JP2004212656A - 光変調素子アレイ及び平面ディスプレイ - Google Patents
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Abstract
【課題】支柱と可動部との接合部における残留応力や歪を緩和でき、可動部の平坦性に優れた光変調素子アレイ、並びに前記光変換素子アレイを含む平面ディスプレイを提供する。
【解決手段】透明基板１０１と、透明電極１０２とを有する基板１００と、基板１００上に所定間隔で立設され、可動部１１１の弾性率よりも低い弾性率を有する材料で形成された一対の支柱１０６と、基板１００とは反対側の面に透明電極１１０を有する可撓薄膜からなり、支柱１０６上に載架される可動部１１１とを備え、両透明電極との間に電圧を印加して静電気力により可動部１１１を基板１００側に変位させることにより、光源からの光を基板１００及び可動部１１１を透過させて外部に出射させる光変調素子１２０を２次元マトリクス状に配列してなる光変調素子アレイ、並びに前記光変調素子アレイを備える平面ディスプレイ。
【選択図】 図１
【解決手段】透明基板１０１と、透明電極１０２とを有する基板１００と、基板１００上に所定間隔で立設され、可動部１１１の弾性率よりも低い弾性率を有する材料で形成された一対の支柱１０６と、基板１００とは反対側の面に透明電極１１０を有する可撓薄膜からなり、支柱１０６上に載架される可動部１１１とを備え、両透明電極との間に電圧を印加して静電気力により可動部１１１を基板１００側に変位させることにより、光源からの光を基板１００及び可動部１１１を透過させて外部に出射させる光変調素子１２０を２次元マトリクス状に配列してなる光変調素子アレイ、並びに前記光変調素子アレイを備える平面ディスプレイ。
【選択図】 図１
Description
【０００１】
【発明の属する技術分野】
本発明は、マイクロマシニングにより作製され、電気機械動作により光の透過率を変化させる光変調素子アレイ及び該光変調素子アレイを備える平面ディスプレイに関するものである。
【０００２】
【従来の技術】
マイクロマシニングにより作製された可撓薄膜を可動部とし、これを静電気力により機械的動作させることで光変調を行う電気機械的な光変調素子が知られている（例えば、特許文献１参照）。図７はそのような光変調素子の一例を示す概略断面図であるが、光変調素子１０は、透光性を有する透明基板１に設けられた透明電極（以下、「固定透明電極」と呼ぶ）２の上に、支柱３を介して、透明基板１側より順に透明絶縁膜４、光拡散層６及び透明電極（以下、「可動透明電極」と呼ぶ）７を積層して構成される可動部８を備え、更に両透明電極２，７の間に電源９を接続して概略構成される。また、透明基板１の可動部８とは反対側の面（図では下方）には図示されない光源が配置されており、例えば紫外線等の光Ｌが照射される。
【０００３】
上記光変調素子１０において、光の変調は、固定透明電極２と可動部８とを離反又は接触させることによる導光拡散作用を利用する。即ち、固定透明電極２と可動透明電極７との間に電圧を印加しない状態（ＯＦＦ時）では同図（ａ）に示すように、透光性基板１に入射した光Ｌは、透明基板１の屈折率と空隙部５である空気の屈折率との違いから、透明基板１の表裏面での屈折を繰り返しながら伝搬を続けるのみで、可動部８へと透過せず、遮光状態となる。一方、固定透明電極２と可動透明電極７との間に所定の電圧を印加すると（ＯＮ時）、同図（ｂ）に示すように、両透明電極間に静電気力が発生して可動部８が透明基板１に向かって撓み、透明絶縁膜４と固定透明電極２とが接触もしくは十分に接近する。それに伴い、光Ｌは透明基板１の界面から固定透明電極２を通じて透明絶縁膜４へと伝搬し、光拡散層６にて散乱された後、可動透明電極７を通じて外部に出射して導光状態となる。また、この状態から電圧の印加を停止すると、静電気力が作用しなくなり可動部８が弾性復帰して透明絶縁膜４が固定透明電極２から離反し、その結果光Ｌの透過が行われなくなり、遮光状態に戻る。
【０００４】
また、ファブリペロー干渉を利用した同様の光変調素子も知られている。ファブリペロー干渉では、二枚の平面が向かい合わせに平行に配置された状態において、入射光線は、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光となる。その中で透過光線は、無限遠において重なり合い干渉する。面の垂線入射光線とのなす角をθとすれば、隣り合う光線間の光路差は「ｘ＝ｎＤ・ｃｏｓθ（但し、ｎは二面間の屈折率、Ｄは間隔）」で与えられる。そして、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、「２ｎＤ・ｃｏｓθ＝ｍλ」で透過光最大となり、「２ｎＤ・ｃｏｓθ＝（２ｍ＋１）λ／２」で透過光最小となる。但し、ｍは正整数である。従って、光路差ｘが所定の値となるように、両平面を接近または離反させてその間隔（Ｄ）を透過光最大となる間隔（Ｄｏｎ）または透過光最小となる間隔（Ｄｏｆｆ）に一致させることにより、遮光状態及び導光状態を制御することができる。
【０００５】
例えば、図８はこのようなファブリペロー干渉を利用した光変調素子である。以下、この光変調素子を「干渉型光変調素子」と呼び、それに伴い図７に示した光変調素子を「全反射型光変調素子」と呼ぶ。図７に示した全反射型光変調素子１０は、透明基板２１の固定透明電極２２上に誘電体ミラー（以下、「固定誘電体ミラー」と呼ぶ）３０を設け、透明絶縁膜２４及び可動透明電極２７を積層して構成される可動部２８に、更に透明絶縁膜２４の固定誘電体ミラー３０と対向する面に固定誘電体ミラー３０と同一の誘電体ミラー（以下、「可動誘電体ミラー」と呼ぶ）３１を付設して光変調素子２０が構成される。固定誘電体ミラー３０及び可動誘電体ミラー３１は、酸化シリコンや酸化チタン等の誘電体からなる薄膜を複数層に積層して形成され、両誘電体ミラー３０，３１の間隔２５は、電源２９からの導通が無い状態（ＯＦＦ時）で上記の透過光最小を満足する距離（Ｄｏｆｆ）となるように規定されている。また、光Ｌはコリメートされて透明基板２１に垂直に入射する。
【０００６】
この干渉型光変調素子２０では、ＯＦＦ時には同図（ａ）に示すように、両誘電体ミラー３０，３１は上記距離（Ｄｏｆｆ）で離間しており、光Ｌは透明基板２１と固定透明電極２２との界面で反射されて遮光状態となる。そして、ＯＮ時には同図（ｂ）に示すように、静電気力により可動部２８が透明基板２１側に撓んで両誘電体ミラー３０，３１の間隔が狭くなる。この間隔は、上記の透過光最大を満足する距離（Ｄｏｎ）であり、印加電圧を調節して透明絶縁膜２４に作用する静電気力と、透明絶縁膜２４の変形に伴って生じる復元力とをバランスさせることで適切に設定する。そして、可動部２８が撓むことにより、透明基板２１に入射した光Ｌは、固定誘電体ミラー３０から間隔２５を経て可動誘電体ミラー３１へと透過し、引き続き可動部２８を透過して可動透明電極２７から出射して導光状態となる。
【０００７】
以上のように、上記した各光変調素子１０，２０は静電気力の作用により可動部８，２８を変位させることにより、遮光状態及び導光状態を切り替えることができる。
【０００８】
また、図示は省略するが、上記の光変調素子１０，２０を２次元マトリクス状に配置した光変調素子アレイ、並びに光変調素子アレイ透光性基板側に光源を配置し、可動部側に蛍光体を配置した平面ディスプレイも実用化されている。
【特許文献１】
特開平１１−２５８５５８号公報
【０００９】
【発明が解決しようとする課題】
ところで、光変調素子１０，２０はマイクロマシングと呼ばれる方法より製造されるが、このマイクロマシニングは成膜とパターニングとを繰り返し行うため、製造に伴う応力が素子の各所に残留することが多い。特に、支柱３、２３と、その上に設けられる可動部８，２８の透明絶縁膜４，２４との接合部には大きな応力が残留し、可動部８，２８に歪みや変形を来たすことがある。光変調素子１０，２０では、その動作原理から、可動部８，２８の平坦性並びに透明基板１，２１と可動部８，２８との間隔が厳しく規定されており、可動部８，２８の歪や変形は素子の性能を大きく低下させる。
【００１０】
しかし、支柱３，２３は高い絶縁性を有し、また可動部８，２８を支持し得る強度が要求されることから、酸化シリコンや窒化シリコン等のセラミック材料で形成されるのが一般的であり、これらの材料は弾性率が大きいため、可動部８，２８との接合部に加わる応力や歪を吸収し難く、可動部８，２８の平坦性を高める上で障害となっている。
【００１１】
本発明は上記の状況に鑑みてなされたものであり、支柱と可動部との接合部における残留応力や歪を緩和でき、可動部の平坦性に優れた光変調素子アレイ、並びに前記光変換素子アレイを含む平面ディスプレイを提供することを目的とする。
【００１２】
【課題を解決するための手段】
上記目的を達成するため、本発明の光変調素子アレイは、光源からの光に対して透光性を有し、前記光を導入する透明基板と、透明電極とを有する基板と、前記基板上に所定間隔で立設される一対の支柱と、前記基板とは反対側の面に透明電極を有する可撓薄膜からなり、前記支柱間を跨ぐように該支柱上に載架される可動部とを備え、前記両透明電極との間に電圧を印加して静電気力により前記可動部を前記基板側に変位させることにより、前記光源からの光を前記基板及び前記可動部を透過させて外部に出射させる光変調素子を２次元マトリクス状に配列してなる光変調素子アレイにおいて、前記支柱が、前記可動部の弾性率よりも低い弾性率を有する材料で形成されていることを特徴とする。尚、可動部は透明絶縁膜や透明電極等を積層して構成されるため、可動部の弾性率とはこれらの積層体全体としての弾性率である。また、弾性率として通常、ヤング率、剛性率、体積弾性率等が包含されるが、本発明では何れを採用してもよい。
【００１３】
この光変調素子アレイでは、支柱が弾性を有するために、可動部に生じる応力や歪を容易に吸収して、可動部の平坦性を高めることができ、光変調動作を確実に行う。また、支柱材料として特にフォトレジストが好ましく、更に異なる樹脂又は高分子を複数層に積層してもよく、それにより歪や応力の吸収力がより高まる。
【００１４】
また、上記目的を達成するために、本発明の平面ディスプレイは、上記の光変調素子アレイと、前記光変調素子アレイの基板の透明基板と対向配置される平面光源と、前記光変調素子アレイの可動部の透明電極と対向配置される蛍光体と、前記光変調素子アレイを駆動する駆動装置とを備え、前記光変調素子アレイから出射される光により前記蛍光体を発光させて画像表示を行うことを特徴とする。
【００１５】
この平面ディスプレイでは、光変調素子アレイの支柱が上記の如く弾性を有するため、可動部の平坦性が高く、光変調が良好に行われ、高画質の画像を安定して表示できる。
【００１６】
【発明の実施の形態】
以下、本発明について図面を参照して説明する。
【００１７】
本発明の光変調素子アレイは、支柱を可動部よりも弾性率の低い材料とする以外、構成上何ら制限されるものではなく、例えば図７及び図８に示したような光変調素子を２次元マトリクス状に配列したものでもよい。ここでは、図８に示したような干渉型光変調素子を配列した構成を例にして説明する。
【００１８】
図１は、光変調素子アレイの一部（１画素分）を示す斜視図である。図示されるように、光変調素子アレイは基板１００の上に、支柱１０６を介して、可動部１１１を２次元マトリクス状に配設して構成され、可動部１１１が空隙１１２を基板１００に向かって変位する。基板１００は透明基板１０１に固定透明電極１０２を設け、その上に絶縁膜１０３を介して固定誘電体ミラー１０４を設け、更にスペーサ１０５を設けて構成される。透明基板１０１は、使用する照射光（例えば紫外線）に対して透過性を有する材料からなる平板であり、例えばガラス板を使用できる。固定透明電極１０２は、同じく照射光に対して透過性を有する導電性材料からなる薄膜であり、電子密度の高いＩＴＯ等の金属酸化物、非常に薄い金属（アルミニウム等）の膜、金属微粒子を透明絶縁体に分散した薄膜、又は高濃度ドープしたワイドバンドギャップ半導体等からなる薄膜を使用できる。絶縁膜１０３としては、例えば酸化シリコンからなる薄膜を使用できる。固定誘電体ミラー１０４は、照射光が透過または反射できるようにその膜構成が設計され、例えば酸化チタンと酸化シリコンとを交互に積層して形成される。
【００１９】
また、スペーサ１０５は、固定誘電体ミラー１０４と可動誘電体ミラー１０７との間隔を物理的に規制して光変調動作を安定に行うために設けられる部材である。即ち、スペーサ１０５の厚さＤを上記の透過光最大となる間隔（Ｄｏｎ）に一致させ、また電源ＯＮ時に可動部１１１の可動誘電体ミラー１０７がスペーサ１０５に当接するようにその撓み量を調整しておくことにより、電源ＯＮ時における固定誘電体ミラー１０４と可動誘電体ミラー１０７との間隔が常に上記間隔（Ｄｏｎ）と一致するため、確実に導光状態を実現できるようになる。
【００２０】
一例を示せば、低圧水銀ランプの内壁に蛍光物質（ＢａＳｉ２Ｏ５：Ｐｂ２＋） を塗布して構成される光源を用いた場合、照射光は中心波長（λ０）が約３６０ｎｍの紫外線となる。そこで、上記の透過光最大／最小条件から間隔（Ｄｏｎ）を「１／２×λ０＝１８０ｎｍ（ｍ＝１）」、また間隔（Ｄｏｆｆ）を「３／４×λ０＝２７０ｎｍ（ｍ＝１）」に設定するとともに、固定誘電体ミラー１０４と可動誘電体ミラー１０７との間隔を２７０ｎｍ、またスペーサ１０５の厚さＤを１８０ｎｍとすることにより、良好な光変調を実現できるようになる。
【００２１】
また、スペーサ１０５は種々の材料で形成でき、絶縁体膜とした場合はその比誘電率（１以上）により透明電極への印加電圧を低減させることができ、導電性膜とすると更にこの効果は大きくなる。絶縁体膜としては酸化シリコン等が適当であり、導電性膜としては透明電極材料が適当である。
【００２２】
尚、スペーサ１０５を備えない構成も可能であり、その場合は、可動部１１１の撓み量を考慮して、固定誘電体ミラー１０５と可動誘電体ミラー１０７との間隔が上記Ｄｏｎ及びＤｏｆｆとなるように、支柱１０６の高さを調整する。
【００２３】
上記基板１００のスペーサ１０５の上には、支柱１０６を介して、可動部１１１が設けられる。この可動部１１１は、基板１００側より順に、可動誘電体ミラー１０７、透明絶縁膜１０８、光拡散層１０９及び可動透明電極１１０を積層して構成される。可動誘電体ミラー１０７は上記の固定誘電体ミラー１０４と同一の膜構成からなる薄膜であり、可動透明電極１１０は上記固定透明電極１０２と同一物とすることができる。透明絶縁膜１０８は、透光性基板１０１の屈折率と同程度もしくはそれ以上の屈折率を有する材料、例えばポリシリコン等の半導体、シリコン酸化物やシリコン窒化物等のセラミック材料、あるいは樹脂等からなる薄膜を使用できる。光拡散層１０９は、無機透明材料や有機透明材料の表面に凹凸を形成したもの、マイクロプリズム、マイクロレンズを形成したもの、無機多孔質材料や有機多孔質材料、又は屈折率の異なる微粒子を透明基材に分散したもの等で構成される。また、透明絶縁膜１０８と光拡散層１０９とは同一の材料を用いて一体に形成することができ、例えば窒化シリコン膜で透明絶縁膜１０８を形成し、その可動透明電極１１０側の表面に凹凸を形成することにより、拡散機能を持たせることができる。
【００２４】
本発明の光変調素子アレイは、可動部１１１の弾性率よりも低い弾性率の材料で支柱１０６を形成したことを特徴とする。ここで、可動部１１１の弾性率とは、可動部１１１を構成する各層、ここでは可動誘電体ミラー１０７、透明絶縁膜１０８、光拡散層１０８及び可動透明電極１１０からなる積層体全体としての弾性率である。従って、図７に示したような全反射型光変調素子アレイでは、透明絶縁膜、光拡散層及び可動透明電極からなる積層体の弾性率となる。また、弾性率として通常、ヤング率、剛性率、体積弾性率等が包含されるが、本発明では何れを採用して比較してもよい。
【００２５】
支柱１０６の形成材料は可動部１１１の形成材料との間で相対的に決定されるが、可動部１１１を構成する可動誘電体ミラー１０７、透明絶縁膜１０８、光拡散層１０８及び可動透明電極１１０は上記したように何れも無機系材料で形成されていることから、有機系材料を選択することにより所期の目的は達成され得る。特に、ホトレジストは弾性率が低いことに加えて、後述される製造工程で精度良く加工できるため、支柱１０６の形成材料として好ましい。また、フォトレジストの種類は特に制限されるものではなく、従来より半導体素子等の製造におけるフォトリソグラフィー技術に使用されているものを広く使用することができる。また、支柱１０６は、異なる樹脂又は高分子、好ましくはフォトレジストを多層に積層して形成してもよい（図４参照）。
【００２６】
上記の光変調素子アレイは、例えば図２に示す工程により作製される。尚、図２は図１のＡＡ断面及びＢＢ断面に沿って示してある。先ず、工程（ａ）に示すように、透明基板上に固定透明電極、絶縁層、固定誘電体ミラー及びスペーサ（何れも図示略）を順次積層して基板１００を作製する。
【００２７】
次いで、工程（ｂ）に示すように、犠牲層１３０を成膜する。この犠牲層１３０は工程（ｈ）において基板１００と可動部１１１との空隙１１２を形成するために除去されるもので、例えばフォトレジストを使用でき、これを空隙１１２の高さに一致する厚さで成膜して形成される。また、金属膜とすることもできる。
【００２８】
次いで、工程（ｃ）に示すように、マスク１４０を用いて犠牲層１３０を空隙１１２の形状にパターニングする。パターニング後、犠牲層１３０の形状安定化のためにベーキングを施してもよい。
【００２９】
次いで、工程（ｄ）に示すように、基板１００の上にフォトレジスト１５０を犠牲層１３０と同一面となるように形成する。このフォトレジスト１５０は、工程（ｈ）に示すように、最終的に支柱１０６となる。尚、ＡＡ断面において、このフォトレジスト１５０は、犠牲層１３０の背後に存在する（工程（ｅ）、（ｆ）、（ｇ）においても同様）。
【００３０】
次いで、フォトレジスト１５０を硬化させた後、工程（ｅ）に示すように、可動誘電体ミラー、透明絶縁膜、光拡散層を順次積層し（何れも図示略）、更に最上層として可動透明電極１１０を成膜する。
【００３１】
次いで、工程（ｆ）に示すように、マスク１６０を用いて、犠牲層１３０の上方位置にて所定間隔で可動透明電極１１０に複数の開口部１６１を開口する。このパターニングは、例えば塩酸系の溶剤を用いたウエットエッチングが適当である。
【００３２】
次いで、工程（ｇ）に示すように、可動透明電極１１０をマスクとして、エッチングにより基板１００に至る複数の貫通孔１６２を穿設する。このエッチングは、例えばＣＦ４プラズマエッチングが適当である。
【００３３】
そして、工程（ｈ）に示すように、貫通孔１６２を通じて残存する犠牲層１３０を除去することにより、フォトレジスト１５０からなる支柱１０６及び空隙１１２が形成され、複数の可動部１２０からなる光変調素子アレイが完成する。この犠牲層１３０の除去は、フォトレジスト１５０には作用せずに犠牲層１３０を形成する材料のみを選択的に除去する。例えば、犠牲層１３０がフォトレジストの場合は酸素プラズマエッチングが適当であり、金属の場合は塩素系ガス又はフッ化炭素系ガスによるプラズマエッチング、あるいはウエットエッチングが適当である。尚、実際には、犠牲層１３０の除去に際してフォトレジスト１５０の露出部も若干エッチングされるため、図示されるように、得られる支柱１０６は周側面が切削されたものとなる。
【００３４】
上記一連の工程は、フォトレジスト１５０を支柱１０６として残存させることを除けば、この種の光変調素子アレイの製造工程として一般的である。そして、成膜とパターニングとが繰り返し行われることにより、可動部１１１と支柱１０６との接合部に大きな応力が発生、残留し、可動部１１１の平坦性が損なわれるようになる。しかし、本発明の光変調素子アレイでは、支柱１０６が弾性を有するために前記応力を容易に吸収して、可動部１１１の平坦性を高めることができ、光変調動作を確実に行うことができるようになる。
【００３５】
本発明の光変調素子アレイは、種々の変更が可能である。支柱１０６は可動部１１１の応力を緩和する作用があるため、その高さは高い方が好ましい。また、絶縁性の点でも、支柱１０６は高い方が好ましい。しかし、一方で固定誘電体ミラー１０４と可動誘電体ミラー１０７との間隔は規定されているため、例えば図３に示すように、可動部１１１の形状を変えて支柱１０６の高さの増分を打ち消す。即ち、可動部１１１のＢＢ断面形状を、支柱１０６の直上にある支持部１１１ａから上方に屈曲する突出部１１１ｂ、突出部１１１ｂに続き略平坦をなす頂部１１１ｃを経て基板側に向かう垂下部１１１ｄ及び垂下部１１１ｄの基板側下端から基板１００と平行に対向して延びる平坦部１１１ｅで構成する。可動部１１１をこのような断面形状とすることにより、平坦部１１１ｅと基板１００との間隔を上記した規定の間隔に維持しつつ、支柱１０６を高くすることができる。
【００３６】
また、支柱１０６を異なるフォトレジストを積層して形成することもできる。例えば、図４に示すように、支柱１０６を第１のフォトレジストからなる下層１０６ａと第２のフォトレジストからなる上層１０６ｂとの２層構造とすることができる。ここで、例えば、上層１０６ｂに軟質のフォトレジストを使用して応力の緩和効果を高める一方で、下層１０６ａに剛性の高いフォトレジストを使用することにより強度の低下分を補償することができる。また、より多層で構成してもよい。このように異なるホトレジストを組み合わせることにより、応力の緩和効果を高めたり、支柱強度と応力緩和とのバランスを調整することができるようになる。この場合も支柱１０６を高くすることができ、それに伴って可動部１１１の断面形状を変形する。例えば、図３に示した断面形状とすることもでき、あるいは図示されるような支持部１１１ａに垂下部１１１ｄが直接連続し、平坦部１１１ｅが基板１００と平行に対向する断面形状とすることもできる。
【００３７】
本発明はまた、上記の光変調素子アレイを備える平面ディスプレイを提供する。図５は、図１に示す光変調素子アレイを例にした平面ディスプレイの断面図である。尚、同図は図１のＡＡ断面に対応して示してある。図示されるように、光変調素子アレイの基板１００の透明基板１０１と対向させて平面光源２００を配置し、また可動部１１１の可動透明電極１１０と対向させて蛍光体ユニット３００を配置して平面ディスプレイとすることができる。平面光源２００は、平板状の平面光源ユニット２０１と、その側方に設けられたブラックライト用ランプ２０２とから構成される。ブラックライト用ランプ２０２は、例えば照射光Ｌを紫外線とする場合には、低圧水銀ランプの内壁に蛍光物質（ＢａＳｉ２Ｏ５：Ｐｂ２＋） を塗布して構成される。また、平面光源ユユニット２０１は、ブラックライト用ランプ２０２からの紫外線を側面２０１ａから入射させて上面２０１ｂから照明光Ｌとして出射させる。蛍光体ユニット３００は、３原色（Ｒ，Ｇ，Ｂ）の蛍光体をそれぞれ可動透明電極１１０と対向するように配置して構成することにより、カラー画像を表示することができる。
【００３８】
また、この光変調素子アレイは、図示は省略される駆動装置により駆動される。駆動方法は特に制限されるものではなく、例えばアクティブマトリクス駆動により動作させることができる。即ち、同じ行に配列された各光変調素子１２０の可動透明電極１１０を共通に接続して走査電極とし、また同じ行に配列された各光変調素子１２０の固定透明電極１０２を共通に接続して信号電極とし、駆動に際して走査信号に従って前記の走査電極を走査し、これと同期させて対応するデータ信号を前記の信号電極に印加することにより、導光状態とすべき光変調素子１２０の可動部１１１を順次変位させ、その可動透明電極１１０を通じて照明光Ｌを出射させる。そして、出射した照明光Ｌは蛍光体ユニット３００に入射し、入射部分の蛍光体を励起して発光発色させる。このような駆動により、画素が順次表示される。
【００３９】
【実施例】
以下、実施例を挙げて本発明の光変調素子アレイにおける平坦性の向上を検証する。但し、本発明はこれにより何ら限定されるものではない。
【００４０】
（実施例１）
図２に示す工程に従い、図１に示す光変調素子アレイを作製した。即ち、導光体１０１としてガラス板（コーニング１７３７；コーニング社製）を用い、その上に電子ビーム蒸着により厚さ２００ｎｍのＩＴＯ膜を成膜して固定透明電極１０２とし、その上にスパッリングにより厚さ５００ｎｍの酸化シリコン膜を成膜して絶縁膜１０３とし、その上に電子ビーム蒸着により酸化チタンと酸化シリコンとを交互に合計７層成膜して固定誘電体ミラー１０４とし、更にその上に電子ビーム蒸着により厚さ１９０ｎｍの酸化シリコン膜を成膜してスペーサ１０５として基板１００を作製した（工程（ａ））。
【００４１】
次いで、基板１００のスペーサ１０５の上にフォトレジストを塗布し、硬化させて犠牲層１３０を形成した（工程（ｂ））。
【００４２】
次いで、酸素プラズマエッチングにより犠牲層１３０をパターニングし、その後２５０℃にて３０分ベーキングした（工程（ｃ））。
【００４３】
次いで、フォトレジストを犠牲層１３０と同一面となるように塗布し、硬化させた。硬化後、２４０℃にて３０分ベーキングした（工程（ｄ））。
【００４４】
次いで、電子ビーム蒸着により酸化チタンと酸化シリコンとを交互に合計７層成膜して可動誘電体ミラー１０７とし、更にその上に電子ビーム蒸着により厚さ２００ｎｍのＩＴＯ膜を成膜して可動透明電極１１０とした（工程（ｅ））。
【００４５】
次いで、塩酸を用いたウエットエッチングにより可動透明電極１１０をパターニングした（工程（ｆ））。
【００４６】
次いで、可動透明電極１１０をマスクとして基板１００のスペーサが露出するまでＣＦ４プラズマエッチングを行った（工程（ｇ））。
【００４７】
そして、酸素プラズマエッチングにより犠牲層１３０をなすフォトレジストを除去して図１に示した光変調素子アレイを得た（工程（ｈ））。
【００４８】
上記の工程に従い、図６に示すように、可動部１１１の幅（Ｗ）と長さ（支柱間距離；Ｌ）を変えて光変調素子アレイを作製し、空隙１１２の高さ（Ｈ）の変動から可動部１１１の平坦性を評価した。即ち、それぞれの空隙１１２の高さの平均値と、支柱１０６の高さとの差を求めた結果を表１に示す。
【００４９】
【表１】
【００５０】
表１より、空隙１１２の高さ（Ｈ）の変動は、可動部１１１の長さ（Ｌ）よりは幅（Ｗ）の方が影響を与えることがわかる。安定な光変調動作を行うためには、空隙１１２の高さの変動が０．６８８μｍ以下であることが好ましく、可動部１１１の幅（Ｗ）が１０μｍ以下であれば長さ（Ｌ）にかかわらずほぼこの範囲内に収まる。従って、本発明の光変調素子アレイでは、可動部１１１の幅（Ｗ）を１０μｍ以下とすることが特に好ましい。また、同じ幅（Ｗ）でも可動部１１１が長くなると変動が小さくなる傾向も見られ、幅（Ｗ）２０μｍ程度までは長さ（Ｌ）を長くすることにより、高さ（Ｈ）の変動を実用レベルに抑えることが可能となる。
【００５１】
【発明の効果】
以上説明したように、本発明によれば、可動部の弾性率よりも低い弾性率の材料で支柱を形成したことにより、支柱と可動部との接合部分における応力や歪を支柱が吸収し、可動部の平坦性を向上させ、良好な光変調動作を行う光変調素子アレイ並びに平面ディスプレイを実現できる。
【図面の簡単な説明】
【図１】本発明に係る光変調素子アレイの一実施形態を示す斜視図である。
【図２】図１に示す光変調素子アレイの製造工程を示す断面図である。
【図３】本発明に係る光変調素子アレイの他の実施形態を示す斜視図である
【図４】本発明に係る光変調素子アレイの更に他の実施形態を示す斜視図である。
【図５】図１に示す光変調素子アレイを用いた平面ディスプレイの構成を示す断面図である。
【図６】実施例における可動部の平坦性の評価方法を説明するための図である。
【図７】従来の光変調素子アレイの一例（全反射型）並びにその変調動作を示す断面図である。
【図８】従来の光変調素子アレイの他の例（干渉型）並びにその変調動作を示す断面図である。
【符号の説明】
１００ 基板
１０１ 透明基板
１０２ 固定透明電極
１０３ 絶縁膜
１０４ 固定誘電体ミラー
１０５ スペーサ
１０６ 支柱
１０７ 可動誘電体ミラー
１０８ 透明絶縁膜
１０９ 光拡散層
１１０ 可動透明電極
１１１ 可動部
１２０ 光変調素子
【発明の属する技術分野】
本発明は、マイクロマシニングにより作製され、電気機械動作により光の透過率を変化させる光変調素子アレイ及び該光変調素子アレイを備える平面ディスプレイに関するものである。
【０００２】
【従来の技術】
マイクロマシニングにより作製された可撓薄膜を可動部とし、これを静電気力により機械的動作させることで光変調を行う電気機械的な光変調素子が知られている（例えば、特許文献１参照）。図７はそのような光変調素子の一例を示す概略断面図であるが、光変調素子１０は、透光性を有する透明基板１に設けられた透明電極（以下、「固定透明電極」と呼ぶ）２の上に、支柱３を介して、透明基板１側より順に透明絶縁膜４、光拡散層６及び透明電極（以下、「可動透明電極」と呼ぶ）７を積層して構成される可動部８を備え、更に両透明電極２，７の間に電源９を接続して概略構成される。また、透明基板１の可動部８とは反対側の面（図では下方）には図示されない光源が配置されており、例えば紫外線等の光Ｌが照射される。
【０００３】
上記光変調素子１０において、光の変調は、固定透明電極２と可動部８とを離反又は接触させることによる導光拡散作用を利用する。即ち、固定透明電極２と可動透明電極７との間に電圧を印加しない状態（ＯＦＦ時）では同図（ａ）に示すように、透光性基板１に入射した光Ｌは、透明基板１の屈折率と空隙部５である空気の屈折率との違いから、透明基板１の表裏面での屈折を繰り返しながら伝搬を続けるのみで、可動部８へと透過せず、遮光状態となる。一方、固定透明電極２と可動透明電極７との間に所定の電圧を印加すると（ＯＮ時）、同図（ｂ）に示すように、両透明電極間に静電気力が発生して可動部８が透明基板１に向かって撓み、透明絶縁膜４と固定透明電極２とが接触もしくは十分に接近する。それに伴い、光Ｌは透明基板１の界面から固定透明電極２を通じて透明絶縁膜４へと伝搬し、光拡散層６にて散乱された後、可動透明電極７を通じて外部に出射して導光状態となる。また、この状態から電圧の印加を停止すると、静電気力が作用しなくなり可動部８が弾性復帰して透明絶縁膜４が固定透明電極２から離反し、その結果光Ｌの透過が行われなくなり、遮光状態に戻る。
【０００４】
また、ファブリペロー干渉を利用した同様の光変調素子も知られている。ファブリペロー干渉では、二枚の平面が向かい合わせに平行に配置された状態において、入射光線は、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光となる。その中で透過光線は、無限遠において重なり合い干渉する。面の垂線入射光線とのなす角をθとすれば、隣り合う光線間の光路差は「ｘ＝ｎＤ・ｃｏｓθ（但し、ｎは二面間の屈折率、Ｄは間隔）」で与えられる。そして、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、「２ｎＤ・ｃｏｓθ＝ｍλ」で透過光最大となり、「２ｎＤ・ｃｏｓθ＝（２ｍ＋１）λ／２」で透過光最小となる。但し、ｍは正整数である。従って、光路差ｘが所定の値となるように、両平面を接近または離反させてその間隔（Ｄ）を透過光最大となる間隔（Ｄｏｎ）または透過光最小となる間隔（Ｄｏｆｆ）に一致させることにより、遮光状態及び導光状態を制御することができる。
【０００５】
例えば、図８はこのようなファブリペロー干渉を利用した光変調素子である。以下、この光変調素子を「干渉型光変調素子」と呼び、それに伴い図７に示した光変調素子を「全反射型光変調素子」と呼ぶ。図７に示した全反射型光変調素子１０は、透明基板２１の固定透明電極２２上に誘電体ミラー（以下、「固定誘電体ミラー」と呼ぶ）３０を設け、透明絶縁膜２４及び可動透明電極２７を積層して構成される可動部２８に、更に透明絶縁膜２４の固定誘電体ミラー３０と対向する面に固定誘電体ミラー３０と同一の誘電体ミラー（以下、「可動誘電体ミラー」と呼ぶ）３１を付設して光変調素子２０が構成される。固定誘電体ミラー３０及び可動誘電体ミラー３１は、酸化シリコンや酸化チタン等の誘電体からなる薄膜を複数層に積層して形成され、両誘電体ミラー３０，３１の間隔２５は、電源２９からの導通が無い状態（ＯＦＦ時）で上記の透過光最小を満足する距離（Ｄｏｆｆ）となるように規定されている。また、光Ｌはコリメートされて透明基板２１に垂直に入射する。
【０００６】
この干渉型光変調素子２０では、ＯＦＦ時には同図（ａ）に示すように、両誘電体ミラー３０，３１は上記距離（Ｄｏｆｆ）で離間しており、光Ｌは透明基板２１と固定透明電極２２との界面で反射されて遮光状態となる。そして、ＯＮ時には同図（ｂ）に示すように、静電気力により可動部２８が透明基板２１側に撓んで両誘電体ミラー３０，３１の間隔が狭くなる。この間隔は、上記の透過光最大を満足する距離（Ｄｏｎ）であり、印加電圧を調節して透明絶縁膜２４に作用する静電気力と、透明絶縁膜２４の変形に伴って生じる復元力とをバランスさせることで適切に設定する。そして、可動部２８が撓むことにより、透明基板２１に入射した光Ｌは、固定誘電体ミラー３０から間隔２５を経て可動誘電体ミラー３１へと透過し、引き続き可動部２８を透過して可動透明電極２７から出射して導光状態となる。
【０００７】
以上のように、上記した各光変調素子１０，２０は静電気力の作用により可動部８，２８を変位させることにより、遮光状態及び導光状態を切り替えることができる。
【０００８】
また、図示は省略するが、上記の光変調素子１０，２０を２次元マトリクス状に配置した光変調素子アレイ、並びに光変調素子アレイ透光性基板側に光源を配置し、可動部側に蛍光体を配置した平面ディスプレイも実用化されている。
【特許文献１】
特開平１１−２５８５５８号公報
【０００９】
【発明が解決しようとする課題】
ところで、光変調素子１０，２０はマイクロマシングと呼ばれる方法より製造されるが、このマイクロマシニングは成膜とパターニングとを繰り返し行うため、製造に伴う応力が素子の各所に残留することが多い。特に、支柱３、２３と、その上に設けられる可動部８，２８の透明絶縁膜４，２４との接合部には大きな応力が残留し、可動部８，２８に歪みや変形を来たすことがある。光変調素子１０，２０では、その動作原理から、可動部８，２８の平坦性並びに透明基板１，２１と可動部８，２８との間隔が厳しく規定されており、可動部８，２８の歪や変形は素子の性能を大きく低下させる。
【００１０】
しかし、支柱３，２３は高い絶縁性を有し、また可動部８，２８を支持し得る強度が要求されることから、酸化シリコンや窒化シリコン等のセラミック材料で形成されるのが一般的であり、これらの材料は弾性率が大きいため、可動部８，２８との接合部に加わる応力や歪を吸収し難く、可動部８，２８の平坦性を高める上で障害となっている。
【００１１】
本発明は上記の状況に鑑みてなされたものであり、支柱と可動部との接合部における残留応力や歪を緩和でき、可動部の平坦性に優れた光変調素子アレイ、並びに前記光変換素子アレイを含む平面ディスプレイを提供することを目的とする。
【００１２】
【課題を解決するための手段】
上記目的を達成するため、本発明の光変調素子アレイは、光源からの光に対して透光性を有し、前記光を導入する透明基板と、透明電極とを有する基板と、前記基板上に所定間隔で立設される一対の支柱と、前記基板とは反対側の面に透明電極を有する可撓薄膜からなり、前記支柱間を跨ぐように該支柱上に載架される可動部とを備え、前記両透明電極との間に電圧を印加して静電気力により前記可動部を前記基板側に変位させることにより、前記光源からの光を前記基板及び前記可動部を透過させて外部に出射させる光変調素子を２次元マトリクス状に配列してなる光変調素子アレイにおいて、前記支柱が、前記可動部の弾性率よりも低い弾性率を有する材料で形成されていることを特徴とする。尚、可動部は透明絶縁膜や透明電極等を積層して構成されるため、可動部の弾性率とはこれらの積層体全体としての弾性率である。また、弾性率として通常、ヤング率、剛性率、体積弾性率等が包含されるが、本発明では何れを採用してもよい。
【００１３】
この光変調素子アレイでは、支柱が弾性を有するために、可動部に生じる応力や歪を容易に吸収して、可動部の平坦性を高めることができ、光変調動作を確実に行う。また、支柱材料として特にフォトレジストが好ましく、更に異なる樹脂又は高分子を複数層に積層してもよく、それにより歪や応力の吸収力がより高まる。
【００１４】
また、上記目的を達成するために、本発明の平面ディスプレイは、上記の光変調素子アレイと、前記光変調素子アレイの基板の透明基板と対向配置される平面光源と、前記光変調素子アレイの可動部の透明電極と対向配置される蛍光体と、前記光変調素子アレイを駆動する駆動装置とを備え、前記光変調素子アレイから出射される光により前記蛍光体を発光させて画像表示を行うことを特徴とする。
【００１５】
この平面ディスプレイでは、光変調素子アレイの支柱が上記の如く弾性を有するため、可動部の平坦性が高く、光変調が良好に行われ、高画質の画像を安定して表示できる。
【００１６】
【発明の実施の形態】
以下、本発明について図面を参照して説明する。
【００１７】
本発明の光変調素子アレイは、支柱を可動部よりも弾性率の低い材料とする以外、構成上何ら制限されるものではなく、例えば図７及び図８に示したような光変調素子を２次元マトリクス状に配列したものでもよい。ここでは、図８に示したような干渉型光変調素子を配列した構成を例にして説明する。
【００１８】
図１は、光変調素子アレイの一部（１画素分）を示す斜視図である。図示されるように、光変調素子アレイは基板１００の上に、支柱１０６を介して、可動部１１１を２次元マトリクス状に配設して構成され、可動部１１１が空隙１１２を基板１００に向かって変位する。基板１００は透明基板１０１に固定透明電極１０２を設け、その上に絶縁膜１０３を介して固定誘電体ミラー１０４を設け、更にスペーサ１０５を設けて構成される。透明基板１０１は、使用する照射光（例えば紫外線）に対して透過性を有する材料からなる平板であり、例えばガラス板を使用できる。固定透明電極１０２は、同じく照射光に対して透過性を有する導電性材料からなる薄膜であり、電子密度の高いＩＴＯ等の金属酸化物、非常に薄い金属（アルミニウム等）の膜、金属微粒子を透明絶縁体に分散した薄膜、又は高濃度ドープしたワイドバンドギャップ半導体等からなる薄膜を使用できる。絶縁膜１０３としては、例えば酸化シリコンからなる薄膜を使用できる。固定誘電体ミラー１０４は、照射光が透過または反射できるようにその膜構成が設計され、例えば酸化チタンと酸化シリコンとを交互に積層して形成される。
【００１９】
また、スペーサ１０５は、固定誘電体ミラー１０４と可動誘電体ミラー１０７との間隔を物理的に規制して光変調動作を安定に行うために設けられる部材である。即ち、スペーサ１０５の厚さＤを上記の透過光最大となる間隔（Ｄｏｎ）に一致させ、また電源ＯＮ時に可動部１１１の可動誘電体ミラー１０７がスペーサ１０５に当接するようにその撓み量を調整しておくことにより、電源ＯＮ時における固定誘電体ミラー１０４と可動誘電体ミラー１０７との間隔が常に上記間隔（Ｄｏｎ）と一致するため、確実に導光状態を実現できるようになる。
【００２０】
一例を示せば、低圧水銀ランプの内壁に蛍光物質（ＢａＳｉ２Ｏ５：Ｐｂ２＋） を塗布して構成される光源を用いた場合、照射光は中心波長（λ０）が約３６０ｎｍの紫外線となる。そこで、上記の透過光最大／最小条件から間隔（Ｄｏｎ）を「１／２×λ０＝１８０ｎｍ（ｍ＝１）」、また間隔（Ｄｏｆｆ）を「３／４×λ０＝２７０ｎｍ（ｍ＝１）」に設定するとともに、固定誘電体ミラー１０４と可動誘電体ミラー１０７との間隔を２７０ｎｍ、またスペーサ１０５の厚さＤを１８０ｎｍとすることにより、良好な光変調を実現できるようになる。
【００２１】
また、スペーサ１０５は種々の材料で形成でき、絶縁体膜とした場合はその比誘電率（１以上）により透明電極への印加電圧を低減させることができ、導電性膜とすると更にこの効果は大きくなる。絶縁体膜としては酸化シリコン等が適当であり、導電性膜としては透明電極材料が適当である。
【００２２】
尚、スペーサ１０５を備えない構成も可能であり、その場合は、可動部１１１の撓み量を考慮して、固定誘電体ミラー１０５と可動誘電体ミラー１０７との間隔が上記Ｄｏｎ及びＤｏｆｆとなるように、支柱１０６の高さを調整する。
【００２３】
上記基板１００のスペーサ１０５の上には、支柱１０６を介して、可動部１１１が設けられる。この可動部１１１は、基板１００側より順に、可動誘電体ミラー１０７、透明絶縁膜１０８、光拡散層１０９及び可動透明電極１１０を積層して構成される。可動誘電体ミラー１０７は上記の固定誘電体ミラー１０４と同一の膜構成からなる薄膜であり、可動透明電極１１０は上記固定透明電極１０２と同一物とすることができる。透明絶縁膜１０８は、透光性基板１０１の屈折率と同程度もしくはそれ以上の屈折率を有する材料、例えばポリシリコン等の半導体、シリコン酸化物やシリコン窒化物等のセラミック材料、あるいは樹脂等からなる薄膜を使用できる。光拡散層１０９は、無機透明材料や有機透明材料の表面に凹凸を形成したもの、マイクロプリズム、マイクロレンズを形成したもの、無機多孔質材料や有機多孔質材料、又は屈折率の異なる微粒子を透明基材に分散したもの等で構成される。また、透明絶縁膜１０８と光拡散層１０９とは同一の材料を用いて一体に形成することができ、例えば窒化シリコン膜で透明絶縁膜１０８を形成し、その可動透明電極１１０側の表面に凹凸を形成することにより、拡散機能を持たせることができる。
【００２４】
本発明の光変調素子アレイは、可動部１１１の弾性率よりも低い弾性率の材料で支柱１０６を形成したことを特徴とする。ここで、可動部１１１の弾性率とは、可動部１１１を構成する各層、ここでは可動誘電体ミラー１０７、透明絶縁膜１０８、光拡散層１０８及び可動透明電極１１０からなる積層体全体としての弾性率である。従って、図７に示したような全反射型光変調素子アレイでは、透明絶縁膜、光拡散層及び可動透明電極からなる積層体の弾性率となる。また、弾性率として通常、ヤング率、剛性率、体積弾性率等が包含されるが、本発明では何れを採用して比較してもよい。
【００２５】
支柱１０６の形成材料は可動部１１１の形成材料との間で相対的に決定されるが、可動部１１１を構成する可動誘電体ミラー１０７、透明絶縁膜１０８、光拡散層１０８及び可動透明電極１１０は上記したように何れも無機系材料で形成されていることから、有機系材料を選択することにより所期の目的は達成され得る。特に、ホトレジストは弾性率が低いことに加えて、後述される製造工程で精度良く加工できるため、支柱１０６の形成材料として好ましい。また、フォトレジストの種類は特に制限されるものではなく、従来より半導体素子等の製造におけるフォトリソグラフィー技術に使用されているものを広く使用することができる。また、支柱１０６は、異なる樹脂又は高分子、好ましくはフォトレジストを多層に積層して形成してもよい（図４参照）。
【００２６】
上記の光変調素子アレイは、例えば図２に示す工程により作製される。尚、図２は図１のＡＡ断面及びＢＢ断面に沿って示してある。先ず、工程（ａ）に示すように、透明基板上に固定透明電極、絶縁層、固定誘電体ミラー及びスペーサ（何れも図示略）を順次積層して基板１００を作製する。
【００２７】
次いで、工程（ｂ）に示すように、犠牲層１３０を成膜する。この犠牲層１３０は工程（ｈ）において基板１００と可動部１１１との空隙１１２を形成するために除去されるもので、例えばフォトレジストを使用でき、これを空隙１１２の高さに一致する厚さで成膜して形成される。また、金属膜とすることもできる。
【００２８】
次いで、工程（ｃ）に示すように、マスク１４０を用いて犠牲層１３０を空隙１１２の形状にパターニングする。パターニング後、犠牲層１３０の形状安定化のためにベーキングを施してもよい。
【００２９】
次いで、工程（ｄ）に示すように、基板１００の上にフォトレジスト１５０を犠牲層１３０と同一面となるように形成する。このフォトレジスト１５０は、工程（ｈ）に示すように、最終的に支柱１０６となる。尚、ＡＡ断面において、このフォトレジスト１５０は、犠牲層１３０の背後に存在する（工程（ｅ）、（ｆ）、（ｇ）においても同様）。
【００３０】
次いで、フォトレジスト１５０を硬化させた後、工程（ｅ）に示すように、可動誘電体ミラー、透明絶縁膜、光拡散層を順次積層し（何れも図示略）、更に最上層として可動透明電極１１０を成膜する。
【００３１】
次いで、工程（ｆ）に示すように、マスク１６０を用いて、犠牲層１３０の上方位置にて所定間隔で可動透明電極１１０に複数の開口部１６１を開口する。このパターニングは、例えば塩酸系の溶剤を用いたウエットエッチングが適当である。
【００３２】
次いで、工程（ｇ）に示すように、可動透明電極１１０をマスクとして、エッチングにより基板１００に至る複数の貫通孔１６２を穿設する。このエッチングは、例えばＣＦ４プラズマエッチングが適当である。
【００３３】
そして、工程（ｈ）に示すように、貫通孔１６２を通じて残存する犠牲層１３０を除去することにより、フォトレジスト１５０からなる支柱１０６及び空隙１１２が形成され、複数の可動部１２０からなる光変調素子アレイが完成する。この犠牲層１３０の除去は、フォトレジスト１５０には作用せずに犠牲層１３０を形成する材料のみを選択的に除去する。例えば、犠牲層１３０がフォトレジストの場合は酸素プラズマエッチングが適当であり、金属の場合は塩素系ガス又はフッ化炭素系ガスによるプラズマエッチング、あるいはウエットエッチングが適当である。尚、実際には、犠牲層１３０の除去に際してフォトレジスト１５０の露出部も若干エッチングされるため、図示されるように、得られる支柱１０６は周側面が切削されたものとなる。
【００３４】
上記一連の工程は、フォトレジスト１５０を支柱１０６として残存させることを除けば、この種の光変調素子アレイの製造工程として一般的である。そして、成膜とパターニングとが繰り返し行われることにより、可動部１１１と支柱１０６との接合部に大きな応力が発生、残留し、可動部１１１の平坦性が損なわれるようになる。しかし、本発明の光変調素子アレイでは、支柱１０６が弾性を有するために前記応力を容易に吸収して、可動部１１１の平坦性を高めることができ、光変調動作を確実に行うことができるようになる。
【００３５】
本発明の光変調素子アレイは、種々の変更が可能である。支柱１０６は可動部１１１の応力を緩和する作用があるため、その高さは高い方が好ましい。また、絶縁性の点でも、支柱１０６は高い方が好ましい。しかし、一方で固定誘電体ミラー１０４と可動誘電体ミラー１０７との間隔は規定されているため、例えば図３に示すように、可動部１１１の形状を変えて支柱１０６の高さの増分を打ち消す。即ち、可動部１１１のＢＢ断面形状を、支柱１０６の直上にある支持部１１１ａから上方に屈曲する突出部１１１ｂ、突出部１１１ｂに続き略平坦をなす頂部１１１ｃを経て基板側に向かう垂下部１１１ｄ及び垂下部１１１ｄの基板側下端から基板１００と平行に対向して延びる平坦部１１１ｅで構成する。可動部１１１をこのような断面形状とすることにより、平坦部１１１ｅと基板１００との間隔を上記した規定の間隔に維持しつつ、支柱１０６を高くすることができる。
【００３６】
また、支柱１０６を異なるフォトレジストを積層して形成することもできる。例えば、図４に示すように、支柱１０６を第１のフォトレジストからなる下層１０６ａと第２のフォトレジストからなる上層１０６ｂとの２層構造とすることができる。ここで、例えば、上層１０６ｂに軟質のフォトレジストを使用して応力の緩和効果を高める一方で、下層１０６ａに剛性の高いフォトレジストを使用することにより強度の低下分を補償することができる。また、より多層で構成してもよい。このように異なるホトレジストを組み合わせることにより、応力の緩和効果を高めたり、支柱強度と応力緩和とのバランスを調整することができるようになる。この場合も支柱１０６を高くすることができ、それに伴って可動部１１１の断面形状を変形する。例えば、図３に示した断面形状とすることもでき、あるいは図示されるような支持部１１１ａに垂下部１１１ｄが直接連続し、平坦部１１１ｅが基板１００と平行に対向する断面形状とすることもできる。
【００３７】
本発明はまた、上記の光変調素子アレイを備える平面ディスプレイを提供する。図５は、図１に示す光変調素子アレイを例にした平面ディスプレイの断面図である。尚、同図は図１のＡＡ断面に対応して示してある。図示されるように、光変調素子アレイの基板１００の透明基板１０１と対向させて平面光源２００を配置し、また可動部１１１の可動透明電極１１０と対向させて蛍光体ユニット３００を配置して平面ディスプレイとすることができる。平面光源２００は、平板状の平面光源ユニット２０１と、その側方に設けられたブラックライト用ランプ２０２とから構成される。ブラックライト用ランプ２０２は、例えば照射光Ｌを紫外線とする場合には、低圧水銀ランプの内壁に蛍光物質（ＢａＳｉ２Ｏ５：Ｐｂ２＋） を塗布して構成される。また、平面光源ユユニット２０１は、ブラックライト用ランプ２０２からの紫外線を側面２０１ａから入射させて上面２０１ｂから照明光Ｌとして出射させる。蛍光体ユニット３００は、３原色（Ｒ，Ｇ，Ｂ）の蛍光体をそれぞれ可動透明電極１１０と対向するように配置して構成することにより、カラー画像を表示することができる。
【００３８】
また、この光変調素子アレイは、図示は省略される駆動装置により駆動される。駆動方法は特に制限されるものではなく、例えばアクティブマトリクス駆動により動作させることができる。即ち、同じ行に配列された各光変調素子１２０の可動透明電極１１０を共通に接続して走査電極とし、また同じ行に配列された各光変調素子１２０の固定透明電極１０２を共通に接続して信号電極とし、駆動に際して走査信号に従って前記の走査電極を走査し、これと同期させて対応するデータ信号を前記の信号電極に印加することにより、導光状態とすべき光変調素子１２０の可動部１１１を順次変位させ、その可動透明電極１１０を通じて照明光Ｌを出射させる。そして、出射した照明光Ｌは蛍光体ユニット３００に入射し、入射部分の蛍光体を励起して発光発色させる。このような駆動により、画素が順次表示される。
【００３９】
【実施例】
以下、実施例を挙げて本発明の光変調素子アレイにおける平坦性の向上を検証する。但し、本発明はこれにより何ら限定されるものではない。
【００４０】
（実施例１）
図２に示す工程に従い、図１に示す光変調素子アレイを作製した。即ち、導光体１０１としてガラス板（コーニング１７３７；コーニング社製）を用い、その上に電子ビーム蒸着により厚さ２００ｎｍのＩＴＯ膜を成膜して固定透明電極１０２とし、その上にスパッリングにより厚さ５００ｎｍの酸化シリコン膜を成膜して絶縁膜１０３とし、その上に電子ビーム蒸着により酸化チタンと酸化シリコンとを交互に合計７層成膜して固定誘電体ミラー１０４とし、更にその上に電子ビーム蒸着により厚さ１９０ｎｍの酸化シリコン膜を成膜してスペーサ１０５として基板１００を作製した（工程（ａ））。
【００４１】
次いで、基板１００のスペーサ１０５の上にフォトレジストを塗布し、硬化させて犠牲層１３０を形成した（工程（ｂ））。
【００４２】
次いで、酸素プラズマエッチングにより犠牲層１３０をパターニングし、その後２５０℃にて３０分ベーキングした（工程（ｃ））。
【００４３】
次いで、フォトレジストを犠牲層１３０と同一面となるように塗布し、硬化させた。硬化後、２４０℃にて３０分ベーキングした（工程（ｄ））。
【００４４】
次いで、電子ビーム蒸着により酸化チタンと酸化シリコンとを交互に合計７層成膜して可動誘電体ミラー１０７とし、更にその上に電子ビーム蒸着により厚さ２００ｎｍのＩＴＯ膜を成膜して可動透明電極１１０とした（工程（ｅ））。
【００４５】
次いで、塩酸を用いたウエットエッチングにより可動透明電極１１０をパターニングした（工程（ｆ））。
【００４６】
次いで、可動透明電極１１０をマスクとして基板１００のスペーサが露出するまでＣＦ４プラズマエッチングを行った（工程（ｇ））。
【００４７】
そして、酸素プラズマエッチングにより犠牲層１３０をなすフォトレジストを除去して図１に示した光変調素子アレイを得た（工程（ｈ））。
【００４８】
上記の工程に従い、図６に示すように、可動部１１１の幅（Ｗ）と長さ（支柱間距離；Ｌ）を変えて光変調素子アレイを作製し、空隙１１２の高さ（Ｈ）の変動から可動部１１１の平坦性を評価した。即ち、それぞれの空隙１１２の高さの平均値と、支柱１０６の高さとの差を求めた結果を表１に示す。
【００４９】
【表１】
表１より、空隙１１２の高さ（Ｈ）の変動は、可動部１１１の長さ（Ｌ）よりは幅（Ｗ）の方が影響を与えることがわかる。安定な光変調動作を行うためには、空隙１１２の高さの変動が０．６８８μｍ以下であることが好ましく、可動部１１１の幅（Ｗ）が１０μｍ以下であれば長さ（Ｌ）にかかわらずほぼこの範囲内に収まる。従って、本発明の光変調素子アレイでは、可動部１１１の幅（Ｗ）を１０μｍ以下とすることが特に好ましい。また、同じ幅（Ｗ）でも可動部１１１が長くなると変動が小さくなる傾向も見られ、幅（Ｗ）２０μｍ程度までは長さ（Ｌ）を長くすることにより、高さ（Ｈ）の変動を実用レベルに抑えることが可能となる。
【００５１】
【発明の効果】
以上説明したように、本発明によれば、可動部の弾性率よりも低い弾性率の材料で支柱を形成したことにより、支柱と可動部との接合部分における応力や歪を支柱が吸収し、可動部の平坦性を向上させ、良好な光変調動作を行う光変調素子アレイ並びに平面ディスプレイを実現できる。
【図面の簡単な説明】
【図１】本発明に係る光変調素子アレイの一実施形態を示す斜視図である。
【図２】図１に示す光変調素子アレイの製造工程を示す断面図である。
【図３】本発明に係る光変調素子アレイの他の実施形態を示す斜視図である
【図４】本発明に係る光変調素子アレイの更に他の実施形態を示す斜視図である。
【図５】図１に示す光変調素子アレイを用いた平面ディスプレイの構成を示す断面図である。
【図６】実施例における可動部の平坦性の評価方法を説明するための図である。
【図７】従来の光変調素子アレイの一例（全反射型）並びにその変調動作を示す断面図である。
【図８】従来の光変調素子アレイの他の例（干渉型）並びにその変調動作を示す断面図である。
【符号の説明】
１００ 基板
１０１ 透明基板
１０２ 固定透明電極
１０３ 絶縁膜
１０４ 固定誘電体ミラー
１０５ スペーサ
１０６ 支柱
１０７ 可動誘電体ミラー
１０８ 透明絶縁膜
１０９ 光拡散層
１１０ 可動透明電極
１１１ 可動部
１２０ 光変調素子
Claims (6)
- 光源からの光に対して透光性を有し、前記光を導入する透明基板と、透明電極とを有する基板と、
前記基板上に所定間隔で立設される一対の支柱と、
前記基板とは反対側の面に透明電極を有する可撓薄膜からなり、前記支柱間を跨ぐように該支柱上に載架される可動部とを備え、
前記両透明電極との間に電圧を印加して静電気力により前記可動部を前記基板側に変位させることにより、前記光源からの光を前記基板及び前記可動部を透過させて外部に出射させる光変調素子を２次元マトリクス状に配列してなる光変調素子アレイにおいて、
前記支柱が、前記可動部の弾性率よりも低い弾性率を有する材料で形成されていることを特徴とする光変調素子アレイ。 - 前記支柱を形成する材料が、フォトレジストであることを特徴とする請求項１に記載の光変調素子アレイ。
- 前記支柱が、異なる種類の樹脂又は高分子を多層に積層して形成されていることを特徴とする請求項２記載の光変調素子アレイ。
- 前記支柱が、フォトレジストからなることを特徴とする請求項３記載の光変調アレイ。
- 前記可動部の幅が１０μｍ以下であることを特徴とする請求項１〜４の何れか１項に記載の光変調素子アレイ。
- 請求項１〜５の何れか１項に記載の光変調素子アレイと、
前記光変調素子アレイの基板の透明基板と対向配置される平面光源と、
前記光変調素子アレイの可動部の透明電極と対向配置される蛍光体と、
前記光変調素子アレイを駆動する駆動装置とを備え、
前記光変調素子アレイから出射される光により前記蛍光体を発光させて画像表示を行うことを特徴とする平面ディスプレイ。
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