JP5038732B2 - 光走査ミラー - Google Patents

Description

本発明は、ヒンジにより軸支され外部から光が入射するミラー面が配置された可動部を揺動させ、ミラー面の反射光を走査する光走査ミラーに関する。

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に、ミラー面が設けられたミラー部を揺動させて、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方式が知られている。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構造を有する小型のものが知られている。光走査ミラーは、ミラー面を有する可動部と、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おり、可動部と固定フレームとの間には、互いに噛合う一対の櫛歯電極が形成されている。櫛歯電極は、例えば互いの電極が２μｍ乃至５μｍ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ことにより、スキャン動作を行う。

ところで、可動部が、ミラー面を有するミラー部とミラー部をヒンジを介して支持する可動フレームとを有し、可動フレームとミラー部との間にも一対の櫛歯電極が設けられている２軸型の光走査ミラーがある（非特許文献１参照）。図１４は、２軸型の光走査ミラーの一例を示す。光走査ミラー８１は、第１シリコン層８００ａとその下方の第２シリコン層８００ｂとを絶縁膜８２０を介して接合して成るＳＯＩ（Silicon on Insulator）基板８００から構成されている。ミラー部８２及び可動フレーム８３は、第１シリコン層８００ａに形成されており、固定フレーム８４は、第１シリコン層８００ａ、絶縁膜８２０、及び第２シリコン層８００ｂにより構成されている。可動フレーム８３は固定フレーム８４に第１ヒンジ（後記第２ヒンジ８６とは直交する位置にあり、図では示されていない）を介して軸支されており、ミラー部８２は可動フレーム８３に第２ヒンジ８６を介して軸支されている。櫛歯電極（図示せず）は、ミラー部８２と可動フレーム８３との間、及び可動フレーム８３と固定フレーム８４との間にそれぞれ設けられている。ミラー部８２の上面にはミラー面８２ａが形成されており、固定フレーム８４の上面には櫛歯電極を駆動するための電圧が印加される端子部８１０が形成されている。第１シリコン層８００ａの上面は、ミラー面８２ａと端子部８１０を除き、絶縁膜８２０で覆われている。端子部８１０に駆動電圧が印加されて櫛歯電極が駆動力を発生し、その駆動力がミラー部８２及び可動フレーム８３にそれぞれ加わることにより、ミラー部８２及び可動フレーム８３が、それぞれ第２ヒンジ８６及び第１ヒンジを捻りながら揺動する。

２軸型の光走査ミラー８１では、可動フレーム８３内に互いに電気的に絶縁された２つの部位を設け、ミラー部８２と可動フレーム８３との間に設けられた櫛歯電極のミラー部８２側の電極と可動フレーム８３側の電極との間に電圧を印加できるようにする必要がある。従来の光走査ミラー８１では、可動フレーム８３に絶縁分離部８９を形成することにより、可動フレーム８３を、可動フレーム８３側の電極の電位となる部位と、第２ヒンジ８６を介してミラー部８２と導通しミラー部８２側の電極の電位となる部位との２つの部位に絶縁分離している。このような絶縁分離部８９は、可動フレーム８３を一体に揺動可能とし、且つ、可動フレーム８３の２つの部位の電気的絶縁を維持するため、第１シリコン層８００ａ中に形成した溝形状（トレンチ）の側壁に絶縁膜８２０ｃを形成したうえで、そのトレンチにポリシリコン８９ａを埋め込むことにより可動フレーム８３一体としての機械的強度を確保し、２つの部位を絶縁した状態で接合している。

上記絶縁分離部８９の製造工程の一例について、図１５（ａ）乃至（ｃ）を参照して説明する。先ず、図１５（ａ）に示すように、表面に絶縁膜８２０が形成されたＳＯＩ基板８００の第１シリコン層８００ａの上方にレジスト８３２をパターニングし、第１シリコン層８００ａをエッチングすることにより、第１シリコン層８００ａにトレンチ８０１ａを形成する。そして、図１５（ｂ）に示すように、レジスト８３２を取り除き、電気炉を用いてトレンチ８０１ａの側壁を酸化させて絶縁膜８２０ｃを形成した後、ポリシリコンをデポジションすることにより、トレンチ８０１ａをポリシリコン８９ａで埋め込む。その後、図１５（ｃ）に示すように、第１シリコン層８００ａの表面に堆積したポリシリコンを研磨し除去することにより、絶縁分離部８９が第１シリコン層８００ａ中に形成される。

しかしながら、このようにポリシリコン８９ａでトレンチ８０１ａを埋め込んで形成される絶縁分離部８９を設け、可動フレーム８３を構成する場合には、製造工程が複雑になり、また、絶縁分離部８９を設けることによる良好な電気的絶縁の維持と機械的強度の確保を行うことが困難であるため、製造時の良品率が悪いという問題がある。すなわち、光走査ミラー８１の製造時には、上述のように、トレンチ形成工程、側壁酸化工程、ポリシリコン埋込工程、ポリシリコン研磨工程など複雑な工程を経なければならない。また、ポリシリコン埋込工程においては、トレンチ８０１ａをポリシリコン８９ａで密に埋め込むことが困難であるため、埋め込まれたポリシリコン８９ａ中に空隙が生じ、可動フレーム８３の機械的強度が小さくなることがある。そして、可動フレーム８３の２つの部位は互いに絶縁膜８２０ｃにより絶縁されているので、この絶縁膜８２０ｃが製造時に適切に形成されなければ、２つの部位間の電気的絶縁性が損なわれ、光走査ミラー８１が動作不良を起こすことがある。

また、例えば上述のような２軸型の光走査ミラーをラスタスキャン用途に用いる場合、より精細な画像等を広角にスキャンするために、可動フレーム８３の共振周波数に対してミラー部８２の共振周波数を高くし、走査線の数を多くすることが要請されている。しかしながら、従来の構造では、ミラー部８２と可動フレーム８３とが共に略同厚であるため、ミラー部８２と可動フレーム８３との共振周波数の比を大きくするためには可動フレーム８３を大型化しなければならず、光走査ミラー８１の素子サイズが大きくなり、製造コストが高くなってしまう。

さらにまた、可動フレーム８３は、共振周波数をミラー部８２に比べて低くするために、質量が大きくなるように形成される一方で、第１ヒンジが細く形成されている場合がある。可動フレーム８３は数百μｍの厚みのシリコン基板を例えば数十μｍの厚まで薄くした第１シリコン層８００ａに形成されているので、光走査ミラー８１の取り扱い時に大きな振動等が加わって可動フレーム８３の変位が通常揺動時よりも大きくなると、第１ヒンジ（図示せず）に破壊強度以上の応力が加わり、第１ヒンジが破壊され、光走査ミラー８１が動作不能となることがある。
IEEE Journal of selected topics in Quantum Electronics, Vol.6, No.5, September/October 2000 p715

本発明は、上記問題点を鑑みてなされたものであり、簡易な製造工程により可動部中に絶縁分離構造を形成可能であり、製造時の良品率が高く、素子サイズを大きくせずに可動部の共振周波数を高くすることができ、壊れにくく取り扱いが容易な光走査ミラーを提供することを目的とする。

上記目的を達成するため、請求項１の発明は、固定フレーム及び前記固定フレームに第１ヒンジを介して軸支され前記固定フレームに対し回転可能な可動部が形成されて成る半導体構造と、前記可動部上に形成され外部から入射した光を反射するミラー面と、を備え、前記可動部には、その可動部を互いに絶縁された複数の部位に分割する絶縁分離部が設けられている光走査ミラーにおいて、前記絶縁分離部の下方には、前記絶縁分離部により分割された前記可動部の複数の部位が共に接合された支持体が形成されており、前記可動部が前記支持体と一体に回動可能に構成され、前記可動部は、前記固定フレームに前記第１ヒンジを介して軸支され、前記絶縁分離部により絶縁分離された複数の部位から成る可動フレームと、前記ミラー面が配置され、前記可動フレームに第２ヒンジを介して軸支されて前記可動フレームに対し回転可能なミラー部と、を有し、前記支持体は、前記可動フレームの下方に、前記可動フレームの複数の部位が共に接合されて配置され、前記可動フレームと一体に回動可能に構成され、前記可動フレームの下面から前記支持体の下端部までの寸法が、前記可動フレームの下面から前記固定フレームの下端部までの寸法よりも小さくなるように形成されており、前記ミラー部は、前記第１ヒンジ回りに、前記可動フレーム及び前記支持体と共に前記固定フレームに対し揺動可能に、且つ、前記第２ヒンジ回りに、前記可動フレームに対し揺動可能に構成されているものである。

請求項１の発明によれば、絶縁分離部の下方に、絶縁分離部により絶縁分離された可動部の複数の部位が共に接合された支持体が形成されており、可動部が支持体と一体に回動可能に構成されているので、光走査ミラーの製造工程が従来よりも簡易になり、可動部の機械的強度も確実に確保される。また、絶縁分離部は可動部を複数の部位に分割するように構成されているので、複数の部位間での電気的絶縁を確実に維持することができ、光走査ミラーの製造時の良品率が高くなる。さらにまた、可動部の下方に支持体が形成されているので、支持体が光走査ミラーの実装面に当接することにより可動部が傾きすぎることがなく、第１ヒンジの破壊が防止され、光走査ミラーを容易に取り扱うことができるようになる。支持体は可動部と一体に回動するので、素子サイズを大きくせずに可動部の共振周波数を低くすることができ、製造コストを低減することができる。また、可動フレームの下面から支持体の下端部までの寸法が、可動フレームの下面から固定フレームの下端部までの寸法よりも小さくなるように構成されているので、光走査ミラーを基板等に実装した際に可動フレームの第１ヒンジ回りの揺動角が確保される。従って、スペーサ等を固定フレームの下方に設ける必要が無く、光走査ミラーの実装高さを低くすることができる。
また、支持体が、可動フレームの下方に、可動フレームと一体に回動可能に配置されているので、２軸型の光走査ミラーにおいても、上述と同様に、製造時の良品率が高く、壊れにくく取り扱いが容易な光走査ミラーを簡易な製造工程により製造可能になる。また、可動フレームは、支持体と一体に回動するように構成されており、第１ヒンジ回りの可動部の共振周波数が低くなる。従って、素子サイズを大きくせずとも、ミラー部の共振周波数に対して可動部の共振周波数を低くすることができ、精細な画像等を広角にスキャン可能な高性能な光走査ミラーを、低コストで製造することができる。

以下、本発明の第１の実施形態について図面を参照して説明する。図１（ａ）、（ｂ）、図２、図３、及び図４（ａ）、（ｂ）は、本実施形態に係る光走査ミラーの一例を示す。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。

先ず、この光走査ミラー１の構成について以下に説明する。光走査ミラー１は、導電性を有する第１シリコン層１００ａと第２シリコン層１００ｂとをシリコンの酸化膜（絶縁膜）１２０を介して接合して成る、３層のＳＯＩ（Silicon on Insulator）基板１００から構成された半導体構造を有している。酸化膜１２０は絶縁性を有しているので、第１シリコン層１００ａと第２シリコン層１００ｂとは互いに絶縁されている。第１シリコン層１００ａの厚みは、例えば３０μｍ程度であり、第２シリコン層１００ｂの厚みは、例えば４００μｍ程度である。また、ＳＯＩ基板１００の上面の一部には、酸化膜１２０ｂが形成されている。この光走査ミラー１は、例えば、上面視で一辺が数ｍｍ程度の略正方形である直方体状の素子であり、第２シリコン層１００ｂの下面の一部に、例えばガラス製の所定の厚みのスペーサ１１０が接合された状態で、光学機器等の回路基板Ｂ上等に実装される。酸化膜１２０ｂと回路基板Ｂとは、図３に示されており、図１（ａ）、（ｂ）、図２、及び図４（ａ）、（ｂ）においてはそれらの図示を省略している。なお、光走査ミラー１は、酸化膜１２０ｂを有さなくてもよい。

この光走査ミラー１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の側周部となり、下方にスペーサ１１０が接合された固定フレーム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２つの第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２つの第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を回転軸として、可動フレーム３に対して回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を回転軸として、固定フレーム４に対して回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に対し回動可能な可動部５０を構成している。そして、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つの軸回りに、２次元的に回動可能に構成されている。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と一体に回動可能支持体９が設けられている。また、固定フレーム４には、３つの端子膜１０ａ，１０ｂ，１０ｃが形成されている。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。

この光走査ミラー１は静電力を用いてミラー部２を回動させるものであり、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に、互いに引き合う方向に作用する静電力を発生する。

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１００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、光走査ミラー１の各部位について、ＳＯＩ基板１００の各層の構造について説明する。

ミラー部２及び可動フレーム３は、第１シリコン層１００ａ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（ｚ−ｘ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。

可動フレーム３には、第１シリコン層１００ａの上端から下端まで連通し、溝形状の空隙を構成するトレンチ１０１ａ（絶縁分離部）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、トレンチ１０１ａが形成されることにより、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１００ａを分断するように形成されているので、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。

支持体９は、可動フレーム３の下方（ｚ方向）の酸化膜１２０及び第２シリコン層１００ｂ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１００ａ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を回転軸として一体に回動可能に構成されている。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１００ｂから成る部位の厚みは、固定フレーム４の第２シリコン層１００ｂ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により構成される回転軸に、平面視で略一致するように構成されており、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。

固定フレーム４は、第１シリコン層１００ａ、酸化膜１２０、第２シリコン層１００ｂ、により構成されている。固定フレーム４の下面には、スペーサ１１０が形成されており、光走査ミラー１が例えば回路基板Ｂ上に実装された状態では、支持体９の下方にスペーサ１１０の厚み分の空隙ができるように構成されている。これにより、光走査ミラー１の動作時に、可動フレーム３と支持体９とが第１ヒンジ５回りに揺動可能とされている。

固定フレーム４の上面には、３つの端子膜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１００ａを複数の部位に分割するように、トレンチ１０１ｂが形成されている。トレンチ１０１ｂは、固定フレーム４の第１シリコン層１００ａを、端子膜１０ａ，１０ｂ，１０ｃと略同電位となる、互いに絶縁された３つの部位に分割している。このうち、端子膜１０ａと同電位となる部位は、第１ヒンジ５のうち、端子膜１０ａから離れている、可動フレーム３の軸支部３ｅに接続されている方を支持する軸支部４ｄを有している。端子膜１０ａが形成されている部位には、軸支部４ｄに接続される幅が細い導通部４ｅが接続されている。また、端子膜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。端子膜１０ｃと略同電位となる部位は、固定フレーム４のうち端子膜１０ａ，１０ｂと同電位となる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。第１シリコン層１００ａの下方には酸化膜１２０及び第２シリコン層１００ｂが接合されており、トレンチ１０１ｂは第１シリコン層１００ａ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。

このように、第１シリコン層１００ａ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１００ａには、端子膜１０ａが形成され電極２ａと略同電位となる部位と、端子膜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、端子膜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、外部から電位を変更可能な３つの部位とが設けられている。光走査ミラー１は、端子膜１０ａ，１０ｂ，１０ｃの電位がそれぞれ変更されることにより駆動される。

以下に、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。

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を回転軸として第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の回動時と略同様に、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。

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。

ここで、光走査ミラー１において、支持体９を含む可動部５０又はミラー部２を一様の厚さの直方体で近似した場合、支持体９を含む可動部５０の揺動の共振周波数や、ミラー部２の揺動の共振周波数は、それぞれ、第１ヒンジ５又は第２ヒンジ６のばね定数をＫ、支持体９を含む可動部５０又はミラー部２の質量をｍ、可動部５０又はミラー部２のそれぞれの回転軸に直交する方向の辺の長さをＬ、支持体９を含む可動部５０又はミラー部２の揺動の慣性モーメントをｉとすると、次式のように表される。

上記数式からわかるように、可動部５０の可動フレーム３は、支持体９と一体に回動するので、第１ヒンジ５回りに回動する部位の質量が増加し、ミラー部２の第２ヒンジ６回りの慣性モーメントに比較して、可動部５０の第１ヒンジ５回りの慣性モーメントが大幅に大きくなる。すなわち、本実施形態においては、ミラー部２の第２ヒンジ６回りの揺動の共振周波数に比較して、支持体９を含む可動部５０の第１ヒンジ５回りの揺動の共振周波数をごく低くすることができる。従って、光走査ミラー１の素子サイズを大きくしなくても、可動部５０の共振周波数を低くすることができ、光走査ミラー１を低コストで製造することができる。

なお、上記数式より明らかなように、上面視で第１ヒンジ５の片側部の支持体９の重心の位置が、第１ヒンジ５から離れるほど、支持体９を含む可動部５０の第１ヒンジ５回りの慣性モーメントが大きくなる。本実施形態では、このことを利用し、支持体９の位置は、支持体９を含む可動部５０の第１ヒンジ５回りの慣性モーメントが、第１ヒンジ５のばね定数や、ミラー部２の第２ヒンジ５周りの共振周波数等を鑑みて設定された所定の値となるように設定されている。これにより、支持体９を含む可動部５０の第１ヒンジ５回りの揺動の共振周波数を、光走査ミラー１として求められる仕様等に容易に合致させることができるように構成されている。

次に、図５乃至図１１を参照して、光走査ミラー１の製造工程について説明する。各図は、図３に対応する側断面を示している。光走査ミラー１は、第１シリコン層１００ａに、ミラー部２、可動部フレーム３、第１ヒンジ５、及び第２ヒンジ６等を形成し、ミラー部２等を形成する第１工程（図５乃至図８）と、第２シリコン層１００ｂのうちミラー部２及び可動部フレーム３等の下方の部位を掘り込む第２工程（図９、図１０）と、酸化膜１２０のうち第２工程にて第２シリコン層１００ｂが掘り込まれることにより露出した部位を除去する第３工程（図１１）との大まかに３つの工程を経て製造される。なお、光走査ミラー１は、例えば４インチ程度の大きさのウェハであるＳＯＩ基板１００上に複数個同時に形成された後、ダイシングされて個別の光走査ミラー１に分割され製造される。

第１の工程では、先ず、酸素及び水素雰囲気の拡散炉中で、ＳＯＩ基板１００の上下両表面に酸化膜１２０ｂを形成する（図５）。そして、第１シリコン層１００ａの上面に形成された酸化膜１２０ｂの表面のうち、可動部５０や第１ヒンジ５、導通部３ｄ，４ｅ等の形状に、フォトリゾグラフィにより、レジスト１３２ｂをパターニングする。その後、ＲＩＥ（Reactive Ion Etching）により酸化膜１２０ｂのうちレジスト１３２ｂにマスクされていない部位を除去し、第１シリコン層１００ａのうち可動部５０等が形成されない部位を露出させる（図６）。その後、酸素プラズマ中でレジスト１３２ｂを除去し、例えばアルミニウムをスパッタリングすることにより、第１シリコン層１００ａの上面に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、フォトリゾフラフィによりレジスト１３２ｃ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と端子膜１０ａ，１０ｂ，１０ｃ以外の部位を除去する（図７）。

その後、Ｄ−ＲＩＥ（Deep Reactive Ion Etching）を行い、第１シリコン層１００ａのうち上面が露出している部位をエッチングする。第１シリコン層１００ａと第２シリコン層１００ｂとの間に介在する酸化膜１２０のエッチングレートは、活性層である第１シリコン層１００ａのエッチングレートの１パーセント未満であるため、酸化膜１２０，１２０ｂ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１００ａに、可動部５０、第１ヒンジ５、櫛歯電極７，８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。レジスト１３２ｃは、酸素プラズマ中で除去しておく（図８）。

次に、第２工程を行う。第２工程では、先ず、第２シリコン層１００ｂの表面に形成された酸化膜１２０ｂ上に、フォトリゾフラフィによりレジスト１３２ｄをパターニングする（図９）。レジスト１３２ｄは、支持体９及び固定フレーム４の形状に形成される。そして、レジスト１３２ｄが形成されていない部位の酸化膜１２０ｂをＲＩＥによりエッチングした後、露出した第２シリコン層１００ｂをＤ−ＲＩＥにより掘り込む（図１０）。このとき、エッチングレートの違いにより、第２シリコン層１００ｂが酸化膜１２０まで掘り込まれ、酸化膜１２０はほとんどエッチングされない。その後、レジスト１３２ｄを、酸素プラズマ中で除去する。なお、レジスト１３２ｄは、第２シリコン層１００ｂ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。

第２工程後、第３工程では、下方に露出する酸化膜１２０を、ＲＩＥにより除去する（図１１）。これにより、可動部５０やミラー部２が、それぞれ第１ヒンジ５、第２ヒンジ６を介して揺動可能な状態になる。また、これにより、トレンチ１０１ａの下方に、酸化膜１２０と第２シリコン層１００ｂ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１００ｂの表面の酸化膜１２０ｂも除去される。その後、固定フレーム４の下方に、例えばガラス製のスペーサ１１０を接合した後、ダイシングを行ってウェハから複数の光走査ミラー１を切り出し、光走査ミラー１が製造される。

上記のように、本実施形態では、従来のようにトレンチ１０１ａをポリシリコンで埋め込む等の複雑な工程を経ることなく、光走査ミラー１を従来よりも簡易な製造工程により製造することができる。また、トレンチ１０１ａにより絶縁分離された可動フレーム３が、支持体９に接合されて構成されていることにより、可動フレーム３の機械的強度が確実に確保され、光走査ミラー１が確実に動作可能になる。また、トレンチ１０１ａは可動フレーム３を空隙を挟んで複数の部位に分割するように構成されているので、可動フレーム３の複数の部位間での電気的絶縁を確実に維持することができ、光走査ミラー１の製造時の良品率が高くなる。さらにまた、光走査ミラー１が回路基板Ｂ上等に実装された状態では、支持体９が光走査ミラー１の実装面に当接することにより可動フレーム３が傾きすぎることがなく、第１ヒンジ５の破壊が防止され、光走査ミラー１を容易に取り扱うことができるようになる。

図１２は、本発明の第２の実施形態に係る光走査ミラーを示す。図１２に示した断面は、第１の実施形態における図３に対応する。以下の実施形態において、上述の実施形態と同等の構成は同一の符号を付し、上述の実施形態と相違する部分についてのみ説明する。光走査ミラー２１では、トレンチ１０１ａ下方の支持体２９の形状が、第１の実施形態の光走査ミラー１の支持体９とは異なる。また、光走査ミラー２１は、例えば回路基板Ｂに実装される際、第１の実施形態の光走査ミラー１のようにスペーサ１１０等を設けることなく配置される。

光走査ミラー２１において、支持体２９は、可動フレーム３の下面から支持体２９の下端部までの厚み寸法が、可動フレーム３の下面から固定フレーム４の下端部までの厚み寸法よりも小さくなるように、薄く形成されている。また、支持体２９の厚みは、支持体２９を含む可動部５０の第１ヒンジ５回りの慣性モーメントが第１ヒンジ５のばね定数等を鑑みて設定された所定の値となるように設定されている。

なお、光走査ミラー２１は、例えば以下のようにして形成される。まず、上述の光走査ミラー１の製造工程の第２工程までは、第１の実施形態と略同様に行われる。その後、第２シリコン層１００ｂの残された部位のうち固定フレーム４に相当する部位にレジスト等を形成してマスクし、第２シリコン層１００ｂの支持体９に相当する部位を、第２シリコン層１００ｂの表面の酸化膜１２０ｂと共にエッチングする。このとき、当該エッチング部位の第２シリコン層１００ｂが完全にエッチングされない状態でエッチングを終了する。図１３は、エッチング終了時の光走査ミラー２１を示す。その後、上記第３工程を第１の実施形態と略同様に行い、下方に露出する酸化膜１２０を除去することにより、光走査ミラー２１が形成される。

このように、第２の実施形態によれば、光走査ミラー２１は、光走査ミラー２１が回路基板Ｂ等に実装された状態で、支持体２９の下方と回路基板Ｂとの間に空隙ができるように構成されている。従って、スペーサ１１０等を固定フレーム４に設けることなく、光走査ミラー２１の実装高さを低くすることができる。また、支持体２９の厚みを変更することにより可動部５０の第１ヒンジ５回りの慣性モーメントを容易に設定可能であるため、支持体２９を含む可動部５０の第１ヒンジ５回りの揺動の共振周波数を光走査ミラー２１として求められる仕様等に合致させた光走査ミラー２１を、容易に製造することができる。

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、ミラー部は、矩形形状のものに限られず、例えば円又は楕円形状に形成されていてもよい。また、光走査ミラーは、上述と異なる順番で各部位のエッチングを行うなど、上述とは異なる製造工程により製造されてもよい。

また、光走査ミラーは、相対する櫛歯電極が初期状態において略同一平面上に形成されておらず、所定の角度又は位置ずれを有して形成されているものであってもよい。また、光走査ミラーは、櫛歯電極を有さず、例えば回路基板と可動板との間に電圧が印加されることにより生じる静電力を駆動力とする等、上述とは異なる態様により駆動されるものであってもよい。さらにまた、光走査ミラーは、ミラー部が２軸を中心に揺動する２軸型の光走査ミラーに限られるものではなく、例えば、可動部が、ミラー部及び可動フレームに分かれておらず、第１ヒンジにより構成される１軸を中心に揺動するように構成されていてもよい。

（ａ）は本発明の第１の実施形態に係る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。 上記光走査ミラーを示す平面図。 回路基板上に実装された状態の上記光走査ミラーの図２のＡ−Ａ線断面を示す側断面図。 （ａ）は上記Ａ−Ａ線における上記光走査ミラーの上面側を示す側断面図、（ｂ）は同Ａ−Ａ線における同光走査ミラーの下面側を示す斜視図。 上記光走査ミラーの製造工程の第１の工程における側断面図。 上記光走査ミラーの製造工程の第１の工程における側断面図。 上記光走査ミラーの製造工程の第１の工程における側断面図。 上記光走査ミラーの製造工程の第１の工程における側断面図。 上記光走査ミラーの製造工程の第２の工程における側断面図。 上記光走査ミラーの製造工程の第２の工程における側断面図。 上記光走査ミラーの製造工程の第３の工程における側断面図。 本発明の第２の実施形態に係る光走査ミラーを示す側断面図。 上記光走査ミラーの製造時における側断面図。 従来の光走査ミラーを示す側断面図。 （ａ）（ｂ）（ｃ）は従来の光走査ミラーの絶縁分離部の形成手順を時系列に示した側断面図。

符号の説明

１，２１ 光走査ミラー
２ ミラー部
３ 可動フレーム
４ 固定フレーム
５ 第１ヒンジ
６ 第２ヒンジ
９，２９ 支持体
２０ ミラー面
５０ 可動部
１００ ＳＯＩ基板
１００ａ 第１シリコン層
１００ｂ 第２シリコン層
１０１ａ トレンチ（絶縁分離部）
１１０ スペーサ
１２０ 酸化膜（絶縁膜）

Claims (1)

1. 固定フレーム及び前記固定フレームに第１ヒンジを介して軸支され前記固定フレームに対し回転可能な可動部が形成されて成る半導体構造と、前記可動部上に形成され外部から入射した光を反射するミラー面と、を備え、前記可動部には、その可動部を互いに絶縁された複数の部位に分割する絶縁分離部が設けられている光走査ミラーにおいて、
   前記絶縁分離部の下方には、前記絶縁分離部により分割された前記可動部の複数の部位が共に接合された支持体が形成されており、前記可動部が前記支持体と一体に回動可能に構成され、
   前記可動部は、前記固定フレームに前記第１ヒンジを介して軸支され、前記絶縁分離部により絶縁分離された複数の部位から成る可動フレームと、前記ミラー面が配置され、前記可動フレームに第２ヒンジを介して軸支されて前記可動フレームに対し回転可能なミラー部と、を有し、
   前記支持体は、前記可動フレームの下方に、前記可動フレームの複数の部位が共に接合されて配置され、前記可動フレームと一体に回動可能に構成され、前記可動フレームの下面から前記支持体の下端部までの寸法が、前記可動フレームの下面から前記固定フレームの下端部までの寸法よりも小さくなるように形成されており、
   前記ミラー部は、前記第１ヒンジ回りに、前記可動フレーム及び前記支持体と共に前記固定フレームに対し揺動可能に、且つ、前記第２ヒンジ回りに、前記可動フレームに対し揺動可能に構成されていることを特徴とする光走査ミラー。

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