JP2010210782A - マイクロミラー装置 - Google Patents
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Abstract
【解決手段】トーションバーを介してミラー部がフレームに対して回動可能に連結されたマイクロミラー装置を前提として、上記ミラー部は、引張り応力を有する層(12a)と圧縮応力を有する層(12b)とを交互に積層した応力制御層(12)を含んで成ることである。
【選択図】図1
Description
しかしながら、このマイクロミラーにおいても以下のような問題がある。即ち、光を走査するために往復振動するミラーの剛性が低い場合、振動による慣性力によりミラーに撓むなどの変形が生じる。このような変形が生じると、反射された光ビームの光学特性に大きく影響を与えるので、ミラーの変形を極力低減させる必要があることは言うまでもない。
回動ミラーを有するマイクロミラー装置を含めた光スキャナーにおいて、応力を制御して回動するミラーの動的な変形や反りを低減させること、及びミラー部の反射層に誘電体多層膜の積層体を用いることは、以下に説明するとおり公知の技術事項である。
さらに言えば、ミラー部の軽量化のためには薄肉部を多く設けた方が効果は大きい。逆に、ミラー部の剛性維持のためには薄肉部はできるだけ少ない方が都合はよい。このように、軽量化と剛性の向上とは全く相反するものであるのに対して、「薄肉部を設ける」という一方向からのアプローチであるために、最適解を得ることは非常に難しく、実際にはある程度の改善しか得られないものである。
(1) 本発明に係るマイクロミラー装置(請求項1に対応)は、トーションバーを介してミラー部がフレームに対して回動可能に連結されたマイクロミラー装置を前提として、上記ミラー部は、引張り応力を有する層と圧縮応力を有する層とを交互に積層した応力制御層を含んで成ることである。
また、応力制御層として積層する層数や材料によって、応力制御による効果を他の要因に左右されず独立して設計し、制御することができる。
このような構成によって、反射層が応力制御層の上に積層した状態で形成されてミラー部を構成しているため、ミラーの面積を必要最低限に抑えることが可能であり、ミラーを小型化し軽量化することができる。
このような構成によって、応力制御層と反射層が同一平面に設けられており、互いに分離した状態で形成されてミラー部を構成しているため、応力制御層と反射層の形状を独立して設計することができ、レイアウト上の自由度が大きくなる。
このような構成によって、応力制御層と反射層を構成する各層が全て無機材料であるため、耐熱性、耐プラズマ性、及び耐環境性に優れている。
上記ミラー部が応力制御層と反射層を有しており、該応力制御層は引張り応力を有する層と圧縮応力を有する層とを交互に積層した多層構造であって、該反射層は高反射性金属膜により形成されることである。
また、応力制御層として積層する層数や材料によって、応力制御による効果を他の要因に左右されず独立して設計し、制御することができる。
このような構成によって、反射層は少なくとも3層から成り、ミラー母材に近い方から密着層、ブロッキング層、高反射性金属膜を有する構造であるため、反射層全体の密着性や熱的安定性に優れている。
このような構成によって、反射層の表面に表面保護層が形成されているため、反射層の機械的強度が向上し、耐磨耗性に優れている。
このような構成によって、表面保護層がシリコン酸化膜であり、光学的に透明な材料であるため、反射特性に全く悪影響を及ぼすことなく、安定性に優れている。
上記ミラー部が応力制御層と反射層を有しており、該応力制御層は引張り応力を有する層と圧縮応力を有する層とを交互に積層した多層構造であって、該反射層は屈折率の高い層と屈折率の低い層を交互に積層して形成されることである。
また、応力制御層として積層する層数や材料によって、応力制御による効果を他の要因に左右されず独立して設計し、制御することができる。
このような構成によって、反射層が応力制御層の上に積層して形成されミラー部を構成しているため、ミラーの面積を必要最低限に抑えることが可能であり、ミラーの小型化や軽量化を図ることができる。
このような構成によって、応力制御層と反射層が同一平面に設けられており、互いに分離した状態で形成されてミラー部を構成しているため、応力制御層と反射層の形状を独立して設計することができ、レイアウト上の自由度が大きくなる。
(1) 請求項1に係る発明
回動するミラー部は応力制御層を有している構造であり、応力制御層は引張り応力を有する層と圧縮応力を有する層を交互に積層した多層構造であるため、質量の増加を最低限に抑えつつ剛性を高めることができるので、ミラーの平坦性の確保やミラー回動時に生じる反りや変形を効果的に抑えることができる。
(2) 請求項2に係る発明
反射層が応力制御層の上に積層した状態で形成されてミラー部を構成しているため、ミラーの面積を必要最低限に抑えることが可能であり、ミラーの小型化や軽量化を図ることができる。
応力制御層と反射層が同一平面に設けられており、互いに分離した状態で形成されてミラー部を構成しているため、応力制御層と反射層の形状を独立して設計することができ、レイアウト上の自由度が大きくなる。
(4) 請求項4に係る発明
応力制御層と反射層を構成する各層が全て無機材料であるため、耐熱性、耐プラズマ性、及び耐環境性に優れたマイクロミラー装置を実現することができる。
ガルバノミラー構造のマイクロミラー装置において、回動するミラー部が応力制御層と反射層を有しており、該応力制御層は引張り応力を有する層と圧縮応力を有する層とを交互に積層した多層構造であるため、ミラー部の質量の増加を最低限に抑えつつ剛性を高めることができ、ミラー回動時に生じる反りや変形を効果的に抑えることができる。また、上記反射層は高反射性金属膜により形成されているため、広範囲の波長に対して高い反射率が得られるマイクロミラー装置を実現することができる。
(6) 請求項6に係る発明
反射層は少なくとも3層から成り、ミラー母材に近い方から密着層、ブロッキング層、高反射性金属膜を有する構造であるため、反射層全体の密着性や熱的安定性に優れたマイクロミラー装置を実現することができる。
反射層の表面に表面保護層が形成されているために、反射層の機械的強度の向上が図られ、耐磨耗性に優れたマイクロミラー装置を実現することができる。
(8) 請求項8に係る発明
表面保護層がシリコン酸化膜であり、光学的に透明な材料であるため、反射特性に全く悪影響を及ぼすことなく、安定性に優れたマイクロミラー装置を実現することができる。
ガルバノミラー構造のマイクロミラー装置において、回動するミラー部が応力制御層と反射層を有しており、該応力制御層は引張り応力を有する層と圧縮応力を有する層とを交互に積層した多層構造であるため、ミラー部の質量の増加を最低限に抑えつつ剛性を高めることができ、ミラー回動時に生じる反りや変形を効果的に抑えることができる。また、反射層は屈折率の高い層と屈折率の低い層とを交互に積層して形成しているため、高効率の反射層として機能することが可能である。
反射層が応力制御層の上に積層した状態で形成されてミラー部を構成しているため、ミラーの面積を必要最低限に抑えることが可能であり、ミラーの小型化や軽量化を図ることができる。
(11) 請求項11に係る発明
応力制御層と反射層が同一平面に設けられており、互いに分離した状態で形成されてミラー部を構成しているため、応力制御層と反射層の形状を独立して設計することができ、レイアウト上の自由度が大きくなる。
図1に示されるように、本発明によるミラー部は、ミラー母材11上に応力制御層12が形成されており、その上に反射層13が形成されている。この応力制御層12は、引張り応力を有する層(引張り応力層)12aと圧縮応力を有する層(圧縮応力層)12bが交互に積層されて形成されており、その膜厚はナノメートルのオーダーで制御されている。また、上記反射層13は、低屈折率層13aと高屈折率層13bが交互に積層されて形成されている。
このように本発明によるミラー部では、応力制御層12と反射層13から構成されるため、それぞれの層が所望の特性を発揮することができるように、独立して設計し得る点が大きな特徴である。
先ず、応力制御層12の構成について説明する。上述のように、応力制御層12は、引張り応力を有する層12aと圧縮応力を有する層12bが交互に積層されて形成されているものであって、各層の膜厚はナノメートルオーダーで制御されているものである。このような積層構造は、半導体製造技術の分野で一般的に用いられる薄膜形成方法を利用することで容易に実現することができる。一般に、このような薄膜形成法で成膜できる材料は、引張り応力を有する膜と圧縮応力を有する膜のいずれであっても形成が可能であるばかりでなく、これらの薄膜形成法は、その成膜条件により、同じ材料の薄膜であっても、圧縮応力を有する膜から引張り応力を有する膜まで比較的制御性よくコントロールすることができるという特徴を有している。また、スパッタリング法や電子ビーム蒸着法などの真空プロセスを利用した薄膜形成法では、成膜速度を把握することにより、ナノメートルオーダーであっても所望の膜厚を実現することが容易に行なえるものである。
次に、反射層13について説明する。図1に示されるように、反射層13は、低屈折率層13aと高屈折率層13bが交互に積層されて形成されている。このような反射層13は一般的によく知られているものであり、屈折率の低い材料と屈折率の高い材料とを対象として、波長の1/4の厚さで交互に積層することにより、光の干渉効果に基づいて、各層の境界面からの反射光が相加的に重なって非常に効率の高い反射層として機能するものである。狙いの波長がどれぐらいで、どの程度の反射率を必要とするのかという要求に対して、屈折率の低い材料と屈折率の高い材料の屈折率をそれぞれどの程度にすればよいのか、また、各層の膜厚はどの程度が必要なのかという点に関しては、一般的なパーソナルコンピューターで使用できる設計ソフトが広く知られている。一般的に、このような屈折率の低い材料と屈折率の高い材料としては誘電体が用いられる場合が多く、そのため誘電体多層膜と呼ばれることが多い。また、その形成方法は、スパッタリング法や電子ビームアシスト真空蒸着法のように、半導体製造プロセスで一般的に用いられる制御性に優れた技術を用いて形成することが可能である。一般的に、このように誘電体材料を用いる反射層は、金属膜に比較して、温度や雰囲気に対する耐久性が優れており、また、機械的強度も高いために耐磨耗性にも優れている。従って、ミラーの使用される温度や環境等に応じて適宜選択されるべきものである。
本発明によるミラー部は、図2に示されるように、ミラー母材21上に応力制御層22が形成されており、その上に反射層23が形成されている。上記応力制御層22は、図1で示した構成と同様に、引張り応力を有する層(引張り応力層)22aと圧縮応力を有する層(圧縮応力層)22bが交互に積層されて形成されているものであり、その膜厚はナノメートルのオーダーで制御されている。反射層23は高反射性金属で形成されている。ここで用いられる高反射性金属は、可視域全般の波長であればアルミニウムが好適であり、可視域の長波長領域から近赤外の領域であればAuが好適である。この他にもAgやPtなど、目的や使用環境に応じて適宜選択することができる。
本発明によるミラー部は、図5に示されるように、応力制御層54と反射層55が同一平面に互いに分離されて形成されている。具体的には、ミラー母材51の外周に沿って応力制御層54が形成されており、その中の領域に反射層55が形成されている。このように、応力制御層54と反射層55をそれぞれ独立した形状として形成する例では、最適な応力制御層54の形状と、最適な反射層55の形状を実現することができるので、設計の自由度が向上し応力制御層54を複雑な形状とすることも可能である。複雑な形状とは、図5に示されたような単純な矩形ではなく、例えば、楕円形やジグザグ形状などにすることができる。なお、符号52及び53はそれぞれトーションバー及びフレームを示す。
以下に、本発明の実施例1〜実施例5を用いて更に詳細に説明する。
基板11としてSOI(Silicon On Insulator)ウェハを用いた。このSOIウェハは、絶縁層としてのシリコン酸化膜の厚さが1μm、それをはさむ形で反射層13が形成される表面側のシリコン層が100μm、裏面側のシリコン層が300μm形成されたものである。このSOIウェハに対して、一般的なマイクロマシン技術を用いてマイクロミラー装置を形成した。本発明の特徴である応力制御層12と反射層13の形成方法について、以下に説明する。プラズマCVD法により、以下の表1に示す条件でSiN膜とSiO2膜の積層構造を作成した。
本実施例1では、反射層13としてさらにその上に、低屈折率層としてSiO2膜13a、高屈折率層としてTiO2膜13bをRFマグネトロンスパッタリング法により形成した。形成条件を以下の表2に示す。
このようにして応力制御層12と反射層13を形成後、公知のマイクロマシン技術を用いて、ガルバノミラー型マイクロミラー装置を完成させた。反射率は、780nmのレーザー光に対して98.5%を示し、周波数2kHzで駆動させた場合の撓みによる変形量も、殆ど無視できる量に抑えることができた。
このようにして得られたマイクロミラー装置について、450℃、85%の環境試験を行なったところ、反射率の低下はわずかに1%であり、非常に耐熱性に優れたマイクロミラー装置であることが確認できた。
この反射層33は、波長780nmのレーザー光源に対する反射層として機能することを想定して、表層のミラー層33cには金を採用した。しかし、上記引張り応力を有するSiN膜と圧縮応力を有するSiO2膜の積層構造に対して、直接に金膜を形成すると密着性に問題があるため、密着層33aとしてチタン膜を用いた。また、チタン膜と金膜の相互拡散を防止するために、ブロッキング層33bとして白金膜を用いた。これらの金属層は、全て電子ビーム蒸着法により形成し、それぞれの膜厚はチタン膜が50nm、白金膜が50nm、金膜が100nmとした。これらの膜厚は、電子ビーム蒸着装置に付属の水晶発振式膜厚モニターの信号をもとに制御することができる。
このような構造とすることによって、ミラー母材51が往復振動する際の慣性モーメントによる撓みを効果的に抑制することができ、ミラーからの反射光の品質を高い状態のままで維持することができる。
12,22,32,42…応力制御層
12a,22a,32a,42a…引張り応力を有する層(引張り応力層)
12b,22b,32b,42b…圧縮応力を有する層(圧縮応力層)
13,23,33,43…反射層
13a…低屈折率層
13b…高屈折率層
33a,43a…密着層
33b,43b…ブロッキング層
33c,43c…ミラー層
44…表面保護層
51…ミラー母材
52…トーションバー
53…フレーム
54…応力制御層
55…反射層
Claims (11)
- トーションバーを介してミラー部がフレームに対して回動可能に連結されたマイクロミラー装置において、
上記ミラー部は、引張り応力を有する層と圧縮応力を有する層とを交互に積層した応力制御層を含んで成ることを特徴とするマイクロミラー装置。 - 上記応力制御層の上に積層した状態で反射層を形成してミラー部を構成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装置。
- 上記応力制御層と反射層が同一平面に設けられており、互いに分離した状態で形成されてミラー部を構成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装置。
- 上記応力制御層と反射層を構成する各層が、全て無機材料であることを特徴とする請求項1〜請求項3のいずれかに記載のマイクロミラー装置。
- トーションバーを介してミラー部がフレームに対して回動可能に連結されたマイクロミラー装置において、
上記ミラー部が応力制御層と反射層を有しており、該応力制御層は引張り応力を有する層と圧縮応力を有する層とを交互に積層した多層構造であって、該反射層は高反射性金属膜により形成されることを特徴とするマイクロミラー装置。 - 上記反射層は少なくとも3層からなり、密着層、ブロッキング層、及び高反射性金属膜を有することを特徴とする請求項5に記載のマイクロミラー装置。
- 上記反射層の表面に表面保護層が形成されていることを特徴とする請求項5又は請求項6に記載のマイクロミラー装置。
- 上記表面保護層がシリコン酸化膜であることを特徴とする請求項7に記載のマイクロミラー装置。
- トーションバーを介してミラー部がフレームに対して回動可能に連結されたマイクロミラー装置において、
上記ミラー部が応力制御層と反射層を有しており、該応力制御層は引張り応力を有する層と圧縮応力を有する層とを交互に積層した多層構造であって、該反射層は屈折率の高い層と屈折率の低い層とを交互に積層して形成されることを特徴とするマイクロミラー装置。 - 上記応力制御層の上に積層した状態で反射層を形成してミラー部を構成することを特徴とする請求項5〜請求項9のいずれかに記載のマイクロミラー装置。
- 上記応力制御層と反射層が同一平面に設けられており、互いに分離した状態で形成されてミラー部を構成することを特徴とする請求項5〜請求項9のいずれかに記載のマイクロミラー装置。
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