JP2016018122A - 光スキャナ及び画像形成装置 - Google Patents

Abstract

【課題】高温高湿環境下での耐久性に優れた光スキャナ及び画像形成装置を提供すること。
【解決手段】本発明のＭＥＭＳ光スキャナ１０は、ミラー１２と、ミラー１２を支持するトーションバー１３ａ〜１３ｄと、を備え、トーションバー１３ａ〜１３ｄ及びミラー１２の少なくとも一部は、Ｓｉを有する基材と、基材の表面に形成された第１下地層と、第１下地層に重ねて形成された第２下地層と、第２下地層に重ねて形成された表面層と、を有し、表面層は、第１下地層及び第２下地層に比べて、透湿性が小さく、弾性率が大きい。本発明の画像形成装置は、ＭＥＭＳ光スキャナ１０と、ＭＥＭＳ光スキャナ１０のミラー１２に光を入射させる光源と、画像データに応じてＭＥＭＳ光スキャナ１０及び光源を制御する制御部と、を備える。
【選択図】図１

Description

本発明は、光スキャナ及び画像形成装置に関する。

ＭＥＭＳ（Micro Electro Mechanical Systems）技術を用いた小型の光スキャナ（マイクロスキャナ）が種々開発されている。光スキャナは、光を２次元的にスキャンすることでスクリーン上に描画を行う画像形成装置に用いられる。光スキャナは、ミラーと、ミラー部を支持するトーションバー（ビーム）と、を有する。光スキャナは、トーションバーによりミラー部を揺動させ、レーザ光を揺動するミラー部に照射して反射光をスクリーン上にスキャンすることにより画像を描画する。

ＭＥＭＳ光スキャナはＳｉウェハを用いて作製されることが多い。ミラーに回転運動等の駆動をさせると、ねじれや反りといった変形運動する部位付近、例えば、ミラーとトーションバーとの接続部には応力が発生する。Ｓｉ単結晶は、金属のような疲労現象は起こりにくい材料なので、多数回振動するデバイスには適している。しかしながら、数十ｋＨｚで振動し、数百時間という長時間破壊限界付近での稼働では、応力の集中する付近での僅かな欠陥から破断に繋がることもあった。そのため、トーションバーの芯材として破損しにくい金属材料（例えばＴｉ）を用いて、その周りの被覆材として機械的性質が異なる材料（例えばＳｉ）を用いたりすることで、耐久性を向上させる技術が提案されている（特許文献１、２）。

特開２００１−００１３００号公報 特開２００５−５１８６５７号公報

特許文献１に記載の光スキャナは、ねじれ等の機械的ストレスに対しての耐久性を向上させるものであって、高温高湿環境下での耐久性には必ずしも十分ではなかった。また、Ｓｉ以外の金属をトーションバーとして用いるので、ＲＩＥ（Reactive Ion Etching：反応性イオンエッチング）法を用いた加工ができない。そのため、加工精度は不十分であり、加工工程も複雑になるので、コスト及び加工時間ともに増加を余儀なくされる。

Ｓｉは比較的安定性の高い材料であり、疲労による劣化が少ないので、破壊限界からある程度余裕を持った範囲内でのねじれ、反りを伴う運動では十分な耐久性を得られる。しかし一方では、高温高湿下での酸化作用による劣化が加速され、最終的には破壊に至り、デバイスに要求される稼働耐久時間を満たすことができなかった。

本発明は、このような問題を解決するためになされたものであり、高温高湿環境下での耐久性に優れた光スキャナ及び画像形成装置を提供することを目的とする。

本発明の光スキャナは、
ミラー部と、
前記ミラー部を支持するトーションバーと、を備え、
前記トーションバー及び前記ミラー部の少なくとも一部は、
Ｓｉを有する基材と、
前記基材の表面に形成された第１下地層と、
前記第１下地層に重ねて形成された第２下地層と、
前記第２下地層に重ねて形成された表面層と、を有し、
前記表面層は、前記第１下地層及び前記第２下地層に比べて、透湿性が小さく、弾性率が大きい。

本発明の画像形成装置は、
上述の光スキャナと、
前記光スキャナの前記ミラー部に光を入射させる光源と、
画像データに応じて前記光スキャナ及び前記光源を制御する制御部と、を備える。

本発明によれば、高温高湿環境下での耐久性に優れた光スキャナ及び画像形成装置を提供できる。

実施の形態１に係るヘッドアップディスプレイのブロック図である。 実施の形態１に係る光スキャナを示す平面図である。 実施の形態１に係る光スキャナの一部を示す斜視図である。 実施の形態１に係るトーションバーの断面を示す断面図である。

[実施の形態１]
以下、図１〜図４を参照しつつ、本発明の実施の形態１について説明する。

図１は、本実施の形態に係るヘッドアップディスプレイ１００を示す図である。図１は、ＭＥＭＳ光スキャナ１０とその駆動回路（制御部）を示す。ここでＭＥＭＳ光スキャナ１０は非線形動作をする。ヘッドアップディスプレイ１００は、ＭＥＭＳ光スキャナ１０と、自励発振回路２０と、動作測定部３０と、切替部４０と、ドットクロック発生部４１と、を有する。ＭＥＭＳ光スキャナ１０の非線形動作については後述する。

図２は、ＭＥＭＳ光スキャナ１０の詳細な構成を示す平面図である。図２は、ＭＥＭＳ光スキャナ１０をＺ軸方向プラス側から見た、ＸＹ平面を示している。ＭＥＭＳ光スキャナ１０はシリコン材料を半導体加工装置で加工したものであり、例えばＳＯＩ基板で作られる。図２に示すように、ＭＥＭＳ光スキャナ１０は、フレーム１１と、ミラー１２と、トーションバー１３ａ〜１３ｄと、アーム１４ａ〜１４ｄと、を有する。フレーム１１、ミラー１２、トーションバー１３ａ〜１３ｄ、及びアーム１４ａ〜１４ｄは、厚さ数１０μｍの薄いシリコン層、例えば厚さ５０μｍのシリコン層で形成されている。

フレーム１１は、ＭＥＭＳ光スキャナ１０を構成する部品全体を支えるフレームである。フレーム１１は、例えば４００μｍの厚さのベース（不図示）に埋め込み酸化膜（不図示）を介して固定されており、変形が生じないようになっている。ミラー１２は、光を反射する反射鏡であり、揺動軸に対して揺動動作を行う。揺動しているミラー１２にレーザ光（不図示）を当てることにより、レーザ光がスキャンされる。

ミラー１２は、アーム１４ａ〜１４ｄとトーションバー１３ａ〜１３ｄを用いてフレーム１１と接続されている。トーションバー１３ａ〜１３ｄは揺動軸から所定の距離はなれたところでミラー１２に接続しており、揺動軸ＡＹに対して対称に配置されている。アーム１４ａ〜１４ｄは揺動軸ＡＹに対して垂直方向に延びており、トーションバー１３ａ〜１３ｄは揺動軸ＡＹに対して平行に延びている。

アーム１４ａ〜１４ｄには、ＰＺＴ（ジルコン酸チタン酸鉛）やＺｎＯで作られた圧電膜１５ａ〜１５ｄが形成されていている。圧電膜１５ａ〜１５ｄの上下には金属の電極が形成されていて、圧電膜１５ａ〜１５ｄに電界をかけたり、圧電膜１５ａ〜１５ｄに生じた電界を検出したりできる。例えば、圧電膜１５ａ，１５ｂの電極に交流電圧を入力信号として入力すると、圧電膜１５ａ，１５ｂが伸縮し、その伸縮がアーム１４ａ，１４ｂに上下に反る運動を発生させる。そして、アーム１４ａ，１４ｂの運動がトーションバー１３ａ，１３ｂからミラー１２に伝わり、ミラー１２が揺動する。ミラー１２の動きはトーションバー１３ｃ，１３ｄを通してアーム１４ｃ，１４ｄを上下に反らせ、圧電膜１５ｃ，１５ｄに電界が発生し、圧電膜１５ｃ，１５ｄの電極に電圧信号が発生する。この電圧信号を検出信号と呼ぶことにする。

なお、ＭＥＭＳ光スキャナ１０は、ミラー１２が揺動動作をすればよく、上述の構成に限られるものではない。例えば、トーションバーは、４個ではなく２個であってもよく、また揺動軸ＡＹから離れた位置にあっても揺動軸ＡＹ上に配置されてもよい。また、ＭＥＭＳ光スキャナ１０の駆動方法としては、圧電膜１５ａ〜１５ｄではなくコイルや磁石を使った電磁駆動、又はベースを機械的に振動させる方法、静電駆動なども含まれる。また、本実施形態においては、揺動軸ＡＹに対して揺動動作を行う構成として説明したが、ミラー１２が揺動軸ＡＹおよび揺動軸ＡＸに対して揺動動作を行う構成であってもよい。

また、圧電膜１５ａ〜１５ｄを使う場合も、圧電膜１５ａ，１５ｂの２つを使う方法のほか、圧電膜１５ａ〜１５ｄのうちひとつだけ使う方法、又は圧電膜１５ａ〜１５ｄのうち３つもしくは４つを使う方法を用いてもよい。この場合、圧電膜１５ａ，１５ｂと、圧電膜１５ｃ，１５ｄとは交流信号の位相を反転させることが好ましい。また、圧電膜により検出する構成だけではなく、ピエゾ抵抗素子をトーションバー１３ａ〜１３ｄのいずれかに組み込む構成、又はミラー１２にレーザ光を照射しその反射角度から検出する構成を用いてもよい。

次に、図１を用いて、ヘッドアップディスプレイ１００の構成を詳細に説明する。ＭＥＭＳ光スキャナ１０の駆動は、動作測定部３０による動作測定と、自励発振回路２０による自励発振の２つの方法を切り替えて行う。切り替えは切替部４０により行う。

図１に示すように、動作測定部３０は、位相比較器３１と、動作点決定部３２と、振れ角検出器３３と、発振器３４と、を有する。動作測定部３０は、発振器３４により周波数を振って、ＭＥＭＳ光スキャナ１０の特性を確認し、動作点を決定するものである。

動作点決定部３２は、発振器３４を通してＭＥＭＳ光スキャナ１０を駆動する。振れ角検出器３３は、圧電膜１５ｃ，１５ｄの検出信号のうち、検出信号の振幅の大きさを数値として取り出すものである。必要であれば、振幅の大きさを角度に変換して出力する。この場合、検出信号の大きさと振れ角の対応関係をあらかじめ知っておく必要がある。検出信号の大きさと振れ角の対応関係が一度分かれば、いちいち振れ角に変換せずに、振幅の大きさだけで、処理してもよい。

位相比較器３１は、圧電膜１５ａ，１５ｂに入力される駆動信号の位相と圧電膜１５ｃ，１５ｄで検出される検出信号の位相とを比較する。位相比較器３１は、例えば、駆動信号及び検出信号を方形波に変形し、既知のＰＬＬ回路で比較するなどの方法を使うことができる。位相比較器３１と振れ角検出器３３の結果から、動作点決定部３２が位相と信号の大きさを決定する。動作点決定部３２は、決定された位相と信号の大きさを自励発振回路２０に送る。

自励発振回路２０は、アンプ２１，２５と、バンドパスフィルタ２２と、位相調整器２３と、ＡＧＣ（Auto Gain Control）２４と、を有する。自励発振回路２０は、動作測定部３０で決定された位相と信号の大きさの値を使う。圧電膜１５ｃ，１５ｄの検出信号をアンプ２１で増幅し、それをバンドパスフィルタ２２に通す。ここで、バンドパスフィルタ２２は、使用する共振周波数の上下で別の共振モードがある場合、その共振モードで共振するのを防ぐために用いられる。

バンドパスフィルタ２２のあとに位相調整器２３がある。線形で共振している場合、圧電膜１５ａ，１５ｂにかけられる入力側の駆動信号と圧電膜１５ｃ，１５ｄの検出信号との位相差を−９０度の倍数にするように位相調整器２３を設定する。非線形動作の場合は、動作測定部３０で決定された動作点における位相差を保つように設定される。

位相調整器２３の信号はＡＧＣ（Auto Gain Control）２４に送られる。ＡＧＣ２４は、信号の大きさが一定になるように調整する。ここでＡＧＣ２４による信号の大きさの調整は、動作測定部３０で決定された信号の大きさを実現するように行う。ＡＧＣ２４により調整された信号はアンプ２５に送られた後、増幅されて駆動信号になる。

ドットクロック発生部４１は映像信号と同期を取るためのクロックを発生させる回路であり、ＭＥＭＳ光スキャナ１０をプロジェクタなどに使う場合に必要になる回路である。クロックは、駆動回路の交流信号を画素数の分だけＰＬＬ回路で分割して作られる。

次に、ＭＥＭＳ光スキャナ１０の動作について説明する。位相比較器３１は、入力信号と検出信号の位相差を見ている。ＭＥＭＳ光スキャナ１０は、ミラー１２が大きく振れる場合には非線形動作をし、入力信号の周波数を上げていく場合と下げていく場合で異なる振れ角になる。ここでは、周波数を上げていく場合と下げていく場合の振れ角がほぼ同じになる周波数領域を線形領域といい、周波数を上げていく場合と下げていく場合で異なった振れ角の値をとる周波数領域を非線形領域ということにする。

なお、周波数を上げていった場合のミラー１２の振れ角が大きくなる場合や、逆に小さくなる場合もある。ここでは周波数を上げていったときの振れ角が大きくなる場合について述べる。

入力信号の周波数が低い場合、ミラー１２の動作は線形であり、周波数を上げていくと共振周波数に近づくにつれて、ミラー１２の振れ角は大きくなっていく。それに伴い、入力信号の位相と出力信号の位相も徐々にずれていく。入力信号の周波数をさらに上げると、ミラー１２の振れ角のピークに達する。しかしながら、振れ角のピークの状態は非常に不安定であり、何らかのショック、例えば電気的な又は機械的なノイズで簡単に振れ角が小さくなってしまい、高周波側の線形領域になってしまう。また、形状が非対称にできた場合などもピークが不安定になる。

ＭＥＭＳ光スキャナ１０の位相特性を見ると、振れ角のピーク付近でも、線形解析で予想されるピークの位相差（例えば、−９０度。検出方法によっては−１８０度）に達することなく、振れ角が小さくなってしまう。逆に高周波側から周波数を下げていくと振れ角が徐々に上がり、あるところで小さなピークを迎えて線形領域になる。ＭＥＭＳ光スキャナ１０は、このようなヒステリシス特性を持っていてもよい。

ここで、動作点をどこに設定するかを考える。振れ角のピーク付近は不安定であり、持続的な動作を見込めないので、ピーク付近よりも安定な少し低い周波数を動作点に設定する。ここで重要なのは周波数そのものの設定ではなく、動作位相を設定することである。例えば温度が上がると、共振周波数は低くなる。ここで動作周波数を固定にしておくと動作点の周波数がピークを越えてしまい、線形領域に入ってＭＥＭＳ光スキャナ１０の動作が止まってしまう。一方、動作位相を固定にしておくと、共振周波数の変動に追随して周波数がずれていき、常に安定して動作し続ける。

次に、ＭＥＭＳ光スキャナ１０の製法について説明する。ＭＥＭＳ光スキャナ１０は、Ｓｉウェハをエッチング加工することにより作製される。ＭＥＭＳデバイスをＳｉウェハから作製できるようになったのは、ＲＩＥ技術の一種であるボッシュプロセスとよばれる深堀可能なＲＩＥ法が用いられるようになったことが大きい。ボッシュプロセスは、エッチングガスとしてＳＦ_６、Ｃ_４Ｆ_８を使用して、エッチング側壁面を保護しながら深さ方向にエッチングする。このため、選択比が高く数百ミクロンオーダーの深さのエッチングが精度良く可能になる。この際、側壁は保護されながらエッチングされるので、側壁等の表面状態は平滑な荒れの少ない状態（通常の条件でＲＭＳ＝１〜２μｍ程度になる）で形成される。

ボッシュプロセスで形成された構造体において、エッチング終了時の底面とエッチングにより形成された側壁との交点には略直角をなす鋭角な面が形成され、レジストのパターンにほぼ忠実な形状が形成される。その加工精度はサブμｍオーダーになり、精巧なデバイスを形成できる。そのため、光学デバイスなどの、より精度の要求されるＭＥＭＳは、ＲＩＥを用いてＳｉを加工したものが主流になっている。このようなドライエッチングプロセスによって作製されたＭＥＭＳ光スキャナ１０は、トーションバー１３ａ〜１３ｄを備えている。

図３は、ＭＥＭＳ光スキャナ１０のミラー１２及びトーションバー１３ａ〜１３ｄを示す斜視図である。図３中においてＺ軸方向は、ＭＥＭＳ光スキャナ１０の厚さ方向になっている。図４は、トーションバー１３ｄの断面の形状を示す断面図である。トーションバー１３ａ〜１３ｃの断面の形状は、トーションバー１３ｄの断面形状と同様である。

図４に示すように、トーションバー１３ａ〜１３ｄの断面の形状は、正方形になっている。トーションバー１３ａ〜１３ｄの断面は、基材５０と、第１下地層５１と、第２下地層５２と、表面層５３と、からなる。トーションバー１３ａ〜１３ｄの断面の形状は、正方形に限定されるものではなく、長方形であってもよい。このトーションバー１３ａ〜１３ｄの一方の先端には、ミラー１２がトーションバー１３ａ〜１３ｄと連続して一体的に形成されている。

ＭＥＭＳ光スキャナ１０は、アーム１４ａ〜１４ｄによりトーションバー１３ａ〜１３ｄを上下方向（Ｚ軸方向）に振動させて、揺動軸を中心にしてミラー１２を揺動運動させることにより、情報信号の変調された光を走査して画像を表示する。アーム１４ａ〜１４ｄやトーションバー１３ａ〜１３ｄの振動運動により、運動を支える支点付近には応力が発生する。特にミラー１２とトーションバー１３ａ〜１３ｄとの境界部付近は、変形量も大きく非常に高い応力がかかる部位になる。この応力がＳｉ結晶の破壊限界応力を超えると、トーションバー１３ａ〜１３ｄの破断等の破壊が発生する。

基材５０は、結晶Ｓｉにより形成されている。従来技術の一例では、Ｓｉの代わりに、より降伏力の強い材料と破損しにくい材料を層状に組み合わせることにより、振動運動によって生じるねじれや反りに対する耐久性を向上させていた。それに対して、ＭＥＭＳ光スキャナ１０に用いる基材５０（芯材）は、加工精度の高さからも結晶Ｓｉを用いることが最適である。結晶Ｓｉは破壊限界応力以内での運動であれば、金属のような繰り返し反り運動によっても疲労破壊は発生しにくい。しかしながら、結晶Ｓｉは、高温多湿下では劣化促進されやすい。これは、水分子によるＳｉへの酸化作用により応力腐食が引き起こされ、最終的にはＳｉの破断に至らせるものである。この現象が引き起こされると、ＭＥＭＳ光スキャナとして求められる稼働耐久時間には遠く及ばず、数時間から数十時間で破断にいたることが多い。

ＭＥＭＳ光スキャナ１０の稼働耐久性を高めるには、基材５０のＳｉ表面への水分子の攻撃を防御する必要がある。しかしながら、Ｓｉ基材５０表面を薄膜の単層で被覆するのでは、十分に水分を防御できず、耐久性を向上させるのは困難である。例えば、水分を殆ど浸透させない低透湿性薄膜の単層でミラー１２及びトーションバー１３ａ〜１３ｄを被覆することが考えられる。しかし、このような低透湿性薄膜の多くは、延伸性が低いため、応力に対して脆く、クラックなどが発生しやすい。トーションバー１３ａ〜１３ｄは振動による運動変位が大きく、応力も高くなる部位である。従って、低透湿性薄膜で被覆しても、稼働後早期にクラックが発生し、Ｓｉ表面への水分の侵入を許してしまう。

また一方で、延伸性が高く、大きな運動変位に追従して壊れにくい材料を被覆膜として用いた場合、クラック等による水分の浸漬は発生しにくくなるが、多くの材料は結晶構造等に起因する理由から透湿性が大きく、高温高湿下では容易に多量の水分の浸入を許してしまう。そうして、この場合も同じように結果的には、トーションバー１３ａ〜１３ｄの破断を招くことになる。

本実施の形態のＭＥＭＳ光スキャナ１０は、上述した課題に対して解決する手段を提供するものである。即ち、基材５０上に下地層を設け、下地層には、基材５０よりも延伸性の大きい、弾性率の小さい材料を用いる。図４では、下地層として第１下地層５１及び第２下地層５２が形成されている。図４に示すように、基材５０の上に重ねて第１下地層５１が形成されており、第１下地層５１の上に重ねて第２下地層５２が形成されている。更にその上層には、第２下地層５２に重ねて表面層５３が形成されている。表面層５３は、水分の浸漬を殆ど防御できる透湿度の低い材料を用いて第２下地層５２を覆うものである。このような構成により、ＭＥＭＳ光スキャナ１０は、高温多湿の環境下での稼動耐久性を飛躍的に向上させることができるようになる。

第１下地層５１は、基材５０の外周表面を被覆するように、純Ｔｉ金属又はＴｉを主成分とする合金材料を積層することにより形成されている。ところで、基材５０である結晶Ｓｉ材料には、金属と接することによりアロイスパイクという現象が引き起こされることがある。この現象は、結晶Ｓｉと接する界面層材料と間に原子の拡散が発生し、互いの層が混合してしまうものである。この現象が発生すると基材５０の結晶Ｓｉが劣化するばかりでなく、接している界面層も劣化してしまう。基材５０と接する下地層に基材５０よりも弾性率が小さい金属等の材料を用い、その上層の表面層５３に緻密な酸化物や窒化物から成る層を形成するだけでは、ＭＥＭＳ光スキャナ１０は十分な耐久性を得ることが難しい。

即ち、下地層が基材５０の結晶Ｓｉと接して形成されていることにより、長時間の接触と高温環境下でアロイスパイク現象が引き起こされてしまうことがある。この問題を解決するために、基材５０と第２下地層５２との間に、第１下地層５１を設けるということに至った。第１下地層５１は、バリア層として用いられる。第１下地層５１には、基材５０の結晶Ｓｉとの間で原子の拡散現象が発生しにくい特性を有することが必要である。そのような特性を有し、かつ、薄膜形成も比較的容易なＴｉ、Ｔｉを主成分とする合金材料を第１下地層５１として用いることが好ましい。ＴｉやＴｉ合金の延伸性を示す指標となるヤング率（弾性率）は１０７Ｇｐａ程度である。Ｔｉの透湿度は０．０５〜０．１ｇ／ｍ^２・２４ｈ程度である。

第２下地層５２は、第１下地層５１の外周表面を被覆するように形成されている。第２下地層５２は、延伸性が高く、運動に対して追従性が高くクラック等が発生しない特性を有するとともに、ある程度高い透湿防御性を有する材料により形成されるのが好ましい。

第２下地層５２に適しているのは、Ａｌ，Ａｕ，Ａｇ、Ｃｕ等の金属である。中でも、純Ａｌ（純粋アルミ）やＡｌを主成分とする合金を用いるのが好ましい。これらは、水分に対する耐酸化性、光スキャナとして使用する場合の光学特性から、最も適している。また、Ａｌの透湿度は０．５ｇ／ｍ^２・２４ｈ程度であり、第２下地層５２はＡｌと同程度の透湿度を有する材料であるのが良い。また、ＡｌやＡｌ合金の延伸性を示す指標となるヤング率（弾性率）は７０Ｇｐａ程度であり、第２下地層５２の延伸性はＡｌと同程度以上であることが好ましい。

第１下地層５１及び第２下地層５２は、トーションバー１３ａ〜１３ｄの運動に伴う大きな変位に追従してクラック等の欠陥を発生しないような延伸性を有する材料により形成されている。そのため、クラックなどの欠陥部が生じた場合に発生する多量の水分の浸漬を抑制することができる。しかし、延伸性の高い材料は、多くの場合、透湿度はある程度の数値で留まっており、幾分かの水分を膜面全体から透過させてしまうので、完全な防湿効果を得るのは難しい。

そこで、第２下地層５２の表面を、第２下地層５２よりも透湿度の非常に低く、防湿性の非常に高い材料を用いた表面層５３で被覆する。この表面層５３は、緻密な分子構造のため水分をほとんど透過させない。しかし一方では、透湿度の低い材料は、その分子構造故に弾性率の大きい材料、即ち脆い、折れやすい材料であることが殆どである。そのため、トーションバー１３ａ〜１３ｄの運動部位に表面層５３を単独で被覆してもクラック等の欠陥が発生しやすい。表面層５３を単独で用いても、クラック発生部分から水分の浸漬を許してしまうので、Ｓｉを保護する性能は高くならない。

しかし、表面層５３に生じるクラック等は微細な欠陥である。このような微細な欠陥から浸入する水分はそれほど多量にはならない。ある程度の水分であれば、透湿度が小さくない下地層でも、Ｓｉ基材５０への水分の浸漬を防御することができる。第１下地層５１及び第２下地層５２は延伸性が高いので、クラックは殆ど生じない。したがって、表面層５３の何処でクラックが生じても、その下の第１下地層５１及び第２下地層５２には欠陥の発生が少なく、それより下層に水分の浸入を許すことは少ない。

Ｓｉ基材５０を保護するのに要求される被覆層の特性は、単層では実現することが難しい。本実施形態に係るＭＥＭＳ光スキャナ１０は、互いに特性の異なる第１下地層５１及び第２下地層５２を用いることにより、互いに補完し合い、これまでにない保護効果を得ることができる。

第２下地層５２は、トーションバー１３ａ〜１３ｄの運動に伴う大きな変位に追従してクラック等の欠陥を発生しないような弾性率の高い材料により形成されている。ミラー１２の振動運動を妨害しないためにも、第２下地層５２は水分防御特性が低下しない範囲で可能な限り薄い方が良い。そのため、第２下地層５２は、薄膜として均一に成膜できる材料を用いるのがよい。均一かつ緻密な膜を得るためにも、成膜方法としては、スパッタリング、ＣＶＤ、蒸着等が適しているが、ＭＥＭＳ光スキャナ１０への成膜に最適なのはスパッタリング法である。

表面層５３としては、最大限に透湿防御効果の高い材料がよい。薄膜状で透湿度が小さい材料は、例えば、シリコンの窒化物又は酸化物である。ＳｉＮの透湿度は０．０１ｇ／ｍ^２・２４ｈ以下と、殆ど水分を透過させないので最適である。しかし、一方でＳｉＮはヤング率（弾性率）が２９４ＧＰａと硬く脆い材料であり、クラック等を発生しやすい欠点がある。このため、振動運動する部位においては、ＳｉＮ単層で水分の浸入を防御するのは困難である。

第１下地層５１、第２下地層５２、及び表面層５３のそれぞれに異なる特性を有する材料を用い、上述したように第１下地層５１、第２下地層５２、そして表面層５３の積層順で成膜することにより、高温高湿環境下での耐久性に優れたＭＥＭＳ光スキャナ１０を提供することができる。

ヘッドアップディスプレイ１００は、ＭＥＭＳ光スキャナ１０と、レーザ光源（不図示）と、マイクロレンズアレイからなるスクリーン（不図示）を有する。ヘッドアップディスプレイ１００においては、スキャナのミラー部分に変調したレーザ光を照射して、ミラーを駆動・振動（スキャン）させることによりスクリーン上に画像を表示する仕組みになっている。このようなシステムにおいて高品位な画像を得るためには、ミラー１２で反射されたレーザ光のスポット形状を歪みのないものにする必要がある。

歪みのないスポット形状を得るためには、ミラー１２の平坦度が非常に重要である。レーザ光源から出射されたレーザ光がミラー１２に照射され、ミラー１２の表面で反射してスクリーン上に結像する。ミラー１２の表面での反りや凹凸がレーザ光の波面の位相を乱し、その位相の乱れが一定値以上になると、画像劣化が感知されるようになる。

レーザ光の波長をλとすると、レーザ光の位相差が１／８λ以上になると画像劣化が感知される。従って、ミラー表面の反りや凹凸欠陥によるＰ−Ｖ（Peak to Valley）値が１／８λ以下になることが好ましい。ヘッドアップディスプレイ１００に用いられるレーザ光源の波長は、最短の青色レーザ光で４００〜４５０ｎｍ程度なので、Ｐ−Ｖ値は５０〜６０ｎｍ程度以下にすることが好ましい。

ヘッドアップディスプレイ１００は、高周波でミラー１２を振動させることにより光をスキャンして画像を表示する。このため、ミラー１２、トーションバー１３ａ〜１３ｄ、及びアーム１４ａ〜１４ｄを軽量化することが好ましい。そのためには、ミラー１２、トーションバー１３ａ〜１３ｄ、及びアーム１４ａ〜１４ｄの厚さをできるだけ薄くすることが好ましい。

ミラー１２の振動周波数は、要求される再生画質によって最適値が変わる。ＭＥＭＳ光スキャナ１０を、高画質映像を得られる振動周波数で設計するには、ミラー１２、トーションバー１３ａ〜１３ｄ、及びアーム１４ａ〜１４ｄの厚さは、約３０〜１００μｍであることが好ましく、より好ましくは５０μｍ程度が良い。

ミラー１２、トーションバー１３ａ〜１３ｄ、及びアーム１４ａ〜１４ｄのような薄い構造物に薄膜を積層成膜すると膜応力により変形が生じる。構造物の変形量は、膜応力の大きさに比例する。ＭＥＭＳ光スキャナ１０では、Ｐ−Ｖ値で１／８λ以下に制御するためには、３層構造の保護層を合わせた合計の膜応力が１００ＭＰａ以下であることが好ましい。

また、これまでの基材５０の表面を被覆して耐久性を向上させる技術において、被覆層の応力は考慮されていなかった。ＭＥＭＳ光スキャナ１０では、Ｓｉウェハにエッチング等を施すことにより、振動させる部位の厚さを薄くしている。この薄い部位に薄膜を形成した場合、薄膜の応力により変形、例えば反りが生じる。

ヘッドアップディスプレイ１００では、画像信号はレーザ光を用いて再生されており、ＭＥＭＳ光スキャナ１０のミラー１２でレーザ光が反射及びスキャンされる。レーザ光を反射するミラー１２が膜応力により変形していると、スクリーン上の結像部におけるレーザスポット形状が変形することになる。このため、ヘッドアップディスプレイ１００の画像の品質が低下してしまうことがあった。

[実施例１]
本実施の形態に係るＭＥＭＳ光スキャナ１０の実施例１を示す。ＭＥＭＳ光スキャナ１０の実施例１を下記の方法により製造した。

まず、基材５０に用いられるＳＯＩ（Silicon on Insulator）ウェハを準備した。ＳＯＩウェハは、基材である裏面側シリコン層の上に埋め込み酸化膜層が配置され、さらに埋め込み酸化膜層の上に表面側シリコン層が配置されている。ＳＯＩウェハの表面側シリコン層は、ミラー１２やトーションバー１３ａ〜１３ｄ、アーム１４ａ〜１４ｄの膜厚になっていることが好ましい。埋め込み酸化膜層の厚みは、ＳＯＩウェハ裏面からのウェットエッチングまたはドライエッチングのストッパ層となるので、１μｍ程度あることが好ましい。

ＳＯＩウェハ下地の裏面側シリコン層の膜厚は、一般的には５００μｍ程度である。シリコン層の膜厚は、フレーム１１としてＭＥＭＳ光スキャナ１０表面のミラー１２やトーションバー１３ａ〜１３ｄ、アーム１４ａ〜１４ｄなどの構造物を支えるのに必要な厚さであればよい。このＳＯＩウェハの表裏両面に酸化膜層を形成する。酸化膜の形成方法としては熱酸化法やＣＶＤ（Chemical vapor deposition）法又は塗布型の有機絶縁膜を利用することができる。

次に、ＳＯＩウェハの表面側に下部電極、配向膜、圧電膜１５ａ〜１５ｄ、上層電極を形成した。まず、ＳＯＩウェハの表面側絶縁膜上に下部電極を形成した。そして、下部電極を覆うように配向膜を形成した。配向膜は、圧電膜１５ａ〜１５ｄをシリコン面に垂直な方向に変位するように優先的に配向するものであり、例えばＰｔが用いられる。下部電極には、配向膜の配向性を助長する電極材料、例えばＴｉが用いられる。一般的な膜厚としては、Ｔｉ下部電極の膜厚が０．０２μｍ、Ｐｔ配向膜の膜厚が０．１μｍ程度である。

下層電極、配向膜に続いて圧電膜１５ａ〜１５ｄを形成した。所定の駆動信号がこの圧電膜１５ａ〜１５ｄに印加されるとき、圧電膜１５ａ〜１５ｄの結晶格子は、表面側（Ｚ軸方向プラス側）と裏面側（Ｚ軸方向マイナス側）とで異なる方向に歪む。この歪みにより生じる応力によって、圧電膜１５ａ〜１５ｄが表面側に撓む。例えば、表面側ではＸ軸に沿って縮む方向に歪み、裏面側ではＸ軸に沿って伸びる方向に歪む。このとき生じる応力によって、圧電膜１５ａ〜１５ｄが上方（Ｚ軸プラス方向）に撓む。

圧電膜１５ａ〜１５ｄの材料としては、高い圧電特性を示すジルコン酸チタン酸鉛（ＰＺＴ）系やＬａＮｉＯ_３等のペロブスカイト構造を有する複合酸化物を用いることができる。ＰＺＴを用いる場合、圧電膜１５ａ〜１５ｄの膜厚は一般的に３μｍ程度にするのが好ましい。

さらに圧電膜１５ａ〜１５ｄ上に上層電極を形成した。上層電極の材料としては密着層としてＴｉ、電極層としてＰｔ、Ｉｒ、Ａｕ、Ａｇ、Ｃｕ、Ａｌなどを用いることができる。密着層にＴｉ、電極層にＡｕを用いた場合、例えば、Ｔｉの密着層の膜厚は０．０２μｍであり、Ａｕの電極層の膜厚は０．３μｍである。

次に、ＳＯＩウェハに電極層をパターンエッチングした。そして、アーム１４ａ〜１４ｄの形成される領域に、駆動用電極層と揺動検出用電極層を形成した。エッチング方法としては、イオンミリング法などが用いられる。

次に、ＳＯＩウェハの表面側シリコン層を貫通エッチングした。貫通エッチングにより、トーションバー１３ａ〜１３ｄやアーム１４ａ〜１４ｄの側壁を形成した。貫通エッチングは、ドライエッチングにより行い、ボッシュプロセスを用いたエッチングを用いることが好ましい。ＳＯＩウェハの表面側では、中間の埋め込み酸化膜層でエッチングが停止する。

次に、ＳＯＩウェハ裏面側にフォトレジストパターンを形成した。フォトレジストパターンを形成した後、裏面側酸化膜をエッチングし、酸化膜パターンを形成した。その後、フォトレジストをマスクとして裏面シリコン層をエッチングした。このエッチングによりアーム１４ａ〜１４ｄ裏面とフレーム部側壁の交点面が形成されるので、その交点が鋭角にならないよう表面に微小凹凸構造が形成されるようにした。エッチング法は、高密度誘導結合型プラズマ（ＩＣＰ）エッチングを用いることが好ましい。ＳＦ_６ガスを用いて３μｍ／ｍｉｎ前後のレートでエッチングする。例えば、５００μｍ前後エッチングすると裏面から中間の埋め込み酸化膜層に達するので、エッチングを停止する。

エッチングの際にはシリコン貫通後、エッチング装置のウェハステージが直接プラズマにさらされてウェハステージ表面にダメージが入ることがある。これを防ぐために、被エッチングウェハを別の支持ウェハに貼り合わせてからエッチングし、エッチング終了後に支持ウェハを取り除いてもよい。

次に、埋め込み酸化膜層の露出部分及びマスクとして使用した裏面酸化膜層を除去した。酸化膜の除去方法としてはドライエッチングを用いるのが好ましい。露出したＳＯＩ埋め込み酸化膜層のエッチングの際に、フッ酸等によるウェットエッチングを行うと、表面側シリコン層と裏面側シリコン層との間に位置する埋め込み酸化膜層の等方性エッチングが進み、アーム１４ａ〜１４ｄの長さが設計寸法と異なったものになることがある。

貫通エッチングを行った後、ＳＯＩウェハ上の光スキャナ用ＭＥＭＳチップをフレーム１１の外周に合わせて切り出した。この切り出した光スキャナ用ＭＥＭＳチップを基材５０とする。

光スキャナ用ＭＥＭＳチップを切り出した後に、基材５０上に第１下地層５１を成膜した。第１下地層５１は、特に振動運動により高い応力の発生するトーションバー１３ａ〜１３ｄとミラー１２周辺部に形成される。第１下地層５１は、Ｔｉ薄膜をマグネトロンスパッタリング法で基材５０上に蒸着することにより形成される。ＭＥＭＳチップを真空チャンバーにセットするときには、ＭＥＭＳチップは成膜部以外をマスキングできるマスキングホルダーに取り付けられる。

次に、ＭＥＭＳチップのセットされたマスキングホルダーを真空チャンバーに取り付けた。この際、マスキングホルダーは、真空チャンバー内にセットされたスパッタリング用ターゲット材に対して、垂直対向させるのではなく、４５度傾けてセットされるのが好ましい。これにより、トーションバー１３ａ〜１３ｄの表面だけでなく側面にも均一に成膜することができる。

真空チャンバー内を１．０×１０^−６Ｔｏｒｒ（１．３×１０^−４Ｐａ）以下まで排気した後、Ａｒガスを４．０ｍＴｏｒｒ（５．３×１０^−１Ｐａ）になるように真空チャンバー内に導入した。その後、ＤＣ電源で１．０ｋＷの電力を投入して、Ｔｉ薄膜を１００ｎｍ厚になるように成膜した。その後、マスキングホルダーの取り付けを表裏逆にし、傾きも逆に変更してからＴｉ薄膜を成膜した。これにより、トーションバー１３ａ〜１３ｄの周囲全方位にＴｉ薄膜を均一に被覆させることができた。

続けて、第１下地層５１と同条件で、第２下地層５２であるＡｌ−Ｔｉ合金を、第１下地層５１の上に厚さ１００ｎｍで成膜した。

次に、マスキングホルダーを変更して、トーションバー１３ａ〜１３ｄとミラー１２周辺にのみ成膜でき、ミラー１２はマスクするような形状のものにした。これも同様にターゲット材に対して４５度傾けて真空チャンバー内にセットした。

表面層５３として、窒化シリコン（ＳｉＮ）が最適であるので、Ｓｉターゲットを用い、ＡｒとＮ_２との混合ガスでリアクティブスパッタリングを行った。ガス圧は３．０ｍＴｏｒｒにし、ＡｒとＮ_２の流量比を３：２となるように調整し、ＤＣ電源で１．０ｋＷの電力を投入して膜厚が１００ｎｍになるように、ＳｉＮを第２下地層５２上に成膜した。第２下地層５２の成膜と同様に、ホルダーの取り付けを変更しながら成膜し、トーションバー１３ａ〜１３ｄの周囲全方位にＳｉＮを成膜した。

こうして、トーションバー１３ａ〜１３ｄの高応力発生部位に、第１下地層５１のＴｉ薄膜、第２下地層５２のＡｌ−Ｔｉ合金薄膜、その上に表面層５３のＳｉＮ薄膜という順で成膜して、実施例１に係るＭＥＭＳ光スキャナ１０のサンプルを作製した。

[比較例１]
実施例１との比較例として、比較例１に係る比較サンプル１〜５を作製した。ＭＥＭＳチップの基材５０は、実施例１と同様にＳＯＩウェハを用いて作製された。第１下地層５１のＴｉ薄膜、第２下地層５２のＡｌ−Ｔｉ合金薄膜、表面層５３のＳｉＮ薄膜は、それぞれ実施例１と同様の方法で作製した。

比較サンプル１は、被覆保護層を何もつけないＳｉ基材（基材５０）のままのサンプルである。
比較サンプル２は、基材５０の上に第１下地層５１のＴｉ薄膜のみを成膜したサンプルである。ただし、実施例１のサンプルよりもＴｉ薄膜の膜厚を厚くして、Ｔｉ薄膜の膜厚は、３００ｎｍであり、実施例１のＴｉ（第１下地層５１）とＡｌ−Ｔｉ合金（第２下地層５２）とＳｉＮ（表面層５３）を合わせた膜厚３００ｎｍと同じ厚さにした。

比較サンプル３は、Ａｌ−Ｔｉ合金薄膜のみを基材５０の上に成膜したサンプルである。Ａｌ−Ｔｉ合金薄膜の膜厚は、３００ｎｍである。
比較サンプル４は、ＳｉＮ薄膜のみを基材５０の上に成膜したサンプルである。ＳｉＮ薄膜の膜厚は、３００ｎｍである。
比較サンプル５は、第１下地層５１にＴｉ、第２下地層５２にＳｉＮ、表面層５３にＡｌ合金を用い、実施例１のサンプルと積層順を入れ替えたサンプルである。Ｔｉ薄膜、ＳｉＮ薄膜、及びＡｌ−Ｔｉ合金薄膜の膜厚はそれぞれ１００ｎｍであり、実施例１と同じである。

〈耐久性試験結果〉
実施例１及び比較例１に示したサンプルを用いて、高温高湿環境下での耐久性試験を行った。耐久性試験は、恒温槽内を６５℃、相対湿度６０％に調整した環境下で行った。ＭＥＭＳ光スキャナ１０を図１に示したようなシステムにセットして、所定の光学角でレーザ光をスキャンするようにミラー１２を振動させた。今回の試験では、ミラー１２の光学角の振幅を±２５ｄｅｇとなるように駆動電圧を調整して振動させた。ミラー１２の振動の周波数は２７ｋＨｚとし、振動状態を電気信号で観察しながら振動運動の継続時間を測定した。

トーションバー１３ａ〜１３ｄが破断してミラー１２の振動が停止するまでのＭＥＭＳ光スキャナ１０の連続運転時間を計測した結果は、以下の通りであった。

実施例１のサンプル ７００時間
比較サンプル１ ９時間
比較サンプル２ ４２時間
比較サンプル３ ３２時間
比較サンプル４ ２００時間
比較サンプル５ ３３０時間

ＭＥＭＳ光スキャナ１０は、第１下地層５１、第２下地層５２、及び表面層５３のそれぞれに異なる特性を有する材料を用いている。表面層５３は、透湿性が最も小さく、弾性率が最も小さい。第１下地層５１は、基材５０と反応しにくく劣化しにくい。第１下地層５１及び第２下地層５２は、表面層５３よりも弾性率が大きい。上述の耐久試験結果より、第１下地層５１、第２下地層５２、そして表面層５３の積層順で成膜することにより、高温高湿環境下での耐久性に優れたＭＥＭＳ光スキャナ１０を提供できることがわかる。

〈膜応力を変えてミラー１２の反り量を測定した結果〉
実施例１と同様な方法で同様の構成のサンプルＡ〜Ｇを作製した。ただし、サンプルＡ〜Ｇの作製において、各層のスパッタリング法による成膜時の条件、特にガス圧力、投入電力条件を変化させて膜応力を段階的に変えた。すなわち、サンプルＡ〜Ｇは全て同じ構成であるが、それぞれ膜応力が異なるサンプルである。

このように作製したＭＥＭＳ光スキャナ１０のサンプルＡ〜Ｇのトーションバー１３ａ〜１３ｄ及びミラー１２付近の反り量及び凹凸量（Ｐ−Ｖ値）をＺａｙｇｏ社製のレーザ干渉計を用いて計測した。サンプルＡ〜Ｇの応力値、反り量計測結果およびレーザスポット形状評価は表１のようになった。

表１に示すように、サンプルＡ〜Ｅのレーザスポット形状評価は良好であった。幾何光学に基づく光学計算から、反り量がλ／８以上に増加すると、波面の乱れが大きくなり、スポット形状が変形することが分かる。そのため、最短波長の青色レーザ波長（４５０ｎｍ）の１／８以下の反り量、すなわち５６ｎｍ以下が適正と考えられる。薄膜層の応力が１００Ｍｐａ以下の場合、反り量は５６ｎｍ以下になっているので、レーザスポット形状も良好なものになった。これにより、第１下地層５１、第２下地層５２、及び表面層５３の膜応力を１００ＭＰａ以下にすることにより、ＭＥＭＳ光スキャナ１０は良好な集光特性を達成できる。

なお、本発明は上記実施の形態に限られたものではなく、趣旨を逸脱しない範囲で適宜変更することが可能である。例えば、本発明に係るＭＥＭＳ光スキャナの用途は、ヘッドアップディスプレイに限定されるものではなく、プロジェクタやプリンタ等の他の画像形成装置にも用いることができる。本発明に係るＭＥＭＳ光スキャナは、高温高湿環境下での透湿性に優れるため、車載用のヘッドアップディスプレイに好適である。

１０…光スキャナ １１…フレーム １２…ミラー １３ａ-１３ｄ…トーションバー １４ａ-１４ｄ…アーム １５ａ-１５ｄ…圧電膜 １６…ベース ２０…自励発振回路 ２１，２５…アンプ ２２…バンドパスフィルタ ２３…位相調整器 ３０…動作測定部 ３１…位相比較器 ３２…動作点決定部 ３３…振れ角検出器 ３４…発振器 ４０…切替部 ４１…ドットクロック発生部 ５０…基材 ５１…第１下地層 ５２…第２下地層 ５３…表面層 １００…ヘッドアップディスプレイ

Claims (5)

1. ミラー部と、
   前記ミラー部を支持するトーションバーと、を備え、
   前記トーションバー及び前記ミラー部の少なくとも一部は、
   Ｓｉを有する基材と、
   前記基材の表面に形成された第１下地層と、
   前記第１下地層に重ねて形成された第２下地層と、
   前記第２下地層に重ねて形成された表面層と、を有し、
   前記表面層は、前記第１下地層及び前記第２下地層に比べて、透湿性が小さく、弾性率が大きい
   光スキャナ。
2. 前記第１下地層、前記第２下地層、及び前記表面層の合計の膜応力が１００ＭＰａ以下である
   ことを特徴とする請求項１に記載の光スキャナ。
3. 前記表面層の材料は、Ｓｉ酸化物又はＳｉ窒化物である
   ことを特徴とする請求項１又は２に記載の光スキャナ。
4. 前記第１下地層の材料は、Ｔｉ又はＴｉ合金である
   ことを特徴とする請求項１〜３のいずれか１項に記載の光スキャナ。
5. 請求項１〜４のいずれか１項に記載の光スキャナと、
   前記光スキャナの前記ミラー部に光を入射させる光源と、
   画像データに応じて前記光スキャナ及び前記光源を制御する制御部と、を備える
   画像形成装置。

Images