(57)【要約】本発明は、隠れヒンジを備えたマイクロミラーアレイの作製に関し、このマイクロミラーアレイは、例えば、反射型空間光変調器には有用である。一実施形態では、このマイクロミラーアレイは、単結晶材料からなる第１の基板である基板から作製される。この第１の基板の第１の側に、キャビティが形成される。また、これとは独立に、電極と、アドレス指定および制御回路とが第２の基板の第１の側上に作製される。次に、第１の基板の第１の側は、第２の基板の第１の側に接合される。この両方の側は、第２の基板上の電極と、第１の基板上に作製され、電極が制御することになるミラープレートとが適切な関係をとるように位置合わせされる。さらに、第１の基板は、所望の厚みまで薄層化され、ヒンジはエッチングされ、犠牲材料が堆積され、第１の基板の上面は平坦化され、反射面が、ヒンジを覆うように堆積され、ミラーがエッチングによって解放され、ヒンジが、このヒンジに沿った軸の周りに回転できるように、ヒンジを解放するためにヒンジの周囲の犠牲層が除去される。【特許請求の範囲】
【請求項１】
空間光変調器を作製する方法であって、
キャビティを画定する第１の基板を形成し、
第２の基板の上に電極を作製し、
前記第２の基板に前記第１の基板を接合し、
前記第１の基板の上にヒンジとミラープレートとを形成し、
前記ミラープレートの上と、前記ヒンジの一部の上とに、前記ミラープレートの上面の面積よりも大きな面積を有する反射面を形成することを含む方法。
【請求項２】
前記反射面は、前記ミラープレートと関連する前記ヒンジを実質的に隠す請求項１に記載の方法。
【請求項３】
前記ヒンジは、前記ミラープレートの上面の下に形成され、前記反射面によって実質的に隠される請求項１に記載の方法。
【請求項４】
前記空間光変調器の前記第１の基板は、単一材料である請求項１に記載の方法。
【請求項５】
前記空間光変調器の前記第１の基板は、単結晶シリコンである請求項１に記載の方法。
【請求項６】
動作ストッパを、前記ミラープレートの下面の上に形成することをさらに含む請求項１に記載の方法。
【請求項７】
ランディングチップを、前記第２の基板上の、前記動作ストッパを受け止める位置に形成することをさらに含む請求項６に記載の方法。
【請求項８】
前記第１の基板を前記第２の基板に接合する前に、前記第２の基板上に、アドレス指定および制御回路を作製することをさらに含む請求項１に記載の方法。
【請求項９】
前記ヒンジの中心高さは、前記ミラープレートの中心高さと同一平面上にある請求項１に記載の方法。
【請求項１０】
前記キャビティは、前記第１の基板のスペーサ支持フレーム上のスペーサ支持壁により囲まれている請求項１に記載の方法。
【請求項１１】
前記回路は、ＣＭＯＳ技術を用いて形成される請求項１に記載の方法。
【請求項１２】
キャビティを画定する第１の基板の形成は、
所定の厚みの素子層を有する前記第１の基板を入手し、
前記第１の基板の前記素子層上に誘電体材料を堆積し、
所定の位置に開口部を形成するために前記誘電体材料をエッチングし、
前記開口部に、前記素子層と同じ結晶構造を有する材料を成長させ、
前記誘電体層を除去することを含む請求項１に記載の方法。
【請求項１３】
前記素子層は、単結晶シリコン材料であり、前記第１の基板は、前記素子層の上の絶縁酸化物層と、この絶縁酸化物層の上のハンドリング基板とを含む請求項１２に記載の方法。
【請求項１４】
前記素子層は、０．２ミクロンと０．４ミクロンとの間の厚みを有する請求項１２に記載の方法。
【請求項１５】
前記誘電体材料は、シリコン酸化物である請求項１２に記載の方法。
【請求項１６】
前記開口部に成長させる材料は、エピタキシャル成長プロセスによって成長させる請求項１２に記載の方法。
【請求項１７】
キャビティを画定する第１の基板の形成は、
前記キャビティの位置を画定する第１の部分であって、この第１の部分の下の前記第１の基板を、エッチングにより露出する前記第１の部分と、前記キャビティを画定する支持壁の位置を画定する第２の部分であって、この第２の部分の下の前記第１の基板が、エッチングされないようにすることができる前記第２の部分とを有するマスクを前記第１の基板の上に置き、
前記マスクの前記第１の部分の下の前記第１の基板を、所定の深さまでエッチングし、
前記マスクを、前記基板から除去することを含む請求項１に記載の方法。
【請求項１８】
第２の基板上への電極の作製は、
制御回路を保護層で覆い、
メタライゼーション層を、前記保護層の上に堆積し、
前記メタライゼーション層を、前記電極を画定するパターンにパターニングし、
前記メタライゼーション層をエッチングし、前記電極を構成する材料を後に残すことを含む請求項１に記載の方法。
【請求項１９】
前記第１の基板の、前記第２の基板への接合は、
前記第２の基板上の前記電極が、前記第１の基板の対応するマイクロミラーの偏向を制御するための位置となるように、前記第２の基板に対して、前記第１の基板を位置合わせし、
前記第１の基板と前記第２の基板とを、低温接合法を用いて接合することを含む請求項１に記載の方法。
【請求項２０】
前記第１の基板上での、ヒンジとミラープレートの形成は、
前記第１の基板の最上層を、所定の厚みまで薄層化し、
この薄層化した第１の基板の上面の実質的に下にある前記第１の基板に前記ヒンジをエッチングし、
犠牲層を前記第１の基板上に堆積し、
前記犠牲層を、前記第１の基板の前記上面から除去するために、前記第１の基板を平坦化し、
前記第１の基板をエッチングすることによって、前記ミラープレートを解放し、
前記ミラープレートが、前記ヒンジによって定まる軸の周りに回転できるように、前記ヒンジの上および周囲の前記犠牲層を除去することを含む請求項１に記載の方法。
【請求項２１】
前記第１の基板の最上層の、所定の厚みまでの薄層化は、
前記第１の基板のハンドリング基板を、研磨および／またはエッチングによって除去し、前記第１の基板の絶縁酸化物層を剥離することを含む請求項２０に記載の方法。
【請求項２２】
前記薄層化した第１の基板の上面の実質的に下にある前記第１の基板への前記ヒンジのエッチングは、
前記第１の基板の前記上面に陥凹部をエッチングし、
前記第１の基板から前記ヒンジを解放するために、前記ヒンジの端部を、前記第１の基板と連結した状態を保ち、前記第１の基板をエッチングすることを含む請求項２０に記載の方法。
【請求項２３】
犠牲層の、前記第１の基板上への堆積は、
前記ヒンジの上および周囲を、前記犠牲層で満たし、
前記犠牲層を、前記第１の基板の前記上面の上に堆積することを含む請求項２０に記載の方法。
【請求項２４】
前記犠牲層を除去するための、前記第１の基板の平坦化は、前記犠牲層を除去するためのエッチバックステップまたは化学的機械処理プロセスを含む請求項２０に記載の方法。
【請求項２５】
前記ヒンジの上および周囲の前記犠牲層の除去は、プラズマエッチングプロセスの使用を含む請求項２０に記載の方法。
【請求項２６】
ミラープレートの上、および前記ヒンジの一部の上への反射面の形成は、
前記第１の基板の上面上に、アルミニウムを堆積し、
前記ヒンジの一部の上に、アルミニウムを堆積することを含み、このアルミニウムは、３００Å以下の厚みを有する請求項１に記載の方法。
【請求項２７】
空間光変調器用の複数のミラーを作製する方法であって、
キャビティを第１の基板の第１の側に形成し、
前記第１の基板の第２の側の最上層を、所定の厚みまで薄層化し、
前記薄層化した第１の基板の上面の実質的に下にある前記第１の基板の第２の側にヒンジをエッチングし、
犠牲層を、前記第１の基板の前記第２の側上に堆積し、
前記第１の基板の前記第２の側を平坦化し、
反射面を、前記第１の基板の前記第２の側上に堆積し、
エッチングによってミラーを解放し、
前記ミラーが、前記ヒンジによって定まる軸の周りに回転できるように、前記ヒンジの上および周囲の前記犠牲層を除去することを含む方法。
【請求項２８】
前記反射面は、前記ヒンジを実質的に隠す請求項２７に記載の空間光変調器用の複数のミラーを作製する方法。
【請求項２９】
前記反射面は、前記第１の基板の前記上面上、および前記ヒンジの一部の上に堆積され、前記ミラープレートの前記上面の面積よりも大きな面積を有する請求項２７に記載の空間光変調器用の複数のミラーを作製する方法。
【請求項３０】
第１の基板の第１の側へのキャビティの形成は、
前記第１の基板の前記第１の側からエッチングされるべき領域を画定するマスクを作り、
前記第１の基板の前記第１の側に、前記キャビティを形成するために、前記マスクが画定した前記第１の基板の前記第１の側上の前記領域にある材料を除去することを含む請求項２７に記載の方法。
【請求項３１】
第１の基板の第１の側へのキャビティの形成は、
所定の厚みの素子層を有する前記第１の基板を入手し、
誘電体材料を、前記第１の基板の前記素子層の上に堆積し、
スペーサ支持フレームの支持壁を形成すべき位置に、前記誘電体材料をエッチングして開口部を形成し、
前記開口部に、前記素子層と同じ結晶構造を有する材料を成長させ、
前記誘電体層を除去することを含む請求項２７に記載の方法。
【請求項３２】
前記第１の基板は、前記素子層の上の絶縁酸化物層と、この絶縁酸化物層の上のハンドリング基板とをさらに有し、前記素子層は、約２ミクロンと約３ミクロンとの間の厚みを有する請求項３１に記載の方法。
【請求項３３】
前記マスクが画定する前記第１の基板の前記領域にある材料の除去は、前記第１の基板のエッチングを含む請求項３０に記載の方法。
【請求項３４】
前記マスクが画定する前記第１の基板の前記領域にある材料の除去は、ＳＦ６、ＨＢｒ、および酸素ガス流を用いた異方性反応性イオンエッチングの実行を含む請求項３０に記載の方法。
【請求項３５】
前記第１の基板の前記第２の側の最上層の薄層化は、
前記ハンドリング基板を、研磨および／またはエッチングによって除去し、
前記酸化物層を剥離することを含む請求項２７に記載の方法。
【請求項３６】
前記第１の基板の前記第２の側の最上層の薄層化は、研磨、シリコンのバックエッチ、ウエットエッチング、およびプラズマエッチングからなる群から選択されるプロセスを含む請求項２７に記載の方法。
【請求項３７】
前記ヒンジのエッチングは、前記第１の基板の前記第２の側の前記上面への、この上面の下に陥凹部を形成するための第１のエッチングと、前記第１の基板のミラープレート部から前記ヒンジを解放するための第２のエッチングとを含む請求項２７に記載の方法。
【請求項３８】
前記第１の基板にある前記ミラープレートの下面の上への動作ストッパのエッチングをさらに含む請求項２７に記載の方法。
【請求項３９】
アレイ上の複数のミラーを含む空間光変調器を作製する方法であって、
第１の基板の第１の側からエッチングすべき領域を画定するマスクを作り、
前記第１の基板の前記第１の側に、複数のキャビティを形成するために、前記マスクが画定した前記第１の基板の前記第１の側の前記領域をエッチングし、
電極を、第２の基板の第１の側上に作製し、
前記第１の基板の前記第１の側を、前記第２の基板の前記第１の側に接合し、
前記第１の基板の第２の側の最上層を、所定の厚みまで薄層化し、
ヒンジを、前記第１の基板にエッチングし、
犠牲層を、前記第１の基板の上に堆積し、
前記第１の基板の前記第２の側の上面から前記犠牲層を除去するために、前記ヒンジの上および周囲の犠牲層を残しながら、前記第１の基板を平坦化し、
反射面を、前記上面の上、および前記ヒンジの一部の上に堆積し、
ミラーを、エッチングによって解放し、
前記ミラーが、前記ヒンジによって定まる軸の周りに回転できるように、前記第１の基板から残った犠牲層を除去することを含む方法。
【請求項４０】
前記反射面は、前記ミラープレートの前記上面の面積よりも大きな面積を有する請求項３９に記載の空間光変調器を作成する方法。
【請求項４１】
前記反射面は、前記ヒンジを実質的に隠す請求項３９に記載の空間光変調器を作成する方法。
【請求項４２】
前記ヒンジは、前記第１の基板の上面の下に実質的に形成され、前記反射面によって実質的に隠される請求項３９に記載の空間光変調器を作成する方法。
【請求項４３】
前記第１の基板の前記第１の側に複数のキャビティを形成するための、前記マスクが画定した前記第１の基板の前記第１の側の前記領域のエッチングは、ＳＦ６、ＨＢｒ、および酸素ガス流を用いた異方性反応性イオンエッチングの実行を含む請求項３９に記載の方法。
【請求項４４】
電極を、前記第２の基板の前記第１の側上に作製する前に、前記第２の基板の前記第１の側上への制御回路の形成をさらに含む請求項３９に記載の方法。
【請求項４５】
前記第２の基板の前記第１の側上への制御回路の形成は、メモリバッファ、ディスプレイ制御器、およびパルス幅変調アレイの作製を含む請求項４４に記載の方法。
【請求項４６】
前記第２の基板の前記第１の側上への電極の作製は、
前記作製した制御回路を、保護層で覆い、
メタライゼーション層を、前記保護層の上に堆積し、
前記メタライゼーション層を、前記電極を画定することになるパターンにパターニングし、
前記メタライゼーション層をエッチングし、前記電極を構成する材料を後に残すことを含む請求項３９に記載の方法。
【請求項４７】
前記第１の基板の前記第１の側を、前記第２の基板の前記第１の側に接合する前に、前記第１および前記第２の基板が互いに接合した際に、前記第２の基板の上の前記電極が、前記第１の基板にあるミラーの偏向を制御する位置にくるように、前記第１の基板と前記第２の基板との位置合わせを行うことを含む請求項３９に記載の方法。
【請求項４８】
前記第１の基板と前記第２の基板との位置合わせは、前記第１の基板上のパターンと前記第２の基板上のパターンとの位置合わせを含む請求項４７に記載の方法。
【請求項４９】
前記第１の基板の前記第１の側と、前記第２の基板の前記第１の側との接合は、摂氏約４００度未満で実行する低温接合法の使用を含む請求項３９に記載の方法。
【請求項５０】
前記ヒンジのエッチングは、前記第１の基板の前記上面への、この上面の下に陥凹部を形成するための第１のエッチングと、前記第１の基板のミラープレート部から前記ヒンジを解放するための第２のエッチングとを含む請求項３９に記載の方法。
【請求項５１】
前記ミラーの下面の上への動作ストッパのエッチングをさらに含み、前記反射面は、前記第１の基板の前記上面の上、および前記ヒンジの一部の上に堆積される請求項３９に記載の方法。
【請求項５２】
空間光変調器を動作させる方法であって、
前記空間光変調器のマイクロミラーアレイの中にある偏向させるマイクロミラーを選択し、
前記選択したマイクロミラーと、前記選択したマイクロミラーに対応し、かつ前記マイクロミラーを偏向させる電極との間に電圧を印加することを含み、前記マイクロミラーは、ヒンジを実質的に隠し、かつ前記マイクロミラーに入射する光を反射する反射面を有する方法。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
［関連出願の相互参照］
本出願は、「Hidden Hinge High Fill Ratio Reflective Spatial Light Modulator  （隠れヒンジ高充填率反射型空間光変調器）」と題され、２００３年６月２日に出願した米国特許仮出願番号６０／４７５，４０４の優先権を主張し、ここに引用して援用するものである。
【背景技術】
【０００２】
本発明は、空間光変調器（ＳＬＭ）に関し、より詳細には、画素の充填率を最大化し、散乱および回折を最小化し、高コントラスト比および高画質を達成するための隠れヒンジを備えたマイクロミラー構造に関する。
【０００３】
空間光変調器（ＳＬＭ）には、光学情報処理、投射型ディスプレイ、ビデオおよびグラフィックスモニタ、テレビ、および電子写真印刷の分野で数多くの用途がある。反射型ＳＬＭは、入射光を空間パターンに変調し、電気入力または光入力に対応する像を反射する。この入射光は、位相、強度、極性、あるいは偏向方向を変調してもよい。反射型ＳＬＭは、通常は、入射光を反射することができる面状または２次元アレイ状のアドレス可能な画素（ピクセル）からなる。ＳＬＭの重要なパラメータ、特にディスプレイ用途に重要なパラメータは、光学的に利用可能な領域の画素面積に対する割合である（ＳＬＭの総表面積に対する、ＳＬＭの反射する表面積の割合としても求められ、「充填率」とも呼ばれる）。従って、高充填率が望ましい。
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【０００４】
従来技術のＳＬＭには、さまざまな欠点がある。このさまざまな欠点には、次の事項が含まれるが、これに限定されるものではない：  （１）光学効率を減少させる過小な光学的利用面積、（２）ミラーの反射率を減少させる起伏のある反射面、（３）ディスプレイのコントラスト比を低下させる回折と散乱、（４）長期的な信頼性に課題がある材料の使用、（５）コストを増加させ、装置の歩留まりを低下させる複雑な製造プロセス。
【０００５】
従来技術による多くの装置には、その表面に実質的に反射をしない領域が含まれる。このことが、低充填率をもたらし、また過小反射効率をもたらす。例えば、米国特許第４，２２９，７３２号には、ミラーに加えて、装置の表面上に形成されたＭＯＳＦＥＴ素子が開示されている。このＭＯＳＦＥＴ素子は表面積をふさぐので、その結果、光学的に利用可能な装置面積の割合が減少し、反射効率が減少する。また、この装置表面上のＭＯＳＦＥＴ素子は、入射光の回折も行い、このためディスプレイのコントラスト比が低下する。さらに、強烈な光に曝されたＭＯＳＦＥＴ素子は、そのＭＯＳＦＥＴ素子が帯電し、回路が過熱するために、装置の正常な動作を妨げる。
【０００６】
一部のＳＬＭのデザインには、入射光を散乱し、反射効率を減少させる起伏のある表面がある。例えば、一部のＳＬＭのデザインでは、この反射面は、ＬＰＣＶＤで形成したシリコン窒化物層の上に堆積したアルミニウム膜である。これらが、薄膜として堆積されているために、反射ミラー面の平坦性を制御するのは困難である。従って、最終製品には起伏のある表面が残り、このため、反射効率が減少する。
【０００７】
一部のＳＬＭデザインに関わる反射効率を減少させる別の課題、特に一部の吊り下げミラーを用いたデザインの課題は、大きく露出したヒンジの表面積である。この大きく露出したヒンジの表面積というヒンジ構造のために散乱および回折が起こり、多くのパラメータの中でもとりわけコントラスト比に悪影響を及ぼす。
【０００８】
米国特許第４，５６６，９３５号に開示されたＳＬＭのような従来の多くのＳＬＭは、アルミニウム合金で作製されたヒンジを有する。他の金属と同様にアルミニウムは、疲労や塑性変形の影響を受けやすく、長期的な信頼性に課題を生じる。また、アルミニウムは、細胞「記憶」の影響を受けやすく、停止位置が、もっとも頻繁に占有する位置に傾き始める。さらに、米国特許第４，５６６，９３５号に開示されたミラーは、ミラー表面の下にある犠牲材料を除去することにより解放される。この技術では、多くの場合、解放プロセス時に、繊細なマイクロミラー構造が破壊される。また、エッチャントでミラーの下の犠牲層を除去するために、ミラー間に大きなすき間が必要となり、その結果、光学的に利用可能な装置面積の割合を減少させる。
【０００９】
従来の他のＳＬＭは、ミラー、ヒンジ、電極、制御回路、あるいはそれらの組合せのために、個別の層を含む複数の層を必要とする。そのような多層ＳＬＭの製造には、薄膜を多層に積み重ねる技術やプロセス、および多層薄膜のエッチング技術やプロセスが必要になる。このような技術やプロセスを使用すれば、コスト高となり、歩留まりを低下させる。例えば、このような技術を使用すると、多くの場合、ミラープレートの下にある犠牲材料を何度も堆積し、除去することになる。ミラープレートの下に薄膜を多層に堆積し、積み重ねると、通常は、ミラー表面の起伏はより大きくなり、その結果、ミラーの反射効率が減少する。さらに、ミラーとヒンジとを、異なる層または基板に有することで、ミラーが偏向すると並進変位が生じる。この並進変位のために、隣接するミラー間での機械的な干渉を起こさないようにするためには、アレイ内のミラーは間隔を取らなければならない。このアレイ内のミラーは、アレイ内の他のミラーとあまり近くには配置できないので、このＳＬＭは、過小な光学的利用領域または低充填率が欠点となる。
【００１０】
従って、反射効率を向上させ、長期的な信頼性があり、さらに簡単な製造プロセスを用いたＳＬＭが求められる。
【課題を解決するための手段】
【００１１】
本発明は、空間光変調器（ＳＬＭ）に関する。一実施形態では、このＳＬＭは、選択的に偏向可能な反射型のマイクロミラーアレイであって、個別にアドレス指定ができる電極を有する第２の基板に接合された第１の基板から作製されたマイクロミラーアレイを有する。前記第２の基板は、また、前記マイクロミラーアレイ用のアドレス指定・制御回路を有してもよい。あるいは、このアドレス指定・制御回路の一部が、別の基板上にあり、第２の基板の前記回路および前記電極に接続されてもよい。
【００１２】
前記マイクロミラーアレイは、入射光を反射する高い反射率の反射面を備え、かつ偏向を制御できる偏向可能なミラープレートを含む。このミラープレートは、コネクタによってヒンジに連結される。このヒンジは、次に、スペーサ支持壁を備えたスペーサ支持フレームに連結される。また、このヒンジは、前記反射面の下に実質的に隠される。このヒンジを、前記反射面の下に実質的に隠すことによって、露出したヒンジ構造に入射して反射する光による散乱および回折は全て除去され、そのため、装置のコントラスト比を最大化できる。
【００１３】
前記ミラープレート、前記コネクタ、前記ヒンジ、前記スペーサ支持フレーム、および前記スペーサ支持壁は、第１の基板から作製される。この第１の基板は、単一材料、例えば、一実施形態では単結晶シリコンからなるウエハである。前記スペーサ支持壁は、前記ミラープレートと、このミラープレートの偏向を制御し、かつこのミラープレートに対応する電極との間の分離を行う。また、前記電極は前記第２の基板上に位置し、この第２の基板は、前記マイクロミラーアレイに接合される。
【００１４】
前記ヒンジおよび前記ミラープレートは、同一基板内（つまり、同一層内）にあるので、前記ミラーが、前記ヒンジの長軸の周りに回転する際の並進運動または並進変位は全くない。並進変位が全くないので、前記ミラーと前記支持壁との間隔は、作製技術およびプロセスによってのみ制限される。前記ミラープレート間の狭い間隔と、前記ヒンジを実質的に前記反射面の下に配置することによって前記ヒンジを隠すこととにより、前記マイクロミラーアレイを高充填率にし、コントラスト比を向上させ、光の散乱と回折とを最小限にし、前記マイクロミラーアレイを通過し、前記第２の基板上の前記回路に入射する光を実質的に除去することが可能となる。
【００１５】
さらに、前記ミラープレートおよび前記ヒンジは、好適な実施形態では、単結晶シリコン材料から作製されるので、作製した前記ヒンジは、より頑丈で、より信頼性が高く、また、記憶効果、結晶粒界に沿っての破壊、あるいは疲労という欠点が実質的にはない。単結晶シリコン基板には、他の材料、とりわけ堆積によって形成した薄膜と比べると、微視的な欠陥やクラックは実質的にほとんどない。その結果、装置の結晶粒界に沿って破壊する（または微視的な破壊を伝播する）ことはほとんどありえない。また、本発明の場合のように単一基板を用いることによって、薄膜を多層に積み重ねるプロセスや技術、および多層薄膜のエッチングプロセスや技術は、最小限の使用ですむ。本発明では、犠牲材料の堆積および除去は、局所的な領域、つまり前記ヒンジの周囲に限られる。さらに、本発明では、前記ミラーの下から犠牲材料を除去する必要はない。従って、前記犠牲材料の除去は大変容易であり、前記ミラープレートの上面は滑らかなままの状態で保たれ、それによって、前記反射面を、極めて滑らかな表面上に追加することができる。
【００１６】
前記ＳＬＭは、少ないステップ数で作製されるため、作製に関わるコストおよび複雑さを抑えることができる。キャビティが、前記第１の基板の第１の側に形成される。平行して、前記電極、および前記アドレス指定・制御回路が、前記第２の基板の第１の側上に作製される。前記第１の基板の前記第１の側は、前記第２の基板の前記第１の側に接合される。この両方の側は、前記第２の基板上の前記電極が、この電極が制御することになる前記ミラープレートと適切な関係をとるように位置合わせされる。前記第１の基板は、所望の厚みまで薄層化され、ヒンジはエッチングされ、犠牲材料はこのヒンジの周りの領域に堆積され、表面が平坦化され、反射面が前記ヒンジを覆うように堆積され、ミラープレートがエッチングにより解放され、前記ヒンジの周囲の前記犠牲層が除去される。
【００１７】
最終的な結果として、高品質画像を高い信頼性と高いコスト効率とをもって形成するための、高い光学効率および高い性能を実現でき、かつ容易に製造できるＳＬＭが実現される。
【発明を実施するための最良の形態】
【００１８】
反射型空間光変調器（ＳＬＭ）１００は、偏向ミラー２０２からなるアレイ１０３を有する。個々のミラー２０２は、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で選択的に偏向させることができる。この各ミラー２０２の偏向は、光源からビデオディスプレイに反射される光を制御する。従って、ミラー２０２の偏向を制御することによって、そのミラー２０２に当たる光は、選択した方向に偏向することができ、それによってビデオディスプレイの画素のオン／オフを制御できる。
空間光変調器の概要
【００１９】
図１は、本発明の一実施形態によるＳＬＭ１００の概略構造を示す概略図である。この図示した実施形態は、３つの層を有する。第１の層は、ミラーアレイ１０３であり、複数の偏向マイクロミラーを有する。好適な一実施形態では、このマイクロミラー１０３は、第１の基板１０５から作製され、この第１の基板１０５は、基板作製の完了時には、ＳＬＭ１００に用いられる単結晶シリコンなどの単一材料となる。
【００２０】
第２の層は、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に対応し、そのマイクロミラー２０２の偏向を制御する。アドレス指定回路によって、１つの電極１２６に対応する特定のマイクロミラー２０２を制御するために、その１つの電極１２６を選択できる。
【００２１】
第３の層は、制御回路１０６の層である。この制御回路１０６は、アドレス指定回路を有し、そのアドレス指定回路によって、制御回路１０６は選択した電極１２６に印加する電圧を制御できる。これによって、制御回路１０６は、電極１２６を介して、ミラーアレイ１０３のミラー２０２の偏向を制御できる。通常、この制御回路１０６は、ディスプレイ制御部１０８、ラインメモリバッファ１１０、パルス幅変調アレイ１１２、およびビデオ信号１２０とグラフィックス信号１２２の入力も含む。また、一部の実施形態では、ミラー制御器１１４、光学制御回路１１６、およびフラッシュメモリ１１８が、制御回路１０６と接続された外部コンポーネントであってもよいし、あるいは制御回路１０６内に含まれていてもよい。さまざまな実施形態に応じて、制御回路の上記部品の一部はなくてもよいし、また制御回路と接続された別の基板上にあってもよいし、あるいは、追加コンポーネントが、制御回路１０６の一部としてあってもよいし、また制御回路１０６に接続されていてもよい。
【００２２】
一実施形態では、第２の層１０４および第３の層１０６は、いずれも半導体作製技術を用いて、単一の第２の基板１０７上に作製される。つまり、第２の層１０４は、必ずしも第３の層１０６と分かれている必要もなく、また第３の層１０６の上にある必要もない。むしろ、「層（ｌａｙｅｒ）」という用語は、この空間光変調器１００の異なった部分を概念的に説明する助けとなるためのものである。例えば、一実施形態では、第２の層１０４の電極１２６、および第３の層の制御回路１０６は、いずれも単一の第２の基板１０７上に作製される。つまり、一実施形態では、電極１２６は、ディスプレイ制御部１０８、ラインメモリバッファ１１０、およびパルス幅変調アレイ１１２と同様に、全て、単一の基板上に作製される。制御回路１０６の複数の機能コンポーネントを同一の基板上に統合することによって、別の基板上に作製されたディスプレイ制御部１０８、ラインメモリバッファ１１０、およびパルス幅変調アレイ１１２を有する従来の空間光変調器に対して、データ転送速度が改善されるという効果が実現される。さらに、第２層の電極アレイ１０４と、第３層の制御回路１０６とを単一の基板１０７上に作製すれば、簡単で割安な製造プロセス、および最終製品の小型化という利点が実現される。
【００２３】
層１０３および１０７が作製されると、それらは互いに接合され、ＳＬＭ１００を形成する。ミラーアレイ１０３を備えた第１の層は、第２および第３の層１０４，１０６を、まとめて１０７として覆う。ミラーアレイ１０３にあるミラー２０２の下の領域によって、電極１２６およびアドレス指定・制御回路１０６のための空間が、第１の層１０３の下にどの程度あるのかが決定される。ミラーアレイ１０３のマイクロミラー２０２の下には、電極１２６と、ディスプレイ制御部１０８、ラインメモリバッファ１１０、およびパルス幅変調アレイ１１２を形成する電子コンポーネントを納めるには限られた空間しかない。本発明は、例えば、０．１８ミクロン形状の作製を可能にするプロセスや、０．１３ミクロン以下の形状の作製を可能にするプロセスなどの、小形状の作製を可能にする作製技術を用いる。従来の空間光変調器は、そのような小形状の作製が不可能な作製プロセスで作られている。通常、従来の空間光変調器は、形状を約１ミクロン以上に制限する作製プロセスで作られる。従って、本発明によって、トランジスタなどのより多くの回路素子を、ミラーアレイ１０３にあるマイクロミラーの下の限られた領域に作製することが可能となる。これによって、ディスプレイ制御部１０８、ラインメモリバッファ１１０、およびパルス幅変調アレイ１１２などのコンポーネントを、電極１２６と同一基板上に統合することが可能になる。このような制御回路１０６を、電極１２６と同一基板１０７上に含めることで、ＳＬＭ１００の性能は向上する。これによって、ディスプレイ制御部１０８、ラインメモリバッファ１１０、およびパルス幅変調アレイ１１２など、より多くのコンポーネントを、電極１２６と同一基板上で、かつマイクロミラーアレイ１０３にあるマイクロミラーの下の限られた空間内に統合することが可能になる。このような制御回路１０６を、電極１２６と同一基板１０７上に含めることで、ＳＬＭ１００の性能は向上する。他の実施形態では、電極１２６および制御回路にある各コンポーネントが、さまざまな組合せで、異なる基板上に作製され、また電気的に接続されてもよい。
【００２４】
他の実施形態では、電極１２６および制御回路にある各コンポーネントが、さまざまな組合せで、異なる基板上に作製され、また電気的に接続されてもよい。
ミラー
【００２５】
図２ａは、１つのマイクロミラー２０２に関する一実施形態の斜視図であり、図２ｂは、図２ａに示すマイクロミラー２０２の隅部２３６のより詳細な斜視図である。一実施形態では、このマイクロミラー２０２は、少なくとも１つのミラープレート２０４、ヒンジ２０６、コネクタ２１６、および反射面２０３を含む。別の実施形態では、マイクロミラー２０２は、ミラープレート２０４、ヒンジ２０６、反射面２０３、およびコネクタ２１６を支持するスペーサ支持フレーム２１０をさらに含む。このミラープレート２０４、ヒンジ２０６、コネクタ２１６、およびスペーサ支持フレーム２１０は、単結晶シリコンなどの単一材料のウエハで作製されることが好ましい。従って、この実施形態では、図１に示す第１の基板１０５は、単結晶シリコンウエハである。単一材料のウエハからマイクロミラー２０２を作製することによって、ミラー２０２の作製は、大幅に簡易化される。さらに、単結晶シリコンを研磨することで、堆積した薄膜よりも１桁滑らかな表面粗さを有する平坦なミラー面を生成することができる。単結晶シリコンから作製されたミラー２０２は、機械的に剛性であり、そのため、ミラー面に不要な曲げ、またはそりが生じることがなく、また、単結晶シリコンから作製されたヒンジは、より頑丈で、より信頼性が高く、さらに、マイクロミラーアレイで用いられる他の多くの材料で作製したヒンジには普通に存在する記憶効果、結晶粒界に沿っての破壊、あるいは疲労という欠点が実質的にはない。他の実施形態では、単結晶シリコンの代わりに他の材料を用いてもよい。１つの可能性は、別のタイプのシリコン（例えば、ポリシリコン、またはアモルファスシリコン）をマイクロミラー２０２に用いることであり、あるいは、ミラー２０２を完全に金属（例えば、アルミニウム合金、またはタングステン合金）から作ることである。また、本発明のように単一の基板を用いると、薄膜を多層に積み重ねるプロセスや技術、および多層薄膜のエッチングプロセスや技術の使用を避けることができる。
【００２６】
図２ａ、２ｂ、３、４ａ、４ｂ、７ａ、および８に示し、さらに上記で説明したように、マイクロミラー２０２はミラープレート２０４を有する。このミラープレート２０４は、コネクタ２１６によってヒンジ２０６と結合したマイクロミラー２０２の一部であり、このミラー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って選択的に偏向される。また、図３に示す実施形態のミラープレート２０４は、三角形の部分２０４ａ、２０４ｂを含む。図１２ａ、１２ｂ、１３に示す実施形態では、ミラープレート２０４は、実質的に正方形であり、約１５ミクロン×１５ミクロンで、およそ２２５平方ミクロンの面積である。もちろん、他の形状や寸法も可能である。このミラープレート２０４は、上面２０５と下面２０１とを有する。上面２０５は、二乗平均平方根で２オングストローム未満の粗さの、特に平坦な表面であることが好ましく、マイクロミラー２０４の表面積の大部分を構成することが好ましい。このミラープレート２０４の上面２０５の上、およびヒンジ２０６の一部の上に、アルミニウムまたは他の高反射材料などの反射面２０３が堆積される。この反射面２０３の膜厚は、３００Ａ以下であることが好ましい。また、この反射面または材料が薄いことによって、ミラープレート２０４の上面２０５の平坦で滑らかな表面が間違いなく反映される。この反射面２０３は、ミラープレート２０４の上面２０５の面積よりも広い面積を有し、光源からの光を、ミラープレート２０４の偏向によって決まる角度に反射する。トーションバネヒンジ２０６が、ミラープレート２０４の上面２０５の下に実質的に形成され、上面２０５の上、およびヒンジ２０６の一部の上に堆積された反射面２０３によって実質的に隠されることに留意されたい。図２ａと図３との違いは、図２ａが、上面２０５の上に設けられた反射面２０４を備え、実質的にヒンジ２０６を隠すミラープレート２０４を示すのに対し、図３は、反射面２０３がない、つまりヒンジ２０６を曝すミラープレート２０４を示す点である。ヒンジ２０６とミラープレート２０４とは、同一基板１０５にあり、図７ａ、７ｂに示すように、ヒンジ２０６の中心高さ７９６は、ミラープレート２０４の中心高さ７９５、７９７と実質的に同一面７９５であるため、ミラー２０２が、ヒンジ２０６の長軸の周りに回転する際の並進運動または並進変位はない。並進変位がないために、ミラープレート２０４とスペーサ支持フレーム２１０の支持スペーサ壁との間のすき間は、作製技術およびプロセスの制約によって制限されるだけで十分であり、通常、０．１ミクロン未満である。実質的に反射面２０３の下にあるミラープレート２０４間の近接した間隔と、ヒンジ２０６の被覆とによって、マイクロミラーアレイ１０３は高充填率となり、コントラスト比は改善され、光の散乱と回折は最小限に抑えられ、マイクロミラーアレイ１０３を通過して第２の基板１０７上の回路に入射する光が実質的に除去されるという効果がある。
【００２７】
図２ａ、２ｂ、３、４ａ、４ｂ、７ａ、８、１２ａ、１２ｂ、および１３に示すように、ミラープレート２０４は、コネクタ２１６によって、トーションバネヒンジ２０６に連結される。このトーションバネヒンジ２０６は、スペーサ支持フレーム２１０に連結され、スペーサ支持フレーム２１０は、トーションバネヒンジ２０６、コネクタ２１６、およびミラープレート２０４を所定の位置に保持する。このヒンジ２０６は、第１のアーム２０６ａと第２のアーム２０６ｂとを含む。各アーム２０６ａ、２０６ｂには、両端があり、図３および図１３に示すように、一方の端部は、スペーサ支持フレームに連結され、他方の端部は、コネクタ２１６に連結される。別の実施形態では、ミラープレート２０４、ヒンジ２０６、およびスペーサ支持フレーム２１０に、他のバネ、ヒンジ、および連結方式を用いてもよい。図３および図４ａに端的に示すように、トーションバネヒンジ２０６は、スペーサ支持壁２１０を基準として、対角線方向（例えば、４５度の角度）に向いており、ミラープレート２０４を２つの部分または面に分割する。つまり、第１の面２０４ａと第２の面２０４ｂである。図７ｂに示すように、２つの電極１２６は、ミラー２０２に対応し、一方の電極１２６ａが第１の面２０４ａ、また他方の電極１２６ｂが第２の面２０４ｂに対応する。これによって、いずれの面２０４ａ、２０４ｂも、電極１２６ａ、１２６ｂの一方に、下向きに回転して引きつけられることが可能になり、広範囲の角運動を実現する。このトーションバネヒンジ２０６によって、ミラープレート２０４は、ミラー２０２とそれに対応する電極１２６との間に電圧を印加し、静電気力などの力がミラープレート２０４に加えられると、スペーサ支持フレーム２１０と相対的に、ヒンジ２０６の長軸の周りに回転できる。この回転によって、反射光に関して選択した方向への角変位が生ずる。ヒンジ２０６とミラープレート２０４とは、同一基板１０５内にあり、図７ａ、７ｂに示すように、ヒンジ２０６の中心高さ７９６は、ミラープレート２０４の中心高さ７９５、７９７と実質的に同一面７９５であるため、ミラー２０２は、ヒンジ２０６の周りで、並進変位が全くない純粋な回転を行う。一実施形態では、図７ａおよび図８に示すように、トーションバネヒンジ２０６は、（ミラープレート２０４の上面２０５に対して垂直な）ヒンジ２０６の深さ２２３よりも小さな幅２２２を有する。このヒンジ２０６の幅２２２は、約０．１２ミクロンと約０．２ミクロンとの間であることが好ましく、また、深さ２２３は、約０．２ミクロンと約０．３ミクロンの間であることが好ましい。
【００２８】
図２ａ、２ｂ、３、４ａ、４ｂ、６、および７ａに示すように、スペーサ支持フレーム２１０は、ミラープレート２０４が、下向きに、所定の角度に偏向できるように、ミラープレート２０４を、電極１２６およびアドレス指定回路上の所定の距離を隔てた位置に合わせる。このスペーサ支持フレーム２１０は、図２ａ、４ａ、１２ａおよび１３に示すように、好ましくは、同じ第１の基板１０５から形成され、さらに好ましくは、直角に位置するスペーサ支持壁を含む。この壁は、スペーサ支持フレーム２１０の高さを定める助けとなる。このスペーサ支持フレーム２１０の高さは、ミラープレート２０４と電極１２６との間の所望の間隔と、電極の立体デザインとに基づき選ばれる。この高さが高ければ高いほど、ミラープレート２０４もより大きく偏向でき、最大偏向角もより大きくなる。偏向角がより大きくなれば、一般に、より高いコントラスト比が実現される。一実施形態では、ミラープレート２０４の偏向角は１２度である。好適な実施形態では、十分な間隔と駆動電圧とが与えられれば、ミラープレート２０４は、９０度程度回転できる。スペーサ支持フレーム２１０は、ヒンジ２０６を支持することもでき、また、ミラープレート２０４と、ミラーアレイ１０３中の他のミラープレート２０４との間隔を確保する。このスペーサ支持フレーム２１０には、スペーサ壁の幅２１２があり、ミラープレート２０４と支持フレーム２１０との間隔に、この幅を加えると、隣接するマイクロミラー２０２の隣接するミラープレート２０４間の距離と実質的に等しくなる。一実施形態では、このスペース壁の幅２１２は１ミクロン以下である。好適な一実施形態では、このスペース壁の幅２１２は、０．５ミクロン以下である。このことによって、ミラープレート２０４同士が密接に配置され、ミラーアレイ１０３の充填率が増加する。
【００２９】
一部の実施形態では、マイクロミラー２０２は、プレート２０４が、所定の角度まで下向きに偏向した場合に、このミラープレート２０４の偏向を停止する部品４０５ａ、４０５ｂを含む。通常、この種の部品は、動作ストッパ４０５ａ、４０５ｂ、およびランディングチップ７１０ａ、７１０ｂを含んでもよい。図４ａ、６、７ａ、７ｂ、８、１３、および１５に示すように、ミラー面２０４が偏向すると、ミラープレート２０４上の動作ストッパ４０５ａまたは４０５ｂは、ランディングチップ７１０（７１０ａまたは７１０ｂのいずれか一方）と接触する。このようになると、ミラープレート２０４は、それ以上偏向できない。この動作ストッパ４０５ａ、４０５ｂおよびランディングチップ７１０ａ、７１０ｂには、いくつかの可能な構成がある。図４ａ、６、７ａ、８、１３、および１５に示す実施形態では、動作ストッパは、ミラープレート２０４の下面２０１に取り付けられた円柱状の、あるいは機械的なストッパ４０５ａ、４０５ｂであり、ランディングチップ７１０は、第２の基板１０７上の対応する円形領域である。図７ａ、７ｂ、および８に示す実施形態では、ランディングチップ７１０ａ、７１０ｂは、スペーサ支持フレーム２１０と電気的に接続され、従って、動作ストッパ４０５ａまたは４０５ｂに対し電位差がゼロボルトであり、動作ストッパ４０５ａまたは４０５ｂが、それぞれランディングチップ７１０ａまたは７１０ｂに粘着または溶着しないようにする。従って、ミラープレート２０４がスペーサ支持フレーム２１０に対して、（機械的ストッパ４０５ａ、４０５ｂの長さと位置とによって決まる）所定の角度を越えて回転しようとする場合は、機械的動作ストッパ４０５ａまたは４０５ｂは、それぞれのランディングチップ７１０ａまたは７１０ｂと物理的な接触状態となり、ミラープレート２０４がそれ以上回転しないようにする。
【００３０】
好適な実施形態では、動作ストッパ４０５ａ、４０５ｂは、第１の基板１０５から作製され、また、ミラープレート２０４、ヒンジ２０６、コネクタ２１６、およびスペーサ支持フレーム２１０と同じ材料で作製される。ランディングチップ７１０ａ、７１０ｂもまた、動作ストッパ４０５ａ、４０５ｂ、ミラープレート２０４、ヒンジ２０６、コネクタ２１６、およびスペーサ支持フレーム２１０と同じ材料で作製されることが好ましい。この材料が単結晶シリコンである場合の実施形態では、動作ストッパ４０５ａ、４０５ｂ、およびランディングチップ７１０ａ、７１０ｂは、機能的に長寿命である硬質材料から作製され、そのため、ミラーアレイ１０３は、長期間、持ちこたえることができる。さらに、単結晶シリコンが硬質材料であるため、動作ストッパ４０５ａまたは４０５ｂが、それぞれランディングチップ７１０ａまたは７１０ｂと接触する面積を小さく作製することができ、それによって、粘着力が大幅に減少し、ミラープレート２０４が自由に偏向できる。また、これが意味することは、動作ストッパ４０５ａまたは４０５ｂ、およびランディングチップ７１０ａまたは７１０ｂが等電位に保たれ、それによって、動作ストッパ４０５ａまたは４０５ｂ、およびランディングチップ７１０ａまたは７１０ｂが異なる電位にある場合の溶着および電荷注入過程を介して生じる粘着が起こらないようにするということである。本発明は、ミラープレート２０４の偏向を停止する上記で説明した部品および技術には限定されない。当該技術で既知のあらゆる部品および技術を用いてもよい。
【００３１】
図４ａは、単一のマイクロミラー２０２の裏面を示す斜視図であり、支持壁２１０、（面２０４ａおよび２０４ｂを含み、上面２０５と下面２０１とを有する）ミラープレート２０４、ヒンジ２０６、コネクタ２１６、および機械的ストッパ４０５ａおよび４０５ｂが含まれる。図４ｂは、図４ａに示すマイクロミラー２０２の隅部２３７のより詳細な斜視図である。
【００３２】
図５は、９個のマイクロミラー２０２−１〜２０２−９を有するマイクロミラーアレイ１０３の上部および側部を示す斜視図である。図５は、３行と３列の合計９個のマイクロミラー２０２を備えたマイクロミラーアレイ１０３を示すが、他の規模のマイクロミラーアレイ１０３を考えてもよい。通常、各マイクロミラー２０２は、ビデオディスプレイ上の画素に対応する。従って、より多くのマイクロミラー２０２を備えたより大きなアレイ１０３であるほど、より多くの画素を備えたビデオディスプレイが実現される。
【００３３】
図５に示すように、マイクロミラーアレイ１０３の表面は、大きな充填率を有する。つまり、マイクロミラーアレイ１０３表面のほとんどが、マイクロミラー２０２の反射面２０３で構成される。マイクロミラーアレイ１０３表面のごくわずかな部分が、非反射部である。図５に示すように、マイクロミラーアレイ１０３表面の非反射部は、マイクロミラー２０２の反射面２０３間の領域である。例えば、ミラー２０２−１と２０２−２との間の領域の幅は、スペーサ支持壁の幅２１２、およびミラー２０２−１のミラープレート２０４とスペーサ支持壁２１０とのすき間の幅と、ミラー２０２−２のミラープレート２０４とスペーサ支持壁２１０とのすき間の幅の和で決まる。図２ａ、２ｂ、３、４ａ、および４ｂに示すような単一のミラー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されているが、通常は、ミラー２０２−１および２０２−２などのミラー間には、２つの個別に隣接するスペーサ壁２１０はないことに留意されたい。それどころか、ミラー２０２−１と２０２−２との間には、通常は、支持フレーム２１０の１つの物理的なスペーサ壁しかない。ミラープレート２０４の偏向の際の並進変位がないので、上記のすき間とスペーサ壁の幅は、作製技術がサポートする形状程度に小さく作ることができる。従って、一実施形態では、このすき間は０．２ミクロンであり、他の実施形態では、このすき間は０．１３ミクロン以下である。半導体作製技術によって、より小さな形状の作製が可能になるので、スペーサ壁２１０およびすき間の寸法を小さくし、より高い充填率を可能にすることができる。本発明の実施形態によって、高充填率が可能になる。好適な実施形態では、充填率は９６％あるいはそれ以上となる。
【００３４】
図６は、９個のマイクロミラーを有するマイクロミラーアレイ１０３の底部および側部を示す斜視図である。図６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の支持壁は、ミラープレート２０４の下のキャビティを画定する。このキャビティは、ミラープレート２０４が下向きに偏向するための空間を与え、また、電極１２６を備えた第２の層１０３および／または制御回路１０６を備えた第３の層を配置するために、ミラープレート２０４の下に広い領域を割り当てる。図６には、（面２０４ａ、２０４ｂを含む）ミラープレート２０４の下面２０１、さらにスペーサ支持フレーム２１０の底部、トーションバネヒンジ２０６、コネクタ２１６、および動作ストッパ４０５ａ、４０５ｂも示す。
【００３５】
図５および図６に示すように、ミラープレート２０４の法線方向である光は、そのほとんどが、マイクロミラーアレイ１０３を通過し、電極１２６や、マイクロミラーアレイ１０３の下にある制御回路１０４に届くことはできない。これは、スペーサ支持フレーム２１０と、ミラープレート２０４の上面の上にあり、かつヒンジの一部の上にある反射面２０３とが、マイクロミラーアレイ１０３の下にある制御回路に対して、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が、ミラープレート２０４と、マイクロミラーアレイ１３０の下にある回路とを分離しているので、垂直ではない角度でミラープレート２０４に入射し、ミラープレート２０４を通過する光は、スペーサ支持フレーム２０４の壁面に当たり、マイクロミラーアレイ１０３の下にある回路には届かない可能性が高い。ミラーアレイ１９３へ入射する強い光は、回路にはほとんど届かないので、ＳＬＭ１００は、回路に入射する強い光に付随する問題を回避できる。この問題には、回路を加熱する入射光、および回路素子を帯電させる入射光のフォトンも含まれ、このいずれもが、回路に誤動作を生じさせる原因となりうる。
【００３６】
図１２ａは、本発明の別の実施形態によるマイクロミラー２０２の斜視図であり、図１２ｂは、このマイクロミラー２０２の隅部２３８のより詳細な斜視図である。この実施形態のトーションヒンジ２０６は、スペーサ支持フレーム２１０のスペーサ支持壁と平行である。ミラープレート２０４は、このミラープレート２０４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って、電極方向に選択的に偏向する。図１２ａに示す実施形態では、図２ａおよび２ｂに示す対角線方向のヒンジ２０６を備えたミラー２０２と比べ、同じ高さの支持壁からでも、より狭い角運動範囲が提供される。それでも、図２ａおよび２ｂに示す実施形態のように、図１２ａおよび１２ｂに示した実施形態のヒンジ２０６は、ミラープレート２０４の上面２０５の下にあり、反射面２０４に隠されているために、高い充填率、高い光学効率、高いコントラスト比、低い度合いの光の散乱と回折、および信頼性が高くコスト効率のよい性能を備えたＳＬＭ１００が実現できる。図１２ｂは、マイクロミラー２０２の隅部のより詳細な斜視図であり、ミラープレート２０４、ヒンジ２０６、スペーサ支持フレーム２１０の支持壁、および反射面２０３を示す。図１３は、ヒンジ２０６と、コネクタ２１６と、動作ストッパ４０５ａとを含む単一のマイクロミラー２０２の裏面を示す。他の実施形態では、ヒンジ２０６は、ミラープレート２０４の辺の１つと実質的に平行であってもよく、また、ミラープレート２０４を２つの部分４０５ａおよび４０５ｂに分割するように位置してもよい。図１４および１５は、図１２ａ、１２ｂおよび１３に示したような複数のマイクロミラー２０２から構成されるマイクロミラーアレイの斜視図を示す。
空間光変調器の作製
【００３７】
図９ａは、空間光変調器１００の作製方法の好適な一実施形態を説明するフローチャートである。図９ｂから９ｍは、空間光変調器１００の好適な作製方法をより詳細に示す図であり、図１６ａから１６ｅは、図９ｅから９ｍと併せて、別の好適な作製方法を示す図である。
【００３８】
図９ａを参照すると、最初に、マイクロミラー２０２を部分的に作製するために、マスクを作製する。このマスク１０００の好適な実施形態は、図１０に示され、スペーサ支持フレーム２１０および支持壁を画定するマイクロミラーアレイ１０３の裏面上のキャビティを形成するために、第１の基板１０４の一方の側からエッチングすべき場所を画定する。図１０に示すように、マスク１０００の領域１００４は、第１の基板１０５がエッチングされないようにするフォトレジスト材料、またはシリコン酸化膜やシリコン窒化膜を含む他の誘電体材料である。図１０の領域１００２は、キャビティを形成するためにエッチングされるべき、基板が露出した領域である。エッチングされない領域１００４は、そのままの状態であり、スペーサ支持フレーム２１０のスペーサ支持壁を形成する。
【００３９】
一実施形態では、ＳＦ６ガス、ＨＢｒガス、および酸素ガスを、それぞれ１００ｓｃｃｍ、５０ｓｃｃｍ、および１０ｓｃｃｍの流速で流しながら、反応性イオンエッチングチャンバで第１の基板１０５をエッチングする。運転時の圧力は１０〜５０ｍＴｏｒｒの範囲であり、バイアス電力は６０Ｗ、電源出力は３００Ｗである。他の実施形態では、Ｃｌ２ガス、ＨＢｒガス、および酸素ガスを、それぞれ１００ｓｃｃｍ、５０ｓｃｃｍ、および１０ｓｃｃｍの流速で流しながら、反応性イオンエッチングチャンバで第１の基板１０５をエッチングする。以上の実施形態では、エッチングプロセスは、キャビティが約３〜４ミクロンの深さになると終了する。この深さは、その場光干渉技術などの、その場エッチング深さモニタを用いて、あるいはエッチング速度を見計らって測定する。
【００４０】
他の実施形態では、このキャビティは異方性反応性イオンエッチングプロセスでウエハ内に形成される。このウエハは、反応チャンバ内に設置される。ＳＦ６ガス、ＨＢｒガス、および酸素ガスが、それぞれ１００ｓｃｃｍ、５０ｓｃｃｍ、および２０ｓｃｃｍの流量で反応チャンバ内に導入される。バイアス電力の設定５０Ｗ、および電源出力１５０Ｗが、圧力５０ｍＴｏｒｒの条件で約５分間用いられる。次に、ウエハは、圧力１ｍＴｏｒｒで、裏面に２０ｓｃｃｍの流量のヘリウムガスを流すことで冷却される。好適な一実施形態では、このエッチングプロセスは、キャビティが、約３〜４ミクロンの深さになると終了する。この深さは、その場光干渉技術などの、その場エッチング深さモニタを用いて、あるいはエッチング速度を見計らって測定する。
【００４１】
フォトリソグラフィなどの標準的な技術を用いて、第１の基板１０５上にマスクを作製することができる。前に述べたように、好適な一実施形態では、マイクロミラー２０２が、単結晶シリコンなどの単一の材料から形成される。従って、好適な一実施形態では、第１の基板１０５は、単結晶シリコンウエハである。通常、複数のＳＬＭ１００に用いらる複数のマイクロミラーアレイ１０３は、単一のウエハ上に作製され、後で分離されることに留意されたい。このマイクロミラーアレイ１０３を形成するために作製された構造は、通常、ＣＭＯＳ回路に用いられる寸法よりも大きいので、このマイクロミラーアレイ１０３構造を、ＣＭＯＳ回路を作製するための既知の技術を用いて形成することは比較的容易である。
【００４２】
図９ｂは、作製前の第１の基板１０５を示す断面図である。基板１０５は、最初に、所定の厚みを有する素子層１６１５と、絶縁酸化物層１６１０と、ハンドリング基板１６０５とを含む。素子層１６１５は、基板１０５の第１の側に位置し、ハンドリング基板１６０５は、基板１０５の第２の側に位置する。好適な実施形態では、素子層１６１５は、単結晶シリコン材料で作製され、約２ミクロンから約３ミクロンの間の厚みを有する。図９ｂに示すような基板１０５は、当該技術では既知の標準的なシリコン・オン・インシュレータ（ＳＯＩ）プロセスを用いて作製してもよいし、Ｓｏｉｔｅｃ社、Ｓｈｉｎｅｔｓｕ社、あるいはＳｉｌｉｃｏｎ Ｇｅｎｅｓｉｓ社などのシリコンウエハのサプライヤから購入してもよい。
【００４３】
図９ｂを参照すると、浅いキャビティ１９８が、第１の基板１０５の第１の側にある素子層１６１５内にエッチングされる。このエッチングの詳細は、上記、特に段落５９〜６１に説明されている。エッチングの深さは、ほぼ、動作ストッパ４０５ａ、４０５ｂ（形成予定）の端部と、（以下で説明するように、第２の基板１０７が第１の基板１０５と接合した後の）第２の基板１０７との間隔１９７である。このエッチング深さ１９７は、後のエッチングステップで最終的に作製される動作ストッパ４０５ａ、４０５ｂの長さを定める。図９ｃおよび９ｄに示すように、２つの動作ストッパ４０５ａおよび４０５ｂは、好ましくはフォトリソグラフィ技術を用いて、第１の基板１０５の素子層１６１５からエッチングされる。この場合もやはり、このエッチングの詳細は、上記の段落５９〜６１で説明されている。
【００４４】
図１６ａ〜１６ｅは、キャビティを備えた第１の基板１０５を作製する別の方法を示す。図１６ａは、作製前の第１の基板１０５の断面図を表す。図９ｂの第１の基板１０５のように、図１６ａの第１の基板１０５は、最初に、所定の厚みを有する素子層１６１５と、絶縁酸化物層１６１０と、ハンドリング基板１６０５とを含む。素子層１６１５は、基板１０５の第１の側に位置し、ハンドリング基板１６０５は、基板１０５の第２の側に位置する。このような第１の基板１０５は、当該技術では既知の標準的なシリコン・オン・インシュレータ（ＳＯＩ）プロセスを用いて作製してもよいし、上記の会社を含むシリコンウエハのサプライヤから購入してもよい。この実施形態では、素子層１６１５は、単結晶シリコン材料で作製され、図１６ｅに示すように、素子層１６１５の上端部１６１５ａは、所定の厚み、好ましくは０．２ミクロンから０．４ミクロンまでの間の厚みを有する。この素子層上端部１６１５ａの厚みは、最終的に作製されるミラープレート２０４の厚みとほぼ等しくなる。
【００４５】
図１６ｂを参照すると、前の段落で説明した層１６１０および１６１５と、基板１６０５とを有する第１の基板１０５を（作製もしくは購入によって）得た後に、シリコン酸化物などの誘電体材料１６２０が、第１の基板１０５の素子層１６１５上に堆積される。
【００４６】
この誘電体材料１６２０は、次に、当該技術では既知の標準的なフォトリソグラフィおよびエッチング技術を用いてエッチングされ、スペーサ支持フレーム２１０の支持壁が位置することになる所定の位置に、開口部１６２５および１６２６を形成する。図１６ｃに示すように、このエッチングされた誘電体材料１６２０は、次のプロセスステップ用のマスクと開口部１６２５および１６２６とを形成する。
【００４７】
図１６ｃに示す好適な実施形態では、エピタキシャル成長用の「シード（ｓｅｅｄ）」機能を果たす素子層１６１５の単結晶シリコン材料を用いて、エピタキシャル成長プロセスによって、単結晶シリコン材料１６２７および１６２８を、誘電体材料１６２０の開口部１６２５および１６２６内に成長させる。通常は、開口部１６２７および１６２８に成長した材料は、素子層１６１５（またはシード）と同じ材料であり、素子層１６１５と同じ結晶構造を有する。図１６ｃに示す実施形態では、成長した単結晶シリコン材料１６２７および１６２８は、最終的には、マイクロミラーアレイ１０３用のスペーサ支持フレーム２１０の支持壁になる予定である。
【００４８】
最後に、誘電体材料１６２０は除去され、図１６ｅに示す構造になる。この結果形成された構造は、図１６ｅの構造には動作ストッパ４０５ａも４０５ｂもないということ以外は、図９ｄに示す第１の基板と同一の構造を有する第１の基板１０５となる。しかし、今までの説明を考えると、当業者であれば、図１６ｅに示す構造に、動作ストッパ４０５ａ、４０５ｂをいかにして付加するかは理解できるであろう。例えば、この動作ストッパ４０５ａ、４０５ｂは、スペーサ支持フレーム２１０の支持壁のように、エッチングとエピタキシャル成長によって形成されてもよい。このように、図１６ａ〜１６ｅは、第１の基板１０５にある素子層１６１５の上端部１６１５ａの厚みが精密に制御された、第１の基板１０５にキャビティを作製する別の方法を提供する。図９ｅ〜９ｍに示す各ステップを完了すると、隠れヒンジを備えた高充填率反射型空間光変調器１００が作製される。
【００４９】
図９ａを参照すると、第１の基板１０５へのキャビティの作製とは別に、電極１２６の一部または全部と、アドレス指定・制御回路１０６が、図９ａおよび９ｅに示すように第２の基板１０７の第１の側７０３に形成される。この第２の基板１０７は、石英などの透明材料であってもよく、また他の材料であってもよい。この第２の基板が石英である場合は、トランジスタは、結晶シリコンとの対比として、ポリシリコンで形成してもよい。回路は、標準的なＣＭＯＳ作製技術を用いて形成されることが好ましい（９０６）。例えば、一実施形態では、第２の基板１０７上に形成または作製された制御回路１０６（９０６）は、アレイ状のメモリセル、行アドレス回路、および列データ読み込み回路を含む。アドレス指定機能を実行する電子回路の作製には、多くの異なった方法がある。通常知られているＤＲＡＭ素子、ＳＲＡＭ素子、およびラッチ素子が、全て、アドレス指定機能を実行してもよい。ミラープレート２０４の領域は、半導体スケールと比べて大きい場合がある（例えば、ミラープレート２０４は、２２５平方ミクロンの面積を有する場合がある）ので、マイクロミラー２０２の下に、複雑な回路を製造することができる。考えられる回路としては、限定するわけではないが、時系列の画素情報を記憶する記憶バッファ、さまざまな電圧レベルで電極１２６を駆動することによって、ミラープレート２０４と電極１２６との分離距離に生じる可能性がある不均一性を補償する回路、およびパルス幅変調変換を実行する回路が含まれる。
【００５０】
制御回路１０６は、シリコン酸化物またはシリコン窒化物などの保護層で覆われる。次に、メタライゼーション層が堆積される。このメタライゼーション層は、パターニングおよびエッチングが施され、電極１２６、さらに一実施形態ではバイアス／リセットバスを画定する。この電極１２６は、１つまたは複数の電極１２６が、各マイクロミラー２０２に対応するように、作製中に配置される。通常は、多数のＳＬＭで用いられる多数の回路セットが、後で分離されることになる第２の基板１０７上に形成される（９０６）。
【００５１】
図９ｄまたは図１６ｅに示す第１の基板１０５は、次に、図９ａおよび９ｅに示すように、第２の基板１０７に接合される（９１０）。図９ｆに示すように、第１の基板１０５は、第２の基板１０７の反対側に最上層９０５を有する。第１の基板１０５のキャビティおよび動作ストッパ４０５ａ、４０５ｂを備える側が、第２の基板の電極１２６を有する側に接合される。基板１０５および１０７は、第２の基板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の偏向を制御する正確な位置にくるように位置合わせされる。一実施形態では、この２つの基板１０５および１０７は、二重焦点顕微鏡を用いて、第１の基板１０５上のパターンを第２の基板１０７上のパターンと合わせることによって光学的に位置合わせされる。そして、この２つの基板１０５および１０７は、陽極接合や共晶接合などの低温接合法を用いて互いに接合される（９１０）。好適な実施形態では、この接合（９１０）は、室温を含む摂氏４００度よりも低いあらゆる温度で行うことも可能である。例えば、熱可塑性、または誘電体スピングラスの接合材料を用いることができ、それによって、基板１０５と１０７とは熱機械的に接合される。また、この接合（９１０）は、第１の基板１０５と第２の基板１０７との間の良好な機械的密着性を保証し、室温で行うことも可能である。図９ｅは、互いに接合された第１の基板１０５と第２の基板１０７とを示す断面図である。
【００５２】
第１の基板１０５と第２の基板１０７とを互いに接合した（９１０）後、第１の基板１０５の最上層９０５は、図９ｆおよび９ａに示すように、所望の厚みまで薄層化される（９１２）。まず、図９ｆまたは図１６ｅに示すハンドリング基板１６０５が、通常は、研磨および／またはエッチングによって除去され、次に、酸化物層１６１０が、酸化物剥離を実行するための当該技術では既知であるいずれかの技術を用いて剥離される。この酸化物層１６１０は、所望の厚みを持つ薄層化された第１の基板１０５を形成するために、薄層化ステップ（９１２）のための停止マーカの機能を果たし、第１の基板内に配置される。この薄層化プロセスは、研磨および／またはエッチング、好ましくは、ウエットエッチングまたはプラズマエッチングなどのシリコンのバックエッチプロセスを含んでもよい。この結果、図３、７ａ、８、および９ｍに示すように、最終的には、ミラープレートの上面２０５を形成する第１の基板１０４の上面２０５が生じる。結果的に、第１の基板１０５の最終的な厚みは、好適な実施形態では数ミクロンとなる。
【００５３】
次に、ヒンジ２０６が、２段エッチングプロセスを用いてエッチングされる（９１３）。まず、図９ｇに示すように、第１の基板１０５の上面２０５がエッチングされ、陥凹部９１０を形成する。これにより、この陥凹部９１０に形成される予定のヒンジ２０６は、ミラープレート２０４の上面となる第１の基板１０５の上面２０５の下に、作製プロセスの最後には実質的に位置することが保証される。次に、図９ｈおよび９ａに示すように、第１の基板１０５は、再びエッチングされ、第１の基板１０５のミラープレート部９１５からヒンジ２０６を実質的に分離する。図３、４ａ、４ｂ、１２ａ、１２ｂ、および１３に例示する実施形態に示すように、ヒンジ２０６の両端は、スペーサ支持フレーム２１０のスペーサ支持壁と連結した状態のままである。また、第１の基板１０５のミラープレート部９１５は、マイクロミラー２０２のミラープレート２０４を形成することになる。
【００５４】
一実施形態では、ヒンジ２０６は、Ｃｌ２ガス、Ｏ２ガス、およびＮ２ガスを、それぞれ１００ｓｃｃｍ、２０ｓｃｃｍ、および５０ｓｃｃｍの流量で流しながら、デカップルドプラズマソースのチャンバでエッチングされる。運転時の圧力は、４〜１０ｍＴｏｒｒの範囲であり、バイアス電力は４０Ｗ、また電源出力は１５００Ｗである。エッチングの深さは、その場光干渉技術などの、その場エッチング深さモニタを用いて、あるいはエッチング速度を見計らって測定する。
【００５５】
フォトレジストなどの犠牲層９２０が、次に、第１の基板１０５上に堆積され（９１４）、図９ｉおよび９ａに示すように、ヒンジ２０６と第１の基板１０５のミラープレート部９１５との間も含み、ヒンジ２０６の上および周囲にあるすき間、さらに第１の基板１０５の上面２０５上を満たす。このフォトレジストは、基板上に単に塗布するだけでよい。
【００５６】
図９ｊおよび９ａに示すように、次に、エッチバックステップ、または化学的機械処理（ＣＭＰ）プロセス、あるいは当該技術では既知である任意の技術のいずれかを用いて、犠牲層９２０を有する第１の基板１０５は平坦化される（９１５）。このプロセスでは、確実に、犠牲層９２０がヒンジの上および周囲にだけは残るように、かつ第１の基板１０５の上面２０５上には残らないようにする。この平坦化ステップでは、犠牲層９２０は、第１の基板１０５の上面２０５からのみ除去されるので、除去は比較的容易であることに留意されたい。
【００５７】
この平坦化した（ミラープレート２０４の上面２０５と、犠牲層９２０で覆われたヒンジ２０６の一部の上にあたる部分とを含む）表面上に、図９ｋおよび９ａで示すように、反射面２０３が堆積され、反射面２０３を形成する。先に記載したように、この反射面２０３は、ミラープレート２０４の上面２０５よりも大きな面積を有する。また、この反射面は、好ましくはアルミニウム、あるいは当該技術では既知である他のいずれかの反射材料であり、３００Ａ以下の厚みであることが好ましい。さらに、この反射面２０３は、第１の基板１０５の上面２０５と、ヒンジ２０６の一部の上の領域を覆う。図９ｋは、堆積した反射面２０３を示す断面図である。この反射面２０３が薄いことによって、ミラープレート２０４の上面２０５の、平坦で滑らかな表面が間違いなく反映される。
【００５８】
図９ｌおよび９ａに示すように、反射面２０３およびミラープレート部９１５はエッチングされ（９１７）、ミラープレート２０４を、第１の基板１０５のミラープレート部９１５から分離する。この反射面２０３およびミラープレート部９１５のエッチングは、同一のチャンバで行われることが好ましい。
【００５９】
反射面２０３がアルミニウム材料である好適な実施形態の場合は、Ｃｌ２ガス、ＢＣｌ３ガス、およびＮ２ガスを、それぞれ４０ｓｃｃｍ、４０ｓｃｃｍ、および１０ｓｃｃｍの流量で流しながら、デカップルドプラズマソースのチャンバで、反射面２０３のエッチング（９１７）は行われる。運転時の圧力は１０ｍＴｏｒｒであり、バイアス電力は７５Ｗ、また電源出力は８００Ｗである。エッチングの深さは、その場光干渉技術などの、その場エッチング深さモニタを用いて、あるいはエッチング速度を見計らって測定する。アルミニウムの反射面２０３がエッチング（９１７）されると、その下のシリコンで作製されたミラープレート部９１５が、次に、ＨＢｒガス、Ｃｌ２ガス、およびＯ２ガスを、それぞれ９０ｓｃｃｍ、５５ｓｃｃｍ、および５ｓｃｃｍの流量で流しながら、デカップルドプラズマソースのチャンバでエッチングされる（９１７）。運転時の圧力は５ｍＴｏｒｒであり、バイアス電力は７５Ｗ、また電源出力は５００Ｗである。エッチングの深さは、その場光干渉技術などの、その場エッチング深さモニタを用いて、あるいはエッチング速度を見計らって測定する。
【００６０】
反射面２０３およびミラープレート部９１５のエッチング（９１７）が終わると、ミラープレート２０４は分離されるが、ヒンジ２１６は、犠牲材料９２０によって所定の位置に固定されたままである。その結果、ミラープレート２０４およびマイクロミラーは、全体として、まだ、ヒンジ２０６の周りに回転することはできず、これによって、後のプロセスステップでの素子の残存性が保証される。
【００６１】
マイクロミラー２０２の作製における最終ステップは、ヒンジ２０６の上および周囲に残っている犠牲層９２０を除去することである（９１８）。このヒンジ２０６の上および周囲に残っている犠牲層９２０の除去は、犠牲層９２０がミラープレート２０４またはミラー２０２の下にはないので比較的容易である。ウエットプロセスに伴う吸着障害のため、プラズマエッチングなどのドライプロセスが好ましい。一実施形態では、犠牲層９２０は、Ｏ２プラズマチャンバ内でエッチング除去されるフォトレジスト材料である。この犠牲層９２０が除去（９１８）されると、ヒンジ２０６は分離され、ミラープレート２０４はヒンジ２０６の周りに自由に回転できる。上記の作製プロセスに従うことによって、結果として、ミラープレート２０４の上面の下に実質的に形成され、ミラープレート２０４の上面２０５上、およびヒンジ２０６の一部の上に堆積された反射面２０３で隠されたヒンジ２０６が形成される。
【００６２】
一部の実施形態では、マイクロミラーアレイ１０３は、一枚のガラスまたは他の透明材料によって保護される。一実施形態では、マイクロミラーアレイ１０３の作製時に、第１の基板１０５上に作製された各マイクロミラーアレイ１０３の周囲にリムが残される。マイクロミラーアレイ１０３のマイクロミラー２０２を保護するために、図９ａに示すように、一枚のガラスまたは他の透明材料がリムに結合される（９１９）。この透明材料が、マイクロミラー２０２を物理的な害から保護する。別の一実施形態では、リソグラフィが用いられ、１層の感光性レジンからなるアレイ状のリムをガラス板上に形成する。次に、エポキシが、このリムの上縁に塗布され、ガラス板が、完成した反射型ＳＬＭ１００と位置合わせされ、このＳＬＭ１００に取り付けられる。
【００６３】
上記で説明したように、複数のＳＬＭ１００を、２つの基板１０５および１０７から作製してもよい。また、複数のマイクロミラーアレイを第１の基板１０５に作製してもよく、複数の回路セットを第２の基板１０７に作製または形成してもよい。複数のＳＬＭ１００を作製すれば、空間光変調器１００の作製プロセス効率が向上する。しかし、複数のＳＬＭ１００を一度に作製する場合は、この複数のＳＬＭを、個別のＳＬＭ１００に分離しなければならない。個別の空間光変調器１００を分離し、それを使える状態にするためには多くの方法がある。第１の方法では、１つの各空間光変調器１００が、一体となった基板１０５および１０７上の他のＳＬＭ１００からダイ分離される（９２０）。分離した各空間光変調器１００は、次に、標準的なパッケージング技術を用いてパッケージングされる（９２２）。
【００６４】
第２の方法では、ウエハレベル・チップレベルパッケージングが実行され、各ＳＬＭ１００が、別々のキャビティに封入され、ＳＬＭ１００を分離する前にリード線が形成される。これにより、反射し偏向できる部品がさらに保護され、パッケージングコストが低下する。この方法の図９ａに示すような一実施形態では、第２の基板１０７の裏面が、半田バンプで接合される。この第２の基板１０７の裏面は、次に、エッチングされ（９２６）、第２の基板１０７上に回路を作製する際に形成された金属コネクタを露出する。その後、この金属コネクタと半田バンプとの間に導線が堆積され（９２８）、これら２つを電気的に接続する。最後に複数のＳＬＭがダイ分離される（９３０）。
【００６５】
図１１は、第２の基板１０７上に形成された電極１２６の一実施形態の斜視図である。この実施形態では、各マイクロミラー２０２には、それに対応する電極１２６がある。この例示する実施形態での電極１２６は、第２の基板１０７上にあるその他の回路部分よりも高く作製される。好適な実施形態では、電極１２６は、第２の基板１０７上にあるその他の回路部分と同じ高さで配置される。他の実施形態では、電極１２６は、回路の上方に広がる。本発明の一実施形態では、電極１２６は、マイクロミラープレートの下部にうまく納まる個別のアルミニウムパッドである。また、電極の形状は、マイクロミラー２０２の実施形態によって変わる。例えば、図２ａ、２ｂ、および３に示す実施形態では、ミラー２０２の下に２つの電極１２６があり、この各電極１２６は、図７ｂに示すような三角形状を有することが好ましい。また、図１２ａ、１２ｂ、および１３に示す実施形態では、単一で四角形の電極１２６がミラー２０２の下にあることが好ましい。この電極１２６は、第２の基板１０７の表面上に作製される。この実施形態では電極の表面積が大きいので、ミラープレート２０４を、機械的なストッパまで引き下げるのに必要なアドレス指定電圧は比較的低くなり、ミラープレート２０４は、所定の角度に完全に偏向できる。
動作
【００６６】
動作中は、個々の反射マイクロミラー２０２は、選択的に偏向され、入射してミラー２０２で反射される光を空間的に変調する機能を果たす。
【００６７】
図７ａおよび８は、図２ａの破線２５０に沿って示すマイクロミラー２０２の断面図である。この断面図は、マイクロミラー２０２の中心対角線から外れたものであり、従って、ヒンジ２０６の輪郭が示されることに留意されたい。図７ｃは、図２ａの破線２５０に沿って示すマイクロミラー２０２の別の断面図である。この断面図は、中心対角線に沿ったものであり、ヒンジ２０６と直交することに留意されたい。図７ｃは、ミラープレート２０４ａおよび２０４ｂとの関係でコネクタ２１６を示す。図７ａ、７ｃ、および８は、電極１２６上にあるマイクロミラー２０２を示す。動作中は、ミラー２０２の片側に対応する電極１２６に電圧が印加され、この電極１２６上にあるミラープレート２０４の対応する部分（図８の２０４ａ面）の偏向を制御する。図８に示すように、電圧が電極１２６に印加されると、ミラープレートの半分２０４ａが、電極１２６に引きつけけられ、ミラープレートの残りの半分２０４ｂが、ミラープレート２０４の構造および剛性のために、電極１２６および第２の基板１０７から遠ざかる。これにより、ミラープレート２０４は、トーションバネヒンジ２０６の周りに回転できる。電圧が電極１２６から取り除かれると、ヒンジ２０６により、ミラープレート２０４は、図７ａに示すようなバイアスが加えられていない状態の位置に跳ね返される。あるいは、図２ａ、２ｂ、および３に示す対角状のヒンジ２０６を備えた実施形態では、ミラープレート２０４の反対側に対応する電極１２６に電圧が印加され、ミラー２０２を反対方向に偏向させてもよい。このようにして、ミラー２０２に入射する光は、電極１２６への電圧の印加によって制御可能な方向に反射される。
【００６８】
一実施形態の作用は以下の通りである。最初は、ミラー２０２は、図７ａおよび７ｃに示すように偏向しない。このバイアスが加えられていない状態では、光源からＳＬＭ１００に斜めに入射する入射光線は、平らな状態のミラー２０２で反射される。出射する反射光線は、例えば、光ダンプが受光してもよい。偏向していないミラー２０２で反射された光は、ビデオディスプレイには反射されない。
【００６９】
電圧がミラープレート２０４の半分と、その下の電極１２６との間に印加されると、ミラー２０２は、静電気引力のために偏向する。一実施形態では、ミラープレート２０４ａが、図８に示すように下向きに偏向する場合は、Ｖｅ１は１２ボルト、Ｖｂは−１０ボルト、さらにＶｅ２は０ボルトであることが好ましい。同様に（あるいは、逆に）、ミラープレート２０４ｂが下向きに偏向する場合は、Ｖｅ１は０ボルト、Ｖｂは−１０ボルト、さらにＶｅ２は１２ボルトであることが好ましい。ヒンジ２０６のデザインのために、ミラープレートの片面２０４ａまたは２０４ｂ（言い換えると、電圧バイアスを加えられる電極１２６の上にある方）が下向きに（第２の基板１０７に向かって）偏向し、ミラープレートの他方の面２０４ｂまたは２０４ａが第２の基板１０７から遠ざかる。好適な一実施形態では、全ての曲げは、実質的に、ミラープレート２０４ではなくヒンジ２０６に生じる。これは、一実施形態では、ヒンジの幅２２２を薄くし、このヒンジ２０６を、両端にある支柱のみに連結することによって実現してもよい。また、ミラープレート２０４の偏向は、上記で説明したように、動作ストッパ４０５ａまたは４０５ｂによって制限される。ミラープレート２０４が完全に偏向することによって、出射する反射光線は、撮像光学系とビデオディスプレイとに偏向される。
【００７０】
ミラープレート２０４が、「スナッピング（ｓｎａｐｐｉｎｇ）」電圧または「引っ張り（ｐｕｌｌｉｎｇ）」電圧（一実施形態では約１２ボルト以下）を越えて偏向しようとすると、ヒンジ２０６の復元機械力または復元トルクは、もはや静電気力の平衡を保つことができなくなり、静電気力がかかっているミラープレートの半分２０４ａまたは２０４ｂは、その下の電極１２６に向かって突然下に傾き（ｓｎａｐ）、規定通りに、動作ストッパ４０５ａまたは４０５ｂによってのみ制限を受ける完全偏向を実現する。ヒンジ２０６が、図１２ａ、１２ｂおよび１３に示すように、スペーサ支持フレーム２１０の支持壁と平行である実施形態では、完全に偏向した位置からミラープレート２０４を解放するためには、電圧をオフにしなければならない。ヒンジ２０６が、図２ａ、２ｂおよび３に示すように対角状である実施形態では、完全に偏向した位置からミラープレート２０４を解放するためには、他方の電極に電圧を印加して、ミラー２０２が他方に引きつけられる状態で、この電圧をオフにしなければならない。
【００７１】
マイクロミラー２０２は、電気機械的な双安定素子である。解放電圧とスナッピング電圧との間のある電圧が与えられると、ミラー２０２の偏向履歴に応じて、ミラープレート２０４が取りうる２つの偏光角が考えられる。このように、ミラー２０２の偏向は、ラッチの機能を果たす。ミラー２０２の偏向に必要な機械力は、偏向角に対してほぼ線型であり、一方、反対方向の静電気力は、ミラープレート２０４と電極１２６との間隔に反比例するため、この双安定性とラッチ特性とが存在する。
【００７２】
ミラープレート２０４と電極１２６との間の静電気力は、このミラープレート２０４と電極１２６との間の全電圧差分に応じて変化するので、ミラープレート２０４に印加される負電圧が、ある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。このように、ミラーアレイ１０３に電圧を印加することによって、電極１２６の電圧幅条件を低下させることができる。これが有用なのは、例えば、５Ｖのスイッチング機能が、半導体産業ではより一般的で、よりコスト効率が高いために、一部の用途では、電極１２６に印加しなければならない最大電圧を１２Ｖ未満に維持することが望ましいからである。
【００７３】
ミラー２０２の最大偏向は一定であるため、ＳＬＭ１００が、スナッピング電圧を越えた電圧で動作する場合は、このＳＬＭ１００は、デジタル方式で動作させることができる。この動作が、基本的にデジタルであるというのは、ヒンジ２０６が、図２ａ、２ｂ、および３に示すように、スペーサ支持フレーム２１０の支持壁と平行である実施形態では、ミラープレート２０４は、対応する電極１２６に電圧を印加することによって下向きに完全に偏向するか、あるいは対応する電極１２６に電圧を印加することなく跳ね上がることができるためである。図１２ａ、１２ｂ、および１３に示すような対角状のヒンジ２０６を備えた実施形態では、ミラープレート２０４は、ミラープレート２０４の一方の面に対応する電極１２６に電圧を印加することによって下向きに完全に偏向するか、あるいはミラープレート２０４の他方の面に対応する他方の電極２６に電圧を印加して、ミラープレート２０４の他方の面を下向きに偏向する。ミラープレート２０４の偏向を停止する物理的な部品が停止するまで、ミラープレート２０４を下向きに完全に偏向させる電圧は、「スナッピング」電圧または「引っ張り」電圧として知られる。従って、ミラープレート２０４を、完全に下向きに偏向させるためには、スナッピング電圧以上の電圧を、対応する電極１２６に印加する。ビデオディスプレイ用途の場合、ミラープレート２０４が、完全に下向きに偏向すると、そのミラープレート２０４への入射光は、ビデオディスプレイ画面上の対応する画素に反射され、その画素は明るく見える。ミラープレート２０４が、跳ね上がった場合は、この光はビデオディスプレイ画面に当たらないような方向に反射され、対応する画素は暗く見える。
【００７４】
このようなデジタル動作時では、ミラープレート２０４が完全に偏向した後は、スナッピング電圧を、対応する電極１２６に完全に印加し続ける必要はない。「アドレス指定段階」では、完全に偏向する必要があるミラープレート２０４に対応する選択した電極１２６への電圧は、ミラープレート２０４を偏向させるのに必要なレベルに設定される。このミラープレート２０４が電極１２６への電圧によって偏向すると、その変更した位置にミラープレート２０４を保持するのに必要な電圧は、実際の変更に必要な電圧未満である。これは、この偏向したミラープレート２０４とアドレス指定電極１２６との間隔が、ミラープレート２０４が偏向過程にある場合よりも小さいためである。従って、アドレス指定段階の後の「保持段階」では、選択した電極１２６に印加する電圧は、ミラープレート２０４の偏向状態に実質的に影響を及ぼすことなく本来の要求水準から低下させることができる。保持電圧が低いという１つの効果は、隣接する未偏向のミラープレート２０４が受ける静電気引力の影響がより小さく、そのために、ほぼゼロ偏向位置の状態でありつづけることである。これにより、偏向したミラープレート２０４と未偏向のミラープレート２０４との間の光学コントラスト比は向上する。
【００７５】
寸法（一実施形態では、ミラープレート２０４と電極１２６との間のスペーサ支持フレームによる分離間隔は、ミラー構造と偏光角とに応じて１〜５ミクロンであり、ヒンジ２０６の厚みは０．０５〜０．４５ミクロンである）および材料（例えば単結晶シリコン（１００））を適切に選択すれば、反射型ＳＬＭ１００は、わずか数ボルトの動作電圧を有するように作製することができる。単結晶シリコンで作製されたトーションヒンジ２０６の剛性率は、例えば、１ラジウム１平方メートル当たり５×１０１０ニュートンである。ミラープレート２０４を完全に偏向させるための、対応する電極１２６の動作電圧は、接地電位ではなく、適当な電圧（負バイアス）にミラープレート２０４を維持することで、さらに低下させることができる。これにより、電極１２６に印加される任意の電圧に対して、より大きな偏向角が生じる。最大負バイアス電圧は、解放電圧であるため、アドレス指定電圧をゼロまで低下させると、ミラープレート２０４は未偏向状態の位置まで跳ね返ることができる。
【００７６】
ミラープレート２０４の偏向を、より「アナログ」方式で制御することも可能である。「スナッピング電圧」未満の電圧を、ミラープレート２０を偏向させるために印加し、入射光が反射する方向を制御する。
他の用途
【００７７】
ビデオディスプレイだけではなく、空間光変調器１００は、他の用途においても有用である。そのような用途の１つは、マスクを用いないフォトリソグラフィであり、空間光変調器１００は、堆積したフォトレジストを露光するために光の方向を定める。これにより、所望のパターンにフォトレジストを正確に露光するためのマスクの必要が無くなる。
【００７８】
本発明は、多くの実施形態を参照に詳しく示し、また説明してきたが、当業者には当然のことながら、本発明の精神と範囲を逸脱することなく、形態および細部に関するさまざまな変更を行うことが可能である。例えば、ミラープレート２０４は、静電気引力以外の方法によっても同様に偏向させることができる。このミラープレート２０４は、代わりに、磁気、熱、または圧電駆動を用いてもよい。
【図面の簡単な説明】
【００７９】
【図１】本発明の一実施形態による空間光変調器の概略構造を示す概略図である。
【図２ａ】本発明の一実施形態における１つのマイクロミラーの斜視図である。
【図２ｂ】図２ａに示すマイクロミラーの隅部の斜視図である。
【図３】一実施形態におけるマイクロミラーのミラープレートの上部および側部を示す、反射面がない１つのマイクロミラーの斜視図である。
【図４ａ】本発明の一実施形態における１つのマイクロミラーの底部および側部を示す斜視図である。
【図４ｂ】図４ａに示すマイクロミラーの隅部の斜視図である。
【図５】本発明の一実施形態におけるマイクロミラーアレイの上部および側部を示す斜視図である。
【図６】本発明の一実施形態におけるマイクロミラーアレイの底部および側部を示す斜視図である。
【図７ａ】図２ａの中心から外れた対角断面に沿って示す、偏向していない状態のマイクロミラーの断面図である。
【図７ｂ】本発明の一実施形態における第２の基板に形成され、ミラープレートの下にある電極およびランディングチップの断面図である。
【図７ｃ】図２ａの中心対角断面に沿って示す、偏向していない状態のマイクロミラーの断面図である。
【図８】図２ａに示す偏向した状態のマイクロミラーの断面図である。
【図９ａ】空間光変調器の作製方法の好適な実施形態を説明するフローチャートである。
【図９ｂ】空間光変調器の作製をさらに詳しく示す断面図である。
【図９ｃ】空間光変調器の作製をさらに詳しく示す断面図である。
【図９ｄ】空間光変調器の作製をさらに詳しく示す断面図である。
【図９ｅ】空間光変調器の作製をさらに詳しく示す断面図である。
【図９ｆ】空間光変調器の作製をさらに詳しく示す断面図である。
【図９ｇ】空間光変調器の作製をさらに詳しく示す断面図である。
【図９ｈ】空間光変調器の作製をさらに詳しく示す断面図である。
【図９ｉ】空間光変調器の作製をさらに詳しく示す断面図である。
【図９ｊ】空間光変調器の作製をさらに詳しく示す断面図である。
【図９ｋ】空間光変調器の作製をさらに詳しく示す断面図である。
【図９ｌ】空間光変調器の作製をさらに詳しく示す断面図である。
【図９ｍ】空間光変調器の作製をさらに詳しく示す断面図である。
【図１０】キャビティを第１の基板に形成するためのマスクの好適な実施形態を示す図である。
【図１１】第２の基板上に形成された電極の一実施形態の斜視図である。
【図１２ａ】本発明の別の実施形態におけるマイクロミラーの斜視図である。
【図１２ｂ】図１２ａに示すマイクロミラーの隅部の斜視図である。
【図１３】図１２ａに示す実施形態におけるマイクロミラーの底部および側部を示す斜視図である。
【図１４】本発明の別の実施形態におけるマイクロミラーアレイの上部および側部を示す斜視図である。
【図１５】図１４に示す別の実施形態におけるマイクロミラーアレイの底部および側部を示す斜視図である。
【図１６ａ】第１の基板にキャビティを形成する別の方法を示す図である。
【図１６ｂ】第１の基板にキャビティを形成する別の方法を示す図である。
【図１６ｃ】第１の基板にキャビティを形成する別の方法を示す図である。
【図１６ｄ】第１の基板にキャビティを形成する別の方法を示す図である。
【図１６ｅ】第１の基板にキャビティを形成する別の方法を示す図である。
【図２ａ】
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【図２ｂ】
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【図３】
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【図４ａ】
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【図４ｂ】
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【図５】
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【図６】
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【図７ａ】
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【図７ｂ】
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【図７ｃ】
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【図８】
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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９ｋ】
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【図９ｌ】
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【図９ｍ】
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【図１０】
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【図１１】
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【図１２ａ】
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【図１２ｂ】
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【図１３】
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【図１４】
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【図１５】
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【図１６ａ】
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【図１６ｂ】
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【図１６ｃ】
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【図１６ｄ】
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【図１６ｅ】
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【図１】
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【図９ａ】
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【国際調査報告】
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