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.
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