(57)【特許請求の範囲】
【請求項１】
静止本体と、
アクチュエータ部分及びアクチュエータ部分に隣接するミラー部分を有する可動本体であって、
前記アクチュエータ部分は第１のスプリング接続によって前記静止本体に接続され、前記第１のスプリング接続は、前記可動本体が前記静止本体に対して、第１の軸を中心に回転することを可能とし、
ミラー部分は、第２のスプリング接続によって、前記アクチュエータ部分にカンチレバーの態様で接続され、前記第２のスプリング接続は、前記ミラー部分が前記アクチュエータ部分に対して、第２の軸を中心に回転することを可能とする可動本体、
第１のアクチュエータに印加される電位差に応答して、前記可動本体を前記第１の軸を中心に回転させる第１のアクチュエータ、及び
第２のアクチュエータに印加される電位差に応答して、前記ミラー部分を前記第２の軸を中心に回転させる第２のアクチュエータとから成り、
前記第１の軸は前記第２の軸に対して垂直であり、
前記静止本体はキャリアウェハに取り付けられており、前記静止本体は前記第１のスプリング接続を前記キャリアウェハに取り付けるためのアンカーを含み、
前記第１のアクチュエータは、前記静止本体に取り付けられた第１の部分（Ａ）及び前記可動本体の前記アクチュエータ部分に取り付けられた第２の部分（Ａ）とを含み、前記第２のアクチュエータは、前記可動本体の前記アクチュエータ部分に取り付けられた第１の部分（Ｂ）及び前記可動本体の前記ミラー部分に取り付けられた第２の部分（Ｂ）とを含み、
前記第２のアクチュエータは垂直コムドライブアクチュエータであり、前記第１の部分（Ｂ）は第１のコムドライブ部分（Ｂ）であり、前記第２の部分（Ｂ）は第２のコムドライブ部分（Ｂ）であり、前記第２のコムドライブ部分（Ｂ）の少なくとも一部は、前記第１のコムドライブ部分（Ｂ）と互いに嵌合されており、前記第２のアクチュエータの前記第１の部分（Ｂ）及び前記第２の部分（Ｂ）は、誘電材料を充填したトレンチにより電気的に絶縁されている、高フィルファクターアレイで使用する微小電気機械システムのマイクロミラー装置。
【請求項２】
前記第１のアクチュエータは垂直コムドライブアクチュエータであり、前記第１の部分（Ａ）は第１のコムドライブ部分（Ａ）であり、前記第２の部分（Ａ）は第２のコムドライブ部分（Ａ）であり、前記第２のコムドライブ部分（Ａ）の少なくとも一部は、前記第１のコムドライブ部分（Ａ）と互いに嵌合されている、請求項１記載の微小電気機械システムのマイクロミラー装置。
【請求項３】
前記第１のコムドライブ部分（Ａ）及び前記第２のコムドライブ部分（Ａ）並びに前記第１のコムドライブ部分（Ｂ）及び前記第２のコムドライブ部分（Ｂ）は上縁部、下縁部及びコムフィンガを有し、前記第１のコムドライブ部分（Ａ）及び前記第２のコムドライブ部分（Ａ）並びに前記第１のコムドライブ部分（Ｂ）及び前記第２のコムドライブ部分（Ｂ）の少なくとも一つの前記コムフィンガは、前記上縁部に向かって配置されているか、前記下縁部に向かって配置されているか、前記上縁部と前記下縁部との間に延長されているかのいずれかである、請求項１又は２記載の微小電気機械システムのマイクロミラー装置。
【請求項４】
前記第１のアクチュエータの前記第１の部分（Ａ）及び前記第２の部分（Ａ）、並びに前記第２のアクチュエータの前記第１の部分（Ｂ）及び前記第２の部分（Ｂ）は、電気的に絶縁されている、請求項１〜３のいずれか一項に記載の微小電気機械システムのマイクロミラー装置。
【請求項５】
前記トレンチはインターロック形状を有する、請求項１〜４のいずれか一項に記載の微小電気機械システムのマイクロミラー装置。
【請求項６】
前記静止本体はキャリアウェハに取り付けられ、前記キャリアウェハは２つ以上の電極を有し、前記第１のアクチュエータの前記第１の部分（Ａ）及び前記第２の部分（Ａ）、並びに前記第２のアクチュエータの前記第１の部分（Ｂ）及び前記第２の部分（Ｂ）の各々は、前記キャリアウエア上の異なる電極に接続されている、請求項１〜５のいずれか一項に記載の微小電気機械システムのマイクロミラー装置。
【請求項７】
前記キャリアウェハの前記電極はサポート構造の上部に形成され、前記サポート構造は前記可動本体及び前記静止本体をサポートする、請求項６に記載の微小電気機械システムのマイクロミラー装置。
【請求項８】
前記キャリアウェハは、パイレックスガラスウェハ又はシリコンウェハである、請求項１〜７のいずれか一項に記載の微小電気機械システムのマイクロミラー装置。
【請求項９】
前記キャリアウェハはエッチングされ、前記可動本体の少なくとも一部の下にキャビティ又はスルーホールを形成する、請求項１〜８のいずれか一項に記載の微小電気機械システムのマイクロミラー装置。
【請求項１０】
前記第１のアクチュエータは前記キャリアウェハに取り付けられた第１の部分（Ａ）及び前記可動本体の前記第１のアクチュエータ部分に取り付けられた第２の部分（Ａ）とを含み、且つ前記第２のアクチュエータは前記キャリアウェハに取り付けられた第１の部分（Ｂ）及び前記可動本体の前記ミラー部分に取り付けられた第２の部分（Ｂ）とを含む、請求項１〜９のいずれか一項に記載の微小電気機械システムのマイクロミラー装置。
【請求項１１】
前記第１のアクチュエータ及び前記第２のアクチュエータの少なくとも一つは平行板静電アクチュエータである、請求項１０に記載の微小電気機械システムのマイクロミラー装置。
【請求項１２】
前記マイクロミラー装置は単一のシリコンウェハからエッチングされ、前記第１のアクチュエータは、前記第２のアクチュエータから電気的に絶縁されている、請求項１〜１１のいずれか一項に記載の微小電気機械システムのマイクロミラー装置。
【請求項１３】
前記第１のスプリング接続及び前記第２のスプリング接続の少なくとも一つはＶ字形、楔形、又は弾性材料の平行バンドの一つである、請求項１〜１２のいずれか一項に記載の微小電気機械システムのマイクロミラー装置。
【請求項１４】
前記第２のアクチュエータは、前記第１の軸の周囲にある前記可動本体の位置の位置検出器として作用するように、前記第１のアクチュエータに隣接すると共に前記第１のアクチュエータと電気的に絶縁された垂直コムドライブアクチュエータである、請求項１〜１３のいずれか一項に記載の微小電気機械システムのマイクロミラー装置。
【請求項１５】
電気的に絶縁された前記第１のアクチュエータのキャパシタンスは前記第１の軸の周囲にある前記可動本体の位置に関連している、請求項１４に記載の微小電気機械システムのマイクロミラー装置。
【請求項１６】
前記微小電気機械システムのマイクロミラー装置は、平行に間隔をおいた関係に配置されている、請求項１〜１５のいずれか一項に記載の微小電気機械システムのマイクロミラー装置のアレイ。
【請求項１７】
平行に間隔をおいた関係に配置された微小電気機械システムのマイクロミラー装置の第１及び第２アレイを含み、前記第１のアレイの前記ミラー部分は前記第２のアレイの前記ミラー部分と隣接している、請求項１６に記載のアレイ。
【請求項１８】
前記微小電気機械システムのマイクロミラー装置は逆平行に間隔をおいた関係に配置されている、請求項１〜１７のいずれか一項に記載の微小電気機械システムのマイクロミラー装置のアレイ。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、１次元または２次元回転の微小電気機械システム（即ちＭＥＭＳ）のマイクロミラーと、高フィルファクターのマイクロミラーアレイとを目的としている。
【背景技術】
【０００２】
微小電気機械システムのミラーとミラーアレイは、光プロセスと、光クロスコネクトスイッチ、減衰器、波長ブロッカー、動的利得等化器、構成可能な格子および同調フィルタなどの光ファイバネットワークにおいて幅広い用途がある。高フィルファクターおよび２つの回転軸を有する微小電気機械システムのミラーアレイは、波長分割多重化システムにおいて特に重要である。フィルファクターは概して、アレイの全エリアに対するアクティブエリアの比として定義される。高フィルファクターは光チャネルの形状を改良し、システムにおける光学的損失を削減する。２つの回転軸を有するマイクロミラーは、チャネル間の光ビームの切り替えを提供することができる一方で、切り替え時の望ましくない光学的過渡クロストークを回避し、かつ可変的な光減衰を達成する。
【０００３】
米国特許第６，７６０，１４５Ｂ１号明細書に開示されている電磁起動、米国特許第７，０９１，０５７Ｂ２号明細書に開示されている熱起動、および米国特許第７，０９５，５４６Ｂ２号明細書に開示されている静電起動などの、多数の微小電気機械システムのマイクロミラーアレイ起動方法がある。静電起動は、この低消費電力と、比較的単純な構成と省スペースゆえに好ましい。
【０００４】
静電起動による既存のマイクロミラーは、垂直コムドライブタイプマイクロミラーと平行板タイプマイクロミラーの２つのカテゴリに入る。従来の垂直コムドライブタイプマイクロミラーの欠点は、この一般的なジンバルおよびフレーム構造ゆえに高フィルファクターアレイを形成することができないことである。隣接するマイクロミラー間のギャップを縮小することは困難であるため、高フィルファクターのミラーアレイの形成は難しい。この種の微小電気機械システムのマイクロミラーの１つが米国特許第６，８２２，７７６Ｂ２号明細書に開示されていた。
【０００５】
平行板タイプのアクチュエータに基づいて高フィルファクターのミラーアレイを形成することはかなり容易である。大多数の既存の高フィルファクターマイクロミラーアレイの設計は、米国特許第７，０９５，５４６号、第６，９３４，４３９号、第６，６９４，０７３号、第６，７８１，７４４号、第６，７７８，７２８号、第７，２０９，２７４号および第７，０５３，９８１号に教示されているような平行板タイプ静電アクチュエータを使用している。平行板静電アクチュエータを使用することの利点は、この設計には通常のジンバル構成やフレームは必要ないということである。したがって、ミラー間のギャップは、高フィルファクターのミラーアレイを形成するには非常に小さい可能性がある。しかしながら、平行板静電アクチュエータを使用するマイクロミラーアレイには複数の欠点がある。
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【０００６】
第１に、マイクロミラーの平行板タイプ静電アクチュエータのプルイン効果は、一定の起動電圧未満で、コントロール可能な傾斜角度を制限する。起動電圧が固定電極と可動ヒンジミラーとの間に印加されると、得られる静電引力はミラーを固定電極に引き付け、ヒンジミラーの傾斜を形成する。まず、変形ヒンジからの復元力は静電力のバランスをとって、ミラーをコントロール可能な位置に保つ。しかし起動電圧がさらに上げられ、かつヒンジミラーの傾斜が、固定電極とミラーとの間の初期ギャップの３分の１を超える場合、電極とミラーとの間の静電力はヒンジの機械的復元力を抑制するため、ヒンジミラーが折れて、固定電極に物理的に接触する。したがって、ミラーの使用可能かつコントロール可能な傾斜範囲は、ミラーと固定電極との間のギャップのわずか３分の１に制限される。さらに、狭いコントロール可能な傾斜範囲内でも、平行板静電アクチュエータは線形起動を提供しない。言い換えると、ミラーの傾斜角度は起動電圧に対して線形ではない。
【０００７】
第２に、高起動電圧は、帯電、傾斜角度のドリフト、および隣接ミラー間のクロストークに関する問題をもたらす。ミラーのコントロール可能な傾斜角度を大きくするために、固定電極とミラーとの間のギャップは大きくされなければならない。このギャップの増大はより高い起動電圧をもたらす。しばしば、数度のミラー傾斜を得るためには数百ボルトが使用されなければならない。このような高い駆動電圧はミラーデバイスの誘電材料に帯電をもたらし、このことは、ミラーの望ましくない傾斜角度のドリフトを招く。また、ミラー起動電極から電界を遮断して、隣接ミラーの性能に干渉することは極めて困難である。
【０００８】
第３に、マイクロミラーの２つの回転軸間に機械的結合がある。米国特許第７，０９５，５４６号明細書、第６，９３４，４３９号明細書、第６，６９４，０７３号明細書、第６，７８１，７４４号明細書、第６，７７８，７２８号明細書、第７，２０９，２７４号明細書および第７，０５３，９８１号明細書に開示されているマイクロミラーにおいて、一方の回転軸を中心とする起動は、もう一方を中心とするミラーの運動をもたらす。この２つの回転軸の結合は、デバイスの動作コントロールを複雑かつ不確実なものとする。
【０００９】
第４に、傾斜時の可動ミラーと固定電極との間の圧縮空気は、隣接ミラー間の干渉につながる。可動ミラーと固定電極との間の空間は非常に小さく、かつ隣接ミラー間のギャップもまた、高フィルファクターを得るには小さいため、ミラーの高速傾斜／切り替えによって、ミラーと固定電極との間の空気膜が圧縮または圧縮解除される。したがって、空気流が形成されることになる。ミラーの切り替えに起因する空気流はしたがって隣接ミラーと干渉し、これらを傾斜させる。さらに、圧縮空気膜からの空気ダンピングは、ミラーの切り替え速度を効果的に低下させる。
【００１０】
最後に、マイクロ加工プロセスは、特に２次元回転ミラーの複雑な起動電極および電気配線を形成するのにコストがかかり、かつ複雑である。
【課題を解決するための手段】
【００１１】
少なくとも１つの静止本体と可動本体とを含む、高フィルファクターアレイで使用するための微小電気機械システムのマイクロミラーが提供される。可動本体は対向する端部を有し、弾性主軸ピボットによって対向する端部の各々で静止本体に固定されている。ミラーサポートが、可動本体によってサポートされ、かつこれによって移動可能である。ミラーサポートは第１の自由側面と第２の自由側面とを有する。静止本体に接続された固定部分と、可動本体に接続された可動部分とを含む主軸アクチュエータが提供される。可動部分は、固定部分と可動部分との間の電位差に応答して固定部分から離れるように適合されるため、可動本体は弾性主軸ピボットを中心に回転する。ミラーはミラーサポートによってサポートされる。
【００１２】
これらおよび他の特徴は、添付の図面を参照した以下の説明からより明らかになり、この図面は図示目的にすぎず、制限的意図はないものとする。
【図面の簡単な説明】
【００１３】
【図１】従来の平行板タイプ静電アクチュエータを使用する従来のマイクロミラーの斜視図である。
【図２】静電垂直コムドライブアクチュエータを使用するマイクロミラーの斜視図である。
【図３】静電垂直コムドライブアクチュエータの設計例の斜視図である。
【図４】静電垂直コムドライブアクチュエータの別の設計例の斜視図である。
【図５】シリコン・オン・インシュレータ（ＳＯＩ）ウェハの斜視図である。
【図６】高深度反応性イオンエッチング（ＤＲＩＥ）によってトレンチされた後の図５のＳＯＩウェハの斜視図である。
【図７ａ】トレンチ再充填後のＳＯＩウェハの斜視図である。
【図７ｂ】図７ａに示されているトレンチ再充填の詳細Ａの拡大斜視図である。
【図８】部分的ＤＲＩＥシリコンエッチング後のＳＯＩウェハの斜視図である。
【図９】キャリアウェハの斜視図である。
【図１０】サポート構造を形成するための高深度キャビティシリコンエッチングおよび浅型シリコンエッチング後のシリコンキャリアウェハの斜視図である。
【図１１】サポート構造を形成するためのスルーホールシリコンエッチングおよび浅型シリコンエッチング後のシリコンキャリアウェハの斜視図である。
【図１２】サポート構造を形成するためのスルーホール加工および浅型ガラスエッチング後のガラスキャリアウェハの斜視図である。
【図１３ａ】サポート上部への浅型ガラスエッチングと金属電気相互接続ワイヤ形成後のガラスキャリアウェハの斜視図である。
【図１３ｂ】図１３ａに示されているガラスサポータの上部の金属コンタクトタブの詳細Ｂの拡大斜視図である。
【図１４】キャリアウェハと結合された図８のＳＯＩウェハの斜視図である。
【図１５】ＳＯＩウェハのエッチング済みハンドルウェハの斜視図である。
【図１６ａ】部分的にエッチングされたＳＯＩウェハの埋め込み酸化物層の斜視図である。
【図１６ｂ】図１６ａに示されている部分的にエッチングされた埋め込み酸化物層の詳細Ｃの拡大斜視図である。
【図１７ａ】ＳＯＩウェハの埋め込み酸化物層の完全エッチングパターンの斜視図である。
【図１７ｂ】図１７ａに示されているパターニング済み埋め込み酸化物の詳細Ｄの拡大斜視図である。
【図１８ａ】スルーデバイスシリコン層のＤＲＩＥシリコンエッチング後のＳＯＩウェハの斜視図である。
【図１８ｂ】図１８ａに示されているスルーデバイス層のＤＲＩＥエッチング後のコムフィンガの詳細Ｅの拡大斜視図である。
【図１９ａ】下部コムフィンガを形成するためのＤＲＩＥシリコンエッチング後の図１８のＳＯＩウェハの斜視図である。
【図１９ｂ】図１９ａに示されたコムフィンガの詳細Ｆの拡大斜視図である。
【図１９ｃ】図１９ａに示されたコムフィンガの詳細Ｇの拡大斜視図である。
【図１９ｄ】図１９ａに示されたコムフィンガの詳細Ｈの拡大斜視図である。
【図２０ａ】マイクロミラーと、垂直コムドライブアクチュエータと、金属相互接続ワイヤ付きキャリアガラスウェハの分解図である。
【図２０ｂ】マイクロミラーと、垂直コムドライブアクチュエータと、金属相互接続ワイヤ付きキャリアガラスウェハの分解裏面図である。
【図２１】単列マイクロミラーアレイ構成の斜視図である。
【図２２】別の単列マイクロミラーアレイ構成の斜視図である。
【図２３】複列マイクロミラーアレイ構成の斜視図である。
【図２４ａ】主（即ち一次）回転用の傾斜検出部材を備えるマイクロミラーの斜視図である。
【図２４ｂ】図２４ａの主回転用の傾斜検出部材の詳細Ｉの拡大斜視図である。
【図２５】副(即ち二次)回転にキャリアウェハ上の金属電極を使用する２次元回転ミラーの斜視図である。
【図２６】低電圧駆動の１次元回転マイクロミラーの斜視図である。
【図２７】低電圧駆動の１次元回転マイクロミラーアレイの斜視図である。
【図２８ａ】先細り状ヒンジの斜視図である。
【図２８ｂ】ダブルビーム状ヒンジの斜視図である。
【発明を実施するための形態】
【００１４】
下記のデバイスは多数の異なる形態の実施形態が可能であるが、好ましい実施形態が図示され、かつ詳細に後述されており、本開示はこのデバイスの原理の例示とみなされ、かつデバイスの広範な態様を図示されている実施形態に制限する意図はない点が理解される。図面は必ずしも等縮尺で描かれておらず、構造における種々の要素の相対的サイズは実際のデバイスと異なることもある。
【００１５】
当分野で既知の平行板静電アクチュエータを備えるマイクロミラーが図１に示されている。ミラー１３は金属膜などの反射性材料で被覆されており、アンカー１０および１１に接続されている２つのヒンジ１２および１６によってサポートされている。２つの固定起動電極１４および１５はミラー１３の下にある。ミラー１３と、ヒンジ１２および１６と、アンカー１０および１１はドープ導電性シリコンから形成可能である。起動電圧がミラー１３と電極１４との間に印加されると、得られる静電力はミラー１３を電極１４に引き付け、ヒンジ１２および１６の変形をもたらす。静電力が変形ヒンジの機械的復元力とバランスが保たれる場合、ミラー１３はある傾斜角度で安定する。プルイン効果、傾斜角度のドリフト、隣接ミラー間のクロストーク、圧縮空気のダンピングなどの平行板静電アクチュエータの欠点は、高フィルファクターマイクロミラーおよびマイクロミラーアレイの性能不良、ならびに非常に複雑で、生産歩留まりが低く、かつ高価な製造方法を招く。
【００１６】
これらの問題を克服し、かつ高フィルファクターのマイクロミラーおよびマイクロミラーアレイを得るために、垂直静電コムドライブアクチュエータ設計が使用されてもよい。このような垂直静電コムドライブの一例が図２に示されている。平行板静電アクチュエータに対する垂直コムドライブの利点は、高い起動力密度、良好な起動線形性、および非プルイン効果を含む。後述のマイクロミラー設計およびマイクロミラーアレイ製造方法は、傾斜角度のドリフトおよび隣接ミラー間のクロストーク、ならびに圧縮空気のダンピングの効果を削減する。ミラー２１はヒンジ２６および２７によってアンカー１７および１８に固定される。固定電極１９および２０は、複数セットの上部コムフィンガ２２および２４を有する。下部コムフィンガ２３および２５の複数の可動セットがミラー２１の外縁部にある。起動電圧が可動下部フィンガ２３と固定上部コムフィンガ２４間にのみ印加されると、得られる静電力はミラー２１をヒンジ２６および２７の周辺に反時計回りに引き付け、ヒンジ２６および２７を変形させる。静電力が、変形ヒンジ２６および２７の得られる機械的復元力とバランスが保たれると、ミラー２１は安定位置に達する。起動電圧が固定上部コムフィンガ２２と可動下部コムフィンガ２５との間にのみ印加されると、ミラー２１はヒンジ２６および２７周辺に時計回りに回転する。示されているマイクロミラーは、ミラー回転の方向コントロールを達成するために、異なる上部および下部のフィンガ設計を使用する。この垂直コムドライブ設計は、ミラー２１が電気接地されると、２つの固定電極１９および２０のいずれかに印加された電圧はミラーを個別に回転させて、これを、２つの異なる方向、時計回りまたは反時計回りに傾斜させるものである。
【００１７】
図３を参照すると、示されている垂直コムドライブ設計は、異なる上部および下部のコムフィンガ配列を有する。ミラー２１は上部コムフィンガ２９および下部フィンガ２３を外縁部に有する。固定電極１９は固定下部コムフィンガ２８を有するのに対して、固定電極２０は上部コムフィンガ２４を有する。ミラー２１と対応する上部フィンガ２９および下部フィンガ２３とが電気接地される場合に、電位が固定電極１９および２０の両方に印加されると、ミラーは反時計回りに回転する。ミラー２１の両側のコムドライブはしたがって共働して、ミラーを同一方向に起動させる。このような設計の利点は、一定のミラーの傾斜角度に対して起動電圧を低下させることと、ヒンジに対して得られるアンバランスな力が排除されることであり、これは、所望のミラー回転だけではなくミラーの上下ピストン変換運動をもたらすことができる。
【００１８】
図２および図３に示されている垂直コムドライブ設計は複数の上部コムフィンガを有し、これらは、材料をこの下部から除去することによって形成される。もう１つのコムフィンガの配列オプションが図４に示されており、この場合材料がフィンガの下部に保持されている。この設計は製造プロセスを簡略化するが、駆動電圧を増大させて、図２および図３に示されているコムフィンガ設計と比較して同じミラー傾斜角度を達成する。
【００１９】
マイクロミラーやマイクロミラーアレイは、この垂直コムドライブアクチュエータについて図２、図３および図４で示された３つのコムフィンガ配列のいずれかを使用してもよい点が理解される。マイクロミラーおよびマイクロミラーアレイのマイクロ加工方法に関する以下の説明において、図２および図３に示されているコムフィンガ設計のみが含まれるが、図４に示されているコムフィンガ設計は、図２および図３に示されている垂直コムドライブアクチュエータを形成するプロセスにおける全ステップを必要としていないからである。さらに、以下のプロセスについての説明は、マイクロミラーおよび高フィルファクターマイクロミラーアレイについて設計されたマイクロ加工方法の一例である。当業者は、他の代替的マイクロ加工方法があり、下記の説明はマイクロミラーおよびマイクロミラーアレイの代表的製造方法である点を認識する。さらに、ミラーおよびマイクロミラーアレイを製造する主要プロセスステップのみを説明する。
【００２０】
マイクロミラーおよびマイクロミラーアレイと対応する垂直コムドライブアクチュエータは、図５に示されているシリコン・オン・インシュレータ（ＳＯＩ）ウェハの単結晶シリコンデバイス層から形成される。より薄い単結晶シリコンデバイス層３２が、埋め込み酸化物（ＢＯＸ）層３３によってハンドルシリコンウェハ３４に結合される。ＳＯＩウェハはＳＯＩウェハ販売者から購入可能であり、あるいは、溶融結合およびエッチングバックプロセスなどの既知の方法を使用して形成可能である。単結晶デバイスシリコンは、良好な導電性を有するように重ドープされるべきである。
【００２１】
一部の用途では、各マイクロミラーが２次元回転するようにコントロールされる必要があり、かつ主(即ち一次)および副(即ち二次)回転用のアクチュエータが同一の導電性単結晶デバイス層に形成されるため、主(即ち一次)アクチュエータは、独立起動を有するように、副(即ち二次)アクチュエータと電気的に絶縁されなければならない。トレンチ加工および誘電材料再充填方法が、後述のマイクロ加工方法で使用される。
【００２２】
図５に示されているＳＯＩウェハは、低圧化学気相成長法（ＬＰＣＶＤ）を使用して上部および底部両方に成長された薄い窒化膜を有することがある。次いでリソグラフィが、ＳＯＩウェハのシリコンデバイス層上のトレンチの具体的な形状を定義するために使用される。トレンチの形状を設計する場合に強力な機械的強度を維持しつつ良好な電気的絶縁性を有することが極めて重要である。図６に示されているような窒化シリコン層３５の反応性イオンエッチング（ＲＩＥ）およびシリコンデバイス層３２の高深度反応性イオンエッチング（ＤＲＩＥ）の後、数ミクロン幅のくぼんだトレンチ３６が単結晶デバイス層３２に形成される。ＢＯＸ層３３はＤＲＩＥエッチングストップ層として使用される。単純なフォトレジストや他の材料がＲＩＥおよびＤＲＩＥエッチングマスクとして使用可能である。単一トレンチまたは複数の平行トレンチが、良好な電気的絶縁性および機械的強度を有するように形成されるべきである。ＲＩＥおよびＤＲＩＥエッチングマスク材料をはぎ取った後の単一トレンチ３６が図６に示されている。
【００２３】
上記の処理が行なわれたＳＯＩウェハは次いで、ウェット酸化のために熱酸化炉に送られる。ＳＯＩウェハは上部および底部をＬＰＣＶＤ窒化物で被覆されているため、酸化はトレンチの側壁のみで生じる。トレンチの両側壁から形成される酸化物は、一定期間のウェット熱酸化の後にトレンチを閉じるように相互に接触する。ＬＰＣＶＤ窒化薄膜は、ＳＯＩウェハの上部および底部両方への熱酸化物の成長を防止し、また図７ａに示されているＲＩＥを使用してエッチングされる。ウェット熱酸化物３７で充填されたトレンチ３６は図７ｂに示されている。
【００２４】
トレンチエッチングおよび誘電材料再充填を実行するための多数のオプションがある。例えば、トレンチを酸化物のみで充填するのではなく、初期の薄い熱酸化物の成長後にトレンチの大部分を充填するために多結晶シリコンが使用可能である。トレンチエッチングおよび再充填の選択は、マイクロミラーおよびプロセスコストの要件に左右される。
【００２５】
トレンチ形成および誘電材料再充填の後、別のフォトリソグラフィプロセスが、後続の部分的シリコンＤＲＩＥのためにデバイスシリコン層に実行される。ＤＲＩＥエッチングの深さは、例えば、デバイスシリコン層３２の厚さのほぼ半分であってもよい。部分的シリコンＤＲＩＥステップは複数の目的に使用される。図８において、シリコンＤＲＩＥは、シリコンの下部を除去して上部垂直コムフィンガを形成するために領域５４および５５で使用される。シリコンＤＲＩＥはまた、ヒンジの高さを低くしてより柔軟にするために領域５１ａ、５１ｂ、５２ａおよび５２ｂで使用されることもあり得、このことは必要な起動電圧を低下させる。領域５３ａおよび５３ｂのシリコンＤＲＩＥはマイクロミラー表面の裏である。結果として、ミラー構造の強度およびミラーの平坦さを犠牲にすることなく、マイクロミラーの質量は低下し、この共鳴周波数は増大される。
【００２６】
図９に示されているハンドルつまりキャリアウェハ３９は、パイレックスガラス（登録商標：以下同じ）か標準シリコンウェハであってもよい。垂直静電コムドライブアクチュエータのアンカーをサポートするためのサポート構造と、上述のような圧縮空気のダンピングや圧縮空気流を削減または排除するためのマイクロミラー下の大型キャビティとを形成した後、ウェハ３９は、溶融結合、陽極結合または他の結合技術のいずれかを使用することによって製造されたＳＯＩウェハに結合される。
【００２７】
図１０において、ウェハ３９が標準シリコンウェハの場合、リソグラフィおよびシリコンＤＲＩＥは、領域４２における浅型シリコンエッチングによってサポート４０および４１を形成し、かつ領域４３におけるより深いシリコンエッチングによってマイクロミラー下の深いキャビティを形成するために使用される。これはまた、図１１に示されているようにマイクロミラーの下にホールを残すためにキャリアウェハ３９を単純にエッチングすることによって実行可能である。ＫＯＨ（水酸化カリウム）またはＴＭＡＨ（水酸化テトラメチルアンモニウム）などにおけるウェットシリコン異方性エッチングなどの他のエッチング方法もまたこのエッチングに使用可能である。シリコンエッチングの後、および、フォーミングガスなどの不活性ガスにおけるＳＯＩウェハとの結合の前に、非常に薄い熱酸化物が、ＳＯＩウェハの単結晶シリコンデバイス層３２がキャリアシリコンウェハ３９から電気的に絶縁されるように、キャリアシリコンウェハ上に成長する。
【００２８】
パイレックスガラスがキャリアウェハとして選択されると、ＨＦ（フッ化水素酸）における等方性ガラスエッチングは、図１２に示されているように、エリア４７における浅型ガラスエッチングによってサポート４５および４６を形成する。ガラスキャリアウェハ上のマイクロミラーの下のスルーホールは図１２および図１３に示されていないが、ウェットＨＦエッチング、サンドブラストまたはレーザーマイクロ加工を使用して形成可能である。
【００２９】
電気的相互接続がガラスキャリアウェハ３９に必要とされる場合、非常に浅いガラスエッチングが、図１３ａに示されているように、サポート４５および４６の上部の領域４９で実行される。浅型ガラスエッチングの深さは、堆積された金属ワイヤ５０の厚さよりもわずかに深い。したがって、ＳＯＩウェハのデバイスシリコン層はサポート４５および４６に緊密に結合されるが、依然として金属タブ４８によって金属ワイヤと電気接続する。金属タブ４８および金属ワイヤを備えるガラスサポート４６の詳細図は、図１３ｂに示されている。浅型ガラスエッチングキャビティの底部エリアの残りの部分において、金属の電気接続ワイヤ５０以外に、電気接地金属膜が、ガラス帯電問題を防止するために被覆およびパターニングされなければならない。
【００３０】
ＳＯＩウェハは、溶融結合や陽極結合をそれぞれ使用して、エッチング済みの標準シリコンキャリアウェハやエッチング済みのガラスキャリアウェハに結合される。以下のプロセスに関する説明において、電気ワイヤおよび金属タブを備えるガラスキャリアウェハが使用される。ＳＯＩウェハは、図１４に示されるように、陽極結合を使用してガラスキャリアウェハに結合される。ガラスキャリアウェハがエッチング済みのスルーホールを有する場合、結合されたウェハセットは、エッチング液がガラスキャリアウェハ５６のスルーホールを介してデバイスシリコン層３２を攻撃するのを防止するために、後続のＫＯＨまたはＴＭＡＨバスにおけるＳＯＩハンドルウェハ３４の除去の間、ガラス側に保護されるべきである。保護方法は、ガラスウェハ全体をシールし、かつＫＯＨまたはＴＭＡＨバスにおいてＳＯＩウェハのハンドルウェハ３４のみを暴露するウェハ保護ホルダーを使用するのと同程度に簡単であり得る。ガラスキャリアウェハ５６のみがマイクロミラー下に高深度エッチングキャビティを有する場合、ＳＯＩハンドルウェハのＫＯＨまたはＴＭＡＨシリコンエッチングの間、ガラスウェハ自体は単結晶シリコンデバイス層３２に良好な保護を提供するため、さらなる保護を有する必要はない。ＳＯＩウェハの埋め込み酸化物層３３は、ＫＯＨまたはＴＭＡＨシリコンエッチング用のエッチングストップ層である。ＳＯＩハンドルウェハ除去後の結合ウェハが、キャリアウェハ５６と共に図１５に示されている。
【００３１】
自己整列プロセスは、隣接する可動コムフィンガと固定コムフィンガとの間の均等なギャップを達成するために適用される。隣接する可動コムフィンガと固定コムフィンガとの間の不均等なギャップは静電力の非対称をもたらし、これはまた、可動コムフィンガの側壁スナップ運動などの垂直コムドライブの不具合を招く。図１６ａに示されているＢＯＸ層３３は、自己整列プロセスのシリコンＤＲＩＥマスキング材料として維持および使用される。フォトリソグラフィ後、ＢＯＸ層３３の部分的ＲＩＥエッチングは、下部コムフィンガの形成に備えて実行される。ＢＯＸ層酸化物の部分的エッチング領域５７が図１６ａに示されているのに対して、部分的ＲＩＥ酸化物エッチングキャビティ５８が図１６ｂに示されている。
【００３２】
後続のフォトリソグラフィは部分的ＢＯＸ酸化物エッチング後に実行され、この場合１層のフォトレジストが、パターニングされるウェハ上に被覆される。このリソグラフィ後に、酸化物ＲＩＥが、図１７ａに示されているヒンジ６５および６７と、アンカー６４と、主垂直コムドライブアクチュエータ５９と、副垂直コムドライブアクチュエータ６３とをパターニングするために実行される。図１７ｂの詳細図において、上部コムフィンガは、オリジナルの埋め込み酸化物層３３と同じ厚さのマスキング酸化物層６１を有するのに対して、下部コムフィンガは、オリジナルの埋め込み酸化物層３３の厚さの一部にすぎないマスキング酸化物層６０を有する。暴露された単結晶デバイスシリコンは６２で示されている。
【００３３】
フォトリソグラフィに続いて、シリコンＤＲＩＥが、図１８ａに示されているように、単結晶デバイスシリコンをエッチングするために使用される。このＤＲＩＥの後、酸化物ＲＩＥが、図１８ｂに示されているように下部フィンガ７２上の残りの酸化物をエッチングするために利用されるのに対して、上部コムフィンガ７１は依然として残りの酸化物６１を有する。
【００３４】
最後のシリコンＤＲＩＥは、下部コムフィンガ７２の上半分のシリコンをエッチングしてこの最終形状を形成するために使用されるのに対して、上部コムフィンガ７１は依然として残りの酸化物６１によって保護されている。図１９ａは、最終酸化物ＲＩＥ除去後のマイクロミラーおよびこの垂直コムドライブアクチュエータの最終形状を示しており、図１９ｂ、図１９ｃおよび図１９ｄは、主および副アクチュエータの上部および下部コムフィンガの詳細を示している。
【００３５】
ミラー表面上の反射性金属膜と、アンカー／結合パッド７５、７８、７９および８０上の結合金属膜とを堆積およびパターニングするための多数のマイクロ加工方法がある。単純な方法の１つは、浅型マスクによるスパッタリングやＥビーム蒸着を使用してメタライゼーションを実行することである。別の方法は、自己整列プロセス前にまずメタライゼーションを実行してから金属層をパターニングし、次いで後続の自己整列プロセス時にパターニング済みフォトレジストを使用して金属層を保護することである。最終的に、残りの金属保護フォトレジストは酸素プラズマを使用して除去される。
【００３６】
マイクロミラーおよびこの対応する垂直コムドライブの設計は、図１９ａに示されている。電位がアンカー７８に印加される場合、これはまた、特定のマイクロミラーおよびマイクロミラーアレイ設計においてサイズに応じて電気ワイヤ結合パッドとして作用することもあるが、副垂直コムドライブアクチュエータの可動コムフィンガを備えるミラー７２はアンカー７８と同じ電位にあり、これは、ミラー７２が、この導電性シリコンヒンジ７３、副回転アクチュエータの導電性シリコンフレーム８３、主回転アクチュエータの導電性シリコンフレーム８２、および導電性シリコンヒンジ７７によってアンカー７８と電気接続されるからである。主回転アクチュエータ７６および８４の可動コムフィンガもまた、導電性シリコンフレーム８２によってアンカー７８と電気接続される。通常、アンカー７８は、この上部で金属膜に結合された金属ワイヤによって、あるいは図２０ａに示されているようなガラスエッチングキャビティ上の金属相互接続ワイヤ９０の金属タブ９２との接触によって電気接地に接続するように選択される。
【００３７】
主アクチュエータ７６および８４は、ミラー７２の主回転を担っている。シリコンフレーム８２上の全可動コムフィンガがすべて上部フィンガであるか、すべて下部フィンガであるように設計され、固定部材７９および８０上の固定コムフィンガがすべて下部または上部フィンガであるように設計される場合、ミラーは、一定の傾斜角度になるまで、時計回りまたは反時計回りのいずれかに回転可能である。固定部材７９および８０は、図１７ａのアンカー６４と共に、エッチング済みウェハをキャリアウェハに接続するアンカーであるか、図１９ａの電極として作用するアンカー７５および７８である。明らかなように、これらのアンカーの各々は異なる機能をさらに実行可能である。例えば、固定部材７９および８０は、固定コムフィンガをサポートするために使用される。起動電圧が固定部材７９とアンカー７８との間にのみ印加されると、静電力は、固定部材７９とシリコンフレーム８２との間の主コムドライブ７６で生成される。静電力から生じる対応するトルクは、一定の傾斜角度になるまで、例えば時計回りにミラー７２を回転させる。他方、起動電圧が固定部材８０とアンカー７８との間にのみ印加されると、静電力は、固定部材８０とシリコンフレーム８２との間の主コムドライブ８４で生成される。静電力から生じる対応するトルクは、一定の傾斜角度になるまで、例えば反時計回りにミラー７２を回転させる。アクチュエータ７６および８４のコムフィンガ配列もまた、両アクチュエータが共働してミラーを単一方向に起動するように設計可能である。
【００３８】
シリコンコネクタ８１上の副垂直コムドライブアクチュエータのアンカー７５、シリコンヒンジ８５、シリコンコネクタ８１および固定コムフィンガは、酸化物充填トレンチ８６によってマイクロミラー構造の他の部分から電気的に絶縁されている。副アクチュエータ７４の可動コムフィンガは、通常電気接地であるアンカー７８に電気接続されている。副回転の起動電圧は、図１９ａに示されているアンカー７５の上部の金属膜に直接、あるいは図２０ａに示されているように、ガラスエッチングキャビティ上の金属相互接続ワイヤ９１の金属タブ９３を介して印加可能である。起動電圧が図１９ａおよび図２０ａに示されているアンカー７５に印加されると、ミラー７２は、副アクチュエータ７４で生成される静電力に起因する二次傾斜を有することになる。アクチュエータ７６、８４および７４のコムフィンガ設計の詳細図は、図１９ｂ、図１９ｃおよび図１９ｄに示されている。図２０ｂは、シリコンミラーおよびこのアクチュエータの裏面図を示している。部分的にエッチングされたシリコンキャビティ９４（図２０ｂ）はミラーの裏側にあり、ミラーの質量を削減し、かつこの起動応答速度を増大させる。強化シリコンバー９５は、ミラーの剛性および強度を維持するために使用される。
【００３９】
主および副アクチュエータの上記構造設計は、主回転と副回転の機械的結合を排除する。アンカー７８が電気接地に接続されると、ミラーの主および副回転は、固定部材７９および／または８０とアンカー７５の電圧量によって独立してコントロールされる。示されているように、マイクロミラーの配列は、マイクロミラーがアクチュエータから離れて、マイクロミラーデバイスの一方の端部にあるものである。ミラー周辺にはジンバル構造はない。この配列は、高フィルファクターのマイクロミラーアレイを形成するのに良好な柔軟性を提供する。単列高フィルファクターアレイの２つの例が図２１および図２２に示されている。
【００４０】
マイクロミラー幅が小さい場合、隣接する２つのマイクロミラーの主アクチュエータの干渉やクロストークを防止するために、図２１に示されているマイクロミラーアレイの構成が使用されるべきであり、この場合、隣接する２つのマイクロミラーのアクチュエータはマイクロミラーの異なる側にある。マイクロミラー幅が大きく、かつ隣接する主回転アクチュエータ間のギャップ、つまり空間が、電気起動干渉を防止するのに十分大きい場合、図２２に示されているマイクロミラーアレイの構成が使用されるべきであり、この場合全アクチュエータはマイクロミラーと同じ側にある。図２３は、マイクロミラーアレイの複列構成を示している。
【００４１】
用途によっては、実際の主回転は非常に重要であり、この回転は電気的に監視されるべきである。このデバイスは次いで、マイクロミラーの主回転を電気的に検出するための検知構造を提供するように設計されてもよい。例えば、デバイスは、図２４に示されているように、主アクチュエータの垂直コムフィンガの一部を検知構造として利用するように設計されてもよい。固定部材１０１および１０２は、固定部材７９および８０からそれぞれ電気的に絶縁され、かつ機械的に分離されている。領域１０３および１０４における可動および固定のコムフィンガはもはや静電アクチュエータとして作用せず、これらは、マイクロミラーが主アクチュエータによって回転される場合に可変性電気コンデンサを形成する。主回転は、部分１０３または１０４におけるキャパシタンスを測定することによって、あるいは部分１０３と１０４との間の差分キャパシタンス変化を測定することによって検出可能である。
【００４２】
電気的に絶縁された副アクチュエータを生成するトレンチおよび誘電材料再充填プロセスの代わりに、金属電極３０１および３０２がキャリアウェハのエッチング済みキャビティ表面に形成可能である。電極３０１はミラー３０４の下にあり、平行板静電アクチュエータを形成しているのに対して、電極３０２はパドル３０３の下にあり、もう１つの平行板静電アクチュエータを形成している。これら２つのアクチュエータは、副垂直コムドライブアクチュエータと置き換えて、ミラーの副回転をコントロールするために利用可能である。
【００４３】
同一の設計およびマイクロ加工方法に基づいて、低電圧駆動、高フィルファクターかつ１方向回転のマイクロミラーアレイもまた達成可能である。マイクロミラー１０６は、アンカー１１２および１１３に接続されている２つのヒンジ１１８および１１９によってサポートされている（図２６）。全垂直コムドライブアクチュエータ１１４、１１５、１１６および１１７は共働して、マイクロミラー１０６を同一方向に起動させる。このアプローチは起動電圧をかなり低下させることになるが、マイクロミラーのより迅速な休止（ｒｅｐｏｓｅ）が依然として維持されている。このマイクロミラー構成は、例えば５ボルト未満の低駆動電圧で、波長ブロッカー、ＶＯＡ（可変性光学減衰器）およびＶＯＡアレイ、構成可能な格子などのデバイスに特に有用である。この種のマイクロミラーを使用するアレイ構成のうちの１つが図２７に示されている。
【００４４】
マイクロミラーは多様なヒンジ形状設計を有することができる。Ｖ型ヒンジが図１９ａなど、図面のいくつかに示されているが、図２８ａに示されている先細り形状のヒンジや、図２８ｂに示されている二重ビームヒンジなどの他のヒンジ設計もまた使用される。Ｖ型ヒンジ、先細り形状のヒンジおよび二重ビームヒンジ設計は、プロセスの不完全性に起因する垂直コムドライブアクチュエータの側面スナップを防止することに関して、非常に良好な回転安定性を提供する。マイクロ加工プロセスの不完全性は、コムドライブアクチュエータの側面スナップをもたらす主要な原因の１つである。
【００４５】
本明細書の教示は、高フィルファクターアレイの微小電気機械システムのマイクロミラーを提供する。静電垂直コムドライブは、ミラーの起動に使用されてもよい。垂直コムドライブは、プルイン効果のない起動に良好な線形性を有する。垂直コムドライブアクチュエータは、低起動電圧で大きな傾斜角度を提供する。これは、帯電、隣接ミラーの干渉、および圧縮空気のダンピングによるミラーの傾斜ドリフトを排除する。主および副回転の起動は全体的に結合解除され、これは、より単純な電気コントロールシステムをもたらす。さらに、マイクロミラーは、主回転軸に沿ったミラーの位置を監視するための傾斜検知部材を有するように設計されてもよい。これは、コムドライブアクチュエータの１つを電気的に絶縁し、かつこれを検出器に接続してキャパシタンスを測定することによって実行されてもよい。固定フィンガと可動フィンガのキャパシタンスは、これらが相互に近づくと変化し、キャパシタンスは、固定フィンガと可動フィンガとの間の回転を示す。運動方向が分かれば、ミラーの位置は判断可能である。
【００４６】
本明細書の教示は、１００ボルト未満の起動電圧で、フィルファクターが９５％より高いマイクロミラーアレイを提供する。マイクロミラーおよびマイクロミラーアレイの設計および製造方法は、光学スイッチ、特に光学多重波長選択スイッチ、光学スキャナ、光学可変減衰器、光学同調フィルタ、光学ディスプレイデバイス、コンパクト分光計および波長ブロッカーなどに使用され得る。
【００４７】
本明細書において、用語「備える（ｃｏｍｐｒｉｓｉｎｇ）」は、この用語に続くアイテムが含まれることを意味する非限定的意味で使用されるが、特に言及されていないアイテムが排除されるわけではない。不定冠詞による要素の言及は、文脈が明らかに、複数の要素のうちの１つであり、かつ唯一であることを必要としない限り、複数の要素のうちの２つ以上が存在する可能性を排除しない。
【００４８】
特許請求の範囲に以下定義されているようなデバイスの精神および範囲から逸脱することなく、図示されている実施形態に修正がなされてもよい点は当業者に明らかである。
【図１】
0005759494.tif 000002
【図２】
0005759494.tif 000003
【図３】
0005759494.tif 000004
【図４】
0005759494.tif 000005
【図５】
0005759494.tif 000006
【図６】
0005759494.tif 000007
【図７ａ】
0005759494.tif 000008
【図７ｂ】
0005759494.tif 000009
【図８】
0005759494.tif 000010
【図９】
0005759494.tif 000011
【図１０】
0005759494.tif 000012
【図１１】
0005759494.tif 000013
【図１２】
0005759494.tif 000014
【図１３ａ】
0005759494.tif 000015
【図１３ｂ】
0005759494.tif 000016
【図１４】
0005759494.tif 000017
【図１５】
0005759494.tif 000018
【図１６ａ】
0005759494.tif 000019
【図１６ｂ】
0005759494.tif 000020
【図１７ａ】
0005759494.tif 000021
【図１７ｂ】
0005759494.tif 000022
【図１８ａ】
0005759494.tif 000023
【図１８ｂ】
0005759494.tif 000024
【図１９ａ】
0005759494.tif 000025
【図１９ｂ】
0005759494.tif 000026
【図１９ｃ】
0005759494.tif 000027
【図１９ｄ】
0005759494.tif 000028
【図２０ａ】
0005759494.tif 000029
【図２０ｂ】
0005759494.tif 000030
【図２１】
0005759494.tif 000031
【図２２】
0005759494.tif 000032
【図２３】
0005759494.tif 000033
【図２４ａ】
0005759494.tif 000034
【図２４ｂ】
0005759494.tif 000035
【図２５】
0005759494.tif 000036
【図２６】
0005759494.tif 000037
【図２７】
0005759494.tif 000038
【図２８ａ】
0005759494.tif 000039
【図２８ｂ】
0005759494.tif 000040