JP2978224B2 - 可撓梁式空間的光変調器の絵素のリセット方法 - Google Patents

Description

【発明の詳細な説明】 ［産業上の利用分野］ 本発明は、空間的光変調器（光弁）に関し、特に、電
子式はアドレス可能な可撓梁から形成される絵素を有す
る空間的光変調器に関する。

［従来の技術］ 空間的光変調器（SLM）は、電気的または光学的入力
に対応して、入射光を空間的パターンに変調するトラン
スジューサである。入射光は、位相、強度、偏り、また
は方向に関して変調され、この光変調は、さまざまな光
電気または光磁気効果を示すさまざまな材料によって、
また、表面変形により光を変調する材料によって行なわ
れる。SLMは、光情報処理、映写表示、および静電印刷
の諸分野に多数の応用面を有する。30 IEEE Tran.Elec.
Dev.539（1983）に所載の、L.Hornbeck著「128×128 D
eformable Mirror Device」に引用されている参照文献
を参照されたい。

大形高輝度電子表示に用いられる公知のSLMは、アイ
ドホールであり、この装置は、活性光素子として静電的
にさざ波を起こされる油膜を用いる。20 J.SMPTE 351
（1953）に所載の、E.Baumann著「The Fischer large−
screen projection system（Eidophor）」を参照された
い。この装置においては、連続した油膜が電子ビームに
よってラスタ状に走査されるであるが、この電子ビーム
は、その油膜上のそれぞれの解像可能な絵素領域内に空
間的周期性を有する付着電荷の分布を作り出すように変
調される。この電荷分布は、油膜表面と、定電位に保持
された支持基板との間の静電引力により、各絵素内に位
相グレーティングを作り出す。この引力は、付着電荷の
量に比例した量だけ膜表面を変形せしめる。この変調さ
れた油膜は、キセノンアークランプからの空間的コヒー
レント光により照明される。油膜上の変調された絵素へ
の入射光は、局部的位相グレーティングにより回折され
て、規則的な間隔を有する諸次数の不連続的な回折光の
組を作り、これらは、光学装置の一部をなす、透明バ
ー、不透明バーが交互に並べられた周期的アレイから成
るシュリーレン絞り上に入射せしめられる。シュリーレ
ン絞りのバーの間隔は、回折信号の諸次数のものの間隔
に適合するように選択されるので、高い光学的スループ
ット効率が達成される。光弁の不変長領域に入射した光
は、シュリーレン絞りの不透明バーにより、映写レンズ
に達しないよう阻止される。光弁上の不変調領域から、
シュリーレン写像装置によって映写スクリーン上に形成
される映像は従って暗くなり、一方、変調された電子ビ
ームにより導入された位相摂動は、シュリーレン映写器
によりスクリーン上における光輝点に変換される。電子
衝撃による油の重合および陰極の有機蒸気汚染の関連す
る多くの技術的困難にもかかわらず、この形式の油膜装
置は、スクリーンにおいて数千ルーメンの総光量が要求
される場合に極めて広く使用される装置をなす段階ま
で、成功裡に発展せしめられた。しかし、このような装
置は、高価で、大形であり、かつ短寿命の成分を有す
る。

いくつかの非油膜式SLMも開発され、これらのSLMは、
可撓素子形、偏光面回転形、および光散乱形のものを含
む。これらの形式のSLMは、金属、エラストマー、また
はエラストマー光導電体の反射層の変形、および強誘電
体、PLZTセラミックス、および液晶による偏光および散
乱、などのさまざまな効果を用いる。例えば、229Proc.
SPIE 68（1981）に所載のR.Sprague外著「Linear total
interanal reflection spatial light modulator for
laser printing」、および299 Proc.SPIE 76（1982）に
所載のW.TurnerおよびR.Sprague著「Integrated total
internal reflection（TIR）spatial light modulator
for laser printing」、および米国特許第4,380,373号
には、感光媒体に対する非衝撃印刷装置が説明されてお
り、その装置においては、レーザ光が照明線を形成せし
められ、光変調器の直線形アレイを通過した後、感光媒
体上に像を形成する。そのアレイは、内部全反射式空間
的光変調器として構成され、その電極および駆動電子装
置は集積駆動素子上に製造され、その素子は、ニオブ酸
リチウムなどの光電気結晶の内部全反射表面に対して載
置される。それぞれの２電極間の縞状の界により生ぜし
められる屈折率の局部的変化は、シュリーレン読出光学
装置によって読出され、その光学装置はTIR界面を感光
媒体上に写像する。これは１次元画像であり、感光媒体
は、直線形アレイの像の下のドラム上において回転せし
められ、印刷上の応用のための２次元画像（例えば、テ
キストの１ページ）を生じる。しかし、SLM（光弁）
は、そのハイブリッド性のために、極めて製造上の諸問
題の影響を受けやすい。縞の界強度、従って変調された
絵素から回折される光量は、アドレス電極と、強誘電結
晶表面との間の、1/10ミクロン未満のエアギャップの厚
さの変化に敏感に影響される。従って、結晶と電極構造
との間に捕えられた極めて小さい粒子でも、感光媒体に
対する照明の非一様性問題を発生せしめうる。光弁の変
調領域と不変調領域との境界に存在する絵素における装
置の光応答はまた、アドレス技術の性質のために、変調
領域の中央付近の絵素における応答よりもかなり低い。
この技術に基づくプリンタの市販の予定はまだ存在しな
い。

Proc.SID Symp.250（April 1982）に所載のM.Little
外著「CCD−Addressed Liquid Crystal Light Valve」
には、シリコンチップの前面にCCD領域アレイを有し、
そのチップの後面に液晶アレイを有するSLMが説明され
ている。電荷はCCDに、アナログ電荷データの完全なフ
レームがロードされるまで入力され、その後その電荷
は、チップの後面にダンプされて、液晶を変調する。こ
の装置は、ひどい固定パターン雑音、および前面から後
面への転送からの電荷の拡散により解像度の劣化、を難
点とする。

１次元アレイおよび２次元アレイの双方として製造さ
れるもう１つの形式のSLMには、変形可能鏡がある。変
形可能鏡には、エラストマー、膜、および片持梁の３種
類がある。エラストマー方式においては、エラストマー
の圧縮により表面の変形を生ぜしめる空間的に変化する
電圧によって、金属被覆されたエラストマーがアドレス
される。アドレス電圧としては100また200ボルト程度が
要求されるので、エラストマーは高密度のシリコンアド
レス回路と集積するための良い候補にはなりえない。一
般的には24 IEEE Tran.Elec.Dev.930（1977）に所載の
A.LakatosおよびR.Bergen著「TV projection display u
sing an amorphous−Se−type RUTICON light valve」
を参照されたい。

膜形変形可能鏡にはさまざまな形式のものがある。１
形式は、本質的に、前述のアイドホール装置の油膜の代
わりをなすものである。この装置においては、薄い反射
鏡が支持格子構造により、陰極線管（CRT）の前面に取
付けられる。アイドホールにおけると同様に、アドレッ
シングはラスタ走査をする電子ビームによって行なわれ
る。電子ビームによりCRTの前面ガラスに付着せしめら
れた電荷は、定電圧に保持された膜を静電的に引きつけ
る。この引力は、膜を格子構造により形成された井戸状
部内へたるませ、それによってそれぞれの絵素位置に小
球面鏡を形成する。この形式の変調絵素からの回折光
は、鏡様に反射されたビームのまわりに回転対称な、比
較的細い錐内に集中せしめられる。従って、この形式の
光弁は、この光弁の不変調領域から鏡様に反射された後
光学装置により形成される光源像を阻止すべき位置と大
きさとを有する単一の中央暗部から成るシュリーレン絞
りと共用される。変調された絵素は、この中央暗部より
大きく、そこに中央を置く、シュリーレン絞り面におけ
る円形光領域を作る。この絞りの効率、すなわちシュリ
ーレン絞りを通過する変調絵素エネルギの割合は、変形
可能膜に基づく映写器においては、油膜式アイドホール
映写器におけるよりも一般にやや低い。さらに、このよ
うな変形可能膜鏡装置は、少なくとも２つの主要問題を
有する。比較的に固い反射膜をアドレスするのに高い電
圧が要求され、また、電子ビームラスタと絵素支持格子
構造との間のわずかな位置不整合がアドレッシング問題
を生ぜしめるのである。この位置不整合は、映像のぼけ
と、表示輝度の不均一性とを生ぜしめる。

もう１つの形式の変形可能膜鏡は、30 IEEE Trans.El
ec.Dev.539（1983）に所載のL.Hornbeckの論文と、米国
特許第4,441,791号とに説明されており、これは、シリ
コンアドレス回路に接着された金属被覆重合体鏡のアレ
イから成るハイブリッド集積回路をなす。鏡素子からエ
アギャップにより分離された下部のアナログアドレス回
路は、鏡アレイをして選択された絵素において静電引力
により変位せしめる。この結果得られる２次元変位パタ
ーンは、反射光に対し対応した位相変調パターンを与え
る。このパターンは、シュリーレン映写技術によってア
ナログ強度変化に変換されるか、または、光情報プロセ
ッサに対する入力トランスジューサとして用いられる。
しかし、変形可能膜鏡は、膜と下部支持構造との間に、
小さい、ミクロン大の粒子が捕えられた時でさえ生じる
欠陥の影響を受けやすいことによる、製造上の問題を有
する。膜は、これらの捕えられた粒子の上にテント部を
形成し、これらのテント部の横方向の広がりは粒子自身
の大きさよりずっと大きいので、これらのテント部はシ
ュリーレン写像装置により輝点として写像されることに
なる。

変形可能片持梁鏡は、変形可能片持梁の微細な機械的
アレイであり、入射光を直線形パターンまたは領域形パ
ターンをなすように変調するための、あるアドレス手段
により静電的に、かつ個々に変形せしめられうる。変形
可能片持梁鏡は、適正な映写光学装置と共用されること
により、表示、光情報処理、および電子写真印刷に利用
されうる。真空蒸着によりガス上に製造された金属片持
梁を用いた初期の形式のものは、米国特許第3,600,798
号に開示されている。この装置は、装置の非集積的アー
キテクチャに起因する、前部ガラス基板と後部ガラス基
板との位置整合を含めての、製造上の問題を有する。

変形可能片持梁鏡は、22 IEEE Tran.Elec.Dev.75（19
75）に所載のR.Thomas外著「The Mirror−Matrix Tube:
A Novel Light Valve for Projection Displays」およ
び米国特許第3,886,310号および第3,896,338号に説明さ
れている。この装置は、次のようにして製造される：サ
ファイア基板上のシリコン上に熱二酸化シリコン層を成
長せしめる；この酸化物を、中央で接合された４つの片
持梁のクロバーの葉形アレイをなすようにパターン化す
る。シリコンを、酸化物の下部が切離されるまで等方的
にウェットエッチングし、それぞれの絵素内、中央のシ
リコン支持柱によって支持される４つの酸化物片持梁を
残す。このクロバーの葉形アレイを、次に反射率を増大
させるためにアルミニウムで金属被覆される。サファイ
ア基板上に付着したアルミニウムは、直流バイアスレベ
ルに保持される基準格子電極をなす。この装置は、走査
電子ビームによってアドレスされ、この電子ビームはク
ロバー葉形梁上に電荷パターンを付着せしめることによ
り、それらの梁を基準格子に向かう静電引力によって変
形せしめる。消去は、狭い間隔をおいた外部格子を負に
バイアスすることにより、この装置に低エネルギー電子
を浴びせることによって行なわれる。シュリーレン映写
器を用いて梁の変形は映写スクリーン上の輝度変化に変
換される。この装置の重要な特徴は、クロバー葉の幾何
学的形態であり、この形態によって、梁のたわみは梁間
の開口から45゜回転せしめられた方向へ行なわれるよう
にされ、それによって、変調された回折信号を減衰させ
ることなく、固定された回折バックグラウンドを阻止す
る簡単な十字形シュリーレン絞りが使用しうることにな
る。この装置は、2.54cm（１インチ）あたり500絵素の
絵素密度で製造され、梁は４゜までたわむことができ
た。光学装置は、150ワットのキセノンアークランプ
と、反射式シュリーレン光学装置と、利得５の76.2cm×
106.7cm（2.5フィート×3.5フィート）のスクリーン
と、を使用した。400本のTV線の解像度は、10.67メート
ル・ルーメン（35フート・ルーメン）のスクリーン輝度
と、15対１のコントラスト比と、48％のビーム回折効率
と、を示した。1/30秒未満の書込時間が達成され、消去
時間は書込時間の1/10の短かさであった。しかし、この
装置は、走査誤差から起こる解像度の劣化、低い製造歩
どまり、および従来の投射管に比し利点をもたない、な
どの諸問題を有する。すなわち、走査から走査への位置
決め精度が、個々の絵素へ再生可能なように書込むほど
十分高くない。その結果起こる解像度の低下のため、比
較可能なように書込まれた蛍光体と比較して同じ解像度
を保つためには、少なくとも絵素の数を４倍に増加する
必要がある。また、装置の歩どまりは、クロバー葉の支
持柱に対するエッチ止の欠如、梁のウェットエッチング
による梁の破損、常態において緊張常態にあるアルミニ
ウムを酸化物の梁上にゼロ応力の状態で蒸着する必要
性、により制約される。さらに、この装置は、従来の投
射管に比し、経費または性能に関して明瞭な利点をもた
ない。

アドレス回路と共にシリコン上に集積され、従って前
述の片持梁装置の高電圧回路による電子ビームアドレッ
シングおよび真空外囲器をなくした、変形可能な片持梁
鏡は、31 Appl.Phys.Lett.521（1977）に所載のK.Peter
sen著「Micro−mechanical Light Modulator Array Fab
ricated on Silicon」、および米国特許第4,229,732号
に開示されている。これらの参照文献の最初のものに
は、次のようにして製造される飛込み板形片持梁の16×
１アレイが説明されている：厚さ約12ミクロンの（10
0）−方向の（ｐまたはｎ形）シリコンのエピタキシャ
ル層をｐ＋基板（または埋込み層）上に成長せしめる；
このエピタキシャル層を0.5ミクロンの厚さまで酸化
し、約500Åの厚さのCr−Au膜で被覆する。この酸化物
を、第２マスキング段階において、金属被覆のまわりが
櫛パターンをなすようにエッチング除去する。最後に、
シリコン自体を、エチレンジアミンおよびピロカテキン
の溶液内で120℃においてエッチングする。もし、結晶
軸に対してマスクの適正な方向が維持されれば、金属被
覆酸化物の飛込み板をエッチングによって下部を切離さ
れシリコンから自由になる。このエッチングは異方性の
ものであるから、それ以上の横方向エッチングは、櫛パ
ターンの長方形エンベロプを画定する（111）面によっ
て停止せしめられる。さらに、エッチ液はｐ＋材料によ
り抑制されるので、飛込み板の下部の井戸部の深さはエ
ピタキシャル層の厚さによって画定される。基板と飛込
み板の金属被覆との間に直流電圧が印加されると、薄い
酸化物の飛込み板は静電的にエッチングされた井戸部内
へ下向きにたわまされる。長さ106ミクロン、幅25ミク
ロンの飛込み板は、約66ボルトのスレッショルド電圧を
示した。

第２の参照文献（HartsteinおよびPetersenによる米
国特許第4,229,732号）には飛込み板装置と同様に製造
される（金属被覆された二酸化シリコン片持梁の下部の
井戸状部を形成するためのエッチ止としてｐ＋層を用い
る）が、異なるアーキテクチャを有する装置が説明され
ている。すなわち、片持梁は１つのかどでヒンジ連結さ
れた正方形フラップ状をなし、これらのフラップは飛込
み板の１次元の行の代わりに２次元アレイを形成し、こ
れらのフラップの下部の井戸部は連結されていないの
で、フラップに対するアドレス線路は、フラップの行お
よび列の間のシリコンの頂部表面上に形成されうる。も
ちろん、フラップの角のヒンジ連結は、米国特許第3,88
6,310号および第3,896,338号のクロバー葉アーキテクチ
ャに由来するものだが、完全なクロバー葉アーキテクチ
ャは、クロバー葉フラップがシリコン表面から分離され
た中央柱にヒンジ連結されているために、表面のアドレ
ス線路の使用可能性を排除するので、用いることができ
ない。さらに、これらの装置は、密度上の制約のために
解像度が低く、かつ低効率であり、活性領域の割合が小
さく、製造歩どまりが低く、アドレス回路による回折効
果のためにコントラスト比が劣り、酸化物フラップの帯
電効果のために残像を生じる、という諸問題を有する。
特に、アドレス回路は、井戸部がエピタキシャル層をｐ
＋エッチ止に達する下方までエッチング除去して形成さ
れるために、アドレス回路を活性領域（フラップ）下に
配置しえないので、活性領域を迂回せざるをえない。従
って、活性領域は実質的に減少せしめられるので、回折
効率も同時に低下する。これは、同じスクリーン輝度を
得るのに大きいランプ電力を要することを意味する。ア
ドレス回路のために追加の領域が必要になるので、絵素
の大きさはフラップ領域よりずっと大きくなり、そのた
め達成可能な解像度が低下する。井戸部の形成のために
必要なウェットエッチングは、電気的および機械的歩ど
まりを低下させる。実際、スピン−リンス／乾燥サイク
ル中に梁の下の捕えられた水は、表面から回転せしめら
れている時に梁を破損するので、チップに切断した後の
ウェットクリーニングはフラップおよび飛込み板を破壊
する。もし、代わりに水を表面から蒸発させれば、表面
の背後に一部が残留して表面の洩れ電流を増大せしめう
るので、装置の誤動作の原因になる。また、シリコン表
面にあるアドレス回路は、変調されるべき入射光にさら
されるので、トランジスタゲートからの望ましくない回
折効果を生じ、コントラスト比をさらに低下させる。さ
らに、アドレス製造内への光の洩れは、光による電荷発
生を起こすので、蓄積時間を減少せしめる。最後に、酸
化物／金属フラップは、井戸部に面する絶縁側を有し、
井戸部に存在する強い電界により帯電せしめられる。こ
らは残像（「バーンイン（burn−in）」像）を生ぜしめ
る。この残像問題をなくすために必要な交流駆動は、上
述のNMOS駆動回路によっては与えられない。さらに、も
しフラップが最大安定たわみを越えてたわまされると、
それは撓潰して井戸部の底部に付着する。従って、撓潰
電圧以上の電圧は絶対に避けなくてはならない。

片持梁方式の変種は、24 IBM J.Res.Devp.631（198
0）に所載のK.Petersen著「Silicon Torsional Scannin
g Mirror」、および4 IEEE Elec.Dev.Lett.3（1983）に
所載のM.Cadman外著「Micromechanical Display Using
Tnin Metallic Films」に示されている。この方式にお
いては、周囲の反射面と２つのヒンジで連結された金属
被覆シリコンフラップまたは金属性フラップを形成し、
これらのフラップをヒンジによって形成される軸に沿っ
てねじることによって動作せしめる。これらのフラップ
は、下部のアドレス用基板とモノリシックには形成され
ていないが、前述の変形可能膜と同様に、それに接着さ
れている。

Cadeによる米国特許第4,356,730号の装置は、以上の
諸特徴を組合わせ、金属被覆二酸化シリコン片持梁飛込
み板と、角でヒンジ連結されたフラップと、ヒンジ連結
されたねじれフラップと、を備えたシリコン基板を有す
る。アドレス電極（メモリアレイにおけると同様に、ｘ
−ｙアドレッシング用として飛込み板またはフラップ毎
に２つある）は、表面上にあり、飛込み板またはフラッ
プは、スイッチまたはメモリビットとして動作せしめら
れ、スレッショルド電圧の印加によって、シリコン基板
にエッチングされた穴の底部へ収容される。飛込み板ま
たはフラップは、その後はもっと小さい予備電圧により
穴の底部に保持される。

上述の片持梁装置に関する参照文献には、シュリーレ
ン映写光学装置が片持梁装置と共用されうることが示唆
されている。しかし、そのような光学装置は、達成しう
る光学的性能に関し制約を有する。まず、写像レンズの
開口直径は、信号エネルギのみを通過させるのに必要な
大きさよりも大きくなくてはならない。すなわち、シュ
リーレン絞りの中央暗部の周囲の全信号エネルギを通過
せしめるために、レンズ速度は比較的に高くなくてはな
らない（または、同等のことであるが、レンズのｆ数は
比較的小さくなくてはならない）。さらに、この写像配
置においては、信号はレンズのひとみの外部を通過す
る。SLM上の任意の与えられた点から出て、写像レンズ
のひとみの最外部領域を通過する光線は、任意の写像レ
ンズの光学的設計において、十分に補正された焦点へ集
めるのに最も困難な光線である。外側の光線が十分に制
御されれば、写像レンズの中央を通る光線は自動的に十
分に補正される。従って、写像レンズに対しては、高度
に複雑な光学的設計が要求される。第２に、片持梁SLM
上の軸外絵素の十分に補正された像を写像レンズが形成
できる視界角の大きさも制限される。いかなるレンズ設
計の仕事も、レンズ速度と、レンズが良好な品質の映像
を形成しうる視界角範囲との間の妥協を含む。高速度レ
ンズは狭い視界範囲で働き、広角レンズは比較的に低速
度である傾向がある。シュリーレン写像装置は、その全
開口上において十分に補正されていなくてはならず、こ
の開口の直径は像形成光を通過させるのに要するよりも
大きい必要があるので、レンズが働きうる視界角範囲
は、遮蔽されない、小さい直径のレンズの中央を信号が
通過するような別の写像配置がもし考案されえたとすれ
ば、その場合よりは小さくなる。最後に、与えられた有
限の速度を有する写像レンズにおいては、シュリーレン
絞りを配置使用すると、使用可能な光源の大きさが制限
される。これによって、映写スクリーンまたは受光装置
の、たわんだ絵素の像へ送られうる照射レベルが制限さ
れる。この照射レベル、すなわち単位面積あたりの送達
電力は、光源の放射発生量、光学装置の伝達率、および
像形成光線錐の立体角に依存する。光源の放射量は、使
用される特定のランプによってのみ決定される。光学装
置の伝達率は、特定のSLM/シュリーレン絞り配置におけ
る絞り効率および表面伝達損による。しかし、像形成光
線錐の立体角は、信号エネルギで満たされる写像レンズ
のひとみの面積に正比例する。写像レンズのひとみに中
央領域を遮るシュリーレン絞りを使用すると、使用可能
なひとみ面積が制限され、従って、与えられた速度のレ
ンズおよび与えられた放射量の光源によって得られる像
平面における照射レベルも制限を受ける。これは、使用
できる最大光錐が梁のたわみ角に等しい開口角を有する
という基本的な照射制限に追加されるものである。

従来の梁式SLMは、梁絶縁体帯電効果、梁の撓潰に対
する過電圧保護の欠如、光学的非効率性および不均一性
を生ぜしめる小さい角度の、かつ不均一な梁のたわみ、
および絵素の高電圧アドレッシング、の諸問題を含む。

［発明の要約］ 本発明は、着地電極上に着地する梁を有する可撓梁式
空間的光変調器のリセット方法を提供する。このリセッ
ト方法は、梁の無撓モードを励振し、梁が着地電極に付
着する問題を解決する。

［実施例］ 実施例の可撓梁式空間的変調器（SLM）は、通常、絵
素の直線形アレイまたは領域形パターンから形成され、
それぞれの絵素は個々にアドレス可能であって、少なく
とも１つの可撓反射梁を含み、これらの絵素はモノリシ
ックシリコンを基材とするチップの形式に構成される。
これらのチップは、シリコンウェーハを処理し、このウ
ェーハをチップに切断し、さらに個々のチップを処理す
ることによって製造される。これらのチップの寸法は、
応用面によって異なり、例えば絵素の2400×１直線形ア
レイ（これは2.54cm（１インチ）あたり300ドットのプ
リンタ成分をなしうる）は、約33.02mm×6.35mm（約130
0ミル×250ミル）のチップ上に約12ミクロン（1/2ミ
ル）平方の絵素として製造される。このSLMは、絵素か
ら光を反射することによって動作し、反射光は可撓梁の
たわみを変化させるとによって変調される。従って、こ
のようなSLMはまた変形可能鏡装置（DMD）とも呼ばれ、
可撓梁はまた鏡素子とも呼ばれる。以下の説明は主とし
てDMDにおける個々の絵素に関するものであり、図は全
て説明をわかりやすくするために概略図にしてある。

第1a図には、第１実施例の方法によって製造されたDM
Dの第１実施例の単一絵素が斜視図として示されてお
り、第1b図にはその立断面図が、第1c図にはその平面図
が示されている。全体が20によって示されている絵素
は、基本的には浅い井戸部を覆う梁（フラップ）であ
り、シリコン基板22と、絶縁スペース24と、金属ヒンジ
層26と、金属梁層28と、層26−28内に形成された梁30
と、梁30内のプラズマエッチング・アクセス孔32と、を
有する。梁層28によって覆われないヒンジ層26の部分3
4,36は、梁30のスペーサ24で支持される層26−28の部分
に取付けられたねじれヒンジ（ねじれロッド）を形成す
る。電極40,42,46,41は、スペーサ24と基板22との間に
延長し、二酸化シリコン層44により基板22から分離され
ている。第1b図は、第1a図および第1c図に示されたＢ−
Ｂ線における断面図である。

絵素20の典型的な寸法は次の通りである：梁30は一辺
の長さが12.5ミクロンの正方形をなし、スペーサ24の厚
さ（第1b図では鉛直をなす）は4.0ミクロン、ヒンジ層2
6の厚さは800Å、梁層28の厚さは3,600Å、ヒンジ34お
よび36のそれぞれの長さは4.6ミクロン、幅は1.8ミクロ
ンであり、プラズマエッチング・アクセス孔32は一辺が
2.0ミクロンの正方形をなし、プラズマエッチング、ア
クセスギャップ38（梁30と梁層28の残部との間の空間）
の幅は2.0ミクロンである。

約10゜の梁の最大のたわみ角を生じる絵素20における
典型的な寸法のもう１つの組は次の通りである：梁30は
一辺の長さが19ミクロンの正方形をなし、スペーサ24の
厚さ（第1b図では鉛直をなす）は2.3ミクロン、ビンジ
層26の厚さは750Å、梁層28の厚さは3000Å、ねじれヒ
ンジ34および36のそれぞれの長さは4.6ミクロン、幅は
1.0ミクロンであり、プラズマエッチング・アクセス孔3
2は一辺が1.5ミクロンの正方形をなし、プラズマエッチ
ング・アクセスギャップ38（梁30と梁層28の残部との間
の空間）の幅は1.0ミクロンである。

基板22は、抵抗率約10Ω・cmの（100）シリコンで、
通常その表面上にアドレス回路が形成されており、電極
40,41,42,46のほかに周辺装置をも含む。スペーサ24は
ポジ形ホトレジストであり、絶縁体である。ヒンジ層26
および梁層28は共にアルミニウム、チタン、シリコンの
合金（Ti:Si:Al）で、0.2％のTiと１％のSiとを含む。
この合金は、スペーサ24と著しく異ならない熱膨張係数
を有するので、以下に述べる製造工程中に発生する金属
層とスペーサ24との間の応力は最小化される。また、２
つの層26および28も同じ金属なので応力は最小化され
る。梁またはヒンジの層間になんらかの応力が存在する
と、梁またはヒンジの反りまたは曲がりが起こりえ、金
属とスペーサとの間になんらかの応力が存在すると、井
戸部上の金属の自由部分の座屈または反りが起こりう
る。

第1a図から第1c図までのアーキテクチャは、次の２つ
の判定基準を同時に満足する：（１）梁金属上における
ヒンジ金属の段付被覆の問題なく、所望のように梁金属
を厚く、かつヒンジ金属を薄くなしうる、（２）梁金属
下のスペーサ面は、もしヒンジが梁金属の付着の前にス
ペーサ上に長方形片として形成されたならば起こりうる
処理の側部効果にさらされない。

絵素20は、金属層26−28と基板22上の電極42または46
との間の電圧を印加することにより動作せしめられる。
梁30と諸電極とは、エアギャップキャパシタの２つの極
板をなし、印加電圧により２極板に誘起された逆符号の
電荷は、梁30を基板22へ引きつける静電気力を作用せし
めるが、電極40および41は梁30と同じ電圧に保たれる。
この引力は、梁30をしてヒンジ34および36においてねじ
れしめ、また基板22に向かってたわましめる。第２図に
は、このたわみと、正電圧が電極42に印加された場合に
最小ギャップ領域に集中する電荷とが、概略的に示され
ている。20ないし30ボルトの範囲の電圧の場合は、たわ
みは２゜の範囲内にある。もちろん、もしヒンジ34がも
っと長く、またはもっと薄く、またはもっと狭く作られ
ていたとすれば、ヒンジ34のコンプライアンスはその幅
に逆比例し、長さの平方に正比例し、厚さの立方に逆比
例して変化するので、たわみは増大する。梁30の厚さ
は、処理中に発生する表面応力による梁30の著しい反り
を防止すること、しかし、ヒンジ34の薄さは大きいコン
プライアンスを与えることに注意すべきである。第２図
はまた、DMDの動作中に起こる、たわんだ梁30からの光
の反射を示している。

梁30のたわみは、印加電圧の高度に非直線的な関数で
ある。そのわけは、ヒンジ34のねじれによって発生する
復元力はたわみのほぼ直線的な関数であるが、静電引力
が、最も接近した梁30の角と基板22との間の距離の逆数
の関数として増大するからである（キャパシタンスが距
離の減少に伴って増大するため、誘起電荷の量が双方と
も増加して互いに接近することを想起すべきである）。
第3a図は、電極42および40がアドレス電極142として接
合され（かつ電極41および46がアドレス電極146として
接合され）た、簡単化された形式の絵素20である絵素12
0における、たわみの電圧に対する近似的依存関係を示
す。第3b図には、絵素120の諸要素の平面図が、絵素20
の対応諸要素よりも100だけ大きい参照番号を付して示
されている。絵素120のねじれ梁130が不安定になり完全
に曲がって基板122に接触するときの電圧は、撓潰電圧
と呼ばれる。撓潰電圧よりやや低い電圧においては、た
わみは電圧の近似的直線関数となり（第３図の点線参
照）、これがアナログ動作領域となる。アナログ動作に
おける電圧（40−50ボルト）は、集積回路において通常
用いられる電圧より著しく高いことに注意すべきであ
る。

絵素20の動作の解析の前に、簡単化された絵素120の
定性的解析を行なう。第４図は、絵素120の概略立断面
図（第1b図および第２図に類似）であり、使用される変
数の定義を示す。第3b図は、２つの隣接する絵素120の
平面図である。

第４図に示されているように、アドレス電極146およ
びねじれ梁130は接地されており、アドレス電極142には
電圧φ_ａが印加されて、この電圧がねじれ梁130を角θ
だけ回転させる。ねじれ梁のこの回転は、ねじれ梁130
の先端131がたわむ距離z_Tによって表わされ、あるい
は、たわんでいないねじれ梁の先端131とアドレス電極1
42との間の距離z₀に正規化された距離α、すなわち として表わされる。回転角が小さいときは、θをラジア
ンで表わすと、θとαとは の関係にある。ただし、Ｌは、反対側の角135および137
においてねじれヒンジ連結された正方形ねじれ梁130の
一辺の長さである。

アドレス電極142に電圧φ_ａが印加されたとき、ねじ
れ梁130に作用する、角135および137を通る軸の回りの
トルクは、次のようにして計算される。まず、回転軸か
ら距離ｘにあり幅dxを有するねじれ梁130の小さい（無
限小の）領域を考える（第４図の平面図参照）。ねじれ
梁130上のこの小領域とアドレス電極142との間の小さい
鉛直体積内の静電エネルギは、（辺縁界を無視し、一様
な電界を仮定して）ほぼ に等しい。ただし、は小さい鉛直体内における電界、
は同じ体積内における電気変位である。z₀−ｚは小鉛
直体積の高さであり、 はねじれ梁130上の小領域の長さであることに注意すべ
きである。もちろん、静電的およびには、媒質の誘
電率による関係＝ε_０がある。また、電界の強さ
は、電位差を間隔で除算したものに等しく、 である。電界から前記小領域に作用する鉛直（ｚ）方向
の小さい力は、ｚ方向におけるdUの偏導関数に等しく、 従って、 となり、この力のモーメントアームはｘに等しいので、
この小さい力がねじれ梁130に及ぼす小さくトルクはxdF
_xとなる。従って、アドレス電極142に印加される電圧φ
_ａにより、ねじれ梁130に作用せしめられる全吸引トル
クτ_ａは、 となる。ただし、ここで、小さい角に対する近似式θ＝
tan（θ）を用いて、ｚ＝ｘθとおいた。

この積分計算を行なうと、 が得られる。ただし、θは正規化されたたわみαによっ
て表わした。第５図は、３つの相異なるアドレス電圧
（V₁＜V₂＜V₃）における、τ_ａのαへの依存を示す。ね
じれヒンジのねじれにより発生する復元トルクは、 によって与えられる。ただし、Ｃはねじれヒンジのコン
プライアンスである。復元トルクの大きさは第５図に破
線によって示されている。

ねじれ梁130の安定平衡点は、正味のトルクがゼロに
なる点を求めることにより見出される。第５図におい
て、φ_ａ＝V₁の場合には「Ｐ」および「Ｑ」で示された
点において正味トルクはゼロになる。点「Ｐ」（α＝α
_１である）は安定な平衡を与える。そのわけは、αがい
ずれの方向へ小さく偏移しても正味トルクはαをα_１に
向かって復元するからである。反対に、点「Ｑ」におい
ては、α_２から離れるαの小偏移に対し、正味トルクは
その偏移を増大させるように作用し、α_１まで後退する
か、または撓潰して先端131が電極142（α＝１）上に着
地する。同様の状況は０とV₂との間の任意のφ^ａにおい
て見られる。

φ_ａ＝V₂においては、点「Ｐ」および「Ｑ」は、τ_ａ
曲線とτ_ｒ曲線とが接する単一点「Ｒ」に合体する。点
「Ｒ」（α＝α_ｃである）は、準安定平衡を与え、αが
α_ｃより小さい方へ偏移すると正味トルクはαをα_ｃの
方へ復元するが、αがα_ｃより大きい方へ偏移すると正
味トルクは先端131をアドレス電極142（α＝１）へ撓潰
させる。第５図に示されているV₃のような、V₂より大き
いφ_ａにおいては、正味トルクがゼロになる点はない。
従って、V₂は撓潰電圧であり、V_cによって表わされる。
第６図には、以上のことが要約されており、：φ_ａが０
からV_cまで増大するとき、安定平衡たわみα_１は増大
し、φ_ａ＝V_cにおいては安定平衡たわみはα_ｃに達し、
以後それはなくなる。もし撓潰たわみ（α＝１）を含め
れば、φ_ａ＜V_cにおいては絵素120は２つの平衡点を有
すると考えられ、その一方はアナログ平衡点（たわみが
φ_ａによる）であり、他方はディジタル平衡点（α＝
１）でφ_ａによらない。φ_ａV_cにおいては、アナログ
平衡点はなくなり、絵素120はディジタル平衡点のみを
有する。

撓潰すると、ねじれ梁の先端131はアドレス電極142に
接触し、大電流が先端131を通って電極142へ流れるの
で、先端131は電極142に溶接される。従って、この特定
のアーキテクチャにおいては、撓潰は破壊現象である。
極めて薄いねじれヒンジにおいては、ヒンジは溶断可能
な連結部として作用し、ねじれ梁が撓潰すると溶断す
る。

絵素20は、絵素120における高電圧動作およびねじれ
梁の下部電極に対する破壊的撓潰の問題を克服する。絵
素20は、ねじれ梁30に電気的に接続された追加の着地電
極40および41と、アドレス電極42のアドレス電極46に対
する、アドレス信号φ_ａの論理的逆による接続と、を有
する。第７図の概略図を参照されたい。絵素20の動作
を、以下に説明する。

まず、固定されたアドレス信号電圧φにおいて、梁30
とアドレス電極46との間に発生するトルクτ_＋を、梁30
の正規化されたたわみαの関数として考察する。最初
に、梁30と、着地電極40および41とが接地され（V_B＝
０）、電圧φがアドレス電極42にも印加されているもの
と仮定する。簡単化された絵素120の場合のトルクとは
異なり、トルクτ_＋は、αが１に近づいても∞に近づく
ことはない。そのわけは、梁30の先端31が着地電極41に
当たり、梁30をアドレス電極46から離れた状態に保つか
らである。電極142に当たった時の絵素120における先端
131の破壊的性質とは対照的に、先端31が着地電極41に
当たっても、大電流パルスおよび先端31の着地電極41へ
の溶接は発生しない。そのわけは、梁30と着地電極41と
が電気的に接続されているからである。また、梁33が逆
方向に着地電極40に向かってたわまされると、αは−１
に近づき、梁30とアドレス電極46との間の間隔が増大す
るのでτ_＋は減少する。第７図を参照されたい。

アドレス電極42により梁30に発生せしめられるトルク
τ₋は、τ_＋と対称性によって関連していることは容易
にわかり、τ₋（α）＝−τ_＋（−α）である。従っ
て、固定電圧φを双方のアドレス電極42および46に印加
した場合、正規化たわみαにおける正味の吸引トルクτ
_ａは和τ_＋＋τ₋に等しく、正のトルクは電極46に向か
って吸引し、負のトルクは電極42に向かって吸引する。
この正味の吸引トルクはαの関数として第８図に示され
ている。τ_＋（α）およびτ₋（α）の曲線は、絵素12
0の考察に関連してτ_ａを得たようにして得られる。第
９図には使用される変数が示されており、これらは第４
図におけると同じ変数であるが、ねじれ梁30下のアドレ
ス電極42および46の広がりの測度Ｌ′が追加されてい
る。Ｌ′は、 によって定義される正規化距離βとして表わすと便利で
ある。従って、絵素120においては、Ｌ′は に等しいからβは１に等しい。この定義と、積分変数の
変更とにより、τ_＋の計算は、 となる。

これは、部分分数によって直ちに積分され、 が得られる。ただし、ｇ（α，β）は無次元の関数で、
この方程式により定義される。

とおくと、第８図の曲線が得られる。

絵素20の動作を解析するために、まずアドレス電極42
および46の双方を接地電位に保ち、梁30と、着地電極40
および41とに印加される正の差動バイアスV_Bを増大させ
たときの影響を考察する。（もちろん、これによって、
双方のアドレス電極にV_Bを印加し且つ梁30および双方の
着地電極を接地した場合と同じトルクが発生せしめられ
る。また、負のV_Bは対称的な結果を与えるが、表現を簡
単にするために正のV_Bのみを考える）。絵素120の解析
におけると同様に、正味トルク（吸引トルクτ_ａと復元
トルクτ_ｒとの和）がゼロになる点を計算すれば、平衡
点が決定される。いま、τ_ｒはねじれ梁のたわみとねじ
れヒンジのコンプライアンスに依存するので、τ_ｒは絵
素120の場合と同じである。しかし、絵素20における吸
引トルクτ_ａは、絵素120におけるトルクがα＝１にお
いて有界でなく、α＝０において正トルクとなる（第５
図参照）のとは対照的に、有界であり、対称的で、α＝
０においてゼロ点を通過する（第８図参照）。このた
め、以下のように、前述の絵素120の動作との定性的な
差が生じる。

第10図には、V_Bが小さく、アドレス電極42および46が
接地されている場合の、絵素20におけるτ_ａおよびτ_ｒ
が示されている。α＝０において正味トルクは消失し、
梁30はたわみのない状態に保持される。任意のゼロでな
いα（梁30が一方の着地電極40または41へ撓潰するα＝
±１を含む）においては、正味トルクは梁30をたわみの
ない状態（α＝０）へ復元させるので、これが唯一の安
点平衡点となる。従って、これは単安定モードの動作で
ある。

差動バイアスがV_B＝V₁（第10図）からV_B＝V₂（第11
図）へ増大せしめられると、正味トルクがゼロになる他
の点が２つ現われる。α＝０の点と、α＝±１に近い点
「Ｐ」および「−Ｐ」である。この場合も、α＝０は安
定な平衡点であるが、点「Ｐ」および「−Ｐ」は、絵素
120における第５図の点「Ｑ」と同様に不安定であり、
「Ｐ」または「−Ｐ」付近における｜α｜が小さくなる
方への小さい偏移は、梁30をたわみのないα＝０の状態
へ復帰させようとする正味トルクを生ぜしめ、「Ｐ」ま
たは「−Ｐ」付近における｜α｜が大きくなる方への小
さい偏移は、梁30をいずれかの着地電極40または41（α
＝±１）へ撓潰せしめようとするトルクを生ぜしめる。
従って、この差動バイアスにおいては、梁30は３つの安
点平衡点：α＝0,±１を有する。従って、これは３安定
モードの動作である。

差動バイアスをV_B＝V₂からV_B＝V₀（第12図）までさら
に増大させると、τ_ａおよびτ_ｒの両曲線はα＝０にお
いて接し、安定平衡点としてのα＝０は消失する。実
際、０付近におけるαの任意の小偏移は｜τ_a|＞｜τ_r|
ならしめるので、梁30は一方の着地電極（α＝±１）へ
撓潰しようとする。V₀より大きい差動バイアスV_Bにおい
ては、絵素20は２つの安定点α＝±１をもち続ける。従
って、これは２安定モードの動作である。第13図を参照
されたい。

要約すると、双方のアドレス電極が同一電位に接続さ
れている場合、絵素20は、差動バイアスが小さいときは
単安定（α＝０）となり、差動バイアスが増加すると３
安定（α＝0,±１）となり、V₀より大きいか、またはV₀
に等しい全ての差動電圧においては、２安定（α＝±
１）に落ち着く。第14図には、差動バイアスV_Bのさまざ
まな値におけるねじれ梁30の位置エネルギを、梁のたわ
みの関数として描くことにより、差動バイアスの増大に
伴う動作状況の進展がグラフとして示されている。差動
バイアスの値が小さい場合（第14図におけるV_B＝０）
は、位置エネルギはα＝０から両方向に増大し、梁30は
唯一の安定点であるたわみゼロの点を有し単安定であ
る。V_BがV₁まで増大すると、位置エネルギの曲線の傾き
はα＝±１において０になり、これらの点において正味
トルクはゼロになる。V_B＞V₁においては、位置エネルギ
はα＝±１において低下し、α＝０とα±１との間に障
壁ができる。この場合は梁30は３安定になる。V_Bがさら
に増大してV₀になると、２つの障壁はα＝０において合
体して消失し、梁30はV_BV₀においては２安定になる。

絵素20を２安定ならしめるために必要な最小の差動バ
イアスV₀は、以下のようにして得られる。梁30と、着地
電極40および41とにV_Bが印加され、アドレス電極42およ
び46が接地されているとき、アドレス電極により梁30に
加えられる正味トルクは、 となる。ただし、Δｇ（α，β）＝ｇ（α，β）−ｇ
（−α，β）であり、ｇ（α，β）は絵素120の解析に
関連して前に定義された無次元の関数であり、τ_０は次
元量 である。第18図には諸関数が示されている。ここでV
₀は、τ_ａとτ_ｒとをα＝０において接せしめるV_Bの値
であり、 ここで前述の定義を用いると、これは のように変形されうる。もし、ねじれヒンジのコンプラ
イアンスＣが既知量ならば、以上の方程式は、絵素20を
ちょうど２安定にする差動バイアスであるV₀について解
くことができる。もし、Ｃが未知量ならば、V₀は、絵素
のアナログモードの動作に対し、撓潰電圧V_cの百分率と
して表わすことができ、実験的に決定されうる。

２安定絵素20をアドレス可能にするためには、選択さ
れる回転方向を定める必要がある。もし、双方のアドレ
ス電極42および46が接地されていれば、差動バイアス
（V_B＞V₀）を梁30と着地電極40および41とに印加した
時、α＝０付近の小さい摂動によって梁30はランダムに
回転し、一方の着地電極に撓潰する。しかし、もし差動
バイアスの印加に先立って、γを１より遥かに小さい整
数として、アドレス電極46をφ_＋＝−γV_Bの電位に整定
してから、差動バイアスV_Bを梁30と着地電極40および41
に印加すると（第15図参照）、梁30を着地電極41に向け
て回転させる正味トルクが発生する。これは第16図のτ
_ａ曲線によって示されている。要するに、ねじれ梁は、
V_Bと逆符号のφ_＋により、α＝＋１の安定状態へ「トリ
ガ」されたのである。φ_＋とV_Bとが逆符号であること
は、たとえ梁30がまだたわんでいない場合でも、いった
ん差動バイアスが印加されたときは、アドレス電極46へ
の引力がアドレス電極42への引力よりも大きくなること
を意味する。また、γが小さいことは、V_Bの印加の前に
は、梁30が小さい距離だけ回転して第５図の点「Ｐ」と
同様の安定平衡点に達する必要があることを意味する。
これと対称的に、トリガ電位φ₋をアドレス電極42に印
加すれば、差動バイアスを印加したとき、梁30は着地電
極40の方へ回転する。また、もしトリガ電位φ_±がV_Bと
同符号であれば、差動バイアスが印加される時、反対側
のアドレス電極に逆符号のトリガ電位が印加されている
のとほぼ同等になる。

V_Bが維持される限り、安定状態（α＝±１）にある梁
30は、たとえトリガ電位φ_±＝−γV_Bが除去されてアド
レス電極が接地状態に復帰しても、その状態に留まる。
梁30を１安定状態から他の安定状態へトリガするために
は、差動バイアスを瞬間的にオフ状態にしなくてはなら
ない。差動バイアスを再びオン状態にする時、２つのア
ドレス電極の電位を「サンプリング」し、梁30を適切な
安定状態になるようにトリガする。第17図は、負のV_Bの
場合に、梁30をα＝１とα＝−１との間で交互にスイッ
チするためのタイミング図である。

γの大きさは、アドレス電圧の差動バイアスに対する
比に等しく、γが小さくできるほど、絵素の動作電圧は
低くなる。γの解析は、梁30と着地電極40および41とに
対し差動バイアス−|V_B|が印加され、電極42が接地され
ている時に、電位φ_＋＝γ|V_B|を有する電極46により生
ぜしめられる吸引トルクの考察から始められる。（正の
アドレス電圧と負の差動バイアスを仮定する）。電位差
はφ_＋＋|V_B|であるから、 となる。接地された電極42によって生ぜしめられる吸引
トルクは前に得られたように τ₋＝−τ₀g（−α，β） である。従って、正味の吸引トルクは τ_α＝τ_０［（１＋γ）²g（α，β）−ｇ（−α，β）］ となる。

第19図は、γ＝０およびγ＝0.1の場合のτ_ａを示
し、また、γ＝０の場合に絵素20がα＝０における選択
された方向なく２安定であることを示す。反対に、γ＝
0.1の場合は、正味トルクは点「Ｐ」においてゼロとな
り、α＞−｜α_p|においては梁30は着地電極41に向かっ
て回転し、α＜−｜α_p|においては梁30は着地電極40に
向かって回転する。いま、γはまた、α＝０における差
動バイアスの使用によるトルク利得に関係する。この利
得は、φ_＋＝−γV_Bのアドレス電圧の印加にV_Bの差動バ
イアスの印加を付加したときのα＝０における正味の吸
引トルクの、φ_＋＝−γV_Bのアドレス電圧は印加するが
差動バイアスは印加しないときのα＝０における正味の
吸引トルクに対する比、として定義される。従って、 となる。例えば、もしV_B＝−50ボルト、γ＝0.1（従っ
て、アドレス電圧φ_＋＝＋５ボルト）ならば、Ｇ＝21と
なる。これは、５ボルトのアドレス電圧が50ボルトの差
動バイアスと組合わされた時のα＝０におけるトルク
が、５ボルトのアドレス電圧のみが用いられた時よりも
21倍大きいことを意味する。このトルク利得の概念は、
小さいアドレス電圧によって生ぜしめられたトルクに利
得を与え、また単独で作用する時は正味トルクを生ぜし
めない、差動バイアスの特徴を示すのに役立つ。

絵素20内にβ＜１のアドレス電極を用いて得られる特
徴は、同様の動作条件下において絵素120の梁120が電極
142または146に当たる時に行なう着地に比し、梁30が着
地電極40または41に当たる時は軟着地を行なうことであ
る。まず絵素120を考察する。第20図は、アドレス電極1
46に撓潰電圧が印加されているが、電極146の幅が梁30
の半分の幅のβ倍に減少せしめられている（これは絵素
20におけると同じβで、梁130が電極146に当たる時、吸
引トルクが有界でなくなる性質を避けるために必要とな
る）ときの、絵素120における吸引トルクと復元トルク
とを示す。着地トルクは、着地たわみ（α＝１）におけ
る、吸引トルクと復元トルクとの間の差に等しく、復元
トルクに正規化された着地トルクは、この差を着地たわ
みにおける復元トルクで除算したものであり、 となる。ただし、ここで第20図の幾何学的関係を用い、
τ_ｒ（1,β）＝τ₀g（α_c,β）／α_ｃを代入した。従っ
て、もし撓潰たわみ（α_ｃ）をほぼ１に等しくするよう
にβを選択できれば、τ_Ｌはゼロに近づく。β＝0.5の
場合は撓潰たわみはα_ｃ＝0.9となり、τ_Ｌは0.011と計
算されるので、着地トルクは、着地時の復元トルクのわ
ずか１％になる。

電極146上に薄い誘電体層を形成すると、β＝１の幅
の電極を使用しうるようになる。そのわけは、それによ
って梁130が電極146に当たって破壊することが防止され
るからである（実際、αは1.0よりやや小さい値に制限
される）。従って、着地たわみα_Ｌは１より小となり、
積α_Ｌβが１に近づくのは、ｇ（α，β）の対数的特異
点になる。そして、β＝１およびα_Ｌ＝0.987（これ
は、2,000Åの二酸化シリコンにより被覆されたポリシ
リコン電極146と、厚さ４ミクロンのスペーサ層と、を
有し、空気中で動作する絵素120に相当する）の場合の
正規化された着地トルクは、約3.06と計算され、撓潰た
わみはα_ｃ＝0.54となる。β＝１の場合の正規化着地ト
ルクの、β＝0.5の場合のそれに対する比は、このよう
にして約278になる。これは、βが正規化着地トルクに
大きい影響を及ぼすことを示す。

軟着値の有用性を決定する上で考慮すべき２つの効果
が存在する。第１の効果は動的効果で、運動する梁が電
極（着地電極か、またはアドレス電極上の誘電体）に当
る衝撃によって生じる機械的損傷に関するものである。
第２の効果は静的効果で、維持される着地トルクを原因
として梁と電極との間に生じる低温溶接効果に関するも
のである。静的効果は、以上において考察した着地トル
クを小さくすれば減少せしめられ、動的効果は、着地の
際の運動エネルギ（速度）を小さくすれば減少せしめら
れる。

着地の際の運動エネルギは、機械的減衰の程度によ
り、２つの極端な場合について計算されうる。減衰は、
梁が急速に回転して（１μsec）電極に当たる時、梁
と電極との間の間隙内の空気の変位によって起こされ、
２つの極端な場合とは、過減衰および無減衰の場合のこ
とである。

過減衰の場合には、維持される吸引トルクがないと
き、梁の速度は急速にゼロにされる。従って、βが、正
規化着地トルクを減少せしめるように選択された場合に
は、梁の速度は着地時にゼロ近くまで減少せしめられ
る。

無減衰の場合には、運動エネルギは梁が電極に当たる
まで連続的に増大し、τ_ａ−τ_ｒをα＝０からα＝１ま
で積分することによって計算される。β＝0.5の場合の
この積分の、β＝1.0の場合のこの積分に対する比は、
前に考察した正規化着地トルクの比よりもさらに小さ
い。従って、軟着地は、絵素120における静的および動
的着地効果の双方を減少せしめる効果をもつ。

差動バイアスが、絵素20をちょうど２安定にするレベ
ルにある（V_B＝V₀）場合の、絵素20における軟着地の解
析は以下の通りである。第21図は、γ＝０の場合（第１
曲線）およびγ＝0.1の場合（第２曲線）のτ_ａを示
す。いま、V_B＝V₀の条件は、吸引トルク曲線と復元トル
ク曲線とがα＝０において接することを意味し、 であるから２安定絵素20の正規化着地トルクは、 となる。β＝0.5およびγ＝0.1の場合は、正規化着地ト
ルクは0.74となる。すなわち、着地トルクは復元トルク
の74％である。これに反し、β＝1.0、α＝0.987、γ＝
0.1の場合は、正規化着地トルクは15.8となり、着地ト
ルクの比は21.4になる。

正規化着地トルクは、第22図に示されているようにし
て保持電圧V_Hを測定することにより、実験的に決定され
る。上方のτ_ａ曲線は、絵素20を２安定ならしめる最小
差動バイアスV₀と、アドレス電圧φ_ａ＝−γV_Bと、の場
合における吸引トルクを表わし、梁は着地トルクτ_Ｌで
着地する。いま、γを固定し、V_Bの大きさをV₀より小さ
くゆっくり減少させて行くものとする。V_B＝V_Hにおい
て、τ_ａ（１）の大きさはτ_ｒ（１）まで減少し、従っ
て着地トルクはゼロまで減少する。|V_B|が小さくなる
と、正味トルクは梁30を第22図のアナログ平衡点「Ｐ」
へ復元する向きに働く。従って、V_Bがゆっくり減少せし
められ、その大きさがV_Hよりわずかに小さくなると、梁
30は急にその着地位置から解放され、ずっと小さいたわ
みのアナログ平衡点へ復帰する。

従って、２安定モードにおける絵素20の動作は、固定
されたγにおける差動バイアスV_Bの関数としてのαのグ
ラフである第23図のようなヒステリシス曲線によって説
明されうる。点（０）においてはV_B＝０であり、従って
φ_ａ＝−γV_Bもゼロで、梁30はたわんでいない（α＝
０）。点（０）から点（１）までは、絵素20はアナログ
モードにあり、アドレス電圧（φ_ａ＝−γV_B）がアドレ
ス電極46に印加されアドレス電極42が接地されているの
で、梁30のたわみは１より小さい安定平衡のα（V_B）に
なる。V_Bが増加するとき、αはα_ｃのたわみをもつ点
（１）においてV_B＝V₀の２安定動作に達するまで増大
し、梁30は点（２）において着地電極41に撓潰する。こ
こで、V_Bの大きさが減少して点（３）においてV_B＝V_Hに
達するまでは、梁30は着地電極41上に留まり、そこで梁
30は電極41から解放される。解放された梁30は、アナロ
グモードにおけるV_Hに対応したたわみに、第23図の点
（４）において復帰する。

どのようなディジタル装置でもそうであるように、２
安定モードで動作する絵素20は、もしある絵素パラメー
タが予定された動作点から特定量より大きく偏移した場
合は、適正な安定状態へスイッチしなくなる。許容され
る偏移量は、ノイズマージンと呼ばれる。もし、いずれ
かの絵素パラメータがノイズマージンより大きく変化す
れば、絵素は誤った状態へスイッチする。さらに、ある
パラメータの予定された動作点からの任意のノイズまた
は偏移は、その絵素の他のパラメータのノイズマージン
を減少せしめる。

障害のある２安定動作の原因となりうる２つの最も重
要な、絵素20のパラメータ偏移は、（ｉ）ねじれ梁30の
水平性からの偏移、および（ii）アドレス電極42および
46の、ねじれヒンジ34および36と梁30とに対する位置不
整合、である。まず、梁30の水平性からの偏移マージン
Δαについて考察する。第24図は、電極46がアドレスさ
れ（梁30が着地電極41へα＝＋１となってたわまされ）
るときの、絵素20における吸引トルクτ_ａと、梁30の水
平性からの３つの相異なる偏移における復元トルクτ_ｒ
（破線で表わされた直線（１），（２），（３））を示
す。直線（１）の場合は、梁30は水平であり、正味トル
クは梁30をα＝±１に向かって回転させる。直線（２）
の場合は、梁30は（着地電極40に向かう）−｜α_m|の組
込まれた初期たわみを有し、差動バイアスの印加に加え
て、アドレス電極46にはアドレス電圧を印加し、アドレ
ス電極42は接地すると、組込まれた初期たわみのために
正味トルクはゼロになる。直線（３）の場合は、組込ま
れた初期たわみが大きく、そのために差動バイアスの印
加に加えて、電極46にはアドレス電圧を印加し、電極42
は接地すると、梁30をα＝−１に向かって回転させる正
味トルクが発生する。すなわち、誤った安定状態が生じ
る。従って、｜α_m|は梁の水平性からの最大許容偏移で
あり、角偏移マージンと呼ばれる。｜α_m|は、単に τ_α（α）＝τ_０［（１＋γ）²g（α，β）−ｇ（−α，β）］＝０ の解を求めることによって計算される。｜α_m|＜＜１の
場合は、関数ｇは容易に近似され、解は となる。もちろん、着地電極46の方向への角偏移マージ
ンも、対称性により同じになる。

β＝0.5かつγ＜＜１の場合には、α_ｍの式は、簡単
化されて α_ｍ＝±1.6_γ となる。予想されるように、角偏移マージンはγと共に
増大し、水平性が劣化すると、適正動作のためには差動
バイアスに対し、より大きいアドレス電圧が要求され
る。例えば、γ＝0.1で着地角が10゜ならば、｜α_m|＝
0.16となり、これは水平性からの1.6゜の角偏移に相当
する（αは正規化されたたわみであることを想起された
い）。0.5゜の水平性は通常実際に達成されている。

第25図には、梁30とねじれヒンジ34および36とに対す
る、アドレス電極42および46の位置不整合の１形式が平
面図で示されている。すなわち、これらの電極は、対角
線に沿って着地電極40の方向、かつ着地電極41から離れ
る方向に距離εだけ位置不整合を生じているが、他の位
置整合は適正である。簡単にするために、この位置不整
合のみを解析する。まず、第25図に示されているよう
に、この位置不整合は、梁30と電極42および46との間に
陰影を施した領域を画定する。これらの領域は、差動バ
イアスおよびアドレス電圧によって生じるトルクに変化
を与える。領域±ΔA₂によるトルク変化は、それらのモ
ーメントアームが小さいため無視し、また電極46はアド
レス電圧φ_ａ＝γV_Bを有し、電極42は接地されているも
のと仮定する。従って、領域−ΔA₁が正のトルクτ_＋を
減少させ、領域ΔA₁が負のトルクτ₋を増大させること
になる。第26図は、３つの位置不整合の場合における、
吸引トルクへのこの影響を示す。曲線（１）の場合は、
不整合量εはゼロで、正味トルクは正であるから梁30は
正しい着地電極の方へ回転する。曲線（２）の場合は、
不整合量はε_ｍに等しく、α＝０付近における吸引トル
クは、ほぼ復元トルクに等しいので正味トルクはゼロに
なり、従って、梁30が着地電極40または41のいずれへ回
転するかは梁30のゆらぎによって決定される。不整合が
さらに大きいε＞ε_ｍの場合の曲線３においては、α＝
０における正味トルクは負になり、梁30は着地電極41で
なく着地電極40の方へ回転する。すなわち、誤って安定
状態が生じる。マージンε_ｍを決定するためには、τ_＋
およびτ₋に対する位置不整合の影響を単に計算し、α
＝０においてτ_ａをゼロにするεを求めればよい。もち
ろん、εの位置不整合は、電極の幅の相違と同じことで
あるから、 となり、極めて、小さいαにおけるｇ（α，β）の漸近
形はｇの定義から容易に導かれ、 となる。εが小さい場合、α＝０においてτ_ａが消失す
る条件は、 となる。従って、 が得られる。例えば、γ＝0.1かつβ＝0.5の場合には、
位置不整合マージンはε_ｍ＝0.02Lとなり、Ｌ＝12.5ミ
クロンの絵素20においては、これはε_ｍ＝0.25ミクロン
となって、これは代表的な電流ステッパ位置不整合より
大である。もちろん、γを増大させればε_ｍも増大す
る。

アドレス電極の位置不整合はまた、第27図の実施例絵
素220の立断面図に概略的に示されているような平衡電
極の使用によっても補償されうる。絵素220は、アドレ
ス電極242および246と、着地電極240および241とに加え
て、これらのアドレス電極と着地電極との間に介在する
平衡電極243および245を有する。もし、位置不整合がな
ければ、平衡電極は差動バイアス電圧にバイアスされ
る。一方、（前述のように）もしアドレス電極の、着地
電極240に向かってのずれにする位置不整合があれば、
平衡電極245は、この位置不整合と反対の作用をもつ追
加の（τ_＋を増す）トルクを与えるように接地電位の方
へバイアスされる。もし位置不整合のずれが他方向への
ものならば、平衡電極243が接地電位の方へバイアスさ
れる。

以上において計算されたノイズマージンは独立したも
のではなく、諸影響は相互作用してマージンを減少させ
る。例えば、第28図は、位置不整合がゼロの場合と位置
不整合がマージンの1/2に等しい場合 とにおける、２つの２安定アドレス状態（＋電極46また
は−電極42をアドレスする）での吸引トルクを示す。角
偏移マージンα_ｍは、位置整合および位置不整合の双方
の場合について示され、明らかに、＋電極に関しては位
置不整合の場合の角偏移マージンは位置整合の場合のマ
ージンの1/2になっており、−電極に関しては50％大き
いマージンになっている。もちろん、この議論は対称的
なものであり、角偏移マージン以内の非水平性は、位置
不整合マージンを減少せしめる。γの増大はマージンを
拡大する。

梁30と着地電極40および41とが電気的に接続されてい
る事実、および動作中に梁30が着地電極40および41上に
軟着地する事実、にも拘らず、梁30は着地電極40または
41に付着することがある。従って、絵素20において、ね
じれヒンジ34および36によって与えられる復元トルクを
増大せしめることにより梁30を一方の着地電極40または
41からたわみのない位置まで引離するのに、以下の電気
的リセット方法が用いられる。第１の方法は、アドレス
電極42をリセット電極として、またアドレス電極46をア
ドレス用として用い、絵素20を単安定または３安定モー
ドを用いて、１方向のみ（着地電極41に向かう）に回転
せしめる。このリセット方法は、差動バイアスとアドレ
ス電圧との双方が接地電圧にある時間中にリセット電極
42に印加される高電圧パルス（１μsec間の90ボルト）
を用いる。第29図は、梁30と着地電極40および41とに印
加される差動バイアスφ_Ｂと、φ_Ｂが消失する時間中に
電極42に印加されるリセットパルスφ_Ｒと、電極46に印
加されるたわみ、無たわみ、たわみのシーケンスのため
のアドレス電圧φ_Ａと、結果的に生じる梁のたわみα
と、のタイミング図を示す。もし梁30が着地電極41上に
付着したものとすると、その時リセット電極42上のパル
スは、梁30を着地電極41から引離すねじれヒンジ34およ
び36の復元トルクを助けるための、持続時間の短いトル
クを与える。しかし、もし梁30が着地電極41上に付着し
たのではなく、かえってたわまなかったものとすると、
その時リセット電極42上のパルスは、梁30を着地電極40
の向かって回転せしめる。しかし、このパルスの短い持
続時間（１μsec）は梁30の時定数（約12μsec）より小
さいので、梁30は着地電極40に到達はせず、ねじれヒン
ジ34および36の復元トルクが梁30を無たわみ状態に復帰
せしめる。この短い持続時間の着地電極40へ向かっての
変動は、第29図において負のα値への一時的な下降とし
て示されている。単一集積回路チップ上の絵素20のアレ
イの全てのリセット電極42は、チップ上において相互に
持続することができ、またリセットパルスは、単一のチ
ップ外高電圧パルス駆動装置から供給される。

第30a図および第30b図に示されている第２のリセット
方法は、付着した梁30を着地電極40または41から引離す
のを助けるために、ねじれヒンジ34および36の非回転性
の曲げを用いる。この方法においては、リセットパルス
は着地電極40および41と梁30とに印加され、アドレス電
極42および46は接地される。絵素20のアレイにおいて、
差動バイアスバスを用いて全ての着地電極が相互に接続
され、このバスはねじれ梁30を含む反射層26−28に接続
されるので、リセットパルスはこの差動バイアスバスに
印加される。第１リセット方法におけるとは対照的に、
この第２リセット方法においては、絵素20は任意のモー
ドで動作せしめられうる。アドレス電極を接地して、梁
30に印加されるリセットパルス（通常１μsec間の60ボ
ルト）は、梁30がたわんでいなくても、あるいは一方の
着地電極に付着していても、梁30を基板22へ向けてたわ
ましめ、ねじれヒンジ34および36の非回転性の曲げは、
このたわみの位置エネルギを蓄える。第30a図はタイミ
ング図であり、第30b図はたわみを示している。第30a図
においては、梁と着地電極とのバイアスφ_Ｂは、差動バ
イアス（−|V_B|）に対して逆極性のリセットパルス（＋
|V_R|）を有するが、リセットパルスは同じ極性をもつこ
ともできる。アドレス電圧（電極46に対してはφ
_Ａ（＋）、電極42に対してはφ_Ａ（−））は、梁30を最
初着地電極41へ、次に着地電極40へ、最後に再び着地電
極41へとたわませる、たわみシーケンス用のものであ
る。リセットパルスの終りには、これによって蓄えられ
た位置エネルギが解放され、梁30を真上に引上げる衝動
を与える。従って、無たわみの梁30は、無たわみ状態付
近の鉛直方向の減衰振動を生じる。一方、付着した梁30
は着地電極から引離され、復元トルクがそれを無たわみ
状態に復帰せしめると共に、鉛直方向の減衰振動も発生
せしめられる。この第２リセット方法は、梁の着地方向
とは無関係に梁をリセットするので、取扱いに基因する
静電気放電による梁の偶発的な撓潰および付着は、リセ
ットパルスの印加により直ちに自動的に補正される。第
30b図には、アドレス電極42および46の間にあるねじれ
ヒンジの軸に沿った立断面図として、鉛直方向にたわん
だ梁30が示されている。

第30c図は、第30a図に示されている単一リセットパル
スの代わりに、５つのリセットパルスから成るパルス列
を用いる第２リセット方法の変形を示す。単一パルスの
代わりにパルス列を用いると、異なった度合の制御が行
なわれる。すなわち、パルス列の周波数が調節されう
る。特に、もしパルス列の周波数がねじれヒンジのたわ
み（非回転性の曲げ）の共振周波数に近いときは、その
たわみモードに最大エネルギが伝達されるので、小さい
リセット電圧を用いることができる。第30d図は、リセ
ットのために必要な最小電圧を、それぞれの絵素が第１
実施例と同様のものである840個の絵素の直線形アレイ
を有する特定のDMDに印加される５パルスリセットの周
波数の関数として示す。このパルスは、50％のデューテ
ィサイクルを有する方形波とされ、従って2.5MHzの共振
周波数においてはパルス幅は200n secで、200n secの間
隔を有し、パルス列全体は２μsecの持続時間を有し
た。共振状態における動作では、最小リセット電圧（20
ボルト）は、非共振状態における最小リセット電圧（40
ボルト）の約1/2まで減少せしめられた。リセット電圧
の最小化は、DMDチップにおける誘電体損傷の可能性を
最小化し、電源を簡単化しうることを意味する。

第30e図は、やはりパルス幅200n sec、パルス間隔200
n secの方形パルスから成るリセットパルス列における
パルス数の効果を示す。予想されるように、特定のDMD
における１パルスのパルス列の最小リセット電圧は、非
共振最小リセット電圧である40ボルトに等しい。最小リ
セット電圧は、パルス数が５に増加するまで減少し、５
パルスを超えるとそれ以上の減少は見られない。明らか
に、５パルスより多くなると運動エネルギが大きくなる
ので空気による減衰のためのエネルギ損失が、追加され
たそれぞれのパルスによって得られたエネルギとちょう
ど平衡するのである。もちろん、（正弦波または三角波
のような）他のパルス形状および（チャープ周波数（ch
irped frequency）のような）他の周波数は、もしヒン
ジの少なくとも１つのたわみモードの効率的な励振（す
なわち共振）が起これば、最小リセット電圧を低下せし
めうる。

第31図は、第２実施例の絵素320,320′,320″，…の
直線形アレイ310の一部の平面図で、それぞれの絵素は
絵素20と同様のものである。絵素320においては、梁330
と、ねじれヒンジ334および336と、着地電極340および3
41と、アドレス電極342および346と、が示されており、
絵素320′についても同様である。着地電極は全て中央
金属線路343に接続されていることに注意すべきであ
る。直線形アレイは、第32a図から第32c図までに概略的
に示されているように、電子写真式印刷に使用されう
る。第32a図は斜視図であり、第32b図および第32c図は
立面図および平面図であって、光源および光学装置352
と、アレイ310と、写像レンズ354と、光導電ドラム356
と、を含む装置350を示している。光源352からの光はシ
ート358の形態をなし、直線形アレイ310を照明し、梁33
0,330′,330″，…の間の領域から反射された光はシー
ト360をなし、負にたわんだ梁から反射された光はシー
ト361内を進み、正にたわんだ梁から反射された光は写
像レンズ354を通過した後シート362内を進んで、ドラム
356上の直線364内へ、それぞれのたわんだ梁のつき１個
の、一連のドットとして集束せしめられる。直線形アレ
イ310は実際は２行の絵素から成るので、ドラム365上の
像は２つの直線内のドットとなり、絵素の一方の行のア
ドレッシングの電子的遅延と、ドラムの回転とを組合わ
せることによって、像の諸ドットは１つの直線364内へ
もたらされる。従って、ディジタル化され且つラスタ走
査形式を有するテキストの１ページまたはグラフィック
情報の１フレームは、ドラム356が回転する時、ドラム3
56上に一時に１直線364内の諸ドットが形成されるよう
に、情報を一時に１直線ずつアレイ310へ送ることによ
って、印刷されうる。これらのドット像は、ゼログラフ
ィーなどの標準的技術により紙へ転写される。梁330が
着地電極341上にある時のたわみ角をθとすれば、直線
形アレイ310の法線からのシート358の入射角が２θの
時、シート362は直線形アレイ310に対し垂直となる。こ
の幾何学的関係は第32b図に示されており、写像レンズ3
54が直線形アレイ310に対して垂直に置かれうるように
する。第32c図に３つの梁について概略的に示されてい
るように、それぞれの正にたわんだ梁は、光源352の像3
55を写像レンズ354上に生ぜしめる。

絵素が２安定モードで動作する直線形アレイ310は、
片持梁絵素の直線形アレイに優る利点を有する。そのわ
けは、（ｉ）２安定絵素は大きいたわみ角で動作するの
で、光源の角的対辺が増大せしめられ、ドラム上に輝度
の高いドットを生じ、（ii）オフ状態にされた絵素のね
じれ梁は、片持梁の場合のように無たわみ状態になるの
ではなく、反対方向にたわみ、その結果、オフ状態にさ
れた絵素からの反射角は２倍になり、梁の湾曲による光
学的コントラストの劣化が軽減され、印加電圧がゼロの
際の角的偏移の影響がなくなり、（iii）たわみ角がス
ペーサの厚さの直線的関数であり、片持梁の場合のよう
にたわみの一様性がスペーサの厚さとヒンジのコンプラ
イアンスとに極めて敏感な非直線的動作領域にはよらな
いので、輝度の一様性が改善される、からである。

第33図および第34図には、直線形アレイ310内の個々
の絵素のアドレッシングが簡単化された形式で示されて
いる。第33図は、単一絵素420の、アドレス電極446に沿
った断面図で、入力と有効化ゲート450とを示し、第34
図は、絵素420および420′とアドレシ回路とを示す平面
図である。Ti:Si:Al電極446は、二酸化シリコン444によ
ってｐ形シリコン基板422から絶縁されており、梁430を
たわませる電圧は電極446に印加され、金属層426−428
には全ての絵素に対する共通バイアスが印加され、基板
422は接地されている。着地電極441および440（絵素42
0′内の着地電極441′として共用される）は、金属層42
6−428、従って梁430に接続されている。有効化ゲート4
50はポリシリコンで、ゲート酸化物454によって基板422
から絶縁されており、n⁺ドープ領域452,456,452′,45
6′，…および462,466,462′,466′…はそれぞれ、有効
化ゲート450を共通ゲートとするMOSFETのドレインおよ
びソースを形成する。アドレス電極442および446に対す
る入力は、MOSFETのドレイン452および456に印加され、
MOSFETが有効化ゲート450によってオン状態にされる
と、アドレス電極に接続される。

基板322上のアドレス電極346を含む絵素320の、第１
実施例の製造方法の諸段階は、第35a図から第35e図まで
に立断面図で以下のように示されている。

（ａ）まず、2,000Åの熱酸化物344を（100）シリコン
基板322上に成長せしめる。次に、3,000ÅのTi:Si:Al
（Tiが0.2％、Siが１％）を酸化物344上にスパッタリン
グによって付着せしめ、パターン化し、プラズマエッチ
ングして、電極346を画定する。第35a図参照。

（ｂ）ポジ形ホトレジストを３回にわたり全厚さ４ミク
ロンまでスピン塗布かつ焼成することにより、スペーサ
が形成される。レジストを３回塗布するのは、単一の極
めて厚い層をスピン塗布した時起こりうるレジスト表面
の波を防止するようにして厚さを形成するためである。
レジストのそれぞれの塗布の後に約180℃の焼成が必要
だが、これは前に塗布された層がレジスト溶媒中に溶解
し余分な溶媒がスペーサから追い出されるのを防ぐため
である。最後の焼成は、梁パターンのホトリソグラフィ
のためのホトレジスト焼成中に溶媒の泡がヒンジ金属下
に形成されるのを防止する。ホトレジストは、基板322
の表面上の既に形成された任意の回路上にプレーナ形成
されることに注意すべきである。ポジ形ホトレジストに
は、好ましくはクロルベンゼンに不溶であるもの、例え
ばノボラックを基材とするレジストが選択される。ヒン
ジ層326を形成する800ÅのTi:Si:Al（Tiが0.2％、Siが
１％）は、有機スペーサ324と金属層326との間の熱膨張
の不整合を最小化するために、できるだけ室温に近い基
板温度においてスパッタリングにより付着せしめる。ま
た、このアルミニウムの合金は、純アルミニウムの付着
において生じる小丘部を最小化する。次に、1,500Åの
二酸化シリコンをPEVCDによって付着せしめる。この酸
化物は次にパターン化されエッチングされて、ねじれヒ
ンジのエッチ止348（平面図においては、エッチ止348
は、ねじれヒンジ334および336と、それぞれのヒンジ端
部における小さい延長部と、になる領域を占める）が形
成され、このパターン化およびエッチングに用いられた
ホスレジストはプラズマ剥離される。第35b参照。

（ｃ）梁層328を形成する3,600ÅのTi:Si:Al（Tiが0.2
％、Siが１％）を、やはり室温近くにおいてスパッタリ
ングにより付着せしめ、さらにその上にホトレジスト50
をスピン塗布する。金属の付着がヒンジ層326の付着と
同じ条件下で行なわれるので、これらの金属層間には応
力は発生しない。ホトレジスト50は、プラズマエッチン
グ・アクセス孔332と、プラズマエッチング・アクセス
ギャップ338と、ヒンジ334および336と、を画定するよ
うパターン化される。パターン化されたホトレジスト50
は次に金属層326および328をプラズマエッチングするマ
スクとして使用されるが、その際ヒンジのエッチ止348
が、ヒンジ334および336となるヒンジ層326の部分のエ
ッチングを妨げる。アルミニウムのプラズマエッチング
は、塩素／三塩化ホウ素／四塩化炭素から成る混合エッ
チングガスによって行なわれる。別の方法としては、段
階（ｂ）におけるように、ホトレジスト50の代わりにパ
ターン化された2,000Åの二酸化シリコンから成る二酸
化シリコンのマスクを用いる。この別の方法において
は、アルミニウム合金のエッチングには四塩化シリコン
による反応性イオンエッチングが用いられうる。ヒンジ
の厚さは層326の厚さによって決定され、ヒンジの幅は
エッチ止348の幅によって決定されるので、ヒンジ334お
よび336のコンプライアンスは３つの相異なる工程パラ
メータにより調節されうることに注意すべきである。第
35c参照。

（ｄ）接着層として作用するポジ形ホトレジストの薄層
がスピン塗布された後、次の段階で保護層として1.5ミ
クロンのPMMA（ポリメタクリル酸メチル）52がスピン塗
布され、基板322はチップに切断される（それぞれのチ
ップは、空間的光変調器になる）。第35d図には、PMMA5
2上に付いた切断屑が示されている。

（ｅ）クロルベンゼンを吹付けて直ちに遠心分離するこ
とによりPMMA52を溶解する。レジスト（または酸化物）
50およびスペーサ24は、クロルベンゼンに溶解しないこ
とに注意すべきである。これによって切断屑は除去さ
れ、梁330が直接切断屑にさらされることはない。最後
に、レジスト50およびスペーサ324が酸素内で等方的に
プラズマエッチングされ、数パーセントのフッ素（CF₄
またはNF₄などからの）によりエッチ止348の露出部分が
除去される。このエッチングは低温で行なわれ、梁330
の下に井戸部を形成するのにちょうど十分なスペーサ32
4の除去が監視される。第1b図に類似してはいるが、異
った断面における断面図である第35e図を参照された
い。第35e図には、エッチ止348の残部349が示されてい
るが、これらは第1a図および第1c図では省略されてい
る。そのわけは、（以下に述べる）第２実施例の製造方
法においては残部が生じないようにされるし、第1a図お
よび第1c図をわかりやすくする目的もある。第36a図か
ら第36c図までは平面図によって、第37a図から第37c図
までは断面図によって、スペーサ324のエッチングの諸
段階を示している。

第38図は、絵素520,520′,520″を含む第３実施例の
絵素の直線形アレイ510の一部の平面図である。梁530,5
30′,530″はそれぞれ、プラズマエッチング・アクセス
孔532,532′,532″およびプラズマエッチング・アクセ
スギャップ538,538′,538″を有し、８角形をなす。プ
ラズマエッチング・アクセスギャップ538および538″
は、梁530および530′の間に共通部分を有するが、これ
は隣接絵素の間の他のギャップについても同様である。
梁530,530′,530″，…の下のスペーサ524内の井戸部
は、全て相互に連結され、第38図の点線で示されている
ように、１つの長い井戸部を形成する。アドレス電極54
2,546,542′,546′，…および着地電極540,541,540′,5
41′，…は、第38図には破線で示されている。例えば54
1および540′のように、隣接する着地電極は共用され
る。わかりやすくするために、第38図では、ねじれヒン
ジ534,546,…は、梁530,530′,530″，…と同じ層で作
られているように示されている。

第39a図から第39d図までは、別の幾何学的配置をもつ
梁の平面図である。特に、第39a図は、片持梁ヒンジ572
と、プラズマエッチング・アクセス孔574と、プラズマ
エッチング・アクセスギャップ576と、アドレス電極578
と、着地電極579と、を有する片持梁570を示す。片持梁
は１方向にのみたわみ、第５図の曲線に類似した有界な
トルク曲線を有するので、単安定および２安定（１つの
安定たわみ点および着地電極579への撓潰）の動作のみ
が可能である。

第39b図は、ねじれヒンジ581および582と、プラズマ
エッチング・アクセス孔584と、プラズマエッチング・
アクセスギャップ586と、アドレス電極588と、着地電極
589と、を有するねじれ梁580を示す。梁580は１方向に
のみたわみ、梁570と同様の動作を有する。

第39c図は、４つの梁のグループから成る、隣接した
逆クロバー葉として配列された片持梁590,590′,59
0″，…の直線形アレイを示す。直線形アレイ510におけ
ると同様に、梁590,590′,590″，…の下の井戸部は連
結されて、点線で示されているような単一の細長い井戸
部を形成する。片持梁ヒンジ592,592′,592″，…は、
梁と同じ層で作られているように示されており、アドレ
ス電極および着地電極はわかりやすくするために図示さ
れていない。

第39d図は、片持梁ヒンジ562,562′,562″，…により
柱561,561′,561″，…上に支持された４個のグループ
をなす、片持梁560,560′,560″，…の領域形アレイの
一部を示す。梁の着地電極は、電極563のように行をな
して連結され、梁は導電性の柱を経て行電極564に接続
されている。アドレス電極565,565′,565″，…は、図
示されていない、諸電極下に層内に作られた回路を経て
アドレスされる。ある電極は、わかりやすくするために
省略されている。

第２実施例の埋込ヒンジ製造方法は、ねじれ梁の角で
はなく平側部上に配置されたヒンジについて、断面図
（第40a図から第40e図まで）および平面図（第41a図か
ら第41c図まで）に示されている。断面図は、ヒンジ軸
を横断する方向（第41c図における断面AA）におけるも
のである。第２実施例の工程は、ヒンジの金属領域を画
定するのに、埋込まれたSiO₂エッチ止を用いるのではな
く、金属のリフトオフ（liftoff）による。第１実施例
の工程におけると同様に、ヒンジおよび梁の金属被覆層
の双方をエッチングするのに、１回だけのプラズマエッ
チングを要する。

工程は、スペーサ182上に薄いアルミニウムヒンジ層1
80をスパッタリングにより付着せしめることから始めら
れる（第40a図）。最後にヒンジパターンがエッチング
される薄い金属領域に後になるべき領域が、３層レジス
ト工程を用いて描かれる。選択された３層レジスト工程
は、J.Vac.Sci.Technol.B1（４）,1215（1983）に所載
のY.C.Lin外の、セスタシャス工程（Sestertious proce
ss）を改変したものである。

改変されたセスタシャス工程は、ヒンジ金属180上にP
MMAにスペーサ層184をスピン塗布することから始められ
る。厚さ（約5,000Å）は、梁金属の厚さよりやや大き
いように選択される。PMMA184は、後のホトレジストの
キャップ層の下部切除中において現像液中で適度の高溶
解度を維持するように、標準的工程に比し低温で焼成さ
れる。次に、PMMA184上に反射防止コーティング（ARC）
186がスピン塗布され焼成される。ARC186のコーティン
グは、ホトレジスト188とPMMA184との間に、境界層が形
成されるのを防止する。それはまた、後のホトリソグラ
フィ露光中におけるヒンジ金属180からの反射光量を減
少せしめる。

ARC186は次にポジ形ホトレジスト188によって被覆さ
れる。ホトレジスト188は、所望のヒンジリフトオフパ
ターンをなすよう露光されて現像され、最後に深くUV硬
化されて焼成される。ARC18は、ホトレジスト188と同時
に現像される。次に、PMMA184は深くUV溢光露光され
て、ホトレジスト188により被覆されていないPMMA184の
領域は、その平均分子量を減少せしめられ、クロルベン
ゼン中にもっと溶解されやすくされる。PMMA184のクロ
ルベンゼンによる現像は、PMMA184の露光された部分を
速やかに溶解し、過現像は、第40a図に示されているよ
うに、ホトレジストのキャップ層のほぼ１ミクロンの下
部切除を生ぜしめる。PMMA184の現像に続いて行なわれ
るスピン乾燥中に放出される軟化されたPMMAのフィラメ
ントは、灰によって除去される。次に、硬焼成により、
ホトレジスト188およびPMM A184内になお含有される揮発成分が減少せしめられる。
これらの揮発成分は、PMMAの現像中にクロベンゼンの吸
収によって生じる。

３層レジストパターンン（ホトレジスト188,ARC186,
およびPMMA184）が形成された後、梁金属190がスパッタ
リングにより付着せしめられる。PMMA184上から張出し
たホトレジストキャップは、スパッタされた梁金属190
を、第40b図に示されているように、２層に分割する。
次に、梁金属190は、３層レジストパターンンをクロル
ベンゼンまたは１−メチル−２−ピロリドン中にひたし
て溶解することによってリフトオフされる。その結果、
（第40c図に立断面図で、また第41a図に平面図で示され
ているように）厚い金属190がパターンン化された縁192
においてテーパする、厚い金属領域190で囲まれた、薄
い金属領域180が得られる。

次に、第40d図（立断面図）および第41b図（平面図）
に示されているように、ヒンジおよび梁に対応するパタ
ーンがホトリソグラフィにより画定される。ホトレジス
トの開口がこれらの図の194に示されており、露出され
た金属は、第41b図の開口194の２つの短い水平部分にお
けるヒンジ金属180のみで、他の場所には梁金属190があ
る。このパターンは、第１実施例の工程とは異なり、ヒ
ンジおよび梁の双方の幾何学的配置を含むことに注意す
べきである。この理由で、第２実施例の工程は自動整列
的である。次に、ヒンジ金属180および梁金属190の露出
部分のプラズマエッチングにより、ヒンジおよび梁の双
方の幾何学的配置が同時に形成される。ホトレジストを
灰にして除去すれば工程は完了し、梁は第40e図（断面
図）および第41c図（平面図）のように出現する。

第42a図は、第４実施例の絵素620のアレイ610の一部
の平面図であり、それぞれの絵素620は、柱624,624′,6
24″，…に連結されたねじれヒンジ634および636により
支持されたねじれ梁630を含む。アレイ610に対するアド
レス回路は第42a図には示されていないが、このアレイ
に対する全体的アドレッシングは、第42b図に概略的に
示されている。それぞれの絵素は２つの可変キャパシタ
（それぞれのアドレス電極に対して１つ）として表わさ
れており、２つのMOSFETがこれらのキャパシタへのアク
セスを制御する。MOSFETのゲートは、行内の全絵素に対
し共通になっており、MOSFETのドレインは、列内の全絵
素に対して共通になっている。アレイ610は線路によっ
てアドレスされる。すなわち、ワード線路（ゲート）を
選択するゲートデコーダにより、一時にアレイの１行の
諸絵素にデータが送られ、ビット線路（ドレイン）に印
加されたデータがフローティングソースを充電して梁を
適切にたわませる。第42b図に示されているように、デ
ータは、直列形式で入力された後、直並列変換器（「S/
P変換器」）によって並列形式に変換され、ビット線路
に印加されるまで記憶レジスタ内に保持される。ゲート
デコーダは、アレイの諸行を順次選択する。

第43a図から第43d図までは、絵素内の相次ぐレベルに
おける平面図を示し、第44a図から第44c図までは、第42
a図および第43a図から第43d図までの、Ａ−Ａ線、Ｂ−
Ｂ線、Ｃ−Ｃ線における立断面図を示す。第43a図は、p
^-シリコン基板622内のn⁺拡散領域660、661、662、666、
660′，…およびp⁺チャネルストップ670,672,670′，…
を示す。拡散線路660および661は、MOSFETに対するビッ
ト線路およびドレインであり、領域662および666は、絵
素620内のMOSFETのフローティングソースである。他の
諸デバイスもアレイ610と同じチップ上に製造されうる
こと、およびアレイ610はCMOSチップのｐウェル内に形
成されうること、に注意すべきである。第43b図はゲー
トのレベルでのもので、ポリシリコンのワード線路680
および680′と、これに取付けられたゲート682,686,68
2′,686′…とを示す。第43c図は、電極レベルを示す
が、わかりやすくするためにワード線路とゲートとフロ
ーティングソースとのみは表示した。アドレス電極642
および646は、それぞれ径路663および667を経てフロー
ティングソース662および666に鉛直に接続されており、
一方着地電極640および641は、隣接する絵素によって共
用され、反射層内の梁およびヒンジを経て相互に接続さ
れている。第43d図はスペーサレベルにおけるもので、
金属柱624,624′,624″，…が、絵素20におけるスペー
サ24に代わって梁630,630′,630″，…の形成されてい
る反射層626および628を支持することを示している。金
属柱624,624′,624″，…は、絵素20においてスペーサ2
4が梁をアドレス電極および着地電極の双方から絶縁し
ているのとは対照的に、梁630,630′,630″，…を着地
電極642,646,…に電気的に接続している。もちろん、第
42a図は、反射層レベルにおける平面図である。

第44a図から第44c図までは、第42a図のＡ−Ａ線、Ｂ
−Ｂ線、Ｃ−Ｃ線における絵素620の立断面図であり、
反射層（ヒンジ金属626および梁金属628を合わせたも
の）を支持し、ヒンジおよび梁をなす金属付着層から作
られている柱624,624′,624″，…を示す。絶縁性二酸
化シリコン（酸化物）644は、厚さ約8,000Åであるが、
フローティングソース662,666,662′，…に向かって開
口の側壁を斜め下方に再流動せしめられ、金属電極642,
646,642′，…の付着中における段付被覆を助ける。ゲ
ート酸化物643の厚さは約800Åで、付着せしめられたポ
リシリコンのエッチング中保存されて、ワード線路およ
びゲート682,686,682′，…を形成する。

アレイ610は、前述の第１および第２実施例の方法に
類似した方法によって製造されるが、スペーサ層（第１
方法の324および第２方法の182）がヒンジおよび梁金属
の付着前に、柱624,624′,624″，…のための開口を形
成するようパターン化される点は異なっている。次の、
ヒンジおよび梁金属の付着によって柱が形成され、絵素
付近のスペーサはエッチングによって完全に除去され
る。諸電極下部の回路は、標準的シリコン処理によって
作製される。

諸実施例において軟着地を達成するための、アドレス
電極と着地電極との分離は維持しつつ、実施例の装置お
よび方法にさまざまな改変を行なうことができる。さら
に、効果的な対称性を有する梁は、差動バイアスを利用
しうる。例えば、アドレス電極は、着地電極の外側へ移
動せしめられうるが、これは提示された場合におけるよ
りも、さらに慎重な解析を必要とする。そのわけは、こ
のとき辺縁界が引力の基礎をなすからである。さらに、
ヒンジの長さ、幅、および（たとえヒンジが梁金属で作
られていても）厚さ、梁の寸法と厚さ、スペーサの厚
さ、などの、寸法および形状を変化せしめうる。梁およ
びヒンジの幾何学的配置も、第39図に示されているよう
に変化せしめうる。実際、梁に厚い部分と薄い部分との
パターンを作ることもでき、３層またはそれ以上の層の
金属のそれぞれの層にエッチ止を設ければさまざまな梁
構造を実現しうる。また、材料も、金属の場合はCu:A
l、Ti:W、クロム、等のように変えることができ、異な
ったレジスト、またはスペーサの場合はポリイミドなど
の絶縁体、または導電部分層を含む複合スペーサ、スペ
ーサの放射硬化、基板および電極の場合は他の半導体ま
たは金属電極、等々を用いることができる。埋込ヒンジ
のエッチ止は、タングステンなど別の金属とすることが
でき、ヒンジ金属と梁金属との間にエッチ止の残部が残
らないように処理することもできる。着地電極を二酸化
シリコンまたは他の材料の薄層で被覆し、梁が着地電極
上に付着するのを防止することもでき、あるいは着地電
極を梁と異なる材料で作ることにより、梁が着地電極に
低温溶接されるのを防止することもできる。あるいは、
着地電極を梁の先端または端縁から離れた位置で梁と接
触する形状に形成することもできる。さまざまなアドレ
ス回路が、基板の裏側への径路を含めて、諸電極の下に
形成されうる。

着地電極の利点には、梁の一様な、大角度の、軟着地
性のたわみの実現が含まれる。

以上の説明に関して更に以下の項を開示する。

（１）（イ）電圧を印加した可撓梁のヒンジ内にエネル
ギを蓄える段階と、次に （ロ）該電圧を除去して該蓄えられたエネルギを放出さ
せる段階と、 を含む、可撓梁式空間的光変調器の絵素のリセット方
法。

（２）第１項において、 （イ）前記電圧印加が電圧パルスのシーケンスによって
行なわれる、 可撓梁式空間的光変調器の絵素のリセット方法。

（３）第２項において、 （イ）前記電圧パルスのシーケンスが前記ヒンジの共振
周波数付近の周波数を有する、 可撓梁式空間的光変調器の絵素のリセット方法。

（４）第３項において、 （イ）前記シーケンスが５パルスを有する、 可撓梁式空間的光変調器の絵素のリセット方法。

（５）第３項において、 （イ）前記電圧パルスのそれぞれが50％のデューティサ
イクルを有する方形波である、 可撓梁式空間的光変調器の絵素のリセット方法。

（６）第１項において、 （イ）前記可撓梁のそれぞれが２つのねじれヒンジによ
り支持され、前記エネルギが該ねじれヒンジの回転軸外
における該ねじれヒンジの曲げによって蓄えられる、 可撓梁式空間的光変調器の絵素のリセット方法。

（７）それぞれの絵素のための対向するアドレス電極を
有する可撓梁式空間的光変調器の絵素のリセット方法で
あって、 （イ）該アドレス電極の第１のものに可撓梁の時定数よ
り小さい持続時間を有する電圧パルスを印加する段階 を含む、可撓梁式空間的光変調器の絵素のリセット方
法。

（８）梁（30）と、アドレス電極（42,46）と、着地電
極（40,41）と、を有することにより、梁の着地電極（4
0,41）上への軟着地を実現し、それによって一様な、大
角度のたわみと高い信頼性とを達成する、静電可撓式空
間的光変調器。

【図面の簡単な説明】

第1a図から第1c図までは、第１実施例の絵素の、斜視
図、立断面図、および平面図、第２図は、第１実施例の
絵素における梁のたわみの説明図、第3a図および第3b図
は、第１実施例の絵素の簡単化された形式のものにおけ
る印加電圧に対する梁のたわみの依存関係を示すグラフ
および簡単化された形式の絵素の平面図、第４図は、簡
単化された形式の絵素を画定する解析用変数を示す概略
的立断面図、第５図は、簡単化された形式の絵素におい
て梁に作用するトルクを示すグラフの図面、第６図は、
簡単化された形式の絵素における梁のたわみを制御電圧
の関数として示すグラフの図面、第７図は、第１実施例
の概略的断面図、第８図は、第１実施例において梁に作
用するトルクを示すグラフの図面、第９図は、第１実施
例の解析用変数の定義図、第10図から第13図までは、第
１実施例の相異なる動作モードにおいて梁に作用するト
ルクを示すグラフの図面、第14図は、第１実施例の相異
なる動作モードにおける位置エネルギ関数のグラフの図
面、第15図は、第１実施例に対する差動バイアスの説明
図、第16図は、第１実施例における、印加された差動バ
イアスに対するトルクを示すグラフの図面、第17図は、
第１実施例の２安定動作におけるタイミング図、第18図
から第23図までは、第１実施例の動作の解析用のトルク
とたわみとを示すグラフの図面、第24図から第26図まで
は、第１実施例におけるノイズマージンの解析用説明
図、第27図は、第１実施例に追加された平衡電極の概略
的立断面図、第28図は、ノイズマージンの相互作用の説
明図、第29図は、第１実施例に対する第１リセット方法
におけるタイミング図、第30a図から第30e図までは、第
１実施例に対する第２リセット方法の説明図、第31図
は、第２実施例の直線形アレイの平面図、第32a図から
第32c図までは、第２実施例の、電子写真式印刷への応
用を示す説明図、第33図は、第２実施例の絵素のアドレ
ッシング説明用の、制御電極に沿っての立断面図、第34
図は、第２実施例の絵素のアドレッシング説明用の平面
図、第35a図から第35e図までは、第１実施例の製造方法
の諸段階を示す断面図、第36a図から第36c図までと第37
a図から第37c図までとは、第１実施例の製造方法の最後
の段階をさらに示す説明図、第38図は、第３実施例の平
面図、第39a図から第39d図までは、別の梁の幾何学的形
態および配置の平面図、第40a図から第40e図までは、第
２実施例の製造方法の諸段階を示す断面図、第41a図か
ら第41c図までは、第２実施例の製造方法の諸段階を示
す平面図、第42a図および第42b図は、第４実施例の絵素
から成るアレイの概略的平面図、第43a図から第43d図ま
でと第44a図から第44c図までとは、第４実施例の絵素の
諸レベルにおける平面図および立断面図、である。 符号の説明 20……絵素、30……梁、34,36……ねじれヒンジ、42,46
……アドレス電極、320……絵素、330……梁、334,336
……ねじれヒンジ、342,346……アドレス電極。

───────────────────────────────────────────────────── フロントページの続き (58)調査した分野(Int.Cl.⁶，ＤＢ名) G02B 26/08

Claims (1)

(57)【特許請求の範囲】
1. 【請求項１】（イ）電圧を印加して可撓梁のヒンジ内に
   エネルギを蓄える段階と、次に （ロ）該電圧を除去して該蓄えられたエネルギを放出さ
   せる段階と、 を含む、可撓梁式空間的光変調器の絵素のリセット方
   法。