JP2001113500A - 半導体基板上に構造物を有する装置の製造方法 - Google Patents

Abstract

(57)【要約】 【課題】 樹脂の構造物をアクチュエータの上部にもつ
光スイッチング素子を製造できる方法を提供する。 【解決手段】 アクチュエータ部６あるいは樹脂製の光
学素子部３を形成するときの犠牲層３２および３４をア
モルファスシリコンにして、光学素子部３、半導体基板
２０などに影響を与えないで犠牲層３２および３４をフ
ッ化ガス４８により除去できるようにする。

Description

【発明の詳細な説明】

【０００１】

【発明の属する技術分野】本発明は、ＣＭＯＳ基板上に
スイッチング素子などとして機能する構成物を有する装
置の製造方法に関するものである。

【０００２】

【従来の技術】ＣＭＯＳ基板上にＤＭＤ（Deformable M
irror Device または Digital Mirror Device）に製
造する技術がテキサスインスツルメント社に付与された
米国特許５，０１８，２５６に記載されている。この米
国特許では、有機系のスペーサを基板上に塗布してＵＶ
硬化させることにより電極、ヒンジおよびビームを形成
し、その有機系のスペーサをプラズマエッチングで除去
することによりヒンジやビームの下に空間を形成するこ
とが記載されている。

【０００３】

【発明が解決しようとする課題】このようにしてＣＭＯ
Ｓ基板上に電気機械的な構成を作り込むことにより、Ｃ
ＭＯＳ基板と電気機械的な構成を一体化することが可能
である。したがって、ＤＭＤであればスイッチング速度
が早く、コントラストも大きな映像デバイスなどの装置
を非常にコンパクトに製造することができる。

【０００４】紫外線（ＵＶ）硬化樹脂のような有機系の
スペーサは、ハンドリングも簡単であり、シリコン製の
ＣＭＯＳ基板と比較しても素材が異なるのでエッチング
による除去も容易である。したがって、半導体基板上に
構造物を作り込む技術として適している。

【０００５】しかしながら、本願発明者らは、この技術
では製造可能な装置に限界があることに気が付いた。す
なわち、ＤＭＤのように、電極と光反射形のビームなど
から構成されるデバイスでは、ＣＭＯＳ基板上に積層さ
れるのはアルミニウムなどの金属層であり、上記の製造
方法で問題なく製造することができる。これに対し、本
願出願人は、樹脂製の光学素子を静電アクチュエータに
よって駆動することにより光をスイッチング可能な素子
を開発したが、半導体基板上に構成した構造物が樹脂な
ので、スペーサを除去するときに侵食などの影響を受け
てしまい製造が非常に難しくなる。

【０００６】そこで、本発明においては、金属の代わり
に、あるいは金属に加えて、樹脂からなる構造物を、Ｃ
ＭＯＳ基板などの半導体基板上に容易に形成できる製造
方法を提供することを目的としている。そして、半導体
基板上に樹脂あるいは樹脂と金属などの組み合わせから
なる構造物を形成することが要求される複合デバイスを
実際に製造および量産することができる製造方法を提供
することを目的としている。

【０００７】

【課題を解決するための手段】本発明においては、有機
系のスペーサの代わりに無機系のスペーサを採用するよ
うにしている。すなわち、本発明の製造方法は、集積回
路の形成された半導体基板の上に、少なくとも１つの無
機系の素材からなる犠牲層を挟み、あるいはパターニン
グして少なくとも１つの構造層を形成する工程と、犠牲
層を除去する工程とを有することを特徴としており、こ
れらの工程を有する製造方法により、半導体基板上に構
造物を有する装置を製造するようにしている。無機系の
犠牲層であれば、半導体基板上の構造物となる構造層の
少なくとも１つを有機系の素材からなるものにしても、
その有機系の構造層に影響を与え、あるいは侵食するこ
となく犠牲層をエッチングなどにより除去できる条件を
容易に設定できる。したがって、本発明の製造方法によ
り、半導体基板上に樹脂からなる構造物、あるいは樹脂
と他の素材あるいは部材が組み合わされた構造物を形成
した複合デバイスを実際に製造することが可能となる。
また、有機材料の構造層を光学素子として機能させるこ
とが可能となり、本願出願人が開発した光スイッチング
素子、あるいは空間光変調装置を実際に量産することが
可能となる。

【０００８】半導体基板が通常のＣＭＯＳ基板であれ
ば、半導体基板は酸化物あるいは窒化物の層が最上面に
形成されている。したがって、犠牲層としてはアモルフ
ァスシリコンを用い、フッ化キセノン（FＸｅ）ガスな
どのフッ素系のガスによりドライエッチングすることに
より半導体基板に影響を与えずアモルファスシリコンを
除去できる。また、樹脂により構造層を形成する場合
は、フッ素系の樹脂を採用することにより、アモルファ
スシリコンの犠牲層を除去する際に構造層が侵食などの
影響を受けないようにすることができる。さらに、アモ
ルファスシリコンは２００℃程度あるいはそれ以下の温
度でディポジットできるので、半導体基板に構成された
集積回路に影響を与えることもない。また、アルミニウ
ムなどの金属に対しても影響を与えずにアモルファスシ
リコンの犠牲層を除去することができる。

【０００９】したがって、本発明の製造方法により、ア
ルミニウムなどの金属による構造物を作り込むことも可
能であり、構造層の少なくとも１部によりアクチュエー
タを形成することができる。バイメタルなどの電動でな
いアクチュエータを作り込むことも可能である。しかし
ながら、ＣＭＯＳなどの半導体基板に作り込まれた集積
回路によって機能を制御できる静電アクチュエータを備
えた装置が本発明の製造方法を用いるのに適している。
そして、アクチュエータによって駆動される被駆動部を
構造層の他の１部により形成し、さらに、被駆動部を樹
脂製にして光学素子として機能するものとすることによ
り、光スイッチングデバイス、映像デバイス、表示装置
またはこれらを構成する部品を本発明の製造方法で容易
に量産することができる。

【００１０】

【発明の実施の形態】以下に図面を参照して本発明をさ
らに説明する。以下ではエバネセント波結合を用いて光
をスイッチングする素子を、半導体基板上に構造物を有
する装置の例として用い本発明の製造方法を説明する
が、まず、図１ないし図３に基づき、本例の光スイッチ
ング素子の概要について説明する。図１および図２に示
すように、本例の光スイッチング素子１０は、単体では
導入された光２を全反射して伝達可能な導光板１と、こ
の導光板１に接近および離反する光学素子部３と、この
光学素子部３を駆動するアクチュエータ部６と、このア
クチュエータ部６を制御する回路が作り込まれた半導体
基板２０とを備えている。

【００１１】光学素子部３は、導波路としての機能を果
たす導光板１の面（全反射面）１ａに密着する面（接触
面または抽出面）３ａと、この面３ａが全反射面１ａに
密着したときに漏れ出たエバネセント波を抽出して内部
で導光板１に対しほほ垂直な方向に反射するＶ字型の反
射プリズム（マイクロプリズム）４と、このＶ字型のプ
リズム４を支持するサポート構造５とを備えている。

【００１２】アクチュエータ部６は、光学素子部３を静
電駆動できるようになっており、光学素子部３のサポー
ト構造５が機械的に連結された上電極７と、この上電極
７と対峙した下電極８とを備えている。そして、下電極
８と、上電極７のアンカープレート９は半導体基板２０
の最上面２１に積層されている。上電極７はアンカープ
レート９から上方に伸びた支柱１１により支持されてお
り、下電極８と上電極７との間に空間１２が形成されて
いる。したがって、上電極７と下電極８に極性の異なる
電圧を加えると上電極７が下方に動き、これに連動して
光学素子部３が導光板１から離れるようになっている。
一方、上電極７は弾性部材としての機能を部分的に備え
ており、上電極７と下電極８に同一極性の電圧が加えら
れると下電極８から上電極７が離れ、上電極７の弾性に
より光学素子部３が導光板１に密着するようになってい
る。

【００１３】導光板１には適当な光源から照明光２が略
平行に供給されており、その内部の全ての界面、すなわ
ち、光学素子部（光スイッチング部）３に面した側１ａ
と、上方の面（出射面）において光が繰り返し全反射
し、導光板１の内部が光線で満たされる。したがって、
この状態で巨視的には照明光２は導光板１の内部に閉じ
込められ、その中を損失なく伝播している。一方、微視
的には、導光板１の全反射している面１ａの付近では、
導光板１から光の波長程度のごく僅かな距離だけ、照明
光２が一度漏出し、進路を変えて再び導光板１の内部に
戻るという現象が起きている。このように面１ａから漏
出した光を一般にエバネッセント波と呼ぶ。このエバネ
ッセント波は、全反射面１ａに光の波長程度またはそれ
以下の距離で他の光学部材を接近させることにより取り
出すことができる。本例の光スイッチング素子１０は、
この現象を利用して導光板１を伝達する光を高速で変
調、すなわち、スイッチング（オンオフ）することを目
的としてデザインされている。

【００１４】図１は、光スイッチング素子１０がオンの
状態を示してある。この状態では、光学素子部３が導光
板１の全反射面１ａに接触しているので、光学素子部３
の面３ａによりエバネセント波を抽出することができ、
光学素子部３のマイクロプリズム４で抽出した光の角度
を変えている。図２は、光スイッチング素子１０がオフ
の状態を示してある。この状態では、上下電極７および
８に極性の異なる電圧が印加して静電力を発生させ、そ
の力により光学素子部３を導光板１から離している。し
たがって、光学素子部３によってエバネセント波は抽出
されず、光２は導光板１の内部から出ない。本例の光ス
イッチング素子１０では、上電極７を支持するポスト１
１の近傍に下電極８に向かって凸となるへこみ（ディン
プル）１３が形成されており、これがストッパーとなっ
て上下の電極７および８が密着してしまうのを防止して
いる。したがって、本例の光スイッチング素子１０は、
アクチュエータ６を構成する電極７および８に供給する
電圧を制御することにより、導光板１の内部を伝達する
光２を外部に取り出したり取り出さなかったりという処
理ができる機能を備えた光変調装置である。

【００１５】図３に、アクチュエータ６を構成する上電
極７の平面構成を示してある。アクチュエータ６、およ
びこの上に連結支持されスイッチングを行う光学素子部
３は、単独でも光をスイッチングできるが、１次元ある
いは２次元方向に並べて配置することができる構成にな
っている。特に、これらアクチュエータ６と光学素子部
３の組み合わせである光スイッチング素子１０を２次元
にアレイ状に並べて配置することにより、液晶あるいは
ＤＭＤと同様の映像デバイス５０あるいは画像表示装置
としての機能を果たす装置を提供することができる。そ
して、本例の光スイッチング素子１０では、光学素子部
３の移動距離がサブミクロンオーダとなるので、液晶よ
り１桁あるいはそれ以上応答速度の速い画像表示装置を
提供することが可能となる。

【００１６】このようなエバネセント波を利用した光ス
イッチング素子１０を半導体基板２０の上にアレイ状に
並べ、半導体基板２０のＣＭＯＳ回路によって各々の光
スイッチング素子を制御する映像デバイス（光スイッチ
ング素子アレイ）５０が検討されている。以下では、図
４ないし図１１に基づき、本発明の製造方法を用いて、
上記の光スイッチング素子１０を半導体基板２０の上に
アレイ状に並べて形成し、映像デバイスあるいは画像表
示装置を製造する様子を説明する。

【００１７】図４に示してあるように、ＣＭＯＳが構成
されている基板２０の上面２１に第１の構造層となる第
１の電極層（Ａｌ膜）３１をディポジットする。次に、
その電極層３１にパターニング４１を行って、下電極８
と、ばねおよび上電極を兼ねた構造のアンカー部分９を
形成する。

【００１８】図５に示してあるように、電極層３１の上
に犠牲層３２をディポジットする。この犠牲層３２はア
モルファスシリコンで数十℃から百数十℃でディポジッ
トでき、下に存在する半導体基板２０に形成されたＣＭ
ＯＳ回路にダメージを与えることがない。その犠牲層３
２にストッパーの役目をするディンプル４２を掘り、ま
た、ポストとなる部分をパターニング４３する。

【００１９】図６に示してあるように、犠牲層３２の上
に、ばねと上電極を兼ねた構造７を形成する第２の構造
層となる第２の電極層（Ａｌ膜）３３をディポジットす
る。さらに、図６には示されていないが、図３に示した
形状となるように電極層３３をパターニングする。この
段階でポスト１１も形成され、アクチュエータ部６とし
ての構造が半導体基板２０の上に形成される。

【００２０】次に、このアクチュエータ部６の上にマイ
クロ光学素子部３を形成するプロセスに移行する。ま
ず、図７に示してあるように、第２の電極層３３の上に
第１の犠牲層３２と同じ物質であるアモルファスシリコ
ンを第２の犠牲層３４としてディポジットし、パターニ
ング４４する。

【００２１】次に、図８に示すように、第２の犠牲層３
４の上に、Ｖ型をしたＶ溝状のパターン（サポート構
造）５を形成するため、第３の構造層となる樹脂３５を
塗布する。そして、Ｖ溝の型により上記でできたばね層
（第２の電極層）３３および第２の犠牲層３４の上部に
樹脂からなる構造であるサポート構造５を転写する。こ
の樹脂層３５はフッ化系の樹脂である。光重合系の樹脂
を用いればUV照射などにより簡単に硬化させることがで
きる。硬化した後に、転写型をはずし、Ｖ溝４５の上部
に反射膜４６をつける。

【００２２】図９に示してあるように、第４の構造層と
なる透明な樹脂３６をＶ溝に成型された樹脂層３５に塗
布し、さらにその上から平坦な型を転写してV溝４５を
平坦に埋める。この樹脂３６はフッ化系の透明な樹脂で
あり、この工程で抽出したエバネセント光を上方に反射
するマイクロプリズム４が形成され、光学素子部３も形
成される。したがって、上記の４層の構造層、すなわ
ち、第１の電極層３１、第２の電極層（ばね層）３３、
樹脂層３５および３６により、光学素子部３およびアク
チュエータ部６からなる構造が半導体基板２０の上に形
成される。

【００２３】次に、半導体基板２０の上に積層された部
材および部分で不要なものを除去するプロセスに移行す
る。まず、図１０に示すように、映像デバイスあるいは
画像表示装置として本例の光スイッチング素子アレイ５
０を用いる場合に、個々の画素を構成する個々のマイク
ロ光学素子３を分離するため、第２の犠牲層３４の上に
積層された樹脂層３５および３６を垂直方向に犠牲層３
３が現れるまでプラズマエッチングなどにより掘る。そ
して、光学素子部３の間に隙間４７を形成して分離す
る。この状態では、まだ、犠牲層は共に除去されていな
い。

【００２４】図１１に示した工程は、犠牲層３２および
３４を上記で構成した光学素子３の隙間４７をとおして
除去する。ここでは、犠牲層３２および３４を形成する
アモルファスシリコンをドライエッチングするためにフ
ッ化キセノン（ＦＸｅ）ガス４８が用いられる。光学素
子３を構成している樹脂３５および３６はフッ化系であ
るので、ＦＸｅガスでは侵食されない。これらに対し、
フッ化ガスはシリコンを効率よくエッチングする。一
方、半導体基板の保護膜として最上層２１を形成してい
る酸化シリコンに対するエッチング速度は２桁程度小さ
く、最上層２１が窒化シリコンの場合はほとんど侵食し
ない。また、Ａｌ層もフッ化ガスでは侵食されない。し
たがって、フッ化ガスでエッチングすることにより、半
導体基板２０およびその上に構成される樹脂およびアル
ミニウムからなる構造物に影響を与えることなくアモル
ファスシリコンの犠牲層３２および３４を除去すること
ができる。さらに、フッ化ガスによりドライエッチング
で除去するので、電極間などの狭い隙間なども吸着とい
う問題を起こすことなく完全に犠牲層を除去することが
でき、電極間に駆動用の空間１２を確実に形成できる。
したがって、信頼性のあるアクチュエータ部６を実現で
きる。

【００２５】このようにして半導体基板２０の上にアク
チュエータ部６および光学素子部３が垂直に積み重ねあ
わされた装置が製造され、これと導光板１とを組み合わ
せることにより図１および図２に基づき説明した光スイ
ッチング素子１０を提供することができる。したがっ
て、本発明により光スイッチング素子アレイ５０を実際
に量産可能な技術を提供することことが可能となり、こ
の光スイッチング素子アレイ５０により映像デバイスあ
るいは画像形成装置、さらには光コンピュータ、光プリ
ンタなどの多種多様な装置を提供することが可能とな
る。

【００２６】以上のように、本例においては、アモルフ
ァスシリコンを犠牲層として用いることにより、樹脂と
金属（アルミニウム）からなる構造物に対し影響を与え
ずに、また、半導体基板２０にも影響を与えずに犠牲層
を除去することができる。したがって、樹脂からなる微
細構造物を簡単に半導体基板の上に構築することができ
るので光学素子あるいはその他の樹脂特有の特性、たと
えば、透過度、硬度などの調整が要求される構造物を半
導体基板に重ねて構築することができる。また、機械的
な動きを行うための空間を含んだ構造も半導体基板の上
に簡単に構築できるので微細構造を伴うアクチュエータ
も簡単に構築することができ、本例のように光学素子と
アクチュエータとを組み合わせた複合的な構造物を半導
体基板上に構築するのにまさに適した製造方法である。

【００２７】従来の有機物をスペーサとした製造方法で
は、スペーサを除去するときに樹脂が侵食されてしまう
ので、樹脂を構造物として使用することはほとんど不可
能である。万一、樹脂を使用しようとすると、侵食され
ないように金属などによって樹脂の構造物の面を保護す
る必要がある。したがって、同様の構造を半導体基板上
に実現しようとすると、重ね合わせる層の数が大幅に増
加することになり、工程が複雑で製造コストがアップす
る。また、ピンホールなどが発生しないようにディポジ
ットするための最小厚みを考慮すると、半導体基板上に
形成する構造物のデザインも制限されたものなり、本例
のようなデザインは採用できない可能性が高い。したが
って、本発明の製造方法は、樹脂からなる構造層を備え
た構造部を基板上に成型するのに適した方法であり、工
数も最小限にとどめることができ、また、構造物のデザ
インの自由度も増加するという効果が得られる。

【００２８】なお、本例では半導体基板２０の最上層２
１の上に構造層をすぐに積層する例を示してあるが、最
上層２１の平坦度がそれほど良好でない場合、ピンホー
ルや突起がある可能性がある場合、さらには、基板上に
形成される電極層と、基板内の回路との間に寄生容量な
どが発生する可能性がある場合には、最上層２１にさら
に重ねてアモルファスシリコンからなる犠牲層を形成
し、その犠牲層の上に上記のような製造プロセスを施す
ことも可能である。この最上層２１を覆う犠牲層もフッ
化ガスにより、半導体基板あるいは上記のプロセスで構
築された構造物に影響を与えることなく取り除かれるの
で、回路などへの影響もない。

【００２９】また、本例では、ＣＭＯＳ基板の上に構造
物を構成する例を説明しているが、バイポーラ回路基
板、半導体レーザ基板あるいはその他の半導体基板上に
樹脂製の微細構造物を構築する場合に本発明を適用でき
ることはもちろんである。また、シリコン系の半導体基
板に限らず、ガリウム系などの他の半導体材料からなる
基板上に樹脂を含む構造物を構築する場合であっても、
犠牲層となる適当な無機系の素材と、有機系の構造物用
の樹脂およびエッチングガスを選択することが可能であ
り、本発明を適用して半導体基板上に水平あるいは垂直
な構造物を積み重ねて形成することが可能である。

【００３０】さらに、上記では、半導体基板上に静電ア
クチュエータ部と、光学素子部が垂直に積み重ねられた
光スイッチング素子を例に説明しているが、ピエゾ効果
などの他の電気機械的な効果を用いたアクチュエータ部
を構築することももちろん可能である。また、スイッチ
ングする対象はエバネセント波に限定されることはな
く、他の光学系においてスイッチング作用を示す光学素
子アレイも同様に製造することができる。もちろん、ス
イッチングの対象は光に限らず、流体などの他の媒体で
あってもよい。また、上述したように、アクチュエータ
部とスイッチング部の組み合わせに限らず、半導体基板
上に光学素子をダイレクトに積層するような装置、たと
えば、面発光レーザ基板などに対しても本発明を適用す
ることができる。

【００３１】

【発明の効果】以上に説明したように、本発明において
は、集積回路が形成された半導体基板上に構造物を積み
重ねた装置を製造する際に、アモルファスシリコンのよ
うな無機系の素材により犠牲層を形成することにより、
構造物の素材として樹脂を必要とする装置を製造するこ
とが可能となる。したがって、本発明により半導体基板
上に構造物を構築する複合デバイスのデザインの自由度
が増し、さまざまな分野の装置に本発明を適用すること
ができる。

【図面の簡単な説明】

【図１】本発明の実施の形態にかかる光スイッチング素
子の全体構成を示す断面図であり、オン状態を示す図で
ある。

【図２】図１に示す光スイッチング素子のオフ状態を示
す断面図である。

【図３】図１に示す光スイッチング素子の上部電極の構
造を示す平面図である。

【図４】図１に示す光スイッチング素子の製造プロセス
を示す図であり、半導体基板の上に第１の電極層を形成
した状態を示す図である。

【図５】図１に示す光スイッチング素子の製造プロセス
を示す図であり、第１の電極層の上に第１の犠牲層を形
成した状態を示す図である。

【図６】図１に示す光スイッチング素子の製造プロセス
を示す図であり、第１の犠牲層の上に第２の電極層（ば
ね層）を形成した状態を示す図である。

【図７】図１に示す光スイッチング素子の製造プロセス
を示す図であり、第２の電極層の上に第２の犠牲層を形
成した状態を示す図である。

【図８】図１に示す光スイッチング素子の製造プロセス
を示す図であり、第２の犠牲層の上に第１の樹脂層を形
成した状態を示す図である。

【図９】図１に示す光スイッチング素子の製造プロセス
を示す図であり、第１の樹脂層の上に第２の樹脂層を形
成した状態を示す図である。

【図１０】図１に示す光スイッチング素子の製造プロセ
スを示す図であり、樹脂層を分離した状態を示す図であ
る。

【図１１】図１に示す光スイッチング素子の製造プロセ
スを示す図であり、犠牲層を除去した状態を示す図であ
る。

【符号の説明】

１ 導光板 ２ 照明光 ３ 光学素子部 ４ マイクロプリズム ５ V型のサポート構造 ６ アクチュエータ部 ７ 上電極およびばね構造 ８ 下電極 ９ アンカー １０ 光スイッチング素子 １１ ポスト（支柱） １２ 作動用の空間 １３ ディンプル ２０ 半導体基板 ３２、３４ 犠牲層

Claims (8)

【特許請求の範囲】
1. 【請求項１】 集積回路の形成された半導体基板の上
   に、少なくとも１つの無機系の素材からなる犠牲層を挟
   み、あるいはパターニングして少なくとも１つの有機系
   素材からなる構造層を形成する工程と、 前記犠牲層を除去する工程とを有する、半導体基板上に
   構造物を有する装置の製造方法。
2. 【請求項２】 請求項１において、前記有機系の構造層
   は光学素子として機能する、半導体基板上に構造物を有
   する装置の製造方法。
3. 【請求項３】 請求項１において、前記半導体基板は酸
   化物あるいは窒化物の層が最上面に形成されており、前
   記犠牲層はアモルファスシリコンからなることを特徴と
   する、半導体基板上に構造物を有する装置の製造方法。
4. 【請求項４】 請求項３において、前記半導体基板はＣ
   ＭＯＳ基板である、半導体基板上に構造物を有する装置
   の製造方法。
5. 【請求項５】 請求項１において、前記構造層の少なく
   とも１部によりアクチュエータを形成する、半導体基板
   上に構造物を有する装置の製造方法。
6. 【請求項６】 請求項５において、前記アクチュエータ
   は静電アクチュエータであり、前記構造層の他の１部に
   より該アクチュエータにより駆動される有機系の素材か
   らなる被駆動部を形成する、半導体基板上に構造物を有
   する装置の製造方法。
7. 【請求項７】 請求項６において、前記被駆動部が光学
   素子として機能する、半導体基板上に構造物を有する装
   置の製造方法。
8. 【請求項８】 請求項７において、前記半導体基板上に
   構造物を有する装置は、光スイッチングデバイス、映像
   デバイス、表示装置またはこれらを構成する部品である
   ことを特徴とする、半導体基板上に構造物を有する装置
   の製造方法。