(57)【要約】補強面微細加工構造およびその製造方法。シリコン基板（１０）を先ずエッチングして格子構造において複数の溝（１４）を含む型を形成する。シリコン基板（１０）上の犠牲酸化物（１５）を成長させ、基板の表面に補強部材（１６）（窒化ケイ素）を蒸着し、溝を窒化ケイ素で埋め戻す。窒化ケイ素をパターン形成して機械部材を形成し、金属（４０）を蒸着してパターン形成し、機械部材の静電気アクチュエータ用のリードおよびキャパシタを形成する。製造した微細加工装置の下から型をエッチングすることにより、垂直リブを有する自立型窒化ケイ素装置を残した状態で、基礎を成すシリコンおよび犠牲酸化物を除去する。装置は補強リブを有するため、平面から外れる曲がり剛性が増す。補強リブを有する窒化ケイ素双軸ポインティングミラーも記載されている。【選択図】図１
2005506909.tif 000002
【特許請求の範囲】
【請求項１】
基板をエッチングして内部に型を成形することと、
前記基板上に構造補強部材を蒸着して前記型を前記構造補強部材で埋め戻すことと、
前記基板に蒸着される補強部材をパターン形成して前記薄膜微細加工装置を前記基板上に形成することと、
前記型をエッチングして前記型を埋め戻した補強部材を除去せずに前記微細加工装置を解放することと、
を含む薄膜微細加工装置の製造方法。
【請求項２】
前記型は前記基板に高じ構造にエッチングされた複数の溝を有する、請求項１に記載の方法。
【請求項３】
前記格子構造は、
リング状格子構造、
くもの巣状リング格子構造、
ハチの巣状格子構造、
三角格子構造、
ダイヤモンド状格子構造、および
基礎を成す格子構造から得られる特定のバルク材料特性を示すように設計された格子構造、
のうち少なくとも１つを含む、請求項２に記載の方法。
【請求項４】
前記型をエッチングすることは、前記基板を前記型の下の所定の深さまでエッチングすることを含む、請求項１に記載の方法。
【請求項５】
前記型をエッチングする前に前記補強部材をカプセルに封じることを更に含む、請求項１に記載の方法。
【請求項６】
前記型のエッチング工程の間に、前記解放された微細加工装置に盛り込まれた前記型の一部を残すことを更に含む、請求項１に記載の方法。
【請求項７】
前記構造補強部材上に導体膜の層を蒸着することと、
前記補強部材上に蒸着した導体膜の前記層にパターン形成することと、
を更に含む、請求項１に記載の方法。
【請求項８】
前記導体膜の層はクロム、金、ニッケル、アルミニウムおよびタングステンからなる群より選択される金属を含む、請求項７に記載の方法。
【請求項９】
前記構造補強部材を蒸着する前に、前記型を含む前記基板上に犠牲酸化物層を成長させることを更に含む、請求項１に記載の方法。
【請求項１０】
前記構造補強部材は少なくとも１層の窒化ケイ素を含む、請求項１に記載の方法。
【請求項１１】
前記基板はシリコン基板である、請求項１に記載の方法。
【請求項１２】
前記構造補強部材は、窒化ケイ素、ポリシリコン、二酸化ケイ素、鋳造金属および炭化ケイ素からなる群より選択される、請求項１に記載の方法。
【請求項１３】
前記補強部材にパターン形成する前に、前記基板に蒸着された構造補強部材を研磨することを更に含む、請求項１に記載の方法。
【請求項１４】
前記型をエッチングすることは、解放される前記微細加工装置の下に種々の寸法の略均一の空隙を生成することを含み、前記空隙の寸法は前記型のエッチング時間に依存する、請求項１に記載の方法。
【請求項１５】
請求項１に記載の方法により形成される微細加工装置。
【請求項１６】
構造補強部材と、前記補強部材をパターン形成することにより前記補強部材から形成される薄膜微細加工構造物を備える微細加工装置であって、
前記補強部材は基板にエッチングされた型を埋め戻す基板に先ず蒸着され、前記型を埋め戻す前記補強部材を除去することなしに前記微細加工構造物を解放するために、前記微細加工構造物を形成した後に前記型を選択的にエッチングする、微細加工装置。
【請求項１７】
前記基板はシリコン基板である、請求項１６に記載の装置。
【請求項１８】
前記構造補強部材は、窒化ケイ素、ポリシリコン、炭化ケイ素、金属および二酸化ケイ素からなる群より選択される、請求項１６に記載の装置。
【請求項１９】
前記構造補強部材上に蒸着およびパターン形成された金属層を更に備える、請求項１６に記載の装置。
【請求項２０】
前記金属層はクロム、金、ニッケル、アルミニウムおよびタングステンからなる群より選択される金属を含む、請求項１９に記載の装置。
【請求項２１】
前記解放された微細加工構造に盛り込まれている前記型の一部を更に備える、請求項１６に記載の装置。
【請求項２２】
リング状格子構造、
くもの巣状リング格子構造、
ハチの巣状格子構造、
三角格子構造、
ダイヤモンド状格子構造、および
基礎を成す格子構造から得られた特定のバルク材料特性を示すよう設計された格子構造、
のうち少なくとも１つにおいて、前記型は前記基板にエッチングされた複数の溝を有する、請求項１６に記載の装置。
【請求項２３】
前記複数の溝の方向は略垂直である、請求項２２に記載の装置。
【請求項２４】
前記型の選択的エッチング時に解放される前記微細加工構造物の下に略平坦な空隙を更に備える、請求項１６に記載の装置。
【請求項２５】
少なくとも１つの窒化ケイ素層を有する構造補強部材と、
前記補強部材によりパターン形成することにより前記補強部材から形成された１つあるいは複数の機械部材と、
微細加工ミラーの反射部を形成すべく前記補強部材に蒸着およびパターン形成される１つあるいは複数の金属層と、前記機械部材用の１つあるいは複数の静電気アクチュエータとを備える微細加工ミラーであって、
前記補強部材は、シリコン基板にエッチングされた型を埋め戻す基板に先ず蒸着され、前記型を埋め戻す前記補強部材を除去することなしに前記微細加工ミラーを解放するために、前記１つあるいは複数の金属層にパターン形成した後に前記型を選択的にエッチングする、微細加工ミラー。
【請求項２６】
前記１つあるいは複数の金属層は、クロム、金、ニッケル、アルミニウムおよびタングステンからなる群より選択される金属を含む、請求項２５記載のミラー。
【請求項２７】
リング状格子構造、
くもの巣状リング格子構造、
ハチの巣状格子構造、
三角格子構造、および
ダイヤモンド状格子構造、
のうち少なくとも１つにおいて、前記型は前記基板にエッチングされる複数の溝を有する、請求項２５に記載のミラー。
【請求項２８】
前記複数の溝は前記基板に略垂直にエッチングされる、請求項２７に記載のミラー。
【請求項２９】
前記反射部の直径は１００〜５００ミクロンであり、前記複数の溝の垂直深さは１０〜１００ミクロンである、請求項２７に記載のミラー。
【請求項３０】
前記型は、１つあるいは複数の前記機械部材のねじれ撓みに特定の張力あるいは圧縮が得られるよう設計された格子構造における前記基板にエッチングされた複数の溝を備える、請求項２５に記載のミラー。
【請求項３１】
前記型の選択的エッチング時に解放される前記微細加工ミラーの下に略平坦な空隙を更に備える、請求項２５に記載のミラー。
【発明の詳細な説明】
【関連出願】
【０００１】
本願は、２００１年１０月２２日に出願した米国仮出願第６０／３３０，４３３号の同時係属出願の出願日の優先権を請求する。該米国仮出願の開示は、その全体が参照として本明細書に組み込まれる。
【発明の分野】
【０００２】
一般的に、本発明は、微細加工構造物およびその製造方法に関し、特に誘発された応力あるいは慣性変形を低減させるために補強部材微細加工装置およびその製造方法に関する。
【関連技術の説明】
【０００３】
本明細書に記載の全ての刊行物および特許出願は、それら個々の刊行物または特許出願が参照によって組み込まれるために指定的および個別的に指示される範囲において、参照として本明細書に組み込まれる。
【０００４】
インターネット、ケーブルテレビおよび電話会議によりコミュニケーション帯域幅の必要性を増大させている。高波長分割多重（ＤＷＤＭ）は高帯域幅の要求に応じるべく使用される各光ファイバで伝送される波長数を増大させる。多重波長をスイッチして異なるファイバに再度伝送しなければならない。各波長の光信号をより遅い電気信号に変換する現在の方法は、信号をスイッチし、光信号に変換し直し、それを光ファイバに伝送し直すものであり、これが主流となっているが、ファイバコミュニケーションシステムの空間を浪費する。従って、光コミュニケーション帯域幅の増大という要求に応じた全光スイッチ方法の開発が望まれている。
【０００５】
微細加工ミラーシステムは全光スイッチを得るための１つの方法である。光ファイバの小さな性質はビームに微細加工ミラーとの互換性を与えることである。光ビームをファイバ間で転送するために移動自在な微細加工ミラーを使用することができる。しかしこれは微細加工ミラーの設計に重大な問題を生じさせる。
【０００６】
表面微細加工装置は製造過程で生じた内部応力を含む薄膜より構成される。内部応力の結果、長さと厚さとの高い比率を有する装置が一度基板から離れると大きく変形する。例えば、長方形の片持ち梁ビームのチップが離れる時に該ビームが基板の平面から撓む傾向がある。表面の変形に特に敏感な１つのクラスの装置は光クロスコネクトのために用いられ、操作ビームイメージシステムにおけるマイクロミラーである。マイクロミラーは数百マイクロメートルの直径を要し、長さと厚さとの比率が非常に大きくなる。理想的なミラーは反射したビームが大きく変形しないように光学的な平坦な表面を有する。これは光ファイバへの効果的な接合の助けとなる。ミラー表面の変形は光ビームの収差となり、光スイッチでは大きな挿入損失となり、イメージシステムでは忠実度が低下する。そのため、表面微細加工ミラーは、高性能光応用分野のための単結晶シリコンミラーに遅れをとっている。
【０００７】
理想的な微細加工ミラーは、大きな動的範囲をも備えるべきである。ミラーの傾斜角度が大きい程、光クロスコネクトで使用できるファイバが増え、必要なクロスコネクトの全体の数を低減させるとができる。しかしミラーは簡単に製造できなければならない。複雑で風変わりな工程は製造コストを増し、生産高を低下させ、クロスコネクトの最終的なコストを増大させる。
【０００８】
微細加工装置の製造中の残留応力は、蒸着状態を制御することと、蒸着膜を焼きなますことと、積層構造における応力の釣り合いをとるための多層設計とにより部分的に低減させることができる。しかし、膜の応力は殆どの蒸着システムで可変的に残り、膜の応力における変化に対して特定の設計の耐性を向上させることのできる解決策が要求されている。
【０００９】
微細加工構造の慣性のモーメントを増加することにより、残留応力による変形を大幅に低減させることができる。この試みは膜蒸着を行う前に表面に波形あるいは溝を形成することにより従来行われてきた。これは以下の文献に記載されている。（１）Ｈｕｎｇ−Ｙｉ  Ｌｉｎ，Ｍｉｎｇｃｈｉｎｇ  Ｗｕ，Ｗｅｉｌｅｕｎ  Ｆａｎｇ，“Ｔｈｅ  Ｉｍｐｒｏｖｅｍｅｎｔ  ｏｆ  Ｍｉｃｒｏ−ｔｏｒｓｉｏｎａｌ−ｍｉｒｒｏｒ  ｆｏｒ  Ｈｉｇｈ  Ｆｒｅｑｕｅｎｃｙ  Ｓｃａｎｎｉｎｇ，”ＳＰＥＥ  ４１７８，２０００，（２）Ｊｏｅ  Ｄｒａｋｅ，Ｈａｌ  Ｊｅｒｍａｎ，“Ａ  Ｍｉｃｒｏｍａｃｈｉｎｅｄ  Ｔｏｒｓｉｏｎａｌ  Ｍｉｒｒｏｒ  ｆｏｒ  Ｔｒａｃｋ  Ｆｏｌｌｏｗｉｎｇ  ｉｎ  Ｍａｇｎｅｔｏ−ｏｐｔｉｃａｌ  Ｄｉｓｋ  Ｄｒｉｖｅｓ，”Ｓｏｌｉｄ−Ｓｔａｔｅ  Ｓｅｎｓｏｒ  ａｎｄ  Ａｃｔｕａｔｏｒ  Ｗｏｒｋｓｈｏｐ，２０００，（３）Ｈｕｎｇ−Ｙｉ  Ｌｉｎ，Ｗｅｉｌｅｕｎ  Ｆａｎｇ，“Ｒｉｂ−ｒｅｉｎｆｏｒｃｅｄ  Ｍｉｃｒｏｍａｃｈｉｎｅｄ  Ｂｅａｍ  ａｎｄ  ｉｔｓ  Ａｐｐｌｉｃａｔｉｏｎｓ，”Ｊ．Ｍｉｃｒｏｍｅｃｈ．Ｍｉｃｒｏｅｎｇ．，１０，９３−９９，２０００。更に、起動に磁石と静電気を使用し、種々の製造技術を使用して製造されるねじりミラーは以下の文献に記載されている。（１）Ｋ．Ｅ．Ｐｅｔｅｒｓｅｎ，“Ｓｉｌｉｃｏｎ  Ｔｏｒｓｉｏｎａｌ  Ｓｃａｎｎｉｎｇ  Ｍｉｒｒｏｒｓ，”ＩＢＭＪ．Ｒｅｓ．Ｄｅｖｅｌｏｐ．，２４，６３１〜６３７頁，１９８０，（２）Ｌ．Ｊ．Ｈｏｒｎｂｅｃｋ，“Ｄｅｆｏｒｍａｂｌｅ  Ｍｉｒｒｏｒ  Ｓｐａｔｉａｌ  Ｌｉｇｈｔ  Ｍｏｄｕｌａｔｏｒｓ，”Ｐｒｏｃ．ＳＰＩＥ，１１５０，１〜１７頁，１９８９，（３）Ｍ．Ｆｉｓｃｈｅｒ，Ｈ．Ｇｒａｅｆ，Ｗ．ｖｏｎ  Ｍｕｎｃｈ，“Ｅｌｅｃｔｒｏｓｔａｔｉｃａｌｌｙ  Ｄｅｆｌｅｃｔａｂｌｅ  Ｐｏｌｙｓｉｌｉｃｏｎ  Ｔｏｒｓｉｏｎａｌ  Ｍｉｒｒｏｒｓ，”Ｓｅｎｓ．ＡｃｔｕａｔｏｒｓＡ，４４，８３〜８９頁，１９９４，（４）Ａ．Ｓ．Ｄｅｗａ，Ｊ．Ｗ．Ｏｒｃｕｔｔ，Ｍ．Ｈｕｄｓｏｎ，Ｄ．Ｋｒｏｚｉｅｒ，Ａ．Ｒｉｃｈａｒｄｓ，Ｈ．Ｌａｏｒ，“Ｄｅｖｅｌｏｐｍｅｎｔ  ｏｆ  ａ  Ｓｉｌｉｃｏｎ  Ｔｗｏ−Ａｘｉｓ  Ｍｉｃｒｏｎｉｉｒｒｏｒ  ｆｏｒ  Ｏｐｔｉｃａｌ  Ｃｒｏｓｓ−Ｃｏｎｎｅｃｔ，”２０００  Ｓｏｌｉｄ−Ｓｔａｔｅ  Ｓｅｎｓｏｒ  ａｎｄ  Ａｃｔｕａｔｏｒ  Ｗｏｒｋｓｈｏｐ，９３〜９６頁，２０００。
【００１０】
大量微細加工は、大きな撓み角度を有する平坦なシリコンミラーを製造しているが、複雑な処理技術、層接合あるいは高価な基板ウェハを使用している。このような大量微細加工は、以下の文献に記載されている。（１）Ｄ．Ｗ．Ｗｉｎｅ，Ｍ．Ｐ．Ｈｅｌｓｅｌ，Ｌ．Ｊｅｎｋｉｎｓ，Ｈ．Ｕｒｅｙ，Ｔ．Ｄ．Ｏｓｂｏｍ，“Ｐｅｒｆｏｒｍａｎｃｅ  ｏｆ  ａ  Ｂｉａｘｉａｌ  ＭＥＭＳ−Ｂａｓｅｄ  Ｓｃａｎｎｅｒ  ｆｏｒ  Ｍｉｃｒｏｄｉｓｐｌａｙ  Ａｐｐｌｉｃａｔｉｏｎｓ，”Ｐｒｏｃ．ＳＰＩＥ，４１７８，１８６−１９６頁，２０００，（２）Ｄ．Ｄｉｃｋｅｎｓｈｅｅｔｓ，Ｇ．Ｋｉｎｏ，“Ｍｉｃｒｏ  ｆａｂｒｉｃａｔｅｄ  Ｂｉａｘｉａｌ  Ｅｌｅｃｔｒｏｓｔａｔｉｃ  Ｔｏｒｓｉｏｎａｌ  Ｓｃａｎｎｉｎｇ  Ｍｉｒｒｏｒｓ，”Ｐｒｏｃ．ＳＰＩＥ，３００９，１４１〜１５０頁，１９９７。一方、表面微細加工技術は、小さな角撓みと小さな起動電圧のミラーを生成するが、このミラーは曲がりやすく、起動時に変形しやすい。距離を設けて表面の上方のミラーを起こすことにより表面微細加工ミラーの撓み角度を増すことができるが、これにより製造方法が更に複雑となる。この技術は、次の文献に記載されている。Ｖ．Ａ．Ａｋｓｙｕｋ，Ｆ．Ｐａｒｄｏ，Ｃ．Ａ．Ｂｏｌｌｅ，Ｓ．Ａｒｎｅｙ，Ｃ．Ｒ．Ｇｉｌｅｓ，Ｄ．Ｊ．Ｂｉｓｈｏｐ，“Ｌｕｃｅｎｔ  Ｍｉｃｒｏｓｔａｒ  Ｍｉｃｒｏｍｉｒｒｏｒ  Ａｒｒａｙ  Ｔｅｃｈｎｏｌｏｇｙ  ｆｏｒ  Ｌａｒｇｅ  Ｏｐｔｉｃａｌ  Ｃｒｏｓｓｃｏｎｎｅｃｔｓ，”Ｐｒｏｃ．ＳＰＩＥ，４１７８，３２０〜３２４頁，２０００。表面微細加工構造物は、蒸着材料におけるビームとリブを補強する基板に位相幾何学を加えることにより補強することができる。これらビームとリブは、機械部材に構造的な一体性を与えることに使用される。これは以下の文献に記載されている。（１）Ｈ．Ｙ．Ｌｉｎ，Ｗ．Ｆａｎｇ，“Ｒｉｂ−ｒｅｉｎｆｏｒｃｅｄ  Ｍｉｃｒｏｍａｃｈｉｎｅｄ  Ｂｅａｍ  ａｎｄ  ｉｔｓ  Ａｐｐｌｉｃａｔｉｏｎｓ，”Ｊ．Ｍｉｃｒｏｍｅｃｈ．Ｍｉｃｒｏｅｎｇ．，１０，９３−９９頁，２０００，（２）Ｊ．Ｄｒａｋｅ，Ｈ．Ｊｅｒｍａｎ，“Ａ  Ｍｉｃｒｏｍａｃｈｉｎｅｄ  Ｔｏｒｓｉｏｎａｌ  Ｍｉｒｒｏｒ  ｆｏｒ  Ｔｒａｃｋ  Ｆｏｌｌｏｗｉｎｇ  ｉｎ  Ｍａｇｎｅｔｏ−ｏｐｔｉｃａｌ  Ｄｉｓｋ  Ｄｒｉｖｅｓ，”２０００  Ｓｏｌｉｄ−Ｓｔａｔｅ  Ｓｅｎｓｏｒ  ａｎｄ  Ａｃｔｕａｔｏｒ  Ｗｏｒｋｓｈｏｐ，１０〜１３頁，２０００。
【００１１】
上述の微細加工構造物およびミラーの製造方法にも係わらず、補強され（即ち、動的作業の間に内部応力あるいは不要な振動モードの励起による変形を実質的に低減した）、より大きな撓み角度（特に微細加工ミラーの場合）を有する微細加工構造物を製造することが依然として望まれている。３次元表面微細加工構造物は剛性が高く、材料の応力勾配や積層膜の差違応力から生じる変形を低減させる必要がある。簡単で簡潔な微細加工構造物を製造する製造方法の考案が望まれている。業界で標準的な製造方法を使用して高機能微細加工装置、特に光学的なスイッチ応用分野のためのマイクロミラーを実現させることのできるシリコン微細加工工程の開発も望まれている。
【発明の概要】
【００１２】
一実施形態において、本発明は、基板をエッチングして内部に型を成形することと、上記基板上に構造補強部材を蒸着して上記型を構造補強部材で埋め戻すことと、上記基板に蒸着される補強部材をパターン形成して上記薄膜微細加工装置を上記基板上に形成することと、上記型をエッチングして上記型を埋め戻した補強部材を除去せずに上記微細加工装置を解放することとを含む薄膜微細加工装置の製造方法を提供する。
【００１３】
別の実施形態において、本発明は、構造補強部材と、上記補強部材をパターン形成することにより上記補強部材から形成される薄膜微細加工構造物とを備える微細加工装置であって、上記補強部材は基板にエッチングされた型を埋め戻す基板に先ず蒸着され、上記型を埋め戻す補強部材を除去することなしに上記微細加工構造物を解放するために、微細加工構造物を形成した後に型を選択的にエッチングする、微細加工装置を提供する。
【００１４】
型は、例えば、リング状構成やハチの巣状構成等の数多くの格子構成で製造して良い。一実施形態によれば、構造補強部材は、シリコン基板上に蒸着された１つあるいは複数の窒化ケイ素層を有する。１つあるいは複数の金属層も補強部材上に蒸着およびパターン形成され、静電気アクチュエータ用のリードおよびキャパシタを形成する。更に、剛性を高めるために、解放された微細加工装置に型の一部が盛り込まれる。
【００１５】
別の実施形態において、本発明は、少なくとも１つの窒化ケイ素層を有する構造補強部材と、上記補強部材をパターン形成することにより上記補強部材から形成された１つあるいは複数の機械部材と、微細加工ミラーの反射部を形成すべく上記補強部材に蒸着およびパターン形成される１つあるいは複数の金属層と、上記機械部材用の１つあるいは複数の静電気アクチュエータとを備える微細加工ミラーであって、上記補強部材は、シリコン基板にエッチングされた型を埋め戻す基板に先ず蒸着され、型を埋め戻す補強部材を除去することなしに微細加工ミラーを解放するために、１つあるいは複数の金属層にパターン形成した後に型を選択的にエッチングする、微細加工ミラーを提供する。
【００１６】
基板を形成して型を窒化ケイ素で埋め戻すことにより形成された垂直特性あるいはフィンあるいはリブを有して製造された微細加工装置は平面から外れた曲げ剛性が高まる。補強フィンあるいはリブから得られた補強された曲げ剛性は、大きな長さ対厚み比を有する表面微細加工装置による応力で生じる変形を実質的に低減する。従って、窒化ケイ素から補強された微細加工装置をパターン形成する表面微細加工技術を使用し、次いでそれらを犠牲酸化物エッチングおよびシリコン基板のエッチングにより解放することにより、解放された微細加工構造の平面から外れる変形を大幅に低減することができる。
【００１７】
本発明の理解を高めるために提供され、本明細書の一部を成す添付図面は、発明の原理を説明する記載と共に本発明の実施形態を示す。
【詳細な説明】
【００１８】
添付図面に示した本発明の好適な実施形態を詳細に説明する。本明細書に含まれる図面および本発明の記載は、この発明に特に関連する要素を示し記載するものであり、典型的な微細加工工程あるいは微細加工装置に見られる他の要素は、明瞭化のために省略されていることを理解されたい。
【００１９】
「一実施形態」あるいは「実施形態」という明細書中の用語は、その実施形態に関連して記載される特定の特性、構造あるいは特徴が、本発明の少なくとも１つの実施形態に含まれていることを意味する。本明細書の頻繁に見られる「一実施形態において」という表現は、全て同じ実施形態に言及している訳ではない。
［工程の流れ］
【００２０】
図１は、溝１４を有する片持ち梁ビーム２０を示した本発明による概略製造方法の流れを示す。図１の工程について図２〜６を参照して以下に説明する。図１に示す方法は同図の一番上に示す開始工程および一番下に示す完了工程を有する多工程方法である。図１の製造方法の流れは、次の文献に記載される窒化ケイ素変形膜を製造するために使用される方法の変形である。Ｄ．Ｌ．Ｄｉｃｋｅｎｓｈｅｅｔｓ，Ｐ．Ａ．Ｈｉｍｍｅｒ，Ｒ．Ａ．Ｆｒｉｈｏｌｍ，Ｂ．Ｊ．Ｌｕｔｚｅｎｂｅｒｇｅｒ，“Ｍｉｎｉａｔｕｒｅ  Ｈｉｇｈ−ｒｅｓｏｌｕｔｉｏｎ  Ｉｍａｇｉｎｇ  Ｓｙｓｔｅｍ  ｗｉｔｈ  ３−ｄｉｍｅｎｓｉｏｎａｌ  ＭＯＥＭＳ  Ｂｅａｍ  Ｓｃａｎｎｉｎｇ  ｆｏｒ  Ｍａｒｓ  Ｅｘｐｌｏｒａｔｉｏｎ”Ｐｒｏｃ．ＳＰＩＥ，４１７８，９０〜９７頁，２０００。前記文献で論じられているエッチングを止めるための深い反応イオンがエッチングされたケイ素溝を埋め戻す代わりに、埋め戻された溝が後述する構造部材の一部となる。
【００２１】
図１に示すように、先ず、シリコン基板あるいはウェハ１０をＤＲＩＥ（Ｄｅｅｐ  Ｒｅａｃｔｉｖｅ  Ｉｏｎ  Ｅｔｃｈｉｎｇ）マスク１２で覆い、バルクシリコン１０に深い溝１４を短い反復時間のＤＲＥＥエッチングを使用してエッチングし、側壁のスカロッピングを最小にする。これについては次の文献に記載されている。Ａ．Ａ．Ａｙｏｎ，Ｒ．Ｂｒａｆｆ，Ｃ．Ｃ．Ｌｉｎ，Ｈ．Ｈ．Ｓａｗｉｎ，Ｍ．Ａ．Ｓｃｈｍｉｄｔ，“Ｃｈａｒａｃｔｅｒｉｚａｔｉｏｎ  ｏｆ  ａ  Ｔｉｍｅ  Ｍｕｌｔｉｐｌｅｘｅｄ  Ｉｎｄｕｃｔｉｖｅｌｙ  Ｃｏｕｐｌｅｄ  Ｐｌａｓｍａ  Ｅｔｃｈｅｒ，”Ｊ．Ｅｌｅｃｔｒｏｃｈｅｍ．Ｓｏｃ．，１４６，３３９〜３４９頁，１９９９。この文献の開示は、その全体が本明細書に組み込まれる。溝１４は、多くの形状に形成することができる。例えば、図２は、シリコン基板２４にエッチングした時に二重リングの形状を成す溝２２を示す。図３は、図２の溝２２の一方の代表的な形状を示す。溝の構成は、最終的な構造物の補強部材のための代表的な型あるいは補強格子（例えば、図２の二重リングの構成）を製造する。図４は、微細加工構造物の表面を補強するために製造可能な溝あるいは補強格子の４つの代表的な構成の例を示す。図４の形状は、単一リング構成２６、多リング構成２８、くもの巣状リング構成３０およびハチの巣状構成３２を含む種々の構成の裏面を示す。独立して、あるいは図４に示す構成の１つあるいはそれ以上を使用して、他の適切な格子構成を製造しても良い。
【００２２】
シリコンに溝をエッチングした後、酸化物をシリコン基板１０上に熱成長および／またはは蒸着し、燐ケイ素ガラス（ＰＳＧ）蒸着を行い、基板１０と補強部材（窒化ケイ素層１６，１８）との間に犠牲酸化層１５を形成する。熱成長した酸化物が、基板１０の表面を等方に被覆する。次いで、溝を構造物材料あるいは補強部材で埋めて、微細加工装置の全体の曲げ強度を大幅に高める垂直なフランジを形成する。一実施形態において、微細加工装置（例えばマイクロミラー）の構造物部材は、２層の窒化ケイ素に形成される。犠牲酸化層１５にパターンを形成したの後、溝１４は窒化ケイ素１６の第１層で埋め戻される。補強部材（ここでは窒化ケイ素）の第１層はパターン形成して適切にエッチングした時に微細加工装置の機械部材を形成する。通常薄い層である第２窒化層１８を基板の全面に蒸着しパターン形成して微細加工装置に撓みを形成しても良い。これにより設計空間が増加して、撓みの厚さが付加的な設計上の調節を可能とする。その後、必要であれば、金属を蒸着してパターン成形し（図１には示していないが図５および６に示す）、微細加工装置の静電気起動用のリードおよびキャパシタを形成しても良い。
【００２３】
例えば、濃縮フッ化水素酸（ＨＦ）溶液等と共に犠牲ＰＳＧおよび熱酸化をウェットエッチングすることにより、微細加工装置は基板表面から離され、シクロブタン水酸化アンモニウム（ＴＭＡＨ）溶液（（ＣＨ３）４ＨＯＨ）においてシリコン基板１０を異方性エッチングして機械運動のための間隙を形成する。換言すれば、基板１０自体を製造方法における「犠牲材料」と考えても良い。解放された装置と基板１０との間の所望の間隙２１を有する解放された片持ち梁２０を図１の最下部に示す。
【００２４】
図５は基板から解放された時に形成される代表的な微細加工装置（双軸マイクロミラー）の平面図３４および断面図３６である。断面図３６は、装置の中央を水平に切断（即ち、平面図３４の中央を水平に切断）した図であり、構造補強部材あるいは材料（ここでは窒化ケイ素層）の２つの層３８，３９の上面に蒸着されパターン形成された金属層４０を示す。更に、図５に示すように、略均等あるいは平坦な空気間隙３７を、エッチング工程を解放する適切なタイミングで解放された構造物の下に形成しても良い。空気間隙３７の寸法は可変であり、型のエッチングの継続時間に依存する。最初のエッチングパターン（微細加工構造物用の）は複雑であり解放される構造物の形状寸法に依存するが、解放のためにＴＭＡＨを使用して非常に平坦な（数マイクロメートルまで）空気間隙を形成しても良い。従って、型をエッチングすることにより、厚さを制御可能な空気間隙（例えば図５の空気間隙３７）を形成しても良く、そのような空気間隙は、解放された装置の増したで均等に平坦であっても良い。
【００２５】
図６は、図１の方法により形成された後の基板から解放された代表的な双軸マイクロミラーの等方図４２である。図６の構造において、クロム金を蒸着してパターン成形し、マイクロミラー装置組立体のための反射面、電極、相互接続、表面キャパシタ板および接合パッドを形成する。起動電極を、外部の撓みにより限定される軸線を中心に構造物を撓ませるべく外部部材上に配置すると共に、内部の撓みにより限定される軸線を中心に構造物を撓ませるべく内部電極上に配置する。基板と装置表面の電極との間に電位を印加することにより起動させる。
【００２６】
熱酸化物および燐ケイ素ガラス層は犠牲層として機能する。該犠牲層は、シリコン型をエッチングすることにより微細加工構造物を解放する時になったらシリコン型の上面を露出すべく、後に構造材料におけるアクセス路を介してエッチングされる。窒化層下の熱酸化物の存在により、製造した微細加工構造物の破壊電圧が劇的に増加する。破壊は、膜がシリコンと全面的に接触するシリコン基板と金属層との間で解放された装置から離れた場所で生じる。低応力シリコンは低電圧で破壊される。従って、窒化層下に優れた誘電性（熱酸化物等）を有していれば、破壊なしに装置の膜に数百ボルトの電位を印加することができる。
【００２７】
一実施形態において、熱酸化物層は必須なものではない。換言すれば、シリコン基板に溝をエッチングした後、熱酸化物あるいは燐ケイ素ガラスを先に蒸着させずに低応力のＬＰＣＶＤ窒化ケイ素を基板上に直接蒸着させる。窒化ケイ素層はパターン形成されて微細加工装置を形成し、また必要であれば金属層を蒸着してパターン形成し、微細加工装置を静電気起動させるためのリードおよびキャパシタを成形しても良い。装置は窒化ケイ素におけるアクセス路を介してシリコンをエッチングすることにより解放させるか、あるいは微細加工装置を解放せずに基板のシリコンを除去する抜粋したエッチング液を使用して微細加工装置の周囲および下方から装置を解放させる。シリコンエッチング液および結晶格子に対する溝のパターンの方向に依存して、シリコンの一部が完成した微細加工装置と一体に残るかも知れない。これについて以下図１６を参照して説明する。
【００２８】
一実施形態において、ボッシュ（Ｂｏｓｃｈ）方法により深い反応イオンエッチングを使用して幅約２．５μｍの溝をバルクシリコンにエッチングする。その後、熱酸化物（〜１．０μｍ）成長、次いで４００度で燐ケイ素ガラス（ＰＳＧ）蒸着（〜０．５μｍ）が行われる。熱酸化物は、エッチングされた溝の周囲に等方で成長するが、ＰＳＧは通常溝の側壁および底部は覆わない。この実施形態では、使用される溝の深さは約１０〜１２μｍである。しかし、必要であれば、溝の深さは３０μｍ（１００μｍ深さまで可能）を超えても良く２μｍの幅までエッチングし埋めても良い。低応力ＬＰＣＶＤ（低圧化学蒸着法）窒化ケイ素の１.０μｍの厚さの層を蒸着し、標準的なフォトリソグラフィおよび反応イオンエッチングを使用してパターン形成される。厚さ０．５μｍの窒化ケイ素の第２層を同様に蒸着してパターン形成し、溝埋めが完了する。窒化ケイ素層による優れた等方性のコーティングが得られる。その後、濃縮フッ化水素酸において酸化物をウェットエッチング、次いで、ＴＭＡＨにおいてシリコンエッチングすることにより、装置がシリコン基板表面から解放され、片持ち梁を解放して（１つの片持ち梁２０が図１に示される）、解放された装置と基板との間に所望の間隙が形成される。金属被覆された片持ち梁溶に、１００μｍの金が解放された装置上でスパッターされる。これらの装置は米国のＳｔａｎｆｏｒｄ  Ｎａｎｏｆａｂｒｉｃａｔｉｏｎ  Ｆａｃｉｌｉｔｙで製造された。
【００２９】
従って、深いＲＩＥエッチングを使用して薄膜の蒸着前に溝を有する基板を前もって構成しても良い。溝は、低応力窒化ケイ素などの構造材料で埋め戻し、結果としてのＭＥＭＳ（マイクロ電気機械式システム）装置の全体の曲げ強度を大幅に高める垂直のフランジを形成することができる。装置の高さと幅の比率を大幅に増加し、全体の曲げ強度を高めるために、微細加工装置の下で種々のフランジ構成を形成しても良い。後述する実験結果は、図１で説明した方法を使用して蒸着した種々のフランジ構成を追加することにより、微細加工片持ち梁ビームの静的撓みが大幅に減少したことを示している。埋め戻しされた溝は表面微細加工構造物の解放の間に横方向エッチングストッパとして機能する。更に、垂直窒化ケイ素部材は、解放された窒化ケイ素構造物の一部である。図１で説明した方法によれば、構造物の垂直部材の深さを殆ど任意に制御するだけで窒化ケイ素の表面微細加工構造物を製造することができる。
［ビーム理論］
【００３０】
図７は図１で説明した方法により製造された片持ち梁ビームの格子（あるいは溝）構造の幾つかの例を示す。細線４４，４６，４８および５０は、片持ち梁ビームの縁部を示し、太線５２，５４、５６および５８は、異なる構成の溝を示す。種々の格子構造の実験的表面変形の測定結果、および種々の断面と格子構造の片持ち梁ビームのＦＥＡ（有限要素分析）シミュレーションを論じる前に、選択された片持ち梁ビームに適用するビーム理論を論じるのが適切である。図８は平坦断面６０、Ｔ字断面６２（Ｔビーム）、およびＣ字断面６４（Ｃビーム）をそれぞれ有する３つのタイプの片持ち梁ビームの実験的な寸法を示す。図８に示す全ての寸法の単位はミクロンであり、後述するようにそれぞれのビームの慣性値のモーメントを得るために使用される。
【００３１】
撓みが小さい場合、モーメントＭを受ける片持ち梁ビームは以下の式に従って曲がる。
【数１】
2005506909.tif 000003
この数式１では、ｋは曲率、Ｅは弾性係数、Ｉは慣性モーメントである。断面長方形の片持ち梁ビームの慣性モーメントは以下の通りである。
【数２】
2005506909.tif 000004
この数式２において、ｈはビームの厚さ、ｂはビームの幅である。数式１に数式２を代入すると、曲率ｋはｈ３に比例して減少する。従って、断面長方形で幅が固定されたビームは膜厚さがｈ分増すと、曲率が１／ｈ３分低下する。
【００３２】
図８に示す複合断面の場合は、慣性モーメントは以下の通りである。
【数３】
2005506909.tif 000005
この数式３では、Ｉｘｘはｎｔｈ片の慣性モーメントであり、Ａｎはｎｔｈ片の面積であり、ｄｎはｎｔｈ片の質量中心と全体の複合断面の質量中心との間の垂直距離である。
【００３３】
図８は、典型的なビームの寸法を示す。弾性係数が一定であると仮定すると、数式１によれば、剛性は、慣性モーメントを増すことによってのみ改善させることができる。合成慣性モーメントは、曲げ強度の効果を示す図８の断面により計算することができる。図８に示す平坦、ＴビームおよびＣビームの寸法を使用して数式３から計算される慣性モーメント（μｍ４単位で測定）はそれぞれ７．０４１４．１および６３３．４である。従って、ＴビームおよびＣビームは平坦ビームよりも曲げ強度が大幅に高い。
【００３４】
多くの有効なフランジ構成が、ビームの長さに沿った一定の断面を示さないため、修正された撓み剛性に基づいて一般化された剛性は、必ずしも好適とは限らない。修正された撓み剛性は、有限要素分析と共に分析的に判断することができる。ビームの静的撓みを測定することにより、大きなあるいは修正された撓み剛性を判断することができる。かかる測定に使用可能な有効な格子構成を図７に示す。
［実験結果］
【００３５】
図９は図１で説明した方法により製造した６つの異なる断面を有する代表的な微細加工片持ち梁ビームの光学的干渉計のイメージを示す。各角片持ち梁ビームの端部および上部も干渉計イメージと共に図９に示される。図７で触れたように、図９の上部の細線は、対応する片持ち梁ビームの縁部を示し、太線は溝を示す。図１の方法で製造された装置は、解放片持ち梁の測定表面変形により特徴付けても良い。窒化ケイ素および金被覆した窒化ケイ素の両構成が研究されている。表面変形測定を行うための主な実験道具は、ミラウ干渉計（６６０ｎｍでイメージ）、表面の輪郭を抽出するためのカスタムフリンジ分析ソフトウェアから構成される光学的プロフィルメーターである。図９のイメージの各フリンジは、表面高さにおける３３０ｎｍの変化を示す。典型的には、基板は、光学軸線から傾斜し、平坦面を通して直線上フリンジを形成する。
【００３６】
図９の片持ち梁は、全て幅１００μｍ、長さ３００μｍであり、厚さ約１μｍの低応力ＬＰＣＶＤ窒化ケイ素製であり、他の膜は有していない。垂直補強要素あるいは溝は深さ１２μｍ、幅約２μｍである。第１装置（即ち図９の一番上の装置）は簡単な平坦窒化片持ち梁である。第１装置では、窒化ケイ素の応力勾配が小さく、上方に曲がり、ウェハの平面の上方で上部が２．２μｍ撓む。両寸法の片持ち梁のカッピングは干渉計の湾曲したフリンジにより明らかである。
【００３７】
図９の第２（Ｔ断面）および第３（Ｃ断面）片持ち梁は直線補強要素の例である。両方の場合において、片持ち梁の長さに沿った曲げは、図９の一番上の簡単な窒化膜片持ち梁と比較して大幅に減少している。しかし、Ｔ断面およびＣ断面の装置は、両方とも片持ち梁を通してＴ断面装置の完全なフリンジ（３３０ｎｍ）ほど大きく横方向に曲がっている。
【００３８】
図９の下の３つの片持ち梁は、２つの外部垂直要素（図９のそれぞれの端部に示される）を結ぶためのＣチャネル断面の異なる格子の例である。図９では、上から４つ目の片持ち梁は簡単な三角形の格子、５番目はダイヤモンド型あるいはＸ格子である。これらは両方共、両寸法において非常に優れた平坦性を示し、まっすぐに均等に間隔を空けたフリンジを有する。一番下の片持ち梁は非対称の三角格子の例である。この場合、窒化ケイ素における応力勾配による曲げモーメントは片持ち梁のねじれを生じさせる。この応力は非対称ねじれ要素には有効である。
【００３９】
図１０は図９の上の４つの片持ち梁に対応した異なる４つの断面のための窒化ケイ素片持ち梁の長さに沿って測定して変位を示すグラフである。図１０のデータは、長さ３００μｍ、幅５０μｍ、深さ１２μｍの垂直部材あるいは補強構造（あるいは溝）の片持ち梁から得たものである。図１０のグラフから分かるように、片持ち梁の曲げ（窒素の応力勾配による）は、垂直要素を除くビームと比較して、垂直補強要素を有する全てのビームで大幅に減少している。このグループの中で最も平坦な片持ち梁は三角格子の片持ち梁である。図１１は図１０と同じ片持ち梁で測定した、図１０の窒化ケイ素ビームの表面に１００ｎｍの金をスパッタリングした後の残留曲率あるいは変位を示す。この新しい積層材料は簡単あるいは平坦な窒化ビームの撓みが増加したことから明らかなように、より大きな曲げモーメントを示す。ビームの上部に金属層を導入してチップの撓みは２倍となり、曲率半径は半分に減少した。対比すると、垂直補強要素を有するビーム（即ちＴビーム、Ｃビームおよび三角格子ビーム）は金属層を導入しても測定できる撓みあるいは湾曲の増加は見られない。これらの要素の増加した曲げ強度は膜応力の変化に対して大幅に鈍感となる。
［有限要素分析（ＦＥＡ）およびシミュレーション］
【００４０】
図１２は、本発明の一実施形態による種々のビーム構成の有限要素分析で使用される窒化ケイ素片持ち梁ビームの代表的な概略図であり、図１３は図１２に示す片持ち梁に対応する有限要素モデルを示す。図１２において、片持ち梁は、基板７０から解放される。片持ち梁は、フランジ７２、窒化ケイ素層７４および金属層７６から構成される。実験ビームは基板に固定されているが、基板は、図１２のアンダーカット７８の存在により見えるように最終的なエッチング工程の間に僅かにアンダーカットされる。アンカーポイントでアンダーカットされるため、フランジ７２は基板には固定されない。アンダーカット７８の存在は、層７４を構成する金属層７６および２つの窒化ケイ素層に関連するベースでノードだけを固定することにより図１３のＦＥＡモデルに考慮される。図１３は図１２のビームのＦＥＡのモデルに使用される境界状態を示す。
【００４１】
図１２および１３のモデルを使用して、有限要素パッケージＡＮＳＹＳ５．６（Ｈｏｕｓｔｏｎ，ＰＡ）を用いる平坦ビーム、Ｔビーム、Ｃビームおよび三角格子ビームをシミュレートした。ビームモデルの各々は、厚さ１．５μｍの窒化ケイ素層（即ち、図１２の層７４）および厚さ１００ｎｍの眷属層（即ち、図１２の層７６）から構成される。フランジ７２（図１２）に関し、Ｔビーム、Ｃビームおよび三角格子ビームのフランジ深さを１０μｍに設定し、フランジ幅を１．５μｍに設定した。
【００４２】
図１４は図１２を用いて発生した異なる片持ち梁ビーム構成の４つの有限要素モデルを示す。図１４の符号８０は平坦なビームの有限要素モデル、符号８２はＴビームの有限要素モデル、符号８４はＣビームの有限要素モデル、および符号８６は三角格子ビームの有限要素モデルを示す。各モデルは幅５０μｍ、長さ３００μｍである。平坦ビーム、Ｔビーム、Ｃビームは各ビームの中心に沿った対称的平面を利用している。低応力の窒化ケイ素層および金属層の弾性係数およびポアッソン（Ｐｏｉｓｓｏｎ）の比率は次の文献より得られている。Ｘｉｎ  Ｚｈａｎｇ，Ｔｏｎｇ−Ｙｉ  Ｚｈａｎｇ，Ｙｉｔｓｈａｋ  Ｚｏｈａｒ，“Ｍｅａｓｕｒｅｍｅｎｔｓ  ｏｆ  ｒｅｓｉｄｕａｌ  ｓｔｒｅｓｓｅｓ  ｉｎ  ｔｈｉｎ  ｆｉｌｍｓ  ｕｓｉｎｇ  ｍｉｃｒｏ−ｒｏｔａｔｉｎｇ  ｓｔｒｕｃｔｕｒｅｓ,”Ｔｈｉｎ  Ｆｉｌｍ  Ｓｏｌｉｄｓ，３３５，９７−１０５，１９９８。２００ＧＰａの値は低応力窒化物の弾性係数に使用され、１８０ＧＰＡは金属に使用された。ポアッソンの比率は窒化ケイ素では０．２４に、金属では０．３３に設定した。しかし、両層の残留応力はウェハによって大きく異なる。従って、Ｇｕｃｋｅｌリングおよびポインタ装置は以下の文献に記載されるように全てのウェハに含まれる。（１）Ｈ．Ｇｕｃｋｅｌ，Ｄ．Ｂｕｒｎｓ，Ｃ．Ｒｕｔｉｇｌｉａｎｏ，Ｅ．Ｌｏｖｅ，Ｂ．Ｃｈｏｉ，“Ｄｉａｇｎｏｓｔｉｃ  ｍｉｃｒｏｓｔｒｕｃｔｕｒｅｓ  ｆｏｒ  ｔｈｅ  ｍｅａｓｕｒｅｍｅｎｔ  ｏｆ  ｉｎｔｒｉｎｓｉｃ  ｓｔｒａｉｎ  ｉｎ  ｔｈｉｎ  ｆｉｌｍｓ，”Ｊ．Ｍｉｃｒｏｍｅｃｈ．Ｍｉｃｒｏｅｎｇ．，２，８６−９５，１９９２，（２）  Ｍ．Ｂｏｕｎｔｒｙ，Ａ．Ｂｏｓｓｅｂｏｅｕｆ，Ｊ．Ｐ．Ｇｒａｎｄｃｈａｍｐ，Ｇ．Ｃｏｆｆｉｇｎａｌ，“Ｆｉｎｉｔｅ−ｅｌｅｍｅｎｔ  ｍｅｔｈｏｄ  ａｎａｌｙｓｉｓ  ｏｆ  ｆｒｅｅｓｔａｎｄｉｎｇ  ｉｎｉｃｒｏｒｉｎｇｓ  ｆｏｒ  ｔｈｉｎ−ｆｉｌｍ  ｔｅｎｓｉｌｅ  ｓｔｒａｉｎ  ｍｅａｓｕｒｅｍｅｎｔｓ，”Ｊ．Ｍｉｃｒｏｍｅｃｈ．Ｍｉｃｒｏｅｎｇ．，７，２８０−２８４，１９９７，ａｎｄ  （３）  Ｘｉｎ  Ｚｈａｎｇ，Ｔｏｎｇ−Ｙｉ  Ｚｈａｎｇ，Ｙｉｔｓｈａｋ  Ｚｏｈａｒ，“Ｍｅａｓｕｒｅｍｅｎｔｓ  ｏｆ  ｒｅｓｉｄｕａｌ  ｓｔｒｅｓｓｅｓ  ｉｎ  ｔｈｉｎ  ｆｉｌｍｓ  ｕｓｉｎｇ  ｍｉｃｒｏ−ｒｏｔａｔｉｎｇ  ｓｔｒｕｃｔｕｒｅｓ，”Ｔｈｉｎ  Ｆｉｌｍ  Ｓｏｌｉｄｓ，３３５，９７−１０５，１９９８。これら３つの文献の全ての開示は、その全体を参考として本明細書に組み込まれる。
【００４３】
Ｇｕｃｋｅｌリングおよびポインタ装置は、窒化ケイ素層におけるおおよその残留応力の値を得る直接的な方法である。しかし、これらの装置は金属の応力レベルを予測しないかも知れない。そのような状況で、窒化ケイ素における残留応力のレベルが一度決定されると、金属を有する片持ち梁ビームの測定されたチップの撓みを、金属層における残留応力のための推定値を有する有限要素モデルと比較することができる。するとこのモデルの残留応力値を、モデルのチップの撓みが実験装置のものと一致するように調整することができる。１点キャリブレーション方法は図１４に示すシミュレーションにおいて金層の応力値を設定するのに使用された。
【００４４】
ビームの材料特性を一度決定すると、内部の残留応力によるビームの静的撓みがシミュレートされた。各材料の応力勾配はモデルには含まれていなかった。代わりに、各材料層には以下の文献に記載されている等価温度の形態で一定の残留応力値が与えられる。  （１）Ｍ．Ｂｏｕｎｔｒｙ，Ａ．Ｂｏｓｓｅｂｏｅｕｆ，Ｊ．Ｐ．Ｇｒａｎｄｃｈａｍｐ，Ｇ．Ｃｏｆｆｉｇｎａｌ，“Ｆｉｎｉｔｅ−ｅｌｅｍｅｎｔ  ｍｅｔｈｏｄ  ａｎａｌｙｓｉｓ  ｏｆ  ｆｒｅｅｓｔａｎｄｉｎｇ  ｍｉｃｒｏｒｉｎｇｓ  ｆｏｒ  ｔｈｉｎ−  ｆｉｌｍ  ｔｅｎｓｉｌｅ  ｓｔｒａｉｎ  ｍｅａｓｕｒｅｍｅｎｔｓ，”Ｊ．Ｍｉｃｒｏｍｅｃｈ．Ｍｉｃｒｏｅｎｇ．，７，２８０−２８４，１９９７，ａｎｄ  （２）Ｓｔａｆｆａｎ  Ｇｒｅｅｋ，Ｎｉｃｏｌａｅ  Ｃｈｉｔｉｃａ，“Ｄｅｆｌｅｃｔｉｏｎ  ｏｆ  ｓｕｒｆａｃｅ−ｍｉｃｒｏｍａｃｈｉｎｅｄ  ｄｅｖｉｃｅｓ  ｄｕｅ  ｔｏ  ｉｎｔｅｒｎａｌ  ｈｏｍｏｇｅｎｅｏｕｓ  ｏｒ  ｇｒａｄｉｅｎｔ  ｓｔｒｅｓｓｅｓ,”Ｓｅｎｓｏｒｓ  ａｎｄ  Ａｃｔｕａｔｏｒｓ，７８，１−７，１９９９。これらの文献の開示はその全体を参考として本明細書に組み込まれる。応力値は温度として入力され、温度の係数は以下のように修正された。
【数４】
2005506909.tif 000006
【数５】
2005506909.tif 000007
上記数式で、ｖはポアッソンの比率、Ｅは材料の弾性係数である。
【００４５】
Ｇｕｃｋｅｌリングは１５０ＭＰａの窒化ケイ素の残留応力を生じさせた。平坦ビームのチップの撓みの比較は１８０ＭＰａの金属層の残留応力値を与えた。これらの値を４つのモデルのそれぞれに適用し、直線分析を行った。図１５は有限要素分析で予測した４つの異なるビームの断面のためのシミュレートした片持ち梁の変位を示す。図１５に示すシミュレーションは１００ｎｍの金を被覆した窒化ケイ素ビームのシミュレーションを含む。なお、ビームの長さに対するチップ変位が小さいため非直線形状分析は必要なかった。しかし、窒化ケイ素と金属層との間の応力差にとって、片持ち梁およびその他の装置を非直線形状解決を必要とする撓んだ形状まで曲げるのに充分な大きさであることは珍しくない。以下の表は平坦ビーム、Ｔビーム、Ｃビームおよび三角格子ビームの測定しシミュレートしたチップ撓みの値を示す。この表から分かるように、シミュレートしたチップ撓みは測定したチップ撓みと正確には一致しないが、おおよその傾向は一致している。更に、図１１および１５から５０μｍ×３００μｍの平坦ビーム、ＴビームおよびＣビームの測定しシミュレートしたビームの輪郭比較的一致している。
【００４６】
【表１】
2005506909.tif 000008
［付加的な製造の問題］
【００４７】
本発明による製造方法は平面から外れる曲げに対してより強い３事件構造物を製造する。上述のように、これらの構造物は処理用にシリコン基板を使用して低応力ＬＰＣＶＤ窒化ケイ素でできていても良い。上述のように一実施形態では、本発明の方法はシリコン基板をエッチングして深い溝を形成し、次いで二酸化ケイ素を蒸着し、次に溝に埋められ基板表面に被覆される窒化ケイ素材料を蒸着する。二酸化ケイ素層は構造物によっては省略しても良い。蒸着窒化ケイ素最良にパターン成形して有効な薄膜の微細加工構造物を製造するためにリソグラフ手段を使用しても良い。これらの構造物は、窒化ケイ素材料を損傷あるいは除去せずに二酸化ケイ素および／あるいは下のシリコンをエッチングする化学的エッチングによる自立型に形成しても良いことに注意されたい。シリコン以外の基板材料（例えばヒ化ガリウム、他の半導体あるいは誘電性材料等）を使用しても良く、窒化ケイ素以外の構造材料（例えばポリシリコン、炭化ケイ素あるいは（好ましくは成型された）金属膜または二酸化ケイ素）を使用しても良い。窒化ケイ素に代えてあるいは加えて、微細加工装置における機械部材を、電気メッキできないセラミック材料、誘電性材料あるいは他の適切な材料で形成しても良いことに注意されたい。溝を形成するには基板を深くエッチングできるのが好ましく、次いで構造物材料が深い表面特性（即ち溝）に蒸着することを補償する等方被覆方法を行う。更に、構造物材料（ここでは窒化ケイ素）を攻撃せずに基板材料を最終的に溶解させる適切なエッチング液（液体、気体あるいはプラズマ）を適切に選択する。これらのエッチング液は基板を、共通酸エッチングＨＮＡ（フッ化水素酸、硝酸、酢酸）のように等方性的に、あるいはアルカリエッチングＴＭＡＨのように異方性的に攻撃するかも知れない。換言すれば、基板自体を上述の製造方法において犠牲材料と考えても良い。
【００４８】
構造物層に蒸着膜材料を使用するのが好ましいかも知れない。その後、結果としてできた装置の運動を許容すべく基板材料をエッチングする。この工程では、膜材料が基板とは異なり、また基板材料を除去するのに使用するエッチング液により攻撃されないか、あるいはカプセルに封じるかあるいはエッチングの間ガルヴァニック方法を行うことにより膜材料を保護する。ガルヴァニックエッチングの例はＫＯＨ（カリウム水酸化物）エッチングの間にエッチングの停止のようなｐ−ｎ接合部である。
【００４９】
一実施形態において、窒化ケイ素の蒸着後に溝が完全に満たされて上面が塞がるように、狭い溝が使用される。この構成によれば、金属（本実施形態ではクロム／金）の第２の薄膜を蒸着することにより、微細加工構造物の起動用の静電性板を形成することができる。これにより、金属膜の連続性と、補強特性を通じて導電性とが補償される。その他の適切な金属膜はニッケル、アルミニウムあるいはタングステン膜である。窒化ケイ素の蒸着後に溝を閉鎖することにより、溝の縁部に対して垂直な基板の平面における引っ張り力に対して抵抗する剛性のある微細加工構造物が提供される。溝を深くしかし広く被覆することにより形成された波形の微細加工構造物はアコーディオンのように両側に引っ張られる引っ張り応力に非常に良く対応している。
【００５０】
一実施形態において、溝を閉鎖する窒化物蒸着の後で、研磨工程を行う。この研磨工程なしでは、微細加工構造物の垂直部材あるいはフィンが形成されるという表面特性が残る。従って、これらの特性を除去する必要がある。これには表面を平坦にする化学機械研磨を行うのが好ましい。このように、光学ミラーのような微細加工構造物には、表面の光学的特性を低下させずに表面全体において補強特性が与えられる。
【００５１】
上述のように、補強部材を格子状に形成しても良い。格子は、設計工程を極めて簡単にする、バルク材料として成型される特性を採用しても良い。一方、格子状の構造の詳細を正確に表す非常に詳細で大きな有限要素モデルをシミュレートするには設計工程を遅らせて長時間かかる。格子に等価のバルク材料特性を抽出することにより、格子状材料を適切な特性を有する等価の個体材料と交換することができる。これにより補強格子を取り込んだ構造物の設計および分析にとって有効ではるかに簡単なモデルとなる。格子は興味のあるあるいは望ましいバルク特性が得られるように設計しても良い。等方性材料を六角形のハチの巣構造等の対称な格子から得ても良い。異方性材料を非対称な格子から得ても良い。材料のタイプは、例えば異なる軸線に沿った異なるヤング係数を有する材料や、左ねじれと右ねじれで異なるねじり剛性を有する材料を含む。平面から外れた曲がりを、一度解放されると制御されつつ曲がる構造物の構成を可能とする格子技術により制御しても良い。クロム膜等の高い張力の膜を構造物の表面上に設けると曲げモーメントが発生する。円筒状、球状あるいはその他のより高いオーダーの形状を含む種々の湾曲面を得るために適切な格子を作成しても良い。従って、型の巨視的パターンを変更して（左ねじりに抵抗する時よりも右ねじりに抵抗する方が強いねじりばねを作成する等）、巨視的な機械的パラメータを作成しても良い。
【００５２】
低応力の窒化ケイ素の誘電性が優れていないため、電界が存在する時に窒化ケイ素に電荷移動が生じるかも知れないことが観察されている。カウンタ電極としての窒化膜およびシリコン基板の上部起動電極により、窒化ケイ素の微細加工装置が静電気起動により作動すると常に電界が存在する。一実施形態では、電荷の移動が微細加工構造物の機械的浮遊を生じさることを防ぐために、装置は直流ではなく交流で駆動させても良い。交流駆動電圧の周波数は交流電圧で駆動される装置の機械的共振周波数よりもはるかに高く維持しても良い。これにより、機械的装置の浮遊を生じさせないで平均的な駆動力に反応する装置が得られる。
【００５３】
図１６は微細加工構造物の補強格子にシリコンを含む解放された格子構造物の一部の底面図である。ここで使用する「上部」という用語は微細加工構造物の上面（例えば図１２のの層７６）を意味し、「底部」は構造物の上面とは反対の面（例えば図１２の基板７０の底部）を意味する。上述の補強微細加工構造物は、蒸着窒化ケイ素膜のみより形成された。これらの構造物において、その下からのシリコン基板を完全にエッチングで除去するのが好ましい。しかし、シリコンを完全に除去する必要はなく、シリコンの一部を例えば図１６に示す構造の一部として残すことにより補強構造物が得られることに注意されたい。上述の片持ち梁の例では、格子セルにおけるエッチング路なしに異方性シリコンエッチング液ＴＭＡＨを使用することにより、エッチングの進行として高じの下からシリコンが攻撃されるかも知れない。シリコン８７の平面と一致するような格子セルの設計はエッチングが完了した後の各セルにおけるシリコンの周囲が露出された対応する溝（図１６には図示せず）の周囲のシリコン８７の平面をゆっくりとエッチングすることになる。図１６において、シリコン基板の平面８７および露出した窒化ケイ素層８８が解放された格子構造物の一部の底部から示されている。一実施形態において、格子のより小さなセルは、格子のグリッドの除き露出する窒化ケイ素がないように底部から窒化ケイ素膜８８に到達しないシリコンエッチングとなる。この技術は解放された構造物の強度を大幅に高め、大きな移動可能な要素を必要とする慣性の感度のような応用の量に追加するために有効かも知れない。結果として得られた合成材料の構造特性はグリッドの材料よりもシリコンにより決定されるかも知れないため、二酸化ケイ素はかかる実施形態では格子グリッドとして適切な材料であるかも知れない。
［補強リブを有する双軸ミラー］
【００５４】
表面微細加工構造物の製造方法は基板から解放されると構造部材に応力を生じさせる。何故ならその応力は上述のように基板に垂直に非常に合致しており、部材における応力は平面から反れて変形あるいは曲がるためである。上述した基礎を成す構造上の格子を設計することにより、薄膜の微細加工構造物は静的および動的の両方で好ましくない運動に対してより硬質となる。例えば、図１で説明したように、構造補強部材の格子を先ず基板材料にエッチングし、次いで構造材料で埋め戻しても良い。これは、表面を層の蒸着間で平面化する多工程方式であっても、あるいは表面構造を形成する怠惰に格子型を構造材料で埋める単一工程方式であっても良い。構造材料、表面微細加工および格子支持構造物にリブを設けると、表面蒸着微細加工装置は、解放されると補強することができる。本発明による補強技術は、軸から反れた運動が機械の性能にとって致命的である慣性センサに有効かも知れない。収差や好ましくない振動が性能（単軸および双軸傾斜ミラーの変形を制御する等）に影響する光学システム、あるいは最適な特性、撓み幅および長さ、および外部リングの半径を有するジンバル構造を製造するのに有効かも知れない。これにより膜応力勾配により撓みの軸方向の張力および中央板の略球状の湾曲が略ゼロになる。図１を参照して上述した方法を使用して製造した微細加工装置として、２つの直交する回転のために設計された金で被覆された窒化ケイ素マイクロミラーについて以下に説明する。
【００５５】
上述のように、図６は図１に示した方法により形成した後の、基板から解放された代表的な双軸マイクロミラーの等方図４２を示す。図５は双軸マイクロミラーの平面図と断面図を示す。微細加工窒化ケイ素ミラーは光学電気通信システムや内視鏡イメージ装置等で光りの転送に使用される。双軸マイクロミラーでは、反射的に被覆された窒化ケイ素ミラーを支持するために２つの直交するたまみが使用される。表面電極に電圧を印加するとミラーの角度を変えることができる。上述のように、大きさおよび表面微細加工の２つを組み合わせると、容易には得られない、より硬質で角度変化のより大きい補強を得ることができる。図６のマイクロミラーの場合、機械部材およびミラー表面は、部材に剛性を与え、シリコン基板のウェット体積エッチングを使用して解放される標準的な表面微細加工技術を使用して形成される。１００〜５００μｍの直径のミラーが製造される。各軸線で傾斜４度以上を達成するために静電気起動が使用される。
【００５６】
図１の方法で上述したように、図５および６のマイクロミラー装置はフッ化水素酸（ＨＦ）溶液で犠牲ＰＳＧおよび熱酸化物をエッチングすることにより解放された。その後、ＴＭＡＨ溶液においてシリコン基板を異方性エッチングすることにより機械的運動のための空隙を形成した。種々の濃度およびエッチング温度を用いた。一実施形態では、５％のＴＭＡＨ溶液を８０度にして補強リブを有する窒化ケイ素下で２５μｍ／時間のエッチング率とした。ＴＭＡＨにおけるシリコンエッチング時間を計測して双軸ミラーしたで所望の凹部を得た。別の実施形態では、３２の異なる双軸ミラーの設計と多くのテスト用構造物を４インチのウェハ上で３４個のダイを形成した。双軸ミラーは撓み形状と寸法、補強部材、アクチュエータのずん法および反射面の寸法の範囲を有する。図１７は標準的なねじれヒンジを有する代表的な解放された双軸マイクロミラー９０を示す。一方、図１８は蛇行ヒンジを有する代表的な解放された双軸マイクロミラー９２を示す。撓みには凹部ヒンジ（図示せず）などの他の形状を採用しても良い。
【００５７】
図１７のマイクロミラー９０は１５０μｍの直径の反射面を示し、該面は５０ミクロンの幅の内部アクチュエータと１００ミクロンの幅の外部電極を有する。撓みは全て長さ５０μｍ、内部撓みの幅は６μｍ、外部撓みの幅は８ミクロンである。マイクロミラー９０は外部部材上にくもの巣状に設けられた２つの別個の補強リングを有し、一方は内部部材のくもの巣状の補強リングである。
【００５８】
図１９は図１７の解放された双軸ミラー９０の内部の撓みの詳細を示す。窒化物の２つの層の間の段差は撓みの端部で円弧（例えば図１９の円弧）として示される。また、図１９のイメージの上部近傍の溝に埋め戻される波が部分的に示されている。図１７および１９の実施形態では、埋め戻された溝の尖点は反射ミラーには不適切な表面を形成し、従って、ミラー領域には溝は形成されない。ミラーの下の基板は数ミクロン内で平坦である。図２０は図１で説明した方法を用いて製造した別の双軸ミラーの背面を示す。装置の構造上の強度を高める埋め戻しされた溝９６が図２０に示されている。格子ワークの高さはシリコン基板へのエッチング深さで決定されるが、典型的には１０〜１５ミクロンである。格子ワークは、簡単な同軸リングから微細加工構造物の寸法を完全に満たすインターレースのくもの巣状まで種々の形状であって良い。
【００５９】
本発明による静電気的に起動される窒化ケイ素製の傾斜ミラーでは、リソグラフィー、ウェットおよびドライエッチング、および薄膜蒸着という標準的な表面微細加工技術が使用される。本発明による補強部材を有するミラーは構造材料（この場合、窒化ケイ素）とはことなる基板材料（この場合、シリコン）を使用し、これにより、後処理のエッチング工程で、ミラーを損傷せずに、解放された窒化ケイ素ミラーの下の任意の深さまでシリコン基板を選択的にエッチングすることができることに注意されたい。このように、装置の下の深い凹部を形成しミラーの広い角度の撓みを許容する。優れた光学特性、低い引っ張り応力表面上で多くの金属アクチュエータを支持する能力、誘電特性、および疲労に強い優れた機械特性の理由から窒化ケイ素が使用される。窒化ケイ素およびシリコンをそれぞれ構造材料および基板材料として使用しているが、他の材料を使用しても良い。ミラーを例えば、ニッケル、アルミニウムあるいはタングステン等の金属膜、またはポリシリコン等の他の半導体材料、あるいは炭化ケイ素などの誘電製材料等、多種の材料で形成して良い。ポリシリコンの場合、非シリコン基板材料が好適に使用できる。
【００６０】
一実施形態において、誘電製である窒化ケイ素を使用することで静電気起動のための上面電極の使用が可能となる。その実施形態では、クロムを蒸着し（固定を促進させるため）、次いで金蒸着と行い、その後静電気起動のために電極をリソグラフィー的にパターン形成する。他の構成も考えられる。例えば、カウンタ電極をシリコン基板に隣接且つ平行な他の面に設けても良い。例としてインジウムとスズの酸化物で被覆されたガラスである。ミラーを連続した金属膜で被覆し、パターン形成された起動電極をミラーの角移動の制御のために隣接面に設けても良い。下からミラーまで光学的に空間ができるように基板を貫通するようにエッチングしても良い。ミラー構造に金属の膜材料を使用することで、パターン形成された電極が設けられた隣接面を使用する必要がる。
【００６１】
ミラー構造上に取り付けられた固定磁石あるいは電磁石を有する電磁石等の他の起動手段を使用しても良い。固定された磁石はミラー製造の間に蒸着される膜の変形であり、これらは製造工程が完了した後に接着剤で貼り付けられる他のタイプの磁石でも良い。電磁石には、ミラーの中央板の上に取り付けられた蒸着および／あるいはメッキされたコイルを形成しても良い。このコイルに電流を流すと外部磁界により作動する磁気モーメントが生成する。静電気および電磁石起動の組み合わせも可能である。ミラーあるいはジンバルリング上での直接的起動ではなく機械的結合機構による起動も可能である。例えば、ミラーあるいはリングに提供される機械的結合と共に、くし駆動アクチュエータを使用しても良い。
【００６２】
内部膜応力勾配および多層膜の応力の差違は些細な曲げを生じさせるかもしれない。光学ミラーの表面の曲げを２つの方法で制御しても良い。第１の方法は双軸傾斜ミラーのジンバル構造を利用することである。外部リングの形状を変えることにより、それが曲がる向きを変え、それにより内部板に連結されるねじりヒンジに与えられるねじれを変える。ヒンジにかかる大きな張力はより円筒形の内部板の形状に伝わり、板から反射する光学ビームに非点収差を加える。ヒンジの圧縮はヒンジの座屈を生じさせ予期せぬ機械的挙動を生じさせる。小さな張力は、内部板をより球状に曲げ、光学ビームに与えられる収差を最小とする。引っ張り応力は外部ジンバルリング形状の設計により制御しても良い。
【００６３】
小さな曲げを制御する第２の方法は、補強構造をミラーに盛り込むことである。この方法は既に述べたが、窒化ケイ素構造材料の蒸着前に基板に細い溝パターンをエッチングすることである。この溝は窒化物の蒸着の間に満たされて塞がれ、平面から外れる曲げに対する抵抗を大幅に高めた３次元膜構造が得られる。種々の格子設計を使用することにより補強構造の機械的曲げ特性を調整することができる。このようにして、中央ディスクとジンバルの外部リングの両方の曲げを制御しても良い。更に、内部ねじりヒンジが感知するねじりを制御して（その要素のねじれあるいは圧縮を生じさせる）、それにより内部板の残留曲げを制御しても良い。補強構造を使用することにより、光学的耐性に対応すべくミラーの平坦度を維持しても良い。
【００６４】
一実施形態では、（図１に示した）本発明の方法により製造したミラーは中央ミラー板およびジンバルリング上の周囲に盛り込まれた補強特性を有する。補強リブはビームにおいて光学エネルギの分散を生じさせる表面特性をもたらすため、光学ビームがミラーを照射する領域には補強リブは使用していない。窒化物蒸着の後の工程に研磨工程を入れて、ミラー表面の光質を損なうことなく全体のミラー板に補強構造の使用を可能としても良い。全体のミラーにハチの巣状格子を有するマイクロミラーを本発明の方法を用いて製造しても良い。結果として得られるミラー構造の平坦度が改善される。
【００６５】
双軸ミラーだけについて詳細に説明したが、本発明による製造方法は双軸ミラーと同じ問題を有する単軸ミラーにも同等に使用できることに注意されたい。単軸ミラーはミラー板の周囲に外部ジンバルリングを有していない。本発明の方法を用いて他の有効なミラー構造を製造しても良い。例えば、本発明の方法を用いて基板表面の平面に対して垂直に運動（ピストンモード運動とも言う）するように設計された並進ミラーを製造しても良い。走査干渉計はかかるミラーから利点を得ることができる。光学的に平坦なミラー、あるいは９０度まであるいはそれ以上の大きな開始傾斜角度で作動するように設計されている光学表面の湾曲を制御したミラーを本発明の方法で製造しても良い。基板表面と平行に伝搬する広漠ビームを含むマイクロ光学システムにはこのような「ポップアップ」ミラーが有効かも知れない。
【００６６】
上述のミラーの表面修正により、傾斜が制御された異なる格子あるいは傾斜が制御された多層の薄膜となるかも知れない。このような修正は付加的な離祖グラフィック、蒸着あるいはエッチング工程を含むかも知れない。このような構造の応用は波長特定ミラーあるいは分極制御光学要素、ビームスプリッタなどを含んでいても良い。本発明によるこのような構造の重要な特徴は構造層に好ましくは補強特性を備えた蒸着膜材料（例えば窒化ケイ素）を使用し、次いで装置の運動を許容するために基板型のエッチングを行い、そこで膜材料が基板とは異なり、また基板材料を除去するのに使用するエッチング液により攻撃されないか、あるいはカプセルに封じるかあるいはエッチングの間ガルヴァニック方法を行うことにより膜材料を保護する。ガルヴァニックエッチングの例はＫＯＨ（カリウム水酸化物）エッチングの間にエッチングの停止のようなｐ−ｎ接合部である。図１６で説明した方法により、窒化ケイ素補強格子にシリコンを意図的に含めることにより補強ミラーを製造しても良い。
［実験結果（双軸ミラー）］
【００６７】
一実施形態において、最初にシリコン表面をエッチングせずに基板ウェハ上に幾つかのダイを製造した。これらのダイには補強リブはない。これにより、補強部材と補強構造なしの補強部材を有する同じウェハから同じ装置を直接比較することができる。これら２つの構造のイメージを比較したら、補強リブ付きの装置の非常に少ないフリンジと比較して装置中に多くのフリンジにより補強リブなしの双軸ミラーの変形は明らかであった。しかし、補強リブ付きのミラーには依然ある程度の湾曲（ミラーの平坦基板上に見られる直線のフリンジと比較してミラー上の同軸フリンジによるミラーの電子顕微鏡イメージに示される）があるが、補強リブなしのミラーよりも実質上少ない湾曲である。装置（補強リブ付き）の反射部は直径１５０ミクロンであり、その全体にわたり１つのフリンジ未満である。補強リブ付きの装置における湾曲の源はクロムと金の金属層により損失応力窒化物に誘発された応力であった。典型的には、窒化物の応力レベルは５０〜１００ＭＰａであり、クロム５０Ａおよび金１０００Ａで層膜に付加的応力を生じさせる。
【００６８】
一実施形態では、本発明の方法を用いて応力付きで製造された双軸ミラーは静電気的に起動され、ミラーの起動の効果を測定するためにその干渉イメージを撮った。電圧が印加されない静的なケースには、ミラーの干渉イメージは表面変形と基板傾斜の組み合わせのために幾つかのフリンジを呈示し、これはイメージの上部に見られた。静的ケースのイメージから、非直線フリンジパターンにより見られるミラーの外部部材には湾曲があるが、フリンジパターンが線に近いため、ミラーの中心は比較的平坦であった。基板とマイクロミラーの外部部材の左側の電極との間に電位を印加した場合には、印加電圧により静電気トルクが発生し、これによりイメージに見られるような全体が機械的な構造を傾斜させた。同様に、右の電極に電圧を印可することにより、ミラーと支持外部部材が右に傾斜した。左右の電極と基板との間の相対的な電位を調節することで、プラスマイナス４度の回転運動が生じた。電位を上部電極に印加した時、対応するイメージはミラー用の内部支持部材が予測通りに上方に傾斜するのを示していたが、直交する軸線回りにある程度の運動もあった。これは、静的なケースと比較した場合、外部部材全体により多くのフリンジによるものであることがイメージから分かった。最初の有限要素分析は第１軸線運動の一部は非対称設計によるものであることを示している。異なるミラー設計は異なる結合長さを有する。ある物は結合が殆どなく、またある物は大きな交差軸運動があった。
【００６９】
以上、例えばマイクロミラーを含む補強表面微細加工構造の製造方法を述べた。先ずシリコン基板をエッチングして格子構造に複数の溝を有する型を製造する。シリコン基板上に犠牲酸化物を成長および／あるいは蒸着させ、基板の表面全体に補強部材（窒化ケイ素）を蒸着させ、それにより溝を窒化ケイ素で埋め戻す。窒化ケイ素にパターン形成して機械的部材を形成し、金属を蒸着してパターン形成し、機械部材の静電気起動用のリードおよびキャパシタを形成する。基礎を成すシリコンおよび犠牲酸化物をウェットエッチングで除去する。製造した微細加工装置の下から型をエッチングし、自立型窒化ケイ素装置を残す。基板を成形し型を窒化ケイ素で埋め戻すことにより形成された垂直特性あるいはフィンあるいはリブを有して製造された微細加工装置は平面から外れた曲げ剛性が高まる。補強フィンあるいはリブから得られた補強された曲げ剛性は、大きな長さ対厚み比を有する表面微細加工装置による応力で生じる変形を実質的に低減する。従って、窒化ケイ素から補強された微細加工装置をパターン形成する表面微細加工技術を使用し、次いでそれらを犠牲酸化物エッチングおよびシリコン基板のエッチングにより解放することにより、解放された微細加工構造の平面から外れる変形を大幅に低減することができる。
【００７０】
本発明を特定の実施形態に関連して説明したが、更なる変形が可能であり、本願は本発明の原理をたどり、本発明が属する分野内で公知の範囲内のものあるいは従来のもの、また上述の発明のおよび添付の請求の範囲の特徴に適用されるもの等の本開示内容から出発したものを含む本発明の全ての変更、使用法あるいは応用をカバーするものであることを理解されたい。
【図面の簡単な説明】
【００７１】
【図１】溝を有する片持ち梁ビームを示す本発明による概略製造方法の流れを示す図である。
【図２】シリコン基板へのエッチング時の二重リング構成を形成する溝を示す図である。
【図３】図２に示す溝のうちの１つの代表的な形状を示す図である。
【図４】表面微細加工構造物を補強するために製造可能な溝あるいは補強格子の構成の４つの代表的な例を示す図である。
【図５】基板から外されると形成される代表的な微細加工装置（双軸マイクロミラー）の平面図と断面図である。
【図６】図１に示した工程により形成した後に基板から外された代表的な双軸マイクロミラーの等方図である。
【図７】図１で論じる工程により製造された片持ち梁ビームの格子（あるいは溝）のいくつかの代表的な構造を示す図である。
【図８】３つのタイプの片持ち梁ビーム（平坦な断面のビーム、Ｔ字状断面のビーム、Ｃ字状断面のビーム）の試験的な寸法（μｍ）を示す図である。
【図９】図１の工程により製造した６つの異なる断面を有する代表的な微細加工片持ち梁ビームの光学的干渉計を示す図である。
【図１０】図９の上の４つの片持ち梁に対応する４つの異なるビーム断面のための窒化ケイ素片持ち梁の長さに沿って測定した変位を示す代表的なグラフである。
【図１１】図１０の窒化ケイ素ビームの表面に１００ｎｍの金をスパッタリングした後の、図１０と同じ片持ち梁のために測定された残留湾曲あるいは変位を示す図である。
【図１２】本発明の一実施形態による種々のビーム構成の有限要素分析に使用する窒化ケイ素片持ち梁ビームの代表的な概略を示す図である。
【図１３】図１２に片持ち梁ビームに対応する有限要素モデルを示す図である。
【図１４】図１２を使用して生じる別の片持ち梁ビーム構成のための４つの有限要素モデルを示す図である。
【図１５】有限要素分析により予測される４つの異なるビーム断面のためのシミュレートされた片持ち梁の変位を示す図である。
【図１６】微細加工構造物のための補強格子にシリコンを含まれる解放された格子構造の一部の底面図である。
【図１７】標準的なねじりヒンジを有する代表的な解放された双軸マイクロミラーを示す図である。
【図１８】蛇行ヒンジを有する代表的な解放された双軸マイクロミラーを示す図である。
【図１９】図１７の解放された双軸マイクロミラーのためのいくつかの内部屈曲の詳細を示す図である。
【図２０】図１の工程を使用して製造した別の双軸ミラーの背面を示す図である。
【図１】
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【図３】
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【図９】
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【図１０】
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【図１１】
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【図１５】
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【国際公開パンフレット】
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【国際公開パンフレット（コレクトバージョン）】
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2005506909.tif 000058
【国際調査報告】
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2005506909.tif 000060
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