JP5968767B2 - Ｍｅｍｓ圧電装置及び製造方法 - Google Patents

Description

本発明は、ＭＥＭＳ（Micro Electro Mechanical Systems）圧電装置及びその製造方法に関する。

ＭＥＭＳ技術を利用して製作するＭＥＭＳ光偏向器が知られている。該ＭＥＭＳ光偏向器は、ミラー部と、該ミラー部を所定の回転軸線の回りに回動させるアクチュエータとを備える（例：特許文献１）。

特許文献１のＭＥＭＳ光偏向器は、回動軸線の回りのミラー部の往復回動角を増大させるために、複数のアクチュエータ部を、平行に配列するとともに、配列方向に隣接して連なるアクチュエータ部の端部を折返し部により連結し、基端側から奇数番目のアクチュエータ部と偶数番目のアクチュエータ部とを相互に逆位相の駆動電圧で駆動している。アクチュエータ部及び折返し部の上面には、直列に連結された複数のアクチュエータ部に駆動電圧を供給するために、配線層が連続線で延びている。

折返し部は、上部電極層及び圧電膜層が不要であるとともに、残しておくと、折返し部の上部電極にアクチュエータ部の上部電極の駆動電圧が伝わり、アクチュエータの作動に支障が生じる恐れがある。したがって、従来のＭＥＭＳ光偏向器では、アクチュエータ部と一緒に折返し部を同一の積層構造体の別々の部分として製造してから、非アクチュエータ部としての折返し部のエッチングにより折返し部の上部電極層及び圧電膜層を除去する。その後、積層構造体は、その上面全体を絶縁被覆膜により被覆されてから、該絶縁被覆膜の上面において配線層が連続して延ばされる。

特開２００８−４０２４０号公報

しかしながら、従来の光偏向器では、絶縁被覆膜（例：ＳiＯ₂層）は、折返し部において下部電極層（例：Ｐt層）を被覆するが、各々の材料の違いにより下部電極層との密着性が悪く、剥がれ易いという問題がある。また、絶縁被覆膜の上面には配線層（例：Ａl層やＡlＣu層）が形成されているので、絶縁被覆膜が下部電極層から剥がれると、配線層と下部電極層とがショートし易くなる。

また、絶縁被覆膜は、アクチュエータ部においても上部電極層（例：Ｐt層）の上に形成されるので、折返し部の下部電極層への被覆と同様に、アクチュエータ部の端において剥がれ易いという問題がある。

本発明の目的は、アクチュエータの機能に支障を起こすことなく、アクチュエータを構成する積層構造体における絶縁被覆膜の剥がれを防止するＭＥＭＳ圧電装置及びその製造方法を提供することである。

本発明のＭＥＭＳ圧電装置は、隣接して連なるアクチュエータ部と非アクチュエータ部とを備えるＭＥＭＳ圧電装置であって、前記アクチュエータ部及び前記非アクチュエータ部は、下から順番に、基板層、絶縁層、下部密着改善層、下部電極層、圧電膜層、上部電極層、及び上部密着改善層を有する積層構造体の第１及び第２部分として構成され、前記積層構造体は、前記第１及び第２部分の境界部において、上側より前記上部電極層の下面まで掘り下げられた分断溝と、前記上部密着改善層と前記分断溝とを上面側から被覆する絶縁被覆膜と、該絶縁被覆膜の上面において前記境界部をまたがって前記第１及び第２部分を連続して延び、１つは前記第１部分において上部電極層に接続されている複数の配線層とを有することを特徴とする。

本発明によれば、非アクチュエータ部を構成する第２部分の上部密着改善層及び上部電極層は、アクチュエータ部を構成する第１部分の上部密着改善層及び上部電極層から分断溝により分断される。これにより、第２部分は、上部密着改善層、上部電極層及び圧電膜層の除去をされることなく、残存するにもかかわらず、アクチュエータの機能に支障を与えることを阻止される。また、絶縁被覆膜は、第１及び第２部分の上部電極層の上の上部密着改善層の上面を被覆することになるので、剥がれが防止される。

本発明の好ましい態様では、前記アクチュエータ部と前記非アクチュエータ部とが前記配線層の延び方向に交互に複数ずつ配設されたアクチュエータを備え、複数の前記アクチュエータ部は相互に平行に配列され、前記非アクチュエータ部は、前記アクチュエータ部の端側に配設されて配列方向に隣り合うアクチュエータ部の端部同士を相互に連結する折返し部である。

この態様では、非アクチュエータ部を折返し部に適用して、折返し部における絶縁被覆膜の剥がれを防止することができる。

また、前記アクチュエータは、前記ＭＥＭＳ圧電装置としてのＭＥＭＳ光偏向器に装備されて、先端側に結合しているミラー部を所定の回動軸線の回りに回動させるものであることが好ましい。

これによれば、ＭＥＭＳ圧電装置をＭＥＭＳ光偏向器に適用して、ＭＥＭＳ光偏向器のアクチュエータにおける絶縁被覆膜の剥がれを防止することができる。

本発明の製造方法は、アクチュエータ部と該アクチュエータ部に連なる非アクチュエータ部とを備えるＭＥＭＳ圧電装置の製造方法であって、前記アクチュエータ部と前記非アクチュエータ部を構成する第１及び第２部分をもつ積層構造体を、基板層の上に順番に絶縁層、下部密着改善層、下部電極層、圧電膜層、上部電極層、及び上部密着改善層を積層して製造する工程と、前記積層構造体の所定部位に上側より前記上部電極層の下面まで掘り下げられた分断溝を、前記アクチュエータ部と前記非アクチュエータ部を構成する第１及び第２部分の境界部に形成する工程と、前記上部密着改善層と前記分断溝との上面側から被覆する絶縁被覆膜を形成する工程と、該絶縁被覆膜の上面において前記境界部をまたがって前記第１及び第２部分を連続して延び、１つは前記第１部分おいて上部電極層に接続されている複数の配線層を形成する工程とを備えることを特徴とする。

この製造方法によれば、第２部分は、上部密着改善層、上部電極層及び圧電膜層の除去をされることなく、残存するにもかかわらず、アクチュエータの機能に支障を与えることを阻止される。また、絶縁被覆膜は、第１及び第２部分の上部電極層の上の上部密着改善層の上面を被覆することになるので、剥がれが防止される。

光スキャナの概略構成図。 図１の左側の外側アクチュエータの要部拡大図。 光偏向器の基礎になる積層構造体の垂直断面図。 図３の積層構造体を形成した後の外側アクチュエータの製造工程の説明図。 図４の工程に続く工程で、図２のＣ１−Ｃ１線及びＣ２−Ｃ２線に沿う断面図である。 図２のＣ３−Ｃ３線に沿う断面図。

図１を参照して、光偏向器１を装備する光スキャナ２０の構成について説明する。光スキャナ２０は、主要構成要素として、光偏向器１、駆動電圧生成装置２１、レーザ光源２２及び制御装置２３を備える。

光スキャナ２０は、例えば、プロジェクタ、バーコードリーダ、レーザプリンタ、ヘッドアップディスプレイ又は車両前照灯等に装備される。

ＭＥＭＳ機器としての光偏向器１は、中心に回動自在に配置されるミラー部２、ミラー部２を外側から包囲する内側矩形枠部３、及び内側矩形枠部３を外側から包囲する外側矩形枠部４を備えている。

説明の便宜上、光偏向器１の縦方向及び横方向を、それぞれ外側矩形枠部４の短辺に平行な方向及び長辺に平行な方向と定義する。図１では、左斜め下−右斜め上が光偏向器１の縦方向であり、左斜め上−右斜め下が光偏向器１の横方向となる。また、光偏向器１が、レーザ光源２２からの入射光Ｌaを入射され、かつその反射光Ｌbを出射する側を光偏向器１の表側と定義し、表側とは反対側を光偏向器１の裏側と定義する。

１対のトーションバー（弾性梁）５は、その軸線を縦方向に揃えて、ミラー部２に対して縦方向両側に配設され、ミラー部２に先端側を結合している。トーションバー５の基端側は内側矩形枠部３の横辺の内周側の中心部に結合している。なお、トーションバー５の基端側は内側矩形枠部３から離れていてもよい。その場合、トーションバー５の基端部は内側アクチュエータ６のみにより内側矩形枠部３に支持される。

１対の内側アクチュエータ６は、ユニモルフカンチレバーとして構成されている圧電アクチュエータであり、各トーションバー５の横方向両側に配設され、先端側をトーションバー５の基端部に結合し、基端側を内側矩形枠部３の縦辺部に結合している。内側アクチュエータ６は、トーションバー５の基端部をトーションバー５の軸線回りに所定の振動数で往復回動させて、ミラー部２を第１回転軸線の回りに往復回動させる。

ここで、第１回転軸線とは、ミラー部２の中心を通りかつトーションバー５の軸線に対して平行な直線と定義する。後述の第２回転軸線とは、ミラー部２の中心において第１回転軸線とほぼ直交する直線と定義する。第１及び第２回転軸線は、ミラー部２の表側に形成されているミラー面上に定義される直線となっている。

圧電式の１対の外側アクチュエータ７は、内側矩形枠部３に対して横方向両側に配設され、４つのユニモルフカンチレバーが直列に結合した構造（該構造については後述の図２で詳しく説明する。）となっており、基端側において外側矩形枠部４の縦辺部に結合し、先端側において内側矩形枠部３の縦辺部に結合している。各外側アクチュエータ７は、基端側から奇数番目のカンチレバーの圧電膜と偶数番目のカンチレバーの圧電膜とに相互に逆位相で同一周波数の電圧を印加されることにより、内側矩形枠部３を介してミラー部２を第２回転軸線の回りに往復回動させる。

電極パッド８，９は、外側矩形枠部４の一方及び他方の縦辺部の表側の面にそれぞれ配備され、光偏向器１内の配線を介して内側アクチュエータ６及び外側アクチュエータ７の電極層に接続されている。

駆動電圧生成装置２１は、電極パッド８，９へ接続され、電極パッド８，９を介して内側アクチュエータ６及び外側アクチュエータ７のＰＺＴ層４５（図３）にそれぞれ第１及び第２周波数のユニポーラ（単極）駆動電圧を供給する。

光スキャナ２０全体の作用について簡単に説明する。制御装置２３は、駆動電圧生成装置２１及びレーザ光源２２の作動及び停止を制御する。制御装置２３は、レーザ光源２２の光量を例えばパルス幅変調（ＰＷＭ）や駆動電流の調整により制御することができる。レーザ光源２２は、入射光Ｌaをミラー部２の中心へ向かって出射する。

ミラー部２は、作動期間中、内側アクチュエータ６及び外側アクチュエータ７の作動により第１及び第２回転軸線の回りにそれぞれの第１及び第２周波数で往復回動している。レーザ光源２２からの入射光Ｌaは、ミラー部２においてミラー部２の法線に応じた角度で反射して、ミラー部２から反射光Ｌbとして出射する。反射光Ｌbは、横方向及び縦方向へ所定の走査角範囲かつ所定の振動数で往復する走査光となる。

図２は、図１の左側の外側アクチュエータ７の主要部拡大図である。なお、右側の外側アクチュエータ７の主要部は、図示を省略したが、図２と左右対称な構成図になる。図２の外側アクチュエータ７は、縦方向一方の端側のみ図示されている。外側アクチュエータ７は、４つのアクチュエータ部２６ａ〜２６ｄと、折返し部２７ａ，２７ｂ（非アクチュエータ部の一例）等とを交互に有している。アクチュエータ部２６ａ〜２６ｄは、光偏向器１の横方向を配列方向とした一列の配列でかつ外側矩形枠部４の縦辺部から内側矩形枠部３の縦辺部の方へ順番に並んでいる。

折返し部２７ａは、アクチュエータ部２６ａ，２６ｂの縦方向の一端部同士を連結し、折返し部２７ｂは、アクチュエータ部２６ｃ，２６ｄの縦方向一端側の端部同士を連結している。アクチュエータ部２６ｂ，２６ｃは、縦方向他端側において同一構造の折返し部（図示せず）により相互に連結されている。

配線層３０ａ〜３０ｄは、アクチュエータ部２６ａ〜２６ｄ及び折返し部２７ａ，２７ｂを、隣接するもの同士が所定の離間距離を保持しつつ、連続線で延びている。配線層３０ａ〜３０ｄの間は、配線層３０ａ〜３０ｄの下にある層間絶縁層３１（絶縁被覆膜の一例）が露出している。配線層３０ａ〜３０ｄは、アクチュエータ部２６ａ〜２６ｄの範囲では、光偏向器１の縦方向に直線で延び、折返し部２７ａ，２７ｂでは、半円弧の線で延びている。スリット状のコンタクトホール３４は、基端側から奇数番目のアクチュエータ部２６ａ，２６ｃでは配線層３０ａに正面視で重なる位置に形成され、基端側から偶数番目のアクチュエータ部２６ｂ，２６ｄでは配線層３０ｂに正面視で重なる位置に形成されている。

配線層３０ａは、アクチュエータ部２６ａ，２６ｃの圧電膜に印加電圧を導く。配線層３０ｂは、アクチュエータ部２６ｂ，２６ｄの圧電膜に印加電圧を導く。配線層３０ｃは左側の２つの内側アクチュエータ６の圧電膜に印加電圧を導く。配線層３０ｄは左側の１つの内側アクチュエータ６に配備される圧電センサからの出力信号を導く。

図３は、光偏向器１を製造する基礎になる積層構造体４０の垂直断面図である。図３において、上側及び下側が光偏向器１のそれぞれ表側及び裏側となる。

積層構造体４０は、下側（光偏向器１の裏側）から順番にＳＯＩ（Silicon on Insulator）基板層４１、酸化膜層４２、下部密着改善層４３、下部電極層４４、ＰＺＴ層４５、上部電極層４６及び上部密着改善層４７から構成されている。下部密着改善層４３、上部密着改善層４７は薄いので、右側の拡大図において示し、左側の標準図（後述の図４〜図６はすべて標準図）では図示の便宜上、省略している。

積層構造体４０の具体的な製造方法は、最初に、ＳＯＩ基板層４１がＳＯＩウェハとして存在し、該ＳＯＩウェハの表側に拡散炉によってＳiＯ₂の酸化膜層４２を形成する。次に、表側にスパッタ法によって下部密着改善層４３、下部電極層４４を順次成膜する。下部密着改善層４３及び下部電極層４４は例えばそれぞれＴi及びＰtから成る。Ｔiは、ＰtとＳiＯ₂との密着性を改善する材料として選択されている。ＰtとＳiＯ₂との密着性を改善する材料としては、Ｔiの他にＣr（クロム）がある。

次に、反応性アーク放電イオンプレーティング法によって圧電材料であるチタン酸ジルコン酸鉛（以下、「ＰＺＴ」と略す）のＰＺＴ層４５を形成する。その後、再び、スパッタ法によってＰtの上部電極層４６とその上のＴiの上部密着改善層４７とをＰＺＴ層４５の上面に成膜する。

図４は、図３の積層構造体４０を製造後の外側アクチュエータ７の製造過程の工程Ｓ１〜Ｓ３を示している。図４の各工程を示す断面図は、外側アクチュエータ７の完成前の図２のＣ１−Ｃ１又はＣ２−Ｃ２の断面位置に相当する。

工程Ｓ１では、アクチュエータ部２６ａ〜２６ｄを構成する第１部分と折返し部２７ａ，２７ｂを構成する第２部分とを分ける所定部位にエッチングより上部密着改善層４７の上面から上部電極層４６の下面まで掘り下げた分断溝３７を形成する。分断溝３７は、第１部分と第２部分との境界部に位置する。

図４において、分断溝３７より左側が折返し部２７ａの範囲であり、分断溝３７より右側がアクチュエータ部２６ｂの範囲となる。分断溝３７により、アクチュエータ部２６ａ〜２６ｄの上部電極層４６及び上部密着改善層４７と、折返し部２７ａ，２７ｂの上部電極層４６及び上部密着改善層４７とは、電気的に相互に分離される。これにより、アクチュエータ部２６ａ〜２６ｄの上部電極層４６及び上部密着改善層４７の印加電圧が、折返し部２７ａ，２７ｂの上部電極層４６及び上部密着改善層４７に伝達されることが阻止される。

次の工程Ｓ２では、プラズマＣＶＤで厚みＳiＯ₂の層間絶縁層３１を上部密着改善層４７の上面側に形成する。層間絶縁層３１は、分断溝３７を埋めつつ、分断溝３７の上方に、周囲より低い凹部５４を形成する。

次の工程Ｓ３では、エッチングによりコンタクトホール３４（図２も参照）を上部電極層４６及び上部密着改善層４７の対応部位に形成する。工程Ｓ３の断面図は、図２のＣ１−Ｃ１線の断面図であり、図２のＣ２−Ｃ２線の断面では、工程Ｓ３完了後も、図４の工程Ｓ２で示している断面状態が保持される。

図５及び図６は、図４の工程Ｓ３に続く工程Ｓ４の説明図である。図５の工程Ｓ４（ａ）及び工程Ｓ４（ｂ）の各断面図は、外側アクチュエータ７の完成時のそれぞれ図２のＣ１−Ｃ１線及びＣ２−Ｃ２線に沿う断面図である。図６の工程Ｓ４（ｃ）の断面図は、外側アクチュエータ７の完成時の図２のＣ３−Ｃ３線に沿う断面図である。

工程Ｓ４では、配線層３０ａ〜３０ｄ（図２も参照）の形成用のフォトリソによりレジストパターンを形成してから、ＡlＣu（１％Ｃu）膜をスパッタ成膜し、リフトオフにより層間絶縁層３１の上面に配線層３０ａ〜３０ｄを形成する。各コンタクトホール３４は、ＡlＣu膜としての配線層３０ａ又は配線層３０ｂにより埋められるとともに、凹部５４における配線層３０ａ〜３０ｄの通過部は、ＡlＣu膜としての配線層３０ａ〜３０ｄにより被覆される。

光偏向器１の作動時では、配線層３０ａ〜３０ｄに電極パッド８，９（図１）からの所定の制御電圧が伝達される。配線層３０ａの制御電圧は、アクチュエータ部２６ａ，２６ｃの上部電極層４６に印加され、配線層３０ｂの制御電圧は、アクチュエータ部２６ｂ，２６ｄの上部電極層４６に印加される。配線層３０ａ，３０ｂの制御電圧の周波数は、図１の説明において前述した第２周波数である。配線層３０ａ，３０ｂの制御電圧は、相互に逆位相になっている。これにより、左右の外側アクチュエータ７の先端部が前述の第２回転軸線の回りに同期して第２周波数で往復回動し、ミラー部２は第２回転軸線の回りに第２周波数で往復回動して、反射光Ｌbを上下に往復させる。

以上、本発明を実施形態について説明したが、本発明は、該実施形態に限定されることなく、種々に変形して実施される。

例えば、実施形態では、ＭＥＭＳ圧電装置が光偏向器１の外側アクチュエータ７となっているが、本発明は、アクチュエータ部と非アクチュエータとが隣接して連なっているＭＥＭＳ圧電装置であれば、光偏向器１のアクチュエータ以外のアクチュエータにも適用可能である。また、光偏向器１以外のＭＥＭＳ電気機器に装備されるＭＥＭＳ圧電装置であってもよい。

実施形態では、ＳＯＩ基板層４１、酸化膜層４２（絶縁層）、下部密着改善層４３、下部電極層４４、ＰＺＴ層４５（圧電膜層）、上部電極層４６、及び上部密着改善層４７としてそれぞれ所定の材料を選定しているが、これらの材料は一例である。各機能を有することができる材料であれば、その他の材料を使用することもできる。

１・・・光偏向器（ＭＥＭＳ電気機器）、７・・・外側アクチュエータ（アクチュエータ）、２６・・・アクチュエータ部、２７・・・折返し部（非アクチュエータ部）、３０・・・配線層、３１・・・層間絶縁層（絶縁被覆膜）、３７・・・分断溝、４０・・・積層構造体、４１・・・ＳＯＩ基板層、４２・・・酸化膜層（絶縁層）、４３・・・下部密着改善層、４４・・・下部電極層、４５・・・ＰＺＴ層（圧電膜層）、４６・・・上部電極層、４７・・・上部密着改善層。

Claims (4)

1. 隣接して連なるアクチュエータ部と非アクチュエータ部とを備えるＭＥＭＳ圧電装置であって、
   前記アクチュエータ部及び前記非アクチュエータ部は、下から順番に、基板層、絶縁層、下部密着改善層、下部電極層、圧電膜層、上部電極層、及び上部密着改善層を有する積層構造体の第１及び第２部分として構成され、
   前記積層構造体は、
   前記第１及び第２部分の境界部において、上側より前記上部電極層の下面まで掘り下げられた分断溝と、
   前記上部密着改善層と前記分断溝とを上面側から被覆する絶縁被覆膜と、
   該絶縁被覆膜の上面において前記境界部をまたがって前記第１及び第２部分を連続して延び、１つは前記第１部分において上部電極層に接続されている複数の配線層とを有することを特徴とするＭＥＭＳ圧電装置。
2. 請求項１記載のＭＥＭＳ圧電装置において、
   前記アクチュエータ部と前記非アクチュエータ部とが前記配線層の延び方向に交互に複数ずつ配設されたアクチュエータを備え、
   複数の前記アクチュエータ部は相互に平行に配列され、
   前記非アクチュエータ部は、前記アクチュエータ部の端側に配設されて配列方向に隣り合うアクチュエータ部の端部同士を相互に連結する折返し部であることを特徴とするＭＥＭＳ圧電装置。
3. 請求項２記載のＭＥＭＳ圧電装置において、
   前記アクチュエータは、前記ＭＥＭＳ圧電装置としてのＭＥＭＳ光偏向器に装備されて、先端側に結合しているミラー部を所定の回転軸線の回りに回動させるものであることを特徴とするＭＥＭＳ圧電装置。
4. アクチュエータ部と該アクチュエータ部に連なる非アクチュエータ部とを備えるＭＥＭＳ圧電装置の製造方法であって、
   前記アクチュエータ部と前記非アクチュエータ部を構成する第１及び第２部分をもつ積層構造体を、基板層の上に順番に絶縁層、下部密着改善層、下部電極層、圧電膜層、上部電極層、及び上部密着改善層を積層して製造する工程と、
   前記積層構造体の所定部位に上側より前記上部電極層の下面まで掘り下げられた分断溝を、前記アクチュエータ部と前記非アクチュエータ部を構成する第１及び第２部分の境界部に形成する工程と、
   前記上部密着改善層と前記分断溝との上面側から被覆する絶縁被覆膜を形成する工程と、
   該絶縁被覆膜の上面において前記境界部をまたがって前記第１及び第２部分を連続して延び、１つは前記第１部分おいて上部電極層に接続されている複数の配線層を形成する工程とを備えることを特徴とするＭＥＭＳ圧電装置の製造方法。