JP3787879B2

JP3787879B2 - 空間光変調器の製造方法

Info

Publication number: JP3787879B2
Application number: JP04360396A
Authority: JP
Inventors: 真一四谷
Original assignee: Seiko Epson Corp
Current assignee: Seiko Epson Corp
Priority date: 1996-02-29
Filing date: 1996-02-29
Publication date: 2006-06-21
Anticipated expiration: 2016-02-29
Also published as: JPH09236762A

Description

【０００１】
【発明の属する技術分野】
本発明は、微小ミラーを備えた空間光変調器及びその製造方法、並びにその空間光変調器を用いた電子機器に関する。
【０００２】
【従来の技術】
従来の空間光変調器は、特開平４−２３０７２２、５−１８８３０８、５−１９６８８０号公報等に開示されており、これらの改良構造が日経マイクロデバイス１９９４年３月号にＤＭＤ（ＤｉｇｉｔａｌＭｉｃｒｏｍｉｒｒｏｒＤｅｖｉｃｅ）として開示されている。
【０００３】
この従来の空間光変調器は、図４に示すように、Ｓｉ基板内に配置されたＳＲＡＭ上に上層８００、中間層８１０、及び下層８３０からなる３層構造を有している。
【０００４】
上層８００は、ミラー８０２と、その中心部下面から連結されたミラー保持ポスト８０４を有する。このミラー８０２の製造プロセス上、ミラー保持ポスト８０４と対向する位置には凹部８０６が形成される。中間層８１０は、ミラー保持ポスト８０４と連結されるミラー保持板８１２が、両側のヒンジ８１４により傾斜駆動可能に支持されている。このミラー保持板８１２の傾斜駆動空間を確保するために、ヒンジ８１４は、その下面にヒンジ保持ポスト８１６を有している。この中間層８１０には、さらに、ヒンジ８１４を挟んだ両側に第１・第２のアドレス電極８１８・８２０を有し、それぞれ電極保持ポスト８２６に支持されている。さらに、その外側に、第１のミラー接触電極８２２と第２のミラー接触電極８２４を有し、それぞれ電極保持ポスト８２６に支持されている。下層８３０は、第１・第２のアドレス電極８１８・８２０の電極保持ポスト８２６が連結される４つの電極８３２ａ〜８３２ｄと、第１・第２の接触電極８２２・８２４が連結される共通電極８３４を有している。
【０００５】
この空間光変調器は、ＳＲＡＭ上にレジストパターニング、アルミニウム蒸着し、アルミニウムエッチングを繰り返すことにより、３層構造を作り上げ、最後にドライエッチング技術によりレジストを剥離し、図４の様に駆動可能な素子として完成される。
【０００６】
【発明が解決しようとする課題】
しかし、上記の従来技術においては、レジストの剥離残りが存在すると、それが可動部の動きを妨げ、空間光変調器としての機能を果たさなくなる。このため、このような空間光変調器の製造は、ＳＲＡＭだけの歩留まりに、空間光変調器だけの歩留まりが累積されるので、非常に歩留まりが悪いという課題があった。
【０００７】
また、ミラー８０２の製造プロセス上、ミラー保持ポスト８０４と対向する位置には凹部８０６が形成されるため、開口率も低くなる等、画質についても課題があった。
【０００８】
一方、ＰＲＯＣＥＥＤＩＮＧＯＦＴＨＥＩＥＥＥ，ＶＯＬ．７０，Ｎｏ．５，ＭＡＹ１９８２に掲載されているＰＥＴＥＲＳＥＮの論文”ＳｉｌｉｃｏｎａｓａＭｅｃｈａｎｉｃａｌＭａｔｅｒｉａｌ”の４４２ページ及び４４８ベージの図３９、図４０、図４１に示すような構造の空間光変調器は、Ｓｉ基板にミラー形状をフォトリソ工程及び結晶異方性エッチングにより形成し、一方Ｓｉと陽極接合可能なガラス基板にギャップをフォトリソ工程及び、ガラス湿式エッチング工程により形成した後、電極金属膜をスパッタリング法により成膜後、フォトリソ工程により電極を形成する。その後、このＳｉミラーと、電極を形成したガラスは陽極接合法により接合され、所定の配線を行って製造を終える。
【０００９】
すなわち、工程が半導体製造技術でよく用いられるフォトリソ工程及びエッチング工程とＳｉマイクロマシニングでよく用いられる陽極接合工程で構成されており、技術的に困難な工程がないため、非常に歩留まりはよくなる。
【００１０】
しかし、Ｓｉ基板が切断・両面研磨により製造されているため、その厚みが最低２００ミクロン程度までしか薄くできない。もし、これ以上薄くしようとするとＳｉウェハーが研磨中に割れてしまうからである。
【００１１】
従って、画素の微小ミラーも厚く、重くなり、慣性モーメントが大きくなって高速応答、高解像度表示が出来ないという課題があった。
【００１２】
そこで、われわれは、このＳｉでできた空間光変調器の構成素子である微小ミラーの厚さを薄くして重さを小さくする方法を開発した。すなわち、Ｓｉに不純物を注入し、Ｓｉエッチングを行うと不純物拡散層でエッチストップする現象を応用し、Ｓｉエッチングにより、拡散条件により厚さ０．５〜５ミクロンの微小ミラーを作製することに成功した。そして、画素１個の１辺当たりの大きさが１５ミクロンの微小ミラーが完成し、１５マイクロ秒で動作出来る事を確認した。
【００１３】
しかし、プロセスの性格上、ガラス基板上に空間光変調器素子の微小ミラーを配列するために、駆動用のＳｉ回路と空間光変調器素子とを結ぶ配線が離れており、階調表示や動画を表示するためには特開平７−１３１６４８号公報に示される様にパルス幅を変調する事が必要になり、信号とその信号を所定時間保持するＳＲＡＭが必要になるため非常に配線が複雑になり実現が難しくなるという課題も抱えている。
【００１４】
そこで、本発明の目的は、歩留まりが良く、動画階調表示が簡単な空間光変調器の構造とその製造方法、並びにその空間光変調器を用いた電子機器を提供することにある。
【００１５】
【課題を解決するための手段】
本発明の方法は、ガラス基板に有した立ち上げ部の先端にＳｉで形成されたトーションバーが接続されており、このトーションバーを介してＳｉで形成された微小ミラーが接続されている。この構成の微小ミラーの直下に所定の間隔を隔てて微小ミラーを駆動するための回路素子を備えたＳｉ基板が存在し、微小ミラーの真下のＳｉ基板の表面には２つ１組の駆動電極が存在する。この駆動電極の直下のＳｉ基板内に駆動回路と信号保持するための情報を保存するＳＲＡＭが形成されている。Ｓｉ基板は前記ガラス基板と接合されて、前記ガラス基板とＳｉ基板は不純物を拡散したＳｉによって接合され、電気的に接続がなされている。この構成の空間光変調器を製造する事によって上記目的を達成できる。
【００１６】
すなわち、微小ミラー群の製造とＳｉ駆動回路素子の製造を別々に行なう事が出来るため、歩留りが良く、また、ガラス基板側とＳｉ駆動回路素子の製造ごとに別々に異物検査を行う事が出来るので品質管理も簡単である。
【００１７】
具体的な製造方法は、微小ミラーが完成した後、微小ミラーを駆動するための回路素子を備えたＳｉ基板と前記ガラス基板を接合し、ガラス基板のガラス基板支持部が不純物をドープしたＳｉとＳｉ基板の回路とを接合し、電気的に接続し、動画階調表示制御が容易な空間光変調器が得られる。
【００１８】
この回路素子を備えたＳｉ基板と微小ミラーを有した前記ガラス基板を別々に製造し、品質管理を行なった後、接合する事により非常に高歩留りの空間光変調器を作製できる。
【００１９】
また、階調表示をするためのパルス幅を変調する制御回路と、その信号と、その信号を所定時間保持するＳＲＡＭが直上に存在するため、非常に配線が簡略化され配線が容易となる。これにより、動画及び階調表示が容易な空間光変調器が容易に製造できる事となる。
【００２０】
【発明の実施の形態】
本発明の空間光変調器とその製造方法の実施例について、図面を参照して説明する。
【００２１】
図１は本発明の空間光変調器の一実施例の構造図である。同図において、ＳＲＡＭを有した駆動回路をＳｉ基板１０に作製した。このＳｉ基板１０の直上に光反射膜３３を付与された微小ミラー３０が、所定の間隔を介して、ガラス基板４０の下に作製されている。ガラス基板４０は、光反射膜３３を付与された微小ミラー３０と対向している。
【００２２】
微小ミラー３０の真下のＳｉ基板１０の表面には、２つ１組の駆動電極１１が存在する。この駆動電極１１の直下のＳｉ基板１０内に、駆動回路と信号保持するための情報を保存するＳＲＡＭが形成されている。駆動回路を有したＳｉ基板１０の表面の周囲には、外部からの画像信号を受けるための端子部１２が存在し、ガラス基板４０の外に露出している。
【００２３】
ガラス基板４０には、Ｓｉ基板で形成されたガラス基板支持部２１が外周部に存在しており、この部分で微小ミラー３０とＳｉ基板１０と接合されている。また、この部分は微小ミラー３０とＳｉ基板１０の電極とのギャップ間隔を決定する重要な部分でもある。つまり、微小ミラー３０に掛かる駆動トルク及び偏光角はこのガラス基板支持部２１の厚さによって調節される。
【００２４】
微小ミラー３０は、ガラス基板４０の隣合う２個の立ち上げ部３１にトーションバー３２を介して接続されている。立ち上げ部３１は、ガラス基板４０のエッチングにより形成されている。
【００２５】
微小ミラー３０の表面には、光反射膜３３が成膜されている。具体的な光反射膜としては、可視光域波長の光において反射率の高いＡｌ及びＡｇが適している。個々の微小ミラー３０は、非常に電気電導性のよい不純物を拡散させたＳｉで形成され連通しており、ガラス基板支持部２１を経由して、Ｓｉ駆動回路の所定部分に連結されている。
【００２６】
こうして、Ｓｉ駆動回路に信号を与えると、駆動電極１１と微小ミラー３０間に電界が生じて、微小ミラー３０を傾けさせる事が出来る。
【００２７】
この変位は、斜め右上から入射した光を、図２（ａ）のごとく、斜め右上に跳ね返す場合と、図２（ｂ）のごとく、斜め左下に跳ね返す場合の２通りの反射が出来る。図２（ａ）の場合は、駆動電極１１と微小ミラー３０の間に電圧を印加することにより、また、図２（ｂ）の場合は、図２（ａ）で説明した駆動電極１１と反対側に存在する駆動電極１１と微小ミラー３０の間に電圧を印加することにより実現される。この反射のうち、図２の（ｂ）の場合に、光路の先に投影レンズを設けることによってプロジェクターを作る事が出来る。
【００２８】
以上、本発明の空間光変調器の構造について説明したが、次に、本発明の空間光変調器の製造方法について説明する。
【００２９】
図３は、本発明の空間光変調器の製造方法を示す一実施例の断面図である。この図に従って、製造方法を説明する。
【００３０】
まず、ホウケイ酸を主成分とするガラス基板４０に、フォトリソ工程によってレジストパターニング及びガラスのウェットエッチングを行うことにより、（ａ）のごとく立ち上げ部３１を形成する。この時のエッチング深さは、微小ミラー３０の偏光角を規制してはならないので、ギャップ厚みより高くする必要がある。
【００３１】
ここで、偏光角は
偏光角＝ＡＳＮ（２×ギャップ厚み／微小ミラー１辺の長さ）・・・式１
で計算できる事から、ギャップ厚みは
ギャップ厚み＝微小ミラー１辺の長さ×ＳＩＮ（偏光角）／２・・・式２
であり、立ち上げ部３１はこれより高くする必要がある。
【００３２】
今回試作した空間光変調器の寸法は
微小ミラー１辺の長さ；１６ミクロン
微小ミラー厚み；１ミクロン
偏光角；１０（ｄｅｇ．）
であり、式２より、ギャップ厚みは１．４ミクロンとなる。そこで立ち上げ部３１の高さは２ミクロンとした。この立ち上げ部３１の高さはエッチング時間で調節した。
【００３３】
次に、微小ミラー３０及びトーションバー３２及びガラス支持部２１を形成するためのＳｉ基板２０に不純物をドープする。
【００３４】
この不純物は、Ｓｉのアルカリ水溶液エッチングにおいて、エッチストップ効果が得られ、非常に薄く正確な板厚を必要とする微小ミラーの作製において必要な技術である。この不純物の拡散深さが、微小ミラー３０の厚みを決定する重要な因子となる。具体的には不純物はホウ素であり、その化合物であるＢ₂ Ｏ₃ を有機溶剤中に混ぜた物をボロンドープ材として使用する。例えば、東京応化（株）のＰＢＦを用いる事が出来る。この時、ボロンドープ材の膜厚はＳｉ基板２０のスピン回転条件及びボロンドープ材の粘土に依存して調整出来る。
【００３５】
本実施例では、ボロンドープ材の粘土を５０〜１００ｃｐとし、スピン回転条件を変化させる事で、ボロンドープ材の膜厚を０．５〜５．０ミクロンの範囲で変化させる事が出来た。
【００３６】
このボロンドープ剤のスピンコ−ティング後に、加熱炉にて１００〜１８０℃で２０〜４０分間加熱し、ボロンドープ材中の溶剤を蒸発させると良い。本実施例では、１４０℃にて３０分間加熱を行った。さらに、４００〜８００℃の酸素雰囲気炉で１〜２時間焼成し、バインダーを除去する。本実施例では、６００℃で１時間の焼成を行った。その後の熱拡散工程は、窒素雰囲気中で８００〜１２００℃で４時間から１０時間かけて熱拡散が行われる。本実施例では１１００℃にて５時間熱拡散工程を実施した。
【００３７】
この結果、図３の（ｂ）に示すようにボロンドープ材のボロンがシリコン基板２０の内部に熱拡散され、１ミクロンのボロンドープ層２９が形成できた。
【００３８】
この熱拡散工程での温度及び処理時間を変化させる事により、ボロンドープ層２９の厚さを変化させる事が出来る。
【００３９】
本実施例では不純物元素は具体的にホウ素を取り上げて説明したが、後のエッチングによるＳｉウェハーのエッチングにおいて、エッチストップ効果が得られる不純物なら何でも良い。特に、代表的なものとしてホウ素が挙げられるが、それ以外には砒素・リン等が挙げられる。
【００４０】
さらに、Ｓｉ基板２０に熱酸化工程により０．２ミクロンの酸化膜２８を形成し、ガラス支持部２１を形成すべき所定の場所をフォトリソ工程及び酸化膜エッチング工程により、ガラス支持部パターン２７としてパターニングする（図３（ｃ））。
【００４１】
次に、もう一度ボロンドープを行い、ガラス支持部パターン２７のみ、さらに深くボロンを拡散させる（図３（ｄ））。このとき、酸化膜２８は拡散物の遮断膜の役目をはたしており、酸化膜２８の存在するところはその上に拡散物が存在していても拡散は起こらない。そのために、酸化膜２８をマスク材としてボロンの選択的なドープが可能になる。この時ガラス支持部ドープ層２６とボロンドープ層２９の間には、
ギャップ厚み＝（ガラス支持部ドープ層２６）−（ボロンドープ層２９）
の関係がありギャップ厚みが１．４ミクロン必要ならば、ガラス支持部ドープ層２６の拡散厚みは上記式より２．４ミクロン必要である。
【００４２】
このガラス支持部のドープの後、酸化膜２８をふっ酸により除去し、ボロンドープ面に光反射率向上の観点から光反射膜３３を成膜する。具体的にはＡｌを蒸着法により成膜した（図３（ｅ））。
【００４３】
次に、図３（ａ）の工程で作製したガラス基板４０のエッチング面とＳｉ基板２０を陽極接合法により接合する。陽極接合法とは、１５０〜４００℃の範囲で加熱して、Ｓｉ基板２０にプラス極を、ガラス基板４０にマイナス極を取付け、１００〜１０００Ｖの電圧を印加すると接着剤なしで接合できる方法である。この他にも接合できる部材としてＡｌ、Ｍｏ、Ｎｉ、Ｃｒ等の金属とホウケイ酸を主成分とするガラス基板の接合が出来る。そのため、光反射膜のＡｌをＳｉ基板２０とガラス基板４０の間に挟んでも接合ができるのである。具体的な接合条件として、２５０℃に加熱したホットプレート上で電圧を５００Ｖ印加し接合を行った（図３（ｆ））。
【００４４】
次に、Ｓｉ基板２０とガラス基板４０の接合体を、８０℃に加熱したＫＯＨ水溶液に浸漬しＳｉをエッチングし、ガラス支持部２１及び微小ミラー３０及びトーションバー３２となるべきＳｉ薄膜部２５を形成した（図３（ｇ））。
【００４５】
その後、ダイシング装置により、Ｓｉ基板２０とガラス基板４０の接合体を所定の大きさに切断した。さらに、Ｓｉ基板２０とガラス基板４０の接合体のＳｉ薄膜２５に、微小ミラー３０及びトーションバー３２を形成するためにレジストパターニングし、ドライエッチングによりエッチングした後、乾式レジスト剥離を行った（図３（ｈ））。この工程は、乾式エッチング工程及び乾式レジスト剥離工程にすることにより、レジストの剥離かすの付着やオーバーハング部のレジスト残り、乾燥じみ等のウェットの課題を避けるためである。
【００４６】
さらに、空間光変調器の駆動回路を備えたＳｉ基板１０とＳｉ基板２０とガラス基板４０の接合体を陽極接合して、図３（ｉ）の構造を得る。この時、ガラス基板支持部２１とＳｉ駆動回路の所定部分が連結される様に正確に位置決めされてから接合する。
【００４７】
この時の接合法は、駆動回路のパッド部にＡｕめっきを施し、ＡｕとＳｉが３２０℃前後で共晶を起こし接合される事を利用して接合した。この方法を利用する事により、接着剤等の塗布むらによるギャップ寸法の狂いもなく高いギャップ精度が得られる。また、スピンコートを利用して部分的に均一な膜厚で塗布できる導電性接着材を利用しても良い。
【００４８】
これを、図３（ｉ）の一点鎖線の部分でダイシング切断することにより、個々の空間光変調器素子に分割される。
【００４９】
最後に、駆動回路を備えたＳｉ基板１０の端子部１２に所定の配線を行って空間光変調器の製造は終了する。
【００５０】
以上、製造方法の実施例として、微小ミラーはＳｉで作成する場合を用いて説明した。しかし、微小ミラーはＳｉだけで製造されるのではなく特開平４−３０７２２号公報に示されるように、金属膜の蒸着及びエッチングとレジストパターニングを併用して製造しても良い。
【００５１】
具体的には、まず、ガラス基板の所定の位置に微小ミラー及びトーションバーを支持するための立ち上げ部をレジストパターニングする。そして、そのガラス基板に金属膜を堆積し、微小ミラー、トーションバー及びガラス基板支持部のパターニング及び金属膜エッチングを行い、微小ミラー・トーションバー及びガラス基板支持部を形成する。次に、そのガラス基板のレジストパターンで、ガラス基板支持部のみのレジストをフォトリソグラフィにより除去し、ガラス基板に金属膜を所定膜厚堆積する。そのガラス基板にガラス基板支持部をパターニングおよび金属膜エッチングを行いガラス基板支持部を形成する。
【００５２】
さらに、そのガラス基板の所定部を切断し、レジスト剥離を行い、微小ミラーを駆動するための回路素子を備えたＳｉ基板と前記ガラス基板の所定部分を接合し、前記回路素子を備えたＳｉ基板に所定の配線を行って製造できる。
【００５３】
【発明の効果】
以上のようにして作製された空間光変調器は、歩留まりも非常によく、これを組み込んだプロジェクターは、動画も鮮やかに再生され、良好な動画階調表示が実現できた。
【００５４】
また、本発明の製造方法の特徴として、制御回路と作像部を完全に分離して製造できる事もあげられる。このため、莫大な製造設備が必要な制御回路を有したＳｉウェハーの製造を外部企業に依頼して作製する事ができ、製造設備にかかるコストを大幅に抑える事が出来るという効果を有する。
【図面の簡単な説明】
【図１】本発明の一実施例の空間光変調器の構造を示す分解斜視図である。
【図２】本発明の一実施例の空間光変調器の微小ミラーの動きを説明する図である。
【図３】本発明の一実施例の空間光変調器の製造方法を示す製造工程説明図である。
【図４】従来の空間光変調器の構造を示す製造工程説明図である。
【符号の説明】
１０駆動回路を形成したＳｉ基板
１１駆動電極
１２端子部
２０Ｓｉ基板
２１ガラス基板支持部
２５薄膜シリコン基板
２６ガラス支持部ドープ層
２７ガラス支持部パターン
２８シリコン酸化膜
２９ボロンドープ層
３０微小ミラー
３１立ち上げ部
３２トーションバー
３３光反射膜
４０ガラス基板

Claims

（ａ）ガラス基板の所定の位置に微小ミラー、トーションバー及び該ガラス基板を支持するための立ち上げ部を形成し、
（ｂ）Ｓｉ基板の片面に不純物を所定深さまで拡散させ、
（ｃ）前記Ｓｉ基板の所定部分にのみ不純物をさらに規定深さまで拡散させ、
（ｄ）前記Ｓｉ基板の不純物拡散面に光反射膜を堆積させ、
（ｅ）前記Ｓｉ基板の不純物拡散面と前記ガラス基板の立ち上げ部形成面を陽極接合法により接合し、
（ｆ）接合したＳｉ−ガラス接合基板を湿式エッチングによりエッチングを行い、前記Ｓｉ基板を薄板化し、
（ｇ）前記Ｓｉ−ガラス接合基板の所定部を切断し、
（ｈ）前記Ｓｉ−ガラス接合基板のＳｉ基板面に微小ミラー及びトーションバーを形成するためのパターニングを行い、乾式エッチング法により形成後、レジスト剥離を行い、
（ｉ）微小ミラーを駆動するための回路素子を備えたＳｉ基板と前記Ｓｉ−ガラス接合基板の所定部分を接合し、前記回路素子を備えたＳｉ基板に所定の配線を行うことを特徴とする空間光変調器の製造方法。
前記微小ミラーを駆動するための回路素子を備えたＳｉ基板と前記Ｓｉ−ガラス接合基板の所定部分を接合する方法が、共晶接合法であることを特徴とする請求項１記載の空間光変調器の製造方法。
前記微小ミラーを駆動するための回路素子を備えたＳｉ基板と前記Ｓｉ−ガラス接合基板の所定部分を接合する方法が、導電性接着法であることを特徴とする請求項１記載の空間光変調器の製造方法。
前記微小ミラーを形成するためにＳｉ基板中に拡散された不純物元素が、ホウ素であることを特徴とする請求項１ないし３のいずれかに記載の空間光変調器の製造方法。