(57)【要約】【課題】簡単な製造プロセスで作製する。【解決手段】マイクロミラー３２は、ヒンジ２５ａをミラー１４の下に隠した構成になっている。ミラー１４の下面中央には、支持柱１６の一端１６ａが接続されている。支持柱１６の他端１６ｂには、支持柱１６の径方向に長い形状をしたヒンジ２５ａが力点コネクタ２６ａを介して接続されている。一端１６ａと他端１６ｂとの間には、支点部材２８ｂが支点コネクタ２９ａを介して接続されている。支持柱１６は、ヒンジ２５ａの熱膨張を利用して、他端１６ｂが力点コネクタ２６ａにより径方向に押圧され、支点コネクタ２９ａを支点として一端１６ａでミラー１４を傾斜させる。【選択図】図８
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【特許請求の範囲】
【請求項１】
ミラーを傾斜して入射光を偏向させるマイクロミラーにおいて、
前記ミラーを一端で下方から支持する支持柱と、前記支持柱の他端に接続されているヒンジと、前記支持柱の一端と他端との間に接続されている支点部材と、を有し、前記ヒンジの熱変形を利用して前記他端を変位することで、前記支点部材を支点にして前記一端を変位させることにより、前記ミラーを傾斜させることを特徴とするマイクロミラー。
【請求項２】
請求項１記載のマイクロミラーにおいて、
前記ヒンジは、前記支持柱を中心とする周の等分割位置に同一形状で複数設けられており、また、前記支点部材は、前記周の方向で隣合うヒンジの間の中間位置に、前記ヒンジよりも質量の大きい形状で複数設けられていることを特徴とするマイクロミラー。
【請求項３】
請求項１又は２記載のマイクロミラーにおいて、
前記支持柱、前記ヒンジ、及び前記支点部材は、単一材料の半導体基板から作られていることを特徴とするマイクロミラー。
【請求項４】
請求項１ないし３記載いずれか１項記載のマイクロミラーにおいて、
前記支持柱は、円形、又は所定の径の円に内接する多角形で断面が作られており、
前記ヒンジは、薄厚長板状をしており、前記支持柱に対して長手方向を径方向に沿わした向きで接続されていることを特徴とするマイクロミラー。
【請求項５】
請求項１ないし４いずれか１項記載のマイクロミラーにおいて、
前記ヒンジと前記支持柱との間に設けられ、前記ヒンジよりも質量の小さい形状に作った力点コネクタを備えることを特徴とするマイクロミラー。
【請求項６】
請求項１ないし４いずれか１項記載のマイクロミラーにおいて、
前記支点部材と支持柱との間に設けられ、前記支点部材よりも質量の小さい形状に作った支点コネクタを備えることを特徴とするマイクロミラー。
【請求項７】
請求項１ないし６いずれか１項記載のマイクロミラーにおいて、
前記支点部材、又は前記支点コネクタは、前記他端に寄った位置で接続されていることを特徴とするマイクロミラー。
【請求項８】
請求項１ないし７いずれか１項に記載の前記マイクロミラーを複数配列してなるマイクロミラーアレイ。
【請求項９】
請求項１ないし８いずれか１項に記載のマイクロミラー、又はマイクロミラーアレイを使用するマイクロミラー装置において、
前記ヒンジに対して熱を付与する熱付与手段を備えることを特徴とするマイクロミラー装置。
【請求項１０】
請求項９に記載のマイクロミラー装置において、
前記熱付与手段は、前記ヒンジに対して光を照射することで熱を付与する空間光変調器になっていることを特徴とするマイクロミラー装置。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、ＭＥＭＳ（Micro Electro Mechanical Systems）分野に用いられるマイクロミラー、及びマイクロミラーアレイ、並びにマイクロミラー装置に関する。
【背景技術】
【０００２】
マイクロミラー装置としては、マイクロミラーアレイの光学的に利用可能な領域の画素面積に対する割合（光学的充填率（optical fill factor））を高めたヒンジ隠し型のものが知られている（特許文献１）。
【０００３】
特許文献１に記載のマイクロミラー装置は、ヒンジがミラーの下に隠された構造をしている。ミラーは、電極との間の電位差により生じる静電力を駆動力として傾斜する。ミラー及びヒンジは、これらの下に堆積した犠牲層を除去することにより作られる。
【０００４】
マイクロミラーの駆動力としては、静電力以外に、熱膨張を利用するものが知られている（特許文献２）。特許文献２に記載のマイクロミラーは、ヒンジの先端にミラーを設けた片持ち梁構造になっており、２種類の材料の熱膨張率の差を利用したバイモルフ構造をヒンジに有している。２種類の材料は、リンを含む多結晶シリコン膜とアルミニウム膜とからなり、窒化シリコンからなるヒンジの両側に設けられている。多結晶シリコン膜に通電をすると、多結晶シリコンのジュール熱によりヒンジが加熱され、２種類の材料の熱膨張率の差によりヒンジの可動部分（先端）が固定部分（根元）を中心として回転してミラーを傾斜させる。
【先行技術文献】
【特許文献】
【０００５】
【特許文献１】特開平５−１９６８８０号公報
【特許文献２】特開２００２−２６７９５６号公報
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【０００６】
しかしながら、特許文献１に記載の発明では、ミラーの下に犠牲層を何度も堆積しては除去する必要がある。ミラーの下に薄膜を多層に堆積すると、一般的には、ミラー表面に起伏が生じて、その結果、ミラーの反射効率が減少する。また、ミラーの下の犠牲層を除去する時に、繊細なミラー構造が破壊されるおそれがある。また、エッチャントでミラーの下の犠牲層を除去するために、ミラー間に大きな隙間が必要となる。
【０００７】
また、特許文献２に記載の発明では、ミラー、ヒンジ、電極、及び制御回路のために、個別の層を含む複数の層を必要とする。このため、薄膜を多層に積み重ねるプロセスや、多層薄膜のエッチングプロセス等が必要になり、コスト高となり、歩留まりを低下させる。しかも、ヒンジ部にバイモルフ構造を設けるため、製造プロセスにさらに手間がかかる。
【０００８】
本発明は、上記問題に鑑みてなされたものであり、簡単な製造プロセスを用いて作製することができるマイクロミラー、及びマイクロミラーアレイ、並びにマイクロミラー装置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】
【０００９】
上記目標を達成するために、本発明では、一端でミラーを下方から支持する支持柱と、支持柱の他端に接続されているヒンジと、支持柱の一端と他端との間に接続されている支点部材と、を有し、ヒンジの熱変形を利用して他端を変位することで、支点部材を支点にして一端を変位させることによりミラーを傾斜させるようにしたものである。
【００１０】
ヒンジは、支持柱よりも質量の小さい形状で作るのが好ましい。また、ヒンジとしては、支持柱を中心とする周の等分割位置に複数設けてもよい。この場合、支点部材は、支持柱の周方向で隣合うヒンジの間の中間位置に、ヒンジよりも質量の大きい形状で複数設けるのが望ましい。
【００１１】
複数設ける場合には、ヒンジ、及び支点部材を、支持柱を中心とする周方向にずらして配される。このため、支持柱、ヒンジ、及び支点部材は、単一材料の半導体基板の表面及び裏面から、例えばドライエッチング処理により簡単に作製することができる。
【００１２】
支持柱としては、円形、又は所定の径の円に内接する多角形を断面とする円柱、又は多角形柱で作るのが好適である。この場合、ヒンジを薄厚長板状に作り、支持柱に対して長手方向を径方向に沿わした向きでヒンジを接続するのが、周囲への熱伝導を防ぎながらヒンジのみを熱膨張させることができるので望ましい。
【００１３】
さらに、熱伝導を防ぐために、ヒンジと支持柱との間に、ヒンジよりも質量の小さい形状に作った力点コネクタを設けるのが望ましい。さらに、支点部材と支持柱との間に、支点部材よりも質量の小さい形状に作った支点コネクタを備えるのが望ましい。
【００１４】
支持柱は、ヒンジの熱膨張による押圧を受けことで他端が力点となり、支点部材、又は支点コネクタを支点として、作用点となる一端でミラーを傾斜させる。支点としては、作用点よりも力点に寄った位置に設けると、作用点の変位が大きくなる。そこで、支点部材、又は支点コネクタを、他端に寄った位置に接続するのが、ミラーの傾斜を大きくとることができるので望ましい。
【００１５】
前述したマイクロミラーをマトリックス状に複数配列してマイクロミラーアレイが形成される。また、マイクロミラー、又はマイクロミラーアレイのヒンジに熱を付与する熱付与手段を設けることで、マイクロミラー装置が形成される。熱付与手段としては、ヒンジに対して光を照射することで熱を付与する空間光変調器を用いるのが、従来技術と比較してミラー（素子）毎に静電力を付与するための電気配線等を設ける必要がないので望ましい。
【発明の効果】
【００１６】
本発明では、ミラーを一端で下方から支持する支持柱の他端にヒンジを接続し、一端と他端との間に支点部材を接続した形態となっているため、簡単な製造プロセスで作製することができる。
【図面の簡単な説明】
【００１７】
【図１】本発明のマイクロミラー装置を示す分解斜視図である。
【図２】マイクロミラー装置を示す斜視図である。
【図３】マイクロミラーアレイを示す縦断面図である。
【図４】裏面から見たマイクロミラーを示す斜視図であり、一部を切断して示している。
【図５】図３に示すＡ−Ａ線で切断した断面図である。
【図６】図５に示すＢ−Ｂ線で切断した断面図である。
【図７】裏面から見たマイクロミラーを示す斜視図であり、ミラーの対角線に沿って切断している。
【図８】ヒンジを加熱することで支持柱が回転してミラーを傾斜させる動作を概略的に説明する説明図である。
【図９】図８で説明した動作を概略的に説明する平面図である。
【図１０】マイクロミラー装置を裏面から見た分解斜視図である。
【図１１】光照射時間とミラーの傾斜角との関係を示すグラフである。
【図１２】支持アレイの製造プロセスの第１工程を示す説明であり、（Ａ）は平面図、（Ｂ）は、同図（Ａ）に示したＡ−Ａ線に沿って切断した断面図、（Ｃ）は、同図（Ａ）に示したＢ−Ｂ線に沿って切断した断面図をそれぞれ示している。
【図１３】支持アレイの製造プロセスの第２工程を示す説明であり、（Ａ）は平面図、（Ｂ）は、同図（Ａ）に示したＡ−Ａ線に沿って切断した断面図、（Ｃ）は、同図（Ａ）に示したＢ−Ｂ線に沿って切断した断面図をそれぞれ示している。
【図１４】支持アレイの製造プロセスの第３工程を示す説明であり、（Ａ）は平面図、（Ｂ）は、同図（Ａ）に示したＡ−Ａ線に沿って切断した断面図、（Ｃ）は、同図（Ａ）に示したＢ−Ｂ線に沿って切断した断面図をそれぞれ示している。
【図１５】支持アレイの製造プロセスの第４工程を示す説明であり、（Ａ）は平面図、（Ｂ）は、同図（Ａ）に示したＣ−Ｃ線に沿って切断した断面図、（Ｃ）は、同図（Ａ）に示したＤ−Ｄ線に沿って切断した断面図をそれぞれ示している。
【図１６】１個のヒンジを設けたマイクロミラーの別の実施形態を示す断面図である。
【図１７】図１６に示したＥ−Ｅ線に沿って切断した断面図である。
【図１８】隣合う２個のヒンジに熱を同時に付与してミラーを傾斜させる他の実施形態を示す平面図である。
【発明を実施するための形態】
【００１８】
マイクロミラー装置１０は、図１に示すように、ミラーアレイ１１、支持アレイ１２、及び空間光変調器１３で構成されている。ミラーアレイ１１は、表面に反射面１４ａをもつミラー１４をマトリクス状に複数並べた構成になっており、単結晶シリコン等の単一材料（半導体材料）から作製される。
【００１９】
支持アレイ１２は、ミラー支持部１５をマトリクス状に複数並べた構成になっている。ミラー支持部１５は、詳しくは後述する支持柱１６、ヒンジ、及び支点部材等を有しており、単結晶シリコン等の熱伝導率の高い特性を有する単一材料（半導体基板）から作製されている。支持柱１６は、先端（一端）１６ａがミラー１４の裏面中央に接合され、ミラー１４を傾斜自在に保持する。
【００２０】
空間光変調器１３は、マイクロレンズアレイ１７、液晶ユニット１８等で構成されており、ミラー支持部１５の裏面に光を選択的に照射して熱を付与する。支持柱１６は、熱膨張により根元が押圧されテコの原理により回転してミラー１４を傾斜させる。空間光変調器１３は、光の照射量（照射時間）を制御することでミラー１４の傾斜角を制御する。
【００２１】
ミラーアレイ１１と支持アレイ１２とは、それぞれ独立に加工された後に、例えばシリコンを含む金半田等で接合されてマイクロミラーアレイ２０となる。
【００２２】
マイクロミラーアレイ２０は、図２に示すように、ミラーアレイ１１の光学的に利用可能な領域の画素面積に対する割合を高めるために、支持柱１６、ヒンジ、及び支点部材等をミラー１４の下に隠した構造をしている。
【００２３】
支持アレイ１２は、図３ないし図５に示すように、複数のキャビティ２１を備えている。複数のキャビティ２１は、マトリクス状に配列されており、側壁２２で仕切られている。なお、図４では、図面の煩雑化を防ぐために、側壁２２を省略している。
【００２４】
支持柱１６は、断面八角形で形成されており、キャビティ２１の内部中央に立設されている。支持柱１６の根元（他端）１６ｂの周りには、４個のヒンジ（膨張梁）２５が支持柱１６の周の等分割位置にそれぞれ配されている。各ヒンジ２５は、熱容量（質量）を同じにするために全て同じ形状に作るのが理想的であり、本実施形態では、支持柱１６の軸に直交する方向（内接する円の径方向）に沿って長く伸ばした薄厚板状に作られている。なお、支持柱１６としては、八角形以外の多角形や円形の断面を有する柱としてもよい。
【００２５】
ヒンジ２５は、一端がコネクタ２６ａにより支持柱１６に、他端がコネクタ２６ｂにより側壁２２にそれぞれ接続されている。これらのコネクタ２６は、ヒンジ２５に対して同じ厚みで、かつ幅を細くした形状になっており、熱容量を同じにするために全て同じ形状になっている。コネクタ２６は、幅が狭くなっているので、支持柱１６、及び側壁２２との接続面積が小さくなり、よってヒンジ２５から熱が拡散することを抑制する。
【００２６】
支持柱１６とヒンジ２５とを繋ぐコネクタ（以下、「力点コネクタ」と称す。）２６ａは、テコの原理を利用してミラー１４を傾斜するときの力点になる。ヒンジ２５、及びコネクタ２６は、レジストパターンにより支持柱１６を残して半導体基板の一面から反応性イオンエッチング等の深く堀る製造プロセスにより作製される。このため、ヒンジ２５、及びコネクタ２６の上方には、ミラー１４との間に大きな溝が形成されている。
【００２７】
支持柱１６を中心とする周方向で隣合うヒンジ２５の中間には、支点部材２８がそれぞれ設けられている。支点部材２８は、図６及び図７に示すように、ヒンジ２５に対して熱容量が大きくなるように、厚みの厚い形状で形成されており、支持柱１６と側壁２２との間でコネクタ２９ａ，２９ｂによりそれぞれ所定の隙間３０を空けて接続されている。支持柱１６と支点部材２８とを繋ぐコネクタ２９ａ（以下、「支点コネクタ」と称す。）は、テコの原理を利用してミラー１４を傾斜するときの支点になる。支点コネクタ２９ａは、力点コネクタ２６ａに対して、支持柱１６の周方向にずれた位置で、かつ支持柱１６の軸方向にずれた位置にそれぞれ配されている。なお、本実施形態では、ミラー１４の傾斜角を大きく取るために、支点コネクタ２９ａを、力点コネクタ２６ａに寄った位置に配している。
【００２８】
なお、図４、図７に示したミラー１４、支持柱１６、４個のヒンジ２５、及び４個の支点部材２８は、本発明のマイクロミラー３２を構成する。図８及び図９に示すように、４個のうちの１個のヒンジ２５ａは、加熱されることで支持柱１６を挟んで逆側のヒンジ２５ｂとの熱膨張の差により、ヒンジ２５ａの長手方向（支持柱１６の径方向）に熱膨張して、力点コネクタ２６ａを介して支持柱１６の根元１６ｂを逆側のヒンジ２５ｂに向けて押圧する。支持柱１６は、根元１６ｂが押圧されることで、熱膨張したヒンジ２５ａとは逆側に位置する一対の支点部材２８ａ，２８ｂの支点コネクタ２９ａを支点として、先端１６ａが押圧方向とは逆の方向に倒れる方向に回転してミラー１４を傾斜させる。なお、支持柱１６に対面する支点部材２８の側面３１、又は支点部材２８の上面、もしくは側壁２２の上面が、ミラー１４の傾斜を規制する傾斜ストッパーになる。
【００２９】
本実施形態では、同じ形状（同じ熱容量）である複数のヒンジ２５を、支持柱１６を中心とする周の等分割位置（釣り合い位置）に配列しているので、温度変化が生じてもミラー１４の安定位置、及び傾斜位置が変わるような不都合が生じなく、よって安定した動作特性を得ることができる。
【００３０】
マイクロレンズアレイ１７は、図１０に示すように、複数のマイクロレンズ３５を有し、各マイクロレンズ３５は、各ヒンジ２５の裏面に対向する位置に配されている。液晶ユニット１８は、透過型の液晶パネル３６と、バックライト３７とからなり、液晶パネル３６の各液晶セル３６ａの透過又は遮光を制御することで、バックライト３７から放たれる光をマイクロレンズ３５に向けて選択的に出射する。マイクロレンズ３５は、液晶セル３６ａを透過した光をヒンジ２５の裏面に集光する。
【００３１】
なお、光としては、長波長側の光を利用すると、熱に変わりやすいので好適である。また、空間光変調器１３の代わりに、プロジェクタを利用して光を照射するように構成してもよい。プロジェクタを利用しても光を選択的に照射して特定のヒンジ２５に熱を付与することができる。なお、光を照射することで熱を付与する空間光変調器１３に限らず、熱を直接に付与する発熱素子を複数用いた例えば、サーマルヘッド等の熱付与手段を使用してもよい。
【００３２】
また、光吸収率を向上するために、反射防止層をヒンジ２５の裏面に設けても良い。反射防止層としては、光の波長以下の微細な凹凸（周期構造）を設けてなる反射防止層、例えばアモルファスシリコン膜等のシリコン化合物膜を、ドライエッチング処理により形成するのが、製造プロセスが簡単になるので好適である。これによれば、反射防止層は、波長２００〜７００ｎｍの光に対して反射率が１％以下の特性を得ることができる。
【００３３】
ミラー１４の傾斜角は、図１１に示すように、光の照射時間（熱量）に比例する。例えば液晶パネル３６を６０Ｈｚで駆動し、ミラー１４当たり１６素子（画素）で加熱すると、１秒当たりの加熱量は９６０通りとなり、よってミラー１４を９６０通りの傾斜角で制御をすることができる。
【００３４】
次に、支持アレイ１２の加工手順を説明する。第１工程は、図１２に示すように、単一材料の基板４０の表面のうちの支持柱１６の予定位置にレジストマスク４１によりパターンニングして、ドライエッチングにより支点部材３８、及び側壁２２の上面の高さ位置まで垂直方向に掘り下げて支持柱１６の一部を作る。
【００３５】
第２工程は、図１３に示すように、基板４０のうちの支持柱１６、及び側壁２２の予定位置の上にレジストマスク４２，４３をパターンニングして、ドライエッチングによりコネクタ２９ａ，２９ｂの上面の高さ位置まで垂直方向に深掘り形成する。これにより、支持柱１６と支点部材２８との間、及び支点部材２８と側壁２２との間にそれぞれ隙間３０が形成される。
【００３６】
第３工程は、図１４に示すように、基板４０のうちのコネクタ２９ａ，２９ｂの予定位置の上にレジストマスク４４をパターンニングして、ドライエッチングによりヒンジ２５の上面の高さ位置まで垂直方向に掘り下げる。これにより、支持柱１６が出来上がるとともに、ヒンジ２５との間に溝４５が形成される。その後、レジストマスク４１〜４４を除去する。
【００３７】
第４工程は、図１５に示すように、基板４０の裏面のうちの支持柱１６、ヒンジ２５、及びコネクタ２６ａ、２６ｂの予定位置の上にレジストマスク４６〜４８をパターンニングして、支点部材２８の裏面の高さ位置まで垂直方向に掘り下げる。その後、レジストマスク４６〜４８を除去する。これにより、ヒンジ２５，コネクタ２６ａ，２６ｂ、及び支点部材２８が出来上がる。
【００３８】
このように、単一材料の基板４０に対して表面及び裏面からエッチング処理を施すだけの製造プロセスによって支持アレイ１２を作ることができるので、コストダウンを図ることができる。
【００３９】
次に、支持アレイ１２にミラーアレイ１１を取り付ける。この場合、各ミラー１４を支持柱１６の先端１６ａに各々接合するのは大変な作業になる。そこで、ミラーアレイ１１は、単一材料（半導体基板）の下面を支持柱１６に接合した後に、マトリクス状に切断して個々のミラー１４を分離するのが好適である。なお、ミラー１４の表面には、例えば反射率の高いアルミニウム膜等の反射膜を設けるのが望ましい。
【００４０】
上記実施形態では、支持柱１６当たりヒンジ２５を４個設けているが、本発明では４個に限らない。例えばヒンジ２５を２個、あるいは５個以上設ける場合には、支持柱１６を中心とする周方向の等分割位置に配列し、支点部材２８を隣合うヒンジ２５の間の中間に配列すればよい。また、１個の場合には、図１６に示すように、支持柱１６を挟んでヒンジ２５とは逆側に支点部材２８を配すればよい。また、本発明では支点部材２８を省略し、１個のヒンジ２５のみで支持柱１６を傾斜させてもよい。
【００４１】
上記各実施形態では、１つのヒンジ２５に対して熱を付与する構成として説明しているが、本発明では熱を同時に付与するヒンジ２５としては１つに限らず、隣合う２個のヒンジ２５に同時に熱を付与してミラー１４を所定の方向に傾斜させるように構成してもよい。図１７に実施形態では、２個のヒンジ２５ａ，２５ｃに対して熱を同時に付与する。これにより、２個のヒンジ２５ａ，２５ｃが膨張して、支持柱１６の根元１６ｂを押圧方向Ａ，Ｂにそれぞれ押圧する。支持柱１６は、支点部材２８ａ，２８ｂ，２８ｃの支点コネクタ２９ａを中心として先端１６ａが２つの押圧方向Ａ，Ｂを合成した合成方向とは逆の方向Ｃに向けて回転する。この場合、隣合う２個のヒンジ２５ａ，２５ｃへの熱量を変えることで、合成方向が変わるため、支持柱１６の先端１６ａを前記方向Ｃ以外の任意の方向に回転させることができる。隣合うヒンジ２５の選択とこれらのヒンジ２５への熱量の変化との組み合わせにより、ミラー１４を二次元の任意の方向に傾斜させることができる。また、上記各実施形態では、ヒンジ２５ａに熱を付与してミラー１４の傾斜角を変更しているが、逆にヒンジ２５ａに吸熱手段を設け、ヒンジ２５ａの熱を吸収して、吸熱による収縮現象を発生させて、ミラー１４の傾斜角を変更してもよい。
【符号の説明】
【００４２】
１０  マイクロミラー装置
１１  マイクロミラー
１２  ミラーアレイ
１３  空間光変調器
１４  ミラー
１６  支持柱
２５  ヒンジ
２６ａ  力点コネクタ
２８  支点部材
２９ａ  支点コネクタ
３２  マイクロミラー
【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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