JP2005279831A - Ｍｅｍｓ素子、光学ｍｅｍｓ素子、回折型光学ｍｅｍｓ素子、並びにレーザディスプレイ - Google Patents

Abstract

【課題】 光学ＭＥＭＳ素子等の静電駆動型のＭＥＭＳ素子において、積層膜の内部応力に起因したビームのたわみを極力低減せしめる。
【解決手段】 複数層によるビーム３６を有し、複数層の中にビーム３６のたわみを抑制するための応力バランス調整層４１が形成されて成る。
【選択図】 図１

Description

静電駆動型のＭＥＭＳ素子、光学ＭＥＭＳ素子、回折型光学ＭＥＭＳ素子、並びにこのＭＥＭＳ素子による光変調素子を用いたレーザディスプレイに関する。

微細技術の進展に伴い、いわゆるマイクロマシン（ＭＥＭＳ：Ｍｉｃｒｏ Ｅｌｅｃｔｒｏ Ｍｅｃｈａｎｉｃａｌ 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、絶縁性基板など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、機械的に結合させた素子である。ＭＥＭＳ素子の特徴は、駆動体の駆動を電極間の静電力、すなわちクーロン引力等を応用して電気的におこなわれる。

従来、光の反射や回折を利用し光スイッチ、光変調素子等に適用される光学ＭＥＭＳ素子が開発されている。図１１Ａ，Ｂは、一般的な光学ＭＥＭＳ素子の代表的な一例である。この光学ＭＥＭＳ素子１は、基板２上に形成した基板側電極（いわゆる下部電極層）３と、この基板側電極３に対向して平行に配置したベース層となる絶縁薄膜４とその上の駆動電極層（いわゆる上部電極層）５からなる２層膜構造のビーム６と、このビーム６の一端を支持する支持部７とを有して構成される。ビーム６の駆動電極層５が光を反射させる反射膜を兼ねている。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。
基板２は、例えば、シリコン（Ｓｉ）やガリウム砒素（ＧａＡｓ）などの半導体基板上に絶縁膜を形成した基板、石英基板やガラス基板のような絶縁性基板などが用いられる。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（例えばＷ，Ｃｒ蒸着膜）等で形成される。ビーム６は、例えばシリコン窒化膜（ＳｉＮ膜）等の絶縁薄膜４と、その上面に形成された膜厚１００ｎｍ程度の金属薄膜、例えばＡｌ膜からなる反射膜を兼ねる駆動電極層５とから構成される。このビーム６は、いわゆる２層膜構造であり、一端が支持された片持ち梁式構造となっている。
この光学ＭＥＭＳ素子１では、基板側電極３と駆動電極層５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、例えば図１１Ｂで示すように、基板側電極３に対して平行状態（実線）から傾斜状態（破線）に変位する。

図１２Ａ，Ｂは、一般的な光学ＭＥＭＳ素子の代表的な他の例である。この光学ＭＥＭＳ素子１１は、基板２上に形成した基板側電極３をブリッジ状に跨ぐように、両端を支持部１３〔１３Ａ，１３Ｂ〕で支持したビーム１２を配置して構成される。ビーム１２は上例と同様に絶縁薄膜４と駆動電極層５とから形成され、基板側電極３に対してその間の空隙８によって電気的に絶縁されている。ビーム１２は、両端を支持したブリッジ式に形成され、いわゆる両持ち梁式構造となっている。基板２、基板側電極３、絶縁薄膜４及び駆動電極層５からなるビーム１２、支持部１３等は図１１と同様の材料を用いた構成となっている。
この光学ＭＥＭＳ素子１１では、基板側電極３と駆動電極層５に与える電位に応じて、ビーム１２と基板側電極３との間の静電引力又は静電反発により変位し、例えば図１２Ｂの実線と破線で示すように、基板側電極３に対して平行状態と凹み状態に変位する。

図１３は、光学ＭＥＭＳ素子のさらに他の例である。この光学ＭＥＭＳ素子は、四端にビームを有し、中央の反射面が広く形成した型の光学ＭＥＭＳ素子である。この光学ＭＥＭＳ素子１３は、基板２上に形成した四分割の基板側電極３〔３Ａ，３Ｂ，３Ｃ，３Ｄ〕と、この基板側電極３〔３Ａ，３Ｂ，３Ｃ，３Ｄ〕に対向して平行に配置した表面を反射面とした面積の広い四角形状の反射部１４と、この反射部１４の四端から一体に延長した４本のビーム１５〔１５Ａ，１５Ｂ，１５Ｃ，１５Ｄ〕と、各ビーム１５Ａ〜１５Ｄの反射部１４と反対側の端部を支持する支持部１６〔１６Ａ，１６Ｂ，１６Ｃ，１６Ｄ〕とを有して構成される。各ビーム１５は、反射部１４に対して細く形成されている。反射部１４及びビーム１５は、ベース層となる絶縁薄膜４とその上の駆動電極層５からなる２層膜構造で形成され、基板側電極４に対してその間の空隙８によって電気的に絶縁されている。基板２、基板側電極５、絶縁薄膜４及び駆動電極層５からなるビーム１５、反射部１４、支持部１６等は図１１と同様の材料を用いた構成となっている。
この光学ＭＥＭＳ素子１３では、図１１、図１２と同様に、基板側電極３と駆動電極層５とに与えられる電位差に応じてビーム１５及び反射部１４が平行状態と、凹み状態あるいは傾斜状態とに変位する。４つの基板側電極３Ａ〜３Ｄに同時に同じ電位が与えられたときには、図１１と同様の凹み状態に変位し、４つの基板側電極３Ａ〜３Ｄのうちの任意の基板側電極３を選択して電位を与えたときには、その選択された基板側電極３に応じて所要の２次元的な傾斜状態に変位する。

上述の光学ＭＥＭＳ素子１、１１、１３は、いずれも光反射膜を兼ねる基板側電極の表面に光が照射され、ビームの駆動位置に応じて、その光の反射方向が異なるのを利用して、一方向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、複数のビーム６または１２を並列配置して、光の回折を利用し光変調素子としても適用できる。

例えば特許文献１には、片持ち梁式、両持ち梁式の光学ＭＥＭＳ素子を利用した光走査装置が記載されている。
また、特許文献２には、後述の課題で取り上げる、薄膜の内部応力を緩和するための処理方法、すなわち、薄膜構造体を駆動する半導体デバイスにおいて、その薄膜自体の内部応力を緩和するためにアニール処理を施す方法が記載されている。
特開２０００−１９９８７０号公報 特開２００２−２６００７号公報

光の反射や回折を利用した光学デバイスにおいて、光の照射面の形状は、スイッチング特性となる光の回折効率やオン・オフ特性を左右する極めて重要なパラメータである。光の照射面を駆動するような構造を有する光学デバイスを、上述した薄膜ビーム構造を有する光学ＭＥＭＳ素子で実現しようとする場合、大きな問題点となるのが、照射面のたわみである。光の反射を行う光学ＭＥＭＳ素子において、照射面のたわみが存在している場合、光の反射方向は意図する方向に対してずれが生じてしまう。それによってオン時の効率、例えば光ファイバーに反射光を入射させる場合の光の入射効率が減少し、オフレベルの上昇といった悪影響が及ぼされる。

このたわみの原因となるのが、ビームを構成する積層薄膜間に内部応力差である。照射面はベースとなる層の上に反射率の高い金属膜を積層するのが通常である。従って、照射面を含む層は、最低でも２層膜以上の積層構図になっている。しかしながら、各層はそれぞれ内部応力（引っ張りまたは圧縮）をもつため、この応力の釣り合いが取れていない場合は、ビームが引っ張り応力が強い方向へたわみが発生してしまう。

従来、半導体プロセスにおいては、内部応力による問題の解決策として、アニールなどによる膜自体の応力緩和が主に行われてきた。例えば、上記特許文献２などはその一例である。しかし、薄膜ビーム構造を有する光学ＭＥＭＳ素子の場合は、薄膜自体の引っ張り応力によってビームの支持部間の張力を保ち、機械的特性を得ているケースが多い。このように薄膜自体の内部応力を利用することの多い光学ＭＥＭＳ素子ではこのアニール手法による解決は望めない。

従って、光学ＭＥＭＳ素子の性能をより向上させるためには、光の照射面を構成するビーム自体の内部応力を保ったまま、ビームの積層膜間の応力バランス調整を適切に行うことで、照射面のたわみを減少させねばならない。このとき、機械的特性その他の性能を損ねることは極力避けねばならない。さらに、製造プロセスなどに起因する物性値のばらつきに対してある程度変動が少ないことも求められる。

これらの制約が特に厳しいのが、複数のビームを並列配置した回折型ＭＥＭＳ素子であるＧＬＶ（Ｇｒａｔｉｎｇ Ｌｉｇｈｔ Ｖａｌｖｅ）のうちの、ビームを予め傾斜させたブレーズド構造のＧＬＶ（Ｂｌａｚｅｄ ＧＬＶ）素子である。このＧＬＶ素子では、図１４に示す一つのビーム１２を例にとると、傾き量ｔを有するビーム構造として幅ｗが略４μｍに対して内部応力に起因するたわみｄを２０ｎｍ以下に制御することが求められている。なおかつ引っ張り応力によってビーム１２の照射面を１００ｎｍ以上（＝ｔ）傾けなければならず（図１４参照）、ビーム全体としてはある程度、強い応力が必要である。しかしながら、現状の構造においてこれらのスペックを達成することは困難であると言わざるを得ない。なお、図１４のＧＬＶ素子は、ビーム１２に傾きを生み出すために、ビーム１２の両端側の一部に段差部１８を設けて構成されている。図１４において、図１２に対応する部分は同一符号で示す。

ビームのたわみに関しては、上述の光学ＭＥＭＳ素子に限らず、静電駆動方式のＭＥＭＳ素子全般、即ち静電駆動方式のＭＥＭＳ素子を用いた例えば高周波フィルタ、高周波スイッチ、あるいはインクジェットプリンタヘッドなどの微小流体駆動装置においても、ビームのたわみ、反りは極力避けねばならない。例えば高周波フィルタでは、ビームのたわみが共振周波数に影響を与える。また液体や気体等の微小流体の駆動装置では、ビームのたわみが流量、吐出スピード等に影響を与える。

本発明は、上述の点に鑑み、積層膜の内部応力に起因したビームのたわみを極力低減せしめた静電駆動型のＭＥＭＳ素子、光学ＭＥＭＳ素子、回折型光学ＭＥＭＳ素子を提供するものである。
また本発明は、光強度変調素子として、かかる回折型光学ＭＥＭＳ素子を備えたレーザディスプレイを提供するものである。

本発明に係るＭＥＭＳ素子は、複数層によるビームを有し、複数層の中にビームのたわみを抑制するための応力バランス調整層を形成した構成とする。

複数層によるビームの好ましい形態としては、ベース層の一方の面に駆動電極層を有し、他方の面に応力バランス調整層を有して形成される。
複数層によるビームの好ましい形態としては、駆動電極層と応力バランス調整層がベース層に対して対称的な断面構造を有して形成される。
複数層によるビームの好ましい形態としては、ベース層と駆動電極層との間に、このベース層及び駆動電極層とは逆応力の応力バランス調整層を有して形成される。

本発明に係る光学ＭＥＭＳ素子は、複数層からなり表面を反射面としたビームを有し、複数層の中にビームのたわみを抑制するための応力バランス調整層を形成した構成とする。
本発明に係る回折型光学ＭＥＭＳ素子は、共通の下部電極に対して複数のビームが配列され、各ビームが複数層からなり表面を反射面として形成され、ビームを構成する複数層の中にビームのたわみを抑制するための応力バランス調整層が形成された構成とする。

上記光学ＭＥＭＳ素子、回折型光学ＭＥＭＳ素子において、複数層によるビームの好ましい形態としては、ベース層の一方の面に反射層兼駆動電極層を有し、他方の面に応力バランス調整層を有して形成される。
複数層によるビームの好ましい形態としては、反射層兼駆動電極層と応力バランス調整層がベース層に対して対称的な断面構造を有して形成される。
複数層のよるビームの好ましい形態としては、ベース層を中心に一方の面に電極配線層と反射層を有し、他方の面に前記電極配線層及び反射層と同じ材料層からなる応力バランス調整層を有して形成される。
複数層によるビームの好ましい形態としては、ベース層と反射層兼駆動電極層との間に、このベース層及び反射層兼駆動電極層とは逆応力の応力バランス調整層を有して形成される。

本発明に係るレーザディスプレイは、レーザ光源と、このレーザ光源から出射されたレーザ光の光軸上に配置され、レーザ光の光強度を変調する回折型光学ＭＥＭＳ素子とを有するレーザディスプレイである。このレーザディスプレイにおける回折型光学ＭＥＭＳ素子は、共通の下部電極と複数のビームからなり、各ビームが複数層からなり表面を反射面として形成し、ビームを構成する複数層の中にビームのたわみを抑制するための応力バランス調整層を形成した構成とする。

本発明に係るＭＥＭＳ素子によれば、ビームを構成する複数層の中に、ビームのたわみを抑制するための応力バランス調整層を形成するので、ビームのたわみが低減する。すなわち、ビームの機械的な特性を変えずに、ビームのたわみ、反りを無くすことができる。これによりＭＥＭＳ素子を用いた、例えば、高周波フィルタ、高周波スイッチ、微小流体駆動装置、さらには光学ＭＥＭＳ素子などの高信頼性化を図ることができる。
例えば高周波フィルタでは共振周波数が精度良く得られ、微小流体駆動装置では流量、吐出量が精度良く得られる。また光学ＭＥＭＳ素子では光効率を向上する。

複数層によるビームとして、ベース層の一方の面に駆動電極層を有し、他方の面に応力バランス調整層を有して形成することにより、ベース層と駆動電極層間の応力と、ベース層と応力バランス調整層間の応力が釣り合い、ビームのたわみ、反りの発生を抑制することができる。
複数層によるビームとして、駆動電極層と応力バランス調整層がベース層に対して対称的な断面構造を有して形成することにより、ベース層を挟む上下層での応力が釣り合い、ビームのたわみ、反りの発生を抑制することができる。
複数層によるビームとして、ベース層と駆動電極層との間に、このベース層及び駆動電極層とは逆応力の応力バランス調整層を有して形成することにより、中間の応力バランス調整層により、ベース層及び駆動電極層の応力を相殺し、ビームのたわみ、反りの発生を抑制することができる。

本発明に係る光学ＭＥＭＳ素子によれば、複数層からなり表面を反射面としたビームを有し、複数層の中にビームのたわみを抑制するための応力バランス調整層を形成することにより、ビームのたわみが低減する。このため、ビームの反射面で反射した光の光路にずれが発生せず、光効率を向上することができる。例えば、３次元ミラー型光スイッチに適用した場合、ビームのたわみが抑制されることで、挿入損失を低減することができる。例えばファイバーに反射光を入射する際の光入射効率を高めることができる。

本発明に係る回折型光学ＭＥＭＳ素子によれば、表面に反射面を有した各ビームにおいて、ビームを構成する複数層の中にビームのたわみを抑制するための応力バランス調整層を形成することにより、ビームのたわみが低減する。このため、回折効率を向上することができる。

上述の光学ＭＥＭＳ素子、回折型光学ＭＥＭＳ素子において、複数層によるビームとして、ベース層の一方の面に反射層兼駆動電極層を有し、他方の面に応力バランス調整層を有して形成することにより、ベース層と駆動電極層間の応力と、ベース層と応力バランス調整層間の応力が釣り合い、ビームのたわみ、反りの発生を抑制することができる。
複数層によるビームとして、反射層兼駆動電極層と応力バランス調整層がベース層に対して対称的な断面構造を有して形成することにより、ベース層を挟む上下層での応力が釣り合い、ビームのたわみ、反りの発生を抑制することができる。
複数層のよるビームとして、ベース層を中心に一方の面に電極配線層と反射層を有し、他方の面に前記電極配線層及び反射層と同じ材料層からなる応力バランス調整層を有して形成することにより、５層膜構造でも同様に、ベース層挟む上下層の応力が釣り合い、ビームのたわみ、反りの発生を抑制することができる。
複数層によるビームとして、ベース層と反射層兼駆動電極層との間に、このベース層及び反射層兼駆動電極層とは逆応力の応力バランス調整層を有して形成することにより、中間の応力バランス調整層により、ベース層及び駆動電極層の応力を相殺し、ビームのたわみ、反りの発生を抑制することができる。

本発明に係るレーザディスプレイによれば、上記回折型光学ＭＥＭＳ素子を光強度変調素子として用いることにより、回折効率が向上し、高輝度の投影画像が可能になる。

以下、図面を参照して本発明の実施の形態を説明する。

図１に、本発明に係る静電駆動型のＭＥＭＳ素子を代表的な光学ＭＥＭＳ素子に適用した第１実施形態を示す。本例では両持ち梁式構造の光学ＭＥＭＳ素子適用した場合である。なお、本発明で対象とするＭＥＭＳ素子は、マイクロ・ナノスケールの素子である。
本実施の形態に係る光学ＭＥＭＳ素子３１は、基板３２上に基板側電極（いわゆる下部電極）３３を形成し、この基板側電極３３をブリッジ状に跨ぐように、両端を支持部３７〔３７Ａ，３７Ｂ〕で支持したビーム３６を配置して構成される。ビーム３６と基板側電極３３とは、その間の空隙３８によって電気的に絶縁される。

そして、本実施の形態においては、特に、ビーム３７を複数層の薄膜で形成し、その複数層の薄膜の中にビーム３６のたわみを抑制するための応力バランス調整層４１を形成して構成される。すなわち、本実施の形態のビーム３６は、ベース層となる絶縁薄膜３４と、その上面に形成した光の反射膜を兼ねる駆動電極層（上部電極）３５と、絶縁薄膜３４の下面に応力バランス調整層４１を形成して構成される。応力バランス調整層４１は、反射膜兼駆動電極層３５と同じ材料でかつ同じ膜厚など同じ条件で形成される。これにより、断面形状が上下対称である３層膜構造のビーム３６が形成される。すなわち、反射膜兼駆動電極層３５と応力バランス調整層４１は、ベース層である絶縁薄膜３４を中心に上下対称的な断面構造を有して形成される。この絶縁薄膜３４下側の層４１は、ビーム３６を構成する多層膜の内部応力をバランス調整させ、ビーム３６のたわみを抑制するためにのみ形成される。

支持部３７〔３７Ａ，３７Ｂ〕は、ビーム３６と同じ膜構造でかつビーム３６と一体に形成される。
前述したと同様に、基板３２は、例えばシリコン（Ｓｉ）やガリウム砒素（ＧａＡｓ）などの半導体基板上に絶縁膜を形成した基板、石英基板やガラス基板のような絶縁性基板等が用いられる。基板側電極３３は、不純物をドーピングした多結晶シリコン膜、金属膜（多結晶Ｗ，Ｃｒの蒸着膜）等で形成される。ビーム３６を構成する絶縁薄膜３４としては、例えばシリコン窒化膜（ＳｉＮ膜）、シリコン酸化膜（ＳｉＯ2 膜）、本例では強度、弾性定数などの物性値がビーム３６の機械的駆動に対して適切なシリコン窒化膜が用いられる。反射膜兼駆動電極層３５及び応力バランス調整層４１とし 例えばＡｌ単体膜、Ａｌ合金膜（これらを総称してＡｌ膜という）、その他の光反射効率のよい金属膜で形成される。

応力バランス調整層４１及び反射膜兼駆動電極層３５は、共に蒸着法、スパッタ法等により成膜され、例えば基本的に全層全面蒸着、全層全面スパッタで形成することができる。但しこの蒸着、スパッタは、物性値に影響を与えない程度に蒸着条件、スパッタ条件を揃えられるのであれば、この限りではない。下側の応力バランス調整層４１によってビーム３６全体の応力が変化し、機械的特性が劣化する場合には、膜厚による調整を行う。この際、ビーム断面の上下に対する対称性は保持しなくてはならない。すなわち、応力バランス調整層４１と反射膜兼駆動電極層３５の膜厚は同じにする。

応力バランス調整層４１に関しては、内部応力、ヤング率、熱膨張係数が極めて近いものであれば、反射膜兼駆動電極層３５とは別の物質を使用しても構わない。応力バランス調整層４１に関しては、内部応力、ヤング率、熱膨張係数が反射膜兼駆動電極層３５と異なる場合においても、その膜厚を適当な値にすることにより、応力調整層として使用することができる。例えば、応力バランス調整層４１が反射膜兼駆動電極層３５と比べて内部応力及びヤング率が高い場合には、その膜厚を反射膜兼駆動電極層３５より薄くすればよい。

次に、図２〜図３を用いて、図１の本実施の形態に係る光学ＭＥＭＳ素子３１の製造方法の一例を説明する。
先ず、図２Ａに示すように、基板、例えばシリコン基板の上面にＳｉＯ2 、ＳｉＮ等の絶縁膜を形成した基板３２上に、所要の導電膜、本例では多結晶シリコン膜による基板側電極３３を形成し、基板側電極３３を被覆するように絶縁膜４３、例えばシリコン酸化膜（ＳｉＯ2 膜）を形成する。

次に、図２Ｂに示すように、絶縁膜４３上の基板側電極３３に対応した位置に選択的に犠牲層４４、本例では非晶質シリコン膜を堆積する。
次に、図２Ｃに示すように、犠牲層４４の表面を含む絶縁膜４３上に応力バランス調整層４１、本例では後で形成する反射膜兼駆動電極層３５と同じ膜厚のＡｌ膜を蒸着法で形成する。

次に、図３Ｄに示すように、応力バランス調整層４１上にベース層となる絶縁薄膜３４、本例ではシリコン窒化膜を堆積する。
次に、図４Ｅに示すように、絶縁薄膜３４上に反射膜兼駆動電極層３５、本例ではＡｌ膜を蒸着法で形成する。
各膜４１、３４、３５に対するエッチングによるビーム形状にパターニングする。このパターニングは、各膜４１、３４、３５を形成する度に行ってもよく、あるいは３層の膜４１、３４、３５を係止した後に行ってもよく、どの順序で行ってもよい。このパターニングにより、３層膜構造による両支持部３７〔３７Ａ，３７Ｂ〕及びビーム３６を一体に形成する。

次に、図４Ｆに示すように、犠牲層４４を選択的にエッチング除去し、目的の両持ち梁式の光学ＭＥＭＳ素子３１を得る。

本実施の形態に係る光学ＭＥＭＳ素子３１によれば、断面形状が上下対称のビーム３６を実現できるので、内部応力による反射面のたわみ、素子を大幅に低減することができる。すなわち、絶縁薄膜３４及び反射膜兼駆動電極層３５で構成される本来のビームに対して、さらに絶縁薄膜３４の下側に反射膜兼駆動電極層３５と対称的な断面構造を有する応力バランス調整層４１を形成することにより、絶縁薄膜３４と反射膜兼駆動電極層３５間の内部応力と、絶縁薄膜３４と応力バランス調整層４１間の内部応力が釣り合う形になり、ビーム３６のたわみ、反りを大幅に低減することができる。この場合、Ａｌ膜はシリコン窒化膜に対して引っ張り応力が強く、絶縁薄膜３４を挟んで上下に生じるＡｌ膜による引っ張り応力が相殺され、結果として、たわみ、反りが抑制される。
従って、光学ＭＥＭＳ素子３１の動作時の光効率が向上する。例えば、回折型光学ＭＥＭＳ素子に適用した場合には、回折効率が向上する。また、光スイッチに適用した場合には、光反射方向が変位せず、例えば光ファイバーへ反射光を入射させるときの光挿入損失を低減することができる。

ビーム断面が対称的構造となっているので、プロセス条件に対して非常に変動のばらつきが少ない。また、応力バランス調整層４１は、反射膜兼駆動電極層３５と同じプロセスで作成されるので、どんな物質を用いた光学ＭＥＭＳ素子に関しても容易に使用できる。

図４に、本発明に係る静電駆動型のＭＥＭＳ素子を光学ＭＥＭＳ素子に適用した第２実施形態を示す。本例も両持ち梁式構造に適用した場合である。
本実施の形態に係る光学ＭＥＭＳ素子５１は、基板３２上に基板側電極（いわゆる下部電極）３３を形成し、この基板側電極３３をブリッジ状に跨ぐように、両端を支持部３７〔３７Ａ，３７Ｂ〕で支持したビーム５２を配置して構成される。ビーム５２と基板側電極３３とは、その空隙３８によって電気的に絶縁される。

そして、本実施の形態においては、特に、表面が光の反射面（照射面）としたビーム５２を、中間に応力バランス調整層を有した５層膜構造で形成する。すなわち、本実施の形態のビーム５２は、ベース層となる絶縁薄膜５４の上側に駆動電極層（いわゆる上部電極）５５及び光の反射膜５６が積層され、絶縁薄膜５４の下側に駆動電極層５５、反射膜５６と対称的な断面構造を有する２層の膜６７及び６８からなる応力バランス調整層６９が積層されてなる。応力バランス調整層６８となる膜６６は、駆動電極層５５と全く同じ材料、膜厚、条件で形成され、また膜６７は、反射膜５６と全く同じ材料、膜厚、条件で形成される。図示の例ではビーム５２及び支持部３７〔３７Ａ，３７Ｂ〕が絶縁薄膜５４と駆動電極層５５と膜５７の３層で形成され、反射膜５６及び膜５８がビーム部分にのみ形成された構成となっている。絶縁薄膜５４の下側の２層の膜５７、５８は、ビーム５２を構成する多層膜の内部応力をバランス調整させ、ビーム５２のたわみを抑制するためにのみ形成される。

ここで、駆動電極層５５は導電性に優れた金属膜、例えばＡｌ膜で形成し、反射膜５６は反射率の高い金属膜、例えばＡｇ膜等で形成することができる。したがって、応力バランス調整層５９を構成する膜５７は駆動電極層５５と同じ金属膜、例えばＡｌ膜で形成し、膜５８は反射膜５６と同じ金属膜、例えばＡｇ膜で形成することができる。

前述と同様に、応力バランス調整層５２の２層の膜５７、５８及び駆動電極層５５、反射膜５６は、共に蒸着法、スパッタ法等により成膜され、例えば基本的に全層全面蒸着、全層全面スパッタで形成することができる。但しこの蒸着、スパッタは、物性値に影響を与えない程度に蒸着条件、スパッタ条件を揃えられるのであれば、この限りではない。下側の応力バランス調整層５９によってビーム５２全体の応力が変化し、機械的特性が劣化する場合には、膜厚による調整を行う。この際、ビーム断面の上下に対する対称性は保持しなくてはならない。すなわち、膜５７と駆動電極層５５の膜厚を同じにし、膜５８と反射膜５６の膜厚を同じにする。

また、応力バランス調整層５９の２層の膜５７、５８に関しても、前述と同様に、内部応力、ヤング率、熱膨張係数が極めて近いものであれば、それぞれの駆動電極層５５、反射膜５６とは別の物質を使用しても構わない。さらに、応力バランス調整層５９の膜５７、５８に関しては、それぞれ内部応力、ヤング率、熱膨張係数が駆動電極層５５、反射膜５６と異なる場合においても、その膜厚を適当な値にすることにより、応力調整層として使用することができる。例えば、膜５７、５８がそれぞれの駆動電極層５５、反射膜５６と比べて内部応力及びヤング率が高い場合には、膜５７、５８の膜厚をそれぞれの駆動電極層５５、反射膜５６より薄くすればよい。

本実施の形態の光学ＭＥＭＳ素子５１の製造方法は、プロセスの順序に関して第１実施形態と同様である。

本実施の形態においても、最も肝要な部分はビーム断面の上下に対する対称性の保持である。理論的には何層であっても対称構造とすることにより、たわみを無くすことができるが、実際には多くてゲース層となる絶縁薄膜を挟んで上下３層までである。

本実施の形態に係る光学ＭＥＭＳ素子５１によれば、断面形状が上下対称のビーム５２を実現できるので、内部応力による反射面のたわみ、素子を大幅に低減することができる。すなわち、絶縁薄膜５４、駆動電極層５５及び反射膜５６で構成される本来のビームに対して、さらに絶縁薄膜３４の下側に駆動電極層５５、反射膜５６と同じ条件の２層の膜５７、５８による応力バランス調整層５９を形成することにより、絶縁薄膜３４、駆動電極層５５及び反射膜５６の相互間で生じる内部応力と、絶縁薄膜３４及び２層の膜５７、５８による応力バランス調整層５９の相互間で生じる内部応力が釣り合う形になり、ビーム５２のたわみ、反りを大幅に低減することができる。
従って、光学ＭＥＭＳ素子５１の動作時の光効率が向上する。例えば、回折型光学ＭＥＭＳ素子に適用した場合には、回折効率が向上する。また、光スイッチに適用した場合には、光反射方向が変位せず、例えば光ファイバーへ反射光を入射させるときの光挿入損失を低減することができる。

ビーム断面が対称的構造となっているので、プロセス条件に対して非常に変動のばらつきが少ない。また、応力バランス調整層５９は、駆動電極層５５、反射膜５６と同じプロセスで作成されるので、どんな物質を用いた光学ＭＥＭＳ素子に関しても容易に使用できる。

図５に、本発明に係る静電駆動型のＭＥＭＳ素子を光学ＭＥＭＳ素子に適用した第３実施形態を示す。本例も両持ち梁式構造に適用した場合である。
本実施の形態に係る光学ＭＥＭＳ素子６１は、基板３２上の基板側電極（いわゆる下部電極）３３を形成し、この基板側電極３３をブリッジ状に跨ぐように、両端を支持部３７〔３７Ａ，３７Ｂ〕で支持したビーム６２を配置して構成される。ビーム６２と基板側電極３３とは、その空隙３８によって電気的に絶縁される。

そして、本実施の形態においては、特に、表面が光の反射面（照射面）としたビーム６２を、中間に応力バランス調整層を有した３層膜構造で形成する。すなわち、本実施の形態のビーム６２は、ベース層となる絶縁薄膜３４と、反射膜兼駆動電極層３５と、その間に配置した絶縁膜３４と反射膜兼駆動電極層３５とは逆応力の応力バランス調整層６６とから構成される。例えば、絶縁薄膜３４をシリコン窒化膜で形成し、反射膜兼駆動電極層３５をＡｌ膜で形成し、応力バランス調整層６６をシリコン酸化膜で形成することができる。この場合、シリコン窒化膜とＡｌ膜は引っ張り応力を有しており、シリコン酸化膜は圧縮応力を有している。

基板３２、基板側電極３３、絶縁薄膜３４、反射膜兼駆動電極層３５は、前述の第１実施形態と同様に構成することができるので、詳細説明は省略する。

本実施の形態に係る光学ＭＥＭＳ素子６１によれば、絶縁薄膜３４と反射膜兼駆動電極層３５との間に、これら絶縁薄膜３４及び反射膜兼駆動電極層３５の応力とは逆の応力を呈する応力バランス調整層６６を介挿してビーム６２を形成することにより、ビーム６１のたわみ、反りが大幅に低減し、上例と同様に光学ＭＥＭＳ素子６１の動作時の光効率を向上することができる。

図６は、この３層膜構造のビーム６２を有した光学ＭＥＭＳ素子６１のシミュレーション結果を示す。図６Ａは従来例の応力バランス調整層のないビームのたわみ状態を示し、図６Ｂは本実施の形態の応力バランス調整層を有したビームのたわみ状態を示す。図６から明らかなように、本実施の形態のビームのたわみ、反りが大幅に低減していることが認められる。

本発明は、図示せざるも、前述の図１１で示した片持ち梁式構造の光学ＭＥＭＳ素子、あるいは図１３で示した四端固定式の光学ＭＥＭＳ素子にも適用できることは勿論である。これらの場合には、ビーム構造として、図１のビーム３６、図４のビーム５２、図５のビーム６６のいずれかを用いるものである。

次に、図７に本発明に係る静電駆動型のＭＥＭＳ素子を、回折光を利用する回折型光学ＭＥＭＳ素子であるＧＬＶ素子に適用した第４実施形態を示す。このＧＬＶ素子は、光強度変調素子の１つとして適用される。
本実施の形態に係るＧＬＶ素子７１は、基板７２上に共通の基板側電極７３が形成され、この基板側電極７３に交差してブリッジ状に跨ぐ複数、本例では５本のビーム７７〔７７１、７７２、７７３、７７４、７７５〕が並列配置されて成る。このビーム７７のうち、一方の一つ置きのビーム、例えばビーム７７１、７３、７７５が固定ビームとして作用し、他方の一つ置きのビーム７７２、７７４が可動ビームとして作用する。

ビーム７７は、例えば上述した図５で示したと同様に、ビーム面が基板側電極７３と平行するように、応力バランス調整層７８を挟んで下面にブリッジ部材（ベース層）となる絶縁薄膜７４を形成し、上面に反射膜兼駆動電極層７５を形成した3層構造に構成される。絶縁薄膜７４としては、例えば減圧ＣＶＤ法で成膜したシリコン窒化膜を用い、反射膜兼駆動電極層７５としては、例えばスパッタ法で成膜した所要の膜厚の金属膜、例えば数１０ｎｍ程度のＡｌ膜を用いることができる。応力バランス調整層７８は、例えばシリコン酸化膜で形成される。このビーム７７はリボンと称せられている部分である。

このＧＬＶ素子７１では、基板側電極７３と反射膜兼駆動電極層７５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一つ置きの可動ビーム７７２、７７４が基板側電極７３に向って近接し、また電圧の印加を停止すると離間して元の状態に戻る。この可動ビーム５７７２、７７４の基板側電極７３に対する近接・離間の動作により、反射膜兼駆動電極層７５の高さを交互に変化させ、光の回折によって反射膜兼駆動電極層７５で反射する光の強度（回折強度）を変調する。

本実施の形態のＧＬＶ素子７１では、ビーム構造をビームに傾斜を持たせた所謂ブレーズド型のＧＬＶ素子に適用することができる。この場合、信頼性の高いブレーズド型のＧＬＶ素子を提供することができる。

本実施の形態のＧＬＶ素子７１によれば、ビーム７７をベース層７４と反射膜兼駆動電極層７５との間に適当な応力バランス調整層７８が形成された構成とすることにより、ビーム７７のたわみ、反りを低減し、回折効率を改善することができる。図９に本実施の形態のブレーズド型ＧＬＶ素子におけるビームのたわみ低減の効果を従来例と比較してシミュレーションにより検証した結果を示す。図９Ａは従来例の応力バランス調整層のないビームのたわみ状態を示し、図９Ｂは本実施の形態の応力バランス調整層を有するビームのたわみ状態を示す。なお、図８に比較のための従来例のＧＬＶ素子を示す。このＧＬＶ素子１１０は、ビーム１１１〔１１１1 〜１１１5 〕において、絶縁薄膜７４の上面にＡｌ膜の反射膜兼駆動電極層７５を有し、絶縁薄膜７４と反射膜兼駆動電極層７５との間に応力バランス調整層７８がない以外は図７と同様の構成である。図８の従来例においておおよそ４５ｎｍ程度あったビームのたわみ量ｄ(図９Ａ参照)が、図７の本実施の形態ではほぼ完全に解消されている（図９Ｂ参照）。

図１０は、本発明の光学ＭＥＭＳ素子適用した光強度変調素子としてのＧＬＶ素子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、またコンピュータ画像投影装置として用いられる。

レーザディスプレイ８１は、図１０に示すように、赤（Ｒ）、緑（Ｇ）、青（Ｂ）の各色のレーザ光源８２Ｒ，８２Ｇ，８２Ｂ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８４Ｒ，８４Ｇ，８４Ｂ、各色照明光学系（レンズ群）８６Ｒ，８６Ｇ，８６Ｂ、及び光変調素子として機能するＧＬＶ素子、すなわち図７のビーム構造を有する本発明のＧＬＶ素子８８Ｒ，８８Ｇ，８８Ｂとを備えている。
レーザ光源８２Ｒ，８２Ｇ，８２Ｂは、それぞれ例えば、Ｒ（波長６４２ｎｍ、光出力約３Ｗ）、Ｇ（波長５３２ｎｍ、光出力２Ｗ）Ｂ（波長４５７ｎｍ、光出力１．５Ｗ）のレーザを出射する。

更に、レーザディスプレイ８１は、ＧＬＶ素子８８Ｒ，８８Ｇ，８８Ｂ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９０、空間フィルタ９２、ディフューザ９４、ミラー９６、ガルバノスキャナ９８、投影光学系（レンズ群）１００、及びスクリーン１０２を備えている。色合成フィルタ９０は、例えばダイクロイックミラーで構成される。

本実施の形態のレーザディスプレイ８１では、レーザ光源８２Ｒ，８２Ｇ，８２Ｂから出射されたＲＧＢ各レーザ光が、それぞれミラー８４Ｒ，７４Ｇ，７４Ｂを経て各色照明光学系８６Ｒ，８６Ｇ，８６Ｂから各ＧＬＶ素子８８Ｒ，８８Ｇ，８８Ｂ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素子８８Ｒ，８８Ｇ，８８Ｂ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９０により合成され、続いて空間フィルタ９２によって信号成分のみが取り出される。
次で、このＲＧＢの画像信号は、ディフューザ９４によってレーザスペックルが低減され、ミラー９６を経て、画像信号と同期するガルバノスキャナ９８により空間に展開され、投影光学系１００によってスクリーン１０２上にフルカラー画像として投影される。
本実施の形態のレーザディスプレイ８１によれば、８８Ｒ，８８Ｇ，８８Ｂを用いることにより、ＧＬＶ素子８８Ｒ，８８Ｇ，８８Ｂのビームのたわみ、反りを減少させることができ、回折効率を向上させることができる。

上例においては、本発明のビーム構造を光学ＭＥＭＳ素子に適用したが、その他、 静電駆動方式のＭＥＭＳ素子の全般に適用することができる。すなわち、本発明は、静電駆動方式のＭＥＭＳ素子を用いた例えば高周波フィルタ、高周波スイッチ、また加速度センサ、圧力センサ、温度センサなどの振動子、あるいはインクジェットプリンタヘッド、マイクロモータ、スピーカなどの微小流体駆動装置に適用することができる。例えば高周波フィルタに適用した場合には、ビームのたわみ、反りが低減するので、共振周波数が精度良く得られる。微小流体駆動装置に適用した場合には、その流量、吐出量、音声振動などが精度良く得られる。

本発明に係るＭＥＭＳ素子を光学ＭＥＭＳ素子に適用した第１実施形態を示す構成図である。 Ａ〜Ｃは、本発明の第１実施形態に係る光学ＭＥＭＳ素子の製造方法の一実施の形態を示す製造工程図（その１である）。 Ｄ〜Ｆは、本発明の第１実施形態に係る光学ＭＥＭＳ素子の製造方法の一実施の形態を示す製造工程図（その２である）。 本発明に係るＭＥＭＳ素子を光学ＭＥＭＳ素子に適用した第２実施形態を示す構成図である。 本発明に係るＭＥＭＳ素子を光学ＭＥＭＳ素子に適用した第３実施形態を示す構成図である。 Ａは、従来例に係る光学ＭＥＭＳ素子でのシミュレーションにより検証したビームのたわみ状態を示すグラフである。Ｂは、図５の第３実施形態に係る光学ＭＥＭＳ素子でのシミュレーションにより検証したビームのたわみ状態を示すグラフである。 本発明に係るＭＥＭＳ素子を回折型光学ＭＥＭＳ素子としてのＧＬＶ素子に適用した第４実施形態を示す構成図である。 比較のための従来のＧＬＶ素子の構成図である。 Ａは、従来例に係るＧＬＶ素子でのシミュレーションにより検証したビームのたわみ状態を示すグラフである。Ｂは、図７の第４実施形態に係るＧＬＶ素子でのシミュレーションにより検証したビームのたわみ状態を示すグラフである。 本発明に係るＧＬＶ素子を光強度変調素子として用いたレーザディスプレイの構成図である。 Ａは、従来の片持ち梁式の光学ＭＥＭＳ素子の例を示す斜視図である。Ｂは、その断面図である。 Ａは、従来の両持ち梁式の光学ＭＥＭＳ素子の例を示す斜視図である。Ｂは、その断面図である。 Ａは、従来の四端固定式の光学ＭＥＭＳ素子の例を示す斜視図である。Ｂは、その断面図である。 Ａは、従来のブレーズドＧＬＶのビーム構造を示す、一つのビームについての断面図である。Ｂは、その斜視図である。

符号の説明

３１、５１、・・光学ＭＥＭＳ素子、３２・・基板、３３・・基板側電極、３４、５４・・絶縁薄膜、３５・・反射膜兼駆動電極層、３６・・ビーム、３７〔３７Ａ，３７Ｂ〕・・支持部、３８・・空隙、４１、５９・・応力バランス調整層、５５・・駆動電極層、５６・・反射膜、５７、５８・・膜、７１・・ＧＬＶ素子、７２・・基板、７３・・基板側電極、７４・・絶縁薄膜、７５・・駆動電極層、７７〔７７１〜７７５〕・・ビーム、７８・・応力バランス調整層、８１・・レーザディスプレイ、８２Ｒ，８２Ｇ，８２Ｂ・・レーザ光源、８４Ｒ，８４Ｇ，８４Ｂ・・ミラー、８６Ｒ，８６Ｇ，８６Ｂ・・各色照明光学系、８８Ｒ，８８Ｇ，８８Ｂ・・ＧＬＶ素子、９０・・色合成フィルタ、９２・・空間フィルタ、９４・・ディフューザ、９４・・ミラー、１００・・投影光学系、１０２・・スクリーン

Claims (15)

1. 複数層によるビームを有し、前記複数層の中に前記ビームのたわみを抑制するための応力バランス調整層が形成されている
   ことを特徴とするＭＥＭＳ素子。
2. 前記ビームが、ベース層の一方の面に駆動電極層を有し、他方の面に応力バランス調整層を有して形成されている
   ことを特徴とする請求項１記載のＭＥＭＳ素子。
3. 前記駆動電極層と前記応力バランス調整層が、前記ベース層に対して対称的な断面構造を有して形成されている
   ことを特徴とする請求項２記載のＭＥＭＳ素子。
4. 前記ビームが、ベース層と駆動電極層との間に、該ベース層及び駆動電極層とは逆応力の応力バランス調整層を有して形成されている
   ことを特徴とする請求項１記載のＭＥＭＳ素子。
5. 複数層からなり表面を反射面としたビームを有し、前記複数層の中に前記ビームのたわみを抑制するための応力バランス調整層が形成されている
   ことを特徴とする光学ＭＥＭＳ素子。
6. 前記ビームが、ベース層の一方の面に反射層兼駆動電極層を有し、他方の面に応力バランス調整層を有して形成されている
   ことを特徴とする請求項５記載のＭＥＭＳ素子。
7. 前記反射層兼駆動電極層と前記応力バランス調整層が、前記ベース層に対して対称的な断面構造を有して形成されている
   ことを特徴とする請求項６記載のＭＥＭＳ素子。
8. 前記ビームが、ベース層を中心に一方の面に電極配線層と反射層を有し、他方の面に前記電極配線層及び反射層と同じ材料層からなる応力バランス調整層を有して形成されている
   ことを特徴とする請求項５記載の光学ＭＥＭＳ素子。
9. 前記ビームが、ベース層と反射層兼駆動電極層との間に、該ベース層及び反射層兼駆動電極層とは逆応力の応力バランス調整層を有して形成されている
   ことを特徴とする請求項５記載の光学ＭＥＭＳ素子。
10. 共通の下部電極に対して複数のビームが配列され、
    前記各ビームが複数層からなり表面を反射面として形成され、
    前記ビームを構成する複数層の中にビームのたわみを抑制するための応力バランス調整層が形成されている
    ことを特徴とする回折型光学ＭＥＭＳ素子。
11. 前記各ビームが、ベース層の一方の面に反射層兼駆動電極層を有し、他方の面に応力バランス調整層を有して形成されている
    ことを特徴とする請求項１０記載の回折型光学ＭＥＭＳ素子。
12. 前記反射層兼駆動電極層と前記応力バランス調整層が、前記ベース層に対して対称的な断面構造を有して形成されている
    ことを特徴とする請求項１１記載の回折型光学ＭＥＭＳ素子。
13. 前記各ビームが、ベース層を中心に一方の面に電極配線層と反射層を有し、他方の面に前記電極配線層及び反射層と同じ材料層からなる応力バランス調整層を有して形成されている
    ことを特徴とする請求項１０記載の回折型光学ＭＥＭＳ素子。
14. 前記各ビームが、ベース層と反射層兼駆動電極層との間に、該ベース層及び反射層兼駆動電極層とは逆応力の応力バランス調整層を有して形成されている
    ことを特徴とする請求項１０記載の回折型光学ＭＥＭＳ素子。
15. レーザ光源と、該レーザ光源から出射されたレーザ光の光軸上に配置され、レーザ光の光強度を変調する回折型光学ＭＥＭＳ素子とを有するレーザディスプレイであって、
    前記回折型光学ＭＥＭＳ素子は、
    共通の下部電極と複数のビームからなり、
    前記各ビームが複数層からなり表面を反射面として形成され、
    前記ビームを構成する複数層の中にビームのたわみを抑制するための応力バランス調整層が形成されて成る
    ことを特徴とするレーザディスプレイ。

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