JP4851443B2

JP4851443B2 - 微小機械構造体

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Publication number: JP4851443B2
Application number: JP2007512951A
Authority: JP
Inventors: 章黒塚; 浩稔冨田; 由浩虫鹿
Original assignee: Panasonic Corp; Matsushita Electric Industrial Co Ltd
Current assignee: Panasonic Corp; Panasonic Holdings Corp
Priority date: 2005-04-11
Filing date: 2006-04-06
Publication date: 2012-01-11
Anticipated expiration: 2026-04-06
Also published as: JPWO2006109687A1; WO2006109687A1; CN101137923A; US7742219B2; US20090279163A1

Description

本発明は、微小機械構造体、および当該微小機械構造体を備える各種装置に関している。

マイクロマシニング技術を応用した微小機械構造体として様々なマイクロミラーデバイスが考案され、レーザープリンタ、スキャナー、ディスプレイ等の光走査装置や、光ファイバの入出力を切り替える光スイッチングデバイスへの応用が検討されている。

特許文献１はマイクロミラーのアレイを備える反射型光変調装置を開示している。この装置は、ビデオプロジェクタの画像表示デバイスとして開発され、ＤＭＤ（ＤｉｇｉｔａｌＭｉｃｒｏｍｉｒｒｏｒＤｅｖｉｃｅ）の名称で知られている。ＤＭＤのマイクロミラーは、ＣＭＯＳ回路上に形成されている。

特許文献１が開示するＤＭＤは、酸化膜上の第１層（最下層）のメタル部材として１個のバイアス・バスおよび一対（左右）のアドレス電極を有し、第２層（中間層）のメタル部材としてねじれヒンジ、一対のヒンジ支持部、１個のヨークおよび一対の高架電極を有し、第３層（最上層）のメタル部材として１個のミラーを有している。各層の間にスペーサとして積層されたポジ型フォトレジストは、最終的にプラズマエッチングによって除去される。その結果、ヨークとミラーはねじれヒンジによって回動可能に支持された状態となり、アドレス電極とヨークに印加された電位差によって生じる静電引力で２方向に回動駆動される。多数のミラーは２次アレイ状に配置され、個々のミラーが画素として機能し、光源からの光をスクリーン側へ投影することにより映像を表示する。

ミラー、電極、ねじれヒンジ、ヨーク等の構造部材は、アルミまたはアルミ合金をスパッタ法で堆積した薄膜から形成される。このような薄膜は、膜厚方向に応力勾配を持つため、製造工程時のスペーサ層が除去されると、ミラーにそりが生じるという問題がある。

ねじれヒンジは、低電圧で駆動するため、ねじれ剛性を下げるように薄く形成されるが、ヨークは静電引力を受けて傾く際、ヨーク自体が変形せずにミラーと一体となって回動するように十分な剛性が必要である。従って、ねじれヒンジとヨークは基板から同一の高さに形成されるが、それぞれ異なる厚さで形成される。そのため、ねじれヒンジを構成する薄いアルミ層を形成した後、第１酸化膜を堆積してヒンジの形状にパターニングするという工程を行う。そして、第１酸化膜をエッチストップとして使用し、その上に形成した厚いヨークの層とともにプラズマエッチングにより除去される。こうして、ねじれヒンジとヨークの形状が規定される。ヨークの上に形成されたミラーは、中央部に設けられたミラー支持ポストによって連結されている。ミラーとミラー支持ポストは同一のアルミ合金膜で形成されるため、ミラー表面にはミラー支持ポストに対応する形状にくぼみができる。

非特許文献１は、アクチュエータ上にボンディングされた低慣性マイクロミラー（ｌｏｗ−ｉｎｅｒｔｉａｍｉｃｒｏｍｉｒｒｏｒｓ）をアレイ状に配置した光空間変調器を開示している。この構成では、複数の櫛型アクチュエータを組み合わせて中央の台座を傾けるようにし、その上に別途作成したミラーを接合する方法を取っている。このような構成のマイクロミラーアレイで、各ミラーを上下動、傾動させることにより光変調を行って、反射光の波面収差補正等を行うことが出来る。このような用途では個々のミラー自身の収差が問題になるので、平面度の高い高精度なミラーが要求される。そのため、ミラーおよびアクチュエータはＳＯＩ（Ｓｉｌｉｃｏｎ−Ｏｎ−Ｉｎｓｕｌａｔｏｒ）基板を用いて製造される。単結晶シリコンは本来内部応力がなく平面度の良好なミラーが得られる。

さらに、ミラーは３レベルの選択ＤＲＩＥプロセス（３−ｌｅｖｅｌｓｅｌｅｃｔｉｖｅＤＲＩＥｐｒｏｃｅｓｓ）により、背面に垂直リブを設けた構造とし、軽量で剛性の高いミラーとしている。これにより、高速応答を可能にすると共に、ミラー表面に設けたアルミ反射層とミラー本体の熱膨張係数の差の影響でミラーにそりが生じるのを防ぐようにしている。

アクチュエータチップとミラーチップの接合方法は、接合面に金バンプや金−スズ半田を形成して共晶接合したり、ポリイミド膜を形成して電圧を印加しながら３５０℃程度に加熱するポリマー接合等が考えられる。
特開平８−３３４７０９号公報Ｔｉｐ−ｔｉｌｔ−ｐｉｓｔｏｎＡｃｔｕａｔｏｒｓｆｏｒＨｉｇｈＦｉｌｌＦａｃｔｏｒＭｉｃｒｏｍｉｒｒｏｒＡｒｒａｙｓ（Ｓｏｌｉｄ−ＳｔａｔｅＳｅｎｓｏｒ、ＡｃｔｕａｔｏｒａｎｄＭｉｃｒｏｓｙｓｔｅｍｓＷｏｒｋｓｈｏｐ、２００４ＡｄｒｉａｔｉｃＲｅｓｅａｒｃｈＩｎｓｔｉｔｕｔｅ）

しかしながら、従来の構成の微小機械構造体には以下の課題がある。

まず、多数のミラーを独立に駆動するマイクロミラーアレイでは、アクチュエータやミラー部を駆動回路と一体に形成する必要がある。そのような一体化を行うためには、１つの半導体ウエハ上にＣＭＯＳ回路のみならず、アクチュエータ部およびミラー部などを順次形成することが効率的であり、コストを低減できる。

特許文献１が開示している微小機械構造体のアクチュエータやミラーは、ＣＭＯＳ回路の製造方法に対して互換性および整合性の高い製造方法により、作製される。しかし、ミラーは金属薄膜から形成されるため、その成膜工程で生じる厚さ方向の応力勾配により、そりが生じやすい。ミラーにそりが生じると、マイクロミラーアレイによって反射光の波面収差を制御することができなくなる。

また、ねじれヒンジとヨークは同一の高さ位置に形成されるが、ヨークの剛性を確保するために厚さを変える必要がある。そのため、それぞれ別々に成膜し、酸化膜をエッチストップとするなどプロセスが複雑になり、その分コストが上昇する。仮にヨークをねじれヒンジと同じ厚さで一括に形成すると、静電引力でヨークが変形してしまい、ミラーの駆動が正確に行われなくなる。ミラーとヨークとを連結するミラー支持ポストを多数設ければ、薄いヨークであってもミラーによって補強される形となり、ヨークが変形してしまうことは防げるが、ミラー支持ポストに対応してミラー表面にくぼみが多数生じるので、反射光の散乱や回折の影響が大きくなり好ましくない。

一方、非特許文献１の構成では、ＳＯＩ基板を使って単結晶シリコンのミラーを形成するので、内部応力のない平面度の良好なミラーが得られるが、ＳＯＩ基板が高価であること、ミラーとアクチュエータを接合する必要があること、さらには、駆動回路と一体に構成するためには、ＣＭＯＳ回路チップとの接合も必要になるため、コストの低減が極めて困難である。

また、接合工程の工数削減のためにはウエハレベルの接合が望ましいが、ウエハ全面において均等な接合を行う難しさがあり歩留まりの向上に問題がある。さらに、アクチュエータとミラーを接合する場合、接合個所が可動部にあるため、接合の不完全なミラーがあると、駆動中に接合が切断する可能性があり、信頼性に欠ける。

このように、ＣＭＯＳ回路と一体化したマイクロミラーアレイを安価に製造することと、平面度の良好な高精度のミラーアレイを得ることは、相反する側面を持っていた。

本発明は、上記課題を解決するためになされたものであり、変位可能に支持された軽量で剛性の高い可動部を備える微小機械構造体を提供することを目的とする。

また、本発明の他の目的は、一部がマイクロミラーとして機能する可動部を軽量化することにより、低電圧で高速な動作を可能にするとともに、高い剛性によって平面度の良好なマイクロミラーを実現することにある。

本発明の微小機械構造体は、基台と、前記基台上に形成された弾性を有する弾性支持部と、前記基台に対して相対的に移動可能なように前記弾性支持部によって支持される可動部とを備え、前記可動部は、第１の空隙を介して前記基台に対向する第１の平板部と、連結部を有し、前記連結部を介して前記第１の平板部に固定されている第２の平板部とを備える。

好ましい実施形態において、前記第２の平板部の少なくとも一部に光反射面を備える。

好ましい実施形態において、前記連結部は前記第２の平板部から前記第１の平板部に向かって突出する垂直リブである。

好ましい実施形態において、前記弾性支持部と前記第１の平板部が同一平面上に形成され、かつ、前記弾性支持部は前記第１の平坦部と一体的化されており、前記第２の平板部は、前記弾性支持部の少なくとも一部を覆う形状を有しており、前記垂直リブは前記弾性支持部に接触していない。

好ましい実施形態において、前記垂直リブは、前記第１の平板部に接触するように第１の高さを有する部分と、前記弾性支持部に対して第２の空隙を介して対向するように前記第１の高さよりも小さい第２の高さを有する部分とを有している。

好ましい実施形態において、前記第２の空隙は前記第１の空隙よりも狭い。

好ましい実施形態において、前記第１の平板部および前記弾性支持部は、同一の金属材料から形成され、同一の厚さを有している。

好ましい実施形態において、前記第２の平板部および前記連結部は、同一の金属材料から形成されている。

好ましい実施形態において、前記第２の平板部の面積は、１００μｍ²以上１ｍｍ²以下である。

好ましい実施形態において、前記第１の平板部および前記第２の平板部は、それぞれ、０．１μｍ以上５μｍ以下の厚さを有し、前記連結部は０．２μｍ以上１０μｍ以下の厚さを有している。

好ましい実施形態において、前記連結部は、前記第１の平板部上の犠牲層の溝に埋め込まれた金属材料から形成されている。

好ましい実施形態において、前記金属材料は、アルミ、銅、ニッケル、およびそれらの少なくとも１種の金属を含有する合金のいずれかである。

好ましい実施形態において、前記基台上に設けられ、前記第１の平板部と第３の空隙を介して対向する固定電極を更に備え、前記第１の平板部および前記固定電極が静電アクチュエータとして機能する。

本発明の光ピックアップは、光ビームを放射する光源と、前記光ビームを光ディスク上に集束する対物レンズと、前記光ディスクから反射された光ビームを受け、電気信号を生成する光検出器と、前記光ビームの収差を補正する収差補正素子とを備える光ピックアップであって、前記収差補正素子は、基台と、前記基台上に形成された弾性を有する弾性支持部と、前記基台に対して相対的に移動可能なように前記弾性支持部によって支持される可動部とを備え、前記可動部は、第１の空隙を介して前記基台に対向する第１の平板部と、少なくとも１つの垂直リブを有し、前記垂直リブを介して前記第１の平板部に固定されている第２の平板部とを備える。

本発明の光ディスク装置は、光ディスクを回転させるモータと、前記光ディスクの所望トラックにアクセスする光ピックアップと、光ピックアップの出力に基づいて前記光ディスクからデータを再生する信号処理部とを備える光ディスク装置であって、前記光ピックアップは、光ビームを放射する光源と、前記光ビームを光ディスク上に集束する対物レンズと、前記光ディスクから反射された光ビームを受け、電気信号を生成する光検出器と、前記光ビームの収差を補正する収差補正素子とを備え、前記収差補正素子は、基台と、前記基台上に形成された弾性を有する弾性支持部と、前記基台に対して相対的に移動可能なように前記弾性支持部によって支持される可動部とを備え、前記可動部は、第１の空隙を介して前記基台に対向する第１の平板部と、少なくとも１つの垂直リブを有し、前記垂直リブを介して前記第１の平板部に固定されている第２の平板部とを備える。

本発明の表示装置は、光ビームを放射する光源と、画像信号に応じて前記光ビームの強度を変調する光源駆動部と、前記光ビームでスクリーンを走査するスキャンミラー部とを備える表示装置であって、前記スキャンミラー部は、基台と、前記基台上に形成された弾性を有する弾性支持部と、前記基台に対して相対的に移動可能なように前記弾性支持部によって支持される可動部とを備え、前記可動部は、第１の空隙を介して前記基台に対向する第１の平板部と、少なくとも１つの垂直リブを有し、前記垂直リブを介して前記第１の平板部に固定されている第２の平板部とを備え、前記第２の平板部が前記光ビームを反射するミラーとして機能する。

本発明による他の微小機械構造体は、基台と、少なくとも一部が前記基台に固定された弾性支持部と、前記弾性支持部によって支持される可動ミラーと、前記貴台に設けられた固定電極とを備え、前記可動ミラーは、前記弾性支持部と同一平面上に位置し、前記弾性支持部の同一の金属材料から形成されている固定電極と、少なくとも１つの垂直リブを有し、前記垂直リブを介して前記可動電極に固定されているミラーとを備える。

本発明の微小機械構造体によれば、好ましくは垂直リブ（vertical rib）によって実現される「連結部」によって２つの平板部を結合しているため、軽量で剛性の高い可動部が得られる。好ましい態様によれば、可動部は金属薄膜から形成され、その一部がミラーとして機能する。このような場合、金属薄膜を薄くして可動部を軽量化しても、その平面度が良好に維持されるため、高速に駆動可能なマイクロミラーデバイスを低コストで実現できるようになる。

また、本発明の微小機械構造体は、ＣＭＯＳ互換のＭＥＭＳプロセスを用いて好適に製造され得るため、ＣＭＯＳ回路を備えるウエハ上に一体的に形成することが容易である。

以下、本発明の実施形態について、図を用いて説明する。

（実施形態１）
まず、図１を参照しながら、本発明による微小機械構造体の第１の実施形態を説明する。図１は、本実施形態の微小機械構造体示す分解斜視図であり、ミラーの一部を切り欠き、下部のリブ構造が見えるように記載されている。

本実施形態における基台１は、ＣＭＯＳ回路が形成されたシリコン基板と、このシリコン基板の上面を被覆し、平坦化された絶縁層とを備えている。

基台１の絶縁層上にはグランド電極２および３個の固定電極３が設けられている。グランド電極２および固定電極３は、４５０℃以下の温度で堆積することが可能な導電材料から形成されている。このような導電材料は、例えばアルミニウム（Ａｌ）合金やポリシリコンゲルマニウム（Ｐｏｌｙ−ＳｉＧｅ）である。グランド電極２および固定電極３は、ともに、同一の導電材料膜をパターニングすることによって好適に形成され得る。

図１に示される３個の固定電極３の各々は、基台１の絶縁層に形成されたビア（不図示）を介してＣＭＯＳ回路に接続されている。ＣＭＯＳ回路は、０〜５Ｖの範囲内で駆動電圧を個々の固定電極３に独立して印加することができるよう構成されている。駆動電圧の大きさは、例えば１０ｂｉｔの多段階の値に設定され得る。

３つの固定電極３の各々は、六角形の領域内に配置されている。個々の固定電極３は同一の形状（菱形）を有しており、六角形領域の中心に関して６０°の回転対称となるように配置されている。また、グランド電極２は、六角形領域の中心部から固定電極３の３つの間隙を通って外側に延びる形状を有している。グランド電極２の３つの端部は、他の部分よりも拡大しており、その上には、３本の支柱４が形成されている。支柱４は、次に説明する弾性支持部５および可動電極６を固定電極３およびグランド電極２から離間させた状態で支持する機能を有している。

３つの弾性支持部５および可動電極６は同一面上に位置している。具体的には、弾性支持部５と可動電極６とは、同一の導電材料から形成され、一体的化されている。可動電極６は、下方に位置する３つの固定電極３に対して所定のギャップを介して対向する３つの部分が結合した平板形状を有している。３つの弾性支持部５は、それぞれ、可動電極６の中央部から外側に放射状に延びており、３箇所の支柱４に結合している。

可動電極６の上方にはミラー８が設けられ、ミラー８は垂直リブ７を介して可動電極６に固定されている。本実施形態では、可動電極６が「第１の平板部」、垂直リブ７が「連結部」、ミラー８が「第２の平板部」として機能する。

垂直リブ７は、図１に示されるようにミラー８の裏面側を複数の三角形の区分するように走っている。垂直リブ７の大部分は、可動電極６に達し、可動電極６に固着しているが、他の部分には、弾性支持部６から離間するように切り欠き部７ａが形成されている。言い換えると、垂直リブ７は、可動電極６に達する第１の高さ（ｈ１）を有する部分と、弾性支持部５に対して第２の空隙を介して対向するように第２の高さ（ｈ２：ｈ２＜ｈ１）を有する部分とを有している。垂直リブ７の端面が可動電極６と接続する部分（垂直リブ接続部）６ｂは、図１の可動電極６上に「２点鎖線」で示されている。

このように可動電極６、垂直リブ７、およびミラー８は一体化されており、弾性支持部５によって中空に支持されている。このため、可動電極６、垂直リブ７、およびミラー８によって本実施形態の「可動部」が構成されている。

可動電極６は、導電性を有する弾性支部５および支柱４を介してグランド電極２に電気的に接続されている。基台７の不図示のＣＭＯＳ回路を介して個々の固定電極３に駆動電圧が印加されると、個々の固定電極３と可動電極６との間に働く静電力により、可動電極６が基台１に向かって引き寄せられる。可動電極６、垂直リブ７、およびミラー８は一体化されているため、ミラー８は可動電極６とともに運動する。３個の固定電極３に与える駆動電圧のバランスにより、可動部は下方に並進したり、多軸方向に傾動するよう駆動される。なお、駆動電圧の印加を止めると、可動部の位置および姿勢は、弾性支持部５の弾性復元力によって元の位置および姿勢に復帰する。

図２は、図１に示す可動部（「単位ミラーセル」として機能する）を２次元状に配列したマイクロミラーアレイを示す斜視図である。図２では、下部構造を表示するため、部分的にミラー部、さらに可動電極と弾性支持部も省略している。

図２に示されるように、本実施形態のマイクロミラーアレイでは、複数のミラー８が一定の間隙（たとえば１μｍ）を置いて２次元的に配置されている。隣接するセル間では、支柱４を共有する形で、弾性支持部５が形成される。個々のミラー８は六角形であり、これらのミラー８が基台１上に稠密に配列されている。ミラー８の面積は、マイクロミラーデバイスの用途やミラー８の個数に応じて適宜最適な大きさに設定され、例えば１００μｍ²以上１ｍｍ²以下の範囲に設定される。

個々の固定電極３に印加する駆動電圧を変化することにより、各ミラー８の並進／傾動動作を制御することができる。複数のミラー８の位置および姿勢を適切に制御することにより、全体として任意の波面形状を形成することができる。このようなマイクロミラーアレイによれば、反射光の波面収差を制御することができる。

単位ミラーセルの個数は、マイクロミラーアレイによって形成する波面に求められる精度によって決定される。単位ミラーセルの数を増やすほど、波面近似精度が向上するが、ミラーの制御データ量が膨大となり、制御回路の負荷が大きくなる。また、制御データの転送速度がボトルネックとなり、マイクロミラーアレイ全体の応答速度が大幅に低下する。そのため、必要な近似精度が得られる範囲でミラー数は最小限に抑える方が良い。

本実施形態では、直径２ｍｍの光ビームの波面の収差を制御するため、受光領域内に２０個の単位ミラーセルが含まれるように、各ミラーセルのサイズ（幅）を１００μｍ程度の大きさに設定している。

ミラー８の必要変位量は、光ビームの波長の半分程度の大きさに、各ミラー８の最大傾きを得るに必要な変位量を加えた大きさに設定することが好ましい。最大傾きは、補正する収差量によって決定される。例えば、波長４０５ｎｍの青色レーザの収差を補正する場合、最大変位量は、半波長分２０３ｎｍ＋傾き分約４００ｎｍ＝０．６μｍに設定することができる。

以下、図３（ａ）〜図４（ｄ）を参照して、本実施形態の製造方法を説明する。図３（ａ）〜図４（ｄ）は、各工程を表す平面図（左側）および断面図（右側）である。なお、断面図は、構造の特徴的な部分を表すように描いた模式図であって、必ずしも膜厚などの現実のサイズを正確には反映していない。

まず、図３（ａ）に示すように、基台１上にが形成する。典型的には、厚さ０．５μｍのアルミニウム膜をスパッタリング法によって堆積した後、フォトリソグラフィおよびエッチング工程によりアルミニウム膜をパターニングする。なお、基台１は、前述したように、シリコン基板に形成されたＣＭＯＳ回路の最上層を絶縁層で被覆し、平坦化することによって得られる。図示していないが、各グランド電極２と固定電極３は、絶縁層に設けられたコンタクトビアを介して基台１に形成されたＣＭＯＳ回路部と電気的に接続されている。

次に、図３（ｂ）に示すように、グランド電極２と固定電極３を覆う犠牲層１０を形成する。犠牲層１０は、例えばフォトレジストまたは感光性ポリイミドから形成され得る。フォトレジストは例えばＡＺエレクトロニックマテリアルズのＡＺＰ４０００シリーズ等を用いることができ、感光性ポリイミドは例えば日立化成デュポン製ＰＩ２７２７等を用いることができる。これらのフォトレジストまたは感光性ポリイミドは、スピンコート法によって塗布された後、露光・現像によりビア１１を有するパターンが付与され、ＵＶキュアによって硬化される。

犠牲層１０の厚さは電極間ギャップを規定し、ビア１１は支柱４を規定する形状を有している。静電アクチュエータは、電極間ギャップの３分の１以上も変位すると、プルインして制御不可能となってしまう。このため、本実施形態の電極間ギャップ（犠牲層１０の厚さ）は、最大変位量（０．６μｍ）の５倍の大きさ（３μｍ）に設定する。

次に、図３（ｃ）に示すように、犠牲層１０の上にメタル層を堆積した後、フォトリソグラフィおよびエッチング工程によりメタル層をパターニングし、メタル層から弾性支持部５および可動電極６を形成する。メタル層としては、アルミニウム合金を好適に使用することができる。メタル層のパターニングに際して、メタル層（可動電極６）にエッチングホール６ａを同時に形成する。メタル層の厚さは、弾性支持部５のバネ定数に応じて適宜決定される。本実施形態では、５Ｖの駆動電圧で最大変位が得られるようにバネ定数を決定し、メタル層の厚さ、すなわち弾性支持部５の厚さを０．３μｍに設定している。

可動電極６および弾性支持部５は同一のメタル層から形成されるため、可動電極６も、弾性支持部５と同一の厚さを有している。したがって、可動電極６の曲げ剛性は、弾性支持部５の曲げ剛性と同程度であるため、このままで強度補強を行わない状態で静電的に駆動すると、弾性支持部５の変形と同時に可動電極６も固定電極３の方へ変形してしまう。しかし、本実施形態では、垂直リブ７の働きにより、可動部全体の剛性が向上し、上記の変形が阻止される。可動電極６およびミラー８は、それぞれ、例えば０．１μｍ以上５μｍ以下の厚さを有し、垂直リブ７の厚さは、例えば０．２μｍ以上１０μｍ以下である。

このように、本実施形態では、弾性支持部５の厚さと可動電極６の厚さとを異なる値に設計する必要がなく、同一の導電膜から１度のフォトリソグラフィおよびエッチング工程により形成され得るため、製造プロセスが簡単になる。

次に、図３（ｄ）に示すように、スピンコート法によりメタル層上に犠牲層１２を塗布し、可動電極６の領域内にビア（開口部）１３を形成する。犠牲層１２は、犠牲層１０と同様の材料から同様にして形成される。

ビア１３は、可動電極６の上面の大部分を露出させる形状および大きさを有している。犠牲層１２は、弾性支持部５を完全に覆っている。犠牲層１２は、垂直リブ７の下端と弾性支持部５との間のギャップを規定する。すなわち、犠牲層１２の厚さを調節することにより、このギャップを制御することができる。このギャップは、犠牲層１２の厚さばらつきを考慮し、可動部の最大変位ストロークより大きく設定される。本実施形態における犠牲層１２の厚さは、犠牲層１０の厚さよりも小さく、約１．５μｍに設定される。犠牲層１２も、ＵＶキュアによって硬化される。

次に、図４（ａ）に示すように、犠牲層１４をスピンコート法によって塗布した後、フォトリソグラフィおよびエッチング工程でパターニングし、トレンチ１５を形成する。犠牲層１４には、高アスペクト比のパターニングを可能にするため、厚塗り用レジスト（例えば東京応化製ＴＳＭＲ−ｉＮ１０００ＰＭ等）を用いることが好ましい。犠牲層１４の厚さは垂直リブ７の高さ（ｈ１）を規定し、トレンチ１５の幅は垂直リブ７の幅（ｗ）を規定する。垂直リブ７の高さｈ１や幅ｗは、可動電極６、垂直リブ７、およびミラー８が一体化した「可動部」の全体的な剛性を考慮して決定される。本実施形態では、垂直リブの高さｈ１を１０μｍ、幅ｗを１μｍに設定している。

次に、図４（ｂ）に示すように、トレンチ１５をメタルで埋め込むように犠牲層１４上にメタル層２０を堆積する。このメタル層２０から垂直リブ７を有するミラー８が形成されることになる。メタル層２０は、アルミ合金をコリメートスパッタやロングスロースパッタでスパッタリングする方法、銅やニッケルをめっきで埋め込む方法等、深い溝に良好に成膜できる工法によって好適に形成され得る。各トレンチ１５内では、トレンチ１５の両側壁から中心に向かって均等に膜が成長し、トレンチ１５の中心で合体する。その後も成膜を続けると、リブ７として機能する部分のみならず、ミラー８として機能する部分をも連続的に形成することが可能になる。成膜直後においては、メタル層２０のうちミラー８として機能する部分の表面には、トレンチ１５の位置に対応した凹部１６が残る。なお、メタル層２０の形成工程については、後で更に詳細に説明する。

メタル層２０を形成した後、図４（ｃ）に示すように、メタル層２０の表面をＣＭＰ（ＣｈｅｍｉｃａｌＭｅｃｈａｎｉｃａｌＰｏｌｉｓｈｉｎｇ）で研磨し、鏡面を形成する。フォトリソグラフィ工程により不図示のレジストマスクを形成した後、ウエットエッチングによりメタル層２０を複数の六角形パターンの配列に加工し、メタル層２０から複数のミラー８を形成する。メタル層２０の材料としてアルミ合金を用いる場合は、メタル層２０の表面をそのまま反射率の高いミラー面として利用することができる。メタル層の材料として銅などの他の金属を用いる場合、その表面に薄いアルミや銀の反射層を堆積することが好ましい。

次に図４（ｄ）に示すように、酸素プラズマエッチングで犠牲層１４、１２、１０を除去し、「可動部」をリリースする。犠牲層１０が除去された部分が空隙１７を形成し、犠牲層１２が除去された部分が空隙１８を形成する。犠牲層１４、１２、１０の除去により、弾性支持部５、可動電極６、ミラー８からなる「可動部」が変位可能となる。

こうして形成されたグランド電極２を接地し、図４（ｄ）に示される固定電極３に駆動電圧＋Ｖｄを印加すると、この固定電極３と、対向する可動電極６との間に静電引力が作用する。この静電引力により、ミラー８は図４（ｄ）の矢印の向きに回動することになる。単位セル内のすべての固定電極３に同電圧を印加すると、ミラー８は基台１に接近する方向に平行移動する。

次に、図５（ａ）および図５（ｂ）を参照して、犠牲層１４に形成されたトレンチ１５にメタル層２０を埋め込む工程を詳細に説明する。

コリメートスパッタ等の方法でメタル層２０を堆積する場合、図５（ａ）に矢印で示す方向に成長が進行する。一般にスパッタ等の方法でメタル層を堆積すると、成長方向に残留応力が発生するため、成長方向に応力勾配が残存することになる。この応力分布は、堆積速度や堆積温度などの成膜条件によって様々に変化する。

ここで、成長方向に沿って圧縮応力が大きくなるような応力勾配が生じた場合を考える。この場合、メタル層２０のうちミラー８となる部分では、＋Ｚ方向の応力勾配が発生し、下に凸にそろうとする曲げモーメントが働く。一方、メタル層２０のうち、トレンチ１５を埋める部分（垂直リブ７となる部分）では、トレンチ１５の向かいあう２つの側面からトレンチ１５内部の中央に向かって成長が進行するため、応力勾配は±Ｘ方向に対称に生じる。その結果、最終的には、図５（ｂ）に示すように、トレンチ１５の側面から成長したメタルがトレンチ１５の中央部で合体した後、その部分の応力勾配はキャンセルされる。即ち、トレンチ１５の内部に形成される垂直リブ７では、Ｚ方向の応力勾配が生じないことになる。従って、垂直リブ７はＺ方向に応力勾配を持たず、それ自体は反りを生じる曲げモーメントを発生しない。このため、ミラー８が反るのを矯正するに足る剛性を持たせるように垂直リブ７の幅および高さを設定すれば、ミラー８の応力勾配による反りを抑えることができる。さらに、垂直リブ７の下端側にも可動電極６が接続されているので可動電極６、垂直リブ７、ミラー８で構成される可動部は薄い膜厚でも非常に剛性の高い構成を実現できる。

さらに、第１の空隙すなわち電極間ギャップより第２の空隙を狭くすることにより、次のような効果がある。微細な構造体では、可動電極６を基台１へ引き寄せたとき、外乱衝撃力等によって可動電極６が固定電極３に異常に接近して接触する場合がある。そのような場合、電極表面の湿気等により、電極同士が吸着し、電圧印加停止後に弾性支持部５の弾性力によっても元の状態に復元できなくなることがある。このような吸着は「スティッキング」と呼ばれ、接触面積が広くなるほど、発生しやすくなる。本実施形態では、第１の空隙より第２の空隙が狭いため、第１の空隙を介して対向していた電極同士が接触するよりも先に、第２の空隙を介して対向していた垂直リブ７の端面と支柱４の上面とが接触することになる。このとき、弾性支持部５の大部分は可動部と共に変位するため、垂直リブ７の端面の狭い領域のみが支柱４の上面と接触する。したがって、垂直リブ７と支柱４との間の接触面積は小さく、これらの間でスティッキングは発生しにくい。

本実施形態によれば、スティッキングを防止するために、電極間にストッパーとなる突起を別途設ける必要がなくなる。

（実施形態２）
実施形態１において、３つの弾性支持部５および可動電極６は同一面上に位置し、同一の導電材料から形成されている。弾性支持部および可動電極の平面レイアウトは、実施形態１におけるものに限定されない。

図６は、弾性支持部５および可動電極６の他の構成例の平面レイアウトを示している。本実施形態では、六角形状の可動電極２６の外周に沿って、３本の支柱２４から弾性支持部２５が延長し、可動電極２６に連結している。可動電極２６の下方には、破線で示される３つの固定電極２３が配置されている。

本実施形態でも、弾性支持部２５および可動電極２６は同一の金属膜をパターニングすることによって当該金属膜から好適に形成されている。また、弾性支持部２５および可動電極２６以外の構成は、実施形態１における構成と同様である。本実施形態では、ミラー８が弾性支持部２５を覆う必要はないが、隣接するミラー８の隙間を小さくし、ミラー８の占有面積比率を高めるためには、ミラー８が弾性支持部２５を覆う形状およびサイズを有するように設計されることが望ましい。ミラー８が弾性支持部２５を覆う場合、垂直リブ７は弾性支持部２５上には設ける必要はない。しかし、前述した電極間のスティッキングを防止するため、弾性支持部２５上にも垂直リブ７を配置し、弾性支持部２５と垂直リブ７との間に第２の隙間を形成することが好ましい。

（実施形態３）
可動電極の形状は、六角形である必要はない。図７は、正方形の可動電極３６を示している。本実施形態では、正方形状の可動電極３６の外周に沿って、４本の支柱３４から弾性支持部３５が延長し、可動電極３６に連結している。可動電極３６の下方には、破線で示される４つの固定電極３３が配置されている。

単位セル内の固定電極の個数も３または４に限定されず、２または５以上であってもよい。ただし、３軸の変位を実現するためには、３個以上の固定電極を１つの可動電極に割り当てることが好ましい。

上記の実施形態１〜３に示すように、可動電極とミラーとが垂直リブ（連結部）によって結合しているため、可動部の軽量化と高剛性化とを両立できる。また、可動電極と弾性支持部とを同一金属膜から形成する場合の弾性支持部の設計自由度が向上する。

本発明の微小機械構造体によれば、軽量で剛性の高いミラーアレイをＣＭＯＳプロセスと互換性を有するプロセスにより形成できるため、高価なＳＯＩ基板を用いたり、ウエハの接合工程が不要になる。その結果、信頼性、生産性に優れたマイクロミラーデバイスを提供することが可能になる。

このようなマイクロミラーデバイスは、低電圧での高速動作が可能になり、また、平面度も極めて良好であるため、光ディスク装置の光ピックアップ内に設けて波面収差補正の用途に使用することが可能になる。

（実施形態４）
図８は、本発明の微小機械構造体を備える光ピックアップの構成例を示し、図９は、当該光ピックアップを備える光ディスク装置の構成例を示している。

図８の光ピックアップは、レーザ光を放射する半導体レーザ８１と、レーザ光を平行にするコリメートレンズ８２と、所定の方向に偏光した直線偏光を反射する偏光ビームスプリッタ８３と、直線偏光を円偏光に変換するための４分の１波長板８４と、マイクロミラーアレイデバイス８５と、レーザ光を光ディスク８７に集束する対物レンズ８６と、対物レンズ８６の位置を変化させるアクチュエータ８８とを備えている。

マイクロミラーアレイデバイス８５は、図２に示されるような多数のミラー部８が基板１上に配列された構成を有している。不図示の駆動回路によってマイクロミラーアレイデバイス８５の個々のミラー部８に割り当てられた固定電極に電圧が与えられ、ミラー部８の位置および姿勢が制御される。

マイクロミラーアレイデバイス８５の全てのミラー部８が形成する反射面を全体として調整することにより、その反射面の形状によって入射光束の波面位相を制御し、球面収差などの光学的なパラメータを制御することが可能になる。

図８では、単一の光源８１が図示されているが、１つの光ピックアップ内に複数の光源が設けられていてもよい。

次に、図９を参照しながら、本発明による光ディスク装置の実施形態を説明する。この実施形態は、図８に示す構成を有する光ピックアップ３００と、光ディスク２００を回転させるディスクモータ３０２と、各種の信号処理を行う部分とを備えている。

図９に示す例では、光ピックアップ３００の出力がフロントエンド信号処理部３０６を介してエンコーダ／デコーダ３０８に送られる。エンコーダ／デコーダ３０８は、データ読み出し時、光ピックアップ３００によって得られる信号に基づいて光ディスク２００に記録されているデータを復号する。データ書き込み時、エンコーダ／デコーダ３０８はユーザデータを符号化し、光ディスク２００に書き込むべき信号を生成し、光ピックアップ３００に送出する。

フロントエンド信号処理部３０６は、光ピックアップ３００の出力に基づいて再生信号を生成する一方、フォーカスエラー信号ＦＥやトラッキングエラー信号ＴＥを生成する。フォーカスエラー信号ＦＥやトラッキングエラー信号ＴＥは、サーボ制御部３１０に送出される。サーボ制御部３１０は、ドライバアンプ３０４を介してディスクモータ３０２を制御する一方、光ピックアップ３００内のアクチュエータを介して対物レンズの位置を制御する。

エンコーダ／デコーダ３０８およびサーボ制御部３１０などの構成要素は、ＣＰＵ３０９によって制御される。

本発明による光ディスク装置は、図９に示す構成を有するものに限定されず、本発明の光ピックアップを他の公知の光ディスク装置における光ピックアップと置き換えることによっても得られる。

（実施形態５）
図１０は、本発明によるレーザプロジェクタの実施形態を示す構成図である。

本実施形態にレーザプロジェクタ１００は、３原色（ＲＧＢ）の光ビームを放射する３つのレーザ光源１０１と、レーザ光源１０１から放射された光ビームを反射し、スクリーン１２０を反射ビームによって走査するスキャンミラー部１１６などを備えている。本実施形態では、レーザ光源１０１から放射された３色の光ビームが、それぞれのコリメートレンズ１０２によって絞り込まれた後、ダイクロイックプリズム１０３で合成されて１本の投射ビーム１０４を形成する。投射ビーム１０４は、スキャンミラー部１０６によって反射された後、開口１０７を介してスクリーン１２０に投射される。スキャンミラー部１０６は、実施形態１に示すような構成を備える微小機械構造体である。スキャンミラー部１０６は、平面度の高い１つのミラーを備えており、印加電圧に応じて高速に駆動される。その結果、投射ビーム１０４は、大画面のスクリーン１２０を走査し、その上に任意に画像を形成することが可能になる。スキャンミラー部１０６が備えるミラーの形状は、例えば直径１ｍｍ程度の円に内接する六角形である。

スクリーン１２０に表示される画像を規定する画像信号１１０は、制御部１１１に入力される。レーザ変調回路１１２によるレーザの変調に同期して、ミラー駆動部１１３がスキャンミラー部１０６を駆動する。スキャンミラー部１０６の角度を規定する角度変位信号１１６は、制御部１１１に与えられ、フィードバック制御が実行される。

スキャンミラー部１０６によってスクリーン１２０を走査するビーム１０４は、スクリーン２０上にビームスポット軌跡１２１を描く。

本実施形態のディスプレイでは、スキャンミラー部１０６の可動部が軽量でありながら、高い剛性と平面度を有しているため、ミラー駆動部１１３による高速の駆動が可能になる。

本発明の微小機械構造体は、光の方向を高速に変える光偏向器を駆動するマイクロミラーの構造体として有用であり、特に、高精度の平面度が要求される波面収差補正素子用のマイクロミラーデバイスとして好適で、様々な補償光学系に適用できる。

本発明の実施形態１の構成を示す分解斜視図である。本発明の実施形態１のアレイ配置構成を示す斜視図である。（ａ）〜（ｄ）は、本発明の実施形態１の製造方法を示す平面図と断面図である。（ａ）〜（ｄ）は、本発明の実施形態１の製造方法を示す平面図と断面図である。（ａ）および（ｂ）は、本発明の実施形態１のトレンチ部の拡大図である。本発明の実施形態２における弾性支持部と可動電極の形状を示す平面図である。本発明の実施形態３における弾性支持部と可動電極の形状を示す平面図である。本発明による光ピックアップの実施形態を示す図である。本発明による光ディスク装置の実施形態を示す図である。本発明によるディスプレイの実施形態を示す図である。

符号の説明

１基台
２グランド電極
３固定電極
４支柱
５弾性支持部材
６可動電極
７垂直リブ
８ミラー
１０、１２、１４犠牲層
１１、１３ビア
１５トレンチ
１７、１８空隙
８１半導体レーザ
８２コリメートレンズ
８３偏光ビームスプリッタ
８４４分の１波長板
８５マイクロミラーアレイデバイス
８７光ディスク
８６対物レンズ
８８アクチュエータ
２００光ディスク
３００光ピックアップ
３０２ディスクモータ
３０４ドライバアンプ
３０６フロントエンド信号処理部
３０８エンコーダ／デコーダ
３０９ＣＰＵ
３１０サーボ制御部
１００レーザプロジェクタ
１０１レーザ光源
１０２コリメートレンズ
１０３ダイクロイックプリズム
１０４投射ビーム
１０５ハーフミラー
１０６スキャンミラー部
１０７開口
１１０画像信号
１１１制御部
１１２レーザ変調回路
１１３ミラー駆動部
１２０スクリーン

Claims

基台と、
前記基台上に形成された弾性を有する弾性支持部と、
前記基台に対して相対的に移動可能なように前記弾性支持部によって支持される可動部と、
を備え、
前記可動部は、
第１の空隙を介して前記基台に対向する第１の平板部と、
連結部を有し、前記連結部を介して前記第１の平板部に固定されている第２の平板部と、
を備え、
前記弾性支持部と前記第１の平板部が同一平面上に形成され、かつ、前記弾性支持部は前記第１の平坦部と一体的化されており、
前記第２の平板部は、前記弾性支持部の少なくとも一部を覆う形状を有しており、
前記連結部は前記第２の平板部から前記第１の平板部に向かって突出する垂直リブであって、
前記垂直リブは、前記第１の平板部に接触するように第１の高さを有する部分と、前記弾性支持部に対して第２の空隙を介して対向するように前記第１の高さよりも小さい第２の高さを有する部分とを有し、前記弾性支持部に接触していない、微小機械構造体。
前記第２の平板部の少なくとも一部に光反射面を備える、請求項１に記載の微小機械構造体。
前記第２の空隙は前記第１の空隙よりも狭い請求項１に記載の微小機械構造体。
前記第１の平板部および前記弾性支持部は、同一の金属材料から形成され、同一の厚さを有している、請求項１に記載の微小機械構造体。
前記第２の平板部および前記連結部は、同一の金属材料から形成されている、請求項１に記載の微小機械構造体。
前記第２の平板部の面積は、１００μｍ²以上１ｍｍ²以下である、請求項１に記載の微小機械構造体。
前記第１の平板部および前記第２の平板部は、それぞれ、０．１μｍ以上５μｍ以下の厚さを有し、
前記連結部は０．２μｍ以上１０μｍ以下の厚さを有している、請求項１に記載の微小機械構造体。
前記連結部は、前記第１の平板部上の犠牲層の溝に埋め込まれた金属材料から形成されている請求項１に記載の微小機械構造体。
前記金属材料が、アルミ、銅、ニッケル、およびそれらの少なくとも１種の金属を含有する合金のいずれかである請求項８に記載の微小機械構造体。
前記基台上に設けられ、前記第１の平板部と第３の空隙を介して対向する固定電極を更に備え、
前記第１の平板部および前記固定電極が静電アクチュエータとして機能する請求項１に記載の微小機械構造体。
光ビームを放射する光源と、
前記光ビームを光ディスク上に集束する対物レンズと、
前記光ディスクから反射された光ビームを受け、電気信号を生成する光検出器と、
前記光ビームの収差を補正する収差補正素子と、
を備える光ピックアップであって、
前記収差補正素子は、
基台と、
前記基台上に形成された弾性を有する弾性支持部と、
前記基台に対して相対的に移動可能なように前記弾性支持部によって支持される可動部と、
を備え、
前記可動部は、
第１の空隙を介して前記基台に対向する第１の平板部と、
少なくとも１つの垂直リブを有し、前記垂直リブを介して前記第１の平板部に固定されている第２の平板部と、
を備え、
前記弾性支持部と前記第１の平板部が同一平面上に形成され、かつ、前記弾性支持部は前記第１の平坦部と一体的化されており、
前記第２の平板部は、前記弾性支持部の少なくとも一部を覆う形状を有しており、
前記連結部は前記第２の平板部から前記第１の平板部に向かって突出する垂直リブであって、
前記垂直リブは、前記第１の平板部に接触するように第１の高さを有する部分と、前記弾性支持部に対して第２の空隙を介して対向するように前記第１の高さよりも小さい第２の高さを有する部分とを有し、前記弾性支持部に接触していない、光ピックアップ。
光ディスクを回転させるモータと、
前記光ディスクの所望トラックにアクセスする光ピックアップと、
光ピックアップの出力に基づいて前記光ディスクからデータを再生する信号処理部と、
を備える光ディスク装置であって、
前記光ピックアップは、
光ビームを放射する光源と、
前記光ビームを光ディスク上に集束する対物レンズと、
前記光ディスクから反射された光ビームを受け、電気信号を生成する光検出器と、
前記光ビームの収差を補正する収差補正素子と、
を備え、
前記収差補正素子は、
基台と、
前記基台上に形成された弾性を有する弾性支持部と、
前記基台に対して相対的に移動可能なように前記弾性支持部によって支持される可動部と、
を備え、
前記可動部は、
第１の空隙を介して前記基台に対向する第１の平板部と、
少なくとも１つの垂直リブを有し、前記垂直リブを介して前記第１の平板部に固定されている第２の平板部と、
を備え、
前記弾性支持部と前記第１の平板部が同一平面上に形成され、かつ、前記弾性支持部は前記第１の平坦部と一体的化されており、
前記第２の平板部は、前記弾性支持部の少なくとも一部を覆う形状を有しており、
前記連結部は前記第２の平板部から前記第１の平板部に向かって突出する垂直リブであって、
前記垂直リブは、前記第１の平板部に接触するように第１の高さを有する部分と、前記弾性支持部に対して第２の空隙を介して対向するように前記第１の高さよりも小さい第２の高さを有する部分とを有し、前記弾性支持部に接触していない、光ディスク装置。
光ビームを放射する光源と、
画像信号に応じて前記光ビームの強度を変調する光源駆動部と、
前記光ビームでスクリーンを走査するスキャンミラー部と、
を備える表示装置であって、
前記スキャンミラー部は、
基台と、
前記基台上に形成された弾性を有する弾性支持部と、
前記基台に対して相対的に移動可能なように前記弾性支持部によって支持される可動部と、
を備え、
前記可動部は、
第１の空隙を介して前記基台に対向する第１の平板部と、
少なくとも１つの垂直リブを有し、前記垂直リブを介して前記第１の平板部に固定されている第２の平板部と、
を備え、
前記弾性支持部と前記第１の平板部が同一平面上に形成され、かつ、前記弾性支持部は前記第１の平坦部と一体的化されており、
前記第２の平板部は、前記弾性支持部の少なくとも一部を覆う形状を有しており、
前記連結部は前記第２の平板部から前記第１の平板部に向かって突出する垂直リブであって、
前記垂直リブは、前記第１の平板部に接触するように第１の高さを有する部分と、前記弾性支持部に対して第２の空隙を介して対向するように前記第１の高さよりも小さい第２の高さを有する部分とを有し、前記弾性支持部に接触しておらず、
前記第２の平板部が前記光ビームを反射するミラーとして機能する、表示装置。