JP2007310274A

JP2007310274A - マイクロミラーデバイス及びマイクロミラーデバイスを使用した装置

Info

Publication number: JP2007310274A
Application number: JP2006141324A
Authority: JP
Inventors: Minoru Sasaki; 佐々木　　実; Kazuhiro Hane; 一博羽根
Original assignee: Tohoku University NUC
Current assignee: Tohoku University NUC
Priority date: 2006-05-22
Filing date: 2006-05-22
Publication date: 2007-11-29

Abstract

【課題】マイクロミラーデバイスを実用的な応用に適応するには、低消費電力や高速応答が期待される。低消費電力のためには小さな駆動力でも回転するようミラーを支持するバネを柔らかくすること、高速応答のためにはミラーを軽くすることが必要である。これらをマイクロミラーの光学特性を維持して実現することが難しいという課題があった。
【解決手段】アモルファスシリコンの結晶化誘起応力で得られる引張応力の加わったシリコン材料を使用した、薄膜トーションバー、結晶シリコンのドラム上に組み合わせた薄膜ミラー、バルクシリコンと組み合わせた梁の変形で用意された静電駆動用縦型櫛歯構造の全て又はいずれかに使用することで、小さな駆動力でも回転し、高速応答できるマイクロミラーデバイスが得られる。通常使用されるシリコン基板と熱膨張率が同じ材料からなり、温度特性の安定化が図れる。
【選択図】図３

Description

本発明は、光スキャナーや二次元走査型ミラー等のマイクロミラーデバイス、及びマイクロミラーデバイスを使用した装置に関する。

光応用分野において小型化に適したマイクロミラーデバイスを使用したい要求が多く存在する。マイクロミラーの実用化を阻んでいるものに、以下の２つの大きな課題がある。１つは、低電圧駆動で大きなミラー回転角を得ることが難しいことである。駆動力を大きくするか、ミラーを支えるトーションバーを柔らかくすることになる。トーションバーの形状を工夫することも可能であるが、同時にミラーの目的とする回転以外の余分な動きも引き起こし易くなる。ミラーを支えるトーションバーに張力を加えることによって両持ち梁構造をピンと張ることが有効である。実現には、大きな引張応力が加わる薄膜材料が必要になる。シリコン窒化膜が該当するものの、基板シリコンと熱膨張係数などの特性が異なるため、温度特性が安定しない。もう一つの課題は、高速動作に適した、軽くて光の波長レベルで平坦なミラーの製作が難しいことである。太鼓の革のような構造を使用してミラーを実現するアイデアがある。質量を軽くできるため、共振周波数を高めることができる。このアイデアは国際会議MEMS2000でUC Berkeleyから発表されているが、引張応力は弱く、魅力的な結果ではなかった。より大きな引張応力が得られる材料が必要であった。

トーションバーにほどこす工夫は、例えば特許文献１や特許文献２に開示されている。特許文献１は、引張応力を加えることでミラーの余分な動きを抑制する効果について述べている。トーションバーの材料については任意性がある。シリコン窒化膜や、熱変形したバルクシリコンを例示している。シリコン窒化膜を使用すると、電気伝導性を確保するために表面へのメタル成膜が必要となる。シリコン基板とは熱膨張係数などの特性が異なるため、温度特性が安定しない問題がある。特許文献２は、つづら折り構造と直線的な構造によって、平面的な形状を工夫することでバネ性能を小型に実現するものである。特許文献３は、トーションバーの平面ではなく縦方向の形状を工夫して、捩り剛性の変化を抑えて、余分な動きを抑制するための曲げ剛性を高める工夫である。特許文献４は、複数層の多結晶シリコンの構造を工夫することで、薄膜で用意するミラー部分を補強する工夫である。構造中に引張応力を加えるものではなく、かつ薄膜を太鼓の革のように使用する構造ではない。

非特許文献１や非特許文献２に開示された内容は、アモルファスシリコンの結晶化誘起応力に関するものである。1000 MPaにも及ぶ大きな引張応力の加わった多結晶シリコンを用意する技術である。ドーパントを加えた電気伝導性がある膜を用意することも可能である。膜の材料特性を示したもので、マイクロミラーのトーションバーやミラー面に応用することを想定したものではない。非特許文献３に開示された内容は、引張応力の加わった多結晶シリコンを軽くて平坦なミラー面に使用するものである。使用された膜は成膜時で多結晶シリコンであり、材質の異なるものである。生じる応力は100-300 MPa程度の小さな値である。このため、引張応力の効果を十分引き出すには及んでいない。

特開２００５−３２１６６３号公報特開２００６−３９０６７号公報特開２００１−１１７０２６号公報 US Patent No. 6791730B2. 日本機械学会論文集（Ａ編）58巻554号 (1992) pp.216-221. 日本機械学会論文集（Ａ編）61巻585号 (1995) pp.183-188. IEEE Proc. 13th Annual Int. Conf. Micro-Electro-Mechanical Systems (MEMS2000), Miyazaki, Japan, January 2000, pp.704-709.

マイクロミラーデバイスには、低消費電力につながる小さな力で駆動できること、ミラーは軽くて平坦かつ平滑であること、ミラーの共振周波数は高いこと、が一般的に求められる。様々な材料が使用できるが、温度特性を安定化するために、基板と熱膨張係数がほぼ同じ値を持つ構造材料が望ましい。通常、基板はシリコンであることが多いため、シリコン材料が最も適している。強い引張応力が得られる薄膜材料は、上記特性を実現するのに適している。

本発明は、アモルファスシリコンの結晶化誘起応力で得られる強い引張応力を使用して上記特性を実現することを目的としている。

本発明によれば、光スキャナーや二次元走査型ミラー等のマイクロミラーデバイスにおいて、アモルファスシリコンの結晶化誘起応力で得られる引張応力の加わったシリコン材料を使用したことを特徴とするマイクロミラーデバイスが得られる。

また本発明によれば、トーションバー回りの回転には柔らかく他の運動には剛性を高くし、安定なミラー回転動作が得られるようにするため、マイクロミラーのトーションバー部分に引張応力の加わったシリコン材料を使用することを特徴とするマイクロミラーデバイスが得られる。

また本発明によれば、薄くて軽量でありながら平坦で表面粗さが小さい平滑な面を持つように、マイクロミラーのミラー部分に引張応力の加わったシリコン材料を使用することを特徴とするマイクロミラーデバイスが得られる。

また本発明によれば、共振周波数を高くするように、マイクロミラーのトーションバー部分およびミラー部分に引張応力の加わったシリコン材料を使用することを特徴とするマイクロミラーデバイスが得られる。

また本発明によれば、引張応力の加わったシリコン材料とバルクシリコンを組み合わせた梁構造の変形を使用して、マイクロミラーを静電駆動するための縦型櫛歯構造を有することを特徴とするマイクロミラーデバイスが得られる。

また本発明によれば、安定した温度特性を得るため、シリコン基板と温度特性が類似したシリコン材料を使用することを特徴とするマイクロミラーデバイスが得られる。

また本発明によれば、引っ張り応力が加わったシリコン材料からなるマイクロミラーデバイスを使用したことを特徴とする、光スキャナ、内視鏡用光スキャナ、レーザディスプレイ、共焦点顕微鏡、バーコードリーダ、レーザプリンタ、光スイッチ、光減衰器、光利得等価器、光計測器などの装置が得られる。

本発明によれば、アモルファスシリコンの結晶化誘起応力で得られる大きな引張応力が加わった多結晶シリコン膜を、マイクロミラーデバイスのトーションバーやミラー面に使用することができる。不純物をドープすることも可能であるため、電気的接続も可能である。トーションバーを薄膜で用意できるためにミラーを小さな力で回転することが可能で、同時に、張力によってそれ以外の余分なミラー変位を抑えることが可能である。ミラー面においては、太鼓の革のようにピンと張った軽い平坦なミラーが実現できる。アモルファスから用意される膜は表面粗さも小さい。光学的に高品質なミラーを速い応答で走査可能なマイクロミラーを実現できる。トーションバーとミラーのいずれに対しても、シリコン基板と熱膨張係数がほぼ一致しているため、温度特性が安定化する。

低消費電力で光学的に高品質なミラーを要求されるアプリケーションに適応可能となる。光スキャナ、内視鏡用光スキャナ、レーザディスプレイ、共焦点顕微鏡、バーコードリーダ、レーザプリンタ、光スイッチ、光減衰器、光利得等価器、光計測器などの装置を提供する。

以下、本発明の実施の形態について図面を参照しながら説明する。図１は本発明の実施の形態による、マイクロミラーデバイスの概略構成を示す図である。２’は光を反射するバルクシリコンのミラーである。バルク結晶シリコンから製作するためミラー剛性が高く平坦で、研磨面を使用できるため鏡面が得られる。１はミラーを支える薄膜シリコンのトーションバーであり、引張応力の加わったシリコン材料で用意される。また、トーションバーやミラーの形状は図１の実施例に記載した形状に限定されるものではない。ミラー面には反射率を上げるために金属を、ミラー面ではない部分には反射防止膜を適宜成膜することができる。

図２は本発明の実施の形態による、ミラー部分に引張応力の加わったシリコン材料を使用することで、薄くて軽量でありながら平坦な面を持つマイクロミラーデバイスの概略構成を示す図である。バルク結晶シリコンから製作した薄膜シリコンのミラーを支持するドラム構造４と、これに周辺または一部を固定された薄膜シリコン２で用意した平面によって実現した、軽量化したマイクロミラー２である。１はミラーを支えるトーションバーであり、引張応力の加わったシリコン材料で用意される。また、トーションバーやミラーの形状は図２の実施例に記載した形状に限定されるものではない。ミラー面には反射率を上げるために金属を、ミラー面ではない部分には反射防止膜を適宜成膜することができる。

図３は本発明の実施の形態による、ミラー部分に引張応力の加わったシリコン材料を使用することで、薄くて軽量でありながら平坦な面を持つマイクロミラーデバイスの概略構成を示す図である。バルク結晶シリコンから製作したリング状のドラム構造４と、これに周辺または一部を固定された引張応力によって張られた薄膜シリコンで用意した平面によって実現した、軽量化したマイクロミラー２である。１はミラーを支えるトーションバーであり、引張応力の加わったシリコン材料で用意される。また、トーションバーやミラーの形状は図３の実施例に記載した形状に限定されるものではない。ミラー面には反射率を上げるために金属を、ミラー面ではない部分には反射防止膜を適宜成膜することができる。

図４は本発明の実施の形態による、ミラー部分に引張応力の加わったシリコン材料を使用することで、薄くて軽量でありながら平坦な面を持つマイクロミラーデバイスの概略構成を示す図である。バルク結晶シリコンから製作したドラム構造４と、これに周辺または一部を固定された薄膜シリコン２で用意した平面によって実現した、軽量化したマイクロミラー２である。１’はミラーを支えるバルクシリコンのトーションバーである。また、トーションバーやミラーの形状は図４の実施例に記載した形状に限定されるものではない。ミラー面には反射率を上げるために金属を、ミラー面ではない部分には反射防止膜を適宜成膜することができる。

図５は本発明の実施の形態による、ミラー部分に引張応力の加わったシリコン材料を使用することで、薄くて軽量でありながら平坦な面を持つマイクロミラーデバイスの概略構成を示す図である。バルク結晶シリコンから製作したドラム構造４と、これに周辺または一部を固定された薄膜シリコン２で用意した平面によって実現した、軽量化したマイクロミラー２である。１はミラーを支えるトーションバーであり、引張応力の加わったシリコン材料で用意される。マイクロミラーを静電駆動するために、静電アクチュエータ用縦型櫛歯構造７が用意されている。固定櫛歯を先端に持つ、引張応力の加わった薄膜シリコンとバルクシリコンを組み合わせた梁６は引張応力によって上に反る。また、トーションバー、ミラー、縦型櫛歯構造の形状は図５の実施例に記載した形状に限定されるものではない。ミラー面には金属材料を、ミラー部ではないトーションバーには反射防止膜を適宜成膜することができる。

本発明に係る、アモルファスシリコンの結晶化誘起応力で得られる引張応力の加わったシリコン材料を使用したマイクロミラーデバイスは、光スキャナ、内視鏡用光スキャナ、レーザディスプレイ、共焦点顕微鏡、バーコードリーダ、レーザプリンタ、光スイッチ、光減衰器、光利得等価器、光計測器などの装置に適用できる。

本発明の実施の形態による、アモルファスシリコンの結晶化誘起応力で得られる引張応力の加わったシリコン材料を使用したマイクロミラーデバイスの概略図である。本発明の実施の形態による、アモルファスシリコンの結晶化誘起応力で得られる引張応力の加わったシリコン材料を使用したマイクロミラーデバイスの概略図である。本発明の実施の形態による、アモルファスシリコンの結晶化誘起応力で得られる引張応力の加わったシリコン材料を使用したマイクロミラーデバイスの概略図である。本発明の実施の形態による、アモルファスシリコンの結晶化誘起応力で得られる引張応力の加わったシリコン材料を使用したマイクロミラーデバイスの概略図である。本発明の実施の形態による、アモルファスシリコンの結晶化誘起応力で得られる引張応力の加わったシリコン材料を使用したマイクロミラーデバイスの概略図である。

符号の説明

１薄膜シリコンのトーションバー
１’ バルクシリコンのトーションバー
２引張応力によって張られた薄膜シリコンのミラー
２’ バルクシリコンのミラー
３ミラーデバイス全体を支える基板
４薄膜シリコンのミラーを支持するバルクシリコンのドラム
５片持ち梁を反らせる薄膜シリコン
６固定櫛歯を先端に持つ、引張応力の加わった薄膜シリコンとバルクシリコンを組み合わせた梁
７静電アクチュエータ用縦型櫛歯構造

Claims

光スキャナーや二次元走査型ミラー等のマイクロミラーデバイスにおいて、アモルファスシリコンの結晶化誘起応力で得られる引張応力の加わったシリコン材料を使用したことを特徴とするマイクロミラーデバイス。
トーションバー回りの回転には柔らかく他の運動には剛性を高くし、安定なミラー回転動作が得られるようにするため、マイクロミラーのトーションバー部分に引張応力の加わったシリコン材料を使用することを特徴とする請求項１に記載のマイクロミラーデバイス。
薄くて軽量でありながら平坦で表面粗さが小さい平滑な面を持つように、マイクロミラーのミラー部分に引張応力の加わったシリコン材料を使用することを特徴とする請求項１に記載のマイクロミラーデバイス。
共振周波数を高くするように、マイクロミラーのトーションバー部分およびミラー部分に引張応力の加わったシリコン材料を使用することを特徴とする請求項１ないし３のいずれかに記載のマイクロミラーデバイス。
引張応力の加わったシリコン材料とバルクシリコンを組み合わせた梁構造の変形を使用して、マイクロミラーを静電駆動するための縦型櫛歯構造を有することを特徴とする請求項１ないし４のいずれかに記載のマイクロミラーデバイス。
安定した温度特性を得るため、シリコン基板と温度特性が類似したシリコン材料を使用することを特徴とする請求項１ないし５のいずれかに記載のマイクロミラーデバイス。
請求項１ないし６のいずれかに記載のマイクロミラーデバイスを使用したことを特徴とする、光スキャナ、内視鏡用光スキャナ、レーザディスプレイ、共焦点顕微鏡、バーコードリーダ、レーザプリンタ、光スイッチ、光減衰器、光利得等価器、光計測器などの装置。