CN113227874A - 扫描镜及扫描镜的制造方法 - Google Patents
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Abstract
本发明提供一种能够防止扭力杆的氧化、羟基化，进而能够抑制由此造成的扭力杆的劣化的扫描镜及扫描镜的制造方法。扫描镜中，扭力杆25以支撑镜部24的方式设置，且表面被ALD层27覆盖。扫描镜以通过赋予扭力杆25扭转力而使镜部24能够以沿着扭力杆25的轴为中心旋转的方式构成。扫描镜通过在形成镜部24与扭力杆25之后，利用原子层沉积法至少在扭力杆25的表面形成ALD层27而制造。
Description
技术领域
本发明涉及一种扫描镜及扫描镜的制造方法。
背景技术
以往，在激光投影机或激光显示器、具备光学相干层析成像(OCT；OpticalCoherence Tomography)的功能的OCT探头等器件中，为了小型化或使携带变得更容易等，开发了一种使用了通过细微加工技术制造的MEMS(Micro Electro Mechanical Systems(微机电系统))的微型扫描仪的器件(例如，参照专利文献1～4)。该微型扫描仪具有扫描镜，该扫描镜具有反射激光的镜部和支撑该镜部的扭力杆，并以赋予扭力杆扭转力使镜部旋转从而二维扫描激光的方式构成。
为了使这种MEMS微型扫描仪高性能化，需要以更加高速、高扫描角、低功耗驱动扫描镜。因此，开发出一种PZT(lead-zirconate-titanate(锆钛酸铅))驱动微型扫描仪，其通过组合了扭力杆与悬臂的机械杠杆增幅功能，加大了镜部的旋转角(例如，参照非专利文献1或2)。
此外，为了提高扭力杆的抗扭强度从而提高耐久性，提出了一种使用等离子体CVD(plasma enhanced chemical vapor deposition(等离子体增强化学气相沉积))，用类金刚石碳(DLC；diamond-like carbon)膜覆盖镜部或扭力杆的表面的结构(参照非专利文献3)。根据该结构，能够使抗扭强度提高11.1～30.0％。
另外，还进行了以下研究：通过原子层沉积(ALD；Atomic layer deposition)法在多晶硅膜的表面、聚合物层的表面形成氧化铝(Al2O3)层，考察由该氧化铝层带来的效果、影响(例如，参照非专利文献4或5)。然而，这些研究并未在扫描镜的扭力杆的表面形成氧化铝层。
现有技术文献
专利文献
专利文献1：日本专利第3934578号公报
专利文献2：日本专利第5321740号公报
专利文献3：日本专利第5640420号公报
专利文献4：日本专利第6018926号公报
非专利文献
非专利文献1：S.Gu-Stoppel,D.Kaden,H.J.Quenzer,U.Hofmann,W.Benecke,“High speed piezoelectric microscanners with large deflection usingmechanical leverage amplification”,Procedia Engineering,2012,47,p.56-59
非专利文献2：S.Gu-Stoppel,T.Giese,H.J.Quenzer,U.Hofmann,W.Benecke,“PZT-Actuated and-Sensed Resonant Micromirrors with Large Scan AnglesApplying Mechanical Leverage Amplification for Biaxial Scanning”,Micromachines,2017,8,215
非专利文献3：W.Zhang,K.Obitani,Y.Hirai,T.Tsuchiya,O.Tabata,“Fracturestrength of silicon torsional mirror resonators fully coated withsubmicrometer-thick PECVD DLC film”,Sensors and Actuators A:Physical,2019,286,p.28-34
非专利文献4：M.Budnitzki,O.Pierron,“The influence of nanoscale atomic-layer-deposited alumina coating on the fatigue behavior of polycrystallinesilicon thin films”,Applied Physics Letters,2009,94,141906
非专利文献5：P.F.Carcia,R.S.McLean,M.H.Reilly,“Permeation measurementsand modeling of highly defective Al2O3 thin films grown by atomic layerdeposition on polymers”,Applied Physics Letters,2010,97,221901
发明内容
本发明要解决的技术问题
专利文献1～4、非专利文献1、2中记载的以往的扫描镜存在以下技术问题：水分、氧气附着在由硅等形成的扭力杆的表面，因此扭力杆不断氧化、羟基化，因而扭力杆的劣化较快。此外，非专利文献3中记载的扫描镜存在以下技术问题：由于在扭力杆的表面形成DLC膜，能够延迟扭力杆的氧化、羟基化的进行，但由于在DLC膜的形成中使用有等离子体CVD，无法完全防止水分、氧气附着在扭力杆的表面，无法抑制扭力杆的劣化。
本发明着眼于上述技术问题，目的在于提供一种能够防止扭力杆的氧化、羟基化，进而能够抑制由此造成的扭力杆的劣化的扫描镜及扫描镜的制造方法。
解决技术问题的技术手段
为了实现上述目的，本发明的扫描镜的特征在于具有：镜部、和以支撑所述镜部的方式而设置的、表面被ALD层覆盖的扭力杆，所述扫描镜以通过赋予所述扭力杆扭转力而使所述镜部能够以沿着所述扭力杆的轴为中心旋转的方式构成。
本发明的扫描镜通过用ALD层覆盖扭力杆的表面，使ALD层与扭力杆的表面密合，并且还能够覆盖形成扭力杆时的凹凸、细微龟裂等。此外，ALD层由原子层沉积(ALD；Atomiclayer deposition)法形成，比通过等离子体CVD形成的沉积层等更致密，也不存在针孔(pin hole)。因此，本发明的扫描镜通过ALD层能够几乎完全防止水分、氧气附着在扭力杆的表面。由此，能够防止扭力杆的氧化、羟基化，进而能够抑制由此造成的扭力杆的劣化。此外，本发明的扫描镜还能够通过ALD层提高扭力杆的抗扭强度(torsional fracturestrength)。
本发明的扫描镜优选具有静电致动器，所述静电致动器具有表面被所述ALD层覆盖的一对电极，所述静电致动器以通过在各电极之间施加电压而赋予所述扭力杆扭转力的方式可变形地设置。此时，通过ALD膜，不仅能够防止扭力杆的氧化、羟基化，还能够防止各电极的氧化、羟基化，进而能够抑制由此造成的各电极的劣化。此外，通过将静电致动器设为具有机械杠杆增幅功能的构成，能够以更加高速、高扫描角、低功耗进行驱动。
本发明的扫描镜的制造方法为以通过赋予以支撑镜部的方式而设置的扭力杆扭转力而使所述镜部能够以沿着所述扭力杆的轴为中心旋转的方式构成的扫描镜的制造方法，其特征在于，在形成所述镜部与所述扭力杆之后，通过原子层沉积法至少在所述扭力杆的表面形成所述ALD层。
本发明的扫描镜的制造方法能够适合制造本发明的扫描镜。由于本发明的扫描镜的制造方法通过原子层沉积法在扭力杆的表面形成ALD层，形成的ALD层与扭力杆的表面密合，并且还能够覆盖形成扭力杆时的凹凸、细微龟裂等。在本发明的扫描镜的制造方法中，通过形成的ALD层，能够几乎完全防止水分、氧气附着在扭力杆的表面。由此，能够防止扭力杆的氧化、羟基化，进而能够抑制由此造成的扭力杆的劣化。此外，通过形成的ALD层，还能够提高扭力杆的抗扭强度。
在本发明的扫描镜的制造方法中，所述扫描镜可具有静电致动器，所述静电致动器以通过在一对电极之间施加电压而赋予所述扭力杆扭转力的方式可变形地设置，可在形成所述镜部、所述扭力杆、及所述静电致动器之后，通过原子层沉积法至少在所述扭力杆的表面与所述静电致动器的各电极的表面形成所述ALD层。此时，通过形成的ALD膜，不仅能够防止扭力杆的氧化、羟基化，还能够防止各电极的氧化、羟基化，进而能够抑制由此造成的各电极的劣化。此外，通过形成具有机械杠杆增幅功能的静电致动器，能够制造能够以更加高速、高扫描角、低功耗进行驱动的扫描镜。
在本发明的扫描镜及扫描镜的制造方法中，只要所述ALD层可提高扭力杆耐受疲劳的强度，则可由任意一种材料形成。例如可由氧化铝(Al2O3)、氮化铝(AlN)、氮化硅(Si3N4)、碳化硅(SiC)及氮化镓(GaN)中的任意一种或多种形成。此外，所述ALD层可由绝缘体形成，此时，通过用ALD层覆盖静电致动器的各电极，能够防止因电极彼此间的接触造成的短路，进而能够扩大静电致动器的可动范围。此外，当ALD层由绝缘体的氧化铝形成时，能够提高各电极的电容率，进而能够增大静电致动器中产生的静电力。
在本发明的扫描镜及扫描镜的制造方法中，优选所述镜部与所述扭力杆为硅(Si)制。此外，当具有静电致动器时，优选静电致动器也为硅制。特别是，在本发明的扫描镜中，优选这些构件为通过硅的细微加工技术制造的MEMS。此外，在本发明的扫描镜的制造方法中，优选通过硅的细微加工技术制造这些构件。
在本发明的扫描镜及扫描镜的制造方法中，优选所述ALD层具有0.5nm～200nm的厚度。此时，能够抑制扭力杆、各电极的劣化且几乎不会阻碍扭力杆的动作。
发明效果
根据本发明，能够提供一种能够防止扭力杆的氧化、羟基化，进而能够抑制由此造成的扭力杆的劣化的扫描镜及扫描镜的制造方法。
附图说明
图1为示出本发明的实施方式的扫描镜的、(a)加工器件层(device layer)而形成的镜部等各部分的平面图、(b)加工操作层(handle layer)而形成的各施加电极的平面图。
图2为示出本发明的实施方式的扫描镜的制造方法的侧面图。
图3为本发明的实施方式的扫描镜的、通过ALD法对原子层进行(a)800层、(b)400层、(c)10层成膜时的截面的扫描型电子显微镜(SEM)图像。
图4为示出本发明的实施方式的扫描镜的、通过ALD法对原子层进行800层、400层、10层成膜时的表面形状及原子层成膜前的表面形状的测定结果的图表。
图5为示出本发明的实施方式的扫描镜的、通过ALD法对原子层进行800层成膜时的残余应力的测定结果的图表。
图6为示出本发明的实施方式的扫描镜(进行了ALD成膜)及作为比较例的未进行ALD成膜的扫描镜的、应力幅与疲劳寿命之间的关系的图表。
具体实施方式
以下，根据附图对本发明的实施方式进行说明。
图1～图6示出了本发明的实施方式的扫描镜及扫描镜的制造方法。
本发明的实施方式的扫描镜通过使用在Si制的操作层与器件层之间具有SiO2制的BOX层(氧化埋层(buried oxide layer))的SOI(Silicon on Insulator(绝缘体上硅))晶圆而制造。SOI晶圆的操作层与器件层通过BOX层而绝缘。
如图1所示，本发明的实施方式的扫描镜具有支撑电极21、4个梁部22、2个连杆23、镜部24、2个扭力杆25、及2个施加电极26。支撑电极21、各梁部22、各连杆23、镜部24及各扭力杆25通过加工器件层11而形成。各施加电极26通过加工操作层12而形成。
如图1中的(a)所示，支撑电极21形成为矩形框状。4个梁部22分别以将多个细长的矩形板在宽度方向上平行排列配置、且各矩形板以与左右相邻的矩形板以分别不同的端部交替连接的方式形成。各梁部22以沿着支撑电极21的矩形形状的内缘21a的一对长边分别排列各两个的方式而配置，并以从该2个梁部所对应的长边的中央部开始分别延伸至不同侧的端部且与所对应的长边之间空出空隙的方式而配置。各梁部22以在沿着一个长边的2个梁部与沿着另一个长边的2个梁部之间空出细长的矩形形状的镜用孔22a的方式而配置。并且，各梁部22以各矩形板平行于支撑电极21的内缘21a的短边的方式而配置，并在内缘21a的长边的中央部侧与支撑电极21连接。
2个连杆23以分别在支撑电极21的内缘21a的一个短边侧及另一个短边侧夹持镜用孔22a并连接相对的梁部22的方式设置。各连杆23分别在内缘21a的各短边侧将各梁部22彼此连接。镜部24形成为圆板状，且以不与各梁部22接触的方式配置在镜用孔22a的中央部。2个扭力杆25以与支撑电极21的内缘21a的各长边平行并分别将各连杆23的中央部与镜部24连接的方式设置。由此，各扭力杆25对镜部24进行支撑。
如图1中的(a)所示，支撑电极21、各梁部22、各连杆23、镜部24及各扭力杆25形成为相对于与支撑电极21的内缘21a的各长边平行的中心线呈线对称且相对于与支撑电极21的内缘21a的各短边平行的中心线呈线对称的形状。
如图1中的(b)所示，各施加电极26设置在与支撑电极21及各梁部22相对的部分，并在中央形成有与镜用孔22a相对应的矩形形状的驱动用孔26a。一个施加电极26以与支撑电极21的内缘21a的一个长边侧的区域和沿着该长边的2个梁部22以及支撑电极21的内缘21a的一个短边侧的区域相对的方式设置。另一个施加电极26以与支撑电极21的内缘21a的另一个长边侧的区域和沿着该长边的2个梁部22以及支撑电极21的内缘21a的另一个短边侧的区域相对的方式设置。各施加电极26未电连接。
本发明的实施方式的扫描镜通过BOX层将形成在器件层11中的支撑电极21、各梁部22、各连杆23、镜部24及各扭力杆25、与形成在操作层12中的各施加电极26空开间隔而配置，且通过BOX层使它们绝缘。另外，本发明的实施方式的扫描镜由支撑电极21、各梁部22及各施加电极26形成静电致动器。
本发明的实施方式的扫描镜用ALD层覆盖了支撑电极21、各梁部22、各连杆23、镜部24、各扭力杆25及各施加电极26的表面。在图1所示的具体的一个例子中，ALD层由绝缘体的氧化铝(Al2O3)形成，但也可以由除氧化铝(Al2O3)以外的氮化铝(AlN)、氮化硅(Si3N4)、碳化硅(SiC)、氮化镓(GaN)等形成。
如图1所示，本发明的实施方式的扫描镜通过以下方式以能够使镜部24旋转的方式构成。即，将支撑电极21接地，对各施加电极26分别施加相位仅错开π的交流电压，由此对与一个施加电极26相对的梁部22和与另一个施加电极26相对的梁部22进行相位错开π的变形。由此，各连杆23以相同的方式变形，赋予各扭力杆25相同方向的扭转力。通过该扭转力，以沿着各扭力杆25的轴为中心，使镜部24在镜用孔22a及驱动用孔26a的内侧旋转。
本发明的实施方式的扫描镜能够适合通过本发明的实施方式的扫描镜的制造方法而制造。即，如图2所示，在本发明的实施方式的扫描镜的制造方法中，首先，进行SOI晶圆的清洗(参照图2中的(a))，在SOI晶圆的器件层11的表面涂布抗蚀聚合物31，使用掩膜图案，通过光刻法进行图案化(参照图2中的(b))。使用深刻蚀(Deep RIE)装置，进行器件层11的刻蚀(参照图2中的(c))。在刻蚀后，通过剥离液去除抗蚀聚合物31(参照图2中的(d))。由此，在器件层11上形成支撑电极21、各梁部22、各连杆23、镜部24及各扭力杆25。
然后，以同样的方式在SOI晶圆的操作层12的表面涂布抗蚀聚合物31，通过光刻法进行图案化(参照图2中的(e))，在通过深刻蚀进行操作层12的刻蚀之后(参照图2中的(f))，去除抗蚀聚合物31(参照图2中的(g))。由此，形成各施加电极26。然后，使用刻蚀液，对镜用孔22a的范围的BOX层13进行刻蚀(参照图2中的(h))。然后，通过原子层沉积法以覆盖整个露出面的方式形成ALD层27(参照图2中的(i))。
另外，在图2所示的具体的一个例子中，SOI晶圆的操作层12的厚度为200μm，BOX层13的厚度为1μm，器件层11的厚度为90μm。抗蚀聚合物31为OFPR 800-LB 200cp。深刻蚀装置为Surface Technology Systemsplc制造，深刻蚀的刻蚀气体为SF6气体，钝化气体为C4F8气体。剥离液为DuPont de Nemours,Inc.制造的“EKC265(注册商标)”。BOX层13的刻蚀液为浓度49％的HF溶液。ALD层27为氧化铝(Al2O3)制。
由此，本发明的实施方式的扫描镜，能够使用本发明的实施方式的扫描镜的制造方法通过硅的细微加工技术以MEMS而制造。本发明的实施方式的扫描镜通过用ALD层27覆盖扭力杆25、支撑电极21、各施加电极26的表面，使ALD层27与这些构件的表面密合，并且还能够覆盖形成这些构件时的凹凸、细微龟裂等。此外，本发明的实施方式的扫描镜通过ALD层27，能够几乎完全防止水分、氧气附着在扭力杆25、支撑电极21、各施加电极26的表面。由此，能够防止扭力杆25、支撑电极21、各施加电极26的氧化、羟基化，进而能够抑制这些构件的劣化。此外，本发明的实施方式的扫描镜通过ALD层27还能够提高扭力杆25的抗扭强度。
对于本发明的实施方式的扫描镜，由支撑电极21、各梁部22及各施加电极26构成的静电致动器具有机械杠杆增幅功能，因此能够以更加高速、高扫描角、低功耗进行驱动。此外，对于本发明的实施方式的扫描镜，ALD层27为绝缘体的氧化铝制，因此能够防止由支撑电极21、各梁部22与各施加电极26的接触造成的短路，进而能够进一步扩大静电致动器的可动范围。此外，ALD层27为氧化铝制，因此能够提高支撑电极21、各施加电极26的电容率，进而能够增大静电致动器中产生的静电力。此外，通过以共振频率驱动镜部24，能够进一步增大镜部24的旋转角。
实施例
实施例1
通过图2所示的本发明的实施方式的扫描镜的制造方法，制造图1所示的本发明的实施方式的扫描镜。制造通过ALD法对原子层进行了10层、400层、800层成膜的3种扫描镜。理论上1层为1埃(0.1nm)，因此各扫描镜的ALD层27的厚度分别为1nm、40nm、80nm。此外，对于制造的各扫描镜，1个梁部22的长度la为14,210μm，梁部22的宽度ba为140μm，各连杆23的从与各梁部22的连接端到与各扭力杆25的连接部的长度lc为500μm，各连杆23的宽度bc为90μm。
另外，扫描镜的制作误差为0.1μm级。此外，形成ALD层27之前的扫描镜在利用LVD(Laser Doppler Vibrometer(激光多普勒测振仪)；Polytech公司制造)进行测定时，共振频率为43.3Hz，镜部24端部的位移为1,163mm，光学扫描角0.533deg。
对于制造的3种扫描镜，进行利用扫描型电子显微镜(SEM)进行的截面观察，及利用表面粗糙度测定机(Zygo Corporation制造)进行的表面粗糙度的测定。此外，对于原子层为800层的扫描镜，进行利用拉曼光谱仪(Raman Spectrometer)进行的残余应力的测定。将SEM的截面观察结果示于图3，将表面形状的测定结果示于图4，将残余应力的测定结果示于图5。
如图3中的(a)所示，对于原子层为800层的扫描镜，能够确认到厚度约80nm的ALD层27(图中的○标记之间)。然而，如图3中的(b)及图3中的(c)所示，对于原子层为10层及400层的扫描镜，未能清晰地确认到ALD层27。
如图4所示，虽然各扫描镜观察到了高低差为数nm以下的微小凹凸，但确认到整个表面的凹凸控制在约5nm左右的范围内。根据它们的表面形状求出各扫描镜的表面粗糙度的算数平均粗糙度Ra时，对于原子层为800层的扫描镜，Ra＝0.00066；对于原子层为400层的扫描镜，Ra＝0.00068；对于原子层为10层的扫描镜，Ra＝0.00796。由该结果确认到，ALD层27越厚，则表面粗糙度变得越小，更接近平坦。另外，在图4中，作为比较例，还示出了原子层成膜前的扫描镜的表面形状，作为其算数平均粗糙度，Ra＝0.00042。
如图5所示，对于原子层为800层的扫描镜，确认到了残余应力分布。认为该残余应力是由于通过ALD法将原子层成膜时的温度差而产生的。
实施例2
通过图2所示的本发明的实施方式的扫描镜的制造方法，制造将由Al2O3膜形成的ALD层成膜的扫描镜。ALD层的层厚为2.64nm。对于该扫描镜，使用疲劳试验装置，反复负载一定的应力，进行考察在测定时间内有无破坏的实验。将变更所负载的应力进行实验的结果绘制成表示应力幅与疲劳寿命(循环次数)之间的关系的图表，并示于图6。另外，作为比较，对未进行ALD层成膜的扫描镜也进行相同的实验，并将其结果也示于图6。
图6中标有“→”的数据为在测定时间内未发生破坏的扫描镜，表示疲劳寿命大于所绘制的值。如图6所示，确认到疲劳寿命的对数值随着所负载的应力幅的增加而减少。并且确认到，在图6所示的扫描镜通常所使用的应力幅的区域中，对于进行了ALD层成膜的扫描镜，即便其层厚薄至2.64nm，与未进行ALD层成膜的扫描镜相比，疲劳寿命仍延长了一位数或一位数以上。
附图标记说明
11：器件层；12：操作层；13：BOX层；21：支撑电极；21a：内缘；22：梁部；22a：镜用孔；23：连杆；24：镜部；25：扭力杆；26：施加电极；26a：驱动用孔；27：ALD层；31：抗蚀聚合物。
Claims (8)
1.一种扫描镜，其特征在于，具有：
镜部、和
以支撑所述镜部的方式而设置的、表面被ALD层覆盖的扭力杆，
所述扫描镜以通过赋予所述扭力杆扭转力而使所述镜部能够以沿着所述扭力杆的轴为中心旋转的方式构成。
2.根据权利要求1所述的扫描镜，其特征在于，所述扫描镜具有静电致动器，所述静电致动器具有表面被所述ALD层覆盖的一对电极，所述静电致动器以通过在各电极之间施加电压而赋予所述扭力杆扭转力的方式可变形地设置。
3.根据权利要求1或2所述的扫描镜，其特征在于，所述ALD层由绝缘体形成。
4.根据权利要求1～3中任一项所述的扫描镜，其特征在于，所述ALD层由氧化铝(Al2O3)、氮化铝(AlN)、氮化硅(Si3N4)、碳化硅(SiC)及氮化镓(GaN)中的任意一种或多种形成。
5.根据权利要求1～4中任一项所述的扫描镜，其特征在于，所述镜部与所述扭力杆为硅(Si)制。
6.根据权利要求1～5中任一项所述的扫描镜，其特征在于，所述ALD层具有0.5nm～200nm的厚度。
7.一种扫描镜的制造方法，其为以通过赋予以支撑镜部的方式而设置的扭力杆扭转力而使所述镜部能够以沿着所述扭力杆的轴为中心旋转的方式构成的扫描镜的制造方法，其特征在于，
在形成所述镜部与所述扭力杆之后，通过原子层沉积法至少在所述扭力杆的表面形成所述ALD层。
8.根据权利要求7所述的扫描镜的制造方法，其特征在于，
所述扫描镜具有静电致动器，所述静电致动器以通过在一对电极之间施加电压而赋予所述扭力杆扭转力的方式可变形地设置，
在形成所述镜部、所述扭力杆、及所述静电致动器之后，通过原子层沉积法至少在所述扭力杆的表面和所述静电致动器的各电极的表面形成所述ALD层。
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