JP4582380B2 - 光変調素子とそれを用いた光学装置、および光変調素子の製造方法 - Google Patents
光変調素子とそれを用いた光学装置、および光変調素子の製造方法 Download PDFInfo
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Description
【０００１】
【発明の属する技術分野】
本発明は、ＭＯＥＭＳ（Micro Optical Electro-Mechanical System ）技術により作製される光学素子に係り、特に、光を干渉・回折し、変調する光変調素子とそれを用いた光学装置、および光変調素子の製造方法に関する。
【０００２】
【従来の技術】
フォトリソグラフィ、エッチングおよび蒸着等に代表される半導体加工技術は主に半導体集積回路の作製に用いられ高度化してきたが、近年、この技術を回路の加工ではなく立体的構造物の加工に応用することによって、マイクロマシンが作製されるようになってきている。マイクロマシンは大きさが１０-3ｍ〜１０-6ｍの微小な可動部品であり、このようにシリコンウエハ上に構築されるマイクロマシンはＭＥＭＳ（ Micro Electro-Mechanical System )と呼ばれる。ＭＥＭＳは、従来の金属などの機構部品に比べて格段に小さく駆動力も少なくて済むうえ、製造プロセス上、個体間ばらつきが少なく、リフロー実装など電子部品同様の取り扱いが可能である等々の優れた特徴を有している。そのため、ＭＥＭＳは、その誕生当初より各種デバイスへの応用が期待される分野となっている。例えば、加速度センサやジャイロメータ、圧力センサ等のＭＥＭＳセンサは、その微少な構造は勿論のこと、加速度、傾斜および圧力等の微少な物理量が計測可能な素子として注目されており、自動車用、工業用、航空・防衛用あるいは医療用として、既に市場への参入が始まっている。
【０００３】
このようなＭＥＭＳのもう一つの大きな応用分野は、ディスプレイや光通信、光記憶装置、光プリンタなどの光学システム用デバイスである（ＭＯＥＭＳ）。ＭＯＥＭＳは、その高速応答性により、こうした高周波動作が要求される分野で注目されており、補償光学系などに用いられるマイクロレンズやマイクロミラーの他、光ファイバ通信用の光スイッチ、回折格子などが実用化されつつある。
【０００４】
そのうち、図１９のような回折格子は、光変調素子としてレーザディスプレイ等に用いられるものである（例えば、米国特許５３１１３６０号公報、D.M.Bloom; Projection Displays III Symposium, SPIE proc.,vol.30B,Feb 1997 あるいはD.M.Bloom. "The Grating Light Valve: revolutionizing display technology". [online]. Silicon Light Machines. Retrieved from the Internet: <ＵＲＬ:http://www.siliconlight.com/frames/press/ＰＷest.html> 等を参照) 。この素子は、メンブレン（Membrane）と呼ばれるリボン２２０が基板２１１との間にエアギャップ２１４を介して互いに平行に並べられて構成されている。これらリボン２２０は、通常、窒化ケイ素（Ｓｉ3 Ｎ4 ）からなり、その上に設けられた金属層２１６が反射面２１６ａを構成している。反射面２１６ａは同一平面上に形成されているため、この状態では、素子に入射された光はこれら反射面２１６ａで反射され、戻り光は入射光と同一位相で同一の光路をとる。また、リボン２２０は例えば一列おきに可動または固定とされ、上部電極となる金属層２１６と下部電極２１３との間に電圧を印加すると、静電力により可動リボン２２０が基板２１１に引き付けられて、反射面２１６ａ全体は規則的な凹凸面、すなわち回折面を形成する（図参照）。この回折面に光を入射すると、入射角と異なる角度に回折光が生じる。
【０００５】
従って、戻り光を遮断し、回折光を検出するようにすれば、高いコントラストで反射光を変調させることができる。また、軽小なリボン２２０は高速でスイッチング動作を行うことができるため、この素子の応答性は２０ナノ秒程度と液晶表示素子のおよそ１０5 倍以上にも達し、低消費電力である以外に様々な利点が提供される。すなわち、一般の電子部品に対してもそのまま整合させることができること、ディスプレイ用途では高解像度、グレースケールのディジタル制御、および色の再現性などである。
【０００６】
【発明が解決しようとする課題】
このような素子では、従来より金属層２１６にはアルミニウム（Ａｌ）が用いられている。これは、Ａｌに▲１▼比較的容易に成膜できる、▲２▼反射率の可視域における波長分散が小さい、▲３▼表面に自然酸化膜（Ａｌ2 Ｏ3 ）が形成され、これが保護膜となるなどの利点があるためである。しかしながら、金属であるためにその吸収係数は比較的大きく、可視域では約０．０８、波長８３０ｎｍ付近の赤外域では０．２０と大きな光吸収を示す。よって、素子に照射される光の利用効率が低下するという問題があった。
【０００７】
また、このような光変調素子では、反射面２１６ａでの光反射を高効率に行なうことが望ましい。そのため、従来の製造過程では、リボンの表面に損傷を与えないような工程が選択されてきた。このように、その表面状態を保つために特定の膜を保護することは一般的にしばしば行なわれる手法であるが、これによって素工程の選択範囲が限定されることがあり、また、プロセスの運用マージンが狭められる場合も多い。また、Ａｌの金属層２１６に対してフッ酸系の薬品が使用できないなどの制約があり、プロセスは最適化されているとは言い難かった。
【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、高い光効率と信頼性を有する光変調素子とそれを用いた光学装置を提供することにある。
【０００９】
また、本発明の第２の目的は、高い歩留まりで光変調素子を製造することができる光変調素子の製造方法を提供することにある。
【００１０】
【課題を解決するための手段】
本発明による光変調素子は、上面の一部分を反射面とする金属層を備えた複数の回折部が並列して構成され、反射面上に、第１の誘電体層と、この第１の誘電体層に比して高い屈折率を有する第２の誘電体層とからなる誘電体層が形成されており、第１および第２の誘電体層のうち、一方の誘電体層が金属層のうちの反射面上に選択的に形成されていると共に、他方の誘電体層が金属層の全面に形成されているものである。また、本発明による光学装置は、本発明の光変調素子を含んで構成されている。
【００１１】
本発明による光変調素子の製造方法は、上面の一部分を反射面とする金属層を備えた複数の回折部が並列して構成された光変調素子の製造方法であって、回折部本体を形成した後に、その上に金属層を設けることにより反射面を形成し、更にその上に、第１の誘電体層と、この第１の誘電体層に比して高い屈折率を有する第２の誘電体層とからなる誘電体層を形成すると共に、この誘電体層を形成する際に、第１および第２の誘電体層のうち、一方の誘電体層を金属層のうちの反射面上に選択的に形成し、他方の誘電体層を金属層の全面に形成するようにしたものである。
【００１２】
本発明による光変調素子では、反射面上に、第１の誘電体層と、この第１の誘電体層に比して高い屈折率を有する第２の誘電体層とからなる誘電体層が形成されているので、反射面における光の反射効率が高まると同時に、反射面が誘電体層により保護される。また、第１および第２の誘電体層のうち、一方の誘電体層が金属層のうちの反射面上に選択的に形成されていると共に、他方の誘電体層が金属層の全面に形成されていることにより、回折部の反射率が増大しつつ、その質量および応力の増加が簡易な方法で積極的に抑えられる。
【００１３】
また、本発明による光学装置では、本発明の光変調素子を含んで構成されているので、光源の利用効率が向上する。また、素子の反射面における光吸収が防止され、装置の発熱が減少する。
【００１４】
本発明による光変調素子の製造方法では、回折部本体の上に形成した金属層の反射面上に、第１の誘電体層と、この第１の誘電体層に比して高い屈折率を有する第２の誘電体層とからなる誘電体層を形成するので、金属層が誘電体層により保護される。また、この誘電体層を形成する際に、第１および第２の誘電体層のうち、一方の誘電体層が金属層のうちの反射面上に選択的に形成されると共に、他方の誘電体層が金属層の全面に形成されることにより、回折部の反射率が増大しつつ、その質量および応力の増加が簡易な方法で積極的に抑えられる。
【００１５】
【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。
【００１６】
図１は、本発明の一実施の形態に係る光変調素子の外観構成を表しており、図２はＸ−Ｘ線に沿った断面構造を表している。この光変調素子１０は、入射光の角度，強度および位相を変調することが可能であり、反射面１６ａを備えたリボン状の回折部２０が複数（図１では６本）、その長手方向に平行に配列され構成されている。
【００１７】
このような回折部２０は基板１１の上に形成されている。基板１１は、例えばケイ素（Ｓｉ）からなり、その上には、二酸化ケイ素（ＳｉＯ2 ）等からなる絶縁層１２、タングステン（Ｗ）等の金属からなる下部電極１３が順に設けられている。
【００１８】
回折部２０自体は、構造体１５の上に反射層１６，第１の誘電体層１７および第２の誘電体層１８が形成されたものであり、構造体１５が回折部２０の骨格をなしている。構造体１５は、長手方向の応力によってその両端部で基板１１の上に支持され、これら端部間の平坦部分と基板１１との間に空隙１４が設けられている。平坦部分には反射面１６ａが形成され、構造体１５つまりは回折部２０は、この部分が基板１１に垂直な方向に変位するように変形可能となっている（状態Ｉ→状態ＩＩ）。なお、空隙１４は、ここでは基板１１に垂直方向に入射光の波長の１／４、例えば１３０ｎｍ程度の間隙であり、回折部２０の変位する距離に対応している。
【００１９】
更に、構造体１５の上には反射層１６が設けられており、反射層１６は、構造体１５の平坦部分にあたる層上面を反射面１６ａとする他、ここでは下部電極１３に対向する上部電極として機能する。反射層１６および下部電極１３の間に電位差が発生すると、静電力によって回折部２０は基板１１側へ引き付けられ、例えば状態Ｉから状態ＩＩのように変形する。なお、個々の回折部２０が備える反射面１６ａは、全て同一平面上に設けられており、所定の周期間隔で選ばれたものだけを基板１１側に変位させることにより回折面が形成される。構造体１５としては、例えば窒化ケイ素（Ｓｉ3 Ｎ4 ）が用いられ、反射層１６は、例えば、アルミニウム（Ａｌ）を始めとする銀（Ａｇ），金（Ａｕ），チタン（Ｔｉ）のいずれか１種、あるいはその合金を含む層などによって構成される。
【００２０】
本実施の形態では、反射層１６の上面に更に、第１の誘電体層１７および第２の誘電体層１８が設けられている。これら誘電体層１７，１８は、反射面１６ａの損傷を特に製造過程において防止するために保護膜として付設されると同時に、反射面１６ａにおける反射率を増加させるための反射膜として機能するものである。従って、ここで設けられる誘電体層には、以下のような条件を満たすことが求められる。
(i) 軽量、層の総厚みができるだけ薄いこと。
(ii) 製造過程において反射面１６ａを保護することが十分可能であること。
(iii) 反射面１６ａの反射率を十分に向上させること。
【００２１】
(i) は、素子１０において設計通りの光学的応答性を得るために必要な条件である。回折部２０に生じる張力は、その機械的動作に強く影響する。例えばＳｉ3 Ｎ4 からなる構造体にＡｌの反射層を設けると、構造体自体には大きな引張応力がかかるのに対し、反射層に比較的小さい圧縮応力が生じるために全体の応力が変化することが知られており、のみならず、反射層についてはその長手方向の実効的質量もまた全体の機械的特性に影響することがわかっている（A.P.Payne et al.,Micromachining and Microfabrication: MEMS Reliability for Critical and Space Application,SPIE Proceedinds,vol.3880,Sept.,1999; R.W.Corrigan et al.,International Display Workshop,Kobe,Japan,Dec.1998, LAD5-1,pp.757-760 ）。従って、反射層よりも厚い誘電体層が成膜されると、回折部２０に無視できない質量増加や引張応力の変化が生じ、その結果、回折部２０の機械的特性が変化することが予期される。このような影響を極力排除するために膜厚は薄くなければならない。また、条件(ii)については、膜厚をとくに厚くする必要はない。
【００２２】
しかしながら、条件(iii) を達成するために最も簡単な方法は、誘電体を多層化するものである。従って、条件(i) ，(ii)と条件(iii) はトレードオフの関係にあり、これら全てを満足するように誘電体層を設けるには、各層の膜厚、材質、層数について最適化する必要がある。第１の誘電体層１７および第２の誘電体層１８は、以下のようにしてそれらが規定されている。
【００２３】
（誘電体層の構成）
前述のように、金属の反射率を増加させる方法として、金属表面に誘電体の低屈折率であるものと高屈折率であるものを組としたλ／４膜（厚みが、反射率を増強させたい光の波長λの１／４である膜）を積み重ね、多層膜を形成する手法がある（J D.Rancourt, 小倉訳“光学薄膜ユーザーズハンドブック”日刊工業新聞社 1991 など）。これを反射層１６に適用した場合には、以下の式１に示したモデルが与えられる。
(Metal substrate) L'H (LH)＾n Air …（式１）
式１は光学薄膜設計でよく用いられる記号で記述されたものであり、ここで、(Metal substrate) が反射層１６に対応している。以下、式の右項は順に反射層１６の上に積層される膜を表しており、L'とL が低屈折率膜、H が高屈折率膜、(LH)＾n は(LH)の組が周期的にｎ層積層されていることを示している。なお、L'は、吸収のある反射層１６との界面における位相シフトを考慮し、L よりも若干薄く設定される。
【００２４】
このモデルから適切な誘電体層の構成を導き出すには、まず、反射層１６と誘電体層の総体における反射率を所定の条件下で比較して、条件(iii) の検討を行なえばよい。本発明の発明者らが今回明らかにした結果によれば、反射層１６の上に積層される最初の誘電体層L'H によって反射層１６における光の吸収がおおむね半減し、この吸収は、更に(LH)の組を積み重ねるにつれて漸次減少することが判明している。つまり、１組の誘電体層(LH)が、最も効率的に反射率を増強することができる。更に、条件(i) ，(ii)を考慮した結果、１組の誘電体層(LH)を設けるようにすると、膜厚を薄くしながら最も反射効率を向上できると考えられる。このような理由により、ここでは、低屈折率層として第１の誘電体層１７が、高屈折率層として第２の誘電体層１８の２層が設けられる。
【００２５】
（誘電体層の材料）
また、第１の誘電体層１７，第２の誘電体層１８は、その材料を所望の特性あるいは製造方法等の観点から適宜選択することができる。これら誘電体層１７，１８は多層反射膜であるから、第１の誘電体層１７としては、できるだけ屈折率が低いものがよく、例えばフッ化マグネシウム（ＭｇＦ2 ），酸化ケイ素（ＳｉＯ2 ）および酸化アルミニウム（Ａｌ2 Ｏ3 ）の少なくとも１種を含むことが好ましい。一方の第２の誘電体層１８には、できるだけ屈折率が高いものがよく、例えば、窒化ケイ素（Ｓｉ3 Ｎ4 ），窒化アルミニウム（ＡｌＮ），酸化チタン（ＴｉＯ2 ）および酸化タンタル（Ｔａ2 Ｏ5 ）の少なくとも１種を含むような比較的屈折率が高い材料が選ばれ、その屈折率は第１の誘電体層１７に比べて高くなっている。
【００２６】
一般的な光学薄膜では、低屈折率材料にはＭｇＦ2 （屈折率１．３７）、高屈折率材料にはＴｉＯ2 ／Ｔａ2 Ｏ5 （屈折率２．３）を用いることが多い。特にＭｇＦ2 は短波長域まで透明であるという利点があり、両者はそれぞれ上記のその他の材料に比べてより低屈折率、またはより高屈折率であるから、これらを用いれば反射率を効果的に高めることが可能である。但し、現時点における半導体集積技術との整合性を考えると、これらの選択は困難である。なお、ＳｉＯ2 ，Ｓｉ3 Ｎ4 は通常の半導体集積回路に絶縁膜として用いられることから、プロセス整合性がよい。こうしたプロセス整合性の観点からは、低屈折率材料としてはＡｌ2 Ｏ3 （屈折率１．６）またはＳｉＯ2 （屈折率１．４）、高屈折率材料としてはＳｉ3 Ｎ4 （屈折率２．１）を用いることが望ましい。
【００２７】
（誘電体層の膜厚）
このようにして、第１の誘電体層１７および第２の誘電体層１８の組を（ＳｉＯ2 ／Ｓｉ3 Ｎ4 ）の２層構造としたのち、所望の波長帯域で所定の反射率が得られるように逆算してそれぞれの膜厚を決定する。例えば光の３原色Ｒ（６４２ｎｍ），Ｇ（５３２ｎｍ），Ｂ（４５７ｎｍ）全てに対して〜０．９５程度以上の反射率を有するという条件で求めたこれらの厚みは、第１の誘電体層１７（ＳｉＯ2 ）が６５ｎｍ〜９５ｎｍ、第２の誘電体層１８（Ｓｉ3 Ｎ4 ）が５０ｎｍ〜８０ｎｍであり、それぞれ７５ｎｍ〜８５ｎｍ，６４ｎｍ〜８０ｎｍとするとより高い反射率が得られ好ましい。
【００２８】
なお、ここでは、第２の誘電体層１８のみならず構造体１５もまたＳｉ3 Ｎ4 で構成されるが、このような場合には、回折部２０の応力を当初の設計通りとするために両者の総厚を考慮する必要がある。構造体１５は、通常７００℃以上の高温で成膜され、１ＧＰａ程の大きな残留応力を持つのに対し、第２の誘電体層１８は、反射層１６の上に低温で成膜されなければならず、その厚みあたりの応力は構造体１５よりも小さくなる。そこで、ここでは第２の誘電体層１８の応力を構造体１５の応力の半分と見積もり、構造体１５の厚みを基本設計における値から第２の誘電体層１８の厚みの半分を減じた値に修正するものとする。このように、構造体１５の厚みは通常の基本設計では例えば９２ｎｍであるが、５０ｎｍ〜７０ｎｍとすることが好ましい。
【００２９】
また、構造体１５の最上部にあたる層、ここでは第２の誘電体層１８については、後述するように、その形成時にエッチング等の影響により膜厚が減少することを考慮して、その分だけ予め厚みを余分に取っておく。
【００３０】
【実施例】
ここでは、上記実施の形態に係る光変調素子１０に対して誘電体層の設計を行なった実施例について説明する。
【００３１】
以下の回折部２０の反射率の計算には、市販されている光学薄膜設計ソフトウエア（Film Star Ver.1.42,FTG Software 社製, 米国）を用いた。本実施例では、入射光を斜入射ランダム偏光として計算を行った。また、表面粗さによる散乱は無視することにし、各材料の屈折率ｎおよび消衰係数ｋには、ＳｉＯ2 ，Ｓｉ3 Ｎ4 については、"Properties of Silicon, EMIS dataviews no.4",IEEE,1988を参照し、非晶質Ｓｉ、Ａｌ2 Ｏ3 およびＡｌについてはEdward D.Palik,"Handbook of Optical Constants of Solids",Academic Press,1985の値を用いて計算した。なお、回折部２０の反射率は、４００ｎｍ〜７００ｎｍの波長域に対して分光特性を求めることにした。
【００３２】
以上の条件で、まず、従来の標準的構造をもつ回折部について反射率を検討した。その構造は、Ｓｉ3 Ｎ4 の構造体（９２ｎｍ）の上に、Ａｌ反射層（５０ｎｍ）、Ａｌ2 Ｏ3 自然酸化膜（１ｎｍ）が設けられているものとした。自然酸化膜は、大気暴露などの酸化性雰囲気でＡｌ反射層を形成する際に、その表面に自然に形成されるものである。Ａｌ反射層を保護するためには、Ａｌ2 Ｏ3 自然酸化膜を積極的に増加させる方法が一般的である。そこで、Ａｌ2 Ｏ3 膜がない場合とＡｌ2 Ｏ3 膜の厚みを１ｎｍ，１０ｎｍ，５０ｎｍと増加させた場合について反射率の分散を計算した。その結果を図３に示す。これにより、Ａｌ2 Ｏ3 膜が設けられた回折部の反射率は、対象となる全波長域において低下し、その膜厚の増大に従って反射率が低下することがわかる。従って、Ａｌ2 Ｏ3 膜は保護膜にはなるが、反射率を低減させる。但し、Ａｌ反射層の形成に伴って自ずと形成される通常の自然酸化膜（膜厚１ｎｍ）については、図のように反射率に与える影響は非常に小さい。この結果に基づき、以後の回折部の設計にあたっては、自然酸化膜を考慮しないことにした。
【００３３】
ところで、Ａｌ2 Ｏ3 は低屈折率の誘電体材料でもある。そこで、Ａｌ2 Ｏ3 に換え、誘電体材料ＳｉＯ2 ，Ｓｉ3 Ｎ4 の単層膜をＡｌ反射層の上に１０ｎｍの厚みで設け、屈折率を変化させた場合について反射率の分散を計算した。その結果を図４に示す。これらの場合にも、回折部の反射率は対象となる全波長域において低下する。この結果から、反射層の上に誘電体層を設ける場合にも、単層膜では逆に反射率を低下させることがわかった。
【００３４】
そこで次に、式１に基づき、反射層１６の上に設ける誘電体多層膜の最適化を検討した。
(Metal substrate) L'H (LH)＾n Air …（式１）
低屈折率層と高屈折率層の組(LH)は（ＳｉＯ2 ／Ｓｉ3 Ｎ4 ）とし、その厚みは可視波長域のほぼ中央にある５５０ｎｍの１／４とした。この条件で、(LH), (LH)＾2 ，(LH)＾3 , (LH)＾7 と組数を変化させて誘電体層をＡｌ反射層１５の上に設けた場合について反射率の分散を計算した。その結果を図５に示す。反射層のみの反射率は、図のように４００ｎｍ〜７００ｎｍの帯域でおよそ０．９０５〜０．９２５の間にあるが、その上に誘電体多層膜を設けると、５５０ｎｍを中心波長として反射率は増大する。例えば、(LH)＾7 の場合には、５００ｎｍ〜６００ｎｍの帯域での反射率は０．９９９である。このように、(LH)の組数が増えるにつれて反射率は増大するが、同時に高反射率である帯域幅は狭くなってゆく。従って、誘電体多層膜を付加することにより、反射率分散が所望の波長帯域で閾値を超えるように回折部２０を適宜設計することが可能なことがわかる。
【００３５】
但し、高反射率に設計する場合には、単一の素子１０で可視光全域をカバーすることは難しくなる。そのため、例えばレーザディスプレイ等の用途においては、反射率を高く設定することに限界が生じる。また、高い反射率は、その分散の帯域幅のみならず質量増大による素子１０のスイッチング特性低下と引き換えに得られる。また、図５からは、(LH), (LH)＾2 ，(LH)＾3 の反射率を比較することにより、１組目の(LH)では０．０４、２組目の(LH)では０．０２、３組目の(LH)では０．０１と、(LH)の組数が増えるに従って１組あたりの光吸収（すなわち反射率増強効果）が減少していることがわかる。これらのことから、誘電体層を少ない組数で効果的に設けるには、(LH)１組が適切であることが示唆される。
【００３６】
次に、(LH)を（Ａｌ2 Ｏ3 ／Ｓｉ3 Ｎ4 ）とし、５５０ｎｍの１／４の厚みで１組だけＡｌ反射層１５の上に設けた場合について反射率の分散を計算した。その結果を、先に求めた反射層１５のみの場合と、同一条件の（ＳｉＯ2 ／Ｓｉ3 Ｎ4 ）の場合と共に図６に示す。図より明らかなように、低屈折率層はＳｉＯ2 であるほうがＡｌ2 Ｏ3 であるよりも屈折率が高く、しかも帯域も広い。これはＳｉ3 Ｎ4 に対し、ＳｉＯ2 のほうがＡｌ2 Ｏ3 より屈折率差が大きく分散の差が小さいことによる。従って、低屈折率材料としては、ＳｉＯ2 のほうがＡｌ2 Ｏ3 に比べ、より好ましいことがわかる。
【００３７】
次に、Ａｌ反射層１５の上に設ける(LH)を（ＳｉＯ2 ／Ｓｉ3 Ｎ4 ）１組とし、Ｒ（６４２ｎｍ），Ｇ（５３２ｎｍ），Ｂ（４５７ｎｍ）の３波長に対して反射率が〜０．９５以上という条件で(LH)の厚みの最適化を行なった。その結果、ＳｉＯ2 層は８０．７ｎｍ、Ｓｉ3 Ｎ4 層は６７．４ｎｍのときに、波長４５７ｎｍでは反射率０．９４９、波長５３２ｎｍでは反射率０．９５９、波長６４２ｎｍでは反射率０．９４６という値が得られた。図７に、この(LH)の膜厚が最適化された場合と、膜厚が中心波長５５０ｎｍの１／４（ＱＷＴ）であり、その他は同一条件の場合における反射率の分散を示す。このように、最適化された(LH)は、ＱＷＴ膜よりも高反射率となる帯域が短い波長側にあり、４５７ｎｍ〜６４２ｎｍの帯域で平均するとＱＷＴ膜よりも高い反射率を保つことがわかる。従って、このように厚みを設計することにより、単一の素子１０でＲＧＢ３色に対応することが可能となる。
【００３８】
更に、最適化された(LH)を用いた回折部２０の構成について考察した。上記実施の形態に説明したように、構造体１５の厚みは、(LH)に発生する応力を厚みに換算し、それを差し引いたものとすることが好ましい。本実施例についても同様に考えると、構造体１５の厚みは標準的構造の９２ｎｍからＳｉ3 Ｎ4 層の厚み６７．４ｎｍの２分の１を差し引いた値、すなわち５８．３ｎｍとなる。従って、この場合の回折部２０は、構造体１５（Ｓｉ3 Ｎ4 ；５８．３ｎｍ）、反射層１６（Ａｌ；５０ｎｍ）、自然酸化膜（Ａｌ2 Ｏ3 ；１ｎｍ）、第１の誘電体層１７（ＳｉＯ2 ；８０．７ｎｍ）、第２の誘電体層１８（Ｓｉ3 Ｎ4 ；６７．４ｎｍ）と最適化される。
【００３９】
また、Ａｌ反射層１５の上に設ける(LH)を（ＳｉＯ2 ／Ｓｉ3 Ｎ4 ）１組とし、Ｒ（６４２ｎｍ），Ｇ（５３２ｎｍ），Ｂ（４５７ｎｍ）のそれぞれに対する反射率について(LH)の厚みの最適化を行なった。その結果、各波長毎に得られたＳｉＯ2 層とＳｉ3 Ｎ4 層の最適膜厚を表１に示す。
【００４０】
【表１】
【００４１】
この波長毎の膜厚で誘電体層１７，１８を設けた回折部２０について、それぞれ波長分散を求めた。その結果を図８に示す。このように、ＲＧＢの３波長各々について個別に誘電体膜厚を設計すれば、波長毎に素子１０を設けることができ、その回折部２０の反射率もより高く設定することができる。なお、最適膜厚は屈折率変動による変動幅等を考慮すると、以下のような規定範囲が得られる結果となった。すなわち、Ｂ（４５７ｎｍ）に対しては、ＳｉＯ2 層，Ｓｉ3 Ｎ4 層の各厚みは５０ｎｍ〜７７ｎｍ，３８ｎｍ〜６０ｎｍが好ましく、６１ｎｍ〜６７ｎｍ，４６ｎｍ〜５１ｎｍがより好ましい。Ｇ（５３２ｎｍ）に対しては、ＳｉＯ2 層，Ｓｉ3 Ｎ4 層の各厚みは６５ｎｍ〜９８ｎｍ，５０ｎｍ〜８０ｎｍが好ましく、７８ｎｍ〜８６ｎｍ，６１ｎｍ〜６９ｎｍがより好ましい。また、Ｒ（６４２ｎｍ）に対しては、ＳｉＯ2 層，Ｓｉ3 Ｎ4 層の各厚みは７８ｎｍ〜１２０ｎｍ，６４ｎｍ〜９６ｎｍが好ましく、９２ｎｍ〜１０２ｎｍ，７５ｎｍ〜８４ｎｍがより好ましい。
【００４２】
更にまた、上記の実施の形態では光変調素子１０を可視光域について最適化したが、ここでは、８００ｎｍ以上の赤外域について最適化する。反射層１６に用いられるＡｌは、赤外域での吸収が０．２０と大きい。そこで、中心波長を８３０ｎｍとする以外は第１の実施の形態と同様にして、誘電体層１７，１８の厚みを最適化した。なお、誘電体層の層数は、(LH), (LH)＾2 の２通りとした。その結果、得られたＳｉＯ2 層，Ｓｉ3 Ｎ4 層の各厚みは、(LH)については１２９．０４ｎｍ，１０３．９１ｎｍであった。(LH)＾2 については、１層目が１３６．３４ｎｍ，１０５．５３ｎｍであり、２層目が１１５．０９ｎｍ，１０３．８０ｎｍとなった。このときの反射率分散を図９に示す。図には、比較のため反射層１６についての反射率分散も示したが、誘電体層１７，１８を設けることにより反射率はかなり大きく向上することがわかる。このように、反射層１６の吸収が大きい近赤外域では、誘電体層１７，１８の反射率増強効果がより顕著である。近赤外域の高出力半導体レーザは、既に容易に手に入れることができるので、このような光変調素子を空間変調器として用いることによって微細加工システム、例えばレーザプリンタ等の微細描画装置への応用が可能となる。その場合に、本実施例のように誘電体層をＡｌなどからなる光の反射面に設けると、反射層１６の光吸収による発熱も抑制することができる。
【００４３】
以上の実施例により、回折部２０に設けられる誘電体層を、反射率分散および応力の観点から所望の条件に対して最適化できることが判明した。また更に、このようにしてレーザディスプレイなどに好適に用いられる光変調素子１０を設計すれば、簡易な構成で、容易に、素子の特性を損なわずに光の利用効率を高めることが可能であることがわかる。
【００４４】
次に、このような光変調素子１０の製造方法について説明する。
【００４５】
本実施の形態では、基板１１の上に構造体１５、反射層１６を形成したのちに誘電体層１７，１８を形成するが、反射層１６の形成までの工程は特に限定されるものではなく、従来どおりの方法を用いることができる。そのような工程の一例を説明すると、例えば、図１０に示したようにケイ素（Ｓｉ）からなる基板１１を用意し、その上に、ＣＶＤ（Chemical Vapor Deposition)法を用いてＳｉＯ2 からなる厚み５００ｎｍの絶縁層１２、タングステン（Ｗ）からなる厚み１００ｎｍの下部電極１３を順に形成する。次いで、下部電極１３を所定の電極形状にパターニングする。更に、図１１に示したように、下部電極１３の上に犠牲層１４ａを形成し、これをエッチングにより空隙１４の形状にパターニングする。なお、犠牲層１４ａの厚みは、例えば１３０ｎｍ程度であり、ここでは目的の波長の１／４とする。この犠牲層１４ａの上に、図１２に示したように、例えばＳｉ3 Ｎ4 からなる厚み５０ｎｍ〜７０ｎｍの構造体１５、およびアルミニウム（Ａｌ）からなる厚み５０ｎｍの反射層１６を順に形成する。
【００４６】
次に、図１３に示したように、反射層１６の上に更に第１の誘電体層１７および第２の誘電体層１８を順に形成する。第１の誘電体層１７は、例えばＳｉＯ2 を用いて６５ｎｍ〜９５ｎｍの厚みに成膜し、第２の誘電体層１８は、例えばＳｉ3 Ｎ4 を用いて５０ｎｍ〜８０ｎｍの厚みに成膜する。その成膜には、例えばプラズマＣＶＤ法が用いられる。ここではＡｌ層上に成膜することから、半導体製造工程において一般的に用いられているプラズマＣＶＤ法を例として挙げたが、これに限定されず、減圧ＣＶＤ法あるいは常圧ＣＶＤ法、蒸着法、塗布形成などにより成膜するようにしても構わない。なお、プラズマＣＶＤ法は、減圧ＣＶＤ法に比べ、形成される薄膜の厚みの制御性や均一性の点で劣るとされている。しかしながら、例えば±５％の膜厚分布が生じると仮定して本発明者が算出した反射率の変動は、素子の中心波長に近いＧ（５３２ｎｍ）において０．００１以下、Ｂ（４５７ｎｍ）で０．００９以下、Ｒ（６４２ｎｍ）で０．００５以下であり、実用上問題ないことが判明しており、その膜厚のばらつきは十分に許容範囲内であると考えられる。
【００４７】
第１の誘電体層１７（ＳｉＯ2 ）の形成は、例えば原料ガスとしてシラン（ＳｉＨ4 ）を９０ｍｌ／分、Ｎ2 Ｏを２０００ｍｌ／分、Ｎ2 を３０００ｍｌ／分導入し、マイクロ波を２ｋＷ印加して行う。また、第２の誘電体層１８（Ｓｉ3 Ｎ4 ）の形成には、Ｎ2 Ｏに代えてアンモニア（ＮＨ3 ）を５００ｍｌ／分導入すればよい。なお、反射層１６を形成した後、連続して直ちにこれらの誘電体層１７，１８を形成するようにすると、各種洗浄処理から反射層１６を保護することができ、好ましい。
【００４８】
次に、構造体１５，反射層１６および誘電体層１７，１８をエッチングにより所定形状にパターニングし、複数の回折部２０を形成する（パターン形成）。例えば、リボン形状とした場合の寸法は、長さ２０μｍ，幅５μｍとすることができる。なお、誘電体層１７，１８（ＳｉＯ2 ／Ｓｉ3 Ｎ4 ）のエッチングには、例えばＣＦ4 ，Ｃ4 Ｆ8 のようなフッ化炭素系のガスを用いることができる。
【００４９】
このエッチング時にはマスクとして図示しないレジスト膜が設けられるが、その除去の際に、第２の誘電体層１８も一緒に若干除去される。しかし、第２の誘電体層１８は元々、ここでの減少分を見込んだ厚みで形成されているため、この工程を経た後に設計上の厚み寸法となる。また、誘電体層１７，１８が設けられているために、反射層１６の表面はこれらに保護され、一連のエッチング工程の影響を直接受けることが防止され、成膜時の状態が保たれる。従って、本実施の形態の製造方法によれば、これまでは反射面１６ａに損傷を与える可能性があるために行うことができなかった回折部２０の洗浄を、特別な制限なく導入することが可能となる。更に言えば、例えばスクラッチ等が問題となり取り入れることができなかったブラシ洗浄等を工程に組み込むことも可能になると考えられ、作製される素子１０の性能向上を期待することができる。
【００５０】
こののち、犠牲層１４ａをエッチング除去し、図１に示した素子１０が完成される。なお、素子１０を実際に使用するにあたっては、各電極１２，１６に対し駆動回路（図示せず）を接続するほか、回折部２０の周囲を乾燥窒素で満たされた透明ガラス板等によりシールドして酸化や破損を防止する。
【００５１】
なお、ここでは、犠牲層１４ａの上に構造体１５，反射層１６および誘電体層１７，１８を形成した後に回折部２０の形状にパターニングするようにしたが、構造体１５および反射層１６を先にパターニングし、回折部２０の形状に加工してから誘電体層１７，１８を形成するようにしてもよい。
【００５２】
次に、本実施の形態による光変調素子１０の動作について図１４，１５を参照して説明する。まず、図１４に示したように、いずれの下部電極１２と反射層１６の間にも電圧を印加しない場合には、全ての回折部２０の反射面１６ａは同一平面上に並び、フラットミラーを形成する（状態Ｉ）。この状態では、反射面１６ａに対し垂直に入射された光は、反射面１６ａで入射方向に反射される。一方、図１５に示したように、ここでは１つおきの回折部２０について下部電極１２と反射層１６の間に電圧を印加すると、静電力によって基板１１側へ引き付けられて回折部２０が一つおきに変位し、反射面１６ａ全体は回折面を形成する（状態ＩＩ）。このとき隣接する反射面１６ａの高さの差ｄは、入射光の波長をλとするとλ／４となる。この状態で回折面に光を入射すると、隣接する反射面１６ａにおける反射光の光路差はλ／２となり、反射の代わりに入射角と異なる角度θに回折光が生じる。この角度θは、回折部２０の幅と入射波長λによって回折の次数ごとに一意的に決まった値をとる。その際、ここでは反射面１６ａの上に誘電体層１７，１８を設けるようにしたので、回折部２０における波長λに対する反射率が向上し、反射光および回折光の強度が高まる。
【００５３】
この素子１０に対し、例えば、１次の回折光に対して開口数を設定した光学系を用いて、状態ＩＩのときに生じる１次光のみを取り出すようにすると、状態Ｉにおける反射光は光学系に捕捉されない。このように、ある次数の回折光を選んで検出するようにすると、高いコントラストで光強度が変調される。また、誘電体層１７，１８は、回折部２０全体の応力が所定値となるように考慮して付設されているので、素子１０のスイッチング速度の低下が起こることがない。
【００５４】
このように、本実施の形態では、反射面１６ａの上に低屈折率の第１の誘電体層１７と高屈折率の第２の誘電体層１８とを、それぞれ反射率と層内の応力とを考慮して設定された所定の厚みと材質で設けるようにしたので、素子１０の機械的動作を妨げることなく、簡易な構成で光源からの入射光の利用効率を効果的に高めることができる。また、誘電体層１７，１８が反射層１６の光吸収を抑制するので、高出力レーザを入射させることが可能となり、その際のヒーロック発生も低減できる。更に、これら誘電体層１７，１８は、反射面１６ａの保護膜として機能するので、素子１０の劣化が防止されると共に、その製造時に反射層１６の表面が各種洗浄処理およびエッチング工程の影響により損傷することが防止され、歩留まりの向上および製造プロセスの運用マージン拡大が可能となる。
【００５５】
更に、本実施の形態では、構造体１５と第２の誘電体層１８を共にＳｉ3 Ｎ4 で構成し、それらの応力の総計が所望の値となるように構造体１５の厚みを規定するようにしたので、回折部２０にかかる応力、ひいては素子１０の機械的特性を設計通りとすることができ、そのスイッチング速度を所望の値とすることができる。
【００５６】
更にまた、第２の誘電体層１８は、形成後の工程において表面付近がエッチングにより削られ厚みが変化することを予め考慮して厚めに形成されるようにしたので、完成された素子１０におけるその厚みを、当初の設計通りとすることができる。
【００５７】
〔変形例〕
図１６，１７は、上記実施の形態の変形例を表している。これらは、第１の誘電体層１７ｂ、第２の誘電体層１８ｂがそれぞれの反射面１６ａ上の領域にのみ設けられていることを除けば、上記実施の形態と同様の構成をしている。先に条件(i) ，(ii)について述べたように、誘電体層は反射層１６の保護膜としては多層化する必要はなく、構造体１５の全面に多数の層を形成する場合には、回折部２０全体の応力を考慮しなければならず、条件によっては質量増加により回折部２０の共振特性を大きく変化させる虞がある。これに対して、これら変形例では、誘電体層１７，１８のうち一方が反射面１６ａ上にのみ設けられ、反射面１６ａ上でのみ２層が揃うようになっている。従って、これらによれば、回折部２０の反射率を増大させると共に、その質量および応力の増加を簡易な方法で積極的に抑えることができる。
【００５８】
〔光学装置〕
図１８は、本発明の光変調素子を用いた光学装置の一例として、上記の光変調素子１０を用いて構成されたレーザディスプレイの構成を表している。このレーザディスプレイ１００は、例えば、大型スクリーン用プロジェクタ、特にディジタル画像のプロジェクタとして用いられたり、コンピュータ画像投影機として用いられるものである。
【００５９】
レーザディスプレイ１００は、赤（Ｒ），緑（Ｇ），青（Ｂ）各色の光源としてレーザ１０１Ｒ，１０１Ｇ，１０１Ｂと、各光源に対して設けられた光変調素子１０Ｒ，１０Ｇ，１０Ｂ、各色用の照明光学系１０３Ｒ，１０３Ｇ，１０３Ｂ、ミラー１０２、色合成フィルタ１０４、空間フィルタ１０５、ディフュ−ザ１０６、ガルバノスキャナ１０７、投影光学系１０８およびスクリーン１０９を備えている。なお、レーザ１０１Ｒ，１０１Ｇ，１０１Ｂには、例えば、Ｒ（６４２ｎｍ，光出力約３Ｗ）、Ｇ（５３２ｎｍ，光出力約２Ｗ）、Ｂ（４５７ｎｍ，光出力約１．５Ｗ）がそれぞれ用いられ、色合成フィルタ１０４は、例えばダイクロイックミラーで構成される。
【００６０】
このレーザディスプレイ１００では、レーザ１０１Ｒ，１０１Ｇ，１０１Ｂから射出されたＲＧＢ各色のレーザ光は、それぞれ照明光学系１０３Ｒ，１０３Ｇ，１０３Ｂにより光変調素子１０Ｒ，１０Ｇ，１０Ｂに入射される。ここで、各レーザ光は色分解された画像信号であり、光変調素子１０Ｒ，１０Ｇ，１０Ｂに同期入力されるようになっている。更に、各レーザ光は光変調素子１０Ｒ，１０Ｇ，１０Ｂに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１０４によって合成されると、空間フィルタ１０５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−ザ１０６によってレーザスペックルが低減され、画像信号と同期するガルバノスキャナ１０７により空間に展開され、投影光学系１０８によってスクリーン１０９上にフルカラーの画像として投影される。
【００６１】
このようなレーザディスプレイ１００では、ＲＧＢ全て同一構造の光変調素子１０を用いると、射出される画像信号の光束は約３１０ルーメンとなり、従来の光変調素子を用いた本実施の形態と同一構成のディスプレイにおける信号の光束が約３００ルーメンであることから、光源の利用効率が向上する。また、ＲＧＢそれぞれの波長に対して最適化された光変調素子１０を用いると、信号の光束は約３２０ルーメンと更に向上する。
【００６２】
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に限定されるものではなく、種々変形が可能である。例えば、上記実施の形態および実施例では、誘電体層の設計にあたっての条件を具体的に説明したが、これらは設計条件の一例であって、これらの条件やそこから得られる膜厚や反射率によって本発明を限定するものではない。加えて、一般に薄膜の光学定数は成膜条件によって容易に変化することはよく知られており、上記実施の形態や実施例で述べた膜厚や反射率等がこれらの値に一意に決められるわけではない。むしろ、設計条件は、光変調素子１０が応用される装置に要求される条件に応じて適宜選択されるべきものである。例えば、上記実施の形態および実施例では、誘電体層(LH)を１組設けるようにしたが、単一波長を扱う場合には更に(LH)の組を増設して回折部２０の高反射率化を図るようにしてもよい。但し、その場合に、(LH)の増加に対して回折部２０の質量増加を伴うときには、その機械的電気的特性の劣化に配慮する必要がある。
【００６３】
また、上記実施の形態および実施例では、誘電体層の設計手順を具体的に説明したが、設計方法はこれに限らず、個々の場合について適宜変形可能である。例えば、誘電体層の厚みを優先的に決めて、応力から逆算して構造体の厚みを決定してもよい。また、素子のスイッチング速度がさほど重要でなければ、誘電体層に発生する応力を考慮しなくとも構わない。
【００６４】
更に、上記実施の形態では、ＲＧＢ各色に対応した光変調素子１０Ｒ，１０Ｇ，１０Ｂを用いてレーザディスプレイを構成するようにしたが、本発明の光変調素子はこれ以外の構成を有する各種のディスプレイについても適用可能である。例えば、光源を白色光とする一方で、ＲＧＢそれぞれの波長の光のみを反射して（それ以外の光は回折する）各色を表示するように回折部２０の幅が異なる光変調素子１０Ｒ，１０Ｇ，１０Ｂが１画素を構成するようにしてもよい。また、単一の光源からの白色光を、ＲＧＢの画素データからなる画像情報に同期したカラーホイールでを通して光変調素子１０に入射させるようにすることもできる。更に、例えば、単一の光変調素子１０を用いて、ＲＧＢのＬＥＤ（発光ダイオード）からの光を回折し、画素毎の色の情報を再生するように構成すれば、簡単なハンディタイプのカラーディスプレイとなる。
【００６５】
加えて、本発明の光変調素子は、上記実施の形態のようなレーザディスプレイ等のプロジェクタ類だけでなく、光通信におけるＷＤＭ（Wavelength Devision Multiplexing；波長多重）伝送用の各種デバイス、ＭＵＸ(Multirlexer；パラレル−シリアル変換器／多重化装置) ，ＤＥＭＵＸ(Demultirlexer；パラレル−シリアル変換器／分配化装置) あるいはＯＡＤＭ（Optical Add/Drop Multiplexer），ＯＸＣ（Optical Cross Connect)等の光スイッチとして用いることもできる。更に、例えばディジタル画像等を直画できる微細描画装置，半導体露光装置や、プリンタエンジンなど、その他の光学装置にも適用することができる。
【００６６】
また、上記実施の形態では、光変調素子１０Ｒ，１０Ｇ，１０Ｂを用いて空間変調を行うレーザディスプレイについて説明したが、本発明の光変調素子は位相、光強度などの干渉・回折により変調可能な情報のスイッチングを行うことができ、これらを利用した光学装置に応用することが可能である。
【００６７】
【発明の効果】
以上説明したように請求項１ないし請求項１０のいずれか１項に記載の光変調素子によれば、反射面上に、第１の誘電体層とこの第１の誘電体層に比して高い屈折率を有する第２の誘電体層とからなる誘電体層が形成されているようにしたので、反射面における反射率が増大し、簡易な構成で効果的に光の利用効率を向上させることができる。同時に、反射面における光吸収とそれに伴う発熱が抑制され、素子としての信頼性を向上させることができ、反射面が誘電体層で保護されるために、その製造を容易なものとすることができる。
また、第１および第２の誘電体層のうち、一方の誘電体層が金属層のうちの反射面上に選択的に形成されていると共に、他方の誘電体層が金属層の全面に形成されているようにしたので、回折部の反射率を増大させつつ、その質量および応力の増加を簡易な方法で積極的に抑えることができる。
【００６８】
また、請求項１１ないし請求項１５のいずれか１項に記載の光学装置によれば、本発明の光変調素子を含んで構成されているようにしたので、光源の利用効率が向上する。また、素子の反射面における光吸収が防止され、装置の発熱やヒーロックの発生が抑えられて寿命や信頼性を向上させることができる。
【００６９】
また、請求項１６ないし請求項２６のいずれか１項に記載の光変調素子の製造方法によれば、回折部本体を形成した後に、その上に金属層を設けることにより反射面を形成し、更にその上に、第１の誘電体層とこの第１の誘電体層に比して高い屈折率を有する第２の誘電体層とからなる誘電体層を形成するようにしたので、金属層が誘電体層により保護され、素工程の選択自由度やプロセスの運用マージンを拡げることができ、より容易に、より高い歩留まりで光変調素子を製造することができる。
また、誘電体層を形成する際に、第１および第２の誘電体層のうち、一方の誘電体層を金属層のうちの反射面上に選択的に形成すると共に、他方の誘電体層を金属層の全面に形成するようにしたので、回折部の反射率を増大させつつ、その質量および応力の増加を簡易な方法で積極的に抑えることができる。
【図面の簡単な説明】
【図１】本発明の一実施の形態に係る光変調素子の概略構成を表す図である。
【図２】本発明の一実施の形態に係る光変調素子の断面図である。
【図３】本発明の実施例におけるＡｌ2 Ｏ3 膜を付設した回折部の反射率分光特性であり、その膜厚依存性を表す図である。
【図４】本発明の実施例における誘電体単層膜を付設した回折部の反射率分光特性であり、その誘電体材料依存性を表す図である。
【図５】本発明の実施例における誘電体多層膜を付設した回折部の反射率分光特性であり、その誘電体層数依存性を表す図である。
【図６】本発明の実施例における誘電体多層膜を付設した回折部の反射率分光特性であり、その低屈折率層の材料依存性を表す図である。
【図７】本発明の実施例における可視光域で高反射率となるように膜厚が設定された誘電体多層膜を付設した回折部の反射率分光特性であり、一般的なＱＷＴ膜が付設された場合の反射率分光特性とを比較した図である。
【図８】本発明の実施例におけるＲＧＢのそれぞれに対し高反射率となるように膜厚が設定された誘電体多層膜を付設した３種の回折部の反射率分光特性である。
【図９】本発明の実施例における赤外域で高反射率となるように膜厚が設定された誘電体多層膜を付設した回折部の反射率分光特性であり、その誘電体層数依存性を表す図である。
【図１０】本発明の実施の形態に係る光変調素子の製造方法を説明するための工程を表す図である。
【図１１】図１０に続く工程図である。
【図１２】図１１に続く工程図である。
【図１３】図１２に続く工程図である。
【図１４】本発明の実施の形態に係る光変調素子の動作を説明するための図である。
【図１５】本発明の実施の形態に係る光変調素子の動作を説明するための図である。
【図１６】本発明の実施の形態の変形例に係る光変調素子の回折部の構成を表す断面図である。
【図１７】本発明の実施の形態のもう一つの変形例に係る光変調素子の回折部の構成を表す断面図である。
【図１８】本発明の実施の形態に係るレーザディスプレイの概略構成を表す図である。
【図１９】従来の光変調素子の概略構成を表す図である。
【符号の説明】
１０，１０Ｒ，１０Ｇ，１０Ｂ…光変調素子、１１…基板、１２…絶縁層、１３…下部電極、１４…空隙、１４ａ…犠牲層、１５…構造体、１６…反射層、１６ａ…反射面、１７…第１の誘電体層、１８…第２の誘電体層、２０…回折部、１００…レーザディスプレイ、１０１Ｒ，１０１Ｇ，１０１Ｂ…レーザ、１０２…ミラー、１０３Ｒ，１０３Ｇ，１０３Ｂ…照明光学系、１０４…色合成フィルタ、１０５…空間フィルタ、１０６…ディフュ−ザ、１０７…ガルバノスキャナ、１０８…投影光学系、１０９…スクリーン
【発明の属する技術分野】
本発明は、ＭＯＥＭＳ（Micro Optical Electro-Mechanical System ）技術により作製される光学素子に係り、特に、光を干渉・回折し、変調する光変調素子とそれを用いた光学装置、および光変調素子の製造方法に関する。
【０００２】
【従来の技術】
フォトリソグラフィ、エッチングおよび蒸着等に代表される半導体加工技術は主に半導体集積回路の作製に用いられ高度化してきたが、近年、この技術を回路の加工ではなく立体的構造物の加工に応用することによって、マイクロマシンが作製されるようになってきている。マイクロマシンは大きさが１０-3ｍ〜１０-6ｍの微小な可動部品であり、このようにシリコンウエハ上に構築されるマイクロマシンはＭＥＭＳ（ Micro Electro-Mechanical System )と呼ばれる。ＭＥＭＳは、従来の金属などの機構部品に比べて格段に小さく駆動力も少なくて済むうえ、製造プロセス上、個体間ばらつきが少なく、リフロー実装など電子部品同様の取り扱いが可能である等々の優れた特徴を有している。そのため、ＭＥＭＳは、その誕生当初より各種デバイスへの応用が期待される分野となっている。例えば、加速度センサやジャイロメータ、圧力センサ等のＭＥＭＳセンサは、その微少な構造は勿論のこと、加速度、傾斜および圧力等の微少な物理量が計測可能な素子として注目されており、自動車用、工業用、航空・防衛用あるいは医療用として、既に市場への参入が始まっている。
【０００３】
このようなＭＥＭＳのもう一つの大きな応用分野は、ディスプレイや光通信、光記憶装置、光プリンタなどの光学システム用デバイスである（ＭＯＥＭＳ）。ＭＯＥＭＳは、その高速応答性により、こうした高周波動作が要求される分野で注目されており、補償光学系などに用いられるマイクロレンズやマイクロミラーの他、光ファイバ通信用の光スイッチ、回折格子などが実用化されつつある。
【０００４】
そのうち、図１９のような回折格子は、光変調素子としてレーザディスプレイ等に用いられるものである（例えば、米国特許５３１１３６０号公報、D.M.Bloom; Projection Displays III Symposium, SPIE proc.,vol.30B,Feb 1997 あるいはD.M.Bloom. "The Grating Light Valve: revolutionizing display technology". [online]. Silicon Light Machines. Retrieved from the Internet: <ＵＲＬ:http://www.siliconlight.com/frames/press/ＰＷest.html> 等を参照) 。この素子は、メンブレン（Membrane）と呼ばれるリボン２２０が基板２１１との間にエアギャップ２１４を介して互いに平行に並べられて構成されている。これらリボン２２０は、通常、窒化ケイ素（Ｓｉ3 Ｎ4 ）からなり、その上に設けられた金属層２１６が反射面２１６ａを構成している。反射面２１６ａは同一平面上に形成されているため、この状態では、素子に入射された光はこれら反射面２１６ａで反射され、戻り光は入射光と同一位相で同一の光路をとる。また、リボン２２０は例えば一列おきに可動または固定とされ、上部電極となる金属層２１６と下部電極２１３との間に電圧を印加すると、静電力により可動リボン２２０が基板２１１に引き付けられて、反射面２１６ａ全体は規則的な凹凸面、すなわち回折面を形成する（図参照）。この回折面に光を入射すると、入射角と異なる角度に回折光が生じる。
【０００５】
従って、戻り光を遮断し、回折光を検出するようにすれば、高いコントラストで反射光を変調させることができる。また、軽小なリボン２２０は高速でスイッチング動作を行うことができるため、この素子の応答性は２０ナノ秒程度と液晶表示素子のおよそ１０5 倍以上にも達し、低消費電力である以外に様々な利点が提供される。すなわち、一般の電子部品に対してもそのまま整合させることができること、ディスプレイ用途では高解像度、グレースケールのディジタル制御、および色の再現性などである。
【０００６】
【発明が解決しようとする課題】
このような素子では、従来より金属層２１６にはアルミニウム（Ａｌ）が用いられている。これは、Ａｌに▲１▼比較的容易に成膜できる、▲２▼反射率の可視域における波長分散が小さい、▲３▼表面に自然酸化膜（Ａｌ2 Ｏ3 ）が形成され、これが保護膜となるなどの利点があるためである。しかしながら、金属であるためにその吸収係数は比較的大きく、可視域では約０．０８、波長８３０ｎｍ付近の赤外域では０．２０と大きな光吸収を示す。よって、素子に照射される光の利用効率が低下するという問題があった。
【０００７】
また、このような光変調素子では、反射面２１６ａでの光反射を高効率に行なうことが望ましい。そのため、従来の製造過程では、リボンの表面に損傷を与えないような工程が選択されてきた。このように、その表面状態を保つために特定の膜を保護することは一般的にしばしば行なわれる手法であるが、これによって素工程の選択範囲が限定されることがあり、また、プロセスの運用マージンが狭められる場合も多い。また、Ａｌの金属層２１６に対してフッ酸系の薬品が使用できないなどの制約があり、プロセスは最適化されているとは言い難かった。
【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、高い光効率と信頼性を有する光変調素子とそれを用いた光学装置を提供することにある。
【０００９】
また、本発明の第２の目的は、高い歩留まりで光変調素子を製造することができる光変調素子の製造方法を提供することにある。
【００１０】
【課題を解決するための手段】
本発明による光変調素子は、上面の一部分を反射面とする金属層を備えた複数の回折部が並列して構成され、反射面上に、第１の誘電体層と、この第１の誘電体層に比して高い屈折率を有する第２の誘電体層とからなる誘電体層が形成されており、第１および第２の誘電体層のうち、一方の誘電体層が金属層のうちの反射面上に選択的に形成されていると共に、他方の誘電体層が金属層の全面に形成されているものである。また、本発明による光学装置は、本発明の光変調素子を含んで構成されている。
【００１１】
本発明による光変調素子の製造方法は、上面の一部分を反射面とする金属層を備えた複数の回折部が並列して構成された光変調素子の製造方法であって、回折部本体を形成した後に、その上に金属層を設けることにより反射面を形成し、更にその上に、第１の誘電体層と、この第１の誘電体層に比して高い屈折率を有する第２の誘電体層とからなる誘電体層を形成すると共に、この誘電体層を形成する際に、第１および第２の誘電体層のうち、一方の誘電体層を金属層のうちの反射面上に選択的に形成し、他方の誘電体層を金属層の全面に形成するようにしたものである。
【００１２】
本発明による光変調素子では、反射面上に、第１の誘電体層と、この第１の誘電体層に比して高い屈折率を有する第２の誘電体層とからなる誘電体層が形成されているので、反射面における光の反射効率が高まると同時に、反射面が誘電体層により保護される。また、第１および第２の誘電体層のうち、一方の誘電体層が金属層のうちの反射面上に選択的に形成されていると共に、他方の誘電体層が金属層の全面に形成されていることにより、回折部の反射率が増大しつつ、その質量および応力の増加が簡易な方法で積極的に抑えられる。
【００１３】
また、本発明による光学装置では、本発明の光変調素子を含んで構成されているので、光源の利用効率が向上する。また、素子の反射面における光吸収が防止され、装置の発熱が減少する。
【００１４】
本発明による光変調素子の製造方法では、回折部本体の上に形成した金属層の反射面上に、第１の誘電体層と、この第１の誘電体層に比して高い屈折率を有する第２の誘電体層とからなる誘電体層を形成するので、金属層が誘電体層により保護される。また、この誘電体層を形成する際に、第１および第２の誘電体層のうち、一方の誘電体層が金属層のうちの反射面上に選択的に形成されると共に、他方の誘電体層が金属層の全面に形成されることにより、回折部の反射率が増大しつつ、その質量および応力の増加が簡易な方法で積極的に抑えられる。
【００１５】
【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。
【００１６】
図１は、本発明の一実施の形態に係る光変調素子の外観構成を表しており、図２はＸ−Ｘ線に沿った断面構造を表している。この光変調素子１０は、入射光の角度，強度および位相を変調することが可能であり、反射面１６ａを備えたリボン状の回折部２０が複数（図１では６本）、その長手方向に平行に配列され構成されている。
【００１７】
このような回折部２０は基板１１の上に形成されている。基板１１は、例えばケイ素（Ｓｉ）からなり、その上には、二酸化ケイ素（ＳｉＯ2 ）等からなる絶縁層１２、タングステン（Ｗ）等の金属からなる下部電極１３が順に設けられている。
【００１８】
回折部２０自体は、構造体１５の上に反射層１６，第１の誘電体層１７および第２の誘電体層１８が形成されたものであり、構造体１５が回折部２０の骨格をなしている。構造体１５は、長手方向の応力によってその両端部で基板１１の上に支持され、これら端部間の平坦部分と基板１１との間に空隙１４が設けられている。平坦部分には反射面１６ａが形成され、構造体１５つまりは回折部２０は、この部分が基板１１に垂直な方向に変位するように変形可能となっている（状態Ｉ→状態ＩＩ）。なお、空隙１４は、ここでは基板１１に垂直方向に入射光の波長の１／４、例えば１３０ｎｍ程度の間隙であり、回折部２０の変位する距離に対応している。
【００１９】
更に、構造体１５の上には反射層１６が設けられており、反射層１６は、構造体１５の平坦部分にあたる層上面を反射面１６ａとする他、ここでは下部電極１３に対向する上部電極として機能する。反射層１６および下部電極１３の間に電位差が発生すると、静電力によって回折部２０は基板１１側へ引き付けられ、例えば状態Ｉから状態ＩＩのように変形する。なお、個々の回折部２０が備える反射面１６ａは、全て同一平面上に設けられており、所定の周期間隔で選ばれたものだけを基板１１側に変位させることにより回折面が形成される。構造体１５としては、例えば窒化ケイ素（Ｓｉ3 Ｎ4 ）が用いられ、反射層１６は、例えば、アルミニウム（Ａｌ）を始めとする銀（Ａｇ），金（Ａｕ），チタン（Ｔｉ）のいずれか１種、あるいはその合金を含む層などによって構成される。
【００２０】
本実施の形態では、反射層１６の上面に更に、第１の誘電体層１７および第２の誘電体層１８が設けられている。これら誘電体層１７，１８は、反射面１６ａの損傷を特に製造過程において防止するために保護膜として付設されると同時に、反射面１６ａにおける反射率を増加させるための反射膜として機能するものである。従って、ここで設けられる誘電体層には、以下のような条件を満たすことが求められる。
(i) 軽量、層の総厚みができるだけ薄いこと。
(ii) 製造過程において反射面１６ａを保護することが十分可能であること。
(iii) 反射面１６ａの反射率を十分に向上させること。
【００２１】
(i) は、素子１０において設計通りの光学的応答性を得るために必要な条件である。回折部２０に生じる張力は、その機械的動作に強く影響する。例えばＳｉ3 Ｎ4 からなる構造体にＡｌの反射層を設けると、構造体自体には大きな引張応力がかかるのに対し、反射層に比較的小さい圧縮応力が生じるために全体の応力が変化することが知られており、のみならず、反射層についてはその長手方向の実効的質量もまた全体の機械的特性に影響することがわかっている（A.P.Payne et al.,Micromachining and Microfabrication: MEMS Reliability for Critical and Space Application,SPIE Proceedinds,vol.3880,Sept.,1999; R.W.Corrigan et al.,International Display Workshop,Kobe,Japan,Dec.1998, LAD5-1,pp.757-760 ）。従って、反射層よりも厚い誘電体層が成膜されると、回折部２０に無視できない質量増加や引張応力の変化が生じ、その結果、回折部２０の機械的特性が変化することが予期される。このような影響を極力排除するために膜厚は薄くなければならない。また、条件(ii)については、膜厚をとくに厚くする必要はない。
【００２２】
しかしながら、条件(iii) を達成するために最も簡単な方法は、誘電体を多層化するものである。従って、条件(i) ，(ii)と条件(iii) はトレードオフの関係にあり、これら全てを満足するように誘電体層を設けるには、各層の膜厚、材質、層数について最適化する必要がある。第１の誘電体層１７および第２の誘電体層１８は、以下のようにしてそれらが規定されている。
【００２３】
（誘電体層の構成）
前述のように、金属の反射率を増加させる方法として、金属表面に誘電体の低屈折率であるものと高屈折率であるものを組としたλ／４膜（厚みが、反射率を増強させたい光の波長λの１／４である膜）を積み重ね、多層膜を形成する手法がある（J D.Rancourt, 小倉訳“光学薄膜ユーザーズハンドブック”日刊工業新聞社 1991 など）。これを反射層１６に適用した場合には、以下の式１に示したモデルが与えられる。
(Metal substrate) L'H (LH)＾n Air …（式１）
式１は光学薄膜設計でよく用いられる記号で記述されたものであり、ここで、(Metal substrate) が反射層１６に対応している。以下、式の右項は順に反射層１６の上に積層される膜を表しており、L'とL が低屈折率膜、H が高屈折率膜、(LH)＾n は(LH)の組が周期的にｎ層積層されていることを示している。なお、L'は、吸収のある反射層１６との界面における位相シフトを考慮し、L よりも若干薄く設定される。
【００２４】
このモデルから適切な誘電体層の構成を導き出すには、まず、反射層１６と誘電体層の総体における反射率を所定の条件下で比較して、条件(iii) の検討を行なえばよい。本発明の発明者らが今回明らかにした結果によれば、反射層１６の上に積層される最初の誘電体層L'H によって反射層１６における光の吸収がおおむね半減し、この吸収は、更に(LH)の組を積み重ねるにつれて漸次減少することが判明している。つまり、１組の誘電体層(LH)が、最も効率的に反射率を増強することができる。更に、条件(i) ，(ii)を考慮した結果、１組の誘電体層(LH)を設けるようにすると、膜厚を薄くしながら最も反射効率を向上できると考えられる。このような理由により、ここでは、低屈折率層として第１の誘電体層１７が、高屈折率層として第２の誘電体層１８の２層が設けられる。
【００２５】
（誘電体層の材料）
また、第１の誘電体層１７，第２の誘電体層１８は、その材料を所望の特性あるいは製造方法等の観点から適宜選択することができる。これら誘電体層１７，１８は多層反射膜であるから、第１の誘電体層１７としては、できるだけ屈折率が低いものがよく、例えばフッ化マグネシウム（ＭｇＦ2 ），酸化ケイ素（ＳｉＯ2 ）および酸化アルミニウム（Ａｌ2 Ｏ3 ）の少なくとも１種を含むことが好ましい。一方の第２の誘電体層１８には、できるだけ屈折率が高いものがよく、例えば、窒化ケイ素（Ｓｉ3 Ｎ4 ），窒化アルミニウム（ＡｌＮ），酸化チタン（ＴｉＯ2 ）および酸化タンタル（Ｔａ2 Ｏ5 ）の少なくとも１種を含むような比較的屈折率が高い材料が選ばれ、その屈折率は第１の誘電体層１７に比べて高くなっている。
【００２６】
一般的な光学薄膜では、低屈折率材料にはＭｇＦ2 （屈折率１．３７）、高屈折率材料にはＴｉＯ2 ／Ｔａ2 Ｏ5 （屈折率２．３）を用いることが多い。特にＭｇＦ2 は短波長域まで透明であるという利点があり、両者はそれぞれ上記のその他の材料に比べてより低屈折率、またはより高屈折率であるから、これらを用いれば反射率を効果的に高めることが可能である。但し、現時点における半導体集積技術との整合性を考えると、これらの選択は困難である。なお、ＳｉＯ2 ，Ｓｉ3 Ｎ4 は通常の半導体集積回路に絶縁膜として用いられることから、プロセス整合性がよい。こうしたプロセス整合性の観点からは、低屈折率材料としてはＡｌ2 Ｏ3 （屈折率１．６）またはＳｉＯ2 （屈折率１．４）、高屈折率材料としてはＳｉ3 Ｎ4 （屈折率２．１）を用いることが望ましい。
【００２７】
（誘電体層の膜厚）
このようにして、第１の誘電体層１７および第２の誘電体層１８の組を（ＳｉＯ2 ／Ｓｉ3 Ｎ4 ）の２層構造としたのち、所望の波長帯域で所定の反射率が得られるように逆算してそれぞれの膜厚を決定する。例えば光の３原色Ｒ（６４２ｎｍ），Ｇ（５３２ｎｍ），Ｂ（４５７ｎｍ）全てに対して〜０．９５程度以上の反射率を有するという条件で求めたこれらの厚みは、第１の誘電体層１７（ＳｉＯ2 ）が６５ｎｍ〜９５ｎｍ、第２の誘電体層１８（Ｓｉ3 Ｎ4 ）が５０ｎｍ〜８０ｎｍであり、それぞれ７５ｎｍ〜８５ｎｍ，６４ｎｍ〜８０ｎｍとするとより高い反射率が得られ好ましい。
【００２８】
なお、ここでは、第２の誘電体層１８のみならず構造体１５もまたＳｉ3 Ｎ4 で構成されるが、このような場合には、回折部２０の応力を当初の設計通りとするために両者の総厚を考慮する必要がある。構造体１５は、通常７００℃以上の高温で成膜され、１ＧＰａ程の大きな残留応力を持つのに対し、第２の誘電体層１８は、反射層１６の上に低温で成膜されなければならず、その厚みあたりの応力は構造体１５よりも小さくなる。そこで、ここでは第２の誘電体層１８の応力を構造体１５の応力の半分と見積もり、構造体１５の厚みを基本設計における値から第２の誘電体層１８の厚みの半分を減じた値に修正するものとする。このように、構造体１５の厚みは通常の基本設計では例えば９２ｎｍであるが、５０ｎｍ〜７０ｎｍとすることが好ましい。
【００２９】
また、構造体１５の最上部にあたる層、ここでは第２の誘電体層１８については、後述するように、その形成時にエッチング等の影響により膜厚が減少することを考慮して、その分だけ予め厚みを余分に取っておく。
【００３０】
【実施例】
ここでは、上記実施の形態に係る光変調素子１０に対して誘電体層の設計を行なった実施例について説明する。
【００３１】
以下の回折部２０の反射率の計算には、市販されている光学薄膜設計ソフトウエア（Film Star Ver.1.42,FTG Software 社製, 米国）を用いた。本実施例では、入射光を斜入射ランダム偏光として計算を行った。また、表面粗さによる散乱は無視することにし、各材料の屈折率ｎおよび消衰係数ｋには、ＳｉＯ2 ，Ｓｉ3 Ｎ4 については、"Properties of Silicon, EMIS dataviews no.4",IEEE,1988を参照し、非晶質Ｓｉ、Ａｌ2 Ｏ3 およびＡｌについてはEdward D.Palik,"Handbook of Optical Constants of Solids",Academic Press,1985の値を用いて計算した。なお、回折部２０の反射率は、４００ｎｍ〜７００ｎｍの波長域に対して分光特性を求めることにした。
【００３２】
以上の条件で、まず、従来の標準的構造をもつ回折部について反射率を検討した。その構造は、Ｓｉ3 Ｎ4 の構造体（９２ｎｍ）の上に、Ａｌ反射層（５０ｎｍ）、Ａｌ2 Ｏ3 自然酸化膜（１ｎｍ）が設けられているものとした。自然酸化膜は、大気暴露などの酸化性雰囲気でＡｌ反射層を形成する際に、その表面に自然に形成されるものである。Ａｌ反射層を保護するためには、Ａｌ2 Ｏ3 自然酸化膜を積極的に増加させる方法が一般的である。そこで、Ａｌ2 Ｏ3 膜がない場合とＡｌ2 Ｏ3 膜の厚みを１ｎｍ，１０ｎｍ，５０ｎｍと増加させた場合について反射率の分散を計算した。その結果を図３に示す。これにより、Ａｌ2 Ｏ3 膜が設けられた回折部の反射率は、対象となる全波長域において低下し、その膜厚の増大に従って反射率が低下することがわかる。従って、Ａｌ2 Ｏ3 膜は保護膜にはなるが、反射率を低減させる。但し、Ａｌ反射層の形成に伴って自ずと形成される通常の自然酸化膜（膜厚１ｎｍ）については、図のように反射率に与える影響は非常に小さい。この結果に基づき、以後の回折部の設計にあたっては、自然酸化膜を考慮しないことにした。
【００３３】
ところで、Ａｌ2 Ｏ3 は低屈折率の誘電体材料でもある。そこで、Ａｌ2 Ｏ3 に換え、誘電体材料ＳｉＯ2 ，Ｓｉ3 Ｎ4 の単層膜をＡｌ反射層の上に１０ｎｍの厚みで設け、屈折率を変化させた場合について反射率の分散を計算した。その結果を図４に示す。これらの場合にも、回折部の反射率は対象となる全波長域において低下する。この結果から、反射層の上に誘電体層を設ける場合にも、単層膜では逆に反射率を低下させることがわかった。
【００３４】
そこで次に、式１に基づき、反射層１６の上に設ける誘電体多層膜の最適化を検討した。
(Metal substrate) L'H (LH)＾n Air …（式１）
低屈折率層と高屈折率層の組(LH)は（ＳｉＯ2 ／Ｓｉ3 Ｎ4 ）とし、その厚みは可視波長域のほぼ中央にある５５０ｎｍの１／４とした。この条件で、(LH), (LH)＾2 ，(LH)＾3 , (LH)＾7 と組数を変化させて誘電体層をＡｌ反射層１５の上に設けた場合について反射率の分散を計算した。その結果を図５に示す。反射層のみの反射率は、図のように４００ｎｍ〜７００ｎｍの帯域でおよそ０．９０５〜０．９２５の間にあるが、その上に誘電体多層膜を設けると、５５０ｎｍを中心波長として反射率は増大する。例えば、(LH)＾7 の場合には、５００ｎｍ〜６００ｎｍの帯域での反射率は０．９９９である。このように、(LH)の組数が増えるにつれて反射率は増大するが、同時に高反射率である帯域幅は狭くなってゆく。従って、誘電体多層膜を付加することにより、反射率分散が所望の波長帯域で閾値を超えるように回折部２０を適宜設計することが可能なことがわかる。
【００３５】
但し、高反射率に設計する場合には、単一の素子１０で可視光全域をカバーすることは難しくなる。そのため、例えばレーザディスプレイ等の用途においては、反射率を高く設定することに限界が生じる。また、高い反射率は、その分散の帯域幅のみならず質量増大による素子１０のスイッチング特性低下と引き換えに得られる。また、図５からは、(LH), (LH)＾2 ，(LH)＾3 の反射率を比較することにより、１組目の(LH)では０．０４、２組目の(LH)では０．０２、３組目の(LH)では０．０１と、(LH)の組数が増えるに従って１組あたりの光吸収（すなわち反射率増強効果）が減少していることがわかる。これらのことから、誘電体層を少ない組数で効果的に設けるには、(LH)１組が適切であることが示唆される。
【００３６】
次に、(LH)を（Ａｌ2 Ｏ3 ／Ｓｉ3 Ｎ4 ）とし、５５０ｎｍの１／４の厚みで１組だけＡｌ反射層１５の上に設けた場合について反射率の分散を計算した。その結果を、先に求めた反射層１５のみの場合と、同一条件の（ＳｉＯ2 ／Ｓｉ3 Ｎ4 ）の場合と共に図６に示す。図より明らかなように、低屈折率層はＳｉＯ2 であるほうがＡｌ2 Ｏ3 であるよりも屈折率が高く、しかも帯域も広い。これはＳｉ3 Ｎ4 に対し、ＳｉＯ2 のほうがＡｌ2 Ｏ3 より屈折率差が大きく分散の差が小さいことによる。従って、低屈折率材料としては、ＳｉＯ2 のほうがＡｌ2 Ｏ3 に比べ、より好ましいことがわかる。
【００３７】
次に、Ａｌ反射層１５の上に設ける(LH)を（ＳｉＯ2 ／Ｓｉ3 Ｎ4 ）１組とし、Ｒ（６４２ｎｍ），Ｇ（５３２ｎｍ），Ｂ（４５７ｎｍ）の３波長に対して反射率が〜０．９５以上という条件で(LH)の厚みの最適化を行なった。その結果、ＳｉＯ2 層は８０．７ｎｍ、Ｓｉ3 Ｎ4 層は６７．４ｎｍのときに、波長４５７ｎｍでは反射率０．９４９、波長５３２ｎｍでは反射率０．９５９、波長６４２ｎｍでは反射率０．９４６という値が得られた。図７に、この(LH)の膜厚が最適化された場合と、膜厚が中心波長５５０ｎｍの１／４（ＱＷＴ）であり、その他は同一条件の場合における反射率の分散を示す。このように、最適化された(LH)は、ＱＷＴ膜よりも高反射率となる帯域が短い波長側にあり、４５７ｎｍ〜６４２ｎｍの帯域で平均するとＱＷＴ膜よりも高い反射率を保つことがわかる。従って、このように厚みを設計することにより、単一の素子１０でＲＧＢ３色に対応することが可能となる。
【００３８】
更に、最適化された(LH)を用いた回折部２０の構成について考察した。上記実施の形態に説明したように、構造体１５の厚みは、(LH)に発生する応力を厚みに換算し、それを差し引いたものとすることが好ましい。本実施例についても同様に考えると、構造体１５の厚みは標準的構造の９２ｎｍからＳｉ3 Ｎ4 層の厚み６７．４ｎｍの２分の１を差し引いた値、すなわち５８．３ｎｍとなる。従って、この場合の回折部２０は、構造体１５（Ｓｉ3 Ｎ4 ；５８．３ｎｍ）、反射層１６（Ａｌ；５０ｎｍ）、自然酸化膜（Ａｌ2 Ｏ3 ；１ｎｍ）、第１の誘電体層１７（ＳｉＯ2 ；８０．７ｎｍ）、第２の誘電体層１８（Ｓｉ3 Ｎ4 ；６７．４ｎｍ）と最適化される。
【００３９】
また、Ａｌ反射層１５の上に設ける(LH)を（ＳｉＯ2 ／Ｓｉ3 Ｎ4 ）１組とし、Ｒ（６４２ｎｍ），Ｇ（５３２ｎｍ），Ｂ（４５７ｎｍ）のそれぞれに対する反射率について(LH)の厚みの最適化を行なった。その結果、各波長毎に得られたＳｉＯ2 層とＳｉ3 Ｎ4 層の最適膜厚を表１に示す。
【００４０】
【表１】
この波長毎の膜厚で誘電体層１７，１８を設けた回折部２０について、それぞれ波長分散を求めた。その結果を図８に示す。このように、ＲＧＢの３波長各々について個別に誘電体膜厚を設計すれば、波長毎に素子１０を設けることができ、その回折部２０の反射率もより高く設定することができる。なお、最適膜厚は屈折率変動による変動幅等を考慮すると、以下のような規定範囲が得られる結果となった。すなわち、Ｂ（４５７ｎｍ）に対しては、ＳｉＯ2 層，Ｓｉ3 Ｎ4 層の各厚みは５０ｎｍ〜７７ｎｍ，３８ｎｍ〜６０ｎｍが好ましく、６１ｎｍ〜６７ｎｍ，４６ｎｍ〜５１ｎｍがより好ましい。Ｇ（５３２ｎｍ）に対しては、ＳｉＯ2 層，Ｓｉ3 Ｎ4 層の各厚みは６５ｎｍ〜９８ｎｍ，５０ｎｍ〜８０ｎｍが好ましく、７８ｎｍ〜８６ｎｍ，６１ｎｍ〜６９ｎｍがより好ましい。また、Ｒ（６４２ｎｍ）に対しては、ＳｉＯ2 層，Ｓｉ3 Ｎ4 層の各厚みは７８ｎｍ〜１２０ｎｍ，６４ｎｍ〜９６ｎｍが好ましく、９２ｎｍ〜１０２ｎｍ，７５ｎｍ〜８４ｎｍがより好ましい。
【００４２】
更にまた、上記の実施の形態では光変調素子１０を可視光域について最適化したが、ここでは、８００ｎｍ以上の赤外域について最適化する。反射層１６に用いられるＡｌは、赤外域での吸収が０．２０と大きい。そこで、中心波長を８３０ｎｍとする以外は第１の実施の形態と同様にして、誘電体層１７，１８の厚みを最適化した。なお、誘電体層の層数は、(LH), (LH)＾2 の２通りとした。その結果、得られたＳｉＯ2 層，Ｓｉ3 Ｎ4 層の各厚みは、(LH)については１２９．０４ｎｍ，１０３．９１ｎｍであった。(LH)＾2 については、１層目が１３６．３４ｎｍ，１０５．５３ｎｍであり、２層目が１１５．０９ｎｍ，１０３．８０ｎｍとなった。このときの反射率分散を図９に示す。図には、比較のため反射層１６についての反射率分散も示したが、誘電体層１７，１８を設けることにより反射率はかなり大きく向上することがわかる。このように、反射層１６の吸収が大きい近赤外域では、誘電体層１７，１８の反射率増強効果がより顕著である。近赤外域の高出力半導体レーザは、既に容易に手に入れることができるので、このような光変調素子を空間変調器として用いることによって微細加工システム、例えばレーザプリンタ等の微細描画装置への応用が可能となる。その場合に、本実施例のように誘電体層をＡｌなどからなる光の反射面に設けると、反射層１６の光吸収による発熱も抑制することができる。
【００４３】
以上の実施例により、回折部２０に設けられる誘電体層を、反射率分散および応力の観点から所望の条件に対して最適化できることが判明した。また更に、このようにしてレーザディスプレイなどに好適に用いられる光変調素子１０を設計すれば、簡易な構成で、容易に、素子の特性を損なわずに光の利用効率を高めることが可能であることがわかる。
【００４４】
次に、このような光変調素子１０の製造方法について説明する。
【００４５】
本実施の形態では、基板１１の上に構造体１５、反射層１６を形成したのちに誘電体層１７，１８を形成するが、反射層１６の形成までの工程は特に限定されるものではなく、従来どおりの方法を用いることができる。そのような工程の一例を説明すると、例えば、図１０に示したようにケイ素（Ｓｉ）からなる基板１１を用意し、その上に、ＣＶＤ（Chemical Vapor Deposition)法を用いてＳｉＯ2 からなる厚み５００ｎｍの絶縁層１２、タングステン（Ｗ）からなる厚み１００ｎｍの下部電極１３を順に形成する。次いで、下部電極１３を所定の電極形状にパターニングする。更に、図１１に示したように、下部電極１３の上に犠牲層１４ａを形成し、これをエッチングにより空隙１４の形状にパターニングする。なお、犠牲層１４ａの厚みは、例えば１３０ｎｍ程度であり、ここでは目的の波長の１／４とする。この犠牲層１４ａの上に、図１２に示したように、例えばＳｉ3 Ｎ4 からなる厚み５０ｎｍ〜７０ｎｍの構造体１５、およびアルミニウム（Ａｌ）からなる厚み５０ｎｍの反射層１６を順に形成する。
【００４６】
次に、図１３に示したように、反射層１６の上に更に第１の誘電体層１７および第２の誘電体層１８を順に形成する。第１の誘電体層１７は、例えばＳｉＯ2 を用いて６５ｎｍ〜９５ｎｍの厚みに成膜し、第２の誘電体層１８は、例えばＳｉ3 Ｎ4 を用いて５０ｎｍ〜８０ｎｍの厚みに成膜する。その成膜には、例えばプラズマＣＶＤ法が用いられる。ここではＡｌ層上に成膜することから、半導体製造工程において一般的に用いられているプラズマＣＶＤ法を例として挙げたが、これに限定されず、減圧ＣＶＤ法あるいは常圧ＣＶＤ法、蒸着法、塗布形成などにより成膜するようにしても構わない。なお、プラズマＣＶＤ法は、減圧ＣＶＤ法に比べ、形成される薄膜の厚みの制御性や均一性の点で劣るとされている。しかしながら、例えば±５％の膜厚分布が生じると仮定して本発明者が算出した反射率の変動は、素子の中心波長に近いＧ（５３２ｎｍ）において０．００１以下、Ｂ（４５７ｎｍ）で０．００９以下、Ｒ（６４２ｎｍ）で０．００５以下であり、実用上問題ないことが判明しており、その膜厚のばらつきは十分に許容範囲内であると考えられる。
【００４７】
第１の誘電体層１７（ＳｉＯ2 ）の形成は、例えば原料ガスとしてシラン（ＳｉＨ4 ）を９０ｍｌ／分、Ｎ2 Ｏを２０００ｍｌ／分、Ｎ2 を３０００ｍｌ／分導入し、マイクロ波を２ｋＷ印加して行う。また、第２の誘電体層１８（Ｓｉ3 Ｎ4 ）の形成には、Ｎ2 Ｏに代えてアンモニア（ＮＨ3 ）を５００ｍｌ／分導入すればよい。なお、反射層１６を形成した後、連続して直ちにこれらの誘電体層１７，１８を形成するようにすると、各種洗浄処理から反射層１６を保護することができ、好ましい。
【００４８】
次に、構造体１５，反射層１６および誘電体層１７，１８をエッチングにより所定形状にパターニングし、複数の回折部２０を形成する（パターン形成）。例えば、リボン形状とした場合の寸法は、長さ２０μｍ，幅５μｍとすることができる。なお、誘電体層１７，１８（ＳｉＯ2 ／Ｓｉ3 Ｎ4 ）のエッチングには、例えばＣＦ4 ，Ｃ4 Ｆ8 のようなフッ化炭素系のガスを用いることができる。
【００４９】
このエッチング時にはマスクとして図示しないレジスト膜が設けられるが、その除去の際に、第２の誘電体層１８も一緒に若干除去される。しかし、第２の誘電体層１８は元々、ここでの減少分を見込んだ厚みで形成されているため、この工程を経た後に設計上の厚み寸法となる。また、誘電体層１７，１８が設けられているために、反射層１６の表面はこれらに保護され、一連のエッチング工程の影響を直接受けることが防止され、成膜時の状態が保たれる。従って、本実施の形態の製造方法によれば、これまでは反射面１６ａに損傷を与える可能性があるために行うことができなかった回折部２０の洗浄を、特別な制限なく導入することが可能となる。更に言えば、例えばスクラッチ等が問題となり取り入れることができなかったブラシ洗浄等を工程に組み込むことも可能になると考えられ、作製される素子１０の性能向上を期待することができる。
【００５０】
こののち、犠牲層１４ａをエッチング除去し、図１に示した素子１０が完成される。なお、素子１０を実際に使用するにあたっては、各電極１２，１６に対し駆動回路（図示せず）を接続するほか、回折部２０の周囲を乾燥窒素で満たされた透明ガラス板等によりシールドして酸化や破損を防止する。
【００５１】
なお、ここでは、犠牲層１４ａの上に構造体１５，反射層１６および誘電体層１７，１８を形成した後に回折部２０の形状にパターニングするようにしたが、構造体１５および反射層１６を先にパターニングし、回折部２０の形状に加工してから誘電体層１７，１８を形成するようにしてもよい。
【００５２】
次に、本実施の形態による光変調素子１０の動作について図１４，１５を参照して説明する。まず、図１４に示したように、いずれの下部電極１２と反射層１６の間にも電圧を印加しない場合には、全ての回折部２０の反射面１６ａは同一平面上に並び、フラットミラーを形成する（状態Ｉ）。この状態では、反射面１６ａに対し垂直に入射された光は、反射面１６ａで入射方向に反射される。一方、図１５に示したように、ここでは１つおきの回折部２０について下部電極１２と反射層１６の間に電圧を印加すると、静電力によって基板１１側へ引き付けられて回折部２０が一つおきに変位し、反射面１６ａ全体は回折面を形成する（状態ＩＩ）。このとき隣接する反射面１６ａの高さの差ｄは、入射光の波長をλとするとλ／４となる。この状態で回折面に光を入射すると、隣接する反射面１６ａにおける反射光の光路差はλ／２となり、反射の代わりに入射角と異なる角度θに回折光が生じる。この角度θは、回折部２０の幅と入射波長λによって回折の次数ごとに一意的に決まった値をとる。その際、ここでは反射面１６ａの上に誘電体層１７，１８を設けるようにしたので、回折部２０における波長λに対する反射率が向上し、反射光および回折光の強度が高まる。
【００５３】
この素子１０に対し、例えば、１次の回折光に対して開口数を設定した光学系を用いて、状態ＩＩのときに生じる１次光のみを取り出すようにすると、状態Ｉにおける反射光は光学系に捕捉されない。このように、ある次数の回折光を選んで検出するようにすると、高いコントラストで光強度が変調される。また、誘電体層１７，１８は、回折部２０全体の応力が所定値となるように考慮して付設されているので、素子１０のスイッチング速度の低下が起こることがない。
【００５４】
このように、本実施の形態では、反射面１６ａの上に低屈折率の第１の誘電体層１７と高屈折率の第２の誘電体層１８とを、それぞれ反射率と層内の応力とを考慮して設定された所定の厚みと材質で設けるようにしたので、素子１０の機械的動作を妨げることなく、簡易な構成で光源からの入射光の利用効率を効果的に高めることができる。また、誘電体層１７，１８が反射層１６の光吸収を抑制するので、高出力レーザを入射させることが可能となり、その際のヒーロック発生も低減できる。更に、これら誘電体層１７，１８は、反射面１６ａの保護膜として機能するので、素子１０の劣化が防止されると共に、その製造時に反射層１６の表面が各種洗浄処理およびエッチング工程の影響により損傷することが防止され、歩留まりの向上および製造プロセスの運用マージン拡大が可能となる。
【００５５】
更に、本実施の形態では、構造体１５と第２の誘電体層１８を共にＳｉ3 Ｎ4 で構成し、それらの応力の総計が所望の値となるように構造体１５の厚みを規定するようにしたので、回折部２０にかかる応力、ひいては素子１０の機械的特性を設計通りとすることができ、そのスイッチング速度を所望の値とすることができる。
【００５６】
更にまた、第２の誘電体層１８は、形成後の工程において表面付近がエッチングにより削られ厚みが変化することを予め考慮して厚めに形成されるようにしたので、完成された素子１０におけるその厚みを、当初の設計通りとすることができる。
【００５７】
〔変形例〕
図１６，１７は、上記実施の形態の変形例を表している。これらは、第１の誘電体層１７ｂ、第２の誘電体層１８ｂがそれぞれの反射面１６ａ上の領域にのみ設けられていることを除けば、上記実施の形態と同様の構成をしている。先に条件(i) ，(ii)について述べたように、誘電体層は反射層１６の保護膜としては多層化する必要はなく、構造体１５の全面に多数の層を形成する場合には、回折部２０全体の応力を考慮しなければならず、条件によっては質量増加により回折部２０の共振特性を大きく変化させる虞がある。これに対して、これら変形例では、誘電体層１７，１８のうち一方が反射面１６ａ上にのみ設けられ、反射面１６ａ上でのみ２層が揃うようになっている。従って、これらによれば、回折部２０の反射率を増大させると共に、その質量および応力の増加を簡易な方法で積極的に抑えることができる。
【００５８】
〔光学装置〕
図１８は、本発明の光変調素子を用いた光学装置の一例として、上記の光変調素子１０を用いて構成されたレーザディスプレイの構成を表している。このレーザディスプレイ１００は、例えば、大型スクリーン用プロジェクタ、特にディジタル画像のプロジェクタとして用いられたり、コンピュータ画像投影機として用いられるものである。
【００５９】
レーザディスプレイ１００は、赤（Ｒ），緑（Ｇ），青（Ｂ）各色の光源としてレーザ１０１Ｒ，１０１Ｇ，１０１Ｂと、各光源に対して設けられた光変調素子１０Ｒ，１０Ｇ，１０Ｂ、各色用の照明光学系１０３Ｒ，１０３Ｇ，１０３Ｂ、ミラー１０２、色合成フィルタ１０４、空間フィルタ１０５、ディフュ−ザ１０６、ガルバノスキャナ１０７、投影光学系１０８およびスクリーン１０９を備えている。なお、レーザ１０１Ｒ，１０１Ｇ，１０１Ｂには、例えば、Ｒ（６４２ｎｍ，光出力約３Ｗ）、Ｇ（５３２ｎｍ，光出力約２Ｗ）、Ｂ（４５７ｎｍ，光出力約１．５Ｗ）がそれぞれ用いられ、色合成フィルタ１０４は、例えばダイクロイックミラーで構成される。
【００６０】
このレーザディスプレイ１００では、レーザ１０１Ｒ，１０１Ｇ，１０１Ｂから射出されたＲＧＢ各色のレーザ光は、それぞれ照明光学系１０３Ｒ，１０３Ｇ，１０３Ｂにより光変調素子１０Ｒ，１０Ｇ，１０Ｂに入射される。ここで、各レーザ光は色分解された画像信号であり、光変調素子１０Ｒ，１０Ｇ，１０Ｂに同期入力されるようになっている。更に、各レーザ光は光変調素子１０Ｒ，１０Ｇ，１０Ｂに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１０４によって合成されると、空間フィルタ１０５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−ザ１０６によってレーザスペックルが低減され、画像信号と同期するガルバノスキャナ１０７により空間に展開され、投影光学系１０８によってスクリーン１０９上にフルカラーの画像として投影される。
【００６１】
このようなレーザディスプレイ１００では、ＲＧＢ全て同一構造の光変調素子１０を用いると、射出される画像信号の光束は約３１０ルーメンとなり、従来の光変調素子を用いた本実施の形態と同一構成のディスプレイにおける信号の光束が約３００ルーメンであることから、光源の利用効率が向上する。また、ＲＧＢそれぞれの波長に対して最適化された光変調素子１０を用いると、信号の光束は約３２０ルーメンと更に向上する。
【００６２】
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に限定されるものではなく、種々変形が可能である。例えば、上記実施の形態および実施例では、誘電体層の設計にあたっての条件を具体的に説明したが、これらは設計条件の一例であって、これらの条件やそこから得られる膜厚や反射率によって本発明を限定するものではない。加えて、一般に薄膜の光学定数は成膜条件によって容易に変化することはよく知られており、上記実施の形態や実施例で述べた膜厚や反射率等がこれらの値に一意に決められるわけではない。むしろ、設計条件は、光変調素子１０が応用される装置に要求される条件に応じて適宜選択されるべきものである。例えば、上記実施の形態および実施例では、誘電体層(LH)を１組設けるようにしたが、単一波長を扱う場合には更に(LH)の組を増設して回折部２０の高反射率化を図るようにしてもよい。但し、その場合に、(LH)の増加に対して回折部２０の質量増加を伴うときには、その機械的電気的特性の劣化に配慮する必要がある。
【００６３】
また、上記実施の形態および実施例では、誘電体層の設計手順を具体的に説明したが、設計方法はこれに限らず、個々の場合について適宜変形可能である。例えば、誘電体層の厚みを優先的に決めて、応力から逆算して構造体の厚みを決定してもよい。また、素子のスイッチング速度がさほど重要でなければ、誘電体層に発生する応力を考慮しなくとも構わない。
【００６４】
更に、上記実施の形態では、ＲＧＢ各色に対応した光変調素子１０Ｒ，１０Ｇ，１０Ｂを用いてレーザディスプレイを構成するようにしたが、本発明の光変調素子はこれ以外の構成を有する各種のディスプレイについても適用可能である。例えば、光源を白色光とする一方で、ＲＧＢそれぞれの波長の光のみを反射して（それ以外の光は回折する）各色を表示するように回折部２０の幅が異なる光変調素子１０Ｒ，１０Ｇ，１０Ｂが１画素を構成するようにしてもよい。また、単一の光源からの白色光を、ＲＧＢの画素データからなる画像情報に同期したカラーホイールでを通して光変調素子１０に入射させるようにすることもできる。更に、例えば、単一の光変調素子１０を用いて、ＲＧＢのＬＥＤ（発光ダイオード）からの光を回折し、画素毎の色の情報を再生するように構成すれば、簡単なハンディタイプのカラーディスプレイとなる。
【００６５】
加えて、本発明の光変調素子は、上記実施の形態のようなレーザディスプレイ等のプロジェクタ類だけでなく、光通信におけるＷＤＭ（Wavelength Devision Multiplexing；波長多重）伝送用の各種デバイス、ＭＵＸ(Multirlexer；パラレル−シリアル変換器／多重化装置) ，ＤＥＭＵＸ(Demultirlexer；パラレル−シリアル変換器／分配化装置) あるいはＯＡＤＭ（Optical Add/Drop Multiplexer），ＯＸＣ（Optical Cross Connect)等の光スイッチとして用いることもできる。更に、例えばディジタル画像等を直画できる微細描画装置，半導体露光装置や、プリンタエンジンなど、その他の光学装置にも適用することができる。
【００６６】
また、上記実施の形態では、光変調素子１０Ｒ，１０Ｇ，１０Ｂを用いて空間変調を行うレーザディスプレイについて説明したが、本発明の光変調素子は位相、光強度などの干渉・回折により変調可能な情報のスイッチングを行うことができ、これらを利用した光学装置に応用することが可能である。
【００６７】
【発明の効果】
以上説明したように請求項１ないし請求項１０のいずれか１項に記載の光変調素子によれば、反射面上に、第１の誘電体層とこの第１の誘電体層に比して高い屈折率を有する第２の誘電体層とからなる誘電体層が形成されているようにしたので、反射面における反射率が増大し、簡易な構成で効果的に光の利用効率を向上させることができる。同時に、反射面における光吸収とそれに伴う発熱が抑制され、素子としての信頼性を向上させることができ、反射面が誘電体層で保護されるために、その製造を容易なものとすることができる。
また、第１および第２の誘電体層のうち、一方の誘電体層が金属層のうちの反射面上に選択的に形成されていると共に、他方の誘電体層が金属層の全面に形成されているようにしたので、回折部の反射率を増大させつつ、その質量および応力の増加を簡易な方法で積極的に抑えることができる。
【００６８】
また、請求項１１ないし請求項１５のいずれか１項に記載の光学装置によれば、本発明の光変調素子を含んで構成されているようにしたので、光源の利用効率が向上する。また、素子の反射面における光吸収が防止され、装置の発熱やヒーロックの発生が抑えられて寿命や信頼性を向上させることができる。
【００６９】
また、請求項１６ないし請求項２６のいずれか１項に記載の光変調素子の製造方法によれば、回折部本体を形成した後に、その上に金属層を設けることにより反射面を形成し、更にその上に、第１の誘電体層とこの第１の誘電体層に比して高い屈折率を有する第２の誘電体層とからなる誘電体層を形成するようにしたので、金属層が誘電体層により保護され、素工程の選択自由度やプロセスの運用マージンを拡げることができ、より容易に、より高い歩留まりで光変調素子を製造することができる。
また、誘電体層を形成する際に、第１および第２の誘電体層のうち、一方の誘電体層を金属層のうちの反射面上に選択的に形成すると共に、他方の誘電体層を金属層の全面に形成するようにしたので、回折部の反射率を増大させつつ、その質量および応力の増加を簡易な方法で積極的に抑えることができる。
【図面の簡単な説明】
【図１】本発明の一実施の形態に係る光変調素子の概略構成を表す図である。
【図２】本発明の一実施の形態に係る光変調素子の断面図である。
【図３】本発明の実施例におけるＡｌ2 Ｏ3 膜を付設した回折部の反射率分光特性であり、その膜厚依存性を表す図である。
【図４】本発明の実施例における誘電体単層膜を付設した回折部の反射率分光特性であり、その誘電体材料依存性を表す図である。
【図５】本発明の実施例における誘電体多層膜を付設した回折部の反射率分光特性であり、その誘電体層数依存性を表す図である。
【図６】本発明の実施例における誘電体多層膜を付設した回折部の反射率分光特性であり、その低屈折率層の材料依存性を表す図である。
【図７】本発明の実施例における可視光域で高反射率となるように膜厚が設定された誘電体多層膜を付設した回折部の反射率分光特性であり、一般的なＱＷＴ膜が付設された場合の反射率分光特性とを比較した図である。
【図８】本発明の実施例におけるＲＧＢのそれぞれに対し高反射率となるように膜厚が設定された誘電体多層膜を付設した３種の回折部の反射率分光特性である。
【図９】本発明の実施例における赤外域で高反射率となるように膜厚が設定された誘電体多層膜を付設した回折部の反射率分光特性であり、その誘電体層数依存性を表す図である。
【図１０】本発明の実施の形態に係る光変調素子の製造方法を説明するための工程を表す図である。
【図１１】図１０に続く工程図である。
【図１２】図１１に続く工程図である。
【図１３】図１２に続く工程図である。
【図１４】本発明の実施の形態に係る光変調素子の動作を説明するための図である。
【図１５】本発明の実施の形態に係る光変調素子の動作を説明するための図である。
【図１６】本発明の実施の形態の変形例に係る光変調素子の回折部の構成を表す断面図である。
【図１７】本発明の実施の形態のもう一つの変形例に係る光変調素子の回折部の構成を表す断面図である。
【図１８】本発明の実施の形態に係るレーザディスプレイの概略構成を表す図である。
【図１９】従来の光変調素子の概略構成を表す図である。
【符号の説明】
１０，１０Ｒ，１０Ｇ，１０Ｂ…光変調素子、１１…基板、１２…絶縁層、１３…下部電極、１４…空隙、１４ａ…犠牲層、１５…構造体、１６…反射層、１６ａ…反射面、１７…第１の誘電体層、１８…第２の誘電体層、２０…回折部、１００…レーザディスプレイ、１０１Ｒ，１０１Ｇ，１０１Ｂ…レーザ、１０２…ミラー、１０３Ｒ，１０３Ｇ，１０３Ｂ…照明光学系、１０４…色合成フィルタ、１０５…空間フィルタ、１０６…ディフュ−ザ、１０７…ガルバノスキャナ、１０８…投影光学系、１０９…スクリーン
Claims (26)
- 上面の一部分を反射面とする金属層を備えた複数の回折部が並列して構成され、
前記反射面上に、第１の誘電体層と、この第１の誘電体層に比して高い屈折率を有する第２の誘電体層とからなる誘電体層が形成されており、
前記第１および第２の誘電体層のうち、一方の誘電体層は、前記金属層のうちの前記反射面上に選択的に形成されていると共に、他方の誘電体層は、前記金属層の全面に形成されている
光変調素子。 - 前記一方の誘電体層は、前記反射面の少なくとも一部を覆うように設けられている
請求項１に記載の光変調素子。 - 前記誘電体層は、総体としての反射率が所望の値となるように層数が設定されている
請求項１に記載の光変調素子。 - 前記誘電体層の各々は、総体としての反射率が所望の値となるように屈折率および厚みの少なくとも一方が設定されている
請求項１に記載の光変調素子。 - 前記誘電体層の各々は、総体としての応力が所望の値となるように厚みが設定されている
請求項１に記載の光変調素子。 - 前記誘電体層は、前記第１の誘電体層および前記第２の誘電体層の組が周期的に積層されたものである
請求項１に記載の光変調素子。 - 前記第１の誘電体層は、フッ化マグネシウム（ＭｇＦ2 ），酸化ケイ素（ＳｉＯ2 ）および酸化アルミニウム（Ａｌ2 Ｏ3 ）の少なくとも１種を含む
請求項１に記載の光変調素子。 - 前記第２の誘電体層は、窒化ケイ素（Ｓｉ3 Ｎ4 ），窒化アルミニウム（ＡｌＮ），酸化チタン（ＴｉＯ2 ）および酸化タンタル（Ｔａ2 Ｏ5 ）の少なくとも１種を含む
請求項１に記載の光変調素子。 - 前記金属層は、銀（Ａｇ），金（Ａｕ），アルミニウム（Ａｌ）およびチタン（Ｔｉ）のいずれか１種あるいはその合金を含む
請求項１に記載の光変調素子。 - 前記回折部は静電力により駆動される
請求項１に記載の光変調素子。 - 上面の一部分を反射面とする金属層を備えた複数の回折部が並列して構成された光変調素子を含み、
前記光変調素子では、
前記反射面上に、第１の誘電体層と、この第１の誘電体層に比して高い屈折率を有する第２の誘電体層とからなる誘電体層が形成されており、
前記第１および第２の誘電体層のうち、一方の誘電体層は、前記金属層のうちの前記反射面上に選択的に形成されていると共に、他方の誘電体層は、前記金属層の全面に形成されている
光学装置。 - 表示装置として用いられる
請求項１１に記載の光学装置。 - 光通信装置として用いられる
請求項１１に記載の光学装置。 - 描画装置として用いられる
請求項１１に記載の光学装置。 - 半導体露光装置として用いられる
請求項１１に記載の光学装置。 - 上面の一部分を反射面とする金属層を備えた複数の回折部が並列して構成された光変調素子の製造方法であって、
前記回折部本体を形成した後に、その上に前記金属層を設けることにより前記反射面を形成し、更にその上に、第１の誘電体層と、この第１の誘電体層に比して高い屈折率を有する第２の誘電体層とからなる誘電体層を形成すると共に、
前記誘電体層を形成する際に、前記第１および第２の誘電体層のうち、一方の誘電体層を前記金属層のうちの前記反射面上に選択的に形成し、他方の誘電体層を前記金属層の全面に形成する
光変調素子の製造方法。 - 前記金属層を前記回折部本体の全面に形成する工程と、
前記誘電体層を前記金属層の上に形成する工程と、
前記金属層および前記誘電体層を所定形状にパターン形成する工程と
を含む請求項１６に記載の光変調素子の製造方法。 - 前記金属層を前記回折部本体の全面に形成し、所定形状にパターン形成する工程と、
パターン化された前記金属層を覆うように前記誘電体層を形成する工程と
を含む請求項１６に記載の光変調素子の製造方法。 - 前記誘電体層を総体としての反射率が所望の値となる層数で形成する
請求項１６に記載の光変調素子の製造方法。 - 前記誘電体層の各々に対し、総体としての反射率が所望の値となるように材料を選定する
請求項１６に記載の光変調素子の製造方法。 - 前記誘電体層の各々を、パターン形成後の厚みが総体としての反射率を所望の値とするように形成する
請求項１６に記載の光変調素子の製造方法。 - 前記誘電体層の各々を、パターン形成後の厚みが総体としての応力を所望の値とするように形成する
請求項１６に記載の光変調素子の製造方法。 - 前記第１の誘電体層および前記第２の誘電体層の組を周期的に積層する
請求項１６に記載の光変調素子の製造方法。 - 前記第１の誘電体層を、フッ化マグネシウム（ＭｇＦ2 ），酸化ケイ素（ＳｉＯ2 ）および酸化アルミニウム（Ａｌ2 Ｏ3 ）の少なくとも１種を用いて形成する
請求項１６に記載の光変調素子の製造方法。 - 前記第２の誘電体層を、窒化ケイ素（Ｓｉ3 Ｎ4 ），窒化アルミニウム（ＡｌＮ），酸化チタン（ＴｉＯ2 ）および酸化タンタル（Ｔａ2Ｏ5 ）の少なくとも１種を用いて形成する
請求項１６に記載の光変調素子の製造方法。 - 前記金属層を、銀（Ａｇ），金（Ａｕ），アルミニウム（Ａｌ）およびチタン（Ｔｉ）のいずれか１種あるいはその合金を用いて形成する
請求項１６に記載の光変調素子の製造方法。
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