DE60108598T2

DE60108598T2 - Kippvorrichtung für einen Spiegel in einer optischen Ablenkvorrichtung

Info

Publication number: DE60108598T2
Application number: DE60108598T
Authority: DE
Inventors: Hiroshi Hachioji-shi Miyajima; Michitsugu Hachioji-shi Arima
Original assignee: Olympus Optical Co Ltd
Current assignee: Olympus Corp
Priority date: 2000-12-18
Filing date: 2001-11-29
Publication date: 2006-03-23
Anticipated expiration: 2021-11-30
Also published as: JP4602542B2; US6919980B2; US7057784B2; JP2002182136A; US20020118429A1; EP1215518B1; EP1338912A1; DE60108598D1; US20050206987A1; EP1215518A1

Description

Die vorliegende Erfindung betrifft eine Spiegelkippvorrichtung für die Verwendung in einem optischen Deflektor und insbesondere eine Spiegelkippvorrichtung, die einen beweglichen Spiegel umfasst, der eine reflektive Oberfläche aufweist und kippbar gehalten ist, und die den beweglichen Spiegel kippt, um eine Richtung der reflektiven Oberfläche zu ändern und dadurch die Richtung eines durch die reflektive Oberfläche reflektierten Lichtstrahls ändert.
Ein miniaturisierter optischer Deflektor, der mit Hilfe einer Mikromaterialbearbeitungstechnik hergestellt ist, um einen Spiegel, ein elastisches Element und ein Antriebsmittel einstückig auszubilden, ist vorgeschlagen worden. Im Allgemeinen wird für eine Hochgeschwindigkeitsbetätigung des optischen Deflektors ein Antriebssystem mit einer Antriebsfrequenz verwendet, die mit einer Resonanzfrequenz kompatibel ist. Die Resonanzfrequenz ist jedoch umgekehrt proportional zur Quadratwurzel eines Trägheitsmoments eines beweglichen Abschnitts, auf dem der Spiegel ausgebildet ist, und ist proportional zur Quadratwurzel der Steifigkeit des elastischen Elements, das das bewegliche Element hält. Andererseits ist ein Ablenkungswinkel proportional zu einer Antriebskraft und umgekehrt proportional zu der Steifigkeit des elastischen Elements. Dies zeigt, dass das Trägheitsmoment einer beweglichen Platte wirksam reduziert wird, um einen großen Ablenkungswinkel mit einer geringen Kraft zu erhalten (einen Antriebswirkungsgrad zu erhöhen).
Die japanische Patentveröffentlichung KOKAI Nr. 10-62709 offenbart eine Spiegelgalvanometervorrichtung, die einen elliptischen beweglichen Spiegel umfasst. Ein Lichtstrahl für einen allgemeinen Gebrauch hat einen kreisförmigen Querschnitt, so dass ein auf den beweglichen Spiegel projizierter Punkt kreisförmig oder elliptisch sein wird. Die Spiegelgalvanometervorrichtung hat einen beweglichen Spiegel, der in elliptischer Gestalt, nicht in rechteckiger Gestalt ausgebildet ist, so dass das Trägheitsmoment verringert und der Antriebswirkungsgrad erhöht ist. Der elliptische bewegliche Spiegel hat ein Trägheitsmoment, das im Vergleich zu dem rechteckigen beweglichen Spiegel um ca. 60% reduziert ist.
In der Spiegelgalvanometervorrichtung ist mit der Verringerung des Trägheitsmoments des beweglichen Spiegels ein Bereich einer Antriebselektrode zum Kippen des beweglichen Spiegels ebenfalls reduziert. Wenn angenommen wird, dass eine gesamte Rückfläche des beweglichen Spiegels eine Antriebselektrode ist, so beträgt ein Antriebsmoment einer neutralen Zeit durch eine elliptische Elektrode ca. 66% des Antriebsmoments der neutralen Zeit durch eine rechteckige Elektrode. Da ein Abnahmeverhältnis des Antriebsmoments der neutralen Zeit kleiner als das des Trägheitsmoments ist, ist der Antriebswirkungsgrad allgemein verbessert, jedoch kann nicht behauptet werden, dass dies eine beträchtliche Verbesserung ist.
Darüber hinaus wird das Trägheitsmoment des beweglichen Spiegels durch Verringern der Dicke des Spiegels ohne Änderung der Form des Spiegels reduziert. Eine durch die Mikromaterialbearbeitungstechnik hergestellte digitale Mikrospiegelvorrichtung (DMV) umfasst Spiegel, von denen jeder eine Größe von ca. 10 Quadratmikrometer hat, und die in einem Feld bzw. Array angeordnet sind. Der Spiegel ist aus einem dünnen Al-Film gebildet, hat ein beachtenswert niedriges Trägheitsmoment und kann daher mit einer hohen Geschwindigkeit arbeiten.
Die Verringerung der Dicke des beweglichen Spiegels verschlechtert die Steifigkeit des beweglichen Spiegels. Da der Spiegel in der DMV ungefähr 15 μm zum Quadrat klein ist, tritt kein großes Problem auf. In einem Spiegel mit einer Größe von einigen Quadratmillimetern verschlechtert jedoch eine übermäßige Verringerung der Dicke des Spiegels eine dynamische Ebenheit.
Die EP 0 686 863 A1 offenbart eine Spiegelkippvorrichtung für einen optischen Deflektor zum Ablenken von Licht und ein Antriebsmittel zum Antreiben der Vorrichtung. Die Spiegelkippvorrichtung umfasst eine bewegliche Platte, ein elastisches Element zum kippbaren Halten der beweglichen Platte und eine Haltevorrichtung zum Halten des elastischen Elements.
Es ist ein Ziel der vorliegenden Erfindung, eine Spiegelkippvorrichtung für einen optischen Deflektor bereitzustellen, in der ein Trägheitsmoment eines beweglichen Abschnitts verringert und gleichzeitig optische Eigenschaften aufrecht erhalten sind.
Gemäß der vorliegenden Erfindung wird eine Spiegelkippvorrichtung für einen optischen Deflektor bereitgestellt, die die Spiegelkippvorrichtung zum Ablenken von Licht und ein Antriebsmittel zum Antreiben der Vorrichtung umfasst. Die Spiegelvorrichtung umfasst eine bewegliche Platte mit einer reflektiven Oberfläche, ein elastisches Element zum kippbaren Halten der beweglichen Platte und eine Haltevorrichtung zum Halten des elastischen Elements. Die bewegliche Platte umfasst ein elektrisches Element, das einen Teil des Antriebsmittels bildet. Die bewegliche Platte umfasst einen ersten Abschnitt mit der reflektiven Oberfläche und einen zweiten Abschnitt, der ein elektrisches Element umfasst. Der erste Abschnitt umfasst eine eine reflektive Oberfläche bilden de Oberfläche, auf die die reflektive Oberfläche ausgebildet ist, der zweite Abschnitt umfasst eine ein elektrisches Element ausbildende Oberfläche, auf der das elektrische Element ausgebildet ist, und die die reflektive Oberfläche bildende Oberfläche weist eine Oberfläche auf, die kleiner als die das elektrische Element bildende Oberfläche ist. Die die reflektive Oberfläche bildende Oberfläche des ersten Abschnitts weist eine Gestalt auf, die im Wesentlichen in der das elektrische Element bildenden Oberfläche des zweiten Abschnitts eingeschrieben ist.
Gemäß der vorliegenden Erfindung wird eine Spiegelkippvorrichtung für einen optischen Deflektor bereitgestellt, die ein reduziertes Trägheitsmoment eines beweglichen Abschnitts ohne Verschlechterung der optischen Eigenschaften umfasst. Eine solche Spiegelkippvorrichtung trägt zur Verbesserung eines Antriebswirkungsgrades des optischen Deflektors, der sie verwendet, bei.
Diese Kurzdarstellung der Erfindung beschreibt nicht notwendigerweise alle notwendigen Merkmale, so dass die Erfindung auch eine Unterkombination dieser beschriebenen Merkmale sein kann.
Die Erfindung kann besser aus der nachfolgenden, ausführlichen Beschreibung, in Verbindung mit den beigefügten Zeichnungen, verstanden werden. In den Zeichnungen sind bzw. zeigen:
1 eine perspektivische Ansicht einer Spiegelkippvorrichtung gemäß einer ersten Ausführungsform der Erfindung;
2 eine Draufsicht der in 1 gezeigten Spiegelkippvorrichtung, betrachtet von ihrem reflektiven Spiegel;
3 eine Querschnittsansicht entlang der Linie III-III von 2 der Spiegelkippvorrichtung.
4 eine Draufsicht der Spiegelkippvorrichtung, die eine Antriebsspule als ein elektrisches Element zum elektromagnetischen Antrieb umfasst;
5 eine perspektivische Ansicht eines elektromagnetischen optischen Deflektors, der die in 4 gezeigte Spiegelkippvorrichtung und ein Paar von Permanentmagneten umfasst;
6 eine Draufsicht der Spiegelkippvorrichtung, die eine Antriebselektrode als das elektrische Element zum elektrostatischen Antrieb umfasst;
7 eine perspektivische Ansicht des optischen Deflektors des elektrostatischen Antriebstyps, der die in 6 gezeigte Spiegelkippvorrichtung und eine unbewegliche Elektrode umfasst;
8A bis 8D eine Folge von Schritten zur Herstellung der Spiegelkippvorrichtung von 1, wobei jeder Schritt als ein Querschnitt entlang der Linie III-III von 2 der Spiegelkippvorrichtung gezeigt ist;
9 ein weiteres Verfahren zur Herstellung der Spiegelkippvorrichtung von 1;
10 eine perspektivische Ansicht der Spiegelkippvorrichtung gemäß einer zweiten Ausführungsform der Erfindung;
11 eine Draufsicht der in 10 gezeigten Spiegelkippvorrichtung, betrachtet von ihrem reflektiven Spiegel;
12 eine Querschnittsansicht entlang der Linie XII-XII von 11 der Spiegelkippvorrichtung;
13A und 13B in vergrößerter Darstellung einen Verbindungsabschnitt der beweglichen Platte mit dem elastischen Element, die in 12 gezeigt sind;
14A bis 14D eine Folge von Schritten zur Herstellung der Spiegelkippvorrichtung von 10, wobei jeder Schritt als Querschnitt entlang der Linie XII-XII von 11 der Spiegelkippvorrichtung, gezeigt ist;
15 ein weiteres Verfahren zur Herstellung der Spiegelkippvorrichtung von 11;
16 eine Draufsicht der Spiegelkippvorrichtung gemäß einer dritten Ausführungsform der vorliegenden Erfindung, betrachtet von ihrem reflektiven Spiegel;
17 eine Querschnittsansicht entlang der Linie XVII-XVII von 16 der Spiegelkippvorrichtung;
18A und 18B in vergrößerter Darstellung den Verbindungsabschnitt der beweglichen Platte mit dem elastischen Element, die in 16 gezeigt sind;
19 eine Draufsicht der Spiegelkippvorrichtung gemäß einer vierten Ausführungsform der vorliegenden Erfindung, betrachtet von ihrem reflektiven Spiegel;
20 eine Querschnittsansicht entlang der Linie XX-XX von 19 der Spiegelkippvorrichtung;
21 eine Draufsicht der in 19 gezeigten Spiegelkippvorrichtung, betrachtet von ihrer Rückseite;
22 eine perspektivische Ansicht eines optischen Deflektors, der die Spiegelkippvorrichtung verwendet;
23 eine Querschnittsansicht entlang der Linie XXIII-XXIII von 22 der Spiegelkippvorrichtung;
24 eine Querschnittsansicht, die einen Umfangsabschnitt eines Kontaktlochs in der in den 22 und 23 in vergrößerter Darstellung gezeigten Spiegelkippvorrichtung zeigt;
25A bis 25D eine Folge von Schritten zur Herstellung der Spiegelkippvorrichtung von 22, wobei jeder Schritt als Querschnitt entlang der Linie XXIII-XXIII von 22 der Spiegelkippvorrichtung gezeigt ist;
26 den optischen Deflektor, der die Spiegelkippvorrichtung gemäß einer Modifikation von 22 verwendet;
27 den optischen Deflektor, der die Spiegelkippvorrichtung gemäß einer weiteren Modifikation von 22 verwendet;
28 den optischen Deflektor, der die Spiegelkippvorrichtung gemäß noch einer weiteren Modifikation von 22 verwendet;
29 eine Querschnittsansicht entlang der Linie IXXX-IXXX von 28 der Spiegelkippvorrichtung.
Nachfolgend sind Ausführungsformen der vorliegenden Erfindung und ähnliche Anordnungen mit Bezug auf die Zeichnungen beschrieben.
Erste Ausführungsform
Nachfolgend ist eine erste Ausführungsform mit Bezug auf die Zeichnungen beschrieben.
Wie in den 1 bis 3 gezeigt ist, umfasst eine Spiegelkippvorrichtung 100 eine bewegliche Platte 110, die eine reflektive Oberfläche aufweist, Drehstabfedern 122, 124 als eine Paar von elastischen Elementen zum kippbaren Halten der beweglichen Platte 110, und Halteelemente 126, 128 zum Halten der Drehstabfedern 122, 124. Die Drehstabfedern 122, 124 haben rechteckige Querschnitte und erstrecken sich von der beweglichen Platte 110 symmetrisch in entgegengesetzte Richtungen. Somit wird die bewegliche Platte 110 kippbar um eine Kippachse, die durch die Drehstabfedern 122, 124 führt, bezüglich den Halteelementen 126, 128 gehalten.
Die bewegliche Platte 110 hat einen ersten Abschnitt 112, der die reflektive Oberfläche aufweist, und einen zweiten Abschnitt 114, der ein elektrisches Element aufweist, welches einen Teil von einem Antriebsmittel zum Antreiben der Spiegelkippvorrichtung 100 bildet. Der erste Abschnitt 112 weist eine eine reflektive Oberfläche bildende Oberfläche 116 auf, auf der die reflektive Oberfläche gebildet ist, und Seitenoberflächen des ersten Abschnitts 112 kreuzen unter rechten Winkeln gegenüber der die reflektive Oberfläche bildenden Oberfläche 116. Der zweite Abschnitt 114 weist eine ein elektrisches Element bildende Oberfläche 118 auf, auf der das elektrische Element ausgebildet ist, und Seitenoberflächen des zweiten Abschnitts 114 kreuzen unter rechten Winkeln bezüglich der das elektrische Element bildenden Oberfläche 118. Die die reflektive Oberfläche bildende Oberfläche 116 hat eine Fläche, die kleiner als die der das elektrische Element bildenden Oberfläche 118 ist.
Das elektrische Element des Antriebsmittels hängt von einem Antriebssystem der Spiegelkippvorrichtung 100 ab. Das elektrische Element umfasst zum Beispiel eine Antriebsspule, die sich entlang eines Umfangsrandes der beweglichen Platte 110 in einem elektromagnetischen Antriebssystem erstreckt, oder ein Paar von Antriebselektroden, die sich im Wesentlichen über die gesamte Oberfläche der beweglichen Platte 110 in einem elektrostatischen Antriebssystem erstrecken. Darüber hinaus kann die reflektive Oberfläche die die reflektive Oberfläche bildende Oberfläche 116 oder die Oberfläche eines reflektiven Films, der auf der die reflektive Oberfläche bildenden Oberfläche 116 ausgebildet ist, sein.
Wie es in 2 deutlich gezeigt ist, weist die das elektrische Element bildende Oberfläche 116 eine rechteckige Form oder Kontur auf, und die die reflektive Oberfläche bildende Oberfläche 116 weist eine elliptische Form oder Kontur auf. Die die reflektive Oberfläche bildende elliptische Oberfläche 116 weist besonders vorteilhafterweise eine Gestalt oder Kontur auf, die im Wesentlichen in der rechteckigen, das elektrische Element bildenden Oberfläche 118 eingeschrieben ist.
Die bewegliche Platte 110, die Drehstabfedern 122, 124 und die Halteelemente 126, 128 weisen die gleiche Dicke auf. Ferner sind konkave Eckenabschnitte von Verbindungsabschnitten der Drehstabfedern 122, 124 mit der beweglichen Platte 110 und der Drehstabfedern 122, 124 mit den Halteelementen 126, 128 mit Abrundungen (R) versehen, um eine Konzentration von Spannungen zu vermeiden.
Die Spiegelkippvorrichtung 100 ist zum Beispiel monolithisch, mit Hilfe eines Halbleiterprozesses aus einem Einkristall-Siliziumsubstrat gebildet. Einkristall-Silizium weist eine hohe Steifigkeit und eine geringe interne Schwächung eines Materials auf und ist daher als Material für die Drehstabfedern 122, 124 zum Resonanzantreiben und für die Halteelemente 126, 128, die mit externen Elementen verbunden sind, geeignet.
Wie oben beschrieben ist, unterscheidet sich das elektrische Element, das auf der beweglichen Platte 110 angeordnet ist, von einem Antriebssystem der Spiegelkippvorrichtung 100. Eine Spiegelkippvorrichtung 100A für ein elektromagnetisches Antriebssystem ist in 4 gezeigt. Ferner ist ein optischer Deflektor vom elektromagnetischen Antriebstyp, der die Spiegelkippvorrichtung 100A verwendet, in 5 gezeigt. Diese Zeichnungen zeigen schematisch eine Anordnung der Antriebsspule als das elektrische Element, das auf der beweglichen Platte 110 angeordnet ist, und ein Isolationsfilm zum Schutz der Antriebsspule oder dergleichen sind in den Zeichnungen weggelassen.
Wie in den 4 und 5 gezeigt ist, umfasst die Spiegelkippvorrichtung 100 eine Antriebsspule 132, die entlang des Umfangsrandes der beweglichen Platte 110 angeordnet ist. Ein Ende der Antriebsspule 132 erstreckt sich durch die Drehstabfeder 122 und ist elektrisch mit einer Elektrodenkontaktstelle 134 verbunden, die auf dem Halteelement 126 angeordnet ist. Das weitere Ende der Antriebsspule 132 erstreckt sich über den Abschnitt, der entlang des Umfangsrandes der beweglichen Platte 110 angeordnet ist, über die Drehstabfeder 124 und ist elek trisch mit einer Elektrodenkontaktstelle 136 verbunden, die auf dem Halteelement 128 angeordnet ist.
Ferner, wie es in 4 gezeigt ist, umfasst die bewegliche Platte 110 eine Geschwindigkeitserfassungsspule 142, die auf einem inneren Umfang der Antriebsspule 132 angeordnet ist (die Geschwindigkeitserfassungsspule 142 ist in 5 nicht gezeigt). Ein Ende der Geschwindigkeitserfassungsspule 142 erstreckt sich über die Drehstabfeder 122 und ist elektrisch mit einer Elektrodenkontaktstelle 144 verbunden, die auf dem Halteelement 126 angeordnet ist. Das weitere Ende der Geschwindigkeitserfassungsspule 142 erstreckt sich über den Abschnitt, der entlang des Umfangsrandes der beweglichen Platte 110 angeordnet ist, durch die Drehstabfeder 124 und ist elektrisch mit einer Elektrodenkontaktstelle 146 verbunden, die auf dem Halteelement 128 angeordnet ist.
Wie es in 5 gezeigt ist, umfasst der optische Deflektor vom elektromagnetischen Antriebstyp die in 4 gezeigte Spiegelkippvorrichtung 100A und ein Paar von Permanentmagneten 152, 154. Die Permanentmagnete 152, 154 sind in der Umgebung von gegenüberliegenden Seiten der beweglichen Platte 110 und im wesentlichen parallel zur Kippachse angeordnet. Die Permanentmagnete 152, 154 weisen die gleiche Magnetisierungsrichtung auf, wobei sich diese Richtung in einem stationären Zustand im Wesentlichen parallel zu der das elektrische Element bildenden Oberfläche der beweglichen Platte 110 erstreckt. Die Permanentmagnete 152, 154 erzeugen ein Magnetfeld in einer Richtung, die sich in rechten Winkeln bezüglich der Kippachse kreuzt, und das bezüglich den Abschnitten der Antriebsspule 132, die auf den gegenüberliegenden Seiten der beweglichen Platte 110 angeordnet sind, innerhalb der das elektrische Element bildenden Oberfläche der beweglichen Platte 110 vorhanden ist. Die Antriebsspule 132 und die Permanentmagnete 152, 154 wirken zusammen und bilden das Antriebsmittel.
Wenn an die zwei Elektrodenkontaktstellen 134, 136 auf den Halteelementen 126, 128 eine Wechselspannung angelegt wird, fließt ein Wechselstrom durch die Antriebsspule 132. Der durch den Abschnitt der Antriebsspule 132 in der Umgebung der Permanentmagnete 152, 154 fließende Strom erfährt eine Lorentz-Kraft durch eine Wechselwirkung mit dem von den Permanentmagneten 152, 154 erzeugten Magnetfeld. Als Folge davon erfährt die bewegliche Platte 110 beim Anlegen der Wechselspannung in Richtung der Plattendicke ein Paar von Kräften, deren Richtung sich periodisch ändert. Daher kippt, d.h. vibriert die bewegliche Platte 110 um die Kippachse, die sich in einer Längsrichtung der zwei Drehstabfedern 122, 124 erstreckt. Dies hat zur Folge, dass der durch die reflektive Oberfläche, die auf der beweglichen Platte 110 angeordnet ist, reflektierte Lichtstrahl periodisch in einem konstanten Winkelbereich abgelenkt wird.
Ferner ist eine Spiegelkippvorrichtung 100B für das elektrostatische Antriebssystem in 6 gezeigt. Ferner ist der optische Deflektor vom elektrostatischen Antriebsstyp, der die Spiegelkippvorrichtung 100B verwendet, in 7 gezeigt. Diese Zeichnungen zeigen schematisch die Anordnung einer Antriebselektrode als das auf der beweglichen Platte 100 angeordnete elektrische Element, wobei der Isolierungsfilm zum Schutz der Antriebselektrode oder dergleichen in den Zeichnungen nicht gezeigt ist.
Wie in den 6 und 7 gezeigt ist, umfasst die Spiegelkippvorrichtung 100B ein Paar von Antriebselektroden 162, 172. Die Antriebselektroden 162, 172 haben die gleiche Gestalt, sind symmetrisch bezüglich der Kippachse angeordnet und erstrecken sich im Wesentlichen über die gesamte das elektrische Element bildende Oberfläche 118. Die Antriebselektrode 162 ist über eine Verdrahtung 164, die sich über die Drehstabfeder 122 erstreckt, elektrisch mit einer Elektrodenkontaktstelle 166, die auf dem Halteelement 126 angeordnet ist, verbunden. Ferner ist die Antriebselektrode 172 über eine Verdrahtung 174, die sich über die Drehstabfeder 124 erstreckt, elektrisch mit einer Elektrodenkontaktstelle 176 verbunden, die auf dem Halteelement 128 angeordnet ist.
Wie es in 7 gezeigt ist, umfasst der optische Deflektor vom elektrostatischen Antriebstyp die in 6 gezeigte Spiegelkippvorrichtung 100B und eine unbewegliche Elektrode 182, die gegenüber den Antriebselektroden 162, 172 angeordnet ist, welche auf der beweglichen Platte 110 angeordnet sind. Die unbewegliche Elektrode 182 ist an einem (nicht gezeigten) Element befestigt und wird in konstanter Richtung gehalten. Die Antriebselektroden 162, 172 wirken mit der unbeweglichen Elektrode 182 zusammen, um so das Antriebsmittel zu bilden.
Die unbewegliche Elektrode 182 wird zum Beispiel auf Massepotential gehalten, und ein vorbestimmtes Potential wird über die entsprechenden Elektrodenkontaktstellen 166, 176 wechselweise an die Antriebselektroden 162, 172 angelegt. Die Antriebselektroden 162, 172 erfahren eine elektrostatische Antriebskraft in Übereinstimmung mit einer Potentialdifferenz gegenüber der unbeweglichen Elektrode 182. Durch das wechselweise Anlegen des Potentials erfährt die bewegliche Platte 110 ein Drehmoment als Folge des Kräftepaars, dessen Richtung sich bezüglich der Kippachse periodisch ändert. Daher kippt, d.h. vibriert die bewegliche Platte 110 um die Kippachse, die sich in der Längsrichtung der zwei Drehstabfedern 122, 124 erstreckt. Als Folge davon wird der Lichtstrahl, der von der auf der beweglichen Platte 110 angeordneten reflektiven Oberfläche reflektiert wird, periodisch um einen konstanten Winkelbereich abgelenkt.
Bei dem in 7 gezeigten optischen Deflektor vom elektrostatischen Antriebstyp umfasst das Antriebsmittel ein Paar von Elektroden 162, 172, die auf der beweglichen Platte 110 ausgebildet sind, und eine Elektrode 182, die gegenüber den Elektroden angeordnet ist. Umgekehrt kann der optische Deflektor eine auf der beweglichen Platte 110 ausgebildete Elektrode umfassen, sowie ein Paar von Elektroden, die gegenüber der Platte angeordnet sind.
Die Spiegelkippvorrichtung 100 wird unter Verwendung eines Halbleiterprozesses hergestellt. Ein Herstellungsverfahren der Spiegelkippvorrichtung 100 ist nachfolgend mit Bezug auf die 8A bis 8D beschrieben. In den 8A bis 8D gezeigte jeweilige Schritte sind durch Querschnitte entlang der Linie III-III von 2 gezeigt.
Schritt 1 (8A): Ein Einkristall-Siliziumsubstrat 190, dessen gegenüberliegende Oberflächen poliert sind, ist als Startwafer hergestellt. Das elektrische Element, das ein Teil des Antriebsmittels wie etwa die Antriebsspule oder die Antriebselektrode bildet, wird zum Beispiel auf einer unteren Oberfläche 194 (die der das elektrische Element bildenden Oberfläche 118 entspricht) des Einkristall-Siliziumsubstrats 190 gebildet. Das elektrische Element wird zum Beispiel durch Schritte gebildet, in denen ein dünner Metallfilm gebildet und gemustert wird und ein Isolierungsfilm durch eine Fotolithografietechnik gebildet wird.
Schritt 2 (8B): In das Einkristall-Siliziumsubstrat 190 werden von der unteren Oberfläche 194, auf der elektrische Element ausgebildet ist, bis zu einer vorbestimmten Tiefe Formen geätzt, die denen des zweiten Abschnitts 114 der beweglichen Platte 110, der Drehstabfedern 122, 124 und der Halteelemente 126, 128 entsprechen. Das Ätzen wird mittels reaktivem Ionenätzen (RIE) ausgeführt, wobei zum Beispiel ein induktiv gekoppeltes Plasma (ICP) verwendet wird, so dass sich eine geätzte Seitenoberfläche im Wesentlichen vertikal zur oberen und unteren Oberfläche 192, 194 des Substrats erstreckt. Die Ätztiefe wird zum Beispiel durch eine Ätzzeit gesteuert.
Schritt 3 (8C): In das Einkristall-Siliziumsubstrat 190 werden von der oberen Oberfläche 192 Formen geätzt, die denen des ersten Abschnitts 112 der beweglichen Platte 110, der Drehstabfedern 122, 124 und der Halteelemente 126, 128 entsprechen. Das Ätzen wird ferner zum Beispiel durch ICP-RIE ausgeführt. Ein Muster einer Ätzmaske muss exakt mit dem auf der unteren Oberfläche 194 ausgebildeten Muster ausgerichtet sein. Als Ergebnis dieses Schritts ist eine Struktur, die die bewegliche Platte 110, die Drehstabfedern 122, 124 und die Halteelemente 126, 128 umfasst, ausgebildet. In der Struktur ist die bewegliche Platte 110 mit den Halteelementen 126, 128 nur durch die Drehstabfedern 122, 124 verbunden. Darüber hinaus ist der erste Abschnitt 112 und der zweite Abschnitt 114 der beweglichen Platte 110 durch Verarbeiten des Einkristall-Siliziumsubstrats 190 zu unterschiedlichen Gestalten von den gegenüberliegenden Oberflächen durch Trockenätzen gebildet.
Schritt 4 (8D): Ein reflektiver Film wird auf einem Abschnitt, der dem ersten Abschnitt 112 der beweglichen Platte 110 entspricht, bezüglich der oberen Oberfläche 192 des Einkristall-Siliziumsubstrats 190 gebildet.
Eine große Anzahl von Strukturen ist üblicherweise auf einem Wafer angeordnet und hergestellt. Schließlich werden die einzelnen Strukturen durch Vereinzeln geschnitten/getrennt, und man erhält die in den 1 bis 3 gezeigte Spiegelkippvorrichtung 100.
Da die Spiegelkippvorrichtung auf diese Weise mit Hilfe des Halbleiterprozesses monolithisch gebildet wird, ist der nachfolgende Montagevorgang nicht notwendig, und die Vorrichtung kann in äußerst kleinen Größen in einer Massenproduktion kostengünstig hergestellt werden. Darüber hinaus ist die Maßgenauigkeit sehr hoch, so dass eine Streuung von Eigenschaften außergewöhnlich gering.
Wie oben beschrieben ist, weist die die reflektive Oberfläche bildende Oberfläche 116 des ersten Abschnitts 112 der beweglichen Platte 110 in der Spiegelkippvorrichtung 100 eine elliptische Gestalt oder Kontur auf, und die das elektrische Element bildende Oberfläche 118 des zweiten Abschnitts 114 der beweglichen Platte 110 weist eine rechteckige Gestalt oder Kontur auf. In der besonderes bevorzugten beweglichen Platte 110 weist die die reflektive Oberfläche bildende Oberfläche 116 eine elliptische Gestalt oder Kontur auf, die im Wesentlichen in der rechteckigen Kontur der das elektrische Element bildenden Oberfläche 118 eingeschrieben ist.
Entsprechend der charakteristischen Gestalten gewährleistet die bewegliche Platte 110 der Spiegelkippvorrichtung 100 eine reflektive Oberfläche, die eine tatsächlich erforderliche Größe aufweist, wobei das Trägheitsmoment verringert ist. Dieser Aspekt ist nachfolgend ausführlich beschrieben.
Ein Lichtstrahl mit einer kreisförmigen Querschnittsfläche trifft gewöhnlich schräg auf die reflektive Ober fläche des optischen Deflektors auf. Daher hat ein auf der reflektiven Oberfläche gebildeter Punkt des Lichtstrahls im Allgemeinen eine elliptische Form. Wenn daher nur die Funktion der Reflexion des Lichtstrahls betrachtet wird, muss die bewegliche Platte mit der reflektiven Oberfläche nicht rechteckig sein, und die elliptische Gestalt ist sogar vorzuziehen.
Nachfolgend sind verschiedene Eigenschaften der rechteckigen und der elliptischen beweglichen Platte beschrieben.
Zuerst wird eine Differenz des Trägheitsmoments zwischen der rechteckigen beweglichen Platte und der elliptischen beweglichen Platte betrachtet. In der nachfolgenden Betrachtung wird die Dickenrichtung als Einheitsdicke ignoriert, und eine Materialdichte wird als ρ angenommen. Ein Trägheitsmoment I_r um einen Schwerpunkt der rechteckigen beweglichen Platte ist durch die nachfolgende Gleichung (1) gegeben, wobei eine Länge einer Längsseite eines Rechtecks mit a angenommen wird und eine Länge einer kurzen Seite der Platte b ist.
Andererseits ist ein Trägheitsmoment I_e um den Schwerpunkt der elliptischen beweglichen Platte durch die nachfolgende Gleichung (2) gegeben, wobei eine Länge einer Längsachse einer Ellipse mit a angenommen und eine Länge einer kurzen Achse der Platte b ist.
Daher ist ein Verhältnis der Trägheitsmomente durch die nachfolgende Gleichung (3) gegeben.
Aus der Gleichung (3) ist ersichtlich, dass das Trägheitsmoment der elliptischen beweglichen Platte ungefähr 60% des Trägheitsmoments der rechteckigen beweglichen Platte beträgt. Das heißt, wenn die rechteckige Form zu der elliptischen Form geändert wird, ist das Trägheitsmoment der beweglichen Platte auf ungefähr 60% reduziert. Dies ist in den Abschnitten zum Stand der Technik beschrieben worden.
Als Nächstes ist eine Differenz einer Antriebskraft zwischen der rechteckigen beweglichen Platte und der elliptischen beweglichen Platte betrachtet.
Zuerst ist die Differenz der Antriebskraft in dem in 7 gezeigten elektrostatischen Antriebssystem beschrieben. Es wird in der nachfolgenden Betrachtung davon ausgegangen, dass sich die bewegliche Platte in einer neutralen Position befindet, die Dielektrizitätskonstante von Luft ε beträgt, ein Abstand zwischen den Elektroden S ist, eine angelegte Spannung V ist und eine Gesamtfläche (eine Hälfte der Fläche der beweglichen Platte) einer Seite bezüglich der Kippachse als Elektrode beiträgt. Ein erzeugtes Drehmoment T_r in der neutralen Position der rechteckigen beweglichen Platte ist durch die nachfolgende Gleichung (4) gegeben.
Andererseits ist ein erzeugtes Drehmoment T_e in der neutralen Position der elliptischen beweglichen Platte durch die nachfolgende Gleichung (5) gegeben.
Demzufolge ist ein Drehmomentverhältnis beider Platten durch die nachfolgende Gleichung (6) gegeben.
Aus der Gleichung (6) ist ersichtlich, dass das Antriebsmoment der elliptischen beweglichen Platte etwa 66,7% des Antriebsmoments der rechteckigen beweglichen Platte beträgt. Das heißt, wenn die rechteckige Form zu der elliptischen Form geändert wird, wird das Antriebsmoment der beweglichen Platte auf etwa 66,7% reduziert. Es kann folglich gesagt werden, dass das Antriebsmoment auch durch eine Verringerung des Drehmoments verringert wird, und einige durch die Verringerung des Drehmoments erreichten Vorteile gehen verloren.
Ein Wert von (Antriebsmoment/Trägheitsmoment) der elliptischen beweglichen Platte zu einem Wert von (Antriebsmoment/Trägheitsmoment) der rechteckigen beweglichen Platte ist ein Index, der einen allgemeinen Effekt einer Verbesserung des Antriebswirkungsgrades angibt, der eine Folge der Änderung von der rechteckigen Form zu der elliptischen Form der beweglichen Platte ist. Wenn der Wert von (Antriebsmoment/Trägheitsmoment) der rechteckigen beweglichen Platte 1 beträgt, beträgt der Wert von (Antriebsmoment/Trägheitsmoment) der elliptischen beweglichen Platte 1,13.
Nachfolgend ist die Differenz der Antriebskraft in dem in 5 gezeigten elektromagnetischen Antriebssystem beschrieben. Bei der nachfolgenden Betrachtung wird angenommen, dass die Antriebsspule auf dem Umfangsrand der beweglichen Platte angeordnet ist. Nimmt man an, dass eine magnetische Flussdichte gleichförmig ist, so ist das Antriebsmoment proportional zu einer von der Spule eingeschlossenen Fläche. Das erzeugte Drehmoment in der neutralen Position der rechteckigen beweglichen Platte ist durch die nachfolgende Gleichung (7) beschrieben, wobei ein Proportionalitätsfaktor K verwendet wird. Tr = Kab (7)
Das in der neutralen Position der elliptischen beweglichen Platte erzeugte Drehmoment ist durch die nachfolgende Gleichung (8) gegeben, wobei die Proportionalitätskonstante K verwendet wird.
Daher wird das Drehmomentverhältnis der Platten durch die nachfolgende Gleichung (9) beschrieben.
Aus Gleichung (9) ist zu entnehmen, dass das Antriebsmoment der elliptischen beweglichen Platte etwa 78,5% des Antriebsmoments der rechteckigen beweglichen Platte beträgt. Das heißt, wenn die rechteckige Form zu der elliptischen Form geändert wird, wird das Antriebsmoment der beweglichen Platte auf etwa 78,5% verringert.
Ferner, was den Wert (Antriebsmoment/Trägheitsmoment) als Index anbelangt, der den allgemeinen Effekt einer Verbesserung des Antriebswirkungsgrades durch die Änderung von der rechteckigen Form zu der elliptischen Form der beweglichen Platte angibt, so beträgt der Wert (Antriebsmoment/Trägheitsmoment) der elliptischen beweglichen Platte 1,31, wenn der Wert (Antriebsmoment/Trägheitsmoment der rechteckigen beweglichen Platte 1 beträgt.
Dieser Wert ist besser als der des elektrostatischen Antriebssystems. Jedoch ist in dem tatsächlichen elektromagnetischen Antriebssystem die magnetische Flussdichte nicht gleichförmig, sondern in der Umgebung der beweglichen Platte allgemein hoch und in Richtung zur Innenseite abnehmend. Daher wird erwartet, dass das Antriebsmoment der elliptischen beweglichen Platte kleiner als der Wert der oben genannten Berechnungsgleichung ist.
Wie oben beschrieben ist, umfasst in der Spiegelkippvorrichtung 100 der vorliegenden Erfindung die bewegliche Platte 110 den ersten Abschnitt 112, der die reflektive Oberfläche aufweist, und den zweiten Abschnitt 114, der das elektrische Element aufweist. Die die reflektive Oberfläche bildende Oberfläche 116 des ersten Abschnitts 112 weist eine elliptische Kontur auf, und die das elektrische Element bildende Oberfläche 118 des zweiten Abschnitts 114 weist eine rechteckige Kontur auf. Daher wird in der Spiegelkippvorrichtung 100 ein Vorteil einer Reduzierung des Trägheitsmoments in dem ersten Abschnitt 112 der beweglichen Platte 110 dadurch gewonnen, dass ein unnötiger Abschnitt ausgespart ist, der nicht zur Reflexion des Lichtstrahls beiträgt, ähnlich wie bei der elliptischen beweglichen Platte. In dem zweiten Abschnitt 114 wird die das elektrische Element bildende Oberfläche 118, die die gleiche Breite wie die der rechteckigen be weglichen Platte aufweist, beibehalten, und ein Nachteil, der in der Verringerung des Antriebsmoments besteht, wird nicht erzeugt.
Ein Trägheitsmoment I der beweglichen Platte 110 wird durch die nachfolgende Gleichung (10) repräsentiert, wobei angenommen ist, dass ein Trägheitsmoment der (rechteckigen) Kontur ähnlich dem des zweiten Abschnitts in einer Gesamtdicke I_r' ist und die Dicke des ersten Abschnitts 112 x% der Dicke der beweglichen Platte 110 beträgt.
Ein Wert Antriebsmoment/Trägheitsmoment der beweglichen Platte 110 ist das Reziproke dieses Werts, und ein x, das einen Wert von 1,31 ergibt, beträgt ungefähr 59. Wenn daher der erste Abschnitt 112 der beweglichen Platte 110 eine Dicke von etwa 60% der Gesamtdicke des elektromagnetischen Antriebssystems aufweist, wird der gleiche Antriebswirkungsgrad wie der der elliptischen beweglichen Platte erreicht. Tatsächlich ist die magnetische Flussdichte nicht konstant, und es wird erwartet, dass der Wert Antriebsmoment/Trägheitsmoment der elliptischen beweglichen Platte kleiner als 1,31 ist. Es wird daher erwartet, dass es keinen Unterschied zu der elliptischen beweglichen Platte mit der Dicke des ersten Abschnitts 112 von ungefähr 50% der Dicke der beweglichen Platte 110 gibt. Der Antriebswirkungsgrad wird ferner mit zunehmender Dicke des ersten Abschnitts 112 erhöht. Der Antriebswirkungsgrad der beweglichen Platte 110 in dem elektrostatischen Antriebssystem ist höher als in dem elektromagnetischen Antriebssystem.
Wie aus der obigen Beschreibung hervorgeht, ist die bewegliche Platte 110 in der Spiegelkippvorrichtung 100 der vorliegenden Ausführungsform aus dem elliptischen ersten Abschnitt 112 mit der reflektiven Oberfläche und dem rechteckigen zweiten Abschnitt 114 mit dem elektrischen Element zum Antrieb gebildet. Daher wird die reflektive Oberfläche, die eine Größe aufweist, die zur Reflexion des Lichtstrahls tatsächlich notwendig ist, bewahrt, wobei gleichzeitig die Verringerung des Trägheitsmoments der beweglichen Platte erreicht wird. Die Spiegelkippvorrichtung liefert einen optischen Deflektor, der einen hohen Antriebswirkungsgrad aufweist.
Die Spiegelkippvorrichtung 100 der vorliegenden Ausführungsform kann innerhalb des Schutzumfangs der vorliegenden Erfindung verschiedentlich modifiziert werden. Das elektrische Element, das einen Teil des Antriebsmittels bildet, ist nicht auf die in 4 bis 7 gezeigten Elemente begrenzt, und die Anordnung der Antriebsspule, die Gestalt der Antriebselektrode oder dergleichen können in geeigneter Weise geändert werden. Ein Haltemodus der beweglichen Platte ist nicht auf einen mittigen Halt begrenzt, und weitere Haltemodi wie etwa eine auskragende Haltevorrichtung können verwendet werden. Das elastische Element ist nicht auf die Drehstabfeder begrenzt, und eine flexible Feder kann verwendet werden. Eine Kipprichtung der beweglichen Platte ist nicht auf eine Richtung begrenzt, und die Platte kann in zwei Richtungen gekippt werden.
Darüber hinaus kann in dem Herstellungsverfahren die Verarbeitung einer ein elektrisches Element bildenden Oberflächenseite und eine Verarbeitung einer eine reflektive Oberfläche bildenden Oberflächenseite in umgekehrter Reihenfolge ausgeführt werden. Ferner ist der Startwafer nicht auf das Einkristall-Siliziumsubstrat begrenzt, und ein Silizium-auf-Isolator (SOI)-Substrat kann verwendet werden. Bei der Verwendung des SOI-Substrats kann eine Siliziumoxidschicht als eine isolierende Zwischenschicht als eine Stoppschicht beim Ätzen von den jeweiligen Oberflächen verwendet werden.
Ferner ist das Herstellungsverfahren der Spiegelkippvorrichtung 100 nicht auf das Verfahren begrenzt, bei dem der Halbleiterprozess verwendet wird. Zum Beispiel kann, wie es in 9 gezeigt ist, die Spiegelkippvorrichtung 100 durch Verbinden einer Struktur 1100, die eine elliptische bewegliche Platte 1110, Drehstabfedern 1120, 1130 und Halteelemente 1140, 1150 umfasst, mit einer Struktur 1200, die eine rechteckige bewegliche Platte 1210, Drehstabfedern 1220, 1230 und Halteelemente 1240, 1250 umfasst, gebildet werden.
Zweite Ausführungsform
Nachfolgend ist eine zweite Ausführungsform mit Bezug auf die Zeichnungen beschrieben.
Wie es in den 10 bis 12 gezeigt ist, umfasst eine Spiegelkippvorrichtung 200 eine bewegliche Platte 210 mit der reflektiven Oberfläche, Drehstabfedern 222, 224 als ein Paar von elastischen Elementen zum kippbaren Halten der beweglichen Platte 210 und Halteelemente 226, 228 zum Halten der Drehstabfedern 222, 224. Die Drehstabfedern 222, 224 weisen rechteckige Querschnitte auf und erstrecken sich von der beweglichen Platte 210 symmetrisch in entgegengesetzte Richtungen. Daher ist die bewegliche Platte 210 bezüglich der Halteelemente 226, 228 um die Kippachse, die durch die Drehstabfedern 222, 224 führt, kippbar gehalten.
Die bewegliche Platte 210 umfasst einen ersten Abschnitt 212, der die reflektive Oberfläche aufweist, und einen zweiten Abschnitt 214, der ein elektrisches Element aufweist, das einen Teil des Antriebsmittels zum Antreiben der Spiegelkippvorrichtung 200 bildet. Wie es in der ersten Ausführungsform beschrieben ist, kann die reflektive Oberfläche eine eine reflektive Oberfläche bildende Oberfläche 216 oder die Oberfläche des auf der die reflektive Oberfläche bildenden Oberfläche 216 ausgebildeten reflektiven Films sein. Darüber hinaus ist das elektrische Antriebselement wie etwa die Antriebsspule oder die Antriebselektrode, wie es in der ersten Ausführungsform beschrieben ist, auf einer ein elektrisches Element bildenden Oberfläche 218 ausgebildet.
Der erste Abschnitt 212 weist die die reflektive Oberfläche bildende Oberfläche 216 auf, auf der die reflektive Oberfläche ausgebildet ist, und eine Seitenoberfläche des ersten Abschnitts 212 kreuzt unter rechten Winkeln zu der die reflektive Oberfläche bildenden Oberfläche 216. Der zweite Abschnitt 214 weist die das elektrische Element bildende Oberfläche 218 auf, auf der das elektrische Element ausgebildet ist, und Seitenoberflächen des zweiten Abschnitts 214 kreuzen unter rechten Winkeln zu der das elektrische Element bildenden Oberfläche 218. Die die reflektive Oberfläche bildende Oberfläche 216 hat eine Fläche, die kleiner als die der das elektrische Element bildenden Oberfläche 218 ist.
Wie es in 11 deutlich gezeigt ist, hat die das elektrische Element bildende Oberfläche 218 eine rechteckige Gestalt oder Kontur, und die die reflektive Oberfläche bildende Oberfläche 216 hat eine elliptische Gestalt oder Kontur. Die elliptische Gestalt der die reflektive Oberfläche bildenden Oberfläche 216 ist geringfügig kleiner als eine elliptische Gestalt, die in die rechteckige, das elektrische Element bildende Oberfläche 218 eingeschrieben ist. Darüber hinaus sind die konkaven Eckenabschnitte der Verbindungsabschnitte der Drehstabfedern 222, 224 mit der beweglichen Platte 210 und denen der Drehstabfedern 222, 224 mit den Halteelementen 226, 228 mit Rundungen (R) versehen, um die Konzentration von Spannungen zu verhindern.
Wie in 12 deutlich gezeigt ist, weisen die bewegliche Platte 210 und die Halteelemente 226, 228 die gleiche Dicke auf, und die Drehstabfedern 222, 224 haben eine im Vergleich zu der beweglichen Platte 210 und den Halteelementen 226, 228 kleine Dicke. Mit anderen Worten, die Halteelemente 226, 228 haben jeweilige erste Abschnitte 232, 242 auf einer reflektiven Oberflächenseite und zweite Abschnitte 234, 244 auf einer Seite des elektrischen Elements. Der zweite Abschnitt 214 der beweglichen Platte 210, die Drehstabfedern 222, 224 und die zweiten Abschnitte 234, 244 der Halteelemente 226, 228 weisen die gleiche Dicke auf.
Die Spiegelkippvorrichtung 200 wird zum Beispiel unter Verwendung des Halbleiterprozesses monolithisch auf dem Silizium-auf-Isolator (SOI)-Substrat gebildet. Die Drehstabfedern 222, 224 sind auf einer Siliziumschicht, auf einer Seite der isolierenden Zwischenschicht gebildet, d.h. auf der Siliziumschicht, auf einer Seite, auf der die reflektive Oberfläche ausgebildet ist.
In der Spiegelkippvorrichtung 200 ist der erste Abschnitt 212 der beweglichen Platte 210 kleiner als der zweite Abschnitt 214. Daher ist, wie es in 12 gezeigt ist, eine Stufe der ersten und zweiten Abschnitte 212 und 214 vorhanden, und die Stufe ist in der Umgebung der Drehstabfedern 222, 224 angeordnet. Ebenso weisen die Halteelemente 226, 228 Stufen der ersten Abschnitte 232, 242 und der zweiten Abschnitte 234, 244 auf, und diese Abschnitte sind in der Umgebung der Drehstabfedern 222, 224 angeordnet.
Bei der Siliziumverarbeitung durch ICP-RIE wird die geätzte Seitenoberfläche im Wesentlichen vertikal zur Oberfläche des Wafers ausgebildet. Daher hat die Stufe eine konkave Ecke von im Wesentlichen 90°, wie es in 13A gezeigt ist. In der konkaven Ecke von im Wesentlichen 90° tritt leicht eine Spannungskonzentration auf, und dies kann während einer Verformung der Drehstabfeder einen Bruch bewirken. Daher ist, wie es in 13B gezeigt ist, die konkave Ecke der Stufe vorzugsweise mit einer Rundung (R) versehen. Das Ausbilden der Rundung (R) ist nicht notwendigerweise leicht, kann jedoch zum Beispiel durch einen Prozess erreicht werden, in dem eine Bedingung der Siliziumätzung auf der die reflektive Oberfläche bildenen Oberflächenseite geändert und nur eine Ätzrate in die Umgebung einer vertikalen Wand verringert wird.
Die Spiegelkippvorrichtung 200 wird mit Hilfe des Halbleiterprozesses hergestellt. Das Herstellungsverfahren der Spiegelkippvorrichtung 200 ist nachfolgend mit Bezug auf die 14A bis 14D beschrieben. Die jeweiligen in den 14A bis 14D gezeigten Schritte sind durch Querschnitte entlang der Linie XII-XII von 11 gezeigt.
Schritt 1 (14A): Ein SOI-Substrat 250 mit polierten gegenüberliegenden Oberflächen wird als Startwafer vorbereitet. Das SOI-Substrat 250 hat eine erste Siliziumschicht 252 und eine zweite Siliziumschicht 254, und beide Schichten sind über eine isolierende Zwischenschicht 256 miteinander verbunden. Mit anderen Worten, das SOI-Substrat 250 umfasst die erste Siliziumschicht 252, die zweite Siliziumschicht 254 und eine isolierende Zwischenschicht 256, die zwischen den Siliziumschichten angeordnet ist. Das elektrische Element, das einen Teil des Antriebsmittels, wie etwa eine Antriebsspule oder eine Antriebselektrode, bildet, ist auf der zweiten Siliziumschicht 254 ausgebildet. Das elektrische Element wird zum Beispiel durch die Schritte gebildet, in denen der dünne metallische Film gebildet und gemustert der isolierende Film durch die Fotolithografietechnik gebildet wird.
Schritt 2 (14B): In die zweite Siliziumschicht 254 werden zum Beispiel durch das ICP-RIE Formen geätzt, die denen des zweiten Abschnitts 214 der beweglichen Platte 210, der Drehstabfedern 222, 224 und den Halteelementen 226, 228 entsprechen. Der Ätzvorgang stoppt an der Siliziumoxidschicht 256 als der isolierenden Zwischenschicht.
Schritt 3 (14C): In die erste Siliziumschicht 252 werden zum Beispiel durch das ICP-RIE Formen geätzt, die denen des ersten Abschnitts 212 der beweglichen Platte 210 und den Halteelementen 226, 228 entsprechen. Die Muster der Ätzmaske müssen genau mit dem Muster, das auf der zweiten Siliziumschicht 254 ausgebildet ist, ausgerichtet sein. Jedoch ist der erste Abschnitt 212 der elliptischen beweglichen Platte 210 eine Größe kleiner als die elliptische Gestalt, die in den zweiten Abschnitt 214 der rechteckigen beweglichen Platte 210 eingeschrieben ist, und die erforderliche Genauigkeit ist daher niedriger als bei der ersten Ausführungsform. Der Ätzvorgang stoppt bei der Siliziumoxidschicht 256 als der isolierende Zwischenschicht. Vorzugsweise wird, wie es in 13B gezeigt ist, die konkave Ecke, unmittelbar bevor der Ätzvorgang stoppt, mit der Rundung (R) versehen.
Schritt 4 (14D): Ein freiliegender Abschnitt der Siliziumoxidschicht 256 wird geätzt und entfernt. Als ein Ergebnis dieses Schritts wird eine Struktur, die die bewegliche Platte 210, die Drehstabfedern 222, 224 und die Halteelemente 226, 228 umfasst, gebildet. In der Struktur ist die bewegliche Platte nur durch die Drehstabfedern 222, 224 mit den Halteelementen 226, 228 verbunden. Die Drehstabfedern 222, 224 sind als ein Teil der zweiten Siliziumschicht 256 gebildet. Der erste und der zweite Abschnitt 212, 214 der beweglichen Platte 210 werden durch Trockenätzen und Verarbeiten der ersten und zweiten Siliziumschicht 252, 254 gebildet. Darüber hinaus ist der reflektive Film auf dem Abschnitt der ersten Siliziumschicht 252 gebildet, der dem ersten Abschnitt 212 der beweglichen Platte 210 entspricht.
Auf einem Wafer werden normalerweise eine große Anzahl von Strukturen angeordnet und ausgebildet. Schließlich werden die einzelnen Strukturen durch Vereinzeln geschnitten/getrennt, und man erhält die in den 10 bis 12 gezeigte Spiegelkippvorrichtung 200.
Da die Spiegelkippvorrichtung 200 auf diese Weise mit Hilfe des Halbleiterprozesses monolithisch gebildet wird, ist der nachfolgende Montagevorgang nicht erforderlich, und die Vorrichtung kann in äußerst kleinen Größen kostengünstig als Massenprodukt hergestellt werden. Darüber hinaus ist die Maßgenauigkeit sehr hoch, so dass die Streuung von Eigenschaften außerordentlich gering ist.
Auch in der Spiegelkippvorrichtung 200 der zweiten Ausführungsform weist die bewegliche Platte 210 den elliptischen ersten Abschnitt 212 mit der reflektiven Oberfläche und den rechteckigen zweiten Abschnitt 214 mit dem elektrischen Antriebselement auf. Ähnlich wie in der ersten Ausführungsform wird die reflektive Oberfläche, die eine Größe aufweist, die zur Reflexion des Laserlichts tatsächlich erforderlich ist, bewahrt, wobei gleichzeitig das Trägheitsmoment der beweglichen Platte verringert ist.
Die Spiegelkippvorrichtung 200 der zweiten Ausführungsform kann innerhalb des Schutzumfangs der vorliegenden Erfindung verschiedentlich modifiziert werden. Der Haltemodus des elektrischen Elements und der beweglichen Platte, die Funktion des elastischen Elements oder dergleichen können ähnlich wie bei der ersten Ausführungsform modifiziert werden.
Was das Herstellungsverfahren anbelangt, so kann ferner das Einkristall-Siliziumsubstrat als der Startwafer verwendet werden, und durch Steuern der Ätztiefe über die Zeit kann die Drehstabfeder dünner als die bewegliche Platte oder das Halteelement ausgebildet werden.
Ferner ist das Herstellungsverfahren der Spiegelkippvorrichtung 200 nicht auf das Verfahren begrenzt, in dem der Halbleiterprozess verwendet wird. Wie es in 15 gezeigt ist, kann die Spiegelkippvorrichtung 200 zum Beispiel durch Verbinden einer elliptischen Spiegelvorrichtung 1360, die die reflektive Oberfläche aufweist, mit einer Struktur 1300, die eine rechteckige bewegliche Platte 1310, Drehstabfedern 1320, 1330 und Halteelemente 1340, 1350 aufweist, gebildet werden.
Dritte Ausführungsform
Nachfolgend ist eine dritte Ausführungsform mit Bezug auf die Zeichnungen beschrieben.
Wie in den 16 und 17 gezeigt ist, ist eine Spiegelkippvorrichtung 300 eine zu der Spiegelkipp vorrichtung 200 der zweiten Ausführungsform ähnliche Struktur und umfasst eine bewegliche Platte 310 mit der reflektiven Oberfläche, Drehstabfedern 322, 324 als ein Paar von elastischen Elementen zum kippbaren Halten der beweglichen Platte 310 und Halteelemente 326, 328 zum Halten der Drehstabfedern 322, 324. Die Drehstabfedern 322, 324 weisen rechteckige Querschnitte auf und erstrecken sich von der beweglichen Platte 310 symmetrisch in entgegengesetzte Richtungen.
Die bewegliche Platte 310 hat einen ersten Abschnitt 312 mit der reflektiven Oberfläche und einen zweiten Abschnitt 314, der ein elektrisches Element aufweist, das einen Teil des Antriebsmittels zum Antreiben der Spiegelkippvorrichtung 300 bildet. Der erste Abschnitt 312 weist eine die reflektive Oberfläche bildende Oberfläche 316 auf, auf der die reflektive Oberfläche gebildet ist, und Seitenoberflächen des ersten Abschnitts 312 sind bezüglich der die reflektive Oberfläche bildenden Oberfläche 316 geneigt. Der zweite Abschnitt 314 weist eine das elektrische Element bildende Oberfläche 318 auf, auf der das elektrische Element ausgebildet ist, und Seitenoberflächen des zweiten Abschnitts 314 kreuzen unter rechten Winkeln die das elektrische Element bildende Oberfläche 318.
Die das elektrische Element bildende Oberfläche 318 weist eine rechteckige Gestalt auf, die die reflektive Oberfläche bildende Oberfläche 316 weist die Form eines Zwölfecks auf, und demzufolge weist eine Bodenoberfläche des ersten Abschnitts 312 (Grenzlinie zu dem zweiten Abschnitt 314) ebenfalls die Form eines Zwölfecks auf. Die Zwölfeckform des ersten Abschnitts 312 ist eine Größe größer als die Zwölfeckform der die reflektive Oberfläche bildenden Oberfläche 316 und geringfügig kleiner als die elliptische Form, die in die rechteckige, das elektrische Element bildende Oberfläche 318 eingeschrieben ist.
Darüber hinaus weisen die Halteelemente 326, 328 erste Abschnitte 332, 342 auf der Seite der reflektiven Oberfläche bzw. zweite Abschnitte 334, 344 auf der Seite des elektrischen Elements auf, und die ersten Abschnitte 332, 342 haben geneigte Seitenoberflächen.
Die Spiegelkippvorrichtung 300 wird zum Beispiel, ähnliche wie die zweite Ausführungsform, mit Hilfe des Halbleiterprozesses monolithisch aus dem Silizium-auf-Isolator (SOI)-Substrat gebildet. Ferner werden der erste Abschnitt 312 der beweglichen Platte 310 und die ersten Abschnitte 332, 342 und zweiten Abschnitte 334, 344 der Halteelemente 326, 328 dadurch gebildet, dass die Siliziumschicht auf einer Seite der isolierenden Zwischenschicht einer Nassätzung unterzogen wird. Das heißt, der erste Abschnitt 312 der beweglichen Platte 310 wird durch Nass-Ätzung/Verarbeitung der Siliziumschicht des SOI-Substrats gebildet, und der zweite Abschnitt 314 der beweglichen Platte 310 wird durch Trocken-Ätzen/Verarbeiten der Siliziumschicht des SOI-Substrats gebildet. Die weiteren Schritte sind zu denen der zweiten Ausführungsform ähnlich.
Einkristall-Silizium mit einer (100)-Ebenenorientierung wird als Material für den ersten Abschnitt 312 der beweglichen Platte 310 und die ersten Abschnitte 332, 342 der Halteelemente 326, 328 verwendet. Eine rechteckige Maske aus Siliziumoxid, Siliziumnitrid oder dergleichen wird auf der Oberfläche des Einkristall-Siliziums ausgebildet, eine Nassätzung mit einem alkalischen Ätzmittel wie etwa TMAH oder KOH wird ausgeführt, und eine (111)-Ebene erscheint als die geneigte Oberfläche auf einer Oberfläche der geätzten Seite, während der Ätzvorgang fortschreitet. Ferner schreitet der Ätzvorgang einer Ebene mit einer hohen Ätzrate in höheren Dimensionen bezüglich jeder Ecke der rechteckigen Maske fort, und eine (311)-Ebene oder dergleichen erscheint.
Als Folge der Nassätzung werden, wie es in den 16 und 17 gezeigt ist, der erste Abschnitt 312 der beweglichen Platte 310, der die geneigte Seitenoberfläche aufweist, und die ersten Abschnitte 332, 342 der Halteelemente 326, 328, die die geneigten Seitenoberflächen aufweisen, ausgebildet.
Auch in der dritten Ausführungsform weist die bewegliche Platte 310 eine Stufe der ersten und zweiten Abschnitte 312 und 324 in der Umgebung der Drehstabfedern 322, 324 auf, wie es in 18A gezeigt ist. Ebenso weisen die Halteelemente 326, 328 die Stufen der ersten Abschnitte 332, 342 und der zweiten Abschnitte 334, 344 in der Umgebung der Drehstabfedern 322, 324 auf. Da die Stufe eine konkave Ecke mit einem stumpfen Winkel aufweist, tritt eine Spannungskonzentration nicht so leicht auf. Jedoch wird, wie es in 18B gezeigt ist, die Ecke vorzugsweise mit der Rundung (R) versehen. Das Ausführen der Rundung (R) ist nicht notwendigerweise leicht, kann jedoch zum Beispiel bis zu einem gewissen Grad dadurch erreicht werden, dass im Wesentlichen am Ende des Nassätzschritts von Silizium der Ätzlösung ein Additivum hinzugefügt wird oder dass ein weiteres Ätzmittel verwendet wird oder der Schritt anderweitig geändert wird, so dass die Ätzeigenschaften verändert werden.
Da auch bei der Spiegelkippvorrichtung 300 der dritten Ausführungsform die bewegliche Platte 310 aus dem elliptischen ersten Abschnitt 312 mit der reflektiven Oberfläche und dem rechteckigen zweiten Abschnitt 314, das das elektrische Antriebselement umfasst, gebildet ist.
Daher wird, ähnlich wie bei der ersten und der zweiten Ausführungsform, die reflektive Oberfläche, die eine Größe besitzt, die zur Reflexion des Lichtstrahls tatsächlich erforderlich ist, bewahrt, während gleichzeitig die Verringerung des Trägheitsmoments der beweglichen Platte erreicht wird. Dadurch kann ein optischer Deflektor mit einem hohen Antriebswirkungsgrad gebildet werden.
Da in der Spiegelkippvorrichtung 300 der erste Abschnitt 312 der beweglichen Platte 310 und die ersten Abschnitte 332, 342 der Halteelemente 326, 328 durch Nassätzen gebildet werden, können darüber hinaus die Herstellungskosten im Vergleich zu der ersten und der zweiten Ausführungsform verringert werden.
Die Spiegelkippvorrichtung 300 der dritten Ausführungsform kann innerhalb des Schutzumfangs der vorliegenden Erfindung verschiedentlich modifiziert werden. Der Haltemodus des elektrischen Elements und der beweglichen Platte, die Funktion des elastischen Elements oder dergleichen können ähnlich wie bei der ersten Ausführungsform modifiziert werden. Darüber hinaus kann das Herstellungsverfahren, in dem der Halbleiterprozess nicht verwendet wird, ebenfalls angewendet werden, es besteht jedoch kein besonderer Vorteil darin, die die reflektive Oberfläche bildende Oberfläche in Form eines Zwölfecks auszubilden.
Vierte Ausführungsform
Eine vierte Ausführungsform ist nachfolgend mit Bezeug auf die Zeichnungen beschrieben.
Wie in den 19 bis 21 gezeigt ist, ist eine Spiegelkippvorrichtung 400 eine Struktur, die zur der der Spiegelkippvorrichtung 300 der dritten Ausführungsform ähnlich ist, und umfasst eine bewegliche Platte 410 mit der reflektiven Oberfläche, Drehstabfedern 422, 424 als ein Paar von elastischen Elementen zum kippbaren Halten der beweglichen Platte 410 und Halteelemente 426, 428 zum Halten der Drehstabfedern 422, 424. Die Drehstabfedern 422, 424 weisen trapezförmige Querschnitte auf und erstrecken sich von der beweglichen Platte 410 symmetrisch in entgegengesetzte Richtungen.
Die bewegliche Platte 410 hat einen ersten Abschnitt 412 mit der reflektiven Oberfläche und einen zweiten Abschnitt 414, der das elektrische Element umfasst, das einen Teil des Antriebsmittels zum Antreiben der Spiegelkippvorrichtung 400 bildet. Der erste Abschnitt 412 weist eine die reflektive Oberfläche bildende Oberfläche 416 auf, auf der die reflektive Oberfläche gebildet ist, und Seitenoberflächen des ersten Abschnitts 412 sind bezüglich der die reflektive Oberfläche bildenden Oberfläche 416 geneigt. Der zweite Abschnitt 414 weist eine das elektrische Element bildende Oberfläche 418 auf, auf der das elektrische Element ausgebildet ist, und Seitenoberflächen des zweiten Abschnitts 414 sind bezüglich der das elektrische Element bildenden Oberfläche 418 geneigt.
Die das elektrische Element bildende Oberfläche 418 hat eine rechteckige Form, die die reflektive Oberfläche bildende Oberfläche 416 hat die Form eines Zwölfecks, und entsprechend hat auch die Bodenoberfläche des ersten Abschnitts 412 (die Kontur der Grenzlinie zu dem zweiten Abschnitt 414) die Form eines Zwölfecks. Die Zwölfeckform der Bodenoberfläche des ersten Abschnitts 412 ist eine Größe größer als die Zwölfeckform der die reflektive Oberfläche bildenden Oberfläche 416 und geringfügig kleiner als die elliptische Form, die in der rechteckigen, das elektrische Element bildenden Oberfläche 418 eingeschrieben ist.
Darüber hinaus weisen die Halteelemente 426, 428 erste Abschnitte 432, 442 auf der Seite der reflektiven Oberfläche und zweite Abschnitte 434, 444 auf der Seite des elektrischen Elements auf, und die ersten Abschnitte 432, 442 und die zweiten Abschnitte 434, 444 haben geneigte Seitenoberflächen.
Die Spiegelkippvorrichtung 400 wird zum Beispiel, ähnlich wie bei der zweiten Ausführungsform, unter Verwendung des Halbleiterprozesses monolithisch aus dem SOI-Substrat gebildet. Ferner werden zwei Siliziumschichten des verwendeten SOI-Substrats aus Einkristall-Silizium mit einer (100)-Ebenenorientierung gebildet. Die bewegliche Platte 410, die Drehstabfedern 422, 424 und die Halteelemente 426, 428 werden alle durch Nass-Ätzen/Verarbeiten von Silizium gebildet. Das heißt, der erste und der zweite Abschnitt 412, 414 der beweglichen Platte 410 werden beide durch Nass-Ätzen/Verarbeiten der Siliziumschicht des SOI-Substrats gebildet.
Das Nassätzen läuft wie in der dritten Ausführungsform beschrieben ab. Ein als Kompensationsmuster bezeichnetes Muster wird zuvor in der Ätzmaske bei der Verarbeitung des rechteckigen, zweiten Abschnitts 414 der beweglichen Platte 410 ausgebildet, und es wird verhindert, dass die Ecke schnell geätzt wird wie der erste Abschnitt 412 auf der reflektiven Oberflächenseite der beweglichen Platte 410, so dass der zweite Abschnitt 414 der beweglichen Platte 410 so geformt wird, dass er einen rechtwinkligen Abschnitt aufweist.
Als Ergebnis der Verwendung der Nassätzungwird die Spiegelkippvorrichtung 400 gebildet, die die bewegliche Platte 410 mit den geneigten Seitenoberflächen, die Drehstabfedern 422, 424 mit den trapezförmigen Querschnitten und die Halteelemente 426, 428 mit den geneigten Seitenoberflächen umfasst, wie es in den 19 bis 21 gezeigt ist.
Ähnlich wie in der ersten und der zweiten Ausführungsform wird in der Spiegelkippvorrichtung 400 der vierten Ausführungsform eine Größe der reflektiven Oberfläche, die zur Reflexion des Lichtstrahls tatsächlich erforderlich ist, bewahrt, wobei gleichzeitig die Verringerung des Trägheitsmoments der beweglichen Platte erreicht wird. Dadurch kann der optische Deflektor bereitgestellt werden, der den hohen Antriebswirkungsgrad aufweist.
Da für die Spiegelkippvorrichtung 400 Silizium zur Bildung der beweglichen Platte 410, der Drehstabfedern 422, 424 und der Halteelemente 426, 428 durch Nassätzen verarbeitet wird, werden die Herstellungskosten im Vergleich zu der dritten Ausführungsform weiter reduziert.
Wie in den 22 und 23 gezeigt ist, umfasst eine Spiegelkippvorrichtung 500 eine bewegliche Platte 510 mit einer reflektiven Oberfläche 508, Drehstabfedern 522, 524 als ein Paar von elastischen Elementen zum kippbaren Halten der beweglichen Platte 510 und Halteelemente 526, 528 zum Halten der Drehstabfedern 522, 524. Die Drehstabfedern 522, 524 erstrecken sich von der beweglichen Platte 510 symmetrisch in entgegengesetzte Richtungen.
Die bewegliche Platte 510 hat eine die reflektive Oberfläche bildende Oberfläche 516, auf der die reflektive Oberfläche 508 ausgebildet ist, eine ein elektrisches Element bildende Oberfläche 518, auf der ein elektrisches Element ausgebildet ist, und eine große Anzahl von in der beweglichen Platte 510 ausgebildeten Hohlräumen 532. Die bewegliche Platte 510 weist vorzugs weise eine Rippenstruktur zur Erhöhung der Steifigkeit auf. Zum Beispiel umfasst, wie es in 22 gezeigt ist, die Rippenstruktur Gitterwände 534, die sich in Gitterform erstrecken, um die rechteckigen Hohlräume 532 zu bilden, sie kann jedoch eine Honigwabenstruktur sein, um den Hohlraum 532 in einer hexagonalen Form zu bilden. Die Gitterwand 534 hat eine große Anzahl von Luftlöchern oder -schlitzen 536, und die jeweiligen Hohlräume 532 sind über die Schlitze 536 mit einem äußeren Raum verbunden. Die Verbindung der Hohlräume 532 mit dem äußeren Raum verhindert eine Verformung der reflektiven Oberfläche, die von einer Temperaturdifferenz zwischen dem äußeren Raum und den Hohlräumen 532 ohne die Verbindung hervorgerufen werden würde.
Der in 22 gezeigte optische Deflektor ist vom elektrostatischen Antriebstyp, und ein auf der beweglichen Platte 510 angeordnetes elektrisches Element umfasst ein Paar von Antriebselektroden, die auf der das elektrische Element ausbildenden Oberfläche 518 gebildet sind (in 22 nicht gezeigt). Die Elektroden wirken mit einer unbeweglichen Elektrode 550 zusammen, die gegenüber den Antriebselektroden angeordnet ist, um so das Antriebsmittel zum Antreiben der Spiegelkippvorrichtung 500 zu bilden. Die auf der das elektrische Element bildenden Oberfläche 518 gebildeten Antriebselektroden sind mit Verdrahtungen 546, 548 elektrisch verbunden, die durch Kontaktlöcher 542, 544 über die Drehstabfedern 522, 524 geführt sind. Eine Antriebsspannung wird über die Verdrahtungen 546, 548 von einer (nicht gezeigten) externen Vorrichtung in geeigneter Weise den Antriebselektroden zugeführt.
Nachfolgend sind eine Querschnittsstruktur der beweglichen Platte 510 und Strukturen der Kontaktlöcher 542, 544 mit Bezug auf 24 beschrieben.
Wie in 24 gezeigt ist, umfasst die bewegliche Platte 510 drei Einkristall-Siliziumschichten 562, 564, 566, und diese Schichten sind voneinander durch thermische Oxidschichten 568, 570, die jeweils eine Dicke von zum Beispiel ungefähr 0,1 μm aufweisen, elektrisch isoliert. Die unterste Einkristall-Siliziumschicht 562 besteht aus Silizium (FZ-Si) vom FZ-Typ mit hohem spezifischem Widerstand und weist eine Dicke von zum Beispiel ungefähr 1 μm auf.
Die zwischenliegende Einkristall-Siliziumschicht 564 besteht zum Beispiel aus Silizium (CZ-Si) vom CZ-Typ und weist eine Dicke von ungefähr 8 μm auf. Die Einkristall-Siliziumschicht 564 umfasst eine Mehrzahl von Löchern, die durch selektives Entfernen gebildet sind, und diese Löcher bilden die Hohlräume 532.
Die oberste Einkristall-Siliziumschicht 566 besteht zum Beispiel aus CZ-Si und weist eine Dicke von ungefähr 1 μm auf. Die Einkristall-Siliziumschicht 566 überdeckt Löcher zur Bildung der Hohlräume 532, die in der Einkristall-Siliziumschicht 564 ausgebildet sind.
Ferner weisen die zwischenliegende und die obere Einkristall-Siliziumschichten 564 bzw. 566 Öffnungen auf, die in Abschnitten ausgebildet sind, die den Kontaktlöchern 542, 544 entsprechen und die pyramidenstumpfförmig, mit geneigten Seitenoberflächen sind.
Die Oberflächen der oberen Einkristall-Siliziumschicht 566 und der Kontaktlöcher 542, 544, mit Ausnahme von elektrischen Verbindungsabschnitten zu der unteren Einkristall-Siliziumschicht 562, sind mit einem Isolationsfilm 572 bedeckt. Ein Film aus einem Metall wie etwa Aluminium ist ausgebildet und gemustert, wodurch die Verdrahtungen 546, 548, die elektrisch mit der unteren Einkristall-Siliziumschicht 562 verbunden sind, über die Kontaktlöcher 542, 544 auf der Oberfläche des Isolationsfilms 572 gebildet werden.
Die untere Einkristall-Siliziumschicht 562, aus FZ-Si, hat einen hohen Widerstand, und eine zwischen die Kontaktlöcher 542, 544 angelegte Potentialdifferenz kann aufrechterhalten werden. Daher ist die Einkristall-Siliziumschicht 562 ein physikalisch kontinuierliches Material, das jedoch ähnlich wie das Paar aus Antriebselektroden 162, 172 funktioniert, die elektrisch voneinander getrennt sind, wie es in der ersten Ausführungsform mit Bezug auf 7 beschrieben ist.
Nachfolgend ist das Herstellungsverfahren der Spiegelkippvorrichtung 500 mit Bezug auf die 25A bis 25D beschrieben. Die in den 25A bis 25D gezeigten jeweiligen Schritte sind durch Querschnitte entlang der Linie XXIII-XXIII von 22 gezeigt.
Schritt 1 (25A): Ein Trägerwafer 580 als Siliziumwafer mit einer (100)-Ebenenorientierung wird vorbereitet, und eine Aussparung 582 mit einer Tiefe von zum Beispiel ungefähr 80 μm wird in einer oberen Oberfläche des Wafers ausgebildet. Die Struktur ist mit einem FZ-Si-Wafer 584 verbunden, der die untere Einkristall-Siliziumschicht 562 bilden wird. Die Dicke des verbundenen FZ-Si-Wafers 584 wird durch Polieren, Ätzen oder dergleichen reduziert und auf etwa 1 μm eingestellt.
Schritt 2 (25B): Ein CZ-Si-Wafer 586, der die zwischenliegende Einkristall-Siliziumschicht 564 bildet, wird vorbereitet, und eine (nicht gezeigte) Schicht aus thermischem Oxid mit einer Dicke von zum Beispiel 0,1 μm, die die Schicht 568 aus thermischem Oxid bildet, wird auf dem Wafer ausgebildet. Der CZ-Si-Wafer 586 wird mit dem FZ-Si-wafer 584 verbunden, und die Dicke des verbundenen Wafers wird durch Polieren, Ätzen oder dergleichen reduziert und auf etwa 8 mm eingestellt. Anschließend werden eine längliche Vertiefung 588, die die Kontur der beweglichen Platte 510 bildet, und eine Mehrzahl von Löchern 590, die die Hohlräume 532 bilden, durch ICP-RIE oder dergleichen gebildet. In diesem Fall werden Ausschnitte als die Schlitze 536 zur Verbindung der Hohlräume 532 mit dem externen Raum wie oben beschrieben ebenfalls in Teilungswänden zur Teilung der Löcher 590 gebildet.
Schritt 3 (25C): Ein CZ-Si-Wafer 592, der die obere Einkristall-Siliziumschicht 566 bildet, wird vorbereitet, und die (nicht gezeigte) Schicht aus thermischem Oxid mit einer Dicke von zum Beispiel 0,1 μm, die die Schicht 570 aus thermischem Oxid bildet, wird auf dem Wafer ausgebildet. Der CZ-Si-Wafer 592 wird mit dem FZ-Si-Wafer 586 verbunden, und die Dicke des verbundenen Wafers wird durch Polieren, Ätzen oder dergleichen reduziert und auf etwa 1 μm eingestellt. Anschließend wird der CZ-Si-Wafer 592 durch ICP-RIE oder dergleichen in die Form der beweglichen Platte 510 geätzt. Ferner wird eine Öffnung 594, die die Form eines Pyramidenstumpfes aufweist und sich durch die CZ-Si-Wafer 586 und 592 erstreckt, durch Nassätzen mit Hilfe von TMAH oder dergleichen in einen Abschnitt ausgebildet, der das Kontaktloch bildet.
Schritt 4 (25D): Eine Drehstabfeder 598, die sich über den durch die längliche Aussparung 588 getrennten CZ-Si-wafer 592 erstreckt, wird aus Siliziumnitrid, Polyimid oder dergleichen gebildet. Ferner wird eine Verdrahtung, die über die Öffnung, die die Form eines Pyramidenstumpfes aufweist, elektrisch mit dem FZ-Si-Wafer 584 verbunden ist, aus Aluminium oder dergleichen gebil det. Zum Beispiel wird die Verdrahtung so ausgebildet, dass sie eine große Fläche auf der beweglichen Platte einnimmt, und der entsprechende Abschnitt kann als die reflektive Oberfläche fungieren. Alternativ kann die reflektive Oberfläche aus einer polierten Siliziumoberfläche gebildet werden. Schließlich wird ein isotropes Siliziumätzen ausgeführt, um den FZ-Si-Wafer 584 zu entfernen, der als die Bodenoberfläche der länglichen Aussparung 588 freiliegt, und die Spiegelkippvorrichtung 500 wird gewonnen. In der Struktur wird der Trägerwafer 580 auf Massepotential eingestellt, so dass die Bodenoberfläche der Aussparung 582 des Trägerwafers 580 als die unbewegliche Elektrode 550 fungieren kann.
Da die bewegliche Platte 510 die Hohlräume 532 aufweist, die in der Platte der Spiegelkippvorrichtung 500 ausgebildet sind, wird die Verringerung des Trägheitsmoments der beweglichen Platte erreicht. Gemäß einer groben Abschätzung der als Wabenstruktur ausgebildeten Rippenstruktur kann das Trägheitsmoment auf etwa die Hälfte des Trägheitsmoments der rechteckigen beweglichen Platte, die eine massive Struktur aufweist, verringert werden. Es ist klar, dass die Trägheitsmomente der die reflektive Oberfläche bildenen Oberfläche 516 und der das elektrische Element bildenen Oberfläche 518 der beweglichen Platte 510 im Vergleich zu der rechteckigen beweglichen Platte, die die massive Struktur aufweist, nicht abnehmen. Daher wird in der Spiegelkippvorrichtung 500 die Größe der reflektiven Oberfläche und das Antriebsmoment aufrechterhalten, wobei gleichzeitig die Reduzierung des Trägheitsmoments der beweglichen Platte erreicht wird.
Die Spiegelkippvorrichtung 500 kann verschiedentlich modifiziert werden. Zum Beispiel sind die Drehstabfedern 522, 524 als die elastischen Elemente aus den dünnen Filmen gebildet, die auf dem CZ-Si-Wafer 592 als der ober sten Schicht gebildet sind, sie können jedoch aus dem Abschnitt des CZ-Si-Wafers 592 gebildet werden, der während des Ätzvorgangs des CZ-Si-Wafers 592 als die oberste Schicht übrig bleibt. Wenn erforderlich, können außerdem die Drehstabfedern aus einer Kombination des CZ-Si-Wafers 586 als der zwischenliegenden Schicht und des FZ-Si-Wafers 584 als der untersten Schicht gebildet werden.
26 zeigt einen modifizierten optischen Deflektor, der eine Spiegelkippvorrichtung 500A verwendet. In der Spiegelkippvorrichtung 500A, wie es in 26 gezeigt ist, ist die untere Einkristall-Siliziumschicht 562 der beweglichen Platte 510 eine Schicht aus Silizium (CZ-Si) eines CZ-Typs mit einem niedrigen spezifischen Widerstand und ist durch Schlitze 538 räumlich getrennt.
In dem in 22 gezeigten optischen Deflektor wird die bewegliche Platte 510 durch eine Potentialdifferenz bezüglich der gegenüber der beweglichen Platte angeordneten unbeweglichen Elektrode 550 angetrieben. Jedoch besteht die untere Einkristall-Siliziumschicht 562 der beweglichen Platte 510, die als die Antriebselektrode fungiert, aus FZ-Si, das einen hohen spezifischen Widerstand aufweist. Daher ist der Abstand, der bezüglich der unbeweglichen Elektrode 550 eine große Potentialdifferenz aufweist, auf einen Abschnitt in der Umgebung der Kontaktlöcher 542, 544 begrenzt, und ein von dem Abschnitt, der die große Differenz aufweist, relativ entfernt gelegener Abschnitt trägt kaum zu einer Antriebskraft bei.
Wie in 26 gezeigt ist, ist in dem optischen Deflektor, der die Spiegelkippvorrichtung 500A verwendet, die untere Einkristall-Siliziumschicht 562 der beweglichen Platte 510, die als die Antriebselektrode fungiert, aus CZ-Si, das einen niedrigen spezifischen Widerstand aufweist. Eine Seite der Einkristall-Silizium schicht 562, die durch den Schlitz 538 getrennt ist, weist das gleiche Potential auf und trägt zu der Antriebskraft der beweglichen Platte 510 bei, und die Antriebskraft ist beträchtlich erhöht.
Es ist ferner bekannt, dass eine mechanische Festigkeit von Silizium mit einer höheren Konzentration an Sauerstoff zwischen Gittern des Siliziums erhöht ist (verfasst von Takao Abe, Silicon Crystal and Doping (Maruzen Co., Ltd.) P32). CZ-Si hat eine im Vergleich zu FZ-Si beträchtlich hohe Sauerstoffkonzentration zwischen den Gittern. Daher weist die Spiegelkippvorrichtung 500A im Vergleich zu der Spiegelkippvorrichtung 500, die in 22 gezeigt ist, eine hohe Stoßfestigkeit auf.
27 zeigt einen weiteren modifizierten optischen Deflektor, der eine Spiegelkippvorrichtung 500B verwendet. Wie es in 27 gezeigt ist, sind in der Spiegelkippvorrichtung 500B Antriebselektroden 552, 554 auf der die reflektive Oberfläche bildenden Oberfläche 516, auf der die reflektive Oberfläche 508 ausgebildet ist, angeordnet. Darüber hinaus sind unbewegliche Elektroden 556, 558 gegenüber den Antriebselektroden 552, 554 angeordnet und an den Halteelementen 526, 528 befestigt.
Da die Antriebselektroden 552, 554 auf der die reflektive Oberfläche bildenden Oberfläche 516 in dem optischen Deflektor, der die Spiegelkippvorrichtung 500B verwendet, angeordnet sind, ist eine Fläche notwendigerweise verringert und dadurch die Antriebskraft reduziert. Jedoch wird die Verringerung des Trägheitsmoments der beweglichen Platte 510 als ein Vorteil, der durch die Anordnung der Hohlräume 532 in der beweglichen Platte 510 gewonnen wird, erreicht. Darüber hinaus ist es auch möglich, eine Elektrode auf der im Wesentlichen gesamten die reflektive Oberfläche bildenden Oberfläche zu bilden, so dass die Antriebselektrode ferner als die reflektive Oberfläche fungiert, und um die Antriebskraft zu gewährleisten.
In dieser Anordnung ist mit Bezug auf die Zeichnungen nur die Spiegelkippvorrichtung 500, die die Antriebselektrode für den optischen Deflektor des elektrostatischen Antriebssystems umfasst, beschrieben, die Spiegelkippvorrichtung kann jedoch die Antriebsspule für den optischen Deflektor des elektromagnetischen Antriebssystems umfassen.
28 und 29 zeigen eine Spiegelkippvorrichtung 600 gemäß einem weiteren Modifikationsbeispiel. Die Spiegelkippvorrichtung ist im Wesentlichen durch Ausdehnen der Spiegelkippvorrichtung 500 zu einem kardanischen Rahmen gebildet.
Wie in den 28 und 29 gezeigt ist, umfasst die Spiegelkippvorrichtung 600 eine elliptische bewegliche Platte 610, ein erstes Paar von Drehstabfedern 622, 624 zum kippbaren Halten der beweglichen Platte 610, einen beweglichen Rahmen 626 zum Halten des ersten Paars von Drehstabfedern 622, 624, ein zweites Paar von Drehstabfedern 628, 630 zum kippbaren Halten des beweglichen Rahmens 626 und Halteelemente 632, 634 zum Halten des zweiten Paars von Drehstabfedern 628, 630. Die ersten Drehstabfedern 622, 624 erstrecken sich unter rechten Winkeln zu den zweiten Drehstabfedern 628, 630. Darüber hinaus weisen die bewegliche Platte 610 und der bewegliche Rahmen 626 jeweils eine Mehrzahl von hexagonalen Hohlräumen auf, die durch die Bienenwabenstruktur gebildet sind.
In der Spiegelkippvorrichtung 600 haben sowohl die bewegliche Platte 610 als auch der bewegliche Rahmen 626 als bewegliche Abschnitte Hohlräume, wodurch eine Ver ringerung der Trägheitsmomente der Abschnitte erreicht wird. Wie in dem Modifikationsbeispiel von 26 beschrieben ist, können die Antriebselektroden, die auf der beweglichen Platte 610 und dem beweglichen Rahmen 620 gebildet sind, aus Silizium des CZ-Typs gebildet sein, das durch die Schlitze getrennt ist und einen geringen spezifischen Widerstand aufweist.
Darüber hinaus wird in der Spiegelkippvorrichtung die bewegliche Platte, die die Hohlräume aufweist, im Wesentlichen durch Verbinden der Wafer gebildet. Demzufolge kann die Vorrichtung durch eine geeignete mechanische Verarbeitung und Laminierung plattenartiger Komponenten hergestellt werden.
Einige Ausführungsformen sind konkret mit Bezug auf die Zeichnungen beschrieben worden, jedoch ist die vorliegende Erfindung nicht auf oben genannten Ausführungsformen beschränkt, sondern umfasst alle Implementierungen innerhalb des Umfangs der vorliegenden Erfindung.

Claims

Spiegelkippvorrichtung (100; 200; 300; 400) für einen optischen Deflektor (100; 200; 300; 400), mit Antriebsmittels zum Antreiben der Vorrichtung, wobei die Spiegelkippvorrichtung (100; 200; 300; 400) umfasst – eine bewegliche Platte (110; 210; 310; 410) mit einer reflektierenden Oberfläche und einem elektrischen Element (132; 162; 172), das einen Teil der Antriebsmittel bildet; – ein elastisches Element (122, 124; 222, 224; 322, 324; 422, 424) zum kippbaren Halten der beweglichen Platte (110; 210; 310; 410); und – eine Haltevorrichtung (126, 128; 226, 228; 326, 328; 426, 428) zum Halten des elastischen Elements (122, 124; 222, 224; 322, 324; 422, 424), – wobei die bewegliche Platte (110; 210; 310; 410) einen ersten Abschnitt (112; 212; 312; 412) umfasst, der die reflektierende Oberfläche aufweist, und einen zweiten Abschnitt (114; 214; 314; 414) umfasst, der das elektrische Element (132; 162, 172) aufweist, wobei der erste Abschnitt (112; 212; 312; 412) eine die reflektierende Oberfläche bildende Oberfläche (116; 216; 316; 416) aufweist, auf der die reflektierende Oberfläche ausgebildet ist, der zweite Abschnitt (114; 214; 314; 414) eine das elektrische Element bildende Oberfläche (118; 218; 318; 418) aufweist, auf der das elektrische Element (132; 162, 172) ausgebildet ist, und wobei die die reflektierende Oberfläche bildende Oberfläche (116; 216; 316; 416) eine Oberfläche aufweist, die kleiner als die das elektrische Element bildende Oberfläche (118; 218; 318; 418) ist, dadurch gekennzeichnet, dass – die die reflektierende Oberfläche bildende Oberfläche (116; 216; 316; 416) des ersten Abschnitts (112; 212; 312; 412) eine Form aufweist, die in derjenigen der das elektrische Element bildenden Oberfläche (118; 218; 318; 418) des zweiten Abschnitts (114; 214; 314; 414) im wesentlichen einbeschrieben ist.
Spiegelkippvorrichtung (100; 200) nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass die das elektrische Element bildende Oberfläche (118; 218) des zweiten Abschnitts (114; 214) eine rechteckige Form aufweist, und dass die die reflektierende Oberfläche bildende Oberfläche (116; 216) des ersten Abschnitts (112; 212) eine elliptische Form aufweist.
Spiegelkippvorrichtung (100; 200; 300; 400) nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass die bewegliche Platte (110; 210; 310; 410), das elastische Element (122, 124; 222, 224; 322, 324; 422, 424) und die Haltevorrichtung (126, 128; 226, 228; 326, 328; 426, 428) aus einem Ausgangswafer auf einem Einkristall-Silizumsubstrat (190) gebildet sind.
Spiegelkippvorrichtung (300; 400) nach Anspruch 3, dadurch gekennzeichnet, dass die die reflektierende Oberfläche bildende Oberfläche (316; 416) des ersten Abschnitts (312; 412) eine zwölfeckige Form aufweist.
Spiegelkippvorrichtung (100) nach Anspruch 3, dadurch gekennzeichnet, dass der erste Abschnitt (112) und der zweite Abschnitt (114) der beweglichen Platte (110) durch Verarbeiten des Einkristall-Siliziumsubstrats (190) in unterschiedliche Formen aus entgegengesetzten Oberflächen des Einkristall-Siliziumsubstrats (190) mittels Trockenätzen gebildet ist.
Spiegelkippvorrichtung nach Anspruch 3, dadurch gekennzeichnet, dass das Einkristall-Siliziumsubstrat eine (100)-Ebenenorientierung hat, der erste Abschnitt der beweglichen Platte durch Verarbeiten des Einkristall-Siliziumsubstrats mittels Nassätzen gebildet ist, und der zweite Abschnitt der beweglichen Platte durch Verarbeiten des Einkristall-Siliziumsubstrats mittels Trockenätzen gebildet ist.
Spiegelkippvorrichtung nach Anspruch 3, dadurch gekennzeichnet, dass das Einkristall-Siliziumsubstrat eine (100)-Ebenenorientierung hat, und dass der erste Abschnitt und der zweite Abschnitt der beweglichen Platte jeweils durch Verarbeiten des Einkristall-Siliziumsubstrats mittels Nassätzen gebildet ist.
Spiegelkippvorrichtung (100) nach Anspruch 3, dadurch gekennzeichnet, dass eine Rundung (R) an einem konkaven Eckenabschnitt einer Stufe des ersten Abschnitts (112) und des zweiten Abschnitts (114) der beweglichen Platte (110) angebracht ist.
Spiegelkippvorrichtung (200; 300; 400) nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass die beweglichen Platte (210; 310; 410), das elastische Element (222, 224; 322, 324; 422, 424) und die Haltevorrichtung (226, 228; 326, 328; 426, 428) aus einem Ausgangswafer eines Silizium-auf-Isolotor (SOI)- Substrats gebildet ist, das zwei Einkristall-Siliziumschichten (252, 254) und eine isolierende Zwischenschicht (256) aufweist, die zwischen den Einkristall-Siliziumschichten (252, 254) angeordnet ist, und dass der erste Abschnitt (212; 312; 412) und der zweite Abschnitt (214; 314; 414) der beweglichen Platte (210; 310; 410) jeweils teilweise aus den zwei Einkristall-Siliziumschichten (252, 254) gebildet sind.
Spiegelkippvorrichtung (200; 300; 400) nach Anspruch 9, dadurch gekennzeichnet, dass das elastische Element (222, 224; 322, 324; 422, 424) aus einem Teil einer der zwei Einkristall-Siliziumschichten (252, 254) gebildet ist.
Spiegelkippvorrichtung (200) nach Anspruch 9, dadurch gekennzeichnet, dass der erste Abschnitt (212) und der zweite Abschnitt (214) der beweglichen Platte (210) jeweils durch Verarbeiten der zwei Einkristall-Siliziumschichten (252, 254) mittels Trockenätzen gebildet sind.
Spiegelkippvorrichtung (300) nach Anspruch 9, dadurch gekennzeichnet, dass eine der zwei Einkristall-Siliziumschichten (252, 254) eine (100)-Ebenenorientierung hat, der erste Abschnitt (312) der beweglichen Platte (310) durch Verarbeitung der Einkristall-Siliziumschicht mittels Nassätzen gebildet ist, und der zweite Abschnitt (314) der beweglichen Platte (310) durch Verarbeiten der anderen der zwei Einkristall-Siliziumschichten (252, 254) mittels Trockenätzen gebildet ist.
Spiegelkippvorrichtung (400) nach Anspruch 9, dadurch gekennzeichnet, dass die beiden Einkristall-Siliziumschichten (252, 254) eine (100)-Ebenenorientie rung haben, und der erste Abschnitt (412) und der zweite Abschnitt (414) der beweglichen Platte (410) jeweils durch Verarbeiten der zwei Einkristall-Siliziumschichten (252, 254) mittels Nassätzen gebildet sind.
Spiegelkippvorrichtung (100; 200; 300; 400) nach Anspruch 9, dadurch gekennzeichnet, dass eine Rundung (R) an einem konkaven Eckenabschnitt einer Stufe des ersten Abschnitts (112; 212; 312; 412) und dem zweiten Abschnitt (114, 214, 314, 414) der beweglichen Platte (110; 210; 310; 410) angebracht ist.
Spiegelkippvorrichtung (100; 200; 300; 400) nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass das elektrische Element (132; 162, 172) eine Antriebsspule (132) aufweist, die sich entlang eines Umfangs der beweglichen Platte (110; 210; 310; 410) erstreckt, und dass die Antriebsspule (132) mit einem Dauermagneten (152, 154) zusammenwirkt, der in der Umgebung der Antriebsspule (132) angeordnet ist, um das Antriebsmittel zu bilden.
Spiegelkippvorrichtung (100; 200; 300; 400) nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass das elektrische Element (132; 162, 172) ein Paar von Elektroden (162, 172) umfasst, die mit einer feststehenden Elektrode (182) zusammenwirken, welche gegenüber den Elektroden (162, 172) angeordnet sind, um das Antriebsmittel zu bilden.
Spiegelkippvorrichtung (100; 200; 300; 400) nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass sie mehr als ein elastisches Element (122, 124; 222, 224; 322, 324; 422, 424) umfasst.