JP2016151681A

JP2016151681A - Ｍｅｍｓ光スキャナ

Info

Publication number: JP2016151681A
Application number: JP2015029179A
Authority: JP
Inventors: 昭彦野村; Akihiko Nomura
Original assignee: JVCKenwood Corp
Current assignee: JVCKenwood Corp
Priority date: 2015-02-18
Filing date: 2015-02-18
Publication date: 2016-08-22

Abstract

【課題】従来よりも高速で、かつ、大きい偏向角でミラーを駆動させることができるＭＥＭＳ光スキャナを提供する。
【解決手段】ＭＥＭＳ光スキャナ１は、フレーム２、複数のアーム３〜６、複数のトーションバー１３〜１６、及びミラー１０を備える。複数のアーム３〜６は一端側がフレーム２に固定されている。複数のトーションバー１３〜１６は一端側が複数のアーム３〜６の他端側に接続され、他端側がミラー１０に接続されている。ミラー１０は照射される光を反射する反射面を有する。ミラー１０の反射面とは反対側の面には、ミラー１０との接続部よりも先端部が細い、先細り形状を有する補強リブが形成されている。
【選択図】図２

Description

本発明は、ＭＥＭＳ（Micro Electro Mechanical System）技術を用いたＭＥＭＳ光スキャナに関する。

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つの光スキャナを用いてレーザ光を水平方向及び垂直方向に走査させることにより、スクリーン上に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技術を用いて形成されたＭＥＭＳ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で作製される。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。

画像の高解像度化や大画面化に対応させるため、ＭＥＭＳ光スキャナには、高速で、具体的には高い共振周波数で、かつ、大きい偏向角でミラーを駆動させることが要求される。

高解像度化に対しては、例えばＷＸＧＡ（Wide eXtended Graphics Array）の解像度を得るためには３０ｋＨｚ程度の共振周波数が要求される。大画面化に対しては２５°〜４０°の偏向角が要求される。

ミラーを高速で、かつ、大きい偏向角で駆動させるためには、ミラーを軽くすることが有効である。ミラーを軽くすることで慣性モーメントを小さくすることができる。ミラーにはレーザ光が所定のスポット径で照射されるため、ミラーはレーザ光のスポット径と同程度の大きさが必要である。

そこで、ミラーを軽くするためにミラーを薄くすると、ミラーを駆動させたときにミラーが撓み変形するという問題が生じる。ミラーが撓み変形すると、特にミラーが大きく振れる画面端部で画像のボケや歪みが生じ、画質を悪化させる要因となる。

特許文献１には、ミラーの撓み変形を抑制するために、ミラーの裏面に補強部材が形成された光スキャナが記載されている。

特開２０１２−１０８３０９号公報

しかしながら、特許文献１に記載されている光スキャナでは、ミラーの裏面全面に亘って補強部材が形成されている。補強部材によるミラー重量の増加は、例えばミラーの駆動共振周波数を低下させる要因となる。

そこで、本発明は、従来よりも高速で、かつ、大きい偏向角でミラーを駆動させることができるＭＥＭＳ光スキャナを提供することを目的とする。

本発明は、上述した従来の技術の課題を解決するため、フレームと、前記フレームに一端側がそれぞれ固定された複数のアームと、前記複数のアームの他端側に一端側がそれぞれ対応して接続された複数のトーションバーと、前記複数のトーションバーの他端側が接続され、照射される光を反射する反射面を有するミラーと、前記ミラーの前記反射面とは反対側の面に形成され、前記ミラーとの接続部よりも先端部が細い、先細り形状を有する補強リブと、を備えていることを特徴とするＭＥＭＳ光スキャナを提供する。

本発明のＭＥＭＳ光スキャナによれば、従来よりも高速で、かつ、大きい偏向角でミラーを駆動させることができる。

実施形態のＭＥＭＳ光スキャナを説明するための平面図である。実施形態のＭＥＭＳ光スキャナの各部位の層構成を説明するための断面図である。実施形態のＭＥＭＳ光スキャナの製造方法を説明するための概念図である。実施形態のＭＥＭＳ光スキャナの製造方法を説明するための概念図である。実施形態のＭＥＭＳ光スキャナの製造方法を説明するための概念図である。実施形態のＭＥＭＳ光スキャナの製造方法を説明するための概念図である。実施形態のＭＥＭＳ光スキャナの補強リブの他の実施例を説明するための断面図である。実施形態のＭＥＭＳ光スキャナの補強リブの他の実施例の製造方法を説明するための断面図である。実施例及び比較例の補強リブが形成されているミラーの構造解析シミュレーション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光スキャナをミラーの反射面側から見た平面図である。図１（ｂ）はＭＥＭＳ光スキャナをミラーの裏面側から見た平面図である。

図１（ａ），（ｂ）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７，８と、ミラー１０と、を備えている。

フレーム２は枠状の平面形状を有する。ミラー１０は円板形状を有する。

アーム３，４，５，６、トーションバー１３，１４，１５，１６、及び、ミラー１０は、フレーム２の枠内の空隙部に配置されている。なお、図１（ａ），（ｂ）において、符号９ａ，９ｂを付した略コ字形状部と符号９ｃ，９ｄを付したＴ字形状部はそれぞれ空隙部である。

図１（ａ）において、ミラー１０の紙面手前側の面が、外部から照射されたレーザ光を反射する反射面となっている。なお、ミラー１０の反射面とは反対側の面（図１（ｂ）における紙面手前側の面）を裏面と称す。

ミラー１０の反射面には高反射率の金属膜が形成されている。金属膜の材料として、可視光域での反射率が高く、可視光域全域に亘って反射率が比較的一定であり、高耐蝕性に優れるＡｌやＡｌを主成分とする合金を用いることが好ましい。

図１（ｂ）に示すように、ミラー１０の裏面には補強リブ３０が形成されている。

補強リブ３０は、その重心Ｃ３０の位置が、ミラー１０の回動中心軸Ｂ−Ｂ上に位置するように、ミラー１０の裏面の外周に沿ってリング状に形成されている。補強リブ３０の重心Ｃ３０の位置はミラー１０の重心Ｃ１０の位置と一致していることが好ましい。

補強リブ３０の外径は、ミラー１０の外径に対して８０％〜９５％の範囲に設定されていることが好ましい。

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１０の重心Ｃ１０を通り、ミラー１０の回動中心軸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１０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１０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１０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１０に接続されている。

圧電素子７は、アーム３上の領域及びアーム４上の領域を含んで形成されている。図１（ａ）は、圧電素子７が、アーム３上の領域及びアーム４上の領域を含むコ字状の領域に形成されている形態を示している。

圧電素子８は、アーム５上の領域及びアーム６上の領域を含んで形成されている。図１（ａ）は、圧電素子８が、アーム５上の領域及びアーム６上の領域を含むコ字状の領域に形成されている形態を示している。

圧電素子７及び圧電素子８は、下電極と圧電膜と上電極とが積層された積層構造をそれぞれ有している。圧電膜の材料として、例えばチタン酸ジルコン酸鉛（ＰＺＴ）等の高い圧電特性を有する材料を用いることができる。

フレーム２上には、圧電素子７の上電極から延伸する引き出し電極２１、及び、圧電素子７の下電極から延伸する引き出し電極２２が、それぞれ形成されている。
フレーム２上には、圧電素子８の下電極から延伸する引き出し電極２３、及び、圧電素子８の上電極から延伸する引き出し電極２４が、それぞれ形成されている。

図２を用いて、ＭＥＭＳ光スキャナ１の各部位の層構成を説明する。図２は図１（ａ）及び図１（ｂ）の中心線Ａ−Ａにおける断面図である。なお、図２における下側の面を裏面と称す。

ＭＥＭＳ光スキャナ１は、シリコン層（第１のシリコン層）４１と埋め込み酸化層４２とシリコン層（第２のシリコン層）４３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、ボッシュプロセス（Bosch process）を用いて深掘りエッチングすることで作製することができる。

シリコン層４１の厚さは例えば５０μｍである。埋め込み酸化層４２の厚さは例えば２μｍである。シリコン層４３の厚さは例えば４００μｍである。

フレーム２は、シリコン層４１と埋め込み酸化層４２とシリコン層４３との積層構造を有している。なお、図２中のハードマスク４５はＭＥＭＳ光スキャナ１の製造過程でエッチングマスクとして用いられるものである。そのため、フレーム２の構成上なくてもよい。

アーム３，４，５，６、トーションバー１３，１４，１５，１６、及び、ミラー１０は、フレーム２の上層と共通のシリコン層４１で形成されている。

補強リブ３０は、フレーム２の中間層と共通の埋め込み酸化層４２と、フレーム２の下層と共通のシリコン層４３との積層構造を有している。

補強リブ３０は、ミラー１０との接続部よりも先端部が細い、先細り形状を有している。

図１（ａ）及び図１（ｂ）を用いて、ＭＥＭＳ光スキャナ１の駆動方法を説明する。

外部から、引き出し電極２１及び引き出し電極２２を介して、圧電素子７の上電極及び下電極に、所定の周波数または調整された周波数の交流電圧が印加される。上電極と下電極との間に形成されている圧電膜は、交流電圧値に応じた圧電効果によって変形を繰り返す。

アーム３，４は、圧電素子７の圧電膜の変形の影響を受け、フレーム２に固定された一端側を支点として、それぞれの他端側が図１（ａ）及び図１（ｂ）における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１０に伝達される。これにより、ミラー１０は回動中心軸Ｂ−Ｂまわりに往復回転駆動する。ミラー１０に形成されている補強リブ３０もミラー１０と共に往復回転駆動する。

圧電素子７に印加される交流電圧の周波数は、ミラー１０、トーションバー１３，１４，１５，１６、及び、アーム３，４，５，６からなる振動系の共振周波数であり、ミラー１０が共振駆動するように設定または調整される。

交流電圧値に応じてミラー１０の偏向角を設定または調整することができる。すなわち、交流電圧値を大きくすることでミラー１０の偏向角を大きくすることができ、交流電圧値を小さくすることでミラー１０の偏向角を小さくすることができる。

ミラー１０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。これにより、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８では、圧電素子７に印加された交流電圧とはほぼ逆位相の関係にある交流電圧が生成される。圧電素子８で生成された交流電圧に基づいて、圧電素子７に印加される交流電圧を調整することができる。

圧電素子７，８のいずれ一方はミラー１０を偏向駆動させるための駆動手段として機能し、他方はミラー１０の偏向駆動の状態を検出する検出手段として機能する。

また、圧電素子７，８の両方に互いに逆位相の交流電圧を印加することで、一方の圧電素子７に交流電圧を印加する場合よりもミラー１０の偏向角を大きくすることも可能である。

なお、本実施形態では、ミラーを偏向駆動させるための駆動手段として圧電素子を形成したが、これに限定されるものではない。ミラーを偏向駆動させるための他の駆動手段として、静電力を利用してミラーを偏向駆動させる静電アクチュエータ等を用いることもできる。

また、本実施形態では、ミラーの偏向駆動の状態を検出する検出手段として圧電素子を形成したが、これに限定されるものではない。ミラーの偏向駆動の状態を検出する他の検出手段として、ピエゾ抵抗素子をトーションバーに形成する手段やミラーにレーザ光を照射してその反射角度を検出する手段等を用いることもできる。

往復回転駆動するミラー１０の反射面にレーザ光等の光を照射することにより、照射光をミラー１０の偏向角に応じて走査させることができる。

図３〜図６を用いて、ＭＥＭＳ光スキャナ１の製造方法を説明する。

図３（ａ）は図１（ａ）に対応する平面図である。図３（ｂ）は図３（ａ）の中心線Ａ−Ａにおける断面図であり、図２に対応する。
図４（ａ）は図３（ａ）に対応する平面図である。図４（ｂ）は図４（ａ）の中心線Ａ−Ａにおける断面図であり、図３（ｂ）に対応する。
図５（ａ）は図１（ｂ）に対応する平面図である。図５（ｂ）は図５（ａ）の中心線Ａ−Ａにおける断面図であり、図４（ｂ）に対応する。
図６（ａ）は図５（ａ）に対応する平面図である。図６（ｂ）は図６（ａ）の中心線Ａ−Ａにおける断面図であり、図５（ｂ）に対応する。
なお、説明をわかりやすくするために、同じ構成部には同じ符号を付して説明する。

図３（ａ），（ｂ）に示すように、シリコン層４１と埋め込み酸化層４２とシリコン層４３とが積層された積層構造を有するＳＯＩウエハのシリコン層４１上に、圧電素子７，８、及び、引き出し電極２１，２２，２３，２４を形成する。

図４（ａ）に示すように、シリコン層４１を、フォトリソグラフィを用いてエッチングし、それぞれパターン化されたアーム３，４，５，６、トーションバー１３，１４，１５，１６、及び、ミラー１０を形成する。

図４（ｂ）に示すように、シリコン層４３の裏面側に、フォトリソグラフィを用いてハードマスク４５を形成する。ハードマスク４５はフレーム２に対応する領域に形成される。

ハードマスク４５をエッチングマスクとして、エッチング後のシリコン層４３の厚さが例えば１９０μｍとなるように、シリコン層４３を裏面側からエッチングする。
なお、エッチング後にハードマスク４５を除去してもよい。

図５（ａ），（ｂ）に示すように、エッチング後のシリコン層４３の裏面に、フォトリソグラフィを用いてリング状にパターン化されたレジスト４６を形成する。レジスト４６は、補強リブ３０に対応する領域にパターン形成される。
なお、ハードマスク４５が除去されている場合には、ハードマスク４５を除去した領域にもレジスト４６を形成する。

レジスト４６をエッチングマスクとして、エッチング後のシリコン層４３をさらにエッチングする。

例えば厚さが１９０μｍと厚いシリコン層４３を深掘りエッチングする場合、一般的にボッシュプロセスが用いられる。ボッシュプロセスは、エッチングとエッチング側壁保護とを繰り返しながら行うエッチング方法である。ボッシュプロセスを用いることにより、アスペクト比の高いエッチングが可能になる。

しかしながら、本工程ではボッシュプロセスを用いずにシリコン層４３をエッチングする。具体的には、例えばＣＦ_４やＳＦ_６等のフッ素系ガスを主成分とし、酸素または塩素ガスが添加された雰囲気中で反応性エッチングを行う。

図６（ｂ）に示すように、反応性エッチングによってシリコン層４３がエッチングされることにより、ミラー１０の裏面に、ミラー１０との接続部よりも先端部が細い、先細り形状を有する補強リブ３０が形成される。

反応性エッチングの雰囲気中の酸素または塩素ガスの添加量を制御することにより、補強リブ３０の断面形状、例えば補強リブ３０の側壁の傾斜角度等を調整することができる。

レジスト４６をエッチングマスクとして埋め込み酸化層４２をエッチングした後、レジスト４６を除去することで、図１（ａ），（ｂ）、及び図２に示すＭＥＭＳ光スキャナ１を作製することができる。

［他の実施例］
補強リブ３０は、ミラー１０との接続部よりも先端部が細い、先細り形状を有していればよく、図２の形状に限定されるものではない。

そこで、図７を用いて、補強リブ３０の他の実施例を説明する。

図７（ａ）の補強リブ３０は、図２に示す実施例の補強リブ３０と同じものである。なお、図７（ａ）は、図２の補強リブ３０の部分を上下反転させて拡大した断面図である。

図７（ｂ）は他の実施例の補強リブ３１である。図７（ａ）の実施例の補強リブ３０が連続的に先細りした形状を有している。それに対して他の実施例の補強リブ３１は階段状に先細りした形状を有している。

なお、図７（ｂ）に示す補強リブ３１は２箇所の段差を有しているが、これに限定されるものではない。補強リブ３１は、ミラー１０との接続部よりも先端部が細い、先細り形状を有していればよく、段差の数や程度は特に限定されるものではない。

図７（ｃ）は比較例の補強リブ３２である。比較例の補強リブ３２は、図７（ａ），（ｂ）の補強リブ３０，３１とは異なり、先細りしていない矩形の断面形状を有している。

図８を用いて、他の実施例の補強リブ３１の製造方法を説明する。

図５（ａ）及び（ｂ）に示す実施例と同様に、エッチング後のシリコン層４３の裏面に、フォトリソグラフィを用いてリング状にパターン化されたレジスト４６を形成する。レジスト４６は、補強リブ３１が形成される領域にパターン形成される。

図８（ａ）に示すように、レジスト４６をエッチングマスクとして、エッチング後のシリコン層４３を、埋め込み酸化層４２が露出するまでボッシュプロセスを用いて第１のエッチングを行う。

図８（ｂ）に示すように、レジスト４６を除去した後、シリコン層４３の裏面（図８（ｂ）における上側の面）に、フォトリソグラフィを用いてリング状にパターン化された、レジスト４６よりも幅狭のレジスト４７を形成する。レジスト４７をエッチングマスクとして、エッチング後のシリコン層４３の表面から第１の深さＤ１までボッシュプロセスを用いて第２のエッチングを行う。

図８（ｃ）に示すように、レジスト４７を除去した後、シリコン層４３の裏面に、フォトリソグラフィを用いてリング状にパターン化された、レジスト４７よりも幅狭のレジスト４８を形成する。レジスト４８をエッチングマスクとして、エッチング後のシリコン層４３の表面から第１の深さＤ１よりも浅い第２の深さＤ２までボッシュプロセスを用いて第３のエッチングを行う。

レジスト４８及び露出している領域の埋め込み酸化層４２を除去することにより、図７（ｂ）に示す他の実施例の補強リブ３１を作製することができる。なお、第１のエッチングによって形成された、ミラー１０との接続部である幅広のシリコン層４３は、第２及び第３のエッチングによっても側壁がエッチングされてしまうため、その分を予め考慮して設計することが好ましい。

比較例の補強リブ３２は、図８（ａ）に示す第１のエッチングによってシリコン層４３をエッチングし、さらに、露出している領域の埋め込み酸化層４２をエッチングした後にレジスト４６を除去することにより、作製することができる。

図９は、実施例及び比較例の補強リブが形成されているミラーの構造解析シミュレーションの比較結果を示す図である。

実施例１の補強リブは高さが１９０μｍである。実施例１の補強リブは、ミラーとの接続部の幅が７５μｍ、高さが１２０μｍであり、先端部の幅が２５μｍ、高さが７０μｍである階段状の先細り形状を有する。

実施例２の補強リブは高さが１９０μｍである。実施例２の補強リブは、ミラーとの接続部の幅が７５μｍ、高さが１００μｍであり、先端部の幅が２５μｍ、高さが９０μｍである階段状先細り形状を有する。

比較例１の補強リブは、幅が２５μｍ、高さが１９０μｍである矩形形状を有する。
比較例２の補強リブは、幅が７５μｍ、高さが１９０μｍである矩形形状を有する。
比較例３の補強リブは、幅が７５μｍ、高さが１６０μｍである矩形形状を有する。
比較例４の補強リブは、幅が７５μｍ、高さが１３０μｍである矩形形状を有する。
比較例５の補強リブは、幅が７５μｍ、高さが１００μｍである矩形形状を有する。

実施例１，２、並びに比較例１〜５の補強リブは、いずれも外径が９６０μｍのリング形状を有し、外径が１１００μｍのミラーの裏面に形成されている。

相対歪みは、ミラーを所定の偏向角で共振駆動させた場合のミラーの歪みであり、比較例２を１００とした場合の相対値として示している。なお、ミラーの歪みはミラーの変形によって生じる状態と理想状態（変形しない状態）との変位である。従って、相対歪みの値が小さいほど、変位が小さく、ミラーの歪みが小さいことを示している。

図９に示すように、実施例１，２ともに比較例１〜５よりもミラーの歪みが低減されている。

共振周波数は、ミラーが共振駆動する共振周波数である。実施例１，２は比較例２と比較して共振周波数が高いにも係わらず、ミラーの歪みが低減されている。

相対駆動感度は、ミラーに所定の力を加えた場合にミラーが振れる大きさ（振れ角に相当する）であり、比較例２を１００とした場合の相対値として示している。相対値が大きいほど、ミラーの駆動感度がよいことを示している。

図９に示すように、実施例１，２ともに比較例２よりもミラーの駆動感度が向上している。なお、比較例１は、実施例１，２と同程度の駆動感度を有するものの、ミラーの歪みが増大している。

矩形の断面形状を有する補強リブでは、比較例１と比較例２とからわかるように、補強リブの高さを同じにして幅を小さくすると、相対駆動感度は向上するものの、ミラーの歪みが増大してしまう。

矩形の断面形状を有する補強リブでは、比較例２〜比較例５からわかるように、補強リブの幅を同じにして高さを低くすると、ミラーの歪みが増大してしまう。

それに対して実施例１，２の先細り形状を有する補強リブでは、同じ高さの比較例１，２と比較して、高い駆動感度と維持しつつミラーの歪みを低減させることができる。

なお、本発明に係る実施形態は、上述した構成及び手順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。

１ＭＥＭＳ光スキャナ
２フレーム
３，４，５，６アーム
１０ミラー
１３，１４，１５，１６トーションバー
３０，３１補強リブ

Claims

フレームと、
前記フレームに一端側がそれぞれ固定された複数のアームと、
前記複数のアームの他端側に一端側がそれぞれ対応して接続された複数のトーションバーと、
前記複数のトーションバーの他端側が接続され、照射される光を反射する反射面を有するミラーと、
前記ミラーの前記反射面とは反対側の面に形成され、前記ミラーとの接続部よりも先端部が細い、先細り形状を有する補強リブと、
を備えていることを特徴とするＭＥＭＳ光スキャナ。
前記ミラーは、所定の回動中心軸まわりに往復回転駆動され、
前記補強リブは、その重心が前記回動中心軸上に位置するように、前記ミラーの外周に沿って形成されていることを特徴とする請求項１記載のＭＥＭＳ光スキャナ。