(57)【要約】光マイクロ電子機械システム（ＭＥＭＳ）デバイスを製造する新規なハイブリッド法が開示されている。この方法では、バルク及び表面マイクロマシニング技術の両方が用いられる。また、この新規な方法を用いて製造される新規な光ＭＥＭＳデバイスも開示されている。本発明の方法は、ハンドル層をＭＥＭＳ構造材料の１つ又は複数の層に実装するステップを含む（１２）。次に、構造及び犠牲材料層が、表面マイクロマシニングを用いて、ＭＥＭＳ構造材料の上に構築る（１４）。そして、駆動電子装置が、構造及び犠牲材料層の上に実装される（１７）。ハンドル層が取り除かれてＭＥＭＳ構造層を露出させ（１８）、様々な層の中の犠牲材料が溶解される（２０）。この新規な方法は、特に、光ＭＥＭＳデバイスを製造するのに適用可能であり、ハンドル層（５４）はＳｉミラー層（５２）に隣接している。表面マイクロマシニング層は、電極（６６）とバネ構造（６７、６８）とを形成する。次に、駆動電子装置（９２）が、構造材料層の上に実装され、それによって、バイアスがＭＥＭＳ構造に加えられるようにする。ハンドル層（５４）がミラー層（５２）から取り除かれてミラーの反射面を露出させ、犠牲材料（６４）が溶解されて取り除かれてＭＥＭＳ構造が自由に動作できるようになる。光又はそれ以外のＭＥＭＳアレイでは、リンク用フレームワーク（７０）を用いてＭＥＭＳデバイスを取り付けることも可能である。
2005504648.tif 000002
【特許請求の範囲】
【請求項１】
マイクロ電子機械システム（ＭＥＭＳ）デバイスを製造するハイブリッドな方法（１０）であって、
ＭＥＭＳ構造材料層に隣接してハンドル層を実装するステップ（１２）と、
前記ＭＥＭＳ構造材料層の上に表面マイクロマシニングにより構造及び犠牲材料層を構築するステップ（１４）と、
前記構造及び犠牲材料層に駆動電子装置を実装するステップ（１７）と、
前記ハンドル層を前記ＭＥＭＳ構造材料から除去するステップ（１８）と、
前記犠牲材料を溶解させることにより取り除くステップ（２０）と、
を含むことを特徴とする方法。
【請求項２】
請求項１記載の方法（１０）において、前記ハンドル層は、犠牲実装層／材料によって前記ＭＥＭＳ構造材料層に実装される（１２）ことを特徴とする方法。
【請求項３】
請求項１記載の方法（１０）において、前記ハンドル層は、グラインディングによって前記ＭＥＭＳ構造材料から除去される（１８）ことを特徴とする方法。
【請求項４】
請求項２記載の方法（１０）において、前記ハンドル層は、前記ハンドル層を解放する化学的エッチングを用いて前記実装層／材料を溶解させることによって前記ＭＥＭＳ構造材料から除去される（１８）ことを特徴とする方法。
【請求項５】
請求項１記載の方法（１０）において、前記駆動電子装置は、フリップチップ実装によって前記構造及び犠牲材料層に実装される（１７）ことを特徴とする方法。
【請求項６】
請求項１記載の方法（１０）において、前記犠牲材料は化学的エッチングによって溶解される（２０）ことを特徴とする方法。
【請求項７】
請求項１記載の方法（１０）において、前記ＭＥＭＳデバイスはＭＥＭＳデバイスのアレイの中にあり、この方法は、前記駆動電子装置を実装する前に、前記ＭＥＭＳデバイスの前記構造及び犠牲材料の上にリンク用フレームワークを構築する追加的ステップ（２２）を含むことを特徴とする方法。
【請求項８】
光マイクロ電子機械システム（ＭＥＭＳ）デバイスを製造するハイブリッドな方法であって、
ミラー層（５２）に隣接してハンドル層（５４）を実装して前記ミラー層（５２）を保持及び保護するステップと、
前記ミラー層（５２）の上に表面マイクロマシニングを用いて構造及び犠牲材料層（６０）を構築するステップであって、前記構造材料（６６、６７、６８）がＭＥＭＳ構造を形成する、ステップと、
前記ＭＥＭＳ構造にバイアスが与えられ得るように、駆動電子装置（９２）を前記構造及び犠牲材料層（６０）に実装するステップと、
前記ハンドル層（５４）を前記ミラー層（５２）から除去するステップと、
前記犠牲材料（６４）を溶解させて取り除き、前記ＭＥＭＳ構造を解放して、前記バイアス下で動作させるステップと、
を含むことを特徴とする方法。
【請求項９】
請求項８記載の方法において、前記ミラー層（５２）と前記ハンドル層（５４）とは、両者でシリコン・オン・インシュレータ（ＳＯＩ）基板を形成するシリコン（Ｓｉ）であることを特徴とする方法。
【請求項１０】
請求項８記載の方法において、前記構造材料の表面マイクロマシニング（６６、６７、６８）は、バネ構造と電極とを形成することを特徴とする方法。
【請求項１１】
請求項１０記載の方法において、前記バイアスは前記ミラー（５２）と前記電極（６６）との間に与えられ、前記バネ構造（６７、６８）により、前記ミラー層（５２）は、前記バイアスが与えられると移動し前記バイアスが取り除かれると復帰することが可能になることを特徴とする方法。
【請求項１２】
請求項１０記載の方法において、前記バネ構造（６７、６８）は、前記駆動電子装置（９２）と前記ミラー（５２）との間を結合し、前記犠牲材料が溶解された後で、前記ミラー（５２）を前記駆動電子装置（９２）の上方に保持することを特徴とする方法。
【請求項１３】
請求項１０記載の方法において、前記電極（６６）は、前記駆動電子装置（９２）と電気的に接続しており、前記駆動電子装置（９２）と前記ミラー（５２）との間に配置されていることを特徴とする方法。
【請求項１４】
請求項１１記載の方法において、前記電極（６６）と前記ミラー（５２）との間にバイアスが与えられると、これら２つの間に静電応力が生じ、前記制限応力は前記ミラー（５２）を前記駆動電子装置（９２）の方向に引き寄せることを特徴とする方法。
【請求項１５】
請求項８記載の方法において、前記ハンドル層（５４）は、犠牲実装層／材料（５６）によって前記ミラー（５２）に実装されることを特徴とする方法。
【請求項１６】
請求項８記載の方法において、前記ハンドル層（５４）は、グラインディングによって前記ミラー層（５２）から除去されることを特徴とする方法。
【請求項１７】
請求項１５記載の方法において、前記ハンドル層（５４）は、前記ハンドル層を解放する化学的エッチングを用いて前記実装層（５６）を溶解させることによって前記ミラー層（５２）から除去されることを特徴とする方法。
【請求項１８】
請求項８記載の方法において、前記駆動電子装置（９２）は、フリップチップ実装によって前記構造及び犠牲材料層（６０）に実装されることを特徴とする方法。
【請求項１９】
請求項８記載の方法において、前記構造及び犠牲材料（６０）の中の前記犠牲材料（５６）は化学的エッチングによって溶解される（２０）ことを特徴とする方法。
【請求項２０】
請求項８記載の方法において、前記光ＭＥＭＳデバイス（１１２）はアレイ（１１０）の中の複数のＭＥＭＳデバイスの中の１つであり、この方法は、前記駆動電子装置を実装するステップの前に、前記構造及び犠牲材料層の上にリンク用フレームワーク（１２０）を構築する追加的ステップ（２２）を含み、前記リンク用フレームワーク（１２０）は、前記構造及び犠牲材料層と前記電子装置との間に配置されていることを特徴とする方法。
【請求項２１】
請求項２０記載の方法において、前記リンク用フレームワーク（１２０）は、追加的な構造及び犠牲材料層を構築することによって形成されることを特徴とする方法。
【請求項２２】
ハイブリッド製造プロセスを用いて製造された光マイクロ電子機械システム（ＭＥＭＳ）デバイスであって、
バルク・マイクロマシニングを用いて製造されたミラー（５２）と、
前記ミラーを付勢する駆動電子装置を有する基板（９２）と、
表面マイクロマシニング技術を用いて製造されたバネ構造（６７、６８）及び電極（６６）と、
を備えており、前記バネ構造（６７、６８）は、前記基板（９２）と前記ミラー（５２）との間に接続されており前記ミラー（５２）を前記基板の上方に保持し、前記電極（６６）は、前記基板（９２）の上に前記ミラー（５２）と前記基板（９２）との間に実装されており、前記ミラー（５２）と前記電極（６６）との間のバイアスが前記ミラー（５２）を前記電極（６６）の方向に引き寄せさせることを特徴とするデバイス。
【請求項２３】
請求項２２記載のデバイスにおいて、前記基板（９２）と前記バネ構造（６７、６８）及び電極（６６）との間にリンク用フレームワーク（７０）を更に備えており、前記リンク用フレームワーク（７０）は、前記ＭＥＭＳデバイスをアレイの中の他のＭＥＭＳデバイスに接続することを特徴とするデバイス。
【請求項２４】
光マイクロ電子機械システム（ＭＥＭＳ）デバイスのアレイであって、
複数の光ＭＥＭＳデバイスであって、それぞれが、
バルク・マイクロマシニングを用いて製造されたミラー（１１３）と、
表面マイクロマシニング技術を用いて製造されたバネ構造及び電極（１１４）であって、前記バネ構造は前記ミラー（１１３）に接続されている、バネ構造及び電極と、
を備えている複数の光ＭＥＭＳデバイス（１１２）と、
前記光ＭＥＭＳデバイス（１１２）に取り付けられ前記光ＭＥＭＳデバイスを相互に隣接してリンクさせるリンク用フレームワークであって、前記バネ構造及び電極（１１４）はそれぞれがこのフレームワークに接続されており、前記電極（１１４）はこのフレームワーク（１２０）と前記ミラー（１１３）との間に配置されている、リンク用フレームワーク（１２０）と、
駆動用電子装置を有し前記リンク用フレームワーク（１２０）に実装された基板であって、前記バネ構造と電極（１１４）との間にバイアスを加えて前記ミラー（１１３）を前記電極（１１４）の方向へ引きつけさせる、基板（１２２）と、
を備えていることを特徴とするアレイ。
【請求項２５】
マイクロ電子機械システム（ＭＥＭＳ）デバイスを製造するハイブリッドな方法であって、
バルク・マイクロマシニング材料層の上に表面マイクロマシニングにより構造及び犠牲材料層を構築するステップ（１４）と、
前記構造及び犠牲材料層に駆動電子装置を実装するステップ（１７）と、
前記バルク・マイクロマシニング材料層をエッチングするステップ（１８）と、
前記犠牲材料を溶解させることにより取り除くステップ（２０）と、
を含むことを特徴とする方法。
【請求項２６】
請求項２５記載の方法において、前記バルク・マイクロマシニング材料は、犠牲実装層／材料（５６）によってＭＥＭＳ構造材料層に実装されたハンドル層（５４）を含むことを特徴とする方法。
【請求項２７】
請求項２６記載の方法において、前記ＭＥＭＳ構造材料はマイクロ・ミラー（５２）であることを特徴とする方法。
【請求項２８】
請求項２５記載の方法において、前記犠牲材料（５６）は化学的エッチングによって溶解されることを特徴とする方法。
【請求項２９】
請求項２５記載の方法において、前記ＭＥＭＳデバイスはＭＥＭＳデバイス（１１２）のアレイ（１１０）の中にあり、この方法は、前記駆動電子装置を実装する前に、前記ＭＥＭＳデバイスの前記構造及び犠牲材料の上に、前記ＭＥＭＳデバイスを付着させるリンク用フレームワーク（１２０）を構築する追加的ステップ（２２）を含むことを特徴とする方法。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、マイクロ電子機械システム（ＭＥＭＳ）デバイスに関し、更に詳しくは、ＭＥＭＳデバイスを製造するためのハイブリッド方法とこの新しい方法を用いて製造される光ＭＥＭＳデバイスとに関する。
【背景技術】
【０００２】
最近、映写デバイス、ディスプレイ、ファイバ・スイッチ、センサ、ビーム・ステアリング及び光データ記憶デバイスなどの応用例のための光ＭＥＭＳデバイスの開発に大きな関心が寄せられてきている。多くの場合、これらの光ＭＥＭＳデバイスは、アレイ構成で製造されるが、そこでは、それぞれのアレイ要素が、異なる方向の光を反射するように個別的制御が可能なマイクロ・ミラーを有している。
【０００３】
ＭＥＭＳデバイスを製造するための一般的なプロセスの１つとして、ディープ・エッチ処理を用いたバルク・マイクロマシニングによるものがあるが、これは、単一の基板層から材料をエッチングにより取り除いてＭＥＭＳ構造を形成するものであるから、減算的な製造技術であると考えられている。より一般的な基板材料の１つにシリコン（Ｓｉ）があり、シリコンは、光ＭＥＭＳデバイスのための良質な反射面を与える。基板層は、数十ミクロン程度のオーダーと、比較的厚くてかまわない。この高度なプロセスによれば、カンチレバー、ブリッジ、トレンチ、空乏、ノズル及び膜のような異なる構造の基板におけるマイクロマシニングが可能である。このプロセスを用いて製造されるＭＥＭＳデバイスは、他のプロセスによるデバイスと比較してより堅牢であると考えられ、処理の間にＭＥＭＳデバイスに対して作用する表面張力の影響を受けにくい。しかし、ただ１層の材料だけが用いられるため、ＭＥＭＳデバイスの複雑度は制限されるのが一般的である。このプロセスの詳細に関しては、J.K. Bhardwaj, H.J. Ashraf, Advanced Silicon Etching Using High Density Plasmas, Proc. SPIE, vol. 2639, Pg. 224 (1996, SPIE, Bellingham, WA), A.A. Aryon et al., Etching Characteristics and Profile Control in a Time Multiplexed Inductively Coupled Plasma Etcher, Solid State Sensor and Actuator Workshop, pg. 41 (June 1998, Hilton Head, SC)において論じられている。
【０００４】
ＭＥＭＳデバイスを製造する最も一般的な方法は、表面マイクロマシニング技術によるものである。これは加算的なプロセスであると考えているが、その理由は、構造層と犠牲スペーサ層とが交互に「ビルドアップ」されて、必要な機械的及び電気的特性を有するＭＥＭＳ構造が構築されるからである。多結晶シリコン（ポリシリコン）が最も一般的に用いられる構造材料であり、二酸化シリコン（酸化物）ガラスが最も一般的に用いられる犠牲材料である。伝統的なマイクロマシニング・プロセスでは、これらの層は、シリコン基板の上に、シリコン窒化物の層を用いて分離されたポリシリコンと酸化物との対として形成される。これらの層は、フォトリソグラフィ技術を用いてパターニングされ、モータ、ギア、ミラー及びビームなどの複雑な構造が形成される。これらの層がビルドアップされていくつれて、酸化物層を貫通する切削がなされ、ポリシリコンを用いて充填されることにより、上部の構造層が基板に、又は、下位の構造層に固定される。ビルドアップ・プロセスの後で、犠牲（酸化物）層は、フッ化水素酸解放エッチングなどの様々な技術を用いて取り除かれ、これによって、デバイスが基板との関係で自由に移動できるようになる。M.A Michalicek, J.H. Comtois, and H.K. Schriner, Design and Fabrication of Optical MEMS Using a Four-Level, Planarized, Surface Micromachined Polysilicon Process, Proc. SPIE Vol. 3276, pp. 48-55 (1998)を参照のこと。
【０００５】
このプロセスを用いて製造されたＭＥＭＳデバイスは、バルク・マイクロマシニングによるデバイスよりも複雑である場合があり、デバイスの複雑度は、ポリシリコン／酸化物の対の数によって決定される。１つの対であれば、設計者は、単純なセンサに制限される。ギア付きの機構には２つの対が必要であり、第１の対からのポリシリコン層はギアを形成するのに用いられ、第２の対からのポリシリコン層はロッキング・ハブを形成するのに用いられる。モータ付きの機構には、最少でも３つの独立な層が必要である。更に最近では、５レベルの表面マイクロマシニング技術が開発され、この技術によると、他のサブアセンブリと係合して相互作用しうる並進可能なステージ上に複雑な可動コンポーネントを製造することができる。この技術は、一般的に、サンディア超平坦マルチレベルＭＥＭＳ技術Ｖ（ＳＵＭＭｉＴ  Ｖ）と称される。M.S. Rogers and J.J. Sniegrowski, Designing Microelectromechanical System-On-A-Chip in a 5-Level Surface Micromachine Technology, 2nd Annual Int. Conf. On Engineering Design and Automation (August, 1998), and M.S. Rogers and J.J. Sniegrowski, 5-Level Polysilicon Surface Micromachining Technology Application to Complex Mechanical Systems, Proc. 1998 Solid State Sensor and Actuator Workshop, pg. 144 (June 1998, Hilton Head, SC)などを参照のこと。
【０００６】
マイクロミラー・アレイのために表面マイクロマシニング・プロセスを用いることの問題点として、薄いポリシリコン層はマイクロミラーとして用いられるのが通常であり残存する応力に対して極度に敏感でありうるということがある。このため、マイクロミラーにおいて著しい湾曲が生じることがあり、よって、個々のミラー及びアレイの光学的品質が劣化するのである。更に、ポリシリコン・マイクロミラーにより反射率の悪い表面が生じるが、反射率を向上させるには、ミラー表面を反射性の薄膜を用いて金属被覆することが可能である。しかし、そうすると、膜への追加的な応力が生じ、マイクロミラーの湾曲が更に生じうる。また、ポリシリコン層の１つをミラーに用いると、アクチュエータ、電極、バネなどに用いることができる利用可能な構造層の数が減少し、設計上の柔軟性と最終的なデバイスの複雑度とが低下する。
【０００７】
最後に、ポリシリコン表面が粗いと、光学的品質が低下しうる。これは、表面の研磨（ＳＵＭＭｉＴ  Ｖにおいて用いられている）やフリップ・チップ転送処理によって緩和しうる。最近開発された光ＭＥＭＳデバイスには、このフリップチップ技術を用いて製造されたものがある。M.A. Michalicek et al., Micromirror Arrays Fabricated by Flip-Chip Assembly, SPIE vol. 3878, (20 September 1999)を参照のこと。シリコン・ミラーは、商用の鋳造プロセスを用いて酸化物によってシリコン基板に固定され、ボンディング・パッドがその上に積層される。次に、セラミック基板が金のワイヤとミラー・パッドと一致するインジウムのボンディング・パッドとを用いてパターニングされる。ミラー／基板構造は、次に、セラミック基板の上にフリップチップ実装され、フッ化水素酸エッチングを用いて酸化物を溶解させることにより基板から分離される。結果的に得られるシリコン・ミラー表面は滑らかで、元の基板を複製しているが、このミラーは非常に薄い。コーティングがなされて反射率が増加させている場合には、ミラーは、応力を受け変形する可能性がある。また、ボンディング応力が変化すると、マイクロミラー・アレイの大局的な一様性が損なわれる可能性がある。
【０００８】
アレイの駆動電子装置をまず製造し次にその電子装置の上にマイクロミラーを構築することによって、別のタイプの光ＭＥＭＳアレイが開発されている。L.J. Hornbeck, Digital Light Processing and MEMS: Timely Convergence for a Bright Future, Plenty Session, SPIE Micromachining and Microfabrication, Vol. 2639, Pg. 2 (October 1995, Austin, TX)を参照のこと。この製造プロセスには低温が必要であり、厳密な意味の表面マイクロマシニング・プロセスである。よって、別の応用例のための別の構造を製造するためにプロセスを変更する際には、柔軟性が制限される。また、ポリシリコン・マイクロミラーのように、これらのマイクロミラーは比較的薄いので、応力が加わると変形を生じやすい。例えば、反射率向上のためにミラーの上にコーティングを施す場合には、非常に薄くなければならず、さもないと、ミラーが変形する可能性がある。また、非常に薄いことにより、ミラーの位置合わせに誤差が生じることがあり、アレイの性能が低下することがありうる。
【発明の開示】
【０００９】
本発明は、ＭＥＭＳデバイスを製造する新規な方法と、その新規な方法を用いて製造された新規な光ＭＥＭＳデバイスとを提供する。この新規な方法は、バルクの深いエッチングと表面マイクロマシニング製造技術とを組み合わせて両者の長所を取り入れている点でハイブリッドなものである。
【００１０】
本発明によるハイブリッドな方法は、バルク・マイクロマシニング材料の層を提供し、表面マイクロマシニング技術を用いてバルク・マイクロマシニング材料の上に構造及び犠牲材料層を構築するステップを含む。次に、駆動電子装置を有する基板が、この構造及び犠牲材料層の上に実装される。そして、バルク材料は、マイクロマシニング加工がなされ、様々な表面層の内部にある犠牲材料が溶解される。
【００１１】
本発明の方法は、特に、光ＭＥＭＳデバイスの製造に応用可能である。この方法は、ハンドル層をミラー層に実装して、ミラー層を保持及び保護するステップで開始される。次に、構造及び犠牲材料層が、ミラー層の上に表面マイクロマシニングを用いて構築され、構造材料が、電極及びバネ構造を形成する。そして、駆動電子装置が構造材料層の上に実装され、それにより、電極及びバネ構造にバイアスを加えることができるようにする。ハンドル層はミラー層から取り除かれ、ミラーの反射面を露出させ、犠牲材料は表面マイクロマシニング層から溶解され、電極及びバネ構造が自由に動作するようにする。
【００１２】
光及びそれ以外のＭＥＭＳデバイス・アレイの場合には、リンク用フレームワークを用いて、個々のＭＥＭＳ要素を相互にリンクさせることができる。上述の方法では、リンク用フレームワークは、駆動電子装置を実装する前に、構造及び犠牲材料層の上に構築するのが好ましい。リンク用フレームワークは、また、同じ表面マイクロマシニング技術を用いて構築される。次に、駆動電子装置が、リンク用フレームワークに実装されて、ＭＥＭＳ構造との間に機械的及び電気的相互接続を提供する。
【００１３】
本発明は、また、ハイブリッドな製造プロセスを用いて製造され、バルク・マイクロマシニング技術を用いて製造されるミラーと当該ミラーを付勢する駆動電子装置を有する基板とを含む新規な光ＭＥＭＳデバイスを提供する。また、このデバイスは、バネ構造と表面マイクロマシニング技術を用いて製造された電極とを含む。バネ構造は、基板とミラーとの間に接続されており、ミラーを基板の上方に保持する。電極は、基板の上に、ミラーと基板との間に、実装されている。ミラーと電極との間に加えられるバイアスがデバイスを付勢し、ミラーを、バネ構造の作用に抗して、電極の方向に引きつける。
【００１４】
本発明によるハイブリッド法と本発明による光ＭＥＭＳデバイスとは、従来型の方法やデバイスと比較して多くの長所を有している。光ＭＥＭＳデバイスのためには、マイクロミラーは、減算的なバルクの深いエッチング・プロセスによって形成され、その際、ハンドル層はＳｉ層から取り除かれる。結果的に得られるマイクロミラーは、表面マイクロマシニング・プロセスにより形成されるものよりも厚く頑丈であり、良好な反射面を提供する。また、このデバイスは、表面マイクロマシニング技術を用いて構築されたＭＥＭＳ構造を含む。これにより、純粋にバルク・マイクロマシニングがなされたデバイスと比較して、より複雑なＭＥＭＳ構造を製造することが可能になる。ＭＥＭＳアレイのためにリンク用フレームワークを含めることにより、全体的な一様性を向上させることができる。
【００１５】
本発明の以上のような及びそれ以外の特徴及び効果は、以下の詳細な説明を添付の図面と共に読むことにより、当業者に明らかになるはずである。
【発明を実施するための最良の形態】
【００１６】
ハイブリッド法
図１は、本発明によるＭＥＭＳデバイスを製造し単一のＭＥＭＳデバイス又は複数のＭＥＭＳデバイスのアレイを製造する新規なハイブリッド方法の流れ図１０である。以下の説明では、主に、単一のＭＥＭＳデバイスを製造する新規な方法について述べるが、この方法は、複数のＭＥＭＳデバイスのアレイを製造する場合にも等しく適用可能である。
【００１７】
最初のステップ１２では、ＭＥＭＳ構造材料の層が、犠牲実装層／材料によって「ハンドル」層に実装される。このハンドル層は、多くの異なる材料を用いて作ることができ、ＭＥＭＳ構造層を、表面マイクロマシニング層がその上に構築される（後で述べる）間、保持及び保護するのに用いられる。このＭＥＭＳ構造層は、例えば、光ＭＥＭＳデバイスのためのミラー層でありうる。光ＭＥＭＳアレイを製造する際には、多数のミラー層が用いられる。ハンドル層は、実装層／材料と共に、後述する製造ステップの間、ミラー層の表面を保持及び保護し、いったんハンドル及び酸化物層が取り除かれると、ミラーの反射面が現れる。これ以外の実施例では、複数のハンドル層及びＭＥＭＳ構造材料が、単一のＭＥＭＳデバイスのために用いられることもありうる。次のステップ１４では、表面マイクロマシニング層が、上述した表面マイクロマシニング技術を用いて、ＭＥＭＳ構造層の上に構築される。ポリシリコン／酸化物層の対が、様々なＭＥＭＳ構造を構築するために積層される。光ＭＥＭＳデバイスのためのセンサ、ギア、バネ及び電極を含む（限定列挙ではない）多くの異なる構造をこのプロセスを用いて構築することができ、このステップでは、上述の最近開発されたＳＵＭＭｉＴ  Ｖ５層表面マイクロマシニング・プロセスを用いることができる。反応炉成長など多くの標準的な成長プロセスを用いて層を構築することができ、また、多結晶シリコン、二酸化シリコン、シリコン・ゲルマニウム、シリコン・カーバイドなどの異なる材料をこれらの構築される層に用いることができる。
【００１８】
次のステップ１６では、ステップ１４によるＭＥＭＳ構造は反転（フリップ）され、ステップ１７で、駆動及び／又は感知電子装置又はそのような電子装置への接続部を有する基板に実装される。接点をＭＥＭＳ構造又は駆動／感知基板の上に含ませることも可能であり、これらのいずれかが、基板とＭＥＭＳ構造との間の機械的及び電気的接続を提供する。これにより、構造にバイアスを与える、又は、構造からの信号を基板に与えることが可能になる。
【００１９】
次のステップ１８では、ハンドル層が取り除かれ、ハンドル層とＭＥＭＳ構造層との間の実装層／材料が現れる。次に、酸化物材料を化学的なエッチングにより除去することができ、ＭＥＭＳ構造層の表面が現れる。あるいは、実装層／材料を最初にエッチングにより取り除き、ハンドル層をＭＥＭＳ構造層からリフトすることもできる。
【００２０】
最終のステップ２０では、ポリシリコン／酸化物層の対における犠牲酸化物材料が溶解される。酸化物材料の溶解によって残った空間により、残っているポリシリコンＭＥＭＳ構造が動くことが可能になり、また、複数の構造の間の機械的及び電気的分離が提供される。例えば、光ＭＥＭＳデバイスにおいて、電極を、ＭＥＭＳマイクロミラーを保持するバネ構造から、電気的にも機械的にも分離することができる。電極が静止している間にミラーがバネ構造の上で上下に動くように、バイアスを電極とミラーとの間に加えることができる。
【００２１】
ＭＥＭＳアレイを製造する際に、多数のデバイスをステップ１２及び１４を用いて構築することができ、リンク用レームワーク（結合用の枠）が、個々のＭＥＭＳデバイスをリンクさせるために含まれる。ステップ２２では、フレームワークが、表面マイクロマシニング技術によって個々のＭＥＭＳデバイスのバネ及び駆動構造の上に構築され、これらをリンクさせる。フレームワークは、また、構造及び犠牲ポリシリコン／酸化物の対を含む。最終のステップ２０では、フレームワークの犠牲酸化物材料は、構造の中の他の犠牲材料と共に溶解される。ステップ１６で構造がセンサ／駆動電子装置に実装されるときには、フレームワークは、電子装置と表面マイクロマシニング層との間に配置される。ＭＥＭＳデバイスに加えられたバイアスや、デバイスから基板に送られた信号は、リンク用フレームワークを通過する。
光ＭＥＭＳを製造するためのハイブリッド法
図２は、本発明による新規なハイブリッドな方法であるが、光ＭＥＭＳデバイスを製造するのに用いられる場合である。既に述べたように、次の説明では、個々のＭＥＭＳデバイスの製造について主に述べるが、光ＭＥＭＳアレイの製造にもこの方法は等しく適用可能である。
【００２２】
ステップ３２では、ＭＥＭＳ構造層が、絶縁層の上に実装される。光ＭＥＭＳデバイスでは、ＭＥＭＳ層は、デバイスのマイクロミラーとして機能し、高品質な反射面を提供する任意の材料でよいが、層がシリコン（Ｓｉ）であることが好ましい。
【００２３】
このステップには、市販のシリコン・オン・インシュレータ（ＳＯＩ）ウエハを用いることができるが、これは、多くの提供源から入手可能である。例えば、ＢＣＯテクノロジーズｐｌｃ、ＳＥＨアメリカＩｎｃ、バージニア・セミコンダクタＩｎｃなどである。ＳＯＩウエハは、一般的に、薄いＳｉ層とそれよりも厚いＳｉハンドル層とが絶縁酸化物材料を挟む構造を含んでいる。酸化物材料に隣接する薄いＳｉ層は反射性のマイクロミラー表面として機能し、より厚いＳｉ層と酸化物材料とはＳｉミラー層を保持及び保護するハンドル層として機能する。
【００２４】
ステップ３４では、バネ及び駆動構造が、表面マイクロマシニング技術を用いてＳＯＩウエハの上に構築され、ポリシリコン／酸化物層の対は、Ｓｉハンドル層とは反対の薄いＳｉ層の表面上にある。これらの層の対は、ミラーを付勢する電極と、バイアスがＭＥＭＳデバイスに与えられるとミラーを動かしバイアスが除かれるとミラーを元に戻すバネ構造とを形成する。
【００２５】
オプションであるステップ３６では、アレイの中の多数の光ＭＥＭＳデバイスをリンクさせるフレームワークが、同じ表面マイクロマシニング技術を用いて、バネ及び駆動構造の上に構築される。フレームワークは、一般に、１つ又は２つのポリシリコン／酸化物層の対を用い、光ＭＥＭＳデバイスのアレイの間に堅牢な結合を提供し、それによって、ＭＥＭＳマイクロミラーの整列が改善され、結合応力に対する感度を低下させることができる。
【００２６】
ステップ３８では、ステップ３４（又は、ステップ３６）によるＭＥＭＳ構造が反転される。反転の前又は後に、金属製の接点を構造の底部層に積層させることができる。ステップ３９では、構造が、フリップ・チップ結合技術を用いて駆動電子装置を用いて、機械的及び電気的に基板に取り付けられる。この取り付けのための最も容易で最も一般的な方法の１つとして、ハンダによるものがある。しかし、電気的接続に用いられる場合には、ハンダ・パッドをどの程度まで小さくできるかの限界が存在する。より小さな光ＭＥＭＳデバイスの場合であれば、インジウム・コラムなど、他の取り付け方法を用いることもできる。
【００２７】
ステップ１４０では、この時点で構造の最上位の層であるハンドル（厚いＳｉ）層が、取り除かれる。既に述べたように、別の除去方法を用いることもできるが、この実施例では、この層を下位にある酸化物層のレベルまで機械的に研磨し、酸化物層は化学的エッチングより溶解される。
【００２８】
最終のステップ４２では、バネ及び駆動構造における犠牲酸化物材料とリンク用フレームワークとが、ＭＥＭＳ構造におけるポリシリコン又はシリコン材料を損傷することなく酸化物を溶解させる方法を用いて溶解される。適切な方法として、フッ化水素酸エッチングを用いる化学的エッチングがある。
【００２９】
エッチング・プロセスが完了すると、ミラーとそのバネ構造は自由に動くことができ、駆動構造はバネ構造から機械的及び電気的に分離される。より詳しくは後述するが、ミラーと駆動構造との間にバイアスを加えることができ、これら２つの間に静電的な引力を生じさせることができ、これにより、バネ構造が圧縮される。バイアスが除去されると、静電的な引力も除去されて、バネ構造はミラーをその中立的な位置に自由に戻すことができる。
新規な方法を用いて製造される光ＭＥＭＳデバイス
図３から図９は、上述した新規なハイブリッド法を用いて製造された新規な光ＭＥＭＳデバイスを示している。図３は、上述したステップ３２によって提供されるＳＯＩウエハ５０の断面図である。このＳＯＩウエハは、酸化物層５６によってハンドルＳｉ層５４に固定されている薄いＳｉ層５２を有している。ハンドル層５４は、Ｓｉ層５２よりも厚いのが一般的であり、その適切な厚さは約５００ミクロンである。Ｓｉ層５２は、ＭＥＭＳデバイスのマイクロミラーとして機能し、１ミクロン未満でありうる。好ましい厚さの範囲は約５−２０ミクロンである。しかし、これ以外の厚さでもかまわない。このマイクロミラーは、厚すぎると、迅速に動くには質量が大きすぎることになり、薄すぎると、その堅牢さが失われてしまう。
【００３０】
図４は、ＳＯＩウエハ５０の断面図であり、表面マイクロマシニング層６０は、上述のステップ３４により、ハンドル層５６とは反対のシリコン層５２の表面上に構築されている。２つのポリシリコン／酸化物の対に対応して、４つの層６０ａ−ｄが存在している。４つの層は、それぞれ、ポリシリコン構造材料６２と酸化物犠牲材料６４とを有している。これら４つの層はシリコン層５２の上に構築されており、第１の層６０ａは酸化物層であるのが一般的である。これは、様々な位置で切断され、それにより、ポリシリコンを、第２の層６０ｂとＳｉ層５２との間の、又は、Ｓｉ層５２への構造的な接続を提供するように含めることができる。第２の層６０ｂは一般にポリシリコン層であり、この層の積層の間、ポリシリコンが第１の層６０ａの切断された領域に導かれる。この第２のポリシリコン層は、次の層６０ｃが積層されるときに犠牲酸化物が含まれるように、切断することもできる。次の層６０ｃは酸化物であり、最終の層６０ｄはポリシリコンであり、これらは共に隣接する層からの材料を含むように切断することが可能である。
【００３１】
これらの層は、構築される間に様々な態様での切断が可能であり、異なる機能を実行する構造が構築される。層６０ａ−ｄでは、ポリシリコン材料６２は、駆動電極６６とバネ構造６７及び６８とを形成する。層は、用いられる層の対の数に応じて、異なる厚さを有することがありうる。ＳＵＭＭｉＴ  Ｖ表面マイクロマシニング技術を用いて添う６０ａ−ｄが積層される場合には、酸化物層の厚さは約０．５−２．０ミクロン、ポリシリコン層の厚さは約０．３−２．５ミクロンでありうる。
【００３２】
図５は、図４の構造であるが、上述したステップ３６によりフレームワーク・リンク構造７０がバネ及び駆動構造６０の上に構築されたものを示している。リンク用フレームワークは、ＭＥＭＳデバイスのアレイにわたる連続的な構造であり、それぞれのデバイスの上にバネ及び駆動構造が構築された後でこれらのデバイスの上に構築される。また、構造７０は、１つ又は２つのポリシリコン／酸化物層の対と共に表面マイクロマシニング技術を用いて製造される。構造７０は、アレイの中の個々の光ＭＥＭＳデバイスをリンクさせる。
【００３３】
リンク用フレームワーク７０に用いられる層の数は、電極及びバネ構造６０に用いることができる層の数に直接的な影響を与える。リンク用フレームワーク７０に層の対を２つ用いることによって、３つまでの層を、電極及びバネ構造６０に用いることができる。層の対がただ１つ用いられる場合には、構造６０のために４つまでの層を用いることができる。光ＭＥＭＳデバイスがアレイにおいてリンクされない場合には、バネ及び駆動構造のために層の対を５つまで用いることができる。この構造の別の利点として、Ｓｉミラー層５２が基板として機能できることがあり、それによって、５つの層すべてを表面マイクロマシニングに用いることができる。従来型の５層表面マイクロマシニングでは、最下部の層が基板として機能するのが一般的であり、４つの層だけしか残らなかった。
【００３４】
図６は、上述したステップ３８によって反転された後の、図５の構造を示している。反転の前後のいずれにでも、既知のメタライゼーション・プロセスを用いて、接点８２を、リンク用フレームワーク構造７０の上に設けることができる。リンク用フレームワークが存在しない場合には、これらの接点は、電極及びバネ構造の上に設けられる。
【００３５】
図７は、駆動電子装置９２を有する従来型の基板に実装された図６の構造を示している。基板９２は、また、接点パッド９４、９８及び９９を有しており、これらは、リンク用フレームワーク７０の上の接点パッド８２と整合されている。これらの整合された接点は、フレームワーク７０と基板９２との間の機械的及び電気的接続を提供する。動作の間には、接点パッド９４に印加される電気信号は電極６６に、接点９８及び９９に印加された電気信号はバネ構造６８及び６７に、それぞれ送られ、最終的にはマイクロミラー層５２に至る。
【００３６】
図７の構造は、構築プロセスが完了した後の光ＭＥＭＳデバイスを示している。以下のステップでは、様々な層が除去又は溶解され、ミラーを露出させて、ＭＥＭＳ構造を自由に動き動作させる。
【００３７】
図８は、図７の構造を示しているが、上述のステップ３９によってハンドル層５４が取り除かれ、Ｓｉミラー層５２の上に酸化物層５６が残った状態になっている。上述の場合と同様に、ハンドル層は、研磨などの機械的な方法により取り除かれる。あるいは、酸化物層５６を最初に化学的エッチングにより溶解させ、ハンドル層を解放することも可能である。
【００３８】
最後に、図９は、上述のステップ４０の化学的エッチングによる残りの酸化物犠牲材料が溶解された後の図８の構造を示している。この図は、更に、本発明による新規な方法を用いて製造された光ＭＥＭＳデバイスの最終的な形態を示している。静電応力を生じさせるために、接点９４と接点９８及び９９の両方又は一方との間に基板からバイアスが加えられる。接点９８及び／又は９９のバイアスは、マイクロミラー５２に至り、上述したように、このバイアスは、マイクロミラー５２と電極６６との間に静電応力を生じさせる。マイクロミラー５２は、電極６６の方向に下向きに引きつけられ、これにより、バネ構造６７及び６８が圧縮される。バイアスが取り除かれると、バネ構造６７及び６８はその中立的な位置に戻る。
【００３９】
図１０は、６要素アレイ１１０の中の新規な光ＭＥＭＳデバイスを示している。ＭＥＭＳデバイス１１２は、それぞれが、マイクロミラー１１３と、電極１１４と、バネ構造１１６及び１１８とを有している。単一のリンク用フレームワーク１２０は、アレイ１１０の全体にわたって伸張し、個々のＭＥＭＳデバイスを相互にリンクさせる。駆動電子装置１２２を有する基板がリンク用フレームワーク１２０に実装され、それにより、ＭＥＭＳデバイスは、それぞれ、特定のデバイス１１２における電極１１４とマイクロミラー１１３との間のバイアスによって個別的に付勢されるようになる。
【００４０】
以上では、本発明を特定の好適な構成例を参照して相当詳細に説明したが、これ以外の態様も可能である。例えば、ハンドル層と実装層／材料とが取り除かれた後で、ＭＥＭＳ構造層をバルク・マイクロマシニング技術を用いて更に加工して、カンチレバー、ブリッジ、トレンチ、空乏、ノズル、膜などを層の中に形成することもできる。上述した方法におけるステップは、別の順序で生じたり、他のステップが含まれることもありうる。上述した光ＭＥＭＳデバイスは、本発明によって製造できる多くの異なるタイプの中の１つであり、それ以外のデバイスの一例として、付勢されると傾くミラーを有するものがある。従って、特許請求の範囲の精神及び範囲は、この明細書に記載された本発明の好適実施例に限定されることはない。
【図面の簡単な説明】
【００４１】
【図１】ＭＥＭＳデバイスを製造するための新規でハイブリッドな方法の流れ図である。
【図２】光ＭＥＭＳデバイスを製造するための新規でハイブリッドな方法の流れ図である。
【図３】本発明による光ＭＥＭＳデバイスのための固定層の上のミラー層の断面図である。
【図４】図３に示されているミラー層の上に構築された駆動及びバネ構造の断面図である。
【図５】図４の構造の上に構築されたリンク用フレームワークの断面図である。
【図６】フリップ・チップ実装のために反転（フリップ）した後の図５の構造の断面図である。
【図７】駆動電子装置を有する基板の上に実装された図６の構造の断面図である。
【図８】ハンドル層が取り除かれた図７の構造の断面図である。
【図９】犠牲層が溶解された図８の構造の断面図である。
【図１０】本発明によるハイブリッドな製造プロセスを用いて製造された光ＭＥＭＳデバイスのアレイの全体図である。
【図１】
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【図２】
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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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【国際調査報告】
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