(57)【要約】【課題】耐久性がより向上した光偏向素子及び当該光偏向素子の製造方法を提供する。【解決手段】ベース１上に形成されたフレーム２と、フレーム２から内側に延出し、シリコン薄膜により形成されたトーションバー部４と、トーションバー部４によって回動可能に支持されるミラー部５と、ミラー部５の反射面及び外部電極との接続部２１以外の部分であり、少なくともトーションバー部４を含む部分を被覆する被覆部７と、を備え、被覆部７は、トーションバー部４を形成する材質よりもヤング率の低い素材から形成されているＭＥＭＳ光スキャナ。【選択図】図１
2015118200.tif 000002
【特許請求の範囲】
【請求項１】
ベース上に形成された枠部と、
前記枠部から内側に延出し、シリコン薄膜により形成されたトーションバー部と、
前記トーションバー部によって回動可能に支持されるミラー部と、
前記ミラー部の反射面及び外部電極との接続部以外の部分であり、少なくとも前記トーションバー部を含む部分を被覆する被覆部と、
を備え、
前記被覆部は、前記トーションバー部を形成する材質よりもヤング率の低い素材から形成されている、光偏向素子。
【請求項２】
前記被覆部は、ポリイミドからなる、請求項１に記載の光偏向素子。
【請求項３】
シリコン支持層上に、絶縁膜、シリコン薄膜、第１の電極膜、圧電膜、第２の電極膜が形成された基板に対して、第１のレジストパターンを形成した後、ウェットエッチングを行うことにより駆動部を形成し、
前記絶縁膜、前記シリコン薄膜、及び前記駆動部が形成された前記基板上に、第２のレジストパターンを形成した後、ドライエッチングを行うことにより、枠部、トーションバー部、ミラー部を形成し、
前記駆動部、前記枠部、前記トーションバー部、前記ミラー部が形成された前記基板に、少なくとも前記ミラー部の反射面及び外部電極との接続部を覆うマスクを形成した後、前記トーションバー部を形成する材質よりもヤング率の低い素材からなる保護膜を成膜することにより、被覆部を形成する、光偏向素子の製造方法。
【請求項４】
前記保護膜は、ポリイミド膜である、請求項３に記載の光偏向素子の製造方法。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は光偏向素子及び光偏向素子の製造方法に関する。
【背景技術】
【０００２】
光学機器に用いられる走査装置、光ディスクのトラッキング制御装置に用いられる光偏向装置、レーザ光を走査して映像を投影する表示装置等において、光偏向素子が使用されている。
また、近年、光偏向素子として、ＭＥＭＳ（Micro Electro Mechanical System）光スキャナが開発されている。
ＭＥＭＳ光スキャナの一例として、例えば、特許文献１には、ミラーと、トーションバーと、圧電素子を備える駆動源と、を備えるものが記載されている。また、特許文献１には、圧電素子が発生させる微小振動によってトーションバーが変形することにより、ミラーを回動させることが記載されている。
【０００３】
また、特許文献２には、金属からなるトーションバーにシリコン又はシリコン化合物からなる保護膜を設けて、繰り返し変形するトーションバーの耐久性を向上させることが記載されている。
【先行技術文献】
【特許文献】
【０００４】
【特許文献１】特開２００５−１４８４５９号公報
【特許文献２】特開２００１−００１３００号公報
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【０００５】
しかしながら、特許文献２に記載されている保護膜は、トーションバーよりもヤング率が高いため、トーションバーよりも応力に対して変形しにくい。そのため、長期に亘る使用において保護膜に亀裂が生じたり、保護膜が剥離したりする可能性が高く、保護機能が低下してしまう場合がある。
【０００６】
本発明は、耐久性がより向上した光偏向素子及び当該光偏向素子の製造方法を提供することを目的とする。
【課題を解決するための手段】
【０００７】
そこで、本発明は、
ベース上に形成された枠部と、
前記枠部から内側に延出し、シリコン薄膜により形成されたトーションバー部と、
前記トーションバー部によって回動可能に支持されるミラー部と、
前記ミラー部の反射面及び外部電極との接続部以外の部分であり、少なくとも前記トーションバー部を含む部分を被覆する被覆部と、
を備え、
前記被覆部は、前記トーションバー部を形成する材質よりもヤング率の低い素材から形成されている、光偏向素子を提供する。
【０００８】
また、本発明は、
シリコン支持層上に、絶縁膜、シリコン薄膜、第１の電極膜、圧電膜、第２の電極膜が形成された基板に対して、第１のレジストパターンを形成した後、ウェットエッチングを行うことにより駆動部を形成し、
前記絶縁膜、前記シリコン薄膜、及び前記駆動部が形成された前記基板上に、第２のレジストパターンを形成した後、ドライエッチングを行うことにより、枠部、トーションバー部、ミラー部を形成し、
前記駆動部、前記枠部、前記トーションバー部、前記ミラー部が形成された前記基板に、少なくとも前記ミラー部の反射面及び外部電極との接続部を覆うマスクを形成した後、前記トーションバー部を形成する材質よりもヤング率の低い素材からなる保護膜を成膜することにより、被覆部を形成する、光偏向素子の製造方法を提供する。
【発明の効果】
【０００９】
本発明により、耐久性がより向上した光偏向素子及び当該光偏向素子の製造方法を提供することができる。
【図面の簡単な説明】
【００１０】
【図１】実施の形態１にかかるＭＥＭＳ光スキャナを示す平面図である。
【図２】図１のＩＩ−ＩＩ矢視断面図である。
【図３】図１のＩＩＩ−ＩＩＩ矢視断面図である。
【図４】実施の形態１にかかるＭＥＭＳ光スキャナの製造方法を説明する断面図である。
【図５】実施の形態１にかかるＭＥＭＳ光スキャナの製造方法を説明する断面図である。
【図６】実施の形態１にかかるＭＥＭＳ光スキャナの製造方法を説明する断面図である。
【図７】実施の形態１にかかるＭＥＭＳ光スキャナの製造方法を説明する断面図である。
【図８】実施の形態１にかかるＭＥＭＳ光スキャナの製造方法を説明する断面図である。
【発明を実施するための形態】
【００１１】
実施の形態１．
以下、図面を参照して本発明の実施の形態について説明する。本実施の形態１では、光偏向素子として、ＭＥＭＳ（Micro Electro Mechanical System）光スキャナ１００を挙げて、説明する。図１は、実施の形態１にかかるＭＥＭＳ光スキャナ１００を示す平面図である。また、図２は、図１のＩＩ−ＩＩ矢視断面図である。また、図３は、図１のＩＩＩ−ＩＩＩ矢視断面図である。
【００１２】
ＭＥＭＳ光スキャナ１００は、ＳＯＩ（Silicon  On  Insulator）等の基板を用いて半導体加工技術により当該基板上に形成される。
図１から図３に示すように、ＭＥＭＳ光スキャナ１００は、ベース１、フレーム（枠部）２、アーム部３、トーションバー部４、ミラー部５、圧電膜６、被覆部７等を備えている。
ＭＥＭＳ光スキャナ１００は、ミラー部５が回転軸Ｈを中心に回動可能に備えられていることにより、光を走査する機能を有する。
【００１３】
ベース１、フレーム２、アーム部３、トーションバー部４、ミラー部５は、ＳＯＩ基板がエッチング処理されて形成されたものである。
【００１４】
ベース１は、後述するフレーム２と平面視略同形状を有し、例えば、４００μｍの厚さで形成されている。
【００１５】
フレーム２は、平面視略ロ字状の形状に形成された枠部であり、ベース１上に埋め込み酸化膜（図示省略）を介して形成されている。フレーム２は、例えば、厚さが数１０μｍ程度のシリコン薄膜であり、例えば、５０μｍの厚さを有するシリコン薄膜である。フレーム２は、ベース１に固定されているため、後述する圧電膜６が伸縮しても、変形しない。
フレーム２上には、外部電極（図示省略）との接続部２１が設けられている。接続部２１は、例えば、第１の電極９（後述）及び第２の電極１０（後述）と外部電極（図示省略）とを電気的に接続する。
【００１６】
アーム部３は、平面視略コ字状の形状に形成されており、フレーム２から当該フレーム２の内側（ミラー部５側）に延出して形成されている。換言すれば、アーム部３は、後述するミラー部５の両側に１つずつ配置されている。具体的には、アーム部３は、中央部３１と、中央部３１の両端から内側（トーションバー部４側）に延出する２つの端部３２と、を備える。換言すれば、アーム部３の中央部３１は、ミラー部５の回転軸Ｈに沿う向きに配置されており、２つの端部３２は、ミラー部５の回転軸Ｈに交差する向きに配置されている。
アーム部３は、フレーム２と同様に、例えば、厚さが数１０μｍ程度のシリコン薄膜である。
【００１７】
また、フレーム２とアーム部３との間には、部分的にスリット８が形成されている。具体的には、中央部３１は、フレーム２に固定されており、端部３２は、フレーム２とスリット８により離間されている。そして、中央部３１はフレーム２に固定されているため、圧電膜６が伸縮しても変形しにくくなっているが、端部３２は、スリット８によりフレーム２から離間されているため、圧電膜６の伸縮に伴って伸縮可能となっている。
【００１８】
トーションバー部４は、フレーム２からアーム部３を介して内側に延出するように形成されている。具体的には、トーションバー部４は、アーム部３の端部３２からミラー部５に向かって延出している。換言すれば、トーションバー部４は、回転軸Ｈに沿う方向に延出している。また、４つの端部３２からトーションバー部４はそれぞれ１つずつ延出しており、合計４本のトーションバー部４がミラー部５に繋がっている。また、トーションバー部４は、回転軸Ｈから所定距離離間した位置に、回転軸Ｈに対して対象に配置されている。
トーションバー部４は、アーム部３と同様に、例えば、厚さが数１０μｍ程度のシリコン薄膜である。
【００１９】
ミラー部５は、平面視略円形形状に形成されており、光を反射可能な表面を有する。具体的には、ミラー部５の表面には、高い反射率を有する金属薄膜が成膜されている。金属薄膜の材料としては、既知の高い反射率を有する金属を利用可能である。なお、金属薄膜の材料としては、アルミニウム又はアルミニウムを主成分とする合金を用いることが、好ましい。これは、アルミニウム又はアルミニウムを主成分とする合金は、可視光領域の波長に対する反射率の変化が少なく、比較的高い耐蝕性を有するためである。
【００２０】
ミラー部５は、トーションバー部４及びアーム部３を介して、フレーム２に連結されている。換言すれば、ミラー部５は、トーションバー部４及びアーム部３により、回転軸Ｈを中心に回動可能に支持されている。
ミラー部５は、トーションバー部４と同様に、例えば、厚さが数１０μｍ程度のシリコン薄膜である。
【００２１】
圧電膜６は、アーム部３の主面上に形成されている。また、圧電膜６は、チタン酸ジルコン酸鉛（ＰＺＴ；lead zirconate titanate）により形成されている。また、圧電膜６の上下には第１の電極９（後述）、第２の電極１０（後述）が形成されており、第１の電極９、第２の電極１０には、接続部２１と接続するための配線（図示省略）が接続されている。これにより、圧電膜６に電界を印加したり、圧電膜６に生じた電界を検出したりできるようになっている。圧電膜６、第１の電極９及び第２の電極１０は、駆動部として機能する。なお、接続部２１は、例えば、第１の電極９及び第２の電極１０と外部電極（図示省略）とを電気的に接続する。
圧電膜６の膜厚は、例えば、３μｍ、第１の電極９の膜厚は、例えば、０．１μｍ、第２の電極１０の膜厚は、例えば、０．３μｍである。
【００２２】
圧電膜６は、交流電圧が印加されると、交流電圧の周波数に対応して伸縮する。そして、圧電膜６の伸縮に伴って、アーム部３の端部３２が伸縮し、アーム部３がＭＥＭＳ光スキャナ１００の主面に対して上下に反る。そして、アーム部３の変形が、トーションバー部４を介して、ミラー部５に伝わり、ミラー部５が回転軸Ｈを中心に回動する。
また、ミラー部５の回動は、トーションバー部４を介してアーム部３に伝わり、アーム部３がミラー部５の回動に伴って変形する。そして、アーム部３の変形に基づいて、圧電膜６に電界が生じ、当該電界を第１の電極９及び第２の電極１０により検出することができる。
【００２３】
被覆部７は、トーションバー部４を形成する材質よりもヤング率が低い素材から形成された保護膜である。換言すれば、被覆部７は、シリコン（ヤング率１８０ＧＰａ程度）よりもヤング率が低い素材から形成されている。具体的には、被覆部７は、ポリイミド（ヤング率３〜７ＧＰａ）から形成された保護膜である。
また、被覆部７は、外部電極との接続部２１、ミラー部５の反射面等の一部を除いて、ＭＥＭＳ光スキャナ１００の全面に形成されている。
【００２４】
一般に保護膜として用いられている窒化シリコン（ＳｉＮ）のヤング率は３００ＧＰａ程度であり、シリコンよりも大きいため、シリコンより応力に対して変形しにくい。そのため、トーションバー部４等の繰り返し変形する部分に窒化シリコンを保護膜として用いると、長期に亘る使用において保護膜に亀裂が生じたり、保護膜が剥離したりする可能性が高く、保護機能が低下してしまう。
【００２５】
一方、ポリイミドや酸化シリコン（ヤング率７０ＧＰａ）は、シリコンよりもヤング率が低いため、シリコンより応力に対して変形しやすい。
しかしながら、酸化シリコンは、保護膜として一般的に用いられている窒化シリコンよりも吸水性が高く、湿度に対する耐性が劣る。
また、シリコンよりもヤング率が低いアルミニウム等の金属も耐蝕性の観点から、保護膜としては好ましくない。
【００２６】
これに対し、ポリイミドは、耐湿性及び耐蝕性にも優れ、付着力も高く、保護膜としての基本性能を満たしており、好ましい。また、ポリイミド膜は、スピンコート法や蒸着重合法等により成膜することができる。
【００２７】
なお、本発明にかかるＭＥＭＳ光スキャナ１００は、上記の実施の形態に限定されるものではなく、ミラー部５が回動可能に設けられていれば、どのような構成であってもよい。例えば、トーションバー部４は、合計２本でミラー部５を支持してもよい。また、トーションバー部４は、回転軸Ｈと離間された位置に配置されていても、回転軸Ｈ上に配置されていてもよい。
【００２８】
また、圧電膜６は、当該圧電膜６が設けられている位置によって、印加される電界の向きや大きさが異なっていてもよい。例えば、アーム部３の中央部３１上の圧電膜６には電界が印加されず、端部３２上の圧電膜６のみに電界が印加されてもよい。また、アーム部３の一の端部３２上の圧電膜６に印加される電界の向きと他の端部３２上の圧電膜６に印加される電界の向きや大きさが異なっていてもよい。
さらに、ピエゾ抵抗素子をトーションバー部４に組み込んで、ミラー部５の回動を当該ピエゾ抵抗素子により検出してもよい。また、ミラー部５から反射された反射光の反射角度からミラー部５の回動を検出してもよい。
【００２９】
実施例１．
次に、本発明の実施の形態１に係るＭＥＭＳ光スキャナ１００の製造方法について、図４〜図８を参照しながら説明する。なお、図４〜図８は、製造過程の基板を、図１のＩＩＩ−ＩＩＩ矢視方向と同じ方向から見た断面図である。
【００３０】
まず、図４に示すように、シリコン支持層１０１上に絶縁膜としてのシリコン酸化膜１０２及びシリコン薄膜１０３が形成されたＳＯＩ基板１１０上に、第１の電極膜１０４、圧電膜１０５、第２の電極膜１０６を、この順に形成する。
または、ＳＯＩ基板１１０上に第１の電極膜１０４、圧電膜１０５、第２の電極膜１０６が形成された基板を用いてもよい。ＳＯＩ基板１１０と第１の電極膜１０４との間、又は、シリコン支持層１０１の下面には、シリコン酸化膜による図示しない絶縁層が備えられていてもよい。
【００３１】
次に、フォトリソグラフィ技術を用いて、第２の電極膜１０６上に所望するパターンのフォトレジスト（第１のレジストパターン）を形成する。次に、第２の電極膜１０６、圧電膜１０５、第１の電極膜１０４に対して、この順に、イオンミリング加工及びウェットエッチングを行う。これにより、図５に示すように、第１の電極９、圧電膜６、第２の電極１０を形成する。第１の電極９、圧電膜６、第２の電極１０は駆動部として機能する。
【００３２】
次に、図５に示す基板上に、フォトリソグラフィ技術を用いて所望するパターンのフォトレジスト（第２のレジストパターン）を形成する。次に、シリコン薄膜１０３に対してドライエッチングを行う。これにより、図６に示すように、フレーム２、アーム部３、トーションバー部４（図６では不図示）、ミラー部５を形成する。
【００３３】
次に、シリコン支持層１０１の裏面（図４〜８の下側の面）に対してエッチングを行い、アーム部３、トーションバー部４、ミラー部５の裏面側のシリコン支持層１０１及びシリコン酸化膜１０２を除去することにより、ベース１を形成する。これにより、図７に示すような断面を有する、ＭＥＭＳ光スキャナが形成される。
【００３４】
次に、第１の電極９及び第２の電極１０と外部電極との接続部２１、ミラー部５の反射面等を覆うマスクを形成した後、ＭＥＭＳ光スキャナの表面及び裏面にポリイミド膜（保護膜）を成膜する。これにより、フレーム２、アーム部３、トーションバー部４、圧電膜６の表裏面及びミラー部５の裏面を覆う被覆部７を形成する。また、被覆部７は、圧電膜６とアーム部３との間の段差部や、ＭＥＭＳ光スキャナ１００の側面にも形成される。次に、マスクを除去し、図８に示すような断面を有する、ＭＥＭＳ光スキャナ１００を形成する。
【００３５】
具体的には、ポリイミド膜は、原料モノマーとして、無水ピロメリット酸（ＰＭＤＡ；pyromellitic dianhydride）と４，４’−オキシジアニリン（ＯＤＡ；4,4’-oxydianilin）を用いて、蒸着重合法により、成膜する。また、ポリイミド膜の成膜処理の際、ＭＥＭＳ光スキャナの表面（主面）だけでなく裏面や側面にもポリイミド膜が成膜されるように、蒸着源に対してＭＥＭＳ光スキャナの主面がなす角度を変化させて、数回に分けて成膜処理を行う。そして、被覆部７の膜厚が約１μｍとなるように、ポリイミド膜を成膜する。
【００３６】
実施例２．
次に、本発明の実施の形態１に係るＭＥＭＳ光スキャナ１００の製造方法の他の例について説明する。実施例２に係るＭＥＭＳ光スキャナ１００の製造方法は、実施例１に係るＭＥＭＳ光スキャナ１００の製造方法とは、ポリイミド膜の成膜処理のみが異なるため、その他の製造過程についての説明は省略する。
【００３７】
実施例２に係るＭＥＭＳ光スキャナ１００の製造方法においては、スピンコート法により、ポリイミド膜（保護膜）を成膜することにより、被覆部７を形成する。一般に、スピンコート法とは、原料物質を溶剤に溶かした溶液を、回転する基板上に滴下することにより、当該基板上に薄膜を形成する方法である。スピンコート法においては、基板を回転させる際の回転数及び回転数の上昇勾配を調整することにより、基板上に製膜する薄膜の膜厚や膜厚分布を制御することができる。
【００３８】
具体的には、イミドの前駆体（precursor）であるポリアミド酸（ＤＭＡｃ；Dimethylacetamide）溶液を、回転させたＭＥＭＳ光スキャナ上に滴下し、窒素ガス置換したオーブン内で、７０℃で３０分間乾燥させる。次いで、当該オーブン内で、ＭＥＭＳ光スキャナを３６５℃で１時間加熱する。これにより、ＭＥＭＳ光スキャナに被覆部７が形成される。なお、実施例１と同様に、ポリイミド成膜処理の前に、ＭＥＭＳ光スキャナの表面及び裏面に、第１の電極９及び第２の電極１０と外部電極との接続部２１、ミラー部５の反射面等を覆うマスクを形成しておく。
【００３９】
なお、本実施例２に係るＭＥＭＳ光スキャナ１００の製造方法は、スピンコート法を用いてポリイミド膜を形成するものであれば、上記の材料や成膜条件に限定されるものではない。換言すれば、本実施例２に係るＭＥＭＳ光スキャナ１００の製造方法は、一般的に知られている材料や成膜条件で、ポリイミド膜を成膜して、ＭＥＭＳ光スキャナ１００を製造する方法を含む。
【００４０】
以上に説明した本実施の形態１に係るＭＥＭＳ光スキャナ１００及びＭＥＭＳ光スキャナ１００の製造方法によれば、被覆部７は、トーションバー部４を形成する材質よりもヤング率の低い素材から形成されている。そのため、応力によりトーションバー部４が変形する場合に、被覆部７は、トーションバー部４に追随して変形することができる。これにより、トーションバー部４が繰り返し変形することによって、被覆部７に亀裂が生じたり、被覆部７が剥離したりすることを抑制することができる。そのため、耐久性がより向上したＭＥＭＳ光スキャナ１００及び当該ＭＥＭＳ光スキャナ１００の製造方法を提供することができる。
【００４１】
また、被覆部７は、ポリイミドからなる。そのため、酸化シリコンよりも耐湿性に優れ、アルミニウム等の金属よりも耐蝕性に優れた、被覆部７によりＭＥＭＳ光スキャナ１００を保護することができる。
【００４２】
なお、本発明は上記実施の形態に限られたものではなく、趣旨を逸脱しない範囲で適宜変更することが可能である。例えば、
【符号の説明】
【００４３】
１  ベース
２  フレーム（枠部）
２１  接続部
４  トーションバー部
５  ミラー部
６  圧電膜
７  被覆部
９  第１の電極
１０  第２の電極
１００  ＭＥＭＳ光スキャナ（光偏向素子）
１０１  シリコン支持層
１０２  シリコン酸化膜（絶縁膜）
１０３  シリコン薄膜
１０４  第１の電極膜
１０５  圧電膜
１０６  第２の電極膜
１１０  ＳＯＩ基板
【図１】
2015118200.tif 000003
【図２】
2015118200.tif 000004
【図３】
2015118200.tif 000005
【図４】
2015118200.tif 000006
【図５】
2015118200.tif 000007
【図６】
2015118200.tif 000008
【図７】
2015118200.tif 000009
【図８】
2015118200.tif 000010