JP4032216B2 - 光学多層構造体およびその製造方法、並びに光スイッチング素子および画像表示装置 - Google Patents

Description

【０００１】
【発明の属する技術分野】
本発明は、入射光を反射，透過若しくは吸収させる機能を有する光学多層構造体およびその製造方法、並びに光スイッチング素子および画像表示装置に関する。
【０００２】
【従来の技術】
近年、映像情報の表示デバイスとしてのディスプレイの重要性が高まっており、このディスプレイ用の素子として、更には、光通信，光記憶装置，光プリンタなどの素子として、高速で動作する光スイッチング素子（ライトバルブ）の開発が要望されている。従来、この種の素子としては、液晶を用いたもの、マイクロミラーを用いたもの（ＤＭＤ；Digtal Micro Miror Device ，ディジタルマイクロミラーデバイス、テキサスインスツルメンツ社の登録商標）、回折格子を用いたもの（ＧＬＶ：Grating Light Valve,グレーティングライトバルブ，ＳＬＭ（シリコンライトマシン）社製）等がある。
【０００３】
ＧＬＶは回折格子をＭＥＭＳ（Micro Electro Mechanical Systems) 構造で作製し、静電力で１０ｎｓの高速ライトスイッチング素子を実現している。ＤＭＤは同じくＭＥＭＳ構造でミラーを動かすことによりスイッチングを行うものである。これらのデバイスを用いてプロジェクタ等のディスプレイを実現できるものの、液晶とＤＭＤは動作速度が遅いために、ライトバルブとしてディスプレイを実現するためには２次元配列としなければならず、構造が複雑となる。一方、ＧＬＶは高速駆動型であるので、１次元アレイを走査することでプロジェクションディスプレイを実現することができる。
【０００４】
しかしながら、ＧＬＶは回折格子構造であるので、１ピクセルに対して６つの素子を作り込んだり、２方向に出た回折光を何らかの光学系で１つにまとめる必要があるなどの複雑さがある。
【０００５】
簡単な構成で実現できるものとしては、米国特許公報５，５８９，９７４号や米国特許公報５，５００，７６１号に開示されたものがある。このライトバルブは、基板（屈折率ｎ_S ）の上に間隙部（ギャップ層）を挟んで、屈折率が√ｎ_S の透光性の薄膜を設けた構造を有している。この素子では、静電力を利用して薄膜を駆動し、基板と薄膜との間の距離、すなわち、間隙部の大きさを変化させることにより、光信号を透過あるいは反射させるものである。ここで、薄膜の屈折率は基板の屈折率ｎ_S に対して、√ｎ_S となっており、このような関係を満たすことにより、高コントラストの光変調を行うことができるとされている。
【０００６】
【発明が解決しようとする課題】
しかしながら、上述のような構成の素子では、基板の屈折率ｎ_S が「４」などの大きな値でなければ、可視光領域においては実現することはできないという問題がある。すなわち、透光性薄膜としては、構造体であることを考えると、窒化珪素（Ｓｉ₃ Ｎ₄ ）（屈折率ｎ＝２．０）などの材料が望ましいが、その場合には基板の屈折率ｎ_S ＝４となる。可視光領域では、このような材料の選択肢は狭い。赤外線等の通信用波長では、ゲルマニウム（Ｇｅ）（ｎ＝４）、シリコン（Ｓｉ）（ｎ≒４）などを用いることにより実現可能である。
【０００７】
また、米国特許公報５，５００，７６１号などで開示されているライトバルブでは、シリコン基板上に間隙部を間にして窒化珪素（Ｓｉ₃ Ｎ₄ ）などの構造材を配している。しかしながら、この構造では、現在、犠牲層のドライエッチングとして広く認知されている、犠牲層をシリコン（Ｓｉ）により形成し、これを二フッ化キセノン（ＸｅＦ₂ ）でエッチングする方法が使えない。なぜなら、基板もＳｉであるので、犠牲層との選択比が取れないからである。そのために、上記構造では、ウェットエッチングなどの他の方法を用いていると思われる。ウェットエッチングでは、エッチング液がλ／４程度の間隙に入り込んで円滑に循環することが難しく、エッチングできなかったり、また、液の表面張力などで乾燥時に犠牲層の上の構造材が壊れたりして、所望の構造体を作製するのは難しい。なお、光スイッチとなる部品の相対面積を小さくして開口度を小さくすれば、ウェットエッチングなどのプロセスでも実現可能であるが、画像表示用としては、開口度を上げる傾向にあるので、エッチング液が入り込むための部分を少なくしたい。そのために、ウェットエッチングよりはドライエッチングが適している。しかしながら、上述のように基板がＳｉにより形成されている場合には、犠牲層をＳｉにより形成し、これをＸｅＦ₂ でエッチングする方法は適用できないという問題がある。
【０００８】
本発明はかかる問題点に鑑みてなされたもので、その第１の目的は、簡単な構成で、小型軽量であると共に、構成材料の選択にも自由度があり、かつ可視光領域においても高速応答が可能であり、画像表示装置等に好適に用いることができる光学多層構造体を提供することにある。
【０００９】
本発明の第２の目的は、間隙部の形成工程において、犠牲層をＳｉで形成すると共に、ＸｅＦ₂ を用いたドライエッチングを適用でき、開口度の高い光学多層構造体を容易に作製することができる光学多層構造体の製造方法を提供することにある。
【００１０】
更に、本発明の第３の目的は、上記光学多層構造体を用いて高速応答が可能な光スイッチング素子および画像表示装置を提供することにある。
【００１１】
【課題を解決するための手段】
本発明による第１の光学多層構造体は、基板上に、光の吸収のある第１の層、光の干渉現象を起こし得る大きさを有すると共にその大きさが、λ／４（λは入射光の波長）の奇数倍とλ／４の偶数倍（０を含む）との間で可変な間隙部、および透明な第２の層をこの順で配設した構造を備え、第１の層を、数（９）を満たすＮ ₁ （＝ｎ ₁ −ｉ・ｋ ₁ ，ｎ ₁ は屈折率，ｋ ₁ は消衰係数，ｉは虚数単位）の複素屈折率を有する材料により前記基板の光学的情報が見えなくなる程度に厚く形成すると共に、
前記第２の層を、数（９）を満たすｎ ₂ の屈折率を有する材料により形成したものである。
【数９】

（但し，入射媒質の屈折率を１．０とする）
【００１２】
本発明による第２の光学多層構造体は、光の吸収のある基板上に、光の干渉現象を起こし得る大きさを有すると共にその大きさが、λ／４（λは入射光の波長）の奇数倍とλ／４の偶数倍（０を含む）との間で可変な間隙部、および透明層をこの順で配設した構造を備えた光学多層構造体であって、基板を、数（９）を満たすＮ ₁ （＝ｎ ₁ −ｉ・ｋ ₁ ，ｎ ₁ は屈折率，ｋ ₁ は消衰係数，ｉは虚数単位）の複素屈折率を有する材料により形成すると共に、透明層を、数（９）を満たすｎ ₂ の屈折率を有する材料により形成したものである。
【００１３】
本発明による第１の光スイッチング素子は、本発明の第１の光学多層構造体と、この光学多層構造体における間隙部の光学的な大きさを変化させるための駆動手段とを備えたものである。
【００１４】
本発明による第２の光スイッチング素子は、本発明の第２の光学多層構造体と、この光学多層構造体における間隙部の光学的な大きさを変化させるための駆動手段とを備えたものである。
【００１５】
本発明による第１の画像表示装置は、本発明による第１の光スイッチング素子を複数個、１次元あるいは２次元に配列したものであり、３原色の光を照射し、スキャナによって走査することで２次元画像を表示するものである。
【００１６】
本発明による第２の画像表示装置は、本発明による第２の光スイッチング素子を複数個、１次元あるいは２次元に配列したものであり、３原色の光を照射し、スキャナによって走査することで２次元画像を表示するものである。
【００１７】
本発明による第１また第２の光学多層構造体では、間隙部の大きさを、「λ／４」（λは入射光の設計波長）の奇数倍と「λ／４」の偶数倍（０を含む）との間で、２値的あるいは連続的に変化させると、入射光の反射、透過若しくは吸収の量が２値的あるいは連続的に変化する。
【００１８】
本発明による第１また第２の光スイッチング素子では、駆動手段によって、光学多層構造体の間隙部の光学的な大きさが変化することにより、入射光に対してスイッチング動作がなされる。
【００１９】
本発明による第１また第２の画像表示装置では、１次元あるいは２次元に配列された本発明の複数の光スイッチング素子に対して光が照射されることによって２次元画像が表示される。
【００２０】
【発明の実施の形態】
以下、本発明の実施の形態について図面を参照して詳細に説明する。
【００２１】
図１および図２は、本発明の一実施の形態に係る光学多層構造体１の基本的な構成を表すものである。図１は光学多層構造体１における後述の間隙部１２が存在し、高反射時の状態、図２は光学多層構造体１の間隙部１２がなく、低反射時の状態をそれぞれ示している。なお、この光学多層構造体１は具体的には例えば光スイッチング素子として用いられ，この光スイッチング素子を複数個１次元または２次元に配列することにより、画像表示装置を構成することができる。また、詳細は後述するが、図２のような構造に固定した場合には、反射防止膜として利用することができるものである。
【００２２】
この光学多層構造体１は、基板１０の上に、この基板１０に接する、光の吸収のある第１の層１１、光の干渉現象を起こし得る大きさを有すると共にその大きさを変化させることのできる間隙部１２、および透明の第２の層１３をこの順で配設して構成したものである。
【００２３】
ここで、本実施の形態では、第１の層１１の複素屈折率をＮ₁ （＝ｎ₁ −ｉ・ｋ₁ ，ｎ₁ は屈折率，ｋ₁ は消衰係数，ｉは虚数単位）、第２の層１３の屈折率をｎ₂ 、入射媒質の屈折率を１．０としたとき、次式（１０）の関係を満たすように設定されている。なお、この式の意義については後述する。
【００２４】
【数１０】

【００２５】
基板１０は、カーボン（Ｃ），グラファイト（黒鉛）などの非金属，タンタル（Ｔａ）などの金属，酸化クロム（ＣｒＯ）などの酸化金属，窒化チタン（ＴｉＮ_X ）などの窒化金属，シリコンカーバイド（ＳｉＣ）などの炭化物，シリコン（Ｓｉ）などの半導体等の、不透明で光の吸収のある材料により形成されたもの、あるいは、これら光の吸収のある材料の薄膜を透明基板上に成膜したものとしてもよい。基板１０は、また、例えばガラス，プラスチックなどの透明材料若しくは消衰係数ｋの値の低い半透明材料により形成されたものとしてもよい。
【００２６】
第１の層１１は、光の吸収のある層であり、窒化物材料、例えば窒化チタン（ＴｉＮ_X ），窒化タンタル（ＴａＮ_X ），窒化ハフニウム（ＨｆＮ_X ）または窒化ジルコニウム（ＺｒＮ_X ）などにより形成されたものである。
【００２７】
第２の層１３は、透明材料により形成されたものであり、例えば、酸化チタン（ＴｉＯ₂ ）（ｎ₂ ＝２．４），窒化珪素（Ｓｉ₃ Ｎ₄ ）（ｎ₂ ＝２．０），酸化亜鉛（ＺｎＯ）（ｎ₂ ＝２．０），酸化ニオブ（Ｎｂ₂ Ｏ₅ ）（ｎ₂ ＝２．２），酸化タンタル（Ｔａ₂ Ｏ₅ ）（ｎ₂ ＝２．１），酸化珪素（ＳｉＯ）（ｎ ₂ ＝２．０），酸化スズ（ＳｎＯ₂ ）（ｎ₂ ＝２．０），ＩＴＯ（Indium-Tin Oxide) （ｎ₂ ＝２．０）などにより形成されている。
【００２８】
なお、この第２の層１３は、スイッチング動作時においては、後述のように可動部として作用するため、特に、ヤング率が高く、丈夫なＳｉ₃ Ｎ₄ などで形成されたものであることが好ましい。また、静電気により駆動する場合には、第２の層１３の一部にＩＴＯなどの透明導電膜を含めるようにすればよい。Ｓｉ₃ Ｎ₄ とＩＴＯの屈折率は同等であるので、それぞれどの程度の膜厚にするかは任意である。また、第１の層１１と第２の層１３とが接触する場合には、接触時に電気的に短絡しないように、第２の層１３の基板側をＳｉ₃ Ｎ₄ 、入射媒質側をＩＴＯとすることが望ましい。
【００２９】
第１の層１１の物理的な膜厚ｄ₁ は、入射光の波長、その材料のｎとｋの値により決まるが、本実施の形態では、基板１０の光学的情報が見えなくなる程度に十分厚くする。その理由および各材料の具体的な膜厚については後述する。
【００３０】
第２の層１３の光学的な膜厚ｎ₂ ・ｄ₂ は、「λ／４」（λは入射光の設計波長）以下である。
【００３１】
なお、本明細書中の表記での「λ／４」は厳密に「λ／４」でなくとも、これらの近傍の値でもよい。これは、例えば、一方の層の光学膜厚がλ／４より厚くなった分、他方の層を薄くするなどして補完できるからであり、また、上式（８）から屈折率が多少ずれた場合でも、膜厚で調整可能な場合もあるからである。よって、本明細書においては、「λ／４」の表現には「ほぼλ／４」の場合も含まれるものとする。
【００３２】
なお、第１の層１１および第２の層１３は、互いに光学的特性の異なる２以上の層で構成された複合層としてもよいが、この場合には複合層における合成した光学的特性（光学アドミッタンス）が単層の場合と同等な特性を有するものとする必要がある。
【００３３】
間隙部１２は、後述の駆動手段によって、その光学的な大きさ（第１の層１１と第２の層１３との間隔）が可変であるように設定されている。間隙部１２を埋める媒体は、透明であれば気体でも液体でもよい。気体としては、例えば、空気（ナトリウムＤ線（５８９．３ｎｍ）に対する屈折率ｎ_D ＝１．０）、窒素（Ｎ₂ ）（ｎ_D ＝１．０）など、液体としては、水（ｎ_D ＝１．３３３）、シリコーンオイル（ｎ_D ＝１．４〜１．７）、エチルアルコール（ｎ_D ＝１．３６１８）、グリセリン（ｎ_D ＝１．４７３０）、ジョードメタン（ｎ_D ＝１．７３７）などが挙げられる。なお、間隙部１２を真空状態とすることもできる。
【００３４】
間隙部１２の光学的な大きさは、「λ／４の奇数倍」と「λ／４の偶数倍（０を含む）」との間で、２値的あるいは連続的に変化するものである。これにより入射光の反射、透過若しくは吸収の量が２値的あるいは連続的に変化する。なお、上記第１の層１１および第２の層１３の膜厚の場合と同様に、λ／４の倍数から多少ずれても、他の層の膜厚あるいは屈折率の多少の変化で補完できるので、「λ／４」の表現には、「ほぼλ／４」の場合も含まれるものとする。
【００３５】
このような間隙部１２を有する光学多層構造体１は、図３および図４に示した製造プロセスにより作製することができる。まず、図３（Ａ）に示したように例えばガラスからなる基板１０の上に、例えばスパッタリング法によりＴａＮ_X からなる第１の層１１を形成し、次いで，図３（Ｂ）に示したように例えばＣＶＤ（Chemical Vapor Deposition:化学的気相成長 )法により犠牲層としての非晶質シリコン（ａ−Ｓｉ）膜１２ａを形成する。続いて、図３（Ｃ）に示したように、間隙部１２のパターン形状を有するフォトレジスト膜１４を形成し、図３（Ｄ）に示したようにこのフォトレジスト膜１４をマスクとして、例えばＲＩＥ（Reactive Ion Etching) により非晶質シリコン（ａ−Ｓｉ）膜１２ａを選択的に除去する。
【００３６】
次に、図４（Ａ）に示したようにフォトレジスト膜１４を除去した後、図４（Ｂ）に示したように例えばＣＶＤ法によりＳｉ₃ Ｎ₄ からなる第２の層１３を形成する。次いで、図４（Ｃ）に示したように、二フッ化キセノン（ＸｅＦ₂ ）などのドライエッチングにより非晶質シリコン（ａ−Ｓｉ）膜１２ａを除去する。これにより、間隙部１２を備えた光学多層構造体１を作製することができる。
【００３７】
本実施の形態の光学多層構造体１は、間隙部１２の光学的な大きさを、λ／４の奇数倍とλ／４の偶数倍（０を含む）との間（例えば、「λ／４」と「０」との間）で、２値的あるいは連続的に変化させることによって、入射した光の反射，透過若しくは吸収の量を変化させるものである。
【００３８】
次に、図１および図５を参照して、上記式（５）の意義について説明する。
【００３９】
上記のような光学多層構造体１のフィルタ特性は、光学アドミッタンスによって説明することができる。光学アドミッタンスｙは、複素屈折率Ｎ（＝ｎ−ｉ・ｋ、ｎは屈折率，ｋは消衰係数，ｉは虚数単位）と値が同じである。例えば、空気のアドミッタンスはｙ(air) ＝1 、ｎ(air) ＝1 、ガラスのアドミッタンスはｙ(glass) ＝1.５２、ｎ(glass) ＝1.５２である。
【００４０】
光学アドミッタンスダイアグラム上で、ｎ₂ の屈折率を持つ透明な第２の層が、ダイアグラム上の（１，０）の点 (空気のアドミッタンス) を通る軌跡を描くと、図５のようになる。すなわち、実軸Ｒｅ（Ｙ）上で１とｎ₂ ² を通り、中心が（ｎ₂ ² ＋１）／２の円弧となる。ここで、基板１０上に、基板１０の光学的情報が見えなくなるくらい十分厚く第１の層１１を成膜した場合、第１の層１１が光学上は基板１０と同等の役割を担う。その第１の層１１の材料の光学アドミッタンス (＝複素屈折率（ｎ₁ −ｉ・ｋ₁ ））が、ほぼこの円弧の上にある場合、その点から第１の層１１と第２の層１３の合成アドミッタンスが移動する。そして、合成アドミッタンスが１となるような膜厚で第２の層１３を成膜する。このようにすれば、反射は、設計波長において０となる。かかる条件を満たすための、基板１０または第１の層１１の材料と第２の層１３の材料の光学定数の関係は、前述の式（１０）のようになる。但し、別の光学定数を持った材料をごく薄く配することで合成アドミッタンスが１に帰着することもあるので、式（１０）を完全に満たさなくても良い場合もあることから、式（１０）をほぼ満たす状態であればよい。
【００４１】
すなわち、この光学多層構造体１では、第１の層１１と第２の層１３との間の間隙部１２の間隔が「０」のときには反射防止膜となり、その間隔が設計波長に対し光学的にほぼλ／４の時には反射膜となる。つまり、間隔を「０」と「λ／４」との間で可変とすることで、後述のように反射率を「０」と「７０％」以上とに変えられる光スイッチング素子を実現することができる。
【００４２】
なお、基板１０そのものが上記第１の層の複素屈折率を持てば、図６に示したように第１の層の無い、光学多層構造体２とすることができる。この光学多層構造体２では、基板１０Ａの複素屈折率をＮ₁ （＝ｎ₁ −ｉ・ｋ₁ ，ｎ₁ は屈折率，ｋ₁ は消衰係数，ｉは虚数単位）、透明層１３Ａ（第２の層１３に相当）の屈折率をｎ₂ 、入射媒質の屈折率を１．０としたときに、上式（１０）の関係を満たすように設定すればよい。
【００４３】
このような光学多層構造体の材料の組み合わせとしては、上記のような制約を満足すればよく、その選定の自由度は広い。表１はその一例を表すものである。なお、窒化タンタルとＩＴＯは本発明者が実際に成膜した実測値であり、Ｓｉ₃ Ｎ₄ は一般的な値である。
【００４４】
【表１】

【００４５】
ここでは、第１の層１１としてＴａＮ_X 層、間隙部１２として空気層（ｎ＝１．００）、第２の層１３としてＳｉ₃ Ｎ₄ 膜とＩＴＯ膜との積層膜（合成屈折率ｎ₂ ＝２．０，ｋ＝０）を用いた。ＴａＮ_X 層は４００ｎｍと厚くした。設計波長５５０ｎｍで、その波長において第１の層１１のＴａＮ_X の光学特性は前述の式（１０）をほぼ満たす。第２の層１３の膜厚は、Ｓｉ₃ Ｎ₄ とＩＴＯの屈折率はほぼ２．０で同等であるので、合計で６０ｎｍあればよい。ここでは、上層のＩＴＯを２０ｎｍ、下層のＳｉ₃ Ｎ₄ を４０ｎｍとした。
【００４６】
図７は、このような構成で、入射光の波長（設計波長５５０ｎｍ）と反射率との関係をシミュレーションした結果を表すものである。ここで、Ａは間隙部（空気層）の光学膜厚が「０」（低反射側）、Ｂは光学膜厚が「λ／４」（１３８ｎｍ）（高反射側）の場合の特性をそれぞれ表している。また、図８は、低反射時の合成光学アドミッタンスダイヤグラムを示すもので、合成光学アドミッタンスが１．０近傍に終着していることが分かる。このような条件を満足する第１の層１１の材料としては前述のように窒化物が好ましい。そのうち窒化タンタルは表１に示したとおりである。なお、窒化物は成膜条件によりｎとｋの値をある程度調整することが可能であり、窒化チタン（ＴｉＮ_X ），窒化ハフニウム（ＨｆＮ_X ）または窒化ジルコニウム（ＺｒＮ_X ）などは条件を満足する。表２は、一例として、ＨｆＮ，ＴａＮ_X ，ＴｉＮについて、各波長に対するｎ，ｋと、基板１０の光学的情報が見えなくなる程度の十分な厚さの値の目安を示したものである。
【００４７】
【表２】

【００４８】
このように本実施の形態では、例えば５５０ｎｍなどの可視光領域においても、低反射時の反射率を殆ど０、高反射時の反射率を７０％以上とすることができるので、高コントラストな変調を行うことが可能である。しかも、構成が簡単であるので、ＧＬＶなどの回折格子構造やＤＭＤなどの複雑な３次元構造よりも容易に作製することができる。また、ＧＬＶは１つのピクセルに６本の格子状のリボンが必要であるが、本実施の形態では１本で済むので、構成が簡単であり、かつ小さく作製することが可能である。また、可動部分の移動範囲も高々「λ／２」であるため、１０ｎｓレベルの高速応答が可能になる。よって、ディスプレイ用途のライトバルブとして用いる場合には、後述のように１次元アレイの簡単な構成で実現することができる。
【００４９】
更に、本実施の形態の光学多層構造体１は、間隙部を金属薄膜や反射層で挟んだ構造の狭帯域透過フィルタ、すなわちファブリーペロータイプのものとは本質的に異なるものであるため、低反射帯の帯域幅を広くすることができる。よって、製作時の膜厚管理のマージンを比較的広くとることが可能であり、設計の自由度が増す。
【００５０】
また、本実施の形態では、基板１０および第１の層１１の屈折率はある範囲の任意の値であれば良いため、材料の選択の自由度が広くなる。なお、基板１０を不透明な材料により構成した場合には、低反射時において入射光は基板１０に吸収されるので、迷光などが発生する心配はなくなる。
【００５１】
なお、本出願人と同一出願人は、先に、基板上に、光の吸収のある第１の層、光の干渉現象を起こし得る大きさを有すると共にその大きさが可変な間隙部、および第２の層を配設した構造を有する光学多層構造体を提案した（特願２０００−２１９５９９）。この光学多層構造体は、簡単な構成で、構成材料の選択にも自由度があり、かつ可視光領域においても高速応答が可能であり、画像表示装置等に好適に用いることができる。しかし、この光学多層構造体を実現するには、第１の層（導電層）の膜厚が限定され、しかも、その膜厚は１０ｎｍ前後と薄くなる。導電層がこの程度の膜厚であると、ときによっては電気抵抗が大きくなる。これに対して、本実施の形態では、第１の層（導電層）の膜厚を、基板の光学的情報が見えなくなるほどに十分に厚くするため、その電気抵抗が小さくなり、配線としての信頼性が向上する。
【００５２】
以上のように、本実施の形態の光学多層構造体１を用いることにより、高速で小型であり、しかも信頼性の向上した光スイッチング素子および画像表示装置を実現することができる。これらの詳細については後述する。
【００５３】
なお、上記実施の形態では、光学多層構造体１の間隙部を一層としたが、複数層、例えば図９に示したように２層設けるようにしてもよい。これは、基板１０上に、第１の層１１、第１の間隙部１２、第２の層１３、第２の間隙部３０、第３の透明層３１をこの順に形成し、第２の層１３および第３の透明層３１をそれぞれ例えば窒化シリコンからなる支持体１５，３２により支持する構成としたものである。
【００５４】
この光学多層構造体では、中間の第２の層１３が上下に変位し、第１の間隙部１２と第２の間隙部３０の一方の間隙が狭くなった分、他方の間隙部が広まることにより反射特性が変化する。
【００５５】
〔駆動方法〕
次に、上記光学多層構造体１における間隙部１２の大きさを変化させるための具体的な手段について説明する。
【００５６】
図１０は、静電気により光学多層構造体を駆動する例を示している。この光学多層構造体は、透明基板１０の上の第１の層１１の両側にそれぞれ例えばアルミニウムからなる電極１６ａ，１６ａを設けると共に、第２の層１３を例えば窒化シリコン（Ｓｉ₃ Ｎ₄ ）からなる支持体１５により支持し、この支持体１５の電極１６ａ，１６ａに対向する位置に電極１６ｂ，１６ｂを形成したものである。
【００５７】
この光学多層構造体では、電極１６ａ，１６ａおよび電極１６ｂ，１６ｂへの電圧印加による電位差で生じた静電引力によって、間隙部１２の光学膜厚を、例えば「λ／４」と、「０」との間、あるいは「λ／４」と「λ／２」との間で２値的に切り替える。勿論、電極１６ａ，１６ａ、電極１６ｂ，１６ｂへの電圧印加を連続的に変化させることにより、間隙部１２の大きさをある値の範囲で連続的に変化させ、入射した光の反射、若しくは透過あるいは吸収等の量を連続的（アナログ的）に変化させるようにすることもできる。
【００５８】
光学多層構造体を静電気で駆動するものとしては、その他、図１１および図１２に示した方法によってもよい。図１１に示した光学多層構造体１は、透明基板１０の上の第１の層１１上に例えばＩＴＯ（Indium-Tin Oxide) からなる透明導電膜１７ａを設けると共に、例えばＳｉＯ₂ からなる第２の層１３を架橋構造に形成し、この第２の層１３の外面に同じくＩＴＯからなる透明導電膜１７ｂを設けたものである。
【００５９】
この光学多層構造体では、透明導電膜１７ａ，１７ｂ間への電圧印加による電位差で生じた静電引力によって、間隙部１２の光学膜厚を切り替えることができる。
【００６０】
図１２に示した光学多層構造体では、図１１の光学多層構造体の透明導電膜１７ａの代わりに、導電性のある第１の層１１として例えばタンタル（Ｔａ）膜を配したものである。
【００６１】
光学多層構造体の駆動は、このような静電気の他、トグル機構や圧電素子などのマイクロマシンを用いる方法、磁力を用いる方法や、形状記憶合金を用いる方法など、種々考えられる。図１３（Ａ），（Ｂ）は磁力を用いて駆動する態様を示したものである。この光学多層構造体では、第２の層１３の上に開孔部を有するコバルト（Ｃｏ）などの磁性材料からなる磁性層４０を設けると共に基板１０の下部に電磁コイル４１を設けたものであり、この電磁コイル４１のオン・オフの切り替えにより、間隙部１２の間隔を例えば「λ／４」（図１３（Ａ））と「０」（図１３（Ｂ））との間で切り替え、これにより反射率を変化させることができる。
【００６２】
〔光スイッチング装置〕
図１４は、上記光学多層構造体１を用いた光スイッチング装置１００の構成を表すものである。光スイッチング装置１００は、例えばガラスからなる基板１０１上に複数（図では４個）の光スイッチング素子１００Ａ〜１００Ｄを一次元アレイ状に配設したものである。なお、１次元に限らず、２次元に配列した構成としてもよい。この光スイッチング装置１００では、基板１０１の表面の一方向（素子配列方向）に沿って例えばＴａＮ_X 膜１０２が形成されている。このＴａＮ_X 膜１０２が上記実施の形態の第１の層１１に対応している。
【００６３】
基板１０１上には、ＴａＮ_X 膜１０２に対して直交する方向に、複数本のＳｉ₃ Ｎ₄ 膜１０５が配設されている。Ｓｉ₃ Ｎ₄ 膜１０５の外側には透明導電膜としてのＩＴＯ膜１０６が形成されている。これらＩＴＯ膜１０６およびＳｉ₃ Ｎ₄ 膜１０５が上記実施の形態の第２の層１３に対応するもので、ＴａＮ_X 膜１０２を跨ぐ位置において架橋構造となっている。ＴａＮ_X 膜１０２とＩＴＯ膜１０６との間には、スイッチング動作（オン・オフ）に応じてその大きさが変化する間隙部１０４が設けられている。間隙部１０４の光学膜厚は、入射光の波長（λ＝５５０ｎｍ）に対しては、例えば「λ／４」（１３７．５ｎｍ）と「０」との間で変化するようになっている。
【００６４】
光スイッチング素子１００Ａ〜１００Ｄは、ＴａＮ_X 膜１０２およびＩＴＯ膜１０６への電圧印加による電位差で生じた静電引力によって、間隙部１０４の光学膜厚を、例えば「λ／４」と「０」との間で切り替える。図１５では、光スイッチング素子１００Ａ，１００Ｃが間隙部１０４が「０」の状態（すなわち、低反射状態）、光スイッチング素子１００Ｂ，１００Ｄが間隙部１０４が「λ／４」の状態（すなわち、高反射状態）を示している。なお、ＴａＮ_X 膜１０２およびＩＴＯ膜１０６と、電圧印加装置（図示せず）とにより、本発明の「駆動手段」が構成されている。
【００６５】
この光スイッチング装置１００では、ＴａＮ_X 膜１０２を接地して電位を０Ｖとし、第２の層側に形成されたＩＴＯ膜１０６に例えば＋１２Ｖの電圧を印加すると、その電位差によりＴａＮ_X 膜１０２とＩＴＯ膜１０６との間に静電引力が発生し、図１４では光スイッチング素子１００Ａ，１００Ｃのように第１の層と第２の層とが密着し、間隙部１０４が「０」の状態となる。この状態では、入射光Ｐ₁ は上記多層構造体を透過し、更に基板１０１に吸収される。
【００６６】
次に、第２の層側の透明導電膜１０６を接地させ電位を０Ｖにすると、ＴａＮ_X 膜１０２とＩＴＯ膜１０６との間の静電引力がなくなり、図１４では光スイッチング素子１００Ｂ，１００Ｄのように第１の層と第２の層との間が離間して、間隙部１２が「λ／４」の状態となる。この状態では、入射光Ｐ₁ は反射され、反射光Ｐ₃ となる。
【００６７】
このようにして、本実施の形態では、光スイッチング素子１００Ａ〜１００Ｄ各々において、入射光Ｐ₁ を静電力により間隙部を２値に切り替えることによって、反射光がない状態と反射光Ｐ₃ が発生する状態の２値に切り替えて取り出すことができる。勿論、前述のように間隙部の大きさを連続的に変化させることにより、入射光Ｐ₁ を反射がない状態から反射光Ｐ₃ が発生する状態に連続的に切り替えることも可能である。
【００６８】
これら光スイッチング素子１００Ａ〜１００Ｄでは、可動部分の動かなくてはならない距離が、大きくても入射光の「λ／２（あるいはλ／４）」程度であるため、応答速度が１０ｎｓ程度に十分高速である。よって、一次元アレイ構造で表示用のライトバルブを実現することができる。
【００６９】
加えて、本実施の形態では、１ピクセルに複数の光スイッチング素子を割り当てれば、それぞれ独立に駆動可能であるため、画像表示装置として画像表示の階調表示を行う場合に、時分割による方法だけではなく、面積による階調表示も可能である。
【００７０】
〔画像表示装置〕
図１５は、上記光スイッチング装置１００を用いた画像表示装置の一例として、プロジェクションディスプレイの構成を表すものである。ここでは、光スイッチング素子１００Ａ〜１００Ｄからの反射光Ｐ₃ を画像表示に使用する例について説明する。
【００７１】
このプロジェクションディスプレイは、赤（Ｒ），緑（Ｇ），青（Ｂ）各色のレーザからなる光源２００ａ，２００ｂ，２００ｃと、各光源に対応して設けられた光スイッチング素子アレイ２０１ａ，２０１ｂ，２０１ｃ、ダイクロイックミラー２０２ａ，２０２ｂ，２０２ｃ、プロジェクションレンズ２０３、１軸スキャナとしてのガルバノミラー２０４および投射スクリーン２０５を備えている。なお、３原色は、赤，緑，青の他、シアン，マゼンダ，イエローとしてもよい。スイッチング素子アレイ２０１ａ，２０１ｂ，２０１ｃはそれぞれ、上記スイッチング素子を紙面に対して垂直な方向に複数、必要画素数分、例えば１０００個を１次元に配列したものであり、これによりライトバルブを構成している。
【００７２】
このプロジェクションディスプレイでは、ＲＧＢ各色の光源２００ａ，２００ｂ，２００ｃから出た光は、それぞれ光スイッチング素子アレイ２０１ａ，２０１ｂ，２０１ｃに入射される。なお、この入射角は偏光の影響がでないように、なるべく０に近くし、垂直に入射させるようにすることが好ましい。各光スイッチング素子からの反射光Ｐ₃ は、ダイクロイックミラー２０２ａ，２０２ｂ，２０２ｃによりプロジェクションレンズ２０３に集光される。プロジェクションレンズ２０３で集光された光は、ガルバノミラー２０４によりスキャンされ、投射スクリーン２０５上に２次元の画像として投影される。
【００７３】
このように、このプロジェクションディスプレイでは、複数個の光スイッチング素子を１次元に配列し、ＲＧＢの光をそれぞれ照射し、スイッチング後の光を１軸スキャナにより走査することによって、２次元画像を表示することができる。
【００７４】
また、本実施の形態では、低反射時の反射率を０．１％以下、高反射時の反射率を７０％以上とすることができるので、１，０００対１程度の高コントラストの表示を行うことができると共に、素子に対して光が垂直に入射する位置で特性を出すことができるので、光学系を組み立てる際に、偏光等を考慮にする必要がなく、構成が簡単である。
【００７５】
以上実施の形態を挙げて本発明を説明したが、本発明は上記実施の形態および変形例に限定されるものではなく、種々変形可能である。例えば、上記実施の形態では、光源としてレーザを用いて一次元アレイ状のライトバルブを走査する構成のディスプレイについて説明したが、図１６に示したように、二次元状に配列された光スイッチング装置２０６に白色光源２０７からの光を照射して投射スクリーン２０８に画像の表示を行う構成とすることもできる。
【００７６】
また、上記実施の形態では、基板としてガラス基板を用いる例について説明したが、図１７に示したように、例えば厚さ２ｍｍ以内の柔軟性を有する（フレキシブルな）基板２０９を用いたペーパ−状のディスプレイとし、直視により画像を見ることができるようにしてもよい。
【００７７】
更に、上記実施の形態では、本発明の光学多層構造体をディスプレイに用いた例について説明したが、例えば光プリンタに用いて感光性ドラムへの画像の描きこみをする等、ディスプレイ以外の光プリンタなどの各種デバイスにも適用することも可能である。
【００７８】
【発明の効果】
以上説明したように本発明の光学多層構造体および光スイッチング素子によれば、第１の層もしくは第１の層の代わりの基板の複素屈折率をＮ₁ （＝ｎ₁ −ｉ・ｋ₁ ，ｎ₁ は屈折率，ｋ₁ は消衰係数，ｉは虚数単位）、第２の層若しくは透明層の屈折率をｎ₂ 、入射媒質の屈折率を１．０としたとき、特定の条件を満たすように構成したので、間隙部の大きさを変化させることにより、入射した光の反射、透過若しくは吸収の量を変化させることができ、簡単な構成で、特に可視光領域においても、高速応答が可能になる。また、間隙部をなくして基板上に第１の層および第２の層をこの順で接する構造とすることにより、反射防止膜として利用することができる。加えて、第１の層の膜厚を厚くすることができるので、第１の層の電気抵抗が低減され、配線の信頼性が向上する。
【００７９】
更に、基板や第１の層の選択に自由度があるため、光学多層構造体の製造方法として、例えば犠牲層にＳｉを用い、ＸｅＦ₂ でドライエッチングする方法を適用することができ、開口度の高い素子を容易に作製することができる。
【００８０】
また、本発明の画像表示装置によれば、本発明の光スイッチング素子を１次元に配列し、この１次元アレイ構造の光スイッチング装置を用いて画像表示を行うようにしたので、高コントラストの表示を行うことができると共に、素子に対して光が垂直に入射する位置で特性を出すことができるので、光学系を組み立てる場合に、偏光等を考慮にする必要がなく、構成が簡単となる。
【図面の簡単な説明】
【図１】 本発明の一実施の形態に係る光学多層構造体の間隙部が「λ／４」のときの構成を表す断面図である。
【図２】 図１に示した光学多層構造体の間隙部が「０」のときの構成を表す断面図である。
【図３】 図１に示した光学多層構造体の製造工程を説明するための断面図である。
【図４】 図３の工程に続く工程を説明するための断面図である。
【図５】 光学アドミッタンスダイアグラム上で、ｎ₂ の屈折率を持つ透明な第２の層が、ダイアグラム上の（１，０）の点 (空気のアドミッタンス) を通る軌跡を表す図である。
【図６】 図１の光学多層構造体の変形例を表す図である。
【図７】 図１に示した光学多層構造体の一具体例の反射特性を表す図である。
【図８】 図７の例の低反射時の光学アドミッタンスを説明するための図である。
【図９】 図１の光学多層構造体の更に他の変形例を説明するための断面図である。
【図１０】 光学多層構造体の静電気による駆動方法を説明するための断面図である。
【図１１】 光学多層構造体の静電気による他の駆動方法を説明するための断面図である。
【図１２】 光学多層構造体の静電気による更に他の駆動方法を説明するための断面図である。
【図１３】 光学多層構造体の磁気による駆動方法を説明するための断面図である。
【図１４】 光スイッチング装置の一例の構成を表す図である。
【図１５】 ディスプレイの一例の構成を表す図である。
【図１６】 ディスプレイの他の例を表す図である。
【図１７】 ペーパー状ディスプレイの構成図である。

Claims (21)

1. 基板上に、光の吸収のある第１の層、光の干渉現象を起こし得る大きさを有すると共にその大きさが、λ／４（λは入射光の波長）の奇数倍とλ／４の偶数倍（０を含む）との間で可変な間隙部、および透明な第２の層をこの順で配設した構造を備えた光学多層構造体であって、
   前記第１の層を、数（１）を満たすＮ ₁ （＝ｎ ₁ −ｉ・ｋ ₁ ，ｎ ₁ は屈折率，ｋ ₁ は消衰係数，ｉは虚数単位）の複素屈折率を有する材料により前記基板の光学的情報が見えなくなる程度に厚く形成すると共に、
   前記第２の層を、数（１）を満たすｎ ₂ の屈折率を有する材料により形成した
   

   

   （但し，入射媒質の屈折率を１．０とする）
   ことを特徴とする光学多層構造体。
2. 光の吸収のある基板上に、光の干渉現象を起こし得る大きさを有すると共にその大きさが、λ／４（λは入射光の波長）の奇数倍とλ／４の偶数倍（０を含む）との間で可変な間隙部、および透明層をこの順で配設した構造を備えた光学多層構造体であって、
   前記基板を、数（２）を満たすＮ ₁ （＝ｎ ₁ −ｉ・ｋ ₁ ，ｎ ₁ は屈折率，ｋ ₁ は消衰係数，ｉは虚数単位）の複素屈折率を有する材料により形成すると共に、
   前記透明層を、数（２）を満たすｎ ₂ の屈折率を有する材料により形成した
   

   

   （但し，入射媒質の屈折率を１．０とする）
   ことを特徴とする光学多層構造体。
3. 前記基板は、透明材料若しくは半透明材料により形成されたものである
   ことを特徴とする請求項１または２に記載の光学多層構造体。
4. 更に、前記間隙部の光学的な大きさを変化させる駆動手段を有し、前
   記駆動手段によって前記間隙部の大きさを２値的あるいは連続的に変化させることで、入
   射光の反射、透過若しくは吸収の量を２値的あるいは連続的に変化させる
   ことを特徴とする請求項１または２記載の光学多層構造体。
5. 前記第１の層および第２の層のうちの少なくとも一方の層は、互いに光学的特性の異なる２以上の層により構成された複合層である
   ことを特徴とする請求項１または２に記載の光学多層構造体。
6. 前記第１の層は、窒化物材料により形成されたものである
   ことを特徴とする請求項１または２に記載の光学多層構造体。
7. 前記窒化物材料は、窒化チタン，窒化タンタル，窒化ハフニウムまたは窒化ジルコニウムのいずれかにより形成されたものである
   ことを特徴とする請求項６に記載の光学多層構造体。
8. 前記第１の層および第２の層のうちの少なくとも一方は、一部に透明導電膜を含み、前記駆動手段は、前記透明導電膜への電圧の印加によって発生した静電力により、前記間隙部の光学的な大きさを変化させるものである
   ことを特徴とする請求項４記載の光学多層構造体。
9. 前記透明導電膜は、ＩＴＯ，ＳｎＯ₂ およびＺｎＯのうちのいずれかにより形成されたものである
   ことを特徴とする請求項８記載の光学多層構造体。
10. 前記第２の層の光学的な膜厚が、λ／４（λは入射光の設計波長）以下である
    ことを特徴とする請求項１または２に記載の光学多層構造体。
11. 前記駆動手段は、磁力を用いて前記間隙部の光学的な大きさを変化させるものである
    ことを特徴とする請求項４記載の光学多層構造体。
12. 基板上に、光の吸収のある第１の層、光の干渉現象を起こし得る大きさを有すると共にその大きさが、λ／４（λは入射光の波長）の奇数倍とλ／４の偶数倍（０を含む）との間で可変な間隙部、および透明な第２の層をこの順で配設した構造を備えた光学多層構造体と、前記間隙部の光学的な大きさを変化させるための駆動手段とを備え、
    前記第１の層を、数（３）を満たすＮ ₁ （＝ｎ ₁ −ｉ・ｋ ₁ ，ｎ ₁ は屈折率，ｋ ₁ は消衰係数，ｉは虚数単位）の複素屈折率を有する材料により前記基板の光学的情報が見えなくなる程度に厚く形成すると共に、
    前記第２の層を、数（３）を満たすｎ ₂ の屈折率を有する材料により形成した
    

    

    （但し，入射媒質の屈折率を１．０とする）
    ことを特徴とする光スイッチング素子。
13. 光の吸収のある基板上に、光の干渉現象を起こし得る大きさを有すると共にその大きさが、λ／４（λは入射光の波長）の奇数倍とλ／４の偶数倍（０を含む）との間で可変な間隙部、および透明層をこの順で配設した構造を備えた光学多層構造体と、前記間隙部の光学的な大きさを変化させるための駆動手段とを備え、
    前記基板を、数（４）を満たすＮ ₁ （＝ｎ ₁ −ｉ・ｋ ₁ ，ｎ ₁ は屈折率，ｋ ₁ は消衰係数，ｉは虚数単位）の複素屈折率を有する材料により形成すると共に、
    前記透明層を、数（４）を満たすｎ ₂ の屈折率を有する材料により形成した
    

    

    （但し，入射媒質の屈折率を１．０とする）
    ことを特徴とする光スイッチング素子。
14. １次元または２次元に配列された複数の光スイッチング素子に光を照射することで２次元画像を表示する画像表示装置であって、
    前記光スイッチング素子が、基板上に、光の吸収のある第１の層、光の干渉現象を起こし得る大きさを有すると共にその大きさが、λ／４（λは入射光の波長）の奇数倍とλ／４の偶数倍（０を含む）との間で可変な間隙部、および透明な第２の層をこの順で配設した構造を備えた光学多層構造体と、前記間隙部の光学的な大きさを変化させるための駆動手段とを備え、
    前記第１の層を、数（５）を満たすＮ ₁ （＝ｎ ₁ −ｉ・ｋ ₁ ，ｎ ₁ は屈折率，ｋ ₁ は消衰係数，ｉは虚数単位）の複素屈折率を有する材料により前記基板の光学的情報が見えなくなる程度に厚く形成すると共に、
    前記第２の層を、数（５）を満たすｎ ₂ の屈折率を有する材料により形成した
    

    

    （但し，入射媒質の屈折率を１．０とする）
    ことを特徴とする画像表示装置。
15. １次元または２次元に配列された複数の光スイッチング素子に光を照射することで２次元画像を表示する画像表示装置であって、
    前記光スイッチング素子が、光の吸収のある基板上に、光の干渉現象を起こし得る大きさを有すると共にその大きさが、λ／４（λは入射光の波長）の奇数倍とλ／４の偶数倍（０を含む）との間で可変な間隙部、および透明層をこの順で配設した構造を備えた光学多層構造体と、前記間隙部の光学的な大きさを変化させるための駆動手段とを備え、
    前記基板を、数（６）を満たすＮ ₁ （＝ｎ ₁ −ｉ・ｋ ₁ ，ｎ ₁ は屈折率，ｋ ₁ は消衰係数，ｉは虚数単位）の複素屈折率を有する材料により形成すると共に、
    前記透明層を、数（６）を満たすｎ ₂ の屈折率を有する材料により形成した
    

    

    （但し，入射媒質の屈折率を１．０とする）
    ことを特徴とする画像表示装置。
16. 基板上に、光の吸収のある第１の層、光の干渉現象を起こし得る大きさを有すると共にその大きさが、λ／４（λは入射光の波長）の奇数倍とλ／４の偶数倍（０を含む）との間で可変な間隙部、および透明な第２の層をこの順で配設した構造を有し、前記第１の層が、数（７）を満たすＮ ₁ （＝ｎ ₁ −ｉ・ｋ ₁ ，ｎ ₁ は屈折率，ｋ ₁ は消衰係数，ｉは虚数単位）の複素屈折率を有する材料により前記基板の光学的情報が見えなくなる程度に厚く形成されると共に、前記第２の層が、数（７）を満たすｎ ₂ の屈折率を有する材料により形成された光学多層構造体の製造方法であって、
    

    

    （但し，入射媒質の屈折率を１．０とする）
    前記基板上に前記第１の層を形成した後、前記第１の層上に犠牲層を形成し、前記犠牲層上に前記第２の層を形成し、その後、前記犠牲層を選択的に除去することにより前記間隙部を形成する工程を
    含むことを特徴とする光学多層構造体の製造方法。
17. 光の吸収のある基板上に、光の干渉現象を起こし得る大きさを有すると共にその大きさが、λ／４（λは入射光の波長）の奇数倍とλ／４の偶数倍（０を含む）との間で可変な間隙部、および透明層をこの順で配設した構造を有し、前記基板が、 数（８）を満たすＮ ₁ （＝ｎ ₁ −ｉ・ｋ ₁ ，ｎ ₁ は屈折率，ｋ ₁ は消衰係数，ｉは虚数単位）の複素屈折率を有する材料により形成されると共に、前記透明層が、数（８）を満たすｎ ₂ の屈折率を有する材料により形成された光学多層構造体の製造方法であって、
    

    

    （但し，入射媒質の屈折率を１．０とする）
    前記基板上に犠牲層を形成し、前記犠牲層上に前記透明層を形成し、その後、前記犠牲層を選択的に除去することにより前記間隙部を形成する工程を
    含むことを特徴とする光学多層構造体の製造方法。
18. 前記犠牲層の選択的除去をドライガスによるエッチングにより行う
    ことを特徴とする請求項１６または１７記載の光学多層構造体の製造方法。
19. 前記犠牲層の選択的除去をドライガスによるエッチングにより行うと共に、前記第１の層を前記ドライガスに対して耐性のある材料により形成する
    ことを特徴とする請求項１６記載の光学多層構造体の製造方法。
20. 前記犠牲層の選択的除去をドライガスによるエッチングにより行うと共に、前記基板を前記ドライガスに対して耐性のある材料により形成する
    ことを特徴とする請求項１７記載の光学多層構造体の製造方法。
21. 前記犠牲層をシリコン（Ｓｉ）により形成すると共に、エッチングガスとして二フッ化キセノン（ＸｅＦ₂ ）を用いる
    ことを特徴とする請求項１９または２０記載の光学多層構造体の製造方法。

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