JP4471252B2

JP4471252B2 - Light modulation device and driving method thereof

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Publication number: JP4471252B2
Application number: JP2001285952A
Authority: JP
Inventors: 健南條; 静一加藤; 剛一大高
Original assignee: Ricoh Co Ltd
Current assignee: Ricoh Co Ltd
Priority date: 2001-09-19
Filing date: 2001-09-19
Publication date: 2010-06-02
Anticipated expiration: 2021-09-19
Also published as: JP2003098450A

Description

【０００１】
【発明の属する技術分野】
本発明は、入射光束の反射方向を変える光変調装置に係り、特に、光反射領域を有する梁を静電力により変形させるタイプの光変調装置に関する。
【０００２】
【従来の技術】
静電力を利用した光スイッチデバイスとしては、片持ち梁を静電力で撓ませて光の反射方向を変えてスイッチするデバイス及びそれを用いた光変調システムが、K.E.Petersenにより1977年に発表されている（Applied Physics Letters,Vol.31, No.8, pp521〜pp523）。またD.M.Bloomらが、回折格子を静電力で駆動して光スイッチする素子を発表している（Optics Letters,Vol.7, No.9, pp688〜pp690、特許第2941952、特許第3016871号、特表平10-510374号）。
【０００３】
さらに、光変調システムを用いた画像装置としては、チボーらが、デジタルマイクロミラーデバイス(一般的にDMDと称される)を一次元又は二次元に配置したものを特開平6-138403号公報に開示している。
【０００４】
さらに、デジタルマイクロミラーデバイスの素子構造として、L.J.Hornbeckが、ねじり梁型やカンチレバー梁型のデジタルマイクロミラーデバイスを開示している（Proc. SPIE Vol.1150,pp.86-102(1989)）。このねじり梁型やカンチレバー型のデジタルマイクロミラーデバイスにおいては、ミラー部を傾斜させて用いる（本発明の光変調装置においては、梁を撓み変形させる）。
【０００５】
さらに、ゲルバートにより、両端固定型の梁を円筒状に撓み変形させて、高速に光変調を行う素子が特開2000-2842号公報に開示されている。
【０００６】
K.E.Petersenが発表した片持ち梁を利用した光スイッチやL.J.Hornbeckが発表したねじり梁型やカンチレバー梁型のデジタルマイクロミラーデバイスは、梁の安定性の確保が難しく、かつ応答速度も速くできない欠点がある。また、D.M.Bloomらによる特許第2941952号及び第3016871号の光スイッチ素子は、入射光の波長が制限されるという欠点がある。
【０００７】
これに対し、ゲルバートにより特開2000-2842号公報に開示されている素子、すなわち、平行な空隙を電極間に有し、その静電引力により両端固定梁を円筒状に撓ませる素子は、梁を高速に変形させることが可能なので応答速度を速くできる利点を有している。
【０００８】
【発明が解決しようとする課題】
本願の発明者らは、ミラーが形成された両端固定梁を、平行又は非平行な空隙を介して対向する電極との間の静電力によりその電極に当接変形させ、ミラーに入射する入射光束の反射方向を変えることで変調する、応答性に優れた光変調装置を提案している。しかし、この光変調装置は、特開2000-2842号公報に開示された素子と同様、１次元又は２次元の光変調アレーを実現する場合などに改良すべき課題を残している。これについて図７乃至図１１を参照して具体的に説明する。
【０００９】
図７は本願発明者らが提案した光変調装置の一例を説明するための図であり、同図（ａ）は断面図（同図（ｂ）のＡ−Ｂ線断面図）、同図（ｂ）は嬢面図である。導電性領域を有する梁101は、基板102の平面上で一方の対向した両端を固定端とし、もう一方の対向した両端を自由端として形成され、空隙105及び絶縁膜104を介して電極103と対向する。パッド106を介して電極103をある電位とし、パッド107を介して梁101をある電位とすることにより、梁101と電極103との間に電位差を発生させ静電引力によって梁101を撓み変形させることができる。
【００１０】
このような構成の光変調装置は、それを複数素子、１次元又は２次元に配列して光変調アレーとして用いる場合、導電性を有する梁101に電位を供給するために、基板表面に配線パターンを配置するか、又は、基板内部に形成された駆動回路と接続孔を介して接続する必要がある。
【００１１】
光変調装置を複数素子、１次元配列した構成例を図８及び図９に示す。図８に示す例は、各素子の梁101が電気的に分離され、それぞれに基板表面に配置した素子ごとに独立した配線パターン201によって電位を供給する構成である。図９に示す例は、基板表面に配置した共通の配線パターン201によって全ての素子の梁101に共通の電位を供給する構成である。
【００１２】
図１０及び図１１は光変調装置を複数素子、２次元配置した構成例を示し、同各図（ａ）は断面図（同各図（ｂ）のＡ−Ｂ線断面図）、同各図（ｂ）は上面図である。図１０に示す例は、各素子の梁101を電気的に分離し、基板内部に形成された駆動回路部と接続孔301により接続して各素子の梁101に独立に電位を供給し、また、各素子の固定電極103には接続孔302を介して電位を供給する構成である。図１１の例は、全ての素子の梁101に、基板表面の共通な配線パターン201によって共通の電位を供給し、各素子の固定電極103には接続孔302を介して独立に電位を供給する構成である。
【００１３】
このように、導電性を有する梁101に、素子ごとに独立した電位又は全素子に共通な電位を与えられるための配線パターン201又は接続孔301を配置する必要がある。特に、図８又は図９に示す構成では、図示されていないが、固定電極103のためのパッド106についても同様な配線パターンが必要となる。梁101において、通常導電性を有しかつ光反射領域の役割を果たす膜としては、AlやCrやNi等の金属薄膜が考えられ、提案した光変調装置においても、同様な金属薄膜、あるいは、同様な金属薄膜とシリコン窒化膜、シリコン酸化膜、多結晶シリコン膜などの積層膜が用いられた。この場合、配線パターン201や接続孔部301によっても入射光が反射され、望まれない方向への乱反射成分となるため、画像機器におけるS/N比及び映像機器におけるコントラスト比を低下させる問題が生じる。この問題を解決するためには、一般的にブラックマトリックス膜と呼ばれる酸化クロム膜などの単層又は積層膜を配線パターン上に堆積してパターン化する必要があり、そのための工程数の増加や歩留の低下はコスト上昇の原因となる。さらに、配線パターン201や接続孔301を配置することにより、１素子あたりの本来の光反射領域の面積割合が低下し、それにより１素子における反射光量が低下し、これが画像機器の光書込みにおける解像力の低下や映像機器における輝度の低下を招くという問題がある。
画像機器において、2400dpi程度の高精細な光書込みが求められる場合、光変調装置の素子間ピッチは１次元アレーで10.58μm以下にする必要がある。また、映像機器への応用を考えると、HDTV対応で1920画素×1080画素（すなわち総画素数207万強の画素）が必要となり、そのためには、量産性を考慮した１チップの大きさを基に計算した場合、光変調装置の素子間ピッチは8〜15μm程度にする必要がある。
【００１４】
このように、素子間のピッチすなわち１素子の大きさが微細化される場合、上に述べた問題は重要であり、光変調装置の梁又は梁上の導電性領域のための配線パターンや接続孔を排除することが望ましい。そのような光変調装置及びそれを１次元又は２次元配置した光変調アレーを実現することが、本発明の主たる目的である。本発明のもう１つの目的は、低電圧駆動が可能な応答性の良好な光変調装置及び光変調アレーを提供することにある。本発明のもう１つの目的は、コントラス比を向上させた光変調装置及び光変調アレーを提供することにある。また、本発明のもう１つの目的は、本発明による光変調装置の光変調動作を安定に行わせるための駆動方法を提供することにある。これ以外の本発明の目的は、以下の説明によって明白になろう。
【００１５】
【課題を解決するための手段】
本発明の光変調装置は、請求項１記載のように、入射光束の反射方向を変える光変調装置であって、基板の窪み部位に設けられた少なくとも２つの電極を有し、該少なくとも２つの電極はそれぞれの電位が独立に制御可能であり、かつ、前記基板に両端を固定された、前記少なくとも２つの電極と空隙を介し対向する梁を有し、該梁は、入射光束を反射するための光反射領域を有するとともに電気的に浮いている、ことを特徴とするものである。このような構成の光変調装置は、後に詳述するように、梁と対向した電極間に電位差を与えるだけで、静電引力によって梁を電極側に変形させ、光反射面による入射光束の反射方向を梁の非変形時における反射方向から変化させることができるため、梁の電位を制御するための配線パターンや接続孔が不要となる。
【００１６】
本発明の光変調装置のもう１つの特徴は、請求項２記載のように、請求項１記載の構成において、梁又は梁の光反射領域の少なくとも一部が導電性を有することである。このような構成は、後に詳述するように、光変調装置の駆動の低電圧化に有利である。
【００１７】
本発明の光変調装置のもう１つの特徴は、請求項３記載のように、請求項１又は２記載の構成において、窪み部位は、梁の固定端から離れるに従って梁が固定された基板面から離れる、梁に対向した２つの斜面を有し、少なくとも２つの電極はその斜面に配設されていることである。このような構成によれば、梁と電極の間の空隙が非平行となるため、それが平行な場合に比べ、梁の最大変形量を一定としたときに、梁の固定端に近い部分と電極の間隔を狭くし、梁の変形初期から静電引力を効率的に作用させることができるため、光変調装置の駆動電圧の低電圧化、応答性向上に有利である。
【００１８】
本発明の光変調装置のもう１つの特徴は、請求項４記載のように、請求項３記載の構成において、少なくとも２つの電極のそれぞれが、窪み部位の２つの斜面の中の対応した１つの斜面の略全面にわたって配設されていることである。このような構成は、後述のように、光変調装置の駆動の低電圧化に有利である。
【００１９】
本発明の光変調装置のもう１つの特徴は、請求項５記載のように、請求項３記載の構成において、少なくとも２つの電極のそれぞれが窪み部位の２つの斜面にまたがって配設されていることである。このような構成は、後に詳述するように、OFF動作時の迷光を抑制してコントラスト比を向上させることができる。
【００２０】
本発明は、以上に述べたような特徴を有する本発明の光変調装置のための駆動方法も提供する。この駆動方法の特徴は、請求項６記載のように、光変調装置の梁を変形させるための電位差を梁部位に設けられた少なくとも２つの電極間に与える段階と与えない段階とを含み、該電位差を与える段階における少なくとも２つの電極間の電位の高低関係を逆転させることである。このような駆動方法によれば、後に詳述するように、梁と電極の間の絶縁膜の帯電による不都合を回避することができる。
【００２１】
本発明の光変調装置はアレー化する場合に極めて有利な構成である。したがって、請求項１乃至４記載の光変調装置を複数個、基板上に配列した構成の光変調アレーも本発明に包含されるものである。
【００２２】
【発明の実施の形態】
以下、図１乃至図６を参照して本発明の実施の形態について説明する。
《実施例１》
図１により本発明の実施例１について説明する。図１(a)は本実施例の光変調装置の断面図(同図（ｂ）のＡ−Ｂ線断面図)であり、同図(b)はその上面図である。本実施例は、特に請求項１乃至４記載の発明の実施形態である。
図１において、501はシリコンや光学ガラス等の基板であり、本実施例では表面に（100）面を有するシリコン基板が用いられる。基板501上にシリコン酸化膜などの絶縁膜502が形成されている。この絶縁膜502には、写真製版技術とエッチング技術を用いて、基板表面に対して窪み部位が形成される。この窪み部位は、基板表面に平行な凹形状とすることもできるが、本実施例においては、図示のような２つの斜面を持つ斜面形状とされている。すなわち、本実施例における窪み部位は、請求項３記載のような斜面形状の非平行な窪み部位とされている。このような窪み部位は、面積階調フォトマスクを用いた写真製版技術とドライエッチング技術により形成することができる。
【００２３】
絶縁膜502上に、電極503，504が形成されている。この電極503，504は、互いに異なる電位を与えることが可能なように構造的及び電気的に分離されている。電極503，504は、基本的には、窪み部位の任意の箇所に設けることが可能であり、また、その数は２個以上であればよく、２個に限定されるわけではない。本実施例では、請求項４記載のように、窪み部位の非平行な空隙508を構成する一方の斜面の略全面に電極503が形成され、電極504はもう一方の斜面の略全面に形成されている。そして、両電極間を分離する領域が両斜面のなす頂角近傍に設けられている。なお、電極503，504材料としては、Al、Au、Ti、TiN、Cr等の金属、ITO等の導電性薄膜、不純物が注入されて低抵抗化された多結晶シリコンなどを用いることができるが、本実施例１においては、比較的高融点な金属で作製工程の許容度が有りかつ耐薬品性の良好なTiNを用いている。
【００２４】
505は電極503，504を保護する保護膜505であり、シリコン窒化膜やシリコン酸化膜等の高い絶縁性を有する膜が用いられる。この保護膜505は、電極503，504が梁506及び光反射領域507と接触し短絡することを防ぐ役割をする。保護膜505には、電極503に任意の電位を与えるための外部接続部分としてパッド509が開口され、さらに電極504に電極503の電位とは異なる電位を与えるための外部接続部分としてパッド510が開口されている。
【００２５】
梁506は窪み部位と空隙508を介して対向させて基板平面上に両端を固定された両端固定タイプの梁であり、その表面に光反射領域507を有する。梁506及び光反射領域507は、外部からの電位の供給を受ける接続孔やパッドが設けられず、電気的に浮いた構造となっている。なお、本実施例及び後記各実施例において、梁506上の光反射領域507は、別途堆積された膜に限定されるわけではなく、光反射領域507が梁506と同一材料の場合も含まれる。詳細は後述するが、光反射領域507及び梁506は、誘電的及び導電的に電極503，504の電位差を感知し、静電引力により電極503，504側に変形し光変調を行うことができる。
【００２６】
本実施例においては、梁506の材料として、残留引張応力を有し変形に対する応答性が良好なシリコン窒化膜が用いられる。そして、シリコン窒化膜は絶縁性が高いので、導電性が高くかつ光反射性の良いアルミニウム(Al)系の金属膜が光反射領域507として用いられる。導電性を有するアルミニウム系金属膜からなる光反射領域507は、空隙508を介して、窪み部位に形成された電極503，504と対向しているため、後述するように、光反射領域507を経由して、電極503，504間の電位差に起因した静電引力を効率的に梁506と電極503,504間に作用させることができる。請求項２記載のように、梁506又は光反射領域507の少なくとも一部に導電性を持たせることによって同様の効果を得られる。
【００２７】
本実施例においては、導電性を有する光反射領域507は、空隙508を形成する梁部位とほぼ同面積でかつ同位置に形成されている。すなわち、電気的に浮いている導電性領域でもある光反射領域507は、特定の電位を供給するための配線パターンやパッドを必要としない。そのため、本実施例に示したように、１素子における光反射領域507の面積割合を、空隙508を形成する梁506とともに大きくすることができ、かつ静電引力により変形し光変調を行うことのできる領域にのみ光反射領域507を設置することができる。
【００２８】
《実施例２》
図２により本発明の実施例２について説明する。図２(a)は本実施例の光変調アレーの断面図(同図（ｂ）のＡ−Ｂ線断面図)であり、同図(b)はその上面図である。
【００２９】
この光変調アレーは、一般的に用いられるLSI技術により基板に形成された駆動回路部６００上に、本発明の光変調装置（素子）を２次元配置したものであるが、１次元配置のアレーも同様の構成で実現可能であることは明白である。
【００３０】
２次元配置された各光変調素子（個々の光変調装置）は、基本的には前記実施例１の光変調装置と同様の構成である。ただし、電極503，504の外部接続のためのパッド（509，510）は設けられず、電極503，504は接続孔601，602を介して駆動回路部600と接続されている。このような構成によって、１素子における光反射領域507の面積割合は前記実施例１に比べてもさらに大きくなっている。なお、接続孔601，602は、一般的なLSI製造技術である金属タングステンの埋込技術により作られ、その後工程で、光変調素子部分が作られる。また、各光変調素子の導電性領域（本実施例では光反射領域507が兼ねる）は他の光変調素子の導電性領域とは電気的に分離されている。さらに、導電性を有する光反射領域507は、空隙508を形成する窪み部位とほぼ同面積でかつ同位置に形成されている。電極503，504は接続孔601，602より下まで延在させているが、これは空隙508の面積を増大させるのに有利である。このような構成によって、１素子あたりの光反射領域507の面積割合を梁506とともにさらに大きくすることができる。すなわち、静電引力により変形し光変調に寄与する領域の面積割合をさらに増加させることができる。
【００３１】
《実施例３》
図３及び図４により本発明の実施例３について説明する。図３(a)は本実施例の光変調装置の断面図(同図（ｂ）のＣ−Ｄ線断面図)であり、同図(b)はその上面図である。本実施例は、請求項５記載の発明の実施形態である。図４は非平行な窪み部位の２つま斜面の頂角近傍における梁506の変形を模式的に示した図である。本実施例の光変調装置を１次元又は２次元配置することにより前記実施例２と同様の光変調アレーを実現可能であることは明らかである。
【００３２】
図３において、501〜510の各要素は前記実施例１と同等である。前記実施例１と異なる点は、非平行な空隙508を形成する窪み部位の２つの斜面の略半面に、一方の電極503を斜面の頂点をまたぐ形で形成し、２つの斜面の残りの略半面にもう一方の電極504をやはり２つの斜面の頂点をまたぐ形で形成していることである。このような電極構造とすることで、斜面間の頂角近傍においても電極503，504が存在することになるため、両電極間の電位差により梁506を変形させる時に、斜面間頂角近傍においても図４(ａ)に下向き矢印で示すような静電引力を十分に作用させ、図４(ｂ)のように梁506を電極503，504に当接するまで完全に変形させることができる。
【００３３】
《本発明の光変調装置の駆動方法》
本発明の光変調装置の駆動方法について図５により説明する。ここでは、前記実施例１の光変調装置を用いるものとして説明するが、前記実施例３の光変調装置又は前記実施例２のような光変調アレーも、同様の方法によって駆動可能であることは言うまでもない。
【００３４】
図５(a)乃至(d)は、同図(e)に示すタイミングチャートの各段階(a)乃至(d)における光変調の様子を模式的に示している。なお、Vaは電極503に印加されるパルス電位、Vbは電極504に印加されるパルス電位である。各パルス電位が印加される時間は必ずしも図５(e)のような一定時間にする必要はない。各段階の０Vは接地電位を表わすが、必ずしも接地されることが必要なわけではなく、少なくとも電極503，504間に所定の電位差が生じるような電位であればよい。本発明の駆動方法の最も大きな特徴は、請求項６記載のように、電極503，504の電位の高低関係の逆転させることであるが、一方の電極が接地される方が一般に好ましい。
【００３５】
図５(a)において、Va及びVbはともに０Vであり、梁と電極503，504間には静電引力は作用していない。この状態では、梁は基板表面に対して平行でかつ平坦な状態なので、任意の方向から入射した光は光反射領域において目的の方向へ正反射される。すなわち光スイッチとしてのON状態である。これは、画像機器の光書込みに応用される場合には書き込まれる状態であり、映像機器に応用される場合にはビットが明るく表示される状態である。
【００３６】
図５(b)において、Vaは梁を電極側に当接させる十分な電圧Vpi(pull-in電圧)にあり、Vbは０Vである。この時、電気的に浮いている梁位及び光反射領域と電極503，504の間に静電引力が発生し、梁を電極側に変形させ当接させる。
【００３７】
この静電引力の発生を図５(f)を用いて説明すると、まず印加された正電位Vaにより電極503に正電荷が現れる。そして非平行な空隙を介して電極503に対向した梁に誘電的に負電荷が発生し、この負電荷は導電性のある光反射領域に導電的に効率よく広がる。逆に言うと、導電性のある光反射領域により効率的に梁及び光反射領域に負電荷を発生させる。この時、梁と光反射領域は電気的に浮いているので、電極504に非平行な空隙を介して対向する梁と光反射領域の部分には模式的には正電荷が広がる（これが梁又は光反射領域の少なくとも一部を導電性とする理由である）。その正電荷に対応し電極504には模式的に負電荷が発生する（電極504は実際には接地されているが、模式的に考えた場合はそのようになる）。かくして、電極504の上部に位置する梁部位においても静電引力が発生する。以上、一連の流れとして説明したが、電極503，504の電位差がそれらの現象を同時進行的に発生させる。実際には、電気的に浮いている梁と光反射領域はVaとVbの間の任意の電位となり、該任意の電位とVaの電位差による静電引力、及び、該任意の電位とVbの電位差による静電引力が発生することとなる。この任意の電位は、非平行な空隙及び電極503，504の面積などの構造的要因により異なる。
【００３８】
このようにして発生した静電引力により梁が電極側に変形し当接することにより、入射した光の反射方向が乱され、目的の方向への反射が生じなくなる。つまり、光スイッチとしてはOFF状態となる（画像機器に光書込みに応用される場合には書き込まれない状態、映像機器に応用された場合にはビットが暗く表示される状態）。
【００３９】
図５(c)において、Va及びVbはともに０Vであり、図５(a)と同様に光スイッチとしてON状態となる。
図５(d)において、Vaは０V、VbはVpi(pull-in電圧)である。これが、請求項６記載の電極の電位の高低関係を逆転させた状態であり、図５(b)の段階と同様に静電引力が梁と電極との間に発生して梁が電極側に変形当接し、光スイッチとしてはOFF状態となる。電極503，504の電位の高低関係を逆転させる目的と効果は次の通りである。図５(b)の段階での当接変形により、電極503上の保護膜505に負の残留電荷が発生する（この残留電荷量は保護膜505の膜質などにより変化する）。電極503，504の電位の高低関係を逆転させない場合は、梁の変形の繰り返しにより保護膜505に残留電荷が蓄積し、その残留電荷によって梁が電極503，504側に当接したままの状態になってしまう。電極503，504の電位の高低関係を逆転させることにより、保護膜505に蓄積した電荷は図５(d)の段階で逆極性の電荷により打ち消されるため、梁の変形を繰り返しても、梁が電極に当接したままになることはない。
【００４０】
ここで、本発明の光変調装置における窪み部位の形状及び電極503,504の構造に関する利点について説明する。前記各実施例におけるように、窪み部位を斜面形状とし、その斜面上に電極503，504を設けると、窪み部位を平行な凹部形状とする場合に比べ、梁の固定端近傍における電極503，504を接近させることができる。したがって、ここまでの説明から明らかなように、電極503,504に電位差を印加した直後の、梁が変形を開始する時点から梁に十分な静電引力を作用させ、梁を短時間で変形させることができる。したがって、光変調装置の応答性が向上するとともに、必要な静電引力を生じさせるための電位差、つまり駆動電圧を下げることができる。また、前記実施例１，２のように、窪み部位の各斜面の略全面に電極503,504を形成すると、梁に対向する電極面積を大きくできるため駆動電圧を下げることができる。さらに、前記実施例３のように、窪み部位の２つの斜面にまたがせた形で電極503,504を形成すると、図４に関連して述べたように梁を完全に電極503,504に当接するまで変形させることができるため、ＯＦＦ動作時の迷光が減りコントラスト比が向上する。
【００４１】
《製造方法》
本発明の光変調装置又は光変調アレーの製造方法を図６により説明する。図６は、前記実施例２の光変調アレーの製造方法を代表的な工程に沿って示したものでる図６（ａ）乃至（ｅ）において、左側はA'-B'線概略断面図、右側は概略上面図である。
【００４２】
図６(a)：シリコン基板上に一般的なLSI技術により駆動回路部が形成され、そのための配線901,902が2層配置される。その上に、プラズマCVD法によりシリコン酸化膜502が堆積され、CMP（Chemical Mechanical Polishing）技術により平坦化される。その後、面積階調を持つパターンを形成したフォトマスクを用いた写真製版法や、レジストパターン形成後熱変形させる写真製版法により、窪み部位に対応した箇所に、任意の膜厚を有するレジストパターンが形成され、その後、ドライエッチング法の手法により非平行な斜面形状の窪み部位が形成される。この窪み部位により非平行な空隙508が形成されることになる。
【００４３】
図６(b)：窪み部位のそれぞれの斜面の任意の箇所に接続孔601，602（LSI技術においてはビアホールと呼ばれている）が、写真製版法及びドライエッチング技術を用いて形成され、その内部にタングステンの埋め込み技術などを用いて導電性材料が埋め込まれる。次に、電極503及び504が窒化チタン(TiN)薄膜で形成される。例えば、Tiをターゲットとしたスパッタ法により厚さ0.01μmにTiNを成膜し、写真製版法及びドライエッチング法の手法により電極503，504としてパターングする。前記実施例２の場合、電極503は一方の斜面のほぼ全面に形成され、電極504はもう一方の斜面のほぼ全面に形成され、それらは斜面の頂角領域で電気的に分離される。
図６(c)：電極503，504の保護膜505として、プラズマCVD法によるシリコン窒化膜が膜厚0.2μmで形成される。ついで、有機膜が堆積され、CMP技術やエッチバック技術で平坦化することにより犠牲層903が形成される。この犠牲層としては、感光性の有機膜や非感光性の有機膜、例えばポリイミド膜、さらに低温成膜されたアモルファスシリコン膜などを用いことができる。
図６(d)：梁506となるシリコン窒化膜がプラズマCVD法により厚さ0.03μmに堆積され、次に導電性を有する光反射領域507となるアルミニウム系金属膜が0.03μmの厚さでスパッタリング技術により堆積される。その後、それぞれの膜は写真製版法及びドライエッチング法により光反射領域507及び梁506にパターンニングされる。なお、光反射領域507と梁506を電気的に浮かすため、それらに電位を供給するための接続孔を形成する工程は不要である。そのような接続孔を設ける必要がないため、光変調アレーの１素子当りの梁及び光反射領域の面積割合を大幅に増加させることが可能となる。なお、このパターンニングの際に、各素子を分離するスリット904も形成され、それが各素子の梁の自由端となる。
図６(e)：そのスリット９０４より、ドライエッチング技術で犠牲層903が除去され、非平行な空隙508が形成される。
【００４４】
前記実施例３の光変調装置を素子として用いる光変調アレーも同様の方法によって製作できることは明らかである。
【００４５】
【発明の効果】
以上の説明から明らかなように、請求項１乃至５記載の発明による光変調装置及びそのアレーは、（１）１素子における光反射領域の面積割合を大幅に増加させることができるため、映像機器におけるブラックマトリックス領域（ON動作時に１ビットにおける暗い部分）を大幅に低減し映像の高精彩化を達成できる。（２）光反射領域を梁の変形部位とほぼ同じ大きさに形成することができるため、OFF動作時に反射光が迷光となる割合を抑制でき、したがって、画像機器におけるS/N比を向上させ、また、映像機器におけるコントラスト比を向上させることができる。（３）作製工程を大幅に削減し歩留を向上させかつコストを低減することができる。（４）駆動電圧を低電圧化することができる。（５）応答性のよい光変調を行うことができる。（６）請求項５記載の発明によれば、梁を対向した電極に当接するまで完全に変形させることができるため、OFF動作時の斜面頂角近傍の迷光を抑制し、コントラスト比をさらに向上させることができる、等々の多くの効果を得ることができる。また、請求項６記載の駆動方法によれば、本発明の光変調装置又はそのアレーの梁が対向した電極に当接したままになる現象を回避し、安定した光変調動作を行わせることができる効果を得られる。
【図面の簡単な説明】
【図１】本発明の実施例１を説明するための断面図及び上面図である。
【図２】本発明の実施例２を説明するための断面図及び上面図である。
【図３】本発明の実施例３を説明するための断面図及び上面図である。
【図４】静電引力による梁変形の説明図である。
【図５】本発明による光変調装置の駆動方法を説明するための図である。
【図６】本発明の光変調装置の製作方法の工程説明図である。
【図７】本願発明者らが提案済みの光変調装置の例を説明するための断面図及び上面図である。
【図８】図７の光変調装置をアレー化する場合の問題点を説明するための上面図である。
【図９】図７の光変調装置をアレー化する場合の問題点を説明するための上面図である。
【図１０】本願発明者らが提案済みの光変調装置をアレー化する場合の問題点を説明するための断面図及び上面図である。
【図１１】本願発明者らが提案済みの光変調装置をアレー化する場合の問題点を説明するための断面図及び上面図である。
【符号の説明】
５０１基板
５０２絶縁膜
５０３電極
５０４電極
５０５保護膜
５０６梁
５０７光反射領域[0001]
BACKGROUND OF THE INVENTION
The present invention relates to a light modulation device that changes the reflection direction of an incident light beam, and more particularly to a light modulation device of a type that deforms a beam having a light reflection region by electrostatic force.
[0002]
[Prior art]
As an optical switch device using electrostatic force, KEPetersen announced in 1977 a device that switches by changing the reflection direction of light by deflecting a cantilever beam with electrostatic force and a light modulation system using the device. (Applied Physics Letters, Vol.31, No.8, pp521-pp523). Also, DMBloom et al. Have announced an optical switch that drives a diffraction grating with electrostatic force (Optics Letters, Vol.7, No.9, pp688-pp690, Japanese Patent No. 2941952, Japanese Patent No. 3016871, Special Tables) Hei 10-510374).
[0003]
Further, as an image apparatus using a light modulation system, CHIBO et al. Disclosed in JP-A-6-138403 a digital micromirror device (generally called DMD) arranged one-dimensionally or two-dimensionally. Disclosure.
[0004]
Furthermore, as an element structure of the digital micromirror device, LJHornbeck discloses a torsion beam type or cantilever beam type digital micromirror device (Proc. SPIE Vol.1150, pp.86-102 (1989)). In the torsion beam type or cantilever type digital micromirror device, the mirror portion is used with an inclination (in the light modulation device of the present invention, the beam is bent and deformed).
[0005]
Further, Japanese Patent Laid-Open No. 2000-2842 discloses an element that performs light modulation at high speed by bending and deforming a both-end fixed beam into a cylindrical shape by Gelbert.
[0006]
The optical switches using cantilever beams announced by KEPetersen and the torsion beam type and cantilever beam type digital micromirror devices announced by LJHornbeck have the drawbacks that it is difficult to ensure the stability of the beam and the response speed is not fast. Further, the optical switch elements of Patent Nos. 2941952 and 3016871 by DMBloom et al. Have a drawback that the wavelength of incident light is limited.
[0007]
On the other hand, the element disclosed in Japanese Patent Application Laid-Open No. 2000-2842 by Gerbert, that is, the element that has parallel gaps between the electrodes and deflects both ends of the fixed beam in a cylindrical shape by the electrostatic attraction, Can be deformed at high speed, so that the response speed can be increased.
[0008]
[Problems to be solved by the invention]
The inventors of the present application make an incident light beam incident on the mirror by deforming the both-end fixed beam on which the mirror is formed into contact with the electrode by an electrostatic force between the opposite electrode via a parallel or non-parallel gap. Has proposed an optical modulation device that modulates by changing the reflection direction of the light and has excellent responsiveness. However, this light modulation device, like the element disclosed in Japanese Patent Laid-Open No. 2000-2842, still has a problem to be improved when realizing a one-dimensional or two-dimensional light modulation array. This will be specifically described with reference to FIGS.
[0009]
FIG. 7 is a diagram for explaining an example of a light modulation device proposed by the present inventors. FIG. 7A is a cross-sectional view (a cross-sectional view taken along line AB in FIG. 7B), and FIG. b) is a face view. On the plane of the substrate 102, the beam 101 having a conductive region is formed with one opposite both ends as a fixed end and the other opposite both ends as a free end, and is connected to the electrode 103 via the gap 105 and the insulating film 104. opposite. By setting the electrode 103 to a certain potential through the pad 106 and the beam 101 to a certain potential through the pad 107, a potential difference is generated between the beam 101 and the electrode 103, and the beam 101 is bent and deformed by electrostatic attraction. be able to.
[0010]
When the light modulation device having such a configuration is used as a light modulation array by arranging a plurality of elements in a one-dimensional or two-dimensional manner, a wiring pattern is formed on the substrate surface in order to supply a potential to the conductive beam 101. Or to be connected to a drive circuit formed inside the substrate through a connection hole.
[0011]
8 and 9 show a configuration example in which a plurality of light modulation devices are arranged one-dimensionally. In the example shown in FIG. 8, the beam 101 of each element is electrically separated, and a potential is supplied by an independent wiring pattern 201 for each element arranged on the substrate surface. The example shown in FIG. 9 has a configuration in which a common potential is supplied to the beams 101 of all elements by a common wiring pattern 201 arranged on the substrate surface.
[0012]
10 and 11 show a configuration example in which a plurality of light modulation devices are arranged in a two-dimensional manner. FIG. 10A is a cross-sectional view (a cross-sectional view taken along the line A-B in FIG. 10B). (B) is a top view. In the example shown in FIG. 10, the beam 101 of each element is electrically separated, connected to a drive circuit portion formed inside the substrate by a connection hole 301, and a potential is independently supplied to the beam 101 of each element. The potential is supplied to the fixed electrode 103 of each element through the connection hole 302. In the example of FIG. 11, a common potential is supplied to the beams 101 of all the elements by a common wiring pattern 201 on the substrate surface, and a potential is independently supplied to the fixed electrode 103 of each element through a connection hole 302. It is a configuration.
[0013]
As described above, it is necessary to arrange the wiring pattern 201 or the connection hole 301 for applying an independent potential for each element or a common potential for all elements on the beam 101 having conductivity. In particular, although not shown in the configuration shown in FIG. 8 or FIG. 9, a similar wiring pattern is required for the pad 106 for the fixed electrode 103. In the beam 101, as a film that usually has conductivity and plays a role of a light reflection region, a metal thin film such as Al, Cr, or Ni can be considered, and in the proposed light modulation device, a similar metal thin film or A similar metal thin film and a laminated film such as a silicon nitride film, a silicon oxide film, and a polycrystalline silicon film were used. In this case, incident light is also reflected by the wiring pattern 201 and the connection hole 301 and becomes an irregular reflection component in an undesired direction, which causes a problem of lowering the S / N ratio in the image equipment and the contrast ratio in the video equipment. . In order to solve this problem, it is necessary to deposit and pattern a single layer or a laminated film such as a chromium oxide film, generally called a black matrix film, on the wiring pattern. A drop in yield causes an increase in cost. Furthermore, by arranging the wiring pattern 201 and the connection hole 301, the area ratio of the original light reflection area per element is reduced, and thereby the amount of reflected light in one element is reduced, which is the resolving power in optical writing of the imaging device. There is a problem that it causes a decrease in brightness and a decrease in luminance in video equipment.
When high-definition optical writing of about 2400 dpi is required in an imaging device, the inter-element pitch of the light modulation device needs to be 10.58 μm or less in a one-dimensional array. Considering the application to video equipment, HDTV compatibility requires 1920 pixels × 1080 pixels (that is, a total of more than 2.70 million pixels), which is based on the size of one chip considering mass production. In the calculation, the pitch between the elements of the light modulation device needs to be about 8 to 15 μm.
[0014]
As described above, when the pitch between elements, that is, the size of one element is miniaturized, the above-described problem is important, and the wiring pattern or connection for the beam of the optical modulator or the conductive region on the beam is important. It is desirable to eliminate the holes. It is a main object of the present invention to realize such a light modulation device and a light modulation array in which the light modulation device is arranged one-dimensionally or two-dimensionally. Another object of the present invention is to provide an optical modulation device and an optical modulation array that have low responsiveness and can be driven at a low voltage. Another object of the present invention is to provide a light modulation device and a light modulation array having an improved contrast ratio. Another object of the present invention is to provide a driving method for stably performing the light modulation operation of the light modulation device according to the present invention. Other objects of the present invention will become apparent from the following description.
[0015]
[Means for Solving the Problems]
The light modulation device according to the present invention is a light modulation device that changes the reflection direction of an incident light beam, as described in claim 1, and has at least two electrodes provided in a recess portion of the substrate, and the at least two electrodes Each electrode has a beam whose electric potential can be controlled independently and which has both ends fixed to the substrate and is opposed to the at least two electrodes through a gap, and the beam reflects an incident light beam. It has a light reflection region and is electrically floating. As described in detail later, the light modulation device having such a configuration deforms the beam to the electrode side by electrostatic attraction only by applying a potential difference between the electrodes facing the beam, and reflects the incident light beam by the light reflecting surface. Since the direction can be changed from the reflection direction when the beam is not deformed, a wiring pattern or a connection hole for controlling the potential of the beam becomes unnecessary.
[0016]
Another feature of the light modulation device of the present invention is that, in the configuration according to claim 1, at least a part of the beam or the light reflection region of the beam has conductivity. Such a configuration is advantageous for lowering the driving voltage of the light modulation device, as will be described in detail later.
[0017]
Another feature of the light modulation device of the present invention is that, as in claim 3, in the configuration of claim 1 or 2, the recessed portion is formed from the substrate surface to which the beam is fixed as the distance from the fixed end of the beam increases. It has two slopes facing the beam that are separated, and at least two electrodes are disposed on the slopes. According to such a configuration, since the gap between the beam and the electrode is non-parallel, when the maximum deformation amount of the beam is constant compared to the case where the gap is parallel, the portion near the fixed end of the beam Since the distance between the electrodes can be narrowed and the electrostatic attractive force can be applied efficiently from the early stage of deformation of the beam, it is advantageous for lowering the driving voltage and improving the response of the light modulation device.
[0018]
Another feature of the light modulation device according to the present invention is that, as in claim 4, in the configuration according to claim 3, each of the at least two electrodes has a corresponding one in the two inclined surfaces of the recessed portion. It is arranged over substantially the entire surface of the slope. Such a configuration is advantageous for lowering the driving voltage of the light modulation device, as will be described later.
[0019]
According to another aspect of the light modulation device of the present invention, as in claim 5, in the configuration according to claim 3, each of the at least two electrodes is disposed across two inclined surfaces of the recessed portion. That is. Such a configuration can improve the contrast ratio by suppressing stray light during the OFF operation, as will be described in detail later.
[0020]
The present invention also provides a driving method for the light modulation device of the present invention having the characteristics described above. The driving method includes a step of applying a potential difference for deforming the beam of the light modulation device between at least two electrodes provided in the beam portion and a step of not applying the potential difference for deforming the beam of the light modulation device. To reverse the potential relationship between at least two electrodes in the step of applying a potential difference. According to such a driving method, as described in detail later, inconvenience due to charging of the insulating film between the beam and the electrode can be avoided.
[0021]
The light modulation device of the present invention has a very advantageous configuration when arrayed. Accordingly, an optical modulation array having a configuration in which a plurality of optical modulation devices according to claims 1 to 4 are arranged on a substrate is also included in the present invention.
[0022]
DETAILED DESCRIPTION OF THE INVENTION
Hereinafter, embodiments of the present invention will be described with reference to FIGS.
Example 1
Embodiment 1 of the present invention will be described with reference to FIG. FIG. 1A is a cross-sectional view (a cross-sectional view taken along line AB in FIG. 1B) of the light modulation device of the present embodiment, and FIG. 1B is a top view thereof. This embodiment is an embodiment of the invention described in claims 1 to 4 in particular.
In FIG. 1, reference numeral 501 denotes a substrate such as silicon or optical glass. In this embodiment, a silicon substrate having a (100) surface is used. An insulating film 502 such as a silicon oxide film is formed on the substrate 501. The insulating film 502 is formed with a recessed portion with respect to the substrate surface using a photoengraving technique and an etching technique. Although this dent part can also be made into the concave shape parallel to the substrate surface, in this Example, it is set as the slope shape which has two slopes like illustration. That is, the hollow part in a present Example is made into the non-parallel hollow part of the slope shape as described in Claim 3. Such a recessed portion can be formed by a photolithography technique using an area gradation photomask and a dry etching technique.
[0023]
Electrodes 503 and 504 are formed on the insulating film 502. The electrodes 503 and 504 are structurally and electrically separated so that different potentials can be applied. Basically, the electrodes 503 and 504 can be provided at an arbitrary position of the recessed portion, and the number thereof is not limited to two as long as it is two or more. In the present embodiment, as described in claim 4, the electrode 503 is formed on substantially the entire surface of one inclined surface constituting the non-parallel gap 508 in the recessed portion, and the electrode 504 is formed on the substantially entire surface of the other inclined surface. ing. And the area | region which isolate | separates between both electrodes is provided in the apex angle vicinity which both the slopes make. As materials for the electrodes 503 and 504, metals such as Al, Au, Ti, TiN, and Cr, conductive thin films such as ITO, and polycrystalline silicon that has been reduced in resistance by implantation of impurities can be used. In Example 1, TiN is used which is a metal having a relatively high melting point and has a tolerance for the manufacturing process and good chemical resistance.
[0024]
Reference numeral 505 denotes a protective film 505 that protects the electrodes 503 and 504, and a highly insulating film such as a silicon nitride film or a silicon oxide film is used. The protective film 505 serves to prevent the electrodes 503 and 504 from coming into contact with the beam 506 and the light reflection region 507 and short-circuiting. In the protective film 505, a pad 509 is opened as an external connection portion for applying an arbitrary potential to the electrode 503, and a pad 510 is opened as an external connection portion for applying a potential different from the potential of the electrode 503 to the electrode 504. Has been.
[0025]
The beam 506 is a both-end-fixed type beam that is opposed to the recessed portion via the gap 508 and is fixed at both ends on the substrate plane, and has a light reflection region 507 on the surface thereof. The beam 506 and the light reflection region 507 are electrically floating without a connection hole or a pad for receiving a potential supply from the outside. In this embodiment and each embodiment described later, the light reflection region 507 on the beam 506 is not limited to a separately deposited film, and includes the case where the light reflection region 507 is made of the same material as the beam 506. . As will be described in detail later, the light reflection region 507 and the beam 506 can detect the potential difference between the electrodes 503 and 504 in a dielectric and conductive manner, and can be deformed toward the electrodes 503 and 504 by electrostatic attraction to perform light modulation. .
[0026]
In the present embodiment, a silicon nitride film having a residual tensile stress and good response to deformation is used as the material of the beam 506. Since the silicon nitride film has high insulation, an aluminum (Al) -based metal film having high conductivity and good light reflectivity is used as the light reflection region 507. The light reflection region 507 made of an aluminum-based metal film having conductivity is opposed to the electrodes 503 and 504 formed in the recessed portions via the gap 508, so that the light reflection region 507 passes through the light reflection region 507 as described later. Thus, the electrostatic attractive force caused by the potential difference between the electrodes 503 and 504 can be efficiently applied between the beam 506 and the electrodes 503 and 504. Similar effects can be obtained by providing conductivity to at least part of the beam 506 or the light reflection region 507.
[0027]
In the present embodiment, the light reflection region 507 having conductivity is formed in substantially the same area and at the same position as the beam portion forming the gap 508. That is, the light reflection region 507, which is also an electrically floating conductive region, does not require a wiring pattern or a pad for supplying a specific potential. Therefore, as shown in the present embodiment, the area ratio of the light reflection region 507 in one element can be increased together with the beam 506 forming the air gap 508, and the light can be deformed and modulated by electrostatic attraction. The light reflecting area 507 can be installed only in the area where it can be formed.
[0028]
Example 2
A second embodiment of the present invention will be described with reference to FIG. FIG. 2A is a sectional view of the optical modulation array of this embodiment (a sectional view taken along line AB in FIG. 2B), and FIG. 2B is a top view thereof.
[0029]
In this optical modulation array, the optical modulation device (element) of the present invention is two-dimensionally arranged on a drive circuit unit 600 formed on a substrate by a commonly used LSI technology. It is obvious that a similar configuration can be realized.
[0030]
Each light modulation element (individual light modulation device) arranged two-dimensionally has basically the same configuration as the light modulation device of the first embodiment. However, the pads (509, 510) for external connection of the electrodes 503, 504 are not provided, and the electrodes 503, 504 are connected to the drive circuit unit 600 via the connection holes 601, 602. With such a configuration, the area ratio of the light reflection region 507 in one element is larger than that in the first embodiment. The connection holes 601 and 602 are made by a metal tungsten embedding technique, which is a general LSI manufacturing technique, and a light modulation element portion is made in a subsequent process. In addition, the conductive region of each light modulation element (also serving as the light reflection region 507 in this embodiment) is electrically separated from the conductive regions of other light modulation elements. Further, the light reflection region 507 having conductivity is formed in substantially the same area and at the same position as the recessed portion that forms the gap 508. The electrodes 503 and 504 extend below the connection holes 601 and 602, which is advantageous for increasing the area of the gap 508. With such a configuration, the area ratio of the light reflection region 507 per element can be further increased together with the beam 506. That is, the area ratio of the region that is deformed by the electrostatic attractive force and contributes to the light modulation can be further increased.
[0031]
Example 3
A third embodiment of the present invention will be described with reference to FIGS. 3A is a cross-sectional view (cross-sectional view taken along the line CD of FIG. 3B) of the light modulation device of the present embodiment, and FIG. 3B is a top view thereof. The present embodiment is an embodiment of the invention described in claim 5. FIG. 4 is a diagram schematically showing the deformation of the beam 506 in the vicinity of the apex angle of the two slopes of the non-parallel hollow part. It is obvious that a light modulation array similar to that of the second embodiment can be realized by arranging the light modulation device of the present embodiment one-dimensionally or two-dimensionally.
[0032]
In FIG. 3, the elements 501 to 510 are the same as those in the first embodiment. The difference from the first embodiment is that one electrode 503 is formed in a shape straddling the apex of the inclined surface on the substantially half surface of the two inclined surfaces of the hollow portion forming the non-parallel gap 508, and the remaining approximately the remaining two inclined surfaces. The other electrode 504 is formed on the half surface so as to straddle the tops of the two slopes. By adopting such an electrode structure, the electrodes 503 and 504 exist even in the vicinity of the apex angle between the inclined surfaces. Therefore, when the beam 506 is deformed by the potential difference between the two electrodes, the electrodes 503 and 504 also exist in the vicinity of the apex angle between the inclined surfaces. The electrostatic attractive force as shown by the downward arrow in FIG. 4A is sufficiently applied, and the beam 506 can be completely deformed until it abuts against the electrodes 503 and 504 as shown in FIG. 4B.
[0033]
<< Driving Method of Light Modulation Device of the Present Invention >>
A method of driving the light modulation device of the present invention will be described with reference to FIG. Here, it is assumed that the light modulation device of the first embodiment is used, but the light modulation device of the third embodiment or the light modulation array such as the second embodiment can be driven by the same method. Needless to say.
[0034]
FIGS. 5A to 5D schematically show the state of light modulation in each stage (a) to (d) of the timing chart shown in FIG. Note that Va is a pulse potential applied to the electrode 503, and Vb is a pulse potential applied to the electrode 504. The time during which each pulse potential is applied is not necessarily a fixed time as shown in FIG. Although 0V at each stage represents a ground potential, it is not necessarily required to be grounded, and may be a potential that causes at least a predetermined potential difference between the electrodes 503 and 504. The most significant feature of the driving method of the present invention is that the potential relationship between the electrodes 503 and 504 is reversed as described in claim 6, but it is generally preferable that one of the electrodes is grounded.
[0035]
In FIG. 5A, Va and Vb are both 0 V, and no electrostatic attractive force acts between the beam and the electrodes 503 and 504. In this state, the beam is parallel and flat with respect to the substrate surface, so that light incident from an arbitrary direction is regularly reflected in the target direction in the light reflection region. That is, it is an ON state as an optical switch. This is a state in which writing is performed when applied to optical writing of image equipment, and a state in which bits are displayed brightly when applied to video equipment.
[0036]
In FIG. 5B, Va is at a sufficient voltage Vpi (pull-in voltage) for bringing the beam into contact with the electrode side, and Vb is 0V. At this time, an electrostatic attractive force is generated between the electrically floating beam position and the light reflection region and the electrodes 503 and 504, and the beam is deformed and brought into contact with the electrode side.
[0037]
The generation of the electrostatic attractive force will be described with reference to FIG. 5F. First, a positive charge appears on the electrode 503 by the applied positive potential Va. A negative charge is dielectrically generated in the beam facing the electrode 503 through a non-parallel gap, and the negative charge is efficiently and efficiently spread to the conductive light reflecting region. Conversely, negative charges are efficiently generated in the beam and the light reflection region by the conductive light reflection region. At this time, since the beam and the light reflection region are electrically floating, a positive charge spreads schematically in the portion of the beam and the light reflection region facing each other through a gap non-parallel to the electrode 504 (this is the beam or the light reflection region). This is why at least a part of the light reflection region is made conductive. Corresponding to the positive charge, a negative charge is typically generated in the electrode 504 (the electrode 504 is actually grounded, but when considered schematically). Thus, electrostatic attraction is also generated at the beam portion located above the electrode 504. Although described above as a series of flows, the potential difference between the electrodes 503 and 504 causes these phenomena to occur simultaneously. Actually, the electrically floating beam and the light reflection region have an arbitrary potential between Va and Vb, the electrostatic attraction due to the potential difference between the arbitrary potential and Va, and the potential difference between the arbitrary potential and Vb. An electrostatic attractive force due to the above will be generated. This arbitrary potential depends on structural factors such as the non-parallel gap and the area of the electrodes 503 and 504.
[0038]
As a result of the electrostatic attraction generated in this way, the beam is deformed and brought into contact with the electrode, whereby the reflection direction of the incident light is disturbed and reflection in the target direction does not occur. In other words, the optical switch is in an OFF state (a state in which writing is not performed when optical writing is applied to an image device, and a bit is darkly displayed when applying to video equipment).
[0039]
In FIG. 5C, Va and Vb are both 0 V, and the optical switch is turned on as in FIG. 5A.
In FIG. 5D, Va is 0 V and Vb is Vpi (pull-in voltage). This is a state where the level of the potential of the electrode according to claim 6 is reversed, and an electrostatic attractive force is generated between the beam and the electrode as in the step of FIG. The contact is deformed and the optical switch is turned off. The purpose and effect of reversing the potential relationship of the electrodes 503 and 504 are as follows. Due to the contact deformation at the stage of FIG. 5B, a negative residual charge is generated in the protective film 505 on the electrode 503 (the residual charge amount varies depending on the quality of the protective film 505). When the potential relationship between the electrodes 503 and 504 is not reversed, residual charges accumulate in the protective film 505 due to repeated deformation of the beams, and the beams remain in contact with the electrodes 503 and 504 due to the residual charges. turn into. By reversing the level of the potentials of the electrodes 503 and 504, the charge accumulated in the protective film 505 is canceled out by the charge having the opposite polarity at the stage shown in FIG. 5 (d). It does not remain in contact with the electrode.
[0040]
Here, advantages of the shape of the hollow portion and the structure of the electrodes 503 and 504 in the light modulation device of the present invention will be described. As in each of the above-described embodiments, when the recessed portion has a slope shape and the electrodes 503 and 504 are provided on the slope surface, the electrodes 503 and 504 in the vicinity of the fixed end of the beam are compared to the case where the recessed portion has a parallel recess shape. Can be approached. Therefore, as is clear from the above description, a sufficient electrostatic attraction can be applied to the beam immediately after the potential difference is applied to the electrodes 503 and 504, and the beam can be deformed in a short time. it can. Therefore, the responsiveness of the light modulation device is improved, and the potential difference for generating the necessary electrostatic attraction, that is, the driving voltage can be lowered. In addition, when the electrodes 503 and 504 are formed on substantially the entire surface of each inclined surface of the recessed portion as in the first and second embodiments, the electrode area facing the beam can be increased, so that the driving voltage can be lowered. Further, when the electrodes 503 and 504 are formed so as to straddle the two inclined surfaces of the recessed portion as in the third embodiment, the beam is deformed until it completely contacts the electrodes 503 and 504 as described with reference to FIG. Therefore, the stray light during the OFF operation is reduced and the contrast ratio is improved.
[0041]
"Production method"
The manufacturing method of the light modulation device or light modulation array of the present invention will be described with reference to FIG. FIG. 6 shows a manufacturing method of the light modulation array according to the second embodiment in accordance with typical steps. In FIGS. 6A to 6E, the left side is a schematic cross-sectional view along the line A′-B ′. The right side is a schematic top view.
[0042]
FIG. 6A: A drive circuit unit is formed on a silicon substrate by a general LSI technology, and two layers of wirings 901 and 902 are arranged for this purpose. A silicon oxide film 502 is deposited thereon by a plasma CVD method, and is flattened by a CMP (Chemical Mechanical Polishing) technique. Thereafter, a resist pattern having an arbitrary film thickness is formed at a position corresponding to the depression by a photoengraving method using a photomask in which a pattern having an area gradation is formed or a photoengraving method in which a resist pattern is thermally deformed after forming a resist pattern. After that, a non-parallel inclined recess portion is formed by a dry etching method. A non-parallel gap 508 is formed by this hollow portion.
[0043]
FIG. 6 (b): Connection holes 601 and 602 (called via holes in LSI technology) are formed at arbitrary locations on the respective slopes of the depressions using photolithography and dry etching technology. A conductive material is embedded in the interior using a tungsten embedding technique or the like. Next, electrodes 503 and 504 are formed of a titanium nitride (TiN) thin film. For example, a TiN film is formed to a thickness of 0.01 μm by a sputtering method using Ti as a target, and patterned as electrodes 503 and 504 by a photoengraving method and a dry etching method. In the second embodiment, the electrode 503 is formed on almost the entire surface of one slope, and the electrode 504 is formed on the almost entire surface of the other slope, and they are electrically separated in the apex area of the slope.
FIG. 6C: As a protective film 505 for the electrodes 503 and 504, a silicon nitride film is formed with a thickness of 0.2 μm by plasma CVD. Next, an organic film is deposited, and a sacrificial layer 903 is formed by planarization using a CMP technique or an etch back technique. As the sacrificial layer, a photosensitive organic film or a non-photosensitive organic film such as a polyimide film or an amorphous silicon film formed at a low temperature can be used.
FIG. 6D: A silicon nitride film to be the beam 506 is deposited to a thickness of 0.03 μm by plasma CVD, and then an aluminum-based metal film to be a conductive light reflection region 507 is sputtered to a thickness of 0.03 μm. Deposited by technology. Thereafter, each film is patterned into the light reflection region 507 and the beam 506 by a photoengraving method and a dry etching method. Since the light reflection region 507 and the beam 506 are electrically floated, a process of forming a connection hole for supplying a potential to them is not necessary. Since it is not necessary to provide such a connection hole, the area ratio of the beam and the light reflection region per element of the light modulation array can be greatly increased. In this patterning, a slit 904 for separating each element is also formed, which becomes a free end of the beam of each element.
6E: The sacrificial layer 903 is removed from the slit 904 by a dry etching technique, and a non-parallel gap 508 is formed.
[0044]
It is obvious that the light modulation array using the light modulation device of the third embodiment as an element can be manufactured by the same method.
[0045]
【The invention's effect】
As is apparent from the above description, the light modulation device and the array according to the first to fifth aspects of the present invention (1) can greatly increase the area ratio of the light reflection region in one element. Can greatly reduce the black matrix area (dark area in 1 bit at the time of ON operation) and achieve high-definition video. (2) Since the light reflecting area can be formed to be approximately the same size as the deformed part of the beam, the ratio of the reflected light becoming stray light during the OFF operation can be suppressed, thus improving the S / N ratio in the imaging device. In addition, the contrast ratio in the video equipment can be improved. (3) The manufacturing process can be greatly reduced, yield can be improved, and cost can be reduced. (4) The drive voltage can be lowered. (5) Optical modulation with good responsiveness can be performed. (6) According to the invention described in claim 5, since the beam can be completely deformed until it abuts against the facing electrode, the stray light near the slope top angle during the OFF operation is suppressed, and the contrast ratio is further improved. Many effects can be obtained. Further, according to the driving method of the sixth aspect, it is possible to avoid the phenomenon that the light modulation device of the present invention or the beam of the array remains in contact with the facing electrode, and to perform a stable light modulation operation. The effect that can be obtained.
[Brief description of the drawings]
1A and 1B are a cross-sectional view and a top view for explaining a first embodiment of the present invention.
FIGS. 2A and 2B are a cross-sectional view and a top view for explaining Example 2 of the present invention. FIGS.
FIGS. 3A and 3B are a cross-sectional view and a top view for explaining Example 3 of the present invention. FIGS.
FIG. 4 is an explanatory diagram of beam deformation by electrostatic attraction.
FIG. 5 is a diagram for explaining a method of driving an optical modulation device according to the present invention.
FIG. 6 is a process explanatory diagram of a method for manufacturing a light modulation device of the present invention.
7A and 7B are a cross-sectional view and a top view for explaining an example of a light modulation device proposed by the inventors of the present application.
8 is a top view for explaining a problem in the case where the light modulation device in FIG. 7 is arrayed. FIG.
9 is a top view for explaining a problem in the case where the light modulation device in FIG. 7 is arrayed. FIG.
FIGS. 10A and 10B are a cross-sectional view and a top view for explaining a problem when the light modulation device proposed by the inventors of the present application is arrayed. FIGS.
FIGS. 11A and 11B are a cross-sectional view and a top view for explaining a problem when the light modulation device proposed by the inventors of the present application is arrayed. FIGS.
[Explanation of symbols]
501 substrate
502 Insulating film
503 electrode
504 electrode
505 Protective film
506 beams
507 Light reflection area

Claims

A light modulation device that changes the reflection direction of an incident light beam,
The at least two electrodes provided in the depression portion of the substrate, the potential of each of the at least two electrodes being independently controllable, and the at least two electrodes and the gap fixed at both ends to the substrate A light modulation device comprising: a beam opposed to each other, wherein the beam has a light reflection region for reflecting an incident light beam and is electrically floating.

The light modulation device according to claim 1, wherein at least a part of the beam or the reflection region has conductivity.

The indented portion has two slopes facing the beam that are separated from the surface of the substrate where the beam is fixed as the distance from the fixed end of the beam increases, and the at least two electrodes are disposed on the slope. The light modulation device according to claim 1, wherein the light modulation device is provided.

4. The light modulation device according to claim 3, wherein each of the at least two electrodes is disposed over substantially the entire surface of a corresponding one of the two inclined surfaces.

4. The light modulation device according to claim 3, wherein each of the at least two electrodes is disposed across the two slopes.

6. The method of driving a light modulation device according to claim 1, wherein a step of applying a potential difference for deforming a beam of the light modulation device between at least two electrodes of the light modulation device is provided. And a step of applying the potential difference, wherein the potential relationship between the at least two electrodes in the step of applying the potential difference is reversed.