JPH0749460A - 可変焦点ミラーおよびその製造方法 - Google Patents

Abstract

(57)【要約】 【目的】この発明は、通常に光学系で使用できる程度の
サイズで構成することができ、特に無変形時における歪
みの発生がない状態で構成できるようにした可変焦点ミ
ラーおよびその製造方法を提供することを目的とする。 【構成】単結晶シリコンウエハの面に弾性的に等方な薄
膜ガラスを陽極接合することで、薄膜ダイヤフラム11を
リング状基板12で保持したミラー本体部を構成する。基
板12で囲まれたダイヤフラム11の中央部には、光反射体
および電極を構成する金属層13が蒸着される。リング状
基板12は樹脂で構成した台座部材14に、低ヤング率の接
着剤によって接合し、この台座部材14には金属層13に対
向する位置に、対向電極15が形成されている。そして、
金属層13と対向電極15との間に電圧発生回路18を接続
し、連続的に可変できる直流電圧が印加されるようにす
る。

Description

【発明の詳細な説明】

【０００１】

【産業上の利用分野】この発明は、初期歪のない状態で
焦点距離が可変制御されるようにした可変焦点ミラーお
よびその製造方法に関する。

【０００２】

【従来の技術】焦点距離を可変調整できるようにした可
変焦点ミラーとしては、例えば特開平４−２１１２１６
号公報に示される空間的光変調半導体装置において開示
された技術が知られている。この半導体装置において
は、トランジスタのオン時に電界によって吸引される薄
膜によって構成された多数のミラーによるミラーアレイ
を備えているものであるが、ここで示された変形可能な
ミラーにあっては、半導体基板上にニトロセルロース等
の柔軟性に富んだ非金属層と金属層からなる薄膜を形成
し、この薄膜によってミラーの本体部が構成されるよう
にしている。

【０００３】この薄膜の形成方法は、微小な可変焦点ミ
ラーを形成するためには適しているものであるが、通常
の光学系において用いられる、例えば１０ｍｍ以上のサ
イズのミラーを実現するためには不適当である。その理
由は、ポリマーからなる厚さ８００Ａ（Ａはオングスト
ロームを示す）の薄膜の曲げ弾性係数は“０”に等しい
状態にあり、通常の光学系において用いられる１０ｍｍ
以上のサイズのものを構成した場合、その無変形時にお
いて歪のない状態でこの薄膜を保持し、且つ固定するこ
とができない。

【０００４】

【発明が解決しようとする課題】この発明は上記のよう
な点に鑑みなされたもので、特に焦点距離が無限大とさ
れるミラー本体部の無変形時において歪のない状態で固
定保持することができるようにした、特に例えば１０ｍ
ｍ以上の通常の光学系で使用されるサイズにおいて初期
歪みのない状態で構成することのできる可変焦点ミラ
ー、並びにその製造方法を提供しようとするものであ
る。

【０００５】

【課題を解決するための手段】この発明に係る可変焦点
ミラーは、同心円筒型のリング状基板を備え、薄膜ダイ
ヤフラムをこのリング状基板の一方の面に、中心軸に非
対称な応力歪が抑制された状態で接合支持するもので、
この薄膜ダイヤフラムの前記リング状基板の円筒部内に
囲まれた領域に光反射部材並びに電極部材として作用さ
れる金属層を形成する。そして、前記リング状基板を絶
縁物で構成した台座部材に取り付け、この台座部材の前
記薄膜ダイヤフラムに小間隔で対向設定して対向電極を
形成するもので、前記金属層と対向電極との間に、電圧
値の可変制御される直流電源が接続されるようにする。

【０００６】また、基板部材の一方の面に等方性材料で
構成された薄膜ダイヤフラム層を接合形成し、前記基板
部材の前記ダイヤフラムの接合面と反対の面に、円形の
リング状部を残す開口マスクを形成すると共に、前記開
口部に対応して前記基板部材を前記接合されたダイヤフ
ラムに至るまでエッチングしてリング状基板を形成する
もので、前記リング状基板で囲まれた前記ダイヤフラム
の面に金属層を蒸着形成するようにして可変焦点ミラー
が製造されるものである。

【０００７】

【作用】この様に構成される可変焦点ミラーにあって
は、例えば単結晶シリコンによって構成されたリング状
の基板に対して、反射体を構成するようになる薄膜ダイ
ヤフラムが、中心軸に非対称な応力歪が抑制された状態
で接合支持されているものであり、したがって特に無変
形時において歪のない状態で保持固定されるようになっ
て、通常の光学系において使用される例えば１０ｍｍ以
上のサイズの、焦点距離を可変することのできるミラー
が実現できる。

【０００８】

【実施例】以下、図面を参照してこの発明の一実施例を
説明する。図１はその構成を示すもので、焦点距離が可
変されるミラー反射体は、薄膜ダイヤフラム11によって
構成される。この薄膜ダイヤフセム11は、例えばパイレ
ックスガラスによって構成されるもので、パイレックス
ガラスとはナトリウムイオンを３．５％ほど含んだ陽極
接合に適した石英ガラスであり、弾性的に等方なガラス
を構成する。この薄膜ダイヤフラム11はミラー部として
変形可能に構成されるもので、その膜厚は約１０μｍ程
度であり、直径は１０ｍｍ程度に構成される。

【０００９】この薄膜ダイヤフラム11は、例えば単結晶
シリコンによって構成した円筒状のリング状基板12によ
って保持されるもので、このリング状基板12の一方の端
面部に薄膜ダイヤフラム11の外周縁部分が陽極接合によ
って接合され、この薄膜ダイヤフラム11は、リング状基
板12によって無変形時の平面度が保証され、且つ同心円
状に変形するように応力歪みの少ない状態で保持される
ようにする。したがって、この様に薄膜ダイヤフラム11
を保持するリング状基板12は、その厚さ（円筒の軸方向
の長さ）が厚いほうが好ましいものであるが、２００μ
ｍ程度で構成すればよい。

【００１０】そして、この様にリング状基板12によって
保持された薄膜ダイヤフラム11の面には、光反射および
電極として作用されるように金属層13が薄く蒸着され
る。この金属層13は、薄膜ダイヤフラム11の変形歪みの
発生を許容できるようにして、光反射および電極として
作用される程度に充分に薄く構成されるものであり、例
えば３００Ａ程度の膜厚で構成される。

【００１１】薄膜ダイヤフラム11を保持したリング状基
板12は、例えば合成樹脂のような絶縁物によって構成さ
れる台座部材14に保持されるもので、この台座部材14は
リング状基板12のリング部に対応するリング状の支持部
141 と、このリング状支持部141 の内周部分に底状に形
成される薄膜ダイヤフラム11の対向部142 によって構成
され、この対向部142 には薄膜ダイヤフラム11の金属層
13に小間隔で対向されるように対向電極層15が形成され
る。そして、この対向電極層15の周囲を取巻くようにし
て電流のリークを阻止するための溝16が形成され、リン
グ状基板12はこの台座部材14に低ヤング率の接着剤によ
って一体的に接合する。

【００１２】薄膜ダイヤフラム11に形成された金属層1
3、および台座部材14に形成された対向電極層15から
は、それぞれリード線171 および172 が導出されるもの
で、このリード線171 および172 に電圧発生回路18が接
続される。そして、金属層13による電極と対向電極層15
との間に連続的に変化制御される直流電圧が印加され、
その印加電圧値に対応した吸引力が、金属層13の設定さ
れた薄膜ダイヤフラム11と対向電極15の設定された台座
部材14との間に設定され、薄膜ダイヤフラム11が駆動さ
れるようにする。

【００１３】この様に構成される可変焦点ミラーにおい
て、電圧発生回路18で発生された直流電圧が金属層13と
対向電極15との間に印加されると、この金属層13と対向
電極15との間に静電気力が発生し、例えば金属層13と対
向電極15との間のギャップが０．５ｍｍで印加電圧が２
３００ボルトのとき、薄膜ダイヤフラム11は２０μｍ程
度吸引変形される。この変形された薄膜ダイヤフラム11
によって構成された反射ミラーとしての焦点距離は３０
０ｍｍである。

【００１４】金属層13と対向電極15との間に印加される
直流電圧の値を変化させることによって、金属層13と対
向電極15との間に作用する静電気力が変化するもので、
この静電気力の変化に応じて薄膜ダイヤフラム11の変形
曲率が変化するようになり、この変形曲率の変化に対応
して、反射ミラーとしての焦点距離が連続的に変化され
る。この焦点距離は、例えば３００ｍｍから無限大まで
可変される。

【００１５】反射ミラーの本体部は、薄膜ダイヤフラム
11によって構成されるものであり、この薄膜ダイヤフラ
ム11はリング状基板12によって保持されていることか
ら、同心円状以外の応力歪みが少なく、また材質が等方
的であることから、薄膜ダイヤフラム11は中心軸に対し
て軸対称に変形するようになり、したがって集光特性は
良好なものとされる。

【００１６】薄膜ダイヤフラム11に形成された金属層13
による電極と対向電極15との距離によって、印加電圧に
対する両電極間の電界強度が変化するものであり、した
がって電極間ギャップの変化に伴って印加電圧と焦点距
離の関係に狂いが生ずる。このため、ミラーを構成する
薄膜ダイヤフラム11の金属層13と対向電極15との間の静
電容量をモニタすることが必要となってくる。

【００１７】金属層13と対向電極15とはコンデンサを構
成しているものであるため、金属層13と対向電極15との
間の静電容量をモニタすることにより、温度等による外
乱によってダイヤフラム11が有している初期変位を補正
し、常にダイヤフラム11に変形量が一定とされるように
駆動電圧を制御することも可能である。

【００１８】次に、この様に構成される可変焦点ミラー
の特にミラー構成部分の製造方法について説明する。ま
ず膜厚が約２００μｍ程度で、面方位が（１００）面の
単結晶シリコンウエハの両面に、熱酸化による酸化膜も
しくはプラズマＣＶＤによって窒化膜を形成する。図２
の（Ａ）はシリコンウエハ21の表面に酸化膜22が形成さ
れた状態を示すもので、その酸化膜22に対しては陽極接
合の電極とされる部位221 が露出されるようにパターニ
ングする。このパターニングされるようになる酸化膜22
の膜厚は、後述するシリコンエッチング工程において機
能させるようにする必要があるため、１μｍ程度に設定
される。さらに、このシリコンウエハ21の裏面には、陽
極接合可能な程度の薄い酸化膜23が形成されるようにす
る。この酸化膜23は、エッチング時においてミラー面保
護のために設定されるもので、好ましくは１０００Ａ程
度の膜厚とされる。

【００１９】この様にシリコンウエハ21の両面に所定の
酸化膜22および23が形成されたならば、同図の（Ｂ）で
示すようにシリコンウエハ21の酸化膜23が形成された裏
面部に、膜厚が１ｍｍ程度の膜厚のガラス板24を陽極接
合する。その後、この接合されたガラス板24を研削し、
（Ｃ）図で示すように膜厚１０μｍ程度のガラス薄膜24
1 とする。

【００２０】この様にしてシリコンウエハ21に対してガ
ラス薄膜241 が接合されたならば、図３に示すように酸
化膜22の中心部に、直径１０ｍｍ程度の円形にパターニ
ングして酸化膜22を取り除いて中心露出部222 を形成す
る。そして、さらにこの中心露出部222 の外周を取巻く
ようにしてリング状露出部223 を形成する。

【００２１】この様にして、露出部222 および223 を形
成した酸化膜22によるマスクがシリコンウエハ21の表面
に形成されるようになるもので、この様にマスクが形成
されたならば、図４の（Ａ）に示すようにこのマスクの
開口部、すなわち部位221 を含み露出部222 および223
部に対応してシリコンウエハ21をエッチングし、酸化膜
23に至るまでシリコンをエッチングにより取り除く。こ
のエッチングは、水酸化カリウムとイソプロピルアルコ
ールの混合液が用いられる。この様なエッチング工程に
よってシリコンリングによる基板12に保持された、歪み
のないガラス薄膜241 による薄膜ダイヤフラム11が得ら
れるようになる。

【００２２】そして、図に破線で示すようにリング状露
出部に対応したエッチング部から切断分離することによ
って、同図の（Ｂ）で示すようにリング状基板12の面に
ガラス薄膜241 によるダイヤフラム11が接合されたミラ
ー本体部が形成されるようになるもので、リング状基板
12の中央部の円筒状部分に対応したガラス薄膜241 の面
にアルミニウムによる金属層13を３００Ａ程度の厚さに
蒸着し、これによってミラー反射面および電極が形成さ
れる。

【００２３】この様なミラー本体部が取り付けられた図
１で示す台座部材14が、温度変化等の外乱によって変形
することがある。しかし、この台座部材14の変形によっ
て薄膜ダイヤフラム11の中心軸に非対称な変形が生ずる
と、光学ミラーとして充分に機能させることができな
い。したがって、台座部材14を構成する樹脂材料の変形
を充分に吸収可能とされる程度に低ヤング率で且つ接着
強度が充分な接着剤によって、リング状基板12が台座部
材14に接着固定されるようにする。

【００２４】なお、この様な可変焦点ミラーを製作する
に際して、以下のような材料特性が必要とされる。ま
ず、接合強度が充分に得られと共に表面粗さの小さいダ
イヤフラム11を得るため、この薄膜ダイヤフラム11とリ
ング状基板12との接合面の面精度が極めてよいものを用
いる必要がある。好ましくは、平面度１０μｍ以下の鏡
面である。

【００２５】また軸対称の変形形状を得るために、薄膜
ダイヤフラム11を構成する薄膜ガラスの膜厚は均一であ
ることが望ましい。しかし、ガラス薄板の平行度は単結
晶シリコンによるシリコンウエハの平行度を基準にして
研削されるものであるため、単結晶シリコンによるウエ
ハの平行度の可能な限りよいものを用いるもので、好ま
しくは４インチのウエハ全体での平行度が１μｍ程度で
ある。

【００２６】さらに、リング状基板12を構成するシリコ
ンウエハとダイヤフラム11を構成するガラス板との陽極
接合に際して、２つの物質の熱膨脹係数の違いが薄膜ダ
イヤフラム11の応力歪みとして現れるようになるため、
ここで用いられるガラス材料の熱膨脹係数がシリコンに
近いものであることが必要である。

【００２７】図１で示した実施例においては、薄膜ダイ
ヤフラム11を保持したリング状基板12は、樹脂材料によ
って構成した台座部材14に接着固定するようにしたが、
図５で示すように、リング状基板12を保持する台座部材
14を、ガラスリング31とゴムリング32との間に保持し、
樹脂等によって構成したハウジング33の内部にねじリン
グ34によって固定設定するような構成で固定するように
してもよい。

【００２８】すなわち、ミラー反射体となる薄膜ダイヤ
フラム11を保持するリング状基板12が、ゴムリング32を
含む弾性物質によって保持されるようにしているもの
で、このゴムリング32を導電性ゴムによって構成するこ
とによって、ダイヤフラム11の面に蒸着された金属層18
を、このゴムリング32を介して電源に接続することがで
きる。したがって、この様な固定保持構造を採用するこ
とによって、ミラー本体部の組み付けが容易とされると
共に、精度良くさらに確実性をもって固定することがで
き、機械的な振動に対しても耐え得る構造とされる。

【００２９】なお、実施例においては薄膜ダイヤフラム
11を薄膜ガラスによって構成するように説明したが、こ
れは多結晶金属膜やアモルファス金属膜、さらにポリイ
ミド等の等方性材料によって構成することが可能であ
る。

【００３０】薄膜ダイヤフラム11として多結晶金属を使
用する場合には、例えばこのダイヤフラムを取り付ける
リング状基板12をアルミニウムによって構成し、このア
ルミニウムでなるリング状基板12の上にエッチングされ
ない金属、好ましくはニッケルを１０μｍ程度にメッキ
する。その後、アルミニウム等の金属を機械的研削によ
ってパターニングし、全面をダイヤフラムとなるニッケ
ルが露出されるまでアルカリエッチングしてニッケルメ
ッキ膜を形成するもので、この様にしてニッケルメッキ
膜は前実施例のガラス同様にアルミニウムによるリング
状基板に保持される構成となる。

【００３１】またポリイミド膜を使用する場合は、この
ポリイミド材料をアルミニウム等の金属にスピンコート
によって膜厚１０μｍ程度塗布する。そして、アルミニ
ウム等の金属を機械的研削によってパターニングし、全
面をダイヤフラムとなるポリイミドが露出されるまでア
ルカリエッチングして、ダイヤフラムとされるポリミイ
ド膜が得られるようにする。

【００３２】

【発明の効果】以上のようにこの発明に係る可変焦点ミ
ラーによれば、通常の光学系において使用できる程度の
サイズに容易に構成できるものであり、特にミラー本体
部の無変形時において歪みのない状態で、反射体を構成
する薄膜ダイヤフラムが固定保持されるものであり、応
用範囲が拡大される信頼性のある可変焦点ミラーが提供
されるようになる。

【図面の簡単な説明】

【図１】この発明の一実施例に係る可変焦点ミラーを示
すもので、（Ａ）は断面構成図、（Ｂ）は平面図。

【図２】（Ａ）〜（Ｃ）は上記実施例の薄膜ダイヤフラ
ムの製造過程を順次説明する図。

【図３】図２の（Ｃ）に続く過程で製造されるダイヤフ
ラム部材を示すもので、（Ａ）は平面図、（Ｂ）は断面
構成図。

【図４】（Ａ）は図３で示したダイヤフラム部材をエッ
チングした状態を示す図、（Ｂ）はその一部を取り出し
て拡大して示した図。

【図５】この発明の他の実例に係る可変焦点ミラーの断
面構成図。

【符号の説明】

11…薄膜ダイヤフラム、12…リング状基板、13…金属
層、14…台座部材、15…対向電極、16…溝、171 、172
…リード線、18…電圧発生回路。

Claims (2)

【特許請求の範囲】
1. 【請求項１】 同心円筒型のリング状基板と、 このリング状基板の一方の面に、中心軸に非対称な応力
   歪が抑制された状態で接合支持された薄膜ダイヤフラム
   と、 この薄膜ダイヤフラムの前記リング状基板の円筒部内に
   囲まれた領域に対応した一方の面に形成された、光反射
   部材並びに電極部材として作用される金属層と、 前記リング状基板を支持する絶縁物で構成された台座部
   材と、 この台座部材の前記薄膜ダイヤフラムに小間隔で対向設
   定されるように形成された対向電極とを具備し、 前記金属層と対向電極との間に、電圧値の可変制御され
   る直流電源が接続されるようにしたことを特徴とする可
   変焦点ミラー。
2. 【請求項２】 基板部材の一方の面に等方性材料で構成
   された薄膜ダイヤフラム層を接合形成するダイヤフラム
   接合工程と、 前記基板部材の前記ダイヤフラムの接合面と反対の面
   に、円形のリング状部を残す開口マスクを形成するマス
   ク形成工程と、 前記マスク形成工程で形成された開口部に対応して前記
   基板部材を前記接合されたダイヤフラムに至るまでエッ
   チングしてリング状基板を形成するエッチング工程と、 前記リング状基板で囲まれた前記ダイヤフラムの面に金
   属層を蒸着形成する電極形成工程と、 を具備したことを特徴とする可変焦点ミラーの製造方
   法。