JP2001281564A

JP2001281564A - 微細構造体、その製造方法、光スイッチングデバイス、光スイッチングユニットおよび画像表示装置

Info

Publication number: JP2001281564A
Application number: JP2000095415A
Authority: JP
Inventors: Shunji Uejima; 俊司上島
Original assignee: Seiko Epson Corp
Current assignee: Seiko Epson Corp
Priority date: 2000-03-30
Filing date: 2000-03-30
Publication date: 2001-10-10

Abstract

(57)【要約】【課題】光学素子をアクチュエータで駆動する光スイ
ッチングデバイスにおいて、耐久性および信頼性の高い
デバイスを提供する。【解決手段】光学素子３とアクチュエータ６とが接続
する上電極７の上面の接続面１５の面粗度Ｒａを０．０
２μから０．２μ程度の範囲する。この程度の面粗度Ｒ
ａは、アニールあるいはイオン照射などによって実現で
き、光学素子３とアクチュエータ６との密着度を飛躍的
に高めることができる。したがって、高速駆動が可能
で、信頼性および耐久性の高い光スイッチングデバイス
５０を提供できる。

Description

【発明の詳細な説明】

【０００１】

【発明の属する技術分野】本発明は、ミクロンあるいは
サブミクロンのマイクロ光学素子を備えた光スイッチン
グ素子およびデバイスを構成するのに適した微細構造体
およびその製造方法に関するものである。

【０００２】

【従来の技術】プロジェクタなどの画像表示装置のライ
トバルブとして光をオンオフ制御できる画像表示デバイ
スとしては、液晶を用いたものが知られている。しかし
ながら、この液晶を用いた画像表示デバイスは、高速応
答特性が悪く、たかだか数ミリ秒程度の応答速度でしか
動作しない。このため、高速応答を要求されるような高
解像度の画像を表示する装置、さらには、光通信、光演
算、ホログラムメモリー等の光記録装置、光プリンター
は、液晶を用いたスイッチングデバイスで実現するのは
難しい。

【０００３】そこで、上記のような用途に対応できる高
速動作可能なスイッチングデバイスあるいは画像表示デ
バイスが求められており、ミクロンオーダあるいはさら
に小さなサブミクロンオーダの微細構造（マイクロスト
ラクチャ）を備えたスイッチングデバイスの開発が鋭意
進められている。

【０００４】

【発明が解決しようとする課題】その１つが本願出願人
が出願中の、光を全反射して伝達可能な導光部の全反射
面に対しスイッチング部の抽出面を接触させてエバネセ
ント光を抽出し、光学素子の１波長程度あるいはそれ以
下の微小な動きによって、高速で光を変調制御可能な光
スイッチングデバイスである。

【０００５】図１に、エバネセント光によるスイッチン
グを行う画像表示デバイス（光スイッチングデバイス）
を用いた画像表示装置の一例としてプロジェクタ８０の
概略を示してある。このプロジェクタ８０は、白色光源
８１と、この白色光源８１からの光を３原色に分解して
画像表示ユニット（光スイッチングユニット）５５の導
光板（光ガイド）１に入射させる回転色フィルタ８２
と、各色の光を変調して出射する画像表示ユニット５５
と、出射された光８５を投映する投写用レンズ８６とを
備えている。そして、各色毎の変調された光８５がスク
リーン８９に投写され、時間的に混色されることにより
多諧調のマルチカラーの画像が出力される。プロジェク
タ８０は、さらに、画像表示ユニット５５および回転色
フィルタ８２を制御してカラー画像を表示する制御回路
８４を備えている。画像表示ユニット５５は、光ガイド
１と以下に詳述する画像表示デバイス（光スイッチング
デバイス）５０とにより構成されており、この制御回路
８４からカラー画像を表示するためのデータφなどは画
像表示デバイス５０に供給される。

【０００６】このように、図１に示したプロジェクタ８
０は、光を全反射しながら伝達する光ガイド１に投影用
の光を供給する光源８１などと共に光ガイド１から出射
された光を投写するレンズ８５などを備えた光を入出力
する手段と、光ガイド１に供給された投映用の光を変調
する画像表示デバイス５０とを備えており、画像表示デ
バイス５０により光ガイド１から漏出するエバネセント
光を制御して画像が表示される。

【０００７】図２に、エバンセント波（エバネセント
光）を利用して光を変調する画像表示デバイス（エバネ
セント光スイッチングデバイス）５０の概要を示してあ
る。画像表示デバイス５０は複数の光スイッチング素子
（光スイッチング機構）１０が２次元に配列されたスイ
ッチングデバイスであり、個々の光スイッチング素子１
０は、単体では導入された光２を全反射して伝達可能な
導光板（光ガイド）１に接近および離反して光を変調可
能な光学素子（スイッチング部）３と、この光学素子部
３を駆動するアクチュエータ６とを備えている。そし
て、光学素子３の層およびアクチュエータ６の層がアク
チュエータ６を駆動する駆動回路およびデジタル記憶回
路（記憶ユニット）が作りこまれた半導体基板２０の上
に積層され、１つの画像表示デバイスとして集積化され
ている。

【０００８】図２を参照してエバネセント光を利用した
本例の画像表示デバイス５０についてさらに詳しく説明
しておく。個々の光スイッチング素子１０をベースに説
明すると、図２の左側に示した光スイッチング素子１０
ａはオン状態であり、右側に示した光スイッチング素子
１０ｂがオフ状態である。光学素子３は、導波路として
の機能を果たす導光板１の面（全反射面）１ａに密着す
る面（接触面または抽出面）３ａと、この面３ａが全反
射面１ａに密着したときに漏れ出たエバネセント波を抽
出するＶ字型のプリズム（マイクロプリズム４）と、こ
のプリズム４の底面で導光板１に対しほほ垂直な方向に
反射するための反射膜４６と、Ｖ字型のプリズム４を支
持するサポート構造５とを備えている。

【０００９】アクチュエータ６は、光学素子３を静電駆
動するタイプであり、そのために、光学素子３のサポー
ト構造５と機械的に連結されて光学素子３と共に動く上
電極（第１の電極）７と、この上電極７と対峙した位置
で半導体基板２０に固定された下電極（第２の電極）８
を備えている。さらに、上電極７はアンカープレート９
から上方に伸びた支柱１１により支持されている。

【００１０】図２に示したように、導光板１には光源か
ら照明光２が全反射面１aで全反射する角度で供給され
ており、その内部の全ての界面、すなわち、光学素子部
（光スイッチング部）３に面した側１ａと、上方の面
（出射面）において光が繰り返し全反射し、導光板１の
内部が光線で満たされる。したがって、この状態で巨視
的には照明光２は導光板１の内部に閉じ込められ、その
中を損失なく伝播している。一方、微視的には、導光板
１の全反射している面１ａの付近では、導光板１から光
の波長程度のごく僅かな距離だけ、照明光２が一度漏出
し、進路を変えて再び導光板１の内部に戻るという現象
が起きている。このように面１ａから漏出した光を一般
にエバネッセント波と呼ぶ。このエバネッセント波は、
全反射面１ａに光の波長程度またはそれ以下の距離で他
の光学部材を接近させることにより取り出すことができ
る。本例の光スイッチング素子１０は、この現象を利用
して導光板１を伝達する光を高速で変調、すなわち、ス
イッチング（オンオフ）することを目的としてデザイン
されている。

【００１１】たとえば、図２の光スイッチング素子１０
ａでは、光学素子３が導光板１の全反射面１ａに接触し
た第１の位置にあるので、光学素子３の面３ａによりエ
バネセント波を抽出することができる。このため、光学
素子３のマイクロプリズム４で抽出した光２は反射膜４
６で角度が変えられて出射光２ａとなる。そして、この
出射光２ａが図１に示すプロジェクタ８０の投映用の光
８５として利用される。一方、光スイッチング素子１０
ｂでは、電極７および８の間に働く静電力により光学素
子３が導光板１から離れた第２の位置に動かされる。し
たがって、光学素子３によってエバネセント波は抽出さ
れず、光２は導光板１の内部から出ない。

【００１２】エバネセント波を用いた光スイッチング素
子は単独でも光をスイッチングできる装置として機能す
るが、図２に示したように、これらを１次元あるいは２
次元方向、さらには３次元に並べて配置することができ
る構成になっている。特に、２次元にマトリクスあるい
はアレイ状に並べて配置することにより、液晶あるいは
ＤＭＤと同様に平面的な画像を表示可能な映像デバイス
あるいは画像表示ユニット５５を提供することができ
る。そして、エバネセント光を用いた画像表示デバイス
５０では、スイッチング部である光学素子３の移動距離
がサブミクロンオーダとなるので、液晶より１桁あるい
はそれ以上応答速度の速い光変調装置として利用でき、
これを用いた高速動作が可能なプロジェクタ８０あるい
は直視型の画像表示装置を提供することが可能となる。
さらに、エバネセント光を用いた光スイッチング素子１
０は、サブミクロンオーダの動きで光をほぼ１００パー
セントオンオフすることが可能であり、非常にコントラ
ストの高い画像を表現することができる。このため、時
間的な分解能を高くすることが容易であり、高コントラ
ストの画像表示装置を提供できる。

【００１３】さらに、この光スイッチングデバイス５０
では、駆動回路などが作りこまれた半導体集積基板２０
にアレイ状に配置されたアクチュエータ６および光学素
子３が積層された構成の画像表示デバイス５０を１チッ
プで提供することが可能である。すなわち、半導体基板
２０の上にアクチュエータ６および光学素子３といった
マイクロストラクチャが構築されたマイクロマシンある
いは集積化デバイスである画像表示デバイス５０と光ガ
イド１とを組み立てることにより画像表示ユニット５５
を供給でき、これを組み込むことにより動作速度が速く
高解像で、さらに、高コントラストの画像を表示できる
プロジェクタを提供できる。

【００１４】アクチュエータ６は、図２の上下１対の電
極を備えたものに限定されず、上電極７および下電極８
に加え、これらの間で動く中間電極を備えたもの、さら
に、電極対を使用した静電アクチュエータの代わりに、
ピエゾ素子などの他の電気信号により駆動力を供給可能
な機構を用いてアクチュエータを構成することも可能で
ありアクチュエータとしてはいくつかのものが考えられ
ている。したがって、以下、本明細書では、簡単のため
上下電極の静電駆動タイプのアクチュエータに基づき説
明するが、アクチュエータの構成はこれに限定されるも
のではない。

【００１５】このようなスイッチングデバイスは、樹脂
製の光学素子を静電アクチュエータにより、上下に、あ
るいは、光ガイド１に押し付ける方向と離す方向とに駆
動するものである。したがって、光学素子と静電アクチ
ュエータとが基本的には一体となっている必要がある。
特に、光ガイド１から光学素子３を引き剥がす際は引張
力が作用するので、光学素子と静電アクチュエータの密
着度が低いと剥離する可能性がある。しかしながら、光
学素子３は、光学的な性質が優れた、たとえば、透明な
樹脂により成形されるのに対し、静電アクチュエータ６
は静電力を発揮するために導電性の素材、たとえば、金
属あるいはポリシリコンなどにより構成される。したが
って、製造方法も異なり、アクチュエータ６はフォトリ
ソグラフィ技術により構築できるのに対し、光学素子３
は型転写により成形することが望ましいことが本願出願
人らによって開示されている。

【００１６】このため、アクチュエータ６と光学素子３
との密着度をどのように確保するかは、この光スイッチ
ング素子およびこれを用いた光スイッチングデバイス、
さらには光スイッチングユニットにおいて重要な課題で
ある。また、上述した光スイッチング素子およびデバイ
スを高速で駆動するとともに、高い信頼性を確保するた
めにも重要な課題となっている。もちろん、光スイッチ
ング素子に限らず、アクチュエータでマイクロバルブを
駆動するような他の形式の微細構造体においても同様の
課題がある。

【００１７】そこで、本発明においては、これらの課題
に鑑み、２つの層、上記の例では、光学素子の層と、ア
クチュエータの層とが充分な強度で密着され、これらが
剥離することがなく高速駆動が可能で、信頼性の高い微
細構造体、およびそれを製造する方法を提供することを
目的としている。

【００１８】

【課題を解決するための手段】このため、本発明では、
２つの構造層を積み重ねる際に、第１の構造層の表面を
粗くすることにより第２の構造層との接触面積を増大
し、第１の構造層と、第２の構造層との密着度を高める
ようにしている。そして、ミクロンオーダ、すなわち数
百ミクロンからサブミクロンの範囲、さらには、数十ミ
クロンから数ミクロンの範囲の単位の構造層において
は、不活性気体中で適当な温度、たとえば１０００度前
後で１時間程度アニールすることにより結晶粒が成長
し、表面の中心線粗さの平均値Ｒａ（以降においてはＲ
ａで参照する）が０．０２ミクロンあるいはそれ以上に
することができる。そして、この程度の中心線粗さＲａ
が確保できると、中心線粗さＲａが０．０１あるいは
０．０１５ミクロンの表面に対し、密着度が大幅に増加
し、たとえば、塗料試験方法として公知の碁盤目テープ
法では、Ｒａが０．０１５では４０％程度が剥離するの
に対し、Ｒａが０．０２ミクロンになると剥離する率が
０％になる。さらに、表面にレーザ光を照射してアニー
ルすると、結晶粒を短時間にさらに大きくすることがで
き、Ｒａを０．０７から０．２ミクロン程度まで上げる
ことができる。一方、Ｒａが０．２ミクロン程度を超え
ると、ミクロン単位の構造体に影響を与える可能性があ
るので望ましくない。

【００１９】すなわち、本発明に係る微細構造体は、ほ
ぼミクロン単位の構造を備えた第１の構造層と、この第
１の構造層に積層された第２の構造層とを有する微細構
造体であって、第１の構造層の表面のうち、少なくとも
第２の構造層が接する接続領域の表面の中心線平均粗さ
Ｒａが０．０２から０．２ミクロンの範囲であることを
特徴としている。さらに、中心線平均粗さＲａは、０．
０２５から０．１ミクロンの範囲であることが望まし
い。

【００２０】そして、本発明の微細構造体は、ほぼミク
ロン単位の構造を備えた第１の構造層を製造する第１の
工程と、この第１の構造層に第２の構造層を積層する第
２の工程と、この第２の工程の前に、第１の構造層の表
面のうち、少なくとも第２の構造層が接する接続領域の
表面を、その中心線平均粗さＲａが０．０２から０．２
ミクロンの範囲、さらに望ましくは、中心線平均粗さＲ
ａが０．０２５から０．１ミクロンの範囲に加工する工
程とを有することを特徴とする微細構造体の製造方法に
より製造できる。この範囲の中心線平均粗さＲａは、第
１の構造層をアニールすることにより実現でき、特に、
第１の構造層を窒素あるいはアルゴンなどの不活性気体
中で高温にすることが望ましい。あるいは、レーザ光を
照射してアニールすることでもよく、中心線平均粗さＲ
ａを０．０７ミクロンあるいはそれ以上の範囲はレーザ
アニールが有効である。

【００２１】また、スパッタリング、ＲＩＥあるいはＦ
ＩＢによって第１の構造層の少なくとも接続領域にイオ
ンあるいは原子を照射することによっても同程度の表面
粗さＲａを得ることができる。

【００２２】したがって、本発明の微細構造体およびそ
の製造方法により、第２の構造層が光学素子がアレイ状
に配置された層であり、第１の構造層が光学素子を駆動
するアクチュエータがアレイ状に配置された層となる光
スイッチング素子あるいは光スイッチングデバイスに適
した微細構造体を製造することができる。そして、この
微細構造体では、アクチュエータが光学素子をこれらの
構造層に対し垂直方向に移動あるいは駆動するが、アク
チュエータと光学素子の密着度が非常に高いので、剥離
などが発生せず、信頼性が高く、高速駆動が可能な光ス
イッチング素子および光スイッチングデバイスを提供す
ることができる。

【００２３】また、アクチュエータと光学素子との密着
度が高まるので、素材的に光学素子と異なる静電アクチ
ュエータを容易に採用できる。たとえば、アクチュエー
タはポリシリコンで製造することができ、上記の製造方
法により適当なＲａを備えた面を製造できる。

【００２４】したがって、本発明の微細構造体およびそ
の製造方法により、光学素子が垂直方向に移動した第１
の位置で光ガイドの全反射面からエバネセント光を抽出
し、そこから離れた第２の位置ではエバネセント光を抽
出しない光スイッチングデバイス、さらに、この光スイ
ッチングデバイスと、光ガイドとを有する光スイッチン
グユニットを提供できる。そして、光スイッチングユニ
ットと、光ガイドの画像を形成するための光を入出力す
る手段とを有する画像表示装置を提供することが可能で
あり、そのライトバルブとなる光スイッチングユニット
がより高速駆動が可能で信頼性も高いので、分解能が高
く、耐久性も高い画像表示装置を提供できる。

【００２５】

【発明の実施の形態】以下に図面を参照して本発明をさ
らに説明する。以下では、先に説明したエバネセント波
を用いて光をスイッチングするデバイスに本発明を適用
した例で説明する。図３および図４に示すように、本例
の光スイッチング素子１０は、単体では導入された光２
を全反射して伝達可能な導光板（光ガイド）１と、この
導光板１に接近および離反する光学素子３と、この光学
素子３を駆動するアクチュエータ部６と、このアクチュ
エータ部６を制御する回路が作り込まれた半導体基板２
０とを備えている。

【００２６】光学素子３は、導波路としての機能を果た
す導光板１の面（全反射面）１ａに密着する面（接触面
または抽出面）３ａと、この面３ａが全反射面１ａに密
着したときに漏れ出たエバネセント波を抽出して内部に
導くＶ字型のマイクロプリズム４と、導かれた光を光ガ
イド１に対しほほ垂直な方向に反射する反射膜４６と、
Ｖ字型のプリズム４を支持するサポート構造５とを備え
ている。このような構造および光学素子としての性能を
実現するために、本例においては、光学素子３は有機系
の樹脂を用いて形成されている。樹脂としては、フッ化
水素酸（ＢＨＦ）に耐性のある塩化ビニール系、ＡＢＳ
系、ポリエチレン系、ポリプロピレン系、アクリル系、
フッ素系、ポリカーボネイト系、メチルベンゼン系、フ
ェノール系、エポキシ系、天然ゴム系、スチレンゴム系
またはブチルゴム系の樹脂が採用されている。さらに、
これらのうちで、硬質塩化ビニール系、ＡＢＳ系、ポリ
エチレン系、ポリプロピレン系、アクリル系、フッ素
系、ポリカーボネイト系、メチルベンゼン系、フェノー
ル系、エポキシ系またはブチルゴム系の樹脂は、高濃度
のフッ化水素酸にも侵食されにくい。

【００２７】さらに、これらの樹脂のうち、光反応型の
高分子材料が、光学素子を成型する上はいっそう有効で
ある。たとえば、光重合することにより成型することが
できる紫外線硬化樹脂などが有効であり、紫外線硬化樹
脂の一例としてはラジカル重結合系である、アクリル系
のポリエステルアクリル、ウレタンアクリル、エポキシ
アクリル、ポリエーテルアクリル、側鎖アクリロイル型
アクリル樹脂や、チオール・エン型のポリチオール・ア
クリル誘導体、ポリチオール・スピロアセタール系、や
カチオン重合系であるエポキシ型エポキシ樹脂が使用で
きる。

【００２８】このように、本例では光学素子３としてフ
ッ化水素酸に耐性のある樹脂を採用するので、光学素子
３およびアクチュエータ６の構造を実現する犠牲層とし
てフッ化水素酸で除去できるＰＳＧなどの酸化シリコン
製の素材を採用できる。したがって、アクチュエータ部
を構成する材料としては、金属であればフッ化水素酸に
耐性のある、金、白金あるいはステンレス系の材料とな
り、シリコン系の材料としてはＣＶＤなどの方法で製造
できる低コストなポリシリコン（多結晶シリコン）を採
用することができる。

【００２９】本例のアクチュエータ６の構成は、先に図
２に基づき説明したものと同様であるので、以下では構
成およびその動作についての詳しい説明は省略する。図
３は、光スイッチング素子１０がオンの状態を示してあ
り、光学素子３が光ガイド１の全反射面１ａに接触して
いるので、光学素子部３の面３ａによりエバネセント波
を抽出することができ、光学素子３のマイクロプリズム
４で抽出した光が反射膜４６により角度を変え、導光板
１に対し垂直な方向の出射光２ａが得られている。これ
により光２をスイッチングして画像などを表現すること
が可能となる。

【００３０】図４は、光スイッチング素子１０がオフの
状態を示してあり、アクチュエータ６の静電力で光学素
子３を光ガイド１から離している。したがって、光学素
子３によってはエバネセント波は抽出されず、光２が光
ガイド１の内部から出ない。本例の光スイッチング素子
１０では、上電極７を支持するポスト１１の近傍に下電
極８に向かって凸となるへこみ（ディンプル）１３が形
成されており、これがストッパーとなって上下の電極７
および８が密着してしまうのを防止している。

【００３１】このようなエバネセント波を利用した光ス
イッチング素子１０を半導体基板２０の上にアレイ状に
並べ、半導体基板２０のＣＭＯＳ回路によって各々の光
スイッチング素子を制御する画像デバイス（光スイッチ
ングデバイス５０が提供される。

【００３２】本例の光スイッチングデバイス５０におけ
るこれらの構造体、すなわち、光学素子３およびアクチ
ュエータ６はミクロンオーダで製造されている。たとえ
ば、光学素子３は、厚さが十数ミクロンであり、幅が数
十ミクロン程度である。また、アクチュエータ６を構成
する電極７および８は厚さ２ミクロン程度である。した
がって、詳しくは以下で説明するが、アクチュエータ６
はフォトリソグラフィー技術を用いて製造され、光学素
子３は型転写技術を用いて製造されている。

【００３３】そして、本例の光スイッチングデバイス５
０においては、これら２つの構造体であるアクチュエー
タ６と光学素子３とが接合する部分、すなわち、上電極
７の状面７ａのうち、Ｖ字型のサポート部５と接する部
分１５の面が加工され、その面粗度が中心線平均粗さＲ
ａで０．０２から０．２ミクロン程度になっている。通
常、電極７をポリシリコンで製造すると、その面粗さＲ
ａは０．０１５ミクロン程度であり、塗料の一般試験法
として公知の碁盤目テープ法（ＪＩＳＫ５４００）によ
ると、剥離する割合が３６％程度で、評価点数は２、す
なわち、切り傷による剥がれの幅が広く、欠損部の面積
は全正方形の３５から６５％となる。これに対し、粗さ
Ｒａを以下に述べる方法により大きくし、たとえば、
０．０２６にすると剥離の割合は０％となり、評価点数
は１０、すなわち、切り傷１本ごとが細くて両側が滑ら
かであり、切り傷の交点と正方形の１目１目に剥がれが
ない状態となる。

【００３４】したがって、本例のようなミクロンオーダ
の微細構造では、接続面１５の表面粗さＲａの剥離に対
する影響は非常に大きく、Ｒａが０．０２ミクロン程度
を境に密着度は大幅に向上することが分かる。このた
め、本例の接続面１５の粗さＲａを粗くした光スイッチ
ング素子１０およびそれを用いた光スイッチングデバイ
ス５０、さらには光ガイド１と組み立てた光スイッチン
グユニット５５においては、光学素子３とアクチュエー
タ６との密着度あるいは接着度は飛躍的に増大する。し
たがって、図３および図４に示したスイッチングを繰り
返したときに、光学素子３とアクチュエータ６が剥離す
る可能性を非常に小さくすることが可能である。特に、
オンからオフに光スイッチング素子１０を駆動するとき
は、引っ張り力になるので、光学素子３とアクチュエー
タ６との接合面１５に働く力は大きくなる。このため、
剥離を防止するためにはアクチュエータ６の作動速度を
ある程度の範囲に収める必要があったが、本例の光スイ
ッチング素子１０においてはそのような心配もなくな
る。したがって、非常に動作速度が早く、動作周波数の
高い光スイッチングデバイスを提供することができる。
また、動作速度を上げても剥離などの心配がないので、
信頼性が高く、耐久性も高く光スイッチングデバイス５
０およびユニット５５を提供することができる。

【００３５】本発明に係る光スイッチングユニット５５
を採用して組み立てた図１に示した画像表示装置８０に
より、信頼性および耐久性ともに高く、動作速度が速
く、高解像度の画像を表示できる画像表示装置を提供で
きる。

【００３６】以下では、図５ないし図１４に基づき、本
発明の製造方法を用いて、上記の光スイッチング素子１
０を半導体基板２０の上にアレイ状に並べて形成し、光
スイッチングデバイス（画像デバイス）を製造する様子
を説明する。

【００３７】まず、図５ないし図７に示す工程により、
第１の構造層となるアクチュエータ６の層を製造する。
図５に示してあるように、ＣＭＯＳが構成されている基
板２０の上面２１に第１の電極層としてポリシリコンの
薄膜３１をディポジットする。次に、その電極層３１に
パターニング４１を行い、下電極８と、ばねおよび上電
極を兼ねた構造のアンカー部分９を形成する。

【００３８】図６に示してあるように、電極層３１の上
に酸化シリコン系のＰＳＧ（Phospho-Silicate-Glass）
により犠牲層３２を形成する。ＰＳＧ層は、フォトリソ
グラフィー技術により半導体装置を製造する際に多用さ
れており、集積回路に影響を与えずに製造する技術が確
立され、膜厚を管理する技術も確立されている。したが
って、下に存在する半導体基板２０に形成されたＣＭＯ
Ｓ回路にダメージを与えずに、その半導体基板の上に、
ミクロンオーダあるいはサブミクロンオーダの精度で構
造物を製造するのに適している。その犠牲層３２にスト
ッパーの役目をするディンプル１３を形成する凹み４２
を掘り、また、ポストとなる部分をパターニング４３に
より形成する。

【００３９】図７に示してあるように、犠牲層３２の上
に、ばねと上電極を兼ねた構造７を形成する第２の電極
層３３を、図５と同様に、ポリシリコンをディポジット
した薄膜により形成する。この段階でポスト１１も形成
され、アクチュエータ６としての構造が半導体基板２０
の上に形成される。

【００４０】次に、このアクチュエータ６の上にマイク
ロ光学素子部３を形成するプロセスに移行する。まず、
図８に示してあるように、第２の電極層３３の上、すな
わち、上電極７の表面７ａに第１の犠牲層３２と同じ物
質であるＰＳＧを第２の犠牲層３４としてディポジット
し、パターニング４４を行う。これにより、上電極７の
表面７ａのうち、光学素子３のＶ字型のサポート部５と
接続する面１５だけが表面に現れるようにする。

【００４１】次に、図９に示すように、この接続する面
１５の面粗さを大きくする加工を行う。面粗さを上げる
方法は以下のようなものがあり、これを単独で行っても
良いし、複数の方法を組み合わせることにより、適度な
面粗さにすることも可能である。１つの方法は、窒素雰
囲気下でアニールする方法である。たとえば、本例のよ
うにポリシリコンで電極を構成する光スイッチング素子
においては、１０５０℃で１時間程度アニールすること
により接続面の面粗度が中心線平均粗さＲａで０．０１
５μｍから０．０２６μｍに増大する。これは、ポリシ
リコンの結晶粒がアニールにより成長したためと考えら
れる。

【００４２】また、この領域１５をレーザアニールする
ことも可能である。上記のように高温でアニールした後
に、レーザアニールすることによりＲａが０．０７０μ
ｍ程度まで容易に上げられることが本願発明者らの実験
により確認されている。

【００４３】さらに、アニールする代わりに、あるい
は、アニール処理に合わせて、スパッタリング装置、Ｒ
ＩＥ（反応性イオンエッチング、reavtive ion etchin
g）装置、さらには、ＦＩＥ（高速イオンエッチング、f
irst ion etching）装置などを用いてイオンあるいは原
子を接続面１５に照射して表面粗さＲａを高くすること
も可能である。たとえば、これらの装置により１００Ｗ
で１０分程度の照射を行うと、上記と同程度の表面粗さ
を実現することができる。

【００４４】面粗度Ｒａを高くすることにより接触面積
が増加するので、密着度から考えると面粗度Ｒａは高い
ほうが望ましい。しかしながら、上記の方法により、結
晶粒を大きくすると、組成が変化したり、単結晶化する
ことにより構造体自体の強度が低下する可能性があり、
微細構造体の基本的な設計から考え直す必要が生ずる。
したがって、この工程により面粗度を高くする範囲は、
微細構造体あるいはこれを構成する構造層の基本的な性
質あるいは強度などに影響を及ぼさない範囲に止めるこ
とが望ましい。したがって、本例においては、上電極７
の膜厚が２μであるので、面粗度Ｒａの上限をその１０
％程度、すなわち０．２μに設定している。この程度の
面粗度であれば、構造に影響を与えることはない。ま
た、アニールあるいはイオン照射などによって加工する
時間も少なくて済み、製造時間あるいは工程に与える影
響も少なくて済む。

【００４５】さらに、ポリシリコン上の面粗度Ｒａにつ
いては、先に説明したように、碁盤目試験によって面粗
さＲａが０．０２５μ程度以上あると非常に付着力が高
いことが確認されている。また、加工時間、それに用い
られるエネルギーなどを考慮すると、面粗さＲａの範囲
は小さい方が望ましい。これらの条件を考慮すると、面
粗さＲａは、０．０２５μから０．１μ程度の範囲で充
分な付着力が得られ、また、加工時間なども短縮できる
ので、さらに効果的である。

【００４６】このように、面粗度Ｒａを制御した接続面
１５の上に、さらに、図１０に示すように、Ｖ型をした
パターン（サポート構造）５を形成する。本例では、接
続面１５および犠牲層３４の上に第３の構造層となる樹
脂３５を塗布し、その樹脂にＶ溝の型を転写してサポー
ト構造５を製造する。この樹脂層３５は、上述した、フ
ッ化水素酸（ＢＨＦ）に耐性のある塩化ビニール系、Ａ
ＢＳ系、ポリエチレン系、ポリプロピレン系、アクリル
系、フッ素系、ポリカーボネイト系、メチルベンゼン
系、フェノール系またはエポキシ系の樹脂であり、本例
においては、転写で構造が成型しやすい紫外線硬化樹脂
である、アクリル系のポリエステルアクリル、ウレタン
アクリル、エポキシアクリル、ポリエーテルアクリル、
側鎖アクリロイル型アクリル樹脂や、チオール・エン型
のポリチオール・アクリル誘導体、ポリチオール・スピ
ロアセタール系、あるいはカチオン重合系であるエポキ
シ型エポキシ樹脂が使用される。そして、型をあててUV
照射などにより硬化させる。

【００４７】その後に、転写型をはずし、図１１に示す
ように、さらに、Ｖ溝４５の上部にアルミニウムまたは
銀をスパッタリングして反射膜４６を形成する。ディポ
ジットして形成することも可能であるが、付着力を高く
するにはスパッタリングが望ましい。

【００４８】さらに、図１２に示してあるように、第４
の構造層となる透明な樹脂３６をＶ溝形状に成型された
樹脂層３５に塗布し、さらにその上から平坦な型を転写
してV溝４５を平坦に埋める。この樹脂３６も、上記の
樹脂層３５と同様にＢＨＦに耐性のあるいずれかの系の
樹脂を用いることが望ましい。この工程により、抽出し
たエバネセント光を上方に反射するマイクロプリズム４
が形成され、光学素子３も形成される。したがって、上
記の４層の構造層、すなわち、第１の電極層３１、第２
の電極層（ばね層）３３、樹脂層３５および３６によ
り、光学素子部３およびアクチュエータ６からなる光ス
イッチング素子１０となる構造が半導体基板２０の上に
形成される。

【００４９】本例の光スイッチング素子１０では、アク
チュエータを構成する電極層３１（下電極８）および電
極層３３（上電極７）の層はフォトリソグラフィ技術に
よりポリシリコンで形成されているのに対し、光学素子
３を構成する樹脂層３５（Ｖ字型のサポート５）および
樹脂層３６（プリズム４）は型成形（マイクロレプリカ
技術）により成形されており、素材も上記のようなＵＶ
硬化型の樹脂が採用されている。このため、製造方法お
よび材料が異なるので、その接続する部分、すなわち、
面１５の密着度が問題になるが、上記のように、この面
１５の面粗度Ｒａを上げることにより接着面積を増や
し、密着度を上げている。したがって、これらのアクチ
ュエータ６および光学素子３を構成する各構造層は一体
となって強度の高い光スイッチング素子１０を形成し、
耐久性の高いスイッチング素子を製造できる。

【００５０】次に、半導体基板２０の上に積層された部
材および部分で不要なものを除去するプロセスに移行す
る。まず、図１３に示すように、画像デバイスとして本
例の光スイッチング素子デバイス５０を用いる場合に、
個々の画素を構成する個々のマイクロ光学素子３を分離
するため、第２の犠牲層３４の上に積層された樹脂層３
５および３６を垂直方向に犠牲層３３が現れるまで酸素
プラズマエッチングなどを用いて溝４７を掘る。そし
て、光学素子部３の間を隙間４７により分離する。この
状態では、まだ、犠牲層は共に除去されていない。

【００５１】さらに、図１４に示した工程で、犠牲層３
２および３４を図１３の工程で構成した光学素子３の隙
間４７を通して除去する。ここでは、犠牲層３２および
３４を形成するＰＳＧをドライエッチングするためにフ
ッ化水素酸（ＢＨＦ）ガス４８が用いられる。もちろ
ん、フッ化水素酸水溶液を用いてウェットエッチングし
ても良い。光学素子３を構成している樹脂３５および３
６は、上述したようにフッ化水素酸に耐性があり、ま
た、電極層３２および３１を構成するポリシリコンもフ
ッ化水素酸に耐性があり侵食されない。これらに対し、
フッ化水素酸は酸化シリコン系のＰＳＧを効率よくエッ
チングする。一方、半導体基板の保護膜として最上層２
１を形成している窒化シリコンはほとんど侵食しない。
したがって、フッ化水素酸でエッチングすることによ
り、半導体基板２０およびその上に構成される樹脂に影
響を与えることなく犠牲層３２および３４を除去するこ
とができる。

【００５２】なお、図１４では、電極を構成する層３３
によって犠牲層３２および３４が区切られているような
記載になっているが、電極には隙間あるので犠牲層３２
および３４を同時に除去することができる。さらに、フ
ッ化水素酸によりドライエッチングで除去するので、電
極間などの狭い隙間なども吸着という問題を起こすこと
なく完全に犠牲層を除去することができ、電極間に駆動
用の空間を確実に形成できる。したがって、信頼性のあ
るアクチュエータ６を実現できる。

【００５３】以上の工程で半導体基板２０の上にアクチ
ュエータ６および光学素子３が垂直に積み重ねあわされ
た光スイッチングデバイス５０が製造され、これと光ガ
イド導光板１とを組み合わせることにより図１および図
２に基づき説明した光スイッチングユニット５５を提供
することができる。したがって、本発明により、アクチ
ュエータ６と光学素子３が一体となった耐久性が高く、
より高速で駆動できる光スイッチングデバイス５０を提
供することが可能となり、さらに、この光スイッチング
デバイス５０を用いてより解像度が高く、耐久性および
信頼性の高い画像表示装置を提供できる。また、この半
導体基板上に光スイッチングアレイが形成された光スイ
ッチングデバイス５０により、光コンピュータ、光プリ
ンタなどの多種多様な装置を提供することが可能とな
る。

【００５４】なお、本例では、ＣＭＯＳ基板の上に構造
物を構成する例を説明しているが、バイポーラ回路基
板、半導体レーザ基板あるいはその他の半導体基板上に
樹脂製の微細構造物を構築する場合に本発明を適用でき
ることはもちろんである。さらに、上記では、半導体基
板上に静電アクチュエータと、光学素子が垂直に積み重
ねられた光スイッチング素子を例に説明しているが、ピ
エゾ効果などの他の電気機械的な効果を用いたアクチュ
エータを用いることも可能であり、その場合も、アクチ
ュエータと光学素子が接触する面を予めアニールあるい
はイオン照射などの方法により面粗度を調整することに
より強度の高い光スイッチング素子を提供することがで
きる。また、スイッチングする対象はエバネセント波に
限定されることはなく、他の光学系においてスイッチン
グ作用を示す光学素子アレイも同様に製造することがで
きる。

【００５５】さらに、本発明の製造方法および微細構造
体は、光スイッチング素子および光スイッチングデバイ
スに限定されることはなく、一般のマイクロストラクチ
ャであって、素材あるいは製造方法が異なる２つの層を
積み重ねて構成するものにも適用できる。たとえば、流
体を制御できるマイクロバルブをアクチュエータで駆動
するような微細構造体、面発光レーザに集光用のレンズ
を付加した微細構造体など、適用範囲は広い。

【００５６】また、積層される構造体は２層に限定され
るものではなく、３層以上の構造体に対しても本発明を
適用することは可能であり、それら複数の構造体の層を
極めて密着度高く接合でき、これらの構造層により一体
となった微細構造体を提供することができる。

【００５７】また、上記では弗化水素酸ガスを用いたド
ライエッチングを例に説明しているが、水溶液を用いた
ウェットエッチングであっても良い。ドライエッチング
は電極間の張り付きを防止できるなどの利点があるため
比較的多く採用される。これに対し、ウェットエッチン
グは、溶液のエッチャントがドライエッチの分子に比べ
大きいため樹脂の隙間から侵食するエッチャントの流動
を抑制できエッチングされたくない構造物を保護したい
という要望にはマッチしており、また、量産性があるの
で大量のウエハを投入でき、スループットが早いといっ
たメリットもある。したがって、目的に応じてドライエ
ッチングあるいはウェットエッチングを使い分けること
ができ、本発明は、そのいずれにも適用することができ
る。

【００５８】

【発明の効果】以上に説明したように、本発明において
は、マイクロ光学素子を有する光スイッチングデバイス
などのミクロンオーダの構造を有する微細構造体を製造
する際に、製造方法あるいは素材が異なる２つの構造層
を接合するために面粗度をアニールあるいはイオン照射
などの方法で大きくするようにしている。したがって、
２つの構造層の間の接触面積を大きくすることが可能と
なり、光スイッチング素子であれば、高速駆動が可能
で、耐久性および信頼性の高い光スイッチング素子およ
びデバイスを提供することができる。

【００５９】ミクロンオーダの構造層をディポジットな
どで成形すると、その表面の粗さ（中心線平均粗さ）Ｒ
ａは０．０１５μ程度であり、付着力はそれほど高くな
い。これに対し、面粗さＲａを０．０２μから０．２μ
程度に大きくすることにより、付着率あるいは密着度は
飛躍的に向上することを本発明では明らかにしており、
さらに、この程度の面粗さＲａは、アニールあるいはイ
オン照射、原子照射によって容易に実現できることを本
発明において開示している。したがって、本発明の製造
方法により、動作周波数がさらに高く、耐久性も高い光
スイッチングデバイスを提供できる。このため、本発明
の光スイッチングデバイスを採用することにより、さら
に高解像度の画像を表示することができ、信頼性および
耐久性の高い画像表示装置を提供することができる。

【図面の簡単な説明】

【図１】エバネセント光を利用した映像表示デバイスを
用いたプロジェクタの概要示す図である。

【図２】エバネセント光を利用した映像表示デバイス
（スイッチングデバイス）の概要を示す図である。

【図３】本発明の実施の形態にかかる光スイッチング素
子の全体構成を示す断面図であり、オン状態を示す図で
ある。

【図４】図３に示す光スイッチング素子のオフ状態を示
す断面図である。

【図５】図３に示す光スイッチング素子の製造プロセス
を示す図であり、半導体基板の上に第１の電極層を形成
した状態を示す図である。

【図６】図３に示す光スイッチング素子の製造プロセス
を示す図であり、第１の電極層の上に第１の犠牲層を形
成した状態を示す図である。

【図７】図３に示す光スイッチング素子の製造プロセス
を示す図であり、第１の犠牲層の上に第２の電極層（ば
ね層）を形成した状態を示す図である。

【図８】図３に示す光スイッチング素子の製造プロセス
を示す図であり、第２の電極層の上に第２の犠牲層を形
成した状態を示す図である。

【図９】図３に示す光スイッチング素子の製造プロセス
を示す図であり、第２の電極層の接続面をアニーリング
して面粗度を上げた状態を示す図である。

【図１０】図３に示す光スイッチング素子の製造プロセ
スを示す図であり、第２の犠牲層の上に第１の樹脂層を
形成した状態を示す図である。

【図１１】図３に示す光スイッチング素子の製造プロセ
スを示す図であり、第１の樹脂層の上に反射膜を形成し
た状態を示す図である。

【図１２】図３に示す光スイッチング素子の製造プロセ
スを示す図であり、反射膜の上に第２の樹脂層を形成し
た状態を示す図である。

【図１３】図３に示す光スイッチング素子の製造プロセ
スを示す図であり、樹脂層を分離した状態を示す図であ
る。

【図１４】図３に示す光スイッチング素子の製造プロセ
スを示す図であり、犠牲層を除去した状態を示す図であ
る。

【符号の説明】

１光ガイド２照明光３光学素子部４マイクロプリズム５ V型のサポート構造６アクチュエータ部７上電極およびばね構造８下電極９アンカー１０光スイッチング素子１１ポスト（支柱）１３ディンプル１５接続面（接触面）２０半導体基板３２、３４犠牲層３５、３６樹脂層４６反射膜

Claims

【特許請求の範囲】

【請求項１】ほぼミクロン単位の構造を備えた第１の
構造層と、この第１の構造層に積層された第２の構造層
とを有する微細構造体であって、前記第１の構造層の表
面のうち、少なくとも前記第２の構造層が接する接続領
域の表面の中心線平均粗さＲａが０．０２から０．２ミ
クロンの範囲であることを特徴とする微細構造体。
【請求項２】請求項１において、前記中心線平均粗さ
Ｒａが０．０２５から０．１ミクロンの範囲であること
を特徴とする微細構造体。
【請求項３】請求項１において、前記第２の構造層は
光学素子がアレイ状に配置された層であり、前記第１の
構造層は前記光学素子を駆動するアクチュエータがアレ
イ状に配置された層である微細構造体。
【請求項４】請求項３において、前記アクチュエータ
は前記光学素子をこれらの構造層に対し垂直方向に移動
することを特徴とする微細構造体。
【請求項５】請求項４において、前記アクチュエータ
は静電アクチュエータである微細構造体。
【請求項６】請求項５において、前記アクチュエータ
はポリシリコン製である微細構造体。
【請求項７】請求項３に記載の微細構造体であって、
前記光学素子は、垂直方向に移動した第１の位置で光ガ
イドの全反射面からエバネセント光を抽出し、そこから
離れた第２の位置ではエバネセント光を抽出しない微細
構造体を有する光スイッチングデバイス。
【請求項８】請求項７に記載の光スイッチングデバイ
スと、前記光ガイドとを有する光スイッチングユニッ
ト。
【請求項９】請求項８に記載の光スイッチングユニッ
トと、前記光ガイドの画像を形成するための光を入出力
する手段とを有する画像表示装置。
【請求項１０】ほぼミクロン単位の構造を備えた第１
の構造層を製造する第１の工程と、この第１の構造層に第２の構造層を積層する第２の工程
と、この第２の工程の前に、前記第１の構造層の表面のう
ち、少なくとも前記第２の構造層が接する接続領域の表
面を、その中心線平均粗さＲａが０．０２から０．２ミ
クロンの範囲となるように加工する工程とを有する微細
構造体の製造方法。
【請求項１１】請求項１０において、前記加工する工
程では、前記中心線平均粗さＲａが０．０２５から０．
１ミクロンの範囲にすることを特徴とする微細構造体の
製造方法。
【請求項１２】請求項１０において、前記加工する工
程は、前記第１の構造層をアニールする工程を備えてい
ることを特徴とする微細構造体の製造方法。
【請求項１３】請求項１２において、前記アニールす
る工程では、前記第１の構造層を不活性気体中で高温に
することを特徴とする微細構造体の製造方法。
【請求項１４】請求項１２において、前記アニールす
る工程では、少なくとも前記接続領域にレーザ光を照射
することを特徴とする微細構造体の製造方法。
【請求項１５】請求項１０において、前記加工する工
程は、前記第１の構造層の少なくとも前記接続領域にイ
オンあるいは原子を照射する工程を備えている微細構造
体の製造方法。
【請求項１６】請求項１０において、前記第２の構造
層は光学素子がアレイ状に配置された層であり、前記第
１の構造層は前記光学素子を駆動するアクチュエータが
アレイ状に配置された層である微細構造体の製造方法。
【請求項１７】請求項１６において、前記アクチュエ
ータは前記光学素子をこれらの構造層に対し垂直方向に
移動することを特徴とする微細構造体の製造方法。
【請求項１８】請求項１６において、前記アクチュエ
ータは静電アクチュエータである微細構造体の製造方
法。
【請求項１９】請求項１８において、前記アクチュエ
ータはポリシリコン製である微細構造体の製造方法。