ＭＥＭＳ光スキャナ
【課題】光学振れ角を大きくすることが可能で且つ不要な光が出射されるのを防止することが可能なＭＥＭＳ光スキャナを提供する。
【解決手段】ＳＯＩ基板（半導体基板）１００を用いて形成され、外側フレーム部１０、ミラー面２１が設けられた可動部２０、一対の捩りばね部３０，３０を有する可動部形成基板１と、第１のガラス基板２００を用いて形成され可動部形成基板１の一表面側に接合された第１のカバー基板２とを備える。可動部形成基板１の可動部２０のミラー面２１側に回折格子５が形成されており、第１のカバー基板２が、入射光および、回折格子５の法線に対して入射光とは反対側にある負の次数の回折光のうち規定次数の回折光以外を遮光するカバー基板を構成している。
【解決手段】ＳＯＩ基板（半導体基板）１００を用いて形成され、外側フレーム部１０、ミラー面２１が設けられた可動部２０、一対の捩りばね部３０，３０を有する可動部形成基板１と、第１のガラス基板２００を用いて形成され可動部形成基板１の一表面側に接合された第１のカバー基板２とを備える。可動部形成基板１の可動部２０のミラー面２１側に回折格子５が形成されており、第１のカバー基板２が、入射光および、回折格子５の法線に対して入射光とは反対側にある負の次数の回折光のうち規定次数の回折光以外を遮光するカバー基板を構成している。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、ＭＥＭＳ光スキャナに関するものである。
【背景技術】
【０００２】
近年、マイクロマシニング技術などを利用して形成されるＭＥＭＳ（micro electro mechanical systems）デバイスの一種として、マイクロマシニング技術などを利用して形成されて、光を反射する可動部と、可動部を駆動する駆動手段とを備え、可動部に入射する光を走査するＭＥＭＳ光スキャナが各所で研究開発されている（例えば、特許文献１，２参照）。なお、この種のＭＥＭＳ光スキャナは、例えば、レーザプロジェクタ、レーザビームプリンタ、バーコードリーダ、内視鏡、距離画像センサなどの種々の光学機器への応用が考えられている。
【０００３】
ここにおいて、上記特許文献１には、図１１に示すように、導電性を有する第１のシリコン層（活性層）１００ａ’と第２のシリコン層（シリコン基板）１００ｂ’との間に絶縁層（ＳｉＯ２層）１００ｃ’が介在する上述のＳＯＩ基板１００’を用いて形成され一表面側に金属膜（アルミニウム膜）からなる反射膜２１ａ’が設けられた可動部２０’を有する可動部形成基板１’と、可動部形成基板１’の他表面側に接合された支持基板４’とを備えたＭＥＭＳ光スキャナが提案されている。なお、上記特許文献１には、支持基板４’として、シリコン基板４００ａ’上にシリコン酸化膜４００ｂ’が形成されたものを用いることが記載されているが、ガラス基板を用いてもよいことも記載されている。
【０００４】
上述の可動部形成基板１’は、矩形枠状の外側フレーム部１０’と、外側フレーム部１０’の内側に配置され反射膜２１ａ’が設けられた矩形板状の可動部２０’と、外側フレーム部１０’の内側で可動部２０’を挟む形で配置され外側フレーム部１０’と可動部２０’とを連結し捩れ変形が可能な一対の捩りばね部３０’，３０’とを備えている。また、可動部形成基板１’は、可動部２０’において一対の捩りばね部３０’，３０’を結ぶ方向に直交する方向の両側に形成された櫛形状の可動電極２２’，２２’と、外側フレーム部１０’に形成され可動電極２２’の複数の可動櫛歯片２２ｂ’に対向する複数の固定櫛歯片１２ｂ’を有する櫛形状の固定電極１２’，１２’とで構成され静電力により可動部２０’を駆動する静電駆動式の駆動手段を備えている。
【０００５】
ところで、図１１に示した構成のＭＥＭＳ光スキャナでは、可動部形成基板１’の厚み方向（図１１（ｂ），（ｃ）の上下方向）における可動櫛歯片２２ｂ’の中心位置と固定櫛歯片１２ｂ’の中心位置との差を大きくすることで、可動部２０’の機械振れ角を大きくすることができる。
【０００６】
しかしながら、図１１に示した構成のＭＥＭＳ光スキャナでは、得られる光学振れ角は、せいぜい、可動部２０’の機械振れ角の２倍程度である。
【０００７】
これに対して、上記特許文献２には、光学振れ角を大きくできるＭＥＭＳ光スキャナとして、図１２に示すように、シリコン基板１１０”を用いて形成され一表面側に回折格子５”が設けられた可動部２０”を有する可動部形成基板１”と、可動部形成基板１”の他表面側に接合された支持基板４”とを備えた構成のものが提案されている。ここで、可動部形成基板１”は、矩形枠状の外側フレーム部１０”と、外側フレーム部１０”の内側に配置されミラー面（反射面）２１”に回折格子５”が設けられた矩形板状の可動部２０”と、外側フレーム部１０”の内側で可動部２０”を挟む形で配置され外側フレーム部１０”と可動部２０”とを連結する一対の梁部３１”，３１”とを備えている。
【先行技術文献】
【特許文献】
【０００８】
【特許文献１】特開２００４−２６６９９１号公報
【特許文献２】特開２００７−２７２０６６号公報
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【０００９】
しかしながら、図１２に示した構成のＭＥＭＳ光スキャナでは、回折格子５”での多数の次数（κ＝０，±１，±２，・・・）の回折光が外部へ出射されてしまう、つまり、不要な光も出射されてしまうという問題があった。なお、０次（κ＝０）の回折光は、反射光である。
【００１０】
本発明は上記事由に鑑みて為されたものであり、その目的は、光学振れ角を大きくすることが可能で且つ不要な光が出射されるのを防止することが可能なＭＥＭＳ光スキャナを提供することにある。
【課題を解決するための手段】
【００１１】
請求項１の発明は、半導体基板を用いて形成され、外側フレーム部、外側フレーム部の内側に配置され一表面側にミラー面が設けられた可動部、および外側フレーム部の内側で可動部を挟む形で配置され外側フレーム部と可動部とを連結し捩れ変形が可能な一対の捩りばね部を有する可動部形成基板と、可動部を駆動する駆動手段とを備えたＭＥＭＳ光スキャナであって、可動部形成基板の可動部のミラー面側に回折格子が形成されてなり、入射光および、回折格子の法線に対して入射光とは反対側にある負の次数の回折光のうち規定次数の回折光以外を遮光するカバー基板が可動部形成基板に接合されてなることを特徴とする。
【００１２】
この発明によれば、可動部形成基板の可動部のミラー面側に回折格子が形成されてなり、入射光および、回折格子の法線に対して入射光とは反対側にある負の次数の回折光のうち規定次数の回折光以外を遮光するカバー基板が可動部形成基板に接合されているので、光学振れ角を大きくすることが可能で且つ不要な光が出射されるのを防止することが可能となる。
【００１３】
請求項２の発明は、請求項１の発明において、前記回折格子は、平面視において格子周期方向に直交する方向を、前記各捩りばね部の並設方向に対して非平行としてあることを特徴とする。
【００１４】
この発明によれば、前記各捩りばね部の並設方向に直交する平面に沿って前記回折格子に入射光を入射させて用いる場合に、前記回折格子からの０次の回折光を当該平面に沿って進行させて前記カバー基板で遮光する一方で、前記規定次数の回折光を当該平面から傾いた面に沿って進行させ前記カバー基板から出射させることができる。
【００１５】
請求項３の発明は、請求項１または請求項２の発明において、前記回折格子は、前記可動部における前記ミラー面側に周期的な溝を設けることにより形成されてなることを特徴とする。
【００１６】
この発明によれば、高い回折効率を得ることができる。
【００１７】
請求項４の発明は、請求項１ないし請求項３の発明において、前記回折格子は、溝形状が鋸歯状であることを特徴とする。
【００１８】
この発明によれば、前記回折格子の回折効率を高めることができる。
【００１９】
請求項５の発明は、請求項１ないし請求項３の発明において、前記回折格子は、溝形状が矩形状であることを特徴とする。
【００２０】
この発明によれば、請求項４の発明に比べて、前記回折格子を容易に形成することができる。
【００２１】
請求項６の発明は、請求項１の発明において、前記回折格子は、相対的に反射率の高い材料からなるライン状の高反射率膜と相対的に反射率の低い材料からなるライン状の低反射率膜とが前記ミラー面に沿って交互に配列されてなることを特徴とする。
【００２２】
この発明によれば、前記回折格子を容易に形成することができる。
【００２３】
請求項７の発明は、請求項６の発明において、前記低反射率膜がＳｉＯ２膜からなり、前記高反射率膜が金属膜であることを特徴とする。
【００２４】
この発明によれば、前記回折格子を一般的なＭＥＭＳプロセスとの整合性の良いプロセスで形成することができる。
【００２５】
請求項８の発明は、請求項１ないし請求項７の発明において、前記規定次数が−１であることを特徴とする。
【００２６】
この発明によれば、−１次の回折光を走査光として出射することとなり、走査光の光学振れ角が大きくなりすぎて前記カバー基板の平面サイズが大きくなって小型化が制限されるのを防止することができるとともに、−２次以上の回折光を走査光として利用する場合に比べて走査光の光強度を高めることができる。
【発明の効果】
【００２７】
請求項１の発明では、光学振れ角を大きくすることが可能で且つ不要な光が出射されるのを防止することが可能になるという効果がある。
【図面の簡単な説明】
【００２８】
【図１】実施形態のＭＥＭＳ光スキャナの概略分解斜視図である。
【図２】同上のＭＥＭＳ光スキャナを示し、（ａ）は概略平面図、（ｂ）は（ａ）のＡ−Ａ’概略断面図である。
【図３】同上のＭＥＭＳ光スキャナの動作説明図である。
【図４】同上のＭＥＭＳ光スキャナの動作説明図である。
【図５】同上のＭＥＭＳ光スキャナの動作説明図である。
【図６】同上のＭＥＭＳ光スキャナの動作説明図である。
【図７】同上のＭＥＭＳ光スキャナの要部概略断面図である。
【図８】同上のＭＥＭＳ光スキャナの製造方法を説明するための主要工程断面図である。
【図９】同上のＭＥＭＳ光スキャナの他の構成例の要部概略断面図である。
【図１０】同上のＭＥＭＳ光スキャナの別の構成例の要部概略断面図である。
【図１１】従来例のＭＥＭＳ光スキャナを示し、（ａ）は概略平面図、（ｂ）は（ａ）のＢ−Ｂ’概略断面図、（ｃ）は（ａ）のＣ−Ｃ’概略断面図である。
【図１２】他の従来例のＭＥＭＳ光スキャナを示し、（ａ）は概略斜視図、（ｂ）は概略分解斜視図である。
【発明を実施するための形態】
【００２９】
以下、本実施形態のＭＥＭＳ光スキャナについて図１〜図７を参照しながら説明する。
【００３０】
本実施形態のＭＥＭＳ光スキャナは、半導体基板であるＳＯＩ基板１００を用いて形成され、外周形状が矩形状の枠状（ここでは、矩形枠状）の外側フレーム部（固定フレーム部）１０、外側フレーム部１０の内側に配置され平面視矩形状のミラー面２１が設けられた平面視矩形状の可動部２０、および外側フレーム部１０の内側で可動部２０を挟む形で配置され外側フレーム部１０と可動部２０とを連結し捩れ変形が可能な一対の捩りばね部３０，３０を有する可動部形成基板（可動部形成基板）１と、第１のガラス基板２００を用いて形成され可動部形成基板１においてミラー面２１が設けられた一表面側に接合された第１のカバー基板２と、第２のガラス基板３００を用いて形成され可動部形成基板１の他表面側に接合された第２のカバー基板３とを備えている。また、本実施形態のＭＥＭＳ光スキャナは、可動部形成基板１の可動部２０のミラー面２１側に回折格子５が形成されており、第１のカバー基板２が、後述するように、入射光および、回折格子５の法線（回折格子５の格子面の法線）に対して入射光とは反対側にある負の次数の回折光のうち規定次数の回折光以外を遮光するカバー基板を構成している。
【００３１】
上述の可動部形成基板１および各カバー基板２，３の外周形状は矩形状であり、各カバー基板２，３は可動部形成基板１と同じ外形寸法に形成されている。
【００３２】
ここにおいて、可動部形成基板１は、導電性を有する第１のシリコン層（活性層）１００ａと第２のシリコン層（シリコン基板）１００ｂとの間に絶縁層（ＳｉＯ２層）１００ｃが介在する上述のＳＯＩ基板１００をバルクマイクロマシニング技術などにより加工することによって形成してある。また、第１のカバー基板２は、それぞれパイレックス（登録商標）ガラスなどからなる２枚のガラス板を厚み方向に重ねて接合した第２のガラス基板２００を用いて形成してあり、第２のカバー基板３は、パイレックス（登録商標）ガラスなどからなる第２のガラス基板３００を加工することにより形成してある。なお、ＳＯＩ基板１００は、第１のシリコン層１００ａの厚さを３０μｍ、第２のシリコン層１００ｂの厚さを４００μｍに設定し、第１のガラス基板２００および第２のガラス基板３００の厚さは、０．５ｍｍ〜１．５ｍｍ程度の範囲で設定してあるが、これらの数値は一例であり、特に限定するものではない。また、半導体基板たるＳＯＩ基板１００の一表面である第１のシリコン層１０ｃの表面は（１００）面としてある。
【００３３】
可動部形成基板１の外側フレーム部１０は、ＳＯＩ基板１００の第１のシリコン層１００ａ、絶縁層１００ｃ、第２のシリコン層１００ｂそれぞれを利用して形成してあり、外側フレーム部１０のうち第１のシリコン層１００ａにより形成された部位が第１のカバー基板２の外周部と全周に亘って接合され、外側フレーム部１０のうち第２のシリコン層１００ｃにより形成された部位が第２のカバー基板３の外周部と全周に亘って接合されており、上記一表面側において外側フレーム部１０に、可動部２０を駆動する後述の駆動手段に電気的に接続される２つのパッド１３，１３が形成されている。各パッド１３，１３は平面視形状が円形状であり、第１の金属膜（例えば、Ａｌ膜など）により構成されている。なお、本実施形態では、各パッド１３，１３の膜厚を５００ｎｍに設定してあるが、この数値は一例であり、特に限定するものではない。
【００３４】
また、可動部形成基板１の可動部２０および各捩りばね部３０，３０は、ＳＯＩ基板１００の第１のシリコン層１００ａを用いて形成されており、外側フレーム部１０よりも十分に薄肉となっている。また、可動部２０に設けられたミラー面２１は、可動部２０において第１のシリコン層１００ａの表面により構成されているが、これに限らず、可動部２０において第１のシリコン層１００ａにより形成された部位の表面に第２の金属膜（例えば、Ａｌ膜など）からなる反射膜を形成して、当該反射膜の表面が、ミラー面２１を構成するようにしてもよい。なお、反射膜を構成する第２の金属膜の材料は、Ａｌに限らず、走査対象（スキャン対象）の光（入射光）の波長や波長帯に応じて、例えば、Ａｇ、Ａｌ−Ｓｉ、Ａｕなどを採用してもよい。
【００３５】
以下では、図２（ａ），（ｂ）それぞれの左下に示すように、平面視において一対の捩りばね部３０，３０の並設方向に直交する方向をｘ軸方向、一対の捩りばね部３０，３０の並設方向をｙ軸方向、ｘ軸方向およびｙ軸方向に直交する方向をｚ軸方向とする直交座標を利用して説明する。なお、当該直交座標の原点は、平面視における回折格子５の中心Ｏ（図６参照）としている。
【００３６】
上述の可動部形成基板１は、一対の捩りばね部３０，３０がｙ軸方向に並設されており、可動部２０が、外側フレーム部１０に対して一対の捩りばね部３０，３０の回りで変位可能となっている（ｙ軸の軸回りで回動可能となっている）。つまり、一対の捩りばね部３０，３０は、外側フレーム部１０に対して可動部２０が揺動自在となるように外側フレーム部１０と可動部２０とを連結している。言い換えれば、外側フレーム部１０の内側に配置される可動部２０は、可動部２０から相反する２方向へ連続一体に延長された２つの捩りばね部３０，３０を介して外側フレーム部１０に揺動自在に支持されている。ここで、一対の捩りばね部３０，３０は、両者のｙ軸に沿った中心線同士を結ぶ直線が、平面視で可動部２０の重心を通るように形成されている。なお、各捩りばね部３０，３０は、厚み寸法（ｚ軸に沿った方向の寸法）を３０μｍ、幅寸法（ｘ軸に沿った方向の寸法）を、５μｍに設定してあるが、これらの数値は一例であり、特に限定するものではない。また、可動部２０およびミラー面２１の平面視形状は、矩形状に限らず、例えば、円形状でもよい。また、外側フレーム部１０の内周形状も矩形状に限らず、例えば、円形状でもよい。
【００３７】
上述の可動部形成基板１は、可動部２０において一対の捩りばね部３０，３０を結ぶ方向（一対の捩りばね部３０，３０の並設方向）に直交する方向（つまり、ｘ軸方向）の両側に形成された櫛形状の可動電極２２と、外側フレーム部１０に形成され可動電極２２の複数の可動櫛歯片２２ｂに対向する複数の固定櫛歯片１２ｂを有する櫛形状の固定電極１２とで構成され静電力により可動部２０を駆動する静電駆動式の駆動手段を備えている。なお、本実施形態では、駆動手段が、静電力により可動部２０を駆動するものであるが、静電力によって可動部２０を駆動する静電駆動式に限らず、電磁力によって可動部２０を駆動する電磁駆動式でもよいし、圧電素子によって可動部２０を駆動する圧電駆動式でもよい。
【００３８】
上述の固定電極１２，１２は、平面視形状が櫛形状であり、櫛骨部１２ａが外側フレーム部１０のうちｙ軸に沿った枠片部において第１のシリコン層１００ａにより形成された部位の一部により構成されており、櫛骨部１２ａにおける可動部２０との対向面（外側フレーム部１０におけるｙ軸に沿った内側面）には、第１のシリコン層１００ａの一部からなる多数の固定櫛歯片１２ｂが一対の捩りばね部３０，３０の並設方向に沿って列設されている。一方、可動電極２２，２２は、可動部２０における固定電極１２の櫛骨部１２ａ側の櫛骨部２２ａ，２２ａの側面（可動部２０におけるｙ軸に沿った側面）において、第１のシリコン層１００ａの一部により構成され固定櫛歯片１２ｂにそれぞれ対向する多数の可動櫛歯片２２ｂが上記並設方向に列設されている。ここで、櫛形状の固定電極１２と櫛形状の可動電極２２とは、櫛骨部１２ａ，２２ａが互いに対向し、固定電極１２の各固定櫛歯片１２ｂが可動電極２２の櫛溝に入り組んでおり、固定櫛歯片１２ｂと可動櫛歯片２２ｂとが、ｙ軸方向において互いに離間しており、固定電極１２と可動電極２２との間に電圧が印加されることにより、固定電極１２と可動電極２２との間に互いに引き合う方向に作用する静電力が発生する。なお、ｙ軸方向における固定櫛歯片１２ｂと可動櫛歯片２２ｂとの間の隙間は、例えば、５μｍ〜２０μｍ程度の範囲で適宜設定すればよい。
【００３９】
可動部形成基板１の外側フレーム部１０において第１のシリコン層１００ａにより形成された部位には、一方のパッド１３（図１における右側のパッド１３ｂ）が固定電極１２，１２に電気的に接続されるとともに他方のパッド１３（図１における左側のパッド１３ａ）が可動電極２２，２２に電気的に接続され、且つ、固定電極１２，１２と可動電極２２，２２とが電気的に絶縁されるように、複数のスリット１０ａ，１０ａ，１０ａが絶縁層１００ｃに達する深さで形成されている。ここで、本実施形態では、各スリット１０ａ，１０ａ，１０ａをトレンチとし、各スリット１０ａ，１０ａ，１０ａの平面視形状を外側フレーム部１０の外側面側に開放されない形状とすることで、外側フレーム部１０にスリット１０ａ，１０ａ，１０ａを形成した構造を採用しながらも、外側フレーム部１０と第１のカバー基板２との接合性が低下するのを防止し、外側フレーム部１０と各カバー基板２，３とで囲まれる空間の気密性を確保している。
【００４０】
ここで、外側フレーム部１０において第１のシリコン層１００ａにより形成された部分は、上述のスリット１０ａ，１０ａ，１０ａを形成することにより、一端部が可動部２０の外側面に連続一体に連結された各捩りばね部３０，３０それぞれの他端部が内側面に連続一体に連結された２つのアンカー部１１ａ，１１ｂと、一方のアンカー部１１ａａと一方のパッド１３ａが形成された矩形状の島部１１ｃと、上記一方のアンカー部１１ａｂと島部１１ａｃとをつなぐ平面視Ｌ字状の導電部１１ａｄとで構成される第１の導電性構造体１１ａが、可動部２０の可動電極２２，２２と同電位になり、残りの部分からなり他方のパッド１３ｂが形成された第２の導電性構造体１１ｂが固定電極１２，１２と同電位になる。
【００４１】
第１のカバー基板２は、上述のように第１のガラス基板２００を用いており、第１のガラス基板２００の厚み方向に貫通して各パッド１３，１３それぞれを全周に亘って露出させる２つの貫通孔２０２，２０２が形成されている。ここにおいて、第１のガラス基板２００の各貫通孔２０２，２０２は、可動部形成基板１から離れるにつれて開口面積が徐々に大きくなるテーパ状に形成されている。ここで、第１のカバー基板２の各貫通孔２０２，２０２は、サンドブラスト法により形成してあるが、サンドブラスト法に限定するものではなく、貫通孔２０２，２０２の形状によってはドリル加工法やエッチング法などを適宜採用してもよい。
【００４２】
本実施形態のＭＥＭＳ光スキャナでは、各パッド１３，１３の平面視形状を直径が０．５ｍｍの円形状としてあり、各貫通孔２０２，２０２の第１の可動部形成基板１側での開口径が０．５ｍｍよりも大きくなるようにしてあるが、各パッド１３，１３の直径は特に限定するものではなく、また、必ずしも円形状とする必要はなく、例えば、正方形状としてもよいが、貫通孔２０２，２０２の開口径を小さくするうえでは円形状の方が正方形状よりも好ましい。
【００４３】
ここにおいて、各パッド１３，１３の一部が厚み方向において第１のカバー基板２に重なる場合には、パッド１３，１３の厚みの影響で接合性や気密性が損なわれて製造時の歩留まり低下や、動作安定性の低下、経時安定性の低下の原因となる懸念があり、外側フレーム部１０の幅寸法（外側フレーム部１０の外側面と内側面との距離）を増大させる必要が生じてＭＥＭＳ光スキャナの小型化が制限されてしまうことが考えられる。
【００４４】
これに対して、本実施形態のＭＥＭＳ光スキャナでは、第１のカバー基板２が各パッド１３，１３と重なることがなく、第１のカバー基板２と外側フレーム部１０との間にパッド１３，１３の一部が介在することもないので、第１のカバー基板２と可動部形成基板１の外側フレーム部１０との接合が各パッド１３，１３により妨げられるのを防止することができるから、パッド１３，１３の厚みの影響で接合性や気密性が損なわれるのを防止することができ、外側フレーム部１０の幅寸法を増大させずに歩留まりの向上による低コスト化を図れるとともに、動作安定性の低下、経時安定性の低下を抑制することができる。
【００４５】
また、本実施形態のＭＥＭＳ光スキャナでは、可動部形成基板１の外側フレーム部１０と各カバー基板２，３とで囲まれる気密空間を真空とすることで、低消費電力化を図りつつ可動部２０の機械振れ角を大きくすることが可能となるので、上記気密空間を真空とするとともに、第２のカバー基板３における可動部形成基板１との対向面において外側フレーム部１０に接合される部位よりも内側の適宜部位に非蒸発型ゲッタ（図示せず）を設けてある。なお、非蒸発型ゲッタは、例えば、Ｚｒを主成分とする合金やＴｉを主成分とする合金などにより形成すればよい。
【００４６】
ところで、第１のガラス基板２００は、可動部形成基板１との対向面に可動部２０の変位空間を確保する変位空間形成用凹部（以下、第１の変位空間形成用凹部と称する）２０１を有しているが、上述のように２枚のガラス板を接合して形成されており、可動部形成基板１に近い側に配置するガラス板（以下、第１のガラス板と称する）において第１の変位空間形成用凹部２０１に対応する部位に厚み方向に貫通する開孔部を形成するとともに可動部形成基板１から遠い側に配置するガラス板（以下、第２のガラス板と称する）を平板状としてあるので、１枚のガラス基板を用いて当該ガラス基板にサンドブラスト加工などにより第１の変位空間形成用凹部２０１を形成する場合に比べて、第１の変位空間形成用凹部２０１の内底面を滑らかな表面とすることができ、第１の変位空間形成用凹部２０１の内底面での拡散反射、光拡散、散乱損失などを低減できる。
【００４７】
第２のカバー基板３は、第２のガラス基板３００を用いて形成されており、厚み方向の両面を平面状としてあるが、可動部２０の厚みや、半導体基板を構成するＳＯＩ基板１００の第２のシリコン層１００ｂの厚みなどによっては、第２のガラス基板３００における可動部形成基板１側の一表面に、可動部２０の変位空間を確保するための凹部（以下、第２の変位空間形成用凹部と称する）を形成してもよい。ここにおいて、第２のガラス基板３００の上記一表面に第２の変位空間形成用凹部を形成する場合は、例えば、サンドブラスト法などにより形成すればよい。なお、第２のカバー基板３は、光を透過させる必要がないので、第２のガラス基板３００に限らず、例えば、シリコン基板を用いて形成してもよく、この場合の第２の変位空間形成用凹部は、フォトリソグラフィ技術およびエッチング技術を利用して形成すればよい。
【００４８】
なお、上述の各ガラス基板２００，３００のガラス材料としては、ソーダガラス、無アルカリガラス、石英ガラスなどを用いることもできるが、シリコン材料を用いて形成した可動部形成基板１との接合性の観点から、硼珪酸ガラスであるパイレックス（登録商標）やテンパックス（登録商標）などが好ましい。また、本実施形態では、各カバー基板２，３の厚さを０．５ｍｍ〜１．５ｍｍ程度の範囲で設定し、第１の変位空間形成用凹部２０１の深さを０．３ｍｍ程度に設定してあるが、これらの数値は一例であり、特に限定するものではない。
【００４９】
次に、本実施形態のＭＥＭＳ光スキャナの基本的な動作について簡単に説明する。
【００５０】
本実施形態のＭＥＭＳ光スキャナでは、一対のパッド１３，１３を通して、対向する可動電極２２と固定電極１２との間に可動部２０を駆動するためのパルス電圧を与えることにより、可動電極２２・固定電極１２間に静電力が発生し、可動部２０がｙ軸方向の軸回りで回動する。しかして、本実施形態のＭＥＭＳ光スキャナでは、可動電極２２・固定電極１２間に所定の駆動周波数のパルス電圧を印加することにより、周期的に静電力を発生させることができ、可動部２０を揺動させることができる。
【００５１】
ここで、上述の可動部２０は、内部応力に起因して、静止状態でも水平姿勢（ｘｙ平面に平行な姿勢）ではなく、きわめて僅かであるが傾いているので、例えば、可動電極２２・固定電極１２間にパルス電圧が印加されると、静止状態からであっても、可動部２０に略垂直な方向（ｚ軸方向）の駆動力が加わり、可動部２０が一対の捩りばね部３０，３０を回動軸として当該一対の捩りばね部３０，３０を捩りながら回動する。そして、可動電極２２・固定電極１２間の駆動力を、可動櫛歯片２２ｂと固定櫛歯片１２ｂとが完全に重なりあうような姿勢となったときに解除すると、可動部２０は、慣性力により、一対の捩りばね部３０，３０を捩りながら回動し続ける。そして、可動部２０の回動方向への慣性力と、一対の捩りばね部３０，３０の復元力とが等しくなったとき、当該回動方向への可動部２０の回動が停止する。このとき、可動電極２２・固定電極１２間に再びパルス電圧が印加されて静電力が発生すると、可動部２０は、一対の捩りばね部３０，３０の復元力と可動電極２２および固定電極１２により構成される駆動手段の駆動力により、それまでとは逆の方向への回動を開始する。可動部２０は、駆動手段の駆動力と一対の捩りばね部３０，３０の復元力とによる回動を繰り返して、一対の捩りばね部３０，３０を回動軸として揺動する。
【００５２】
本実施形態のＭＥＭＳ光スキャナでは、可動部２０と一対の捩りばね部３０，３０とにより構成される振動系の共振周波数の略２倍の周波数のパルス電圧を印加することにより、可動部２０が共振現象を伴って駆動され、機械振れ角（ｘｙ平面に平行な水平面を基準としたときの傾き）が大きくなる。なお、可動電極２２・固定電極１２間への電圧（駆動電圧）の印加形態や周波数は特に限定するものではなく、例えば、可動電極２２・固定電極１２間に印加する電圧を正弦波電圧としてもよい。
【００５３】
ところで、本実施形態のＭＥＭＳ光スキャナは、上述のように、可動部形成基板１の可動部２０のミラー面２１上に回折格子５が形成されている。なお、本実施形態の回折格子５は、ミラー面２１上に金属膜（例えば、Ａｌ膜など）を成膜した後、フォトリソグラフィ技術およびエッチング技術を利用して当該金属膜を等間隔で平行配置される複数のライン状の金属膜５ａ（図７参照）にパターニングすることで形成されている。言い換えれば、回折格子５は、可動部２０における第１のカバー基板２側に周期的な溝５ｂ（図７参照）を設けることにより形成されており、高い回折効率を得ることができる。また、本実施形態では、回折格子５の溝５ｂの形状（溝形状）を矩形状（断面矩形状）としてあるので、回折格子５を容易に形成することができる。なお、本実施形態では、回折格子５の格子周期をｄ（図７参照）とすると、走査対象（スキャン対象）の光の波長や入射角に基づいて、格子周期ｄを２μｍ〜２０μｍ程度の範囲で適宜設定すればよい。
【００５４】
ところで、図３に示すように、回折格子５に入射光が入射すると、回折格子５からは各次数（回折の次数）の回折光が出射される。図３には、０次の回折光（反射光）、１次の回折光、２次の回折光、−１次の回折光、−２次の回折光、−３次の回折光のみ図示してあるが、本実施形態では、０次の回折光に比べて光学振れ角を大きくできる−１次の回折光を走査光として第１のカバー基板２から出射させるようにしてある。具体的には、第１のカバー基板２には、入射光を透過させる入射光透過部２０３と、−１次の回折光からなる走査光を透過させる走査光透過部２０４とが各別に設けられている。ここで、第１のカバー基板２は、第１のガラス基板２００における可動部形成基板１側とは反対側の表面のうち、入射光透過部２０３および走査光透過部２０４それぞれに対応する部位以外の領域に、金属膜などからなる遮光膜（図示せず）を、蒸着法やスパッタ法やめっき法などを利用して形成してある。要するに、本実施形態では、第１のカバー基板２が、入射光および、回折格子の法線に対して入射光とは反対側にある負の次数の回折光のうち規定次数の回折光以外を遮光するカバー基板を構成している。なお、上記遮光膜の材料としては、光の吸収率の高い材料を採用する方が光の多重反射に起因した迷光を低減する点で好ましく、金属以外の材料により形成してもよい。
【００５５】
本実施形態では、入射透過部２０３および走査光透過部２０４を、第１のガラス基板２００の一部により構成しているが、入射透過部２０３および走査光透過部２０４は、それぞれ第１のガラス基板２００の厚み方向に貫通する透孔により構成してもよいし、当該透孔に、走査対象の光に対して透明な材料を充填して形成してもよい。なお、第１のカバー基板２は、第１のガラス基板２００に限らず、例えば、アクリル基板や金属板を用いて形成してもよく、アクリル基板を用いて形成する場合には、第１のガラス基板２００を用いて形成する場合と同様に上記遮光膜を設けることで入射透過部２０３および走査光透過部２０４を形成してもよいし、入射透過部２０３および走査光透過部２０４それぞれに対応する部位に透孔を貫設してもよいし、当該透孔に、走査対象の光に対して透明な材料を充填して形成してもよく、また、金属板を用いて形成する場合には、入射透過部２０３および走査光透過部２０４それぞれに対応する部位に透孔を貫設してもよいし、当該透孔に、走査対象の光に対して透明な材料を充填して形成してもよい。
【００５６】
ここで、図４に示すように、回折格子５の法線に対する光の入射角をα、回折角をβ、回折の次数をκ（κ＝０，±１，±２，・・・）、回折格子５の格子周期をｄとすると、回折角βは、下記（１）式で与えられる。
【００５７】
【数１】
【００５８】
ここで、次数κが０の場合の回折角βは、入射角αと等しくなる。すなわち、０次の回折光である反射光は、入射光と等しい角度で出射される。これに対して、０次以外の回折光は、入射光よりも大きい角度あるいは小さい角度で出射されることとなる。本実施形態では、入射光よりも大きい角度で出射される回折光、すなわち、負の次数の回折光のうち規定次数（ここでは、−１）の回折光を走査光として上述の走査光透過部２０４から出射させる。
【００５９】
ここにおいて、可動部２０が図４中に一点鎖線で示したように水平な状態から角度θmだけ回動して同図中に実線で示したように左下がりの状態に傾いたとすると、０次の回折光（反射光）、０次以外の回折光それぞれの光学振れ角θr，θdは、下記（２）式、下記（３）式で与えられる。
【００６０】
【数２】
【００６１】
いま、一例として、０次以外の回折光の次数κを−１、光の波長λを６３３ｎｍ、回折格子５の格子周期ｄを５μｍ、入射角α0を３５°とすると、可動部２０の機械振れ角（θm）と光学振れ角θr，θdとの関係は図５の破線イ、実線ロのようになる。この図５から、−１次の回折光を利用することにより、０次の回折光（反射光）を利用するよりも、大きな光学振れ角を得ることができることが分かる。ここで、走査光として用いる回折光の次数は、適宜選択すればよいが、反射光に比べて回折角が極端に大きな回折光は走査光として利用することが難しいので、上記規定次数は、−１もしくは−２が好ましい。なお、上述の光の波長λ、格子周期ｄ、入射角の数値は一例であって、これらの数値は特に限定するものではない。
【００６２】
ところで、回折格子５の溝５ｂの延長方向（格子周期方向に直交する方向）が一対の捩りばね部３０，３０の並設方向に平行な場合、一対の捩りばね部３０，３０の並設方向に直交する平面（ｘｚ平面）に沿って回折格子５に入射光を入射させると、全ての回折光が同一平面（ｘｚ平面）上に存在することとなり、ＭＥＭＳ光スキャナの走査光として必要な光のみを出射させることが困難となる。
【００６３】
これに対して、本実施形態のＭＥＭＳ光スキャナでは、図６に示すように、可動部２０の機械振れ角が０°の状態で当該回折格子５の中心に立てた法線がｚ軸上にある一方で、一対の捩りばね部３０，３０がｙ軸上にあり、回折格子５の溝５ｂの延長方向（回折格子５の格子周期方向に直交する方向）を、ｘｙ平面においてｙ軸に対して反時計周り方向に所定角φだけ傾けてある。なお、所定角φはｘｙ平面においてｙ軸に対して反時計周り方向を正としてあるが、所定角φは負でもよい（つまり、溝５ｂの延長方向はｘｙ平面においてｙ軸に対して時計回り方向に傾けてもよい）。
【００６４】
要するに、本実施形態における回折格子５は、平面視において格子周期方向に直交する方向を、一対の捩りばね部３０，３０の並設方向に対して非平行としてある。しかして、一対の捩りばね部３０，３０の並設方向に直交する平面に沿って回折格子５に入射光を入射させて用いる場合に、回折格子５からの０次の回折光を当該平面に沿って進行させて第１のカバー基板２で遮光する一方で、上記規定次数（−１あるいは−２）の回折光を当該平面から傾いた面に沿って進行させ第１のカバー基板２から出射させることができる。なお、所定角φは、上記規定次数の回折光と他の回折光とを分離できるように適宜設定すればよいが、１０°以下で設定することが好ましい。
【００６５】
以下、本実施形態のＭＥＭＳ光スキャナの製造方法について図８を参照しながら説明するが、（ａ）〜（ｄ）は図２（ａ）のＡ−Ｂ’断面に対応する部分の概略断面を示している。
【００６６】
まず、半導体基板であるＳＯＩ基板１００の上記一表面側に所定膜厚（例えば、５００ｎｍ）の金属膜（例えば、Ａｌ膜など）をスパッタ法や蒸着法などにより成膜する金属膜形成工程を行い、フォトリソグラフィ技術およびエッチング技術を利用して金属膜をパターニングすることにより各パッド１３，１３および回折格子５を形成する金属膜パターニング工程を行うことによって、図８（ａ）に示す構造を得る。なお、本実施形態では、各パッド１３，１３と回折格子５のライン状の金属膜５ａ（図７参照）との材料および膜厚を同じに設定してあるので、各パッド１３，１３と回折格子５とを同時に形成しているが、各パッド１３，１３と回折格子５の金属膜５ａとの材料や膜厚が相違する場合には、各パッド１３，１３を形成するパッド形成工程と回折格子５を形成する回折格子形成工程とを別々に設ければよく、パッド形成工程と回折格子形成工程との順序はどちらが先でもよい。
【００６７】
上述の各パッド１３，１３および回折格子５を形成した後、ＳＯＩ基板１００の上記一表面側で、第１のシリコン層１００ａのうち可動部２０、一対の捩りばね部３０，３０、外側フレーム部１０、固定電極１２，１２、可動電極２２，２２に対応する部位を覆うようにパターニングされた第１のレジスト層１３０をマスクとして、第１のシリコン層１００ａを絶縁層１００ｃに達する深さ（第１の所定深さ）までエッチングすることにより第１のシリコン層１００ａをパターニングする第１のシリコン層パターニング工程（表面側パターニング工程）を行うことによって、図８（ｂ）に示す構造を得る。要するに、第１のシリコン層パターニング工程は、半導体基板であるＳＯＩ基板１００を上記一表面から第１の所定深さまでエッチングする表面側パターニング工程を構成している。第１のシリコン層パターニング工程での第１のシリコン層１００ａのエッチングは、誘導結合プラズマ（ＩＣＰ）型のエッチング装置などの異方性の高いエッチングが可能なドライエッチング装置により行えばよい。また、第１のシリコン層パターニング工程では、絶縁層１００ｃをエッチングストッパ層として利用している。
【００６８】
上述の第１のシリコン層パターニング工程の後、ＳＯＩ基板１００の上記一表面側の第１のレジスト層１３０を除去してから、ＳＯＩ基板１００の上記一表面側の全面に第２のレジスト層１３１を形成し、続いて、ＳＯＩ基板１００の他表面側で、第２のシリコン層１００ｂのうち外側フレーム部１０に対応する部位以外を露出させるようにパターニングされた第３のレジスト層１３２をマスクとして、第２のシリコン層１００ｂを絶縁層１００ｃに達する深さ（第２の所定深さ）までエッチングすることにより第２のシリコン層１００ｂをパターニングする第２のシリコン層パターニング工程を行うことによって、図８（ｃ）に示す構造を得る。要するに、第２のシリコン層パターニング工程は、半導体基板であるＳＯＩ基板１００を上記他表面から第２の所定深さまでエッチングする裏面側パターニング工程を構成している。第２のシリコン層パターニング工程での第２のシリコン層１００ｂのエッチングは、誘導結合プラズマ（ＩＣＰ）型のエッチング装置などの異方性が高く垂直深堀が可能なドライエッチング装置により行えばよい。また、第２のシリコン層パターニング工程では、絶縁層１００ｃをエッチングストッパ層として利用している。
【００６９】
上述の第２のシリコン層パターニング工程の後、ＳＯＩ基板１００の絶縁層１００ｃにおいて外側フレーム部１０と可動部２０との間の部位、可動電極２２，２２と固定電極１２，１２との間の部位を、ＳＯＩ基板１００の上記他表面側からエッチングする絶縁層パターニング工程を行うことで可動部形成基板１を形成してから、第２のレジスト層１３１および第３のレジスト層１３２を除去し、その後、可動部形成基板１と、第１のカバー基板２および第２のカバー基板３とを陽極接合などにより接合する接合工程を行うことによって、図８（ｄ）に示す構造のＭＥＭＳ光スキャナを得る。
【００７０】
ここにおいて、接合工程では、可動部形成基板１のミラー面２１を保護する観点から、第１のカバー基板２と可動部形成基板１とを接合する第１の接合過程を行ってから、可動部形成基板１と第２のカバー基板３とを接合する第２の接合過程を行うことが好ましい。ここで、第１の接合過程では、先ず、第１のガラス基板２００に第１の変位空間形成用凹部２０１や各貫通孔２０２，２０２を形成した第１のカバー基板２と可動部形成基板１とを重ねた積層体を、所定真空度（例えば、１０Ｐａ以下）の真空中で所定の接合温度（例えば、３００℃〜４００℃程度）に加熱した状態で、第１のシリコン層１００ａと第１のカバー基板２との間に第１のカバー基板２側を低電位側として所定電圧（例えば、４００Ｖ〜８００Ｖ程度）を印加し、この状態を所定の接合時間（例えば、２０分〜６０分程度）だけ保持すればよい。また、第２の接合過程では、上述の第１の接合過程に準じて、第２のシリコン層１００ｂと第２のカバー基板３との陽極接合を行う。なお、可動部形成基板１と各カバー基板２，３を接合する接合方法は、陽極接合に限らず、例えば、常温接合法などでもよい。また、第１のシリコン層パターニング工程の後に、ＳＯＩ基板１００と第１のカバー基板２とを接合し、その後、第２のシリコン層パターニング工程、絶縁層パターニング工程を行うことで可動部形成基板１を形成し、その後、可動部形成基板１と第２のカバー基板３とを接合するようにしてもよい。
【００７１】
ところで、本実施形態のＭＥＭＳ光スキャナの製造方法では、接合工程が終了するまでの全工程を可動部形成基板１および各カバー基板２，３それぞれについてウェハレベルで行うことでＭＥＭＳ光スキャナを複数備えたウェハレベルパッケージ構造体を形成するようにし、当該ウェハレベルパッケージ構造体から個々のＭＥＭＳ光スキャナに分割する分割工程を行うようにしている。要するに、本実施形態のＭＥＭＳ光スキャナの製造方法では、可動部形成基板１を複数形成した第１のウェハと、第１のカバー基板２を複数形成した第２のウェハおよび第２のカバー基板３を複数形成した第３のウェハとを接合することでウェハレベルパッケージ構造体を形成した後、ウェハレベルパッケージ構造体から可動部形成基板１の外形サイズに分割するようにしているので、各カバー基板２，３の平面サイズを可動部形成基板１の外形サイズに合わせることができるから、小型で光学振れ角が大きなＭＥＭＳ光スキャナを簡易なプロセスで製造することができ、また、量産性を高めることができる。
【００７２】
以上説明した本実施形態のＭＥＭＳ光スキャナでは、可動部形成基板１の可動部２０のミラー面２１側に回折格子５が形成されており、入射光および、回折格子５の法線に対して入射光とは反対側にある負の次数の回折光のうち規定次数の回折光以外を遮光する第１のカバー基板２が可動部形成基板１に接合されているので、光学振れ角を大きくすることが可能で且つ不要な光が出射されるのを防止することが可能となる。ここにおいて、本実施形態のＭＥＭＳ光スキャナでは、上記規定次数を−１としてあるので、−１次の回折光を走査光として出射することとなり、走査光の光学振れ角が大きくなりすぎて第１のカバー基板２の平面サイズが大きくなって小型化が制限されるのを防止することができるとともに、−２次以上の回折光を走査光として利用する場合に比べて走査光の光強度を高めることができる。
【００７３】
また、本実施形態のＭＥＭＳ光スキャナでは、回折格子５は、可動部２０のミラー面２１側に周期的な溝５ｂを設けることにより形成されているので、高い回折効率を得ることができる。
【００７４】
また、本実施形態のＭＥＭＳ光スキャナでは、ＳＯＩ基板１００の第１のシリコン層１００ａにより各捩りばね部３０，３０を形成してあるので、半導体基板としてシリコン基板を用いる場合に比べて各捩りばね部３０，３０の厚み寸法の精度を高めることができ、可動部２０と一対の捩りばね部３０，３０とで構成される振動系の共振周波数の精度を高めることができる。
【００７５】
ところで、回折格子５の溝５ｂの形状である溝形状を矩形状としてあるが、図９に示すように、溝５ｂの形状である溝形状を鋸歯状とすれば、回折格子５の回折効率をより高めることができる。ここで、溝５ｂの周期（格子周期）ｄおよび鋸歯面の角度γは、走査対象の光の波長や入射角に基づいて適宜設定すればよい。ただし、図７に示したように、溝５ｂの溝形状を矩形状とした方が、鋸歯状の場合に比べて、回折格子５を容易に形成することができる。ここで、溝形状が鋸歯状の溝５ｂを形成するには、例えば、インプリント法を利用して鋸歯状の溝形状に対応する断面形状のエッチングマスク層を形成してから、エッチングを行うようにしたり、フォトリソグラフィ工程とエッチング工程とを繰り返し行うことで所定レベル（階調数）の階段構造を形成するようにしてもよい（例えば、１６レベルの階段構造を有する回折格子５を形成するようにしてもよい）。なお、回折格子５の溝５ｂの形状は特に矩形状や鋸歯状に限らず、周期的に溝５ｂが形成されていればよい。また、回折格子５は、可動部２０に直接形成してもよい（第１のシリコン層１００ａに溝５ｂを形成することで形成してもよい）。
【００７６】
また、回折格子５は、図９に示すように、相対的に反射率の高い材料からなるライン状の高反射率膜たる金属膜５ａと相対的に反射率の低い材料からなるライン状の低反射率膜たるＳｉＯ２膜５ｃとがミラー面２１に沿って交互に配列された構成としてもよく、この場合も、回折格子５を容易に形成することができる。ここで、低反射率膜がＳｉＯ２膜５ｃからなり、高反射率膜が金属膜５ａであることにより、回折格子５を一般的なＭＥＭＳプロセスとの整合性の良いプロセスで形成することができる。なお、高反射率膜として用いる金属膜としては、Ａｌ−Ｓｉ膜、Ａｌ膜、Ａｕ膜などを採用すれば、反射率が高く且つ膜質のよい薄膜を得ることができるが、低反射率膜と高反射率膜との材料の組み合わせは、走査対象の光の波長に応じて適宜決定すればよい。
【００７７】
また、本実施形態のＭＥＭＳ光スキャナにおいて、各パッド１３それぞれの代わりに、例えば、第１のカバー基板２の外表面と可動部形成基板１における外側フレーム部１０の表面と貫通孔２０２の内側面とに跨って形成された貫通配線を外部接続電極として形成してもよい。
【符号の説明】
【００７８】
１ 可動部形成基板
２ 第１のカバー基板（カバー基板）
５ 回折格子
５ａ 金属膜（高反射率膜）
５ｂ 溝
５ｃ ＳｉＯ２膜（低反射率膜）
１２ 固定電極
２０ 可動部
２１ ミラー面
２２ 可動電極
３０ 捩りばね部
１００ ＳＯＩ基板（半導体基板）
２００ 第１のガラス基板
２０３ 入射光透過部
２０４ 走査光透過部
【技術分野】
【０００１】
本発明は、ＭＥＭＳ光スキャナに関するものである。
【背景技術】
【０００２】
近年、マイクロマシニング技術などを利用して形成されるＭＥＭＳ（micro electro mechanical systems）デバイスの一種として、マイクロマシニング技術などを利用して形成されて、光を反射する可動部と、可動部を駆動する駆動手段とを備え、可動部に入射する光を走査するＭＥＭＳ光スキャナが各所で研究開発されている（例えば、特許文献１，２参照）。なお、この種のＭＥＭＳ光スキャナは、例えば、レーザプロジェクタ、レーザビームプリンタ、バーコードリーダ、内視鏡、距離画像センサなどの種々の光学機器への応用が考えられている。
【０００３】
ここにおいて、上記特許文献１には、図１１に示すように、導電性を有する第１のシリコン層（活性層）１００ａ’と第２のシリコン層（シリコン基板）１００ｂ’との間に絶縁層（ＳｉＯ２層）１００ｃ’が介在する上述のＳＯＩ基板１００’を用いて形成され一表面側に金属膜（アルミニウム膜）からなる反射膜２１ａ’が設けられた可動部２０’を有する可動部形成基板１’と、可動部形成基板１’の他表面側に接合された支持基板４’とを備えたＭＥＭＳ光スキャナが提案されている。なお、上記特許文献１には、支持基板４’として、シリコン基板４００ａ’上にシリコン酸化膜４００ｂ’が形成されたものを用いることが記載されているが、ガラス基板を用いてもよいことも記載されている。
【０００４】
上述の可動部形成基板１’は、矩形枠状の外側フレーム部１０’と、外側フレーム部１０’の内側に配置され反射膜２１ａ’が設けられた矩形板状の可動部２０’と、外側フレーム部１０’の内側で可動部２０’を挟む形で配置され外側フレーム部１０’と可動部２０’とを連結し捩れ変形が可能な一対の捩りばね部３０’，３０’とを備えている。また、可動部形成基板１’は、可動部２０’において一対の捩りばね部３０’，３０’を結ぶ方向に直交する方向の両側に形成された櫛形状の可動電極２２’，２２’と、外側フレーム部１０’に形成され可動電極２２’の複数の可動櫛歯片２２ｂ’に対向する複数の固定櫛歯片１２ｂ’を有する櫛形状の固定電極１２’，１２’とで構成され静電力により可動部２０’を駆動する静電駆動式の駆動手段を備えている。
【０００５】
ところで、図１１に示した構成のＭＥＭＳ光スキャナでは、可動部形成基板１’の厚み方向（図１１（ｂ），（ｃ）の上下方向）における可動櫛歯片２２ｂ’の中心位置と固定櫛歯片１２ｂ’の中心位置との差を大きくすることで、可動部２０’の機械振れ角を大きくすることができる。
【０００６】
しかしながら、図１１に示した構成のＭＥＭＳ光スキャナでは、得られる光学振れ角は、せいぜい、可動部２０’の機械振れ角の２倍程度である。
【０００７】
これに対して、上記特許文献２には、光学振れ角を大きくできるＭＥＭＳ光スキャナとして、図１２に示すように、シリコン基板１１０”を用いて形成され一表面側に回折格子５”が設けられた可動部２０”を有する可動部形成基板１”と、可動部形成基板１”の他表面側に接合された支持基板４”とを備えた構成のものが提案されている。ここで、可動部形成基板１”は、矩形枠状の外側フレーム部１０”と、外側フレーム部１０”の内側に配置されミラー面（反射面）２１”に回折格子５”が設けられた矩形板状の可動部２０”と、外側フレーム部１０”の内側で可動部２０”を挟む形で配置され外側フレーム部１０”と可動部２０”とを連結する一対の梁部３１”，３１”とを備えている。
【先行技術文献】
【特許文献】
【０００８】
【特許文献１】特開２００４−２６６９９１号公報
【特許文献２】特開２００７−２７２０６６号公報
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【０００９】
しかしながら、図１２に示した構成のＭＥＭＳ光スキャナでは、回折格子５”での多数の次数（κ＝０，±１，±２，・・・）の回折光が外部へ出射されてしまう、つまり、不要な光も出射されてしまうという問題があった。なお、０次（κ＝０）の回折光は、反射光である。
【００１０】
本発明は上記事由に鑑みて為されたものであり、その目的は、光学振れ角を大きくすることが可能で且つ不要な光が出射されるのを防止することが可能なＭＥＭＳ光スキャナを提供することにある。
【課題を解決するための手段】
【００１１】
請求項１の発明は、半導体基板を用いて形成され、外側フレーム部、外側フレーム部の内側に配置され一表面側にミラー面が設けられた可動部、および外側フレーム部の内側で可動部を挟む形で配置され外側フレーム部と可動部とを連結し捩れ変形が可能な一対の捩りばね部を有する可動部形成基板と、可動部を駆動する駆動手段とを備えたＭＥＭＳ光スキャナであって、可動部形成基板の可動部のミラー面側に回折格子が形成されてなり、入射光および、回折格子の法線に対して入射光とは反対側にある負の次数の回折光のうち規定次数の回折光以外を遮光するカバー基板が可動部形成基板に接合されてなることを特徴とする。
【００１２】
この発明によれば、可動部形成基板の可動部のミラー面側に回折格子が形成されてなり、入射光および、回折格子の法線に対して入射光とは反対側にある負の次数の回折光のうち規定次数の回折光以外を遮光するカバー基板が可動部形成基板に接合されているので、光学振れ角を大きくすることが可能で且つ不要な光が出射されるのを防止することが可能となる。
【００１３】
請求項２の発明は、請求項１の発明において、前記回折格子は、平面視において格子周期方向に直交する方向を、前記各捩りばね部の並設方向に対して非平行としてあることを特徴とする。
【００１４】
この発明によれば、前記各捩りばね部の並設方向に直交する平面に沿って前記回折格子に入射光を入射させて用いる場合に、前記回折格子からの０次の回折光を当該平面に沿って進行させて前記カバー基板で遮光する一方で、前記規定次数の回折光を当該平面から傾いた面に沿って進行させ前記カバー基板から出射させることができる。
【００１５】
請求項３の発明は、請求項１または請求項２の発明において、前記回折格子は、前記可動部における前記ミラー面側に周期的な溝を設けることにより形成されてなることを特徴とする。
【００１６】
この発明によれば、高い回折効率を得ることができる。
【００１７】
請求項４の発明は、請求項１ないし請求項３の発明において、前記回折格子は、溝形状が鋸歯状であることを特徴とする。
【００１８】
この発明によれば、前記回折格子の回折効率を高めることができる。
【００１９】
請求項５の発明は、請求項１ないし請求項３の発明において、前記回折格子は、溝形状が矩形状であることを特徴とする。
【００２０】
この発明によれば、請求項４の発明に比べて、前記回折格子を容易に形成することができる。
【００２１】
請求項６の発明は、請求項１の発明において、前記回折格子は、相対的に反射率の高い材料からなるライン状の高反射率膜と相対的に反射率の低い材料からなるライン状の低反射率膜とが前記ミラー面に沿って交互に配列されてなることを特徴とする。
【００２２】
この発明によれば、前記回折格子を容易に形成することができる。
【００２３】
請求項７の発明は、請求項６の発明において、前記低反射率膜がＳｉＯ２膜からなり、前記高反射率膜が金属膜であることを特徴とする。
【００２４】
この発明によれば、前記回折格子を一般的なＭＥＭＳプロセスとの整合性の良いプロセスで形成することができる。
【００２５】
請求項８の発明は、請求項１ないし請求項７の発明において、前記規定次数が−１であることを特徴とする。
【００２６】
この発明によれば、−１次の回折光を走査光として出射することとなり、走査光の光学振れ角が大きくなりすぎて前記カバー基板の平面サイズが大きくなって小型化が制限されるのを防止することができるとともに、−２次以上の回折光を走査光として利用する場合に比べて走査光の光強度を高めることができる。
【発明の効果】
【００２７】
請求項１の発明では、光学振れ角を大きくすることが可能で且つ不要な光が出射されるのを防止することが可能になるという効果がある。
【図面の簡単な説明】
【００２８】
【図１】実施形態のＭＥＭＳ光スキャナの概略分解斜視図である。
【図２】同上のＭＥＭＳ光スキャナを示し、（ａ）は概略平面図、（ｂ）は（ａ）のＡ−Ａ’概略断面図である。
【図３】同上のＭＥＭＳ光スキャナの動作説明図である。
【図４】同上のＭＥＭＳ光スキャナの動作説明図である。
【図５】同上のＭＥＭＳ光スキャナの動作説明図である。
【図６】同上のＭＥＭＳ光スキャナの動作説明図である。
【図７】同上のＭＥＭＳ光スキャナの要部概略断面図である。
【図８】同上のＭＥＭＳ光スキャナの製造方法を説明するための主要工程断面図である。
【図９】同上のＭＥＭＳ光スキャナの他の構成例の要部概略断面図である。
【図１０】同上のＭＥＭＳ光スキャナの別の構成例の要部概略断面図である。
【図１１】従来例のＭＥＭＳ光スキャナを示し、（ａ）は概略平面図、（ｂ）は（ａ）のＢ−Ｂ’概略断面図、（ｃ）は（ａ）のＣ−Ｃ’概略断面図である。
【図１２】他の従来例のＭＥＭＳ光スキャナを示し、（ａ）は概略斜視図、（ｂ）は概略分解斜視図である。
【発明を実施するための形態】
【００２９】
以下、本実施形態のＭＥＭＳ光スキャナについて図１〜図７を参照しながら説明する。
【００３０】
本実施形態のＭＥＭＳ光スキャナは、半導体基板であるＳＯＩ基板１００を用いて形成され、外周形状が矩形状の枠状（ここでは、矩形枠状）の外側フレーム部（固定フレーム部）１０、外側フレーム部１０の内側に配置され平面視矩形状のミラー面２１が設けられた平面視矩形状の可動部２０、および外側フレーム部１０の内側で可動部２０を挟む形で配置され外側フレーム部１０と可動部２０とを連結し捩れ変形が可能な一対の捩りばね部３０，３０を有する可動部形成基板（可動部形成基板）１と、第１のガラス基板２００を用いて形成され可動部形成基板１においてミラー面２１が設けられた一表面側に接合された第１のカバー基板２と、第２のガラス基板３００を用いて形成され可動部形成基板１の他表面側に接合された第２のカバー基板３とを備えている。また、本実施形態のＭＥＭＳ光スキャナは、可動部形成基板１の可動部２０のミラー面２１側に回折格子５が形成されており、第１のカバー基板２が、後述するように、入射光および、回折格子５の法線（回折格子５の格子面の法線）に対して入射光とは反対側にある負の次数の回折光のうち規定次数の回折光以外を遮光するカバー基板を構成している。
【００３１】
上述の可動部形成基板１および各カバー基板２，３の外周形状は矩形状であり、各カバー基板２，３は可動部形成基板１と同じ外形寸法に形成されている。
【００３２】
ここにおいて、可動部形成基板１は、導電性を有する第１のシリコン層（活性層）１００ａと第２のシリコン層（シリコン基板）１００ｂとの間に絶縁層（ＳｉＯ２層）１００ｃが介在する上述のＳＯＩ基板１００をバルクマイクロマシニング技術などにより加工することによって形成してある。また、第１のカバー基板２は、それぞれパイレックス（登録商標）ガラスなどからなる２枚のガラス板を厚み方向に重ねて接合した第２のガラス基板２００を用いて形成してあり、第２のカバー基板３は、パイレックス（登録商標）ガラスなどからなる第２のガラス基板３００を加工することにより形成してある。なお、ＳＯＩ基板１００は、第１のシリコン層１００ａの厚さを３０μｍ、第２のシリコン層１００ｂの厚さを４００μｍに設定し、第１のガラス基板２００および第２のガラス基板３００の厚さは、０．５ｍｍ〜１．５ｍｍ程度の範囲で設定してあるが、これらの数値は一例であり、特に限定するものではない。また、半導体基板たるＳＯＩ基板１００の一表面である第１のシリコン層１０ｃの表面は（１００）面としてある。
【００３３】
可動部形成基板１の外側フレーム部１０は、ＳＯＩ基板１００の第１のシリコン層１００ａ、絶縁層１００ｃ、第２のシリコン層１００ｂそれぞれを利用して形成してあり、外側フレーム部１０のうち第１のシリコン層１００ａにより形成された部位が第１のカバー基板２の外周部と全周に亘って接合され、外側フレーム部１０のうち第２のシリコン層１００ｃにより形成された部位が第２のカバー基板３の外周部と全周に亘って接合されており、上記一表面側において外側フレーム部１０に、可動部２０を駆動する後述の駆動手段に電気的に接続される２つのパッド１３，１３が形成されている。各パッド１３，１３は平面視形状が円形状であり、第１の金属膜（例えば、Ａｌ膜など）により構成されている。なお、本実施形態では、各パッド１３，１３の膜厚を５００ｎｍに設定してあるが、この数値は一例であり、特に限定するものではない。
【００３４】
また、可動部形成基板１の可動部２０および各捩りばね部３０，３０は、ＳＯＩ基板１００の第１のシリコン層１００ａを用いて形成されており、外側フレーム部１０よりも十分に薄肉となっている。また、可動部２０に設けられたミラー面２１は、可動部２０において第１のシリコン層１００ａの表面により構成されているが、これに限らず、可動部２０において第１のシリコン層１００ａにより形成された部位の表面に第２の金属膜（例えば、Ａｌ膜など）からなる反射膜を形成して、当該反射膜の表面が、ミラー面２１を構成するようにしてもよい。なお、反射膜を構成する第２の金属膜の材料は、Ａｌに限らず、走査対象（スキャン対象）の光（入射光）の波長や波長帯に応じて、例えば、Ａｇ、Ａｌ−Ｓｉ、Ａｕなどを採用してもよい。
【００３５】
以下では、図２（ａ），（ｂ）それぞれの左下に示すように、平面視において一対の捩りばね部３０，３０の並設方向に直交する方向をｘ軸方向、一対の捩りばね部３０，３０の並設方向をｙ軸方向、ｘ軸方向およびｙ軸方向に直交する方向をｚ軸方向とする直交座標を利用して説明する。なお、当該直交座標の原点は、平面視における回折格子５の中心Ｏ（図６参照）としている。
【００３６】
上述の可動部形成基板１は、一対の捩りばね部３０，３０がｙ軸方向に並設されており、可動部２０が、外側フレーム部１０に対して一対の捩りばね部３０，３０の回りで変位可能となっている（ｙ軸の軸回りで回動可能となっている）。つまり、一対の捩りばね部３０，３０は、外側フレーム部１０に対して可動部２０が揺動自在となるように外側フレーム部１０と可動部２０とを連結している。言い換えれば、外側フレーム部１０の内側に配置される可動部２０は、可動部２０から相反する２方向へ連続一体に延長された２つの捩りばね部３０，３０を介して外側フレーム部１０に揺動自在に支持されている。ここで、一対の捩りばね部３０，３０は、両者のｙ軸に沿った中心線同士を結ぶ直線が、平面視で可動部２０の重心を通るように形成されている。なお、各捩りばね部３０，３０は、厚み寸法（ｚ軸に沿った方向の寸法）を３０μｍ、幅寸法（ｘ軸に沿った方向の寸法）を、５μｍに設定してあるが、これらの数値は一例であり、特に限定するものではない。また、可動部２０およびミラー面２１の平面視形状は、矩形状に限らず、例えば、円形状でもよい。また、外側フレーム部１０の内周形状も矩形状に限らず、例えば、円形状でもよい。
【００３７】
上述の可動部形成基板１は、可動部２０において一対の捩りばね部３０，３０を結ぶ方向（一対の捩りばね部３０，３０の並設方向）に直交する方向（つまり、ｘ軸方向）の両側に形成された櫛形状の可動電極２２と、外側フレーム部１０に形成され可動電極２２の複数の可動櫛歯片２２ｂに対向する複数の固定櫛歯片１２ｂを有する櫛形状の固定電極１２とで構成され静電力により可動部２０を駆動する静電駆動式の駆動手段を備えている。なお、本実施形態では、駆動手段が、静電力により可動部２０を駆動するものであるが、静電力によって可動部２０を駆動する静電駆動式に限らず、電磁力によって可動部２０を駆動する電磁駆動式でもよいし、圧電素子によって可動部２０を駆動する圧電駆動式でもよい。
【００３８】
上述の固定電極１２，１２は、平面視形状が櫛形状であり、櫛骨部１２ａが外側フレーム部１０のうちｙ軸に沿った枠片部において第１のシリコン層１００ａにより形成された部位の一部により構成されており、櫛骨部１２ａにおける可動部２０との対向面（外側フレーム部１０におけるｙ軸に沿った内側面）には、第１のシリコン層１００ａの一部からなる多数の固定櫛歯片１２ｂが一対の捩りばね部３０，３０の並設方向に沿って列設されている。一方、可動電極２２，２２は、可動部２０における固定電極１２の櫛骨部１２ａ側の櫛骨部２２ａ，２２ａの側面（可動部２０におけるｙ軸に沿った側面）において、第１のシリコン層１００ａの一部により構成され固定櫛歯片１２ｂにそれぞれ対向する多数の可動櫛歯片２２ｂが上記並設方向に列設されている。ここで、櫛形状の固定電極１２と櫛形状の可動電極２２とは、櫛骨部１２ａ，２２ａが互いに対向し、固定電極１２の各固定櫛歯片１２ｂが可動電極２２の櫛溝に入り組んでおり、固定櫛歯片１２ｂと可動櫛歯片２２ｂとが、ｙ軸方向において互いに離間しており、固定電極１２と可動電極２２との間に電圧が印加されることにより、固定電極１２と可動電極２２との間に互いに引き合う方向に作用する静電力が発生する。なお、ｙ軸方向における固定櫛歯片１２ｂと可動櫛歯片２２ｂとの間の隙間は、例えば、５μｍ〜２０μｍ程度の範囲で適宜設定すればよい。
【００３９】
可動部形成基板１の外側フレーム部１０において第１のシリコン層１００ａにより形成された部位には、一方のパッド１３（図１における右側のパッド１３ｂ）が固定電極１２，１２に電気的に接続されるとともに他方のパッド１３（図１における左側のパッド１３ａ）が可動電極２２，２２に電気的に接続され、且つ、固定電極１２，１２と可動電極２２，２２とが電気的に絶縁されるように、複数のスリット１０ａ，１０ａ，１０ａが絶縁層１００ｃに達する深さで形成されている。ここで、本実施形態では、各スリット１０ａ，１０ａ，１０ａをトレンチとし、各スリット１０ａ，１０ａ，１０ａの平面視形状を外側フレーム部１０の外側面側に開放されない形状とすることで、外側フレーム部１０にスリット１０ａ，１０ａ，１０ａを形成した構造を採用しながらも、外側フレーム部１０と第１のカバー基板２との接合性が低下するのを防止し、外側フレーム部１０と各カバー基板２，３とで囲まれる空間の気密性を確保している。
【００４０】
ここで、外側フレーム部１０において第１のシリコン層１００ａにより形成された部分は、上述のスリット１０ａ，１０ａ，１０ａを形成することにより、一端部が可動部２０の外側面に連続一体に連結された各捩りばね部３０，３０それぞれの他端部が内側面に連続一体に連結された２つのアンカー部１１ａ，１１ｂと、一方のアンカー部１１ａａと一方のパッド１３ａが形成された矩形状の島部１１ｃと、上記一方のアンカー部１１ａｂと島部１１ａｃとをつなぐ平面視Ｌ字状の導電部１１ａｄとで構成される第１の導電性構造体１１ａが、可動部２０の可動電極２２，２２と同電位になり、残りの部分からなり他方のパッド１３ｂが形成された第２の導電性構造体１１ｂが固定電極１２，１２と同電位になる。
【００４１】
第１のカバー基板２は、上述のように第１のガラス基板２００を用いており、第１のガラス基板２００の厚み方向に貫通して各パッド１３，１３それぞれを全周に亘って露出させる２つの貫通孔２０２，２０２が形成されている。ここにおいて、第１のガラス基板２００の各貫通孔２０２，２０２は、可動部形成基板１から離れるにつれて開口面積が徐々に大きくなるテーパ状に形成されている。ここで、第１のカバー基板２の各貫通孔２０２，２０２は、サンドブラスト法により形成してあるが、サンドブラスト法に限定するものではなく、貫通孔２０２，２０２の形状によってはドリル加工法やエッチング法などを適宜採用してもよい。
【００４２】
本実施形態のＭＥＭＳ光スキャナでは、各パッド１３，１３の平面視形状を直径が０．５ｍｍの円形状としてあり、各貫通孔２０２，２０２の第１の可動部形成基板１側での開口径が０．５ｍｍよりも大きくなるようにしてあるが、各パッド１３，１３の直径は特に限定するものではなく、また、必ずしも円形状とする必要はなく、例えば、正方形状としてもよいが、貫通孔２０２，２０２の開口径を小さくするうえでは円形状の方が正方形状よりも好ましい。
【００４３】
ここにおいて、各パッド１３，１３の一部が厚み方向において第１のカバー基板２に重なる場合には、パッド１３，１３の厚みの影響で接合性や気密性が損なわれて製造時の歩留まり低下や、動作安定性の低下、経時安定性の低下の原因となる懸念があり、外側フレーム部１０の幅寸法（外側フレーム部１０の外側面と内側面との距離）を増大させる必要が生じてＭＥＭＳ光スキャナの小型化が制限されてしまうことが考えられる。
【００４４】
これに対して、本実施形態のＭＥＭＳ光スキャナでは、第１のカバー基板２が各パッド１３，１３と重なることがなく、第１のカバー基板２と外側フレーム部１０との間にパッド１３，１３の一部が介在することもないので、第１のカバー基板２と可動部形成基板１の外側フレーム部１０との接合が各パッド１３，１３により妨げられるのを防止することができるから、パッド１３，１３の厚みの影響で接合性や気密性が損なわれるのを防止することができ、外側フレーム部１０の幅寸法を増大させずに歩留まりの向上による低コスト化を図れるとともに、動作安定性の低下、経時安定性の低下を抑制することができる。
【００４５】
また、本実施形態のＭＥＭＳ光スキャナでは、可動部形成基板１の外側フレーム部１０と各カバー基板２，３とで囲まれる気密空間を真空とすることで、低消費電力化を図りつつ可動部２０の機械振れ角を大きくすることが可能となるので、上記気密空間を真空とするとともに、第２のカバー基板３における可動部形成基板１との対向面において外側フレーム部１０に接合される部位よりも内側の適宜部位に非蒸発型ゲッタ（図示せず）を設けてある。なお、非蒸発型ゲッタは、例えば、Ｚｒを主成分とする合金やＴｉを主成分とする合金などにより形成すればよい。
【００４６】
ところで、第１のガラス基板２００は、可動部形成基板１との対向面に可動部２０の変位空間を確保する変位空間形成用凹部（以下、第１の変位空間形成用凹部と称する）２０１を有しているが、上述のように２枚のガラス板を接合して形成されており、可動部形成基板１に近い側に配置するガラス板（以下、第１のガラス板と称する）において第１の変位空間形成用凹部２０１に対応する部位に厚み方向に貫通する開孔部を形成するとともに可動部形成基板１から遠い側に配置するガラス板（以下、第２のガラス板と称する）を平板状としてあるので、１枚のガラス基板を用いて当該ガラス基板にサンドブラスト加工などにより第１の変位空間形成用凹部２０１を形成する場合に比べて、第１の変位空間形成用凹部２０１の内底面を滑らかな表面とすることができ、第１の変位空間形成用凹部２０１の内底面での拡散反射、光拡散、散乱損失などを低減できる。
【００４７】
第２のカバー基板３は、第２のガラス基板３００を用いて形成されており、厚み方向の両面を平面状としてあるが、可動部２０の厚みや、半導体基板を構成するＳＯＩ基板１００の第２のシリコン層１００ｂの厚みなどによっては、第２のガラス基板３００における可動部形成基板１側の一表面に、可動部２０の変位空間を確保するための凹部（以下、第２の変位空間形成用凹部と称する）を形成してもよい。ここにおいて、第２のガラス基板３００の上記一表面に第２の変位空間形成用凹部を形成する場合は、例えば、サンドブラスト法などにより形成すればよい。なお、第２のカバー基板３は、光を透過させる必要がないので、第２のガラス基板３００に限らず、例えば、シリコン基板を用いて形成してもよく、この場合の第２の変位空間形成用凹部は、フォトリソグラフィ技術およびエッチング技術を利用して形成すればよい。
【００４８】
なお、上述の各ガラス基板２００，３００のガラス材料としては、ソーダガラス、無アルカリガラス、石英ガラスなどを用いることもできるが、シリコン材料を用いて形成した可動部形成基板１との接合性の観点から、硼珪酸ガラスであるパイレックス（登録商標）やテンパックス（登録商標）などが好ましい。また、本実施形態では、各カバー基板２，３の厚さを０．５ｍｍ〜１．５ｍｍ程度の範囲で設定し、第１の変位空間形成用凹部２０１の深さを０．３ｍｍ程度に設定してあるが、これらの数値は一例であり、特に限定するものではない。
【００４９】
次に、本実施形態のＭＥＭＳ光スキャナの基本的な動作について簡単に説明する。
【００５０】
本実施形態のＭＥＭＳ光スキャナでは、一対のパッド１３，１３を通して、対向する可動電極２２と固定電極１２との間に可動部２０を駆動するためのパルス電圧を与えることにより、可動電極２２・固定電極１２間に静電力が発生し、可動部２０がｙ軸方向の軸回りで回動する。しかして、本実施形態のＭＥＭＳ光スキャナでは、可動電極２２・固定電極１２間に所定の駆動周波数のパルス電圧を印加することにより、周期的に静電力を発生させることができ、可動部２０を揺動させることができる。
【００５１】
ここで、上述の可動部２０は、内部応力に起因して、静止状態でも水平姿勢（ｘｙ平面に平行な姿勢）ではなく、きわめて僅かであるが傾いているので、例えば、可動電極２２・固定電極１２間にパルス電圧が印加されると、静止状態からであっても、可動部２０に略垂直な方向（ｚ軸方向）の駆動力が加わり、可動部２０が一対の捩りばね部３０，３０を回動軸として当該一対の捩りばね部３０，３０を捩りながら回動する。そして、可動電極２２・固定電極１２間の駆動力を、可動櫛歯片２２ｂと固定櫛歯片１２ｂとが完全に重なりあうような姿勢となったときに解除すると、可動部２０は、慣性力により、一対の捩りばね部３０，３０を捩りながら回動し続ける。そして、可動部２０の回動方向への慣性力と、一対の捩りばね部３０，３０の復元力とが等しくなったとき、当該回動方向への可動部２０の回動が停止する。このとき、可動電極２２・固定電極１２間に再びパルス電圧が印加されて静電力が発生すると、可動部２０は、一対の捩りばね部３０，３０の復元力と可動電極２２および固定電極１２により構成される駆動手段の駆動力により、それまでとは逆の方向への回動を開始する。可動部２０は、駆動手段の駆動力と一対の捩りばね部３０，３０の復元力とによる回動を繰り返して、一対の捩りばね部３０，３０を回動軸として揺動する。
【００５２】
本実施形態のＭＥＭＳ光スキャナでは、可動部２０と一対の捩りばね部３０，３０とにより構成される振動系の共振周波数の略２倍の周波数のパルス電圧を印加することにより、可動部２０が共振現象を伴って駆動され、機械振れ角（ｘｙ平面に平行な水平面を基準としたときの傾き）が大きくなる。なお、可動電極２２・固定電極１２間への電圧（駆動電圧）の印加形態や周波数は特に限定するものではなく、例えば、可動電極２２・固定電極１２間に印加する電圧を正弦波電圧としてもよい。
【００５３】
ところで、本実施形態のＭＥＭＳ光スキャナは、上述のように、可動部形成基板１の可動部２０のミラー面２１上に回折格子５が形成されている。なお、本実施形態の回折格子５は、ミラー面２１上に金属膜（例えば、Ａｌ膜など）を成膜した後、フォトリソグラフィ技術およびエッチング技術を利用して当該金属膜を等間隔で平行配置される複数のライン状の金属膜５ａ（図７参照）にパターニングすることで形成されている。言い換えれば、回折格子５は、可動部２０における第１のカバー基板２側に周期的な溝５ｂ（図７参照）を設けることにより形成されており、高い回折効率を得ることができる。また、本実施形態では、回折格子５の溝５ｂの形状（溝形状）を矩形状（断面矩形状）としてあるので、回折格子５を容易に形成することができる。なお、本実施形態では、回折格子５の格子周期をｄ（図７参照）とすると、走査対象（スキャン対象）の光の波長や入射角に基づいて、格子周期ｄを２μｍ〜２０μｍ程度の範囲で適宜設定すればよい。
【００５４】
ところで、図３に示すように、回折格子５に入射光が入射すると、回折格子５からは各次数（回折の次数）の回折光が出射される。図３には、０次の回折光（反射光）、１次の回折光、２次の回折光、−１次の回折光、−２次の回折光、−３次の回折光のみ図示してあるが、本実施形態では、０次の回折光に比べて光学振れ角を大きくできる−１次の回折光を走査光として第１のカバー基板２から出射させるようにしてある。具体的には、第１のカバー基板２には、入射光を透過させる入射光透過部２０３と、−１次の回折光からなる走査光を透過させる走査光透過部２０４とが各別に設けられている。ここで、第１のカバー基板２は、第１のガラス基板２００における可動部形成基板１側とは反対側の表面のうち、入射光透過部２０３および走査光透過部２０４それぞれに対応する部位以外の領域に、金属膜などからなる遮光膜（図示せず）を、蒸着法やスパッタ法やめっき法などを利用して形成してある。要するに、本実施形態では、第１のカバー基板２が、入射光および、回折格子の法線に対して入射光とは反対側にある負の次数の回折光のうち規定次数の回折光以外を遮光するカバー基板を構成している。なお、上記遮光膜の材料としては、光の吸収率の高い材料を採用する方が光の多重反射に起因した迷光を低減する点で好ましく、金属以外の材料により形成してもよい。
【００５５】
本実施形態では、入射透過部２０３および走査光透過部２０４を、第１のガラス基板２００の一部により構成しているが、入射透過部２０３および走査光透過部２０４は、それぞれ第１のガラス基板２００の厚み方向に貫通する透孔により構成してもよいし、当該透孔に、走査対象の光に対して透明な材料を充填して形成してもよい。なお、第１のカバー基板２は、第１のガラス基板２００に限らず、例えば、アクリル基板や金属板を用いて形成してもよく、アクリル基板を用いて形成する場合には、第１のガラス基板２００を用いて形成する場合と同様に上記遮光膜を設けることで入射透過部２０３および走査光透過部２０４を形成してもよいし、入射透過部２０３および走査光透過部２０４それぞれに対応する部位に透孔を貫設してもよいし、当該透孔に、走査対象の光に対して透明な材料を充填して形成してもよく、また、金属板を用いて形成する場合には、入射透過部２０３および走査光透過部２０４それぞれに対応する部位に透孔を貫設してもよいし、当該透孔に、走査対象の光に対して透明な材料を充填して形成してもよい。
【００５６】
ここで、図４に示すように、回折格子５の法線に対する光の入射角をα、回折角をβ、回折の次数をκ（κ＝０，±１，±２，・・・）、回折格子５の格子周期をｄとすると、回折角βは、下記（１）式で与えられる。
【００５７】
【数１】
【００５８】
ここで、次数κが０の場合の回折角βは、入射角αと等しくなる。すなわち、０次の回折光である反射光は、入射光と等しい角度で出射される。これに対して、０次以外の回折光は、入射光よりも大きい角度あるいは小さい角度で出射されることとなる。本実施形態では、入射光よりも大きい角度で出射される回折光、すなわち、負の次数の回折光のうち規定次数（ここでは、−１）の回折光を走査光として上述の走査光透過部２０４から出射させる。
【００５９】
ここにおいて、可動部２０が図４中に一点鎖線で示したように水平な状態から角度θmだけ回動して同図中に実線で示したように左下がりの状態に傾いたとすると、０次の回折光（反射光）、０次以外の回折光それぞれの光学振れ角θr，θdは、下記（２）式、下記（３）式で与えられる。
【００６０】
【数２】
【００６１】
いま、一例として、０次以外の回折光の次数κを−１、光の波長λを６３３ｎｍ、回折格子５の格子周期ｄを５μｍ、入射角α0を３５°とすると、可動部２０の機械振れ角（θm）と光学振れ角θr，θdとの関係は図５の破線イ、実線ロのようになる。この図５から、−１次の回折光を利用することにより、０次の回折光（反射光）を利用するよりも、大きな光学振れ角を得ることができることが分かる。ここで、走査光として用いる回折光の次数は、適宜選択すればよいが、反射光に比べて回折角が極端に大きな回折光は走査光として利用することが難しいので、上記規定次数は、−１もしくは−２が好ましい。なお、上述の光の波長λ、格子周期ｄ、入射角の数値は一例であって、これらの数値は特に限定するものではない。
【００６２】
ところで、回折格子５の溝５ｂの延長方向（格子周期方向に直交する方向）が一対の捩りばね部３０，３０の並設方向に平行な場合、一対の捩りばね部３０，３０の並設方向に直交する平面（ｘｚ平面）に沿って回折格子５に入射光を入射させると、全ての回折光が同一平面（ｘｚ平面）上に存在することとなり、ＭＥＭＳ光スキャナの走査光として必要な光のみを出射させることが困難となる。
【００６３】
これに対して、本実施形態のＭＥＭＳ光スキャナでは、図６に示すように、可動部２０の機械振れ角が０°の状態で当該回折格子５の中心に立てた法線がｚ軸上にある一方で、一対の捩りばね部３０，３０がｙ軸上にあり、回折格子５の溝５ｂの延長方向（回折格子５の格子周期方向に直交する方向）を、ｘｙ平面においてｙ軸に対して反時計周り方向に所定角φだけ傾けてある。なお、所定角φはｘｙ平面においてｙ軸に対して反時計周り方向を正としてあるが、所定角φは負でもよい（つまり、溝５ｂの延長方向はｘｙ平面においてｙ軸に対して時計回り方向に傾けてもよい）。
【００６４】
要するに、本実施形態における回折格子５は、平面視において格子周期方向に直交する方向を、一対の捩りばね部３０，３０の並設方向に対して非平行としてある。しかして、一対の捩りばね部３０，３０の並設方向に直交する平面に沿って回折格子５に入射光を入射させて用いる場合に、回折格子５からの０次の回折光を当該平面に沿って進行させて第１のカバー基板２で遮光する一方で、上記規定次数（−１あるいは−２）の回折光を当該平面から傾いた面に沿って進行させ第１のカバー基板２から出射させることができる。なお、所定角φは、上記規定次数の回折光と他の回折光とを分離できるように適宜設定すればよいが、１０°以下で設定することが好ましい。
【００６５】
以下、本実施形態のＭＥＭＳ光スキャナの製造方法について図８を参照しながら説明するが、（ａ）〜（ｄ）は図２（ａ）のＡ−Ｂ’断面に対応する部分の概略断面を示している。
【００６６】
まず、半導体基板であるＳＯＩ基板１００の上記一表面側に所定膜厚（例えば、５００ｎｍ）の金属膜（例えば、Ａｌ膜など）をスパッタ法や蒸着法などにより成膜する金属膜形成工程を行い、フォトリソグラフィ技術およびエッチング技術を利用して金属膜をパターニングすることにより各パッド１３，１３および回折格子５を形成する金属膜パターニング工程を行うことによって、図８（ａ）に示す構造を得る。なお、本実施形態では、各パッド１３，１３と回折格子５のライン状の金属膜５ａ（図７参照）との材料および膜厚を同じに設定してあるので、各パッド１３，１３と回折格子５とを同時に形成しているが、各パッド１３，１３と回折格子５の金属膜５ａとの材料や膜厚が相違する場合には、各パッド１３，１３を形成するパッド形成工程と回折格子５を形成する回折格子形成工程とを別々に設ければよく、パッド形成工程と回折格子形成工程との順序はどちらが先でもよい。
【００６７】
上述の各パッド１３，１３および回折格子５を形成した後、ＳＯＩ基板１００の上記一表面側で、第１のシリコン層１００ａのうち可動部２０、一対の捩りばね部３０，３０、外側フレーム部１０、固定電極１２，１２、可動電極２２，２２に対応する部位を覆うようにパターニングされた第１のレジスト層１３０をマスクとして、第１のシリコン層１００ａを絶縁層１００ｃに達する深さ（第１の所定深さ）までエッチングすることにより第１のシリコン層１００ａをパターニングする第１のシリコン層パターニング工程（表面側パターニング工程）を行うことによって、図８（ｂ）に示す構造を得る。要するに、第１のシリコン層パターニング工程は、半導体基板であるＳＯＩ基板１００を上記一表面から第１の所定深さまでエッチングする表面側パターニング工程を構成している。第１のシリコン層パターニング工程での第１のシリコン層１００ａのエッチングは、誘導結合プラズマ（ＩＣＰ）型のエッチング装置などの異方性の高いエッチングが可能なドライエッチング装置により行えばよい。また、第１のシリコン層パターニング工程では、絶縁層１００ｃをエッチングストッパ層として利用している。
【００６８】
上述の第１のシリコン層パターニング工程の後、ＳＯＩ基板１００の上記一表面側の第１のレジスト層１３０を除去してから、ＳＯＩ基板１００の上記一表面側の全面に第２のレジスト層１３１を形成し、続いて、ＳＯＩ基板１００の他表面側で、第２のシリコン層１００ｂのうち外側フレーム部１０に対応する部位以外を露出させるようにパターニングされた第３のレジスト層１３２をマスクとして、第２のシリコン層１００ｂを絶縁層１００ｃに達する深さ（第２の所定深さ）までエッチングすることにより第２のシリコン層１００ｂをパターニングする第２のシリコン層パターニング工程を行うことによって、図８（ｃ）に示す構造を得る。要するに、第２のシリコン層パターニング工程は、半導体基板であるＳＯＩ基板１００を上記他表面から第２の所定深さまでエッチングする裏面側パターニング工程を構成している。第２のシリコン層パターニング工程での第２のシリコン層１００ｂのエッチングは、誘導結合プラズマ（ＩＣＰ）型のエッチング装置などの異方性が高く垂直深堀が可能なドライエッチング装置により行えばよい。また、第２のシリコン層パターニング工程では、絶縁層１００ｃをエッチングストッパ層として利用している。
【００６９】
上述の第２のシリコン層パターニング工程の後、ＳＯＩ基板１００の絶縁層１００ｃにおいて外側フレーム部１０と可動部２０との間の部位、可動電極２２，２２と固定電極１２，１２との間の部位を、ＳＯＩ基板１００の上記他表面側からエッチングする絶縁層パターニング工程を行うことで可動部形成基板１を形成してから、第２のレジスト層１３１および第３のレジスト層１３２を除去し、その後、可動部形成基板１と、第１のカバー基板２および第２のカバー基板３とを陽極接合などにより接合する接合工程を行うことによって、図８（ｄ）に示す構造のＭＥＭＳ光スキャナを得る。
【００７０】
ここにおいて、接合工程では、可動部形成基板１のミラー面２１を保護する観点から、第１のカバー基板２と可動部形成基板１とを接合する第１の接合過程を行ってから、可動部形成基板１と第２のカバー基板３とを接合する第２の接合過程を行うことが好ましい。ここで、第１の接合過程では、先ず、第１のガラス基板２００に第１の変位空間形成用凹部２０１や各貫通孔２０２，２０２を形成した第１のカバー基板２と可動部形成基板１とを重ねた積層体を、所定真空度（例えば、１０Ｐａ以下）の真空中で所定の接合温度（例えば、３００℃〜４００℃程度）に加熱した状態で、第１のシリコン層１００ａと第１のカバー基板２との間に第１のカバー基板２側を低電位側として所定電圧（例えば、４００Ｖ〜８００Ｖ程度）を印加し、この状態を所定の接合時間（例えば、２０分〜６０分程度）だけ保持すればよい。また、第２の接合過程では、上述の第１の接合過程に準じて、第２のシリコン層１００ｂと第２のカバー基板３との陽極接合を行う。なお、可動部形成基板１と各カバー基板２，３を接合する接合方法は、陽極接合に限らず、例えば、常温接合法などでもよい。また、第１のシリコン層パターニング工程の後に、ＳＯＩ基板１００と第１のカバー基板２とを接合し、その後、第２のシリコン層パターニング工程、絶縁層パターニング工程を行うことで可動部形成基板１を形成し、その後、可動部形成基板１と第２のカバー基板３とを接合するようにしてもよい。
【００７１】
ところで、本実施形態のＭＥＭＳ光スキャナの製造方法では、接合工程が終了するまでの全工程を可動部形成基板１および各カバー基板２，３それぞれについてウェハレベルで行うことでＭＥＭＳ光スキャナを複数備えたウェハレベルパッケージ構造体を形成するようにし、当該ウェハレベルパッケージ構造体から個々のＭＥＭＳ光スキャナに分割する分割工程を行うようにしている。要するに、本実施形態のＭＥＭＳ光スキャナの製造方法では、可動部形成基板１を複数形成した第１のウェハと、第１のカバー基板２を複数形成した第２のウェハおよび第２のカバー基板３を複数形成した第３のウェハとを接合することでウェハレベルパッケージ構造体を形成した後、ウェハレベルパッケージ構造体から可動部形成基板１の外形サイズに分割するようにしているので、各カバー基板２，３の平面サイズを可動部形成基板１の外形サイズに合わせることができるから、小型で光学振れ角が大きなＭＥＭＳ光スキャナを簡易なプロセスで製造することができ、また、量産性を高めることができる。
【００７２】
以上説明した本実施形態のＭＥＭＳ光スキャナでは、可動部形成基板１の可動部２０のミラー面２１側に回折格子５が形成されており、入射光および、回折格子５の法線に対して入射光とは反対側にある負の次数の回折光のうち規定次数の回折光以外を遮光する第１のカバー基板２が可動部形成基板１に接合されているので、光学振れ角を大きくすることが可能で且つ不要な光が出射されるのを防止することが可能となる。ここにおいて、本実施形態のＭＥＭＳ光スキャナでは、上記規定次数を−１としてあるので、−１次の回折光を走査光として出射することとなり、走査光の光学振れ角が大きくなりすぎて第１のカバー基板２の平面サイズが大きくなって小型化が制限されるのを防止することができるとともに、−２次以上の回折光を走査光として利用する場合に比べて走査光の光強度を高めることができる。
【００７３】
また、本実施形態のＭＥＭＳ光スキャナでは、回折格子５は、可動部２０のミラー面２１側に周期的な溝５ｂを設けることにより形成されているので、高い回折効率を得ることができる。
【００７４】
また、本実施形態のＭＥＭＳ光スキャナでは、ＳＯＩ基板１００の第１のシリコン層１００ａにより各捩りばね部３０，３０を形成してあるので、半導体基板としてシリコン基板を用いる場合に比べて各捩りばね部３０，３０の厚み寸法の精度を高めることができ、可動部２０と一対の捩りばね部３０，３０とで構成される振動系の共振周波数の精度を高めることができる。
【００７５】
ところで、回折格子５の溝５ｂの形状である溝形状を矩形状としてあるが、図９に示すように、溝５ｂの形状である溝形状を鋸歯状とすれば、回折格子５の回折効率をより高めることができる。ここで、溝５ｂの周期（格子周期）ｄおよび鋸歯面の角度γは、走査対象の光の波長や入射角に基づいて適宜設定すればよい。ただし、図７に示したように、溝５ｂの溝形状を矩形状とした方が、鋸歯状の場合に比べて、回折格子５を容易に形成することができる。ここで、溝形状が鋸歯状の溝５ｂを形成するには、例えば、インプリント法を利用して鋸歯状の溝形状に対応する断面形状のエッチングマスク層を形成してから、エッチングを行うようにしたり、フォトリソグラフィ工程とエッチング工程とを繰り返し行うことで所定レベル（階調数）の階段構造を形成するようにしてもよい（例えば、１６レベルの階段構造を有する回折格子５を形成するようにしてもよい）。なお、回折格子５の溝５ｂの形状は特に矩形状や鋸歯状に限らず、周期的に溝５ｂが形成されていればよい。また、回折格子５は、可動部２０に直接形成してもよい（第１のシリコン層１００ａに溝５ｂを形成することで形成してもよい）。
【００７６】
また、回折格子５は、図９に示すように、相対的に反射率の高い材料からなるライン状の高反射率膜たる金属膜５ａと相対的に反射率の低い材料からなるライン状の低反射率膜たるＳｉＯ２膜５ｃとがミラー面２１に沿って交互に配列された構成としてもよく、この場合も、回折格子５を容易に形成することができる。ここで、低反射率膜がＳｉＯ２膜５ｃからなり、高反射率膜が金属膜５ａであることにより、回折格子５を一般的なＭＥＭＳプロセスとの整合性の良いプロセスで形成することができる。なお、高反射率膜として用いる金属膜としては、Ａｌ−Ｓｉ膜、Ａｌ膜、Ａｕ膜などを採用すれば、反射率が高く且つ膜質のよい薄膜を得ることができるが、低反射率膜と高反射率膜との材料の組み合わせは、走査対象の光の波長に応じて適宜決定すればよい。
【００７７】
また、本実施形態のＭＥＭＳ光スキャナにおいて、各パッド１３それぞれの代わりに、例えば、第１のカバー基板２の外表面と可動部形成基板１における外側フレーム部１０の表面と貫通孔２０２の内側面とに跨って形成された貫通配線を外部接続電極として形成してもよい。
【符号の説明】
【００７８】
１ 可動部形成基板
２ 第１のカバー基板（カバー基板）
５ 回折格子
５ａ 金属膜（高反射率膜）
５ｂ 溝
５ｃ ＳｉＯ２膜（低反射率膜）
１２ 固定電極
２０ 可動部
２１ ミラー面
２２ 可動電極
３０ 捩りばね部
１００ ＳＯＩ基板（半導体基板）
２００ 第１のガラス基板
２０３ 入射光透過部
２０４ 走査光透過部
【特許請求の範囲】
【請求項１】
半導体基板を用いて形成され、外側フレーム部、外側フレーム部の内側に配置され一表面側にミラー面が設けられた可動部、および外側フレーム部の内側で可動部を挟む形で配置され外側フレーム部と可動部とを連結し捩れ変形が可能な一対の捩りばね部を有する可動部形成基板と、可動部を駆動する駆動手段とを備えたＭＥＭＳ光スキャナであって、可動部形成基板の可動部のミラー面側に回折格子が形成されてなり、入射光および、回折格子の法線に対して入射光とは反対側にある負の次数の回折光のうち規定次数の回折光以外を遮光するカバー基板が可動部形成基板に接合されてなることを特徴とするＭＥＭＳ光スキャナ。
【請求項２】
前記回折格子は、平面視において格子周期方向に直交する方向を、前記各捩りばね部の並設方向に対して非平行としてあることを特徴とする請求項１記載のＭＥＭＳ光スキャナ。
【請求項３】
前記回折格子は、前記可動部における前記ミラー面側に周期的な溝を設けることにより形成されてなることを特徴とする請求項１または請求項２記載のＭＥＭＳ光スキャナ。
【請求項４】
前記回折格子は、溝形状が鋸歯状であることを特徴とする請求項１ないし請求項３のいずれか１項に記載のＭＥＭＳ光スキャナ。
【請求項５】
前記回折格子は、前記回折格子は、溝形状が矩形状であることを特徴とする請求項１ないし請求項３のいずれか１項に記載のＭＥＭＳ光スキャナ。
【請求項６】
前記回折格子は、相対的に反射率の高い材料からなるライン状の高反射率膜と相対的に反射率の低い材料からなるライン状の低反射率膜とが前記ミラー面に沿って交互に配列されてなることを特徴とする請求項１記載のＭＥＭＳ光スキャナ。
【請求項７】
前記低反射率膜がＳｉＯ２膜からなり、前記高反射率膜が金属膜であることを特徴とする請求項６記載のＭＥＭＳ光スキャナ。
【請求項８】
前記規定次数が−１であることを特徴とする請求項１ないし請求項７のいずれか１項に記載のＭＥＭＳ光スキャナ。
【請求項１】
半導体基板を用いて形成され、外側フレーム部、外側フレーム部の内側に配置され一表面側にミラー面が設けられた可動部、および外側フレーム部の内側で可動部を挟む形で配置され外側フレーム部と可動部とを連結し捩れ変形が可能な一対の捩りばね部を有する可動部形成基板と、可動部を駆動する駆動手段とを備えたＭＥＭＳ光スキャナであって、可動部形成基板の可動部のミラー面側に回折格子が形成されてなり、入射光および、回折格子の法線に対して入射光とは反対側にある負の次数の回折光のうち規定次数の回折光以外を遮光するカバー基板が可動部形成基板に接合されてなることを特徴とするＭＥＭＳ光スキャナ。
【請求項２】
前記回折格子は、平面視において格子周期方向に直交する方向を、前記各捩りばね部の並設方向に対して非平行としてあることを特徴とする請求項１記載のＭＥＭＳ光スキャナ。
【請求項３】
前記回折格子は、前記可動部における前記ミラー面側に周期的な溝を設けることにより形成されてなることを特徴とする請求項１または請求項２記載のＭＥＭＳ光スキャナ。
【請求項４】
前記回折格子は、溝形状が鋸歯状であることを特徴とする請求項１ないし請求項３のいずれか１項に記載のＭＥＭＳ光スキャナ。
【請求項５】
前記回折格子は、前記回折格子は、溝形状が矩形状であることを特徴とする請求項１ないし請求項３のいずれか１項に記載のＭＥＭＳ光スキャナ。
【請求項６】
前記回折格子は、相対的に反射率の高い材料からなるライン状の高反射率膜と相対的に反射率の低い材料からなるライン状の低反射率膜とが前記ミラー面に沿って交互に配列されてなることを特徴とする請求項１記載のＭＥＭＳ光スキャナ。
【請求項７】
前記低反射率膜がＳｉＯ２膜からなり、前記高反射率膜が金属膜であることを特徴とする請求項６記載のＭＥＭＳ光スキャナ。
【請求項８】
前記規定次数が−１であることを特徴とする請求項１ないし請求項７のいずれか１項に記載のＭＥＭＳ光スキャナ。
【図１】
【図２】
【図３】
【図４】
【図５】
【図６】
【図７】
【図８】
【図９】
【図１０】
【図１１】
【図１２】
【図２】
【図３】
【図４】
【図５】
【図６】
【図７】
【図８】
【図９】
【図１０】
【図１１】
【図１２】
【公開番号】特開２０１１−１１８１７９（Ｐ２０１１−１１８１７９Ａ）
【公開日】平成２３年６月１６日（２０１１．６．１６）
【国際特許分類】
【出願番号】特願２００９−２７５８５０（Ｐ２００９−２７５８５０）
【出願日】平成２１年１２月３日（２００９．１２．３）
【出願人】（０００００５８３２）パナソニック電工株式会社 (17,916)
【Ｆターム（参考）】
【公開日】平成２３年６月１６日（２０１１．６．１６）
【国際特許分類】
【出願日】平成２１年１２月３日（２００９．１２．３）
【出願人】（０００００５８３２）パナソニック電工株式会社 (17,916)
【Ｆターム（参考）】
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