JP4771059B2

JP4771059B2 - 走査装置及びその製作方法

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Publication number: JP4771059B2
Application number: JP2005235894A
Authority: JP
Inventors: イヤン‐ジョー; ジチャン‐ヒョン; キムセォン‐ヒョク
Original assignee: LG Electronics Inc
Current assignee: LG Electronics Inc
Priority date: 2004-08-18
Filing date: 2005-08-16
Publication date: 2011-09-14
Anticipated expiration: 2025-08-16
Also published as: US7453617B2; US20060039060A1; TWI287393B; TW200608768A; JP2006079078A; EP1640781A3; EP1640781A2

Description

本発明は、画像のような情報を光を利用して読み出すことができる走査装置及びその製作方法に関し、特に、構造的安定性及びそれによる光学的性能が向上するように構成されたマイクロミラーが備えられた走査装置及びその製作方法に関する。

近年、各種情報の伝達媒介体として光を利用する多様な情報伝達技術が発展している。光源からのビームを情報が記録された媒体に投入し、読み出そうとする情報を走査する技術も、光を利用する情報伝達技術分野において重要な技術の１つである。

前記ビーム走査技術は、多様な装置に応用されるが、その応用例としては、バーコードスキャナ、レーザー走査方式を用いることにより解像度が高くて色再現性に優れた投写型ディスプレイシステム、ＨＭＤ（Head Mounted Display）システム、及びレーザープリンタなどを挙げることができる。

このようなビーム走査技術において、その技術が適用される応用例によって多様な走査速度及び走査範囲が性能の重要な因子となるが、特に、高い空間分解能が要求されるシステムにおいては、入射するビームの角変位を大きくすると共に、走査速度を向上させ得る走査ミラー装置が必要である。

従来の走査ミラー装置の一例として、回転するモータにポリゴン状のミラーが回転自在に装着されて数ｋＨｚの走査速度を向上させ得るポリゴンミラー装置がある。このようなポリゴンミラー装置は、光源から出射した入力光が複数のレンズからなる光学系を経て前記ポリゴンミラーにより前記ポリゴンミラーの回転方向に反射されるように構成される。

しかしながら、従来のポリゴンミラーを使用する走査装置においては、モータの回転速度に限界があるため、モータの回転速度に依存するポリゴンミラーの回転角速度にも限界が生じ、よって、走査速度の増加が困難であるという問題があった。
また、モータに走査ミラーが装着される構造により、全体システムのサイズが大きくなるという問題、モータの駆動に使用される電力の低減が困難であるという問題、モータの回転による機械的な摩擦騒音の問題、及び複雑な構造により生産コストが増加するという問題があった。

従って、最近、双方向走査が可能であり、全体システムのサイズが小さく、数十ｋＨｚに達する走査速度を実現し得るＭＥＭＳ技術又は一般的なマイクロマシニング技術を用いて製作されるマイクロミラーが備えられた走査装置が多く開発されている。このような走査装置は、マイクロミラーがその両側に形成されたトーションビームを軸として、正逆に所定角度だけ回動することによって、反射光の経路が変更される。

しかしながら、このようなマイクロミラーが備えられた走査装置においては、マイクロミラーがその面積に比べて非常に薄く構成されるため、マイクロミラーが数十ｋＨｚの高速度で駆動されると、マイクロミラーのフラッタ（flutter）、いわゆる動的変形（dynamic deflection）現象が発生する。よって、マイクロミラーの反射面の形状及び反射光の特性が歪むという問題があった。

本発明は、このような従来技術の問題点を解決するためになされたもので、マイクロミラーの構造的安定性を向上させて、マイクロミラーの動的変形（フラッタ）を防止し、走査角度を大きくし、走査速度を向上させ得る走査装置を提供することを目的とする。

このような目的を達成するために、本発明による走査装置は、中心空間部及び該中心空間部の両側に配置された側空間部を有する基板と、前記中心空間部に配置され、支持フレームを有するミラー部であって、前記支持フレームは前記ミラー部の動的変形を防止するように前記ミラー部に形成されて前記ミラー部を支持するものである前記ミラー部と、前記ミラー部を前記基板に支持して前記ミラー部の回動軸となるように、両側の前記側空間部のそれぞれに配置される一対の弾性回転支持要素と、前記側空間部に備えられ、前記ミラー部が回動するように前記弾性回転支持要素を駆動する駆動部と、を含み、前記駆動部は、前記側空間部で前記弾性回転支持要素を中心に前記弾性回転支持要素の両側にそれぞれ配置され、前記弾性回転支持要素に隣接する前記ミラー部の端部から延長形成される可動電極と、静電気力により前記可動電極と相互作用するように前記側空間部で前記各可動電極に隣接して配置され、前記基板の一部分から延長形成される固定電極とを含み、前記支持フレームは、前記支持フレームの質量を減らすために前記支持フレームに形成された複数の凹部を有し、前記ミラー部の前記回動軸から両端部に行くに従って厚さが次第に減少するように形成されることを特徴とする。

本発明による走査装置においては、ミラー部の一面に支持フレームが形成されているため、ミラー部が回動軸を中心に回動するときに動的変形現象が発生することなく、安定した駆動が可能になると共に、ミラー部の回動角度を精密に調節し得るという効果がある。
また、支持フレームがミラー部の回動軸を中心に両側に対称になるように形成され、ミラー部の両端部に行くに従って質量が減るように形成されるため、回動時の慣性モーメントを減らすことができ、ミラー部の構造的安定性を達成することができると共に、ミラー部の作動の敏感度及びそれによる光学的性能を向上し得るという効果がある。

よって、従来のマイクロミラーが備えられた走査装置に比べて、構造的に安定しており、走査速度を向上させ走査範囲を広くすることができる。つまり、高性能走査システムの多様な応用が可能になる。

以下、本発明による走査装置及びその製作方法の好ましい実施形態を添付の図面を参照して説明する。
図１〜図５は、本発明による走査装置を示す。
図示のように、本発明による走査装置は、反射光の方向を調節できるように回動軸を中心に回動自在に基板に形成されたミラー部１１０（マイクロミラー部ともいう）と、ミラー部１１０の動的変形を防止するようにミラー部１１０の一面に形成されてミラー部１１０を支持する支持フレーム１１１と、前記基板に備えられてミラー部１１０を駆動させる駆動部とを含む。ここで、ミラー部１１０は、ミクロン単位の微細構造物である。

以下、本発明による走査装置の構成をより詳しく説明する。
前記基板は、上部基板１００及び下部基板２００が上下に積層するように結合されて構成される。上部基板１００は、その内部の中心部にマイクロミラー部１１０を回動自在に設けることができるように第１中心空間部１０１が貫通形成され、マイクロミラー部１１０の両端部には、マイクロミラー部１１０を上部基板１００に支持する１対の回動付勢部１４０（弾性回転支持要素、トーションビームともいう）が形成される。

マイクロミラー部１１０は、このようにその両端部が１対の回動付勢部１４０を介して上部基板１００に連結されて、回動付勢部１４０を回動軸として正逆に所定角度だけ回動する。

ここで、マイクロミラー部１１０を上部基板１００に連結する回動付勢部１４０としては、図示のトーションビームだけでなく、カンチレバー又は変形された多様な弾性構造物を適用することができる。

下部基板２００は、電気的に分離された２つの電極固定部２３０で構成され、その中心部には、マイクロミラー部１１０の反射面１１５に入射する入射光と反射される反射光が通過する第２中心空間部２０１が、上部基板１００の第１中心空間部１０１と対応するように貫通形成されている。即ち、マイクロミラー部１１０は、第１中心空間部１０１及び第２中心空間部２０１の内部に配置されて所定角度だけ回動自在になっている。

前記駆動部は、上部基板１００に備えられた可動櫛形電極１２０と、下部基板２００に備えられて静電気力により可動櫛形電極１２０と相互作用する固定櫛形電極２２０とから構成される。
また、上部基板１００の内部両側には、トーションビーム１４０の軸方向に沿って第１中心空間部１０１と連通する第１側空間部１０２が貫通形成され、可動櫛形電極１２０は、トーションビーム１４０の左右側に配置されるようにマイクロミラー部１１０の両側から延長形成され、第１側空間部１０２でトーションビーム１４０を軸にマイクロミラー部１１０と共に所定角度だけ回動自在に構成される。

また、下部基板２００の内部両側には、第１側空間部１０２と対応するように、第２中心空間部２０１と連通するように第２側空間部２０２が貫通形成され、固定櫛形電極２２０は、第２側空間部２０２の内側面に、トーションビーム１４０の軸方向に沿って可動櫛形電極１２０と交互に形成される。即ち、固定櫛形電極２２０は、２つの電極固定部２３０にそれぞれ形成されるため電気的に分離される。また、可動櫛形電極１２０及び固定櫛形電極２２０は、図示のように、前記基板の高さ方向に所定距離だけ離隔するように形成してもよく、所定部分が重なるように形成してもよい。

また、本実施形態では、マイクロミラー部１１０の駆動のための可動櫛形電極１２０及び固定櫛形電極２２０が、マイクロミラー部１１０を中心に両側にそれぞれ１対ずつ形成された構造を示しているが、設計によって、マイクロミラー部１１０の一側のみに形成することもできる。

一方、上部基板１００及び下部基板２００に外部の電源が接続されることによって、可動櫛形電極１２０及び固定櫛形電極２２０に電圧が印加される。ここで、上部基板１００と下部基板２００の間には、上部基板１００と下部基板２００との電気的な絶縁のために絶縁層２１０が形成される。

以下、マイクロミラー部１１０及びこれに形成された支持フレーム１１１について説明する。
支持フレーム１１１は、マイクロミラー部１１０の一面に、マイクロミラー部１１０の回動軸を中心に左右に鋸歯状を有し、複数の三角形状の突出部１１２と複数の三角形状の空間部１１３とが交互に周期的に形成されて構成され、その厚さは、支持フレーム１１１の面積と比較して非常に薄く形成される。また、支持フレーム１１１は、マイクロミラー部１１０が正確な角度で回動するように、マイクロミラー部１１０の回動軸を中心に左右に対称の構造を有しなければならない。さらに、支持フレーム１１１は、マイクロミラー部１１０が回動軸を中心に回動するときに発生する慣性モーメントを減少させるために、マイクロミラー部１１０の回動軸からその両端部に行くに従って質量が減るように構成される。

また、マイクロミラー部１１０の他面（第２中心空間部２０１に向く面）には、入力光を反射させるように、反射層１１５が均一な厚さの薄膜状に形成される。ここで、マイクロミラー部１１０の面積が支持フレーム１１１の面積より大きく形成されるため、マイクロミラー部１１０の反射層１１５が形成された面の面積は支持フレーム１１１の面積より大きくなるので、反射効率が向上する。

また、各突出部１１２には、支持フレーム１１１の質量を減らすために、複数の凹部１１４が形成される。このような凹部１１４は、設計によって、多様な形状に形成することができるが、六角形状に形成されて全体的にハニカム状をなすことが構造的安定性の面で好ましい。

ここで、各凹部１１４の全体体積は、支持フレーム１１１の体積と比較して大き過ぎないようにすることが、支持フレーム１１１の強度及びそれによるマイクロミラー部１１０の構造的安定性を向上させるために好ましい。なお、支持フレーム１１１の空隙率は、走査装置の設計によって変形可能である。
一方、支持フレーム１１１は、前述したような形状に限定されず、多様に変形することができる。

図８〜図１１は、マイクロミラー部に形成される支持フレームの変形例を示し、説明の便宜のために、マイクロミラー部及び支持フレームは、前述の実施形態と同一の符号を付する。

図８に示す支持フレーム１１１は、マイクロミラー部１１０の一面に、上面が菱形の六面体状に形成される。ここで、支持フレーム１１１の対角の２頂点がトーションビーム１４０と接するように形成される。これは、マイクロミラー部１１０の回動軸を中心にその両端部に行くに従って質量が減る支持フレーム１１１の構造を得るためである。

また、図９に示す支持フレーム１１１は、図８に示す支持フレーム１１１の形状において、４側面が支持フレーム１１１の中心に対して湾曲線状に形成されたもので、支持フレーム１１１の質量を減らすことができる。

また、図１０に示す支持フレーム１１１は、図１〜図５に示す支持フレーム１１１の形状において複数の凹部１１４が形成されていないものであり、図１１に示すように、図１〜図５に示す支持フレーム１１１の形状に形成され、かつ、マイクロミラー部１１０の回動軸から両端部に行くに従って支持フレーム１１１の厚さが次第に減少するように形成することもできる。

このような支持フレーム１１１の形状の他にも、マイクロミラー部１１０の構造的安定性を向上させると共に、回動の慣性モーメント及び質量を減らすことができれば、いかなる形状でも可能である。

以下、このように構成された本発明による走査装置を、半導体の一貫生産工程及び微細加工技術、いわゆるＭＥＭＳ技術により製作する方法について説明する。
図１２〜図１８は、本発明による走査装置の製作方法を各段階別に示している。図においては、便宜上、素子１つの製作について示しているが、実際の製作過程では、ＭＥＭＳ技術を利用してウェハレベルで複数の走査装置が同時に多量に製作される。

まず、図１２に示すように、シリコン材質の下部基板２００の上面及び下面に、後のエッチング工程でエッチングマスクとして使用される第１、第２及び第３エッチングマスク３０１、３０２、３０３をそれぞれ形成してパターニングする。ここで、第２エッチングマスク３０２は、下部基板２００の材質であるシリコンとのエッチング選択比も高く、第１及び第３エッチングマスク３０１、３０３とのエッチング選択比も高い。さらに、第１エッチングマスク３０１は、後のウェハ接合工程に適した物質でなければならない。第１、第２及び第３エッチングマスク３０１、３０２、３０３としては、感光剤、金属、又はシリコン酸化物やシリコン窒化物のような絶縁物質からなる薄膜が使用される。

その後、図１３に示すように、反応性イオンエッチング（Reactive Ion Etch；ＲＩＥ）又はシリコンディープエッチング（silicon deep RIE）技術のような異方性形状の加工技術により、第１及び第２エッチングマスク３０１、３０２の２層が形成された下部基板２００の上面を所定深さだけエッチングする。次に、第２エッチングマスク３０２を除去する。

その後、図１４に示すように、前記エッチング工程が行われた下部基板２００の上面に上部基板１００を接合する。ここで、上部基板１００には、後にマイクロミラー部１１０及びトーションビーム１４０のような構造物が形成されるため、上部基板１００は、所定厚さに加工しなければならない。また、上部基板１００は、所定厚さを有するように加工した後に接合することもでき、接合後に所定厚さに加工することもできる。このような上部基板１００と下部基板２００との接合は、融接（fusion bonding）、陽極接合（anodic bonding）、共晶接合（eutectic bonding）、及びフリット接合（frit bonding）のような既に知られている様々な接合工程、又は接着剤を使用した接合工程など、多様な方法により行うことができる。

上部基板１００及び下部基板２００の接合工程後、図１５に示すように、上部基板１００に第４エッチングマスク４０１を形成し、後のエッチング工程により上部基板１００上に可動櫛形電極１２０及びマイクロミラー部１１０の支持フレーム１１１を形成できるようにパターニングする。次に、パターニングされた第４エッチングマスク４０１上のマイクロミラー部１１０が形成される部分に所定面積だけ第５エッチングマスク４０２を形成してパターニングする。ここで、第５エッチングマスク４０２は、上部基板１００及び下部基板２００の材質であるシリコンとのエッチング選択比も、第４エッチングマスク４０１とのエッチング選択比も、上部基板１００と下部基板２００との接合面の物質とのエッチング選択比も高くなければならない。次に、第３エッチングマスク３０３がパターニングされた下部基板２００面を所定深さだけ異方性エッチングして、第２中心空間部２０１及び第２側空間部２０２を形成する。

その後、図１６に示すように、第４及び５エッチングマスク４０１、４０２がパターニングされた上部基板１００面を、所定深さだけエッチングする。このとき、マイクロミラー部１１０が形成される部分は、第５エッチングマスク４０２によりマスクされてエッチングされず、可動櫛形電極１２０が形成される部分のみが、所定深さだけエッチングされる。そのエッチングされた深さだけマイクロミラー部１１０の厚さが確保される。

その後、図１７に示すように、第５エッチングマスク４０２を除去し、第４エッチングマスク４０１を使用して上部基板１００を所定深さだけ異方性エッチングして、マイクロミラー部１１０が所定厚さを有するようにすると共に、マイクロミラー部１１０に支持フレーム１１１を形成する。

その後、図１８に示すように、第４エッチングマスク４０１を除去し、走査装置のフレームになる上部基板１００及び下部基板２００の外郭部分を除いた内部の接合面をエッチングして、可動櫛形電極１２０及びマイクロミラー部１１０を浮かせ、マイクロミラー部１１０の下面に反射層１１５を形成する。

上部基板１００及び下部基板２００は、マイクロミラー部１１０を駆動するための電圧の印加のために、絶縁層２１０により電気的に分離された構造であり、このような構造を形成するために、前述の製作方法のように２枚の基板を接合して製作することもでき、ＳＯＩ（Silicon-０n-Insulator）基板を使用して製作することもできる。

以上、静電気力を駆動源とする走査装置について説明したが、設計及びその製作によって、駆動源として電磁気力を用いるような他の応用も可能である。
また、図には示していないが、前述したような構造を有する走査装置をＭ個の行とＮ個の列で複数個配列して構成することもできる。

以下、このように構成されて製作される本発明による走査装置の動作について説明する。
図６及び図７は、本発明による走査装置の動作を示す断面図である。
図示のように、前述したような本発明による走査装置の駆動のために、下部基板２００の両電極固定部２３０を介して、固定櫛形電極２２０と可動櫛形電極１２０の間に電圧を印加する。即ち、図６に示す初期状態で、可動櫛形電極１２０と固定櫛形電極２２０の間に電位差が発生して、静電気力が発生する。このとき、トーションビーム１４０の回動軸を中心に両側に形成された固定櫛形電極２２０に電圧を順次印加すると、マイクロミラー部１１０が回動軸を中心に所定角度だけ正逆に回動する。よって、図７に示すように、入射光に対する反射光の方向が駆動前の方向Ｌ１から駆動後の方向Ｌ２に変調されて、走査機能が実現される。

一方、可動櫛形電極１２０及び固定櫛形電極２２０を回動軸であるトーションビーム１４０の一側のみに形成した場合も、電圧を印加した後に除去すると、トーションビーム１４０の復元力によりマイクロミラー部１１０が逆方向に駆動されるため、双方向駆動が実現可能である。

また、マイクロミラー部１１０の一面に、前述したように構成された支持フレーム１１１が形成されているため、マイクロミラー部１１０が回動軸を中心に正逆に回動するときに、マイクロミラー部１１０の動的変形（フラッタ）が発生することなく、構造的に安定して回動する。

本発明による走査装置を示す斜視図である。図１の走査装置の底面を示す斜視図である。図１の走査装置を示す分解斜視図である。図１の走査装置を示す平面図である。図４のＶ−Ｖ線断面図である。図１のマイクロミラー部の動作を示す縦断面図である。図１のマイクロミラー部の動作を示す縦断面図である。本発明によるマイクロミラー部の変形例を示す斜視図である。本発明によるマイクロミラー部の変形例を示す斜視図である。本発明によるマイクロミラー部の変形例を示す斜視図である。本発明によるマイクロミラー部の変形例を示す斜視図である。図１の走査装置の製作過程を示す工程図である。図１の走査装置の製作過程を示す工程図である。図１の走査装置の製作過程を示す工程図である。図１の走査装置の製作過程を示す工程図である。図１の走査装置の製作過程を示す工程図である。図１の走査装置の製作過程を示す工程図である。図１の走査装置の製作過程を示す工程図である。

符号の説明

１００上部基板
１０１第１中心空間部
１０２第１側空間部
１１０ミラー部
１１１支持フレーム
１１２突出部
１１３空間部
１１４凹部
１１５反射層
１２０可動櫛形電極
１４０回動付勢部
２００下部基板
２０１第２中心空間部
２０２第２側空間部
２１０絶縁層
２２０固定櫛形電極
２３０電極固定部

Claims

中心空間部及び該中心空間部の両側に配置された側空間部を有する基板と、
前記中心空間部に配置され、支持フレームを有するミラー部であって、前記支持フレームは前記ミラー部の動的変形を防止するように前記ミラー部に形成されて前記ミラー部を支持するものである前記ミラー部と、
前記ミラー部を前記基板に支持して前記ミラー部の回動軸となるように、両側の前記側空間部のそれぞれに配置される一対の弾性回転支持要素と、
前記側空間部に備えられ、前記ミラー部が回動するように前記弾性回転支持要素を駆動する駆動部と、を含み、
前記駆動部は、前記側空間部で前記弾性回転支持要素を中心に前記弾性回転支持要素の両側にそれぞれ配置され、前記弾性回転支持要素に隣接する前記ミラー部の端部から延長形成される可動電極と、静電気力により前記可動電極と相互作用するように前記側空間部で前記各可動電極に隣接して配置され、前記基板の一部分から延長形成される固定電極とを含み、
前記支持フレームは、前記支持フレームの質量を減らすために前記支持フレームに形成された複数の凹部を有し、前記ミラー部の前記回動軸から両端部に行くに従って厚さが次第に減少するように形成されることを特徴とする走査装置。
前記支持フレームは、前記ミラー部の前記回動軸を中心に対称になるように形成されることを特徴とする請求項１に記載の走査装置。
前記支持フレームは、前記ミラー部の前記回動軸から前記支持フレームの両端部に行くに従って質量が減ることを特徴とする請求項１に記載の走査装置。
前記複数の凹部は、前記ミラー部の回動軸を中心に対称になるように形成されることを特徴とする請求項１に記載の走査装置。
前記複数の凹部は、それぞれ六角形状に形成され、ハニカム状に集まっていることを特徴とする請求項１に記載の走査装置。
前記ミラー部の面積は、前記支持フレームの面積より大きいことを特徴とする請求項１に記載の走査装置。
前記支持フレームは、前記ミラー部の前記回動軸を中心に左右に鋸歯状を有し、複数の三角形状の突出部と複数の三角形状の空間部とが交互に周期的に形成されることを特徴とする請求項１に記載の走査装置。
前記支持フレームは、上面が菱形の六面体状に形成され、その対角の２頂点が前記ミラー部の前記回動軸に位置するように構成されることを特徴とする請求項１に記載の走査装置。
前記支持フレームの４側面が、前記支持フレームの中心に対して湾曲線状に形成されることを特徴とする請求項８に記載の走査装置。
前記弾性回転支持要素は、トーションビームであることを特徴とする請求項１に記載の走査装置。
前記可動電極及び前記固定電極は、櫛形に形成されることを特徴とする請求項１に記載の走査装置。
前記可動電極及び固定電極は、前記ミラー部を中心に前記ミラー部の両側に配置されることを特徴とする請求項１に記載の走査装置。
前記可動電極及び固定電極は、前記回動軸の両側に配置されることを特徴とする請求項１に記載の走査装置。
前記可動電極及び固定電極は、前記基板の高さ方向に所定部分が重なるように構成されることを特徴とする請求項１１に記載の走査装置。
行列形に配列された複数の走査装置を含んでおり、それぞれの前記走査装置は、
中心空間部及び該中心空間部の両側に配置された側空間部を有する基板と、
前記中心空間部に配置され、支持フレームを有するミラー部であって、前記支持フレームは前記ミラー部の動的変形を防止するように前記ミラー部に形成されて前記ミラー部を支持するものである前記ミラー部と、
前記ミラー部を前記基板に支持して前記ミラー部の回動軸となるように、両側の前記側空間部のそれぞれに配置される一対の弾性回転支持要素と、
前記側空間部に備えられ、前記ミラー部が回動するように前記弾性回転支持要素を駆動する駆動部と、を含み、
前記駆動部は、前記側空間部で前記弾性回転支持要素を中心に前記弾性回転支持要素の両側にそれぞれ配置され、前記弾性回転支持要素に隣接する前記ミラー部の端部から延長形成される可動電極と、静電気力により前記可動電極と相互作用するように前記側空間部で前記各可動電極に隣接して配置され、前記基板の一部分から延長形成される固定電極とを含み、
前記支持フレームは、前記ミラー部の前記回動軸を中心に左右に鋸歯状を有し、複数の三角形の突出部と複数の三角形状の空間部とが交互に周期的に形成され、前記突出部は、複数の凹部を有し、前記ミラー部の前記回動軸から両端部に行くに従って厚さが次第に減少するように形成されることを特徴とする走査装置アレイ。