JP2006201520A - Ｍｅｍｓミラースキャナ - Google Patents

Abstract

【課題】静電駆動用ＭＥＭＳミラースキャナにおいて、部品点数の削減と製造プロセスの簡素化により、製造コストの低減と品質の向上を図る。
【解決手段】 上下２層の基板１０Ａ，１０Ｂで構成され、上層基板１０Ａは、一対のサスペンションビーム間で揺動支持可能に構成したミラー１１と、サスペンションビームに沿ってミラー１１の揺動軸方向に直交する両側に静電駆動部を備えたシリコン材からなり、下層基板１０Ｂは、ミラー１１が揺動可能なように空間が形成された絶縁材料からなり、上層基板１０Ａは、揺動軸を含み、上層基板の厚み方向に平行な面を対称面として揺動する部分が幾何学的に非対称になるように形成されている。
【選択図】 図１Ａ

Description

この発明は、高速スキャニングが可能なレーザープリンタ用途に最適な小型ミラースキャナに関し、詳しくはシリコン基板を用いたマイクロ−エレクトロ−メカニカルシステム（ｍｉｃｒｏ−ｅｌｅｃｔｒｏ−ｍｅｃｈａｎｉｃａｌ ｓｙｓｔｅｍ、以下ＭＥＭＳという）による新規なＭＥＭＳミラースキャナに関する。

従来、レーザープリンタなどの用途でスキャナエンジンとして使用されるデバイスに、ポリゴンミラースキャナが用いられ、これは多角柱状ミラーをその軸中心に高速回転させることができ、高速のスキャニング動作を実現できた。
特開平５−１１９２７９

近年、シリコンなどの半導体基板に、エッチングや成膜などのマイクロマシニング技術を用い、例えば所要の溝を形成して構成したミラーをサスペンションビームで揺動可能に支持し、ミラー部と溝周辺に設けた電極対により静電力を発生させて、前記ミラーを揺動運動させる静電駆動型ＭＥＭＳミラースキャナが種々提案されている。
特開２００２−３１１３７６ 特開２００３−０１５０６４

前記静電駆動型ミラースキャナーは、文字どおり静電力で駆動され、サスペンションビームを軸とする回動角によって、入射させた光の反射経路を変換することが可能であり、レーザー光のスイッチングやスキャニングが実施できる。しかし、その駆動速度は、ポリゴンミラースキャナと比較してずっと低速度しか得られないものであった。

一方、基本構造に平行磁場を発生させる磁場発生手段と、棒状トーションバーで揺動可能に支持したミラーを有した電磁駆動型ミラースキャナは、電磁型の駆動力が大きく、偏向角度と動作周波数を向上させやすい利点がある。

また、ジンバル構造の光偏向器の構成を採り、シリコン基板と複数のポリイミド膜、金属膜とを積層し平行磁場中に配置された偏向ミラー素子アレイとを有した電磁駆動型ミラースキャナは、弾性部材としてのメッシュ状部を有するポリイミド膜を用いることで、例えば４．５ｍｍ×３．３ｍｍのミラーサイズで４０００Ｈｚの共振周波数を有し、高速スキャニングを可能にしている。
特開２００３−２７０５５８

シリコン基板を用いて数ｍｍ角寸法のミラーをサスペンションビームで揺動可能に支持する構成のＭＥＭＳミラースキャナは、ポリゴンミラースキャナに対して、小型化が容易であり、光学系の小型化と省レンズが可能となり、また回転体がなく発塵フリーであり、さらに省電力、静音、低振動、起動時間短縮などさまざまなメリットが得られる。

ポリゴンミラースキャナに匹敵あるいはそれ以上の高速スキャニングを可能する、特にレーザープリンタ用途としては、必要な印字分解能を得るために大きな寸法のミラーが必要となるため、ミラーを大型化し、高速で且つ大振幅で動作させる必要がある。

レーザープリンタ用途としては、必要な印字分解能を得るために大きな寸法のミラーが必要となり、該ミラーの大型化に伴いミラー部の慣性モーメントが大きくなり、共振周波数が低下してしまうという問題があった。また、大きなミラーのＭＥＭＳミラースキャナを高速化（高周波化）するには、例えばトーションバーの剛性を上げる必要があるが、トーションバーの剛性を上げると、静電型では駆動力が低いためミラーを十分な動作振幅で駆動できなくなる問題があり、これも静電駆動型ＭＥＭＳミラースキャナの実用化を困難にしている大きな一因である。

そこで、これらの問題を克服すべく、発明者らは種々研究を重ねた。しかし、これまでに開発された静電駆動型ＭＥＭＳミラースキャナは、全てサスペンションビーム及び静電駆動部を含むミラーを形成する基板に加え、該ミラーに最初の駆動（以下、初動という。）を与える電極を備えた別の基板を必要としており、前記各々の電極を備えた基板同士を接合する際のアライメント精度の問題や、プロセス数及び部品点数の増大により、歩留まりの低下とコスト高を招くこととなった。

一方、前記ミラーを構成する基板に対しては、例えば櫛歯構造による静電力を利用する駆動方法を採用する場合、該ミラーを構成する基板にのみ電圧を印加しても、単に櫛歯が平面方向で引き合い又は反発するだけであって、ミラーに対して初動、即ち、ミラーを静止状態から最初に動かせるために必要なサスペンションビームの捩れを生じさせる外力を与えるためには、どうしても該基板の上方または下方に電極を設けた別の基板が必要であった。即ち、共振現象を利用したミラースキャナでは、初動のための最初の変位を如何に与えるかが重要であり、その問題を克服すれば、安定かつ継続したミラーの駆動が可能となることが分かった。この点については、発明者らが当初、上層基板のみに単に静電駆動源を設けて一体化すれば、ミラーの初動についても容易に与えられると考えていたことには誤りがあることが、様々な実験を通じて明らかとなった。

この発明は、静電駆動用ＭＥＭＳミラースキャナにおいて、ポリゴンミラースキャナと同等以上の高速スキャニングを実現できるという性能を維持しつつ、従来と全く異なる構成の採用と製造プロセスの簡素化により、製造コストの低減と品質の向上を図ること目的とする。

発明者らは、既に同一出願人により提案されている静電駆動型ＭＥＭＳミラースキャナに関し、その構造が複雑であるために生産段階では歩留まりの低下を招き、製造コストを押し上げている問題について検討した。具体的には、実際にミラーが形成されている基板と、該ミラーに対して初動を与えるための電極が配置された基板との関係について、仮に該ミラーに初動を与える手段をミラーが形成されている基板と同一の基板上に設けることができれば、初動を与えるという重要な役割を担っていた別の基板を取り除くことが可能となり、結果として部品点数の低減及び製造プロセスの簡素化を図ることができると考え、それを可能とする手段について鋭意検討を行った。

その結果、ミラーに初動を与えるためには、ミラー自身やミラーと一体的に揺動することになるサスペンションビームや静電駆動部の一方の櫛歯構造、あるいは、揺動はしないが、該静電駆動部を構成する固定された他方の櫛歯構造について、揺動軸に直交する両側の形状を敢えて非対称な構造とし、換言すれば、幾何学的に非対称とする構造を採用することにより、従来のように別の基板に設けた電極への電圧印加という手段を用いずに、ミラーに初動のための十分な駆動力を与えることができ、且つ揺動時においても支障なく継続して動作しうることを知見した。

また、発明者らは、上記目的を達成すべく、より好ましい態様としてサスペンションビームを支持するとともに、揺動時の復元力を強めるため設けていたトーションバーの構造についても検討を行った。その結果、該トーションバーのバネ構造における固定端との接合部分をミラーの揺動軸上に配置しない構造、換言すれば、該固定端部がミラーの揺動軸上以外に配置されている構造を採用することにより、揺動部分となるミラー及びサスペンションビーム等の安定状態においても該揺動部分が固定されている上層基板の表面に対して若干傾いた状態となるため、固定櫛歯と揺動櫛歯が対向する面積が揺動軸に直交する両側で異なることとなるため、従来のように別の基板に設けた電極への電圧印加という手段を用いることなく、上層基板への電圧印加によりミラーに対して初動のための十分な駆動力を与えることができ、且つ揺動時においても支障なく継続して動作しうることを知見した。

さらに、発明者らは、ミラーを形成する基板については、依然として、同一出願人により既に提案されているシリコン材を用いることが加工精度の高いドライエッチング技術を適用できることによりプロセス上の優位性を維持できると判断する一方、その土台となる下層基板については、上記目的を達成するために新たな材料を種々検討した。その結果、従来のように、ミラーに初動を与えるために設けていた電極配置等の高精度のプロセスが不要となったことからシリコン酸化物などの絶縁材料、例えば珪ホウ酸ガラス材料を用いれば、上層の支持とミラーの稼動空間の確保が可能であるとともに、揺動櫛歯部と固定櫛歯部を電気的に容易に上層を独立させることが可能であることを知見し、この発明を完成した。

すなわち、この発明は、上下２層の基板で構成され、上層基板は、一対のサスペンションビーム間で揺動支持可能に構成したミラーと、該サスペンションビームに沿ってミラーの揺動軸方向に直交する両側に静電駆動部を備えたシリコン材からなり、下層基板は、該ミラーが揺動可能なように空間が形成された絶縁材料からなり、上層基板は、揺動軸を含み、上層基板の厚み方向に平行な面を対称面として揺動する部分が幾何学的に非対称に形成されていることを特徴とする静電駆動型ＭＥＭＳミラースキャナである。即ち、この発明では、揺動軸に直交する両側において、サスペンションビームや静電駆動部、又はミラー、あるいはそれらの組合せにおける、揺動軸方向のねじりモーメントを積極的に生じさせることによって、ミラーに対して安定的に初動を与えることができ、その結果、従来必要とされていた初動を与えるための電極を備えた別の基板を取り除くことができた。

尚、この発明において、静電駆動部は、サスペンションビームと同一基板内にミラーの揺動軸に対して直交方向に形成する、揺動櫛歯と固定櫛歯とからなる櫛歯構造で構成されることがデバイスの省スペース化を図る意味で好ましい。

そして、ミラーの揺動軸に対して、一方側の揺動櫛歯数又は固定櫛歯数と、他方側の揺動櫛歯数又は固定櫛歯数とが異なることにより幾何学的な非対称を構成する手段は、この発明の好適な一例である。勿論、揺動櫛歯数と固定櫛歯数の両方が異なっても良い。

また、ミラーの揺動軸に対して、一方側のミラーと固定部との間の光透過窓の形状と、他方側のミラーと固定部との間の光透過窓の形状とが異なることにより幾何学的な非対称を構成する手段も、この発明の他の好適な一例である。ここで、光透過窓とは、上記基板にギャップを設けて分離形成したミラーをサスペンションビームで揺動支持可能にした際に、該ミラーを収容したギャップ内周部内のことをいう。

さらに、ミラーの揺動軸に対して、一方側の揺動櫛歯又は固定櫛歯における揺動軸方向の幅と、他方側の揺動櫛歯又は固定櫛歯の揺動軸方向の幅とを異なさせて幾何学的に非対称とする手段、また、ミラーの揺動軸に対して、一方側の揺動櫛歯又は固定櫛歯の基板の厚み方向における高さと、他方側の揺動櫛歯又は固定櫛歯の基板の厚み方向における高さとが異なさせて幾何学的に非対称とする手段も、この発明の好適な一例である。勿論、これら二つの手段のいずれにおいても、揺動櫛歯と固定櫛歯の両方が異なっても良い。

また、この発明は、上下２層の基板で構成され、上層基板は、一対のサスペンションビーム間で揺動支持可能に構成したミラーと、該サスペンションビームに沿って前記ミラーの揺動軸方向に直交する両側に静電駆動部を備えたシリコン材からなり、下層基板は、該ミラーが揺動可能なように空間が形成された絶縁材料からなり、上層基板の各サスペンションビーム内に少なくとも１つの屈曲型トーションバー部を備えるとともに、該トーションバーの固定端部が揺動軸上以外に配置されていることを特徴とする静電駆動型ＭＥＭＳミラースキャナである。即ち、この発明では、上記基板において、トーションバー部を設ける際に、揺動軸上以外の位置にトーションバー部の固定端を配置することにより、揺動部分となるミラー及びサスペンションビーム等の安定状態においても該揺動部分が上層基板面に対して若干傾いた状態となるため、従来のように別の基板に設けた電極への電圧印加という手段を用いることなく、上層基板への電圧印加によりミラーに対して初動のための十分な駆動力を与えることができる。

尚、この発明におけるトーションバー部は、１つまたは２つのＳ字型バネ又は蛇行状のバネを備えていることは、ＭＥＭＳミラースキャナデバイス全体をより小さく作ることが出来る点で好ましく、更に、ミラーに対する初動を与える効果をより安定的にするために、該トーションバーの数を３以上とすることが好ましい。ここで、Ｓ字型バネの形状としては、正弦波状のみならず、三角波状や矩形波状等も当然に含まれる。

また、上記のいずれの発明においても、ミラーの非反射裏面又は各サスペンションビームあるいはその両方に質量軽減手段が施されていることが好ましい。質量を低減することにより、ミラーに対してより初動を与えやすくなるからである。尚、質量軽減手段は、貫通孔、穴、多条リブ構造のいずれであってもよく、又はそれらの組合せであってもよい。

また、上記のいずれの発明においても、各サスペンションビーム、ミラー、静電駆動部で構成される揺動部分全体が真空雰囲気、具体的には２００Ｐａ以下、更に好ましくは１００Ｐａ以下の雰囲気中に配置されていることが、ミラーに対して駆動する際の空気抵抗を低減できるため好ましい。

この発明による静電駆動型ＭＥＭＳミラースキャナは、静電力の少ない駆動力でも駆動可能な柔軟なミラーの支持構造を有し、さらにサスペンションビームに沿って静電駆動部が配置されて十分な静電容量が確保されるため、ポリゴンミラースキャナと同等以上の性能を維持した上で、上下２層の基板のみからなる構成を採用しているため、製造プロセスが著しく簡素化され、製造コストの低減と品質の向上が達成できる。具体的には、特にミラーに初動を与えるための手段を上層基板上に設けた結果、従来必要とされていたミラーの初動のための電極を配置した別の基板を不要とし、単に上層のミラー稼働空間を確保するための基板を設けるだけでよくなった。従って、上層と下層のアライメントや、歩留まり等、プロセス上の利点は極めて大きく、生産性を著しく向上させることができる。

この発明よる静電駆動型ＭＥＭＳミラースキャナは、図１Ａに示すごとく、上層側においては、シリコン基板の同一直線状に形成配置される一対のサスペンションビーム間にミラーを形成し、該直線を揺動軸としてミラーを揺動可能に支持する構成を基本構造として採用している。また、この発明による静電駆動型ＭＥＭＳミラースキャナは、該サスペンションビームに沿って静電駆動部が配置されている。一方、下層側は、ガラスなどの絶縁材に対して該ミラーが稼働しうる十分な空間を形成した構成であって、電極は一切配置されていない。

以下に図面に基づき、この発明によるＭＥＭＳミラースキャナデバイス（以下、単にＭＥＭＳデバイスという。）の構成と製造方法について詳しく説明する。図１Ａは組み立てられたＭＥＭＳデバイスの一構成例を示す。図１Ｂ及び図１Ｃは、図１Ａの構成体の分解説明図である。

ＭＥＭＳデバイス１０は、上層基板１０Ａと下層基板１０Ｂを積層した構成からなる。上層基板１０Ａは、中央に楕円板のミラー１１を設け、そのｘ軸（揺動軸）方向にサスペンションビーム１３Ａ，１３Ｂが設けられ、接続部１２を介してミラー１１がサスペンションビーム１３Ａ，１３Ｂに支持される。

サスペンションビーム１３Ａ，１３Ｂの端は、アンカーとなる接着パッド（以下、単に接着パッドという。）１４Ａ，１４ＨとＳ字型（旋状）トーションバー構造のヒンジ１５Ａ，１５Ｑと接続される。また、サスペンションビーム１３Ａ，１３Ｂは、接続部１２とヒンジ１５Ａ，１５Ｑとの間のビーム内に、Ｓ字型（旋状）トーションバー構造のばね１５Ｂ〜１５Ｈ，１５Ｊ，１５Ｋ，１５Ｍ，１５Ｎ，１５Ｐが形成されている。ばね１５Ｂ〜１５Ｈ，１５Ｊ，１５Ｋ，１５Ｍ，１５Ｎ，１５Ｐには接着パッド１４Ｂ〜１４Ｇと接続される。

上層基板１０Ａのサスペンションビーム１３Ａ，１３Ｂには、ｘ軸（揺動軸）に直交するｙ軸方向に揺動櫛歯１８Ａ，１８Ｂが形成され、同様に上層基板１０Ａ側からｙ軸方向に伸びる固定櫛歯１９Ａ，１９Ｂと該揺動櫛歯１８Ａ，１８Ｂはｘ軸方向に交互に配置される。すなわち、揺動櫛歯１８群と固定櫛歯１９群とは、静電駆動源としてサスペンションビーム１３Ａ，１３Ｂを介してミラー１１を揺動駆動する。そして、ｘ軸（揺動軸）に対して、一方側の揺動櫛歯１８Ａと固定櫛歯１８Ｂが周期的に除かれており、該一方側の揺動櫛歯１８Ａの数及び固定櫛歯１９Ａの数は、他方側の揺動櫛歯１８Ｂの数及び固定櫛歯１９Ｂの数に対して約２５％少なくなっている。

また、下層基板１０Ｂは、上層基板１０Ａのミラー１１とサスペンションビーム１３Ａ，１３Ｂが揺動可能なように同部を空洞化するために掘り込み領域１７を形成してあり、さらに上層基板１０Ａと下層基板１０Ｂが積層される時、上層基板１０Ａに形成される接着パッド１４Ａ〜１４Ｈが固着されるように、下層基板１０Ｂには島状に固定用パッド１６Ａ〜１６Ｈが形成される。

また、この発明の他の構成例としては、図２に示すごとく、ＭＥＭＳデバイスは、前述のＭＥＭＳデバイス１０と基本構成は同じであるが、上層基板２０Ａにおける櫛歯構造だけが異なっている。具体的には、上層基板２０Ａのサスペンションビーム２３Ａ，２３Ｂには、ｘ軸（揺動軸）に直交するｙ軸方向に揺動櫛歯２８Ａ，２８Ｂが形成され、同様に上層基板２０Ａ側からｙ軸方向に伸びる固定櫛歯２９Ａ，２９Ｂと該揺動櫛歯２８Ａ，２８Ｂはｘ軸方向に交互に配置される点は、ＭＥＭＳデバイス１０と同様であるが、ｘ軸に対して、櫛歯間のピッチを変更することなく、一方側の揺動櫛歯２８Ａ及び固定櫛歯２９Ａの幅を周期的に小さく形成しているため、その箇所の櫛歯間のスペースは他の箇所よりも広くなっている。この実施例では、櫛歯の幅は、広い部分と狭い部分でそれぞれ１５μｍと１１μｍで構成され、櫛歯間のスペースは、広い部分と狭い部分でそれぞれ１２μｍと８μｍである。尚、この構成例における下層基板は、図１Ａに示す形状と同じものを用いているので図面は省略する。

さらに、図３に示すこの発明によるＭＥＭＳデバイスの実施例は、前述のＭＥＭＳデバイス１０と基本構成は同じであるが、上層基板３０Ａにおける櫛歯構造とミラーの光透過窓部分の形状だけが異なっている。具体的には、固定櫛歯と揺動櫛歯の形状は揺動軸の両側で同じであるが、ミラーの光透過窓部分の形状については、ｘ軸（揺動軸）に直交する方向ｙ軸方向の一方側のギャップ３２を広げることにより、他方側に比べて広い光透過窓３５となっている。この広さの差は、後述する上層基板のドライエッチングプロセスにおいて、所謂マイクロローディング効果が現れるように差を設ける必要がある。尚、サスペンションビーム３３Ａ，３３Ｂは、その表面に設けた穴３４により質量を軽減している。また、下層基板は、基本構成としては図１Ｃに示す形状と同じであるが、光透過窓を形成する部分の形状については、上層基板に合わせるように空洞が形成されている。

さらに、この発明の他の実施例としては、図４Ａに示すごとく、ＭＥＭＳデバイス４０の実施例は、上層基板４０Ａと下層基板４０Ｂを絶縁して積層した構成からなる。図４Ｂ，４Ｃには上層基板４０の詳細が示される。上層基板４０Ａには楕円形状のミラー上層４１が形成されている。尚、このミラー上層４１の表面であっても、光を反射させる有効領域以外の場所には質量軽減を図るために細く深い形状の多数の溝条（ｔｒｅｎｃｈｅｓ）や穴が形成されるが、ここでは図示を省略している。

ＭＥＭＳデバイス４０は、前述のＭＥＭＳデバイス１０と基本構成は同じであるが、上層基板４０Ａにおける櫛歯構造とサスペンションビームの内側に形成されたトーションバーの構造だけが異なっている。具体的には、固定櫛歯と揺動櫛歯の形状は揺動軸の両側で同じであるが、サスペンションビーム４３Ａ，４３Ｂには、図１乃至３に示すトーションバーとは異なるＳ字型トーションバーが形成され、接着パッドは下層基板４０Ｂの表面に形成されるパッドに接着されている。

サスペンションビーム４３Ａの遠心端は、接着パッド４７Ａに接続するＳ字型ヒンジ４６ａと連結され、中央側は接着パッド４８Ａ，４８Ｂ，４８Ｃに接続されるＳ字型ヒンジ４６ｂ〜４６ｇと連結される。

同様にサスペンションビーム４３Ｂの遠心端は、接着パッド４７Ｂに接続するＳ字型ヒンジ４６ｑと連結され、中央側は接着パッド４８Ｄ，４８Ｅ，４８Ｆに接続されるＳ字型ヒンジ４６ｈ，４６ｊ，４６ｋ，４６ｍ，４６ｎ，４６ｐと連結される。即ち、サスペンションビーム４３Ａ，４３Ｂは、ミラー４１の短円の直径方向に設定される揺動軸に分散配置するＳ字型ヒンジ４６ａ〜４６ｈ，４６ｊ，４６ｋ，４６ｍ，４６ｎ，４６ｐで連結される。また、サスペンションビーム４３Ａ，４３Ｂは、その表面に設けた穴４４により質量を軽減する。

ミラー４１は、短円の直径方向に設けられる接続部４２を介してサスペンションビーム４３Ａ，４３Ｂに支持される。尚、接続部４２は、その形状や数を有限要素法にて最適化されている。

ここで、サスペンションビーム４３Ａ，４３Ｂの内側に設けられた各パッド４８Ａ〜４８Ｆに接続する複数のＳ字型トーションバーの端部は、該パッドが、下層基板４０Ｂに一体形成されている柱状構造体６３Ａ〜６３Ｆに接着されていることから、固定端となっている。そして、これらのトーションバーの固定端は、いずれも揺動軸上には配置されていない。尚、この実施例では、該固定端の位置は、ミラー４１に対して初動をより容易に与えることができるように、揺動軸からの距離を１３０μｍ以上としている。また、この実施例のごとく、全ての固定端の位置を揺動軸に対して一方側に配置しておくことで、ミラーに対して初動を与える効果が更に上がる。

図４Ｄ、４Ｅは下層基板４０Ｂの詳細を示す。下層基板４０Ｂは、全体がガラス材で構成されている。下層基板４０Ｂは、サンドブラスター加工や、ウェットまたはドライエッチング技術を用いた加工により楕円形の掘り込み領域６１と矩形の掘り込み領域６２Ａ，６２Ｂが形成されている。

また、下層基板４０Ｂは、上層基板４０Ａにおける揺動構造の接着パッド４８Ａ〜４８Ｆを固定するための表面を有している。特に、固定用パッド６３Ａ〜６３Ｆは、上層基板の接着パッド４８Ａ〜４８Ｆに対応する固定用表面を備えた柱状構造体であり、固定用パッド６４は、接着パッド４７Ａ，４７Ｂ，５１に対応する固定用表面を備えている。

尚、これまでに述べた様々な実施例における各特徴については、それぞれの特徴を個々に実施しても良いし、１つの基板において複数の特徴を組み合わせても良い。むしろ、ミラーの初動を容易に得るという観点からは、複数の特徴を備える方が好ましい。

これまで図面に基づいて種々の構成例について具体的に説明してきたが、次に、これらの製造方法について説明する。尚、上述の全ての実施例における差は、フォトリソグラフィー技術におけるマスク設計の差に過ぎないため、該マスクについては、次に述べる製造方法において当業者により容易かつ適切に選定されるものとして、個々の詳細な説明を省略する。

図５Ａ〜図５Ｃは、この発明よる静電駆動型ＭＥＭＳデバイスの全体的な製造プロセスの流れを表したものである。まず、上層のシリコン基板の加工について説明する。

上層のシリコン基板７０表面には、レジスト膜をフォトリソグラフィ技術によりパターニングし、マスク７１を形成する（図５Ａ（ａ））。さらに、シリコン基板７０の裏面側にはレジスト膜７２を全面に塗布した後、硬化させる（図５Ａ（ｂ））。裏面側レジスト膜７２を下にして、後述する異方性エッチングの際のストップ層となるシリコン基板７４を、ワックス７３を介して接着させる（図５Ａ（ｃ））。

続いて、該基板７０を、ＩＣＰエッチング装置によるガススイッチングプロセスにより、基板表面からマスク７１の開口部に対して異方性エッチングを行い、基板７０を貫通させる（図５Ａ（ｄ））。具体的なエッチング条件としては、エッチング工程は、ＳＦ₆ １１０ｓｃｃｍ、コイル印加６００Ｗ、基台印加２５Ｗ、圧力３．５Ｐａ形成工程は、Ｃ₄Ｆ₈４０ｓｃｃｍ、コイル印加６００Ｗ、基台０Ｗ、圧力１．２Ｐａとし、エッチング工程と保護膜形成工程の時間をそれぞれ１５秒と８秒で交互に繰り返した。総プロセス時間は１００分とした。

尚、本実施例では、ミラーの初動を容易にするため、シリコン厚さとエッチング速度から割り出される時間よりも１００％以上長いエッチング（所謂、オーバーエッチング）を行った。これにより、当初から櫛歯間のスペースをミラーの揺動軸方向に直交する両側で異ならせることにより、シリコン基板７０が貫通するために必要な時間が異なる結果、先に貫通してしまった領域、特にシリコン基板７０と裏面レジスト膜７２の界面付近に対して、意図的に基板の厚み方向に直交する方向にもエッチングを進行させることができる。図６は、図１Ｂの構成を採用した場合のＳ−Ｓ部分のエッチング後における断面図である。この横方向のエッチングにより、該領域に隣接する櫛歯は、その下端部が削られた結果、シリコン基板の厚みが実質的に薄くなる部分１８Ｓ，１９Ｓとなるため、その部分の質量は揺動軸に対する他方側のそれよりも低減される。これにより、該揺動軸に直交する両側で、シリコン基板７０の深さ方向の形状に非対称を生じさせることが可能となるため、該揺動軸のねじりモーメントを生じさせることとなり、結果としてミラー駆動時に、ミラーに対する初動を容易に得ることができる。これは、光透過窓部分の幅をミラーの揺動軸方向に直交する両側で異ならせる場合も同様である。即ち、上記実施例からも分かるように、マスクパターン時の平面図における非対称が、エッチングの深さ方向、即ち、シリコンの厚み方向における非対称を生み出すことになる。尚、この横方向のエッチングの効果をより有効に活用するためには、ミラーの揺動軸方向に直交する両側のマスク開口部の幅を、所謂マイクロローディング効果が顕著に起こる１μｍ以上５０μｍ以下にすることが好ましく、１μｍ以上２５μｍ以下にすることがさらに好ましい。

上記のほかに、エッチング条件を工夫して、エッチングの寸法制御を異ならせる手段もミラーの初動を得るためには有効である。具体的には、エッチング条件を最適化すれば、ミラーの揺動軸に直交する両側の開口部におけるマスクアンダーカットを異ならせることができるため、これによっても上記の非対称構造を形成することができる。

シリコン基板７０の異方性エッチングが終わったら、マスク７１をアッシング処理により除去する（図５Ａ（ｅ））。その後、裏面側について、ストップ層の基板７４を処理液（例えば、硫酸と過酸化水素水の混合液）を用いて除去する。本実施例では、該処理液により、ワックス７３と裏面のレジスト膜７２も同時に除去される（図５Ｂ（ｆ））。

次に、下層のガラス基板の加工について説明する。厚さ１ｍｍのガラス基板８０の表面にフィルムレジスト技術によりマスク８１を形成する（図５Ｂ（ｇ））。サンドブラストによりマスク開口部を加工した（図５Ｂ（ｈ））後、マスク８１を除去した（図５Ｂ（ｊ））。尚、本実施例では、加工深さは０．７ｍｍとした。

そして、上層基板及び下層基板を洗浄液により洗浄した後、接合位置を合わせた上で、上層基板の裏面と下層基板の表面を、大気中において陽極接合を行った（図５Ｃ（ｋ））。具体的には、温度４００℃、印加電圧６００Ｖの条件において約４０分間で接合した。

上層のシリコン基板表面に所定の箇所にアルミニウム膜を蒸着し、電極パッド９０とミラー９１の反射面を形成する（図５Ｃ（ｍ））。最後に、所定の位置をダンシングすることにより、ＭＥＭＳデバイスを完成した。

前述した図１Ａと同様構成を採用した静電駆動型ＭＥＭＳミラースキャナを作製し、図７Ａ〜図７Ｃに示すような、下層基板にミラーの初動与えるための電極を備えた従来のＭＥＭＳミラースキャナとの性能上の比較を行った。尚、図面中の各符号は、図１Ａ〜図１Ｃに対応させている。その結果、表１に示すように、ミラーへの初動を与えるための電極を備えた基板が無くても、図１Ａに示す構成を採用することにより、同等の性能を有することが分かった。

また、図２、図３、及び図４Ａに示す構成を採用した静電駆動型ＭＥＭＳミラースキャナを作製し、前述と同様、従来の構造を有するＭＥＭＳミラースキャナと比較し、表１に結果と示した。図２、図３、及び図４Ａに示す構成を採用した場合であっても、図７Ａ〜図７Ｃに示すＭＥＭＳミラースキャナと同等の性能を有することが分かった。

なお、シリコン基板の物性値は以下のとおりである。
密度： ２．３３×１０３ｋｇ／ｍ³（０．２３８×１０−９ｋｇｗ・ｓｅｃ²／ｍｍ⁴）
弾性率： １５０ＧＰａ（１５０００ｋｇｆ／ｍｍ²，１５３００ｋｇｆ／ｍｍ²）
剪断弾性率： Ｇ＝Ｅ／２／（１＋ν）＝６．５３８（ｋｇｆ／ｍｍ²）
ポアソン比： ０．１７

以上、この発明の実施の形態について具体的に説明したが、上述した実施の形態は本発明を実施するための例示にすぎない。例えば、図１では、サスペンションビームの一方側において、固定櫛歯と揺動櫛歯を周期的に除いた構成を採用したが、この発明ではこれらの櫛歯の除去が周期的ではない構成も採用しうる。具体的には、櫛歯間のスペースの疎密を変化させずに、単に櫛歯本数のみを低減する態様、即ち、サスペンションビームの一方側には櫛歯の無い広い空間が形成される構成を採用することもできる。よって、本発明は上述した実施の形態に限定されることなく、その趣旨を逸脱しない範囲内で上述した実施の形態を適宜変形して実施することが可能である。

この発明による静電駆動型ＭＥＭＳミラースキャナは、コピー機、ファクシミリ、バーコードリーダ、レーザープリンタ、共焦点顕微鏡、光ファイバ・ネットワーク構成部材、プロジェクタ用の映写ディスプレイ、背面映写ＴＶ、装着可能なディスプレイ、及び軍事用レーザ追跡・誘導システムなどの用途がある。

この発明による静電駆動型ＭＥＭＳミラースキャナの一実施例を示す斜視説明図である。 図１Ａのミラースキャナの上層基板の説明図である。 図１Ａのミラースキャナの下層基板の説明図である。 この発明による静電駆動型ＭＥＭＳミラースキャナの別の実施例を示す上層基板の説明図である。 図２ＡにおけるＺ領域の拡大図である。 この発明による静電駆動型ＭＥＭＳミラースキャナの別の実施例を示す上層基板の説明図である。 この発明による静電駆動型ＭＥＭＳミラースキャナの他の実施例を示す斜視説明図である。 図４Ａのミラースキャナの上層基板の斜視説明図である。 図４Ａのミラースキャナの上層基板の上面説明図である。 図４Ａのミラースキャナの下層基板の斜視説明図である。 図４Ａのミラースキャナの下層基板の説明図である。 ミラースキャナの製造プロセスフローの説明図である。 ミラースキャナの製造プロセスフローの説明図である。 ミラースキャナの製造プロセスフローの説明図である。 図１ＢにおけるＳ−Ｓ部の断面図である。 従来の構成を採用したミラースキャナの全体斜視図である。 従来の構成を採用したミラースキャナの全体斜視図である。 従来の構成を採用したミラースキャナの全体斜視図である。

符号の説明

１０，２０，３０，４０，１００ ＭＥＭＳデバイス
１０Ａ，２０Ａ，３０Ａ，４０Ａ，７０，１００Ａ 上層基板
１０Ｂ，４０Ｂ，８０，１００Ｂ 下層基板
１１，２１，３１，４１，９１，１０１ ミラー
１２，４２，１０２ 接続部
１３Ａ，１３Ｂ，２３Ａ，２３Ｂ，３３Ａ，３３Ｂ，４３Ａ，４３Ｂ，１０３Ａ，１０３Ｂ
サスペンションビーム
１４Ａ〜１４Ｈ， ４７Ａ，４７Ｂ，４８Ａ〜４８Ｆ，５１，１０４Ａ〜１０４Ｈ
接着パッド
１５Ａ，１５Ｈ，４６ａ〜４６ｈ，４６ｊ〜４６ｎ，４６ｐ，
１０５Ａ，１０５Ｂ ヒンジ
１５Ｂ〜１５Ｈ，１５Ｊ，１５Ｋ，１５Ｍ，１５Ｎ，１５Ｐ，
１０５Ｂ〜１０５Ｇ ばね
１６Ａ〜１６Ｈ，６３Ａ〜６３Ｆ，６４，１０６Ａ〜１０６Ｈ
固定用パッド
１８Ａ，１８Ｂ，１８Ｓ，２８Ａ，２８Ｂ，１０８Ａ，１０８Ｂ
揺動櫛歯
１９Ａ，１９Ｂ，１９Ｓ，２９Ａ，２９Ｂ，１０９Ａ，１０９Ｂ，１０９Ｃ
固定櫛歯
３２ ギャップ
３４，４４ 穴
３５ 光透過窓
１７，６１，６２Ａ，６２Ｂ，１０７ 掘り込み領域
７０，７４ シリコン基板
７１，８１ マスク
７２ 裏面レジスト膜
７３ ワックス
９０ 電極パッド

Claims (14)

1. 上下２層の基板で構成され、
   前記上層基板は、一対のサスペンションビーム間で揺動支持可能に構成したミラーと、前記サスペンションビームに沿って前記ミラーの揺動軸方向に直交する両側に静電駆動部を備えたシリコン材からなり、
   前記下層基板は、前記ミラーが揺動可能なように空間が形成された絶縁材からなり、
   前記上層基板は、前記揺動軸を含み、上層基板の厚み方向に平行な面を対称面として前記揺動する部分が幾何学的に非対称に形成されていることを特徴とする
   静電駆動型ＭＥＭＳミラースキャナ。
2. 前記静電駆動部は、サスペンションビームと同一基板内にミラーの揺動軸に対して直交方向に形成する、揺動櫛歯と固定櫛歯とからなる櫛歯構造で構成されることを特徴とする
   請求項１に記載の静電駆動型ＭＥＭＳミラースキャナ。
3. 前記揺動軸に対して、一方側の揺動櫛歯数及び／又は固定櫛歯数と、他方側の揺動櫛歯数及び／又は固定櫛歯数とが異なることにより、幾何学的に非対称であることを特徴とする
   請求項２に記載の静電駆動型ＭＥＭＳミラースキャナ。
4. 前記揺動軸に対して、一方側のミラーと固定部との間の光透過窓の形状と、他方側のミラーと固定部との間の光透過窓の形状とが異なることにより幾何学的に非対称であることを特徴とする
   請求項１に記載の静電駆動型ＭＥＭＳミラースキャナ。
5. 前記揺動軸に対して、一方側の揺動櫛歯及び／又は固定櫛歯における揺動軸方向の幅と、他方側の揺動櫛歯及び／又は固定櫛歯の揺動軸方向の幅とが異なることにより、幾何学的に非対称であることを特徴とする
   請求項１に記載の静電駆動型ＭＥＭＳミラースキャナ。
6. 前記揺動軸に対して、一方側の揺動櫛歯及び／又は固定櫛歯の基板の厚み方向における高さと、他方側の揺動櫛歯及び／又は固定櫛歯の基板の厚み方向における高さとが異なることにより、幾何学的に非対称であることを特徴とする
   請求項１に記載の静電駆動型ＭＥＭＳミラースキャナ。
7. 上下２層の基板で構成され、
   前記上層基板は、一対のサスペンションビーム間で揺動支持可能に構成したミラーと、前記サスペンションビームに沿って前記ミラーの揺動軸方向に直交する両側に静電駆動部を備えたシリコン材からなり、
   前記下層基板は、前記ミラーが揺動可能なように空間が形成された絶縁材からなり、
   前記上層基板の各サスペンションビーム内に少なくとも１つの屈曲型トーションバー部を備えるとともに、前記トーションバーの固定端部が前記揺動軸上以外に配置されていることを特徴とする
   静電駆動型ＭＥＭＳミラースキャナ。
8. 前記トーションバー部は、１つまたは２つのＳ字型バネを備えていることを特徴とする
   請求項７に記載の静電駆動型ＭＥＭＳミラースキャナ。
9. 前記トーションバー部は、１つまたは２つの蛇行状バネを備えていることを特徴とする
   請求項７に記載の静電駆動型ＭＥＭＳミラースキャナ。
10. 前記トーションバーの数が３以上であることを特徴とする
    請求項７乃至９のいずれか１項に記載の静電駆動型ＭＥＭＳミラースキャナ。
11. 前記ミラーの非反射裏面又は各サスペンションビームあるいはその両方に質量軽減手段が施されていることを特徴とする
    請求項１乃至１０のいずれか１項に記載の静電駆動型ＭＥＭＳミラースキャナ。
12. 前記質量軽減手段は、貫通孔、穴、多条リブ構造のいずれか、あるいはそれらの組合せであることを特徴とする
    請求項１１に記載の静電駆動型ＭＥＭＳミラースキャナ。
13. 各サスペンションビーム、ミラー、静電駆動部で構成される揺動部分全体が真空雰囲気に配置されることを特徴とする
    請求項１乃至請求項１２のいずれか１項に記載の静電駆動型ＭＥＭＳミラースキャナ。
14. 前記絶縁材料は、シリコン酸化物であることを特徴とする請求項１乃至１４のいずれか１項に記載の静電駆動型ＭＥＭＳミラースキャナ。

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