JP2015219516A - 光偏向器及びその製造方法 - Google Patents

Abstract

【課題】圧電膜層を形成したり加工したりする際の履歴に因るミラー部の残留応力や表面荒れを防止して、ミラー部のミラー面の品質を改善する光偏向器を提供する。【解決手段】光偏向器１は、ミラー部２と、ミラー部２と可動枠部３との間に介在してミラー部２を第１軸線Ｌｙの回りに往復回動させる圧電アクチュエータ１０と、可動枠部３と支持枠部４との間に介在して、ミラー部２を第２軸線の回りに往復回動させる圧電アクチュエータ１４とを備える。圧電アクチュエータ１０，１５の圧電膜層１１２は、第１ＳＯＩウェハ２６の活性層１０２の上に形成される。第２ＳＯＩウェハ２７は可動枠部３及び圧電アクチュエータ１０において下側から第１ＳＯＩウェハ２６の活性層に接合される。ミラー部２は第２ＳＯＩウェハ２７に形成される。【選択図】図５

Description

本発明は、光スキャナ等に装備されるＭＥＭＳ（Micro Electro Mechanical Systems）の光偏向器及びその製造方法に関する。

近年、画像表示装置の一形態として、光偏向器を用いて光源からの光を偏向してスクリーンに投影し、スクリーン上に画像を映し出すようにしたプロジェクションディスプレイが提案されている。光偏向器としては、例えば、半導体プロセスやマイクロマシン技術を用いたＭＥＭＳデバイスとして、半導体基板上にミラーや圧電アクチュエータ等の機構部品を一体的に形成したＭＥＭＳの光偏向器が知られている。

ＭＥＭＳの光偏向器の典型的な構造では、光偏光器は、光源からの光を反射するミラー部と、ミラー部の回転軸線に沿ってミラー部の両側から突出するトーションバーと、ミラー部及びトーションバーを包囲する枠部と、枠部とトーションバーとの間に介在してミラー部を回転軸線の回りに往復回動させる圧電アクチュエータとを備えている。このような光偏光器は、小型で簡単な構造で大きな駆動力が得られるという利点をもつ。

レーザ光源を光偏向器の往復回動するミラー部に反射させて、縦横の２軸方向に走査して２次元の投影画像を得る方法は２つある。第１は、ミラー部が１つの回転軸線の回りにのみ往復回動する１軸方式の光偏向器を２つ組合せる方法であり、第２は、ミラー部が直交する２つの回転軸線の回りに往復回動する２軸方式の光偏向器（例：特許文献１）を用いる方法である。

第１の１軸方式の光偏向器の組合せによる方法は、光を２枚のミラーで計２回反射させるため、ミラーが１枚で済む第２の２軸方式の光偏向器に比べて光の利用効率が低く、また、小型化が難しいという問題がある。したがって、近年では難易度が高いものの、第２の２軸方式の光偏向器への要求が高まっている。

２軸方式のＭＥＭＳ光偏向器の従来の製造方法は、光偏向器を１つのＳＯＩ（Silicon on Insulator）ウェハから製造するものであり、ＳＯＩウェハの上面全体に圧電膜層を形成してから、該圧電膜層をエッチングして、圧電アクチュエータを加工するとともにミラー部の活性層を露出させ、露出した活性層に金属蒸着によりミラー面を形成している。

特開２００８−４０２４０号公報

従来の光偏向器の製造方法によれば、ミラー部のミラー面を形成する下地となるＳＯＩウェハの活性層の部位が、圧電膜層の形成時の高温（例：一般的なぺロブスカイト型圧電体薄膜では５００〜６００℃）と圧電膜層の加工時の衝撃とにさらされることになる。この高温や衝撃の履歴はウェハ全体に残り、ミラー部の活性層には、ミラー面形成時に残留応力や表面荒れが生じている。これは、ミラー部に形成するミラー面の品質低下の原因になる。

本発明の目的は、圧電膜層の形成や加工に伴うミラー部の高熱及び衝撃の履歴が残らないようにして、ミラー部のミラー面の品質を改善する光偏向器及びその製造方法を提供することである。

本発明の光偏向器は、光を反射するミラー部と、前記ミラー部の回転軸線となる第１軸線に沿って前記ミラー部の両側から突出するトーションバーと、前記ミラー部及び前記トーションバーを包囲する可動枠部と、前記可動枠部と前記トーションバーとの間に介在し、前記ミラー部と前記トーションバーとを前記第１軸線の回りに往復回動させる第１圧電アクチュエータと、前記可動枠部を包囲する支持枠部と、前記可動枠部と前記支持枠部との間に介在し、前記ミラー部が前記第１軸線に対して直交する回転軸線となる第２軸線の回りに往復回動するように、前記可動枠部を、前記第２軸線に対応する軸線の回りに往復回動させる第２圧電アクチュエータとを備える。そして、前記第１圧電アクチュエータ、前記可動枠部、前記第２圧電アクチュエータ及び前記支持枠部は、第１ＳＯＩウェハの活性層を含み、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は、前記第１ＳＯＩウェハの活性層の上に形成された圧電膜層を含み、前記ミラー部、前記トーションバー、前記第１圧電アクチュエータ及び前記可動枠部は、第２ＳＯＩウェハの活性層を含み、前記第１ＳＯＩウェハの活性層と前記第２ＳＯＩウェハの活性層とは、前記第１圧電アクチュエータ及び前記可動枠部において、前記第１ＳＯＩウェハの前記活性層が前記第２ＳＯＩウェハの前記活性層に対して上側となるように接合され、前記ミラー部は、前記第１ＳＯＩウェハに形成された貫通孔を介して上方に開放され、かつ、前記第２ＳＯＩウェハの活性層の上に形成された金属膜をミラー面として有することを特徴とする。

本発明によれば、光偏向器のミラー部は、第１及び第２圧電アクチュエータの圧電膜層が形成された第１ＳＯＩウェハとは別の第２ＳＯＩウェハに形成されて、第２ＳＯＩウェハが第１ＳＯＩウェハに接合される。したがって、第１ＳＯＩウェハにおいて圧電膜層の形成及び加工を終えてから、第１ＳＯＩウェハに、ミラー部が形成された第２ＳＯＩウェハを接合することができる。これにより、圧電膜層の形成や加工に伴うミラー部の高熱及び衝撃の履歴が残らないようして、ミラー部のミラー面の品質を改善することができる。

本発明の光偏向器において、前記第２圧電アクチュエータは、ミアンダパターン配列で直列に結合された複数の圧電カンチレバーから構成され、前記第１ＳＯＩウェハの活性層は、前記第２ＳＯＩウェハの活性層より薄いことが好ましい。

この構成によれば、第１ＳＯＩウェハの活性層の厚みと、第２ＳＯＩウェハの活性層の厚みとを別々に設定することが可能になり、かつ第１ＳＯＩウェハの活性層は第２ＳＯＩウェハの活性層より薄くされる。これにより、第２圧電アクチュエータの活性層を十分に薄くする一方、トーションバーを十分に厚くすることができる。この結果、低周波数の非共振駆動における第２軸線の回りのミラー部の往復回動量を増大させつつ、トーションバーの剛性の増大及び共振体の共振周波数の高周波化も支障なく達成することができる。

本発明の光偏向器において、前記支持枠部は、前記第１ＳＯＩウェハの活性層の下側に前記第１ＳＯＩウェハの埋め込み酸化膜層及び支持層を含み、前記ミラー部は、前記第２ＳＯＩウェハの活性層の下側に前記第２ＳＯＩウェハの埋め込み酸化膜層及び支持層を含み、前記支持枠部の内周側には、前記第１ＳＯＩウェハの前記埋め込み酸化膜層及び前記支持層が除去されて下方に開口する内側空間が形成されており、前記第２ＳＯＩウェハは前記内側空間に配設され、前記ミラー部における前記第２ＳＯＩウェハの前記支持層は、補強リブとして加工されていることが好ましい。

この構成によれば、ミラー部における第２ＳＯＩウェハの支持層は、補強リブとして加工されている。従来の１枚のＳＯＩウェハからの光偏向器の製造では、ＳＯＩウェハの裏側における支持枠部が包囲する内側空間の作製において、第１段階で、ＳＯＩウェハの支持層に対するマスキング及びエッチングにより補強リブの下端まで加工し、第２段階で再び該支持層に対するマスキング及びエッチングによりＳＯＩウェハの活性層の下面まで掘り下げて、内側空間を形成していた。これに対して、内側空間の加工を第１ＳＯＩウェハにおいて１段階で行うことができるので、加工が簡単となる。また、第２ＳＯＩウェハとして支持層の厚みが補強リブの高さの寸法に揃えたものを使用すれば、第２ＳＯＩウェハにおいて補強リブの下端までのエッチングを省略することができるとともに、補強リブの厚みを高い加工精度で均一化することができる。

本発明の光偏向器において、前記可動枠部は前記第２ＳＯＩウェハの埋め込み酸化膜層及び支持層を含み、前記支持枠部の下端は前記第２ＳＯＩウェハの前記支持層の下端より下に位置することが好ましい。

この構成によれば、第２ＳＯＩウェハは、第１ＳＯＩウェハの支持枠部の内側空間に収まるので、第２ＳＯＩウェハの活性層の厚みが第１ＳＯＩウェハの活性層の厚みより厚くなっても、第２ＳＯＩウェハに形成されている素子が支持枠部の下端にはみ出ることを防止することができる。

本発明の光偏向器において、前記圧電カンチレバーの幅は、前記第１ＳＯＩウェハの前記活性層の厚みの８倍より大きく、前記トーションバーの幅は、前記第２ＳＯＩウェハの前記活性層の厚みの２倍未満であることが好ましい。

この構成によれば、第１ＳＯＩウェハの活性層の厚みと、第２ＳＯＩウェハの活性層の厚みとを別々に設定することが可能になる。そして、カンチレバー型圧電アクチュエータの幅を、第１ＳＯＩウェハの活性層の厚みの８倍より大きくする一方、トーションバーの幅を、第２ＳＯＩウェハの活性層の厚みの２倍未満にする。この結果、第２圧電アクチュエータの駆動力を確保しつつ、低周波数の非共振駆動における第２軸線の回りのミラー部の往復回動量を増大させることができる。また、それと共に、トーションバーの角型化による剛性増大及び第１軸線の回りのミラー部の往復回動の共振周波数の高周波数化を確実に実施することできる。

本発明の製造方法は、光を反射するミラー部と、前記ミラー部の回転軸線となる第１軸線に沿って前記ミラー部の両側から突出するトーションバーと、前記ミラー部及び前記トーションバーを包囲する可動枠部と、前記可動枠部と前記トーションバーとの間に介在し、前記ミラー部と前記トーションバーとを前記第１軸線の回りに往復回動させる第１圧電アクチュエータと、前記可動枠部を包囲する支持枠部と、前記可動枠部と前記支持枠部との間に介在し、前記ミラー部が前記第１軸線に対して直交する回転軸線となる第２軸線の回りに往復回動するように、前記可動枠部を、前記第２軸線に対応する軸線の回りに往復回動させる第２圧電アクチュエータとを備える光偏向器の製造方法である。そして、第１ＳＯＩウェハに対し、その活性層の上に圧電膜層を形成した後、前記活性層より上の前記第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上側部分を作製する工程と、前記第１ＳＯＩウェハに対し、下からのエッチングにより、前記活性層の下面より下でかつ前記支持枠部が包囲する内側空間を形成する工程と、前記ミラー部と前記トーションバーと前記第１圧電アクチュエータの下側部分と前記可動枠部の下側部分とが形成された第２ＳＯＩウェハと、第１ＳＯＩウェハとを前記第１圧電アクチュエータ及び前記可動枠部において接合する工程と、前記第１ＳＯＩウェハの活性層に対し、前記第２ＳＯＩウェハの前記ミラー部の上方範囲において貫通孔を形成する工程と、前記貫通孔を介して前記ミラー部の上面に金属膜を成膜して前記ミラー部のミラー面を形成する工程とを備えることを特徴とする。

本発明によれば、ミラー部が、第１及び第２圧電アクチュエータの圧電膜が形成される第１ＳＯＩウェハとは別の第２ＳＯＩウェハに形成され、ミラー部が作製済みとなった第２ＳＯＩウェハを、圧電膜層の形成及び加工後の第１ＳＯＩウェハに接合する。これにより、圧電膜層の形成や加工に伴うミラー部の高熱及び衝撃の履歴を排除して、ミラー部のミラー面の品質を改善した光偏向器を製造することができる。

本発明の光偏向器の製造方法において、前記第１ＳＯＩウェハの活性層は、前記第２ＳＯＩウェハの活性層より薄いことが好ましい。

この構成によれば、第１ＳＯＩウェハの活性層の厚みは第２ＳＯＩウェハの活性層の厚みより薄くされる。これにより、厚みの増大によるトーションバーの剛性の増大を図りつつ、共振体の共振周波数を十分に高めることができる。また、トーションバーの耐久性も向上する。さらに、第２圧電アクチュエータは、活性層を十分に薄くすることができるので、低周波数の非共振駆動によるミラー部の往復回動量を増大させることができる。

光偏向器を斜め前方から見た斜視図。 ２つのＳＯＩウェハを接合する前の状態で光偏向器の構成を示す図。 第１ＳＯＩウェハと第２ＳＯＩウェハとの接合過程における第１段階を示す図。 第１ＳＯＩウェハと第２ＳＯＩウェハとの接合過程における第２段階を示す図。 第１ＳＯＩウェハと第２ＳＯＩウェハとの接合過程における第３段階を示す図。 光偏向器の製造方法の第１過程を示す図。 光偏向器の製造方法の第２過程を示す図。 光偏向器の製造方法の第３過程を示す図。 光偏向器の製造方法の第４過程を示す図。 圧電カンチレバー及びトーションバーの横断面の寸法関係についての説明図。

以下、図面を参照して、本発明の実施形態について説明する。図１は光偏向器１を斜め前方から見た斜視図である。光偏向器１は、中心に配置される円形のミラー部２と、ミラー部２を包囲する可動枠部３と、可動枠部３を包囲する支持枠部４とを備えている。可動枠部３は、内周が円形で、外周がほぼ正方形になっている。支持枠部４は、内周及び外周共に矩形になっている。

図１において、軸線Ｌｙ（「第１軸線」に相当）は、ミラー部２が往復回動する２つ回転軸線のうちの一方の回転軸線となっている。軸線Ｌｘは、可動枠部３が往復回動する回転軸線となっている。軸線Ｌｘは、静止部としての支持枠部４の長辺に対して平行であり、軸線Ｌｘと軸線Ｌｙとは、ミラー部２の上面（表面側の面）の中心において直交する。軸線Ｌｙを含みかつ支持枠部４の長辺及び短辺に対して平行な面を基準面と呼ぶことにする。図１の光偏向器１は、可動部としてのミラー部２の上面の法線が基準面に対して直交している状態で示されている。

ミラー部２の他方の回転軸線としての軸線Ｌｘ'（図示せず／「第２軸線」に相当）は、ミラー部２の上面に含まれ、かつミラー部２の上面の中心において軸線Ｌｙと直交する。軸線Ｌｘ'と軸線Ｌｘを含む平面は、基準面に対して垂直な平面となる。軸線Ｌｙが基準面にあるときは、軸線Ｌｘ'は軸線Ｌｘに一致する。

共振駆動用の圧電アクチュエータ８は、円周状に形成され、可動枠部３の内側に配設されている。圧電アクチュエータ８は、ミラー部２及びトーションバー７を包囲するとともに、トーションバー７の突出側の端部に結合している。圧電アクチュエータ８は、軸線Ｌｙに対して対称に配置された２つの半円弧状の圧電円弧レバー１０から構成される。連結部９は、各圧電円弧レバー１０の中間部から軸線Ｌｘに沿って突出し、可動枠部３の内周縁に結合している。

非共振駆動用の圧電アクチュエータ１４は、軸線Ｌｘの方向に可動枠部３の両側に配設される。各圧電アクチュエータ１４は、ミアンダパターン配列の複数の圧電カンチレバー１５を有する。各圧電カンチレバー１５は、長手方向を軸線Ｌｙに対して平行に揃えられ、折り返し部１６を介して隣りの圧電カンチレバー１５に直列に結合している。圧電アクチュエータ１４は、連結部１９を介して可動枠部３に結合しているとともに、連結部２０を介して支持枠部４に結合している。

複数の電極パッド２３は、支持枠部４の上面の一方の長辺部上に一列に配備される。各電極パッド２３は、光偏向器１がパッケージ（図示せず）に収納される時に、パッケージの対応電極にボンディングワイヤ（図示せず）を介して接続される。

光偏向器１の全体の作用について、概略的に説明する。なお、ミラー部２とトーションバー７とは、軸線Ｌｙの回りに所定の共振周波数（例：２５ｋＨｚ）で共振する共振体を構成する。

ミラー部２の上面のミラー面１２８（図５参照）の中心には、光偏向器１の前方のレーザ光源（図示せず）からの光が入射する。ミラー部２は、後述するように、圧電アクチュエータ８，１４の駆動により、軸線Ｌｙ，Ｌｘ‘の回りに往復回動する。

２つの軸線Ｌｙ，Ｌｘ‘の回りのミラー部２の回動により、ミラー部２からの反射光は、それぞれ支持枠部４の長辺方向及び短辺方向の２軸方向に往復する走査光となって、光偏向器１から出射する。

圧電アクチュエータ８の駆動によるミラー部２の往復回動について説明する。ミラー部２及びトーションバー７は、圧電アクチュエータ８に支持されて、軸線Ｌｙの回りに共振振動する共振体として作用する。圧電アクチュエータ８の２つの圧電円弧レバー１０の圧電膜には、共振体の共振周波数（例：２５ｋＨｚ）でかつ相互に逆位相で増減する駆動電圧が電極パッド２３を介して供給される。

これにより、２つの圧電円弧レバー１０は、湾曲量の増減が相互に逆の関係になり、トーションバー７を軸線Ｌｙの回りに各時点で同一の回転向きで駆動するとともに、駆動力の回転向きを共振体の共振周波数で切替えて、共振体を軸線Ｌｙの回りに共振周波数で往復回動させる。この結果、ミラー部２からの反射光としての走査光は、支持枠部４の長辺方向に共振周波数で往復する。

圧電アクチュエータ１４の駆動によるミラー部２の往復回動について説明する。可動枠部３は、圧電アクチュエータ１４を介して支持枠部４に支持されている。一方、圧電カンチレバー１５の圧電膜には、共振体の前述の共振周波数より十分に低い非共振周波数（例：６０Ｈｚ）で増減する駆動電圧が電極パッド２３を介して供給される。

圧電カンチレバー１５に供給される駆動電圧は、軸線Ｌｘ方向に可動枠部３の方から支持枠部４の方へ数えて奇数番の圧電カンチレバー１５と偶数番の圧電カンチレバー１５とで相互に逆位相とされる。この結果、奇数番の圧電カンチレバー１５と偶数番の圧電カンチレバー１５とは、湾曲量の増減が相互に逆の関係になり、各圧電カンチレバー１５は、軸線Ｌｘの回りの可動枠部３の回転に対して各時点で同一回転方向の駆動力を発生しつつ、回転方向を非共振周波数で変化させる。

これにより、可動枠部３は、軸線Ｌｘの回りの非共振周波数で往復回動し、可動枠部３により支持されている共振体は、軸線Ｌｘ’の回りに共振周波数で往復回動する。この非共振周波数での軸線Ｌｘ‘の回りのミラー部２の往復回動は、ミラー部２からの反射光としての走査光を支持枠部４の短辺方向に往復させる。

走査光が往復する走査方向としての支持枠部４の短辺方向及び長辺方向は、典型的には、光偏向器１が装備される光スキャナやプロジェクションディスプレイにおいて垂直及び水平の走査方向にそれぞれ対応付けられる。そして、水平走査をミラー部２の共振周波数である高周波数（例：２５ｋＨｚ）で駆動し、垂直走査を一般的なビデオフレームレートである低周波数の６０Ｈｚで駆動することにより、ＨＤ解像度に対応している。

図２は光偏向器１を構成する２つのＳＯＩウェハ２６（「第１ＳＯＩウェハ」に相当）及びＳＯＩウェハ２７（「第２ＳＯＩウェハ」に相当）に分解して示した図である。光偏向器１は、上側でかつ収容側のＳＯＩウェハ２６と、ＳＯＩウェハ２６の包囲する内側空間１２０（図３）内に下側から挿入されて、ＳＯＩウェハ２６に接合される被収容側のＳＯＩウェハ２７とを有する。

光偏向器１の素子の内、支持枠部４、圧電アクチュエータ１４、及び連結部１９，２０は、ＳＯＩウェハ２６のみに形成される。光偏向器１の素子の内、ミラー部２及びトーションバー７は、ＳＯＩウェハ２７のみに形成される。可動枠部３及び圧電アクチュエータ８は、ＳＯＩウェハ２６に形成される上側部分３ａ，８ａと、ＳＯＩウェハ２７に形成される下側部分３ｂ，８ｂとを有する。上側部分８ａは、さらに、２つの圧電円弧レバー１０の上側部分１０ａから成り、下側部分８ｂは、さらに、２つの圧電円弧レバー１０の下側部分１０ｂから成る。上側部分３ａと下側部分３ｂ、及び上側部分８ａと下側部分８ｂとは、ＳＯＩウェハ２６とＳＯＩウェハ２７との接合に伴い、一体となる。なお、連結部９も、ＳＯＩウェハ２６に形成される上側部分９ａと、ＳＯＩウェハ２７に形成される下側部分９ｂとを有する。

ＳＯＩウェハ２６において、圧電アクチュエータ８の内周側は円形の貫通孔３０になっている。ＳＯＩウェハ２７に形成されたミラー部２及びトーションバー７は、ＳＯＩウェハ２６の貫通孔３０を介して上方範囲を開放され、ＳＯＩウェハ２６の上方に露出する。

ＳＯＩウェハ２７は、ミラー部２及びトーションバー７がＳＯＩウェハ２６の中心部の貫通孔３０に臨むようにしつつ、圧電アクチュエータ８、連結部９及び可動枠部３（図１参照）においてＳＯＩウェハ２６と接合される。後述するように、ＳＯＩウェハ２６へのＳＯＩウェハ２７の接合時では、ＳＯＩウェハ２７側の各素子部分は、完成されている。これに対し、ＳＯＩウェハ２６側の各素子部分は、ＳＯＩウェハ２６へのＳＯＩウェハ２７の接合前は、ＳＯＩウェハ２６の活性層１０２（図３参照）より上側の範囲のみの完成に留め、接合後に、活性層１０２の範囲を加工して、全体を完成させる。

図３〜図５は、ＳＯＩウェハ２６とＳＯＩウェハ２７とを接合する過程の模式図である。ＳＯＩウェハ２６とＳＯＩウェハ２７との接合過程は、図３〜図５の順番に進む。図３〜図５は、接合過程の特徴を中心に説明するものであり、各素子の形状や位置は、模式的な図示に留めており、実際のものとは多少異なっている。図３〜図５において、各符号は、光偏向器１全体の製造方法についての後述の図６〜図９に記載した符号に一致させている。

ＳＯＩウェハ２６は、上の層から下の層へ順番に活性層（Ｓｉから成る／「デバイス層」ともいう）１０２、埋め込み酸化膜層（酸化膜はＳｉＯ_２から成る／「Ｂｏｘ層」ともいう）１０３及び支持層（「ハンドリング層」ともいう）１０４の３層を備える。支持層１０４の下側の熱酸化膜層１０５は、図７で説明するように、ＳＯＩウェハ２６の下面を熱酸化処理することにより追加された層となっている。図３の製造段階では、ＳＯＩウェハ２６は、活性層１０２の加工のみを残して、活性層１０２より上の部分についてすでに完成済みとなっている。

一方、ＳＯＩウェハ２７は、上の層から下の層へ順番に活性層１４２、埋め込み酸化膜層１４３及び支持層１４４を備える。ＳＯＩウェハ２７の各素子及び素子部分は、ミラー部２のミラー面１２８（図５参照）を除いて、加工済みとなっている。

支持枠部４は、ＳＯＩウェハ２６の活性層１０２、埋め込み酸化膜層１０３、支持層１０４及び熱酸化膜層１０５を全部含む。内側空間１２０は、活性層１０２より下で支持枠部４の内周により包囲される部分として形成され、ＳＯＩウェハ２６の下方に開口している。

ミラー部２及び下側部分３ｂは、ＳＯＩウェハ２７の活性層１４２、埋め込み酸化膜層１４３及び支持層１４４を全部含む。ミラー部２の支持層１４４は、ミラー部２を補強するための環状の補強リブ１５０となっている。

ＳＯＩウェハ２６では、接合用Ａｕ（金）膜１２２は、活性層１０２の下面側における上側部分３ａ，１０ａの対応部位に、ＳＯＩウェハ２６へのＳＯＩウェハ２７の接合に先立ち、金属蒸着により生成されている。ＳＯＩウェハ２７では、接合用のＡｕ膜１２２は、下側部分３ｂ，１０ｂの上面に、ＳＯＩウェハ２６へのＳＯＩウェハ２７の接合に先立ち、金属蒸着により生成されている。

ＳＯＩウェハ２６のＡｕ膜１２２とＳＯＩウェハ２７のＡｕ膜１２２とが、上下から重なるように、ＳＯＩウェハ２７がＳＯＩウェハ２６に当てられる。なお、図では、１つの光偏向器１しか示されていないが、光偏向器１の実際の製造では、共通のＳＯＩウェハ２６に、図３に図示のＳＯＩウェハ２６が、ダイシング前の状態で格子状に多数並んでいる。一方、図３に図示のＳＯＩウェハ２７は、ダイシング後の状態になっている。この場合、光偏向器１ごとにＳＯＩウェハ２７をＳＯＩウェハ２６の内側空間１２０に挿入するとするならば、挿入作業が煩雑になる。

これを回避するために、ＳＯＩウェハ２７の方はダイシング後、ＳＯＩウェハ２６の内側空間１２０に対応する配列で所定の貼付け部材に貼り付けられてから、図３の段階が実行される。したがって、図３〜図５に接合は、個々の光偏向器１ごとに行われるのではなく、共通のＳＯＩウェハ２６に対して複数の光偏向器１をまとめて行われる。共通のＳＯＩウェハ２６におけるダイシングによる光偏向器１の個々の分離は、光偏向器１の最後の製造段階（後述の図８のＳ１２より後）で行われる。

ＳＯＩウェハ２６，２７は、Ａｕ膜１２２同士の重ね合わせにより仮接合の状態になり、所定の固着力が保持される。ＳＯＩウェハ２６，２７は、この仮接合の状態に保持されて、３００℃〜４００℃に加熱される。これにより、ＳＯＩウェハ２６とＳＯＩウェハ２７とは、図４に示すように、Ａｕ膜１２２において強固に接合された本接合の状態になる。

Ａｕ−Ａｕ接合はＡｕの固層拡散による接合であり、その接合強度は引張り試験において破断面がバルクのＳｉ層であって接合界面ではないほど強固なものである。ただし、ＳＯＩウェハ２６の圧電アクチュエータ８，１４の高駆動力が確保できれば、Ａｕ−Ａｕ接合以外の接合でも構わない。例えば、Ｓｉ層−Ｓｉ層の直接接合、Ｓｉ層−ＳｉＯ_２層の陽極酸化接合、ＡｕＳｎ共晶結合、ハンダ結合、フリットガラス結合、Ｃｕ−Ｃｕ接合及び接着剤接合などが挙げられる。

ＳＯＩウェハ２６，２７の接合後の状態では、光偏向器１の完成後の光偏向器１の作動中、光偏向器１の全部の可動素子が内側空間１２０の下端より下に越えて変位しないように、ＳＯＩウェハ２６，２７の高さ寸法が設定される。すなわち、ＳＯＩウェハ２６，２７の接合後の状態において、全体が可動素子なっているＳＯＩウェハ２７の下端は、ＳＯＩウェハ２６の下端より適当に上になるように、ＳＯＩウェハ２６，２７の寸法関係が規定される。ＳＯＩウェハ２６，２７の寸法関係の詳細については、トーションバー７や圧電カンチレバー１５の幅及び高さの寸法関係と共に後の図１０で再説明する。

図５の製造段階では、ＳＯＩウェハ２６の上からのエッチングによりＳＯＩウェハ２６の活性層１０２に貫通孔３０及び貫通部１２５が形成される。ミラー部２は、貫通孔３０により、ＳＯＩウェハ２６の上側に露出する。貫通部１２５は、ＳＯＩウェハ２６の圧電カンチレバー１５等の、ＳＯＩウェハ２６に形成される全部の可動素子が基準面に対して垂直方向に変位自在になるように、基準面に対して平行な方向に相互に分離する。

ミラー部２は、貫通孔３０による上方への開放後、上面にミラー面１２８としての金属膜をマスク蒸着される。ＳＯＩウェハ２６における圧電膜層１１２の形成や圧電円弧レバー１０（「第１圧電アクチュエータ」に相当」）及び圧電カンチレバー１５（「第２圧電アクチュエータ」に相当」）の輪郭形成（パターニング）のための圧電膜層１１２には、高熱や衝撃の履歴が残る。これに対し、ミラー部２の活性層１４２は、ＳＯＩウェハ２７に存在しているので、そのような履歴存在しない。これにより、ミラー面１２８は、残留応力や表面荒れのない活性層１４２に形成されるので、品質が向上する。

なお、図５において、ｈ１，ｈ２は、ＳＯＩウェハ２６における活性層１０２の厚み及び支持層１０４の厚みを示す。上側部分３ａ，１０ａ及び圧電カンチレバー１５は同一の厚みｈ１になっている。ｗ１は、軸線Ｌｘ（図１）方向の圧電カンチレバー１５の寸法としての圧電カンチレバー１５の幅を示している。ｈ３，ｈ４は、ＳＯＩウェハ２７における活性層１４２の厚み及び支持層１４４の厚みを示している。なお、ｈ２，ｈ４は、埋め込み酸化膜層１０３，１４３の厚み（例：１μｍ）を加えて、ｈ２＝埋め込み酸化膜層１０３の厚み＋支持層１０４の厚み、及びｈ４＝埋め込み酸化膜層１４３の厚み＋支持層１４４の厚みとして定義してもよい。

図５は、模式図であるので、上下方向（基準面に対して直角方向／図５の紙面では縦に相当）の寸法が軸線Ｌｘ方向（図５の紙面では横に相当）の寸法に比して、誇張して図示されている。寸法関係については、後述の図１０において再説明する。

図６〜図８は、光偏向器１の製造方法の過程を、ＳＯＩウェハ２６，２７の接合段階を含めて順番に示している。

工程Ｓ１では、上から順番に活性層１０２、埋め込み酸化膜層１０３、及び支持層１０４を有するＳＯＩウェハ２６に対し、拡散炉において活性層１０２の上面側及び支持層１０４の下面側に熱酸化膜層１０１，１０５を形成する。各層の厚みを例示すると、熱酸化膜層１０１，１０５は１μｍ、活性層１０２は４０μｍ、埋め込み酸化膜層１０３は１μｍ、支持層１０４は３５０μｍである。

工程Ｓ２では、工程Ｓ１終了後のＳＯＩウェハ２６の表側（上側に相当）に順番に、下部電極層１１１、圧電膜層１１２及び上部電極層１１３を成膜しつつ、積層していく。後から成膜したものほど、上層になる。具体的には、下部電極層１１１は、スパッタ法によって形成され、下側のＴｉ層と上側のＰｔ層から成る。下部電極層１１１の下側のＴｉ層と上側のＰｔ層の厚みは例えばそれぞれ５０ｎｍ及び１５０ｎｍである。

圧電膜層１１２は、反応性アーク放電イオンプレーティング法によって圧電材料であるチタン酸ジルコン酸鉛（ＰＺＴ）を成膜する。圧電膜層１１２の厚みは例えば３μｍである。上部電極層１１３は、スパッタ法によって形成され、Ｔｉ層から成る。上部電極層１１３の厚みは、例えば１５０ｎｍである。

工程Ｓ３では、工程Ｓ２終了後のＳＯＩウェハ２６に対し、フォトリソ技術及びドライエッチング技術により、活性層１０２より上の上側部分１０ａと圧電カンチレバー１５の部分とのパターニング（輪郭形成）を行う。

具体的には、上部電極層１１３と圧電膜層１１２のパターニングを行い、上側部分１０ａ及び圧電カンチレバー１５に対応する上部電極層１１３及び圧電膜層１１２の輪郭を形成する。同様に、下部電極層１１１とその下の熱酸化膜層１０１もパターニングを行い、圧電カンチレバー１５について下部電極層１１１及び熱酸化膜層１０１、並びに上側部分１０ａについて下部電極層１１１及び熱酸化膜層１０１のパターンを作製する。

工程Ｓ４では、工程Ｓ３終了後のＳＯＩウェハ２６に対し、表面全体にプラズマＣＶＤで厚み５００ｎｍの酸化シリコンの層間絶縁膜１０９を形成する。

図７の工程Ｓ５では、工程Ｓ４終了後のＳＯＩウェハ２６の表面にフォトリソでレジストパターンを形成して、ドライエッチングで一部の酸化シリコンの層間絶縁膜１０９を除去し、上側部分１０ａ、圧電カンチレバー１５及び電極パッド２３の対応部位にコンタクトホール１１５を開ける。

工程Ｓ６では、工程Ｓ５終了後のＳＯＩウェハ２６に対して、フォトリソでレジストパターンを形成してからＡｌＣｕ（１％Ｃｕ）膜をスパッタ成膜し、リフトオフにより配線１１６を形成する。配線１１６は、電極パッド２３ごとに専用のものが存在し、相互に対応関係にある電極パッド２３と上側部分１０ａ及び圧電カンチレバー１５の下部電極層１１１又は上部電極層１１３とを接続する。

工程Ｓ７では、工程Ｓ６終了後のＳＯＩウェハ２６の裏側からのエッチングにより熱酸化膜層１０５を、支持枠部４の範囲を残しつつ、他の範囲を除去して、切除空間１１７を形成する。

工程Ｓ８では、工程Ｓ７終了後のＳＯＩウェハ２６に対して切除空間１１７をさらなるエッチングにより活性層１０２の下面まで掘り進んで、活性層１０２より下で支持枠部４の内周側である内側空間１２０を形成する。

図８の工程Ｓ９では、工程Ｓ８終了後のＳＯＩウェハ２６に対して、Ａｕ−Ａｕ接合のためのＡｕ膜を活性層１０２の下面に成膜してから、パターニングすることにより、活性層１０２の下面側における上側部分１０ａ及び可動枠部３（模式図のため可動枠部３の部位は不図示）の対応部位にＡｕ膜１２２を形成する。

次の工程Ｓ１０以降では、ＳＯＩウェハ２７は、模式化のために、ブロック輪郭で示している。ＳＯＩウェハ２７の詳細な構造は、図９で後述する。

工程Ｓ１０では、ＳＯＩウェハ２６とＳＯＩウェハ２７とが、位置合わせされて、Ａｕ膜１２２同士を重ねられる。なお、この時のＳＯＩウェハ２７は、シリコン加工（シリコン加工の詳細は後の図９で説明）とＡｕ膜１２２のパターン加工について処理済みとなっており、ＳＯＩウェハ２７における素子及び下側素子部分は、ミラー面１２８（図８の工程Ｓ１２）を除いて、接合後の加工が不要になっているものである。

工程Ｓ１０において、さらに、ＳＯＩウェハ２６とＳＯＩウェハ２７とが、Ａｕ膜１２２同士を当てられた状態を保持して、０.１気圧以下の圧力下、２５０℃の温度で７０００Ｎの荷重を１０分程度印加することにより、Ａｕ−Ａｕ接合される。なお、この２５０℃は、ミラー面１２８の品質に悪影響を与える温度より十分に低い。

工程Ｓ１１では、ＳＯＩウェハ２６の下部電極層１１１をＤＲＩＥ（Ｄｅｅｐ−ＲＩＥ）加工して、下部電極層１１１に貫通孔３０及び貫通部１２５を形成する。貫通孔３０は、ＳＯＩウェハ２７の中央部としてのミラー部２及びトーションバー７（ＳＯＩウェハ２７の詳細な構造は図９で後述）を上方に開放する。貫通部１２５は、活性層１０２における上側部分１０ａ及び圧電カンチレバー１５の輪郭を形成する。

工程Ｓ１２では、上方に開放されたミラー部２に、アルミ反射膜（「金属膜」に相当）としてのミラー面１２８をマスク蒸着する。これにより、光偏向器１が完成する。

図９は、図８の工程Ｓ１０において、ＳＯＩウェハ２６に接合する前に予め加工して用意しておくＳＯＩウェハ２７の作製工程を示している。

工程Ｑ１では、上から順番に活性層１４２、埋め込み酸化膜層１４３、及び支持層１４４を有するＳＯＩウェハ２７に対し、拡散炉によって活性層１４２の上面側及び支持層１４４の下面側に熱酸化膜としての熱酸化膜層１４１，１４５を形成する。各層の厚みを例示すると、熱酸化膜層１４１は１μｍ、活性層１４２は１００μｍ、埋め込み酸化膜層１４３は１μｍ、支持層１４４は２００μｍ、熱酸化膜層１４５は１μｍである。

工程Ｑ２では、熱酸化膜層１４５及び支持層１４４を下側からＤＲＩＥ加工して（※実際のＤＲＩＥ加工では、ＳＯＩウェハ２７を上下逆転して行うので、熱酸化膜層１４５は上側となり、加工は熱酸化膜層１４５の上側となる）、下側部分３ｂの内周側とミラー部２の補強リブ１５０の外周側との間でかつ活性層１４２の下面より下にミラー部２の揺動に必要な空間としての可動許容空間１５１を形成する。補強リブ１５０は、ミラー部２を補強する。

工程Ｑ３では、活性層１４２を上側からＤＲＩＥ加工して、ミラー部２、及び下側部分３ｂ，１０ｂの間に貫通部１５３を形成し、ＳＯＩウェハ２７における素子間を切り離す。

工程Ｑ４では、ＢＯＥ（緩衝酸化物エッチング溶液）処理によって熱酸化膜層１４１，１４５を除去する。

工程Ｑ５では、Ａｕパターンとしての接合用のＡｕ膜１２２を下側部分３ｂ，１０ｂの上面にマスク成膜する。なお、Ａｕ膜１２２の成膜に関しては下地膜としてＴｉＷ膜を成膜してＡｕとＳｉとの反応によるシリサイドの形成を防止する。なお、図８の前述した工程Ｓ９における活性層１０２の下面へのＡｕ膜１２２の成膜も、工程Ｑ５と同様である。

図１０は、圧電カンチレバー１５及びトーションバー７の横断面の寸法を示している。ｈ１〜ｈ４及びｗ１は図５において説明している。ｗ２は、トーションバー７の幅を示し、詳細には、トーションバー７における活性層１４２の横断面の幅を示している。図５は模式図としたため、基準面に対して直角方向である厚み（ｈ１等）が基準面方向の寸法（ｗ１）に対して誇張されている。これに対して、図１０では、厚み方向と基準面の方向（軸線Ｌｘ，Ｌｙの方向が含まれる）との寸法比関係が現実の寸法比関係に近くなるように図示されている。

寸法関係は次のように規定されている。ｈ２，ｈ４は図５に図示されているものである。
ｈ１＜ｈ３・・・（１）
ｈ２＞ｈ３＋ｈ４・・・（２）
ｗ１＞８・ｈ１・・・（３）
ｗ２＜２・ｈ３・・・（４）

従来の光偏向器では、共通の１つのＳＯＩウェハによりトーションバー７、圧電円弧レバー１０及び圧電カンチレバー１５を作製していたので、ｈ１＝ｈ３に固定されており、ｈ１≠ｈ３とすることが困難であった。これに対し、光偏向器１では、非共振用の圧電アクチュエータ１４と共振用のトーションバー７とをそれぞれ別のＳＯＩウェハ２６，２７から作製するので、ｈ１，ｈ３を別個に設定することができる。この結果、光偏向器１は、（１）〜（４）の関係を同時に満足できるｈ１〜ｈ４を有する構造とすることができる。

（１）の関係が実現可能となることにより、圧電カンチレバー１５を十分に薄くすることができる一方、ミラー部２及びトーションバー７から成る共振体を十分に厚くすることができる。これにより、圧電アクチュエータ１４による非共振駆動（例：６０Ｈｚ）での往復回動量を増大することができる。また、軸線Ｌｙの回りの共振体の共振周波数を十分に高周波数（例：２０ｋＨｚ）に設定することができるとともに、トーションバー７の剛性を高めることができる。なお、共振周波数が高いほど、ミラー部２が基準面に対して直角方向に振動してしまうポンピングを抑制することができる。

（２）の関係により、ＳＯＩウェハ２７は、ＳＯＩウェハ２６の支持枠部４の内側空間１２０に収まるので、ＳＯＩウェハ２７の活性層１４２の厚みｈ３がＳＯＩウェハ２６の活性層１０２の厚みｈ１より厚くなっても、ＳＯＩウェハ２７に形成されている素子が支持枠部４の下端にはみ出ることを防止することができる。

（３）の関係が実現可能となることにより、圧電膜層１１２の面積を広げて、圧電アクチュエータ１４の十分な駆動力を確保しつつ、圧電カンチレバー１５を薄くして、圧電アクチュエータ１４によるミラー部２の非共振駆動における往復回動量を円滑に増大することができる。

（４）の関係が実現可能となることにより、トーションバー７の横断面が従来のフラット型から角型にすることができるので、トーションバー７を剛性化し易くなる。

光偏向器１は、例えば、ピコプロジェクタ、車載ヘッドアップディスプレイ、レーザレーダ、３次元形状測定システム、車両用照明装置及びＡＤＢ車両前照灯に装備されて、走査光の生成に利用される。

本実施形態では、第１圧電アクチュエータは、半円弧状の圧電円弧レバー１０として構成されている。第１圧電アクチュエータとしては、軸線Ｌｘに対して平行な直線状の圧電レバーを採用してもよい。その場合、直線状の圧電レバーは、光偏向器１の全体では計４本となる。そして、軸線Ｌｘの方向に各トーションバー７の両側に配設されるとともに、両端においてトーションバー７と可動枠部３とに結合することにより、トーションバー７と可動枠部３との間に介在する。

本実施形態では、図２に図示されるように、可動枠部３における上側部分３ａと下側部分３ｂとは形状及び寸法が同一になっている。下側部分３ｂは、ＳＯＩウェハ２７がＳＯＩウェハ２６に接合されたときに、上側部分３ａの下端面輪郭に収まる形状及び寸法であれば、上側部分３ａと下側部分３ｂとは形状及び寸法が同一になっていなくてもよい。

本実施形態では、ミラー部２は円形であるが、ミラー部は、所定面積のミラー面が確保されれば、円形以外の正方形等であってもよい。

本実施形態では、連結部１９，２０は、支持枠部４の短辺方向に可動枠部３の端部に結合しているが、圧電アクチュエータ１４の両端部の圧電カンチレバー１５の長さを中間部の圧電カンチレバー１５の長さの半分にして、支持枠部４の短辺方向の中心部において可動枠部３と圧電カンチレバー１５とを結合するものであってもよい。

１・・・光偏向器、２・・・ミラー部、３・・・可動枠部、４・・・支持枠部、７・・・トーションバー、１０・・・圧電円弧レバー（第１圧電アクチュエータ）、１５・・・圧電カンチレバー（第２圧電アクチュエータ）、２６・・・ＳＯＩウェハ（第１ＳＯＩウェハ）、２７・・・ＳＯＩウェハ（第２ＳＯＩウェハ）、３０・・・貫通孔、１０２・・・活性層、１０３・・・埋め込み酸化膜層、１０４・・・支持層、１１２・・・圧電膜層、１２０・・・内側空間、１２８・・・ミラー面、１４２・・・活性層、１４３・・・埋め込み酸化膜層、１４４・・・支持層、１５０・・・補強リブ。

Claims (7)

1. 光を反射するミラー部と、
   前記ミラー部の回転軸線となる第１軸線に沿って前記ミラー部の両側から突出するトーションバーと、
   前記ミラー部及び前記トーションバーを包囲する可動枠部と、
   前記可動枠部と前記トーションバーとの間に介在し、前記ミラー部と前記トーションバーとを前記第１軸線の回りに往復回動させる第１圧電アクチュエータと、
   前記可動枠部を包囲する支持枠部と、
   前記可動枠部と前記支持枠部との間に介在し、前記ミラー部が前記第１軸線に対して直交する回転軸線となる第２軸線の回りに往復回動するように、前記可動枠部を、前記第２軸線に対応する軸線の回りに往復回動させる第２圧電アクチュエータとを備える光偏向器であって、
   前記第１圧電アクチュエータ、前記可動枠部、前記第２圧電アクチュエータ及び前記支持枠部は、第１ＳＯＩウェハの活性層を含み、
   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は、前記第１ＳＯＩウェハの活性層の上に形成された圧電膜層を含み、
   前記ミラー部、前記トーションバー、前記第１圧電アクチュエータ及び前記可動枠部は、第２ＳＯＩウェハの活性層を含み、
   前記第１ＳＯＩウェハの活性層と前記第２ＳＯＩウェハの活性層とは、前記第１圧電アクチュエータ及び前記可動枠部において、前記第１ＳＯＩウェハの前記活性層が前記第２ＳＯＩウェハの前記活性層に対して上側となるように接合され、
   前記ミラー部は、前記第１ＳＯＩウェハに形成された貫通孔を介して上方に開放され、かつ、前記第２ＳＯＩウェハの活性層の上に形成された金属膜をミラー面として有することを特徴とする光偏向器。
2. 請求項１記載の光偏向器において、
   前記第２圧電アクチュエータは、ミアンダパターン配列で直列に結合された複数の圧電カンチレバーから構成され、
   前記第１ＳＯＩウェハの活性層は、前記第２ＳＯＩウェハの活性層より薄いことを特徴とする光偏向器。
3. 請求項１又は２に記載の光偏向器において、
   前記支持枠部は、前記第１ＳＯＩウェハの活性層の下側に前記第１ＳＯＩウェハの埋め込み酸化膜層及び支持層を含み、
   前記ミラー部は、前記第２ＳＯＩウェハの活性層の下側に前記第２ＳＯＩウェハの埋め込み酸化膜層及び支持層を含み、
   前記支持枠部の内周側には、前記第１ＳＯＩウェハの前記埋め込み酸化膜層及び前記支持層が除去されて下方に開口する内側空間が形成されており、
   前記第２ＳＯＩウェハは前記内側空間に配設され、
   前記ミラー部における前記第２ＳＯＩウェハの前記支持層は、補強リブとして加工されていることを特徴とする光偏向器。
4. 請求項３に記載の光偏向器において、
   前記可動枠部は前記第２ＳＯＩウェハの埋め込み酸化膜層及び支持層を含み、
   前記支持枠部の下端は前記第２ＳＯＩウェハの前記支持層の下端より下に位置することを特徴とする光偏向器。
5. 請求項２に記載の光偏向器において、
   前記圧電カンチレバーの幅は、前記第１ＳＯＩウェハの前記活性層の厚みの８倍より大きく、
   前記トーションバーの幅は、前記第２ＳＯＩウェハの前記活性層の厚みの２倍未満であることを特徴とする光偏向器。
6. 光を反射するミラー部と、前記ミラー部の回転軸線となる第１軸線に沿って前記ミラー部の両側から突出するトーションバーと、前記ミラー部及び前記トーションバーを包囲する可動枠部と、前記可動枠部と前記トーションバーとの間に介在し、前記ミラー部と前記トーションバーとを前記第１軸線の回りに往復回動させる第１圧電アクチュエータと、前記可動枠部を包囲する支持枠部と、前記可動枠部と前記支持枠部との間に介在し、前記ミラー部が前記第１軸線に対して直交する回転軸線となる第２軸線の回りに往復回動するように、前記可動枠部を、前記第２軸線に対応する軸線の回りに往復回動させる第２圧電アクチュエータとを備える光偏向器の製造方法であって、
   第１ＳＯＩウェハに対し、その活性層の上に圧電膜層を形成した後、前記活性層より上の前記第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上側部分を作製する工程と、
   前記第１ＳＯＩウェハに対し、下からのエッチングにより、前記活性層の下面より下でかつ前記支持枠部が包囲する内側空間を形成する工程と、
   前記ミラー部と前記トーションバーと前記第１圧電アクチュエータの下側部分と前記可動枠部の下側部分とが形成された第２ＳＯＩウェハと、第１ＳＯＩウェハとを前記第１圧電アクチュエータ及び前記可動枠部において接合する工程と、
   前記第１ＳＯＩウェハの活性層に対し、前記第２ＳＯＩウェハの前記ミラー部の上方範囲において貫通孔を形成する工程と、
   前記貫通孔を介して前記ミラー部の上面に金属膜を成膜して前記ミラー部のミラー面を形成する工程とを備えることを特徴とする製造方法。
7. 請求項６記載の製造方法において、
   前記第１ＳＯＩウェハの活性層は、前記第２ＳＯＩウェハの活性層より薄いことを特徴とする製造方法。