JP2007111847A

JP2007111847A - アクチュエータ

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Publication number: JP2007111847A
Application number: JP2005308576A
Authority: JP
Inventors: Tomohito Inui; 智史乾; Masaki Ogata; 雅紀緒方
Original assignee: Olympus Corp
Current assignee: Olympus Corp
Priority date: 2005-10-24
Filing date: 2005-10-24
Publication date: 2007-05-10
Also published as: US20070089973A1; US7623283B2

Abstract

【課題】配線層と保護膜にクラックが発生しにくいアクチュエータを提供する。
【解決手段】一対の永久磁石と共にアクチュエータを構成するねじり揺動体１１０は、可動板１１１と、可動板１１１を揺動可能に支持している一対の弾性部材１１２と、弾性部材１１２を保持している支持体１１３とを備えている。一対の弾性部材１１２は、可動板１１１から両側に対称的に延びている。可動板１１１は、その周縁部を周回する平面コイル１１８を備えている。支持体１１３は、外部からの電力を平面コイル１１８に供給するための一対の電極パッド１１６を備えている。ねじり揺動体１１０は、弾性部材１１２上を延びている配線層１１５と、平面コイル１１８と配線層１１５を覆う保護膜１１９とを備えている。配線層１１５は平面コイル１１８の端部と支持体１１３上の電極パッド１１６とをそれぞれ電気的に接続している。保護膜１１９は樹脂材料から構成されている。
【選択図】図１

Description

本発明は、光スキャナや角速度センサなどに使用されるアクチュエータに関する。

特開２００２−２３０９７号公報は、電磁駆動型のアクチュエータを開示している。このアクチュエータは、ＳＯＩ基板を加工して作製されたもので、平板状の可動板と、これを揺動可能に支持する活性層からなる一対の弾性部材と、弾性部材を支持する枠状の支持体とを備えている。可動板の上面の周縁部には平面コイルが設けられ、可動板の裏面には反射ミラーが設けられている。支持体には永久磁石が設けられている。平面コイルの両端は、弾性部材上を延びる配線を介して、支持体に設けられた電極パッドと電気的に接続されている。

このアクチュエータにおける弾性部材の断面構造を図７に示す。図７に示されるように、弾性部材２１０は、シリコン活性層２１１と、シリコン活性層２１１上に形成された酸化シリコン膜からなる絶縁層２１２と、絶縁層２１２上に形成されたアルミニウムからなる配線層２１３と、配線層２１３を覆う酸化シリコン膜からなる保護膜２１４とから構成されている。
特開２００２−２３０９７号公報

従来のアクチュエータにおいて、弾性部材２１０におけるねじり運動のために、配線層２１３と保護膜２１４には応力が繰り返し作用する。その結果、原子の移動が起こりやすいアルミニウムなどの金属材料からなる配線層２１３の内部の複数の箇所に小さなボイドが生じる。これら小さなボイドにより配線層２１３の体積は増し、これによって保護膜２１４にはねじり運動による応力のほかにさらに配線層２１３からの応力が加わる。これらの応力が配線層２１３の上に接する保護膜２１４の弾性変形領域内に留まっているときは問題ないが、保護膜２１４の弾性変形領域を超えると保護膜２１４にクラックが生じてしまう。これにより、配線層２１３に接する保護膜２１４から配線層２１３に働く応力に場所による大小が生じる。このために配線層２１３内の金属原子の動き易さに場所による差が生じ、小さなボイドは部分的に大きなボイドに成長する。ボイドが表面まで達すると配線層２１３にもクラックが生じる。これらのクラックは、配線層２１３の抵抗変化を引き起こし、アクチュエータの揺動に悪影響を与えるおそれがある。また、保護膜２１４にクラックが生じているため、配線層２１３が外気と通じてしまい、アクチュエータの耐湿性などの信頼性低下を招くおそれがある。

本発明は、この様な実状を考慮して成されたものであり、その目的は、配線層と保護膜にクラックが発生しにくいアクチュエータを提供することである。

本発明は、可動板と、前記可動板を揺動可能に支持する少なくとも一つの弾性部材と、前記弾性部材を保持する支持体と、前記弾性部材上を延びている配線層と、前記配線層を覆う保護膜とを少なくとも備えたアクチュエータに向けられている。本発明は、一つの側面によれば、前記保護膜が樹脂材料から構成されていることを特徴とする。本発明は、別の側面によれば、前記配線層が高融点金属から構成されていることを特徴とする。

本発明によれば、配線層と保護膜にクラックが発生しにくいアクチュエータが提供される。

以下、図面を参照しながら本発明の実施形態について説明する。

＜第一実施形態＞
図１は、本発明の第一実施形態によるアクチュエータの斜視図であり、図２は、図１のII-II線に沿ったねじり揺動体１１０の断面図、図３は、図２のIII-III線に沿った弾性部材の断面図である。

図１に示されるように、アクチュエータ１００は、ねじり揺動体１１０と、一対の永久磁石１０２とを備えている。ねじり揺動体１１０は、可動板１１１と、可動板１１１を揺動可能に支持している一対の弾性部材１１２と、弾性部材１１２を保持している支持体１１３とを備えている。一対の弾性部材１１２は、可動板１１１から両側に対称的に延びており、可動板１１１の揺動軸は、弾性部材１１２の内部を通っている。

可動板１１１は、その周縁部を周回する平面コイル１１８を備えている。支持体１１３は、外部からの電力を平面コイル１１８に供給するための一対の電極パッド１１６を備えている。ねじり揺動体１１０は、弾性部材１１２上を延びている配線層１１５を備えており、配線層１１５は平面コイル１１８の端部と支持体１１３上の電極パッド１１６とをそれぞれ電気的に接続している。

一対の永久磁石１０２は、可動板１１１の振動する両端部の外側に、揺動軸にほぼ平行に配置されている。永久磁石１０２の着磁方向は、互いに逆向きで、静止状態の可動板１１１の面にほぼ垂直である。永久磁石１０２は、可動板１１１の両端部に位置する平面コイル１１８の部分に対して可動板１１１の面方向の磁界成分を作用させるよう、揺動軸にほぼ直交して横切る磁界を発生させる。

図２に示されるように、ねじり揺動体１１０は、平面コイル１１８と配線層１１５を覆う保護膜１１９とを備えている。保護膜１１９は樹脂材料から構成されている。また可動板１１１は、その下面に、外部から照射される光ビームを反射する反射ミラー１１４が設けられている。

次に、このアクチュエータ１００の動作について説明する。図１において、支持体１１３上の二個の電極パッド１１６への交流電圧の印加に応じて、平面コイル１１８には交流電流が流れる。平面コイル１１８の永久磁石１０２に近い部分を流れる電流は、永久磁石１０２によって発生された磁界との相互作用によりローレンツ力を受け、可動板１１１は板厚方向に偶力を受ける。このため、可動板１１１は、二本の弾性部材１１２の長手方向に延びる中心軸を揺動軸として揺動すなわちねじれ運動する。

このアクチュエータ１００は、光スキャナとして使用される。可動板１１１に設けられた反射ミラー１１４に光ビームが外部から照射される。反射ミラー１１４で反射された光ビームは可動板１１１の揺動に応じて走査される。

ねじり揺動体１１０は、図２に示されるように、基板層１２２と埋め込み酸化シリコン膜１２３とシリコン活性層１２４とからなるＳＯＩ基板１２１から作製される。可動板１１１と弾性部材１１２と支持体１１３は、それらの輪郭に沿って基板層１２２と埋め込み酸化シリコン膜１２３とシリコン活性層１２４とをエッチングすることにより形成される。さらに弾性部材１１２は、基板層１２２と埋め込み酸化シリコン膜１２３とが選択的にエッチングされる。

図２と図３に示されるように、シリコン活性層１２４の上に形成された酸化シリコン膜１３０の上に、アルミニウムなどの金属材料からなる配線層１１５が形成されている。図２に示されるように、可動板１１１の上に酸化シリコン膜からなる絶縁層１１７が形成され、その上にアルミニウムなどの金属材料からなる平面コイル１１８が形成されている。平面コイル１１８の端部はそれぞれ配線層１１５と電気的に接続している。平面コイル１１８と配線層１１５は、ポリイミド膜などの樹脂材料からなる保護膜１１９によって覆われている。配線層１１５は、図３に示されるように、弾性部材１１２の幅全体にわたって保護膜１１９により覆われている。これにより配線層１１５は大気から保護されている。配線層１１５の端部は保護膜１１９に形成された開口を通して露出しており、電極パッド１１６として機能する。

次に、配線層１１５と保護膜１１９の製造方法について簡単に説明する。まず、シリコン活性層１２４上の酸化シリコン膜１３０上に、アルミニウムを例えばスパッタリング技術により成膜した後、フォトリソグラフィ技術により所望の形状にパターニングして配線層１１５を形成する。続いて、配線層１１５を完全に覆うように弾性部材１１２の幅全体にわたってポリイミド膜を印刷法により成膜して保護膜１１９を形成する。

本実施形態では、配線層１１５を覆っている保護膜１１９がポリイミドなどの樹脂材料で構成されている。樹脂材料は酸化シリコン膜に比べて弾性変形領域が広い。このため、ねじれ運動の応力によって配線層１１５に小さなボイドが発生し、配線層１１５の体積が増大したとしても、ねじれ運動による応力や配線層１１５の体積増による応力を保護膜１１９が受けてもクラックが発生しにくい。従って、配線層１１５と外気が通じることがなく、アクチュエータの信頼性の向上と長寿命化が図られる。つまり、柔軟性を有する樹脂製の保護膜１１９がねじれ運動による応力や配線層の体積増による応力を吸収してクラックを発生しにくくすることにより、配線層と外気との接触を阻止して、耐湿性などの低下を防ぎ、信頼性の向上と長寿命化が可能となる。

保護膜１１９は、ポリイミドのほかに、シリコン系樹脂やエポキシ樹脂、フッ素樹脂、ポリカーボネート樹脂などの樹脂材料であってもよい。

また、保護膜１１９としてポリイミドを印刷法により成膜したが、スピンコート法を用いて成膜した後、フォトリソグラフィ技術によりパターニングしてもよい。

また、配線層１１５としてアルミニウムを用いたが、アルミニウムのほかにアルミニウム−シリコン、これらの合金またはこれらを含む積層材料であれば制限はなく、例えば窒化−アルミニウム／アルミニウム、窒化−アルミニウム／アルミニウム−シリコンなどでもよい。

また、アルミニウムをスパッタリング技術により成膜したが、蒸着法により成膜してもよい。

配線層１１５と保護膜１１９の構造は、図３に示した構造に限定されるものではなく、様々に変形されてよい。これら変形例を図４と図５に示す。

図４に示す構造では、保護膜１１９は弾性部材１１２の幅全体ではなく一部を覆うように形成されている。また図５に示す構造では、保護膜１１９はできる限り配線層１１５だけを覆うように形成されている。

このような変形例においても、上述したように、ねじれ運動による応力や配線層１１５に発生した小さなボイドによって生じる体積増による応力を受けても保護膜１１９にはクラックが発生しにくい。このため、耐湿性などの低下を防ぎ、信頼性の向上と長寿命化が可能となる。すなわち、保護膜１１９は弾性部材１１２の全体を覆う必要はなく、少なくとも配線層１１５だけを覆っていればよい。

＜第二実施形態＞
次に、第二実施形態について説明する。本実施形態は、第一実施形態に加えて配線層自体の信頼性の向上を図るものである。そのために、保護膜をポリイミド、配線層を電解メッキ法で形成できる銅を用いるものである。

図６Ａ〜図６Ｈは、本実施形態によるねじり揺動体の製造工程を模式的に示している。

工程１（図６Ａ）：基板層１２２と埋め込み酸化シリコン膜１２３とシリコン活性層１２４とを有するＳＯＩ基板１２１を用意する。基板層１２２の表面とシリコン活性層１２４の表面は共に研磨加工され、鏡面仕上げとなっている。

工程２（図６Ｂ）：基板層１２２の表面とシリコン活性層１２４の表面に酸化シリコン膜１３０を成膜する。

工程３（図６Ｃ）：フォトリソグラフィ技術により、酸化シリコン膜１３０を、可動板１３１になる部分と支持部１３２になる部分を除いてエッチング除去する。

工程４（図６Ｄ）：シリコン活性層１２４上の酸化シリコン膜１３０の上に例えばスパッタリング技術でアルミニウム膜を成膜した後、これをフォトリソグラフィ技術によりパターニングして駆動電極１２７とパッド電極１２９を形成する。

工程５（図６Ｅ）：酸化シリコン膜１３０の上に、例えばプラズマＣＶＤ（Chemical vapor deposition）やスパッタリングなどで酸化シリコン膜を成膜した後、これをフォトリソグラフィ技術によりパターニングして絶縁膜１２８を形成する。次に、平面コイル１１８と配線層１２５となる銅を例えば電解メッキ法で同時に形成する。

工程６（図６Ｆ）：シリコン活性層１２４側の表面に保護膜１２０となるポリイミド膜を例えば印刷法によってパターニングされた状態で成膜する。また、ポリイミド膜はスピンコート法を用いて成膜して、フォトリソグラフィ技術でパターニングしてもよい。

工程７（図６Ｇ）：弾性部材１３３を形成するために、裏面からＲＩＥ（Reactive ion etching）によって基板層１２２を裏面側からエッチングする。この際、酸化シリコンとシリコンとのエッチング選択比が十分あるＲＩＥを用いることが望ましい。これにより、レジストをパターニングすることなく酸化シリコン膜１３０をマスクにしてエッチングを行なえる。加えて、基板層１２２のエッチング終盤において、基板層１２２を完全に除去するためにオーバーエッチングをした際に、埋め込み酸化シリコン膜１２３によってエッチングしてはならないシリコン活性層１２４をエッチングしてしまうことがない。また、アルカリ性のエッチング液、例えば水酸化テトラメチルアンモニウム水溶液を用いてシリコンの結晶異方性エッチングによって基板層１２２をエッチングしてもよい。このエッチングにより、可動板１３１と支持部１３２の基板層部分が分離される。

続いて、可動板１３１と弾性部材１３３と支持部１３２を形成するために、絶縁膜１２８と駆動電極１２７をマスクにして、例えばＲＩＥ装置によってシリコン活性層１２４をエッチングして除去する。つまり、可動板１３１と弾性部材１３３と支持部１３２を残して活性層をエッチングする。

工程８（図６Ｈ）：ＲＩＥにより基板層裏面の酸化シリコン膜１３０と埋め込み酸化シリコン膜１２３を同時にエッチングして除去する。これにより、可動板１３１と弾性部材１３３と支持部１３２が形成され、可動板１３１は弾性部材１３３を介して支持部１３２に支持された構造となる。

次に、可動板１３１に光を反射するための反射部を、例えばＳＯＩ基板１２１の基板層（シリコン層）１２２を研磨することにより形成する。これは反射部形成のための加工時間や材料の節約に好適である。

最後に、ダイシングによりＳＯＩ基板からチップ化し、永久磁石を例えば接着剤にて、可動板１３１の振動する両端部の外側に、揺動軸にほぼ平行となるように実装してアクチュエータが完成する。

本実施形態では、配線層１２５が銅で構成されている。銅はアルミニウムに比べて電気伝導率が高いので、配線幅を狭くすることが可能である。また、電解メッキ法を用いれば厚膜の銅層配線が可能となり、さらに配線幅を狭くすることができる。

有限要素法を用いた応力シミュレーションによれば、弾性部材端部に比べ弾性部材中央部は応力が小さい。このため、配線幅を狭くし応力値が高い弾性部材端部を避けて、応力値が小さい弾性部材中央部に、厚膜で狭い幅の配線層を形成できる。

従って、弾性部材からの応力の影響を受けることが少なく、配線層内での原子の移動が起こりにくく、配線層内のボイドの発生や体積増による付加応力が発生せず、よって保護膜にクラックが生じることもなく、配線層と外気が通じることがない。このため、アクチュエータの信頼性の向上と長寿命化が図られる。すなわち、配線層自体により信頼性の低下を防ぐものであり、配線層上の樹脂製保護膜により、さらなる信頼性の向上と長寿命化が図られるものである。

また、本実施形態では、弾性部材上の配線と平面コイルとが、同じ銅層で、電解メッキにより同時に形成されている。そのため、アクチュエータの製造工程が簡略化され、コストの削減と歩留まりの向上につながり、高信頼性のアクチュエータを提供することができる。

なお、配線層の材料として銅をあげたが、銅以外にもチタン、モリブデン、タングステンなどの高融点金属でもよい。このとき、高融点金属としては、下記（１）式を満足する融点を有するものが好ましい。

Ｔ_Ｍ≧Ｔ／０．３…（１）
ここで、Ｔは使用温度［Ｋ］Ｔ_Ｍは融点［Ｋ］である。

これは、（１）式を満たす高融点金属は応力による原子の移動、すなわちクリープ現象が発生しないことが一般的に知られているからである。

配線層を高融点金属で構成した場合には、銅配線層を用いたときと同様、応力による原子の移動が抑えられるという効果が得られる。

なお、高融点金属の配線層を用いた場合には、上述したように、配線層自体に耐湿性などの信頼性低下を防ぎ、高信頼性と長寿命の効果を有しているため、保護膜としては、従来と同様に、酸化シリコン膜でもよい。

また、本実施形態では配線層と平面コイルを電解メッキにより同時に形成しているが、スパッタリング技術により形成してもよいし、蒸着法により形成してもよい。なお、配線層と平面コイルは同時に形成しているが、別々に形成してもよい。

また、保護膜はポリイミド以外にシリコン系樹脂、エポキシ樹脂、フッ素系樹脂、ポリカーボネート樹脂などの樹脂材料でもよい。

これまで、いくつかの実施形態について図面を参照しながら具体的に説明したが、本発明は、上述した実施形態に限定されるものではなく、その要旨を逸脱しない範囲で行われるすべての実施形態を含む。

例えば、上述した実施形態では、磁界と電流の相互作用によって力を発生し駆動する電磁駆動型のアクチュエータをあげて説明したが、駆動力の発生原理はこれに限定される訳ではなく、これ以外の原理、例えばクーロン力などによって駆動力を得るアクチュエータなども含まれる。

また、上述した実施形態では、可動板を二本の弾性部材で支持するアクチュエータをあげて説明したが、これに限定されるものではなくて、例えば可動板を一本の弾性部材で支持する片持ち型のアクチュエータなども含まれる。

本発明の第一実施形態によるアクチュエータの斜視図である。図１のII-II線に沿ったねじり揺動体の断面を示している。図２のIII-III線に沿った弾性部材の断面を示している。図３の弾性部材の変形例の断面を示している。図３の弾性部材の別の変形例の断面を示している。本発明の第二実施形態によるねじり揺動体の製造の最初の工程を模式的に示している。図６Ａの工程に続く工程を模式的に示している。図６Ｂの工程に続く工程を模式的に示している。図６Ｃの工程に続く工程を模式的に示している。図６Ｄの工程に続く工程を模式的に示している。図６Ｅの工程に続く工程を模式的に示している。図６Ｆの工程に続く工程を模式的に示している。図６Ｇの工程に続く工程を模式的に示している。従来のアクチュエータにおける弾性部材の断面を示している。

符号の説明

１００…アクチュエータ、１０２…永久磁石、１１０…ねじり揺動体、１１１…可動板、１１２…弾性部材、１１３…支持体、１１４…反射ミラー、１１５…配線層、１１６…電極パッド、１１７…絶縁層、１１８…平面コイル、１１９…保護膜、１２０…保護膜、１２１…ＳＯＩ基板、１２２…基板層、１２３…埋め込み酸化シリコン膜、１２４…シリコン活性層、１２５…配線層、１２７…駆動電極、１２８…絶縁膜、１２９…パッド電極、１３０…酸化シリコン膜、１３１…可動板、１３２…支持部、１３３…弾性部材、２１０…弾性部材、２１１…シリコン活性層、２１２…絶縁層、２１３…配線層、２１４…保護膜。

Claims

可動板と、前記可動板を揺動可能に支持する少なくとも一つの弾性部材と、前記弾性部材を保持する支持体と、前記弾性部材上を延びている配線層と、前記配線層を覆う保護膜とを少なくとも備えたアクチュエータにおいて、前記保護膜は樹脂材料から構成されていることを特徴とするアクチュエータ。
可動板と、前記可動板を揺動可能に支持する少なくとも一つの弾性部材と、前記弾性部材を保持する支持体と、前記弾性部材上を延びている配線層と、前記配線層を覆う保護膜とを少なくとも備えたアクチュエータにおいて、前記配線層は高融点金属から構成されていることを特徴とするアクチュエータ。