JP2003195201A

JP2003195201A - 光変調素子及び光変調素子アレイ並びにそれを用いた露光装置

Info

Publication number: JP2003195201A
Application number: JP2001396578A
Authority: JP
Inventors: Mitsuru Sawano; 充沢野; Makoto Isozaki; 真磯崎
Original assignee: Fuji Photo Film Co Ltd; Fuji Photo Optical Co Ltd
Current assignee: Fujinon Corp; Fujifilm Holdings Corp
Priority date: 2001-12-27
Filing date: 2001-12-27
Publication date: 2003-07-09
Anticipated expiration: 2021-12-27
Also published as: JP3893421B2

Abstract

(57)【要約】【課題】光透過を可能にする波長マージンを広くする
ことができ、それにより、膜厚精度、光学系組み込み精
度、入射光の波長精度等を緩めることができる光変調素
子及び光変調素子アレイ並びにそれを用いた露光装置を
得る。【解決手段】それぞれが干渉膜を備え変調する光に対
して透明な第一平面基板２３と可動薄膜２７とを空隙２
５を隔てて平行に対向配置し、第一平面基板２３及び可
動薄膜２７のそれぞれに設けた平面電極３１，３７への
電圧印加により発生させた静電気力によって可動薄膜２
７を第一平面基板２３に対して変位させ、可動薄膜２７
を透過又は反射する光量を変化させる光変調素子２１に
おいて、可動薄膜２７を挟んで第一平面基板２３の反対
側に、干渉膜４５を備え変調する光に対して透明な第二
平面基板４７を、空隙２６を隔てて平行に対向配置し
た。

Description

【発明の詳細な説明】

【０００１】

【発明の属する技術分野】本発明は、静電気力で可動薄
膜を変位させることにより、可動薄膜を透過又は反射す
る光の量を変化させて、光を変調する光変調素子及び光
変調素子アレイ並びにそれを用いた露光装置に関する。

【０００２】

【従来の技術】光の振幅、位相、周波数を時間的に変化
させる制御素子に光変調素子がある。光変調素子は、光
を透過させる物質の屈折率を、物質に印加する外場によ
って変化させ、屈折、回折、吸収、散乱等等の光学現象
を介して、最終的にこの物質を透過又は反射する光の強
度を制御する。この一つに、マイクロマシニングにより
作製された可動薄膜を、静電気力により機械的動作させ
ることで光変調する電気機械的な光変調素子が知られて
いる。この光変調素子としては、例えば図１４（ａ）に
示すように、透明な可動電極１と干渉膜を有するダイヤ
フラム３からなる可動薄膜５を、固定電極９を有する平
面基板１１上に支持部７を介して架設したものがある。

【０００３】この光変調素子では、図１４（ｂ）に示す
ように、両電極１，９間に所定の駆動電圧Ｖ_ONを印加す
ることで電極１，９間に静電気力を発生させ、可動薄膜
５を固定電極９に向かって撓ませる。これに伴って素子
自体の光学的特性が変化し、光変調素子は光が透過する
透過状態となる。これは、例えばファブリペロー干渉を
利用して光変調部から出射される光の強度を制御するこ
とで変化させる。一方、印加電圧をゼロとする等の非駆
動電圧を印加することで可動薄膜５が弾性復帰し、光変
調素子は光を反射する反射状態となる。このようにし
て、例えば光変調素子の入射光導入側においては、駆動
電圧の印加により明となり、非駆動電圧の印加により暗
となる光変調が実現される。この種の光変調素子によれ
ば、静電誘導により可動薄膜５を駆動するので、従来の
液晶型光変調器に比べて高速な応答が可能になる。

【０００４】ここで、上記のようなファブリペロー干渉
を利用した基本的な光変調作用について説明する。ファ
ブリペロー干渉では、入射光線が、反射と透過を繰り返
して多数の光線に分割され、これらは互いに平行とな
る。透過光線は、無限遠において重なり合い干渉する。
面の垂線と入射光線のなす角をθとすれば、隣り合う二
光線間の光路差はｘ＝ｎｔ・cosθで与えられる。但
し、ｎは二面間の屈折率、ｔは間隔である。光路差ｘが
波長λの整数倍であれば透過線は互いに強め合い、半波
長の奇数倍であれば互いに打ち消し合う。即ち、反射の
際の位相変化がなければ、２ｎｔ・cosθ＝ｍλ …（１）で透
過光最大となり、２ｎｔ・cosθ＝（２ｍ＋１）λ／２ …（２）で透
過光最小となる。但し、ｍは整数である。即ち、平行ミラー間で反射と透
過が繰り返されるファブリペロー干渉においては、空隙
の略整数倍の波長のみが光変調素子を透過する。

【０００５】ここで、図１４に示す構成の光変調素子を
用い、例えばブラックライト用紫外線ランプ（低圧水銀
ランプ）からの出射光を光変調する場合を考える。低圧
水銀ランプの内壁にブラックライト用の蛍光体を塗布し
た場合、その発光紫外線の分光特性は、例えば図１５に
示すように、３６０ｎｍ付近に中心波長λ₀を持つよう
になる。

【０００６】ここで、光変調素子に非駆動電圧Ｖ_OFFを
印加したときの空隙１０の間隔をｔoff とする（図１４
（ａ）の状態）。また、駆動電圧Ｖ_ONを印加したときの
空隙１０の間隔をｔonとする（図１４（ｂ）の状態）。
更に、ｔon、ｔoff を下記のように設定する。ｔon ＝１／２×λ₀＝１８０ｎｍｔoff ＝３／４×λ₀＝２７０ｎｍ但し、ｍ＝１ λ₀：紫外線の中心波長とする。

【０００７】また、可動薄膜５及び干渉膜３は、その光
強度反射率をＲ＝０．８５とする。空隙１０は空気又は
希ガスとし、その屈折率はｎ＝１とする。紫外線はコリ
メートされているので、光変調素子に入射する入射角θ
は略ゼロとする。このときの光変調素子の波長に対する
光透過率は図１６に示すようになる。即ち、光変調素子
２１は、可動電極１と固定電極９との間に非駆動電圧Ｖ
_OFFを印加したとき、ｔoff ＝２７０ｎｍとなり、図１
５に示す３６０ｎｍ付近に中心波長λ₀を持つ紫外線を
ほとんど透過させない。一方、駆動電圧を印加してｔon
＝１８０ｎｍとなると、３６０ｎｍ付近に中心波長λ₀
を持つ紫外線を透過させるようになる。

【０００８】

【発明が解決しようとする課題】しかしながら、上記従
来の光変調素子では、干渉モードで光変調を行う場合
に、光透過を可能とする波長域（波長マージン）が非常
に狭くなる傾向がある。上記の光変調素子の場合、図１
６に示す波長３６０ｎｍ付近の波長スペクトル、即ち、
光透過状態となり得る波長域は、非常にシャープな分布
となり透過帯が狭小となる。従って、この狭小な透過帯
によって光変調素子を正しく動作させるには、光変調素
子製造時の膜厚精度、光学系組み込み精度、入射光の波
長精度等を高精度に維持しなければならず、仮に、この
狭小な透過帯を超えるような誤差が生じたときには、光
変調素子が光のオン／オフ制御が行えなくなる。このた
め、光変調素子の製造コストが増大するといった問題が
あった。

【０００９】本発明は、このような状況に鑑みてなされ
たもので、光のオン／オフ変調が可能となる波長マージ
ンを広くすることができ、それにより、膜厚精度、光学
系組み込み精度、入射光の波長精度等を緩めることがで
きる光変調素子及び光変調素子アレイ並びにそれを用い
た露光装置を提供し、もって、光変調素子の製造コスト
低減を図ることを目的とする。

【００１０】

【課題を解決するための手段】上記目的を達成するため
の本発明に係る請求項１記載の光変調素子は、それぞれ
が干渉膜を備え変調する光に対して透明な第一平面基板
と可動薄膜とを空隙を隔てて平行に対向配置し、前記第
一平面基板及び前記可動薄膜のそれぞれに設けた平面電
極への電圧印加により発生する静電気力によって、前記
可動薄膜を前記第一平面基板に対して変位させ、前記可
動薄膜を透過又は反射する光量を変化させる光変調素子
であって、前記可動薄膜を挟んで前記第一平面基板の反
対側に、干渉膜を備え変調する光に対して透明な第二平
面基板を、空隙を隔てて平行に対向配置したことを特徴
とする。

【００１１】この光変調素子では、可動薄膜と第一平面
基板とからなる干渉フィルター（ファブリーペローフィ
ルター）に、干渉膜を有する第二平面基板を空隙を隔て
て直列に結合することで、比較的広い波長域の透過帯が
得られるようになる。つまり、従来、可動薄膜と第一平
面基板とを透過させた場合では狭かった、光透過を可能
にする波長マージンを広くすることができ、これによ
り、膜厚精度、光学系組み込み精度、入射光の波長精度
等を緩めることができ、その結果、光変調素子の製造コ
ストを低く抑えることができるようになる。

【００１２】請求項２記載の光変調素子は、前記可動薄
膜が、前記平面電極の形成されない可動薄膜側非電極部
を有し、前記第一平面基板が、前記可動薄膜側非電極部
と対面する位置に前記平面電極の形成されない基板側非
電極部を有していることを特徴とする。

【００１３】この光変調素子では、可動薄膜及び第一平
面基板の光透過部位に透明電極を設ける必要がないの
で、透明電極による光の吸収を皆無にできる。また、光
強度が強い場合に生じる透明電極の発熱による変形・破
壊等が防止でき、光変調素子の高速駆動と長寿命化が実
現する。さらに、光の吸収がなくなるので、透過光の強
度も増大させることができる。なお、前記干渉膜を、屈
折率の高い誘電体材料と、屈折率の低い誘電体材料とを
交互に積層した多層干渉膜とすれば、各層間の境界面で
の反射光や透過光による干渉を強め合い、高反射率、高
透過率が得られるようになる。さらに、前記第一平面基
板の多層干渉膜と、前記第二平面基板の多層干渉膜と
が、前記可動薄膜を対称に同一の積層構造を有したもの
とすれば、可撓薄膜の移動による透過光量の変化を大き
くできる。

【００１４】請求項３記載の光変調素子アレイは、前記
可動薄膜を矩形状に形成し且つ前記可動薄膜の長手方向
両端を支持した請求項１又は請求項２記載の光変調素子
を、同一平面上で、前記可動薄膜の長手方向に直交する
方向に複数近接させて並設したことを特徴とする。

【００１５】この光変調素子アレイでは、光変調素子
を、同一平面上で、可動薄膜の長手方向に直交する方向
に複数近接させて並設することで、光変調素子の並設数
と同数の画素数で、１ライン分を同時に光変調すること
ができる。

【００１６】請求項４記載の露光装置は、請求項３記載
の光変調素子アレイと、前記光変調素子アレイに光ビー
ムを照射するレーザ光源と、前記光ビームに感光する感
光材料に対して、前記光変調素子アレイからの出射光を
主走査方向及びこれと直交する副走査方向に相対移動さ
せる移動手段とを備えたことを特徴とする。

【００１７】この露光装置では、請求項３記載の光変調
素子アレイを用い、この光変調素子アレイにレーザ光源
からの光を照射し、光変調素子から出射される光を移動
手段によって感光材料に対して相対移動させつつ感光材
料に照射することで、感光材料を直接走査露光すること
ができる。

【００１８】請求項５記載の露光装置は、請求項３記載
の光変調素子アレイと、前記光変調素子アレイに光ビー
ムを照射する高出力レーザ光源と、前記光変調素子アレ
イからの出射光を集光する集光レンズと、前記光ビーム
に感光する感光材料に対して、前記集光レンズにより集
光された出射光を主走査方向及びこれと直交する副走査
方向に相対移動させる移動手段とを備えたことを特徴と
する。

【００１９】この露光装置では、請求項３記載の光変調
素子アレイを用い、この光変調素子アレイにレーザ光源
からの光を照射し、光変調素子から出射される光を集光
レンズにより集光させて、この出射光を移動手段によっ
て感光材料に対して相対移動させつつ感光材料へ照射す
ることで、感光材料を直接走査露光することができ、ほ
ぼ密着露光に近い光学系を構成できる。

【００２０】

【発明の実施の形態】以下、本発明に係る光変調素子及
び光変調素子アレイ並びにそれを用いた露光装置の好適
な実施の形態を図面を参照して詳細に説明する。図１は
本発明に係る光変調素子の構成を示す断面図、図２は図
１に示した光変調素子の平面図、図３は光変調素子の層
構造例を示す説明図である。

【００２１】図１に示すように、光変調素子２１は、上
面に干渉膜２２及び平面電極３７を有し変調する光に対
して透明な第一平面基板２３と、この第一平面基板２３
の上面に犠牲層の形成・除去等の方法によって形成した
空隙２５を隔てて、干渉膜及び平面電極（可動電極）３
１を有する可動薄膜２７と、さらに同様の空隙２６を隔
てて、下面に干渉膜４５を有し変調する光に対して透明
な第二平面基板４７とを基本構成として備えている。こ
れら第一平面基板２３、可動薄膜２７、第二平面基板４
７は互いに平行に対向配置されている。なお、可動薄膜
２７は、可動薄膜２７自体を干渉膜により形成する他に
も、干渉膜を別途に形成してもよい。なお、本実施の形
態においては可動薄膜２７自身が干渉膜からなる場合を
例に説明する。

【００２２】第１平面基板２３は、ガラス基板３５、干
渉膜２２、平面電極（固定電極）３７を順次積層した構
造であり、固定電極３７上には支持部２８が立設されて
いる。第一平面基板２３の固定電極３７上に立設された
支持部２８は、例えばシリコン酸化物、シリコン窒化
物、セラミック、樹脂等からなり、その上面を可動薄膜
２７と接合させている。可動薄膜２７は、弾性を有し、
矩形状に形成され、支持部２８に長手方向両端部を接合
されて、平面電極（可動電極）３１を、干渉膜であるダ
イヤフラム３３上に積層した構造となっている。

【００２３】可動電極３１及び固定電極３７は、アルミ
ニウムからなるが、この他にも、金属或いは導電性を有
する金属化合物が利用できる。この金属としては、金、
銀、パラジウム、亜鉛、銅等の金属薄膜を用いることが
でき、金属化合物としては、これら金属の化合物等を用
いることができる。また、ダイヤフラム３３は、ＴｉＯ
₂からなるが、シリコン窒化物、各種酸化物、窒化物等
を用いることができる。可動薄膜２７に干渉膜を別途に
設ける場合には、この他にも、セラミック、樹脂等の
他、ポリシリコン等の半導体、絶縁性のシリコン酸化物
等を用いることができる。

【００２４】第二平面基板４７は、可動薄膜２７に対面
する面（図１の下面）に干渉膜４５を有し、可動薄膜２
７の長手方向両端の可動電極３１上に立設した支持部２
９を介して干渉膜４５側の下面が支持されることで、第
一平面基板２３及び可動薄膜２７に対して平行に対向配
置されている。この第二平面基板４７は、ガラス基板３
６に干渉膜４５を積層した構造となっている。ここで、
上記したガラス基板３５，３６は、ガラス以外にも、例
えばポリエチレンテレフタレート、ポリカーボネート等
の樹脂等を用いることができる。

【００２５】また、光変調素子２１は、図２に示すよう
に、複数の可動薄膜２７が例えば同一平面上で、可動薄
膜２７の長手方向に直交する方向に近接して、１次元の
アレイ状に形成される。なお、図２中の各部位における
寸法は、例えばａ＝１５０μｍ、ｂ＝２０μｍ、ｃ＝５
０μｍ程度で形成することができる。

【００２６】また、可動薄膜２７の長手方向中央部に
は、この可動薄膜２７に形成した可動電極３１を長手方
向両端に分断する薄膜側非電極部４１を設けており、ま
た、第一平面基板２３にも、この薄膜側非電極部４１に
対面する基板側非電極部４３を設けている。つまり、可
動薄膜２７の長手方向中央部とこれに対応する第一平面
基板２３の領域は電極部が存在せず、これら薄膜側非電
極部４１及び基板側非電極部４３には、図１及び図２に
示すように、可動電極３１及び固定電極３７を積極的に
除去している。光変調素子２１は、この薄膜側非電極部
４１及び基板側非電極部４３が光透過部となって光変調
を行うため、光透過部位に透明電極を設ける必要がなく
なり、導電率や光透過率を向上させることができる。

【００２７】上記のように、本実施形態の光変調素子２
１は、第一平面基板２３のガラス基板３５と、第二平面
基板４７のガラス基板３６との間に、干渉膜２２と干渉
膜４５とを有し、その干渉膜２２と干渉膜４５との間
に、空隙２５，２６を挟んで干渉膜を有する可動薄膜２
７を配置した構成となっている。このように、可動薄膜
２７は、第一平面基板２３側及び第二平面基板４７側に
空隙２５，２６を有して干渉膜２２、干渉膜４５に対面
している。

【００２８】これら干渉膜２２，４５は、多層干渉膜か
らなり、例えば蒸着やスパッタにより形成したＴｉＯ₂
／ＳｉＯ₂の多層膜とすることができる。これらの干渉
膜２２，４５の層構成の例を図３に示した。本実施形態
では、可動薄膜２７にＴｉＯ ₂を用い、干渉膜２２と、
干渉膜４５と、可動薄膜２７との全体でＴｉＯ₂とＳｉ
Ｏ₂の層を合計７層設けた多層干渉膜としている。即
ち、その積層構造は、図３（ｂ）に示すように、第一平
面基板側から順に、ガラス／ＳｉＯ₂／ＴｉＯ₂／ＳｉＯ
₂／空隙／ＴｉＯ₂／空隙／ＳｉＯ₂／ＴｉＯ₂／ＳｉＯ₂
／ガラスとなっている。これら干渉膜２２，４５は、屈
折率の高い誘電体材料と屈折率の低い誘電体材料とを交
互に積層されることで、各層間の境界面での反射光や透
過光による干渉を強め合い、高反射率、高透過率が得ら
れる多層膜干渉効果によって、所謂ハーフミラーとして
の機能を奏する。

【００２９】また、第一平面基板２３の干渉膜２２と、
第二平面基板４７の干渉膜４５とは、可動薄膜２７を対
称に同一の積層構成を有している。これにより、透過光
量の可動薄膜の移動による変化を大きくできる。

【００３０】次に、上記構成の光変調素子２１の光変調
動作を説明する。図４に光変調素子の動作を説明する断
面図を示した。光変調素子２１では、図４（ａ）に示す
状態から、可動薄膜２７の可動電極３１と第一平面基板
２３の固定電極３７との間に駆動電圧Ｖ_ONを印加する
と、可動薄膜２７に電荷が静電誘導される。この電荷と
第一平面基板２３の固定電極３７との間に作用する静電
気力によって、可動薄膜２７は、図４（ｂ）に示すよう
に、第一平面基板２３側へ吸着力が働くことによって弾
性変形され、第一平面基板２３上面に近接するように変
位する。一方、非駆動電圧Ｖ_OFFが印加されて静電気力
による吸着力がなくなると、図４（ａ）に示すように、
弾性復帰力によって再び可動薄膜２７の中央部が空隙２
５を隔てた位置に浮上して配置される。光変調素子２１
では、この可動薄膜２７の変位動作又は弾性復帰動作に
より、特定の波長域の光が選択的に透過又は反射され
る。

【００３１】つまり、光変調素子２１は、可動薄膜２７
の変位により、可動薄膜２７、干渉膜２２，４５からな
る平行ミラー間の距離をそれぞれ異ならせ、平行ミラー
間で繰り返し反射させた合成波の強度を変化させること
によって、導入された光を透過又は反射させている。即
ち、ファブリペロー干渉を利用した光変調を行ってい
る。

【００３２】この光変調素子２１では、可動薄膜２７を
変位させることで、干渉モードにて光変調を行ってい
る。これにより、低い駆動電圧（数Ｖ〜致十Ｖ）で、数
十〔ｎｓｅｃ〕の高速動作が可能になる。なお、干渉の
条件を満たせば、空隙２５，２６の間隔、屈折率、可動
薄膜２７及び干渉膜２２，４５の光強度反射率等はいず
れの組合せでも良い。また、印加電圧の値により空隙２
５，２６の間隔を連続的に変化させると、透過スペクト
ルの中心波長を任意に変化させることが可能である。こ
れにより透過光量を連続的に制御することも可能であ
る。即ち、印加電圧による階調制御が可能となる。ま
た、本実施形態の光変調素子２１は、入射した光を入射
光導入側に反射して戻す反射型の光変調素子としても、
また、第二平面基板４７側から可動薄膜２７を通して第
一平面基板２３側へ透過させる透過型の光変調素子とし
ても構成できる。

【００３３】本実施の形態による光変調素子２１は、可
動薄膜２７と第一平面基板２３とからなる従来構成の光
変調素子による光変調作用に加えて、干渉膜４５を有す
る第二平面基板４７を空隙２６を隔てて上下直列に結合
することで、従来構成の場合よりも広い透過帯を得るこ
とができるようになっている。従って、従来、可動薄膜
２７と第一平面基板２３とを配置して透過させるのみで
は狭かった光透過を可能とする波長マージンを、広く設
定することができる。これにより、膜厚精度、光学系組
み込み精度、入射光の波長精度等を緩めることができ、
その結果、光変調素子の製造コストを低く抑えることが
できる。

【００３４】また、上記構成の光変調素子２１によれ
ば、光変調部において、電極部による光の吸収を皆無に
でき、光強度が強い場合に生じる電極部の発熱による変
形・破壊等が防止でき、光変調素子２１の高速駆動が可
能になり、かつ長寿命化が実現できる。さらに、光透過
部位における光の吸収がなくなるので、透過光の強度も
増大させることができる。また、可動薄膜を矩形状に形
成し、その中央部の全てを薄膜側非電極部４１として電
極を除去したので、複数の光変調素子を一次元に配列し
た場合、隣接する光変調素子の光透過部同士の間に電極
が介在せず、露光装置、表示装置に用いた場合の画素密
度を高精細にできる。

【００３５】ここで、第二平面基板４７を設けることに
より、光透過が可能となる波長マージンが広くなる様子
を、シミュレーションによって求めた結果について、図
５〜図９を参照して順次説明する。図５は図１に示す合
計７層の干渉膜を備えた光変調素子に対する光の透過率
特性を示すグラフである。図中、○印は電極へ駆動電圧
を印加した場合の特性で、●印は非駆動電圧を印加した
場合の特性を示している。この場合、波長λ＝４０５ｎ
ｍ近傍を透過帯としており、干渉膜の構造は図３（ｂ）
にも示したように、電極への非駆動電圧の印加時では、
第２平面基板４７側から、

【００３６】ＳｉＯ₂ （１４５ｎｍ）ＴｉＯ₂ （２１ｎｍ）ＳｉＯ₂ （３３ｎｍ）空隙（１０１ｎｍ）ＴｉＯ₂ （４２ｎｍ）空隙（１０１ｎｍ）ＳｉＯ₂ （１７ｎｍ）ＴｉＯ₂ （２５ｎｍ）ＳｉＯ₂ （１４８ｎｍ）となる。そして、駆動電圧の印加時では、可動薄膜２７
下側の空隙２５がなくなることになる。また、ここでの
光変調素子は、入射光の波長が４０５ｎｍであることを
想定して、全ての波長域でλ＝４０５ｎｍとして計算し
た。

【００３７】但し、屈折率ｎは、ガラスｎ＝１．５１５１ＳｉＯ₂ ｎ＝１．４７０３ＴｉＯ₂ ｎ＝２．３４９３空隙ｎ＝１としている。

【００３８】また、図６は、図５に示す透過率特性の計
算において、各膜厚の組み合わせを決める際の収束計算
を、標準とした２回から１回に変更した結果を示すグラ
フである。この透過率特性においては、光透過が可能と
なる波長マージンが格段に広くなり、幅広い波長域に対
して光変調が可能となる。

【００３９】図７は、光変調素子の干渉膜の構成を、図
３（ｃ）に示す９層構成とした場合の光の透過率特性を
示すグラフであり、図８は、図３（ｄ）に示す１５層構
成とした場合の光の透過率特性を示すグラフである。い
ずれの透過率特性においても、光透過が可能となる波長
マージンが広がっている。

【００４０】一方、図９は、比較のため従来の多層干渉
膜を備えた光変調素子における波長特性をシミュレーシ
ョンにより求めたグラフであって、光変調素子を合計７
層の干渉膜で構成した場合の波長特性を示している。こ
の場合の層構成及び各層の厚みは以下の通りである。ＴｉＯ₂ （４３．１ｎｍ）ＳｉＯ₂ （６８．９ｎｍ）ＴｉＯ₂ （４３．１ｎｍ）空隙（１０１．３ｎｍ）ＳｉＯ₂ （１３７．８ｎｍ）ＴｉＯ₂ （４３．１ｎｍ）ＳｉＯ₂ （６８．９ｎｍ）ＴｉＯ₂ （４３．１ｎｍ）

【００４１】図９に示すλ＝４０５ｎｍ近傍を透過帯と
する従来の光変調素子の場合には、その多層膜構造は、
非駆動電圧の印加時（電圧ＯＦＦ状態）では、光透過状
態となり得る波長マージンが、非常にシャープな分布と
なり透過帯が狭小となる。

【００４２】これらのシミュレーションの結果から、第
二平面基板を有した光変調素子による光透過性が得られ
る波長マージンは、従来の第二平面基板を有しない光変
調素子の波長マージンと比較すると、第二平面基板を有
した光変調素子の方が、波長マージンが格段に広くなる
ことを確認できる。

【００４３】以上説明したように、第二平面基板を有す
る光変調素子の光の透過率特性によれば、光透過が可能
となる波長マージンが、波長約４０５ｎｍを中心にして
広く設定されているため、光変調素子製作時や使用時
に、各干渉層の膜厚精度、光学系組み込み精度、入射光
の波長精度等の各種誤差要因により透過率特性が多少変
化しても、透過率特性の変化が直ちに光変調素子の光変
調機能に大きく影響することがなく、実使用に影響のな
い許容範囲内に収められる。従って、光変調素子製作時
や組み付け時の要求精度を緩和でき、製造コストの低減
が図られる。

【００４４】なお、上記した光変調素子は、可動薄膜２
７を矩形状で形成し、長手方向の任意の位置における幅
が等しい場合を説明したが、光変調素子２１は、図１０
に示すように、可動薄膜２７の長手方向両端近傍に、中
央部の幅より狭い狭小部５９を形成するものであっても
よい。なお、図１０中の各部位における寸法は、例え
ば、ａ＝１５０μｍ、ｂ＝２０μｍ、ｃ＝５０μｍ、ｄ
＝１０μｍ、ｅ＝１００μｍ程度で形成することができ
る。

【００４５】このような狭小部５９を設けることで、光
を透過又は反射させる可動薄膜２７の長手方向中央部の
変形を小さくした状態で、可動薄膜２７全体を第一平面
基板２３に対して平行に変位させることができるように
なる。また、この狭小部５９が変形することにより、均
一幅の可動薄膜２７を変形させる場合に比べ、可動薄膜
２７の駆動力が低減し、駆動速度の高速化が可能にな
る。

【００４６】次に、上記した光変調素子２１を、光変調
素子アレイとして利用した露光装置について説明する。
図１１は本発明に係る露光装置の要部構成の概略を表し
た斜視図、図１２は図１１に示した光変調素子アレイの
拡大斜視図、図１３は上記の光変調素子を用いて構成し
た他の露光部の拡大斜視図である。この実施の形態で
は、光変調素子２１により構成した光変調素子アレイ
を、液晶カラーフィルタ製造工程に使用するフォトレジ
スト用の露光装置６１に適用した例を説明する。

【００４７】この露光装置６１は、図１１に示すよう
に、露光対象物６３を側面に吸着して保持する縦型のフ
ラットステージ６５と、画像データ６７に応じて変調さ
れた光ビーム（紫外レーザ光）６９で露光対象物６３を
走査露光する露光ヘッド７１とを備えている。フラット
ステージ６５は、図示しないガイドによってＸ軸方向に
移動可能に支持されており、露光ヘッド７１は、図示し
ないガイトによってＹ軸方向に移動可能に支持されてい
る。

【００４８】フラットステージ６５の裏面角部には一対
のナット７３が固定されており、ナット７３の雌ねじ部
７５にはリードスクリュー７７が螺合されている。リー
ドスクリュー７７の一方の端部にはリードスクリュー７
７を回転させる駆動モータ７９が取り付けられており、
駆動モータ７９はモータコントローラ８１に接続されて
いる。そして、この駆動モータ７９によるリードスクリ
ュー７７の回転に伴い、フラットステージ６５がＸ軸方
向にステップ状に移動される。

【００４９】露光ヘッド７１の下部には一対のナット８
３が固定されており、ナット８３の雌ねじ部８５にはリ
ードスクリュー８７が螺合されている。リードスクリュ
ー８７の一方の端部にはリードスクリュー８７を回転さ
せる駆動モータ８９がベルトを介して連結されており、
駆動モータ８９はモータコントローラ８１に接続されて
いる。そして、この駆動モータ８９によるリードスクリ
ュー８７の回転に伴い、露光ヘッド７１がＹ軸方向に往
復移動される。ナット８３、リードスクリュー８７、駆
動モータ８９は、移動手段９０を構成する。

【００５０】この場合の露光対象物６３は、ブラックマ
トリックスが形成されたガラス基板上に、例えばＲ色の
顔料を紫外線硬化樹脂に分散させたカラーレジスト膜を
形成したものである。この露光対象物６３に紫外レーザ
光６９を照射すると、カラーレジスト膜の紫外レーザ光
６９が照射された部分だけが硬化してＲ色のカラーフィ
ルタ部が形成される。

【００５１】露光ヘッド７１は、図１２に示すように、
高出力な紫外レーザ光源９１、紫外レーザ光源９１から
入射されたレーザ光をＸ軸方向に平行光化すると共にＸ
Ｙ平面と直交する方向に収束させるレンズ９３、入射さ
れたレーザ光を画像データ６７に応じて各画素毎に変調
する光変調素子アレイ９５、及び光変調素子アレイ９５
で変調されたレーザ光を露光対象物６３の表面に倍率を
変えて結像させるズームレンズ９７で構成された露光ユ
ニットを備えている。

【００５２】この露光ユニットを構成する各部材はケー
シング９９内に収納されており、ズームレンズ９７から
出射された紫外レーザ光６９は、ケーシング９９に設け
られた図示しない開口を通過して露光対象物６３の表面
に照射される。ズームレンズ９７は、図示しない駆動モ
ータによって、光軸に沿って移動され結像倍率の調整を
行う。なお、通常、ズームレンズは組合せレンズで構成
されるが、図示を簡単にするため１枚のレンズのみ示し
た。

【００５３】紫外レーザ光源９１、レンズ９３、光変調
素子アレイ９５、及びズームレンズ９７は、図示しない
固定部材によってケーシング９９に固定されており、ズ
ームレンズ９７は、図示しないガイドによって光軸方向
に移動可能に支持されている。また、紫外レーザ光源９
１及び光変調素子アレイ９５は、各々図示しないドライ
バを介してこれらを制御する図示しないコントローラに
接続されている。

【００５４】紫外レーザ光源９１は、例えば窒化ガリウ
ム系半導体レーザを用いる。なお、ブロードエリアの発
光領域を有する窒化ガリウム系半導体レーザを用いる
と、波長約４０５ｎｍの紫外領域の光が高出力で得ら
れ、高速での走査に有利になる。

【００５５】感光材料としては、液晶カラーフィルタ形
成用感光材料、プリント配線基板製造用のフォトレジス
ト、印刷用感光性シリンダー、印刷用感光性材料を塗布
したシリンダー、及び印刷用刷版を挙げることができ
る。これら感光材料は、縦型の平板ステージに保持する
ことができる。感光材料を縦型の平板ステージに保持す
ることにより、感光材料のたわみを最小限に抑えられる
ため高精度な露光が図られる。

【００５６】光変調素子アレイ９５は、上記の光変調素
子２１を、同一平面上で、可動薄膜２７の長手方向に直
交する方向に複数近接させて並設している。この実施の
形態では、並設方向が図１２の上下方向（Ｘ方向）とな
る。従って、この並設方向に直交する方向（Ｙ方向）で
露光対象物６３と露光ヘッド７１とを相対移動させる
と、光変調素子２１の並設数と同数の画素数で、１ライ
ン分を露光対象物６３に露光することができ、この場合
においても、光変調素子２１の有する特性により、高速
の露光が可能になり、かつ長寿命化が実現できる。な
お、図１２中の各部位における寸法は、例えば、ｆ＝２
ｍｍ（１０００ｃｈ）、ｇ＝２０μｍ程度で形成するこ
とができる。

【００５７】次に、本実施の形態の露光装置の動作を説
明する。露光対象物６３に紫外レーザ光６９を照射して
露光するために、画像データ６７が、光変調素子アレイ
９５のコントローラ（図示せず）に入力され、コントロ
ーラ内のフレームメモリに一旦記憶される。この画像デ
ータ６７は、画像を構成する各画素の濃度を２値（即ち
ドットの記録の有無）で表したデータである。

【００５８】露光ヘッド７１の紫外レーザ光源９１から
出射されたレーザ光は、レンズ９３によりＸ軸方向に平
行光化されると共にＸＹ平面と直交する方向に収束され
て、光変調素子アレイ９５に入射される。入射されたレ
ーザ光は、光変調素子アレイ９５によって同時に変調さ
れる。変調されたレーザ光がズームレンズ９７により露
光対象物６３の表面に結像される。

【００５９】露光開始時には、露光ヘッド７１が露光開
始位置（Ｘ軸方向及びＹ軸方向の原点）に移動される。
モータコントローラ８１が駆動モータ８９を一定速度で
回転させると、リードスクリュー８７も一定速度で回転
し、リードスクリュー８７の回転に伴い、露光ヘッド７
１がＹ軸方向に一定速度で移動される。

【００６０】露光ヘッド７１のＹ軸方向への移動と共
に、フレームメモリに記憶されている画像データ６７
が、１ライン分、光変調素子アレイ９５の光変調素子２
１の数と略同数の画素単位で順に読み出され、読み出さ
れた画像データ６７に応じて光変調素子２１の各々がオ
ン／オフ制御される。これにより露光ヘッド７１から出
射される紫外レーザ光６９がオン／オフされて、露光対
象物６３が、Ｘ軸方向に光変調素子２１の数と略同数の
画素単位で露光されると共に、Ｙ軸方向に１ライン分走
査露光される。

【００６１】露光ヘッド７１が露光対象物６３の端部に
達すると、露光ヘッド７１はＹ軸方向の原点に復帰す
る。そして、モータコントローラ８１が駆動モータ７９
を一定速度で回転させると、リードスクリュー７７も一
定速度で回転し、リードスクリュー７７の回転に伴い、
フラットステージ６５がＸ軸方向に１ステップ移動され
る。以上の主走査及び副走査を繰り返し、露光対象物６
３が画像様に露光される。なお、上記では露光ヘッド７
１を原点に復帰させて往路でのみ露光する例について説
明したが、復路においても露光するようにしてもよい。
これにより更に露光時間を短縮できる。

【００６２】この露光装置６１によれば、光変調素子ア
レイ９５における光変調素子の並設方向に直交する方向
で、光変調素子アレイ９５を移動手段によって感光材料
に対し相対移動させることで、紫外線領域に感度を有す
る感光材料をデジタルデータに基づいて直接走査露光す
ることができ、この場合においても、高速の露光を可能
にし、かつ長寿命化を実現できる。

【００６３】また、高出力の紫外レーザ光源を用いてい
るので、紫外領域に感度を有する露光対象物を，デジタ
ルデータに基づいて直接走査露光することができる。こ
れにより、プロキシミティ方式の露光装置と比べると、
（１）マスクが不要でコストが削減できる。これにより
生産性が向上する他、少量多品種の生産にも好適であ
る、（２）デジタルデータに基づいて直接走査露光する
ので適宜データを補正することができ、高精度な保持機
構、アライメント機構、及び温度安定化機構が不要にな
り、装置のコストダウンを図ることができる、（３）紫
外レーザ光源は超高圧水銀ランプに比べ安価で耐久性に
優れており、ランニングコストを低減することができ
る、（４）紫外レーザ光源は駆動電圧が低く消費電力を
低減できる、という利点がある。

【００６４】更に、薄膜側非電極部４１及び基板側非電
極部４３を有する光変調素子２１を用いているため、従
来の透過光を変調する光学素子（ＰＬＺＴ素子）や液晶
光シャッタ（ＦＬＣ）を用いる構成に比べて、入射光の
吸収性を格段に少なくすることができ、紫外レーザ光に
対する耐久性を高めることができる。この結果、高出力
紫外レーザを光源に用い露光を行う場合であっても、露
光装置の信頼性を大幅に向上させることができる。ま
た、光変調素子アレイ９５は、静電気力を利用した電気
機械動作により駆動されるため、低い駆動電圧（数Ｖ〜
数十Ｖ）で、動作速度が数十〔ｎｓｅｃ〕程度まで得ら
れ、上述の耐久性が向上するという効果に加え、高速露
光も可能になる。

【００６５】なお、この実施の形態では、高出力レーザ
光源を、ＧａＮ系半導体レーザと合波光学系とで構成し
た紫外レーザ光源とする例について説明したが、高出力
レーザ光源を、以下の（１）〜（４）のいずれかで構成
してもよい。（１）窒化ガリウム系半導体レーザ。好ま
しくは、ブロードエリアの発光領域を有する窒化ガリウ
ム系半導体レーザ。（２）半導体レーザで固体レーザ結
晶を励起して得られたレーザビームを光波長変換素子で
波長変換して出射する半導体レーザ励起固体レーザ。
（３）半導体レーザでファイバを励起して得られたレー
ザビームを光波長変換素子で波長変換して出射するファ
イバレーザ。（４）上記（１）〜（３）のいずれかのレ
ーザ光源又はランプ光源と合波光学系とで構成された高
出力レーザ光源。また、本実施形態では、光源を紫外光
としたが、赤外、可視、紫外のいずれの波長であっても
よい。

【００６６】また、上記の実施の形態では、光変調素子
アレイ９５を通過させた変調光を、ズームレンズ９７に
よって焦点調整して露光対象物６３に照射する構成を説
明したが、露光装置６１は、例えば図１３に示すよう
に、光変調素子アレイ９５と感光ドラム１１１との間
に、ロッドレンズ等の集光レンズ１１３を配設し、光変
調素子アレイ９５からの変調光をこの集光レンズ１１３
で集光させて、露光対象物に露光するものであってもよ
い。

【００６７】このような構成によれば、光変調素子アレ
イ９５からの変調光を集光レンズ１１３で集光して感光
材料に直接露光するので、略密着露光に近い光学系を構
成できる利点がある。なお、ここでは、移動手段として
アウタードラムである感光ドラムを用いる例について説
明したが、これに限らず、インナードラム、フラットベ
ット等の他の移動手段を用いる構成としてもよい。

【００６８】

【発明の効果】以上詳細に説明したように、本発明に係
る光変調素子によれば、可動薄膜を挟む第一平面基板の
反対側に、干渉膜を備え光の透過する第二平面基板を、
空隙を隔てて平行に対向配置したので、従来、可動薄膜
と第一平面基板とを透過させた場合では狭かった波長マ
ージンを広くすることができ、膜厚精度、光学系組み込
み精度、入射光の波長精度等を緩めることができ、その
結果、光変調素子の製造コストを低く抑えることができ
るようになる。そして、本発明に係る光変調素子アレイ
によれば、光変調素子を、同一平面上で、可動薄膜の長
手方向に直交する方向に複数近接させて並設したので、
光変調素子の並設数と同数の画素数で、１ライン分を同
時に光変調することができる。また、本発明に係る露光
装置によれば、光変調素子アレイと、光ビームを出射す
る高出力レーザ光源と、光変調素子アレイからの出射光
を感光材料に対して相対移動させる移動手段とを設けた
ので、感光材料を直接走査露光することができる。

【図面の簡単な説明】

【図１】本発明に係る光変調素子の構成を示す断面図で
ある。

【図２】図１に示した光変調素子の平面図である。

【図３】干渉膜の層構成の例を示す図である。

【図４】光変調素子の動作を説明する断面図である。

【図５】図１に示す合計７層の干渉膜を備えた光変調素
子に対する光の透過率特性を示すグラフである。

【図６】図５に示す透過率特性の計算において、各膜厚
の組み合わせを決める際の収束計算を、標準とした２回
から１回に変更した結果を示すグラフである。

【図７】光変調素子の干渉膜の構成を、図３（ｃ）に示
す９層構成とした場合の光の透過率特性を示すグラフで
ある。

【図８】光変調素子の干渉膜の構成を、図３（ｄ）に示
す１５層構成とした場合の光の透過率特性を示すグラフ
である。

【図９】光変調素子を合計７層の干渉膜で構成した場合
の波長特性を示すグラフである。

【図１０】可動薄膜の長手方向両端近傍に中央部の幅よ
り狭い狭小部を形成した光変調素子の平面図である。

【図１１】本発明に係る露光装置の要部構成の概略を表
した斜視図である。

【図１２】図１１に示した光変調素子アレイの拡大斜視
図である。

【図１３】図１１に示した光変調素子を用いて構成した
他の露光部の拡大斜視図である。

【図１４】従来の光変調素子の構成と動作を説明する図
である。

【図１５】ブラックライト用低圧水銀ランプの分光特性
を示すグラフである。

【図１６】光変調素子の光の透過率を示すグラフであ
る。

【符号の説明】

２１…光変調素子２２，４５…干渉膜２３…第一平面基板２５，２６…空隙２７…可動薄膜３１，３７…平面電極４１…可動薄膜側非電極部４３…基板側非電極部４７…第二平面基板９５…光変調素子アレイ６１…露光装置６３…露光対象物（感光材料）９０…移動手段９１…紫外レーザ光源（高出力レーザ光源）１１３…集光レンズ

───────────────────────────────────────────────────── フロントページの続き (51)Int.Cl.⁷ 識別記号ＦＩテーマコート゛(参考）Ｈ０４Ｎ 1/04 Ｂ４１Ｊ 3/21 Ｖ 1/19 Ｈ０４Ｎ 1/04 １０２ (72)発明者磯崎真埼玉県さいたま市植竹町１丁目324番地富士写真光機株式会社内Ｆターム(参考） 2C162 AE12 AE23 AE28 AE48 AE77 FA09 FA10 FA44 2H041 AA23 AB38 AC06 AZ01 AZ08 2H045 AG09 DA31 2H097 AA03 AB05 CA17 GA50 LA09 LA11 5C072 AA03 BA20 HA02 HA08 HB04 HB06 MA01 NA01

Claims

【特許請求の範囲】

【請求項１】それぞれが干渉膜を備え変調する光に対
して透明な第一平面基板と可動薄膜とを空隙を隔てて平
行に対向配置し、前記第一平面基板及び前記可動薄膜の
それぞれに設けた平面電極への電圧印加により発生する
静電気力によって、前記可動薄膜を前記第一平面基板に
対して変位させ、前記可動薄膜を透過又は反射する光量
を変化させる光変調素子であって、前記可動薄膜を挟んで前記第一平面基板の反対側に、干
渉膜を備え変調する光に対して透明な第二平面基板を、
空隙を隔てて平行に対向配置したことを特徴とする光変
調素子。
【請求項２】前記可動薄膜が、前記平面電極の形成さ
れない可動薄膜側非電極部を有し、前記第一平面基板が、前記可動薄膜側非電極部と対面す
る位置に前記平面電極の形成されない基板側非電極部を
有していることを特徴とする請求項１記載の光変調素
子。
【請求項３】前記可動薄膜を矩形状に形成し且つ前記
可動薄膜の長手方向両端を支持した請求項１又は請求項
２記載の光変調素子を、同一平面上で、前記可動薄膜の長手方向に直交する方向
に複数近接させて並設したことを特徴とする光変調素子
アレイ。
【請求項４】請求項３記載の光変調素子アレイと、前記光変調素子アレイに光ビームを照射するレーザ光源
と、前記光ビームに感光する感光材料に対して、前記光変調
素子アレイからの出射光を主走査方向及びこれと直交す
る副走査方向に相対移動させる移動手段とを備えたこと
を特徴とする露光装置。
【請求項５】請求項３記載の光変調素子アレイと、前記光変調素子アレイに光ビームを照射する高出力レー
ザ光源と、前記光変調素子アレイからの出射光を集光する集光レン
ズと、前記光ビームに感光する感光材料に対して、前記集光レ
ンズにより集光された出射光を主走査方向及びこれと直
交する副走査方向に相対移動させる移動手段とを備えた
ことを特徴とする露光装置。