JP2008132577A - 電気機械素子、電子機器及びプロジェクター - Google Patents

Abstract

【課題】２つの相対する面の間に空間層を有する電気機械素子において、支持部で支えられた梁（ビーム）の面の高さのばらつきが低減された信頼性の高い電気機械素子、その電気機械素子を備えた電子機器及びプロジェクターを提供すること。
【解決手段】電気機械素子３０は、基板３３上に、空間を挟んで対向する梁３５と、梁３５を長軸方向の端部で支持する支持部４１とを備え、支持部４１は、梁３５の短軸方向に複数本設けられる。
【選択図】図１

Description

本発明は、電気機械素子、この電気機械素子を備えた電子機器及びプロジェクターに関する。

小型、低消費電力、高性能などの特徴から、ＭＥＭＳ（Micro Electro Mechanical System）技術は様々な分野で応用され、ＭＥＭＳ素子を用いた製品開発は現在多数行われている。ＭＥＭＳ素子には大きく分けると、機械・電子ＭＥＭＳ、光学ＭＥＭＳ、高周波ＭＥＭＳなどがあり、それらの駆動方式としては、静電駆動、圧電駆動、電磁駆動等が挙げられる。

以下に図１４を参照して代表的な静電駆動型のＭＥＭＳ素子の一例を説明する。

このＭＥＭ素子１は、少なくとも表面が絶縁性を有する基板３上に下部電極２が形成され、この下部電極２に空隙であるエアギャップ１０を介して、長軸方向（いわゆる長手方向）の両端部を支持部（いわゆる支柱）４で支持された梁（以下、ビームという）５が配置されて成る。このＭＥＭ素子１は、いわゆる両持ち梁構造として構成される。基板３としては、例えばシリコン（Ｓｉ）基板の表面に絶縁膜が形成された基板が用いられる。下部電極２上に例えばＳｉＯ２による絶縁膜６が形成される。ビーム５は、絶縁膜と上部電極９の積層膜で形成され、例えば下からＳｉＮ膜７、ＳｉＯ2 膜８、Ａｌ電極９の３層構造で形成される。ここで、ビーム５は両端部において、それぞれ１本の支持部４により支持されている。支持部４は、ビーム５を構成する積層膜で一体に形成される。

このＭＥＭＳ素子１では、上部電極９と下部電極２間に印加する電圧をオン、オフすることにより、両電極間の発生する静電力でビーム５が基板３側にたわみ、あるいは元の状態に復帰する等して静電駆動することになる。ＭＥＭＳ素子１は、上部電極９の上面を反射面とすれば、光学ＭＥＭＳ素子として構成される。また、ＭＥＭＳ素子は、例えば下部電極を出力電極、上部電極を入力電極として、上部電極９に所要周波数信号を入力したときに、ビーム５が共振して下部電極２から所要周波数信号を出力させる共振器として構成することができる。さらには、アクチュエーターとしても構成することもできる。

図１５及び図１６に、上記ＭＥＭＳ素子のビームを複数配列して、ＧＬＶデバイスとして構成した光学ＭＥＭＳの一例を示す。

ＧＬＶ（Grating Light Valve）は、米国のSilicon Light Machines社が開発した光変調素子であり（特許文献１）、光の回折光を利用したＭＥＭＳデバイスである。このＧＬＶデバイス２０においては、図１５及び図１６に示すように、下部電極１２を有する基板１３上に、空隙であるエアギャップを介して、支持部１４を有する両持ち梁構造のビーム１５が複数、この例では６つ、等間隔に並列配置される。これを以下ビーム群２１と呼ぶ。このビーム１５は、例えば、ＳｉＮ膜によるブリッジ部材の上部にＡｌ膜が設けられた、反射膜兼上部電極であり、通称リボンと呼ばれる。

ビーム群２１は、固定ビーム１５ａ（固定リボン）と可動ビーム１５ｂ（可動リボン）が交互に並べられた構成であり、可動ビーム１５ｂは、基板１３側の共通の下部電極１２とビーム１５上の反射膜兼上部電極との間に、微小な電圧をかけると、静電力により、図１３に示すように、基板側下部電極１２に向かって近接するという静電駆動による構成になっている。このとき、固定ビーム１５ａはそのままであるから、ビーム群２１の図示しない断面図は、固定ビーム１５ａと可動ビーム１５ｂとで、矩形状の回折格子を形成する。これにより、ビーム群２１に入射した光は、隣り合うビーム１５のピッチと波長によって決まる方向へ回折する。

これらの回折光は主に±１次光であり、鏡面反射される０次光は、固定ビーム１５ａに対する可動ビーム１５ｂのたわみが、入射光の波長の４分の１になるまで減少する。そして、電圧の印加を停止すると、可動ビーム１５ｂは、図１５に示すように、再びもとの位置に戻るので、入射光は、再び平面反射となる。以上のように、ＧＬＶ素子２０は、ある方向への反射強度を連続的に変えることができるものであり、１次元型の光変調素子として使用するものである。

このように、ＧＬＶ素子２０は、電圧の印加により、電極間に静電力が働き、可動ビーム１５ｂと固定ビーム１５ａとで回折格子を形成するので、高速に応答することができる等の利点があり、構造もシンプルであるので、様々な研究が進められている。

例えば、特許文献２には、上記のＧＬＶ素子が静電駆動方式である為に動作電力が高く、結果として光調節の信頼性が高くないという問題点に鑑み、圧電駆動方式で駆動することにより、変位、駆動速度、信頼性、線形性、及び低電圧駆動確保に優れた回折型薄膜圧電型マイクロミラー及びその製造方法について記載されている。
また、ＧＬＶ素子において、より高いコントラスト、輝度を実現する構造が特許文献３に記載されている。このブレーズＧＬＶ素子は、ビームを傾けて回折光を±１次光の２方向の回折光から−１次光または＋１次光の回折光に限定している。

上述の１次元型の光変調素子２０は、プロジェクターなどに用いられる。
また、ＤＭＤ(Digital Micro Mirror Device)の様に梁（ビーム）１５を１本とする場合は、例えば駆動位置に応じて反射方向を変化させることによりスイッチ機能をもたせ光スイッチとして利用することも可能である。

特許第３１６４８２４号 特開２００５−１４１２０８号公報 特表２００５−５２１０７３号公報

上述のような、ＧＬＶ素子では、可動ビームの高さを変化させて、固定ビームと可動ビームで回折格子を形成することによって回折光を出射している。ところが、もともとのビーム１５の高さにばらつきがあると、隣り合うビームの高さが違うので、電圧の印加がオフ状態であっても、反射光に迷光が生じてしまう。ＧＬＶデバイスは複数のビームが並置配列される光変調素子であるので、これをプロジェクターなどに利用したときに１本でも１ｎｍ高さがずれるだけで、コントラストが悪化するという問題点ある。そして、その隣接ビームの高さがばらついてしまう主な原因は、下部電極、及び製造工程で用いられる犠牲層表面の凸凹成分、いわゆるうねり、であることがわかった。

ところで、ＭＥＭＳ技術は、半導体微細加工技術が用いられており、成膜、リソグラフィー、エッチングの繰り返しによって製造される。上述のような、下部電極、及び犠牲層表面の凸凹成分によるうねりの影響は、ＧＬＶ素子に限ったものではない。２つの相対した面の間に空間層を有する構造のＭＥＭＳ素子であれば、同じような製造処理がなされているため、成膜によるうねりの影響がある。

本発明は上述の点に鑑み、２つの相対する面の間に空間層を有する電気機械素子において、支持部で支えられた梁（ビーム）の面の高さのばらつきが低減された信頼性の高い電気機械素子、その電気機械素子を備えた電子機器及びプロジェクターを提供するものである。

上記課題を解決し、本発明の目的を達成するため、本発明の電気機械素子は基板上に、空間を挟んで対向する梁と、梁を長軸方向の端部で支持する支持部とを備え、支持部は、梁の短軸方向に複数本設けられて成ることを特徴とする。

本発明の電気機械素子では、支持部が梁の短軸方向に複数本設けられるために、基板上に設けられる下部電極や、製造工程で設けられる基板上の犠牲層からのうねりの梁に対する影響を低減させることができる。

本発明の電子機器は、基板上に空間を挟んで対向する梁と、梁を長軸方向の端部で支持する支持部とを有し、支持部が梁の短軸方向に複数本設けられてなる電気機械素子を備えたことを特徴とする。

本発明の電子機器では、支持部が梁の短軸方向に複数本設けられた電気機械素子を備えることにより、電気機械素子において梁の高さがらつきが低減し、動作精度が向上する。

本発明のプロジェクターは、基板上に空間を挟んで対向する複数の梁と、各梁を長軸方向の端部で支持する支持部とを有し、支持部が梁の短軸方向に複数本設けられてなる電気機械素子を光変調素子として備えたことを特徴とする。

本発明のプロジェクターでは、複数の梁を有しその支持部が梁の短軸方向に複数本設けられた電気機械素子を光変調素子として備えることにより、隣り合う梁の高さばらつきが低減され、迷光が低減され、また光変調素子に入射する入射光に対する回折光の精度が上がる。

本発明の電気機械素子によれば、梁の高さのばらつきが低減するので、信頼性の高い電気機械素子を提供することができる。

また、本発明の電子機器によれば、内蔵する電気機械素子における梁の高さばらつきが低減し、動作精度が向上するので、信頼性の高い電子機器を提供することができる。

また、本発明のプロジェクターによれば、隣り合う梁の高さばらつきが低減され、迷光が低減し、回折光の精度が上がるため、コントラストを向上させることができる。

以下、図面を参照して本発明の実施の形態を説明する。

まず、本発明の理解を容易にするために、比較例として、前述した図１５、図１６のＧＬＶ素子２０における各ビーム１５[１５a、１５ｂ]の高さばらつきの発生の一因について定性的に説明する。

上記ＧＬＶ素子２０の製造工程には、図１７に示すように、下部電極１２の上面に犠牲層２２を形成する工程ａと、犠牲層２２において、支持部１４が形成される位置を開口２３を形成するためのエッチングする工程ｂと、犠牲層２２の上面にＳｉＮ、ＳｉＯ２による絶縁膜７、８、及びＡｌ層９を成膜させて支持部１４が一体型となったビームを形成する工程ｃと、犠牲層２２をエッチングする工程ｄとがある。本例では下部電極１２は、不純物がドープされた多結晶シリコンで形成される。また、後にエッチングされる犠牲層２２には非結晶シリコン（a-Si）が用いられる。

すなわち、図１７（a）に示すように、基板１３上に、不純物がドープされた多結晶シリコンである下部電極１２が形成され、この下部電極１２の上面に、絶縁膜１６であるＳｉＯ２を介して、非結晶シリコンによる犠牲層２２が低温ＣＶＤ（Chemical Vapor Deposition、化学的気相成長法）により、およそ５５０℃で形成される。そのときの犠牲層２２の膜厚は素子の特性に依存するが、およそ１μｍとし得る。続いて、犠牲層２２において支持部１４を形成すべき位置が選択的にエッチング除去され、開口２３が形成される。その後、開口２３内を含み、犠牲層２２の上面に、ＳｉＮ膜７、ＳｉＯ２膜８及びＡｌ層９の積層膜が形成され、パターニングされて、支持部１４と一体型であるビーム１５が形成される。ビーム１５が、前述した絶縁膜７、８及び反射膜兼上部電極９の膜により形成されるときの温度はおよそ８００℃である。
ビーム１５が形成された後、犠牲層２２をエッチング除去することにより、比較例である従来のＧＬＶ素子２０は形成される。

このとき、犠牲層２２が形成されるときの温度とビーム１５が形成される温度の違いにより犠牲層２２が凹凸を持つようになる。これは、５５０℃で形成された犠牲層２２の非結晶シリコンが、ビーム１５を形成する際の８００℃の熱により結晶成長（グレイン成長）してしまうことに起因しておこる。これが、犠牲層２２のうねりの原因のひとつである。これらの要因により、結果的に隣り合うビーム１５の高さにばらつきが出てきてしまう。

図１８は、比較例におけるビーム群２１の支持部１４の中心を通って、ビーム配列方向（すなわち短軸方向）に切った断面図を示すものである。支持部１４は、ビーム１５の中央に位置し、図示しないが、支持部１４の横断面形状は正方形である。また、図１８に示す曲線Ｉは、下部電極２、及び犠牲層２２表面の凹凸成分の中で発生頻度の高い８．５μｍの周期を持つうねりを表したものである。ビーム幅の２倍の周期であるうねりが一番大きくなる。支持部１４のピッチは設計上４．２５μｍであり、ビーム１５の高さは、支持部１４の高さで決まることから、図に示すように、支持部１４の位置にうねりＩの振幅の最大値（山）ａ、最小値(谷)ｂが来てしまうと、隣り合うビーム１５ａ、１５ｂの高さは最大、振幅の分だけ違ってくることがわかる。

これが、下部電極１２、及び犠牲層２２表面の凹凸成分に起因するビーム１５の支持部での高さのばらつきである。反対側のビーム支持部に高さのばらつきがなかったとしても、ビーム長辺中央にレーザーが照射されることから、この１／２のばらつきが実効ばらつきとなり、迷光に影響する。

本発明に係る実施の形態は、このような検証に基いてビームの高さばらつきを抑制した電気機械素子（いわゆるＭＥＭＳ素子）、及びこの電気機械素子を備えた各種電子機器、プロジェクターを提供するものである。なお、本実施の形態に係る電気機械素子は、マイクロスケール、ナノスケールの素子である。

図１Ａ〜Ｃに、本発明に係る代表的な静電駆動型の電気機械素子（いわゆるＭＥＭＳデバイス）の第１実施の形態を示す。本実施の形態の電気機械素子３０は、少なくとも表面が絶縁性を有する基板３３上に下部電極３２を形成し、下部電極３２上を含む全面に絶縁膜３６を形成し、下部電極３２に対向して空間（エアギャップ）３１を挟んで上部電極３９を有した梁（以下、ビームという）３５を配置して構成される。ビーム１３５は、その長軸方向（いわゆる長手方向）の両端部が支持部（いわゆる支柱）４１により基板３３上に支持される。ビーム３５は、いわゆる両持ち梁構造に形成される。

そして、本実施の形態においては、特に、ビーム３５の両端部の支持部４１を、ビーム３５の短軸方向（いわゆる幅方向）に複数本、本例では所要の間隔を置いて２本設けて構成される。また、各支持部４１は、図７Ａ〜Ｇに示すように、その横断面形状が６角以上の多角形（同図Ｂ、Ｄ、Ｇ）、十字形（同図Ｃ）、円形（同図Ａ）、楕円形（同図Ｅ）または小判形（同図Ａ）、あるいは図示しないが四角形の四隅をアール（Ｒ）とした形状（多角形の一種）のいずれか、本例では円形をなして形成される。

基板３３としては、例えば、シリコン（Ｓｉ）やガリウム砒素（ＧａＡｓ）等の反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膜性基板等が用いられる。本例では、シリコン基板の表面に例えばＳｉＯ２，ＳｉＮ等の絶縁膜を形成した基板が用いられる。下部電極３２としては、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、多結晶Ｗ、Ｃｒ蒸着膜）、あるいはシリコン基板に不純物をドーピングした拡散層などで形成される。本例では不純物をドーピングした多結晶シリコン膜で形成される。ビーム３５は、シリコン窒化膜（ＳｉＮ膜）、シリコン酸化膜（ＳｉＯ２膜）、その他の絶縁膜と、上部電極３９の積層膜で形成される。本例では強度、弾性定数など物性値がビームの機械的駆動に対して適切なシリコン窒化膜３７とその上のシリコン酸化膜３８とその上のＡｌ膜による上部電極３９との積層膜で形成される。また、支持部４１は、ビーム３５と一体に、あるいは別体の材料で形成することができる。本例ではビーム３５と一体にビーム３５と同じ積層膜で支持部４１が形成される。

本実施の形態の電気機械素子３０の動作は、前述の図１６で説明した同様であるので、重複説明を省略する。また、この電気機械素子３０の製造方法の一例としては、前述の図１７で説明したと同様の製造工程で製造することができる。

図１の本実施の形態の電気機械素子３０は、ビーム３５の上部電極３９の上面を反射面とすれば、光学電気機械素子として構成することができる。例えば、前述と同様に下部電極を共通にして複数のビームを配列して、入射光に対して回折光を反射するようにしたＧＬＶ素子として構成することができる。また、この電気機械素子３０は、上部電極または下部電極のいずれか一方を、例えば下部電極２を出力電極とし、他方の電極である上部電極３９を入力電極として、上部電極３９に所要の周波数信号を入力したときに、ビーム３５が共振して下部電極から周波数信号を出力させる共振器として構成することができる。この電気機械素子３０を複数並列化して信号フィルタとして構成することもできる。さらに、電気機械素子３０はアクチュエーターとしても構成することができる。

第１実施の形態に係る電気機械素子３０によれば、後述で明らかとなるように、ビーム３５を支持する支持部４１を、ビーム３５の短軸方向に複数本設けることにより、ビーム３５に高さばらつきを低減することができる。さらに、支持部４１の横断面形状を６角以上の多角形、十字形、円形、楕円系または小判形のいずれか、本例では円形となすときは、支持部４１の稜部に働く応力が軽減し、ビームの高さばらつきを抑制することができる。従って、電気機械素子３０としての駆動精度を向上することができる。

図２に、本発明に係る電気機械素子の第２実施の形態を示す。本発明実施の形態の電気機械素子は、光学電気機械素子の一例であって、上記第１実施の形態の電気機械素子のビームを複数配列して光変調素子であるＧＬＶ素子４３として構成した光学電気機械素子である。

本実施の形態に係る電気機械素子、いわゆるＧＬＶ素子４３は、基板３３上に共通の下部電極３２を形成し、下部電極３２上に絶縁膜（図示ぜず）を形成し、下部電極３２に対向するように空間を挟んで複数、本例では６つのビーム３５〔３５ａ，３５ｂ〕を配列して構成される。各ビーム３５〔３５ａ，３５ｂ〕は、長軸方向（いわゆるビーム長手方向）の両端部が支持部（いわゆる支柱）４１で支持され、且つ支持部４１がビーム３５の短軸方向（いわゆるビーム幅方向）に複数本、本例では２本設けられる。ビーム３５のうち、一つ置きのビーム５３ａが固定ビーム（固定リボン）となり、他の一つ置きのビーム３５ｂが可動ビーム（可動リボン）となる。支持部４１としては、本例では横断面形状が円形に形成される。このＧＬＶ素子４３は、一次元の光変調素子として使用することができる。

基板３３、下部電極３２、ビーム３５、支持部４１の横断面形状などを含む、その他の構成は、前述の図１で説明したと同様であるので、詳細説明を省略する。また、本実施の形態のＧＬＶ素子４３は、一例として、図１７で説明した製造方法と実質的に同様の製造方法で製造することができる。さらに、ＧＬＶ素子４３の動作も、前述の図１５及び図１６で説明したと同様であるので、重複説明を省略する。

第２実施の形態に係るＧＬＶ素子４３によれば、ビーム３５〔３５ａ，３５ｂ〕を支持する支持部４１を、ビーム短軸方向に複数本、本例では２本設けたことにより、隣り合うビーム３５ａ，３５ｂの高さのばらつきを低減することができる。図３を用いて定性的に説明する。

図３は、前述した比較例の図１８に対応する説明図である。本実施の形態のＧＬＶ素子４３の製造条件は、前述の比較例と同じにする。また、ＧＬＶ素子４３のビーム３５の中心から、隣り合う別のビーム３５の中心までの距離も前述の比較例と同様、４．２５μｍとする。一つのビーム３５の短軸方向に支持部４１が２つずつ設けられている。図３に示したうねりの曲線Ｉもまた、前述の比較例と同様、うねりの周期の中で一番大きいうねりである８．５μｍの周期を表す。図３に示したうねりの曲線Ｉと支持部４１の配置は一番理想的なものである。このようなうねりＩと支持部４１の位置関係であれば、一つのビーム３５に対応する２つの支持部４１は、曲線Ｉの振幅の中腹に位置する。うねりＩの周期はビーム幅の２倍であるから、１周期に２つのビーム３５を持つが、それぞれの隣り合うビーム３５が、２つの支持部４１を有するために、振幅の最大値（山）aと最小値（谷）ｂに支持部４１が位置することがなくなる。そのため、隣り合うビーム３５aと３５ｂとの高さの差の平均値は下がり、ビーム３５の高さばらつきが低減される。

図１８に示した比較例では、短軸方向に支持部が一つである単支持部構成であった為、振幅の最大値aと最小値ｂに支持部が来ると、隣り合うビーム１５の高さの差が最大１振幅分異なっていた。しかし、本実施の形態においては、支持部４１を短軸方向に２本設けることによって、隣り合うビーム３５の高さのばらつきを抑えることができる。

Ｓｉ基板及び、犠牲層表面の凹凸をＡＦＭ（Atomic Force Microscope）にて評価すると、周期が長く、凹凸の振幅の大きい成分が多いことがわかった。GLV素子のコントラストはビームのピッチの２倍に相当する周期を持つ凹凸の影響を受けやすく、図示しない実験データより、支持部を複数にすることで、この影響する波長を短くすることが可能であり、また周期の短い波長の凹凸は振幅も小さいためばらつきへの影響が小さい。実際に、支持部を１、２、３本と増やして高さばらつきを評価したところ、複数にすることで、犠牲層のエッチング後のビームの高さばらつきが大幅に低減し、コントラストも向上することがわかった。

一方、ビームの高さのばらつきのもう一つの要因として、支持部に係る応力が挙げられる。両もち梁のビームは、長手方向に角柱の支持部が２箇所設けられているが、角柱である場合、支持部と梁が接する稜部に応力が集中する角部があると、その製造工程中に出てくる異物などが付着することがある。そうすると、可動するビームの表面もしくは支持部の形状が崩れた場合に、ビームの表面の形状が崩れてしまい、素子間の均一性が崩れてしまう。これにより、結果的にビームの高さにばらつきが生じる。

これに対して、本実施の形態のように、支持部４１を、横断面形状が図７に示すように、６角以上の多角形、十字形、円形、楕円形または小判形のいずれか、本例では円形に、すなわち、円柱状に形成することによって、稜部に働く応力を軽減し、ビーム５の高さのばらつきを抑える効果を奏する。尚、この効果は、第１実施の形態の電気機械素子３０でも奏する。

上述したように、第２実施の形態に係るＧＬＶ素子４３によれば、ビーム３５の支持部４１を２本設けることにより、隣り合うビーム３５の高さばらつきが低減する。また、支持部４１の横断面形状を例えば円形にすることにより、支持部の稜部に働く応力が軽減し、ビーム３５の高さばらつきが抑制される。従って、このＧＬＶ素子４３を光変調装置として例えばプロジェクターに用いたときには、コントラストを向上させることができる。

次に図４及び図５に、本発明に係る電気機械素子の第３実施の形態を示す。本実施の形態に係る電気機械素子は、ブレーズ角を有するＧＬＶ素子である。図４はブレーズＧＬＶ素子を構成する１つのブレーズＧＬＶ素体の斜視図及び、図４ＡにおけるＡ＝Ａ線上断面図であり、図５はブレーズＧＬＶ素子全体の概略斜視図である。前述したように、ブレーズＧＬＶ素子４５では、ビームを傾けて回折光を±１次光の２方向の回折光から−１次光または＋１次光のいずれか１方向の回折光に限定している。

第３実施の形態に係る電気機械素子、いわゆるブレーズＧＬＶ素子４５は、第２実施の形態と同様に、基板３３上に共通の下部電極３２を形成し、下部電極３２上に絶縁膜３６を形成し、下部電極３２に対向するように空間を挟んで後述する複数、本例では６つのビーム４７〔４７ａ，４７ｂ〕を配列して構成される。各ビーム４７〔４７ａ，４７ｂ〕は、長軸方向（いわゆるビーム長手方向）の両端部が支持部（いわゆる支柱）４１で支持され、且つ支持部４１がビーム４７の短軸方向（いわゆるビーム幅方向）に複数本、本例では２本設けられる。ビーム４７のうち、一つ置きのビーム４７ａが固定ビーム（固定リボン）となり、他の一つ置きのビーム４７ｂが可動ビーム（可動リボン）となる。支持部４１としては、本例では横断面形状が円形に形成される。

そして、このブレーズＧＬＶ素子４５のビーム４７は、支持部４１に支持される両端部側に段差４８を有して形成される。図４Ａに示すように、ビーム４７の段差のビーム幅方向の幅Ｗ１は、通常ビーム幅Ｗ２の半分である（Ｗ１＝１／２Ｗ２）。この段差４８を有するビーム４７は、図４Ｂに示すように断面の傾き量ｄをもって傾く。本例のブレーズＧＬＶ素子４５においては、このような両持ち梁式構造に形成される。製造材料及び、製造工程は、前述の第２実施の形態で説明した工程と同様であり、第２実施の形態と異なるのは、両端の段差部分４８のみであるので、その他の構成の同一部分には同一符号を付し、重畳説明を省略する。また、本例のブレーズＧＬＶ素子４５においても第２実施の形態と同様、１次元型の光変調素子として使用することができる。

両端に段差４８のあるビーム４７が傾くメカニズムは、段差部分にかかる引張り応力に対応して、回転モーメントが働くことによる。ある程度までは、段差が深いほど、ビーム４７の傾きも大きくなる。

図６に、段差４８の深さＨに対する傾き量ｄを測定したグラフを示す。測定値Ｂは、ビーム両端に角柱の支持部が１つである従来のブレーズＧＬＶ素子の測定結果である。そして、測定値Ａは、本実施の形態の両端に円柱の支持部４１が短軸方向に段差４８を挟んで２つあるブレーズＧＬＶ素子４５の測定結果である。図６からわかるように、段差の深さＨがおよそ１９０ｎｍのときに、本実施の形態のブレーズＧＬＶ素子４５が、従来のブレーズＧＬＶ素子の約１．５倍の傾きを有することがわかった。また、ビーム幅を狭くした場合であっても、可視光の１／４λの段差を確保できる。

ＧＬＶ素子を備えたプロジェクター自体の大きさ及び重量は、光学系のスケールによって決まってくるため、小型・軽量化を目指すにはビーム幅を縮小すればよい。しかし、ブレーズＧＬＶ素子における最適なビーム傾き量は変わらないため、ビーム幅を縮小した場合は、同じ段差は傾き難くなるので、より大きい角度、傾き量が必要となる。よって、本実施の形態のように、短軸方向に段差４８の境界を挟んで、２本の支持部４１を形成することによって、従来の段差の境界部に１本の支持部を有するものに比べ、同じ段差に対する傾き量が増えるので、ブレーズＧＬＶ素子を小さくした場合でも十分な傾き量を確保することが可能である。

すなわち、段差の境界に１本の支持部があると、ビームを傾けたときに段差境界にある壁部も傾けなければならない。しかし、段差境界に１本の支持部が在ることにより、壁部が傾き難くなり、傾き角度が制限される。一方、段差境界を挟んで２本の支持部を設けるときは、境界の壁部が傾き易くなるため、従来より傾き角を大きくすることが可能になる。

図８に、本実施の形態のブレーズＧＬＶ素子４５におけるビーム４７の支持部４１の本数、形状、配置の例を示す。
図８Ａ〜Ｅは、小判型の支持部４１の例で、順に２本、３本、４本、２本の斜め配置、３本の斜め配置を表している。
図８Ｆ〜Ｊは、円形の支持部４１の例で、順に２本（２行１列）、３本（３行１列）、４本（４行１列）、２本の斜め配置、３本の斜め配列を表している。
図８Ｋ〜Ｏは、円形の支持部４１の例で、順に４本（２行２列）、６本（３行２列）、６本（４行２列）、４本の斜め配列、５本の斜め配列を表している。
図８Ｐ〜Ｔは、円形の支持部４１の例で、順に６本（２行３列）、９本（３行３列）、１２本（４行３列）、６本の斜め配列、８本の斜め配列を表している。
ここで、図１６Ｃ，Ｅ，Ｈ，Ｊ，Ｍ，Ｏ，Ｒ，Ｔにおいては、支持部４１が段差の境界部分に存在するが、支持部４１自体の太さが、従来の１本の支持部の場合に比べて細くなっているので、段差壁部も傾き易くなり、傾き角を大きくすることが可能となる。

第３実施の形態に係るブレーズＧＬＶ素子４５によれば、支持部４１を複数本にすることによって、ビームの高さばらつきが抑えられる効果に加え、ビーム幅を小さくした場合でもビームを十分に傾けることが可能になる。

上述の第１実施の形態〜第３実施の形態においては、支持部は、ビームの長軸方向の両側に２つずつの計４個であったが、図８に示すように長軸方向に複数の支持部を有する場合でも応用可能である。また、支持部が短軸方向に２つ以上である多支持部構成であっても同様の効果を奏する。また、支持部形状は、断面が６角以上の多角形、円形、楕円形、小判型、ひょうたん型などであれば、同様の効果が得られる。好ましくは、支持部の横断面には、支持部の幅の５分の１以上の角にＲをつける。また、支持部の横断面の短軸方向の幅は０．４〜１．５μｍであることがより好ましい。
本実施の形態における下部電極、犠牲層、及び絶縁膜、上部電極などの材料構成は、前述の記載に限ったものではなく、種々の変形が可能であることは言うまでも無い。

上述の実施の形態における、支持部の本数、幅、ピッチの最適化実験において、支持部が小判状であり、短軸方向の２本の支持部のピッチがビーム幅の約１／２である、２．２であることが最適であるとデータからわかった。また、支持部の幅は、０．６μｍが最適μｍであることがわかった。

実験によれば、これらの条件を導入したＧＬＶ素子（ブレーズＧＬＶ素子を含む）の隣接するビームの高さばらつきは、従来の約１／３に低減できた。ＧＬＶ素子の場合、これにより、２００μｍの距離を隔てて立つ２本の支持部で支えられた反射面を有するビームの中央部の高さばらつきが従来の３ｎｍから１ｎｍに低減出来、プロジェクターの光変調素子に適用したときに、画像のコントラストが大幅に向上することを確認した。また、迷光が低減できるため、プロジェクターとしてスクリーンに画像を投影した場合にガルバノミラーで投影することによる横筋が低減することが確認できた。

なお、上例では、本発明の電気機械素子として、前述の図１に示すように、両持ち梁構造のビームを有した構成としたが、これに限らず、片持ち梁構造のビームを有した構成にも、本発明は適用できる。

また、上例では本発明の電気機械素子を、静電駆動方式の電気機械素子に適用した場合であるが、その他、圧電駆動方式、あるいは電磁駆動方式の電気機械素子にも本発明は適用することができる。

図９に、本発明の電気機械素子を、圧電駆動方式の電気機械素子に適用した場合の概略構成図を示す。図９Ａは本例の電気機械素子を上面からみた図であり、図９Ｂは、そのＤ−Ｄ線上の断面図を示す。圧電駆動方式の電気機械素子においては、基板６４上に圧電膜による支持部７０を介してビーム６５を支持して構成される。ビーム６５は、上部電極６２とその上に形成された反射ミラー６３とで構成される。基板６４上には、ビーム群に共通の下部電極６６が形成される。ビーム６５は、端部を２本ずつの支持部６１で支持されており、この支持部７０は、小判形状をなしている。ここで、可動ビームの支持部は、下部電極６６と上部電極６２の電位差による圧電効果により上下に伸縮し、ビームを変位させる。一方、固定ビームは、上部電極６２の電位が、下部電極６６と同じ電位になっており、変位しない。もしくはキャリブレーション電圧が印加されてコントラストを向上させる。
このような圧電駆動であっても、支持部７０の形状は、複数かつ、円形、小判形状などの角部が無い横断面形状の場合に応力集中が緩和されてビームの高さばらつきが低減される。

次に、図１０に本発明の電気機械素子を、電磁駆動方式の電気機械素子に適用した場合の概略構成図を示す。図１０に示すように、本実施の形態を用いたＧＬＶ素子４３のビームの長手方向とは垂直に磁界の向きがくるように、強力な磁石６８ａ、６８ｂをＧＬＶ素子４３の周辺に並行配置する。このように配置することによって、磁界Ｂは、ビームの長手方向に垂直に発生する。磁界Ｂの向きをｘ方向とし、ビームの紙面奥方向をｙ方向としたとき、可動ビームにｙ方向の駆動電流が流れている。この電流Ｉは、１０μＡ程度である。また、固定ビーム３５ａには電流は流れていない。このとき、可動ビーム３５ｂには、磁界Ｂと電流Ｉからローレンツ電磁力が生じているため下向き（ｚ軸の負の方向）の力Ｆが働き、Ｆ∝Ｉ×Ｂとなる。そこで、駆動させたい複数のビームにビームの弾性力と所望の振幅にて釣り合う電流を流して、ビーム３５ｂを駆動させる。固定ビーム３５aは電流が流れないため、変位しない。これにより、回折格子が形成されて光の変調がなされる。なおこの場合はＧＬＶ素子４３において下部電極は不要となる。また、この方式では電流を逆方向に流すことでビームを上向きに変位させることも可能である。
このような電磁駆動であっても、支持部４１の形状は、複数かつ、円形、小判形状などの角部が無い横断面形状の場合に応力集中が緩和されてビームの高さばらつきが低減される。

次に、上述の実施の形態に係るＧＬＶ素子４３、あるいはブレーズＧＬＶ素子４５を光変調素子としてプロジェクターに用いた場合の第４実施の形態について説明する。
このプロジェクターは、例えば、大型スクリーン用プロジェクター、特にディジタル画像のプロジェクターとして、または、コンピュータ画像投影用として用いられるものである。

図１１に示すように、このプロジェクター８１は、赤（Ｒ）、緑（Ｇ）、青（Ｂ）の各色のレーザー光源８２Ｒ、８２Ｇ、８２Ｂと、各レーザー光源に対して、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上述の本発明に係る光変調素子８８Ｒ、８８Ｇ、８８Ｂを備えている。この光変調素子としては、例えば上述の第２又は第３の実施形態例において説明した構成のＧＬＶ素子、あるいはブレーズＧＬＶ素子が好適である。
レーザー光源８２Ｒ、８２Ｇ及び８２Ｂは、それぞれ赤色光（例えば波長６４２ｎｍ、光出力約３Ｗ）、緑色光（例えば波長５３２ｎｍ、光出力約２Ｗ）、青色光（波長４５７ｎｍ、光出力約１．５Ｗ）のレーザーを射出する。なお、レーザー光の波長及び光出力はこれらに限定されるものではない。

更に、レーザディスプレイ８１は、本発明構成の光変調素子８８Ｒ、８８Ｇ、８８Ｂによりそれぞれ光強度が変調された赤色レーザー光、緑色レーザー光及び青色レーザー光を合成する色合成フィルタ９０、空間フィルタ９２、ディフューザー９４、ミラー９６、ガルバノスキャナー等の走査照明系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。

本実施形態のプロジェクター８１は、レーザー光源８２Ｒ、８２Ｇ、８２Ｂから射出されたＲＧＢ各レーザー光が、それぞれミラー８４Ｒ、８４Ｇ、８４Ｂを経て各色照明光学系８６Ｒ、８６Ｇ、８６Ｂから各光変調素子８８Ｒ、８８Ｇ、８８Ｂに同期入力されるようになっている。
更に、各レーザー光は、光変調素子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によって合成され、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。
次いで、このＲＧＢの画像信号は、ディフューザー９４によってレーザー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走査照明系９８によって空間に展開され、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では、光変調素子として、第２または第３実施の形態におけるＧＬＶ素子を用いている。このため、ＧＬＶ素子のビームの高さばらつきによる迷光が低減するので、従来のレーザディスプレイに比べて、スクリーンに投影した場合に横筋が減るなど、画像のコントラストが向上する。
また、光変調素子として、第２または第３実施の形態におけるＧＬＶ素子では、支持部の角部が無く、稜部の応力が低減されているため、繰り返し動作の寿命が延びることが期待され、その場合、レーザディスプレイとしても寿命が延びる。

本実施の形態においては、プロジェクターを例にしたが、本発明に係る電気機械素子を、光学ＭＥＭＳなどの光学用途の素子としたときは、露光装置、光スイッチ、レーザープリンタなどの装置、すなわち電子機器にも用いることができる。また、光学用途以外の用途に用いることもでき、例えば電気機械素子をアクチュエーターとして用いてインクジェットプリンタへの応用も可能である。さらには、本実施の形態の電気機械素子を用いて共振器、信号フィルタなどを構成することができる。複数の電気機械素子を並列化して信号フィルタを構成した場合、各素子のビームの高さばらつきが抑制されるので、各素子の駆動精度が同じになり、フィルタ特性を向上することができる。

第５実施の形態として、本発明の電気機械素子をインクジェットプリンタヘッドに使用した場合について、図１２を参照しながら説明する。本実施の形態のインクジェットプリンタヘッド５０では、下部電極５３が形成された基板５１上に支持部５４で支持された梁５５が基板５１上に空間６０を挟んでブリッジ状に形成される。梁５５は、絶縁膜及び上部電極からなる。図示しないが、支持部５４は、紙面奥方向に複数設けられ、梁５５を支持している。また、支持部５４の断面積は例えば円状である。この電気機械素子はアクチュエーターとして使用される。
一方、梁５５上には、液体を入れる圧力室６１を構成する封止層５９が形成され、その圧力室６１の上部は開孔され、インクジェットノズル５７を構成する。このアクチュエーターと圧力室６１とからなるインクジェット素体が複数配列され、夫々の圧力室６１にインク流を導入するためのインク流路５６が連通している。

このような構成のインクジェットプリンタヘッド５０において、電気機械素子によるアクチュエーターの下部電極５３および上部電極５８に電圧を印加することによって、静電力を生じさせて梁５５を押し上げることにより圧力室６１内のインク流をインクジェットノズル５７から外部に射出させることができる。
本例においては、梁部５５は、複数本の支持部５４に支持されているために、隣り合うインクジェット素子の梁５５の高さばらつきが低減し、より平坦に形成され、より均一にインクを射出することができる。また、支持部５４が角を有さないため、稜部に係る応力が低減されるので、繰り返し動作の寿命が延び、装置としての寿命も延びることが期待される。

また、第６実施の形態として、上述の実施の形態に係るＧＬＶ素子４３、あるいはブレーズＧＬＶ素子４５を光変調素子をレーザー露光装置に用いた場合について、図１３を参照しながら説明する。本実施の形態のレーザー露光装置１２２は、レーザー光源１１０から出射されるレーザー光Ｌを光学系１２０を介して露光対象１１９に照射する。まず、レーザーヘッド１１０から出射されるレーザー光Ｌを、光学系１２０の反射ミラー１１１を介し、Ａ／Ｏ変調器１１４により変調させ、変調されたレーザー光Ｌの径がレンズ系１１５によって、縦方向に太くされる。そして再び反射ミラー１１２によって反射されたレーザー光ＬはＧＬＶ素子１１３を介してポリゴンミラー１１６に導かれる。ポリゴンミラー１１６で走査偏向された後の走査光を露光対象１１９に等速で走査させるためのｆθレンズ１１７を介し、コンデンサレンズ１１８に入射される。コンデンサレンズ１１８は、反射ミラーもかねており、レーザー光１２１は露光対象１１９に垂直に照射される。本実施の形態においては、図示しないが、ＧＬＶ素子７３とポリゴンミラー１１６の間に空間フィルタが必要である。

本実施の形態においては、露光対象１１９に描画パターンを描くためのマスクが不要となる。また、ＧＬＶ素子１１３は非常に高速に駆動できる１次元素子のため、ＥＢ描画装置に比べて格段にスループットが高い。また、本実施の形態において、露光対象１１９はいわゆるウェーハ（基板）をイメージしているが、印刷原版でも同様である。また、本実施の形態では、ＧＬＶ素子１１３のビームが複数本の支持部（図示せず）で支持されている為、高さばらつきを軽減し、露光精度が向上する。また、支持部が角部を有さないため、安定した繰り返し動作を得ることが出来る。

本発明において、支持部の角部を丸くすることの効果は、ＤＭＤ（Digital Micro Mirror Device）や、ダイアフラム等の素子にも応用でき、その場合いも平面度の向上が期待できる。

Ａ，Ｂ、Ｃ本発明の第１実施の形態に係る電気機械素子の概略断面構成図、上面図、およびＡ−Ａ断面図である。 本発明の第２実施の形態に係る電気機械素子を複数並置配列した斜視図である。 本発明の第２実施の形態に係る電気機械素子の支持部における断面図である。 Ａ，Ｂ本発明の第３実施の形態に係る電気機械素子の概略断面構成図およびＡ−Ａ断面図である。 本発明の第３実施の形態に係る電気機械素子を複数並置配列した斜視図である。 本発明の第３実施の形態において、ビームの段差に対する傾き量をプロットしたグラフである。 Ａ〜Ｇ本発明における実施の形態で用いられ得る支持部の他の断面図である。 Ａ〜Ｔ本発明の第３実施の形態で用いられ得る支持部の他の断面図である。 本発明の電気機械素子を圧電駆動で駆動させたときの概略構成図である。 本発明の電機機械素子を電磁駆動で駆動させたときの概略構成図である。 本発明の電気機械素子を用いたプロジェクターの概略構成図である。 本発明の電気機械素子を用いたインクジェットヘッドの概略構成図である。 本発明の電機機械素子を用いた露光装置の概略構成図である。 Ａ，Ｂ比較例における電気回路素子の概略断面図、及び、上面図である。 比較例における電気機械素子を複数並置配列した斜視図である。 比較例における電気機械素子を複数並置配列した斜視図である。 比較例における電気機械素子の製造工程図である。 比較例における電気回路素子の支持部における断面図である。

符号の説明

２、３２・・・下部電極、３、３３・・・基板、２１、４、１４、４１・・・支持部、５、１５、３５、４７・・・ビーム（梁）、６、７、８、３６、３７、３８、・・・絶縁膜、９、３９・・・反射膜兼上部電極、２２・・・犠牲層、３０・・電気機械素子、４３、４５・・・光変調素子（ＧＬＶデバイス）、８１・・・プロジェクター、８２Ｒ・・・光源、８２Ｇ・・・光源、８２Ｂ・・・光源、８６Ｒ・・・照明光学系、８６Ｇ・・・照明光学系、８６Ｂ．８８Ｒ・・・光変調素子、８８Ｇ・・・光変調素子、８８Ｂ・・・光変調素子、９０・・・色合成フィルタ、９２・・・空間フィルタ、９４・・・ディフューザー、９６・・・ミラー、９８・・・走査照明系、１００・・・投影光学系、１０２・・・スクリーン、５０・・・インクジェットプリンタヘッド、５１・・・基板、５３・・・下部電極、５４・・・支持部、５５・・・梁、５６・・・インク流路、５７・・・インクジェットノズル、５８・・・上部電極、５９・・・封止部、６０・・・空間、６１・・圧力室、６８・・磁石、１２２・・・レーザー露光装置、１１０・・・レーザー光源、１１１、１１２・・・反射ミラー、１１３・・・ＧＬＶ素子、１１４・・・Ａ／Ｏ変調器、１１６・・・ポリゴンミラー、１１７・・・ｆθレンズ、１１８・・・コンデンサレンズ、１１９・・・露光対象

Claims (12)

1. 基板上に、空間を挟んで対向する梁と、
   前記梁を支持する支持部とを備え、
   前記支持部は、梁の短軸方向に複数本設けられて成る
   ことを特徴とする電気機械素子。
2. 前記支持部の横断面形状が６角以上の多角形、円形、または楕円形のいずれかである
   ことを特徴とする請求項１に記載の電気機械素子。
3. 上部に反射面を有する前記梁が複数配列され、
   前記梁の一部が前記基板側にたわむことにより、回折格子が構成されて、光に対して回折作用を有する
   ことを特徴とする請求項１に記載の電気機械素子。
4. 前記基板に下部電極が設けられ、前記梁に反射面を有する上部電極が設けられ、
   下部電極と上部電極に印加する電圧により、前記梁が静電駆動される
   ことを特徴とする請求項３に記載の電気機械素子。
5. 前記梁は、前記長軸方向の両端部において段差が設けられて短軸方向に傾きを生じさせる構造である
   ことを特徴とする請求項４に記載の電気機械素子。
6. 基板上に空間を挟んで対向する梁と、
   前記梁を支持する支持部とを有し、
   前記支持部が前記梁の短軸方向に複数本設けられてなる電気機械素子を備えた
   ことを特徴とする電子機器。
7. 前記電気機械素子の前記支持部の横断面形状が６角以上の多角形、十字形、円形、または楕円形のいずれかである
   ことを特徴とする請求項６記載の電子機器。
8. 前記電気機械素子は、上部に反射面を有する前記梁が複数配列され、
   前記梁の一部が前記基板側にたわむことにより、回折格子を形成して光に対して回折作用を有して成る
   ことを特徴とする請求項６記載の電子機器。
9. 前記電気機械素子の前記梁は、前記長軸方向の両端部において段差が設けられて短軸方向に傾きを生じさせる構造である
   ことを特徴とする請求項８記載の電子機器。
10. 基板上に空間を挟んで対向する複数の梁と、
    前記各梁を支持する支持部とを有し、
    前記支持部が前記梁の短軸方向に複数本設けられてなる電気機械素子を光変調素子として備えた
    ことを特徴とするプロジェクター。
11. 前記光変調素子の前記支持部の横断面が６角以上の多角形、円形、または楕円形のいずれかである
    ことを特徴とする請求項１０記載のプロジェクター。
12. 前記光変調素子の前記梁は、前記長軸方向の両端部において段差が設けられて短軸方向に傾きを生じさせる構造である
    ことを特徴とする請求項１０記載のプロジェクター。

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