(57)【要約】【課題】  ヒンジのエッジ部分における亀裂を生じ難くして、故障し難くし、しかもヒンジ部の捩り剛性をさほど変化させることなく撓み剛性のみを大幅に高めることができる光変調素子を提供する。【解決手段】  電極を備えた基板と、該基板上に空隙を介して架設された変形可能な長尺状の弾性梁体と、該梁体に取付けられて少なくとも一部分に前記電極に対向する導電部を備え該梁体の変形によって変位が可能な可動部材と、前記電極および前記導電部への電圧印加によって前記可動部材を揺動変位させる微小構造体において、前記長尺状の梁体の架設されていない自由端の両端部に、その厚み方向に突部を突出させた。【選択図】    図１７
2007024946.tif 000002
【特許請求の範囲】
【請求項１】
基板と、該基板上に空隙を介して架設された変形可能な弾性梁体とを備え、該弾性梁体が変形することにより操作される微小電気機械素子であって、その弾性梁体の両端部に、その厚み方向に突出する突部が形成されていることを特徴とする微小電気機械素子。
【請求項２】
電極を備えた基板と、
該基板上に空隙を介して架設された変形可能な長尺状の弾性梁体と、
該梁体に取付けられて少なくとも一部分に前記電極に対向する導電部を備え該梁体の変形によって変位が可能な可動部材と、
前記電極および前記導電部への電圧印加によって前記可動部材を揺動変位させる微小構造体において、
前記長尺状の梁体の架設されていない自由端の両端部に、その厚み方向に突出する突部が形成されていることを特徴とする微小電気機械素子。
【請求項３】
電極を備えた基板と、
該基板上に空隙を介して架設された捩れ変形可能な長尺状の弾性梁体と、
該梁体に取付けられて少なくとも一部分に前記電極に対向する導電部を備え該梁体の捩れによって回転変位が可能な可動部材と、
該可動部材の表面に設けられた光学機能膜と、
前記電極および前記導電部への電圧印加によって前記光学機能膜を揺動変位させて、光を変調させる光変調素子において、
前記長尺状の梁体の架設されていない自由端の両端部に、その厚み方向に突出する突部が形成されていることを特徴とする微小電気機械光変調素子。
【請求項４】
電極を備えた基板と、
該基板上に空隙を介して架設された撓み変形可能な長尺状の弾性梁体と、
該梁体に取付けられて少なくとも一部分に前記電極に対向する導電部を備え該梁体の撓みによって上下変位が可能な前記電極と平行な部材と、
前記電極および前記導電部への電圧印加によって前記部材を前記電極と平行に変位させて、光の変調を行う光変調素子において、
前記長尺状の梁体の架設されていない自由端の両端部に、その厚み方向に突出する突部が形成されていることを特徴とする微小電気機械光変調素子。
【請求項５】
前記弾性梁体の断面形状が、両端部が突部で、中央部が薄くなった略凹状、略円弧状、略楕円弧状のいずれかであることを特徴とする請求項１〜４のいずれか１項記載の素子。
【請求項６】
前記突部が前記弾性梁体の部材と同一材料により形成されたことを特徴とする請求項５記載の微小電気機械光変調素子。
【請求項７】
前記突部が前記弾性梁体の部材と異なる材料により形成されたことを特徴とする請求項５記載の微小電気機械光変調素子。
【請求項８】
前記突部が前記弾性梁体の上面及び下面に形成されていることを特徴とする請求項１〜７のいずれか１項記載の素子。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、微小電気機械素子に関し、特に微小電気機械光変調素子の長尺状の梁体に関する。
【背景技術】
【０００２】
空間光変調器（ＳＬＭ）は、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である。このＳＬＭの一つに、マイクロメカニクス技術に基づきマイクロミラーを作製し、このマイクロミラーを傾けて光の偏向を図るデジタル・マイクロミラー・デバイス（ＤＭＤ）がある。ＤＭＤは、モノリシック単一チップ集積回路ＳＬＭであり、例えば１６ミクロン四方程度の可動マイクロミラーの高密度アレイからなる。これらのミラーは、アドレス回路上に形成され、ＤＭＤアレイの１画素を形成し、２つの位置のうち一方の位置で、入射光を投射レンズに反射し、他方の位置で入射光を光アブソーバーに偏向する。投射レンズは、表示スクリーン上へ変調光をフォーカスして画像を形成する。
明する。
【０００３】
図１３は本発明が対象の１つとしている反射型光変調素子の従来例で、反射型光変調素子の平面図、図１４は図１３のＡ−Ａ、Ｂ−Ｂ、Ｃ−Ｃ、Ｄ−Ｄの各断面視をそれぞれ（ａ）、（ｂ）、（ｃ）、（ｄ）に表した断面図、図１５は図１３に示した基板の断面図、図１６は図１３に示した反射型光変調素子 の電極配線図である。
図１３および図１４において、反射型光変調素子１００は、基板１０と、基板１０に配設された下部電極２０（図で左右の２０ａ、２０ｂ）と、この基板１０から空隙Ｇ（図１４）を介して梁体（以下、「ヒンジ 」と称す。）４０と、ヒンジ４０に形成された可動部材３０とから成っている。ヒンジ４０は長尺状をしたブリッジ（図１４（ｃ）参照）で、長尺方向両端の支持部４１で基板１０の上に立脚し、中央部分４０は下部電極２０ａと下部電極２０ｂとの隙間の上方に空隙Ｇを介して基板１０と略平行に架設されている。可動部材３０は導電部３１とその上に形成された光反射体（以下、「ミラー部」と称す。）３２とで構成され、導電部３１の中央部とヒンジ４０は一体となっている。
したがって、ヒンジ４０の捩れによって可動部材３０が回転変位し、したがってミラー部３２回転変位する。
【０００４】
基板１０は、Ｓｉ基板、ガラス基板等のいずれの素材を用いてもよい。基板１０の具体例としては、図１５のように、Ｓｉ基板７０上に素子を駆動するための回路（通常はＣＭＯＳ回路７１及びその配線回路７３）が形成され、その上面が絶縁層７５によって平坦化された基板であることが好ましい。そして、平坦化された絶縁層７５の上面に下部電極２０が設けられ、さらにその上方に空隙Ｇを介して前述の可動部材３０が設けられる。これらは絶縁層７５に設けられた図示しないコンタクトホールを介して電気的に接続されている。
【０００５】
下部電極２０は、ヒンジ４０を中心として両脇側に第１下部電極２０ａと第２下部電極２０ｂとを配設されてなる。ヒンジ４０の下側に、ヒンジ４０を中心として二つの下部電極（第１下部電極２０ａと第２下部電極２０ｂ）、が配設されている。つまり、軸を中心に揺動される可動部材３０の捩れ中心４０Ｃ軸（図１４（ｂ））の周りに、静電気力を有効に付与する電極（第１下部電極２０ａ、第２下部電極２０ｂ）が省スペースで配設されている。第１下部電極２０ａと第２下部電極２０ｂは基板１０上に固定されて形成される。第１下部電極２０ａと第２下部電極２０ｂは、金属、半導体など導電性を有するものであればよい。また、この上に絶縁層があってもよい。
【０００６】
ヒンジ４０の両端の支持部４１は、長尺状に形成したヒンジ４０の端部を、略四角錐状に凹ませた形状とすることができる。従って、支持部４１（図１４（ｃ））の断面形状は、下部に平坦部を有する逆三角形状となる。ヒンジ４０は、この平坦部が絶縁層７５（図１５）に穿設した図示しないコンタクトホールを介して配線回路７３（図１５）に接続されている。第１下部電極２０ａと第２下部電極２０ｂの位置は、ヒンジ４０の捩れ中心４０Ｃに対して略対称に配置される。ヒンジ４０は、導電性を有するものであればよい。例えば、金属、半導体が好適である。また、絶縁体と導電体の複合体であってもよい。
ヒンジ４０は、長尺状の長尺方向の両端が固定され、ヒンジ４０自身が捩れることによりヒンジの軸を中心に回転変位可能である。その弾性力はヒンジ４０の形状（膜厚、幅、長さ）と、材料物性（ヤング率、ポアソン比など）などで任意に決定される。なお、可動部材３０は左右に配設した電極による静電気力で、右回転及び左回転にアクティブ駆動が可能なため、ヒンジ４０の弾性力は小さく設定できる。また、ヒンジ４０の支持部４１は基板１０に固定されていれば如何なる構造であってもよい。
【０００７】
ヒンジ４０（導電部３１）の中央部は、両端部に対し拡幅され、水平左右方向（図１３の左右方向）に延出された翼形状となり、更に左右の翼前後部がヒンジ４０に沿って延在した平面視略Ｈ形状となっている。ミラー部３２は、このヒンジ中央部と略同形状のＨ形状となっている。ミラー部３２、又はミラー部３２とヒンジ４０は、金属、半導体などからなり、導電性を有し、基板１０と反対側の表面（光入射面）が反射性を有している。
【０００８】
図１６は図１３に示した反射型光変調素子の構成およびその動作を説明する図で、（１）はその電極配線を示す図、（２）は反射型光変調素子の左側傾斜状況、（３）はその右側傾斜状況をそれぞれ表した動作説明図である。
（１）に示すように、反射型光変調素子１００は、第１下部電極２０ａが電気的に接続されて第１駆動電極８１ａとなり、第２下部電極２０ｂが電気的に接続されて第２駆動電極８１ｂとなり、可動部材３０の導電部３１が可動体電極８０となっている。
可動部材３０の捩れ中心４０Ｃ軸周りに配設された第１下部電極２０ａと第２下部電極２０ｂのうち、第１下部電極２０ａ及び第２下部電極２０ｂがそれぞれ別の電源に接続され、それぞれ別の電位が与えられ得るようになっている。これらの電極と、可動部材３０の導電部３１とに電圧が印加されることで、捩れ中心４０Ｃを挟む可動部材３０の左右方向両端に上下方向の回転モーメントが付与可能となり、大きな回転駆動力Ｆが得られるようになる。また、一動作が３電極で制御可能となっている。
【０００９】
次に、上記のように構成された反射型光変調素子１００の傾斜動作を図１６の（２）及び（３）を用いて説明する。
反射型光変調素子１００は、基本動作として、下部電極２０と導電部３１への電圧印加によって、ミラー部３２を揺動変位させて、光の反射方向を偏向させるものである。
ミラー部・ヒンジ複合体の導電体（導電部３１）に対し、第１下部電極２０ａ、第２下部電極２０ｂに電位差を与えると、それぞれの電極と、ミラー部・ヒンジ複合体の導電体との間に静電気力が発生し、ヒンジ４０の捩れ中心４０Ｃ軸を中心に回転トルクが働く。従って、それぞれの電極の電位を制御することにより、ミラー部３２を回転変位させることが可能となる。変位する位置は、ミラー部３２の状態と、その時にそれぞれの電極により発生する静電気力と、ヒンジ４０の弾性力とによって決まる。
【００１０】
例えば、図１６（２）に示すように、第１下部電極２０ａを基板１０上で接続した第１駆動電極８１ａに電位Ｖ１を印加する。また、第２下部電極２０ｂを基板１０上で接続した第２駆動電極８１ｂに電位Ｖ２を印加する。更に、ミラー部３２及びヒンジ４０の導電部３１である可動体電極８０に電位Ｖｍを印加する。電位Ｖ１、Ｖ２、Ｖｍは、基板１０上に形成された半導体集積回路（例えばＣＭＯＳ回路７１）で供給、制御される。
ここで、Ｖｍに対するＶ１の電位差をＶ（１）、Ｖｍに対するＶ２の電位差をＶ（２）とする。Ｖ（１）＝Ｖ（２）＝０のときは、ミラー部３２に発生する外力はゼロであり、素子形成時の状態を維持し、ミラー部３２は、図１６（１）に示すように、基板１０に対し略水平となる。この状態はヒンジ４０の弾性力により安定である。
【００１１】
Ｖ（１）＝Ｖ（２）≠０のとき、ミラー部３２に発生する静電気力はヒンジ４０の捩れ中心４０Ｃを中心に対称となり、依然として素子形成時の状態を維持してミラー部３２は基板１０に対し略水平となる。
【００１２】
Ｖ（１）、Ｖ（２）の少なくとも一方がゼロでなく、それぞれ異なる場合、ミラー部３２に発生する静電気力はヒンジ４０の捩れ中心４０Ｃ軸を中心に非対称となり、ミラー部３２は基板１０に対して傾く。
【００１３】
例えば、Ｖ（１）＞Ｖ（２）のときには、図１６（２）に示すように第１下部電極２０ａにより発生する静電気力Ｆが、第２下部電極２０ｂにより発生する静電気力ｆより大きくなり、ミラー部３２は左側に傾く。逆に、Ｖ（１）＜Ｖ（２）のときは、図１６（３）のように第２下部電極２０ｂにより発生する静電気力Ｆが、第１下部電極２０ａにより発生する静電気力ｆより大きくなり、ミラー部３２は右側に傾く。
この時、Ｖ（１）とＶ（２）が十分大きいと、Ｖ（１）とＶ（２）の差が小さくても、ミラー部３２をフラット状態から任意の方向に回転変位させることが容易に可能である。このことは、例えば制御する電位をＶ１とＶ２とした場合、その電位差が小さくて済むため、制御回路の電圧を低くすることができ、コストや集積性に優位となる利点を有する。
このように、Ｖ１、Ｖ２、Ｖｍに適宜電位を供給することにより、それぞれの電極に発生する静電気力と、ヒンジ４０の弾性力から、ミラー部３２を時計回り回転、反時計回り回転、フラットなど任意の位置に変位させることが可能となる。また、この時の駆動方法は、アナログ制御（任意の変位に制御）、デジタル制御（例えば２値の変位に制御）の何れであってもよい。
【００１４】
そして、上記の回転駆動にあっては、適当な回転ストッパを設け、ミラー部３２をストッパに接触するまで回転変位させることで、回転角を精度よく制御することができる。また、電圧と変位特性のリニア領域を用いて、ミラー部３２を接触させずに回転変位させることも可能である。この場合、接触部が無いので、貼り付きなどの課題が生じなくなり、信頼性を高くすることができる。なお、上記した電極配線、及び各電位制御によるミラー部３２の変位動作方法は一実施例であり、これに限定されるものではない。
【００１５】
従って、上記の反射型光変調素子１００によれば、可動部材３０が、ミラー部３２と導電部３１とを備えた捩れ可能なヒンジ４０からなることで、可動部全体の質量が小さくなり、慣性モーメントを小さくして、高速可動が可能となる。
なお、基板１０側に下部電極２０が配設され、可動部材３０を挟んで下部電極２０の反対側にさらに上部電極を架設すると、ヒンジ４０のバネ力によらず、上下からの静電気力によって能動的に（アクティブに）可動部材３０が揺動されることができる。このことから、バネ力を利用して可動部材３０を復帰作動させる構造の場合に必要となるヒンジ４０のバネ力が大きくなくてもよくなり、バネ力を強くした場合の駆動抵抗が低減されて、高速かつ低電圧での駆動が可能となる。
【００１６】
以上のように、ヒンジ４０は長尺方向に直角な面での断面で見て矩形状のものが用いられていた。しかしながら、断面矩形状のヒンジは、ヒンジ部の曲げ剛性を高めようとするとヒンジ部の捩り剛性も同様に高くなってしまい、マイクロミラー装置のサーボ帯域の広域化を図ることが困難であった。
この欠点を解決するものとして、ヒンジ部の捩り剛性をさほど変化させることなく曲げ剛性のみが大幅に高められる発明が開示された（特許文献１参照）。
【特許文献１】特開２００１−１１７０２６
【００１７】
図１７の（ｂ）は、マイクロミラー装置（光変調素子）の特許文献１記載のヒンジ部近傍の斜視図である。図において、２００は特許文献１記載の発明に係るマイクロミラー装置（光変調素子）、２３０は可動部材、２４０はヒンジ、２４０ａはベース、２４０ｂはベース２４０の長尺方向に沿った中央部に形成された突部である。
従来のヒンジ４０（図１４（ｂ））は断面矩形であったので、長尺方向（図１４で紙面に垂直方向）の撓み剛性が弱かったのであるが、このように、ヒンジ２４０のベース２４０ａの長尺方向の中央部に、その厚み方向に突出する突部２４０ｂを形成することにより、ヒンジ２４０の長尺方向の撓み剛性を大幅に高めるようにしている。
なお、図１７の（ａ）は本発明に係るヒンジ部近傍の斜視図である。（これについては、後述）。
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【００１８】
このように、特許文献１記載の光変調素子２００にあっては、ヒンジ２４０のベース２４０ａの長尺方向の中央部に、その厚み方向に突部２４０ｂを形成しているので、ヒンジ２４０の長尺方向の撓み剛性を大幅に高めることができる。
しかしながら、このように製造した光変調素子においては、それまでの従来装置と同じく、ヒンジの製造プロセスのドライエッチング工程や長年の使用において、ヒンジが破損することがおきて、光変調素子が機能しなくなることがあった。
【００１９】
本出願人は、そのヒンジ破損の原因を検査したところ、ヒンジのエッジ部分に亀裂が生じやすく、ヒンジ破損の大部分がエッジ部分の亀裂に起因していることが判明した。
したがって、本発明の目的は、ヒンジのエッジ部分における亀裂を生じ難くすることによって、特許文献１記載の発明の持つ欠点を克服して光変調素子の生産性を高めると共に、しかも特許文献１記載の発明の長所であるヒンジ部の捩り剛性をさほど変化させることなく撓み剛性のみを大幅に高めることができる光変調素子を提供することにある。
【課題を解決するための手段】
【００２０】
上記の課題を解決するため、請求項１記載の発明は微小電気機械素子に係り、基板と、該基板上に空隙を介して架設された変形可能な弾性梁体とを備え、該弾性梁体が捩れ又は撓む（以下、「変形」という。）ことにより操作される微小電気機械素子であって、その弾性梁体の両端部に、その厚み方向に突出する突部が形成されていることを特徴としている。
【００２１】
請求項２記載の発明は微小電気機械素子に係り、電極を備えた基板と、該基板上に空隙を介して架設された変形可能な長尺状の弾性梁体と、該梁体に取付けられて少なくとも一部分に前記電極に対向する導電部を備え該梁体の変形によって変位が可能な可動部材と、前記電極および前記導電部への電圧印加によって前記可動部材を揺動変位させる微小構造体において、前記長尺状の梁体の架設されていない自由端の両端部に、その厚み方向に突出する突部が形成されていることを特徴としている。
【００２２】
請求項３記載の発明は微小電気機械光変調素子に係り、電極を備えた基板と、該基板上に空隙を介して架設された捩れ変形可能な長尺状の弾性梁体と、該梁体に取付けられて少なくとも一部分に前記電極に対向する導電部を備え該梁体の捩れによって回転変位が可能な可動部材と、該可動部材の表面に設けられた光学機能膜と、前記電極および前記導電部への電圧印加によって前記光学機能膜を揺動変位させて、光を変調させる光変調素子において、前記長尺状の梁体の架設されていない自由端の両端部に、その厚み方向に突出する突部が形成されていることを特徴としている。
【００２３】
請求項４記載の発明は微小電気機械光変調素子に係り、電極を備えた基板と、該基板上に空隙を介して架設された撓み変形可能な長尺状の弾性梁体と、該梁体に取付けられて少なくとも一部分に前記電極に対向する導電部を備え該梁体の撓みによって上下変位が可能な前記電極と平行な部材と、前記電極および前記導電部への電圧印加によって前記部材を前記電極と平行に変位させて、光の変調を行う光変調素子において、前記長尺状の梁体の架設されていない自由端の両端部に、その厚み方向に突出する突部が形成されていることを特徴としている。
【００２４】
請求項５記載の発明は、請求項１〜４のいずれか１項記載の素子において、前記弾性梁体の断面形状が、両端部が突部で、中央部が薄くなった略凹状、略円弧状、略楕円弧状のいずれかであることを特徴としている。
【００２５】
請求項６記載の発明は、請求項５記載の微小電気機械光変調素子において、前記突部が前記弾性梁体の部材と同一材料により形成されたことを特徴としている。
【００２６】
請求項７記載の発明は、請求項５記載の微小電気機械光変調素子において、前記突部が前記弾性梁体の部材と異なる材料により形成されたことを特徴としている。
【００２７】
請求項８記載の発明は、請求項１〜７のいずれか１項記載の素子において、前記突部が前記弾性梁体の上面及び下面に形成されていることを特徴としている。
【発明の効果】
【００２８】
上記のように本発明によれば、長尺状の梁体の長尺方向に対して直角方向の両端部に、その厚み方向に突部を突出させて状の梁体の端部を補強したので、ヒンジのエッジ部分が破損し難くくなる微小電気機械素子が得られる。
また、長尺状の梁体の端部の補強を梁体の部材と同一材料により形成したので、生産性が上がるとともに、補強と梁体との境界がなくなり強度が高くなる。
あるいは、端部の補強を梁体の部材と異なる材料により形成することにより、安価な材料にできるので、コスト安となる。
【発明を実施するための最良の形態】
【００２９】
以下、本発明について図１および図２に基づいて説明する。
図１は本発明に係る反射型光変調素子の平面図、図２は図１のＡ−Ａ、Ｂ−Ｂ、Ｃ−Ｃ、Ｄ−Ｄの各断面視をそれぞれ（ａ）、（ｂ）、（ｃ）、（ｄ）に表した断面図である。
図１および図２において、反射型光変調素子１００は、基板１０と、この基板１０上に空隙Ｇ（図２）を介して梁体（以下、「ヒンジ 」と称す。）４０（導電部３１と一体）が架設され、ヒンジ４０の捩れによって回転変位が可能な光反射体（以下、「ミラー部」と称す。）３２を有し、少なくとも一部分に導電部３１を備えた可動部材３０と、基板１０側に配設され空隙Ｇを介して可動部材３０に対向する下部電極２０とを有してなる。本発明によればヒンジ４０の形状が特徴であり、その他の部材は図１４の従来装置と同じであるので、重複説明は省略する。
本実施例では、光学機能膜として、入射光を反射させるミラーを適用している。
【００３０】
ヒンジ４０はベース部４０ａと突部４０ｂから成り（図２（ｂ）参照）、しかもその突部４０ｂはベース部４０ａの両端（すなわち、ベース部４０ａの長尺方向と直角方向の端部）に形成して、その断面は全体として凹部状になっているのが特徴である。そして突部４０ｂは、ヒンジ４０の長尺方向の両端まで達している（図２（ｃ）参照）。
【００３１】
図１７の（ａ）は、マイクロミラー装置（光変調素子）の本発明に係るヒンジ部近傍の斜視図である。図において、１００は光変調素子、３０は可動部材、４０はヒンジ、４０ａはベース、４０ｂはベース４０の長尺方向に沿って両端部に形成された突部である。
図１７（ｂ）のヒンジ２４０は、長尺方向に沿って中央部に突部２４０ｂが形成されていたが、ここではヒンジ４０のベース４０ａの両端部に突出する突部４０ｂを形成することにより、ヒンジ２４０と同等の撓み剛性を維持しながら、より捩れ易くすることができる。
【００３２】
図３は、本発明に係る素子（図１７（ａ））と従来素子（図１７（ｂ））のヒンジの撓み剛性と捩れ剛性についてのシミュレーション結果を示す線図である。
図において、縦軸は変位、横軸は電圧、撓みの線図の▲は本発明に係る素子、●は従来素子、捩りの線図の※は本発明に係る素子、■は従来素子である。
図から判るように、撓みに関して、本発明に係る素子（▲）は従来素子（●）と同じく、電圧を加えても撓み難く、捩れに関しては本発明に係る素子（※）は従来素子（■）と比べて、わずかな電圧で捩れ易くなることが判る。
【００３３】
以上のシミュレーション図は、本発明に係る素子の断面が図１７（ａ）に示す凹状、従来素子の断面が図１７（ｂ）の凸状について調べたものであったが、本出願人は、他の断面形状のヒンジについても、撓み剛性と捩れ剛性のシミュレーションを行った。 図４はシミュレーションを行った他の断面形状を示している。
図から判るように、本発明に係る素子の断面は２種類で、（１）片面のみ、両端部から中央部分に向けて略円弧状又は略楕円弧状に抉（えぐ）れているものと、（２）両面とも、両端部から中央部分に向けて略円弧状又は略楕円弧状に抉（えぐ）れているもの、従来素子の断面も２種類あって、（１）片面のみ、両端部から中央部分に向けて略円弧状又は略楕円弧状に膨（ふく）らんでいるものと、（２）両面とも、両端部から中央部分に向けて略円弧状又は略楕円弧状に膨（ふく）らんでいるものである。
図４に示す断面でそれぞれシミュレーションを行った結果、撓みに関して、いずれも本発明に係る素子は従来素子と同じく、電圧を加えても撓み難く、また捩れに関しては本発明に係る素子は従来素子と比べて、わずかな電圧で捩れ易くなる傾向があることが判った。
【００３４】
このように本発明によれば、ヒンジのエッジ部分を突部４０ｂに形成するので、ヒンジの製造プロセスのドライエッチング工程や長年の使用によってもヒンジ端部から破損が始まろうとしても、ヒンジ端部が補強されているため、破損し難くくなる。
また、ヒンジ４０の長尺方向に突部４０ｂが延びているので、撓み剛性を大幅に高めることができ、しかも２本の突部４０ｂが平行に延びているのでヒンジ部の捩り剛性は従来装置と比較して変わることがない。
【００３５】
次に、本発明に係る反射型光変調素子１００の製造方法を説明する。
図５は反射型光変調素子の一般的な製造工程例をＡ−Ａ、Ｃ−Ｃ断面別で（ａ）〜（ｄ）に表した説明図である。
図５（ａ）に示すように、駆動回路基板１０はＳｉ基板７０の上にＣＭＯＳ回路７１（図１５）を形成し、その上に第１のＳｉＯ2絶縁膜（図示せず）を形成する。その表面をＣＭＰ等で平担化した後、駆動回路の出力を素子の各電極と接続するためのコンタクトホールを形成し構成されている。
駆動回路基板１０上に、図示しない第１のアルミ薄膜（好ましくは高融点金属を含有したアルミ合金）をスパッタで成膜し、通常のフォトリソエッチングで所望の電極形状にパターニングして第１下部電極２０ａと第２下部電極２０ｂを形成する。なお、この時、上記の絶縁層７５（図１５参照）にはコンタクトホールが形成されていて、第１下部電極２０ａと第２下部電極２０ｂとも配線回路７３を介してＣＭＯＳ回路７１の出力に接続されて、それぞれ電位が供給可能とされる。
【００３６】
次に、図５（ｂ）に示すように、第１のポジ型のレジスト６１を塗布し、ヒンジ４０の支持部４１となる箇所をパターニングしてハードベークする。レジスト成膜時の表面張力により、下地膜の段差によらずレジスト表面は平坦となる。この第１レジスト層６１は犠牲層として機能し、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は将来の下部電極２０とヒンジ４０（及びミラー部３２）の空隙Ｇを決定する。なお、レジスト６１の代わりに感光性ポリイミドも使用可能である。
【００３７】
そして、図５（ｃ）に示すように、ヒンジ４０及びその支持部４１となる第２のアルミ薄膜（好ましくは高融点金属を含有したアルミ合金）９３をスパッタにより成膜する。その後、ＰＥ−ＣＶＤ（プラズマＣＶＤ）によりＳｉＯ2を成膜する（図示せず）。このＳｉＯ2膜は第２アルミ薄膜９３のエッチングマスクとして機能する。次に、フォトリソエッチングにより所望のヒンジ４０及びその支持部４１の形状になるようにＳｉＯ2膜をパターニングする（なお、本発明によるヒンジ４０の両端への突部の形成については、別図を用いて説明する。）。
次に、ミラー部３２となる第３のアルミ薄膜（好ましくは高融点金属を含有したアルミ合金）９５をスパッタにより成膜する。その後、ＰＥ−ＣＶＤ（プラズマＣＶＤ）によりＳｉＯ2を成膜する（図示せず）。このＳｉＯ2膜は第３アルミ薄膜９５のエッチングマスクとして機能する。次に、フォトリソエッチングにより所望のミラー部形状になるようにＳｉＯ2膜をパターニングする。
さらに、上記ＳｉＯ2膜をエッチングマスクとして、第３アルミ薄膜９５及び第２アルミ薄膜９３を連続してエッチングし、最後にＳｉＯ2膜をプラズマエッチングにより除去する。なお、アルミ薄膜のエッチングは、アルミエッチャント（リン酸、硝酸、酢酸の混合水溶液）によるウエットエッチング、又は塩素系ガスによるプラズマエッチングによってなされる。また、上記第１のＳｉＯ2絶縁膜にはコンタクトホールが形成されていて、ヒンジ４０（ミラー部３２）は駆動回路の出力に接続されて電位が供給される。
【００３８】
最後に、図５（ｄ）に示すように、酸素ガス系のプラズマエッチングにより、犠牲層である第１のレジスト層９１を除去して空隙Ｇを形成する。これにより、第１下部電極２０ａと第２下部電極２０ｂの設けられた基板１０上に、空隙Ｇを介して可動部材３０が配置された反射型光変調素子１００が得られる。
【００３９】
なお、反射型光変調素子１００の製造方法は、上記以外に以下のプロセスバリエーションを有する。即ち、ヒンジ４０とミラー部３２とは、単一のアルミ薄膜で構成してもよい。この場合、ヒンジ４０の厚みとミラー部３２の厚みが等しくなるが、工程を低減させることができる利点がある。
【００４０】
ミラー部３２は、導電体と絶縁体の複合体でもよい。例えば、ミラー部３２をヒンジ４０と一体又は別体で、金属、半導体など導電体により形成し、その上に多層膜ミラーを積層して形成してもよい。多層膜ミラーとしては、例えば誘電体の多層膜、又は誘電体／金属の多層膜である干渉ミラーを用いることができ、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ようになる。また、ミラー部３２は導電体と絶縁体の複合であって、反射性を有する部材がミラー部３２の一部に形成されてもよい。また、ミラー部３２はヒンジ４０と同じ材料であってもよい。上記の何れかの構成によってミラー部３２の一部（ここでは下面）に導電部３１が形成されている。
【００４１】
ミラー部３２、又はミラー部３２とヒンジ４０は導電性を有し、ヒンジ４０の支持部４１（図２（ｃ））を介して基板１０上で電気的に接続可能となっている。  以上のように、ミラー部３２とヒンジ４０は、ミラー部３２がヒンジ構造により、ヒンジ軸（捩れ中心４０Ｃ）を中心に回転変位可能で、ミラー部３２、又はミラー部３２とヒンジ４０が導電性を有し、且つ支持部４１を介して基板１０上に電気的に接続可能であれば、如何なる構造、材料であってもよい。
【００４２】
下部電極２０、ヒンジ４０の構造材料は、アルミ以外の導電性を有する材料であってもよい。例えば結晶Ｓｉ、多結晶Ｓｉ、金属（Ｃｒ、Ｍｏ、Ｔａ、Ｎｉなど）、金属シリサイド、導電性有機材料などが好適に使用可能である。また、導電部３１は、その上に保護用の絶縁膜（例えばＳｉＯ2、ＳｉＮｘ）を積層してもよい。この場合、ＳｉＯ2、ＳｉＮｘ、ＢＳＧ、金属酸化膜、ポリマーなどの絶縁性の薄膜に金属などの導電性薄膜を積層したハイブリッド構造も使用可能である。
【００４３】
また、上記では、犠牲層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、ＳｉＯ2等の絶縁性材料なども犠牲層としで好適である。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。
なお、上記実施例ではマスクをＳｉＯ2 としているが、構造材料と選択比がとれればどのような材料でもよい（例：レジスト）。
【００４４】
また、犠牲層除去方法には、上記のドライエッチング（プラズマエッチング）の他に、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、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・プロセスは上記の例に限定されるものではない。
【００４５】
次に、本発明に係る凹部の形成プロセスについて、図６〜図８の斜視図で説明する。
図６（１）のＳｉ基板Ｋには、上述したように、内部にＣＭＯＳ回路を形成し、その上に第１のＳｉＯ2絶縁膜を形成し、その表面をＣＭＰ等で平担化した後、駆動回路の出力を素子の各電極と接続するためのコンタクトホールを形成し、駆動回路基板１０上に、アルミ薄膜で成膜し、フォトリソエッチングで所望の電極形状にパターニングして第１下部電極と第２下部電極が形成されている。絶縁層にはコンタクトホールが形成されていて、第１下部電極と第２下部電極とも配線回路を介してＣＭＯＳ回路の出力に接続されて、それぞれ電位が供給可能とされる。
【００４６】
図６（２）において、本発明の凹部ヒンジがＳｉ基板Ｋの架設される空隙Ｇの幅に等しい厚みに犠牲層（レジストＧ）を塗布し、ヒンジの支持部となる箇所をパターニングしてハードベークする。この犠牲層Ｇは後の工程で除去される。ハードベーク後のレジストの膜厚は下部電極とヒンジの空隙を決定する。
【００４７】
図６（３）において、ヒンジ及びその支持部となるアルミ薄膜で第１材料Ｄ１をスパッタにより成膜する。このアルミ薄膜部分は本発明の凹部ヒンジの中央部の厚さとなる。
【００４８】
その後、図７（４）で、ＰＥ−ＣＶＤ（プラズマＣＶＤ）によりＳｉＯ2を成膜して第１マスクを形成し、次に、フォトリソエッチングにより本発明の凹部の中央窪みとなる部分の形状になるように第１マスク（ＳｉＯ2膜）をパターニングして、図のような第１マスクＭ１を得る。第１マスクＭ１の横幅は本発明の凹部ヒンジの窪みの横幅となる。
【００４９】
次に、図７（５）で、第２材料Ｄ２（アルミ薄膜）をスパッタにより成膜する。この厚みは本発明の凹部ヒンジの突部の高さとなる。
【００５０】
さらに、図７（６）で、この上にＰＥ−ＣＶＤ（プラズマＣＶＤ）によりＳｉＯ2膜でマスクを形成し、次に、フォトリソエッチングにより本発明の凹部ヒンジの突部の幅になるようにＳｉＯ2膜をパターニングして第２マスクＭ２を形成する。
【００５１】
その後、図８（７）で、上記ＳｉＯ2膜をエッチングマスクとして、アルミ薄膜を垂直方向に連続してエッチングして、２層のマスクＭ１、Ｍ２の下部に本発明の凹部ヒンジを形成する。
【００５２】
図８（８）で、２層のマスクＭ１、Ｍ２を除去すると、本発明の凹部状ヒンジが第１材料（アルミ薄膜）Ｄ１によりベースと、第２材料（アルミ薄膜）Ｄ２により突部とからできあがる。
【００５３】
最後に、図８（９）に示すように、酸素ガス系のプラズマエッチングにより、犠牲層Ｇを除去すると空隙Ｇができ、ブリッジ状のヒンジが得られる（なお、図ではヒンジの架橋部が描かれており、両端の支持部は描かれていないので、Ｓｉ基板Ｋから宙に浮いたように見えている。）。
【００５４】
なお、反射型光変調素子の製造方法は、上記以外に以下のプロセスバリエーションを有する。即ち、ヒンジ４０とミラー部３２とは、単一のアルミ薄膜で構成してもよい。この場合、ヒンジ４０の厚みとミラー部３２の厚みが等しくなるが、工程を低減させることができる利点がある。
【００５５】
以上の実施例は、本発明の凹部ヒンジが捩り回転する反射型光変調素子に適用した例で示してきたが、本発明はこれに限定されるものではなく、ヒンジが撓み上下変位する次のような平行平板型光変調素子に適用してもよいことは言うまでもない。
平行平板型光変調素子とは、例えば、透明な電極とダイヤフラムからなる可撓薄膜を、支持部を介して基板上の固定電極に架設したものである。この平行平板型光変調素子では、両電極間に所定の電圧を印加することで電極間に静電気力を発生させ、可撓薄膜を固定電極に向かって撓ませる。これに伴って素子自体の光学的特性が変化して、光変調素子に光が透過する。一方、印加電圧をゼロにすることで可撓薄膜が弾性復帰し、光変調素子は光を遮光する。このようにして光変調が行われるものである。
図９は、干渉を利用するタイプの平行平板型光変調素子の内部構成を示す断面図で、（ａ）は電極間電圧ゼロの場合、（ｂ）は電極間電圧有りの場合である。
図９において、１９０は平行平板型光変調素子、１９１はガラス基板、１９２と１９６は上下の透明電極、１９３と１９５は上下の透明絶縁膜、１９４はスペーサ、１９７は透明スペーサである。また、透明絶縁膜１９３と１９５はハーフミラーの機能を備えている。
この光変調素子では、ガラス基板１９１の上面に上下２枚の透明電極１９２、１９６が間隔を置いて形成されており、下側の透明電極１９２の上には透明絶縁膜１９３が配置され、スペーサ１９４を挟んで透明絶縁膜１９５が配置され、その上に透明電極１９６が配置されている。上記２枚の透明絶縁膜１９３、１９５と、２つのスペーサ１９４とに挟まれた空間には、下側の透明絶縁膜１９３に接して絶縁体から成る透明スペーサ１９７が形成されている。
【００５６】
図９（ａ）に示す光変調素子１０９には、上下２枚の透明電極１９２、１９６間には電圧が印加されていないので、上記の上側の透明絶縁膜１９３、１９５は、透明スペーサ１９７に密着されず、形成された状態のまま距離ｔ１を隔てており、その結果、ガラス基板１９１の下方側に配置された光源から発せられた光Ｌｉは、下側の透明絶縁膜すなわちハーフミラー１９３で反射されて、この光変調素子本体１９０を透過することがない。
【００５７】
図９（ｂ）は、図９（ａ）に示す光変調素子１９０において、上下２枚の透明電極１９２、１９６間に電圧Ｖｏｎを印加した場合の内部状態を示す断面図である。図９（ｂ）に示す光変調素子１９０では、その上下２枚の透明電極１９２、１９６間に電圧が印加された結果、透明電極１９２、１９６間には印加した電圧による静電気力が作用し、上側の透明電極１９６及びその下の上側の透明絶縁膜（ハーフミラー）１９５は下方に押されて、上側のハーフミラー１９５が透明スペーサ１９７に密着して上下２枚ののハーフミラー１９３−１９５間の距離はｔ２となり、この上下２枚のハーフミラー１９３、１９５に直交する光路の光の透過率が増加し、その結果、光源から発せられた光Ｌｉは、この光変調素子本体１９０を透過して、光変調素子１９０本体の上方側に抜け出ることができる。このように平行平板型光変調素子１９０においても、干渉を利用することで、光の透過・遮光を行うことができる。そこで平行平板型光変調素子１９０の可動膜である透明絶縁膜１９５、透明電極１９６の一方又は両方の形状として、長尺状の梁体の架設されていない自由端の両端部に、その厚み方向に突出する突部が形成された形状（図１７（ａ））とすることで、次に示すように膜応力による変形を生じ難くすることができる。
【００５８】
図１０は本発明に係るヒンジ（図１７（ａ））を平行平板型光変調素子に適用した場合のヒンジの撓み剛性と、ヒンジの膜応力（ｂ）についてのシミュレーション結果を従来のヒンジ（図１７（ｂ））の場合と共に示す線図である。
図１０（ａ）において、縦軸は変位、横軸は電圧、▲は本発明に係る素子、●は従来素子である。
図から判るように、撓みに関して、本発明に係る素子（▲）は従来素子（●）と同じ傾向にあることが判る。
図１０（ｂ）において、縦軸は変形量、横軸は応力、※は本発明に係る素子、■は従来素子である。
図から判るように、応力に関して、本発明に係る素子（※）は従来素子（■）よりもヒンジの膜応力による変形がし難いことが判る。
このように、ヒンジは捩れを利用する他に、撓みを利用することもできるので、これらの上位概念として、「変形」という用語を用いることとする。
【００５９】
以上、本発明に係る素子の断面は図２に示す凹状や図４に示す弧状であったが、本発明はこれに限定されるものではなく、さらに図１１のような断面形状のものでもよい。
図から判るように、（１）は素子の断面９１がＨ状であり、（２）はＥ状である。両者が図２や図４に示されている形状と共通していることは、いずれも、両端部に凸状が形成されていることである。このようにすれば、撓みに関して撓み難く、また捩れに関してはわずかな電圧で捩れ易くなることとなる。
【００６０】
さらに、上記説明では、端部の凸部の高さが長尺方向では一定であるように説明してきた（図２（ｃ）の４２参照）が、本発明に係る素子の長尺方向の凸部の高さは必ずしも一定である必要はなく、変化する形状のものでもよい。
図１２は本発明に係る素子９０の端部の凸部の高さが長尺方向に変化する例を示す斜視図である。（１）は素子端部の凸部の高さＬ１が長尺方向に一定の例であり、（２）は素子端部の凸部の高さＬ２が長尺方向に両端が低く、中央部が高くなるように変化する例であり、（３）は素子端部の凸部の高さＬ３が長尺方向に両端が高く、中央部が低くなるように変化する例をそれぞれ示している。（２）の例Ｌ２は撓みおよび捩れに関して共に撓みおよび捩れ難くなる傾向となり、（３）の例Ｌ３は撓みおよび捩れに関して共に撓みおよび捩れ易くなる傾向となり、（１）のＬ１の例はその中間に位置するものである。したがって、使用する梁の材料や形状・構造、および梁の使用方法等によって撓みおよび捩れがどのようなものが望ましいかが決まるので、それに従って、（１）〜（３）の中から適宜、選択又は組み合わせて使用すればよい。
【００６１】
以上の反射型光変調素子、平行平板型光変調素子の他、光変調部（可動部）を片持ち支持して成る片持形光変調素子に適用すると、従来のそれと比べて著しい効果があることも言うまでもない。
また、本発明に係る光変調素子では、光学機能膜として、反射型光変調素子に用いられるミラーに限らず、干渉膜や、平行平板型光変調素子に用いられる光透過性膜等、変調方式に応じて公知の部材を用いることができる。
【００６２】
また、本発明に係るヒンジは光変調素子に限らず、他の分野、例えば、２枚の平行電極の接触・非接触による微小電気機械素子のマイクロスイッチに適用すれば、故障し難いスイッチが得られる。
【００６３】
このように本発明によれば、ヒンジのエッジ部分を突部に形成することで、反射型光変調素子、平行平板型光変調素子、片持ち形光変調素子のいずれにおいても、ヒンジの製造プロセスのドライエッチング工程や長年の使用によってもヒンジ端部から破損が生じようとしても、ヒンジ端部が補強されているため、破損し難くくなる。
また、ヒンジの長尺方向に突部が延びているので、撓み剛性を大幅に高めることができ、しかも２本の突部が平行に延びているのでヒンジ部の捩り剛性は従来装置と比較して変わることがない。
【図面の簡単な説明】
【００６４】
【図１】本発明に係るヒンジを適用した反射型光変調素子の平面図である。
【図２】図１のＡ−Ａ、Ｂ−Ｂ、Ｃ−Ｃ、Ｄ−Ｄの各断面視を（ａ）、（ｂ）、（ｃ）、（ｄ）に表した断面図である。  本発明に係る素子（図１７（ａ））と従来素子（図１７（ｂ））のヒンジの撓み剛性と捩れ剛性についての結果を示す線図である。
【図３】本発明に係る素子（図１７（ａ））と従来素子（図１７（ｂ））のヒンジの撓み剛性と捩れ剛性についてのシミュレーション結果を示す線図である。
【図４】シミュレーションを行ったヒンジの他の断面形状を示す図である。
【図５】図１に示した反射型光変調素子 の製造工程例をＡ−Ａ、Ｃ−Ｃ断面別で（ａ）〜（ｄ）に表した説明図である。
【図６】図１に示した反射型光変調素子の製造工程例の工程（１）〜（３）の斜視図である。
【図７】図１に示した反射型光変調素子の製造工程例の工程（４）〜（６）の斜視図である。
【図８】図１に示した反射型光変調素子の製造工程例の工程（７）〜（９）の斜視図である。
【図９】干渉を利用するタイプの平行平板型光変調素子の内部構成を示す断面図で、（ａ）は電極間電圧ゼロの場合、（ｂ）は電極間電圧有りの場合である。
【図１０】本発明に係るヒンジ（図１７（ａ））と従来のヒンジ（図１７（ｂ））を平行平板型光変調素子に適用した場合のヒンジの撓み剛性と、ヒンジの膜応力（ｂ）についてのシミュレーション結果を示す線図である。
【図１１】図２および図４以外の他の断面形状を示す例である。
【図１２】本発明に係る素子端部の凸部の高さが長尺方向に変化する例を示す斜視図である。
【図１３】従来装置に係る反射型光変調素子の平面図である。
【図１４】図１３のＡ−Ａ、Ｂ−Ｂ、Ｃ−Ｃ、Ｄ−Ｄの各断面視を（ａ）、（ｂ）、（ｃ）、（ｄ）に表した断面図である。
【図１５】図１３に示した基板の断面図である。
【図１６】図１３に示した反射型光変調素子 の電極配線を示す図（１）、および反射型光変調素子の左側傾斜状況を表した動作説明図（２）と、右側傾斜状況を表した動作説明図（３）である。
【図１７】は、マイクロミラー装置（光変調素子）の本発明に係るヒンジ部近傍（ａ）と特許文献１記載のヒンジ部近傍（ｂ）のそれぞれ斜視図である。
【符号の説明】
【００６５】
１０  基板
２０  下部電極
２０ａ  第１下部電極
２０ｂ  第２下部電極
３０  可動部材
３１  導電部
３２  ミラー部（光反射体）
４０  ヒンジ（梁体）
４０ａ  ベース部
４０ｂ  突部
４１  支持部
８０  可動体電極
８１ａ  第１駆動電極
８１ｂ  第２駆動電極
１００  反射型光変調素子
Ｇ  空隙
【図１】
2007024946.tif 000003
【図２】
2007024946.tif 000004
【図３】
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【図４】
2007024946.tif 000006
【図５】
2007024946.tif 000007
【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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