(57)【要約】【課題】基板層のエッチングにもかかわらず、該基板層の上に均一な膜厚の圧電膜層を形成し、かつ可動支持部の異常振動を抑制できる光偏向器の製造方法を提供する。【解決手段】ＳＯＩウェハ３０に対し、ＳｉＯ２層３５側からのエッチングによりＳｉＯ２層３５側に開口する空洞４３を外側圧電アクチュエータ１５ａの形成領域に形成し、空洞４３の露出面をＳｉＯ２層４５で被覆する。次に、ＳＯＩウェハ３０のＳｉＯ２層３５とＳＯＩウェハ５０の支持層５２とを接合して、空洞４３を封入したＳＯＩウェハ５６を製造する。次に、ＳＯＩウェハ５６の裏面側に凹部６３を形成した後、裏面側から凹部６３の深さ方向に、異方性のドライエッチングを行って、ＳｉＯ２層４５を除去する。【選択図】図５
2020204695.tif 000002
【特許請求の範囲】
【請求項１】
ミラー部と、可動支持部と、固定支持部と、前記ミラー部と前記可動支持部との間に介在し、前記ミラー部を第１回転軸の回りに共振周波数で往復回動させる第１圧電アクチュエータと、前記可動支持部と前記固定支持部との間に介在し、前記ミラー部において前記第１回転軸と交わる第２回転軸の回りに前記共振周波数より低い非共振周波数で往復回動させる第２圧電アクチュエータと、を備える光偏向器の製造方法において、
厚み方向に順番に第１ＳｉＯ２層、第１Ｓｉ及び第２ＳｉＯ２層が配置された積層構造を有する第１Ｓｉウェハの前記第２ＳｉＯ２側の面に対し、エッチング領域及び非エッチング領域を設定し、前記エッチング領域には、少なくとも前記第２圧電アクチュエータの形成領域を含ませ、前記非エッチング領域には、少なくとも前記可動支持部の形成領域を含ませ、前記第１Ｓｉウェハに対し、前記第２ＳｉＯ２側から前記エッチング領域のみのエッチングを行って、第２ＳｉＯ２側に開口する空洞を前記第１Ｓｉ層に形成する第１工程と、
前記空洞の露出面を第３ＳｉＯ２層で被覆する第２工程と、
厚み方向に第４ＳｉＯ２層と第２Ｓｉ層との積層構造を有する第２Ｓｉウェハの前記第２Ｓｉ層側の面と、前記第１Ｓｉウェハの第２ＳｉＯ２層側の面とを接合して、前記空洞が封入された第３Ｓｉウェハを作成する第３工程と、
前記第３Ｓｉウェハの前記第１ＳｉＯ２層側に全面にわたり圧電アクチュエータの積層構造層としての下側電極層、圧電膜層及び上側電極層を順番に積層する第４工程と、
前記第３Ｓｉウェハの表面側から、前記第２ＳｉＯ２層の表面側に達する深さまで、異方性ドライエッチングを行って、前記第１圧電アクチュエータ及び前記第２圧電アクチュエータを形成する第５工程と、
前記第３Ｓｉウェハの裏面側から、前記第２ＳｉＯ２層の裏面側に達する深さまで、エッチングを行って、前記固定支持部の内周壁に包囲される凹部を前記第３Ｓｉウェハの裏面側に形成する第６工程と、
前記第３Ｓｉウェハの裏面側から、前記凹部の深さ方向に異方性のドライエッチングを行って、前記第２ＳｉＯ２層及び前記第３ＳｉＯ２層を除去する第７工程と、
を有することを特徴とする製造方法。
【請求項２】
請求項１に記載の製造方法において、
前記第１工程において、前記エッチング領域に、前記ミラー部の形成領域及び前記第１圧電アクチュエータの形成領域を含ませることを特徴とする製造方法。
【請求項３】
請求項１に記載の製造方法において、
前記第１工程において、
前記エッチング領域にミラー部の形成領域を含ませ、
前記非エッチング領域に第１圧電アクチュエータの形成領域を含ませることを特徴とする製造方法。
【請求項４】
請求項１に記載の製造方法において、
前記第１工程において、
前記エッチング領域に前記第１圧電アクチュエータの形成領域を含ませ、
前記非エッチング領域に前記ミラー部の形成領域を含ませることを特徴とする製造方法。
【請求項５】
請求項１に記載の製造方法において、
前記第１工程において、
前記非エッチング領域に前記ミラー部の形成領域及び前記第１圧電アクチュエータの形成領域を含ませることを特徴とする製造方法。
【請求項６】
請求項５に記載の製造方法において、
前記第５工程の後、前記第３Ｓｉウェハの裏面側から少なくとも前記ミラー部及び前記可動支持部のリブ形成領域を除外して、エッチングして、前記ミラー部及び前記可動支持部の裏面側に、前記第２Ｓｉ層のリブを形成する第６工程を有することを特徴とする製造方法。
【請求項７】
ミラー部と、可動支持部と、前記ミラー部と前記可動支持部との間に介在して前記ミラー部を第１回転軸の回りに共振周波数で往復回動させる第１圧電アクチュエータと、前記ミラー部から前記可動支持部より離れて配置されている固定支持部と、前記可動支持部と前記固定支持部との間に介在して前記第１回転軸と交わる第２回転軸の回りに前記共振周波数より低い非共振周波数で往復回動させる第２圧電アクチュエータと、を備える光偏向器であって、
前記ミラー部、前記可動支持部、前記第１圧電アクチュエータ、及び前記第２圧電アクチュエータの共通の基板層として形成され、少なくとも前記可動支持部の裏面側は除き、少なくとも前記第２圧電アクチュエータの裏面側には空洞が形成されている第１Ｓｉ層と、
前記空洞の側面を被覆している第４ＳｉＯ２層と、
を備えることを特徴とする光偏向器。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、ＭＥＭＳ（Micro Electro Mechanical Systems）の光偏向器の製造方法及び光偏向器に関する。
【背景技術】
【０００２】
ＭＥＭＳの光偏向器が知られている（特許文献１，２）。
【０００３】
特許文献１の光偏向器は、ミラー部と、可動支持部と、固定支持部と、ミラー部と可動支持部との間に介在し、ミラー部を第１回転軸の回りに共振周波数で往復回動させる第１圧電アクチュエータと、可動枠と固定支持部との間に介在し、ミラー部において第１回転軸と交わる第２回転軸の回りに共振周波数より低い非共振周波数で往復回動させる第２圧電アクチュエータと、を備える。
【０００４】
特許文献１の光偏向器では、さらに、第１圧電アクチュエータと第２圧電アクチュエータとは、ＳＯＩ（Silicon on Insulator）の活性層を共通の基板層としている。そして、第２圧電アクチュエータの活性層の表面は、掘り下げられて、第２圧電アクチュエータの活性層の表面より低くされている。すなわち、基板層の厚みは、第２圧電アクチュエータの方が第１圧電アクチュエータより薄くされている。この結果、同一のＳＯＩから製造する光偏向器であるにもかかわらず、第１回転軸の回りのミラー部の共振周波数が増大しつつ、第２回転軸の回りのミラー部の振れ角を増大する。
【０００５】
特許文献２は、ミラー部及び圧電アクチュエータを含むＭＥＭＳの製造に使用するＳＯＩのＳｉウェハの製造方法を開示する。該製造方法によれば、Ｓｉ層としての活性層の裏面側に部位により深さの異なる複数の小幅トレンチを形成する。次に小幅トレンチ間を熱酸化して、小幅トレンチ間を連結したトレンチを形成し、該トレンチ内を含む活性層の裏面側に犠牲層を形成する。次に、活性層の犠牲層側を別のＳｉ層としての支持層の表面側に貼り合わせて、ＳＯＩが完成する。
【先行技術文献】
【特許文献】
【０００６】
【特許文献１】特開２０１７−２１１５７６号公報
【特許文献２】特開２０１７−７４６２５号公報
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【０００７】
ＭＥＭＳの光偏向器の製造方法では、圧電アクチュエータを製造するために、圧電膜層を基板層に全体にわたり形成する必要がある。その際、圧電膜層は、膜厚が均一でないと、圧電アクチュエータの品質が低下する。このため、圧電膜層は、粗さの小さい平面上に形成されなければならない。
【０００８】
特許文献１の光偏向器では、活性層を削った表面側に圧電膜層が形成される。活性層をエッチングすると、表面は、粗くなってしまう。
【０００９】
特許文献２のＳＯＩでは、活性層は、裏面側にトレンチを有するとともに、圧電膜層は、活性層においてトレンチを形成しなかった方の面に形成される。また、ミラーは、活性層において裏面側にトレンチの有る表面領域に配置されるのに対し、圧電素子は、裏面側にトレンチの無い表面領域に配置されている。
【００１０】
特許文献２のＭＥＭＳの光偏向器は、可動支持部を備えないので、１軸方式の光偏向器になっている。
【００１１】
一方、２軸方式の光偏向器は、第１圧電アクチュエータと第２圧電アクチュエータとの間に可動支持部が介在する。したがって、第１回転軸の回りのミラー部の共振周波数を増大したり、第２回転軸の回りの振れ角の増大のために、第２圧電アクチュエータの基板層を薄くしたりすると、ミラー部に対する可動支持部の支持力が低下し、可動支持部が異常振動を起こし易くなる。
【００１２】
本発明の目的は、基板層のエッチングにもかかわらず、該基板層の上に均一な膜厚の圧電膜層を形成し、かつ可動支持部の異常振動を抑制できる光偏向器の製造方法及び該製造方法により製造される光偏向器を提供することである。
【課題を解決するための手段】
【００１３】
本発明の製造方法は、
ミラー部と、可動支持部と、固定支持部と、前記ミラー部と前記可動支持部との間に介在し、前記ミラー部を第１回転軸の回りに共振周波数で往復回動させる第１圧電アクチュエータと、前記可動支持部と前記固定支持部との間に介在し、前記ミラー部において前記第１回転軸と交わる第２回転軸の回りに前記共振周波数より低い非共振周波数で往復回動させる第２圧電アクチュエータと、を備える光偏向器の製造方法において、
厚み方向に順番に第１ＳｉＯ２層、第１Ｓｉ及び第２ＳｉＯ２層が配置された積層構造を有する第１Ｓｉウェハの前記第２ＳｉＯ２側の面に対し、エッチング領域及び非エッチング領域を設定し、前記エッチング領域には、少なくとも前記第２圧電アクチュエータの形成領域を含ませ、前記非エッチング領域には、少なくとも前記可動支持部の形成領域を含ませ、前記第１Ｓｉウェハに対し、前記第２ＳｉＯ２側から前記エッチング領域のみのエッチングを行って、第２ＳｉＯ２側に開口する空洞を前記第１Ｓｉ層に形成する第１工程と、
前記空洞の露出面を第３ＳｉＯ２層で被覆する第２工程と、
厚み方向に第４ＳｉＯ２層と第２Ｓｉ層との積層構造を有する第２Ｓｉウェハの前記第２Ｓｉ層側の面と、前記第１Ｓｉウェハの第２ＳｉＯ２層側の面とを接合して、前記空洞が封入された第３Ｓｉウェハを作成する第３工程と、
前記第３Ｓｉウェハの前記第１ＳｉＯ２層側に全面にわたり圧電アクチュエータの積層構造層としての下側電極層、圧電膜層及び上側電極層を順番に積層する第４工程と、
前記第３Ｓｉウェハの表面側から、前記第２ＳｉＯ２層の表面側に達する深さまで、異方性ドライエッチングを行って、前記第１圧電アクチュエータ及び前記第２圧電アクチュエータを形成する第５工程と、
前記第３Ｓｉウェハの裏面側から、前記第２ＳｉＯ２層の裏面側に達する深さまで、エッチングを行って、前記固定支持部の内周壁に包囲される凹部を前記第３Ｓｉウェハの裏面側に形成する第６工程と、
前記第３Ｓｉウェハの裏面側から、前記凹部の深さ方向に異方性のドライエッチングを行って、前記第２ＳｉＯ２層及び前記第３ＳｉＯ２層を除去する第７工程と、
を有する。
【００１４】
本発明によれば、圧電膜層は、第３Ｓｉウェハにおいて、エッチング処理のなされない第１ＳｉＯ２層の面に形成される。この結果、均一な膜厚の圧電膜層を形成することができる。
【００１５】
本発明によれば、第３Ｓｉウェハの第１Ｓｉ層は、光偏向器の各素子に共通な基板層になる。そして、第２圧電アクチュエータの形成領域は、エッチング領域とされ、可動支持部は、非エッチング領域とされる。これにより、第２圧電アクチュエータの基板層は、薄くなって、可撓性が増大する。また、可動支持部の基板層は、厚くなって、剛性が増大する。こうして、第２回転軸の回りのミラー部の振れ角を増大しつつ、可動支持部の異常振動を抑制することができる。
【００１６】
好ましくは、本発明の製造方法において、
前記第１工程において、前記エッチング領域に、前記ミラー部の形成領域及び前記第１圧電アクチュエータの形成領域を含ませる。
【００１７】
この構成によれば、ミラー部及び第１圧電アクチュエータの重量が低下するので、ミラー部の共振に伴う可動支持部の異常振動を一層抑制することができる。
【００１８】
好ましくは、本発明の製造方法において、
前記第１工程において、
前記エッチング領域にミラー部の形成領域を含ませ、
前記非エッチング領域に第１圧電アクチュエータの形成領域を含ませる。
【００１９】
この構成によれば、第１回転軸の回りのミラー部の振れ角を増大することができる。
【００２０】
好ましくは、本発明の製造方法において、
前記第１工程において、
前記エッチング領域に前記第１圧電アクチュエータの形成領域を含ませ、
前記非エッチング領域に前記ミラー部の形成領域を含ませる。
【００２１】
この構成によれば、ミラー部の厚みが増大するので、ミラー部の鏡面の歪みを抑制することができる。
【００２２】
好ましくは、本発明の製造方法において、
前記第１工程において、
前記非エッチング領域に前記ミラー部の形成領域及び前記第１圧電アクチュエータの形成領域を含ませる。
【００２３】
この構成によれば、ミラー部の剛性を高めて、ミラー部の歪みを抑制することができる。また、第１圧電アクチュエータの剛性を高めて、第１回転軸の回りのミラー部の共振周波数を増大させることができる。
【００２４】
好ましくは、本発明の製造方法において、
前記第５工程の後、前記第３Ｓｉウェハの裏面側から少なくとも前記ミラー部及び前記可動支持部のリブ形成領域を除外して、エッチングして、前記ミラー部及び前記可動支持部の裏面側に、前記第２Ｓｉ層のリブを形成する第６工程を有する。
【００２５】
この構成によれば、ミラー部及び可動支持部の裏面側に、第２Ｓｉ層のリブが形成される。これにより、ミラー部の歪みを抑制しつつ、可動支持部の異常振動を抑制することができる。
【００２６】
本発明の光偏向器は、
ミラー部と、可動支持部と、前記ミラー部と前記可動支持部との間に介在して前記ミラー部を第１回転軸の回りに共振周波数で往復回動させる第１圧電アクチュエータと、前記ミラー部から前記可動支持部より離れて配置されている固定支持部と、前記可動支持部と前記固定支持部との間に介在して前記第１回転軸と交わる第２回転軸の回りに前記共振周波数より低い非共振周波数で往復回動させる第２圧電アクチュエータと、を備える光偏向器であって、
前記ミラー部、前記可動支持部、前記第１圧電アクチュエータ、及び前記第２圧電アクチュエータの共通の基板層として形成され、少なくとも前記可動支持部の裏面側は除き、少なくとも前記第２圧電アクチュエータの裏面側には空洞が形成されている第１Ｓｉ層と、
前記空洞の側面を被覆している第４ＳｉＯ２層と、
を備える。
【００２７】
本発明の光偏向器によれば、ミラー部、可動支持部、第１圧電アクチュエータ、及び第２圧電アクチュエータの共通の基板層として第１Ｓｉ層が形成され、該第１Ｓｉ層は、少なくとも可動支持部の裏面側は除き、少なくとも第２圧電アクチュエータの裏面側には空洞を有する。そして、空洞の側面は、第４ＳｉＯ２層により被覆されている。該第４ＳｉＯ２層は、光偏向器を、空洞封入型のＳｉウェハから製造した証拠になる。
【図面の簡単な説明】
【００２８】
【図１】光偏向器の正面図。
【図２Ａ】ＳＯＩの膜厚と水平軸方向の共振周波数及び垂直軸方向の振れ角との関係を示す図。
【図２Ｂ】ＳＯＩの膜厚と水平軸方向の共振周波数との関係を調べた実験のグラフ。
【図２Ｃ】ＳＯＩの膜厚をパラメータにして外側圧電アクチュエータの駆動電圧と機械半角とを調べた実験のグラフ。
【図３】ミラー部の各種の異常振動を調べたシミュレーションで調べた応力分布図。
【図４】ミラー部に対する可動枠部の慣性モーメント比と、回転軸Ａｙの回りの可動枠部のねじれ角との関係を調べたグラフ。
【図５】光偏向器の製造方法を示す図。
【図６】図５の工程を経て完成した光偏向器の断面図。
【図７】光偏向器の第１実施例の断面図。
【図８】光偏向器の第２実施例の断面図。
【図９】光偏向器の第３実施例の断面図。
【図１０】光偏向器の第４実施例の断面図。
【図１１】光偏向器の第５実施例の断面図。
【発明を実施するための形態】
【００２９】
以下に、本発明の好適な実施形態を詳細に説明する。以下の説明において、実質的に同一又は等価な要素及び部分については、共通の参照符号を使用している。また、同一の構成を有する対又は群の要素については、数字が同一で、添字のアルファベットのみが異なる参照符号を使用している。さらに、対又は組を構成する要素を総称するときは、添え字の部分を省略した参照符号を使用する。
【００３０】
［光偏向器（全体）］
図１は、光偏向器１０の正面図である。光偏向器１０は、ＭＥＭＳ（Micro Electro Mechanical Systems）としてＳＯＩ（Silicon on Insulator）から製造される。光偏向器１０は、主要要素としてミラー部１１、トーションバー１２ａ，１２ｂ、内側圧電アクチュエータ１３ａ，１３ｂ、可動枠部１４、外側圧電アクチュエータ１５ａ，１５ｂ、及び固定枠部１６を備えている。
【００３１】
光偏向器１０の構成の説明の便宜のために、Ｘ軸、Ｙ軸及びＺ軸の３軸直交座標系を定義する。Ｘ軸及びＹ軸は、正面視で矩形である固定枠部１６の長辺及び短辺の延在方向に平行な方向として定義する。Ｚ軸は、光偏向器１０の厚みの方向に平行な方向として定義する。
【００３２】
Ｏは、ミラー部１１の中心である。中心Ｏは、光偏向器１０の中心でもある。不図示の光源からのレーザ光等の光は、ミラー部１１の中心Ｏに入射する。
【００３３】
回転軸Ａｘ及び回転軸Ａｙは、ミラー部１１の２つの回転軸としてミラー部１１の中心Ｏで直交する。ミラー部１１が、正面を向いているとき、回転軸Ａｘ及び回転軸Ａｙは、Ｘ軸及びＹ軸に平行になる。
【００３４】
ミラー部１１は、光偏向器１０の中心に位置する。トーションバー１２ａ，１２ｂは、Ｙ軸方向にミラー部１１の両側から回転軸Ａｙに沿って伸び出ている。
【００３５】
内側圧電アクチュエータ１３ａ，１３ｂは、Ｘ軸方向にミラー部１１の両側に配置され、Ｙ軸方向の各端においてトーションバー１２ａ，１２ｂの中間部に結合する。内側圧電アクチュエータ１３ａ，１３ｂは、Ｙ軸方向の両端部において相互に結合し、対の全体でＹ軸方向に長い楕円環を構成し、ミラー部１１を包囲する。
【００３６】
可動枠部１４は、Ｙ軸方向に縦長の楕円環の形状を有し、内側圧電アクチュエータ１３ａ，１３ｂの楕円環を包囲している。各トーションバー１２は、ミラー部１１とは反対側の端において可動枠部１４の内周に結合している。各トーションバー１２は、Ｙ軸方向の中間部の外周縁部において、可動枠部１４の内周に結合している。
【００３７】
外側圧電アクチュエータ１５ａ，１５ｂは、Ｘ軸方向にミラー部１１の両側に配置されている。各外側圧電アクチュエータ１５は、両端部において可動枠部１４の外周と固定枠部１６の内周とに結合している。
【００３８】
内側圧電アクチュエータ１３と可動枠部１４との結合部、可動枠部１４と外側圧電アクチュエータ１５との結合部、及び外側圧電アクチュエータ１５と固定枠部１６との結合部は、ミラー部１１が正面を向いているとき、中心Ｏを通り、かつＸ軸に平行な直線上に一列に並ぶ。円形のミラー部１１の直径を増大するために、内側圧電アクチュエータ１３は、該直線上の内周側において円弧状の凹部を有している。
【００３９】
各外側圧電アクチュエータ１５は、ミアンダパターンで結合した複数の圧電カンチレバー２１を有している。圧電カンチレバー２１の幅は、固定枠部１６に近いものほど広くなっている。これにより、固定枠部１６に近い圧電カンチレバー２１ほど、変形力が強く、可動枠部１４に近い圧電カンチレバー２１ほど、可撓性が高くなる。
【００４０】
内側圧電アクチュエータ１３及び外側圧電アクチュエータ１５は、不図示の駆動装置から駆動電圧の供給を受ける。内側圧電アクチュエータ１３は、トーションバー１２と可動枠部１４との間に介在し、トーションバー１２を回転軸Ａｙの回りに共振周波数でねじり振動させる。これにより、ミラー部１１は、回転軸Ａｙの周りに共振周波数Ｆｙで往復回動する。
【００４１】
各外側圧電アクチュエータ１５が有する複数の圧電カンチレバー２１について、固定枠部１６側から可動枠部１４側に順番に、１番、２番、・・・と番号を付けたと仮定する。この場合、奇数番の圧電カンチレバー２１と偶数番の圧電カンチレバー２１とは、ピークツーピークが同一で、位相が反対の駆動電圧を不図示の駆動装置から受ける。この結果、奇数番の圧電カンチレバー２１と偶数番の圧電カンチレバー２１とは、逆位相で湾曲する。
【００４２】
こうして、外側圧電アクチュエータ１５は、各圧電カンチレバー２１の湾曲が加算されて、固定枠部１６側の基端部に対する可動枠部１４側の先端部の回転量が増大する。この結果、外側圧電アクチュエータ１５は、先端側の増大した回転量で可動枠部１４をＸ軸に平行な回転軸の回りに非共振周波Ｆｘで往復回動する。これにより、ミラー部１１は、回転軸Ａｘの回りに非共振周波Ｆｘで往復回動する。なお、非共振周波Ｆｘ＜共振周波数Ｆｙである。
【００４３】
［基板層］
図２Ａは、ＳＯＩの膜厚と水平軸方向の共振周波数及び垂直軸方向の振れ角との関係を示している。図２Ａ〜図２Ｃにおいて、ＳＯＩの膜厚とは、光偏向器１０の基板層としての活性層３４（図６等）の厚みを指す。水平軸方向（Ｘ軸方向）の共振とは、回転軸Ａｙの回りのミラー部１１の往復回動をいう。垂直方向（Ｙ軸方向）の振れ角とは、回転軸Ａｘの回りのミラー部１１の回動角をいう。
【００４４】
図２Ａから、水平軸方向の共振周波数と垂直軸方向の振れ角とは、ＳＯＩの膜厚の設定時にトレードオフの関係にあることが理解できる。
【００４５】
図２Ｂは、ＳＯＩの膜厚と水平軸方向の共振周波数との関係を調べた実験のグラフである。図２Ｂから、ＳＯＩの膜厚の増大に連れて水平軸方向の共振周波数が増大することが理解できる。
【００４６】
図２Ｃは、ＳＯＩの膜厚をパラメータにして外側圧電アクチュエータ１５の駆動電圧と機械半角とを調べた実験のグラフである。機械半角とは、ミラー部１１に各駆動電圧を供給して回転軸Ａｘの回りに往復回動させたとき、トーションバー１２の切損等の損傷を起すことなく、ミラー部１１の正面に対して各側に振れることができる最大回動角を指す。
【００４７】
図２Ｃから、駆動電圧の増大に連れて、また、ＳＯＩの膜厚の減少に連れて、機械半角が増大することが理解できる。
【００４８】
［異常振動］
図３は、ミラー部１１の各種の異常振動をシミュレーションで調べた応力分布図である。図３において、白っぽい場所ほど、応力が高いことを示している。
【００４９】
（ａ）では、内側圧電アクチュエータ１３がトーションバー１２をねじり振動するモードに異常が生じている。（ｂ）は、ねじり振動モードの異常時のミラー部１１付近を拡大して示している。可動枠部１４が、ねじり振動モードの異常時では、正面視で傾いている。
【００５０】
可動枠部１４は、共振周波数Ｆｙの増大に連れて共振振動から受ける影響力が高まる。この結果、可動枠部１４は、それに耐え切れなくなり、異常振動を引き起こす。
【００５１】
（ａ）及び（ｂ）のような異常振動の対策として、可動枠部１４の剛性を高めたり、図４で説明するモーメント比を高くすることが考えられる。
【００５２】
（ｃ）及び（ｄ）は、外側圧電アクチュエータ１５の異常振動を示している。（ｃ）では、外側圧電アクチュエータ１５ａ，１５ｂがＹ軸方向の＋側に並進し、固定枠部１６と衝突している。（ｄ）では、各外側圧電アクチュエータ１５の圧電カンチレバー２１が、正面視で傾斜している。
【００５３】
（ｃ）及び（ｄ）のような異常振動は、回転軸Ａｘの回りの振れ角を増大するために、圧電カンチレバー２１を薄くすると、圧電カンチレバー２１の剛性が低下し、外側圧電アクチュエータ１５による回転軸Ａｘに平行な回転軸の回りの往復回動力が、可動枠部１４に伝達し難くなったことが原因の１つと考えられる。
【００５４】
（ｃ）及び（ｄ）の異常振動の対策としては、可動枠部１４の内周側の可動素子（ミラー部１１、トーションバー１２及び内側圧電アクチュエータ１３）を軽量化することが考えられる。
【００５５】
［慣性モーメント比］
図４は、ミラー部１１の慣性モーメントＩＭに対する可動枠部１４の慣性モーメントＩｉの比と、回転軸Ａｙの回りの可動枠部１４のねじれ角との関係を調べたグラフである。ミラー部１１及び可動枠部１４の慣性モーメントＩＭ，Ｉｉは、それぞれ次の（１）及び（２）の式で表される。
（１）：ＩＭ＝ｍＭｒ２Ｍ
（２）：Ｉｉ＝ｍｉｒ２ｉ
上記式において、添え字のＭ，ｉは、それぞれミラー部１１（Ｍｉｒｒｏｒ）及び可動枠部１４（inner frame）を意味する。ｍは、質量を意味する。ｒは、回転軸Ａｙからの距離である。
【００５６】
図４の横軸の慣性モーメント比は、Ｉｉ／ＩＭを指す。一方、回転軸Ａｙの回りのミラー部１１の往復回動に起因する反作用が可動枠部１４に生じるために、可動枠部１４は、回転軸Ａｙの回りにミラー部１１とは逆向きに往復回動する。縦軸のねじれ角は、このときのミラー部１１の回動角に対する可動枠部１４の回動角の差の割合である。ねじれ角＝０は、反作用無しのときと同一のねじれ角を維持したことを意味する。
【００５７】
図４から、慣性モーメント比Ｉｉ／ＩＭを増大するほど、可動枠部１４のねじれ角が０に近づくことが分かる。ねじれ角が大きいときほど、図３の（ａ）及び（ｂ）のねじれ振動モードの異常振動が増大する。
【００５８】
［製造方法］
図５は、光偏向器１０の製造方法を示す図である。製造方法を工程の順番に説明する。
【００５９】
ＳＴＥＰ１では、ＳＯＩウェハ３０が用意される。ＳＯＩウェハ３０は、積層方向（=厚み方向）に下（裏面）から上（表面）に順番に、ＳｉＯ２（二酸化ケイ素）層３１、支持層３２、ＳｉＯ２層３３、活性層３４及びＳｉＯ２層３５を有している。支持層３２及び活性層３４は、Ｓｉ（ケイ素）から成るＳｉ層である。
【００６０】
ＳＴＥＰ１では、また、ＳＯＩウェハ３０の表面に非エッチング領域４０及びエッチング領域４１が設定される。非エッチング領域４０は、少なくとも可動枠部１４の形成領域を含む。エッチング領域４１は、少なくとも、外側圧電アクチュエータ１５の形成領域を含む。
【００６１】
ＳＴＥＰ２では、ＳＯＩウェハ３０のエッチング領域４１に対して表面側からエッチングが行われる。これにより、ＳＯＩウェハ３０の表面に複数の空洞４３が形成される。この空洞４３は、底面が平坦な平面になっており、どの空洞４３も、深さが等しくなっており、かつＳｉＯ２層３５側に開口する。
【００６２】
ＳＴＥＰ３では、ＳＯＩウェハ３０を高温雰囲気に所定時間さらして、空洞４３の露出面にＳｉＯ２層４５を形成する。この結果、ＳＯＩウェハ３０の表面側は、非エッチング領域４０においてＳｉＯ２層３５により被覆され、空洞４３の底面及び側面においてＳｉＯ２層４５により被覆される。ＳｉＯ２層３５とＳｉＯ２層４５とにより、ＳＯＩウェハ３０の表面は、連続したＳｉＯ２層が被覆されることになる。
【００６３】
ＳＴＥＰ４では、ＳＯＩウェハ３０が裏返しされるとともに、ＳＯＩウェハ５０が用意される。ＳＯＩウェハ３０は、裏返しによりＳｉＯ２層３１が表面となり、ＳｉＯ２層３５が裏面になる。ＳＯＩウェハ５０は、ＳｉＯ２層５１と支持層５２とを有する。さらに、ＳＯＩウェハ３０のＳｉＯ２層３５とＳＯＩウェハ５０の支持層５２とが合わせられる。
【００６４】
ＳＯＩウェハ５０は、ボックス層としてのＳｉＯ２層の両側にＳｉ層としての支持層と活性層とを備えるＳＯＩウェハからボックス層及び活性層を除去して、製造されてもよい。その場合、残った支持層とその下のＳｉＯ２層とがそれぞれ支持層５２及びＳｉＯ２層５１となる。
【００６５】
ＳＴＥＰ５では、ＳＴＥＰ４のＳＯＩウェハ３０のＳｉＯ２層３５とＳＯＩウェハ５０の支持層５２とを合わせた状態で高温雰囲気下でＳＯＩウェハ３０とＳＯＩウェハ５０とを接合する。これにより、ＳＯＩウェハ５６が製造される。
【００６６】
ＳＴＥＰ５の高温雰囲気のガスは、例えば、（ａ）水素、（ｂ）Ａｒ（アルゴン）又は（ｃ）水素とＡｒとの混合ガスである。また、高温雰囲気の保持温度は、９００℃以上でかつ１２００℃以下である。ＳＯＩウェハ３０とＳＯＩウェハ５０との接合後、接合体の表面側のＳｉＯ２層３１及び支持層３２が除去されて、ＳＯＩウェハ５６が完成する。
【００６７】
空洞４３は、ＳＯＩウェハ５６の内部に封入された状態になる。ＳＯＩウェハ５６において、表面がＳｉＯ２層３３となり、裏面がＳｉＯ２層５１となる。ＳＯＩウェハ５６の積層構造は、裏面側から表面側に厚み方向にＳｉＯ２層５１、支持層５２、ＳｉＯ２層３５、活性層３４及びＳｉＯ２層３３の順に並ぶ。
【００６８】
ＳＴＥＰ６では、ＳＴＥＰ５におけるＳＯＩウェハ５６の表面としてのＳｉＯ２層３３の表面に圧電アクチュエータの上部構造層５８を形成する。上部構造層５８は、ＳｉＯ２層３３の表面から上に向かって順番に下側電極層５８ａ、ＰＺＴ（Ｐｂ（Ｚｒ・Ｔｉ）Ｏ３層５８ｂ及び上側電極層５８ｃを少なくとも含む。
【００６９】
空洞４３の底面は、エッチングにより形成されるのに対し、ＳｉＯ２層３３は、ＳＯＩウェハ３０に最初から含まれているものである。したがって、未加工の上部構造層５８は、凹凸のほとんどない平坦な、換言すると、表面粗さの無視できるＳｉＯ２層３３の表面に形成されることになる。この結果、上部構造層５８に含まれる各層は、ＳｉＯ２層３３の全面にわたり均一な膜厚となる。
【００７０】
ＳＴＥＰ７では、ＳＯＩウェハ５６に対し、ＳｉＯ２層３５をストップ層にして、ＳｉＯ２層３５の表面に達する深さで上部構造層５８の側からエッチングを行う。これにより、光偏向器１０の可動素子（固定枠部１６の内周側の素子は、全て可動素子である。）が製造される。ただし、ＳｉＯ２層３５がなお残存しているので、可動素子は、ＳｉＯ２層３５により結合されて、変位を拘束されている。
【００７１】
ＳＴＥＰ７からＳＴＥＰ８に行く途中の工程（不図示）において、電極パッド６９（図６）、層間膜８０、配線層８１及び絶縁層８２（図７）を完成させる。こうして、光偏向器１０の上部構造は、次のＳＴＥＰ８の前にすべて完成する。
【００７２】
ＳＴＥＰ８では、可動素子が埋設状態になるように、ワックス層６１がＳＯＩウェハ５６の表面に形成される。さらに、プレート６２がワックス層６１の表面に固着される。ワックス層６１及びプレート６２は、ＳＯＩウェハ５６の裏面側をエッチングするときに、可動素子を固定して、損傷から保護する。
【００７３】
ＳＴＥＰ８では、ワックス層６１及びプレート６２を付加した後、さらに、ＳＯＩウェハ５６に対する裏面側からのエッチングにより凹部６３を形成する。凹部６３は、光偏向器１０の完成後、光偏向器１０を作動させた時に、可動素子が裏面側に変位するときの変位許容空間として固定枠部１６の内周側に形成される。なお、凹部６３は、支持層５２を貫通している。
【００７４】
凹部６３を形成するためのエッチングは、凹部６３の深さが深いため、異方性エッチングの方が等方性エッチングより好ましい。また、ドライ及びウェットのいずれのエッチングであってもよい。なぜなら、可動素子は、ワックス層６１内に完全に埋設されているので、可動素子は、濡れることがないからである。
【００７５】
［痕跡］
図６は、図５の工程を経て完成した光偏向器１０の断面図である。図５のＳＴＥＰ８と図６との間には、凹部６３に露出するＳｉＯ２層３５及びＳｉＯ２層４５のエッチング処工程と、それに続くワックス層６１の除去工程とが含まれる。
【００７６】
ＳｉＯ２層３５及びＳｉＯ２層４５のエッチング工程では、凹部６３に露出するＳｉＯ２層３５及びＳｉＯ２層４５が、場所に関係なく一律に活性層３４の厚み方向に、空洞４３の底面におけるＳｉＯ２層４５の厚み分だけ削られる。これにより、凹部６３の露出面のうち層面がＳＯＩウェハ５６の裏面に平行であるＳｉＯ２層の全部（ＳｉＯ２層３５の露出面の全部と、ＳｉＯ２層４５のうち、空洞４３の底面を被覆しているＳｉＯ２層４５）は、除去される。
【００７７】
一方、凹部６３の露出面のうち層面がＳＯＩウェハ５６の深さ方向に平行であるＳｉＯ２層としての空洞４３の側面のＳｉＯ２層４５は、深さ方向に十分な長さを有する。この結果、全部を除去されることなく、ＳＯＩウェハ５６の裏面側の一部のみを削られるだけで、該エッチング工程後も、空洞４３の側面のＳｉＯ２層４５（位置Ｐ１のＳｉＯ２層４５）の残部は、痕跡７２として残る。
【００７８】
該エッチング工程後、可動素子は、ＳｉＯ２層４５による相互の結合を解除される。また、痕跡７２は、空洞４３付きＳＯＩウェハ５６で光偏向器１０を製造した証拠になる。なぜなら、もし空洞４３付きＳＯＩウェハ５６でなく、空洞４３無しのＳＯＩウェハから、外側圧電アクチュエータ１５の領域の基板層としての活性層３４を薄くするために、活性層３４の裏面側に形成した凹部をＳｉＯ２で被膜することがないからである。
【００７９】
［実施例／共通点］
図７〜図１１は、光偏向器１０の種々の実施例としての光偏向器１０ａ〜１０ｅの断面図である。なお、光偏向器１０の主要部は、正面視で左右対称の構成となっているので、これら断面図は、光偏向器１０の中心線Ｃｅに対して左半部の断面のみを示している。また、ＳｉＯ２層３３，３５、ＳｉＯ２層４５，５１等のＳｉＯ２層は、薄いので、図示を省略している。ただし、図１１のみは、ＳｉＯ２層３５を省略することなく、図示している。理由は、後述する。
【００８０】
図７〜図１１において、８０は層間膜、８１は配線層、８２は絶縁層、８４は、ミラー部１１の反射面を構成する例えば金属膜から成る反射層である。いずれも、圧電式の光偏向器１０において周知の素子である。空洞４３について、可動枠部１４より内側（中心Ｏ側）の空洞４３は、空洞４３ｉで示し、可動枠部１４より外側（中心Ｏとは反対側）の空洞４３は、空洞４３ｏで示す。当然のことながら、空洞４３ｉ，空洞４３ｏは、エッチング領域４１（図５／ＳＴＥＰ１）に属する。
【００８１】
なお、図７〜図１１において、トーションバー１２の図示が省略されている。しかしながら、活性層３４におけるトーションバー１２の厚みは、いずれの実施例においてもミラー部１１の厚みと等しくされている。
【００８２】
光偏向器１０ａ〜１０ｅは、次の共通の特徴を有する。
（ａ）可動枠部１４は、非エッチング領域４０に属していること。これにより、前述の慣性モーメント比としてのＩｉ／ＩＭが増大して、図３で説明した異常振動が抑制される。
（ｂ）外側圧電アクチュエータ１５は、エッチング領域４１に属し、活性層３４の裏面側に空洞４３を有していること。これにより、圧電カンチレバー２１の可撓性が増大し、回転軸Ａｘの回りのミラー部１１の振れ角が増大する。
【００８３】
［実施例１］
図７の光偏向器１０ａでは、可動素子のうち可動枠部１４の形成領域のみが非エッチング領域４０に設定されている。この結果、活性層３４において、ミラー部１１及びトーションバー１２の裏面側には、空洞４３ｉが形成され、外側圧電アクチュエータ１５の裏面側には空洞４３ｏが形成される。
【００８４】
光偏向器１０ａでは。ミラー部１１が軽量となるので、慣性モーメント比としてのＩｉ／ＩＭが一層増大し、異常振動の抑制効果が高まる。
【００８５】
［実施例２］
図８の光偏向器１０ｂでは、可動素子のうち内側圧電アクチュエータ１３及び可動枠部１４の形成領域が非エッチング領域４０に設定されている。この結果、活性層３４において、ミラー部１１の裏面側には、空洞４３ｉが形成され、外側圧電アクチュエータ１５の裏面側には空洞４３ｏが形成される。
【００８６】
これにより、光偏向器１０ａでは、回転軸Ａｘの回りの光偏向器１０の振れ角が増大する。また、ミラー部１１が軽量となっている分、Ｉｉ／ＩＭがさらに増大して、異常振動の抑制効果が高まる。
【００８７】
［実施例３］
図９の光偏向器１０ｃでは、可動素子のうちミラー部１１と可動枠部１４との形成領域が非エッチング領域４０に設定されている。この結果、活性層３４において、内側圧電アクチュエータ１３の裏面側には空洞４３ｉが形成され、外側圧電アクチュエータ１５の裏面側には空洞４３ｏが形成される。
【００８８】
光偏向器１０ｃでは、４つの内側圧電アクチュエータ１３が軽量となっている分、可動枠部１４の剛性が相対的に高まり、図３の（ｃ）及び（ｄ）の異常振動の抑制効果が高まる。
【００８９】
［実施例４］
図１０の光偏向器１０ｄでは、可動素子のうちミラー部１１、トーションバー１２及び可動枠部１４の形成領域が非エッチング領域４０に設定されている。この結果、回転軸Ａｙの回りの共振周波数Ｆｙが一層増大する。
【００９０】
［実施例５］
図１１の光偏向器１０ｅでは、図９の光偏向器１０ｃに対し、ミラー部１１及び可動枠部１４の裏面にリブ９１，９２がそれぞれ追加されている。リブ９１は、ＳｉＯ２層３５を介してミラー部１１及び可動枠部１４の裏面に結合している。すなわち、リブ９１，９２は、凹部６３の形成の際、支持層５２からエッチングしない部分として残すことにより、形成されている。
【００９１】
リブ９１は、ミラー部１１の剛性を増大させる。この結果、往復回動中のミラー部１１の鏡面のゆがみが防止される。リブ９２は、可動枠部１４の剛性を一層増大させる。これにより、図３の（ａ）及び（ｂ）で説明したミラー部１１の異常振動に対する防止効果が高まる。
【００９２】
［変形例及び補足］
ＳＯＩウェハは、Ｓｉウェハでもある。したがって、本発明の第１Ｓｉウェハは、ＳＯＩウェハを含む。実施形態では、ＳＯＩウェハ５６は、２つのＳＯＩウェハ（ＳＯＩウェハ３０，５０）から製造されている。本発明の第３Ｓｉウェハを製造する第１Ｓｉウェハ及び第２Ｓｉウェハは、共に、又は少なくと一方をベアシリコンにしてもよい。
【００９３】
本発明の第１ＳｉＯ２層、第２Ｓｉ層及び第３ＳｉＯ２層は、実施形態のＳｉＯ２層３３、活性層３４及びＳｉＯ２層３５に対応する。本発明の第３ＳｉＯ２層は、ＳｉＯ２層４５に対応する。本発明の第４ＳｉＯ２層及び第２Ｓｉ層は、それぞれＳｉＯ２層５１及び支持層５２に対応する。
【００９４】
実施形態では、上部構造層５８がＰＺＴ層５８ｂを含んでいる。本発明の圧電アクチュエータの積層構造層に含まれる圧電膜層は、ＰＺＴ以外の材料とすることもできる。
【００９５】
本発明の可動支持部及び固定支持部は、それぞれ実施形態の可動枠部１４及び固定枠部１６に対応する。本発明の可動支持部及び固定支持部は、枠形状でなくてもよい。
【００９６】
実施形態では、第１回転軸としての回転軸Ａｙと、第２回転軸としての回転軸Ａｘとが直交している。本発明の第１回転軸及び第２回転軸は、交わっていれば、直交していなくてもよい。
【００９７】
実施形態のトーションバー１２及び外側圧電アクチュエータ１５は、それぞれ本発明の第１圧電アクチュエータ及び第２圧電アクチュエータに相当する。本発明の第１圧電アクチュエータは、半楕円環の形状を有していなくてもよい、直線形状のカンチレバーであってもよい。本発明の第２圧電アクチュエータは、複数の圧電カンチレバー２１がミアンダパターンで連結された構成に限定されない。
【符号の説明】
【００９８】
１０・・・光偏向器、１１・・・ミラー部、１２・・・内側圧電アクチュエータ（第１圧電アクチュエータ）、１４・・・可動枠部（可動支持部）、１５・・・外側圧電アクチュエータ、１６・・・固定枠部（固定支持部）、３０・・・ＳＯＩウェハ３０（第１Ｓｉウェハ）、３３・・・ＳｉＯ２層（第１ＳｉＯ２層）、３４・・・活性層（第１Ｓｉ層）、３５・・・ＳｉＯ２層（第２ＳｉＯ２層）、４０・・・非エッチング領域、４１・・・エッチング領域、４３・・・空洞、４５・・・ＳｉＯ２層（第３ＳｉＯ２層）、５０・・・５０（第２Ｓｉウェハ）、５１・・・ＳｉＯ２層（第４ＳｉＯ２層）、５２・・・支持層（第２Ｓｉ層）、５６・・・ＳＯＩウェハ（第３Ｓｉウェハ）、５８ａ・・・下側電極層、５８ｂ・・・ＰＺＴ層、５８ｃ・・・上側電極層、６３・・・凹部６３、７２・・・痕跡、９０，９１・・・リブ。
【図１】
2020204695.tif 000003
【図２Ａ】
2020204695.tif 000004
【図２Ｂ】
2020204695.tif 000005
【図２Ｃ】
2020204695.tif 000006
【図３】
2020204695.tif 000007
【図４】
2020204695.tif 000008
【図５】
2020204695.tif 000009
【図６】
2020204695.tif 000010
【図７】
2020204695.tif 000011
【図８】
2020204695.tif 000012
【図９】
2020204695.tif 000013
【図１０】
2020204695.tif 000014
【図１１】
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