JP2001272613A - 光スイッチング素子、光スイッチングデバイス、それらの製造方法、光スイッチングユニットおよび映像表示装置 - Google Patents

Abstract

(57)【要約】 【課題】 光の利用効率の高い光スイッチング素子、お
よびその製造方法を提供すること。 【解決手段】 樹脂層３６ａにより形成されるマイクロ
光学素子４を備えた光スイッチング素子１０であって、
このマイクロ光学素子４の表面でエバネセント光を抽出
する抽出面（光学面）３ａを酸化シリコンによる酸化膜
７０をスパッタして成膜し、この酸化膜７０をＣＭＰ法
により研磨して形成する。酸化膜７０を設けることで、
樹脂層３６ａの硬度に関係なく、ＣＭＰ法に適した硬度
の表面を形成できるので、光スイッチング素子１０の抽
出面３ａに適したサブミクロンオーダで平坦化された酸
化膜７０が形成でき、光の利用効率が高い光スイッチン
グ素子スイッチングデバイス５０を提供できる。

Description

【発明の詳細な説明】

【０００１】

【発明の属する技術分野】本発明は、ミクロンあるいは
サブミクロンのマイクロ光学素子を備えた光スイッチン
グ素子およびデバイス、およびその製造方法に関するも
のである。

【０００２】

【従来の技術】プロジェクタなどの映像表示装置のライ
トバルブとして光をオンオフ制御できる映像表示デバイ
スとしては、液晶を用いたものが知られている。しかし
ながら、この液晶を用いた映像表示デバイスは、高速応
答特性が悪く、たかだか数ミリ秒程度の応答速度でしか
動作しない。このため、高速応答を要求されるような高
解像度の画像を表示する装置、さらには、光通信、光演
算、ホログラムメモリー等の光記録装置、光プリンター
は、液晶を用いたスイッチングデバイスで実現するのは
難しい。

【０００３】そこで、上記のような用途に対応できる高
速動作可能なスイッチングデバイスあるいは映像表示デ
バイスが求められており、ミクロンオーダあるいはさら
に小さなサブミクロンオーダの微細構造（マイクロスト
ラクチャ）を備えたスイッチングデバイスの開発が鋭意
進められている。

【０００４】

【発明が解決しようとする課題】その１つに、本願出願
人が出願中の、光を全反射して伝達可能な導光部の全反
射面に対しスイッチング部の抽出面を接触させてエバネ
セント光を抽出し、光学素子の１波長程度あるいはそれ
以下の微小な動きによって、高速で光を変調制御可能な
光スイッチングデバイスがある。

【０００５】図１３に、エバネセント光によるスイッチ
ングを行う映像表示デバイス（光スイッチングデバイ
ス）を用いた映像表示装置の一例としてプロジェクタ８
０の概略を示してある。このプロジェクタ８０は、白色
光源８１と、この白色光源８１からの光を３原色に分解
して映像表示ユニット（光スイッチングユニット）５５
の導光板（光ガイド）１に入射させる回転色フィルタ８
２と、各色の光を変調して出射する映像表示ユニット５
５と、出射された光８５を投映する投写用レンズ８６と
を備えている。そして、各色毎の変調された光８５がス
クリーン８９に投写され、時間的に混色されることによ
り多諧調のマルチカラーの画像が出力される。プロジェ
クタ８０は、さらに、映像表示ユニット５５および回転
色フィルタ８２を制御してカラー画像を表示する制御回
路８４を備えている。映像表示ユニット５５は、光ガイ
ド１と以下に詳述する映像表示デバイス（光スイッチン
グデバイス）５０とにより構成されており、この制御回
路８４からカラー画像を表示するためのデータφなどは
映像表示デバイス５０に供給される。

【０００６】このように、図１３に示したプロジェクタ
８０は、光を全反射しながら伝達する光ガイド１に投影
用の光を供給する光源８１などと共に光ガイド１から出
射された光を投写するレンズ８５などを備えた光を入出
力する手段と、光ガイド１に供給された投映用の光を変
調する映像表示デバイス５０とを備えており、映像表示
デバイス５０により光ガイド１から漏出するエバネセン
ト光を制御して画像が表示される。

【０００７】図１４に、エバンセント波（エバネセント
光）を利用して光を変調する映像表示デバイス（エバネ
セント光スイッチングデバイス）５０の概要を示してあ
る。映像表示デバイス５０は複数の光スイッチング素子
（光スイッチング機構）１０が２次元に配列されたスイ
ッチングデバイスである。個々の光スイッチング素子１
０は、単体では導入された光２を全反射して伝達可能な
導光板（光ガイド）１に接近および離反して光を変調可
能な光学素子（スイッチング部）３と、この光学素子部
３を駆動するアクチュエータ６とを備えている。そし
て、光学素子３の層およびアクチュエータ６の層がアク
チュエータ６を駆動する駆動回路およびデジタル記憶回
路（記憶ユニット）が作りこまれた半導体基板２０の上
に積層され、１つの映像表示デバイスとして集積化され
ている。

【０００８】図１４を参照してエバネセント光を利用し
た本例の映像表示デバイス５０についてさらに詳しく説
明しておく。個々の光スイッチング素子１０をベースに
説明すると、図１４の左側に示した光スイッチング素子
１０ａはオン状態であり、右側に示した光スイッチング
素子１０ｂがオフ状態である。光学素子３は、導波路と
しての機能を果たす光ガイド１の面（全反射面）１ａに
密着する面（接触面または抽出面）３ａと、この面３ａ
が全反射面１ａに密着したときに漏れ出たエバネセント
波を抽出するＶ字型のプリズム（マイクロプリズム４）
と、このプリズム４の底面で光ガイド１に対しほぼ垂直
な方向に反射するための反射膜４６と、Ｖ字型のプリズ
ム４を支持するサポート構造５とを備えている。

【０００９】アクチュエータ６は、光学素子３を静電駆
動するタイプであり、そのために、光学素子３のサポー
ト構造５と機械的に連結されて光学素子３と共に動く上
電極（第１の電極）７と、この上電極７と対峙した位置
で半導体基板２０に固定された下電極（第２の電極）８
を備えている。さらに、上電極７はアンカープレート９
から上方に伸びた支柱１１により支持されている。

【００１０】図１４に示したように、光ガイド１には光
源から照明光２が全反射面１aで全反射する角度で供給
されており、その内部の全ての界面、すなわち、光学素
子部（光スイッチング部）３に面した側１ａと、上方の
面（出射面）において光が繰り返し全反射し、光ガイド
１の内部が光線で満たされる。したがって、この状態で
巨視的には照明光２は光ガイド１の内部に閉じ込めら
れ、その中を損失なく伝播している。一方、微視的に
は、光ガイド１の全反射している面１ａの付近では、光
ガイド１から光の波長程度のごく僅かな距離だけ、照明
光２が一度漏出し、進路を変えて再び光ガイド１の内部
に戻るという現象が起きている。このように面１ａから
漏出した光を一般にエバネッセント波と呼ぶ。このエバ
ネッセント波は、全反射面１ａに光の波長程度またはそ
れ以下の距離で他の光学部材を接近させることにより取
り出すことができる。本例の光スイッチング素子１０
は、この現象を利用して光ガイド１を伝達する光を高速
で変調、すなわち、スイッチング（オンオフ）すること
を目的としてデザインされている。

【００１１】たとえば、図１４の光スイッチング素子１
０ａでは、光学素子３が光ガイド１の全反射面１ａに接
触した第１の位置にあるので、光学素子３の面３ａによ
りエバネセント波を抽出することができる。このため、
光学素子３のマイクロプリズム４で抽出した光２は反射
膜４６で角度が変えられて出射光２ａとなる。そして、
この出射光２ａが図１３に示すプロジェクタ８０の投映
用の光８５として利用される。一方、光スイッチング素
子１０ｂでは、電極７および８の間に働く静電力により
光学素子３が光ガイド１から離れた第２の位置に動かさ
れる。したがって、光学素子３によってエバネセント波
は抽出されず、光２は光ガイド１の内部から出ない。

【００１２】エバネセント波を用いた光スイッチング素
子は、単独でも光をスイッチングできる装置として機能
するが、図１４に示したように、これらを１次元あるい
は２次元方向、さらには３次元に並べて配置することが
できる構成になっている。特に、２次元にマトリクスあ
るいはアレイ状に並べて配置することにより、液晶ある
いはＤＭＤと同様に平面的な画像を表示可能な映像デバ
イス、あるいは映像表示ユニット５５を提供することが
できる。そして、エバネセント光を用いた映像表示デバ
イス５０では、スイッチング部である光学素子３の移動
距離がサブミクロンオーダとなるので、液晶より１桁あ
るいはそれ以上応答速度の速い光変調装置として利用で
き、これを用いた高速動作が可能なプロジェクタ８０あ
るいは直視型の映像表示装置を提供することが可能とな
る。さらに、エバネセント光を用いた光スイッチング素
子１０は、サブミクロンオーダの動きで光をほぼ１００
パーセント、オンオフすることが可能であり、非常にコ
ントラストの高い画像を表現することができる。このた
め、時間的な分解能を高くすることが容易であり、高コ
ントラストの映像表示装置を提供できる。

【００１３】さらに、この映像表示デバイス５０では、
駆動回路などが作りこまれた半導体集積基板２０にアレ
イ状に配置されたアクチュエータ６および光学素子３が
積層された構成を１チップで提供することが可能であ
る。すなわち、半導体基板２０の上にアクチュエータ６
および光学素子３といったマイクロストラクチャが構築
されたマイクロマシンあるいは集積化デバイスである映
像表示デバイス５０と光ガイド１とを組み立てることに
より映像表示ユニット５５を供給でき、これを組み込む
ことにより動作速度が速く高解像で、さらに、高コント
ラストの画像を表示できるプロジェクタを提供できる。

【００１４】アクチュエータ６は、図１４の上下１対の
電極を備えたものに限定されず、上電極７および下電極
８に加え、これらの間で動く中間電極を備えたもの、さ
らに、電極対を使用した静電アクチュエータの代わり
に、ピエゾ素子などの他の電気信号により駆動力を供給
可能な機構を用いてアクチュエータを構成することも可
能でありアクチュエータとしてはいくつかのものが考え
られている。したがって、以下、本明細書では、簡単の
ため上下電極の静電駆動タイプのアクチュエータに基づ
き説明するが、アクチュエータの構成はこれに限定され
るものではない。

【００１５】このようなに、エバネセント光を利用した
映像表示デバイスは上記のように優れた特性を備えてい
る。しかしながら、この映像表示デバイスを実用化する
ためにはいくつかの解決すべき課題があり、その１つ
は、歩留まりの向上と低コスト化である。すなわち、映
像表示デバイスを構成する個々の光スイッチング素子が
画素を表示するので、欠陥があると画質が劣化する。し
たがって、画素欠陥のないあるいは少ない、歩留まりの
高い映像表示デバイスを製造することが重要となる。

【００１６】さらに、エバネセント光を利用した映像表
示デバイスは、上述したように多数のマイクロ光学素子
をアクチュエータで駆動するタイプであり、全反射面に
対しサブミクロンオーダあるいはそれ以下の動きにより
光をオンオフする。したがって、高速化が容易である反
面、寸法精度の高いマイクロ光学素子が要求される。さ
らに、光の透過性に優れているなどの光学的な性質も優
れている素材によりマイクロ光学素子を製造する必要が
ある。

【００１７】これらの要求を満たすため、本願の発明者
らは樹脂層に型転写することによりマイクロストラクチ
ャを成形するマイクロレプリカ技術を開発した。この型
転写を用いる製造方法では、２枚の基板間（１枚の基板
は形状を転写する型）に樹脂剤を挟み込み、両側から圧
力をかけながら、またはかけた後に光または熱により硬
化させることにより所定のミクロンオーダあるいはそれ
以下の形状を備えた樹脂層を形成できる。

【００１８】しかしながら、転写型を剥離する際の治具
あるいは応力などによって、光学素子の表面が荒れるこ
とがある。このため、最終的にその（光学素子の）表面
をポリッシングして平坦化することが望ましい。また、
平坦度を確保し、光学的に優れた面を形成するために最
も適当な方法はポリッシングである。

【００１９】サブミクロンオーダの平坦度を出す方法と
して、デバイスの多層構造化に伴う凹凸面を化学研磨剤
と、パッドなどを併用して、機械的に削って平坦化する
ＣＭＰ（Chemical mechanical polishing)法がある。し
かし、この方法により、光学面となる樹脂層の表面を平
坦化することを検討すると光学素子を形成する樹脂で
は、その硬度が不足しているので、ＣＭＰ法を行うとか
えって表面が荒れることが考えられる。一方、ＣＭＰに
適した硬度を備えたシリコンガラス等の素材では、型成
形に適さない。しかしながら、光スイッチング素子を製
造する場合には、樹脂層の表面で、エバネセント光を抽
出するために、抽出面の平坦度を向上することが歩留り
を上げ、光の利用効率を向上するためには重要である。

【００２０】そこで、本発明においては、光の利用効率
の高く、明るい画像を表示できる光スイッチング素子お
よび、それを歩留り良く、簡単に製造できる製造方法を
提供することを目的としている。

【００２１】また、光スイッチング素子およびその製造
方法を用いて、エバネセント光を用いた高品質の光スイ
ッチングデバイス、映像表示デバイスを提供することも
目的としている。

【００２２】

【課題を解決するための手段】このため、本発明では、
マイクロ光学素子の光学面、たとえば上述したエバネセ
ント光を利用したデバイスの抽出面のベースを樹脂層で
形成し、さらに、その表面に硬度の高い酸化物の層（酸
化膜）を設け、この酸化物の層をＣＭＰ法により平坦化
できるようにしている。すなわち、本発明の光スイッチ
ング素子は、マイクロ光学素子の光学面のベースとなる
樹脂層と、光学面を形成する酸化物の層とを有してい
る。このため、本発明の光スイッチング素子の製造方法
では、マイクロ光学素子の光学面のベースとなる樹脂層
を成形した後に、光学面の表面に酸化物の層を形成する
工程を設けることによって、その酸化物の層の表面をＣ
ＭＰ法により平坦化する工程を設けることができる。

【００２３】したがって、本発明においては、樹脂層の
光学面となる表面に酸化物の層を設けることで、この酸
化物の層を表面として、ＣＭＰ法により精度良く平坦化
できる。このため、微細構造を形成するのが容易な型転
写を用いて、さらに、光学面の平坦度が高く、光の利用
効率の高い光スイッチング素子を歩留り良く製造でき
る。すなわち、マイクロ光学素子は、微細な形状を備
え、さらにミクロンオーダの精度が要求されるので、型
成形により樹脂層を形成することが望ましが、本発明で
あれば、型転写を用いて、樹脂層を成形でき、その後に
樹脂層の表面に酸化物の層を設けることで、表面の硬度
を上げて、ＣＭＰ法に適した状態にしている。したがっ
て、型成形に適した樹脂剤を用いても、その樹脂の硬度
に関係なくＣＭＰ法により表面処理（研磨）できる。こ
のように、本発明により、微細構造の実現に適した型成
形のメリットと光学面を実現するのに適したＣＭＰ法の
両方のメリットを活かして、光スイッチング素子、光ス
イッチングデバイス、光スイッチングユニットを形成で
きる。したがって、ミクロンオーダまたはサブミクロン
オーダで、歩留り良く、光学的性質に優れた光スイッチ
ング素子、光スイッチングデバイスおよび光スイッチン
グユニットを提供できる。

【００２４】このため、本発明により光学面である抽出
面が十分に平坦化されたマイクロ光学素子と、これを駆
動するマイクロアクチュエータとを基板上に積み重ねた
エバネセント光を取り扱うのに適した光スイッチング素
子および光スイッチングデバイスを構成できる。そし
て、マイクロアクチュエータは、静電アクチュエータを
使用でき、マイクロ光学素子を基板から離れた第１の位
置、および前記基板に近づいた第２の位置に動かすこと
で、光をオンオフできる。さらに、マイクロ光学素子の
光学面（抽出面）では、第１の位置で光ガイドの全反射
面からエバネセント光を抽出するため、光スイッチング
素子は高速なオンオフスイッチとして実現できる。

【００２５】このような光スイッチング素子をアレイ状
に配置した光スイッチングデバイスと、画像を形成する
光を光学面に導く光ガイドとを設けることで、光スイッ
チングユニットが形成できる。さらに、この光スイッチ
ングユニットと、光ガイドの画像を形成するための光を
入出力する手段とを設けることで、プロジェクタなどに
用いることが可能な映像表示装置を提供できる。したが
って、本発明であれば、光学面が十分に平坦化されてい
るので、光の利用効率が高く、明るく、コントラストの
高い、高品質な光スイッチングデバイス、映像表示装置
を提供することができる。

【００２６】さらに、マイクロ光学素子の屈折率は、光
ガイドの屈折率とほぼ等しくなるようにすることで、光
のロスが少なくなり、光の利用効率を向上させることが
できる。樹脂層とほぼ同じ屈折率の酸化物の層を形成す
るには、酸化物の層に適している酸化シリコン、酸化ア
ルミニウムあるいは実施の形態で説明するその他の酸化
物を用いて、これらを適当に混合させることで実現でき
る。あるいは、酸化物の層が設けられた光スイッチング
素子を光スイッチングデバイスとして用いる場合には、
光を導入する光ガイドとマイクロ光学素子の屈折率をほ
ぼ等しくすることが望ましい。これらにより、より光の
ロスが減るので光の利用効率が高い光スイッチング素子
を提供できる。

【００２７】

【発明の実施の形態】以下に図面を参照して本発明をさ
らに説明する。以下では、先に説明したエバネセント波
を用いて光をスイッチングするデバイスに本発明を適用
した例で説明する。図１に、本例の光スイッチングデバ
イス５０を構成する光スイッチング素子１０を単体で斜
視図を用いて示してある。本例の光スイッチング素子１
０も、図１４に示したものと同様に、導入された光２を
全反射して伝達可能な導光板（光ガイド）に、接近およ
び離反する光学素子３と、この光学素子３を駆動するア
クチュエータ部６と、このアクチュエータ部６を制御す
る回路が作り込まれた半導体基板２０とを備えている。

【００２８】本例の光学素子３は、図１には図示してい
ないが、導波路としての機能を果たす光ガイド１の面
（全反射面）１ａに密着する光学面（接触面または抽出
面）３ａと、この光学面３ａが全反射面１ａに密着した
ときに漏れ出たエバネセント波を抽出して内部に導くＶ
字型のマイクロプリズム４と、導かれた光を光ガイド１
に対しほぼ垂直な方向に反射する反射膜４６と、Ｖ字型
のプリズム４を支持するサポート構造５とを備えてい
る。

【００２９】さらに、本例の光学面３ａは、マイクロプ
リズム４の上に形成された酸化シリコン製の酸化物の層
（酸化膜）７０で構成されており、この光学面３ａは、
ＣＭＰ法により平坦化されている。このような構造およ
び光学素子としての性能を実現するために、本例におい
ては、詳しくは後述するが、型成形によりマイクロプリ
ズム４およびサポート構造５となる樹脂層３５ａおよび
３６ａを形成することにより、ミクロンオーダの精度を
出し、その一方で、樹脂層３６ａの上に、酸化膜７０を
設けることで、ＣＭＰ法により表面処理（研磨）できる
硬度を満足させている。したがって、光学面３ａは、平
坦化された酸化膜７０で形成されるので、高精度の抽出
面となっておりエバネセント光をロスなく抽出でき、光
の利用効率を向上させることができる。また、微細構造
は、それに適した型成形で行い、光学面はそれに適した
ＣＭＰ法で行っているので、歩留りも良く、低コストで
高品質のものを提供できる。また、この光スイッチング
素子１０をアレイ状に配置した光スイッチングデバイス
を実現し、さらに、光ガイド１と組合せることにより、
光の利用効率が高く、出射光量の大きな光スイッチング
ユニットを提供することができる。さらに、図１３に示
したような画像を生成するための光を入出力する手段と
組合せることにより、明るい画像を表示することができ
る画像表示装置８０を提供することができる。

【００３０】本例のアクチュエータ６の構成は、先に図
１４に基づき説明したものと同様であるので、以下では
構成およびその動作についての詳しい説明は省略する。

【００３１】図２ないし図１２に基づき、上記の光スイ
ッチング素子１０を半導体基板２０の上にアレイ状に並
べて、光スイッチングデバイス（画像デバイス）を製造
する様子を説明する。まず、図２ないし図５に示すよう
にアクチュエータ６を製造する。

【００３２】図２に示すように、ＣＭＯＳが構成されて
いる基板２０の上面２０ａに電極層（Ａｌ膜）３１をデ
ィポジットする。次に、その電極層３１にパターニング
４１を行って、下電極８と、ばねおよび上電極を兼ねた
構造のアンカー部分９を形成する。

【００３３】図３に示すように、電極層３１の上に犠牲
層３２をディポジットする。この犠牲層３２はアモルフ
ァスシリコンで数十℃から百数十℃でディポジットで
き、下に存在する半導体基板２０に形成されたＣＭＯＳ
回路にダメージを与えることがない。その犠牲層３２に
ストッパーの役目をするディンプル４２を掘り、また、
ポストとなる部分をパターニング４３する。

【００３４】図４に示してあるように、犠牲層３２の上
に、ばねと上電極を兼ねた構造７を形成する第２の構造
層となる第２の電極層（Ａｌ膜）３３をディポジットす
る。さらに、電極層３３をパターニングして上電極７お
よびポスト１１を形成する。この段階で、アクチュエー
タ部６としての構造が半導体基板２０の上に形成され
る。犠牲層と電極層を構成する材料の組合せは上記に限
定されるものではない。たとえば、アモルファスシリコ
ンの代わりにポリイミドによって犠牲層を形成しても良
い。また、犠牲層として酸化シリコンあるいはＰＳＧ
（Phospho-Silicate-Glass）、電極層としてポリシリコ
ンを用いることも可能である。

【００３５】さらに、図５に示してあるように、第２の
電極層３３の上に第１の犠牲層３２と同じ物質で第２の
犠牲層３４としてディポジットし、パターニングし、ア
クチュエータ部６の上にマイクロ光学素子３との接続部
分４４を形成する。

【００３６】この段階で、アクチュエータ６としての機
能を果たす微細構造層（アクチュエータアレイの層）２
５が形成されたので、この層２５の上に型転写により光
学素子３として機能を果たす微細な構造層を成形する工
程に移行する。

【００３７】図６ないし図１１に、光学素子３として機
能する光学素子アレイ層２６を製造する工程の概略を示
してある。本例の製造方法では、型転写（マイクロレプ
リカ）により光学素子アレイ層２６を成形する。

【００３８】先ず、図６に示すように、半導体基板上２
０ａに積層されたアクチュエータアレイ層２５を構成す
る犠牲層３４上に適当な分量の樹脂剤３５を乗せる。

【００３９】次に、図７に示すように、樹脂剤３５を挟
むように、半導体基板２０と転写型６０が合せられ、両
側から加圧される。さらに、紫外線などが照射され、樹
脂層３５ａが形成される。ここで、本例の樹脂層３５ａ
を構成する樹脂剤３５には、光重合性の樹脂を用いてい
るので、紫外線などの光に対し透明な転写型６０を用い
ることにより、サポート構造５の形状を光硬化処理によ
り製造することができる。すなわち、この段階では所
謂、２P（Photo‐polymerization）法を採用している。

【００４０】図８に示すように、転写型６０を外すと、
樹脂層３５ａは、所望の形状、すなわち、光学素子３の
マイクロプリズム４をサポートするようにＶ字型になっ
た構造５として形成される。さらに、型成形されたサポ
ート構造５の上に、マイクロプリズム４の底面となる部
分にアルミニウムを蒸着するなどの方法により反射膜４
６を形成する。

【００４１】次に、図９に示すように、サポート構造５
の上にマイクロプリズム４を成形する。マイクロプリズ
ム４は、その表面がエバネセント光を抽出する光学面３
ａのベース３ｂとなるので、精度良く成形する必要があ
る。したがって、ベース３ｂを規定する上面が平坦な転
写型６２を用いてプリズム４を成形する。

【００４２】図９に示したプリズム（マイクロ光学素
子）４を成形する工程でも、上記と同様に成形用の樹脂
剤３６として、光硬化性（光重合性）の樹脂剤を用い、
紫外線などの光に対し、透明な転写型６２を用いること
によりマイクロプリズムに適した形状を光硬化処理（２
Ｐ法）により製造できる。

【００４３】図１０に示すように、成形された樹脂層３
６ａの表面３６ｂ、すなわち、マイクロプリズム４の表
面３ｂに、酸化シリコンによる酸化膜７０を５μｍ程
度、スパッタにより成膜する。これにより、樹脂層３６
ａの表面上３６ｂに密着性が高く均一な酸化膜７０を形
成できる。ここで、本例の酸化シリコンによる酸化膜７
０の屈折率は１．４６程度であり、酸化膜７０の下の樹
脂層３６ａの屈折率とほぼ同じ程度になっている。

【００４４】図１１に示すように、成膜した酸化膜７０
を化学研磨剤やパッドなどを併用して、機械的に削って
平坦化するＣＭＰ法により表面処理を行う。これによ
り、樹脂層３６ａの表面３６ｂの微視的な凹凸やうねり
を削って滑らかな表面となった酸化膜７０により透明度
が高く、平坦な抽出面３ａが形成される。したがって、
図９に示した型転写でマイクロプリズム４を成形した後
に、転写型６２を剥離する際の治具あるいは応力などに
よって、光学素子の表面が光学的に理想的な状態とはな
らないが、その表面上３６ｂに形成した硬度の高い酸化
膜７０を最終的にポリッシングすることにより、サブミ
クロンオーダの平坦度を出すことができる。このよう
に、本例では、平坦化された酸化膜７０により光を抽出
する光学面３ａを形成でき、図１１までに示した過程で
光学素子３としての機能を果たす構造層（光学素子アレ
イ層）２６は製造できる。

【００４５】次に、映像デバイスあるいは映像表示装置
として用いる光スイッチング素子アレイの光学素子とな
るように（図１４参照）、個々の画素を構成する個々の
マイクロ光学素子３を分離する。

【００４６】先ず、図１２に示すように、個々のマイク
ロプリズム４が分離するように平坦化された酸化膜７
０、さらに樹脂層３５ａおよび３６ａを垂直方向にアク
チュエータアレイ層２５を構成する犠牲層３４が表れる
までプラズマエッチングなどにより隙間４７を掘る。こ
の隙間４７を通して、フッ化キセノン（ＸｅＦ₂）ガス
等を用いたドライエッチングなどの方法によって、アモ
ルファスシリコンからなる犠牲層３２および３４のみを
除去する。この場合においても、酸化シリコンである酸
化膜７０、さらに樹脂層３５ａおよび３６ａ、すなわ
ち、マイクロ光学素子３は、エッチング剤により腐食さ
れるなど影響を受けることはない。したがって、電極間
などの狭い隙間なども、吸着という問題を起こすことな
く完全に犠牲層を除去することができ、電極間に駆動用
の空間１２を確実に形成できる。このため、信頼性のあ
るアクチュエータ６を実現できる。

【００４７】以上に説明したように、本例の製造方法で
あれば、光スイッチング素子１０は、エバネセント光の
抽出する光学面３ａを、酸化膜７０をＣＭＰすることに
より形成できるので、平坦度が高く、光ガイド１から入
射される光２を効率良く抽出でき、光の利用効率を高め
ることができる。したがって、本例の製造方法により形
成された光スイッチング素子１０を採用した映像表示デ
バイス５０と導光板（光ガイド）１とを組合せることに
より図１４に基づき説明したエバネセント光を利用した
映像表示ユニット５５を提供できる。さらに、映像表示
ユニット５５を採用することにより、明るくコントラス
トの高い画像を形成できる映像表示デバイス５０を提供
できる。

【００４８】なお、上記では、樹脂層３６ａの表面、す
なわち、マイクロプリズム４の表面に酸化膜（酸化物の
層）７０として、酸化シリコン（ＳｉＯ₂）を用いて形
成した例を示しているが、これに限らず酸化アルミニウ
ム（Ａｌ₂Ｏ₃）、酸化チタン（ＴｉＯ₂）、酸化ジルコ
ニウム（ＺｒＯ₂）、酸化タンタル（Ｔａ₂Ｏ₅）などの
酸化物の層を形成することが可能である。

【００４９】さらに、これらの組成の異なる酸化物を混
合させて層（酸化膜）を形成することにより、酸化膜７
０の屈折率を変えることも可能である。また、上記で
は、酸化膜７０の屈折率を光を伝達するマイクロプリズ
ム４の屈折率に合せるようにしているが、これに限ら
ず、光が導入される光ガイド１の屈折率に合せて、酸化
膜の材質を選択することももちろん可能である。したが
って、マイクロプリズム４または光ガイド１の屈折率を
合せて酸化膜７０を形成することも可能である。

【００５０】さらに、上記の例では、画素単位に分離す
る際に、酸化膜７０に酸化シリコンに合せて、フッ化キ
セノン（ＸｅＦ₂）をエッチング剤として用いた例を示
しているが、酸化アルミニウムなどを用いる場合にはフ
ッ化水素系のエッチング剤を組合せることも可能であ
る。

【００５１】酸化膜の成膜方法として、上記ではスパッ
タを採用しているが、これに限らず、化学蒸着法（ＣＶ
Ｄ）などを用いることも可能である。

【００５２】また、上記では、半導体基板上に静電アク
チュエータと、光学素子が垂直に積み重ねられた光スイ
ッチング素子を例に説明しているが、ピエゾ効果などの
他の電気機械的な効果を用いたアクチュエータの上に光
学素子を構築する光スイッチングデバイスにも本発明を
適用できる。さらに、スイッチングする対象はエバネセ
ント波に限定されることはなく、他の光学系においてス
イッチング作用を示す光学素子アレイも同様に製造する
ことができる。もちろん、スイッチングの対象は光に限
らず、流体などの他の媒体であってもよい。また、上述
したように、アクチュエータとスイッチングの組合せに
限らず、マイクロレプリカ技術を用いて他の微細構造
体、たとえば、半導体基板上に光学素子をダイレクトに
積層するような装置や面発光レーザ基板などに対して
も、本発明を適用することができる。

【００５３】

【発明の効果】以上に説明したように、本発明では、樹
脂層の表面、すなわち、光学面のベースとなる樹脂層に
スパッタ等により透明で硬度の高い酸化物の層（酸化
膜）を形成し、この酸化膜をＣＭＰ法により研磨するこ
とで、マイクロ光学素子の光の抽出面となる表面をサブ
ミクロンオーダで平坦化できるようにしている。このた
め、硬度が低いマイクロレプリカで微細構造を造るのに
適した樹脂を用い、光学的にも優れた光スイッチング素
子を製造することができる。したがって、本発明によ
り、マイクロレプリカ技術のメリットと、ＣＭＰ法のメ
リットを両立させることが可能となり、今後のマイクロ
レプリカ技術として非常に有用なものであり、上記にて
例示したエバネセント光を用いた映像表示デバイスを実
際に製造し、量産するために本発明は好適なものであ
る。

【図面の簡単な説明】

【図１】本発明に係る光スイッチング素子の概要を示す
斜視図である。

【図２】図１に示した光スイッチング素子の製造プロセ
スを示す図であり、半導体基板上に第１の電極層を形成
した状態を示す図である。

【図３】図２に示した半導体基板上に第１の電極層の上
に第１の犠牲層を形成した状態を示す図である。

【図４】図３に示した半導体基板上に第１の犠牲層の上
に第２の電極層（バネ層）を形成した状態を示す図であ
る。

【図５】図４に示した半導体基板の上の第２の電極層の
上に第２の犠牲層を形成した状態を示す図である。

【図６】図５に示したアクチュエータが形成された半導
体基板上に樹脂剤が塗布された様子を示す図である。

【図７】所望の形状がエッチングされた転写型と半導体
基板により樹脂剤を挟み、両側から加圧する様子を示す
図である。

【図８】転写型が外され、サポート構造が成形され、反
射膜が形成された様子を示す図である。

【図９】マイクロプリズムとなる樹脂層を転写型により
成形する様子を示す図である。

【図１０】成形された樹脂層の表面に酸化膜がスパッタ
リングされた様子を示す図である。

【図１１】樹脂層の表面に成膜した酸化膜をＣＭＰ法に
より平坦化し、マイクロプリズムを成形する様子を示す
図である。

【図１２】図１３で製造された光スイッチング素子を分
離する様子を示す図である。

【図１３】エバネセント光を利用した映像表示デバイス
を用いたプロジェクタの概要示す図である。

【図１４】エバネセント光を利用した映像表示デバイス
（スイッチングデバイス）の動作概要を示す図である。

【符号の説明】

１ 導光板（光ガイド） ２ 入射光 ３ 光学素子 ３ａ 光学面（抽出面） ３ｂ 光学面のベース ４ マイクロプリズム ６ アクチュエータ ７ 上電極およびバネ構造 ８ 下電極 ９ アンカー １０ 光スイッチング素子 １１ ポスト（支柱） １２ 駆動用の空間 ２０ 半導体基板 ２５ アクチュエータアレイ層 ２６ 光学素子アレイ層 ３２、３４ 犠牲層 ３５、３６ 樹脂剤 ３５ａ、３６ａ 樹脂層 ３６ｂ 樹脂層の表面（光学面のベース） ４７ 分離用のスペース ５０ 光スイッチングデバイス ５５ 映像表示デバイス ６０、６２ 転写型（マイクロレプリカ） ７０ 酸化膜（光学面）

Claims (21)

【特許請求の範囲】
1. 【請求項１】 マイクロ光学素子の光学面のベースとな
   る樹脂層と、 前記光学面を形成する酸化物の層とを有する光スイッチ
   ング素子。
2. 【請求項２】 請求項１において、前記酸化物の層の表
   面がＣＭＰ法により平坦化されていることを特徴とする
   光スイッチング素子。
3. 【請求項３】 請求項１において、前記酸化物の層と前
   記樹脂層の屈折率がほぼ等しいことを特徴とする光スイ
   ッチング素子。
4. 【請求項４】 請求項１において、前記樹脂層は転写型
   により成形されていることを特徴とする光スイッチング
   素子。
5. 【請求項５】 請求項１に記載のマイクロ光学素子と、
   これを駆動するマイクロアクチュエータとを有し、これ
   らが基板上に積み重ねられていることを特徴とする光ス
   イッチング素子。
6. 【請求項６】 請求項５において、前記マイクロアクチ
   ュエータは、静電アクチュエータであり、前記マイクロ
   光学素子を前記基板から離れた第１の位置、および前記
   基板に近づいた第２の位置に動かす光スイッチング素
   子。
7. 【請求項７】 請求項１において、前記マイクロ光学素
   子は、前記第１の位置で光ガイドの全反射面からエバネ
   セント光を抽出する光スイッチング素子。
8. 【請求項８】 請求項７において、前記マイクロ光学素
   子の屈折率が前記光ガイドの屈折率とほぼ等しいことを
   特徴とする光スイッチング素子。
9. 【請求項９】 請求項１ないし８のいずれかに記載の光
   スイッチング素子がアレイ状に配置されている光スイッ
   チングデバイス。
10. 【請求項１０】 請求項７または８に記載の光スイッチ
    ング素子がアレイ状に配置されている光スイッチングデ
    バイスと、前記光ガイドとを有する光スイッチングユニ
    ット。
11. 【請求項１１】 請求項１０に記載の光スイッチングユ
    ニットと、前記光ガイドの画像を形成するための光を入
    出力する手段とを有する映像表示装置。
12. 【請求項１２】 マイクロ光学素子の光学面のベースと
    なる樹脂層を成形した後に、前記光学面の表面に酸化物
    の層を形成する工程と、 その酸化物の層の表面をＣＭＰ法により平坦化する工程
    とを有する光スイッチング素子の製造方法。
13. 【請求項１３】 請求項１２において、前記酸化物は、
    前記樹脂層の屈折率とほぼ同じ屈折率となるように選択
    されることを特徴とする光スイッチング素子の製造方
    法。
14. 【請求項１４】 請求項１２において、前記樹脂層は、
    基板上に樹脂を塗布して、後に転写型を用いて成形し、
    その転写型を通して、光により前記樹脂層を硬化したも
    のであることを特徴とする光スイッチング素子の製造方
    法。
15. 【請求項１５】 請求項１２において、前記マイクロ光
    学素子を駆動するマイクロアクチュエータが基板上に形
    成されており、 前記樹脂層は、前記アクチュエータの上に成形されてい
    る光スイッチング素子の製造方法。
16. 【請求項１６】 請求項１５において、前記マイクロア
    クチュエータは前記マイクロ光学素子を前記基板から離
    れた第１の位置および前記基板に近づいた第２の位置に
    動かし、前記マイクロ光学素子は、前記光学面により前
    記第１の位置で光ガイドの全反射面からエバネセント光
    を抽出する光スイッチング素子の製造方法。
17. 【請求項１７】 アレイ状に配列されたマイクロ光学素
    子の本体を樹脂層により成形する工程と、 前記樹脂層の表面に酸化物の層を成膜する工程と、 その酸化物の層の表面をＣＭＰ法により平坦化する工程
    とを有する光スイッチングデバイスの製造方法。
18. 【請求項１８】 請求項１７において、前記酸化物は、
    前記樹脂層の屈折率とほぼ同じ屈折率となるように選択
    されることを特徴とする光スイッチングデバイスの製造
    方法。
19. 【請求項１９】 請求項１７において、前記樹脂層を成
    形する工程は、基板上に樹脂を塗布して転写型により成
    形する工程と、 前記転写型を通して、光により前記樹脂層を硬化する工
    程を備えていることを特徴とする光スイッチングデバイ
    スの製造方法。
20. 【請求項２０】 請求項１７において、前記マイクロ光
    学素子を駆動するマイクロアクチュエータがアレイ状に
    基板上に形成されており、 前記樹脂層により成形する工程では、前記アクチュエー
    タの上に前記樹脂層を成形する光スイッチングデバイス
    の製造方法。
21. 【請求項２１】 請求項２０において、前記マイクロア
    クチュエータは各々の前記マイクロ光学素子を前記基板
    から離れた第１の位置および前記基板に近づいた第２の
    位置に動かし、前記マイクロ光学素子は、前記光学面が
    前記第１の位置で光ガイドの全反射面からエバネセント
    光を抽出する光スイッチングデバイスの製造方法。