JP4400865B2

JP4400865B2 - 光偏向装置

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Publication number: JP4400865B2
Application number: JP2004001239A
Authority: JP
Inventors: 静一加藤; 健南條; 剛一大高
Original assignee: Ricoh Co Ltd
Current assignee: Ricoh Co Ltd
Priority date: 2004-01-06
Filing date: 2004-01-06
Publication date: 2010-01-20
Anticipated expiration: 2024-01-06
Also published as: JP2005195798A; US20050169156A1; US7167290B2

Description

本発明は、入射光に対する出射光の方向を変える光偏向装置の駆動方法に関し、例えば、電子写真方式のプリンタや複写機等の画像形成装置、投影プロジェクターやデジタルシアターシステム等の投影型画像映像表示装置に好適な技術に関する。

静電力を利用した光スイッチデバイスとしては、片持ち梁を静電力で撓ませて光の反射方向を変えてスイッチするデバイス及びそれを用いた光偏向システムが、K．E．Petersenにより１９７７年に発表されている（非特許文献１、特許文献１、２を参照）。またD．M．Bloomらが、回折格子を静電力で駆動して光スイッチする素子を発表している（非特許文献２を参照）。

さらに、光偏向システムを用いた画像装置としては、チボーらが、デジタルマイクロミラーデバイス（ＤＭＤ）を一次元または二次元に配置したものを提案している（特許文献３を参照）。

さらに、上記デジタルマイクロミラーデバイスの素子構造として、L．J．Hornbeckが、ねじり梁型やカンチレバー梁型のデジタルマイクロミラーデバイスを発表している（非特許文献３を参照）。L．J．Hornbeckが発表したねじり梁型やカンチレバー型のデジタルマイクロミラーデバイスは、本発明と同様、ミラー部は傾斜されて用いられるが、本発明の光偏向装置と異なり、ミラー部は少なくとも一箇所以上の固定端を有している構造となっている。

また、ゲルバートにより、両端固定型の梁を円筒状に撓み変形させて、高速に光偏向を行う素子が提案されている（特許文献４を参照）。

Applied Physics Letters，Vol．31，No．8，pp521〜pp523 Optics Letters，Vol．7，No．9，pp688〜pp690 Proc．SPIEVol．1150，pp．86-102(1989) 特許第２９４１９５２号公報特許第３０１６８７１号公報特開平６−１３８４０３号公報特開２０００−２８４２号公報

上記した片持ち梁を利用した光スイッチやカンチレバー梁型のデジタルマイクロミラーデバイスは、梁の安定性の確保が難しく、かつ応答速度も速くできない欠点があり、また、ねじり梁型のデジタルマイクロミラーデバイスは、ヒンジ部（ねじり梁）の機械的強度が長期使用時に劣化する欠点がある。また、特許文献１、２に示される光スイッチ素子は、入射光の波長が制限されるという欠点があり、特許文献４に開示されている素子、すなわち平行な空隙を電極間に有しその静電引力により両端固定梁を円筒状に撓ませる素子は、高速に変形することが可能で応答速度を速くできる利点があるが、両端が固定されているため、駆動電圧が片持ち梁型やカンチレバー梁型やねじり梁型のデバイスに比べ、低くできない欠点がある。

上記従来技術に開示されている光スイッチは、（ａ）捻り梁型、（ｂ）カンチレバー型、（ｃ）両端固定梁型の何れかの型である。これら従来の光スイッチは２〜３個の電極を具備し、平面で対向する電極間に異なる電位を印加して静電引力を作用させ、ミラー面を変位させ光偏向動作を行うデバイスである。それに対し、本発明の光偏向装置は、複数の電極（代表的には４個の電極）が同一平面上に形成され、それと対向して電気的に浮いている導電体層を有する板状部材が構成され、隣接する電極間に異なる電位を印加することにより、電気的に浮いている板状部材が任意の電位となり、該板状部材に静電引力が作用し、ミラー面を有する板状部材が支点部材を中心に傾斜変位し光偏向動作を行うデバイスである。

光偏向装置の駆動動作は通常、駆動電圧でミラーが定められた範囲で移動して光の反射方向を偏向し、電圧を戻すとミラーが元の位置に剛性により復元する。このため、ミラーが外れないように移動位置を限定するため、固定端に剛性を持つ部材で固定している。このような剛性を利用しているため、駆動速度を向上する場合は剛性を大きく設定するため、駆動電圧も増加してしまうという問題がある。また、剛性部材には弾性限界、破壊限界があり、移動範囲にも制限がある。

本発明は上記した問題点に鑑みてなされたもので、
本発明の目的は、ミラーの回転運動をスムーズに行うことができる光偏向装置を提供することにある。

本発明の光偏向装置は、複数の電極によるミラーで静電誘導により生じた電荷と電極間の静電力でミラーを移動する構成を採っている。剛性を利用しないため、偏向角が剛性部材の弾性限界や破壊限界に依存せず、自由に設定できる特徴がある。そのため、本発明の方式の光偏向装置では、ミラーの回転の軸の形成が重要である。本発明の光偏向装置では、ミラーの重心やミラー形状の線対称軸付近への切り込みで水平方向の移動の制限とミラー横近傍に設けた部材からミラー側にせり出した庇状部材によりミラーが上方に移動するのを制限している。さらに、ミラーの重心付近やミラー形状の線対称軸付近に穴を形成し、ミラー横の部材から該穴を貫通し支点部材まで到達するリング状構造でミラーの移動を制限し、ミラーが重心を中心に回転の自由度を持たせることができる。また、ミラーの重心付近やミラーの線対称軸付近の側面より突き出した部分を設け、ミラー横の軸受け構造により水平方向と上方への移動を制限し、回転の自由度を与えることができる。

本発明によれば、ミラー（板状部材）に軸受けを設けることでミラーの回転運動をスムーズに行うことができる。また、軸受け機構を透明にすることで軸受け部材がミラーを覆っても光を反射し、反射効率の低下を低減できる。

以下、発明の実施の形態について図面により詳細に説明する。

図１は、本発明の光偏向装置の第１の構成を示す。図１において、（ａ）は光偏向装置の平面図、（ｂ）はミラーなし電極構成図（ミラーをはずし電極を表した図）、（ｃ）はＡ−Ｂ断面図、（ｄ）はミラー平面図、（ｅ）はＹ−Ｚ断面図、（ｆ）はＣ−Ｄ断面図である。

Ａ−Ｂ断面図（ｃ）に示すように、シリコン基板１０１上に、尾根の頂部を有する支点部材１０５を形成し、酸化膜１０２で絶縁し、複数の電極例えば４電極１０３（ミラーなし電極構成図（ｂ）を参照）を設け、酸化膜１０４など絶縁膜で覆う。支点部材１０５の尾根の頂部が支点となり導体のミラー１０６をシーソーのように回転移動できる位置に配置する。

基板上の４つの電極Ａ〜Ｄにそれぞれ電圧を加えると、導体膜であるミラー１０６に静電誘導により電荷が現れ、電極側に静電力により引き付けられる。駆動法の例としては、特に電極Ａと電極Ｂに電位差を与え、その１／２を電極Ｃと電極Ｄに加えると電極Ａと電極Ｂによりミラー１０６に静電誘導で吸引力が発生する。このとき、ミラー１０６の電位は電極Ａと電極Ｂの中間の電位になる。電極Ｃと電極Ｄには、あらかじめ電極Ａと電極Ｂの電位にしてあるので、電極Ｃと電極Ｄ側には静電力が働かず、電極Ａと電極Ｂ側に引き込まれる。このようにして、ミラー１０６が傾き入射光が偏向される。また、同様に電極Ｃと電極Ｄ間に電位差を与え、電極Ａと電極Ｂに電極Ｃと電極Ｄの中間の電位を与えると、ミラー１０６は電極Ｃと電極Ｄ側に引き込まれる。これが、特願２００２−２８２８５８号を基にする本発明の光偏向装置の動作原理である。

本偏向方式でミラー１０６を可動するには、ミラー１０６が回転できかつ外れないように軸に対して半固定する必要がある。さらに軸の位置がミラー１０６の線対称の位置にあるのが好ましい。また、支点部材１０５に対し、ミラー１０６の線対称の位置に配置されることが好ましい。ミラー１０６の形状が対称でない場合は軸受けの位置と支点部材１０５の位置が重心線の位置とすることが好ましい。

図２は、ミラー形状が対称でない場合の実施例として重心線に支点部材１０５の位置と軸受けの位置を配置した構成を示す。光偏向装置においては片方の傾斜を光がＯＮでもう一方の傾斜を光がＯＦＦに使用する場合がある。そこで反射面積をある程度確保し、かつ低い支点部材でより大きな偏向角を得ることができる。このような場合は、短い方のミラー腕側を厚くするなどで重くすることで、重心を設定できる。

本発明の光偏向装置では、軸受け構造として、ミラー１０６に切り込みを加える方法（図１）、ミラー１０６に穴を形成しリング状に半固定にする方法（図３）、ミラーの水平方向に突起を設ける方法（図４）を提案する。

ミラーに切り込みを設ける方法（図１）
Ｃ−Ｄ断面図（ｆ）にも示すように、ミラー膜１０６に切り込みを形成し、軸受部材１０８と切り込み１０７が当たることにより水平方向のずれを防止する。Ａ−Ｂ断面図（ｃ）とＹ−Ｚ断面（ｅ）にも示すように、軸受け上部の庇１０９により上方へのミラー１０６の外れを防止する。支点部材１０５の尾根の頂部が支点であるので下方へのずれは生じない。また、軸方向へのずれはＹ−Ｚ断面図に示すように、軸受け部材１０８により制限される。これらによりミラー１０６は電極側に当たるまでは回転の自由度を持ちかつミラー１０６が外れないような軸受けを形成できる。

ミラーにリング機構を設ける方法（図３）
図３は、本発明の光偏向装置の第３の構成を示す。図３において、（ａ）は平面図、（ｂ）はミラーなし電極構成図（ミラーをはずし電極を表した図）、（ｃ）はＡ−Ｂ断面図、（ｄ）はミラー平面図、（ｅ）はＣ−Ｄ断面図、（ｆ）はＹ−Ｚ断面図である。

ミラー平面図（ｄ）に示すように、ミラー膜１０６に穴１２２を形成し、軸受け部分１２１（部材１２３、部材１２４から成る）と支点部材１０５によりリング機構を構成し、Ａ−Ｂ断面図（ｃ）にも示すように、ミラー１０６の水平方向への移動を部材１２３により、またＣ−Ｄ断面図（ｅ）にも示すように、上方への移動を部材１２４により制限し、軸受けとし機能するようにできる。また、軸方向への移動はＹ−Ｚ断面図（ｆ）のように部材１２３で制限している。軸受け部材がミラー１０６を覆う場合、光の反射効率が低下するが、透明の材料を使用することで部材の下のミラー１０６への光の入射と反射を可能にし、反射効率を向上できる。

ミラー水平方向の突起を軸とする方法（図４）
図４は、本発明の光偏向装置の第４の構成を示す。図４において、（ａ）は平面図、（ｂ）はミラーなし電極構成図（ミラーをはずし電極を表した図）、（ｃ）はＡ−Ｂ断面図、（ｄ）はミラー平面図、（ｅ）はＣ−Ｄ断面図、（ｆ）はＹ−Ｚ断面図である。

ミラー平面図（ｄ）に示すように、ミラー１０６の水平方向に突起１３２を形成して、それを軸受け部分１３１で囲うようにすることで、Ｃ−Ｄ断面図（ｅ）に示すように、水平方向への移動と上方への移動を制限し、軸受けとして機能するようにできる。Ｙ−Ｚ断面図（ｆ）に示すように軸方向への移動も制限できる。

図５〜図８は、ミラーに切り込みを設ける方法の代表的な製造方法を示す。素子サイズはミラーが２０μｍ角、ミラー傾斜角が１５°の場合を例にした。
（ａ）Ｓｉウエハを基板１０１とする場合を例とし説明する。有機レジストを用い階調をもつフォトマスクでフォトリソグラフィによりマスクを形成し、ＳＦ６とＯ２の混合ガスによるＲＩＥ（Reactive Ion Etching）によりＳｉを２．６μｍエッチングして、支点部材１０５を形成する。熱酸化を５００ｎｍ行い、絶縁膜１０２を形成する。
（ｂ）電極１０３となるＴｉＮ膜をスパッタ法で１５０ｎｍ成膜し、有機レジストを用いフォトリソグラフィでパターンニングする。Ｃｌ２ガスによるＲＩＥでエッチングし、電極を形成する。ＳｉＨ４とＮ２Ｏの混合ガスによるプラズマＣＤＶ法により、保護絶縁膜１０４を２５０ｎｍ成膜する。
（ｃ）ＳｉＨ４の熱ＣＶＤ法で犠牲層となるｐｏｌｙ−Ｓｉを４．０μｍ成膜する。ＣＭＰ（Chemical Mechanical Polishing）法により、平坦化する。
（ｄ）ミラー１０６となる金属膜、例えばＡｌやＡｌ−Ｔｉ合金やＣｒなどを１００ｎｍ成膜する。フォトリソグラフィとＣｌ２のＲＩＥでエッチングしパターンニングする。これによりミラーの切り込みを形成することができる
（ｅ）アモルファスＳｉをＳｉＨ４とＨ２の混合ガスのプラズマＣＶＤ法で２００ｎｍ成膜する。
（ｆ）ｐｏｌｙ−ＳｉとアモルファスＳｉをフォトリソグラフィとＳＦ６とＯ２の混合ガスのＲＩＥでパターンニングする。
（ｇ）軸受け１０８，１０９となる部材例えば酸化膜ＳｉＯ２をＳｉＨ４とＮ２Ｏの混合ガスの熱ＣＶＤ法やプラズマＣＶＤ法で５００ｎｍ成膜する。このとき、酸化膜はミラー部材とアモルファスＳｉが積層された段差をステップして覆う状態になる。フォトリソグラフィとＣＦ４とＨ２の混合ガスのＲＩＥでエッチングする。これにより軸受けのパターンが形成される。配線をボンディングするパッド用のＡｌを成膜する。
（ｈ）犠牲層であるｐｏｌｙＳｉとアモルファスＳｉをＴＭＡＨ（トリメチル・アンモニューム・ハイドレイド）でエッチングする。
（ｉ）ミラーが自由になり支点部材にシーソー状に横たわるようになる。

図９〜図１２は、リング機構によりミラーを半固定にする方法の代表的な製造方法を示す。ミラー寸法は２０μｍ角ミラー上の穴は軸方向４μｍ、可動方向５μｍとし、ミラー傾斜角を１５°の場合を例とした。
（ａ）Ｓｉウエハを基板１０１とする場合を例とし説明する。階調性のフォトマスクで有機レジストによるフォトリソグラフィによりマスクを形成し、ＳＦ６とＯ２の混合ガスによるＲＩＥ（Reactive Ion Etching）によりＳｉを２．６μｍエッチングして、支点部材１０５を形成する。熱酸化５００ｎｍを行い、絶縁膜１０２を形成する。
（ｂ）電極１０３となるＴｉＮ膜をスパッタ法で１５０ｎｍ成膜し、有機レジストを用いフォトリソグラフィでパターンニングする。Ｃｌ２ガスによるＲＩＥにてエッチングし、電極を形成する。ＳｉＨ４とＮ２Ｏの混合ガスによるプラズマＣＶＤ法により、保護絶縁膜１０４を２５０ｎｍ成膜する。
（ｃ）ＳｉＨ４の熱ＣＶＤ法で犠牲層となるｐｏｌｙ−Ｓｉを４．０μｍ成膜する。ＣＭＰ（Chemical Mechanical Polishing）法により、平坦化する。
（ｄ）ミラー１０６となる金属膜例えばＡｌやＡｌ−Ｔｉ合金やＣｒなどを１００ｎｍ成膜する。フォトリソグラフィとＣｌ２のＲＩＥでエッチングしパターンニングする。これによりミラーの穴を形成することができる
（ｅ）アモルファスＳｉをＳｉＨ４とＨ２の混合ガスのプラズマＣＶＤ法で成膜する。
（ｆ）ｐｏｌｙ−ＳｉとアモルファスＳｉをフォトリソグラフィとＳＦ６とＯ２の混合ガスのＲＩＥでパターンニングする。ミラー穴１２２に対応したミラー膜の下のｐｏｌｙ−ＳｉとアモルファスＳｉもエッチングで除く。
（ｇ）軸受けとなる部材例えば酸化膜ＳｉＯ２をＳｉＨ４とＮ２Ｏの混合ガスの熱ＣＶＤ法やプラズマＣＶＤ法で５００ｎｍ成膜する。このとき、酸化膜はミラー部材とアモルファスＳｉが積層された段差をステップして覆う状態になる。フォトリソグラフィとＣＦ４とＨ２の混合ガスのＲＩＥでエッチングする。軸受け１２１，１２３のパターンが形成される。配線をボンディングするパッド用のＡｌを成膜する。
（ｈ）犠牲層であるｐｏｌｙＳｉとアモルファスＳｉをＴＭＡＨ（トリメチル・アンモニューム・ハイドレイド）でエッチングする。
（ｉ）ミラーが自由になり支点部材にシーソー状に横たわるようになる。

図１３〜図１６は、ミラー水平方向の突起を軸とする方法の代表的な製造方法を示す。
ミラーは２０μｍ角とし突起部分は幅５μｍ、突き出しは５μｍとし、ミラー傾斜角１５°の場合を例とした。
（ａ）Ｓｉウエハを基板１０１とする場合を例とし説明する。階調性のフォトマスクで有機レジストによるフォトリソグラフィによりマスクを形成し、ＳＦ６とＯ２の混合ガスによるＲＩＥ（Reactive Ion Etching）によりＳｉを２．６μｍエッチングして、支点部材１０５を形成する。熱酸化を５００ｎｍ行い、絶縁膜１０２を形成する。
（ｂ）電極１０３となるＴｉＮ膜をスパッタ法で１５０ｎｍ成膜し、有機レジストを用いフォトリソグラフィでパターンニングする。Ｃｌ２ガスによるＲＩＥでエッチングし、電極を形成する。ＳｉＨ４とＮ２Ｏの混合ガスによるプラズマＣＤＶ法により、保護絶縁膜１０４を２５０ｎｍ成膜する。
（ｃ）ＳｉＨ４の熱ＣＶＤ法で犠牲層となるｐｏｌｙ−Ｓｉを４．０μｍ成膜する。ＣＭＰ（Chemical Mechanical Polishing）法により、平坦化する。
（ｄ）ミラー１０６となる金属膜例えばＡｌやＡｌ−Ｔｉ合金やＣｒなどを１００ｎｍ成膜する。フォトリソグラフィとＣｌ２のＲＩＥでエッチングしパターンニングする。これによりミラーの突起を形成することができる
（ｅ）アモルファスＳｉをＳｉＨ４とＨ２の混合ガスのプラズマＣＶＤ法で成膜する。
（ｆ）ｐｏｌｙ−ＳｉとアモルファスＳｉをフォトリソグラフィとＳＦ６とＯ２の混合ガスのＲＩＥでパターンニングする。
（ｇ）軸受けとなる部材例えば酸化膜ＳｉＯ２をＳｉＨ４とＮ２Ｏの混合ガスの熱ＣＶＤ法やプラズマＣＶＤ法で１．０μｍ成膜する。このとき、酸化膜はミラー部材とアモルファスＳｉが積層された段差をステップして覆う状態になる。フォトリソグラフィとＣＦ４とＨ２の混合ガスのＲＩＥでエッチングする。軸受け１３１のパターンが形成される。配線をボンディングするパッド用のＡｌを成膜する。
（ｈ）犠牲層であるｐｏｌｙＳｉとアモルファスＳｉをＴＭＡＨ（トリメチル・アンモニューム・ハイドレイド）でエッチングする。
（ｉ）ミラーが自由になり支点部材にシーソー状に横たわるようになる。

軸式などミラー側面にスペースを占める軸受けを用いる場合は、図１７のように千鳥配置を用いることでミラーの配置密度を向上することができ、表示装置に応用した場合の光反射効率を向上することができる。

本発明の光偏向装置の第１の構成を示す。本発明の光偏向装置の第２の構成を示す。本発明の光偏向装置の第３の構成を示す。本発明の光偏向装置の第４の構成を示す。実施例１の製造方法を示す。図５の続きを示す。図５の続きを示す。図５の続きを示す。実施例２の製造方法を示す。図９の続きを示す。図９の続きを示す。図９の続きを示す。実施例３の製造方法を示す。図１３の続きを示す。図１３の続きを示す。図１３の続きを示す。偏向装置を千鳥配置した例を示す。

１０１シリコン基板
１０２、１０４酸化膜
１０３電極
１０５支点部材
１０６ミラー
１０７切り込み
１０８軸受け部材
１０９庇

Claims

光反射領域を有する板状部材が静電引力で変位することにより、該光反射領域に入射する光束が反射方向を変えて偏向される光偏向装置であって、基板と、支点部材と、板状部材と、複数の電極を有し、前記支点部材は尾根の頂部を有して前記基板の上面の、前記板状部材の回転軸近傍に設けられ、前記板状部材は固定端を持たず、上面に前記光反射領域を有し、少なくとも一部に導電性を有する部材からなる導電体層を有して前記支点部材の尾根の頂部を支点として回転移動し、前記複数の電極は前記基板上にそれぞれ設けられ、前記板状部材の導電体層とほぼ対向している構成を有する光偏向装置において、前記板状部材の基板方向への回転自由度を確保できる回転軸受けを、前記板状部材の回転軸の両端部にそれぞれ相当する前記基板上の位置に設け、前記各回転軸受けに対応して前記板状部材の側面の両方に切り込みを設け、前記各回転軸受けの上部に、前記板状部材側にせり出した庇を設けたことを特徴とする光偏向装置。
光反射領域を有する板状部材が静電引力で変位することにより、該光反射領域に入射する光束が反射方向を変えて偏向される光偏向装置であって、基板と、支点部材と、板状部材と、複数の電極を有し、前記支点部材は尾根の頂部を有して前記基板の上面の、前記板状部材の回転軸近傍に設けられ、前記板状部材は固定端を持たず、上面に前記光反射領域を有し、少なくとも一部に導電性を有する部材からなる導電体層を有して前記支点部材の尾根の頂部を支点として回転移動し、前記複数の電極は前記基板上にそれぞれ設けられ、前記板状部材の導電体層とほぼ対向している構成を有する光偏向装置において、前記板状部材の基板方向への回転自由度を確保できる回転軸受けを、前記板状部材の回転軸の両端部にそれぞれ相当する前記基板上の位置に設け、前記各回転軸受けに対応して、前記板状部材にそれぞれ穴を設け、前記回転軸受けから前記穴を貫通し前記支点部材まで到達する部材と、前記回転軸受けからなるリング機構を設け、前記リング機構は透明材料で形成されていることを特徴とする光偏向装置。
光反射領域を有する板状部材が静電引力で変位することにより、該光反射領域に入射する光束が反射方向を変えて偏向される光偏向装置であって、基板と、支点部材と、板状部材と、複数の電極を有し、前記支点部材は尾根の頂部を有して前記基板の上面の、前記板状部材の回転軸近傍に設けられ、前記板状部材は固定端を持たず、上面に前記光反射領域を有し、少なくとも一部に導電性を有する部材からなる導電体層を有して前記支点部材の尾根の頂部を支点として回転移動し、前記複数の電極は前記基板上にそれぞれ設けられ、前記板状部材の導電体層とほぼ対向している構成を有する光偏向装置において、前記板状部材の基板方向への回転自由度を確保できる回転軸受けを、前記板状部材の回転軸の両端部にそれぞれ相当する前記基板上の位置に設け、前記板状部材の側面の両方に突起を形成し、前記突起を前記回転軸受け内に配置することを特徴とする光偏向装置。