(57)【要約】【課題】  簡単かつ頑丈な構造で従来技術の制限を解消できる新規な形式のＭＥＭＳミラーを提供することにある。【解決手段】  本発明は、直下にヒンジを備えたバルク要素を有するＭＥＭＳ装置を製造する方法および装置を提供する。バルク要素は、バルクマイクロマシニング技術により製造される単結晶シリコンからなる。本発明のＭＥＭＳ装置の顕著な特徴は、バルク要素の直下にヒンジを配置することにより、バルク要素の表面を最大化でき、全面を使用できるようになることである。このような特徴は、高い光学的充填率をもつアレー型ＭＥＭＳデバイスの製造に特に有効である。また、バルクマイクロマシニング技術および表面マイクロマシニング技術の両方を有効に使用することにより、ＭＥＭＳミラーに、可撓性ヒンジを備えた大きくかつ平らなミラーを設けることができる。
2005528638.tif 000002
【特許請求の範囲】
【請求項１】
ａ）デバイス面および該デバイス面の下に配置された下面を備えたバルク要素と、
ｂ）支持体と、
ｃ）少なくとも1つのヒンジとを有し、該ヒンジは、前記下面の下に配置されかつバルク要素および支持体に連結され、これによりバルク要素を支持体から懸架していることを特徴とする装置。
【請求項２】
前記バルク要素は単結晶シリコンからなることを特徴とする請求項１記載の装置。
【請求項３】
前記デバイス面は反射性を有することを特徴とする請求項１記載の装置。
【請求項４】
前記デバイス面は反射層を有することを特徴とする請求項３記載の装置。
【請求項５】
前記反射層は、金、アルミニウム、銀および銅からなる群から選択された材料からなることを特徴とする請求項４記載の装置。
【請求項６】
前記少なくとも1つのヒンジは、ポリシリコン、ポリオキシド、窒化物、窒化ケイ素、酸化ケイ素、シリコンオキシニトリド、単結晶シリコンおよび金属からなる群から選択された材料から形成されていることを特徴とする請求項１記載の装置。
【請求項７】
前記支持体はシリコンで作られていることを特徴とする請求項１記載の装置。
【請求項８】
前記支持体はキャビティを有し、少なくとも1つのヒンジは前記キャビティ内に配置されていることを特徴とする請求項１記載の装置。
【請求項９】
前記支持体は更に、バルク要素を付勢するための、前記キャビティ内に配置された少なくとも1つの電極を有することを特徴とする請求項８記載の装置。
【請求項１０】
前記キャビティは複数の側壁により形成されていることを特徴とする請求項８記載の装置。
【請求項１１】
前記少なくとも1つのヒンジは第一および第二要素からなり、各ヒンジ要素は前記複数の側壁のうちの単一の側壁に連結されていることを特徴とする請求項１０記載の装置。
【請求項１２】
前記各側壁は内方に突出したリッジ部分を有し、各ヒンジ要素は、リッジ部分のうちの単一のリッジ部分に連結されていることを特徴とする請求項１１記載の装置。
【請求項１３】
前記各ヒンジ要素は更に、前記下面に連結されていることを特徴とする請求項１２記載の装置。
【請求項１４】
前記バルク要素は更に、前記下面から下方に延びているベース部分を有し、各ヒンジ要素はベース部分に連結されていることを特徴とする請求項１１記載の装置。
【請求項１５】
ａ）単結晶シリコンからなるデバイスコンポーネントを用意する段階と、
ｂ）デバイスコンポーネントに少なくとも1つのヒンジを創成する段階と、
ｃ）キャビティを備えた支持体を構成する段階と、
ｄ）少なくとも1つのヒンジがキャビティ内に配置されるようにして、デバイスコンポーネントを支持体コンポーネントに接合する段階と、
ｅ）デバイス面および下面を備えたバルク要素をデバイスコンポーネント内に形成する段階とを有し、少なくとも1つのヒンジがバルク要素に連結されかつ前記下面の下に配置され、これによりバルク要素を支持体から懸架することを特徴とするＭＥＭＳ装置の製造法。
【請求項１６】
前記デバイスコンポーネントは、絶縁層をサンドイッチする単結晶シリコンデバイス層およびシリコンハンドルウェーハを備えたＳＯＩ（シリコン・オン・インシュレータ）を有し、単結晶シリコン層は第一表面を備えていることを特徴とする請求項１５記載の製造方法。
【請求項１７】
前記少なくとも1つのヒンジは、表面マイクロマシニング技術により単結晶シリコンデバイスの第一表面上に製造される第一および第二ヒンジ要素を有することを特徴とする請求項１６記載の製造方法。
【請求項１８】
前記少なくとも1つのヒンジは、バルクマイクロマシニング技術により単結晶シリコンデバイス層に創成されることを特徴とする請求項１６記載の製造方法。
【請求項１９】
前記段階ｄ）は更に、前記絶縁層と一緒にシリコンハンドルウェーハを除去し、これにより単結晶シリコンデバイス層の第二表面を露出させることを含むことを特徴とする請求項１７記載の製造方法。
【請求項２０】
前記段階ｅ）は、バルクマイクロマシニング技術を使用して単結晶シリコンデバイス層にバルク要素を形成し、これにより単結晶シリコンデバイス層の第一および第二表面がバルク要素の下面およびデバイス面を形成することを特徴とする請求項１９記載の製造方法。
【請求項２１】
前記デバイス面に光学的反射性を付与する段階を更に有することを特徴とする請求項１５記載の製造方法。
【請求項２２】
前記デバイス面には、該デバイス面上に反射層をめっきすることにより光学的反射性が付与されることを特徴とする請求項２１記載の製造方法。
【請求項２３】
前記デバイスコンポーネントはエピタキシャルシリコンウェーハからなることを特徴とする請求項１５記載の製造方法。
【請求項２４】
前記支持体コンポーネントはＳＯＩウェーハから製造されることを特徴とする請求項１５記載の製造方法。
【請求項２５】
前記段階ｃ）は更に、キャビティ内に少なくとも1つの電極をめっきすることを含むことを特徴とする請求項１５記載の製造方法。
【請求項２６】
アレーに構成された複数のＭＥＭＳデバイスを有する光学装置において、各ＭＥＭＳデバイスが、
ａ）デバイス面および該デバイス面の下に配置された下面を備えたバルク要素と、
ｂ）支持体と、
ｃ）少なくとも1つのヒンジとを有し、該ヒンジは、前記下面の下に配置されかつバルク要素および支持体に連結され、これによりバルク要素を支持体から懸架していることを特徴とする光学装置。
【請求項２７】
前記バルク要素は単結晶シリコンからなることを特徴とする請求項２６記載の光学装置。
【請求項２８】
前記少なくとも1つのヒンジは第一および第二ヒンジ要素からなることを特徴とする請求項２６記載の光学装置。
【請求項２９】
前記少なくとも1つのヒンジは、ポリシリコン、ポリオキシド、窒化物、窒化ケイ素、酸化ケイ素、シリコンオキシニトリド、単結晶シリコンおよび金属からなる群から選択された材料から形成されていることを特徴とする請求項２６記載の光学装置。
【請求項３０】
前記デバイス面は光学的反射性を有することを特徴とする請求項２６記載の光学装置。
【請求項３１】
前記支持体はキャビティを有し、少なくとも1つのヒンジは前記キャビティ内に配置されていることを特徴とする請求項２６記載の光学装置。
【請求項３２】
前記支持体は更に、バルク要素を付勢するための、前記キャビティ内に配置された少なくとも1つの電極を有することを特徴とする請求項３１記載の光学装置。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、広くはマイクロ・エレクトロ・メカニカルシステム（micro-electro-mechanical system：ＭＥＭＳ）に関し、より詳しくは、バルクマイクロマシニング技術と表面マイクロマシニング技術との組合せによりＭＥＭＳミラーを製造する方法およびシステムに関する。
【０００２】
関連出願の相互参照
本願は、２００１年６月２日付米国仮特許出願第６０／２９５，６８２号および２００２年５月３１日付米国特許出願第１０／１５９、１５３号の優先権を主張する。尚、これらの両出願は、あらゆる目的で本願に援用する。
【背景技術】
【０００３】
ＭＥＭＳミラーは、高速スキャニングおよび光学的スイッチングを含む種々の用途において有効であることが証明されている。このような用途では、ＭＥＭＳミラーが、平らな光学的表面、大きい回転範囲および頑丈な作動を有することが重要である。
多くの用途（例えば光学的ネットワーク用途）は、ＭＥＭＳミラーが密集アレー構造を有することを必要としている。従って、他の本質的特徴を損なうことなく、アレーの「光学的充填率（optical fill factor）」を最大化（すなわち、各構成ミラーの光学的表面をできる限り大きくすることによる最大化）することが望まれている。
【０００４】
ＭＥＭＳミラーは、バルクマイクロマシニング技術または表面シリコンマイクロマシニング技術により慣用的に作られる。一般に単結晶シリコンミラーを作るバルクマイクロマシニングは、ポリシリコン（または薄膜）ミラーを作る表面マイクロマシニングに比べて多くの長所を有することが知られている。例えば、バルクマイクロマシニング技術により作られる単結晶シリコンミラーは、ポリシリコン（または薄膜）ミラーより滑らかな表面および小さい固有応力を有する厚くかつ大きいミラーである。固有応力が小さくかつかなりの厚さを有することにより平らなミラーが得られると同時に、滑らかな表面は光の散乱を低減させる。表面マイクロマシニング技術に固有の長所は、ミラー懸架（例えば、１つ以上の薄膜ヒンジ）のより優れた形成が可能で、従ってより小さくできることである。これにより、このようにして作られたＭＥＭＳミラーに、適度の電圧でより大きい回転範囲を付与できる。
【０００５】
下記特許文献１には、静電機構により駆動される可動マイクロミラー組立体が開示されている。この組立体は、ミラーの下に位置する複数の撓みアームにより支持されたミラーを有し、撓みアームは支持ポストに取付けられている。特許文献１に開示された組立体は表面マイクロマシニング技術により完全に製造されるので、得られる「マイクロミラー」はポリシリコン（薄膜）型であり、従って上記欠点を有する。
【０００６】
下記特許文献２には、薄膜ヒンジによりフレームに取付けられたバルクシリコンミラーを備えたＭＥＭＳミラーデバイスが開示されている。このシステムの顕著な欠点は、薄膜ヒンジがミラーの反射面側からフレームへと延びており、従って光ビームマニピュレーションに利用できる表面積の大きさが制限（または妨害）される。また、この欠点のため、このようなＭＥＭＳデバイスのアレーの光学的充填率が低下される。
【０００７】
下記非特許文献１には、表面マイクロマシニングポリシリコン（すなわちＭＵＭＰＳ）法により作られる可撓性ミラーのアレーが開示されている。この場合には、ポリシリコンミラープレートのアレーが、「フリップ−チップトランスファ技術」を用いて、金ポストを介してサーマルバイモルアクチュエータの他のアレーに接合されており、コーナがサーマルバイモルアクチュエータを介して懸架されたトランポリン型ポリシリコンプレートを形成している。ポリシリコン（または薄膜）で作られたミラープレートに加え、このように構成されたミラーアレーの他の欠点は、アレーをミスアライメントおよび他の異質の好ましくない効果に対して敏感にするモノリシック構造を欠いていることである。
【０００８】
【特許文献１】米国特許第６，０２８，６８９号明細書（Michalicek等）
【特許文献２】国際特許出願ＷＯ ０１／９４２５３ Ａ２（Chong等）
【非特許文献１】Tuantranont等の論文「Bulk-Etched Micromachined and Flip-Chip Integral Micromirror Array for Infrared Applications」（２０００年８月にハワイ、カウアイ２１０２４で開催された光学的ＭＥＭＳに関する２０００年ＩＥＥＥ／ＬＥＯＳ国際会議）
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【０００９】
上記観点から、当業界では、簡単かつ頑丈な構造で従来技術の制限を解消できる新規な形式のＭＥＭＳミラーを提供することが要望されている。
【課題を解決するための手段】
【００１０】
本発明は、バルク要素、支持体および１つ以上のヒンジを備えたＭＥＭＳ装置を提供する。バルク要素は、デバイス面および該デバイス面の下に配置された下面を有している。ヒンジはバルク要素の下面の下に配置されていて、バルク要素を支持体に連結し、これによりバルク要素を支持体から懸架している。
【００１１】
上記装置では、支持体には、ヒンジを配置するためのキャビティが設けられる。キャビティ内には、バルク要素を付勢するための少なくとも１つの電極を配置できる。バルク要素のデバイス面には更に反射層（例えば金属膜）を設けて、このようにして構成された装置をＭＥＭＳミラーにすることができる。
【００１２】
本発明では、用語「バルク要素」とは、当業界で知られているバルクマイクロマシニング技術により製造される要素をいい、一般に単結晶材料からなる。好例のものとして、単結晶シリコン要素がある。バルク要素は、「デバイス」面と、該デバイス面の下に位置する「下」面とにより特徴付けられている（バルク要素自体は、適当であると思われる任意の幾何学的形状にすることができる）。バルク要素の「デバイス」面には光学的反射性を付与できる。実際の用途で望む場合には、デバイス面は、バルク要素を他のデバイスに連結する「界面」としても使用できる。また、「支持体」は、バルク要素が取付けられるフレームまたは基板となる。「ヒンジ」（または「ヒンジ要素」）は、バルク要素を支持体から懸架できかつバルク要素が運動を受けるときに復元力を付与する任意の懸架／連結手段として広義に解釈すべきである。例えば、ヒンジは、当業界で知られているバルクマイクロマシニング技術または表面マイクロマシニング技術により製造される撓みカップリングすなわち可撓性カップリングとして形成できる。用語「直下」とは、ヒンジがバルク要素の下面（または下面の下）に係止され、従って全体としてデバイス面の直下に配置されることを意味する。これにより、バルク要素のデバイス面が最大化されかつ全面を使用（例えば光学的反射に使用）できるようになる。
【００１３】
また本発明は、上記ＭＥＭＳ装置の製造に使用できるプロセスフロー（すなわち方法）を提供する。本発明によるプロセスフローの一実施形態では、「デバイス」コンポーネントが形成される。デバイスコンポーネントは、一形態として、単結晶シリコンデバイス層およびシリコンハンドルウェーハを有し、これらの間に絶縁層（例えば酸化ケイ素）がサンドイッチされたＳＯＩ（シリコン−オン−インシュレーション：Silicon-On-Insulation）により形成できる。例えば表面マイクロマシニング技術を用いて、第一および第二ヒンジ要素を単結晶シリコン層の第一表面上に製造できる。「支持体」コンポーネントはキャビティを収容するように構成され、キャビティ内には、少なくとも１つの電極を配置できる。次に、デバイスコンポーネントおよび支持体コンポーネントは、ヒンジ要素がキャビティ内に配置されるようにして接合される。次に、シリコンハンドルウェーハが、デバイスコンポーネント内の絶縁層と一緒に除去され、これにより単結晶シリコンデバイス層の第二表面が露出される。次に、バルクマイクロマシニング技術を用いて単結晶シリコンデバイス層に、第一表面および第二表面に特徴をもつバルク要素が形成される。この構成は、各ヒンジ要素はその一端がバルク要素の第一表面（「下」面）に係止されかつ他端が支持体コンポーネントに係止されるものであり、これにより、バルク要素が、ヒンジ要素により、全体として第二表面（「デバイス」面）の直下に懸架される。また、バルク要素のデバイス面上に反射層をめっき（デポジット）して、このように構成された装置をＭＥＭＳミラーにすることができる。
【発明の効果】
【００１４】
本発明のＭＥＭＳ装置の１つの長所は、ヒンジ要素をバルク要素の直下に配置することにより、バルク要素のデバイス面が最大化されかつ全面を使用（例えば光ビームマニピュレーションとして使用）できるようになることである。このような特徴は、高い光学的充填率をもつＭＥＭＳミラーのアレーのようなアレー型ＭＥＭＳデバイスの製造に特に有利である。また、バルクマイクロマシニング技術および表面マイクロマシニング技術を有効に使用することにより、本発明のＭＥＭＳミラーには、可撓性ヒンジと一緒に大きくかつ平らなミラーが設けられ、従って適度の静電駆動電圧で大きい回転範囲を達成できる。本発明のＭＥＭＳ装置の他の長所は、頑丈な作動を可能にするモノリシック構造にあることは明白である。これらの優れた特徴は、上記従来技術の装置に比べて顕著な対比をなす。
【発明を実施するための最良の形態】
【００１５】
本発明の新規な特徴並びに本発明自体は、添付図面および以下の詳細な説明から最も良く理解されよう。
【００１６】
図１Ａおよび図１Ｂには本発明によるＭＥＭＳ装置の第一実施形態が示されている。図１Ａは、バルク要素１１０と、第一および第二ヒンジ要素１２１、１２２と、支持体１３０とを有するＭＥＭＳ装置１００を示す概略側断面図である。バルク要素１１０は、「デバイス」面（または「上」面）１１２と、該デバイス面１１２の下に配置されかつこれに対向する「下」面１１１とを有している。第一および第二ヒンジ要素１２１、１２２の各々は、デバイス面の下に配置されている。図１Ａに示す実施形態では、各ヒンジ要素１２１、１２２は、その一端がバルク要素１１０の下面１１１に連結され、かつ他端が支持体１３０に連結されている。このようにして、バルク要素１１０は、全体としてデバイス面１１２の直下に配置されたヒンジ要素１２１、１２２により懸架されている。
【００１７】
図１Ｂは、ＭＥＭＳ装置１００の概略平面図である。例えばバルク要素１１０のデバイス面１１２は、全体として長方形の形状であることが示されている。図示の実施形態とは異なるが、本発明のバルク要素（またはバルク要素自体）のデバイス面は、実際には、所与の用途に適していると考えられる任意の幾何学的形状（例えば楕円形）にすることができる。
【００１８】
図１Ａおよび図１Ｂの実施形態では、支持体１３０は、基板部分１３１およびキャビティ１４０を有している。例えば、基板部分１３１は、全体として長方形に構成できる。基板部分１３１から複数の側壁１３２、１３３、１３４、１３５が延びており、これによりキャビティ１４０を形成している。図１Ａに示すように、ヒンジ要素１２１、１２２はキャビティ１４０内に配置されておりかつそれぞれ側壁１３３、１３５に連結されている。図１Ａおよび図１Ｂの実施形態では、各側壁１３２、１３３、１３４、１３５は、それぞれの側壁から内方に突出する対応リッジ部分（すなわち「リップ」部分）１４２、１４３、１４４、１４５を有している（例えば、図１Ａに示すリッジ部分１４３、１４５参照）。また、ヒンジ要素１２１、１２２は全体として「Ｃ」型断面（側面図）を有し、それぞれ、側壁１３３、１３５のリッジ部分１４３、１４５に連結されている。しかしながら、このことは、いかなる意味においても制限的なものであると解すべきではない。例えば、他の実施形態では、ヒンジ要素１２１、１２２は他の任意の形状または断面形状にすることができる。ヒンジ要素は、側壁１３３、１３５の他の部分に連結することもできる。
【００１９】
図１Ａおよび図１Ｂに示す実施形態では、キャビティ１４０は長方形のものが示されている。しかしながら、他の実施形態では、キャビティ１４０は、他の任意の適当な形状にすることも考えられる。キャビティ１４０には少なくとも１つの電極１４１が設けられ、該電極１４１はキャビティ１４０の底面１５０上に配置できる。電極１４１は、バルク要素１１０を、既知の態様（例えば、静電態様）で付勢することができる。また、バルク要素１１０のデバイス面１１２は、例えば該デバイス面を研摩しおよび／または金属膜をめっきすることにより光学的反射性を付与することができる。
【００２０】
図２は、ＭＥＭＳ装置の第二実施形態を示す概略側断面図である。一例として、ＭＥＭＳ装置２００は、バルク要素２１０と、第一および第二ヒンジ要素２２１、２２２と、支持体２３０とを有している。バルク要素２１０は、「デバイス」面（または「上」面）２１２と、該デバイス面２１２の下に配置されかつこれに対向する「下」面２１１とを有している。この実施形態では、バルク要素２１０には更に、該バルク要素の下面２１１から下方に延びているベース部分２１５を設けることができる。第一および第二ヒンジ要素２２１、２２２の各々は、デバイス面の下に配置されている。一例として、第一および第二ヒンジ要素２２１、２２２の各々は、その一端がバルク要素１１０のベース部分２１５に連結され、かつ他端が支持体１３０に連結されているところが示されている。このようにして、バルク要素２１０は、全体としてデバイス面２１２の直下に配置されたヒンジ要素２２１、２２２により懸架されている。
【００２１】
図２の実施形態では、支持体２３０は、基板部分２３１およびキャビティ２４０を有している。例えば、基板部分２３１は、全体として長方形に構成できる。基板部分２３１から複数の側壁２３３、２３５が延びており、これによりキャビティ２４０を形成している。ヒンジ要素２２１、２２２はキャビティ２４０内に配置されている。この実施形態では、ヒンジ要素２２１、２２２はほぼ水平方向に延びており、これにより、ベース部分２１５をそれぞれ側壁２３３、２３５に連結している。しかしながら、このことは、いかなる意味においても制限的なものであると解すべきではない。例えば、他の実施形態では、ヒンジ要素２２１、２２２は他の任意の適当な形状にすることができる。ヒンジ要素は、他の方向に配置しおよび／または側壁２３３、２３５の他の部分に連結することもできる。
【００２２】
図２の実施形態では、キャビティ２４０は任意の適当な形状にすることができる。キャビティ２４０には少なくとも1つの電極２４１が設けられ、該電極２４１はキャビティ２４０の底面２５０上に配置できる。電極２４１は、バルク要素２１０を、既知の態様（例えば、静電態様）で付勢することができる。また、バルク要素２１０のデバイス面２１２は、例えば該デバイス面を研摩しおよび／または金属膜をめっきすることにより光学的反射性を付与できる。
【００２３】
図３は、ＭＥＭＳ装置３００の第三実施形態を示す概略側断面図である。バルク要素３１０を除き、ＭＥＭＳ装置３００はＭＥＭＳ装置２００と実質的に同じであり。図２に示したものと同じ全体的構成および多数の要素を使用できる。図３に示すように、ＭＥＭＳ装置３００は、バルク要素３１０と、第一および第二ヒンジ要素３２１、３２２と、支持体３３０とを有している。支持体３３０はキャビティ３４０を有し、該キャビティ３４０は、基板部分３３１から延びている少なくとも２つの側壁３３３、３３５により形成されている。キャビティ３４０底面３５０を有し、該底面上には少なくとも１つの電極３４１が配置されている。
【００２４】
ＭＥＭＳ装置３００では、バルク要素３１０は、「デバイス」面（または「上」面）３１２と、該デバイス面３１２の下に配置されかつこれに対向する「下」面３１１とを有している。一例として、バルク要素３１０は、全体としてＴ型ベース部分３１５を有するものが示されている。ベース部分３１５は下面３１１から下方に延びており、バルク要素３１０に側方キャビティすなわち「空隙」３１６、３１７を形成している。図２の実施形態におけるように、第一および第二ヒンジ要素３２１、３２２の各々が、バルク要素３１０の下面３１１の直下に配置されている。この実施形態では、各ヒンジ要素３２１、３２２は、その一端がそれぞれの空隙３１６、３１７内でバルク要素３１０のベース部分３１５に連結され、かつ他端が支持体３３０のそれぞれの側壁３３３、３３５に連結されているところが示されている。このようにして、バルク要素３１０は、全体としてデバイス面３１２の直下に配置されたヒンジ要素３２１、３２２により懸架されている。
【００２５】
上記実施形態および下記の例示製造方法では、用語「バルク要素」（例えば、バルク要素１１０、２１０または３１０）とは、一般に単結晶材料からなりかつ当業界で知られたバルクマイクロマシニング技術により製造される要素をいう。例えば、上記各バルク要素１１０、２１０、３１０は、単結晶シリコン要素で形成できる。バルク要素は「デバイス」面および該デバイス面の下に位置する「下」面に特徴を有し、一方、バルク要素自体は所与の用途に適した任意の幾何学的形状にすることができる（デバイス面および下面は、必ずしも全体として対向する必要がないことは理解されよう）。バルク要素の「バルク」面は光学的反射性をもつように構成できる。バルク要素上には、光学素子（例えば、格子）をパターン化できる。また、デバイス面は、実際の用途で望むならば、バルク要素と他のデバイスとを連結する「界面」として使用することもできる。
【００２６】
また、「支持体」（例えば、支持体１３０、２３０または３３０）は、バルク要素が取付けられるフレームすなわち基板として構成できる。「ヒンジ」（または「ヒンジ要素」）は、バルク要素を支持体から懸架することを可能にしかつ更にバルク要素が運動（例えば、図１Ａおよび図１Ｂの電極１４１により引起こされる付勢機構による運動）を受けたときの復元力を付与する。図１Ａ、図２または図３に示された第一または第二ヒンジ要素は、例えば当業界で知られているバルクマイクロマシニング技術または表面マイクロマシニング技術により製造される撓みカップリングすなわちフレキシブルカップリングで形成できる。上記各実施形態には２つのヒンジ要素が示されているが、他の実施形態では、より少数または多数のヒンジ要素を設けることができる。用語「直下」とは、ヒンジ要素が、バルク要素の下面（または下）に係止され、これにより全体としてデバイス面の直下に配置されることをいう。これにより、上記実施形態に示すように、バルク要素のデバイス面を最大化することおよび全面を使用（例えば、光ビームマニピュレーションに使用）することが可能になる。
【００２７】
図４Ａ〜図４Ｆには、本発明によるＭＥＭＳ装置（例えば、図１Ａおよび図１Ｂ）の製造に使用できるプロセスフローの一例示実施形態が示されている。図４Ａは、一形態としてＳＯＩウェーハで形成された「デバイス」コンポーネント４００を示す概略側断面図であり、ＳＯＩウェーハは、単結晶シリコン「デバイス」層４１５およびシリコン「ハンドルウェーハ（handle wafer）」４１７を有し、これらの間には第一絶縁層４１６（例えば酸化ケイ素）がサンドイッチされている。単結晶シリコンデバイス層４１５は、所定厚さｄ（約５〜１００μｍに定めることができる）を有している。第一および第二ヒンジ要素４２１、４２２は、既知の態様例えば表面マイクロマシニング技術により、単結晶シリコンデバイス層４１５の第一表面４１１上で製造される。各ヒンジ要素は、例えばポリシリコン、ポリオキシド、窒化物、窒化ケイ素、酸化ケイ素、シリコンオキシニトリド（silicon oxynitride）または金属からなる薄膜で形成できる。第一および第二「犠牲」要素４２３、４２４（これらは酸化ケイ素で形成できる）は、それぞれ第一および第二ヒンジ要素４２１、４２２を形成する前に第一表面４１１上に最初にパターン化される。
【００２８】
図４Ｂは、「開端型」キャビティ４４０を含む「支持体」コンポーネント４５０を示す概略側断面図である。一例として、キャビティ４４０は、基板ウェーハ４３１と、キャビティ４４０の側壁を形成する複数のスペーサ４３３、４３５とにより形成される。キャビティ４４０内には少なくとも１つの電極４４１が配置され、該電極４４１は、例えば酸化ケイ素で作ることができる第二絶縁層４３２を介して基板ウェーハ４３１上にパターン化される。
【００２９】
ここで図４Ｃを参照すると、図４Ａで形成されたデバイスコンポーネント４００は、第一および第二ヒンジ要素４２１、４２２がキャビティ４４０内に配置（すなわち収容）されるようにして、図４Ｂの支持体コンポーネント４５０に接合される。図４Ｄに示す次の製造プロセスフロー段階では、シリコンハンドルウェーハ４１７が（第一絶縁層４１６と一緒に）除去され、これにより単結晶シリコンデバイス層４１５の第二表面４１２が露出される。
【００３０】
図４Ｅに示す次の製造プロセスフロー段階では、「バルク要素」４１０が、当業界で知られているバルクマイクロマシニング技術（例えば、ＤＲＩＥ（ディープリアクティブイオンエッチング：Deep Reactive Ion Etching）法）により、単結晶シリコンデバイス層４１５に形成される。形成されたバルク要素４１０はまた、互いに対向する第一および第二表面４１１、４１２に特徴を有している。図４Ｆに示す次の製造プロセスフロー段階では、例えば第一および第二犠牲要素４２３を除去することにより、バルク要素４１０が「解放」される。単結晶シリコンデバイス層４１５の残部、スペーサ４３３、４３５および支持ウェーハ４３１が一体支持構造体４３０を形成し、該支持構造体４３０が、図１Ａおよび図１Ｂの実施形態における支持体１３０を実質的に構成することに留意されたい（当業者ならば、第一および第二犠牲要素４２３、４２４を、より早期の段階。例えば図４Ａの段階後のいずれかの製造段階で除去することを考えることができよう）。
【００３１】
バルク要素４１０の第二表面４１２上に反射層（例えば金膜）４０２を更にめっきして、このようにして製造された装置をＭＥＭＳミラーにすることができる。第一および第二ヒンジ要素４２１、４２２は第一表面（すなわち「下」面）４１１、従ってこのようにして製造されるバルク要素４１０のほぼ「直下」に係止されるので、バルク要素４１０の第二表面（すなわち「デバイス」面）４１２が最大化されかつ全面を使用（例えば光学的反射に使用）できるようになることに留意されたい。また、第一および第二ヒンジ要素４２１、４２２をキャビティ（例えばキャビティ４４０）内に配置することにより、所与の用途で望む場合に、これらのヒンジ要素４２１、４２２を充分に長く／大きくすることができる。
【００３２】
上記プロセスフローで、図４Ａのデバイスコンポーネント４００にＳＯＩウェーハを使用することにより、バルク要素４１０の厚さの正確な制御ができ（これは、ＳＯＩウェーハの単結晶シリコンデバイス層が所定厚さｄを有することによる）、かつ操が容易になる（これは、ＳＯＩウェーハのハンドルウェーハによる）という長所が得られると同時に、ＳＯＩウェーハの介入絶縁層は便利な「エッチ・ストップ」としても機能する（例えば、ハンドルウェーハを除去するとき）。ヒンジ要素はまた、既知のバルクマイクロマシニング技術（例えば、当業界で知られているＳＣＲＥＡＭ（単結晶リアクティブエッチング／メタライゼーション：Single Crystal Reactive Etching and Metallization）法）によっても製造できる。しかしながら、ヒンジ要素が上記と同様な方法で製造される場合には、本発明のデバイスコンポーネントは、エピタキシャルシリコンウェーハまたは単結晶シリコンの単一ピースで形成することもできる。
【００３３】
図４Ｂの支持体コンポーネント４５０も、図４Ａに示したものと同じ形状のＳＯＩウェーハから同様に製造できる。一例として、ＳＯＩウェーハのシリコンデバイス層（例えば、厚さ５０〜１００μｍ）を、電極４４１と一緒にスペーサ４３３、４３５を（例えば、エッチングにより）形成するのに使用できると同時に、ハンドルウェーハは基板ウェーハ４３１として機能できる。或いは、ガラスウェーハを使用して基板ウェーハ４３１を形成し、この上に電極４４１を（例えば、既知の表面マイクロマシニング技術により）めっきしかつ（例えばシリコンで作られた）スペーサ４３３、４３５を接合することができる。図４Ｂの支持体コンポーネント４５０は、当業界で知られている適当な技術を用いて、所望材料（例えば、シリコンまたはガラスウェーハ）の単一ピースから製造することもできる。当業者ならば、本発明の支持体コンポーネントが所与の用途に適した任意の形態に構成できることは理解されよう。重要なことは、このようにして構成された支持体コンポーネントが、例えば図４Ｂに関連して説明した態様の開端型キャビティ（ヒンジ要素を収容するためのキャビティ）を形成することである。
【００３４】
図４Ａ〜図４Ｆの製造プロセスフローの他の特徴は、デバイスコンポーネント４００および支持体コンポーネント４５０が、ヒンジ要素が支持体コンポーネント４５０のキャビティ４４０内に配置（すなわち収容）されるようにして接合され（例えば図４Ｃ参照）、これにより、ヒンジ要素を、このようにして作られたバルク要素の「直下」に配置できることである。当業者ならば、必要な接合を行なうのに有効な当業界で知られている適当な方法（例えば融着または陽極酸化接合）の使用法は理解されよう。図４Ａ〜図４Ｆの実施形態における種々の要素は本発明の一般的原理を例示するのに示したものであり、従って、縮尺（例えば、幾何学的形状およびサイズ）は必ずしも正確ではないことは理解されよう。本発明の教示から、当業者ならば、本発明による適当なＭＥＭＳ装置を作るための、所与の用途における図４Ａ〜図４Ｆの製造プロセスフローの実施方法は理解されよう。
【００３５】
本発明のＭＥＭＳ装置の長所は、ヒンジ要素をバルク要素の直下に配置することにより、バルク要素のデバイス面を最大化できかつ全面を使用（例えば、光ビームマニピュレーションに使用）できるようになる。このような特徴は、高い光学的充填率をもつＭＥＭＳミラーのアレーのようなアレー型ＭＥＭＳ装置の製造に特に有利である。また、バルクマイクロマシニング技術と表面マイクロマシニング技術とを組合せて有利に使用できるようにすることにより、本発明によるＭＥＭＳミラーには、可撓性ヒンジと一緒に大きく平らなミラーが設けられ、これにより、適度の静電駆動電圧で大きい回転範囲を付与できる。本発明のＭＥＭＳ装置の他の長所は、そのモノリシック構造にあり、頑丈な作動が得られることである。これらの長所は、上記従来技術の装置に比べて顕著な対比をなす。従って、本発明は、種々の用途、例えば光学的ネットワーク用のアレー型ＭＥＭＳミラー（すなわちビームステアリングデバイス）に使用できる。
【００３６】
当業者ならば、上記例示実施形態は、本発明の一般的原理を例示するためのものであることは理解されよう。指定した機能を均等態様で遂行するための種々の手段および方法を考えることができよう。また、本発明の原理および範囲から逸脱することなく、種々の変更および代替を行なうことができる。従って、本発明の範囲は、特許請求の範囲の記載およびこれらの法的均等物により判断されるべきである。
【図面の簡単な説明】
【００３７】
【図１Ａ】本発明によるＭＥＭＳ装置の第一実施形態を示す概略側断面図である。
【図１Ｂ】本発明によるＭＥＭＳ装置の第一実施形態を示す概略平面図である。
【図２】本発明によるＭＥＭＳ装置の第二実施形態を示す概略側断面図である。
【図３】本発明によるＭＥＭＳ装置の第三実施形態を示す概略側断面図である。
【図４Ａ】本発明によるＭＥＭＳ装置を製造する例示プロセスフローを示す図面である。
【図４Ｂ】本発明によるＭＥＭＳ装置を製造する例示プロセスフローを示す図面である。
【図４Ｃ】本発明によるＭＥＭＳ装置を製造する例示プロセスフローを示す図面である。
【図４Ｄ】本発明によるＭＥＭＳ装置を製造する例示プロセスフローを示す図面である。
【図４Ｅ】本発明によるＭＥＭＳ装置を製造する例示プロセスフローを示す図面である。
【図４Ｆ】本発明によるＭＥＭＳ装置を製造する例示プロセスフローを示す図面である。
【符号の説明】
【００３８】
１００、２００、３００  ＭＥＭＳ装置
１１０、２１０、３１０  バルク要素
１１１，２１１、３１１  バルク要素の下面
１１２、２１２、３１２  バルク要素の上面（デバイス面）
１２１、２２１、３２１  第一ヒンジ要素
１２２、２２２、３２２  第二ヒンジ要素
１３０、２３０、３３０  支持体
１４０、２４０、３４０  キャビティ
１４１、２４１、３４１  電極
４００  デバイスコンポーネント
2005528638.tif 000003
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【図２】
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【図３】
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【手続補正書】
【提出日】平成17年2月14日(2005.2.14)
【手続補正１】
【補正対象書類名】特許請求の範囲
【補正対象項目名】全文
【補正方法】変更
【補正の内容】
【特許請求の範囲】
【請求項１】
ａ）光学面および該光学面の下に配置された底面を備えたバルク要素と、
ｂ）複数の側壁によって形成されたキャビティを有する支持体と、
ｃ）前記底面の下方に配置され、前記バルク要素と一対の前記側壁に直接結合され、前記バルク要素を前記支持体から吊るす第１及び第２ヒンジ要素
を有する光学要素。
【請求項２】
前記バルク要素が、単結晶シリコンを包含することを特徴とする請求項１記載の光学装置。
【請求項３】
前記光学面が、反射性を有することを特徴とする請求項１記載の光学装置。
【請求項４】
前記光学面が、反射層を有することを特徴とする請求項３記載の光学装置。
【請求項５】
前記反射層が、金、アルミニウム、銀および銅からなる群から選択された材料からなることを特徴とする請求項４記載の光学装置。
【請求項６】
前記第１及び第２ヒンジが、ポリシリコン、ポリオキシド、窒化物、窒化ケイ素、酸化ケイ素、シリコンオキシニトリド、単結晶シリコンおよび金属からなる群から選択された材料から形成されていることを特徴とする請求項１記載の光学装置。
【請求項７】
前記支持体が、シリコンで作られていることを特徴とする請求項１記載の光学装置。
【請求項８】
前記支持体が更に、前記キャビティの中に配置されて、前記バルク要素を作動させるための少なくとも一つの電極を有することを特徴とする請求項１記載の光学装置。
【請求項９】
前記側壁の各々が、内向き突出したリッジ部分を有し、前記ヒンジ要素の各々が単一の前記リッジ部分に連結されていることを特徴とする請求項１記載の光学装置。
【請求項１０】
前記各ヒンジ要素は更に、前記底面に連結されていることを特徴とする請求項９記載の光学装置。
【請求項１１】
前記バルク要素は更に、前記底面から下方に延びているベース部分を有し、各ヒンジ要素はベース部分に連結されていることを特徴とする請求項１記載の光学装置。
【請求項１２】
アレーに構成された複数のＭＥＭＳデバイスを有する光学装置において、各ＭＥＭＳデバイスが、
ｄ）光学面および該光学面の下に配置された底面を備えたバルク要素と、
ｅ）複数の側壁によって形成されたキャビティを有する支持体と、
ｆ）前記底面の下方に配置され、前記バルク要素と一対の前記側壁に直接結合され、前記バルク要素を前記支持体から吊るす第１及び第２ヒンジ要素
を有することを特徴とする光学装置。
【請求項１３】
前記バルク要素が、単結晶シリコンからなることを特徴とする請求項１２記載の光学装置。
【請求項１４】
前記第一および第二ヒンジ要素が、ポリシリコン、ポリオキシド、窒化物、窒化ケイ素、酸化ケイ素、シリコンオキシニトリド、単結晶シリコンおよび金属からなる群から選択された材料から形成されていることを特徴とする請求項１２記載の光学装置。
【請求項１５】
前記デバイス面が、光学的反射性を有することを特徴とする請求項１記載の光学装置。
【請求項１６】
前記支持体が更に、バルク要素を付勢するための、前記キャビティ内に配置された少なくとも１つの電極を有することを特徴とする請求項１２記載の光学装置。
【請求項１７】
ａ）単結晶シリコンからなるデバイスコンポーネントを用意する段階と、
ｂ）デバイスコンポーネントに少なくとも1つのヒンジを創成する段階と、
ｃ）キャビティを備えた支持体を構成する段階と、
ｄ）少なくとも1つのヒンジがキャビティ内に配置されるようにして、デバイスコンポーネントを支持体コンポーネントに接合する段階と、
ｅ）デバイス面および下面を備えたバルク要素をデバイスコンポーネント内に形成する段階とを有し、少なくとも1つのヒンジがバルク要素に連結されかつ前記下面の下に配置され、これによりバルク要素を支持体から懸架することを特徴とするＭＥＭＳ装置の製造法。
【請求項１８】
前記デバイスコンポーネントが、絶縁層をサンドイッチする単結晶シリコンデバイス層およびシリコンハンドルウェーハを備えたＳＯＩ（シリコン・オン・インシュレータ）を有し、単結晶シリコン層は第一表面を備えていることを特徴とする請求項１７記載の製造方法。
【請求項１９】
前記少なくとも１つのヒンジが、表面マイクロマシニング技術により単結晶シリコンデバイスの第一表面上に製造される第一および第二ヒンジ要素を有することを特徴とする請求項１８記載の製造方法。
【請求項２０】
前記少なくとも１つのヒンジが、バルクマイクロマシニング技術により単結晶シリコンデバイス層に創成されることを特徴とする請求項１８記載の製造方法。
【請求項２１】
前記段階ｄ）が更に、前記絶縁層と一緒にシリコンハンドルウェーハを除去し、これにより単結晶シリコンデバイス層の第二表面を露出させることを含むことを特徴とする請求項１９記載の製造方法。
【請求項２２】
前記段階ｅ）が、バルクマイクロマシニング技術を使用して単結晶シリコンデバイス層にバルク要素を形成し、これにより単結晶シリコンデバイス層の第一および第二表面がバルク要素の下面およびデバイス面を形成することを特徴とする請求項２１記載の製造方法。
【請求項２３】
前記デバイス面に光学的反射性を付与する段階を更に有することを特徴とする請求項１７記載の製造方法。
【請求項２４】
前記デバイス面には、該デバイス面上に反射層をめっきすることにより光学的反射性が付与されることを特徴とする請求項２３記載の製造方法。
【請求項２５】
前記デバイスコンポーネントが、エピタキシャルシリコンウェーハからなることを特徴とする請求項１７記載の製造方法。
【請求項２６】
前記支持体コンポーネントが、ＳＯＩウェーハから製造されることを特徴とする請求項１７記載の製造方法。
【請求項２７】
前記段階ｃ）が更に、キャビティ内に少なくとも１つの電極をめっきすることを含むことを特徴とする請求項１７記載の製造方法。
【手続補正２】
【補正対象書類名】明細書
【補正対象項目名】００２０
【補正方法】変更
【補正の内容】
【００２０】
図２は、ＭＥＭＳ装置の第二実施形態を示す概略側断面図である。一例として、ＭＥＭＳ装置２００は、バルク要素２１０と、第一および第二ヒンジ要素２２１、２２２と、支持体２３０とを有している。バルク要素２１０は、「デバイス」面（または「上」面）２１２と、該デバイス面２１２の下に配置されかつこれに対向する「下」面２１１とを有している。この実施形態では、バルク要素２１０には更に、該バルク要素の下面２１１から下方に延びているベース部分２１５を設けることができる。第一および第二ヒンジ要素２２１、２２２の各々は、デバイス面の下に配置されている。一例として、第一および第二ヒンジ要素２２１、２２２の各々は、その一端がバルク要素２１０のベース部分２１５に連結され、かつ他端が支持体２３０に連結されているところが示されている。このようにして、バルク要素２１０は、全体としてデバイス面２１２の直下に配置されたヒンジ要素２２１、２２２により懸架されている。
【国際調査報告】
2005528638.tif 000011