JP2010008612A - 半導体機械構造体 - Google Patents

Abstract

【課題】半導体機械構造体において、外部から衝撃が加わってもヒンジが破損しないようにし、耐衝撃性を高める。
【解決手段】光走査ミラー１は、ＳＯＩ基板２００からなる半導体部１００と、半導体部１００の上面、下面に接合されたガラス基板を用いてなる上部保護基板１１０及び下部保護基板１２０を有している。半導体部１００において、可動部５０は、第１ヒンジ５により固定フレーム４に揺動可能に軸支されている。上部保護基板１１０の凹部１１２ａには、可動部５０の揺動軸に向け、ストッパ１１５が突設されている。下部保護基板１２０の凹部１２１には、可動部５０の揺動軸に向け、ストッパ１２５が突設されている。ストッパ１１５及びストッパ１２５が設けられていることにより、可動部５０のｚ方向の変位が制限され、外部から衝撃が加わっても第１ヒンジ５の破損が防止される。
【選択図】図１

Description

本発明は、半導体基板に形成され、ヒンジに軸支され揺動可能に構成された可動部を有する半導体機械構造体に関する。

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として、ミラー面が設けられた可動部を揺動させて、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ものが知られている（例えば、特許文献１参照）。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機械構造体を有する小型のものが知られている。このような半導体機械構造体は、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いる。可動部は、例えば、可動部と固定フレームとの間に形成された互いに噛合う一対の櫛歯電極により駆動される。櫛歯電極は、例えば互いの電極が数μｍ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、このような光走査ミラーにおいて、小さな駆動電圧で、光を走査するのに必要な振れ角を確保するためには、ヒンジを細くし、ヒンジのねじり方向のばね定数を小さくすればよい。しかしながら、このようにヒンジを細くすると、ヒンジが物理的な衝撃に対し脆弱になり、外部から衝撃が加わったときにヒンジが破損し、光走査ミラーが動作不能になることがある。特許文献１には、カバー基板を半導体基板に接合した光走査ミラーの構造が開示されているが、カバー基板を設けても可動部の変位は抑制されないため、外部から衝撃が加わると、可動部が変位しカバー基板に当接する前にヒンジが破損されるおそれがある。
特開２００４−１０９６５１号公報

本発明は、上記問題点を鑑みてなされたものであり、外部から衝撃が加わっても可動部が変位しにくく、ヒンジの破損を防止することができ、耐衝撃性が高い半導体機械構造体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、半導体基板に、可動部と、それぞれ前記可動部に一端部が接続され前記可動部の１つの揺動軸を構成する一対のヒンジと、前記一対のヒンジのそれぞれの他端部が接続されており前記ヒンジを支持する固定フレームとが設けられており、前記可動部が、前記一対のヒンジをねじりながら前記固定フレームに対して揺動可能に構成されている半導体機械構造体において、前記半導体基板の少なくとも一面には、前記可動部を保護するための保護基板が接合されており、前記保護基板は、前記可動部の揺動の中心軸に向けて突設されたストッパを有し、それにより、前記可動部の前記半導体基板に対し垂直な方向への変位が制限されているものである。

請求項２の発明は、請求項１の発明において、前記ストッパは、前記可動部が変位したときに前記ヒンジに当接しないように、前記ヒンジに近接しないように形成されているものである。

請求項１の発明によれば、可動部の、半導体基板に対し垂直な方向への変位が制限されているので、外部から衝撃が加わったときにヒンジの破損を防止することができ、半導体機械構造体の耐衝撃性を向上させることができる。ストッパは、可動部の揺動時に可動部の変位が少ない揺動軸に向けて突設されているので、可動部のヒンジを軸とする揺動運動を妨げることなくストッパを可動部に近接させることができ、可動部の半導体基板に対し垂直な方向への変位をより効果的に制限することができる。

請求項２の発明によれば、ストッパがヒンジに当接しないので、ヒンジがストッパに接触して破損するトラブルを防止することができる。

以下、本発明の一実施形態について図面を参照して説明する。図１、図２（ａ），（ｂ）、及び図３は、本実施形態に係る光走査ミラー（半導体機械構造体）の一例を示す。光走査ミラー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、光走査ミラー１の構成について以下に説明する。図１に示すように、光走査ミラー１は、導電性を有する第１シリコン層（活性層）２００ａと第２シリコン層（基板層）２００ｂとをシリコンの酸化膜（ＢＯＸ（Buried OXide）層）２２０を介して接合して成る、３層のＳＯＩ（Silicon on Insulator）基板（半導体基板）２００から構成された半導体部１００を有している。酸化膜２２０は絶縁性を有しているので、第１シリコン層２００ａと第２シリコン層２００ｂとは互いに絶縁されている。第１シリコン層２００ａの厚みは、例えば３０μｍ程度であり、第２シリコン層２００ｂの厚みは、例えば４００μｍ程度である。また、ＳＯＩ基板２００の上面の一部には、酸化膜２２０ｂが形成されている（図３に図示）。図２（ａ）に示すように、光走査ミラー１は、例えば、上面視で一辺が数ｍｍ程度の略正方形又は略矩形である直方体状の素子であり、半導体部１００と、第１シリコン層２００ａの上面に接合された上部保護基板（保護基板）１１０と、第２シリコン層２００ｂの下面に接合された下部保護基板１２０（保護基板）等で構成されている。

図１に示すように、半導体部１００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の側周部となる固定フレーム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一対の第１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一対の第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を揺動軸として、可動フレーム３に対して揺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を揺動軸として、固定フレーム４に対して揺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に対し揺動可能な可動部５０を構成している。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つの揺動軸回りに、２次元的に揺動可能に構成されている。図２（ｂ）に示すように、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と一体に揺動可能に支持体９が設けられている。また、固定フレーム４には、３つの貫通穴接合部１０ａ，１０ｂ，１０ｃが設けられている。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。なお、ミラー部２、ミラー面２０、又は可動フレーム３等の形状は、矩形に限られず、円形等他の形状であってもよい。

この光走査ミラー１は、例えば静電力を駆動力としてミラー部２を揺動させるものである。半導体部１００において、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間に、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２００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、半導体部１００の各部位について、ＳＯＩ基板２００の各層の構造も含めて説明する。

ミラー部２及び可動フレーム３は、第１シリコン層２００ａ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（ｚｘ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。図３に示すように、可動フレーム３には、第１シリコン層２００ａに、第１シリコン層２００ａの上端から下端まで連通し、酸化膜２２０に到達するような溝形状の空隙を構成するトレンチ１０１ａ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、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２００ａを分離しているので、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２２０及び第２シリコン層２００ｂ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２００ａ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を揺動軸として一体に揺動可能に構成されている。図２（ｂ）に示すように、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２００ｂからなる部位の厚みは、固定フレーム４の第２シリコン層２００ｂ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により構成される揺動軸に、平面視で略一致し、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。なお、支持体９の第２シリコン層２００ｂからなる部位の厚みは、固定フレーム４の第２シリコン層２００ｂからなる部位の厚みよりも薄く又は厚く形成されていてもよい。

固定フレーム４は、第１シリコン層２００ａ、酸化膜２２０、及び第２シリコン層２００ｂにより構成されている。固定フレーム４の上面には、３つの貫通穴接合部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２００ａを複数の部位に分割するように、トレンチ１０１ｂ（溝部）が形成されている。第１シリコン層２００ａの下方には酸化膜２２０及び第２シリコン層２００ｂが接合されており、トレンチ１０１ｂは第１シリコン層２００ａ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。

トレンチ１０１ｂは、固定フレーム４の第１シリコン層２００ａを、貫通穴接合部１０ａ，１０ｂ，１０ｃとそれぞれ略同電位となる、互いに絶縁された３つの部位に分割している。このうち、貫通穴接合部１０ａと同電位となる部位は、第１ヒンジ５のうち、可動フレーム３のうち軸支部３ｅに接続された、貫通穴接合部１０ａから離れた一方の部位を支持する軸支部４ｄを有している。貫通穴接合部１０ａと軸支部４ｄとは、トレンチ１０１ｂが形成されていることにより幅が細く形成された導通部４ｅにより接続されている。また、貫通穴接合部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。貫通穴接合部１０ｃと略同電位となる部位は、固定フレーム４のうち貫通穴接合部１０ａ，１０ｂと同電位となる上記の２つの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。

このようにトレンチ１０１ａ，１０１ｂが形成されていることにより、第１シリコン層２００ａには、貫通穴接合部１０ａが形成され電極２ａと略同電位となる部位と、貫通穴接合部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、貫通穴接合部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、３つの部位が設けられている。各貫通穴接合部１０ａ，１０ｂ，１０ｃは、後述のように外部から電位を変更可能であり、これらの各貫通穴接合部１０ａ，１０ｂ，１０ｃの電位を変更することにより第１櫛歯電極７と第２櫛歯電極８を駆動し、光走査ミラー１を駆動可能である。すなわち、本実施形態において、第１シリコン層２００ａのうち、貫通穴接合部１０ａ，１０ｂ，１０ｃをそれぞれ含み互いに絶縁された３つの部分は、第１櫛歯電極７と第２櫛歯電極８に電圧を印加するための電圧印加部を構成している。また、これら電圧印加部の３つの部分は、第１シリコン層２００ａに形成された、トレンチ１０１ａ，１０１ｂと、ミラー部２と可動フレーム３との間の空隙及び可動フレーム３と固定フレーム４との間の空隙とを含む絶縁部により、互いに絶縁されている。

上部保護基板１１０及び下部保護基板１２０は、固定フレーム４の第１シリコン層２００ａの上面及び第２シリコン層２００ｂの下面に、それぞれ接合されている。上部保護基板１１０は、固定フレーム４に接合される接合部１１１と、可動部５０の上部に位置する光透過部１１２と、貫通穴接合部１０ａ，１０ｂ，１０ｃにそれぞれ対応する位置に形成された３つの貫通穴１１３とを有している。図３に示すように、光透過部１１２は、キャビティ（Cavity）構造を有しており、可動部５０の揺動を妨げないように、下面すなわち半導体部１００側から掘り込まれた凹部１１２ａが設けられている。凹部１１２ａには、２つのストッパ１１５が形成されている。貫通穴１１３は、上部保護基板１１０が半導体部１００に接合された状態で、貫通穴接合部１０ａ，１０ｂ，１０ｃが上面に露出するように形成されている。すなわち、貫通穴１１３は、貫通穴接合部１０ａ，１０ｂ，１０ｃへ電圧印加するための貫通電極として機能し、上部保護基板１１０により半導体部１００の上面を覆いつつ、貫通穴接合部１０ａ，１０ｂ，１０ｃに電圧印加可能にしている。貫通穴１１３は、貫通穴接合部１０ａ，１０ｂ，１０ｃの略中央にそれぞれ位置しており、その径は、貫通穴接合部１０ａ，１０ｂ，１０ｃの寸法より小さい、例えば０．５ｍｍ程度とするのが好ましい。

本実施形態において、ストッパ１１５は、可動部５０のねじり方向以外の、ｚ方向の変位を制限するために設けられている。ストッパ１１５は、例えば、凹部１１２ａのうち、可動フレーム３の、２つの第１ヒンジ５がそれぞれ接続されている部位の上部の部位から、可動フレーム３に向けて突設されている。換言すると、２つのストッパ１１５は、それぞれ、凹部１１２ａに、可動部５０の揺動の中心軸に向けて突設されている。このストッパ１１５は、可動部５０が変位したときに、第１ヒンジ５に当接しないように、第１ヒンジ５に近接しないように形成されている。これにより、可動部５０の変位時に第１ヒンジ５がストッパ１１５に接触して破損するトラブルは未然に防止されている。また、ストッパ１１５は、ミラー部２の揺動を妨げないように配置されている。ストッパ１１５の下端部は、可動部５０のｚ方向変位時に可動部５０に当接可能な当接部となる。ミラー部２及び可動部５０は、例えば１０度程度の揺動角で駆動されるので、ストッパ１１５は、ミラー部２及び可動部５０が揺動時に変位する範囲を考慮した形状に形成されている。例えば、ｘ方向寸法は、１００μｍ乃至４００μｍとなるように形成され、ｙ方向寸法は、１００μｍ乃至３００μｍになるように形成されている。これらの寸法の下限は、例えば、ストッパ１１５に可動部５０が当接したときにストッパ１１５により可動部５０を支えることができるように設定されているものである。また、ストッパ１１５は、可動部５０が平衡位置にある場合に可動部５０の上面との間にｚ方向に１０μｍ乃至３０μｍ程度のギャップを有するように形成されている。このように、上部保護基板１１０に、可動部５０に近接してストッパ１１５が設けられていることにより、可動部５０のｚ方向の変位すなわち半導体基板に対し垂直な方向への変位は制限されている。また、ミラー部２及び可動部５０が揺動時に変位する範囲を考慮してストッパ１１５を形成することにより、ミラー部２及び可動部５０の通常駆動時の揺動が妨げられることがない。

下部保護基板１２０は、上部保護基板１１０と同様に、キャビティ構造を有しており、可動部５０の揺動を妨げないように、可動部５０及び支持体９の下方に対応する部位が上面すなわち半導体部１００側から彫り込まれ、凹部１２１が形成されている。

本実施形態において、下部保護基板１２０にも、上部保護基板１１０と同様に、可動部５０のねじり以外のｚ方向の変位を制限するためのストッパ１２５が設けられている。ストッパ１２５は、１つ設けられ、第１ヒンジ５の揺動軸に沿うように凹部１２１にリブ状に突設されている。換言すると、ストッパ１２５は、可動部５０の揺動の中心軸に向けて、リブ状に突設されている。ストッパ１２５の上端部は、可動部５０の変位時に可動部５０と一体となり変位する支持体９に当接可能な当接部となる。ストッパ１２５の形状も、可動部５０が揺動時に変位する範囲を鑑みて、また、可動部５０が当接したときに可動部５０を確実に支持しうるように設定される。例えば、ｘ方向寸法は、１００μｍ乃至４００μｍ程度に設定される。また、ストッパ１２５は、可動部５０が平衡位置にあるときｚ方向に１０μｍ乃至３０μｍ程度のギャップを可動部５０との間に有するように形成されている。可動部５０に近接してストッパ１２５が設けられていることにより、可動部５０のｚ方向の変位すなわち半導体基板に対し垂直な方向への変位は、制限されている。また、可動部５０が揺動時に変位する範囲を考慮してストッパ１２５を形成することにより、可動部５０の通常駆動時の揺動が妨げられることがない。なお、ストッパ１２５の突出寸法は、可動部５０の変位量を効果的に制限することができるように、支持体９の有無や支持体９の厚みに応じて、適宜変更すればよい。支持体９が設けられていなかったり支持体９の厚みが薄い場合には、ストッパ１２５は、ストッパ１１５と同様に、ミラー部２及び可動部５０の揺動を妨げず、可動部５０がｚ方向に変位したときには第１ヒンジ５に当接しないように形成するのが好ましい。

なお、上部保護基板１１０及び下部保護基板１２０は、内部の半導体部１００を保護するものであるため、その厚さは０．５ｍｍ乃至１．５ｍｍ程度とすれば十分であるが、接合後のサイズを考慮すると、例えば０．６ｍｍ程度であることが好ましい。また、凹部１１２ａ，１２１の深さは、可動部５０の揺動を妨げない程度で、例えば０．３ｍｍとされているのが好ましい。

また、上部保護基板１１０は、光透過性および第１シリコン層２００ａとの接合の容易性から、ガラス基板とすることが好ましい。例えば、コーニング社製パイレックス（登録商標）ガラスであれば、光透過性が良く、また、ガラス中にナトリウムが含まれていることから陽極接合により容易にシリコンと接合することができる。上部保護基板１１０は、凹部１１２ａや貫通穴１１３とストッパ１１５も含め、ガラス基板を用いて、モールド法や貼り合わせ法、エッチング法、ブラスト法などを用いて一体に形成すればよい。また、下部保護基板１２０としても、上部保護基板１１０と同様にガラス基板を用いることができる。なお、上部保護基板１１０、下部保護基板１２０の材質はこれに限られない。また、例えば、ストッパ１１５やストッパ１２５は、それぞれ上部保護基板１１０や下部保護基板１２０の本体とは別素材で形成され、上部保護基板１１０や下部保護基板１２０の本体に接合されていてもよい。上部保護基板１１０については、少なくとも光透過部１１２が光走査ミラー１を用いて走査する光線を透過可能な材料を用いて構成されていればよい。他方、下部保護基板１２０は、上部保護基板１１０と異なり光透過性が要求されないため、例えば加工が容易なシリコンを用いて構成することができる。

次に、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を揺動軸として第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の揺動時と略同様に、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。

以下に、図４乃至図９を参照し、光走査ミラー１の製造工程について説明する。なお、図４乃至図９は、図３に示した部位と略同一の部位についての断面図である。まず、酸素および水蒸気雰囲気の拡散炉中で、ＳＯＩ基板２００の上下両表面に酸化膜を形成する（図４）。そして、活性層すなわち第１シリコン層２００ａの上面に形成された酸化膜２２０ｂの表面のうち、可動部５０や第１ヒンジ５及び第２ヒンジ６等の形状に、フォトリソグラフィにより、レジスト（図示せず）をパターニングする。その後、ＲＩＥ（Reactive Ion Etching）により酸化膜２２０ｂのうちレジストにマスクされていない部位を除去し、第１シリコン層２００ａのうち可動部５０等が形成されない部位を露出させ、酸素プラズマ中でレジストを除去する（図５）。第１シリコン層２００ａ上面には、例えばアルミニウムをスパッタリングすることにより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、フォトリソグラフィによりレジスト（図示せず）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以外の部位を除去し、レジストも除去する（図６）。これにより、ミラー面２０が形成される。

ミラー面２０を形成した後、第１シリコン層２００ａ上にレジスト２３０をパターニングして形成し、Ｄ−ＲＩＥ（Deep Reactive Ion Etching）を行い、第１シリコン層２００ａのうち上面が露出している部位をエッチングする。ＳＯＩ基板２００の酸化膜２２０のエッチングレートは、第１シリコン層２００ａのエッチングレートの１パーセント未満であるため、第１シリコン層２００ａの表面の酸化膜２２０ｂおよび酸化膜２２０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２００ａに、可動部５０、第１ヒンジ５及び第２ヒンジ６、第１櫛歯電極７及び第２櫛歯電極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（図７）。レジスト２３０は、酸素プラズマ中で除去しておく。

次に、ＳＯＩ基板２００のうち支持基板である第２シリコン層２００ｂ（裏面側）の加工を行う。裏面側の加工は、例えば、表面側である第１シリコン層２００ａの上面を保護のためレジスト２３０で覆って行われる。まず、第２シリコン層２００ｂの表面に形成された酸化膜２２０ｂ上に、フォトリソグラフィによりレジスト２３２をパターニングする。レジスト２３２は、支持体９及び固定フレーム４に対応する形状に形成される。そして、レジスト２３２が形成されていない部位の酸化膜２２０ｂを、ＲＩＥによりエッチングし、露出した第２シリコン層２００ｂを、Ｄ−ＲＩＥにより掘り込む（図８）。このとき、上述と同様に、エッチングレートの違いにより、第２シリコン層２００ｂは酸化膜２２０まで掘り込まれ、酸化膜２２０はほとんどエッチングされない。その後、レジスト２３２を、酸素プラズマ中で除去する。なお、レジスト２３２は、第２シリコン層２００ｂ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。また、レジスト２３２の支持体９に対応する部位の厚みを予め調整しておくことにより、エッチング終了後に支持体９が若干エッチングされているようにし、支持体９の厚みを小さくするようにしてもよい。

その後、半導体部１００の下方に露出する酸化膜２２０を、ＲＩＥにより除去する。これにより、可動部５０やミラー部２が、第１ヒンジ５及び第２ヒンジ６を介して揺動可能になる。また、これにより、トレンチ１０１ａの下方に、酸化膜２２０と第２シリコン層２００ｂ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２００ｂの表面の酸化膜２２０ｂも除去される。その後、半導体部１００の上下のレジスト２３０，２３２を除去することにより、半導体部１００が完成する。

半導体部１００が完成した後、半導体部１００に上部保護基板１１０及び下部保護基板１２０を接合する。本実施形態においては、上部保護基板１１０及び下部保護基板１２０に共にガラス基板を用いた場合について説明する。ガラス基板とＳＯＩ基板２００は、例えば陽極接合によって、容易に且つ確実に接合することができる。

上部保護基板１１０及び下部保護基板１２０の接合工程は、例えば、ミラー面２０を保護する観点から、上部保護基板１１０を先に半導体部１００の上面側に接合し、下部保護基板１２０をその後半導体部１００の下面側に接合して行う。上部保護基板１１０の接合工程では、先ず、凹部１１２ａや貫通穴１１３が形成されたガラス基板と半導体部１００のＳＯＩ基板２００とを重ね、１０Ｐａ以下の真空環境下で、数百℃程度まで加熱する。このとき、好ましくは１Ｐａ以下の環境にすることで、接合後の真空度をより高くすることができる。また、温度に関しては、３００℃から４００℃程度に保つことが好ましい。その後、ガラス基板とＳＯＩ基板２００が所望の温度になったところで、ＳＯＩ基板２００の接合側のシリコン層すなわち第１シリコン層２００ａに対して４００Ｖ乃至８００Ｖ程度の電圧を、ガラス基板に印加する。このように電圧を印加した状態で２０分乃至６０分程度保持することにより、半導体部１００に上部保護基板１１０を良好に接合させることができる。上部保護基板１１０を接合した後、下部保護基板１２０も、上述と同様にして半導体部１００の第２シリコン層２００ｂに陽極接合され（図９）、図３に示すように光走査ミラー１が完成する。なお、接合方法は、陽極接合に限るものではなく、種々の方法を用いて接合すればよい。

以上説明したように、本実施形態においては、ストッパ１１５，１２５により、可動部５０のｚ方向の変位が制限されているので、光走査ミラー１に外部から衝撃が加わったときに第１ヒンジ５の破損を防止することができ、光走査ミラー１の耐衝撃性を向上させることができる。ストッパ１１５，１２５は、それぞれ、可動部５０の揺動時に可動部５０の変位が少ない揺動軸に向けて突設されているので、ストッパ１１５，１２５が可動部５０に近接するように構成することができ、可動部５０のｚ方向変位をより効果的に制限することができる。本実施形態においては、可動部５０の上下にストッパ１１５，１２５がそれぞれ配置されているので、耐衝撃性の向上効果をさらに効果的に得ることができる。

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、ストッパ１１５やストッパ１２５の構造や位置については、光走査ミラーの揺動運動を考慮して、最適な位置を適宜選択することができ、上記実施形態に限られない。また、光走査ミラーは、上記実施形態のような２軸ジンバル型のものではなく、例えばミラー面が形成された可動部を一対のヒンジで固定フレームに支持した構造を有する１軸に揺動可能なものであってもよい。この場合、ストッパを、可動部の揺動軸に向けて突出するように保護基板上に形成することにより、同様に、光走査ミラーの耐衝撃性を向上させることができる。さらにまた、保護基板は、半導体部１００の少なくとも一面に接合されていればよく、また、ストッパは、半導体部１００の少なくとも一面側に、可動部の変位を制限するように配置されていればよい。ストッパが片側のみに設けられている場合にも、そのストッパにより可動部のｚ方向変位を制限することができ、ヒンジの破損を防止し、耐衝撃性を向上させることができる。さらにまた、半導体部１００はＳＯＩ基板でなく、単一のシリコン基板や金属板であってもよく、またミラー部２および可動体５０を揺動する駆動力は櫛歯電極間に働く静電力ではなく、平板電極間に働く静電力や電磁力、電歪力、熱歪力であってもよい。いずれの場合も、ストッパを可動部の揺動軸に向けて突出するように保護基板上に形成することにより、可動部のｚ方向の変位を制限することができ、ヒンジの破損を防止し、半導体部の耐衝撃性を向上させることができる。

さらにまた、本発明は、ミラー面を有し光を走査する光走査ミラーに限られず、一対のヒンジにより固定フレームに対し揺動可能に構成された可動部が半導体基板に形成された半導体機械構造体に広く適用可能である。すなわち、半導体基板の少なくとも一面に設けられた保護基板に可動部の半導体基板に対し垂直な方向への変位を制限するようにストッパを設けることにより、半導体機械構造体の耐衝撃性を向上させることができる。

本発明の一実施形態に係る半導体機械構造体である光走査ミラーの一例を示す分解斜視図。 （ａ）は上記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。 図２（ａ）のＡ−Ａ線断面図。 上記光走査ミラーの半導体部の製造工程における側断面図。 上記光走査ミラーの半導体部の製造工程における側断面図。 上記光走査ミラーの半導体部の製造工程における側断面図。 上記光走査ミラーの半導体部の製造工程における側断面図。 上記光走査ミラーの半導体部の製造工程における側断面図。 上記光走査ミラーの製造工程における側断面図。

符号の説明

１ 光走査ミラー（半導体機械構造体）
４ 固定フレーム
５ 第１ヒンジ（ヒンジ）
５０ 可動部
１１０ 上部保護基板（保護基板）
１２０ 下部保護基板（保護基板）
２００ ＳＯＩ基板（半導体基板）

Claims (2)

1. 半導体基板に、可動部と、それぞれ前記可動部に一端部が接続され前記可動部の１つの揺動軸を構成する一対のヒンジと、前記一対のヒンジのそれぞれの他端部が接続されており前記ヒンジを支持する固定フレームとが設けられており、
   前記可動部が、前記一対のヒンジをねじりながら前記固定フレームに対して揺動可能に構成されている半導体機械構造体において、
   前記半導体基板の少なくとも一面には、前記可動部を保護するための保護基板が接合されており、
   前記保護基板は、前記可動部の揺動の中心軸に向けて突設されたストッパを有し、それにより、前記可動部の前記半導体基板に対し垂直な方向への変位が制限されていることを特徴とする半導体機械構造体。
2. 前記ストッパは、前記可動部が変位したときに前記ヒンジに当接しないように、前記ヒンジに近接しないように形成されていることを特徴とする請求項１に記載の半導体機械構造体。

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