(57)【要約】      （修正有）【課題】静電駆動素子において、梁の上部電極と下部電極との間に電荷が蓄積されることを抑制ないしは回避して、チャージングの発生量を抑える。これにより特性の良好な静電駆動素子及びこれを用いたプロジェクターを提供することを目的とする。【解決手段】静電駆動素子１は、上部電極６と、この上部電極６上に設けられる絶縁層７とを有する梁２０が、下部電極３と対向して設けられ、静電引力により梁２０が下部電極３側に駆動される構成とする。【選択図】図１
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【特許請求の範囲】
【請求項１】
上部電極と絶縁層とを有する梁が、下部電極と対向して設けられ、静電引力により前記梁が前記下部電極側に駆動される静電駆動素子であって、
前記梁の前記絶縁層は、前記上部電極上に設けられる
ことを特徴とする静電駆動素子。
【請求項２】
前記梁の前記絶縁層上に、反射層が設けられて成る
ことを特徴とする請求項１記載の静電駆動素子。
【請求項３】
前記反射層が、前記梁上の少なくとも光照射領域を含む一部の領域に設けられて成る
ことを特徴とする請求項２記載の静電駆動素子。
【請求項４】
前記反射層は、前記上部電極よりも幅広に形成されて成る
ことを特徴とする請求項２記載の静電駆動素子。
【請求項５】
前記梁が２以上配列され、
一部の前記梁の駆動により回折格子が構成されて、光に対し回折作用を有する
ことを特徴とする請求項３記載の静電駆動素子。
【請求項６】
前記梁は、その長手方向の両端部において段差が設けられて幅方向に傾きを生じさせる構造である
ことを特徴とする請求項４記載の静電駆動素子。
【請求項７】
前記下部電極と、前記上部電極との間が空間とされて成る
ことを特徴とする請求項１記載の静電駆動素子。
【請求項８】
前記上部電極を構成する材料が、Ｔｉ、Ｗ、Ｍｏ、Ｃｏ、Ｎｉのうち少なくとも１つの材料である
ことを特徴とする請求項１記載の静電駆動素子。
【請求項９】
光源と、該光源から出射された光の光軸上に配置され、前記光の強度を変調する光変調素子とを有するプロジェクターであって、
前記光変調素子は、上部電極と絶縁層とを有する梁が、下部電極と対向して２以上設けられ、静電引力により前記梁が前記下部電極側に駆動して回折格子を構成する静電駆動素子より構成され、
前記梁の前記絶縁層は、前記上部電極上に設けられ、
前記梁の前記絶縁層上に、反射層が設けられて成る
ことを特徴とするプロジェクター。
【請求項１０】
前記静電駆動素子の前記反射層は、前記梁上の少なくとも光照射領域を含む一部の領域に設けられて成る
ことを特徴とする請求項９記載のプロジェクター。
【請求項１１】
前記静電駆動素子の前記反射層は、前記上部電極よりも幅広に形成されて成る
ことを特徴とする請求項９記載のプロジェクター。
【請求項１２】
前記静電駆動素子の前記梁は、その長手方向の両端部において段差が設けられて幅方向に傾きを生じさせる構造である
ことを特徴とする請求項９記載のプロジェクター。
【請求項１３】
前記静電駆動素子の前記下部電極と、前記上部電極との間が空間とされて成る
ことを特徴とする請求項９記載のプロジェクター。
【請求項１４】
前記静電駆動素子の前記上部電極を構成する材料が、Ｔｉ、Ｗ、Ｍｏ、Ｃｏ、Ｎｉのうち少なくとも１つの材料である
ことを特徴とする請求項９記載のプロジェクター。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、例えばプロジェクターの光変調素子や、インクジェットプリンターの駆動素子として用いて好適な、梁いわゆるビームを静電引力により駆動する静電駆動素子及びこれを用いたプロジェクターに関する。
【背景技術】
【０００２】
ＭＥＭＳ（Micro Electro Mechanical Systems）デバイスを用いた製品開発は現在数多く行われているが、その駆動機構として最も広く使われているのが電極間の電位差によって生じる静電引力を用いた静電駆動方式である。これは、上部電極及び下部電極の間の静電力によって可動部となる上部電極を駆動するもので、上部及び下部電極の間に一定量の電圧を印加することにより、空間的な容量を変化させ、すなわち両電極間の距離を狭める（または密着させる）ことでスイッチングや変調を行うものである。例えば可変キャパシタ、エレクトロメカニカル格子、ミラー、インクジェットプリントヘッド、及び種々のセンサ等の多くのタイプのＭＥＭＳデバイスを実現している。
【０００３】
このような静電駆動方式によるＭＥＭＳデバイスである静電駆動素子の一例の概略断面構成図を図１８Ａに示す。下部電極３に対して、絶縁層７及び上部電極１５がこの順に形成された梁２０（いわゆるビーム）に対し、適当な電圧Ｖを印加することによって静電引力を発生させて、図１８Ｂにおいて矢印ｋで示すように、梁２０を下部電極３側へ変位させる。
【０００４】
一方、光学用途のＭＥＭＳデバイス、特に梁材料に誘電体を用いた静電駆動素子においては、表面の上部電極が反射膜を兼ねる場合がある。以下に一般的な光学用途の静電駆動素子の一例について説明する。
図１９は、光の反射や回折を利用し、光スイッチ、光変調素子等に適用可能な静電駆動素子の代表的な例の概略斜視構成図である。基板２上に２以上のリボン（条帯）状の下部電極３が配列形成されて成り、その上に下部電極３に対向して略平行に、かつこの下部電極３とは空間によって電気的に絶縁された薄膜リボン状の梁２０が例えばその両端を支持部１６（１６Ａ及び１６Ｂ）により支持された状態で、ブリッジ状に配列形成される。
【０００５】
この場合、基板２は、例えば、シリコン（Ｓｉ）やガリウム砒素（ＧａＡｓ）などの半導体基板上に絶縁膜を形成した基板、石英基板やガラス基板のような絶縁性基板などが用いられる。基板２側の下部電極３は、不純物をドーピングした多結晶シリコン膜、金属膜（例えばＷ、Ｃｒ蒸着膜）などで形成される。また、梁２０は、例えばシリコン窒化膜（ＳｉＮ膜）等の絶縁膜７と、その上面に形成された膜厚１００ｎｍ程度の例えばＡｌ膜からなる反射膜を兼ねる上部電極１５とを有する構成とされる。この例においては、梁２０は両端を支持された両持ち梁式構造となっているが、片側のみ支持されるいわゆる片持ち梁式構造であってもよい。
【０００６】
そしてこの光学用途の静電駆動素子では、基板側の下部電極３と上部電極１５に与える電位に応じて、梁２０の上部電極１５と下部電極３との間の静電引力又は静電反発力により変位し、例えば図１８Ａ及びＢで示すように、基板２側の下部電極３に対して平行状態と凹み状態に変位することを利用して、図１９に示すように、例えば１つおきの梁２０を基板２側に変位することによって、回折格子として作用させることができる。
これにより、ある方向への反射光強度を連続的に変えることができるものであり、より具体的には、梁を２以上並列した静電駆動素子を多数並置配列することによって、１次元型の光変調素子として使用するものである。このような1次元型の光変調素子は、例えば米国Silicon Light Machine社が開発した回折ライトバルブ（ＧＬＶ：grating light valve）が知られており、プロジェクター等への応用が期待されている（特許文献１及び２参照。）。
また、梁を１本とする場合は、例えば駆動位置に応じて反射方向を変化させることにより、スイッチ機能を持たせた光スイッチとして利用することも可能である。
【０００７】
このような構造の静電駆動素子では、上部電極１５と下部電極３との間に誘電体である絶縁層７が存在するため、反射膜を兼ねる上部電極１５とこの誘電体の界面、誘電体中に存在する欠陥などを介してチャージが蓄積される可能性がある。
【０００８】
誘電体中の欠陥は、例えばＭＯＳ（Metal Oxide Semiconductor）のゲート絶縁膜の開発において知られている（非特許文献１参照。）。
ＭＯＳにおいては、例えばＮａ＋イオンなどの不純物イオンが長時間の電界印加により負極側に移動するとか、負極側からＳｉＯ２の伝導帯へ電子が注入され、正電極近傍のＳｉＯ２膜にトラップされ、局所的に電界を増加させるという現象などがある。
上述の静電駆動素子においてこのような誘電体中の欠陥によるチャージの蓄積が生じると、駆動電圧（Ｖｏｐ）の変動が引き起こされ、一定電圧で駆動させた場合にも、素子間で梁の変位特性が変わってしまう場合がある。また、素子条件によっては、長時間電圧を印加することによる絶縁破壊（ＴＤＤＢ：Time Dependant Dielectric Breakdown）が発生する可能性があるなど、信頼性上問題となる。
【０００９】
【特許文献１】特許第３１６４８２４号
【特許文献２】米国特許第５８４１５７９号明細書
【特許文献３】特開２００４−５４２４５号公報
【非特許文献１】S. M. Sze 著、”Semiconductor Devices：Physics and Technology”、 JOHN WILEY & SONS, Inc.、 (1985)、 p.197
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【００１０】
上述したような静電駆動素子における誘電体膜のチャージの蓄積の問題に対して、例えば光学機能を有する静電駆動素子では、下部電極上と上部電極の下面にそれぞれ誘電体膜を形成し、これら誘電体膜の材料を適切に選定することによって、誘電体膜に生じるチャージを抑制する方法が提案されている（例えば上記特許文献３参照。）。
しかしながらこのような工夫を行っても、例えば電圧印加に伴う誘電体層への水分などの吸着によって、依然として梁の下面側の絶縁層においてチャージが蓄積されることが問題となっており、より確実にチャージングの発生量を抑えることが望まれている。
【００１１】
以上の問題に鑑みて、本発明は、静電駆動素子において、梁の上部電極と下部電極との間に電荷が蓄積されることを抑制ないしは回避して、チャージングの発生量を抑えることを目的とし、これにより特性の良好な静電駆動素子及びこれを用いたプロジェクター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】
【００１２】
上記課題を解決するため、本発明による静電駆動素子は、上部電極と絶縁層とを有する梁が、下部電極と対向して設けられ、静電引力により梁が下部電極側に駆動される静電駆動素子であって、その梁の絶縁層が、上部電極上に設けられる構成とする。
このように、本発明の静電駆動素子においては、梁の母材、すなわち梁を支える材料である絶縁層（誘電体）の下に上部電極となる導電膜を設ける構造とすることから、電荷がこの梁の下部電極と対向する下面側に蓄積されることが殆どなくなり、チャージングの発生量を抑えることができる。
【００１３】
また、本発明の静電駆動素子は、上述の構成において、梁の絶縁層上に、反射層を設ける構成としてもよい。
このように、梁の絶縁層の上に上部電極とは別体の反射層を設ける構成とする場合は、光スイッチ、光変調などの光学的機能を有する静電駆動素子において、上述したようにチャージングの発生量を抑えることができる。
【００１４】
更に、本発明の静電駆動素子は、上述の構成において、反射層を、梁上の少なくとも光照射領域を含む一部の領域に設ける構成としてもよい。
このように、本発明の静電駆動素子においては、梁上の反射膜は、電極を目的とする必要がなくなるため、光が入射するところにだけ限定して形成すればよく、光照射領域外の反射膜による余計な散乱光の発生を抑えることができるという利点も有する。
【００１５】
また、本発明の静電駆動素子は、上述の構成において、反射層を、上部電極よりも幅広に形成してもよい。
このような構成とする場合は、反射膜を幅広にすることによって光利用効率を高めることができると共に、特に、上部電極同士のいわゆる横方向の貼り付きの発生を抑制し、静電駆動素子の不具合の発生を抑える効果が得られる。
【００１６】
また、本発明によるプロジェクターは、光源と、この光源から出射された光の光軸上に配置され、前記光の強度を変調する光変調素子とを有するプロジェクターであって、その光変調素子は、上部電極と絶縁層とを有する梁が、下部電極と対向して２以上設けられ、静電引力によりこれらの梁が下部電極側に駆動して回折格子を構成する静電駆動素子より構成され、梁の絶縁層は、上部電極上に設けられ、またこの絶縁層上に、反射層が設けられて成る構成とする。
このような本発明のプロジェクターによれば、上述したように、静電駆動素子の上部電極と下部電極との間のチャージングの発生量が抑えられ、良好な駆動特性を保持した静電駆動素子を光変調素子として用いることによって、光変調素子の不具合による画像の乱れ、表示特性の低下を抑制することが可能となる。
【発明の効果】
【００１７】
以上説明したように、本発明の静電駆動素子によれば、上部電極と下部電極との間に電荷が蓄積されることを抑制し、チャージングの発生量を抑制することができる。
また、本発明のプロジェクターによれば、その光変調素子の特性が良好に保持されることによって、特性の低下を抑制することが可能となる。
【発明を実施するための最良の形態】
【００１８】
以下本発明を実施するための最良の形態の例を説明するが、本発明は以下の例に限定されるものではない。
〔１〕第１の実施形態例
図１の概略断面構成図を参照して本発明による静電駆動素子の一例を説明する。図１に示すように、本発明の静電駆動素子１は、上部電極６と絶縁層７とを有する梁２０が、基板２上に形成された下部電極３と対向して例えばブリッジ状に、図示の例では両持ち梁式に設けられる。そして、例えば下部電極３を接地し、上部電極６に適切な電圧を印加することによって、静電引力により梁２０が下部電極３側に駆動される構成とするものであり、特に梁２０の絶縁層７は、上部電極６の上に形成する。
またこの例においては、上部電極６上の絶縁層７の上面に、反射層１０を設ける構成とする。すなわちこの場合、前述の図１９において説明した例と同様に、梁を例えば1つおきに駆動して回折格子を構成するもので、梁の駆動により、ある方向への反射光強度を連続的に変えることができ、このような梁を２以上並列した静電駆動素子を多数並置配列することによって、１次元型の光変調素子として例えばプロジェクターなどに使用することができる。
【００１９】
上述したように、本発明の静電駆動素子においては、表面の反射層１０と上部電極６とを電気的に絶縁分離するものであり、反射層１０の下に誘電体膜である絶縁層７を設け、絶縁層７の下に上部電極６となる導電膜を形成することにより、上部電極６と下部電極３の電極間には、原則的には空間１２が存在するだけとなり、上部電極６上の誘電体の影響は受けなくなる。
したがって、前述したようなＭＯＳ等において問題となっていた誘電体膜の欠陥等により発生する電荷蓄積の問題は回避されることとなり、上部電極６と下部電極３との間に電荷が蓄積されず、チャージング発生量を確実に抑えることができることがわかる。
【００２０】
このような構造の静電駆動素子の具体的な材料構成の一例について説明する。
この場合、図１に示すように、基板２及び下部電極３までは従来の例えば図１８Ａ及びＢにおいて説明した静電駆動素子と同様の材料及び構造とし得る。
すなわち基板２は、例えば、ＳｉやＧａＡｓなどの半導体基板上に絶縁膜を形成した基板、石英基板やガラス基板のような絶縁性基板などが用いられる。基板２側の下部電極３は、不純物をドーピングした多結晶シリコン膜、金属膜（例えばＷ、Ｃｒ蒸着膜）などで形成される。
そして、梁２０を形成するための犠牲層として、非晶質シリコン（ａ−Ｓｉ）を減圧ＣＶＤ（Chemical Vapor Deposition、化学的気相成長）法により形成する。この犠牲層の膜厚は、静電駆動素子を利用するデバイス特性に依存するが、例えば１μｍの膜厚とし得る。
【００２１】
次に上部電極３を形成する。上部電極３は、Ｔｉ、Ｗ、Ｍｏ、Ｃｏ、Ｎｉなどの高融点材料、例えばＷより形成する。Ｗ、Ｔｉ、Ｃｏなどは、ＭＯＳのゲート電極として実績があるため、半導体製造工程において形成、加工条件は確立されている。この上部電極３の膜厚は、デバイス設計値に依存するが、必要な場合には、成膜後に高速熱処理（ＲＴＡ：Rapid Thermal Annealing）などの熱処理を加えても構わない。
次に、梁２０の材料となる絶縁層７、すなわち誘電体膜を形成する。ここでは、上述の一般的な光学ＭＥＭＳ素子と同じＳｉＮやＳｉＯ２などより絶縁層７を形成する。膜厚は例えば１００ｎｍとする。
なお、この絶縁層７を減圧ＣＶＤ等により形成する場合は、処理温度が８００℃程度となるが、その下の上部電極６を上述した高融点材料により構成することによって、上部電極６の変形等を招くことなく、良好に絶縁層７を上部電極６上に形成することができる。
最後に反射層１０として、膜厚例えば１００ｎｍのＡｌ等を例えばスパッタにより形成する。
その後、犠牲層を選択的にエッチング除去することによって、図１に示す本発明構成の静電駆動素子を得ることができる。
【００２２】
そして、この場合従来の静電駆動素子と異なる点は、このＡｌ膜より成る反射層１０は、駆動させる上部電極を兼ねておらず、上部電極６である例えばＷ膜と電気的に絶縁されている点である。
本発明の構造とすることにより、静電容量は梁２０の内側の空間１２のみとなるため、反射層１０と絶縁層７の界面である例えばＡｌ／ＳｉＮ膜の界面、更に絶縁層７である例えばＳｉＮ中に存在する欠陥などを介して電荷が蓄積されることはなく、チャージング発生量を確実に抑制することができる。
また、この静電駆動素子を例えばプロジェクターにおける光変調素子として用いることにより、チャージング発生量の抑制によって、駆動電圧の変動が抑えられることから、光変調素子の不具合による画像の乱れ、表示特性の低下を抑制することが可能となる。
【００２３】
〔２〕第２の実施形態例
次に、本発明による静電駆動素子の他の実施形態例について図２の概略断面構成図を参照して説明する。図２において、図１と対応する部分には同一符号を付して重複説明を省略する。
本発明の静電駆動素子は、その下部電極の材料構成によっては、様々なパターンが考えられる。この例においては、図２に示すように、下部電極３として、上述の第1の実施形態例におけるように金属ではなく、例えば不純物ドープされた多結晶シリコン（ｐｏｌｙ−Ｓｉ）又は非晶質シリコン（ａ−Ｓｉ）などより構成する。
【００２４】
梁２０の構造を支持する絶縁層７をＳｉＮなどの誘電体より構成する場合は、梁２０を形成する過程で設ける犠牲層としてＳｉ系材料を用いる必要がある。このため、このように下部電極３をＳｉ系材料より構成する場合は、下部電極３と犠牲層との間にエッチストップ層となる材料層、例えば熱酸化膜やＣＶＤ酸化膜、ＣＶＤ窒化膜より成る誘電体層１５が、下部電極３を覆って形成されることが必要である。つまりこの場合は下部電極３の上には誘電体が存在することになるが、本発明の静電駆動素子においては上部電極６の下面には誘電体が存在しないことから、前述したような荷電欠陥による電荷の蓄積量を従来に比して抑制することが可能となる。すなわちこの場合、上部電極６と下部電極３との間には、いわば直列に存在する誘電体層の数が少なくなるので、チャージの蓄積による駆動電圧シフトを抑えることができる。
【００２５】
なお、このように下部電極３の上に誘電体層１４を形成する例としては、その他例えば図３にその一例の概略断面構成図を示すように、基板２としてＳｉ基板を用い、その表面に不純物が拡散されて下部電極３とする場合も同様である。
また、例えば図４にその一例の概略断面構成図を示すように、ＳＯＩ（Silicon on Insulator）型構成の基板２１を用いて、すなわち絶縁材より成る基板２１上にＳｉ単結晶薄膜やエピタキシャルＳｉ膜より成るＳｉ層２２を形成し、この上に下部電極３を設ける場合も同様である。これら図３及び図４において、図２と対応する部分には同一符号を付して重複説明を省略する。なお、これらの図２〜図４の例においては、上述した下部電極３以外の材料構成については、前述の図１を参照して説明した第１の実施形態例と同様の材料構成とすることができる。
【００２６】
これらの場合も上述の図２において説明した例と同様に、上部電極６の下面には誘電体が存在しないことから、上部電極６と下部電極３との間で直列に存在する誘電体層の数を少なくすることができ、チャージの蓄積による駆動電圧シフトを抑えることができる。
また、こられの静電駆動素子を例えばプロジェクターにおける光変調素子として用いることにより、チャージング発生量の抑制によって、駆動電圧の変動が抑えられることから、光変調素子の不具合による画像の乱れ、表示特性の低下を抑制することが可能となる。
【００２７】
〔３〕第３の実施形態例
次に、上述したチャージの蓄積を抑える効果に加えて、隣接する梁同士の間の静電引力を抑えることが可能な本発明の実施形態例について説明する。
この例においても、前述の図１９において説明したように、梁を例えば1つおきに駆動して回折格子を構成して光変調素子として用いるもので、梁を複数並列し、これを静電引力によって一つおきに凹ませることで反射光に回折を生じさせ、ある方向への反射光強度を連続的に変えるものであり、このような梁を２以上並列した静電駆動素子を多数並置配列することによって、１次元型の光変調素子としてプロジェクター等に使用可能である。
なお、プロジェクターとして用いる場合には、梁を複数設けた静電駆動素子を一列に多数並べることによって表示される１次元の画像を走査照明系によりスキャニングすることによって２次元の画像を得る。
【００２８】
上述したような静電駆動方式を用いたＭＥＭＳデバイスにおいて、複数の梁を近接した状態で並べる場合、静電引力は下部電極との間に働く他、隣接した梁同士の間にも働くこととなる。梁が過度に近接している状態では、静電引力により梁が横方向へ吸着して離れず、下部電極側へ駆動しなくなる場合もあるため、一般的に梁の駆動方向として、横方向への変位は望ましくない。したがって、この隣接した梁間の静電引力による影響を最小化することが望ましい。
【００２９】
一方、このような回折格子型の静電駆動素子において、非常に重要な性能の指標となる光効率は、上部電極が反射層を兼ねる従来構成の場合、梁自体の幅と梁間のギャップとの比率に大きく依存している。梁の幅に対してギャップの幅が大きいほど、相対的に反射面積が減少するため、光効率は低下する。したがって、光効率を向上させるためにはギャップ幅をより狭くすることが重要となる。
【００３０】
このようにギャップ幅を狭くする際に問題となるのが、前述した隣接する梁の間の静電引力による意図しない横方向の変位、および隣接する梁の間の吸着現象である。横方向へ吸着すると隣接する梁の電極部がショートし、しばしば梁が破壊してしまう。通常、光反射膜を金属薄膜で形成する場合には、反射膜自体が上部電極、すなわち電圧印加層としての役割を兼ねるため、横方向への静電吸着現象を避けられる程度の梁間隔が必要となる。
【００３１】
また、反射膜と電圧印加層を分ける場合においても、同じ梁内において梁の幅は一定であるため、やはり静電吸着と高い光効率を両立させることは困難であった。この問題に対しては、ある程度設計によって回避することが可能である。例えば、下部電極と上部電極を有する梁とのギャップを狭くするとか、又は梁の長さを短くすることによって、横方向への吸着現象は発生しにくくなる。しかし、他の特性まで同時に変化してしまい、必ずしも十分に横方向への吸着現象のみを防ぐことはできない。
【００３２】
このような問題に鑑みて、本実施形態例においては、静電駆動に必要な電極層と光を反射する反射層とを分離し、梁を２段に作成することにより、静電引力による横方向への吸着現象を回避する構造とする。この例で示す静電駆動素子は、以下の点で新規な内容になっている。
図５Ａ及びＢにこの静電駆動素子の概略平面構成及び概略断面構成図を示す。図５Ｂに示すように、この場合先ず基板上に下部電極３が形成され、この上に例えば全面的に絶縁層４が形成される。そしてこの下部電極３の上部にこれと対向して、導電性材料より成る上部電極６と絶縁層７より成る梁２０Ａがブリッジ状に形成される。この梁２０Ａは、下部電極３とは異なるエッチング特性の材料を犠牲層として形成し、その上に被着して、後に犠牲層をエッチング除去することによって形成される。なお、絶縁層４は、上部電極６の支持部の直下のみに設けてもよい。
【００３３】
そして更に、この梁２０Ａの上に、ブリッジ状の反射層１０より成るいわば第２の梁２０Ｂが形成され、２つの梁２０Ａ及びＢより成る梁２０が構成される。この反射層１０より成る梁２０Ｂも、同様にエッチング特性の異なる犠牲層を用いて容易に形成することができる。なお、このような２段構造の静電駆動素子の製造方法については後述する。
この場合、図５Ａに示すように、反射層１０の幅Ｗ２は、上部電極６及びこの上の絶縁層７の幅Ｗ１に対し幅広に、すなわちＷ１＜Ｗ２とされる。
つまりこの場合、光変調素子として光が照射される領域（図５Ａ中破線Ｌで示す）においては、梁２０の幅が広くなっており、より多くの光を反射することができるため、光効率が向上する。
【００３４】
図５Ａ及びＢにおいて説明した構造の梁２０を複数並べ、光変調素子として利用可能な静電駆動素子を構成した場合の一例を図６の概略斜視構成図に示す。図６において、図５Ａ及びＢと対応する部分には同一符号を付して重複説明を省略する。
従来の静電駆動素子において問題となっていた静電駆動による横方向への吸着現象は、横方向の電極間距離（図６中Ｙで示す）によって規定される。すなわち図６に示すＹ（電極間距離）が大きいほど横方向への静電吸着による故障モードが発生し易くなる。
これに対し、回折格子型の光変調素子としての光効率は、梁のピッチに対する幅、すなわちいわゆるフィルファクターによって規定される。このフィルファクターは、梁の幅をＺ、梁同士の間隔をＸとすると、Ｚ／（Ｘ＋Ｚ）として表される。すなわち、隣接する反射層の間の距離Ｘが小さいほど光効率が向上する。
【００３５】
従来の静電駆動素子では、上部電極６の間隔Ｙと、反射層１０の間隔Ｘが基本的にＸ＝Ｙであったため、これを大きくすると光効率が下がり、小さくすると横方向への静電吸着が発生しやすくなるというトレードオフの関係であった。
これに対し、本実施形態例の構造では、これらＸ及びＹを個別に設計できるため、光効率と故障モードの防止を両立させることが可能となる。すなわち、本実施形態例によれば、従来は分離できなかった回折型光変調素子としての光効率に関わるパラメータと横方向への静電吸着による故障モードに関わるパラメータとを分離することができ、したがって光効率と故障モードの防止を両立し、より高い性能を有する光変調素子の実現が可能となる。
【００３６】
またこの例においても、上述の第１及び第２の実施形態例と同様に、上部電極６の下面には誘電体が存在しないことから、上部電極６と下部電極３との間で直列に存在する誘電体層の数を少なくすることができ、チャージの蓄積による駆動電圧シフトを抑えることができる。
また、こられの静電駆動素子を例えばプロジェクターにおける光変調素子として用いることにより、チャージング発生量の抑制によって、駆動電圧の変動が抑えられることから、光変調素子の不具合による画像の乱れ、表示特性の低下を抑制することが可能となる。
【００３７】
以上説明した第３の実施形態例による静電駆動素子の製造方法の一例を、図７Ａ〜Ｆ及び図８Ａ〜Ｆを参照して説明する。なお、各部の材料は、上述の第１の実施形態例において説明した例と同様の材料を用いることができる。また、以下に示す概略平面構成図においては、並列する２本の梁に対応する領域を示すが、梁の本数はこの例に限定されるものではない。
先ず図７Ａに示すように、下部電極３上に例えば全面的に絶縁層４が被着される。この後、図７Ｂに示すように、上部電極のパターンに対応するパターンの犠牲層５をＣＶＤ及びフォトリソグラフィの適用によって形成する。その後、図７Ｃに示すように、この犠牲層５上を覆って上部電極６及び絶縁層７を形成する。この工程での上面からみた概略平面構成図を図７Ｄに示す。図７Ｃ及びＤに示すように、犠牲層５により絶縁層７には段差７Ｓが生じる。
【００３８】
次に、図７Ｄにおいて一点鎖線ａ１及びａ２で区切られる領域に、図７Ｅに示すように、開口８をフォトリソグラフィ等によって形成する。
そしてこの後、開口８を含む絶縁層７の上面に第２の犠牲層９を所定のパターンをもって形成する。この犠牲層９は、開口８上を跨いで形成されることから上面に凹凸が生じるが、例えばＣＭＰ（Chemical Mechanical Polishing）により図７Ｇに示すように容易に表面を平らにすることが可能である。この工程での上面からみた概略平面構成図を図７Ｆに示す。図７Ｆに示すように、犠牲層９は、開口８よりも中央寄りに形成される。
そしてこの後、図８Ａに示すように、犠牲層９の上を覆って所定の領域に反射層１０を形成する。この工程での上面からみた概略平面構成図を図８Ｂに示す。図８Ａ及びＢに示すように、犠牲層９により反射層１０には段差１０Ｓが生じる。
次に、図８Ｃに示すように、２本分の梁に対応するように、反射層１０を分断するエッチングを行う。この工程における概略断面構成図を図８Ｄに示す。図８Ｃ及びＤに示すように、図８Ｄ中一点鎖線ｂ１、ｂ２で区切られた領域のみにおいて、反射層１０が所定の間隔をもって隣接するように間隙１１を形成し、反射層１０を目的とする形状にパターニングする。
【００３９】
この後、犠牲層５及び９を同時に除去することによって、図８Ｅに示すように、上部電極６の下部と、反射層１０の下部にそれぞれ空間１２及び１３を形成し、いわば２段構成の梁２０を形成する。この工程における概略平面構成図を図８Ｆに示す。
図８Ｆから明らかなように、このような製造工程を経て形成された静電駆動素子は、隣接する梁２０同士の間において、上部電極６の間隔Ｙよりも反射層１０の間隔Ｘが小さく、すなわち反射層１０の幅が上部電極６と比較して幅広となっており、またフィルファクターＺ／（Ｚ＋Ｘ）が大となっていることがわかる。
なお、上述の図５及び図６において説明した本実施形態例の静電駆動素子は、以上説明した製造方法に限定されることなく、その他種々の方法によって製造することが可能である。また本実施形態例の静電駆動素子は、図５及び図６において示す構成に限定されるものではなく、例えば絶縁層４が梁２０の支持部の直下のみに形成されるなど、梁２０以外の材料構成において種々の変形が可能である。
【００４０】
〔４〕第４の実施形態例
次に、本発明による静電駆動素子の第４の実施形態例について説明する。この例においても、静電駆動素子の梁の上面に反射層を設け、回折格子型の光変調素子として利用可能とする例を示す。図９Ａ〜Ｃはこの実施形態例における静電駆動素子の一例の概略平面構成図、梁の長手方向に沿う概略断面構成図、更に梁の長手方向と直交する概略断面構成図を示す。図９Ａ〜Ｃにおいて、図５Ａ及びＢと対応する部分には同一符号を付して重複説明を省略する。
図９Ａ及びＢに示すように、この場合、絶縁層７を挟んで下側に上部電極６、上側に直接的に反射層７を形成する。ただし、上部電極６の幅は、図９Ｃに示すように、比較的狭くされ、反射層１０が相対的に幅広に形成される。
【００４１】
このような構造の梁を複数並べた場合の静電駆動素子の一例の概略断面構成図を図１０に示す。図１０において、図９Ａ〜Ｃと対応する部分には同一符号を付して重複説明を省略する。上述の第３の実施形態例と同様に、光効率はフィルファクター、すなわち反射層１０間の間隙をＸ、幅をＺとしたときＺ／（Ｘ＋Ｚ）によって規定され、横方向への静電引力は隣接する梁の間の上部電極６の間隔Ｙによって規定されるため、光効率向上と横方向への静電吸着回避を両立させることができる。
すなわちこの実施形態例においても、上述の第３の実施形態例と同様に、従来は分離できなかった回折型光変調素子としての光効率に関わるパラメータと横方向への静電吸着による故障モードに関わるパラメータとを分離することができ、光効率と故障モードの防止を両立し、より高い性能を有する光変調素子として利用可能な静電駆動素子を提供することができる。
【００４２】
このような構造の静電駆動素子の製造方法の一例を、図１１Ａ〜Ｈを参照して説明する。なお、各部の材料は、上述の第１の実施形態例において説明した例と同様の材料を用いることができる。また、以下に示す梁の長手方向と直交する概略断面構成図においては、並列する２本の梁に対応する領域を示すが、梁の本数はこの例に限るものではない。
先ず図１１Ａに示すように、下部電極３上に絶縁層４が被着される。この後、上部電極のパターンに対応するパターンの犠牲層５をＣＶＤ及びフォトリソグラフィの適用によって形成する。その後、図１１Ｂに示すように、この犠牲層５上を覆って上部電極６、絶縁層７及び反射層１０を形成する。
【００４３】
次に、図１１Ｃに示すように、図１１Ｃ中一点鎖線ｃ１及びｃ２で区切られた領域において、図１１Ｄに長手方向と直交する概略断面構成図を示すように、上部電極６、絶縁層７及び反射層１０を分断する間隙１１を、犠牲層５に対し選択性を有する異方性エッチングによって形成する。
次に、図１１Ｅに示すように、上部電極６以外の各層に対して十分なエッチング選択性を有する材料による等方性エッチングを行い、上部電極６が絶縁層７及び反射層１０に対し幅狭となるように形成する。
【００４４】
この後、図１１Ｆに示すように、犠牲層５を除去する選択エッチングを行って、前述の図９Ａ〜Ｃ及び図１０において説明した構成の梁２０を形成する。この工程における梁２０の長手方向と直交する概略断面構成図を図１１Ｇに示す。図１１Ｇから明らかなように、このような製造工程によって、梁２０の反射層１０の間の間隔Ｘは上部電極６の間隔Ｙよりも小さく、またフィルファクターＺ／（Ｚ＋Ｘ）を大とできることがわかる。
なお、上述の図９及び図１０において説明した本実施形態例の静電駆動素子は、以上説明した製造方法に限定されることなく、その他種々の方法によって製造することが可能である。
【００４５】
また、本例の静電駆動素子において、梁の長手方向と直交する断面の形状は、前述の図９Ｃに示す例に限定されるものではなく、例えば上部電極６の両端が絶縁層７に覆われている形状であってもよい。この構成とする静電駆動素子の製造方法の一例を、図１２Ａ〜Ｉを参照して説明する。
この場合においても、各部の材料は、上述の第１の実施形態例において説明した例と同様の材料を用いることができる。また、以下に示す梁の長手方向と直交する概略断面構成図においては、並列する２本の梁に対応する領域を示すが、梁の本数はこの例に限るものではない。
先ず図１２Ａに示すように、下部電極３上に絶縁層４が被着される。この後、上部電極のパターンに対応するパターンの犠牲層５をＣＶＤ及びフォトリソグラフィの適用によって形成する。その後、図１２Ｂに示すように、この犠牲層５上を覆って上部電極６を形成し、一点鎖線ｅ１及びｅ２で区切られた領域において、図１２Ｃに示すように間隙１５を形成する。このパターニングは、犠牲層５に対し十分な選択性を有するエッチング方法により行う。
【００４６】
次に、このパターン形成した上部電極６上を覆って絶縁層７を形成する。このとき、上部電極６の間の間隙１５によって、絶縁層７の上面に凹凸が生じるが、例えばＣＭＰ法により上面を平坦化する。このとき、上部電極６及び絶縁層７の膜厚マージンに対して、ＣＭＰにより除去する膜厚の精度が十分とれることが必要である。
その後、図１２Ｆに示すように、一点鎖線ｆ１及びｆ２で区切られた領域の絶縁層７及び反射層１０に対する選択的な異方性エッチングを行って、図１２Ｇに示すように梁２０を分断する間隙１１を形成する。
そして、図１２Ｈに示すように、犠牲層５を選択的に除去して、梁２０を形成する。図１２Ｉに示すように、この例においても、梁２０の反射層１０の間の間隔Ｘは上部電極６の間隔Ｙよりも小さく、またフィルファクターＺ／（Ｚ＋Ｘ）を大とできることがわかる。
【００４７】
〔５〕第５の実施形態例
次に、本発明の静電駆動素子を回折格子型の光変調素子として構成する場合において、各梁が幅方向に傾くいわゆるブレーズ構造とする例について説明する。
図１３Ａ及びＢは、梁を下部電極に対しほぼ平行に設ける通常の光変調素子と、梁を幅方向に傾けるいわゆるブレーズ構造の光変調素子の一例の概略断面構成図である。図１３Ａ及びＢにおいて、図１と対応する部分には同一符号を付して重複説明を省略する。
図１３Ａに示すように、この光変調素子においては、１つおきの梁に電圧を印加して、下部電極３との静電引力によりこれを凹ませる構造となっている。この構造に矢印Ｌｉで示すように光を入射すると凹ませた変位量によって一次回折光Ｌ（＋１）、Ｌ（−１）の強度が制御できるため、光の変調が可能となる。
この場合、梁の変位量を入射光の波長の４分の１にすると一次回折光の強度が最大となる。
【００４８】
また、図１３Ｂに示すように、梁を幅方向に傾けたブレーズ型構造とすると、回折光の方向を矢印Ｌ（＋１）で示すように１方向へ限定できる（米国特許第６６３９７２２Ｂ２号参照。）。
このような回折微小光学素子の光効率は、主に反射率、梁のフィルファクター、梁の形状の３つにより決定される。このうち反射率と梁の形状が理想的な値である場合、梁のフィルファクター、すなわち光照射面積に対する梁の面積の比率が高いほど、光効率は向上する。
通常の構造（フラット構造）とブレーズ構造における、フィルファクターと光効率との関係を図１４に示す。ブレーズ構造の場合は、回折光の方向を完全に１方向へ限定できるため、フィルファクターが１００％ならば光効率も１００％となることがわかる。
【００４９】
すなわち、このようなブレーズ構造を用いた静電駆動素子に対して上記第３の実施形態例又は第４の実施形態例の構造を採用すると、横方向への静電吸着現象が回避できるため、隣接する梁の間隔は、梁の間の間隙の加工精度限界まで狭めることができ、フィルファクターを１００％に近い値にまで高めることが可能である。
したがって、図１５に示すように、例えば前述の図５Ａ及びＢ、図６において説明した構造を採用するとともに、その反射層１０をブレーズ構造として形成することによって、光効率を理論的な限界値近くまで高めることができる。
なお、ブレーズ構造を実現する具体的な構造としては、例えば梁２０のうち反射層１０による上段の梁のみを、その長手方向両端に段差部を設ける構成とし、この段差部の深さ及び幅を適切に選定することによって、梁中央部の光照射領域において、所望の角度をもって幅方向に傾斜したブレーズ構造とすることができる（例えば米国特許第６６３９７２２Ｂ２号参照）。また、ブレーズ構造やその梁の支持構造などにおいては、その他本発明構成を逸脱しない範囲において種々の変形、変更が可能である。
【００５０】
以上説明したように、上述の第１〜第５の実施形態例においては、静電駆動素子において、上部電極と下部電極との間の誘電体層を設けないか、又は１層のみとすることによって、従来に比してチャージング発生量を抑制することができて、チャージの蓄積による駆動電圧シフトを抑えることができる。
また、こられの静電駆動素子を例えばプロジェクターにおける光変調素子として用いることにより、チャージング発生量の抑制によって、駆動電圧の変動が抑えられることから、光変調素子の不具合による画像の乱れ、表示特性の低下を抑制することが可能となる。
また更に、本発明の第３〜第５の実施形態例においては、上記効果に加え、上部電極と反射層との幅を変えて構成することによって、横方向の吸着が発生しないよう十分隣接する梁の間隔を広く取り、且つ、光効率に関わる反射層の間隔を狭小化することによって、高い光効率と横方向への吸着回避を両立させることができるという効果も得ることができる。
【００５１】
〔６〕第６の実施形態例
次に、本発明の静電駆動素子を光変調素子としてプロジェクターに用いた一実施形態例について、図１６の概略構成図を参照して説明する。
本実施形態例は、回折格子型光変調素子の例えばＧＬＶを光変調素子として用いたレーザーディスプレイにおいて、その光変調素子として本発明による静電駆動素子を適用する例を示す。
このプロジェクターは、例えば、大型スクリーン用プロジェクター、特にディジタル画像のプロジェクターとして、または、コンピュータ画像投影用として用いられるものである。
【００５２】
図１２に示すように、このプロジェクター８１は、赤（Ｒ）、緑（Ｇ）、青（Ｂ）の各色のレーザー光源８２Ｒ、８２Ｇ、８２Ｂと、各レーザー光源に対して、それぞれ光軸上に順次設けられたミラー８４Ｒ、８４Ｇ、８４Ｂ、各色照明光学系（レンズ群）８６Ｒ、８６Ｇ、８６Ｂ、及び光変調素子として機能する上述の本発明に係る静電駆動素子８８Ｒ、８８Ｇ、８８Ｂを備えている。この静電駆動素子としては、例えば上述の第３乃至第５の実施形態例において説明した構成の静電駆動素子が好適である。
レーザー光源８２Ｒ、８２Ｇ及び８２Ｂは、それぞれ赤色光（例えば波長６４２ｎｍ、光出力約３Ｗ）、緑色光（例えば波長５３２ｎｍ、光出力約２Ｗ）、青色光（波長４５７ｎｍ、光出力約１．５Ｗ）のレーザーを射出する。なお、レーザー光の波長及び光出力はこれらに限定されるものではない。
【００５３】
更に、レーザーディスプレイ８１は、本発明構成の静電駆動素子より成る静電駆動素子８８Ｒ、８８Ｇ、８８Ｂによりそれぞれ光強度が変調された赤色レーザー光、緑色レーザー光及び青色レーザー光を合成する色合成フィルタ９０、空間フィルタ９２、ディフューザー９４、ミラー９６、ガルバノスキャナー等の走査照明系９８、投影光学系（レンズ群）１００、及びスクリーン１０２を備えている。色合成フィルタ９０は、例えばダイクロイックミラーで構成される。
【００５４】
本実施形態例のプロジェクター８１は、レーザー光源８２Ｒ、８２Ｇ、８２Ｂから射出されたＲＧＢ各レーザー光が、それぞれミラー８４Ｒ、８４Ｇ、８４Ｂを経て各色照明光学系８６Ｒ、８６Ｇ、８６Ｂから各静電駆動素子８８Ｒ、８８Ｇ、８８Ｂに同期入力されるようになっている。
更に、各レーザー光は、静電駆動素子８８Ｒ、８８Ｇ、８８Ｂによって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９０によって合成され、続いて空間フィルタ９２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、ディフューザー９４によってレーザースペックルが低減され、ミラー９６を経て、画像信号と同期する走査照明系９８によって空間に展開され、投影光学系１００によってスクリーン１０２上にフルカラー画像として投影される。
【００５５】
このプロジェクター８１においては、本発明構成の静電駆動素子を光変調素子として用いることから、チャージングによる駆動電圧シフトがなくなる。したがって、通常は、梁毎、又は静電駆動素子毎にチャージ量が異なるためそれらの値を駆動電圧にフィードバックするシステムを必要とするが、本実施形態例においては、このようなフィードバックシステムは不要となる。
【００５６】
なお、本発明による静電駆動素子及びプロジェクターは上述の実施形態例に限定されるものではなく、その他静電駆動素子の材料構成、特に梁の形状や支持部の構造など、またプロジェクターにおいては、その各光学部品の構成などについては、本発明構成を逸脱しない範囲で種々の変形、変更が可能であることはいうまでもない。
【００５７】
〔７〕第７の実施形態例
次に、本発明の静電駆動素子を光学用途以外の用途に用いる実施形態例として、インクジェットプリンタヘッドに用いる例について、図１７の概略断面構成図を参照して説明する。
図１７に示すように、この例においては、基板２上に例えば絶縁層１６が形成され、その上に下部電極３が形成され、これを覆って誘電体層１４が形成される。そして、この上に上部電極６及び絶縁層７より成る梁２０がこれら下部電極３及び誘電体層１４を跨ぐようにブリッジ状に形成され、本発明構成の静電駆動素子１が構成される。
一方、このような梁２０を有する静電駆動素子１が形成された基板２上に、蓋体５１が図示しない支持部によって、静電駆動素子１を含む内部を密閉し、適切な容積を保つように形成され、その一部に開孔が形成されて、インクジェットノズル５３とされる。
静電駆動素子１の上部の蓋体５１内部は例えばインク流路５２とされる。梁２０の下部、すなわち上部電極６と誘電体層１４との間は空間１２としてもよく、また液体が注入されていてもよい。
【００５８】
このような構成において、静電駆動素子１の下部電極３及び上部電極６に電圧を印加することによって、静電反発力を生じさせて梁２０を押し上げることにより、流路５２内のインクをインクジェットノズル５３から外部に射出させることができる。
この例においては、本発明構成の静電駆動素子を用いることから、上述の各実施形態例と同様に、チャージングによる駆動電圧シフトがなくなる。したがって、安定した特性のインクジェットプリンタヘッドを提供することが可能となる。
またこの例においても、図１７に示す例に限定されるものではなく、本発明構成の静電駆動素子を用いる構成であれば、その他種々の構成のインクジェットプリンタヘッドに適用することができる。
また、本発明による静電駆動素子は、その他の静電引力又は静電反発力を利用する各種の静電駆動素子に適用可能であり、またこの静電駆動素子を用いる各種の装置に適用可能であることはいうまでもない。
【図面の簡単な説明】
【００５９】
【図１】本発明による静電駆動素子の一実施形態例の概略断面構成図である。
【図２】本発明による静電駆動素子の一実施形態例の概略断面構成図である。
【図３】本発明による静電駆動素子の一実施形態例の概略断面構成図である。
【図４】本発明による静電駆動素子の一実施形態例の概略断面構成図である。
【図５】Ａは本発明による静電駆動素子の一実施形態例の概略平面構成図である。Ｂは本発明による静電駆動素子の一実施形態例の概略断面構成図である。
【図６】本発明による静電駆動素子の一実施形態例の概略斜視構成図である。
【図７】Ａ〜Ｈは本発明による静電駆動素子の一実施形態例の製造工程図である。
【図８】Ａ〜Ｆは本発明による静電駆動素子の一実施形態例の製造工程図である。
【図９】Ａは本発明による静電駆動素子の一実施形態例の概略平面構成図である。Ｂは本発明による静電駆動素子の一実施形態例の概略断面構成図である。Ｃは本発明による静電駆動素子の一実施形態例の要部の概略断面構成図である。
【図１０】本発明による静電駆動素子の一実施形態例の概略断面構成図である。
【図１１】Ａ〜Ｇは本発明による静電駆動素子の一実施形態例の製造工程図である。
【図１２】Ａ〜Ｉは本発明による静電駆動素子の一実施形態例の製造工程図である。
【図１３】Ａは通常の光変調素子の一例の概略断面構成図である。Ｂはブレーズ構造による光変調素子の一例の概略断面構成図である。
【図１４】通常の光変調素子とブレーズ構造による光変調素子におけるフィルファクターと光効率との関係を示す図である。
【図１５】本発明による静電駆動素子の一実施形態例の概略断面構成図である。
【図１６】本発明によるプロジェクターの一実施形態例の概略構成図である。
【図１７】本発明による静電駆動素子の一実施形態例を用いたインクジェットプリンタヘッドの要部の概略断面構成図である。
【図１８】Ａ及びＢは従来の静電駆動素子の一例の概略断面構成図である。
【図１９】従来の静電駆動素子の一例の概略斜視構成図である。
【符号の説明】
【００６０】
２．基板、３．下部電極、４．絶縁層、５．犠牲層、６．上部電極、７．絶縁層、８．開口、９．犠牲層、１０．反射層、１１．間隙、１２．空間、１３．空間、１４．誘電体層、１５．間隙、１６．絶縁層、２０．梁、５０．インクジェットプリンタヘッド、５１．蓋体、５２．インク流路、５３．インクジェットノズル、８１．プロジェクター、８２Ｒ．光源、８２Ｇ．光源、８２Ｂ．光源、８６Ｒ．照明光学系、８６Ｇ．照明光学系、８６Ｂ．８８Ｒ．光変調素子、８８Ｇ．光変調素子、８８Ｂ．光変調素子、９０．色合成フィルタ、９２．空間フィルタ、９４．ディフューザー、９６．ミラー、９８．走査照明系、１００．投影光学系、１０２．スクリーン
【図１】
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【図２】
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【図３】
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【図４】
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【図５】
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【図６】
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【図７】
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【図８】
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【図９】
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【図１０】
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【図１１】
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【図１２】
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【図１３】
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【図１４】
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【図１５】
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【図１６】
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【図１７】
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【図１８】
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【図１９】
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