JP2000502820A

JP2000502820A - 超大集積空間光変調器用の位相変調微細構造

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Publication number: JP2000502820A
Application number: JP10502254A
Authority: JP
Inventors: ゴットフリート―ゴットフリート，ラルフ; キュック，ハインツ; クンツェ，デットレフ
Original assignee: フラオホッフェル―ゲゼルシャフトツルフェルデルングデルアンゲヴァンドテンフォルシュングエー．ヴェー．
Priority date: 1996-06-18
Filing date: 1997-06-17
Publication date: 2000-03-07
Anticipated expiration: 2017-06-17
Also published as: WO1997049000A1; JP3258029B2; EP0906586A1; DE59707605D1; DE19624276C2; US6259550B1; DE19624276A1; EP0906586B1

Abstract

(57)【要約】入射する光線（３２）の位相変調のための構造であって、ミラー（３２）とミラー上に設けられた変形可能な透明誘電体（３６）と少なくとも２個の電極（４１，４２；４１ａ，４１ｂ，４２；５０，５０'）とを有しており、該電極は１個以上の固定電位を有し、１個以上の制御電圧が印加されて電界（５８）を誘電体（３６）の少なくとも部分領域に発生し、これにより電界が印加されない誘電体（３６）の状態に対して誘電体（３６）を通過する光線の光路長を変化させる。ＣＭＯＳ活性マトリックス上に付与されたそのような位相変調構造が超大集積空間変調器を構成する。

Description

【発明の詳細な説明】超大集積空間光変調器用の位相変調微細構造この発明は光弁のための超大集積空間光変調器に関するもので、特に構造上に入射した光の位相変調のための位相変調構造に関するものである。光弁に用いられる空間光変調器はときには所謂シュリーエン・イメージ・システムに間連して用いられて、半導体ウエファーの投射や直接曝露に応用されてきた。電子的なイメージ情報は対応する光線の移送変調（空間光変調器による）に変換される。シュリーエン・イメージ・システムはついでこの光線の位相変調を観察板上の光度変動に変換する。これには例えば非変調光線は阻止して、空間光変調器の変調された部分に入射した光の通過のみを許すのである。変調された光が観察板に到達するモードをポジティブモードという。非変調光のみが観察板に到達し変調光が阻止されるようにシュリーエン・イメージ・システムが構成されている場合には、全体の曝露構造は所謂ネガティブモードで作用する。この発明の応用分野の理解を容易とすべく、以下に公知の空間光変調器を利用してシュリーエン・イメージ・システムについて簡単に説明する。公知の曝露手段はＷＯ９１／１７４８３号に開示されている。しばしばレーザーの形で与えられる光源は光線拡大光学システムおよび焦点光学システムを介して光線をバーミラー機構に送信する。この光線はシュリーレンレンズによって空間光変調器上に反射される。変調器の画素がアドレスされるか否かに応じて、変調から反射された光線は、シュリーレンレンズを通って再びバーミラー機構上に反射されるか、シュリーレンレンズを通って投射レンズ手段に到達し、観察板上に光線のイメージを形成する。この観察板には例えば曝露されるべきウエファーが配置される。以上の述べたように、シュリーエン・イメージ・システム全体としては、空間光変調器によって変調さらた光線のイメージを観察板上に形成することができる。これはポジティブモードである。また光学ＳＨシステムは変調器に処理されなかった光線のイメージを観察板上に形成することもできる。これはネガティブモードである。ここでは変調さらた光線は観察板により阻止され、例えば光源に戻り反射される。ＷＯ９１／１７４８３号に開示された曝露装置が利用している空間光変調器は、シュリーレンレンズに向かう方向で反射面（例えば金属フィルムである）において終わっている粘弾性制御層にを含んでいる。この変調器はさらに所謂活性アドレス・マトリックスを含んでおり、このマトリックスはＭＯＳトランジスターの一体的な集積構造から構成されたものであり、活性ＣＭＯＳマトリックスとも呼ばれており、制御電極対を有している。光変調器の反射面の各画素または表面部分は１個以上の電極対っを具えた２個のトランジスターを有しており、各トランジスターは粘弾性層よびその反射面とともに１以上の格子期間の回析格子を構成している。論文“Ｄｅｆｏｒｍａｔｉｏｎｂｅｈａｖｉｏｒｏｆｔｈｉｎｖｉｓｃｏｅｌａｓｔｉｃｌａｙｅｒｓｕｓｅｄｉｎａｃｔｉｖｅ−ｍａｔｒｉｘ−ａｄｄｒｅｓｓｅｄｓｐａｔｉａｌｌｉｇｈｔｍｏｄｕｌａｔｅｒ、ＳＰＩＥ、ｖｏｌ．１０１８、Ｅｌｅｃｔｒｏ−ＯｐｔｉｃａｎｄＭａｇｎｅｔｏ− ＯｐｔｉｃＭａｔｅｒｉａｌｓ”（１９８８）に記載されているように、０．１μｍの範囲の粘弾性制御層の変形振幅のためには少なくとも約±１０ボルトの電圧が必要である。かくした活性マトリックスのトランジスターは少なくとも２０ｖ以上のピーク対ピーク電圧にたえなければならない。しかし従来のＭＯＳ成分の多くは１２ｖの最大作用電圧しか有していないのである。したがって低価格のＣＭＯＳ成分を従来のそのような光変調器に用いることはできない。代りに粘弾性層を具えた公知の光変調器は、充分な破壊電圧を得るためには、特別にドープされたトランジスターを必要とするのである。ＵＳＰ４７２８１８５号に開示された空間光変調器は多数の電気的にアドレス可能な微視力学的なレバーバーからなる反射面を有している。ＪＰＡ−４３５０８１９号には、良好な再現性と制御性とを具えた位相差を生み出す可変位相板が開示されている。この可変位相板は層状の内部誘電体を有しており、これが外部誘電体の対応寸法の孔中に弾性材料によって取り付けられている。内部誘電体の両主面は第１と第２の電極により被覆されており、外部誘電体の両主面も第１と第２の電極により被覆されている。電極は光伝達性の導体層であって、それに電位を印加することができる。特定の差動電圧が内部誘電体に取り付けられた電極に印加されると、内部誘電体の厚さが変化する。外部誘電体上の電極に差動電圧が印加されないかまたは異なる差動電圧が印加されると、内部誘電体を通過する光線の位相が外部誘電体を通過する光線の位相と異なったものとなる。内部誘電体を外部誘電体に連結している弾性材料は両誘電体の異なる厚さを許容する機能を有している。ＤＥ−ＡＳ１２９１４１６号はこの発明の請求の範囲の請求項１がその基盤とするものであるが、光学位相変調器を開示している。この変調器はレジストレーション帯に取り付けられた第１の反射電極を有している。この第１の電極の上方には圧電層が設けられていて、その第１の電極に離間対向する表面上に第２の透明な電極を有している。この第２の電極は光線の入射方向に透明な基材により被覆されている。レジストレーション帯により第１の電極の異なる部分に電圧を印加すると、それに対応する態様で圧電層の一部の厚さが変化する。電圧が印加された圧電層を通過して第１の電極により反射されて圧電層の上記部分を通過する光線の位相は、異なる電圧が印加された圧電層の異なる部分を通過して第１の電極により反射されて該異なる部分を通過する光線の位相とは、異なっている。これはなぜかと言うと、異なる電圧が印加された圧電層の部分の厚さが互いに異なるからである。ＵＳＰ４６６０９３８号は透明な電極上に形成された回折格子を有した光弁を開示しており、特定波長の光線（個々の回折格子バー間の空間を通過する）の光路長が回折格子を通過する光線の半波長に対して奇数差をなすように、回折格子の溝の深さを設定する。透明な電極に対向して追加の透明な電極が設けられており、２個の電極の間の空間には空気と透明な液体がある。２個の電極に電圧が印加されると、電界が形成されて液体を回折格子バー間の空間中に惹きつけ、それによりそれらの空間を通過する光線の光路長を変化させる。回折格子バーを通る光線と回折格子バー間の空間を通る光線の光路長の当初の差異が変更されたから、隣接する光線の解消はもうなく、光線は回折格子構造中を通過できるのである。かくして、電圧が印加されないときには光弁は実質的に光線を伝達しない。電圧が印加されると、液体が異なる態様で配列されるので、光線は構造を通って伝達される。ＵＳＰ３５６０９５５号には負荷にさらされたときに複屈折を表示できる等方性の透明材料の層を有した光学的要素が開示されている。この負荷は実質的に均一な態様で層上に分散された複数個の負荷発生要素により生成されるものであり、該負荷発生要素は電気ひずみおよび磁気ひずみ材料を含んでおり、それに所定量の負荷を制御可能に印加する印加手段に効果的に接続されている。負荷状態で複屈折を表示する等方性材料は偏光スクリーンと分析スクリーンとの間に配置されている。また両スクリーンの間およびに等方性材料に隣接して、電気ひずみ変換バーが設けられており、その２側部は電流導通性の薄い金属被覆によりコーチングされて電極を構成しており、これに電圧が印加されると変換バーが変形する。これにより等方性材料に負荷を印加して複屈折性にする。すると分析スクリーンを通って伝達された光線の色が変化する。ＧＢ１５９６６４９号には位相変調のための手段が開示されている。この手段は光線が通過する２個の光線伝達端部を具えた水晶結晶を含んでいる。水晶結晶上の端部の脇には２対の電極が設けられている。電極に適当な電圧が印加されると、水晶結晶が振動して屈曲し、そこを通過する光線に位相変調を施す。この発明の目的は光線の位相変調のための位相変調構造およびそれよりなる空間光変調器を提供することにある。かかる目的は請求範囲の請求項１および請求項１２に記載の発明により達成されるものである。コンデンサーの容量が最大に達したかまたはコンデンサーの空気容量が誘電体により満たされる（以下図１ａ、１ｂにより詳細に説明するように）までに電圧を印加されたコンデンサーのフィールド領域に誘電体が惹かれる効果を利用するものである。特にミラー上の液状誘電体を用いることにより、この発明の位相変調構造上に入射する光線の位相変調を小さな電圧で充分なものとすることができる。しかしてＣＭＯＳマトリックスの助けを借りて、この発明の位相変調構造を利用して空間光変調器を制御することが可能となる。ＣＭＯＳ成分は高価でなく、電力消費量も低く、超大集積化することができるのである。この発明の他の利点は、特定の位相変調を生じるのに必要な電圧が小さく構造のサイズも小さいことである。例えばこの発明によった超大集積光弁の熱動力発散は小さく、サイズが小さいので同時に小さい電圧を制御するのに小さなトランジスターを用いることができる。すなわちこの発明はサイズという観念において利益がある。さらに活性ＣＭＯＳマトリックスに間連してこの発明による位相変調構造は、空間光変調器の極端なる小型化を可能とし、これにより極端に微細な画素領域と同時に極端に高い画素数（１０⁶〜１０⁹）が可能となる。画素を通して得られる位相変調は好ましくは０〜πの範囲であるが、より大なる位相変調も可能である。空間光変調器の微少化は、例えば半導体ウエファーの直接曝露および複雑で高損失な光学的構造などがなくなるので、有利である。なぜならば、達成可能な空間光変調器の寸法（例えば曝露されるべきウエファー）がすでにオーダーに組み込まれ得るからである。以下添付の図面によりこの発明の実施例をさらに詳細に説明する。図１ａおよび図１ｂはこの発明による位相変調構造の効果を示すグラフであり、図２は直交光入射の場合の光線の位相変調の生成を示すものであり、図３はこの発明の第１の実施例による位相変調構造列の平面図であり、図４は図３の位相変調構造列の断面図であり、図５はこの発明の第２の実施例による位相変調構造列の平面図であり、図６は図５の位相変調構造列の断面図であり、図７ａと図７ｂは図５の位相変調構造列の作用モードを示すものであり、図８は位相変調構造列の上方に配置された修正レンズ機構の効果を示すものであり、図９はこの発明の第３の実施例による位相変調構造列の平面図であり、図１０は図９の位相変調構造列の断面図であり、図１１はこの発明の第４の実施例による位相変調構造列の平面図であり、図１２ａは図１１の位相変調構造列の断面図であり、図１２ｂは図１１の位相変調構造列のさらなる断面図である。コンデンサーの容量が最大に到達するか、または可能な限り大なる程度までコンデンサーが誘電体により満たされるまで、誘電体がコンデンサーのフィールド領域の方に惹かれるという効果に、この発明は立脚するものである。これを図１ａと図１ｂに示す簡単な構造により以下説明する。図１ａと図１ｂに容器１０と板コンデンサー１２とを示す。コンデンサーの２枚の板の間の距離を「ｄ」で示す。図１ａにおいてコンデンサーには電圧は印加されてない（Ｕ−０）。容器中には液状誘電体１４が収容されており、コンデンサーの板と板外では同じ液位を有している。液体の表面張力と毛細管現象の故に、コンデンサーの２枚の板と容器の壁においてのみ、誘電体の液位は若干上がっている。コンデンサー１２の電極に制御電圧Ｕ_Sが印加されると、上記の効果によりコンデンサー板間の液位は重力に抗して毛細管現象（図１ａ）による液位の上方に上がる。印加電圧が０である場合と印加電圧がＵ_Sである場合との液の差異をΔ ｈで示す。これは液状誘電体の場合だけ起こる効果ではなく、固体状または気体状誘電体においても起きるものである。下記に示す例は数値によりオーダーを示すものである。例えば、液状誘電体１４として密度が約１ｇ／ｃｍ³で誘電率ε_rが約２．５のがシリコンオイルを用いた場合には、コンデンサー板間距離が２５μｍで印加電圧が１Ｖなら、コンデンサー板間の液位は約１μｍ上昇する。一般的に言うと、液の差異はＵ²／ｄ²に比例する。ここでｄはコンデンサー板間距離であり、Ｕはコンデンサー板における電圧である。図２に液状誘電体の液位変化による位相変調の行われ方を示す。図２において誘電体１４の下方に設けられたミラー１６は屈折率がｎ₁である。誘電体１４の上方には屈折率ｎ₀の異なる誘電体１８が設けられており、例えば空気などである。図２の左半分は図１ａに相当する。すなわち誘電体１４中には誘電場が存在しない。また右半分は図１ｂに相当し、誘電体１４中の誘電場の故に誘電体の液位が上昇している。ほぼ直交状態で衝突する２本の光線２０ａ、２０ｂを比較する。これらの光線は部分的に異なる液位で伝達して、地点ＥおよびＥ’においてミラー１６により反射され、その後逆行して屈折率ｎ₁、ｎ₀の誘電体とを通過する。ＡからＢへおよびＡ’からＢ’への途中で２本の光線は液位差Δｈの故に異なる光路をたどる。この光路の差異はそれ自身２本の光線２０ａ、２０ｂの位相差において下記のように示されるものである。 ΔΦ＝４π・(ｎ₀−ｎ₁)・Δｈ／λ この式において、λは入射光線の波長を示す。ｎ₁＝１．４の液体（例えばシリコン・オイル）を用いると、位相変調π（すなわちλ／２）には液位差Δｈ＝ λ／１．６が必要となる。換言すれば、誘電体１４中に存在する電界は上記の効果の故に光線の光路を延長するのである。したがって図１ａ、図１ｂに示す構成によれば電圧に応じて入射光線の移送を変調することが可能である。図３に上平面図に示すのはこの発明の第１の実施例の空間光変調器３０であって、図４はそれを図３中で線Ａ−Ａに沿って取った断面図である。ここで「上平面」とはその方向から光線が変調器３０上に衝突する側をいうものである。すなわち図３中において光線は上側から紙面に衝突する。構造３０の上面とは光線３２が衝突する面をいう。図３および図４に示すように、変調３０は複数個の位相変調構造３４から構成されており、各位相変調構造は変調器３０の個々の画素を画定している。各位相変調構造３４の概要を図３に示す。図中破線は変調器３０の構成には関係なく、構造３４を表示するのみである。以下図４により各位相変調構造３４を説明する。入射光線３２はまず液状誘電体３６に衝突する。この誘電体３６はミラー４０上の薄い誘電体層３８上に配置されている。この実施例にあっては、ミラー４０と電極４１（ミラー電極ともいう）とは一体に構成されており、ミラー４０は電極４１の適当な表面により与えられる。しかしミラー４０と電極４１とは別体であってもよい。ミラー電極４１と金属電極４２（これは制御電極とも言われる）との間には固体状の誘電体４４が設けられており、ここで制御電極４２とミラー電極４１と固体状誘電体４４とは緩衝コンデンサー４６を構成し、その単位長当たりの容量は固定誘電体４４の厚さと誘電率とにより調節することができる。制御電極４２は基材４８上に設けられており、該基材は例えばＣＭＯＳマトリックスであってもよく、かつ変調器３０の制御電極４２をアドレスできるものである。変調器は位相変調構造３４の列により構成され、必要な制御電圧を光学的に持ちかつ充分な解像度を有している。実質的に方形の制御電極（その縁部は図３中の位相変調構造３４の破線を若干越えている）はその中央にタングステンなどの導電性の材料からなるピン５０を有している。このピン５０はミラー電極４１とミラー４０中の孔５２を通って延在している。この孔５２は図３中では実質的に方形であるが、円形など他の形状でもよいことは自明である。またピン５０は制御電極４２と導電的に接続されており、固体状誘電体４４および薄い誘電体層３８によりミラー電極４１から電気的に隔離されている。偏光された誘電体４４とその上に配置されてミラー電極４１を構成する金属層の故に、平面性が高くかつ反射性が高いミラー面が得られた。すでに指摘したように、薄い誘電体層３８は制御電極４２（すなわちピン５０）をミラー電極４１から隔離する。また例えば制御電極４２に対向するミラー電極４の領域を湿潤しかつ液状誘電体からミラーを化学的に分離する。これにより全体の耐腐食性が改良される。制御電極４２は誘電体で被覆してもよい。液状誘電体３６は薄い誘電体層３８上方の空間中に配置されている。誘電体３６の表面張力により、ミラー４０とミラー電極４１と誘電体層３８と制御電極４２（つまりピン５０）からなるシステムに間連するその密度および湿潤性は調整または最適化することができる。また不動態化により液状誘電体３５の表面形状も調整または最適化することができる。液状誘電体の光学的に理想的な状態は、位相変調構造３４に電圧が印加されないときに、ミラー４０の領域を均質なレベルの液状誘電体３６で被覆することにより得られる。誘電体層３８は機能化と隔離のためには原理的には必要ではない。しかしそれを利用して液体による最適湿潤と液体フィルムの表面の最適化が達成されるのである。この発明の第１の実施例の空間光変調器３０の作用態様を以下位相変調構造３４の作用態様により以下さらに詳しく説明する。ミラー電極４１は好ましくは例えばグランド電位などの固定電位とする。ＣＭＯＳ活性マトリックス（位相変調構造３４の基材４８を構成する）により制御電極４２に電圧Ｕ_Sが印加されると、液状誘電体３６は制御電極４２（すなわちピン５０）とミラー電極４１とからなるコンデンサーの空気で満たされた領域中に惹き込まれる。図４に示すのはアドレスされたとき（すなわち制御電極４２に電圧ＵＳが印加されたとき）の位相変調構造３４の状態である。図４の左右に示すアドレスされない状態の２個の位相変調構造の液体形状に比べて、位相変調構造３４は変更された液体形状５４を呈している。液状誘電体３６はピン５０上に配置されており、ピン５０から離間した液体形状５４はアドレスされない状態に比べて液位の減少を示している。位相変調構造は全て相互に独立にアドレス可能であり、液状誘電体３６の液位や位相変調構造の領域などの全ての作用パラメーターは、隣接する位相変調構造が相互に影響を及ぼさないように、選択される。アドレスされた位相変調構造３４上に入射した光線３２は、液状誘電体の液位の差またはアドレスされた構造の液体構造５４の故に、アドレスされない位相変調構造上に入射した光線に対して位相ずれを生じる。制御電極４２に印加されていた電圧Ｕ_Sが不活性化すると（すなわちコンデンサーが放電すると）、液状誘電体３６は重力の影響によりリセットされ、液位液体形状が実質的に再記憶される。図３，４に示すようなこの発明の実施例はその光学的占拠レベル（Ｏｃｃｕｐａｎｃｙｌｅｖｅｌ）が高いことに特徴がある。ここで占拠レベルとは画素の全領域に対する光学的に活性な領域の比を言うものである。この点に関して、図３，４はサイズを示すものではなく、画素のサイズに比べてミラー電極を貫通する孔５２が顕著に拡大されていることを示すものである。好ましき実施例においては、画素の領域は１０ｘ１０μｍ²であり、ピン５０の直径は０．８μｍであり、円形孔５２の直径は１．６μｍである。例えばこの実施例だと９８％の占拠レベルが得られる。３ｘ３μｍ²のより小さな画素と０．５μｍのピン５０と１．６μｍ直径の孔５２である他の実施例にあっては、占拠レベルは８９％となる。第１の実施例の空間光変調器３０を示す図３において、個々の孔５２は別として、ミラー４０とミラー電極４１とは変調器全体を通して連続した設計である。さらに変調器３０全体の構造（すなわち誘電体層３８により被覆されたミラー電極４１）は全体が液状誘電体３６により被覆されており、ピン５０のみが液状誘電体３５の実質的に平らな表面から突出している。変調器３０が駆動されていないときには、これは「島」と言える。図５（上平面図）と図６（断面図）に示すのはこの発明の第２の実施例である。図３，４に示す第１の実施例とほぼ同じであるが、図６に明らかなように薄い誘電体層３８と固体状の誘電体４４を欠いている点で異なる。さらにピン５０はミラー電極４１ａ，４１ｂの表面から突出してなく、面一となっている。第１の実施例に関連して記載したように、この実施例でもミラー４０はミラー電極帯体４１ａ，４１ｂの表面により構成されている。しかしミラー４０はこれらの帯体とは別体に構成することもできる。基材４８と液状誘電体３６（この実施例でもミラー電極４０と制御電極４２との間の空間中に延在している）とは図６中では割愛してある。第１の実施例も誘電体層３８および固体状誘電体４４なしでよく、ピン５０は面一であってもよい。また第２の実施例でも誘電体層３８、固体状誘電体４４および突出状ピン５０などを設けてもよい。同様に図３の空間光変調器５６においても個々の位相変調構造３４’は破線で区切って示されている。各破線で画定してある方形は画素である。各画素（すなわち位相変調構造）は必ずしも方形であることは必要なく、適宜所望の形状とすることができる。図３の構成と異なる点としては、位相変調構造３４’の長手方向に延在する孔５２’が設けられているが、つぎの画素より若干前から始まっている。第１の実施例と比べて、図５に示すように孔５２’は隣接する孔５２’に連続している。この結果図３の構造に連続するミラー電極４１は図５では連続してなくて、ミラー電極４１，４１ｂが形成され、ミラー電極帯体４１ａが孔５２’の右側に位置しており、孔５２’の右側のミラー電極帯体４１ｂから電気的に隔離されている。ミラー電極４１ａ，４１ｂの表面により構成されるので、ミラー４０（図５）は図６，８中では参照番号により示されてない。第２の実施例の電子的な制御は第１の実施例と同じ手法で行われる。しかし２個のミラー電極帯体４１ａ，４１ｂが相互に電気的に隔離されているので、異なる固定または制御可能な電圧Ｕ₀＋ΔＵとＵ₀−ΔＵがそれぞれに印加されるようになっている。図４の実施例ではミラー電極帯体４１ａは印加電圧Ｕ₀＋ΔＵをミラー電極４１ｂは印加電圧Ｕ₀−ΔＵである。しかしこの逆であってもよい。ピン５０に設けられた制御電極４２の電圧はＵ_Sである。ピン５０は制御電極４２と一体であってもよい。この電圧は両ミラー電極帯体のそれの間のレベルである。したがって制御電極４２は電圧振幅２ΔＵにより制御される。第２の実施例の作用を複数個の位相変調構造３４’を示した図７ａ，７ｂに示す。ミラー電極帯体４１ａ，４１ｂに印加される電圧Ｕ₀＋ΔＵ、Ｕ₀−ΔＵと制御電極に印加される電圧Ｕ₀、Ｕ₀−ΔＵおよびＵ₀−ΔＵとは図中下側に示されている。電極４２へのＵ₀＋ΔＵとＵ₀−ΔＵとの間の電圧は適宜選択できる。各位相変調構造は破線で区画してある。図７ａにおいて上記の電圧状態で起きる電界線５８は２個の位相変調構造３４’に示してある。図７ａ中左側の位相変調構造３４’において全ての電極４１ａ、４２および４１ｂは異なる電位であり、制御電極４２の電位は２個のミラー電極帯体の間にある。制御電極とミラー電極帯体との電極の差はそれぞれΔＵである。図７ａ中左側の位相変調構造３４’の上方に液位を示してある。制御電極４２の両側の電圧差がΔＵであるので、最小液位は６０ｍとなる。図中模型化して示してあるが、実際には急な液体の変転は連続している。図７ａ中の上記の位相変調構造３４’の右側にはミラー電極帯体４１ｂと制御電極４２との間には電位差は存在していない。なぜならともに同じ電位Ｕ₀−Δ Ｕだからである。しかし２ΔＵの電圧差がミラー電極帯体４１ａと制御電極４２との間に起きるから、全ての電界線５８はミラーＤ電極４１ａの左半分に入り、制御電極４２とミラー電極帯体４１ａとの間の領域の液位は６０ｈと高くなる。ミラー電極帯体４１ｂと制御電極４２との間には電圧差がないので、液状誘電体３６のレベルの効果はなく、ここでは低い液位６０ｎとなる。図７ａ中右側の位相変調構造３４’において制御電圧はＵ₀＋ΔＵである。電界５８の分布は上記の場合と同じであり、液位は６０ｎと６０ｈである。電圧振幅ΔＵの制御電圧を示すべく、図７ｂに３個の隣接する位相変調構造を示す。ここでは左右の位相変調構造では電圧状態は変わっておらず、中央の位相変調構造の制御電圧はＵ₀−ΔＵからＵ₀＋ΔＵに変わっている。この電圧振幅２ ΔＵの切換えの反作用として、制御電極４２とミラー電極帯体との間の新たな電圧差に応じて、中央の位相変調構造上方の液位は反転している。しかし他の位相変調構造の液位は実質的にこの反転によっては影響されない。しかし制御電圧Ｕ₀を印加することにより、対応する画素における液位は均一となる。これは第１の実施例で０Ｖの制御電圧Ｕ_Sとなるアドレスされない状態に対応する。しかし制御電圧Ｕ₀とは異なる制御電圧が制御電極４２に印加されると、対応する画素に液位６０ｈと６０ｎとが現れる。これに対して位相変調構造３４’に入射する光線３２の位相変調では液位６０ｍ，６０ｍとなる。位相形状は電極表面または電極形状の詳細な設計により調整または最適化することができる。例えば、第１の実施例のピン５０のピークのようにしたり、表面特性、湿潤性その他の液体パラメーターにより調整することができる。第２の実施例における位相変調はＵ₀ｘＵ_Sｄ²に比例する。第２の実施例において達成される効果は、液状誘電体３５が切り替えられる画素内部でのみ移動し、画素をアドレスするのに必要とされる位相形状によってのみ左右されるという点である。重力に加えて、アドレス作用と同じ電気力（ｅｌｅｃｔｒｉｃｆｏｒｃｅ）により画素のリセットが有利に行われる。図９，１０にこの発明の第３の実施例を示す。これは第１（図３）と第２（図５）の実施例とを組み合わせたものである。第１の実施例にあっては、タングステンのピン５０に適宜接続された制御電極４２が用いられ、ピンはミラー電極４１とその表面を構成するミラー４０とに形成された孔中に延在している。図１中の縦破線において基準電極５０’が形成されている点が第１の実施例とは異なる。図１０に示すように、この基準電極５０ ’は導電性の帯体、例えばアルミニウムなどで形成されている。画素３４'' は図中破線で画定されている。図１０に示すように、３個のピン５０が最小液位６０ｈを越えて突出している。これらはそれぞれの孔５２を覆う寸法に設定されている。しかしピン５０，５０’の寸法と個数とは重要ではなく適宜変更することができる。ある画素３４'' から隣接する画素３４'' へと液位の変動を得るべく、基準電極Ｄ帯体５０’には電圧Ｕ₀＋ΔＵとＵ₀−ΔＵとが印加される。制御電圧Ｕ_Sは制御電極４２に印加される。これによりピン５０には特別の電圧が掛かり、この結果液位は６０ｍ、６０ｈおよび６０ｎとなる。ミラー電極４０は固定または制御可能な電位であって、例えばグランド電位または電位など誘電体３６の表面の調整を最適化する電位である。この第３の実施例はミラー電極に異なる電圧を印加したくないような光変調の場合に適している。これは第１の実施例の場合も言えるが、第３の実施例の場合には第２の実施例の場合の利点も有している。すなわち大きな液位変動と画素反転におけるリセットの改良である。図示の画素構造は与えられた電圧振幅に間連してよい最大の位相変調を得るのに適している。寄生位相格子としての全ての電極５０，５０’の影響を最小にすべく、ピン５０と帯体５０’との厚さを調整することにより、非アドレス状態６０ｍの液位と誘電体３８との形状は、ミラー４０と金属電極５０，５０’上に入射反射される光線が非アドレス状態と同じ位相変化にさらされるように、選択される。さらに寄生位相変調の影響は、イメージ形成のための回折方向が寄生効果による方向と異なるように、抑制される。実施例１，２においても同様な効果が得られることは明らかである。液体は別として光り変調器の全ては従来の半導体技術で製造可能である。液状誘電体３６に関しては、密度、光学的透明度、電気的破壊強度、誘電率、屈折率、温度抵抗、速度、光抵抗、表面張力および蒸気圧などのパラメーターが重要である。液体の汚染、損傷および蒸発に対して保護すべく、この発明の光変調器３０と帯状空間光変調器５６とは水晶板などの光学的に透明な窓を用いてシール被覆することができる。例えば非アドレス状態での位相形状の光学的な修正のために、図８に示すように光学的修正体６２を変調器３０または５６の前に配置するとよい。これにより例えば意図しない位相変調を回避したり、光学的に寄生的または不活性なものの影響を低減することができる。このために適当な光学的修正体６２（画素により必要とされる精度を有した）を画素の面の正確に上方に位置させる必要がある。いかにして液状誘電体３６の表面をレンズ状の予変形（例えば液状誘電体３６の表面張力の毛管現象により存在する）を光学的修正体６２（例えば修正レンズ）によりバランスしなければならないかを図８に示す。このような修正レンズは例えばミクロ技術によりガラス基材から製造されアニオン接着技術により添加される。図１１、図１２ａ（図１１中線１２ａに沿って取った断面図）および図１２ｂ（同じく線１２ｂに沿って取った断面図）に示すのは位相変調構造の第４の実施例である。ここには帯状で相互に交差した（格子状）２個の電極４２ａ、４２ｂが用いられており、破線は位相変調構造を示す。これらの電極はほぼ画素の中央で相互作用し、異なる電位を印加することにより交差点近傍には電界が形成される。交差点近傍の誘電体３６はかくして電極が電界を形成する一部領域を構成する。参照番号３４''' は位相変調構造を示すものである。図１２ａに示すように、変形可能で透明な誘電体（好ましくは液状誘電体）は帯状の電極４２ｂ（好ましくは固体状誘電体中に埋設された電極４２ａ上に延在する）を覆っている。水平電極４２ｂは誘電体中に埋設されてもよく、垂直電極４２ａ（図１１）は液状誘電体により覆われてもよい。液状誘電体は必ずしも電極４２ｂを覆う必要はないが、電極よりは低い液位である。全体の構造はミラー４０（構造上に入射した光線がここで反射されて二度固体状誘電体４４と液状誘電体３６を通って構造を離れる）により下方に画定されている。固体状誘電体４４は透明でなければならない。図１２ｂは図１１の実施例のものの他の断面を示すもので、電極４３ｂは切欠き状にして、いかにして光線３２が構造上に入射して液状誘電体３２と固体状誘電体４４とを通過してミラー４０で反射するかを示してある。電極４２ａには電圧Ｕ₀が、電極４２ｂには電圧Ｕ_Sがそれぞれ印加されている。図１２ａ、１２ｂは電圧Ｕ_Sが０であって液状誘電体３６の表面がレベルである状態を示している。電圧Ｕ_Sの場合には、液状誘電体の形状は図４と同じとなる。すなわち帯状電極の交差点近傍で液位が増加する。その他の点では全て前記のものと同じである。この発明の空間光変調器はウエファーの直接曝露に限らず、投射器ディスプレイ、ホログラフ・ディスプレイ、プログラム可能なレンズ、格子、光学的修正、コンピューターおよびヘッドアップ・ディスプレイなどにも応用できる。光学的透明度とは使用される光線に対する透明度であり、その波長は可視範囲に限定されるものではない。応用いかんでは赤外線または紫外線も同様に使用できる。

【手続補正書】特許法第１８４条の８第１項【提出日】１９９８年１月１９日（１９９８．１．１９）【補正内容】請求の範囲（補正）１．１個のミラー（４０）と：ミラー（４０）上に取り付けられた１個の変形可能な透明誘電体（３６）と：電圧が印加されると誘電体（３６）の少なくとも一部領域に電界（５８）を発生して、それにより電界が印加されない誘電体（３６）の状態に対して該誘電体（３６）を通過する光線の光路を変える、少なくとも２個の電極（４１；４２；４１ａ，４１ｂ，４２；５０，５０'）とを含んでなり、かつ電極（４１，４２；４１ａ，４１ｂ，４２；５０，５０'）に対して上記の誘電体（３６）が、誘電体（３６）を通過する光線が、いずれかの電極（４１；４２；４１ａ，４１ｂ，４２；５０，５０'）に衝突する前に、誘電体の少なくとも電界が印加された部分流域の一部を通過するように、設けられており、誘電体（３６）、ミラー（４０）および電極（４１，４２；４１ａ，４１ｂ，４２；５０，５０'）が基材（４８）上に配置されており、該基材を通って電圧が電極に印加されることを特徴とする入射光線の位相変調のための構造。２．光線（３２）が入射する電極（４１；４１ａ，４１ｂ）の表面によりミラー（４０）が構成されることを特徴とする請求項１に記載の構造。３．変形可能な透明誘電体（３６）が液状誘電体であることを特徴とする請求項１または２に記載の構造。４．変形可能な透明誘電体（３６）が層タイプであることを特徴とする請求項１〜３のいずれかひとつに記載の構造。５．層タイプ誘電体（３６）がミラー（４０）に平行に配置されていることを特徴とする請求項４に記載の構造。６．一方の電極（４１；４１ａ，４１ｂ）とミラー（４０）とが孔（５２；５２ '）を有してその中に他方の電極（４２）の少なくとも一部（５０；５０'）が位置しており、該電極（４１，４２；４１ａ，４１ｂ，４２）が誘電体（３６）により相互に電気的に隔離されていることを特徴とする請求項５に記載の構造。７．前記他方の電極（４２）の一部（５０；５０'）が孔（５２；５２'）を通って一方の電極（４１；４１ａ，４１ｂ）を越えてかつ誘電体（３６）を通って延在していることを特徴とする請求項６に記載の構造。８．一方の電極（４１；４１ａ，４１ｂ）と他方の電極（４２）との間に固体状の誘電体（４４）が設けられており、これが２個の電極（４１，４２；４１ａ，４１ｂ，４２）とともに緩衝コンデンサー（４６）を構成することを特徴とする請求項６または７に記載の構造。９．前記の孔が連続孔（５２'）であって、これにより相互に隔離されたミラー電極帯体（４１ａ，４１ｂ）が形成されることを特徴とする請求項に記載の６〜８のいずれかひとつに記載の構造。１０．請求範囲１〜９のいずれかひとつに記載の同一または異なる構造（３４；３４'；３４''）の複数個が列状に配置されている空間光変調器。１１．請求範囲１０に記載の同一または異なる構造（３４；３４'；３４''）の複数個が表面上に適宜配置されていることを特徴とする請求項１０に記載の変調器。１２．複数個の構造（３４；３４'，３４''）の他方の電極（４２）が相互に電気的に隔離されていることを特徴とする請求項１０または１１に記載の変調器。１３．請求項８〜１０のいずれかひとつに記載の構造（３４）の一方の電極（４１）とミラー（４０）とが連続した設計であることを特徴とする請求項１０〜１２のいずれかひとつに記載の変調器。１４．請求項１１に記載の複数個の構造（３４'）の一方の電極（４１）とミラー（４０）とが一方の列方向のみの連続設計であって、延在している孔（５２' ）によって他方の列方向に分離されていることを特徴とする請求項１０〜１２のいずれかひとつに記載の変調器。１５．ミラー電極帯体（４０ａ，４０ｂ）には電圧（Ｕ₀＋ΔＵ，Ｕ₀−ΔＵ）が交番的に印加され、該電圧が基準値（Ｕ₀）について対称であることを特徴とする請求項１３に記載の変調器。１６．画素（３４''）の少なくとも２個の境界において、連続状の電極帯体（５０'）が形成され、隣接する電極帯体（５０'）には異なる電圧が印加されることを特徴とする請求項１０〜１２のいずれかひとつに記載の変調器。１７．透明な保護窓が複数個の構造（３４；３４'；３４''）上に設けられていることを特徴とする請求項１０〜１６のいずれかひとつに記載の変調器。１８．複数個の構造（３４；３４'；３４''）上に光学的修正体（６２）が設けられていることを特徴とする請求項１０〜１７のいずれかひとつに記載の変調器。１９．ピン（５０）と電極（５０'；４１ａ，４１ｂ）の厚さ、アドレスされない状態の液位および／または誘電体（３８）の厚さが、寄生構造の影響が最小となるように、調整されていることを特徴とする請求項１０〜１８のいずれかひとつに記載の変調器。２０．それぞれが格子状に配置された２組の帯体状電極（４２ａ，４２ｂ）と１組の平行電極（４２ａ）とが、他の組の平行電極（４２ｂ）から、固体状誘電体（４４）により電気的に隔離されていることを特徴とする請求項１０に記載の変調器。

───────────────────────────────────────────────────── フロントページの続き (72)発明者クンツェ，デットレフドイツ国デー―01097 ドレスデン，ハオプトシュトラーセ 48

Claims

【特許請求の範囲】１．１個のミラー（４０）と：ミラー（４０）上に取り付けられた１個の変形可能な透明誘電体（３６）と：電圧が印加されると誘電体（３６）の少なくとも一部領域に電界（５８）を発生して、それにより電界が印加されない誘電体（３６）の状態に対して該誘電体（３６）を通過する光線の光路を変える、少なくとも２個の電極（４１；４２；４１ａ，４１ｂ，４２；５０，５０'）とを含んでなり、かつ電極（４１，４２；４１ａ，４１ｂ，４２；５０，５０'）に対して上記の誘電体（３６）が、誘電体（３６）を通過する光線が、いずれかの電極（４１；４２；４１ａ，４１ｂ，４２；５０，５０'）に衝突する前に、誘電体の少なくとも電界が印加された部分流域の一部を通過するように、設けられていることを特徴とする入射光線の位相変調のための構造。２．光線（３２）が入射する電極（４１；４１ａ，４１ｂ）の表面によりミラー（４０）が構成されることを特徴とする請求項１に記載の構造。３．変形可能な透明誘電体（３６）が液状誘電体であることを特徴とする請求項１または２に記載の構造。４．誘電体（３６）とミラー（４０）と電極（４１；４２；４１ａ，４１ｂ，４２；５０，５０'）とが基材（３８）上に設けられていることを特徴とする請求項１〜３のいずれかひとつに記載の構造。５．基材（３８）がＣＭＯＳ活性マトリックスであることを特徴とする請求項４に記載の構造。６．変形可能な透明誘電体（３６）が層タイプであることを特徴とする請求項１〜５のいずれかひとつに記載の構造。７．層タイプ誘電体（３６）がミラー（４０）に平行に配置されていることを特徴とする請求項６に記載の構造。８．一方の電極（４１；４１ａ，４１ｂ）とミラー（４０）とが孔（５２；５２ '）を有してその中に他方の電極（４２）の少なくとも一部（５０；５０'）が位置しており、該電極（４１，４２；４１ａ，４１ｂ，４２）が誘電体（３６）により相互に電気的に隔離されていることを特徴とする請求項７に記載の構造。９．前記他方の電極（４２）の一部（５０；５０'）が孔（５２；５２'）を通って一方の電極（４１；４１ａ，４１ｂ）を越えてかつ誘電体（３６）を通って延在していることを特徴とする請求項８に記載の構造。１０．一方の電極（４１；４１ａ，４１ｂ）と他方の電極（４２）との間に固体状の誘電体（４４）が設けられており、これが２個の電極（４１，４２；４１ａ，４１ｂ，４２）とともに緩衝コンデンサー（４６）を構成することを特徴とする請求項８または９に記載の構造。１１．前記の孔が連続孔（５２’）であって、これにより相互に隔離されたミラー電極帯体（４１ａ，４１ｂ）が形成されることを特徴とする請求項に記載の８〜１０のいずれかひとつに記載の構造。１２.請求範囲１〜１１のいずれかひとつに記載の同一または異なる構造(３４；３４'；３４'')の複数個が列状に配置されている空間光変調器。１３.請求範囲８〜１１のいずれかひとつに記載の同一または異なる構造(３４；３４'；３４'')の複数個が表面上に適宜配置されていることを特徴とする請求項１２に記載の変調器。１４．複数個の構造（３４；３４'，３４''）の他方の電極（４２）が相互に電気的に隔離されていることを特徴とする請求項１２または１３に記載の変調器。１５．請求項８〜１０のいずれかひとつに記載の構造（３４）の一方の電極（４１）とミラー（４０）とが連続した設計であることを特徴とする請求項１２に記載の変調器。１６．請求項１１に記載の複数個の構造（３４'）の一方の電極（４１）とミラー（４０）とが一方の列方向のみの連続設計であって、延在している孔（５２' ）によって他方の列方向に分離されていることを特徴とする請求項１２に記載の変調器。１７．ミラー電極帯体（４０ａ，４０ｂ）には電圧（Ｕ₀＋ΔＵ，Ｕ₀−ΔＵ）が交番的に印加され、該電圧が基準値（Ｕ₀）について対称であることを特徴とする請求項１５に記載の変調器。１８．画素（３４''）の少なくとも２個の境界において、連続状の電極帯体（５０'）が形成され、隣接する電極帯体（５０'）には異なる電圧が印加されることを特徴とする請求項１２〜１４のいずれかひとつに記載の変調器。１９．透明な保護窓が複数個の構造（３４；３４'；３４''）上に設けられていることを特徴とする請求項１２〜１８のいずれかひとつに記載の変調器。２０．複数個の構造（３４；３４'；３４''）上に光学的修正体（６２）が設けられていることを特徴とする請求項１２〜１９のいずれかひとつに記載の変調器。２１．ピン（５０）と電極（５０；４１ａ，４１ｂ）の厚さ、アドレスされない状態の液位および／または誘電体（３８）の厚さが、寄生構造の影響が最小となるように、調整されていることを特徴とする請求項１２〜２０のいずれかひとつに記載の変調器。２２．それぞれが格子状に配置された２組の帯体状電極（４２ａ，４２ｂ）と１組の平行電極（４２ａ）とが、他の組の平行電極（４２ｂ）から、固体状誘電体（４４）により電気的に隔離されていることを特徴とする請求項１２に記載の変調器。