JP2005004077A

JP2005004077A - 光変調装置およびその駆動方法

Info

Publication number: JP2005004077A
Application number: JP2003169590A
Authority: JP
Inventors: Seiichi Kato; 静一加藤
Original assignee: Ricoh Co Ltd
Current assignee: Ricoh Co Ltd
Priority date: 2003-06-13
Filing date: 2003-06-13
Publication date: 2005-01-06

Abstract

【課題】梁の安定性を確保し、応答速度を速くする。
【解決手段】光透過性の電極１１３に高電位、電極１０３に低電位を印加し、電極１０８である可動梁に高電位を加えると、電極１０３と電極１０８間に静電力が働き、電極１０８である可動梁が電極１０３側に突き当たる。これにより、可動梁のミラーにより光は入射角で決まる方向に反射される。電極１０８の電位を低電位にすると、電極１１３と電極１０８間に静電力が働き、可動梁は電極１１３側に当たる。
【選択図】図１

Description

【０００１】
【発明の属する技術分野】
本発明は、光変調装置に関し、特に光スイッチデバイスの構成及び製法に関し、例えば電子写真プロセスにおける光書き込みデバイスやプロジェクタの光スイッチに好適な技術である。
【０００２】
【従来の技術】
静電力を利用した光スイッチデバイスとして、片持ち梁を静電力で撓ませて光の反射方向を変えてスイッチするデバイス、及びそれを用いた光変調システムが、Ｋ．Ｅ．Ｐｅｔｅｒｓｅｎにより１９７７年に発表されている（例えば、非特許文献１を参照）。
【０００３】
また、Ｄ．Ｍ．Ｂｌｏｏｍは、回折格子を静電力で駆動して光スイッチする素子を発表している（例えば、非特許文献２、特許文献１〜３を参照）。
【０００４】
さらに、ヒュイバースらによる光変調器（例えば、特許文献４を参照）やミラーデバイスの構造に関わる発明もある（例えば、特許文献５を参照）。
【０００５】
【非特許文献１】
ＡｐｐｌｉｅｄＰｈｙｓｉｃｓＬｅｔｔｅｒｓ，Ｖｏｌ．３１，Ｎｏ．８，ｐｐ５２１〜ｐｐ５２３，１９７７
【非特許文献２】
ＯｐｔｉｃｓＬｅｔｔｅｒｓ，Ｖｏｌ．７，Ｎｏ．９，ｐｐ６８８〜ｐｐ６９０
【特許文献１】
特表平１０−５１０３７３号公報
【特許文献２】
特表平１０−５１０３７４号公報
【特許文献３】
特表平１０−５１０３７５号公報
【特許文献４】
特表２００２−５２５６７６号公報
【特許文献５】
特開平７−２１８８４５号公報
【０００６】
【発明が解決しようとする課題】
上記した片持ち梁を利用した光スイッチは梁の安定性の確保が難しく、応答速度も速くできない。また、特許文献１〜３に示される光スイッチ素子は入射光の波長が制限され、特許文献４では傾斜した場合の位置決めがモーションストップと呼ばれるバーを接することで行うため、安定性にかけ高速駆動には適さず、特許文献５による構造では復元時に振動が残留するため安定性に問題がある。
【０００７】
本発明は上記した問題点に鑑みてなされたもので、
本発明の目的は、梁の安定性を確保し、応答速度の速い光変調装置およびその駆動方法を提供することにある。
【０００８】
【課題を解決するための手段】
従来技術のような片持ち梁を利用した静電型光スイッチは偏向する角度が大きくとれかつ、低い電圧での駆動が可能となるが、復元時の安定性を高めることが難しい。そこで、本発明の光変調装置では、第一の安定状態として、基板平面に平行な光透過性の両端固定梁に片持ち梁を押し当てることで安定化させ、第二の安定状態では、傾斜した基板平面とは非平行な斜面に押し当てることで梁の位置の安定化を図っている。この片持ち梁は剛性を利用し、復元するのではなく、静電力で駆動し安定状態を推移するため、梁に剛性は必ずしも必要でない。そのため、チャタリングも起きにくく高速に駆動できる。
【０００９】
【発明の実施の形態】
以下、本発明の実施例を図面を用いて具体的に説明する。
【００１０】
片持ち梁は固定が一辺であり、変形する角度に自由度があり、剛性が低くでき駆動電圧を低くできる長所があり、静電型アクチュエータに応用されている。しかし、一般的に、片持ち梁は静電力が解放されて梁の撓みが回復するときに振動する。これは梁の一端のみが固定されていることによる梁の自由振動が発生するためである。また、梁を薄膜で形成する場合には、残留応力が発生する。片持ち梁の場合、残留応力により梁が変形する。しかも残留応力は時間を経て緩和されるために、片持ち梁の変形状態が経時変化する。以上の理由で片持ち梁は安定性が悪い。
【００１１】
片持ち梁で復元時間を短くするため、剛性を高めるようとすると膜厚が厚くなり質量が大きくなる。すると、慣性により駆動時間が長くなり、高速駆動に不利である。
【００１２】
本発明の光変調装置では、ミラー梁を基板に平行な基準面および傾斜した基準面に押し当て位置決めするため、梁自体のみで安定状態での形状を維持する必要が無く、質量を低減でき駆動速度を向上することができる。
（実施例１）
図１は、本発明の実施例１に係る光変調装置を示す。図１（ａ）はその断面図であり、（ｂ）はその平面図である。本発明の光変調装置は、基板１０２と、基板平面に対し非平行な絶縁膜１０４で覆われた第一電極１０３と、空隙１０５を介し可動する片持ち梁（支持部材を兼ねる）１０１と、第二電極である光反射層１０８と、空隙１１０を介し光透過性の両端固定梁１１２と、光透過性の第三電極１１３からなる。第一電極１０３の絶縁膜１０４には凹凸１０６が設けられ、貼りつきを防止する。また、透明な両端固定梁１１２の第二電極１０８に向かう面には凹凸１１１が設けられ、貼りつきを防止する。梁と絶縁膜が当接した場合、毛管力やファンデルワールス力により貼りつき状態が持続する場合があり、梁の動作を妨げる。前記の凹凸１０６、１１１は接する面積を減少し、この現象を抑制することができる。
【００１３】
図２は、本発明の実施例１の光変調装置の動作を説明する図である。実施例１の光変調装置には二つの安定状態があり、光の反射方向を２方向に設定できる。図２のように、高い電位をＶＨ、低い電位をＶＬとし、例えば光透過性の第三の電極１１３にＶＨ、第一電極１０３にＶＬを印加しておき、第二電極１０８である可動梁にＶＨを加えると（図２（ｂ））、第一電極１０３と第二電極１０８間に静電力が働き、第二電極１０８と第三電極１１３は同電位であり静電力が働かないので、第二電極１０８である可動梁は固定端側から当接を開始し、第一電極１０３側に突き当たり、位置が決まる。これにより可動梁のミラーにより光は入射角で決まる方向に反射される。また、第二電極１０８の電位をＶＬにすると（図２（ａ））、第三電極１１３と第二電極１０８間に静電力が働き、第一電極１０３と第二電極１０８は同電位で静電力が働かないので、可動梁は第三電極１１３側に固定端側から当接していく。
【００１４】
Ｓｉ基板に、梁長３０μｍ、梁幅１０μｍ、片持ち梁有機レジストを支持部材ＳｉＮｘ厚さ０．０５μｍ，Ａｌミラー厚さ０．０５μｍの可動梁を形成した。第三電極に０．１μｍＩＴＯ膜を用い、両端固定梁の長さを３３μｍとした。第一電極の傾斜を１０°とした。第三電極に１０Ｖ，第二電極に０Ｖを印加し、駆動することが出来た。５×１０１１回の耐久テストで、梁が電極側に貼りつかなかった。
【００１５】
図３〜図５を参照して、実施例１の製造工程を説明する。
（ａ）半導体プロセス用ＳｉウエハのようなＳｉ基板１０２に有機フォトレジストで空隙となる溝をパターン形成する。ＳＦ６ガスのＲＩＥ（リアクティブ・イオン・エッチング）でドライエッチングして、溝を掘る。溝に傾斜を形成する場合、フォトマスクに階調を設け、フォトリソグラフィを行うことで有機レジストパターンの厚さ方向に傾斜を形成する。ＲＩＥを行うと、フォトマスクの階調にしたがった構造がＳｉ基板の溝に転写される。溝が深い場合はＲＩＥの際に基板温度を−４０℃程度以下の低温にすることで側面への広がりを抑制できる。
【００１６】
次に、基板と個別電極を絶縁するため酸化し、溝を１μｍ程度の熱酸化膜２０１で覆う。
（ｂ）例えば、ＴｉＮなどの導体薄膜をスパッタ法で成膜する。第一電極パターンを有機レジストのフォトリソグラフィでパターンニングし、Ｃｌ２ガスでＲＩＥによりエッチングして第一電極１０３を形成する。絶縁膜１０４となる０．３μｍのＳｉＯ２をＳｉＨ４とＮ２Ｏの混合ガスの熱ＣＶＤ法で形成する。フォトリソグラフィでのパターンを形成し、ＣＦ４とＨ２の混合ガスによるＲＩＥで０．１μｍエッチングし、凹凸１０６を形成する。
（ｃ）犠牲層２０２となるポリシリコンをＳｉＨ４ガス（６３５℃）の熱ＣＶＤ法で成膜する。
（ｄ）ＣＭＰ（ケミカル・メカニカル・ポリシング）技術を用い研磨して平坦化する。
（ｅ）ＳｉＨ４とＮＨ３の混合ガスの熱ＣＶＤ法で片持ち梁１０１となるＳｉＮｘ膜２０３を０．０５μｍ成膜する。また、第一梁をＳｉＯ２で構成する場合はＳｉＨ４とＮ２Ｏの混合ガスの熱ＣＶＤにより成膜した。
【００１７】
光反射部材となる金属薄膜、例えばＡｌをスパッタ法で成膜し、フォトリソグラフィで有機レジストをパターンニングし、Ｃｌ２ガスのＲＩＥでエッチングし光反射部材１０８を形成する。さらにＣＦ４とＨ２の混合ガスのＲＩＥでＳｉＯ２膜をエッチングし、片持ち梁支持部材１０１をパターンニングする。
（ｆ）アモルファスＳｉをＳｉＨ４とＨ２の混合ガスによるプラズマＣＶＤで０．２μｍ成膜する。有機レジストをフォトリソグラフィでパターンニングし、ＳＦ６とＯ２の混合ガスによるＲＩＥによりエッチングし、犠牲層となるアモルファスＳｉ層２０４を形成する。
（ｇ）フォトリソグラフィによりパターンニングし、ＲＩＥでエッチングし、さらにフォトリソグラフィで有機レジストをパターンニングし、ＲＩＥで０．１μｍエッチングして、光透過性梁の突起に対応した溝２０５を形成する。
（ｈ）光透過性梁１１２となるＳｉＮｘ膜２０６をＳｉＨ４，ＮＨ３，Ｈｅの混合ガスのプラズマＣＶＤにより０．３μｍ成膜する。透明導電膜となる酸化インジュームまたは酸化スズあるいはその混合物であるＩＴＯ膜をスパッタリング法で成膜する。膜厚は本実施例中では例えば０．２μｍとした。フォトリソグラフィでパターンニングし、塩化第二鉄水溶液で透明導電膜をエッチングした。このようにして透明導電膜による第二梁である電極１１３が形成される。第二梁電極を不透明な導体や金属例えばＡｌにする場合はスパッタ法や蒸着法で成膜し、フォトリソグラフィで有機レジストパターンを形成して、Ｃｌ２ガスのＲＩＥでパターンニングを行う。
（ｉ）フォトリソグラフィで電極パッドのパターンを有機レジストで形成し、ＣＨＦ３のＲＩＥでＳＩＮやＳｉＯ２をエッチングし、スリット２０７及び電極パッド１０９を開口する。この時、スリット２０７から犠牲層ポリシリコンが露出する。
（ｊ）ＴＭＡＨ（テトリメチル・アンモニウム・ハイドレイド）により犠牲層をエッチングし除去する。
【００１８】
スリット２０７を介しエッチング除去し犠牲層を除去する。梁は犠牲層がなくなったので第一梁１０１と第二梁１１２が空間に浮きスリット１０７で分離され、第一空隙１０５、第二空隙１１０が完成される。
【００１９】
（実施例２）
図６は、本発明の実施例２に係る光変調装置を示す。図６（ａ）はその断面図であり、（ｂ）はその平面図である。本実施例は、光変調装置を二列対称に配置した実施例である。
【００２０】
Ｓｉ基板に、梁長２５μｍ梁幅１５μｍ、保持材ＳｉＯ２厚さ０．０５μｍ，Ａｌミラー厚さ０．０５μｍの可動梁を形成した。第三電極にＳｎＯ２を用い、両端固定梁の長さを５３μｍとした。第一電極の傾斜を１０°とした。第三電極に１２Ｖ、第二電極に０Ｖを印加し、駆動することができた。５×１０１１回の振動試験で梁が電極側に貼りつくことは無かった。
【００２１】
図７〜図１０を参照して、実施例２の製造工程を説明する。
（ａ）半導体プロセス用ＳｉウエハのようなＳｉ基板１０２に有機フォトレジストで空隙となる溝をパターン形成する。ＳＦ６ガスのＲＩＥ（リアクティブ・イオン・エッチング）でドライエッチングして、溝を掘る。溝に傾斜を形成する場合、フォトマスクに階調を設け、フォトリソグラフィを行うことで有機レジストパターンの厚さ方向に傾斜を形成する。ＲＩＥを行うと、フォトマスクの階調にしたがった構造がＳｉ基板の溝に転写される。溝が深い場合はＲＩＥの際に基板温度を−４０℃程度以下の低温にすることで側面への広がりを抑制できる。
【００２２】
次に、基板と個別電極を絶縁するため酸化し、溝を１μｍ程度の熱酸化膜２０１で覆う。
（ｂ）例えばＴｉＮなどの導体薄膜をスパッタ法で成膜する。個別電極パターンを有機レジストのフォトリソグラフィでパターンニングし、Ｃｌ２ガスでＲＩＥによりエッチングして個別電極１０３を形成する。絶縁膜１０４となる０．３μｍのＳｉＮｘをＳｉＨ４とＮＨ３の混合ガスの熱ＣＶＤ法で形成する。
（ｃ）犠牲層２０２となるポリシリコンをＳｉＨ４ガスの熱ＣＶＤを６３５℃で行い成膜する。
（ｄ）ＣＭＰ（ケミカル・メカニカル・ポリシング）技術を用い研磨して平坦化する。
（ｅ）ＳｉＨ４とＮＨ３の混合ガスの熱ＣＶＤ法で第一梁１０１となるＳｉＮｘ膜２０３を０．０５μｍ成膜する。また、可動片持ち梁をＳｉＯ２で構成する場合はＳｉＨ４とＮ２Ｏの混合ガスの熱ＣＶＤにより成膜した。
（ｆ）鏡材となる金属薄膜、例えばＡｌをスパッタ法で成膜し、フォトリソグラフィで有機レジストをパターンニングし、Ｃｌ２ガスのＲＩＥでエッチングし光反射部材１０８を形成する。さらにフォトリソグラフィで有機レジストをパターンニングしＣＦ４とＨ２の混合ガスのＲＩＥでエッチングし支持部材１０１をパターンニングする。
（ｇ）アモルファスＳｉをＳｉＨ４とＨ２の混合ガスによるプラズマＣＶＤで０．２μｍ成膜する。フォトリソグラフィでパターンニングし、ＳＦ６とＯ２の混合ガスによるＲＩＥによりエッチングし、犠牲層となるアモルファスＳｉ層２０４を形成する。また、フォトリソグラフィによりパターンニングしＲＩＥで０．１μｍエッチングし、第二梁の突起に対応した溝２０５を形成する。
（ｈ）光透過性梁となるＳｉＯ２膜２０６をＳｉＨ４，ＮＨ３，Ｈｅの混合ガスのプラズマＣＶＤにより０．３μｍ成膜する。透明導電膜となる酸化インジュームまたは酸化スズあるいはその混合物であるＩＴＯ膜をスパッタリング法で成膜する。膜厚は本実施例中では例えば０．１μｍとした。フォトリソグラフィでパターンニングし、塩化第二鉄水溶液で透明導電膜をエッチングした。このようにして透明導電膜による第二梁である電極１１３が形成される。第二梁電極を不透明な導体や金属例えばＡｌにする場合はスパッタ法や蒸着法で成膜しフォトリソグラフィでパターンを形成して、Ｃｌ２ガスのＲＩＥでパターンニングを行う。
（ｉ）フォトリソグラフィで電極パッドのパターンを有機レジストで形成し、ＣＨＦ３のＲＩＥでＳＩＮやＳｉＯ２をエッチングし、スリット２０７及び電極パッド１０９を開口する。この時、スリット２０７から犠牲層ポリシリコンが露出する。
（ｊ）ＴＭＡＨ（テトリメチル・アンモニウム・ハイドレイド）により犠牲層をエッチング除去する。スリット２０７を介しエッチング除去し犠牲層を除去する。梁は犠牲層がなくなったので可動片持ち梁１０１、反射部材１０８と光透過性梁１１２光透過性電極１１３が空間に浮きスリット１０７で分離され、第一空隙１０５、第二空隙１１０が完成される。
【００２３】
図１１は、本発明の実施例２（二列対称に配置した光変調装置）の動作を説明する図である。例として、第一電極に電位ＶＬを加え、第三電極に電位ＶＨを加えておく。二列の第二電極である可動梁はＡ側とＢ側に対称に配置されている。さらに光変調装置に遮光部材を配置しておく。図１１（ａ）では、Ａ側とＢ側の第二電極電位をＶＬとしている。反射光は遮光されずに出力される。
【００２４】
図１１（ｂ）では、Ａ側の第二電極電位をＶＨに、Ｂ側の第二電極電位をＶＬにしたので、Ａ側の可動梁が傾斜し、Ａ側での反射光は偏向されるので遮光され、Ｂ側の反射光のみ出力される。出力光量は図１１（ａ）の半分になる。
【００２５】
図１１（ｃ）では、Ａ側、Ｂ側の第二電極電位をＶＨにするため、両方の可動梁が傾斜する。反射光は偏向され、遮光される。このため、出力光はなくなり暗状態になる。このようにして、３つの安定な光量の状態を得ることができる。
【００２６】
【発明の効果】
以上、説明したように、請求項１記載の発明によれば、導電性でかつ光を反射する部材からなる片持ち梁が光透過性梁上の光透過性電極と該光透過性電極に対し非平行な電極基板上電極からなる空隙内に配置することにより、片持ち梁偏向角が大きくできることを生かしながら、復元時の不安定を防止し、高速で、低電圧駆動可能な光変調装置構造を得ることができる。
【００２７】
請求項２記載の発明によれば、光透過性梁と非平行な電極の傾斜を一定の角度にすることで、偏向する光を同一方向に向けることができる。
【００２８】
請求項３記載の発明によれば、光透過性の梁を両端固定梁とすることで、剛性が非常に向上し、可動する片持ち梁を安定して押し当てることができる。
【００２９】
請求項４記載の発明によれば、可動する片持ち梁が第一電極の絶縁膜に持続的に貼りつくことを防止できる。
【００３０】
請求項５記載の発明によれば、可動する片持ち梁が光透過性梁に持続的に貼りつくことを防止できる。
【００３１】
請求項６、７記載の発明によれば、成膜が容易で安定して強固な透明部材である。
【００３２】
請求項８、９記載の発明によれば、光透過性梁に安定で容易に成膜できる光透過性の導電性材料である。
【００３３】
請求項１０記載の発明によれば、光変調装置を二列対称に配置することで、光出力のＯＮとＯＦＦに加え中間値を得ることができる。
【００３４】
請求項１１記載の発明によれば、光変調装置を二列対称に配置し、第一電極と第三光透過性電極を共通にすることで専用の配線が不要になる。
【００３５】
請求項１２記載の発明によれば、光変調装置を二列対称に配置し、一組の片持ち梁を別々に駆動することで光出力のＯＮとＯＦＦに加え中間値を得ることができる。
【００３６】
請求項１３記載の発明によれば、第一電極に印加する電位と光透過性の第三電極に印加する電位のいずれかを可動する第二電極に加えることで、電源電圧を１種類にすることができ、離れる方の電極と梁の第二電極は同電位で静電力が働かず、当接する側の電極にのみ引かれるようにでき、静電力を効率良く使用できる。
【図面の簡単な説明】
【図１】本発明の実施例１に係る光変調装置を示す。
【図２】本発明の実施例１の光変調装置の動作を説明する図である。
【図３】実施例１の製造工程を説明する図である。
【図４】図３の続きの図である。
【図５】図３の続きの図である。
【図６】本発明の実施例２に係る光変調装置を示す。
【図７】実施例２の製造工程を説明する図である。
【図８】図７の続きの図である。
【図９】図７の続きの図である。
【図１０】図７の続きの図である。
【図１１】本発明の実施例２の動作を説明する図である。
【符号の説明】
１０１片持ち梁
１０２基板
１０３第一電極
１０４絶縁膜
１０５、１１０空隙
１０６、１１１凹凸
１０７スリット
１０８第二電極
１０９電極パッド
１１２両端固定梁
１１３第三電極１１３

Claims

光透過性梁上の光透過性電極と、該光透過性電極に対し非平行な基板上電極からなる空隙内に、導電性でかつ光を反射する部材からなる片持ち梁を配置したことを特徴とする光変調装置。
前記基板上電極は、前記光透過性梁に対し一定の角度で傾斜していることを特徴とする請求項１記載の光変調装置。
前記光透過電極に積層される光透過性梁は、両端固定梁であることを特徴とする請求項１記載の光変調装置。
前記基板上電極の絶縁膜に突起が形成されていることを特徴とする請求項１記載の光変調装置。
前記光透過性梁部材の面の内、光反射部材に接する面に突起が形成されていることを特徴とする請求項１記載の光変調装置。
前記光透過性梁の透明部材は、シリコン酸化膜であることを特徴とする請求項１、２、３または５記載の光変調装置。
前記光透過性梁の透明部材は、シリコン窒化膜であることを特徴とする請求項１、２、３または５記載の光変調装置。
前記光透過電極は、酸化インジュームを含むことを特徴とする請求項１または３記載の光変調装置。
前記光透過電極は、酸化スズを含むことを特徴とする請求項１または３記載の光変調装置。
請求項１乃至９のいずれか一つに記載の光変調装置を二列対称に配置したことを特徴とする光変調装置。
光透過性電極と基板上電極を二列で共通にすることを特徴とする請求項１０記載の光変調装置。
請求項１０記載の光変調装置の駆動方法であって、二列の光透過性梁を別々に駆動することで中間の反射光量を得ることを特徴とする光変調装置の駆動方法。
請求項１乃至１１のいずれか一つに記載の光変調装置の駆動方法であって、光を反射する片持ち梁電極の電位を光透過性電極または基板上電極の電位にすることを特徴とする光変調装置の駆動方法。