JP5506485B2

JP5506485B2 - 2D optical scanner

Info

Publication number: JP5506485B2
Application number: JP2010067345A
Authority: JP
Inventors: 雅直谷
Original assignee: Stanley Electric Co Ltd
Current assignee: Stanley Electric Co Ltd
Priority date: 2010-03-24
Filing date: 2010-03-24
Publication date: 2014-05-28
Anticipated expiration: 2030-03-24
Also published as: JP2011197605A

Description

本発明は光学装置に用いられる２次元光スキャナに関する。たとえば、光学装置として、レーザプリンタ、バーコードリーダ、プロジェクタ等がある。 The present invention relates to a two-dimensional optical scanner used in an optical apparatus. For example, as an optical device, there are a laser printer, a barcode reader, a projector, and the like.

最近、半導体製造プロセス技術、マイクロエレクトロメカニカルシステム（MEMS）技術を用いた２次元光スキャナがある。 Recently, there are two-dimensional optical scanners using semiconductor manufacturing process technology and microelectromechanical system (MEMS) technology.

図７は従来の圧電駆動方式の２次元光スキャナを示す斜視図である（参照：特許文献１）。 FIG. 7 is a perspective view showing a conventional piezoelectric drive type two-dimensional optical scanner (see Patent Document 1).

図７において、空洞部１１aを有する半導体基板の可動枠１１に、ミラーM、ミラーMを揺動可能に支持する１対の弾性梁つまりトーションバー１２a、１２ｂ、トーションバー１２a、１２ｂに作用する２対の圧電アクチュエータ１３a、１３b；１４a、１４bを形成する。この場合、ミラーMは可動枠１１の空洞部１１aの中央に位置する矩形反射面を有する。各トーションバー１２a、１２ｂは可動枠１１に連結された基端及びミラーMに連結された先端を有する。各圧電アクチュエータ１３a、１３b；１４a、１４bはカンチレバーとして作用し、その基端は可動枠に固定され、先端はトーションバー１２a、１２ｂに連結されている。従って、圧電アクチュエータ１３a、１３b；１４a、１４bに駆動電圧を印加することにより圧電アクチュエータ１３a、１３b；１４a、１４bに湾曲変形を生じさせてトーションバー１２a、１２ｂを捩り変形させ、これにより、ミラーMがX-X軸の回りに回転する。 In FIG. 7, the movable frame 11 of the semiconductor substrate having the cavity 11a acts on the mirror M, a pair of elastic beams supporting the mirror M so as to be swingable, that is, torsion bars 12a and 12b, and torsion bars 12a and 12b. A pair of piezoelectric actuators 13a, 13b; 14a, 14b are formed. In this case, the mirror M has a rectangular reflecting surface located at the center of the cavity 11 a of the movable frame 11. Each torsion bar 12a, 12b has a proximal end coupled to the movable frame 11 and a distal end coupled to the mirror M. Each piezoelectric actuator 13a, 13b; 14a, 14b acts as a cantilever, its base end is fixed to the movable frame, and its tip is connected to the torsion bars 12a, 12b. Therefore, by applying a driving voltage to the piezoelectric actuators 13a, 13b; 14a, 14b, the piezoelectric actuators 13a, 13b; 14a, 14b are bent and deformed, and the torsion bars 12a, 12b are torsionally deformed. Rotates around the XX axis.

また、図７において、空洞部２１aを有する半導体基板の支持枠２１に、可動枠１１、可動枠１１を揺動可能に支持する１対の弾性梁つまりトーションバー２２a、２２ｂ、トーションバー２２a、２２ｂに作用する２対の圧電アクチュエータ２３a、２３b；２４a、２４bを形成する。この場合、可動枠１１は支持枠２１の空洞部２１aの中央に位置する。各トーションバー２２a、２２ｂは支持枠２１に連結された基端及び可動枠１１に連結された先端を有する。各圧電アクチュエータ２３a、２３b；２４a、２４bはカンチレバーとして作用し、その基端は支持枠２１に固定され、先端はトーションバー２２a、２２ｂに連結されている。従って、圧電アクチュエータ２３a、２３b；２４a、２４bに駆動電圧を印加することにより圧電アクチュエータ２３a、２３b；２４a、２４bに湾曲変形を生じさせてトーションバー２２a、２２ｂを捩り変形させ、これにより、可動枠１１がY-Y軸の回りに回転してミラーMがY-Y軸の回りを回転する。 In FIG. 7, a movable frame 11, a pair of elastic beams for supporting the movable frame 11 in a swingable manner, that is, torsion bars 22a and 22b, and torsion bars 22a and 22b are supported on a support frame 21 of a semiconductor substrate having a cavity 21a. Two pairs of piezoelectric actuators 23a, 23b; 24a, 24b are formed. In this case, the movable frame 11 is located at the center of the cavity 21 a of the support frame 21. Each torsion bar 22 a, 22 b has a proximal end connected to the support frame 21 and a distal end connected to the movable frame 11. Each piezoelectric actuator 23a, 23b; 24a, 24b acts as a cantilever, its base end is fixed to the support frame 21 , and the tip is connected to the torsion bars 22a, 22b. Therefore, by applying a driving voltage to the piezoelectric actuators 23a, 23b; 24a, 24b, the piezoelectric actuators 23a, 23b; 24a, 24b are deformed in a curved manner, and the torsion bars 22a, 22b are torsionally deformed. 11 rotates around the YY axis, and the mirror M rotates around the YY axis.

このようにして、ミラーMをX-X軸、Y-Y軸の回りに回転させることにより２次元光スキャナを構成する。 In this way, a two-dimensional optical scanner is configured by rotating the mirror M about the X-X axis and the Y-Y axis.

可動枠１１の空洞部１１aにおいては、ミラーMと可動枠１１との間に空隙G1、G2を設け、ミラーMが傾いたときに押される空気の逃げ道を形成し、同様に、支持枠２１の空洞部２１aにおいては、可動枠１１と支持枠２１との間に空隙G３、G４を設け、可動枠１１が傾いたときに押される空気の逃げ道を形成している。 In the hollow portion 11a of the movable frame 11, gaps G1 and G2 are provided between the mirror M and the movable frame 11 to form an escape path for air to be pushed when the mirror M is tilted. In the hollow portion 21a, gaps G3 and G4 are provided between the movable frame 11 and the support frame 21 to form an escape path for air that is pushed when the movable frame 11 is tilted.

尚、電磁誘電方式の２次元光スキャナも図７の圧電駆動方式の２次元光スキャナと同様の構成を有する（参照：特許文献２）。 The electromagnetic dielectric type two-dimensional optical scanner has the same configuration as the piezoelectric driving type two-dimensional optical scanner shown in FIG. 7 (see Patent Document 2).

特開２００８−２０７０１号公報JP 2008-20701 A 特開平７−１７５００５号公報JP-A-7-175005 特開２００１−２３４３３１号公報JP 2001-234331 A 特開２００２−１７７７６５号公報JP 2002-177765 A 特開２００３−８１６９４号公報JP 2003-81694 A

図７のミラーMと可動枠１１との間の空隙G１、G２を小さく、たとえば、図８の（A）に示すごとく、密閉に近い状態に設定すると共に、可動枠１１と支持枠２１との間の空隙G3,G4も、たとえば、図８の（B）に示すごとく、小さくすると、２次元光スキャナが小型化し、従って、２次元光スキャナの半導体チップのサイズが小さくなり、この結果、製造留まりが上昇する。尚、図８の（A）,（B）は図７のA-A線、B-B線の断面図を示し、Sは実装基板を示す。 The gaps G1 and G2 between the mirror M and the movable frame 11 in FIG. 7 are set to be small, for example, as shown in FIG. If the gaps G3 and G4 are also reduced, for example, as shown in FIG. 8B, the two-dimensional optical scanner is reduced in size, and thus the size of the semiconductor chip of the two-dimensional optical scanner is reduced. The yield rises. 8A and 8B are sectional views taken along lines AA and BB in FIG. 7, and S indicates a mounting substrate.

しかしながら、空隙G1,G2,G3,G4を小さくし、かつ支持体２１に囲まれる領域が空気のような気体で満たされている場合では、図８の（A）に示すごとく、圧電アクチュエータ１３a、１３b、１４a、１４bを駆動させてミラーMをX-X軸の回りに偏向させ、あるいは、図８の（B)に示すごとく、圧電アクチュエータ２３a,２３a;２４a,２４ｂを駆動させて可動枠１１、つまり、ミラーMをY-Y軸の周りに偏向させた場合、空気の逃げ道がないので、ミラーMの裏側のキャビティの圧力が上昇する。この圧力上昇がミラーMの動きに対しても抵抗となるので、圧電アクチュエータ１３a、１３b；１４a、１４bあるいは圧電アクチュエータ２３a,２３a;２４a,２４ｂが同一の出力を発生したとしても、ミラーMの傾きは小さくなるという課題がある。 However, when the gaps G1, G2, G3, G4 are made small and the region surrounded by the support 21 is filled with a gas such as air, the piezoelectric actuator 13a, 13b, 14a, 14b are driven to deflect the mirror M around the XX axis, or as shown in FIG. 8B, the piezoelectric actuators 23a, 23a; 24a, 24b are driven to move the movable frame 11, that is, When the mirror M is deflected around the YY axis, there is no air escape path, so the pressure in the cavity on the back side of the mirror M increases. Since this pressure rise also becomes a resistance against the movement of the mirror M, even if the piezoelectric actuators 13a, 13b; 14a, 14b or the piezoelectric actuators 23a, 23a; 24a, 24b generate the same output, the inclination of the mirror M Has the problem of becoming smaller.

逆に、図７のミラーMと可動枠１１との間の空隙G１、G２を、たとえば、図９の（A）に示すごとく、大きく設定すると共に、可動枠１１と支持枠２１との間の空隙G3,G4も、たとえば、図９の（B）に示すごとく、大きくすると、圧電アクチュエータ１３a、１３b；１４a、１４bを駆動させてミラーMをX-X軸の回りに偏向させ、あるいは、圧電アクチュエータ２３a,２３a;２４a,２４ｂを駆動させて可動枠１１、つまり、ミラーMをY-Y軸の回りに偏向させた場合、空気の逃げ道が大きいので、ミラーMの裏側のキャビティの圧力が上昇することはない。従って、ミラーＭの傾き小さくなることはない。尚、図９の（A）、(B)は図７のA-A線、B-B線の断面図を示す。 Conversely, the gaps G1 and G2 between the mirror M and the movable frame 11 in FIG. 7 are set large, for example, as shown in FIG. 9A, and the gap between the movable frame 11 and the support frame 21 is set. When the gaps G3 and G4 are also enlarged, for example, as shown in FIG. 9B, the piezoelectric actuators 13a and 13b; 14a and 14b are driven to deflect the mirror M around the XX axis, or the piezoelectric actuator 23a. , 23a; When the movable frame 11, that is, the mirror M is deflected around the YY axis by driving the 24a, 24b, since the air escape path is large, the pressure in the cavity on the back side of the mirror M does not increase. . Therefore, the inclination of the mirror M is not reduced. 9A and 9B are sectional views taken along lines AA and BB in FIG.

しかしながら、空隙G１, G２, G３, G４を大きくすると、２次元光スキャナが大型化し、従って、２次元光スキャナの半導体チップのサイズが大きくなり、この結果、製造留まりが低下するという課題がある。 However, when the gaps G1, G2, G3, and G4 are increased, the size of the two-dimensional optical scanner is increased, so that the size of the semiconductor chip of the two-dimensional optical scanner is increased, and as a result, the manufacturing yield is reduced.

このように製造留まりとミラーMの傾きとはトレードオフの関係にあり、両方を改良することは不可能であった。尚、２次元光スキャナを真空もしくは減圧密閉封止すれば、製造歩留まりの向上及びミラーMの傾きの増大の両方が可能であるが、この場合、実装方法が複雑となり、製造コストの上昇及び信頼性の低下を招く。 Thus, the production yield and the inclination of the mirror M are in a trade-off relationship, and it has been impossible to improve both. Note that if the two-dimensional optical scanner is sealed in a vacuum or under reduced pressure, it is possible to improve both the manufacturing yield and increase the tilt of the mirror M. In this case, however, the mounting method becomes complicated, resulting in an increase in manufacturing cost and reliability. It causes a decline in sex.

上述の課題を解決するために、本発明に係る２次元光スキャナは、第１の空洞部が形成された可動枠と、可動枠の第１の空洞部内に位置する反射面を有するミラーと、基端が可動枠に連結され先端がミラーに連結された第１の弾性梁と、可動枠の第１の空洞部内に位置し、第１の弾性梁に接続された第１のアクチュエータと、可動枠が位置する第２の空洞部が形成された支持枠と、基端が支持枠に連結された先端が可動枠に連結された第２の弾性梁と、支持枠と可動枠との間の前記第２の空洞部に位置し、第２の弾性梁に接続された第２のアクチュエータとを具備し、可動枠に１以上の貫通孔を設け、各貫通孔が可動枠の残部によって囲まれているものである。これにより、可動枠の貫通孔は空気の逃げ道として作用する。 In order to solve the above-described problem, a two-dimensional optical scanner according to the present invention includes a movable frame in which a first cavity is formed, a mirror having a reflective surface located in the first cavity of the movable frame, A first elastic beam having a proximal end coupled to the movable frame and a distal end coupled to the mirror; a first actuator located in the first cavity of the movable frame and connected to the first elastic beam; A support frame in which a second cavity portion in which the frame is located is formed; a second elastic beam having a proximal end connected to the support frame; and a second elastic beam connected to the movable frame; and between the support frame and the movable frame And a second actuator connected to the second elastic beam . The movable frame is provided with one or more through holes , each through hole being surrounded by the remaining portion of the movable frame. It is what. Thereby, the through-hole of the movable frame acts as an air escape path.

また、各貫通孔が可動枠の残部によって囲まれている。これにより、貫通孔は可動枠の剛性の低下を抑制する。 Each through hole is surrounded by the remaining portion of the movable frame. Thereby, a through-hole suppresses the fall of the rigidity of a movable frame.

さらに、複数の貫通孔が第１、第２の弾性梁を軸に対称に設けられている。これにより、質量の均衡が保持され、振動を誘発しない。 Furthermore, a plurality of through-holes are provided symmetrically about the first and second elastic beams. This maintains the mass balance and does not induce vibrations.

さらにまた、貫通孔が第１、第２の弾性梁の延長領域に設けられていない。これにより、可動枠の弾性梁付け根付近の剛性の低下を抑制する。 Furthermore, the through hole is not provided in the extension region of the first and second elastic beams. This suppresses a decrease in rigidity in the vicinity of the elastic beam root of the movable frame.

本発明によれば、ミラーと可動枠との間の空隙及び可動枠と支持枠との間の空隙を小さくして２次元光スキャナの光学体チップのサイズが小さくなるので、製造歩留まりが上昇すると共に、可動枠の貫通孔によって空気の逃げ道を確保することによりミラーの傾きを大きくできる。 According to the present invention, since the gap between the mirror and the movable frame and the gap between the movable frame and the support frame are reduced to reduce the size of the optical chip of the two-dimensional optical scanner, the manufacturing yield increases. At the same time, the inclination of the mirror can be increased by securing an air escape path through the through hole of the movable frame.

本発明に係る圧電駆動方式の２次元光スキャナ光偏向器の実施の形態を示す斜視図である。1 is a perspective view showing an embodiment of a piezoelectric drive type two-dimensional optical scanner optical deflector according to the present invention. FIG. 図１の２次元光スキャナの平面図である。It is a top view of the two-dimensional optical scanner of FIG. 図１の２次元光スキャナの動作を説明するための図であって、（A)は図１のA-A線の断面図、（B）は図１のB-B線断面図である。2A and 2B are diagrams for explaining the operation of the two-dimensional optical scanner in FIG. 1, where FIG. 2A is a cross-sectional view taken along line AA in FIG. 1, and FIG. 図１の圧電駆動方式の２次元光スキャナの製造方法を説明するための断面図である。FIG. 5 is a cross-sectional view for explaining a method of manufacturing the piezoelectric drive type two-dimensional optical scanner of FIG. 1. 図１の圧電駆動方式の２次元光スキャナの製造方法を説明するための断面図である。FIG. 5 is a cross-sectional view for explaining a method of manufacturing the piezoelectric drive type two-dimensional optical scanner of FIG. 1. 図１の圧電駆動方式の２次元光スキャナの製造方法を説明するための断面図である。FIG. 5 is a cross-sectional view for explaining a method of manufacturing the piezoelectric drive type two-dimensional optical scanner of FIG. 1. 従来の圧電駆動方式の２次元光スキャナを示す斜視図である。It is a perspective view which shows the conventional two-dimensional optical scanner of a piezoelectric drive system. 図７の２次元光スキャナの課題を説明するための図であって、（A)は図７のA-A線の断面図、（B）は図７のB-B線断面図である。8A and 8B are diagrams for explaining the problem of the two-dimensional optical scanner in FIG. 7, where FIG. 8A is a cross-sectional view taken along line AA in FIG. 7, and FIG. 図７の２次元光スキャナの課題を説明するための図であって、（A)は図７のA-A線の断面図、（B）は図７のB-B線断面図である。8A and 8B are diagrams for explaining the problem of the two-dimensional optical scanner in FIG. 7, where FIG. 8A is a cross-sectional view taken along line AA in FIG. 7, and FIG.

図１は本発明に係る圧電駆動方式の２次元光スキャナの実施の形態を示す斜視図、図２は図１の２次元光スキャナの平面図である。 FIG. 1 is a perspective view showing an embodiment of a piezoelectric drive type two-dimensional optical scanner according to the present invention, and FIG. 2 is a plan view of the two-dimensional optical scanner of FIG.

図１、図２に示すように、図７の可動枠１１に複数の貫通孔１５を設けてある。貫通孔１５は可動枠１１の残部によって囲まれており、これにより、可動枠１１の剛性の低下を抑制する。従って、貫通孔を設けながらも揺動による可動枠の変形を阻止することができる。また、貫通孔１５はトーションバー１２ａ、１２ｂ、２２ａ、２２ｂを軸に対称に設けられている。これにより、質量の均衡が保持され、振動を抑制する。さらに、貫通孔１５はトーションバー１２ａ、１２ｂ、２２ａ、２２ｂの延長領域には設けられていない。これにより、可動枠１１のトーションバー１２ａ、１２ｂ、２２ａ、２２ｂの付け根付近の剛性の低下を抑制する。この結果、貫通孔１５による可動枠１１の撓みは抑制される。尚、貫通孔１５は円形、三角形等の種々の形になし得る。また、貫通孔１５は図１のように可動枠のすべての辺に設けることに限定されないが、例えばトーションバー２２ａ、２２ｂと平行な辺には設けられていることが好ましい。可動枠はトーションバー２２ａ、２２ｂを軸に揺動するためこの位置が最も大きく動くため空気抵抗もこの位置がもっとも大きいためである。 As shown in FIGS. 1 and 2, a plurality of through holes 15 are provided in the movable frame 11 of FIG. 7. The through hole 15 is surrounded by the remaining portion of the movable frame 11, thereby suppressing a decrease in rigidity of the movable frame 11. Therefore, it is possible to prevent the movable frame from being deformed due to the swinging while providing the through hole. The through hole 15 is provided symmetrically about the torsion bars 12a, 12b, 22a, 22b. Thereby, the balance of mass is maintained and vibration is suppressed. Furthermore, the through hole 15 is not provided in the extended region of the torsion bars 12a, 12b, 22a, 22b. Thereby, the fall of the rigidity of the vicinity of the base of the torsion bars 12a, 12b, 22a, 22b of the movable frame 11 is suppressed. As a result, the bending of the movable frame 11 due to the through hole 15 is suppressed. The through hole 15 can have various shapes such as a circle and a triangle. Moreover, although the through-hole 15 is not limited to providing in all the sides of a movable frame like FIG. 1, it is preferable to be provided in the side parallel to the torsion bars 22a and 22b, for example. This is because the movable frame swings about the torsion bars 22a and 22b, and this position moves the most, so the air resistance is also the largest.

可動枠１１の貫通孔１５は空気の逃げ道となるので、図１、図２に示すごとく、ミラーＭと可動枠１１との間の空隙Ｇ１、Ｇ２及び可動枠１１と支持枠２１との間の空隙Ｇ３、Ｇ４は可能な限り小さくできる。従って、支持体２１の空洞部形状は可動枠１１の圧電アクチュエータ２３ａ、２３ｂ、２４ａ、２４ｂを合わせた形状とほぼ同一形状となり、可動枠１１の空洞部形状はミラーＭと圧電アクチュエータ１３ａ、１３ｂ、１４ａ、１４ｂを合わせた形状とほぼ同一形状となる。この結果、２次元光スキャナが小型化し、従って、２次元光スキャナの半導体チップのサイズを小さくでき、この結果、製造歩留まりを上昇できる。 Since the through hole 15 of the movable frame 11 is escape of air, Fig. 1, as shown in FIG. 2, between the air gap G1, G2 and the movable frame 11 between the mirror M and the movable frame 11 and the support frame 21 empty gap G3, G4 can be as small as possible. Therefore, the piezoelectric actuator 23a of the cavity-shaped movable frame 11 of the support 21, 23b, 24a, becomes substantially the same shape as the combined 24b, cavity shape of the movable frame 11 is a mirror M and the piezoelectric actuator 13a, 13b, The shape is almost the same as the combined shape of 14a and 14b. As a result, the two-dimensional optical scanner is reduced in size, so that the size of the semiconductor chip of the two-dimensional optical scanner can be reduced, and as a result, the manufacturing yield can be increased.

すなわち、圧電アクチュエータ１３ａ、１３ｂ；１４ａ、１４ｂを駆動させてミラーＭをＸ−Ｘ軸の回りに偏向させたときに、図３の（A)に示すごとく、空気は可動枠１１の貫通孔１５を逃げ道とするので、ミラーＭと実装基板Ｓとの間のキャビティの圧力の上昇はない。従って、ミラーＭのＸ−Ｘ軸回りの傾きが小さくなることはない。 That is, when the piezoelectric actuators 13a and 13b; 14a and 14b are driven to deflect the mirror M around the XX axis, the air is passed through the through-hole 15 of the movable frame 11 as shown in FIG. Therefore, the cavity pressure between the mirror M and the mounting substrate S does not increase. Therefore, the inclination of the mirror M around the XX axis does not become small.

同様に、圧電アクチュエータ２３ａ、２３ｂ；２４ａ、２４ｂを駆動させてミラーＭをＹ−Ｙ軸の回りに偏向させたとき、図３の（B)に示すごとく、空気は可動枠１１の貫通孔１５を逃げ道とするので、ミラーＭと実装基板Ｓとの間のキャビティの圧力の上昇はない。従って、ミラーＭのＹ−Ｙ軸回りの傾きが小さくなることはない。 Similarly, when the piezoelectric actuators 23a, 23b; 24a, 24b are driven to deflect the mirror M around the Y-Y axis, the air is passed through the through-hole 15 of the movable frame 11 as shown in FIG. Therefore, the cavity pressure between the mirror M and the mounting substrate S does not increase. Therefore, the inclination of the mirror M around the Y-Y axis does not become small.

次に、図１の圧電駆動方式の２次元光スキャナの製造方法を図４、図５、図６を参照して説明する。尚、図４、図５、図６は図１のＡ-Ａ線断面図である。 Next, a manufacturing method of the piezoelectric drive type two-dimensional optical scanner of FIG. 1 will be described with reference to FIGS. 4, 5, and 6 are cross-sectional views taken along line AA in FIG. 1.

始めに、図４の（Ａ）を参照すると、シリコンオン絶縁体（SOI）基板を準備する。SOI基板は、厚さ約100〜600μmたとえば525μmの単結晶シリコン支持層（ハンドリング層とも言う）１０１１、厚さ約0.5〜2μmたとえば2μmの中間酸化シリコン層（BOX層とも言う）１０１２及び厚さ約5〜100μmたとえば50μmの単結晶シリコン活性層１０１３よりなる。 First, referring to FIG. 4A, a silicon-on-insulator (SOI) substrate is prepared. The SOI substrate has a single crystal silicon support layer (also called a handling layer) 1011 having a thickness of about 100 to 600 μm, for example 525 μm, an intermediate silicon oxide layer (also called a BOX layer) 1012 having a thickness of about 0.5 to 2 μm, for example 2 μm, and a thickness of about It consists of a single crystal silicon active layer 1013 of 5-100 μm, for example 50 μm.

次に、図４の（Ｂ）を参照すると、SOI基板を熱酸化して裏面及び表面に厚さ約0.1〜1.0μmたとえば0.5μmの酸化シリコン層１０２１、１０２２を形成する。 Next, referring to FIG. 4B, the SOI substrate is thermally oxidized to form silicon oxide layers 1021 and 1022 having a thickness of about 0.1 to 1.0 μm, for example, 0.5 μm on the back surface and the front surface.

次に、図４の（Ｃ）を参照すると、酸化シリコン層１０２２上にスパッタリング法、電子ビーム（EB）蒸着法等により厚さ約30〜100μmたとえば50nmのTi及び厚さ約100〜300μmたとえば150nmのPtを順次成膜し、これにより、下部電極層１０３１を形成する。次いで、下部電極層１０３１上に反応性アーク放電イオンプレーティング法により厚さ約1〜10μmたとえば3μmのチタン酸ジルコン酸鉛（PZT）よりなる圧電体層１０３２を成膜する。反応性アーク放電イオンプレーティング法については特許文献３、４、５を参照されたし。次いで、圧電体層１０３２上にスパッタリング法、EB蒸着法等により厚さ10〜200nmたとえば約150nmのPtよりなる上部電極層１０３３を成膜する。 Next, referring to FIG. 4C, a thickness of about 30 to 100 μm, for example 50 nm, and a thickness of about 100 to 300 μm, for example, 150 nm are formed on the silicon oxide layer 1022 by sputtering, electron beam (EB) deposition, or the like. The Pt films are sequentially formed, whereby the lower electrode layer 1031 is formed. Next, a piezoelectric layer 1032 made of lead zirconate titanate (PZT) having a thickness of about 1 to 10 μm, for example, 3 μm, is formed on the lower electrode layer 1031 by a reactive arc discharge ion plating method. For the reactive arc discharge ion plating method, see Patent Documents 3, 4, and 5. Next, an upper electrode layer 1033 made of Pt having a thickness of 10 to 200 nm, for example, about 150 nm is formed on the piezoelectric layer 1032 by sputtering, EB vapor deposition, or the like.

次に、図５の（Ａ）を参照すると、フォトリソグラフィ及びドライエッチング法を用いて上部電極層１０３３及び圧電体層１０３２のパターニングを行う。次いで、フォトリソグラフィ及びドライエッチング法を用いて下部電極層１０３１のパターニングを行う。このとき、フォトレジスト層でミラーＭの領域の下部電極層１０３１を覆い、反射層として残存せしめる。尚、ミラーＭの光反射率を高めたい場合には、この後に、厚さ約100〜500nmのAl、Auをスパッタリング法、EB蒸着法等によって形成し、フォトリソグラフィ及びドライエッチング法を用いて下部電極層１０３１に高反射率の反射層を形成する。 Next, referring to FIG. 5A, the upper electrode layer 1033 and the piezoelectric layer 1032 are patterned using photolithography and dry etching. Next, the lower electrode layer 1031 is patterned using photolithography and dry etching. At this time, the lower electrode layer 1031 in the region of the mirror M is covered with the photoresist layer, and remains as a reflective layer. If it is desired to increase the light reflectivity of the mirror M, Al and Au having a thickness of about 100 to 500 nm are formed by sputtering, EB vapor deposition, etc., and the lower part is formed using photolithography and dry etching. A reflective layer having a high reflectance is formed on the electrode layer 1031.

次に、図５の（Ｂ）を参照すると、酸化シリコン層１０２１を除去し、支持枠１に対応する領域に高周波結合プラズマ反応性イオンエッチング（ICP-RIE）法用のハードマスク層１０４を形成する。つまり、フォトリソグラフィ法により表面に厚膜レジスト層を形成し、この厚膜レジスト層をエッチングマスクとしてバッファードフッ酸（BHF）を用いたウェットエッチング法により酸化シリコン層１０２１を除去する。次いで、単結晶シリコン支持層１０１１上にAlをスパッタリング法、EB蒸着法等により形成し、フォトリソグラフィ及びエッチング法によりパターニングして支持枠２１に相当するハードマスク層１０４を形成する。 Next, referring to FIG. 5B, the silicon oxide layer 1021 is removed, and a hard mask layer 104 for high frequency coupled plasma reactive ion etching (ICP-RIE) is formed in a region corresponding to the support frame 1. To do. That is, a thick resist layer is formed on the surface by photolithography, and the silicon oxide layer 1021 is removed by wet etching using buffered hydrofluoric acid (BHF) using the thick resist layer as an etching mask. Next, Al is formed on the single crystal silicon support layer 1011 by a sputtering method, an EB vapor deposition method, or the like, and patterned by photolithography and an etching method to form a hard mask layer 104 corresponding to the support frame 21.

次に、図５の（Ｃ）に示すように、ICP-RIE装置において、ハードマスク層１０４をエッチングマスクとして単結晶シリコン支持層１０１１を途中まで除去して支持枠１の空洞部１ａを形成する。尚、ハードマスク層１０４は支持枠１に付着したままでも何ら問題はない。 Next, as shown in FIG. 5C, in the ICP-RIE apparatus, the single crystal silicon support layer 1011 is removed halfway using the hard mask layer 104 as an etching mask to form the cavity 1a of the support frame 1. . Note that there is no problem even if the hard mask layer 104 remains attached to the support frame 1.

次に、図６の（Ａ）を参照すると、フォトリソグラフィ法により、パターニングされた下部電極層１０３１、圧電体層１０３２、上部電極層１０３３を覆うフォトレジストパターン１０５を形成した後に、ICP-RIE装置において酸化シリコン層１０２２、単結晶シリコン活性層１０１３及び単結晶シリコン支持層１０１１をエッチング除去する。この場合、フォトレジストパターン１０５には、可動枠１１の貫通孔１５に対応する開口が設けられている。 Next, referring to FIG. 6A, after forming a photoresist pattern 105 covering the patterned lower electrode layer 1031, piezoelectric layer 1032 and upper electrode layer 1033 by photolithography, an ICP-RIE apparatus is formed. Then, the silicon oxide layer 1022, the single crystal silicon active layer 1013, and the single crystal silicon support layer 1011 are removed by etching. In this case, the photoresist pattern 105 is provided with an opening corresponding to the through hole 15 of the movable frame 11.

本実施の形態においては、可動枠１１を単結晶シリコン支持層１０１１の一部を残すことで設けたが、残さなくてもよい。この場合、空洞部１ａの形成は一度で単結晶シリコン支持層１０１１を中間酸化シリコン層１０１２まで除去する。 In this embodiment mode, the movable frame 11 is provided by leaving a part of the single crystal silicon support layer 1011. However, the movable frame 11 may not be left. In this case, the cavity 1a is formed at a time, and the single crystal silicon support layer 1011 is removed up to the intermediate silicon oxide layer 1012.

尚、ICP-RIE法は、単結晶シリコンを異方性エッチングするのに適したエッチング法であり、従って、単結晶シリコン支持層１０１１及び単結晶シリコン活性層１０１３を垂直にエッチングできる。 Note that the ICP-RIE method is an etching method suitable for anisotropically etching single crystal silicon. Therefore, the single crystal silicon support layer 1011 and the single crystal silicon active layer 1013 can be etched vertically.

最後に、図６の（Ｂ）を参照すると、バッファードフッ酸（BHF）を用いて中間酸化シリコン層１０１２をエッチング除去する。これにより、ミラーＭの回転、トーションバー１２ａ、１２ｂ、２２ａ、２２ｂの捩り変形、圧電アクチュエータ１３ａ、１３ｂ、１４ａ、１４ｂ、２３ａ、２３ｂ、２４ａ、２４ｂの湾曲が可能となる。そして、ダイシング工程によってウエハから各デバイスを個別（チップ）化し、トランジスタアウトライン（TO）型パッケージにダイボンド及びワイヤボンドにより実装される。 Finally, referring to FIG. 6B, the intermediate silicon oxide layer 1012 is etched away using buffered hydrofluoric acid (BHF). Thereby, the rotation of the mirror M, the torsional deformation of the torsion bars 12a, 12b, 22a and 22b, and the bending of the piezoelectric actuators 13a, 13b, 14a, 14b, 23a, 23b, 24a and 24b are possible. Then, each device is separated (chip) from the wafer by a dicing process and mounted on a transistor outline (TO) type package by die bonding and wire bonding.

上述の可動枠１１に貫通孔１５を設けた実施の形態において、空隙Ｇ１、Ｇ２、Ｇ３、Ｇ４を密閉状態としたとき、ミラーＭの共振周波数が25kHzのときに、圧電アクチュエータの正弦波入力信号のピーク間電圧V_p-p及び周波数を20V及び25kHzとすると、ミラー振れ角（最大偏向角）は±１０°であった。他方、貫通孔１５を設けず、空隙Ｇ１、Ｇ２、Ｇ３、Ｇ４を密閉状態としたときには、同一駆動条件で、ミラー振れ角（最大偏向角）±７．５°であった。また、従来のごとく、貫通孔１５を設けないで、同一駆動条件でミラー振れ角、最大偏向角を得るには、空隙Ｇ１、Ｇ２、Ｇ３、Ｇ４を１００μｍ以上にしなければならず、装置のサイズが10％以上増大することになった。 In the embodiment in which a through hole 15 in the movable frame 11 mentioned above, when the air gap G1, G2, and G3, G4 and sealed, when the resonance frequency of the mirror M is 25 kHz, the piezoelectric actuator sinusoidal input When the peak-to-peak voltage V _pp and the frequency were 20 V and 25 kHz, the mirror deflection angle (maximum deflection angle) was ± 10 °. On the other hand, without providing the through-hole 15, when the air gap G1, G2, and G3, G4 and sealed state, in the same driving conditions, the mirror swing angle (maximum deflection angle) was ± 7.5 °. Also, as in the prior art, without providing the through-hole 15, the mirror deflection angle the same driving condition, in order to obtain a maximum deflection angle has to empty gap G1, G2, G3, G4 and above 100 [mu] m, the device The size increased by more than 10%.

尚、本発明は電磁誘電方式の２次元光スキャナにも適用し得る。 The present invention can also be applied to an electromagnetic dielectric type two-dimensional optical scanner.

Ｍ：ミラー
１１：可動枠
１１ａ：空洞部
１２ａ，１２ｂ：弾性梁（トーションバー）
１３ａ、１３ｂ；１４ａ、１４ｂ：圧電アクチュエータ
１５：貫通孔
２１：支持枠
２１ａ：空洞部
２２ａ、２２ｂ：弾性梁（トーションバー）
２３ａ、２３ｂ；２４ａ、２４ｂ：圧電アクチュエータ
１０１１：単結晶シリコン支持層
１０１２：中間酸化シリコン層
１０１３：単結晶シリコン活性層
１０２１、１０２２：酸化シリコン層
１０３１：下部電極層
１０３２：圧電体層
１０３３：上部電極層
１０４：ハードマスク層
１０５：フォトレジストパターン層
M: Mirror 11: Movable frame 11a: Cavities 12a, 12b: Elastic beam (torsion bar)
13a, 13b; 14a, 14b: Piezoelectric actuator 15: Through hole 21: Support frame 21a: Cavity 22a, 22b: Elastic beam (torsion bar)
23a, 23b; 24a, 24b: piezoelectric actuator 1011: single crystal silicon support layer 1012: intermediate silicon oxide layer 1013: single crystal silicon active layer 1021, 1022: silicon oxide layer 1031: lower electrode layer 1032: piezoelectric layer 1033: upper part Electrode layer 104: Hard mask layer 105: Photoresist pattern layer

Claims

A movable frame in which a first cavity is formed;
A mirror having a reflective surface located within the first cavity of the movable frame,
A first elastic beam having a proximal end coupled to the movable frame and a distal end coupled to the mirror;
A first actuator located in the first cavity of the movable frame and connected to the first elastic beam;
A support frame formed with a second cavity where the movable frame is located;
A second elastic beam having a proximal end coupled to the support frame and a distal end coupled to the movable frame ;
A second actuator located in the second cavity between the support frame and the movable frame and connected to the second elastic beam ;
Providing one or more through holes in the movable frame ;
A two-dimensional optical scanner in which each through hole is surrounded by the remaining portion of the movable frame .

The two-dimensional scanner according to claim 1, wherein the position where the through-hole is provided is a side parallel to the second elastic beam of the movable frame.

The two-dimensional optical scanner according to claim 1, wherein the plurality of through holes are provided symmetrically with respect to the first and second elastic beams.

The two-dimensional optical scanner according to claim 1, wherein the through hole is not provided in an extension region of the first and second elastic beams.