JP2002250886A - マイクロ光電気機械式レーザスキャナ - Google Patents
マイクロ光電気機械式レーザスキャナInfo
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Abstract
(57)【要約】 （修正有）
【課題】 製造が複雑でなく機械的な動作が頑丈である
と同時に、寸法がコンパクトで、安価、また分解能が向
上したスキャナシステムを提供する。 【解決手段】 マイクロ光電気機械式レーザスキャナ４
０は、シリコン基板層、埋込み酸化物の層、及び単結晶
シリコンディバイス層を有する絶縁体シリコン基板から
構成される。第１のディバイス層部分は、そこから製造
されたマイクロミラー３４を有する。レーザが第２のデ
ィバイス層部分に接続され、ヒンジ２４がこの第１のデ
ィバイス層部分と第２のディバイス層部分とを接続す
る。このヒンジ２４はバイモルフ材料で形成され、この
バイモルフ材料はヒンジ内２４で固有の応力を作り出
す。バイモルフ型ヒンジ２４は、解放されたマイクロミ
ラー３４を水平面から、レーザから放射されたレーザ光
４２を直接又は間接に反射する位置に移動する。
と同時に、寸法がコンパクトで、安価、また分解能が向
上したスキャナシステムを提供する。 【解決手段】 マイクロ光電気機械式レーザスキャナ４
０は、シリコン基板層、埋込み酸化物の層、及び単結晶
シリコンディバイス層を有する絶縁体シリコン基板から
構成される。第１のディバイス層部分は、そこから製造
されたマイクロミラー３４を有する。レーザが第２のデ
ィバイス層部分に接続され、ヒンジ２４がこの第１のデ
ィバイス層部分と第２のディバイス層部分とを接続す
る。このヒンジ２４はバイモルフ材料で形成され、この
バイモルフ材料はヒンジ内２４で固有の応力を作り出
す。バイモルフ型ヒンジ２４は、解放されたマイクロミ
ラー３４を水平面から、レーザから放射されたレーザ光
４２を直接又は間接に反射する位置に移動する。
Description
【発明の属する技術分野】本発明は、マイクロ光電気機
械式レーザスキャナに関する。
械式レーザスキャナに関する。
【０００１】
【従来の技術】レーザベースのスキャナの用途には、バ
ーコードスキャニング、網膜スキャニング、及び電子写
真プリンティングのような重要な用途がある。集積され
たマイクロ光電気機械（ＭＯＥＭＳ）式レーザスキャナ
は、寸法がコンパクトで安価であるため、これらの用途
や他の用途に対して有用である。例えば、電子写真プリ
ンティングで使用する場合、集積されたＭＯＥＭＳベー
スのレーザスキャナは、従来のレーザ式ポリゴンＲＯＳ
システムよりも高いスキャン分解能を得るためにレーザ
プリンティングで使用される機敏なラスタ光学スキャニ
ング（ＲＯＳ）システムを構築するには魅力的な選択肢
である。
ーコードスキャニング、網膜スキャニング、及び電子写
真プリンティングのような重要な用途がある。集積され
たマイクロ光電気機械（ＭＯＥＭＳ）式レーザスキャナ
は、寸法がコンパクトで安価であるため、これらの用途
や他の用途に対して有用である。例えば、電子写真プリ
ンティングで使用する場合、集積されたＭＯＥＭＳベー
スのレーザスキャナは、従来のレーザ式ポリゴンＲＯＳ
システムよりも高いスキャン分解能を得るためにレーザ
プリンティングで使用される機敏なラスタ光学スキャニ
ング（ＲＯＳ）システムを構築するには魅力的な選択肢
である。
【０００２】
【発明が解決しようとする課題】集積されたＭＯＥＭＳ
式スキャナでは、ポリゴンの揺れにより引き起こされた
スキャンライン内の反りなどのエラーを補正するため
に、低いスキャン方向のレーザビームの位置を調整する
だけでなく、レーザスポットをサブピクセルの分解能で
正確に配置することが可能である。しかしながら、集積
されたＭＯＥＭＳベースのレーザシステムを製造するに
は、複雑なマイクロ製造技術が必要である。
式スキャナでは、ポリゴンの揺れにより引き起こされた
スキャンライン内の反りなどのエラーを補正するため
に、低いスキャン方向のレーザビームの位置を調整する
だけでなく、レーザスポットをサブピクセルの分解能で
正確に配置することが可能である。しかしながら、集積
されたＭＯＥＭＳベースのレーザシステムを製造するに
は、複雑なマイクロ製造技術が必要である。
【０００３】このため、製造が複雑でなく機械的な動作
が頑丈であると同時に、寸法がコンパクトで、安価、ま
た分解能が向上した集積されたＭＯＥＭＳベースのスキ
ャナシステムを構成することは有益である。
が頑丈であると同時に、寸法がコンパクトで、安価、ま
た分解能が向上した集積されたＭＯＥＭＳベースのスキ
ャナシステムを構成することは有益である。
【０００４】
【課題を解決するための手段】マイクロ光学電気機械式
レーザスキャナは、シリコン基板層、埋込み酸化物の
層、及び単結晶シリコンディバイス層を有する絶縁体シ
リコン基板から構成される。第１のディバイス層部分
は、そこに形成されたマイクロミラーを有する。レーザ
が第２のディバイス層部分に接続され、ヒンジがこの第
１のディバイス層部分と第２のディバイス層部分とを結
合する。このヒンジはバイモルフ材料で形成され、この
バイモルフ材料はヒンジ内で固有応力を作り出す。バイ
モルフヒンジは、解放されたマイクロミラーを水平面か
ら、レーザから放射されたレーザ光を直接又は間接に反
射する位置まで移動させる。
レーザスキャナは、シリコン基板層、埋込み酸化物の
層、及び単結晶シリコンディバイス層を有する絶縁体シ
リコン基板から構成される。第１のディバイス層部分
は、そこに形成されたマイクロミラーを有する。レーザ
が第２のディバイス層部分に接続され、ヒンジがこの第
１のディバイス層部分と第２のディバイス層部分とを結
合する。このヒンジはバイモルフ材料で形成され、この
バイモルフ材料はヒンジ内で固有応力を作り出す。バイ
モルフヒンジは、解放されたマイクロミラーを水平面か
ら、レーザから放射されたレーザ光を直接又は間接に反
射する位置まで移動させる。
【０００５】
【発明の実施の形態】図１を参照すると、本発明の第１
の実施形態に基づいて処理される、絶縁体シリコン（Ｓ
ＯＩ）基板のウェーファ１０が示されている。ウェーフ
ァ１０にはシリコン基板１２、埋込み酸化物の層１４、
及び単結晶シリコンディバイスの層１６が含まれる。以
下に、本発明による集積されたＭＯＥＭＳ層のスキャナ
アセンブリーを製造するために使用する処理ステップを
記述するが、多数の様々なリソグラフィ処理を本発明の
中で使用することができることは理解されよう。
の実施形態に基づいて処理される、絶縁体シリコン（Ｓ
ＯＩ）基板のウェーファ１０が示されている。ウェーフ
ァ１０にはシリコン基板１２、埋込み酸化物の層１４、
及び単結晶シリコンディバイスの層１６が含まれる。以
下に、本発明による集積されたＭＯＥＭＳ層のスキャナ
アセンブリーを製造するために使用する処理ステップを
記述するが、多数の様々なリソグラフィ処理を本発明の
中で使用することができることは理解されよう。
【０００６】図２に示すように、最初のステップにより
ディバイス層１６がパターン化及びエッチングされて、
ディバイス層の材料を除くことにより第１のディバイス
層部分１８及び第２のディバイス層部分２０が形成さ
れ、これにより、トレンチ２２が形成される。このトレ
ンチ２２では、ディバイス層１６の材料は、埋込み酸化
物の層１４に達するまで除かれる。別の実施形態では、
トレンチ２２はシリコン基板１２まで下に拡張される。
ディバイス層１６がパターン化及びエッチングされて、
ディバイス層の材料を除くことにより第１のディバイス
層部分１８及び第２のディバイス層部分２０が形成さ
れ、これにより、トレンチ２２が形成される。このトレ
ンチ２２では、ディバイス層１６の材料は、埋込み酸化
物の層１４に達するまで除かれる。別の実施形態では、
トレンチ２２はシリコン基板１２まで下に拡張される。
【０００７】図３では、ヒンジ体２６をトレンチ２４内
に形成することによって、ヒンジ素子２４が作られる。
ヒンジ体２６には、それぞれ第１のディバイス層部分１
８及び第２のディバイス層部分２０上に配置されたフィ
ンガ部２８，３０が含まれる。このように、ヒンジ素子
２４を蒸着することにより、第１のディバイス層部分１
８及び第２のディバイス層部分２０が、ヒンジ体２６を
介して接続すなわち一体化される。また図３に示すよう
に、バイモルフ材料３２がヒンジ体２６の上に蒸着され
る。このバイモルフ材料３２は、圧縮応力及び引張応力
の組合わせを利用する単一の層又は複数の層から構成さ
れ、結果として、ヒンジ２４全体にわたって応力のこう
配が生じる。バイモルフ材料は、１つの実施形態では、
リフトオフ技術の使用により蒸着することができる。
に形成することによって、ヒンジ素子２４が作られる。
ヒンジ体２６には、それぞれ第１のディバイス層部分１
８及び第２のディバイス層部分２０上に配置されたフィ
ンガ部２８，３０が含まれる。このように、ヒンジ素子
２４を蒸着することにより、第１のディバイス層部分１
８及び第２のディバイス層部分２０が、ヒンジ体２６を
介して接続すなわち一体化される。また図３に示すよう
に、バイモルフ材料３２がヒンジ体２６の上に蒸着され
る。このバイモルフ材料３２は、圧縮応力及び引張応力
の組合わせを利用する単一の層又は複数の層から構成さ
れ、結果として、ヒンジ２４全体にわたって応力のこう
配が生じる。バイモルフ材料は、１つの実施形態では、
リフトオフ技術の使用により蒸着することができる。
【０００８】単一のバイモルフ層は、圧縮及び引張応力
のこう配を有するスパッタ処理されたＭｏ−Ｃｒのよう
な金属層とすることができ、また複数の層は、底側が圧
縮応力を加えたポリ−Ｓｉ及び上側が引張歪みを加えた
金属から構成することができる。例えば、ヒンジ体２６
は、圧縮応力を加えたポリ−Ｓｉから構成することがで
きる。ヒンジ２４には、ディバイス層部分１８，２０の
少なくとも１つが動くことによりトルク力がヒンジ上に
加わるときに、第１のディバイス層部分１８と第２のデ
ィバイス層部分２０との間の接続を維持するに十分な機
械的強度がある。ヒンジ２４は、ヒンジ体２６も含め
て、全体的にバイモルフ材料３２から作ることができる
ことも理解されよう。
のこう配を有するスパッタ処理されたＭｏ−Ｃｒのよう
な金属層とすることができ、また複数の層は、底側が圧
縮応力を加えたポリ−Ｓｉ及び上側が引張歪みを加えた
金属から構成することができる。例えば、ヒンジ体２６
は、圧縮応力を加えたポリ−Ｓｉから構成することがで
きる。ヒンジ２４には、ディバイス層部分１８，２０の
少なくとも１つが動くことによりトルク力がヒンジ上に
加わるときに、第１のディバイス層部分１８と第２のデ
ィバイス層部分２０との間の接続を維持するに十分な機
械的強度がある。ヒンジ２４は、ヒンジ体２６も含め
て、全体的にバイモルフ材料３２から作ることができる
ことも理解されよう。
【０００９】バイモルフ材料３２が、第１のディバイス
層部分１８及び第２のディバイス層部分２０を引き上げ
るように動作する圧縮及び引張応力を発生する間、これ
らのディバイス層部分が埋込み酸化物の層１４にくっ付
いているため、これらの部分はプレーナー位置に保たれ
る。
層部分１８及び第２のディバイス層部分２０を引き上げ
るように動作する圧縮及び引張応力を発生する間、これ
らのディバイス層部分が埋込み酸化物の層１４にくっ付
いているため、これらの部分はプレーナー位置に保たれ
る。
【００１０】図４に移る。別の製造ステップにより、マ
イクロミラー３４が周知のリソグラフィ技術により第１
のディバイス層部分１８上に蒸着される。次に、エッジ
放射レーザのようなレーザチップ又はアセンブリー３６
が、はんだボール３８及び４０を用いるフリップチップ
技術により、第２のディバイス層部分２０の上面に取り
付けられる。しかしながら、他の接続技術も使用可能で
あることは理解されよう。使用する接続技術は、レーザ
チップのマイクロ位置決めを可能にする必要がある。
イクロミラー３４が周知のリソグラフィ技術により第１
のディバイス層部分１８上に蒸着される。次に、エッジ
放射レーザのようなレーザチップ又はアセンブリー３６
が、はんだボール３８及び４０を用いるフリップチップ
技術により、第２のディバイス層部分２０の上面に取り
付けられる。しかしながら、他の接続技術も使用可能で
あることは理解されよう。使用する接続技術は、レーザ
チップのマイクロ位置決めを可能にする必要がある。
【００１１】図５に目を向けると、集積されたＭＯＥＭ
Ｓ式レーザスキャナ４０が示されている。この集積され
たＭＯＥＭＳ式レーザスキャナ４０では、第１のディバ
イス層部分１８上に載せられたマイクロミラー３４及び
ヒンジ素子２４の一部が、埋込み酸化物の層１４から解
放されている。特に、この実施形態では、第１のディバ
イス層１８及びヒンジ２４の一部の下の埋込み酸化物の
層１４が周知のエッチングプロセスにより除かれて、ヒ
ンジ２４内の張力により第１のディバイス層部分１８が
ディバイス層の面の外に移動される。引張応力が、ミラ
ー３４をディバイス層１６の表面に対して４５゜の角度
に引き上げる応力こう配を結果として発生する。
Ｓ式レーザスキャナ４０が示されている。この集積され
たＭＯＥＭＳ式レーザスキャナ４０では、第１のディバ
イス層部分１８上に載せられたマイクロミラー３４及び
ヒンジ素子２４の一部が、埋込み酸化物の層１４から解
放されている。特に、この実施形態では、第１のディバ
イス層１８及びヒンジ２４の一部の下の埋込み酸化物の
層１４が周知のエッチングプロセスにより除かれて、ヒ
ンジ２４内の張力により第１のディバイス層部分１８が
ディバイス層の面の外に移動される。引張応力が、ミラ
ー３４をディバイス層１６の表面に対して４５゜の角度
に引き上げる応力こう配を結果として発生する。
【００１２】この構成により、レーザビーム４２がエッ
ジ放射レーザチップ３６から放射されると、このレーザ
ビームは基板面に対して直角に反射される。この表面に
直角な放射により、このシステムをＴＯカンパッケージ
の中に容易にパッケージすることができる。このバイモ
ルフ効果を組み入れているアセンブリーは、ＭＯＥＭＳ
ベースの光学スイッチ及びマイクロ機械的なスプリング
接点を作る上で有用である。フリップチップ取付け位置
決めプロセスにより、レーザ３６をミラー３４に対して
ディバイス層１６上に正確に配置することができる。
ジ放射レーザチップ３６から放射されると、このレーザ
ビームは基板面に対して直角に反射される。この表面に
直角な放射により、このシステムをＴＯカンパッケージ
の中に容易にパッケージすることができる。このバイモ
ルフ効果を組み入れているアセンブリーは、ＭＯＥＭＳ
ベースの光学スイッチ及びマイクロ機械的なスプリング
接点を作る上で有用である。フリップチップ取付け位置
決めプロセスにより、レーザ３６をミラー３４に対して
ディバイス層１６上に正確に配置することができる。
【００１３】マイクロミラー３４を第１のディバイス層
部分１８の上面から離れたディバイスとして図示してい
るが、マイクロミラー３４は、実際に、第１のディバイ
ス層部分１８の研磨した上面とすることができることは
理解されよう。
部分１８の上面から離れたディバイスとして図示してい
るが、マイクロミラー３４は、実際に、第１のディバイ
ス層部分１８の研磨した上面とすることができることは
理解されよう。
【００１４】図６に目を向けると、図５の集積されたＭ
ＯＥＭＳ式レーザスキャナ４０の平面図が示されてい
る。図５及び図６を見て、マイクロミラー３４が埋込み
酸化物の層１４から離れると、ヒンジ２４内の所定の張
力がミラーを位置決め及び保持する角度を決定するとい
う受動的な構造体として、マイクロミラー３４が設計さ
れていることに注意されたい。あるいは、バイモルフ材
料が金属の物体である場合、ＤＣ電源などの電源装置４
４を用いて、マイクロミラー３４を静電気的にスキャン
することができる。この電源装置４４は、ヒンジ２４の
一部及びＳＯＩ基板１０に対してバイアス電圧を提供す
る。バイアス電圧をコントロールすることによって、マ
イクロミラー３４の角度位置をその面内位置（０゜）か
ら面外の４５゜までコントロールすることが可能であ
る。また、マイクロミラー及びレーザを駆動する電源４
４及び高品質で低ノイズの電子回路４６を製造すること
によって、シリコンのディバイス層１６の残りの区域
に、光電子及びマイクロ電気機械ディバイスの完全な集
積化が実現される。
ＯＥＭＳ式レーザスキャナ４０の平面図が示されてい
る。図５及び図６を見て、マイクロミラー３４が埋込み
酸化物の層１４から離れると、ヒンジ２４内の所定の張
力がミラーを位置決め及び保持する角度を決定するとい
う受動的な構造体として、マイクロミラー３４が設計さ
れていることに注意されたい。あるいは、バイモルフ材
料が金属の物体である場合、ＤＣ電源などの電源装置４
４を用いて、マイクロミラー３４を静電気的にスキャン
することができる。この電源装置４４は、ヒンジ２４の
一部及びＳＯＩ基板１０に対してバイアス電圧を提供す
る。バイアス電圧をコントロールすることによって、マ
イクロミラー３４の角度位置をその面内位置（０゜）か
ら面外の４５゜までコントロールすることが可能であ
る。また、マイクロミラー及びレーザを駆動する電源４
４及び高品質で低ノイズの電子回路４６を製造すること
によって、シリコンのディバイス層１６の残りの区域
に、光電子及びマイクロ電気機械ディバイスの完全な集
積化が実現される。
【００１５】マイクロミラーの共振周波数は、ヒンジの
剛性及びミラーの重量に依存する。ミラーの共振周波数
は、このため設定可能であり、数10 kHzに設計すること
ができる。
剛性及びミラーの重量に依存する。ミラーの共振周波数
は、このため設定可能であり、数10 kHzに設計すること
ができる。
【００１６】図７に示すように、スキャニング用マイク
ロミラー３４を基板面に対して45゜の角度に引き上げる
ためには、バイモルフのヒンジ２４とＳＯＩ基板１０と
の間の角度は約22.5゜でなければならない。ヒンジのリ
フト高さ又はカール高さ（ｂ）は、次のように表すこと
ができる。
ロミラー３４を基板面に対して45゜の角度に引き上げる
ためには、バイモルフのヒンジ２４とＳＯＩ基板１０と
の間の角度は約22.5゜でなければならない。ヒンジのリ
フト高さ又はカール高さ（ｂ）は、次のように表すこと
ができる。
【００１７】ｂ〜Ｌ２△σ／２ｈＹ’ ここで、Ｌはヒンジの長さ、△σはバイモルフ材料の応
力差、ｈはヒンジ層の厚さ、またＹ’はバイモルフ材料
の平均弾性率である。
力差、ｈはヒンジ層の厚さ、またＹ’はバイモルフ材料
の平均弾性率である。
【００１８】Ｌの長さを200μmとすると、結果としてリ
フト高さは82μmとなる。バイモルフ層の厚さが1:mの場
合、層を22.5゜に巻き上げるための、バイモルフ材料内
の応力差は2.4 GPaとなる。この応力差は、スパッタ処
理したＭｏ−Ｃｒを使用して実現することができる。
フト高さは82μmとなる。バイモルフ層の厚さが1:mの場
合、層を22.5゜に巻き上げるための、バイモルフ材料内
の応力差は2.4 GPaとなる。この応力差は、スパッタ処
理したＭｏ−Ｃｒを使用して実現することができる。
【００１９】上記の式で示すように、バイモルフ層の長
さを増加すると、湾曲部を22.5゜に巻き上げるために必
要な応力差が減少する。しかしながら、マイクロミラー
の高さが基板面に対して増加するため、レーザチップの
厚さに制約があるので、マイクロミラーの中心をレーザ
ビームに水平に整列させることが一層困難になる。１つ
の実施形態では、例えば、レーザのアセンブリー又はダ
イの厚さは、約120μmである。はんだバンプの高さを約
40μmと仮定すると、レーザの活性領域は基板面上で160
μmである。
さを増加すると、湾曲部を22.5゜に巻き上げるために必
要な応力差が減少する。しかしながら、マイクロミラー
の高さが基板面に対して増加するため、レーザチップの
厚さに制約があるので、マイクロミラーの中心をレーザ
ビームに水平に整列させることが一層困難になる。１つ
の実施形態では、例えば、レーザのアセンブリー又はダ
イの厚さは、約120μmである。はんだバンプの高さを約
40μmと仮定すると、レーザの活性領域は基板面上で160
μmである。
【００２０】図８に示すように、エッジ放射レーザの端
面５０は、カールしたヒンジ２４のスターティングライ
ン５２と整列している。レーザの発散角が、半値全幅
（ＦＷＨＭ）において、縦方向に35゜で横方向に8％と
仮定すると、ヒンジの最大エラー寸法は、レーザビーム
を完全に捕らえるために、長さが200μmで幅が150 :mと
なる。
面５０は、カールしたヒンジ２４のスターティングライ
ン５２と整列している。レーザの発散角が、半値全幅
（ＦＷＨＭ）において、縦方向に35゜で横方向に8％と
仮定すると、ヒンジの最大エラー寸法は、レーザビーム
を完全に捕らえるために、長さが200μmで幅が150 :mと
なる。
【００２１】前述したように、バイモルフ材料及びＳＯ
Ｉ基板１０に加わるバイアスされた電圧により、ミラー
のスキャンを静電気的に実現することができる。機敏な
ラスタ光学スキャニング（ＲＯＳ）システムとしての用
途に対して、必要なスキャン角度は数度の程度である。
このため、本願のシステムはこの構想に有用である。ミ
ラーのプレスキャン角度は、ＤＣバイアス電圧により調
整することができることに注意されたい。
Ｉ基板１０に加わるバイアスされた電圧により、ミラー
のスキャンを静電気的に実現することができる。機敏な
ラスタ光学スキャニング（ＲＯＳ）システムとしての用
途に対して、必要なスキャン角度は数度の程度である。
このため、本願のシステムはこの構想に有用である。ミ
ラーのプレスキャン角度は、ＤＣバイアス電圧により調
整することができることに注意されたい。
【００２２】また前述したように、マイクロミラーは絶
縁体シリコンの基板のディバイス層の中に製造すること
ができるため、ミラーは単結晶のシリコンから作ること
ができる。このため、高品質の、光学的に平坦でかつ研
磨された面を製造することができる。
縁体シリコンの基板のディバイス層の中に製造すること
ができるため、ミラーは単結晶のシリコンから作ること
ができる。このため、高品質の、光学的に平坦でかつ研
磨された面を製造することができる。
【００２３】ミラーは、第１の実施形態では、第１のデ
ィバイス層部分及びヒンジの一部の下側にある埋込み酸
化物の層（ＳｉＯ２）１４をエッチングで除くことによ
り解放される。しかしながら、第２の実施形態では、基
板１２の背面からウィンドウを開くことによって、シリ
コン基板１２及び埋込み酸化物の層１４をエッチングで
除去して、ミラーを離すことができる。この第２のミラ
ーを解放する実施形態では、ミラーを動かすために必要
な解放時間を減らすことができる。
ィバイス層部分及びヒンジの一部の下側にある埋込み酸
化物の層（ＳｉＯ２）１４をエッチングで除くことによ
り解放される。しかしながら、第２の実施形態では、基
板１２の背面からウィンドウを開くことによって、シリ
コン基板１２及び埋込み酸化物の層１４をエッチングで
除去して、ミラーを離すことができる。この第２のミラ
ーを解放する実施形態では、ミラーを動かすために必要
な解放時間を減らすことができる。
【００２４】本発明の第２の実施形態は、図１に関連し
て説明したようなＳＯＩウェーファを用いて実現するこ
とができる。図９に示すような第１のステップでは、パ
ターンニング及びエッチング処理により、ディバイス層
１６からミラー６０が形成される。次に、図１０に注目
すると、エッチング処理が使用されて、リボン形ヒンジ
構造体６２が構成される。このリボン形ヒンジ構造体６
２の処理により、ミラー６０を保持する第１のディバイ
ス層部分６４及び第２のディバイス層部分６６が定義さ
れる。両方の部分は、リボン形ヒンジ６２に一体化され
ている。リボン６２を薄くすると、機械的な安定性を十
分に維持しながら、マイクロミラー６０の動きに対して
柔軟性に富んだ構造が提供される。
て説明したようなＳＯＩウェーファを用いて実現するこ
とができる。図９に示すような第１のステップでは、パ
ターンニング及びエッチング処理により、ディバイス層
１６からミラー６０が形成される。次に、図１０に注目
すると、エッチング処理が使用されて、リボン形ヒンジ
構造体６２が構成される。このリボン形ヒンジ構造体６
２の処理により、ミラー６０を保持する第１のディバイ
ス層部分６４及び第２のディバイス層部分６６が定義さ
れる。両方の部分は、リボン形ヒンジ６２に一体化され
ている。リボン６２を薄くすると、機械的な安定性を十
分に維持しながら、マイクロミラー６０の動きに対して
柔軟性に富んだ構造が提供される。
【００２５】このため、リボン形ヒンジ６２が、機械的
な柔軟性を向上できるように薄くされたディバイス層１
６から形成される。この設計により、その意図された目
的に対して十分な強度を有する高品質の機械的構造体が
作られる。この実施形態では、リボン形ヒンジすなわち
構造体６４の厚さは約500 nm、幅は約50μm、また長さ
は約140μmである。
な柔軟性を向上できるように薄くされたディバイス層１
６から形成される。この設計により、その意図された目
的に対して十分な強度を有する高品質の機械的構造体が
作られる。この実施形態では、リボン形ヒンジすなわち
構造体６４の厚さは約500 nm、幅は約50μm、また長さ
は約140μmである。
【００２６】より詳しくは、リボン形ヒンジ６２は、２
マスクプロセスを用いて形成される。薄くすべき領域
は、初めに、リソグラフィで露光され、周りの領域は、
湿式エッチングが露光されたシリコン領域の厚さを約50
0 nm又は他の適当な深さに減少させる時間までプロテク
トされる。次に、その後のリソグラフィのステップを使
用して、ヒンジをパターン化する。その結果、リボン形
ヒンジと第１及び第２のディバイス層部分６４，６６と
の間の主な差は、パターンニングの形状及びこれらの領
域の物理的な厚さである。
マスクプロセスを用いて形成される。薄くすべき領域
は、初めに、リソグラフィで露光され、周りの領域は、
湿式エッチングが露光されたシリコン領域の厚さを約50
0 nm又は他の適当な深さに減少させる時間までプロテク
トされる。次に、その後のリソグラフィのステップを使
用して、ヒンジをパターン化する。その結果、リボン形
ヒンジと第１及び第２のディバイス層部分６４，６６と
の間の主な差は、パターンニングの形状及びこれらの領
域の物理的な厚さである。
【００２７】図１０から分かるように、リボン形ヒンジ
６２は、第１及び第２のディバイス層部分６４，６６に
完全に一体化されている。ディバイス層の厚さにおける
この差は、トレンチ領域６８を定義する。このトレンチ
領域６８を使用して、ミラー６０がいったん埋込み酸化
物の層１４から離れたとき、ミラー６０を動けるように
する応力の張力を取り入れることが好ましい。
６２は、第１及び第２のディバイス層部分６４，６６に
完全に一体化されている。ディバイス層の厚さにおける
この差は、トレンチ領域６８を定義する。このトレンチ
領域６８を使用して、ミラー６０がいったん埋込み酸化
物の層１４から離れたとき、ミラー６０を動けるように
する応力の張力を取り入れることが好ましい。
【００２８】図１１は、トレンチ領域６８の中に蒸着さ
れたバイモルフ材料７０を示すことによって、この構想
をより明確に説明している。このバイモルフ材料７０
は、リボン形ヒンジ６２の上に直接蒸着されている。前
述した実施形態と同様に、バイモルフ材料は、圧縮及び
引張応力のこう配を有するスパッタ処理されたＭｏ−Ｃ
ｒのような単一の金属層又は底側が圧縮応力を加えたポ
リ−Ｓｉ及び上側が引張歪みを加えた金属から構成する
複数の層のいずれかとすることができる。バイモルフ材
料７０を蒸着した後、湿式エッチング法又は他の周知の
方法などのエッチング処理を使用して、ミラー６０の下
側及びリボン形ヒンジ６２の一部の下側から埋込み酸化
物の層１４を取り除く。別の実施形態では、基板１２の
後側からウィンドウ７６を開けて、第１のディバイス層
６４及びリボン形ヒンジ６２の一部の下側のシリコン基
板の層１２及び埋込み酸化物の層１４をエッチングで取
り除くことによって、ミラー及びリボン形ヒンジの一部
を解放することができる。
れたバイモルフ材料７０を示すことによって、この構想
をより明確に説明している。このバイモルフ材料７０
は、リボン形ヒンジ６２の上に直接蒸着されている。前
述した実施形態と同様に、バイモルフ材料は、圧縮及び
引張応力のこう配を有するスパッタ処理されたＭｏ−Ｃ
ｒのような単一の金属層又は底側が圧縮応力を加えたポ
リ−Ｓｉ及び上側が引張歪みを加えた金属から構成する
複数の層のいずれかとすることができる。バイモルフ材
料７０を蒸着した後、湿式エッチング法又は他の周知の
方法などのエッチング処理を使用して、ミラー６０の下
側及びリボン形ヒンジ６２の一部の下側から埋込み酸化
物の層１４を取り除く。別の実施形態では、基板１２の
後側からウィンドウ７６を開けて、第１のディバイス層
６４及びリボン形ヒンジ６２の一部の下側のシリコン基
板の層１２及び埋込み酸化物の層１４をエッチングで取
り除くことによって、ミラー及びリボン形ヒンジの一部
を解放することができる。
【００２９】いったん解放されると、図１２に示すよう
に、ミラーは第１の実施形態に関連されて説明したパラ
メータに基づいて決定される高さまで上がる。ミラーが
解放された後に、図１３に示すように、レーザチップ又
はアセンブリー７８が、はんだボール８０及び８２を使
用するフリップチップボンディング技術又は他の周知の
取付け技術によって、第２のディバイス層部分６６上に
集積される。
に、ミラーは第１の実施形態に関連されて説明したパラ
メータに基づいて決定される高さまで上がる。ミラーが
解放された後に、図１３に示すように、レーザチップ又
はアセンブリー７８が、はんだボール８０及び８２を使
用するフリップチップボンディング技術又は他の周知の
取付け技術によって、第２のディバイス層部分６６上に
集積される。
【００３０】第１の実施形態及び第２の実施形態の中で
説明された処理は、多少異なるステップに従っているこ
とに注意されたい。例えば、第１の実施形態では、レー
ザはミラーが解放される前に取り付けられる。このこと
は、本願で開示されたスキャニングディバイスの構成に
対して別の構成が可能であることを示す意図がある。従
って、両方の実施形態の構成の正確な順序はこれらの実
施形態の中で示されるものから変えることができると共
に、これらの実施形態は例示的な処理技術としてのみ記
述されるものであり、これらの技術に対する本発明の構
想を制限するものではないことは理解されよう。
説明された処理は、多少異なるステップに従っているこ
とに注意されたい。例えば、第１の実施形態では、レー
ザはミラーが解放される前に取り付けられる。このこと
は、本願で開示されたスキャニングディバイスの構成に
対して別の構成が可能であることを示す意図がある。従
って、両方の実施形態の構成の正確な順序はこれらの実
施形態の中で示されるものから変えることができると共
に、これらの実施形態は例示的な処理技術としてのみ記
述されるものであり、これらの技術に対する本発明の構
想を制限するものではないことは理解されよう。
【００３１】図１４に目を向けると、集積されたＭＯＥ
ＭＳ式レーザスキャナ９０についての別の設計が示され
ている。このディバイスを構成するエッチング技術及び
リソグラフィ処理は、当業者が理解する範囲内にあり、
始めの２つの実施形態に関連して示したような、同様の
周知の製造技術を採用する。
ＭＳ式レーザスキャナ９０についての別の設計が示され
ている。このディバイスを構成するエッチング技術及び
リソグラフィ処理は、当業者が理解する範囲内にあり、
始めの２つの実施形態に関連して示したような、同様の
周知の製造技術を採用する。
【００３２】本発明は、また、シリコン基板層９４、埋
込み酸化物の層９６及びディバイス層９８を有する絶縁
体シリコン（ＳＯＩ）ウェーファの基板９２を使用す
る。さらに、支持基板１００も使用していて、この支持
基板はシリコン、金属又は他の適当な材料とすることが
できる。この支持基板１００は、陽極ボンディング又は
冶金ボンディング技術によって、ＳＯＩ基板９２に接着
することができる。図１４についての別の実施形態で
は、追加の基板１００を使用する代わりに、シリコン基
板１２を、図１４におけるような完全なエッチングでは
なく、部分的にエッチングする。この実施形態では、支
持基板１００は必要としない。
込み酸化物の層９６及びディバイス層９８を有する絶縁
体シリコン（ＳＯＩ）ウェーファの基板９２を使用す
る。さらに、支持基板１００も使用していて、この支持
基板はシリコン、金属又は他の適当な材料とすることが
できる。この支持基板１００は、陽極ボンディング又は
冶金ボンディング技術によって、ＳＯＩ基板９２に接着
することができる。図１４についての別の実施形態で
は、追加の基板１００を使用する代わりに、シリコン基
板１２を、図１４におけるような完全なエッチングでは
なく、部分的にエッチングする。この実施形態では、支
持基板１００は必要としない。
【００３３】図１４に示した構成では、第１のミラー１
０２がヒンジ１０４に取り付けられ、このヒンジ１０４
が今度はディバイス層部分１０６に部分的に固定され
る。埋込み酸化物の層９６及びシリコン基板９４が除か
れて、下方の位置を向いているミラー１０２がその始め
の面内位置から所定の角度だけ離れた角度に向けられ
る。第２のミラー１０８も、ヒンジ１１０を介してディ
バイス層部分１１２に結合されている。この第２のミラ
ー１０８は、埋込み酸化物の層９６から離れる場合、上
方に向くように設計される。ミラーの角度は、バイモル
フ材料内の応力の程度のようなパラメータによって決定
される。このバイモルフ材料は、前述した実施形態の中
で説明したように、スプリング１１０内に組み込まれる
か、又はその上に蒸着される。ヒンジ１０４，１１０
は、前述した実施形態の中で説明したように設計するこ
とができる。
０２がヒンジ１０４に取り付けられ、このヒンジ１０４
が今度はディバイス層部分１０６に部分的に固定され
る。埋込み酸化物の層９６及びシリコン基板９４が除か
れて、下方の位置を向いているミラー１０２がその始め
の面内位置から所定の角度だけ離れた角度に向けられ
る。第２のミラー１０８も、ヒンジ１１０を介してディ
バイス層部分１１２に結合されている。この第２のミラ
ー１０８は、埋込み酸化物の層９６から離れる場合、上
方に向くように設計される。ミラーの角度は、バイモル
フ材料内の応力の程度のようなパラメータによって決定
される。このバイモルフ材料は、前述した実施形態の中
で説明したように、スプリング１１０内に組み込まれる
か、又はその上に蒸着される。ヒンジ１０４，１１０
は、前述した実施形態の中で説明したように設計するこ
とができる。
【００３４】垂直共振器型面発光レーザ（ＶＣＳＥＬ）
１１４がフリップチップボンディング又は他の結合技術
を用いて、支持基板１００に結合される。動作にあって
は、ＶＣＳＥＬ１１４から放射されたレーザビーム１１
６はミラー１０２に入射し、このミラー１０２はレーザ
ビームをミラー１０８に向ける。ミラー１０２は、一度
設定位置にセットされるとその位置を維持するような固
定の受動ミラーとすることができ、ミラー１０８にはス
キャンする能力がある。この能力は、ヒンジ１１０及び
基板９０に対してバイアス電圧を発生する電源１１８に
より実現される。変化する電圧を（例えば、コントロー
ラ１１９により）印加することにより、ヒンジ１１０の
動きは、面内位置からバイモルフ材料の応力により決定
される最大面外位置の範囲内でコントロール可能であ
る。
１１４がフリップチップボンディング又は他の結合技術
を用いて、支持基板１００に結合される。動作にあって
は、ＶＣＳＥＬ１１４から放射されたレーザビーム１１
６はミラー１０２に入射し、このミラー１０２はレーザ
ビームをミラー１０８に向ける。ミラー１０２は、一度
設定位置にセットされるとその位置を維持するような固
定の受動ミラーとすることができ、ミラー１０８にはス
キャンする能力がある。この能力は、ヒンジ１１０及び
基板９０に対してバイアス電圧を発生する電源１１８に
より実現される。変化する電圧を（例えば、コントロー
ラ１１９により）印加することにより、ヒンジ１１０の
動きは、面内位置からバイモルフ材料の応力により決定
される最大面外位置の範囲内でコントロール可能であ
る。
【００３５】バイアス電圧をミラー１０２に与えて、こ
のミラーをスキャニング又は動かすことも可能である。
ＶＣＳＥＬを使用する利点は、ビームの発散が小さいこ
と及びビームのプロフィールが円形なことである。
のミラーをスキャニング又は動かすことも可能である。
ＶＣＳＥＬを使用する利点は、ビームの発散が小さいこ
と及びビームのプロフィールが円形なことである。
【００３６】図１５に目を向けると、別のレーザスキャ
ナ１２０の設計が示されている。この設計では、図１４
のリフトアップ式ミラー１０２及び１０８に加えて、ビ
ームのスキャニング用に使用する面内ねじりヒンジ式ミ
ラー１２２も設けてある。このねじりヒンジ式ミラー１
２２は、外部の磁界（図示せず）と相互作用する磁界を
発生する、ミラー１２２上の電流コイル１２４により磁
気的に駆動される。金属又は電流コイル１２２はねじり
ヒンジ式ミラー１２２の面上に置かれて、（ミラーに平
行なフィールド方向を有する）外部の磁界と相互作用す
るオンボードの磁界を発生する別の実施形態では、ねじ
りヒンジ式ミラーは、ミラーの下側のレーザ支持基板１
００上に蒸着された２個の電極により、静電気的に付勢
される。電極プレート１２６は電気めっきにより付着形
成され、プレートの厚さを数100マイクロメータにし
て、ミラーと電極との間のギャップをより小さくする。
ナ１２０の設計が示されている。この設計では、図１４
のリフトアップ式ミラー１０２及び１０８に加えて、ビ
ームのスキャニング用に使用する面内ねじりヒンジ式ミ
ラー１２２も設けてある。このねじりヒンジ式ミラー１
２２は、外部の磁界（図示せず）と相互作用する磁界を
発生する、ミラー１２２上の電流コイル１２４により磁
気的に駆動される。金属又は電流コイル１２２はねじり
ヒンジ式ミラー１２２の面上に置かれて、（ミラーに平
行なフィールド方向を有する）外部の磁界と相互作用す
るオンボードの磁界を発生する別の実施形態では、ねじ
りヒンジ式ミラーは、ミラーの下側のレーザ支持基板１
００上に蒸着された２個の電極により、静電気的に付勢
される。電極プレート１２６は電気めっきにより付着形
成され、プレートの厚さを数100マイクロメータにし
て、ミラーと電極との間のギャップをより小さくする。
【００３７】それぞれの実施形態は、図５、図６及び図
１４に関連して開示されたような集積された電極を有す
ることができることに注意されたい。
１４に関連して開示されたような集積された電極を有す
ることができることに注意されたい。
【００３８】本発明を好ましい実施形態に関連して説明
したが、本発明を他の構成及び設計の中で実行するがで
きることは当業者には明白である。そのような別の実施
形態は、本発明の精神及び範囲から逸脱することはな
い。
したが、本発明を他の構成及び設計の中で実行するがで
きることは当業者には明白である。そのような別の実施
形態は、本発明の精神及び範囲から逸脱することはな
い。
【図１】 本発明で使用する絶縁体シリコン形ウェーフ
ァの側面図である。
ァの側面図である。
【図２】 単結晶シリコンディバイス層の第１の部分及
び第２の部分を有するようにエッチングされた、図１の
ＳＯＩ形基板又はウェーファを示す図である。
び第２の部分を有するようにエッチングされた、図１の
ＳＯＩ形基板又はウェーファを示す図である。
【図３】 本発明によるバイモルフ材料で形成されたヒ
ンジを示す図である。
ンジを示す図である。
【図４】 ディバイス層の第１及び第２の部分に取り付
けたマイクロミラー及びエッジ放射レーザを示す図であ
る。
けたマイクロミラー及びエッジ放射レーザを示す図であ
る。
【図５】 本発明の教示による集積されたＭＯＥＭＳ式
レーザスキャナを示す図である。
レーザスキャナを示す図である。
【図６】 図５のレーザスキャナの平面図である。
【図７】 約４５゜の角度にマイクロミラーを上げるた
めの角度及びパラメータを示す図である。
めの角度及びパラメータを示す図である。
【図８】 ミラーの寸法とこのミラーからのレーザの距
離との間の関係を示す図である。
離との間の関係を示す図である。
【図９】 本発明の第２の実施形態で使用するＳＯＩ形
ウェーファを示す図である。
ウェーファを示す図である。
【図１０】 ディバイス層上の第１の部分と第２の部分
との間の、本発明のヒンジ素子として使用されるリボン
形ヒンジ構造のエッチングを示す図である。
との間の、本発明のヒンジ素子として使用されるリボン
形ヒンジ構造のエッチングを示す図である。
【図１１】 図１０のリボン形ヒンジ上のバイモルフ材
料の蒸着を示す図である。
料の蒸着を示す図である。
【図１２】 ディバイス層の部分にマイクロミラー及び
エッジレーザを取り付けた図である。
エッジレーザを取り付けた図である。
【図１３】 第２の実施形態による集積されたＭＯＥＭ
Ｓ式レーザスキャナを示す図である。
Ｓ式レーザスキャナを示す図である。
【図１４】 本発明の構想を実行する複式ミラースキャ
ニングシステムの、第１の実施形態を示す図である。
ニングシステムの、第１の実施形態を示す図である。
【図１５】 本発明の構想を使用する複式ミラースキャ
ニング構成の、第２の実施形態を示す図である。
ニング構成の、第２の実施形態を示す図である。
１４ 埋込み酸化物の層、１６ ディバイス層、２４
ヒンジ、３４ マイクロミラー、３６ レーザ、４０
レーザスキャナ、４２ レーザビーム。
ヒンジ、３４ マイクロミラー、３６ レーザ、４０
レーザスキャナ、４２ レーザビーム。
───────────────────────────────────────────────────── フロントページの続き (72)発明者 チンウェン ヤー アメリカ合衆国 カリフォルニア州 クパ ーチノ エコー ヒル コート 7645 Ｆターム(参考） 2H045 AB73 AB81 BA18
Claims (3)
- 【請求項１】 シリコン基板層と、埋込み酸化物の層
と、及び単結晶シリコンディバイス層とを有する絶縁体
シリコン基板と、 前記単結晶シリコンディバイス層の第１のディバイス層
部分と、 前記第１のディバイス層部分に形成されたマイクロミラ
ーと、 前記単結晶シリコンディバイス層の第２のディバイス層
部分と、 前記第２のディバイス層部分に取り付けられたレーザ
と、 前記単結晶シリコンディバイス層の前記第１のディバイ
ス層部分と前記第２のディバイス層部分とを結合するヒ
ンジと、 前記ヒンジの少なくとも一部に蒸着され、前記マイクロ
ミラー及び前記ヒンジの少なくとも一部を前記埋込み酸
化物の層から解放すると共に該解放されたマイクロミラ
ーを水平位置から移動させる固有応力を有するバイモル
フ材料の層と、を備えることを特徴とするマイクロ光電
気機械式レーザスキャナ。 - 【請求項２】 請求項１に記載のマイクロ光電気機械式
レーザスキャナであって、 前記ヒンジの長さをＬ、前記バイモルフ材料の応力差を
△σ、前記ヒンジ層の厚さをｈ、前記バイモルフ材料の
平均弾性率をＹ’としたとき、前記ヒンジのリフト高さ
ｂは、ｂ〜Ｌ２△σ／２ｈＹ’の式で表されることを特
徴とするマイクロ光電気機械式レーザスキャナ。 - 【請求項３】 シリコン基板層と、埋込み酸化物の層
と、単結晶シリコンディバイス層とを有する絶縁体シリ
コン基板と、 前記埋込み酸化物の層から解放された前記単結晶シリコ
ンディバイス層の一部に形成された第１のマイクロミラ
ーと、 前記第１のマイクロミラーを前記絶縁体シリコン基板に
結合する第１のヒンジと、 前記第１のヒンジの少なくとも一部に蒸着され、前記解
放されたマイクロミラーを水平位置から移動させる固有
応力を有する、第１のバイモルフ材料の層と、 前記埋込み酸化物の層から解放された前記単結晶シリコ
ンディバイス層の一部に形成された第２のマイクロミラ
ーと、 前記第２のマイクロミラーを前記絶縁体シリコン基板に
接合する第２のヒンジと、 前記第２のヒンジの少なくとも一部に蒸着され、前記解
放されたマイクロミラーを水平位置から移動させる固有
応力を有する第２のバイモルフ材料の層と、 前記絶縁体シリコン基板の前記シリコン基板層の底面に
接着された支持基板と、 前記支持基板の表面であって、放射されるレーザビーム
が前記第１のマイクロミラーから反射可能な位置に集積
されたレーザと、を備えることを特徴とするマイクロ光
電気機械式レーザスキャナ。
Applications Claiming Priority (2)
| Application Number | Priority Date | Filing Date | Title |
|---|---|---|---|
| US09/731,339 US6532093B2 (en) | 2000-12-06 | 2000-12-06 | Integrated micro-opto-electro-mechanical laser scanner |
| US09/731,339 | 2000-12-06 |
Publications (2)
| Publication Number | Publication Date |
|---|---|
| JP2002250886A true JP2002250886A (ja) | 2002-09-06 |
| JP3842117B2 JP3842117B2 (ja) | 2006-11-08 |
Family
ID=24939084
Family Applications (1)
| Application Number | Title | Priority Date | Filing Date |
|---|---|---|---|
| JP2001369543A Expired - Fee Related JP3842117B2 (ja) | 2000-12-06 | 2001-12-04 | マイクロ光電気機械式レーザスキャナ |
Country Status (4)
| Country | Link |
|---|---|
| US (1) | US6532093B2 (ja) |
| EP (1) | EP1225469B1 (ja) |
| JP (1) | JP3842117B2 (ja) |
| DE (1) | DE60117216T2 (ja) |
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