JP2011197605A - ２次元光スキャナ - Google Patents

Abstract

【課題】ミラーを振動可能に維持する可動枠と、可動枠を振動可能に維持する支持枠とを有する２次元光スキャナにおいて、空気の逃げ道のためにミラーと可動枠との間及び可動枠と支持枠との間に空虚を設けていたので装置が大型化していた。
【解決手段】空洞部１１ａを有する半導体基板の可動枠１１にミラーＭ、ミラーＭを振動可能に支持する１対のトーションバー１２ａ、１２ｂ、２対の圧電アクチュエータ１３ａ、１２ｂ；１４ａ、１４ｂを形成する。空洞部２１ａを有する半導体基板支持枠２１に、可動枠１１、可動枠１１を振動可能に支持する１対のトーションバー２２ａ、２２ｂ、２対の圧電アクチュエータ２３ａ、２３ｂ；２４ａ、２４ｂを形成する。空気の逃げ道として、可動枠１１に複数の貫通孔１５を設ける。
【選択図】 図１

Description

本発明は光学装置に用いられる２次元光スキャナに関する。たとえば、光学装置として、レーザプリンタ、バーコードリーダ、プロジェクタ等がある。

最近、半導体製造プロセス技術、マイクロエレクトロメカニカルシステム（MEMS）技術を用いた２次元光スキャナがある。

図７は従来の圧電駆動方式の２次元光スキャナを示す斜視図である（参照：特許文献１）。

図７において、空洞部１１aを有する半導体基板の可動枠１１に、ミラーM、ミラーMを揺動可能に支持する１対の弾性梁つまりトーションバー１２a、１２ｂ、トーションバー１２a、１２ｂに作用する２対の圧電アクチュエータ１３a、１３b；１４a、１４bを形成する。この場合、ミラーMは可動枠１１の空洞部１１aの中央に位置する矩形反射面を有する。各トーションバー１２a、１２ｂは可動枠１１に連結された基端及びミラーMに連結された先端を有する。各圧電アクチュエータ１３a、１３b；１４a、１４bはカンチレバーとして作用し、その基端は可動枠に固定され、先端はトーションバー１２a、１２ｂに連結されている。従って、圧電アクチュエータ１３a、１３b；１４a、１４bに駆動電圧を印加することにより圧電アクチュエータ１３a、１３b；１４a、１４bに湾曲変形を生じさせてトーションバー１２a、１２ｂを捩り変形させ、これにより、ミラーMがX-X軸の回りに回転する。

また、図７において、空洞部２１aを有する半導体基板の支持枠２１に、可動枠１１、可動枠１１を揺動可能に支持する１対の弾性梁つまりトーションバー２２a、２２ｂ、トーションバー２２a、２２ｂに作用する２対の圧電アクチュエータ２３a、２３b；２４a、２４bを形成する。この場合、可動枠１１は支持枠２１の空洞部２１aの中央に位置する。各トーションバー２２a、２２ｂは支持枠２１に連結された基端及び可動枠１１に連結された先端を有する。各圧電アクチュエータ２３a、２３b；２４a、２４bはカンチレバーとして作用し、その基端は可動枠１１に固定され、先端はトーションバー２２a、２２ｂに連結されている。従って、圧電アクチュエータ２３a、２３b；２４a、２４bに駆動電圧を印加することにより圧電アクチュエータ２３a、２３b；２４a、２４bに湾曲変形を生じさせてトーションバー２２a、２２ｂを捩り変形させ、これにより、可動枠１１がY-Y軸の回りに回転してミラーMがY-Y軸の回りを回転する。

このようにして、ミラーMをX-X軸、Y-Y軸の回りに回転させることにより２次元光スキャナを構成する。

可動枠１１の空洞部１１aにおいては、ミラーMと可動枠１１との間に空隙G1、G2を設け、ミラーMが傾いたときに押される空気の逃げ道を形成し、同様に、支持枠２１の空洞部２１aにおいては、可動枠１１と支持枠２１との間に空隙G３、G４を設け、可動枠１１が傾いたときに押される空気の逃げ道を形成している。

尚、電磁誘電方式の２次元光スキャナも図７の圧電駆動方式の２次元光スキャナと同様の構成を有する（参照：特許文献２）。

特開２００８−２０７０１号公報 特開平７−１７５００５号公報 特開２００１−２３４３３１号公報 特開２００２−１７７７６５号公報 特開２００３−８１６９４号公報

図７のミラーMと可動枠１１との間の空隙G１、G２を小さく、たとえば、図８の（A）に示すごとく、密閉に近い状態に設定すると共に、可動枠１１と支持枠２１との間の空隙G3,G4も、たとえば、図８の（B）に示すごとく、小さくすると、２次元光スキャナが小型化し、従って、２次元光スキャナの半導体チップのサイズが小さくなり、この結果、製造留まりが上昇する。尚、図８の（A）,（B）は図７のA-A線、B-B線の断面図を示し、Sは実装基板を示す。

しかしながら、空隙G1,G2,G3,G4を小さくし、かつ支持体２１に囲まれる領域が空気のような気体で満たされている場合では、図８の（A）に示すごとく、圧電アクチュエータ１３a、１３b、１４a、１４bを駆動させてミラーMをX-X軸の回りに偏向させ、あるいは、図８の（B)に示すごとく、圧電アクチュエータ２３a,２３a;２４a,２４ｂを駆動させて可動枠１１、つまり、ミラーMをY-Y軸の周りに偏向させた場合、空気の逃げ道がないので、ミラーMの裏側のキャビティの圧力が上昇する。この圧力上昇がミラーMの動きに対しても抵抗となるので、圧電アクチュエータ１３a、１３b；１４a、１４bあるいは圧電アクチュエータ２３a,２３a;２４a,２４ｂが同一の出力を発生したとしても、ミラーMの傾きは小さくなるという課題がある。

逆に、図７のミラーMと可動枠１１との間の空隙G１、G２を、たとえば、図９の（A）に示すごとく、大きく設定すると共に、可動枠１１と支持枠２１との間の空隙G3,G4も、たとえば、図９の（B）に示すごとく、大きくすると、圧電アクチュエータ１３a、１３b；１４a、１４bを駆動させてミラーMをX-X軸の回りに偏向させ、あるいは、圧電アクチュエータ２３a,２３a;２４a,２４ｂを駆動させて可動枠１１、つまり、ミラーMをY-Y軸の回りに偏向させた場合、空気の逃げ道が大きいので、ミラーMの裏側のキャビティの圧力が上昇することはない。従って、ミラーＭの傾き小さくなることはない。尚、図９の（A）、(B)は図７のA-A線、B-B線の断面図を示す。

しかしながら、空隙G１, G２, G３, G４を大きくすると、２次元光スキャナが大型化し、従って、２次元光スキャナの半導体チップのサイズが大きくなり、この結果、製造留まりが低下するという課題がある。

このように製造留まりとミラーMの傾きとはトレードオフの関係にあり、両方を改良することは不可能であった。尚、２次元光スキャナを真空もしくは減圧密閉封止すれば、製造歩留まりの向上及びミラーMの傾きの増大の両方が可能であるが、この場合、実装方法が複雑となり、製造コストの上昇及び信頼性の低下を招く。

上述の課題を解決するために、本発明に係る２次元光スキャナは、空洞部が形成された可動枠と、可動枠の空洞部内に位置する反射面を有するミラーと、基端が可動枠に連結され先端がミラーに連結された第１の弾性梁と、可動枠が位置する空洞部が形成された支持枠と、基端が支持枠に連結された先端が可動枠に連結された第２の弾性梁とを具備し、可動枠に１以上の貫通孔を設けたものである。これにより、可動枠の貫通孔は空気の逃げ道として作用する。

また、各貫通孔が可動枠の残部によって囲まれている。これにより、貫通孔は可動枠の剛性の低下を抑制する。

さらに、複数の貫通孔が第１、第２の弾性梁を軸に対称に設けられている。これにより、質量の均衡が保持され、振動を誘発しない。

さらにまた、貫通孔が第１、第２の弾性梁の延長領域に設けられていない。これにより、可動枠の弾性梁付け根付近の剛性の低下を抑制する。

本発明によれば、ミラーと可動枠との間の空隙及び可動枠と支持枠との間の空隙を小さくして２次元光スキャナが光学体チップのサイズが小さくなるので、製造歩留まりが上昇すると共に、可動枠の貫通孔によって空気の逃げ道を確保することによりミラーの傾きを大きくできる。

本発明に係る圧電駆動方式の２次元光スキャナ光偏向器の実施の形態を示す斜視図である。 図１の２次元光スキャナの平面図である。 図１の２次元光スキャナの動作を説明するための図であって、（A)は図１のA-A線の断面図、（B）は図１のB-B線断面図である。 図１の圧電駆動方式の２次元光スキャナの製造方法を説明するための断面図である。 図１の圧電駆動方式の２次元光スキャナの製造方法を説明するための断面図である。 図１の圧電駆動方式の２次元光スキャナの製造方法を説明するための断面図である。 従来の圧電駆動方式の２次元光スキャナを示す斜視図である。 図７の２次元光スキャナの課題を説明するための図であって、（A)は図７のA-A線の断面図、（B）は図７のB-B線断面図である。 図７の２次元光スキャナの課題を説明するための図であって、（A)は図７のA-A線の断面図、（B）は図７のB-B線断面図である。

図１は本発明に係る圧電駆動方式の２次元光スキャナの実施の形態を示す斜視図、図２は図１の２次元光スキャナの平面図である。

図１、図２に示すように、図７の可動枠１１に複数の貫通孔１５を設けてある。貫通孔１５は可動枠１１の残部によって囲まれており、これにより、可動枠１１の剛性の低下を抑制する。従って、貫通孔を設けながらも揺動による可動枠の変形を阻止することができる。また、貫通孔１５はトーションバー１２ａ、１２ｂ、２２ａ、２２ｂを軸に対称に設けられている。これにより、質量の均衡が保持され、振動を抑制する。さらに、貫通孔１５はトーションバー１２ａ、１２ｂ、２２ａ、２２ｂの延長領域には設けられていない。これにより、可動枠１１のトーションバー１２ａ、１２ｂ、２２ａ、２２ｂの付け根付近の剛性の低下を抑制する。この結果、貫通孔１５による可動枠１１の撓みは抑制される。尚、貫通孔１５は円形、三角形等の種々の形になし得る。また、貫通孔１５は図１のように可動枠のすべての辺に設けることに限定されないが、例えばトーションバー２２ａ、２２ｂと平行な辺には設けられていることが好ましい。可動枠はトーションバー２２ａ、２２ｂを軸に揺動するためこの位置が最も大きく動くため空気抵抗もこの位置がもっとも大きいためである。

可動枠１１の貫通孔１５は空気の逃げ道となるので、図１、図２に示すごとく、ミラーＭと可動枠１１との間の空虚Ｇ１、Ｇ２及び可動枠１１と支持枠２１との間の空虚Ｇ３、Ｇ４は可能な限り小さくできる。従って、支持体の空洞部形状は可動枠の圧電アクチュエータ２３ａ、２３ｂ、２４ａ、２４ｂを合わせた形状とほぼ同一形状となり、可動枠の空洞部形状はミラーと圧電アクチュエータ１３ａ、１３ｂ、１４ａ、１４ｂを合わせた形状とほぼ同一形状となる。この結果、２次元光スキャナが小型化し、従って、２次元光スキャナの半導体チップのサイズを小さくでき、この結果、製造歩留まりを上昇できる。

すなわち、圧電アクチュエータ１３ａ、１３ｂ；１４ａ、１４ｂを駆動させてミラーＭをＸ−Ｘ軸の回りに偏向させたときに、図３の（A)に示すごとく、空気は可動枠１１の貫通孔１５を逃げ道とするので、ミラーＭと実装基板Ｓとの間のキャビティの圧力の上昇はない。従って、ミラーＭのＸ−Ｘ軸回りの傾きが小さくなることはない。

同様に、圧電アクチュエータ２３ａ、２３ｂ；２４ａ、２４ｂを駆動させてミラーＭをＹ−Ｙ軸の回りに偏向させたとき、図３の（B)に示すごとく、空気は可動枠１１の貫通孔１５を逃げ道とするので、ミラーＭと実装基板Ｓとの間のキャビティの圧力の上昇はない。従って、ミラーＭのＹ−Ｙ軸回りの傾きが小さくなることはない。

次に、図１の圧電駆動方式の２次元光スキャナの製造方法を図４、図５、図６を参照して説明する。尚、図４、図５、図６は図１のＡ-Ａ線断面図である。

始めに、図４の（Ａ）を参照すると、シリコンオン絶縁体（SOI）基板を準備する。SOI基板は、厚さ約100〜600μmたとえば525μmの単結晶シリコン支持層（ハンドリング層とも言う）１０１１、厚さ約0.5〜2μmたとえば2μmの中間酸化シリコン層（BOX層とも言う）１０１２及び厚さ約5〜100μmたとえば50μmの単結晶シリコン活性層１０１３よりなる。

次に、図４の（Ｂ）を参照すると、SOI基板を熱酸化して裏面及び表面に厚さ約0.1〜1.0μmたとえば0.5μmの酸化シリコン層１０２１、１０２２を形成する。

次に、図４の（Ｃ）を参照すると、酸化シリコン層１０２２上にスパッタリング法、電子ビーム（EB）蒸着法等により厚さ約30〜100μmたとえば50nmのTi及び厚さ約100〜300μmたとえば150nmのPtを順次成膜し、これにより、下部電極層１０３１を形成する。次いで、下部電極層１０３１上に反応性アーク放電イオンプレーティング法により厚さ約1〜10μmたとえば3μmのチタン酸ジルコン酸鉛（PZT）よりなる圧電体層１０３２を成膜する。反応性アーク放電イオンプレーティング法については特許文献３、４、５を参照されたし。次いで、圧電体層１０３２上にスパッタリング法、EB蒸着法等により厚さ10〜200nmたとえば約150nmのPtよりなる上部電極層１０３３を成膜する。

次に、図５の（Ａ）を参照すると、フォトリソグラフィ及びドライエッチング法を用いて上部電極層１０３３及び圧電体層１０３２のパターニングを行う。次いで、フォトリソグラフィ及びドライエッチング法を用いて下部電極層１０３１のパターニングを行う。このとき、フォトレジスト層でミラーＭの領域の下部電極層１０３１を覆い、反射層として残存せしめる。尚、ミラーＭの光反射率を高めたい場合には、この後に、厚さ約100〜500nmのAl、Auをスパッタリング法、EB蒸着法等によって形成し、フォトリソグラフィ及びドライエッチング法を用いて下部電極層１０３１に高反射率の反射層を形成する。

次に、図５の（Ｂ）を参照すると、酸化シリコン層１０２１を除去し、支持枠１に対応する領域に高周波結合プラズマ反応性イオンエッチング（ICP-RIE）法用のハードマスク層１０４を形成する。つまり、フォトリソグラフィ法により表面に厚膜レジスト層を形成し、この厚膜レジスト層をエッチングマスクとしてバッファードフッ酸（BHF）を用いたウェットエッチング法により酸化シリコン層１０２１を除去する。次いで、単結晶シリコン支持層１０１１上にAlをスパッタリング法、EB蒸着法等により形成し、フォトリソグラフィ及びエッチング法によりパターニングして支持枠２１に相当するハードマスク層１０４を形成する。

次に、図５の（Ｃ）に示すように、ICP-RIE装置において、ハードマスク層１０４をエッチングマスクとして単結晶シリコン支持層１０１１を途中まで除去して支持枠１の空洞部１ａを形成する。尚、ハードマスク層１０４は支持枠１に付着したままでも何ら問題はない。

次に、図６の（Ａ）を参照すると、フォトリソグラフィ法により、パターニングされた下部電極層１０３１、圧電体層１０３２、上部電極層１０３３を覆うフォトレジストパターン１０５を形成した後に、ICP-RIE装置において酸化シリコン層１０２２、単結晶シリコン活性層１０１３及び単結晶シリコン支持層１０１１をエッチング除去する。この場合、フォトレジストパターン１０５には、可動枠１１の貫通孔１５に対応する開口が設けられている。

本実施の形態においては、可動枠１１を単結晶シリコン支持層１０１１の一部を残すことで設けたが、残さなくてもよい。この場合、空洞部１ａの形成は一度で単結晶シリコン支持層１０１１を中間酸化シリコン層１０１２まで除去する。

尚、ICP-RIE法は、単結晶シリコンを異方性エッチングするのに適したエッチング法であり、従って、単結晶シリコン支持層１０１１及び単結晶シリコン活性層１０１３を垂直にエッチングできる。

最後に、図６の（Ｂ）を参照すると、バッファードフッ酸（BHF）を用いて中間酸化シリコン層１０１２をエッチング除去する。これにより、ミラーＭの回転、トーションバー１２ａ、１２ｂ、２２ａ、２２ｂの捩り変形、圧電アクチュエータ１３ａ、１３ｂ、１４ａ、１４ｂ、２３ａ、２３ｂ、２４ａ、２４ｂの湾曲が可能となる。そして、ダイシング工程によってウエハから各デバイスを個別（チップ）化し、トランジスタアウトライン（TO）型パッケージにダイボンド及びワイヤボンドにより実装される。

上述の可動枠１１に貫通孔１５を設けた実施の形態において、空虚Ｇ１、Ｇ２、Ｇ３、Ｇ４を密閉状態としたとき、ミラーＭの共振周波数が25kHzのときに、圧電アクチュエータの正弦波入力信号のピーク間電圧V_p-p及び周波数を20V及び25kHzとすると、ミラー振れ角（最大偏向角）は±１０°であった。他方、貫通孔１５を設けず、空虚Ｇ１、Ｇ２、Ｇ３、Ｇ４を密閉状態としたときには、同一駆動条件で、ミラー振れ角（最大偏向角）±７．５°であった。また、従来のごとく、貫通孔１５を設けないで、同一駆動条件でミラー振れ角、最大偏向角を得るには、空虚Ｇ１、Ｇ２、Ｇ３、Ｇ４を１００μｍ以上にしなければならず、装置のサイズが10％以上増大することになった。

尚、本発明は電磁誘電方式の２次元光スキャナにも適用し得る。

Ｍ：ミラー
１１：可動枠
１１ａ：空洞部
１２ａ，１２ｂ：弾性梁（トーションバー）
１３ａ、１３ｂ；１４ａ、１４ｂ：圧電アクチュエータ
１５：貫通孔
２１：支持枠
２１ａ：空洞部
２２ａ、２２ｂ：弾性梁（トーションバー）
２３ａ、２３ｂ；２４ａ、２４ｂ：圧電アクチュエータ
１０１１：単結晶シリコン支持層
１０１２：中間酸化シリコン層
１０１３：単結晶シリコン活性層
１０２１、１０２２：酸化シリコン層
１０３１：下部電極層
１０３２：圧電体層
１０３３：上部電極層
１０４：ハードマスク層
１０５：フォトレジストパターン層

Claims (5)

1. 空洞部が形成された可動枠と、
   該可動枠の空洞部内に位置する反射面を有するミラーと、
   基端が前記可動枠に連結され先端が前記ミラーに連結された第１の弾性梁と、
   前記可動枠が位置する空洞部が形成された支持枠と、
   基端が前記支持枠に連結された先端が前記可動枠に連結された第２の弾性梁と
   を具備し、
   前記可動枠に１以上の貫通孔を設けた２次元光スキャナ。
2. 前記貫通孔が設けられている位置は前記可動枠の第２の弾性梁に平行な辺である請求項１に記載の２次元スキャナ。
3. 前記各貫通孔が前記可動枠の残部によって囲まれている請求項１に記載の２次元光スキャナ。
4. 前記複数の貫通孔が前記第１、第２の弾性梁を軸に対称に設けられている請求項１に記載の２次元光スキャナ。
5. 前記貫通孔が前記第１、第２の弾性梁の延長領域に設けられていない請求項１に記載の２次元光スキャナ。
   

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