JP2008181042A - 半導体構造及びその製造方法 - Google Patents

Abstract

【課題】可動部中に絶縁分離構造を設けた半導体構造を容易に製造可能にする。
【解決手段】光走査ミラー（半導体構造）１は、第１シリコン層１００ａ、酸化膜１２０、第２シリコン層１００ｂから成るＳＯＩ基板１００を加工することにより形成されている。第１シリコン層１００ａには、固定フレーム４に第１ヒンジ５を介して支持された可動部５０が形成されている。可動部５０は、トレンチ（絶縁分離構造）１０１ａが形成されることにより複数の部位に分かれている。トレンチ１０１ａの下方に、酸化膜１２０及び第２シリコン層１００ｂから成る支持体９が形成されている。支持体９にはトレンチ１０１ａにより分割された可動フレーム３の複数の部位が接合されており、可動部５０は支持体９と一体に揺動可能である。これにより、簡易なエッチングによる製造工程により支持体９を形成し、可動部５０の機械的強度を確保可能である。
【選択図】図１

Description

本発明は、支持ヒンジにより軸支された可動部を揺動させる半導体構造と、その半導体構造の製造方法に関する。

従来より、例えばバーコードリーダやプロジェクタ等の光学機器に、ミラー面が設けられたミラー部を揺動させて、そのミラー面に入射した光ビーム等をスキャンする光走査ミラーを用いた方式が知られている。光走査ミラーとしては、例えば、マイクロマシニング技術を用いて成形される半導体構造を有する小型のものが知られている。このような半導体構造は、光走査ミラーとして用いられるときにミラー面が形成される可動部と、可動部を支持する固定フレームとを有している。可動部と固定フレームとは互いにヒンジにより連結されており、可動部と固定フレームとの間には、例えば、互いに噛合う一対の櫛歯電極が形成されている。櫛歯電極は、例えば互いの電極が２μｍ乃至５μｍ程度の間隔で噛み合うように形成されており、互いの電極間に電圧が印加されることにより静電力を発生する。可動部は、櫛歯電極が発生する駆動力により、ヒンジを捻りながら固定フレームに対し回動し、ヒンジを軸として揺動する。

ところで、可動部が、ミラー面が搭載されたミラー部とミラー部をヒンジを介して支持する可動フレームとを有し、可動フレームとミラー部との間にも一対の櫛歯電極が設けられているような半導体構造を用いた光走査ミラーがある（非特許文献１参照）。図２４は、２軸型の光走査ミラーの一例を示す。光走査ミラー８１は、第１シリコン層８００ａとその下方の第２シリコン層８００ｂとを絶縁膜８２０を介して接合して成るＳＯＩ（Silicon on Insulator）基板８００から構成されている。ミラー部８２及び可動フレーム８３は、第１シリコン層８００ａに形成されており、固定フレーム８４は、第１シリコン層８００ａ、絶縁膜８２０、及び第２シリコン層８００ｂにより構成されている。可動フレーム８３は固定フレーム８４に第１ヒンジ（後記第２ヒンジ８６とは直交する位置にあり、図では示されていない）を介して軸支されており、ミラー部８２は可動フレーム８３に第２ヒンジ８６を介して軸支されている。櫛歯電極（図示せず）は、ミラー部８２と可動フレーム８３との間、及び可動フレーム８３と固定フレーム８４との間にそれぞれ設けられている。ミラー部８２の上面にはミラー面８２ａが形成されており、固定フレーム８４の上面には櫛歯電極を駆動するための電圧が印加される端子部８１０が形成されている。第１シリコン層８００ａの上面は、ミラー面８２ａと端子部８１０を除き、絶縁膜８２０で覆われている。端子部８１０に駆動電圧が印加されて櫛歯電極が駆動力を発生し、その駆動力がミラー部８２及び可動フレーム８３にそれぞれ加わることにより、ミラー部８２及び可動フレーム８３が、それぞれ第２ヒンジ８６及び第１ヒンジを捻りながら揺動する。

２軸型の光走査ミラー８１の半導体構造では、可動フレーム８３内に互いに電気的に絶縁された２つの部位を設け、ミラー部８２と可動フレーム８３との間に設けられた櫛歯電極のミラー部８２側の電極と可動フレーム８３側の電極との間に電圧を印加できるようにする必要がある。従来の光走査ミラー８１の半導体構造では、可動フレーム８３に絶縁分離部８９を形成することにより、可動フレーム８３を、可動フレーム８３側の電極の電位となる部位と、第２ヒンジ８６を介してミラー部８２と導通しミラー部８２側の電極の電位となる部位との２つの部位に絶縁分離している。このような絶縁分離部８９は、可動フレーム８３を一体に揺動可能とし、且つ、可動フレーム８３の２つの部位の電気的絶縁を維持するため、第１シリコン層８００ａ中に形成した溝形状（トレンチ）の側壁に絶縁膜８２０ｃを形成したうえで、そのトレンチにポリシリコン８９ａを埋め込むことにより可動フレーム８３一体としての機械的強度を確保し、２つの部位を絶縁した状態で接合している。

上記絶縁分離部８９の製造工程の一例について、図２５（ａ）乃至（ｃ）を参照して説明する。先ず、図２５（ａ）に示すように、表面に絶縁膜８２０が形成されたＳＯＩ基板８００の第１シリコン層８００ａの上方にレジスト８３２をパターニングし、第１シリコン層８００ａをエッチングすることにより、第１シリコン層８００ａにトレンチ８０１ａを形成する。そして、図２５（ｂ）に示すように、レジスト８３２を取り除き、電気炉を用いてトレンチ８０１ａの側壁を酸化させて絶縁膜８２０ｃを形成した後、ポリシリコンをデポジションすることにより、トレンチ８０１ａをポリシリコン８９ａで埋め込む。その後、図２５（ｃ）に示すように、第１シリコン層８００ａの表面に堆積したポリシリコンを研磨し除去することにより、絶縁分離部８９が第１シリコン層８００ａ中に形成される。

しかしながら、このようにポリシリコン８９ａでトレンチ８０１ａを埋め込んで形成される絶縁分離部８９を設け、可動フレーム８３を構成する場合には、半導体構造の製造工程が複雑になり、また、絶縁分離部８９を設けることによる良好な電気的絶縁の維持と機械的強度の確保を行うことが困難であるため、製造時の良品率が悪いという問題がある。すなわち、光走査ミラー８１の半導体構造の製造時には、上述のように、トレンチ形成工程、側壁酸化工程、ポリシリコン埋込工程、ポリシリコン研磨工程など複雑な工程を経なければならない。また、ポリシリコン埋込工程においては、トレンチ８０１ａをポリシリコン８９ａで密に埋め込むことが困難であるため、埋め込まれたポリシリコン８９ａ中に空隙が生じ、可動フレーム８３の機械的強度が小さくなることがある。そして、可動フレーム８３の２つの部位は互いに絶縁膜８２０ｃにより絶縁されているので、この絶縁膜８２０ｃが製造時に適切に形成されなければ、２つの部位間の電気的絶縁性が損なわれ、光走査ミラー８１が動作不良を起こすことがある。
IEEE Journal of selected topics in Quantum Electronics, Vol.6, No.5, September/October 2000 p715

本発明は、上記問題点を鑑みてなされたものであり、簡易な製造工程により可動部中に絶縁分離構造を形成可能であり、製造時の良品率が高い半導体構造を提供することを目的とする。

上記目的を達成するため、請求項１の発明は、固定フレームと、前記固定フレームに支持ヒンジを介して軸支され前記固定フレームに対し回転可能な可動部と、を備え、前記可動部には、その可動部を互いに絶縁された複数の部位に分割する絶縁分離部が設けられている半導体構造において、前記絶縁分離部の下方には、前記絶縁分離部により分割された前記可動部の複数の部位が共に接合された支持体が形成されており、前記可動部が前記支持体と一体に回動可能に構成されているものである。

請求項２の半導体構造の製造方法は、第１シリコン層と第２シリコン層とが酸化膜を介し互いに接合されて成るＳＯＩ（Silicon on Insulator）基板から構成され、前記第１シリコン層、前記酸化膜、及び前記第２シリコン層に固定フレームが形成され、前記第１シリコン層に前記固定フレームに支持ばね部を介して軸支され前記固定フレームに対し回転可能な可動部が形成されて成り、前記可動部には、その可動部を互いに絶縁された複数の部位に分割する絶縁分離部が設けられている半導体構造の製造方法であって、前記ＳＯＩ基板をエッチングし、前記第１シリコン層に、前記支持ばね部、前記可動部、及び前記絶縁分離部を形成する第１工程と、前記第１工程の後、前記第２シリコン層にエッチングを行い、前記第２シリコン層のうち前記可動部及び前記支持ばね部の下方の部位を、前記絶縁分離部の下方の部位を残して掘り込む第２工程と、前記第２工程の後、前記酸化膜のうち前記第２工程にて前記第２シリコン層が掘り込まれることにより露出した部位を除去し、前記絶縁分離部の下方に、前記絶縁分離部により分割された前記可動部の複数の部位に共に接合された、前記酸化膜及び前記第２シリコン膜から成る支持体を形成する第３工程と、を有するものである。

請求項３の発明は、請求項２の半導体構造の製造方法において、前記第２工程において、前記第２シリコン層の前記絶縁分離部の下方の部位の厚みが前記第２シリコン層の前記固定フレームの厚みよりも小さくなるようにエッチングを行うものである。

請求項４の発明は、請求項２の半導体構造の製造方法において、前記第１工程において、前記酸化膜のうち前記絶縁分離部を形成することにより露出した部位を除去し、それにより露出した前記第２シリコン層の部位に対しボロン拡散を行い、前記第２シリコン層中に高濃度ボロン拡散部を形成し、前記第２工程において、前記高濃度ボロン拡散部に対して選択性を持つエッチャントを用いて前記第２シリコン層にエッチングを行い、前記支持体を、前記高濃度ボロン拡散部により構成するものである。

請求項１の発明によれば、絶縁分離部の下方に、絶縁分離部により絶縁分離された可動部の複数の部位が共に接合された支持体が形成されており、可動部が支持体と一体に回動可能に構成されているので、従来よりも簡易な製造工程により製造可能になり、可動部の機械的強度も確実に確保される。また、絶縁分離部は可動部を複数の部位に分割するように構成されているので、複数の部位間での電気的絶縁を確実に維持することができ、半導体構造の製造時の良品率が高くなる。さらにまた、支持体は可動部と一体に回動するので、可動部の共振周波数を保ったまま素子サイズを小さくして製造コストを低減したり、支持ヒンジを太くして半導体構造の耐衝撃性を向上させることができる。

請求項２の発明によれば、絶縁分離部を有する半導体構造を、ＳＯＩ基板をエッチングする、簡易な、第１工程、第２工程、及び第３工程により製造可能であり、トレンチ側壁酸化工程やポリシリコン埋め込み研磨工程のような複雑な工程を行う必要がなく、容易に半導体構造を製造可能である。絶縁分離部は可動部を複数の部位に分割するように構成されるので、複数の部位間での電気的絶縁を確実に維持することができ、半導体構造の製造時の良品率が高くなる。

請求項３の発明によれば、第２シリコン層の絶縁分離部の下方の厚みが固定フレームの厚みよりも小さくなるようにエッチングを行うので、支持体の下端部の位置が、固定フレームの下端部の位置よりも上方となる。従って、固定フレームの下方にスペーサを設ける必要がなく実装高さが低い半導体構造を製造することができる。

請求項４の発明によれば、第１工程において絶縁分離部の下方の第２シリコン層にボロン拡散を行い高濃度ボロン拡散部を形成し、第２工程において、高濃度ボロン拡散部を残してエッチングを行い、支持体を高濃度ボロン拡散部により構成するので、ボロン拡散深さを制御して、支持体の大きさを高精度に制御することができ、支持体を含む可動部の共振周波数を高精度に設定することができる。

以下、本発明の第１の実施形態について図面を参照して説明する。図１（ａ）、（ｂ）、図２、図３、及び図４（ａ）、（ｂ）は、本実施形態に係る半導体構造を用いて構成された光走査ミラーの一例を示す。光走査ミラー（半導体構造）１は、例えば、バーコードリーダ、外部のスクリーン等に画像を投影するプロジェクタ装置、又は光スイッチ等の光学機器に搭載される小型のものであり、外部の光源等（図示せず）から入射する光ビーム等をスキャン動作させる機能を有している。

先ず、この光走査ミラー１の構成について以下に説明する。光走査ミラー１は、導電性を有する第１シリコン層１００ａと第２シリコン層１００ｂとをシリコンの酸化膜１２０を介して接合して成る、３層のＳＯＩ（Silicon on Insulator）基板１００から構成されている。酸化膜１２０は絶縁性を有しているので、第１シリコン層１００ａと第２シリコン層１００ｂとは互いに絶縁されている。第１シリコン層１００ａの厚みは、例えば３０μｍ程度であり、第２シリコン層１００ｂの厚みは、例えば４００μｍ程度である。また、ＳＯＩ基板１００の上面の一部には、酸化膜１２０ｂが形成されている。この光走査ミラー１は、例えば、上面視で一辺が数ｍｍ程度の略正方形である直方体状の素子であり、第２シリコン層１００ｂの下面の一部に、例えばガラス製の所定の厚みのスペーサ１１０が接合された状態で、光学機器等の回路基板Ｂ上等に実装される。酸化膜１２０ｂと回路基板Ｂとは、図３に示されており、図１（ａ）、（ｂ）、図２、及び図４（ａ）、（ｂ）においてはそれらの図示を省略している。なお、光走査ミラー１は、酸化膜１２０ｂを有さなくてもよい。

この光走査ミラー１は、上面視で略矩形形状であり上面にミラー面２０が形成されたミラー部２と、ミラー部２の周囲を囲むように略矩形の環状に形成された可動フレーム３と、可動フレーム３の周囲を囲むように形成され、光走査ミラー１の側周部となり、下方にスペーサ１１０が接合された固定フレーム４とを有している。可動フレーム３と固定フレーム４とは、互いに並んで１つの軸を成すように、固定フレーム４の互いに対向する２側面から各面に直交するように形成された梁状の２つの第１ヒンジ（支持ヒンジ）５により連結されている。一方、ミラー部２と可動フレーム３とは、第１ヒンジ５の長手方向と直交する方向に、互いに並んで１つの軸を成すように形成された梁状の２つの第２ヒンジ６により連結されている。第１ヒンジ５及び第２ヒンジ６は、それらそれぞれが成す軸が、上面視でミラー部２の重心位置を通過するように形成されている。第１ヒンジ５及び第２ヒンジの幅寸法は、例えば、それぞれ、５μｍ程度、３０μｍ程度である。ミラー部２は、第２ヒンジ６を回転軸として、可動フレーム３に対して回動可能に可動フレーム３に支持されている。一方、可動フレーム３は、第１ヒンジ５を回転軸として、固定フレーム４に対して回動可能に固定フレーム４に支持されている。すなわち、この光走査ミラー１において、ミラー部２と可動フレーム３とが、第１ヒンジ５により構成される軸回りに、固定フレーム４に対し回動可能な可動部５０を構成している。そして、ミラー部２は、第１ヒンジ５と第２ヒンジ６とによりそれぞれ構成される２つの軸回りに、２次元的に回動可能に構成されている。可動フレーム３の下面には、可動フレーム３に接合され可動フレーム３と一体に回動可能支持体９が設けられている。また、固定フレーム４には、３つの端子膜１０ａ，１０ｂ，１０ｃが形成されている。以下、第２ヒンジ６の長手方向をＸ方向と称し、第１ヒンジ５の長手方向をＹ方向と称し、Ｘ方向とＹ方向に直交する垂直な方向をＺ方向と称する。

この光走査ミラー１は静電力を用いてミラー部２を回動させるものであり、可動フレーム３と固定フレーム４との間の第１ヒンジ５が形成されていない部位には第１櫛歯電極７が形成されており、ミラー部２と可動フレーム３との間の第２ヒンジ６が形成されていない部位には第２櫛歯電極８が形成されている。第１櫛歯電極７は、可動フレーム３のうちＸ方向に略直交する２側面にそれぞれ櫛歯形状に形成された電極３ｂと、固定フレーム４のうち電極３ｂに対向する部位にそれぞれ形成された電極４ａとが、一対に互いに噛み合うように配置されて構成されている。第２櫛歯電極８は、ミラー部２のうちＹ方向に略直交する２側面にそれぞれ櫛歯形状に形成された電極２ａと、可動フレーム３のうち電極２ａに対向する部位にそれぞれ櫛歯形状に形成された電極３ａとが、一対に互いに噛み合うように配置されて構成されている。第１櫛歯電極７及び第２櫛歯電極８において、電極３ｂ，４ａ間の隙間や、電極２ａ，３ａ間の隙間は、例えば、２μｍ乃至５μｍ程度の大きさとなるように構成されている。第１櫛歯電極７及び第２櫛歯電極８は、それぞれの電極３ｂ，４ａ間、又は電極２ａ，３ａ間に電圧が印加されることにより、電極３ｂ，４ａ間、又は電極２ａ，３ａに、互いに引き合う方向に作用する静電力を発生する。

ミラー部２、可動フレーム３、固定フレーム４等は、それぞれ、後述するようにＳＯＩ基板１００をマイクロマシニング技術を用いて加工することにより形成されている。以下に、光走査ミラー１の各部位について、ＳＯＩ基板１００の各層の構造について説明する。

ミラー部２及び可動フレーム３は、第１シリコン層１００ａに形成されている。ミラー面２０は、例えばアルミニウム製の薄膜であり、ミラー部２の上面に外部から入射する光ビームを反射可能に形成されている。ミラー部２は、第２ヒンジ６を通る垂直平面（ｚ−ｘ平面に平行な平面）に対し略対称形状に形成されており、第２ヒンジ６回りにスムーズに揺動するように構成されている。

可動フレーム３には、第１シリコン層１００ａの上端から下端まで連通し、溝形状の空隙を構成するトレンチ１０１ａ（絶縁分離部）が形成されている。トレンチ１０１ａが形成されていることにより、可動フレーム３は、第１ヒンジ５の一方と接続され電極３ａ及び電極３ｂと一体となる部位と、２つの第２ヒンジ６を支持する軸支部３ｃ及び軸支部３ｃに導通部３ｄを介して接続され第１ヒンジ５の他方に軸支される軸支部３ｅから成る部位と、トレンチ１０１ａが形成されることにより、導通部３ｄにミラー部２の中央部に関し上面視で略点対称となる形状に形成された３つのバランス部３ｆと、の５つの部位に分割されている。トレンチ１０１ａは第１シリコン層１００ａを分断するように形成されているので、これらの５つの部位は、互いに絶縁されている。なお、バランス部３ｆは、形成されていなくてもよい。

支持体９は、可動フレーム３の下方（ｚ方向）の酸化膜１２０及び第２シリコン層１００ｂにより構成されている。支持体９には、トレンチ１０１ａにより分割された可動フレーム３の５つの部位が共に接合されている。換言すると、支持体９は、可動フレーム３のうちトレンチ１０１ａが形成されている部位の下方に、第１シリコン層１００ａに接合されたまま形成されている。このように支持体９に５つの部位が共に接合されていることにより、可動フレーム３と支持体９とが、第１ヒンジ５を回転軸として一体に回動可能に構成されている。本実施形態において、支持体９は、可動フレーム３の下面のうち電極３ａ，３ｂを除く部位を略覆うように、平面視で第１ヒンジ５に対し略対称形状となる環状に形成されている。また、支持体９の第２シリコン層１００ｂから成る部位の厚みは、固定フレーム４の第２シリコン層１００ｂからなる部位の厚みと略同程度に形成されている。すなわち、支持体９は、第１ヒンジ５を通る垂直平面（ｙ−ｚ平面に平行な平面）に対し略対称形状に形成されている。また、可動フレーム３のトレンチ１０１ａは、バランス部３ｆを形成するために、第１ヒンジ５を通る垂直平面に対し略対称となる位置及び形状に設けられている。これにより、支持体９を含む可動部５０の重心の位置は、第１ヒンジ５により構成される回転軸に、平面視で略一致するように構成されており、支持体９を含む可動部５０が第１ヒンジ５回りにスムーズに揺動し、光走査ミラー１によるスキャンがより適正に行われるように構成されている。

固定フレーム４は、第１シリコン層１００ａ、酸化膜１２０、第２シリコン層１００ｂにより構成されている。固定フレーム４の下面には、スペーサ１１０が形成されており、光走査ミラー１が例えば回路基板Ｂ上に実装された状態では、支持体９の下方にスペーサ１１０の厚み分の空隙ができるように構成されている。これにより、光走査ミラー１の動作時に、可動フレーム３と支持体９とが第１ヒンジ５回りに揺動可能とされている。

固定フレーム４の上面には、３つの端子膜１０ａ，１０ｂ，１０ｃが、互いに並んで形成されている。固定フレーム４には、トレンチ１０１ａと同様に第１シリコン層１００ａを複数の部位に分割するように、トレンチ１０１ｂが形成されている。トレンチ１０１ｂは、固定フレーム４の第１シリコン層１００ａを、端子膜１０ａ，１０ｂ，１０ｃと略同電位となる、互いに絶縁された３つの部位に分割している。このうち、端子膜１０ａと同電位となる部位は、第１ヒンジ５のうち、端子膜１０ａから離れている、可動フレーム３の軸支部３ｅに接続されている方を支持する軸支部４ｄを有している。端子膜１０ａが形成されている部位には、軸支部４ｄに接続される幅が細い導通部４ｅが接続されている。また、端子膜１０ｂと略同電位となる部位は、第１ヒンジ５の他方を支持する軸支部４ｆを有している。端子膜１０ｃと略同電位となる部位は、固定フレーム４のうち端子膜１０ａ，１０ｂと同電位となる部位を除いた部位であり、この部位に電極４ａが形成されている。第１シリコン層１００ａの下方には酸化膜１２０及び第２シリコン層１００ｂが接合されており、トレンチ１０１ｂは第１シリコン層１００ａにのみ形成されているので、固定フレーム４全体は一体に構成されている。

このように、第１シリコン層１００ａにトレンチ１０１ａ，１０１ｂが形成されていることにより、第１シリコン層１００ａには、端子膜１０ａが形成され電極２ａと略同電位となる部位と、端子膜１０ｂが形成され可動フレーム３側の電極３ａ，３ｂと略同電位となる部位と、端子膜１０ｃが形成され固定フレーム４側の電極４ａと略同電位となる部位との、外部から電位を変更可能な３つの部位とが設けられている。光走査ミラー１は、端子膜１０ａ，１０ｂ，１０ｃの電位がそれぞれ変更されることにより駆動される。

以下に、光走査ミラー１の動作について説明する。第１櫛歯電極７及び第２櫛歯電極８は、それぞれ、いわゆる垂直静電コムとして動作し、ミラー部２は、第１櫛歯電極７及び第２櫛歯電極８が所定の駆動周波数で駆動力を発生することにより駆動される。第１櫛歯電極７及び第２櫛歯電極８は、例えば、電極３ａ，３ｂが基準電位に接続された状態で、電極２ａ、及び電極４ａの電位をそれぞれ周期的に変化させることにより駆動され、静電力を発生する。この光走査ミラー１においては、第１櫛歯電極７及び第２櫛歯電極８それぞれが、例えば矩形波形状の電圧が印加されて周期的に駆動力を発生するように構成されている。

上述のように形成されたミラー部２や可動フレーム３は、一般に多くの場合、その成型時に内部応力等が生じることにより、静止状態でも水平姿勢ではなく、きわめて僅かであるが傾いている。そのため、例えば第１櫛歯電極７が駆動されると、静止状態からであっても、ミラー部２に略垂直な方向の駆動力が加わり、ミラー部２が第２ヒンジ６を回転軸として第２ヒンジ６を捻りながら回動する。そして、第２櫛歯電極８の駆動力を、ミラー部２が電極２ａ，３ａが完全に重なりあうような姿勢となったときに解除すると、ミラー部２は、その慣性力により、第２ヒンジ６を捻りながら回動を継続する。そして、ミラー部２の回動方向への慣性力と、第２ヒンジ６の復元力とが等しくなったとき、ミラー部２のその方向への回動が止まる。このとき、第２櫛歯電極８が再び駆動され、ミラー部２は、第２ヒンジ６の復元力と第２櫛歯電極８の駆動力により、それまでとは逆の方向への回動を開始する。ミラー部２は、このような第２櫛歯電極８の駆動力と第２ヒンジ６の復元力による回動を繰り返して、第２ヒンジ６回りに揺動する。可動フレーム３も、ミラー部２の回動時と略同様に、第１櫛歯電極７の駆動力と第１ヒンジ５の復元力による回動を繰り返し、第１ヒンジ５回りに、支持体９と一体に揺動する。このとき、支持体９を含む可動部５０が一体として揺動し、ミラー部２の姿勢が変化する。これにより、ミラー部２は、２次元的な揺動を繰り返す。

第２櫛歯電極８は、ミラー部２と第２ヒンジ６により構成される振動系の共振周波数の略２倍の周波数の電圧が印加されて駆動される。また、第１櫛歯電極７は、ミラー部２、可動フレーム３及び支持体９と第１ヒンジ５とにより構成される振動系の共振周波数の略２倍の周波数の電圧が印加されて駆動される。これにより、ミラー部２が共振現象を伴って駆動され、その揺動角が大きくなるように構成されている。なお、第１櫛歯電極７や第２櫛歯電極８の電圧の印加態様や駆動周波数は、上述に限られるものではなく、例えば、駆動電圧が正弦波形で印加されるように構成されていても、また、電極３ａ，３ｂの電位が、電極２ａ及び電極４ａの電位と共に変化するように構成されていてもよい。

ここで、光走査ミラー１において、支持体９を含む可動部５０又はミラー部２を一様の厚さの直方体で近似した場合、支持体９を含む可動部５０の揺動の共振周波数や、ミラー部２の揺動の共振周波数は、それぞれ、第１ヒンジ５又は第２ヒンジ６のばね定数をＫ、支持体９を含む可動部５０又はミラー部２の質量をｍ、可動部５０又はミラー部２のそれぞれの回転軸に直交する方向の辺の長さをＬ、支持体９を含む可動部５０又はミラー部２の揺動の慣性モーメントをｉとすると、次式のように表される。

上記数式から分かるように、可動部５０の可動フレーム３は、支持体９と一体に回動するので、第１ヒンジ５回りに回動する部位の質量が増加し、ミラー部２の第２ヒンジ６回りの慣性モーメントに比較して、可動部５０の第１ヒンジ５回りの慣性モーメントが大幅に大きくなる。すなわち、本実施形態においては、ミラー部２の第２ヒンジ６回りの揺動の共振周波数に比較して、支持体９を含む可動部５０の第１ヒンジ５回りの揺動の共振周波数をごく低くすることができる。換言すると、従来の半導体構造と比較して、支持体９を設けることにより、可動部５０の共振周波数を保ったまま光走査ミラー１の素子サイズを小さくして光走査ミラー１を低コストで製造したり、又は、第１ヒンジ５を太くして光走査ミラー１の耐衝撃性を向上させることができる。

なお、上記数式より明らかなように、上面視で第１ヒンジ５の片側部の支持体９の重心の位置が、第１ヒンジ５から離れるほど、支持体９を含む可動部５０の第１ヒンジ５回りの慣性モーメントが大きくなる。本実施形態では、このことを利用し、支持体９の位置は、支持体９を含む可動部５０の第１ヒンジ５回りの慣性モーメントが、第１ヒンジ５のばね定数や、ミラー部２の第２ヒンジ５周りの共振周波数等を鑑みて設定された所定の値となるように設定されている。これにより、支持体９を含む可動部５０の第１ヒンジ５回りの揺動の共振周波数を、光走査ミラー１として求められる仕様等に容易に合致させることができるように構成されている。

次に、図５乃至図１１を参照して、光走査ミラー１の製造工程について説明する。各図は、図３に対応する側断面を示している。光走査ミラー１は、第１シリコン層１００ａに、ミラー部２、可動部フレーム３、第１ヒンジ５、及び第２ヒンジ６等を形成し、ミラー部２等を形成する第１工程（図５乃至図８）と、第２シリコン層１００ｂのうちミラー部２及び可動部フレーム３等の下方の部位を掘り込む第２工程（図９、図１０）と、酸化膜１２０のうち第２工程にて第２シリコン層１００ｂが掘り込まれることにより露出した部位を除去する第３工程（図１１）との大まかに３つの工程を経て製造される。なお、光走査ミラー１は、例えば４インチ程度の大きさのウェハであるＳＯＩ基板１００上に複数個同時に形成された後、ダイシングされて個別の光走査ミラー１に分割され製造される。

第１工程では、先ず、酸素及び水素雰囲気の拡散炉中で、ＳＯＩ基板１００の上下両表面に酸化膜１２０ｂを形成する（図５）。そして、第１シリコン層１００ａの上面に形成された酸化膜１２０ｂの表面のうち、可動部５０や第１ヒンジ５、導通部３ｄ，４ｅ等の形状に、フォトリゾグラフィにより、レジスト１３２ｂをパターニングする。その後、ＲＩＥ（Reactive Ion Etching）により酸化膜１２０ｂのうちレジスト１３２ｂにマスクされていない部位を除去し、第１シリコン層１００ａのうち可動部５０等が形成されない部位を露出させる（図６）。その後、酸素プラズマ中でレジスト１３２ｂを除去し、例えばアルミニウムをスパッタリングすることにより、第１シリコン層１００ａの上面にアルミニウム膜を形成する。アルミニウム膜は、例えば厚みが５０００Å程度になるように形成される。そして、フォトリゾグラフィによりレジスト１３２ｃをパターニングした後にＲＩＥを行い、アルミニウム膜のうち、ミラー面２０と端子膜１０ａ，１０ｂ，１０ｃ以外の部位を除去する（図７）。

その後、Ｄ−ＲＩＥ（Deep Reactive Ion Etching）を行い、第１シリコン層１００ａのうち上面が露出している部位をエッチングする。第１シリコン層１００ａと第２シリコン層１００ｂとの間に介在する酸化膜１２０のエッチングレートは、活性層である第１シリコン層１００ａのエッチングレートの１パーセント未満であるため、酸化膜１２０，１２０ｂはほとんどエッチングされない。これにより、第１シリコン層１００ａに、可動部５０、第１ヒンジ５、櫛歯電極７，８等となる形状が形成される。これと同時に、可動部５０となる部位にはトレンチ１０１ａが形成され、固定フレーム４となる部位には、トレンチ１０１ｂが形成される。レジスト１３２ｃは、酸素プラズマ中で除去しておく（図８）。

次に、第２工程を行う。第２工程では、先ず、第２シリコン層１００ｂの表面に形成された酸化膜１２０ｂ上に、フォトリゾグラフィによりレジスト１３２ｄをパターニングする（図９）。レジスト１３２ｄは、下面視で支持体９及び固定フレーム４の形状に形成される。そして、レジスト１３２ｄが形成されていない部位の酸化膜１２０ｂをＲＩＥによりエッチングした後、露出した第２シリコン層１００ｂをＤ−ＲＩＥにより掘り込む（図１０）。これにより、可動部５０と第１ヒンジ５の下方の部位が、トレンチ１０１ａの下方の支持体９となる部位を残して掘り込まれる。このとき、エッチングレートの違いにより、第２シリコン層１００ｂが酸化膜１２０まで掘り込まれ、酸化膜１２０はほとんどエッチングされない。その後、レジスト１３２ｄを、酸素プラズマ中で除去する。なお、レジスト１３２ｄは、第２シリコン層１００ｂのエッチング中に除去されるように構成されていてもよく、その場合、製造工程を省手順化することができる。

第２工程後、第３工程では、下方に露出する酸化膜１２０を、ＲＩＥにより除去する（図１１）。これにより、可動部５０やミラー部２が、それぞれ第１ヒンジ５、第２ヒンジ６を介して揺動可能な状態になる。また、これにより、トレンチ１０１ａの下方に、酸化膜１２０と第２シリコン層１００ｂとで構成された支持体９が、トレンチ１０１ａにより絶縁分離された可動フレーム３の複数の部位が共に接合された状態で形成される。なお、これと同時に、第２シリコン層１００ｂの表面の酸化膜１２０ｂも除去される。その後、固定フレーム４の下方に、例えばガラス製のスペーサ１１０を接合した後、ダイシングを行ってウェハから複数の光走査ミラー１を切り出し、光走査ミラー１が製造される。

上記のように、本実施形態では、従来のようにトレンチ１０１ａの側壁を酸化したりトレンチ１０１ａをポリシリコンで埋め込んだりするような複雑な工程を経ることなく、従来よりも簡易な、エッチングによる製造工程により、可動部５０に絶縁分離構造を設けた光走査ミラー１を容易に製造することができる。また、トレンチ１０１ａにより絶縁分離された可動フレーム３が、支持体９に接合されて構成されていることにより、可動フレーム３の機械的強度が確実に確保され、光走査ミラー１が確実に動作可能になる。また、トレンチ１０１ａは可動フレーム３を空隙を挟んで複数の部位に分割するように構成されているので、可動フレーム３の複数の部位間での電気的絶縁を確実に維持することができ、光走査ミラー１の製造時の良品率が高くなる。

図１２は、本発明の第２の実施形態に係る半導体構造を用いた光走査ミラーを示す。図１２に示した断面は、第１の実施形態における図３に対応する。以下の実施形態において、上述の実施形態と同等の構成は同一の符号を付し、上述の実施形態と相違する部分についてのみ説明する。光走査ミラー２１は、トレンチ１０１ａ下方の支持体２９の形状が、第１の実施形態の光走査ミラー１の支持体９とは異なる。また、光走査ミラー２１は、例えば、回路基板Ｂに、第１の実施形態の光走査ミラー１のようにスペーサ１１０等を設けることなく配置することができるように構成されている。

光走査ミラー２１において、支持体２９は、可動フレーム３の下面から支持体２９の下端部までの厚み寸法が、可動フレーム３の下面から固定フレーム４の下端部までの厚み寸法（例えば、４００μｍ程度）よりも小さくなるように、薄く（例えば、２００μｍ程度）形成されている。また、支持体２９の厚みは、支持体２９を含む可動部５０の第１ヒンジ５回りの慣性モーメントが第１ヒンジ５のばね定数等を鑑みて設定された所定の値となるように設定されている。

図１３乃至図１５を参照して、光走査ミラー２１の製造工程について説明する。光走査ミラー２１の製造工程では、特に、第２工程（図１３乃至図１５）において、第２シリコン層１００ｂの支持体２９となる部位の厚みが第２シリコン層１００ｂの固定フレーム４の厚みよりも小さくなるようにエッチングを行う点が、第１の実施形態と異なる。第１工程及び第３工程は、第１の実施形態と略同様に行われる。

第２の実施形態において、第２工程では、第２シリコン層１００ｂの表面の酸化膜１２０ｂのうち、第２シリコン層１００ｂのエッチングする部位をＲＩＥにより除去し（図１３）、その際に形成していたレジスト１３２ｄを酸素プラズマ中で除去する。そして、固定フレーム４に相当する部位にレジスト２３２ｄを形成してマスクする（図１４）。その後、Ｄ−ＲＩＥを行うことにより、第２シリコン層１００ｂをエッチングし、可動部５０及び第１ヒンジ５の下方の部位を掘り込む（図１５）。このとき、第２シリコン層１００ｂの支持体２９となる部位には、表面に酸化膜１２０ｂが形成されており、この酸化膜１２０ｂがエッチングされた後にエッチングされる。酸化膜１２０ｂと第２シリコン層１００ｂとはエッチングレートが異なり、酸化膜１２０ｂがエッチングされる速度は第２シリコン層１００ｂとは異なる。そのため、第２シリコン層１００ｂのうち酸化膜１２０ｂが形成されている部位が完全に掘り込まれた時に、酸化膜１２０ｂが形成されていた部位は、少なくとも完全にはエッチングされていない状態となる。従って、エッチングが、第２シリコン層１００ｂのうち支持体２９となる部位の厚みが、第２シリコン層１００ｂの固定フレーム４となる部位の厚みよりも小さくなるように行われる。

このように、第２の実施形態によれば、支持体２９の下端部の位置が、固定フレーム４の下端部の位置よりも上方となるので、固定フレーム４の下方にスペーサ１１０等を設ける必要がなく実装高さが低い光走査ミラー２１を製造することができる。なお、支持体２９の厚みを変更することにより可動部５０の第１ヒンジ５回りの慣性モーメントを容易に設定可能になる。これにより、支持体２９を含む可動部５０の第１ヒンジ５回りの揺動の共振周波数を光走査ミラー２１として求められる仕様等に合致させた光走査ミラー２１を、容易に製造することができる。

なお、第２の実施形態において、予め、第１工程において、ＳＯＩ基板１００の表面に、支持体２９の所望の厚みを鑑みた膜厚になるように酸化膜１２０ｂを形成してもよい。また、第２工程において酸化膜１２０ｂをＲＩＥにより除去した後、支持体２９となる部位の表面の酸化膜１２０ｂを薄く加工してもよい。このとき、当該酸化膜１２０ｂの厚みは、酸化膜１２０ｂが形成されていない部位の第２シリコン層１００ｂが完全にエッチングされたときに、第２シリコン層１００ｂの支持体２９となる部位の厚みが所望の厚みとなるような厚みとしておけばよい。このように、上記のように第２シリコン層１００ｂをＤ−ＲＩＥにより掘り込む前に、酸化膜１２０ｂの厚みを最適化することにより、第２シリコン層１００ｂのエッチングを行う時間を短くすることができ、また、第２シリコン層１００ｂを高精度に加工することができる。

図１６は、本発明の第３の実施形態に係る半導体構造を用いた光走査ミラーを示す。図１６に示した断面は、第１の実施形態における図３に対応する。光走査ミラー３１は、トレンチ１０１ａ下方の支持体３９が、第２シリコン層１００ｂに形成された高濃度ボロン拡散部３００ｂにより構成されている。また、支持体３９は、トレンチ１０１ａの下方にのみ形成されている。光走査ミラー３１も、第２の実施形態における光走査ミラー２１と同様に、例えば回路基板Ｂに、スペーサ１１０等を設けることなく配置することができるように構成されている。

図１７乃至図２３を参照して、光走査ミラー３１の製造工程について説明する。この光走査ミラー３１の製造工程では、特に、第１工程（図１７乃至図２１）において第２シリコン層１００ｂにボロン拡散を行う点と、第２工程（図２２、図２３）において、高濃度ボロン拡散部３００ｂに対し選択性を持つエッチャントを用いてエッチングを行う点が、上記第１の実施形態と異なる。第３工程は、第１の実施形態と略同様に行われる。

第１工程では、先ず、第１の実施形態と同様に表面に酸化膜１２０ｂを形成したＳＯＩ基板１００の第１シリコン層１００ａの表面に、トレンチ１０１ａを形成するためのレジスト３３２ｂをフォトリゾグラフィにより形成する。そして、ＲＩＥ及びＤ−ＲＩＥを順に行うことにより、酸化膜１２０ｂと、第１シリコン層１００ａとをエッチングし、トレンチ１０１ａを形成する。その後、さらにＲＩＥを行い、トレンチ１０１ａの下方の酸化膜１２０を除去する（図１７）。そして、拡散炉により、第２シリコン層１００ｂのうち酸化膜１２０を除去することにより露出した部位に、ボロン固相源を用いたボロン拡散を行う（図１８）。これにより、第２シリコン層１００ｂ中に、高濃度ボロン拡散部３００ｂが形成される。ボロン拡散を行うことにより、第２シリコン層１００ｂの露出する部位には酸化膜１２０が形成される。

次に、第１シリコン層１００ａの表面の酸化膜１２０ｂの上面にレジスト３３２ｃをパターニングし、露出する酸化膜１２０ｂをＲＩＥによりエッチングする。これにより、第１シリコン層１００ａのうち、可動部５０及び第１ヒンジ５を形成するためにエッチングを行う部位と、ミラー面２０及び端子膜１０ａ，１０ｂ，１０ｃを形成する部位とを露出させる（図１９）。そして、酸素プラズマ中でレジスト３３２ｃを除去し、第１の実施形態と同様に、アルミニウムをスパッタリングし、レジスト１３２ｃを形成し、アルミ膜のエッチングを行うことにより、ミラー面２０及び端子膜１０ａ，１０ｂ，１０ｃを形成する（図２０）。その後、Ｄ−ＲＩＥを行い、第１シリコン層１００ａに、可動部５０、第１ヒンジ５、櫛歯電極７，８、トレンチ１０１ｂ等となる形状を形成する（図２１）。レジスト１３２ｃは、除去しておく。

第２工程では、先ず、第２シリコン層１００ｂの表面の酸化膜１２０ｂにレジスト３３２ｄを形成する。レジスト３３２ｄは、下面視で固定フレーム４と同形状に形成される。そして、ＲＩＥにより、露出する酸化膜１２０ｂを除去し、Ｄ−ＲＩＥにより、可動部５０及び第１ヒンジ５の下方の第２シリコン層１００ｂをエッチングする。このとき、第２シリコン層１００ｂを例えば２００μｍ程度だけ残して、エッチングする部位が高濃度ボロン拡散部３００ｂに達する直前に、エッチングを終了させる（図２２）。その後、ＳＯＩ基板１００の第１シリコン層１００ａ側の表面に保護膜３３２ｅを形成して保護したうえで、高濃度ボロン拡散部３００ｂに選択性のあるエッチャントを用いて、残りの第２シリコン層１００ｂをエッチングする（図２３）。高濃度ボロン拡散部３００ｂに選択性のあるエッチャントとしては、例えば、ＫＯＨやエチレンジアミンピロカテコール等のアルカリが用いらる。これにより、第２シリコン層１００ｂのエッチングが終了したとき、高濃度ボロン拡散部３００ｂと酸化膜１２０とが残る。そして、保護膜３３２ｅを剥離し、第３工程を行うことにより、高濃度ボロン拡散部３００ｂにより構成された支持体３９を有する光走査ミラー３１が製造される。

このように、第３の実施形態によれば、第１工程におけるボロン拡散時に、ボロン拡散深さを制御して、高濃度ボロン拡散部３００ｂを所望の大きさに形成することができる。従って、支持体３９の大きさを高精度に制御し、支持体３９を含む可動部５０の共振周波数を、より高精度に設定することが可能になる。

なお、本発明は上記実施形態の構成に限定されるものではなく、発明の趣旨を変更しない範囲で適宜に種々の変形が可能である。例えば、ミラー部や可動部は、矩形形状に限られず、例えば円又は楕円形状に形成されていてもよい。また、半導体素子は、可動部にミラー面が形成されて用いられるものに限られず、例えば、電圧が印加されて駆動される素子等が可動部上に実装されて用いられるようなものであってもよい。

また、光走査ミラーは、相対する櫛歯電極が初期状態において略同一平面上に形成されておらず、所定の角度又は位置ずれを有して形成されているものであってもよい。また、光走査ミラーは、櫛歯電極を有さず、例えば回路基板と可動板との間に電圧が印加されることにより生じる静電力を駆動力とする等、上述とは異なる態様により駆動されるものであってもよい。さらにまた、光走査ミラーは、ミラー部が２軸を中心に揺動する２軸型の光走査ミラーに限られるものではなく、例えば、可動部が、ミラー部及び可動フレームに分かれておらず、第１ヒンジにより構成される１軸を中心に揺動するように構成されていてもよい。

（ａ）は本発明の第１の実施形態に係る光走査ミラーの上面側を示す斜視図、（ｂ）は同光走査ミラーの下面側を示す斜視図。 上記光走査ミラーを示す平面図。 回路基板上に実装された状態の上記光走査ミラーの図２のＡ−Ａ線断面を示す側断面図。 （ａ）は上記Ａ−Ａ線における上記光走査ミラーの上面側を示す側断面図、（ｂ）は同Ａ−Ａ線における同光走査ミラーの下面側を示す斜視図。 上記光走査ミラーの製造工程の第１工程における側断面図。 上記光走査ミラーの製造工程の第１工程における側断面図。 上記光走査ミラーの製造工程の第１工程における側断面図。 上記光走査ミラーの製造工程の第１工程における側断面図。 上記光走査ミラーの製造工程の第２工程における側断面図。 上記光走査ミラーの製造工程の第２工程における側断面図。 上記光走査ミラーの製造工程の第３工程における側断面図。 本発明の第２の実施形態に係る光走査ミラーを示す側断面図。 上記光走査ミラーの製造工程の第２工程における側断面図。 上記光走査ミラーの製造工程の第２工程における側断面図。 上記光走査ミラーの製造工程の第２工程における側断面図。 本発明の第３の実施形態に係る光走査ミラーを示す側断面図。 上記光走査ミラーの製造工程の第１工程における側断面図。 上記光走査ミラーの製造工程の第１工程における側断面図。 上記光走査ミラーの製造工程の第１工程における側断面図。 上記光走査ミラーの製造工程の第１工程における側断面図。 上記光走査ミラーの製造工程の第１工程における側断面図。 上記光走査ミラーの製造工程の第２工程における側断面図。 上記光走査ミラーの製造工程の第２工程における側断面図。 従来の光走査ミラーを示す側断面図。 （ａ）（ｂ）（ｃ）は従来の光走査ミラーの絶縁分離部の形成手順を時系列に示した側断面図。

符号の説明

１，２１，３１ 光走査ミラー（半導体素子）
２ ミラー部
３ 可動フレーム
４ 固定フレーム
５ 第１ヒンジ（支持ヒンジ）
６ 第２ヒンジ
９，２９，３９ 支持体
５０ 可動部
１００ ＳＯＩ基板
１００ａ 第１シリコン層
１００ｂ 第２シリコン層
１０１ａ トレンチ（絶縁分離部）
１２０ 酸化膜
３００ｂ 高濃度ボロン拡散部

Claims (4)

1. 固定フレームと、前記固定フレームに支持ヒンジを介して軸支され前記固定フレームに対し回転可能な可動部と、を備え、前記可動部には、その可動部を互いに絶縁された複数の部位に分割する絶縁分離部が設けられている半導体構造において、
   前記絶縁分離部の下方には、前記絶縁分離部により分割された前記可動部の複数の部位が共に接合された支持体が形成されており、前記可動部が前記支持体と一体に回動可能に構成されていることを特徴とする半導体構造。
2. 第１シリコン層と第２シリコン層とが酸化膜を介し互いに接合されて成るＳＯＩ（Silicon on Insulator）基板から構成され、
   前記第１シリコン層、前記酸化膜、及び前記第２シリコン層に固定フレームが形成され、前記第１シリコン層に前記固定フレームに支持ばね部を介して軸支され前記固定フレームに対し回転可能な可動部が形成されて成り、前記可動部には、その可動部を互いに絶縁された複数の部位に分割する絶縁分離部が設けられている半導体構造の製造方法であって、
   前記ＳＯＩ基板をエッチングし、前記第１シリコン層に、前記支持ばね部、前記可動部、及び前記絶縁分離部を形成する第１工程と、
   前記第１工程の後、前記第２シリコン層にエッチングを行い、前記第２シリコン層のうち前記可動部及び前記支持ばね部の下方の部位を、前記絶縁分離部の下方の部位を残して掘り込む第２工程と、
   前記第２工程の後、前記酸化膜のうち前記第２工程にて前記第２シリコン層が掘り込まれることにより露出した部位を除去し、前記絶縁分離部の下方に、前記絶縁分離部により分割された前記可動部の複数の部位に共に接合された、前記酸化膜及び前記第２シリコン膜から成る支持体を形成する第３工程と、を有することを特徴とする半導体構造の製造方法。
3. 前記第２工程において、前記第２シリコン層の前記絶縁分離部の下方の部位の厚みが前記第２シリコン層の前記固定フレームの厚みよりも小さくなるようにエッチングを行うことを特徴とする請求項２記載の半導体構造の製造方法。
4. 前記第１工程において、前記酸化膜のうち前記絶縁分離部を形成することにより露出した部位を除去し、それにより露出した前記第２シリコン層の部位に対しボロン拡散を行い、前記第２シリコン層中に高濃度ボロン拡散部を形成し、
   前記第２工程において、前記高濃度ボロン拡散部に対して選択性を持つエッチャントを用いて前記第２シリコン層にエッチングを行い、前記支持体を、前記高濃度ボロン拡散部により構成することを特徴とする請求項２記載の半導体構造の製造方法。
   

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