JP2007052256A - 回転変位型光変調素子及びこれを用いた光学装置 - Google Patents

Abstract

【課題】回転変位型光変調素子のマイクロミラーを小さな力で駆動できるようにし、高速応答可能とする。
【解決手段】基板３０上に形成されたマイクロミラー３７と、ミラー３７を傾動自在に基板３０に支持するヒンジ部材とをマイクロエレクトロメカニカル技術を用いて形成した回転変位型光変調素子において、ミラー３７を回転軸周りに傾動させたときミラー３７の裏側の周端を基板３０に非接触に保ったまま該裏側の内面に当接してミラー３７の傾動を停止させミラー３７を傾斜状態に保持する突部３８ａ，３８ｂを、前記基板に対し高さ方向に隆起させて形成する。ミラー３７と突部３８ａとの間に意図しない吸着力Ｆｓが発生していても、回転軸からＦｓ発生箇所までの距離が短いため、小さな力でＦｓに抗してミラー３７を駆動でき、高速応答が可能となる。
【選択図】 図８

Description

本発明は、フォトリソグラフィ工程に使用されるオンディマンドのデジタル露光装置、デジタル露光による印刷装置等の画像形成装置、プロジェクタ等の投影表示装置、ヘッドマウントディスプレイ等のマイクロディスプレイ装置等の光学装置に搭載される光変調素子に係り、特に、ＭＥＭＳ（Ｍｉｃｒｏ Ｅｌｅｃｔｒｏ Ｍｅｃｈａｎｉｃａｌ Ｓｙｓｔｅｍｓ）技術により１次元または２次元に配列形成される回転変位型光変調素子に関する。

フォトリソグラフィ工程に使用されるオンディマンドのデジタル露光装置、デジタル露光による印刷装置等の画像形成装置、プロジェクタ等の投影表示装置、ヘッドマウントディスプレイ等のマイクロディスプレイ装置等の光学装置に搭載される光変調素子として、液晶素子、電気光学結晶や磁気光学結晶を用いた素子、ＭＥＭＳ技術による微小電気機械素子が知られている。

これらの中では、特に、ＭＥＭＳ技術により微小電気機械素子として製造されるＤＭＤ（デジタルマイクロミラーデバイス）素子等の光変調素子が、高速性、アレイ化による高集積性、紫外域（ＵＶ）から赤外域（ＩＲ）までの波長選択の自由度などから優れており、各種の光変調素子が開発されている。

図２５は、特許文献１に記載されている光変調素子の分解斜視図である。基板１上には、矩形の画素毎に、駆動電極膜２ａ，２ｂと共通電極膜３ａ，３ｂとが夫々対角位置に形成され、共通電極膜３ａ，３ｂ間にヒンジ軸４が掛け渡されている。ヒンジ軸４の両脇には可動電極膜５ａ，５ｂがヒンジ軸４と一体に突設形成され、ヒンジ軸４の中央部には支柱６が立設され、この支柱６に反射鏡（マイクロミラー）の役割をする反射膜７が取り付けられている。

斯かる光変調素子では、共通電極膜３ａ，３ｂへの印加電圧すなわち可動電極膜５ａ，５ｂへの印加電圧と、駆動電極膜２ａ，２ｂへの各印加電圧とを制御することで、可動電極膜５ａ，５ｂと駆動電極膜２ａ，２ｂとの間に静電気力が発生し、この静電気力でヒンジ軸４が捻れ、反射膜７が矢印Ａに示す様に回転する。この反射膜７へ光を照射すると、その反射光の方向を反射膜７の回転で切り替えることができ、反射方向の光のオンオフが制御できる。

図２６は、特許文献２に記載されている光変調素子の矩形の画素１画素分の分解斜視図である。基板１１上には、駆動電極膜１２ａ，１２ｂと共通電極膜１３ａ，１３ｂとが夫々対角位置に設けられている。各共通電極膜１３ａ，１３ｂには夫々支柱１４ａ，１４ｂが立設され、支柱１４ａ，１４ｂには、夫々、三角形のヒンジ軸支持片１５ａ，１５ｂが取り付けられている。両ヒンジ軸支持片１５ａ，１５ｂ間にはヒンジ軸１６が掛け渡されており、このヒンジ軸１６の両脇には一体に可動電極膜１７が形成されている。反射膜１８の中央部には下方向に突出する突部（図示せず）が設けられており、この突部を可動電極膜１７の中央部に取り付けることで、反射膜１８が可動電極膜１７と一体に回転する様になっている。各ヒンジ軸支持片１５ａ，１５ｂには、夫々、三角形の各辺に沿う突起部１５ｃ，１５ｄが延設されている。

この光変調素子でも、駆動電極膜１２ａ，１２ｂへの各印加電圧と、共通電極膜１３ａ，１３ｂへの印加電圧すなわち可動電極膜１７への印加電圧とを制御することで、反射膜１８の回転すなわち傾動が制御され、反射光の反射方向のオンオフが制御される。

特開平８―３３４７０９号公報 特開２０００―２８９３７号公報

従来の光変調素子の問題を、図２７，図２８を参照して説明する。図２７（ａ）に示す様に、従来の光変調素子の反射膜２０には、電圧Ｖｃが印加される可動電極膜２１が一体に設けられており、その下側の基板には、駆動電圧Ｖｄ１が印加される第１の駆動電極膜２２ａと、駆動電圧Ｖｄ２が印加される第２の駆動電極膜２２ｂが設けられている。

反射膜２０が傾動したとき、基板側に当接して停止するため、可動電極膜２１の先端部にはストッパチップ２３ａ，２３ｂが取り付けられており、このストッパチップ２３ａ，２３ｂが基板側の接触部２４ａ，２４ｂに当接する様にしている。

今、図２７（ｂ）に示す様に、反射膜２０が左傾してストッパチップ２３ａが接触部２４ａに当接したとする。このとき、接触部には、共通電極膜と駆動電極膜との間に印加される電圧に起因する静電気力以外に、意図しない吸着力Ｆｓが存在する。この吸着力Ｆｓは、例えば、ファンデルワールス力や、水分吸着による毛管凝縮効果、不純物堆積、表面改質による粘着（機械的摩耗，光化学反応）などに起因すると考えられており、経時に伴い増大することもある。この吸着現象は、反射膜２０の左右への回転傾動時に不安定な動作を引き起こし、時には永久的な画素欠陥の原因になる。

このため、従来は、図２７（ｂ）の左傾状態から図２７（ａ）の初期状態にリリースするとき、図２８（ａ）に示す様に、各電極膜への印加電圧を増大してストッパチップ２３ａが接触部２４ａを更に押し込む力を発生させ、その後に、図２８（ｂ）に示す様に、ストッパチップのバネ力（反発力）を利用してリリースする様にしている。

しかし、接触部２４ａ，２４ｂはヒンジ軸から遠い位置にあり、吸着力Ｆｓが同じ場合にはリリースするトルクが大きくなる。このため、リリース駆動のためのストッパチップのバネ弾性と押込み力を大きくし、反発力を強める必要がある。

また、反射膜においても接触時の撓みが大きくなるため、ストッパチップや反射膜の堅牢性を向上させる必要を生じ、厚膜化など材料や構造設計に負担が生じてしまうという問題がある。また、リリース駆動時の駆動電圧を増大させる必要が生じ、システムの信頼性や低コスト化に課題が生じる。

また、従来の光変調素子は、次の様な問題もある。今、図２７（ａ）に示す様に、ヒンジ軸から可動電極膜２１の端部までの距離を「ａ」、ストッパチップ２３ａ，２３ａの夫々の長さを「ｂ」、可動電極膜２１が水平の時の基板からの距離（ギャップ長）を「ｄ」とすると、反射膜２０の最大回転角θｒは、
ｄ＝（ａ＋ｂ）・ｓｉｎθｒ
となる。

ここで、ストッパチップ２３ａ，２３ｂが無い場合に同じ回転角θｒを得るためのギャップ長を「ｄ’」とすると、
ｄ’＝ａ・ｓｉｎθｒ
∴ ｄ＝（１＋ｂ／ａ）・ｄ’
となる。即ち、同じ最大回転角θｒを得る場合に、ストッパチップが存在する場合のギャップｄはストッパチップが無い場合のギャップｄ’より長くなる。

反射膜２０を回転変位させるための静電気力は、可動電極膜２１と駆動電極膜２２ａ，２２ｂとに印加された電圧により発生し、ギャップの２乗に反比例するため、可動電極膜２１の面積や、駆動電極膜２２ａ，２２ｂの面積、および、印加電圧が同じ条件であれば、静電気力はギャップの長い方、即ちストッパチップを有する方が小さくなる。

従って、ストッパチップを設けなければならない構造は、同じ回転変位を得るために駆動電圧を高く必要が生じ、駆動回路が大きくなり、低集積性，高コストになってしまい、また、駆動回路の最高動作速度が低くなり、発生ノイズが大きくなるという問題がある。駆動電圧を低くするためには、ヒンジ軸の捩れ弾性を低くする必要があるが、この場合は、回転変位素子の固有振動数が低くなり、素子の応答性が低くなり、振動も大きくなってしまうという問題が生じる。

図２６に示す従来の光変調素子の場合には、反射膜１８が回転傾動したとき、反射膜１８の裏面の符号１８ａで示す位置が、ヒンジ軸支持片１５ａ，１５ｂの突起部１５ｃ，１５ｄに接触することで、反射膜１８の回転を停止させる構造になっている。この場合にも、突起部１５ｃ，１５ｄと反射膜１８との間に意図しない吸着力Ｆｓが存在するため、上記と同様の問題が生じる。

また、可動電極膜１７と突起部１５ｃ，１５ｄの高さが同じであるため、ヒンジ軸１６から可動電極膜１７の端部までの距離と、ヒンジ軸１６から駆動電極膜１２ａ，１２ｂの端部までの距離を、ヒンジ軸１６から突起部１５ｃ，１５ｄの接触部までの距離よりも短くする必要がある。このため、画素領域に制限ある場合、静電気力に寄与する可動電極膜と駆動電極膜の各面積が小さくなり、同じ駆動電圧における回転トルクが減少してしまうという問題がある。特に、図２６に示す光変調素子の場合には、ヒンジ軸１６から可動電極膜１７の端部までの距離と、ヒンジ軸１６から駆動電極膜１２ａ，１２ｂの端部までの距離が短いため、回転トルクはさらに減少する。

本発明の目的は、意図しない吸着力Ｆｓの悪影響がなく、小さな駆動電圧で駆動でき、高速応答が可能な回転変位型光変調素子とこの回転変位型光変調素子を用いた光学装置を提供することにある。

本発明の回転変位型光変調素子は、基板上に形成されたマイクロミラーと、該マイクロミラーを傾動自在に前記基板に支持するヒンジ部材とをマイクロエレクトロメカニカル技術を用いて形成した回転変位型光変調素子において、前記マイクロミラーを回転軸周りに傾動させたとき該マイクロミラーの裏側の周端を前記基板に非接触に保ったまま該裏側の内面に当接して該マイクロミラーの傾動を停止させ該マイクロミラーを傾斜状態に保持する突部を、前記基板に対し高さ方向に隆起させて形成したことを特徴とする。

本発明の回転変位型光変調素子は、前記突部のうち前記マイクロミラーの前記内面に当接する位置の前記高さ方向の位置が、該マイクロミラーの回転軸の位置より高いことを特徴とする。

本発明の回転変位型光変調素子は、基板上に形成されたマイクロミラーと、該マイクロミラーを傾動自在に前記基板に支持するヒンジ部材とをマイクロエレクトロメカニカル技術を用いて形成した回転変位型光変調素子において、前記マイクロミラーを回転軸周りに傾動させたとき該マイクロミラーの裏側の周端を前記基板に非接触に保ったまま該裏側の内面に当接して該マイクロミラーの傾動を停止させ該マイクロミラーを傾斜状態に保持する突部を形成すると共に、該突部のうち前記マイクロミラーの前記内面に当接する位置の前記基板の高さ方向の位置を該マイクロミラーの回転軸位置より高くしたことを特徴とする。

本発明の回転変位型光変調素子は、前記突部のうち前記当接する位置の前記回転軸からの距離が、前記マイクロミラーの裏側の最外周端と前記回転軸との間の距離の１／３以下であることを特徴とする。

本発明の回転変位型光変調素子は、前記マイクロミラーの背面側に可動電極膜を一体に形成した場合には前記突部は前記マイクロミラーの裏側または前記可動電極膜の裏側の内面に当接して該マイクロミラー及び該可動電極膜の周端を前記基板に対して非接触状態で停止させる構成としたことを特徴とする。

本発明の光学装置は、上記のいずれかに記載の回転変位型光変調素子をアレイ状に配列形成したアレイ素子を搭載したことを特徴とする。

本発明によれば、マイクロミラーを傾動させた後にリリースして初期状態に戻すとき、突部（ストッパ）とマイクロミラーまたは可動電極膜との間に意図しない吸着力Ｆｓが発生していても、ヒンジ軸（回転軸）からＦｓ発生箇所（ストッパの接触位置）までの距離が短いため、小さな力でリリースすることができ、このため、高速応答が可能となる。

以下、本発明の一実施形態について、図面を参照して説明する。

（第１の実施形態）
図１（ａ）は、本発明の第１の実施形態に係る回転変位型光変調素子の１画素分の基板平面模式図である。矩形の画素が形成される基板３０の上には、第１駆動電極膜３１ａと第２駆動電極膜３１ｂとが対角位置に形成され、他の対角位置には、一対の共通電極膜３２ａ，３２ｂが形成されており、両共通電極膜３２ａ，３２ｂは、矩形画素の対角線方向に形成された共通配線膜３２ｃで接続される。

図１（ｂ）は、図１（ａ）に示す基板の上面側に可動電極膜，反射膜（反射鏡：マイクロミラー）を形成した回転変位型光変調素子の１画素分の反射膜の一部を切り欠いた平面模式図である。共通電極膜３２ａ，３２ｂには夫々ヒンジ支持部３３ａ，３３ｂが立設される。第１，第２駆動電極膜３１ａ，３１ｂをほぼ覆う面積の可動電極膜３４には、ヒンジ支持部３３ａ，３３ｂ方向に突出するヒンジ部３５ａ，３５ｂが突設され、このヒンジ部３５ａ，３５ｂがヒンジ支持部３３ａ，３３ｂに捩れ可能に支持される。ヒンジ軸は、本実施形態では、両共通電極膜３２ａ，３２ｃ間を接続する共通配線膜３２ｃの方向と平行になる。そして、可動電極膜３４の中央に反射膜支持部３６が形成され、この反射膜支持部３６に反射膜（反射鏡）３７が取り付けられる。

図２（ａ）は、図１（ｂ）のＡ―Ａ線断面模式図であり、図２（ｂ）は、図１（ｂ）のＢ―Ｂ線断面模式図であり、図２（ｃ）は、図１（ｂ）のＡ’―Ａ’線断面模式図であり、図２（ｄ）は、図１（ｂ）のＢ’―Ｂ’線断面模式図である。

本実施形態の回転変位型光変調素子では、基板３０の表面上に、高さのある４つの突部（以下、ストッパという。）３８ａ，３８ｂ，３８ｃ，３８ｄを設けている。共通電極膜３２ａに隣接して設けられるストッパ部材３８ａ，３８ｂは、共通電極膜３２ａ，３２ｂ間の対向面側かつ共通配線膜３２ｃから若干離間した位置にヒンジ軸と並行に設けられている。共通電極膜３２ｂに隣接して設けられるストッパ部材３８ｃ，３８ｄは、共通電極膜３２ａ，３２ｂ間の対向面側かつ共通配線膜３２ｃから若干離間した位置にヒンジ軸と並行に設けられている。

図３は、本実施形態に係る回転変位型光変調素子の動作説明図であり、図３（ａ）は初期状態を示す図、図３（ｂ）は左傾時の状態を示す図である。初期状態で中立位置すなわち水平位置にある可動電極膜３４及び反射膜３７は、共通電極膜３２ａ，３２ｂと第１，第２駆動電極膜３１ａ，３１ｂとに電圧が印加されたとき発生する静電気力によって傾動し、可動電極膜３４の裏側の内面がストッパ３８ａ（右傾時は３８ｃ）に当接した位置で停止する。このとき、可動電極膜３４の先端が基板３０に接触しない様に、ストッパ３８ａ，３８ｃの高さが形成されている。

この様に、本実施形態では、基板３０に固定支持されたストッパ３８ａ，３８ｂ，３８ｃ，３８ｄを、駆動電極膜３１ａ，３１ｂの端部よりヒンジ軸側（内面側）に配置することを特徴としている。

本実施形態では、反射膜３７、可動電極３４、ヒンジ部３５ａ，３５ｂ、ヒンジ支持部３３ａ，３３ｂ、ストッパ３８ａ，３８ｂ，３８ｃ，３８ｄはアルミ合金等の金属で構成され、共通電極膜３２ａ，３２ｂに接続される。従って、各々は電気的に同電位である。また、可動電極膜３４の下方にはギャップ（空隙）を介して第１，第２の駆動電極膜３１ａ，３１ｂがヒンジ軸を挟んで対称に基板に固定配置されており、共通電極膜３２ａ，３２ｂと駆動電極膜３１ａ，３１ｂ間の印加電圧Ｖ（１）、Ｖ（２）に応じて可動電極膜３４が回転変位する。

可動電極膜３４の最大回転角θｒは、可動電極膜３４の裏面とストッパ上端部とが当接した時であり、構造体の形状により幾何学的に決定される。このとき、上述した様に、可動電極膜３４の端部と駆動電極膜３１ａ，３１ｂとの間は、非接触に保たれる。

今、図３（ａ）に示す様に、ヒンジ軸から可動電極膜３４の端部までの距離を「ａ」、ヒンジ軸からストッパ接触部までの距離を「ｓ」、基板３０からストッパ頂部までの高さを「ｈ」、可動電極膜３４が水平時の可動電極膜下のギャップ長（可動電極膜から基板上に設けられた駆動電極膜表面までの距離）を「ｄ」とすると、
ｄ−ｈ＝ｓ・ｔａｎθｒ
となる。

また、最大回転変位θｒ時に可動電極膜３４と駆動電極３１ａ，３１ｂを非接触にするために、ギャップ長ｄは、ｄ＞ａ・ｓｉｎθｒとなるが、寸前まで変位させることができれば、ｄ≒ａ・ｓｉｎθｒとなり、静電気力は効率的に発生する。

このため、小さな駆動電圧で駆動可能となり、駆動回路の回路規模は小さくて済む。また、ヒンジ軸の近くでストッパ３８ａ，３８ｂ，３８ｃ，３８ｄが可動電極膜３４に接触するため、意図しない吸着力Ｆｓに抗してリリースする場合に小さな力でリリースすることが可能となり、高速応答が可能となる。

例えば、ヒンジ軸からストッパ３８ａ〜３８ｄまでの距離をｘとしたとき、ストッパと可動電極膜３４との間に発生する意図しない吸着力Ｆｓに抗してリリースする場合、リリースに必要となる力Ｆは、Ｆ∝ｘ・Ｆｓとなり、距離ｘが小さいほど小さな力Ｆでリリースすることが可能となる。このため、本実施形態では、「ｘ」を、ヒンジ軸から可動電極膜３４の最外周端まで距離の１／３以下としている。

図４，図５は、本実施形態における回転変位型光変調素子の製造工程を示す図であり、図４（ａ）〜（ｈ）は図１（ｂ）のＢ―Ｂ断面における製造工程図、図５（ａ）〜（ｈ）は、図１（ｂ）のＢ’―Ｂ’断面における製造工程図である。

先ず、両図（ａ）に示す様に、基板３０の上に第１導電膜４１を製膜する。第１導電膜４１は、アルミニウムＡｌ、好ましくは高融点金属を含有したＡｌ合金をスパッタで成膜する。第１導電膜４１は、後述の工程で加工され、第１駆動電極膜３１ａ，第２駆動電極膜３１ｂ，共通電極膜３２ａ，３２ｂ，３２ｃ、ストッパ３８ａ，３８ｂ，３８ｃ，３８ｄとなる。従って、第１導電膜４１の膜厚は、これらの中で最も高いストッパ３８ａ〜３８ｄの高さとなるように製膜される。

尚、第１導電膜４１を製膜する前に、Ｓｉ基板等の基板３０上にＣＭＯＳ駆動回路（図示せず）を形成し、その上にＳｉＯ_２絶縁膜（図示せず）を形成してその表面をＣＭＰ等で平坦化し、その後に駆動回路の出力を素子の各電極と接続するためのコンタクトホール（図示せず）を形成しておく。

次に、両図（ｂ）に示す様に、第１導電膜４１の表面にポジ型レジスト膜４２を塗布し、グレースケールフォトマスクによるフォトリソグラフィにより所望形状（図示の例では、第１駆動電極、第２駆動電極、共通電極、及びストッパ）の構造体と同様の形状にレジスト構造体を形成する。

次に、両図（ｃ）に示す様に、塩素系ガスによるＲＩＥドライエッチングにより、第１導電膜４１を所望の形状、図示の例では、第１駆動電極膜３１ａ、第２駆動電極膜３１ｂ、共通電極３２ａ，３２ｂ，３２ｃ、ストッパ３８ａ〜３８ｄに形成する。即ち、両図（ｂ）に示すレジスト構造体４２を、第１導電膜４１の構造に転写する。

ここで、ストッパ３８ａ〜３８ｄの高さは、第１駆動電極膜３１ａ、第２駆動電極膜３１ｂ、共通電極３２ａ，３２ｂ，３２ｃより高く形成される。また、第１駆動電極膜３１ａ、第２駆動電極膜３１ｂは、基板３０に形成されている各々のコンタクトホール（図示せず）を介して駆動回路（図示せず）の出力に接続され、それぞれ電位が供給される。

次に、両図（ｄ）に示す様に、第１犠牲層としてポジ型のレジスト４３を塗布し、ヒンジ支持部となる箇所に第１コンタクトホール４４を形成し、ハードベークする。ハードベークは、ディープ（Ｄｅｅｐ）ＵＶを照射しながら２００℃を超える温度で行う。これにより、後工程の高温プロセスにおいてもその形状を維持し、レジスト剥離溶剤に不溶となる。また、ベーク時のリフロー効果により、下地膜の段差に依らずレジスト表面は概ね平坦となるが、更なる平坦化には第１コンタクトホール４４の形成前にエッチバックや研磨法を用いる。

この第１犠牲層４３は、後述の工程で除去される。従って、ハードベーク後のレジスト４３の膜厚は将来の下部電極（駆動電極膜３１ａ，３１ｂ等）とヒンジ部（及び可動電極膜３４）の空隙を決定する。なお、犠牲層としてレジスト４３の代わりに感光性ポリイミドも使用可能である。

次に、両図（ｅ）に示す様に、第２導電膜４５として第２のアルミ薄膜（好ましくは高融点金属を含有したアルミ合金）をスパッタにより成膜する。第２導電膜４５はフォトリソグラフィとエッチングにより、ヒンジ部３５ａ，３５ｂ、ヒンジ支持部３３ａ，３３ｂ、可動電極膜３４となる所望の形状にパターニングされる。アルミのエッチングは、アルミエッチャント（リン酸、硝酸、酢酸の混合水溶液）によるウェットエッチング、または塩素系ガスによるＲＩＥドライエッチングによってなされる。

次に、両図（ｆ）に示すように、第２犠牲層としてポジ型のレジスト４６を塗布し、反射膜支持部３６となる箇所に第２コンタクトホール４７を形成し、ハードベークする。ハードベークはディープ（Ｄｅｅｐ）ＵＶを照射しながら２００℃を超える温度で行う。これにより、後工程の高温プロセスにおいてもその形状を維持し、レジスト剥離溶剤に不溶となる。また、ベーク時のリフロー効果により、下地膜の段差に依らずレジスト表面は概ね平坦となるが、更なる平坦化には第２コンタクトホール４７の形成前にエッチバックや研磨法を用いる。この第２犠牲層４６は、後述の工程で除去される。従って、ハードベーク後のレジストの膜厚は将来の反射膜３７とヒンジ部３５ａ，３５ｂ及び可動電極膜３４との間の空隙を決定する。なお、犠牲層としてレジスト４６の代わりに感光性ポリイミドも使用可能である。

次に、両図（ｇ）に示す様に、第３導電膜として第３のアルミ薄膜（又はアルミ合金）４８をスパッタにより成膜する。第３導電膜４８はフォトリソグラフィとエッチングにより反射膜３７となる所望の形状にパターニングされる。アルミのエッチングは、アルミエッチャント（リン酸、硝酸、酢酸の混合水溶液）によるウェットエッチング、又は塩素系ガスによるＲＩＥドライエッチングによってなされる。

最後に、両図（ｈ）に示す様に、酸素系ガスのプラズマエッチング（アッシング）により、第１、第２犠牲層４３，４６であるレジスト層を除去して空隙を形成することで、所望構造の回転変位型光変調素子が形成される。

以上が、本実施形態に係る回転変位型光変調素子の形成工程であるが、下部電極、可動電極、ヒンジ部、ヒンジ支持部、ストッパの構造材料はアルミ以外に導電性を有するものであってもよい。例えば、結晶Ｓｉ、多結晶Ｓｉ、金属（Ｃｒ、Ｍｏ、Ｔａ、Ｎｉなど）、金属シリサイド、導電性有機材料などが好適に使用可能である。また、前記導電部材上に保護用の絶縁膜（例えばＳｉＯ_２、ＳｉＮｘ）を積層してもよい。また、ＳｉＯ_２、ＳｉＮｘ、ＢｓＧ、金属酸化膜、ポリマーなどの絶縁性の薄膜に金属などの導電性薄膜を積層したハイブリッド構造も使用可能である。

また、上記では、犠牲層としてレジスト材を用いたが、これに限らない。例えば、アルミ、Ｃｕ等の金属、ＳｉＯ_２等の絶縁性材料なども犠牲層として好適である。この場合、構造材には犠牲層を除去する際に腐食やダメージを受けない材料が適宜選択される。

更に、犠牲層除去方法には、上述したドライエッチング（プラズマエッチング）の他に、公知の構造材と犠牲層の組合せによってはウェットエッチングも使用可能である。なお、ウェットエッチングの場合は、エッチング後のリンス，乾燥工程で構造体が表面張力によりスティッキングを起こさない様に、超臨界乾燥法、又は凍結乾燥法による乾燥法が好ましい。その他、本発明の主旨に沿うものであれば、構造，材料，プロセスは例に挙げた限りではないのはいうまでもない。

（第２の実施形態）
図６（ａ）は、本発明の第２の実施形態に係る回転変位型光変調素子の１画素分の基板平面模式図であり、図６（ｂ）は、図６（ａ）に示す基板の上面側に可動電極膜，反射膜（反射鏡）を形成した回転変位型光変調素子の１画素分の反射膜の一部を切り欠いた平面模式図である。また、図７（ａ）（ｂ）（ｃ）（ｄ）は、夫々、図６（ｂ）のＡ―Ａ線，Ｂ―Ｂ線，Ａ’―Ａ’線，Ｂ’―Ｂ’線の断面模式図であり、図８は動作説明図である。

本実施形態と第１の実施形態とは、ストッパを設ける場所が異なり、他の構成については同様または類似するため、同一部材または同様部材には同一符号を付してその説明は省略し、異なる部分についてのみ説明する。

本実施形態のストッパ３８ａ，３８ｂ，３８ｃ，３８ｄは、可動電極膜３４と同一面に形成されるヒンジ支持部３３ａ，３３ｂの膜面に夫々片持ち梁式に支持される。つまり、ストッパ３８ａ〜３８ｂは、ヒンジ支持部３３ａ，３３ｂから中空に突出形成される。このため、反射膜３７が図８に示す様に傾動したとき、反射膜３７の下面がストッパ３８ａ，３８ｃまたは３８ｂ，３８ｄに当接することで停止される。従って、本実施形態の可動電極膜３４は、そのストッパ側の側部が、第１の実施形態の可動電極膜３４に比較して切り欠かれており、可動電極膜３４は、ストッパ３８ａ〜３８ｄに干渉しない構成となっている。

（第３の実施形態）
図９（ａ）は、本発明の第３の実施形態に係る回転変位型光変調素子の１画素分の基板平面模式図であり、図９（ｂ）は、図９（ａ）に示す基板の上面側に反射膜（本実施形態では、反射膜が可動電極膜を兼用する）を形成した回転変位型光変調素子の１画素分の反射膜の一部を切り欠いた平面模式図である。また、図１０（ａ）（ｂ）（ｃ）（ｄ）は、夫々、図９（ｂ）のＡ―Ａ線，Ｂ―Ｂ線，Ａ’―Ａ’線，Ｂ’―Ｂ’線の断面模式図であり、図１１は動作説明図である。

本実施形態と第２の実施形態とは、ストッパを設ける構成は同一であるが、第１，第２駆動電極膜３１ａ，３１ｂを、高床式に基板３０から持ち上げた位置に形成したことを特徴とする。即ち、基板３０上には、第１駆動電極支持膜３１ｃとこれに立設された支持部３１ｄが設けられ、この支持部３１ｄに第１駆動電極膜３１ａが高床式に支持されている。また同様に、基板３０上には、第２駆動電極支持膜３１ｅとこれに立設された支持部３１ｆが設けられ、この支持部３１ｆに第２駆動電極膜３１ｂが高床式に支持されている。

第１，第２の駆動電極膜３１ａ，３１ｂは分離して形成されるが、その境界部分の導電膜がヒンジ軸３５として残され、このヒンジ軸３５に、反射膜支持部３６が立設される。

尚、当然ながら、共通電極膜と同一電位となるストッパ３８ａ〜３８ｄが第１，第２駆動電極膜３１ａ，３１ｂと接触しないように、第１，第２駆動電極膜３１ａ，３１ｂの該当個所は切り欠かれている。他の構成については第２の実施形態と同様または類似するため、同一部材または同様部材には同一符号を付してその説明は省略する。

本実施形態では、図１１に示す様に、反射膜３７が傾動したとき、反射膜３７の裏面がストッパ３８ａ，３８ｃまたは３８ｂ，３８ｄに当接して停止する。このとき、第１，第２駆動電極膜３１ａ，３１ｂの端部が反射膜３７に接触しない様にストッパの高さや第１，第２駆動電極膜３１ａ，３１ｂの寸法が設定される。

（第４の実施形態）
図１２（ａ）は、本発明の第４の実施形態に係る回転変位型光変調素子の１画素分の基板平面模式図であり、図１２（ｂ）は、図１２（ａ）に示す基板の上面側に可動電極膜，反射膜（反射鏡）を形成した回転変位型光変調素子の１画素分の反射膜の一部を切り欠いた平面模式図である。また、図１３（ａ）（ｂ）（ｃ）（ｄ）は、夫々、図１２（ｂ）のＡ―Ａ線，Ｂ―Ｂ線，Ａ’―Ａ’線，Ｂ’―Ｂ’線の断面模式図である。更に、図１４（ａ）（ｂ）は動作説明図である。

上述した第１の実施形態に係る回転変位型光変調素子が、ヒンジ軸を正方形画素の対角線位置に設け、正方形反射膜が対角線を中心に揺動する構成であったのに対し、本実施形態の回転変位型光変調素子は、正方形画素の中心線にヒンジ軸を設けた点のみが異なる。従って、図１２，図１３，図１４は、第１の実施形態の図１，図２，図３に対応するため、同一機能を有する部材には同一符号を付してその説明は省略する。

（第５の実施形態）
図１５（ａ）は、本発明の第５の実施形態に係る回転変位型光変調素子の１画素分の基板平面模式図であり、図１５（ｂ）は、図１５（ａ）に示す基板の上面側に可動電極膜，反射膜（反射鏡）を形成した回転変位型光変調素子の１画素分の反射膜の一部を切り欠いた平面模式図である。また、図１６（ａ）（ｂ）（ｃ）（ｄ）は、夫々、図１５（ｂ）のＡ―Ａ線，Ｂ―Ｂ線，Ａ’―Ａ’線，Ｂ’―Ｂ’線の断面模式図である。更に、図１７は動作説明図である。

上述した第２の実施形態に係る回転変位型光変調素子が、ヒンジ軸を正方形画素の対角線位置に設け、正方形反射膜が対角線を中心に揺動する構成であったのに対し、本実施形態の回転変位型光変調素子は、正方形画素の中心線にヒンジ軸を設けた点のみが異なる。従って、図１５，図１６，図１７は、第２の実施形態の図６，図７，図８に対応するため、同一機能を有する部材には同一符号を付してその説明は省略する。

（第６の実施形態）
図１８（ａ）は、本発明の第６の実施形態に係る回転変位型光変調素子の１画素分の基板平面模式図であり、図１８（ｂ）は、図１８（ａ）に示す基板の上面側に反射膜（可動電極膜を兼用する）を形成した回転変位型光変調素子の１画素分の反射膜の一部を切り欠いた平面模式図である。また、図１９（ａ）（ｂ）（ｃ）（ｄ）は、夫々、図１８（ｂ）のＡ―Ａ線，Ｂ―Ｂ線，Ａ’―Ａ’線，Ｂ’―Ｂ’線の断面模式図である。更に、図２０は動作説明図である。

上述した第３の実施形態に係る回転変位型光変調素子が、ヒンジ軸を正方形画素の対角線位置に設け、正方形反射膜が対角線を中心に揺動する構成であったのに対し、本実施形態の回転変位型光変調素子は、正方形画素の中心線にヒンジ軸を設けた点のみが異なる。従って、図１８，図１９，図２０は、第３の実施形態の図９，図１０，図１１に対応するため、同一機能を有する部材には同一符号を付してその説明は省略する。

（第７の実施形態）
図２１（ａ）は、本発明の第７の実施形態に係る回転変位型光変調素子の１画素分の基板平面模式図であり、図２１（ｂ）は、図２１（ａ）に示す基板の上面側に可動電極膜（反射膜の裏面に可動電極膜を設けている）形成した回転変位型光変調素子の１画素分の平面模式図である。また、図２２（ａ）（ｂ）（ｃ）は、夫々、図２１（ｂ）のＡ―Ａ線，Ａ’―Ａ’線，Ｂ―Ｂ線の断面模式図であり、図２３は動作説明図である。尚、上述した実施形態と同一機能を有する部材には同一符号を付して説明する。

矩形画素の基板３０の上辺と下辺に沿う位置には夫々共通電極膜３２ａ，３２ｂが形成されると共に、共通電極膜３２ａ，３２ｂは、矩形画素の中心線に沿って設けられた共通配線膜３２ｃによって接続されている。基板３０の左辺側と右辺側には夫々第１，第２駆動電極膜３１ａ，３１ｂが形成されている。

共通電極膜３２ａ，３２ｂの中央部分にはヒンジ支持部３３ａ，３３ｂが立設される。反射膜３７の下面に付着された可動電極膜３４からヒンジ部３５ａ，３５ｂが夫々ヒンジ支持部３３ａ，３３ｂに延びてヒンジ支持部３３ａ，３３ｂに支持されている。

本実施形態に係るストッパ３８ａ，３８ｂ，３８ｃ，３８ｄは、共通配線膜３２ｃの脇に、且つ共通配線膜３２ｃの配線方向と直角方向に延びるように設けられている。尚、本実施形態では、ストッパ３８ａ，３８ｂは一体に連続に成形され、ストッパ３８ｃ，３８ｄも一体に連続に成形されている。可動電極膜３４が傾動したとき、図２３（ｂ）に示すように、可動電極膜３４の下面がストッパ３８ａ〜３８ｄの先端部に当接することで可動電極膜３４のそれ以上の傾動が停止され、且つ、可動電極膜３４の端部が基板３０側の駆動電極膜３１ａ，３１ｂに非接触となる高さにストッパの高さが設計される。

以上述べた各実施形態に係る回転変位型光変調素子によれば、同じ回転変位を得るための駆動電圧を低くでき、これにより駆動回路が小さくなり、高集積性、低コストになると同時に、駆動回路の最高動作速度が速くなり、発生ノイズが小さくなる。

また、駆動電圧を低くするためにヒンジ部の振れ弾性を低くする必要がなく、回転変位素子の固有振動数を高くでき、素子の応答性が速く、振動も小さくなる。更に、接触部が可動部裏面にあるため、ゴミや不純物等が付着し難くなり、入射光も侵入しないため光化学反応による表面改質、反応生成物の付着が起きず、素子の信頼性が向上する。

更にまた、接触部がヒンジ軸から近いため、接触部の吸着力が同じでも吸着トルクは小さくなり、リリースし易くなり、素子の信頼性が向上する。また、可動膜の撓みが起こり難く、振動が発生せず、可動電極膜の信頼性が向上する。更に、可動電極膜を薄くでき、軽量化が図れ、応答性も向上する。

尚、上述した各実施形態において、ストッパ部分に粘性を付与することも可能である。これにより、接触時の振動が抑制される。また、ストッパ部分に弾性を付与することも可能である。これにより、リリース駆動が更に容易となる。更にまた、接触部に離型表面処理を行ってもよい。これにより、スティッキングが効果的に防止可能となる。

（第８の実施形態）
図２４は、上述した実施形態に係る回転変位型光変調素子を一次元アレイ状に配列形成したアレイ素子を用いた露光装置のブロック構成図である。アレイ素子は、マイクロレンズアレイを備えるのが好適である。図示する露光装置は、露光対象物７１を外周面に吸着して保持するドラム７２と、ドラム７２の回転軸に並行に配設されたガイド軸７３に移動自在に支持される副走査ユニット７４と、主走査位置検出器７５と、副走査位置検出器７６と、変調信号光源信号発生器７７とを備える。

副走査ユニット７４には、回転変位型光変調素子を用いて構成したアレイ素子７８と、変調信号光源信号発生器７７からの光源信号に基づいてアレイ素子７８に対してビーム光を照射するレーザ光源７９と、変調信号光源信号発生器７７からの変調信号によって各反射膜（マイクロミラー）が傾動するアレイ素子７８からの露光対象物７１方向への反射光を集光し倍率を変えて露光対象物７１に結像させる結像レンズ系８０とを備える。

斯かる構成の露光装置において、画像信号が変調信号光源信号発生器７７に入力すると、画像信号に応じた変調信号がアレイ素子７８に出力される。これにより、アレイ素子７８の各反射膜が、画像信号に応じて傾動される。レーザ光源７９からレーザ光がアレイ素子７８に入射すると、例えば左傾した反射膜による反射光のみがオン信号として結像レンズ系８０を通って露光対象物７１に入射し、露光対象物７１表面の照射された各ドット位置が露光され、左傾しない反射膜に対応するドット位置は非露光となる。

斯かる動作を副走査方向を移動させながら繰り返すことで、一ライン分の露光が終了し、各ライン毎の露光を行いながら主走査方向を移動させることで、一枚の露光対象物７１の露光が終了する。

以上は、第１〜第７のいずれかの実施形態に記載した回転変位型光変調素子を複数個一次元状に配列したアレイ素子を露光装置に適用した例であるが、二次元アレイ状に配列したアレイ素子を露光装置に適用しても良い。また、露光装置に限らず他の光学装置に適用することでもよい。例えば、フォトリソグラフィ工程に使用されるオンディマンドのデジタル露光装置、デジタル露光による印刷装置等の画像形成装置、プロジェクタ等の投影表示装置、ヘッドマウントディスプレイ等のマイクロディスプレイ装置等にも適用可能である。

本実施形態に係る回転変位型光変調素子は素子の信頼性が高く高速駆動であり、駆動回路が小さくて済むため、これらの光学装置の信頼性も向上する。

本発明に係る回転変位型光変調素子は素子の信頼性が高く高速駆動であり、駆動回路が小さくて済むため、フォトリソグラフィ工程に使用されるオンディマンドのデジタル露光装置、デジタル露光による印刷装置等の画像形成装置、プロジェクタ等の投影表示装置、ヘッドマウントディスプレイ等のマイクロディスプレイ装置等の光学装置に適用すると有用である。

（ａ）は、本発明の第１の実施形態に係る回転変位型光変調素子の１画素分の基板平面模式図であり、 （ｂ）は、図１（ａ）に示す基板の上面側に可動電極膜，反射膜（反射鏡）を形成した回転変位型光変調素子の１画素分の反射膜の一部を切り欠いた平面模式図である。 （ａ）は図１（ｂ）のＡ―Ａ線断面模式図であり、 （ｂ）は図１（ｂ）のＢ―Ｂ線断面模式図であり、 （ｃ）は図１（ｂ）のＡ’―Ａ’線断面模式図であり、 （ｄ）は図１（ｂ）のＢ’―Ｂ’線断面模式図である。 本発明の第１の実施形態に係る回転変位型光変調素子の動作説明図である。 本発明の第１の実施形態に係る回転変位型光変調素子の図１（ｂ）のＢ―Ｂ断面における製造工程を示す図である。 本発明の第１の実施形態に係る回転変位型光変調素子の図１（ｂ）のＢ’―Ｂ’断面における製造工程を示す図である。 （ａ）は、本発明の第２の実施形態に係る回転変位型光変調素子の１画素分の基板平面模式図であり、 （ｂ）は、図６（ａ）に示す基板の上面側に可動電極膜，反射膜（反射鏡）を形成した回転変位型光変調素子の１画素分の反射膜の一部を切り欠いた平面模式図である。 （ａ）は図６（ｂ）のＡ―Ａ線断面模式図であり、 （ｂ）は図６（ｂ）のＢ―Ｂ線断面模式図であり、 （ｃ）は図６（ｂ）のＡ’―Ａ’線断面模式図であり、 （ｄ）は図６（ｂ）のＢ’―Ｂ’線断面模式図である。 本発明の第２の実施形態に係る回転変位型光変調素子の動作説明図である。 （ａ）は、本発明の第３の実施形態に係る回転変位型光変調素子の１画素分の基板平面模式図であり、 （ｂ）は、図９（ａ）に示す基板の上面側に可動電極膜，反射膜（反射鏡）を形成した回転変位型光変調素子の１画素分の反射膜の一部を切り欠いた平面模式図である。 （ａ）は図９（ｂ）のＡ―Ａ線断面模式図であり、 （ｂ）は図９（ｂ）のＢ―Ｂ線断面模式図であり、 （ｃ）は図９（ｂ）のＡ’―Ａ’線断面模式図であり、 （ｄ）は図９（ｂ）のＢ’―Ｂ’線断面模式図である。 本発明の第３の実施形態に係る回転変位型光変調素子の動作説明図である。 （ａ）は、本発明の第４の実施形態に係る回転変位型光変調素子の１画素分の基板平面模式図であり、 （ｂ）は、図１２（ａ）に示す基板の上面側に可動電極膜，反射膜（反射鏡）を形成した回転変位型光変調素子の１画素分の反射膜の一部を切り欠いた平面模式図である。 （ａ）は図１２（ｂ）のＡ―Ａ線断面模式図であり、 （ｂ）は図１２（ｂ）のＢ―Ｂ線断面模式図であり、 （ｃ）は図１２（ｂ）のＡ’―Ａ’線断面模式図であり、 （ｄ）は図１２（ｂ）のＢ’―Ｂ’線断面模式図である。 本発明の第４の実施形態に係る回転変位型光変調素子の動作説明図である。 （ａ）は、本発明の第５の実施形態に係る回転変位型光変調素子の１画素分の基板平面模式図であり、 （ｂ）は、図１５（ａ）に示す基板の上面側に可動電極膜，反射膜（反射鏡）を形成した回転変位型光変調素子の１画素分の反射膜の一部を切り欠いた平面模式図である。 （ａ）は図１５（ｂ）のＡ―Ａ線断面模式図であり、 （ｂ）は図１５（ｂ）のＢ―Ｂ線断面模式図であり、 （ｃ）は図１５（ｂ）のＡ’―Ａ’線断面模式図であり、 （ｄ）は図１５（ｂ）のＢ’―Ｂ’線断面模式図である。 本発明の第５の実施形態に係る回転変位型光変調素子の動作説明図である。 （ａ）は、本発明の第６の実施形態に係る回転変位型光変調素子の１画素分の基板平面模式図であり、 （ｂ）は、図１８（ａ）に示す基板の上面側に可動電極膜，反射膜（反射鏡）を形成した回転変位型光変調素子の１画素分の反射膜の一部を切り欠いた平面模式図である。 （ａ）は図１８（ｂ）のＡ―Ａ線断面模式図であり、 （ｂ）は図１８（ｂ）のＢ―Ｂ線断面模式図であり、 （ｃ）は図１８（ｂ）のＡ’―Ａ’線断面模式図であり、 （ｄ）は図１８（ｂ）のＢ’―Ｂ’線断面模式図である。 本発明の第６の実施形態に係る回転変位型光変調素子の動作説明図である。 （ａ）は、本発明の第７の実施形態に係る回転変位型光変調素子の１画素分の基板平面模式図であり、 （ｂ）は、図２１（ａ）に示す基板の上面側に可動電極膜，反射膜（反射鏡）を形成した回転変位型光変調素子の１画素分の反射膜の一部を切り欠いた平面模式図である。 （ａ）は図２１（ｂ）のＡ―Ａ線断面模式図であり、 （ｂ）は図２１（ｂ）のＡ’―Ａ’線断面模式図であり、 （ｃ）は図２１（ｂ）のＢ―Ｂ線断面模式図である。 本発明の第７の実施形態に係る回転変位型光変調素子の動作説明図である。 本発明の第８の実施形態に係る露光装置のブロック構成図である。 従来の回転変位型光変調素子の分解斜視図である。 別の従来の回転変位型光変調素子の分解斜視図である。 従来の回転変位型光変調素子の動作説明図である。 従来の回転変位型光変調素子の動作説明図である。

符号の説明

３０ 基板
３１ａ 第１駆動電極膜
３１ｂ 第２駆動電極膜
３２ａ，３２ｂ 共通電極膜
３２ｃ 共通配線膜
３３ａ，３３ｂ ヒンジ支持部
３４ 可動電極膜
３５ａ，３５ｂ ヒンジ部
３７ 反射膜（反射鏡：マイクロミラー）
３８ａ，３８ｂ，３８ｃ，３８ｄ 突部（ストッパ）

Claims (6)

1. 基板上に形成されたマイクロミラーと、該マイクロミラーを傾動自在に前記基板に支持するヒンジ部材とをマイクロエレクトロメカニカル技術を用いて形成した回転変位型光変調素子において、前記マイクロミラーを回転軸周りに傾動させたとき該マイクロミラーの裏側の周端を前記基板に非接触に保ったまま該裏側の内面に当接して該マイクロミラーの傾動を停止させ該マイクロミラーを傾斜状態に保持する突部を、前記基板に対し高さ方向に隆起させて形成したことを特徴とする回転変位型光変調素子。
2. 前記突部のうち前記マイクロミラーの前記内面に当接する位置の前記高さ方向の位置が、該マイクロミラーの回転軸の位置より高いことを特徴とする請求項１に記載の回転変位型光変調素子。
3. 基板上に形成されたマイクロミラーと、該マイクロミラーを傾動自在に前記基板に支持するヒンジ部材とをマイクロエレクトロメカニカル技術を用いて形成した回転変位型光変調素子において、前記マイクロミラーを回転軸周りに傾動させたとき該マイクロミラーの裏側の周端を前記基板に非接触に保ったまま該裏側の内面に当接して該マイクロミラーの傾動を停止させ該マイクロミラーを傾斜状態に保持する突部を形成すると共に、該突部のうち前記マイクロミラーの前記内面に当接する位置の前記基板の高さ方向の位置を該マイクロミラーの回転軸位置より高くしたことを特徴とする回転変位型光変調素子。
4. 前記突部のうち前記当接する位置の前記回転軸からの距離が、前記マイクロミラーの裏側の最外周端と前記回転軸との間の距離の１／３以下であることを特徴とする請求項１乃至請求項３のいずれかに記載の回転変位型光変調素子。
5. 前記マイクロミラーの背面側に可動電極膜を一体に形成した場合には前記突部は前記マイクロミラーの裏側または前記可動電極膜の裏側の内面に当接して該マイクロミラー及び該可動電極膜の周端を前記基板に対して非接触状態で停止させる構成としたことを特徴とする請求項１乃至請求項４のいずれかに記載の回転変位型光変調素子。
6. 請求項１乃至請求項５のいずれかに記載の回転変位型光変調素子をアレイ状に配列形成したアレイ素子を搭載したことを特徴とする光学装置。

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