes, for example, the light to the core by appropriately shifting the condensing position on the output optical transmission line (optical fiber) in the 2 × 2 optical switch 172 from the core center. The amount of coupling is changed to adjust the gain of light of each wavelength.

次に、波長選択スイッチモジュール17の具体構成について説明する。   Next, a specific configuration of the wavelength selective switch module 17 will be described.

図15は、波長選択スイッチモジュール17の基本構成を示す斜視図である。また、図16は、波長選択スイッチモジュール17内の構成要素である分光器を示す要部断面図、図17は、マイクロミラーアレイユニットにおけるマイクロミラー素子のアレイ構造を模式的に示した図である。   FIG. 15 is a perspective view showing a basic configuration of the wavelength selective switch module 17. FIG. 16 is a cross-sectional view of a main part showing a spectroscope which is a component in the wavelength selective switch module 17, and FIG. 17 is a diagram schematically showing an array structure of micromirror elements in the micromirror array unit. .

波長選択スイッチモジュール17は、基板1701上にマウントされた、光の入出力を行う光学系を構成するコリメータアレイ1702、入力されたWDM光を波長毎に分光するための分光光学系を構成する分光器1703、集光光学系を構成する集光レンズ1704および光スイッチング素子であるマイクロミラーアレイユニット1705を有している。   The wavelength selective switch module 17 is mounted on a substrate 1701, a collimator array 1702 constituting an optical system for inputting and outputting light, and a spectroscopic component constituting a spectroscopic optical system for dispersing input WDM light for each wavelength. 1703, a condensing lens 1704 constituting a condensing optical system, and a micromirror array unit 1705 which is an optical switching element.

コリメータアレイ1702は、例えば、ガラス基板の一方の面に一列に配列された複数(図15では4個)のマイクロレンズ(コリメートレンズ、以下、単に「レンズ」という。)を形成し、他方の面の各レンズに対する部分に、レンズ中心にファイバ中心を一致させて接着や融着等により複数(図15では4個)の光ファイバー1702A,1702Bを接続した構成を有する。複数の光ファイバーは、一部が光入力用であり、残りが光出力用である。図15では、上側2段の2つの光ファイバー1702Aが光入力用で、下側2段の2つの光ファイバー1702Bが光出力用である。   The collimator array 1702 forms, for example, a plurality (four in FIG. 15) of microlenses (collimator lenses, hereinafter simply referred to as “lenses”) arranged in a line on one surface of a glass substrate, and the other surface. A plurality of (four in FIG. 15) optical fibers 1702A and 1702B are connected to the respective lens portions by aligning the fiber center with the center of the lens and bonding or fusing. Some of the plurality of optical fibers are for light input, and the rest are for light output. In FIG. 15, two optical fibers 1702A in the upper two stages are for light input, and two optical fibers 1702B in the lower two stages are for light output.

従って、光入力用の光ファイバー1702Aの一方が、図14における上側の分波部171に接続され、光入力用の光ファイバー1702Aの他方が、図14における下側の分波部171に接続される。また、光出力用の光ファイバー1702Bの一方が、図14における上側の合波部173に接続され、光出力用の光ファイバー1702Bの他方が、図14における下側の合波部173に接続される。   Accordingly, one of the optical fibers for optical input 1702A is connected to the upper branching unit 171 in FIG. 14, and the other of the optical fibers for optical input 1702A is connected to the lower branching unit 171 in FIG. Further, one of the optical fibers for optical output 1702B is connected to the upper combining unit 173 in FIG. 14, and the other of the optical fibers for optical output 1702B is connected to the lower combining unit 173 in FIG.

分光器1703は、入射光を波長によって異なる方向(角度)に反射するものである。分光器1703には、回折格子が用いられている。回折格子は、図16に示すように、ガラス基板1703A上に平行な多数の溝1703Bを周期的に刻んだ光学素子である。回折格子は、光の回折現象を利用して、一定の入射角度αで入射される複数の波長成分に対して、波長毎に異なる出射角度βで反射する。これにより、入射されるWDM光は、含まれる波長が分離される。   The spectroscope 1703 reflects incident light in different directions (angles) depending on the wavelength. The spectroscope 1703 uses a diffraction grating. As shown in FIG. 16, the diffraction grating is an optical element in which a large number of parallel grooves 1703B are periodically engraved on a glass substrate 1703A. The diffraction grating reflects a plurality of wavelength components incident at a constant incident angle α by using a light diffraction phenomenon at an emission angle β different for each wavelength. As a result, the included wavelength of the incident WDM light is separated.

なお、図16に示す回折格子は、回折効率を高めるために、溝1703Bを鋸波状としたフレーズ型回折格子と呼ばれるものである。図16に示す回折格子は反射型であるが、透過型の回折格子を用いることもできる。   Note that the diffraction grating shown in FIG. 16 is a phrase-type diffraction grating in which the groove 1703B is sawtoothed in order to increase diffraction efficiency. The diffraction grating shown in FIG. 16 is a reflection type, but a transmission type diffraction grating can also be used.

集光レンズ1704は、分光器1703により分光された各波長の光をマイクロミラーアレイユニット1705内の所定のマイクロミラーに集光する一方、マイクロミラーアレイユニット1705内のいずれかのマイクロミラーで反射された光を分光器1703に集光するものである。   The condensing lens 1704 condenses the light of each wavelength separated by the spectroscope 1703 onto a predetermined micromirror in the micromirror array unit 1705, and is reflected by any one of the micromirrors in the micromirror array unit 1705. The collected light is condensed on the spectroscope 1703.

マイクロミラーアレイユニット1705は、分光器1703によって集光される光の反射方向を切り換えるものである。マイクロミラーアレイユニット1705には、図17に示すように、本発明に係るマイクロ構造体で構成されるマイクロミラー素子が複数個、所定の間隔Pで一列に配列されている。なお、図17は、マイクロミラー素子のアレイ構造を模式的に示したもので、複数の枠が所定のピッチで一列に配列された枠体1705Aの各枠内にマイクロミラー素子1705Bを揺動可能に支持した構成として描いている。   The micromirror array unit 1705 switches the reflection direction of the light collected by the spectroscope 1703. In the micromirror array unit 1705, as shown in FIG. 17, a plurality of micromirror elements constituted by the microstructure according to the present invention are arranged in a line at a predetermined interval P. FIG. 17 schematically shows the array structure of the micromirror elements, and the micromirror elements 1705B can be swung in each frame of a frame 1705A in which a plurality of frames are arranged in a line at a predetermined pitch. It is depicted as a configuration that supports it.

マイクロミラーアレイユニット1705は、各マイクロミラー素子1705Bのミラー面の傾斜角を変更することにより、図18に示すように、分光器1703によって集光される光の反射方向を切り換え、これにより2つの光入力用の光ファイバー1702Aと2つの光出力用の光ファイバー1702Bの対応関係を切り換える。   The micromirror array unit 1705 switches the reflection direction of the light collected by the spectroscope 1703 as shown in FIG. 18 by changing the tilt angle of the mirror surface of each micromirror element 1705B. The correspondence relationship between the optical fiber for optical input 1702A and the two optical fibers for optical output 1702B is switched.

図18の例では、同図(a)では、光入力用の第1の光ファイバー1702Aから入射した光が分光器1703および集光レンズ1704を通ってマイクロミラーアレイユニット1705に入射されると、その光は光出力用の第2の光ファイバー1702Bに対応する光路に向かう所定の角度で反射される。従って、マイクロミラーアレイユニット1705からの反射光は、集光レンズ1704および分光器1703によって光出力用の第2の光ファイバー1702Bに導かれ、その第2の光ファイバー1702Bから出力される。   In the example of FIG. 18, when light incident from the first optical fiber 1702A for light input passes through the spectroscope 1703 and the condenser lens 1704 and enters the micromirror array unit 1705 in the example of FIG. The light is reflected at a predetermined angle toward the optical path corresponding to the second optical fiber 1702B for light output. Accordingly, the reflected light from the micromirror array unit 1705 is guided to the second optical fiber 1702B for light output by the condenser lens 1704 and the spectroscope 1703, and is output from the second optical fiber 1702B.

一方、同図(b)は、同図(a)の状態に対してマイクロミラーアレイユニット1705のミラー面を上方に傾けたもので、これによりマイクロミラーアレイユニット1705での反射角が同図(a)の場合よりも小さくなり、マイクロミラーアレイユニット1705で反射した光が集光レンズ1704で集光される位置は同図(a)の場合よりも上に移動し、光出力用の第1の光ファイバー1702Bに対応するようになる。従って、マイクロミラーアレイユニット1705からの反射光は、集光レンズ1704および分光器1703によって光出力用の第1の光ファイバー1702Bに導かれ、その第1の光ファイバー1702Bから出力される。   On the other hand, FIG. 6B shows the state in which the mirror surface of the micromirror array unit 1705 is tilted upward with respect to the state of FIG. The position where the light reflected by the micromirror array unit 1705 is condensed by the condenser lens 1704 moves to a position higher than that in the case of FIG. This corresponds to the optical fiber 1702B. Accordingly, the reflected light from the micromirror array unit 1705 is guided to the first optical fiber 1702B for light output by the condenser lens 1704 and the spectroscope 1703, and is output from the first optical fiber 1702B.

なお、マイクロミラーアレイユニット1705における各マイクロミラー素子のミラー面の角度制御は、マイクロミラー素子1のミラー面311の角度制御で説明したように、制御回路によりマイクロミラー素子毎に設けられる駆動回路への制御信号を制御することにより行われる。   The angle control of the mirror surface of each micromirror element in the micromirror array unit 1705 is performed by the control circuit to the drive circuit provided for each micromirror element as described in the angle control of the mirror surface 311 of the micromirror element 1. This is done by controlling the control signal.

なお、マイクロミラーアレイユニット1705の各ミラー面には、分光器1703によって分光された光が集光されるから、各ミラー面の傾斜角を制御することにより、波長毎に出力用の光ファイバー1702Bが切り換えられることになる。   Since the light dispersed by the spectroscope 1703 is condensed on each mirror surface of the micromirror array unit 1705, the output optical fiber 1702B is controlled for each wavelength by controlling the inclination angle of each mirror surface. It will be switched.

また、マイクロミラーアレイユニット1705の各ミラー面の傾斜角を調整することにより、集光レンズ1704および分光器1703を経由して集光される出力用の光ファイバー1702Bの集光位置が変化する。この集光位置が出力用の光ファイバー1702Bのコア中心からずれると、光結合量が変化する。従って、マイクロミラーアレイユニット1705の各ミラー面の傾斜角を調整することにより、図14に示した利得等化機能が実現される。   Further, by adjusting the inclination angle of each mirror surface of the micromirror array unit 1705, the condensing position of the optical fiber 1702B for output condensed through the condensing lens 1704 and the spectroscope 1703 changes. When this condensing position shifts from the core center of the output optical fiber 1702B, the amount of optical coupling changes. Therefore, the gain equalization function shown in FIG. 14 is realized by adjusting the inclination angle of each mirror surface of the micromirror array unit 1705.

次に、本発明に係るマイクロ構造体の適用例として、コリオリ力を利用した振動型で二重ジンバル構造を有する角速度センサについて説明する。   Next, as an application example of the microstructure according to the present invention, a vibration type angular velocity sensor using a Coriolis force and having a double gimbal structure will be described.

角速度センサは、物体に加わる回転角速度を検出するためのセンサである。角速度センサは、ビデオカメラの手振れ検出や、カーナビゲーション、サイドエアバック開放タイミング用のロール角検出、車やロボットの姿勢検出などに使用される。   An angular velocity sensor is a sensor for detecting a rotational angular velocity applied to an object. The angular velocity sensor is used for camera shake detection of a video camera, car navigation, roll angle detection for side air bag opening timing, attitude detection of a car or a robot, and the like.

図19は、本発明に係るマイクロ構造体を適用した角速度センサの基本構造を示す上面図である。   FIG. 19 is a top view showing a basic structure of an angular velocity sensor to which the microstructure according to the present invention is applied.

角速度センサ20は、矩形状のフレーム枠21と、このフレーム枠21の内側に揺動自在に支持され、矩形の枠形状を有する第1のジンバル部22と、この第1のジンバル部22の内側に揺動自在に支持される矩形形状の第2のジンバル部23を備えている。   The angular velocity sensor 20 includes a rectangular frame 21, a first gimbal portion 22 having a rectangular frame shape, and a first gimbal portion 22 having a rectangular frame shape. A second gimbal portion 23 having a rectangular shape supported so as to be swingable is provided.

第1のジンバル部22は、相対する一組の側面22a,22c(図19では、上下の側面)の中央に凹部がそれぞれ形成されている。第1のジンバル部22の各凹部はトーションバー24によってフレーム枠21に接続されている。他の相対する一組の側面22b,22d(図19では、左右の側面)にはそれぞれ櫛歯電極221,222が形成されている。一方、フレーム枠21の第1のジンバル部22の側面22bに対向する側面には、櫛歯が櫛歯電極221の櫛歯と噛み合うように、櫛歯電極211が形成されている。フレーム枠21の第1のジンバル部22の側面22dに対向する側面には、櫛歯が櫛歯電極222の櫛歯と噛み合うように櫛歯電極212が形成されている。   The first gimbal portion 22 has a recess formed at the center between a pair of opposing side surfaces 22a and 22c (upper and lower side surfaces in FIG. 19). Each concave portion of the first gimbal portion 22 is connected to the frame frame 21 by a torsion bar 24. Comb electrodes 221 and 222 are formed on the other pair of side surfaces 22b and 22d (left and right side surfaces in FIG. 19), respectively. On the other hand, a comb electrode 211 is formed on the side surface of the frame frame 21 that faces the side surface 22 b of the first gimbal portion 22 so that the comb teeth mesh with the comb teeth of the comb electrode 221. A comb-tooth electrode 212 is formed on the side surface of the frame frame 21 that faces the side surface 22 d of the first gimbal portion 22 so that the comb teeth mesh with the comb teeth of the comb-tooth electrode 222.

第2のジンバル部23は、相対する一組の側面23b,23d(図19では、左右の側面)の中央に凹部がそれぞれ形成されている。第2のジンバル部23の各凹部はトーションバー25によって第1のジンバル部22に接続されている。他の相対する一組の側面23a,23c(図19では、上下の側面)にはそれぞれ櫛歯電極231,232が形成されている。一方、第1のジンバル部23の第2のジンバル部23の側面23aに対向する内側の側面には、櫛歯が櫛歯電極231の櫛歯と噛み合うように櫛歯電極223が形成されている。第1のジンバル部22の第2のジンバル部23の側面22cに対向する内側の側面には、櫛歯が櫛歯電極232の櫛歯と噛み合うように櫛歯電極224が形成されている。   The second gimbal portion 23 has a recess formed at the center between a pair of opposing side surfaces 23b and 23d (left and right side surfaces in FIG. 19). Each recess of the second gimbal part 23 is connected to the first gimbal part 22 by a torsion bar 25. Comb electrodes 231 and 232 are respectively formed on another pair of opposing side surfaces 23a and 23c (upper and lower side surfaces in FIG. 19). On the other hand, on the inner side surface of the first gimbal portion 23 that faces the side surface 23a of the second gimbal portion 23, a comb tooth electrode 223 is formed so that the comb teeth mesh with the comb teeth of the comb tooth electrode 231. . A comb-tooth electrode 224 is formed on the inner side surface of the first gimbal portion 22 that faces the side surface 22 c of the second gimbal portion 23 so that the comb teeth mesh with the comb teeth of the comb-tooth electrode 232.

なお、図19では、トーションバー24,25を1本の棒材で描いているが、トーションバー24,25は、図1に示すトーションバー4と同様に、V字状をなす一対の棒材で構成される。   In FIG. 19, the torsion bars 24 and 25 are drawn with a single bar, but the torsion bars 24 and 25 are a pair of V-shaped bars as in the torsion bar 4 shown in FIG. Consists of.

角速度センサ20は、図20に示すように、トーションバー25の軸方向をX軸、トーションバー24の軸方向をY軸、X軸およびY軸に垂直な方向をZ軸とすると、櫛歯電極211と櫛歯電極221の間への駆動電圧の印加と、櫛歯電極212と櫛歯電極222の間への駆動電圧の印加とを交互に行うことにより、第1のジンバル部22をY軸を中心に振動させて使用する。このとき、第2のジンバル部23は、X軸周りの回転力が作用しなければ、第1のジンバル部22と一体的にY軸を中心に振動する。すなわち、第1のジンバル部22(以下、「駆動ジンバル部22」という。)に対して第2のジンバル部23(以下、「検出ジンバル部23」という。)が傾くことはない。   As shown in FIG. 20, the angular velocity sensor 20 has a comb-teeth electrode when the axial direction of the torsion bar 25 is the X axis, the axial direction of the torsion bar 24 is the Y axis, and the direction perpendicular to the X axis and the Y axis is the Z axis. The first gimbal portion 22 is moved in the Y-axis direction by alternately applying a drive voltage between 211 and the comb electrode 221 and applying a drive voltage between the comb electrode 212 and the comb electrode 222. Vibrating around the center. At this time, the second gimbal portion 23 vibrates around the Y axis integrally with the first gimbal portion 22 unless the rotational force around the X axis acts. That is, the second gimbal part 23 (hereinafter referred to as “detection gimbal part 23”) does not tilt with respect to the first gimbal part 22 (hereinafter referred to as “drive gimbal part 22”).

この状態で、Z軸を中心に回転角速度Ωzが加わると、Y軸に直交する方向にコリオリ力が発生し、このコリオリ力が検出ジンバル部23にX軸周りの回転力として作用し、検出ジンバル部23がX軸を中心に振動する。なお、駆動ジンバル部22は、X軸周りに回転できないので、コリオリ力により揺動することはない。検出ジンバル部23のX軸を中心とした振動により、櫛歯電極231と櫛歯電極223との間の静電容量(または電極間の電位)と、櫛歯電極232と櫛歯電極224との間の静電容量(または電極間の電位)とが変化する。検出ジンバル部23の振動の振幅、すなわち、X軸周りの変位角θxは静電容量(または電極間の電位)の変化幅に比例するとともに、コリオリ力に比例するから、静電容量(または電極間の電位)の変化幅は変位角度θxに比例する。従って、静電容量の変化幅または電極間の電位の変化幅を検出することにより、回転角速度Ωzが検出される。   In this state, when a rotational angular velocity Ωz is applied around the Z axis, a Coriolis force is generated in a direction perpendicular to the Y axis, and this Coriolis force acts on the detection gimbal portion 23 as a rotational force around the X axis, thereby detecting the gimbal. The part 23 vibrates around the X axis. Note that the drive gimbal portion 22 cannot rotate around the X axis, and therefore does not swing due to the Coriolis force. Due to the vibration around the X axis of the detection gimbal portion 23, the capacitance between the comb electrode 231 and the comb electrode 223 (or the potential between the electrodes), the comb electrode 232 and the comb electrode 224 The capacitance between them (or the potential between the electrodes) changes. The amplitude of vibration of the detection gimbal portion 23, that is, the displacement angle θx around the X axis is proportional to the change width of the capacitance (or the potential between the electrodes) and proportional to the Coriolis force. The change width of the potential between them is proportional to the displacement angle θx. Therefore, the rotational angular velocity Ωz is detected by detecting the change width of the capacitance or the change width of the potential between the electrodes.

角速度センサ20においてもトーションバー24、25の高さ方向における位置と形状が駆動ジンバル部22および検出ジンバル部23の振動特性に影響を与えることはマイクロミラー素子1の場合と同様である。従って、SOI基板を用いてバルクマイクロマニシング技術により角速度センサ20を製造する場合は、トーションバー24、25の下部の当該トーションバー24、25の捩れ動作に干渉しない位置にトーションバー24、25の位置測定用の基準面Srを与える構造体5,5’を形成することにより、トーションバー24、25の位置を正確に測定することができる。   Also in the angular velocity sensor 20, the position and shape of the torsion bars 24, 25 in the height direction affect the vibration characteristics of the drive gimbal part 22 and the detection gimbal part 23 as in the case of the micromirror element 1. Therefore, when the angular velocity sensor 20 is manufactured by the bulk micromachining technique using the SOI substrate, the torsion bars 24 and 25 are disposed at positions where the torsion bars 24 and 25 below the torsion bars 24 and 25 do not interfere with the twisting operation. By forming the structures 5 and 5 ′ that give the reference surface Sr for position measurement, the positions of the torsion bars 24 and 25 can be accurately measured.

上記のように、本発明は、バルクマイクロマニシング技術によりSOI基板を加工してフレームにトーションバーを介して揺動自在に揺動部材を支持する構造のマイクロ構造体に広く適用できるものである。従って、上記実施形態として開示したマイクロミラー素子や角速度センサに限定されるものではなく、加速度センサなどの他の振動素子にも適用することができる。   As described above, the present invention can be widely applied to a microstructure having a structure in which an SOI substrate is processed by bulk micromachining technology and a swing member is supported swingably on a frame via a torsion bar. . Therefore, the present invention is not limited to the micromirror element and the angular velocity sensor disclosed as the above embodiment, and can be applied to other vibration elements such as an acceleration sensor.

また、上記実施形態では、1つの絶縁層を挟んで2つのシリコン層を積層したSOI基板を用いる場合について説明したが、SOI基板の積層構造はこれに限定されるものではなく、複数の絶縁層と複数の導体層とを交互に積層した構造であってもよい。   In the above embodiment, the case where an SOI substrate in which two silicon layers are stacked with one insulating layer interposed therebetween is used, but the stacked structure of the SOI substrate is not limited to this, and a plurality of insulating layers is used. And a structure in which a plurality of conductor layers are alternately laminated.

上記実施形態に関し、さらに以下の付記を開示する。   Regarding the above embodiment, the following additional notes are disclosed.

(付記1)
枠形状の固定部とこの固定部内に一対のトーションバーにより揺動自在に支持された揺動部を備え、絶縁層を挟んで二つの導体層を積層してなるSOI基板に前記固定部および前記揺動部を形成する加工を施して製造されるマイクロ構造体において、前記一対のトーションバーは、一方の導体層の前記絶縁層に接する位置に当該導体層よりも薄い厚みで形成され、他方の導体層の各トーションバーの下側に位置し、当該トーションバーの捩れ動作と干渉しない部分に、当該導体層と同一の厚みを有する構造体をそれぞれ設けた、マイクロ構造体。
(Appendix 1)
A frame-shaped fixing portion and a swinging portion supported in a swingable manner by a pair of torsion bars in the fixing portion, and an SOI substrate formed by laminating two conductor layers with an insulating layer interposed therebetween, In the microstructure manufactured by processing to form the swinging portion, the pair of torsion bars are formed at a position that is in contact with the insulating layer of one conductor layer with a thickness thinner than the conductor layer, A micro structure in which a structure having the same thickness as the conductor layer is provided in a portion that is located below each torsion bar of the conductor layer and does not interfere with the twisting operation of the torsion bar.

(付記2)
前記構造体のトーションバーを臨む面を当該トーションバーの前記一方の導体層の厚み方向における位置の基準面とする、付記1に記載のマイクロ構造体。
(Appendix 2)
The microstructure according to appendix 1, wherein a surface of the structure facing the torsion bar is a reference surface at a position in the thickness direction of the one conductor layer of the torsion bar.

(付記3)
前記構造体は、前記固定部および前記揺動部の両方の前記他方の導体層に形成されている、付記1または2に記載のマイクロ構造体。
(Appendix 3)
The microstructure according to appendix 1 or 2, wherein the structure is formed on the other conductor layer of both the fixed portion and the swinging portion.

(付記4)
前記構造体は、前記固定部または前記揺動部のいずれか一方の前記他方の導体層に形成されている、付記1または2に記載のマイクロ構造体。
(Appendix 4)
The microstructure according to appendix 1 or 2, wherein the structure is formed on the other conductor layer of either the fixed portion or the swinging portion.

(付記5)
前記トーションバーは、前記固定部と前記揺動部との間に接続された複数の棒状体を含み、前記構造体は、前記他方の導体層の前記固定部、前記揺動部および前記複数の棒状体によって作られる空間形状の下側に位置する部分に設けられ、当該構造体の前記導体層の層に沿った断面形状は、前記空間形状と略同一の形状である、付記1または2に記載のマイクロ構造体。
(Appendix 5)
The torsion bar includes a plurality of rod-shaped bodies connected between the fixing portion and the swinging portion, and the structure includes the fixing portion, the swinging portion, and the plurality of the other conductor layers. In the appendix 1 or 2, the cross-sectional shape along the layer of the conductor layer of the structure, which is provided on the lower side of the space shape formed by the rod-shaped body, is substantially the same shape as the space shape. The described microstructure.

(付記6)
前記構造体は、前記他方の導体層の前記固定部、前記揺動部および前記複数の棒状体によって作られる空間形状の下側に位置する部分に設けられる第1の構造体と、前記他方の導体層の前記複数の棒状体に対向する位置よりも外側の部分に設けられる第2の構造体とを含み、前記第1の構造体の前記導体層の層に沿った断面形状は、前記空間形状と略同一の形状であり、前記第2の構造体の前記導体層の層に沿った断面形状は、前記複数の棒状体に沿う長辺を有する横長の矩形形状である、付記1または2に記載のマイクロ構造体。
(Appendix 6)
The structure includes a first structure provided on a lower portion of a space shape formed by the fixed portion, the swinging portion, and the plurality of rod-shaped bodies of the other conductor layer, and the other conductor layer. A second structure body provided at a portion outside the position facing the plurality of rod-shaped bodies of the conductor layer, and the cross-sectional shape along the layer of the conductor layer of the first structure body has the space Additional shape 1 or 2 which is substantially the same shape as the shape, and the cross-sectional shape along the conductor layer of the second structure is a horizontally long rectangular shape having long sides along the plurality of rod-shaped bodies. The microstructure according to 1.

(付記7)
前記トーションバーは、V字の開いた側が前記揺動部に接続され、V字の窄まった側が前記固定部に接続されたV字形状の部材である、付記5または6に記載のマイクロ構造体。
(Appendix 7)
The microstructure according to appendix 5 or 6, wherein the torsion bar is a V-shaped member having a V-shaped open side connected to the swinging portion and a V-shaped narrowed side connected to the fixed portion. body.

(付記8)
前記空間形状の下側に位置する部分に設けられる構造体の断面形状は、前記トーションバーと前記揺動部とで囲まれた三角形と略同一の三角形状である、付記7に記載のマイクロ構造体。
(Appendix 8)
The micro structure according to appendix 7, wherein a cross-sectional shape of a structure provided in a lower portion of the space shape is substantially the same triangular shape as a triangle surrounded by the torsion bar and the swinging portion. body.

(付記9)
前記構造体は、前記他方の導体層の前記絶縁体に接していない面に開口した筒形状である、付記1ないし8のいずれかに記載のマイクロ構造体。
(Appendix 9)
9. The microstructure according to any one of appendices 1 to 8, wherein the structure has a cylindrical shape opened on a surface of the other conductor layer that is not in contact with the insulator.

(付記10)
前記構造体は、2段エッチングプロセスによって筒形状に形成されている、付記9に記載のマイクロ構造体。
(Appendix 10)
The microstructure according to appendix 9, wherein the structure is formed into a cylindrical shape by a two-stage etching process.

(付記11)
付記1乃至10のいずれかに記載のマイクロ構造体で構成されるマイクロ素子。
(Appendix 11)
A microelement comprising the microstructure according to any one of appendices 1 to 10.

(付記12)
少なくともミラー素子、角速度センサ、加速度センサを含む、付記11のマイクロ素子。
(Appendix 12)
The microelement according to appendix 11, including at least a mirror element, an angular velocity sensor, and an acceleration sensor.

本発明に係るマイクロミラー素子を示す斜視図である。It is a perspective view which shows the micromirror element which concerns on this invention. 同マイクロミラー素子に設けられた構造体の部分を示す斜視図である。It is a perspective view which shows the part of the structure provided in the micromirror element. マイクロミラー素子に設けられた構造体を示し、(a)は上から見た図、(b)は図2のIII−III線断面図である。The structure provided in the micromirror element is shown, (a) is a view seen from above, (b) is a sectional view taken along line III-III in FIG. 本発明に係るマイクロミラー素子の製造方法における一部の工程を表す図である。It is a figure showing the one part process in the manufacturing method of the micromirror element which concerns on this invention. 図4の後に続く残りの工程を表す図である。It is a figure showing the remaining processes following FIG. トーションバーの位置の測定方法を示す図である。It is a figure which shows the measuring method of the position of a torsion bar. 構造体の第1の変形例を示す図である。It is a figure which shows the 1st modification of a structure. 構造体の第2の変形例を示す図である。It is a figure which shows the 2nd modification of a structure. 構造体の第3の変形例を示す斜視図である。It is a perspective view which shows the 3rd modification of a structure. 第2実施形態に係るマイクロミラー素子の構造体の部分を示す斜視図である。It is a perspective view which shows the part of the structure of the micromirror element which concerns on 2nd Embodiment. 本発明に係るマイクロ構造体で構成されるマイクロティルトミラーアレイを用いた光スイッチの基本構成を示す図である。It is a figure which shows the basic composition of the optical switch using the micro tilt mirror array comprised with the microstructure which concerns on this invention. 同光スイッチの基本構成を示す上面図である。It is a top view which shows the basic composition of the optical switch. メッシュ型ネットワークの基本構成を示す図である。It is a figure which shows the basic composition of a mesh type network. 波長選択スイッチモジュールの内部構成を示す図である。It is a figure which shows the internal structure of a wavelength selection switch module. 波長選択スイッチモジュールの基本構成を示す斜視図である。It is a perspective view which shows the basic composition of a wavelength selection switch module. 分光器の要部断面図である。It is principal part sectional drawing of a spectrometer. マイクロミラーアレイユニットにおけるマイクロミラー素子のアレイ構造を模式的に示した図である。It is the figure which showed typically the array structure of the micromirror element in a micromirror array unit. マイクロミラーアレイユニットにおける光スイッチ機能を説明するための図である。It is a figure for demonstrating the optical switch function in a micromirror array unit. 本発明に係るマイクロ構造体で構成した角速度センサの基本構造を示す図である。It is a figure which shows the basic structure of the angular velocity sensor comprised with the microstructure which concerns on this invention. 角速度センサの動作原理を説明するための斜視図である。It is a perspective view for demonstrating the principle of operation of an angular velocity sensor. 従来のマイクロミラー素子を示す斜視図である。It is a perspective view which shows the conventional micromirror element. 従来のマイクロミラー素子のトーションバーの部分を示す斜視図である。It is a perspective view which shows the part of the torsion bar of the conventional micromirror element. 図22のA−A線断面図である。It is AA sectional view taken on the line of FIG. ダミートーションバーの構造を示す斜視図である。It is a perspective view which shows the structure of a dummy torsion bar.

符号の説明Explanation of symbols

1 マイクロミラー素子
2 フレーム
21 櫛歯電極
3 揺動部材
31 ミラー部
32 揺動軸
33 櫛歯電極
4,4’ トーションバー
5,5’ 構造体
6 SOI基板
61 第1シリコン層(導体層)
62 第2シリコン層(導体層)
63 絶縁膜(BOX層)
64,66 酸化膜パターン
65 レジストパターン
7 駆動回路
8 制御回路
9 第2の構造体
10 光スイッチ
11 光入出力部材
12 入出力光反射ミラー
13 折返しミラー
15 メッシュ型ネットワーク
16 合波部
17 波長選択スイッチモジュール
171 分波部
172 2×2光スイッチ
1701 基板
1702 コリメータアレイ
1703 分光器
1704 集光レンズ
1705 マイクロミラーアレイユニット
173 合波部
18 分波部
20 角速度センサ
21 フレーム枠
211,212 櫛歯電極
22 第1のジンバル部
221,222,223,224 櫛歯電極
23 第2のジンバル部
231,232 櫛歯電極
24,25 トーションバー
DESCRIPTION OF SYMBOLS 1 Micromirror element 2 Frame 21 Comb electrode 3 Oscillating member 31 Mirror part 32 Oscillating shaft 33 Comb electrode 4, 4 'Torsion bar 5, 5' Structure 6 SOI substrate 61 1st silicon layer (conductor layer)
62 Second silicon layer (conductor layer)
63 Insulating film (BOX layer)
64, 66 Oxide film pattern 65 Resist pattern 7 Drive circuit 8 Control circuit 9 Second structure 10 Optical switch 11 Optical input / output member 12 Input / output light reflecting mirror 13 Folding mirror 15 Mesh type network 16 Multiplexing unit 17 Wavelength selection switch Module 171 Demultiplexing unit 172 2 × 2 optical switch 1701 Substrate 1702 Collimator array 1703 Spectrometer 1704 Condensing lens 1705 Micro mirror array unit 173 Multiplexing unit 18 Demultiplexing unit 20 Angular velocity sensor 21 Frame frame 211, 212 Comb electrode 22 Second 1 gimbal part 221, 222, 223, 224 comb tooth electrode 23 second gimbal part 231, 232 comb tooth electrode 24, 25 torsion bar

Claims (9)

枠形状の固定部とこの固定部内に一対のトーションバーにより揺動自在に支持された揺動部を備え、絶縁層を挟んで二つの導体層を積層したSOI基板に前記固定部および前記揺動部を形成する加工を施して製造されるマイクロ構造体において、
前記一対のトーションバーは、一方の導体層の前記絶縁層に接する位置に当該導体層よりも薄い厚みで形成され、
他方の導体層の各トーションバーの下側に位置し、当該トーションバーの捩れ動作と干渉しない部分に、当該導体層と同一の厚みを有する構造体をそれぞれ設け
前記構造体のトーションバーを臨む面を当該トーションバーの上面までの距離を測定するための基準面とするマイクロ構造体。
A frame-shaped fixing portion and a swinging portion supported in a swingable manner by a pair of torsion bars in the fixing portion, and the fixing portion and the swinging motion on an SOI substrate in which two conductor layers are stacked with an insulating layer interposed therebetween In the microstructure manufactured by applying the processing to form the part,
The pair of torsion bars is formed with a thickness thinner than the conductor layer at a position in contact with the insulating layer of one conductor layer,
A structure having the same thickness as that of the conductor layer is provided on each of the other conductor layers on the lower side of each torsion bar and does not interfere with the twisting operation of the torsion bar .
A microstructure having a surface facing the torsion bar of the structure as a reference surface for measuring a distance to an upper surface of the torsion bar .
枠形状の固定部とこの固定部内に一対のトーションバーにより揺動自在に支持された揺動部を備え、絶縁層を挟んで二つの導体層を積層したSOI基板に前記固定部および前記揺動部を形成する加工を施して製造されるマイクロ構造体の製造方法において、
前記一対のトーションバーを、一方の導体層の前記絶縁層に接する位置に当該導体層よりも薄い厚みで形成する工程と、
他方の導体層の各トーションバーの下側に位置し、当該トーションバーの捩れ動作と干渉しない部分に、当該導体層と同一の厚みを有する構造体をそれぞれ形成する工程と、
前記構造体のトーションバーを臨む面を基準面として、当該トーションバーの上面までの距離を測定する工程と、
を含むマイクロ構造体の製造方法
A frame-shaped fixing portion and a swinging portion supported in a swingable manner by a pair of torsion bars in the fixing portion, and the fixing portion and the swinging motion on an SOI substrate in which two conductor layers are stacked with an insulating layer interposed therebetween In the manufacturing method of the microstructure manufactured by applying the processing to form the part,
Forming the pair of torsion bars at a position in contact with the insulating layer of one conductor layer with a thickness thinner than the conductor layer;
A step of forming a structure having the same thickness as the conductor layer in a portion that is located below each torsion bar of the other conductor layer and does not interfere with the twisting operation of the torsion bar;
Measuring the distance to the top surface of the torsion bar using the surface facing the torsion bar of the structure as a reference plane;
The manufacturing method of the microstructure containing this .
前記構造体は、前記固定部および前記揺動部の両方の前記他方の導体層に形成されている、請求項記載のマイクロ構造体。 The structure, wherein both the fixed portion and the oscillating portion is formed on the other conductor layer, according to claim 1 micro structure according. 前記構造体は、前記固定部または前記揺動部のいずれか一方の前記他方の導体層に形成されている、請求項に記載のマイクロ構造体。 The microstructure according to claim 1 , wherein the structure is formed on the other conductor layer of either the fixed portion or the swinging portion. 前記トーションバーは、前記固定部と前記揺動部との間に接続された複数の棒状体を含み、
前記構造体は、前記他方の導体層の前記固定部、前記揺動部および前記複数の棒状体によって作られる空間形状の下側に位置する部分に設けられ、当該構造体の前記導体層の層に沿った断面形状は、前記空間形状と略同一の形状である、請求項に記載のマイクロ構造体。
The torsion bar includes a plurality of rod-shaped bodies connected between the fixed portion and the swinging portion,
The structure is provided on a lower portion of a space shape formed by the fixed portion, the swinging portion, and the plurality of rod-shaped bodies of the other conductor layer, and the layer of the conductor layer of the structure sectional shape along, said a spatial shape and substantially the same shape, micro structure according to claim 1.
前記構造体は、前記他方の導体層の前記固定部、前記揺動部および前記複数の棒状体によって作られる空間形状の下側に位置する部分に設けられる第1の構造体と、前記他方の導体層の前記複数の棒状体に対向する位置よりも外側の部分に設けられる第2の構造体とを含み、
前記第1の構造体の前記導体層の層に沿った断面形状は、前記空間形状と略同一の形状であり、前記第2の構造体の前記導体層の層に沿った断面形状は、前記複数の棒状体に沿う長辺を有する横長の矩形形状である、請求項に記載のマイクロ構造体。
The structure includes a first structure provided on a lower portion of a space shape formed by the fixed portion, the swinging portion, and the plurality of rod-shaped bodies of the other conductor layer, and the other conductor layer. A second structure provided at a portion outside the position facing the plurality of rod-shaped bodies of the conductor layer,
The cross-sectional shape along the conductor layer layer of the first structure is substantially the same shape as the space shape, and the cross-sectional shape along the conductor layer layer of the second structure is The microstructure according to claim 1 , which is a horizontally long rectangular shape having long sides along a plurality of rod-like bodies.
前記構造体は、前記他方の導体層の前記絶縁体に接していない面に開口した筒形状である、請求項に記載のマイクロ構造体。 The microstructure according to claim 1 , wherein the structure has a cylindrical shape that is open on a surface of the other conductor layer that is not in contact with the insulator. 前記構造体は、2段エッチングプロセスによって筒形状に形成されている、請求項5に記載のマイクロ構造体。   The microstructure according to claim 5, wherein the structure is formed in a cylindrical shape by a two-stage etching process. 請求項1および3乃至8のいずれかに記載のマイクロ構造体で構成されるマイクロ素子。 A microelement comprising the microstructure according to any one of claims 1 and 3 to 8.
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