JP4890689B2 - 三次元構造体の製造方法及び揺動体の製造方法 - Google Patents
三次元構造体の製造方法及び揺動体の製造方法 Download PDFInfo
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Description
【発明の属する技術分野】
本発明は、厚さの異なる複数の部分を含む三次元構造体、例えば光スキャナーに適用される揺動体の製造方法に関する。
【0002】
【従来の技術】
特開平11−242180号は、半導体基板を選択的にエッチングして作製された三次元構造体いわゆる揺動体を含む光スキャナーを開示している。この光スキャナーの構成を図18に示す。
【0003】
図18に示されるように、この光スキャナーは、可動板512とこれを取り囲む支持枠514と両者を連結する一対の弾性部材516とから成る揺動体510と、可動板を周回するコイル522と、一対の弾性部材516の中をそれぞれ延びる一対の配線524と、支持枠514に形成された一対の給電パッド526と、支持枠514に固定された磁石532とを備えている。可動板512には、光ビームを反射するための反射面528が形成されている。各配線524は、それぞれ、一端がコイル522の一方の端部に接続され、他端が一方の給電パッド526に接続されている。弾性部材516はポリイミド樹脂等の絶縁性の弾性膜で構成され、これは、可動板512の表面にも形成されており、コイル522と配線524の層間絶縁膜としても機能する。
【0004】
図18において、一対の給電パッド526に交流電圧を印加すると、コイル522に交流電流が流れる。コイル522に流れる電流と磁石532が発生する磁界との相互作用によりローレンツ力が発生する。このため、可動板512は弾性部材516の内部を通る軸の周りに偶力を受け、その向きはコイル522に流れる電流の方向に依存する。コイル522には交流電流が流れるため、可動板512は弾性部材516の内部を通る軸の周りに揺動する。可動板512の揺動によって、可動板512の反射面528で反射された光ビームは走査される。
【0005】
次に、この光スキャナーの揺動体510の製造工程を図19〜図22を参照して説明する。
【0006】
まず、図19に示されるように、シリコン基板542の主面(おもて面とうら面)に窒化シリコン膜544を成膜した後、うら面側の窒化シリコン膜を選択的にエッチングして、可動板と支持枠を形成するためのマスク548を形成する。
【0007】
次に、図20に示されるように、シリコン基板542のおもて面側の窒化シリコン膜544の上にコイル522、ポリイミド膜552、配線524と給電パッド526、ポリイミド膜554、ポリイミドエッチングマスク556を順次形成する。配線524の端部はポリイミド膜552に形成されたビアホールを通ってコイル522の端部に電気的に接続されている。
【0008】
続いて、図21に示されるように、シリコン基板542のおもて面側を封止した状態で、シリコン基板542のうちマスク548に被覆されていない部分をTMAH(Tetramethyl ammonium hydroxide)等によってうら面側からエッチングすることにより、可動板512と支持枠514を形成する。
【0009】
さらに、ポリイミドエッチングマスク556を介してポリイミド膜552と554をエッチングすることにより、弾性部材516(図22参照)を形成する。最後に、ポリイミドエッチングマスク556と残っている窒化シリコン膜544と548を除去して、図22に示される光スキャナー用の揺動体510が得られる。
【0010】
【発明が解決しようとする課題】
図22に示される光スキャナー用の揺動体510においては、その製造方法から分かるように、可動板512と支持枠514の厚さは必ずシリコン基板542の厚さと同一である。可動板512を小型化した場合、すなわち可動板512の幅Wや長さAの寸法を小さくした場合、可動板512の体積に対するコイルの面積が相対的に減少するため、揺動体(スキャナー)の駆動効率が低下する。
【0011】
可動板512の小型化に伴い、可動板512の幅Wや長さAの寸法がシリコン基板542の厚さ寸法に近づくため、可動板512は図23に示されるようにブロック状の形状になる。その結果、可動板の重心564の位置は揺動軸562から離れていく。つまり、可動板512の小型化に伴い、その重心位置の揺動軸562からの距離Dは増大していく。これは、駆動時に不要な振動モードを発生させる要因となる。
【0012】
また、シリコンのエッチングに最も一般的に適用されるTMAHによるエッチングでは、エッチング速度がシリコンの面方位によって異なるため、作製する構造体の形状に応じてシリコンの面方位が選択される。前述の可動板の形成には面方位(100)のウエハーが使用され、図23に示されるように、可動板の側面にテーパーが形成される。コイルが形成される可動板の上側の面の幅WLや長さLLは、これを形成するためのマスク566の幅WSや長さLSにテーパー部の幅(長さ)LTの二倍を加えた寸法に等しい。従って、TMAHを使用するエッチングでは、上側の幅WLや長さLLの寸法が2×LTより小さい可動板を形成することはできない。
【0013】
LTの値は使用するシリコン基板の厚さに依存している。従って、小さい可動板を形成するためには薄いシリコン基板542を使用すればよいが、薄いシリコン基板542は剛性が低いため、作製時の取り扱いに対して強度不足となりやすい。また、形成される支持枠514の厚さは使用するシリコン基板542の厚さに等しいので、作製された揺動体510は強度の低いものとなり、その取り扱いが難しいものとなってしまう。
【0014】
このような理由から、前述した揺動体510(三次元構造体)の製造方法では、非常に小さい可動板(部材)を作製することが難しい。
【0015】
本発明の主な目的は、互いに厚さの異なる部分を一回のエッチングで形成し得る三次元構造体の製造方法を提供することである。
【0016】
本発明の他の目的は、非常に小さい部材(例えば可動板)をウエットエッチングによって形成し得る三次元構造体(揺動体)の製造方法を提供することである。
【0017】
本発明の別の目的は、小さい可動板を有していながらも駆動効率の高い揺動体を作製し得る揺動体の製造方法を提供することである。
【0018】
本発明の他の目的は、小さい可動板を有していながらも不要な振動モードを発生し難い揺動体の製造方法を提供することである。
【0019】
【課題を解決するための手段】
本発明は、支持体と、少なくとも一つの反射面を持つ支持体とは厚さの異なる可動板と、可動板と支持体とを揺動可能に連結する弾性部材とを備えており、支持体に対して可動板を揺動させるための駆動手段と共働して、可動板の反射面で反射される光ビームを走査する光スキャナーを構成する揺動体の製造方法であり、複数の加工基板とそれらの間に介在する少なくとも一つのマスクとで構成されている積層構造体を形成する工程と、積層構造体の主面の一方に別のマスクを形成する工程と、これらのマスクを通して加工基板を選択的にエッチングすることにより互いに厚さの異なる支持体と可動板とを形成する工程とを有している。
【0020】
最初、積層構造体の外側に設けられたマスクで覆われていない部分がエッチングされてゆき、やがて積層構造体の内部に設けられたマスクが現れ、その後は、これに覆われていない部分のみがエッチングされる。その結果、厚い部分と薄い部分とを持つ三次元構造体が形成される。薄い部分の厚さは積層構造体中のマスクの位置によって決まるため、三次元構造体の薄い部分の厚さを独立かつ高精度に制御することができる。
【0021】
【発明の実施の形態】
以下、図面を参照しながら本発明の実施の形態について説明する。
【0022】
第一実施形態
本発明の第一実施形態に係る三次元構造体である光スキャナー用揺動体の製造方法について図1〜図9を参照して説明する。
【0023】
まず、図1に示されるように、支持層112と埋め込み酸化膜層114と活性層116を有するSOI(Silicon on Insulator)基板110を用意し、活性層116と支持層112の外側面すなわち非接合面にそれぞれ酸化膜124と酸化膜122を形成した後、酸化膜124の上にレジストパターン126を形成する。SOI基板110の活性層116は形成する可動板に対応する厚さを有している。
【0024】
次に、図2に示されるように、酸化膜124のうちレジストパターン126に被覆されていない部分をバッファードフッ酸等によって除去することにより、マスク128を形成する。
【0025】
続いて、レジストパターン126を除去した後、図3に示されるように、この構造体のマスク128にシリコン基板132を接触させ、加重を印加して両者を仮接合する。言い換えれば、マスク128を挟んでSOI基板110とシリコン基板132とを仮接合する。
【0026】
この工程において、仮接合の直前に、両者の基板のシリコンが露出した部分に形成された自然酸化膜をフッ酸等によって予め除去しておくことが望ましい。接合作業は大気中で行なってもよいが、マスク128の形状等の影響で接合面にボイドが発生する場合には減圧雰囲気中で行なうとよい。
【0027】
さらに、仮接合された構造体に対して酸化雰囲気中で熱処理を行なうことにより、両者を完全に接合する。さらに、熱酸化を行ない、図3に示されるように、接合された構造体の外側の面に、すなわちSOI基板110とシリコン基板132の非接合面にそれぞれ酸化膜136と酸化膜134を形成する。
【0028】
次に、SOI基板110の支持層112に形成された酸化膜134を除去する。シリコン基板132の非接合面に残る酸化膜136は、次の工程におけるエッチングの保護膜として機能する。続いて、支持層112をTMAH等によって除去することにより、図4に示されるように、シリコン基板132と活性層116の間にマスク128が埋め込まれた構造体が得られる。つまり、二つのシリコン層とその間に介在するエッチングマスクとで構成された積層構造体が形成される。
【0029】
次に、酸化膜136と埋め込み酸化膜層114を除去した後、シリコン基板132と活性層116の外側面すなわち非接合面にそれぞれ窒化シリコン膜142と窒化シリコン膜144を成膜する。さらに窒化シリコン膜144を選択的にエッチングすることにより、図5と図6に示されるように、シリコン基板132の非接合面にマスク146を形成する。
【0030】
次に、図7に示されるように、活性層116側の窒化シリコン膜142の表面にコイル152、ポリイミド膜154、配線156と給電パッド158、ポリイミド膜160、ポリイミドエッチングマスク162を順次形成する。配線156の端部は、図示されていないが、ポリイミド膜154に形成されたビアホールを通ってコイル152の端部に電気的に接続されている。
【0031】
次に、コイル152等が形成された面を封止し、シリコン基板132側の面からTMAH等によってマスク146を通してエッチングを行なう。最初、マスク146に覆われていない部分のシリコン基板132がエッチングされてゆき、やがてマスク128が現れる。マスク128が現れた後は、マスク128に覆われていない部分の活性層116のみがエッチングされる。その結果、図8に示されるように、支持枠174と可動板172が形成される。
【0032】
図8から分かるように、支持枠174の厚さは、シリコン基板132の厚さと活性層116の厚さを合計した値にほぼ等しく、可動板172の厚さは、活性層116の厚さにほぼ等しい。図5と図6の工程で形成された窒化シリコン膜142は、図8に示される工程において、エッチングによってシリコンが完全に除去された後に、コイルやポリイミド膜をエッチング液から遮蔽するエッチング停止層として機能する。
【0033】
次に、ポリイミドエッチングマスク162を通してポリイミド膜154と160をエッチングすることにより、弾性部材であるねじりバネ176(図9参照)を形成するとともに、給電パッド158の部分に開口を形成する。最後に、ポリイミドエッチングマスク162と、可動板172と支持枠174の間に残っている窒化シリコン膜142と、支持枠174に残っている窒化シリコン膜146とを除去することによって、図9に示される光スキャナー用の揺動体180が完成する。
【0034】
本実施形態では、エッチングマスクが間に埋め込まれた積層構造体、より詳しくは、可動板の厚さを主に決定する第一のシリコン層と、第一のシリコン層と共働して支持枠174の厚さを主に決定する第二のシリコン層と、それらの間に位置するエッチングマスクとで構成される積層構造体を形成し、この積層構造体に対してエッチングを行なうことにより揺動体を作製している。
【0035】
これにより、たった一回のエッチングによって、可動板172と支持枠174が異なる厚さに形成される。つまり、可動板172のみが薄く形成される。これにより、TMAHによるエッチングにおいて、可動板を非常に小さく形成することが可能になる。従って、非常に小さい可動板を持つ揺動体を容易に作製することができる。
【0036】
また、可動板172のみを薄く形成できるので、通常であれば可動板の小型化に伴って生じる可動板の体積に対するコイルの面積の相対的な減少を抑えることができ、駆動効率の高いスキャナーを構成することができる。
【0037】
さらに、可動板172のみを薄く形成できるので、揺動軸から可動板172の重心位置までの距離を小さくでき、不要な振動モードを発生し難い揺動体を得ることができる。
【0038】
上述した本実施形態では、形成する可動板にほぼ同じ厚さのシリコン層がエッチングマスクを介して別のシリコン層と接合されている積層構造体を、図1〜図3を参照して説明したように、マスク128を設けたSOI基板に別のシリコン基板を接合した後、SOI基板の支持層をエッチングにより除去することによって形成している。これは、形成する可動板とほぼ同じ厚さの単一のシリコン基板は、これを処理する工程に耐え得る十分な機械的強度を有していないためであり、このような理由から、形成する可動板とほぼ同じ厚さの活性層とその機械的強度を補う働きをする支持層とで構成されたSOI基板を用いている。
【0039】
しかし、上述の積層構造体を形成する手法はこれに限定されるものではない。例えば、図10に示されるように、比較的厚い二枚のシリコン基板192、194をマスク196を間に挟んで接合した後、一方のシリコン基板192を形成する可動板に相当する厚さまで研磨することにより形成してもよい。
【0040】
第二実施形態
本明細書ではこれまでスキャナー用の揺動体を作製対象として述べてきたが、本発明の適用先はこれに限定されるものではなく、厚さの異なる部分を有している任意の三次元構造体に広く適用可能である。以下では、第二実施形態として、特開平5−264577号に開示されている加速度センサーに対する適用例について述べる。
【0041】
この加速度センサーは、図11に示されるように、シリコン構造体210と、ガラス基板230とから構成されている。シリコン構造体210は、支持枠212と、中央支持部214と、連結部218と、カンチレバー216と、可動電極220とを有している。ガラス基板230は、各々の可動電極220に対向する位置に形成されている固定電極232を有している。
【0042】
図11と図12に示されるように、シリコン構造体210は厚さの異なる複数の部分を有しており、支持枠212と中央支持部214が最も厚く、カンチレバー216と連結部218が最も薄く、可動電極220はそれらの間の厚さである。
【0043】
シリコン構造体210の作製方法は特開平5−264577号には記載されていないが、シリコン構造体210は本発明を適用することにより容易に作製することができる。以下、この作製工程について図13〜図17を参照して説明する。
【0044】
まず、図13に示されるように、第一実施形態と同様の工程を二回繰り返すことにより、シリコン基板242とシリコン基板244を、カンチレバー216と連結部218を形成するためのマスク252を間に挟んで接合した後、続いてシリコン基板244にシリコン基板246を、可動電極220を形成するためのマスク254を間に挟んで接合する。すなわち、シリコン基板242とシリコン基板244とシリコン基板246の間にそれぞれマスク254とマスク252が埋め込まれている積層構造体を形成する。
【0045】
次に、図13の工程で得られた積層構造体の主面(おもて面とうら面)、すなわちシリコン基板242の非接合面とシリコン基板246の非接合面にそれぞれ酸化膜262と酸化膜(266)を形成した後、図14に示されるように、シリコン基板246の非接合面に形成された酸化膜を選択的に除去することにより、支持枠212と中央支持部214の形成用のマスク266を形成する。
【0046】
次に、TMAH等によりマスク266を通して積層構造体をエッチングする。このエッチングでは、最初、マスク266を通してシリコン基板246の露出している部分が除去される。エッチングが進行すると、図15に示されるように、マスク254が露出する。それ以降は、マスク254を通してシリコン基板244の露出している部分が除去される。
【0047】
さらにエッチングが進行すると、図16に示されるように、マスク252が露出する。それ以降は、マスク252を通してシリコン基板242の露出している部分が除去される。その結果、最終的に図17に示される構造体が得られる。
【0048】
最後に、酸化膜262とマスク252とマスク254とマスク266をフッ酸等で除去することにより、図12に示されるように、複数の厚さの異なる部分を有しているシリコン構造体210、すなわち、最も厚い支持枠212と中央支持部214と、中間的な厚さの可動電極220と、最も薄い連結部218とカンチレバー216とを有しているシリコン構造体210が完成する。
【0049】
このシリコン構造体210は、可動電極220の各々に対向する固定電極232が形成されたガラス基板230と接合されて、加速度センサーが完成される。
【0050】
本実施形態では、複数のシリコン層とそれらの間に介在するエッチングマスクとで構成されている積層構造体、より詳しくは、連結部218とカンチレバー216の厚さを主に決定する第一のシリコン層と、第一のシリコン層と共働して可動電極220の厚さを主に決定する第二のシリコン層と、第一のシリコン層および第二のシリコン層と共働して支持枠212と中央支持部214の厚さを主に決定する第三のシリコン層と、第一のシリコン層と第二のシリコン層の間に位置するエッチングマスクと、第二のシリコン層と第三のシリコン層の間に位置するエッチングマスクとで構成される積層構造体を形成し、この積層構造体に対してエッチングすることにより、加速度センサー用のシリコン構造体210を作製している。
【0051】
これにより、最も厚い支持枠212と中央支持部214と、中間的な厚さの可動電極220と、最も薄い連結部218とカンチレバー216とを一回のエッチングで形成することができる。従って、異なる厚さの部分を持つ三次元構造体を容易に作製することができる。
【0052】
本実施形態においても、エッチングマスクを含む積層構造体の形成には、第一実施形態と同様、SOI基板を利用する代わりに、二枚のシリコン基板をマスクを介して接合した後、一方のシリコン基板を適当な厚さになるまで研磨する手法を採用してもよい。シリコン基板のエッチングには、TMAH等によるウエットエッチング法を用いているが、酸化膜をマスクとして使用可能であれば、ドライエッチング法を用いてもよい。
【0053】
これまで、いくつかの実施の形態について図面を参照しながら具体的に説明したが、本発明は、上述した実施の形態に限定されるものではなく、その要旨を逸脱しない範囲で行なわれるすべての実施を含む。
【0054】
【発明の効果】
本発明によれば、互いに厚さの異なる部分を一回のエッチングで形成し得る三次元構造体の製造方法が提供される。また、本発明によれば、任意の部分を任意の厚さに形成できるので、非常に小さい部材をウエットエッチングによって形成することも可能である。
【図面の簡単な説明】
【図1】本発明の第一実施形態に関する三次元構造体である光スキャナー揺動体の製造方法の最初の工程に示す側断面図である。
【図2】第一実施形態の揺動体の製造方法の図1の工程に続く工程に示す側断面図である。
【図3】第一実施形態の揺動体の製造方法の図2の工程に続く工程に示す側断面図である。
【図4】第一実施形態の揺動体の製造方法の図3の工程に続く工程に示す側断面図であり、二枚のシリコン層とそれらの間に介在する一枚のマスクとで構成される積層構造体が示されている。
【図5】第一実施形態の揺動体の製造方法の図4の工程に続く工程に示す側断面図であり、一方の主面にマスクが形成された積層構造体が図4とは上下が逆に描かれている。
【図6】図5に示されている積層構造体の部分断面斜視図であり、本図中のS−T線に沿った断面が図5に示されている。
【図7】第一実施形態の揺動体の製造方法の図5と図6の工程に続く工程に示す部分断面斜視図である。
【図8】第一実施形態の揺動体の製造方法の図7の工程に続く工程に示す部分断面斜視図である。
【図9】第一実施形態の揺動体の製造方法の図8の工程に続く工程に示す部分断面斜視図であり、完成品の揺動体が示されている。
【図10】図4と図5示された積層構造体を形成するための別の工程を示す側断面図である。
【図11】特開平5−264577号に開示されている加速度センサーの部分断面斜視図である。
【図12】図11に示されているシリコン構造体をガラス基板の側から見た斜視図である。
【図13】本発明の第二実施形態である図12に示される三次元構造体のシリコン構造体の製造方法の最初の工程を示している図であり、三枚のシリコン層とそれらの間に介在する二枚のマスクとで構成される積層構造体の部分断面斜視図である。
【図14】本発明の第二実施形態であるシリコン構造体の製造方法の図13の工程に続く工程を示している斜視図である。
【図15】本発明の第二実施形態であるシリコン構造体の製造方法の図14の工程に続く工程を示している斜視図である。
【図16】本発明の第二実施形態であるシリコン構造体の製造方法の図15の工程に続く工程を示している斜視図である。
【図17】本発明の第二実施形態であるシリコン構造体の製造方法の図16の工程に続く工程を示している斜視図であり、完成品のシリコン構造体が示されている。
【図18】特開平11−242180号に開示されている光スキャナーの部分断面斜視図である。
【図19】図18の光スキャナーに含まれる従来の揺動体の製造方法の最初の工程を示している部分断面斜視図である。
【図20】従来の揺動体の製造方法の図19に続く工程を示している部分断面斜視図である。
【図21】従来の揺動体の製造方法の図20に続く工程を示している部分断面斜視図である。
【図22】図21の工程の後に得られる従来の揺動体の完成品の斜視図である。
【図23】可動板が小型化された従来の揺動体の部分断面斜視図である。
【符号の説明】
116 活性層
128 マスク
132 シリコン基板
142 窒化シリコン膜
146 マスク
Claims (1)
- 支持体と、少なくとも一つの反射面を持つ支持体とは厚さの異なる可動板と、可動板と支持体とを揺動可能に連結する弾性部材とを備えており、支持体に対して可動板を揺動させるための駆動手段と共働して、可動板の反射面で反射される光ビームを走査する光スキャナーを構成する揺動体の製造方法であり、
複数の加工基板とそれらの間に介在する少なくとも一つのマスクとで構成されている積層構造体を形成する工程と、
積層構造体の主面の一方に別のマスクを形成する工程と、
これらのマスクを通して加工基板を選択的にエッチングすることにより互いに厚さの異なる支持体と可動板とを形成する工程とを有している、揺動体の製造方法。
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