JP2007283413A - アクチュエータ及びその製造方法 - Google Patents

Abstract

【課題】ＳＯＩ基板を使用せず安価で、製造工程におけるハンドリグ性が良好で、可動部厚さを薄く形成でき、光ビームの走査範囲が広い光走査用アクチュエータに好適なアクチュエータの製造方法を提供する。
【解決手段】シリコン基板におけるアクチュエータ部１の形成部位に、駆動コイル５を形成し、駆動コイル５形成後、駆動コイル５と同じ側のシリコン基板面に、アクチュエータ部１を支持する支持部１０形成用の支持部材を接合し、支持部材接合面と反対側のシリコン基板面を、所望の厚さまで研削してアクチュエータ部１の厚さを設定し、研削後、アクチュエータ部形成部位に、エッチングにより梁部３，３及び可動部４を形成し、その後、可動部４の裏面側に反射ミラーを形成し、チップ化する。
【選択図】図１

Description

本発明は、半導体基板で外枠部、梁部及び可動部を一体的に形成するアクチュエータ及びその製造方法に関し、特に、直流（非共振）でも可動部を大きく揺動でき、また、光走査用アクチュエータに適用した時に光ビーム走査範囲の制約がないアクチュエータ及びその製造方法に関する。

従来、半導体基板で外枠部、梁部及び可動部を一体形成するプレーナ型アクチュエータの製造方法としては、研磨等により可動部の駆動性等を考慮した所定厚さ（例えば約１００μｍ）に形成したシリコン基板の表面を酸化し、駆動回路から可動部駆動用の電気信号が供給される電気配線部として駆動コイル（電磁駆動方式のアクチュエータの場合）を半導体基板の可動部形成部位に形成した後、半導体基板を異方性エッチングして貫通穴を形成し、外枠部、梁部及び可動部を形成する方法がある（例えば、特許文献１参照）。

また、研磨等により可動部の駆動性等を考慮した所定厚さ（例えば約１００μｍ）に形成したシリコン基板の表面を酸化し、半導体基板の一方の面にガラス基板等の支持部材を接着或いは陽極接合し、半導体基板の支持部材取付け面と反対側の可動部形成部位に駆動コイルを形成した後、シリコン基板を異方性エッチングして貫通穴を形成し、外枠部、梁部及び可動部を形成する方法がある（例えば、特許文献２参照）。
特開２００２−１４２９７号公報 特開２００５−８８１５２号公報

しかしながら、前者の製造方法は、取り扱う半導体基板が薄いため駆動コイル形成工程等において汎用の製造装置を用いることができず、新たに特殊な製造装置が必要である。また、半導体基板が薄いため製造工程中や完成後のハンドリング性に難がある。

一方、後者の製造方法は、駆動コイル形成工程の前に半導体基板に支持部材を接合して厚くすることで、汎用の製造装置の使用が可能であるが、半導体基板自体は薄いため、支持部材と接着させる際の半導体基板のハンドリング性に難がある。また、光走査用アクチュエータに適用する場合、可動部に反射ミラーを設けるが、可動部のコイル形成面と反対側で支持部材接合側に反射ミラーを形成した場合、支持部材の厚みにより光ビームの入射及び反射の角度が制約されて光ビーム走査範囲が狭くなるという問題がある。一方、反射ミラーをコイル形成面側に形成した場合、光ビーム走査範囲の制約はなくなるが、駆動コイル形成部分を避けて可動部中央部に反射ミラーを形成するので、半導体基板の支持部材取付け面側に形成する場合と比較して反射ミラーが小さくなってしまう。半導体基板の支持部材取付け面側に形成する場合と同じ反射ミラーサイズを確保しようとすれば、チップ外形が大きくなってしまう。

ところで、この種のプレーナ型アクチュエータは、可動部厚さが薄い程小さい力で可動部を駆動でき可動部の駆動性が向上するが、前述の両製造方法では、半導体基板の輸送や、製造工程や完成後のハンドリング性を考慮すると、可動部を極端に薄く（例えば約５０μｍ以下）形成することが難しい。

尚、ＳＯＩ（Silicon On Insulator）基板を用いれば、製造工程等におけるハンドリング性を確保でき、中間のＳｉＯ₂層がエッチストップ層となるので、可動部の厚さを精密に管理でき可動部を極端に薄く（例えば約５０μｍ以下）形成することは可能であるが、ＳＯＩ基板が高価であるためアクチュエータの製造コストをアップさせる問題がある。

本発明は上記問題点に着目してなされたもので、製造コストが安価で、可動部の駆動性を向上できると共に、光走査用アクチュエータに適用した場合に光ビーム走査範囲が制約されないアクチュエータを提供する。また、このようなアクチュエータをＳＯＩ基板を使用することなく安価に製造できるアクチュエータ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に記載の本発明のアクチュエータは、半導体基板で一体形成された外枠部、梁部及び当該梁部を介して前記外枠部に回動可能に軸支される可動部を有すると共に可動部駆動用の電気信号が供給される電気配線部を有するアクチュエータ部を備えるアクチュエータであって、前記アクチュエータ部の前記電気配線部形成面と同じ側の前記外枠部の面に、前記アクチュエータ部を支持する支持部を備える構成としたことを特徴とする。

かかる構成では、アクチュエータ部の電気配線部形成面と同じ側の外枠部の面に支持部があるので、アクチュエータ部の電気配線部形成面と反対側の面に反射ミラーを設けても、光走査範囲の制約がなく、且つ、大きな反射ミラーサイズにできるようになる。また、電気配線部形成面及び支持部形成面とは反対側の半導体基板面は加工が可能であるので、ハンドリング性が良好な厚さの半導体基板を使用し、電気配線部形成面及び支持部形成面とは反対側の半導体基板面を製造工程において研削してアクチュエータ部を薄く形成することが可能である。

請求項２のように、前記電気配線部は、前記可動部に形成され通電により磁界を発生する駆動コイルとするとよい。
かかる構成では、電磁駆動方式のアクチュエータとすることができる。
請求項３のように、前記可動部の前記電気配線部形成面と反対側の面に、反射ミラーを設ける構成とすれば、光走査用アクチュエータとして使用できるようになる。

請求項４に記載の本発明のアクチュエータ製造方法は、半導体基板で一体形成された外枠部、梁部及び当該梁部を介して前記外枠部に回動可能に軸支される可動部を有すると共に可動部駆動用の電気信号が供給される電気配線部を有するアクチュエータ部を備えるアクチュエータの製造方法であって、前記半導体基板の一方の面のアクチュエータ部形成部位に、前記電気配線部を形成する工程と、電気配線部形成後の半導体基板の電気配線部形成側と同じ面に、前記アクチュエータ部を支持する支持部形成用の支持部材を接合する工程と、前記支持部材接合面と反対側の半導体基板面を、前記アクチュエータ部に要求される所望の厚さまで研削する工程と、研削後の半導体基板のアクチュエータ部形成部位に、エッチングにより梁部及び可動部を形成する工程とを備えることを特徴とする。

請求項５のように、前記電気配線部形成工程は、前記可動部上に通電により磁界を発生する駆動コイルを形成するようにするとよい。
請求項６のように、前記梁部及び可動部の形成工程の後に、前記可動部の電気配線部形成面と反対側の面に反射ミラーを形成する工程を設けるとよい。

本発明によれば、支持部が電気配線部形成面側にあるので、可動部の電気配線部形成面と反対側に反射ミラーを形成すれば、支持部で光ビームの入射及び反射の角度が制約される心配がなく光ビーム走査範囲の広い光走査用アクチュエータを提供できる。また、可動部全面に反射ミラーを形成できるので、ミラーサイズを大きくできる。更に、従来のように電気配線部分を避けて可動部中央部に反射ミラーを形成した場合と同じサイズの反射ミラーならば、アクチュエータ部全体のチップ外形を小型化できる。

本発明の製造方法によれば、電気配線部形成面側に支持部材を接合した後、半導体基板を研削して任意の厚さにすることができるので、従来と比較して厚い半導体基板を使用することができ、電気配線部形成工程も含めて製造工程におけるハンドリング性が良好になると共に、汎用の製造装置を使用することができる。また、支持部材を接合した状態で半導体基板の厚さを自由に調整できるので、支持部材を接合した状態で保管管理すれば多品種少量生産に対応できる利点がある。更に、支持部材によりハンドリングが良好な状態でアクチュエータ部の可動部相当部分を研削することで、可動部厚さが極めて薄いアクチュエータを形成でき、直流（非共振）でも可動部を大きく回動（大振幅駆動）できる駆動性に優れたアクチュエータの製造が可能となる。

以下、本発明の実施形態を図面に基づいて説明する。
図１は、本発明に係るアクチュエータの構成を示す分解斜視図である。尚、以下では、アクチュエータとして電磁駆動方式の光走査用アクチュエータである一次元ガルバノミラーを例に説明する。
図１に示すガルバノミラーは、アクチュエータ部１と、支持部１０とを備えて構成する。

前記アクチュエータ部１は、外枠部２に一対の梁部３，３で可動部４が回動可能に軸支された構成を有している。そして、外枠部２、梁部３，３及び可動部４は共に同一の厚さからなり、後述するように半導体基板である例えばシリコン基板２０（図４に示す）で一体的に形成される。

可動部４表面側の周縁部には、図示しない駆動回路から可動部駆動用の電気信号として駆動電流が供給される電気配線部である駆動コイル５が形成されている。この駆動コイル５は、梁部３，３を介して外枠部２側に引出されて一対の電極端子６，６に接続され、電極端子６，６を例えばワイヤボンディング等により駆動回路に接続する。梁部３，３の軸線に平行な可動部４の対辺側方で外枠部２の外側には、静磁界を発生する例えば一対の永久磁石７，７が配置される。そして、可動部４裏面側の全面には、例えばアルミニウム等で形成した反射ミラー８（図３（ｆ）に示す）が形成されている。

更に、アクチュエータ部１の駆動コイル５形成面と同じ側の外枠部２の面（図１では上面）に、アクチュエータ部１を支持する支持部１０が接着剤或いは陽極接合等により接合される。この支持部１０は、例えばガラス基板で形成され、アクチュエータ部１の可動部４及び梁部３，３に対応する部分に、可動部４の回動動作を妨げないように十分な深さを有する上に凹状の溝部１１が形成されている。また、外枠部２の電極端子６，６に対応する部分に、貫通孔１２，１２が形成され、この貫通孔１２，１２を介して電極端子６，６と駆動回路とをワイヤボンディングで接続するようになっている。尚、前記溝部１１ではなく貫通孔でもよい。

この電磁駆動式ガルバノミラーの動作について簡単に説明する。
駆動回路から可動部４上の駆動コイル５に駆動電流を供給すると磁界が発生し、この磁界と永久磁石７，７による静磁界との相互作用によりローレンツ力が発生し、梁部３，３の軸方向と平行な可動部両対辺部に互いに逆方向の電磁力が発生し、梁部３，３を軸中心として可動部４が回動する。この回動動作に伴って梁部３，３が捩じられ梁部３，３にばね力が発生する。この梁部３，３のばね力と駆動電流の供給により発生した電磁力とが釣合う位置まで可動部４が回動する。

駆動電流として駆動コイル５に直流電流を流せば電流量に応じた回動位置で可動部４は停止するので、電流量に応じて可動部４の回動角度を制御して光ビームを所望の方向に偏向可能な光偏向器を実現できる。駆動電流として駆動コイル５に正弦波等の交流電流を流せば可動部４が揺動するので、反射ミラー８により光ビームを走査することができる。交流電流の周波数を可動部４の揺動運動の共振周波数に設定すれば、一定周期で連続走査可能な光走査デバイスが実現できる。

かかる構成のアクチュエータによれば、支持部１０が駆動コイル形成面側にあるので、可動部４の駆動コイル形成面と反対側に反射ミラー８を形成することで、支持部１０により光ビームの入射及び反射の角度が制約される心配がなく光ビーム走査範囲を広くできる。また、可動部４の全面に反射ミラー８を形成できるので、ミラーサイズを大きくできる。また、従来のように駆動コイル部分を避けて可動部中央部に反射ミラーを形成した場合と同じサイズの反射ミラーとするならば、アクチュエータ部１全体のチップ外形を小型化できる。

次に、本発明のアクチュエータ製造方法を、図１のガルバノミラーの製造方法を例に、図２〜図４を参照して説明する。尚、図２及び図３は、図１におけるＡ−Ａ線断面を示している。

図２の工程（ａ）において、駆動コイル形成工程等において汎用の製造装置を用いることが可能で、製造工程中におけるハンドリングに支障がない十分な厚さ（例えば２５０μｍ以上）のシリコン基板２０を準備し、このシリコン基板２０の上下面を熱酸化して１μｍ程度のＳｉＯ₂絶縁層２１を形成した後、駆動コイル形成面と反対のシリコン基板面側（図中下側）のＳｉＯ₂絶縁層のみをウェットエッチングまたはドライエッチングにより除去する。尚、絶縁層は、熱酸化に限らず、ＣＶＤ等既知の方法によりシリコン基板２０の駆動コイル形成面側のみに形成するようにしてもよい。また、駆動コイル形成面と反対側のシリコン基板面（図中、下側）のＳｉＯ₂絶縁層は本工程で除去せずに、後述する図３の工程（ｄ）の研削時に同時に除去するようにしても良い。

次に、工程（ｂ）において、シリコン基板２０のＳｉＯ₂絶縁層２１上に駆動コイル５を形成する。駆動コイル５の形成方法は、ＳｉＯ₂絶縁層２１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程度の厚みでスパッタリング等の既知の成膜技術により形成する。その後、その上にレジストを塗布し、駆動コイル５、引出線及び電極端子６，６からなる電気配線部のレジストを残して電気配線形状のレジストパターンを形成する。そして、これをマスクとしてアルミニウム薄膜をエッチングして駆動コイル５、引出線及び電極端子６，６を形成する。尚、エッチングはエッチング液を使用して行うウェットエッチング又は反応性ガスを使用して行うドライエッチングのいずれの方法で行ってもよい。次に、電気配線部の上に感光性ポリイミドの絶縁層を形成する。この場合、外部の駆動回路と電気的接続をとるための電極端子６，６（図１参照）に相当する部分を除いて、絶縁層がパターン形成される。具体的には、シリコン基板２０側上面全面に感光性ポリイミドを塗布して形成する。塗布は、スピンコート法、スリットダイコート法、スプレー法、ロールコート法、ディップ法などの既知の方法を適用して行う。ここで、例えばポジ型の感光性ポリイミドを使用した場合には、電極端子６，６に相当する部分以外の所要部分をマスクして紫外線露光する。ポジ型の感光性ポリイミドの場合は、露光部分が現像液に溶解するため電極端子６，６に相当する部分が露光され、現像することにより当該相当部分の感光性ポリイミドが除去される。尚、電気配線部の上の絶縁層はポリイミドに限らず、ＣＶＤ等既知の方法により形成することができるＳｉＯ₂膜、ＳｉＮ膜等でも良い。

次に、工程（ｃ）において、シリコン基板２０の駆動コイル５の形成面と同じ面に、支持部１０形成用の支持部材３０を接合する。支持部材３０は、図４に示すように、シリコン基板２０と同形状で例えば厚さが約３５０μｍ程度のガラス基板で、シリコン基板２０の各アクチュエータ部形成部の可動部４及び梁部３，３相当部分に対応して複数の溝部３１が形成されている。これら溝部３１は、ドライエッチング等により形成することができる。シリコン基板２０と支持部材３０の接合は、図４に示すようにシリコン基板２０及び支持部材３０の各オリフラ２０ａ，３０ａの位置を合わせて積層し、陽極接合或いは接着剤により接合する。また、シリコン基板２０と支持部材３０の位置合わせは、専用のアライメントマークをそれぞれ設けて行っても良い。尚、図２及図３は、シリコン基板２０における１つのアクチュエータ部の形成工程を示してある。

次に、図３の工程（ｄ）において、支持部材３０の接合面と反対側のシリコン基板２０面側を研削し、シリコン基板２０をアクチュエータ部１の外枠部２、梁部３，３及び可動部４として要求される所望の厚さにする。

次に、工程（ｅ）において、シリコン基板２０をエッチングしてアクチュエータ部１を形成する。シリコン基板２０下面で図１の外枠部２、梁部３，３及び可動部４に対応する部分をレジストマスクで覆い、異方性エッチングによりシリコン基板を上下方向に貫通させる。これにより、シリコン基板２０に、外枠部２に一対の梁部３，３で可動部４が軸支された状態の図１に示すアクチュエータ部１が形成される。

次に、工程（ｆ）において、シリコン基板２０に形成されたアクチュエータ部１の可動部４裏面側（図３（ｆ）の下面側）に、アルミニウム等の反射ミラー８を蒸着等により形成する。その後、シリコン基板２０の各アクチュエータ部１部分を互いに切断分離してガルバノミラーのチップを形成する。このチップを、基板上に装着し、梁部３，３の軸線に平行な可動部４の対辺側方で外枠部２の外側に可動部４を間にして一対の永久磁石７，７を図１に示すように対向配置することにより、図１に示すガルバノミラーが完成する。尚、前記チップを基板に装着する場合、反射ミラー８が基板側に位置するときには、反射ミラー８に対応する基板部分に開口部を形成することは言うまでもない。

かかるアクチュエータ製造方法によれば、駆動コイル形成面側に支持部材３０を接合した後、シリコン基板２０を研削して任意の厚さにすることができるので、従来と比較して厚い（例えば約２５０μｍ以上）シリコン基板２０を使用することができ、コイル形成工程も含めて製造工程におけるハンドリング性が良好であると共に、汎用の製造装置を使用することができる。また、支持部材３０を接合した状態でシリコン基板２０の厚さを自由に調整できるので、支持部材３０を接合した状態で保管管理すれば多品種少量生産に対応できる利点がある。更に、支持部材３０によりハンドリングが良好な状態でアクチュエータ部１の可動部４を研削して可動部４が極めて薄い（例えば約１０μｍ以下）アクチュエータを形成できる。従って、小さいトルクで可動部４を駆動でき、直流（非共振）でも可動部４を大きく回動（大振幅駆動）できる駆動性に優れたアクチュエータの製造が可能である。

尚、上記実施形態では、一次元のガルバノミラーの例を示したが、二次元のガルバノミラーであってもよい。また、本発明のアクチュエータはガルバノミラーのような光走査用アクチュエータに限定されず、いかなるアクチュエータであってもよく、反射ミラーの不要なアクチュエータの場合は、図３の工程（ｆ）で説明した反射ミラー形成工程は省略される。

そして、本発明のアクチュエータ及び製造方法は、上述の電磁駆動式に限られず、静電駆動式、圧電駆動式等に適用できる。

本発明に係るアクチュエータの一実施形態の構成を示す斜視図 本発明に係るアクチュエータ製造方法を図１のアクチュエータに適用した場合の製造工程を示す説明図 図２に続く製造工程を示す説明図 半導体基板と支持部材の接合工程を説明するための斜視図

符号の説明

１ アクチュエータ部
２ 外枠部
３，３ 梁部
４ 可動部
５ 駆動コイル
８ 反射ミラー
１０ 支持部
２０ シリコン基板
３０ 支持部材

Claims (6)

1. 半導体基板で一体形成された外枠部、梁部及び当該梁部を介して前記外枠部に回動可能に軸支される可動部を有すると共に可動部駆動用の電気信号が供給される電気配線部を有するアクチュエータ部を備えるアクチュエータであって、
   前記アクチュエータ部の前記電気配線部形成面と同じ側の前記外枠部の面に、前記アクチュエータ部を支持する支持部を備える構成としたことを特徴とするアクチュエータ。
2. 前記電気配線部は、前記可動部に形成され通電により磁界を発生する駆動コイルであることを特徴とする請求項１に記載のアクチュエータ。
3. 前記可動部の前記電気配線部形成面と反対側の面に、反射ミラーを設ける構成としたことを特徴とする請求項１又は２に記載のアクチュエータ。
4. 半導体基板で一体形成された外枠部、梁部及び当該梁部を介して前記外枠部に回動可能に軸支される可動部を有すると共に可動部駆動用の電気信号が供給される電気配線部を有するアクチュエータ部を備えるアクチュエータの製造方法であって、
   前記半導体基板の一方の面のアクチュエータ部形成部位に、前記電気配線部を形成する工程と、
   電気配線部形成後の半導体基板の電気配線部形成側と同じ面に、前記アクチュエータ部を支持する支持部形成用の支持部材を接合する工程と、
   前記支持部材接合面と反対側の半導体基板面を、前記アクチュエータ部に要求される所望の厚さまで研削する工程と、
   研削後の半導体基板のアクチュエータ部形成部位に、エッチングにより梁部及び可動部を形成する工程と、
   を備えることを特徴とするアクチュエータ製造方法。
5. 前記電気配線部形成工程は、前記可動部上に通電により磁界を発生する駆動コイルを形成することを特徴とする請求項４に記載のアクチュエータ製造方法。
6. 前記梁部及び可動部の形成工程の後に、前記可動部の電気配線部形成面と反対側の面に反射ミラーを形成する工程を設けることを特徴とする請求項４又は５に記載のアクチュエータ製造方法。

Images