JP2003315692A - 画像表示素子及びその製造方法 - Google Patents

Abstract

(57)【要約】 【課題】 半導体の製造設備を使用して小型で集積密度
が高く、かつ製造コストの安い、反射型のＭＥＭ素子と
して機能する画像表示素子を提供する。 【解決手段】 本発明に係るＭＥＭ素子は、Ｓｉ（シリ
コン）基板１と、Ｓｉ基板１の上面に接して形成された
絶縁層２と、絶縁層２の上面に接して形成された下部電
極層３と、下部電極３の上面の部分領域に形成された空
間の犠牲層空隙４と、下部電極３の上面に犠牲層空隙４
を覆って形成された可動膜５と、可動膜５の上部に接し
て形成された上部電極６と、可動膜５の表面から下部電
極層３の表面に達するまで貫通するコンタクトホール７
と、コンタクトホール７の上部の周囲からコンタクトホ
ール７を通じて下部電極層３の表面までに形成された下
部電極８とを有する。

Description

【発明の詳細な説明】

【０００１】

【発明の属する技術分野】本発明は、画像表示素子及び
その製造方法に関し、特に、反射型のＭＥＭ（Mechanic
al Electro Modulator：機械電気光変調）素子として機
能する画像表示素子及びその製造方法に関する。

【０００２】

【従来の技術】従来は、画像表示素子として、種々のも
のが提案されており、その代表的なものを用いた装置と
しては、ＣＲＴ（陰極線管）表示装置、ＬＣＤ（液晶）
表示装置、ＬＥＤ（発光ダイオード）表示装置、プラズ
マ表示装置等が実用化されている。特に、反射型の画像
表示装置としては、ＬＣＯＳ（Liquid Crystal on Si）
がよく知られており、反射型の液晶プロジェクタ、小型
画像表示素子として使用されている。

【０００３】また、画像表示素子として、近年では、Ｍ
ＥＭ素子が提案されており、これは、ガラス基板あるい
はプラスチックフィルム上にマイクロマシニング技術に
より作製された可撓薄膜を、静電気力により機械的に動
作させることで光変調を行う電気機械的な光変調素子で
あり、従来は透過型の表示素子として知られている。さ
らに詳述すると、光変調素子としては、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
て光源上の固定電極に架設したものがある。この光変調
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。図５
は、従来のＭＥＭ素子の一つである干渉を利用するタイ
プの内部構成を示す断面図である。図５に示すＭＥＭ素
子では、ガラス基板９１の上面に上下２枚の透明電極９
４が間隔を置いて形成されており、上記下側の透明電極
９４の上部には上下２枚のハーフミラー９２が２つのス
ペーサ９５を介して配置されている。上記２枚のハーフ
ミラー９２と、２つのスペーサ９５とに挟まれた空間に
は、下側のハーフミラー９２に接して絶縁体から成る透
明スペーサ９３が形成されている。なお、上側のハーフ
ミラー９２の上部には上記した上側の透明電極９４が形
成されている。

【０００４】図５に示すＭＥＭ素子には、上下２枚の透
明電極９４間には電圧が印加されていないので、上記の
上側のハーフミラー９２は、透明スペーサ９３に密着さ
れず、形成された状態のままにあり、その結果、ガラス
基板９１の下方側に配置されたコリメート平面光源９６
から発せられた光９７は、下側のハーフミラー９２で反
射されて、このＭＥＭ素子本体を透過することがない。

【０００５】図６は、図５に示すＭＥＭ素子において、
上下２枚の透明電極間に電圧を印加した場合の内部状態
を示す断面図である。図６に示すＭＥＭ素子では、図５
に示すＭＥＭ素子の上下２枚の透明電極９４間に電圧が
印加された結果、この透明電極９４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９４及びそ
の下の上側のハーフミラー９２は下方に押されて、上側
のハーフミラー９２が透明スペーサ９３に密着し、この
上下２枚のハーフミラー９２に直交する光路の光の透過
率が増加し、その結果、コリメート平面光源９６から発
せられた光９７は、このＭＥＭ素子本体を透過して、Ｍ
ＥＭ素子本体の上方側に配置されたガラス基板９８によ
って適当な散乱を得る。

【０００６】

【発明が解決しようとする課題】ところで、上記従来の
画像表示素子を使用した表示装置は、それぞれ問題点を
有している。例えば、ＣＲＴ表示装置は、装置の小型化
が困難であり、微小化したものでは、寿命や信頼性を均
一に高めることが困難であり、消費電力も大きくなると
いった問題点を有している。また、ＬＣＤ表示装置は、
バックライト光を必要とするものについては、その光の
使用効率が問題となり、さらに、高コストのＴＦＴ（薄
膜トランジスタ）を必要とするといった問題点を有して
いる。また、ＬＥＤ表示装置は、発光ダイオード、特に
青色発光ダイオードの価格と寿命、さらにはＬＥＤの２
次元配列の製造コストとが問題点となる。さらに、プラ
ズマ表示装置は、本質的な問題点として、画像信号の制
御系と蛍光発光に必要な電源の制御系とを一体化した回
路とする必要があるので、画像信号の制御系が巨大とな
り、かつ動作速度も高めることができないといった問題
点を有している。

【０００７】なお、従来の画像表示素子の１つであるＭ
ＥＭ素子は、ガラス基板やプラスチックフィルム上に形
成されるので、特殊なマシニング技術を導入する必要が
あり、また、集積度を向上させることができないといっ
た問題点を有していた。さらに、画像信号をＭＥＭ素子
に適した信号形態に変換・処理したり、駆動したりする
ための半導体回路をＭＥＭ素子とは別個の装置として配
置し、接続する必要があり、これらを一体化できないと
いった問題点を有していた。

【０００８】本発明は、上記したような従来の画像表示
素子及びその製造方法における問題点に鑑みてなされた
ものであり、半導体の製造設備を使用して小型で集積密
度が高く、かつ製造コストの安い、反射型のＭＥＭ素子
として機能する画像表示素子を提供することを目的とす
る。

【０００９】また、本発明の他の目的は、半導体の製造
設備を使用して小型で集積密度が高く、かつ製造コスト
の安い、反射型のＭＥＭ素子として機能する画像表示素
子の製造方法を提供することにある。

【００１０】

【課題を解決するための手段】本発明では上記の課題を
解決するために、請求項１記載の画像表示素子として、
間隔を隔てて形成された上下２層の電極層を有し、前記
２層の電極層間に電圧を印加することにより本体の水平
方向に直交する方向から照射された光の反射率を変化さ
せる反射型の機械電気光変調素子において、前記２層の
電極を構成要素に含む前記本体が、シリコン基板上に形
成されていることを特徴とする機械電気光変調素子が提
供される。

【００１１】また、請求項２記載の画像表示素子とし
て、請求項１記載の画像表示素子において、前記シリコ
ン基板と前記２層の電極層の下側の電極層との間に絶縁
層を有し、かつ前記２層の電極層間に可動膜を有し、か
つ前記２層の電極層の下側の電極層の上部に、前記可動
膜により覆われた空隙部分を有することを特徴とする機
械電気光変調素子が提供される。

【００１２】また、請求項３記載の画像表示素子とし
て、請求項２記載の画像表示素子において、前記可動膜
の前記空隙部分の上部から外れた端部の表面に、前記表
面から前記２層の電極層の下側の電極層の表面に達する
まで貫通するコンタクトホールを有することを特徴とす
る機械電気光変調素子が提供される。

【００１３】また、請求項４記載の画像表示素子とし
て、請求項３記載の画像表示素子において、前記コンタ
クトホールの内部を潜って前記２層の電極層の下側の電
極層の表面まで到達すると共に前記電極層との電気的接
触を有する下部電極を具備したことを特徴とする機械電
気光変調素子が提供される。

【００１４】また、請求項５記載の画像表示素子とし
て、請求項２乃至４のいずれか１項に記載の画像表示素
子において、前記シリコン基板、前記絶縁層、及び前記
２層の電極層の下側の電極層の代わりに、上部表面層に
シリコンの導電率を高める物質が注入されて成る下部電
極層を有するシリコン基板を使用したことを特徴とする
機械電気光変調素子が提供される。

【００１５】また、請求項６記載の画像表示素子とし
て、請求項１乃至５のいずれか１項に記載の画像表示素
子において、前記シリコン基板上に、前記２層の電極間
に印加される駆動電圧を供給する半導体回路が形成され
ていることを特徴とする機械電気光変調素子が提供され
る。

【００１６】さらに、請求項７記載の画像表示素子とし
て、請求項６記載の画像表示素子において、前記シリコ
ン基板上に、前記駆動電圧を制御するための画像信号処
理半導体回路が形成されていることを特徴とする機械電
気光変調素子が提供される。

【００１７】また、請求項８乃至請求項１２記載の画像
表示素子の製造方法として、前記請求項１乃至５記載の
機械電気光変調素子を製造するための機械電気光変調素
子の製造方法が開示される。

【００１８】即ち、本発明では、ＭＥＭ素子の主要部が
形成される従来のガラス基板またはプラスチックフィル
ムに代えてシリコン基板を使用し、シリコン基板上にＭ
ＥＭ素子の主要部を形成することにより、半導体装置の
製造方法を用いてＭＥＭ素子を製造できるようにし、こ
れにより、マイクロマシニング技術等の特殊な技術を使
用することなく、集積度を高めることができる微細化さ
れたＭＥＭ素子を安いコストで製造できるようにしてい
る。また、シリコン基板上に、製造されたＭＥＭ素子と
関係する他の半導体回路を同時、かつ一体に形成できる
ようにしている。

【００１９】

【発明の実施の形態】以下、本発明の好適な実施の形態
を図面に基づいて説明する。図１は、本発明の実施の形
態に係る反射型のＭＥＭ素子として機能する画像表示素
子の内部構成を示す断面図である。図１に示す本実施の
形態に係る画像表示素子は、Ｓｉ（シリコン）基板１
と、Ｓｉ基板１の上面に接して形成された絶縁層２と、
絶縁層２の上面に接して形成された下部電極層３と、下
部電極層３の上面の部分領域に形成された空間の犠牲層
空隙４と、下部電極層３の上面に犠牲層空隙４を覆って
形成された可動膜５と、可動膜５の上部に接して形成さ
れた上部電極層６と、犠牲層空隙４を外れた可動膜５の
表面から下部電極層３の表面に達するまで貫通するコン
タクトホール７と、コンタクトホール７の上部の周囲か
らコンタクトホール７を通じて下部電極層３の表面まで
に形成された下部電極８とを具備する。

【００２０】図２は、本発明の実施の形態に係る画像表
示素子の構成要素を形成する代表的な材料組成の組合せ
を示すテーブルである。図２に示すテーブルでは、可能
な材料の組合せとして、例えば、組合せ番号１の組合せ
例では、絶縁層２として二酸化シリコン（ＳｉＯ２）、
下部電極層３としてポリシリコン（ＰｏｌｙＳｉ）、犠
牲層４１としてアルミニウム（Ａｌ）、可動膜５として
窒化シリコン（ＳｉＮ）、上部電極層６としてＩＴＯ
（Indiumtin Oxide）が示されている。下部電極８につ
いては、上部電極層６と同じ材料組成とすることができ
る。なお、図２に示すテーブルで、Ｗはタングステン、
ｍｅｔａｌは任意の金属、ＰＩはポリイミド（Poly-imi
d）を意味する。

【００２１】また、図２に示すテーブルにおいて、絶縁
層２及び可動膜５として、ＳｉＯ２に代えてリン珪酸ガ
ラス（ＰＳＧ）、ホウ素珪酸ガラス（ＢＳＧ）、ホウ素
リン珪酸ガラス（ＢＰＳＧ）、あるいはそれらの複合物
を用いることもできる。同様に、下部電極層３として、
タングステンの外に、モリブデン（Ｍｏ）、金（Ａ
ｕ）、パラジウム（Ｐｄ）、白金（Ｐｔ）、あるいはそ
れらの合金を用いることもできる。また、任意の金属と
しては、例えばＡｌ、Ｍｏ、Ｗを挙げることができる。
但し、下部電極層３とは異種材料を選択する必要があ
る。さらに、上部電極層６は、ＩＴＯの外に、酸化すず
（ＳｎＯ２）とすることもできる。

【００２２】次に、本実施の形態に係る画像表示素子の
製造工程を説明する。図３は、本発明の実施の形態に係
る画像表示素子の工程別の内部構成を示す工程別断面図
である。まず、図３（ａ）に示す工程では、Ｓｉ基板１
の上面に絶縁層２を形成する。半導体製造工程で一般的
な熱酸化法やＣＶＤ法、あるいはＩＣＰプラズマＣＶＤ
等の高密度プラズマＣＶＤ法を使用して、絶縁層２を、
Ｓｉ基板１の上面に成膜させることができる。また、絶
縁層２を単純な塗布法により形成することも可能であ
る。

【００２３】次に、下部電極層３を絶縁層２の表面に形
成する。この時、スパッタ法を使用して下部電極層３を
絶縁層２の表面に形成することが可能である。Ｐｏｌｙ
Ｓｉを下部電極層として形成する場合は、半導体製造工
程にて一般的な手法であるＣＶＤ法等が使用できる。ま
た、下部電極層３の表面を特定の形状の平面図形とする
必要がある場合には、半導体製造技術におけるフォトリ
ソグラフィーとエッチングによりパターニング可能であ
る。その後、下部電極層３の所定の表面領域に、後の工
程で除去される犠牲層４１を形成する。この時、犠牲層
４１の平面パターンはフォトリソグラフィーおよびエッ
チングにより形成可能であるが、予め平面形状に合わせ
たマスクを使用してのマスク蒸着により形成しても良
い。このようにして、任意の図形の犠牲層４１を、下部
電極層３の所定の表面領域に形成することが可能であ
る。

【００２４】次に、図３（ｂ）に示す工程では、図３
（ａ）に示す工程で形成された下部電極層３及び犠牲層
４１を覆う可動膜５を形成する。この時、ＣＶＤ法等の
製膜法を使用して、下部電極層３及び犠牲層４１を覆う
可動膜５を成膜させることができる。また、可動膜５を
単純な塗布法により形成することも可能である。

【００２５】図３（ｃ）に示す工程では、まず、図３
（ａ）にて形成した下部電極層３と外部との電気的接続
を確保するために、図３（ｂ）にて形成した可動膜５の
中で、犠牲層４１の領域外にて、コンタクトホール７を
形成する。コンタクトホール７の形成は、フォトリソグ
ラフィーならびにエッチングにて可能である。

【００２６】かかる後に、可動膜５の表面にＩＴＯある
いはＳｎＯ２を上部電極層６として形成する。ここで、
上部電極層６は前面にスパッタ法、塗布法等にて形成す
ることができる。このように形成された上部電極層６
は、形成後にフォトリソグラフィーならびにエッチング
工程によりパターニングされる。パターニングでは犠牲
層４１および可動膜５を下部電極層３と上部電極層６と
で挟んで画素を形成するようにパターニングする。同時
に、上部電極層６は外部との電気的接続ができるよう
に、配線パターンも形成する。さらに、この上部電極層
６のパターニング時には、同時に上記形成されたコンタ
クトホール７から外部に電気的接続を可能にするように
下部電極８を形成し、さらに配線領域を残す。なお、下
部電極８の形成ならびにこの下部電極８から外部への配
線に使用する導電層は上部電極層６と異なる層を使用す
ることも可能である。

【００２７】最後に、図３（ａ）に示す工程で形成され
た可動膜５下の犠牲層４１を除去することにより、犠牲
層空隙４を形成し、図１に示すような可動部を装備した
画像表示素子に仕上げる。この時、犠牲層４１を除去す
るためにエッチング等を使用することが可能である。

【００２８】図４は、本発明の実施の形態に係る画像表
示素子の他の内部構成を示す断面図である。図４に示す
画像表示素子の内部構成は、図１に示す画像表示素子の
内部構成に比べて、図１に示す絶縁層２を使用しない点
と、Ｓｉ基板２１として、図１に示すＳｉ基板１に下部
電極層２３を埋め込んだものを使用している点を除いて
は、図１に示す画像表示素子の内部構成と同じである。

【００２９】ここで、下部電極層２３の材料組成は、シ
リコンに、該シリコンの導電率を高める物質（例えば、
リン（Ｐ）や、ホウ素（Ｂ）等）を注入したものとす
る。また、下部電極層２３の形成工程は、ＦＥＴ（電界
制御トランジスタ）のソースまたはドレインの形成工程
と同様であり、イオン注入法や不純物拡散等の工程を使
用することができる。

【００３０】次に、本実施の形態に係る画像表示素子の
動作を説明する。図１，４に示す本実施の形態に係る画
像表示素子は、上部電極層６と下部電極８との間に電圧
を印加していない状態（図１に示す状態）と、上部電極
層６と下部電極８との間に電圧を印加した状態とで、垂
直方向から照射される光の反射率が異なる。つまり、電
圧を印加して可動膜５が下部電極層３，２３に接触した
状態では、画像表示素子の表示側に配置された光源から
の光は、Ｓｉ基板１の表面、あるいは下部電極層２３の
表面で反射される。

【００３１】以上のように、本実施の形態によれば、マ
イクロマシニング技術等の特殊な技術を使用することな
く、ＦＥＴ等の半導体素子を製造するのと同じ工程を使
用してＭＥＭ素子を製造することができる。また、本実
施の形態によれば、図１、４に示す本実施の形態に係る
画像表示素子を駆動するための半導体回路、及び前記画
像表示素子に供給する信号を変換したり伝達したりする
ための半導体回路を、前記画像表示素子の構成要素であ
るＳｉ基板１、Ｓｉ基板２１と同一の基板上に、前記画
像表示素子の延長回路、または付帯回路として形成する
ことができる。これまでの説明は、単一画素について述
べてきたが、本発明は単一画素に限定されるものではな
い。１次元（ライン上）配列、２次元（平面）配列して
いる場合も同様である。

【００３２】

【発明の効果】以上に説明したとおり、本発明では、Ｆ
ＥＴ等の半導体素子を製造するのと同じ工程を使用し
て、集積度を高め得る微細化されたＭＥＭ素子を、安価
なコストで確実に製造することができる。また、画像表
示素子の駆動に必要な半導体回路や、画像表示素子に信
号を供給するための半導体回路を、画像表示素子が形成
されている基板と同一の基板上に形成し、これらを画像
表示素子と一体化して製造することができる。

【図面の簡単な説明】

【図１】本発明の実施の形態に係る画像表示素子の内部
構成を示す断面図である。

【図２】本発明の実施の形態に係る画像表示素子の構成
要素を形成する代表的な材料組成の組合せを示すテーブ
ルである。

【図３】本発明の実施の形態に係る画像表示素子の工程
別の内部構成を示す工程別断面図である。

【図４】本発明の実施の形態に係る画像表示素子の他の
内部構成を示す断面図である。

【図５】従来のＭＥＭ素子の内部構成を示す断面図であ
る。

【図６】図５に示すＭＥＭ素子において、上下２枚の透
明電極間に電圧を印加した場合の内部状態を示す断面図
である。

【符号の説明】

１、２１ Ｓｉ基板 ２ 絶縁層 ３ 下部電極層 ４ 犠牲層空隙 ５ 可動膜 ６ 上部電極層 ７ コンタクトホール ８ 下部電極 ２３ 下部電極層

───────────────────────────────────────────────────── フロントページの続き (72)発明者 木村 宏一 静岡県富士宮市大中里200番地 富士写真 フイルム株式会社内 Ｆターム(参考） 2H041 AA02 AA05 AB16 AC06 AZ02 AZ08

Claims (12)

【特許請求の範囲】
1. 【請求項１】 間隔を隔てて形成された上下２層の電極
   層を有し、前記２層の電極層間に電圧を印加することに
   より本体の水平方向に直交する方向から照射された光の
   反射率を変化させる反射型の機械電気光変調素子におい
   て、 前記２層の電極を構成要素に含む前記本体が、シリコン
   基板上に形成されていることを特徴とする機械電気光変
   調素子として機能する画像表示素子。
2. 【請求項２】 前記シリコン基板と前記２層の電極層の
   下側の電極層との間に絶縁層を有し、かつ前記２層の電
   極層間に可動膜を有し、かつ前記２層の電極層の下側の
   電極層の上部に、前記可動膜により覆われた空隙部分を
   有することを特徴とする請求項１記載の画像表示素子。
3. 【請求項３】 前記可動膜の前記空隙部分の上部から外
   れた端部の表面に、前記表面から前記２層の電極層の下
   側の電極層の表面に達するまで貫通するコンタクトホー
   ルを有することを特徴とする請求項２記載の画像表示素
   子。
4. 【請求項４】 前記コンタクトホールの内部を潜って前
   記２層の電極層の下側の電極層の表面まで到達すると共
   に前記電極層との電気的接触を有する下部電極を具備し
   たことを特徴とする請求項３記載の画像表示素子。
5. 【請求項５】 前記シリコン基板、前記絶縁層、及び前
   記２層の電極層の下側の電極層の代わりに、上部表面層
   にシリコンの導電率を高める物質が注入されて成る下部
   電極層を有するシリコン基板を使用したことを特徴とす
   る請求項２乃至４のいずれか１項に記載の画像表示素
   子。
6. 【請求項６】 前記シリコン基板上に、前記２層の電極
   間に印加される駆動電圧を供給する半導体回路が形成さ
   れていることを特徴とする請求項１乃至５のいずれか１
   項に記載の画像表示素子。
7. 【請求項７】 前記シリコン基板上に、前記駆動電圧を
   制御するための画像信号処理半導体回路が形成されてい
   ることを特徴とする請求項６記載の画像表示素子。
8. 【請求項８】 間隔を隔てて形成された上下２層の電極
   層を有し、前記２層の電極層間に電圧を印加することに
   より本体の水平方向に直交する方向から照射された光の
   反射率を変化させる反射型の機械電気光変調素子の製造
   方法であって、 前記２層の電極を構成要素に含む前記本体を、シリコン
   基板上に形成する工程を有することを特徴とする機械電
   気光変調素子として機能する画像表示素子の製造方法。
9. 【請求項９】 前記シリコン基板と前記２層の電極層の
   下側の電極層との間に絶縁層を形成する工程と、前記２
   層の電極層間に可動膜を形成する工程と、前記２層の電
   極層の下側の電極層の上部に、前記可動膜により覆われ
   た空隙部分を形成する工程とを有することを特徴とする
   請求項８記載の画像表示素子の製造方法。
10. 【請求項１０】 前記可動膜の前記空隙部分の上部から
    外れた端部の表面に、前記表面から前記２層の電極層の
    下側の電極層の表面に達するまで貫通するコンタクトホ
    ールを形成する工程を有することを特徴とする請求項９
    記載の機械画像表示素子の製造方法。
11. 【請求項１１】 前記コンタクトホールの内部を潜って
    前記２層の電極層の下側の電極層の表面まで到達すると
    共に前記電極層との電気的接触を有する下部電極を形成
    する工程を有することを特徴とする請求項１０記載の画
    像表示素子の製造方法。
12. 【請求項１２】 前記シリコン基板の代わりに、上部表
    面層に前記２層の電極層の下側の電極層と同じ組成の材
    料が埋め込まれたシリコン基板を使用し、かつ前記絶縁
    層及び前記２層の電極層の下側の電極層を形成する工程
    を省いたことを特徴とする請求項９乃至１０のいずれか
    １項に記載の画像表示素子の製造方法。