JP2011059547A - ミラーデバイスおよびその製造方法 - Google Patents

Abstract

【課題】ミラー部を備えた可動部の正確な駆動とミラー部の正確な角度測定が可能なミラーデバイスおよび製造コストの低減したミラーデバイスの製造方法を得ること。
【解決手段】ミラー部１０を備えた可動部３０が回転軸Ａを中心に回転することによって、可動部３０に設けられた第１電極５０の第１の面５１と枠体４０に設けられた第２電極６０の第２の面６１とで形成される容量が変化する。容量は、第１の面５１と第２の面６１との対向する面積で大部分が幾何学的に決まるので、温度変化等の影響を少なくできる。したがって、ミラー部１０を備えた可動部３０の正確な駆動とミラー部１０の正確な角度測定が可能なミラーデバイス１００を得ることができる。
【選択図】図６

Description

本発明は、ＭＥＭＳ（Micro Electro Mechanical Systems）を用いたデバイスで、可動ミラーを備えたミラーデバイスおよびその製造方法に関する。

光源から射出されたレーザー光等の光を反射させ、所定の位置に到達させるデバイスとして、可動ミラーを備えたミラーデバイスが知られている。例えば、光を走査するミラーデバイスはプロジェクター等のディスプレイに応用されている。ここで、プロジェクター等の小型化により、ＭＥＭＳによる小型のミラーデバイスが用いられている。
ミラーデバイスにおいて、光を正確に所定の位置に到達させ、画像の描画タイミングを正確に定めるためには、可動ミラーの角度等を検出して光源等を制御する必要がある。可動ミラーの角度等を検出する方法として、光の到達位置に、ミラーデバイスとは別に外部光センサーを設けて検出する方法があるが、設置位置が限定されるあるいは設置が煩わしい等の問題がある。

ピエゾ抵抗効果を利用したせん断型歪ゲージをミラーデバイスに組み込んで、せん断応力に応じた電圧信号を測定し、ミラー回転角を検出するミラーデバイスが知られている（例えば、特許文献１参照）。
また、可動の櫛形フィンガーと指を組む固定櫛形フィンガーとをオフセットされるように形成して垂直静電櫛形構造体を構成し、垂直静電櫛形構造体を櫛形ドライブアクチュエーターおよび回転角度を測定するためのセンサーとして使用するものが知られている（例えば、特許文献２参照）。

特開２００６−８５１５２号公報（５頁および６頁、図１および図２） 特表２００３−５２９１０８号公報（１５頁〜１７頁、図３）

しかしながら、ピエゾ抵抗効果を利用したせん断型歪ゲージを、ミラーデバイスに組み込むには、不純物の拡散工程等が必要で、拡散工程で生じる熱履歴によるデバイスへの影響がある。また、ピエゾ抵抗効果が温度変化の影響を受ける。
さらに、可動の櫛形フィンガーと指を組む固定櫛形フィンガーとがオフセットされるように形成する場合は、どちらかの櫛形フィンガーを別プロセスで形成する必要があり、製造コストを抑えるのが難しい。さらに、垂直静電櫛形構造体を櫛形ドライブアクチュエーターおよび回転角度を測定するためのセンサーとして兼用しているため、時分割分離する必要があり、正確な駆動、回転角度の測定が難しい。

本発明は、上述の課題のうち少なくとも一部を解決するためになされたものであり、以下の形態または適用例として実現することが可能である。

［適用例１］
光を反射するミラー部を備え、回転軸を中心に回転する可動部と、前記可動部を支える枠体と、前記可動部に設けられ、前記回転軸に直交する第１の面を有する第１電極と、前記枠体に設けられ、前記第１の面に対向して容量を形成する第２の面を有する第２電極と、前記第１電極と前記第２電極とを電気的に分離する電気的分離部とを備えたことを特徴とするミラーデバイス。
ここで、回転軸に直交する第１の面における直交とは、製造上発生する直交からのばらつきの範囲を含む。

この適用例によれば、ミラー部を備えた可動部が回転軸を中心に回転することによって、可動部に設けられた第１電極の第１の面と枠体に設けられた第２電極の第２の面とで形成される容量が変化する。容量の大部分は、第１の面と第２の面との対向する面積で幾何学的に決まるので、温度変化等の影響が少ない。したがって、ミラー部を備えた可動部の正確な駆動とミラー部の正確な角度測定が可能なミラーデバイスが得られる。

［適用例２］
上記ミラーデバイスにおいて、前記可動部は、前記ミラー部と前記枠体とを連結する弾性支持部を備え、前記回転軸から前記弾性支持部の側面までの距離は、前記回転軸から前記ミラー部の側面までの距離と比較して短く、前記第１電極は、前記弾性支持部の側面に設けられていることを特徴とするミラーデバイス。
この適用例では、第１電極が、弾性支持部の側面に設けられているので、回転軸から第１電極までの距離が、ミラー部の側面までの距離と比較して短く、同じ偏角であっても、ミラー部の側面に設けた場合と比較して、第１電極の可動距離が短くてすむ。したがって、ミラー部が大きな偏角で可動しても、第１電極の第１の面と第２電極の第２の面とが対向する面積が確保されて容量が形成され、可動部の大きな偏角に対しても角度測定が可能なミラーデバイスが得られる。また、第１電極の可動距離が短いので、偏角と容量変化との関係が線形関係を保てる。

［適用例３］
上記ミラーデバイスにおいて、前記第１電極および前記第２電極は櫛形電極で、互いの櫛歯が互い違いに配列するように配置されていることを特徴とするミラーデバイス。
この適用例では、櫛形電極の櫛歯が互い違いに配列され、第１電極と第２電極とで形成される対向面積が大きく取れ、容量が大きくなる。したがって、容量変化に対してノイズの影響が少なく、より正確な角度測定が可能なミラーデバイスが得られる。

［適用例４］
ＳＯＩ（Silicon On Insulator）基板の埋め込み酸化膜上のシリコン層のミラー部、可動部、枠体、第１電極、第２電極が形成される部分と、電気的分離部および開口部を除いた部分に第１のレジストを形成する第１のマスク工程と、前記シリコン層を、前記第１のレジスト側から前記埋め込み酸化膜までエッチングする第１のエッチング工程と、前記開口部を除いた部分の前記ＳＯＩ基板に第２のレジストを形成する第２のマスク工程と、前記第２のレジスト側から前記埋め込み酸化膜までエッチングする第２のエッチング工程と、前記埋め込み酸化膜をエッチングして前記ミラー部、前記可動部、前記第１電極および前記第２電極を可動状態にする分離工程とを含むことを特徴とするミラーデバイスの製造方法。

この適用例によれば、不純物の拡散工程等が不要で、一つのＳＯＩ基板から、同一プロセスでミラー部、可動部、枠体、第１電極、第２電極、電気的分離部の加工が可能である。また、埋め込み酸化膜を利用して電気的分離部の形成も容易にできる。したがって、製造コストの低減したミラーデバイスの製造方法が得られる。

ミラーデバイスの平面図。 ミラーデバイスの概略部分斜視図。 ミラーデバイスの概略拡大斜視図。 ミラーデバイスの製造方法を示すフロー図。 ミラーデバイスの製造方法を示す概略部分断面図。 第１電極および第２電極付近の部分拡大図。 ミラー部の偏角θと第１電極および第２電極で形成される容量Ｃとの関係を示す図。 ミラー部が、調和振動している場合の偏角θ、容量Ｃ、出力電流ｉの時間に対する変化の様子を示す図。

以下、実施形態を図面に基づいて詳しく説明する。
図１に、実施形態におけるミラーデバイス１００の平面図を、図２にミラーデバイス１００の概略部分斜視図、図３に概略拡大斜視図を示した。

図１、図２および図３において、ミラーデバイス１００は、ミラー部１０および弾性支持部２０を備えた可動部３０と、枠体４０と、弾性支持部２０に設けられた第１電極５０と、枠体４０に設けられた第２電極６０と、電気的分離部７０とを備えている。
ミラー部１０および第１電極５０は、ミラー部１０を挟む２つの弾性支持部２０によって枠体４０と連結されている。弾性支持部２０は、実線と破線で示した回転軸Ａに沿って形成されている。ミラー部１０および第１電極５０は、２つの弾性支持部２０で連結されている部分以外は、開口部８０によって枠体４０から分離されている。

図２において、ミラーデバイス１００は、ＳＯＩ基板２００から形成されている。枠体４０は、ＳＯＩ基板２００の基板２１０と埋め込み酸化膜２２０とシリコン層２３０とで形成されている。
一方、ミラー部１０、弾性支持部２０、第１電極５０および第２電極６０は、シリコン層２３０から形成されている。開口部８０は、基板２１０と埋め込み酸化膜２２０とシリコン層２３０にわたって形成された孔となっている。

図１、図２および図３において、ミラー部１０には、光、例えば、可視光のレーザー光を効率よく反射するように、表面に反射率の高い膜、反射率が９５％以上の例えば、Ａｌ、Ａｇ等の金属膜が設けるのが好ましいが、シリコン層２３０で反射率が十分な光の波長の場合は、設けなくてもよい。また、反射膜には酸化、傷等を防ぐための二酸化珪素等の保護膜が設けられていてもよい。

実施形態では、ミラー部１０は、薄い円柱状に形成されているが、その形状は、円柱状に限らない。例えば、直方体、六角柱等であってもよい。ただし、回転軸Ａに対して回転対称な形状が、重心が回転軸上に位置して不要な慣性が発生しないので、回転が効率よく行えて好ましい。

また、ミラー部１０には、光を反射する面と対向する裏面に図示しない磁石が貼り付けられており、例えば、外部のコイルによって発生する外部磁場によってミラー部１０は力を受けて可動する。

図３において、弾性支持部２０は、四角柱の形状である。弾性支持部２０の形状は、ミラー部１０が受ける力に対して容易に捩れる太さ、断面形状であるのが好ましい。弾性支持部２０が回転軸Ａ周りに捩れることによって、ミラー部１０は可動可能となっている。
また、回転軸Ａから弾性支持部２０の側面２１までの距離Ｌ１は、回転軸Ａからミラー部１０の側面１１までの距離Ｌ２と比較して短い。
回転軸Ａから弾性支持部２０の側面２１までの距離Ｌ１は、回転軸Ａからミラー部１０の側面１１までの距離Ｌ２と同じか、長くてもよいが、ミラー部１０が受ける力に対して弾性支持部２０が容易に捩れるには短いのが好ましい。

図１および図２において、枠体４０は、ＳＯＩ基板ウェーハーから切り離し部２４０で切り離され、ミラーデバイス１００が得られる。枠体４０の外形状は、ほぼ矩形に限らずどのような形状であってもよいが、ＳＯＩ基板ウェーハーからの取り数が多くなる形状が好ましい。

図１、図２および図３において、第１電極５０は、弾性支持部２０の側面２１で、ミラー部１０に近い場所に設けられ、櫛形電極である。ミラー部１０に近い場所に設けることで、ミラー部１０が可動したときの偏角に近い偏角で第１電極５０も可動する。また、第１電極５０は、弾性支持部２０の側面２１に直接形成されている。第１電極５０は、弾性支持部２０の側面２１に近いほど、同じ偏角の可動であっても、可動距離が短くなる。
ここで、第１電極５０は、ミラー部１０に設けられていてもよい。

第２電極６０は、枠体４０の側面から延びるように第１電極５０に向かって形成され、先端に櫛歯を供えた櫛形電極である。
第１電極５０および第２電極６０は、互いの櫛歯が互い違いに配列するように配置されている。
図３において、第１電極５０は、回転軸Ａに直交する複数の第１の面５１を有しており、第２電極６０は第１の面５１に対向して容量を形成する複数の第２の面６１を有している。
また、第１電極５０および第２電極６０は、導電性を有するシリコン層２３０からなり、電極として機能する。

図１および図２において、電気的分離部７０は、導電性を有するシリコン層２３０に、絶縁体である埋め込み酸化膜２２０までスリットを形成することによって得られる。電気的分離部７０によって、第１電極５０と第２電極６０とは、電気的に分離されている。

以下に、ミラーデバイス１００の製造方法について説明する。
図４に、ミラーデバイス１００の製造方法を示すフロー図を示した。また、図５に、ミラーデバイス１００の製造方法を示す概略部分断面図を示した。概略部分断面図は、図１におけるＢ−Ｂ断面に相当する。

図４において、ミラーデバイス１００の製造方法は、第１のマスク工程であるステップ１（Ｓ１）と、第１のエッチング工程であるステップ２（Ｓ２）と、第２のマスク工程であるステップ３（Ｓ３）と、第２のエッチング工程であるステップ４（Ｓ４）と、分離工程であるステップ５（Ｓ５）とを含む。

図５（ａ）は、第１のマスク工程を示し、図５（ｂ）は、第１のエッチング工程を示し、図５（ｃ）は、第２のマスク工程を示し、図５（ｄ）は、第２のエッチング工程を示し、図５（ｅ）は、分離工程を示している。

図５（ａ）において、第１のマスク工程Ｓ１では、まずＳＯＩ基板としてのＳＯＩ基板ウェーハー３００を用意する。ＳＯＩ基板ウェーハー３００は、基板部としての基板ウェーハー３１０と埋め込み酸化膜３２０とシリコン層３３０とを備えている。埋め込み酸化膜３２０およびシリコン層３３０は、基板ウェーハー３１０の片面に形成され、基板ウェーハー３１０とシリコン層３３０との間に埋め込み酸化膜３２０が形成されている。例えば、基板ウェーハー３１０は、酸化によって埋め込み酸化膜３２０が形成された基板ウェーハー３１０にシリコン層３３０を貼り合わせによって得ることができる。
基板ウェーハー３１０、埋め込み酸化膜３２０およびシリコン層３３０の厚さは特に限定されないが、例えば、基板ウェーハー３１０の厚さが４００μｍ、埋め込み酸化膜３２０の厚さが４μｍ、シリコン層３３０の厚さが６０μｍとすることができる。

第１のマスク工程Ｓ１では、ＳＯＩ基板ウェーハー３００の埋め込み酸化膜３２０上のシリコン層３３０のミラー部１０、枠体４０、第１電極５０、第２電極６０（枠体４０、第１電極５０、第２電極６０については図示しない）が形成される部分と、電気的分離部７０および開口部８０を除いた部分に第１のレジスト４００を形成する。

図５（ｂ）において、第１のエッチング工程Ｓ２では、エッチング側壁保護のポリマー形成のためのＣＦ系ガス放電と、シリコンエッチング放電とを繰り返して行うボッシュ法等を用いて、シリコン層３３０をエッチングする。
エッチングは、第１のレジスト４００側から埋め込み酸化膜３２０まで行う。エッチングが埋め込み酸化膜３２０に達したところでエッチングレートが極端に低下することでエッチングの終点を検出することができる。

図５（ｃ）において、第２のマスク工程Ｓ３では、開口部８０を除いてＳＯＩ基板ウェーハー３００の基板ウェーハー３１０に第２のレジスト５００を形成する。第２のレジスト５００としてはアルミニウム等を用いることができる。
第２のレジスト５００は、第１のマスク工程Ｓ１の段階で形成しておいてもよい。

図５（ｄ）において、第２のエッチング工程Ｓ４では、第２のレジスト５００側から埋め込み酸化膜３２０までエッチングする。エッチングは、第１のエッチング工程Ｓ２と同様に行うことができる。

図５（ｅ）において、分離工程Ｓ５では、埋め込み酸化膜３２０をエッチングしてミラー部１０（第１電極５０および第２電極６０は図示していない）を可動状態にする。
一つのミラーデバイス１００は、ＳＯＩ基板ウェーハー３００に複数のミラーデバイス１００を形成後、それぞれのミラーデバイス１００を図１および図２に示した切り離し部２４０で切り離すことによって得ることができる。
埋め込み酸化膜３２０のエッチングは、よく知られた湿式または乾式のエッチングで行うことができる。

図６に、第１電極５０および第２電極６０付近の部分拡大図を示した。図６（ａ）は、ミラー部１０が傾いていない偏角θが０°で、弾性支持部２０が捩れていない状態を、図６（ｂ）は、ミラー部１０が傾いて、弾性支持部２０が捩れている状態を示している。
図６において、ミラー部１０が傾いて偏角θが変化すると、第１電極５０の第１の面５１と第２電極６０の第２の面６１との対向している面積も変化し、容量が変化する。より詳しくは、偏角θが０°からずれるにしたがって容量は小さくなる。

図７に、ミラー部１０の偏角θと第１電極５０および第２電極６０で形成される容量Ｃとの関係をグラフとして示した。横軸が偏角θを縦軸が容量Ｃを表している。容量Ｃ₀は、偏角θが０°の時の容量である。
図７は、第１電極５０の回転半径を１８０μｍ、第１電極５０と第２電極６０との間隔を３μｍ、第１電極５０および第２電極６０の厚さを６０μｍ、第１電極５０と第２電極６０とが対向している長さを９０μｍとして数値計算して表したものである。
図７において、偏角が１０°までは、偏角θが大きくなるにしたがって、容量Ｃが直線的に小さくなり線形関係を有していることがわかる。図示はしていないが、図７に示したグラフは、縦軸に対して線対称で、偏角θが負方向に大きくなっても容量Ｃは直線的に小さくなる。

例えば、時間変化する容量の検出は、電圧を印加して出力電流を検出すればよい。
図８に、ミラー部１０が、調和振動している場合の偏角θ、容量Ｃ、出力電流ｉの時間に対する変化の様子を示した。図８（ａ）は偏角θを、図８（ｂ）は容量Ｃを、図８（ｃ）は出力電流ｉを示している。
図８（ａ）において、偏角θが周期Ｔで調和振動している。
図８（ｂ）において、容量Ｃは、偏角θが正方向、負方向のいずれに変化しても、偏角θが０°の時の容量Ｃ₀から減少するので、周期はＴ／２になる。
図８（ｃ）において、出力電流ｉも容量Ｃと同様に、周期がＴ／２で変化する。
出力電流ｉを検出することによって、ミラー部１０の偏角θおよび周期Ｔを測定することができる。

このような本実施形態によれば、以下の効果がある。
（１）ミラー部１０を備えた可動部３０が回転軸Ａを中心に回転することによって、可動部３０に設けられた第１電極５０の第１の面５１と枠体４０に設けられた第２電極６０の第２の面６１とで形成される容量が変化する。容量の大部分は、第１の面５１と第２の面６１との対向する面積で幾何学的に決まるので、温度変化等の影響を少なくできる。したがって、ミラー部１０を備えた可動部３０の正確な駆動とミラー部１０の正確な角度測定が可能なミラーデバイス１００を得ることができる。

（２）第１電極５０が、弾性支持部２０の側面に設けられているので、回転軸Ａから第１電極５０までの距離が、ミラー部１０の側面までの距離と比較して短く、同じ偏角であっても、ミラー部１０の側面に設けた場合と比較して、第１電極５０の可動距離が短くてすむ。したがって、ミラー部１０が大きな偏角で可動しても、第１電極５０の第１の面５１と第２電極６０の第２の面６１とが対向する面積が確保されて容量が形成され、可動部３０の大きな偏角に対しても角度測定が可能なミラーデバイス１００を得ることができる。また、第１電極５０の可動距離が短いので、偏角と容量変化との関係を線形関係に保つことができる。

（３）櫛形電極の櫛歯が互い違いに配列され、第１電極５０と第２電極６０とで形成される対向面積が大きく取れ、容量を大きくできる。したがって、容量変化に対してノイズの影響が少なく、より正確な角度測定が可能なミラーデバイス１００を得ることができる。

（４）不純物の拡散工程等が不要で、一つのＳＯＩ基板２００から、同一プロセスでミラー部１０、可動部３０、枠体４０、第１電極５０、第２電極６０、電気的分離部７０の加工が可能である。また、埋め込み酸化膜３２０を利用して電気的分離部７０の形成も容易にできる。したがって、製造コストの低減したミラーデバイス１００の製造方法を得ることができる。

上述した実施形態以外にも、種々の変更を行うことが可能である。
例えば、実施形態の製造方法に限らず、ＳＣＲＥＡＭ（Single Crystal Reactive Etching and Metallization）プロセスによっても製造可能である。
具体的には、単結晶基板を深堀り反応性イオンエッチング（ＤＲＩＥ：Deep Reactive Ion Etching）で異方性エッチングしておき、その後、シリコン表面を熱酸化する。次に、エッチング底面の酸化膜のみを除去し、その部分から等方性エッチングを掛けることで、細いパターンをリリースする。これらの構造は、そのままではシリコン基板で電気的に繋がっているため、静電アクチュエーターとするために、もう一度かるく熱酸化して、その上から金属蒸着することで電気的に絶縁された構造を製作する。
ＳＣＲＥＡＭプロセスＳＯＩ基板と比較して単結晶基板は割と安価であり、コストの削減ができる。

１０…ミラー部、１１…ミラー部の側面、２０…弾性支持部、２１…弾性支持部の側面、３０…可動部、４０…枠体、５０…第１電極、５１…第１の面、６０…第２電極、６１…第２の面、７０…電気的分離部、１００…ミラーデバイス、２００…ＳＯＩ基板、２２０，３２０…埋め込み酸化膜、２３０，３３０…シリコン層、３００…ＳＯＩ基板としてのＳＯＩ基板ウェーハー、３１０…基板部としての基板ウェーハー、４００…第１のレジスト、５００…第２のレジスト、Ａ…回転軸。

Claims (4)

1. 光を反射するミラー部を備え、回転軸を中心に回転する可動部と、
   前記可動部を支える枠体と、
   前記可動部に設けられ、前記回転軸に直交する第１の面を有する第１電極と、
   前記枠体に設けられ、前記第１の面に対向して容量を形成する第２の面を有する第２電極と、
   前記第１電極と前記第２電極とを電気的に分離する電気的分離部とを備えた
   ことを特徴とするミラーデバイス。
2. 請求項１に記載のミラーデバイスにおいて、
   前記可動部は、前記ミラー部と前記枠体とを連結する弾性支持部を備え、
   前記回転軸から前記弾性支持部の側面までの距離は、前記回転軸から前記ミラー部の側面までの距離と比較して短く、
   前記第１電極は、前記弾性支持部の側面に設けられている
   ことを特徴とするミラーデバイス。
3. 請求項１または請求項２に記載のミラーデバイスにおいて、
   前記第１電極および前記第２電極は櫛形電極で、互いの櫛歯が互い違いに配列するように配置されている
   ことを特徴とするミラーデバイス。
4. ＳＯＩ基板の埋め込み酸化膜上のシリコン層のミラー部、可動部、枠体、第１電極、第２電極が形成される部分と、電気的分離部および開口部を除いた部分に第１のレジストを形成する第１のマスク工程と、
   前記シリコン層を、前記第１のレジスト側から前記埋め込み酸化膜までエッチングする第１のエッチング工程と、
   前記開口部を除いた部分の前記ＳＯＩ基板に第２のレジストを形成する第２のマスク工程と、
   前記第２のレジスト側から前記埋め込み酸化膜までエッチングする第２のエッチング工程と、
   前記埋め込み酸化膜をエッチングして前記ミラー部、前記可動部、前記第１電極および前記第２電極を可動状態にする分離工程とを含む
   ことを特徴とするミラーデバイスの製造方法。

Images