JP7193719B2

JP7193719B2 - 光走査装置

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Publication number: JP7193719B2
Application number: JP2018240016A
Authority: JP
Inventors: 佑紀丸山
Original assignee: Mitsumi Electric Co Ltd
Current assignee: Mitsumi Electric Co Ltd
Priority date: 2018-12-21
Filing date: 2018-12-21
Publication date: 2022-12-21
Anticipated expiration: 2038-12-21
Also published as: JP2020101689A; US11237384B2; CN111352234B; CN111352234A; US20200201029A1

Description

本発明は、光走査装置に関する。

従来から、ミラー部を両側からトーションバーにより支持し、トーションバーを軸としてミラー部を揺動させることにより、ミラー部で入射光を偏向して走査する光走査装置が知られている。このような光走査装置は、ＭＥＭＳ（Micro Electro Mechanical System）技術を用いて、例えばＳＯＩ（Silicon On Insulator）基板をエッチングすることにより形成される。

トーションバーは、ＳＯＩ基板に含まれるシリコン活性層により形成される。トーションバーの表面には、製造過程において酸化膜が形成される（例えば、特許文献１参照）。

特開２０１８－１７８３２号公報

しかしながら、トーションバー上の酸化膜は、トーションバーを形成するシリコン活性層よりも脆弱であるため、ミラー部の揺動時にトーションバーに発生する応力によって破損しやすい。酸化膜が破損すると、この破損が起点となってトーションバーに疲労破壊が発生するおそれがある。

開示の技術は、トーションバーの破壊を抑制することを目的とする。

開示の技術は、シリコン活性層と、前記シリコン活性層の第１領域を含むと共に、ミラー反射面を有するミラー部と、前記ミラー部を両側から支持して揺動させ、前記第１領域に隣り合い、露出表面を含む前記シリコン活性層の第２領域により形成されるトーションバーと、を有し、前記ミラー反射面は、前記シリコン活性層における前記第１領域上の酸化膜を介して形成された金属膜からなる光走査装置である。

本発明によれば、トーションバーの破壊を抑制することができる。

第１実施形態の光走査装置の上面側の斜視図である。第１実施形態の光走査装置の下面側の斜視図である。ミラー反射面が水平方向に傾斜した状態におけるミラー部の拡大図である。図３中のＡ－Ａ線に沿った断面の構造を示す断面図である。図３中のＢ－Ｂ線に沿った断面の構造を示す断面図である。シリコン活性層の露出部を説明する図である。ＳＯＩ基板に対する加工フローを説明するフローチャートである。加工時におけるＳＯＩ基板の断面図である。加工時におけるＳＯＩ基板の断面図である。加工時におけるＳＯＩ基板の断面図である。

（第１実施形態）
以下に、図面を参照して第１実施形態について説明する。図１は、第１実施形態の光走査装置の上面側の斜視図である。

図１において、第１実施形態に係る光走査装置は、ミラー部４０と、トーションバー５０と、連結部６０と、水平駆動梁７０と、駆動源７１と、可動枠８０と、垂直駆動部１１０と、フレーム１２０と、端子１３０と、配線１４０とを有する。また、ミラー部４０は、ミラー反射面１０と、応力緩和領域２０とを有し、垂直駆動部１１０は、垂直駆動梁９０と、駆動源９１と、連結部１００とを有する。

ミラー部４０は、２本のトーションバー５０により同一直線上の両外側から挟持されている。ミラー部４０は、中心にミラー反射面１０を有し、ミラー反射面１０とトーションバー５０との間に応力緩和領域２０を有する。各応力緩和領域２０には、２つのスリット３０が形成されている。また、トーションバー５０は、基端部５０ａが連結部６０を介して水平駆動梁７０の内側の角に連結されている。水平駆動梁７０は、表面に駆動源７１を備え、外側の辺が可動枠８０に連結されている。

可動枠８０は、水平駆動梁７０を介して連結部６０、トーションバー５０、及びミラー部４０を支持するとともに、これらの周囲を囲んでいる。可動枠８０は、奥側の一端が垂直駆動梁９０の一端に連結され、可動枠８０に連結された垂直駆動梁９０の他端は、自身よりも外側にある垂直駆動梁９０の一端に連結されている。

垂直駆動梁９０は、可動枠８０の両側に、可動枠８０を挟むようにトーションバー５０と平行に複数設けられている。可動枠８０の各片側には４つの垂直駆動梁９０が配置されている。４つの垂直駆動梁９０は、その端部よりも外側にある連結部１００により、隣接して配置された垂直駆動梁９０に連結されているが、一端は内側の垂直駆動梁９０の一端に連結され、他端は外側の垂直駆動梁９０の一端に連結されている。

最も内側にある可動枠８０に隣接した垂直駆動梁９０は、一端は可動枠８０の一端に連結され、他端は外側の垂直駆動梁９０の一端に連結されている。また、最も外側にあるフレーム１２０に隣接した垂直駆動梁９０は、一端がフレーム１２０に連結され、他端が内側にある垂直駆動梁９０の一端に連結されている。また、垂直駆動梁９０には、駆動源９１が設けられている。

フレーム１２０は、最も外側の垂直駆動梁９０を介して垂直駆動部１１０を支持する。フレーム１２０の表面には端子１３０が設けられ、配線１４０が接続されている。駆動源７１、９１は、例えば、電圧の印加に応じて伸縮する圧電素子等が用いられる。圧電素子には、例えば、ピエゾ素子が用いられる。駆動源７１、９１に電圧を供給するために配線１４０が設けられている。

なお、図１では、フレーム１２０は、垂直駆動部１１０の両側に配置されているが、実際には、垂直駆動部１１０及び可動枠８０を取り囲むように設けられている。

また、トーションバー５０の基端部５０ａには、圧電センサ１５０が設けられている。圧電センサ１５０は、ミラー部４０が水平方向に遥動している状態におけるミラー反射面１０の傾き具合（水平方向の振角）を検出する水平振角センサとして機能する。

以下、各部のより詳細な説明を行う。

ミラー部４０は、ほぼ円形のミラー反射面１０を中心に備える。ミラー反射面１０は、銀、銅、アルミニウム等の反射率の高い金属膜により形成されている。

応力緩和領域２０は、トーションバー５０の捻れ応力を緩和させ、ミラー反射面１０に加わる応力を低減させるために、ミラー反射面１０との間に設けられたスペース部である。応力緩和領域２０は、トーションバー５０の捻れ運動で発生する応力を分散させ、ミラー反射面１０に加わる応力を緩和することができる。

スリット３０は、応力緩和領域２０に印加された応力を分散させるための穴であり、応力緩和領域２０内に設けられている。

トーションバー５０は、ミラー部４０を両側から支持するとともに、ミラー部４０を水平方向に揺動させるための手段である。ここで、水平方向とは、ミラー反射面１０により反射される光が高速に走査して移動する方向であり、投影面の横方向を意味する。つまり、ミラー反射面１０が横方向に揺動する方向であり、トーションバー５０が軸となる方向である。トーションバー５０は、左右に交互に捻れることにより、ミラー部４０を水平方向に揺動させる。

連結部６０は、水平駆動梁７０で発生した水平方向の駆動力をトーションバー５０に伝達するための伝達手段である。

水平駆動梁７０は、ミラー部４０を水平方向に揺動させ、ミラー反射面１０により反射された光を投影面の水平方向に走査させるための駆動手段である。ミラー部４０の左右両側にある駆動源７１に異なる位相の電圧を交互に印加することにより、左右の水平駆動梁７０を交互に反対方向に反らせることができる。これにより、トーションバー５０に捻れ力を与え、トーションバー５０に平行な水平回転軸周りにミラー部４０を揺動させることができる。

また、水平駆動梁７０による駆動は、例えば、共振駆動が用いられる。本実施形態の光走査装置をプロジェクタ等に適用した場合には、例えば３０ｋＨｚの共振駆動によりミラー部４０が駆動される。

垂直駆動部１１０に含まれる垂直駆動梁９０は、各々が駆動源９１を備え、独立に駆動可能である。隣接する垂直駆動梁９０に異なる位相の電圧を印加することにより、可動枠８０を手前側又は奥側に傾くように傾動させることができる。なお、ミラー部４０は、可動枠８０に支持されているので、可動枠８０の揺動に伴い、トーションバー５０に直交する垂直回転軸周りに揺動する。

なお、垂直駆動部１１０は、例えば、非共振駆動により可動枠８０を揺動させる。垂直駆動は、水平駆動と比較して高速駆動は要求されず、駆動周波数は、例えば、６０Ｈｚ程度である。

図２は、第１実施形態の光走査装置の下面側の斜視図である。図２において、図１と同様の構成要素には、同一の参照符号を付している。

図２において、ミラー反射面１０の裏面側に、リブ１１が設けられている。リブ１１は、駆動中におけるミラー反射面１０の歪みを抑制し、ミラー反射面１０を平坦に保つ機能を有する。リブ１１は、ミラー反射面１０の形状とほぼ外形が一致するように形成される。これにより、ミラー反射面１０を全体に亘って平坦にすることができる。

連結部１００の裏面側にもリブ１０１が形成されている。リブ１０１は、隣接する垂直駆動梁９０の連結を補強し、剛性を高める機能を有する。

図３は、ミラー反射面１０が水平方向に傾斜した状態におけるミラー部４０の拡大図である。図３に示すようにミラー反射面１０が傾斜した場合に、トーションバー５０のほぼ中央部に応力の発生が集中する。

図４は、図３中のＡ－Ａ線に沿った断面の構造を示す断面図である。図４に示すように、本実施形態の光走査装置は、ＳＯＩ基板２００を用いて形成されている。ＳＯＩ基板２００は、シリコン（Ｓｉ）からなる支持基板２０１、ＢＯＸ（Buried Oxide）層２０２、シリコン活性層２０３が、この順に積層されたものである。ＢＯＸ層２０２は、二酸化シリコン（ＳｉＯ_２）により形成された酸化絶縁膜である。シリコン活性層２０３は、単結晶シリコンからなる。

ミラー部４０、トーションバー５０、連結部６０、及び水平駆動梁７０の殆どが、弾性を有するように、支持基板２０１及びＢＯＸ層２０２をエッチング除去することで残ったシリコン活性層２０３をベースとしている。

なお、リブ１１やリブ１０１は、支持基板２０１を、エッチングしてパターニングすることにより形成されている。

ミラー部４０においては、シリコン活性層２０３上に表面酸化膜２０４が形成されている。表面酸化膜２０４は、シリコン活性層２０３に対して熱酸化処理を行うことによりシリコン活性層２０３の表面に形成されたシリコン熱酸化膜（ＳｉＯ_２）である。

表面酸化膜２０４上には、層間絶縁膜２０５が形成されている。層間絶縁膜２０５は、アルミナ（Ａｌ_２Ｏ_３）等からなる。層間絶縁膜２０５上には、上述のミラー反射面１０を形成するための金属膜２０６が形成されている。金属膜２０６は、例えば銀合金からなる。層間絶縁膜２０５は、金属膜２０６との密着性が高い。金属膜２０６は、層間絶縁膜２０５上にスパッタ法等により形成されている。

ミラー反射面１０として機能する金属膜２０６上には、増反射膜２０７が形成されている。増反射膜２０７は、屈折率の異なる誘電体膜が積層された積層誘電体膜である。積層誘電体膜は可視光域中の低波長域（波長５５０ｎｍよりも低波長側の領域）の反射率を上げる増反射膜として機能する。増反射膜２０７は、例えば、アルミナ等からなる低屈折率膜上に、酸化チタン等からなる高屈折率膜が積層された積層誘電体膜である。低屈折率膜と高屈折率膜とは屈折率差が大きいことが好ましい。

基端部５０ａ上の圧電センサ１５０の形成領域においては、シリコン活性層２０３上に表面酸化膜２０４が形成されている。この表面酸化膜２０４上に下部電極１５１、圧電体１５２、上部電極１５３が順に積層されている。圧電センサ１５０は、下部電極１５１、圧電体１５２、及び上部電極１５３により構成されている。

下部電極１５１と上部電極１５３とは、例えば、白金（Ｐｔ）により形成されている。圧電体１５２は、ＰＺＴ（チタン酸ジルコン酸鉛）薄膜である。上部電極１５３上には、層間絶縁膜２０５が形成されている。層間絶縁膜２０５上には、増反射膜２０７が形成されている。

トーションバー５０は、シリコン活性層２０３の単体により形成されている。すなわち、トーションバー５０の形成領域では、シリコン活性層２０３上に形成される表面酸化膜２０４、層間絶縁膜２０５、増反射膜２０７等の膜はすべて除去されており、シリコン活性層２０３が露出している。

また、応力緩和領域２０や、基端部５０ａ上の圧電センサ１５０を設けない領域においても、表面酸化膜２０４、層間絶縁膜２０５、増反射膜２０７等が除去されており、シリコン活性層２０３が露出している。

また、トーションバー５０の形成領域では、シリコン活性層２０３の下面側に位置するＢＯＸ層２０２も除去されており、シリコン活性層２０３が露出している。なお、シリコン活性層２０３の下面において、支持基板２０１を除去した領域については、ＢＯＸ層２０２はすべて除去されている。

図５は、図３中のＢ－Ｂ線に沿った断面の構造を示す断面図である。図５に示すように、トーションバー５０の形成領域においては、シリコン活性層２０３の側面からも酸化膜が除去されており、シリコン活性層２０３が露出している。

図６は、シリコン活性層２０３の露出部を説明する図である。図６において、ミラー反射面１０以外の部分については、トーションバー５０及び応力緩和領域２０の表面（上面、下面、側面）、スリット３０内の側面のいずれの面からも酸化膜が除去されており、シリコン活性層２０３が露出している。

次に、ＳＯＩ基板２００に対する加工フローについて、図７～図１０を参照しながら説明する。図７は、ＳＯＩ基板２００に対する加工フローを説明するフローチャートである。図８～図１０は、加工時におけるＳＯＩ基板２００の断面図である。

本実施形態の光走査装置の製造時には、図８（Ａ）に示すように、ＳＯＩ基板２００上に、各種の製膜やパターニング等が行われ、ミラー部４０や圧電センサ１５０等の素子が形成される。これらの素子の形成に伴って、ＳＯＩ基板２００上のトーションバー５０の形成領域には、表面酸化膜２０４、層間絶縁膜２０５、増反射膜２０７等が形成される。

次に、図８（Ｂ）に示すように、シリコン活性層２０３の上面側に、ミラー部４０や圧電センサ１５０等の素子部を覆うようにレジスト膜３００を形成する（図７のステップＳ１０）。そして、ＳＯＩ基板２００の上面側に対してウェットエッチングを施すことにより、図９（Ａ）に示すように、レジスト膜３００及び支持基板２０１から露呈したシリコン活性層２０３の表面上の酸化膜が除去される（ステップＳ１１）。ここで、ウェットエッチングのエッチャントとしては、フッ酸（ＨＦ）又はフッ化アンモニウム（ＢＨＦ）が用いられる。この工程で除去される酸化膜には、表面酸化膜２０４、層間絶縁膜２０５、増反射膜２０７が含まれる。

次に、ミラー部４０、トーションバー５０、連結部６０、及び水平駆動梁７０等を薄膜化して弾性を与えるために、支持基板２０１の表面にレジストパターン（図示せず）を形成し、このレジストパターンに基づいてドライエッチングを施すことにより支持基板２０１がパターニングされる（ステップＳ１２）。この支持基板２０１のパターニングにより、上記各部が薄膜化されるとともに、図９（Ｂ）に示すように、リブ１１等が形成される。

このパターニングの後、アッシングが行われる（ステップＳ１３）。このアッシングにより、ドライエッチングにより硬化したレジストパターンの表層部分が除去される。

次に、ＳＯＩ基板２００の下面側に対してウェットエッチングを施すことにより、図１０に示すように、支持基板２０１のパターニングにより露出したＢＯＸ層２０２が除去される（ステップＳ１４）。なお、ステップＳ１４におけるウェットエッチングで使用するエッチャントは、ステップＳ１１と同様である。

この後、純水置換が行われ（ステップＳ１５）、ウェット処理によりレジスト剥離が行われる（ステップＳ１６）。このレジスト剥離により、ＳＯＩ基板２００の上面側に形成したレジスト膜３００と、下面側に形成したレジストパターン（図示せず）とが除去される。そして、純水を、純水より表面張力の小さいＩＰＡ（イソプロピルアルコール）に置換するＩＰＡ置換が行われる（ステップＳ１７）。

次に、上記の支持基板２０１及び酸化膜のエッチングの後、シリコン活性層２０３の側面に生成されるフロロカーボンの除去が行われる（ステップＳ１８）。このフロロカーボンは、シリコン活性層２０３に対してクラック等の脆性破壊を発生させる原因となるため、除去することが好ましい。フロロカーボンの除去は、例えば、ハイドロフルオロエーテル（ＨＦＥ）をエッチャントとしたウェットエッチングにより行われる。ＨＦＥは、メチルノナフルオロブチルエーテルとメチルノナフルオロイソブチルエーテルとを混合した混合液である。

この後、ベーパー乾燥が行われて（ステップＳ１９）、加工が終了する。

以上の加工フローでは、ステップＳ１１及びステップＳ１４において、シリコン活性層２０３の表面から酸化膜を除去するために、ドライエッチングではなくウェットエッチングが用いられているが、これは、ドライエッチングを用いると、シリコン活性層２０３にエッチングダメージが生じるためである。

また、ステップＳ１８においてもフロロカーボンの除去にウェットエッチングが用いられているが、これも、ドライエッチングを用いた場合には、シリコン活性層２０３にエッチングダメージが生じるためである。

以上のように、本実施形態の光走査装置では、トーションバー５０を形成するシリコン活性層２０３は、表面から酸化膜が除去されて表面が露出した状態とされている。

仮に、シリコン活性層２０３の表面に酸化膜（表面酸化膜２０４、層間絶縁膜２０５、増反射膜２０７、ＢＯＸ層２０２）が形成されていると、これらの酸化膜がシリコン活性層２０３よりも脆弱であることから、ミラー部４０の揺動時に発生する応力によって破損しやすい。酸化膜が破損すると、この破損が起点となってトーションバー５０に疲労破壊が発生するおそれがあるが、本実施形態では、シリコン活性層２０３の表面から酸化膜を除去しているため、破壊耐性が向上する。この結果、光走査装置の寿命が向上する。

また、本実施形態では、エッチング後にシリコン活性層２０３の側面に生じるフロロカーボンの除去も行っていることから、さらに破壊耐性が向上し、光走査装置の寿命が向上する。

なお、シリコン活性層２０３の表面から酸化膜やフロロカーボンを除去した後においても、シリコン活性層２０３の表面には、自然酸化によって数オングストローム程度の膜厚を有する自然酸化膜が形成され得る。このようにシリコン活性層２０３の表面に自然酸化膜が形成された状態についても、酸化膜が除去されてシリコン活性層２０３の表面が露出した状態に含まれる。

上記実施形態は、例えば、アイウェアやプロジェクタ等の二次元走査型の光走査装置に適用することができる。

また、上記実施形態は、光走査装置として、二次元走査型の光走査装置を例に挙げて説明しているが、二次元走査型に限られず、１方向にミラーを揺動させる一次元走査型の光走査装置であってもよい。

以上、本発明の好ましい実施形態について詳説したが、本発明は、上述した実施形態に制限されることはなく、本発明の範囲を逸脱することなく、上述した実施形態に種々の変形及び置換を加えることができる。

１０ミラー反射面、１１リブ、２０応力緩和領域、３０スリット、４０ミラー部、５０トーションバー、５０ａ基端部、７１，９１駆動源、８０可動枠、１０１リブ、１１０垂直駆動部、１２０フレーム、１５０圧電センサ、２００ＳＯＩ基板、２０１支持基板、２０２ＢＯＸ層、２０３シリコン活性層、２０４表面酸化膜、２０５層間絶縁膜、２０６金属膜、２０７増反射膜

Claims

シリコン活性層と、
前記シリコン活性層の第１領域を含むと共に、ミラー反射面を有するミラー部と、
前記ミラー部を両側から支持して揺動させ、前記第１領域に隣り合い、露出表面を含む前記シリコン活性層の第２領域により形成されるトーションバーと、
を有し、
前記ミラー反射面は、前記シリコン活性層における前記第１領域上の酸化膜を介して形成された金属膜からなる
光走査装置。
前記トーションバーを形成する前記シリコン活性層の前記第２領域は、上面、下面、及び側面が露出した状態である請求項１に記載の光走査装置。
前記ミラー反射面上には、増反射膜が形成されている請求項１又は２に記載の光走査装置。
前記ミラー反射面が形成された前記シリコン活性層の前記第１領域の下面側には、リブが形成されている請求項３に記載の光走査装置。
前記リブは、前記シリコン活性層の前記第１領域の下面側にＢＯＸ層を介して配置された支持基板をパターニングすることにより形成されたものである請求項４に記載の光走査装置。