WO2008069176A1

WO2008069176A1 - アクチュエータ

Info

Publication number: WO2008069176A1
Application number: PCT/JP2007/073329
Authority: WO
Inventors: Hiroshi Obi; Hironori Tomita; Akira Kurozuka
Original assignee: Panasonic Corporation
Priority date: 2006-12-05
Filing date: 2007-12-03
Publication date: 2008-06-12
Also published as: CN101495904B; JPWO2008069176A1; US20100067078A1; US7923894B2; CN101495904A

Abstract

　本発明は、第１可動部と、第１可動部を支持する第２可動部、及び裏打ち部とを備える２軸回動型のアクチュエータである。第１可動部と第２可動部それぞれに独立に駆動電圧を印可するための第１導電部と第２導電部は、分離溝により分割され、第２可動部の下部に備えられた裏打ち部により相互に固定された状態で第２可動部に設けられている。このような裏打ち部を設けることにより、第１導電部と第２導電部とを電気的に絶縁した状態で相互に固定すること、及びアクチュエータの製造工程を簡略化すること、を実現している。このような本発明のアクチュエータの第１可動部にミラーを備えることで、２軸回動型のミラー素子を簡素な製造プロセスで提供することが可能である。

Description

明細書

ァクチユエータ

技術分野

[0001] 本発明は、マイクロマシユング技術を応用した微小機械構造体であるァクチユエ一タに関し、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。

背景技術

[0002] マイクロマシユ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。

[0003] 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。

[0004] 特許文献 1には 1軸回動型のミラー素子が開示されており、非特許文献 1と特許文献 2および 3とには 2軸回動型のミラー素子が開示されている。

[0005] 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。

[0006] 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!/、る。

[0007] 図 13を参照して、 2軸回動型のミラー素子を説明する。図 13は、 2軸回動型の共振ミラー素子 51を示す斜視図である。

[0008] 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。

[0009] 共振ミラー素子 51は、 Xヒンジ 61および Yヒンジ 57をさらに備える。第 2可動部 56 は、 Yヒンジ 57を介して第 1可動部 55を連結して支持している。第 1可動部 55は、図 13中の Y方向に延びる Yヒンジ 57を通る軸を回動軸として、第 2可動部 56に対し Yヒンジ 57周りに回動可能である。固定部 63は、 Xヒンジ 61を介して第 2可動部 56を連結して支持している。第 2可動部 56は、図 13中の X方向に延びる Xヒンジ 61を通る軸を回動軸として、固定部 63に対し Xヒンジ 61周りに回動可能である。

[0010] 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 55a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 64a をその外周部に備えている。

[0011] また、第 2可動部 56の内周部には、 X櫛型電極 55aとギャップを隔てて嚙み合うように対向した X櫛型電極 55bが形成されている。固定部 63の内周部には、 Y櫛型電極 64aとギャップを隔てて嚙み合うように対向した Y櫛型電極 64bが形成されている。

[0012] 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 57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 61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。

[0013] 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 66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。

[0014] 図 14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 13の G— G 断面に対応している。図 14を参照して、分離溝 66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。

[0015] 図 15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 (G

ND)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。

[0016] 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。

[0017] 電圧 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制御することができる。特許文献 1：特開 2004— 239987号公幸

特許文献 2：特開 2004— 13099号公報

特許文献 3 :特開 2006— 115683号公報

非特許文献 1 : "AN ELECTROSTATICALLY EXCITED 2D— MICRO— S CANNING— MIRROR WITH AN IN -PLANE CONFIGURATION O F THE DRIVING ELECTRODES" (MEMS2000. Proceedings Piscat away, NJ ： IEEE, 2000)

発明の開示

発明が解決しょうとする課題

[0018] 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。

[0019] 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。

[0020] 図 13〜図 15に示す 2軸回動型のミラー素子 51では、分離溝 66を埋め込む工程に時間が力、かりコストアップ要因となる。

[0021] また、分離溝 66が深いほど確実に埋め込むのが難しぐ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。

[0022] さらに、分離溝 66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 5

6bとの間の電気的絶縁が不完全となるおそれもあった。

[0023] 本発明は、上記課題に鑑みてなされたものであり、簡素な製造プロセスで容易に形成でき、且つ信頼性の高いァクチユエータを提供する。課題を解決するための手段

[0024] 本発明のァクチユエータは、可動部と、前記可動部を支持する固定部とを備え、前記可動部は、第 1電圧が供給される第 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、前記第 2導電部と前記裏打ち部とは電気的に接続されていることを特徴とする。

[0025] ある実施形態によれば、前記可動部は、第 1可動部と、前記第 1可動部を支持する第 2可動部とを含み、前記固定部は、前記第 2可動部を支持し、前記第 2可動部は、前記第 1および第 2導電部を備え、前記第 1導電部を介して前記第 1可動部に前記第 1電圧を供給する。

[0026] ある実施形態によれば、前記第 2可動部は、前記第 2導電部および前記裏打ち部に形成された櫛型電極をさらに備える。

[0027] ある実施形態によれば、前記裏打ち部の厚さは、前記固定部の厚さよりも薄い。

[0028] 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、前記ァクチユ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。

[0029] 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ウェハの前記第 1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。

[0030] 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。

[0031] 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。

[0032] 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。

[0033] 本発明の画像投射装置は、前記ァクチユエータと、光ビームを出射する光源と、前記光ビームを前記ァクチユエータへ導く光学系と、前記ァクチユエータを駆動する駆動部とを備えることを特徴とする。

[0034] 本発明のァクチユ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ウェハの前記第 1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、前記第 2可動部の前記第 1シリコン層から形成された所定の部分と前記裏打ち部とを電気的に接続するステップとを包含することを特徴とする。

[0035] 前記裏打ち部を形成するステップは、前記第 1シリコン層をエッチングするときに用いるマスクを用いて前記第 2シリコン層をエッチングするステップを含む。

発明の効果

[0036] 本発明によれば、裏打ち部は第 1導電部と第 2導電部とを電気的に絶縁した状態で相互に固定し、第 2導電部と裏打ち部とは電気的に接続されている。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!/、ので、ァクチユエータの製造工程を簡略化でき、安価なァクチユエータを提供することができる。また、裏打ち部が電気的にフローティングした状態ではないので、裏打ち部の帯電を防止することができ、安定した駆動力を得ること力できる。

[0037] また、ある実施形態によれば、可動部は第 1可動部と第 1可動部を支持する第 2可動部とを含み、これにより、 2軸回動型のァクチユエータが得られる。

[0038] また、ある実施形態によれば、裏打ち部は櫛型電極を備える。これにより、可動部が回動している状態での櫛型電極が互いに対向する面積を増やすことができ、安定した駆動力を得ることができる。

[0039] また、ある実施形態によれば、裏打ち部の厚さは、固定部の厚さよりも薄い。これにより、可動部の軽量化を実現するとともに、可動部が回動可能な角度を大きく確保すること力 Sでさる。

[0040] また、ある実施形態によれば、第 2可動部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。

[0041] 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力 Sでさる。

[0042] また、本発明の画像投射装置は、上記ァクチユエータを備える。本発明のァクチュエータの駆動感度は高いので、低消費電力の画像投射装置を実現することができる

〇

[0043] また、本発明のァクチユエータの製造方法は、第 1シリコン層をエッチングするときに用いるマスクを用いて第 2シリコン層をエッチングして裏打ち部を形成する。これにより、第 1シリコン層と第 2シリコン層との間で櫛型電極の位置ずれを防止することができるので、隣り合う櫛型電極間のギャップが等し!/、垂直櫛型電極構造を実現することができる。

[0044] 本発明によれば、簡素なプロセスで容易に 2軸回動型のァクチユエータを形成でき、安価な共振ミラー素子を提供することができる。

図面の簡単な説明

[0045] [図 1]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。

[図 2]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。

[図 3]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。

[図 4]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

[図 5]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。

[図 6A]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。

[図 6B]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。

[図 6C]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。 [図 6D]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。園 6E]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。園 6F]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。

[図 6G]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。園 6H]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。園 61]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。園 6J]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。園 6K]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。園 6L]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。園 6M]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。園 6N]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。園 60]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。園 6P]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。園 6Q]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。

[図 7A]本発明の実施形態による共振ミラー素子の接続部とその周辺部を示す図であ園 7B]本発明の実施形態による共振ミラー素子の接続部とその周辺部を示す図であ園 7C]本発明の実施形態による共振ミラー素子の接続部とその周辺部を示す図であ園 7D]本発明の実施形態による共振ミラー素子の接続部とその周辺部を示す図であ園 7E]本発明の実施形態による共振ミラー素子の接続部とその周辺部を示す図であ

[図 8A]本発明の実施形態による共振ミラー素子の接続部とその周辺部を示す図であ園 8B]本発明の実施形態による共振ミラー素子の接続部とその周辺部を示す図であ園 8C]本発明の実施形態による共振ミラー素子の接続部とその周辺部を示す図であ園 8D]本発明の実施形態による共振ミラー素子の接続部とその周辺部を示す図であ園 9]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。

園 10]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。

園 11]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。

園 12]本発明の実施形態による共振ミラー素子を備えた画像投射装置を示す図であ園 13]2軸回動型の共振ミラー素子を示す斜視図である。

園 14]2軸回動型の共振ミラー素子を示す断面図である。

[図 15]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

6a 第 1導電部

6b 第 2導電部

7 Yヒンジアンカー

8 Yヒンジ

9a、 9b X櫛型電極

10a, 10b X補助櫛型電極 Xヒンジ

a, l ib Y櫛型電極 Xヒンジアンカーa, 12b Y補助櫛型電極固定部

分離溝

裏打ち部

Xノッド

ダミー溝

グランドパッド

Υパッド

接続部

SOIウェハ

、 36 酸化物層、 37 レジストノターン、 38 A1層

、 39 レジストパターン保護層

反射膜

1 光源

2 コジメー卜レンズ開口部

5 画像信号

制御部

レーザ変調回路駆動部

光ビーム 160 投射領域

100 画像投射装置

発明を実施するための最良の形態

[0047] 以下、図面を参照しながら、本発明の実施形態を説明する。

[0048] (実施形態 1)

まず、図 1を参照して、本発明の第 1の実施形態によるァクチユエータを説明する。図 1は、本実施形態のァクチユエータである共振ミラー素子 1を示す斜視図である。

[0049] 共振ミラー素子 1は、例えば、酸化シリコン（SiO )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ノ、、いわゆる SOI (Silicon On Insulator)ウェハを加工して製造される。

[0050] 2つのシリコン層のうち、第 1シリコン層にはリン（P)ゃヒ素（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シリコン層はウェハ本体を成す厚い部分で、ハンドル層 4と称する。

[0051] 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ユ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。第 1可動部 5と第 2可動部 6とはまとめて可動部とも称される。

[0052] 共振ミラー素子 1は、ミラー面 25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。

[0053] 共振ミラー素子 1は、 Xヒンジ 11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を連結して支持している。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 11を介して第 2可動部 6を連結して支持している。第 2可動部 6は、図 1中の X方向に延びる Xヒンジ 11を通る軸を回動軸として、固定部 13に対し Xヒンジ 11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。

[0054] 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 10 a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!/、な!/、エッジに形成されて!/、る。 X補助櫛型電極 1 0aは、 Yヒンジ 8と平行に且つ同等の長さ以下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。

[0055] 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 11 a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 1 2a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 11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 11が接続されて!/、な!/、エッジに形成されて!/、る。 Y補助櫛型電極 12aは、 Xヒンジ 11と平行に且つ同等の長さ以下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。

[0056] 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嚙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嚙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 1 laとギャップを隔てて嚙み合うように対向した Y櫛型電極 1 lbと、 Y補助櫛型電極 12aとギャップを隔てて嚙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 V、る。補助櫛型電極の効果にっレ、ては後述する。

[0057] 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 11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。

[0058] 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 6Q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 6Q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 16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

[0059] 図 2は、共振ミラー素子 1を示す下部斜視図である。図 2は、共振ミラー素子 1の構成要素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 17をさらに備える。裏打ち部 17は、共振ミラー素子 1のミラー面 25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。裏打ち部 17の厚さは、固定部 13の厚さよりも薄い。

[0060] 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 17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 17が形成されている。裏打ち部 17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!/、る。

[0061] 図 3は、共振ミラー素子 1での裏打ち部 17の位置を示す平面図である。

[0062] 図 3に示す斜線部分が裏打ち部 17であり、分離溝 16はこの裏打ち部 17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 16 によって分離しても、第 1導電部 6aと第 2導電部 6b (図 1)とは一体となって変位する。従来例のように、分離溝 16に別材料を埋め込んで結合する工程は不要である。

[0063] また、絶縁層 2、デバイス層 3およびノ、ンドル層 4は予め強固に接合されたウェハ構造なので、デバイス層 3から形成された第 2可動部 6と、絶縁層 2およびノヽンドル層 4 力、ら形成された裏打ち部 17との結合強度は十分信頼性の高いものである。

[0064] 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レ、。

[0065] また、 Xパッド 18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 16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 16に対して点対称な位置にダミー溝 20が形成されている。また、第 2可動部 6上の分離溝 16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 20が形成されている。分離溝 16と対称な位置にダミー溝 20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。

[0066] 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。

[0067] 図 4において、前述のように、第 2可動部 6には分離溝 16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 18から Xヒンジ 11、第 1導電部 6 a、 Yヒンジ 8を経て第 1可動部 5に至る領域である。もう 1つの領域は、グランドパッド 2 1から Xヒンジ 11を経て第 2可動部 6に至る領域である。第 2可動部 6では、ダミー '溝 2 0に設けられた接続部 23を介して、第 2導電部 6bと裏打ち部 17とが電気的に接続されている。

[0068] このような構成において、 Xパッド 18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 21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。

[0069] また、 Yパッド 22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。

[0070] 電圧 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制御することができる。

[0071] 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。

[0072] 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 11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。

[0073] 次に、共振ミラー素子 1の製造方法を説明する。図 6A〜図 6Qは、共振ミラー素子

1の製造工程を示す図であり、これらの断面図は図 1の A— A断面に対応している。

[0074] 図 6Aを参照して、 SOIウェハ 30を用意する。デバイス層 3の厚さは第 1可動部 5および第 2可動部 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 3を 50 m、絶縁層 2を 2 111 、ハンドル層 4を 300 μ mとする。

[0075] まず、デバイス層 3およびハンドル層 4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。ただし、デバイス層 3およびノヽンドル層 4が既に導電性である SOIウェハを用いる場合は、導電性を持たせるための不純物ドープのプ口セスは必要ない。

[0076] 次に図 6Bを参照して、 CVD (Chemical Vapor Deposition)により、デバイス層

3表面に酸化物層 31を形成し、液状のフォトレジストをスピンコーティングにより成膜し、露光および現像を経て、レジストパターン 32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。

[0077] 次に図 6Cを参照して、レジストパターン 32をマスクとして酸化物層 31を BHF (バッファードフッ酸）によりエッチングする。

[0078] 次に図 6Dを参照して、レジストパターン 32を除去した酸化物層 31の表面に、 Al ( アルミニウム）を真空蒸着により堆積させて A1層 33を形成し、液状のフォトレジストをスピンコーティングにより成膜し、露光および現像を経て、レジストパターン 34を形成する。

[0079] 次に図 6Eを参照して、レジストパターン 34をマスクとして、混酸アルミ溶液等のアルミニゥムエッチング溶液を用いて A1層 33をエッチングする。

[0080] 次に図 6Fを参照して、レジストパターン 34を除去し、 A1層 33をマスクとして、酸化物層 31を Deep— RIE (Deep Reactive Ion Etching)により、デバイス層 3まで貝通エッチングす。。

[0081] 次に図 6Gを参照して、 A1層 33の表面に液状のフォトレジストを用いてスピンコーテイングにより保護層 35を形成する。ハンドル層 4の表面に酸化物を CVDで堆積させて酸化物層 36を形成し、液状のフォトレジストをスピンコーティングにより成膜し、露光および現像を経て、レジストパターン 37を形成する。 [0082] 次に図 6Hを参照して、レジストパターン 37をマスクとして酸化物層 36を BHFにより

[0083] 次に図 61を参照して、レジストパターン 37を除去し、酸化物層 36およびハンドル層

4の表面に A1を真空蒸着により堆積させて A1層 38を形成し、液状のフォトレジストをスピンコーティングにより成膜し、露光および現像を経て、レジストパターン 39を形成する。

[0084] 次に図 6Jを参照して、レジストパターン 39をマスクとして混酸アルミ溶液等のアルミニゥムエッチング溶液を用いて A1層 38をエッチングする。

[0085] 次に図 6Kを参照して、保護層 35およびレジストパターン 39を除去する。 A1層 33をマスクとして、 Deep— RIEにより、デバイス層 3のシリコンを絶縁層 2まで貫通エツチングする。 Deep— RIEでは、エッチングと側壁保護を交互に行う Boschプロセスとして、 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。

[0086] 次に図 6Lを参照して、 A1層 33をマスクとして絶縁層 2の酸化シリコンを Deep— RI Eにより、ハンドル層 4まで貫通エッチングする。

[0087] 次に図 6Mを参照して、 A1層 33をマスクとしてハンドル層 4のシリコンを Deep— RIE によりエッチングする。このエッチングでは、ハンドル層 4の絶縁層 2側から裏打ち部 1 7の厚さ分の長さ（例えば、厚さ 50 a m)まで行う。

[0088] 次に図 6Nを参照して、 A1層 33をアルミニウムエッチング溶液により除去し、酸化物層 31をマスクとして、 Deep— RIEによりデバイス層 3のシリコンを絶縁層 2まで貫通ェツチングする。これにより、ミラー部 5、第 2可動部 6、櫛型電極、ヒンジ、分離溝 16、接続部 23 (図 4)等、可動部の形状が形成される。またこのとき、ハンドル層 4についてはエッチングされても問題がないので、酸化物層 31のマスクの開口部の一部は、 A1 層 33のマスクの開口部と一致している。

[0089] 次に図 60を参照して、 A1層 38をマスクとして、 Deep— RIEによりハンドル層 4のシリコンをエッチングする。このエッチングでは、ハンドル層 4表面から裏打ち部 17 (図 2 )の厚さ分の深さ程度までエッチングする。ここでは、エッチングの深さを 260 mとした。エッチング後、アルミニウムエッチング溶液により A1層 38を除去する。 [0090] 次に図 6Pを参照して、酸化物層 36をマスクとして、 Deep— RIEにより、ハンドル層 4のシリコンを絶縁層 2に達するまでエッチングする。これにより、裏打ち部 17と外枠部 13 (図 1 )とが形成される。エッチングが確実に絶縁層 2に達するように若干のォーバーエッチングを行うので、図 60に示したエッチング深さは、このオーバーエツチング分を考慮して設定する。裏打ち部 17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する。ここでは、厚さ 50 111とした。

[0091] 次に図 6Qを参照して、露出した絶縁層 2、酸化膜パターン 31および 36 (図 6P)を除去して可動部をリリースする。第 1可動部 5の表面に反射膜 40としてアルミ、金または銀を真空蒸着する。反射膜 40の厚さは例えば 50nmであり、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択する。

[0092] ここで、裏打ち部 17およびハンドル層 4の櫛型電極の形成工程では、デバイス層 3 の櫛型電極をエッチングにより形成するときに用いたアルミ層 33をマスクとしてエッチングを行っている。このため、プロセスを複雑化することなぐデバイス層 3の櫛型電極と同位置に、裏打ち部 17およびノヽンドル層 4の櫛型電極を形成することができる。デバイス層 3とハンドル層 4との間で櫛型電極の位置ずれを防止することができるので、隣り合う櫛型電極間のギャップが等しい垂直櫛型電極構造を実現することができる。

[0093] 次に、裏打ち部 17と第 2導電部 6bとを接続部 23 (図 4)を介して電気的に接続する方法を説明する。

[0094] 絶縁層 2を除去して可動部をリリースするプロセス（図 6Q)では、 SOIウェハ 30 (図

6A)の厚さ方向のエッチングと同時に SOIウェハ 30の直径方向にもエッチングされる。この SOIウェハ 30が直径方向にエッチングされることをサイドエッチングという。

[0095] 図 7A〜図 7Eを参照してサイドエッチングを詳細に説明する。図 7Aは、図 4に示す共振ミラー素子 1の接続部 23とその周辺部を拡大して示した図である。図 7B〜図 7E は、図 7Aに示す接続部 23およびその周辺部の B— B断面に対応した図である。

[0096] 図 7Bに示す絶縁層 2をエッチングすると、図 7Cに示すように、開口となっている部分が先にエッチングされる。続いて図 7Dに示すようにサイドエッチングが始まり、さらにサイドエッチングが進むと図 7Eに示すように接続部 23における第 2導電部 6bとノヽンドル層 4を固定していた絶縁層 2は完全に除去される。このようなサイドエッチングによって、接続部 23における第 2導電部 6bと裏打ち部 17との間の絶縁層 2を除去する。これにより接続部 23における第 2導電部 6bと裏打ち部 17との電気的な接続が可能となる。この第 2導電部 6bと裏打ち部 17との電気的な接続について図 8A〜図 8D を参照して説明する。

[0097] 図 8Aは、共振ミラー素子 1の接続部 23とその周辺部を拡大して示した図である。

図 8Bおよび図 8Cは、図 8Aに示す接続部 23およびその周辺部の C C断面に対応した図であり、図 8Dは D— D断面に対応した図である。

[0098] 図 8Bに示す絶縁層 2をエッチングすると、図 8Cに示すように、接続部 23における第 2導電部 6bとハンドル層 4とを固定していた絶縁層 2は完全に除去される。接続部 23以外の第 2導電部 6bの領域や、 Yヒンジアンカー 7 (図 1)、第 1導電部 6a等とハンドル層 4とを固定している絶縁層 2については、サイドエッチングによって完全に除去されることはな!/、ように、エッチング条件が設定されて!/、る。

[0099] 接続部 23における第 2導電部 6bと裏打ち部 17との電気的な接続方法としては、例えば、ステイツキング (貼付く現象）により第 2導電部 6bと裏打ち部 17とを電気的に接続させる方法がある。例えば、図 6Qに示した絶縁層 2および酸化膜パターン 31および 36の除去を、 HF (フッ化水素酸）または BHF (バッファードフッ酸）を用いたゥエツトエッチングプロセスで行い、エッチング液（HFまたは BHF)力もウェハを取り出す際、またはエッチング液を落とすウエット洗浄中に、ステイツキングにより第 2導電部 6bと裏打ち部 17とは電気的に接続される。

[0100] また、例えば、図 6Qに示した絶縁層 2および酸化膜パターン 31および 36の除去をドライエッチングプロセスによって行レ、、ステイツキングが発生してレ、なレ、場合（空隙を介している状態）では、グランドパッド 21 (図 4)に電圧を印加して第 2導電部 6bと裏打ち部 17と間の電位差に起因するプルイン現象（第 2導電部 6bが裏打ち部 17に衝突する現象）を発生させる。そのとき、第 2導電部 6bと裏打ち部 17との接触面または空隙中に水分子等が存在するとステイツキングが発生し、第 2導電部 6bと裏打ち部 1 7とは接続される。

[0101] なお、ステイツキングにより第 2導電部 6bと裏打ち部 17とを接続させるためには接続部 23の復元力を十分低くしておく必要があり、さらにはサイドエッチングによるエッチング量を少なく抑えるために、接続部 23を開口構造とした。

[0102] また、例えば、微細配線描画装置等を用いて、接続部 23内に導体を塗布し、第 2 導電部 6bと裏打ち部 17とを接続することも可能である。微細配線描画装置は、印刷技術でのインクジェット方式のインク塗布と同様の方法で、微小導体を含むインクを微細に印刷するナノインプリンティング技術を用いた装置である。この場合は、接続部 23における絶縁層 2がサイドエッチングにより完全に除去されないようにエッチング条件を設定し、微小導体を含むインクが接続部 23外部に広がらないようにするのが好ましい。

[0103] また、例えば、接着剤や少量の液体を塗布するディスペンサーを用いて、導体を接続部 23内に塗布し、第 2導電部 6bと裏打ち部 17とを接続することも可能である。その場合も、接続部 23における絶縁層 2がサイドエッチングにより完全に除去されないようにエッチング条件を設定し、導体が接続部 23外部に広がらないようにするのが好ましい。

[0104] 電圧を印加して共振ミラー素子 1を駆動するとき、裏打ち部 1 7が電気的にフローテイングしている状態では、裏打ち部 17が帯電してしまい所望の電位差を安定して得られず、安定した駆動力を発生させることができないおそれがある。しかし、上述したように、裏打ち部 17と第 2導電部 6bとを電気的に接続することにより裏打ち部 17の帯電を防止することができ、安定した電位差を発生させて安定した駆動力を得ることができる。また、裏打ち部 17と第 2導電部 6bとは同電位となるので、裏打ち部 17にも櫛型電極を形成することで、可動部 5および 6が回動している状態での櫛型電極が互いに対向する面積を増やすことができ、安定した駆動力を得ることができる。

[0105] 次に、補助櫛型電極の機能を説明する。一般に、静電ァクチユエータの駆動力 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 ε とすると、静電容量 Cは、

0

C (x) = ε S/g (式 1 )

0

と表される。駆動力 Fは、

[数 1] F - C(x)V²

ノ

(式 2)

と表される。

[0106] 図 9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 9に示す断面図は、上側に示す上面図の E— E断面に対応している。

[0107] 図 9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、回動角を Θとし、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) (式 3)

と表される。

[0108] 図 10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 10 に示す断面図は、上側に示す上面図の F— F断面に対応している。

[0109] 図 10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-r 0 ) (式 4)

と表される。

[0110] 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、

[数 2]

Sside = S^f

(式 5)

と表される。

[0111] 図 11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ダラフでめる。

[0112] 図 11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泉になる。

[0113] 図 11に示す例では、ミラー部の回動角を ± 15° とし、ミラー部の長さ rを 0. 5mm、厚さを 50〃 mとすると、およそ ± 5° がオーバーラップの範囲となる。

[0114] 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、回動範囲全体に亘つて 0でない値を持つこととなる。また、 C ( Θ ) totalは、回動角の大きな領域での値も、 C ( Θ ) mainと比較して増大している。このように、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。

[0115] 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ノックして、より確実に共振駆動を行うことができるようになる。

[0116] (実施形態 2)

次に、図 12を参照して、本発明の第 2の実施形態による画像投射装置 100を説明する。図 12は、上述した共振ミラー素子 1を備える画像投射装置 100を示す図である

[0117] 画像投射装置 100は、共振ミラー素子 1と、光源 151と、コリメートレンズ 152と、ダイクロイツクプリズム 153と、制御部 156と、レーザ変調回路 157と、駆動部 158とを備える。コリメートレンズ 152およびダイクロイツクプリズム 153は、光源 151が出射した光ビームを共振ミラー素子 1に導く光学系である。

[0118] 制御部 156は、画像投射装置 100に入力される画像信号 155に応じて、レーザ変調回路 157および駆動部 158の動作を制御する。駆動部 158は共振ミラー素子 1を駆動する。レーザ変調回路 157は画像信号 155に応じた変調信号を生成し、 3つの光源 151は、変調信号に応じて、赤色 (R)、緑色（G)、青色（B)の光ビーム 159を出射する。光ビーム 159は、コリメートレンズ 152で略平行光束となり、ダイクロイツクプリズム 153によって合波され、共振ミラー素子 1に入射される。共振ミラー素子 1に入射して反射する光ビーム 159は、共振ミラー素子 1によって 2次元に走査され、開口部 1 54から出射され投射領域 160に画像を表示する。

産業上の利用可能性

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。

Claims

請求の範囲

可動部と、

前記可動部を支持する固定部と

を備え、

前記可動部は、

第 1電圧が供給される第 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、

前記第 2導電部と前記裏打ち部とは電気的に接続されている、ァクチユエータ。前記可動部は、第 1可動部と、前記第 1可動部を支持する第 2可動部とを含み、前記固定部は、前記第 2可動部を支持し、

前記第 2可動部は、前記第 1および第 2導電部を備え、

前記第 1導電部を介して前記第 1可動部に前記第 1電圧を供給する、請求項 1に記載のァクチユエータ。

前記第 2可動部は、前記第 2導電部および前記裏打ち部に形成された櫛型電極をさらに備える、請求項 2に記載のァクチユエータ。

前記裏打ち部の厚さは、前記固定部の厚さよりも薄い、請求項 3に記載のァクチュエータ。

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、前記ァクチユ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 2に記載のァクチユエータ。

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 S OIウェハの前記第 1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 2に記載のァクチユエータ。 [7] 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 2に記載のァクチユエータ。

[8] 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 7に記載のァクチユエータ。

[9] 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 2に記載のァクチユエータ。

[10] 請求項 1に記載のァクチユエータを備えた画像投射装置であって、

前記画像投射装置は、

光ビームを出射する光源と、

前記光ビームを前記ァクチユエータへ導く光学系と、

前記ァクチユエータを駆動する駆動部と

を備えた、画像投射装置。

[11] 請求項 1に記載のァクチユ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ウェハの前記第 1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、前記第 2可動部の前記第 1シリコン層から形成された所定の部分と前記裏打ち部とを電気的に接続するステップと

を包含する、製造方法。 [12] 前記裏打ち部を形成するステップは、前記第 1シリコン層をエッチングするときに用 V、るマスクを用いて前記第 2シリコン層をエッチングするステップを含む、請求項 11に記載の製造方法。