JP2009093105A - マイクロミラー装置、およびミラー部形成方法 - Google Patents

Abstract

【課題】ミラー部の軽量化を実現しつつも当該ミラー部の実用上必要な強度や剛性を確保する。
【解決手段】光源からの光を走査光として反射するミラー部を備え、当該ミラー部の中央部の膜厚が当該ミラー部の周辺部の膜厚よりも薄くなるよう形成されたマイクロミラー装置を提供する。
【選択図】図１

Description

この発明は、光源からの光を被走査対象物上で走査するマイクロミラー装置、および該マイクロミラー装置が備えるミラー部の形成方法に関する。

近年、ＭＥＭＳ（Micro Electro Mechanical Systems）技術の発展に伴って、マイクロミラー装置等のマイクロデバイスが開発され実用に供されている。マイクロミラー装置は例えばバーコードリーダやレーザプリンタ等の種々の機器に実装され、光スキャナとして利用される。マイクロミラー装置の一例として、ミラー部−電極間で発生する静電引力を利用してミラー部を振動させる静電駆動タイプのものが例えば下記特許文献１に開示されている。

ここで、半導体プロセス上、例えばマイクロミラー装置のミラー部を薄肉形成することが可能である。ミラー部を薄肉に形成すればするほど当該ミラー部が軽量化するため、ミラー部の応答性を向上させることが可能となる。このため、マイクロミラー装置のミラー部をできる限り薄肉に形成したいという要望が恒常的にある。
特開２００３−５７５７５号公報

しかし、ミラー部の薄肉化に伴い、ミラー部の圧縮強度や破断強度等が低下してミラー部が割れ易く又は破断し易くなる点が懸念される。また、ミラー部の曲げ剛性やせん断剛性等が低下するため、例えばミラー部の振動時にミラー部が変形し易くなりミラー面の面精度を保証できない点も懸念される。現状ではこのような懸念があり、マイクロミラー装置の仕様を満足するためには、ミラー部の薄型化に実質的な限界があった。すなわち応答性向上のためにミラー部の膜厚を薄肉化する手法には、実用上必要なミラー部の強度や剛性を確保する上で限界があった。一方で、ユーザはより優れた仕様の製品（ここでは応答性の早い製品）を望んでいる。

そこで、本発明は上記の事情に鑑みて、ミラー部の軽量化を実現しつつも当該ミラー部の実用上必要な強度や剛性を確保することが可能なミラー部を備えるマイクロミラー装置、および該ミラー部の形成方法を提供することを課題としている。

上記の課題を解決する本発明の一態様に係る、光を走査するマイクロミラー装置は、光源からの光を走査光として反射するミラー部を備え、当該ミラー部の中央部の膜厚が当該ミラー部の周辺部の膜厚よりも薄くなるよう形成されたことを特徴とした装置である。

このように構成されたマイクロミラー装置によれば、ミラー部の周辺部が中央部よりも一段高いリブ構造として形成されるため、ミラー部全体の強度および剛性が高まると共に、ミラー部の中央部が薄肉形成されるため、ミラー部の軽量化が達成される。

なお、上記ミラー部において、該光源からの光を反射するミラー面と、ミラー面の裏面の少なくとも一方の面上で、該周辺部の少なくとも一部分がミラー部の中央部よりも突出して形成される構成であっても良い。

上記ミラー部の中央部は、例えばミラー面上の光学的な有効領域を含む。

また、上記の課題を解決する本発明の一態様に係るミラー部形成方法は、基台に対して揺動可能に支持されるミラー部を形成する方法である。ミラー部形成方法は、該基台表面の所定領域に第１のマスクパターンを形成する第１のマスクパターン形成ステップと、該第１のマスクパターンから露出した領域を除去してミラー部に対応したミラー形状を形成するミラー形状形成ステップと、該ミラー形状に対応する領域のうち当該ミラー形状の周辺領域のみに第２のマスクパターンを形成する第２のマスクパターン形成ステップと、該第２のマスクパターンから露出したミラー形状の中央領域を所定の深さだけ除去して、当該中央領域の膜厚を該ミラー形状の周辺領域の膜厚よりも薄肉に形成する薄肉形成ステップと、を含む。

このようなミラー部形成方法によれば、ミラー部の周辺部が中央部よりも一段高いリブ構造として形成されるため、ミラー部全体の強度および剛性が高まると共に、ミラー部の中央部が薄肉形成されるため、ミラー部の軽量化が達成される。

上記該基台は例えばエッチストップ層を含み、この場合、上記薄肉形成ステップにおいて、該中央領域の膜厚がエッチストップ層で規定される。

本発明のマイクロミラー装置、およびミラー部形成方法によれば、ミラー部の周辺部が中央部よりも一段高いリブ構造として形成されるため、ミラー部全体の強度および剛性が高まると共に、ミラー部の中央部が薄肉形成されるため、ミラー部の軽量化が達成される。

以下、図面を参照して、本発明の実施の形態のマイクロミラー装置の構成及び作用について説明する。

図１に、本発明の実施の形態のマイクロミラー装置１の構成を分解斜視図で示す。また、図２に、マイクロミラー装置１の構成を切断面図で示す。なお、説明の便宜上、互いに直交するＸ、Ｙ、Ｚ軸を図１および２に付す。図２について説明を加えると、当該切断面図は、図１の軸Ａｘを含むＹＺ平面でマイクロミラー装置１を切断して示した図となっている。

マイクロミラー装置１は、例えばバーコードリーダやレーザプリンタ等の種々の機器に実装され、機器内部の支持基板（不図示）上に支持される。マイクロミラー装置１は、マイクロミラーデバイス部１００、蓋部２００および下部基板３００を備える。

マイクロミラーデバイス部１００は、中空矩形に形成された枠部１１０を有する。枠部１１０の中空部分には、マイクロミラーデバイス部１００の可動部分が形成される。可動部分は、ミラー部１２０および、軸Ａｘを中心軸とした一対のトーションバー１３０を含む。各トーションバー１３０の一端は枠部１１０に支持され、他端はミラー部１２０を軸Ａｘ周りに揺動可能に支持する。

ここで、図３を参照して、マイクロミラーデバイス部１００の製造プロセスについて説明する。マイクロミラーデバイス部１００は、５層構造のウェハを用いて、以下の製造プロセスで形成される。

当該ウェハは、図３（ａ）に示されるように、単結晶シリコン層１０、ＳｉＯ２層２０、単結晶シリコン層３０、ＳｉＯ２層４０、単結晶シリコン層５０を順に堆積させた層構造を有する。なお、図３は説明の便宜上、ウェハ全体でなく単一のダイについてのみ図示する。また、図３（ａ）、（ｂ）、（ｄ）、および（ｆ）、（ｇ）はウェハの断面図を示し、図３（ｃ）および（ｅ）はウェハの斜視図を示す。また、図３の製造プロセス前のウェハのＺ軸方向の膜厚は図３（ａ）に示されるようにｔ０である。

図３の製造プロセスによれば、先ず、図３（ａ）のウェハに対して、例えば熱酸化によるＳｉＯ２膜の形成、当該ＳｉＯ２膜のパターニング等が施され、単結晶シリコン層１０上にマスクパターンが形成される。このマスクパターンは、図１および２に示される枠部１１０の上面１１２に対応する領域に形成される。次いで、例えばＫＯＨ（水酸化カリウム）等を用いてエッチング処理が施され、マスクパターンから露出した領域に対応する部分（以下、「中空領域部分」という）の単結晶シリコン層１０が所定の深さｔまで除去される。

単結晶シリコン層１０に施した上記一連の処理（ＳｉＯ２膜形成、パターニング、およびエッチング）がウェハの裏面、つまり単結晶シリコン層５０に対しても施される。単結晶シリコン層５０上のマスクパターンは、図２に示される枠部１１０の下面１１４に対応する領域に形成される。

単結晶シリコン層１０と単結晶シリコン層５０の双方に上記一連の処理を施すことにより、ウェハは図３（ｂ）および（ｃ）の状態となる。すなわち、中空領域部分がエッチング処理で除去され、当該中空領域部分に対応するウェハの膜厚がｔ１となる。なお、除去深さｔはＳｉＯ２層２０、４０を露出させない程度の深さである。この工程でのエッチング処理における除去深さは、エッチングの時間を管理することでコントロール可能である。また、図面の簡略化のため、図３の各図においてマスクパターンの図示は省略する。

次に、中空領域部分のうち、ミラー部１２０および一対のトーションバー１３０に対応する領域（以下、「可動部分領域」という）にマスクパターンが形成される。そして、単結晶シリコン層向けのエッチング処理（例えばＫＯＨを用いたエッチング処理）、ＳｉＯ２層向けのエッチング処理（例えば反応性イオンエッチング（ＲＩＥ））が順次施され、中空領域部分のうち、可動部分領域以外の領域の５層全てが除去される（図３（ｄ）および（ｅ）参照）。

更に、可動部分領域のうち、図１、図２に示されるミラー面１２２、ミラー裏面１２４に対応する領域のマスクパターンが除去されて、マスクパターン除去領域に対してＫＯＨ等によるエッチング処理が施される。ここで、ＳｉＯ２層２０および４０はエッチストップ層として機能する。よって、当該除去領域の膜厚は図３（ｆ）に示されるように、ＳｉＯ２層２０−ＳｉＯ２層４０間の層厚ｔ２となる。

次いで、ＲＩＥ等により上記マスクパターン除去領域上のＳｉＯ２層２０および４０が除去されて、該除去後の領域にメタライズ等によって金属膜が形成される。なお、図面の簡略化のため、各図面において金属膜の図示を省略する。また、金属膜形成後のＳｉＯ２層２０側の面を「ミラー面１２２」、ＳｉＯ２層４０側の面を「ミラー裏面１２４」と記す。

ミラー面１２２−ミラー裏面１２４間の膜厚ｔ３は、ＳｉＯ２層２０および４０のエッチストップにより、単結晶シリコン層３０およびその両面の金属膜の膜厚で精密に規定される。また、当該エッチストップにより、ミラー面１２２−ミラー裏面１２４間は優れた膜厚均一性を得られる。このためミラー面１２２−ミラー裏面１２４間の膜厚を薄肉に形成した場合であっても、ダイの歩留まりは比較的安定する。

次いで、全てのマスクパターンが除去されると図３の製造プロセスが終了し、ウェハは図３（ｇ）および図１に示される状態になる。すなわちウェハは、各ダイが、枠部１１０と、その中空部分にミラー部１２０および一対のトーションバー１３０を有した形状に形成される。また、ミラー部１２０には、可動部分領域中の上記マスクパターン除去領域に対するエッチング処理によってミラー面１２２やミラー裏面１２４よりも突出した形状であるリブ１２６が形成される。

ミラー面１２２−ミラー裏面１２４間の膜厚ｔ３は非常に薄い。よって、例えばミラー部１２０全体の膜厚がｔ３である場合、ミラー部１２０の強度や剛性が実用上問題（例えば割れや破断、変形等）を生じ得る程度に低下する恐れがある。本実施形態では、このような問題発生を防止するため、上記製造プロセスでミラー面１２２の周辺部にリブ１２６を形成する構成を採用している。すなわち本実施形態によれば、ミラー部１２０の中央部を薄肉形成してミラー部１２０を軽量化すると共に、ミラー部１２０の全周にリブ１２６を形成してミラー部１２０全体の強度および剛性の確保も達成している。

次に、図１および２を用いた説明に戻る。以降の説明では、マイクロミラー装置１の構成を更に説明しつつ可動部分の動作についても併せて説明する。

図２に示されるように、枠部１１０の上面１１２、下面１１４はそれぞれ蓋部２００、下部基板３００に接合される。蓋部２００はガラス基板、下部基板３００は例えば枠部１１０と同様にシリコン基板で形成されており、例えば陽極接合によって接合される。このとき陽極接合によって各接合部分は強固な結合力で結合する。

また、枠部１１０は図３の製造プロセスにあるように、ウェハ上で除去されない部分であり、ミラー部１２０およびトーションバー１３０（膜厚ｔ１、ｔ３）よりも厚みを有する（膜厚ｔ０）。そして、ミラー部１２０およびトーションバー１３０を四側面から覆うよう矩形に形成されている。よって、ミラー部１２０およびトーションバー１３０は、上記接合処理で枠部１１０の上面、下面それぞれに蓋部２００、下部基板３００が接合されると、図２に示されるように、枠部１１０、蓋部２００、および下部基板３００で形成されるキャビティに収容された状態となる。

また、膜厚ｔ０は、ミラー部１２０の可動範囲がキャビティに完全に収まるように設計されている。よって、本実施形態によれば、マイクロミラーデバイス部１００−蓋部２００間、およびマイクロミラーデバイス部１００−下部基板３００間にスペーサ等の別個の構成要素を介在させることなくキャビティを形成することが可能となる。これには、スペーサ等の別個の構成要素とマイクロミラーデバイス部１００との接合や当該接合のためのアライメント等の工程を削減するメリットがある。

なお、キャビティの雰囲気は真空とすることが望ましい。キャビティの雰囲気を真空とすることで、例えばミラー部１２０が可動した際に受ける空気の粘性抵抗を考慮する必要がない、ミラー部１２０のＱ値が安定する等の、マイクロミラー装置１の性能を安定させられる効果が得られるためである。

蓋部２００は光透過部材で形成されており、ミラー部１２０に対するレーザ光の入出射窓として機能する。このレーザ光は被走査物上を走査するための光であり、図示しない光源から射出される。蓋部２００を透過したレーザ光はミラー面１２２に入射して、当該ミラー面１２２の傾き角に応じた方向に反射する。反射光は蓋部２００を再び透過して射出し、マイクロミラー装置１からの走査光として被走査物上を走査する。

下部基板３００の上面３１０には軸Ａｘを含むＹＺ平面を挟み、電極３２２、３２４が対向離間して配置される。電極３２２、３２４はそれぞれスルーホール３３２、３３４を介して、上面３１０の裏面から引き出される配線（不図示）と電気的に接続される。また、マイクロミラーデバイス部１００のミラー部１２０（単結晶シリコン層３０）からも配線が引き出される。これらの配線は、マイクロミラー装置１を駆動制御する駆動制御回路（不図示）と接続される。なお、単結晶シリコン層３０は、ＳｉＯ２層２０および４０により他の層と絶縁されている。

上記駆動制御回路がミラー部１２０と各電極間で非対称な電位差を生じさせるよう電圧を印加すると、ミラー部１２０が軸Ａｘ周りに傾く。例えば上記駆動制御回路がミラー部１２０および電極３２４をグランド、ミラー裏面１２４−電極３２２間に電位差Ｖが生じるよう駆動制御した場合、ミラー部１２０は、ミラー裏面１２４−電極３２２間で発生した静電引力によって軸Ａｘ周りの力のモーメントを受けて、軸Ａｘ周りを図１の矢印Ｒ方向に回転するように傾く。また、例えば上記駆動制御回路がミラー部１２０および電極３２２をグランド、ミラー裏面１２４−電極３２４間に電位差Ｖが生じるよう駆動制御した場合、ミラー部１２０は上記と同様の作用によって軸Ａｘ周りを矢印Ｒ方向と逆方向に回転するように傾く。この２パターンの電圧印加を交互に繰り返すことでミラー部１２０は振動し、走査光を被走査物上で走査することが可能となる。

すなわち本実施形態によれば、ミラー部１２０の中央部を薄肉形成して且つ周辺部を中央部よりも一段高く形成することで、ミラー部１２０全体を軽量化すると共に、実用上必要とされる強度および剛性を確保することが可能となる。また、リブ１２６を形成することでミラー部１２０の共振周波数を上げる効果も期待される。

以上が本発明の実施の形態である。本発明はこれらの実施の形態に限定されるものではなく様々な範囲で変形が可能である。例えばリブ１２６の形状や形成位置等には種々のパターンが想定される。例えば本実施形態ではリブ１２６をミラー部１２０の全周に形成しているが、別の実施の形態ではミラー部１２０周辺部の一部分（例えばトーションバー１３０が形成されているミラー部１２０上の辺）にだけ形成しても良い。また、リブ１２６をミラー面１２２およびミラー裏面１２４の両面でなく片面だけに形成しても良い。

また、本実施形態ではミラー部１２０およびミラー面１２２は矩形状であるが、別の実施形態では他の形状（例えば円状や楕円状等）であっても良い。ミラー面１２２に関しては、少なくとも光学素子面として利用する有効領域がエッチストップ等で高い面精度を有していればその機能は十分に果たされる。

また、本実施形態では一軸のマイクロミラー装置について説明したが、本実施形態のミラー部１２０と同様の構成は、二軸或いはより多軸のマイクロミラー装置のミラー部に対しても適用可能である。

また、ウェハは、ＳｉＯ２層を有さない１層の単結晶シリコン層であっても良く、或いは２層の単結晶シリコン層間にＳｉＯ２層を介在させたもの（以下、「ＳＯＩ基板」という）であっても良い。すなわち単結晶シリコン層のエッチング時間を精密に管理すれば、ミラー部１２０の膜厚を精密に規定でき、また、ミラー面１２２やミラー裏面１２４の面精度を高くすることも可能である。よって、ウェハが１層の単結晶シリコン層であってもＳＯＩ基板であっても本実施形態のマイクロミラー装置１と同等のものを製造することが可能である。

また、本発明は、本実施形態の平面平板型のマイクロミラー装置に限らず、櫛歯型の静電駆動ミラー、或いは他の駆動方式のミラーにも適用可能である。

本発明の実施の形態のマイクロミラー装置の構成を示す分解斜視図である。 本発明の実施の形態のマイクロミラー装置の構成を示す切断面図である。 本発明の実施の形態のマイクロミラーデバイス部の製造プロセスを説明するための図である。

符号の説明

１ マイクロミラー装置
１００ マイクロミラーデバイス部
１１０ 枠部
１２０ ミラー部
１２２ ミラー面
１２４ ミラー裏面
１２６ リブ
１３０ トーションバー
２００ 蓋部
３００ 下部基板

Claims (5)

1. 光を走査するマイクロミラー装置において、
   光源からの光を走査光として反射するミラー部を備え、
   前記ミラー部の中央部の膜厚が当該ミラー部の周辺部の膜厚よりも薄くなるよう形成されたこと、を特徴とするマイクロミラー装置。
2. 前記ミラー部において、該光源からの光を反射するミラー面と、前記ミラー面の裏面の少なくとも一方の面上で、該周辺部の少なくとも一部分が前記ミラー部の中央部よりも突出して形成されたこと、を特徴とする請求項１に記載のマイクロミラー装置。
3. 前記ミラー部の中央部は、前記ミラー面上の光学的な有効領域を含むこと、を特徴とする請求項１又は請求項２の何れかに記載のマイクロミラー装置。
4. 基台に対して揺動可能に支持されるミラー部を形成するミラー部形成方法において、
   該基台表面の所定領域に第１のマスクパターンを形成する第１のマスクパターン形成ステップと、
   前記第１のマスクパターンから露出した領域を除去して前記ミラー部に対応したミラー形状を形成するミラー形状形成ステップと、
   前記ミラー形状に対応する領域のうち当該ミラー形状の周辺領域のみに第２のマスクパターンを形成する第２のマスクパターン形成ステップと、
   前記第２のマスクパターンから露出した前記ミラー形状の中央領域を所定の深さだけ除去して、当該中央領域の膜厚を該ミラー形状の周辺領域の膜厚よりも薄肉に形成する薄肉形成ステップと、を含むミラー部形成方法。
5. 該基台はエッチストップ層を含み、
   前記薄肉形成ステップにおいて、該中央領域の膜厚がエッチストップ層で規定される、ミラー部形成方法。

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