(57)【要約】【課題】  高速駆動が可能でかつ高い光利用効率が実現された空間光変調素子を提供する。【解決手段】  空間光変調素子２０Ａは、固定電極として機能する半導体基板２２を含む基部２１と、基部２１の主表面上方に設けられた一対の梁部２４ａ，２４ｂと、入射光１００を反射する反射面を有するミラー部２６と、一対の梁部２４ａ，２４ｂのそれぞれとミラー部２６とを連結する一対の連結部２５ａ，２５ｂと、梁部２４ｂの上面に設けられた可動電極２９ｂとを備える。この空間光変調素子２０Ａにおいては、固定電極として機能する半導体基板２２と可動電極２９ｂとの間に生じる静電引力によって可動電極２９ｂが変位し、これに伴って可動電極２９ｂが設けられた梁部２４ｂと一対の連結部２５ａ，２５ｂとが撓むことにより、ミラー部２６が駆動され、入射光１００に対する角度変調を行なう。【選択図】        図２
2006133412.tif 000002
【特許請求の範囲】
【請求項１】
固定電極を有する基部と、
前記基部の主表面上方に設けられた一対の梁部と、
入射光を反射する反射面を有するミラー部と、
前記一対の梁部のそれぞれと前記ミラー部とを連結する一対の連結部と、
前記一対の梁部のうちの少なくとも一方に設けられた可動電極とを備え、
前記固定電極と前記可動電極との間に生じる静電引力または静電反発力によって前記可動電極が変位し、これに伴って前記可動電極が設けられた梁部と前記一対の連結部とが撓むことにより、前記ミラー部が駆動される、空間光変調素子。
【請求項２】
前記連結部の撓み方向は、前記反射面の偏向方向と同一の方向である、請求項１に記載の空間光変調素子。
【請求項３】
前記可動電極が設けられた梁部の撓み方向は、前記反射面の偏向方向と直交する方向である、請求項１または２に記載の空間光変調素子。
【請求項４】
前記連結部の剛性は、前記ミラー部の剛性の１／２以下である、請求項１から３のいずれかに記載の空間光変調素子。
【請求項５】
前記可動電極は、前記固定電極の上方において延在し、かつ前記梁部の上面に設けられている、請求項１から４のいずれかに記載の空間光変調素子。
【請求項６】
前記可動電極が設けられた梁部の下面に突起部が設けられている、請求項１から５のいずれかに記載の空間光変調素子。
【請求項７】
前記可動電極が設けられた梁部の変位量が、前記固定電極と前記可動電極との間の距離の１／３以下である、請求項１から６のいずれかに記載の空間光変調素子。
【請求項８】
前記可動電極が前記一対の梁部の両方に設けられている、請求項１から７のいずれかに記載の空間光変調素子。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、空間光変調素子に関し、特に、入射光に対して反射面を傾斜させることにより角度変調を行う空間光変調素子に関する。
【背景技術】
【０００２】
近年、光の振幅や位相を空間的に変化させる光学素子である空間光変調素子が注目を浴びている。空間光変調素子は、たとえば露光ヘッドとして利用され、この空間光変調素子を用いた露光ヘッドにおいては、画像データに応じて変調された光ビームにより画像の露光が行なわれる。
【０００３】
図１５は、空間光変調素子を用いた画像露光装置の一般的な構成例を示す模式図である。図１５に示すように、空間光変調素子を用いた画像露光装置１は、露光ヘッド２とステージ７とを備える。露光ヘッド２は、レーザ光を出射する光源３と、光源３から出射されたレーザ光をコリメートするコリメートレンズ系４と、コリメートされたレーザ光を空間変調する空間光変調素子５と、空間変調されたレーザ光を結像する結象レンズ系６とを備える。ステージ７は、ステージ７上に載置された露光対象物８を露光ヘッド２に対して相対的に移動させるものである。
【０００４】
露光ヘッド２は、画像データ等に応じて生成した制御信号に基づいて空間光変調素子５を形成する個々の素子をオン／オフ制御することにより、空間変調されたレーザ光を導出し、所定の走査速度で走査しながらこの空間変調されたレーザ光を用いて露光対象物８を画像露光するものである。
【０００５】
ここで、露光ヘッド２に求められる露光精度をｒとし、ステージ７の駆動速度をｖとすると、空間光変調素子５を形成する個々の素子は、ステージ７が距離ｒだけ進む間に変調を行う必要があるため、空間光変調素子５を形成する個々の素子に求められる駆動周波数ｆは、次式（１）で与えられることになる。
【０００６】
【数１】
2006133412.tif 000003
【０００７】
式（１）より、ステージ７の高速化あるいは露光の高精度化に伴い、空間光変調素子にはより高速での駆動が要求されることが分かる。たとえば、露光の高速化を図るために、ステージ７を走査速度ｖ＝５００（ｍｍ／ｓｅｃ）の高速ステージとし、解像度Ｅ＝０．８（μｍ）で露光を行う場合、必要とされる露光精度ｒは、通常、解像度Ｅの１／３から１／４程度であるので、ｒ＝Ｅ／４＝０．２（μｍ）となる。この場合、空間光変調素子５を形成する個々の素子に求められる駆動周波数ｆは、ｆ＝ｖ／（２×ｒ）＝１．２５（ＭＨｚ）となる。
【０００８】
以上において説明したように、露光の高精度化あるいは露光速度の高速化を実現するためには、高速駆動可能な空間光変調素子が必要である。
【０００９】
ところで、高速の空間光変調を実現する手段として、マイクロマシニング技術によって個々の素子がマイクロメートルオーダーに微細加工された空間光変調素子が知られている。図１６は、このマイクロマシニング技術を用いて形成された捩れ駆動型のマイクロミラーデバイスの模式図である。
【００１０】
図１６（Ａ）に示すように、マイクロミラーデバイス１０は、入射光を全反射可能なマイクロミラー１１と、マイクロミラー１１の両端部に連結された一対の捩ればね１２と、捩ればね１２のそれぞれに連結された支柱１３とによって構成される。このように構成されたマイクロミラーデバイス１０においては、図１６（Ｂ）に示すように、静電引力等によるトルクを発生させることにより、捩ればね１２が捩れることによってマイクロミラー１１の傾きが切り替えられ、反射光の角度変調が行なわれる。
【００１１】
この捩れ駆動型のマイクロミラーデバイスとして、ＤＭＤ（Digital Micromirror Device）が知られている。ＤＭＤにおいては、マイクロマシニング技術を応用することにより、基板上に複数の素子がアレイ状に製作される。
【００１２】
しかしながら、図１６に示すような捩ればね１２を捩ることにより角度変調を行う捩れ駆動型の空間光変調素子にあっては、駆動の際に捩ればね１２に大きな負荷がかかるため、剛性の低い部材で捩ればね１２を形成する必要がある。そのため、捩れ駆動型の空間変調素子の駆動周波数は、数十から数百ＫＨｚ程度となり、十分な高速性が得られず、ステージ走査速度５００（ｍｍ／ｓｅｃ）、露光精度０．２（μｍ）のような高速、高分解能の露光を行う場合には、変調速度が不足するという問題が生じる。
【００１３】
一方、特開２００２−３５１０８６号公報には、マイクロマシニング技術によって製作されたＧＬＶ（Grating Light Valve）デバイスを露光ヘッドとして使用する画像露光装置が提案されている（特許文献１）。図１７は、上記特許文献１に開示される空間光変調素子として利用されるＧＬＶデバイスの概略構成図である。
【００１４】
図１７に示すように、ＧＬＶデバイス１５は、基板１６と、基板１６上に設けられ、可動格子となる複数個平行に配置されたリボン状のマイクロブリッジ１７とによって構成される。このＧＬＶデバイス１５にあっては、基板１６とマイクロブリッジ１７に電圧を印加することにより、これらの間に電位差を生じさせ、この電位差に基づく静電引力を発生させてマイクロブリッジ１７の中央部を基板１６に吸着させるものある。したがって、電圧を印加することで基板１６に吸着されるマイクロブリッジ１７を基板１６上において交互に配列することにより、電圧の印加によって回折格子を生成することが可能になり、入射光に対する変調が行われるようになる。
【００１５】
上述のＧＬＶデバイス１５に使用されるようなマイクロブリッジ１７は、たとえば低圧化学気相成長法（ＬＰＣＶＤ：Low Pressure Chemical Vapor Deposition）によって成膜された剛性および内部引張応力の高いシリコン窒化膜（ＳｉＮｘ膜）を用いて形成される。そのため、数ＭＨｚから数十ＭＨｚ程度の高速の駆動周波数を得ることが可能である。
【００１６】
しかしながら、マイクロブリッジにより構成されるＧＬＶデバイスにあっては、±１次回折光、つまり２方向の回折光を発生させて角度変調を行うため、光の利用効率が半減してしまう問題を有する。これを解決すべく、２方向の回折光を利用する構成を採用する場合には、２方向に進む光を集めて１本にするための複雑な光学系が別途必要となってしまう。
【００１７】
また、ＧＬＶデバイスを用いて角度変調を行った場合には、設計値に対し僅かな寸法誤差が生じた場合でも回折効率が大きく減少してしまう問題もある。ＧＬＶデバイス１５に入射する入射光の波長をλとし、マイクロブリッジ１７と基板１６との間の距離をｄとすると、１次回折光の回折効率ηは、次式（２）で与えられる。
【００１８】
【数２】
2006133412.tif 000004
【００１９】
ここで、入射光の波長をλ＝３６５（ｎｍ）とした場合、マイクロブリッジ１７と基板１６間の距離ｄがｄ＝λ／４＝９１．２５（ｎｍ）のときに回折効率ηは最大値となるが、マイクロブリッジ１７と基板１６との間の距離ｄに±２０（ｎｍ）の誤差が生じると回折効率ηに１２％の低下が生じ、±３０（ｎｍ）の誤差が生じると回折効率ηが２５％の低下してしまう。
【００２０】
以上において説明したように、高い回折効率のＧＬＶデバイスを得るためには、許容できる寸法誤差範囲が非常に狭くなる問題があるため、製作が非常に困難となる。
【特許文献１】特開２００２−３５１０８６号公報
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【００２１】
上述のように、従来における空間光変調素子にあっては、高速駆動と高い光利用効率との両立が困難であった。
【００２２】
したがって、本発明は、この課題を解決すべくなされたものであり、高速駆動が可能でかつ高い光利用効率が実現された空間光変調素子を提供することを目的とする。
【課題を解決するための手段】
【００２３】
本発明に基づく空間光変調素子は、固定電極を有する基部と、上記基部の主表面上方に設けられた一対の梁部と、入射光を反射する反射面を有するミラー部と、上記一対の梁部のそれぞれと上記ミラー部とを連結する一対の連結部と、上記一対の梁部のうちの少なくとも一方に設けられた可動電極とを備えており、上記固定電極と上記可動電極との間に生じる静電引力または静電反発力によって上記可動電極が変位し、これに伴って上記可動電極が設けられた梁部と上記一対の連結部とが撓むことにより、上記ミラー部が駆動されるものである。上記本発明に基づく空間光変調素子にあっては、上記連結部の撓み方向が上記反射面の偏向方向と同一の方向であることが好ましい。また、上記本発明に基づく空間光変調素子にあっては、上記可動電極が設けられた梁部の撓み方向が上記反射面の偏向方向と直交する方向であることが好ましい。
【００２４】
このように構成することにより、連結部を捩れ変形させるのではなく、梁部および連結部を撓み変形させることによってミラー部を駆動することが可能になるため、高速でのミラー部の駆動が可能となる。したがって、ミラー部の反射面の傾きを高速で変化させることが可能になるため、入射光に対する角度変調を高速で行なえるようになる。また、高い光利用効率も実現されるため、高速駆動と高い光利用効率との両立が図られた空間光変調素子とすることができる。
【００２５】
上記本発明に基づく空間光変調素子にあっては、上記連結部の剛性が上記ミラー部の剛性の１／２以下であることが好ましい。このように構成することにより、ミラー部の駆動時において連結部が十分に撓むようになるため、ミラー部の反射面に歪みが生じ難くなる効果が得られる。
【００２６】
上記本発明に基づく空間光変調素子にあっては、上記可動電極が上記固定電極の上方において延在し、かつ上記梁部の上面に設けられていることが好ましい。このように、可動電極を梁部の上面に設けかつ可動電極の下方に固定電極を配置することにより、製造が容易でかつ確実に梁部変位させてミラー部を駆動させることが可能な空間光変調素子とすることができる。
【００２７】
上記本発明に基づく空間光変調素子にあっては、上記可動電極が設けられた梁部の下面に突起部が設けられていることが好ましい。このように構成することにより、ミラー部の駆動時における梁部と基部との接触面積を小さくすることが可能になるため、梁部と基部との張り付きが防止されるようになり、これら部位間における張り付きによる動作不良が防止できる。
【００２８】
上記本発明に基づく空間光変調素子にあっては、上記可動電極が設けられた梁部の変位量が上記固定電極と上記可動電極との間の距離の１／３以下であることが好ましい。このように構成することにより、ミラー部の駆動時における梁部と基部との接触が回避されるようになるため、梁部と基部との張り付きが防止されるようになり、これら部位間における張り付きによる動作不良が防止できる。
【００２９】
上記本発明に基づく空間光変調素子にあっては、上記可動電極が上記一対の梁部の両方に設けられていることが好ましい。このように構成することにより、一対の梁部の片方に可動電極が配設された空間光変調素子に比べ、倍の角度変調量を得ることが可能になる。
【発明の効果】
【００３０】
本発明によれば、高速駆動が可能でかつ高い光利用効率が実現された空間光変調素子とすることができる。
【発明を実施するための最良の形態】
【００３１】
以下、本発明の実施の形態について、図を参照して詳細に説明する。
【００３２】
（実施の形態１）
図１（Ａ）は、本発明の実施の形態１における空間光変調素子の構造を示す概略斜視図であり、図１（Ｂ）は、図１（Ａ）中に示すＩＢ−ＩＢ線に沿った概略断面図である。まず、これら図１（Ａ）および図１（Ｂ）を参照して、本実施の形態における空間光変調素子の構成について説明する。
【００３３】
図１（Ａ）および図１（Ｂ）に示すように、本発明の実施の形態１における空間光変調素子２０Ａは、基部２１と、基部２１の上方に設けられた一対の梁部２４ａ，２４ｂと、入射光を反射するミラー部２６と、梁部２４ａ，２４ｂのそれぞれとミラー部２６とを連結する一対の連結部２５ａ，２５ｂと、梁部２４ｂに設けられた可動電極２９ｂとを主に備える。
【００３４】
基部２１は、たとえば、主表面が保護膜２３によって覆われた半導体基板２２によって構成される。本実施の形態における空間光変調素子２０Ａにあっては、上述の半導体基板２２としてシリコン基板を利用し、上述の保護膜２３としてシリコン基板の主表面を熱酸化させること等によって形成したシリコン酸化膜（ＳｉＯ2膜）を利用している。
【００３５】
一対の梁部２４ａ，２４ｂのそれぞれは、上述の基部２１の主表面上に設けられた一対のマイクロブリッジの一部分として形成される。マイクロブリッジは、マイクロマシニング技術を適用して形成されるものであり、基部の主表面上に立設された一対の支柱部と、これら一対の支柱部の上端同士を連結する梁部とによって構成される微細構造体である。本実施の形態における空間光変調素子２０Ａにおいても、マイクロブリッジは、基部２１の主表面上に形成されており、基部２１の主表面上に立設された支柱部を連結するように梁部２４ａ，２４ｂが形成されている。したがって、梁部２４ａ，２４ｂのそれぞれは、基部２１の主表面上方に基部２１の主表面と所定の距離をもって離間して配置されることになる。なお、本実施の形態における空間光変調素子２０Ａにあっては、マイクロブリッジが、たとえばＬＰＣＶＤ等で形成されたシリコン窒化膜（ＳｉＮx膜）等に代表される可撓性を有する部材にて形成されており、そのため、梁部２４ａ，２４ｂは、基部２１の主表面と交差する方向（特に直交する方向）において適度な可撓性を有している。
【００３６】
ミラー部２６は、基部２１の主表面の上方において一対の梁部２４ａ，２４ｂの間に位置しており、主表面がアルミニウム蒸着膜等の反射膜２８によって覆われた板状部２７によって形成されている。板状部２７の主表面上に形成された反射膜２８の主表面は、入射光に対して高い反射率特性を有しており、好ましくは入射光を全反射する全反射面として形成される。なお、板状部２７は、たとえばＬＰＣＶＤ等で形成されたシリコン窒化膜（ＳｉＮx膜）等によって形成される。
【００３７】
一対の連結部２５ａ，２５ｂは、一対の梁部２４ａ，２４ｂのそれぞれとミラー部２６とを連結している。より具体的には、連結部２５ａ，２５ｂは、それぞれ一対の梁部２４ａ，２４ｂの延伸方向と略直交する方向に延びており、一端が一対の梁部２４ａ，２４ｂの延伸方向の略中央部に連結され、他端がミラー部２６の板状部２７の端面に連結されている。連結部２５ａ，２５ｂは、たとえばＬＰＣＶＤ等で形成されたシリコン窒化膜（ＳｉＮx膜）等の適度に可撓性を有する部材にて形成されている。したがって、連結部２５ａ，２５ｂは、基部２１の主表面と交差する方向（特に直交する方向）に適度な可撓性を有している。
【００３８】
上述の梁部２４ａ，２４ｂを含む一対のマイクロブリッジと、一対の連結部２５ａ，２５ｂと、ミラー部２６の板状部２７とは、基部２１の主表面上において同一の部材にて同時に形成されることが好ましい。本実施の形態における空間光変調素子２０Ａにあっては、梁部２４ａ，２４ｂ、連結部２５ａ，２５ｂおよび板状部２７が、ＬＰＣＶＤ等によって一体的に形成されたシリコン窒化膜にて構成されている。
【００３９】
一対の梁部２４ａ，２４ｂのうちの一方の梁部２４ｂには、可動電極２９ｂが設けられている。可動電極２９ｂは、たとえば梁部２４ｂの上面にアルミニウム膜等の導電性膜を堆積することによって形成されるものであり、後述の固定電極と対をなす電極である。
【００４０】
図２（Ａ）は、本発明の実施の形態１における空間光変調素子において、ミラー部を駆動させた状態を示す概略斜視図であり、図２（Ｂ）は、図２（Ａ）中におけるＩＩＢ−ＩＩＢ線に沿った概略断面図である。次に、これらの図を参照して、本実施の形態における空間光変調素子の駆動方法について説明する。
【００４１】
図２（Ａ）および図２（Ｂ）に示すように、本実施の形態における空間光変調素子２０Ａにおいてミラー部２６を駆動させるためには、一対の梁部２４ａ，２４ｂのうち、可動電極２９ｂが形成された方の梁部２４ｂを基部２１方向に向かって変位させることによって行なう。より具体的には、図２（Ｂ）に示すように、半導体基板２２と、梁部２４ｂに設けられた可動電極２９ａとに電圧を印加し、これらの間に電位差を生じさせ、これらの間に生じるクーロン力（静電引力または静電反発力）によって梁部２４ｂを変位させる。すなわち、半導体基板２２に電圧を印加することにより半導体基板２２そのものを固定電極として機能させ、梁部２４ｂに設けられた可動電極２９ｂと対をなす電極として使用する。
【００４２】
図２（Ａ）および図２（Ｂ）に示すように、本実施の形態における空間光変調素子２０Ａにおいては、固定電極として機能する半導体基板２２を接地電位に固定し、可動電極２９ｂに所定の電圧Ｖを印加する。これにより、半導体基板２２と可動電極２９ｂとの間に静電引力が発生し、半導体基板２２に可動電極２９ｂが吸い寄せられることによって梁部２４ｂが撓み、梁部２４ｂを基部２１に向かって変位させる。ここで、半導体基板２２および可動電極２９ｂに印加する電圧としては、好ましくは、可動電極２９ｂが半導体基板２２に吸い寄せられて梁部２４ｂの下面が基部２１の主表面に接触するのに十分な電位差となるような電圧に設定する。したがって、半導体基板２２および可動電極２９ｂへの印加電圧は、梁部２４ｂの材質や膜厚等を考慮して設定することが好ましい。
【００４３】
半導体基板２２と可動電極２９ｂとの間に生じる静電引力により、梁部２４ｂが基部２１側に向かって撓んだ状態においては、一対の連結部２５ａ，２５ｂにも曲げ応力が加わり、結果として基部２１の主表面と垂直な方向において下方に向かって撓むことになる。このため、連結部２５ａ，２５ｂの変位に伴って一対のミラー部２６が傾斜することになる。これにより、ミラー部２６が駆動され、ミラー部２６の反射面に入射された入射光１００は、ミラー部２６の傾斜に伴って角度変調されることになる。なお、ここで、ミラー部２６の駆動時における連結部２５ａ，２５ｂの撓み方向は、ミラー部２６の反射面の偏向方向と同一の方向となり、梁部２４ｂの撓み方向は、ミラー部２６の反射面の偏向方向と直交する方向となる。
【００４４】
以上において説明した構成の空間光変調素子２０Ａとすることにより、従来の捩り駆動型のマイクロミラーデバイス（図１６参照）に比べ、より高速にミラー部２６を駆動させることが可能になる。これは、捩ればねを捩り駆動するのと違って、梁部２４ｂおよび連結部２５ａ，２５ｂを撓み変形させることによってミラー部２６が駆動されるようになるためであり、ミラー部２６の駆動時に撓み変形する梁部２４ｂおよび連結部２５ａ，２５ｂを剛性および内部引張応力の高いシリコン窒化膜を用いて形成することが可能になるためである。
【００４５】
また、以上において説明した構成の空間光変調素子２０Ａとすることにより、従来のＧＬＶデバイス（図１７参照）に比べ、許容される誤差寸法がより広範となり、また、２方向の回折光を発生させて角度変調を行う必要もなくなるため、高い光の利用効率が実現可能となり、複雑な光学系を構成する必要もなくなる。
【００４６】
したがって、本構成の如くの空間光変調素子２０Ａとすることにより、高速駆動が可能でかつ高い光利用効率が実現された空間光変調素子とすることができる。
【００４７】
図３ないし図７は、本発明の実施の形態１における空間光変調素子の製造方法を示す模式平面図および模式断面図である。次に、これら図３ないし図７を参照して、本実施の形態における空間光変調素子の製造方法の一例について説明する。
【００４８】
まず、図３（Ａ）および図３（Ｂ）に示すように、半導体基板２２としてのシリコン基板を熱酸化し、シリコン基板の主表面に保護膜２３としての膜厚５０（ｎｍ）の熱酸化膜を堆積することにより、基部２１を製作する。次に、基部２１の主表面にたとえばアモルファスシリコンを堆積させ、エッチングによってアモルファスシリコンをパターニングすることにより、基部２１の主表面上に、たとえば膜厚１５０（ｎｍ）の犠牲層３１を形成する。
【００４９】
つづいて、図４（Ａ）および図４（Ｂ）に示すように、ＬＰＣＶＤによって膜厚２０（ｎｍ）のシリコン窒化膜を堆積し、このシリコン窒化膜をエッチングによってパターニングすることにより、犠牲層３１上に一対の梁部２４ａ，２４ｂ、一対の連結部２５ａ，２５ｂおよび板状部２７を一体的に形成する。また同時に、一対の梁部２４ａ，２４ｂをそれぞれ支持する支柱部についても、犠牲層３１の端面において梁部２４ａ，２４ｂとそれぞれ一体的に形成する。
【００５０】
次に、図５（Ａ）および図５（Ｂ）に示すように、基部２１の主表面上において、たとえば膜厚２０（ｎｍ）のアルミニウムからなる導電性膜を堆積し、この導電性膜をエッチングすることによってパターニングし、梁部２４ｂの上面上に可動電極２９ｂを形成する。
【００５１】
つづいて、図６（Ａ）および図６（Ｂ）に示すように、基部２１の主表面上において、たとえば膜厚２０（ｎｍ）のアルミニウムからなる膜を堆積し、この膜をエッチングすることによってパターニングし、板状部２７の上面上に反射膜２８を形成する。
【００５２】
次に、図７（Ａ）および図７（Ｂ）に示すように、アモルファスシリコンからなる犠牲層３１をフッ化キセノン（ＸｅＦ2）を用いてドライエッチングし、基部２１の主表面上から犠牲層３１をすべて除去する。
【００５３】
以上の工程を経ることにより、シリコン窒化膜にて形成され一対の梁部２４ａ，２４ｂを含むマイクロブリッジ、シリコン窒化膜にて形成された板状部２７およびアルミニウム蒸着膜にて形成された反射膜２８を含むミラー部２６、シリコン窒化膜にて形成された一対の連結部２５ａ，２５ｂ、および梁部２４ｂ上に形成されたアルミニウム膜からなる可動電極２９ｂが、それぞれ基部２１の主表面上に形成された空間光変調素子２０Ａが完成する。
【００５４】
次に、本実施の形態における空間光変調素子を製作し、ミラー部を駆動させた場合の動作特性について、シミュレーション結果に基づいて説明する。図８（Ａ）は、モデルとして設定した空間光変調素子の梁部、連結部および板状部を上方から見た場合の模式平面図であり、図８（Ｂ）は、モデルとして設定した空間光変調素子を連結部の延在方向に沿って切断した場合の模式断面図である。
【００５５】
本モデルにおいては、図８（Ａ）および図８（Ｂ）を参照して、各部の寸法を以下に示す寸法に設定した。まず、ミラー部２６の板状部２７の長さＬ1を５（μｍ）とし、幅Ｗ1を５（μｍ）とし、厚みＨ1を０．２（μｍ）とした。次に、一対の梁部２４ａ，２４ｂのそれぞれの長さＬ2，Ｌ3を２０（μｍ）とし、それぞれの幅Ｗ2，Ｗ3を２（μｍ）とした。一対の梁部２４ａ，２４ｂのそれぞれの厚みは、上述のミラー部２６の板状部２７の厚みＨ1と同じ０．２（μｍ）である。また、一対の連結部２５ａ，２５ｂのそれぞれの長さＬ4，Ｌ5を１（μｍ）とし、それぞれの幅Ｗ4，Ｗ5を１（μｍ）とした。一対の連結部２５ａ，２５ｂのそれぞれの厚みは、上述のミラー部２６の板状部２７の厚みＨ1と同じ０．２（μｍ）である。そして、ミラー部２６の非駆動時における基部２１の主表面と一対の梁部２４ａ，２４ｂの上面との間の距離Ｈ2を０．４（μｍ）とした。なお、作図上の理由から、上述の寸法で製作した場合の実際のモデルの縦横比と、図８（Ａ）および図８（Ｂ）において示したモデルの縦横比とは、相違するものとなっている。
【００５６】
上記寸法に設定されたモデルにおいて、固定電極として機能する半導体基板２２を接地させて電位を０（Ｖ）に固定し、梁部２４ｂの上面を覆うように設けられた可動電極２９ｂにたとえば＋５４（Ｖ）の電圧を印加した場合には、梁部２４ｂの下面が基部２１の主表面に接触した状態なり、梁部２４ｂが基部２１に吸着される。この状態において、ミラー部２６は、基部２１の主表面に対して約３°傾いた状態となる。したがって、入射光に対して約６°の角度変調を行なうことが可能な空間光変調素子となる。
【００５７】
ここで、上記モデルにおけるミラー部２６の駆動周波数は、シミュレーション結果によれば、約８（ＭＨｚ）となる。この約８（ＭＨｚ）でのミラー部の駆動は、捩れ駆動型ミラーデバイスでのミラー部の駆動に比べて、飛躍的に駆動速度が向上するものであり、空間光変調素子として要求される高速での駆動に十分応えるものである。なお、上記モデルにおけるミラー部の駆動周波数の算出には、梁部２４ａ，２４ｂおよび連結部２５ａ，２５ｂを形成するシリコン窒化膜の物性値として、ヤング率を２９０（ＧＰａ）とし、内部引張応力を８（ＧＰａ）とした。
【００５８】
上述のモデルにおいては、ミラー部２６の板状部２７の幅（すなわちミラー部２６の幅Ｗ1）を５（μｍ）とし、一対の連結部２５ａ，２５ｂの幅Ｗ4，Ｗ5を１（μｍ）とした。これは、一対の連結部２５ａ，２５ｂの剛性とミラー部２６の板状部２７の剛性との関係を考慮したためである。本実施の形態における空間光変調素子２０Ａにあっては、一対の連結部２５ａ，２５ｂの剛性がミラー部２６の板状部２７の剛性の少なくとも１／２以下であることが好ましい。これは、ミラー部２６の駆動の際にミラー部２６の反射面に歪みが生じないようにするためである。そのため、本モデルにおいては、一対の連結部のそれぞれの幅が板状部の幅の１／５となるように設定することにより、上記条件が満たされるようにしている。上記幅寸法とすることにより、一対の連結部２５ａ，２５ｂの剛性がミラー部２６の板状部２７の剛性の１／２以下となる根拠は、次に示すとおりである。
【００５９】
ミラー部２６の板状部２７の断面２次モーメントＩ1は、板状部２７の幅Ｗ1および厚みＨ1を用いて次式（３）で表わされる。
【００６０】
【数３】
2006133412.tif 000005
【００６１】
また、一対の連結部２５ａ，２５ｂの断面２次モーメントＩ2は、一対の連結部２５ａ，２５ｂのそれぞれの幅Ｗ1，Ｗ2および厚み（ミラー部２６の板状部２７の厚みＨ1を同じ）を用いて次式（３）で表わされる。
【００６２】
【数４】
2006133412.tif 000006
【００６３】
ここで、断面２次モーメントと変形量との間には反比例の関係があるため、一対の連結部２５ａ，２５ｂの剛性をミラー部２６の剛性の１／２以下とするためには、一対の連結部２５ａ，２５ｂの断面２次モーメントＩ2をミラー部２６の断面２次モーメントＩ1の１／２以下とすればよい。したがって、本モデルにおいては、一対の連結部２５ａ，２５ｂとミラー部２６の板状部２７との関係を上述のように設定することにより、一対の連結部２５ａ，２５ｂの剛性をミラー部２６の板状部２７の剛性の１／２以下としている。
【００６４】
（実施の形態２）
図９（Ａ）は、本発明の実施の形態２における空間光変調素子の構造を示す概略断面図であり、図９（Ｂ）は、図９（Ａ）に示す空間光変調素子においてミラー部を駆動させた状態を示す概略断面図である。なお、上述の実施の形態１における空間光変調素子２０Ａと同様の部分については図中同一の符号を付し、その説明はここでは繰り返さない。
【００６５】
上述の実施の形態１における空間光変調素子２０Ａにおいて、梁部２４ｂを変位させて基部２１の主表面に接触させた際にその接触面が大きい場合には、梁部２４ｂが基部２１に張り付き、可動電極２９ｂおよび固定電極に印加する電圧を取り除いても張り付きが解消されない動作不良が生じるおそれがある。このため、図９（Ａ）に示すように、本実施の形態における空間光変調素子２０Ｂにおいては、上述の実施の形態１における空間光変調素子２０Ａにおいて、可動電極２９ｂが設けられた梁部２４ｂの下面に突起部２４ｂ１が設けられている。
【００６６】
この突起部２４ｂ１は、図９（Ｂ）に示すように、ミラー部２６の駆動時において基部２１の主表面と当接することにより、梁部２４ｂの下面全面が基部２１に張り付くことを防止する役割を果たす。つまり、本実施の形態における空間光変調素子２０Ｂにあっては、梁部２４ｂの下面に突起部２４ｂ１を設けることにより、梁部２４ｂと基部２１との接触面積を減少させて梁部２４ｂと基部２１の張り付きを防止している。
【００６７】
図１０は、本発明の実施の形態２における空間光変調素子の製造方法を示す模式平面図および模式断面図である。上述の突起部２４ｂ１を有する空間光変調素子２０Ｂを製作するためには、たとえば、上述の実施の形態１における空間光変調素子２０Ａの製造プロセスにおいて、基部２１の主表面上に犠牲層３１を形成した時点で、図１０（Ａ）および図１０（Ｂ）に示すように、犠牲層３１の所定の領域をエッチングによって予め除去し、犠牲層３１に凹部３１ａを設けておくことによって実現可能である。すなわち、犠牲層３１に設けられた凹部３１ａの存在により、その後の梁部２４ｂの形成工程において、梁部２４ｂの下面に突起部２４ｂ１が形成されることになる。
【００６８】
（実施の形態３）
図１１（Ａ）は、本発明の実施の形態３における空間光変調素子の構造を示す概略断面図であり、図１１（Ｂ）は、図１１（Ａ）に示す空間光変調素子においてミラー部を駆動させた状態を示す概略断面図である。なお、上述の実施の形態１における空間光変調素子２０Ａと同様部分については図中同一の符号を付し、その説明はここでは繰り返さない。
【００６９】
上述のように、上記実施の形態１における空間光変調素子２０Ａにおいて、梁部２４ｂを変位させて基部２１の主表面に接触させた際にその接触面が大きい場合には、梁部２４ｂが基部２１に張り付き、可動電極２９ｂおよび固定電極に印加する電圧を取り除いても張り付きが解消されない動作不良が生じるおそれがある。これを解消するためには、上述の実施の形態２における空間光変調素子２０Ｂの如く、可動電極２９ｂが設けられた梁部２４ｂの下面に突起部２４ｂ１を設ける他に、以下に示すような対策を講じることも可能である。
【００７０】
図１１（Ａ）および図１１（Ｂ）に示すように、本実施の形態における空間光変調素子２０Ｃにおいては、可動電極２９ｂが設けられた梁部２４ｂの変位量が、固定電極として機能する半導体基板２２の主表面と可動電極２９ｂとの間の距離の１／３以下となるように設定している。すなわち、梁部２４ｂの厚みを十分に薄くし、かつ可動電極２９ｂと基部２１の主表面との間の距離を大きく取ることにより、ミラー部２６の駆動時において梁部２４ｂの下面が基部２１の主表面と接触しないようにしている。可動電極２９ｂが設けられた梁部２４ｂの変位量が、固定電極として機能する半導体基板２２の主表面と可動電極２９ｂとの間の距離の１／３以下とすることにより、ミラー部２６の駆動時において梁部２４ｂの下面が基部２１の主表面と接触しないようになる理由は以下のとおりである。
【００７１】
固定電極として機能する半導体基板２２の主表面と可動電極２９ｂとの間の距離をＤとし、ミラー部２６を駆動させた際の梁部２４ｂの基部２１の主表面と交差する方向における最大の変位量をｘとし、可動電極２９ｂと固定電極との間の電位差をＶとした場合に、梁部２４ｂに加わる力は可動電極２９ｂに加わる静電引力ＦEと同じであるため、次式（５）によって表わされる。
【００７２】
【数５】
2006133412.tif 000007
【００７３】
ここで、βは、定数である。
【００７４】
また、梁部２４ｂの反力ＦMは、フックの法則より、次式（６）で表わされる。
【００７５】
【数６】
2006133412.tif 000008
【００７６】
ここで、ｋは、梁部２４ｂのばね定数である。
【００７７】
以上の式（５）および式（６）より、静電引力ＦEと梁部２４ｂの反力ＦMとが釣り合う（ＦE＝ＦM）条件は、ｘ＞Ｄ／３であることが分かる。すなわち、梁部２４ｂの変位量ｘがＤ／３を超えた場合には、静電引力ＦEが梁部２４ｂの反力ＦMを大きく上回り、急激に梁部２４ｂが基部２１側に吸い寄せられる（プルインされる）ことになる。
【００７８】
したがって、本実施の形態における空間光変調素子２０Ｃの如く、ミラー部２６が所望の角度だけ傾むくのに必要な梁部２４ｂの変位量ｘに対して、可動電極２９ｂと基部２１の主表面との間の距離ＤがＤ≧３ｘとなるように設計することにより、基部２１に対する梁部２４ｂの張り付き防止が可能となる。ただし、極端に可動電極２９ｂと基部２１の主表面との間の距離Ｄを大きく設計した場合には、静電引力による可動電極２９ｂの引き付けが十分に行なえず、梁部２４ｂの変位が小さくなってしまうため、最適には、Ｄ＝３ｘとする。
【００７９】
（実施の形態４）
図１２（Ａ）は、本発明の実施の形態４における空間光変調素子の構造を示す概略斜視図であり、図１２（Ｂ）は、図１２（Ａ）中に示すＸＩＩＢ−ＸＩＩＢ線に沿った概略断面図である。以下においては、まず、これら図１２（Ａ）および図１２（Ｂ）を参照して、本実施の形態における空間光変調素子の構成について説明する。なお、上述の実施の形態１における空間光変調素子２０Ａと同様の部分については図中同一の符号を付し、その説明はここでは繰り返さない。
【００８０】
図１２（Ａ）および図１２（Ｂ）に示すように、本発明の実施の形態４における空間光変調素子２０Ｄは、上述の実施の形態１における空間光変調素子２０Ａにおいて、可動電極を梁部２４ｂのみならず、一対の梁部のうちのもう一方の梁部２４ａにも設けたものである。すなわち、本実施の形態における空間光変調素子２０Ｄは、基部２１の上方に位置する一対の梁部２４ａ，２４ｂのそれぞれの上面上に設けられた可動電極２９ａ，２９ｂを有している。
【００８１】
また、本実施の形態における空間光変調素子２０Ｄは、上記一対の梁部２４ａ，２４ｂの下方に位置し、かつ基部２１の主表面上に設けられた固定電極３２ａ，３２ｂを有している。上述の実施の形態１における空間光変調素子２０Ａにおいては、基部２１を構成する半導体基板２２によって固定電極を構成した場合を例示して説明を行なったが、本実施の形態における空間光変調素子２０Ｄにおいては、基部２１の主表面上に別途アルミニウム等からなる導電性膜を堆積させることにより、それぞれ電気的に独立した固定電極３２ａ，３２ｂを形成している。これら固定電極３２ａ，３２ｂのそれぞれは、固定電極３２ａ，３２ｂの上方において延在しかつ一対の梁部２４ａ，２４ｂの上面に設けられた一対の可動電極２９ａ，２９ｂと対をなす電極である。
【００８２】
図１３（Ａ）は、本発明の実施の形態４における空間光変調素子において、ミラー部を駆動させた状態を示す概略斜視図であり、図１３（Ｂ）は、図１３（Ａ）中におけるＸＩＩＩＢ−ＸＩＩＩＢ線に沿った概略断面図である。また、図１４（Ａ）は、本発明の実施の形態４における空間光変調素子において、ミラー部を駆動させた他の状態を示す概略斜視図であり、図１４（Ｂ）は、図１４（Ａ）中におけるＩＸＢ−ＩＸＢ線に沿った概略断面図である。次に、これらの図を参照して、本実施の形態における空間光変調素子の駆動方法について説明する。
【００８３】
図１３および図１４に示すように、本実施の形態における空間光変調素子２０Ｄにおいてミラー部２６を駆動させるためには、一対の梁部２４ａ，２４ｂのうち、いずれか一方の梁部を基部２１方向に向かって変位させることによって行なう。より具体的には、図１３（Ａ）に示すように、基部２１の主表面上に設けられた固定電極３２ａと、梁部２４ａに設けられた可動電極２９ａとに電圧を印加し、これらの間に電位差を生じさせ、これらの間に生じるクーロン力によって梁部２４ａを変位させるか、あるいは図１４（Ａ）に示すように、基部２１の主表面上に設けられた固定電極３２ｂと、梁部２４ｂに設けられた可動電極２９ｂとに電圧を印加し、これらの間に電位差を生じさせ、これらの間に生じるクーロン力によって梁部２４ａを変位させる。すなわち、いずれか一方の固定電極に電圧を印加することにより、いずれか一方の梁部を撓ませて基部２１に向かって変位させる。
【００８４】
図１３（Ｂ）および図１４（Ｂ）に示すように、いずれか一方の固定電極とその固定電極に対応して設けられた可動電極との間に生じる静電引力により、当該可動電極が設けられた方の梁部が基部２１側に向かって撓んだ状態においては、一対の連結部２５ａ，２５ｂにも曲げ応力が加わり、結果として基部２１の主表面と垂直な方向において下方に向かって撓むことになる。このため、連結部２５ａ，２５ｂの変位に伴って一対のミラー部２６が傾斜することになる。これにより、ミラー部２６が駆動され、ミラー部２６の反射面に入射された入射光１００は、ミラー部２６の傾斜に伴って角度変調されることになる。
【００８５】
本実施の形態における空間光変調素子２０Ｄにおいては、上述の実施の形態１における空間光変調素子２０Ａに比べ、一対の梁部２４ａ，２４ｂの両方を変位させることが可能になるため倍の角変調量を得ることが可能になる。なお、本実施の形態における空間光変調素子２０Ｄの具体的な製造プロセスは、上述した実施の形態１における空間光変調素子２０Ａの具体的な製造プロセスにおいて、犠牲層３１の形成前に基部２１の主表面上にアルミニウム等からなる導電性膜を堆積し、エッチングによって所望の形状にパターニングすることによって可能となる。
【００８６】
上述の実施の形態１ないし４においては、基部を半導体基板とこの半導体基板の表面に形成された保護膜とによって構成した場合を例示して説明を行なったが、主表面が絶縁性の保護膜によって覆われた金属等の導電性基板を用いることも当然に可能である。
【００８７】
また、上述の実施の形態４においては、固定電極を半導体基板によって構成され基部の主表面上に設けた場合を例示して説明を行なったが、半導体基板中に分離構造を設けること等によって半導体基板中に独立した２つの固定電極を形成することも当然に可能である。
【００８８】
このように、今回開示した上記各実施の形態はすべての点で例示であって、制限的なものではない。本発明の技術的範囲は特許請求の範囲によって画定され、また特許請求の範囲の記載と均等の意味および範囲内でのすべての変更を含むものである。
【図面の簡単な説明】
【００８９】
【図１】本発明の実施の形態１における空間光変調素子の構造を示す概略斜視図および概略断面図である。
【図２】本発明の実施の形態１における空間光変調素子において、ミラー部を駆動させた状態を示す概略斜視図および概略断面図である。
【図３】本発明の実施の形態１における空間光変調素子の製造方法を示す模式平面図および模式断面図である。
【図４】本発明の実施の形態１における空間光変調素子の製造方法を示す模式平面図および模式断面図である。
【図５】本発明の実施の形態１における空間光変調素子の製造方法を示す模式平面図および模式断面図である。
【図６】本発明の実施の形態１における空間光変調素子の製造方法を示す模式平面図および模式断面図である。
【図７】本発明の実施の形態１における空間光変調素子の製造方法を示す模式平面図および模式断面図である。
【図８】本発明の実施の形態１において、モデルとして設定した空間光変調素子の梁部、連結部および板状部を上方から見た場合の模式平面図および連結部の延在方向に沿って切断した場合の模式断面図である。
【図９】本発明の実施の形態２における空間光変調素子の構造を示す概略断面図およびミラー部を駆動させた状態を示す概略断面図である。
【図１０】本発明の実施の形態２における空間光変調素子の製造方法を示す模式平面図および模式断面図である。
【図１１】本発明の実施の形態３における空間光変調素子の構造を示す概略断面図およびミラー部を駆動させた状態を示す概略断面図である。
【図１２】本発明の実施の形態４における空間光変調素子の構造を示す概略斜視図および概略断面図である。
【図１３】本発明の実施の形態４における空間光変調素子において、ミラー部を駆動させた状態を示す概略斜視図および概略断面図である。
【図１４】本発明の実施の形態４における空間光変調素子において、ミラー部を駆動させた他の状態を示す概略斜視図および概略断面図である。
【図１５】空間光変調素子を用いた画像露光装置の一般的な構成例を示す模式図である。
【図１６】マイクロマシニング技術を用いて形成された捩れ駆動型のマイクロミラーデバイスの概略図である。
【図１７】空間光変調素子として利用されるＧＬＶの概略構成図である。
【符号の説明】
【００９０】
１  画像露光装置、２  露光ヘッド、３  光源、４  コリメートレンズ系、５  空間光変調素子、６  結象レンズ系、７  ステージ、８  露光対象物、１０  マイクロミラーデバイス、１１  マイクロミラー、１２  捩ればね、１３  支柱、１５  ＧＬＶデバイス、１６  基板、１７  マイクロブリッジ、２０Ａ〜２０Ｄ  空間光変調素子、２１  基部、２２  半導体基板、２３  保護膜、２４ａ，２４ｂ  梁部、２４ｂ１  突起部、２５ａ，２５ｂ  連結部、２６  ミラー部、２７  板状部、２８  反射膜、２９ａ，２９ｂ  可動電極、３１  犠牲層、３１ａ  凹部、３２ａ，３２ｂ  固定電極、１００  入射光。
【図１】
2006133412.tif 000009
【図２】
2006133412.tif 000010
【図３】
2006133412.tif 000011
【図４】
2006133412.tif 000012
【図５】
2006133412.tif 000013
【図６】
2006133412.tif 000014
【図７】
2006133412.tif 000015
【図８】
2006133412.tif 000016
【図９】
2006133412.tif 000017
【図１０】
2006133412.tif 000018
【図１１】
2006133412.tif 000019
【図１２】
2006133412.tif 000020
【図１３】
2006133412.tif 000021
【図１４】
2006133412.tif 000022
【図１５】
2006133412.tif 000023
【図１６】
2006133412.tif 000024
【図１７】
2006133412.tif 000025