(57)【特許請求の範囲】
【請求項１】
層状のマイクロエレクトロニック及び／又はマイクロメカニック構造であって、
外側の第１層及び他の複数の層を含む少なくとも３つの電気的に伝導性の層であって、前記電気的に伝導性の層と絶縁層とが交互に積層される層と、
前記第１層を貫通する導電性のビアであって、前記ビアの径方向周囲が絶縁されているビアと、
前記他の複数の層を貫通してかつ前記第１層内の前記ビアの中に延びる電気的に伝導性のプラグと、
前記他の複数の層の少なくとも一つの選択された層内において前記伝導性のプラグを囲む絶縁エンクロージャであって、前記選択された層内の材料から前記伝導性のプラグを絶縁する絶縁エンクロージャと
を含み、
前記伝導性のプラグは、前記他の複数の層の少なくとも一つにおいて前記伝導性のプラグの周囲の材料から絶縁されていない構造。
【請求項２】
前記伝導性のプラグは、ポリシリコン、不純物が注入されたシリコン、シリサイド又は金属である、請求項１記載の構造。
【請求項３】
前記絶縁エンクロージャは絶縁溝を含み、
前記絶縁溝は、前記ビアが前記他の複数の層の一つの層内にルーティングチャネルを形成することによって、前記一つの層内の横方向に信号をルーティングするルーティング構造を形成する、請求項１記載の構造。
【請求項４】
３つの伝導性の層が存在し、前記絶縁エンクロージャは前記３つの伝導性の層の一つに設けられる、請求項１記載の構造。
【請求項５】
４つの伝導性の層が存在し、前記絶縁エンクロージャは前記４つの伝導性の層の２つに設けられる、請求項１記載の構造。
【請求項６】
一つの空洞が前記他の複数の層の一つ以上に形成される、請求項１記載の構造。
【請求項７】
前記空洞は、前記他の複数の層の底部層に形成される、請求項６記載の構造。
【請求項８】
層状ＭＥＭＳ構造を形成する方法であって、
前記層状ＭＥＭＳ構造は、
交互に積層された伝導層及び絶縁層と、
フィードスルー構造と
を含み、
前記フィードスルー構造は、前記層状ＭＥＭＳ構造における選択された層内の選択された箇所及び領域に電気的信号又は電位をルーティングし、
前記方法は、
ハンドル層及びデバイス層を有する第１ＳＯＩウェハを提供するステップであって、前記第１ＳＯＩウェハは、前記ハンドル層と前記デバイス層との間に埋め込まれた絶縁酸化物層まで前記ハンドル層を貫通して延びるビア構造を有するステップと、
ハンドル層及びデバイス層を有する第２ＳＯＩウェハを提供するステップと、
前記第１ＳＯＩウェハ及び前記第２ＳＯＩウェハを結合するステップと、
前記第２ＳＯＩウェハの前記ハンドル層を除去するステップと、
前記第１ＳＯＩウェハ及び前記第２ＳＯＩウェハのいずれかの前記デバイス層において、閉じたループ状に延びる溝の形態で絶縁構造を形成するステップであって、前記閉じたループ内の材料は前記第１ＳＯＩウェハ及び前記第２ＳＯＩウェハが結合されるときに前記ビア構造と少なくとも部分的にオーバーラップするステップと、
結合された前記第１ＳＯＩウェハ及び前記第２ＳＯＩウェハの前記デバイス層を貫通するホールを形成するステップであって、前記ホールは下方に前記ビア構造内にまで延びるステップと、
電気的接続を提供するべく伝導性材料によって前記ホールを埋めるステップと
を含む方法。
【請求項９】
前記溝は少なくとも部分的に絶縁材料で埋められる、請求項８記載の方法。
【請求項１０】
前記伝導性材料は多結晶シリコンである、請求項８又は９記載の方法。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本明細書にて開示される発明は、全般的には、電極によって電気的及び／又は静電気的に作動される可動要素を備えるマイクロ−メカニックデバイス製造のためのプロセスに関する。そのようなデバイスの例は、マイクロミラー及びマイクロミラーの大きなアレイ、マイクロスイッチ、発振器、ラウドスピーカ膜である。特に、本発明は、ミラーの間隔を接近させることができ、さらに前記ミラーの作動における動作の外乱をなくす構成を提供する処理の局面に関する。他の適用は、例えば、運動エネルギーを電気エネルギーに変換するためのピエゾ材料を用いる、いわゆるエネルギー収穫のような、エネルギー生成システムである。
【背景技術】
【０００２】
従来の装置及び処理は、作動構造（電極）に出入りする電気導線の横方向の経路選択或いはルーティング（表面ルーティング）を含んでいる。そのような電気導線を十分に接近して表面にルーティングするように配置するのは難しい。いくつかの位置におけるミラーアレイのような偏向要素の動作は、電気導線が近隣のミラーの下にルーティングされるのをしばしば要求し、アレイ状のミラーに、必然的に望ましくない動作である、外乱や干渉を引き起こしてしまう。
【０００３】
さらに、ワイヤ−ボンディングが、ミラーやミラーアレイのような偏向要素が提供されるところの、ウェハの同じ側上にしばしば要求される。ワイヤ−ボンディングは、さらにスペースも要求し、寸法のさらなる小型化を妨げ、及び／又はアレイにおけるミラーの接近を妨げる。
【０００４】
米国特許出願公開２００４／０００９６２４Ａ１（Gormley 及びその他の者）は、接続（ビア）を介してウェハによって基板に接続される電極によって動作されるミラーアレイを有するマイクロ−メカニックデバイスを開示している。しかし、非−ウェハ固有材料のルーティングは、基板の表面上に形成され、反対側にはミラーが設けられる。
【０００５】
ＳＥ−５２６３６６（Silex Microsystems）にあっては、ミラーを作動するためのウェハ貫通ビアの使用が開示されている。
【発明の概要】
【０００６】
本発明に基づいて、作動目的のために所望の位置にて、電極の配置を可能とするように、ウェハを貫通してビアが設けられる。このため、ウェハ貫通ビアは、アレイ内の他のミラーに外乱を引き起こさずに、ミラーの下に作動電極の配置を可能とする。溶着材料への導線のルーティングは、さらにはウェハの裏側へも可能となる。導線のルーティングは、層内に絶縁領域を設けることによって、ウェハ構造にあってウェハ固有の材料内に設けられる。
【０００７】
したがって、層状のマイクロ−エレクトロニック及び／又はマイクロ−メカニック構造が提供される。前記層状のマイクロ−エレクトロニック及び／又はマイクロ−メカニック構造は、絶縁層をそれぞれの層の間に伴う、３つの交互の電気的に導電性の層を備える。前記構造は、さらに第１の外側層にビアを供える。前記ビアは、前記層を通してウェハ固有の材料よりなる絶縁された伝導性の接続と、前記他の層を通して延び、また前記第１の外側層にあって前記ビア内に、前記層を通して伝導性を提供するための電気的に伝導性（導電性）のプラグと、さらに前記プラグを前記選択された層における前記材料から絶縁するために、前記他の層の少なくとも一つの選択された層にあって前記導電性プラグを囲む絶縁エンクロージャとを備える。
【０００８】
さらに、本発明によれば、これらの動作及びルーティング原理は、正常な又は停止位置から部分的又は素子全体が空間的に離された位置へ偏向させるのを引き起こさせる可動素子を有するマイクロ−メカニックデバイスを作るために用いられる。そのような素子は、例えばミラーを偏向可能に変える「ヒンジ構造」によって前記基板の一端に取り付けられるミラーとして具現化されるか、あるいは偏向可能というよりは中継可能とされるために、いくつかの、好ましくは４点にて前記基板に取り付けられるミラーとして具現化される。これは、ミラー平面全体を平行な動きで動かすことを実現する。他の素子は、前記基板の周辺にそって堅固に取り付けられ、振動が引き起こされるラウドスピーカ膜である。さらに、刻時目的の発振器である、例えば水晶が、発明の具現化例である。
【０００９】
さらにそこ（基板）に形成されたくぼみを有する基板と、前記くぼみの上に設けられて、少なくとも一方向に可動可能となるような少なくとも一つの可動可能な部材とを備えるマイクロ−エレクトロニック及び／又はマイクロ−メカニックデバイスが提供され、さらに前記デバイスは前記部材の動きをそれぞれの可動可能な部材に引き起こすための少なくとも静電気による作動電極を備える。前記電極は、前記基板を通して拡張するビア構造に接続され、前記電極と前記ビア構造の間の結合が本発明に係る層状のマイクロ−エレクトロニック及び／又はマイクロ−メカニック構造によって提供される。
【００１０】
さらに、ピエゾ材料が前記可動素子に適用されるときは、外部の機械的な動きからエネルギーを取り込むことが可能となる。それにより、二つの横へルーティングされた相互に絶縁され、さらに接続部を通してウェハに接続された電極層は、ピエゾ材料からなる素子の各サイドに設けられる。
【００１１】
好ましくは、絶縁エンクロージャは、その囲いが層内にて横に延びるような形状を有し、それによって層内にて信号を横にルーティングするためのルーティング構成を形成する。
【００１２】
適宜、前記プラグは他の層の少なくとも一つにあって囲む材料から非絶縁される。
【００１３】
一具現化例にあって、三つの伝導性層があり、さらに前記三つの伝導層の一つにあって絶縁エンクロージャが設けられる。
【００１４】
他の具現化例にあっては、４つの導電層、或いは伝導性があり、さらに前記四つの導電層の一つにあって絶縁エンクロージャが設けられる。
【００１５】
本発明は、非制限的な具体例を開示する図面を参照することにより、より詳細に説明されるであろう。
【図面の簡単な説明】
【００１６】
【図１ａ】従来の偏向可能なミラーを有するデバイスを概略的に示す図である。
【図１ｂ】従来のミラーの他の具体例を示す図である。
【図１ｃ】従来のミラーのさらに他の具体例を示す図である。
【図２】製造の間のガス抜きのシーケンスを示す図である。
【図３ａ】層内のルーティングの具体例を示す図である。
【図３ｂ】層内のルーティングの具体例を示す図である。
【図３ｃ】層内のルーティングの具体例を示す図である。
【図３ｄ】層内のルーティングの具体例を示す図である。
【図３ｅ】層内のルーティングの具体例を示す図である。
【図４ａ】櫛型電極動作によるジンバルヒンジの一具体例を示す図である。
【図４ｂ】櫛型電極動作と板状電極動作との組み合わせによるジンバルヒンジの一具体例を示す図である。
【図５】隠れたヒンジを用いる動作による具体例を示す図である。
【図６】隠れたヒンジを用いる動作による他の具体例を示す図である。
【図７】ジンバルヒンジ構造と作動手段を示す図である。
【図８】光学的スイッチングの具体例を示す図である。
【図９】ピエゾ材料からなる移動素子による具体例を示す図である。
【発明を実施するための形態】
【００１７】
本明細書における、用語「ビア」は、ウェハを通して延びるいかなる構成についても用いられるし、さらに電気信号の伝達を可能とする（ビアは「ウェハ貫通接続」として言及されることができる）。これらの「ビア」は、ウェハ固有の材料にて形成されるものであり、すなわち、ビアが一部を形成するところのウェハ自身である。前記ビアは異なる断面を有することができ、すなわち、多くの場合には、円形の断面が好ましいが、円形、矩形、正方形又は不定である。
【００１８】
用語「ビア構造」は、ウェハ内及び／又は貫通して延びる単一の材料要素であることと、接続を通して又は少なくとも部分的にウェハを貫通して延びる接続、及び／又はウェハ構造内のいくつかの層のたった一つ又は２、３を貫通して延びる接続部を形成する特徴の組み合わせの両方である。
【００１９】
「ウェハ構造」は、一緒に結合された数枚のウェハ、又はハンドル層、埋め込み酸化物層及びデバイス層を有するＳＯＩウェハ、及び例えば酸化物層のように他から離された少なくとも一つの層を形成する様々なタイプのウェハの組み合わせである。
【００２０】
本明細書の目的のため、「電圧印加による作動電極」は、前記電極の近くに配置される移動可能な素子の動作のために、電圧が対接地（ＧＮＤ）に適用されるところの電極を意味する。そのような、電圧印加の状態にあって、前記電極は、帯電されるが、部分的に電極と作動される素子との間に電流を流さず、発生された電界内にてのみ動かされるであろう。
【００２１】
ビアによるルーティング
本発明の多くの具現化例が、図面を参照することによってここより説明されるであろう。
【００２２】
しかし、最初にいくつかの従来の構成を開示する。まず、図１ａには、従来技術のデバイスを概略的に示す（寸法はあっていない）、つまりルーティング部材を有するミラーアレイの一つのミラー構造である。
【００２３】
ミラー１及び２が支持ポスト３に、基板ウェハＳＷにおけるＭＥＭＳ技術によってそれぞれ形成された、ヒンジ構造物４及び５を介して取り付けられている。各ミラーの直下には、電極６、７に電圧印加されたとき、つまり高電圧印加によって電極を帯電するとき、ミラー１、２に偏向を引き起こす作動電極６、７が設けられている。ヒンジ４、５はねじれ棒、つまり図示されているデバイスにあっては、ミラー１、２は、ヒンジ構造物に沿って紙面に延びる軸の周りに傾く。そして、ポスト３の各サイド上の二つの電極が設けられており、つまり、各一対の電極の内の一つの電極は示されているに一つによって隠される。
【００２４】
この従来技術のデバイスにあって、前記電極は基板表面に設けられる電気的導線８，９によって前記アレイから「離れて」ルーティングされる。理解できるように、ミラー１の作動電極６からの前記導線８は、ミラー２の下を通過しなければならず、さらに電圧印加されると、前記導線８は機能的なアーチファクトをいくらか引き起こしてミラー２にも影響するであろう。
【００２５】
図１ｂに示される他の従来のデバイスは、電極６、７をウェハＳＷの裏側にあるルーティング導線１２、１３に接続する電極に電圧を印加するためにウェハＳＡＷを介してビア１０、１１を利用する。ビア１０、１１は、非−ウェハ固有材料よりなり、すなわち、ホールは、基板内に形成され、その後、金属又は高不純物半導体のような金属又は他の導電材料が充填される。ルーティングリード１２、１３は、もちろん、相互に近接して設けられ、適宜には、もし所望ならワイヤボンディングが提供される前記ウェハの周辺に並列である。代替的に、裏側の金属のダブル層には、複数導電層間絶縁層が設けられる。この方法にあって、一つはクロッシング導体をルーティング構造における柔軟性を増加することにより提供する。鍍金（又は当業者によって周知の他の適切な方法）接触によって、バンプが提供される。好ましくは、ミラーコンポーネントを取り付けるフリップ−チップを可能とするいわゆるアンダーバンプ金属覆法（ＵＢＭ）。制御回路、例えばＡＳＩＣは、ミラーコンポーネントの裏側に、ＵＢＭによって直接的に取り付けられる。例えば、１２×１２より大きい、大型ミラーアレイ用に、そのような解決策は、従来技術による従来のワイヤボンディングよりも非常に費用効果が高い。フリップ−チップ取り付けは、ビア技術なしには可能ではない。
【００２６】
図１ｃには、ミラー１のような可動可能な素子が３’及び３”にて、基板に、ヒンジ４，５によって、図１ａ−ｂのデバイスと同様に取り付けられる別の従来のデバイスが示されている。作動は、基板ウェハＳＷを介して延びるウェハ固有材料のビア１０’、１１’によって実現される。ビア１０’、１１’の露出表面Ｅ１、Ｅ２は、電極を形成する。
【００２７】
ミラーは可動素子の代表的な一例であり、すなわち少なくとも部分的な変位又は偏向が引き起こされる素子は、名目上の静止位置を形成する。他の具体例（後述する）は、発振器、振動膜、光学スイッチなどである。
【００２８】
交互の絶縁及び導電層を備える構造物の所望の層における電気的接合
本発明は、一つの層状構造内の所望の位置にて作動電極に、接地を含む電位を提供することが望まれるＭＥＭＳデバイスに関する。
【００２９】
図３ａを参照すると、例えばシリコン又は他の半導体性の又は導体性の材料である、３つの（第１、第２及び第３、それぞれ）層３０、３１及び３２を備え、さらにこれら３つの層の間に、第１の絶縁層３３及び第２の絶縁層３４を挿入した層構造の概略が示されている。この層状構造は、適切に、一緒に接着された二つのＳＯＩウェハから形成され、第１の導電層３０は、ハンドル層を構成し、第２の導電層３１は第１のＳＯＩウェハのデバイス層を構成している。
【００３０】
第３の導電層は、第２のＳＯＩウェハのデバイス層を構成する。このため、理解できるように、図３ａに示された構造は、前記二つのＳＯＩウェハの接着と、第２のＳＯＩウェハのハンドル層の除去によって実現される。
【００３１】
代替的に、第２のＳＯＩウェハを用いる代わりに、第３の層を提供するために第２の通常のウェハを結合することが同様に可能である。この場合、結合されたウェハは、層３２の所望の厚さに研磨されるか、磨かれる。この処理は、Ｄ−ＳＯＩ処理としてよく言及される。
【００３２】
第１の導電層に延びるウェハ固有のビア構造３５、３６が提供されこともある。このビア構造は、周囲の導電性の第１層３０からの電気的絶縁を提供するように、絶縁エンクロージャ３６によって囲まれる多量に不純物が加えられたＳｉのウェハ固有ビア３５を備えることができる。ウェハ固有ビアは、適切に不純物が加えられた固有ウェハとされることができ、ビアを形成するための方法は、本質的に本発明の部分ではないので、本明細書では開示されない。前述のSE-526366を参照されたい。
【００３３】
この種類の層状構造が共通に用いられるＭＥＭＳアプリケーションにおいては、そのような層において、ときどき選択された位置又は領域（すなわち、作動電極）にあって、電位を選択された層に適用することが度々所望される。
【００３４】
本発明によれば、手元での必要に、電位の適用のような多様な方法を提供することができる。
【００３５】
したがって、本発明は層状ウェハ固有構造の所望の層に電気的な接続を形成し、同時に近接した層には、電気的な結合を妨げる。ウェハ固有の材料を用いることは、以下に説明するようにいくつかの有利な点がある。
【００３６】
今、図３ｂを参照すると、図３ａに示した層状ウェハ固有構造が用いられ、第１のステップにて、ホール３７が第３及び第２の導電層３２及び３１、さらに絶縁層３３はもとより絶縁層３４を介し、さらにビア３５に短い距離だけ入るようにエッチングされる。ホール３７は、導電性を与えるように、不純物がドープされた多結晶シリコン、金属又はケイ化物にて充たされる。本発明は、多結晶シリコンが好ましいとはいえ、材料選択を制限するものではない。多種の金属、ケイ化物又は導電性材料を用いることもできる。多結晶シリコンが好ましいのは、熱膨張特性がシリコンと非常に似ているからである。熱膨張特性に大きな違いがありすぎると、ミラーを「締め付ける」かもしれない機械的なテンションをもたらすことになる。この処理内における後工程の熱のバジェットは、ほとんどの金属によって影響される。図３ｂに示すように、電位がビア３５に与えられると、この電位は第２及び第３の層の両方に伝達される。
【００３７】
しかし、図３ｃに示す本発明の第１の具現化例にあって、電位はビア３５を介して、第３の層３２にのみ与えられる。これを実現するために、第１のＳＯＩウェハが、第２のＳＯＩウェハに結合されるまえに、処理される。つまり、多結晶シリコンプラグが層状構造の第２の層３１を介して延びるウェハの一部を囲む絶縁エンクロージャ３８が設けられなければならない。
【００３８】
これは、第１のＳＯＩウェハのデバイス層に、閉じられたループにおける溝３８を下方の埋め込まれた酸化層に向けてエッチングし、さらに選択的に前記溝を酸化物で部分的又は補完的に充たすことによって達成される。或いは、電気的な破壊がない、つまり電流が前記溝を通過することができないように、前記溝が十分大きいときに、前記溝が空気で充たされるようにしてもよい。二つのＳＯＩウェハが一緒に結合され、さらに第２のＳＯＩウェハのハンドル層が除去されると、図３ｂを参照して説明した手順が実行される、すなわち多結晶シリコンプラグが層状構造を通して提供され、そして図３ｃに示される結果が得られる。電位がこの構造におけるビアに適用されると、前記電位は第２の層に影響を与えることなく第３の層に伝達される。
【００３９】
他の具現化例にあって、第２の層３１へ電子を選択的に与えることが所望されると、再度溝３８がエッチングによって形成されるが、この場合には、溝のエッチングによる形成は、ＳＯＩウェハが一緒に結合され、さらにハンドル層が前記第２のＳＯＩウェハから除去された後である。このようにして、溝３８は、第３の層３２に形成され、図３ｃの具現化例のように、再度、少なくとも部分的に絶縁材料が充填される。この場合にはまた、充填されない溝を残すことも可能とされる。そのときは、ホール３７は、図３ｂを参照して開示されるように、層状構造を介してエッチングされ、図３ｄに示す構造が結果的に得られる。ここにあって、供給される電位は、第２の層３１にのみ伝達され、さらに第３の層には影響を残さない。
【００４０】
図示される具現化例にあっては、電位の供給が全ての層に伝達されるように示される。しかし、原理は、信号又は層内での電位の局所的ルーティングにも用いられる。例えば、供給される電位が一つの層内の一つの特定の場所において、目的物を作動するために用いられると、ビアがウェハ上のいくつかの所望のポイント、及び他のポイントにルートされる信号に配置されるように、対象となる層内の「チャンネル」のルーティングを形成する絶縁溝が提供される。これは、一つのルーティング「チャンネル」が３９で示される図３ｅにおける具体例にあっては、絶縁エンクロージャ３８とともに示される。
【００４１】
もちろん、本発明の原理は、構造内の二つの層のみであるばかでなく４つ以上の層にも、同様に適用可能である。
【００４２】
偏向可能な構造の作動
プロジェクターにおけるマイクロミラー、ファイバー光学スイッチ、光学増幅器、ラウドスピーカ膜などのような偏向可能な構造を備えるデバイスにあって、望ましい特徴の一つは、偏向及び／又は前記構造の平面平行動作を制御できることである。原理は、例えば、ファイバー光学スイッチ、光学増幅器及びラウドスピーカ要素などのいかなる偏向可能な構造にも適用できるけれども、以下ではミラーを参照している。
【００４３】
所望の制御された偏向を提供できる多くの異なる方法がある。まず、第1に、前記ミラーが接続されるいくつかの「ヒンジ」又はスプリング構造がある。一つの構造が前述の図１に示されており、前記ミラーは、例えば捩れ偏向を提供するために断面にあって概ね小さな寸法を有する脚又は腕を通して支持構造に取り付けられている。曲げられた又は弾性のある素子（スプリング）のような他のヒンジが用いられることもできる。
【００４４】
動きを二次元の動き（二つの直交する軸の周囲）に拡張するために、用いられることができる他のヒンジ構造タイプは図４ａに見られる、いわゆるジンバル構造である。ジンバルは、単一の軸についての物体の回転を許す旋回される支持である。一つが他の上に旋回軸に直行する、二つのジンバルセットは、最も深いジンバル上に取り付けられた物体にその支持の動きに無関係に垂直にとどまることを許すために用いられる。現状の状況では、ジンバルタイプ構造は、適切な静電気学動作によって基本的に全てのＸ−Ｙ方向（すなわち２Ｄ動作）にあって、ミラーを偏向することが出来るように用いられる。
【００４５】
静電気学作動は、２、３の方法によって実現される。言及された第１の方法は、図１ｂと同様に、「プレートキャパシタ作動」として参照されたものを用いることによる。このため、例えばねじれアームにヒンジされるミラーにとって、電位が前記電極に適用されるときに、前記電極に向かって引力を引き起こし、それによって前記ミラーが静止位置から前記電極に向けて偏向するであろう、前記ミラーと前記電極の間の電界があるような箇所で、前記ミラーの下に一つ以上の電極が提供される。前記ミラーは、自身で電極として作用することができるか、あるいは前記ジンバル上に電極素子が提供されることができる。
【００４６】
作動ポテンシャルは、基板の裏側から基板を通して延びるビア構造の対策によって電極に適用される。それによって、同一平面には、占有空間の不利な点を有し、製造の観点から相当に複雑になるかもしれない、電極としてのルーティング構造の提供の必要性がない。
【００４７】
プレートキャパシタ作動の使用による不利点は、高電圧（数百ボルト）を要求し、さらにミラー（或いは他の素子）が大きく、大きな偏向、つまり大きな作動ギャップを要求して電気的なブレークスルーのリスクをもたらす。
【００４８】
前記動作は、代替的に、プレートキャパシタ作動の欠陥を克服する「櫛状電極構造」によって提供される。櫛状電極のような異なる設計の例は、図４ａ―４ｂに示され、偏向可能なマイクロミラーに適用される。
【００４９】
図４ａには、プレートキャパシタ作動を備えるジンバルヒンジ構造が概略的に示される。
【００５０】
このようにミラー５０は、図４ａのように、周囲の支持構造５８に取り付けられるねじれ部材５６によって順番に動かされる、フレーム５４内のねじれ部材５２によって動かされる。
【００５１】
しかし、図４ａの櫛型電極６０ｃ、６０ｄの代わりに、ミラー５０の下に、シャドーラインにて示される二対の電極５９ａ及び５９ｂをそれぞれ設けてもよい。これらの電極は、ウェハを介し、さらに電極を構成するような端部面に向けられるビアによって、前記ミラーが吊るされる孔の底にあって基板５８の表面内又は上に設けられる。電極は、代替的に、ビアの端面上に適用される電極パッドとして提供される。
【００５２】
電極５９ａに電圧印加されると、電極５９ａは図面の平面に対して内側方向（図に見えるように左部分にて）に、すなわちＹ軸に傾くように、ミラーの偏向を引き起こすであろう。同様に、電極５９ｂへの電圧の印加は、右側部分にて内側に、つまりＹ軸周りにではあるが、反対方向に偏向を引き起こすであろう。明らかに、反対部分は、外側に偏向されるであろう。
【００５３】
他の垂直方向の偏向が各対の一つの電極、すなわち５９ａ及び５９ｂそれぞれ、電圧を印加することによって提供される。したがって、作動電極のこの組み合わせに電圧が印加されると、ジンバルフレーム５４はそのねじれヒンジ５６回りに偏向し、ミラーに同様の偏向を引き起こす。
【００５４】
平面内での櫛駆動アクチュエータについて、大きな動き／偏向のための可能性を提供しているが、小さなギャップに対する大きな作動領域が得られる。大きな領域及び小さなギャップは、低作動電圧をも意味する。
【００５５】
このように、図４ｂにあっては、二つの櫛型電極作動部を備えるジンバルヒンジ構造を概略的に示されている。
【００５６】
ミラー５０は、周囲の支持構造５８に取り付けられたねじれ部材５６によって次々に動かされる、ジンバルフレーム５４にあってねじれ部材５３によって動かされる。代替的には、前記ミラーを動かすために弾性部材が用いられてよい。
【００５７】
図４ｂに見られるように、前記フレーム５４及び前記支持部５８上に、はめ合わせ櫛型構造６０ａ、６０ｂもそれぞれ、前記ミラーをＸ−軸周りに傾けるために設けられ、さらに前記ミラー５０及び前記フレーム５４上に設けられる櫛型構造６０ｃ、６０ｄもＹ−軸周りに傾けるために設けられる。この方法にあって、前記ミラーは、２次元に自由に動くように操作され、前記ミラーが吊るされるところの窪み内にて利用できる空間によってのみ制限される。前記支持部の前記櫛型電極（作動電極）は、前述した具体例のように、前記構造の下のビア構造に接続され、さらに前記裏側から前記支持部を通して延びる。前記ジンバルフレーム５４上の前記櫛部は、前記構造における二つの層とその間の絶縁層から形成されるが、前記ミラー上の前記櫛部は、一つの層から、つまり前記ミラーと同様に、前記二つのうちの低い層から形成される。前記ジンバル櫛部は、上部にあって作動電圧Ｖauctが印加されて作動され、下部にあってＧＮＤ電位の接地に接続され、さらに前記ミラー櫛部は接地される。前記櫛部は、本発明に応じて、ねじれバー５２、５６及びフレーム５４におけるルーティングによってウェハ内の適切な層におけるビア構造に接続される。これは、図示される具体例にあって、前記櫛構造７０の低部７２が図７の上部から第２の層７６を介してビア７４及び「プラグ」７８に結合される、図７に示される。したがって、図示されるように、これらの櫛部は、前記構造にあって異なるレベルにて設けられ、つまり櫛部は製造のために用いられるＳＯＩウェハの異なるデバイス層にて形成される。
【００５８】
このように、電位が作動電極に適用されると、前記ミラー上の櫛構造は下方に引っ張られるが、挟み込まれた形状における前記櫛接合の「フィンガーズ」を見ると、前記偏向は、電極が前記ミラーの下に設けられる場合より多様な方法にて設けられる。例えば、櫛電極を用いるよりコンパクトな構造を形成することが可能となるであろう。
【００５９】
さらに他の具体例にあって、ヒンジは、ミラーを密集した空間、つまり非常にコンパクトな設計が得られるという利点を有する、前記ミラーの下に「隠される」。これは、例えば、応用光学あるいは可動ミラーによって覆われるデバイスでも可能であるような、光学的な適用に要求され、ミラーのない「dead」表面の最小領域とする。
【００６０】
ある程度の光の波長のためにも、ミラーが安定した材料にてコーティングされるのが必要とされる場合がある。そのような反射コーティングは、ミラー表面自体にのみ多くは要求され、ヒンジ及び／又はジンバル構造には要求されない。隠れたヒンジについてのコンセプトにより、全てのウェハはコーティングされる。もし、ヒンジが隠れていないなら、例えば「リフトオフ」、シャドウマスク、ステンシルシャドウマスク及び、より複雑でよい生産をもたらさない他の技術を用いることによって、反射材料の選択的なコーティングがあることになる。隠れたヒンジは、ジンバル構造５１が２軸について動くことを可能とするように設けられる図５及び６に示される。ここでは、ミラー５０がポスト５４上に設けられる。
【００６１】
作動電極５５は、ビア５７から第２層内へのルーティングによって提供される。単一軸周りの動きのため隠れたヒンジを設けることももちろん可能である。
【００６２】
そのような隠れたヒンジを形成するための、プロセスシーケンスは前述したものとは異なるであろう。図５が参照される。
【００６３】
二つのＳＯＩウェハを含む同様の基本プロセスが用いられるが、ヒンジは第１のＳＯＩウェハのデバイス層ＤＬ１に形成され、ミラーとミラーを動かすポストは第２のＳＯＩウェハのデバイス層ＤＬ２に形成される。所望された構造がそれぞれのウェハに形成された後、二つのＳＯＩウェハが一緒に接合されると、ヒンジが偏向の間に動くことができる自由空間を提供するために、開口が設けられる裏側（図５のくぼみ）が第１のＳＯＩウェハのハンドル層（図５のハンドル）に形成される。
【００６４】
代替的にさらなるＳＯＩウェハが図６に示すように前記構造に接合される。そこにおいて、デバイス層（図６ではＬＤ１）が、所望のようにミラーが動かされる（偏向される）のを可能とするためにスペーサ部材が設けられるように用いられる。デバイス層ＤＬ０は、この場合、図６に示されるように、ウェハが接合されるときに、動きのための空間を提供するくぼみを設けるためにエッチングされる。
【００６５】
前述のプロセスは、隠される構造ではないけれども、ジンバル構造を収納する２軸ミラー設計に配置される低電圧櫛電極動作の対策にも有用である。
【００６６】
櫛電極には、図７にみられるように、他の方法も有効である。これを実現するために、一つとしては、ウェハが一緒に結合されたのち、ヒンジ構造の下で小規模のエッチングを実行しなければならい。それによって、ヒンジ構造は、酸化物層によって保護され、さらにシリコンエッチングが適用され、そこにあって、材料が偏向のための自由空間（Alt-1くぼみ）を提供するために、ヒンジの下から除去される。このさらなるウェハのハンドルは、他のウェハが結合されるときにエッチングによって除去される。
【００６７】
デバイス層ＤＬ０の下のハンドル層から付加材料を除去することによって、ミラーの下に大きなくぼみ（Alt-2くぼみ）を提供することも可能である。
【００６８】
さらに、前記デバイスＤＬ０層を介してディープリアクティブイオンエッチ（Deep Reactive Ion Etch (ＤＲＩＥ)）により、くぼみ（Alt-3くぼみ）を提供することも可能である。
【００６９】
概略的に図８に示される、特別な適用にあっては、ミラー８０のような可動素子が基板８４の空洞８２上に設けられる。示された具体例にあって、ミラー８０は空洞８２のコーナー８６にてスプリング部材８８によって基板に対して吊られている。スプリング部材８８は、図８にあっては８８として概略的にのみ示されている。しかし、具体例にあって、スプリング部材は、図８にあって拡大されて示されるように「蛇行」形状である。しかし、スプリング動作又は弾力性を提供する如何なる形状のものでも使用可能である。
【００７０】
４つの電極８９が、可動素子８８の下に設けられているが、一つの単一電極でも充分であるかもしれない。ここで、電極に電圧が印加が印加されると、可動素子は静電気的に電極によって引き付けられさらに、それによって空洞の内部に送られる、すなわち平板並行変位が起こされる。このアプリケーションは、光学増幅、位相変化又は他の応用スイッチとして用いられる。
【００７１】
４つの電極を与えることは厳密に必要ではなく、平板並行伝達変位が確実であるような前記引き付ける力が均等に適用されるならば、一つ以上からいくつでも用いることができる。具現化例にあって、可動素子の表面の少なくとも一部、好ましくは主要部に対応する表面面積を有する一つの大きな電極が機能するであろう。電極は、前記ミラーが吊られる空洞の底部におけるビアのむき出しの表面によって形成されるか、ビア上の金属パッドとして提供されることができるであろう。
【００７２】
前記説明における電極は、動作目的のために用いられる。しかし、図９には他の具体例が示されており、それはピエゾフィルム９０（例えば、PZT, ALN，ピエゾ電気ポリマ及び当業者によって周知の他の材料）が概略的に示される、空洞９４上に吊られる可動素子９２上に堆積される。ピエゾフィルム９０は各サイドにそれぞれ取り付けられ、本発明に対応する層状構造を用いる一つの電極９１、９３を有する。
【００７３】
ピエゾ材料の逆の作用は、可動構造から信号／エネルギーを検出するために用いられることができる。このモードにあって、ピエゾ材料は、センサ又はエネルギー摘出アプリケーションとして用いられることができる。検出モードにて用いられる櫛電極と同様に、本発明かかる少なくとも二つの分離ルーティング層が必要とされる。
【００７４】
ここで、前述の構造を製造する方法を説明する。説明はミラー及びミラーアレイを参照して行なう。しかし、用いられる原理は、既に説明された、発振器、ラウド−スピーカ用振動膜、光学スイッチなどのような他の可動及び偏向可能素子を均等として用いることができる。
【００７５】
マイクロ−ミラーの製造方法
製造プロセスにあって、偏向可能なマイクロミラー及び／又はそのようなミラーのアレイは、一つのプロセスの一つの段階にあって、作動ミラー構造が製造される前に、二つのウェハ（第１ウェハ及び第２ウェハ）が、制御された雰囲気、例えば真空にて、一緒に結合される。前記二つのウェハの一つ（第１ウェハ）は、そこにおいて偏向の間自由に動かされる偏向可能ミラーのため、第１ウェハ内に最終構造にあって必要なスペースを提供するために形成されたくぼみを有する。前記第２ウェハ（適切にはＳＯＩウェハ）は、前記くぼみを覆う蓋を提供する。
【００７６】
したがって、前記二つのウェハの結合の後、第１ウェハ内の前記くぼみは、第２のウェハによって密閉され、さらにその結果、制御された雰囲気（例えば、真空）の空洞が形成される。プロセスの次のステップにあって、前記第２のウェハの機械加工が最終ミラー構造を形成するために実行される。前記ミラー構造は、比較的厚く、さらに固い動作ミラー部と、ヒンジ部を備える。
【００７７】
しかし、厚いミラーは大きな質量及び低周波数を意味し、薄いミラーは小さな質量及び高周波数を意味するところの、異なる共振周波数を提供するために、ミラーは異なる厚さを持つことができる。薄いミラーは、機械的な衝撃のため、より容易に曲げられる。ミラーを堅いフレーム部に形成し、残りの領域を低質量とより高い剛性を提供するために薄くすることができる。また、ヒンジは、様々な程度に薄くすることができる。
【００７８】
いくつかの具体例にあって、ヒンジを所望に機能させるための所望の柔軟性が提供されるため、ヒンジはミラーよりも実質的に薄くなる。特にヒンジは、いわゆるジンバル構造が提供される。
【００７９】
しかし、他の場合、例えばねじれ効果が所望されるとき、ヒンジはミラーと同じ厚さを有することができるが、比較的小さな左右への拡張（すなわち、ヒンジを横切る方向にあって）を有することになる。
【００８０】
これらの製造は、適切なマスキング及び第２のウェハのエッチングによって成される。しかし、ミラー構造を形成するプロセスステップは、くぼみ内部に行き渡っている圧力と異なる圧力（通常より高い）を有する雰囲気にて実行される。このように、「蓋」を横切って異なる圧力があるので、前記エッチングプロセスがＳＯＩウェハを、吊るされないヒンジされたミラーを提供するために、破壊するとき、突然の圧力平滑が起こるであろう。この圧力の平滑化が、繊細なヒンジ構造ミラーがミラーのために、非常に容易に破壊し、ミラーがデバイスから脱落してしまうということを、結果とし非常にまれにしか発生させないという、強力な力をもたらす。
【００８１】
本発明によれば、圧力平滑化が非常にスムースに、かつ繊細なヒンジに強力な力が及ばないように、構造を曲げるのを制御するために提供される。
【００８２】
本発明の一具現化例に係る解決策を図２ａ−ｄに概略的に示す。
【００８３】
図２ａは、そこに、デバイス層２３、酸化物層２４及びハンドル層２５を備えるＳＯＩウェハ２２が接合される空洞２１を有する第１のウェハ２０（基板ウェハ）を示す。第２のウェハのデバイス層２３内にあっては、適切に薄い下部２３’が最終仕上げされた製品にあって支持構造にミラーを接合するための、ヒンジの厚さを定義するために形成される。
【００８４】
ハンドル層２５は除去され（図２ｂ）さらに、適切にＭＶをマスキングした後、第１のエッチングが残留デバイス層２３内に通気孔前駆物質構造２６を設けるために実行される。この前駆物質構造２６は、予め定義された深さ、すなわちデバイス層の中に掘り下げる深さの、本質的には孔又は溝である。
【００８５】
その後、ミラー２７及びそのヒンジ２８構造がマスク内の輪郭（２９）を空けることによって、適切なマスキングＭＭＨ（図２ｃ）が提供され、さらに第２のエッチングが実行される。これは、図２ｃに概略的に示される。それにより、腐食液が、圧力が通気孔を介して均一化されるときに及ぼされる力のために破壊されるかもしれないほど、くぼみの２９にて材料が非常に薄くなる、デバイス層から輪郭くぼみ２９内の多くの材料を除去する前に、通気孔前駆物質構造２６が制御された雰囲気（例えば真空）にて、空洞２１を空ける。
【００８６】
腐食作用は、ミラーがフリー腐食されないまで、つまりデバイス層が２９にて外形くぼみを介して腐食されるまで、継続される。
【００８７】
他の具現化例にあって、全体のプロセスは、一つのステップにて実行されることができる。これは、通気孔前駆物質構造２６を、腐食液が材料を、ミラーのターンがそのヒンジをより早くエッチングするであろう、前の具現化例のように、ミラーを定義するくぼみ内よりも早い比率にて掘り出すのに充分大きな寸法とすることによって可能である。これは、図２ｃ内よりも大きな通気穴２６を示す、図２ｄに示される。
【００８８】
特に、本発明は、層状のＭＥＭＳ構造を形成する方法を提供する。他の導電性及び絶縁層及び電気信号又は前記構造における選択された層内で選択された場所又は領域に電位をルーティングするための電気供給構造を備え、前記方法は、ハンドル層に設けられるビア構造を有し、絶縁埋め込み酸化物層を通して延びる第１のＳＯＩウェハを提供するステップと、第２のウェハを提供するステップと、前記第１及び第２のウェハを一緒に接合するステップと、前記第２のウェハを薄くするステップと、前記二つのウェハの内のどちらかのデバイス層にあって、前記二つのウェハが一緒に接合されたときに、前記閉じたループ内部の材料が、少なくとも部分的に前記ビア構造をオーバーラッピングする、閉じたループ内で延びる溝の形状の絶縁構造を形成するステップと、前記接合されたウェハの前記デバイス層を介して、前記ビア構造内に下方に拡張され、さらに電気的結合を提供するために導電材料、適切にポリシリコンが埋め込まれるホールを形成するステップと、を備える。
【００８９】
さらに、少なくとも一つの可動素子及び前記素子用の少なくとも一つのヒンジ、及び前記マイクロ素子の動きを引き起こすための、請求項２０又は２１にて請求される方法によって形成されるルーティング構造に結合される作動電極を備える前記デバイス内のくぼみ上に設けられる可動マイクロ素子を製造する方法が提供され、前記製造方法は、周囲構造との接触が不要であるように静止位置から偏向されることができるマイクロ素子用に充分な空間を提供するために形成される空洞を有する、第１のウェハと、マイクロ素子が次に形成される第２のウェハであって、閉じた空洞が前記第１のウェハとの間に形成される第２のウェハとを一緒に接合するステップと、ｉ）前記マイクロ素子、及びｉｉ）ヒンジ構造を画定するためのマスク構造を提供するステップであり、前記通気孔が前記マイクロ素子及びヒンジが完成される前に開放されるように、制御された方法にて前記マスク構造を介してエッチングされるようなマスク構造を提供するステップとを備える。
【００９０】
さらにまた、他の電極及び絶縁層及び電子信号又は前記構造における選択された層内の選択された箇所又は領域に電位をルーティングするため電気的な両面間接続端子構造を備えてＭＥＭＳ構造を形成する方法が提供され、この方法は、前記ハンドル層に提供されるビア構造を有し、そのビア構造を絶縁埋め込み酸化物層に延ばす第１のＳＯＩウェハを提供するステップと、第２のウェハを提供するステップと、前記二つのウェハを一緒に接合するステップと、前記第２のウェハを薄くするステップと、前記二つのウァハのうちのいずれかのデバイス層における閉じられたループにて走る溝の形成の絶縁構造を形成するステップであり、前記二つのウェハが一緒に結合されたときに、前記閉じられたループ内の材料は少なくとも部分的に前記ビア構造をオーバーラッピングする前記絶縁構造を形成するステップと、前記結合された二つのウェハの前記デバイス層を介してホールを形成するステップであり、前記ホールは前記ビア構造内の下に延び、さらに前記ホールを、電気的な接続を提供するために、適切にはポリシリコンである導電材料にて埋める、前記ホールを形成するステップとを備える。
【００９１】
最終的に、他の電極及び絶縁層を備える層状ＭＥＭＳ構造が提供され、さらに、第１の外側層におけるビア構造と、好ましくは他の層に拡張し、ビア構造を介して複数層に導電性を提供するためのビア構造の中に延びる、ポリシリコンと、さらに前記他の層の少なくとも選択された一つの層にあって前記電極プラグを囲む絶縁閉鎖を、前記プラグを前記選択された層のバルクから絶縁する。
【図１ａ】
0005701772.tif 000002
【図１ｂ】
0005701772.tif 000003
【図１ｃ】
0005701772.tif 000004
【図２ａ）】
0005701772.tif 000005
【図２ｂ）】
0005701772.tif 000006
【図２ｃ）】
0005701772.tif 000007
【図２ｄ）】
0005701772.tif 000008
【図３ａ】
0005701772.tif 000009
【図３ｂ】
0005701772.tif 000010
【図３ｃ】
0005701772.tif 000011
【図３ｄ】
0005701772.tif 000012
【図３ｅ】
0005701772.tif 000013
【図４ａ】
0005701772.tif 000014
【図４ｂ】
0005701772.tif 000015
【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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