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JP2016114798A - Optical deflector and manufacturing method for optical deflector - Google Patents

Optical deflector and manufacturing method for optical deflector Download PDF

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JP2016114798A
JP2016114798A JP2014253604A JP2014253604A JP2016114798A JP 2016114798 A JP2016114798 A JP 2016114798A JP 2014253604 A JP2014253604 A JP 2014253604A JP 2014253604 A JP2014253604 A JP 2014253604A JP 2016114798 A JP2016114798 A JP 2016114798A
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JP
Japan
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mirror
resonance frequency
optical deflector
arms
torsion bars
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Application number
JP2014253604A
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Japanese (ja)
Inventor
栗原　誠
Makoto Kurihara
誠 栗原
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JVCKenwood Corp
Original Assignee
JVCKenwood Corp
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Publication date
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Abstract

【課題】ミラーが共振駆動する共振周波数を、ミラーの偏心を抑制して簡単に調整することができる光偏向器を提供する。【解決手段】光偏向器１は、フレーム２、ミラー３、共振周波数調整リブ４、アーム６~９、トーションバー１０〜１３及び駆動部１４を備える。アーム６~９は一端側がフレーム２に固定され、他端側がトーションバー１０〜１３の一端側に接続されている。トーションバー１０〜１３は他端側がミラー３に接続されている。駆動部１４はミラー３を共振駆動させる。共振周波数調整リブ４はミラー３の反射面とは反対側の面の中心部に形成されている。ミラー３が共振駆動する共振周波数は、共振周波数調整リブ４がエッチングされるエッチング量により調整されている。【選択図】図１An optical deflector capable of easily adjusting a resonance frequency at which a mirror is driven to resonate while suppressing eccentricity of the mirror. An optical deflector includes a frame, a mirror, a resonance frequency adjusting rib, arms 6 to 9, torsion bars 10 to 13, and a drive unit 14. The arms 6 to 9 have one end fixed to the frame 2 and the other end connected to one end of the torsion bars 10 to 13. The other ends of the torsion bars 10 to 13 are connected to the mirror 3. The drive unit 14 drives the mirror 3 to resonate. The resonance frequency adjusting rib 4 is formed at the center of the surface opposite to the reflecting surface of the mirror 3. The resonance frequency at which the mirror 3 is driven to resonate is adjusted by the etching amount by which the resonance frequency adjusting rib 4 is etched. [Selection] Figure 1

Description

本発明は、ＭＥＭＳ（Micro Electro Mechanical System）技術を用いた光偏向器及び光偏向器の製造方法に関する。   The present invention relates to an optical deflector using a micro electro mechanical system (MEMS) technique and a method for manufacturing the optical deflector.

光偏向器は、プロジェクタやヘッドマウントディスプレイ等の投射型のディスプレイ分野に用いられている。光偏向器は、偏向駆動するミラーにレーザ光が照射されることで、レーザ光をミラーの偏向方向に走査する。   Optical deflectors are used in the field of projection-type displays such as projectors and head-mounted displays. The optical deflector scans the laser light in the deflection direction of the mirror by irradiating the mirror to be deflected with the laser light.

光偏向器の一形態として、ＭＥＭＳ技術を用いたものがある。ＭＥＭＳ技術を用いた光偏向器は、一般的に、ＳＯＩ（Silicon on Insulator）ウエハを半導体製造技術を用いて微細加工することで作製される。そのため、ＭＥＭＳ技術を用いた光偏向器は、ポリゴンミラーやガルバノミラー等の他の形態と比較して小型化が容易である。   One type of optical deflector uses a MEMS technology. An optical deflector using the MEMS technology is generally manufactured by finely processing an SOI (Silicon on Insulator) wafer using a semiconductor manufacturing technology. Therefore, the optical deflector using the MEMS technology can be easily downsized as compared with other forms such as a polygon mirror and a galvanometer mirror.

一方、ＭＥＭＳ技術を用いた光偏向器は、ミラーの共振周波数等の特性が、ウエハ面内でのエッチングばらつき等による影響を受けやすい。   On the other hand, in an optical deflector using the MEMS technology, characteristics such as the resonance frequency of the mirror are easily affected by etching variations in the wafer surface.

特許文献１には、光偏向器ごとに共振周波数を調整する方法が記載されている。   Patent Document 1 describes a method of adjusting the resonance frequency for each optical deflector.

特開２０１０−２０１３９号公報JP 2010-20139 A

しかしながら、特許文献１に記載されている光偏向器では、２箇所または４箇所を除去加工して共振周波数を調整するため、除去工程が煩雑になる。   However, in the optical deflector described in Patent Document 1, the removal process is complicated because the resonance frequency is adjusted by removing two or four places.

また、箇所ごとの除去加工ばらつきによってミラーの重心が変化しやすい。ミラーの重心がミラーの回転中心軸からずれると、ミラーが偏心した状態で偏向駆動する。従って、照射されたレーザ光を所望の偏向方向に走査することが困難になる。   Also, the center of gravity of the mirror is likely to change due to variations in removal processing for each part. When the center of gravity of the mirror deviates from the rotation center axis of the mirror, the mirror is driven to be deflected in an eccentric state. Therefore, it becomes difficult to scan the irradiated laser light in a desired deflection direction.

そこで、本発明は、ミラーが共振駆動する共振周波数を、ミラーの偏心を抑制して簡単に調整することができる光偏向器及び光偏向器の製造方法を提供することを目的とする。   Accordingly, an object of the present invention is to provide an optical deflector and a method for manufacturing the optical deflector that can easily adjust the resonance frequency at which the mirror is resonantly driven while suppressing the eccentricity of the mirror.

本発明は、上述した従来の技術の課題を解決するため、フレームと、前記フレームに一端側がそれぞれ固定された複数のアームと、前記複数のアームの他端側に一端側がそれぞれ対応して接続された複数のトーションバーと、前記複数のトーションバーの他端側が接続され、照射される光を反射する反射面を有するミラーと、前記ミラーの前記反射面とは反対側の面の中心部に形成された共振周波数調整リブと、前記複数のアームを駆動させることにより、前記複数のトーションバーを介して、前記ミラーを共振駆動させる駆動部と、を備え、前記ミラーが共振駆動する共振周波数は、前記共振周波数調整リブがエッチングされるエッチング量により調整されていることを特徴とする光偏向器を提供する。   In order to solve the above-described problems of the prior art, the present invention is connected to a frame, a plurality of arms each having one end fixed to the frame, and one end corresponding to the other end of each of the plurality of arms. A plurality of torsion bars, a mirror having a reflecting surface for reflecting the irradiated light, and a central portion of a surface opposite to the reflecting surface of the mirror. A resonance frequency adjusting rib, and a drive unit that drives the mirror through the plurality of torsion bars by driving the plurality of arms, and the resonance frequency at which the mirror performs resonance drive is An optical deflector characterized in that the resonance frequency adjusting rib is adjusted by an etching amount to be etched.

また、本発明は、ウエハの一面側に駆動部を形成し、前記ウエハの一面側をエッチングして、前記駆動部によって振動する複数のアームと、前記複数のアームの一端側に一端側がそれぞれ対応して接続された複数のトーションバーと、前記複数のトーションバーの他端側が接続され、前記複数のアームの振動が前記複数のトーションバーを介して伝達されることにより共振駆動するミラーと、を形成し、前記ウエハの他面側をエッチングして、前記ミラーの中心部に共振周波数調整リブを形成し、前記共振周波数調整リブをエッチングし、そのエッチング量によって前記ミラーが共振駆動する共振周波数を調整することを特徴とする光偏向器の製造方法を提供する。   In the present invention, a driving portion is formed on one surface side of the wafer, the one surface side of the wafer is etched, and a plurality of arms that vibrate by the driving portion correspond to one end side of each of the plurality of arms. A plurality of torsion bars connected to each other, a mirror that is connected to the other end of the plurality of torsion bars, and is driven to resonate when vibrations of the plurality of arms are transmitted through the plurality of torsion bars. Forming a resonance frequency adjusting rib at the center of the mirror, etching the resonance frequency adjusting rib, and adjusting a resonance frequency at which the mirror is driven to resonate according to the etching amount. Provided is a method of manufacturing an optical deflector characterized by adjusting.

本発明の光偏向器及び光偏向器の製造方法によれば、ミラーが共振駆動する共振周波数を、ミラーの偏心を抑制して簡単に調整することができる。   According to the optical deflector and the method of manufacturing an optical deflector of the present invention, the resonance frequency at which the mirror is resonantly driven can be easily adjusted while suppressing the eccentricity of the mirror.

実施形態の光偏向器を示す平面図である。It is a top view which shows the optical deflector of embodiment. 図１のＡ−Ａ線における断面図である。It is sectional drawing in the AA of FIG. 実施形態の光偏向器の製造方法を説明するための断面図である。It is sectional drawing for demonstrating the manufacturing method of the optical deflector of embodiment. 実施形態の光偏向器の製造方法を説明するための平面図である。It is a top view for demonstrating the manufacturing method of the optical deflector of embodiment. 実施形態の光偏向器の製造方法を説明するための平面図である。It is a top view for demonstrating the manufacturing method of the optical deflector of embodiment. 実施形態の光偏向器の製造方法を説明するための平面図である。It is a top view for demonstrating the manufacturing method of the optical deflector of embodiment. 実施形態の光偏向器の製造方法を説明するための断面図である。It is sectional drawing for demonstrating the manufacturing method of the optical deflector of embodiment. 実施形態の光偏向器の製造方法を説明するための断面図である。It is sectional drawing for demonstrating the manufacturing method of the optical deflector of embodiment. 実施形態の光偏向器の製造方法を説明するための平面図である。It is a top view for demonstrating the manufacturing method of the optical deflector of embodiment. 実施形態の光偏向器の製造方法を説明するための断面図である。It is sectional drawing for demonstrating the manufacturing method of the optical deflector of embodiment. 実施形態の光偏向器の製造方法を説明するための平面図である。It is a top view for demonstrating the manufacturing method of the optical deflector of embodiment. 実施形態の光偏向器の製造方法を説明するための平面図である。It is a top view for demonstrating the manufacturing method of the optical deflector of embodiment. 図１２のＡ−Ａ線における断面図である。It is sectional drawing in the AA of FIG.

図１を用いて、実施形態の光偏向器を説明する。図１（ａ）は光偏向器をミラーの反射面側から見た平面図である。図１（ｂ）は光偏向器をミラーの裏面側から見た平面図である。   The optical deflector of the embodiment will be described with reference to FIG. FIG. 1A is a plan view of the optical deflector as viewed from the reflection surface side of the mirror. FIG. 1B is a plan view of the optical deflector viewed from the back side of the mirror.

図１（ａ），（ｂ）に示すように、光偏向器１は、フレーム２と、ミラー３と、共振周波数調整リブ４と、補強リブ５と、アーム６，７，８，９と、トーションバー１０，１１，１２，１３と、圧電素子１４，１５と、を有して構成されている。   As shown in FIGS. 1A and 1B, the optical deflector 1 includes a frame 2, a mirror 3, a resonance frequency adjusting rib 4, a reinforcing rib 5, arms 6, 7, 8 and 9, The torsion bars 10, 11, 12, and 13 and the piezoelectric elements 14 and 15 are configured.

フレーム２は枠状の平面形状を有する。ミラー３は円板形状を有する。   The frame 2 has a frame-like planar shape. The mirror 3 has a disk shape.

ミラー３、アーム６，７，８，９、及び、トーションバー１０，１１，１２，１３は、フレーム２の枠内の空隙部に配置されている。   The mirror 3, the arms 6, 7, 8, 9 and the torsion bars 10, 11, 12, 13 are arranged in a gap in the frame 2.

図１（ａ）において、ミラー３の紙面手前側の面が、外部から照射されたレーザ光を反射する反射面となっている。なお、ミラー３の反射面とは反対側の面（図１（ｂ）における紙面手前側の面）を裏面と称す。   In FIG. 1A, the front surface of the mirror 3 is a reflection surface that reflects the laser light emitted from the outside. The surface opposite to the reflecting surface of the mirror 3 (the surface on the front side in FIG. 1B) is referred to as the back surface.

図１（ｂ）に示すように、ミラー３の裏面には、共振周波数調整リブ４、及び、補強リブ５が形成されている。   As shown in FIG. 1B, a resonance frequency adjusting rib 4 and a reinforcing rib 5 are formed on the back surface of the mirror 3.

共振周波数調整リブ４は、その重心Ｃ４の位置が、ミラー３の重心Ｃ３を通る回動中心軸Ｂ−Ｂ上に位置するように、ミラー３の裏面の中心部に円柱状に形成されている。図１（ｂ）に示すように、共振周波数調整リブ４の重心Ｃ４の位置はミラー３の重心Ｃ３の位置と一致することが好ましい。   The resonance frequency adjusting rib 4 is formed in a columnar shape at the center of the back surface of the mirror 3 so that the position of the center of gravity C4 is positioned on the rotation center axis BB passing through the center of gravity C3 of the mirror 3. . As shown in FIG. 1B, it is preferable that the position of the center of gravity C4 of the resonance frequency adjusting rib 4 coincides with the position of the center of gravity C3 of the mirror 3.

共振周波数調整リブ４は、ミラー３を共振駆動させるための共振周波数を調整するための部位である。共振周波数調整リブ４の一部をエッチングし、そのエッチング量を制御することより、共振周波数を調整することができる。   The resonance frequency adjustment rib 4 is a part for adjusting the resonance frequency for resonance driving the mirror 3. The resonance frequency can be adjusted by etching a part of the resonance frequency adjusting rib 4 and controlling the etching amount.

補強リブ５は、その重心Ｃ５の位置が回動中心軸Ｂ−Ｂ上に位置するように、ミラー３の裏面の外周に沿ってリング状に形成されている。図１（ｂ）に示すように、補強リブ５の重心Ｃ５の位置はミラー３の重心Ｃ３の位置と一致することが好ましい。   The reinforcing rib 5 is formed in a ring shape along the outer periphery of the back surface of the mirror 3 so that the position of the center of gravity C5 is located on the rotation center axis BB. As shown in FIG. 1B, the position of the center of gravity C5 of the reinforcing rib 5 preferably coincides with the position of the center of gravity C3 of the mirror 3.

ミラーを軽くすることにより慣性モーメントを小さくすることができる。これにより、ミラーを高速に偏向駆動させたり、ミラーを保持するトーションバー等の部材の機械的強度の点からミラーの偏向角を大きくしたりすることができる。従って、ミラーを高速に偏向駆動させたり、ミラーの偏向角を大きくしたりするためには、ミラーは薄い方が好ましい。   The moment of inertia can be reduced by making the mirror lighter. Thereby, the mirror can be driven to be deflected at high speed, and the deflection angle of the mirror can be increased from the viewpoint of the mechanical strength of a member such as a torsion bar that holds the mirror. Therefore, in order to drive the mirror to be deflected at high speed or increase the deflection angle of the mirror, it is preferable that the mirror is thin.

一方、ミラーを薄くするほど、ミラーの偏向角を増大させるほど、またはミラーを高速に偏向駆動させるほど、ミラーの撓みが大きくなる傾向にある。ミラーの撓みが大きくなると、レーザ光の走査精度が悪化する。そのため、光偏向器を投射型のディスプレイに用いた場合、画像の解像度を悪化させる要因となる。   On the other hand, the thinner the mirror, the greater the deflection angle of the mirror, or the higher the deflection driving of the mirror, the greater the deflection of the mirror. When the deflection of the mirror increases, the scanning accuracy of the laser beam deteriorates. For this reason, when the optical deflector is used in a projection type display, the resolution of the image is deteriorated.

補強リブ５は、ミラー３が往復回転駆動しているときに、ミラー３の撓みを抑制する機能を有する。従って、ミラー３に補強リブ５を形成することにより、ミラー３を薄くしてもミラー３の撓みを抑制することができる。   The reinforcing rib 5 has a function of suppressing the bending of the mirror 3 when the mirror 3 is driven to rotate back and forth. Therefore, by forming the reinforcing rib 5 on the mirror 3, it is possible to suppress the bending of the mirror 3 even if the mirror 3 is thinned.

アーム６は、一端側がフレーム２に固定され、他端側がトーションバー１０の一端側に接続されている。
アーム７は、一端側がフレーム２に固定され、他端側がトーションバー１１の一端側に接続されている。
アーム８は、一端側がフレーム２に固定され、他端側がトーションバー１２の一端側に接続されている。
アーム９は、一端側がフレーム２に固定され、他端側がトーションバー１３の一端側に接続されている。 One end of the arm 6 is fixed to the frame 2, and the other end is connected to one end of the torsion bar 10.
One end of the arm 7 is fixed to the frame 2, and the other end is connected to one end of the torsion bar 11.
The arm 8 has one end fixed to the frame 2 and the other end connected to one end of the torsion bar 12.
One end of the arm 9 is fixed to the frame 2 and the other end is connected to one end of the torsion bar 13.

アーム６及びアーム７は、一対のアームを構成し、ミラー３の重心Ｃ３を通り、回動中心軸Ｂ−Ｂと直交する中心線Ａ−Ａを線対称として対向配置されている。
アーム８及びアーム９は、一対のアームを構成し、中心線Ａ−Ａを線対称として対向配置されている。 The arm 6 and the arm 7 constitute a pair of arms and are opposed to each other with a center line AA that passes through the center of gravity C3 of the mirror 3 and is orthogonal to the rotation center axis BB as line symmetry.
The arm 8 and the arm 9 constitute a pair of arms and are opposed to each other with the center line A-A being line symmetric.

アーム６とアーム８は、回動中心軸Ｂ−Ｂを線対称として対向配置されている。
アーム７とアーム９は、回動中心軸Ｂ−Ｂを線対称として対向配置されている。 The arm 6 and the arm 8 are opposed to each other with the rotation center axis BB being line symmetric.
The arm 7 and the arm 9 are opposed to each other with the rotation center axis B-B being line symmetrical.

トーションバー１０は、一端側がアーム６に接続され、他端側がミラー３に接続されている。
トーションバー１１は、一端側がアーム７に接続され、他端側がミラー３に接続されている。
トーションバー１２は、一端側がアーム８に接続され、他端側がミラー３に接続されている。
トーションバー１３は、一端側がアーム９に接続され、他端側がミラー３に接続されている。 The torsion bar 10 has one end connected to the arm 6 and the other end connected to the mirror 3.
The torsion bar 11 has one end connected to the arm 7 and the other end connected to the mirror 3.
The torsion bar 12 has one end connected to the arm 8 and the other end connected to the mirror 3.
The torsion bar 13 has one end connected to the arm 9 and the other end connected to the mirror 3.

圧電素子１４は、アーム６上の領域及びアーム７上の領域を含んで形成されている。図１（ａ）は、圧電素子１４が、アーム６上の領域及びアーム７上の領域を含むコ字状の領域に形成されている形態を示している。   The piezoelectric element 14 includes a region on the arm 6 and a region on the arm 7. FIG. 1A shows a form in which the piezoelectric element 14 is formed in a U-shaped region including a region on the arm 6 and a region on the arm 7.

圧電素子１５は、アーム８上の領域及びアーム９上の領域を含んで形成されている。図１（ａ）は、圧電素子１５が、アーム８上の領域及びアーム９上の領域を含むコ字状の領域に形成されている形態を示している。   The piezoelectric element 15 includes a region on the arm 8 and a region on the arm 9. FIG. 1A shows a form in which the piezoelectric element 15 is formed in a U-shaped region including a region on the arm 8 and a region on the arm 9.

図２を用いて、光偏向器１の各部位の層構成を説明する。図２は図１（ａ）及び図１（ｂ）の中心線Ａ−Ａにおける断面図である。なお、断面図における下側の面を裏面と称す。   The layer structure of each part of the optical deflector 1 will be described with reference to FIG. 2 is a cross-sectional view taken along the center line AA in FIGS. 1 (a) and 1 (b). The lower surface in the cross-sectional view is referred to as the back surface.

図２に示すように、光偏向器１は、シリコン層（第１のシリコン層）２１とガラス層２２とシリコン層（第２のシリコン層）２３とが積層された積層構造を有する。   As shown in FIG. 2, the optical deflector 1 has a laminated structure in which a silicon layer (first silicon layer) 21, a glass layer 22, and a silicon layer (second silicon layer) 23 are laminated.

ミラー３、アーム６，７，８，９、トーションバー１０，１１，１２，１３、及びフレーム２の上層は、共通のシリコン層２１を加工して形成されている。   The upper layer of the mirror 3, the arms 6, 7, 8, 9, the torsion bars 10, 11, 12, 13 and the frame 2 is formed by processing a common silicon layer 21.

そのため、ミラー３と、アーム６，７，８，９と、トーションバー１０，１１，１２，１３と、フレーム２の上層とは、同一平面状に位置している。また、ミラー３の厚さと、アーム６，７，８，９の厚さと、トーションバー１０，１１，１２，１３の厚さと、フレーム２の上層の厚さとは、ほぼ同じ厚さになっている。   Therefore, the mirror 3, the arms 6, 7, 8, 9, the torsion bars 10, 11, 12, 13 and the upper layer of the frame 2 are located on the same plane. The thickness of the mirror 3, the thicknesses of the arms 6, 7, 8, and 9, the thicknesses of the torsion bars 10, 11, 12, and 13 and the thickness of the upper layer of the frame 2 are substantially the same. .

共振周波数調整リブ４及び補強リブ５は、共通のガラス層２２と共通のシリコン層２３との積層構造を有している。   The resonance frequency adjusting rib 4 and the reinforcing rib 5 have a laminated structure of a common glass layer 22 and a common silicon layer 23.

そのため、共振周波数調整リブ４と補強リブ５とは、同一平面状に位置している。また、共振周波数調整リブ４の厚さと補強リブ５の厚さとは、ほぼ同じ厚さになっている。   Therefore, the resonance frequency adjusting rib 4 and the reinforcing rib 5 are located on the same plane. Further, the thickness of the resonance frequency adjusting rib 4 and the thickness of the reinforcing rib 5 are substantially the same.

フレーム２は、シリコン層２１とガラス層２２とシリコン層２３との積層構造を有している。フレーム２のシリコン層２３は、共振周波数調整リブ４及び補強リブ５のシリコン層２３よりも厚くなされている。   The frame 2 has a stacked structure of a silicon layer 21, a glass layer 22, and a silicon layer 23. The silicon layer 23 of the frame 2 is thicker than the silicon layer 23 of the resonance frequency adjusting rib 4 and the reinforcing rib 5.

なお、フレーム２にはハードマスク２４が形成されているが、ハードマスク２４は、光偏向器１を製造する過程で用いるものであり、フレーム２の構成上、なくてもよい。   Although the hard mask 24 is formed on the frame 2, the hard mask 24 is used in the process of manufacturing the optical deflector 1, and may be omitted from the configuration of the frame 2.

圧電素子１４は、シリコン層２１の上層に形成されている絶縁層３０上に、下電極３１と圧電体層３２と上電極３３とが積層された積層構造を有する。
圧電素子１５は、シリコン層２１の上層に形成されている絶縁層４０上に、下電極４１と圧電体層４２と上電極４３とが積層された積層構造を有する。 The piezoelectric element 14 has a stacked structure in which a lower electrode 31, a piezoelectric layer 32, and an upper electrode 33 are stacked on an insulating layer 30 formed on the upper layer of the silicon layer 21.
The piezoelectric element 15 has a laminated structure in which a lower electrode 41, a piezoelectric layer 42, and an upper electrode 43 are laminated on an insulating layer 40 formed on an upper layer of the silicon layer 21.

絶縁層３０，４０の材料として二酸化ケイ素（ＳｉＯ２）を用いることができる。
圧電体層３２，４２の材料としてチタン酸ジルコン酸鉛（ＰＺＴ）を用いることができる。
下電極３１，４１を、チタン（Ｔｉ）と白金（Ｐｔ）の積層構造とすることができる。
上電極３３，４３を、チタン（Ｔｉ）と金（Ａｕ）の積層構造とすることができる。 Silicon dioxide (SiO 2 ) can be used as the material of the insulating layers 30 and 40.
As a material of the piezoelectric layers 32 and 42, lead zirconate titanate (PZT) can be used.
The lower electrodes 31 and 41 can have a laminated structure of titanium (Ti) and platinum (Pt).
The upper electrodes 33 and 43 can have a laminated structure of titanium (Ti) and gold (Au).

図１（ａ）に示すように、フレーム２のシリコン層２１上には、圧電素子１４の上電極３３から延伸する引き出し電極５１、及び、圧電素子１４の下電極３１から延伸する引き出し電極５２が、それぞれ形成されている。
フレーム２のシリコン層２１上には、圧電素子１５の下電極４１から延伸する引き出し電極５３、及び、圧電素子１５の上電極４３から延伸する引き出し電極５４が、それぞれ形成されている。 As shown in FIG. 1A, an extraction electrode 51 extending from the upper electrode 33 of the piezoelectric element 14 and an extraction electrode 52 extending from the lower electrode 31 of the piezoelectric element 14 are formed on the silicon layer 21 of the frame 2. , Each is formed.
On the silicon layer 21 of the frame 2, an extraction electrode 53 extending from the lower electrode 41 of the piezoelectric element 15 and an extraction electrode 54 extending from the upper electrode 43 of the piezoelectric element 15 are formed.

圧電素子１４は、外部から、引き出し電極５１及び引き出し電極５２を介して、上電極３３及び下電極３１に、所定の周波数または調整された周波数の交流電圧が印加されると、交流電圧値に応じた圧電効果によって圧電体層３２が変形を繰り返す。   When an AC voltage having a predetermined frequency or adjusted frequency is applied to the upper electrode 33 and the lower electrode 31 from the outside via the extraction electrode 51 and the extraction electrode 52, the piezoelectric element 14 corresponds to the AC voltage value. The piezoelectric layer 32 is repeatedly deformed by the piezoelectric effect.

アーム６及びアーム７は、圧電体層３２の変形の影響を受け、フレーム２に固定された一端側を支点として、それぞれの他端側が図１（ａ）及び図１（ｂ）における紙面手前奥方向に振動する。   The arm 6 and the arm 7 are affected by the deformation of the piezoelectric layer 32, and one end side fixed to the frame 2 is used as a fulcrum, and the other end side is the front side of the paper in FIGS. 1 (a) and 1 (b). Vibrate in the direction.

アーム６及びアーム７の振動がトーションバー１０，１１を介してミラー３に伝達されることにより、ミラー３は回動中心軸Ｂ−Ｂまわりに往復回転駆動する。ミラー３に形成されている共振周波数調整リブ４及び補強リブ５もミラー３と共に往復回転駆動する。   The vibrations of the arm 6 and the arm 7 are transmitted to the mirror 3 via the torsion bars 10 and 11, whereby the mirror 3 is driven to reciprocate around the rotation center axis BB. The resonance frequency adjusting rib 4 and the reinforcing rib 5 formed on the mirror 3 are also driven to reciprocate together with the mirror 3.

外部から、引き出し電極５３及び引き出し電極５４を介して、圧電素子１５の下電極４１及び上電極４３に、所定の周波数または調整された周波数の交流電圧が印加されることで、圧電素子１４と同様にミラー３を往復回転駆動させることができる。   Similar to the piezoelectric element 14, an AC voltage having a predetermined frequency or adjusted frequency is applied from the outside to the lower electrode 41 and the upper electrode 43 of the piezoelectric element 15 via the extraction electrode 53 and the extraction electrode 54. The mirror 3 can be driven to reciprocate.

交流電圧の周波数は、ミラー３、トーションバー１０，１１，１２，１３、及び、アーム６，７，８，９からなる振動系の共振周波数であり、共振による往復回転駆動するように設定または調整される。   The frequency of the AC voltage is the resonance frequency of the vibration system composed of the mirror 3, the torsion bars 10, 11, 12, 13 and the arms 6, 7, 8, 9 and is set or adjusted so as to be driven to reciprocate by resonance. Is done.

交流電圧値に応じてミラー３の偏向角を設定または調整することができる。すなわち、交流電圧値を大きくすることでミラー３の偏向角を大きくすることができ、交流電圧値を小さくすることでミラー３の偏向角を小さくすることができる。   The deflection angle of the mirror 3 can be set or adjusted according to the AC voltage value. That is, the deflection angle of the mirror 3 can be increased by increasing the AC voltage value, and the deflection angle of the mirror 3 can be decreased by decreasing the AC voltage value.

圧電素子１４と圧電素子１５の両方に互いに逆位相の交流電圧を印加することで、一方の圧電素子に交流電圧を印加する場合よりもミラー３の偏向角を大きくすることができる。   By applying alternating voltages having opposite phases to both the piezoelectric element 14 and the piezoelectric element 15, the deflection angle of the mirror 3 can be made larger than when applying an alternating voltage to one of the piezoelectric elements.

上述したように、圧電素子１４及び圧電素子１５の少なくともいずれかは、ミラー３を偏向駆動させるための駆動部である。   As described above, at least one of the piezoelectric element 14 and the piezoelectric element 15 is a driving unit for driving the mirror 3 to be deflected.

なお、本実施形態では、ミラーを偏向駆動させるための駆動部として圧電素子を形成したが、これに限定されるものではない。ミラーを偏向駆動させるための他の駆動部として、静電力を利用してミラーを偏向駆動させる静電アクチュエータ等を用いることもできる。   In the present embodiment, the piezoelectric element is formed as the drive unit for driving the mirror to deflect, but the present invention is not limited to this. As another driving unit for driving the mirror to deflect, an electrostatic actuator or the like for deflecting and driving the mirror using electrostatic force can be used.

往復回転駆動するミラー３の反射面にレーザ光等の光を照射することにより、照射光をミラー３の偏向角に応じて走査させることができる。   By irradiating light such as laser light onto the reflection surface of the mirror 3 that is driven to reciprocate, the irradiation light can be scanned according to the deflection angle of the mirror 3.

ミラーを共振駆動させるための共振周波数は、ウエハ面内でのエッチングばらつき等による影響を受けやすい。具体的には、エッチングばらつきによって、トーションバー１０，１１，１２，１３の幅等の寸法がばらつき、補強リブ５の高さ等の寸法がばらつく。トーションバー１０，１１，１２，１３や補強リブ５の寸法のばらつきにより、共振周波数が設計値からずれてしまう。   The resonance frequency for resonating the mirror is likely to be affected by variations in etching within the wafer surface. Specifically, dimensions such as the width of the torsion bars 10, 11, 12, and 13 vary due to variations in etching, and the dimensions such as the height of the reinforcing rib 5 vary. Due to variations in dimensions of the torsion bars 10, 11, 12, 13 and the reinforcing rib 5, the resonance frequency deviates from the design value.

そこで、光偏向器ごとに共振周波数の調整を行うことで、外部から所定の周波数または調整された周波数の交流電圧が印加されたときに、ミラーを共振駆動させることができる。   Therefore, by adjusting the resonance frequency for each optical deflector, the mirror can be driven to resonate when an AC voltage having a predetermined frequency or an adjusted frequency is applied from the outside.

ミラー３の中心部に形成された共振周波数調整リブ４を部分的にエッチングすることにより、共振周波数調整リブ４の質量が変化する。即ち、共振周波数調整リブ４のエッチング量を制御することより、共振周波数調整リブ４の質量を調整することができる。共振周波数調整リブ４の質量を調整することにより、ミラー３を含む振動系の共振周波数を調整することができる。   By partially etching the resonance frequency adjusting rib 4 formed at the center of the mirror 3, the mass of the resonance frequency adjusting rib 4 changes. That is, the mass of the resonance frequency adjusting rib 4 can be adjusted by controlling the etching amount of the resonance frequency adjusting rib 4. By adjusting the mass of the resonance frequency adjusting rib 4, the resonance frequency of the vibration system including the mirror 3 can be adjusted.

共振周波数調整リブ４のエッチング方法として、例えばＦＩＢ（Focused Ion Beam）法を用いることができる。   As an etching method of the resonance frequency adjusting rib 4, for example, a FIB (Focused Ion Beam) method can be used.

本実施形態の光偏向器１では、共振周波数調整リブ４がミラー３の中心部に形成されているので、共振周波数の調整を共振周波数調整リブ４が形成されている１箇所のみで行うことができる。
そのため、複数の箇所で調整を行う従来の光偏向器に比べて、簡単に共振周波数の調整を行うことができる。 In the optical deflector 1 of the present embodiment, the resonance frequency adjustment rib 4 is formed at the center of the mirror 3, so that the resonance frequency can be adjusted only at one place where the resonance frequency adjustment rib 4 is formed. it can.
Therefore, the resonance frequency can be easily adjusted as compared with a conventional optical deflector that performs adjustment at a plurality of locations.

本実施形態の光偏向器１では、共振周波数調整リブ４がミラー３の中心部に形成されているので、エッチング量によるミラー３の重心の変化が起こりにくい。従って、ミラー３の偏心が抑制されるので、照射光を所望の偏向方向に走査することができる。   In the optical deflector 1 of the present embodiment, since the resonance frequency adjusting rib 4 is formed at the center of the mirror 3, the center of gravity of the mirror 3 hardly changes due to the etching amount. Accordingly, since the eccentricity of the mirror 3 is suppressed, the irradiation light can be scanned in a desired deflection direction.

図３~図１３を用いて、光偏向器１の製造方法を説明する。
図３、図７、図８、図１０及び図１３は、図２に対応する断面図である。図４、図５、図６及び図１２（ａ）は、図１（ａ）に対応する平面図である。図９、図１１及び図１２（ｂ）は、図１（ｂ）に対応する平面図である。
なお、説明をわかりやすくするために、同じ構成部には同じ符号を付して説明する。 A method of manufacturing the optical deflector 1 will be described with reference to FIGS.
3, 7, 8, 10, and 13 are cross-sectional views corresponding to FIG. 4, FIG. 5, FIG. 6 and FIG. 12 (a) are plan views corresponding to FIG. 1 (a). 9, FIG. 11 and FIG. 12 (b) are plan views corresponding to FIG. 1 (b).
In order to make the description easy to understand, the same components are denoted by the same reference numerals.

［圧電素子形成工程］
図３に示すように、シリコン層２１とガラス層２２とシリコン層２３とが積層された積層構造を有するＳＯＩウエハ２０のシリコン層２１上に、絶縁膜６０を成膜する。
絶縁膜６０として二酸化ケイ素（ＳｉＯ２）膜を成膜している。なお、図３における上側を一面側、下側を他面側と称す。 [Piezoelectric element forming process]
As shown in FIG. 3, an insulating film 60 is formed on the silicon layer 21 of the SOI wafer 20 having a stacked structure in which the silicon layer 21, the glass layer 22, and the silicon layer 23 are stacked.
A silicon dioxide (SiO 2 ) film is formed as the insulating film 60. Note that the upper side in FIG. 3 is referred to as one surface side, and the lower side is referred to as the other surface side.

シリコン層２１の厚さは、ミラー３が往復回転駆動しているときのアーム６，７，８，９、トーションバー１０，１１，１２，１３、及びミラー３の機械的強度や共振条件等を鑑みて設定される。シリコン層２１の厚さは例えば５０μｍである。   The thickness of the silicon layer 21 depends on the mechanical strength and resonance conditions of the arms 6, 7, 8, 9, torsion bars 10, 11, 12, 13 and the mirror 3 when the mirror 3 is driven to reciprocate. Set in view of this. The thickness of the silicon layer 21 is, for example, 50 μm.

ガラス層２２の厚さは、シリコン層２１及びシリコン層２３のエッチング条件等を鑑みて設定される。ガラス層２２の厚さは例えば２μｍである。   The thickness of the glass layer 22 is set in consideration of the etching conditions of the silicon layer 21 and the silicon layer 23. The thickness of the glass layer 22 is 2 μm, for example.

シリコン層２３の厚さは、ミラー３の動作範囲、並びに、共振周波数調整リブ４及び補強リブ５の厚さ等を鑑みて設定される。シリコン層２３の厚さは例えば３７０μｍである。   The thickness of the silicon layer 23 is set in consideration of the operating range of the mirror 3, the thicknesses of the resonance frequency adjusting rib 4 and the reinforcing rib 5, and the like. The thickness of the silicon layer 23 is 370 μm, for example.

絶縁膜６０上に、金属膜６１、圧電体膜６２、及び、金属膜６３を順次成膜する。   On the insulating film 60, a metal film 61, a piezoelectric film 62, and a metal film 63 are sequentially formed.

金属膜６１としてチタン（Ｔｉ）膜と白金（Ｐｔ）膜とを順次成膜している。
圧電体膜６２としてチタン酸ジルコン酸鉛（ＰＺＴ）を成膜している。
金属膜６３としてチタン（Ｔｉ）膜と金（Ａｕ）膜を順次成膜している。 As the metal film 61, a titanium (Ti) film and a platinum (Pt) film are sequentially formed.
As the piezoelectric film 62, lead zirconate titanate (PZT) is formed.
As the metal film 63, a titanium (Ti) film and a gold (Au) film are sequentially formed.

図４に示すように、金属膜６３をフォトリソグラフィを用いてエッチングし、それぞれパターン化された上電極３３，４３、及び、引き出し電極５１，５４を形成する。
さらに、上電極３３，４３、及び、引き出し電極５１，５４が形成されている領域以外の圧電体膜６２をエッチングし、圧電体層３２，４２（図２参照）を形成する。 As shown in FIG. 4, the metal film 63 is etched using photolithography to form patterned upper electrodes 33 and 43 and lead electrodes 51 and 54, respectively.
Further, the piezoelectric film 62 other than the region where the upper electrodes 33 and 43 and the extraction electrodes 51 and 54 are formed is etched to form the piezoelectric layers 32 and 42 (see FIG. 2).

図５に示すように、金属膜６１を、フォトリソグラフィを用いてエッチングし、それぞれパターン化された下電極３１，４１（図２参照）、及び、引き出し電極５２，５３を形成する。   As shown in FIG. 5, the metal film 61 is etched using photolithography to form patterned lower electrodes 31 and 41 (see FIG. 2) and lead electrodes 52 and 53, respectively.

なお、金属膜６１をエッチングする際、下電極３１，４１、及び、引き出し電極５２，５３が形成される領域以外の絶縁膜６０もエッチングされる。
上記エッチングで残った下電極３１及び引き出し電極５１，５２の下層の絶縁膜６０は、絶縁層３０（図２参照）となる。上記エッチングで残った下電極４１及び引き出し電極５３，５４の下層の絶縁膜６０は、絶縁層４０（図２参照）となる。 When the metal film 61 is etched, the insulating film 60 other than the region where the lower electrodes 31 and 41 and the extraction electrodes 52 and 53 are formed is also etched.
The insulating film 60 under the lower electrode 31 and the extraction electrodes 51 and 52 remaining after the etching becomes the insulating layer 30 (see FIG. 2). The insulating film 60 under the lower electrode 41 and the extraction electrodes 53 and 54 remaining after the etching becomes the insulating layer 40 (see FIG. 2).

上述した一連のエッチングにより、絶縁層３０上に下電極３１と圧電体層３２と上電極３３とが積層された積層構造を有する圧電素子１３と、絶縁層４０上に下電極４１と圧電体層４２と上電極４３とが積層された積層構造を有する圧電素子１４とが、一度に形成される。   By the series of etching described above, the piezoelectric element 13 having a laminated structure in which the lower electrode 31, the piezoelectric layer 32, and the upper electrode 33 are laminated on the insulating layer 30, and the lower electrode 41 and the piezoelectric layer on the insulating layer 40. The piezoelectric element 14 having a laminated structure in which 42 and the upper electrode 43 are laminated is formed at a time.

［アーム・トーションバー・ミラー形成工程］
図６に示すように、シリコン層２１を、フォトリソグラフィを用いてエッチングし、それぞれパターン化されたミラー３、アーム６，７，８，９、及び、トーションバー１０，１１，１２，１３を形成する。 [Arm torsion bar mirror forming process]
As shown in FIG. 6, the silicon layer 21 is etched using photolithography to form patterned mirrors 3, arms 6, 7, 8, 9 and torsion bars 10, 11, 12, 13. To do.

［フレーム・共振周波数調整リブ・補強リブ形成工程］
図７に示すように、シリコン層２３の裏面側に、フォトリソグラフィを用いてハードマスク２４を形成する。
ハードマスク２４はフレーム２（図１（ｂ）参照）に対応する領域に形成される。 [Frame, resonance frequency adjustment rib, reinforcement rib formation process]
As shown in FIG. 7, a hard mask 24 is formed on the back side of the silicon layer 23 using photolithography.
The hard mask 24 is formed in a region corresponding to the frame 2 (see FIG. 1B).

ハードマスク２４をエッチングマスクとして、シリコン層２３をエッチングする。
シリコン層２３のエッチング深さを１９０μｍとしている。即ち、エッチングされた領域のシリコン層２３の厚さは１８０μｍである。
なお、エッチング後にハードマスク２４を除去してもよい。 The silicon layer 23 is etched using the hard mask 24 as an etching mask.
The etching depth of the silicon layer 23 is 190 μm. That is, the thickness of the silicon layer 23 in the etched region is 180 μm.
Note that the hard mask 24 may be removed after the etching.

図８及び図９に示すように、シリコン層２３のエッチングされた領域に、フォトリソグラフィを用いてパターン化されたレジスト７２を形成する。
レジスト７２は、共振周波数調整リブ４、及び、補強リブ１２（図１（ｂ）参照）に対応する領域にパターン形成される。
なお、ハードマスク２４が除去されている場合には、ハードマスク２４が除去されている領域にもレジスト７２を形成する。 As shown in FIGS. 8 and 9, a resist 72 patterned by photolithography is formed in the etched region of the silicon layer 23.
The resist 72 is patterned in a region corresponding to the resonance frequency adjusting rib 4 and the reinforcing rib 12 (see FIG. 1B).
If the hard mask 24 is removed, a resist 72 is also formed in the region where the hard mask 24 is removed.

図１０及び図１１に示すように、レジスト７２及びハードマスク２４をマスクとして、シリコン層２３を例えばＩＣＰ−ＲＩＥ（Inductive Coupled Plasma - Reactive Ion Etching）にてエッチングする。
シリコン層２３のエッチングは、ガラス層２２の表面（裏面）で終点検出される。 As shown in FIGS. 10 and 11, the silicon layer 23 is etched by, for example, ICP-RIE (Inductive Coupled Plasma-Reactive Ion Etching) using the resist 72 and the hard mask 24 as a mask.
The etching of the silicon layer 23 is detected at the end point on the front surface (back surface) of the glass layer 22.

図１２（ａ），（ｂ）及び図１３に示すように、レジスト７２をマスクとして、ガラス層２２をエッチングする。
このエッチングにより、シリコン層２３とガラス層２２とからなるフレーム２、共振周波数調整リブ４、及び、補強リブ１２が形成される。 As shown in FIGS. 12A, 12B, and 13, the glass layer 22 is etched using the resist 72 as a mask.
By this etching, the frame 2 composed of the silicon layer 23 and the glass layer 22, the resonance frequency adjusting rib 4, and the reinforcing rib 12 are formed.

レジスト７２を除去することで、図１（ａ），（ｂ）及び図２に示す光偏向器１が作製され、共振周波数調整用リブ４をエッチングしてミラー３を含む振動系の共振周波数を調整する。共振周波数調整用リブ４のエッチングは、ミラー３の重心Ｃ３または回動中心軸Ｂ−Ｂに対して対象となるようにエッチングを行う。   By removing the resist 72, the optical deflector 1 shown in FIGS. 1A, 1B, and 2 is manufactured, and the resonance frequency adjusting rib 4 is etched to change the resonance frequency of the vibration system including the mirror 3. adjust. Etching of the resonance frequency adjusting rib 4 is performed so as to be targeted with respect to the center of gravity C3 of the mirror 3 or the rotation center axis BB.

以上の製造方法によれば、ミラーが共振駆動する共振周波数が、ウエハ面内でのエッチングばらつき等によって設計値からずれたとしても、ミラーの偏心を抑制して簡単に調整することが可能な光偏向器を容易に作製することができる。   According to the above manufacturing method, even if the resonance frequency at which the mirror is driven to resonate deviates from the design value due to etching variation within the wafer surface, the light that can be easily adjusted while suppressing the eccentricity of the mirror. The deflector can be easily manufactured.

なお、本発明に係る実施形態は、上述した構成及び手順に限定されるものではなく、本発明の要旨を逸脱しない範囲において種々変更可能である。   The embodiment according to the present invention is not limited to the configuration and procedure described above, and various modifications can be made without departing from the gist of the present invention.

１ 光偏向器
２ フレーム
３ ミラー
４ 共振周波数調整リブ
６，７，８，９ アーム
１０，１１，１２，１３ トーションバー
１４，１５ 圧電素子（駆動部） DESCRIPTION OF SYMBOLS 1 Optical deflector 2 Frame 3 Mirror 4 Resonance frequency adjustment rib 6, 7, 8, 9 Arm 10, 11, 12, 13 Torsion bar 14, 15 Piezoelectric element (drive part)

Claims (4)

フレームと、
前記フレームに一端側がそれぞれ固定された複数のアームと、
前記複数のアームの他端側に一端側がそれぞれ対応して接続された複数のトーションバーと、
前記複数のトーションバーの他端側が接続され、照射される光を反射する反射面を有するミラーと、
前記ミラーの前記反射面とは反対側の面の中心部に形成された共振周波数調整リブと、
前記複数のアームを駆動させることにより、前記複数のトーションバーを介して、前記ミラーを共振駆動させる駆動部と、
を備え、
前記ミラーが共振駆動する共振周波数は、前記共振周波数調整リブがエッチングされるエッチング量により調整されていることを特徴とする光偏向器。 Frame,
A plurality of arms each having one end fixed to the frame;
A plurality of torsion bars each having one end connected to the other end of each of the plurality of arms,
The other end side of the plurality of torsion bars is connected, and a mirror having a reflecting surface for reflecting the irradiated light;
A resonance frequency adjusting rib formed at the center of the surface opposite to the reflecting surface of the mirror;
A driving unit that drives the mirrors to resonate via the plurality of torsion bars by driving the plurality of arms;
With
The optical deflector according to claim 1, wherein a resonance frequency at which the mirror is resonantly driven is adjusted by an etching amount by which the resonance frequency adjusting rib is etched. 前記ミラーは、所定の回動中心軸まわりに往復回転駆動され、
前記共振周波数調整リブは、その重心が前記回動中心軸上に位置するように形成されていることを特徴とする請求項１記載の光偏向器。 The mirror is driven to reciprocate around a predetermined rotation center axis,
The optical deflector according to claim 1, wherein the resonance frequency adjusting rib is formed so that a center of gravity thereof is positioned on the rotation center axis. 前記ミラーの前記反射面とは反対側の面に、前記ミラーの外周に沿って形成された補強リブをさらに備えていることを特徴とする請求項１または２に記載の光偏向器。   The optical deflector according to claim 1, further comprising a reinforcing rib formed along an outer periphery of the mirror on a surface opposite to the reflecting surface of the mirror. ウエハの一面側に駆動部を形成し、
前記ウエハの一面側をエッチングして、前記駆動部によって振動する複数のアームと、前記複数のアームの一端側に一端側がそれぞれ対応して接続された複数のトーションバーと、前記複数のトーションバーの他端側が接続され、前記複数のアームの振動が前記複数のトーションバーを介して伝達されることにより共振駆動するミラーと、を形成し、
前記ウエハの他面側をエッチングして、前記ミラーの中心部に共振周波数調整リブを形成し、
前記共振周波数調整リブをエッチングし、そのエッチング量によって前記ミラーが共振駆動する共振周波数を調整することを特徴とする光偏向器の製造方法。 A drive unit is formed on one side of the wafer,
Etching one surface side of the wafer, a plurality of arms that vibrate by the drive unit, a plurality of torsion bars each corresponding to one end side of the plurality of arms, and a plurality of torsion bars The other end side is connected, and the vibration of the plurality of arms is transmitted through the plurality of torsion bars to form a mirror that is resonantly driven, and
Etching the other side of the wafer to form a resonance frequency adjusting rib at the center of the mirror,
A method of manufacturing an optical deflector, comprising: etching the resonance frequency adjusting rib, and adjusting a resonance frequency at which the mirror is driven to resonate according to an etching amount.
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