JP5392048B2 - 光偏向装置および光偏向装置の製造方法 - Google Patents

Description

本願は、ミラーを揺動させることによって光ビームの反射方向を変化させる光偏向装置および光偏向装置の製造方法に関する。

光ビームを偏向させる光偏向装置をＭＥＭＳ技術を利用して製造する技術が開発されている。この種の光偏向装置は、基板と可撓梁と可動部を備えており、可撓梁によって可動部を基板から離反した位置に支持するとともに、可撓梁が可動部を基板に対して揺動可能に支持している。可動部の上面に可動部を覆い隠すようにミラーが設置されており、可動部を基板に対して揺動させることによって、ミラーを所定の角度に傾ける。

特許文献１に開示されている光偏向装置５００を、図９および図１０に示す。図９は、光偏向装置５００の斜視図である（ただし、ミラー５４２と可動部５３６を分離した状態を示している）。また図１０は、光偏向装置５００の中心線における断面図である。光偏向装置５００では、ミラー５４２と、ミラー５４２を可動部５３６に固定する支柱５３８とが、金属層で一体成型されている。支柱５３８は内部が空洞の構造を有しており、支柱５３８の底面が可動部５３６の上部の範囲５３６ａに接触して固定されている。またミラー５４２の表面において、支柱５３８が形成されている領域には、穴部５５０が形成されている。ミラー５４２は、可動部５３６の輪郭外に伸びており、ミラー５４２の反射面積が大きく確保されている。

米国特許５８６７２０２号公報

特許文献１のミラー５４２では、穴部５５０が光を反射しない無駄なスペースとなる。すると、ミラーとして有効に機能する面積の割合であるフィルファクターが低下する。しかし、フィルファクターの低下を防止するために支柱５３８の断面積を小さくして穴部５５０の面積を縮小すると、ミラー５４２と可動部５３６との密着力が小さくなるため、光偏向装置５００の製造歩留まり低下をもたらす。よって、特許文献１の光偏向装置５００では、ミラー５４２のフィルファクターを高めることと、ミラー５４２の密着力を高めることとを両立させることが困難である。

本願は、ミラー密着力とフィルファクターとを同時に高めることが可能なミラーを提供することを目的とする。

本願の光偏向装置は、光の反射方向を変化させる光偏向装置であって、基板と可動部とコア部と表面部材を備えている。可動部は、基板に対して揺動可能に支持されている。コア部は、可動部の一部から反基板側に伸びている。表面部材は、コア部の頂面を覆う部分と、可動部から立設しているとともにコア部を一巡するループに沿って伸びている側面部分と、その側面部分の上端から外側に向けて可動部の上面と平行に伸びている展開部を備えている。なお、コア部を一巡するループは、コア部の外周面に密着していてもよいし、離れていてもよい。この光偏向装置では、表面部材は、コア部を形成するコア部形成材料と異なるとともに光を反射する材料で形成されており、その表面部材の少なくとも一部が、可動部を垂直方向から見たときに、可動部の輪郭の外側に至っている。

本願によれば、コア部を一巡するループに沿って伸びている側面部分によって、展開部を可動部に固定する支柱が形成されている。表面部材は光を反射する材料で形成されているため、展開部はミラーとして機能する。ここで、光偏向装置にコア部が備えられていない場合には、ループの内側領域にはミラーとして機能する部分が存在しない。図９の従来技術に示した穴部となってしまう。支柱を太くするためにループの大きさを大きくすると、ミラーとして機能する有効な面積の割合であるフィルファクターが低下する。しかし本願の光偏向装置では、ループの内側領域にコア部が備えられている。そして、コア部の頂面を覆う部分に表面部材が形成されているため、コア部の頂面もまたミラーとして機能する。よって、支柱を太くするためにループの大きさを大きくする場合においても、フィルファクターの低下を防止することができる。これにより、ミラー密着力とフィルファクターとを同時に高めることが可能となる。

上記の光偏向装置では、表面部材の側面部分とコア部の外周面とが密着していてもよい。これにより、コア部の頂面を覆う部分と展開部とが隙間なく接している形状とすることができる。よって、ループの内側領域の全領域をミラーとして機能させることができるため、フィルファクターを最大とすることが可能となる。例えば、表面部材を厚く成膜することで、ループの内側領域の全部をミラーとすることができる。

上記の光偏向装置では、コア部形成材料がシリコンであることが好ましい。シリコンは半導体プロセスにおいて一般的な材料であるため、加工性や取り扱い性を高めることができる。

上記の光偏向装置では、表面部材形成材料が金属であることが好ましい。これにより、表面部材形成材料に光を反射する特性を十分に与えることができる。

この光偏向装置は、可動部の上面にコア部形成材料で犠牲層を形成する犠牲層形成工程と、その犠牲層に、コア部の外周面を内側側面とするとともに、底面に可動部が露出するトレンチを形成する第１パターニング工程と、パターニング後の犠牲層の表面に、表面部材形成材料で膜を成膜する成膜工程と、その膜のうちの展開部の輪郭外に位置する部分を除去する第２パターニング工程と、犠牲層を除去する除去工程と、を備える製造方法によって製造することができる。これにより、コア部が備えられていない光偏向装置を作成する場合と同一のプロセスによって、本願の光偏向装置を作成することができる。よって、マスク数およびプロセス数が増加することがないため、製造コストの増加を防止することが可能となる。

上記の光偏向装置の製造方法では、成膜工程で成膜する膜の厚さを、第１パターニング工程で形成されるトレンチの幅を半分にした値以上にしてもよい。これにより、成膜工程で成膜される膜によって、トレンチを完全に埋め込むことができる。よって、ループの内側領域の全領域をミラーとして機能させることができるため、フィルファクターを最大とすることが可能となる。

本願によれば、ミラー密着力とフィルファクターとを同時に高めることが可能なミラーを提供することが可能となる。

本実施例の光偏向装置の斜視図（その１）である。 本実施例の光偏向装置の斜視図（その２）である。 本実施例の光偏向装置の断面図である。 本実施例の光偏向装置の製造工程を説明する図である。 本実施例の光偏向装置の製造工程を説明する図である。 本実施例の光偏向装置の製造工程を説明する図である。 本実施例の光偏向装置の製造工程を説明する図である。 本実施例の光偏向装置の製造工程を説明する図である。 従来技術の光偏向装置の斜視図である。 従来技術の光偏向装置の断面図である。

本発明に係る好ましい実施形態は、例えば、下記に列挙する特徴を備えた実施例によって具現化される。
（特徴１）頂面部１１１と展開部１１３とは同一平面内に形成されている。
（特徴２）ミラー１０５は、金属層で一体に形成されている。ミラー１０５は、頂面部１１１、側面部１１２、展開部１１３にさらに区分することができる。

図１ないし図３に、本実施例の光偏向装置１００を示す。図１は、光偏向装置１００の斜視図である。図２は、図１からミラー１０５を除去した状態の斜視図である。図３は、図１のＩＩＩ−ＩＩＩ線断面図である。図３の断面図には、基板１０１、固定電極１２２ａおよび１２２ｂ、可動部１０７、コア部１１０、ミラー１０５が示されている。なお、図３の断面図では、可撓梁１０４ａ、１０４ｂは観測されない。

図１ないし図３に示すように、光偏向装置１００は、基板１０１と、基板１０１上に形成されており、基板１０１上に固定されている１対の支持体１０２ａ、１０２ｂと、１対の支持体１０２ａ、１０２ｂから伸びている１対の可撓梁１０４ａ、１０４ｂと、１対の可撓梁１０４ａ、１０４ｂによって支持されている可動部１０７とを備えている。また、可動部１０７の上面には、ミラー１０５とコア部１１０とが備えられている。また、可動部１０７に対向する位置の基板１０１上に、１対の固定電極１２２ａ、１２２ｂが備えられている。

図３を用いて、ミラー１０５およびコア部１１０の構成について説明する。コア部１１０は、多結晶シリコンにより形成されている。ミラー１０５は、光を反射する材料であるアルミニウムで形成されている。コア部１１０は、可動部１０７の中央部から基板１０１の反対側（上方側）に伸びた柱状形状を有する。ミラー１０５は、コア部１１０を覆うように、可動部１０７の上面に形成されている。ミラー１０５は、アルミニウムで一体に形成されており、頂面部１１１、側面部１１２、展開部１１３にさらに区分することができる。

頂面部１１１は、コア部１１０の頂面を覆う部分である。頂面部１１１はミラーとして機能する。側面部１１２は、可動部１０７から立設している部分である。また側面部１１２は、コア部１１０を一巡するループに沿って形成されている。よって、側面部１１２により、矩形形状の断面を有する中空の支柱が形成される。そして、中空の支柱内にコア部１１０が形成されている形状とされる。

展開部１１３は、側面部１１２の上端から外側に向けて、可動部１０７の上面と平行に伸びた形状を有する。そして展開部１１３は、側面部１１２によって、可動部１０７上に支持される。また、展開部１１３の外周部は、光偏向装置１００を垂直上方から見たときに、可動部１０７の輪郭の外側を越えてはみ出している。よって展開部１１３は、可動部１０７よりも広い面積を有するミラーとして機能する。

次に、可動部１０７を基板１０１に対して揺動可能に支持する構成について説明する。１対の可撓梁１０４ａ、１０４ｂは、１対の支持体１０２ａ、１０２ｂの上端と可動部１０７とを接続している。１対の可撓梁１０４ａ、１０４ｂと、可動部１０７は、基板１０１から離反した高さに支持されている。図２に示すように、１対の可撓梁１０４ａ、１０４ｂは、多数回に亘って折り返されており、その全長が長く形成されている。よって剛性が低くされるため、捩れやすい可動梁とされている。

図１において、支持体１０２ａと可撓梁１０４ａとの接続点と、支持体１０２ｂと可撓梁１０４ｂとの接続点とを結ぶ線を揺動軸Ａ１と定義する。また、揺動軸Ａ１の軸方向をｘ方向、基板１０１に平行な面内でｘ軸に直交する方向をｙ方向とし、ｘｙ平面に直交する方向をｚ方向と定義する。この場合、可動部１０７の一部にｚ軸方向の力を作用させると、可動部１０７は揺動軸Ａ１を中心として基板１０１に対して揺動する。尚、図２、図３においては、上記と同様にｘ、ｙ、ｚ方向が設定されるが、その記載を省略する。また、ミラー１０５の側面部１１２は、可撓梁１０４ａ、１０４ｂに比して著しく剛性が高い。よって、可撓梁１０４ａ、１０４ｂが捩れることによって可動部１０７が傾斜すれば、ミラー１０５も同一角度だけ傾斜する。

次に、光偏向装置１００の駆動方法について説明する。光偏向装置１００は、静電駆動式であり、可動部１０７自体が導体であって可動電極として機能する。また、固定電極１２２ａおよび１２２ｂは、可動部１０７の揺動軸Ａ１に沿って観察した場合に、揺動軸Ａ１に対して対称となる位置に形成されている。

例えば、可動電極を接地し、駆動信号生成器（図示しない）を用いて、固定電極１２２ａに駆動電圧を印加すると、接地されている可動電極と固定電極１２２ａとの間に静電引力が発生し、固定電極１２２ａに対向する位置の可動部１０７が基板１０１側に吸引される。一方、固定電極１２２ｂに駆動電圧を印加すると、接地されている可動電極と固定電極１２２ｂとの間に静電引力が発生し、固定電極１２２ｂに対向する位置の可動部１０７が基板１０１側に吸引される。可撓梁１０４ａ、１０４ｂは剛性が低く、低い駆動電圧で、可動部１０７を揺動軸Ａ１の周りに揺動させることができる。これによって、可動部１０７ひいてはミラー１０５を、図１に示す揺動軸Ａ１を中心に揺動させることができる。

次に、図３に示すミラー１０５およびコア部１１０の製造方法について、図４〜図８を用いて説明する。図４〜図８は、光偏向装置１００を図１のＩＩＩ−ＩＩＩ線で切断した断面図である。本実施例では、可動部１０７が形成されている段階から、ミラー１０５とコア部１１０との形成を開始する工程について説明する。なお、可動部１０７を作成するまでの工程の詳細については、従来公知の方法を用いることができるため、ここでは詳細な説明を省略する。

図４に示す積層体では、単結晶シリコン基板の材料基板７０１と、酸化膜から成る絶縁層７０２によって、基板１０１が形成されている。また、多結晶シリコン層７０３と絶縁層７０４によって、固定電極１２２ａおよび１２２ｂが形成されている。また、多結晶シリコン層７０５によって、第１犠牲層が形成されている。また、絶縁層７０６、多結晶シリコン層７０７、絶縁層７０８によって、可動部１０７が形成されている。よって図４に示す積層体では、可動部１０７まで形成できている状態である。

図５に示すように、図４の状態の積層体の表面に多結晶シリコン層７０９が形成され、ＣＭＰ等によって多結晶シリコン層７０９の表面が平坦化される。多結晶シリコン層７０９は、第２犠牲層として機能するとともに、その一部分がコア部１１０の形成に用いられる。多結晶シリコン層７０９の厚さは、０．５μｍ〜３．０μｍの範囲内の値が用いられる。好ましくは約２．０μｍとされる。

次に、図６に示すように、多結晶シリコン層７０９に対してフォトエッチングを行い、多結晶シリコン層７０９をパターニングし、トレンチ７２０を形成する。トレンチ７２０は、幅Ｗ１を有しており、コア部１１０の周囲を一巡するように形成される。周囲にトレンチ７２０が形成されることによって、トレンチ７２０の中央部には柱状のコア部１１０が形成される。またトレンチ７２０は、可動部１０７の絶縁層７０８に到達するように形成されるため、トレンチ７２０の底面には絶縁層７０８が露出する。なお、フォトエッチングとは、フォトリソグラフィからＲＩＥ等のエッチングまでの一連の処理を意味する。フォトエッチングでは従来公知の方法を用いることができるため、ここでは詳細な説明を省略する。

次に、図７に示すように、多結晶シリコン層７０９および絶縁層７０８の表面に金属層７２１を形成する。金属層７２１の形成は、アルミニウムをスパッタ法で所定の厚みに被着することで行なわれる。金属層７２１の厚さは、０．１μｍ〜２．０μｍの範囲内の値が用いられる。好ましくは約１．０μｍとされる。スパッタでは、金属層７２１はトレンチ７２０内壁にも被着するとともに、トレンチ７２０の底部にて絶縁層７０８に被着する。なお金属層７２１の材料はアルミニウムに限られず、金、銀、チタン、およびその他の金属、ならびに複数の金属の合金の何れであってもよい。また、金属層７２１を形成する方法は、スパッタ法に限られず、化学液相析出（chemical fluid deposition）や電気めっき等の他の金属析出方法を用いることもできる。

次に、図８に示すようにフォトエッチングを行い、ミラー１０５の展開部１１３の輪郭外に位置する金属層７２１を除去する。これにより、金属層７２１がミラー１０５の形状および大きさにパターニングされる。また、多結晶シリコン層７０９の一部が露出する。

次に、第１犠牲層である多結晶シリコン層７０５と、第２犠牲層である多結晶シリコン層７０９を除去する。具体的には、図８の積層体に対して、ＸｅＦ２ガスによる等方性エッチング等を行うことで、多結晶シリコン層７０５および７０９のうち絶縁層に囲まれていない部分が除去される。これによって、図３に示すように、可動部１０７およびミラー１０５が、基板１０１上に自立したものとして開放される。これにより、ミラー１０５およびコア部１１０の形成が完了する。

本実施例に係る光偏向装置の効果を説明する。ミラーと、ミラーを可動部に固定する支柱とが、金属層で一体成型される構成では、ミラー表面の支柱に対応する領域に、穴部が形成される。ここで、穴部の内部にコア部が備えられない場合には、穴部が光を反射しない無駄なスペースとなる。よって、ミラーと可動部との密着力を強くするために支柱を太くすると、穴部の面積も増加するため、ミラーとして機能する有効な面積の割合であるフィルファクターが低下する。

しかし、本願の光偏向装置では、穴部の内部にコア部１１０が備えられている。そして、コア部１１０の頂面を覆う部分に、アルミニウムを材料とする頂面部１１１が形成されているため、コア部１１０がミラーとして機能する。よって、穴部が光を反射しない無駄なスペースとなることがないため、支柱を太くして穴部の面積が増加する場合においても、フィルファクターの低下を防止することができる。これにより、ミラー１０５のフィルファクターと、ミラー１０５の可動部１０７への密着力とを同時に高めることが可能となる。

また、本実施例に係る光偏向装置の製造方法では、コア部１１０が備えられていないミラーを作成する場合と同一のプロセスによって、ミラー１０５およびコア部１１０を作成することができる。よって、マスク数およびプロセス数が増加することがないため、製造コストの増加を防止することが可能となる。

以上、本願の実施例について詳細に説明したが、これらは例示に過ぎず、特許請求の範囲を限定するものではない。特許請求の範囲に記載の技術には、以上に例示した具体例を様々に変形、変更したものが含まれる。

上記の光偏向装置の製造方法では、図７に示す工程で形成される金属層７２１の厚さは、トレンチ７２０の幅Ｗ１を半分にした値以上としてもよい。トレンチ７２０内に金属層７２１を形成する場合には、トレンチ７２０の両方の側壁に金属層７２１が同等に成膜される。よって、金属層７２１の厚さを、トレンチ７２０の幅Ｗ１の半分以上とすれば、トレンチ７２０を金属層７２１で完全に埋め込むことができる。これにより、コア部の頂面を覆う頂面部１１１と側面部１１２とが、金属層７２１によって隙間なく接している形状とすることができる。よって、ミラー１０５表面の全領域をミラーとして機能させることができるため、フィルファクターを最大とすることが可能となる。なおこの場合、ミラー１０５の側面部１１２とコア部１１０の外周面とは、金属層７２１を介して密着する構造となる。よって、コア部１１０をループ状に一巡する側面部１１２は、コア部１１０の外周面に密着する形状となる。

また本実施例では、第１犠牲層および第２犠牲層の材料として、多結晶シリコン層を用いる場合を説明したが、この形態に限られない。構造体と犠牲層との間の選択比が十分に得られる材料であれば、何れの材料を用いてもよく、ＰＳＧや様々な種類のポリマーなどであってもよい。

本明細書または図面に説明した技術要素は、単独であるいは各種の組合せによって技術的有用性を発揮するものであり、出願時請求項記載の組合せに限定されるものではない。また、本明細書または図面に例示した技術は複数目的を同時に達成し得るものであり、そのうちの一つの目的を達成すること自体で技術的有用性を持つものである。

１００ 光偏向装置
１０１ 基板
１０５ ミラー
１０７ 可動部
１１０ コア部
１１１ 頂面部
１１２ 側面部
１１３ 展開部

Claims (5)

1. 基板部と、
   可動部と、
   ミラー部と、
   支柱部と、
   第１反射面と、
   第２反射面と、
   を備え、
   ミラー部は、金属層で一体に形成された第１反射面、側面部、および第２反射面を有し、
   第１反射面と第２反射面とが同一平面内に形成され、
   可動部は、基板部に対して揺動可能に支持され、
   ミラー部は、可動部から、支柱部の伸びる方向に、支柱部を介して支持され、
   支柱部の伸びる方向から見たときに、
   第１反射面の外縁は、支柱部の外縁より内側に位置し、
   第１反射面の外縁は、第２反射面の内縁より内側に位置し、
   第２反射面の外縁は、支柱部の外縁より外側に位置し、
   支柱部内は中空であり、
   中空の支柱部内にコア部を更に備え、
   コア部の外周面は、支柱部の内周面と密着しており、
   コア部の可動部側の面は、可動部と密着しており、
   コア部のミラー部側の面は、ミラー部と密着している、
   光偏向装置。
2. コア部形成材料は、ミラー部の材料とは異なり、
   コア部形成材料は、可動部材料とは等しい、
   請求項１に記載の光偏向装置。
3. 支柱部の伸びる方向から見たときに、
   第２反射面の外縁は、可動部の外縁より外側に位置している、
   請求項１または２に記載の光偏向装置。
4. 請求項１から３のいずれかに記載の光偏向装置の製造方法であって、
   可動部の上面にコア部形成材料で犠牲層を形成する犠牲層形成工程と、
   その犠牲層に、コア部の外周面を内側側面とするとともに、底面に可動部が露出するトレンチを形成する第１パターニング工程と、
   パターニング後の犠牲層の表面に、ミラー部形成材料で膜を成膜する成膜工程と、
   その膜のうちの第２反射面の輪郭外に位置する部分を除去する第２パターニング工程と、
   犠牲層を除去する除去工程と
   を備えることを特徴とする光偏向装置の製造方法。
5. 成膜工程で成膜する膜の厚さが、第１パターニング工程で形成されるトレンチの幅を半分にした値以上である
   ことを特徴とする請求項４に記載の光偏向装置の製造方法。

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