JP2020204695A - 製造方法及び光偏向器 - Google Patents
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Abstract
Description
ミラー部と、可動支持部と、固定支持部と、前記ミラー部と前記可動支持部との間に介在し、前記ミラー部を第1回転軸の回りに共振周波数で往復回動させる第1圧電アクチュエータと、前記可動支持部と前記固定支持部との間に介在し、前記ミラー部において前記第1回転軸と交わる第2回転軸の回りに前記共振周波数より低い非共振周波数で往復回動させる第2圧電アクチュエータと、を備える光偏向器の製造方法において、
厚み方向に順番に第1SiO2層、第1Si及び第2SiO2層が配置された積層構造を有する第1Siウェハの前記第2SiO2側の面に対し、エッチング領域及び非エッチング領域を設定し、前記エッチング領域には、少なくとも前記第2圧電アクチュエータの形成領域を含ませ、前記非エッチング領域には、少なくとも前記可動支持部の形成領域を含ませ、前記第1Siウェハに対し、前記第2SiO2側から前記エッチング領域のみのエッチングを行って、第2SiO2側に開口する空洞を前記第1Si層に形成する第1工程と、
前記空洞の露出面を第3SiO2層で被覆する第2工程と、
厚み方向に第4SiO2層と第2Si層との積層構造を有する第2Siウェハの前記第2Si層側の面と、前記第1Siウェハの第2SiO2層側の面とを接合して、前記空洞が封入された第3Siウェハを作成する第3工程と、
前記第3Siウェハの前記第1SiO2層側に全面にわたり圧電アクチュエータの積層構造層としての下側電極層、圧電膜層及び上側電極層を順番に積層する第4工程と、
前記第3Siウェハの表面側から、前記第2SiO2層の表面側に達する深さまで、異方性ドライエッチングを行って、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を形成する第5工程と、
前記第3Siウェハの裏面側から、前記第2SiO2層の裏面側に達する深さまで、エッチングを行って、前記固定支持部の内周壁に包囲される凹部を前記第3Siウェハの裏面側に形成する第6工程と、
前記第3Siウェハの裏面側から、前記凹部の深さ方向に異方性のドライエッチングを行って、前記第2SiO2層及び前記第3SiO2層を除去する第7工程と、
を有する。
前記第1工程において、前記エッチング領域に、前記ミラー部の形成領域及び前記第1圧電アクチュエータの形成領域を含ませる。
前記第1工程において、
前記エッチング領域にミラー部の形成領域を含ませ、
前記非エッチング領域に第1圧電アクチュエータの形成領域を含ませる。
前記第1工程において、
前記エッチング領域に前記第1圧電アクチュエータの形成領域を含ませ、
前記非エッチング領域に前記ミラー部の形成領域を含ませる。
前記第1工程において、
前記非エッチング領域に前記ミラー部の形成領域及び前記第1圧電アクチュエータの形成領域を含ませる。
前記第5工程の後、前記第3Siウェハの裏面側から少なくとも前記ミラー部及び前記可動支持部のリブ形成領域を除外して、エッチングして、前記ミラー部及び前記可動支持部の裏面側に、前記第2Si層のリブを形成する第6工程を有する。
ミラー部と、可動支持部と、前記ミラー部と前記可動支持部との間に介在して前記ミラー部を第1回転軸の回りに共振周波数で往復回動させる第1圧電アクチュエータと、前記ミラー部から前記可動支持部より離れて配置されている固定支持部と、前記可動支持部と前記固定支持部との間に介在して前記第1回転軸と交わる第2回転軸の回りに前記共振周波数より低い非共振周波数で往復回動させる第2圧電アクチュエータと、を備える光偏向器であって、
前記ミラー部、前記可動支持部、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共通の基板層として形成され、少なくとも前記可動支持部の裏面側は除き、少なくとも前記第2圧電アクチュエータの裏面側には空洞が形成されている第1Si層と、
前記空洞の側面を被覆している第4SiO2層と、
を備える。
図1は、光偏向器10の正面図である。光偏向器10は、MEMS(Micro Electro Mechanical Systems)としてSOI(Silicon on Insulator)から製造される。光偏向器10は、主要要素としてミラー部11、トーションバー12a,12b、内側圧電アクチュエータ13a,13b、可動枠部14、外側圧電アクチュエータ15a,15b、及び固定枠部16を備えている。
図2Aは、SOIの膜厚と水平軸方向の共振周波数及び垂直軸方向の振れ角との関係を示している。図2A〜図2Cにおいて、SOIの膜厚とは、光偏向器10の基板層としての活性層34(図6等)の厚みを指す。水平軸方向(X軸方向)の共振とは、回転軸Ayの回りのミラー部11の往復回動をいう。垂直方向(Y軸方向)の振れ角とは、回転軸Axの回りのミラー部11の回動角をいう。
図3は、ミラー部11の各種の異常振動をシミュレーションで調べた応力分布図である。図3において、白っぽい場所ほど、応力が高いことを示している。
図4は、ミラー部11の慣性モーメントIMに対する可動枠部14の慣性モーメントIiの比と、回転軸Ayの回りの可動枠部14のねじれ角との関係を調べたグラフである。ミラー部11及び可動枠部14の慣性モーメントIM,Iiは、それぞれ次の(1)及び(2)の式で表される。
(1):IM=mMr2 M
(2):Ii=mir2 i
上記式において、添え字のM,iは、それぞれミラー部11(Mirror)及び可動枠部14(inner frame)を意味する。mは、質量を意味する。rは、回転軸Ayからの距離である。
図5は、光偏向器10の製造方法を示す図である。製造方法を工程の順番に説明する。
図6は、図5の工程を経て完成した光偏向器10の断面図である。図5のSTEP8と図6との間には、凹部63に露出するSiO2層35及びSiO2層45のエッチング処工程と、それに続くワックス層61の除去工程とが含まれる。
図7〜図11は、光偏向器10の種々の実施例としての光偏向器10a〜10eの断面図である。なお、光偏向器10の主要部は、正面視で左右対称の構成となっているので、これら断面図は、光偏向器10の中心線Ceに対して左半部の断面のみを示している。また、SiO2層33,35、SiO2層45,51等のSiO2層は、薄いので、図示を省略している。ただし、図11のみは、SiO2層35を省略することなく、図示している。理由は、後述する。
(a)可動枠部14は、非エッチング領域40に属していること。これにより、前述の慣性モーメント比としてのIi/IMが増大して、図3で説明した異常振動が抑制される。
(b)外側圧電アクチュエータ15は、エッチング領域41に属し、活性層34の裏面側に空洞43を有していること。これにより、圧電カンチレバー21の可撓性が増大し、回転軸Axの回りのミラー部11の振れ角が増大する。
図7の光偏向器10aでは、可動素子のうち可動枠部14の形成領域のみが非エッチング領域40に設定されている。この結果、活性層34において、ミラー部11及びトーションバー12の裏面側には、空洞43iが形成され、外側圧電アクチュエータ15の裏面側には空洞43oが形成される。
図8の光偏向器10bでは、可動素子のうち内側圧電アクチュエータ13及び可動枠部14の形成領域が非エッチング領域40に設定されている。この結果、活性層34において、ミラー部11の裏面側には、空洞43iが形成され、外側圧電アクチュエータ15の裏面側には空洞43oが形成される。
図9の光偏向器10cでは、可動素子のうちミラー部11と可動枠部14との形成領域が非エッチング領域40に設定されている。この結果、活性層34において、内側圧電アクチュエータ13の裏面側には空洞43iが形成され、外側圧電アクチュエータ15の裏面側には空洞43oが形成される。
図10の光偏向器10dでは、可動素子のうちミラー部11、トーションバー12及び可動枠部14の形成領域が非エッチング領域40に設定されている。この結果、回転軸Ayの回りの共振周波数Fyが一層増大する。
図11の光偏向器10eでは、図9の光偏向器10cに対し、ミラー部11及び可動枠部14の裏面にリブ91,92がそれぞれ追加されている。リブ91は、SiO2層35を介してミラー部11及び可動枠部14の裏面に結合している。すなわち、リブ91,92は、凹部63の形成の際、支持層52からエッチングしない部分として残すことにより、形成されている。
SOIウェハは、Siウェハでもある。したがって、本発明の第1Siウェハは、SOIウェハを含む。実施形態では、SOIウェハ56は、2つのSOIウェハ(SOIウェハ30,50)から製造されている。本発明の第3Siウェハを製造する第1Siウェハ及び第2Siウェハは、共に、又は少なくと一方をベアシリコンにしてもよい。
Claims (7)
- ミラー部と、可動支持部と、固定支持部と、前記ミラー部と前記可動支持部との間に介在し、前記ミラー部を第1回転軸の回りに共振周波数で往復回動させる第1圧電アクチュエータと、前記可動支持部と前記固定支持部との間に介在し、前記ミラー部において前記第1回転軸と交わる第2回転軸の回りに前記共振周波数より低い非共振周波数で往復回動させる第2圧電アクチュエータと、を備える光偏向器の製造方法において、
厚み方向に順番に第1SiO2層、第1Si及び第2SiO2層が配置された積層構造を有する第1Siウェハの前記第2SiO2側の面に対し、エッチング領域及び非エッチング領域を設定し、前記エッチング領域には、少なくとも前記第2圧電アクチュエータの形成領域を含ませ、前記非エッチング領域には、少なくとも前記可動支持部の形成領域を含ませ、前記第1Siウェハに対し、前記第2SiO2側から前記エッチング領域のみのエッチングを行って、第2SiO2側に開口する空洞を前記第1Si層に形成する第1工程と、
前記空洞の露出面を第3SiO2層で被覆する第2工程と、
厚み方向に第4SiO2層と第2Si層との積層構造を有する第2Siウェハの前記第2Si層側の面と、前記第1Siウェハの第2SiO2層側の面とを接合して、前記空洞が封入された第3Siウェハを作成する第3工程と、
前記第3Siウェハの前記第1SiO2層側に全面にわたり圧電アクチュエータの積層構造層としての下側電極層、圧電膜層及び上側電極層を順番に積層する第4工程と、
前記第3Siウェハの表面側から、前記第2SiO2層の表面側に達する深さまで、異方性ドライエッチングを行って、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を形成する第5工程と、
前記第3Siウェハの裏面側から、前記第2SiO2層の裏面側に達する深さまで、エッチングを行って、前記固定支持部の内周壁に包囲される凹部を前記第3Siウェハの裏面側に形成する第6工程と、
前記第3Siウェハの裏面側から、前記凹部の深さ方向に異方性のドライエッチングを行って、前記第2SiO2層及び前記第3SiO2層を除去する第7工程と、
を有することを特徴とする製造方法。 - 請求項1に記載の製造方法において、
前記第1工程において、前記エッチング領域に、前記ミラー部の形成領域及び前記第1圧電アクチュエータの形成領域を含ませることを特徴とする製造方法。 - 請求項1に記載の製造方法において、
前記第1工程において、
前記エッチング領域にミラー部の形成領域を含ませ、
前記非エッチング領域に第1圧電アクチュエータの形成領域を含ませることを特徴とする製造方法。 - 請求項1に記載の製造方法において、
前記第1工程において、
前記エッチング領域に前記第1圧電アクチュエータの形成領域を含ませ、
前記非エッチング領域に前記ミラー部の形成領域を含ませることを特徴とする製造方法。 - 請求項1に記載の製造方法において、
前記第1工程において、
前記非エッチング領域に前記ミラー部の形成領域及び前記第1圧電アクチュエータの形成領域を含ませることを特徴とする製造方法。 - 請求項5に記載の製造方法において、
前記第5工程の後、前記第3Siウェハの裏面側から少なくとも前記ミラー部及び前記可動支持部のリブ形成領域を除外して、エッチングして、前記ミラー部及び前記可動支持部の裏面側に、前記第2Si層のリブを形成する第6工程を有することを特徴とする製造方法。 - ミラー部と、可動支持部と、前記ミラー部と前記可動支持部との間に介在して前記ミラー部を第1回転軸の回りに共振周波数で往復回動させる第1圧電アクチュエータと、前記ミラー部から前記可動支持部より離れて配置されている固定支持部と、前記可動支持部と前記固定支持部との間に介在して前記第1回転軸と交わる第2回転軸の回りに前記共振周波数より低い非共振周波数で往復回動させる第2圧電アクチュエータと、を備える光偏向器であって、
前記ミラー部、前記可動支持部、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共通の基板層として形成され、少なくとも前記可動支持部の裏面側は除き、少なくとも前記第2圧電アクチュエータの裏面側には空洞が形成されている第1Si層と、
前記空洞の側面を被覆している第4SiO2層と、
を備えることを特徴とする光偏向器。
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