JP2006072252A

JP2006072252A - プレーナ型アクチュエータ及びその製造方法

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Publication number: JP2006072252A
Application number: JP2004258851A
Authority: JP
Inventors: Yuzuru Ueda; 譲上田; Kazuhiro Chokai; 和宏鳥海
Original assignee: Nippon Signal Co Ltd; Citizen Miyota Co Ltd
Current assignee: Nippon Signal Co Ltd; Citizen Miyota Co Ltd
Priority date: 2004-09-06
Filing date: 2004-09-06
Publication date: 2006-03-16
Anticipated expiration: 2024-09-06
Also published as: JP4536462B2

Abstract

【課題】可動部の上下方向の移動を規制してトーションバー等の破損を防止するための規制部を、適切な位置に容易に配置できるようにしたプレーナ型アクチュエータ及びその製造方法を提供する。
【解決手段】可動部３と、可動部３を固定部１に対して回動可能に軸支するトーションバー２とを、半導体基板に一体形成し、可動部３をトーションバー軸回りに駆動する駆動コイル４及び永久磁石６Ａ，６Ｂからなる駆動手段を備えるプレーナ型アクチュエータにおいて、トーションバー２部分の下方に、可動部３の上下方向の移動を規制する規制部７を、固定部１と一体形成した。
【選択図】図１

Description

本発明は、半導体製造技術を利用して製造するプレーナ型アクチュエータに関し、特に、トーションバーの破損を防止する技術に関する。また、このプレーナ型アクチュエータの製造方法に関する。

従来、半導体製造技術を利用して製造するプレーナ型アクチュエータは、半導体基板に、可動部と、該可動部を回動可能に軸支するトーションバーとを一体に形成し、可動部に対して例えば電磁力、静電引力等の駆動力を作用させて、可動部を回動させる構成である。そして、例えば可動部にミラーを設けることにより、光ビームを偏向走査する光スキャナ等に適用される。

かかるプレーナ型アクチュエータは、可動部に対して上下方向の力が繰り返し加わると、極めて細いトーションバーが破損する虞れがあるため、従来、可動部を形成する半導体基板の上下に、可動部の回動動作を許容するための溝を設けた絶縁基板をそれぞれ設け、これら上側及び下側絶縁基板の溝部の可動部中心部と対面する部位に、可動部の上下方向の移動を規制する部材を設けたものが提案されている（例えば、特許文献１参照）。
特開２０００−２５８７２１号公報

ところで、特許文献１では、半導体基板と別部材の絶縁基板に規制部材を形成した後、半導体基板に絶縁基板を貼り合わせて形成するため、可動部の回動動作を妨げない可動部中心部に規制部材が正確に位置するよう、半導体基板と絶縁基板を精度良く貼り合わせる必要がある。しかし、規制部材の表面を絶縁基板表面と面一に形成する従来の構成では、半導体基板と絶縁基板の位置合わせが極めて難しく、半導体基板と絶縁基板を精度良く貼り合わせることが難しいという問題がある。また、規制部材を、可動部中心部に配置しているために、可動部の裏面側にミラーを設けることができなかった。

本発明は前記問題点に着目してなされたもので、可動部の上下方向の移動を規制する規制部を、適切な位置に容易に配置できるようにしたプレーナ型アクチュエータ及びその製造方法を提供することを目的とする。

このため、請求項１の第１の発明は、可動部と、該可動部を固定部に対して回動可能に軸支するトーションバーとを、半導体基板に一体形成し、前記可動部を前記トーションバーの軸回りに駆動する駆動手段を備える構成のプレーナ型アクチュエータにおいて、前記トーションバー部分が当接可能な位置で前記可動部の上下方向の移動を規制する規制部を、前記半導体基板に一体形成したことを特徴とする。

かかる構成では、可動部の上下方向の移動を規制する規制部を、半導体基板に一体に形成するので、従来のような規制部を形成した部材と半導体基板との位置合わせが不要になる。また、規制部を、可動部部分ではなくトーションバー部分が当接可能な位置に配置することにより、可動部裏面側にミラーを設けることが可能になる。

前記規制部は、請求項２のように、前記トーションバーの上方側及び下方側の少なくとも一方側に設ける構成とする。
前記規制部は、請求項３のように、前記固定部の表面と段違いに前記固定部より薄く形成する構成とするとよい。
かかる構成では、可動部にミラーを設けて光ビームを偏向走査する場合に、光ビームを走査する際に、規制部が邪魔にならず光ビームの走査範囲を広くできるようになる。

請求項４のプレーナ型アクチュエータの製造方法では、前記可動部を半導体基板に形成する工程と、該可動部を固定部に対して回動可能に軸支するトーションバーを前記半導体基板に形成する工程と、前記可動部を前記トーションバーの軸回りに駆動する駆動手段を形成する工程と、前記トーションバー部分が当接可能な位置で前記可動部の上下方向の移動を規制する規制部を前記半導体基板に形成する工程と、を備えることを特徴とする。

前記規制部を半導体基板に形成する工程は、請求項５のように、ＳＯＩ半導体基板の前記規制部形成部位に複数の孔を形成した後、該複数の孔を介してＳＯＩ半導体基板の埋め込み酸化膜をエッチング除去し、前記トーションバー部分との間に隙間を形成して前記規制部を形成するようにするとよい。

請求項６の第２の発明は、可動部と、該可動部を固定部に対して回動可能に軸支するトーションバーとを、半導体基板に一体形成し、前記可動部を前記トーションバーの軸回りに駆動する駆動手段を備える構成のプレーナ型アクチュエータにおいて、前記トーションバー部分が当接可能な位置で前記可動部の上下方向の移動を規制する規制部を枠の内側に突設形成した枠状部材を、前記可動部及びトーションバーより厚い枠状の前記固定部が形成された前記半導体基板の前記固定部表面に、前記規制部部分を前記固定部内側に嵌合して貼り合わせる構成とした。

かかる構成では、半導体基板とは別の枠状部材の内側に突設形成した規制部を半導体基板の枠状の固定部内側に嵌合するようにして、枠状部材を半導体基板に貼り合わせればよいので、半導体基板と枠状部材の面倒な位置合わせを行う必要がない。

以上説明したように第１の発明のプレーナ型アクチュエータによれば、規制部を、可動部やトーションバーを形成する半導体基板に一体に形成すると共に可動部部分ではなくトーションバー部分に形成したので、可動部の回動動作を妨げないよう、規制部を設けた別部材と半導体基板とを高精度に位置合わせする必要がなく、規制部を適切な位置に容易に配置できる。また、別部材と半導体基板の貼り合わせ作業を省略できるので、製造工程を簡素化できる。

第２の発明のプレーナ型アクチュエータによれば、半導体基板に枠状部材の規制部部分を嵌合して、半導体基板に枠状部材を貼り合わせればよいので、従来のような規制部を設けた別部材と半導体基板とを精度良く位置合わせする作業を行うことなく、規制部を適切な位置に容易に配置できる。

以下、本発明の実施形態を図面に基づいて説明する。
図１に、第１の発明に係るプレーナ型アクチュエータの第１実施形態の平面図を示す。
図１において、本実施形態のプレーナ型アクチュエータは、枠状の固定部１に一対のトーションバー２を介して平板状の可動部３を回動可能に軸支する。前記固定部１、トーションバー２及び可動部３は、半導体基板である例えばＳＯＩ(Silicon-on-insulator)基板を用いて一体に形成される。本実施形態のプレーナ型アクチュエータは、電磁駆動タイプであり、可動部３の周縁部に、通電により磁界を発生する駆動コイル４を形成する。駆動コイル４は、各トーションバー２を通って固定部１に形成した一対の電極端子５Ａ，５Ｂに電気的に接続する。トーションバー２の軸方向と平行な可動部対辺部と対面する固定部１の外方には、前記可動部対辺部の駆動コイル４部分に静磁界を作用する静磁界発生手段として一対の例えば永久磁石６Ａ，６Ｂが、互いに反対磁極を対向して配置する。ここで、駆動コイル４と永久磁石６Ａ，６Ｂで、可動部３を駆動する駆動手段を構成する。尚、静磁界発生手段は、電磁石でもよい。

各トーションバー２の下方には、可動部３の上下方向の移動を規制する規制部７が、固定部１と一体にＳＯＩ(Silicon-on-insulator)基板に形成されている。規制部７の下面は、図１の裏面を示す図２に示すように固定部１の下面と面一に形成されている。また、規制部７の上面は、図３に示すようにトーションバー２の下面と適切な間隔を有しており、可動部３に対して上下方向の力が作用して可動部３及びトーションバー２が下方に移動したときに、トーションバー２下面が規制部７上面に当接してそれ以上のトーションバー２の移動を規制して可動部３の移動を規制する。尚、図中、８は、規制部７に複数形成したリリース用孔であり、後述する製造工程においてＳＯＩ基板１００の規制部７とトーションバー２との間の埋め込み酸化膜１００ｂ部分をエッチング除去するためのものである。

本実施形態の電磁駆動タイプのプレーナ型アクチュエータは、駆動コイル４に電流を流すことにより発生する磁界と、永久磁石６Ａ，６Ｂの作る静磁界との相互作用により、トーションバーの軸方向と平行な可動部対辺部にフレミングの左手の法則に従った方向に電磁力が作用して可動部３が回動する。可動部３が回動するとトーションバー２が捩じられてばね反力が発生し、電磁力とばね反力が釣り合う位置まで可動部３が回動する。

かかる本実施形態のプレーナ型アクチュエータによれば、可動部３の上下方向の移動を規制する規制部７を、固定部１、トーションバー２及び可動部３と共に半導体基板に一体に形成すると共に可動部３部分ではなくトーションバー２部分に形成したので、従来のように別部材に規制部を設けて半導体基板と貼り合わせる必要がなく、貼り合わせ作業を省略できる。また、可動部の回動動作を妨げないようにするための高精度な位置合わせ作業の必要がなく、規制部を適切な位置に容易に配置できる。更に、可動部３の下面側は開口状態になっており従来のように規制部が存在しないので、可動部３の下面側にもミラーを設けることができる。

次に、第１の発明のプレーナ型アクチュエータの製造工程を図４及び図５に基づいて説明する。尚、図４及び図５は、図１のＡ−Ｏ−Ｂに沿った断面で示す。
ＳＯＩ基板１００を準備する。ＳＯＩ基板１００は、例えば１００μｍのシリコン活性層１００ａと、１μｍの埋め込み酸化膜１００ｂと、４００μｍのシリコン支持基板層１００ｃを積層した構造である。このＳＯＩ基板１００の両面に、例えば１μｍのＳｉＯ₂の熱酸化膜１０１ａ，１０１ｂを形成する（工程（ａ））。

次に、固定部１部分と、リリース用孔８部分を除いた規制部７部分とをレジストでマスクし、ＲＩＥ(Reaction Ion Etching)装置等によるドライエッチングやフッ酸系のウェットエッチングによりシリコン支持基板層１００ｃ側の熱酸化膜１０１ｂをエッチングして除去する。そして、レジストと熱酸化膜１０１ｂをマスクとして、ＲＩＥ装置を用いてシリコン支持基板層１００ｃを４００μｍエッチングした後、レジストを除去する。この際、埋め込み酸化膜１００ｂがエッチストップ層となる。これにより、規制部７にリリース用孔８が形成される。また、可動部３の下面側が開口状態に形成される（工程（ｂ））。

次に、シリコン活性層１００ａ側の熱酸化膜１０１ａを保護した後、フッ酸系のウェットエッチングにより、シリコン支持基板層１００ｃ側の熱酸化膜１０１ｂと埋め込み酸化膜１００ｂを等方性エッチングする。等方性エッチングのため、リリース用孔８からサイドエッチングにより、図に示すようにトーションバー２部分と規制部７部分との間の埋め込み酸化膜１００ｂも除去される。これにより、規制部７が形成される（工程（ｃ））。

次に、駆動コイルを形成する。まず、熱酸化膜１０１ａの略全面に例えば良電導性の金属としてアルミニウムの薄膜を１μｍ程度の厚さでスパッタリング等により形成する。その後、駆動コイル４、一方のトーションバー２側の配線部分、電極端子５Ａ，５Ｂ及びコンタクト部にそれぞれ相当する部分を、ポジ型レジストでマスクし、アルミニウム薄膜をエッチングした後、ポジ型レジストを除去する。これにより、電極端子５Ａ，５Ｂや１層目の駆動コイル４と一方の電極端子との接続配線部分に相当するアルミニウム層と、１層目の駆動コイル４に相当するアルミニウム層１０２ａ、１層目のコンタクト部１０３ａが形成される（工程（ｄ））。

次に、感光性ポリイミド等の絶縁物質を例えば２μｍの厚さで塗布し、１層目のアルミニウム層１０２ａと１層目の駆動コイル４と一方の電極端子との接続配線部分に相当するアルミニウム層をマスクした後、ポリイミドを除去する。これにより、１層目のアルミニウム層１０２ａと一方の電極端子までの接続配線部分に相当するアルミニウム層を覆う厚さ２μｍのポリイミドの絶縁層１０４が形成される。

次に、工程（ｄ）と同様にして、ＳＯＩ基板１００の略全面にアルミニウムの薄膜を１μｍ程度成膜した後、これをエッチングして、電極端子５Ａ，５Ｂと、２層目の駆動コイル４と他方の電極端子との接続配線部分に相当するアルミニウム層と、２層目の駆動コイル４に相当するアルミニウム層１０２ｂ、２層目のコンタクト部１０３ｂが形成される。これにより、コンタクト部１０３ａと１０３ｂを介して１層目の駆動コイル４と２層目の駆動コイル４が接続される。そして、前述と同様にして、感光性ポリイミドを例えば２μｍの厚さで塗布し、２層目のアルミニウム層１０２ｂと２層目の駆動コイル４と他方の電極端子との接続配線部分に相当するアルミニウム層部分をマスクした後、ポリイミドを除去する。これにより、２層目のアルミニウム層１０２ｂと、２層目のアルミニウム層１０２ｂと他方の電極端子までの接続配線部分に相当するアルミニウム層とを覆う厚さ２μｍのポリイミドの絶縁層１０５が形成される。（工程（ｅ））。

次に、シリコン活性層１００ａ側の熱酸化膜１０１ａの固定部１、トーションバー２及び可動部３に相当する部分をレジストマスクで覆い、熱酸化膜１０１ａをエッチングして除去した後、レジストをマスクとして、ＲＩＥ装置を用いてシリコン活性層１００ａを１００μｍエッチングし、レジストを除去する（工程（ｆ））。これにより、図１に示すような規制部７を半導体基板に一体形成したプレーナ型アクチュエータが形成される。

次に、本発明の第２実施形態について説明する。尚、第１実施形態と同一要素には同一符号を付して説明を省略する。
第２実施形態は、図６に示すように、規制部７の下面が固定部１の下面と段違いとなるように固定部１より厚さを薄く形成してある。尚、第２実施形態の上面側平面形状は、図１に示す第１実施形態は同じである。

かかる第２実施形態の構成によれば、可動部３の下面側にミラーを設けた場合に、規制部７の厚さが薄いために、光ビームの走査角度範囲を第１実施形態と比較して広くできる利点がある。

次に、第２実施形態のプレーナ型アクチュエータの製造工程を図７に基づいて説明する。尚、図７は、図１のＡ−Ｏ−Ｂに沿った断面で示す。
第１実施形態と同様のＳＯＩ基板１００を準備し、ＳＯＩ基板１００の両面に、第１実施形態と同様に例えば１μｍのＳｉＯ₂の熱酸化膜１０１ａ，１０１ｂを形成する（工程（ａ））。

次に、固定部１部分をレジストでマスクし、ＲＩＥ(Reaction Ion Etching)装置等によるドライエッチングやフッ酸系のウェットエッチングによりシリコン支持基板層１００ｃ側の熱酸化膜１０１ｂをエッチングして除去する。その後、固定部１部分と、リリース用孔８部分を除いた規制部７部分とをレジスト１１０でマスクし、ＲＩＥ装置を用いてシリコン支持基板層１００ｃを２００μｍエッチングする（工程（ｂ））。

次に、レジスト１１０を除去した後、熱酸化膜１０１ｂをマスクとしてＲＩＥ装置を用いてシリコン支持基板層１００ｃを２００μｍエッチングする。この際、埋め込み酸化膜１００ｂがエッチストップ層となる（（工程（ｃ））。

次に、シリコン活性層１００ａ側の熱酸化膜１０１ａを保護した後、フッ酸系のウェットエッチングにより、シリコン支持基板層１００ｃ側の熱酸化膜１０１ｂと埋め込み酸化膜１００ｂを等方性エッチングする。これにより、固定部１の下面と段違い形状の固定部１より厚さの薄い規制部７が形成される（工程（ｄ））。
その後の駆動コイル４の形成工程は、図５に示す第１実施形態と同様であるので説明を省略する。

図８に、第３実施形態を示す。本実施形態は、２次元タイプの電磁駆動プレーナ型アクチュエータに適用した場合の実施形態である。
図８において、２次元タイプのプレーナ型アクチュエータは、固定部１に外側トーションバー２Ａで回動可能に支持した枠状の外側可動部３Ａと、該外側可動部３Ａに前記外側トーションバー２Ａと軸方向が直交する内側トーションバー２Ｂで回動可能に支持した内側可動部３Ｂとを備える。また、図示しないが、外側可動部３Ａには電極端子５Ａ，５Ｂに接続する外側駆動コイルが設けられ、内側可動部３Ｂには電極端子９Ａ，９Ｂに接続する内側駆動コイルが設けられる。そして、外側トーションバー２Ａの軸方向と平行な外側可動部３Ａの両対辺部の駆動コイル部分と、内側トーションバー２Ｂの軸方向と平行な内側可動部３Ｂの両対辺部の駆動コイル部分とに、それぞれ図１に示すようにして配置した永久磁石等の静磁界発生手段（図示省略）により静磁界を作用する構成である。

そして、本実施形態では、外側トーションバー２Ａの下方に、外側及び内側可動部３Ａ，３Ｂの上下方向の移動を規制する図１と同様の規制部７を、固定部１に半導体基板で一体に形成する構成である。これにより、２次元タイプのプレーナ型アクチュエータにおける外側及び内側可動部３Ａ，３Ｂの上下方向の移動を規制でき、２次元タイプのプレーナ型アクチュエータの耐久性を向上できる。また、１次元タイプより更に高精度の規制部の位置合わせが要求される２次元タイプのプレーナ型アクチュエータでも、１次元タイプと同様にして規制部７を容易に設けることができる。

尚、規制部７の形状は、１次元タイプ及び２次元タイプ共に上述した実施形態に限定されず、例えば固定部１の下面側から見た場合に、図９や図１０に示すような形状でもよい。また、言うまでもなく、図９及び図１０の形状において、規制部７を固定部より薄い段付き形状としてもよい。更に、規制部７は、トーションバー２が上下方向に移動したときにトーションバー２が当接してその移動が規制できればよく、トーションバー２の幅より狭い形状でもよい。

次に、第２の発明に係るプレーナ型アクチュエータの実施形態について説明する。
図１１に、第２の発明の実施形態の断面図を示す。尚、図１と同一要素には同一符号を付して説明を省略する。
図１１において、本実施形態のプレーナ型アクチュエータは、固定部１、トーションバー２及び可動部３を半導体基板で一体形成し、駆動コイル４、電極端子５Ａ，５Ｂを備える図１と同様の構成のアクチュエータ本体１０と、規制部１１を突設形成した部材として例えばガラス基板１２とを備えて構成されている。尚、図示しないが、アクチュエータ本体１０に静磁界を作用する図１と同様に配置された静磁界発生手段が設けられていることは言うまでもない。

前記ガラス基板１２は、図１２に示すように、アクチュエータ本体１０のトーションバー２及び可動部３より厚く枠状に形成された固定部１の下面形状と対応する枠部１２Ａの内側に、規制部１２Ｂがアクチュエータ本体１０の固定部１内側に嵌合可能に突設形成されている。

かかる構成のアクチュエータは、アクチュエータ本体１０下面の固定部１内側にガラス基板１２の規制部１２Ｂ部分を嵌合し、アクチュエータ本体１０下面側にガラス基板１２を貼り合わせる。これにより、ガラス基板１２の規制部１２Ｂが、アクチュエータ本体１０のトーションバー２下方に位置し、トーションバー２及び可動部３の上下方向の移動を規制するようになる。

かかる実施形態によれば、ガラス基板１２をアクチュエータ本体１０に嵌め込むだけで、規制部１２Ｂを所定の適切な位置に配置できるので、従来のような規制部１２Ｂの位置合わせ作業が不要になる。

規制部の形状は、上記実施形態に限らず、例えば図１３のようにＬ字状に形成してもよく、図１４のように図１２のものより幅の狭い形状でもよく、トーションバー２の移動を規制できる形状であればどのような形状でもよい。

尚、上記の各実施形態では、規制部を、アクチュエータ下面側に設ける構成を示したが、アクチュエータの上面側に設けてもよく、また、アクチュエータの上下面の両方に設けてもよい。
また、本発明は、上述した電磁駆動タイプのプレーナ型アクチュエータだけでなく、静電駆動タイプ、圧電駆動タイプ等、あらゆるプレーナ型アクチュエータに適用できる。

第１の発明に係るプレーナ型アクチュエータの第１実施形態を示す平面図第１実施形態の裏面側を示す平面図第１実施形態のトーションバー付近を示す斜視図第１実施形態のアクチュエータの製造工程を示す説明図図４に続く製造工程を示す説明図第１の発明に係る第２実施形態のトーションバー付近の裏面側を示す斜視図第２実施形態のアクチュエータの製造工程を示す説明図第１の発明に係る第３実施形態を示す２次元タイプのアクチュエータの裏面側を示す平面図別の形状の規制部を設けたアクチュエータの裏面側を示す平面図更に別の形状の規制部を設けたアクチュエータの裏面側を示す平面図第２の発明に係るプレーナ型アクチュエータの実施形態を示す断面図規制部を突設形成したガラス基板の斜視図別の形状の規制部を突設形成したガラス基板の斜視図更に別の形状の規制部を突設形成したガラス基板の斜視図

符号の説明

１固定部
２，２Ａ，２Ｂトーションバー
３，３Ａ，３Ｂ可動部
４駆動コイル
５Ａ，５Ｂ，９Ａ，９Ｂ電極端子
６Ａ，６Ｂ永久磁石
７，１２Ｂ規制部
１０アクチュエータ本体
１２ガラス基板

Claims

可動部と、該可動部を固定部に対して回動可能に軸支するトーションバーとを、半導体基板に一体形成し、前記可動部を前記トーションバーの軸回りに駆動する駆動手段を備える構成のプレーナ型アクチュエータにおいて、
前記トーションバー部分が当接可能な位置で前記可動部の上下方向の移動を規制する規制部を、前記半導体基板に一体形成したことを特徴とするプレーナ型アクチュエータ。
前記規制部は、前記トーションバーの上方側及び下方側の少なくとも一方側に設ける構成とした請求項１に記載のプレーナ型アクチュエータ。
前記規制部は、前記固定部の表面と段違いに前記固定部より薄く形成する構成とした請求項１又は２に記載のプレーナ型アクチュエータ。
前記可動部を半導体基板に形成する工程と、該可動部を固定部に対して回動可能に軸支するトーションバーを前記半導体基板に形成する工程と、前記可動部を前記トーションバーの軸回りに駆動する駆動手段を形成する工程と、前記トーションバー部分が当接可能な位置で前記可動部の上下方向の移動を規制する規制部を前記半導体基板に形成する工程と、を備えることを特徴とするプレーナ型アクチュエータの製造方法。
前記規制部を半導体基板に形成する工程は、ＳＯＩ半導体基板の前記規制部形成部位に複数の孔を形成した後、該複数の孔を介してＳＯＩ半導体基板の埋め込み酸化膜をエッチング除去し、前記トーションバー部分との間に隙間を形成して前記規制部を形成するようにした請求項４に記載のプレーナ型アクチュエータの製造方法。
可動部と、該可動部を固定部に対して回動可能に軸支するトーションバーとを、半導体基板に一体形成し、前記可動部を前記トーションバーの軸回りに駆動する駆動手段を備える構成のプレーナ型アクチュエータにおいて、
前記トーションバー部分が当接可能な位置で前記可動部の上下方向の移動を規制する規制部を枠の内側に突設形成した枠状部材を、前記可動部及びトーションバーより厚い枠状の前記固定部が形成された前記半導体基板の前記固定部表面に、前記規制部部分を前記固定部内側に嵌合して貼り合わせる構成としたことを特徴とするプレーナ型アクチュエータ。