(57)【要約】高アクティブな反射領域充填率かつ非回折のマイクロミラーアレイと、高静電効率かつ低表面接着性の制御基板とを組み合わせることによって、表示および印刷用の高コントラストの空間光変調器を製造する。本発明による空間変調器は、例えば、機能回路に接続した複数の電極を備えた上部を有する制御基板と、複数のミラープレートであって、各ミラープレートは上部反射面と、トーションヒンジを有する下部導電部とを有する、複数のミラープレートと、該制御基板上の複数のヒンジ支柱であって、該ヒンジ支柱の各組は、ミラープレートが一軸の周囲を容易に回転するようにトーションヒンジを支持する、複数のヒンジ支柱とを備える。
2007510174.tif 000002
【特許請求の範囲】
【請求項１】
機能回路に接続した複数の電極を備えた上部を有する制御基板と、
複数のミラープレートであって、各ミラープレートは上部反射面と、トーションヒンジを有する下部導電部とを有する、複数のミラープレートと、
該制御基板上の複数のヒンジ支柱であって、該ヒンジ支柱の各組は、ミラープレートが一軸の周囲を容易に回転するようにトーションヒンジを支持する、複数のヒンジ支柱と
を備える、空間光変調器。
【請求項２】
前記機能回路が、信号を通信するための一連のメモリセルと、ワード線／ビット線の配線構造とを含む、請求項１に記載の空間光変調器。
【請求項３】
前記電極の各々が、各ミラープレートの下の空隙を狭くするために、前記制御基板の表面より上に隆起したステップ電極である、請求項１に記載の空間光変調器。
【請求項４】
前記制御基板が、各ミラープレートの動作を制限するように、該制御基板の表面に垂直な方向に向けた複数のランディングチップをさらに備える、請求項１に記載の空間光変調器。
【請求項５】
アルミニウムと、シリコンと、ポリシリコンと、アルミニウム−シリコン合金と、それらの組み合わせとからなる群から選択した材料から形成される、請求項１に記載の空間光変調器。
【請求項６】
チタンと、タンタルと、タングステンと、モリブデンと、それらの合金とを含む耐火性金属およびそれらのケイ素化合物から選択した電気機械材料から形成される、請求項１に記載の空間光変調器。
【請求項７】
前記ミラープレートが、アルミニウムと、金と、それらの組み合わせとからなる群から選択された、約４００オングストローム以下の厚さの反射層を含む、請求項１に記載の空間光変調器。
【請求項８】
（ａ）複数のメモリセルおよびワード線／ビット線の配線構造を含む機能回路を備えたＣＭＯＳウエハを形成するステップと、
（ｂ）該ＣＭＯＳウエハの表面に複数の電極および支持フレームを形成するステップと、
（ｃ）複数組の支柱上に埋め込み隠しヒンジを備えた複数のミラーを形成するステップと、
（ｄ）組み立てたウエハを個々の空間光変調素子ダイに分割するステップと
を包含する、空間光変調器の組み立て方法。
【請求項９】
前記機能回路を形成するステップが、
（ａ）前記ＣＭＯＳウエハにアドレス指定ノードを開くために、予め組み立てたアドレス指定回路のパッシベーション層を介して複数のバイアをパターン化するステップと、
（ｂ）該バイアを充填し、該ＣＭＯＳウエハの表面に電極層を形成するために、メタライゼーション層を堆積するステップと、
（ｃ）複数の電極および支持フレームを形成するために、該メタライゼーション層に複数の開口部をパターン化するステップと
を包含する、請求項８に記載の空間光変調器の組み立て方法。
【請求項１０】
前記複数の電極および支持フレームを形成するステップが、
（ａ）前記ＣＭＯＳウエハに前記アドレス指定ノードを開くために、予め組み立てたアドレス指定回路のパッシベーション層を介して複数のバイアをパターン化するステップと、
（ｂ）該バイアを充填し、該ＣＭＯＳウエハの表面に第１レベルの電極層を形成する第１の電気機械層を堆積するステップと、
（ｃ）第１レベルの電極および支持フレームを形成する前記電気機械層に複数の開口部をパターン化するステップと、
（ｄ）犠牲層を形成するために、所定の厚さの犠牲材料を堆積するステップと、
（ｅ）該犠牲層を硬化するステップと、
（ｆ）複数の第２レベルの電極、ランディングチップ、および支柱のためのバイアおよび接触開口部を形成するために、該犠牲層をパターン化するステップと、
（ｇ）複数の第２のレベル電極、ランディングチップ、および支柱を形成する第２の電気機械層を堆積するステップと、
（ｈ）該第２の電気機械層を化学機械研磨によって所定の厚さに平坦化するステップと
を包含する、請求項８に記載の空間光変調器の組み立て方法。
【請求項１１】
前記複数のミラープレートを形成するステップが、
（ａ）部分的に組み立てたウエハの表面に所定の厚さの犠牲材料を堆積するステップと、
（ｂ）複数のヒンジ支柱のためのバイアを形成するために犠牲層をパターン化するステップと、
（ｃ）該犠牲層を硬化するステップと、
（ｄ）該バイアを充填し、トーションヒンジおよびミラー部分のための薄層を形成するために、電気機械材料を堆積するステップと、
（ｅ）該電気機械層を化学機械研磨（ＣＭＰ）によって所定の厚さに平坦化するステップと、
（ｆ）複数のトーションヒンジを形成する、該電気機械層の複数の開口部をパターン化するステップと、
（ｇ）該トーションヒンジ周辺の該開口部の間隙を充填し、所定の厚さの薄層を該部分的に組み立てたウエハの表面に形成する犠牲層を堆積するステップと、
（ｈ）複数のスペーサを各トーションヒンジ上に形成する該犠牲層をパターン化するステップと、
（ｉ）該部分的に組み立てたウエハの表面を覆うようにさらに電気機械材料を堆積するステップと、
（ｊ）該電気機械層をＣＭＰによって所定のミラーの厚さに平坦化するステップと、
（ｋ）個々のミラープレート間に複数の空隙を形成する、該電気機械層に複数の開口部をパターン化するステップと
を包含する、請求項８に記載の空間光変調器の組み立て方法。
【請求項１２】
前記組み立てたウエハを個々の空間光変調素子のダイに分割するステップが
（ａ）該組み立てたウエハの表面を覆う犠牲材料の層を堆積するステップと、
（ｂ）該組み立てたウエハを部分的に切断および分断することによって個々のダイに分割するステップと、
（ｃ）ＲＦまたはマイクロ波プラズマの除去により残りの該犠牲材料を取り除くステップと、
（ｄ）前記装置構造内部の反吸着層をコートするステップと
を包含する、請求項８に記載の空間光変調器の組み立て方法。
【請求項１３】
前記メタライゼーション層をパターン化するステップが、
（ａ）部分的に組み立てたウエハの表面を覆うフォトレジストを堆積するステップと、
（ｂ）フォトレジストをパターン化するステップと、
（ｃ）複数のバイアおよび開口部を形成する前記層を介して異方的にエッチングするステップと、
（ｄ）該表面から、また該バイアおよび開口部の内部の残留物を洗浄するステップと、
（ｅ）メタライゼーションまたは電気機械構造の表面をパッシベーションするステップと
を包含する、請求項９に記載の方法。
【請求項１４】
前記犠牲層を堆積するステップが、部分的に組み立てたウエハの表面にフォトレジストのスピンコート、有機ポリマーのＰＥＣＶＤ、またはアモルファス炭素を含む、請求項１０に記載の方法。
【請求項１５】
前記犠牲層を硬化するステップが、
（ａ）該犠牲層を紫外線に曝露するステップと、
（ｂ）該犠牲層をＣＦ４プラズマに約３分間曝露するステップと、
（ｃ）該犠牲層を約２００℃で約１時間焼成するステップと、
（ｄ）該犠牲層を酸素プラズマに約１分間曝露するステップと
を包含する、請求項１０に記載の方法。
【請求項１６】
前記装置構造内部の反吸着層をコートするステップが、該装置のダイをフッ化炭素と、ＰＦＰＥと、フォスファゼンと、それらの組み合わせとからなる群から選択した材料のＰＥＣＶＤに、約２００℃で５分未満曝露するステップを包含する、請求項１２に記載の組み立てたウエハを個々の空間光変調素子のダイに分割する方法。
【請求項１７】
前記残りの犠牲材料を除去し、前記表面から、またバイアおよび開口部の内部から前記残留物を洗浄するステップが、前記部分的に組み立てたウエハをＯ２、ＣＦ４およびＨ２Ｏガスの混合率を４０：１：５として、全圧２Ｔｏｒｒ、約２５０℃で、約２，０００ワットのＲＦまたはマイクロ波プラズマに５分未満曝露するステップを包含する、請求項１２に記載の方法。
【請求項１８】
前記層を介して異方的にエッチングするステップが、前記部分的に組み立てたウエハを、ＢＣｌ３、Ｃｌ２、およびアルゴンの混合気をそれぞれ５：１：１の割合で流しながら、作業圧力１０〜５０ｍＴｏｒｒの範囲で、約１０００Ｗのソース電力および約３００Ｗのバイアス電力の誘導結合プラズマに５分未満曝露するステップを包含する、請求項１３に記載のメタライゼーション層または電気機械層をパターン化する方法。
【請求項１９】
前記層を介して異方的にエッチングするステップが、前記部分的に組み立てたウエハを、Ｃｌ２、ＳＦ６、ＨＢｒ、およびＨｅＯ２ガスをそれぞれ５：４：４：１の割合で流しながら、作業圧力１０〜５０ｍＴｏｒｒの範囲で、約１２００Ｗのソース電力および約１００Ｗのバイアス電力の誘導結合プラズマに５分未満曝露するステップを包含する、請求項１３に記載のメタライゼーション層または電気機械層をパターン化する方法。
【請求項２０】
前記メタライゼーション構造の表面をパッシベーションするステップが、前記構造を、圧力２Ｔｏｒｒ、約２５０℃で、３０００ｓｃｃｍの水蒸気、２０００ワットのＲＦまたはマイクロ波プラズマに３分未満曝露するステップを包含する、請求項１３に記載のメタライゼーション層または電気機械層をパターン化する方法。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
（関連出願の相互参照）
本願は、タイトルが「Ｈｉｇｈ  Ｃｏｎｔｒａｓｔ  Ｓｐａｔｉａｌ  Ｌｉｇｈｔ  Ｍｏｄｕｌａｔｏｒ  ａｎｄ  Ｍｅｔｈｏｄ」（２００３年１０月２７日出願）の米国仮特許出願第６０／５１４，５８９号の優先権を主張し、その内容は、本明細書において援用される。
【０００２】
（発明の分野）
本発明は、一連の空間光変調器（ＳＬＭ）およびその製造に関し、より詳しくは、表示および印刷用の電子的にアドレス指定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】
（発明の背景）
過去１５年乃至２０年にわたり、マイクロミラーベースの空間光変調器（ＳＬＭ）は漸進的な技術的進歩をとげ、ディスプレイ業界に受け入れられている。該装置は、入射光線を所定の出射方向に偏向させるために、静電トルクでアレイ内の個々のマイクロミラープレートを傾斜させることによって操作する。より普及しているデジタルモードの動作では、偏向角の精度を確保するために、マイクロミラーアレイ内の個々のミラーを選択的に回転させ、特定のランディング位置で停止させることによって指向性光を「オン」または「オフ」にする。機能マイクロミラーアレイは、タイミングの制御、表面の接触接着性の克服、および信頼性の確保のために、機械的停止部での低接触粘着力および高効率の静電トルクを必要とする。表示アプリケーション用の高性能空間光変調器によって、高輝度および高コントラスト比のビデオ画像がもたらされる。
【０００４】
ビデオアプリケーションにおける初期のＳＬＭには、投影画像の輝度が低く、またコントラスト比が低いという不利益があった。以前のＳＬＭのデザインでは、アクティブな反射領域充填率（例えば、各ピクセルにおけるアクティブな反射領域と非アクティブな領域との比率）が低い。ＳＬＭのアレイ内の各ピクセル周辺の広い非アクティブ領域によって、光学的カップリング効率および輝度が低くなる。アレイ内のこれらの非アクティブ領域からの散乱光は、不都合にビデオ画像のコントラストに影響を与える回折パターンを形成する。マイクロミラーアレイベースのＳＬＭのコントラスト比を減じている別の要素は、入射照明に垂直なアレイ内の各ミラーの２つの直線エッジからの散乱光の回折である。従来の方形のミラーデザインでは、直交する入射光線は、動作中にアレイ内の各ミラーの垂直な直線状の前縁部および後縁部によって直接散乱される。散乱光は回折パターンを形成し、投影レンズは多量の回析光のほとんどを収集する。明るい回折パターンによって、投影されたビデオ画像の高コントラストが悪化する。
【０００５】
マイクロミラーベースのＳＬＭの１つの種類には、テキサスインスツルメンツ社によって開発されたデジタルミラー装置（ＤＭＤ）がある。最新の実施態様は、固定した垂直の支柱を経てヨークプレートの上部に懸架されるマイクロミラープレートを含む。このヨークプレートは、アドレス電極の上に一組のトーションヒンジと、二組のランディングチップとをさらに備える。アドレス電極上の電位によって制御されるヨークプレート、および、ミラープレート上の静電力によって、両プレートの双方向性の回転が生じる。この二重プレート構造は、下層の回路およびヒンジ機構を覆い、ほぼ平坦なミラー面を提供するために使用され、許容可能なコントラスト比を達成する１つの方法である。
【０００６】
しかし、ミラープレートをヒンジヨークプレートの上部に上昇させる垂直のミラー支柱には、ＤＭＤのコントラスト比に関して２つの否定的な影響がある。第一に、現在のデザインではミラーの中央に大きなくぼみ（ミラー支柱の製造によって生じる）があり、入射光線の散乱が生じ、光学的効率が減じる。第二に、二重プレートの回転によって、ＤＭＤの表面に沿ったミラー面の水平方向の位置ずれが生じ、その結果、動作中にマイクロミラーの水平方向の振動が生じる。ミラーの水平方向の運動には、アレイ内のミラー間に、より広い間隙を設ける必要があり、アクティブな反射領域充填率をさらに減じている。例えば、各方向におけるミラーの回転が１２°である場合、ミラーとヨークとの間がそれぞれ１ミクロン離れることによって、各方向に０．２ミクロンの水平方向の位置ずれが生じる。換言すれば、この水平方向の位置ずれに対応するためには、ミラー支柱の１ミクロンの長さごとに、隣接するミラー間には０．４ミクロン以上の間隔が必要になる。
【０００７】
ヨーク構造は、底部電極とヨークとミラーとの間の静電結合の静電効率を制限する。特にランディング位置では、角度のある交差遷移を可能にするために、ヨーク構造には電極とヨークとミラーとの間に高電位バイアスが必要である。二重プレート構造は、入射光線を散乱させ、ビデオ画像のコントラスト比も減少させる。
【０００８】
別の従来技術の反射型ＳＬＭは、アドレス指定回路を含む下部基板の上に保持される上部の光学的透過性基板を備える。上部の基板に取り付けられた２つのヒンジ柱は、１つ以上の静電的に偏向可能な要素を懸架する。動作に際し、個々のミラーは、選択的に偏向され、上部の透過性基板に入射し、次いで反射する光を空間的に調節する役目をする。ミラーが底部制御基板に衝突しないように、反射型の偏向可能な要素にモーションストップを取り付けることが可能である。その代わりとして、モーションストップを上部の透過性基板に載置し、したがって反射型の偏向可能な要素の偏向角を制限する。
【０００９】
当該のトップハンギングミラーのデザインでは、全てのミラーハンギング柱および機械的停止部が照明光に曝露されるので、アクティブな反射領域充填率、および光学的効率が減じられ、光散乱が増加する。また、堆積アルミニウム膜とＬＰＣＶＤシリコン窒化物層との間にはさまれる、反射ミラー表面の平滑度の制御も困難である。堆積フィルムの品質は、反射アルミニウム表面の粗さを左右する。ミラーの粗さを修正するために後研磨を行うことはできない。
【００１０】
従来技術に関連する上述の欠点を解決する高コントラストの空間光変調器を提供することが非常に望ましい。
【発明の開示】
【課題を解決するための手段】
【００１１】
本発明は、高アクティブな反射領域充填率かつ非回折のマイクロミラーアレイと、高静電効率かつ低表面接着性の制御基板とを備えた高コントラストの空間光変調器（ＳＬＭ）の製造方法に関する。
【００１２】
本発明の他の実施態様によれば、複数組のトーションヒンジをキャビティの下に組み込んでミラープレートの下部を成し、反射面の下に最小距離を保持して所定の角度に対する間隙だけが設けられる。アレイ内の各ミラーは、２つの柱が支持する一組のトーションヒンジによって懸架されるので、各ミラーはミラー面の軸の周囲を回転する。交差遷移の間の個々のミラーの水平方向の位置ずれを取り除くことによって、アレイ内の隣接するミラー間の間隙が著しく減じられ、非常に高アクティブな反射領域充填率のＳＬＭがもたらされる。
【００１３】
本発明の他の実施態様によれば、一組のランディングチップが制御基板の表面に組み立てられる。これらの垂直ランディングチップは、機械的停止時のミラーの接触領域を減じ、機械的なランディング動作の信頼性を向上させる。共通のバイアスの急激な両極性パルス電圧をミラーアレイの共通のバイアスに印加することによって、これらのランディングチップがミラーのランディングを分離できるようにすることが、最も重要である。両極性パルスによって生じる電気機械的衝撃の運動エネルギは、弾性歪みエネルギに変換されて変形したミラーヒンジおよび変形したランディングチップに蓄積され、後にランディングチップを分離しているミラーを跳ね返すように解放される。
【００１４】
本発明の他の実施態様によれば、ミラーとヒンジ領域近くのアドレス電極との間の空隙間隔を狭めるために、ステップ電極は制御基板の表面より上に隆起される。特に機械的停止部の位置での有効な空隙間隔を小さくすることによって、電気機械的ラッチが高められ、静電効率が向上する。
【００１５】
本発明の他の実施態様によれば、装置構造内部の反吸着層をコートすることによって、ミラープレートとマイクロランディングチップとの間の表面接触接着性が著しく減じられる。
【００１６】
本発明の他の実施態様によれば、ミラープレート、埋め込みトーションヒンジ、支柱、ステップ電極、および、ランディングチップの材料は、アルミニウム、シリコン、ポリシリコン、および、アルミニウム−シリコン合金などのアルミニウム−シリコンベースの電気機械材料である。堆積は、５００℃以下の制御環境においてアルミニウムおよびシリコンのどちらかまたは両方を含有する単一のターゲットをスパッタリングする、マグネトロンの物理堆積法（ＰＶＤ）によって達成される。同一構造の層は、プラズマ強化化学気相堆積法（ＰＥＣＶＤ）によって形成することも可能である。
【００１７】
本発明の他の実施態様によれば、ミラープレート１０３、埋め込みトーションヒンジ１０６、支柱１０５、ステップ電極２２１、およびランディングチップ２２２の材料は、チタン、タンタル、タングステン、モリブデン、およびそれらのケイ素化合物などの耐火性金属ベースの電気機械材料である。耐火性金属およびそれらのケイ素化合物は、ＣＭＯＳ半導体処理に適合し、比較的良好な機械的性質を有する。これらの材料は、ＰＶＤ、化学気相堆積法（ＣＶＤ）、およびＰＥＣＶＤによって堆積することができる。アルミニウム、金、またはそれらの合金などの金属薄膜の堆積によって、光学的反射性を高めることが可能である。
【００１８】
本発明では、表示および印刷用の高コントラストの空間光変調器を提供する。本発明では、高アクティブな反射領域充填率かつ非回折のマイクロミラーアレイと、高静電効率かつ低表面接着性の制御基板とを組み合わせる。
【００１９】
組み込まれて本明細書の一部を形成する添付の図は、本発明の原理を説明する記述とともに、本発明の実施態様を示す。
【発明を実施するための最良の形態】
【００２０】
高アクティブな反射領域充填率かつ非回折のマイクロミラーアレイと、高静電効率かつ低表面接着性の制御基板とを組み合わせることによって、表示および印刷用の高コントラストの空間光変調器（ＳＬＭ）を製造する。
【００２１】
図１ａは、照明光源４０１からの指向性光４１１が入射角θｉを形成するときの、本発明の一実施態様に基づく空間光変調器の一部分の断面図を示す。マイクロミラーアレイを通常の方向で測定したとき、偏向光４１２は角度θｏを有する。デジタル動作モードにおいて、この構成を一般的に「オン」の位置と呼ぶ。
【００２２】
図１ｂは、ミラープレートが、ヒンジ１０６の反対側の下の別の電極に向かって回転される間の、空間光変調器の同じ部分の断面図を示す。指向性光４１１および偏向光４１２は、より大きな角度θｉおよびθｏを成す。これらの角度は、ミラープレート１０２の寸法、およびミラー１０３の下面とランディングチップ２２２との間の空隙間隔との関数である。偏向光４１２は、光吸収装置４０２の方へ出射する。
【００２３】
本発明の他の実施態様によれば、高コントラストのＳＬＭは、制御回路を含む底部と、一連のステップ電極、マイクロランディングチップ、ヒンジ支柱を備えた中間部と、埋め込みトーションヒンジおよびキャビティを備えた一連のミラーによって覆われる上部、の３つの主要な部分を備える。
【００２４】
底部は、ＳＬＭのマイクロミラーアレイ内の各ミラーの動作を選択的に制御するための、アドレス指定回路を備えたウエハ基板３００である。アドレス指定回路は、通信信号のための一連のメモリセルと、ワード線／ビット線の配線とを備える。シリコンウエハ基板上の電気的なアドレス指定回路は、標準的なＣＭＯＳ技術を使用して組み立てることが可能であり、低密度メモリアレイに類似している。
【００２５】
高コントラストのＳＬＭの中間部は、一連のステップ電極２２１、ランディングチップ２２２、ヒンジ支柱１０５、および支持フレーム２０２のアレイによって形成される。本発明のマルチレベルのステップ電極２２１は、角度交差遷移の間の静電トルクの容量結合効率を向上させるように設計されている。ヒンジ１０６領域の近くで電極２２１表面を持ち上げることによって、ミラープレート１０３および電極２２１の間の空隙を効果的に狭くする。静電引力は、ミラーと電極との間の２乗に反比例するので、この影響は、ミラーをそのランディング位置で傾斜させたときに明白になる。アナログモードで動作させる場合、高効率な静電結合によって空間光変調器内の個々のマイクロミラーの傾斜角度のより正確かつ安定した制御が可能になる。デジタルモードでは、アドレス指定回路の動作のために低駆動電位が必要とされる。第１レベルの電極２２１間の高さの差は、ミラープレートに対する第１レベルの電極間の空隙の相対的な高さによって、０．２ミクロンから３ミクロンまで変化することがある。
【００２６】
制御基板の表面の、一対の固定垂直ランディングチップ２２２ａおよび２２２ｂは、製造を簡素化するために、第２レベルの電極２２１と同じ高さになるように設計されている。一対の固定垂直チップ２２２ａおよび２２２ｂは２つの機能を有する。第一に、垂直チップは、ミラーの各交差遷移での着地のために穏やかな機械的接地を提供する。制御基板の表面に固定ランディングチップ２２２を追加することによって、ロボットの動作が改良され、装置の信頼性が長期化される。第二に、これらの垂直固定ランディングチップ２２２は、ミラー１０３とその接触停止部２２２との分離を容易にすることができ、ＳＬＭの動作中の接触表面接着性を効果的に取り除くための機構を提供する。例えば、角度交差遷移を開始するには、急激な両極性パルス電圧Ｖｂを、一般的に埋め込みヒンジ１０６および支柱１０５を介して各ミラープレート１０３に接続する、バイアス電極３０３に印加する。両極性バイアスＶｂによって確立される電位は、ヒンジ１０６の両側の静電力を高める。この増加は、空隙が大きく異なるので、ランディング位置の両側において不等である。ミラープレート１０３ａおよび１０３ｂの下面へのバイアス電圧Ｖｂの増加によって、ミラー１０２が回転する方向の決定に与える影響が少なくなるが、全てのミラープレート１０２への静電力Ｆの急増は、電気機械的運動エネルギの、歪んだミラーヒンジ１０６および歪んだランディングチップ２２２ａまたは２２２ｂに蓄積される弾性歪みエネルギへの変換による動的な励磁を提供する。両極性パルスが共通のバイアスＶｂに解放された後、歪んだランディングチップ２２２ａまたは２２２ｂおよび歪んだミラーヒンジ１０６の弾性歪みエネルギは、ミラープレートがランディングチップ２２２ａまたは２２２ｂから跳ね返るときに再びミラープレートの運動エネルギに変換される。この静止状態に対するミラープレートの摂動によって、ミラープレート１０３のある状態から他の状態への角度交差遷移のためのアドレス電位Ｖａをより小さくできる。
【００２７】
制御基板３００の表面のヒンジ支持フレーム２０２は、複数組のミラー支柱１０５の機械的安定性を増加させるように設計され、局所的に静電位を保持する。簡素化するために、支持フレーム２０２の高さは、第１レベルの電極２２１と同じになるように設計される。固定サイズのミラープレート１０３によって、一対のヒンジ支柱１０５の高さがマイクロミラーアレイの最大偏向角θを決定する。
【００２８】
高コントラストのＳＬＭの上部は、上面に平坦な光学的反射層１０２を備えた一連のマイクロミラー、およびミラープレート１０３の下部のキャビティの下の一組の埋め込みトーションヒンジ１０６によって完全に覆われる。ミラープレート１０３内のトーションヒンジ１０６は、ミラープレート１０３の一部になるように組み立てられ、また反射面の下の最小距離を保持して所定の角度を回転するだけの間隙を与える。上部反射面１０２に対するヒンジ回転軸１０６間の距離を最小限に抑えることによって、空間光変調器は、角度遷移の間に効果的に各ミラーの水平方向の位置ずれを取り除く。本発明によれば、ＳＬＭのアレイ内の隣接するミラー間の間隙を０．２ミクロン以下に減じることができ、現時点で最も高アクティブの反射領域充填率が達成される。
【００２９】
マイクロ偏向装置に使用する材料は、導電性があり、安定しており、好適な硬さ、弾力、および応力を有することが好ましい。電気機械材料のような単一の材料は、ミラープレート１０３の剛性と、折れずに偏向させるための十分な強度を有するトーションヒンジ１０６の可塑性との両方を補うことが理想的である。さらに、ミクロミラーアレイの組み立てに使用する全ての材料は、４００℃以下で処理することが好ましい。この温度は、制御回路内に予め組み立てた回路に損傷を与えないようにするための代表的な製造プロセスの温度である。
【００３０】
本発明の他の実施態様によれば、ミラープレート１０３、埋め込みトーションヒンジ１０６、および、支柱１０５の材料は、アルミニウム、シリコン、ポリシリコン、および、アルミニウム−シリコン合金などのアルミニウム−シリコンベースの電気機械材料、およびそれらの合金である。一実施態様において、堆積は、５００℃以下の制御チャンバにおいてアルミニウムおよびシリコンのどちらかまたは両方を含有する単一のターゲットをスパッタリングする、マグネトロンのＰＶＤによって達成される。同一構造の層は、ＰＥＣＶＤによって形成することも可能である。
【００３１】
本発明の他の実施態様によれば、ミラープレート１０３、埋め込みトーションヒンジ１０６、支柱１０５の材料は、チタン、タンタル、タングステン、モリブデン、それらのケイ素化合物、およびそれらの合金などの耐火性金属ベースの電気機械材料である。耐火性金属およびそれらのケイ素化合物は、ＣＭＯＳ半導体処理に適合し、比較的良好な機械的性質を有する。これらの材料は、ＰＶＤ、ＣＶＤ、およびＰＥＣＶＤによって堆積することができる。ミラープレート１０３の表面への適用に応じて、アルミニウム、金、またはそれらの合金などの金属薄膜層１０２をさらにＰＶＤ堆積することによって、光学的反射性を高めることが可能である。
【００３２】
高コントラスト比の偏向ビデオ画像を達成するために、マイクロミラーアレイからのあらゆる散乱光を減じるか、または取り除かなければならない。最も一般的な障害は、個々のミラーの前縁部および後縁部からの照明の散乱によって生じる回折パターンに由来する。この回折の問題に対する解決策は、回折パターンの強度を弱めること、および各ピクセルの非アクティブ領域からの散乱光を投影瞳孔から離れた異なる方向へ導くことである。その１つの方法は、入射光線４１１を方形ミラー１０２のピクセルの周縁に対して４５°に導くことである。このピクセルは、斜めヒンジまたは斜光照明構成と呼ばれることがある。
【００３３】
図２は、方形の各ミラー１０２を備えた一組のミラーアレイの上部を示す斜視図である。このミラーは、斜光照明系を使用する。アレイ内のミラーのヒンジ１０６は、ミラーの対向するコーナー部に沿って斜め方向、かつ照明光４１１に垂直に組み立てられる。斜めのヒンジ軸を備えた方形のミラーの利点は、投影瞳孔４０３から４５°外れた前縁部および後縁部からの散乱光を偏向させる能力である。その不利益は、ＳＬＭの周縁部に対して傾斜させる投影プリズムアセンブリシステムが必要なことである。従来の長方形のＴＩＲプリズムシステムを使用して各ミラー１０２が選択する「オン」および「オフ」を分ける場合、斜光照明の光学的カップリング効率は低くなる。ねじった集束スポットは、全てのアクティブなピクセルアレイを覆うために、長方形のマイクロミラーアレイよりも大きなサイズの照明を必要とする。長方形のＴＩＲプリズムが大きくなれば、投影式ディスプレイのコスト、サイズ、および重量が増加する。
【００３４】
図３に、斜光照明構成を備えた投影システムのための、制御回路基板の一部の上部の斜視図を示す。一組のステップ電極２２１が、ミラープレート１０３への容量結合の静電効率を向上させるように斜めに配列される。２つのマイクロチップ２２２ａおよび２２２ｂは、傾斜角度θの精度を確保し、接触吸着を解決するために、ミラー１０３の機械的なランディングのためのランディング停止部としての機能を果たす。ばね定数の大きい材料から作られたこれらのマイクロチップ２２２ａおよび２２２ｂは、ミラーが衝突した場合の接触領域を減じるためのランディングばねとしての機能を果たす。２段階のステップ電極２２１の周縁部でのこれらのマイクロチップ２２２の第２の機能は、ミラープレート１０３からの分離を容易にするためのばね効果である。ミラーアレイの共通のバイアス３０３を介して急激な両極性パルス電位Ｖｂがミラー１０３に印加された場合、全てのミラープレートへの静電力Ｆの急増は、電気機械的運動エネルギの、歪んだミラーヒンジ１０６に蓄積される弾性歪みエネルギへの変換による動的な励磁を提供する。弾性歪みエネルギは、ミラープレートがランディングチップ２２２から跳ね返るときに再びミラープレートの運動エネルギに変換される。
【００３５】
従来技術のＳＬＭにおける周期定期配列の直線状またはコーナー状のミラーは、固定した角度で照明光４１１を散乱させることによって投影画像のコントラストを減じる回折パターンを発生させる。アレイ内のミラーの湾曲した前縁部および後縁部は、ミラーの周縁部上の照明光４１１の散乱角度の変化によって、さらに弱い回折パターンを生じる。本発明の他の実施態様によれば、直交照明光学系を保持しながら投影瞳孔４０３への回折強度を低減するために、長方形のミラーの直線状または固定した角度付コーナー形状のエッジを、対向する凹部および延長部分を備えた少なくとも１つまたは一連の湾曲した前縁部および後縁部と置き換える。前縁部および後縁部に入射照明４１１に垂直な湾曲を形成することによって、回折強度が弱まり、投影システムに直接回折される光の大部分が減じられる。
【００３６】
直交照明は、より高い光学的システムのカップリング効率を有し、安価で小型軽量のＴＩＲプリズムを必要とする。しかし、ミラーの前縁部および後縁部の両方からの散乱光は、投影瞳孔４０３に直接散乱するので、ＳＬＭのコントラスト比を減じる回折パターンを発生させる。
【００３７】
図４は、直交照明を有する投影システムのための、ミラーアレイの上部の斜視図を示す。埋め込みトーションヒンジ１０６は、各ミラーの前縁部および後縁部に平行であり、照明光４１１に垂直である。したがって、ＳＬＭ内のミラーピクセルは、直角に照らされる。図４において、アレイ内の各ミラーは、前縁部の延長部分および後縁部のくぼみに一連の湾曲を有する。その原理は、湾曲エッジが散乱光の回折強度を弱め、さらに光学投影瞳孔４０３から離れる角度の変化により散乱光の大部分を回折させるということである。各ミラーの前縁部および後縁部の曲率半径ｒは、選択する湾曲の数によって変化させることが可能である。曲率半径ｒをより小さくすれば、回折の影響がより顕著に減少する。本発明の別の実施態様によれば、回折の影響を最大限に減少させるために、一連の曲率半径ｒがより小さいアレイ内の各ミラーの前縁部および後縁部を形成するように設計されている。湾曲の数は、ミラーピクセルのサイズによって変化させることが可能であり、１０ミクロンの方形ミラーピクセルでは、各前縁部および後縁部の２つ乃至４つの湾曲によって最適な結果および低回折がもたらされる。さらに、この構成は現在の製造能力の範囲内である。
【００３８】
図５は、直交照明４１１を備えた投影システムのための制御回路基板３００の一部分の斜視図である。従来の平坦な電極とは異なり、ヒンジ軸近くで制御基板３００の表面より上に隆起した２レベルのステップ電極２２１は、平坦なミラープレート１０３と底部電極２２１との間の有効な空隙を狭くし、ミラープレート１０３の容量結合の静電効率を著しく高める。ステップ電極２２１のレベル数は、１から１０まで変化させることができる。しかし、ステップ電極２２１のレベル数が増えれば、その装置の製造がより複雑になり、費用のかかるものとなる。２つまたは３つのレベル数がより実用的である。図５はまた、制御基板３００の表面に垂直に向けられたチップ２２２で作成したランディング停止部も示す。これらのチップ２２２は、角度交差遷移のランディング動作の間の機械的停止部を提供する。ステップ電極２２１の端のチップ２２２は、ランディングチップとしての機能を果たし、接触表面接着性をさらに減じる。この低電圧駆動かつ高効率マイクロミラーアレイのデザインによって、マイクロミラーアレイがより大きな総偏向角（｜θ｜＞１５°）で動作できるようになり、ＳＬＭの輝度およびコントラスト比が高められる。
【００３９】
この反射型空間光変調器の別の利点は、ミラープレート１０３の下部のキャビティの下にトーションヒンジ１０６を埋め込むことによって、可能な限り最高のアクティブな反射領域充填率がもたらされることであり、角度交差遷移の間のミラー１０３の水平方向の位置ずれがほぼ完全に取り除かれる。図６は、４つの湾曲前縁部および後縁部を使用して回折強度を減じるように設計した、直交照明４１１を備えた投影システムのためのミラーアレイの拡大した背面図である。ここでは、複数組のトーションヒンジ１０６がミラーの下部１０３の一部として２つのキャビティの下に埋め込まれ、また支持フレーム２０２上の一組の支柱１０５によって支持される。ヒンジ支柱１０５は、トーションヒンジバー１０６の幅よりもさらに大きな横断面における幅Ｗを有する。ヒンジ１０６の軸とミラーの反射面との間の距離が最小に保たれるので、密集させた個々のミラーピクセルによって、水平方向の位置ずれを気にせずに、高アクティブな反射領域充填率が得られる。本発明の一側面では、ミラーピクセルのサイズ（ａ×ｂ）は約１０ミクロン×１０ミクロンであり、曲率半径ｒは約２．５ミクロンである。
【００４０】
図７は、埋め込みトーションヒンジ１０６およびミラープレート１０３の下部のキャビティの下の支柱１０５を示す、ミラープレートの一部分の拡大した背面図である。最適な性能が得られるように、埋め込みトーションヒンジ１０６が生じさせるキャビティの空隙Ｇを最小に保持しておくことが重要である。ヒンジ１０６の寸法は、ミラー１０２のサイズによって変化する。本発明の一実施態様では、各トーションヒンジ１０６の寸法は約０．１×０．２×３．５ミクロンであり、支柱１０５は各辺の幅が１．０ミクロンである方形の横断面を有する。支柱１０５の上面もミラープレート１０３の下部としてキャビティの下にあるので、キャビティ内の空隙Ｇは、所定の角度θにおいてヒンジ支柱１０５に接触させることなく、ミラープレート１０３の角度回転に対応するように十分広くする必要がある。ミラーをヒンジ支柱１０５に接触させることなく所定の角度θを回転させるために、トーションヒンジ１０６が埋め込まれたキャビティの空隙は、Ｇ＝０．５×Ｗ×Ｓｉｎ（θ）よりも大きくなければならない。ここで、Ｗはヒンジ支柱１０５の断面幅である。
【００４１】
図８は、一方向に１５°回転させたときの、ミラープレート１０３の埋め込みトーションヒンジ１０６の周囲の最小の空隙Ｇを示す図である。キャビティ内のトーションヒンジ１０６の空隙Ｇを示す計算値はＧ＝０．１３Ｗよりも大きくなければならない。方形のヒンジ支柱１０５の各辺Ｗの幅が１．０ミクロンである場合、キャビティ内の空隙Ｇは０．１３ミクロンより大きくなければならない。角度遷移動作の間の水平方向の位置ずれがなければ、マイクロミラーアレイ内の個々のミラー間の水平方向のギャップを０．２ミクロン未満に減じることが可能であり、本発明によれば、ＳＬＭのアクティブな反射領域充填率が９６％となる。
【００４２】
本発明の他の実施態様によれば、高コントラストの空間光変調器の製造は、標準的なＣＭＯＳ技術を使用して、４つの逐次的なセクションに分割される。最初に、制御シリコンウエハ基板を支持フレームおよび一連の第１レベルの電極とともにその表面に形成し、低密度メモリアレイと同様に、その基板をウエハのアドレス指定回路内のメモリセルに接続する。二番目に、一連の第２レベルの電極、マイクロランディングチップ、および、ヒンジ支柱を、制御基板の表面に形成する。三番目に、一連のミラーを埋め込み隠しヒンジとともに各組の支柱上に形成する。最後に、組み立てたウエハを個々の空間光変調素子のダイに分割し、その後残りの犠牲材料を除去する。
【００４３】
図９は、高コントラストの空間光変調器のための製造プロセスの１つの好適な実施態様の流れ図を示す。該製造プロセスは、一般的な半導体技術を使用して制御基板として信号を通信するための一連のメモリセルおよびワード線／ビット線の配線構造を有するＣＭＯＳ回路ウエハの組み立てから始まる（８１０）。一連の第１レベルの電極および支持フレームは、制御基板内にアドレス指定ノードを開く回路のパッシベーション層を介してバイアをパターン化することによって形成される（８２０）。その結果生じた電気機械層の接着性を高めるために、Ｏ２、ＣＦ４およびＨ２Ｏガスの混合率を４０：１：５として、全圧力２Ｔｏｒｒ、約２５０℃で、２，０００ワットのＲＦまたはマイクロ波プラズマにバイアおよび接触開口部を５分未満曝露する。バイアを充填し、制御基板の表面に電極層を形成するために選択する材料に従い、物理堆積法（ＰＶＤ）またはプラズマ強化化学気相堆積法（ＰＥＣＶＤ）によって電気機械層を堆積する（８２１）。次いで、複数の電極および支持フレームを形成するように電気機械層をパターン化および異方的にエッチングする（８２２）。８２３で部分的に組み立てたウエハを試験し、電気的な機能を確保する。
【００４４】
本発明の好適な一実施態様によれば、電気機械層はアルミニウムメタライゼーションであり、純アルミニウム、チタン、タンタル、タングステン、モリブデン膜、Ａｌ／ポリＳｉ複合材、Ａｌ−Ｃｕ合金、またはＡｌ−Ｓｉ合金の形態とすることができる。これらのメタライゼーションは、それぞれわずかに異なるエッチング特性を有するが、それらは全てアルミニウムのプラズマエッチングと同様の化学作用によってエッチングすることができる。本発明によって、２つのステップのプロセスを行い、アルミニウムのメタライゼーション層を異方的にエッチングする。第一のステップで、ＢＣｌ３、Ｃｌ２、およびアルゴンの混合気をそれぞれ１００ｓｃｃｍ、２０ｓｃｃｍ、および２０ｓｃｃｍで流しながら、ウエハを誘導結合プラズマでエッチングする。作業圧力は１０乃至５０ｍＴｏｒｒの範囲で、誘導結合プラズマの出力は３００Ｗ、電源は１０００Ｗである。エッチングプロセスの間、ウエハは、圧力１Ｔｏｒｒで、裏面に２０ｓｃｃｍのヘリウムガスを流して冷却する。アルミニウムのパターンは、単純にエッチングチャンバから周囲雰囲気に移動させることができないので、第二のステップとして、アルミニウム表面を洗浄して皮膜で保護するための酸素プラズマ処理を行う。パッシベーションプロセスでは、圧力２Ｔｏｒｒ、約２５０℃で、３，０００ｓｃｃｍの水蒸気、２，０００ワットのＲＦまたはマイクロ波プラズマに部分的に組み立てたウエハの表面を３分未満曝露する。
【００４５】
本発明の他の実施態様によれば、電気機械層はシリコンメタライゼーションであり、ポリシリコン、ポリサイド、またはケイ素化合物の形態とすることができる。これらの電気機械層は、それぞれわずかに異なるエッチング特性を有するが、それらは全てポリシリコンのプラズマエッチングと同様の化学作用によってエッチングすることができる。ポリシリコンの異方性エッチングは、Ｃｌ２、ＢＣｌ３、ＣＦ４、ＮＦ３、ＳＦ６、ＨＢｒなどの塩素およびフッ素ベースの原材料、およびそれらのＡｒ、Ｎ２、Ｏ２、およびＨ２との混合気によって行うことができる。本発明では、Ｃｌ２、ＢＣｌ３、ＨＢｒ、およびＨｅＯ２ガスをそれぞれ１００ｓｃｃｍ、５０ｓｃｃｍ、２０ｓｃｃｍ、および１０ｓｃｃｍで流しながら、誘導結合プラズマでポリシリコンまたはケイ素化合物層（ＷＳｉｘ、ＴｉＳｉｘ、またはＴａＳｉ）を異方的にエッチングする。別の実施態様では、Ｃｌ２、ＳＦ６、ＨＢｒ、およびＨｅＯ２ガスをそれぞれ５０ｓｃｃｍ、４０ｓｃｃｍ、４０ｓｃｃｍ、および１０ｓｃｃｍで流しながら、ポリサイド層を反応性イオンエッチングチャンバ内で異方的にエッチングする。いずれの場合においても、作業圧力は１０乃至３０ｍＴｏｒｒの範囲で、誘導結合プラズマの出力は１００ワット、電源は１２００ワットである。エッチングプロセスの間、ウエハは、圧力１Ｔｏｒｒで、裏面に２０ｓｃｃｍのヘリウムガスを流して冷却する。代表的なエッチングレートは、毎分９０００オングストロームに至らしめることができる。
【００４６】
マイクロミラーアレイの角度交差遷移の間の静電効率を向上させかつ吸着を減じるために、複数の第２のレベル電極およびマイクロランディングチップを制御基板の表面に組み立てる。最初に、部分的に組み立てたウエハの表面に犠牲材料の層を所定の厚さに堆積する（８３０）。犠牲材料がフォトレジストである場合、その層を表面にスピンコートする。犠牲材料が有機ポリマーである場合、層はＰＥＣＶＤによって堆積する。その後の集積の準備のために、その層を紫外線に曝露し、ＣＦ４プラズマに約３分間曝露し、次いでその層を１５０℃で約２時間焼成し、最後にその層を酸素プラズマに約１分間曝露して硬化させなければならない。二番目に、犠牲層をパターン化して、複数の第２レベルの電極、ランディングチップ、および支柱のためのバイアおよび接触開口部を形成する（８３１）。三番目に、複数の第２レベルの電極、ランディングチップ、および支柱を形成するために選択する材料に従い、ＰＶＤまたはＰＥＣＶＤによって第２の電気機械層を堆積する（８３２）。最後に、第２の電気機械層を化学機械研磨（ＣＭＰ）によって所定の厚さに平坦化する（８３３）。第２レベルの電極およびマイクロランディングチップの好適な高さは、１ミクロン未満である。
【００４７】
隆起したマルチレベルのステップ電極、およびマイクロランディングチップがＣＭＯＳ制御回路基板に形成されたら、各組の支柱に埋め込み隠しヒンジを備えた複数のミラーを組み立てる。該プロセスは、部分的に組み立てたウエハの表面に犠牲材料を所定の厚さに堆積することから始まる（８４０）。次いで、犠牲層をパターン化して、複数のヒンジ支柱８４１のためのバイアを形成する（８４１）。犠牲層は、バイアを充填し、トーションヒンジおよびミラーの一部のための薄層を形成するために選択する材料に従い、ＰＶＤまたはＰＥＣＶＤによって電気機械材料を堆積する前に、さらに硬化させる（８４２）。電気機械層は化学機械研磨（ＣＭＰ）によって所定の厚さに平坦化する（８４３）。電気機械層を複数の開口部によってパターン化して、複数のトーションヒンジを形成する（８５０）。複数のキャビティをミラープレートの下部に形成し、キャビティの下に埋め込まれる複数のトーションヒンジを形成するために、犠牲材料を再び堆積させてトーションヒンジ周辺の開口部を充填し、ヒンジ上に所定の厚さの薄層を形成する（８５１）。厚さはＧ＝０．５×Ｗ×Ｓｉｎ（θ）よりも大きいことが好ましい。ここでＷはヒンジ支柱１０５の断面幅である。犠牲層をパターン化して、各トーションヒンジ上に複数のスペーサを形成する（８５２）。部分的に組み立てたウエハの表面を覆うために、さらに電気機械材料を堆積する（８５３）。電気機械層は化学機械研磨（ＣＭＰ）によって所定の厚さに平坦化する（８５４）。その後、複数の開口部をパターン化して個々のミラープレート間の複数の空隙を形成する（８７０）。ミラー面の反射性は、ＰＶＤによる４００オングストロームの堆積、またはアルミニウム、金、およびそれらを組み合わせたものからなる群から選択する、より薄い反射層によって高めることが可能である（８６０）。
【００４８】
組み立てたウエハを個々の空間光変調素子のダイに分割するために、厚い層の犠牲材料を堆積させて組み立てたウエハの表面を保護する（８８０）。次いで、組み立てたウエハを部分的に切断した後（８８１）、けがきおよび分断によって個々のダイに分割する（８８２）。空間光変調器のダイは、ワイヤー接合によってチップベースへの取り付けおよび配線を行い（８８３）、ＲＦまたはマイクロ波プラズマで残りの犠牲材料を取り除く（８８４）。ＳＬＭのダイは、ミラープレートと電極の表面とランディングチップとの間の界面に潤滑剤をＰＥＣＶＤコートしてさらに潤滑し（８８５）、電気光学機能試験を行う（８８６）。最後に、ＳＬＭをガラスウィンドウリップで密封し（８８７）、通電試験プロセスに送って信頼性および堅牢な品質管理を確保する（８８８）。
【００４９】
マイクロミラーアレイのデジタル動作における主要な問題のうちの１つに、機械的なランディング位置でのマイクロミラーの高吸着性がある。表面接触接着性は、制御回路の静電力以上に増加させることができるが、湿潤環境における吸着によって装置の不具合をもたらす。ミラープレート１０３とランディングチップ２２２との間の接触接着性を減じ、角度交差遷移の接触および衝撃時の機械的摩耗による劣化から保護するために、薄い潤滑皮膜をミラープレート１０３の下部、電極２２１の表面、およびランディングチップ２２２の表面に堆積する。選択する潤滑剤は、熱的に安定しており、低蒸気圧で、またマイクロミラーアレイ装置を形成しているメタライゼーションおよび電気機械材料と反応しないものでなければならない。
【００５０】
本発明の実施態様では、フッ化炭素の薄膜をミラープレートの下部および電極の表面およびランディングチップにコートする。ＳＬＭのダイを、ＣＦ４などのフッ化炭素のプラズマに約２００℃で５分未満曝露する。表面１０３上のフッ素は、ミラープレートと電極の下部とランディングチップとの間の界面への水の付着および吸着を防ぐ役目を果たし、ランディング動作の間のミラーの吸着における湿度の影響を取り除く。ミラープレート１０３と下部の電極２２１とランディングチップ２２２との間の界面にフッ化炭素膜をコートすることで、露出面付近に存在するフッ素原子による十分な耐水性能がもたらされる。
【００５１】
本発明の別の実施様態によれば、ペルフルオロポリエーテル（ＰＦＰＥ）またはＰＦＰＥまたはフォスファゼン誘導体の混合物を、ミラープレート１０３と電極２２１の下部とランディングチップ２２２との間の界面に、約２００℃で５分未満ＰＥＣＶＤによって堆積する。ＰＦＰＥ分子は、１×１０−６乃至１×１０−１１気圧の総蒸気圧を有する。潤滑剤膜の厚さは、１０００オングストローム未満である。メタライゼーションまたは電気機械層の表面の接着性および潤滑性能を向上させるために、金属の表面との親和性により、リン酸塩エステル類を選択してもよい。
【００５２】
高コントラストの空間光変調器を組み立てるプロセスのより詳細な説明を一連の断面図に示す。図１０乃至図１３は、空間光変調器の一部分の側断面図であり、アドレス指定回路内のメモリセルに接続された複数の支持フレームおよび第１レベルの電極を組み立てるための１つの方法を示す。図１４乃至図１７は、空間光変調器の一部分の側断面図であり、制御基板の表面に複数の支柱、第２レベルの電極、およびランディングチップを組み立てるための１つの方法を示す。図１８乃至図２０は、空間光変調器の一部分の側断面図であり、支持フレーム上に複数のトーションヒンジおよび支持体を組み立てるための１つの方法を示す。図２１乃至図２３は、空間光変調器の一部分の側断面図であり、複数の埋め込み隠しヒンジを備えたミラープレートを組み立てるための１つの方法を示す。図２３乃至図２６は、空間光変調器の一部分の側断面図であり、反射ミラーを形成し、マイクロミラーアレイの個々のミラーを解放するための１つの方法を示す。
【００５３】
図１０は、標準的なＣＭＯＳ製造技術を使用した制御シリコンウエハ基板６００を示す断面図である。一実施態様において、制御基板内の制御回路は、メモリセルのアレイと、通信信号のためのワード線／ビット線の配線とを備える。アドレス指定機能を実行する電気的な回路を製造するために多くの異なる方法がある。一般的に公知のＤＲＡＭ、ＳＲＡＭ、およびラッチ装置は、全てアドレス指定機能を実行する。ミラープレート１０２の面積は、半導体のスケールに関して比較的大きくできる（例えば、ミラープレート１０２は、１００平方ミクロン以上の面積を有することが可能である）ので、マイクロミラー１０２の下に複雑な回路を製造することができる。可能な回路には、これに限定されないが、時系列的なピクセル情報を格納する格納バッファと、パルス幅の変調変換を実行する回路とを備える。
【００５４】
代表的なＣＭＯＳ製造プロセスにおいて、制御シリコンウエハ基板は、シリコン酸化物または窒化シリコンなどのパッシベーション層６０１で覆われる。パッシベーションした制御基盤６００は、図１１に示すように、アドレス指定回路内のワード線／ビット線の配線に接続するバイア６２１を形成するように、パターン化および異方的にエッチングする。本発明の別の実施態様によれば、シリコン酸化物または窒化シリコンなどの誘電体材料の異方性エッチングは、Ｃ２Ｆ６およびＣＨＦ３ベースの原材料、およびそれらとＨｅおよびＯ２の混合気によって行う。１つの好適な高選択性誘電体エッチングプロセスは、全圧力１００ｍＴｏｒｒ、誘導電源１，２００Ｗ、およびバイアス電源６００Ｗにおいて、Ｃ２Ｆ６、ＣＨＦ３、Ｈｅ、およびＯ２をそれぞれ１０：１０：５：２の割合で混合した混合気を流して行う。ウエハは、次いで圧力２Ｔｏｒｒで、裏面に２０ｓｃｃｍのヘリウムガスを流して冷却する。代表的なシリコン酸化物エッチングレートは、毎分８０００オングストロームに至らしめることができる。
【００５５】
次に、図１２は、選択する電気機械材料に従い、ＰＶＤまたはＰＥＣＶＤによって堆積した電気機械層６０２を示す。この電気機械層６０２は、図１２に示すように、各マイクロミラー１０２に対応するヒンジ支持フレーム２０２および第１レベルの電極２２１を画定するためにパターン化する。電気機械層６０２のパターン化は、以下のプロセスによって行う。最初に、基板表面を覆うようにフォトレジスト層をスピンコートする。次いで、フォトレジスト層を標準的なフォトリソグラフィに曝露して、所定のパターンを形成するように現像する。電気機械層を異方的にエッチングして、複数のバイアおよび開口部を形成する。バイアおよび開口部を形成した後、表面および内部の開口部から残留物を除去して部分的に組み立てたウエハを洗浄する。これは、Ｏ２、ＣＦ４およびＨ２Ｏガスの混合率を４０：１：５として、全圧力２Ｔｏｒｒ、約２５０℃で、２，０００ワットのＲＦまたはマイクロ波プラズマにパターン化したウエハを５分未満曝露することによって行う。最後に、圧力２Ｔｏｒｒ、約２５０℃で、３，０００ｓｃｃｍの水蒸気の２，０００ワットのＲＦまたはマイクロ波プラズマに電気機械層の表面を３分未満曝露することによってパッシベーションする。
【００５６】
次のステップは、第２レベルの電極２２１、マイクロランディングチップ２２２、および支柱１０５の部分的に組み立てたウエハの表面への形成である。図１４に示すように、１ミクロン厚の犠牲材料６０４を基板表面に堆積するが、フォトレジストのスピンコートまたは有機ポリマーのＰＥＣＶＤとすることができる。犠牲層６０４は、一連の熱およびプラズマ処理によって硬化させ、材料の構造をポリマーの疎水性状態から親水性状態に変質させる。最初に、犠牲層６０４を紫外線に曝露して硬化させ、ＣＦ４プラズマに約３分間曝露し、次いでその層を１５０℃で約２時間焼成した後、その犠牲層を酸素プラズマに約１分間曝露する。場合によっては、キロ電子ボルトのエネルギのシリコン、ホウ素、またはリンイオンを犠牲層に注入して、犠牲層６０４をさらに硬化させる。
【００５７】
次いで、犠牲層６０４をパターン化して、図１５に示すように、第２レベルの電極６３２、マイクロランディングチップ６３３、支柱６３１のための複数のバイアおよび接触開口部を形成する。その結果生じた電気機械層の接着性を高めるために、Ｏ２、ＣＦ４およびＨ２Ｏガスの混合率を４０：１：５として、全圧力２Ｔｏｒｒ、約２５０℃で、２，０００ワットのＲＦまたはマイクロ波プラズマにバイアおよび接触開口部を５分未満曝露する。次いで電気機械材料６０３を堆積させ、バイアおよび接触開口部を充填する。この充填は、選択する材料に従い、ＰＥＣＶＤまたはＰＶＤによって行う。アルミニウム、チタン、タングステン、モリブデン、およびそれらの合金からなる群から選択する材料に対しては、半導体業界ではＰＶＤが一般的な堆積方法である。シリコン、ポリシリコン、ケイ素化合物、ポリサイド、タングステン、それらの組み合わせからなる群から選択する材料に対しては、堆積方法にＰＥＣＶＤが選択される。部分的に組み立てたウエハは、図１６に示すように、ＣＭＰによって所定の厚さの１ミクロンより若干薄くさらに平坦化する。
【００５８】
図１７は、ＣＭＰの後、犠牲材料６０４の別の層を所定の厚さまでブランケット表面にスピンコートして、トーションヒンジの下の空隙スペーサを形成するように硬化させたものを示す。図１８に示すように、犠牲層６０４をパターン化し、ヒンジ支柱６４１のための複数のバイアまたは接触開口部を形成する。図１９において、電気機械材料は、バイアを充填し、表面にトーションヒンジ層６０５を形成するように堆積する。このヒンジ層６０５は、次いでＣＭＰによって所定の厚さに平坦化する。ここで形成される電気機械層６０５の厚さによって、トーションヒンジバーの厚さ、およびミラーの機械的性能が決定される。
【００５９】
図２０に示すように、電気機械層６０５内に複数のトーションヒンジ１０６を形成するように、部分的に組み立てたウエハをパターン化および異方的にエッチングする。各ヒンジを囲む開口部６４３を充填し、所定の厚さの薄層６０４を表面に形成するために、図２１に示すように、更なる犠牲材料６０４を堆積する。この層６０４の厚さは、各トーションヒンジ１０６上のスペーサの高さを決定する。次いで、犠牲層６０４をパターン化して、図２２に示すように、各トーションヒンジ１０６上の複数のスペーサを形成する。支柱６４２の上面もミラープレート１０３の下部としてキャビティの下にあるので、キャビティ内の空隙Ｇは、所定の角度θにおいてヒンジ支柱１０５に接触させることなく、ミラープレート１０３の角度回転に対応するように十分高くする必要がある。ミラーをヒンジ支柱１０５に接触させることなく所定の角度θ回転させるために、トーションヒンジ１０６が埋め込まれたキャビティの空隙は、Ｇ＝０．５×Ｗ×Ｓｉｎ（θ）よりも大きくなければならない。ここで、Ｗはヒンジ支柱１０５の断面幅である。本発明において、アレイ内の各ミラーは、各方向に１５°回転させることが可能である。キャビティ内のトーションヒンジ１０６の空隙Ｇを示す計算値はＧ＝０．１３Ｗよりも大きくなければならない。方形のヒンジ支柱１０５の各辺Ｗの幅が１．０ミクロンである場合、キャビティ内の空隙Ｇは０．１３ミクロンより大きくなければならない。
【００６０】
ミラープレート１０３の下部の各キャビティの下に埋め込みトーションヒンジ１０６を備えたミラーを形成するために、図２３に示すように、更なる電気機械材料６０５を堆積して複数の犠牲スペーサを覆う。場合によっては、化学機械研磨（ＣＭＰ）プロセスをさらに行い、エッチングにより個々のミラーを形成する前に、電気機械層６０５の平坦な反射面を確保しておく。電気機械層６０５全体の厚さは、最終的には、最後に組み立てるミラープレート１０３と同程度の厚さとなる。図２３において、部分的に組み立てたウエハの表面は、ＣＭＰによってミラープレート１０３の所定の厚さまで平坦化する。本発明において、ミラープレート６０５の厚さは、０．３ミクロン乃至０．５ミクロンである。電気機械材料がアルミニウムまたはその金属合金であれば、大部分のディスプレイ用途に対するミラーの反射性は十分に高い。いくつかの他の電気機械材料または他の用途に対して、ミラー表面の反射性は、図２４に示すように、アルミニウム、金、それらの合金、およびそれらを組み合わせたのものからなる群から選択する、４００オングストローム以下の厚さの反射層６０６を堆積することによって高めることが可能である。次いで、図２５に示すように、電気機械層の反射面６０６をパターン化および異方的にエッチングして複数の個々のミラーを形成する。
【００６１】
図２６は、アレイ内の個々のミラー間の複数の空隙を介して残りの犠牲材料６０４を取り除き、残留物を洗浄して、機能マイクロミラーアレイベースの空間光変調を形成したものを示す。実際の製造環境では、ビデオディスプレイ用途のための機能空間光変調器を供給する前に、さらに多くのプロセスが必要である。電気機械層６０５の反射面６０６をパターン化および異方的にエッチングして複数の個々のミラーを形成した後に、組み立てたウエハの表面を覆うように、更なる犠牲材料６０４を堆積する。犠牲層６０４の層が保護するその表面によって、組み立てたウエハに一般的な半導体パッケージングプロセスを行い、個々の装置のダイを形成する。パッケージングプロセスにおいて、組み立てたウエハを部分的に切断した後（８８１）、けがきおよび分断によって個々のダイに分割する（８８２）。空間光変調器のダイは、ワイヤー接合によってチップベースへの取り付けおよび配線を行い（８８３）、残りの犠牲材料６０４およびその構造内の残留物を取り除く（８８４）。一実施態様において、洗浄は、Ｏ２、ＣＦ４およびＨ２Ｏガスの混合率を４０：１：５として、全圧力２Ｔｏｒｒ、約２５０℃で、２，０００ワットのＲＦまたはマイクロ波プラズマにパターン化したウエハを５分未満曝露することによって行う。最後に、圧力２Ｔｏｒｒ、約２５０℃で、３，０００ｓｃｃｍの水蒸気の２，０００ワットのＲＦまたはマイクロ波プラズマに電気機械層の表面およびメタライゼーション構造を３分未満曝露することによってパッシベーションする。
【００６２】
ＳＬＭのダイは、約２００℃で、フッ化炭素のＰＥＣＶＤに５分未満曝露することによって、開口部構造内に反吸着層をさらにコートした後に（８８５）、プラズマ洗浄および電気光学機能試験を行う（８８６）。最後に、ＳＬＭをガラスウィンドウリップで密封し（８８７）、通電試験プロセスに送って信頼性および堅牢な品質管理を確保する（８８８）。
【００６３】
本発明を特に複数の実施態様に関して図を参照して記述したが、本発明の精神と範囲から逸脱することなく、形態および細部において様々な変更を行えることが当業者によって理解されよう。例えば、犠牲層をパターン化し、バイアをエッチングするのではなく、電気機械層をパターン化およびエッチングすることによって同じ三次元多層構造を構成することが可能である。
【００６４】
ビデオディスプレイおよび印刷を除いて、ここに記述した空間光変調器はまた、空間光変調器は光をフォトレジストに導くマスクレスのフォトリソグラフィ、および光信号を光ファイバネットワークに導いて割り当てる光子スイッチなどの他の用途にも有用である。
【図面の簡単な説明】
【００６５】
【図１】図１ａは、本発明の実施態様に基づいて、「オン」の状態に偏向させている空間光変調器の一部分の断面図である。図１ｂは、本発明の一実施態様に基づいて、「オフ」の状態に偏向させている空間光変調器の一部分の断面図である。
【図２】本発明の一実施態様に基づいて用いられる、斜光照明を備えた投影システムの一連の長方形ミラーの一部分の斜視図である。
【図３】本発明の一実施態様に基づいて用いられる、斜光照明を備えた投影システムのための制御回路基板の一部分の上部を示す斜視図である。
【図４】各ミラーが本発明の一実施態様に基づいた直交照明を備えた投影システムで使用するための湾曲した前縁部および後縁部を有する、ミラーアレイの一部分の斜視図である。
【図５】本発明の一実施態様に基づいて用いられる直交照明を備えた投影システムのための制御回路基板の斜視図である。
【図６】各ミラーが直交照明を備えた投影システムのための一連の湾曲した前縁部および後縁部を有する、ミラーアレイの一部分の拡大背面図である。
【図７】ミラープレートの下部のキャビティの下の埋め込みトーションヒンジおよびそれらの支柱を示す斜視図である。
【図８】ミラープレートの埋め込みトーションヒンジを一方向に１５°回転させたときのその周辺の最小空隙間隔を示す図である。
【図９】本発明の実施態様に基づいて構成される高コントラストの空間光変調器のための製造プロセスの流れ図である。
【図１０】空間光変調器の一部分の側断面図である。図１０〜図１３は、アドレス指定回路内のメモリセルに接続された支持フレームおよび第１レベルの電極を組み立てるための１つの方法を示す。
【図１１】空間光変調器の一部分の側断面図である。図１０〜図１３は、アドレス指定回路内のメモリセルに接続された支持フレームおよび第１レベルの電極を組み立てるための１つの方法を示す。
【図１２】空間光変調器の一部分の側断面図である。図１０〜図１３は、アドレス指定回路内のメモリセルに接続された支持フレームおよび第１レベルの電極を組み立てるための１つの方法を示す。
【図１３】空間光変調器の一部分の側断面図である。図１０〜図１３は、アドレス指定回路内のメモリセルに接続された支持フレームおよび第１レベルの電極を組み立てるための１つの方法を示す。
【図１４】空間光変調器の一部分の側断面図である。図１４〜図１７は、制御基板の表面に支柱、第２レベルの電極、およびランディングチップを組み立てるための１つの方法を示す。
【図１５】空間光変調器の一部分の側断面図である。図１４〜図１７は、制御基板の表面に支柱、第２レベルの電極、およびランディングチップを組み立てるための１つの方法を示す。
【図１６】空間光変調器の一部分の側断面図である。図１４〜図１７は、制御基板の表面に支柱、第２レベルの電極、およびランディングチップを組み立てるための１つの方法を示す。
【図１７】空間光変調器の一部分の側断面図である。図１４〜図１７は、制御基板の表面に支柱、第２レベルの電極、およびランディングチップを組み立てるための１つの方法を示す。
【図１８】空間光変調器の一部分の側断面図である。図１８〜図２０は、支持フレーム上に複数のトーションヒンジおよび支持体を組み立てるための１つの方法を示す。
【図１９】空間光変調器の一部分の側断面図である。図１８〜図２０は、支持フレーム上に複数のトーションヒンジおよび支持体を組み立てるための１つの方法を示す。
【図２０】空間光変調器の一部分の側断面図である。図１８〜図２０は、支持フレーム上に複数のトーションヒンジおよび支持体を組み立てるための１つの方法を示す。
【図２１】空間光変調器の一部分の側断面図である。図２１〜図２３は、埋め込み隠しヒンジを備えたミラープレートを組み立てるための１つの方法を示す。
【図２２】空間光変調器の一部分の側断面図である。図２１〜図２３は、埋め込み隠しヒンジを備えたミラープレートを組み立てるための１つの方法を示す。
【図２３】空間光変調器の一部分の側断面図である。図２１〜図２３は、埋め込み隠しヒンジを備えたミラープレートを組み立てるための１つの方法を示す。
【図２４】空間光変調器の一部分の側断面図である。図２４〜図２６は、反射ミラーを形成し、マイクロミラーアレイの個々のミラーを解放するための１つの方法を示す。
【図２５】空間光変調器の一部分の側断面図である。図２４〜図２６は、反射ミラーを形成し、マイクロミラーアレイの個々のミラーを解放するための１つの方法を示す。
【図２６】空間光変調器の一部分の側断面図である。図２４〜図２６は、反射ミラーを形成し、マイクロミラーアレイの個々のミラーを解放するための１つの方法を示す。
【図１Ａ】
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【図１Ｂ】
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【図２】
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【図３】
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【図４】
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【図５】
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【図６】
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【図７】
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【図８】
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【図９】
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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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【図１５】
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【図１６】
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【図１７】
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【図１８】
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【図１９】
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【図２０】
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【図２１】
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【図２２】
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【図２３】
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【図２４】
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【図２５】
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【図２６】
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【国際調査報告】
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