(57)【要約】【課題】簡便なプロセスにより、ミラーの駆動状態の検出信号の品質を向上させることができるＭＥＭＳ光スキャナを提供する。【解決手段】シリコン基板上に形成されたミラー１４と、ミラー１４を駆動用圧電膜１２ａ，１２ｂによって駆動する機構と、ミラー１４の駆動状態を検出用圧電膜１２ｃ，１２ｄによって検出する機構と、シリコン基板の裏面に設けられ検出用圧電膜１２ａ，１２ｂ，１２ｃ，１２ｄに配線する電極材料より仕事関数の大きい材料からなる薄膜１７とを備えた。【選択図】図１
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【特許請求の範囲】
【請求項１】
シリコン基板の表面上に形成されたミラーと、
前記シリコン基板に形成され、前記ミラーを駆動用圧電膜によって駆動する機構と、
前記シリコン基板に形成され、前記ミラーの駆動状態を検出用圧電膜によって検出する機構と、
前記シリコン基板の裏面に形成され、前記検出用圧電膜に配線する電極材料より仕事関数の大きい材料からなる薄膜と
を備えたことを特徴とするＭＥＭＳ光スキャナ。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、レーザビーム等の光を反射させて光偏向を行うＭＥＭＳ光スキャナに関する。
【背景技術】
【０００２】
従来、電子写真式複写機、レーザビームプリンタ及びバーコードリーダ等の光学機器を構成する走査装置や、光ディスクのトラッキング制御装置を構成する光偏向装置や、レーザ光をスキャニングして映像を投影する表示装置などにおいては、光偏向子が使用されている。
【０００３】
光偏向子として、近年、ＭＥＭＳ（Micro Electro Mechanical System）光スキャナが提案されている。ＭＥＭＳ光スキャナは、フォトエッチング等のウエハプロセスにより、半導体基板上にミラーやミラーを回転駆動させるための機構部等をモノリシックに形成して作製される。このような光偏向子においては、ウエハプロセスを用いることにより、さらなる小型化、軽量化及び低コスト化が期待されている。
【０００４】
このような光偏向子において、偏向性能、走査性能を向上させるためには、ミラーの駆動状態を検出し、フィードバック制御を行うことが必要となる。そのため、ミラーの駆動方式とともに、ミラーの駆動状態を精度よく検出する方法の開発が望まれている。
【０００５】
現在、ミラーの駆動状態の検出方法について、種々の検討がなされている。例えば、特許文献１及び特許文献２には、圧電駆動方式のＭＥＭＳ光スキャナが記載されている。圧電駆動方式は、圧電膜をミラーの駆動及び検出に用いる方式であり、駆動部及び検出部を同時に形成することができ、また、大きな駆動力が得られるというメリットがある。この圧電駆動方式のＭＥＭＳ光スキャナは、作製が容易であり、量産化し易い。
【先行技術文献】
【特許文献】
【０００６】
【特許文献１】特開２００５−１２８１４７号公報
【特許文献２】特開２００９−１６９３２５号公報
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【０００７】
ところで、圧電駆動方式のＭＥＭＳ光スキャナにおいては、例えば、シリコン基板を用いて作製した場合において、小型化や高速走査を求めると、ミラーのサイズに対して照射するレーザスポット径が大きくなる可能性が高い。
【０００８】
このような場合には、ミラー以外の各部での反射により、素子裏面にレーザ光が照射されることになってしまう。シリコン基板にレーザ光が当った場合には、内部光電効果によりキャリアが発生することがある。このキャリアは、シリコン基板に接している検出用圧電膜の電極を通して検出信号に悪影響を与え、ミラーの駆動制御を不十分とする虞がある。
【０００９】
そこで、本発明は、前述の実情に鑑みて提案されるものであって、反射ミラーの性能が向上され、簡便なプロセスにより、ミラーの駆動状態の検出信号のＳ／Ｎを向上させることができるＭＥＭＳ光スキャナ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】
【００１０】
前述の課題を解決し、前記目的を達成するため、本発明に係るＭＥＭＳ光スキャナは、以下の構成の少なくとも一を有するものである。
【００１１】
〔構成１〕
シリコン基板の表面上に形成されたミラーと、シリコン基板に形成されミラーを駆動用圧電膜によって駆動する機構と、シリコン基板に形成されミラーの駆動状態を検出用圧電膜によって検出する機構と、シリコン基板の裏面に形成され検出用圧電膜に配線する電極材料より仕事関数の大きい材料からなる薄膜とを備えたことを特徴とするものである。
【発明の効果】
【００１２】
構成１を有する本発明に係るＭＥＭＳ光スキャナにおいては、電極材料と薄膜との仕事関数の違いにより、検出用圧電膜の電極材料とシリコン基板との間よりも、薄膜とシリコン基板との間の内部電位の勾配のほうが大きくなり、内部光電効果により生成されたキャリアが薄膜側に移動し、検出信号に与える影響が低減される。
【００１３】
すなわち、本発明は、反射ミラーの性能が向上され、簡便なプロセスにより、ミラーの駆動状態の検出信号のＳ／Ｎを向上させることができるＭＥＭＳ光スキャナを提供することができるものである。
【図面の簡単な説明】
【００１４】
【図１】本発明に係るＭＥＭＳ光スキャナの一実施形態の構成を示すブロック図である。
【図２】本発明に係るＭＥＭＳ光スキャナを駆動する回路構成の一実施形態を示す回路図である。
【図３】本発明に係るＭＥＭＳ光スキャナを製造する工程の一実施形態を示す工程図である。
【図４】本発明の実施例及び比較例における検出信号を示すグラフである。
【発明を実施するための形態】
【００１５】
以下、本発明を実施するための形態について説明する。
【００１６】
図１は、本発明に係るＭＥＭＳ光スキャナの一実施形態の構成を示すブロック図である。（ａ）は、平面図であり、（ｂ）は、（ａ）におけるｙ−ｙ′縦断面図であり、（ｃ）は、（ａ）におけるｘ−ｘ′縦断面図である。
【００１７】
本発明に係るＭＥＭＳ（Micro Electro Mechanical System）光スキャナの一実施形態は、図１に示すように、シリコン材料、例えば、ＳＯＩ（Silicon on Insulator）基板を、半導体加工装置で加工して作成される。このＭＥＭＳ光スキャナは、フレーム１５を有し、このフレーム１５内に各パーツを有して構成されている。
【００１８】
フレーム１５は、ＭＥＭＳ光スキャナの全体を支えるフレームであり、例えば、４００μｍの厚さのベース１６に、図示しない埋め込み酸化膜を介して数１０μｍの薄いシリコン層、例えば、５０μｍのシリコン層が形成された積層構造を有しており、変形が生じないようになっている。
【００１９】
フレーム１５内には、ミラー１４が配置されている。ミラー１４は、数１０μｍの薄いシリコン層、例えば、５０μｍのシリコン層で形成されている。このミラー１４は、このミラー１４の表面部に沿った回転軸Ａ回りに、回動動作を行う。このように回動動作を行うミラー１４の表面に図示しないレーザ光を照射すると、レーザ光がスキャンされる。
【００２０】
ミラー１４は、４本のアーム１１ａ，１１ｂ，１１ｃ，１１ｄ及び４本のトーションバー１３ａ，１３ｂ，１３ｃ，１３ｄを介して、フレーム１５に接続されている。アーム１１ａ，１１ｂ，１１ｃ，１１ｄ及びトーションバー１３ａ，１３ｂ，１３ｃ，１３ｄは、数１０μｍの薄いシリコン層、例えば、５０μｍのシリコン層で形成されている。
【００２１】
４本のアーム１１ａ，１１ｂ，１１ｃ，１１ｄは、フレーム１５の内側縁から、フレーム１５の中心方向に向けて突設されている。各トーションバー１３ａ，１３ｂ，１３ｃ，１３ｄは、各アーム１１ａ，１１ｂ，１１ｃ，１１ｄの先端部と、ミラー１４とを繋いでいる。各トーションバー１３ａ，１３ｂ，１３ｃ，１３ｄは、回転軸Ａに対して平行であり、回転軸Ａから所定の距離離間した位置に配置されている。各トーションバー１３ａ，１３ｂ，１３ｃ，１３ｄは、回転軸Ａに対して、対称の位置に配設されている。
【００２２】
各アーム１１ａ，１１ｂ，１１ｃ，１１ｄには、ＰＺＴ（チタン酸ジルコン酸塩）やＺｎＯ（酸化亜鉛）などからなる圧電膜１２ａ，１２ｂ，１２ｃ，１２ｄが形成されている。各圧電膜１２ａ，１２ｂ，１２ｃ，１２ｄの上下には、図示しない金属の電極が形成されており、各圧電膜１２ａ，１２ｂ，１２ｃ，１２ｄに電界をかけたり、各圧電膜１２ａ，１２ｂ，１２ｃ，１２ｄに生じた電界を検出する配線となっている。電極材料は、高い電気伝導率が必要であり、また、加工のし易さ等を考慮すると、例えば、Ｍｏ（モリブデン）、Ｃｕ（銅）、Ａｌ（アルミニウム）等を用いるのが好適である。
【００２３】
例えば、ミラー１４の回転軸Ａに対して一方の側のアーム１１ａ，１１ｂに設けられた駆動用圧電膜１２ａ，１２ｂの電極に交流電圧を入力信号として入力すると、この圧電膜１２ａ，１２ｂが伸縮し、これらアーム１１ａ、１１ｂに上下（図１（ａ）における紙面の手前／奥方向）に反る運動を発生する。この運動は、トーションバー１３ａ、１３ｂを介してミラー１４に伝わり、ミラー１４が回転軸Ａ回りに揺動する。一方、ミラー１４の動きは、ミラー１４の回転軸Ａに対して他方の側のトーションバー１３ｃ、１３ｄを介して、他方の側のアーム１１ｃ、１１ｄを上下（図１（ａ）における紙面の手前／奥方向）に反らせる。これらアーム１１ｃ、１１ｄの検出用圧電膜１２ｃ，１２ｄには電界が発生し、これら圧電膜１２ｃ，１２ｄの電極に電圧信号が発生する。この電圧信号を、検出信号と呼ぶ。
【００２４】
このＭＥＭＳ光スキャナをなすシリコン基板の裏面には、各圧電膜１２ａ，１２ｂ，１２ｃ，１２ｄに配線される電極材料より仕事関数の大きな材料の薄膜１７を形成してある。例えば、電極材料としてＭｏを用いた場合には、薄膜１７をなす材料としては、Ａｕ（金）、Ｐｔ（白金）、Ｎｉ（ニッケル）等を使用することができる。この薄膜１７は、真空蒸着やスパッタリングなど、既存の成膜方法を用いて形成することができる。
【００２５】
このような材料からなる薄膜１７をシリコン基板の裏面に形成することにより、シリコン基板と薄膜１７との間には、擬似的なショットキー接合が形成される。このとき、電極材料と薄膜１７との仕事関数の違いにより、検出用圧電膜１２ｃ，１２ｄの下部電極とシリコン基板との間よりも、薄膜１７とシリコン基板との間の内部電位の勾配のほうが大きくなる。これにより、内部光電効果により生成されたキャリアは、薄膜１７側に移動し、検出信号に与える影響が低減される。
【００２６】
なお、ＭＥＭＳ光スキャナは、ミラーが回動動作をすればよく、前述した構成に限定されるものではない。例えば、トーションバーは、４本でなく２本として、回転軸Ａ上に配置してもよい。また、駆動用の圧電膜としては、ミラー１４の回転軸Ａに対して一側の２つの圧電膜１２ａ，１２ｂを用いることに限定されず、４つの圧電膜１２ａ，１２ｂ，１２ｃ，１２ｄのうちの１つだけを用いてもよいし、あるいは、３つ、もしくは、４つを用いてもよい。４つの圧電膜１２ａ，１２ｂ，１２ｃ，１２ｄを駆動用として用いる場合には、一方の側の圧電膜１２ａ，１２ｂと、他方の側の圧電膜１２ｃ，１２ｄとでは、供給する交流信号の位相を反転させる。
【００２７】
図２は、本発明に係るＭＥＭＳ光スキャナを駆動する回路構成の一実施形態を示す回路図である。
【００２８】
このＭＥＭＳ光スキャナを駆動するには、図２に示すように、駆動用の圧電膜１２ａ，１２ｂに交流信号を供給する発振器３４と、検出用の圧電膜１２ｃ，１２ｄに発生する電圧信号を検出する振れ角検出器３３とを備えた回路を用いる。
【００２９】
この回路において、動作点決定手段３２が、ミラー１４の動作点を決定する。動作点決定手段３２による決定に基づいて、発振器３４が動作し、交流信号が、切替スイッチ４０を介して、駆動用の圧電膜１２ａ，１２ｂに供給される。
【００３０】
一方、検出用の圧電膜１２ｃ，１２ｄに発生する電圧信号は、位相比較器３１及び振れ角検出器３３に送られる。位相比較器３１及び振れ角検出器３３による検出結果は、動作点決定手段３２に送られる。動作点決定手段３２は、位相比較器３１及び振れ角検出器３３から送られた検出結果に基づいて、次の動作点を決定する。なお、位相比較器３１には、ドットクロック発生手段４１より、クロック信号が供給されている。
【００３１】
切替スイッチ４０を切り替えた場合には、動作点決定手段３２による決定に基づいて、位相調整器２３及びＡＧＣ（オートゲインコントローラ）２４が動作し、交流信号が、切替スイッチ４０を介して、駆動用の圧電膜１２ａ，１２ｂに供給される。
【００３２】
一方、検出用の圧電膜１２ｃ，１２ｄに発生する電圧信号は、位相比較器３１及び振れ角検出器３３に送られるとともに、バンドパスフィルタ２２を介して、位相調整器２３に送られる。位相比較器３１及び振れ角検出器３３による検出結果は、動作点決定手段３２に送られる。動作点決定手段３２は、位相比較器３１及び振れ角検出器３３から送られた検出結果に基づいて、次の動作点を決定する。
【００３３】
図３は、本発明に係るＭＥＭＳ光スキャナを製造する工程の一実施形態を示す工程図である。
【００３４】
このＭＥＭＳ光スキャナを形成するには、まず、図３中の（ａ）に示すように、シリコン基板上に埋め込み酸化膜を介してシリコン層が形成されたＳＯＩ基板５０を準備し、ＳＯＩ基板５０におけるシリコン層上にＳｉＯ２（二酸化ケイ素）膜５１を成膜する。次に、図３中の（ｂ）に示すように、下側の電極層５２、圧電膜１２及び上側の電極層５３を成膜する。
【００３５】
そして、図３中の（ｃ）に示すように、電極層５２，５３及び圧電膜１２のパターンエッチングを行い、各圧電膜１２ａ，１２ｂ，１２ｃ，１２ｄを形成する。
【００３６】
次に、図３中の（ｄ）に示すように、フレーム１５、ミラー１４、各アーム１１ａ，１１ｂ，１１ｃ，１１ｄ及び各トーションバー１３ａ，１３ｂ，１３ｃ，１３ｄとなるパターンを形成する。次に、図３中の（ｅ）に示すように、ＳＯＩ基板５０のシリコン基板側にキャビティを形成する。キャビティは、シリコン層及びシリコン基板をそれぞれエッチングする際のエッチングストップ層として機能する。
【００３７】
次に、図３中の（ｆ）に示すように、ＳＯＩ基板５０における圧電膜１２ａ，１２ｂ，１２ｃ，１２ｄが形成されている側とは反対側の面に、薄膜１７を形成する。
【実施例】
【００３８】
本発明の実施例として、シリコン基板上に埋め込み酸化膜を介してシリコン層が形成されたＳＯＩ基板を用いて、前述のように、フォトリソグラフィとエッチングなどの半導体プロセスにより、図１に示すように、ＭＥＭＳ光スキャナを作成した。圧電膜１２ａ，１２ｂ，１２ｃ，１２ｄの材料には、ＺｎＯを用い、圧電膜への配線用の電極の材料として、Ｍｏ（仕事関数：４．４５ｅＶ）を用いた。その後、シリコン基板の裏面に、Ｐｔ（仕事関数：５．３２ｅＶ）からなる薄膜１７を１００ｎｍ厚で形成した。また、ミラー１４の径は、１ｍｍφとした。
【００３９】
比較例として、実施例と同様のＭＥＭＳ光スキャナを作製し、ＳＯＩ基板の裏面には、薄膜を形成しないサンプルを作製した。
【００４０】
図４は、本発明の実施例及び比較例における検出信号を示すグラフである。
【００４１】
実施例及び比較例のＭＥＭＳ光スキャナに、スポット径が約５ｍｍのレーザ光を照射し、駆動用の圧電膜１２ａ，１２ｂに交流電圧を印加してミラーを駆動し、図４に示すように、検出信号について調べた。
【００４２】
比較例では、レーザのオン／オフに連動して、検出信号が微妙な変動を見せている。これに対して、実施例では、ほぼフラットな安定した挙動を示している。
【００４３】
ミラー１４のサイズに比較してレーザスポットの径が大きいため、ミラー１４以外にも光が照射される。シリコン基板に光が当った場合、光キャリアが誘起される。比較例においては、内部の電位差により誘起された光キャリアが、検出用の圧電膜１２ｃ，１２ｄの電極に到達し、検出信号に影響を与える。これに対して、実施例においては、光キャリアがシリコン基板の裏面の薄膜１７側に移動するため、検出信号にはほとんど影響を与えていない。
【００４４】
以上の結果から、本発明に係るＭＥＭＳ光スキャナにおいては、検出信号の品質を向上させ、ミラーの駆動を高精度に制御できることが確認された。
【産業上の利用可能性】
【００４５】
本発明は、レーザビーム等の光を反射させて光偏向を行うＭＥＭＳ光スキャナに適用される。
【符号の説明】
【００４６】
１１ａ，１１ｂ，１１ｃ，１１ｄ  アーム
１２ａ，１２ｂ，１２ｃ，１２ｄ  圧電膜
１３ａ，１３ｂ，１３ｃ，１３ｄ  トーションバー
１４  ミラー
１５  フレーム
１６  ベース
１７  薄膜
【図１】
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【図２】
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【図３】
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【図４】
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