1. No category

日本機械学会誌　2014. 5　Vol. 117 No. 1146
333
ウェーハ張り合わせにより製作した
波面補正用デフォーマブルミラー
地上からの天体観測では，地球の大
気によって天体の像が乱されてしま
う．これを補正する技術・補償光学を
用いると，地上からでも大気圏外から
の観測と同様に，望遠鏡の限界性能の
解像度を得ることができる．補償光学
系は光波面の揺らぎ分布を測る波面セ
ンサ，波面揺らぎをうち消すデフォー
マブルミラー（Deformable Mirror：
DM）と，DM の変形を制御する制御
系からなる．ミラーの変形により歪ん
だ波面を平らに補正する DM は補償
光学系の重要な要素である．
近年，マイクロ電気機械システム
（MEMS）技術により，低コストで多
素 子 DM（ 以 下，MEMS-DM） の 開
発が盛んになっている．MEMS-DM
は高い光利用効率，連続位相補正など
良い特性を持つにもかかわらず，スト
ローク（最大変形量）の不足（＜ 5μm）
が問題になっている．次世代天体望遠
鏡（30 メートル口径）の補償光学系
に使われる DM には 20μm のストロー
クが必要であることが光学シミュレー
ションにより示されている．
このため，
大ストローク連続メンブレンデフォー
マブルミラーを開発し，次世代天体望
遠鏡補償光学系に適用することが期待
されている．
2. 大ストローク DM
平行平板型静電アクチュエータの場
合，理論上変位が電極ギャップの 1/3
を超えると可動電極が固定電極に吸い
付いてしまうプルイン現象が発生す
る．したがって，大ストロークを実現
するために，ミラーメンブレンと電極
の間のギャップを大きくする必要があ
る．そこで，バイモルフスプリング
（bimorph spring）を用いた大ストロー
ク DM を考案した．
図 1 に大ストローク DM の構造を
示す（1）．厚さ 2μm のシリコンミラー
メ ン ブ レ ン（silicon mirror membrane）はバイモルフスプリングの先
端に接合されている．バイモルフスプ
リングは Si と HfO2（酸化ハフニウム）
の 2 層の構造で，HfO2 膜応力により
面外に曲がる．これによりミラーが持
ち上げられ，大きい電極ギャップを実
現できる．Si と HfO2 の厚さはそれぞ
れ 2μm，0.2μm である．電極に電圧
印加することで静電力が発生し，ミ
ラーを変形させることができる．
3. 製作方法
ウェーハの張り合わせは複雑なデバイ
スのパッケージング，ヘテロ接合と呼
ばれる異種高機能材料の接合などに多
く応用され，MEMS デバイス製作・
量産において重要なプロセスである．
図 1 に提案した DM では 2μm 厚さの
Si メンブレンを電極基板に転写する
必要があるため，ウェーハの張り合わ
せプロセスを採用した．具体的には，
金とシリコンの共晶化反応を利用し，
1μm 厚さの金を片方のウェーハの表
面に堆積し，もう片方のウェーハと熱
圧着により張り合わせる．プロセス温
度は 400℃程度である．このデバイス
では，バイモルフスプリングとミラー
メンブレンの接合に金とシリコンの共
晶化反応を利用した．接合パッドは直
径 35μm の円状パッドで，接合面積
は極めて小さいため，接合の高い強度
が要求される．金とシリコンの共晶化
反応で合金が生成され，高い強度が実
現できた．
4. 製作結果と静特性
図 2（a）の電子顕微鏡写真に示す
DM は 860μm × 860μm のサイズの
ミラーメンブレンとそれに覆われる 4
個の電極と 9 個のバイモルフスプリン
グからなる．図 2（b）に DM の断面
形状を示すように，ミラーと基板の間
のギャップはおおよそ 20μm である．
また，残留応力によりミラーは凸形状
になり，全体のピークバレー値がおお
よそ 2μm である．
16 電極の DM の静的駆動実験結果
を図 3 に示す．図 3 は一つの電極に
80V を印加し，白色干渉計で測定した
表 面 形 状 で あ る． ま た，110V で 7.6
μm の変位が得られた．既存の連続メ
ンブレン DM に比べて大きいストロー
クが得られた．
5. おわりに
従来，ギャップを作成するときに用
いられてきた犠牲層エッチングの場
合，ギャップの大きさは犠牲層の厚さ
に制限されている（通常＜ 10μm）．
しかし，ウェーハの張り合わせの製作
方法により 20μm のギャップを実現
できた．また，この製作方法により大
きい自立 Si メンブレンを基板に転写
できるので，DM の製作だけでなく，
大ストロークアクチュエータ，波長選
択スイッチなどの製作にも利用が期待
される．
本研究は学振特別研究員奨励費の支
援を受けた．
（原稿受付　2014 年 2 月 14 日）
〔呉　同　東北大学〕
─ 87 ─
（a）
10μm 35μm
2μm 0.2μm
40μm
8μm
200μm
ミラーメンプレン
バイモルフ
スプリング
電極
SiO2
シリコン基板
（b）
ミラーメンブレン
接合パッド
シリコン基板
電極
バイモルフスプリング
図 1　提案する DM の構造
（a）
ミラーメンプレン
バイモルフスプリング 400μm
（b）
25
高さ（μm）
1. はじめに
20
15
10
5
0
0
200
400 600 800 1 000
位置（μm）
図 2　（a）電子顕微鏡画像（b）ミラー
断面プロファイル
図 3　一 つの電極に 80V を印加時のミ
ラーの表面形状
●文　献
（ 1 ）Wu, T., Sasaki, T., Akiyama, M. and Hane,
K., Large-scale Membrane Transfer Process：Its Application to Single-crystal-silicon Continuous Membrane Deformable
Mirror, J. Micromech. Microeng. , 23
（2013）
,
125003.