JP2004125921A

JP2004125921A - 光学ｍｅｍｓ素子及び光変調素子

Info

Publication number: JP2004125921A
Application number: JP2002286559A
Authority: JP
Inventors: Masatatsu Nishida; 西田　真達
Original assignee: Sony Corp
Current assignee: Sony Corp
Priority date: 2002-09-30
Filing date: 2002-09-30
Publication date: 2004-04-22

Abstract

【課題】光学ＭＥＭＳ素子及び光変調素子の、より高性能化、高信頼性化を図る。
【解決手段】基板側電極２３と、基板側電極２３に対向して配置され、光反射膜を兼ねる駆動側電極２４を有するビーム２６と、駆動側電極２４より導出された配線部３２とを備え、駆動側電極２４及び配線部３２がＡｇを含む材料で形成されて成る。
【選択図】　　　　図１

Description

【０００１】
【発明の属する技術分野】
本発明は、静電駆動型の光学ＭＥＭＳ素子及び光変調素子に関する。
【０００２】
【従来の技術】
微細技術の進展に伴い、いわゆるマイクロマシン（ＭＥＭＳ：Ｍｉｃｒｏ　Ｅｌｅｃｔｏｒｏ　Ｍｅｃｈａｎｃａｌ　Ｓｙｓｔｅｍｓ、超小型電気的・機械的複合体）素子、及びＭＥＭＳ素子を組み込んだ小型機器が、注目されている。
ＭＥＭＳ素子は、シリコン基板、ガラス基板等の基板上に微細構造体として形成され、機械的駆動力を出力する駆動体と、駆動体を制御する半導体集積回路等とを電気的に、更に機械的に結合させた素子である。ＭＥＭＳ素子の基本的な特徴は、機械的構造として構成されている駆動体が素子の一部に組み込まれていることであって、駆動体の駆動は、電極間のクローン引力などを応用して電気的に行われる。
【０００３】
図５は、所謂両持ち梁方式の静電駆動型のＭＥＭＳ素子の概念構成を示す。このＭＥＭＳ素子１は、基板２と、基板２上に形成した基板側電極３と、基板側電極３に対向して平行に配置された駆動側電極４を有したビーム６と、このビーム６の両端を支持する支持部７とを備えて成る。ビーム６と基板側電極３とは、その間の空隙８によって電気的に絶縁されている。ビーム６の駆動側電極４の一端には配線１２が接続される。基板２は、例えば半導体基板９上に絶縁膜１０を形成した基板や、ガラス基板のような絶縁性基板等の所要の基板が用いられる。基板側電極３は、不純物をドーピングした多結晶シリコン膜、金属膜等で形成される。基板側電極３を含む基板２上の全面に絶縁膜１１が形成され、この絶縁膜１１に対向してビーム６が配置される。ビーム６は、例えばシリコン窒化膜（ＳｉＮ膜）等の絶縁膜５とその上の例えばＡｌ膜からなる駆動側電極４とから構成される。配線１２も例えばＡｌ膜で形成される。
このＭＥＭＳ素子１では、基板側電極３と駆動側電極４に与える電位に応じてビーム６が基板側電極３との間の静電引力又は静電反発により変位し、例えばビーム６が基板側電極３に対して平行状態と凹み状態に変位する。
【０００４】
ＭＥＭＳ素子１は、駆動側電極４を光反射膜として表面に光が照射したとき、ビーム６の駆動位置に応じて、その光の反射方向が異なることを利用し一方の反射光を検出してスイッチ機能を持たせた、光スイッチとして適用できる。
また、ＭＥＭＳ素子１は、光強度を変調させる光変調素子として適用できる。光の反射を利用するときは、ビームを振動させて単位時間当たりの一方向の反射量で光強度を変調する。この光変調素子はいわゆる時間変調である。光の回折を利用するときは、共通の基板側電極３に対して複数のビーム６を並列配置して光変調素子を構成し、共通の基板側電極３に対する例えば１つ置きのビーム６の近接、離間の動作により、光反射膜を兼ねる駆動側電極４の高さを変化させ、光の回折によって基板側電極４で反射する光の強度を変調する。この光変調素子はいわゆる空間変調である。
【０００５】
一方、ＳＬＭ（シリコンライトマシーン）社はレーザディスプレイ用光強度変調素子として、ＧＬＶ（Ｇｒａｔｉｎｇ　Ｌｉｇｈｔ　Ｖａｌｖｅ）デバイスを開発した。このＧＬＶデバイスは、静電容量型のビームを有するＭＯＥＭＳ（Ｍｉｃｒｏ　Ｏｐｔｉｃａｌ　Ｅｌｅｃｔｏｒｏ−Ｍｅｃｈａｎｉｃａｌ　Ｓｙｓｔｅｍｓ）である。現行のＧＬＶデバイスは、静電駆動用のレーザ反射面となる駆動側電極及びその配線として、Ａｌを主成分とする金属膜（例えばＡｌー１％Ｓｉ膜）を使用している。Ａｌを主成分とする金属膜が使用されている理由は、１）一般的な電子部品配線材料であり、２）反射率、電気抵抗率、信頼性で所望の特性を満たし、３）エッチング性に優れているからである。
【０００６】
なお、特開２０００ー２８５５１号公報には、光学記録媒体の半透明反射膜をＡｇに所定の不純物を添加した金属材料で形成することで、耐候性を改善するようにした技術が示されている。特開２００１ー１９２７５２号公報には、配線パターン、電極、接点、金属反射膜を、Ａｇに所定の不純物を添加した金属材料で形成することで、耐候性を改善するようにした技術が示されている。
【０００７】
【発明が解決しようとする課題】
ところで、上述の光スイッチ等のいわゆる光学ＭＥＭＳ素子、光変調素子においては、その素子性能を向上するためには出来る限り高効率の光反射を達成する必要があるが、しかしＡｌを主成分とする金属反射膜では反射率向上に限界があった。また、レーザパワー及びレーザの連続照射時間を現行より大きくした場合には、反射膜及び配線材のＡｌ膜が劣化し、電気特性及び熱的信頼性が低下することが懸念される。
【０００８】
本発明は、上述の点に鑑み、より性能向上及び信頼性向上を可能に光学ＭＥＭＳ素子及び光変調素子を提供するものである。
【０００９】
【課題を解決するための手段】
本発明に係る光学ＭＥＭＳ素子は、基板側電極と、基板側電極に対向して配置され、光反射膜を兼ねる駆動側電極を有するビームと、駆動側電極に一体に形成された配線とを備え、駆動側電極及び配線部がＡｇを含む材料で形成された構成とする。
【００１０】
Ａｇを含む材料膜は、Ａｌ膜に比べて、波長４５０ｎｍ〜６４０ｎｍの光に対する反射率が大きく、融点及び熱伝導率が大きく、電気抵抗率が低い。
本発明の光学ＭＥＭＳ素子では、光反射膜を兼ねる駆動側電極及び配線部をＡｇを含む材料で形成するので、反射光の利用率が上がり、駆動側電極の熱的ダメージが低減し、素子の消費電力が低減する。
【００１１】
本発明に係る光変調素子は、基板側電極と、基板側電極に対向して配置され、光反射膜を兼ねる駆動側電極を有するビームと、駆動側電極に一体に形成された配線とを備え、駆動側電極及び配線部がＡｇを含む材料で形成された構成とする。
【００１２】
本実施の形態の光変調素子では、光反射膜を兼ねる駆動側電極及び配線部をＡｇを含む材料で形成するとにより、反射光の利用率が上がり、駆動側電極の熱的ダメージが低減し、素子の消費電力が低減する。
【００１３】
【発明の実施の形態】
以下、図面を参照して本発明の実施の形態を説明する。
【００１４】
図１は、本発明の光学ＭＥＭＳ素子の代表的な一実施の形態を示す。本例では所謂両持ち梁方式の静電駆動型の光学ＭＥＭＳ素子に適用した場合である。本実施の形態に係る光学ＭＥＭＳ素子２１は、基板２２と、基板２２上に形成した基板側電極２３と、基板側電極２３に対向して平行に配置された光反射膜を兼ねる駆動側電極２４を有したビーム２６と、このビーム２６の両端を支持する支持部２７とを備えて成る。ビーム２６と基板側電極２３とは、その間の空隙２８によって電気的に絶縁されている。ビーム２６の駆動側電極２４の一端には配線部３２が接続される。基板２２は、例えば半導体基板２９上に絶縁膜３０を形成した基板や、ガラス基板のような絶縁性基板等の所要の基板が用いられる。基板側電極２３は、不純物をドーピングした多結晶シリコン膜、金属膜等で形成される。基板側電極２３を含む基板２２上の全面に絶縁膜３１が形成され、この絶縁膜３１に対向してビーム２６が配置される。ビーム２６は、例えばシリコン窒化膜（ＳｉＮ膜）等の絶縁膜２５とその上の駆動側電極２４とから構成される。駆動側電極２４の膜厚は、４０ｎｍ〜１５０ｎｍ、好ましくは１０ｎｍ程度とすることができる。配線部３２の膜厚は、駆動側電極２４より厚いことが望ましい。図示の例では、駆動側電極２４の一部が配線部３２上に接続されるように形成される。
【００１５】
そして、本実施の形態においては、特に駆動側電極２４及び配線部３２を、波長４５０ｎｍ〜６４０ｎｍの範囲の光の反射率が高く、熱伝導率が高く、さらに電気抵抗率が低い特性を有する金属材料で形成する。このような特性を満たす金属材としては、Ａｇを含む金属材料が適している。このＡｇを含む金属材料としては、Ａｇ元素単体で構成される材料（いわゆる純Ａｇ材）、好ましくは、Ａｇを主成分として、Ｐｄを０．１〜３ｗｔ％含有し、Ａｌ，Ａｕ，Ｐｔ，Ｃｕ，Ｔａ，Ｃｒ，Ｔｉ，Ｎｉ，Ｃｏ，Ｓｉからなる群から選ばれた複数の元素をを合計で０．１〜３ｗｔ％含む合金材とすることができる。駆動側電極２４と配線部３２は、同じ金属材料で形成しても良く、あるいは上記金属材料の中で互いに異なる金属材料で形成することもできる。
【００１６】
表１は、素子性能と信頼性の指標として、スパッタリング法で作成した金属薄膜材料の特性データの例を示す。膜厚は夫々１００ｎｍである。反射率は波長４５０ｎｍ〜６４０ｎｍの光の反射率である。熱伝導率は温度３００Ｋにおける熱伝導率である。
【００１７】
【表１】

【００１８】
表１からも明らかなように、光反射膜を兼ねる駆動側電極の金属材料をＡｌ材からＡｇを含む材料に変えることで、次の３点の効果が期待できる。
１）反射率が５％程度大きくなる。２）熱伝導率の増大によってレーザ照射される箇所に蓄積された熱がより分散されやすくなり、表面粗さの増大やクラックなどの熱的劣化が低減される。３）電気抵抗率の減少によって消費電力が低減される。配線部もＡｇを含む金属材料に変更することにより大きな効果が得られる。
【００１９】
Ａｇ元素単体で構成される純Ａｇ材料は、水分、塩化物、硫黄、硫化物などに対して敏感に反応しやすく腐食耐久性に問題を有している。表１に示すように、Ｐｄ０．９ｗｔ％，Ｃｕ１．０ｗｔ％を含むＡｇ合金薄膜は、Ａｇ単体薄膜と比較すると、反射率、熱伝導率、抵抗率が減少するが、耐腐食性に優れ、Ａｌ単体薄膜と比較すると特性の向上が期待できる。
【００２０】
上述の本実施の形態に係る光学ＭＥＭＳ素子によれば、駆動側電極及び配線部をＡｇを含む金属材料で形成することにより、駆動側電極の反射膜としての反射率が大きくなり、また、融点、熱伝導率が大きくなるため駆動側電極のダメージが低減し熱的信頼性が向上し、さらに駆動側電極及び配線部の電気的抵抗が小さくなり、デバイスの消費電力が低減する。Ａｇを主成分として、Ｐｄを０．１〜３ｗｔ％含有し、Ａｌ，Ａｕ，Ｐｔ，Ｃｕ，Ｔａ，Ｃｒ，Ｔｉ，Ｎｉ，Ｃｏ，Ｓｉからなる群から選ばれた複数の元素を合計で０．１〜３ｗｔ％含む合金材料を適用するときは、上記性能を損なわずに駆動側電極及び配線部の腐食耐久性が高い光学ＭＥＭＳ素子が提供できる。
従って、本実施の形態の光学ＭＥＭＳ素子は、安定したオン、オフ制御できる光スイッチ、光強度を変調する光変調素子等の光素子としての性能向上を図ることができる。
【００２１】
図２は、本発明に係る光変調素子としてのＧＬＶデバイスの実施の形態を示す。本実施の形態に係るＧＬＶデバイス４１は、基板４２上に共通の基板側電極４３が形成され、この基板側電極４３に交叉して両持ち梁構造の複数、本例では６つのビーム４６〔４６_１、４６_２、４６_３、４６_４、４６_５、４６_６〕が支持部４８に支持されて並列配置されて成る。各ビーム４６の一端には配線部４９〔４９_１、４９_２、４９_３、４９_４、４９_５、４９_６〕が導出される。ビーム４６は、図３Ｂに示すように、空隙５０を挟んで基板側電極４３に平行する例えばＳｉＮ膜等の絶縁膜４５とその上の反射膜を兼ねる駆動側電極４４とから形成される。駆動側電極４４及び配線部４９は、前述したＡｇを含む金属材料で形成される。
【００２２】
本実施の形態のＧＬＶデバイス４１では、基板側電極４３と反射膜兼駆動側電極４４との間に微小電圧を印加すると、前述した静電現象によってビーム４６が基板側電極４３に向かって近接し、また電圧の印加を停止すると離間して元の状態に戻る。そして、基板側電極４３に対する複数のビーム４６の近接、離間の動作（即ち、１つ置きのビームの近接、離間の動作）により、駆動側電極４４の高さを交互に変化させ、光の回折によって（６つのビーム４６全体に対して１つの光スポットが照射される）、駆動側電極４４で反射する光の強度を変調することができる。
本実施の形態のＧＬＶデバイスによれば、駆動側電極４４及び配線部４９を前述したと同様のＡｇを含む金属材料で形成することにより、特性の向上、高信頼性化を図ることができる。
【００２３】
図３は、上述の光変調素子としてのＧＬＶデバイスを用いた光学装置の一実施の形態を示す。本例ではレーザディスプレイに適用した場合である。
本実施の形態に係るレーザディスプレイ６１は、例えば、大型スクリーン用プロジェクタ、特にデジタル画像のプロジェクタとして、或いはコンピュータ画像投影装置として用いられる。
【００２４】
レーザディスプレイ６１は、図４に示すように、赤（Ｒ）、緑（Ｇ）、青（Ｂ）の各色のレーザ光源６２Ｒ，６２Ｇ，６２Ｂと、各レーザ光源に対して、それぞれ光軸上に順次、設けられたミラー６４Ｒ，６４Ｇ，６４Ｂ、各色照明光学系（レンズ群）６６Ｒ，６６Ｇ，６６Ｂ、及び光変調素子として機能するＧＬＶデバイス６８Ｒ，６８Ｇ，６８Ｂとを備えている。
レーザ光源６２Ｒ，６２Ｇ，６２Ｂは、それぞれ例えば、Ｒ（波長６４２ｎｍ、光出力薬３Ｗ）、Ｇ（波長５３２ｎｍ、光出力約２Ｗ）、Ｂ（波長４５７ｎｍ、光出力約１．５Ｗ）のレーザを射出する。
【００２５】
更に、レーザディスプレイ６１は、ＧＬＶデバイス６８Ｒ，６８Ｇ，６８Ｂによりそれぞれ光強度が変調された赤色（Ｒ）レーザ光、緑色（Ｇ）レーザ光、及び青色（Ｂ）レーザ光を合成する色合成フィルタ７０、空間フィルタ７２、ディフューザ７４、ミラー７６、ガルバノスキャナ７８、投影光学系（レンズ群）８０、及びスクリーン８２を備えている。色合成フィルタ７０は、例えばダイクロイックミラーで構成される。
【００２６】
本実施の形態のレーザディスプレイ６１は、レーザ光源６２Ｒ，６２Ｇ，６２Ｂから射出されたＲＧＢ各レーザ光が、それぞれミラー６４Ｒ，６４Ｇ，６４Ｂを経て各色照明光学系６６Ｒ，６６Ｇ，６６Ｂから各ＧＬＶデバイス６８Ｒ，６８Ｇ，６８Ｂに入射する。各レーザ光は、色分類された画像信号であり、ＧＬＶデバイス６８Ｒ，６８Ｇ，６８Ｂに同期入力されるようになっている。
更に、各レーザ光は、ＧＬＶデバイス６８Ｒ，６８Ｇ，６８Ｂによって回折されることにより空間変調され、これら３色の回折光が色合成フィルタ７０によって合成され、続いて空間フィルタ７２によって信号成分のみが取り出される。
次いで、このＲＧＢの画像信号は、ディフューザ６４によってレーザスペックルが提言され、ミラー７６を経て、画像信号と同期するガルバノスキャナ７８により空間に展開され、投影光学系８０によってスクリーン８２上にフルカラー画像として投影される。
【００２７】
本実施の形態のレーザディスプレイ６１では、光変調素子として図３に示す構成のＧＬＶデバイス６８Ｒ，６８Ｇ，６８Ｂを備えるので、光利用率の向上、熱的信頼性の向上、さらに消費電力の低減を可能にする。
【００２８】
本実施の形態のレーザディスプレイ６１では、各色のレーザ光源６２に対応して、ＧＬＶデバイス６８Ｒ，６８Ｇ，６８Ｂを備えているが、本発明に係るＧＬＶデバイスは、これ以外の構成を有する各種のディスプレイについても適用可能である。
例えば、光源を白色とする一方で、ＲＧＢそれぞれの波長の光のみを反射して（それ以外の光は回折する）各色を表示するようにビームの幅が異なる光変調素子６８Ｒ，６８Ｇ，６８Ｂが１画素を構成するようにしてもよい。
また、ＲＧＢの画像データからなる画像情報に同期したカラーホイールを通してＧＬＶデバイス６８に、単一の光源からの白色光を入射させるようにすることもできる。
更に、例えば、単一のＧＬＶデバイス６８を用いて、ＲＧＢのＬＥＤ（発光ダイオード）からの光を回折し、画素毎の色の情報を再生するように構成すれば、簡単なハンディタイプのカラーディスプレイとなる。
【００２９】
また、本発明に係るＧＬＶデバイスは、本実施の形態のレーザディスプレイのようなプロジェクタ類だけでなく、光通信におけるＷＤＭ（Ｗａｖｅｌｅｎｇｔｈ　Ｄｉｖｉｓｉｏｎ　Ｍｕｌｔｐｌｅｘｉｎｇ：波長多重）電送用の各種デバイス、ＭＵＸ（Ｍｕｌｔｉｐｌｅｘｅｒ：パラレルーシリアル変換器／分配化装置）、あるいはＯＡＤＭ（Ｏｐｔｉｃａｌ　Ａｄｄ／Ｄｒｏｐ　Ｍｕｌｔｉｐｌｅｘｅｒ）、ＯＸＣ（Ｏｐｔｉｃａｌ　Ｃｒｏｓｓ　Ｃｏｎｎｅｃｔ）等の光スイッチとして用いることもできる。
更に、例えばディジタル画像等を直画できる微細描画装置、半導体露光装置や、プリンタエンジンなど、その他の光学装置にも適用できる。
【００３０】
また、本実施の形態のレーザディスプレイ６１では、ＧＬＶデバイス６８Ｒ，６８Ｇ，６８Ｂを用いて空間変調を行うレーザディスプレイについて説明したが、本発明に係るＧＬＶデバイスは、位相、光強度などの干渉・回折により変調可能な情報のスイッチングを行うことができ、これらを利用した光学装置に応用することが可能である。
【００３１】
【発明の効果】
本発明に係る光学ＭＥＭＳ素子及び光変調素子によれば、光反射効率が高く、駆動側電極の熱的ダメージが低減して熱的信頼性が向上し、さらに消費電力を低減することができる。従って、より性能の向上及び信頼性の向上を図ることができる。
駆動側電極及び配線部を、Ａｇを主成分としてＰｄを０．１〜３ｗｔ％含有し、Ａｌ，Ａｕ，Ｐｔ，Ｃｕ，Ｔａ，Ｃｒ，Ｔｉ，Ｎｉ，Ｃｏ，Ｓｉからなる群から選ばれた複数の元素を合計で０．１〜３ｗｔ％含む合金で形成するときは、上記性の付を損なわずに腐食耐久性に優れた光学ＭＥＭＳ素子及び光変調素子を提供することができる。
【図面の簡単な説明】
【図１】本発明に係る光学ＭＥＭＳ素子の代表的な一実施の形態を示す構成図である。
【図２】Ａ　本発明に係る光変調素子としてのＧＬＶデバイスの実施の形態を示す構成図である。
Ｂ　図２Ａの断面図である。
【図３】本発明に係るレーザディスプレイの実施の形態を示す構成図である。
【図４】従来の静電駆動型のＭＥＭＳ素子の例を示す構成図である。
【符号の説明】
２１・・・光学ＭＥＭＳ素子、２２・・・基板、２３・・・基板側電極、２４・・・駆動側電極、２５・・・絶縁膜、２６・・・ビーム、２７・・・支持部、２８・・・空隙、２９・・・半導体基板、３０、３１・・・絶縁膜、３２・・・配線部、４１・・・ＧＬＶデバイス、４２・・・基板、４３・・・基板側電極、４４・・・駆動側電極、４５・・・絶縁膜、４６・・・ビーム、４９・・・支持部、５０・・・空隙

Claims

基板側電極と、
前記基板側電極に対向して配置され、光反射膜を兼ねる駆動側電極を有するビームと、
前記駆動側電極に一体に形成された配線部とを備え、
前記駆動側電極及び前記配線部がＡｇを含む材料で形成されて成る
ことを特徴とする光学ＭＥＭＳ素子。
前記駆動側電極及び前記配線部が、Ａｇを主成分として、Ｐｄを０．１〜３ｗｔ％含有し、Ａｌ，Ａｕ，Ｐｔ，Ｃｕ，Ｔａ，Ｃｒ，Ｔｉ，Ｎｉ，Ｃｏ，Ｓｉからなる群から選ばれた複数の元素を合計で０．１〜３ｗｔ％含む合金から成る
ことを特徴とする請求項１記載の光学ＭＥＭＳ素子。
前記駆動側電極は、波長４５０ｎｍ〜６４０ｎｍの光を反射する反射膜を兼ね、且つ膜厚が４０ｎｍ〜１５０ｎｍである
ことを特徴とする請求項１又は２記載の光学ＭＥＭＳ素子。
基板側電極と、
前記基板側電極に対向して配置され、光反射膜を兼ねる駆動側電極を有するビームと、
前記駆動側電極に一体に形成された配線部とを備え、
前記駆動側電極及び前記配線部がＡｇを含む材料で形成されて成る
ことを特徴とする光変調素子。
前記駆動側電極及び前記配線部が、Ａｇを主成分として、Ｐｄを０．１〜３ｗｔ％含有し、Ａｌ，Ａｕ，Ｐｔ，Ｃｕ，Ｔａ，Ｃｒ，Ｔｉ，Ｎｉ，Ｃｏ，Ｓｉからなる群から選ばれた複数の元素を合計で０．１〜３ｗｔ％含む合金から成る
ことを特徴とする請求項４記載の光変調素子。
前記駆動側電極は、波長４５０ｎｍ〜６４０ｎｍの光を反射する反射膜を兼ね、且つ膜厚が４０ｎｍ〜１５０ｎｍである
ことを特徴とする請求項４又は５記載の光変調素子。