JP2005342803A - Mems素子とその製造方法、光学mems素子、光変調素子、glvデバイス、及びレーザディスプレイ - Google Patents
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Abstract
【課題】 MEMSデバイスにおける信号伝達配線と保護カバーのシールメタル間の寄生容量の低減を図り、ドライバーの駆動能力の低減化を可能にする。
【解決手段】 基板102上に電気信号により駆動制御されるビーム105が配置されたMEMS素子103を有し、MEMS素子103を隔離する保護カバー1099が配置され、保護カバー内のMEMS素子103のビーム105と、保護カバー109外の信号入力端子110とを接続する信号伝達配線106が形成され、保護カバー109の接着用のシールメタル層108と信号伝達配線106との間に層間絶縁層107〔124、125〕が形成され、層間絶縁層107が、シールメタル層108と信号伝達配線106間の寄生容量をMEMS素子の駆動時の静電容量以下にする膜厚を有して形成されて成る。
【選択図】 図1
【解決手段】 基板102上に電気信号により駆動制御されるビーム105が配置されたMEMS素子103を有し、MEMS素子103を隔離する保護カバー1099が配置され、保護カバー内のMEMS素子103のビーム105と、保護カバー109外の信号入力端子110とを接続する信号伝達配線106が形成され、保護カバー109の接着用のシールメタル層108と信号伝達配線106との間に層間絶縁層107〔124、125〕が形成され、層間絶縁層107が、シールメタル層108と信号伝達配線106間の寄生容量をMEMS素子の駆動時の静電容量以下にする膜厚を有して形成されて成る。
【選択図】 図1
Description
本発明は、静電駆動型のMEMS素子とその製造方法、光学MEMS素子、光変調素子、GLVデバイス、及びレーザディスプレイに関する。
微細技術の進展に伴い、いわゆるマイクロマシン(MEMS:Micro Electro Mechanical Systems、超小型電気的・機械的複合体)素子、及びMEMS素子を組み込んだ小型機器が、注目されている。
MEMS素子は、シリコン基板、ガラス基板等の基板上に微細構造体として形成され、機械的駆動力を出力する駆動体と、駆動体を制御する半導体集積回路等とを電気的に、更に機械的に結合させた素子である。MEMS素子の基本的な特徴は、機械的構造として構成されている駆動体が素子の一部に組み込まれていることであって、駆動体の駆動は、電極間のクローン引力などを応用して電気的に行われる。
MEMS素子は、シリコン基板、ガラス基板等の基板上に微細構造体として形成され、機械的駆動力を出力する駆動体と、駆動体を制御する半導体集積回路等とを電気的に、更に機械的に結合させた素子である。MEMS素子の基本的な特徴は、機械的構造として構成されている駆動体が素子の一部に組み込まれていることであって、駆動体の駆動は、電極間のクローン引力などを応用して電気的に行われる。
図13及び図14は、SLM(シリコンライトマシーン,USA)社がレーザディスプレイ用光強度変換素子、つまり光変調器として開発したGLV(Grating Light Valve)デバイスの概略構成及びその要部を示す。このGLVデバイス1は、図13の概略斜視図で示すように、モジュール基板(いわゆるプリント配線基板)2上に光学MEMS素子であるGLV素子部分3を有するMEMSチップ4と、ドライバIC(半導体集積回路)5とが実装され、GLV素子部分を囲む枠形状のシールドメタル層6を介して保護カバーとなるシールガラス7が配置されて成る。GLV素子部分3は、多数のGLV素子が一方向に配列して形成され、その各GLV素子の引き出し配線のボンディングパッド部がシールドメタル層6の外側に位置してドライバーIC5とワイヤボンディンで接続される。
図14A,Bは、GLV素子の模式的な構成を示す。このGLC素子11は、基板12上に共通の下部電極13が形成され、この下部電極13と所要の空隙14を介して対向するように、両持ち梁構造の例えば6つのビーム15〔151 、152 、153 、154 、155 、156 〕が並列配置されてなる。各ビーム15は、絶縁膜の例えばシリコン窒化膜16とAl膜等からなる反射膜を兼ねる上部電極17とからなり、ブリッジ状に形成される。このビーム15はリボンと通称されている。そして、1つ置きのビーム151 、153 、155 が下部電極13との間の静電力で近接・離間する駆動ビームとなり、他の1つ置きのビーム152 、154 、156 が固定ビームとして構成される。
このGLV素子11では、下部電極13とビーム15の上部電極17との間に微小電圧(信号電圧)を印加すると、静電現象によって駆動側ビーム151 、153 、155 が下部電極13に向って近接し、離間し、印加電圧の大きさに応じて駆動側ビーム151 、153 、155 の下部電極13との間の空隙14の高さが変化する。GLV素子11は、この駆動側ビーム151 、153 、155 の駆動位置に応じて、ビーム15の表面に光が照射されたとき、反射した回折光の強度を変調する。従って、このGLV素子11は、光強度を変調させる光変調素子として適用される。
このGLV素子11では、下部電極13とビーム15の上部電極17との間に微小電圧(信号電圧)を印加すると、静電現象によって駆動側ビーム151 、153 、155 が下部電極13に向って近接し、離間し、印加電圧の大きさに応じて駆動側ビーム151 、153 、155 の下部電極13との間の空隙14の高さが変化する。GLV素子11は、この駆動側ビーム151 、153 、155 の駆動位置に応じて、ビーム15の表面に光が照射されたとき、反射した回折光の強度を変調する。従って、このGLV素子11は、光強度を変調させる光変調素子として適用される。
特許文献1では、回折格子型MEMS素子、いわゆるGLV素子が示されている。
特表2001−518198号公報
図11は、GLVデバイスの要部を示す比較例を示す。このGLVデバイス21は、シリコン基板22上の所要の領域に選択酸化(LOCOS)によるフィールド絶縁層23が形成され、フィールド絶縁層23に囲まれた他の領域に複数のGLV素子27に共通する下部電極24が形成され、この下部電極24に空隙25を介して対向する複数、本例では6本のビーム26を組として複数組のビームが形成され、ライン状に複数のGLV素子27が形成されたGLV素子部分28を有して成る。フィールド絶縁層23上には各GLV素子27のビーム26を駆動制御するための信号を供給するための複数の信号伝達配線、いわゆる引出し配線29が形成される。また、引出し配線29上には下からシリコン酸化膜(膜厚20nm程度)とシリコン窒化膜(膜厚100nm程度)を積層した層間絶縁層33が形成される。この層間絶縁層33上にGLV素子部分28を外部環境から隔離するように枠形状のシールメタル層31を介して保護カバーとなるシールガラス32が接合される。シールメタル層31は、例えば下からCr膜、Ni膜及びAu膜の積層膜で形成され、シールガラス32の接合下面に形成したAu膜との間で接合される。一方、引出し配線29では、そのシールガラス32内の端部が層間絶縁層33のコンタクト孔を介してGLV素子のビーム26の上部電極(例えばAl電極)に接続され、シールガラス32の外の端部が層間絶縁層33のコンタクト孔を介して信号入力端子34に接続される。この信号入力端子34はボンディングワイヤ25を介してドライバーICに接続される。
このGLVデバイス21では、ドライバーICから引出し配線29を通じて駆動信号がGLV素子27の駆動ビーム26に入力され、駆動される。
このGLVデバイス21では、ドライバーICから引出し配線29を通じて駆動信号がGLV素子27の駆動ビーム26に入力され、駆動される。
ところで、このようなGLVデバイス21においては、引出し配線29とシールガラス32のシールメタル層31との間の層間絶縁層33がシリコン酸化膜(膜厚20nm程度)とシリコン窒化膜(膜厚100nm程度)からなる薄い層で形成されるので、この間に生じる寄生容量がGLV素子27を駆動させるための下部電極24とビーム26間の静電容量と比較して、約10倍程度大きい値となっている。従って、GLV素子27を駆動するために、大信号を発生させるドライバー回路を使用する必要があった。
図12は、GLVデバイス21の等価回路を示す。この等価回路37では、ドライバーICの等価回路部38から引出し配線29を通じてGLV素子27のビーム26、したがって上部電極に接続される。R1 は引出し配線29等の抵抗分である。引出し配線29とシールメタル層31との間には寄生容量C1 が形成される。この寄生容量C1 は2pF程度である。また、引出し配線29と基板22との間にも寄生容量C2 が形成されるが、寄生容量C2 は厚いフィールド絶縁層23により無視できるほど小さい。一方、引出し配線29はビーム26の上部電極(例えばAl電極)の抵抗分R2 を通じてビーム26の上部電極に接続される。動作時、このビーム26と下部電極24間に静電容量C3が発生する。この静電容量C3 は10fF程度である。従って、寄生容量C1 は静電容量C3 と比較して桁違いに大きいので、GLV素子27を駆動するためには大駆動能力のドライバーICが必要となる。
このため、ドライバー回路の小型化、低消費電力化、ドライバー回路の発熱によるドライバー回路の動作不安定化、ドライバー回路を冷却するための強制式ヒートスプレッダ装置、及びこれに伴う部品コスト増加等の問題があった。従って、これらを解決するために、寄生容量を低減できるGLVデバイスの開発が望まれていた。MEMSデバイス、光学MEMSデバイス、光変調デバイス等においても、同様の問題があり、寄生容量の低減が望まれていた。
本発明は、上述の点に鑑み、寄生容量の低減を図り、ドライバー回路の駆動能力の低減を可能にしたMEMSデバイスとその製造方法、光学MEMSデバイス、光変調デバイス、GLVデバイス、及びこのGLVデバイスを用いたレーザディスプレイを提供するものである。
本発明に係るMEMSデバイスは、基板上に電気信号により駆動制御されるビームが配置されたMEMS素子を有し、MEMS素子を隔離する保護カバーが配置され、保護カバー内のMEMS素子のビームと、保護カバー外の信号入力端子とを接続する信号伝達配線が形成され、保護カバーの接着用のシールメタル層と信号伝達配線との間に層間絶縁層が形成され、層間絶縁層がシールメタル層と信号伝達配線間の寄生容量を前記MEMS素子の駆動時の静電容量以下にする膜厚を有して形成されて成る。
本発明のMEMSデバイスでは、保護カバーの接着用のシールメタル層と信号伝達配線との間に、シールメタル層と信号伝達配線間の寄生容量をMEMS素子の駆動時の静電容量以下にする膜厚を有する層間絶縁層が形成されるので、上記寄生容量が低減し、MEMSデバイスを駆動する信号が小さくなり、ドライバー回路の駆動能力が低減される。
本発明に係るMEMSデバイスの製造方法は、基板上の所要の領域上の選択的に信号伝達配線を形成する工程と、基板上の他の所要領域にMEMS素子を形成する工程と、信号伝達配線上に形成された第1の絶縁膜上のシールメタル層が形成される領域に該第1の絶縁膜より厚い膜厚の第2の絶縁膜を形成し、第1及び第2の絶縁膜で層間絶縁層を形成する工程と、層間絶縁層上にシールメタル層を形成し、シールメタル層を介してMEMS素子を隔離するための保護カバーを接合する工程を有する。
本発明のMEMSデバイスの製造方法では、第1の絶縁膜上に第2の絶縁膜を形成して第12、第2の絶縁膜により厚い層間絶縁層を形成する工程を有するので、信号伝達配線とシールメタル層間の寄生容量を小さくし、駆動信号を小さくすることが可能なMEMSデバイスの製造ができる。
本発明に係る光学MEMSデバイスは、基板上に電気信号により駆動制御されるビームが配置された光学MEMS素子を有し、光学MEMS素子を隔離する保護カバーが配置され、保護カバー内の光学MEMS素子のビームと、保護カバー外の信号入力端子とを接続する信号伝達配線が形成され、保護カバーの接着用のシールメタル層と信号伝達配線との間に層間絶縁層が形成され、層間絶縁層がシールメタル層と信号伝達配線間の寄生容量を光学MEMS素子の駆動時の静電容量以下にする膜厚を有して形成されて成る。
本発明の光学MEMSデバイスでは、保護カバーの接着用のシールメタル層と信号伝達配線との間に、シールメタル層と信号伝達配線間の寄生容量を光学MEMS素子の駆動時の静電容量以下にする膜厚を有する層間絶縁層が形成されるので、上記寄生容量が低減し、光学MEMSデバイスを駆動する信号を小さくでき、ドライバー回路の駆動能力が低減される。
本発明に係る光変調デバイスは、基板上に電気信号により駆動制御されるビームが配置された光学MEMS素子を有し、光学MEMS素子を隔離する保護カバーが配置され、保護カバー内の光学MEMS素子のビームと、保護カバー外の信号入力端子とを接続する信号伝達配線が形成され、保護カバーの接着用のシールメタル層と信号伝達配線との間に層間絶縁層が形成され、層間絶縁層がシールメタル層と信号伝達配線間の寄生容量を光学MEMS素子の駆動時の静電容量以下にする膜厚を有して形成されて成る。
本発明の光変調デバイスでは、保護カバーの接着用のシールメタル層と信号伝達配線との間に、シールメタル層と信号伝達配線間の寄生容量を光学MEMS素子の駆動時の静電容量以下にする膜厚を有する層間絶縁層が形成されるので、上記寄生容量が低減し、光変調デバイスを駆動する信号を小さくでき、ドライバー回路の駆動能力が低減される。
本発明に係るGLVデバイスは、基板上に電気信号により駆動制御される固定ビームと駆動ビームが交互に配置されたGLV素子を有し、GLV素子を隔離する保護カバーが配置され、保護カバー内のGLV素子のビームと、保護カバー外の信号入力端子とを接続する信号伝達配線が形成され、保護カバーの接着用のシールメタル層と信号伝達配線との間に層間絶縁層が形成され、層間絶縁層がシールメタル層と信号伝達配線間の寄生容量をGLV素子の駆動時の静電容量以下にする膜厚を有して形成されて成る。
本発明のGLVデバイスでは、保護カバーの接着用のシールメタル層と信号伝達配線との間に、シールメタル層と信号伝達配線間の寄生容量をGLV素子の駆動時の静電容量以下にする膜厚を有する層間絶縁層が形成されるので、上記寄生容量が低減し、GLVデバイスを駆動する信号を小さくでき、ドライバー回路の駆動能力が低減される。
本発明に係るレーザディスプレイは、レーザ光源と、このレーザ光源から出射されたレーザ光の光軸上に配置され、レーザ光の光強度を変調するGLVデバイスとを有するレーザディスプレイであって、GLVデバイスが、基板上に電気信号により駆動制御される固定ビームと駆動ビームが交互に配置されたGLV素子を有し、GLV素子を隔離する保護カバーが配置され、保護カバー内のGLV素子のビームと、保護カバー外の信号入力端子とを接続する信号伝達配線が形成され、保護カバーの接着用のシールメタル層と信号伝達配線との間に層間絶縁層が形成され、層間絶縁層がシールメタル層と信号伝達配線間の寄生容量をGLV素子の駆動時の静電容量以下にする膜厚を有して形成されて成る。
本発明のレーザディスプレイでは、GLVデバイスにおいて、保護カバーの接着用のシールメタル層と信号伝達配線との間に、シールメタル層と信号伝達配線間の寄生容量をGLV素子の駆動時の静電容量以下にする膜厚を有する層間絶縁層が形成されるので、上記寄生容量が低減し、GLVデバイスを駆動する信号を小さくでき、ドライバー回路の駆動能力が低減される。従って、レーザディスプレイの消費電力の低減化が図れる。
本発明に係るMEMSデバイスによれば、信号伝達配線(引出し配線)とシールガラスのシールメタル層間に第1の絶縁膜に加えて第2の絶縁膜を形成し、厚くした層間絶縁層を形成することにより、信号伝達配線とシールメタル層間の寄生容量を低減することができる。これによって、MEMS素子のビームを駆動させるための信号を小さくすることができる。また、ドライバー回路面積を小さくし、従ってMEMS素子を駆動させるためのドライバーICを小型化し、且つ低消費電力化することができる。
信号伝達配線とシールガラスのシールメタル層間に厚い層間絶縁層を形成することにより、信号伝達配線とシールメタル層間の寄生容量を低減することができる。これによって、MEMS素子を従来以上に高速度で駆動することができる。例えば、MEMSデバイスを光変調デバイス、例えばGLVデバイスに適用した場合に従来以上に高精細な映像信号変換ができる。
表面に第1の絶縁膜が形成された信号伝達配線間に高密度プラズマCVDによるシリコン酸化膜による第2の絶縁膜を形成することにより、信号伝達配線間の狭い空隙に第2の絶縁膜が埋め込まれ、段差の平坦化ができる。このため、シールメタル層のシードメタル材料とシールリング材料の密着性を向上させることができる。従って、外部環境に存在する水蒸気等がMEMS素子を保護するシールガラス内に侵入することを極めて小さくすることができ、MEMS素子のビーム表面、したがった上部電極の腐食を防止することができる。よって、従来以上にMEMSデバイスの信頼性を向上させることができる。
第2の絶縁膜により、信号伝達配線の段差を平坦化出来るので、シールメタル層のシードメタル材料とシールリング材料の密着製造方法を向上することができる。このため、シールメタル層の接合時の熱処理を低温且つ短時間化することができる。このため、MEMS素子におけるビームの上部電極の変形を抑制することができ、従来以上に高光学特性を有する光学MEMSデバイスを実現することができる。
本発明に係るMEMSデバイスの製造方法によれば、信号伝達配線と保護カバーのシールメタル層間の寄生容量を低減し、MEMS素子を駆動するドライバー回路の駆動能力を低減させることができるMEMSデバイスを製造することができる。層間絶縁層となる第2の絶縁膜を形成することにより、各信号伝達配線間の狭い空間を埋めることができ、外部から水分等の侵入を防ぐことがでる。従って、信頼性の高いMEMSデバイスを製造することができる。また、第2の絶縁膜の表面が平坦化されるので保護カバーの接合を良好にする。 本発明の製造方法を用いることにより、MEMS素子におけるビームの表面モフォロジーを劣化させることなく、即ちエッチングによる表面荒れを生じさせることなく、信号伝達配線上にある厚い層間絶縁層を形成することができる。これによって、例えば高光学特性を有するMEMSデバイスを小さい信号で駆動させることができる。
光学MEMSデバイス、MEMS素子を用いた光変調デバイス、GLVデバイスにおいても、上述と同様の効果を奏するもので、信号伝達配線とシールメタル層間の寄生容量を低減し、ドライバー回路の駆動能力の低減化を図ることができる。
本発明に係るレーザディスプレイによれば、上記本発明のGLVデバイスを備えることにより、消費電力の低下を図ることができる。
以下、図面を参照して本発明の実施の形態を説明する。
図1は、本発明に係るMEMSデバイスの代表的な一実施の形態を示す。同図はMEMSデバイスの要部の拡大図である。本実施の形態に係るMEMSデバイス101は、基板102上にMEMS素子103と、MEMS素子を構成するビーム105へ駆動制御のための信号を供給する信号伝達配線、いわゆる引出し配線106とが形成され、この引出し配線106上に層間絶縁層107が形成され、この層間絶縁層107上にMEMS素子103を取り囲むように枠形状のシールメタル層108を介してMEMS素子103を外部環境から隔離するための保護カバー109が接合されて成る。引出し配線106は、その保護カバー109内の端部がMEMS素子103のビーム105を構成する上部電極に電気的に接続され、その保護カバー109外の端部が信号入力端子110に接続されるようになされる。信号入力端子110は、ボンディングワイヤ111を介してドライバーICに接続される。そして、層間絶縁層107は、特にシールメタル層108と引出し配線106間で形成される寄生容量が、MEMS素子103の駆動時のビーム105と下部電極113間で形成される静電容量以下となるような膜厚に設定される。
本例では、基板としてシリコン半導体基板102を用い、この半導体基板102上の所要の領域に選択酸化(LOCOS)によるフィールド絶縁層121が形成され、フィールド絶縁層121に囲まれた他の領域にMEMS素子27の下部電極113が形成される。下部電極113としては多結晶シリコン膜、Al膜等の導電材料で形成してもよく、半導体基板102内に所要の導電型の不純物を導入した不純物半導体領域で形成してもよい。この下部電極113に空隙122を介して対向するように例えば両持ち梁構造のビーム105が形成されてMEMS素子27が形成される。ビーム105は、ブリッジ状の絶縁膜、例えばシリコン窒化(SiN)膜とその下部電極113と反対側の表面に積層した例えばAl膜による上部電極とにより形成される。
一方、フィールド絶縁層121上には、導電材料例えば多結晶シリコン膜による引出し配線106が形成され、この引出し配線106上に第1の絶縁膜124が被覆される。引出し配線106の一端は第1の絶縁膜124のコンクト孔を介してビーム105の上部電極に接続され、他端が第1の絶縁膜124のコンタクト孔を介して信号入力端子110に接続される。第1の絶縁膜124は、例えば、引出し配線106表面の熱酸化による膜厚20nm程度のシリコン酸化(SiO2)膜とその上の膜厚100nm程度のシリコン窒化(SiN)膜の2層膜で形成することができる。
そして、第1の絶縁膜124上のシールメタル層108が形成される領域上に第2の絶縁膜125が形成され、この第2の絶縁膜125上にシールメタル層108を介して保護カバーとなるシールガラス109が接合される。第2の絶縁膜125は、第1の絶縁膜124より膜厚が大きく設定され、例えば膜厚500nm程度のシリコン酸化膜で形成することができる。この第1の絶縁膜124と第2の絶縁膜125により、層間絶縁層107が形成される。シールメタル層108は、前述と同様に下からCr膜、Ni膜及びAu膜の積層膜で形成される。シールガラス109も下面の接合面にAu膜が形成され、このAu膜とシールメタル層108のAu膜との間で気密的に接合される。
ここで、シールガラス109の接合にシールメタル層108を用いる理由としては、次の点が挙げられる。例えば接着剤で接合したときには、溶剤でMEMS素子103を汚す虞れ、あるいは脱ガスでビーム105のAl電極を腐食する虞れ等が生じる。このため、MEMSデバイスを高周波デバイスに使用した場合、MEMS素子103の動作に悪影響がでる。これに対して、脱ガスのないシールメタル層108を用いることにより、ビーム105のAl電極を腐食させることなく、またビーム105を汚染させることがない。
MEMSデバイス101の全体の構成は、図2に示すように前述と同様、モジュール基板(プリント配線基板)131上にMEMS素子103が形成されたMEMS素子部分132を有するMEMSチップ133と、ドライバーIC135とが実装され、MEMS素子部分132を囲む枠形状のシールメタル層108を介して保護カバーとなるシールガラス109が接合される。MEMSチップ133は、信号入力端子(いわゆるボンディングパッド)よりボンディングワイヤ111を介してドライバーIC135に接続される。
次に、図4〜図8を用いて上述した本発明に係るMEMSデバイス101の製造方法の実施の形態を説明する。
本実施の形態においては、図4A及びA′に示すように、シリコンの半導体基板51上の所要の領域にフィールド絶縁層52を形成し、フィールド絶縁層52に囲まれた素子形成領域に下部電極55を形成する。本例では下部電極55を不純物拡散領域で形成する。フィールド絶縁層52上には多結晶シリコン膜による引出し配線56とその表面の表面酸化膜59が形成される。下部電極55上には絶縁膜58が形成される。
さらに、下部電極55上及び一部フィールド絶縁層52上に跨るように犠牲層60を形成する。犠牲層60としては、本例では多結晶シリコン膜で形成する。引出し配線56上、犠牲層60を含む全面に絶縁膜62、例えばシリコン窒化膜を堆積する。シリコン窒化膜62とその下のシリコン酸化膜59の2層膜で第1の絶縁膜61が形成される。この第1の絶縁膜61は、引出し配線(信号線)とシールメタル間の層間絶縁膜の一部になる。
この第1の絶縁膜61上にシールメタル層と信号線間の寄生容量を低減するための所定の膜厚、即ち第1の絶縁膜61より厚い第2の絶縁膜63を形成する。この第2の絶縁膜63は、例えば高密度プラズマCVD法等を用いて膜厚500nm程度のシリコン酸化膜を堆積して形成することができる。高密度プラズマCVDのシリコン酸化膜63は、図10に示すように、複数配列された各隣り合う引出し配線56間の狭い隙間(ギャップ)、より詳しくは表面に第1の絶縁膜61が形成されている引出し配線56間の埋め込みと、段差の平坦化ができ表面が平坦化するようにして堆積する特性を有する。
本実施の形態においては、図4A及びA′に示すように、シリコンの半導体基板51上の所要の領域にフィールド絶縁層52を形成し、フィールド絶縁層52に囲まれた素子形成領域に下部電極55を形成する。本例では下部電極55を不純物拡散領域で形成する。フィールド絶縁層52上には多結晶シリコン膜による引出し配線56とその表面の表面酸化膜59が形成される。下部電極55上には絶縁膜58が形成される。
さらに、下部電極55上及び一部フィールド絶縁層52上に跨るように犠牲層60を形成する。犠牲層60としては、本例では多結晶シリコン膜で形成する。引出し配線56上、犠牲層60を含む全面に絶縁膜62、例えばシリコン窒化膜を堆積する。シリコン窒化膜62とその下のシリコン酸化膜59の2層膜で第1の絶縁膜61が形成される。この第1の絶縁膜61は、引出し配線(信号線)とシールメタル間の層間絶縁膜の一部になる。
この第1の絶縁膜61上にシールメタル層と信号線間の寄生容量を低減するための所定の膜厚、即ち第1の絶縁膜61より厚い第2の絶縁膜63を形成する。この第2の絶縁膜63は、例えば高密度プラズマCVD法等を用いて膜厚500nm程度のシリコン酸化膜を堆積して形成することができる。高密度プラズマCVDのシリコン酸化膜63は、図10に示すように、複数配列された各隣り合う引出し配線56間の狭い隙間(ギャップ)、より詳しくは表面に第1の絶縁膜61が形成されている引出し配線56間の埋め込みと、段差の平坦化ができ表面が平坦化するようにして堆積する特性を有する。
次に、図4B及びB′に示すように、第2の絶縁膜63を選択的エッチングによりパターニングして引出し配線56上のシールメタル層が形成される部分、いわゆる保護カバーの装着部分にのみ枠形状の絶縁膜63を残す。本例ではリソグラフィー法を用いてレジストマスクを形成し、このレジストマスクを介して希釈弗化水素酸溶液により上記絶縁膜であるシリコン酸化(SiO2)膜63をウェットエッチングし、保護カバー装着部分以外の領域のシリコン酸化膜63を除去する。この後、レジストマスクを剥離する。
次に、図5C及びC′に示すように、引出し配線56上の第1の絶縁膜61(シリコン酸化膜59とシリコン窒化膜62の積層膜)に引出し配線56とビームの上部電極との接続に供されるコンタクトホール65、及び引出し配線56のワイヤボンディングパッド形成部にコンタクトホール66を形成する。本例ではリソグラフィー法を用いて引出し配線部分のシリコン窒化膜62上にコンタクトホール用のレジストマスクを形成すると共に、ドライエッチング法を用いてシリコン窒化膜62及びシリコン酸化膜59を選択エッチングしてコンタクトホール65及び66を形成する。
次に、コンタクトホール65及び66を含んでアルミニウム(Al)膜を成膜する。本例では膜厚100nm程度のアルミニウム膜をスパッタ法で堆積する。このアルムニウム膜は、後述するように下層の引き出し配線56に接続し且つビームの上部電極、及びワイヤボンディングパッド部となるものである。
そして、図5D及びD′に示すように、フォトリソグラフィー法にてアルミニウム膜の、コンタクトホール65に繋がるMEMS素子の上部電極となる部分上と、コンタクトホール66に対応する部分上にレジストマスクを形成する。このレジストマスクを介してリン硝酸溶液を用いたウェットエッチング法でアルミニウム膜をパターニングして引き出し配線56に接続する上部電極70、及びワイヤボンディングパッド部71を形成する。その後、レジストマスクを剥離する。
次に、図6E及びE′に示すように、各ビームの上部電極70間に対応する部分のシリコン窒化膜62を選択的にエッチング除去して、犠牲層60が一部露出する溝72を形成する。本例ではフォトリソグラフィー法を用いて溝状のレジストマスクを形成し、ドライエッチング法でシリコン窒化膜62をエッチングして溝72を形成する。
次に、図6F及びF′に示すように、シードメタルを形成するために枠形状の第2の絶縁膜63上を除く全面にレジストマスク73を形成する。次いで、図7G及びG′に示すように、絶縁膜63及びレジストマスク73を含む全面にシードメタル層74を被着形成する。本例ではシードメタル膜74を下から膜厚30nmのGr膜と膜厚10nmのNi膜と膜厚160nmのAu膜を順次蒸着してなる3層構造膜で形成する。
次に、図7H及びH′に示すように、レジストマスク73とその上のシードメタル膜74をリフトオフ法にて除去して絶縁膜63上にのみシードメタル膜74を形成する。本例では有機薬液を用いたリフトオフ法で絶縁膜63上以外の領域のシードメタル膜74及びレジストマスク73を除去する。
次に、図8I及びI′に示すように、犠牲層60を選択的に除去して表面が絶縁膜53で覆われた下部電極55に空隙78を挟んで対向するビーム76を形成する。このビーム76は、シリコン窒化膜62と上電極70の2層膜でブリッジ状をなす両持ち梁構造に形成される。本例では弗化キセノンガスを用いたドライエッチング法で図6E及びE′で形成した溝72から犠牲層の多結晶シリコン膜60をエッチング除去し、空隙78を挟んで下部電極55と対向するビーム76を形成する。
次に、図8J及びJ′に示すように、シードメタル膜74上にAuによるシールリング80と保護カバーであるシールガラス79を配置し、熱処理してシールガラス79を接合する。本例では、シードメタル膜74上にシールリング80及びシールガラス79をマウントし、300℃程度の熱処理を行ってシードメタル膜74とシールリング80、並びにシールリング80とシールガラス79を溶着する。シードメタル膜74とシールリング80で前述のシールメタル層が構成される。その後、図示せざるも、ドライバーICとMEMS素子の入力端子間をワイヤボンディングし、シールガラス79を除いて樹脂モールドする。これにより、目的のMEMS素子が配置されたMEMSデバイス101得る。
本実施の形態のMEMSデバイス101は、光学MEMSデバイスに適用することができる。例えば、MEMSデバイス101は、ビーム105の上部電極を光反射膜として利用し、ビーム105の静電駆動の位置に応じて上部電極で反射する光の反射方向が異なることを利用し一方向の反射光を検出してスイッチ機能を持たせた、光スイッチとして適用できる。
本実施の形態のMEMSデバイス101は、光変調デバイスに適用することがきる。例えば光の反射を利用するときは、ビーム105を振動させて単位時間当たりの一方向の反射量で光強度を変調する。この光変調デバイスは、いわゆる時間変調である。
本MEMSデバイス101は、光変調デバイスであるGLVデバイスに適用することができる。このGLVデバイスでは、光の回折を利用するもので、可動ビームの高さを変化させ、光の回折によって上部電極で反射するほかりの強度を変調する。この光変調デバイスは、いわゆる空間変調である。
本MEMSデバイス101は、光変調デバイスであるGLVデバイスに適用することができる。このGLVデバイスでは、光の回折を利用するもので、可動ビームの高さを変化させ、光の回折によって上部電極で反射するほかりの強度を変調する。この光変調デバイスは、いわゆる空間変調である。
本実施の形態のMEMSデバイス101は、高周波フィルタ等の共振器、高周波スイッチ等に適用することができる。
上述の本実施の形態に係るMEMSデバイス101によれば、信号伝達配線(引出し配線)とシールガラスのシールメタル層間に第1の絶縁膜に加えて第2の絶縁膜を形成し、厚くした層間絶縁層を形成することにより、信号伝達配線とシールメタル層間の寄生容量を低減することができる。これによって、MEMS素子のビームを駆動させるための信号を小さくすることができる。また、ドライバー回路面積を小さくし、従ってMEMS素子を駆動させるためのドライバーICを小型化し、且つ低消費電力化することができる。
信号伝達配線とシールガラスのシールメタル層間に厚い層間絶縁層を形成することにより、信号伝達配線とシールメタル層間の寄生容量を低減することができる。これによって、MEMS素子を従来以上に高速度で駆動することができる。本実施の形態のMEMSデバイスを光変調デバイス、例えばGLVデバイスに適用した場合に従来以上に高精細な映像信号変換ができる。
表面に第1の絶縁膜が形成された信号伝達配線間に高密度プラズマCVDによるシリコン酸化膜による第2の絶縁膜を形成することにより、信号伝達配線間の狭い空隙に第2の絶縁膜が埋め込まれ、段差の平坦化ができる。このため、シールメタル層のシードメタル材料とシールリング材料の密着性を向上させることができる。従って、外部環境に存在する水蒸気等がMEMS素子を保護するシールガラス内に侵入することを極めて小さくすることができ、MEMS素子のビーム表面、したがった上部電極の腐食を防止することができる。よって、従来以上にMEMSデバイスの信頼性を向上させることができる。
第2の絶縁膜により、信号伝達配線の段差を平坦化出来るので、シールメタル層のシードメタル材料とシールリング材料の密着製造方法を向上することができる。このため、シールメタル層の接合時の熱処理を低温且つ短時間化することができる。このため、MEMS素子におけるビームの上部電極の変形を抑制することができ、従来以上に高光学特性を有する光学MEMSデバイスを実現することができる。
本実施の形態に係るMEMSデバイスの製造方法を用いることにより、MEMS素子におけるビームの表面モフォロジーを劣化させることなく、即ちエッチングによる表面荒れを生じさせることなく、信号伝達配線上にある厚い層間絶縁層を形成することができる。これによって、例えば高光学特性を有するMEMSデバイスを小さい信号で駆動させることができる。
本実施の形態に係るMEMSデバイス101をGLVデバイスに適用するときは、図1の構成において、MEMS素子102の部分をGLV素子140に置き換えることにより構成される。この場合、GLV素子140は、図3に示すように例えば6つのビーム105〔1051 、1052 、1053 、1054 、1055 、1056 〕を有し、一方の一つ置きの3つのビーム1051 、1053 、1055 を可動ビームとし、他方の一つ置きの3つのビーム1052 、1054 、1056 を固定ビームとし、3つの可動ビーム1051 、1053 、1055 を共通接続して引出し配線106aを導出し、3つの固定ビーム1052 、1054 、1056 を共通接続して引出し配線106bを導出するように構成される。そして、前述の図13で説明したと同様に、複数のGLV素子140が一ライン状に配列してGLV素子部分が構成される。
かかるGLVデバイス素子140は、前述した図4〜図8の製造工程により製造することができる。
その他の光学MEMSデバイス、光変調デバイス等も図4〜図8の製造工程により製造することができる。
その他の光学MEMSデバイス、光変調デバイス等も図4〜図8の製造工程により製造することができる。
図10は、上述の本実施の形態のMEMSデバイスを適用して構成した光変調デバイスとしてのGLVデバイスを用いた光学装置の一実施の形態を示す。本例ではレーザディスプレイに適用した場合である。
本実施の形態に係るレーザディスプレイ81は、例えば、大型スクリーン用プロジェクタ、特にデジタル画像のプロジェクタとして、或いはコンピュータ画像投影装置として用いられる。
本実施の形態に係るレーザディスプレイ81は、例えば、大型スクリーン用プロジェクタ、特にデジタル画像のプロジェクタとして、或いはコンピュータ画像投影装置として用いられる。
レーザディスプレイ181は、図10に示すように、赤(R)、緑(G)、青(B)の各色のレーザ光源182R,182G,182Bと、各レーザ光源に対して、それぞれ光軸上に順次、設けられたミラー184R,184G,184B、各色照明光学系(レンズ群)186R,186G,186B、及び光変調デバイスとして機能する前述した本発明によるGLVデバイス188R,188G,188Bとを備えている。
レーザ光源182R,182G,182Bは、それぞれ例えば、R(波長642nm、光出力約3W)、G(波長532nm、光出力約2W)、B(波長457nm、光出力約1.5W)のレーザを射出する。
レーザ光源182R,182G,182Bは、それぞれ例えば、R(波長642nm、光出力約3W)、G(波長532nm、光出力約2W)、B(波長457nm、光出力約1.5W)のレーザを射出する。
更に、レーザディスプレイ181は、GLVデバイス188R,188G,188Bによりそれぞれ光強度が変調された赤色(R)レーザ光、緑色(G)レーザ光、及び青色(B)レーザ光を合成する色合成フィルタ190、空間フィルタ192、ディフューザ194、ミラー186、ガルバノスキャナ198、投影光学系(レンズ群)200、及びスクリーン202を備えている。色合成フィルタ190は、例えばダイクロイックミラーで構成される。
本実施の形態のレーザディスプレイ181は、レーザ光源182R,182G,182Bから射出されたRGB各レーザ光が、それぞれミラー184R,184G,184Bを経て各色照明光学系186R,186G,186Bから各GLVデバイス188R,188G,188Bに入射する。各レーザ光は、色分類された画像信号であり、GLVデバイス188R,188G,188Bに同期入力されるようになっている。
更に、各レーザ光は、GLVデバイス188R,188G,188Bによって回折されることにより空間変調され、これら3色の回折光が色合成フィルタ190によって合成され、続いて空間フィルタ192によって信号成分のみが取り出される。
次いで、このRGBの画像信号は、ディフューザ184によってレーザスペックルが提言され、ミラー196を経て、投影光学系200入射され、画像信号と同期するガルバノスキャナ198により空間に展開されスクリーン202上にフルカラー画像として投影される。
更に、各レーザ光は、GLVデバイス188R,188G,188Bによって回折されることにより空間変調され、これら3色の回折光が色合成フィルタ190によって合成され、続いて空間フィルタ192によって信号成分のみが取り出される。
次いで、このRGBの画像信号は、ディフューザ184によってレーザスペックルが提言され、ミラー196を経て、投影光学系200入射され、画像信号と同期するガルバノスキャナ198により空間に展開されスクリーン202上にフルカラー画像として投影される。
本実施の形態のレーザディスプレイ181では、光変調デバイスとして前述した本発明によるGLVデバイス188R,188G,188Bを備えるので、ダークレベルの均一性が得られ、従来の光変調デバイスを用いたレーザディスプレイに比べて、品質が向上する。
本実施の形態のレーザディスプレイ181では、各色のレーザ光源182に対応して、GLVデバイス188R,188G,188Bを備えているが、本発明に係るGLVデバイスは、これ以外の構成を有する各種のディスプレイについても適用可能である。
例えば、光源を白色とする一方で、RGBそれぞれの波長の光のみを反射して(それ以外の光は回折する)各色を表示するようにビームの幅が異なる光変調デバイス188R,188G,188Bが1画素を構成するようにしてもよい。
また、RGBの画像データからなる画像情報に同期したカラーホイールを通してGLVデバイス188に、単一の光源からの白色光を入射させるようにすることもできる。
更に、例えば、単一のGLVデバイス188を用いて、RGBのLED(発光ダイオード)からの光を回折し、画素毎の色の情報を再生するように構成すれば、簡単なハンディタイプのカラーディスプレイとなる。
例えば、光源を白色とする一方で、RGBそれぞれの波長の光のみを反射して(それ以外の光は回折する)各色を表示するようにビームの幅が異なる光変調デバイス188R,188G,188Bが1画素を構成するようにしてもよい。
また、RGBの画像データからなる画像情報に同期したカラーホイールを通してGLVデバイス188に、単一の光源からの白色光を入射させるようにすることもできる。
更に、例えば、単一のGLVデバイス188を用いて、RGBのLED(発光ダイオード)からの光を回折し、画素毎の色の情報を再生するように構成すれば、簡単なハンディタイプのカラーディスプレイとなる。
また、本発明に係るGLVデバイスは、本実施の形態のレーザディスプレイのようなプロジェクタ類だけでなく、光通信におけるWDM(Wavelength Division Multplexing:波長多重)電送用の各種デバイス、MUX(Multiplexer:パラレルーシリアル変換器/分配化装置)、あるいはOADM(Optical Add/Drop Multiplexer)、OXC(Optical Cross Connect)等の光スイッチとして用いることもできる。
更に、例えばデジタル画像等を直画できる微細描画装置、半導体露光装置や、プリンタエンジンなど、その他の光学装置にも適用できる。
更に、例えばデジタル画像等を直画できる微細描画装置、半導体露光装置や、プリンタエンジンなど、その他の光学装置にも適用できる。
また、本実施の形態のレーザディスプレイ181では、GLVデバイス188R,188G,188Bを用いて空間変調を行うレーザディスプレイについて説明したが、本発明に係るGLVデバイスは、位相、光強度などの干渉・回折により変調可能な情報のスイッチングを行うことができ、これらを利用した光学装置に応用することが可能である。
101・・MEMデバイス、102・・基板、103・・MEMS素子、105・・ビーム、106・・信号伝達配線(引出し配線)、107・・層間絶縁層、108・・シールメタル層、109・・保護カバー、110・・信号入力端子、111・・ボンディングワイヤ、113・・下部電極、124・・第1の絶縁膜、125・・第2の絶縁膜
Claims (11)
- 基板上に電気信号により駆動制御されるビームが配置されたMEMS素子を有し、
前記MEMS素子を隔離する保護カバーが配置され、
前記保護カバー内の前記MEMS素子のビームと、前記保護カバー外の信号入力端子とを接続する信号伝達配線が形成され、
前記保護カバーの接着用のシールメタル層と前記信号伝達配線との間に層間絶縁層が形成され、
前記層間絶縁層が、前記シールメタル層と信号伝達配線間の寄生容量を前記MEMS素子の駆動時の静電容量以下にする膜厚を有して形成されて成る
ことを特徴とするMEMSデバイス。 - 前記層間絶縁層が、前記信号伝達配線と前記ビームの上部電極及び前記信号入力端子との接続用のコンタクトホールを有する第1の絶縁膜と、該第1の絶縁膜より膜厚の大きい第2の絶縁膜から成る
ことを特徴とする請求項1記載のMEMSデバイス。 - 基板上の所要の領域上の選択的に信号伝達配線を形成する工程と、
前記基板上の他の所要領域にMEMS素子を形成する工程と、
前記信号伝達配線上に形成された第1の絶縁膜上のシールメタル層が形成される領域に該第1の絶縁膜より厚い膜厚の第2の絶縁膜を形成し、第1及び第2の絶縁膜で層間絶縁層を形成する工程と、
前記層間絶縁層上にシールメタル層を形成し、シールメタル層を介して前記MEMS素子を隔離するための保護カバーを接合する工程を有する
ことを特徴とするMEMSデバイスの製造方法。 - 前記信号伝達配線上の第1の絶縁膜上に、複数配列された隣合う信号伝達配線間を埋め込み、且つ表面が平坦化されるように、高密度プラズマCVD法による前記第2の絶縁膜を形成する
ことを特徴とする請求項3記載のMEMSデバイスの製造方法。 - 基板上に電気信号により駆動制御されるビームが配置された光学MEMS素子を有し、
前記光学MEMS素子を隔離する保護カバーが配置され、
前記保護カバー内の前記光学MEMS素子のビームと、前記保護カバー外の信号入力端子とを接続する信号伝達配線が形成され、
前記保護カバーの接着用のシールメタル層と前記信号伝達配線との間に層間絶縁層が形成され、
前記層間絶縁層が、前記シールメタル層と信号伝達配線間の寄生容量を前記光学MEMS素子の駆動時の静電容量以下にする膜厚を有して形成されて成る
ことを特徴とする光学MEMSデバイス。 - 前記層間絶縁層が、前記信号伝達配線と前記ビームの上部電極及び前記信号入力端子との接続用のコンタクトホールを有する第1の絶縁膜と、該第1の絶縁膜より膜厚の大きい第2の絶縁膜から成る
ことを特徴とする請求項5記載の光学MEMSデバイス。 - 基板上に電気信号により駆動制御されるビームが配置された光学MEMS素子を有し、
前記光学MEMS素子を隔離する保護カバーが配置され、
前記保護カバー内の前記光学MEMS素子のビームと、前記保護カバー外の信号入力端子とを接続する信号伝達配線が形成され、
前記保護カバーの接着用のシールメタル層と前記信号伝達配線との間に層間絶縁層が形成され、
前記層間絶縁層が、前記シールメタル層と信号伝達配線間の寄生容量を前記光学MEMS素子の駆動時の静電容量以下にする膜厚を有して形成されて成る
ことを特徴とする光変調デバイス。 - 前記層間絶縁層が、前記信号伝達配線と前記ビームの上部電極及び前記信号入力端子との接続用のコンタクトホールを有する第1の絶縁膜と、該第1の絶縁膜より膜厚の大きい第2の絶縁膜から成る
ことを特徴とする請求項7記載の光変調デバイス。 - 基板上に電気信号により駆動制御される固定ビームと駆動ビームが交互に配置されたGLV素子を有し、
前記GLV素子を隔離する保護カバーが配置され、
前記保護カバー内の前記GLV素子のビームと、前記保護カバー外の信号入力端子とを接続する信号伝達配線が形成され、
前記保護カバーの接着用のシールメタル層と前記信号伝達配線との間に層間絶縁層が形成され、
前記層間絶縁層が、前記シールメタル層と信号伝達配線間の寄生容量を前記光学MEMS素子の駆動時の静電容量以下にする膜厚を有して形成されて成る
ことを特徴とするGLVデバイス。 - 前記層間絶縁層が、前記信号伝達配線と前記ビームの上部電極及び前記信号入力端子との接続用のコンタクトホールを有する第1の絶縁膜と、該第1の絶縁膜より膜厚の大きい第2の絶縁膜から成る
ことを特徴とする請求項9記載のGLVデバイス。 - レーザ光源と、該レーザ光源から出射されたレーザ光の光軸上に配置され、レーザ光の光強度を変調するGLVデバイスとを有するレーザディスプレイであって、
前記GLVデバイスが、
基板上に電気信号により駆動制御される固定ビームと駆動ビームが交互に配置されたGLV素子を有し、
前記GLV素子を隔離する保護カバーが配置され、
前記保護カバー内の前記GLV素子のビームと、前記保護カバー外の信号入力端子とを接続する信号伝達配線が形成され、
前記保護カバーの接着用のシールメタル層と前記信号伝達配線との間に層間絶縁層が形成され、
前記層間絶縁層が、前記シールメタル層と信号伝達配線間の寄生容量を前記GLV素子の駆動時の静電容量以下にする膜厚を有して形成されて成る
ことを特徴とするレーザディスプレイ。
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