JP2016148788A

JP2016148788A - ミラー構造、ｍｅｍｓ光スキャナ、及びミラー構造の製造方法

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Publication number: JP2016148788A
Application number: JP2015025938A
Authority: JP
Inventors: 大嶋　克則; Katsunori Oshima; 克則大嶋
Original assignee: JVCKenwood Corp
Current assignee: JVCKenwood Corp
Priority date: 2015-02-13
Filing date: 2015-02-13
Publication date: 2016-08-18
Anticipated expiration: 2035-02-13
Also published as: JP6507699B2

Abstract

【課題】実際の反射率が予測値と同等になるように、従来よりもミラーの反射率を向上させることができるミラー構造を提供する。【解決手段】ミラー構造３５は、金属反射膜３１と酸化層３２と増反射膜４０とが積層された積層構造を有する。金属反射膜３１は所定の金属を含み、基部５１上に形成されている。酸化層３２は金属反射膜３１の表層が酸化されることにより形成され、所定の金属の酸化物を含む。増反射膜４０は酸化層３２上に形成され、互いに屈折率の異なる誘電体層４１〜４４が交互に積層された積層構造を有する。【選択図】図２

Description

本発明は、ミラー構造、ＭＥＭＳ光スキャナ、及びミラー構造の製造方法に関する。

プロジェクタやヘッドマウントディスプレイ等の投射型のディスプレイには光スキャナ（光偏向器）が用いられる。

光スキャナの偏向駆動されているミラーにレーザ光が照射されると、レーザ光はミラーによって反射され、ミラーの偏向方向に走査される。

１つまたは２つの光スキャナによってレーザ光が水平方向及び垂直方向に走査されることで、スクリーン上に画像を表示させることができる。光の３原色である赤色、緑色、及び青色の各画像をスクリーン上に重畳させることで、カラー画像を表示させることができる。

光スキャナの一形態として、ＭＥＭＳ（Micro Electro Mechanical System）光スキャナがある。ＭＥＭＳ光スキャナは、一般的に、ＳＯＩ（Silicon on Insulator）ウエハを半導体製造技術を用いて微細加工することによって作製される。そのため、ＭＥＭＳ光スキャナは、ポリゴンミラーやガルバノミラー等の他の形態と比較して小型化が容易である。

明るい画像を大画面で表示させるためには、ＭＥＭＳ光スキャナのミラーに対して高い反射率が求められている。

特許文献１には、高い反射率を有するミラー構造の一例が記載されている。

特開２００３−１２１６２３号公報

特許文献１には、金属反射膜上に増反射膜が形成されたミラー構造が記載されている。
増反射膜は、位相光学や幾何光学等の光学計算の数式を用いて、反射率曲線等の光学特性を予測することができる。

しかしながら、現状では、光学計算通りの増反射膜を作製しても計算による予測値通りの光学特性が得られることは難しい。そのため、実際には予測値よりも低い反射率となってしまい、何らかのブレイクスルーが必要とされている。

実際の反射率が予測値よりも低くなる原因として、増反射膜の構成材料の光学定数の僅かなずれや増反射膜を構成する誘電体層界面の表面性の違い等が考えられる。特に金属反射膜と誘電体層との界面の状態による反射率への影響が大きいものと考えられる。

本発明はこのような問題点に鑑み、実際のミラーの反射率が予測値と同等になり、従来よりも向上させることができる、ミラー構造、ＭＥＭＳ光スキャナ、及びミラー構造の製造方法を提供することを目的とする。

本発明は、基部上に形成され、所定の金属を含む金属反射膜と、前記金属反射膜の表層が酸化されることにより形成され、前記所定の金属の酸化物を含む酸化層と、前記酸化層上に形成され、互いに屈折率の異なる誘電体層が交互に積層された積層構造を有する増反射膜と、を備えることを特徴とするミラー構造を提供する。

また、本発明は、枠状のフレームと、前記フレームの枠内に配置され、前記フレームに一端側が固定されたアームと、前記フレームの枠内に配置され、前記アームの他端側に一端側が接続されたトーションバーと、前記フレームの枠内に配置され、前記トーションバーの他端側に接続されたミラーと、を備え、前記ミラーは、基部上に形成され、所定の金属を含む金属反射膜と、前記金属反射膜の表層が酸化されることにより形成され、前記所定の金属の酸化物を含む酸化層と、前記酸化層上に形成され、互いに屈折率の異なる誘電体層が交互に積層された積層構造を有する増反射膜と、を含むミラー構造を有することを特徴とするＭＥＭＳ光スキャナを提供する。

また、本発明は、基部上に、所定の金属を含む金属反射膜を形成し、前記金属反射膜の表層を酸化させ、前記所定の金属の酸化物を含む酸化層を形成し、前記酸化層上に、互いに屈折率の異なる誘電体層を交互に積層させて増反射膜を形成する、ことを特徴とするミラー構造の製造方法を提供する。

本発明のミラー構造、ＭＥＭＳ光スキャナ、及びミラー構造の製造方法によれば、実際のミラーの反射率が予測値と同等になり、従来よりも向上させることができる。

実施形態のミラー構造を有するＭＥＭＳ光スキャナの外観図である。実施形態のミラー構造の断面図である。実施形態のＭＥＭＳ光スキャナの駆動方法を説明するためのブロック図である。反射率の比較結果を示す図である。

図１を用いて、実施形態のＭＥＭＳ光スキャナを説明する。
図１（ａ）はＭＥＭＳ光スキャナの上面図である。図１（ｂ）は図１（ａ）に示すＡ−Ａ線における断面図である。図１（ｃ）は図１（ａ）に示すＣ−Ｃ線における断面図である。

図１（ａ）に示すように、ＭＥＭＳ光スキャナ１は、フレーム２と、アーム３，４，５，６と、トーションバー１３，１４，１５，１６と、圧電素子２３，２４，２５，２６と、ミラー３０と、を備えている。

フレーム２は枠状の平面形状を有する。
フレーム２の枠内の空隙部には、アーム３，４，５，６と、トーションバー１３，１４，１５，１６と、ミラー構造３５を有するミラー３０とが配置されている。なお、図１（ａ）において、符号８ａ，８ｂを付したコ字形状部と符号８ｃ，８ｄを付したＴ字形状部は空隙部である。

アーム３は、一端側がフレーム２に固定され、他端側がトーションバー１３の一端側に接続されている。
アーム４は、一端側がフレーム２に固定され、他端側がトーションバー１４の一端側に接続されている。
アーム５は、一端側がフレーム２に固定され、他端側がトーションバー１５の一端側に接続されている。
アーム６は、一端側がフレーム２に固定され、他端側がトーションバー１６の一端側に接続されている。

アーム３及びアーム４は、一対のアームを構成し、ミラー３０の重心Ｃ３０を通り、回動中心軸Ｂ−Ｂと直交する中心線Ａ−Ａを線対称として対向配置されている。
アーム５及びアーム６は、一対のアームを構成し、中心線Ａ−Ａを線対称として対向配置されている。

アーム３とアーム５は、回動中心軸Ｂ−Ｂを線対称として対向配置されている。
アーム４とアーム６は、回動中心軸Ｂ−Ｂを線対称として対向配置されている。

トーションバー１３は、一端側がアーム３に接続され、他端側がミラー３０に接続されている。
トーションバー１４は、一端側がアーム４に接続され、他端側がミラー３０に接続されている。
トーションバー１５は、一端側がアーム５に接続され、他端側がミラー３０に接続されている。
トーションバー１６は、一端側がアーム６に接続され、他端側がミラー３０に接続されている。

圧電素子２３は、アーム３上の領域に形成されている。
圧電素子２４は、アーム４上の領域に形成されている。
圧電素子２５は、アーム５上の領域に形成されている。
圧電素子２６は、アーム６上の領域に形成されている。

図１（ｂ）及び図１（ｃ）に示すように、ＭＥＭＳ光スキャナ１は、シリコン層（第１のシリコン層）５１と埋め込み酸化層５２とシリコン層（第２のシリコン層）５３とが積層された積層構造を有する。
ＭＥＭＳ光スキャナ１は、例えばＳＯＩ（Silicon on Insulator）ウエハを半導体製造技術を用いて微細加工することで作製することができる。

シリコン層５１の厚さは例えば５０μｍである。埋め込み酸化層５２の厚さは例えば２μｍである。シリコン層５３の厚さは例えば４００μｍである。

フレーム２は、シリコン層５１と埋め込み酸化層５２とシリコン層５３との積層構造を有している。

アーム３，４，５，６、トーションバー１３，１４，１５，１６、及び、ミラー３０は、フレーム２の上層と共通のシリコン層５１で形成されている。

圧電素子２３，２４，２５，２６は、下電極と圧電体層と上電極とが積層された積層構造を有している。

圧電体層の材料として、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、ＺｎＯ等の高い圧電特性を有する材料を用いることができる。

上電極及び下電極は密着層と電極層の積層構造で形成されている。
密着層の材料として例えばＴｉを用いることができる。電極層の材料として例えばＰｔ，Ｉｒ，Ａｕ，Ａｇ，Ｃｕ，Ａｌ等の金属材料を用いることができる。

図２を用いて、実施形態のミラー構造３５を説明する。

図２に示すように、ミラー３０は、基部であるシリコン層５１上に、金属反射膜３１と、酸化層３２と、増反射膜４０と、が積層されたミラー構造３５を有している。

ＭＥＭＳ光スキャナ１をプロジェクタやヘッドマウントディスプレイ等の投射型ディスプレイに用いる場合、金属反射膜３１の材料として、例えば光の３三原色である赤色光、緑色光、及び青色光を含む可視光域において反射率が高い材料を用いることが好ましい。

反射率が高い材料として、Ａｌ，Ａｇ，Ａｕ，Ｐｔ等の金属、またはＡｌ，Ａｇ，Ａｕ，Ｐｔ等を主成分とする合金を用いることができる。特にＡｌやＡｇ，及びＡｌやＡｇを主成分とする合金は、可視光域での反射率が高く、かつ、可視光域における反射率が比較的一定であるため好ましく、ＡｌやＡｌを主成分とする合金は特に好ましい。

例えばＡｌのターゲットを用いて真空中でスパッタリングを行うことにより、Ａｌからなる金属反射膜３１を形成することができる。

酸化層３２は、金属反射膜３１を構成する金属の酸化物、または金属反射膜３１を構成する合金の主成分である金属の酸化物を主成分として形成されている。例えば金属反射膜３１がＡｌまたはＡｌ合金で形成されている場合、酸化層３２はＡｌ酸化物を主成分として形成される。

酸化層３２は、金属反射膜３１が例えばスパッタリングによって真空中で成膜された後、真空を解放して常温大気中で金属反射膜３１の表層を自然酸化させることで形成することができる。

金属反射膜３１の構成材料であるＡｌ等の金属を常温下で自然酸化させた場合、金属反射膜３１の表面からかなり浅い領域で酸化の進行が止まる。このような自然酸化は比較的短時間で行うことができる。
自然酸化の条件は特に限定されるものではなく、金属反射膜３１の構成材料や膜厚、及び環境条件等によって適宜設定されるものである。

増反射膜４０は、互いに屈折率の異なる誘電体層が交互に積層された積層構造を有している。具体的には、第１の屈折率を有する低屈折率材料からなる誘電体層と、第１の屈折率よりも高い第２の屈折率を有する高屈折率材料からなる誘電体層と、が交互に積層された積層構造を有している。

増反射膜４０は、各誘電体層の界面での反射光と金属反射膜３１での反射光との干渉効果を利用して反射光量を増加させる機能を有している。
十分な増反射効果を得るためには、低屈折率材料からなる誘電体層と高屈折率材料からなる誘電体層との積層を１組としたとき、２組〜３組の積層構造とすることが好ましい。

なお、図２には、増反射膜４０として、酸化層３２上に、低屈折率材料の第１の誘電体層４１と、高屈折率材料の第２の誘電体層４２と、低屈折率材料の第３の誘電体層４３と、高屈折率材料の第４の誘電体層４４と、が積層された積層構造を一例として示している。

増反射膜４０は、酸化層３２上に、第１の誘電体層４１、第２の誘電体層４２、第３の誘電体層４３、及び、第４の誘電体層４４が、例えばスパッタリングによって真空中で順次成膜されることで形成することができる。

ＭＥＭＳ光スキャナ１をプロジェクタやヘッドマウントディスプレイ等の投射型ディスプレイに用いる場合、増反射膜４０を構成する誘電体層は、例えば光の３三原色である赤色光、緑色光、及び青色光を含む可視光域において透過率の高い材料を用いることが好ましい。

低屈折率材料としては屈折率が１．５程度の誘電体材料が好ましい。このような誘電体材料としてＳｉＯ_２を用いることができる。

高屈折率材料としては屈折率が２．３程度の誘電体材料が好ましい。このような誘電体材料としてＴｉＯ_２を用いることができる。

増反射膜４０の積層構造は、目的の反射特性、分光反射率曲線となるように、位相光学や幾何光学等の光学計算式を用いて設計することができる。
例えば、増反射膜４０を構成する材料の屈折率や消衰係数等の光学定数を基本データとして光学計算を行うことにより、膜厚等の膜構成を設計することができる。

図３を用いて、ＭＥＭＳ光スキャナ１の駆動方法を説明する。

図３に示すように、ＭＥＭＳ光スキャナ１は、動作測定部６０、自励発振部７０、切り替えスイッチ８０、及びドットクロック発生部９０によって駆動される。

動作測定部６０は、位相比較器６１、動作点決定部６２、振れ角検出器６３、及び、発振器６４を備えている。

自励発振部７０は、第１のアンプ７１、バンドパスフィルタ７２、位相調整器７３、ＡＧＣ（Auto Gain Control）７４、及び、第２のアンプ７５を備えている。

動作測定部６０において、動作点決定部６２はＭＥＭＳ光スキャナ１のミラー３０の動作点を決定する。

発振器６４は、動作点決定部６２によって決定された動作点に基づいて交流電圧である駆動信号を生成する。
発振器６４は、生成された駆動信号を、切り替えスイッチ８０を介して、ＭＥＭＳ光スキャナ１の圧電素子２３，２４と位相比較器６１とドットクロック発生部９０とに供給する。

ＭＥＭＳ光スキャナ１のアーム３，４は、圧電素子２３，２４に供給された駆動信号に基づいて、紙面手前奥方向に振動する。

アーム３，４の振動がトーションバー１３，１４を介して、ミラー構造３５を有するミラー３０に伝達されることにより、ミラー３０は回動中心軸Ｂ−Ｂまわりに往復回転駆動する。

ミラー３０の往復回転駆動がトーションバー１５，１６を介してアーム５，６に伝達されることにより、アーム５，６はアーム３，４とは逆位相に振動する。

アーム５，６の振動により、圧電素子２５，２６は、圧電素子２３，２４に供給された駆動信号とはほぼ逆位相の関係にある交流電圧である検出信号を生成する。

圧電素子２５，２６で生成された検出信号は、位相比較器６１と振れ角検出器６３と自励発振部７０の第１のアンプ７１とに供給される。

位相比較器６１は、圧電素子２３，２４に供給された駆動信号と圧電素子２５，２６から供給された検出信号との位相を比較する。
位相比較器６１は、例えば駆動信号及び検出信号をそれぞれ方形波に変形させてＰＬＬ（Phase Locked Loop）回路で比較する。

振れ角検出器６３は、圧電素子２５，２６から供給された検出信号の振幅の大きさを数値化する。振幅の大きさを例えば偏向角に変換する場合、振幅の大きさと偏向角との相関関係を予め把握しておくことが必要である。

動作点決定部６２は、位相比較器６１での位相比較結果と振れ角検出器６３で数値化された振幅の大きさとに基づいて、位相と駆動信号の大きさを決定し、発振器６４と自励発振部７０の位相調整器７３とＡＧＣ７４とに出力する。

自励発振部７０において、圧電素子２５，２６で生成された検出信号は、第１のアンプ７１で増幅されてバンドパスフィルタ７２を介して位相調整器７３に供給される。

バンドパスフィルタ７２は、ミラー３０を目的の共振周波数以外の共振モードで駆動させないためのフィルタである。

位相調整器７３は、ミラー３０が線形で共振駆動している場合には、圧電素子２３，２４に供給される駆動信号と圧電素子２５，２６から供給された検出信号との位相差が−９０度の倍数になるように、検出信号の位相調整を行う。

位相調整器７３は、ミラー３０が非線形で共振駆動している場合には、動作点決定部６２で決定された動作点における位相差が保持されるように、検出信号の位相調整を行う。

ＡＧＣ７４は、位相調整器７３で位相調整された検出信号の大きさが一定で、かつ、動作点決定部６２で決定された大きさとなるように検出信号を調整する。

ＡＧＣ７４で調整された検出信号は、第２のアンプ７５で増幅され、切り替えスイッチ８０を介して、位相比較器６１、ＭＥＭＳ光スキャナ１の圧電素子２３，２４、及び、ドットクロック発生部９０に駆動信号として供給される。

ドットクロック発生部９０は、映像信号と同期させるためのクロックを発生させる。
ドットクロック発生部９０は、駆動信号となる交流信号を画素数の分だけＰＬＬ回路で分割して生成する。

駆動しているミラー３０に、変調されたレーザ光が照射されることにより、ミラー３０に照射されたレーザ光はミラー構造３５によって高い反射率で反射される。

［実施例］
Ｔｉの含有率が２％のＡｌ合金からなるターゲットを用いて真空中でスパッタリングを行うことにより、ミラー３０のシリコン層５１上に、厚さが２００μｍの金属反射膜３１が形成される。

真空を解放して常温大気中で金属反射膜３１の表層を自然酸化させることより、酸化層３２が形成される。

ＳｉＯ_２ターゲットとＴｉＯ_２ターゲットの２つのターゲットを用いて真空中でＲＦスパッタリングを行う。これにより、酸化層３２上に、ＳｉＯ_２からなる第１の誘電体層４１と、ＴｉＯ_２からなる第２の誘電体層４２と、ＳｉＯ_２からなる第３の誘電体層４３と、ＴｉＯ_２からなる第４の誘電体層４４と、が順次積層された積層構造を有する増反射膜４０が形成される。

光の３三原色である赤色光、緑色光、及び青色光を含む可視光域での増反射膜４０の反射率が高くなるように、ＳｉＯ_２及びＴｉＯ_２の光学定数を予め計測し、位相光学や幾何学光学等の光学計算を行っている。その結果、増反射膜４０は、第１〜第４の誘電体層４１〜４４の厚さがそれぞれ７０μｍとなるように形成されている。

以上の手順によって、シリコン層５１上に、金属反射膜３１と酸化層３２と増反射膜４０とが積層されたミラー構造３５を有するミラー３０が形成される。

［比較例１］
比較例１のミラーは、実施例のミラーに対して、酸化層３２が形成されないように真空を維持した状態で、金属反射膜３１上に増反射膜４０が形成されている点で実施例と相違し、それ以外は実施例と同じである。

［比較例２］
比較例２のミラーは金属反射膜３１のみが形成されている。

［反射率比較］
上述した実施例、比較例１、及び比較例２のミラーに、中心波長が４５０ｎｍの青色レーザ光、中心波長が５５０ｎｍの緑色レーザ光、及び、中心波長が６３０ｎｍの赤色レーザ光をそれぞれ照射し、各ミラーの反射率を測定した結果を図４に示す。なお、図４中に記載されている予測値は、光学計算によって算出された反射率である。

図４に示すように、実施例は、全ての測定波長において、比較例１及び比較例２よりもミラーの反射率が向上し、予測値に近い反射率となっている。

従って、本実施形態のミラー構造、ミラー構造を有するＭＥＭＳ光スキャナ、及びミラー構造の製造方法によれば、実際のミラーの反射率が予測値と同等になり、従来よりも向上させることができる。

なお、本発明に係る実施形態は、上述した構成に限定されるものではなく、本発明の要旨を逸脱しない範囲において種々変更可能である。

例えば、実施形態のＭＥＭＳ光スキャナでは、４つのアームと４つのトーションバーを有する構成としているが、２つのアームと２つのトーションバーを有する構成としてもよい。

また、ミラーの往復回転駆動が可能であれば、トーションバーはミラーの回動中心軸上に配置されていてもよく、回動中心軸から離れた位置に配置されていてもよい。

また、実施形態のＭＥＭＳ光スキャナでは、圧電素子によってミラーを駆動させているが、これに限定されるものではない。電磁コイルと永久磁石を用いた電磁駆動や静電駆動でミラーを駆動させてもよい。

また、実施形態のＭＥＭＳ光スキャナでは、圧電素子によってミラーの駆動状態を検出しているが、これに限定されるものではない。トーションバーにピエゾ抵抗素子を形成したり、ミラーにレーザ光を照射してその反射角度を測定したりすることによってミラーの駆動状態を検出することもできる。

３０ミラー
３１金属反射膜
３２酸化層
３５ミラー構造
４０増反射膜
４１〜４４誘電体層
５１基部（シリコン層）

Claims

基部上に形成され、所定の金属を含む金属反射膜と、
前記金属反射膜の表層が酸化されることにより形成され、前記所定の金属の酸化物を含む酸化層と、
前記酸化層上に形成され、互いに屈折率の異なる誘電体層が交互に積層された積層構造を有する増反射膜と、
を備えることを特徴とするミラー構造。
枠状のフレームと、
前記フレームの枠内に配置され、前記フレームに一端側が固定されたアームと、
前記フレームの枠内に配置され、前記アームの他端側に一端側が接続されたトーションバーと、
前記フレームの枠内に配置され、前記トーションバーの他端側に接続されたミラーと、
を備え、
前記ミラーは、
基部上に形成され、所定の金属を含む金属反射膜と、
前記金属反射膜の表層が酸化されることにより形成され、前記所定の金属の酸化物を含む酸化層と、
前記酸化層上に形成され、互いに屈折率の異なる誘電体層が交互に積層された積層構造を有する増反射膜と、
を含むミラー構造を有することを特徴とするＭＥＭＳ光スキャナ。
基部上に、所定の金属を含む金属反射膜を形成し、
前記金属反射膜の表層を酸化させ、前記所定の金属の酸化物を含む酸化層を形成し、
前記酸化層上に、互いに屈折率の異なる誘電体層を交互に積層させて増反射膜を形成する、
ことを特徴とするミラー構造の製造方法。