(57)【要約】  微小電気機械システム装置は、基板と、各電子回路と、エッチング停止層と、前記基板上に取り付けられたヒンジベースと、回路に接続された電極とを含む。前記ベースには、ドープされた半導体からなるヒンジが取り付けられている。前記ヒンジは、前記ベースから垂直に延在する垂直支持部と、前記垂直支持部と接触する水平に延在するヒンジタブとを備える。前記装置は、可動ミラーと、前記ミラーを前記ヒンジタブに連結するミラービアとを有する。前記ミラーは、前記電極と前記ミラーとの間に電圧を印加することによって、前記電極に静電吸着され、前記ミラーの移動が前記ヒンジタブと前記垂直支持部との相対位置を変化させる。前記基板にはストッパが実装され、前記ミラーが前記電極または前記エッチング停止層に接触する前に、前記ミラーの動きを機械的に停止させる。
2022502707.tif 000002
【特許請求の範囲】
【請求項１】
基板と、
前記基板に実装された電子回路と、
前記電子回路に電気的に接続された電極と、
前記基板に実装されたエッチング停止層と、
前記基板に実装されるヒンジベースと
前記ヒンジベースに取り付けられたヒンジと、を備え、前記ヒンジは、
前記ヒンジベースから垂直に延在する垂直支持部と、前記垂直支持部と接触する水平に延在するヒンジタブとを備え、前記ヒンジはドープされた半導体からなり、
可動ミラーであって、前記電極および該可動ミラーの間に電圧を印加することによって、前記電極に静電吸着される可動ミラーと、
前記可動ミラーと前記ヒンジタブを連結するミラービアとを備え、前記可動ミラーは、前記電極と前記可動ミラーとの間に電圧を印加することによって、前記電極に静電吸着され、前記可動ミラーの移動が前記ヒンジタブと前記垂直支持部との相対位置を変化させ、
前記基板に実装され、前記可動ミラーが前記電極または前記エッチング停止層に接触する前に、前記可動ミラーの動きを機械的に停止させるストッパを備える、
ことを特徴とする、微小電気機械システム（ＭＥＭＳ）装置。
【請求項２】
請求項１において、
前記ドープされた半導体は、インサイチュ非晶質シリコンである、
ことを特徴とする、ＭＥＭＳ装置。
【請求項３】
請求項１または２において、
前記ヒンジは、前記ヒンジベースに接触するヒンジ脚部をさらに備えており、前記ヒンジベースは、前記基板に取り付けられたヒンジ支持部または前記ヒンジ支持部に取り付けられたストッパを備えており、前記ヒンジ脚部は水平に、前記ヒンジタブとは反対の方向に延在する、
ことを特徴とする、ＭＥＭＳ装置。
【請求項４】
請求項３において、
前記ヒンジは、
前記ヒンジ脚部の縁部とは反対側に、前記垂直支持部に対して平行に延在する第２の垂直支持部と、
前記第２の垂直支持部と接触し、前記ヒンジタブとは反対の方向に延在する第２の水平に延在するヒンジタブと、
前記可動ミラーを前記第２のヒンジタブに結合する第２のミラービアと、をさらに備える、
ことを特徴とする、ＭＥＭＳ装置。
【請求項５】
請求項３において、
前記ヒンジ脚部の底面は、前記ヒンジベースの上面の下方にあること、
前記ヒンジ脚部のヒンジヒールは、前記ヒンジ脚部と前記垂直支持部とが交わる部分が側面視で湾曲していること、または
前記ヒンジ脚部は、前記ストッパ内に埋没していること、
の少なくとも１つを特徴とする、ＭＥＭＳ装置。
【請求項６】
請求項３において、
前記ヒンジ脚部の前記ヒンジベースに対する表面接着性は、前記ヒンジの垂直方向の剪断力を上回る、ことを特徴とする、ＭＥＭＳ装置。
【請求項７】
請求項１または２において、
前記ヒンジは、
前記垂直支持部に対して平行に延在する第２の垂直支持部をさらに備えており、前記垂直支持部および前記第２の垂直支持部は、前記ヒンジベースの中心から、前記ミラーの傾斜方向に沿って、等距離離間されており、
前記ヒンジタブは、前記垂直支持部の上面と前記第２の垂直支持部との間に延在し、
前記ミラービアは、前記ヒンジが水平ねじれヒンジとなるように、前記ヒンジタブの中心に配置される、
ことを特徴とする、ＭＥＭＳ装置。
【請求項８】
請求項１または２において、
前記ヒンジタブは、前記垂直支持部の中心から等距離延在し、前記ＭＥＭＳ装置はさらに、
前記可動ミラーを前記ヒンジタブに連結する第２のミラービアを備えており、前記ミラービアおよび前記第２のミラーは、前記ヒンジが片持ち状となるように、前記ヒンジタブの中心から、前記ミラーの傾斜方向に、等距離離間されている、
ことを特徴とする、ＭＥＭＳ装置。
【請求項９】
請求項１または２において、
前記ヒンジタブに隣接する前記垂直支持部の表面張力と、前記ヒンジベースに隣接する前記垂直支持部の表面張力との差は１％を超える、
ことを特徴とする、ＭＥＭＳ装置。
【請求項１０】
請求項１または２において、
前記ミラーに対する前記ストッパの接点は水平であり、前記ストッパの最長寸法の２５％未満の回転半径で丸みを帯びている、
ことを特徴とする、ＭＥＭＳ装置。
【請求項１１】
請求項１０において、
側面視における、前記ミラーに対する前記ストッパの前記接点の傾斜角度は、１００度未満である、
ことを特徴とする、ＭＥＭＳ装置。
【請求項１２】
請求項１または２において、
前記ヒンジタブに対する前記ミラービアの表面接着性、および前記ミラーの表面に対する前記ミラービアの表面接着性の少なくとも一方が、前記ヒンジの垂直方向の剪断力を超える、
ことを特徴とする、ＭＥＭＳ装置。
【請求項１３】
請求項１または２において、
前記ミラービアは、チタン、窒化チタン、またはこれらの組み合わせを含むバリア金属によって、カプセル化されており、前記ミラービアおよび前記ミラーが、導電性材料によって電気的に接続されることにより、前記ミラーと前記ヒンジとの間の電気抵抗が１０Ｇオーム未満となることを可能にする、
ことを特徴とする、ＭＥＭＳ装置。
【請求項１４】
請求項１または２において、
前記ミラービアは、回転半径が、前記ミラービアの幅の５０％未満の丸みを帯びた角を有する、
ことを特徴とする、ＭＥＭＳ装置。
【請求項１５】
請求項１または２において、
シランの流量、基板の温度、またはＣＶＤチャンバ内の圧力の少なくとも１つを調整することにより、犠牲層を除去した後のミラーの傾斜角度が、プラスマイナス０．５度の範囲となる、
ことを特徴とする、ＭＥＭＳ装置。
【請求項１６】
請求項１または２において、
前記垂直支持部の幅および／またはは高さの少なくとも一方が、１００Ａ以上、１０００Ａ以下である、または、前記垂直支持部の抵抗が５Ｍオーム以上、１Ｇオーム以下である、
ことを特徴とする、ＭＥＭＳ装置。
【請求項１７】
請求項１６において、
前記垂直支持部の抵抗の熱係数は、前記ヒンジの温度が高いほど前記ヒンジの抵抗が低くなるように負である、
ことを特徴とする、ＭＥＭＳ装置。
【請求項１８】
請求項１または２において、
前記垂直支持部に対する前記ヒンジタブの安息角度は、前記基板の表面に対して８０度以上、９０度以下である、
ことを特徴とする、ＭＥＭＳ装置。
【請求項１９】
請求項１または２において、
前記ストッパと前記ヒンジタブとの間の距離は、前記垂直支持部と前記ミラーの縁部との間の距離の半分未満である、
ことを特徴とする、ＭＥＭＳ装置。
【請求項２０】
請求項１または２において、
前記ヒンジタブの高さは、前記垂直支持部の幅を上回る、
ことを特徴とする、ＭＥＭＳ装置。
【請求項２１】
請求項１または２において、
前記垂直支持部は、前記ヒンジベースに隣接する溝を有する、ことを特徴とする、ＭＥＭＳ装置。
【請求項２２】
請求項１または２において、
前記垂直支持部は、前記ヒンジタブに隣接するトップから前記ヒンジベースに隣接する底部にテーパー状となっている、
ことを特徴とする、ＭＥＭＳ装置。
【請求項２３】
請求項１または２において、
前記ヒンジタブは、バリア金属を有し、酸化層または窒化層を有さない、
ことを特徴とする、ＭＥＭＳ装置。
【請求項２４】
請求項１または２において、
前記ミラービアは、ビッカース硬さが５００ＭＰａｎｅｓｓを超える材料を少なくとも１つ含む、
ことを特徴とする、ＭＥＭＳ装置。
【請求項２５】
請求項１または２において、
前記ミラービアの垂直高さは、０．５ミクロン未満である、
ことを特徴とする、ＭＥＭＳ装置。
【請求項２６】
請求項１または２において、
前記ミラーと前記エッチング停止層との間の距離は、３ミクロン未満である、
ことを特徴とする、ＭＥＭＳ装置。
【請求項２７】
請求項１または２において、
前記ミラービアは、丸みのある水平形状、または直角の水平形状を有する、ことを特徴とする、ＭＥＭＳ装置。
【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、２０１８年９月２９日に出願された米国仮特許出願第６２／７３９１７５号に基づく優先権を主張するものであり、その開示内容をここに援用する。また、本出願は米国特許第７１８３６１８号、および第８３３１０１０号に関するものであり、その開示内容全体をここに援用する。
【０００２】
本開示は、可動ミラーを担持する垂直ヒンジを有した微小電気機械システム（ＭＥＭＳ）表示装置に関する。
【背景技術】
【０００３】
ディスプレイに使用されるＭＥＭＳ装置は、オン位置とオフ位置とに切り替わるミラーを担持する垂直ヒンジを有することがある。正確に位置決めされた垂直ヒンジが望まれる。
【発明の概要】
【０００４】
ＭＥＭＳ装置は、基板と、前記基板に実装される電子回路と、前記電子回路に電気的に接続された電極とを備える。前記ＭＥＭＳ装置は、前記基板に実装されたエッチング停止層と、前記基板に実装されたヒンジベースと、前記ヒンジベースに取り付けられたヒンジとを備える。前記ヒンジは、前記ヒンジベースから垂直に延在する垂直支持部と、前記垂直支持部と接触する水平に延在するヒンジタブとを備え、前記ヒンジはドープされた半導体からなる。前記ＭＥＭＳ装置は、可動ミラーと、前記可動ミラーを前記ヒンジタブに連結するミラービアとを有する。前記可動ミラーは、前記電極と前記可動ミラーとの間に電圧を印加することによって、前記電極に静電吸着され、前記可動ミラーの移動が前記ヒンジタブと前記垂直支持部との相対位置を変化させる。前記ＭＥＭＳ装置は、前記基板に実装され、前記可動ミラーが前記電極または前記エッチング停止層に接触する前に、前記可動ミラーの動きを機械的に停止させるストッパを備える、前記ドープされた半導体は、インサイチュ非晶質シリコンであってもよい。
【０００５】
本明細書に教示される実装形態とこれらの実装形態および他の実装形態の変形例を、図を参照して以下に詳細に説明する。
【０００６】
本開示は、添付の図面と併せて読まれるとき、以下の詳細な説明から最もよく理解される。一般的プラクティスによれば、図面の種々の特徴が実寸大ではないことを強調しておく。それどころか、様々な特徴の寸法は、明確にするために任意に拡大または縮小されている。
【図面の簡単な説明】
【０００７】
【図１】本明細書に教示される第１の実装形態による、ＭＥＭＳ装置の斜視図である。
【図２】オフ位置における、図１のＭＥＭＳ装置を示す側面図である。
【図３】オン位置における、図１のＭＥＭＳ装置を示す側面図である。
【図４】本明細書に教示される第２の実装形態による、ＭＥＭＳ装置の斜視図である。
【図５】オフ位置における、図４のＭＥＭＳ装置を示す側面図である。
【図６】本明細書に教示される第３の実装形態による、ＭＥＭＳ装置の斜視図である。
【図７】オフ位置における、図６のＭＥＭＳ装置を示す側面図である。
【図８】本明細書に教示される第４の実装形態による、ＭＥＭＳ装置の斜視図である。
【図９】オフ位置における、図８のＭＥＭＳ装置を示す側面図である。
【図１０】本明細書に教示される第５の実装形態による、ＭＥＭＳ装置の斜視図である。
【図１１】オフ位置における、図１０のＭＥＭＳ装置を示す側面図である。
【図１２】本明細書に教示されるヒンジを示す、異なる２つの図である。
【図１３】第１の変形例によるヒンジを示す写真である。
【図１４】第２の変形例によるヒンジを示す写真である。
【図１５】第３の変形例によるヒンジを示す写真である。
【図１６】本明細書に教示されるＭＥＭＳ装置の構成例を詳細に説明する断面図である。
【発明を実施するための形態】
【０００８】
本明細書に教示されるＭＥＭＳ装置は、ミラーを担持する垂直ヒンジ（または単にヒンジ）を備えており、前記ＭＥＭＳ装置が動作する際に前記ミラーの正確な位置決めを行う。前記ミラーは、オフ位置にあるとき、基板の表面にほぼ平行であり、ストッパと接触するまで傾けられてオン位置となる。前記ヒンジは、垂直支持部に加えて、脚部と、ドープされた非晶質シリコンからなる１または複数のヒンジタブなどの構成部品からなる垂直ヒンジである。これら構成要素は、リン酸またはヒ酸でインサイチュ・ドープされた非晶質シリコンなど、ドープされた半導体の単一の堆積として同時に堆積されてもよい。前記垂直支持部は、穴の側壁として作られる。前記ストッパと前記ヒンジタブとの間のギャップは、堆積によって正確に制御される犠牲層の厚さによって決定される。厚さの正確な制御を困難にするエッチングや化学機械研磨（ＣＭＰ）は必要とされない。結果として得られるギャップによって、オン位置におけるミラーの傾斜角度を正確に制御することが可能となる。さらに、前記ヒンジの残留応力は、基板表面に対する電圧のないミラーの角度である中立角度を決定する。前記残留応力は、シリコン堆積の処方によって、圧縮状態から引張状態に制御することができる。したがって、本明細書における前記ヒンジの残留応力は、中立位置が、基板の表面にほぼ平行なオフ位置に対応するようなものである。
【０００９】
本明細書に記載する前記ヒンジの強度によって、当該ヒンジが組み込まれＭＥＭＳ表示装置は、動作中の高い温度に耐えることができる。前記ヒンジは、他の水平ヒンジの構成に比べて比較的小さい形状因子を有する。
【００１０】
本明細書に教示される第１の実装形態によるＭＥＭＳ装置１０００について、図１ないし図３を参照しながら説明する。ヒンジの詳細が不明瞭にならないため、またＭＥＭＳ装置１０００の配置について種々の変形例があるため、これら図面においては、ＭＥＭＳ装置１０００の特定の構成部品のみが示されている。図１６を参照して、ＭＥＭＳ装置１０００を構成し得る構成要素についてより詳細に記載する。
【００１１】
図１６に示されるように、ＭＥＭＳ装置３０１は、基板３１１を含む。基板の少なくとも表面には、窒化アルミニウム（ＡＩＮ）、アルミナ（ＡＩ２ＳＯ３）、シリコンまたは酸化ハフニウム（ＨｆＯ２）が含まれていてもよい。基板３１１には、１または複数の電子回路が形成されており、この例では１または複数のトランジスタ３１６、３１７が形成されている。また基板３１１には層間誘電体３１２，３１３，３１４が形成されている。具体的には、層間誘電体３１２は、基板３１１および電子回路の一部（ここではトランジスタ３１６，３１７）に形成されている。層間誘電体３１３は、層間誘電体３１２上に形成され、層間誘電体３１４は層間誘電体３１３上に形成されている。層間誘電体の数はこれよりも多くても少なくてもよい。本明細書において、層間誘電体を絶縁層と称することもある。
【００１２】
エッチング停止層３１５はトップ層として形成されている。電極３２１、３２２、３２３は、銅（Cu）、アルミニウム（Al）、タングステン（W）等からなる。電極３２１、３２２、３２３は、ダマシンプロセスによって層間誘電体３１４に埋め込まれるように（例えば、埋設されるように）形成されてもよい。電極３２１、３２２、３２３と層間誘電体３１４は、同時に化学機械研磨され、同一面上に位置合わせされる。エッチング停止層３１５は、電極３２１、３２２、３２３および層間誘電体３１４上に形成され、同一表面上で平坦化される。
【００１３】
ＭＥＭＳ装置３０１は、層間誘電体３１２，３１３，３１４間の電気配線用に、金属層３３６、３３７、３３８、３３９、３４０、３４１と、電極３２１、３２２、３２３とを有している。また、ＭＥＭＳ装置３０１は、電気配線と電極とを接続するビア３２７、３２８、３２９、３３０、３３１、３３１、３３２、３３３、３３４、３３５を有している。概して、ＭＥＭＳ装置３０１は、層間誘電体３１４に埋め込まれ、層間誘電体によって絶縁される金属層とビアを介して、ＭＥＭＳ装置３０１の１または複数の電子回路と電気的に接続する１または複数の電極を有している。本明細書に教示されるＭＥＭＳ装置における電極、金属層、ビアの数はＭＥＭＳ装置３０１内の電子回路およびこれらの配置に基づいて変更可能である。
【００１４】
図１６に示されるように、ビア３２７は電極３２１から、層間誘電体３１４を通って、層間誘電体３１３上に形成される金属層３３６への導電経路を提供する。ビア３２８は、層間誘電体３１３上に形成される金属層３３６から、層間誘電体３１３を通って、層間誘電体３１２上に形成される金属層３３７への導電経路を提供する。ビア３２９は、層間誘電体３１２上に形成される金属層３３７から、層間誘電体３１２を通って、基板３１１への導電経路を提供する。ビア３２７、３２８、３２９、金属層３３６、３３７、および電極３２１は、基板３１１、層間誘電体３１２、および層間誘電体３１３の接点または導電性配線部分を介して電子回路へ電気的に配線または接続されていてもよい。
【００１５】
同様に、ビア３３０は、層間誘電体３１４上に形成される電極３２２から、層間誘電体３１４を通って、層間誘電体３１３上に形成される金属層３３８への導電経路を提供する。ビア３３１は、層間誘電体３１３上に形成される金属層３３８から、層間誘電体３１３を通って、層間誘電体３１２上に形成される金属層３３９への導電経路を提供する。ビア３３２は、層間誘電体３１２上に形成される金属層３３９から、層間誘電体３１２を通って、基板３１１への導電経路を提供する。ビア３３０、３３１、３３２、金属層３３８、３３９、および電極３２２は、基板３１１、層間誘電体３１２、および層間誘電体３１３の接点または導電性配線部分を介して電子回路へ電気的に配線または接続されていてもよい。
【００１６】
ここで、図１６には、電極と電子回路との接続として、電極３２３と、１または複数のトランジスタ３１６，３１７の接点と接続が示されている。ビア３３３は、層間誘電体３１４上に形成される電極３２３から、層間誘電体３１４を通って、層間誘電体３１３上に形成される金属層３４０への導電経路を提供する。ビア３３４は、層間誘電体３１３上に形成される金属層３４０から、層間誘電体３１３を通って、層間誘電体３１２上に形成される金属層３４１への導電経路を提供する。ビア３３５は、層間誘電体３１２上に形成される金属層３４１から、層間誘電体３１２を通って、基板３１１に搭載される１または複数のトランジスタ３１６，３１７それぞれへの導電経路を提供する。ビア３３３、３３４、３３５、金属層３４０、３４１、および電極３２３は、層間誘電体３１２、および層間誘電体３１３の接点または導電性配線部分を介して電子回路へ電気的に配線または接続されていてもよい。
【００１７】
さらに、ＭＥＭＳ装置３０１は、電極３２２に直接または電極３２２に取り付けられた別の導電性支持構造に形成されたヒンジ３５２を有している。前記導電性支持構造は、本実施例を示す各図に示されるように、電極３２２と同じ材料から形成されていてもよい。ＭＥＭＳ装置３０１は、ヒンジ３５２の上側に形成されたミラー素子３５１を有している。本実施例において、ミラー素子３５１（ここでは、ミラーとも称する）は、ＭＥＭＳ装置に組み込まれ得る可動素子である。一方、ヒンジ３５２の下部には機械的ストッパ３０８が形成されている。図示される機械的ストッパ３０８は、ヒンジ３５２と同一の材料から一体的に形成されており、既定の、または非励起位置にあるミラー素子３５１に平行であり、基板３１１の実装面および各層に対して平行に延在する。
【００１８】
基板３１１は、単結晶シリコンまたは別の基板材料で形成されていてもよい。本実施例において、トランジスタ３１６、３１７は相補形金属酸化膜半導体（ＣＭＯＳ）トランジスタであるが、他の電子回路であってもよい。層間誘電体３１２、３１３、３１４は、二酸化シリコン（ＳｉＯ２）等の絶縁材料を含む層間絶縁膜である。
【００１９】
金属層３３６、３３７、３３８、３３９、３４０、３４１は、例えば、アルミニウム（Ａｌ）、銅（Ｃｕ）、またはアルミニウム銅合金（Ａｌ−Ｃｕ）からなる。
【００２０】
電極３２１、３２２、３２３は、タングステン（Ｗ）またはビアと同じ材料からなる。各ビア３２７、３２８、３２９、３３０、３３１、３３２、３３３、３３４、３３５は、ＭＥＭＳ装置３０１の少なくとも一層を貫通して延在する貫通孔として形成されており、導電性材料（本実施例ではタングステン（Ｗ））が充填されている。
【００２１】
ヒンジ３５２は、ミラー素子３５１を支持する変形可能な部材である。ヒンジ３５２の異なる実装形態について、以下でより詳細に述べる。
【００２２】
ミラー素子３５１は、光源からの光を反射可能な部材である。ミラー素子３５１は、チタン（Ｔｉ）、タングステン（Ｗ）等からなる支持層と、アルミニウム（Ａｌ）、金（Ａｕ）、銀（Ａｇ）等の反射率の良い材料、またはこれらの組み合わせからなるミラー層とを有する。
【００２３】
ミラー素子３５１は電極３２３に静電吸着され、ヒンジ３５２は、変形することによりミラー素子３５１のオン位置に傾斜する。これは、基板３１１に形成された電子回路（例えば、トランジスタ３１６、３１７）および一般的にその他の場所に実装され、ＭＥＭＳ装置３０１（例、配線部分および／またはコネクタ）に電気的に結合される電圧源によって、可動素子（例えば、ミラー素子３５１）と電極３２３との間に電圧を印加することから生じ得る。電圧によって吸着力が発生する。ミラー素子３５１は、ストッパ３０８との接触により、エッチング停止層３１５と接触することが防止される。すなわち、機械的ストッパ３０８は、ヒンジ３５２の変形によってミラー素子３５１が電極３２３の表面と接触することのないように、電極３２１、３２３上方（高さ）に実装され、充分なサイズ（例えば長さ）を有する。例えば、機械的ストッパ３０８の長さは、ミラー素子３５１が傾いた際に、ミラー素子３５１に接触し、ＭＥＭＳ装置のその他の部位にミラー素子３５１が接触することを防止する長さとなっている。これにより、電気的短絡を防止することができる。電圧が印加されなくなると、ヒンジ３５２は、図１６に示されるミラー素子３５１のオフ位置に戻る。
【００２４】
再び図１ないし図３を参照すると、ＭＥＭＳ装置１０００のトップ層のみとともに、ヒンジと当該ヒンジのミラーへの接続に関する詳細が示されている。図１の斜視図には、詳細を見やすくするために、これらトップ層の輪郭のみが示されており、図２の側面図（オフ位置）および図３の側面図（オン位置）についてもこれら上層部分のみが示されている。具体的には、これら図には、ヒンジ（垂直支持部１００１、ヒンジ脚部１００２、ヒンジタブ１００３、１００４）、ミラービア１００５、１００６、ミラー１００７、ストッパ１００８、ヒンジ支持部１００９、エッチング停止層１０１０、電極１０１１、１０１３、ビア１０１２、１０１４が示されている。
【００２５】
ミラー１００７の構造は、ミラー素子３５１と同様であってもよい。ストッパの構造は、ストッパ３０８と同様であってもよい。エッチング停止層１０１０の構造は、エッチング停止層３１５と同様であってもよい。電極１０１１の構造は、電極３２１と同様であってもよく、電極１０１３の構造は、電極３２３と同様であってもよい。ビア１０１２、１０１４は、ビア３２７、３３３と同様の構造を有していてもよい。ビア１０１２、１０１４の構造は、ビア３２７、３３３と同様であってもよい。ビア１０１２の構造は、ビア３２７と同様であってもよく、ビア１０１４の構造はビア３３３と同様であってもよい。ヒンジ支持部１００９の構造は、電極３２２に追加で実装される導電性支持構造に関して記載したものと同様であってもよい。
【００２６】
ミラービア１００５、１００６およびヒンジ支持部１００９は、ヒンジを支持する。より具体的には、ヒンジは、ヒンジ支持部１００９に形成されたヒンジ脚部１００２と、ヒンジ脚部１００２からほぼ垂直に延在する垂直支持部１００１とを有する。ヒンジタブ１００３は、垂直支持部１００１のトップから、ヒンジ脚部１００２とは反対の径方向に延在する。ヒンジタブ１００３は、ミラービア１００５によってミラー１００７に固定される。ヒンジタブ１００４は、ミラービア１００６によってミラー１００７に固定される。ヒンジ脚部１００２、ヒンジタブ１００３、およびヒンジタブ１００４は、全体的に同一の半径方向線に沿って（例えば、当該半径方向を中心に）揃えられる。次に、ヒンジの一般的な構成について説明する。
【００２７】
まず、電極１０１１、１０１３をタングステン（Ｗ）で形成する場合、エッチングよりも、例えばダマシンまたはデュアルダマシンプロセスが適している。酸化物層をパターニングし、エッチングすることにより、電極と同様の形状をした穴を形成し、化学蒸着（ＣＶＤ）によりタングステンを堆積させる。得られた表面を化学機械研磨により研磨する。デュアルダマシンの場合、タングステン（Ｗ）からも形成できるビア１０１２、１０１４、および電極１０１１、１０１３が同時に堆積される。ヒンジ支持部１００９およびストッパ１００８は、両方とも別のデュアルダマシンプロセスによって作成することができる。続いて、ストッパ１００８にヒンジを形成する。ストッパ１００８が無い場合、すなわち、１または複数のストッパが、ＭＥＭＳ基板３１１等、ＭＥＭＳ基板の他の場所に位置する場合、ヒンジはヒンジ支持部１００９に形成してもよい。これは、図１２ないし図１５を参照して説明することができる。
【００２８】
まず、図１２を参照されたい。ベース１２００５に酸化物層１２００１を（例えばＣＶＤによって）堆積させ、底部がヒンジベース１２００５に到達する穴をエッチングする。ヒンジベース１２００５は、ストッパ１００８としてもよく、ストッパをヒンジ支持部１００９以外の場所に設ける場合はヒンジ支持部１００９としてもよい。穴は、角穴であることが望ましい。化学機械研磨により表面が平坦化される。その後、非晶質シリコンが（例えばＣＶＤによって）堆積され、穴の側壁を覆う。ヒンジの残留応力は、シリコン堆積の処方（例えば、ドーピング量）を調整することによって、最終的なヒンジを圧縮状態から引張状態に制御することができる。次に、フォトレジスト層が塗布され、穴の側壁のうち、垂直支持部１００１およびヒンジタブ１００３、１００４を形成する１つの側壁のみを残して３つの側壁をエッチングによって除去するように、リソグラフィによってパターニングされる。このようにして、ヒンジの構成部品（本実施例では、垂直支持部１００１、ヒンジ脚部１００２、およびヒンジタブ１００３、１００４）が同時に１つのリン酸またはヒ酸でインサイチュ・ドープされた非晶質シリコンとして堆積される。垂直支持部１００１の厚さは、１００Ａ以上、１０００Ａ以下であってもよい。垂直支持部１００１の抵抗は、５ＭΩ以上、１ＧΩ以下であってもよい。垂直支持部１００１の抵抗の熱係数は、ヒンジの温度が高いほどヒンジの抵抗が低くなるように負であってもよい。
【００２９】
垂直支持部１００１の高さは穴の深さによって決定され、穴の深さは犠牲酸化物層１２００１のＣＶＤ堆積によって決定される。これにより、深さの制御を困難にする化学機械研磨やエッチングが含まれないため、正確な制御が可能となる。垂直支持部１００１の高さを正確に制御することにより、ミラー１００７の傾斜角度を決定するストッパとヒンジタブ１００４との間のギャップが制御される。ミラー１００７の傾斜角度の制御は、それがＭＥＭＳ装置のオン位置を表し、ＭＥＭＳ装置が組み込まれた表示装置の外観に影響し得るので重要である。
【００３０】
非晶質シリコンの堆積およびエッチングの後、シリコンヒンジに対して良好な接着力を有するタングステン（Ｗ）等の材料でミラービア１００５、１００６を形成してもよい。材料は、少なくとも５００Ｍｐａｎｅｓｓを超えるビッカース硬さを有する材料であってもよく、またはそのような材料を含んでもよい。ダマシンプロセスを使用してもよい。シリコン、および／またはアルミニウム（Ａｌ）に対するタングステン（Ｗ）の接着性を向上させるために、タングステン（Ｗ）を堆積する前に、バリア金属として任意の１または複数のタイタニウム（Ｔｉ）および／または窒化チタン（ＴｉＮ）層を使用してもよい。ミラービア１００５、１００６はまた、ミラー１００７の材料であるアルミニウム（Ａｌ）等が、非晶質シリコンへのマイグレーションまたは拡散を回避するのに有用である。アルミニウム（Ａｌ）のマイグレーションは、非晶質シリコンの強度を低下させる。ミラービア１００５、１００６の垂直高さは、０．５ミクロン未満であってもよい。ミラービア１００５、１００６の断面は、丸みのある形状または四角形であってもよい。
【００３１】
次に、ミラービア１００５、１００６上にアルミニウムを堆積してもよく、ミラーパターンをエッチングしてミラー１００７を形成する。エッチングで使用するシランの流量、基体の温度、またはアルミニウムの堆積に使用されるＣＶＤチャンバ内の圧力の少なくとも１つを調整することにより、エッチングで使用する犠牲層を除去した後のミラーの傾斜角度は、（例えば、ストッパとの接触に基づく）所望の傾斜角度のプラスマイナス０．５度の範囲内となる。ミラー１００７とエッチング停止層１０１０との間の距離は、３ミクロン未満であり、エッチング停止層１０１０は電極１０１１、１０１３の上方に位置する。
【００３２】
これらのステップの結果、ミラービア１００５、１００６およびミラー１００７は、導電性材料によって電気的に接続され、ミラー１００７とヒンジとの間の電気抵抗が１０ＧΩ未満となる。ミラービア１００５、１００６のいずれか一方または両方は、回転半径がミラービアの幅の５０％未満である丸みのある角を有していてもよい。ストッパ１００８等のヒンジベースと、ヒンジタブ１００３等のヒンジタブとの距離は、垂直支持部１００１とミラー１００７の縁部との距離の半分未満であってもよい。
【００３３】
上記のとおり形成されたヒンジにおいて、ヒンジ脚部のヒンジベースに対する表面接着性は、ヒンジの垂直方向の剪断力を超えることがある。ミラービアのヒンジタブ表面に対する表面接着性は、ヒンジの垂直方向の剪断力を超えることがある。ミラービアのミラー表面に対する表面接着性は、ヒンジの垂直方向の剪断力を超えることがある。ヒンジタブに隣接する垂直支持部の表面張力とヒンジベースに隣接する垂直支持部の表面張力との差は１％を超える場合もある。
【００３４】
図１２に示すヒンジにおいて、垂直支持部１００１はトップまたは上部（すなわち、ヒンジタブ１００４の領域）の厚みが、ヒンジのヒール１２００３の領域における垂直支持部１００１の底部よりも厚い。これにより、ヒンジがオン位置とオフ位置との間で変化する際に、ヒンジの回転中心の移動を回避することに寄与し得る。また、ヒンジの幅は、トップまたは上部がヒール１２００３周辺の領域よりも狭くなっている。これにより、ヒンジの強度およびベース１２００５（例えば、ストッパ１００８、またはヒンジ支持部１００９）に対するヒンジ（例えば、ヒンジ脚部１００２）の接着性が増加する。図１２のヒンジは、厚みのある上部領域と、幅のある底部領域との両方を有するが、本明細書に教示されるヒンジはこれら特徴のいずれか一方のみを有していてもよい。本開示のヒンジは、ヒンジタブに隣接するトップから、ヒンジベースに隣接する底部にテーパー状となっていてもよい。
【００３５】
図１３の写真には、（例えば、ヒール１２００３における）ヒンジ底部の幅がトップの幅よりも大きい、フルーティング効果を有するヒンジが示されている。上述の積層とともに、図１３の変形例ではリソグラフィステップから得られるフェンス１３００２が示されている。フェンス１３００２は、ヒンジの垂直方向の高さに寄与する。フェンス１３００２の高さ、またはヒンジ材料の、少なくとも残留壁を形成する部分の高さは、ベース１２００５から垂直支持部１００１（したがって、ヒンジタブ１００３）の上面の垂直高さの２０％以下である。
【００３６】
ヒンジの構造の別の変形例を図１４に示す。図１４の写真では、ヒンジ脚部１００２のヒール１２００３は丸みを帯びている。略直角の輪郭をしたヒール（例えば、図１５に示される鋭利な角を有するヒール１５００１）と比較して、丸みのあるヒールはヒンジの強度を増加させる。強度を増加させることによって、本開示によればヒンジが故障することなく行えるオン・オフのサイクル数が増加することになる。例えば、電圧源を停止した後にヒンジがオフ位置に戻らなくなると故障が発生する可能性がある。
【００３７】
ヒールの形状に関わらず、ヒール１５００３は、図１５に示されるようにベース１２００５に埋設されてもよい。すなわち、非晶質シリコンが塗布される場合、シリコン層が基体１２００５の表面上方になるように、ベース１２００５の表面に穴（例えば、角穴）がエッチングされてもよい。これにより、ベース１２００５表面に実装されるヒール１５００１等のヒール上のヒンジの強度が増加する。ヒール１５００３がさらに丸みを帯びた形状に形成される実施例では、ヒンジの強度がさらに増加する。
【００３８】
上述の変形例のいずれかによりヒンジを用いて形成されるＭＥＭＳ装置において、ストッパとミラーの接点は水平であり、ストッパの最長寸法の２５％未満の回転半径で丸みを帯びている。ミラーに対するストッパの接点の傾斜角度は、図３のＭＥＭＳ装置の側面図に示されるように１００度未満であってもよい。垂直支持部１００１に対するヒンジタブ１００３の安息角度は、図２に示される基板３１１等の基板の表面に対して８０度以上、９０度以下である。したがって、オフ位置は、基板表面に対してミラー１００７が水平または略水平の状態である。
【００３９】
図４は、本明細書に教示されるＭＥＭＳ装置４０００の第２の実装形態を示す斜視図であり、図５はオフ位置にあるＭＥＭＳ装置の側面図である。ＭＥＭＳ装置４０００の構造は、ＭＥＭＳ装置１０００のものと実質的に同様である。唯一、電極とエッチング停止層に関する構造が異なる。ＭＥＭＳ装置１０００では、エッチング停止層１０１０が電極１０１１、１０１３に接触しておりこれら上方に設けられている。ＭＥＭＳ装置４０００では、エッチング停止層１０１０が電極１０１１、１０１３の下方に設けられている。図５においてより明らかなように、電極１０１１、１０１３は、層間誘電体３１２、３１３、３１４と同様の１または複数の層間誘電体によってエッチング停止層１０１０とは分離されている。この構造は、ＭＥＭＳ装置１０００の構造に関して説明した製造工程と比較してより多くのステップを必要とする。しかしながら、ＭＥＭＳ装置４０００においてミラー１００７の動作を制御する駆動電圧は、ＭＥＭＳ装置１０００のものと比較して低くすることができる。
【００４０】
図６は、本明細書に教示されるＭＥＭＳ装置６０００の第３の実装形態を示す斜視図であり、図７はオフ位置にあるＭＥＭＳ装置６０００の側面図である。ＭＥＭＳ装置６０００の構造は、ＭＥＭＳ装置１０００のものと実質的に同様である。唯一、ヒンジに関する構造が異なる。ＭＥＭＳ装置６０００のヒンジは、共通脚部１００２とは反対の垂直方向上側に延在する二つの垂直支持部６００１Ａ、６００１Ｂを有する。垂直支持体６００１Ａ、６００１Ｂは、本明細書において二重垂直支持部と称することもある。ヒンジタブ６００３Ａは、垂直支持部６００１Ａのトップから径方向に離間するように延在し、ヒンジタブ６００３Ｂは、垂直支持部６００１Ｂの上部から径方向に離間するように延在する。ヒンジタブ６００３Ａ、６００３Ｂは、同一の径方向に沿って延在し、本明細書では二重水平タブと称することもある。ミラー１００７は、ミラービア１００６を介してヒンジタブ６００３Ａに固定され、ミラー１００７は、ミラービア１００５を介してヒンジタブ６００３Ｂに固定される。
【００４１】
垂直ヒンジは、脚部１００２と、垂直支持部６００１Ａ、６００１Ｂとを備え、ヒンジタブ６００３Ａ、６００３Ｂは、それぞれ同様に垂直支持部１００１の脚部１００２とヒンジタブ１００３が形成されている。すなわち、酸化物層１２００１の堆積、ベース１２００５に対する穴のエッチングの後、当該穴、側壁、および酸化物層１２００１の上面に、（例えばＣＶＤによって）インサイチュ・ドープされた非晶質シリコンを堆積させる。その後、フォトレジスト層を塗布し、リソグラフィによってパターニングする。ＭＥＭＳ装置１０００のヒンジは、側壁の３つをエッチング除去することによって形成されるが、ＭＥＭＳ装置６０００のヒンジは穴の対向する側壁をエッチング除去するのみで形成される。続いて、ミラービア１００５、１００６およびミラー１００７が上述のように形成されてもよい。
【００４２】
ＭＥＭＳ装置６０００の垂直ヒンジには、図１２〜図１５で説明したいずれかの変形例が盛り込まれていてもよい。ヒンジの構造、およびその変形例は、図４および図５のＭＥＭＳ装置４０００のように異なる積層構造のＭＥＭＳ装置に組み込まれていてもよい。
【００４３】
図８は、本明細書に教示されるＭＥＭＳ装置８０００の第４の実装形態を示す斜視図であり、図９はオフ位置にあるＭＥＭＳ装置８０００の側面図である。ＭＥＭＳ装置８０００の構造は、ＭＥＭＳ装置１０００のものと実質的に同様である。唯一、ヒンジに関する構造が異なる。ＭＥＭＳ装置８０００のヒンジは、垂直支持部８００１を備えており、垂直支持部８００１から、２つのヒンジタブ８００３Ａ、８００３Ｂが径方向に延在する。垂直支持部８００１は、基体（ヒンジ支持部１００９またはストッパ１００８等）の対抗する縁部から、ミラー１００７の傾斜方向に約等距離の位置において垂直に延在する片持ち状の部材である。垂直支持部８００１は、基体の中心に位置していてもよい。ヒンジタブ８００３Ａ、８００３Ｂは、垂直支持部８００１から同一の径方向に沿って離間する方向に延在する。このように、ヒンジタブ８００３Ａ、８００３Ｂは片持ち状の水平ヒンジと称することができる。ヒンジタブ６００３Ａ、６００３Ｂ同様、ヒンジタブ８００３Ａ、８００３Ｂは、同一の径方向に沿って延在しており、本明細書では二重水平タブと称することもある。ミラー１００７は、ミラービア１００６を介してヒンジタブ８００３Ａに固定され、ミラー１００７は、ミラービア１００５を介してヒンジタブ８００３Ｂに固定される。
【００４４】
垂直支持部８００１とヒンジタブ８００３Ａ、８００３Ｂとを備えるヒンジは、脚部１００２、垂直支持部１００１、およびヒンジタブ１００３と同様に形成される。すなわち、酸化物層１２００１の堆積、ベース１２００５に対する穴のエッチングの後、（例えばＣＶＤによって）インサイチュ・ドープされた非晶質シリコンを堆積させる。但し、この場合、穴の直径は上述したヒンジの穴の直径より小さくてもよく、穴の側壁だけでなく、穴全体が非晶質シリコンで満たされていてもよい。また、酸化物層１２００１の上面も覆われる。その後、フォトレジスト層を塗布し、リソグラフィによってパターニングする。ＭＥＭＳ装置１０００のヒンジは、側壁の３つをエッチング除去することによって形成されるが、ＭＥＭＳ装置８０００のヒンジは穴の対向する２つの側壁をエッチング除去するのみで形成されてもよい。続いて、ミラービア１００５、１００６およびミラー１００７が上述のように形成されてもよい。
【００４５】
ＭＥＭＳ装置８０００の垂直ヒンジには、図１２〜図１５で説明したいずれかの変形例が盛り込まれていてもよい。すなわち、例えば、垂直支持部８００１が脚部１００２（すなわち、基体にヒンジを固定するもの）として機能するため、垂直支持部８００１の底部は、溝が形成されていてもよく、トップと比較して厚みがあってもよく、丸みのある形状に形成されたり、基体に埋設されたり、またはこれら特徴の組み合わせを有していてもよい。ヒンジの構造、およびその変形例は、図４および図５のＭＥＭＳ装置４０００のように異なる積層構造のＭＥＭＳ装置に組み込まれていてもよい。
【００４６】
図１０は、本明細書に教示されるＭＥＭＳ装置１００００の第５の実装形態を示す斜視図であり、図１１はオフ位置にあるＭＥＭＳ装置１００００の側面図である。ＭＥＭＳ装置１００００の構造は、ＭＥＭＳ装置１０００の構造と実質的に同様である。唯一、ヒンジに関する構造が異なる。ＭＥＭＳ装置１００００のヒンジは、水平に延在するヒンジタブ１０００３によって互いに離間する垂直支持部１０００１Ａ、１０００１Ｂを備える。垂直支持部１０００１Ａ、１０００１Ｂは、基体（ヒンジ支持部１００９またはストッパ１００８等）の対抗する縁部から、ミラー１００７の傾斜方向に約等距離の位置において垂直に延在する。
【００４７】
ミラー１００７は、垂直支持部１０００１Ａ、１０００１Ｂの間の中心に位置する単一のミラービア１０００５を介してヒンジタブ１０００３に固定される。垂直支持部１０００１Ａ、１０００１Ｂの高さおよび間隔は、ミラー１００７を電極１０１３に静電吸着させる際に、ミラー１００７が基板の表面の層（ここでは、エッチング停止層１０１０）に接触しないように、ヒンジタブ１０００３の変形を制限するものとなっている。この変形によって、ヒンジタブ１０００３の水平長さに沿ってねじれが生じる。したがって、このヒンジは、水平ねじれヒンジと称することができる。
【００４８】
垂直支持部８００１とヒンジタブ８００３Ａ、８００３Ｂとを備えるヒンジは、脚部１００２、垂直支持部１００１、およびヒンジタブ１００３と同様に形成される。すなわち、酸化物層１２００１の堆積、ベース１２００５に対する穴のエッチングの後、（例えばＣＶＤによって）インサイチュ・ドープされた非晶質シリコンを堆積させる。但しこの場合、複数の穴がエッチングされる。穴の直径は、図８および図９に関して記載された穴のように、図１〜図３に関する製造における穴の直径と比較して小さくてもよく、側壁だけでなく穴全体が非晶質シリコンで満たされる。また、酸化物層１２００１の上面も覆われる。その後、フォトレジスト層を塗布し、リソグラフィによってパターニングする。ＭＥＭＳ装置１０００のヒンジは、側壁の３つをエッチング除去することによって形成されるが、ＭＥＭＳ装置８０００のヒンジは、傾斜方向に延在する各穴の対向する２つの側壁をエッチング除去するのみで形成されてもよい。続いて、ミラービア１０００５およびミラー１００７が上述のように形成されてもよい。
【００４９】
ＭＥＭＳ装置１００００のヒンジには、図１２ないし図１５で説明したいずれかの変形例が盛り込まれていてもよい。すなわち、例えば、垂直支持部１０００１Ａ、１０００１Ｂが脚部１００２（すなわち、基体にヒンジを固定するもの）として機能するため、垂直支持部８００１の底部は、溝が形成されていてもよく、トップと比較して厚みがあってもよく、丸みのある形状に形成されたり、基体に埋設されたり、またはこれら特徴の組み合わせを有していてもよい。ヒンジの構造、およびその変形例は、図４および図５のＭＥＭＳ装置４０００のように異なる積層構造のＭＥＭＳ装置に組み込まれていてもよい。
【００５０】
特定の実施形態に基づいて本発明を説明してきたが、この開示を限定として解釈されるべきでないことを理解されたい。本開示を読んだ後、当業者であれば様々な変更や修正が明らかとなるであろう。したがって、添付の特許請求の範囲は、その範囲内にあるすべての変更および修正を包含するものと解釈されることが意図される。
【図１】
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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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【国際調査報告】
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