JP2004219839A - Three-dimensional structure and its manufacturing method, and electronic equipment - Google Patents

Three-dimensional structure and its manufacturing method, and electronic equipment Download PDF

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Abstract

<P>PROBLEM TO BE SOLVED: To provide a three-dimensional structure usable as a comb-tooth actuator which has a simple constitution, can easily be manufactured, has an excellent mechanical strength, and has high electric reliability. <P>SOLUTION: At the flat part of a substrate 10, a mirror 20 and a 1st electrode 31 which is coupled with it are formed. Parts of the substrate 10 are slope parts 12A and 12B bent along a bent part 11 which is incompletely separated, and a 2nd electrode 32 is formed at the slope parts 12A and 12B. The 2nd electrode 32 has a gap 33 perpendicular to the flat part of the substrate 10 with respect to the 1st electrode 31. The substrate 10 is preferably an SOI (silicon on insulator) substrate having an oxide film and a semiconductor thin film formed on the surface of a holding substrate. The bent part 11 preferably has constitution such that a V-shaped groove is formed in the holding substrate by anisotropic etching and at least one of the oxide film and semiconductor film is left. <P>COPYRIGHT: (C)2004,JPO&NCIPI

Description

【0001】
【発明の属する技術分野】
本発明は、MEMS(Micro Electro Mechanical Systems;微小電気機械システム)分野に用いられる三次元構造体およびその製造方法、並びにこれを用いた電子機器に関する。
【0002】
【従来の技術】
MEMSを利用した三次元構造体の例として、例えばレーザスキャナ,バーコードリーダー等の電子機器において、レーザビームを偏向させるマイクロミラー(走査ミラー)がある。マイクロミラーは、シリコン(Si)基板のマイクロマシニング(micromachining)により作製されたものであり、例えば、シリコン基板の平面部分を利用したマイクロミラーと、このマイクロミラーを支持する捩れヒンジ部(トーションバー)とが、異方性エッチングにより形成されている。
【0003】
このようなマイクロミラーを駆動するための電極構造として、2枚の櫛歯状の電極を、櫛歯の延伸方向に対して垂直方向の間隙をへだてて配置したいわゆる垂直櫛歯アクチュエータが知られている(例えば、特許文献1参照。)。図13は、従来の垂直櫛歯アクチュエータの一例を表すものである。このアクチュエータは、対をなす櫛歯形状の電極112,113により構成されており、これら電極112,113には直流電源114が接続される。一方の電極112はシリコン基板111側に固定され、他方の電極113は図示しないマイクロミラーなどの可動体に連結されている。電極112,113は、シリコン基板111の表面に対して垂直な方向の間隙115を隔てて設けられている。直流電源114により電極112,113の間に所定の電圧が印加されると、電極112,113の間に働く静電気力により電極113の支持軸113Aに回転トルクが掛かり、電極113が矢印116方向(時計廻り方向)に変位するのに伴ってマイクロミラーが同方向に回転する。
【0004】
図14は、上記垂直櫛歯アクチュエータの他の構成を表すもので、電極113を斜めに配設したものである。このような構成例では、電極112,113の間に電圧を印加すると、電極113が矢印117方向に変位し、電極112,113を平行に設けた図13の構成に比べて回転角を大きくとることができる。
【0005】
このように櫛歯に角度を付ける方法として、従来では、例えば図15に示したように、レジストの表面張力を利用する方法が知られている(例えば、非特許文献1,非特許文献2および非特許文献3参照。)。すなわち、図14の例で説明すると、電極113の櫛歯部分113Bをシリコン基板111から切り離し、その切り離した部分にレジスト118を塗布してパターニングする。そののち、温度を上げてレジスト118を液状にすると、レジスト118の表面張力によって櫛歯部分113Bが引っ張られて櫛歯部分113Bに角度を付けることができる。櫛歯部分113Bの傾き角度は、構造パターンにストッパを設け、このストッパに当たったところで一義的に決まるようになっている。
【0006】
【特許文献1】
特開2000−147419号公報
【非特許文献1】
R.R.A.シムズ(R.R.A. Syms )、外2名,Improving yield, accuracy and complexity in surface tension self−assembled MOEMS,“Sensors and Actuators A ”,(オランダ),Elsevier Science,2001年1月,第88巻,第3,5号,p273−283
【非特許文献2】
R.R.A.シムズ(R.R.A. Syms ),Self−assembled 3−D siliconmicroscanners with self−assembled electrostatic drives ,“IEEE Photonics Technology Letters ”,(米国),2000年11月,第12巻,第11号,p1519−1521
【非特許文献3】
パメラ R.パターソン(Pamela R. Patterson )、外5名,A scanning micromirror with angular comb drive actuation,“The Fifteenth IEEEInternational Conference on Micro Electro Mechanical Systems, 2002 ”,(米国),2002年,p544−547
【0007】
【発明が解決しようとする課題】
上述のように従来の垂直櫛歯アクチュエータでは、いずれも電圧の印加によりマイクロミラー等を駆動させることが可能ではあるが、次のような問題があった。すなわち、図13に示した電極112,113を互いに平行に設けた構成のアクチュエータでは、例えば二枚の基板に電極112,113をそれぞれ形成し、張り合わせることによって電極112,113の間に間隙115を設けるようにしており、作製プロセスが複雑であった。
【0008】
また、図15に示したレジスト118の表面張力を利用して櫛歯部分113Bに角度を付ける構造のアクチュエータでは、櫛歯部分113Bが基板111から完全に切り離され、レジスト118のみによって支えられているので、櫛歯部分113Bの強度に問題があった。したがって、レジスト118に過大なトルクが掛かると櫛歯部分113Bが壊れてしまう虞があり、トルクの必要な大きめのマイクロミラーには適用することができなかった。また、レジスト118は150℃程度で流動性を有するので、高温での使用ができないという問題があった。
【0009】
更に、製造プロセスにおいては、切り離された櫛歯部分113Bと基板111との間の隙間にレジスト118が入り込むことがあるが、このように隙間に入り込んだレジスト118は完全に取り除くことが困難であった。この問題を解決するため、例えば、櫛歯部分113Bと基板111との間の隙間に酸化膜を埋め込むことも提案されているが、これでは製造プロセスは更に複雑になるという問題がある(例えば、非特許文献3参照)。
【0010】
加えて、高度な構造であるにも関わらず櫛歯部分113Bの傾き角度の精度は0.5度程度である。更にまた、マスク設計時点で櫛歯部分113Bの傾き角度が決まってしまい、後から変更することができない。加えてまた、櫛歯部分113Bは電極を兼ねるので、レジスト118の上に導電材料のスパッタリングなどにより配線パターンを形成する必要があるが、レジスト118の上の配線パターンは、電気的に信頼性が低いという問題がある。
【0011】
本発明はかかる問題点に鑑みてなされたもので、その目的は、構成が簡単で容易に製造でき、機械的強度に優れると共に電気的信頼性の高い櫛歯アクチュエータとして利用可能な三次元構造体およびその製造方法、並びにこれを用いた電子機器を提供することにある。
【0012】
【課題を解決するための手段】
本発明による三次元構造体は、平坦部を有する基板を用いたものであって、基板の平坦部に形成された変位可能な本体部と、基板の平坦部に本体部に連結して形成された第1の電極と、基板に形成された完全には切り離されていない直線状の折曲げ部と、折曲げ部にそって基板の一部を折曲げることにより形成された傾斜部と、傾斜部に第1の電極との間に所定の間隔を有するように形成され、第1の電極と共に駆動部を構成する第2の電極とを備えたものである。
【0013】
本発明による三次元構造体の製造方法は、平坦部を有する基板を用いた三次元構造体を製造するものであって、基板の平坦部に、変位可能な本体部および本体部に連結した第1の電極、並びに第1の電極と対をなし、かつ本体部と連結されない第2の電極を形成する工程と、基板を選択的に除去し、完全には切り離されていない直線状の折曲げ部を形成する工程と、折曲げ部にそって基板の一部を折曲げて傾斜部を形成することにより、第2の電極と第1の電極との間に所定の間隔を設け、第1の電極と第2の電極とからなる駆動部を形成する工程とを含むものである。
【0014】
本発明による電子機器は、平坦部を有する基板を用いた三次元構造体を備えたものであって、三次元構造体は、基板の平坦部に形成された変位可能な本体部と、基板の平坦部に本体部に連結して形成された第1の電極と、基板に形成された完全には切り離されていない直線状の折曲げ部と、折曲げ部にそって基板の一部を折曲げることにより形成された傾斜部と、傾斜部に第1の電極との間に所定の間隔を有するように形成され、第1の電極と共に駆動部を構成する第2の電極とを備えたものである。
【0015】
本発明による三次元構造体または本発明による電子機器では、第1の電極と第2の電極との間に電圧を印加すると、両電極間の静電気力により第1の電極が変位する。この第1の電極の変位に伴って、本体部としての例えば反射膜を有するミラーが変位し、入射光に対する相対的な角度が変化して、入射光が偏向される。
【0016】
本発明による三次元構造体の製造方法では、基板の平坦部に、変位可能な本体部および本体部に連結した第1の電極、並びに第1の電極と対をなし、かつ本体部と連結されない第2の電極が形成される。次に、基板が選択的に除去され、完全には切り離されていない直線状の折曲げ部が形成される。そののち、折曲げ部にそって基板の一部が折曲げられて傾斜部が形成されることにより、第2の電極と第1の電極との間に、基板の表面に対して垂直な所定の間隔が設けられる。これにより、第1の電極と第2の電極とからなる駆動部が形成される。
【0017】
【発明の実施の形態】
以下、本発明の実施の形態について図面を参照して詳細に説明する。
【0018】
〔第1の実施の形態〕
図1は本発明の第1の実施の形態に係る三次元構造体の構成を表すものである。この三次元構造体は、例えばレーザスキャナあるいはバーコードリーダー等の電子機器において図示しないレーザダイオードから射出されたレーザ光を偏向させるために用いられるものであり、基板10に、本体部としてのミラー20と、このミラー20を揺動運動させるための駆動部(アクチュエータ)30A,30B,30C,30Dとを作製したものである。
【0019】
基板10としては、例えば、シリコン基板などの平坦面を有する半導体基板が用いられる。シリコン基板は一般に内部応力がないので、その表面を利用してミラー20を形成しても、ミラー20に反りが発生することがないからである。特に、シリコンなどの半導体よりなる保持基板の表面に二酸化ケイ素(SiO)などの酸化膜およびシリコンなどの半導体薄膜をこの順に積層した構造を有する、いわゆるSOI(Silicon On Insulator)基板は、バルク基板のマイクロマシニングにより三次元構造体を形成するよりも製造プロセスが格段に簡素化されることから、より好ましい。
【0020】
ミラー20は、基板10の表面の平坦面を利用して形成され、表面には、例えばアルミニウム(Al)膜などの反射膜21が形成されている。また、ミラー20は、例えば異方性エッチングにより周囲の基板10からくりぬかれるように分離され、ミラー20の対向する2辺と基板10との間に設けられた2本の捩れヒンジ部22A,22Bのみによって基板10に支持されている。
【0021】
駆動部30A,30B,30C,30Dは、ミラー20を捩れヒンジ部22A,22Bを中心として図1において右上(以下、「向こう側」という)へ揺動させる第1の駆動部30A,30Bと、ミラー20を逆方向である左下(以下、「手前側」という)へ揺動させる第2の駆動部30C,30Dとからなっている。駆動部30Aと駆動部30Cとは、ミラー20の捩れヒンジ部22Aと同じ側に、捩れヒンジ部22Aを挟んで隣り合うように設けられている。駆動部30Bと駆動部30Dとは、ミラー20の捩れヒンジ部22Bと同じ側に、捩れヒンジ部22Bを隔てて隣り合うように設けられている。
【0022】
駆動部30A,30B,30C,30Dは、それぞれ、互いに噛み合う櫛歯状の第1の電極31および第2の電極32を有している。第1の電極31は、基板10の平坦部に形成され、ミラー20に連結されている。第2の電極32は、基板10の後述する傾斜部に形成されている。
【0023】
本実施の形態では、基板10に、後述するように完全には切り離されていない直線状の折曲げ部11が形成され、この折曲げ部11で折り曲げられて一部分が傾斜した傾斜部12A,12Bとなっている。傾斜部12Aには、第1の駆動部30A,30Bの第2の電極32が形成され、傾斜部12Bには、第2の駆動部30C,30Dの第2の電極32が形成されている。傾斜部12A,12Bは、基板10の平坦部に対して下方へ折り曲げられており、これにより、第2の電極32の先端の櫛歯部分は、基板10の平坦部よりも上方に突出した状態となり、第2の電極32と第1の電極31との間に、基板10の表面に対して垂直方向の間隔33が設けられている。なお、傾斜部12A,12Bは、基板10の平坦部に対して下方へ、且つ互いに逆方向に傾斜している。本実施の形態では、傾斜部12A,12Bの傾斜角度は例えば1.2度、間隔33は例えば15μmとなっている。
【0024】
図2は、駆動部30Aを拡大して表すものである。ここでは、基板10を、シリコンなどの半導体よりなる保持基板13の表面に二酸化ケイ素(SiO)などの酸化膜14およびシリコンなどの半導体薄膜15をこの順に積層した構造を有するSOI基板としている。ミラー20および第1の電極31、並びに第2の電極32は、半導体薄膜15を利用して形成されている。なお、第1の電極31および第2の電極32は、半導体薄膜15に、リン(P)あるいはホウ素(B)などの不純物を選択的に添加して導電性を付与することにより形成したものでもよく、あるいは半導体薄膜15の上にアルミニウムなどの配線パターンを形成したものでもよい。この場合、不純物は、第1の電極31および第2の電極32の少なくとも櫛歯状の部分に添加されていればよく、例えば、第1の電極31および第2の電極32の全体に添加してもよく、あるいは櫛歯状の部分を含む一部のみに添加してもよい。
【0025】
第1の電極31と第2の電極32との間には、両者間に電位差を付与する電圧印加部34が設けられている。電圧印加部34は、第1の電極31と第2の電極32との間に働く静電気力により第1の電極31と共にミラー20を駆動させるものである。
【0026】
折曲げ部11は、保持基板13を異方性エッチングにより選択的に除去して逆V字状の溝11Aを形成することにより、酸化膜14および半導体薄膜15を残存させた構成を有している。溝11Aには、所望の折曲げ角度を保持するためにレジスト16が注入され、固定されている。
【0027】
更に、折曲げ部11は、半導体薄膜15に溝11Bを形成して膜厚を薄くすると共に、半導体薄膜15および酸化膜14を貫通する貫通孔11Cを設けることによって、基板10を折り曲げやすくすることが好ましい。溝11Bの深さ、貫通孔11Cの寸法および個数などは、半導体薄膜15の膜厚に応じて決めることができる。
【0028】
この三次元構造体は、例えば、次のようにして製造することができる。なお、以下の図3ないし図6は、図1におけるIII−III線に沿った断面を表している。
【0029】
まず、図3(A)に示したように、基板10として、シリコンよりなる厚さが例えば300μmの保持基板13の表面に、二酸化ケイ素よりなる厚さが例えば0.5μmないし1μm程度の酸化膜14およびシリコンよりなる厚さが例えば10μmの半導体薄膜15がこの順で積層された構造を有するSOI基板を用意する。
【0030】
次に、図3(B)に示したように、予め作製した図示しないマスクを用いて、例えばICP(誘導結合プラズマ;Inductively Coupled Plasma)を用いたRIE(反応性イオンエッチング;Reactive Ion Etching)により、半導体薄膜15に、ミラー20および第1の電極31(図1参照)、並びに第2の電極32(図1参照)のパターンを形成する。このとき、半導体薄膜15に、折曲げ部11の貫通孔11Cも同時に形成する。貫通孔11Cは、酸化膜14の表面に達するように形成される。
【0031】
第1の電極31および第2の電極32は、半導体薄膜15に、リンあるいはホウ素などの不純物を選択的に添加して導電性を付与することにより形成してもよく、あるいは後続の工程においてミラー20に反射膜21を形成するのと同時に半導体薄膜15の上にアルミニウムなどの配線パターンを形成してもよい。
【0032】
続いて、図3(C)に示したように、予め作製した別のマスクを用いて、例えばICPを用いたRIEにより、半導体薄膜15に、折曲げ部11の溝11Bを形成し、折曲げ部11における半導体薄膜15の膜厚を薄くする。
【0033】
次に、図4(A)に示したように、基板10の両面に厚さが例えば400nmの熱酸化膜41を形成する。
【0034】
続いて、図4(B)に示したように、基板10の保持基板13側に形成された熱酸化膜41を、例えばフォトリソグラフィと緩衝化したフッ化水素(BufferedHydrogen Fluoride ;BHF)を用いたエッチングとによりパターニングする。こうして、保持基板13のウエット異方性エッチングのための熱酸化膜マスク42を形成する。
【0035】
次に、図4(C)に示したように、この熱酸化膜マスク42を用いて、例えば水酸化テトラメチルアンモニウム(TMAH)によるウエット異方性エッチングを行う。これにより、逆V字状の溝11Aが形成され、溝11A,11Bおよび貫通孔11Cを有する折曲げ部11が形成される。また、保持基板13のミラー20に対応する領域も除去される。
【0036】
続いて、図5(A)に示したように、溝11Aにレジスト16を注入し、例えば150℃で焼成する。
【0037】
次に、図5(B)に示したように、例えば濃度49%のフッ化水素(HF)溶液を用いたエッチングにより熱酸化膜41および熱酸化膜マスク42を除去する。このとき、保持基板13と半導体薄膜15とで挟まれた酸化膜14(埋込み酸化膜)は残存するが、露出した酸化膜14(表面酸化膜)は、熱酸化膜41および熱酸化膜マスク42と共に除去される。これにより、ミラー20は、捩れヒンジ部22を除いて基板10から分離される。また、貫通孔11Cの内部の酸化膜14も除去されるので、貫通孔11Cは、半導体薄膜15および酸化膜14を貫通して保持基板13の表面に達する。よって、折曲げ部11は完全には切り離されず、半導体薄膜15および酸化膜14によって部分的につながった状態となる。エッチング終了後、洗浄によりフッ酸を除去し、例えば二酸化炭素(CO)雰囲気中において加圧することにより臨界乾燥を行う。
【0038】
続いて、図6(A)に示したように、角度の付いた二つの平面43A,43Bを有する折曲げジグ43を予め作製しておき、この折曲げジグ43の上に基板10を載置し、例えば150℃に昇温してレジスト16を再び軟化させる。
【0039】
次に、図6(B)に示したように、基板10を折曲げジグ43の平面43A,43Bに沿って折曲げ部11で折り曲げて傾斜部12A,12Bを形成する。そののち、基板10全体を例えば常温に戻すことにより冷却し、固定する。基板10の折り曲げられる角度は、折曲げジグ43の平面43A,43Bのなす角度を変えることによって任意に調整することができる。
【0040】
続いて、例えばシャドウマスクを用いてアルミニウム膜を蒸着することにより反射膜21を形成する。このとき、必要に応じて第1の電極31および第2の電極32の上に、配線パターンあるいは電極パッド等を同時に形成してもよい。なお、反射膜21および電極パッド等は、プロセス途中において、すなわち、例えばミラー20が捩れヒンジ部22を除いて基板10から分離される前の段階で、金(Au)またはアルミニウムなどを成膜してパターニングすることにより形成してもよい。以上により、図1に示した三次元構造体が完成する。
【0041】
この三次元構造体では、例えば駆動部30A,30Bにおいて、電圧印加部34により第1の電極31と第2の電極32との間に所定の電圧が印加されると、第1の電極31が第2の電極32に引きつけられて手前側(図2の矢印A参照)に回転することにより変位し、第1の電極31の変位に伴ってミラー20が手前側に回転する。また、例えば駆動部30C,30Dにおいて、電圧印加部34により第1の電極31と第2の電極32との間に所定の電圧が印加されると、第1の電極31が第2の電極32に引きつけられて向こう側に回転することにより変位し、第1の電極31の変位に伴ってミラー20が向こう側に回転する。これにより、ミラー20の入射光に対する相対的な角度が変化し、入射光が偏向される。この三次元構造体では、完全には切り離されていない折曲げ部11で基板10を折り曲げて傾斜部12A,12Bを形成し、この傾斜部12A,12Bに第2の電極32を形成することにより第1の電極31と第2の電極32との間に間隔33を設けたので、従来のような櫛歯部分をレジストで基板に接合した構成に比べて、折曲げ部11の引張り強度が向上する。また、折曲げ部11は完全に切り離されていないので、折曲げ部11またはその上に形成した配線パターンを介して電極31,32に電圧を印加することができ、従来のようなレジストの上に配線パターンを形成する構成よりも電気的な信頼性が高くなる。
【0042】
図7は、第1の電極31と第2の電極32の間に印加される電圧と、第1の電極31およびミラー20の回転角との関係を表す特性曲線である。本実施の形態の構成によるミラー20の回転角は最大3.2度となっている。なお、回転角の特性曲線は非線形性を示しており、ミラー20が電極間の静電気力で駆動されていることが分かる。
【0043】
このように本実施の形態では、完全には切り離されていない折曲げ部11で基板10を折り曲げて傾斜部12A,12Bを形成し、この傾斜部12A,12Bに第2の電極32を形成することにより第1の電極31と第2の電極32との間に間隔33を設けたので、基板の貼り合わせなどの複雑な構造が不要となり、機械的強度に優れ電気的信頼性の高い三次元構造体を、簡単な構成および製造プロセスで実現できる。また、基板10の折り曲げられる角度の精度を0.2度程度と従来よりも高くすることができ、歩留り向上が可能となる。
【0044】
加えて、特にバーコードリーダ用途などにおいては、例えば80mm程度離れたところでレーザビームを200μm程度に絞り込む際に、回折限界の関係で発光部およびミラーには0.63mm以上の大きさが必要であり、ビームを更に絞り込む場合にはミラーは更に大きなものが必要となる。よって、アライメントおよび角度が付いた場合のミラー面の範囲を考慮すると、ミラーの大きさは1mmレベルが要求されるが、本実施の形態ではそのような大きなミラー20を駆動できる十分な機械的強度を有する三次元構造体を実現することが可能となる。
【0045】
特に、基板10として保持基板13の表面に酸化膜14および半導体薄膜15がこの順に積層された構造を有するものを用いたので、バルク基板のマイクロマシニングにより三次元構造体を形成するよりも製造プロセスを格段に簡素化することができる。
【0046】
また、特に、半導体薄膜15に溝11Bおよび貫通孔11Cを設けるようにしたので、折曲げ部11を更に折り曲げやすくすることができる。
【0047】
更に、基板10を折曲げ部11で折り曲げる際に、角度の付いた二つの平面43A,43Bを有する折曲げジグ43に沿わせるようにしたので、基板10の折り曲げられる角度を、折曲げジグ43の平面43A,43Bのなす角度を変えることによって任意に調整することができる。
【0048】
〔第2の実施の形態〕
図8は本発明の第2の実施の形態に係る三次元構造体の製造方法を表すものである。本実施の形態は、基板10の裏面に凹部を設けることにより傾斜部12A,12Bの厚みを薄くして、基板10を平坦な支持台の上で折り曲げることができるようにしたものであり、折曲げジグ43を用いて基板10を折り曲げる必要をなくしたものである。
【0049】
まず、図8(A)に示したように、保持基板13の裏面に凹部13Aを形成することにより傾斜部12A,12Bとなる部分の厚みを薄くすることを除いては、第1の実施の形態の図5(B)と同様に基板10にミラー20および第1の電極31(図1参照)、第2の電極32(図1参照)並びに折曲げ部11を形成する。保持基板13の凹部13Aは、例えば異方性エッチングにより形成することができる。また、工程の順序としては、保持基板13の凹部13Aを最初に形成したのちに、第1の実施の形態と同様に図3ないし図5の工程を行うようにしてもよい。あるいは、第1の実施の形態の図3ないし図5の工程を行ったのちに、保持基板13に凹部13Aを形成するようにしてもよい。
【0050】
次に、図8(B)に示したように、基板10を平坦な支持台51に載置し、厚みを薄くした部分の折曲げ部11に対向する端部11Dを矢印52方向に押し、この端部11Dが支持台51に接するまで基板10を折曲げ部11で折り曲げて傾斜部12A,12Bを形成する。これにより、第1の電極31と第2の電極32との間に間隔33(図1参照)が形成される。基板10が折り曲げられる角度は、凹部13Aの掘り込み深さDによって任意に調整することができる。
【0051】
このように本実施の形態によれば、基板10の裏面に凹部を設けることにより傾斜部12A,12Bの厚みを薄くするようにしたので、基板10を平坦な支持台の上で折り曲げることができ、折曲げジグ43が不要となる。また、基板10が折り曲げられる角度は、凹部13Aの掘り込み深さDによって任意に調整することができる。
【0052】
以上、実施の形態を挙げて本発明を説明したが、本発明は上記実施の形態に限定されるものではなく、種々変形可能である。例えば、各部の寸法、基板の材質、膜厚、プロセス条件等は本発明の主旨を逸脱しない限りにおいて変更が可能である。例えば、TMAHの代わりに水酸化カリウム(KOH),ヒドラジン,エチレンジアミン−ピロカテコール−水(EPW)などを用いることも可能である。
【0053】
また、上記実施の形態では、溝11Aに例えば150℃程度で軟化するレジスト16を注入するようにしたが、レジスト16の代わりに、例えば低融点半田などの金属を用いるようにしてもよい。更に、レジスト16あるいは低融点半田よりも高温で溶解する材料、例えば高融点半田などの金属を用いれば、より高温環境での使用に適応することができる。
【0054】
更に、上記実施の形態では、折曲げ部11の構成を具体的に説明したが、折曲げ部11の構成を半導体薄膜15の膜厚に応じて変更することにより折曲げ部11の折り曲げやすさを調整することが可能である。例えば図9に示したように、半導体薄膜15に溝11Bのみを設け、貫通孔11Cを設けないようにしてもよい。または、図10に示したように、例えば半導体薄膜15の膜厚が薄い場合などには、貫通孔11Cのみを設け、溝11Bを設けないようにしてもよい。逆に、図11に示したように、半導体薄膜15の膜厚が厚い場合には、溝11Bの底面に更に幅の狭い溝11Eを設けるようにしてもよい。
【0055】
加えて、上記実施の形態では、折曲げ部11に酸化膜14および半導体薄膜15の両方を残存させるようにした場合について説明したが、半導体薄膜15のみを残存させるようにしてもよく、あるいは図12に示すように酸化膜14のみを残存させるようにしてもよい。ただし、シリコンよりなる半導体薄膜15は二酸化ケイ素よりなる酸化膜14に比べて曲げに強いので、半導体薄膜15を残存させることが好ましい。
【0056】
更に、上記実施の形態では、ミラー20として静電気力で駆動されるガルバノミラーを有する光偏向器を例として説明したが、本発明はポリゴンミラー(回転型多面鏡)を用いた光偏向器の場合にも適用可能である。
【0057】
加えて、上記実施の形態では、本発明の三次元構造体をレーザスキャナあるいはバーコードリーダなどの電子機器における光偏向器に適用する場合を例に挙げて説明したが、本発明は、例えば超小型バーコードリーダ,ビームスキャナ,レーザプリンタ,光スイッチ,プロジェクタ,レーザショウ用ビームスキャナ,ディスプレイ,二次元バーコードリーダ,距離センサ,レーザソナー,共焦点顕微鏡,レーザ顕微鏡,光造形プロトタイピング,レーザ加工機,PtoP(ピア・ツー・ピア)光通信,光通信などの他の電子機器にも広く適用可能である。
【0058】
【発明の効果】
以上説明したように請求項1ないし請求項11のいずれか1項に記載の三次元構造体、および請求項14または請求項15記載の電子機器によれば、基板の平坦部に形成された第1の電極と、基板に形成された完全には切り離されていない折曲げ部と、この折曲げ部で基板を折り曲げることにより形成された傾斜部と、この傾斜部に第1の電極との間に所定の間隔を有するように形成された第2の電極とを備えたので、基板の貼り合わせなどの複雑な構造が不要となり、機械的強度に優れ電気的信頼性の高い三次元構造体を、簡単な構成および製造プロセスで実現できる。また、基板の折り曲げられる角度の精度を高くすることができ、歩留り向上が可能となる。
【0059】
加えて、特にバーコードリーダ用途などにおいては、ミラーとして大きなものが要求されるが、本発明によればそのような大きなミラーを駆動できる十分な機械的強度を有する三次元構造体を実現することが可能となる。
【0060】
特に、請求項6記載の三次元構造体によれば、基板として保持基板の表面に酸化膜および半導体薄膜がこの順に積層された構造を有するものを用いたので、バルク基板のマイクロマシニングにより三次元構造体を形成するよりも製造プロセスを格段に簡素化することができる。
【0061】
また、特に、請求項8記載の三次元構造体によれば、折曲げ部が、半導体薄膜に溝および貫通孔のうち少なくとも一方を有するようにしたので、折曲げ部を更に折り曲げやすくすることができる。
【0062】
加えて、特に、請求項11記載の三次元構造体によれば、基板の裏面に凹部を設けることにより傾斜部の厚みを薄くするようにしたので、基板を平坦な支持台の上で折り曲げることができる。また、基板が折り曲げられる角度は、厚みをどの程度薄くするかによって任意に調整することができる。
【0063】
請求項12または請求項13記載の三次元構造体の製造方法によれば、完全には切り離されていない折曲げ部にそって基板を折り曲げて傾斜部を形成することにより、第2の電極と第1の電極との間に所定の間隔を設けるようにしたので、簡単な工程で、第2の電極と第1の電極との間に基板の表面に対して垂直な間隔を形成することができる。また、電極の機械的強度および電気的な信頼性を向上させることができる。
【0064】
特に、請求項13記載の三次元構造体の製造方法によれば、基板を折曲げ部で折り曲げる工程において、角度の付いた二つの平面を有するジグに沿わせるようにしたので、基板の折り曲げられる角度を、ジグの二つの平面のなす角度を変えることによって任意に調整することができる。
【図面の簡単な説明】
【図1】本発明の第1の実施の形態に係る三次元構造体の構成の一例を表す斜視図である。
【図2】図1に示した駆動部の一つを拡大して表す斜視図である。
【図3】図1に示した三次元構造体の製造方法を工程順に示す断面図である。
【図4】図3の工程に続く工程を説明するための断面図である。
【図5】図4の工程に続く工程を説明するための断面図である。
【図6】図5の工程に続く工程を説明するための断面図である。
【図7】図1に示した電極の間に印加される電圧とミラーの回転角との関係を表す特性曲線である。
【図8】本発明の第2の実施の形態に掛る三次元構造体の製造方法を表す断面図である。
【図9】図1に示した折曲げ部の他の構成例を表す斜視図である。
【図10】図1に示した折曲げ部の更に他の構成例を表す斜視図である。
【図11】図1に示した折曲げ部の更に他の構成例を表す斜視図である。
【図12】図1に示した折曲げ部の更に他の構成例を表す斜視図である。
【図13】従来の垂直櫛歯アクチュエータの一構成例を表す平面図および正面図である。
【図14】従来の垂直櫛歯アクチュエータの他の構成例を表す平面図および正面図である。
【図15】櫛歯状の電極に角度を付けるための従来の方法を説明するための斜視図である。
【符号の説明】
10…基板、11…折曲げ部、12A,12B…傾斜部、13…保持基板、13A…凹部、14…酸化膜、15…半導体薄膜、16…レジスト、20…ミラー、21…反射膜、30A,30B,30C,30D…駆動部、31…第1の電極、32…第2の電極、33…間隔、34…電圧印加部
[0001]
TECHNICAL FIELD OF THE INVENTION
The present invention relates to a three-dimensional structure used in the field of MEMS (Micro Electro Mechanical Systems), a method of manufacturing the same, and an electronic device using the same.
[0002]
[Prior art]
As an example of a three-dimensional structure using MEMS, there is a micromirror (scanning mirror) that deflects a laser beam in electronic devices such as a laser scanner and a barcode reader. The micromirror is manufactured by micromachining of a silicon (Si) substrate. For example, a micromirror using a planar portion of a silicon substrate and a torsion hinge (torsion bar) supporting the micromirror are used. Are formed by anisotropic etching.
[0003]
As an electrode structure for driving such a micromirror, a so-called vertical comb-tooth actuator in which two comb-like electrodes are arranged with a gap in a direction perpendicular to the direction in which the comb teeth extend is known. (For example, see Patent Document 1). FIG. 13 shows an example of a conventional vertical comb actuator. This actuator is composed of a pair of comb-shaped electrodes 112 and 113, and a DC power supply 114 is connected to these electrodes 112 and 113. One electrode 112 is fixed on the silicon substrate 111 side, and the other electrode 113 is connected to a movable body such as a micromirror (not shown). The electrodes 112 and 113 are provided with a gap 115 in a direction perpendicular to the surface of the silicon substrate 111. When a predetermined voltage is applied between the electrodes 112 and 113 by the DC power supply 114, a rotational torque is applied to the support shaft 113 </ b> A of the electrode 113 by the electrostatic force acting between the electrodes 112 and 113, and the electrode 113 is moved in the direction of the arrow 116 ( The micromirror rotates in the same direction as it is displaced clockwise.
[0004]
FIG. 14 shows another configuration of the vertical comb actuator, in which the electrodes 113 are arranged obliquely. In such a configuration example, when a voltage is applied between the electrodes 112 and 113, the electrode 113 is displaced in the direction of the arrow 117, and the rotation angle is larger than in the configuration of FIG. 13 in which the electrodes 112 and 113 are provided in parallel. be able to.
[0005]
As a method of forming an angle on the comb teeth as described above, conventionally, for example, as shown in FIG. 15, a method using the surface tension of a resist is known (for example, Non-Patent Document 1, Non-Patent Document 2 and Non-Patent Document 3). That is, in the example of FIG. 14, the comb teeth 113B of the electrode 113 are cut off from the silicon substrate 111, and a resist 118 is applied to the cut off portion and patterned. Thereafter, when the temperature of the resist 118 is raised to a liquid state, the comb teeth 113B are pulled by the surface tension of the resist 118, and the comb teeth 113B can be angled. The inclination angle of the comb teeth 113B is determined uniquely when a stopper is provided in the structural pattern and the stopper hits the stopper.
[0006]
[Patent Document 1]
JP 2000-147419 A
[Non-patent document 1]
R. R. A. R. Sims (R.R.A.Syms.), Two people, Improving field, accuracy and complexity in surface tension self-assembled MOEMS, "Sensors and Activision, August 2008," Vol.3, No.5, p273-283
[Non-patent document 2]
R. R. A. Sims (RRA Sims), Self-assembled 3-D silicone-scanners with self-assembled electrostatic drives, "IEEE Photonics Technology, IEEE, November 11, 2000, November 11, 2000, November 11, 2000. -1521
[Non-Patent Document 3]
Pamela R. Patterson (Pamela R. Patterson), 5 members, A scanning micromirror with angular comb drive actuation, "The Fifteenth IEEE, International, International, Microelectronics, 200, International Conference on Microphone, International Conference on Microelectronics.
[0007]
[Problems to be solved by the invention]
As described above, any of the conventional vertical comb actuators can drive a micromirror or the like by applying a voltage, but has the following problems. That is, in the actuator having the configuration in which the electrodes 112 and 113 shown in FIG. 13 are provided in parallel with each other, for example, the electrodes 112 and 113 are formed on two substrates, respectively, and are adhered to each other. And the manufacturing process was complicated.
[0008]
In the actuator having a structure in which the comb teeth 113B are angled using the surface tension of the resist 118 shown in FIG. 15, the comb teeth 113B are completely separated from the substrate 111 and are supported only by the resist 118. Therefore, there was a problem in the strength of the comb teeth 113B. Therefore, if an excessive torque is applied to the resist 118, the comb portion 113B may be broken, and it cannot be applied to a micromirror requiring a large torque. Further, since the resist 118 has fluidity at about 150 ° C., there is a problem that it cannot be used at a high temperature.
[0009]
Further, in the manufacturing process, the resist 118 may enter the gap between the separated comb tooth portion 113B and the substrate 111, but it is difficult to completely remove the resist 118 that has entered the gap. Was. In order to solve this problem, for example, it has been proposed to bury an oxide film in a gap between the comb portion 113B and the substrate 111. However, this has a problem that the manufacturing process is further complicated (for example, Non-Patent Document 3).
[0010]
In addition, the accuracy of the inclination angle of the comb tooth portion 113B is about 0.5 degrees despite its advanced structure. Furthermore, the angle of inclination of the comb teeth 113B is determined at the time of designing the mask, and cannot be changed later. In addition, since the comb teeth portion 113B also serves as an electrode, it is necessary to form a wiring pattern on the resist 118 by sputtering of a conductive material. However, the wiring pattern on the resist 118 has electrical reliability. There is a problem of low.
[0011]
The present invention has been made in view of the above problems, and has as its object to provide a three-dimensional structure which can be easily manufactured, has excellent mechanical strength, and can be used as a highly reliable electric comb actuator. And a method for manufacturing the same, and an electronic device using the same.
[0012]
[Means for Solving the Problems]
The three-dimensional structure according to the present invention uses a substrate having a flat portion, and is formed by connecting a displaceable main body formed on the flat portion of the substrate to the main body on the flat portion of the substrate. A first electrode, a straight bent portion formed on the substrate that is not completely separated, an inclined portion formed by bending a part of the substrate along the bent portion, And a second electrode that is formed so as to have a predetermined interval between the first electrode and the first electrode and that forms a driving unit together with the first electrode.
[0013]
The method for manufacturing a three-dimensional structure according to the present invention is for manufacturing a three-dimensional structure using a substrate having a flat portion, wherein the flat portion of the substrate is connected to a displaceable main body and a main body. Forming a first electrode and a second electrode that is paired with the first electrode and is not connected to the main body; and selectively removing the substrate to form a straight fold that is not completely separated. Forming a slanted portion by bending a part of the substrate along the bent portion, thereby providing a predetermined interval between the second electrode and the first electrode, Forming a drive section including the first electrode and the second electrode.
[0014]
An electronic device according to the present invention includes a three-dimensional structure using a substrate having a flat portion, wherein the three-dimensional structure includes a displaceable main body formed on a flat portion of the substrate, A first electrode formed on the flat portion and connected to the main body, a linear bent portion formed on the substrate that is not completely separated, and a portion of the substrate along the bent portion; A device provided with an inclined portion formed by bending and a second electrode which is formed so as to have a predetermined interval between the first electrode and the inclined portion and forms a driving portion together with the first electrode. It is.
[0015]
In the three-dimensional structure according to the present invention or the electronic device according to the present invention, when a voltage is applied between the first electrode and the second electrode, the first electrode is displaced by an electrostatic force between the two electrodes. Along with the displacement of the first electrode, a mirror having, for example, a reflection film as a main body is displaced, and a relative angle with respect to the incident light changes, thereby deflecting the incident light.
[0016]
In the method for manufacturing a three-dimensional structure according to the present invention, a displaceable main body portion, a first electrode connected to the main body portion, and a pair with the first electrode are formed on the flat portion of the substrate, and are not connected to the main body portion. A second electrode is formed. Next, the substrate is selectively removed to form a straight bend that is not completely separated. After that, a part of the substrate is bent along the bent part to form an inclined part, so that a predetermined perpendicular to the surface of the substrate is provided between the second electrode and the first electrode. Are provided. As a result, a driving unit including the first electrode and the second electrode is formed.
[0017]
BEST MODE FOR CARRYING OUT THE INVENTION
Hereinafter, embodiments of the present invention will be described in detail with reference to the drawings.
[0018]
[First Embodiment]
FIG. 1 shows a configuration of a three-dimensional structure according to the first embodiment of the present invention. This three-dimensional structure is used to deflect laser light emitted from a laser diode (not shown) in electronic equipment such as a laser scanner or a bar code reader. And drive units (actuators) 30A, 30B, 30C, 30D for oscillating the mirror 20.
[0019]
As the substrate 10, for example, a semiconductor substrate having a flat surface such as a silicon substrate is used. This is because, since the silicon substrate generally has no internal stress, even if the mirror 20 is formed using its surface, the mirror 20 does not warp. In particular, silicon dioxide (SiO 2) is formed on the surface of a holding substrate made of a semiconductor such as silicon. 2 The SOI (Silicon On Insulator) substrate, which has a structure in which an oxide film such as silicon oxide) and a semiconductor thin film such as silicon are stacked in this order, requires much more manufacturing process than forming a three-dimensional structure by micromachining a bulk substrate. It is more preferable because it is simplified.
[0020]
The mirror 20 is formed using a flat surface of the surface of the substrate 10, and a reflective film 21 such as an aluminum (Al) film is formed on the surface. The mirror 20 is separated from the surrounding substrate 10 by, for example, anisotropic etching, and is provided with two torsion hinge portions 22A and 22B provided between two opposing sides of the mirror 20 and the substrate 10. Only supported by the substrate 10.
[0021]
The drive units 30A, 30B, 30C, and 30D include first drive units 30A and 30B that swing the mirror 20 to the upper right in FIG. 1 (hereinafter, referred to as “the other side”) around the torsion hinges 22A and 22B. It comprises second driving units 30C and 30D for swinging the mirror 20 in the opposite direction to the lower left (hereinafter referred to as “front side”). The driving section 30A and the driving section 30C are provided on the same side of the mirror 20 as the torsion hinge section 22A so as to be adjacent to the torsion hinge section 22A. The driving section 30B and the driving section 30D are provided on the same side of the mirror 20 as the torsion hinge section 22B so as to be adjacent to the torsion hinge section 22B.
[0022]
Each of the driving units 30A, 30B, 30C, and 30D has a comb-shaped first electrode 31 and a second electrode 32 that mesh with each other. The first electrode 31 is formed on a flat portion of the substrate 10 and is connected to the mirror 20. The second electrode 32 is formed on an inclined portion of the substrate 10 described later.
[0023]
In the present embodiment, a straight bent portion 11 that is not completely separated is formed on the substrate 10 as described later, and the inclined portions 12A and 12B that are bent at the bent portion 11 and partially inclined. It has become. The second electrode 32 of the first driving unit 30A, 30B is formed on the inclined part 12A, and the second electrode 32 of the second driving part 30C, 30D is formed on the inclined part 12B. The inclined portions 12A and 12B are bent downward with respect to the flat portion of the substrate 10, so that the comb teeth at the tip of the second electrode 32 project above the flat portion of the substrate 10. Thus, an interval 33 in the direction perpendicular to the surface of the substrate 10 is provided between the second electrode 32 and the first electrode 31. The inclined portions 12A and 12B are inclined downward with respect to the flat portion of the substrate 10 and in directions opposite to each other. In the present embodiment, the inclination angles of the inclined portions 12A and 12B are, for example, 1.2 degrees, and the interval 33 is, for example, 15 μm.
[0024]
FIG. 2 is an enlarged view of the driving unit 30A. Here, the substrate 10 is formed by depositing silicon dioxide (SiO 2) on the surface of a holding substrate 13 made of a semiconductor such as silicon. 2 ), And an SOI substrate having a structure in which a semiconductor thin film 15 such as silicon is laminated in this order. The mirror 20, the first electrode 31, and the second electrode 32 are formed using the semiconductor thin film 15. Note that the first electrode 31 and the second electrode 32 may be formed by selectively adding an impurity such as phosphorus (P) or boron (B) to the semiconductor thin film 15 to impart conductivity. Alternatively, a wiring pattern formed of aluminum or the like on the semiconductor thin film 15 may be used. In this case, the impurity only needs to be added to at least the comb-like portions of the first electrode 31 and the second electrode 32. For example, the impurity is added to the entirety of the first electrode 31 and the second electrode 32. Or it may be added only to a part including a comb-shaped part.
[0025]
Between the first electrode 31 and the second electrode 32, there is provided a voltage applying unit 34 for giving a potential difference between the two. The voltage applying unit 34 drives the mirror 20 together with the first electrode 31 by an electrostatic force acting between the first electrode 31 and the second electrode 32.
[0026]
The bent portion 11 has a configuration in which the oxide film 14 and the semiconductor thin film 15 are left by selectively removing the holding substrate 13 by anisotropic etching to form an inverted V-shaped groove 11A. I have. A resist 16 is injected and fixed in the groove 11A in order to maintain a desired bending angle.
[0027]
Further, the bent portion 11 forms a groove 11B in the semiconductor thin film 15 to reduce the film thickness, and also provides a through hole 11C penetrating the semiconductor thin film 15 and the oxide film 14, thereby facilitating the bending of the substrate 10. Is preferred. The depth of the groove 11B, the size and the number of the through holes 11C, and the like can be determined according to the thickness of the semiconductor thin film 15.
[0028]
This three-dimensional structure can be manufactured, for example, as follows. FIGS. 3 to 6 show cross sections along the line III-III in FIG.
[0029]
First, as shown in FIG. 3A, as a substrate 10, an oxide film having a thickness of, for example, about 0.5 μm to 1 μm is formed on a surface of a holding substrate 13 having a thickness of, for example, 300 μm made of silicon. An SOI substrate having a structure in which a semiconductor thin film 15 made of silicon and having a thickness of, for example, 10 μm is stacked in this order is prepared.
[0030]
Next, as shown in FIG. 3B, using a mask (not shown) manufactured in advance, for example, RIE (Reactive Ion Etching) using ICP (Inductively Coupled Plasma). Then, a pattern of the mirror 20, the first electrode 31 (see FIG. 1), and the second electrode 32 (see FIG. 1) is formed on the semiconductor thin film 15. At this time, the through hole 11C of the bent portion 11 is also formed in the semiconductor thin film 15 at the same time. The through-hole 11 </ b> C is formed so as to reach the surface of the oxide film 14.
[0031]
The first electrode 31 and the second electrode 32 may be formed by selectively adding an impurity such as phosphorus or boron to the semiconductor thin film 15 to impart conductivity, or a mirror may be formed in a subsequent step. A wiring pattern of aluminum or the like may be formed on the semiconductor thin film 15 at the same time when the reflection film 21 is formed on the semiconductor film 20.
[0032]
Subsequently, as shown in FIG. 3C, a groove 11B of the bent portion 11 is formed in the semiconductor thin film 15 by RIE using, for example, ICP, using another mask that has been formed in advance. The thickness of the semiconductor thin film 15 in the portion 11 is reduced.
[0033]
Next, as shown in FIG. 4A, a thermal oxide film 41 having a thickness of, for example, 400 nm is formed on both surfaces of the substrate 10.
[0034]
Subsequently, as shown in FIG. 4B, the thermal oxide film 41 formed on the holding substrate 13 side of the substrate 10 is formed by using, for example, photolithography and buffered hydrogen fluoride (Buffered Hydrogen Fluoride; BHF). Patterning is performed by etching. Thus, a thermal oxide film mask 42 for wet anisotropic etching of the holding substrate 13 is formed.
[0035]
Next, as shown in FIG. 4C, using this thermal oxide film mask 42, wet anisotropic etching is performed using, for example, tetramethylammonium hydroxide (TMAH). As a result, an inverted V-shaped groove 11A is formed, and the bent portion 11 having the grooves 11A and 11B and the through hole 11C is formed. Further, the region of the holding substrate 13 corresponding to the mirror 20 is also removed.
[0036]
Subsequently, as shown in FIG. 5A, a resist 16 is injected into the groove 11A and baked at, for example, 150 ° C.
[0037]
Next, as shown in FIG. 5B, the thermal oxide film 41 and the thermal oxide film mask 42 are removed by etching using, for example, a 49% concentration hydrogen fluoride (HF) solution. At this time, the oxide film 14 (buried oxide film) sandwiched between the holding substrate 13 and the semiconductor thin film 15 remains, but the exposed oxide film 14 (surface oxide film) becomes the thermal oxide film 41 and the thermal oxide film mask 42. Removed with. Thereby, the mirror 20 is separated from the substrate 10 except for the twist hinge portion 22. Further, the oxide film 14 inside the through hole 11C is also removed, so that the through hole 11C reaches the surface of the holding substrate 13 through the semiconductor thin film 15 and the oxide film 14. Therefore, the bent portion 11 is not completely separated, and is partially connected by the semiconductor thin film 15 and the oxide film 14. After the etching is completed, the hydrofluoric acid is removed by washing, for example, carbon dioxide (CO 2). 2 2.) Critical drying is performed by applying pressure in an atmosphere.
[0038]
Subsequently, as shown in FIG. 6A, a bending jig 43 having two angled flat surfaces 43A and 43B is prepared in advance, and the substrate 10 is placed on the bending jig 43. Then, the temperature is raised to, for example, 150 ° C. to soften the resist 16 again.
[0039]
Next, as shown in FIG. 6B, the substrate 10 is bent at the bent portion 11 along the planes 43A and 43B of the bending jig 43 to form inclined portions 12A and 12B. After that, the entire substrate 10 is cooled and fixed, for example, by returning to normal temperature. The angle at which the substrate 10 can be bent can be arbitrarily adjusted by changing the angle formed by the planes 43A and 43B of the bending jig 43.
[0040]
Subsequently, the reflection film 21 is formed by evaporating an aluminum film using, for example, a shadow mask. At this time, a wiring pattern or an electrode pad may be simultaneously formed on the first electrode 31 and the second electrode 32 as necessary. The reflection film 21 and the electrode pads are formed by depositing gold (Au) or aluminum during the process, that is, before the mirror 20 is separated from the substrate 10 except for the torsion hinge 22, for example. And may be formed by patterning. Thus, the three-dimensional structure shown in FIG. 1 is completed.
[0041]
In this three-dimensional structure, for example, when a predetermined voltage is applied between the first electrode 31 and the second electrode 32 by the voltage applying unit 34 in the driving units 30A and 30B, the first electrode 31 is turned on. It is displaced by being attracted to the second electrode 32 and rotating toward the near side (see the arrow A in FIG. 2), and the mirror 20 rotates toward the near side with the displacement of the first electrode 31. Further, for example, in the driving units 30C and 30D, when a predetermined voltage is applied between the first electrode 31 and the second electrode 32 by the voltage applying unit 34, the first electrode 31 is changed to the second electrode 32. As the first electrode 31 is displaced by the rotation of the first electrode 31, the mirror 20 is rotated to the other side. As a result, the angle of the mirror 20 relative to the incident light changes, and the incident light is deflected. In this three-dimensional structure, the substrate 10 is bent at the bent portion 11 that is not completely separated to form the inclined portions 12A and 12B, and the second electrodes 32 are formed on the inclined portions 12A and 12B. Since the interval 33 is provided between the first electrode 31 and the second electrode 32, the tensile strength of the bent portion 11 is improved as compared with the conventional configuration in which the comb teeth are bonded to the substrate with a resist. I do. Further, since the bent portion 11 is not completely separated, it is possible to apply a voltage to the electrodes 31 and 32 via the bent portion 11 or the wiring pattern formed thereon, and it is possible to apply a voltage on the resist as in the conventional case. The electrical reliability is higher than the configuration in which a wiring pattern is formed on the substrate.
[0042]
FIG. 7 is a characteristic curve showing the relationship between the voltage applied between the first electrode 31 and the second electrode 32 and the rotation angles of the first electrode 31 and the mirror 20. The rotation angle of the mirror 20 according to the configuration of the present embodiment is a maximum of 3.2 degrees. Note that the characteristic curve of the rotation angle shows non-linearity, and it can be seen that the mirror 20 is driven by the electrostatic force between the electrodes.
[0043]
As described above, in the present embodiment, the substrate 10 is bent at the bent portion 11 that is not completely separated to form the inclined portions 12A and 12B, and the second electrode 32 is formed at the inclined portions 12A and 12B. Thus, since the space 33 is provided between the first electrode 31 and the second electrode 32, a complicated structure such as bonding of substrates is not required, and a three-dimensional structure having excellent mechanical strength and high electric reliability is provided. The structure can be realized with a simple configuration and manufacturing process. Further, the accuracy of the angle at which the substrate 10 can be bent can be increased to about 0.2 degrees as compared with the conventional case, and the yield can be improved.
[0044]
In addition, especially in a bar code reader application, for example, when narrowing a laser beam to about 200 μm at a distance of about 80 mm, the light emitting unit and the mirror need to have a size of 0.63 mm or more due to the diffraction limit. In order to further narrow the beam, a larger mirror is required. Therefore, in consideration of the range of the mirror surface when the alignment and the angle are provided, the size of the mirror is required to be 1 mm level, but in the present embodiment, sufficient mechanical strength to drive such a large mirror 20 is required. It is possible to realize a three-dimensional structure having
[0045]
In particular, since the substrate 10 has a structure in which the oxide film 14 and the semiconductor thin film 15 are laminated on the surface of the holding substrate 13 in this order, the manufacturing process is more difficult than forming a three-dimensional structure by micromachining a bulk substrate. Can be greatly simplified.
[0046]
Particularly, since the groove 11B and the through hole 11C are provided in the semiconductor thin film 15, the bent portion 11 can be further easily bent.
[0047]
Further, when the substrate 10 is bent at the bending portion 11, the substrate 10 is made to follow the bending jig 43 having two angled flat surfaces 43A and 43B. It can be arbitrarily adjusted by changing the angle between the flat surfaces 43A and 43B.
[0048]
[Second embodiment]
FIG. 8 shows a method for manufacturing a three-dimensional structure according to the second embodiment of the present invention. In the present embodiment, the thickness of the inclined portions 12A and 12B is reduced by providing a concave portion on the back surface of the substrate 10 so that the substrate 10 can be bent on a flat support table. This eliminates the need to bend the substrate 10 using the bending jig 43.
[0049]
First, as shown in FIG. 8A, the first embodiment is performed except that the thickness of the inclined portions 12A and 12B is reduced by forming a concave portion 13A on the back surface of the holding substrate 13. As in the case of FIG. 5B, the mirror 20, the first electrode 31 (see FIG. 1), the second electrode 32 (see FIG. 1), and the bent portion 11 are formed on the substrate 10. The recess 13A of the holding substrate 13 can be formed by, for example, anisotropic etching. Further, as the order of the steps, the steps of FIGS. 3 to 5 may be performed after forming the concave portion 13A of the holding substrate 13 first, as in the first embodiment. Alternatively, the recess 13A may be formed in the holding substrate 13 after performing the steps of FIGS. 3 to 5 of the first embodiment.
[0050]
Next, as shown in FIG. 8B, the substrate 10 is placed on a flat support table 51, and an end 11D of the thinned portion facing the bent portion 11 is pushed in the direction of arrow 52, The substrate 10 is bent at the bent portion 11 until the end portion 11D contacts the support table 51 to form inclined portions 12A and 12B. As a result, an interval 33 (see FIG. 1) is formed between the first electrode 31 and the second electrode 32. The angle at which the substrate 10 is bent can be arbitrarily adjusted by the depth D of the recess 13A.
[0051]
As described above, according to the present embodiment, the concave portions are provided on the back surface of the substrate 10 to reduce the thickness of the inclined portions 12A and 12B, so that the substrate 10 can be bent on a flat support base. In addition, the bending jig 43 becomes unnecessary. The angle at which the substrate 10 is bent can be arbitrarily adjusted by the depth D of the recess 13A.
[0052]
As described above, the present invention has been described with reference to the embodiment. However, the present invention is not limited to the above embodiment, and can be variously modified. For example, the dimensions of each part, the material of the substrate, the film thickness, the process conditions, and the like can be changed without departing from the gist of the present invention. For example, instead of TMAH, potassium hydroxide (KOH), hydrazine, ethylenediamine-pyrocatechol-water (EPW) and the like can be used.
[0053]
Further, in the above embodiment, the resist 16 which is softened at, for example, about 150 ° C. is injected into the groove 11A, but a metal such as a low melting point solder may be used instead of the resist 16. Furthermore, if a material that melts at a higher temperature than the resist 16 or the low melting point solder, for example, a metal such as a high melting point solder is used, it can be adapted for use in a higher temperature environment.
[0054]
Further, in the above-described embodiment, the configuration of the bent portion 11 has been specifically described. However, by changing the configuration of the bent portion 11 according to the thickness of the semiconductor thin film 15, the ease of bending of the bent portion 11 is improved. Can be adjusted. For example, as shown in FIG. 9, only the groove 11B may be provided in the semiconductor thin film 15 and the through hole 11C may not be provided. Alternatively, as shown in FIG. 10, for example, when the thickness of the semiconductor thin film 15 is small, only the through hole 11C may be provided and the groove 11B may not be provided. Conversely, as shown in FIG. 11, when the thickness of the semiconductor thin film 15 is large, a narrower groove 11E may be provided on the bottom surface of the groove 11B.
[0055]
In addition, in the above-described embodiment, the case where both the oxide film 14 and the semiconductor thin film 15 are left in the bent portion 11 has been described. However, only the semiconductor thin film 15 may be left. As shown in FIG. 12, only the oxide film 14 may be left. However, since the semiconductor thin film 15 made of silicon is more resistant to bending than the oxide film 14 made of silicon dioxide, it is preferable that the semiconductor thin film 15 remains.
[0056]
Further, in the above embodiment, an optical deflector having a galvano mirror driven by electrostatic force as the mirror 20 has been described as an example. However, the present invention relates to an optical deflector using a polygon mirror (rotating polygon mirror). Is also applicable.
[0057]
In addition, in the above embodiment, the case where the three-dimensional structure of the present invention is applied to an optical deflector in an electronic device such as a laser scanner or a bar code reader has been described as an example. Compact barcode reader, beam scanner, laser printer, optical switch, projector, beam scanner for laser show, display, two-dimensional barcode reader, distance sensor, laser sonar, confocal microscope, laser microscope, optical prototyping, laser processing machine , PtoP (peer-to-peer) optical communication, optical communication, and other electronic devices.
[0058]
【The invention's effect】
As described above, according to the three-dimensional structure according to any one of claims 1 to 11, and the electronic device according to claim 14 or claim 15, the third device formed on the flat portion of the substrate. One electrode, a bent portion formed on the substrate that is not completely separated, an inclined portion formed by bending the substrate at the bent portion, and a first electrode between the inclined portion and the first electrode. And a second electrode formed so as to have a predetermined interval, so that a complicated structure such as bonding of substrates is not required, and a three-dimensional structure having excellent mechanical strength and high electrical reliability is provided. , Can be realized with a simple configuration and a manufacturing process. Further, the accuracy of the angle at which the substrate can be bent can be increased, and the yield can be improved.
[0059]
In addition, a large mirror is required especially in a barcode reader application. According to the present invention, a three-dimensional structure having sufficient mechanical strength capable of driving such a large mirror is realized. Becomes possible.
[0060]
In particular, according to the three-dimensional structure of the sixth aspect, since the substrate has a structure in which an oxide film and a semiconductor thin film are laminated on the surface of the holding substrate in this order, the three-dimensional structure is formed by micromachining the bulk substrate. The manufacturing process can be significantly simplified as compared to forming the structure.
[0061]
Further, in particular, according to the three-dimensional structure according to claim 8, since the bent portion has at least one of the groove and the through hole in the semiconductor thin film, the bent portion can be further easily bent. it can.
[0062]
In addition, in particular, according to the three-dimensional structure according to claim 11, since the thickness of the inclined portion is reduced by providing the concave portion on the back surface of the substrate, the substrate is bent on a flat support base. Can be. The angle at which the substrate is bent can be arbitrarily adjusted depending on how thin the thickness is.
[0063]
According to the method for manufacturing a three-dimensional structure according to the twelfth or thirteenth aspect, the substrate is bent along the bent part that is not completely separated to form the inclined part, so that the second electrode and the two-dimensional structure can be formed. Since a predetermined space is provided between the first electrode and the first electrode, a space perpendicular to the surface of the substrate can be formed between the second electrode and the first electrode by a simple process. it can. In addition, the mechanical strength and electrical reliability of the electrode can be improved.
[0064]
In particular, according to the three-dimensional structure manufacturing method of the thirteenth aspect, in the step of bending the substrate at the bending part, the substrate is bent along the jig having two angled flat surfaces. The angle can be adjusted arbitrarily by changing the angle between the two planes of the jig.
[Brief description of the drawings]
FIG. 1 is a perspective view illustrating an example of a configuration of a three-dimensional structure according to a first embodiment of the present invention.
FIG. 2 is an enlarged perspective view showing one of the driving units shown in FIG.
FIG. 3 is a cross-sectional view showing a method of manufacturing the three-dimensional structure shown in FIG. 1 in the order of steps.
FIG. 4 is a cross-sectional view for explaining a step that follows the step of FIG.
FIG. 5 is a cross-sectional view for describing a step that follows the step of FIG.
FIG. 6 is a cross-sectional view for describing a step that follows the step of FIG.
FIG. 7 is a characteristic curve showing a relationship between a voltage applied between electrodes shown in FIG. 1 and a rotation angle of a mirror.
FIG. 8 is a sectional view illustrating a method for manufacturing a three-dimensional structure according to the second embodiment of the present invention.
FIG. 9 is a perspective view illustrating another configuration example of the bent portion illustrated in FIG.
FIG. 10 is a perspective view illustrating still another configuration example of the bent portion illustrated in FIG.
FIG. 11 is a perspective view illustrating still another configuration example of the bent portion illustrated in FIG.
FIG. 12 is a perspective view illustrating still another configuration example of the bent portion illustrated in FIG.
FIG. 13 is a plan view and a front view illustrating a configuration example of a conventional vertical comb actuator.
FIG. 14 is a plan view and a front view illustrating another configuration example of the conventional vertical comb tooth actuator.
FIG. 15 is a perspective view for explaining a conventional method for forming an angle on a comb-shaped electrode.
[Explanation of symbols]
DESCRIPTION OF SYMBOLS 10 ... board | substrate, 11 ... bent part, 12A, 12B ... inclined part, 13 ... holding board, 13A ... recessed part, 14 ... oxide film, 15 ... semiconductor thin film, 16 ... resist, 20 ... mirror, 21 ... reflection film, 30A , 30B, 30C, 30D: drive unit, 31: first electrode, 32: second electrode, 33: interval, 34: voltage application unit

Claims (15)

平坦部を有する基板を用いた三次元構造体であって、
前記基板の平坦部に形成された変位可能な本体部と、
前記基板の平坦部に前記本体部に連結して形成された第1の電極と、
前記基板に形成された完全には切り離されていない直線状の折曲げ部と、
前記折曲げ部にそって前記基板の一部を折曲げることにより形成された傾斜部と、
前記傾斜部に前記第1の電極との間に所定の間隔を有するように形成され、前記第1の電極と共に駆動部を構成する第2の電極と
を備えたことを特徴とする三次元構造体。
A three-dimensional structure using a substrate having a flat portion,
A displaceable main body formed on a flat portion of the substrate,
A first electrode formed on the flat portion of the substrate so as to be connected to the body portion;
A straight bent portion that is not completely separated from the substrate,
An inclined portion formed by bending a part of the substrate along the bent portion,
A three-dimensional structure, comprising: a second electrode that is formed on the inclined portion so as to have a predetermined interval between the first electrode and the first electrode, and that forms a driving unit together with the first electrode. body.
前記第1の電極および第2の電極は、互いに噛み合う櫛歯状の形状を有する
ことを特徴とする請求項1記載の三次元構造体。
The three-dimensional structure according to claim 1, wherein the first electrode and the second electrode have a comb-like shape that meshes with each other.
前記第1の電極と第2の電極との間に電位差を付与する電圧印加手段を備え、前記電極間に生ずる静電力により前記第1の電極と共に前記本体部を駆動させる
ことを特徴とする請求項1記載の三次元構造体。
A voltage applying means for applying a potential difference between the first electrode and the second electrode, wherein the main body is driven together with the first electrode by an electrostatic force generated between the electrodes. Item 3. The three-dimensional structure according to Item 1.
前記本体部は、反射膜を有するミラーである
ことを特徴とする請求項1記載の三次元構造体。
The three-dimensional structure according to claim 1, wherein the main body is a mirror having a reflective film.
前記駆動部は、前記本体部を一方向に回転駆動させる第1の駆動部と、前記本体部を前記方向とは逆方向に回転駆動させる第2の駆動部とからなり、前記ミラーを揺動運動させる
ことを特徴とする請求項4記載の三次元構造体。
The drive unit includes a first drive unit that rotationally drives the main body unit in one direction, and a second drive unit that rotationally drives the main body unit in a direction opposite to the direction, and swings the mirror. The three-dimensional structure according to claim 4, wherein the three-dimensional structure is moved.
前記基板は、保持基板の表面に酸化膜および半導体薄膜をこの順に積層した構造を有するものである
ことを特徴とする請求項1記載の三次元構造体。
The three-dimensional structure according to claim 1, wherein the substrate has a structure in which an oxide film and a semiconductor thin film are laminated on a surface of a holding substrate in this order.
前記折曲げ部は、前記保持基板を選択的に除去することにより前記酸化膜および前記半導体薄膜のうち少なくとも一方を残存させた構成を有する
ことを特徴とする請求項6記載の三次元構造体。
The three-dimensional structure according to claim 6, wherein the bent portion has a configuration in which at least one of the oxide film and the semiconductor thin film is left by selectively removing the holding substrate.
前記折曲げ部を構成する半導体薄膜は、溝および貫通孔のうち少なくとも一方を有する
ことを特徴とする請求項7記載の三次元構造体。
The three-dimensional structure according to claim 7, wherein the semiconductor thin film forming the bent portion has at least one of a groove and a through hole.
前記第1の電極および第2の電極は前記半導体薄膜に設けられている
ことを特徴とする請求項6記載の三次元構造体。
The three-dimensional structure according to claim 6, wherein the first electrode and the second electrode are provided on the semiconductor thin film.
前記半導体薄膜に、前記本体部として反射膜を有するミラーが設けられている
ことを特徴とする請求項6記載の三次元構造体。
7. The three-dimensional structure according to claim 6, wherein a mirror having a reflection film as the main body is provided on the semiconductor thin film.
前記傾斜部は、前記基板の裏面に凹部が設けられることにより厚みが薄くなっており、前記傾斜部の前記折曲げ部に対向する端部が前記支持台に接するまで前記基板の一部が前記折曲げ部で折り曲げられた
ことを特徴とする請求項1記載の三次元構造体。
The inclined portion has a thickness reduced by providing a concave portion on the back surface of the substrate, and a part of the substrate is formed until the end of the inclined portion facing the bent portion contacts the support base. The three-dimensional structure according to claim 1, wherein the three-dimensional structure is bent at a bent portion.
平坦部を有する基板を用いた三次元構造体の製造方法であって、
前記基板の平坦部に、変位可能な本体部および前記本体部に連結した第1の電極、並びに前記第1の電極と対をなし、かつ前記本体部と連結されない第2の電極を形成する工程と、
前記基板を選択的に除去し、完全には切り離されていない直線状の折曲げ部を形成する工程と、
前記折曲げ部にそって前記基板の一部を折曲げて傾斜部を形成することにより、前記第2の電極と前記第1の電極との間に所定の間隔を設け、前記第1の電極と第2の電極とからなる駆動部を形成する工程と
を含むことを特徴とする三次元構造体の製造方法。
A method for manufacturing a three-dimensional structure using a substrate having a flat portion,
Forming a displaceable main body, a first electrode connected to the main body, and a second electrode paired with the first electrode and not connected to the main body on a flat portion of the substrate; When,
Selectively removing the substrate, forming a straight bend that is not completely separated,
A predetermined interval is provided between the second electrode and the first electrode by bending a part of the substrate along the bent portion to form an inclined portion; Forming a driving section comprising a first electrode and a second electrode.
前記折曲げ部で前記基板を折り曲げる工程において、前記基板を、角度の付いた二つの平面を有するジグに沿わせる
ことを特徴とする請求項12記載の三次元構造体の製造方法。
13. The method of manufacturing a three-dimensional structure according to claim 12, wherein, in the step of bending the substrate at the bending portion, the substrate is made to follow a jig having two angled flat surfaces.
平坦部を有する基板を用いた三次元構造体を備えた電子機器であって、
前記三次元構造体は、
前記基板の平坦部に形成された変位可能な本体部と、
前記基板の平坦部に前記本体部に連結して形成された第1の電極と、
前記基板に形成された完全には切り離されていない直線状の折曲げ部と、
前記折曲げ部にそって前記基板の一部を折曲げることにより形成された傾斜部と、
前記傾斜部に前記第1の電極との間に所定の間隔を有するように形成され、前記第1の電極と共に駆動部を構成する第2の電極と
を備えたことを特徴とする電子機器。
An electronic device including a three-dimensional structure using a substrate having a flat portion,
The three-dimensional structure,
A displaceable main body formed on a flat portion of the substrate,
A first electrode formed on the flat portion of the substrate so as to be connected to the body portion;
A straight bent portion that is not completely separated from the substrate,
An inclined portion formed by bending a part of the substrate along the bent portion,
An electronic device, comprising: a second electrode that is formed on the inclined portion so as to have a predetermined distance between the first electrode and the first electrode and that forms a driving unit together with the first electrode.
前記本体部は、反射膜を有するミラーである
ことを特徴とする請求項14記載の電子機器。
The electronic device according to claim 14, wherein the main body is a mirror having a reflective film.
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