JP5506485B2 - 2D optical scanner - Google Patents

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Description

本発明は光学装置に用いられる2次元光スキャナに関する。たとえば、光学装置として、レーザプリンタ、バーコードリーダ、プロジェクタ等がある。   The present invention relates to a two-dimensional optical scanner used in an optical apparatus. For example, as an optical device, there are a laser printer, a barcode reader, a projector, and the like.

最近、半導体製造プロセス技術、マイクロエレクトロメカニカルシステム(MEMS)技術を用いた2次元光スキャナがある。   Recently, there are two-dimensional optical scanners using semiconductor manufacturing process technology and microelectromechanical system (MEMS) technology.

図7は従来の圧電駆動方式の2次元光スキャナを示す斜視図である(参照:特許文献1)。   FIG. 7 is a perspective view showing a conventional piezoelectric drive type two-dimensional optical scanner (see Patent Document 1).

図7において、空洞部11aを有する半導体基板の可動枠11に、ミラーM、ミラーMを揺動可能に支持する1対の弾性梁つまりトーションバー12a、12b、トーションバー12a、12bに作用する2対の圧電アクチュエータ13a、13b;14a、14bを形成する。この場合、ミラーMは可動枠11の空洞部11aの中央に位置する矩形反射面を有する。各トーションバー12a、12bは可動枠11に連結された基端及びミラーMに連結された先端を有する。各圧電アクチュエータ13a、13b;14a、14bはカンチレバーとして作用し、その基端は可動枠に固定され、先端はトーションバー12a、12bに連結されている。従って、圧電アクチュエータ13a、13b;14a、14bに駆動電圧を印加することにより圧電アクチュエータ13a、13b;14a、14bに湾曲変形を生じさせてトーションバー12a、12bを捩り変形させ、これにより、ミラーMがX-X軸の回りに回転する。   In FIG. 7, the movable frame 11 of the semiconductor substrate having the cavity 11a acts on the mirror M, a pair of elastic beams supporting the mirror M so as to be swingable, that is, torsion bars 12a and 12b, and torsion bars 12a and 12b. A pair of piezoelectric actuators 13a, 13b; 14a, 14b are formed. In this case, the mirror M has a rectangular reflecting surface located at the center of the cavity 11 a of the movable frame 11. Each torsion bar 12a, 12b has a proximal end coupled to the movable frame 11 and a distal end coupled to the mirror M. Each piezoelectric actuator 13a, 13b; 14a, 14b acts as a cantilever, its base end is fixed to the movable frame, and its tip is connected to the torsion bars 12a, 12b. Therefore, by applying a driving voltage to the piezoelectric actuators 13a, 13b; 14a, 14b, the piezoelectric actuators 13a, 13b; 14a, 14b are bent and deformed, and the torsion bars 12a, 12b are torsionally deformed. Rotates around the XX axis.

また、図7において、空洞部21aを有する半導体基板の支持枠21に、可動枠11、可動枠11を揺動可能に支持する1対の弾性梁つまりトーションバー22a、22b、トーションバー22a、22bに作用する2対の圧電アクチュエータ23a、23b;24a、24bを形成する。この場合、可動枠11は支持枠21の空洞部21aの中央に位置する。各トーションバー22a、22bは支持枠21に連結された基端及び可動枠11に連結された先端を有する。各圧電アクチュエータ23a、23b;24a、24bはカンチレバーとして作用し、その基端は支持枠21に固定され、先端はトーションバー22a、22bに連結されている。従って、圧電アクチュエータ23a、23b;24a、24bに駆動電圧を印加することにより圧電アクチュエータ23a、23b;24a、24bに湾曲変形を生じさせてトーションバー22a、22bを捩り変形させ、これにより、可動枠11がY-Y軸の回りに回転してミラーMがY-Y軸の回りを回転する。 In FIG. 7, a movable frame 11, a pair of elastic beams for supporting the movable frame 11 in a swingable manner, that is, torsion bars 22a and 22b, and torsion bars 22a and 22b are supported on a support frame 21 of a semiconductor substrate having a cavity 21a. Two pairs of piezoelectric actuators 23a, 23b; 24a, 24b are formed. In this case, the movable frame 11 is located at the center of the cavity 21 a of the support frame 21. Each torsion bar 22 a, 22 b has a proximal end connected to the support frame 21 and a distal end connected to the movable frame 11. Each piezoelectric actuator 23a, 23b; 24a, 24b acts as a cantilever, its base end is fixed to the support frame 21 , and the tip is connected to the torsion bars 22a, 22b. Therefore, by applying a driving voltage to the piezoelectric actuators 23a, 23b; 24a, 24b, the piezoelectric actuators 23a, 23b; 24a, 24b are deformed in a curved manner, and the torsion bars 22a, 22b are torsionally deformed. 11 rotates around the YY axis, and the mirror M rotates around the YY axis.

このようにして、ミラーMをX-X軸、Y-Y軸の回りに回転させることにより2次元光スキャナを構成する。   In this way, a two-dimensional optical scanner is configured by rotating the mirror M about the X-X axis and the Y-Y axis.

可動枠11の空洞部11aにおいては、ミラーMと可動枠11との間に空隙G1、G2を設け、ミラーMが傾いたときに押される空気の逃げ道を形成し、同様に、支持枠21の空洞部21aにおいては、可動枠11と支持枠21との間に空隙G3、G4を設け、可動枠11が傾いたときに押される空気の逃げ道を形成している。   In the hollow portion 11a of the movable frame 11, gaps G1 and G2 are provided between the mirror M and the movable frame 11 to form an escape path for air to be pushed when the mirror M is tilted. In the hollow portion 21a, gaps G3 and G4 are provided between the movable frame 11 and the support frame 21 to form an escape path for air that is pushed when the movable frame 11 is tilted.

尚、電磁誘電方式の2次元光スキャナも図7の圧電駆動方式の2次元光スキャナと同様の構成を有する(参照:特許文献2)。   The electromagnetic dielectric type two-dimensional optical scanner has the same configuration as the piezoelectric driving type two-dimensional optical scanner shown in FIG. 7 (see Patent Document 2).

特開2008−20701号公報JP 2008-20701 A 特開平7−175005号公報JP-A-7-175005 特開2001−234331号公報JP 2001-234331 A 特開2002−177765号公報JP 2002-177765 A 特開2003−81694号公報JP 2003-81694 A

図7のミラーMと可動枠11との間の空隙G1、G2を小さく、たとえば、図8の(A)に示すごとく、密閉に近い状態に設定すると共に、可動枠11と支持枠21との間の空隙G3,G4も、たとえば、図8の(B)に示すごとく、小さくすると、2次元光スキャナが小型化し、従って、2次元光スキャナの半導体チップのサイズが小さくなり、この結果、製造留まりが上昇する。尚、図8の(A),(B)は図7のA-A線、B-B線の断面図を示し、Sは実装基板を示す。   The gaps G1 and G2 between the mirror M and the movable frame 11 in FIG. 7 are set to be small, for example, as shown in FIG. If the gaps G3 and G4 are also reduced, for example, as shown in FIG. 8B, the two-dimensional optical scanner is reduced in size, and thus the size of the semiconductor chip of the two-dimensional optical scanner is reduced. The yield rises. 8A and 8B are sectional views taken along lines AA and BB in FIG. 7, and S indicates a mounting substrate.

しかしながら、空隙G1,G2,G3,G4を小さくし、かつ支持体21に囲まれる領域が空気のような気体で満たされている場合では、図8の(A)に示すごとく、圧電アクチュエータ13a、13b、14a、14bを駆動させてミラーMをX-X軸の回りに偏向させ、あるいは、図8の(B)に示すごとく、圧電アクチュエータ23a,23a;24a,24bを駆動させて可動枠11、つまり、ミラーMをY-Y軸の周りに偏向させた場合、空気の逃げ道がないので、ミラーMの裏側のキャビティの圧力が上昇する。この圧力上昇がミラーMの動きに対しても抵抗となるので、圧電アクチュエータ13a、13b;14a、14bあるいは圧電アクチュエータ23a,23a;24a,24bが同一の出力を発生したとしても、ミラーMの傾きは小さくなるという課題がある。   However, when the gaps G1, G2, G3, G4 are made small and the region surrounded by the support 21 is filled with a gas such as air, the piezoelectric actuator 13a, 13b, 14a, 14b are driven to deflect the mirror M around the XX axis, or as shown in FIG. 8B, the piezoelectric actuators 23a, 23a; 24a, 24b are driven to move the movable frame 11, that is, When the mirror M is deflected around the YY axis, there is no air escape path, so the pressure in the cavity on the back side of the mirror M increases. Since this pressure rise also becomes a resistance against the movement of the mirror M, even if the piezoelectric actuators 13a, 13b; 14a, 14b or the piezoelectric actuators 23a, 23a; 24a, 24b generate the same output, the inclination of the mirror M Has the problem of becoming smaller.

逆に、図7のミラーMと可動枠11との間の空隙G1、G2を、たとえば、図9の(A)に示すごとく、大きく設定すると共に、可動枠11と支持枠21との間の空隙G3,G4も、たとえば、図9の(B)に示すごとく、大きくすると、圧電アクチュエータ13a、13b;14a、14bを駆動させてミラーMをX-X軸の回りに偏向させ、あるいは、圧電アクチュエータ23a,23a;24a,24bを駆動させて可動枠11、つまり、ミラーMをY-Y軸の回りに偏向させた場合、空気の逃げ道が大きいので、ミラーMの裏側のキャビティの圧力が上昇することはない。従って、ミラーMの傾き小さくなることはない。尚、図9の(A)、(B)は図7のA-A線、B-B線の断面図を示す。   Conversely, the gaps G1 and G2 between the mirror M and the movable frame 11 in FIG. 7 are set large, for example, as shown in FIG. 9A, and the gap between the movable frame 11 and the support frame 21 is set. When the gaps G3 and G4 are also enlarged, for example, as shown in FIG. 9B, the piezoelectric actuators 13a and 13b; 14a and 14b are driven to deflect the mirror M around the XX axis, or the piezoelectric actuator 23a. , 23a; When the movable frame 11, that is, the mirror M is deflected around the YY axis by driving the 24a, 24b, since the air escape path is large, the pressure in the cavity on the back side of the mirror M does not increase. . Therefore, the inclination of the mirror M is not reduced. 9A and 9B are sectional views taken along lines AA and BB in FIG.

しかしながら、空隙G1, G2, G3, G4を大きくすると、2次元光スキャナが大型化し、従って、2次元光スキャナの半導体チップのサイズが大きくなり、この結果、製造留まりが低下するという課題がある。   However, when the gaps G1, G2, G3, and G4 are increased, the size of the two-dimensional optical scanner is increased, so that the size of the semiconductor chip of the two-dimensional optical scanner is increased, and as a result, the manufacturing yield is reduced.

このように製造留まりとミラーMの傾きとはトレードオフの関係にあり、両方を改良することは不可能であった。尚、2次元光スキャナを真空もしくは減圧密閉封止すれば、製造歩留まりの向上及びミラーMの傾きの増大の両方が可能であるが、この場合、実装方法が複雑となり、製造コストの上昇及び信頼性の低下を招く。   Thus, the production yield and the inclination of the mirror M are in a trade-off relationship, and it has been impossible to improve both. Note that if the two-dimensional optical scanner is sealed in a vacuum or under reduced pressure, it is possible to improve both the manufacturing yield and increase the tilt of the mirror M. In this case, however, the mounting method becomes complicated, resulting in an increase in manufacturing cost and reliability. It causes a decline in sex.

上述の課題を解決するために、本発明に係る2次元光スキャナは、第1の空洞部が形成された可動枠と、可動枠の第1の空洞部内に位置する反射面を有するミラーと、基端が可動枠に連結され先端がミラーに連結された第1の弾性梁と、可動枠の第1の空洞部内に位置し、第1の弾性梁に接続された第1のアクチュエータと、可動枠が位置する第2の空洞部が形成された支持枠と、基端が支持枠に連結された先端が可動枠に連結された第2の弾性梁と、支持枠と可動枠との間の前記第2の空洞部に位置し、第2の弾性梁に接続された第2のアクチュエータとを具備し、可動枠に1以上の貫通孔を設け、各貫通孔が可動枠の残部によって囲まれているものである。これにより、可動枠の貫通孔は空気の逃げ道として作用する。 In order to solve the above-described problem, a two-dimensional optical scanner according to the present invention includes a movable frame in which a first cavity is formed, a mirror having a reflective surface located in the first cavity of the movable frame, A first elastic beam having a proximal end coupled to the movable frame and a distal end coupled to the mirror; a first actuator located in the first cavity of the movable frame and connected to the first elastic beam; A support frame in which a second cavity portion in which the frame is located is formed; a second elastic beam having a proximal end connected to the support frame; and a second elastic beam connected to the movable frame; and between the support frame and the movable frame And a second actuator connected to the second elastic beam . The movable frame is provided with one or more through holes , each through hole being surrounded by the remaining portion of the movable frame. It is what. Thereby, the through-hole of the movable frame acts as an air escape path.

また、各貫通孔が可動枠の残部によって囲まれている。これにより、貫通孔は可動枠の剛性の低下を抑制する。   Each through hole is surrounded by the remaining portion of the movable frame. Thereby, a through-hole suppresses the fall of the rigidity of a movable frame.

さらに、複数の貫通孔が第1、第2の弾性梁を軸に対称に設けられている。これにより、質量の均衡が保持され、振動を誘発しない。   Furthermore, a plurality of through-holes are provided symmetrically about the first and second elastic beams. This maintains the mass balance and does not induce vibrations.

さらにまた、貫通孔が第1、第2の弾性梁の延長領域に設けられていない。これにより、可動枠の弾性梁付け根付近の剛性の低下を抑制する。   Furthermore, the through hole is not provided in the extension region of the first and second elastic beams. This suppresses a decrease in rigidity in the vicinity of the elastic beam root of the movable frame.

本発明によれば、ミラーと可動枠との間の空隙及び可動枠と支持枠との間の空隙を小さくして2次元光スキャナ光学体チップのサイズが小さくなるので、製造歩留まりが上昇すると共に、可動枠の貫通孔によって空気の逃げ道を確保することによりミラーの傾きを大きくできる。 According to the present invention, since the gap between the mirror and the movable frame and the gap between the movable frame and the support frame are reduced to reduce the size of the optical chip of the two-dimensional optical scanner, the manufacturing yield increases. At the same time, the inclination of the mirror can be increased by securing an air escape path through the through hole of the movable frame.

本発明に係る圧電駆動方式の2次元光スキャナ光偏向器の実施の形態を示す斜視図である。1 is a perspective view showing an embodiment of a piezoelectric drive type two-dimensional optical scanner optical deflector according to the present invention. FIG. 図1の2次元光スキャナの平面図である。It is a top view of the two-dimensional optical scanner of FIG. 図1の2次元光スキャナの動作を説明するための図であって、(A)は図1のA-A線の断面図、(B)は図1のB-B線断面図である。2A and 2B are diagrams for explaining the operation of the two-dimensional optical scanner in FIG. 1, where FIG. 2A is a cross-sectional view taken along line AA in FIG. 1, and FIG. 図1の圧電駆動方式の2次元光スキャナの製造方法を説明するための断面図である。FIG. 5 is a cross-sectional view for explaining a method of manufacturing the piezoelectric drive type two-dimensional optical scanner of FIG. 1. 図1の圧電駆動方式の2次元光スキャナの製造方法を説明するための断面図である。FIG. 5 is a cross-sectional view for explaining a method of manufacturing the piezoelectric drive type two-dimensional optical scanner of FIG. 1. 図1の圧電駆動方式の2次元光スキャナの製造方法を説明するための断面図である。FIG. 5 is a cross-sectional view for explaining a method of manufacturing the piezoelectric drive type two-dimensional optical scanner of FIG. 1. 従来の圧電駆動方式の2次元光スキャナを示す斜視図である。It is a perspective view which shows the conventional two-dimensional optical scanner of a piezoelectric drive system. 図7の2次元光スキャナの課題を説明するための図であって、(A)は図7のA-A線の断面図、(B)は図7のB-B線断面図である。8A and 8B are diagrams for explaining the problem of the two-dimensional optical scanner in FIG. 7, where FIG. 8A is a cross-sectional view taken along line AA in FIG. 7, and FIG. 図7の2次元光スキャナの課題を説明するための図であって、(A)は図7のA-A線の断面図、(B)は図7のB-B線断面図である。8A and 8B are diagrams for explaining the problem of the two-dimensional optical scanner in FIG. 7, where FIG. 8A is a cross-sectional view taken along line AA in FIG. 7, and FIG.

図1は本発明に係る圧電駆動方式の2次元光スキャナの実施の形態を示す斜視図、図2は図1の2次元光スキャナの平面図である。   FIG. 1 is a perspective view showing an embodiment of a piezoelectric drive type two-dimensional optical scanner according to the present invention, and FIG. 2 is a plan view of the two-dimensional optical scanner of FIG.

図1、図2に示すように、図7の可動枠11に複数の貫通孔15を設けてある。貫通孔15は可動枠11の残部によって囲まれており、これにより、可動枠11の剛性の低下を抑制する。従って、貫通孔を設けながらも揺動による可動枠の変形を阻止することができる。また、貫通孔15はトーションバー12a、12b、22a、22bを軸に対称に設けられている。これにより、質量の均衡が保持され、振動を抑制する。さらに、貫通孔15はトーションバー12a、12b、22a、22bの延長領域には設けられていない。これにより、可動枠11のトーションバー12a、12b、22a、22bの付け根付近の剛性の低下を抑制する。この結果、貫通孔15による可動枠11の撓みは抑制される。尚、貫通孔15は円形、三角形等の種々の形になし得る。また、貫通孔15は図1のように可動枠のすべての辺に設けることに限定されないが、例えばトーションバー22a、22bと平行な辺には設けられていることが好ましい。可動枠はトーションバー22a、22bを軸に揺動するためこの位置が最も大きく動くため空気抵抗もこの位置がもっとも大きいためである。   As shown in FIGS. 1 and 2, a plurality of through holes 15 are provided in the movable frame 11 of FIG. 7. The through hole 15 is surrounded by the remaining portion of the movable frame 11, thereby suppressing a decrease in rigidity of the movable frame 11. Therefore, it is possible to prevent the movable frame from being deformed due to the swinging while providing the through hole. The through hole 15 is provided symmetrically about the torsion bars 12a, 12b, 22a, 22b. Thereby, the balance of mass is maintained and vibration is suppressed. Furthermore, the through hole 15 is not provided in the extended region of the torsion bars 12a, 12b, 22a, 22b. Thereby, the fall of the rigidity of the vicinity of the base of the torsion bars 12a, 12b, 22a, 22b of the movable frame 11 is suppressed. As a result, the bending of the movable frame 11 due to the through hole 15 is suppressed. The through hole 15 can have various shapes such as a circle and a triangle. Moreover, although the through-hole 15 is not limited to providing in all the sides of a movable frame like FIG. 1, it is preferable to be provided in the side parallel to the torsion bars 22a and 22b, for example. This is because the movable frame swings about the torsion bars 22a and 22b, and this position moves the most, so the air resistance is also the largest.

可動枠11の貫通孔15は空気の逃げ道となるので、図1、図2に示すごとく、ミラーMと可動枠11との間の空G1、G2及び可動枠11と支持枠21との間の空G3、G4は可能な限り小さくできる。従って、支持体21の空洞部形状は可動枠11の圧電アクチュエータ23a、23b、24a、24bを合わせた形状とほぼ同一形状となり、可動枠11の空洞部形状はミラーと圧電アクチュエータ13a、13b、14a、14bを合わせた形状とほぼ同一形状となる。この結果、2次元光スキャナが小型化し、従って、2次元光スキャナの半導体チップのサイズを小さくでき、この結果、製造歩留まりを上昇できる。 Since the through hole 15 of the movable frame 11 is escape of air, Fig. 1, as shown in FIG. 2, between the air gap G1, G2 and the movable frame 11 between the mirror M and the movable frame 11 and the support frame 21 empty gap G3, G4 can be as small as possible. Therefore, the piezoelectric actuator 23a of the cavity-shaped movable frame 11 of the support 21, 23b, 24a, becomes substantially the same shape as the combined 24b, cavity shape of the movable frame 11 is a mirror M and the piezoelectric actuator 13a, 13b, The shape is almost the same as the combined shape of 14a and 14b. As a result, the two-dimensional optical scanner is reduced in size, so that the size of the semiconductor chip of the two-dimensional optical scanner can be reduced, and as a result, the manufacturing yield can be increased.

すなわち、圧電アクチュエータ13a、13b;14a、14bを駆動させてミラーMをX−X軸の回りに偏向させたときに、図3の(A)に示すごとく、空気は可動枠11の貫通孔15を逃げ道とするので、ミラーMと実装基板Sとの間のキャビティの圧力の上昇はない。従って、ミラーMのX−X軸回りの傾きが小さくなることはない。   That is, when the piezoelectric actuators 13a and 13b; 14a and 14b are driven to deflect the mirror M around the XX axis, the air is passed through the through-hole 15 of the movable frame 11 as shown in FIG. Therefore, the cavity pressure between the mirror M and the mounting substrate S does not increase. Therefore, the inclination of the mirror M around the XX axis does not become small.

同様に、圧電アクチュエータ23a、23b;24a、24bを駆動させてミラーMをY−Y軸の回りに偏向させたとき、図3の(B)に示すごとく、空気は可動枠11の貫通孔15を逃げ道とするので、ミラーMと実装基板Sとの間のキャビティの圧力の上昇はない。従って、ミラーMのY−Y軸回りの傾きが小さくなることはない。   Similarly, when the piezoelectric actuators 23a, 23b; 24a, 24b are driven to deflect the mirror M around the Y-Y axis, the air is passed through the through-hole 15 of the movable frame 11 as shown in FIG. Therefore, the cavity pressure between the mirror M and the mounting substrate S does not increase. Therefore, the inclination of the mirror M around the Y-Y axis does not become small.

次に、図1の圧電駆動方式の2次元光スキャナの製造方法を図4、図5、図6を参照して説明する。尚、図4、図5、図6は図1のA-A線断面図である。   Next, a manufacturing method of the piezoelectric drive type two-dimensional optical scanner of FIG. 1 will be described with reference to FIGS. 4, 5, and 6 are cross-sectional views taken along line AA in FIG. 1.

始めに、図4の(A)を参照すると、シリコンオン絶縁体(SOI)基板を準備する。SOI基板は、厚さ約100〜600μmたとえば525μmの単結晶シリコン支持層(ハンドリング層とも言う)1011、厚さ約0.5〜2μmたとえば2μmの中間酸化シリコン層(BOX層とも言う)1012及び厚さ約5〜100μmたとえば50μmの単結晶シリコン活性層1013よりなる。   First, referring to FIG. 4A, a silicon-on-insulator (SOI) substrate is prepared. The SOI substrate has a single crystal silicon support layer (also called a handling layer) 1011 having a thickness of about 100 to 600 μm, for example 525 μm, an intermediate silicon oxide layer (also called a BOX layer) 1012 having a thickness of about 0.5 to 2 μm, for example 2 μm, and a thickness of about It consists of a single crystal silicon active layer 1013 of 5-100 μm, for example 50 μm.

次に、図4の(B)を参照すると、SOI基板を熱酸化して裏面及び表面に厚さ約0.1〜1.0μmたとえば0.5μmの酸化シリコン層1021、1022を形成する。   Next, referring to FIG. 4B, the SOI substrate is thermally oxidized to form silicon oxide layers 1021 and 1022 having a thickness of about 0.1 to 1.0 μm, for example, 0.5 μm on the back surface and the front surface.

次に、図4の(C)を参照すると、酸化シリコン層1022上にスパッタリング法、電子ビーム(EB)蒸着法等により厚さ約30〜100μmたとえば50nmのTi及び厚さ約100〜300μmたとえば150nmのPtを順次成膜し、これにより、下部電極層1031を形成する。次いで、下部電極層1031上に反応性アーク放電イオンプレーティング法により厚さ約1〜10μmたとえば3μmのチタン酸ジルコン酸鉛(PZT)よりなる圧電体層1032を成膜する。反応性アーク放電イオンプレーティング法については特許文献3、4、5を参照されたし。次いで、圧電体層1032上にスパッタリング法、EB蒸着法等により厚さ10〜200nmたとえば約150nmのPtよりなる上部電極層1033を成膜する。   Next, referring to FIG. 4C, a thickness of about 30 to 100 μm, for example 50 nm, and a thickness of about 100 to 300 μm, for example, 150 nm are formed on the silicon oxide layer 1022 by sputtering, electron beam (EB) deposition, or the like. The Pt films are sequentially formed, whereby the lower electrode layer 1031 is formed. Next, a piezoelectric layer 1032 made of lead zirconate titanate (PZT) having a thickness of about 1 to 10 μm, for example, 3 μm, is formed on the lower electrode layer 1031 by a reactive arc discharge ion plating method. For the reactive arc discharge ion plating method, see Patent Documents 3, 4, and 5. Next, an upper electrode layer 1033 made of Pt having a thickness of 10 to 200 nm, for example, about 150 nm is formed on the piezoelectric layer 1032 by sputtering, EB vapor deposition, or the like.

次に、図5の(A)を参照すると、フォトリソグラフィ及びドライエッチング法を用いて上部電極層1033及び圧電体層1032のパターニングを行う。次いで、フォトリソグラフィ及びドライエッチング法を用いて下部電極層1031のパターニングを行う。このとき、フォトレジスト層でミラーMの領域の下部電極層1031を覆い、反射層として残存せしめる。尚、ミラーMの光反射率を高めたい場合には、この後に、厚さ約100〜500nmのAl、Auをスパッタリング法、EB蒸着法等によって形成し、フォトリソグラフィ及びドライエッチング法を用いて下部電極層1031に高反射率の反射層を形成する。   Next, referring to FIG. 5A, the upper electrode layer 1033 and the piezoelectric layer 1032 are patterned using photolithography and dry etching. Next, the lower electrode layer 1031 is patterned using photolithography and dry etching. At this time, the lower electrode layer 1031 in the region of the mirror M is covered with the photoresist layer, and remains as a reflective layer. If it is desired to increase the light reflectivity of the mirror M, Al and Au having a thickness of about 100 to 500 nm are formed by sputtering, EB vapor deposition, etc., and the lower part is formed using photolithography and dry etching. A reflective layer having a high reflectance is formed on the electrode layer 1031.

次に、図5の(B)を参照すると、酸化シリコン層1021を除去し、支持枠1に対応する領域に高周波結合プラズマ反応性イオンエッチング(ICP-RIE)法用のハードマスク層104を形成する。つまり、フォトリソグラフィ法により表面に厚膜レジスト層を形成し、この厚膜レジスト層をエッチングマスクとしてバッファードフッ酸(BHF)を用いたウェットエッチング法により酸化シリコン層1021を除去する。次いで、単結晶シリコン支持層1011上にAlをスパッタリング法、EB蒸着法等により形成し、フォトリソグラフィ及びエッチング法によりパターニングして支持枠21に相当するハードマスク層104を形成する。   Next, referring to FIG. 5B, the silicon oxide layer 1021 is removed, and a hard mask layer 104 for high frequency coupled plasma reactive ion etching (ICP-RIE) is formed in a region corresponding to the support frame 1. To do. That is, a thick resist layer is formed on the surface by photolithography, and the silicon oxide layer 1021 is removed by wet etching using buffered hydrofluoric acid (BHF) using the thick resist layer as an etching mask. Next, Al is formed on the single crystal silicon support layer 1011 by a sputtering method, an EB vapor deposition method, or the like, and patterned by photolithography and an etching method to form a hard mask layer 104 corresponding to the support frame 21.

次に、図5の(C)に示すように、ICP-RIE装置において、ハードマスク層104をエッチングマスクとして単結晶シリコン支持層1011を途中まで除去して支持枠1の空洞部1aを形成する。尚、ハードマスク層104は支持枠1に付着したままでも何ら問題はない。   Next, as shown in FIG. 5C, in the ICP-RIE apparatus, the single crystal silicon support layer 1011 is removed halfway using the hard mask layer 104 as an etching mask to form the cavity 1a of the support frame 1. . Note that there is no problem even if the hard mask layer 104 remains attached to the support frame 1.

次に、図6の(A)を参照すると、フォトリソグラフィ法により、パターニングされた下部電極層1031、圧電体層1032、上部電極層1033を覆うフォトレジストパターン105を形成した後に、ICP-RIE装置において酸化シリコン層1022、単結晶シリコン活性層1013及び単結晶シリコン支持層1011をエッチング除去する。この場合、フォトレジストパターン105には、可動枠11の貫通孔15に対応する開口が設けられている。   Next, referring to FIG. 6A, after forming a photoresist pattern 105 covering the patterned lower electrode layer 1031, piezoelectric layer 1032 and upper electrode layer 1033 by photolithography, an ICP-RIE apparatus is formed. Then, the silicon oxide layer 1022, the single crystal silicon active layer 1013, and the single crystal silicon support layer 1011 are removed by etching. In this case, the photoresist pattern 105 is provided with an opening corresponding to the through hole 15 of the movable frame 11.

本実施の形態においては、可動枠11を単結晶シリコン支持層1011の一部を残すことで設けたが、残さなくてもよい。この場合、空洞部1aの形成は一度で単結晶シリコン支持層1011を中間酸化シリコン層1012まで除去する。   In this embodiment mode, the movable frame 11 is provided by leaving a part of the single crystal silicon support layer 1011. However, the movable frame 11 may not be left. In this case, the cavity 1a is formed at a time, and the single crystal silicon support layer 1011 is removed up to the intermediate silicon oxide layer 1012.

尚、ICP-RIE法は、単結晶シリコンを異方性エッチングするのに適したエッチング法であり、従って、単結晶シリコン支持層1011及び単結晶シリコン活性層1013を垂直にエッチングできる。   Note that the ICP-RIE method is an etching method suitable for anisotropically etching single crystal silicon. Therefore, the single crystal silicon support layer 1011 and the single crystal silicon active layer 1013 can be etched vertically.

最後に、図6の(B)を参照すると、バッファードフッ酸(BHF)を用いて中間酸化シリコン層1012をエッチング除去する。これにより、ミラーMの回転、トーションバー12a、12b、22a、22bの捩り変形、圧電アクチュエータ13a、13b、14a、14b、23a、23b、24a、24bの湾曲が可能となる。そして、ダイシング工程によってウエハから各デバイスを個別(チップ)化し、トランジスタアウトライン(TO)型パッケージにダイボンド及びワイヤボンドにより実装される。   Finally, referring to FIG. 6B, the intermediate silicon oxide layer 1012 is etched away using buffered hydrofluoric acid (BHF). Thereby, the rotation of the mirror M, the torsional deformation of the torsion bars 12a, 12b, 22a and 22b, and the bending of the piezoelectric actuators 13a, 13b, 14a, 14b, 23a, 23b, 24a and 24b are possible. Then, each device is separated (chip) from the wafer by a dicing process and mounted on a transistor outline (TO) type package by die bonding and wire bonding.

上述の可動枠11に貫通孔15を設けた実施の形態において、空G1、G2、G3、G4を密閉状態としたとき、ミラーMの共振周波数が25kHzのときに、圧電アクチュエータの正弦波入力信号のピーク間電圧Vp-p及び周波数を20V及び25kHzとすると、ミラー振れ角(最大偏向角)は±10°であった。他方、貫通孔15を設けず、空G1、G2、G3、G4を密閉状態としたときには、同一駆動条件で、ミラー振れ角(最大偏向角)±7.5°であった。また、従来のごとく、貫通孔15を設けないで、同一駆動条件でミラー振れ角、最大偏向角を得るには、空G1、G2、G3、G4を100μm以上にしなければならず、装置のサイズが10%以上増大することになった。 In the embodiment in which a through hole 15 in the movable frame 11 mentioned above, when the air gap G1, G2, and G3, G4 and sealed, when the resonance frequency of the mirror M is 25 kHz, the piezoelectric actuator sinusoidal input When the peak-to-peak voltage V pp and the frequency were 20 V and 25 kHz, the mirror deflection angle (maximum deflection angle) was ± 10 °. On the other hand, without providing the through-hole 15, when the air gap G1, G2, and G3, G4 and sealed state, in the same driving conditions, the mirror swing angle (maximum deflection angle) was ± 7.5 °. Also, as in the prior art, without providing the through-hole 15, the mirror deflection angle the same driving condition, in order to obtain a maximum deflection angle has to empty gap G1, G2, G3, G4 and above 100 [mu] m, the device The size increased by more than 10%.

尚、本発明は電磁誘電方式の2次元光スキャナにも適用し得る。   The present invention can also be applied to an electromagnetic dielectric type two-dimensional optical scanner.

M:ミラー
11:可動枠
11a:空洞部
12a,12b:弾性梁(トーションバー)
13a、13b;14a、14b:圧電アクチュエータ
15:貫通孔
21:支持枠
21a:空洞部
22a、22b:弾性梁(トーションバー)
23a、23b;24a、24b:圧電アクチュエータ
1011:単結晶シリコン支持層
1012:中間酸化シリコン層
1013:単結晶シリコン活性層
1021、1022:酸化シリコン層
1031:下部電極層
1032:圧電体層
1033:上部電極層
104:ハードマスク層
105:フォトレジストパターン層
M: Mirror 11: Movable frame 11a: Cavities 12a, 12b: Elastic beam (torsion bar)
13a, 13b; 14a, 14b: Piezoelectric actuator 15: Through hole 21: Support frame 21a: Cavity 22a, 22b: Elastic beam (torsion bar)
23a, 23b; 24a, 24b: piezoelectric actuator 1011: single crystal silicon support layer 1012: intermediate silicon oxide layer 1013: single crystal silicon active layer 1021, 1022: silicon oxide layer 1031: lower electrode layer 1032: piezoelectric layer 1033: upper part Electrode layer 104: Hard mask layer 105: Photoresist pattern layer

Claims (4)

第1の空洞部が形成された可動枠と、
前記可動枠の第1の空洞部内に位置する反射面を有するミラーと、
基端が前記可動枠に連結され先端が前記ミラーに連結された第1の弾性梁と、
前記可動枠の第1の空洞部内に位置し、前記第1の弾性梁に接続された第1のアクチュエータと、
前記可動枠が位置する第2の空洞部が形成された支持枠と、
基端が前記支持枠に連結された先端が前記可動枠に連結された第2の弾性梁と
前記支持枠と前記可動枠との間の前記第2の空洞部に位置し、前記第2の弾性梁に接続された第2のアクチュエータと
を具備し、
前記可動枠に1以上の貫通孔を設け
前記各貫通孔が前記可動枠の残部によって囲まれている2次元光スキャナ。
A movable frame in which a first cavity is formed;
A mirror having a reflective surface located within the first cavity of the movable frame,
A first elastic beam having a proximal end coupled to the movable frame and a distal end coupled to the mirror;
A first actuator located in the first cavity of the movable frame and connected to the first elastic beam;
A support frame formed with a second cavity where the movable frame is located;
A second elastic beam having a proximal end coupled to the support frame and a distal end coupled to the movable frame ;
A second actuator located in the second cavity between the support frame and the movable frame and connected to the second elastic beam ;
Providing one or more through holes in the movable frame ;
A two-dimensional optical scanner in which each through hole is surrounded by the remaining portion of the movable frame .
前記貫通孔が設けられている位置は前記可動枠の第2の弾性梁に平行な辺である請求項1に記載の2次元スキャナ。   The two-dimensional scanner according to claim 1, wherein the position where the through-hole is provided is a side parallel to the second elastic beam of the movable frame. 前記複数の貫通孔が前記第1、第2の弾性梁を軸に対称に設けられている請求項1に記載の2次元光スキャナ。   The two-dimensional optical scanner according to claim 1, wherein the plurality of through holes are provided symmetrically with respect to the first and second elastic beams. 前記貫通孔が前記第1、第2の弾性梁の延長領域に設けられていない請求項1に記載の2次元光スキャナ。   The two-dimensional optical scanner according to claim 1, wherein the through hole is not provided in an extension region of the first and second elastic beams.
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* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
JP6233396B2 (en) * 2015-12-09 2017-11-22 ミツミ電機株式会社 Optical scanning device
JP6668126B2 (en) * 2016-03-18 2020-03-18 株式会社豊田中央研究所 MEMS device
JP6455547B2 (en) * 2017-05-24 2019-01-23 ミツミ電機株式会社 Optical scanning device

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* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
US6525310B2 (en) * 1999-08-05 2003-02-25 Microvision, Inc. Frequency tunable resonant scanner
JP3926552B2 (en) * 2000-10-25 2007-06-06 日本信号株式会社 Actuator
JP2003043382A (en) * 2001-08-03 2003-02-13 Hitachi Ltd Optical matrix switch
CN1318878C (en) * 2002-08-14 2007-05-30 富士通株式会社 Micro rocking device having torsion bar
JP4409186B2 (en) * 2003-02-25 2010-02-03 日本信号株式会社 Planar electromagnetic actuator and manufacturing method thereof
JP4984117B2 (en) * 2006-07-13 2012-07-25 スタンレー電気株式会社 Two-dimensional optical scanner, optical device using the same, and method for manufacturing two-dimensional optical scanner
JP2009294458A (en) * 2008-06-05 2009-12-17 Brother Ind Ltd Optical scanner
JP2009300817A (en) * 2008-06-16 2009-12-24 Hoya Corp Electrostatic optical scanner
JP2010067345A (en) * 2009-12-22 2010-03-25 Hitachi Ltd Optical disk apparatus and trial writing method

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