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Dokumentenidentifikation DE60311340T2 05.07.2007
EP-Veröffentlichungsnummer 0001351089
Titel Optischer Schalter
Anmelder Nippon Telegraph and Telephone Corp., Tokio/Tokyo, JP
Erfinder Ishii, c/o NTT Intellectual Prop. Center, Hiromu, Musashino-shi, Tokyo 180-8585, JP;
Tanabe, c/o NTT Intell. Prop. Center, Yasuyuki, Musashino-shi, Tokyo 180-8585, JP;
Machida, c/o NTT Intell. Prop. Center, Katsuyuki, Musashino-shi, Tokyo 180-8585, JP;
Urano, c/o NTT Intell. Prop. Center, Masami, Musashino-shi, Tokyo 180-8585, JP;
Shimamura, c/o NTT Intell. Prop. Ctr., Toshishige, Musashino-shi, Tokyo 180-8585, JP;
Uenishi, c/o NTT Intell. Prop. Ctr., Yuji, Musashino-shi, Tokyo 180-8585, JP;
Kiyokura, c/o NTT Intell. Prop. Ctr., Takanori, Musashino-shi, Tokyo 180-8585, JP
Vertreter Wenzel & Kalkoff, 22143 Hamburg
DE-Aktenzeichen 60311340
Vertragsstaaten DE, NL
Sprache des Dokument EN
EP-Anmeldetag 14.03.2003
EP-Aktenzeichen 030900625
EP-Offenlegungsdatum 08.10.2003
EP date of grant 24.01.2007
Veröffentlichungstag im Patentblatt 05.07.2007
IPC-Hauptklasse G02B 6/35(2006.01)A, F, I, 20051017, B, H, EP
IPC-Nebenklasse G02B 26/08(2006.01)A, L, I, 20051017, B, H, EP   

Beschreibung[de]
Hintergrund der Erfindung

Die vorliegende Erfindung betrifft eine optische Schalteinrichtung, die den Pfad von Signallicht ändert, das zur optischen Kommunikation oder dergleichen verwendet wird.

Optische Schalteinrichtungen sind Bauteile, die wesentlich für das Wellenlängenmultiplex-Verfahren (WDM) sind, das in einem optischen Netz unerlässlich ist, das als Basis für beispielsweise das Internet-Kommunikationsnetzwerk dient. Optische Schalteinrichtungen dieses Typs umfassen Lichtwellenleitereinrichtungen und MEMS (Micro Electro Mechanical System)-Einrichtungen. Insbesondere gelten die optischen MEMS-Schalteinrichtungen als vielversprechend, die kleine bewegliche, reflektierende Flächen aufweisen.

Eine optische MEMS-Schalteinrichtung ist gebildet aus beispielsweise einer festen Struktur und einer reflektierenden Struktur, die einen beweglichen Spiegel aufweist. Die feste Struktur umfasst ein Substrat, das als Basis dient, eine Elektrode, die auf dem Substrat ausgebildet ist und Ähnliches. Die reflektierende Struktur weist ein Tragelement und ein bewegliches Element auf. Das bewegliche Element, das als Spiegel agiert, ist von der festen Struktur getrennt und mit einem Tragelement durch ein Federelement wie eine Torsionsfeder verbunden. Solch eine Struktur kann unter Verwendung der Mikromaschinentechnologie gebildet werden, die dreidimensionale Mikroverarbeitung durch beispielsweise das Ausführen von Ätzen auf der Grundlage von Dünnfilmbildung oder Photolithographie implementiert. Ein optischer Schalter, der die zuvor genannte Struktur aufweist, führt das Schalten eines optischen Pfads durch Bewegen der reflektierenden Struktur gemäß der Anziehungskraft oder der Abstoßungskraft aus, die zwischen der festen Struktur und der beweglichen reflektierenden Struktur auftritt.

Die zuvor beschriebenen optischen Schalteinrichtungen, die durch das Mikroverarbeiten gebildet werden, werden grob in zwei Typen klassifiziert. Ein Typ wird durch eine so genannte Oberflächen-Mikromaschine gebildet, der andere Typ durch eine Massen-Mikromaschine.

Zuerst wird eine Einrichtung des früheren Oberflächenmikromaschinen-Typs beschrieben. Eine Oberflächenmikromaschine weist eine Anordnung auf, wie in 9 gezeigt. Mit Bezug auf 9 sind Tragelemente 902 schwenkbar auf einem Substrat 901 angeordnet. Ein Rahmen 904 wird von den Tragelementen 902 durch Gelenke 903 getragen. Ein Spiegel 905 ist mit einem Rahmen 904 durch eine Torsionsfeder (nicht gezeigt) verbunden und wird von ihm gestützt.

Elektrodenabschnitte 906, die eine elektrostatische Kraft erzeugen, um den Spiegel 905 anzutreiben, sind unter dem Spiegel 905 gebildet und mit Zwischenverbindungen (nicht dargestellt) verbunden. Eine solche Struktur wird zum Beispiel durch die Schritte des Bildens eines Siliziumoxidfilms auf der Oberfläche des Substrats gebildet, wodurch die Elektroden-Zwischenverbindungsstruktur auf dem Substrat gebildet wird, wodurch ein Polysiliziumfilm gebildet wird, der als Spiegel auf dem Siliziumoxidfilm dient, und wodurch eine Opferschicht geätzt wird, die von einem gewünschten Abschnitt des Siliziumoxidfilms unter Verwendung von Fluorwasserstoffsäure oder Ähnlichem zum Trennen des Spiegels von dem Substrat gebildet wird.

Die Element-Techniken der Oberflächenmikromaschinentechnologie werden von einer Anwendung der Prozesstechnologie für LSI erhalten. Aus diesem Grund ist die senkrechte Größe einer Struktur, die durch Bilden eines Dünnfilms hergestellt wird, auf einige &mgr;m beschränkt. Für eine optische Schalteinrichtung, in der der Abstand zwischen den unteren Elektrodenabschnitten 906 und dem Spiegel 905 auf 10 &mgr;m oder mehr eingestellt werden muss, um den Spiegel zu drehen, wird die Opferschicht, die aus Siliziumoxid gebildet ist, entfernt und gleichzeitig wird der Spiegel 905 durch innere Spannungen in dem Polysiliziumfilm angehoben. Alternativ werden Tragelemente 902 durch eine elektrostatische Kraft geschwenkt, um den Abschnitt des Spiegels 905 von den Elektrodenabschnitten 906 zu trennen.

In dem Massenmikromaschinentyp wird im Allgemeinen eine optische Schalteinrichtung gebildet, indem individuell ein Substrat vorbereitet wird, das einen Spiegel aufbaut und ein Substrat, das eine Elektrode ausbaut und indem die Substrate verbunden werden. Die Verwendung eines SOI (Silicion On Insulator – Silizium-auf-Isolator)-Substrats ist für die Spiegelbildung vorgeschlagen worden. Ein Spiegel, der unter Verwendung eines SOI-Substrats gebildet wird, wird nicht aus Polysilizium gebildet, wie allgemein üblich für eine Oberflächenmikromaschine, sondern aus Einkristallsilizium. In der von Polysilizium gebildeten Struktur verzieht sich der Spiegel aufgrund des Polykristalls durch Spannung. In einem Spiegel, der aus Einkristallsilizium hergestellt ist, der unter Verwendung eines SOI-Substrats gebildet ist, ist das Verziehen relativ gering.

Nachfolgend wird die Herstellung einer optischen Schalteinrichtung unter Verwendung eines SOI-Substrats mit Bezug auf 10A bis 10F beschrieben. Wie in 10A gezeigt, wird zuerst ein Graben 1001a an einer Seite (größte Fläche) eines SOI-Substrats 1001 gebildet, an der ein eingebetteter Oxidfilm 1002 durch bekannte photolithographische Techniken und durch Ätzen wie DEEP RIE gebildet wird. Mit diesem Prozess wird ein Spiegel 1004 in einer Einkristall-Siliziumschicht 1003 auf dem eingebetteten Oxidfilm 1002 gebildet.

Zu diesem Zeitpunkt wird manchmal ein Metallfilm wie ein Au-Film auf der Oberfläche des Spiegels 1004 gebildet, um die Reflexion davon zu erhöhen. DEEP RIE ist eine Technik zum z.B. Trockenätzen von Silizium, indem SF6-Gas und C4F8-Gas abwechselnd zugeführt werden, um das Ätzen und die Bildung des Seitenwand-Schutzfilms zu wiederholen, so dass ein Graben oder ein Loch mit einem Seitenverhältnis von bis zu 50 bei einer Ätzrate von mehreren &mgr;m pro min.

Als Nächstes wird eine Photolackstruktur, die eine Öffnung im Bildungsbereich des Spiegels 1004 aufweist, auf der unteren Fläche des SOI-Substrats 1001 gebildet. Das Silizium wird selektiv von der unteren Fläche des SOI-Substrats 1001 unter Verwendung eines Ätzmittels wie einer wässrigen Kaliumhydroxidlösung geätzt. Bei diesem Ätzvorgang wird ein eingebetteter Oxidfilm 1002 als Ätzstoppschicht verwendet. Wie in 10B gezeigt, wird ein Öffnungsabschnitt 1001b in der unteren Fläche des SOI-Substrats 1001 in Übereinstimmung mit dem Bildungsbereich des Spiegels 1004 gebildet. Als Nächstes wird ein Bereich des eingebetteten Oxidfilms 1002, der in den Öffnungsabschnitt 1001b hinein freigelegt ist, unter Verwendung von Fluorwasserstoffsäure selektiv entfernt, so dass der Spiegel 1004 gebildet wird, der schwenkbar von dem SOI-Substrat getragen wird, wie in 10C gezeigt.

Andererseits wird ein Siliziumsubstrat 1011 von einer wässrigen Lösung aus Kaliumhydroxid unter Verwendung eines vorbestimmten Maskenmusters selektiv geätzt, das aus einem Siliziumnitridfilm oder Siliziumoxidfilm als Maske gebildet wird. Durch diesen Prozess wird eine ausgesparte Struktur gebildet, wie in 10D gezeigt. Dann wird ein Metallfilm auf der ausgesparten Struktur durch Ablagerung oder Ähnliches gebildet. Der Metallfilm wird durch Photolithographie unter Verwendung bekannter Ultratiefbelichtung und Ätzen strukturiert, um einen Elektrodenabschnitt 1012 zu bilden, wie in 10E gezeigt.

Schließlich werden ein SOI-Substrat 1001, das in 10C gezeigt ist, das den Spiegel 1004 aufweist, und das Siliziumsubstrat 1011, das in 10E gezeigt ist, verbunden, um eine optische Schalteinrichtung herzustellen, in der der Spiegel 1004 durch Anlegen eines elektrischen Feldes bewegt wird, wie in 10F gezeigt.

Bei der Herstellung eines optischen Schalters durch die zuvor beschriebene Oberflächenmikromaschine wird jedoch eine Tragstruktur wie die Tragelemente 902, die in 9 gezeigt sind, als bewegliche Struktur im Spiegelbildungsschritt gebildet. Aus diesem Grund ist die Ausbeute im Schritt des Bildens der Ertragstruktur geringer als die in den verbleibenden Schritten. Dies verringert die Herstellungsausbeute optischer Schalteinrichtungen. Da das Vorhandensein anderer beweglicher Abschnitte als der Spiegel die Anzahl beweglicher Abschnitte erhöht, nimmt außerdem die Zuverlässigkeit des optischen Schalters ab.

Die Herstellung eines optischen Schalters durch Massenmikromaschinen umfasst keinen Opferschicht-Ätzschritt, um den Spiegelbewegungsraum zu gewährleisten, anders als das zuvor beschriebene Herstellungsverfahren, das Oberflächenmikromaschinen verwendet, und ist daher vorteilhaft in Bezug auf die Ausbeute und die Zuverlässigkeit. Das in 10A bis 10F gezeigte Herstellungsverfahren birgt jedoch die folgenden Probleme, weil der Spiegelbewegungsraum hauptsächlich durch anisotropes Ätzen von Si unter Verwendung einer KOH-Lösung oder Ähnlichem gebildet wird. Um den Spiegel auf dem SOI-Substrat an der Spiegelseite schwenkbar zu machen, muss zuerst das Si auf eine Tiefe geätzt werden, die fast der Stärke des Substrats entspricht. Zu diesem Zeitpunkt beträgt die Stärke des zu ätzenden Si mindestens mehrere 100 &mgr;m.

Wenn die untere Fläche von z.B. einem im Handel erhältlichen 6-Zoll-SOI-Substrat, das eine Si (100)-Oberfläche und eine Stärke von 625 &mgr;m aufweist, anisotrop unter Verwendung einer Alkalilösung, z.B. einer KOH-Lösung als Ätzmittel, geätzt wird, wie zuvor beschrieben, wird das Substrat geätzt und weist die freigelegte (111) Oberfläche auf, die einen Neigungswinkel von ungefähr 55° aufweist. Angenommen, die Stärke der Siliziumschicht an dem eingebetteten Oxidfilm beträgt beispielsweise 10 &mgr;m und die Stärke des eingebetteten Oxidfilms beträgt 1 &mgr;m, dann beträgt die Si zu ätzende Stärke wie in 10B gezeigt 614 (= 625 – 10 – 1) &mgr;m.

Um einen 500-&mgr;m2-Spiegelbereich nach einem solchen Si-Ätzen zu gewährleisten, wird ein Bereich mit einer Fläche von ungefähr 600-&mgr;m2 durch Ätzen auf der unteren Oberfläche des SOI-Substrats entfernt. Um einen Spiegel zu bilden, ist somit eine große Fläche verschwenderisch erforderlich, die nicht mit der Bewegung des Spiegels zu tun hat. Dies erhöht die Bestückungsfläche des Spiegelbildungsabschnitts in dem Chip, wodurch der Integrationsgrad einer optischen Schalteinrichtung erhöht wird, was nachteilig ist.

Außerdem ist in diesen Verarbeitungsverfahren sowohl auf der oberen als auch auf der unteren Fläche des Substrats eine Ausrichtung notwendig. Ein komplexer Schritt wie ein so genannter doppelseitiger Ausrichtungsschritt (doppelseitiger Belichtungsschritt) muss ebenfalls ausgeführt werden. Außerdem erfordert das Substrat auf der Elektrodenabschnittbildungsseite ebenfalls Ätzen in einer Tiefe von 10 &mgr;m oder mehr durch KOH-Lösung, um den Spiegelbewegungsraum zu bilden. Dieser Prozess wird durch anisotropes Ätzen ausgeführt, wie das Substrat auf der Spiegelbildungsseite. Um die ausgesparte Struktur, die als Spiegelbewegungsraum dient, zu bilden, muss ein Bereich, der eine Fläche von 10 &mgr;m2 oder mehr aufweist, zuerst auf der Fläche des Siliziumsubstrats besetzt und strukturiert werden. Aus diesem Grund kann der Integrationsgrad auf der Elektrodenseite ebenfalls nicht erhöht werden.

Selbst wenn ein Steuerschaltkreis wie ein Cl oder LSI, geformt durch Planartechnik, in die optische Schalteinrichtung integriert werden sollte, ist es in dem zuvor beschriebenen Elektrodensubstrat-Bildungsverfahren, das mit anisotropem Ätzen beginnt, sehr schwer, einen IC oder LSI im Voraus zu bilden, der für die Spiegelsteuerung auf der Elektrodensubstratsseite notwendig ist, oder eine Mehrfachschicht-Zwischenverbindungsstruktur zu bilden. Aus diesem Grund kann die Bildung eines hoch integrierten Elements zum Steuern oder Bilden eines komplexen Steuersystems, das eine Anzahl Elektroden-Zwischenverbindungen pro Spiegel erfordert, schwer erreicht werden. In dem zuvor beschriebenen Herstellungsverfahren für optische Schalter kann die optische Schalterstruktur selbst kompakt gemacht werden. Da jedoch ein externer Steuerschaltkreis notwendig ist, wird eine Einrichtung, die zum Beispiel als optische Schalteinrichtung dient und eine gewünschte Leistung aufweist, massig. EP 0 614 101 A2 offenbart eine optische Schalteinrichtung gemäß dem Oberbegriff von Anspruch 1.

Zusammenfassung der Erfindung

Die Aufgabe der Erfindung ist es, eine optische Schalteinrichtung einfacher herzustellen, wobei jede Verringerung des Integrationsgrads oder der Ausbeute unterdrückt wird.

Um die zuvor genannte Aufgabe zu erfüllen, wird erfindungsgemäß eine optische Schalteinrichtung mit den Merkmalen von Anspruch 1 bereitgestellt.

Mit dieser Anordnung ist auf dem Halbleitersubstrat, auf dem die integrierte Schaltung gebildet ist, der bewegliche Abschnitt, der einen reflektierenden Abschnitt aufweist, der von einem Rahmenabschnitt getragen wird und schwenkt, an der festen Elektrode durch das Tragelement als die feste Struktur angeordnet, während ein Raum an der festen Elektrode gebildet wird.

Kurzbeschreibung der Zeichnungen

1A ist eine Querschnittansicht, die die schematische Anordnung eines Schaltelements zeigt, das eine erfindungsgemäße optische Schalteinrichtung bildet;

1B ist eine Draufsicht davon;

1C ist eine perspektivische Ansicht, die schematisch einen Teil eines solchen Schaltelements zeigt;

2 ist eine perspektivische Ansicht, die die schematische Anordnung der optischen Schalteinrichtung gemäß einer Ausführungsform der Erfindung zeigt;

3A, 3B und 3C sind Querschnittansichten zum Erklären eines Herstellungsverfahrens eines erfindungsgemäßen optischen Schalters;

4A bis 4E sind Querschnittansichten, die 3C folgend Schritte bei der Herstellung des optischen Schalters zeigen;

5A bis 5E sind Querschnittansichten, die 4E folgend Schritte bei der Herstellung des optischen Schalters zeigen;

6A, 6B und 6C sind Querschnittansichten, die 5E folgend Schritte bei der Herstellung des optischen Schalters zeigen;

7A bis 7D sind Querschnittansichten zum Erklären eines anderen Herstellungsverfahrens der optischen Schalteinrichtung;

8A bis 8D sind Querschnittansichten zum Erklären noch eines anderen Herstellungsverfahrens der optischen Schalteinrichtung;

9 ist eine Seitenansicht, die die schematische Anordnung einer herkömmlichen optischen Schalteinrichtung zeigt; und

10A bis 10F sind Querschnittansichten, die schematisch Schritte bei der Herstellung einer solchen herkömmlichen Einrichtung zeigen.

Beschreibung der bevorzugten Ausführungsformen

Die Ausführungsformen der vorliegenden Erfindung werden nachfolgend ausführlich mit Bezug auf die begleitenden Zeichnungen beschrieben.

1A zeigt hauptsächlich teilweise eine bildende Einheit der optischen Schalteinrichtung, das heißt ein Schaltelement, das einen Spiegel aufweist.

Die Anordnung der optischen Schalteranordnung wird beschrieben. Die Einrichtung weist ein Halbleitersubstrat 101 auf, das beispielsweise aus Silizium gebildet ist. Ein integrierter Schaltkreis (nicht dargestellt), der aus einer Mehrzahl Elemente besteht, ist auf dem Halbleitersubstrat 101 gebildet. Eine dielektrische Zwischenschicht 102 ist auf dem integrierten Schaltkreis gebildet. Eine Zwischenverbindungsschicht 104 und eine dielektrische Zwischenschicht 105 sind auf der dielektrischen Zwischenschicht 102 ausgebildet. Ein Tragelement 120 ist auf dem Halbleitersubstrat 101 durch dielektrische Filme 102 und 105 gebildet. Das Tragelement 120 trägt eine Spiegelstruktur.

Das Tragelement 120 besteht aus einem leitenden Material wie Gold und ist elektrisch durch eine Durchgangsbohrung, die in der dielektrischen Zwischenschicht 105 gebildet ist, mit der vorgegebenen Zwischenverbindungsschicht 104 verbunden, die auf der dielektrischen Zwischenschicht 102 gebildet ist. Das Tragelement 120 ist eine Mehrfachschichtstruktur, die von einem Metallmuster (erste Struktur) 121, einem Metallmuster 122, einem Metallmuster 123, einem Metallmuster 124 und einem Metallmuster 125 gebildet ist.

Die Spiegelstruktur besteht aus einem plattenförmigem Rahmenabschnitt 130, der an dem Tragelement 120 befestigt ist, und einem plattenförmigen beweglichen Abschnitt, der im Rahmenabschnitt 130 getragen wird, während er vom Halbleitersubstrat 101 getrennt ist. Der bewegliche Abschnitt ist von einem beweglichen Rahmen 132 gebildet, der im Inneren des Rahmenabschnitts 130 durch ein paar Verbindungsabschnitte 161 getragen wird, und von einem Spiegelabschnitt 131, der im Innern des beweglichen Rahmens 132 durch ein paar Verbindungsabschnitte 162 getragen wird. Der Spiegelabschnitt 131 ist z.B. eine runde Platte, die einen Durchmesser von ungefähr 500 &mgr;m aufweist. Eine reflektierende Fläche ist auf der oberen Fläche in der Zeichnungsfläche von 1A gebildet. Es ist zu beachten, dass die reflektierende Fläche an einem Teil des Spiegelabschnitts 131 gebildet sein kann.

Außerdem besteht die Spiegelstruktur, die von dem Rahmenabschnitt 130, dem beweglichen Rahmen 132 und dem Spiegelabschnitt 131 gebildet ist, aus einem leitenden Material wie Gold. Somit dient der Spiegelabschnitt 131 auch als bewegliche Elektrode, die elektrisch durch das Tragelement 120 mit der zuvor beschriebenen Zwischenverbindungsschicht verbunden ist. Es ist zu beachten, dass die Spiegelstruktur aus einem dielektrischen Material hergestellt sein kann, und ein Metallfilm kann auf der Oberfläche der Spiegelstruktur gebildet sein, um eine bewegliche Elektrode auf dem Spiegelabschnitt zu bilden.

Die Spiegelstruktur wird nun ausführlicher beschrieben. Der bewegliche Rahmen 132 ist durch das Paar Verbindungsabschnitte 161, die an zwei Abschnitten an einer vorgegebenen Schwenkachse gebildet sind, die durch die Mitte des Öffnungsbereichs des Rahmenabschnitts 130 verläuft, und die sich wie Torsionsfedern verhalten, so dass der bewegliche Rahmen 132 um die Schwenkachse schwingen kann, an einem Rahmenabschnitt 130 aufgehängt und axial an ihm befestigt. Der Spiegelabschnitt 131 ist an dem beweglichen Rahmen 132 durch das Paar Verbindungsabschnitte 162 aufgehängt und an ihm befestigt, die an zwei Abschnitten an einer rechtwinklig verlaufenden Schwenkachse gebildet sind, die senkrecht zur zuvor genannten Schwenkachse und durch die Mitte des Öffnungsbereichs des Rahmenabschnitts 130 verläuft, und die sich wie Torsionsfedern verhalten, so dass der Spiegelabschnitt 131 um die rechtwinklig verlaufenden Schwenkachsen schwingen kann.

Somit kann der Spiegelabschnitt 131 eine zweiachsige Operation ausführen. Wenn vier Steuerelektrodenabschnitte 140 angeordnet sind und der Spiegelabschnitt 131 gebildet wird, der in der Lage ist, eine zweiachsige Operation auszuführen, wie zuvor beschrieben, kann der Spiegelabschnitt 131 geschwenkt werden, wie z.B. in 1C gezeigt. 1C zeigt einen Zustand, in dem der bewegliche Rahmen 132 um ungefähr 10° geschwenkt wird und der Spiegelabschnitt 131 um ungefähr 10° geschwenkt wird.

Andererseits wird der Steuerelektrodenabschnitt (fester Elektrodenabschnitt) 140, der den Schwenkbetrieb des Spiegelabschnitts 131 steuert, auf dem Halbleitersubstrat 101 unter dem Spiegelabschnitt 131 über dielektrische Schichten 102 und 105 gebildet.

Der Steuerelektrodenabschnitt 140 ist aus einem leitenden Material wie Gold hergestellt und elektrisch mit der vorgegebenen Zwischenverbindungsschicht 104 verbunden, die auf der dielektrischen Zwischenschicht 102 gebildet ist, über Durchgangsbohrungen, die in der dielektrischen Zwischenschicht 105 gebildet sind. Der Steuerelektrodenabschnitt 140 weist außerdem eine Mehrfachschichtstruktur auf, die aus gestapelten Metallmustern 141, 142, 143 und 144 besteht.

Das Metallmuster 141 des Steuerelektrodenabschnitts 140 weist die gleiche Stärke auf, wie das des Metallmusters 121 des Tragelements 120. Das Metallmuster 142 weist die gleiche Stärke auf, wie das des Metallmusters 122. Das Metallmuster 143 weist die gleiche Stärke auf, wie das des Metallmusters 123. Das Metallmuster 144 weist die gleiche Stärke auf wie das des Metallmusters 124. Somit ist der Steuerelektrodenabschnitt 140 so gebildet, dass er um die Stärke eines Metallmusters 125 niedriger als das Tragelement 120 ist.

Das Tragelement 120 kann eine Zweifachschichtstruktur aufweisen, das heißt, es kann aus zwei Metallmustern gebildet sein, und der Steuerelektrodenabschnitt 140 kann aus einem Metallmuster gebildet sein, das die gleiche Dicke aufweist, wie die des unteren Metallmusters des Tragelements 120. Alternativ kann das Tragelement 120 eine Dreifachschichtstruktur aufweisen, während der Steuerelektrodenabschnitt 140 eine Zweifachschichtstruktur aufweist. Das heißt, es ist nur notwendig, dass die Anzahl Schichten des Steuerelektrodenabschnitts 140 um mindestens eine geringer ist als die des Tragelements 120.

In dieser Ausführungsform nimmt das Metallmuster einer unteren Seite eine größere Fläche im Steuerelektrodenabschnitt 140 ein. Außerdem sind die Metallmuster des Steuerelektrodenabschnitts 140 dreidimensional gestapelt, so dass der Steuerelektrodenabschnitt nach oben verjüngt ist, das heißt zur Spiegelstruktur hin, zum Mittelabschnitt des Spiegelabschnitts 131. Wenn der Steuerelektrodenabschnitt 140 eine dreidimensionale Struktur (dreidimensionale Elektrodenstruktur) aufweist, kann ein großer Bewegungsraum für den Spiegelabschnitt 131 gewährleistet werden. Das oberste Ende des Steuerelektrodenabschnitts 140 ist dichter an dem Spiegelabschnitt 131 angeordnet. Wenn ein Steuerpotenzial an den Steuerelektrodenabschnitt 140 angelegt wird, ist aus diesem Grund eine stärkere elektrostatische Kraft am Spiegelabschnitt 131 vorhanden. Da sich der Steuerelektrodenabschnitt 140 an dem peripheren Abschnitt vom Spiegelabschnitt 131 trennt, kann Letzterer weit schwenken. Angenommen der Steuerelektrodenabschnitt weist eine zweidimensionale Struktur auf und der Abstand zwischen dem Steuerelektrodenabschnitt und dem Spiegelabschnitt 131 ist im Anfangszustand gleichförmig. Wenn der Abstand zwischen dem Steuerelektrodenabschnitt und dem Spiegelabschnitt 131 klein ist, ist eine große elektrostatische Kraft vorhanden, obgleich der Schwenkbereich des Spiegelabschnitts 131 klein wird. Wenn der Steuerelektrodenabschnitt eine zweidimensionale Struktur aufweist und der Abstand zwischen dem Steuerelektrodenabschnitt und dem Spiegelabschnitt 131 erhöht wird, wird der Schwenkbereich des Spiegelabschnitts 131 groß, obgleich die elektrostatische Kraft klein wird. Im Gegensatz dazu werden gemäß der optischen Schalteinrichtung, die in 1A, 1B und 1C gezeigt ist, die zuvor beschriebenen Probleme gelöst, da der Steuerelektrodenabschnitt 140 eine dreidimensionale Struktur aufweist. Der Spiegelabschnitt 131 kann in einem größeren Bereich geschwenkt werden, während das Steuerpotenzial beträchtlich verringert wird, das zum Schwenken des Spiegelabschnitts 131 notwendig ist.

Der Steuerelektrodenabschnitt (fester Elektrodenabschnitt) 140 ist aus vier Steuerelektroden 140a, 140b, 140c und 140d gebildet, wie in 1B gezeigt. Die Steuerelektroden 140a und 140c und die Steuerelektroden 140b und 140d sind in Bezug auf die Schwenkachse, die durch das Paar Verbindungsabschnitte 161 verläuft, symmetrisch angeordnet. Die Steuerelektroden 140a und 140b und die Steuerelektroden 140c und 140d sind in Bezug auf die Schwenkachse, die durch das Paar Verbindungsabschnitte 162 verläuft, symmetrisch angeordnet. Die Steuerelektroden 140a, 140b, 140c und 140d sind in Bezug auf die Normale zur Fläche des Halbleitersubstrats 101, die durch die Mitte des Spiegelabschnitts 131 verläuft, symmetrisch angeordnet.

Wenn die Mehrzahl Steuerelektrodenabschnitte angeordnet ist, kann die Lage des Spiegelabschnitts 131 feiner gesteuert werden. In dieser Ausführungsform weist der Steuerelektrodenabschnitt 140 (Steuerelektroden 140a, 140b, 140c und 140d) eine Mehrfachschichtstruktur auf. Die Erfindung ist jedoch nicht darauf begrenzt. Der Steuerelektrodenabschnitt kann eine integrierte dreidimensionale Elektrodenstruktur aufweisen. In diesem Fall ist ein Seitenabschnitt des Steuerelektrodenabschnitts von einer gemäßigt geneigten Fläche ohne irgendeine Stufe gebildet.

Die Anordnung wird zusammengefasst. Der Steuerelektrodenabschnitt 140 ist von einer Mehrzahl Steuerelektroden gebildet, die in Bezug auf die Normale zur Oberfläche des Halbleitersubstrats 101, die durch die Mitte des Spiegelabschnitts 131 verläuft, symmetrisch angeordnet sind. Was die Seitenflächen in jeder Steuerelektrode an der gegenüberliegenden Seite der Normalen angeht, wird der Abstand zwischen der Seitenfläche und der Ebene, auf der die Spiegelstruktur verringert, da die Seitenfläche näher an der Normalen liegt.

In der optischen Schalteinrichtung dieser Ausführungsform wird eine Steuerschaltung 150 als Teil eines integrierten Schaltkreises (nicht gezeigt) auf dem Halbleitersubstrat 101 gebildet. Der Steuerschaltkreis 150 erzeugt zum Beispiel eine vorgegebene Potenzialdifferenz zwischen dem Spiegelabschnitt 131 als bewegliche Elektrode und einer beliebigen Steuerelektrode des Steuerelektrodenabschnitts 140 als eine feste Struktur, um Ladungen an der ausgewählten Steuerelektrode und dem Spiegelabschnitt (bewegliche Elektrode) 131 zu induzieren. Der Steuerschaltkreis 150 verursacht somit eine Coulomb'sche Kraft (elektrostatische Kraft), die auf die Ladungen wirkt, so dass sie den Spiegelabschnitt 131 bewegen.

Der Spiegelabschnitt 131 steht an einer Position still, an der das Drehmoment um die Schwenkachse durch die elektrostatische Kraft, die auf die induzierten Ladungen wirkt, mit einem Umkehrmoment ausgeglichen wird, das in den Verbindungsabschnitten 161 und 162 erzeugt wird, wenn sich der bewegliche Abschnitt dreht. Der Steuerschaltkreis 150 hebt die Potenzialdifferenz zwischen der Steuerelektrode und dem Spiegelabschnitt 131 auf und entfernt die Ladungen, die in dem Spiegelabschnitt 131 erzeugt werden, wodurch der bewegliche Zustand des Spiegelabschnitts 131 aufgehoben wird.

Wie in 1B gezeigt, ist das Tragelement 120 in dieser Ausführungsform eine rahmenförmige Struktur, die den Raum umgibt, wo der Steuerelektrodenabschnitt 140 gebildet ist. Die Erfindung ist jedoch nicht darauf begrenzt. Das Tragelement 120 muss nur vorgegebene Abschnitte des Rahmenabschnitts 130 der Spiegelstruktur tragen. Beispielsweise kann das Tragelement in 1B vom Rahmenabschnitt 130 an den vier Ecken des Raums nach unten getrennt sein.

Wie zuvor beschrieben, kann gemäß dieser Ausführungsform eine optische Schalteinrichtung, in der ein Spiegel integriert auf einem Halbleitersubstrat gebildet ist, auf dem ein integrierter Schaltkreis, umfassend einen Ansteuerkreis, gebildet ist, einfacher als zuvor hergestellt werden. 2 zeigt ein Beispiel einer optischen Schalteinrichtung, die durch Anordnen von Schaltelementen gebildet ist, die in 1A in einer Matrix auf beispielsweise einer Ebene eines Halbleitersubstrats gezeigt sind.

Ein Verfahren zum Herstellen der optischen Schalteinrichtung gemäß dieser Ausführungsform wird nachfolgend beschrieben. Zunächst wird, wie in 3A beschrieben, eine aktive Schaltung (nicht dargestellt), die den zuvor beschriebenen Steuerschaltkreis und Ähnliches bildet, auf dem Halbleitersubstrat 101, der aus einem Halbleiter wie Silizium hergestellt ist, gebildet. Dann wird die dielektrische Zwischenschicht 102 gebildet, die aus Siliziumoxid gebildet ist. Verbindungslöcher sind in der dielektrischen Zwischenschicht 102 gebildet. Dann wird die Zwischenverbindungsschicht 104, die mit der unterliegenden Zwischenverbindung durch die Verbindungslöcher und die Verbindungselektroden 103 zu verbinden ist, auf der dielektrischen Zwischenschicht 102 gebildet.

Diese Strukturen können durch bekannte Photolithographie und Ätzen gebildet werden. Die aktive Schaltung kann beispielsweise durch das CMOS-LSI-Verfahren gebildet werden. Die Verbindungselektrode 103 und die Zwischenverbindungsschicht 104 können durch Bilden eines Metallfilms aus Au/Ti und dessen Verarbeitung gebildet werden. Die untere Ti-Schicht des Metallfilms weist eine Stärke von ungefähr 0,1 &mgr;m auf und die obere Au-Schicht weist eine Stärke von ungefähr 0,3 &mgr;m auf.

Der Metallfilm kann auf folgende Weise gebildet werden. Ein Au/Ti-Film wird auf dem Siliziumoxidfilm durch Sputtern oder Aufdampfen gebildet. Eine vorbestimmte Struktur wird durch Photolithographie gebildet. Zu diesem Zeitpunkt werden gleichzeitig eine Photolackstruktur, die verwendet wird, um Elektrodenverbindungen zu bilden, Verbindungsabschnitte, die verwendet werden, um ein Spiegelsubstrat zu bonden (später beschrieben) und ein Drahtbond-Anschlussfleck gebildet. Der Au/Ti-Film wird selektiv durch Nassätzen unter Verwendung der Photolackstruktur als Maske entfernt. Wenn die Photolackstruktur entfernt worden ist, kann die Zwischenverbindungsschicht 104 gebildet werden. Die Elektroden-Zwischenverbindungen, die Verbindungsabschnitte, die verwendet werden, um ein Spiegelsubstrat zu verbinden (später beschrieben) und der Drahtbond-Anschlussfleck (nicht gezeigt) werden in der Zwischenverbindungsschicht 104 gebildet.

Nach dem Bilden dieser Schichten wird die dielektrische Zwischenschicht 105 gebildet, die die Zwischenverbindungsschicht 104 bedeckt. Die dielektrische Zwischenschicht 105 kann beispielsweise aus einem Polyimidfilm hergestellt sein, der in einer Stärke von mehreren &mgr;m durch Beschichten von Polybenzoxazol als lichtempfindliches Polymer gebildet ist. Die dielektrische Zwischenschicht 105 kann aus einem anderen dielektrischen Material gebildet sein.

Wie in 3B gezeigt, sind die Öffnungsabschnitte 105a, zu denen vorgegebene Abschnitte der Zwischenverbindungsschicht 104 freigelegt sind, in einer dielektrischen Zwischenschicht 105 gebildet. Wenn die dielektrische Zwischenschicht 105 aus einem lichtempfindlichen Polymer hergestellt ist, wie zuvor beschrieben, wird die Belichtung/Entwicklung so ausgeführt, dass eine solche Struktur gebildet wird, dass Öffnungen in Bereichen gebildet werden, wo die Öffnungsabschnitte 105a gebildet werden sollten. Nachdem die Struktur gebildet worden ist, wird die Struktur getempert um den Film zu härten, wodurch die dielektrische Zwischenschicht 105 gebildet wird, die die Öffnungsabschnitte 105a aufweist.

Wie in 3C gezeigt, wird eine Kristallkeimschicht 106 gebildet, die die dielektrische Zwischenschicht 105 bedeckt, umfassend die Innenflächen der Öffnungsabschnitte 105a. Die Kristallkeimschicht 106 ist aus einem Metallfilm gebildet, der beispielsweise aus Ti/Cu/Ti hergestellt ist. Die Stärke beträgt sowohl für Ti- als auch für Cu-Filme ungefähr 0,1 &mgr;m.

Wie in 4A gezeigt, wird eine Opferstruktur 401 gebildet, die eine Stärke von ungefähr 17 &mgr;m an dem flachen Abschnitt aufweist. Die Opferstruktur 401 kann beispielsweise durch Verarbeiten eines Films gebildet werden, der aus Polybenzoxazol als lichtempfindliches Polymer unter Verwendung von Photolithografie hergestellt wird.

Beispielsweise wird zuerst Polybenzoxazol beschichtet, um einen Polyimidfilm zu bilden. Der Polyimidfilm wird unter Verwendung einer Kontaktjustier- und Belichtungsanlage belichtet, unter Verwendung einer Photomaske oder eines Steppers, unter Verwendung eines Retikels zum Bilden lichtempfindlicher Abschnitte, die ein vorgegebenes Muster aufweisen. Die lichtempfindlichen Abschnitte umfassen einen Bereich, an dem ein Abschnitt zum Bilden eines Spiegelelektrodenmusters zu bilden ist, Verbindungsabschnitte, die verwendet werden, um ein Spiegelsubstrat zu verbinden oder ein Drahtbond-Anschlussfleck zu bilden sind. Als Nächstes wird der Polyimidfilm gebildet, der die lichtempfindlichen Abschnitte aufweist, und die lichtempfindlichen Abschnitte werden in einem Entwickler gelöst, wodurch die Opferstruktur 401 gebildet wird, die die gewünschten Öffnungsbereiche aufweist.

Wie in 4B gezeigt, werden als Nächstes die Metallmuster 121 und 141, die aus Cu hergestellt sind, durch Galvanisieren auf der Kristallkeimschicht 106 gebildet, die in die Öffnungsabschnitte der Opferstruktur 401 hinein freigelegt ist, so dass sie die gleiche Stärke aufweist, wie die der Opferstruktur 401. Zu diesem Zeitpunkt werden die Flächen der Metallmuster 121 und 141 so gebildet, dass sie fast bündig mit der Fläche der Opferstruktur 401 sind.

Wie in 4C gezeigt, wird gemäß dem gleichen Verfahren wie zuvor beschrieben eine Opferstruktur 402 gebildet, die ein gewünschtes Öffnungsmuster und eine Stärke von ungefähr 17 &mgr;m an dem flachen Abschnitt aufweist, und Metallmuster 122 und 142, die aus Cu hergestellt sind, werden durch Galvanisieren auf den Metallmustern 121 und 141 gebildet, die in die Öffnungsabschnitte der Opferstruktur 402 hinein freigelegt sind, so dass sie die gleiche Stärke wie die der Opferstruktur 402 aufweisen. Zu diesem Zeitpunkt wird jedes Metallmuster 122 so gebildet, dass es die gleiche Größe aufweist, wie das des unterliegenden Metallmusters 121. Jedes Metallmuster 142 wird so gebildet, dass es kleiner ist als das unterliegende Metallmuster 141, während das Intervall zwischen den benachbarten Metallmustern 142 gleich dem zwischen den benachbarten Metallmustern 141 hergestellt wird.

Wie in 4D gezeigt, wird gemäß dem gleichen Verfahren wie zuvor beschrieben eine Opferstruktur 403 gebildet, die eine Stärke von ungefähr 17 &mgr;m an dem flachen Abschnitt aufweist, und die Metallmuster 123 und 143, die aus Cu hergestellt sind, werden durch Galvanisieren auf den Metallmustern 122 und 142 gebildet, die in die Öffnungsabschnitte der Opferstruktur 403 hinein freigelegt sind, so dass sie die gleiche Stärke aufweisen wie die der Opferstruktur 403. Zu diesem Zeitpunkt wird jedes Metallmuster 123 so gebildet, dass es die gleiche Größe aufweist wie die des unterliegenden Metallmusters 122. Jedes Metallmuster 143 ist so gebildet, dass es kleiner ist als das unterliegende Metallmuster 142, während das Intervall zwischen den benachbarten Metallmustern 143 gleich hergestellt wird, wie das zwischen den benachbarten Metallmustern 141.

Wie in 4E gezeigt, wird gemäß dem gleichen Verfahren wie zuvor beschrieben eine Opferstruktur 404 gebildet, die eine Stärke von ungefähr 17 &mgr;m an dem flachen Abschnitt aufweist, und die Metallmuster 124 und 144, die aus Cu hergestellt sind, werden durch Galvanisieren auf den Metallmustern 123 und 143 gebildet, die in die Öffnungsabschnitte der Opferstruktur 404 hinein freigelegt sind, so dass sie die gleiche Stärke aufweisen, wie die der Opferstruktur 404. Zu diesem Zeitpunkt wird jedes Metallmuster 124 so gebildet, dass es die gleiche Größe aufweist wie die des unterliegenden Metallmusters 123. Jedes Metallmuster 144 ist so gebildet, dass es kleiner ist als das unterliegende Metallmuster 143, während das Intervall zwischen den benachbarten Metallmustern 144 gleich dem zwischen den benachbarten Metallmustern 141 gemacht wird.

Wie in 5A gezeigt, wird gemäß dem gleichen Verfahren wie zuvor beschrieben eine Opferstruktur 405 gebildet, die eine Stärke von ungefähr 17 &mgr;m an dem flachen Abschnitt aufweist, und die Metallmuster 125, die aus Cu hergestellt sind, werden durch Galvanisieren auf den Metallmustern 124 gebildet, die in die Öffnungsabschnitte der Opferstruktur 405 hinein freigelegt sind, so dass sie die gleiche Stärke aufweisen, wie die der Opferstruktur 405. Zu diesem Zeitpunkt wird jedes Metallmuster 125 so gebildet, dass es die gleiche Größe aufweist, wie die des unterliegenden Metallmusters 124. In der Opferstruktur 405 auf den Metallmustern 144 werden keine Öffnungsabschnitte gebildet. Stattdessen werden die Metallmuster 144 mit Opferstrukturen 405 bedeckt.

Wie in 5B gezeigt, ist auf der Fläche der Opferstruktur 405, umfassend die Flächen der Metallmuster 125, eine Kristallkeimschicht 406 von einem Metallfilm aus Au/Ti gebildet. Die Kristallkeimschicht 406 ist beispielsweise aus einer 0,1 &mgr;m starken Ti-Schicht gebildet und einer 0,1 &mgr;m starken Au-Schicht, die auf der Ti-Schicht gebildet ist. Nachdem die Kristallkeimschicht 406 gebildet worden ist, wird eine Photolackstruktur 407 gebildet, die teilweise über den Metallmustern 125 Öffnungsabschnitte aufweist.

Wie in 5C gezeigt, werden die Metallfilme 408, die aus Au hergestellt sind und eine Stärke von ungefähr 1 &mgr;m aufweisen, durch Galvanisieren auf der Kristallkeimschicht 406 gebildet, die in die Öffnungsabschnitte in der Photolackstruktur 407 hinein freigelegt sind. Wie in 5D gezeigt, wird, nachdem die Photolackstruktur 407 entfernt worden ist, die Kristallkeimschicht 406 durch Nassätzen unter Verwendung der Metallfilme 408 als Maske geätzt, wodurch Metallmuster 126 gebildet werden, wie in 5E gezeigt.

Wie in 6A gezeigt, werden als Nächstes die Opferstrukturen 401, 402, 403, 404 und 405 durch Ablösen unter Verwendung beispielsweise eines Ozon-Ablösers entfernt. Wie in 6A gezeigt, werden Strukturen gebildet, die durch die Metallmuster 121, 122, 123, 124, 125 und die Metallmuster 126 gebildet werden, und Strukturen, die durch die Metallmuster 141, 142, 143, und 144 gebildet werden. Zwischen diesen Strukturen werden Räume gebildet.

Danach wird die Kristallkeimschicht 106 selektiv durch Nassätzen unter Verwendung der Metallmuster 121 und 141 und Ähnlichem als Maske entfernt, um ein Tragelement 120 und einen Steuerelektrodenabschnitt 140 zu bilden, wie in 6B gezeigt. In dem Steuerelektrodenabschnitt 140 weisen benachbarte Metallmuster 141, 142, 143 und 144 das gleiche Intervall zwischeneinander auf. Die Größe des Metallmusters nimmt zur oberen Seite hin ab, das heißt zur Spiegelstruktur hin, die in den nachfolgenden Schritten zu bilden ist. Folglich ist der Steuerelektrodenabschnitt 140 zum Mittelabschnitt des Spiegelabschnitts 131 hin verjüngt.

Danach wird der Rahmenabschnitt 130, an dem der Spiegelabschnitt 131 schwenkbar durch Verbindungsabschnitte (nicht gezeigt) verbunden ist, mit dem Tragelement 120 verbunden und an ihm befestigt, wodurch die optische Schalteinrichtung gebildet wird, wie in 6C gezeigt. Der Rahmenabschnitt 130 wird mit dem Tragelement 120 verbunden und an ihm befestigt, indem der Rahmenabschnitt unter Verwendung beispielsweise eines Lots oder eines anisotropen leitenden Klebstoffs gebondet und befestigt wird.

Gemäß dem zuvor beschriebenen Herstellungsverfahren wird eine aktive Schaltung (integrierter Schaltkreis) zum Antreiben und Steuern des Spiegels zuerst auf dem unteren Elektrodensubstrat gebildet. Dann werden der Steuerelektrodenabschnitt und das feste Tragelement gebildet, wie zuvor beschrieben. Ein Spiegelsubstrat wird auf dem Tragelement angeschlossen, um eine optische Schalteinrichtung herzustellen. In dem zuvor beschriebenen Verfahren wird der Steuerelektrodenabschnitt oder das Tragelement durch Stapeln von Metall-(leitenden) Mustern gebildet. Folglich kann die optische Schalteinrichtung kompakter gemacht werden, und eine leistungsstarke optische Schalteinrichtung kann erhalten werden.

Als Nächstes wird ein weiteres Herstellungsverfahren beschrieben. Dieses wendet die gleichen Schritte an, wie die mit Bezug auf 3A bis 5A in dem zuvor genannten Herstellungsverfahren beschriebenen, und eine Beschreibung davon kann ausgelassen werden. In diesem Herstellungsverfahren sind Metallmuster 125 so gebildet, dass sie die gleiche Stärke aufweisen, wie die der Opferstruktur 405 gemäß dem Prozess in dem zuvor beschriebenen Herstellungsverfahren. Wie in 7A gezeigt, wird dann die Kristallkeimschicht 406, die von einem Metallfilm gebildet ist, der aus Au/Ti hergestellt ist, auf der Oberfläche der Opferstruktur 405, umfassend die Flächen der Metallmuster 125, gebildet. Die Kristallkeimschicht 406 wird beispielsweise von einer 0,1 &mgr;m starken Ti-Schicht und von einer 0,1 &mgr;m starken Au-Schicht gebildet, die auf der Ti-Schicht gebildet ist.

Wenn die Kristallkeimschicht 406 gebildet wird, wird eine Photolackstruktur 701 gebildet. Wie in 7B gezeigt, wird als Nächstes ein 1 &mgr;m starker Metallfilm 702 aus Au durch Galvanisieren auf der Kristallkeimschicht 406 gebildet, der außerhalb des Bildungsbereichs der Photolackstruktur 701 belichtet wird. Nachdem die Photolackstruktur 701 entfernt worden ist, wird die Kristallkeimschicht 406 unter Verwendung eines Metallfilms 702 als Maske zum Bilden des Rahmenabschnitts 130 und des Spiegelabschnitts 131 selektiv entfernt, wie in 7C gezeigt.

Der Spiegelabschnitt 131 wird an dem Rahmenabschnitt 130 durch Verbindungsabschnitte befestigt, die sich wie Torsionsfedern verhalten. Die Verbindungsabschnitte werden von dem Metallfilm 702 und der Kristallkeimschicht 406 gebildet, die nicht mit der Photolackstruktur 701 zwischen dem Rahmenabschnitt 130 und dem Spiegelabschnitt 131 bedeckt sind.

Wenn der Rahmenabschnitt 130 und der Spiegelabschnitt 131 gebildet worden sind, werden die Opferstrukturen 401, 402, 403, 404 und 405 unter Verwendung beispielsweise eines Ozon-Ablösers durch die Öffnungsabschnitte zwischen dem Rahmenabschnitt 130 und dem Spiegelabschnitt 131 abgelöst. Danach wird die Kristallkeimschicht 106 unter Verwendung der Metallmuster 121 und 141 als Maske selektiv entfernt. Wie in 7D gezeigt, werden das Tragelement 120 und der Steuerelektrodenabschnitt 140 unter dem Rahmenabschnitt 130 und dem Spiegelabschnitt 131 gebildet. Der Spiegelabschnitt 131 ist über dem Steuerelektrodenabschnitt 140 angeordnet, während er von dem Steuerelektrodenabschnitt 140 durch einen vorgegebenen Abstand getrennt ist.

Wie zuvor beschrieben, wird selbst bei dem mit Bezug auf 7A bis 7D beschriebenen Herstellungsverfahren eine aktive Schaltung zum Antreiben und Steuern eines Spiegels im Voraus auf dem unteren Elektrodensubstrat gebildet. Wie zuvor beschrieben, werden danach leitende Strukturen gestapelt, um einen Steuerelektrodenabschnitt und ein Tragelement zu bilden. Ein Rahmenabschnitt und ein Spiegelabschnitt sind auf dem Tragelement gebildet, um eine optische Schalteinrichtung herzustellen. Gemäß diesem Herstellungsverfahren kann folglich die optische Schalteinrichtung kompakt gemacht werden, und eine leistungsstarke optische Schalteinrichtung kann erhalten werden.

Da der Rahmenabschnitt und der Spiegelabschnitt von einem Metallfilm gebildet werden, kann in diesem Herstellungsverfahren der Bonding-Schritt weggelassen werden. Dies ist ein Vorteil für die Herstellung. Fachleute können leicht erkennen, dass, um ein Verziehen eines Metallspiegels aufgrund von Spannungen zu verhindern, ein Spiegel mit gesteuerter Spannung gebildet werden kann, indem eine Anzahl Metallschichten gestapelt wird, die unterschiedliche Spannungscharakteristika aufweisen und beschichtet werden können, hergestellt werden kann.

Als Nächstes wird noch ein weiteres Herstellungsverfahren beschrieben. Dieses wendet ebenfalls die Schritte an, die mit Bezug auf 3A bis 5A in dem zuvor genannten Verfahren beschrieben werden, und eine Beschreibung davon kann ausgelassen werden. In diesem Herstellungsverfahren werden Metallmuster 125 so gebildet, dass sie die gleiche Stärke aufweisen wie die der Opferstruktur 405, gemäß dem gleichen Prozess wie in dem zuvor beschriebenen Herstellungsverfahren. Wie in 8A gezeigt, wird dann ein Dünnfilm 801 aus Polysilizium, der eine Stärke von 1 &mgr;m aufweist, auf der Fläche der Opferstruktur 405, umfassend die Flächen der Metallmuster 125, bei einer relativ niedrigen Temperatur unter Verwendung von ECRVD gebildet, das in der Lage ist, einen Dünnfilm aufzudampfen.

Wenn der Dünnfilm 801 gebildet worden ist, wird eine Photolackstruktur 802 gebildet, wie in 8B gezeigt. Als Nächstes wird ein Dünnfilm 801 durch Ätzen durch die Öffnungsabschnitte der Photolackstruktur 802 entfernt. Die Photolackstruktur 802 wird entfernt, wodurch ein Rahmenabschnitt 830 und ein Spiegelabschnitt 831 gebildet werden, wie in 8C gezeigt.

Wenn der Rahmenabschnitt 830 und der Spiegelabschnitt 831 gebildet worden sind, werden die Opferstrukturen 401, 402, 403, 404 und 405 unter Verwendung beispielsweise eines Ozon-Ablösers durch die Öffnungsabschnitte zwischen dem Rahmenabschnitt 830 und dem Spiegelabschnitt 831 abgelöst. Danach wird die Kristallkeimschicht 106 unter Verwendung der Metallmuster 121 und 141 als Maske selektiv entfernt. Wie in 8D gezeigt, werden mit diesem Prozess das Tragelement 120 und der Steuerelektrodenabschnitt 140 unter dem Rahmenabschnitt 830 und dem Spiegelsubstrat 831 gebildet. Der Spiegelabschnitt 831 ist über dem Steuerelektrodenabschnitt 140 angeordnet, während er von dem Steuerelektrodenabschnitt 140 durch einen vorgegebenen Abstand getrennt ist.

Der Spiegelabschnitt 831 ist an dem Rahmenabschnitt 830 durch Verbindungsabschnitte (nicht gezeigt) befestigt, die sich wie Torsionsfedern verhalten. Die Verbindungsabschnitte werden von einem Film 801 unter den Öffnungsabschnitten der Photolackstruktur 802 zwischen dem Rahmenabschnitt 830 und dem Spiegelabschnitt 831 gebildet.

Wie zuvor beschrieben, wird selbst beim Herstellungsverfahren, das mit Bezug auf 8A bis 8D beschrieben wird, eine aktive Schaltung zum Antreiben und Steuern eines Spiegels im Voraus auf dem unteren Elektrodensubstrat gebildet. Wie zuvor beschrieben, werden danach ein Steuerelektrodenabschnitt und ein Tragelement gebildet. Ein Rahmenabschnitt und ein Spiegelabschnitt sind auf dem Tragelement gebildet, um eine optische Schalteinrichtung herzustellen. Folglich kann die optische Schalteinrichtung kompakt gemacht werden, und eine leistungsstarke optische Schalteinrichtung kann erhalten werden.

Da der Spiegel ohne Bonding gebildet wird, kann der Bonding-Schritt weggelassen werden. Dies ist ein Vorteil bei der Herstellung.

Ein Beispiel, in dem das Tragelement 120 und der Steuerelektrodenabschnitt 140 durch Verkupfern gebildet werden, ist zuvor beschrieben worden. Das Tragelement 120 und der Steuerelektrodenabschnitt 140 können jedoch durch Beschichten eines Metalls wie Gold gebildet werden, das beschichtet werden kann.

Wie zuvor beschrieben worden ist, werden erfindungsgemäß ein Spiegelelement, das einen beweglichen Abschnitt aufweist, der eine reflektierende Fläche umfasst, und dessen Betrieb durch einen Ansteuerkreis gesteuert wird, und ein festes Tragelement, das den beweglichen Abschnitt trägt, auf einem Halbleitersubstrat gebildet, das einen integrierten Schaltkreis aufweist, umfassend den Ansteuerkreis, der darauf gebildet ist. Folglich kann eine feinere optische Schalteinrichtung einfacher hergestellt werden als zuvor, während jede Verringerung des Integrationsgrads oder der Ausbeute unterdrückt wird.


Anspruch[de]
Optische Schalteinrichtung, umfassend mindestens:

ein optisches Schaltelement, gebildet aus

einem festen Elektrodenabschnitt (140), der über eine dielektrische Schicht (102) auf einem Halbleitersubstrat (101) angeordnet ist, auf dem eine integrierte Schaltung gebildet ist,

einer Spiegelstruktur (130, 131, 132) mit einem plattenförmigen beweglichen Abschnitt (131, 132), der über dem festen Elektrodenabschnitt (140) angeordnet ist, wobei er dem festen Elektrodenabschnitt (140) gegenüberliegt,

einem Spiegelabschnitt (131), der an mindestens einem Teil des beweglichen Abschnitts gebildet ist, um Licht zu reflektieren,

einem Tragelement (120), das um den festen Elektrodenabschnitt (140) auf dem Halbleitersubstrat (101) über eine dielektrische Schicht (102) befestigt ist und die Spiegelstruktur (130-132) trägt; und

einer Antriebssteuerschaltung (150), die in der integrierten Schaltung enthalten ist, um das optische Schaltelement anzutreiben, indem an den beweglichen Abschnitt (131, 132) und den festen Elektrodenabschnitt (140) ein vorbestimmtes Potential angelegt wird,

dadurch gekennzeichnet, dass der feste Elektrodenabschnitt (140) nach oben zu der Spiegelstruktur (130-132) hin zur Mitte des Spiegelabschnitts (131) verjüngt ist.
Einrichtung nach Anspruch 1, wobei das Tragelement (120) aus einer Mehrzahl gestapelter Strukturen (121, 122, 123, 124, 125) gebildet ist. Einrichtung nach Anspruch 2, wobei

das Tragelement (120) aus einer ersten Struktur (121), die auf dem Halbleitersubstrat (101) über die dielektrische Schicht gebildet ist, und einer auf der ersten Struktur gestapelten zweiten Struktur (122) gebildet ist, und

der feste Elektrodenabschnitt (140) so gebildet ist, dass er mindestens um eine Stärke der zweiten Struktur (122) niedriger als eine obere Fläche des Tragelements (120) ist.
Einrichtung nach Anspruch 2, wobei

das Tragelement (120) aus einer ersten Struktur (121), die auf dem Halbleitersubstrat (101) über die dielektrische Schicht (102) gebildet ist, einer auf der ersten Struktur (121) gestapelten zweiten Struktur (122) und einer auf der zweiten Struktur (122) gestapelten dritten Struktur (123) gebildet ist und

der feste Elektrodenabschnitt (140) eine vierte Struktur (141), die auf dem Halbleitersubstrat (101) über die dielektrische Schicht (102) gebildet ist und die gleiche Stärke wie die der ersten Struktur (121) aufweist, und eine fünfte Struktur (142), die auf der vierten Struktur (141) gestapelt ist und die gleiche Stärke wie die der zweiten Struktur (122) aufweist, umfasst und so gebildet ist, dass er mindestens um eine Stärke der dritten Struktur (123) niedriger als eine obere Fläche des Tragelements (120) ist.
Einrichtung nach einem der Ansprüche 1 bis 4, wobei der bewegliche Abschnitt (131, 132) eine Elektrode aufweist. Einrichtung nach einem der Ansprüche 1 bis 5, weiterhin umfassend Entlademittel zum Entfernen von in dem beweglichen Abschnitt (131, 132) erzeugten Ladungen. Einrichtung nach einem der Ansprüche 1 bis 6, wobei eine Mehrzahl optischer Schaltelemente in einer Matrix auf dem Halbleitersubstrat (101) angeordnet ist. Einrichtung nach einem der Ansprüche 1 bis 7, wobei

der feste Elektrodenabschnitt (140) aus einer Mehrzahl Elektroden (140a-140d) gebildet ist, die bezogen auf eine Senkrechte zu einer Oberfläche des Halbleitersubstrats (101), die einen mittleren Abschnitt des beweglichen Abschnitts (131, 132) durchläuft, symmetrisch angeordnet sind, und

eine äußere Seitenfläche jeder der Elektroden (140a-140d) auf einer entgegengesetzten Seite der Senkrechten gebildet ist, um sich zu dem mittleren Abschnitt des beweglichen Abschnitts (131, 132) hin zu neigen.






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