JP2016114798A - 光偏向器及び光偏向器の製造方法 - Google Patents

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。

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。

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。

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。

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。

特開２０１０−２０１３９号公報

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。

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。

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。

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。

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。

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。

実施形態の光偏向器を示す平面図である。 図１のＡ−Ａ線における断面図である。 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。 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。 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。 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。 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。 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。 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。 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。 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。 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。 図１２のＡ−Ａ線における断面図である。

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。

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。

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。

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。

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。

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。

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。

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。

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。

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。

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。

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。

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。

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。

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。

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。

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。

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。

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。

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。

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。

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。

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。

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。

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。

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。

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。

絶縁層３０，４０の材料として二酸化ケイ素（ＳｉＯ_２）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。

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。

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。

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。

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。

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。

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。

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。

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。

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。

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。

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。

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。

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。

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。

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。

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。

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。

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。

［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（ＳｉＯ_２）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。

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。

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。

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。

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。

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。

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。

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。

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。

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。

［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。

［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。

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。

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。

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。

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。

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。

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。

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。

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）

Claims (4)

1. 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。
2. 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。
3. 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。
4. 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。

Images