可視赤外線観測装置技術ワークショップ
2月23日 14:30 -15:00

光MEMS:Deformable mirror

東北大学大学院工学研究科
ナノメカニクス専攻
羽根 一博

発表内容

１．光MEMSの紹介
・マイクロミラー・可変格子・集積型センサ
・Si導波路干渉計
２．焦点可変デフォーマブルミラーの製作
・曲げモーメント駆動による焦点可変ミラー・焦点可変ミラーを備えた光スキャナー
・波面補償デフォーマブルミラーの製作

Applications of laser scanning to display

Automobile application

Bi-axial MEMS scanner
Mobile phone application

Crystal Si micro mirror fabricated from SOI wafer

Flat crystal Si mirror

Vertical combdrive actuator

While view of the micro mirror

Motion of Micro mirror

500μm

２軸静電くしスキャナ

スキャンイメージ５００μm

ミラー共振周波数：40kHz
フレーム共振周波数：162Hzミラー電圧：12V(11.5度)
フレーム電圧：10V(14度)
圧力：１Pa 真空

２軸静電くしスキャナ
H.M.Chu, K.Hane, Sens.Actu.(2011) in press

Tunable gratings
Comb actuator

Electrode

Electrode

Grating

Springs

Design*Self-suspended thin grating (300nm)*Grating period : 600nm

Fabrication*Self-suspended thin grating isconnected a thick (5um)actuatorブレーズのある周期可変回折格子(1.5μm帯)
300µm

Spring for
actuator

Anchor Spring for
grating

Movablecomb

Fixed comb
Blazedgrating

製作結果（ブレーズ格子部）と測定結果

Shift of angle (degrees)

15µm

0.350.30

Grating period 17.5 µm

16Shift of diffracted angle

14Calculated displacement

120.25100.2080.15

25nm shift

0.100.0506420204060

Applied voltage (V)800100

Displacement (µm )180.40Principle of tunable Fabry-Perot filter
Electrode(Al)Air gap

dSi3N4
Si substrate

Reflection is controlled by changing gap

Movement of suspended membrane

100μm

White light illumination, d1=170μm d2=70μm

3D integrated optical scanner
Thermal actuator
for large scanning
angle
Scanning beam
Back reflected

3D bulk micro
optical bench forpre-alignment

ScanningDoped poly-Si (heater)
Si3N4
Al (expansion material)Actuator motion
Twin typeelectrodeSingle typeterrace for LD
Micro-mirror

Mirror angle over 15 deg. is obtained.
Driving voltage is 20 V.
Current is 6mA.

Beam scanning
Screen

He-Ne

30cm

LD

Scanning with He-Ne laser beam

Scanner integrated with LD

Flat micro-mirror generates
small spot.

Only putting LD, optical axis isaligned.

Optical configuration of the encoder エンコーダの光学系
Detection
partCodeplate

LED~2mm
LEDLens

Code plateLens

PDs(mm)Si lens holder

Si lens holder

Photodiode (PD)on Si plate光検出部の製作結果
n+Silicon lens holder

Photodiodearray behindlens holder
2mm

PD array

With lens
300μm

Al Electrode

Alignment errors<±10mm

PD array: 2x2x0.6mm, 3 x4 diodes

光源部の製作結果
Light source slits on Si top layer of SOI wafer

Slit size

5μm wide
30μm long

Images of slits through ball lens

300μm

LED

測定したエンコーダ信号
Ideal signal

Currents (nA)3210

Code pattern

100200300

Displacement (mm)400
M-series: 12 bits,
13.6mm wide line

Fabricated MZI
5mm

Actuator

CouplerMovablewaveguide

CouplerFixedwaveguideOpticalmeasurement
動作確認
Opitcal image

Infrared signal image

Through port1μm displacement at 31V
Mechanical resonant frequency:197.8kHz (Wide type)，212.4kHz (Narrow type)1.5μm optical output modulation is observed

Drop port

曲げモーメント駆動による焦点可変ミラーMEMS Deformable Mirrors

G.Vdovin et al. JMM 9(1999) R8-R20

Varifocal mirrors
Membrane mirror
TensionMembraneTension

Outer electrode

Inner electrode

Outer electrode

Distributed force is needed to obtain parabolic shape

Plate mirror
PlateRing electrodeMomentRing electrode

Ring electrode is effective to generate parabolic shape inside the ring electrode
Support conditions affect the region of the parabolic shapeDeformable mirror by bending moment drive

Moment焦点可変ミラーの動作原理
Circular mirror

zr

FulcrumaRing-shaped load distribution

円板のたわみ曲線の微分方程式 （材料力学）

d 4 z 2 d 3 z 1 d 2 z 1 dz Pr 
 2 2  3

43r drDdrr drr dr

E: Young’s modulus

Eh3 h: mirror thickness
P(r ) : Distribution of load，Bendingstiffness : D 
12 1 ν2 ν: Poisson ratio

たわみ曲線の近似解M061 νM 0 2222zr a r
a2D1 νEh3 parabola

2.00

有限要素解析

平均誤差0.49nm(RMS)－放物面－解析形状

1.00

Diplacement [μm]0.00-600.0-400.0-200.0

0.0

200.0

-1.00
-2.00
-3.00
-4.00

材料：シリコン，支持外部に分布荷重

支持-5.00
Position [μm]支持400.0600.0

Fabricated circular varifocal mirror

Si mirror side

Glass sideDeformation by voltage
Height: 2.58μm+2.5-2.5Position (mm)36030σ： 1.62nm

201000300

400500600

Position (μm)

200400600-10200

Measured

1700

800

Height (μm)

40

Deviation form
Parabola (nm)502Position (μm)

800-2-3

Fittedparabola-4

27-51000焦点可変ミラーの動作

焦点可変ミラーを備えた光スキャナー

焦点可変と光走査機能を搭載した内視鏡

焦点位置

K. Aljasem et al., IEEE J. Microelectromech. Syst., 20, pp.1462–1472, 2011.

焦点可変と光走査は内視鏡用途で良い画像を得るために必要な機能であることが示されている。

写真

焦点位置

ねぎの皮のOCT画像

提案する焦点可変走査ミラーの構造
Vs

Vf

面内方向応力、モーメントの作用

焦点可変ミラー

1電極

トーションバー
焦点可変ミラー

エッチングホール

エッチングホールVf

焦点可変ミラー
静電引力

エッチングホール
可動櫛歯

金属配線

対向電極
支持フレームVf

静電引力

トーションバー
金属配線
焦点可変ミラーの断面図対向電極

焦点可変電圧 Vf の印加によりミラー変形
支持フレーム２電極

トーションバー
可動櫛歯

金属配線

Vs

固定櫛歯

静電引力
固定櫛歯

対向電極

可動櫛歯

上層Si
BOX（SiO2）層
基板Si
金属

3電極

分解図

SOIウエハを使用
電気的に3つに分割

Vs
静電引力
固定櫛歯

スキャナアクチュエータの断面図
スキャナ電圧 Vs の印加によりミラー回転スキャナと焦点可変ミラーの機能が集積されている。

31

円形薄膜ミラーとカンチレバーの形状

12100mm

Height [nm]Height [nm]0-100600

y position [ mm]y po00x position [mm]800

円形薄膜ミラーの形状

39395

y position [mm]001200400

メンブレン部分527

x position [ mm]カンチレバーの形状00

応力による変形の計算
Em,hmhf

変形前Ef ,int
EsRhs薄膜ミラー
Mirror

フレーム変形の計算結果
拡張変形

SiSiO2Si ur R b フレームFrameb

回転変形

変形後

local
0 折れ曲がり21hm E m b 1   11
hf E f  hs E s  hm E m  hm E mb
b
1  R2
 hf E f  int hf E f  int   a   hm E m  a  hm m  hf E f  hm E m  hs  E s hs

回転2u2M m

bhs

26

拡張

フレーム寸法と面内方向応力の関係
薄膜ミラー断面図
フレーム厚

フレーム幅

面内方向応力フレーム変形による薄膜ミラー支持条件変化

大小小支持角度→ 増面内方向応力 → 増

小大大33R薄膜ミラーの変形の実測と計算結果
SiFrameregion
フレームSiO2Mirrorregion
薄膜ミラー

Si0.75 mm

200.0E-9
2001 mm
16 mm

0000.0E+0-100-100.0E-9

local050

50.0E-9Measurement
実測Calculation
計算

Height [nm]Height [nm]ミラー寸法100100.0E-9[nm]Height[nm]
高さ

50 mm

実測と計算形状がほぼ一致

400 mm-200-200.0E-9-300-300.0E-9-250.0E-6-250

フレーム回転角度 
ミラー支持部たわみ角  +  0
ミラー面内方向応力  0-50-220-50.0E-9-220.0E-6-180.0E-6
Position [mm]-150.0E-6-150-180-50.0E-6-5050.0E-650Position [mm][mm]Position

位置 [mm]
測定結果 計算結果
2.8 mrad3.9 mrad4.7 mrad6.2 mrad20 MPa47 MPa150.0E-6150

250.0E-6250

製作したデバイスのSEM写真

金属配線
トーションバー

固定櫛歯

焦点可変ミラー

対向電極

約40 mm可動櫛歯200mm
エッチングホール35

スキャナの駆動動画

36

スキャナの静特性2624

計算
Measurement
実測
Calculation

22

Rotation angle [deg.][度]ミラー機械回転角

201816141210864
20020

40

60
80
100
Scanner
voltage V s [V][V]
スキャナ電圧V

120140s

スキャナ電圧Vsに対する回転角
37140 Vの電圧印加でも電気的ショートや櫛歯のプルインが発生することなく26度回転した。

焦点可変ミラーの変形特性100.0E-9100

Vf = 0 [V]Vf = 15 [V]

50.0E-950

Vf = 30 [V]

高さ [nm][nm]
HeightHeight [m]150.0E-9150― 近似放物線― Fittedparabola・・・ 測定値･･･ Experimental
data

000.0E+00

Vf = 45 [V]-50.0E-9-50

Vf = 50 [V]-100.0E-9-100

固定部-150.0E-9-150-300.0E-6-200.0E-6-100.0E-6-300
-200
-100

000.0E+0
100.0E-60100Position[m]
位置 [mm]200.0E-6200

300.0E-6300

各焦点可変電圧 Vf における焦点可変ミラーの断面形状
電圧印加と共に徐々に凹面形状に変形した。
座屈変形のような不安定な動作や、電気的なショートは観測されなかった。

38

焦点と走査の同時駆動実験
00

ビームスプリッタ
レンズ

0.60
焦点可変スキャナミラー

レーザースポット像測定に用いた光学系
スキャナと焦点可変ミラーの駆動によりレーザー光走査と集光を同時にできることを確認した。

集光前のレーザースポット(a) 焦点可変電圧 Vf 無し
集光後のレーザースポット

時間 [s]He-Ne レーザー
 = 632.8nm

5

時間 [s]CCD カメラ

回転角 [度]0.6(b) 焦点可変電圧 Vf 有り
スキャナと焦点可変ミラーの同時駆動時のビーム走査像39

波面補償デフォーマブルミラーの製作

Introduction – MEMS-DM DevelopmentSingle Membranelaminate Membrane

OKO

Boston Micromachines

Element count<100
Stroke>10μm(center)
Small stroke at edge
Element count notenough

Element count<4096
Stroke not enough(<5μm)

SegmentedIris AO

Element count>100
Stroke>10um
Diffraction occurs at
the pitch between thesegmented mirrors

The stroke of the electrostatic actuated DM is usually limited by the air gap between theelectrodes and the mirror membrane. Air gap is usually generated by
1.

Surface micromachining( sacrificial layer deposition → etching) cannot generate a
big vertical gap which is limited by the thickness of the sacrificial layer.

2.

Wafer bonding process can generate a large air gap by bond a mirror membrane toa micro-post array.
41

MEMS-DM – Main design We propose a new structure membrane MEMS-DM by combining wafer bonding
process and Si/HfO2 Bimorph spring array
1. HfO2 crystallization-induced
stress is used to introduce
large air gap.
2. Relatively soft spring
structure (small springconstant) instead of fixed
posts is used to increase
the stroke.
3. High optical quality mirror
surface is guaranteed by
the top layer of SOI wafer
and the wafer bonding
process.

High-stroke MEMS-DM Structure
42MEMS-DM – Design 3. design overview

Electrodearray
3.4mm×3.4mm
MirrorMembraneElectrodearrayElectrode

100μm

500μm
43

MEMS-DM – Design -Length(μm)

Deflection
beforecrystallization(μm)

Deflection
After
Crystallization(μm)

Filmstressof thecrystallizedHfO2

100

9.20

33.72

2.11Gpa

200

38.06

131.86

1.The dimension of bimorph springfor MEMS-DM
Target stroke: 20μm
For the Parallel-plate actuator , it isdemonstrated that range of motion is limited to less than one third of the initial gap→ Initial gap>60μm

Out-of –plane Deflection
calculated to be :δ＝ 48.7μm

Electrode gap= δ+ 10μm= 58.7μm

44MEMS-DM –Fabrication flow：Bonding and Release(3-a) Plasma activated bonding(3-d)SiO2 Dry Etching (CHF3)(3-b) Actuator chip handle layer etching(3-e) SiO2 Dry Etching (CHF3)(3-c) Mirror chip handle layer etching(3-f) Annealing (HfO2 crystalliztion)

Si

SiO2

HfO245MEMS-DM –Actuator chipActuator Fabrication: Microphotos & SEM Images

46

MEMS-DM – Si/HfO2 Bimorph spring
Fabricated bimorph spring
HfO2Si

結晶化させる前

t1=0.2μm
t2=1.0μm

結晶化させた後200μm

Microscope image

密着性がよい47

MEMS-DM – Static Deflection Measurement

駆動する所
電極面積 500μm× 500μm測定したミラーエリア
900μm×670μm

fabricated Deformable mirror

mirror edge sticked to the substratebimorph spring array
48

MEMS-DM

Au-Si eutectic bonding with alignment

Because the plasma activated bonding requires extremely strict conditions(<2nmsurface roughness, high surface cleanliness), another stable bonding process isinvestigated for the fabrication of MEMS-DM.
Bonding pad: Ti/Au , Ti: 50nm, Au: 200nm;
Ti is used to react with the native oxide layer on the bare Si
surface which will result in the poor bond quality of the Au/Sibonding structure.

Mirror chip

Actuator chip
Au/Ti bonding padActuator chip

Mirror chip49

MEMS-DM – IR micrograph

3.4mm×3.4mm continuous mirror
Bonding point

Bonding point

Bonding condition
Temperature： 400℃
Time: 30min
Pressure: 1.7 MPa(EVG bonder: 0.4MPa)50

まとめ１．光MEMSの紹介
・マイクロミラー・可変格子・集積型センサ
・Si導波路干渉計
２．焦点可変デフォーマブルミラーの製作
・曲げモーメント駆動による焦点可変ミラー・焦点可変ミラーを備えた光スキャナー
・波面補償デフォーマブルミラーの製作