JP6018926B2 - Micromirror device and manufacturing method thereof - Google Patents
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Description
本発明はマイクロミラーデバイス及びその製造方法に係り、特に、光走査などに用いる光偏向器に好適なマイクロミラーデバイスの構造及びその製造技術に関する。 The present invention relates to a micromirror device and a manufacturing method thereof, and more particularly to a structure of a micromirror device suitable for an optical deflector used for optical scanning and a manufacturing technique thereof.
シリコン（Ｓｉ）の微細加工技術を用いて作製されたマイクロスキャナ（以下、「ＭＥＭＳ（Micro Electro Mechanical System）スキャナ」という。）は、従来の光走査モジュールであるポリゴンミラーなどと比べて小型かつ低消費電力であることが特徴である（特許文献１）。このためＭＥＭＳスキャナは、レーザープロジェクタから光干渉断層計（ＯＣＴ；Optical Coherence Tomography）のような光診断用スキャナなど、幅広い応用が期待されている。 A micro scanner (hereinafter referred to as a “MEMS (Micro Electro Mechanical System) scanner”) manufactured using a silicon (Si) microfabrication technique is smaller and lower in size than a polygon mirror, which is a conventional optical scanning module. It is the feature that it is power consumption (patent document 1). For this reason, MEMS scanners are expected to have a wide range of applications, from laser projectors to optical diagnostic scanners such as optical coherence tomography (OCT).
特に、ＯＣＴなどの光による測定を行いながらスキャンする用途では、５０Ｈｚから１００Ｈｚ程度の比較的低速でのスキャンに適したものであること、並びに、内視鏡の内部での使用を想定した小型サイズ（例えば、デバイス全体で３ｍｍ四方以内が望ましい）であることの両特性を満たすことが要求される。 In particular, in applications where scanning is performed while measuring with light such as OCT, it is suitable for scanning at a relatively low speed of about 50 Hz to 100 Hz, and a small size that is assumed to be used inside an endoscope. (For example, it is desirable that the entire device is within 3 mm square).
ＭＥＭＳスキャナで大きなスキャン角度を得るためには、共振駆動をするのが一般的である。このため、ＯＣＴ用など低速用途のＭＥＭＳスキャナで大きなスキャン角を実現するためには、デバイス構造の共振周波数を低くする必要がある。デバイスの共振周波数を低くするには、傾き運動するミラーを支える変形部（ヒンジ部）のバネ定数を下げる必要があるため、ヒンジ部が非常に脆弱にならざるを得ない。 In order to obtain a large scan angle with a MEMS scanner, it is common to perform resonance driving. For this reason, in order to realize a large scan angle with a low-speed MEMS scanner such as for OCT, it is necessary to lower the resonance frequency of the device structure. In order to lower the resonance frequency of the device, it is necessary to lower the spring constant of the deformable portion (hinge portion) that supports the mirror that moves in an inclined manner, and thus the hinge portion has to be very fragile.
一例として、ＭＥＭＳスキャナのヒンジ部として一般的なトーションバーを用いた構造における駆動振動モード（「第１モード」という。）の動きを図１０に示す。 As an example, FIG. 10 shows the movement of the drive vibration mode (referred to as “first mode”) in a structure using a general torsion bar as a hinge portion of the MEMS scanner.
同図において、符号４１２はミラー部、符号４１４と４１６はミラー部を支持するヒンジ部（トーションバー）である。この場合、トーションバーのねじり剛性で共振周波数が決定する。図１１はヒンジ部４１４（及び４１６）の拡大図である。ヒンジ部の長さl、幅ｗ、厚みtとすると、ヒンジ部が十分薄い場合、ねじりのバネ定数ｋ１は、次式（式１）で表される。
In the figure,
（式１）中の「Ｇ」はヒンジ部を構成しているシリコンの剛性率である。（式１）に示したとおり、トーションバーの厚みtを減少させることで効果的に共振周波数を下げることができる。なお、長さlを増加させることでも共振周波数を下げることができるが、長さｌを増加させると、［１］素子の大型化を招くこと、［２］ミラーが垂直方向に並進運動しやすくなること、の２点からあまり好ましくない。 “G” in (Expression 1) is the rigidity of silicon constituting the hinge portion. As shown in (Formula 1), the resonance frequency can be effectively lowered by reducing the thickness t of the torsion bar. Although the resonance frequency can be lowered by increasing the length l, increasing the length l causes [1] an increase in the size of the element and [2] makes it easy for the mirror to translate in the vertical direction. It is not so preferable from two points.
以下に［２］の並進運動の問題について説明する。 Hereinafter, the problem of translational movement [2] will be described.
図１２はミラーの垂直方向の並進運動モード（「第２モード」という。）の動きを示す図である。並進運動モード（第２モード）の共振周波数が低いと、外乱振動などによってミラー部４１２が垂直方向（図１２の上下方向）に動きやすくなる。このような垂直方向の並進運動は実用時に光路長の誤差などをもたらすために望ましくない。したがって、ミラーの回転駆動に必要な第１モードの共振周波数を低く抑えつつ、第２モードの共振周波数をできるだけ高くするのが望ましい。図１２に示した第２モードのバネ定数ｋ２は、次式（式２）で表される。
FIG. 12 is a diagram illustrating the movement of the mirror in the translational motion mode (referred to as “second mode”) in the vertical direction. When the resonance frequency of the translational motion mode (second mode) is low, the
（式２）中の「Ｅ」はヒンジ部のヤング率である。 “E” in (Expression 2) is the Young's modulus of the hinge portion.
式１、式２から、２つのモードの共振周波数の比は、次のように表される。
From
つまり、ヒンジ部の長さｌをより短くし、厚みｔをより薄くすれば、第１モードの周波数fr1を設計値に固定しながらモード２の共振周波数fr２を上げることができ、第１モードのみが安定的に励起されるＭＥＭＳスキャナが設計できる。
That is, if the length l of the hinge portion is made shorter and the thickness t is made thinner, the resonance frequency fr 2 of the
式１によると、例えば、１ｍｍ（ミリメートル）四方、厚み300μｍ（マイクロメートル）のミラー部４１２の中心を２本のトーションバーで支える場合、トーションバーの寸法例としては厚みt＝3μｍ（マイクロメートル）、幅ｗ＝5μｍ（マイクロメートル）、長さl＝100μｍ（マイクロメートル）となる。
According to Formula 1, for example, when the center of the
しかしながら、従来のＭＥＭＳスキャナの構造主材料として用いられてきたシリコン（Ｓｉ）は脆性材料であるため、上記のような寸法の脆い構造は作成できない。具体的には、厚みtが5μｍ（マイクロメートル）um未満のトーションバー構造はＳiでは作成が極端に難しい。また、作成できたとしても、持ち運び時に振動や衝撃などによって破壊されてしまい、実用に耐える共振スキャナは実現できない。 However, since silicon (Si), which has been used as the main structural material of conventional MEMS scanners, is a brittle material, a brittle structure with the above dimensions cannot be created. Specifically, a torsion bar structure having a thickness t of less than 5 μm (micrometers) um is extremely difficult to produce with Si. Even if it can be created, it will be destroyed by vibration or shock when it is carried, and a resonant scanner that can withstand practical use cannot be realized.
特許文献２では、ミラー部を支持するヒンジ（弾性力のある接続部材）としてアモルファスアルミニウム合金膜を用いている。アモルファスアルミニウム合金膜を用いることにより、ヒンジ部の剛性を高めることができるが、アモルファス金属膜の残留応力によって初期の撓みが発生するという問題がある。このような撓みがあると、ミラーの初期位置が設計位置からずれてしまい、光学系においてはその位置のシフト量が大きな問題になる場合がある。
In
本発明はこのような事情に鑑みてなされたもので、上記課題の少なくとも一つを解決し、小型で共振周波数が低く、かつミラーが並進運動しにくいマイクロミラーデバイスを歩留まりよく提供することができるマイクロミラーデバイスの構造及びその製造方法を提供することを目的とする。 The present invention has been made in view of such circumstances, and can solve at least one of the above-described problems, and can provide a micromirror device that is small in size, has a low resonance frequency, and does not easily move in translation. It is an object to provide a structure of a micromirror device and a manufacturing method thereof.
前記目的を達成するために、次の発明を提供する。 In order to achieve the above object, the following invention is provided.
（第１態様）：第１態様に係るマイクロミラーデバイスは、光を反射する反射面を有するミラー部と、ミラー部を特定の回転軸を中心に回転可能に支持する支持可動部と、支持可動部に連結され、圧電体の変形によって屈曲変位を行う圧電アクチュエータ部と、圧電アクチュエータ部の一端が接続され、圧電アクチュエータ部を屈曲変位可能に支持する固定フレーム部と、を備え、支持可動部は金属ガラス材料で構成されており、圧電アクチュエータ部に電圧を印加して屈曲変位させることによって支持可動部を変形させ、ミラー部を回転させる。 (First aspect): A micromirror device according to a first aspect includes a mirror part having a reflecting surface that reflects light, a support movable part that rotatably supports the mirror part around a specific rotation axis, and a support movable part. A piezoelectric actuator unit that is connected to the unit and performs bending displacement by deformation of the piezoelectric body, and a fixed frame unit that is connected to one end of the piezoelectric actuator unit and supports the piezoelectric actuator unit so that the piezoelectric actuator unit can be bent and displaced. It is made of a metallic glass material, and deforms the support movable portion by applying a voltage to the piezoelectric actuator portion to cause bending displacement, thereby rotating the mirror portion.
この態様によれば、破壊強度が強い金属ガラスを支持可動部の材料として用いたことで、バネ定数（第１モード）の低い支持可動部（長さが短く、厚さが極めて薄い支持可動部）を実現できる。これにより、低い共振周波数で安定駆動するミラーデバイスを実現することができ、共振駆動によって大きな変位量（ミラー部の傾き角）を得ることができる。また、この態様は、圧電体の変形を利用した駆動方式であるため、例えば、磁力を利用して駆動する方式と比較して、コイル（電磁石）等の外付け部品が不要であり、素子全体のサイズを小型化することができる。 According to this aspect, the support movable part having a low spring constant (first mode) (the support movable part having a short length and an extremely small thickness) is obtained by using metal glass having a high breaking strength as the material of the support movable part. ) Can be realized. Thereby, a mirror device that is stably driven at a low resonance frequency can be realized, and a large amount of displacement (an inclination angle of the mirror portion) can be obtained by resonance driving. In addition, since this mode is a driving method that uses deformation of a piezoelectric body, for example, compared to a driving method that uses magnetic force, an external component such as a coil (electromagnet) is unnecessary, and the entire element Can be reduced in size.
さらに、この態様は、圧電駆動を行うため、磁性材料を用いる必要がなく、適用可能な金属ガラス材料の選択の自由度が高い。金属ガラスは、金属ガラス以外のアモルファス金属と比較して、薄膜の製造が容易である。また、金属ガラスは、ガラス転移温度Ｔｇ以上結晶化温度Ｔｘ以下の温度範囲（過冷却液体領域）の温度で加熱処理を行うことにより、残留応力を開放できるため、かかる処理（応力開放リフロー）を行うことにより、残留応力による撓みを解消することが可能である。 Furthermore, since this mode performs piezoelectric driving, it is not necessary to use a magnetic material, and the degree of freedom in selecting an applicable metallic glass material is high. Compared with amorphous metals other than metal glass, metal glass is easy to produce a thin film. Further, since the metallic glass can release the residual stress by performing the heat treatment at a temperature in the temperature range (supercooled liquid region) of the glass transition temperature Tg or more and the crystallization temperature Tx or less, such treatment (stress release reflow) is performed. By doing so, it is possible to eliminate bending due to residual stress.
なお、ここでいう「回転」は、支持可動部が可動（変形）できる範囲で規制された角度範囲で回転（回動）することを意味しており、必ずしも３６０度回転（１回転）することを要求するものではない。 Note that “rotation” here means that the support movable part rotates (rotates) within an angular range restricted within a range in which the support movable part can move (deform), and necessarily rotates 360 degrees (one rotation). Is not a requirement.
（第２態様）：第１態様に記載のマイクロミラーデバイスにおいて、支持可動部を構成する金属ガラス材料は、シリコンよりもヤング率が小さい材料とすることが好ましい。 (Second Aspect): In the micromirror device according to the first aspect, it is preferable that the metallic glass material constituting the support movable portion is a material having a Young's modulus smaller than that of silicon.
一般的なＭＥＭＳデバイスの主材料であるシリコンよりもヤング率が小さい金属ガラス材料を用いることにより、低周波の共振駆動（例えば、５０〜１００Ｈｚ程度）に好適なデバイスを歩留まりよく作製することができる。 By using a metallic glass material whose Young's modulus is smaller than that of silicon, which is a main material of a general MEMS device, a device suitable for low-frequency resonance driving (for example, about 50 to 100 Hz) can be manufactured with high yield. .
（第３態様）：第１態様又は第２態様に記載のマイクロミラーデバイスにおいて、支持可動部を構成する金属ガラス材料は、Ｚｒを含む材料とすることができる。 (Third Aspect): In the micromirror device according to the first aspect or the second aspect, the metallic glass material constituting the support movable part can be a material containing Zr.
Ｚｒ基金属ガラスは過冷却液体領域における安定性が高いため、比較的容易に作製でき、応力開放リフローも容易である。さらに、Ｚｒ基金属ガラスは、ヤング率、ガラス転移温度Ｔｇの観点からも好ましい材料である。 Since the Zr-based metallic glass has high stability in the supercooled liquid region, it can be manufactured relatively easily and stress reflow is easy. Further, Zr-based metallic glass is a preferable material from the viewpoint of Young's modulus and glass transition temperature Tg.
（第４態様）：第３態様に記載のマイクロミラーデバイスにおいて、支持可動部を構成する金属ガラス材料は、Ｚr-Ｃu-Ａl-Ｎi系の材料とすることができる。 (Fourth Aspect): In the micromirror device according to the third aspect, the metallic glass material constituting the support movable part can be a Zr—Cu—Al—Ni-based material.
（第５態様）：第１態様から第４態様のいずれか１項に記載のマイクロミラーデバイスにおいて、支持可動部を構成する金属ガラス材料は、ガラス転移温度Ｔｇが150℃以上の材料であることが好ましい。 (Fifth aspect): In the micromirror device according to any one of the first to fourth aspects, the metal glass material constituting the support movable part is a material having a glass transition temperature Tg of 150 ° C. or higher. Is preferred.
使用する金属ガラスのガラス転移温度Ｔｇが高ければ、デバイス駆動中の発熱によってリフローが起こりにくいため、駆動の耐久性が高まる。 If the glass transition temperature Tg of the metal glass to be used is high, reflow is unlikely to occur due to heat generation during device driving, so that driving durability is enhanced.
（第６態様）：第５態様に記載のマイクロミラーデバイスにおいて、支持可動部を構成する金属ガラス材料は、ガラス転移温度Ｔgが300℃以上の材料であることが好ましい。 (Sixth aspect): In the micromirror device according to the fifth aspect, the metal glass material constituting the support movable part is preferably a material having a glass transition temperature Tg of 300 ° C or higher.
（第７態様）：第１態様から第６態様のいずれか１項に記載のマイクロミラーデバイスにおいて、支持可動部を構成する金属ガラス材料は、気相成膜によって成膜された薄膜とすることができる。 (Seventh aspect): In the micromirror device according to any one of the first to sixth aspects, the metallic glass material constituting the support movable part is a thin film formed by vapor phase film formation. Can do.
金属ガラスの薄膜を基板に直接成膜し、半導体プロセスによってパターニングすることでデバイスの作製プロセスを簡便化できる。気相成膜法には、物理的気相法（ＰＶＤ：Physical VaporDeposition）と化学的気相法（ＣＶＤ：Chemical Vapor Deposition）がある。気相成膜法を用いることで、極薄な構造を作製可能である。 A device manufacturing process can be simplified by forming a thin film of metallic glass directly on a substrate and patterning it by a semiconductor process. The vapor deposition method includes a physical vapor deposition (PVD) and a chemical vapor deposition (CVD). By using a vapor deposition method, an extremely thin structure can be manufactured.
（第８態様）：第１態様から第７態様のいずれか１項に記載のマイクロミラーデバイスにおいて、ミラー部が回転軸を中心に回転運動を行う共振モードの共振周波数の付近でミラー部を共振駆動させる構成とすることができる。 (Eighth aspect): In the micromirror device according to any one of the first to seventh aspects, the mirror unit resonates in the vicinity of the resonance frequency of the resonance mode in which the mirror unit performs rotational movement about the rotation axis. It can be set as the structure to drive.
共振を利用した駆動を行うことにより、非常に大きなミラー回転角を得ることができる。共振周波数の「付近」とは、共振を励起するという目的の作用が得られる範囲内であることを意味する。圧電アクチュエータ部に対して、共振周波数の付近でミラー部を共振駆動させる駆動電圧を供給する駆動電圧供給回路を備える構成とすることができる。 A very large mirror rotation angle can be obtained by driving using resonance. “Near” the resonance frequency means that the resonance frequency is within a range in which an intended effect of exciting resonance is obtained. A drive voltage supply circuit that supplies a drive voltage for resonance driving the mirror unit near the resonance frequency can be provided to the piezoelectric actuator unit.
（第９態様）：第１態様から第８態様のいずれか１項に記載のマイクロミラーデバイスにおいて、圧電アクチュエータ部は、振動板、下部電極、圧電体、上部電極の順に積層された圧電ユニモルフカンチレバーで構成されるものとすることができる。 (Ninth aspect): In the micromirror device according to any one of the first to eighth aspects, the piezoelectric actuator unit includes a piezoelectric unimorph cantilever in which a diaphragm, a lower electrode, a piezoelectric body, and an upper electrode are stacked in this order. It can consist of.
圧電カンチレバーは、ユニモルフ構造に限らず、バイモルフ構造も可能であるが、ユニモルフ構造が最も簡単な構成である。圧電駆動方式は、電極間に電圧を印加するだけで駆動できるため、構成が単純で小型化に有益である。 The piezoelectric cantilever is not limited to a unimorph structure but can also be a bimorph structure, but the unimorph structure is the simplest configuration. Since the piezoelectric drive system can be driven simply by applying a voltage between the electrodes, the structure is simple and it is beneficial for miniaturization.
（第１０態様）：第１態様から第９態様のいずれか１項に記載のマイクロミラーデバイスにおいて、圧電アクチュエータ部に用いられる圧電体は１〜１０μｍ厚の薄膜であり、振動板となる基板上に直接成膜された薄膜とすることができる。 (Tenth aspect): In the micromirror device according to any one of the first to ninth aspects, the piezoelectric body used in the piezoelectric actuator portion is a thin film having a thickness of 1 to 10 μm and is on a substrate serving as a vibration plate It can be a thin film formed directly on the film.
圧電体薄膜を用いて圧電アクチュエータを構成することが好ましい。スパッタリング法に代表される気相成長法やゾルゲル法などの直接成膜法を用いることにより、所要の圧電性能を持つ圧電体薄膜を得ることができる。 It is preferable to configure the piezoelectric actuator using a piezoelectric thin film. By using a direct film formation method such as a vapor phase growth method or a sol-gel method typified by a sputtering method, a piezoelectric thin film having a required piezoelectric performance can be obtained.
また、基板に圧電体の薄膜を直接成膜し、ドライエッチング若しくはウエットエッチングなどの半導体プロセスで加工することで、デバイスの作製プロセスを簡便にできる。 In addition, a device manufacturing process can be simplified by directly forming a piezoelectric thin film on a substrate and processing it by a semiconductor process such as dry etching or wet etching.
（第１１態様）：第１態様から第１０態様のいずれか１項に記載のマイクロミラーデバイスにおいて、圧電体は、スパッタリング法で成膜された薄膜であるものとすることができる。 (Eleventh aspect): In the micromirror device according to any one of the first to tenth aspects, the piezoelectric body may be a thin film formed by a sputtering method.
（第１２態様）：第１態様から第１１態様のいずれか１項に記載のマイクロミラーデバイスにおいて、圧電アクチュエータ部に用いられる圧電体は、下記式（Ｐ）で表される１種又は２種以上のペロブスカイト型酸化物とすることができる。 (Twelfth aspect): In the micromirror device according to any one of the first to eleventh aspects, the piezoelectric body used in the piezoelectric actuator unit is one or two kinds represented by the following formula (P) The above perovskite oxide can be obtained.
一般式ＡＢＯ３・・・（Ｐ）
（式中、Ａ：Ａサイトの元素であり、Ｐｂを含む少なくとも１種の元素。
Ｂ：Ｂサイトの元素であり、Ｔｉ，Ｚｒ，Ｖ，Ｎｂ，Ｔａ，Ｓｂ，Ｃｒ，Ｍｏ，Ｗ，Ｍｎ，Ｍｇ,Ｓｃ，Ｃｏ，Ｃｕ，Ｉｎ，Ｓｎ，Ｇａ，Ｚｎ，Ｃｄ，Ｆｅ，及びＮｉからなる群より選ばれた少なくとも１種の元素。
Ｏ：酸素元素。
Ａサイト元素とＢサイト元素と酸素元素のモル比は１：１：３が標準であるが、これらのモル比はペロブスカイト構造を取り得る範囲内で基準モル比からずれてもよい。）
圧電アクチュエータ部に用いる圧電材料をＰｂ含有系にすることで高い駆動変位をデバイスに与えることができる。
General formula ABO 3 (P)
(In the formula, A: an element of A site, and at least one element including Pb.
B: B site element, Ti, Zr, V, Nb, Ta, Sb, Cr, Mo, W, Mn, Mg, Sc, Co, Cu, In, Sn, Ga, Zn, Cd, Fe, and At least one element selected from the group consisting of Ni.
O: Oxygen element.
The molar ratio of the A site element, the B site element, and the oxygen element is 1: 1: 3 as a standard, but these molar ratios may deviate from the reference molar ratio within a range where a perovskite structure can be taken. )
By making the piezoelectric material used for the piezoelectric actuator part a Pb-containing system, a high drive displacement can be given to the device.
（第１３態様）：第１態様から第１１態様のいずれか１項に記載のマイクロミラーデバイスにおいて、圧電アクチュエータ部に用いられる圧電体は、下記式（ＰＸ）で表される１種又は２種以上のペロブスカイト型酸化物とすることができる。 (Thirteenth aspect): In the micromirror device according to any one of the first to eleventh aspects, the piezoelectric body used in the piezoelectric actuator unit is one or two kinds represented by the following formula (PX) The above perovskite oxide can be obtained.
一般式Ａａ（Ｚｒｘ，Ｔｉｙ，Ｍｂ−ｘ−ｙ）ｂＯｃ・・・（ＰＸ）
（式中、Ａ：Ａサイトの元素であり、Ｐｂを含む少なくとも１種の元素。
Ｍが、Ｍｇ, Ｖ, Ｎｂ，Ｔａ，及びＳｂからなる群より選ばれた少なくとも１種の元素である。
Formula A a (Zr x, Ti y , M b-x-y) b O c ··· (PX)
(In the formula, A: an element of A site, and at least one element including Pb.
M is at least one element selected from the group consisting of Mg, V, Nb, Ta, and Sb.
０＜ｘ＜ｂ、０＜ｙ＜ｂ、０≦ｂ−ｘ−ｙ。 0 <x <b, 0 <y <b, 0 ≦ b−xy.
ａ：ｂ：ｃ＝１：１：３が標準であるが、これらのモル比はペロブスカイト構造を取り得る範囲内で基準モル比からずれてもよい。）
Ｎｂ等の元素をドープしたＰＺＴは圧電定数が高いため、小型で大きな変位が得られるデバイスの作製に好適である。
Although a: b: c = 1: 1: 3 is a standard, these molar ratios may deviate from the reference molar ratio within a range where a perovskite structure can be taken. )
Since PZT doped with an element such as Nb has a high piezoelectric constant, it is suitable for manufacturing a small device capable of obtaining a large displacement.
（第１４態様）：第１３態様に記載のマイクロミラーデバイスにおいて、ペロブスカイト型酸化物（ＰＸ）は、Ｎｂを含むと共に、Ｎｂ／（Ｚｒ＋Ｔｉ＋Ｎｂ）モル比が０．０６以上０．２０以下であることが好ましい。 (Fourteenth aspect): In the micromirror device according to the thirteenth aspect, the perovskite oxide (PX) contains Nb and has a Nb / (Zr + Ti + Nb) molar ratio of 0.06 or more and 0.20 or less. Is preferred.
Ｎｂ／（Ｚｒ＋Ｔｉ＋Ｎｂ）モル比が０．０６以上０．２０以下の範囲でＰＺＴにＮｂをドープすることによって、加熱しても容易には脱分極しなくなる。これにより、応力開放リフローを行っても、圧電変形の性能が劣化しにくい。また、ＮｂドープＰＺＴは、真性ＰＺＴと比べて圧電定数が高いため、小型かつ大変位のデバイスが作製できる。 Doping PZT with Nb in a Nb / (Zr + Ti + Nb) molar ratio range of 0.06 to 0.20 prevents depolarization easily even when heated. Thereby, even if stress release reflow is performed, the performance of piezoelectric deformation is unlikely to deteriorate. In addition, since Nb-doped PZT has a higher piezoelectric constant than intrinsic PZT, a small and large displacement device can be manufactured.
（第１５態様）：第１態様から第１４態様のいずれか１項に記載のマイクロミラーデバイスを製造する方法であって、基板上に下部電極を形成する下部電極形成工程と、基板上の下部電極の上に圧電体膜を積層して形成する圧電体膜形成工程と、基板上の圧電体膜の上に上部電極を積層して形成する上部電極形成工程と、基板上に金属ガラス膜を形成する金属ガラス膜形成工程と、金属ガラス膜形成工程の後に、金属ガラス膜の結晶化温度Ｔｘとガラス転移温度Ｔｇとの間の過冷却液体領域の温度で加熱処理し、金属ガラス膜の残留応力を開放する応力開放リフロー工程と、基板の一部を除去する加工を行う加工工程と、を含むマイクロミラーデバイスの製造方法。 (Fifteenth aspect): A method of manufacturing the micromirror device according to any one of the first to fourteenth aspects, wherein a lower electrode forming step of forming a lower electrode on a substrate and a lower part on the substrate A piezoelectric film forming step in which a piezoelectric film is laminated on the electrode; an upper electrode forming step in which an upper electrode is laminated on the piezoelectric film on the substrate; and a metallic glass film on the substrate. After the metal glass film forming step to be formed and the metal glass film forming step, the metal glass film is subjected to heat treatment at a temperature in the supercooled liquid region between the crystallization temperature Tx and the glass transition temperature Tg of the metal glass film, and the metal glass film remains. A method for manufacturing a micromirror device, comprising: a stress release reflow process for releasing stress; and a processing process for performing processing for removing a part of a substrate.
金属ガラス膜を形成後、ガラス転移温度Ｔｇ以上結晶化温度Ｔｘ以下の温度で加熱処理を行うことによって残留応力が開放され、支持可動部の撓み（残留応力に起因する初期の歪み）が解消される。これにより、設計通りのデバイス寸法に仕上げることができる。 After the metal glass film is formed, the residual stress is released by performing a heat treatment at a temperature not lower than the glass transition temperature Tg and not higher than the crystallization temperature Tx, and bending of the support movable part (initial strain due to the residual stress) is eliminated. The Thereby, it is possible to finish the device dimensions as designed.
なお、積層構造に関してＡの上にＢを積層するというときの「上」とは、基板の厚み方向について、基板面から遠ざかる方向が「上」の方向であることを意味する。また、用語の解釈に際し、「Ａの上にＢを積層する」という表現は、Ａに接してＢをＡ上に直接積層する場合に限らず、ＡとＢの間に他の１又は複数の層を介在させ、Ａの上に１又は複数の層を介してＢを積層する場合も有りうる。 Note that “up” when B is laminated on A with respect to the laminated structure means that the direction away from the substrate surface is the “up” direction in the thickness direction of the substrate. Further, in interpreting the terminology, the expression “stacking B on A” is not limited to the case of directly stacking B on A in contact with A, but other one or more between A and B In some cases, B is laminated on A via one or more layers.
本発明によれば、小型で、共振周波数が低く、共振駆動による安定駆動が可能で、かつミラー部が並進運動しにくいマイクロミラーデバイスを実現することができる。金属ガラスは、シリコンに比べて破壊強度が強く、歩留まりのよいデバイス製造が可能であるとともに、耐久性に優れたマイクロミラーデバイスが得られる。 According to the present invention, it is possible to realize a micromirror device that is small in size, has a low resonance frequency, can be stably driven by resonance driving, and the mirror portion is difficult to translate. Metallic glass has a higher breaking strength than silicon and can be manufactured with a high yield, and a micromirror device with excellent durability can be obtained.
また、金属ガラスは、ガラス転移温度以上結晶化温度以下の温度による加熱処理によって残留応力を開放することができ、残留応力に起因する支持可動部の歪みを取り去ることができる。 Further, the metal glass can release the residual stress by heat treatment at a temperature not lower than the glass transition temperature and not higher than the crystallization temperature, and can remove the distortion of the movable support portion caused by the residual stress.
以下、添付図面に従って本発明の好ましい実施形態について詳説する。 Hereinafter, preferred embodiments of the present invention will be described in detail with reference to the accompanying drawings.
図１は実施形態に係るＭＥＭＳスキャナデバイスの斜視図、図２は平面図、図３は図１の３−３切断線による断面図である。これらの図面に示したように、本実施形態に係るＭＥＭＳスキャナデバイス１０（「マイクロミラーデバイス」に相当）は、ミラー部１２と、ミラー部１２を回動可能に支持する支持可動部１４、１６と、支持可動部１４、１６に連結された圧電アクチュエータ部２０、２２と、圧電アクチュエータ部２０、２２の一端（基端部）が接続されている固定フレーム部２６と、を備える。
1 is a perspective view of a MEMS scanner device according to an embodiment, FIG. 2 is a plan view, and FIG. 3 is a cross-sectional view taken along the line 3-3 in FIG. As shown in these drawings, the MEMS scanner device 10 (corresponding to a “micromirror device”) according to the present embodiment includes a
ミラー部１２は光を反射する反射面１２Ｂを有する。ミラー部１２の反射面１２Ｂ（図１においてミラー部１２の上面）には、入射光の反射率を高めるための金属薄膜コーティング（ミラーコーティング）が施されている。ミラーコーティングに用いる材料や膜厚は特に限定されず、公知のミラー材料（高反射率材料）を用いて様々な設計が可能である。なお、本実施形態では、ミラーコーティングとして支持可動部１４、１６を構成する金属ガラス材料と同一材料の金属ガラス薄膜が形成されている。もちろん、反射面１２Ｂには、金属ガラス薄膜に代えて、Ａｕ（金）やＡｌ（アルミ）等の金属薄膜を用いることも可能である。
The
本例では平面視で正方形のミラー部１２を例示し、非駆動時における反射面１２Ｂの法線方向をｚ軸方向、ミラー部１２の互いに直交する２辺の方向のうち一方をｘ軸方向、他方をｙ軸方向とする直交ｘｙｚ軸を導入して説明する（図１及び図２のｘｙｚ軸の記載を参照）。
In this example, the
ただし、本発明の実施に際して、ミラー部１２の形状は図示の例に限定されない。矩形以外の多角形、円形、楕円形など様々な形態があり得る。なお、ここでいう「矩形」とは厳密な意味での四角形に限らず、全体的な基本形状として概ね矩形と把握できる形状である（略矩形を含む）ことを意味する。例えば、四角形の角部が面取りされたもの、角部が丸められたもの、辺の一部又は全部が曲線や折れ線で構成されるもの、ミラー部１２と圧電アクチュエータ部２０、２２との接続部分（符号１４，１６で示す支持可動部）に連結上必要な付加的形状が追加されたものなども含まれる。多角形、円形、楕円形などの用語についても同様に、それぞれ概ね多角形、概ね円形、概ね楕円形と把握できる形状を含むことを意味する。
However, in implementing the present invention, the shape of the
また、ミラー部１２の平面視形状と反射面１２Ｂの形状は一致してもいいし、異なっていてもよい。反射面１２Ｂの領域は、ミラー部１２における上面の面積範囲内で適宜の形状、サイズに形成することができる。
Further, the planar view shape of the
ミラー部１２には、１組の対辺の両側面部（ｚ軸方向と平行な対辺の各辺部）にそれぞれ角柱棒状の支持可動部１４、１６が連結されている。ミラー部１２は、一対の支持可動部１４、１６を介して圧電アクチュエータ部２０、２２に連結されている。
The
すなわち、支持可動部１４の一端はミラー部１２における１組の対辺のうち、第１の辺部（図２の符号３１）の一部に連結され、支持可動部１４の他方の端部は圧電アクチュエータ部２０の先端部（非拘束端側の端部）に連結されている。圧電アクチュエータ部２０の他方の端部（拘束端側の端部となる基端部２０Ｂ）は固定フレーム部２６に連結されている。
That is, one end of the support
同様に、支持可動部１６の一端は、ミラー部１２における１組の対辺のうち、第２の辺部（図２の符号３２）の一部に連結され、支持可動部１６の他方の端部は圧電アクチュエータ部２２の先端部（非拘束側の端部）に連結されている。圧電アクチュエータ部２２の他方の端部（拘束側の端部となる基端部２２Ｂ）は固定フレーム部２６に連結されている。固定フレーム部２６は、圧電アクチュエータ部２０、２２の基端部２０Ｂ、２２Ｂを固定支持する固定端（固定部）として機能する。
Similarly, one end of the support
ミラー部１２を対辺の両側面部から支持する支持可動部１４、１６は、トーションバー（ねじりヒンジ部）として機能する。一対の支持可動部１４、１６を結んだ軸線がミラー部１２の回転軸４０となり、ミラー部１２はこの回転軸４０の回りに傾斜回転する。本例の場合、回転軸４０はｙ軸と平行な方向の軸線である。
The support
支持可動部１４、１６は、金属ガラス薄膜によって構成されている。なお、本例の支持可動部１４、１６は、ミラー部１２の反射面１２Ｂとして機能する金属ガラス薄膜と一体的に繋がっている構成となっているが、反射面１２Ｂと支持可動部１４、１６とは分離された構成であってもよい。支持可動部１４，１６を構成する金属ガラス薄膜の膜厚は４μm以下、好ましくは３μm以下、さらに好ましくは１μm以上２μm以下とする。
The support
＜金属ガラスについて＞
金属ガラスはガラス転移点（「ガラス転移温度」と同義）を持つ非晶質の金属である。金属ガラスは、従来の多結晶合金に比べて格段に優れた機械的特性・耐食性を示し、組成によっては電磁特性などの機能を発現させることもできる。特に金属ガラスは、弾性特性に優れており、例えば、2%にも及ぶ弾性歪限界を呈する。金属ガラスは、結晶化温度Ｔｘとガラス転移温度Ｔｇの間（Ｔｇ＜Ｔｘ）の過冷却液体温度領域において、酸化物ガラスと同様に温度に比例して粘性が低下するため、この温度範囲においては樹脂と同様な成形性で容易に変形させることができる。
<About metal glass>
Metallic glass is an amorphous metal having a glass transition point (synonymous with “glass transition temperature”). Metallic glass exhibits significantly superior mechanical characteristics and corrosion resistance as compared with conventional polycrystalline alloys, and can exhibit functions such as electromagnetic characteristics depending on the composition. In particular, metallic glass has excellent elastic properties, and exhibits, for example, an elastic strain limit of as much as 2%. Since the viscosity of the metallic glass decreases in proportion to the temperature in the supercooled liquid temperature region between the crystallization temperature Tx and the glass transition temperature Tg (Tg <Tx), as in the oxide glass, in this temperature range. It can be easily deformed with the same moldability as the resin.
また、金属ガラスは、スパッタリング法に代表される気相成長法などの成膜法によって基板上に金属ガラス薄膜を直接形成することができ、この場合はリフトオフ法などのフォトリソグラフィ技術によってパターニングを行うことができる。金属ガラスは、他のアモルファス金属よりもランダム構造の安定性が高く、成膜時の温度管理などが容易であり、薄膜の製造が容易である。 In addition, a metal glass thin film can be directly formed on a substrate by a film formation method such as a vapor deposition method typified by a sputtering method. In this case, patterning is performed by a photolithography technique such as a lift-off method. be able to. Metallic glass has a higher random structure stability than other amorphous metals, temperature management during film formation, and the like are easy to manufacture.
＜低共振周波数ＭＥＭＳスキャナに関する問題＞
図１０から図１２で説明したとおり、従来ＭＥＭＳスキャナの構造主材料として用いられてきたシリコン（Ｓｉ）は脆性材料であり、小型で実用に耐える共振スキャナは実現できていなかった。このような問題を解決する一つの手段として、トーションバー部を構成する材料として、シリコンよりも破壊強度の強い材料を用いる方法を検討した。
<Problems with low resonance frequency MEMS scanners>
As described with reference to FIGS. 10 to 12, silicon (Si), which has been used as a structural main material of the conventional MEMS scanner, is a brittle material, and a resonant scanner that is small and can withstand practical use has not been realized. As one means for solving such a problem, a method of using a material having a higher breaking strength than silicon as a material constituting the torsion bar portion was examined.
非特許文献１（J. Lee et al., ‘Development of the micro-mirror withlarge scaning angle using FE-based metallic glass thin film’ Solid-State Sensors, Actuators and Microsystems Conference (TRANSDUCERS) 16th International, (2011) pp. 2912 -2915.）では、トーションバーの材料として磁性金属ガラス薄膜を用い、磁力によってミラーを回転駆動させるＭＥＭＳスキャナが提案されている。 Non-Patent Document 1 (J. Lee et al., 'Development of the micro-mirror with large scanning angle using FE-based metallic glass thin film' Solid-State Sensors, Actuators and Microsystems Conference (TRANSDUCERS) 16th International, (2011) pp 2912 -2915) proposes a MEMS scanner that uses a magnetic metallic glass thin film as a material for a torsion bar and rotates a mirror by magnetic force.
しかしながら、非特許文献１に記載の構造では、磁性金属ガラスは軟磁性であるため、駆動のためには金属ガラスを磁化させるための外付け永久磁石に加え、駆動用の外付けコイルを配置して磁力によってミラーを回転駆動する必要があり、素子が大型になってしまうという欠点がある。さらに、磁性金属ガラスであるＦｅ基金属ガラスはヤング率が200GPa（ギガパスカル）程度と高く、低周波で駆動するＭＥＭＳスキャナには適当な材料ではない。
However, in the structure described in
低周波の駆動安定性、耐久性の観点から、シリコンのヤング率（概ね130GPa程度）と同等、好ましくは、シリコンのヤング率よりも小さい金属ガラス材料を用いることが望ましい。本実施形態では、金属ガラスの中でも降伏応力が高いＺｒ系金属ガラスを用いている。Ｚｒ系金属ガラスのヤング率は90〜100GPa程度である。ただし、Ｚｒ系金属ガラスに限らず、この他にも様々な物性を持つ金属ガラス組成が存在しており、必要なＭＥＭＳスキャナの特性に合わせて材料を選定することができる。 From the viewpoint of low-frequency driving stability and durability, it is desirable to use a metallic glass material that is equivalent to the Young's modulus of silicon (approximately 130 GPa), preferably smaller than the Young's modulus of silicon. In the present embodiment, a Zr-based metallic glass having a high yield stress is used among metallic glasses. The Young's modulus of the Zr-based metallic glass is about 90 to 100 GPa. However, not only the Zr-based metallic glass but also other metallic glass compositions having various physical properties exist, and the material can be selected according to the required characteristics of the MEMS scanner.
＜圧電アクチュエータ部＞
次に、圧電アクチュエータ部２０、２２の構造について説明する。本例のＭＥＭＳスキャナデバイス１０は、ミラー部１２をｙ方向の両側から挟むように一対の圧電アクチュエータ部２０、２２が配置される。圧電アクチュエータ部２０、２２は、長手方向がｘ軸の方向に向いたカンチレバー（片持ち梁）構造のアクチュエータであり（図３参照）、圧電体の変形によって屈曲変位を行う。圧電アクチュエータ部２０、２２は、ｘ軸方向の一方の端部が固定フレーム部２６に固定支持され、反対側の端部は、カンチレバー構造によって変位できる非拘束端となっている。
<Piezoelectric actuator>
Next, the structure of the
図３では圧電アクチュエータ部２０の構造を図示したが、もう一方の圧電アクチュエータ部２２の構造も同様である。図３に示したように、本例の圧電アクチュエータ部２０、２２は、圧電ユニモルフカンチレバー構造からなる。圧電アクチュエータ部２０、２２は、振動板４２として機能するシリコン（Ｓｉ）の平板棒状の支持基板に下部電極４４、圧電体４６、上部電極４８が積層して形成された積層構造を有している。このような積層構造体は、シリコン（Ｓｉ）の基板５０上に、下部電極４４、圧電体４６、上部電極４８の各層を順次に成膜することによって得られる。なお、下部電極４４、上部電極４８の各電極層は、それぞれ複数種類の導電性材料を組み合わせて（例えば、複数の材料による積層構造により）構成することができる。
Although the structure of the
図３に示す各層の膜厚やそれらの比率、長さ寸法等は、説明の都合上、適宜変更して描いており、必ずしも実際の膜厚や比率等を反映したものではない。また、本明細書では、積層構造を表現するにあたり、基板５０の表面から基板厚み方向に離れる方向を「上」として表現する。図３では基板５０の厚み方向を重力方向と一致させて基板５０を水平に保持した状態で基板５０の厚み方向の上面に、下部電極４４等の各層（４４〜４８）が順次重ねられている構成となっているため、重力の方向（図３の下方）を下方向としたときの上下の関係と一致している。
The film thicknesses, ratios, length dimensions, and the like of the layers shown in FIG. 3 are drawn as appropriate for convenience of explanation, and do not necessarily reflect actual film thicknesses, ratios, and the like. Further, in this specification, in expressing the laminated structure, the direction away from the surface of the
ただし、基板５０の姿勢を傾けたり、反転させたりすることも可能である。基板５０の姿勢に依存する積層構造の積み重ね方向が必ずしも重力の方向を基準とする上下方向と一致しない場合についても、積層構造の上下関係を混乱なく表現するために、基板５０の面を基準にして、その面から厚み方向に離れる方向を「上」と表現する。例えば、図３の上下を反転させた場合であっても、基板５０上に下部電極４４が形成され、その上に圧電体４６が積層されるという表現で記述される。
However, the posture of the
圧電体４６を挟む上下の電極（４４，４８）間に駆動電圧が印加されることで圧電体４６が変形し、この変形に伴い、振動板４２が撓んで、カンチレバーが図３の上下方向に動く。なお、本発明の実施に際して、ユニモルフカンチレバー以外の構造を用いても良い。例えば、電極を挟んで圧電体を２層積層したバイモルフカンチレバーを用いても良い。
When the drive voltage is applied between the upper and lower electrodes (44, 48) sandwiching the
＜実施例１＞
実施例１に係るＭＥＭＳデバイスの製造方法を説明する。実施例１として以下の手順によりＭＥＭＳスキャナデバイス１０（図１から図３参照）を作製した。
<Example 1>
A method for manufacturing a MEMS device according to Example 1 will be described. As Example 1, a MEMS scanner device 10 (see FIGS. 1 to 3) was manufactured by the following procedure.
（工程１）：まず、厚み300μｍのＳｉ基板の上に、スパッタ法で基板温度350℃にてＴｉ層を30ｎｍ、Ｉｒの下部電極を150ｎｍ形成した（下部電極形成工程）。Ｓｉ基板に近い側からＴｉ層（30ｎｍ）、その上にＩｒ層（150ｎｍ）を重ねて成る２層構造の導電性薄膜積層体が全体として下部電極４４として機能する。Ｓｉの基板は、単結晶のバルクシリコン基板（Ｓｉウエハ）を用いてもよいし、ＳＯＩ（Silicon OnInsulator）基板を用いてもよい。
(Step 1): First, a Ti layer of 30 nm and an Ir lower electrode of 150 nm were formed on a 300 μm thick Si substrate by a sputtering method at a substrate temperature of 350 ° C. (lower electrode forming step). A two-layered conductive thin film stack in which a Ti layer (30 nm) and an Ir layer (150 nm) are stacked thereon from the side close to the Si substrate functions as the
なお、本明細書において、膜の積層構造を表現するにあたり、下層から上層に向かって、Ａ材料層、Ｂ材料層、Ｃ材料層の順に積層されている構成を「Ａ／Ｂ／Ｃ」という表記によって表す。つまり、「／」の前に記載された材料が下層を構成し、「／」の後ろに記載された材料が上層を構成するものとして表記する。Ｓｉ基板に積層形成される下部電極は、「Ｔｉ／Ｉｒ」と表される。 In this specification, in expressing the laminated structure of the film, a configuration in which the A material layer, the B material layer, and the C material layer are laminated in this order from the lower layer to the upper layer is referred to as “A / B / C”. Represented by notation. That is, the material described before “/” constitutes the lower layer, and the material described after “/” constitutes the upper layer. The lower electrode laminated on the Si substrate is represented as “Ti / Ir”.
（工程２）：工程１によって下部電極（Ｔｉ／Ｉｒ）を形成して得られた基板上に、高周波（Ｒｆ；radio frequency）スパッタ装置を用いてＰＺＴ層（図３の圧電体４６に相当）を２μｍ成膜した。成膜ガスは97．5％Ａｒと2．5％Ｏ２の混合ガスを用い、ターゲット材料としてはPb1.3((Zr0.52 Ti0.48)0.88 Nb0.12)O3の組成のものを用いた。成膜圧力は2.2mTorr（約0.293Ｐａ）、成膜温度は450℃とした。得られたＰＺＴ層は、Ｎｂが原子組成比で１２％添加されたＮｂドープＰＺＴ薄膜である。
(Step 2): A PZT layer (corresponding to the
（工程３）：工程２でＰＺＴ層を形成した後、この上にリフトオフ法によってＴiとＡｕの積層構造からなる上部電極（Ｔｉ／Ａｕ）をパターン形成した（上部電極形成工程）。
(Step 3): After the PZT layer was formed in
（工程４）：その後、ＩＣＰ（inductively coupled plasma；誘導結合プラズマ）ドライエッチングによってＰＺＴ薄膜をパターンエッチした（圧電体膜のパターン加工工程）。 (Step 4): Then, the PZT thin film was subjected to pattern etching by ICP (inductively coupled plasma) dry etching (pattern processing step of piezoelectric film).
（工程５）：その後、Ｚｒ系金属ガラス（本例では、Ｚｒ55Ｃｕ30Ａｌ10Ｎｉ5）をスパッタリング法にて室温で2um成膜した（金属ガラス膜形成工程）。Ｚｒ基金属ガラスは、過冷却液体状態の安定性が高いため、作成しやすいという利点がある。Ｚｒ基金属ガラスの他に、設計に応じてＮｉ基、Ｆｅ基、Ｃｏ基、Ｔｉ基、Ａｕ基、Ｐｔ基、Ａｇ基、Ｐｄ基、Ｃｕ基、Ａｌ基などの金属ガラスを用いても良い。金属ガラス薄膜のパターニングはリフトオフ法で行った。 (Step 5): Thereafter, a Zr-based metallic glass (in this example, Zr 55 Cu 30 Al 10 Ni 5 ) was formed into a 2 μm film at room temperature by a sputtering method (metal glass film forming step). Zr-based metallic glass has an advantage that it is easy to produce because of its high stability in the supercooled liquid state. In addition to the Zr-based metallic glass, a metallic glass such as Ni, Fe, Co, Ti, Au, Pt, Ag, Pd, Cu, or Al may be used depending on the design. . The metal glass thin film was patterned by a lift-off method.
以上のプロセスによって、厚み2μm、幅12μm、長さ350μmの金属ガラス支持可動部（トーションバー）を形成した。 By the above process, a metal glass supporting movable part (torsion bar) having a thickness of 2 μm, a width of 12 μm, and a length of 350 μm was formed.
（工程６）：その後、シリコンのドライエッチプロセスによってシリコン基板の一部を除去する加工を行い（加工工程）、図１〜図３に示した構成の圧電ＭＥＭＳスキャナデバイスを作成した。このシリコン加工プロセスによって、支持可動部（１４、１６）の裏面側のシリコン層が完全に除去され、金属ガラス材料の自立膜による支持可動部（１４、１６）が形成される。また、ミラー部１２や圧電アクチュエータ部２０、２２、固定フレーム部２６について、それぞれ所望の厚みと寸法形状に加工される。シリコン加工プロセスは、ドライエッチングに限らず、ウエットエッチングでもよい。
(Step 6): Thereafter, processing for removing a part of the silicon substrate was performed by a silicon dry etch process (processing step), and a piezoelectric MEMS scanner device having the configuration shown in FIGS. By this silicon processing process, the silicon layer on the back side of the support movable part (14, 16) is completely removed, and the support movable part (14, 16) is formed of a self-supporting film of a metallic glass material. Further, the
実施例１によって得られたデバイス全体のサイズは平面視で縦2.8mm×横2.4mmである。圧電アクチュエータ部２０、２２の駆動により支持可動部１４、１６がねじれることによって回転軸４０を中心とするミラー部１２の傾き運動を誘起する。
The overall size of the device obtained in Example 1 is 2.8 mm long × 2.4 mm wide in plan view. The support
なお、図２中のｄで示した距離と、ミラー部１２の厚みｔＭ（図３参照）を変化させることでＭＥＭＳスキャナデバイス１０の共振周波数を調整することができる。図２中のｄは、ｙ軸と平行で、かつミラー部１２の中心を通る中心線５４から支持可動部１４、１６までのｘ軸方向の距離を示している。
Note that the resonance frequency of the
＜作製したデバイスのサンプルについて＞
図４には、ｄの距離を変えた設計によるＭＥＭＳスキャナデバイスの各デザイン（サンプル番号１〜４）の共振周波数を示した。各デザイン（サンプル番号１〜４）について、圧電アクチュエータ部（圧電アクチュエータ部）２０、２２の上部−下部電極間に交流電圧を印加することで、駆動の確認を行った。共振周波数に対応する周波数の交流電圧を印加したとき（駆動周波数が共振周波数と一致するとき）、ミラーが大きく傾き運動することを確認できた。
<About the sample of the fabricated device>
FIG. 4 shows the resonance frequency of each design (
＜駆動電圧の供給手段（駆動制御部）について＞
図５は圧電アクチュエータ部２０、２２に駆動電圧を供給する駆動回路の構成例を示した図である。本実施形態のＭＥＭＳスキャナデバイス１０（図１〜図３参照）は、一対の圧電アクチュエータ部２０、２２に対して、同時に同じ駆動電圧を印加することよって、ミラー部１２の両側の圧電アクチュエータ部２０、２２を同方向に変位させる。このため、一対の圧電アクチュエータ部２０、２２に駆動用の電力を供給する電力供給源として、共通の（同じ）駆動回路及び制御回路を用いることができる。圧電アクチュエータ部２０、２２に供給する駆動波形として、共振を励起する周波数の交流信号やパルス波形信号を用いることができる。ミラー部１２が回転軸４０（図２参照）を中心に回転運動を行う共振モードの共振周波数の付近でミラー部１２を共振駆動させることができる。
<About drive voltage supply means (drive control unit)>
FIG. 5 is a diagram showing a configuration example of a drive circuit that supplies a drive voltage to the
図５に示したように、圧電アクチュエータ部２０、２２の下部電極４４はドライバ回路７２の共通端子（Ｖ０端子、例えば、ＧＮＤ端子）に接続される。また、圧電アクチュエータ部２２の上部電極４８はドライバ回路７２の出力端子（Ｖ１端子）に接続される。
As shown in FIG. 5, the
制御回路７４は、ドライバ回路７２に対して制御信号を送り、圧電アクチュエータ部２０、２２への駆動電圧の印加を制御する。電極（４４、４８）間に電圧が印加されることによって、圧電体４６（図３参照）が圧電変形し、カンチレバーが屈曲変位する。
The
各圧電アクチュエータ部２０、２２に供給する駆動波形は特に限定されない。例えば、正弦波の駆動電圧を供給してもよし、パルス波形信号を用いることもできる。
The drive waveform supplied to each
図５に示したドライバ回路７２、又は、ドライバ回路７２と制御回路７４の組み合わせが駆動電圧供給回路として機能する。なお、図５では、圧電アクチュエータ部２０、２２に対して、同じ駆動電圧を印加しているが、それぞれ別々に駆動電圧を印加する形態も可能である。
The
＜金属ガラスの残留応力を開放するリフロー処理及びその問題点について＞
トーションバー材料として金属ガラス薄膜を用いると、残留応力の開放が可能であるという利点がある。通常、成膜直後の薄膜には遍く残留応力が内包されており、このような薄膜を自立させてトーションバーとして用いると、撓みによって設計通りの構造が作成できない場合がある。
<Reflow treatment for releasing residual stress in metallic glass and its problems>
When a metal glass thin film is used as the torsion bar material, there is an advantage that the residual stress can be released. In general, a thin film immediately after film formation contains a wide range of residual stress. If such a thin film is used as a torsion bar, a structure as designed may not be created due to bending.
しかし、金属ガラス薄膜は、通常のアモルファス金属（金属ガラス以外のアモルファス金属）とは異なり、ガラス転移温度Ｔｇを有しているため、成膜後にＴｇ以上に加熱することで残留応力を開放し、自立膜のたわみを消去することができる（非特許文献２：Seiichi Hata et al., ‘Fabrication of Thin FilmMetallic Glass and its Application to Microactuator’ Part of the Conference on Device andProcess Technologies for MEMS and Microelectronics Royal Pines Resort,Queensland, Australia October 1999SPIE Vol. 3892）。以後、このプロセスを「応力開放リフロー」と呼ぶ。 However, unlike a normal amorphous metal (amorphous metal other than metal glass), the metal glass thin film has a glass transition temperature Tg, so that the residual stress is released by heating to Tg or higher after film formation, Deflection of free-standing film can be eliminated (Non-patent Document 2: Seiichi Hata et al., 'Fabrication of Thin Film Metallic Glass and its Application to Microactuator' Part of the Conference on Device and Process Technologies for MEMS and Microelectronics Royal Pines Resort, Queensland, Australia October 1999 SPIE Vol. 3892). Hereinafter, this process is referred to as “stress relief reflow”.
金属ガラスのガラス転移温度Ｔｇは、組成によって100℃以下のもの（例えば、Ａｕ基金属ガラス：非特許文献３，４、及び特開２０１１−１６１８号公報参照）から450℃程度のもの（例えば、Ｚr基金属ガラス：非特許文献５）まで様々である。
The glass transition temperature Tg of the metal glass is about 100 ° C. or less (for example, Au-based metal glass: see
［非特許文献３］W. Klement, R. H. Willens, P. Duwez, Nature.187(1960) 869
［非特許文献４］J. Schroers, B. Lohwongwatana, W. L. Johnson, A. Peker, Appl. Phys. Lett. 87 (2005) 061912.
［非特許文献５］J. Schroers et al., Journalof Microelectromechanical Systems, Vol.16, No.2 (2007) 1057
ただし、アクチュエータ用途の場合は、駆動時のデバイス発熱に対する安定性などを考慮すると、ガラス転移温度Ｔｇが150℃以上、好ましくは200℃以上、より好ましくは300℃以上であることが望ましい。
[Non-Patent Document 3] W. Klement, RH Willens, P. Duwez, Nature. 187 (1960) 869
[Non-Patent Document 4] J. Schroers, B. Lohwongwatana, WL Johnson, A. Peker, Appl. Phys. Lett. 87 (2005) 061912.
[Non-Patent Document 5] J. Schroers et al., Journalof Microelectromechanical Systems, Vol.16, No.2 (2007) 1057
However, in the case of actuator applications, the glass transition temperature Tg is desirably 150 ° C. or higher, preferably 200 ° C. or higher, more preferably 300 ° C. or higher in consideration of stability against device heat generation during driving.
その一方で、ガラス転移温度Ｔｇが高くなると応力開放リフロー時にＭＥＭＳデバイスを構成する他の材料がダメージを受けやすいというトレードオフがある。例えば、圧電材料として広く用いられているチタン酸ジルコン酸鉛（ＰＺＴ）を含む圧電アクチュエータは、加熱処理によって圧電材の脱分極が起こり、圧電性能が劣化する問題が指摘されている（特開２００９−１２３９７４号公報、段落０００５−０００６参照）。 On the other hand, when the glass transition temperature Tg increases, there is a trade-off that other materials constituting the MEMS device are easily damaged during stress release reflow. For example, a piezoelectric actuator including lead zirconate titanate (PZT), which is widely used as a piezoelectric material, has been pointed out to have a problem that the piezoelectric material is depolarized by heat treatment and the piezoelectric performance is deteriorated (Japanese Patent Laid-Open No. 2009). -123974, paragraphs 0005-0006).
つまり、金属ガラスのガラス転移温度Ｔｇが圧電材料（ＰＺＴ）のキュリー点に近いほど高い場合、応力開放リフローによってＰＺＴが脱分極し、圧電変位が劣化してしまうといった問題が生じる。このような理由から、従来のＰＺＴ材料と金属ガラスとを集積化しようとすると、ガラス転移温度Ｔｇの低い、限られた金属ガラスしか用いることができず、設計の自由度が低いという問題がある。 That is, when the glass transition temperature Tg of the metal glass is higher as it is closer to the Curie point of the piezoelectric material (PZT), there arises a problem that the PZT is depolarized by stress release reflow and the piezoelectric displacement is deteriorated. For this reason, when trying to integrate a conventional PZT material and a metallic glass, there is a problem that only a limited metallic glass having a low glass transition temperature Tg can be used and the degree of freedom in design is low. .
したがって、圧電体の特性、金属ガラスの特性、応力開放リフロー条件などを考慮した適切な条件の組み合わせによる設計を行うことが望ましい。 Therefore, it is desirable to perform a design based on a combination of appropriate conditions in consideration of the characteristics of the piezoelectric body, the characteristics of the metallic glass, the stress release reflow conditions, and the like.
＜圧電材料について＞
本実施形態に好適な圧電体としては、下記式で表される１種又は２種以上のペロブスカイト型酸化物（Ｐ）を含むもの（不可避不純物を含んでいてもよい）が挙げられる。
<About piezoelectric materials>
Examples of the piezoelectric body suitable for the present embodiment include those containing one or more perovskite oxides (P) represented by the following formula (which may contain inevitable impurities).
一般式ＡＢＯ３・・・（Ｐ）
（式中、Ａ：Ａサイトの元素であり、Ｐｂを含む少なくとも１種の元素。
Ｂ：Ｂサイトの元素であり、Ｔｉ，Ｚｒ，Ｖ，Ｎｂ，Ｔａ，Ｓｂ，Ｃｒ，Ｍｏ，Ｗ，Ｍｎ，Ｓｃ，Ｃｏ，Ｃｕ，Ｉｎ，Ｓｎ，Ｇａ，Ｚｎ，Ｃｄ，Ｆｅ，及びＮｉからなる群より選ばれた少なくとも１種の元素。
Ｏ：酸素元素。
Ａサイト元素とＢサイト元素と酸素元素のモル比は１：１：３が標準であるが、これらのモル比はペロブスカイト構造を取り得る範囲内で基準モル比からずれてもよい。）
上記一般式で表されるペロブスカイト型酸化物としては、チタン酸鉛、チタン酸ジルコン酸鉛（ＰＺＴ）、ジルコニウム酸鉛、チタン酸鉛ランタン、ジルコン酸チタン酸鉛ランタン、マグネシウムニオブ酸ジルコニウムチタン酸鉛、ニッケルニオブ酸ジルコニウムチタン酸鉛、亜鉛ニオブ酸ジルコニウムチタン酸鉛等の鉛含有化合物、及びこれらの混晶系；チタン酸バリウム、チタン酸ストロンチウムバリウム、チタン酸ビスマスナトリウム、チタン酸ビスマスカリウム、ニオブ酸ナトリウム、ニオブ酸カリウム、ニオブ酸リチウム、ビスマスフェライト等の非鉛含有化合物、及びこれらの混晶系が挙げられる。
General formula ABO 3 (P)
(In the formula, A: an element of A site, and at least one element including Pb.
B: Element of B site, from Ti, Zr, V, Nb, Ta, Sb, Cr, Mo, W, Mn, Sc, Co, Cu, In, Sn, Ga, Zn, Cd, Fe, and Ni At least one element selected from the group consisting of:
O: Oxygen element.
The molar ratio of the A site element, the B site element, and the oxygen element is 1: 1: 3 as a standard, but these molar ratios may deviate from the reference molar ratio within a range where a perovskite structure can be taken. )
Perovskite oxides represented by the above general formula include lead titanate, lead zirconate titanate (PZT), lead zirconate, lead lanthanum titanate, lead lanthanum zirconate titanate, lead zirconium titanate niobate , Lead-containing compounds such as lead zirconium niobate titanate titanate and lead zinc niobate titanate titanate, and mixed crystals thereof; barium titanate, strontium barium titanate, bismuth sodium titanate, bismuth potassium titanate, niobic acid Non-lead-containing compounds such as sodium, potassium niobate, lithium niobate, bismuth ferrite, and mixed crystals thereof can be mentioned.
また、本実施形態の圧電体膜は、下記式で表される１種又は２種以上のペロブスカイト型酸化物（ＰＸ）を含むことが好ましい（不可避不純物を含んでいてもよい）。 In addition, the piezoelectric film of the present embodiment preferably includes one or more perovskite oxides (PX) represented by the following formula (may include inevitable impurities).
Ａａ（Ｚｒｘ，Ｔｉｙ，Ｍｂ−ｘ−ｙ）ｂＯｃ・・・（ＰＸ）
（式中、Ａ：Ａサイトの元素であり、Ｐｂを含む少なくとも１種の元素。
Ｍが、Ｖ、Ｎｂ、Ｔａ、及びＳｂからなる群より選ばれた少なくとも１種の元素である。
０＜ｘ＜ｂ、０＜ｙ＜ｂ、０＜ｂ−ｘ−ｙ。
ａ：ｂ：ｃ＝１：１：３が標準であるが、これらのモル比はペロブスカイト構造を取り得る範囲内で基準モル比からずれてもよい。）
ペロブスカイト型酸化物（ＰＸ）は、真性ＰＺＴ、あるいはＰＺＴのＢサイトの一部がＭで置換されたものである。被置換イオンの価数よりも高い価数を有する各種ドナーイオンを添加したＰＺＴでは、真性ＰＺＴよりも圧電性能等の特性が向上することが知られている。Ｍは、４価のＺｒ，Ｔｉよりも価数の大きい１種又は２種以上のドナーイオンであることが好ましい。かかるドナーイオンとしては、Ｖ５＋，Ｎｂ５＋，Ｔａ５＋，Ｓｂ５＋，Ｍｏ６＋，及びＷ６＋等が挙げられる。
A a (Zr x , Ti y , M b-xy ) b O c (PX)
(In the formula, A: an element of A site, and at least one element including Pb.
M is at least one element selected from the group consisting of V, Nb, Ta, and Sb.
0 <x <b, 0 <y <b, 0 <bxy.
Although a: b: c = 1: 1: 3 is a standard, these molar ratios may deviate from the reference molar ratio within a range where a perovskite structure can be taken. )
The perovskite oxide (PX) is an intrinsic PZT or a part of the B site of PZT substituted with M. It is known that PZT to which various donor ions having a valence higher than that of the substituted ion are added has improved characteristics such as piezoelectric performance as compared with intrinsic PZT. M is preferably one or more donor ions having a valence higher than that of tetravalent Zr or Ti. Examples of such donor ions include V 5+ , Nb 5+ , Ta 5+ , Sb 5 +, Mo 6+ , and W 6+ .
ｂ−ｘ−ｙは、ペロブスカイト構造を取り得る範囲であれば特に制限されない。例えば、ＭがＮｂである場合、Ｎｂ／（Ｚｒ＋Ｔｉ＋Ｎｂ）モル比が０．０５以上０．２５以下であることが好ましく、０．０６以上０．２０以下であることがより好ましい。 b-xy is not particularly limited as long as it has a perovskite structure. For example, when M is Nb, the Nb / (Zr + Ti + Nb) molar ratio is preferably 0.05 or more and 0.25 or less, and more preferably 0.06 or more and 0.20 or less.
上述の一般式（Ｐ）及び（ＰＸ）で表されるペロブスカイト型酸化物からなる圧電体膜は、高い圧電歪定数（ｄ３１定数）を有するため、かかる圧電体膜を備えた圧電アクチュエータは、変位特性の優れたものとなる。 Since the piezoelectric film made of the perovskite oxide represented by the above general formulas (P) and (PX) has a high piezoelectric strain constant (d31 constant), the piezoelectric actuator provided with such a piezoelectric film is displaced. Excellent characteristics.
また、一般式（Ｐ）及び（ＰＸ）で表されるペロブスカイト型酸化物からなる圧電体膜を備えた圧電アクチュエータは、駆動電圧範囲において、リニアリティの優れた電圧―変位特性を有している。これらの圧電材料は、本発明を実施する上で良好な圧電特性を示すものである。 In addition, a piezoelectric actuator including a piezoelectric film made of a perovskite oxide represented by general formulas (P) and (PX) has voltage-displacement characteristics with excellent linearity in a driving voltage range. These piezoelectric materials exhibit good piezoelectric characteristics in carrying out the present invention.
本実施形態における圧電体４６の一具体例として、例えば、Ｎｂを原子組成百分率で１２％ドープしたチタン酸ジルコン酸鉛（ＰＺＴ）薄膜を用いることができる。スパッタリング法等によってＮｂを１２％ドープしたＰＺＴを成膜することにより、圧電定数ｄ３１＝２５０ｐｍ／Ｖという高い圧電特性を持つ薄膜を安定的に作製できる。なお、バルクの圧電体を基板に接合し、研磨してもよいが、この方法では圧電体を薄膜化するのが難しい（研磨では限界15μｍ程度である）ために変位量が小さくなる上に、研磨中における破壊などによる歩留まりが小さいといった問題がある。このようなことを鑑みると、気相成長法やゾルゲル法などにより基板上に圧電薄膜を直接成膜する構成が好ましい。特に、本実施形態の圧電体４６としては、１μｍ以上１０μｍ以下の厚さの薄膜であることが好ましい。既述した実施例１では圧電体４６として、スパッタリング法によって成膜された２μｍ厚のＰＺＴ薄膜を使用しているが、これに限定されるものではない。
As a specific example of the
＜好ましい金属ガラスの材料について＞
図６に各種金属ガラス材料のヤング率とガラス転移点（ガラス転移温度）を示す。本発明の実施に際しては、図６に例示したいずれの組成の金属ガラス材料も用いることが可能である。しかし、以下の観点から、発明の実施に際して用いるのに好ましい金属ガラス材料が選定される。
<Preferable metal glass material>
FIG. 6 shows Young's modulus and glass transition point (glass transition temperature) of various metallic glass materials. In the practice of the present invention, any of the metallic glass materials illustrated in FIG. 6 can be used. However, from the following viewpoints, preferred metallic glass materials are selected for use in the practice of the invention.
（１）駆動源である圧電体の成膜温度が450℃〜500℃であり、ＰＺＴ成膜後に500℃を超える温度で再び熱処理（応力開放リフロー）するのは材料劣化の原因となる。したがって、応力開放リフローする金属ガラスのガラス転移温度Ｔｇが圧電体の成膜温度以下（例えば、500℃以下）であることが望ましい。 (1) The film forming temperature of the piezoelectric body as a driving source is 450 ° C. to 500 ° C., and heat treatment (stress release reflow) again at a temperature exceeding 500 ° C. after the PZT film forming causes deterioration of the material. Therefore, it is desirable that the glass transition temperature Tg of the metal glass that undergoes stress release reflow is not higher than the film forming temperature of the piezoelectric body (for example, 500 ° C. or lower).
（２）ＭＥＭＳミラーデバイスの駆動安定性の観点から考えると、駆動時の発熱によって金属ガラスのリフロー（応力開放）が起こらないことが望ましい。一般的にＭＥＭＳデバイスの駆動時には最大100℃程度まで温度上昇が起こると考えられるため、この温度で長期的にリフローが起こらない金属ガラス材料の条件としてはガラス転移温度Ｔｇが150℃以上であることが好ましい。 (2) Considering from the viewpoint of driving stability of the MEMS mirror device, it is desirable that reflow (stress release) of the metallic glass does not occur due to heat generation during driving. In general, when a MEMS device is driven, it is considered that the temperature rises up to a maximum of about 100 ° C. Therefore, the glass transition temperature Tg is 150 ° C or higher as a condition of the metal glass material that does not reflow at this temperature for a long time. Is preferred.
（３）さらに好ましくは、デバイス実装時のはんだリフロー温度によって金属ガラスのリフロー（応力開放）が起こらないことが望まれる。はんだリフローの温度は一般的に250℃周辺なので、ガラス転移温度Ｔｇが300℃以上の金属ガラスが適している。 (3) More preferably, it is desired that the reflow (stress release) of the metal glass does not occur depending on the solder reflow temperature during device mounting. Since the temperature of solder reflow is generally around 250 ° C., metal glass having a glass transition temperature Tg of 300 ° C. or higher is suitable.
以上の観点（１）〜（３）を考慮すると、本発明の実施に際して用いる金属ガラス材料として、特に好ましいのは、Ｚｒ基、Ｐｄ基、Ｐｔ基の金属ガラスであり、その中でもより好ましくはＺｒ基の金属ガラスである。図６では、Ｚr-Ｃu-Ａl-Ｎi系の金属ガラスとしてＺｒ55Ｃｕ30Ａｌ10Ｎｉ5を例示し、Ｚr-Ｃu-Ａl系の金属ガラスとしてＺｒ75Ｃｕ19Ａｌ6を例示した。こられは概ね同等の性質を有しており、どちらの材料も好ましい材料である。 Considering the above viewpoints (1) to (3), as the metallic glass material used in the practice of the present invention, particularly preferred is a metallic glass of Zr group, Pd group or Pt group, and among them, Zr is more preferred. It is the base metal glass. In FIG. 6, Zr 55 Cu 30 Al 10 Ni 5 is exemplified as the Zr—Cu—Al—Ni based metallic glass, and Zr 75 Cu 19 Al 6 is exemplified as the Zr—Cu—Al based metallic glass. These have approximately the same properties, and both materials are preferred materials.
＜実施例２＞
実施例２では、実施例１と同様のプロセス（工程１〜工程５）により、Ｚｒ55Ｃｕ30Ａｌ10Ｎｉ5金属ガラス薄膜を成膜後に、加熱による残留応力開放リフローを行うプロセスを追加した。
<Example 2>
In Example 2, the same process as in Example 1 (
図７に実施例２における製造プロセスのフローチャートを示した。図７のステップＳ１１〜Ｓ１５で示した各工程は、実施例１で説明した工程１〜工程５に対応している。 FIG. 7 shows a flowchart of the manufacturing process in the second embodiment. Each step shown in steps S11 to S15 in FIG. 7 corresponds to step 1 to step 5 described in the first embodiment.
ステップＳ１５で金属ガラス膜を形成後、応力開放リフローが行われる（ステップＳ１６、「応力開放リフロー工程」）。応力開放リフローの処理は、金属ガラスの結晶化温度Ｔｘとガラス転移温度Ｔｇの間の過冷却液体領域の温度において一定時間保持することで、金属ガラス薄膜の残留応力を解法する処理である。 After the metal glass film is formed in step S15, stress release reflow is performed (step S16, "stress release reflow process"). The stress release reflow process is a process for solving the residual stress of the metal glass thin film by holding for a certain time at the temperature of the supercooled liquid region between the crystallization temperature Tx of the metal glass and the glass transition temperature Tg.
本例の場合、示差走査熱量測定（ＤＳＣ：Differential scanning calorimetry）にてＺｒ55Ｃｕ30Ａｌ10Ｎｉ5金属ガラスのガラス転移温度Ｔｇを測定したところ、400℃と見積もられたため、応力開放リフローは430℃（10−3Ｐaの真空中）で60秒保持することで行われた。430℃で60秒間の加熱処理を行った後は、温度を下げて室温に戻す。 In the case of this example, when the glass transition temperature Tg of Zr 55 Cu 30 Al 10 Ni 5 metallic glass was measured by differential scanning calorimetry (DSC), it was estimated to be 400 ° C. This was carried out by holding at 430 ° C. (in a vacuum of 10 −3 Pa) for 60 seconds. After heat treatment at 430 ° C for 60 seconds, the temperature is lowered to room temperature.
応力開放リフローの条件（温度、時間など）は、使用する圧電体材料、金属ガラス材料に応じて適切な条件が選択される。 As the stress release reflow conditions (temperature, time, etc.), appropriate conditions are selected according to the piezoelectric material and the metallic glass material to be used.
応力開放リフロー工程(ステップＳ１６)の後、シリコンのドライエッチプロセスによってシリコン基板の一部を除去する加工を行い（ステップＳ１７、「加工工程」）、デバイスを完成させた。ステップＳ１７の加工工程は、実施例１で説明した工程６に対応している。 After the stress release reflow process (step S16), a part of the silicon substrate was removed by a silicon dry etch process (step S17, "working process") to complete the device. The processing step in step S17 corresponds to step 6 described in the first embodiment.
第２実施例によるデバイス完成後に金属ガラス薄膜の自立膜によるトーションバー部（支持可動部１４、１６）を観察したところ、残留応力による金属ガラス薄膜の撓みがないことが確認された。
When the torsion bar part (supporting
なお、図７には示されていないが、ステップＳ１７の後に、必要に応じて、ドライバ回路７２等との電気的な接続を行うための配線接続処理（はんだリフロー工程）が実施される。はんだリフロー工程は、金属ガラスのガラス転移温度Ｔｇよりも低い温度で実施されることが望ましい。
Although not shown in FIG. 7, after step S17, a wiring connection process (solder reflow process) for electrical connection with the
＜応力開放リフローと圧電アクチュエータの性能について＞
次に、応力開放リフローのプロセスが圧電アクチュエータの性能に及ぼす影響を見積もった。
<Stress relief reflow and piezoelectric actuator performance>
Next, the impact of the stress relief reflow process on the performance of the piezoelectric actuator was estimated.
ＰＺＴ中のＮｂ量を変化させ、応力開放リフロー後の圧電アクチュエータ部の変位量を測定することで、ＰＺＴの圧電性能劣化の有無を判定した。応力開放リフローの前と後で圧電アクチュエータ部の変位をそれぞれ測定し、変位劣化率を調べた。応力開放リフロー前後の圧電アクチュエータ部の変位劣化率は、次式、
（リフロー前の変位量−リフロー後の変位量）÷（リフロー前の変位量）×１００
で求めた。
By changing the amount of Nb in PZT and measuring the amount of displacement of the piezoelectric actuator part after the stress release reflow, the presence or absence of piezoelectric performance deterioration of PZT was determined. The displacement of the piezoelectric actuator was measured before and after the stress release reflow, and the displacement deterioration rate was examined. The displacement deterioration rate of the piezoelectric actuator part before and after stress release reflow is
(Displacement amount before reflow−Displacement amount after reflow) ÷ (Displacement amount before reflow) × 100
I asked for it.
図８に、Ｎｂ量とリフロー後の変位劣化率の関係をまとめた。なお、同図では、成膜直後のカンチレバーの電圧変位応答から算出した圧電定数ｄ３１も併記する。 FIG. 8 summarizes the relationship between the Nb amount and the displacement deterioration rate after reflow. In the figure, the piezoelectric constant d31 calculated from the voltage displacement response of the cantilever immediately after film formation is also shown.
図８に示したように、ＰＺＴ中にＮｂを６％（原子組成比：ａｔ％）以上ドープすることによって、圧電変位の劣化を伴うこことなく、金属ガラスの残留応力を開放できる。なお、Ｎｂのドープ量を増やすと圧電性能も向上するが、過剰にドープすると応力が増加し、クラックが発生しやすい傾向にあるため、Ｎbドープ量は6%以上20%以下が望ましい。 As shown in FIG. 8, by doping Nb in PZT at 6% (atomic composition ratio: at%) or more, the residual stress of the metallic glass can be released without any accompanying deterioration of piezoelectric displacement. Increasing the doping amount of Nb improves the piezoelectric performance, but excessive doping increases stress and tends to generate cracks. Therefore, the doping amount of Nb is preferably 6% or more and 20% or less.
＜比較例＞
ハンドル層300um、ボックス層1um、デバイス層2umのＳＯＩ基板上に、スパッタ法で基板温度350℃にてTiを30nm、Ir電極を150nm形成した。
<Comparative example>
On an SOI substrate having a handle layer of 300 μm, a box layer of 1 μm, and a device layer of 2 μm, a Ti of 30 nm and an Ir electrode of 150 nm were formed by sputtering at a substrate temperature of 350 ° C.
得られた基板上に、Rfスパッタ装置を用いてPZTを4μm成膜した。成膜ガスは97．5％Ａｒと2．5％Ｏ２の混合ガスを用い、ターゲット材料としてはPb1.3((Zr0.52 Ti0.48)0.88 Nb0.12)O3の組成のものを用いた。成膜圧力は2.2mTorr（約0.293Ｐａ）、成膜温度は450℃とした。得られたＰＺＴ層は、Ｎｂが原子組成比で１２％添加されたＮｂドープＰＺＴ薄膜である。 A PZT film having a thickness of 4 μm was formed on the obtained substrate using an Rf sputtering apparatus. The deposition gas is a mixed gas of 97.5% Ar and 2.5% O 2 , and the target material is Pb1.3 ((Zr0.52 Ti0.48) 0.88 Nb0.12) O3. It was. The film formation pressure was 2.2 mTorr (about 0.293 Pa), and the film formation temperature was 450 ° C. The obtained PZT layer is an Nb-doped PZT thin film to which Nb is added in an atomic composition ratio of 12%.
ＰＺＴ層の上にリフトオフ法によってＴｉ／Ａｕの上部電極をパターン形成し、ＩＣＰドライエッチングによってＰＺＴ薄膜をパターンエッチした。その後、シリコンのドライエッチプロセスによって加工を行い、実施例１の金属ガラス支持可動部と同様のディメンジョン（厚み、長さの寸法）で、材料をＳｉとするようなＭＥＭＳスキャナの作成を試みた。 A Ti / Au upper electrode was patterned on the PZT layer by lift-off, and the PZT thin film was pattern etched by ICP dry etching. Thereafter, processing was performed by a silicon dry etch process, and an attempt was made to create a MEMS scanner in which the material was Si with the same dimensions (thickness and length dimensions) as the metal glass supporting movable part of Example 1.
図９は比較例によって作製を試みたＭＥＭＳスキャナデバイスの斜視図である。図９において、図１の構成と同一又は類似する要素には同一の符号を付した。図９に示した比較例のＭＥＭＳスキャナデバイス３１０において、図１との相違点は、支持可動部３１４、３１６をシリコン（Ｓｉ）で構成する点である。
FIG. 9 is a perspective view of a MEMS scanner device attempted to be manufactured according to a comparative example. 9, elements that are the same as or similar to those in FIG. The
しかし、この比較例は、プロセス中にＳｉのヒンジ部（支持可動部３１４、３１６）が破壊してしまい、デバイスとして作成できなかった。
However, in this comparative example, the Si hinge portions (supporting
＜実施形態の利点＞
（１）実施例１，２で例示したように、本発明の実施形態によれば、シリコンに比べて壊れ難く、かつ、柔らかい（ヤング率が小さい）材料の金属ガラスを用いて、支持可動部１４，１６を構成したので、小型で、低周波の共振駆動に適したミラーデバイスを歩留まりよく作製することができる。ここでいう低周波とは、例えば、ＯＣＴ装置などに好適な５０Ｈｚから１００Ｈｚ程度の範囲の周波数である。
<Advantages of the embodiment>
(1) As illustrated in Examples 1 and 2, according to the embodiment of the present invention, the support movable part is made of metal glass that is harder to break than silicon and is soft (small Young's modulus). Since 14 and 16 are configured, a mirror device that is small and suitable for low-frequency resonance drive can be manufactured with high yield. The low frequency here is a frequency in a range of about 50 Hz to 100 Hz suitable for an OCT apparatus, for example.
（２）支持可動部が非晶質の金属ガラスで構成されているため、繰り返し動作に対して劣化が少なく、耐久性が高い。また、大きな変位角度を出しても破壊されない。 (2) Since the support movable part is made of amorphous metal glass, the deterioration is less with respect to repeated operations and the durability is high. Even if a large displacement angle is given, it is not destroyed.
（３）金属ガラスは、成膜後にガラス転移温度Ｔｇ以上（結晶化温度Ｔｘ以下）の温度で加熱処理（応力開放リフロー）を行うことにより、残留応力を開放することができ、残留応力に起因する初期の撓み（歪み）を取り去ることが可能である。なお、残留応力による撓み量（歪み）が実用上問題のないレベルの許容範囲内であれば、応力開放リフロー処理を省略することが可能である。 (3) Metallic glass can release residual stress by performing heat treatment (stress release reflow) at a temperature of glass transition temperature Tg or higher (crystallization temperature Tx or lower) after film formation. It is possible to remove the initial deflection (distortion). It should be noted that if the amount of deflection (distortion) due to residual stress is within an allowable range that does not cause any practical problems, the stress release reflow process can be omitted.
（４）金属ガラス以外のアモルファス金属の薄膜を形成するには、高温で成膜して急冷する（冷却速度を急峻に変化させる）必要があるのに対し、金属ガラスは他のアモルファス金属よりも安定性が高いため、膜形成の際に厳格な温度管理をしなくても容易に薄膜を形成することができ、製造が容易である。 (4) In order to form a thin film of amorphous metal other than metallic glass, it is necessary to form a film at a high temperature and then rapidly cool (change the cooling rate sharply), whereas metallic glass is more than other amorphous metals. Since the stability is high, a thin film can be easily formed without strict temperature control during film formation, and the production is easy.
（５）共振駆動の振動励起源としてＰＺＴ薄膜の圧電アクチュエータ部２０、２２を用いているため、非特許文献１のような磁性金属ガラスを用いる構造と比較して、デバイスサイズを非常に小型化できる。
(5) Since the PZT thin
（６）Ｎｂ等の元素を６％以上ドープしたＰＺＴは、真性ＰＺＴと比較して圧電性能が高く、また、高温に加熱しても容易には脱分極しない。したがって、Ｎｂ等の元素を６％以上ドープしたＰＺＴを用いることが特に好ましい。このように、加熱に対する分極安定性が極めて高い圧電体を用いることにより、さらに小型で、大きな変位が得られるデバイスを作製することができ、かつ、応力開放リフローを行っても脱分極せず、圧電変位の性能が劣化しにくいという利点がある。 (6) PZT doped with 6% or more of an element such as Nb has higher piezoelectric performance than intrinsic PZT and does not easily depolarize even when heated to a high temperature. Therefore, it is particularly preferable to use PZT doped with 6% or more of an element such as Nb. In this way, by using a piezoelectric body with extremely high polarization stability against heating, it is possible to produce a device that is even smaller and obtains a large displacement, and does not depolarize even if stress release reflow is performed, There is an advantage that the performance of the piezoelectric displacement is hardly deteriorated.
これによって、駆動中にデバイスが発熱しても安定な高Ｔｇ（ガラス転移温度）金属ガラスをトーションバー材料として用いることができ、設計の幅が拡がる。 As a result, high Tg (glass transition temperature) metallic glass that is stable even if the device generates heat during driving can be used as a torsion bar material, and the range of design is expanded.
（７）ミラー部１２と圧電アクチュエータ部２０、２２との接続部（連結部）に金属ガラス材料によるヒンジ部（支持可動部１４，１６）を採用し、共振駆動によってミラー部１２を回転させる構造としたため、大きな回転角が得られる。
(7) A structure in which a hinge part (supporting
（８）固定フレーム部２６、圧電アクチュエータ部２０、２２の振動板４２、ミラー部１２をシリコン加工（半導体プロセス）により一体的に形成することができる。
(8) The fixed
（９）従来のポリゴンミラーやガルバノミラーと比べて小型化が可能であり、耐久性も高い。 (9) Compared to conventional polygon mirrors and galvanometer mirrors, the size can be reduced and durability is high.
本発明の実施に際しては、上記の実施例１、２に限定されず、基板の材料、電極材料、圧電材料、膜厚、成膜条件、リフロー条件、デバイスの形態などは、目的に応じて適宜設計することができる。 In carrying out the present invention, the present invention is not limited to the first and second embodiments described above, and the substrate material, electrode material, piezoelectric material, film thickness, film forming conditions, reflow conditions, device form, and the like are appropriately determined according to the purpose. Can be designed.
＜変形例１＞
上述の実施形態では、ミラー部１２の両側にそれぞれ一本のトーションバー（支持可動部１４、１６）を接続し、このトーションバーによってミラーの回転中心を支持しているが、ミラー回転軸を安定に支持する方法はこれに限ったものではなく、例えば回転軸に軸対称に配置された複数のバー（支持可動部材）でミラーを支持する構成を採用してもよい。
<
In the above-described embodiment, one torsion bar (supporting
＜変形例２＞
上述の実施形態では、ミラー部１２を挟んでその両側にそれぞれ圧電アクチュエータ部２０、２２を配置し、各圧電アクチュエータ部２０、２２はそれぞれ１つの圧電カンチレバーで構成されるものを例示した。
<
In the above-described embodiment, the
本発明の実施に際して、圧電アクチュエータ部の構成は上記の例に限らず、様々な形態があり得る。圧電アクチュエータ部は少なくとも１つ設けられていればよい。また、圧電アクチュエータ部は、複数の圧電カンチレバーを組み合わせた構造とすることができる。例えば、圧電アクチュエータ部として、複数の圧電カンチレバーを蛇行状（ミアンダ状）に繋ぎ合わせた折り返し構造を持つ構成とすることができる。カンチレバーの折り返し構造の採否や、折り返し回数（折り畳み数）については、特に限定されない。カンチレバーの折り畳み数やレバー部の幅等は全体の共振周波数に影響する。折り畳み数を増やすほど、共振周波数は低下する傾向にある。また、レバー部の幅を細くするほど、共振周波数は低下する傾向にある。折り畳み数やレバー部の幅などを設計することによって、所望の共振周波数を実現できる。 In the implementation of the present invention, the configuration of the piezoelectric actuator unit is not limited to the above example, and may have various forms. It is sufficient that at least one piezoelectric actuator unit is provided. Moreover, the piezoelectric actuator part can be made into the structure which combined several piezoelectric cantilever. For example, the piezoelectric actuator unit may have a folded structure in which a plurality of piezoelectric cantilevers are connected in a meandering shape (a meander shape). The adoption of the cantilever folding structure and the number of folding times (the number of folding) are not particularly limited. The number of cantilever folds, the width of the lever, and the like affect the overall resonance frequency. The resonance frequency tends to decrease as the number of folds increases. Further, the resonance frequency tends to decrease as the width of the lever portion is reduced. A desired resonance frequency can be realized by designing the number of folds and the width of the lever portion.
＜変形例３＞
図１から図３で説明した形態は、ｘ軸と平行で、かつミラー部１２の中心を通る中心線に対して左右対称の構造を有しているが、かかる対称構造に代えて、矩形のミラー部１２の対角部分に支持可動部を設ける形態も可能である。
<
The form described in FIGS. 1 to 3 has a structure that is parallel to the x-axis and symmetrical with respect to a center line that passes through the center of the
＜変形例４＞
上述の実施形態では、ｙ軸と平行な回転軸４０の周りにミラー部１２を回転させる例を説明したが、ｘ軸と平行な回転軸の周りにミラー部を回転させる形態も可能であり、ｘ軸、ｙ軸の２軸で回転可能な構成とすることもできる。
<
In the above-described embodiment, the example in which the
＜応用例＞
本発明は、レーザー光等の光を反射して光の進行方向を変える光学装置として様々な用途に利用できる。例えば、光偏向器、光走査装置、レーザープリンタ、バーコード読取機、表示装置、各種の光学センサ（測距センサ、形状測定センサ）、光通信装置、レーザープロジェクタ、ＯＣＴ画像診断装置などに広く適用することができる。
<Application example>
The present invention can be used in various applications as an optical device that reflects light such as laser light and changes the traveling direction of the light. For example, widely applied to optical deflectors, optical scanning devices, laser printers, barcode readers, display devices, various optical sensors (ranging sensors, shape measuring sensors), optical communication devices, laser projectors, OCT diagnostic imaging devices, etc. can do.
なお、本発明は以上説明した実施形態に限定されるものではなく、本発明の技術的思想内で当該分野の通常の知識を有するものにより、多くの変形が可能である。 The present invention is not limited to the embodiments described above, and many modifications can be made by those having ordinary knowledge in the field within the technical idea of the present invention.
１０…ＭＥＭＳスキャナデバイス、１２…ミラー部、１２Ｂ…反射面、１４…支持可動部、１６…支持可動部、２０…圧電アクチュエータ部、２２…アクチュエータ部、２６…固定フレーム部、４０…回転軸、４２…振動板、４４…下部電極、４６…圧電体、４８…上部電極、７２…ドライバ回路、７４…制御回路
DESCRIPTION OF
Claims (8)
前記ミラー部を特定の回転軸を中心に回転可能に支持する支持可動部と、
前記支持可動部に連結され、圧電体の変形によって屈曲変位を行う圧電アクチュエータ部と、
前記圧電アクチュエータ部の一端が接続され、前記圧電アクチュエータ部を屈曲変位可能に支持する固定フレーム部と、を備え、
前記支持可動部は金属ガラス材料で構成されており、
前記圧電アクチュエータ部に電圧を印加して前記屈曲変位させることによって前記支持可動部を変形させ、前記ミラー部を回転させるマイクロミラーデバイスであって、
前記支持可動部を構成する金属ガラス材料は、ガラス転移温度Ｔｇが300℃以上500℃以下の材料であって、かつＺｒを含む材料であり、
前記圧電アクチュエータ部に用いられる圧電体は、下記式（ＰＸ）で表される１種又は２種以上のペロブスカイト型酸化物であり、
Ａ ａ （Ｚｒ ｘ ，Ｔｉ ｙ ，Ｍ ｂ−ｘ−ｙ ） ｂ Ｏ ｃ ・・・（ＰＸ）
（式中、Ａ：Ａサイトの元素であり、Ｐｂを含む少なくとも１種の元素。
Ｍが、Ｍｇ, Ｖ, Ｎｂ，Ｔａ，及びＳｂからなる群より選ばれた少なくとも１種の元素である。
０＜ｘ＜ｂ、０＜ｙ＜ｂ、０≦ｂ−ｘ−ｙ。
ａ：ｂ：ｃ＝１：１：３が標準であるが、これらのモル比はペロブスカイト構造を取り得る範囲内で基準モル比からずれてもよい。）
さらに、前記ペロブスカイト型酸化物（ＰＸ）は、Ｎｂを含むと共に、Ｎｂ／（Ｚｒ＋Ｔｉ＋Ｎｂ）モル比が０．０６以上０．２０以下であるマイクロミラーデバイス。 A mirror portion having a reflecting surface for reflecting light;
A support movable part that rotatably supports the mirror part around a specific rotation axis;
A piezoelectric actuator unit coupled to the support movable unit and performing bending displacement by deformation of the piezoelectric body;
One end of the piezoelectric actuator part is connected, and a fixed frame part that supports the piezoelectric actuator part so that it can be bent and displaced, and
The support movable part is made of a metallic glass material,
A micromirror device that deforms the support movable unit by applying a voltage to the piezoelectric actuator unit to cause the bending displacement, and rotates the mirror unit ;
The metallic glass material constituting the support movable part is a material having a glass transition temperature Tg of 300 ° C. or more and 500 ° C. or less and containing Zr,
The piezoelectric body used in the piezoelectric actuator unit is one or more perovskite oxides represented by the following formula (PX):
A a (Zr x , Ti y , M b-xy ) b O c (PX)
(In the formula, A: an element of A site, and at least one element including Pb.
M is at least one element selected from the group consisting of Mg, V, Nb, Ta, and Sb.
0 <x <b, 0 <y <b, 0 ≦ b−xy.
Although a: b: c = 1: 1: 3 is a standard, these molar ratios may deviate from the reference molar ratio within a range where a perovskite structure can be taken. )
Furthermore, the perovskite oxide (PX) contains Nb and has a Nb / (Zr + Ti + Nb) molar ratio of 0.06 or more and 0.20 or less.
基板上に下部電極を形成する下部電極形成工程と、
前記基板上の前記下部電極の上に圧電体膜を積層して形成する圧電体膜形成工程と、
前記基板上の前記圧電体膜の上に上部電極を積層して形成する上部電極形成工程と、
前記基板上に金属ガラス膜を形成する金属ガラス膜形成工程と、
前記金属ガラス膜形成工程の後に、前記金属ガラス膜の結晶化温度Ｔｘとガラス転移温度Ｔｇとの間の過冷却液体領域の温度で加熱処理し、前記金属ガラス膜の残留応力を開放する応力開放リフロー工程と、
前記基板の一部を除去する加工を行う加工工程と、
を含み、
前記金属ガラス膜のガラス転移温度Ｔｇが前記圧電体膜の成膜温度以下であり、
前記応力開放リフロー工程の前記加熱処理の温度は前記圧電体膜の成膜温度よりも低い温度であるマイクロミラーデバイスの製造方法。 A method for manufacturing the micromirror device according to any one of claims 1 to 7 ,
A lower electrode forming step of forming a lower electrode on the substrate;
A piezoelectric film forming step of stacking and forming a piezoelectric film on the lower electrode on the substrate;
An upper electrode forming step of stacking and forming an upper electrode on the piezoelectric film on the substrate;
A metal glass film forming step of forming a metal glass film on the substrate;
After the metal glass film forming step, heat treatment is performed at a temperature in a supercooled liquid region between the crystallization temperature Tx and the glass transition temperature Tg of the metal glass film to release the residual stress of the metal glass film. A reflow process;
A processing step of performing processing to remove a part of the substrate;
Only including,
The glass transition temperature Tg of the metallic glass film is lower than the film forming temperature of the piezoelectric film,
The method of manufacturing a micromirror device, wherein a temperature of the heat treatment in the stress release reflow process is lower than a film forming temperature of the piezoelectric film .
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