JP2010008613A - 半導体機械構造体及びそれを用いた光走査ミラー - Google Patents

Abstract

【課題】半導体機械構造体において、気密性を確保すると共に各部を絶縁分離し、且つ、製造コストを低くする。
【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は、ＳＯＩ基板２００の第１シリコン層２００ａに形成され、ミラー面２０が搭載された可動部５０を有している。第１シリコン層２００ａはトレンチ１０１ａ，１０１ｂ等の絶縁分離部が形成されることにより複数の部位に絶縁分離され、各部位の電位を変更して可動部５０の櫛歯電極７，８に電圧を印加可能である。トレンチ１０１ａ，１０１ｂ等の絶縁分離部は半導体部１００の外周側部に露出せず、上部保護基板１１０及び下部保護基板１２０を半導体部１００に接合することにより、光走査ミラー１の内部の気密を容易に確保可能である。
【選択図】図１

Description

本発明は、半導体基板に設けられた電圧印加部に電圧を印加することによりその半導体基板上に構成された可動構造を駆動可能な半導体機械構造体及びそれを用いた光走査ミラーに関する。

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。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、光走査ミラーの可動部やヒンジが設けられている部位の周囲の駆動環境を真空にすることが効果的である。特許文献１には、例えば、半導体基板上に形成した光走査ミラーにガラス基板を陽極接合し、真空気密封止を達成する方法が開示されている。

例えば上述のような静電駆動型の光走査ミラーでは、櫛歯電極等の駆動力を発生する駆動部と、駆動部に電圧を印加するための配線部と、外部から電圧が印加される電極端子とは導電性を確保することが必要である。このような光走査ミラーは、半導体機械構造を用いているものであるため、別途金属等により配線部や電極端子等を形成するよりも、低抵抗率の半導体基板をそのまま利用する方が、製造コストを低くすることができて有利である。ところで、低抵抗率の半導体基板を用いる場合には、駆動部、配線部、及び電極端子は、適宜互いに絶縁分離しておくことが必要であり、半導体基板には絶縁分離のための分離溝を形成することが不可欠である。しかしながら、例えば特許文献１に記載されているように、可動板等が設けられている半導体基板の層を完全に分離するように分離溝を形成すると、真空気密封止した後に個々の光走査ミラーをチップとして切り出した際には、光走査ミラーの内外が外周側部に開口した分離溝を介して空間的に接続され、チップ内部を真空に保つことができなくなるという問題がある。これを防ぐため、分離溝を形成した後に当該分離溝を絶縁性を有する樹脂等で埋めることにより気密性を保持するようにすることも考えられるが、この場合、製造工程が複雑化し、製造コストが高くなる。
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、気密性を確保すると共に各部を絶縁分離することができ、且つ、製造コストが低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、半導体基板に形成され、電圧が印加されることにより駆動力を発生する駆動部を有する可動構造と、前記駆動部に電圧を印加するために当該半導体基板に設けられ、互いに絶縁された複数の部分を有する電圧印加部と、前記電圧印加部の複数の部分を互いに絶縁するように前記半導体基板に形成された絶縁分離部とを備えた半導体機械構造体において、前記絶縁分離部は、前記可動構造と当該可動構造の周辺部において閉ループを形成するように、且つ、当該半導体機械構造体の外周側部に露出しないように形成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、前記半導体基板は、活性層及びＢＯＸ（Buried OXide）層を有するＳＯＩ（Silicon On Insulator）基板であって、前記可動構造は前記活性層を含むように形成されており、前記絶縁分離部は、前記ＢＯＸ層に到達し前記活性層を分離するように前記活性層に形成された溝部を有するものである。

請求項３の発明は、請求項１又は請求項２の発明において、前記半導体基板のうち少なくとも前記絶縁分離部が形成されている一面に接合されたガラス基板をさらに有するものである。

請求項４の発明は、請求項１乃至請求項３のいずれか一項の発明において、前記電圧印加部に外部から電圧印加可能に構成された貫通電極をさらに有するものである。

請求項５の発明は、請求項１乃至請求項４のいずれか一項に記載の半導体機械構造体を有し、前記可動構造に光を反射可能なミラー面が設けられているものである。

請求項１の発明によれば、絶縁分離部が半導体機械構造体の外周側部に露出しないので、各部を絶縁分離しつつ、半導体基板の上面に保護基板を接合し封止した場合に容易に気密性を確保することができる。絶縁分離部として複雑な構造を用いることなく気密性を確保することができるので、製造コストを低減することができる。

請求項２の発明によれば、ＳＯＩ基板を用いて可動構造を活性層を含むように形成することにより、絶縁分離部を、活性層を分離するような溝部として形成することができる。従って、容易に絶縁分離部を形成することができ、製造コストをさらに低減することができる。

請求項３の発明によれば、半導体基板と陽極接合等により容易に接合可能なガラス基板を用いて半導体機械構造の気密を確保することができるので、半導体機械構造の製造コストを低くすることができる。また、ガラス基板は半導体基板と熱膨張係数が近いので、半導体機械構造を確実に動作可能にすることができる。

請求項４の発明によれば、製造容易な構造の貫通電極を設けることにより電圧印加部に電圧印加をすることができるので、半導体機械構造の製造コストを低くすることができる。

請求項５の発明によれば、上述と同様に、各部を絶縁分離しつつ、半導体基板の上面にカバー基板を接合し封止した場合に、絶縁分離部として複雑な構造を用いる必要がない。従って、容易に気密性を確保してより光走査ミラーの効率を高め信頼性を高めることができ、且つ、製造コストを低減することができる。

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（ガラス基板）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（ガラス基板）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２つの第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（可動構造）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つの軸回りに、２次元的に回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と一体に回動可能に支持体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（電圧印加部）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良い。

この光走査ミラー１は、静電力を駆動力としてミラー部２を回動させるものであり、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（駆動部）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（駆動部）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（溝部）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、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を回転軸として一体に回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。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及びそれらと同電位となる部位で構成され、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との間の空隙を含む絶縁分離部により、互いに絶縁されている。本実施形態において、絶縁分離部は、図１に示すように、可動部５０と可動部５０の周辺部において、閉ループを形成するように形成されている。ここでいう閉ループとは、上面視で半導体部１００の外部に連通していないことを意味しており、絶縁分離部は、第１シリコン層２００ａの外周側部には絶縁分離部は露出していない。すなわち、図２（ａ）に示すように、第１シリコン層２００ａの上面に上部保護基板１１０が接合された状態では、絶縁分離部は光走査ミラー１の外部に露出しないように構成されている。

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（貫通電極）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の回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。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。なお、貫通孔接合部１０ａ，１０ｂ，１０ｃには、電極を取り出す際に、外部との電気的な導通を良くするために、例えばアルミニウム膜等の金属膜を形成してもよい。この場合、金属膜は、上部保護基板１１０と第１シリコン層２００ａとの接合を妨げないように、貫通穴１１３の穴径より小さくすることが好ましい。

ここで、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。なお、上部保護基板１１０の材質はこれに限られず、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。

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の回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。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、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。

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の回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。

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。

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、ＳＯＩ基板２００を用いて半導体部１００を形成しているので、第１シリコン層２００ａの３つの部位を、溝状のトレンチ１０１ａ，１０１ｂや空隙等で容易且つ確実に互いに絶縁分離することができる。このとき、その絶縁分離部は光走査ミラー１の外周側部に露出しないので、半導体部１００の上面に上部保護基板１１０を接合し封止した場合に容易に気密性を確保することができる。絶縁分離部として複雑な構造を用いることなく確実に気密性を確保することができるので、光走査ミラー１の製造コストを低減することができる。

さらにまた、本実施形態では、半導体部１００と陽極接合により容易に接合可能なガラス基板である上部保護基板１１０及び下部保護基板１２０を用いて光走査ミラー１の気密を確保することができるので、光走査ミラー１の製造コストをさらに低くすることができ、且つ、より確実に光走査ミラー１の気密を保つことができる。また、半導体部１００と熱膨張計数が近いガラス基板を上部保護基板１１０及び下部保護基板１２０として用いるので、光走査ミラー１に歪み等が発生しにくく、光走査ミラー１をより確実に駆動することができる。なお、ガラス基板は、半導体部１００のうち少なくとも絶縁分離部が形成されている一面に接合する保護基板、すなわち本実施形態においては上部保護基板１１０として用いればよい。このように上部保護基板１１０にガラス基板を用いることにより、微細な溝状のトレンチ１０１ａ，１０１ｂが設けられていても、その面について確実に気密を保つように、且つ容易に、上部保護基板１１０を接合することができる。

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、トレンチ１０１ａやトレンチ１０１ｂの配置や、貫通穴接合部１０ａ，１０ｂ，１０ｃの配置などは、上述に限られず、適宜変更可能である。また、光走査ミラー１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１軸に揺動可能なものであってもよい。さらにまた、貫通穴接合部１０ａ，１０ｂ，１０ｃ等の電圧印加部への電圧印加可能な電極の外部への取り出しは、上述のように上部保護基板１１０に貫通穴１１３を設けて行うものに限らない。例えば、上部保護基板１１０に、予め、貫通穴接合部１０ａ，１０ｂ，１０ｃ等に対応するように導体を配線しておき、その状態で上部保護基板１１０を半導体部１００に接合することにより、上部保護基板１１０により光走査ミラー１の内部の気密を保ちつつ、外部から電圧印加可能に構成することができる。また、光走査ミラー１の製造工程は、上記に限らず、例えば、第１シリコン層２００ａを加工した後に、上部保護基板１１０を第１シリコン層２００ａに接合し、その後、第２シリコン層２００ｂを加工し、第２シリコン層２００ｂに下部保護基板１２０を接合しても構わない。

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、駆動部を有する可動構造と電圧印加部と絶縁分離部と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。この場合、駆動部は上述のような櫛歯電極に限られるものではなく、圧電素子等であってもよい。すなわち、絶縁分離部が半導体構造体の外周側部に露出しないように閉じているように構成することにより、製造容易な構造としつつ気密性を確保することができる。

本発明の一実施形態に係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）
７ 第１櫛歯電極（駆動部）
８ 第２櫛歯電極（駆動部）
２０ ミラー面
５０ 可動部（可動構造）
１０１ａ，１０１ｂ トレンチ（絶縁分離部、溝部）
１１０ 上部保護基板（ガラス基板）
１１３ 貫通穴（貫通電極）
１２０ 下部保護基板（ガラス基板）
２００ ＳＯＩ基板
２００ａ 第１シリコン層（活性層）
２２０ 酸化膜（ＢＯＸ層）

Claims (5)

1. 半導体基板に形成され、電圧が印加されることにより駆動力を発生する駆動部を有する可動構造と、
   前記駆動部に電圧を印加するために前記半導体基板に設けられ、互いに絶縁された複数の部分を有する電圧印加部と、
   前記電圧印加部の複数の部分を互いに絶縁するように前記半導体基板に形成された絶縁分離部とを備えた半導体機械構造体において、
   前記絶縁分離部は、前記可動構造と当該可動構造の周辺部において閉ループを形成するように、且つ、当該半導体機械構造体の外周側部に露出しないように形成されていることを特徴とする半導体機械構造体。
2. 前記半導体基板は、活性層及びＢＯＸ（Buried OXide）層を有するＳＯＩ（Silicon On Insulator）基板であって、
   前記可動構造は前記活性層を含むように形成されており、
   前記絶縁分離部は、前記ＢＯＸ層に到達し前記活性層を分離するように前記活性層に形成された溝部を有することを特徴とする請求項１記載の半導体機械構造体。
3. 前記半導体基板のうち、少なくとも前記絶縁分離部が形成されている一面に接合されたガラス基板をさらに有することを特徴とする請求項１又は請求項２記載の半導体機械構造体。
4. 前記電圧印加部に外部から電圧印加可能に構成された貫通電極をさらに有することを特徴とする請求項１乃至請求項３のいずれか一項に記載の半導体機械構造体。
5. 請求項１乃至請求項４のいずれか一項に記載の半導体機械構造体を有し、前記可動構造に光を反射可能なミラー面が設けられていることを特徴とする光走査ミラー。

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