(57)【要約】マイクロミラー・アレイを含む反射型空間光変調器の製造。一実施の形態において、前記マイクロミラー・アレイは、2つのみの主エッチング工程によって単結晶材料である基板から作られる。第1のエッチングは、前記材料の第１の側にキャビティを形成する。第2のエッチングは、支持柱と、上下方向のヒンジと、ミラー板とを形成する。前記第1のエッチングと前記第2のエッチングとの間において、前記基板はアドレッシング/制御回路に接合されることができる。【特許請求の範囲】
【請求項１】
第1の基板の第1の側にキャビティを形成する工程と、
第2の基板の第1の側に電極を作る工程と、
前記第1の基板の第1の側を前記第2の基板の第1の側に結合する工程と、
前記第1の基板の第1の側を前記第2の基板の第1の側に結合した後に、前記第1の基板の第2の側にヒンジ、コネクタおよびミラー板を形成する工程と
を具備した空間光変調器を製造する方法。
【請求項２】
前記第1の基板は、連続した単一の材料片であることを特徴とする請求項１に記載の方法。
【請求項３】
前記第1の基板は単一結晶シリコンであることを特徴とする請求項2に記載の方法。
【請求項４】
前記第1の基板の第2の側にヒンジ、コネクタおよびミラー板を形成する前に、前記第1の基板の第2の側に反射層を蒸着する工程をさらに具備した請求項１に記載の方法。
【請求項５】
前記第1の基板の第1の側を前記第2の基板の第1の側に結合する前に、前記第2の基板の第1の側にアドレッシング／制御回路を作る工程をさらに具備した請求項１に記載の方法。
【請求項６】
第1の基板の第1の側からエッチングされるべき領域を定義する第1のマスクを生成する工程と、
前記第1のマスクによって定義される前記第1の基板の第1の側の前記領域における材料を除去する工程と、
前記第1の基板の第2の側を所定の厚みまで薄くする工程と、
前記第1の基板の第2の側に反射面を作る工程と、
前記第1の基板の第2の側からエッチングされるべき領域を定義する第2のマスクを生成する工程と、
前記第2のマスクによって定義される前記第1の基板の第2の側の前記領域における材料を除去することにより、複数のヒンジおよびミラー板を形成する工程と
を具備した空間光変調器用の複数のミラーを製造する方法。
【請求項７】
前記第1の基板の第1の側に複数のキャビティを形成するために、前記第1のマスクによって定義される前記第1の基板の領域における前記材料が除去されることを特徴とする請求項6に記載の方法。
【請求項８】
前記第1のマスクおよび第2のマスクによって定義される前記第1の基板の前記領域における材料を除去する工程が、前記第1の基板をエッチングすることからなることを特徴とする請求項6に記載の方法。
【請求項９】
前記第1のマスクによって定義される前記第1の基板の前記領域における材料を除去する工程が、ＳＦ６ガス，ＨＢｒガス、及び酸素ガスの流動による異方性イオンエッチングを行うことからなることを特徴とする請求項6に記載の方法。
【請求項１０】
前記第1の基板の第2の側を薄くする工程が、機械的な研磨、ウェットエッチングおよびプラズマエッチングからなる群から選択された処理からなることを特徴とする請求項6に記載の方法。
【請求項１１】
前記第1の基板の第2の側に反射面を作る工程が、前記第1の基板の第2の側を薄くする工程の後に、前記第1の基板の第2の側を研磨することからなることを特徴とする請求項6に記載の方法。
【請求項１２】
前記第1の基板の第2の側に反射面を作る工程が、前記第1の基板の第2の側を薄くする工程の後に、前記第1の基板の第2の側に反射材料からなる薄膜を蒸着することからなることを特徴とする請求項6に記載の方法。
【請求項１３】
複数のミラーのアレイを含む空間光変調器を製造する方法であって、
第1の基板の第1の側からエッチングされるべき領域を定義する第1のマスクを生成する工程と、
前記第1のマスクによって定義される前記第1の基板の第1の側の前記領域をエッチングすることにより、前記第1の基板の第1の側に複数のキャビティを形成する工程と、
第2の基板の第1の側に電極を作る工程と、
前記第1の基板の第1の側を前記第2の基板の第1の側に結合する工程と、
前記第1の基板の第2の側に反射面を作る工程と、
前記第1の基板の第2の側からエッチングされるべき領域を定義する第2のマスクを生成する工程と、
前記第2のマスクによって定義される前記第1の基板の第2の側の前記領域をエッチングすることにより、複数のヒンジおよびミラー板を形成する工程と
を具備した空間光変調器を製造する方法。
【請求項１４】
前記第1のマスクによって定義される前記第1の基板の第1の側の前記領域をエッチングする工程が、ＳＦ６ガス，ＨＢｒガス、及び酸素ガスの流動による異方性イオンエッチングを行うことからなることを特徴とする請求項13に記載の方法。
【請求項１５】
前記第2の基板の第1の側に電極を作る工程の前に、前記第2の基板の第1の側に制御回路を作る工程をさらに具備したことを特徴とする請求項13に記載の方法。
【請求項１６】
前記第2の基板の第1の側に制御回路を作る工程が、メモリバッファ、表示コントローラおよびパルス幅変調アレイを作る工程からなることを特徴とする請求項15に記載の方法。
【請求項１７】
前記第2の基板の第1の側に電極を作る工程が、
作られた前記制御回路を不活性化層によって覆う工程と、
前記不活性化層上に金属被覆層を蒸着する工程と、
電極を形成するパターンになるよう前記金属被覆層にパターンを形成する工程と、
前記電極を構成する材料を残すよう、前記金属被覆層をエッチングする工程と
からなることを特徴とする請求項15に記載の方法。
【請求項１８】
前記第1の基板の第1の側を前記第2の基板の第1の側に結合する前に、前記第1の基板と前記第2の基板とが結合されたときに前記第2の基板上の電極が前記第1の基板におけるミラーの偏向を制御できるよう位置決めされるよう、前記第1の基板を前記前記第2の基板と位置合わせする工程を更に具備したことを特徴とする請求項13に記載の方法。
【請求項１９】
前記第1の基板を前記前記第2の基板と位置合わせする工程が、前記第1の基板上のパターンを前記第2の基板上のパターンと位置合わせすることからなる請求項18に記載の方法。
【請求項２０】
前記第1の基板の第1の側を前記第2の基板の第1の側に結合する工程が、約摂氏500度未満で実行される低温接合法を使用することからなることを特徴とする請求項13に記載の方法。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
(関連出願)
本発明は、2002年6月19日に出願された「反射型空間光変調器」と題する米国仮特許出願第60/390,389号の優先権を主張するものであり、該米国仮特許出願の開示内容は参照用に本明細書に組み込まれている。
【０００２】
本発明は、空間光変調器（ＳＬＭ）に関し、特に、ディスプレイに応用するための電子的にアドレス可能な制御回路を備えたマイクロミラー・アレイに関する。
【背景技術】
【０００３】
空間光変調器（ＳＬＭ）は、光学情報処理、投写型ディスプレイ、ビデオ／グラフィック・モニター、テレビ、及び電子写真式印刷の分野において、広く応用されている。反射型ＳＬＭは、空間パターンで入射光を変調し、電気的又は光学的入力に対応する画像を映す装置である。該入射光は、その位相、強度、偏光、又は偏向方向を変調することができる。反射型ＳＬＭは、典型的には、入射光を反射することができる領域すなわちアドレス可能な画素（ピクセル）の二次元アレイから成る。ソース画素データは、対応する制御回路によって処理されたのち、フレーム毎に前記ピクセル・アレイに取り込まれる。
【０００４】
従来のＳＬＭには種々の欠点がある。これらの欠点としては、例えば、光学的効率を低下させる最適レベル未満の光学活性領域（装置表面積における反射部分の割合として測定される：「フィルレシオ」とも呼ばれる）、ミラーの反射率を下げる粗い反射面、ディスプレイのコントラスト比を低下させる回折、長期的な信頼性に欠ける材料の使用、及び製品のコストを上昇させる複雑な製造プロセス等がある。
【０００５】
多くの従来装置は、その表面に実質的な非反射領域を有する。これにより、フィルレシオが低くなり、反射効率も最適レベルより低くなってしまう。例えば、米国特許No.４，２２９，７３２は、ミラーに加えて、装置の表面上に形成されたＭＯＳＦＥＴデバイスを開示している。該ＭＯＳＦＥＴデバイスは表面積を取るため、光学的に活性なデバイス領域の割合を下げるとともに、反射効率を低下する。また、装置の表面上に形成されたＭＯＳＦＥＴデバイスは入射光を回折するため、ディスプレイのコントラスト比を低下させる。更に、露出したＭＯＳＦＥＴデバイスに入射する強い光は、ＭＯＳＦＥＴデバイスを帯電し且つ回路を過熱することによって、装置の正常な動作を妨げる。
【０００６】
ＳＬＭ設計の中には、粗い表面を有するものがあり、該粗い表面によっても反射効率が低下する。例えば、あるSLM設計においては、前記反射面はＬＰＣＶＴシリコン窒化層に蒸着されたアルミニウム膜である。このような反射ミラー面は蒸着された薄膜であるため、その滑らかさを制御するのは困難である。従って、最終的な製品は粗い表面を有することになり、反射効率が低くなる。
【０００７】
ＳＬＭ設計についての、特に、上から吊り下げるミラータイプの設計における、反射効率を低下させるその他の問題としては、大きく露出したヒンジの表面領域が挙げられる。このように大きく露出したヒンジの表面領域は、ヒンジの上部に設けた厚板（典型的には、タングステンにより形成される）によって覆うことにより、入射光の散乱を防止する必要がある。このような厚板は光学活性領域を大幅に減少させ、反射効率を低下させる。
【０００８】
米国特許No.４，５６６，９３５に開示されたＳＬＭのような、従来のＳＬＭの多くは、アルミニウム合金製のヒンジを有する。アルミニウムは、他の金属と同様に、長期的な信頼性の問題につながりうる疲労や塑性変形を起こしやすい。また、アルミニウムは、静止位置から最も頻繁に占める位置へ傾き始めるというセル"メモリ"作用を起こしやすい。更に、上記特許No.４，５６６，９３５に開示されたミラーは、ミラー面の下部を切り取ることにより外される。この方法では、取り外しの際に、繊細なマイクロミラー構造を破損することが多い。また、ミラー間に広い間隔を必要とするため、光学的に活性な装置領域の割合を下げることになる。
【０００９】
したがって、反射効率を向上でき、長期的な信頼性を実現でき、製造プロセスを簡略化できるSＬＭが求められている。
【発明の開示】
【００１０】
本発明は、空間光変調器（ＳＬＭ）に関する。一実施の形態において、ＳＬＭは、個々にアドレス可能な電極を有する第２基板に接合された第１基板から形成される選択的に偏向可能な反射型マイクロミラー・アレイを有する。前記第２基板は、前記マイクロミラー・アレイのためのアドレッシング／制御回路を有する。代案として、前記アドレッシング／制御回路の一部が、別の基板上に形成され、前記第２基板上の回路及び電極に結合されてもよい。
【００１１】
前記マイクロミラー・アレイは、入射光を反射する反射面を有する制御可能に偏向可能なミラー板を供えている。該ミラー板は、コネクタによって上下方向ヒンジに結合され、該ヒンジは、支持柱によってスペーサ壁部に結合される。前記ミラー板、コネクタ、上下方向ヒンジ、支持柱、及びスペーサ壁部はそれぞれ第１基板から形成される。この第１基板は、単一材料から成るウェーハであって、一実施の形態において該単一材料は単結晶材料である。前記スペーサ壁部は、前記ミラー板と、それに対応し該ミラー板の偏向を制御する電極とを離隔するものであり、前記マイクロミラー・アレイに接合された第２基板上に位置する。ミラー板を相互に密接して配置し、ヒンジを上下方向に配置することにより、反射面のマイクロミラー・アレイに対するフィルレシオが非常に高くなる。マイクロミラー・アレイを透過し、第２基板に入射する光は殆ど無い。
【００１２】
空間光変調器は、数少ないステップによって形成できるため、製造コストを下げることができるとともに、製造工程の複雑さを解消できる。第１基板の第１側面にはキャビティを形成する。一実施の形態において、これは1回の異方性エッチングによって行われる。同時に、電極及びアドレッシング／制御回路を第２基板の第１側面に形成する。第１基板の第１側面は、第２基板の第１側面に接合する。これらの側面は、第２基板上の電極が、該電極によって制御されるミラー板に対して適切な関係を有するよう、位置合わせされる。第１基板の第２側面は所望の厚さまで薄く加工される。任意に、第１基板の第２側面上に反射材料の層を蒸着してもよい。２回目の異方性エッチングにより、支持柱、上下方向方向ヒンジ、及びコネクタが形成され、ミラー板が第１基板の第２側面から解放される。従って、メインエッチングを２回行うだけで空間光変調器を製造することができる。
【００１３】
【００１４】
【００１５】
【００１６】
【００１７】
【００１８】
【００１９】
【００２０】
【００２１】
【００２２】
【００２３】
【００２４】
【００２５】
【００２６】
【００２７】
【発明を実施するための最良の形態】
【００２８】
反射型空間光変調器（「ＳＬＭ」）１００は、偏向可能なミラー２０２から成るアレイ１０３を有する。各ミラー２０２は、ミラーとそれに対応する電極１２６との間に電圧バイアスを印加することにより選択的に偏向することができる。各ミラー２０２の偏向により、光源からビデオディスプレイに反射する光を制御する。従って、ミラー２０２の偏向を制御することにより、該ミラー２０２に入射する光を選択された方向に反射することができ、その結果、ビデオディスプレイにおけるピクセルの状態を制御することができる。
空間光変調器の概要
【００２９】
図１は、本発明の一実施の形態に係るＳＬＭ１００の概略構成を示す図である。図示された実施の形態において、ＳＬＭ１００は３つの層を有する。第１層は、偏向可能な複数のマイクロミラー２０２から成るミラー・アレイ１０３である。一実施の形態において、マイクロミラー・アレイ１０３は、単結晶シリコン等の単一材料の第１基板１０５から作られる。
【００３０】
第２層は、マイクロミラー２０２を制御するための複数の電極１２６を備えた電極アレイ１０４である。各電極１２６はマイクロミラー２０２に対応付けられ、該マイクロミラー２０２の偏向を制御する。アドレッシング回路により、対応付けられた特定のマイクロミラー２０２を制御するための１個の電極１２６を選択することができる。
【００３１】
第３層は、制御回路１０６から成る１つの層である。制御回路１０６は、選択した電極に印加される電圧を制御回路１０６が制御できるようにするアドレッシング回路を有する。これにより、制御回路１０６は、ミラー・アレイ１０３のミラー２０２の偏向を、電極１２６を介して制御することができる。典型的には、制御回路１０６は、ディスプレイ制御装置１０８、ラインメモリ・バッファ１１０、パルス幅変調アレイ１１２、及びビデオ信号１２０及びグラフィック信号１１０用の入力装置を更に備える。マイクロコントローラ１１４、光学制御回路１１６、及びフラッシュメモリ１１８を制御回路１０６に外付けしてもよいし、又は他の実施の形態において、制御装置１０６内に設けてもよい。各種実施の形態において、制御回路１０６の上記構成要素のいくつかを省略してもよいし、別途設けた基板上に形成して制御回路１０６に接続してもよい。又は、他の構成要素を制御回路１０６の要素として追加してもよいし、制御回路１０６に接続してもよい。
【００３２】
一実施の形態において、第２層１０４及び第３層１０６の双方は、半導体製造技術を用いて単一の第２基板１０７上に形成する。つまり、第２層１０４は、必ずしも第3層106から離れた上方に形成するものではない。むしろ、「層」という語は、空間光変調器１００の種々の部分を概念化するためのものである。例えば、一実施の形態においては、電極から成る第２層１０４は制御回路１０６の第３層の上面に形成され、これらは双方とも単一の第２層１０７上に形成される。つまり、一実施の形態において、電極１２６、ディスプレイ制御装置１０８、ラインメモリ・バッファ１１０、及びパルス幅変調アレイ１１２は全て単一の基板上に形成される。制御回路１０６のいくつかの機能要素を同じ基板上に一体的に設けることにより、ディスプレイ制御装置１０８、ラインメモリ・バッファ１１０、及びパルス幅変調アレイ１１２が別個の基板上に形成された従来の空間光変調器に比較して、データ転送速度を向上させることができる。更に、電極アレイ１０４から成る第２層１０４及び制御回路１０６から成る第３層を単一の基板上に形成することにより、簡易で安価な製造が可能となり、最終製品を小型化することができる。
【００３３】
層１０３、１０４、及び１０６を形成したのち、それらを接合してＳＬＭ１００を形成する。ミラー・アレイ１０３から成る第１層は、第２及び第３層１０４、１０６を覆う。ミラー・アレイ１０３を構成するミラー２０２の下方の領域により、第１層１０３の下方における電極１２６、アドレッシング／制御回路１０６のためのスペースの大きさが決定される。ミラー・アレイ１０３を構成するマイクロミラー２０２の下方には、電極１２６、ならびに、ディスプレイ制御装置１０８、ラインメモリ・バッファ１１０及びパルス幅変調アレイ１１２を形成する電子的構成要素を取り付けるための制限された空間が存在する。本発明では、微小な形状を形成することができる技術（以下、詳述する）、例えば、０．１８ミクロンのフィーチャー(すなわち、設計に現れる線や隙間のこと)を形成する処理や、０．１３ミクロン以下のフィーチャーを形成する処理を用いている。従来の空間光変調器は、そのような微小なフィーチャーの形成が不可能な製造処理により製造されている。典型的には、従来の空間光変調器は、約１ミクロン以上にしかフィーチャーサイズを小さくできない製造処理によって製造されている。このように、本発明によれば、より多くのトランジスタ等の回路デバイスを、ミラー・アレイ１０３を構成するマイクロミラーの下方の限られた空間に形成することができる。これにより、ディスプレイ制御装置１０８、ラインメモリ・バッファ１１０、及びパルス幅変調アレイ１１２等の構成要素を、電極１２６と同じ基板上に一体的に形成することができる。電極１２６と同じ基板１０７上に制御回路１０６を設けることにより、ＳＬＭ１００の性能が向上する。
【００３４】
他の実施の形態において、電極１２６及び制御回路の構成要素を様々に組み合わせたものを別個の基板上に形成し、電気的に接続することも可能である。
ミラー
【００３５】
図２ａは、１枚のマイクロミラー２０２を示す斜視図である。一の好適な実施の形態において、マイクロミラー２０２は、単結晶シリコン等の単一材料から成るウェーハから形成される。よって、この実施の形態の第１基板１０５は、単結晶シリコンから成るウェーハである。マイクロミラー２０２を単一材料のウェーハから形成することにより、マイクロミラー２０２の製造工程を大幅に簡略化することができる。更に、単結晶シリコンを研磨することにより、蒸着された膜の表面よりも大幅に滑らかな表面粗さを有する鏡面を形成することができる。単結晶シリコンから形成したマイクロミラー２０２は機械的に剛性であるため、好ましくない鏡面の撓みや歪みを防止することができ、単結晶シリコンから形成したヒンジも耐久性に富み、フレキシブルで、信頼性が高い。他の実施の形態において、単結晶シリコンの代わりに他の材料を用いることも可能である。一例として、他の種類のシリコン（例えば、ポリシリコンやアモルファスシリコン等）によってマイクロミラー２０２を形成することもできるし、マイクロミラー２０２全体を金属（例えば、アルミニウム合金やタングステン合金等）から形成することもできる。
【００３６】
マイクロミラー２０２は、上端ミラー板２０４を有する。このミラー板２０４はマイクロミラー２０２の１部分として形成されており、マイクロミラー２０２とそれに対応する電極１２６との間に電圧バイアスを印加することにより選択的に偏向される。一実施の形態において、この偏向可能なミラー板２０４は略正方形であり、約１５ミクロン・約１５ミクロンの２２５平方ミクロンでの面積を有する。但し、形状及び大きさはこれに限られない。一の好適な実施の形態において、マイクロミラー・アレイ１０３の表面積の大部分は、マイクロミラー２０２のミラー板２０４によって占められている。
【００３７】
ミラー板２０４は、光源からの光をミラー板２０４の偏向によって決まる角度で反射する反射面を有する。この反射面は、マイクロミラー２０２の材料と同じ材料から形成することができ、この場合、ミラー板２０４の表面を、所望の反射率を実現できる平滑度まで研磨する。若しくは、マイクロミラー２０２の形成後に、アルミニウム等の反射材料の層を、ミラー板２０４の表面に付加してもよい。一の好適な実施の形態では、マイクロミラー・アレイ１０３の表面積の大部分が、マイクロミラーのミラー板２０４によって占められており、ミラー板２０４は反射面を有しているため、マイクロミラー・アレイ１０３の表面積の大部分は反射性であり所定の角度で光を反射することができる。よって、ＳＬＭ１００は高いフィルレシオを有し、効率よく入射光を反射できる。
【００３８】
ミラー板２０４は、コネクタ２１６によってねじりバネ・ヒンジ２０６に連結されている。ねじりバネ・ヒンジ２０６は、ねじりバネ・ヒンジ２０６を所定の位置に保持するスペーサ支持フレーム２１０に連結されている。なお、他のばね、ならびに、ミラー板２０４、ねじりバネ・ヒンジ２０６、及びスペーサ支持フレーム２１０間を連結するための他の連結方式が使用されてもよい。マイクロミラー２０２とそれに対応する電極１２６との間に電圧を印加することにより静電力等の力がミラー板２０４に加えられると、ねじりバネ・ヒンジ２０６により、ミラー板２０４がスペーサ支持フレーム２１０に対して、スペーサ支持フレーム２１０の壁の間の軸を中心として回転することができる。このように回転することにより、所望の方向に光を反射するための角度偏向が可能となる。一実施の形態において、上記回転は、ヒンジの長軸と略同一線上の軸を中心に行われる。一の好適な実施の形態では、ねじりバネ・ヒンジ２０６は、「上下方向に」配置されている。すなわち、ねじりバネ・ヒンジ２０６は、ヒンジの奥行き（ミラー板２０４の表面に直交する）よりも小さい幅２２２を有する。該ヒンジの幅は、典型的には０．１ミクロンから０．５ミクロンであり、一実施の形態では約０．２ミクロンである。ヒンジを上下方向に配置することにより、ミラー・アレイ１０３の表面の非反射領域を最小にすることができ、高いフィルレシオを維持することができる。また、1つの好ましい実施の形態において、
【００３９】
スペーサ支持フレーム２１０は、ミラー板２０４が下方の電極やその他の回路と接触せずに下方に偏向できるように、ミラー板２０４を電極やアドレッシング回路から離隔するものである。一実施の形態において、スペーサ支持フレーム２１０は、通常はスペーサ支持部と別体ではない構成要素であるスペーサ壁部を有する。該壁部は、スペーサ支持フレーム２１０の高さを規定する。スペーサ支持フレーム２１０の高さは、ミラー板２０４と電極１２６との間の所望の分離程度及び電極の形状設計に基づき選択される。スペーサ支持フレーム２１０の高さが大きくなるほど、ミラー板２０４のより大きな偏向およびより大きな最大偏向角度が可能になる。より大きな偏向角度は、コントラスト比の向上を実現する。一実施の形態において、ミラー板２０４の最大偏向角度は２０度である。また、スペーサ支持フレーム２１０はねじりバネ・ヒンジ２０６を支持し、ミラー板２０４をマイクロミラー・アレイ１０３の他のミラー板２０４から離隔する。スペーサ支持フレーム２１０は、スペーサ壁部の幅２１２を有しており、ミラー板２０４とスペーサ支持フレーム２１０との間の隙間に挿入されるこの幅２１２は、隣接するマイクロミラー２０２のミラー板２０４間の間隔と等しくなる。一実施の形態では、スペーサ壁部の幅２１２は、０．５ミクロン以下である。これにより、ミラー板２０４は相互に密接して配置され、ミラー・アレイ１０３のフィルレシオが高くなる。
【００４０】
いくつかの実施の形態において、マイクロミラー２０２は、ミラー板２０４が所定角度下方に偏向した時点で、該ミラー板２０４の偏向を停止する要素を備える。典型的には、これらの要素は、動作ストッパと着地先端部とから成る。ミラー板２０４が偏向すると、ミラー板２０４上の動作ストッパが着地先端部に接触する。これにより、ミラー板２０４がそれ以上偏向できなくなる。この動作ストッパ及び着地先端部としては、いちくつかの構成が可能である。一実施の形態では、着地先端部をスペーサ支持フレーム２１０のヒンジ側とは反対側に形成する。ミラー板２０４の最大傾斜角度は、ミラー板２０４の下方への機械的動作を止めるスペーサ支持フレーム２１０上の着地先端部によって限定される。最大傾斜角度を一定にすることにより、所定の方向に入射角度を反射するよう空間光変調器１００を制御する処理を簡略化することができる。
【００４１】
他の一実施の形態において、着地先端部は、電極１２６とともに第２基板１０７上に形成される。この実施の形態の着地先端部は、ミラー板２０４と電極１２６との間の短絡を防止するため、二酸化シリコン等の絶縁体から形成することができる。この実施の形態におけるミラー板２０４の最大傾斜角度は、ミラー板２０４が第２基板１０７上の着地先端部に接触する角度によって限定される。スペーサ支持フレーム２１０の高さがこの角度に影響し、スペーサ支持フレーム２１０が高くなるほど、角度が大きくなる。第２基板１０７上の着地先端部は、実際に接触する全表面積を少なくするような突起として形成することができる。該突起は、接触時の溶着を避けるため、ミラー板２０４と同じ電位に維持することができる。
【００４２】
更に他の実施の形態において、ミラー板２０４とヒンジ２０６との間の隙間は、ミラー板２０４が所定の角度まで傾けたとき、ヒンジ２０６近傍のミラー板２０４の角部がヒンジ２０６の端部に接触して機械的ストッパとして機能するよう、精確に形成されている。これは、ミラー板２０４に連結されたヒンジ２０６の部分がミラー板２０４とともに偏向する一方、スペーサ支持フレーム２１０近傍のヒンジ２０６の部分は比較的偏向しない状態に維持されるからである。例えば、ねじりバネ・ヒンジ２０６の高さが１ミクロンである場合、スペーサ支持フレーム２１０とねじりバネ・ヒンジ２０６との間に０．１３ミクロンの隙間を形成すれば、ミラー板２０４の最大傾斜角度が１５度になる。
【００４３】
一の好適な実施の形態において、上記動作ストッパと着地先端部は双方とも、マイクロミラー２０２と同じ材料から成り、第１基板１０５から形成される。従って、該材料が単結晶シリコンである実施の形態においては、動作ストッパと着地先端部を、機能的な寿命が長く、ミラー・アレイ１０３の寿命を長くできる硬質の材料から形成する。また、単結晶シリコンは硬質材料であるため、動作ストッパと着地先端部は、接触面積を小さく形成でき、付着力を大幅に減少させ、ミラー板２０４が自由に偏向できるようになる。また、これは、動作ストッパと着地先端部が同じ電位に維持されることを意味し、これらが異なる電位にある場合に溶接や電荷注入処理で起こり得る付着を防止することができる。
【００４４】
図２ｂは、支持壁部２１０、ミラー板２０４、ねじりバネ・ヒンジ２０６、及びコネクタ２１６を含む1枚のマイクロミラー２０２の下部を示す斜視図である。
【００４５】
図３ａは、９枚のマイクロミラー２０２−１〜２０２−９を有するマイクロミラー・アレイ１０３の上面と側面を示す斜視図である。図３ａは、３列と３行の計９枚のマイクロミラー２０２を示しているが、マイクロミラー・アレイ１０３を他のサイズにすることもできる。典型的には、各マイクロミラー２０２は、ビデオディスプレイ上の１ピクセルに対応する。従って、マイクロミラー・アレイ１０３のマイクロミラー２０２が多くなるほど、ビデオディスプレイのピクセルも多くなる。マイクロミラー・アレイ１０３のねじりバネ・ヒンジ２０６は全て、一方向に沿って並列に配置されているため、光源は、一方向にマイクロミラー・アレイ１０３のマイクロミラー２０２に導かれ、ビデオディスプレイ上に映像を形成するように反射される。
【００４６】
図３ａに示すように、マイクロミラー・アレイ１０３の表面は高いフィルレシオを有する。すなわち、マイクロミラー・アレイ１０３の表面の大部分は、マイクロミラー２０２のミラー板２０４の反射面から構成される。マイクロミラー・アレイ１０３の殆どの部分は非反射面ではない。図３ａに示すように、マイクロミラー・アレイ１０３の表面の非反射部分は、マイクロミラー２０２の反射面の間の領域である。例えば、マイクロミラー２０２−１及び２０２−２との間の領域の幅は、スペーサ壁部の幅２１２と、ミラー２０２−１及び２０２−２のミラー板２０４とスペーサ支持フレーム２１０との隙間の幅の合計によって決まる。該隙間とスペーサ壁部の幅２１２は、当該製造技術によってサポートされるフィーチャー(設計に現れる線や隙間を意味する)サイズまで小さくすることができる。従って、一実施の形態では隙間を０．２ミクロンに形成し、別の実施の形態では隙間を０．１３ミクロンに形成する。半導体製造技術はより小さなフィーチャーサイズを可能にするので、スペーサ支持フレーム２１０及び上記隙間のサイズを小さくし、より高いフィルレシオを実現することができる。図３ｂは、図３ａのマイクロミラー・アレイ１０３の1枚のマイクロミラー２０２を更に詳しく示す斜視図である。本発明の実施の形態では、８５％、９５％、若しくはそれ以上のフィルレシオが実現できる。
【００４７】
図４ａは、図３のマイクロミラー・アレイ１０３の底面及び側面を示す斜視図である。同図に示すように、マイクロミラー２０２のスペーサ支持フレーム２１０は、ミラー板２０４の下方にキャビティを形成する。これらのキャビティにより、ミラー板２０４が下方に偏向するためのスペースが形成されるとともに、電極１２６が形成された第２層１０４及び／又は制御回路１０６が形成された第３層を配置するための大きな領域をミラー板１０４の下方に確保できる。図４ｂは、図４ａのマイクロミラー・アレイ１０３の１枚のマイクロミラー２０２を示す斜視図である。
【００４８】
図５ａは、図３ａ及び４ａに示す９枚のマイクロミラー２０２−１〜２０２−９を有するマイクロミラー・アレイ１０３の上面図である。例えば、マイクロミラー２０２−１について、図５ａは、ミラー板２０４、スペーサ支持フレーム２１０、ねじりバネ・ヒンジ２０６、及び、ミラー板２０４をねじりバネ・ヒンジ２０６に連結させるコネクタ２１６を示している。また、図５ａから、図３ａを参照して上述したように、マイクロミラー・アレイ１０３が高いフィルレシオを有することが明らかである。マイクロミラー・アレイ１０３の表面の大部分は、マイクロミラー２０２−１〜２０２−９の反射面から構成される。図５ａから、反射ミラー板２０４の領域及び各ミラー板２０４の反射面の間の領域により、フィルレシオがどのように決まるかが明らかである。一実施の形態において、各ミラー板２０４の反射面の間の領域の大きさは、製造処理のフィーチャーサイズのリミットによって制限される。これにより、ミラー板２０４とスペーサ支持フレーム２１０との間の隙間をどのくらい小さく形成できるか、また、スペーサ支持フレーム２１０をどのくらい厚く形成できるかが決まる。なお、図２に示されているマイクロミラー２０２は、それ自身のスペーサ支持フレーム２１０を有するように説明したが、マイクロミラー、例えば、マイクロミラー２０２−１及び２０２−２のように隣接したマイクロミラーの間には、２つのスペーサ支持フレーム２１０を互いに当接させて設けるのではなく、物理的なスペーサ支持フレームを１つだけ設けるのが一般的である。図５ｂは、図５ａのマイクロミラー・アレイ１０３の１枚のマイクロミラー２０２を詳しく示す斜視図である。
【００４９】
図６ａは、図３〜５に示したように９枚のマイクロミラー２０２−１〜２０２−９を有するマイクロミラー・アレイ１０３の底面図である。図６ａは、スペーサ支持フレーム２１０の底面と、スペーサ支持フレーム２１０、ねじりバネ・ヒンジ２０６、及びコネクタ２０６の底面を示す。多くの実施の形態において、ミラー板２０４の下方の領域は、電極１２６及び制御回路１０６を最適に設計及び配置するのに十分であって、任意のミラー着地先端部を収容するのに十分なスペースを確保できる大きさに形成される。図６ｂは、図６ａのマイクロミラー・アレイ１０３の１枚のマイクロミラー２０２を詳しく示す斜視図である。
【００５０】
図５ａ及び６ａに示すように、ミラー板２０４に対して法線状に入射する光の殆どは、マイクロミラー・アレイ１０３を透過せず、従って、マイクロミラー・アレイ１０３の下方にある電極１２６又は制御回路１０６に達しない。これは、スペーサ支持フレーム２１０、ねじりバネ・ヒンジ２０６、コネクタ２１６、及びミラー板２０４が、マイクロミラー・アレイ１０３の下方にある回路を、ほぼ完全に覆っているからである。また、スペーサ支持フレーム２１０は、マイクロミラー・アレイ１０３の下方にある回路からミラー板２０４を離隔するため、ミラー板２０４に対して直交でない角度で進みミラー板２０４を透過する光は、スペーサ支持フレーム２０４の壁部に当たりやすく、従って、マイクロミラー・アレイ１０３の下方の回路には達しにくい。マイクロミラー・アレイ１０３に入射する強い光の殆どは回路に達しないため、ＳＬＭ１００は、回路に当たる強い光によって起こる問題を回避できる。このような問題としては、例えば、入射光が回路を加熱する問題や、入射光の光子が回路要素を帯電させたりする問題が挙げられ、これらの問題は回路の故障を生じるおそれがある。
【００５１】
図３〜６において、マイクロミラー・アレイ１０３の各マイクロミラー２０２は、それぞれ同じ側にねじりバネ・ヒンジ２０６を有する。他の実施の形態では、マイクロミラー・アレイ１０３のそれぞれのマイクロミラー２０２が、異なる側にねじりバネ・ヒンジ２０６を有してもよい。例えば、図３ａを参照すると、マイクロミラー２０２−１及び２０２−３は、図示のように同じ側にねじりバネ・ヒンジ２０６を設ける。一方、マイクロミラー２０２−２は、マイクロミラー２０２−１及び２０２−３のねじりバネ・ヒンジ２０６と直交するよう、異なる側にねじりバネ・ヒンジ２０６を設ける。これにより、マイクロミラー２０２−１及び２０２−２のミラー板２０４を互いに異なる方向に偏向させることができ、マイクロミラー・アレイ１０３全体に対して、1つ以上の制御自由度を与えることができる。この実施の形態においては、２つの光源（例えば、異なる色がついた光から成る光源）をマイクロミラー・アレイ１０３に向け、マイクロミラー・アレイ１０３のマイクロミラー２０２によって個別に選択的に方向変換され、ビデオディスプレイ上に画像を形成する。この実施の形態では、複数のマイクロミラー２０２を用いて、複数の光源からの光を、ビデオディスプレイにおける同一のピクセルに反射することができる。例えば、２色の光源をそれぞれ異なる方向に沿ってマイクロミラー・アレイ１０３に向け、マイクロミラー・アレイ１０３によって反射し、ビデオディスプレイ上に多色画像を形成することができる。第１の側にねじりバネ・ヒンジ２０６を設けたマイクロミラー２０２−１及び２０２−３は、第１光源のビデオディスプレイへの反射を制御する。第２の側にねじりバネ・ヒンジ２０６を設けたマイクロミラー２０２−２は、第２光源のビデオディスプレイへの反射を制御する。
【００５２】
図７ａは、本発明の別の実施の形態に係るマイクロミラー７０２を示す斜視図である。本実施の形態のねじりバネ・ヒンジ２０６は、スペーサ支持フレーム２１０に対して対角線上に配置されており、ミラー板２０４を２つの部分又は側、つまり第１の側７０４及び第２の側７０６に分割する。２つの電極126がマイクロミラー７０２に対応付けられている。すなわち、一方の電極１２６は第１の７０４に対応し、他方の電極126は第２の側７０６に対応する。これにより、第１の側７０４及び第２の側７０６のいずれも、その下方にある電極１２６の一方に取り付けられ、下方に回動することが可能になり、図２〜６に示すマイクロミラーに比較して、同じスペーサ支持フレーム２１０の高さに関して、図２〜６に示すマイクロミラーに比較して、より広い範囲の角運動を実現することができる。図７ｂは、マイクロミラー７０２を更に詳しく示す図であり、ミラー板２０４、ねじりバネ・ヒンジ２０６、及びスペーサ支持フレーム２１０を示す。図７ｃ及び７ｄは、１枚のマイクロミラー７０２の下面を示す図であり、マイクロミラーの内側角部を更に詳しく示したものである。他の実施の形態では、ヒンジ２０６を、対角線上ではなく、ミラー板２０４の側面の１つに対して平行に設け、ミラー板２０４を２つの部分７０４及び７０６に分割するように位置決めしてよい。
【００５３】
図８ａ及び８ｄは、図７ａ〜７ｄに示したような複数のマイクロミラー７０２から成るマイクロミラー・アレイの様々な斜視図である。図８ａ及び８ｂは、マイクロミラー７０２の上面を示した図であり、マイクロミラー・アレイの１枚のマイクロミラー７０２を更に詳しく示したものである。図８ｃ及び８ｄは、マイクロミラー７０２の下面を示した図であり、マイクロミラー・アレイの１枚のマイクロミラー７０２を更に詳しく示したものである。
空間光変調器の製造
【００５４】
図９ａは、空間光変調器１００の製造方法の一実施の形態を示すフローチャートである。図９ｂ及び９ｇは、空間光変調器１００の製造方法を更に詳しく示すブロック図である。要約すると、マイクロミラー２０２の一部を、第１基板１０５に形成する。これとは別に、電極、アドレッシング回路、および制御回路のうちの一部又は全てが、第２基板１０７上に形成される。次に、第１基板１０５及び第２基板１０７を接合する。第１基板１０５を薄く加工したのち、リソグラフィ及びエッチング工程を行った後、マイクロミラー２０２の製造が完了する。パッケージングを含む最終工程により空間光変調器１００が完成する。一実施の形態では、マイクロミラー・アレイ１０３を、異方性ドライエッチング方法を用いて単結晶シリコンのウェーハから形成し、マイクロミラー・アレイ１０３を形成する際にはエッチングを２回だけ行い、標準的なＣＭＯＳ技術を用いて回路を形成する。これにより、簡易で安価な方法によりＳＬＭ１００を製造することができる。
【００５５】
従来の空間光変調器は、エッチング、構造層の蒸着、犠牲層の蒸着及び剥離等を含む表面マイクロ・マシニング技術によって製造されている。このような従来のＭＥＭＳ製造技術は、歩留まりが低く、均一性に欠け、約1ミクロン以上のフィーチャーサイズしか実現できないという欠点がある。これに対して、本発明の一実施の形態では、犠牲層を含まない半導体製造技術を用いるため、歩留まりが高く、０．１３ミクロン以下のフィーチャーサイズを実現することができる。
【００５６】
図９ａを参照すると、第１のマスクを９０２で生成し、マイクロミラー２０２を部分的に形成する。このマスクは、スペーサ支持フレーム２１０及び支持柱２０８を形成するマイクロミラー・アレイ１０３の下部のキャビティを形成するために、第１の基板１０５の一側部からエッチングされることになるものを形成する。写真平板技術等の標準的な技術を用いて第１基板上にマスクを設けることができる。上記のように、一実施の形態では、マイクロミラー２０２を単結晶シリコン等の単一材料から形成する。よって、一実施の形態では、第１基板１０５は、単結晶シリコンのウェーハである。なお、典型的には、多数のＳＬＭ１００で用いる多数のマイクロミラー・アレイ１０３は単一のウェーハ上に形成され、後で分割される。マイクロミラー・アレイ１０３を作るために形成された構造は、典型的には、ＣＭＯＳ回路におけるフィーチャーよりも大きいため、ＣＭＯＳ回路を製造するための公知技術を用いてマイクロミラー・アレイ１０３構造を比較的簡易に形成できる。図９ｂは、製造前の第１基板を示す側面図である。第１基板１０５は、マイクロミラー・アレイ１０３が形成される材料であるデバイス層９３８、絶縁酸化層９３６、及び操作基板９３４を備える。図９cは、上部にマスクを形成した第１基板１０５を示す側面図である。
【００５７】
９０２においてマスクが生成された後、一実施の形態では、９０４において第１基板１０５に対して異方性イオンエッチングを行い、ミラー板２０４の下方にキャビティを形成する。すなわち、マイクロミラー２０２全てついて、第１基板に「井戸(ウェル)」を形成する。異方性イオンエッチング以外の方法、例えば、ウェットエッチング方法やプラズマエッチング方法を用いてキャビティ又は「井戸」を形成してもよい。図９ｄは、キャビティをエッチングした第１基板１０５を示すブロック図である。
【００５８】
ミラー板２０４の下方にキャビティを形成するのとは別に、９０６において電極１２５及び制御回路１０６を第２基板１０７上に形成する。第２基板１０７には、クォーツ等の透明材料や、他の材料を用いることができる。第２基板をクォーツとした場合、トランジスタは、結晶シリコンと対照的なポリシリコン(多結晶シリコン)から形成することができる。９０６では、標準的なＣＭＯＳ製造技術を用いて回路を形成する。例えば、一実施の形態では、９０６で第２基板１０７上に形成された制御回路１０６は、メモリ・セルのアレイ、ロー・アドレス回路、及びコラム・データ・ローディング回路を含む。アドレッシング機能を実行する電気回路を作るには種々の方法がある。一般的に知られているＤＲＡＭ、ＳＲＡＭ、及びラッチデバイスは全て、アドレッシング機能を実行できる。ミラー板２０４領域は、半導体規模では比較的大きいため（例えば、ミラー板２０４は２２５平方ミクロンの面積を有する）、マイクロミラー２０２の下方に複雑な回路を形成することができる。考えられる回路としては、限定的なものではないが、時間系列のピクセル情報を記憶する記憶バッファ、電極１２６を様々な電圧レベルで駆動することによりミラー板２０４と電極１２６との分離距離の不均等を補償する離隔するための回路、及びパルス幅変調を行う回路等である。
【００５９】
上記制御回路１０６は、酸化シリコンや窒化シリコン等の不活性化層または保護層(パッシベーション層)によって覆われる。次にメタライゼイション層を蒸着する。このメタライゼイション層は、一実施の形態において、電極１２６およびバイアス／リセット・バスを形成するために、パターニング処理及びエッチング処理を受ける。電極１２６は、製造中に、そのうちの１以上の電極１２６が各マイクロミラー２０２対応するように配置される。第１基板１０５と同様、典型的には、多数のＳＬＭ１００に用いる複数組の回路は、９０６において第２基板１０７上に形成した後で分割される。
【００６０】
次に、９１０において第１及び第２の基板を接合する。第１基板１０５のキャビティが形成されている側は、第２基板１０７の電極が形成されている側に接合される。第２基板１０７上の電極がマイクロミラー・アレイ１０３のマイクロミラー２０２の偏向を制御するのに適切な位置に配置されるように、第１基板１０５及び第２基板１０７が位置合わせされる。一実施の形態において、第１基板１０５及び第２基板１０７は、第１基板１０５上のパターンを第２基板１０７上のパターンに位置合わせすることにより、二重焦点顕微鏡を用いて光学的に位置合わせされ、陽極又は共晶接合等の低温接合方法により接合される。製造ステップ９０６については、多くの他の実施の形態が考えられる。例えば、熱可塑性プラスチック又は誘電スピン・グラス接合材料を用いることにより、第１基板１０５及び第２基板１０７を熱機械的に接合することができる。図９ｅは、接合された第１基板１０５及び第２基板１０７を示す側面図である。
【００６１】
第１基板１０５及び第２基板１０７を接合した後、エッチングしていない第１基板１０５を９１２において所望の厚さまで薄くする。まず、図９ｆに示すように、典型的には研削やエッチングによって操作基板９３４を除去する。次に酸化層９３６を除去する。そして、必要に応じてデバイス層９３８を薄く加工するか研磨する。一実施の形態では、第１基板１０５を機械的に研磨することにより、形成された「井戸」の底部と第１基板１０５の反対側の面との間の厚さ、即ちマイクロミラー２０２の所望の厚さに近い厚さまで第１基板１０５を薄くする。一実施の形態では、機械的研磨によって得た厚さは、約５ミクロンである。次に、機械的なファイン・ポリッシング(微細研磨)又は化学的研磨により、第１基板１０５を形成された「井戸」の底部と第１基板１０５の反対側の面との間の厚さにする。この厚さは、マイクロ板２０４厚さを規定する。一実施の形態では、この所望の厚さは、約１ミクロン以下である。図９ｇは、第１基板１０５を薄くした後に接合された第１基板１０５及び第２基板１０７を示す側面図である。
【００６２】
次に、マイクロミラー２０２の反射面を形成する。これは、第１基板１０５の表面が反射可能になるよう、第１基板１０５を９１３においてポリッシングすることにより行われる。また、９１４において第１基板１０５上に反射材料の層を蒸着することにより反射面を形成することもできる。反射面を形成するには、他の方法を用いることも可能である。
【００６３】
一実施の形態では、９１４においてアルミニウムの反射層を蒸着する。第１基板１０５の薄く加工した表面は、約１０ミリのチタン・シード薄膜によってコーティングされる。次に、厚さ約３０ミリのアルミニウム層を蒸着し、可視光学スペクトルの大部分にわたって９５％より高い反射率をもつ反射層を形成する。図９ｈは、蒸着された反射層０３２を示す側面図である。
【００６４】
次に、第１基板１０５の反射面にマスキングを施し、一実施の形態においては、高い縦横比の異方性イオンエッチングを９１６において行い、マイクロミラー・アレイ１０３の形成を終了し、ミラー板１０４を解放する。この２回目のエッチングにより、ミラー板２０４、ねじりバネ・ヒンジ２０６、及びコネクタ２１６を形成する。マイクロミラー２０２を形成するためには、第１基板を２回エッチングするだけでよい。これにより、マイクロミラー２０２の製造コストを大幅に削減できる。図９ｉは、マスク９３３に覆われた第１基板１０５の表面を示すブロック図であり、図９ｊは、２回目のエッチング後の空間光変調器であって、ミラー板２０４、ねじりバネ・ヒンジ２０６、スペーサ支持フレーム２１０、及び電極１２６を含むものを示すブロック図である。
【００６５】
いくつかの実施の形態では、ねじりバネ・ヒンジ２０６は、部分的にエッチングされてミラー板２０４の表面からくぼまされる。また、いくつかの実施の形態では、ミラー板２０４、ねじりバネ・ヒンジ２０６、及びコネクタ２１６をする２回目のエッチングの後、９１４において反射面を蒸着する。このような反射面は、例えば、水平ベクトルがミラー板２０４からねじりバネ・ヒンジ２０６に向かうような角度でアルミニウムを下方に蒸着することにより蒸着される。この角度により、ミラー板２０４の表面からくぼまされるようにねじりバネ・ヒンジ２０６をエッチングした場合、該ねじりバネ・ヒンジ２０６の表面による入射光の光学的な散乱を最少にするために、ねじりバネ・ヒンジ２０６の表面上に反射材料を殆ど塗布しなくてもよい。上記蒸着は、例えば、毎秒１ナノメータの蒸着速度で、電子銃式エバポレータの反応室において行われる。
【００６６】
いくつかの実施の形態において、マイクロミラー・アレイ１０３は、１枚のガラス又は他の透明材料によって保護される。一実施の形態では、マイクロミラー・アレイ１０３の形成中に、第１基板１０５上に形成された各マイクロミラー・アレイ１０３の周囲にリムを残す。マイクロミラー・アレイ１０３のマイクロミラー２０２を保護するため、1枚のガラス又は透明材料を９１８において該リムに接合する。この透明材料により、マイクロミラー２０２が物理的な損傷から保護される。別の一実施の形態では、リソグラフィによって、ガラス板上に感光樹脂層からなるリムのアレイを形成する。そして、エポキシを該リムの上縁に塗布してから、ガラス板を位置合わせして、完成した反射型ＳＬＭ１００に取り付ける。
【００６７】
上述のように、多数の空間光変調器１００を、第１基板１０５と第２基板１０７から製造することができる。つまり、多数のマイクロミラー・アレイ１０３が、第１基板に形成され、多数組の回路が第２の基板１０７に形成されることができる。多数のＳＬＭ１００を製造することにより、空間光変調器１００の製造工程の効率化を図ることができる。しかし、多数のＳＬＭ１００を一度に製造する場合には、個々のＳＬＭ１００に分割しなければならない。個々の空間光変調器１００を分割して使用できるようにするためには、多くの方法がある。第１の方法では、９２０において、各空間光変調器１００を、接合された第１基板１０５と第２基板上の他のＳＬＭ１００から、単にダイを使用して分割するだけである。分割された各空間光変調器１００は、９２２において標準的なパッケージング技術により実装される。
【００６８】
第２の方法では、ウェーハレベルチップスケール・パッケージングを行い、各ＳＬＭ１００を別個のキャビティに密閉し、ＳＬＭ１００を分割する前に導線を形成する。これにより、反射型の偏向可能な要素を更に保護することができ、パッケージングコストを下げることができる。この方法の一実施の形態では、９２４において第２基板１０７の裏面をはんだ付け用の段差に接合する。次に、９２６において第２基板１０７の裏面をエッチングし、第２基板１０７上に回路を形成する際に形成された金属コネクタを露出させる。そして、９２８において、金属コネクタとはんだ付け用の段差との間に導電線を蒸着して、これらを電気的に接続する。最後に、９３０におい多数のＳＬＭをダイによって分割する。
【００６９】
図１０は、マスク１０００の生成９０２と、第１基板にキャビティを形成するエッチング９０４をより詳細に示す図である。一実施の形態において、第１基板は単結晶シリコンから成るウェーハである。第１基板上には酸化物が蒸着され、パターニングされる。これにより、図１０に示すようなパターンが形成され、該パターンにおいて、領域１００４は、その下方の基板がエッチングされるのを防ぐ酸化物が形成されている領域であり、領域１００２は、露出された基板の領域である。露出された基板の領域１００２は、エッチングされてキャビティを形成する。領域１００４はエッチングされずに残り、スペーサ支持柱２０８及びスペーサ支持フレーム２１０を形成する。
【００７０】
一実施の形態においては、ＳＦ６ガス，ＨＢｒガス、及び酸素ガスがそれぞれ１００ｓｃｃｍ、５０ｓｃｃｍ、及び１０ｓｃｃｍで流れる反応イオンエッチング室において基板のエッチングを行う。作動圧は、１０〜５０ｍＴｏｒｒ、バイアス・パワーは６０Ｗ、ソース・パワーは３００Ｗである。別の実施の形態においては、Ｃｌ２，ＨＢｒ、及び酸素ガスがそれぞれ１００ｓｃｃｍ、５０ｓｃｃｍ、及び１０ｓｃｃｍで流れる反応イオンエッチング室において基板のエッチングを行う。これらの実施の形態では、キャビティが約３〜４ミクロンの深さまで形成されると、エッチング処理を終了する。この深さは、例えば、現場(iｎ−ｓｉｔｕ)干渉計技術等の現場(iｎ−ｓｉｔｕ)エッチング深さモニタリングを使用することにより、又は、エッチ速度を計測することにより測定する。
【００７１】
別の実施の形態では、異方性反応イオンエッチング処理により、キャビティをウェーハに形成する。該ウェーハは反応室に載置される。ＳＦ６、ＨＢｒ、及び酸素ガスが、それぞれ１００ｓｃｃｍ、５０ｓｃｃｍ、及び２０ｓｃｃｍの流量で反応室に導入される。５０ｍＴｏｒｒの圧力で、バイアス・パワーを５０Ｗに設定し、ソース・パワーを１５０Ｗに設定した状態で５分間経過させる。次に、１ｍＴｏｒｒの圧力で、２０ｓｃｃｍの裏面ヘリウムガスによってウェーハを冷却する。一実施の形態では、キャビティが約３〜４ミクロンの深さまで形成されると、エッチング処理を終了する。この深さは、例えば、現場光学干渉計技術等の現場エッチング深さモニタリングを使用することにより、又は、エッチ速度を計測することにより測定する。
【００７２】
図１１は、第２基板１０７上に形成した電極１２６の一実施の形態を示す斜視図である。本実施の形態では、各マイクロミラー２０２が対応する電極１２６を有する。図示実施の形態の電極１２６は、第２基板１０７上の他の回路に比べて高く位置するよう形成される。図１１に示すように、電極１２６の側部は電極の上面から下方傾斜し、ピラミッドのような形状をなしている。他の実施の形態では、電極１２６を、第２基板１０７上の他の回路より高い位置ではなく、同じ高さに位置している。本発明の一実施の形態では、電極１２６は、それぞれ約１０平方ミクロンのアルミニウムパッドである。電極１２６は、第２基板１０７の表面上に形成される。この実施の形態の電極１２６は表面積が大きいため、ミラー板２０４を所定どおりに回動偏向させるためにミラー板２０４を機械的ストッパまで引き下げるのに必要なアドレッシング電圧が比較的低くなる。
【００７３】
図１２は、第２基板１０７の電極１２６およびその他の回路の上方に位置する第１基板１０５上のマイクロミラー・アレイ１０３を示す斜視図である。同図は、第1基板１０５と第２基板１０７とが９１０で接合される前の、マイクロミラー・アレイ１０３のマイクロミラー２０２と電極との相対位置を示すものである。なお、説明の便宜上、マイクロミラー・アレイ１０３のマイクロミラー２０２は、完成したマイクロミラー２０２として示す。しかし、一実施の形態においては、図９ａを参照して説明したように、第1基板１０５が第２基板１０７に接合される前には、第１基板１０５のミラー板２０４下方のキャビティのみがエッチングされている。ミラー板２０４、ヒンジ２０６、及びコネクタ２１６は、未だ形成されていない。電極１２６を他の回路よりも高い位置に配置し、電極１２６の側部を下方に傾斜させる実施の形態では、該傾斜部により、第２基板１０７上に第１基板105を正確に位置決めできる。
【００７４】
図１３は、第１基板１０５の上面を９１６でエッチングする際に用いるマスクの簡略化した例を示す図である。エッチング・ステップ９１６では、領域１３０２を露出したまま、エッチングし、ミラー板２０４を解放し、ねじりバネ・ヒンジ２０６、コネクタ２１６、及び支持柱２０８を形成する。別の領域１３０４はフォトレジスト材料で覆われ、エッチングはされない。これらの領域には、ミラー板２０４自身やねじりバネ・ヒンジ２０６を形成する材料も含まれる。図１３に示すように、マイクロミラー・アレイ１０３の表面の殆どは反射面である。この製造処理によれば、スペーサ支持フレーム２１０及びねじりバネ・ヒンジ２０６からミラー板２０４を離隔する非反射性の隙間を小さく形成するのみである。
【００７５】
第１基板１０５の上面をマスキングした後、第１基板１０５の上面はエッチングされ、ミラー板２０４を解放し、ねじりバネ・ヒンジ２０６を形成する。一実施の形態では、ＳＦ６，ＨＢｒ、及び酸素ガスがそれぞれ１００ｓｃｃｍ、５０ｓｃｃｍ、及び１０ｓｃｃｍで流れる反応イオンエッチング室において基板のエッチングを行う。作動圧は１０〜５０ｍＴｏｒｒ、バイアス・パワーは６０Ｗ、ソース・パワーは３００Ｗである。エッチング深さは典型的には１ミクロン未満であるため、他のいくつかの製造処理も同様の目標を達成することができる。別の実施の形態においては、作動圧を１０〜５０ｍＴｏｒｒとし、エッチング反応室のバイアス・パワー及びソース・パワーをそれぞれ５０Ｗ及び３００Ｗに設定して、Ｃｌ２及び酸素ガスを使用し、寸法を厳密に制御する。現場(iｎ−ｓｉｔｕ)エッチング深さモニタリングを使用することにより、または、エッチ速度を計測することにより、エッチング深さが所望の深さ（一実施の形態では約５ミクロンの深さ）に達すると、エッチング処理を停止される。
作用
【００７６】
作動中、個々の反射要素は選択的に偏向され、ミラーによって反射される入射光を空間的に変調するように作用する。
【００７７】
図１４は、電極１２６上方のマイクロミラー２０２を示す断面図である。作動中、電極１２６に電圧が印加され、該電極１２６上方の対応するミラー板２０４の偏向を制御する。図１４に示すように、電極１２６に電圧が印加されると、ミラー板２０４が該電極に引き付けられる。これにより、マイクロミラー２０４は、ねじりバネ・ヒンジ２０６を中心に回転する。電極１２６から電圧が除去されると、ねじりバネ・ヒンジ２０６によって、ミラー板２０４が上方に跳ね上がる。従って、ミラー板２０４に当たる光は、電圧を印加することにより制御可能な方向に反射される。
【００７８】
一実施の形態の作用は以下のとおりである。最初は、反射板は偏向されていない状態である。このようにバイアスがかかっていない状態では、ＳＬＭ１００に斜めに入射する光源からの入射光ビームは、平面状のミラー板２０４によって反射される。出射する反射光ビームは、例えば光学的な段差部によって受光される。偏向されていないミラー板２０４から反射した光は、ビデオディスプレイに反射されない。
【００７９】
ミラー板２０４と下方の電極１２６との間に電圧バイアスが印加されると、ミラー板２０４が静電引力により偏向される。ねじりバネ・ヒンジ２０６の設計により、ミラー板２０４の自由端は第２基板１０７側に偏向される。なお、一実施の形態において、屈曲の殆どは、ミラー板２０４ではなく、ねじりバネ・ヒンジ２０６で起こる。一実施の形態において、これは、ヒンジ幅２２２を狭くし、ねじりバネ・ヒンジ２０６をその両端のみにおいて支持柱２０８に結合することによっても可能である。上述したように、ミラー板２０４の偏向は動作ストッパによって制限される。ミラー板２０４が完全に偏向することにより、出射する反射光ビームが結像光学要素を介してビデオディスプレイまで偏光される。
【００８０】
ミラー板２０４が、「スナッピング」(snapping)又は「引っ張り」(pulling)電圧（一実施の形態では、約１２ボルト）を超えて偏向すると、ねじりバネ・ヒンジ２０６の復元機械力又はトルクが、静電力又はトルクのバランスを保てなくなり、ミラー板２０４が電極１２６に向かって下方に移動して、動作ストッパによってのみ制限される完全偏向がなされる。ミラー板２０４を完全偏向位置から解放するには、実質的に前記スナッピング電圧未満の電圧から解放電圧（例えば、スナッピング電圧が５．０ボルトである実施の形態の場合、約３．３ボルト）まで電圧を低下させなければならない。このように、マイクロミラー２０2は、電気機械的に二安定のデバイスである。解放電圧とスナッピング電圧との間の特定の電圧が与えられる場合、ミラー板２０４の偏向履歴にも依存するが、ミラー板２０４がとることのできる偏向角度は２つある。従って、ミラー板２０４の偏向動作は、ラッチとして機能する。ミラー板２０４の偏向に必要な機械的力が偏向角度に対して略リニアであり、一方、反対方向の静電力がミラー板２０４と電極１２６との間の距離に反比例するので、このような二安定性及びラッチ特性が実現される。
【００８１】
ミラー板２０４と電極１２６との間の静電力はミラー板２０４と電極１２６との間の全電圧によって決まるため、ミラー板２０４に印加される負電圧は、所定の偏向量を実現するために電極１２６に印加する必要がある正電圧を低下させることができる。従って、マイクロミラー・アレイ１０３に電圧を印加することにより、電極１２６に必要な電圧の大きさを低下することができる。例えば、半導体産業では５ボルトのスイッチング容量が一般的であるから、ある応用例においては、電極１２６に印加しなければならない最大電圧を１２ボルト未満に維持することが好ましいため、上記構成は有効である。更に、マイクロミラー・アレイ１０３に電圧をかける場合において各電極１２６にバイアスをかけるために必要な電荷量は、マイクロミラー・アレイ１０３が接地電位に維持される実施の形態において必要とされる電荷量よりも小さい。従って、適切な電圧を電極１２６に正確に印加し、ミラー板２０４を偏向するのに必要な時間は、比較的短くなる。
【００８２】
ミラー板２０４の最大偏向量が一定であるため、ＳＬＭ１００は、スナッピング電圧よりも高い電圧で作動される場合、ディジタル的に動作させることができる。この動作が基本的にディジタルなのは、ミラー板２０４が、対応する電極１２６に電圧を印加することにより完全に下方偏向されるか、又は、前記対応する電極１２６には電圧を印加せずに跳ね上がることができるようになるためである。ミラー板２０４の偏向を止める物理的要素によって停止されるまでミラー板２０４を下方に完全に偏向する電圧は、「スナッピング」又は「引っ張り」電圧として知られている。従って、ミラー板２０４を下方に完全に偏向させるためには、スナッピング電圧以上の電圧が、対応する電極１２６に印加される。ビデオディスプレイに応用する場合は、ミラー板２０４が下方に完全に偏向されているとき、ミラー板２０４に入射する光は、ビデオディスプレイ上の対応するピクセルに反射される。ミラー板２０４が跳ね上がることができるようになると、該入射光は、ビデオディスプレイに当たらないような方向に反射される。
【００８３】
上記のようなディジタル動作では、対応するミラー板２０４が完全に偏向した後は、スナッピング電圧を電極１２６に印加し続ける必要がない。「アドレッシング段階」では、完全に偏向される必要があるミラー板２０４に対応する選択された電極１２６に印加する電圧を、ミラー板２０４を偏向するために必要なレベルに設定する。電極１２６に印加した電圧によって対応するミラー板２０４が偏向した後は、ミラー板２０４を偏向位置に保持するために必要な電圧は、実際の偏向に必要な電圧よりも低くなる。これは、偏向されたミラー板２０４とアドレッシング電極１２６との間の隙間が、ミラー板２０４の偏向されている過程における隙間よりも小さいからである。従って、アドレッシング段階後の「ホールド(保持)段階」では、任意の電極１２６に印加する電圧を、ミラー板２０４の偏向状態に実質的な影響を与えることなく、当初の必要レベルから下げることができる。ホールド段階の電圧が低いことの利点は、近傍の偏向されていないミラー板２０４がより小さな静電引力を受けることになり、これにより、よりゼロ偏向位置に近い状態のまま維持されることである。これにより、偏向されたミラー板２０４と偏向されていないミラー板２０４との光学コントラスト比を向上することができる。
【００８４】
適当な寸法の選択（一実施の形態では、スペーサ支持フレーム２１０によるミラー板２０４と電極１２６との間の離隔寸法を１〜５ミクロンとし、ねじりバネ・ヒンジ２０６の厚みを０．０５〜０．４５ミクロンとする）及び材料の選択（例えば、単結晶シリコン（１００））により、反射型ＳＬＭ１００の作動圧をわずか数ボルトに抑えることができる。単結晶シリコンから形成されるねじりバネ・ヒンジ２０６の剛性係数は、例えば、１ラジウム１平方メートル当たり５ｘ１０10ニュートンであってよい。電極１２６が対応するミラー板２０４を完全に偏向するように作動する電圧は、ミラー板２０４を、接地電位ではなく、適当な電圧（「負バイアス」）に維持することにより、さらに低くすることができる。これにより、電極１２６に印加するある特定の電圧に対する偏向角度を、より大きくできる。最大負バイアス電圧は解放電圧であるため、アドレッシング電圧がゼロまで低下すると、ミラー板２０４が非偏向位置までスナップ式に戻ることができる。
【００８５】
また、ミラー板２０４の偏向をより「アナログ的」に制御することもできる。「スナッピング電圧」より低い電圧を印加してミラー板２０４を偏向し、入射光が反射する方向を制御する。
他の応用例
【００８６】
空間光変調器１００は、ビデオディスプレイの他にも適用できる。例えば、マスクを用いないフォトリソグラフィに適用でき、この場合には空間光変調器１００が蒸着されたフォトレジストを現像するよう光を導く。これにより、フォトレジストを所望のパターンに正確に現像するためのマスクを用いる必要がなくなる。
【００８７】
以上、本発明を様々な実施の形態を参照して特に示し説明したが、本発明の精神と範囲から逸脱することなく、形状及び細部において種々の変更が可能であることを当業者であれば理解できるであろう。例えば、ミラー板２０４は、静電引力以外の方法によっても偏向することができる。又は、ミラー板２０４を、磁気、熱、又は圧電式の駆動によって偏向してもよい。
【図面の簡単な説明】
【００８８】
【図１】本発明の一実施の形態に係る空間光変調器の概略構成を示す図。
【図２ａ】１枚のマイクロミラーを示す斜視図。
【図２ｂ】該マイクロミラーの下部を示す斜視図。
【図３ａ】マイクロミラー・アレイの上部及び側面を示す斜視図。
【図３ｂ】図3aのマイクロミラー・アレイの1枚のマイクロミラーを更に詳しく示す斜視図。
【図４ａ】マイクロミラー・アレイの底部及び側面を示す斜視図。
【図４ｂ】図4aのマイクロミラー・アレイの1枚のマイクロミラーを更に詳しく示す斜視図。
【図５ａ】マイクロミラー・アレイの上面図。
【図５ｂ】図5aのマイクロミラー・アレイの1枚のマイクロミラーを更に詳しく示す斜視図。
【図６ａ】マイクロミラー・アレイの底面図。
【図６ｂ】図6aのマイクロミラー・アレイの1枚のマイクロミラーを更に詳しく示す斜視図。
【図７ａ】他の実施の形態に係るマイクロミラー・アレイにおける１枚のミラーの上部及び側面を示す斜視図。
【図７ｂ】図7aのマイクロミラーの一部を更に詳しく示す斜視図。
【図７ｃ】上記他の実施の形態に係る１枚のミラーの下部及び側面を示す斜視図。
【図７ｄ】図7cのマイクロミラーの一部を更に詳しく示す斜視図。
【図８ａ】上記他の実施の形態に係るマイクロミラー・アレイの上部を示す斜視図。
【図８ｂ】図8aのマイクロミラー・アレイの1枚のマイクロミラーを更に詳しく示す斜視図。
【図８ｃ】上記他の実施の形態に係るマイクロミラー・アレイの下部を示す斜視図。
【図８ｄ】図8cのマイクロミラー・アレイの1枚のマイクロミラーを更に詳しく示す斜視図。
【図９ａ】空間光変調器の製造工程の一実施の形態を示すフローチャート。
【図９ｂ】空間光変調器の製造工程を更に詳しく示す側面図。
【図９ｃ】空間光変調器の製造工程を更に詳しく示す側面図。
【図９ｄ】空間光変調器の製造工程を更に詳しく示す側面図。
【図９ｅ】空間光変調器の製造工程を更に詳しく示す側面図。
【図９ｆ】空間光変調器の製造工程を更に詳しく示す側面図。
【図９ｇ】空間光変調器の製造工程を更に詳しく示す側面図。
【図９ｈ】空間光変調器の製造工程を更に詳しく示す側面図。
【図９ｉ】空間光変調器の製造工程を更に詳しく示す側面図。
【図９ｊ】空間光変調器の製造工程を更に詳しく示す側面図。
【図１０】マスクの生成及び第１基板のキャビティを形成するエッチングを示す図。
【図１１】第２基板上に形成された電極の一実施の形態を示す斜視図。
【図１２】第２基板上の電極その他の回路の上方の第１基板上のマイクロミラー・アレイを示す斜視図。
【図１３】第１基板の上面をエッチングする際に用いるマスクの簡略化した実施の形態を示す図。
【図１４】接合した２枚の基板の部分断面図。
【図１】
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【図２ａ】
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【図２ｂ】
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【図３ａ】
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【図３ｂ】
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【図４ａ】
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【図４ｂ】
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【図５ａ】
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【図５ｂ】
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【図６ａ】
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【図６ｂ】
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【図７ａ】
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【図７ｂ】
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【図７ｃ】
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【図７ｄ】
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【図８ａ】
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【図８ｂ】
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【図８ｃ】
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【図８ｄ】
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【図９ａ】
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【図９ｂ】
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【図９ｃ】
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【図９ｄ】
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【図９ｅ】
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【図９ｆ】
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【図９ｇ】
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【図９ｈ】
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【図９ｉ】
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【図９ｊ】
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【図１０】
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【図１１】
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【図１２】
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【図１３】
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【図１４】
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【国際調査報告】
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