JP4988655B2

JP4988655B2 - Semiconductor mechanical structure

Info

Publication number: JP4988655B2
Application number: JP2008166584A
Authority: JP
Inventors: 宏明橘; 宏野毛; 清彦河野
Original assignee: Panasonic Corp; Matsushita Electric Industrial Co Ltd
Current assignee: Panasonic Corp; Panasonic Holdings Corp
Priority date: 2008-06-25
Filing date: 2008-06-25
Publication date: 2012-08-01
Anticipated expiration: 2028-06-25
Also published as: JP2010008612A

Description

本発明は、半導体基板に形成され、ヒンジに軸支され揺動可能に構成された可動部を有する半導体機械構造体に関する。 The present invention relates to a semiconductor machine structure having a movable part that is formed on a semiconductor substrate and pivotally supported by a hinge.

従来より、例えばバーコードリーダやプロジェクタ等の光学機器として、ミラー面が設けられた可動部を揺動させて、そのミラー面に入射した光ビーム等をスキャンする光走査ミラーを用いたものが知られている（例えば、特許文献１参照）。光走査ミラーとしては、例えば、マイクロマシニング技術を用いて成形される半導体機械構造体を有する小型のものが知られている。このような半導体機械構造体は、光走査ミラーとして用いられるときにミラー面が形成される可動部と、可動部を支持する固定フレームとを有している。可動部と固定フレームとは互いにヒンジにより連結されている。可動部は、例えば、可動部と固定フレームとの間に形成された互いに噛合う一対の櫛歯電極により駆動される。櫛歯電極は、例えば互いの電極が数μｍ程度の間隔で噛み合うように形成されており、互いの電極間に電圧が印加されることにより静電力を発生する。可動部は、櫛歯電極が発生する駆動力により、ヒンジを捻りながら固定フレームに対し回動し、ヒンジを軸として揺動する。 2. Description of the Related Art Conventionally, as an optical device such as a barcode reader or a projector, an optical device using an optical scanning mirror that scans a light beam incident on the mirror surface by swinging a movable part provided with the mirror surface is known. (For example, refer to Patent Document 1). As the optical scanning mirror, for example, a small one having a semiconductor mechanical structure formed by using a micromachining technique is known. Such a semiconductor mechanical structure has a movable part on which a mirror surface is formed when used as an optical scanning mirror, and a fixed frame that supports the movable part. The movable part and the fixed frame are connected to each other by a hinge. The movable portion is driven by, for example, a pair of comb electrodes that are formed between the movable portion and the fixed frame and mesh with each other. The comb electrodes are formed, for example, such that the electrodes are engaged with each other at intervals of about several μm, and an electrostatic force is generated when a voltage is applied between the electrodes. The movable portion is rotated with respect to the fixed frame while twisting the hinge by the driving force generated by the comb electrode, and swings about the hinge.

ところで、このような光走査ミラーにおいて、小さな駆動電圧で、光を走査するのに必要な振れ角を確保するためには、ヒンジを細くし、ヒンジのねじり方向のばね定数を小さくすればよい。しかしながら、このようにヒンジを細くすると、ヒンジが物理的な衝撃に対し脆弱になり、外部から衝撃が加わったときにヒンジが破損し、光走査ミラーが動作不能になることがある。特許文献１には、カバー基板を半導体基板に接合した光走査ミラーの構造が開示されているが、カバー基板を設けても可動部の変位は抑制されないため、外部から衝撃が加わると、可動部が変位しカバー基板に当接する前にヒンジが破損されるおそれがある。
特開２００４−１０９６５１号公報 By the way, in such an optical scanning mirror, in order to ensure a deflection angle necessary for scanning light with a small driving voltage, the hinge is made thin and the spring constant in the twisting direction of the hinge is made small. However, when the hinge is thinned in this way, the hinge becomes vulnerable to physical impact, and when the impact is applied from the outside, the hinge may be damaged and the optical scanning mirror may become inoperable. Patent Document 1 discloses a structure of an optical scanning mirror in which a cover substrate is bonded to a semiconductor substrate. However, even if a cover substrate is provided, the displacement of the movable portion is not suppressed. There is a possibility that the hinge may be damaged before it is displaced and comes into contact with the cover substrate.
JP 2004-109651 A

本発明は、上記問題点を鑑みてなされたものであり、外部から衝撃が加わっても可動部が変位しにくく、ヒンジの破損を防止することができ、耐衝撃性が高い半導体機械構造体を提供することを目的とする。 The present invention has been made in view of the above-described problems. A semiconductor machine structure having high impact resistance, in which a movable part is difficult to be displaced even when an impact is applied from the outside, the hinge can be prevented from being damaged, and the like. The purpose is to provide.

上記目的を達成するため、請求項１の発明は、半導体基板に、可動部と、それぞれ前記可動部に一端部が接続され前記可動部の１つの揺動軸を構成する一対のヒンジと、前記一対のヒンジのそれぞれの他端部が接続されており前記ヒンジを支持する固定フレームとが設けられており、前記可動部が、前記一対のヒンジをねじりながら前記固定フレームに対して揺動可能に構成されている半導体機械構造体において、前記半導体基板の少なくとも一面には、前記可動部を保護するための保護基板が接合されており、前記保護基板は、前記可動部の揺動の中心軸に向けて突設されたストッパを有し、それにより、前記可動部の前記半導体基板に対し垂直な方向への変位が制限されているものである。 In order to achieve the above object, the invention of claim 1 is directed to a semiconductor substrate, a movable part, a pair of hinges each having one end connected to the movable part and constituting one swing shaft of the movable part, Each other end of the pair of hinges is connected, and a fixed frame that supports the hinge is provided, and the movable part can swing relative to the fixed frame while twisting the pair of hinges. In the configured semiconductor mechanical structure, a protective substrate for protecting the movable portion is bonded to at least one surface of the semiconductor substrate, and the protective substrate is attached to a central axis of oscillation of the movable portion. A stopper is provided so as to project toward the substrate, whereby the displacement of the movable portion in a direction perpendicular to the semiconductor substrate is limited.

請求項２の発明は、請求項１の発明において、前記ストッパは、前記可動部が変位したときに前記ヒンジに当接しないように、前記ヒンジに近接しないように形成されているものである。 According to a second aspect of the present invention, in the first aspect of the present invention, the stopper is formed so as not to be close to the hinge so as not to contact the hinge when the movable portion is displaced.

請求項１の発明によれば、可動部の、半導体基板に対し垂直な方向への変位が制限されているので、外部から衝撃が加わったときにヒンジの破損を防止することができ、半導体機械構造体の耐衝撃性を向上させることができる。ストッパは、可動部の揺動時に可動部の変位が少ない揺動軸に向けて突設されているので、可動部のヒンジを軸とする揺動運動を妨げることなくストッパを可動部に近接させることができ、可動部の半導体基板に対し垂直な方向への変位をより効果的に制限することができる。 According to the first aspect of the present invention, since the displacement of the movable part in the direction perpendicular to the semiconductor substrate is restricted, the hinge can be prevented from being damaged when an impact is applied from the outside. The impact resistance of the structure can be improved. Since the stopper is projected toward the swinging shaft where the displacement of the movable part is small when the movable part swings, the stopper is brought close to the movable part without hindering the swinging movement about the hinge of the movable part. And the displacement of the movable part in the direction perpendicular to the semiconductor substrate can be more effectively limited.

請求項２の発明によれば、ストッパがヒンジに当接しないので、ヒンジがストッパに接触して破損するトラブルを防止することができる。 According to the invention of claim 2, since the stopper does not contact the hinge, it is possible to prevent trouble that the hinge contacts the stopper and is damaged.

以下、本発明の一実施形態について図面を参照して説明する。図１、図２（ａ），（ｂ）、及び図３は、本実施形態に係る光走査ミラー（半導体機械構造体）の一例を示す。光走査ミラー１は、例えば、バーコードリーダ、外部のスクリーン等に画像を投影するプロジェクタ装置、又は光スイッチ等の光学機器に搭載される小型のものであり、外部の光源等（図示せず）から入射する光ビーム等をスキャン動作させる機能を有している。 Hereinafter, an embodiment of the present invention will be described with reference to the drawings. 1, FIG. 2A, FIG. 2B, and FIG. 3 show an example of an optical scanning mirror (semiconductor mechanical structure) according to the present embodiment. The optical scanning mirror 1 is a small one mounted on an optical device such as a barcode reader, an external screen or the like, or an optical device such as an optical switch, and an external light source (not shown). Has a function of performing a scanning operation of a light beam or the like incident from.

先ず、光走査ミラー１の構成について以下に説明する。図１に示すように、光走査ミラー１は、導電性を有する第１シリコン層（活性層）２００ａと第２シリコン層（基板層）２００ｂとをシリコンの酸化膜（ＢＯＸ（Buried OXide）層）２２０を介して接合して成る、３層のＳＯＩ（Silicon on Insulator）基板（半導体基板）２００から構成された半導体部１００を有している。酸化膜２２０は絶縁性を有しているので、第１シリコン層２００ａと第２シリコン層２００ｂとは互いに絶縁されている。第１シリコン層２００ａの厚みは、例えば３０μｍ程度であり、第２シリコン層２００ｂの厚みは、例えば４００μｍ程度である。また、ＳＯＩ基板２００の上面の一部には、酸化膜２２０ｂが形成されている（図３に図示）。図２（ａ）に示すように、光走査ミラー１は、例えば、上面視で一辺が数ｍｍ程度の略正方形又は略矩形である直方体状の素子であり、半導体部１００と、第１シリコン層２００ａの上面に接合された上部保護基板（保護基板）１１０と、第２シリコン層２００ｂの下面に接合された下部保護基板１２０（保護基板）等で構成されている。 First, the configuration of the optical scanning mirror 1 will be described below. As shown in FIG. 1, the optical scanning mirror 1 includes a conductive first silicon layer (active layer) 200a and a second silicon layer (substrate layer) 200b formed of a silicon oxide film (BOX (Buried OXide) layer). The semiconductor unit 100 includes a three-layer SOI (Silicon on Insulator) substrate (semiconductor substrate) 200 formed by bonding via 220. Since the oxide film 220 has an insulating property, the first silicon layer 200a and the second silicon layer 200b are insulated from each other. The thickness of the first silicon layer 200a is, for example, about 30 μm, and the thickness of the second silicon layer 200b is, for example, about 400 μm. An oxide film 220b is formed on a part of the upper surface of the SOI substrate 200 (shown in FIG. 3). As shown in FIG. 2A, the optical scanning mirror 1 is, for example, a rectangular parallelepiped element having a side of about several millimeters when viewed from above, and includes a semiconductor unit 100 and a first silicon layer. The upper protective substrate (protective substrate) 110 bonded to the upper surface of 200a, the lower protective substrate 120 (protective substrate) bonded to the lower surface of the second silicon layer 200b, and the like.

図１に示すように、半導体部１００は、上面視で略矩形形状であり上面にミラー面２０が形成されたミラー部２と、ミラー部２の周囲を囲むように略矩形の環状に形成された可動フレーム３と、可動フレーム３の周囲を囲むように形成され、光走査ミラー１の側周部となる固定フレーム４とを有している。可動フレーム３と固定フレーム４とは、互いに並んで１つの軸を成すように、固定フレーム４の互いに対向する２側面から各面に直交するように形成された梁状の一対の第１ヒンジ５により連結されている。一方、ミラー部２と可動フレーム３とは、第１ヒンジ５の長手方向と直交する方向に、互いに並んで１つの軸を成すように形成された梁状の一対の第２ヒンジ６により連結されている。第１ヒンジ５及び第２ヒンジ６は、それらそれぞれが成す軸が、上面視でミラー部２の重心位置を通過するように形成されている。第１ヒンジ５及び第２ヒンジの幅寸法は、例えば、それぞれ、５μｍ程度、３０μｍ程度である。ミラー部２は、第２ヒンジ６を揺動軸として、可動フレーム３に対して揺動可能に可動フレーム３に支持されている。一方、可動フレーム３は、第１ヒンジ５を揺動軸として、固定フレーム４に対して揺動可能に固定フレーム４に支持されている。すなわち、この光走査ミラー１において、ミラー部２と可動フレーム３とが、第１ヒンジ５により構成される軸回りに、固定フレーム４に対し揺動可能な可動部５０を構成している。ミラー部２は、第１ヒンジ５と第２ヒンジ６とによりそれぞれ構成される２つの揺動軸回りに、２次元的に揺動可能に構成されている。図２（ｂ）に示すように、可動フレーム３の下面には、可動フレーム３に接合され、可動フレーム３と一体に揺動可能に支持体９が設けられている。また、固定フレーム４には、３つの貫通穴接合部１０ａ，１０ｂ，１０ｃが設けられている。以下、第２ヒンジ６の長手方向をＸ方向と称し、第１ヒンジ５の長手方向をＹ方向と称し、Ｘ方向とＹ方向に直交する垂直な方向をＺ方向と称する。なお、ミラー部２、ミラー面２０、又は可動フレーム３等の形状は、矩形に限られず、円形等他の形状であってもよい。 As shown in FIG. 1, the semiconductor unit 100 is formed in a substantially rectangular annular shape so as to surround the periphery of the mirror unit 2 and the mirror unit 2 having a substantially rectangular shape when viewed from above and having a mirror surface 20 formed on the upper surface. The movable frame 3 and the fixed frame 4 which is formed so as to surround the movable frame 3 and which serves as a side peripheral portion of the optical scanning mirror 1 are provided. The movable frame 3 and the fixed frame 4 are a pair of beam-like first hinges 5 formed so as to be orthogonal to each surface from two mutually facing side surfaces of the fixed frame 4 so as to form one axis side by side with each other. It is connected by. On the other hand, the mirror part 2 and the movable frame 3 are connected by a pair of beam-like second hinges 6 formed so as to be aligned with each other in the direction orthogonal to the longitudinal direction of the first hinge 5. ing. The first hinge 5 and the second hinge 6 are formed such that their respective axes pass through the position of the center of gravity of the mirror unit 2 in a top view. The width dimensions of the first hinge 5 and the second hinge are, for example, about 5 μm and about 30 μm, respectively. The mirror unit 2 is supported by the movable frame 3 so as to be swingable with respect to the movable frame 3 with the second hinge 6 as a swing axis. On the other hand, the movable frame 3 is supported by the fixed frame 4 so as to be swingable with respect to the fixed frame 4 about the first hinge 5 as a swing axis. That is, in this optical scanning mirror 1, the mirror portion 2 and the movable frame 3 constitute a movable portion 50 that can swing with respect to the fixed frame 4 around the axis formed by the first hinge 5. The mirror unit 2 is configured to be capable of two-dimensionally swinging around two swinging shafts respectively formed by the first hinge 5 and the second hinge 6. As shown in FIG. 2B, a support body 9 is provided on the lower surface of the movable frame 3 so as to be joined to the movable frame 3 and swingable integrally with the movable frame 3. The fixed frame 4 is provided with three through-hole joints 10a, 10b, and 10c. Hereinafter, the longitudinal direction of the second hinge 6 is referred to as an X direction, the longitudinal direction of the first hinge 5 is referred to as a Y direction, and a perpendicular direction orthogonal to the X direction and the Y direction is referred to as a Z direction. The shape of the mirror unit 2, the mirror surface 20, or the movable frame 3 is not limited to a rectangle, and may be another shape such as a circle.

この光走査ミラー１は、例えば静電力を駆動力としてミラー部２を揺動させるものである。半導体部１００において、可動フレーム３と固定フレーム４との間の第１ヒンジ５が形成されていない部位には第１櫛歯電極７が形成されており、ミラー部２と可動フレーム３との間の第２ヒンジ６が形成されていない部位には第２櫛歯電極８が形成されている。第１櫛歯電極７は、可動フレーム３のうちＸ方向に略直交する２側面にそれぞれ櫛歯形状に形成された電極３ｂと、固定フレーム４のうち電極３ｂに対向する部位にそれぞれ形成された電極４ａとが、一対に互いに噛み合うように配置されて構成されている。第２櫛歯電極８は、ミラー部２のうちＹ方向に略直交する２側面にそれぞれ櫛歯形状に形成された電極２ａと、可動フレーム３のうち電極２ａに対向する部位にそれぞれ櫛歯形状に形成された電極３ａとが、一対に互いに噛み合うように配置されて構成されている。第１櫛歯電極７及び第２櫛歯電極８において、電極３ｂ，４ａ間の隙間や、電極２ａ，３ａ間の隙間は、例えば、２μｍ乃至５μｍ程度の大きさとなるように構成されている。第１櫛歯電極７及び第２櫛歯電極８は、それぞれの電極３ｂ，４ａ間、又は電極２ａ，３ａ間に電圧が印加されることにより、電極３ｂ，４ａ間、又は電極２ａ，３ａ間に、互いに引き合う方向に作用する静電力を発生する。 The optical scanning mirror 1 swings the mirror unit 2 using, for example, an electrostatic force as a driving force. In the semiconductor unit 100, a first comb electrode 7 is formed at a portion where the first hinge 5 between the movable frame 3 and the fixed frame 4 is not formed, and between the mirror unit 2 and the movable frame 3. A second comb electrode 8 is formed at a portion where the second hinge 6 is not formed. The first comb-teeth electrode 7 is formed on each of two sides of the movable frame 3 that are substantially orthogonal to the X direction, and on the side of the fixed frame 4 that faces the electrode 3b. The electrodes 4a are arranged so as to mesh with each other. The second comb-teeth electrode 8 includes an electrode 2a formed in a comb-teeth shape on two side surfaces substantially orthogonal to the Y direction of the mirror portion 2, and a comb-teeth shape on a portion of the movable frame 3 facing the electrode 2a. The electrodes 3a formed in the above are arranged so as to mesh with each other in pairs. In the first comb-tooth electrode 7 and the second comb-tooth electrode 8, the gap between the electrodes 3b and 4a and the gap between the electrodes 2a and 3a are configured to have a size of about 2 μm to 5 μm, for example. The first comb-teeth electrode 7 and the second comb-teeth electrode 8 are applied between the electrodes 3b and 4a or between the electrodes 2a and 3a by applying a voltage between the electrodes 3b and 4a or between the electrodes 2a and 3a. In addition, an electrostatic force acting in the direction of attracting each other is generated.

ミラー部２、可動フレーム３、固定フレーム４等は、それぞれ、後述するようにＳＯＩ基板２００をマイクロマシニング技術を用いて加工することにより形成されている。以下に、半導体部１００の各部位について、ＳＯＩ基板２００の各層の構造も含めて説明する。 The mirror unit 2, the movable frame 3, the fixed frame 4 and the like are each formed by processing an SOI substrate 200 using a micromachining technique as will be described later. Hereinafter, each part of the semiconductor unit 100 will be described including the structure of each layer of the SOI substrate 200.

ミラー部２及び可動フレーム３は、第１シリコン層２００ａに形成されている。ミラー面２０は、例えばアルミニウム製の薄膜であり、ミラー部２の上面に外部から入射する光ビームを反射可能に形成されている。ミラー部２は、第２ヒンジ６を通る垂直平面（ｚｘ平面に平行な平面）に対し略対称形状に形成されており、第２ヒンジ６回りにスムーズに揺動するように構成されている。図３に示すように、可動フレーム３には、第１シリコン層２００ａに、第１シリコン層２００ａの上端から下端まで連通し、酸化膜２２０に到達するような溝形状の空隙を構成するトレンチ１０１ａが形成されている。トレンチ１０１ａが形成されていることにより、可動フレーム３は、第１ヒンジ５の一方と接続され電極３ａ及び電極３ｂと一体となる部位と、２つの第２ヒンジ６を支持する軸支部３ｃ及び軸支部３ｃに導通部３ｄを介して接続され、第１ヒンジ５の他方に軸支される軸支部３ｅから成る部位と、導通部３ｄにミラー部２の中央部に関し上面視で略点対称となる形状に形成された３つのバランス部３ｆと、の５つの部位に分割されている。トレンチ１０１ａは、第１シリコン層２００ａを分離しているので、これらの５つの部位は、互いに絶縁されている。なお、バランス部３ｆは、形成されていなくてもよい。 The mirror unit 2 and the movable frame 3 are formed on the first silicon layer 200a. The mirror surface 20 is a thin film made of aluminum, for example, and is formed on the upper surface of the mirror portion 2 so as to be able to reflect a light beam incident from the outside. The mirror unit 2 is formed in a substantially symmetrical shape with respect to a vertical plane (a plane parallel to the zx plane) passing through the second hinge 6 and is configured to swing smoothly around the second hinge 6. As shown in FIG. 3, the movable frame 3 has a trench 101a that forms a groove-shaped gap that communicates with the first silicon layer 200a from the upper end to the lower end of the first silicon layer 200a and reaches the oxide film 220. Is formed. By forming the trench 101a, the movable frame 3 is connected to one of the first hinges 5 and integrated with the electrode 3a and the electrode 3b, and the shaft support part 3c and the shaft supporting the two second hinges 6. The portion consisting of a shaft support portion 3e connected to the support portion 3c via the conducting portion 3d and pivotally supported on the other side of the first hinge 5 and the central portion of the mirror portion 2 to the conducting portion 3d are substantially point symmetric in top view. It is divided into five parts: three balance parts 3f formed in a shape. Since the trench 101a separates the first silicon layer 200a, these five parts are insulated from each other. In addition, the balance part 3f does not need to be formed.

支持体９は、可動フレーム３の下方（ｚ方向）の酸化膜２２０及び第２シリコン層２００ｂにより構成されている。支持体９には、トレンチ１０１ａにより分割された可動フレーム３の５つの部位が共に接合されている。換言すると、支持体９は、可動フレーム３のうちトレンチ１０１ａが形成されている部位の下方に、第１シリコン層２００ａに接合されたまま形成されている。このように支持体９に５つの部位が共に接合されていることにより、可動フレーム３と支持体９とが、第１ヒンジ５を揺動軸として一体に揺動可能に構成されている。図２（ｂ）に示すように、本実施形態において、支持体９は、可動フレーム３の下面のうち電極３ａ，３ｂを除く部位を略覆うように、平面視で第１ヒンジ５に対し略対称形状となる環状に形成されている。また、支持体９の第２シリコン層２００ｂからなる部位の厚みは、固定フレーム４の第２シリコン層２００ｂからなる部位の厚みと略同程度に形成されている。すなわち、支持体９は、第１ヒンジ５を通る垂直平面（ｙ−ｚ平面に平行な平面）に対し略対称形状に形成されている。また、可動フレーム３のトレンチ１０１ａは、バランス部３ｆを形成するために、第１ヒンジ５を通る垂直平面に対し略対称となる位置及び形状に設けられている。これにより、支持体９を含む可動部５０の重心の位置は、第１ヒンジ５により構成される揺動軸に、平面視で略一致し、支持体９を含む可動部５０が第１ヒンジ５回りにスムーズに揺動し、光走査ミラー１によるスキャンがより適正に行われるように構成されている。なお、支持体９の第２シリコン層２００ｂからなる部位の厚みは、固定フレーム４の第２シリコン層２００ｂからなる部位の厚みよりも薄く又は厚く形成されていてもよい。 The support 9 is composed of an oxide film 220 and a second silicon layer 200b below the movable frame 3 (z direction). Five portions of the movable frame 3 divided by the trench 101a are joined to the support 9 together. In other words, the support body 9 is formed below the portion of the movable frame 3 where the trench 101a is formed, while being bonded to the first silicon layer 200a. Since the five parts are joined together to the support body 9 in this way, the movable frame 3 and the support body 9 are configured to be able to swing integrally with the first hinge 5 as a swing shaft. As shown in FIG. 2 (b), in the present embodiment, the support body 9 is approximately relative to the first hinge 5 in plan view so as to substantially cover the lower surface of the movable frame 3 excluding the electrodes 3a and 3b. It is formed in an annular shape that is symmetrical. Further, the thickness of the portion made of the second silicon layer 200b of the support 9 is formed to be approximately the same as the thickness of the portion made of the second silicon layer 200b of the fixed frame 4. That is, the support body 9 is formed in a substantially symmetrical shape with respect to a vertical plane (a plane parallel to the yz plane) passing through the first hinge 5. Further, the trench 101a of the movable frame 3 is provided at a position and a shape that are substantially symmetric with respect to a vertical plane passing through the first hinge 5 in order to form the balance portion 3f. Thereby, the position of the center of gravity of the movable part 50 including the support body 9 substantially coincides with the swing axis formed by the first hinge 5 in a plan view, and the movable part 50 including the support body 9 is located in the first hinge 5. The optical scanning mirror 1 is configured to swing more smoothly and more appropriately perform scanning. The thickness of the portion made of the second silicon layer 200b of the support 9 may be thinner or thicker than the thickness of the portion made of the second silicon layer 200b of the fixed frame 4.

固定フレーム４は、第１シリコン層２００ａ、酸化膜２２０、及び第２シリコン層２００ｂにより構成されている。固定フレーム４の上面には、３つの貫通穴接合部１０ａ，１０ｂ，１０ｃが、互いに並んで形成されている。固定フレーム４には、トレンチ１０１ａと同様に、第１シリコン層２００ａを複数の部位に分割するように、トレンチ１０１ｂ（溝部）が形成されている。第１シリコン層２００ａの下方には酸化膜２２０及び第２シリコン層２００ｂが接合されており、トレンチ１０１ｂは第１シリコン層２００ａにのみ形成されているので、固定フレーム４全体は一体に構成されている。 The fixed frame 4 includes a first silicon layer 200a, an oxide film 220, and a second silicon layer 200b. Three through-hole joints 10a, 10b, and 10c are formed side by side on the upper surface of the fixed frame 4. Similarly to the trench 101a, a trench 101b (groove) is formed in the fixed frame 4 so as to divide the first silicon layer 200a into a plurality of portions. Since the oxide film 220 and the second silicon layer 200b are joined below the first silicon layer 200a and the trench 101b is formed only in the first silicon layer 200a, the entire fixed frame 4 is integrally formed. Yes.

トレンチ１０１ｂは、固定フレーム４の第１シリコン層２００ａを、貫通穴接合部１０ａ，１０ｂ，１０ｃとそれぞれ略同電位となる、互いに絶縁された３つの部位に分割している。このうち、貫通穴接合部１０ａと同電位となる部位は、第１ヒンジ５のうち、可動フレーム３のうち軸支部３ｅに接続された、貫通穴接合部１０ａから離れた一方の部位を支持する軸支部４ｄを有している。貫通穴接合部１０ａと軸支部４ｄとは、トレンチ１０１ｂが形成されていることにより幅が細く形成された導通部４ｅにより接続されている。また、貫通穴接合部１０ｂと略同電位となる部位は、第１ヒンジ５の他方を支持する軸支部４ｆを有している。貫通穴接合部１０ｃと略同電位となる部位は、固定フレーム４のうち貫通穴接合部１０ａ，１０ｂと同電位となる上記の２つの部位を除いた部位であり、この部位に電極４ａが形成されている。 The trench 101b divides the first silicon layer 200a of the fixed frame 4 into three portions that are insulated from each other and have substantially the same potential as the through-hole joints 10a, 10b, and 10c. Of these, the part having the same potential as the through-hole joint 10a supports one part of the first hinge 5 that is connected to the shaft support part 3e of the movable frame 3 and away from the through-hole joint 10a. It has a shaft support 4d. The through-hole joint portion 10a and the shaft support portion 4d are connected by a conduction portion 4e that is formed narrow by forming the trench 101b. Further, the portion having substantially the same potential as the through-hole joint 10 b has a shaft support 4 f that supports the other of the first hinge 5. The part having substantially the same potential as the through hole joint 10c is a part of the fixed frame 4 excluding the two parts having the same potential as the through hole joints 10a and 10b, and the electrode 4a is formed at this part. Has been.

このようにトレンチ１０１ａ，１０１ｂが形成されていることにより、第１シリコン層２００ａには、貫通穴接合部１０ａが形成され電極２ａと略同電位となる部位と、貫通穴接合部１０ｂが形成され可動フレーム３側の電極３ａ，３ｂと略同電位となる部位と、貫通穴接合部１０ｃが形成され固定フレーム４側の電極４ａと略同電位となる部位との、３つの部位が設けられている。各貫通穴接合部１０ａ，１０ｂ，１０ｃは、後述のように外部から電位を変更可能であり、これらの各貫通穴接合部１０ａ，１０ｂ，１０ｃの電位を変更することにより第１櫛歯電極７と第２櫛歯電極８を駆動し、光走査ミラー１を駆動可能である。すなわち、本実施形態において、第１シリコン層２００ａのうち、貫通穴接合部１０ａ，１０ｂ，１０ｃをそれぞれ含み互いに絶縁された３つの部分は、第１櫛歯電極７と第２櫛歯電極８に電圧を印加するための電圧印加部を構成している。また、これら電圧印加部の３つの部分は、第１シリコン層２００ａに形成された、トレンチ１０１ａ，１０１ｂと、ミラー部２と可動フレーム３との間の空隙及び可動フレーム３と固定フレーム４との間の空隙とを含む絶縁部により、互いに絶縁されている。 Since the trenches 101a and 101b are formed in this way, the first silicon layer 200a is formed with the through-hole junction 10a and the portion having the same potential as the electrode 2a and the through-hole junction 10b. Three parts are provided: a part having substantially the same potential as the electrodes 3a and 3b on the movable frame 3 side, and a part having the through hole joint portion 10c and substantially the same potential as the electrode 4a on the fixed frame 4 side. Yes. As will be described later, the potential of each through-hole joint 10a, 10b, 10c can be changed from the outside. By changing the potential of each through-hole joint 10a, 10b, 10c, the first comb electrode 7 And the second comb electrode 8 can be driven, and the optical scanning mirror 1 can be driven. That is, in the present embodiment, three portions of the first silicon layer 200 a that include the through-hole joints 10 a, 10 b, and 10 c and are insulated from each other are connected to the first comb electrode 7 and the second comb electrode 8. The voltage application part for applying a voltage is comprised. Further, the three portions of the voltage application unit are formed by the trenches 101a and 101b formed in the first silicon layer 200a, the gap between the mirror unit 2 and the movable frame 3, and the movable frame 3 and the fixed frame 4. They are insulated from each other by an insulating portion including a gap between them.

上部保護基板１１０及び下部保護基板１２０は、固定フレーム４の第１シリコン層２００ａの上面及び第２シリコン層２００ｂの下面に、それぞれ接合されている。上部保護基板１１０は、固定フレーム４に接合される接合部１１１と、可動部５０の上部に位置する光透過部１１２と、貫通穴接合部１０ａ，１０ｂ，１０ｃにそれぞれ対応する位置に形成された３つの貫通穴１１３とを有している。図３に示すように、光透過部１１２は、キャビティ（Cavity）構造を有しており、可動部５０の揺動を妨げないように、下面すなわち半導体部１００側から掘り込まれた凹部１１２ａが設けられている。凹部１１２ａには、２つのストッパ１１５が形成されている。貫通穴１１３は、上部保護基板１１０が半導体部１００に接合された状態で、貫通穴接合部１０ａ，１０ｂ，１０ｃが上面に露出するように形成されている。すなわち、貫通穴１１３は、貫通穴接合部１０ａ，１０ｂ，１０ｃへ電圧印加するための貫通電極として機能し、上部保護基板１１０により半導体部１００の上面を覆いつつ、貫通穴接合部１０ａ，１０ｂ，１０ｃに電圧印加可能にしている。貫通穴１１３は、貫通穴接合部１０ａ，１０ｂ，１０ｃの略中央にそれぞれ位置しており、その径は、貫通穴接合部１０ａ，１０ｂ，１０ｃの寸法より小さい、例えば０．５ｍｍ程度とするのが好ましい。 The upper protective substrate 110 and the lower protective substrate 120 are bonded to the upper surface of the first silicon layer 200a and the lower surface of the second silicon layer 200b of the fixed frame 4, respectively. The upper protective substrate 110 is formed at a position corresponding to each of the bonding portion 111 bonded to the fixed frame 4, the light transmission portion 112 positioned above the movable portion 50, and the through-hole bonding portions 10 a, 10 b, and 10 c. Three through holes 113 are provided. As shown in FIG. 3, the light transmission part 112 has a cavity structure, and a recess 112 a dug from the lower surface, that is, the semiconductor part 100 side, is provided so as not to prevent the movable part 50 from swinging. Is provided. Two stoppers 115 are formed in the recess 112a. The through hole 113 is formed such that the through hole joint portions 10a, 10b, and 10c are exposed on the upper surface in a state where the upper protective substrate 110 is joined to the semiconductor portion 100. That is, the through hole 113 functions as a through electrode for applying a voltage to the through hole joints 10a, 10b, and 10c, and covers the upper surface of the semiconductor unit 100 with the upper protective substrate 110, while the through hole joints 10a, 10b, The voltage can be applied to 10c. The through-hole 113 is located at substantially the center of the through-hole joints 10a, 10b, and 10c, and the diameter thereof is smaller than the dimension of the through-hole joints 10a, 10b, and 10c, for example, about 0.5 mm. Is preferred.

本実施形態において、ストッパ１１５は、可動部５０のねじり方向以外の、ｚ方向の変位を制限するために設けられている。ストッパ１１５は、例えば、凹部１１２ａのうち、可動フレーム３の、２つの第１ヒンジ５がそれぞれ接続されている部位の上部の部位から、可動フレーム３に向けて突設されている。換言すると、２つのストッパ１１５は、それぞれ、凹部１１２ａに、可動部５０の揺動の中心軸に向けて突設されている。このストッパ１１５は、可動部５０が変位したときに、第１ヒンジ５に当接しないように、第１ヒンジ５に近接しないように形成されている。これにより、可動部５０の変位時に第１ヒンジ５がストッパ１１５に接触して破損するトラブルは未然に防止されている。また、ストッパ１１５は、ミラー部２の揺動を妨げないように配置されている。ストッパ１１５の下端部は、可動部５０のｚ方向変位時に可動部５０に当接可能な当接部となる。ミラー部２及び可動部５０は、例えば１０度程度の揺動角で駆動されるので、ストッパ１１５は、ミラー部２及び可動部５０が揺動時に変位する範囲を考慮した形状に形成されている。例えば、ｘ方向寸法は、１００μｍ乃至４００μｍとなるように形成され、ｙ方向寸法は、１００μｍ乃至３００μｍになるように形成されている。これらの寸法の下限は、例えば、ストッパ１１５に可動部５０が当接したときにストッパ１１５により可動部５０を支えることができるように設定されているものである。また、ストッパ１１５は、可動部５０が平衡位置にある場合に可動部５０の上面との間にｚ方向に１０μｍ乃至３０μｍ程度のギャップを有するように形成されている。このように、上部保護基板１１０に、可動部５０に近接してストッパ１１５が設けられていることにより、可動部５０のｚ方向の変位すなわち半導体基板に対し垂直な方向への変位は制限されている。また、ミラー部２及び可動部５０が揺動時に変位する範囲を考慮してストッパ１１５を形成することにより、ミラー部２及び可動部５０の通常駆動時の揺動が妨げられることがない。 In the present embodiment, the stopper 115 is provided to limit displacement in the z direction other than the twisting direction of the movable portion 50. For example, the stopper 115 protrudes toward the movable frame 3 from the upper portion of the concave portion 112a where the two first hinges 5 of the movable frame 3 are connected. In other words, the two stoppers 115 are respectively provided in the recess 112a so as to project toward the central axis of the swing of the movable part 50. The stopper 115 is formed so as not to be close to the first hinge 5 so as not to contact the first hinge 5 when the movable portion 50 is displaced. Thereby, the trouble which the 1st hinge 5 contacts the stopper 115 at the time of displacement of the movable part 50, and is damaged is prevented beforehand. The stopper 115 is disposed so as not to prevent the mirror unit 2 from swinging. The lower end portion of the stopper 115 serves as a contact portion that can contact the movable portion 50 when the movable portion 50 is displaced in the z direction. Since the mirror unit 2 and the movable unit 50 are driven with a swing angle of, for example, about 10 degrees, the stopper 115 is formed in a shape that takes into account the range in which the mirror unit 2 and the movable unit 50 are displaced when swinging. . For example, the dimension in the x direction is formed to be 100 μm to 400 μm, and the dimension in the y direction is formed to be 100 μm to 300 μm. The lower limits of these dimensions are set so that, for example, the movable part 50 can be supported by the stopper 115 when the movable part 50 comes into contact with the stopper 115. The stopper 115 is formed so as to have a gap of about 10 μm to 30 μm in the z direction between the stopper 115 and the upper surface of the movable part 50 when the movable part 50 is in the equilibrium position. Thus, the upper protective substrate 110 is provided with the stopper 115 in the vicinity of the movable portion 50, so that the displacement of the movable portion 50 in the z direction, that is, the displacement in the direction perpendicular to the semiconductor substrate is limited. Yes. Further, by forming the stopper 115 in consideration of the range in which the mirror unit 2 and the movable unit 50 are displaced when swinging, the mirror unit 2 and the movable unit 50 are not prevented from swinging during normal driving.

下部保護基板１２０は、上部保護基板１１０と同様に、キャビティ構造を有しており、可動部５０の揺動を妨げないように、可動部５０及び支持体９の下方に対応する部位が上面すなわち半導体部１００側から彫り込まれ、凹部１２１が形成されている。 Similar to the upper protective substrate 110, the lower protective substrate 120 has a cavity structure, and the portions corresponding to the lower portions of the movable portion 50 and the support body 9 are upper surfaces, that is, so as not to prevent the movable portion 50 from swinging. A recess 121 is formed by carving from the semiconductor portion 100 side.

本実施形態において、下部保護基板１２０にも、上部保護基板１１０と同様に、可動部５０のねじり以外のｚ方向の変位を制限するためのストッパ１２５が設けられている。ストッパ１２５は、１つ設けられ、第１ヒンジ５の揺動軸に沿うように凹部１２１にリブ状に突設されている。換言すると、ストッパ１２５は、可動部５０の揺動の中心軸に向けて、リブ状に突設されている。ストッパ１２５の上端部は、可動部５０の変位時に可動部５０と一体となり変位する支持体９に当接可能な当接部となる。ストッパ１２５の形状も、可動部５０が揺動時に変位する範囲を鑑みて、また、可動部５０が当接したときに可動部５０を確実に支持しうるように設定される。例えば、ｘ方向寸法は、１００μｍ乃至４００μｍ程度に設定される。また、ストッパ１２５は、可動部５０が平衡位置にあるときｚ方向に１０μｍ乃至３０μｍ程度のギャップを可動部５０との間に有するように形成されている。可動部５０に近接してストッパ１２５が設けられていることにより、可動部５０のｚ方向の変位すなわち半導体基板に対し垂直な方向への変位は、制限されている。また、可動部５０が揺動時に変位する範囲を考慮してストッパ１２５を形成することにより、可動部５０の通常駆動時の揺動が妨げられることがない。なお、ストッパ１２５の突出寸法は、可動部５０の変位量を効果的に制限することができるように、支持体９の有無や支持体９の厚みに応じて、適宜変更すればよい。支持体９が設けられていなかったり支持体９の厚みが薄い場合には、ストッパ１２５は、ストッパ１１５と同様に、ミラー部２及び可動部５０の揺動を妨げず、可動部５０がｚ方向に変位したときには第１ヒンジ５に当接しないように形成するのが好ましい。 In the present embodiment, the lower protective substrate 120 is also provided with a stopper 125 for limiting displacement in the z direction other than torsion of the movable portion 50, similarly to the upper protective substrate 110. One stopper 125 is provided and protrudes in a rib shape in the recess 121 along the swing axis of the first hinge 5. In other words, the stopper 125 protrudes in a rib shape toward the central axis of swinging of the movable portion 50. The upper end portion of the stopper 125 becomes an abutting portion that can abut against the supporting body 9 that is integrated with the movable portion 50 when the movable portion 50 is displaced. The shape of the stopper 125 is also set so that the movable portion 50 can be reliably supported when the movable portion 50 comes into contact with the movable portion 50 in consideration of the range in which the movable portion 50 is displaced when swinging. For example, the dimension in the x direction is set to about 100 μm to 400 μm. The stopper 125 is formed so as to have a gap of about 10 μm to 30 μm in the z direction between the movable part 50 and the movable part 50 when the movable part 50 is in the equilibrium position. Since the stopper 125 is provided in the vicinity of the movable portion 50, the displacement of the movable portion 50 in the z direction, that is, the displacement in the direction perpendicular to the semiconductor substrate is limited. In addition, by forming the stopper 125 in consideration of the range in which the movable part 50 is displaced when swinging, the swinging of the movable part 50 during normal driving is not hindered. In addition, what is necessary is just to change suitably the protrusion dimension of the stopper 125 according to the presence or absence of the support body 9 and the thickness of the support body 9 so that the displacement amount of the movable part 50 can be restrict | limited effectively. When the support body 9 is not provided or the support body 9 is thin, the stopper 125 does not prevent the mirror unit 2 and the movable unit 50 from swinging similarly to the stopper 115, and the movable unit 50 is in the z direction. It is preferable that the first hinge 5 be formed so as not to come into contact with the first hinge 5.

なお、上部保護基板１１０及び下部保護基板１２０は、内部の半導体部１００を保護するものであるため、その厚さは０．５ｍｍ乃至１．５ｍｍ程度とすれば十分であるが、接合後のサイズを考慮すると、例えば０．６ｍｍ程度であることが好ましい。また、凹部１１２ａ，１２１の深さは、可動部５０の揺動を妨げない程度で、例えば０．３ｍｍとされているのが好ましい。 Since the upper protective substrate 110 and the lower protective substrate 120 protect the internal semiconductor portion 100, it is sufficient that the thickness is about 0.5 mm to 1.5 mm. Is considered to be, for example, about 0.6 mm. In addition, the depth of the recesses 112a and 121 is preferably set to, for example, 0.3 mm so as not to prevent the swinging of the movable unit 50.

また、上部保護基板１１０は、光透過性および第１シリコン層２００ａとの接合の容易性から、ガラス基板とすることが好ましい。例えば、コーニング社製パイレックス（登録商標）ガラスであれば、光透過性が良く、また、ガラス中にナトリウムが含まれていることから陽極接合により容易にシリコンと接合することができる。上部保護基板１１０は、凹部１１２ａや貫通穴１１３とストッパ１１５も含め、ガラス基板を用いて、モールド法や貼り合わせ法、エッチング法、ブラスト法などを用いて一体に形成すればよい。また、下部保護基板１２０としても、上部保護基板１１０と同様にガラス基板を用いることができる。なお、上部保護基板１１０、下部保護基板１２０の材質はこれに限られない。また、例えば、ストッパ１１５やストッパ１２５は、それぞれ上部保護基板１１０や下部保護基板１２０の本体とは別素材で形成され、上部保護基板１１０や下部保護基板１２０の本体に接合されていてもよい。上部保護基板１１０については、少なくとも光透過部１１２が光走査ミラー１を用いて走査する光線を透過可能な材料を用いて構成されていればよい。他方、下部保護基板１２０は、上部保護基板１１０と異なり光透過性が要求されないため、例えば加工が容易なシリコンを用いて構成することができる。 Further, the upper protective substrate 110 is preferably a glass substrate from the viewpoint of light transmittance and ease of bonding with the first silicon layer 200a. For example, Pyrex (registered trademark) glass manufactured by Corning Co., Ltd. has good light transmittance, and since sodium is contained in the glass, it can be easily bonded to silicon by anodic bonding. The upper protective substrate 110 may be integrally formed using a glass substrate, including the recess 112a, the through hole 113, and the stopper 115, using a molding method, a bonding method, an etching method, a blast method, or the like. Further, as the lower protective substrate 120, a glass substrate can be used similarly to the upper protective substrate 110. The material of the upper protective substrate 110 and the lower protective substrate 120 is not limited to this. Further, for example, the stopper 115 and the stopper 125 may be formed of a material different from the main body of the upper protective substrate 110 and the lower protective substrate 120, and may be bonded to the main body of the upper protective substrate 110 and the lower protective substrate 120. The upper protective substrate 110 only needs to be configured using a material that can transmit at least the light beam that is scanned by the light scanning mirror 1 using the light scanning mirror 1. On the other hand, unlike the upper protective substrate 110, the lower protective substrate 120 does not require light transmission, and can be configured using, for example, silicon that can be easily processed.

次に、光走査ミラー１の動作について説明する。第１櫛歯電極７及び第２櫛歯電極８は、それぞれ、いわゆる垂直静電コムとして動作し、ミラー部２は、第１櫛歯電極７及び第２櫛歯電極８が所定の駆動周波数で駆動力を発生することにより駆動される。第１櫛歯電極７及び第２櫛歯電極８は、例えば、電極３ａ，３ｂが基準電位に接続された状態で、電極２ａ及び電極４ａの電位をそれぞれ周期的に変化させることにより駆動され、静電力を発生する。この光走査ミラー１においては、第１櫛歯電極７及び第２櫛歯電極８それぞれが、例えば矩形波形状の電圧が印加されて周期的に駆動力を発生するように構成されている。 Next, the operation of the optical scanning mirror 1 will be described. The first comb-tooth electrode 7 and the second comb-tooth electrode 8 each operate as a so-called vertical electrostatic comb, and the mirror unit 2 includes the first comb-tooth electrode 7 and the second comb-tooth electrode 8 at a predetermined driving frequency. Driven by generating a driving force. The first comb electrode 7 and the second comb electrode 8 are driven by, for example, periodically changing the potential of the electrode 2a and the electrode 4a in a state where the electrodes 3a and 3b are connected to the reference potential, Generate electrostatic force. In the optical scanning mirror 1, each of the first comb-tooth electrode 7 and the second comb-tooth electrode 8 is configured to generate a driving force periodically by applying, for example, a rectangular wave voltage.

上述のように形成されたミラー部２や可動フレーム３は、一般に多くの場合、その成型時に内部応力等が生じることにより、静止状態でも水平姿勢ではなく、きわめて僅かであるが傾いている。そのため、例えば第１櫛歯電極７が駆動されると、静止状態からであっても、ミラー部２に略垂直な方向の駆動力が加わり、ミラー部２が第２ヒンジ６を揺動軸として第２ヒンジ６を捻りながら回動する。そして、第２櫛歯電極８の駆動力を、ミラー部２が電極２ａ，３ａが完全に重なりあうような姿勢となったときに解除すると、ミラー部２は、その慣性力により、第２ヒンジ６を捻りながら回動を継続する。そして、ミラー部２の回動方向への慣性力と、第２ヒンジ６の復元力とが等しくなったとき、ミラー部２のその方向への回動が止まる。このとき、第２櫛歯電極８が再び駆動され、ミラー部２は、第２ヒンジ６の復元力と第２櫛歯電極８の駆動力により、それまでとは逆の方向への回動を開始する。ミラー部２は、このような第２櫛歯電極８の駆動力と第２ヒンジ６の復元力による回動を繰り返して、第２ヒンジ６回りに揺動する。可動フレーム３も、ミラー部２の揺動時と略同様に、第１櫛歯電極７の駆動力と第１ヒンジ５の復元力による回動を繰り返し、第１ヒンジ５回りに、支持体９と一体に揺動する。このとき、支持体９を含む可動部５０が一体として揺動し、ミラー部２の姿勢が変化する。これにより、ミラー部２は、２次元的な揺動を繰り返す。 In many cases, the mirror portion 2 and the movable frame 3 formed as described above are inclined in a very slight but not horizontal state even in a stationary state due to an internal stress or the like generated during molding. Therefore, for example, when the first comb-teeth electrode 7 is driven, a driving force in a direction substantially perpendicular to the mirror part 2 is applied even from a stationary state, and the mirror part 2 uses the second hinge 6 as a swing axis. The second hinge 6 is rotated while being twisted. Then, when the driving force of the second comb-tooth electrode 8 is released when the mirror portion 2 is in a posture such that the electrodes 2a and 3a are completely overlapped, the mirror portion 2 is moved to the second hinge by its inertial force. Continue turning while twisting 6. Then, when the inertial force in the rotation direction of the mirror unit 2 and the restoring force of the second hinge 6 become equal, the rotation of the mirror unit 2 in that direction stops. At this time, the second comb-teeth electrode 8 is driven again, and the mirror part 2 is rotated in the opposite direction by the restoring force of the second hinge 6 and the driving force of the second comb-teeth electrode 8. Start. The mirror unit 2 repeats the rotation by the driving force of the second comb electrode 8 and the restoring force of the second hinge 6 and swings around the second hinge 6. The movable frame 3 also repeats rotation by the driving force of the first comb-tooth electrode 7 and the restoring force of the first hinge 5 in substantially the same manner as when the mirror portion 2 swings, and the support body 9 is rotated around the first hinge 5. Swings together. At this time, the movable part 50 including the support body 9 swings integrally, and the attitude of the mirror part 2 changes. Thereby, the mirror part 2 repeats two-dimensional rocking | fluctuation.

第２櫛歯電極８は、ミラー部２と第２ヒンジ６により構成される振動系の共振周波数の略２倍の周波数の電圧が印加されて駆動される。また、第１櫛歯電極７は、ミラー部２、可動フレーム３及び支持体９と第１ヒンジ５とにより構成される振動系の共振周波数の略２倍の周波数の電圧が印加されて駆動される。これにより、ミラー部２が共振現象を伴って駆動され、その揺動角が大きくなるように構成されている。なお、第１櫛歯電極７や第２櫛歯電極８の電圧の印加態様や駆動周波数は、上述に限られるものではなく、例えば、駆動電圧が正弦波形で印加されるように構成されていても、また、電極３ａ，３ｂの電位が、電極２ａ及び電極４ａの電位と共に変化するように構成されていてもよい。 The second comb-teeth electrode 8 is driven by being applied with a voltage having a frequency that is approximately twice the resonance frequency of the vibration system constituted by the mirror portion 2 and the second hinge 6. The first comb electrode 7 is driven by being applied with a voltage having a frequency approximately twice the resonance frequency of the vibration system constituted by the mirror unit 2, the movable frame 3, the support 9 and the first hinge 5. The Thereby, the mirror part 2 is driven with a resonance phenomenon, and the swing angle thereof is increased. The voltage application mode and drive frequency of the first comb electrode 7 and the second comb electrode 8 are not limited to those described above, and for example, the drive voltage is applied in a sine waveform. Alternatively, the potentials of the electrodes 3a and 3b may be configured to change with the potentials of the electrodes 2a and 4a.

以下に、図４乃至図９を参照し、光走査ミラー１の製造工程について説明する。なお、図４乃至図９は、図３に示した部位と略同一の部位についての断面図である。まず、酸素および水蒸気雰囲気の拡散炉中で、ＳＯＩ基板２００の上下両表面に酸化膜を形成する（図４）。そして、活性層すなわち第１シリコン層２００ａの上面に形成された酸化膜２２０ｂの表面のうち、可動部５０や第１ヒンジ５及び第２ヒンジ６等の形状に、フォトリソグラフィにより、レジスト（図示せず）をパターニングする。その後、ＲＩＥ（Reactive Ion Etching）により酸化膜２２０ｂのうちレジストにマスクされていない部位を除去し、第１シリコン層２００ａのうち可動部５０等が形成されない部位を露出させ、酸素プラズマ中でレジストを除去する（図５）。第１シリコン層２００ａ上面には、例えばアルミニウムをスパッタリングすることによりアルミニウム膜を形成する。アルミニウム膜は、例えば厚みが５０００Å程度になるように形成される。そして、フォトリソグラフィによりレジスト（図示せず）をパターニングした後にＲＩＥを行い、アルミニウム膜のうちミラー面２０以外の部位を除去し、レジストも除去する（図６）。これにより、ミラー面２０が形成される。 Hereinafter, the manufacturing process of the optical scanning mirror 1 will be described with reference to FIGS. 4 to 9 are cross-sectional views of portions that are substantially the same as the portions shown in FIG. First, oxide films are formed on both upper and lower surfaces of the SOI substrate 200 in a diffusion furnace in an oxygen and water vapor atmosphere (FIG. 4). A resist (not shown) is formed by photolithography on the active layer, that is, the surface of the oxide film 220b formed on the upper surface of the first silicon layer 200a, such as the movable portion 50, the first hinge 5, and the second hinge 6. Pattern). Thereafter, a portion of the oxide film 220b that is not masked by the resist is removed by RIE (Reactive Ion Etching), a portion of the first silicon layer 200a where the movable portion 50 or the like is not formed is exposed, and the resist is formed in oxygen plasma. Remove (FIG. 5). An aluminum film is formed on the upper surface of the first silicon layer 200a by, for example, sputtering aluminum. The aluminum film is formed to have a thickness of about 5000 mm, for example. Then, after patterning a resist (not shown) by photolithography, RIE is performed to remove a portion of the aluminum film other than the mirror surface 20 and remove the resist (FIG. 6). Thereby, the mirror surface 20 is formed.

ミラー面２０を形成した後、第１シリコン層２００ａ上にレジスト２３０をパターニングして形成し、Ｄ−ＲＩＥ（Deep Reactive Ion Etching）を行い、第１シリコン層２００ａのうち上面が露出している部位をエッチングする。ＳＯＩ基板２００の酸化膜２２０のエッチングレートは、第１シリコン層２００ａのエッチングレートの１パーセント未満であるため、第１シリコン層２００ａの表面の酸化膜２２０ｂおよび酸化膜２２０はほとんどエッチングされない。これにより、第１シリコン層２００ａに、可動部５０、第１ヒンジ５及び第２ヒンジ６、第１櫛歯電極７及び第２櫛歯電極８等となる形状が形成される。これと同時に、可動部５０となる部位にはトレンチ１０１ａが形成され、固定フレーム４となる部位には、トレンチ１０１ｂが形成される（図７）。レジスト２３０は、酸素プラズマ中で除去しておく。 After forming the mirror surface 20, a resist 230 is formed on the first silicon layer 200a by patterning, and D-RIE (Deep Reactive Ion Etching) is performed to expose the upper surface of the first silicon layer 200a. Etch. Since the etching rate of the oxide film 220 of the SOI substrate 200 is less than 1 percent of the etching rate of the first silicon layer 200a, the oxide film 220b and the oxide film 220 on the surface of the first silicon layer 200a are hardly etched. Thereby, the shape which becomes the movable part 50, the 1st hinge 5, the 2nd hinge 6, the 1st comb-tooth electrode 7, the 2nd comb-tooth electrode 8, etc. is formed in the 1st silicon layer 200a. At the same time, a trench 101a is formed in a portion to be the movable portion 50, and a trench 101b is formed in a portion to be the fixed frame 4 (FIG. 7). The resist 230 is removed in oxygen plasma.

次に、ＳＯＩ基板２００のうち支持基板である第２シリコン層２００ｂ（裏面側）の加工を行う。裏面側の加工は、例えば、表面側である第１シリコン層２００ａの上面を保護のためレジスト２３０で覆って行われる。まず、第２シリコン層２００ｂの表面に形成された酸化膜２２０ｂ上に、フォトリソグラフィによりレジスト２３２をパターニングする。レジスト２３２は、支持体９及び固定フレーム４に対応する形状に形成される。そして、レジスト２３２が形成されていない部位の酸化膜２２０ｂを、ＲＩＥによりエッチングし、露出した第２シリコン層２００ｂを、Ｄ−ＲＩＥにより掘り込む（図８）。このとき、上述と同様に、エッチングレートの違いにより、第２シリコン層２００ｂは酸化膜２２０まで掘り込まれ、酸化膜２２０はほとんどエッチングされない。その後、レジスト２３２を、酸素プラズマ中で除去する。なお、レジスト２３２は、第２シリコン層２００ｂのエッチング中に除去されるように構成されていてもよく、その場合、製造工程を省手順化することができる。また、レジスト２３２の支持体９に対応する部位の厚みを予め調整しておくことにより、エッチング終了後に支持体９が若干エッチングされているようにし、支持体９の厚みを小さくするようにしてもよい。 Next, the second silicon layer 200b (back surface side) which is a support substrate in the SOI substrate 200 is processed. For example, the processing on the back surface side is performed by covering the upper surface of the first silicon layer 200a on the front surface side with a resist 230 for protection. First, a resist 232 is patterned by photolithography on the oxide film 220b formed on the surface of the second silicon layer 200b. The resist 232 is formed in a shape corresponding to the support 9 and the fixed frame 4. Then, the oxide film 220b in the portion where the resist 232 is not formed is etched by RIE, and the exposed second silicon layer 200b is dug by D-RIE (FIG. 8). At this time, as described above, the second silicon layer 200b is dug up to the oxide film 220 due to the difference in etching rate, and the oxide film 220 is hardly etched. Thereafter, the resist 232 is removed in oxygen plasma. The resist 232 may be configured to be removed during the etching of the second silicon layer 200b. In that case, the manufacturing process can be saved. Further, by adjusting the thickness of the portion of the resist 232 corresponding to the support 9 in advance, the support 9 is slightly etched after the etching is completed, and the thickness of the support 9 is reduced. Good.

その後、半導体部１００の下方に露出する酸化膜２２０を、ＲＩＥにより除去する。これにより、可動部５０やミラー部２が、第１ヒンジ５及び第２ヒンジ６を介して揺動可能になる。また、これにより、トレンチ１０１ａの下方に、酸化膜２２０と第２シリコン層２００ｂとで構成された支持体９が、トレンチ１０１ａにより絶縁分離された可動フレーム３の複数の部位が共に接合された状態で形成される。なお、これと同時に、第２シリコン層２００ｂの表面の酸化膜２２０ｂも除去される。その後、半導体部１００の上下のレジスト２３０，２３２を除去することにより、半導体部１００が完成する。 Thereafter, the oxide film 220 exposed below the semiconductor unit 100 is removed by RIE. Thereby, the movable part 50 and the mirror part 2 can swing via the first hinge 5 and the second hinge 6. In addition, as a result, the support 9 composed of the oxide film 220 and the second silicon layer 200b is bonded to a plurality of portions of the movable frame 3 that are insulated and separated by the trench 101a together below the trench 101a. Formed with. At the same time, the oxide film 220b on the surface of the second silicon layer 200b is also removed. Thereafter, the upper and lower resists 230 and 232 of the semiconductor unit 100 are removed, whereby the semiconductor unit 100 is completed.

半導体部１００が完成した後、半導体部１００に上部保護基板１１０及び下部保護基板１２０を接合する。本実施形態においては、上部保護基板１１０及び下部保護基板１２０に共にガラス基板を用いた場合について説明する。ガラス基板とＳＯＩ基板２００は、例えば陽極接合によって、容易に且つ確実に接合することができる。 After the semiconductor unit 100 is completed, the upper protective substrate 110 and the lower protective substrate 120 are bonded to the semiconductor unit 100. In this embodiment, the case where a glass substrate is used for both the upper protective substrate 110 and the lower protective substrate 120 will be described. The glass substrate and the SOI substrate 200 can be easily and reliably bonded by, for example, anodic bonding.

上部保護基板１１０及び下部保護基板１２０の接合工程は、例えば、ミラー面２０を保護する観点から、上部保護基板１１０を先に半導体部１００の上面側に接合し、下部保護基板１２０をその後半導体部１００の下面側に接合して行う。上部保護基板１１０の接合工程では、先ず、凹部１１２ａや貫通穴１１３が形成されたガラス基板と半導体部１００のＳＯＩ基板２００とを重ね、１０Ｐａ以下の真空環境下で、数百℃程度まで加熱する。このとき、好ましくは１Ｐａ以下の環境にすることで、接合後の真空度をより高くすることができる。また、温度に関しては、３００℃から４００℃程度に保つことが好ましい。その後、ガラス基板とＳＯＩ基板２００が所望の温度になったところで、ＳＯＩ基板２００の接合側のシリコン層すなわち第１シリコン層２００ａに対して４００Ｖ乃至８００Ｖ程度の電圧を、ガラス基板に印加する。このように電圧を印加した状態で２０分乃至６０分程度保持することにより、半導体部１００に上部保護基板１１０を良好に接合させることができる。上部保護基板１１０を接合した後、下部保護基板１２０も、上述と同様にして半導体部１００の第２シリコン層２００ｂに陽極接合され（図９）、図３に示すように光走査ミラー１が完成する。なお、接合方法は、陽極接合に限るものではなく、種々の方法を用いて接合すればよい。 In the bonding process of the upper protective substrate 110 and the lower protective substrate 120, for example, from the viewpoint of protecting the mirror surface 20, the upper protective substrate 110 is first bonded to the upper surface side of the semiconductor unit 100, and the lower protective substrate 120 is then bonded to the semiconductor unit. It joins to the lower surface side of 100. In the bonding process of the upper protective substrate 110, first, the glass substrate on which the recess 112a and the through hole 113 are formed and the SOI substrate 200 of the semiconductor unit 100 are overlapped and heated to about several hundred degrees C. under a vacuum environment of 10 Pa or less. . At this time, preferably, the degree of vacuum after bonding can be further increased by setting the environment to 1 Pa or less. Regarding the temperature, it is preferable to keep the temperature at about 300 ° C. to 400 ° C. Thereafter, when the glass substrate and the SOI substrate 200 reach a desired temperature, a voltage of about 400 V to 800 V is applied to the glass substrate with respect to the silicon layer on the bonding side of the SOI substrate 200, that is, the first silicon layer 200a. The upper protective substrate 110 can be satisfactorily bonded to the semiconductor unit 100 by holding the voltage for about 20 to 60 minutes in this way. After bonding the upper protective substrate 110, the lower protective substrate 120 is also anodically bonded to the second silicon layer 200b of the semiconductor unit 100 in the same manner as described above (FIG. 9), and the optical scanning mirror 1 is completed as shown in FIG. To do. Note that the bonding method is not limited to anodic bonding, and various bonding methods may be used.

以上説明したように、本実施形態においては、ストッパ１１５，１２５により、可動部５０のｚ方向の変位が制限されているので、光走査ミラー１に外部から衝撃が加わったときに第１ヒンジ５の破損を防止することができ、光走査ミラー１の耐衝撃性を向上させることができる。ストッパ１１５，１２５は、それぞれ、可動部５０の揺動時に可動部５０の変位が少ない揺動軸に向けて突設されているので、ストッパ１１５，１２５が可動部５０に近接するように構成することができ、可動部５０のｚ方向変位をより効果的に制限することができる。本実施形態においては、可動部５０の上下にストッパ１１５，１２５がそれぞれ配置されているので、耐衝撃性の向上効果をさらに効果的に得ることができる。 As described above, in the present embodiment, since the displacement of the movable portion 50 in the z direction is limited by the stoppers 115 and 125, the first hinge 5 is applied when an impact is applied to the optical scanning mirror 1 from the outside. Can be prevented, and the impact resistance of the optical scanning mirror 1 can be improved. The stoppers 115 and 125 are respectively provided so as to project toward the swinging shaft where the displacement of the movable unit 50 is small when the movable unit 50 is swung. Therefore, the stoppers 115 and 125 are configured to be close to the movable unit 50. And the displacement of the movable part 50 in the z direction can be more effectively limited. In the present embodiment, since the stoppers 115 and 125 are respectively disposed above and below the movable portion 50, the effect of improving impact resistance can be obtained more effectively.

なお、本発明は上記実施形態の構成に限定されるものではなく、発明の趣旨を変更しない範囲で適宜に種々の変形が可能である。例えば、ストッパ１１５やストッパ１２５の構造や位置については、光走査ミラーの揺動運動を考慮して、最適な位置を適宜選択することができ、上記実施形態に限られない。また、光走査ミラーは、上記実施形態のような２軸ジンバル型のものではなく、例えばミラー面が形成された可動部を一対のヒンジで固定フレームに支持した構造を有する１軸に揺動可能なものであってもよい。この場合、ストッパを、可動部の揺動軸に向けて突出するように保護基板上に形成することにより、同様に、光走査ミラーの耐衝撃性を向上させることができる。さらにまた、保護基板は、半導体部１００の少なくとも一面に接合されていればよく、また、ストッパは、半導体部１００の少なくとも一面側に、可動部の変位を制限するように配置されていればよい。ストッパが片側のみに設けられている場合にも、そのストッパにより可動部のｚ方向変位を制限することができ、ヒンジの破損を防止し、耐衝撃性を向上させることができる。さらにまた、半導体部１００はＳＯＩ基板でなく、単一のシリコン基板や金属板であってもよく、またミラー部２および可動体５０を揺動する駆動力は櫛歯電極間に働く静電力ではなく、平板電極間に働く静電力や電磁力、電歪力、熱歪力であってもよい。いずれの場合も、ストッパを可動部の揺動軸に向けて突出するように保護基板上に形成することにより、可動部のｚ方向の変位を制限することができ、ヒンジの破損を防止し、半導体部の耐衝撃性を向上させることができる。 In addition, this invention is not limited to the structure of the said embodiment, A various deformation | transformation is possible suitably in the range which does not change the meaning of invention. For example, the structures and positions of the stopper 115 and the stopper 125 can be appropriately selected in consideration of the swinging motion of the optical scanning mirror, and are not limited to the above embodiment. Further, the optical scanning mirror is not of the biaxial gimbal type as in the above-described embodiment, and can swing on a single axis having a structure in which, for example, a movable part formed with a mirror surface is supported on a fixed frame by a pair of hinges It may be anything. In this case, the impact resistance of the optical scanning mirror can be similarly improved by forming the stopper on the protective substrate so as to protrude toward the swing axis of the movable portion. Furthermore, the protective substrate only needs to be bonded to at least one surface of the semiconductor unit 100, and the stopper only needs to be disposed on at least one surface side of the semiconductor unit 100 so as to limit the displacement of the movable unit. . Even when the stopper is provided only on one side, the displacement of the movable portion in the z direction can be limited by the stopper, the hinge can be prevented from being damaged, and the impact resistance can be improved. Furthermore, the semiconductor unit 100 may be a single silicon substrate or a metal plate instead of the SOI substrate, and the driving force for swinging the mirror unit 2 and the movable body 50 is an electrostatic force acting between the comb-teeth electrodes. Alternatively, an electrostatic force, an electromagnetic force, an electrostrictive force, or a thermal strain force acting between the flat plate electrodes may be used. In any case, by forming the stopper on the protective substrate so as to protrude toward the swing axis of the movable part, it is possible to limit the displacement of the movable part in the z direction, and prevent breakage of the hinge. The impact resistance of the semiconductor part can be improved.

さらにまた、本発明は、ミラー面を有し光を走査する光走査ミラーに限られず、一対のヒンジにより固定フレームに対し揺動可能に構成された可動部が半導体基板に形成された半導体機械構造体に広く適用可能である。すなわち、半導体基板の少なくとも一面に設けられた保護基板に可動部の半導体基板に対し垂直な方向への変位を制限するようにストッパを設けることにより、半導体機械構造体の耐衝撃性を向上させることができる。 Furthermore, the present invention is not limited to an optical scanning mirror having a mirror surface and scanning light, but a semiconductor mechanical structure in which a movable portion configured to be swingable with respect to a fixed frame by a pair of hinges is formed on a semiconductor substrate. Widely applicable to the body. That is, the impact resistance of the semiconductor mechanical structure is improved by providing a stopper on the protective substrate provided on at least one surface of the semiconductor substrate so as to limit the displacement of the movable portion in the direction perpendicular to the semiconductor substrate. Can do.

本発明の一実施形態に係る半導体機械構造体である光走査ミラーの一例を示す分解斜視図。The disassembled perspective view which shows an example of the optical scanning mirror which is a semiconductor mechanical structure which concerns on one Embodiment of this invention. （ａ）は上記光走査ミラーの上面側を示す斜視図、（ｂ）は同光走査ミラーの下面側を示す斜視図。(A) is a perspective view which shows the upper surface side of the said optical scanning mirror, (b) is a perspective view which shows the lower surface side of the optical scanning mirror. 図２（ａ）のＡ−Ａ線断面図。AA line sectional view of Drawing 2 (a). 上記光走査ミラーの半導体部の製造工程における側断面図。The sectional side view in the manufacturing process of the semiconductor part of the said optical scanning mirror. 上記光走査ミラーの半導体部の製造工程における側断面図。The sectional side view in the manufacturing process of the semiconductor part of the said optical scanning mirror. 上記光走査ミラーの半導体部の製造工程における側断面図。The sectional side view in the manufacturing process of the semiconductor part of the said optical scanning mirror. 上記光走査ミラーの半導体部の製造工程における側断面図。The sectional side view in the manufacturing process of the semiconductor part of the said optical scanning mirror. 上記光走査ミラーの半導体部の製造工程における側断面図。The sectional side view in the manufacturing process of the semiconductor part of the said optical scanning mirror. 上記光走査ミラーの製造工程における側断面図。The sectional side view in the manufacturing process of the said optical scanning mirror.

Explanation of symbols

１光走査ミラー（半導体機械構造体）
４固定フレーム
５第１ヒンジ（ヒンジ）
５０可動部
１１０上部保護基板（保護基板）
１２０下部保護基板（保護基板）
２００ＳＯＩ基板（半導体基板） 1 Optical scanning mirror (semiconductor mechanical structure)
4 fixed frame 5 first hinge (hinge)
50 Movable part 110 Upper protective substrate (protective substrate)
120 Lower protective substrate (protective substrate)
200 SOI substrate (semiconductor substrate)

Claims

A semiconductor substrate is connected to a movable part, a pair of hinges each having one end connected to the movable part and constituting one swing shaft of the movable part, and each other end of the pair of hinges. A fixed frame for supporting the hinge is provided,
In the semiconductor machine structure in which the movable part is configured to be swingable with respect to the fixed frame while twisting the pair of hinges,
A protective substrate for protecting the movable part is bonded to at least one surface of the semiconductor substrate,
The protective substrate has a stopper projecting toward the center axis of the swing of the movable part, thereby restricting displacement of the movable part in a direction perpendicular to the semiconductor substrate. A semiconductor mechanical structure characterized by the above.

2. The semiconductor machine structure according to claim 1, wherein the stopper is formed so as not to be close to the hinge so that the stopper does not contact the hinge when the movable portion is displaced.