JPWO2007034777A1 - アクチュエータ - Google Patents

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Abstract

本発明のアクチュエータ１は、第１可動部５と、第１可動部５を支持する第２可動部６と、第２可動部６を支持する固定部１３とを備える。第２可動部６は、第１可動部５に第１電圧を供給するための第１導電部６ａと、第２電圧が供給される第２導電部６ｂと、第１導電部６ａと第２導電部６ｂとを電気的に絶縁した状態で相互に固定する裏打ち部１５とを備える。裏打ち部１５は、アクチュエータ１のミラー部３４が設けられた面とは反対側の面から第１導電部６ａと第２導電部６ｂとを固定している。

Description

本発明は、アクチュエータに関し、特に２軸回動型の共振ミラー素子に関する。本発明のマイクロマシニング技術を応用した共振ミラー素子は、例えば、レーザプリンタ等に用いられる光走査装置、バーコードリーダー等の読み取り装置、レーザプロジェクタなどに用いられる。
マイクロマシニング技術で形成される振動ミラー素子では、例えば、ミラー部が同一直線上に設けられた２本のヒンジで支持されている。ミラー部に対向する位置には電極が設けられている。ミラー部と電極との間に発生する静電引力により、２本のヒンジをねじり回転軸としてミラー部は往復振動する。
このような振動ミラー素子は、モーターでポリゴンミラーを回転させるミラー素子と比較して構造が簡単で、半導体プロセスでの一括形成が可能なため、小型化が容易で製造コストも低い。また、振動ミラー素子は単一の反射面を有するため、複数面を有するポリゴンミラーのような精度のばらつきがない。また、振動ミラー素子の動作は往復振動であるため、高速化にも対応できる。
特許文献１には１軸回動型のミラー素子が、非特許文献１には２軸回動型のミラー素子がそれぞれ開示されている。
１軸回動型のミラー素子の可動部は、ヒンジで支持されたミラー部である。ミラー部と固定部とは分離溝で分離されており、ミラー部に駆動電圧を与えることで発生する静電引力で、ミラー部を駆動している。
２軸回動型のミラー素子では、中間フレームがヒンジを介してミラー部を支持し、固定部がさらなるヒンジを介して中間フレームを支持しており、ミラー部と中間フレーム部とが可動部を構成している。
図１０を参照して、２軸回動型のミラー素子を説明する。図１０は、２軸回動型の共振ミラー素子５１を示す斜視図である。
共振ミラー素子５１は、ミラー面を有する第１可動部５５と、第１可動部５５を支持する第２可動部５６と、第２可動部５６を支持する固定部６３とを備える。
共振ミラー素子５１は、Ｘヒンジ５７およびＹヒンジ５８をさらに備える。第２可動部５６は、Ｙヒンジ５８を介して第１可動部５５を連結支持している。第１可動部５５は、図１０中のＹ方向に延びるＹヒンジ５８を通る軸を回動軸として、第２可動部５６に対しＹヒンジ５８周りに回動可能である。固定部６３は、Ｘヒンジ５７を介して第２可動部５６を連結支持している。第２可動部５６は、図１０中のＸ方向に延びるＸヒンジ５７を通る軸を回動軸として、固定部６３に対しＸヒンジ５７周りに回動可能である。
第１可動部５５は、第２可動部５６に対して第１可動部５５を相対的に変位させる駆動力を発生するＸ櫛型電極５９ａをその外周部に備えている。第２可動部５６は、固定部６３に対して第２可動部５６を相対的に変位させる駆動力を発生するＹ櫛型電極６１ａをその外周部に備えている。
また、第２可動部５６の内周部には、Ｘ櫛型電極５９ａとギャップを隔てて噛み合うように対向したＸ櫛型電極５９ｂが形成されている。固定部６３の内周部には、Ｙ櫛型電極６１ａとギャップを隔てて噛み合うように対向したＹ櫛型電極６１ｂが形成されている。
上述したように、第１可動部５５は第２可動部５６に対しＹヒンジ５８周りに回動可能に支持され、第２可動部５６は固定部６３に対しＸヒンジ５７周りに回動可能に支持されることにより、２軸回動型の共振ミラー素子５１が実現されている。
第２可動部５６は、第１可動部５５に電圧を供給するための第１導電部５６ａと、別の電圧が供給される第２導電部５６ｂとを備える。第１導電部５６ａと第２導電部５６ｂとの間に形成された分離溝６４によって、第１導電部５６ａと第２導電部５６ｂとは分割され、互いに電気的に絶縁されている。これにより、第１可動部５５および第２可動部５６のそれぞれに独立に駆動電圧を印加することができる。
図１１は、共振ミラー素子５１の断面を示す図である。この断面図は、図１０のＤ−Ｄ断面に対応している。図１１を参照して、分離溝６４に絶縁層を堆積させた後にポリシリコンを埋め込んで、第１導電部５６ａと第２導電部５６ｂとを接合することで、第１導電部５６ａと第２導電部５６ｂとが分断されないようにしている。これにより、第１導電部５６ａおよび第２導電部５６ｂは、第２可動部５６として一体となって変位する。
図１２は、共振ミラー素子５１の電気的分離状態を示す平面図である。Ｘパッド７０に印加した電圧Ｖｘは第１可動部５５の電圧となり、グランドパッド７２をグランドレベル（ＧＮＤ）とすると、第１可動部５５と第２可動部５６との間にＶｘの電位差が生じる。
また、Ｙパッド７１に印加した電圧Ｖｙは固定部６３の電圧となり、固定部６３と第２可動部５６との間にＶｙの電位差が生じる。
ＶｘとＶｙを適切に制御すると、第１可動部５５および第２可動部５６はそれぞれの共振周波数で共振動作する。これにより、２軸回動型の共振ミラー素子５１では、第１可動部５５のＸ軸周りの回動とＹ軸周りの回動とを独立に駆動制御することができる。
特開２００４−２３９９８７号公報 "ＡＮ ＥＬＥＣＴＲＯＳＴＡＴＩＣＡＬＬＹ ＥＸＣＩＴＥＤ ２Ｄ−ＭＩＣＲＯ−ＳＣＡＮＮＩＮＧ−ＭＩＲＲＯＲ ＷＩＴＨ ＡＮ ＩＮ−ＰＬＡＮＥ ＣＯＮＦＩＧＵＲＡＴＩＯＮ ＯＦ ＴＨＥ ＤＲＩＶＩＮＧ ＥＬＥＣＴＲＯＤＥＳ"（ＭＥＭＳ２０００．Ｐｒｏｃｅｅｄｉｎｇｓ Ｐｉｓｃａｔａｗａｙ，ＮＪ：ＩＥＥＥ，２０００）
しかしながら、上記のミラー素子では、次のような問題があった。
１軸回動型のミラー素子では、２軸の回動ができず、動作が１軸の回動に限られている。
図１０〜図１２に示す２軸回動型のミラー素子５１では、分離溝６４を埋め込む工程に時間がかかりコストアップ要因となる。
また、分離溝６４が深いほど確実に埋め込むのが難しく、埋め込みが不完全だと、振動によって埋め込み部分が損傷を受け、第１導電部５６ａと第２導電部５６ｂとが外れてしまうおそれがあった。
さらに、分離溝６４中の絶縁層の堆積が不十分だと、第１導電部５６ａと第２導電部５６ｂとの間の電気的絶縁が不完全となるおそれもあった。
本発明は、上記課題に鑑みてなされたものであり、その目的は、簡素な製造プロセスで容易に形成でき、且つ信頼性の高い２軸回動型の共振ミラー素子を提供することにある。
本発明のアクチュエータは、第１可動部と、前記第１可動部を支持する第２可動部と、前記第２可動部を支持する固定部とを備え、前記第２可動部は、前記第１可動部に第１電圧を供給するための第１導電部と、第２電圧が供給される第２導電部と、前記第１導電部と前記第２導電部とを電気的に絶縁した状態で相互に固定する裏打ち部とを備えることを特徴とする。
ある実施形態によれば、前記第１可動部は、光を反射するミラー部を備え、前記裏打ち部は、前記アクチュエータの前記ミラー部が設けられた面とは反対側の面から前記第１導電部と前記第２導電部とを固定している。
ある実施形態によれば、前記第２可動部の前記第１導電部と前記第２導電部との間に形成された溝によって、前記第１導電部と前記第２導電部とは電気的に絶縁されている。
ある実施形態によれば、前記第２可動部の前記溝に対して点対称な位置にダミー溝が形成されている。
ある実施形態によれば、前記第１および第２可動部は、絶縁層を介して第１および第２シリコン層を接合したＳＯＩウエハの前記第１のシリコン層をエッチングして形成されており、前記裏打ち部は、前記第２シリコン層をエッチングして形成されている。
ある実施形態によれば、前記第１可動部は、前記第２可動部に対して前記第１可動部を相対的に変位させる駆動力を発生する第１および第２櫛型電極を備え、前記第１櫛型電極は、前記第１可動部の回動軸と垂直な方向へ延びており、前記第２櫛型電極は、前記第１可動部の回動軸と平行な方向へ延びており、前記第２可動部は、前記固定部に対して前記第２可動部を相対的に変位させる駆動力を発生する第３および第４櫛型電極を備え、前記第３櫛型電極は、前記第２可動部の回動軸と垂直な方向へ延びており、前記第４櫛型電極は、前記第２可動部の回動軸と平行な方向へ延びている。
本発明の前記アクチュエータの製造方法は、絶縁層を介して第１および第２シリコン層を接合したＳＯＩウエハの前記第１のシリコン層をエッチングして前記第１および第２可動部を形成するステップと、前記第２シリコン層をエッチングして前記裏打ち部を形成するステップとを包含することを特徴とする。
ある実施形態によれば、前記裏打ち部を形成するステップは、前記第２シリコン層の前記裏打ち部を形成する位置をマスクするレジストパターンを形成するステップと、前記裏打ち部として残す前記第２シリコン層の厚さの分の深さまで前記第２シリコン層をエッチングするステップと、前記レジストパターンを剥離し、前記裏打ち部を形成する位置以外の位置で前記絶縁層が露出するまで前記第２シリコン層をエッチングするステップと、前記絶縁層の露出した部分を除去するステップとを含む。
本発明によれば、裏打ち部が、第２可動部の第１導電部と第２導電部とを電気的に絶縁した状態で固定する。これにより、第１導電部と第２導電部とを確実に固定することができる。また、第１導電部と第２導電部との間の溝を埋め込む必要が無いので、アクチュエータの製造工程を簡略化でき、安価なアクチュエータを提供することができる。
また、ある実施形態によれば、アクチュエータがミラー部を備えることにより、２軸回動型の共振ミラー素子が得られる。
また、ある実施形態によれば、第２可動部の第１導電部と第２導電部との間の溝に対して点対称な位置にダミー溝が形成されていることにより、第２可動部の重量バランスの偏りを抑えることができる。
また、ある実施形態によれば、第１可動部は、第１可動部の回動軸と平行な方向へ延びる櫛型電極を備え、第２可動部は、第２可動部の回動軸と平行な方向へ延びる櫛型電極を備えている。これにより、第１および第２可動部をより大きな回動角度で駆動させることができる。
本発明の実施形態による共振ミラー素子を示す斜視図である。 本発明の実施形態による共振ミラー素子を示す下部斜視図である。 本発明の実施形態による共振ミラー素子を示す平面図である。 本発明の実施形態による共振ミラー素子の電気的分離状態を示す平面図である。 本発明の実施形態による共振ミラー素子の動作を示す斜視図である。 本発明の実施形態による共振ミラー素子の製造工程を示す断面図である。 本発明の実施形態による共振ミラー素子の製造工程を示す断面図である。 本発明の実施形態による共振ミラー素子の製造工程を示す断面図である。 本発明の実施形態による共振ミラー素子の製造工程を示す断面図である。 本発明の実施形態による共振ミラー素子の製造工程を示す断面図である。 本発明の実施形態による共振ミラー素子の製造工程を示す断面図である。 本発明の実施形態による共振ミラー素子の櫛型電極の対向面積を示す断面図である。 本発明の実施形態による共振ミラー素子の補助櫛型電極の対向面積を示す断面図である。 本発明の実施形態による共振ミラー素子の電極間の対向面積および静電容量の変化を示すグラフである。 ２軸回動型の共振ミラー素子を示す斜視図である。 ２軸回動型の共振ミラー素子を示す断面図である。 ２軸回動型の共振ミラー素子の電気的分離状態を示す平面図である。
符号の説明
１ 共振ミラー素子
２ 絶縁層
３ デバイス層
４ ハンドル層
５ 第１可動部
６ 第２可動部
７ Ｘヒンジ
８ Ｙヒンジ
９ Ｘ櫛型電極
１０ Ｘ補助櫛型電極
１１ Ｙ櫛型電極
１２ Ｙ補助櫛型電極
１３ 固定部
１４ 分離溝
１５ 裏打ち部
２０ Ｘパッド
２１ Ｙパッド
２２ グランドパッド
２３ ダミー溝
３０ ＳＯＩウエハ
３１ レジストパターン
３２ 酸化膜パターン
３３ レジストパターン
３４ 反射膜
以下、図面を参照しながら、本発明の実施形態を説明する。
まず、図１を参照して、本実施形態のアクチュエータを説明する。図１は、本実施形態のアクチュエータである共振ミラー素子１を示す斜視図である。
共振ミラー素子１は、例えば、酸化シリコン（ＳｉＯ２）から成る絶縁層２を介して２つのシリコン層を接合したウエハ、いわゆるＳＯＩ（Ｓｉｌｉｃｏｎ Ｏｎ Ｉｎｓｕｌａｔｏｒ）ウエハを加工して製造される。
２つのシリコン層のうち、第１のシリコン層にはリン（Ｐ）やヒ素（Ａｓ）などのｎ型不純物やボロン（Ｂ）などのｐ型不純物をドープして導電性を持たせ、デバイス層３と称する。第２のシリコン層はウエハ本体を成す厚い部分で、ハンドル層４と称する。
デバイス層３に対して、後述するエッチングによるパターニングを行うことによって第１可動部５と第２可動部６が形成される。
共振ミラー素子１は、ミラー面３４を有する第１可動部５と、第１可動部５を支持する第２可動部６と、第２可動部６を支持する固定部１３とを備える。
共振ミラー素子１は、Ｘヒンジ７およびＹヒンジ８をさらに備える。第２可動部６は、Ｙヒンジ８を介して第１可動部５を連結支持している。第１可動部５は、図１中のＹ方向に延びるＹヒンジ８を通る軸を回動軸として、第２可動部６に対しＹヒンジ８周りに回動可能である。固定部１３は、Ｘヒンジ７を介して第２可動部６を連結支持している。第２可動部６は、図１中のＸ方向に延びるＸヒンジ７を通る軸を回動軸として、固定部１３に対しＸヒンジ７周りに回動可能である。共振ミラー素子１は、このようなジンバル構造を有している。第２可動部６は、外枠部である固定部１３と、中心部の第１可動部５との間に位置する中間フレームである。
第１可動部５は、第２可動部６に対して第１可動部５を相対的に変位させる駆動力を発生するＸ櫛型電極９ａおよびＸ補助櫛型電極１０ａをその外周部に備えている。Ｘ櫛型電極９ａは、第１可動部５の回動軸と垂直な方向へ延びている。Ｘ補助櫛型電極１０ａは、第１可動部５の回動軸と平行な方向へ延びている。Ｘ補助櫛型電極１０ａは、第１可動部５のＹヒンジ８が接続されたエッジに形成されており、Ｘ櫛型電極９ａは、第１可動部５のＹヒンジ８が接続されていないエッジに形成されている。Ｘ補助櫛型電極１０ａは、Ｙヒンジ８と平行に且つ同等の長さで形成されているので、Ｘ補助櫛型電極１０ａによりチップサイズが大きくなることはない。
第２可動部６は、固定部１３に対して第２可動部６を相対的に変位させる駆動力を発生するＹ櫛型電極１１ａおよびＹ補助櫛型電極１２ａをその外周部に備えている。Ｙ櫛型電極１１ａは、第２可動部６の回動軸と垂直な方向へ延びている。Ｙ補助櫛型電極１２ａは、第２可動部６の回動軸と平行な方向へ延びている。Ｙ補助櫛型電極１２ａは、第２可動部６のＸヒンジ７が接続されたエッジに形成されており、Ｙ櫛型電極１１ａは、第２可動部６のＸヒンジ７が接続されていないエッジに形成されている。Ｙ補助櫛型電極１２ａは、Ｘヒンジ７と平行に且つ同等の長さで形成されているので、Ｙ補助櫛型電極１２ａによりチップサイズが大きくなることはない。
また、第２可動部６の内周部には、Ｘ櫛型電極９ａとギャップを隔てて噛み合うように対向したＸ櫛型電極９ｂと、Ｘ補助櫛型電極１０ａとギャップを隔てて噛み合うように対向したＸ補助櫛型電極１０ｂとが形成されている。固定部１３の内周部には、Ｙ櫛型電極１１ａとギャップを隔てて噛み合うように対向したＹ櫛型電極１１ｂと、Ｙ補助櫛型電極１２ａとギャップを隔てて噛み合うように対向したＹ補助櫛型電極１２ｂとが形成されている。補助櫛型電極の効果については後述する。
上述したように、第１可動部５は第２可動部６に対しＹヒンジ８周りに回動可能に支持され、第２可動部６は固定部１３に対しＸヒンジ７周りに回動可能に支持されることにより、２軸回動型の共振ミラー素子１が実現されている。
第１可動部５と第２可動部６との間に電位差が生じると、第１可動部５は第２可動部６に対して相対的に変位する。図６Ｆは、図１に示す共振ミラー素子１のＡ−Ａ断面に対応した図である。図１および図６Ｆを参照して、第２可動部６は、第１可動部５に第１電圧を供給するための第１導電部６ａと、第２電圧が供給される第２導電部６ｂとを備える。第１導電部６ａと第２導電部６ｂとの間に形成された分離溝１４によって、第１導電部６ａと第２導電部６ｂとは分割され、互いに電気的に絶縁されている。これにより、第１可動部５および第２可動部６のそれぞれに独立に駆動電圧を印加することができる。
図２は、本発明の共振ミラー素子１を示す下部斜視図である。図２の上側が斜視図で示す共振ミラー素子１の手前側であり、図２の下側が斜視図で示す共振ミラー素子１の奥側であり、固定部１３のハンドル層４の一部をカットして図示している。共振ミラー素子１は、第１導電部６ａと第２導電部６ｂ（図１）とを電気的に絶縁した状態で相互に固定する裏打ち部１５をさらに備える。裏打ち部１５は、共振ミラー素子１のミラー面３４が設けられた面（上面）とは反対側の面（下面）から第１導電部６ａと第２導電部６ｂとを固定している。
図２を参照して、第１および第２可動部５および６の下部はハンドル層４が除去されており、これにより、第１および第２可動部５および６が回動可能になっている。第２可動部６の下部では、裏打ち部１５としてハンドル層４が部分的に残されている。この残されたハンドル層４とその同じ位置の絶縁層２とによって、裏打ち部１５が形成されている。裏打ち部１５の厚さは固定部１３の厚さよりも薄く形成されており、これにより第２可動部６の軽量化が実現されている。
図３は、共振ミラー素子１での裏打ち部１５の位置を示す平面図である。
図３に示す網掛け部分が裏打ち部１５であり、分離溝１４はこの裏打ち部１５の存在する領域内に形成されている。このため、第１導電部６ａと第２導電部６ｂとを分離溝１４によって分離しても、第１導電部６ａと第２導電部６ｂとは一体となって変位する。従来例のように、分離溝１４に別材料を埋め込んで結合する工程は不要である。
また、絶縁層２、デバイス層３およびハンドル層４は予め強固に接合されたウエハ構造なので、デバイス層３から形成された第２可動部６と、絶縁層２およびハンドル層４から形成された裏打ち部１５との結合強度は十分信頼性の高いものである。
埋め込み工程による絶縁の必要もないため、第１導電部６ａと第２導電部６ｂとの間の電気的絶縁が不完全となるおそれもない。
また、Ｘパッド２０と第１可動部５とを接続する接続部である第１導電部６ａを形成する分離溝１４は、回動軸に対して偏った位置にあるので、それだけでは第２可動部６の重量バランスが偏ることになり、共振駆動したときに第２可動部６の上下動など不要な共振を誘発する場合がある。そのため、第２可動部６の中心を基準として、第２可動部６上の分離溝１４に対して点対称な位置にダミー溝２３が形成されている。また、第２可動部６上の分離溝１４に対して、Ｘ回動軸を基準とした軸対称な位置、およびＹ回動軸を基準とした軸対称な位置のそれぞれにダミー溝２３が形成されている。分離溝１４と対称な位置にダミー溝２３を形成することで、重量バランスのずれを抑えることができる。
図４は、共振ミラー素子１の電気的分離状態を示す平面図である。
図４において、前述のように、第２可動部６には分離溝１４が形成され、電気的に２つの領域に分割されている。
１つの領域は、Ｘパッド２０からＸヒンジ７、第１導電部６ａ、Ｙヒンジ８を経て第１可動部５に至る領域であり、もう１つの領域は、グランドパッド２２からＸヒンジ７を経て第２可動部６に至る領域である。
このような構成により、Ｘパッド２０に印加した電圧Ｖｘは第１可動部５の電圧となり、グランドパッド２２をグランドレベル（ＧＮＤ）とすると、第１可動部５と第２可動部６との間にＶｘの電位差が生じる。
また、Ｙパッド２１に印加した電圧Ｖｙは固定部１３の電圧となり、固定部１３と第２可動部６との間にＶｙの電位差が生じる。
ＶｘとＶｙを適切に制御すると、第１可動部５および第２可動部６はそれぞれの共振周波数で共振動作する。これにより、２軸回動型の共振ミラー素子１では、第１可動部５のＸ軸周りの回動とＹ軸周りの回動とを独立に駆動制御することができる。
図５は、共振ミラー素子１の動作状態を示す斜視図である。
第１可動部５は、第２可動部６に対してＹヒンジ８周りに回動し、第２可動部６は、第１可動部５とともに固定部１３に対してＸヒンジ７周りに回動する。これにより、第１可動部５で反射したレーザビームはＸ−Ｙ方向に２次元走査される。
次に、共振ミラー素子１の製造方法を説明する。
図６Ａ〜図６Ｆは、共振ミラー素子１の製造工程を示す断面図である。
これらの断面図は、図１のＡ−Ａ断面に対応している。
図６Ａを参照して、ＳＯＩウエハ３０を用意する。デバイス層３の厚さは第１および２可動部５および６の厚さとなり、各可動部の共振周波数や駆動電圧に対する振動振幅、剛性等を考慮して決定する。ここでは、デバイス層５０μｍ、絶縁層２μｍ、ハンドル層５００μｍとする。
デバイス層３に、ＰやＡｓなどのｎ型不純物やＢなどのｐ型不純物をドープし導電性を持たせる。
次に図６Ｂを参照して、スピンコーティングにより液状のフォトレジストをデバイス層３表面に成膜し、露光および現像を経て、レジストパターン３１を形成する。フォトレジストとしては、例えば、ＡＺＰ４２１０やＡＺ１５００（クラリアントジャパン製）を使用することができる。以降のレジストパターンも、このようなフォトレジストの成膜およびその後の露光・現象を経て形成される。
次に図６Ｃを参照して、レジストパターン３１をマスクとしてデバイス層３のシリコンをＤｅｅｐ−ＲＩＥ（Ｄｅｅｐ Ｒｅａｃｔｉｖｅ Ｉｏｎ Ｅｔｃｈｉｎｇ）により、貫通エッチングする。
Ｄｅｅｐ−ＲＩＥでは、エッチングと側壁保護を交互に行うＢｏｓｃｈプロセスにおいて、ＳＦ６ガスによるエッチング、Ｃ４Ｆ８ガスによる側壁保護を行う。以降のシリコン層に対するＤｅｅｐ−ＲＩＥについても、この条件を採用することができる。
このエッチングにより、第１可動部５、第２可動部６、櫛型電極、ヒンジ、分離溝１４等、各構成要素の形状が形成される。第１導電部６ａと第２導電部６ｂとを電気的に分離するために、分離溝１４の領域では絶縁層２が露出するまでデバイス層３が完全に除去される。分離溝１４の幅は例えば１〜１０μｍであるが、これに限定されない。
レジストパターン３１を剥離した後、ハンドル層４下部（ウエハ背面）の固定部１３を形成する領域をマスクする酸化膜パターン３２と、固定部１３と裏打ち部１５を形成する領域をマスクするレジストパターン３３とを形成する。
次に図６Ｄを参照して、裏打ち部１５として残すハンドル層４の厚さ分の深さ程度までハンドル層４下部をシリコンエッチングする。その後、レジストパターン３３を剥離する。
次に図６Ｅを参照して、固定部１３および裏打ち部１５を形成する領域以外の領域で絶縁層２が露出するまでハンドル層４下部をシリコンエッチングし、これにより、固定部１３と裏打ち部１５が形成される。エッチングが確実に絶縁層２に達するように、若干のオーバーエッチングを行うので、図６Ｄを参照して説明したエッチング深さはオーバーエッチング分を考慮して設定する。
裏打ち部１５の厚さは、必要強度、可動部の共振周波数、駆動電圧に対する必要振幅等を考慮して設計される。裏打ち部１５の厚さは、例えば３０〜１００μｍであるが、これに限定されない。ここでは、厚さ５０μｍとした。第１導電部６ａと第２導電部６ｂとを電気的に分離するために、裏打ち部１５の第１および第２導電部６ａおよび６ｂとの接触箇所は絶縁性を有する必要がある。この例では、裏打ち部１５の絶縁層部分が第１および第２導電部６ａおよび６ｂと接触しているため、第１導電部６ａと第２導電部６ｂとは、電気的に分離された状態に保たれる。
次に図６Ｆを参照して、第１可動部５の表面に反射膜３４として厚さ５０ｎｍのアルミ、金または銀を蒸着する。反射膜３４の材料は、使用する光の波長と必要な反射率によって適切に選定する。
最後に、絶縁層２の露出した部分および酸化膜パターン３２を除去して、第１および２可動部５および６をリリースする。
このように、裏打ち部１５の形成は、可動部の背面のハンドル層４をエッチングして除去する際、裏打ち部１５の形状のレジストマスクを追加して２段エッチングをするだけで行うので、プロセスを複雑化することなく裏打ち部１５の形成が可能である。
次に、補助櫛型電極の作用効果を説明する。
一般に、静電アクチュエータの駆動力Ｆと変位ｘとの関係は、電極間の静電容量Ｃと電圧Ｖで決まる。静電容量Ｃはギャップｇで対向する電極の対向面積Ｓで決まる。誘電率をε０とすると、静電容量Ｃは、
Ｃ（ｘ）＝ε０Ｓ／ｇ
と表される。駆動力Ｆは、
Figure 2007034777
と表される。
図７は、共振ミラー素子１の櫛型電極の対向面積を示す断面図である。図７に示す断面図は、上側に示す上面図のＢ−Ｂ断面に対応している。
図７を参照して、回動中心からｒの距離に長さＬ、厚さｔの櫛型電極を設けた場合、ギャップｇを介して対向する電極面積Ｓは、回動角θに対して、櫛歯の数をＮｍａｉｎとすると、
Ｓｍａｉｎ＝２Ｎｍａｉｎ（ｔ・Ｌ−Ｌ（ｒ＋Ｒ）θ／２）
＝２Ｎｍａｉｎ・Ｌ（ｔ−（ｒ＋Ｒ）θ／２）
と表される。
図８は、共振ミラー素子１の補助櫛型電極の対向面積を示す断面図である。図８に示す断面図は、上側に示す上面図のＣ−Ｃ断面に対応している。
図８を参照して、回動中心から距離ｒ離れた電極の対向面積Ｓ’は、
Ｓ’＝Ｌ（ｔ−ｒθ）
と表される。
全ての補助櫛型電極を合計したときの、補助櫛型電極の対向面積Ｓｓｉｄｅは、
Figure 2007034777
と表される。
図９は、共振ミラー素子１の電極間の対向面積および静電容量の変化を示すグラフである。
図９を参照して、Ｓｍａｉｎは、櫛型電極同士が互いにオーバーラップする範囲で０でない値を示し、それより外側では０である。これに対して、静電容量変化Ｃ（θ）では、実際には櫛歯の対向面以外の部分（櫛歯の先端や、櫛歯のないエッジ等）でもわずかに静電容量が発生するため、Ｃ（θ）ｍａｉｎの分布は、Ｓｍａｉｎを包含する滑らかな曲線になる。
図９に示す例では、ミラー部の回動角を±１５°とした場合、ミラー部の長さｒを０．５ｍｍ、厚さを５０μｍとすると、およそ±５°がオーバーラップの範囲となる。
一方、Ｓｓｉｄｅは、櫛歯の数が少ない分、ピーク値は小さいが、回動中心から近い部分に配置するので、メインの櫛型電極より広い回動角の範囲でオーバーラップし、０でない値を持つ角度範囲が広い。従って、それらの合計Ｓｍａｉｎ＋Ｓｓｉｄｅは、回動範囲全体に渡って０でない値を持つこととなり、Ｃ（θ）ｔｏｔａｌは、回動角の大きな領域の値も、Ｃ（θ）ｍａｉｎと比較して増大している。従って、補助櫛型電極は、メインの櫛型電極のみの場合に比べ、回動角の大きな領域の静電容量を増加させる効果がある。
補助櫛歯電極によって静電容量が増加すると、その分、駆動力も増加される。
また、静電容量を検出することによってミラー部の回動角度を検出する際、メインの櫛型電極のオーバーラップがなくなるような大きな回動角に対しても、静電容量変化を確実に検出することができる。これにより、ミラー部の回動角を駆動信号にフィードバックして、より確実に共振駆動を行うことができるようになる。
本発明は、ミラー素子を用いて光の進行方向を変更する技術分野で特に有用である。例えば、レーザプリンタ等に用いられる光走査装置、バーコードリーダー等の読み取り装置、レーザプロジェクタなどに有用である。
本発明は、アクチュエータに関し、特に２軸回動型の共振ミラー素子に関する。本発明のマイクロマシニング技術を応用した共振ミラー素子は、例えば、レーザプリンタ等に用いられる光走査装置、バーコードリーダー等の読み取り装置、レーザプロジェクタなどに用いられる。
マイクロマシニング技術で形成される振動ミラー素子では、例えば、ミラー部が同一直線上に設けられた２本のヒンジで支持されている。ミラー部に対向する位置には電極が設けられている。ミラー部と電極との間に発生する静電引力により、２本のヒンジをねじり回転軸としてミラー部は往復振動する。
このような振動ミラー素子は、モーターでポリゴンミラーを回転させるミラー素子と比較して構造が簡単で、半導体プロセスでの一括形成が可能なため、小型化が容易で製造コストも低い。また、振動ミラー素子は単一の反射面を有するため、複数面を有するポリゴンミラーのような精度のばらつきがない。また、振動ミラー素子の動作は往復振動であるため、高速化にも対応できる。
特許文献１には１軸回動型のミラー素子が、非特許文献１には２軸回動型のミラー素子がそれぞれ開示されている。
１軸回動型のミラー素子の可動部は、ヒンジで支持されたミラー部である。ミラー部と固定部とは分離溝で分離されており、ミラー部に駆動電圧を与えることで発生する静電引力で、ミラー部を駆動している。
２軸回動型のミラー素子では、中間フレームがヒンジを介してミラー部を支持し、固定部がさらなるヒンジを介して中間フレームを支持しており、ミラー部と中間フレーム部とが可動部を構成している。
図１０を参照して、２軸回動型のミラー素子を説明する。図１０は、２軸回動型の共振ミラー素子５１を示す斜視図である。
共振ミラー素子５１は、ミラー面を有する第１可動部５５と、第１可動部５５を支持する第２可動部５６と、第２可動部５６を支持する固定部６３とを備える。
共振ミラー素子５１は、Ｘヒンジ５７およびＹヒンジ５８をさらに備える。第２可動部５６は、Ｙヒンジ５８を介して第１可動部５５を連結支持している。第１可動部５５は、図１０中のＹ方向に延びるＹヒンジ５８を通る軸を回動軸として、第２可動部５６に対しＹヒンジ５８周りに回動可能である。固定部６３は、Ｘヒンジ５７を介して第２可動部５６を連結支持している。第２可動部５６は、図１０中のＸ方向に延びるＸヒンジ５７を通る軸を回動軸として、固定部６３に対しＸヒンジ５７周りに回動可能である。
第１可動部５５は、第２可動部５６に対して第１可動部５５を相対的に変位させる駆動力を発生するＸ櫛型電極５９ａをその外周部に備えている。第２可動部５６は、固定部６３に対して第２可動部５６を相対的に変位させる駆動力を発生するＹ櫛型電極６１ａをその外周部に備えている。
また、第２可動部５６の内周部には、Ｘ櫛型電極５９ａとギャップを隔てて噛み合うように対向したＸ櫛型電極５９ｂが形成されている。固定部６３の内周部には、Ｙ櫛型電極６１ａとギャップを隔てて噛み合うように対向したＹ櫛型電極６１ｂが形成されている。
上述したように、第１可動部５５は第２可動部５６に対しＹヒンジ５８周りに回動可能に支持され、第２可動部５６は固定部６３に対しＸヒンジ５７周りに回動可能に支持されることにより、２軸回動型の共振ミラー素子５１が実現されている。
第２可動部５６は、第１可動部５５に電圧を供給するための第１導電部５６ａと、別の電圧が供給される第２導電部５６ｂとを備える。第１導電部５６ａと第２導電部５６ｂとの間に形成された分離溝６４によって、第１導電部５６ａと第２導電部５６ｂとは分割され、互いに電気的に絶縁されている。これにより、第１可動部５５および第２可動部５６のそれぞれに独立に駆動電圧を印加することができる。
図１１は、共振ミラー素子５１の断面を示す図である。この断面図は、図１０のＤ−Ｄ断面に対応している。図１１を参照して、分離溝６４に絶縁層を堆積させた後にポリシリコンを埋め込んで、第１導電部５６ａと第２導電部５６ｂとを接合することで、第１導電部５６ａと第２導電部５６ｂとが分断されないようにしている。これにより、第１導電部５６ａおよび第２導電部５６ｂは、第２可動部５６として一体となって変位する。
図１２は、共振ミラー素子５１の電気的分離状態を示す平面図である。Ｘパッド７０に印加した電圧Ｖｘは第１可動部５５の電圧となり、グランドパッド７２をグランドレベル（ＧＮＤ）とすると、第１可動部５５と第２可動部５６との間にＶｘの電位差が生じる。
また、Ｙパッド７１に印加した電圧Ｖｙは固定部６３の電圧となり、固定部６３と第２可動部５６との間にＶｙの電位差が生じる。
ＶｘとＶｙを適切に制御すると、第１可動部５５および第２可動部５６はそれぞれの共振周波数で共振動作する。これにより、２軸回動型の共振ミラー素子５１では、第１可動部５５のＸ軸周りの回動とＹ軸周りの回動とを独立に駆動制御することができる。
特開２００４−２３９９８７号公報 "ＡＮ ＥＬＥＣＴＲＯＳＴＡＴＩＣＡＬＬＹ ＥＸＣＩＴＥＤ ２Ｄ−ＭＩＣＲＯ−ＳＣＡＮＮＩＮＧ−ＭＩＲＲＯＲ ＷＩＴＨ ＡＮ ＩＮ−ＰＬＡＮＥ ＣＯＮＦＩＧＵＲＡＴＩＯＮ ＯＦ ＴＨＥ ＤＲＩＶＩＮＧ ＥＬＥＣＴＲＯＤＥＳ"（ＭＥＭＳ２０００．Ｐｒｏｃｅｅｄｉｎｇｓ Ｐｉｓｃａｔａｗａｙ，ＮＪ：ＩＥＥＥ，２０００）
しかしながら、上記のミラー素子では、次のような問題があった。
１軸回動型のミラー素子では、２軸の回動ができず、動作が１軸の回動に限られている。
図１０〜図１２に示す２軸回動型のミラー素子５１では、分離溝６４を埋め込む工程に時間がかかりコストアップ要因となる。
また、分離溝６４が深いほど確実に埋め込むのが難しく、埋め込みが不完全だと、振動によって埋め込み部分が損傷を受け、第１導電部５６ａと第２導電部５６ｂとが外れてしまうおそれがあった。
さらに、分離溝６４中の絶縁層の堆積が不十分だと、第１導電部５６ａと第２導電部５６ｂとの間の電気的絶縁が不完全となるおそれもあった。
本発明は、上記課題に鑑みてなされたものであり、その目的は、簡素な製造プロセスで容易に形成でき、且つ信頼性の高い２軸回動型の共振ミラー素子を提供することにある。
本発明のアクチュエータは、第１可動部と、前記第１可動部を支持する第２可動部と、前記第２可動部を支持する固定部とを備え、前記第２可動部は、前記第１可動部に第１電圧を供給するための第１導電部と、第２電圧が供給される第２導電部と、前記第１導電部と前記第２導電部とを電気的に絶縁した状態で相互に固定する裏打ち部とを備えることを特徴とする。
ある実施形態によれば、前記第１可動部は、光を反射するミラー部を備え、前記裏打ち部は、前記アクチュエータの前記ミラー部が設けられた面とは反対側の面から前記第１導電部と前記第２導電部とを固定している。
ある実施形態によれば、前記第２可動部の前記第１導電部と前記第２導電部との間に形成された溝によって、前記第１導電部と前記第２導電部とは電気的に絶縁されている。
ある実施形態によれば、前記第２可動部の前記溝に対して点対称な位置にダミー溝が形成されている。
ある実施形態によれば、前記第１および第２可動部は、絶縁層を介して第１および第２シリコン層を接合したＳＯＩウエハの前記第１のシリコン層をエッチングして形成されており、前記裏打ち部は、前記第２シリコン層をエッチングして形成されている。
ある実施形態によれば、前記第１可動部は、前記第２可動部に対して前記第１可動部を相対的に変位させる駆動力を発生する第１および第２櫛型電極を備え、前記第１櫛型電極は、前記第１可動部の回動軸と垂直な方向へ延びており、前記第２櫛型電極は、前記第１可動部の回動軸と平行な方向へ延びており、前記第２可動部は、前記固定部に対して前記第２可動部を相対的に変位させる駆動力を発生する第３および第４櫛型電極を備え、前記第３櫛型電極は、前記第２可動部の回動軸と垂直な方向へ延びており、前記第４櫛型電極は、前記第２可動部の回動軸と平行な方向へ延びている。
本発明の前記アクチュエータの製造方法は、絶縁層を介して第１および第２シリコン層を接合したＳＯＩウエハの前記第１のシリコン層をエッチングして前記第１および第２可動部を形成するステップと、前記第２シリコン層をエッチングして前記裏打ち部を形成するステップとを包含することを特徴とする。
ある実施形態によれば、前記裏打ち部を形成するステップは、前記第２シリコン層の前記裏打ち部を形成する位置をマスクするレジストパターンを形成するステップと、前記裏打ち部として残す前記第２シリコン層の厚さの分の深さまで前記第２シリコン層をエッチングするステップと、前記レジストパターンを剥離し、前記裏打ち部を形成する位置以外の位置で前記絶縁層が露出するまで前記第２シリコン層をエッチングするステップと、前記絶縁層の露出した部分を除去するステップとを含む。
本発明によれば、裏打ち部が、第２可動部の第１導電部と第２導電部とを電気的に絶縁した状態で固定する。これにより、第１導電部と第２導電部とを確実に固定することができる。また、第１導電部と第２導電部との間の溝を埋め込む必要が無いので、アクチュエータの製造工程を簡略化でき、安価なアクチュエータを提供することができる。
また、ある実施形態によれば、アクチュエータがミラー部を備えることにより、２軸回動型の共振ミラー素子が得られる。
また、ある実施形態によれば、第２可動部の第１導電部と第２導電部との間の溝に対して点対称な位置にダミー溝が形成されていることにより、第２可動部の重量バランスの偏りを抑えることができる。
また、ある実施形態によれば、第１可動部は、第１可動部の回動軸と平行な方向へ延びる櫛型電極を備え、第２可動部は、第２可動部の回動軸と平行な方向へ延びる櫛型電極を備えている。これにより、第１および第２可動部をより大きな回動角度で駆動させることができる。
以下、図面を参照しながら、本発明の実施形態を説明する。
まず、図１を参照して、本実施形態のアクチュエータを説明する。図１は、本実施形態のアクチュエータである共振ミラー素子１を示す斜視図である。
共振ミラー素子１は、例えば、酸化シリコン（ＳｉＯ2）から成る絶縁層２を介して２つのシリコン層を接合したウエハ、いわゆるＳＯＩ（Ｓｉｌｉｃｏｎ Ｏｎ Ｉｎｓｕｌａｔｏｒ）ウエハを加工して製造される。
２つのシリコン層のうち、第１のシリコン層にはリン（Ｐ）やヒ素（Ａｓ）などのｎ型不純物やボロン（Ｂ）などのｐ型不純物をドープして導電性を持たせ、デバイス層３と称する。第２のシリコン層はウエハ本体を成す厚い部分で、ハンドル層４と称する。
デバイス層３に対して、後述するエッチングによるパターニングを行うことによって第１可動部５と第２可動部６が形成される。
共振ミラー素子１は、ミラー面３４を有する第１可動部５と、第１可動部５を支持する第２可動部６と、第２可動部６を支持する固定部１３とを備える。
共振ミラー素子１は、Ｘヒンジ７およびＹヒンジ８をさらに備える。第２可動部６は、Ｙヒンジ８を介して第１可動部５を連結支持している。第１可動部５は、図１中のＹ方向に延びるＹヒンジ８を通る軸を回動軸として、第２可動部６に対しＹヒンジ８周りに回動可能である。固定部１３は、Ｘヒンジ７を介して第２可動部６を連結支持している。第２可動部６は、図１中のＸ方向に延びるＸヒンジ７を通る軸を回動軸として、固定部１３に対しＸヒンジ７周りに回動可能である。共振ミラー素子１は、このようなジンバル構造を有している。第２可動部６は、外枠部である固定部１３と、中心部の第１可動部５との間に位置する中間フレームである。
第１可動部５は、第２可動部６に対して第１可動部５を相対的に変位させる駆動力を発生するＸ櫛型電極９ａおよびＸ補助櫛型電極１０ａをその外周部に備えている。Ｘ櫛型電極９ａは、第１可動部５の回動軸と垂直な方向へ延びている。Ｘ補助櫛型電極１０ａは、第１可動部５の回動軸と平行な方向へ延びている。Ｘ補助櫛型電極１０ａは、第１可動部５のＹヒンジ８が接続されたエッジに形成されており、Ｘ櫛型電極９ａは、第１可動部５のＹヒンジ８が接続されていないエッジに形成されている。Ｘ補助櫛型電極１０ａは、Ｙヒンジ８と平行に且つ同等の長さで形成されているので、Ｘ補助櫛型電極１０ａによりチップサイズが大きくなることはない。
第２可動部６は、固定部１３に対して第２可動部６を相対的に変位させる駆動力を発生するＹ櫛型電極１１ａおよびＹ補助櫛型電極１２ａをその外周部に備えている。Ｙ櫛型電極１１ａは、第２可動部６の回動軸と垂直な方向へ延びている。Ｙ補助櫛型電極１２ａは、第２可動部６の回動軸と平行な方向へ延びている。Ｙ補助櫛型電極１２ａは、第２可動部６のＸヒンジ７が接続されたエッジに形成されており、Ｙ櫛型電極１１ａは、第２可動部６のＸヒンジ７が接続されていないエッジに形成されている。Ｙ補助櫛型電極１２ａは、Ｘヒンジ７と平行に且つ同等の長さで形成されているので、Ｙ補助櫛型電極１２ａによりチップサイズが大きくなることはない。
また、第２可動部６の内周部には、Ｘ櫛型電極９ａとギャップを隔てて噛み合うように対向したＸ櫛型電極９ｂと、Ｘ補助櫛型電極１０ａとギャップを隔てて噛み合うように対向したＸ補助櫛型電極１０ｂとが形成されている。固定部１３の内周部には、Ｙ櫛型電極１１ａとギャップを隔てて噛み合うように対向したＹ櫛型電極１１ｂと、Ｙ補助櫛型電極１２ａとギャップを隔てて噛み合うように対向したＹ補助櫛型電極１２ｂとが形成されている。補助櫛型電極の効果については後述する。
上述したように、第１可動部５は第２可動部６に対しＹヒンジ８周りに回動可能に支持され、第２可動部６は固定部１３に対しＸヒンジ７周りに回動可能に支持されることにより、２軸回動型の共振ミラー素子１が実現されている。
第１可動部５と第２可動部６との間に電位差が生じると、第１可動部５は第２可動部６に対して相対的に変位する。図６Ｆは、図１に示す共振ミラー素子１のＡ−Ａ断面に対応した図である。図１および図６Ｆを参照して、第２可動部６は、第１可動部５に第１電圧を供給するための第１導電部６ａと、第２電圧が供給される第２導電部６ｂとを備える。第１導電部６ａと第２導電部６ｂとの間に形成された分離溝１４によって、第１導電部６ａと第２導電部６ｂとは分割され、互いに電気的に絶縁されている。これにより、第１可動部５および第２可動部６のそれぞれに独立に駆動電圧を印加することができる。
図２は、本発明の共振ミラー素子１を示す下部斜視図である。図２の上側が斜視図で示す共振ミラー素子１の手前側であり、図２の下側が斜視図で示す共振ミラー素子１の奥側であり、固定部１３のハンドル層４の一部をカットして図示している。共振ミラー素子１は、第１導電部６ａと第２導電部６ｂ（図１）とを電気的に絶縁した状態で相互に固定する裏打ち部１５をさらに備える。裏打ち部１５は、共振ミラー素子１のミラー面３４が設けられた面（上面）とは反対側の面（下面）から第１導電部６ａと第２導電部６ｂとを固定している。
図２を参照して、第１および第２可動部５および６の下部はハンドル層４が除去されており、これにより、第１および第２可動部５および６が回動可能になっている。第２可動部６の下部では、裏打ち部１５としてハンドル層４が部分的に残されている。この残されたハンドル層４とその同じ位置の絶縁層２とによって、裏打ち部１５が形成されている。裏打ち部１５の厚さは固定部１３の厚さよりも薄く形成されており、これにより第２可動部６の軽量化が実現されている。
図３は、共振ミラー素子１での裏打ち部１５の位置を示す平面図である。
図３に示す網掛け部分が裏打ち部１５であり、分離溝１４はこの裏打ち部１５の存在する領域内に形成されている。このため、第１導電部６ａと第２導電部６ｂとを分離溝１４によって分離しても、第１導電部６ａと第２導電部６ｂとは一体となって変位する。従来例のように、分離溝１４に別材料を埋め込んで結合する工程は不要である。
また、絶縁層２、デバイス層３およびハンドル層４は予め強固に接合されたウエハ構造なので、デバイス層３から形成された第２可動部６と、絶縁層２およびハンドル層４から形成された裏打ち部１５との結合強度は十分信頼性の高いものである。
埋め込み工程による絶縁の必要もないため、第１導電部６ａと第２導電部６ｂとの間の電気的絶縁が不完全となるおそれもない。
また、Ｘパッド２０と第１可動部５とを接続する接続部である第１導電部６ａを形成する分離溝１４は、回動軸に対して偏った位置にあるので、それだけでは第２可動部６の重量バランスが偏ることになり、共振駆動したときに第２可動部６の上下動など不要な共振を誘発する場合がある。そのため、第２可動部６の中心を基準として、第２可動部６上の分離溝１４に対して点対称な位置にダミー溝２３が形成されている。また、第２可動部６上の分離溝１４に対して、Ｘ回動軸を基準とした軸対称な位置、およびＹ回動軸を基準とした軸対称な位置のそれぞれにダミー溝２３が形成されている。分離溝１４と対称な位置にダミー溝２３を形成することで、重量バランスのずれを抑えることができる。
図４は、共振ミラー素子１の電気的分離状態を示す平面図である。
図４において、前述のように、第２可動部６には分離溝１４が形成され、電気的に２つの領域に分割されている。
１つの領域は、Ｘパッド２０からＸヒンジ７、第１導電部６ａ、Ｙヒンジ８を経て第１可動部５に至る領域であり、もう１つの領域は、グランドパッド２２からＸヒンジ７を経て第２可動部６に至る領域である。
このような構成により、Ｘパッド２０に印加した電圧Ｖｘは第１可動部５の電圧となり、グランドパッド２２をグランドレベル（ＧＮＤ）とすると、第１可動部５と第２可動部６との間にＶｘの電位差が生じる。
また、Ｙパッド２１に印加した電圧Ｖｙは固定部１３の電圧となり、固定部１３と第２可動部６との間にＶｙの電位差が生じる。
ＶｘとＶｙを適切に制御すると、第１可動部５および第２可動部６はそれぞれの共振周波数で共振動作する。これにより、２軸回動型の共振ミラー素子１では、第１可動部５のＸ軸周りの回動とＹ軸周りの回動とを独立に駆動制御することができる。
図５は、共振ミラー素子１の動作状態を示す斜視図である。
第１可動部５は、第２可動部６に対してＹヒンジ８周りに回動し、第２可動部６は、第１可動部５とともに固定部１３に対してＸヒンジ７周りに回動する。これにより、第１可動部５で反射したレーザビームはＸ−Ｙ方向に２次元走査される。
次に、共振ミラー素子１の製造方法を説明する。
図６Ａ〜図６Ｆは、共振ミラー素子１の製造工程を示す断面図である。
これらの断面図は、図１のＡ−Ａ断面に対応している。
図６Ａを参照して、ＳＯＩウエハ３０を用意する。デバイス層３の厚さは第１および２可動部５および６の厚さとなり、各可動部の共振周波数や駆動電圧に対する振動振幅、剛性等を考慮して決定する。ここでは、デバイス層５０μｍ、絶縁層２μｍ、ハンドル層５００μｍとする。
デバイス層３に、ＰやＡｓなどのｎ型不純物やＢなどのｐ型不純物をドープし導電性を持たせる。
次に図６Ｂを参照して、スピンコーティングにより液状のフォトレジストをデバイス層３表面に成膜し、露光および現像を経て、レジストパターン３１を形成する。フォトレジストとしては、例えば、ＡＺＰ４２１０やＡＺ１５００（クラリアントジャパン製）を使用することができる。以降のレジストパターンも、このようなフォトレジストの成膜およびその後の露光・現象を経て形成される。
次に図６Ｃを参照して、レジストパターン３１をマスクとしてデバイス層３のシリコンをＤｅｅｐ−ＲＩＥ（Ｄｅｅｐ Ｒｅａｃｔｉｖｅ Ｉｏｎ Ｅｔｃｈｉｎｇ）により、貫通エッチングする。
Ｄｅｅｐ−ＲＩＥでは、エッチングと側壁保護を交互に行うＢｏｓｃｈプロセスにおいて、ＳＦ6ガスによるエッチング、Ｃ4Ｆ8ガスによる側壁保護を行う。以降のシリコン層に対するＤｅｅｐ−ＲＩＥについても、この条件を採用することができる。
このエッチングにより、第１可動部５、第２可動部６、櫛型電極、ヒンジ、分離溝１４等、各構成要素の形状が形成される。第１導電部６ａと第２導電部６ｂとを電気的に分離するために、分離溝１４の領域では絶縁層２が露出するまでデバイス層３が完全に除去される。分離溝１４の幅は例えば１〜１０μｍであるが、これに限定されない。
レジストパターン３１を剥離した後、ハンドル層４下部（ウエハ背面）の固定部１３を形成する領域をマスクする酸化膜パターン３２と、固定部１３と裏打ち部１５を形成する領域をマスクするレジストパターン３３とを形成する。
次に図６Ｄを参照して、裏打ち部１５として残すハンドル層４の厚さ分の深さ程度までハンドル層４下部をシリコンエッチングする。その後、レジストパターン３３を剥離する。
次に図６Ｅを参照して、固定部１３および裏打ち部１５を形成する領域以外の領域で絶縁層２が露出するまでハンドル層４下部をシリコンエッチングし、これにより、固定部１３と裏打ち部１５が形成される。エッチングが確実に絶縁層２に達するように、若干のオーバーエッチングを行うので、図６Ｄを参照して説明したエッチング深さはオーバーエッチング分を考慮して設定する。
裏打ち部１５の厚さは、必要強度、可動部の共振周波数、駆動電圧に対する必要振幅等を考慮して設計される。裏打ち部１５の厚さは、例えば３０〜１００μｍであるが、これに限定されない。ここでは、厚さ５０μｍとした。第１導電部６ａと第２導電部６ｂとを電気的に分離するために、裏打ち部１５の第１および第２導電部６ａおよび６ｂとの接触箇所は絶縁性を有する必要がある。この例では、裏打ち部１５の絶縁層部分が第１および第２導電部６ａおよび６ｂと接触しているため、第１導電部６ａと第２導電部６ｂとは、電気的に分離された状態に保たれる。
次に図６Ｆを参照して、第１可動部５の表面に反射膜３４として厚さ５０ｎｍのアルミ、金または銀を蒸着する。反射膜３４の材料は、使用する光の波長と必要な反射率によって適切に選定する。
最後に、絶縁層２の露出した部分および酸化膜パターン３２を除去して、第１および２可動部５および６をリリースする。
このように、裏打ち部１５の形成は、可動部の背面のハンドル層４をエッチングして除去する際、裏打ち部１５の形状のレジストマスクを追加して２段エッチングをするだけで行うので、プロセスを複雑化することなく裏打ち部１５の形成が可能である。
次に、補助櫛型電極の作用効果を説明する。
一般に、静電アクチュエータの駆動力Ｆと変位ｘとの関係は、電極間の静電容量Ｃと電圧Ｖで決まる。静電容量Ｃはギャップｇで対向する電極の対向面積Ｓで決まる。誘電率をε0とすると、静電容量Ｃは、
Ｃ（ｘ）＝ε0Ｓ／ｇ
と表される。駆動力Ｆは、
Figure 2007034777
 と表される。
図７は、共振ミラー素子１の櫛型電極の対向面積を示す断面図である。図７に示す断面図は、上側に示す上面図のＢ−Ｂ断面に対応している。
図７を参照して、回動中心からｒの距離に長さＬ、厚さｔの櫛型電極を設けた場合、ギャップｇを介して対向する電極面積Ｓは、回動角θに対して、櫛歯の数をＮｍａｉｎとすると、
Ｓｍａｉｎ＝２Ｎｍａｉｎ（ｔ・Ｌ−Ｌ（ｒ＋Ｒ）θ／２）
＝２Ｎｍａｉｎ・Ｌ（ｔ−（ｒ＋Ｒ）θ／２）
と表される。
図８は、共振ミラー素子１の補助櫛型電極の対向面積を示す断面図である。図８に示す断面図は、上側に示す上面図のＣ−Ｃ断面に対応している。
図８を参照して、回動中心から距離ｒ離れた電極の対向面積Ｓ’は、
Ｓ’＝Ｌ（ｔ−ｒθ）
と表される。
全ての補助櫛型電極を合計したときの、補助櫛型電極の対向面積Ｓｓｉｄｅは、
Figure 2007034777
 と表される。
図９は、共振ミラー素子１の電極間の対向面積および静電容量の変化を示すグラフである。
図９を参照して、Ｓｍａｉｎは、櫛型電極同士が互いにオーバーラップする範囲で０でない値を示し、それより外側では０である。これに対して、静電容量変化Ｃ（θ）では、実際には櫛歯の対向面以外の部分（櫛歯の先端や、櫛歯のないエッジ等）でもわずかに静電容量が発生するため、Ｃ（θ）ｍａｉｎの分布は、Ｓｍａｉｎを包含する滑らかな曲線になる。
図９に示す例では、ミラー部の回動角を±１５°とした場合、ミラー部の長さｒを０．５ｍｍ、厚さを５０μｍとすると、およそ±５°がオーバーラップの範囲となる。
一方、Ｓｓｉｄｅは、櫛歯の数が少ない分、ピーク値は小さいが、回動中心から近い部分に配置するので、メインの櫛型電極より広い回動角の範囲でオーバーラップし、０でない値を持つ角度範囲が広い。従って、それらの合計Ｓｍａｉｎ＋Ｓｓｉｄｅは、回動範囲全体に渡って０でない値を持つこととなり、Ｃ（θ）ｔｏｔａｌは、回動角の大きな領域の値も、Ｃ（θ）ｍａｉｎと比較して増大している。従って、補助櫛型電極は、メインの櫛型電極のみの場合に比べ、回動角の大きな領域の静電容量を増加させる効果がある。
補助櫛歯電極によって静電容量が増加すると、その分、駆動力も増加される。
また、静電容量を検出することによってミラー部の回動角度を検出する際、メインの櫛型電極のオーバーラップがなくなるような大きな回動角に対しても、静電容量変化を確実に検出することができる。これにより、ミラー部の回動角を駆動信号にフィードバックして、より確実に共振駆動を行うことができるようになる。
本発明は、ミラー素子を用いて光の進行方向を変更する技術分野で特に有用である。例えば、レーザプリンタ等に用いられる光走査装置、バーコードリーダー等の読み取り装置、レーザプロジェクタなどに有用である。
本発明の実施形態による共振ミラー素子を示す斜視図である。 本発明の実施形態による共振ミラー素子を示す下部斜視図である。 本発明の実施形態による共振ミラー素子を示す平面図である。 本発明の実施形態による共振ミラー素子の電気的分離状態を示す平面図である。 本発明の実施形態による共振ミラー素子の動作を示す斜視図である。 本発明の実施形態による共振ミラー素子の製造工程を示す断面図である。 本発明の実施形態による共振ミラー素子の製造工程を示す断面図である。 本発明の実施形態による共振ミラー素子の製造工程を示す断面図である。 本発明の実施形態による共振ミラー素子の製造工程を示す断面図である。 本発明の実施形態による共振ミラー素子の製造工程を示す断面図である。 本発明の実施形態による共振ミラー素子の製造工程を示す断面図である。 本発明の実施形態による共振ミラー素子の櫛型電極の対向面積を示す断面図である。 本発明の実施形態による共振ミラー素子の補助櫛型電極の対向面積を示す断面図である。 本発明の実施形態による共振ミラー素子の電極間の対向面積および静電容量の変化を示すグラフである。 ２軸回動型の共振ミラー素子を示す斜視図である。 ２軸回動型の共振ミラー素子を示す断面図である。 ２軸回動型の共振ミラー素子の電気的分離状態を示す平面図である。
符号の説明
１ 共振ミラー素子
２ 絶縁層
３ デバイス層
４ ハンドル層
５ 第１可動部
６ 第２可動部
７ Ｘヒンジ
８ Ｙヒンジ
９ Ｘ櫛型電極
１０ Ｘ補助櫛型電極
１１ Ｙ櫛型電極
１２ Ｙ補助櫛型電極
１３ 固定部
１４ 分離溝
１５ 裏打ち部
２０ Ｘパッド
２１ Ｙパッド
２２ グランドパッド
２３ ダミー溝
３０ ＳＯＩウエハ
３１ レジストパターン
３２ 酸化膜パターン
３３ レジストパターン
３４ 反射膜

Claims (8)

  1. 第１可動部と、
    前記第１可動部を支持する第２可動部と、
    前記第２可動部を支持する固定部と
    を備え、
    前記第２可動部は、
    前記第１可動部に第１電圧を供給するための第１導電部と、
    第２電圧が供給される第２導電部と、
    前記第１導電部と前記第２導電部とを電気的に絶縁した状態で相互に固定する裏打ち部と
    を備える、アクチュエータ。
  2. 前記第１可動部は、光を反射するミラー部を備え、
    前記裏打ち部は、前記アクチュエータの前記ミラー部が設けられた面とは反対側の面から前記第１導電部と前記第２導電部とを固定している、請求項１に記載のアクチュエータ。
  3. 前記第２可動部の前記第１導電部と前記第２導電部との間に形成された溝によって、前記第１導電部と前記第２導電部とは電気的に絶縁されている、請求項１に記載のアクチュエータ。
  4. 前記第２可動部の前記溝に対して点対称な位置にダミー溝が形成されている、請求項３に記載のアクチュエータ。
  5. 前記第１および第２可動部は、絶縁層を介して第１および第２シリコン層を接合したＳＯＩウエハの前記第１のシリコン層をエッチングして形成されており、
    前記裏打ち部は、前記第２シリコン層をエッチングして形成されている、請求項１に記載のアクチュエータ。
  6. 前記第１可動部は、前記第２可動部に対して前記第１可動部を相対的に変位させる駆動力を発生する第１および第２櫛型電極を備え、
    前記第１櫛型電極は、前記第１可動部の回動軸と垂直な方向へ延びており、
    前記第２櫛型電極は、前記第１可動部の回動軸と平行な方向へ延びており、
    前記第２可動部は、前記固定部に対して前記第２可動部を相対的に変位させる駆動力を発生する第３および第４櫛型電極を備え、
    前記第３櫛型電極は、前記第２可動部の回動軸と垂直な方向へ延びており、
    前記第４櫛型電極は、前記第２可動部の回動軸と平行な方向へ延びている、請求項１に記載のアクチュエータ。
  7. 請求項１に記載のアクチュエータの製造方法であって、
    前記製造方法は、
    絶縁層を介して第１および第２シリコン層を接合したＳＯＩウエハの前記第１のシリコン層をエッチングして前記第１および第２可動部を形成するステップと、
    前記第２シリコン層をエッチングして前記裏打ち部を形成するステップと
    を包含する、製造方法。
  8. 前記裏打ち部を形成するステップは、
    前記第２シリコン層の前記裏打ち部を形成する位置をマスクするレジストパターンを形成するステップと、
    前記裏打ち部として残す前記第２シリコン層の厚さの分の深さまで前記第２シリコン層をエッチングするステップと、
    前記レジストパターンを剥離し、前記裏打ち部を形成する位置以外の位置で前記絶縁層が露出するまで前記第２シリコン層をエッチングするステップと、
    前記絶縁層の露出した部分を除去するステップと
    を含む、請求項７に記載の製造方法。
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