マイクロミラー装置
【課題】回動するミラーを有するマイクロミラー装置において、ミラー部の慣性モーメントに大きく影響を与える重量の増加を最低限に抑えつつ、ミラー部の剛性を向上させて往復振動時の反りや変形を極力低減させることができるように、ミラー部の構成について工夫すること。
【解決手段】トーションバーを介してミラー部がフレームに対して回動可能に連結されたマイクロミラー装置を前提として、上記ミラー部は、引張り応力を有する層(12a)と圧縮応力を有する層(12b)とを交互に積層した応力制御層(12)を含んで成ることである。
【解決手段】トーションバーを介してミラー部がフレームに対して回動可能に連結されたマイクロミラー装置を前提として、上記ミラー部は、引張り応力を有する層(12a)と圧縮応力を有する層(12b)とを交互に積層した応力制御層(12)を含んで成ることである。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、光スキャナーや二次元走査ミラーなどのマイクロミラー装置に関し、特に、ミラー部の高剛性化と軽量化を同時に実現するマイクロミラー装置に関するものである。このマイクロミラー装置は、画像形成装置や投影型ディスプレイ装置における光を走査する機構に応用することが可能である。
【背景技術】
【０００２】
光応用分野において、光ビームを走査する手段としてこれまでに多くの方式や技術が提案され、実現されてきた。代表的な例として、電子写真方式による画像形成装置が挙げられる。これまでにこの分野では、ポリゴンミラーと呼ばれる多面体の反射面を有するミラーを高速で回転させて、光を走査する方式が一般的に用いられてきた。しかし、ポリゴンミラー方式は、多面体ミラーと、それを高速で回転させるモーターが必須の構成要件であり、光走査システムの小型化と省エネルギーの面から改善が望まれている。
【０００３】
近年、ポリゴンミラー方式に変わる光走査システムとして、マイクロマシニング技術を用いたマイクロミラー装置の開発が盛んになってきている。この技術は主にＳｉを母材とし、半導体製造技術を利用した微細加工技術により製造するもので、従来のポリゴンミラーに比較して小型化がはるかに容易で、省エネルギー駆動が可能であるという特徴を有している。
しかしながら、このマイクロミラーにおいても以下のような問題がある。即ち、光を走査するために往復振動するミラーの剛性が低い場合、振動による慣性力によりミラーに撓むなどの変形が生じる。このような変形が生じると、反射された光ビームの光学特性に大きく影響を与えるので、ミラーの変形を極力低減させる必要があることは言うまでもない。
【０００４】
このような慣性力による動的な変形を低減させる方法として、ミラーとなる部分の厚さを厚くしてミラー部の剛性を向上させるという方法がある。しかしながら、このような手法では、ミラー部の慣性モーメントが増加することになりミラーの振れ角が小さくなるか、又は同じ振れ角を達成しようとした場合には、駆動エネルギーの増加が必要不可欠となるという問題がある。
回動ミラーを有するマイクロミラー装置を含めた光スキャナーにおいて、応力を制御して回動するミラーの動的な変形や反りを低減させること、及びミラー部の反射層に誘電体多層膜の積層体を用いることは、以下に説明するとおり公知の技術事項である。
【０００５】
特開２００３−２２４１４号公報（「バーコードリーダ」、特許文献１）には、バーコードリーダの可動ミラーについて、ガラス基板上に高屈折材料と低屈折材料を光学的な厚さでそれぞれ光線の波長λの１／４ずつ交互に重ねた誘電体多層膜により構成されることが記載されている。しかし、この従来の可動ミラーにおいては、反射層として積層構造を利用するために高屈折材料と低屈折材料を交互に重ねた構造を有しているが、応力の制御に関することや応力に起因するミラー部の反りに関しては、全く言及されていない。
【０００６】
特開２００７−２４１０１８号公報（「全反射ミラー」、特許文献２）には、全反射ミラーについて、透明基板の主表面にミラー膜を形成し、その裏面に透明基板と同等の屈折率を有する矯正膜を形成して、その応力により反りを矯正するものが記載されている。これは、透明基板の主表面に形成したミラー膜の応力を丁度打ち消すような矯正膜を形成するものである。この従来の全反射ミラーによれば、確かに、応力の補償を行なうことにより静的な状態での反りを矯正し、低減することができるが、しかし、それは単に応力のバランスを取って反りを矯正しているのみであって、ミラー部の剛性を高めているわけではなく、ミラー部が往復振動する動的な状態での反りや変形の防止に関しては、全く言及されていない。
【０００７】
特開２００７−２４８７３１号公報（「マイクロミラー並びにそれを用いた光部品および光スイッチ」、特許文献３）には、マイクロミラーについて、基板に対して回転可能な梁で連結された可動ミラーにおいて、反射面は可動ミラーの基体に形成された膜で構成され、可動ミラーの基体は反射面よりも薄肉部を有するものが記載されている。このような構造によれば、確かに、ある程度の軽量化が図られるものの、剛性の向上については全く期待できないものである。
さらに言えば、ミラー部の軽量化のためには薄肉部を多く設けた方が効果は大きい。逆に、ミラー部の剛性維持のためには薄肉部はできるだけ少ない方が都合はよい。このように、軽量化と剛性の向上とは全く相反するものであるのに対して、「薄肉部を設ける」という一方向からのアプローチであるために、最適解を得ることは非常に難しく、実際にはある程度の改善しか得られないものである。
【０００８】
特開２００７−２８３４４２号公報（「プレーナー型アクチュエータ」、特許文献４）には、薄板状の可動板を有するプレーナー型アクチュエータについて、可動板の上面に圧縮応力を発生する応力膜を形成したり、その応力膜の上にさらに圧縮応力を発生する応力膜を重ねたり、可動板の下面に引張応力を発生する応力膜を形成したりして、可動板の反りを補正することが記載されている。このプレーナー型アクチュエータは、反りを正確に補正しようとすればするほど重量が増加して、ミラーの振れ角が小さくなるか、同じ振れ角を達成しようとした場合には、駆動エネルギーの増加が避けられないという問題がある。
【０００９】
特開２００５−３０８８６３号公報（「偏向ミラー、光走査装置及び画像形成装置」、特許文献５）には、ミラー基板の一端を支持したねじり梁をねじり回転軸として、該ミラー基板を往復振動させるタイプの偏向ミラーが記載されている。この偏向ミラーでは、ねじり梁の非支持端が一対の連結部材を介しミラー基板と連結されており、ミラー基板をねじり梁と直接結合して振動させた場合の動的撓み量のピーク位置より、回転中心軸から遠い位置においてミラー基板と連結部材が結合されている。このような連結部材の介在によりミラー基板の動的撓み変形が抑制され、動的歪み量の小さい領域が拡大し、かつ、その領域内の動的撓み量も減少させることができるものである。
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【００１０】
そこで、本発明の課題は、回動するミラーを有するマイクロミラー装置において、上記従来のマイクロミラー装置の問題点を解決するために、ミラー部の慣性モーメントに大きく影響を与える重量の増加を最低限に抑えつつ、ミラー部の剛性を向上させて往復振動時の反りや変形を極力低減させることができるように、ミラー部の構成について工夫することである。
【課題を解決するための手段】
【００１１】
以下に、上記課題を解決するために講じた手段を作用とともに説明する。
(１) 本発明に係るマイクロミラー装置（請求項１に対応）は、トーションバーを介してミラー部がフレームに対して回動可能に連結されたマイクロミラー装置を前提として、上記ミラー部は、引張り応力を有する層と圧縮応力を有する層とを交互に積層した応力制御層を含んで成ることである。
【００１２】
このように構成することによって、回動するミラー部は応力制御層を有している構造であり、この応力制御層は引張り応力を有する層と圧縮応力を有する層とを交互に積層した多層構造であり、各層はナノメートルオーダーの膜厚で積層するものであるので、ミラー部の慣性モーメントに大きく影響を与える質量の増加を最低限に抑えつつ、剛性を高めることができる。これにより、ミラーの平坦性の確保やミラー回動時に生じる反りや変形を効果的に抑えることができる。
また、応力制御層として積層する層数や材料によって、応力制御による効果を他の要因に左右されず独立して設計し、制御することができる。
【００１３】
(２) また、上記(１)のマイクロミラー装置において、応力制御層の上に積層した状態で反射層を形成してミラー部を構成することができる。（請求項２に対応）
このような構成によって、反射層が応力制御層の上に積層した状態で形成されてミラー部を構成しているため、ミラーの面積を必要最低限に抑えることが可能であり、ミラーを小型化し軽量化することができる。
【００１４】
(３) また、上記(１)のマイクロミラー装置において、応力制御層と反射層が同一平面に設けられており、互いに分離した状態で形成されてミラー部を構成することができる。（請求項３に対応）
このような構成によって、応力制御層と反射層が同一平面に設けられており、互いに分離した状態で形成されてミラー部を構成しているため、応力制御層と反射層の形状を独立して設計することができ、レイアウト上の自由度が大きくなる。
【００１５】
(４) また、上記(１)〜(３)のいずれかのマイクロミラー装置において、応力制御層と反射層を構成する各層が、全て無機材料であってもよい。（請求項４に対応）
このような構成によって、応力制御層と反射層を構成する各層が全て無機材料であるため、耐熱性、耐プラズマ性、及び耐環境性に優れている。
【００１６】
(５) 本発明に係るマイクロミラー装置（請求項５に対応）は、トーションバーを介してミラー部がフレームに対して回動可能に連結されたマイクロミラー装置を前提として、
上記ミラー部が応力制御層と反射層を有しており、該応力制御層は引張り応力を有する層と圧縮応力を有する層とを交互に積層した多層構造であって、該反射層は高反射性金属膜により形成されることである。
【００１７】
このように構成することによって、ガルバノミラー構造のマイクロミラー装置において、回動するミラー部が応力制御層と反射層を有しており、該応力制御層は引張り応力を有する層と圧縮応力を有する層とを交互に積層した多層構造であるため、ミラー部の質量の増加を最低限に抑えつつ剛性を高めることができ、ミラー回動時に生じる反りや変形を効果的に抑えることができる。また、上記反射層は高反射性金属膜により形成されているため、広範囲の波長に対して高い反射率を得ることができる。
また、応力制御層として積層する層数や材料によって、応力制御による効果を他の要因に左右されず独立して設計し、制御することができる。
【００１８】
(６) また、上記(５)のマイクロミラー装置において、反射層は少なくとも３層からなり、密着層、ブロッキング層、及び高反射性金属膜を有することができる。（請求項６に対応）
このような構成によって、反射層は少なくとも３層から成り、ミラー母材に近い方から密着層、ブロッキング層、高反射性金属膜を有する構造であるため、反射層全体の密着性や熱的安定性に優れている。
【００１９】
(７) また、上記(５)又は(６)のマイクロミラー装置において、反射層の表面に表面保護層が形成されてもよい。（請求項７に対応）
このような構成によって、反射層の表面に表面保護層が形成されているため、反射層の機械的強度が向上し、耐磨耗性に優れている。
【００２０】
(８) また、上記(７)のマイクロミラー装置において、表面保護層がシリコン酸化膜であってもよい。
このような構成によって、表面保護層がシリコン酸化膜であり、光学的に透明な材料であるため、反射特性に全く悪影響を及ぼすことなく、安定性に優れている。
【００２１】
(９) 本発明に係るマイクロミラー装置（請求項９に対応）は、トーションバーを介してミラー部がフレームに対して回動可能に連結されたマイクロミラー装置を前提として、
上記ミラー部が応力制御層と反射層を有しており、該応力制御層は引張り応力を有する層と圧縮応力を有する層とを交互に積層した多層構造であって、該反射層は屈折率の高い層と屈折率の低い層を交互に積層して形成されることである。
【００２２】
このように構成することによって、ガルバノミラー構造のマイクロミラー装置において、回動するミラー部が応力制御層と反射層を有しており、該応力制御層は引張り応力を有する層と圧縮応力を有する層とを交互に積層した多層構造であるため、ミラー部の質量の増加を最低限に抑えつつ剛性を高めることができ、ミラー回動時に生じる反りや変形を効果的に抑えることができる。また、反射層は屈折率の高い層と屈折率の低い層を交互に積層して形成しているため、高効率の反射層として機能することができる。さらに、この反射層に誘電体多層膜を用いることにより、高温高湿の劣悪な環境においても高い反射率を維持することができる。
また、応力制御層として積層する層数や材料によって、応力制御による効果を他の要因に左右されず独立して設計し、制御することができる。
【００２３】
(１０) また、上記(５)〜(９)のいずれかのマイクロミラー装置において、応力制御層の上に積層した状態で反射層を形成してミラー部を構成することができる。（請求項１０に対応）
このような構成によって、反射層が応力制御層の上に積層して形成されミラー部を構成しているため、ミラーの面積を必要最低限に抑えることが可能であり、ミラーの小型化や軽量化を図ることができる。
【００２４】
(１１) また、上記(５)〜(９)のいずれかのマイクロミラー装置において、応力制御層と反射層が同一平面に設けられており、互いに分離した状態で形成されてミラー部を構成することができる。（請求項１１に対応）
このような構成によって、応力制御層と反射層が同一平面に設けられており、互いに分離した状態で形成されてミラー部を構成しているため、応力制御層と反射層の形状を独立して設計することができ、レイアウト上の自由度が大きくなる。
【発明の効果】
【００２５】
本発明の効果を請求項にしたがって整理すると次のとおりである。
(１) 請求項１に係る発明
回動するミラー部は応力制御層を有している構造であり、応力制御層は引張り応力を有する層と圧縮応力を有する層を交互に積層した多層構造であるため、質量の増加を最低限に抑えつつ剛性を高めることができるので、ミラーの平坦性の確保やミラー回動時に生じる反りや変形を効果的に抑えることができる。
(２) 請求項２に係る発明
反射層が応力制御層の上に積層した状態で形成されてミラー部を構成しているため、ミラーの面積を必要最低限に抑えることが可能であり、ミラーの小型化や軽量化を図ることができる。
【００２６】
(３) 請求項３に係る発明
応力制御層と反射層が同一平面に設けられており、互いに分離した状態で形成されてミラー部を構成しているため、応力制御層と反射層の形状を独立して設計することができ、レイアウト上の自由度が大きくなる。
(４) 請求項４に係る発明
応力制御層と反射層を構成する各層が全て無機材料であるため、耐熱性、耐プラズマ性、及び耐環境性に優れたマイクロミラー装置を実現することができる。
【００２７】
(５) 請求項５に係る発明
ガルバノミラー構造のマイクロミラー装置において、回動するミラー部が応力制御層と反射層を有しており、該応力制御層は引張り応力を有する層と圧縮応力を有する層とを交互に積層した多層構造であるため、ミラー部の質量の増加を最低限に抑えつつ剛性を高めることができ、ミラー回動時に生じる反りや変形を効果的に抑えることができる。また、上記反射層は高反射性金属膜により形成されているため、広範囲の波長に対して高い反射率が得られるマイクロミラー装置を実現することができる。
(６) 請求項６に係る発明
反射層は少なくとも３層から成り、ミラー母材に近い方から密着層、ブロッキング層、高反射性金属膜を有する構造であるため、反射層全体の密着性や熱的安定性に優れたマイクロミラー装置を実現することができる。
【００２８】
(７) 請求項７に係る発明
反射層の表面に表面保護層が形成されているために、反射層の機械的強度の向上が図られ、耐磨耗性に優れたマイクロミラー装置を実現することができる。
(８) 請求項８に係る発明
表面保護層がシリコン酸化膜であり、光学的に透明な材料であるため、反射特性に全く悪影響を及ぼすことなく、安定性に優れたマイクロミラー装置を実現することができる。
【００２９】
(９) 請求項９に係る発明
ガルバノミラー構造のマイクロミラー装置において、回動するミラー部が応力制御層と反射層を有しており、該応力制御層は引張り応力を有する層と圧縮応力を有する層とを交互に積層した多層構造であるため、ミラー部の質量の増加を最低限に抑えつつ剛性を高めることができ、ミラー回動時に生じる反りや変形を効果的に抑えることができる。また、反射層は屈折率の高い層と屈折率の低い層とを交互に積層して形成しているため、高効率の反射層として機能することが可能である。
【００３０】
(１０) 請求項１０に係る発明
反射層が応力制御層の上に積層した状態で形成されてミラー部を構成しているため、ミラーの面積を必要最低限に抑えることが可能であり、ミラーの小型化や軽量化を図ることができる。
(１１) 請求項１１に係る発明
応力制御層と反射層が同一平面に設けられており、互いに分離した状態で形成されてミラー部を構成しているため、応力制御層と反射層の形状を独立して設計することができ、レイアウト上の自由度が大きくなる。
【図面の簡単な説明】
【００３１】
【図１】は、本発明のマイクロミラー装置におけるミラー部の模式的な断面図であり、反射層が低屈折率層と高屈折率層を交互に積層して形成されたものを示す。
【図２】は、同じく、本発明のマイクロミラー装置におけるミラー部の模式的な断面図であり、反射層が高反射性金属で形成されたものを示す。
【図３】は、同じく、本発明のマイクロミラー装置におけるミラー部の模式的な断面図であり、反射層が高反射性金属から成るミラー層と、ブロッキング層と、密着層により形成されたものを示す。
【図４】は、同じく、本発明のマイクロミラー装置におけるミラー部の模式的な断面図であり、反射層に表面保護層を形成したものを示す。
【図５】は、同じく、本発明のマイクロミラー装置におけるミラー部の模式的な斜視図であり、ミラー母材の同一平面上に応力制御層と反射層が分離して形成されたものを示す。
【発明を実施するための形態】
【００３２】
本発明のマイクロミラー装置におけるミラー部の基本的な構成について、図１を参照しながら説明する。図１はミラー部の模式的な断面図である。
図１に示されるように、本発明によるミラー部は、ミラー母材１１上に応力制御層１２が形成されており、その上に反射層１３が形成されている。この応力制御層１２は、引張り応力を有する層（引張り応力層）１２ａと圧縮応力を有する層（圧縮応力層）１２ｂが交互に積層されて形成されており、その膜厚はナノメートルのオーダーで制御されている。また、上記反射層１３は、低屈折率層１３ａと高屈折率層１３ｂが交互に積層されて形成されている。
このように本発明によるミラー部では、応力制御層１２と反射層１３から構成されるため、それぞれの層が所望の特性を発揮することができるように、独立して設計し得る点が大きな特徴である。
【００３３】
（応力制御層）
先ず、応力制御層１２の構成について説明する。上述のように、応力制御層１２は、引張り応力を有する層１２ａと圧縮応力を有する層１２ｂが交互に積層されて形成されているものであって、各層の膜厚はナノメートルオーダーで制御されているものである。このような積層構造は、半導体製造技術の分野で一般的に用いられる薄膜形成方法を利用することで容易に実現することができる。一般に、このような薄膜形成法で成膜できる材料は、引張り応力を有する膜と圧縮応力を有する膜のいずれであっても形成が可能であるばかりでなく、これらの薄膜形成法は、その成膜条件により、同じ材料の薄膜であっても、圧縮応力を有する膜から引張り応力を有する膜まで比較的制御性よくコントロールすることができるという特徴を有している。また、スパッタリング法や電子ビーム蒸着法などの真空プロセスを利用した薄膜形成法では、成膜速度を把握することにより、ナノメートルオーダーであっても所望の膜厚を実現することが容易に行なえるものである。
【００３４】
上記応力制御層１２に用いることのできる材料は、利用する成膜手法や必要とする応力の観点から適宜選択することが可能であるが、例えば、シリコン酸化膜やアルミナなどの酸化膜、及びシリコン窒化膜や窒化チタン膜等の窒化膜等が、その応力制御の容易さや膜の安定性から好適である。さらに、銅やタングステンといった金属膜も、形成条件によってその応力が制御可能であるので用いることができる。
【００３５】
次に、このような引張り応力を有する層（引張り応力層）１２ａと圧縮応力を有する層（圧縮応力層）１２ｂが交互に積層された構造において、剛性が向上する現象について説明する。引張り応力を有する層１２ａと圧縮応力を有する層１２ｂが交互に積層された構造は、異方性を持った応力分布を有することになる。その結果、例えば、本来強度の低い層に圧縮応力が作用する場合は、層の強度は圧縮応力分だけ本来の強度よりも向上し、高強度化が実現できる。一方、引張り応力と圧縮応力が隣接する層の界面付近では、発生しようとするクラックと残留応力の相互作用により、クラック進展方向が偏向あるいは阻害されて、結果的に高靭化される。このように積層構造を利用して、高強度化と高靭化を実現することにより、これまでにさまざまな複合セラミックス材料が研究・開発されてきた。本発明は、この高強度化と高靭化を実現する積層構造を、膜厚がナノメートルオーダーで制御されるという技術的特徴を有しているために、全体の膜厚をむやみに厚くすることなく、ミラー母材の剛性向上を実現するというものである。さらに、積層する層数の増加と、効果を生み出す界面の数の増加は、容易に実現できるものであるため、制御性が良く、確実に効果を実現し得る構造を得ることができる。
【００３６】
このようにして形成した応力制御層１２の上に、さらにミラーとして機能する反射層１３を形成して、ミラー部全体の構成が完成する。この部分が、本発明の最も大きな特徴である。このように応力制御層１２と反射層１３を膜厚方向で積層する構成では、ミラー部の大きさを必要最低限に抑えることができ、ミラー部の小型化や軽量化が容易に達成できる。しかし、本発明はこのような積層構造に限定されるものではなく、当然、他の構成を採用することも可能である。それについては後述する。
【００３７】
（反射層）
次に、反射層１３について説明する。図１に示されるように、反射層１３は、低屈折率層１３ａと高屈折率層１３ｂが交互に積層されて形成されている。このような反射層１３は一般的によく知られているものであり、屈折率の低い材料と屈折率の高い材料とを対象として、波長の１／４の厚さで交互に積層することにより、光の干渉効果に基づいて、各層の境界面からの反射光が相加的に重なって非常に効率の高い反射層として機能するものである。狙いの波長がどれぐらいで、どの程度の反射率を必要とするのかという要求に対して、屈折率の低い材料と屈折率の高い材料の屈折率をそれぞれどの程度にすればよいのか、また、各層の膜厚はどの程度が必要なのかという点に関しては、一般的なパーソナルコンピューターで使用できる設計ソフトが広く知られている。一般的に、このような屈折率の低い材料と屈折率の高い材料としては誘電体が用いられる場合が多く、そのため誘電体多層膜と呼ばれることが多い。また、その形成方法は、スパッタリング法や電子ビームアシスト真空蒸着法のように、半導体製造プロセスで一般的に用いられる制御性に優れた技術を用いて形成することが可能である。一般的に、このように誘電体材料を用いる反射層は、金属膜に比較して、温度や雰囲気に対する耐久性が優れており、また、機械的強度も高いために耐磨耗性にも優れている。従って、ミラーの使用される温度や環境等に応じて適宜選択されるべきものである。
【００３８】
次に、反射層が高反射性金属の場合のミラー部の構成について、図２を参照しながら説明する。図２はミラー部の模式的な断面図である。
本発明によるミラー部は、図２に示されるように、ミラー母材２１上に応力制御層２２が形成されており、その上に反射層２３が形成されている。上記応力制御層２２は、図１で示した構成と同様に、引張り応力を有する層（引張り応力層）２２ａと圧縮応力を有する層（圧縮応力層）２２ｂが交互に積層されて形成されているものであり、その膜厚はナノメートルのオーダーで制御されている。反射層２３は高反射性金属で形成されている。ここで用いられる高反射性金属は、可視域全般の波長であればアルミニウムが好適であり、可視域の長波長領域から近赤外の領域であればＡｕが好適である。この他にもＡｇやＰｔなど、目的や使用環境に応じて適宜選択することができる。
【００３９】
また、これらの高反射性金属を反射層として用いる場合は、金属材料を単層の構成として用いてもよいが、図３に模式的に示すように、下地基板との密着性を向上させるための密着層３３ａ、さらには、反射材料と密着層３３ａの相互拡散や反応を防止するためのブロッキング層３３ｂを適宜選択し設けてもよい。密着層３３ａとして用いられる材料は、下地材料との組合せで適宜選択すべきものであるが、一般的にＴｉやＣｒなどの金属材料、又はＴｉＮやＡｌＮ等の金属窒化物が好適である。また、ブロッキング層３３ｂは、密着層３３ａと高反射性金属から成るミラー層３３ｃの相互拡散や合金化を防止するためのものであり、それらの機能が期待できるＰｔやＷが好適である。
【００４０】
また、先に述べたように、高反射性金属材料は、一般的に誘電体材料に比べて機械的強度が劣るために、図４に模式的に示すように、必要に応じて最表層に表面保護層４４を形成して、表面強度の向上を狙う構成を取ることもできる。このとき、表面保護層４４は、ミラーに対して光学的に悪影響を及ぼすことの無いように選択されることが望ましく、それには透明材料が適しており、特に、その光学特性、機械的特性、及び安定性などの面からシリコン酸化膜が最適である。
【００４１】
このように応力制御層と反射層を有している点が本発明の大きな特徴であるが、この二つの層構造の構成は、これまでに説明したような膜厚方向での積層構造に限定される必要はない。その構成例について図５を参照しながら説明する。図５はミラー部を模式的に示す斜視図である。
本発明によるミラー部は、図５に示されるように、応力制御層５４と反射層５５が同一平面に互いに分離されて形成されている。具体的には、ミラー母材５１の外周に沿って応力制御層５４が形成されており、その中の領域に反射層５５が形成されている。このように、応力制御層５４と反射層５５をそれぞれ独立した形状として形成する例では、最適な応力制御層５４の形状と、最適な反射層５５の形状を実現することができるので、設計の自由度が向上し応力制御層５４を複雑な形状とすることも可能である。複雑な形状とは、図５に示されたような単純な矩形ではなく、例えば、楕円形やジグザグ形状などにすることができる。なお、符号５２及び５３はそれぞれトーションバー及びフレームを示す。
【００４２】
図５に示されたものでは、回動するミラーを駆動する機構は省略しているが、本発明は駆動方式にとらわれることなく、効果を発揮できるものであるので、一般的な駆動方式である圧電素子駆動方式、静電駆動方式、又は電磁駆動方式のいずれの駆動方式であってもよい。
以下に、本発明の実施例１〜実施例５を用いて更に詳細に説明する。
【実施例１】
【００４３】
本実施例１について、図１を参照しながら説明する。この実施例１では、応力制御層１２として、引張り応力を有するＳｉＮ膜から成る引張り応力層１２ａと、圧縮応力を有するＳｉＯ２膜から成る圧縮応力層１２ｂの積層構造を形成し、その上に低屈折率層１３ａとしてＳｉＯ２膜、高屈折率層１３ｂとしてＴｉＯ２膜を用いて反射層１３を構成する例について説明する。
基板１１としてＳＯＩ（Silicon On Insulator）ウェハを用いた。このＳＯＩウェハは、絶縁層としてのシリコン酸化膜の厚さが1μｍ、それをはさむ形で反射層１３が形成される表面側のシリコン層が１００μｍ、裏面側のシリコン層が３００μｍ形成されたものである。このＳＯＩウェハに対して、一般的なマイクロマシン技術を用いてマイクロミラー装置を形成した。本発明の特徴である応力制御層１２と反射層１３の形成方法について、以下に説明する。プラズマＣＶＤ法により、以下の表１に示す条件でＳｉＮ膜とＳｉＯ２膜の積層構造を作成した。
【００４４】
【表１】
【００４５】
上記の条件で作成したＳｉＮ膜とＳｉＯ２膜のそれぞれの応力は、事前の実験結果から得られており、ＳｉＮ膜は９００ＭＰａの引張り応力、ＳｉＯ２膜は１ＧＰａの圧縮応力であることが分かっている。このようなＳｉＮ膜とＳｉＯ２膜とをそれぞれ８層、計１６層の積層構造を形成して応力制御層１２とした。
本実施例１では、反射層１３としてさらにその上に、低屈折率層としてＳｉＯ２膜１３ａ、高屈折率層としてＴｉＯ２膜１３ｂをＲＦマグネトロンスパッタリング法により形成した。形成条件を以下の表２に示す。
【００４６】
【表２】
【００４７】
上記の条件で作成したＳｉＯ２膜とＴｉＯ２膜のそれぞれの屈折率は、事前の実験結果から得られており、ＳｉＯ２膜の屈折率は１.４５、ＴｉＯ２膜はアナタース型構造であって屈折率は２.５２であった。
このようにして応力制御層１２と反射層１３を形成後、公知のマイクロマシン技術を用いて、ガルバノミラー型マイクロミラー装置を完成させた。反射率は、７８０ｎｍのレーザー光に対して９８.５％を示し、周波数２ｋＨｚで駆動させた場合の撓みによる変形量も、殆ど無視できる量に抑えることができた。
このようにして得られたマイクロミラー装置について、４５０℃、８５％の環境試験を行なったところ、反射率の低下はわずかに１％であり、非常に耐熱性に優れたマイクロミラー装置であることが確認できた。
【実施例２】
【００４８】
本実施例２について、図１を参照しながら説明する。この実施例２では、応力制御層１２として、ＤＣマグネトロンスパッタリング法によるタングステン膜を用いた。ＤＣマグネトロンスパッタリング法によるタングステン膜は、成膜時のガス圧によってその応力が変化することが知られており、ガス圧によって引張り応力から圧縮応力まで制御することができる。その成膜条件と得られたタングステン膜の特性を以下の表３に示す。
【００４９】
【表３】
【００５０】
このような条件で計８層のタングステン膜による応力制御層１２を形成した後に、上記実施例１と同様の条件で、低屈折率層１３ａとしてＳｉＯ２膜、高屈折率層１３ｂとしてＴｉＯ２膜をＲＦマグネトロンスパッタリング法により形成して、これを反射層１３とした。
【実施例３】
【００５１】
本実施例３について、図３を参照しながら説明する。この実施例３では、これまでの実施例１や実施例２とは異なり、反射層３３に高反射性金属を用いた例について説明する。応力制御層３２は上記実施例１に記載したものと同じであり、引張り応力を有するＳｉＮ膜（引張り応力層３２ａ）と圧縮応力を有するＳｉＯ２膜（圧縮応力層３２ｂ）の積層構造を採用した。この上にさらに高反射性金属を用いて反射層３３を形成した。
この反射層３３は、波長７８０ｎｍのレーザー光源に対する反射層として機能することを想定して、表層のミラー層３３ｃには金を採用した。しかし、上記引張り応力を有するＳｉＮ膜と圧縮応力を有するＳｉＯ２膜の積層構造に対して、直接に金膜を形成すると密着性に問題があるため、密着層３３ａとしてチタン膜を用いた。また、チタン膜と金膜の相互拡散を防止するために、ブロッキング層３３ｂとして白金膜を用いた。これらの金属層は、全て電子ビーム蒸着法により形成し、それぞれの膜厚はチタン膜が５０ｎｍ、白金膜が５０ｎｍ、金膜が１００ｎｍとした。これらの膜厚は、電子ビーム蒸着装置に付属の水晶発振式膜厚モニターの信号をもとに制御することができる。
【実施例４】
【００５２】
本実施例４について、図４を参照しながら説明する。この実施例４は、上記実施例３で説明したチタン／白金／金の金属３層からなる反射層４３を有する構成において、さらにその表面に表面保護層４４を設けたものである。上記実施例３において記述した方法により上記金属３層からなる反射層４３を形成した後に、ＳｉＯ２膜から成る表面保護層４４を設けるが、ＳｉＯ２膜はＳｉＯ２ターゲットを用いたＲＦマグネトロンスパッタリング法により形成する。詳細な条件は以下の表４に示すとおりである。
【００５３】
【表４】
【００５４】
上記表面保護層４４となるＳｉＯ２膜は、対象とするレーザー光源の波長７８０ｎｍに対して光学的に影響を与えることの無いように、膜厚を１００ｎｍとした。このＳｉＯ２膜は、上記金属３層から成る反射層４３の最表層の金に比べて硬度がはるかに高いので、表面保護層４４として十分に機能する。
【実施例５】
【００５５】
本実施例５について、図５を参照しながら説明する。この実施例５は、これまでに説明したような応力制御層と反射層が膜厚方向で積層した構造ではなく、ミラー母材５１の同一平面上に応力制御層５４と反射層５５が分離して形成された構造を有するものである。ミラー母材５１のほぼ中央部に反射層５５を形成し、それを取り囲むように額縁状の応力制御層５４を設けた例である。上記反射層５５は、上記実施例４と同様に、チタン／白金／金の金属３層からなる反射層５５の上にさらにＳｉＯ２膜から成る表面保護層を設けた構造であり、応力制御層５４は、上記実施例１で説明したものと同様に、引張り応力を有するＳｉＮ膜と圧縮応力を有するＳｉＯ２膜の積層構造を採用した。この応力制御層５４の形成方法も上記実施例１と同じ条件とした。
このような構造とすることによって、ミラー母材５１が往復振動する際の慣性モーメントによる撓みを効果的に抑制することができ、ミラーからの反射光の品質を高い状態のままで維持することができる。
【００５６】
上記の各実施例では、いずれも応力制御層と反射層をミラー側に形成した構造について説明したが、必ずしも応力制御層をミラー側に形成する必要はなく、構造上、又は製作工程上の観点から、応力制御層をミラーの裏側に設けても本発明の作用・効果は得られるものである。
【符号の説明】
【００５７】
１１，２１，３１，４１…ミラー母材
１２，２２，３２，４２…応力制御層
１２ａ，２２ａ，３２ａ，４２ａ…引張り応力を有する層（引張り応力層）
１２ｂ，２２ｂ，３２ｂ，４２ｂ…圧縮応力を有する層（圧縮応力層）
１３，２３，３３，４３…反射層
１３ａ…低屈折率層
１３ｂ…高屈折率層
３３ａ，４３ａ…密着層
３３ｂ，４３ｂ…ブロッキング層
３３ｃ，４３ｃ…ミラー層
４４…表面保護層
５１…ミラー母材
５２…トーションバー
５３…フレーム
５４…応力制御層
５５…反射層
【先行技術文献】
【特許文献】
【００５８】
【特許文献１】特開２００３−２２４１４号公報
【特許文献２】特開２００７−２４１０１８号公報
【特許文献３】特開２００７−２４８７３１号公報
【特許文献４】特開２００７−２８３４４２号公報
【特許文献５】特開２００５−３０８８６３号公報
【技術分野】
【０００１】
本発明は、光スキャナーや二次元走査ミラーなどのマイクロミラー装置に関し、特に、ミラー部の高剛性化と軽量化を同時に実現するマイクロミラー装置に関するものである。このマイクロミラー装置は、画像形成装置や投影型ディスプレイ装置における光を走査する機構に応用することが可能である。
【背景技術】
【０００２】
光応用分野において、光ビームを走査する手段としてこれまでに多くの方式や技術が提案され、実現されてきた。代表的な例として、電子写真方式による画像形成装置が挙げられる。これまでにこの分野では、ポリゴンミラーと呼ばれる多面体の反射面を有するミラーを高速で回転させて、光を走査する方式が一般的に用いられてきた。しかし、ポリゴンミラー方式は、多面体ミラーと、それを高速で回転させるモーターが必須の構成要件であり、光走査システムの小型化と省エネルギーの面から改善が望まれている。
【０００３】
近年、ポリゴンミラー方式に変わる光走査システムとして、マイクロマシニング技術を用いたマイクロミラー装置の開発が盛んになってきている。この技術は主にＳｉを母材とし、半導体製造技術を利用した微細加工技術により製造するもので、従来のポリゴンミラーに比較して小型化がはるかに容易で、省エネルギー駆動が可能であるという特徴を有している。
しかしながら、このマイクロミラーにおいても以下のような問題がある。即ち、光を走査するために往復振動するミラーの剛性が低い場合、振動による慣性力によりミラーに撓むなどの変形が生じる。このような変形が生じると、反射された光ビームの光学特性に大きく影響を与えるので、ミラーの変形を極力低減させる必要があることは言うまでもない。
【０００４】
このような慣性力による動的な変形を低減させる方法として、ミラーとなる部分の厚さを厚くしてミラー部の剛性を向上させるという方法がある。しかしながら、このような手法では、ミラー部の慣性モーメントが増加することになりミラーの振れ角が小さくなるか、又は同じ振れ角を達成しようとした場合には、駆動エネルギーの増加が必要不可欠となるという問題がある。
回動ミラーを有するマイクロミラー装置を含めた光スキャナーにおいて、応力を制御して回動するミラーの動的な変形や反りを低減させること、及びミラー部の反射層に誘電体多層膜の積層体を用いることは、以下に説明するとおり公知の技術事項である。
【０００５】
特開２００３−２２４１４号公報（「バーコードリーダ」、特許文献１）には、バーコードリーダの可動ミラーについて、ガラス基板上に高屈折材料と低屈折材料を光学的な厚さでそれぞれ光線の波長λの１／４ずつ交互に重ねた誘電体多層膜により構成されることが記載されている。しかし、この従来の可動ミラーにおいては、反射層として積層構造を利用するために高屈折材料と低屈折材料を交互に重ねた構造を有しているが、応力の制御に関することや応力に起因するミラー部の反りに関しては、全く言及されていない。
【０００６】
特開２００７−２４１０１８号公報（「全反射ミラー」、特許文献２）には、全反射ミラーについて、透明基板の主表面にミラー膜を形成し、その裏面に透明基板と同等の屈折率を有する矯正膜を形成して、その応力により反りを矯正するものが記載されている。これは、透明基板の主表面に形成したミラー膜の応力を丁度打ち消すような矯正膜を形成するものである。この従来の全反射ミラーによれば、確かに、応力の補償を行なうことにより静的な状態での反りを矯正し、低減することができるが、しかし、それは単に応力のバランスを取って反りを矯正しているのみであって、ミラー部の剛性を高めているわけではなく、ミラー部が往復振動する動的な状態での反りや変形の防止に関しては、全く言及されていない。
【０００７】
特開２００７−２４８７３１号公報（「マイクロミラー並びにそれを用いた光部品および光スイッチ」、特許文献３）には、マイクロミラーについて、基板に対して回転可能な梁で連結された可動ミラーにおいて、反射面は可動ミラーの基体に形成された膜で構成され、可動ミラーの基体は反射面よりも薄肉部を有するものが記載されている。このような構造によれば、確かに、ある程度の軽量化が図られるものの、剛性の向上については全く期待できないものである。
さらに言えば、ミラー部の軽量化のためには薄肉部を多く設けた方が効果は大きい。逆に、ミラー部の剛性維持のためには薄肉部はできるだけ少ない方が都合はよい。このように、軽量化と剛性の向上とは全く相反するものであるのに対して、「薄肉部を設ける」という一方向からのアプローチであるために、最適解を得ることは非常に難しく、実際にはある程度の改善しか得られないものである。
【０００８】
特開２００７−２８３４４２号公報（「プレーナー型アクチュエータ」、特許文献４）には、薄板状の可動板を有するプレーナー型アクチュエータについて、可動板の上面に圧縮応力を発生する応力膜を形成したり、その応力膜の上にさらに圧縮応力を発生する応力膜を重ねたり、可動板の下面に引張応力を発生する応力膜を形成したりして、可動板の反りを補正することが記載されている。このプレーナー型アクチュエータは、反りを正確に補正しようとすればするほど重量が増加して、ミラーの振れ角が小さくなるか、同じ振れ角を達成しようとした場合には、駆動エネルギーの増加が避けられないという問題がある。
【０００９】
特開２００５−３０８８６３号公報（「偏向ミラー、光走査装置及び画像形成装置」、特許文献５）には、ミラー基板の一端を支持したねじり梁をねじり回転軸として、該ミラー基板を往復振動させるタイプの偏向ミラーが記載されている。この偏向ミラーでは、ねじり梁の非支持端が一対の連結部材を介しミラー基板と連結されており、ミラー基板をねじり梁と直接結合して振動させた場合の動的撓み量のピーク位置より、回転中心軸から遠い位置においてミラー基板と連結部材が結合されている。このような連結部材の介在によりミラー基板の動的撓み変形が抑制され、動的歪み量の小さい領域が拡大し、かつ、その領域内の動的撓み量も減少させることができるものである。
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【００１０】
そこで、本発明の課題は、回動するミラーを有するマイクロミラー装置において、上記従来のマイクロミラー装置の問題点を解決するために、ミラー部の慣性モーメントに大きく影響を与える重量の増加を最低限に抑えつつ、ミラー部の剛性を向上させて往復振動時の反りや変形を極力低減させることができるように、ミラー部の構成について工夫することである。
【課題を解決するための手段】
【００１１】
以下に、上記課題を解決するために講じた手段を作用とともに説明する。
(１) 本発明に係るマイクロミラー装置（請求項１に対応）は、トーションバーを介してミラー部がフレームに対して回動可能に連結されたマイクロミラー装置を前提として、上記ミラー部は、引張り応力を有する層と圧縮応力を有する層とを交互に積層した応力制御層を含んで成ることである。
【００１２】
このように構成することによって、回動するミラー部は応力制御層を有している構造であり、この応力制御層は引張り応力を有する層と圧縮応力を有する層とを交互に積層した多層構造であり、各層はナノメートルオーダーの膜厚で積層するものであるので、ミラー部の慣性モーメントに大きく影響を与える質量の増加を最低限に抑えつつ、剛性を高めることができる。これにより、ミラーの平坦性の確保やミラー回動時に生じる反りや変形を効果的に抑えることができる。
また、応力制御層として積層する層数や材料によって、応力制御による効果を他の要因に左右されず独立して設計し、制御することができる。
【００１３】
(２) また、上記(１)のマイクロミラー装置において、応力制御層の上に積層した状態で反射層を形成してミラー部を構成することができる。（請求項２に対応）
このような構成によって、反射層が応力制御層の上に積層した状態で形成されてミラー部を構成しているため、ミラーの面積を必要最低限に抑えることが可能であり、ミラーを小型化し軽量化することができる。
【００１４】
(３) また、上記(１)のマイクロミラー装置において、応力制御層と反射層が同一平面に設けられており、互いに分離した状態で形成されてミラー部を構成することができる。（請求項３に対応）
このような構成によって、応力制御層と反射層が同一平面に設けられており、互いに分離した状態で形成されてミラー部を構成しているため、応力制御層と反射層の形状を独立して設計することができ、レイアウト上の自由度が大きくなる。
【００１５】
(４) また、上記(１)〜(３)のいずれかのマイクロミラー装置において、応力制御層と反射層を構成する各層が、全て無機材料であってもよい。（請求項４に対応）
このような構成によって、応力制御層と反射層を構成する各層が全て無機材料であるため、耐熱性、耐プラズマ性、及び耐環境性に優れている。
【００１６】
(５) 本発明に係るマイクロミラー装置（請求項５に対応）は、トーションバーを介してミラー部がフレームに対して回動可能に連結されたマイクロミラー装置を前提として、
上記ミラー部が応力制御層と反射層を有しており、該応力制御層は引張り応力を有する層と圧縮応力を有する層とを交互に積層した多層構造であって、該反射層は高反射性金属膜により形成されることである。
【００１７】
このように構成することによって、ガルバノミラー構造のマイクロミラー装置において、回動するミラー部が応力制御層と反射層を有しており、該応力制御層は引張り応力を有する層と圧縮応力を有する層とを交互に積層した多層構造であるため、ミラー部の質量の増加を最低限に抑えつつ剛性を高めることができ、ミラー回動時に生じる反りや変形を効果的に抑えることができる。また、上記反射層は高反射性金属膜により形成されているため、広範囲の波長に対して高い反射率を得ることができる。
また、応力制御層として積層する層数や材料によって、応力制御による効果を他の要因に左右されず独立して設計し、制御することができる。
【００１８】
(６) また、上記(５)のマイクロミラー装置において、反射層は少なくとも３層からなり、密着層、ブロッキング層、及び高反射性金属膜を有することができる。（請求項６に対応）
このような構成によって、反射層は少なくとも３層から成り、ミラー母材に近い方から密着層、ブロッキング層、高反射性金属膜を有する構造であるため、反射層全体の密着性や熱的安定性に優れている。
【００１９】
(７) また、上記(５)又は(６)のマイクロミラー装置において、反射層の表面に表面保護層が形成されてもよい。（請求項７に対応）
このような構成によって、反射層の表面に表面保護層が形成されているため、反射層の機械的強度が向上し、耐磨耗性に優れている。
【００２０】
(８) また、上記(７)のマイクロミラー装置において、表面保護層がシリコン酸化膜であってもよい。
このような構成によって、表面保護層がシリコン酸化膜であり、光学的に透明な材料であるため、反射特性に全く悪影響を及ぼすことなく、安定性に優れている。
【００２１】
(９) 本発明に係るマイクロミラー装置（請求項９に対応）は、トーションバーを介してミラー部がフレームに対して回動可能に連結されたマイクロミラー装置を前提として、
上記ミラー部が応力制御層と反射層を有しており、該応力制御層は引張り応力を有する層と圧縮応力を有する層とを交互に積層した多層構造であって、該反射層は屈折率の高い層と屈折率の低い層を交互に積層して形成されることである。
【００２２】
このように構成することによって、ガルバノミラー構造のマイクロミラー装置において、回動するミラー部が応力制御層と反射層を有しており、該応力制御層は引張り応力を有する層と圧縮応力を有する層とを交互に積層した多層構造であるため、ミラー部の質量の増加を最低限に抑えつつ剛性を高めることができ、ミラー回動時に生じる反りや変形を効果的に抑えることができる。また、反射層は屈折率の高い層と屈折率の低い層を交互に積層して形成しているため、高効率の反射層として機能することができる。さらに、この反射層に誘電体多層膜を用いることにより、高温高湿の劣悪な環境においても高い反射率を維持することができる。
また、応力制御層として積層する層数や材料によって、応力制御による効果を他の要因に左右されず独立して設計し、制御することができる。
【００２３】
(１０) また、上記(５)〜(９)のいずれかのマイクロミラー装置において、応力制御層の上に積層した状態で反射層を形成してミラー部を構成することができる。（請求項１０に対応）
このような構成によって、反射層が応力制御層の上に積層して形成されミラー部を構成しているため、ミラーの面積を必要最低限に抑えることが可能であり、ミラーの小型化や軽量化を図ることができる。
【００２４】
(１１) また、上記(５)〜(９)のいずれかのマイクロミラー装置において、応力制御層と反射層が同一平面に設けられており、互いに分離した状態で形成されてミラー部を構成することができる。（請求項１１に対応）
このような構成によって、応力制御層と反射層が同一平面に設けられており、互いに分離した状態で形成されてミラー部を構成しているため、応力制御層と反射層の形状を独立して設計することができ、レイアウト上の自由度が大きくなる。
【発明の効果】
【００２５】
本発明の効果を請求項にしたがって整理すると次のとおりである。
(１) 請求項１に係る発明
回動するミラー部は応力制御層を有している構造であり、応力制御層は引張り応力を有する層と圧縮応力を有する層を交互に積層した多層構造であるため、質量の増加を最低限に抑えつつ剛性を高めることができるので、ミラーの平坦性の確保やミラー回動時に生じる反りや変形を効果的に抑えることができる。
(２) 請求項２に係る発明
反射層が応力制御層の上に積層した状態で形成されてミラー部を構成しているため、ミラーの面積を必要最低限に抑えることが可能であり、ミラーの小型化や軽量化を図ることができる。
【００２６】
(３) 請求項３に係る発明
応力制御層と反射層が同一平面に設けられており、互いに分離した状態で形成されてミラー部を構成しているため、応力制御層と反射層の形状を独立して設計することができ、レイアウト上の自由度が大きくなる。
(４) 請求項４に係る発明
応力制御層と反射層を構成する各層が全て無機材料であるため、耐熱性、耐プラズマ性、及び耐環境性に優れたマイクロミラー装置を実現することができる。
【００２７】
(５) 請求項５に係る発明
ガルバノミラー構造のマイクロミラー装置において、回動するミラー部が応力制御層と反射層を有しており、該応力制御層は引張り応力を有する層と圧縮応力を有する層とを交互に積層した多層構造であるため、ミラー部の質量の増加を最低限に抑えつつ剛性を高めることができ、ミラー回動時に生じる反りや変形を効果的に抑えることができる。また、上記反射層は高反射性金属膜により形成されているため、広範囲の波長に対して高い反射率が得られるマイクロミラー装置を実現することができる。
(６) 請求項６に係る発明
反射層は少なくとも３層から成り、ミラー母材に近い方から密着層、ブロッキング層、高反射性金属膜を有する構造であるため、反射層全体の密着性や熱的安定性に優れたマイクロミラー装置を実現することができる。
【００２８】
(７) 請求項７に係る発明
反射層の表面に表面保護層が形成されているために、反射層の機械的強度の向上が図られ、耐磨耗性に優れたマイクロミラー装置を実現することができる。
(８) 請求項８に係る発明
表面保護層がシリコン酸化膜であり、光学的に透明な材料であるため、反射特性に全く悪影響を及ぼすことなく、安定性に優れたマイクロミラー装置を実現することができる。
【００２９】
(９) 請求項９に係る発明
ガルバノミラー構造のマイクロミラー装置において、回動するミラー部が応力制御層と反射層を有しており、該応力制御層は引張り応力を有する層と圧縮応力を有する層とを交互に積層した多層構造であるため、ミラー部の質量の増加を最低限に抑えつつ剛性を高めることができ、ミラー回動時に生じる反りや変形を効果的に抑えることができる。また、反射層は屈折率の高い層と屈折率の低い層とを交互に積層して形成しているため、高効率の反射層として機能することが可能である。
【００３０】
(１０) 請求項１０に係る発明
反射層が応力制御層の上に積層した状態で形成されてミラー部を構成しているため、ミラーの面積を必要最低限に抑えることが可能であり、ミラーの小型化や軽量化を図ることができる。
(１１) 請求項１１に係る発明
応力制御層と反射層が同一平面に設けられており、互いに分離した状態で形成されてミラー部を構成しているため、応力制御層と反射層の形状を独立して設計することができ、レイアウト上の自由度が大きくなる。
【図面の簡単な説明】
【００３１】
【図１】は、本発明のマイクロミラー装置におけるミラー部の模式的な断面図であり、反射層が低屈折率層と高屈折率層を交互に積層して形成されたものを示す。
【図２】は、同じく、本発明のマイクロミラー装置におけるミラー部の模式的な断面図であり、反射層が高反射性金属で形成されたものを示す。
【図３】は、同じく、本発明のマイクロミラー装置におけるミラー部の模式的な断面図であり、反射層が高反射性金属から成るミラー層と、ブロッキング層と、密着層により形成されたものを示す。
【図４】は、同じく、本発明のマイクロミラー装置におけるミラー部の模式的な断面図であり、反射層に表面保護層を形成したものを示す。
【図５】は、同じく、本発明のマイクロミラー装置におけるミラー部の模式的な斜視図であり、ミラー母材の同一平面上に応力制御層と反射層が分離して形成されたものを示す。
【発明を実施するための形態】
【００３２】
本発明のマイクロミラー装置におけるミラー部の基本的な構成について、図１を参照しながら説明する。図１はミラー部の模式的な断面図である。
図１に示されるように、本発明によるミラー部は、ミラー母材１１上に応力制御層１２が形成されており、その上に反射層１３が形成されている。この応力制御層１２は、引張り応力を有する層（引張り応力層）１２ａと圧縮応力を有する層（圧縮応力層）１２ｂが交互に積層されて形成されており、その膜厚はナノメートルのオーダーで制御されている。また、上記反射層１３は、低屈折率層１３ａと高屈折率層１３ｂが交互に積層されて形成されている。
このように本発明によるミラー部では、応力制御層１２と反射層１３から構成されるため、それぞれの層が所望の特性を発揮することができるように、独立して設計し得る点が大きな特徴である。
【００３３】
（応力制御層）
先ず、応力制御層１２の構成について説明する。上述のように、応力制御層１２は、引張り応力を有する層１２ａと圧縮応力を有する層１２ｂが交互に積層されて形成されているものであって、各層の膜厚はナノメートルオーダーで制御されているものである。このような積層構造は、半導体製造技術の分野で一般的に用いられる薄膜形成方法を利用することで容易に実現することができる。一般に、このような薄膜形成法で成膜できる材料は、引張り応力を有する膜と圧縮応力を有する膜のいずれであっても形成が可能であるばかりでなく、これらの薄膜形成法は、その成膜条件により、同じ材料の薄膜であっても、圧縮応力を有する膜から引張り応力を有する膜まで比較的制御性よくコントロールすることができるという特徴を有している。また、スパッタリング法や電子ビーム蒸着法などの真空プロセスを利用した薄膜形成法では、成膜速度を把握することにより、ナノメートルオーダーであっても所望の膜厚を実現することが容易に行なえるものである。
【００３４】
上記応力制御層１２に用いることのできる材料は、利用する成膜手法や必要とする応力の観点から適宜選択することが可能であるが、例えば、シリコン酸化膜やアルミナなどの酸化膜、及びシリコン窒化膜や窒化チタン膜等の窒化膜等が、その応力制御の容易さや膜の安定性から好適である。さらに、銅やタングステンといった金属膜も、形成条件によってその応力が制御可能であるので用いることができる。
【００３５】
次に、このような引張り応力を有する層（引張り応力層）１２ａと圧縮応力を有する層（圧縮応力層）１２ｂが交互に積層された構造において、剛性が向上する現象について説明する。引張り応力を有する層１２ａと圧縮応力を有する層１２ｂが交互に積層された構造は、異方性を持った応力分布を有することになる。その結果、例えば、本来強度の低い層に圧縮応力が作用する場合は、層の強度は圧縮応力分だけ本来の強度よりも向上し、高強度化が実現できる。一方、引張り応力と圧縮応力が隣接する層の界面付近では、発生しようとするクラックと残留応力の相互作用により、クラック進展方向が偏向あるいは阻害されて、結果的に高靭化される。このように積層構造を利用して、高強度化と高靭化を実現することにより、これまでにさまざまな複合セラミックス材料が研究・開発されてきた。本発明は、この高強度化と高靭化を実現する積層構造を、膜厚がナノメートルオーダーで制御されるという技術的特徴を有しているために、全体の膜厚をむやみに厚くすることなく、ミラー母材の剛性向上を実現するというものである。さらに、積層する層数の増加と、効果を生み出す界面の数の増加は、容易に実現できるものであるため、制御性が良く、確実に効果を実現し得る構造を得ることができる。
【００３６】
このようにして形成した応力制御層１２の上に、さらにミラーとして機能する反射層１３を形成して、ミラー部全体の構成が完成する。この部分が、本発明の最も大きな特徴である。このように応力制御層１２と反射層１３を膜厚方向で積層する構成では、ミラー部の大きさを必要最低限に抑えることができ、ミラー部の小型化や軽量化が容易に達成できる。しかし、本発明はこのような積層構造に限定されるものではなく、当然、他の構成を採用することも可能である。それについては後述する。
【００３７】
（反射層）
次に、反射層１３について説明する。図１に示されるように、反射層１３は、低屈折率層１３ａと高屈折率層１３ｂが交互に積層されて形成されている。このような反射層１３は一般的によく知られているものであり、屈折率の低い材料と屈折率の高い材料とを対象として、波長の１／４の厚さで交互に積層することにより、光の干渉効果に基づいて、各層の境界面からの反射光が相加的に重なって非常に効率の高い反射層として機能するものである。狙いの波長がどれぐらいで、どの程度の反射率を必要とするのかという要求に対して、屈折率の低い材料と屈折率の高い材料の屈折率をそれぞれどの程度にすればよいのか、また、各層の膜厚はどの程度が必要なのかという点に関しては、一般的なパーソナルコンピューターで使用できる設計ソフトが広く知られている。一般的に、このような屈折率の低い材料と屈折率の高い材料としては誘電体が用いられる場合が多く、そのため誘電体多層膜と呼ばれることが多い。また、その形成方法は、スパッタリング法や電子ビームアシスト真空蒸着法のように、半導体製造プロセスで一般的に用いられる制御性に優れた技術を用いて形成することが可能である。一般的に、このように誘電体材料を用いる反射層は、金属膜に比較して、温度や雰囲気に対する耐久性が優れており、また、機械的強度も高いために耐磨耗性にも優れている。従って、ミラーの使用される温度や環境等に応じて適宜選択されるべきものである。
【００３８】
次に、反射層が高反射性金属の場合のミラー部の構成について、図２を参照しながら説明する。図２はミラー部の模式的な断面図である。
本発明によるミラー部は、図２に示されるように、ミラー母材２１上に応力制御層２２が形成されており、その上に反射層２３が形成されている。上記応力制御層２２は、図１で示した構成と同様に、引張り応力を有する層（引張り応力層）２２ａと圧縮応力を有する層（圧縮応力層）２２ｂが交互に積層されて形成されているものであり、その膜厚はナノメートルのオーダーで制御されている。反射層２３は高反射性金属で形成されている。ここで用いられる高反射性金属は、可視域全般の波長であればアルミニウムが好適であり、可視域の長波長領域から近赤外の領域であればＡｕが好適である。この他にもＡｇやＰｔなど、目的や使用環境に応じて適宜選択することができる。
【００３９】
また、これらの高反射性金属を反射層として用いる場合は、金属材料を単層の構成として用いてもよいが、図３に模式的に示すように、下地基板との密着性を向上させるための密着層３３ａ、さらには、反射材料と密着層３３ａの相互拡散や反応を防止するためのブロッキング層３３ｂを適宜選択し設けてもよい。密着層３３ａとして用いられる材料は、下地材料との組合せで適宜選択すべきものであるが、一般的にＴｉやＣｒなどの金属材料、又はＴｉＮやＡｌＮ等の金属窒化物が好適である。また、ブロッキング層３３ｂは、密着層３３ａと高反射性金属から成るミラー層３３ｃの相互拡散や合金化を防止するためのものであり、それらの機能が期待できるＰｔやＷが好適である。
【００４０】
また、先に述べたように、高反射性金属材料は、一般的に誘電体材料に比べて機械的強度が劣るために、図４に模式的に示すように、必要に応じて最表層に表面保護層４４を形成して、表面強度の向上を狙う構成を取ることもできる。このとき、表面保護層４４は、ミラーに対して光学的に悪影響を及ぼすことの無いように選択されることが望ましく、それには透明材料が適しており、特に、その光学特性、機械的特性、及び安定性などの面からシリコン酸化膜が最適である。
【００４１】
このように応力制御層と反射層を有している点が本発明の大きな特徴であるが、この二つの層構造の構成は、これまでに説明したような膜厚方向での積層構造に限定される必要はない。その構成例について図５を参照しながら説明する。図５はミラー部を模式的に示す斜視図である。
本発明によるミラー部は、図５に示されるように、応力制御層５４と反射層５５が同一平面に互いに分離されて形成されている。具体的には、ミラー母材５１の外周に沿って応力制御層５４が形成されており、その中の領域に反射層５５が形成されている。このように、応力制御層５４と反射層５５をそれぞれ独立した形状として形成する例では、最適な応力制御層５４の形状と、最適な反射層５５の形状を実現することができるので、設計の自由度が向上し応力制御層５４を複雑な形状とすることも可能である。複雑な形状とは、図５に示されたような単純な矩形ではなく、例えば、楕円形やジグザグ形状などにすることができる。なお、符号５２及び５３はそれぞれトーションバー及びフレームを示す。
【００４２】
図５に示されたものでは、回動するミラーを駆動する機構は省略しているが、本発明は駆動方式にとらわれることなく、効果を発揮できるものであるので、一般的な駆動方式である圧電素子駆動方式、静電駆動方式、又は電磁駆動方式のいずれの駆動方式であってもよい。
以下に、本発明の実施例１〜実施例５を用いて更に詳細に説明する。
【実施例１】
【００４３】
本実施例１について、図１を参照しながら説明する。この実施例１では、応力制御層１２として、引張り応力を有するＳｉＮ膜から成る引張り応力層１２ａと、圧縮応力を有するＳｉＯ２膜から成る圧縮応力層１２ｂの積層構造を形成し、その上に低屈折率層１３ａとしてＳｉＯ２膜、高屈折率層１３ｂとしてＴｉＯ２膜を用いて反射層１３を構成する例について説明する。
基板１１としてＳＯＩ（Silicon On Insulator）ウェハを用いた。このＳＯＩウェハは、絶縁層としてのシリコン酸化膜の厚さが1μｍ、それをはさむ形で反射層１３が形成される表面側のシリコン層が１００μｍ、裏面側のシリコン層が３００μｍ形成されたものである。このＳＯＩウェハに対して、一般的なマイクロマシン技術を用いてマイクロミラー装置を形成した。本発明の特徴である応力制御層１２と反射層１３の形成方法について、以下に説明する。プラズマＣＶＤ法により、以下の表１に示す条件でＳｉＮ膜とＳｉＯ２膜の積層構造を作成した。
【００４４】
【表１】
【００４５】
上記の条件で作成したＳｉＮ膜とＳｉＯ２膜のそれぞれの応力は、事前の実験結果から得られており、ＳｉＮ膜は９００ＭＰａの引張り応力、ＳｉＯ２膜は１ＧＰａの圧縮応力であることが分かっている。このようなＳｉＮ膜とＳｉＯ２膜とをそれぞれ８層、計１６層の積層構造を形成して応力制御層１２とした。
本実施例１では、反射層１３としてさらにその上に、低屈折率層としてＳｉＯ２膜１３ａ、高屈折率層としてＴｉＯ２膜１３ｂをＲＦマグネトロンスパッタリング法により形成した。形成条件を以下の表２に示す。
【００４６】
【表２】
【００４７】
上記の条件で作成したＳｉＯ２膜とＴｉＯ２膜のそれぞれの屈折率は、事前の実験結果から得られており、ＳｉＯ２膜の屈折率は１.４５、ＴｉＯ２膜はアナタース型構造であって屈折率は２.５２であった。
このようにして応力制御層１２と反射層１３を形成後、公知のマイクロマシン技術を用いて、ガルバノミラー型マイクロミラー装置を完成させた。反射率は、７８０ｎｍのレーザー光に対して９８.５％を示し、周波数２ｋＨｚで駆動させた場合の撓みによる変形量も、殆ど無視できる量に抑えることができた。
このようにして得られたマイクロミラー装置について、４５０℃、８５％の環境試験を行なったところ、反射率の低下はわずかに１％であり、非常に耐熱性に優れたマイクロミラー装置であることが確認できた。
【実施例２】
【００４８】
本実施例２について、図１を参照しながら説明する。この実施例２では、応力制御層１２として、ＤＣマグネトロンスパッタリング法によるタングステン膜を用いた。ＤＣマグネトロンスパッタリング法によるタングステン膜は、成膜時のガス圧によってその応力が変化することが知られており、ガス圧によって引張り応力から圧縮応力まで制御することができる。その成膜条件と得られたタングステン膜の特性を以下の表３に示す。
【００４９】
【表３】
【００５０】
このような条件で計８層のタングステン膜による応力制御層１２を形成した後に、上記実施例１と同様の条件で、低屈折率層１３ａとしてＳｉＯ２膜、高屈折率層１３ｂとしてＴｉＯ２膜をＲＦマグネトロンスパッタリング法により形成して、これを反射層１３とした。
【実施例３】
【００５１】
本実施例３について、図３を参照しながら説明する。この実施例３では、これまでの実施例１や実施例２とは異なり、反射層３３に高反射性金属を用いた例について説明する。応力制御層３２は上記実施例１に記載したものと同じであり、引張り応力を有するＳｉＮ膜（引張り応力層３２ａ）と圧縮応力を有するＳｉＯ２膜（圧縮応力層３２ｂ）の積層構造を採用した。この上にさらに高反射性金属を用いて反射層３３を形成した。
この反射層３３は、波長７８０ｎｍのレーザー光源に対する反射層として機能することを想定して、表層のミラー層３３ｃには金を採用した。しかし、上記引張り応力を有するＳｉＮ膜と圧縮応力を有するＳｉＯ２膜の積層構造に対して、直接に金膜を形成すると密着性に問題があるため、密着層３３ａとしてチタン膜を用いた。また、チタン膜と金膜の相互拡散を防止するために、ブロッキング層３３ｂとして白金膜を用いた。これらの金属層は、全て電子ビーム蒸着法により形成し、それぞれの膜厚はチタン膜が５０ｎｍ、白金膜が５０ｎｍ、金膜が１００ｎｍとした。これらの膜厚は、電子ビーム蒸着装置に付属の水晶発振式膜厚モニターの信号をもとに制御することができる。
【実施例４】
【００５２】
本実施例４について、図４を参照しながら説明する。この実施例４は、上記実施例３で説明したチタン／白金／金の金属３層からなる反射層４３を有する構成において、さらにその表面に表面保護層４４を設けたものである。上記実施例３において記述した方法により上記金属３層からなる反射層４３を形成した後に、ＳｉＯ２膜から成る表面保護層４４を設けるが、ＳｉＯ２膜はＳｉＯ２ターゲットを用いたＲＦマグネトロンスパッタリング法により形成する。詳細な条件は以下の表４に示すとおりである。
【００５３】
【表４】
【００５４】
上記表面保護層４４となるＳｉＯ２膜は、対象とするレーザー光源の波長７８０ｎｍに対して光学的に影響を与えることの無いように、膜厚を１００ｎｍとした。このＳｉＯ２膜は、上記金属３層から成る反射層４３の最表層の金に比べて硬度がはるかに高いので、表面保護層４４として十分に機能する。
【実施例５】
【００５５】
本実施例５について、図５を参照しながら説明する。この実施例５は、これまでに説明したような応力制御層と反射層が膜厚方向で積層した構造ではなく、ミラー母材５１の同一平面上に応力制御層５４と反射層５５が分離して形成された構造を有するものである。ミラー母材５１のほぼ中央部に反射層５５を形成し、それを取り囲むように額縁状の応力制御層５４を設けた例である。上記反射層５５は、上記実施例４と同様に、チタン／白金／金の金属３層からなる反射層５５の上にさらにＳｉＯ２膜から成る表面保護層を設けた構造であり、応力制御層５４は、上記実施例１で説明したものと同様に、引張り応力を有するＳｉＮ膜と圧縮応力を有するＳｉＯ２膜の積層構造を採用した。この応力制御層５４の形成方法も上記実施例１と同じ条件とした。
このような構造とすることによって、ミラー母材５１が往復振動する際の慣性モーメントによる撓みを効果的に抑制することができ、ミラーからの反射光の品質を高い状態のままで維持することができる。
【００５６】
上記の各実施例では、いずれも応力制御層と反射層をミラー側に形成した構造について説明したが、必ずしも応力制御層をミラー側に形成する必要はなく、構造上、又は製作工程上の観点から、応力制御層をミラーの裏側に設けても本発明の作用・効果は得られるものである。
【符号の説明】
【００５７】
１１，２１，３１，４１…ミラー母材
１２，２２，３２，４２…応力制御層
１２ａ，２２ａ，３２ａ，４２ａ…引張り応力を有する層（引張り応力層）
１２ｂ，２２ｂ，３２ｂ，４２ｂ…圧縮応力を有する層（圧縮応力層）
１３，２３，３３，４３…反射層
１３ａ…低屈折率層
１３ｂ…高屈折率層
３３ａ，４３ａ…密着層
３３ｂ，４３ｂ…ブロッキング層
３３ｃ，４３ｃ…ミラー層
４４…表面保護層
５１…ミラー母材
５２…トーションバー
５３…フレーム
５４…応力制御層
５５…反射層
【先行技術文献】
【特許文献】
【００５８】
【特許文献１】特開２００３−２２４１４号公報
【特許文献２】特開２００７−２４１０１８号公報
【特許文献３】特開２００７−２４８７３１号公報
【特許文献４】特開２００７−２８３４４２号公報
【特許文献５】特開２００５−３０８８６３号公報
【特許請求の範囲】
【請求項１】
トーションバーを介してミラー部がフレームに対して回動可能に連結されたマイクロミラー装置において、
上記ミラー部は、引張り応力を有する層と圧縮応力を有する層とを交互に積層した応力制御層を含んで成ることを特徴とするマイクロミラー装置。
【請求項２】
上記応力制御層の上に積層した状態で反射層を形成してミラー部を構成する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。
【請求項３】
上記応力制御層と反射層が同一平面に設けられており、互いに分離した状態で形成されてミラー部を構成する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。
【請求項４】
上記応力制御層と反射層を構成する各層が、全て無機材料であることを特徴とする請求項１〜請求項３のいずれかに記載のマイクロミラー装置。
【請求項５】
トーションバーを介してミラー部がフレームに対して回動可能に連結されたマイクロミラー装置において、
上記ミラー部が応力制御層と反射層を有しており、該応力制御層は引張り応力を有する層と圧縮応力を有する層とを交互に積層した多層構造であって、該反射層は高反射性金属膜により形成されることを特徴とするマイクロミラー装置。
【請求項６】
上記反射層は少なくとも３層からなり、密着層、ブロッキング層、及び高反射性金属膜を有することを特徴とする請求項５に記載のマイクロミラー装置。
【請求項７】
上記反射層の表面に表面保護層が形成されていることを特徴とする請求項５又は請求項６に記載のマイクロミラー装置。
【請求項８】
上記表面保護層がシリコン酸化膜であることを特徴とする請求項７に記載のマイクロミラー装置。
【請求項９】
トーションバーを介してミラー部がフレームに対して回動可能に連結されたマイクロミラー装置において、
上記ミラー部が応力制御層と反射層を有しており、該応力制御層は引張り応力を有する層と圧縮応力を有する層とを交互に積層した多層構造であって、該反射層は屈折率の高い層と屈折率の低い層とを交互に積層して形成されることを特徴とするマイクロミラー装置。
【請求項１０】
上記応力制御層の上に積層した状態で反射層を形成してミラー部を構成することを特徴とする請求項５〜請求項９のいずれかに記載のマイクロミラー装置。
【請求項１１】
上記応力制御層と反射層が同一平面に設けられており、互いに分離した状態で形成されてミラー部を構成することを特徴とする請求項５〜請求項９のいずれかに記載のマイクロミラー装置。
【請求項１】
トーションバーを介してミラー部がフレームに対して回動可能に連結されたマイクロミラー装置において、
上記ミラー部は、引張り応力を有する層と圧縮応力を有する層とを交互に積層した応力制御層を含んで成ることを特徴とするマイクロミラー装置。
【請求項２】
上記応力制御層の上に積層した状態で反射層を形成してミラー部を構成する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。
【請求項３】
上記応力制御層と反射層が同一平面に設けられており、互いに分離した状態で形成されてミラー部を構成する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。
【請求項４】
上記応力制御層と反射層を構成する各層が、全て無機材料であることを特徴とする請求項１〜請求項３のいずれかに記載のマイクロミラー装置。
【請求項５】
トーションバーを介してミラー部がフレームに対して回動可能に連結されたマイクロミラー装置において、
上記ミラー部が応力制御層と反射層を有しており、該応力制御層は引張り応力を有する層と圧縮応力を有する層とを交互に積層した多層構造であって、該反射層は高反射性金属膜により形成されることを特徴とするマイクロミラー装置。
【請求項６】
上記反射層は少なくとも３層からなり、密着層、ブロッキング層、及び高反射性金属膜を有することを特徴とする請求項５に記載のマイクロミラー装置。
【請求項７】
上記反射層の表面に表面保護層が形成されていることを特徴とする請求項５又は請求項６に記載のマイクロミラー装置。
【請求項８】
上記表面保護層がシリコン酸化膜であることを特徴とする請求項７に記載のマイクロミラー装置。
【請求項９】
トーションバーを介してミラー部がフレームに対して回動可能に連結されたマイクロミラー装置において、
上記ミラー部が応力制御層と反射層を有しており、該応力制御層は引張り応力を有する層と圧縮応力を有する層とを交互に積層した多層構造であって、該反射層は屈折率の高い層と屈折率の低い層とを交互に積層して形成されることを特徴とするマイクロミラー装置。
【請求項１０】
上記応力制御層の上に積層した状態で反射層を形成してミラー部を構成することを特徴とする請求項５〜請求項９のいずれかに記載のマイクロミラー装置。
【請求項１１】
上記応力制御層と反射層が同一平面に設けられており、互いに分離した状態で形成されてミラー部を構成することを特徴とする請求項５〜請求項９のいずれかに記載のマイクロミラー装置。
【図１】
【図２】
【図３】
【図４】
【図５】
【図２】
【図３】
【図４】
【図５】
【公開番号】特開２０１０−２１０７８２（Ｐ２０１０−２１０７８２Ａ）
【公開日】平成２２年９月２４日（２０１０．９．２４）
【国際特許分類】
【出願番号】特願２００９−５５０３１（Ｐ２００９−５５０３１）
【出願日】平成２１年３月９日（２００９．３．９）
【出願人】（０００００６７４７）株式会社リコー (37,907)
【Ｆターム（参考）】
【公開日】平成２２年９月２４日（２０１０．９．２４）
【国際特許分類】
【出願日】平成２１年３月９日（２００９．３．９）
【出願人】（０００００６７４７）株式会社リコー (37,907)
【Ｆターム（参考）】
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