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光変調素子アレイ - 富士フイルム株式会社
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発明の名称 光変調素子アレイ
発行国 日本国特許庁(JP)
公報種別 公開特許公報(A)
公開番号 特開2007−24947(P2007−24947A)
公開日 平成19年2月1日(2007.2.1)
出願番号 特願2005−202889(P2005−202889)
出願日 平成17年7月12日(2005.7.12)
代理人 【識別番号】100105647
【弁理士】
【氏名又は名称】小栗 昌平
発明者 木村 宏一
要約 課題
入射効率を改善するとともに透過光量を制御可能な光変調素子アレイを提供する。

解決手段
本発明の光変調素子アレイ10は、入射光Lを反射によって偏向させ、光の反射光路を変化させる微小電気機械式の透過型光変調素子を1次元又は2次元に配列したものであって、入射側透明基板11と、入射側透明基板11に対面するように設けられた出射側透明基板12と、入射側透明基板11及び出射側透明基板12の間に設けられ、入射側透明基板11から入射した入射光Lを反射させる一対の光偏向手段14,15とを備え、一対の光偏向手段14,15のうち一方15が、入射光Lの反射される方向を偏向するように変位可能に設けられている。
特許請求の範囲
【請求項1】
入射光を反射によって偏向させ、光の反射光路を変化させる微小電気機械式の透過型光変調素子を1次元又は2次元に配列した光変調素子アレイであって、
入射側透明基板と、前記入射側透明基板に対面するように設けられた出射側透明基板と、前記入射側透明基板及び前記出射側透明基板の間に設けられ、前記入射側透明基板から入射した入射光を反射させる一対の光偏向手段とを備え、
前記一対の光偏向手段のうち一方が、前記入射光の反射される方向を偏向するように変位可能に設けられていることを特徴とする光変調素子アレイ。
【請求項2】
前記光偏向手段が、前記入射光を前記入射側透明基板に向って反射させる反射体と、前記反射体によって反射された前記入射光を前記出射側透明基板に向って反射させるように、又は、前記反射体に向って反射させるように回動可能なミラー素子であることを特徴とする請求項1に記載の光変調素子アレイ。
【請求項3】
前記光偏向手段が、前記入射光を他方の光偏向手段に向って反射させるように、又は、前記入射光を該入射光の進行方向反対向きに反射させるように回動可能なミラー素子と、前記ミラー素子によって反射された前記入射光を前記出射側透明基板へ向って反射させる反射体とを備えていることを特徴とする請求項1に記載の光変調素子アレイ。
【請求項4】
前記入射側透明基板の入射面に複数のマイクロレンズが設けられ、前記複数のマイクロレンズはそれぞれの集光位置が前記光変調素子に対応するように配置されていることを特徴とする請求項1から3のうちいずれか1つに記載の光変調素子アレイ。
発明の詳細な説明
【技術分野】
【0001】
本発明は、入射光を反射によって偏向させ、光の反射光路を変化させる光変調素子アレイに関し、特に、フォトリソグラフィ工程に使用されるオンディマンドのデジタル露光装置、デジタル露光による印刷装置などの画像形成装置、プロジェクタなどの投影表示装置、ヘッドマウントディスプレイなどのマイクロディスプレイ装置などに搭載される1次元、または2次元の光変調素子アレイに関する。
【背景技術】
【0002】
従来、空間パターンの入射光を変調し、電気的又は光学的入力に対応する光画像を形成する装置として空間光変調器(SLM)が用いられる。例えば、この空間光変調器としては、微小な反射部材を用いて入射光を反射により偏向する光変調素子がある。
【0003】
図13は、従来の光変調素子を用いたスクリーン表示装置の構造を示す断面図である。スクリーン表示装置100は、透明基板101の上面に透明対向電極(ITO)102が形成され、該透明対向電極102と対向するように電極103が絶縁性スペーサ104を介して設けられている。電極103の上面にはカラーフィルタ105と拡散シート106とが設けられている。電極103と透明対向電極102との間には、透明基板101の下面から入射する白色の平行光(入射光)を透明基板101側へ反射して偏向する反射部107が設けられている。反射部107は、厚さが2μm〜3μmの透明のポリマーメンブレンに金属(アルミニウム)からなる反射膜を積層させてなる。反射部107は、反射膜の形成されていない開口部107aと、開口部107a近傍に設けられるとともに電荷を加えることで変形可能な変形部107bとを備えている。また、透明基板101の入射面にはアルミニウムからなる反射体108が設けられている(例えば、特許文献1など参照)。
【0004】
スクリーン表示装置100の動作として、電極により電荷をかけた場合には、反射膜が静電気力によって撓むことでポリマーメンブレンが凹面鏡となり、入射光を収束させて反射体108に反射させ、該反射体108によって電極103を介して上方に射出する。こうして、図13中破線で示す反射光路のように入射光が透過される状態となる。また、電極103によって電荷をかけない場合には、反射膜及びポリマーメンブレンが平坦になって入射面に対して平行となり、入射光が反射膜によって入射面側に反射されるため、この結果、入射光が遮光された状態となる。
【0005】
【特許文献1】米国特許番号4909611
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【0006】
ところで、上記スクリーン表示素子100は、透明基板101の厚さ寸法が3mm〜6mmと大きいうえ、開口部107aの開孔径も小さいので、反射膜に反射された反射光が反射体108に適切に照射され、且つ、反射体108による反射光が他の部位に遮られることなく開孔部107aを通過するように精密に構成することが困難であり、精度が低下することが避けられなかった。
また、透明基板101の入射面に反射体108が配列されているため、入射光が反射体108によって遮られ、入射効率が低下することが避けられなかった。
【0007】
本発明は、上記事情に鑑みてなされたもので、その目的は、入射効率を改善するとともに透過光量を制御可能な光変調素子アレイを提供することにある。
【課題を解決するための手段】
【0008】
本発明の上記目的は、入射光を反射によって偏向させ、光の反射光路を変化させる微小電気機械式の透過型光変調素子を1次元又は2次元に配列した光変調素子アレイであって、入射側透明基板と、前記入射側透明基板に対面するように設けられた出射側透明基板と、前記入射側透明基板及び前記出射側透明基板の間に設けられ、前記入射側透明基板から入射した入射光を反射させる一対の光偏向手段とを備え、前記一対の光偏向手段のうち一方が、前記入射光の反射される方向を偏向するように変位可能に設けられていることを特徴とする光変調素子アレイによって達成される。
【0009】
本発明の光変調素子アレイは、入射側透明基板と出射側透明基板との間に設けられた一対の光偏向手段の一方を変位することで、入射光を所定の方向に反射させることで入射光路を偏向することができる。このため、入射光を遮蔽する、及び、透過させて出射光として出射側透明基板から照射するといった制御を確実に行うことができる。
また、一対の光偏向手段が、入射側透明基板と出射側透明基板との間に配置されているため、入射側の透明基板の厚さに係わらず、一対の光偏向手段同士の間隔によって反射光路の長さを調整することができるうえ、両基板同士の間隔をスペーサ等で小さくすることができる。したがって、図13のスクリーン表示装置100に用いられる従来の光変調素子のように、光偏向手段同士の間隔が大きくなることによって精度が低下することを防止することができ、光偏向手段に要求される光学精度の低下を回避することができる。
さらに、本発明の光変調素子アレイは、図13に示す従来の光変調素子のように透明基板の入射面側に設けられた構成ではないため、入射光がこの光変調素子によって遮られるといった問題を解決できるだけでなく、入射側透明基板の入射面に入射する全ての入射光を有効に利用することができる。
【0010】
上記光変調素子アレイは、光偏向手段が、入射光を入射側透明基板に向って反射させる反射体と、反射体によって反射された入射光を出射側透明基板に向って反射させるように、又は、反射体に向って反射させるように回動可能なミラー素子であることが好ましい。
こうすれば、入射側透明基板から入射した入射光を反射体で反射してミラー素子側に偏向し、この反射光を、回動変位されたミラー素子で反射させることで出射光の方向を所定の方向に偏向することができる。入射光を透過させる場合には、反射体からの反射光をミラー素子によって出射側透明基板へ偏向することで、反射光が出射側透明基板から出射する。入射光を遮蔽させる場合には、反射体からの反射光をミラー素子によって反射体側へ再び反射させることで、入射光はこの反射体を介して入射側透明基板の入射面へ導かれる。このため、反射体とミラー素子によって反射光の光路を偏向することで、入射した光が光変調素子アレイにおける他の部材と干渉することを防止することができる。
【0011】
上記光変調素子アレイは、光偏向手段が、入射光を他方の光偏向手段に向って反射させるように、又は、入射光を該入射光の進行方向反対向きに反射させるように回動可能なミラー素子と、ミラー素子によって反射された入射光を出射側透明基板に向って反射させる反射体とを備えていることが好ましい。
こうすれば、入射側透明基板から入射した入射光が、回動変位したミラー素子で反射されて所定の方向に照射されるようになる。入射光を透過させる場合には、所定の位置までミラー素子を回動変位して入射光を反射体側へ反射させ、反射光を反射体によって出射側透明基板へ偏向することで、反射光が出射側透明基板から出射する。入射光を遮蔽させる場合には、ミラー素子を所定の位置まで回動し、入射した光を反射体を介さず入射側透明基板側へ直接反射させる。このため、反射体とミラー素子によって反射光の光路を偏向することで、入射した光が光変調素子アレイにおける他の部材と干渉することを防止することができる。
【0012】
上記入射側透明基板の入射面に複数のマイクロレンズが設けられ、複数のマイクロレンズはそれぞれの集光位置が光変調素子に対応するように配置されていることが好ましい。
こうすれば、入射側透明基板の入射面から入射する光をマイクロレンズによって光偏向手段に集光することでより一層効率良く入射光を利用することができる。このため、上記光変調素子アレイは、図13に示す従来の光変調素子100のように、入射面において入射光が反射体108によって遮られるといったことがない。
また、光変調素子に対応した位置にマイクロレンズを配設することで、入射光を集光すれば、光偏向手段の回転変位の変位量をより小さくすることができ、光偏向手段の回転変位構造をより小型化することができ、高速の光変調が可能になる。
【発明の効果】
【0013】
本発明によれば、入射効率を改善するとともに、高精度で高速に透過光量を制御可能な光変調素子アレイを提供できる。
【発明を実施するための最良の形態】
【0014】
以下、本発明の実施形態を図面に基づいて詳しく説明する。
(第1の実施形態)
図1は、本発明に係る光変調素子アレイの第1の実施形態を示す構成図である。図1に示すように、光変調素子アレイ10は、入射光Lを反射によって偏向させ、光の反射光路を変化させる微小電気機械式の透過型光変調素子を1次元又は2次元に複数配列したものである。
【0015】
光変調素子はそれぞれ、入射側透明基板11と、該入射側透明基板11の入射面11aとは反対側の面に対して対面するように平行に配置された出射側透明基板12と、入射側透明基板11と出射側透明基板12との間に配置され、後述する駆動電圧制御によって入射光Lを偏向することができる一対の光偏向手段14,15とによって概略構成されている。
【0016】
本実施形態の光変調素子アレイ10において、光変調素子が単一の入射側透明基板11と単一の出射側透明基板12とを共有し、それぞれが一対の光偏向手段14,15とを有している。光変調素子それぞれの光偏向手段14,15を、図示しない回路基板によって独立して駆動制御することが可能である。
【0017】
入射側透明基板11の入射面(図1中下方面)11aには入射光を光偏向手段14,15に集光するマイクロレンズ13が複数配置されている。これらマイクロレンズ13はそれぞれの集光位置が各光変調素子の光偏向手段14,15に対応するように配置されている。なお、マイクロレンズ13により集光された入射光は、光偏向手段14,15の近傍においてビームウェストを形成し、概ね平行光となって各光偏向手段14,15により反射される。
【0018】
本実施形態の光変調素子アレイ10において、一対の光偏向手段14,15は、少なくとも一部に反射面を有する反射体14と、回動可能に支持されたミラー素子15と、からなる。
【0019】
反射体14は、略三角柱状部材であり、出射側透明基板12に一側面が固定されている。また、反射体14は、マイクロレンズ13を介して集光された入射光L11の全部が上記反射面に照射されるとともに所定の方向に反射できる状態で、出射側透明基板12の内側面(図1中下方面)12aにおける所定の位置に配置されている。なお、反射体14において、一側面を反射面としてもよく、一側面の一部に反射面を設けてもよい。反射面としては、後述するミラー素子15と同様の部材からなるものを用いることができる。
【0020】
ミラー素子15は、図1中反時計方向に回動変位することで光入射面(図1中上面)15aの法線方向を調整可能な構成である。また、ミラー素子15は、回動変位させない状態で、光入射面15aが入射側透明基板11と略平行となるように構成されている。
【0021】
次に、本実施形態の光変調素子アレイ10の反射光路を説明する。入射光L11が、マイクロレンズ13を介して入射側透明基板11の入射面11aから入射しつつ該マイクロレンズ13によって集光され、入射側透明基板11を透過し、反射体14の反射面に照射される。そして、入射光L11は、反射体14の反射面によってミラー素子15に向って反射される。ミラー素子15が駆動変位されていない場合、ミラー素子15は入射側透明基板11と略平行であるため、反射体14によって反射された反射光L12が出射側透明基板12に向って反射され、該出射側透明基板12を透過して出射される。つまり、ミラー素子15が駆動変位されていないときは、入射光L11が光変調素子アレイ10を透過する状態(透過状態)となる。
【0022】
一方、ミラー素子15が駆動変位されている場合、マイクロレンズ13により集光された入射光L21が反射体14により反射され、この反射光L22がミラー素子15によって進行方向に対して略逆方向に反射光L23として反射され、また、反射体14によって反射された反射光L24が入射面側透明基板11を透過する。このように、ミラー素子15が駆動変位されているときは、入射光が光変調素子アレイを透過することがない状態(遮蔽状態)となる。光変調素子アレイ10は、各光変調素子の透過状態と遮蔽状態とを切り換えることで入射光の透過光量を制御することができる構成である。
【0023】
つまり、反射体14の反射面とミラー素子の光入射面15aの角度は、透過状態において入射光Lが他の部位によって遮られることなく出射側透明基板12を透過して光変調素子アレイ10から出射され、且つ、遮蔽状態において入射光Lが反射体14及びミラー素子15によって入射側透明基板11に向って完全に反射されるように調整されている。こうすることで、入射光Lが他の部位と干渉することに起因して出射されるべき位置から出射されずに隣り合う他の光変調素子における出射側透明基板12から不適切な出射光として出射されたり、入射側透明基板11へ反射されたりすることを防止することができる。
【0024】
本実施形態の光変調素子アレイ10において、一例として、入射側透明基板11と出射側透明基板12との間隔を5μm〜100μmとし、反射体14の反射面の角度を出射側透明基板12の下面12aに対して2°〜20°とし、ミラー素子15の回動変位時には光入射面15aが反射面と平行になるように入射側透明基板11に対して4°〜40°となるように変位駆動させる。また、画素のピッチは、10μm〜500μm、反射体14およびミラー素子15の平面サイズは、5μm〜200μm程度が実用的な寸法であるが、この限りではない。
【0025】
図2から図7を参照し、ミラー素子が変位駆動する機構を説明する。図2は、ミラー素子の平面図であり、(a)はミラー素子を出射側透明基板側から見た平面図、(b)はミラー素子を構成する可動反射膜が取り外された基板の平面図、図3は図2(a)におけるA−A断面図、図4は図2(a)におけるB−B断面図、図5〜図7は図2(a)におけるA−A断面視において、ミラー素子の変位駆動の動作を示し、図5は可動反射膜が平衡状態にあるミラー素子の断面図、図6は可動反射膜が左傾状態にあるミラー素子の断面図、図7は可動反射膜が右傾状態にあるミラー素子の断面図である。
【0026】
図2から図4に示すように、ミラー素子15は、基板18と、該基板18上に配設された可動反射膜16とを備える。基板18は、Si基板上にCMOS駆動回路(図示せず)を形成し、このCMOS駆動回路を形成した面にSiOなどからなる絶縁膜(図示せず)が形成されてなる。絶縁膜にはCMP(化学的機械的研磨)などで平坦化する処理が施され、絶縁膜の表面にアルミ薄膜などの導電材料からなる第1電極18a、第2電極18b、共通電極18cがCMOS駆動回路に接続されて形成されている。
【0027】
図2(b)に示すように、共通電極18cは、平面視、略I字形のパターンとして基板18の略中央に配置されている。第1電極18aおよび第2電極18bは、矩形のパターンに形成され、共通電極18cを挟んで互いに反対側に配置されている。第1電極18aはCMOS駆動回路の第1駆動電極19aに、第2電極18bはCMOS駆動回路の第2駆動電極19bに、共通電極18cはCMOS駆動回路の共通駆動電極19cに、それぞれ接続されている(図5参照)。
【0028】
第1駆動電極19a,第2駆動電極19b及び共通駆動電極19cは、それぞれ独立に制御駆動することができ、駆動した各駆動電極19a,19b,19cにより第1電極18a、第2電極18bおよび共通電極18cに電圧を印加することができる。本実施形態においては、第1駆動電極19aと第2駆動電極19bとのうちのいずれか一方に電圧を印加し、第1電極18a、および第2電極18bのうち一方に所定の電圧を印加することができる。
【0029】
図2(a)に示すように、可動反射膜16は、アルミニウム薄膜などにより平面視において中央部分が幅広とされた変形I字形に形成されており、矩形の反射部16aと、反射部16aの左右方向中央の上下端縁から突出する幅細部として形成された一対の梁部16b,16bと、各梁部16b,16bに連続して紙面の裏面方向に延設された一対の梁支持部16cとが一体に形成されている。
【0030】
反射部16aは、その上面が鏡面状に加工されており、これにより入射光による反射面の吸収を極力低減し、反射率を極めて高くする効果や、特定の波長の光を反射させる効果が得られる。
【0031】
反射部16aは、一対の梁部16b,16bが捩れ変形することにより、梁部16b,16bを繋ぐ中心線CLを揺動中心として揺動変位し、また梁部16b,16bの弾性力により元の状態に戻るように変位する。梁体16b,16bの弾性力は、該梁体16b,16bの形状(厚さ、幅、長さ等)と、材料物性(ヤング率、ポアソン比等)で任意に決定される。
【0032】
図3および図4に示すように、各梁支持部16cは、基板18の共通電極18c上に接触して配置されており、これにより可動反射膜16の反射部16aおよび一対の梁部16b,16bは、梁支持部16cに支持されて基板18との間に空隙Cが設けられた状態で中空に支持されている。即ち、可動反射膜16は、共通電極18cと電気的に接続すると共に、一対の梁部16b,16bを繋ぐ中心線CLによって2分される反射部16aの一方の部分が基板18の第1電極18aに対応し、また他方の部分が基板18の第2電極18bに対応して配置される。
【0033】
可動反射膜16(反射部16a)を変位する場合には、可動反射膜16を回動変位させる方向に対応する方の第1電極18a(又は第2電極18b)に電圧を印加することで、可動反射膜16に対して該第1電極18aに電位差が生じ、電位差の生じた第1電極18a(又は第2電極18b)と可動反射膜16との間に静電気力が発生する。すると、このとき生じる静電吸引力によって、梁体16bを中心に回転トルクが働き、反射部16aが回動変位し、反射部16aの法線方向が変化する。
【0034】
共通電極18c(可動反射膜16)及び第1電極18aに、又は、共通電極18c(可動反射膜16)及び第2電極18bに電圧が印加されることで、可動反射膜16の中心線CLを挟む幅方向(図5の左右方向)両端に上下(図5中の上下)逆方向の回転モーメントが付与可能となり、矢印d1〜d4に示す方向の回転駆動力が得られるようになる。
【0035】
次に、図5から図7を参照して上記のように構成された光変調素子の動作の一例を説明する。
【0036】
図5に示すように平衡状態にあるミラー素子15に対して、例えば、第1駆動電極19aにより第1電極18aに電位Vaを印加し、共通電極18c(可動反射膜16)に共通駆動電極19cによって電位Vcを印加する。また、第2駆動電極19bは駆動させず、第2電極18bの電位Vbを0にする。すると、図6に示すように、可動反射膜16の反射部16aに発生する静電気力が梁体16bの中心線CLを中心軸として非対称となり、可動反射膜16の図6中の左右方向両端には、それぞれ矢印d3,d4方向の回転駆動力が働く。この結果、可動反射膜16(反射部16a)が上記中心軸CLに対して図6中反時計回りに回動変位する。
【0037】
一方、第1駆動電極19aを制御して、可動反射膜16に対する第1電極18aの電位差を0とすると、可動反射膜16は、梁体16bの捩れによる応力によって、変位前の元の状態(平衡状態)である、図5に示す入射側透明基板11と略平行な位置に戻る。
【0038】
また、図7に示すように、例えば、第2電極18bに第2駆動電極19bによって電位Vbを印加し、共通電極18c(可動反射膜16)に共通駆動電極19cによって電位Vcを印加し、第1駆動電極19aは駆動させず、第1電極18aの電位Vaを0にすれば、可動反射膜16の図7中の左右方向両端には、それぞれ矢印d1,d2方向の回転駆動力が働く。すると、反射部16aが上記中心線CLに対して図7中時計回りに回動変位する。同様に、第2駆動電極19bをオフとすることで、可動反射膜16に対する第2電極18bの電位差を0とすると、可動反射膜16は、梁体16bの捩れによる応力で元のように入射側透明基板11と略平行な位置に戻る(図5参照)。
【0039】
このように、光変調素子アレイ10は、第1駆動電極19a,第2駆動電極19b,共通駆動電極19cの駆動電圧制御と可動反射膜16の支持構造による機械的変位によって、可動反射膜16の反射部16aの位置を任意に変位させることができる。そして、可動反射膜16を変位することで、図1に示すように、反射体からミラー素子に向って照射される光の進行方向が逆方向に偏向される、つまり、反射体14からの反射光が再度反射体14側に反射される。この結果、入射光Lが光変調素子アレイ10において遮蔽状態となる。
【0040】
また、機械的変位によって可動反射膜16の位置を戻すことで、ミラー素子15の反射部16aが入射側透明基板11と同様に略平行となり、反射体14からミラー素子15に向って照射される光の進行方向が出射側透明基板12側へ偏向される。この結果、入射光Lが光変調素子アレイ10において透過状態となる。
【0041】
次に、上記した光変調素子アレイの作製方法について、図8〜図11に基づいて説明する。図8はミラー素子モジュールの作成過程を(a)から(e)で説明する概略図、図9は反射体アレイモジュールの作成過程を(a)から(c)で説明する概略図、図10は組付け直前におけるミラー素子モジュール、反射体アレイモジュールおよびマイクロレンズアレイモジュールの位置関係を示す概略図、図11はミラー素子モジュール、反射体アレイモジュールおよびマイクロレンズアレイモジュールが組み付けられた光変調素子アレイの概略図である。
【0042】
光変調素子アレイ10は、複数のミラー素子15がアレイ状に配置されたミラー素子モジュール41と、出射側透明基板12上に複数の反射体14がアレイ状に配置された反射体アレイモジュール42と、複数のマイクロレンズ13が入射側透明基板11上にアレイ状に配置されたマイクロレンズアレイモジュール43とから構成されている。それぞれのミラー素子15、反射体14およびマイクロレンズ13は、互いに対応する位置に所定の間隔で配置されている。
【0043】
(ミラー素子モジュールの作製)
先ず、ミラー素子モジュール41の作製方法について図8を参照して説明する。図8(a)に示すように、Si基板上にCMOS駆動回路(図示せず)を形成し、その上に第1のSi0絶縁膜(図示せず)を形成してその表面をCMP(化学的機械的研磨)等で平坦化した後、CMOS駆動回路の出力を各電極18a,18b,18cと接続するためのコンタクトホール(図示せず)を形成して基板18とする。
【0044】
そして、基板18の上部に第1導電膜であるアルミ45(好ましくは高融点金属を含有したアルミ合金)をスパッタで成膜する。第1導電膜45は、フォトリソグラフィとエッチングによりパターニングされ、第1電極18a、第2電極18b、共通電極18cとなる。アルミのエッチングは、アルミエッチャント(リン酸、硝酸、酢酸の混合水溶液)によるウェットエッチング、又は塩素系ガスによるRlEドライエッチングによってなされる。
【0045】
次に、図8(b)に示すように、犠牲層46としてポジ型のレジストを塗布した後に、梁支持部16cとなる箇所にコンタクトホール47を形成し、ハードベークする。ハードベークはDeep UVを照射しながら200°Cを超える温度で行う。これにより後工程の高温プロセスにおいてもその形状を維持し、又レジスト剥離溶剤に不溶となる。また、ベーク時のリフロー効果により、下地膜の段差に依らずレジスト表面は概ね平坦となるが、更なる平坦化にはコンタクトホール47の形成前にエッチバックや研磨法を用いることができる。
【0046】
この犠牲層46は、後述の工程で除去される。従って、ハードベーク後のレジストの膜厚tは将来の各電極18a,18b,18cと可動反射膜16の空隙Cの寸法を決定する。なお、犠牲層46として上記レジストの代わりに感光性ポリイミドも使用可能である。
【0047】
図8(c)に示すように、第2導電膜48としてアルミ薄膜(又はアルミ合金)をスパッタにより成膜する。第2導電膜48はフォトリソグラフィとエッチングにより梁部16b、16bと可動反射膜16の反射部16aとなる所望の形状にパターニングされる。アルミのエッチングは、アルミエッチャント(リン酸、硝酸、酢酸の混合水溶液)によるウェットエッチング、又は塩素系ガスによるRlEドライェッチングによってなされる。
【0048】
最後に、図8(d)に示すように、酸素系ガスのプラズマエッチング(アッシング)により、犠牲層46であるレジスト層を除去して空隙Cを形成し、所望構造の光変調素子を形成する。
【0049】
なお、基板18はSi基板のため不透明である。このため、最終的には図8(e)に示すように、少なくとも光路となる領域(Si基板上に形成されたCMOS駆動回路部以外の領域)を透明化する必要がある。基板18を透明化するには、Si基板に貫通孔を開ける方法、又はCMOS駆動回路部の領域を残してSi基板を除去し、透明基板(例えばガラス基板など)を貼り合せることで透明化することが可能である。
【0050】
可動反射膜16の他の構成例として、反射性及び導電性を有するものであればアルミ以外の部材でもよい。また、一般の導電部材上に誘電体多層膜などの干渉ミラーを積層してもよい。また、最表面に保護用の絶縁膜(例えばSi0,SiNx)を積層してもよい。また、Si0,SiNx,BSG、金属酸化膜、ポリマーなどの絶縁性の薄膜に反射性及び導電性を有する薄膜を積層したハイブリッド構造も使用可能である。
【0051】
また、上記の作製方法では、犠牲層46としてレジスト材を用いたが、これに限らない。例えば、アルミ、Cu等の金属、Si0等の絶縁性材料なども犠牲層として好適である。この場合、構造材には犠牲層を除去する際に腐食やダメージを受けない材料が適宜選択される。
【0052】
犠牲層46の除去方法は、実施例のドライエツチング(プラズマエツチング)の他に公知の構造材と犠牲層の組合せによってはウェットエッチングも使用可能である。なお、ウェットエッチングの場合は、エッチング後のリンス・乾燥工程で構造体が表面張力によりスティッキングを起こさないようにするために、超臨界乾燥法、又は凍結乾燥法による乾燥法が好ましい。
その他、本発明の主旨に沿うものであれば、構造・材料・プロセスは上記したものに限定されない。
【0053】
(反射体アレイモジュールの作製)
図9(a)に示すように、先ず透明なガラス基板などの出射側透明基板12上に反射構造体となる反射金属膜51(アルミ等)を成膜する。次に、図9(b)に示すように、ポジ型レジスト膜を塗布し、グレースケールフォトマスクによるフォトリソグラフィにより所望形状(例では三角柱状)の反射構造体と同様の形状にレジスト構造体52を形成する。そして、図9(c)に示すように、塩素系のRIEエッチングにより反射金属膜を所望の形状(例では三角柱状)に形成する。即ちレジスト構造体52を反射金属膜に転写して出射側透明基板12上に所望形状(例では三角柱状)の反射体14を形成して反射体アレイモジュール42とする。
【0054】
(マイクロレンズアレイモジュールの作製)
マイクロレンズアレイモジュール43は、入射側透明基板11の入射面11aに複数のマイクロレンズ13がアレイ状に配置された透明部材であり、例えば、アクリル樹脂などの透明樹脂を射出成形して作製される。
【0055】
(光変調素子アレイの作製)
光変調素子アレイ10は、図11に示すように、出射側透明基板12上に複数の反射体14が形成された反射体アレイモジュール42と、少なくとも光路となる領域が透明化された基板18上に複数のミラー素子15がアレイ状に形成されたミラー素子モジュール41と、入射側透明基板11上に複数のマイクロレンズ13がアレイ状に形成されたマイクロレンズアレイモジュール43とを、各々アライメント調整(位置調整)しながら貼り合せて作製される。
【0056】
各々のモジュール41,42,43には、後述の貼り合せ工程で位置合わせを行うためのアライメントパターン(図示せず)が予め形成されている。なお、反射体アレイモジュール42とミラー素子モジュール41を貼り合せる時、ミラー素子モジュール41側の反射体アレイモジュール42の周囲に、各ミラー素子15の距離を決定する支柱52を形成する。
【0057】
支柱52は、UV硬化、又は熱硬化接着剤に支柱52の高さを決めるスペーサ粒子(樹脂又はシリカ)を分散した調整液をディスペンス法、又はスクリーン印刷法等でパターニング塗布することにより作製される。また、他の方法としては、支柱52を金属、ガラス材料、樹脂等で、成膜・フォトリソグラフィ・エッチングにより直接形成しても良い。高さは支柱52の高さで決定される。フオトリソグラフィ法によれば高精度な形成が可能である。この後、支柱52の貼り合せ接触部52aに接着材を形成する。スペーサの高さは、本発明の動作が可能となるように設計された高さに調整される。なお、本発明の主旨に沿えば上記以外の製法でもあってもよい。
【0058】
本実施形態の光変調素子アレイ10は、入射側透明基板11と出射側透明基板12との間に設けられた光偏向手段であるミラー素子15を変位することで、入射光Lを所定の方向に反射させて入射光路を偏向し、入射光Lを遮蔽する、及び、透過させて出射光として出射側透明基板12から照射させるように適宜制御することができる。
【0059】
また、光偏向手段である反射体14及びミラー素子15はともに、入射側透明基板11と出射側透明基板12との間に配置されているため、図13のスクリーン表示素子100における光変調素子のように入射側の透明基板101の厚さに係わらず、一対の光偏向手段同士の間隔によって反射光路の長さを調整することができるうえ、両基板同士の間隔をスペーサ等で小さくすることができ、光偏向手段に要求される光学精度の低下を回避することができる。
【0060】
さらに、本発明の光変調素子アレイ10は、図13の光変調素子のように透明基板101の入射面側に設けられた構成ではないため、透明基板に入射する入射光が遮られることないため、入射側透明基板11の入射面側から入射する全ての入射光を有効に利用することができる。
【0061】
入射側透明基板11の入射面11aに複数のマイクロレンズ13が設けられ、複数のマイクロレンズ13はそれぞれの集光位置が光変調素子に対応するように配置されているため、入射面11aから入射する光をマイクロレンズ13によって光偏向手段14,15に集光することでより一層効率良く入射光を利用することができる。このため、上記光変調素子アレイ10は、図13に示す従来の光変調素子100のように入射した光が開口部107a以外の部位で遮られることがない。
また、マイクロレンズ13によって光偏向手段14,15に集光すれば、可動反射膜16(反射部16a)の回転変位の変位量をより小さくすることができ、可動反射膜16の回転変位構造をより小型化することができる。
【0062】
上記した第1実施形態の光変調素子アレイの変形例として、反射体を出射側透明基板と平行に配置すると共に、入射光を入射側透明基板の入射面に対して斜めから入射させ、反射体で反射した反射光をミラー素子に入射させるように構成することもできる。この場合、反射体は第1実施形態で示すような三角柱状に形成する必要がなく、例えば、出射側透明基板の内側面に薄板状に形成した薄膜として構成することができる。これにより、光変調素子アレイの構造が簡略化され、製作コストの低減が図れる。
【0063】
また、反射体の反射面角度、ミラー素子の角度、偏向手段、ミラー素子の変位駆動における透過/遮光などの構成、組合せは、実施例記載のものに限定されることはなく、本発明の主旨から逸脱しない限り任意である。
【0064】
(第2の実施形態)
図12に、本発明にかかる光変調素子アレイの第2の実施形態を示す。なお、以下に説明する実施形態において、すでに説明した部材などと同等な構成・作用を有する部材等については、図中に同一符号又は相当符号を付すことにより、説明を簡略化或いは省略する。
【0065】
図12に示すように、本実施形態の光変調素子アレイ20において、入射側透明基板21と出射側透明基板22との間に、マイクロレンズ23を介して透過された入射光Lが照射されるように、駆動電圧制御により変位可能なミラー素子25が配設されている。また、変位したミラー素子25によって反射された入射光Lが照射されように入射側透明基板21における入射面21aの反対側の面(図12中の上面)における所定位置に反射体24が配設されている。
なお、ミラー素子を変位させるための駆動電圧制御機構は、上記第1の実施形態と同様である。
【0066】
次に、図5から図7および図12を参照して本実施形態の光変調素子アレイ20の動作を説明する。
上記実施形態と同様の駆動電圧制御を行って可動反射膜16(反射部16a)を変位すると、マイクロレンズ23により集光された入射光L31がミラー素子25の入射面(図12中下側の面)25aに入射する角度が変化し、ミラー素子25によって反射される入射光L32の進行方向が反射体24側に偏向される。そして、反射光L32は、反射体24の反射面において反射され、出射側透明基板22側に反射される。この結果、入射光Lが光変調素子アレイ20において透過状態となる。
【0067】
また、ミラー素子25を変位させない状態、及び、機械的変位によって可動反射膜16の位置を戻した状態で、ミラー素子25が入射側透明基板21と略平行となり、マイクロレンズ23により集光された入射光L41が略垂直にミラー素子25の入射面25aに入射する。このため、入射光L41は、入射する方向に対して反対方向に反射され、この反射光L42が入射側透明基板21内を図示しない光源側に向って透過する。この結果、入射光Lが出射側透明基板22から照射されることがなく、光変調素子アレイ20において遮蔽状態となる。
【0068】
本実施形態の光変調素子アレイ20によれば、上記実施形態の光変調素子アレイ10と同様の効果を得ることができる。
【0069】
なお、本発明は、前述した実施形態に限定されるものではなく、適宜な変形、改良などが可能である。
例えば、上記実施形態の光変調素子アレイ10,20における電極配線、駆動電圧制御によるミラー素子15,25の変位方法は一例であり、これに限定されるものではない。
【図面の簡単な説明】
【0070】
【図1】本発明に係る光変調素子アレイの第1の実施形態を示す構成図である。
【図2】ミラー素子の平面図であり、(a)はミラー素子を出射側透明基板側から見た平面図、(b)はミラー素子を構成する可動反射膜が取り外された基板の平面図である。
【図3】図2(a)におけるA−A断面図である。
【図4】図2(a)におけるB−B断面図である。
【図5】図5〜図7は図2(a)におけるA−A断面視において、ミラー素子の変位駆動の動作を示し、図5は可動反射膜が平衡状態にあるミラー素子の断面図である。
【図6】可動反射膜が左傾状態にあるミラー素子の断面図である。
【図7】可動反射膜が右傾状態にあるミラー素子の断面図である。
【図8】ミラー素子モジュールの作成過程を(a)から(e)で説明する概略図である。
【図9】反射体アレイモジュールの作成過程を(a)から(c)で説明する概略図である。
【図10】組付け直前におけるミラー素子モジュール、反射体アレイモジュールおよびマイクロレンズアレイモジュールの位置関係を示す概略図である。
【図11】ミラー素子モジュール、反射体アレイモジュールおよびマイクロレンズアレイモジュールが組み付けられた光変調素子アレイの概略図である。
【図12】本発明にかかる光変調素子アレイの第2の実施形態を示す。
【図13】従来の光変調素子を用いたスクリーン表示装置の構成を示す図である。
【符号の説明】
【0071】
10 光変調素子アレイ
11 入射側透明基板
12 出射側透明基板
13 マイクロレンズ
14 反射体(光偏向手段)
15 ミラー素子(光偏向手段)
L 入射光




 

 


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