JP2014048327A - Light deflector, image display device using the same, and method for manufacturing light deflector - Google Patents
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Abstract
Description
本発明は、MEMS（Micro Electro Mechanical System）技術を用いた光偏向器及びこれを用いる画像表示装置、光偏向器の製造方法に関する。 The present invention relates to an optical deflector using MEMS (Micro Electro Mechanical System) technology, an image display device using the optical deflector, and an optical deflector manufacturing method.
近年、MEMS技術を用いた光偏向器が種々開発されている。光偏向器は、一例として、画像を表示させるための表示デバイスとして用いられる。光偏向器のミラーにレーザ光を照射し、ミラーを２次元的に偏向させる。これによって、光偏向器は、レーザ光を水平方向及び垂直方向に走査させて、スクリーン上に画像を表示させることができる。この種の光偏向器は、例えば特許文献１に記載されている。 In recent years, various optical deflectors using MEMS technology have been developed. An optical deflector is used as a display device for displaying an image as an example. The mirror of the optical deflector is irradiated with laser light to deflect the mirror two-dimensionally. Thereby, the optical deflector can scan the laser beam in the horizontal direction and the vertical direction to display an image on the screen. This type of optical deflector is described in Patent Document 1, for example.
光偏向器によってレーザ光を水平方向または垂直方向に走査させるには、ミラーを大きな回転角度（偏向角度）で所定の固有共振周波数で往復振動させることが必要となる。画像の水平周波数は垂直周波数と比較して格段に高いので、ミラーを水平方向に高速で振動させなければならない。 In order to scan the laser beam in the horizontal direction or the vertical direction by the optical deflector, it is necessary to reciprocate the mirror at a predetermined natural resonance frequency at a large rotation angle (deflection angle). Since the horizontal frequency of the image is much higher than the vertical frequency, the mirror must be vibrated at high speed in the horizontal direction.
光偏向器は、ミラー、ミラーを揺動自在に支持する梁、梁を保持するアーム等の構成要素を有する。ミラーを高速で振動させることによって、光偏向器における特定の箇所に応力が集中して、アームが破壊する場合がある。そこで、アームの破壊限界が高い光偏向器が求められる。 The optical deflector includes components such as a mirror, a beam that slidably supports the mirror, and an arm that holds the beam. When the mirror is vibrated at a high speed, the stress may concentrate on a specific portion of the optical deflector, and the arm may be broken. Therefore, an optical deflector having a high arm breakage limit is required.
本発明はこのような要望に対応するため、破壊限界が高い光偏向器及びこれを用いる画像表示装置、破壊限界の高い光偏向器を製造することができる光偏向器の製造方法を提供することを目的とする。 In order to meet such a demand, the present invention provides an optical deflector having a high destruction limit, an image display apparatus using the same, and a method of manufacturing an optical deflector capable of producing an optical deflector having a high destruction limit. With the goal.
本発明は、上述した従来の技術の課題を解決するため、シリコンによって形成された外周枠部（１７）と、前記外周枠部上に形成されたＢＯＸ層シリコン酸化膜（４３）と、前記ＢＯＸ層シリコン酸化膜上に形成され、シリコンによって形成された固定枠部（１１）と、シリコンによって形成され、一方の端部が前記固定枠部と連結し、他方の端部が前記固定枠部で囲まれた開口内に突出するように伸びたアーム（１４ａ〜１４ｄ）と、シリコンによって形成され、前記アームの前記他方の端部と連結した梁（１３ａ〜１３ｄ）と、シリコンによって形成され、前記梁によって前記開口内で揺動自在に支持されているミラー（１２）とを備え、前記アームの下面側に位置し、前記外周枠部で囲まれた裏面キャビティの上端面は、前記ＢＯＸ層シリコン酸化膜よりも前記アームの上面側にずれた位置にあることを特徴とする光偏向器（１００）を提供する。 In order to solve the above-described problems of the prior art, the present invention provides an outer peripheral frame portion (17) made of silicon, a BOX layer silicon oxide film (43) formed on the outer peripheral frame portion, and the BOX. A fixed frame portion (11) formed on the silicon oxide film and formed of silicon; one end portion is connected to the fixed frame portion; the other end portion is the fixed frame portion Arms (14a to 14d) extending so as to protrude into the enclosed opening, a beam (13a to 13d) formed of silicon and connected to the other end of the arm, and formed of silicon, A mirror (12) swingably supported in the opening by a beam, and located at the lower surface side of the arm, the upper end surface of the back cavity surrounded by the outer peripheral frame portion is formed on the BOX layer Providing optical deflector than silicon oxide film, characterized in that a position shifted to the upper surface of the arm (100).
上記の光偏向器において、前記アームの上面に形成され、前記ミラーを揺動させる圧電部（１５ａ，１５ｂ）をさらに備えることが好ましい。 The optical deflector preferably further includes a piezoelectric portion (15a, 15b) formed on the upper surface of the arm and swinging the mirror.
また、本発明は、上述した従来の技術の課題を解決するため、上記の光偏向器と、前記ミラーに画像信号に応じたレーザ光を入射させるレーザ光源（５０）とを備えることを特徴とする画像表示装置を提供する。 Further, the present invention is characterized by comprising the above-described optical deflector and a laser light source (50) for allowing a laser beam corresponding to an image signal to enter the mirror, in order to solve the above-described problems of the prior art. An image display device is provided.
さらに、本発明は、上述した従来の技術の課題を解決するため、シリコン基板（４２）と、ＢＯＸ層シリコン酸化膜（４３）と、シリコン層（４４）とがこの順で積層された積層構造を有するＳＯＩウェハ（４０）を作成する第１のステップと、前記シリコン層上に、ミラー（１２）を駆動するための圧電部（１５ａ，１５ｂ）を形成する第２のステップと、前記シリコン層の所定の領域を所定の深さまでエッチングして、前記ミラーと、前記ミラーと連結した梁（１３ａ〜１３ｄ）と、前記梁と連結したアーム（１４ａ〜１４ｄ）それぞれに相当する第１〜第３のパターン部（１２０，１３ａ０〜１３ｄ０，１４ａ０〜１４ｄ０）を形成する第３のステップと、前記シリコン基板の所定の領域を前記ＢＯＸ層シリコン酸化膜が露出するまでエッチングして裏面キャビティ（１９）を形成する第４のステップと、露出した前記ＢＯＸ層シリコン酸化膜を除去する第５のステップと、前記第３のパターン部の下面が前記ＢＯＸ層シリコン酸化膜よりも前記第３のパターン部の上面側に位置するように、前記シリコン層を、前記ＢＯＸ層シリコン酸化膜を除去した側からエッチングして、前記ミラーと、前記梁と、前記アームをそれぞれ形成する第６のステップとを含むことを特徴とする光偏向器の製造方法を提供する。 Furthermore, in order to solve the above-described problems of the prior art, the present invention provides a laminated structure in which a silicon substrate (42), a BOX layer silicon oxide film (43), and a silicon layer (44) are laminated in this order. A first step of creating an SOI wafer (40) having a second step, a second step of forming a piezoelectric portion (15a, 15b) for driving a mirror (12) on the silicon layer, and the silicon layer 1 to 3 corresponding to the mirror, the beams (13a to 13d) connected to the mirror, and the arms (14a to 14d) connected to the beam. A third step of forming the pattern portions (120, 13a0 to 13d0, 14a0 to 14d0) and a predetermined region of the silicon substrate until the BOX layer silicon oxide film is exposed. A fourth step of forming a back surface cavity (19) by etching, a fifth step of removing the exposed BOX layer silicon oxide film, and a lower surface of the third pattern portion from the BOX layer silicon oxide film The silicon layer is etched from the side where the BOX layer silicon oxide film is removed so as to be positioned on the upper surface side of the third pattern portion to form the mirror, the beam, and the arm, respectively. And a sixth step of manufacturing the optical deflector.
上記の光偏向器の製造方法において、前記第３のステップは、前記所定の深さとして、前記ＢＯＸ層シリコン酸化膜を露出させない深さまでエッチングし、前記第６のステップは、前記シリコン層を貫通させるようにエッチングすることが好ましい。 In the method of manufacturing an optical deflector, the third step etches the BOX layer silicon oxide film to a depth that does not expose the BOX layer silicon oxide film, and the sixth step penetrates the silicon layer. Etching is preferably performed so that
上記の光偏向器の製造方法において、前記第４のステップは、ボッシュプロセスを用いて前記シリコン基板をエッチングすることが好ましい。 In the method of manufacturing an optical deflector, it is preferable that the fourth step etches the silicon substrate using a Bosch process.
本発明の光偏向器及びこれを用いる画像表示装置、光偏向器の製造方法によれば、破壊限界を高くすることができる。 According to the optical deflector of the present invention, the image display apparatus using the same, and the method of manufacturing the optical deflector, the destruction limit can be increased.
以下、一実施形態の光偏向器及びこれを用いる画像表示装置、光偏向器の製造方法について、添付図面を参照して説明する。 Hereinafter, an optical deflector according to an embodiment, an image display apparatus using the optical deflector, and a method for manufacturing the optical deflector will be described with reference to the accompanying drawings.
一実施形態の光偏向器は、図１に示す水平偏向素子部１０と、図４に示す垂直偏向素子部２０mcまたは図６に示す垂直偏向素子部２０mmのいずれかとを組み合わせて構成される。垂直偏向素子部２０mcと垂直偏向素子部２０mmとを垂直偏向素子部２０と総称する。
The optical deflector of one embodiment is configured by combining the horizontal
図１において、水平偏向素子部１０は次のように構成される。矩形状の固定枠部１１で囲まれた開口１１ｏ内の中央部には略円形のミラー１２が形成されている。ミラー１２は梁１３ａ〜１３ｄと連結され、梁１３ａ〜１３ｄによって揺動自在に支持されている。アーム１４ａ〜１４ｄの一方の端部は固定枠部１１と連結され、他方の端部は開口１１ｏ内に突出するように伸びて、梁１３ａ〜１３ｄと連結されている。ミラー１２は、開口１１ｏ内に浮かんでいるような状態となっている。
In FIG. 1, the horizontal
アーム１４ａ，１４ｄの上面には、駆動用圧電部１５ａ，１５ｂが形成されている。アーム１４ｂ，１４ｃの上面には、検出用圧電部１６ａ，１６ｂが形成されている。駆動用圧電部１５ａ，１５ｂ及び検出用圧電部１６ａ，１６ｂは、圧電膜と電極とを含む。
Driving
駆動用圧電部１５ａ，１５ｂに所定の駆動信号が供給されると、圧電膜の結晶格子は上下方向に引き伸ばされ、同時に水平方向に圧縮される。この際に圧電膜には引っ張り応力が加えられることになり、この応力によって、駆動用圧電部１５ａ，１５ｂは上方または下方に撓む。ここでの上下方向とは紙面に直交する方向であり、水平方向とは紙面と平行方向である。これによって、アーム１４ａ，１４ｄの梁１３ａ，１３ｄ側が上下振動するので、ミラー１２は、梁１３ａと梁１３ｂとの間隙を二分すると共に梁１３ｃと梁１３ｄとの間隙を二分する軸線を回転軸として揺動する。
When a predetermined drive signal is supplied to the driving
固定枠部１１，ミラー１２，梁１３ａ〜１３ｄ，アーム１４ａ〜１４ｄは、理想的な弾性材料である単結晶シリコン（以下、単にシリコン）によって形成されている。ミラー１２は、シリコンを鏡面とすることによって形成されている。シリコン上にアルミニウムや銀等の高反射性材料を蒸着してミラー１２としてもよい。
The fixed
図２は、図１の１０Ａ−１０Ａ断面図である。図２に示すように、固定枠部１１の下面にはＢＯＸ層シリコン酸化膜４３を介して外周枠部１７が形成されている。外周枠部１７はシリコンによって形成されている。外周枠部１７の下面には底面フレーム１８が形成されている。アーム１４ａ〜１４ｄの下面（裏面）側には、所定空間の裏面キャビティ１９が形成されている。アーム１４ａ〜１４ｄの下面と底面フレーム１８の上面とで囲まれた空間が裏面キャビティ１９である。底面フレーム１８はシリコンによって形成してよいし、シリコン以外の材料によって形成してもよい。
2 is a cross-sectional view taken along the
図３の（ａ）は、図２におけるアーム１４ｄ及び駆動用圧電部１５ｂ側の部分拡大断面図である。図３の（ａ）に示すように、アーム１４ｄの先端部は矢印で示すように上下に振動する。図３の（ａ）に示すように、本実施形態の水平偏向素子部１０においては、裏面キャビティ１９の上端部であるアーム１４ａ〜１４ｄの下面（裏面）１４udrは、ＢＯＸ層シリコン酸化膜４３よりも上方、アーム１４ａ〜１４ｄの表面側にずれた位置にある。
FIG. 3A is a partially enlarged sectional view of the
また、本実施形態の水平偏向素子部１０においては、固定枠部１１は、ＢＯＸ層シリコン酸化膜４３側の端部とアーム１４ａ〜１４ｄの下面１４udrを延長した面との間であり、下面１４udrよりも下方に突出する突出部１１prを有する。
Further, in the horizontal
図３の（ｂ）は、比較のための一般的な構造を示している。裏面キャビティ１９の上端部であるアーム１４ａ〜１４ｄの下面１４udrは、ＢＯＸ層シリコン酸化膜４３の上端面と同じ位置にある。図３の（ｂ）では、図３の（ａ）の突出部１１prに相当するものはない。アーム１４ａ〜１４ｄが上下に振動すると、アーム１４ａ〜１４ｄの下面１４udrとＢＯＸ層シリコン酸化膜４３との角部である裏面キャビティ１９のエッジ１４edg’に応力が集中する。
FIG. 3B shows a general structure for comparison. The lower surfaces 14udr of the
エッジ１４edg’は、互いに性質の異なるシリコンとシリコン酸化膜との境界であるので、エッジ１４edg’に応力が集中することによってアーム１４ａ〜１４ｄが破壊しやすい。具体的には、シリコンはヤング率１３０ＧＰａ、熱膨張係数２．８ｐｐｍ／℃であるのに対し、シリコン酸化膜はヤング率６６ＧＰａ、熱膨張係数２．３ｐｐｍ／℃であり、性質が大きく異なる。従って、アーム１４ａ〜１４ｄを大きく振動させれば、エッジ１４edg’に応力が集中して破壊するおそれがある。
Since the edge 14edg 'is a boundary between silicon and a silicon oxide film having different properties, the
一方、本実施形態の図３の（ａ）においては、エッジ１４edgは、それぞれシリコンであるアーム１４ａ〜１４ｄと固定枠部１１との角部であるので、破壊限界を図３の（ｂ）よりも大幅に高くすることができる。従って、アーム１４ａ〜１４ｄの破壊限界振れ角を大きくすることができる。
On the other hand, in FIG. 3A of the present embodiment, the edge 14edg is a corner portion between the
次に、図４〜図７を用いて、垂直偏向素子部２０について説明する。図４，図５に示す垂直偏向素子部２０mcはいわゆるムービングコイル方式の垂直偏向素子部２０であり、図６，図７に示す垂直偏向素子部２０mmはいわゆるムービングマグネット方式の垂直偏向素子部２０である。 Next, the vertical deflection element unit 20 will be described with reference to FIGS. 4 and 5 is a so-called moving coil type vertical deflection element unit 20, and the vertical deflection element unit 20 mm shown in FIGS. 6 and 7 is a so-called moving magnet type vertical deflection element unit 20. is there.
まず、図４，図５を用いてムービングコイル方式の垂直偏向素子部２０mcの構造について説明する。図４において、ムービングコイル方式の垂直偏向素子部２０mcは次のように構成される。矩形状の固定枠部２１の中央部には略正方形のフレーム２２が形成されている。フレーム２２は、梁２３ａ，２３ｂによって揺動自在に支持されている。フレーム２２の外周端部近傍にはコイル２４が巻回されており、固定枠部２１上にはコイル２４の電極２４e1，２４e2が形成されている。固定枠部２１上には、コイル２４を挟むように、磁石２５ａ，２５ｂが取り付けられている。
First, the structure of the moving coil type vertical deflection element portion 20mc will be described with reference to FIGS. In FIG. 4, the moving coil type vertical deflection element portion 20mc is configured as follows. A substantially
固定枠部２１で囲まれた固定枠部２１の内側の部分は開口２１ｏとなっている。フレーム２２は、梁２３ａ，２３ｂによって支持されて、開口２１ｏ内に浮かんでいるような状態となっている。固定枠部２１，フレーム２２，梁２３ａ，２３ｂは、シリコンによって形成されている。
An inner portion of the fixed
垂直偏向素子部２０mcを用いる場合には、図１に示す水平偏向素子部１０はフレーム２２上に配置され、水平偏向素子部１０と垂直偏向素子部２０mcとが一体化されることによって本実施形態の光偏向器となる。なお、図１と図４は水平偏向素子部１０と垂直偏向素子部２０mcをそれぞれ同じ拡大率で図示していない。水平偏向素子部１０は、垂直偏向素子部２０mcのフレーム２２上に配置できる程度の大きさである。水平偏向素子部１０は、図１に示す状態から９０度傾けた状態で図４に示すフレーム２２上に配置される。
When the vertical deflection element unit 20mc is used, the horizontal
コイル２４に例えば正弦波の駆動電流を流すと、コイル２４に流れる電荷が磁石２５ａ，２５ｂより発生する磁界から受けるローレンツ力によって、フレーム２２は梁２３ａ，２３ｂを中心として揺動する。
For example, when a sinusoidal drive current is passed through the
図５は、図４の２０Ａ−２０Ａ断面図である。図５に示すように、固定枠部２１の下面には底面フレーム２８が形成されている。底面フレーム２８はシリコンによって形成してよいし、シリコン以外の材料によって形成してもよい。
5 is a cross-sectional view taken along the
次に、図６，図７を用いてムービングマグネット方式の垂直偏向素子部２０mmの構造について説明する。図６，図７において、図４，図５と同一機能を果たす部分には同一符号を付す場合がある。同一符号を付した部分の説明は省略する。 Next, the structure of the moving magnet type vertical deflection element portion 20 mm will be described with reference to FIGS. 6 and 7, parts having the same functions as those in FIGS. 4 and 5 may be denoted by the same reference numerals. The description of the parts denoted by the same reference numerals is omitted.
図６において、ムービングマグネット方式の垂直偏向素子部２０mmは次のように構成される。固定枠部２１の内周端部近傍にはコイル２６が巻回されており、固定枠部２１上にはコイル２６の電極２６e1，２６e2が形成されている。フレーム２２の裏面には、磁石２７が取り付けられている。
In FIG. 6, the moving magnet type vertical deflection element portion 20 mm is configured as follows. A
垂直偏向素子部２０mmを用いる場合にも、図１に示す水平偏向素子部１０はフレーム２２上に配置され、水平偏向素子部１０と垂直偏向素子部２０mmとが一体化されることによって本実施形態の光偏向器となる。水平偏向素子部１０は、図１に示す状態から９０度傾けた状態で図６に示すフレーム２２上に配置される。
Even when the vertical deflection element portion 20 mm is used, the horizontal
コイル２６に例えば正弦波の駆動電流を流すと、コイル２６に流れる電荷が磁石２７より発生する磁界から受けるローレンツ力によって、フレーム２２は梁２３ａ，２３ｂを中心として揺動する。
For example, when a sinusoidal drive current is passed through the
図７は、図６の２０Ｂ−２０Ｂ断面図である。図７に示すように、磁石２７は、フレーム２２の裏面に一部埋め込まれた状態で取り付けられている。固定枠部２１の下面には底面フレーム２８が形成されている。
7 is a cross-sectional view taken along 20B-20B in FIG. As shown in FIG. 7, the
図８，図９を用いて、本実施形態の光偏向器を用いた画像表示装置の概略的な構成について説明する。図８において、光偏向器１００は、水平偏向素子部１０と垂直偏向素子部２０とが一体化された構成を有する。
A schematic configuration of an image display apparatus using the optical deflector of the present embodiment will be described with reference to FIGS. In FIG. 8, the
光偏向器１００は、概略的に、ミラー１２，水平駆動部１０hd，垂直駆動部２０vd，駆動検出部１０dtを有する。駆動用圧電部１５ａ，１５ｂは、水平駆動部１０hdに相当する。コイル２４及び磁石２５ａ，２５ｂ、または、コイル２６及び磁石２７は、垂直駆動部２０vdに相当する。検出用圧電部１６ａ，１６ｂは、駆動検出部１０dtに相当する。
The
制御部１０１には、画像表示装置で表示する画像信号が入力される。制御部１０１は、入力された画像信号の水平同期信号に基づいて、光偏向器１００を水平方向に揺動させるための水平駆動信号を生成して水平駆動部１０hdに供給する。制御部１０１は、入力された画像信号の垂直同期信号に基づいて、光偏向器１００を垂直方向に揺動させるための垂直駆動信号を生成して垂直駆動部２０vdに供給する。駆動検出部１０dtによって水平偏向素子部１０の揺動を検出することによって生成された駆動検出信号は、制御部１０１に入力される。
An image signal to be displayed on the image display device is input to the
Ｒ光源駆動部１０２ｒ，Ｇ光源駆動部１０２ｇ，Ｂ光源駆動部１０２ｂは、制御部１０１による制御によって、Ｒ光源１０３ｒ，Ｇ光源１０３ｇ，Ｂ光源１０３ｂをそれぞれ駆動する。Ｒ光源１０３ｒ，Ｇ光源１０３ｇ，Ｂ光源１０３ｂは、３原色のレーザ光であるＲ，Ｇ，Ｂ光を発生する。プリズム１０４は、Ｒ光源１０３ｒより発せられたＲ光の光路を９０度折り曲げる。プリズム１０５はＲ光とＧ光とを合成し、プリズム１０６は、Ｒ光とＧ光との合成光とＢ光とを合成する。
The R light
制御部１０１は、入力された画像信号に応じた合成光がプリズム１０６より出力されるよう、Ｒ光源駆動部１０２ｒ，Ｇ光源駆動部１０２ｇ，Ｂ光源駆動部１０２ｂを制御する。ミラー１０７は、プリズム１０６より出力されたＲ，Ｇ，Ｂ光の合成光を反射する。レンズ１０８は、ミラー１０７からの合成光を集光してミラー１２へと入射させる。
The
破線で囲んだＲ光源１０３ｒ，Ｇ光源１０３ｇ，Ｂ光源１０３ｂと、プリズム１０４〜１０６と、ミラー１０７と、レンズ１０８の部分は、図９におけるレーザ光源５０に相当する。図９において、レーザ光源５０より発せられた画像信号に応じたレーザ光は、光偏向器１００のミラー１２に入射される。ミラー１２は、上述したように、水平偏向素子部１０によってレーザ光をスクリーン６０の水平方向に走査させるよう揺動され、垂直偏向素子部２０によってレーザ光をスクリーン６０の垂直方向に走査させるよう揺動される。
The portions of the R
光偏向器１００によるレーザ光の水平方向及び垂直方向の走査によって、スクリーン６０上には画像信号に基づく画像が表示される。
An image based on the image signal is displayed on the
次に、水平偏向素子部１０の製造方法について説明する。まず、図１０に示すように、シリコン酸化膜４１，シリコン基板４２，ＢＯＸ層シリコン酸化膜４３，シリコン層４４，シリコン酸化膜４５を順に積層したＳＯＩ（Silicon On Insulator）ウェハ４０を作成する。
Next, a method for manufacturing the horizontal
ＳＯＩウェハ４０の一般的な製造方法は次の通りである。シリコン基板４２の表裏面を熱酸化してシリコン酸化膜４１及びＢＯＸ層シリコン酸化膜４３を形成する。ＢＯＸ層シリコン酸化膜４３側に活性層シリコンウェハを重ね合わせて、熱と圧力を加えて活性層シリコンウェハを貼り付ける。活性層シリコンウェハを所定の膜厚となるよう研磨して、シリコン層４４とする。シリコン層４４の表面を熱酸化してシリコン酸化膜４５を形成する。
A general manufacturing method of the
シリコン層４４の厚さは、図１，図２に示す水平偏向素子部１０のミラー１２，梁１３，アーム１４の厚さよりも５〜５０μｍ厚くしておく。シリコン層４４の膜厚は薄いほど垂直方向の寸法精度を向上させることができる。応力が集中する裏面キャビティ１９のエッジ１４edg（図３）と、シリコン層４４とＢＯＸ層シリコン酸化膜４３との貼り合わせ部が接近することになるので、シリコン層４４の厚さは、破壊限界と走査精度とのいずれを優先するかによって、最適値を選択する。
The thickness of the
ＢＯＸ層シリコン酸化膜４３の膜厚は、裏面キャビティ１９をエッチングによって形成する際のストッパとして機能する膜厚に設定する。ＢＯＸ層シリコン酸化膜４３には面内で膜厚にばらつきがある。裏面キャビティ１９のエッチング時に、裏面キャビティ１９全面におけるＢＯＸ層シリコン酸化膜４３が露出するまでＢＯＸ層シリコン酸化膜４３がなくならないことが必要である。ＳＯＩウェハ４０の表面側に設けたシリコン酸化膜４５は、後に形成する電極の配線膜及び圧電膜とシリコン層４４との絶縁を図るために形成している。
The film thickness of the BOX layer
次に、図１１に示すように、シリコン酸化膜４５上に、下部電極５１，圧電膜５２，上部電極５３を順に形成する。下部電極５１は、詳細には、シリコン酸化膜４５側より順に、配向性助長層と配向膜との２層構造である。配向性助長層は、例えばＴｉを用いた電極材料であり、配向膜は例えばＰｔである。配向膜は、下部電極５１上に形成する圧電膜５２を、シリコン層４４の面に垂直な方向に配向させる働きをする。Ｔｉの配向性助長層の膜厚は０．０２μｍ程度、Ｐｔの配向膜の膜厚は０．１μｍ程度である。
Next, as shown in FIG. 11, a
圧電膜５２を構成する圧電材料としては、高い圧電特性を示すジルコン酸チタン酸鉛（ＰＺＴ）系やＬａＮｉＯ３等のペロブスカイト構造を有した複合酸化物を用いることができる。ＰＺＴ系の場合、圧電膜５２の膜厚を３μｍ程度とするのが一般的である。
As the piezoelectric material constituting the
上部電極５３は、詳細には、圧電膜５２側から順に、密着層と電極層との２層構造である。密着層として例えばＴｉ、電極層としてＰｔ，Ｉｒ，Ａｕ，Ａｇ，Ｃｕ，Ａｌ等を用いることができる。Ｔｉの密着層の膜厚は０．０２μｍ程度、電極層としてＡｕを用いた場合の膜厚は０．３μｍ程度である。
Specifically, the
次に、図１２の（ａ），（ｂ）に示すように、下部電極５１，圧電膜５２，上部電極５３をパターンエッチングすることによって、駆動用圧電部１５ａ，１５ｂ及び検出用圧電部１６ａ，１６ｂそれぞれに相当するパターン部１５ａ０，１５ｂ０，１６ａ０，１６ｂ０を形成する。図１２の（ａ）は、図１２の（ｂ）における４０Ａ−４０Ａ断面図である。
Next, as shown in FIGS. 12A and 12B, the
図１２では、簡略化のため、パターン部１５ａ０，１５ｂ０，１６ａ０，１６ｂ０から外部への配線の引き出しについては図示を省略している。エッチング方法としてはイオンミリング法等を用いることができる。 In FIG. 12, for the sake of simplification, the drawing of wiring from the pattern portions 15a0, 15b0, 16a0, 16b0 to the outside is omitted. As an etching method, an ion milling method or the like can be used.
引き続き、図１３の（ａ），（ｂ）に示すように、シリコン層４４の表面側をエッチングする。エッチング深さは、水平偏向素子部１０完成時のミラー１２，梁１３ａ〜１３ｄ，アーム１４ａ〜１４ｄの膜厚相当とする。ここでのエッチングはドライエッチングである。エッチング手法としては、ボッシュプロセスを用いることが好ましい。ボッシュプロセスによって側壁保護とエッチングを交互に繰り返し、水平方向の寸法精度を確保することが望ましい。ここでの水平方向とは、エッチングの深さ方向と直交する方向である。
Subsequently, as shown in FIGS. 13A and 13B, the surface side of the
ある程度のばらつきが許容される場合には、ボッシュプロセスを用いることなく、通常の高密度プラズマを利用したＩＣＰエッチングを用いてもよい。完成時のミラー１２等のシリコンの膜厚を５０μｍとし、ウェハ面内のエッチング深さのばらつきを±５％とすると、膜厚のばらつきは５０±２．５μｍとなる。
When a certain degree of variation is allowed, ICP etching using normal high-density plasma may be used without using the Bosch process. When the film thickness of silicon such as the
図１３の（ｂ）に示すように、シリコン層４４の表面側をエッチングすることによって、ミラー１２，梁１３ａ〜１３ｄ，アーム１４ａ〜１４ｄそれぞれに相当するパターン部１２０，１３ａ０〜１３ｄ０，１４ａ０〜１４ｄ０を形成することができる。同じく、図１３の（ａ）は、図１３の（ｂ）における４０Ａ−４０Ａ断面図である。
As shown in FIG. 13B, by etching the surface side of the
図１３の（ａ）に示すように、シリコン層４４を例えばボッシュプロセスによって深さ方向にエッチングするとき、ＢＯＸ層シリコン酸化膜４３が露出せず、シリコン層４４の一部が残るようにエッチングすることが好ましい。
As shown in FIG. 13A, when the
次に、図１４及び図１４の部分拡大図である図１５に示すように、シリコン酸化膜４１をパターンエッチングして、シリコン基板４２をエッチングする。図１４，図１５の状態で、シリコン基板４２は外周枠部１７に相当する状態となる。
Next, as shown in FIG. 15 which is a partially enlarged view of FIGS. 14 and 14, the
エッチングするシリコン基板４２の厚さは２５０〜５００μｍ程度でエッチング深さが深いため、ボッシュプロセスを用いて側壁を保護しながらエッチングを進めることが好ましい。上記のように、ＢＯＸ層シリコン酸化膜４３はシリコン基板４２をエッチングして裏面キャビティ１９を形成する際のストッパとなる。図１４に示すように、シリコン基板４２をエッチングした部分のＢＯＸ層シリコン酸化膜４３が露出している。
Since the thickness of the
引き続き、図１６及び図１６の部分拡大図である図１７に示すように、露出しているＢＯＸ層シリコン酸化膜４３の部分をエッチングによって除去する。ここでのエッチングによってシリコン基板４２の下面に形成されているシリコン酸化膜４１も除去される。
Subsequently, as shown in FIG. 17 which is a partially enlarged view of FIGS. 16 and 16, the exposed portion of the BOX layer
ＢＯＸ層シリコン酸化膜４３の膜厚は１〜２μｍ程度と薄い。フッ酸等によるウェットエッチでは等方的にエッチングが進み、少なからずサイドエッチが生じる。ＢＯＸ層シリコン酸化膜４３とシリコン層４４の下面との角部であるエッジ部近傍に凹凸が生じてしまうので、ここでのエッチングとしてはドライエッチングを用いることが好ましい。
The thickness of the BOX layer
ＢＯＸ層シリコン酸化膜４３をエッチングするエッチング条件を最適化することによって、シリコン層４４をほとんどエッチングすることなく、露出しているＢＯＸ層シリコン酸化膜４３のみを除去することが可能である。従って、シリコン層４４の膜厚は当初のＳＯＩウェハ４０のまま維持される。
By optimizing the etching conditions for etching the BOX layer
最後に、図１８及び図１８の部分拡大図である図１９に示すように、ＢＯＸ層シリコン酸化膜４３のエッチングに引き続き、シリコン層４４をエッチングしてシリコン層４４を貫通させる。図１３に示す表面側からのシリコン層４４のエッチングと図１８に示す裏面側からのシリコン層４４のエッチングによって、シリコン層４４が貫通する。この状態で、ここでは図示していない部分を含めて、ミラー１２、梁１３ａ〜１３ｄ、アーム１４ａ〜１４ｄ，駆動用圧電部１５ａ，１５ｂ，検出用圧電部１６ａ，１６ｂが形成される。
Finally, as shown in FIG. 19 which is a partially enlarged view of FIG. 18 and FIG. 18, following the etching of the BOX layer
図１８，図１９の状態で、シリコン層４４は固定枠部１１に相当する状態となる。
18 and 19, the
前述のように、シリコン層４４の厚さは、完成時の水平偏向素子部１０のミラー１２，梁１３，アーム１４の厚さよりも５〜５０μｍ厚くしているので、シリコン層４４のエッチング膜厚は５〜５０μｍである。完成時のミラー１２等の膜厚を５０μｍとし、ＳＯＩウェハ４０のシリコン層４４の膜厚を１００μｍとすると、エッチング膜厚は５０μｍとなる。シリコン層４４の面内のばらつきを±５％とすると、エッチング膜厚のばらつきは±２．５μｍとなる。シリコン層４４の表面側のエッチング深さのばらつきと合わせると、最大で±５μｍの差が生じる。
As described above, the thickness of the
この±５μｍの差を共振周波数に換算すると±１．６ｋＨｚ、割合にすると、±５．４％に相当する。シリコン層４４の裏面からシリコン層４４を貫通させるときのエッチング膜厚を小さくことによって、完成時のシリコン層４４の膜厚のばらつきを小さく抑えることができる。裏面からのエッチング膜厚が５μｍの場合、裏面のエッチング膜厚のばらつきは±０．２５μｍとなる。表面側のエッチング深さのばらつきと合わせると、最大で±０．２７５μｍの差が生じる。
When this ± 5 μm difference is converted to the resonance frequency, it corresponds to ± 1.6 kHz, and the ratio corresponds to ± 5.4%. By reducing the etching film thickness when penetrating the
この±０．２７５μｍの差を共振周波数に換算すると±１．１ｋＨｚ、割合にすると、±３．７％に相当する。図８において、駆動検出部１０dtからの駆動検出信号によって水平駆動信号を制御すれば、共振周波数のばらつきを十分に制御することができる。 This difference of ± 0.275 μm corresponds to ± 1.1 kHz when converted to the resonance frequency, and corresponds to ± 3.7% when expressed as a ratio. In FIG. 8, if the horizontal drive signal is controlled by the drive detection signal from the drive detection unit 10dt, the variation in the resonance frequency can be sufficiently controlled.
以上のようにして、図３の（ａ）で説明したように、アーム１４ａ〜１４ｄの下面１４udrをＢＯＸ層シリコン酸化膜４３よりも上方側にずらして、アーム１４ａ〜１４ｄの振動時に応力が集中するエッジ１４edgから離した位置に設けた構造を有する水平偏向素子部１０を製造することができる。以上説明した製造方法では、製造プロセスが複雑化することはない。
As described above, as described in FIG. 3A, the lower surfaces 14udr of the
図２０及び図２０の部分拡大図である図２１を用いて本実施形態の変形例について説明する。図１６，図１７の状態からシリコン層４４の裏面側からエッチングする際に、図２０，図２１に示すように、裏面キャビティ１９の側壁におけるアーム１４ａ〜１４ｄ側の端部をテーパ状に形成してもよい。
A modification of this embodiment will be described with reference to FIG. 21 which is a partially enlarged view of FIG. 20 and FIG. When etching from the back surface side of the
一般的なボッシュプロセスでは、側壁保護とエッチングとのバランスをとって垂直にエッチングが進むように制御する。ボッシュプロセスによるエッチングの際に、側壁保護の割合を大きくすることによってエッチングが進むに従ってエッチング面を小さくすることができる。これによって、ＢＯＸ層シリコン酸化膜４３より上側の部分をテーパ状の側壁１９tpswとすることができる。
In a general Bosch process, control is performed so that the etching proceeds vertically while balancing the protection of the sidewall and the etching. When the etching is performed by the Bosch process, the etching surface can be reduced as the etching progresses by increasing the ratio of the side wall protection. As a result, the portion above the BOX layer
図２１に示すように、エッジ１４edg部分の角度は鈍角になるので、エッジ１４edg部分を直角状にする場合よりも応力を小さくすることができる。よって、図２０，図２１に示す例では、破壊限界をさらに高くすることができ、破壊限界振れ角をさらに大きくすることができる。 As shown in FIG. 21, since the angle of the edge 14edg portion becomes an obtuse angle, the stress can be made smaller than in the case where the edge 14edg portion has a right angle. Therefore, in the example shown in FIGS. 20 and 21, the fracture limit can be further increased, and the fracture limit deflection angle can be further increased.
シリコン層４４の表面側とエッチング済みのシリコン基板４２の側壁を表面保護剤で完全に覆うことによって、ドライエッチングの代わりにＴＭＡＨ（テトラメチルアンモニウムヒドロキシド）等を使用したウェットエッチングを用いることも可能である。この場合、シリコン層４４として面方位が＜１００＞であるシリコンウェハを使用すれば、約５５度のテーパが形成され、ドライエッチングによって形成したテーパと同じ効果が得られる。
It is also possible to use wet etching using TMAH (tetramethylammonium hydroxide) instead of dry etching by completely covering the surface side of the
本発明は以上説明した本実施形態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。本実施形態では、垂直偏向素子部２０のフレーム２２上に水平偏向素子部１０を配置して水平偏向素子部１０と垂直偏向素子部２０とを一体化した構成の光偏向器１００を例にしたが、光偏向器の全体的な構成は本実施形態に限定されるものではない。本実施形態では、水平方向の揺動を圧電部、垂直方向の揺動をコイルと磁石によって行わせているが、駆動方法の組み合わせも本実施形態に限定されるものではない。
The present invention is not limited to the embodiment described above, and various modifications can be made without departing from the scope of the present invention. In the present embodiment, the
１０ 水平偏向素子部
１１ 固定枠部
１２ ミラー
１３ａ〜１３ｄ 梁
１４ａ〜１４ｄ アーム
１５ａ，１５ｂ 駆動用圧電部
１３ａ０〜１３ｄ０，１４ａ０〜１４ｄ０，１５ａ０，１５ｂ０，１６ａ０，１６ｂ０，１２０ パターン部
１６ａ，１６ｂ 検出用圧電部
１７ 外周枠部
１９ 裏面キャビティ
２０mc，２０mm 垂直偏向素子部
４０ ＳＯＩウェハ
４１，４５ シリコン酸化膜
４２ シリコン基板
４３ ＢＯＸ層シリコン酸化膜
４４ シリコン層
５１，５３ 電極
５２ 圧電膜
５０ レーザ光源
１００ 光偏向器
DESCRIPTION OF
Claims (6)
前記外周枠部上に形成されたＢＯＸ層シリコン酸化膜と、
前記ＢＯＸ層シリコン酸化膜上に形成され、シリコンによって形成された固定枠部と、
シリコンによって形成され、一方の端部が前記固定枠部と連結し、他方の端部が前記固定枠部で囲まれた開口内に突出するように伸びたアームと、
シリコンによって形成され、前記アームの前記他方の端部と連結した梁と、
シリコンによって形成され、前記梁によって前記開口内で揺動自在に支持されているミラーと、
を備え、
前記アームの下面側に位置し、前記外周枠部で囲まれた裏面キャビティの上端面は、前記ＢＯＸ層シリコン酸化膜よりも前記アームの上面側にずれた位置にある
ことを特徴とする光偏向器。 An outer peripheral frame formed of silicon;
A BOX layer silicon oxide film formed on the outer peripheral frame portion;
A fixed frame portion formed on the BOX layer silicon oxide film and formed of silicon;
An arm formed of silicon and having one end connected to the fixed frame portion and the other end extending so as to protrude into an opening surrounded by the fixed frame portion;
A beam formed of silicon and connected to the other end of the arm;
A mirror formed of silicon and supported swingably in the opening by the beam;
With
The upper surface of the back surface cavity located on the lower surface side of the arm and surrounded by the outer peripheral frame portion is located at a position shifted to the upper surface side of the arm from the BOX layer silicon oxide film. vessel.
前記ミラーに画像信号に応じたレーザ光を入射させるレーザ光源と、
を備えることを特徴とする画像表示装置。 An optical deflector according to claim 1 or 2,
A laser light source for causing a laser beam corresponding to an image signal to enter the mirror;
An image display device comprising:
前記シリコン層上に、ミラーを駆動するための圧電部を形成する第２のステップと、
前記シリコン層の所定の領域を所定の深さまでエッチングして、前記ミラーと、前記ミラーと連結した梁と、前記梁と連結したアームそれぞれに相当する第１〜第３のパターン部を形成する第３のステップと、
前記シリコン基板の所定の領域を前記ＢＯＸ層シリコン酸化膜が露出するまでエッチングして裏面キャビティを形成する第４のステップと、
露出した前記ＢＯＸ層シリコン酸化膜を除去する第５のステップと、
前記第３のパターン部の下面が前記ＢＯＸ層シリコン酸化膜よりも前記第３のパターン部の上面側に位置するように、前記シリコン層を、前記ＢＯＸ層シリコン酸化膜を除去した側からエッチングして、前記ミラーと、前記梁と、前記アームをそれぞれ形成する第６のステップと、
を含むことを特徴とする光偏向器の製造方法。 A first step of creating an SOI wafer having a laminated structure in which a silicon substrate, a BOX layer silicon oxide film, and a silicon layer are laminated in this order;
A second step of forming a piezoelectric part for driving a mirror on the silicon layer;
A predetermined region of the silicon layer is etched to a predetermined depth to form first to third pattern portions corresponding to the mirror, a beam connected to the mirror, and an arm connected to the beam. 3 steps,
A fourth step of etching a predetermined region of the silicon substrate until the BOX layer silicon oxide film is exposed to form a backside cavity;
A fifth step of removing the exposed BOX layer silicon oxide film;
The silicon layer is etched from the side from which the BOX layer silicon oxide film is removed so that the lower surface of the third pattern portion is located on the upper surface side of the third pattern portion with respect to the BOX layer silicon oxide film. A sixth step of forming the mirror, the beam, and the arm, respectively.
The manufacturing method of the optical deflector characterized by including.
前記第６のステップは、前記シリコン層を貫通させるようにエッチングする
ことを特徴とする請求項４記載の光偏向器の製造方法。 In the third step, the BOX layer silicon oxide film is etched to a depth that does not expose the BOX layer silicon oxide film as the predetermined depth,
The method of manufacturing an optical deflector according to claim 4, wherein the sixth step performs etching so as to penetrate the silicon layer.
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|---|---|---|---|---|
| JP2018530780A (en) * | 2015-09-18 | 2018-10-18 | ローベルト ボツシユ ゲゼルシヤフト ミツト ベシユレンクテル ハフツングＲｏｂｅｒｔ Ｂｏｓｃｈ Ｇｍｂｈ | Micromechanical actuator device and tilting method of micromechanical actuator device |
| JP2019074766A (en) * | 2014-06-30 | 2019-05-16 | 浜松ホトニクス株式会社 | Mirror drive device and manufacturing method of the same |
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| Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
|---|---|---|---|---|
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| JP2018530780A (en) * | 2015-09-18 | 2018-10-18 | ローベルト ボツシユ ゲゼルシヤフト ミツト ベシユレンクテル ハフツングＲｏｂｅｒｔ Ｂｏｓｃｈ Ｇｍｂｈ | Micromechanical actuator device and tilting method of micromechanical actuator device |
| US10775610B2 (en) | 2015-09-18 | 2020-09-15 | Robert Bosch Gmbh | Micromechanical actuator device and method for tilting a micromechanical actuator device |
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