JP3852306B2 - Ｍｅｍｓ素子の製造方法、ｇｌｖデバイスの製造方法、及びレーザディスプレイの製造方法 - Google Patents
Ｍｅｍｓ素子の製造方法、ｇｌｖデバイスの製造方法、及びレーザディスプレイの製造方法 Download PDFInfo
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Description
【０００１】
【発明の属する技術分野】
本発明は、ＭＥＭＳ素子の製造方法、ＧＬＶデバイスの製造方法、及びレーザディスプレイの製造方法に関する。
【０００２】
【従来の技術】
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 System、超小型電気的・機械的複合体）素子（以下、ＭＥＭＳ素子と言う）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、駆動体の駆動を制御する半導体集積回路等とを電気的に、更には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、駆動体の駆動出力は、電極間のクーロン引力などを応用して電気的に行われることが一般的である。
【０００３】
ＭＥＭＳ素子の一例として、ＳＬＭ（シリコンライトマシーン）社がレーザー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）デバイスで使用されている光変調素子を例に挙げ、その構造を説明する。
先ず、図５を参照して、ＭＥＭＳ素子によって構成されるＧＬＶデバイスの構造を説明する。図５はＧＬＶデバイスの構成を示す斜視図である。
ＧＬＶデバイス１０は、図５に示すように、複数個のＭＥＭＳ素子１２を共通基板上に相互に並列で密に配置させたデバイスである。
ＧＬＶデバイスを構成するＭＥＭＳ素子１２は、上面に光反射面１４を有する静電駆動型メンブレン１６を備えた、ＭＯＥＭＳ（Micro Optical Electro-Mechanical Systems）と称されているＭＥＭＳ素子であって、メンブレン１６が静電引力、或いは静電反発力によって機械的に動いて、光反射面１４と基板１８との距離を調整し、反射する反射光の光強度を変調させる機能を有する。
【０００４】
次に、図６を参照して、ＭＯＥＭＳ１２の構成を説明する。図６はＭＯＥＭＳの構成を示す斜視図である。
ＭＯＥＭＳ１２は、図６に示すように、ガラス基板等の絶縁性基板１８と、Ｃｒ薄膜等で絶縁性基板１８上に形成されている基板側電極２０と、基板側電極２０に交差してブリッジ状に跨ぐ静電駆動型メンブレン１６とを備えている。
静電駆動型メンブレン１６と基板側電極２０とは、その間の空隙部２２によって電気的に絶縁されている。
【０００５】
静電駆動型メンブレン１６は、基板側電極２０をブリッジ状に跨いで基板１８上に立脚し、電極支持部材として設けられたＳｉＮ膜からなるブリッジ部材２４と、基板側電極２０に対向して相互に平行にブリッジ部材２４上に、膜厚１００ｎｍ程度のＡｌ膜からなる光反射膜兼メンブレン側電極１４とから構成されている。
ブリッジ部材２４は、空隙部２２を確保するように、基板側電極２０に対向して所定間隔だけ離間し、かつ基板側電極２０に対して相互に平行に光反射膜兼メンブレン側電極１４を支持するために設けられている。
ＧＬＶデバイス１０では、絶縁性基板１８及びその上の基板側電極２０は、図５に示すように、各ＭＯＥＭＳ１２の共通基板及び共通電極となっている。
【０００６】
ブリッジ部材２４と、その上に設けられた光反射膜兼メンブレン側電極１４からなる静電駆動型メンブレン１６は、リボンと通称されている部位である。ブリッジ部材２４は、基板側電極２０に対して平行に延在する梁部の両端を２本の柱部で支持する、図６に示したブリッジ状のものに代えて、柱部が１本で、梁部の一方の端部のみを支持する片持ち梁式、即ちカンチレバー式のものもある。
【０００７】
光反射膜兼メンブレン側電極１４として使用したアルミニウム膜（Ａｌ膜）は、（１）比較的容易に成膜で出来る金属膜であること、（２）可視光領域での光反射率の波長分散が小さいこと、（３）Ａｌ膜表面に生成したアルミナ自然酸化膜が保護膜となって反射面を保護すること等の理由から、光学部品材料として好ましい金属膜である。
また、ブリッジ部材２４を構成するＳｉＮ膜（窒化シリコン膜）は、その強度、弾性定数などの物性値が、ブリッジ部材２４の機械的駆動に対して適切であるとして選定されている。
【０００８】
基板側電極２０と、基板側電極２０に対向する光反射膜兼メンブレン側電極１４との間に微小電圧を印加すると、静電現象によって静電駆動型メンブレン１６が基板側電極２０に向かって接近し、また、電圧の印加を停止すると、離間して元の状態に戻る。
ＧＬＶデバイス１０を構成するＭＯＥＭＳ１２は、基板側電極２０に対する静電駆動型メンブレン１６の接近、離間の動作により、光反射膜兼メンブレン側電極１４の傾きを変えて、反射する光の強度を変調し、光変調素子として機能する。
静電引力及び静電反発力を利用して駆動するメンブレン１６の力学的特性は、ＣＶＤ法等で成膜されるＳｉＮ膜の物性によってほぼ決定され、Ａｌ膜は反射ミラーとしての役割が主である。
【０００９】
メンブレン１６が駆動体として機能するために必要な中空構造は、ブリッジ部材２４を構成するＳｉＮ膜と下部の基板側電極２０の間に、最終的には除去される犠牲層を形成しておき、メンブレン１６を形成した後、犠牲層だけを選択的に除去することにより、形成される。
次に、図７を参照して、ＭＯＥＭＳ１２の作製方法を説明する。図７（ａ）から（ｅ）は、それぞれ、ＭＯＥＭＳ１２を作製する際の工程毎の図６の線Ｉ−Ｉでの断面図である。
図７（ａ）に示すように、基板１８上にＷ（タングステン）膜等の金属膜を成膜し、パターニングして基板側電極２０を形成する。
次いで、図７（ｂ）に示すように、基板１８全面にアモルファスシリコン膜又はポリシリコン膜を成膜し、パターニングして基板側電極２０上に犠牲層２６を形成する。
犠牲層２６は、次のブリッジ部材２０を形成するための支持層として機能し、後述のように、最終的には除去される。そのため、犠牲層２６は、基板側電極２０及びブリッジ電極部１６を構成する酸化膜、窒化膜、及び金属膜に対して大きなエッチング選択比を有するアモルファスシリコン膜、ポリシリコン膜等で形成されている。
【００１０】
続いて、基板１８全面にＳｉＮ膜を成膜し、パターニングして、図７（ｃ）に示すように、犠牲層２６に接して、かつ犠牲層２６上を跨ぎ、基板１８上に立脚するブリッジ部材２４を形成する。
次いで、図７（ｄ）に示すように、ブリッジ部材２４の基板側電極対向部２４ａ上を含めて基板１８全面にＡｌ膜からなるメンブレン側電極膜を成膜し、パターニングしてブリッジ部材２４の基板側電極対向部２４ａ上にメンブレン側電極１４を形成する。
次に、アモルファスシリコン膜又はポリシリコン膜からなる犠牲層２６をＸｅＦ2ガスを用いたドライエッチング法により除去して、図７（ｅ）に示すように、ＭＯＥＭＳ１２を形成する。
【００１１】
以上のように、ＭＥＭＳ素子の作製では、シリコン基板上に薄膜構造を形成する半導体集積回路の製作プロセスを基盤とした表面マイクロマシンニング技術を適用して、シリコン基板、或いはガラス基板上に微細構造体を形成している。
そして、梁等の弾性を応用した、上述のような微細構造体を形成するためには、梁下の空隙層を形成することが必要であるから、上述のように、予め犠牲層を設け、犠牲層上に梁部を構成する別の層を成膜し、次いで犠牲層をエッチングして除去することにより、空隙層を設け、梁部を形成している。
【００１２】
【発明が解決しようとする課題】
ところで、上述のＭＯＥＭＳの作製方法によれば、ポリシリコン、アモルファスシリコン等のシリコンからなる犠牲層２６を除去する際、シリコンとシリコン以外の材料との間に大きなエッチング速度比を示すＸｅＦ2ガスをエッチングガスとして用いている。
また、ＳＦ6、ＮＦ3などを反応ガスとしたプラズマエッチング法によってもシリコンからなる犠牲層をエッチングして除去することができる。
ＸｅＦ2によるエッチング法、及びＳＦ6、ＮＦ3などを反応ガスとしたプラズマエッチング法は、メンブレンを構成するＳｉＮと犠牲層を構成するシリコンとのエッチング選択比が１００以上であって、単体のＭＯＥＭＳを作製する際には、特にＳｉＮ膜を損傷することなく、シリコンからなる犠牲層を除去することができる。
【００１３】
しかし、図８（ａ）に示すように、多数個のＭＯＥＭＳ１２を密に並列配置した前述のＧＬＶデバイス１０のようなデバイスを作製する際には、メンブレン１６同士の間隙からエッチングガスを侵入させて犠牲層２６をエッチング除去しようとすると、図８（ｂ）に示すように、エッチング速度、即ちエッチングの進行が、メンブレン１６の下と、メンブレン１６同士の間で不均一になって、犠牲層２６を一様にエッチングすることができない。図８（ｂ）に示すように、特に、メンブレン１６の直下のエッチングが遅れる。図８（ａ）及び（ｂ）は、それぞれ、各ＭＯＥＭＳ１２の配置を示す平面図及び図８（ａ）の線II−IIでのＭＯＥＭＳ１２の断面図である。
そして、エッチング速度の遅い領域の犠牲層２６を完全にエッチングして除去しようとすると、エッチング速度の速い領域で露出したＳｉＮ膜を損傷し、その結果、メンブレンの膜厚に分布が生じる。
【００１４】
メンブレンの膜厚に分布が生じると、中空構造を完成した後のメンブレンの平滑度が悪くなり、光反射率が低下して、ＭＯＥＭＳの光利用効率が悪くなる。更には、メンブレンの静電駆動による動きがばらつき、所定の光変調特性を示すことができなくなる。
また、メンブレンの機械的強度がばらつき、ＭＯＥＭＳの寿命、従ってＧＬＶデバイスの寿命が短くなる。
そこで、犠牲層のエッチング除去に際して、損傷を受けないような構成のメンブレンを備えたＭＥＭＳ素子の開発が望まれていた。
【００１５】
本発明の目的は、犠牲層としてポリシリコン、アモルファスシリコン等のシリコンを使用する際、犠牲層のエッチング除去に当たり、損傷を受けないような構成のメンブレンを有するＭＥＭＳ素子、そのようなＭＥＭＳ素子からなるＧＬＶデバイス、及びそのようなＧＬＶデバイスを有するレーザディスプレイを提供することである。
【００１６】
【課題を解決するための手段】
本発明者は、ＸｅＦ2ガス等を使ったドライエッチングでは、シリコン膜とＳｉＮ膜との間には、１００以上のエッチング選択比があって、十分に大きいと考えていたが、前述のように、エッチング選択比が小さいために、ＳｉＮ膜が損傷することが判った。そこで、シリコンからなる犠牲層をエッチング除去する際に、損傷を受けないようなメンブレンにするには、シリコンに対してエッチング選択比の高い材料でメンブレンを形成することが必要であると考えた。
【００１７】
そして、本発明者は、種々の材料を試した結果、ＣＶＤ法又はＰＶＤ法で成膜した酸化シリコン（ＳｉＯ2）、及びシリコン膜を熱酸化して生成したＳｉＯ2膜が極めて高いエッチング選択比をポリシリコン、又はアモルファスシリコンに対して示すことを見い出した。本発明者の実験によれば、エッチングガスとしてＸｅＦ2ガスを使用したとき、Ｓｉ、ＳｉＮ、及びＳｉＯ2は、１０００：１：０．１のエッチングレートでエッチングされることが判った。また、ＳｉＯ2膜以外に、酸化チタン（ＴｉＯ2）膜、酸化ジルコニウム（ＺｒＯ2）膜等の金属酸化膜も、ＳｉＯ2膜と同様の効果を有することが判った。
【００１８】
従来からメンブレンを構成しているＳｉＮ膜は、強度、弾性定数などの物性値がブリッジ部材の機械的駆動に対して適切であるとして選定されている以上、メンブレンをＳｉＮ膜とＳｉＯ2膜との積層構造で構成することを着想し、実験の結果、エッチング選択比が所望通り高く、しかも駆動体として適切な強度、弾性定数を示すことを確認し、本発明を発明するに到った。
【００１９】
上記目的を達成するために、本発明に係るＭＥＭＳ素子の製造方法は、絶縁性基板上に、基板側電極を形成する工程と、前記基板側電極上に、シリコンからなる犠牲層を形成する工程と、前記犠牲層を跨いで前記基板上に立脚し、かつ柱部及び梁部が、酸化シリコン（ＳｉＯ2）膜、酸化チタン（ＴｉＯ2）膜、及び酸化ジルコニウム（ＺｒＯ2）膜のいずれかとＳｉＮ膜とを有する共通の多層構造とされたブリッジ部材を形成する工程と、前記ブリッジ部材の基板側電極対向部に、メンブレン側電極を形成する工程と、ＸｅＦ 2 ガスを用いたドライエッチング法、又は、ＳＦ 6 ガス若しくはＮＦ 3 ガスを用いたプラズマエッチング法によって、前記犠牲層を除去する工程とを有することを特徴としている。
【００２０】
本発明において形成するブリッジ部材は、ＳｉＯ2膜とＳｉＮ膜との２層構造に限らず、ブリッジ部材の弾性力を制御し易くするために、メンブレン側電極を形成する金属膜とＳｉＮ膜との間に更に別の層、例えばＳｉＯ2膜を介在させた３層構造でブリッジ部材を形成してもよい。Ａｌ膜とＳｉＮ膜の間にＳｉＯ2膜を介在させることにより、ＳｉＮ膜とＡｌ膜との間の密着力を向上させ、更に界面準位の発生などの電気的な問題発生を抑制することができる。好適には、本発明に係るＭＥＭＳ素子は、メンブレン側電極が、光反射膜の機能を有する金属膜により光反射膜兼電極として形成され、ＭＥＭＳ素子が、メンブレン側電極と基板側電極との間に働く静電引力又は静電反発力により光反射膜を駆動させて、反射光の光強度を変調させる光変調素子として機能する。メンブレンの支持方法には制約は無く、ブリッジ部材が、両端支持のブリッジ状、及び一端支持のカンチレバー状のいずれかで基板上に立脚している。
【００２１】
本発明に係るＧＬＶデバイスの製造方法は、それぞれ、光変調素子として構成され、並列配置された複数個のＭＥＭＳ素子を備えるＧＬＶデバイスの製造方法であって、前記ＭＥＭＳ素子の製造を、絶縁性基板上に、基板側電極を形成する工程と、前記基板側電極上に、シリコンからなる犠牲層を形成する工程と、前記犠牲層を跨いで前記基板上に立脚し、かつ柱部及び梁部が、酸化シリコン（ＳｉＯ2）膜、酸化チタン（ＴｉＯ2）膜、及び酸化ジルコニウム（ＺｒＯ2）膜のいずれかとＳｉＮ膜とを有する共通の多層構造とされたブリッジ部材を形成する工程と、前記ブリッジ部材の基板側電極対向部に、メンブレン側電極を形成する工程と、ＸｅＦ 2 ガスを用いたドライエッチング法、又は、ＳＦ 6 ガス若しくはＮＦ 3 ガスを用いたプラズマエッチング法によって、前記犠牲層を除去する工程とによって行うことを特徴としている。
【００２２】
更に本発明に係るレーザディスプレイの製造方法は、レーザと、レーザ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の製造方法であって、前記ＧＬＶデバイスを構成する、光変調素子として並列配置された複数個のＭＥＭＳ素子の製造を、絶縁性基板上に、基板側電極を形成する工程と、前記基板側電極上に、シリコンからなる犠牲層を形成する工程と、前記犠牲層を跨いで前記基板上に立脚し、かつ柱部及び梁部が、酸化シリコン（ＳｉＯ2）膜、酸化チタン（ＴｉＯ2）膜、及び酸化ジルコニウム（ＺｒＯ2）膜のいずれかとＳｉＮ膜とを有する共通の多層構造とされたブリッジ部材を形成する工程と、前記ブリッジ部材の基板側電極対向部に、メンブレン側電極を形成する工程と、ＸｅＦ 2 ガスを用いたドライエッチング法、又は、ＳＦ 6 ガス若しくはＮＦ 3 ガスを用いたプラズマエッチング法によって、前記犠牲層を除去する工程とによって行うことを特徴としている。
【００２３】
本発明に係る製造方法によって得られるレーザディスプレイは、レーザの数には制約はなく、単色光のレーザディスプレイでも、フルカラーディスプレイでもよい。
フルカラーディスプレイでは、レーザディスプレイは、赤色レーザ、緑色レーザ、及び青色レーザと、赤色レーザ、緑色レーザ、及び青色レーザからそれぞれ出射された赤色レーザ光、緑色レーザ光、及び青色レーザ光を合成する色合成フィルタと、赤色レーザ、緑色レーザ、及び青色レーザの各々と色合成フィルタとの間の光軸上に配置され、赤色レーザ、緑色レーザ、及び青色レーザからそれぞれ出射された赤色レーザ光、緑色レーザ光、及び青色レーザ光の光強度を変調するＧＬＶデバイスとを備えている。
【００２４】
【発明の実施の形態】
以下に、添付図面を参照し、実施形態例を挙げて本発明の実施の形態を具体的かつ詳細に説明する。尚、以下の実施形態例で示す成膜方法、層の組成及び膜厚、プロセス条件等は、本発明の理解を容易にするための一つの例示であって、本発明はこの例示に限定されるものではない。
＜ＭＥＭＳ素子の製造方法の実施形態例＞
本実施形態例は、本発明に係るＭＥＭＳ素子の製造方法の実施形態の一例であって、図１は、後述する本実施形態例に係る製造方法によって得られるＭＥＭＳ素子の構成を示す断面図である。
本実施形態例に係る製造方法によって得られるＭＥＭＳ素子３０は、ＧＬＶデバイスを構成する光変調素子として構成され、メンブレン３２のブリッジ部材３４の構造が異なることを除いて、従来のＭＯＥＭＳ１２と同じ構成を備えている。空隙層２２の間隔Ｇは例えば１μｍであり、メンブレン３２の長さＬは１００μｍから３００μｍ、幅Ｗは（図６参照）２μｍから４μｍである。
【００２５】
メンブレン３２は、図１に示すように、下層に膜厚が例えば２０ｎｍのＳｉＯ2膜３６を有し、その上に膜厚が例えば１００ｎｍのＳｉＮ膜３８を積層させてなるブリッジ部材３４と、ブリッジ部材３４上に形成された、膜厚１００ｎｍのＡｌ膜からなる光反射膜兼メンブレン側電極１４とから構成されている。
ＳｉＯ2膜３６は、ポリシリコンからなる犠牲層を熱酸化して形成したＳｉＯ2膜でも、ＣＶＤ法又はＰＶＤ法により成膜したＳｉＯ2膜でも良い。
【００２６】
ＭＥＭＳ素子３０は、ＸｅＦ2ガス、ＳＦ6ガス、ＮＦ3ガス等をエッチングガスとして使って、ポリシリコン、アモルファスシリコン等のシリコンからなる犠牲層をドライエッチングの際、シリコンに対してエッチング選択比の高い、つまりエッチングレートの低いＳｉＯ2膜３６を犠牲層に接してメンブレン３２の下層に備えている。
よって、多数個のＭＯＥＭＳを密に並列配置したＧＬＶデバイスを形成する当たり、ＭＯＥＭＳの犠牲層をドライエッチングして除去しても、メンブレン３２がエッチングされて膜厚が不均一になるようなことが生じない。
【００２７】
次に、図２を参照して、本実施形態例に係るＭＥＭＳ素子３０の製造方法を説明する。図２（ａ）から（ｅ）は、それぞれ、本実施形態例のＭＥＭＳ素子を作製する際の工程毎の断面図である。
図２（ａ）に示すように、基板１８上にＣｒ膜等の金属膜を成膜し、パターニングして基板側電極２０を形成する。次いで、図２R>２（ｂ）に示すように、基板１８全面にポリシリコン膜を成膜し、パターニングして基板側電極２０上に犠牲層２６を形成する。
続いて、ＣＶＤ法又はＰＶＤ法によって基板１８全面に膜厚が例えば２０ｎｍのＳｉＯ2膜３６、次いでＣＶＤ法によって６００℃以上の成膜温度で膜厚が例えば１００ｎｍのＳｉＮ膜３８を成膜し、パターニングして、図２（ｃ）に示すように、犠牲層２６に接して、かつ犠牲層２６上を跨ぎ、基板１８上に立脚するブリッジ部材３４を形成する。
【００２８】
ＣＶＤ法によりＳｉＯ2膜３６を成膜する際の原料には、シランを用いても、ＴＥＯＳを用いても良く、堆積温度及び膜の応力を制御しさえすれば、大きな違いはない。膜の応力は、シラン（ＳｉＨ4）、ＴＥＯＳの流量と、酸化剤となるＮ2ＯやＯ2の流量比を変えることにより、制御する。
６００℃以上の成膜温度でＳｉＮ膜３８をＣＶＤ法により成膜するので、ＳｉＯ2膜３６を成膜する際には、プラズマＣＶＤ法や、低温常圧のＣＶＤ法よりは、寧ろ熱ＣＶＤ法によりＳｉＯ2膜３６を成膜する。
尚、光利用効率のより大きなＭＯＥＭＳを作製する上からは、メンブレンの表面凹凸が小さくなるなどの理由から、低温常圧のＣＶＤ法の方が好ましい。
【００２９】
次いで、図２（ｄ）に示すように、ＳｉＮ膜３８の基板側電極対向部３８ａ上を含めて基板１８全面にＡｌ膜からなるメンブレン側電極膜を成膜し、パターニングしてＳｉＮ膜３８の基板側電極対向部３８ａ上にＡｌ膜からなるメンブレン側電極１４を形成する。
次に、ＸｅＦ2ガスを用いたドライエッチング法、又はＳＦ6ガス若しくはＮＦ3ガスを用いたプラズマエッチング法によりポリシリコン膜からなる犠牲層２６を除去して、図２（ｅ）に示すように、ＭＥＭＳ素子３０を形成する。
【００３０】
ポリシリコン膜からなる犠牲層２６上にＳｉＯ2膜３６が成膜されている本実施形態例では、犠牲層２６をエッチングした際、ポリシリコン膜とＳｉＯ2膜との選択比が大きいので、ＳｉＯ2膜３６がエッチングされて、メンブレン３２の膜厚が不均一になるようなことが生じない。
よって、従来のＭＥＭＳ素子のように、メンブレンの平滑度が悪くなり、光反射率が低下して、ＭＯＥＭＳの光利用効率が悪くなったり、メンブレンの静電駆動による動きがばらつき、所定の光変調特性を示すことができなくなったり、メンブレンの機械的強度がばらつき、ＭＯＥＭＳの寿命、従ってＧＬＶデバイスの寿命が短くなるようなことがない。
【００３１】
上述のＭＥＭＳ素子３０の作製方法では、ＣＶＤ法又はＰＶＤ法によってＳｉＯ2膜３６を成膜しているが、これに限らず、犠牲層２６を構成するポリシリコン膜を熱酸化してＳｉＯ2膜を形成してもよい。但し、熱酸化膜を生成させる際には、シリコン材料の結晶化進行に応じてＳｉＯ2膜の表面に凹凸が発生し、この結果、ＣＶＤ法又はＰＤＶ法のＳｉＯ2膜に比べて、メンブレン３２の平滑性が低く、光変調素子の光利用効率が低いこともある。
【００３２】
本実施形態例のＭＥＭＳ素子３０のメンブレン３２では、ＳｉＯ2膜に変えて、酸化チタン（ＴｉＯ2）膜及び酸化ジルコニウム（ＺｒＯ2）膜を使ってもＳｉＯ2膜と同様の効果を有する。
更には、メンブレン３２は、Ａｌ／ＳｉＮ／ＳｉＯ2の３層構造で形成されているが、メンブレン３２の弾性力を制御し易くするために、図３に示すように、Ａｌ膜とＳｉＮ膜との間に更に別の層、例えばＳｉＯ2膜を介在させた４層構造でメンブレン３２を形成してもよい。
Ａｌ膜とＳｉＮ膜の間にＳｉＯ2膜を介在させることにより、ＳｉＮ膜とＡｌ膜との間の密着力を向上させ、更に界面準位の発生などの電気的な問題発生を抑制することができる。
【００３３】
以下、本実施形態例に係るＭＥＭＳデバイスの製造方法によって得られたＭＥＭＳデバイスによって構成されるＧＬＶデバイスの一例について説明する。このＧＬＶデバイスは、前述した従来のＧＬＶデバイス１０に用いたＭＥＭＳ素子１２に代えて、ＭＥＭＳ素子３０を用いたものである。
本実施形態例のＧＬＶデバイスは、各ＭＥＭＳ素子３０の光反射膜兼メンブレン側電極１４と基板側電極２０との間に働く静電引力又は静電反発力により光反射膜１４を駆動して、光反射膜１４の傾きを調整し、反射光の光強度を変調させる光変調器として構成されている。
【００３４】
以下、本実施形態例に係るＭＥＭＳデバイスの製造方法によって得られたＭＥＭＳデバイスによって構成されるＧＬＶデバイスを有するレーザディスプレイの一例について説明する。図４は、このレーザディスプレイの構成を示す模式図である。
本実施形態例のレーザディスプレイ４０は、上述の実施形態例のＧＬＶデバイスを用いた光学装置であって、例えば、大型スクリーン用プロジェクタ、特にディ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。
【００３５】
レーザディスプレイ４０は、図４に示すように、赤（Ｒ）、緑（Ｇ）、青（Ｂ）の各色のレーザ光光源として設けられたレーザ４２Ｒ、４２Ｇ、４２Ｂと、各光源に対して、それぞれ、光軸上に順次、設けられたミラー４４Ｒ、４４Ｇ、４４Ｂ、照明光学系４６Ｒ、４６Ｇ、４６Ｂ、及び光変調器として機能するＧＬＶデバイス４８Ｒ、４８Ｇ、４８Ｂとを備えている。
レーザ４２Ｒ、４２Ｇ、４２Ｂとして、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）のレーザがそれぞれ用いられている。
【００３６】
更に、レーザディスプレイ４０は、ＧＬＶデバイス４８Ｒ、４８Ｇ、４８Ｂで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）を合成する色合成フィルタ５０、空間フィルタ５２、ディフューザ５４、ミラー５６、ガルバノスキャナ５８、投影光学系６０、およびスクリーン６２を備えている。
色合成フィルタ５０は、例えばダイクロイックミラーで構成されている。
【００３７】
本実施形態例のレーザディスプレイ４０では、レーザ４２Ｒ、４２Ｇ、４２Ｂから射出されたＲＧＢ各色のレーザ光は、それぞれ、ミラー４４Ｒ、４４Ｇ、４４Ｂを経て照明光学系４６Ｒ、４６Ｇ、４６ＢからＧＬＶデバイス４８Ｒ、４８Ｇ、４８Ｂに入射される。各レーザ光は、色分類された画像信号であり、ＧＬＶデバイス４８Ｒ、４８Ｇ、４８Ｂに同期入力するようになっている。
更に、各レーザ光は、ＧＬＶデバイス４８Ｒ、４８Ｇ、４８Ｂ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５０によって合成され、続いて空間フィルタ５２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５４によってレーザスペックルが低減され、ミラー５６を経て、画像信号と同期するガルバノスキャナ５８により空間に展開され、投影光学系６０によってスクリーン６２上にフルカラー画像として投影される。
【００３８】
レーザディスプレイ４０では、ＲＧＢ全て同一構造のＧＬＶデバイス４８を用いることにより、射出される画像信号の光束は約３１０ルーメンとなる。
本実施形態例のレーザディスプレイ４０と同じ構成で、従来の光変調素子を用いたレーザディスプレイでは、信号の光束が約３００ルーメンであることから、本実施形態例のレーザディスプレイ４０では、光源の利用効率が向上することが判る。
また、ＲＧＢそれぞれの波長に対して最適化されたＧＬＶデバイス４８を用いると、信号の光束は約３２０ルーメンと更に向上する。
【００３９】
このレーザディスプレイ４０では、各色のレーザ４２に対応して、ＧＬＶデバイス４８Ｒ、４８Ｇ、４８Ｂ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、光源を白色光とする一方で、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メンブレンの幅が異なる光変調素子４８Ｒ、４８Ｇ、４８Ｂが１画素を構成するようにしてもよい。
また、単一の光源からの白色光を、ＲＧＢの画素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４８に入射させるようにすることもできる。
更に、例えば、単一の光変調素子４８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。
【００４０】
また、本発明に係るＭＥＭＳデバイスの製造方法によって得られるＧＬＶデバイスは、本実施形態例におけるレーザディスプレイようなプロジェクタ類だけでなく、光通信におけるＷＤＭ（Wavelength DivisionMultiplexing：波長多重）伝送用の各種デバイス、ＭＵＸ（Multiplexer：パラレル−シリアル変換器／多重化装置）、ＤＥＭＵＸ（Demultiplexer：パラレル−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、例えばディ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することができる。
【００４１】
また、実施形態例のレーザディスプレイ４０では、ＧＬＶデバイス４８Ｒ、４８Ｇ、４８Ｂ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。
【００４２】
【発明の効果】
本発明によれば、基板側電極に対面して酸化シリコン膜等の金属酸化膜を有する少なくとも２層の多層構造としてブリッジ部材を形成し、その上にメンブレン側電極を設けることにより、ＭＥＭＳ素子の形成においてシリコン系犠牲層を除去する際にも、メンブレンの裏面からのエッチングによるメンブレンの膜厚分布を最小限に抑制することができる。
本発明に係る製造方法によって得られるＭＥＭＳ素子を光変調素子として使用することにより、光反射率を高めて光利用効率を向上させ、かつ、駆動体の強度を高め、駆動均一性を向上させることができる。また、これにより、ＭＥＭＳ素子の信頼性を高める、製造プロセスでの製作マージンを大きくすることできる。
更には、本発明に係る製造方法によってＭＥＭＳ素子及びＧＬＶデバイスを構成することにより、光利用効率が高く、使用寿命の長いＧＬＶデバイスを実現することができる。また、そのようなＧＬＶデバイスをレーザディスプレイに組み込むことにより、光利用効率の高いレーザディスプレイを実現することができる。
【図面の簡単な説明】
【図１】 実施形態例に係る製造方法によって得られる、ＭＥＭＳ素子の構成を示す断面図である。
【図２】 図２（ａ）から（ｅ）は、それぞれ、実施形態例に係るＭＥＭＳ素子の製造方法の説明に供する工程毎の断面図である。
【図３】 ４層構造のメンブレンの構成を示す断面図である。
【図４】 実施形態例のレーザディスプレイの構成を示す模式図である。
【図５】 ＧＬＶデバイスの構成を示す斜視図である。
【図６】 ＭＯＥＭＳの構成を示す斜視図である。
【図７】 図７（ａ）から（ｅ）は、それぞれ、ＭＯＥＭＳを作製する際の工程毎の図６の線Ｉ−Ｉでの断面図である。
【図８】 図８（ａ）及び（ｂ）は、それぞれ、各ＭＯＥＭＳの配置を示す平面図及び図８（ａ）の線II−IIでのＭＯＥＭＳの断面図である。
【符号の説明】
４８……ＧＬＶデバイス、１２……ＭＥＭＳ素子、１４……光反射面、光反射膜兼メンブレン側電極、１６……静電駆動型メンブレン、１８……絶縁性基板、２０……基板側電極、２２……空隙部、２４……ブリッジ部材、３０……実施形態例のＭＥＭＳ素子、３２……メンブレン、３４……ブリッジ部材、３６……ＳｉＯ2膜、３８……ＳｉＮ膜、４０……レーザディスプレイ、４２……レーザ、４４……ミラー、４６……照明光学系、４８……ＧＬＶデバイス、５０……色合成フィルタ、５２……空間フィルタ、５４……ディフューザ、５６……ミラー、５８……ガルバノスキャナ、６０……投影光学系、６２……スクリーン。
【発明の属する技術分野】
本発明は、ＭＥＭＳ素子の製造方法、ＧＬＶデバイスの製造方法、及びレーザディスプレイの製造方法に関する。
【０００２】
【従来の技術】
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 System、超小型電気的・機械的複合体）素子（以下、ＭＥＭＳ素子と言う）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、駆動体の駆動を制御する半導体集積回路等とを電気的に、更には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、駆動体の駆動出力は、電極間のクーロン引力などを応用して電気的に行われることが一般的である。
【０００３】
ＭＥＭＳ素子の一例として、ＳＬＭ（シリコンライトマシーン）社がレーザー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）デバイスで使用されている光変調素子を例に挙げ、その構造を説明する。
先ず、図５を参照して、ＭＥＭＳ素子によって構成されるＧＬＶデバイスの構造を説明する。図５はＧＬＶデバイスの構成を示す斜視図である。
ＧＬＶデバイス１０は、図５に示すように、複数個のＭＥＭＳ素子１２を共通基板上に相互に並列で密に配置させたデバイスである。
ＧＬＶデバイスを構成するＭＥＭＳ素子１２は、上面に光反射面１４を有する静電駆動型メンブレン１６を備えた、ＭＯＥＭＳ（Micro Optical Electro-Mechanical Systems）と称されているＭＥＭＳ素子であって、メンブレン１６が静電引力、或いは静電反発力によって機械的に動いて、光反射面１４と基板１８との距離を調整し、反射する反射光の光強度を変調させる機能を有する。
【０００４】
次に、図６を参照して、ＭＯＥＭＳ１２の構成を説明する。図６はＭＯＥＭＳの構成を示す斜視図である。
ＭＯＥＭＳ１２は、図６に示すように、ガラス基板等の絶縁性基板１８と、Ｃｒ薄膜等で絶縁性基板１８上に形成されている基板側電極２０と、基板側電極２０に交差してブリッジ状に跨ぐ静電駆動型メンブレン１６とを備えている。
静電駆動型メンブレン１６と基板側電極２０とは、その間の空隙部２２によって電気的に絶縁されている。
【０００５】
静電駆動型メンブレン１６は、基板側電極２０をブリッジ状に跨いで基板１８上に立脚し、電極支持部材として設けられたＳｉＮ膜からなるブリッジ部材２４と、基板側電極２０に対向して相互に平行にブリッジ部材２４上に、膜厚１００ｎｍ程度のＡｌ膜からなる光反射膜兼メンブレン側電極１４とから構成されている。
ブリッジ部材２４は、空隙部２２を確保するように、基板側電極２０に対向して所定間隔だけ離間し、かつ基板側電極２０に対して相互に平行に光反射膜兼メンブレン側電極１４を支持するために設けられている。
ＧＬＶデバイス１０では、絶縁性基板１８及びその上の基板側電極２０は、図５に示すように、各ＭＯＥＭＳ１２の共通基板及び共通電極となっている。
【０００６】
ブリッジ部材２４と、その上に設けられた光反射膜兼メンブレン側電極１４からなる静電駆動型メンブレン１６は、リボンと通称されている部位である。ブリッジ部材２４は、基板側電極２０に対して平行に延在する梁部の両端を２本の柱部で支持する、図６に示したブリッジ状のものに代えて、柱部が１本で、梁部の一方の端部のみを支持する片持ち梁式、即ちカンチレバー式のものもある。
【０００７】
光反射膜兼メンブレン側電極１４として使用したアルミニウム膜（Ａｌ膜）は、（１）比較的容易に成膜で出来る金属膜であること、（２）可視光領域での光反射率の波長分散が小さいこと、（３）Ａｌ膜表面に生成したアルミナ自然酸化膜が保護膜となって反射面を保護すること等の理由から、光学部品材料として好ましい金属膜である。
また、ブリッジ部材２４を構成するＳｉＮ膜（窒化シリコン膜）は、その強度、弾性定数などの物性値が、ブリッジ部材２４の機械的駆動に対して適切であるとして選定されている。
【０００８】
基板側電極２０と、基板側電極２０に対向する光反射膜兼メンブレン側電極１４との間に微小電圧を印加すると、静電現象によって静電駆動型メンブレン１６が基板側電極２０に向かって接近し、また、電圧の印加を停止すると、離間して元の状態に戻る。
ＧＬＶデバイス１０を構成するＭＯＥＭＳ１２は、基板側電極２０に対する静電駆動型メンブレン１６の接近、離間の動作により、光反射膜兼メンブレン側電極１４の傾きを変えて、反射する光の強度を変調し、光変調素子として機能する。
静電引力及び静電反発力を利用して駆動するメンブレン１６の力学的特性は、ＣＶＤ法等で成膜されるＳｉＮ膜の物性によってほぼ決定され、Ａｌ膜は反射ミラーとしての役割が主である。
【０００９】
メンブレン１６が駆動体として機能するために必要な中空構造は、ブリッジ部材２４を構成するＳｉＮ膜と下部の基板側電極２０の間に、最終的には除去される犠牲層を形成しておき、メンブレン１６を形成した後、犠牲層だけを選択的に除去することにより、形成される。
次に、図７を参照して、ＭＯＥＭＳ１２の作製方法を説明する。図７（ａ）から（ｅ）は、それぞれ、ＭＯＥＭＳ１２を作製する際の工程毎の図６の線Ｉ−Ｉでの断面図である。
図７（ａ）に示すように、基板１８上にＷ（タングステン）膜等の金属膜を成膜し、パターニングして基板側電極２０を形成する。
次いで、図７（ｂ）に示すように、基板１８全面にアモルファスシリコン膜又はポリシリコン膜を成膜し、パターニングして基板側電極２０上に犠牲層２６を形成する。
犠牲層２６は、次のブリッジ部材２０を形成するための支持層として機能し、後述のように、最終的には除去される。そのため、犠牲層２６は、基板側電極２０及びブリッジ電極部１６を構成する酸化膜、窒化膜、及び金属膜に対して大きなエッチング選択比を有するアモルファスシリコン膜、ポリシリコン膜等で形成されている。
【００１０】
続いて、基板１８全面にＳｉＮ膜を成膜し、パターニングして、図７（ｃ）に示すように、犠牲層２６に接して、かつ犠牲層２６上を跨ぎ、基板１８上に立脚するブリッジ部材２４を形成する。
次いで、図７（ｄ）に示すように、ブリッジ部材２４の基板側電極対向部２４ａ上を含めて基板１８全面にＡｌ膜からなるメンブレン側電極膜を成膜し、パターニングしてブリッジ部材２４の基板側電極対向部２４ａ上にメンブレン側電極１４を形成する。
次に、アモルファスシリコン膜又はポリシリコン膜からなる犠牲層２６をＸｅＦ2ガスを用いたドライエッチング法により除去して、図７（ｅ）に示すように、ＭＯＥＭＳ１２を形成する。
【００１１】
以上のように、ＭＥＭＳ素子の作製では、シリコン基板上に薄膜構造を形成する半導体集積回路の製作プロセスを基盤とした表面マイクロマシンニング技術を適用して、シリコン基板、或いはガラス基板上に微細構造体を形成している。
そして、梁等の弾性を応用した、上述のような微細構造体を形成するためには、梁下の空隙層を形成することが必要であるから、上述のように、予め犠牲層を設け、犠牲層上に梁部を構成する別の層を成膜し、次いで犠牲層をエッチングして除去することにより、空隙層を設け、梁部を形成している。
【００１２】
【発明が解決しようとする課題】
ところで、上述のＭＯＥＭＳの作製方法によれば、ポリシリコン、アモルファスシリコン等のシリコンからなる犠牲層２６を除去する際、シリコンとシリコン以外の材料との間に大きなエッチング速度比を示すＸｅＦ2ガスをエッチングガスとして用いている。
また、ＳＦ6、ＮＦ3などを反応ガスとしたプラズマエッチング法によってもシリコンからなる犠牲層をエッチングして除去することができる。
ＸｅＦ2によるエッチング法、及びＳＦ6、ＮＦ3などを反応ガスとしたプラズマエッチング法は、メンブレンを構成するＳｉＮと犠牲層を構成するシリコンとのエッチング選択比が１００以上であって、単体のＭＯＥＭＳを作製する際には、特にＳｉＮ膜を損傷することなく、シリコンからなる犠牲層を除去することができる。
【００１３】
しかし、図８（ａ）に示すように、多数個のＭＯＥＭＳ１２を密に並列配置した前述のＧＬＶデバイス１０のようなデバイスを作製する際には、メンブレン１６同士の間隙からエッチングガスを侵入させて犠牲層２６をエッチング除去しようとすると、図８（ｂ）に示すように、エッチング速度、即ちエッチングの進行が、メンブレン１６の下と、メンブレン１６同士の間で不均一になって、犠牲層２６を一様にエッチングすることができない。図８（ｂ）に示すように、特に、メンブレン１６の直下のエッチングが遅れる。図８（ａ）及び（ｂ）は、それぞれ、各ＭＯＥＭＳ１２の配置を示す平面図及び図８（ａ）の線II−IIでのＭＯＥＭＳ１２の断面図である。
そして、エッチング速度の遅い領域の犠牲層２６を完全にエッチングして除去しようとすると、エッチング速度の速い領域で露出したＳｉＮ膜を損傷し、その結果、メンブレンの膜厚に分布が生じる。
【００１４】
メンブレンの膜厚に分布が生じると、中空構造を完成した後のメンブレンの平滑度が悪くなり、光反射率が低下して、ＭＯＥＭＳの光利用効率が悪くなる。更には、メンブレンの静電駆動による動きがばらつき、所定の光変調特性を示すことができなくなる。
また、メンブレンの機械的強度がばらつき、ＭＯＥＭＳの寿命、従ってＧＬＶデバイスの寿命が短くなる。
そこで、犠牲層のエッチング除去に際して、損傷を受けないような構成のメンブレンを備えたＭＥＭＳ素子の開発が望まれていた。
【００１５】
本発明の目的は、犠牲層としてポリシリコン、アモルファスシリコン等のシリコンを使用する際、犠牲層のエッチング除去に当たり、損傷を受けないような構成のメンブレンを有するＭＥＭＳ素子、そのようなＭＥＭＳ素子からなるＧＬＶデバイス、及びそのようなＧＬＶデバイスを有するレーザディスプレイを提供することである。
【００１６】
【課題を解決するための手段】
本発明者は、ＸｅＦ2ガス等を使ったドライエッチングでは、シリコン膜とＳｉＮ膜との間には、１００以上のエッチング選択比があって、十分に大きいと考えていたが、前述のように、エッチング選択比が小さいために、ＳｉＮ膜が損傷することが判った。そこで、シリコンからなる犠牲層をエッチング除去する際に、損傷を受けないようなメンブレンにするには、シリコンに対してエッチング選択比の高い材料でメンブレンを形成することが必要であると考えた。
【００１７】
そして、本発明者は、種々の材料を試した結果、ＣＶＤ法又はＰＶＤ法で成膜した酸化シリコン（ＳｉＯ2）、及びシリコン膜を熱酸化して生成したＳｉＯ2膜が極めて高いエッチング選択比をポリシリコン、又はアモルファスシリコンに対して示すことを見い出した。本発明者の実験によれば、エッチングガスとしてＸｅＦ2ガスを使用したとき、Ｓｉ、ＳｉＮ、及びＳｉＯ2は、１０００：１：０．１のエッチングレートでエッチングされることが判った。また、ＳｉＯ2膜以外に、酸化チタン（ＴｉＯ2）膜、酸化ジルコニウム（ＺｒＯ2）膜等の金属酸化膜も、ＳｉＯ2膜と同様の効果を有することが判った。
【００１８】
従来からメンブレンを構成しているＳｉＮ膜は、強度、弾性定数などの物性値がブリッジ部材の機械的駆動に対して適切であるとして選定されている以上、メンブレンをＳｉＮ膜とＳｉＯ2膜との積層構造で構成することを着想し、実験の結果、エッチング選択比が所望通り高く、しかも駆動体として適切な強度、弾性定数を示すことを確認し、本発明を発明するに到った。
【００１９】
上記目的を達成するために、本発明に係るＭＥＭＳ素子の製造方法は、絶縁性基板上に、基板側電極を形成する工程と、前記基板側電極上に、シリコンからなる犠牲層を形成する工程と、前記犠牲層を跨いで前記基板上に立脚し、かつ柱部及び梁部が、酸化シリコン（ＳｉＯ2）膜、酸化チタン（ＴｉＯ2）膜、及び酸化ジルコニウム（ＺｒＯ2）膜のいずれかとＳｉＮ膜とを有する共通の多層構造とされたブリッジ部材を形成する工程と、前記ブリッジ部材の基板側電極対向部に、メンブレン側電極を形成する工程と、ＸｅＦ 2 ガスを用いたドライエッチング法、又は、ＳＦ 6 ガス若しくはＮＦ 3 ガスを用いたプラズマエッチング法によって、前記犠牲層を除去する工程とを有することを特徴としている。
【００２０】
本発明において形成するブリッジ部材は、ＳｉＯ2膜とＳｉＮ膜との２層構造に限らず、ブリッジ部材の弾性力を制御し易くするために、メンブレン側電極を形成する金属膜とＳｉＮ膜との間に更に別の層、例えばＳｉＯ2膜を介在させた３層構造でブリッジ部材を形成してもよい。Ａｌ膜とＳｉＮ膜の間にＳｉＯ2膜を介在させることにより、ＳｉＮ膜とＡｌ膜との間の密着力を向上させ、更に界面準位の発生などの電気的な問題発生を抑制することができる。好適には、本発明に係るＭＥＭＳ素子は、メンブレン側電極が、光反射膜の機能を有する金属膜により光反射膜兼電極として形成され、ＭＥＭＳ素子が、メンブレン側電極と基板側電極との間に働く静電引力又は静電反発力により光反射膜を駆動させて、反射光の光強度を変調させる光変調素子として機能する。メンブレンの支持方法には制約は無く、ブリッジ部材が、両端支持のブリッジ状、及び一端支持のカンチレバー状のいずれかで基板上に立脚している。
【００２１】
本発明に係るＧＬＶデバイスの製造方法は、それぞれ、光変調素子として構成され、並列配置された複数個のＭＥＭＳ素子を備えるＧＬＶデバイスの製造方法であって、前記ＭＥＭＳ素子の製造を、絶縁性基板上に、基板側電極を形成する工程と、前記基板側電極上に、シリコンからなる犠牲層を形成する工程と、前記犠牲層を跨いで前記基板上に立脚し、かつ柱部及び梁部が、酸化シリコン（ＳｉＯ2）膜、酸化チタン（ＴｉＯ2）膜、及び酸化ジルコニウム（ＺｒＯ2）膜のいずれかとＳｉＮ膜とを有する共通の多層構造とされたブリッジ部材を形成する工程と、前記ブリッジ部材の基板側電極対向部に、メンブレン側電極を形成する工程と、ＸｅＦ 2 ガスを用いたドライエッチング法、又は、ＳＦ 6 ガス若しくはＮＦ 3 ガスを用いたプラズマエッチング法によって、前記犠牲層を除去する工程とによって行うことを特徴としている。
【００２２】
更に本発明に係るレーザディスプレイの製造方法は、レーザと、レーザ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の製造方法であって、前記ＧＬＶデバイスを構成する、光変調素子として並列配置された複数個のＭＥＭＳ素子の製造を、絶縁性基板上に、基板側電極を形成する工程と、前記基板側電極上に、シリコンからなる犠牲層を形成する工程と、前記犠牲層を跨いで前記基板上に立脚し、かつ柱部及び梁部が、酸化シリコン（ＳｉＯ2）膜、酸化チタン（ＴｉＯ2）膜、及び酸化ジルコニウム（ＺｒＯ2）膜のいずれかとＳｉＮ膜とを有する共通の多層構造とされたブリッジ部材を形成する工程と、前記ブリッジ部材の基板側電極対向部に、メンブレン側電極を形成する工程と、ＸｅＦ 2 ガスを用いたドライエッチング法、又は、ＳＦ 6 ガス若しくはＮＦ 3 ガスを用いたプラズマエッチング法によって、前記犠牲層を除去する工程とによって行うことを特徴としている。
【００２３】
本発明に係る製造方法によって得られるレーザディスプレイは、レーザの数には制約はなく、単色光のレーザディスプレイでも、フルカラーディスプレイでもよい。
フルカラーディスプレイでは、レーザディスプレイは、赤色レーザ、緑色レーザ、及び青色レーザと、赤色レーザ、緑色レーザ、及び青色レーザからそれぞれ出射された赤色レーザ光、緑色レーザ光、及び青色レーザ光を合成する色合成フィルタと、赤色レーザ、緑色レーザ、及び青色レーザの各々と色合成フィルタとの間の光軸上に配置され、赤色レーザ、緑色レーザ、及び青色レーザからそれぞれ出射された赤色レーザ光、緑色レーザ光、及び青色レーザ光の光強度を変調するＧＬＶデバイスとを備えている。
【００２４】
【発明の実施の形態】
以下に、添付図面を参照し、実施形態例を挙げて本発明の実施の形態を具体的かつ詳細に説明する。尚、以下の実施形態例で示す成膜方法、層の組成及び膜厚、プロセス条件等は、本発明の理解を容易にするための一つの例示であって、本発明はこの例示に限定されるものではない。
＜ＭＥＭＳ素子の製造方法の実施形態例＞
本実施形態例は、本発明に係るＭＥＭＳ素子の製造方法の実施形態の一例であって、図１は、後述する本実施形態例に係る製造方法によって得られるＭＥＭＳ素子の構成を示す断面図である。
本実施形態例に係る製造方法によって得られるＭＥＭＳ素子３０は、ＧＬＶデバイスを構成する光変調素子として構成され、メンブレン３２のブリッジ部材３４の構造が異なることを除いて、従来のＭＯＥＭＳ１２と同じ構成を備えている。空隙層２２の間隔Ｇは例えば１μｍであり、メンブレン３２の長さＬは１００μｍから３００μｍ、幅Ｗは（図６参照）２μｍから４μｍである。
【００２５】
メンブレン３２は、図１に示すように、下層に膜厚が例えば２０ｎｍのＳｉＯ2膜３６を有し、その上に膜厚が例えば１００ｎｍのＳｉＮ膜３８を積層させてなるブリッジ部材３４と、ブリッジ部材３４上に形成された、膜厚１００ｎｍのＡｌ膜からなる光反射膜兼メンブレン側電極１４とから構成されている。
ＳｉＯ2膜３６は、ポリシリコンからなる犠牲層を熱酸化して形成したＳｉＯ2膜でも、ＣＶＤ法又はＰＶＤ法により成膜したＳｉＯ2膜でも良い。
【００２６】
ＭＥＭＳ素子３０は、ＸｅＦ2ガス、ＳＦ6ガス、ＮＦ3ガス等をエッチングガスとして使って、ポリシリコン、アモルファスシリコン等のシリコンからなる犠牲層をドライエッチングの際、シリコンに対してエッチング選択比の高い、つまりエッチングレートの低いＳｉＯ2膜３６を犠牲層に接してメンブレン３２の下層に備えている。
よって、多数個のＭＯＥＭＳを密に並列配置したＧＬＶデバイスを形成する当たり、ＭＯＥＭＳの犠牲層をドライエッチングして除去しても、メンブレン３２がエッチングされて膜厚が不均一になるようなことが生じない。
【００２７】
次に、図２を参照して、本実施形態例に係るＭＥＭＳ素子３０の製造方法を説明する。図２（ａ）から（ｅ）は、それぞれ、本実施形態例のＭＥＭＳ素子を作製する際の工程毎の断面図である。
図２（ａ）に示すように、基板１８上にＣｒ膜等の金属膜を成膜し、パターニングして基板側電極２０を形成する。次いで、図２R>２（ｂ）に示すように、基板１８全面にポリシリコン膜を成膜し、パターニングして基板側電極２０上に犠牲層２６を形成する。
続いて、ＣＶＤ法又はＰＶＤ法によって基板１８全面に膜厚が例えば２０ｎｍのＳｉＯ2膜３６、次いでＣＶＤ法によって６００℃以上の成膜温度で膜厚が例えば１００ｎｍのＳｉＮ膜３８を成膜し、パターニングして、図２（ｃ）に示すように、犠牲層２６に接して、かつ犠牲層２６上を跨ぎ、基板１８上に立脚するブリッジ部材３４を形成する。
【００２８】
ＣＶＤ法によりＳｉＯ2膜３６を成膜する際の原料には、シランを用いても、ＴＥＯＳを用いても良く、堆積温度及び膜の応力を制御しさえすれば、大きな違いはない。膜の応力は、シラン（ＳｉＨ4）、ＴＥＯＳの流量と、酸化剤となるＮ2ＯやＯ2の流量比を変えることにより、制御する。
６００℃以上の成膜温度でＳｉＮ膜３８をＣＶＤ法により成膜するので、ＳｉＯ2膜３６を成膜する際には、プラズマＣＶＤ法や、低温常圧のＣＶＤ法よりは、寧ろ熱ＣＶＤ法によりＳｉＯ2膜３６を成膜する。
尚、光利用効率のより大きなＭＯＥＭＳを作製する上からは、メンブレンの表面凹凸が小さくなるなどの理由から、低温常圧のＣＶＤ法の方が好ましい。
【００２９】
次いで、図２（ｄ）に示すように、ＳｉＮ膜３８の基板側電極対向部３８ａ上を含めて基板１８全面にＡｌ膜からなるメンブレン側電極膜を成膜し、パターニングしてＳｉＮ膜３８の基板側電極対向部３８ａ上にＡｌ膜からなるメンブレン側電極１４を形成する。
次に、ＸｅＦ2ガスを用いたドライエッチング法、又はＳＦ6ガス若しくはＮＦ3ガスを用いたプラズマエッチング法によりポリシリコン膜からなる犠牲層２６を除去して、図２（ｅ）に示すように、ＭＥＭＳ素子３０を形成する。
【００３０】
ポリシリコン膜からなる犠牲層２６上にＳｉＯ2膜３６が成膜されている本実施形態例では、犠牲層２６をエッチングした際、ポリシリコン膜とＳｉＯ2膜との選択比が大きいので、ＳｉＯ2膜３６がエッチングされて、メンブレン３２の膜厚が不均一になるようなことが生じない。
よって、従来のＭＥＭＳ素子のように、メンブレンの平滑度が悪くなり、光反射率が低下して、ＭＯＥＭＳの光利用効率が悪くなったり、メンブレンの静電駆動による動きがばらつき、所定の光変調特性を示すことができなくなったり、メンブレンの機械的強度がばらつき、ＭＯＥＭＳの寿命、従ってＧＬＶデバイスの寿命が短くなるようなことがない。
【００３１】
上述のＭＥＭＳ素子３０の作製方法では、ＣＶＤ法又はＰＶＤ法によってＳｉＯ2膜３６を成膜しているが、これに限らず、犠牲層２６を構成するポリシリコン膜を熱酸化してＳｉＯ2膜を形成してもよい。但し、熱酸化膜を生成させる際には、シリコン材料の結晶化進行に応じてＳｉＯ2膜の表面に凹凸が発生し、この結果、ＣＶＤ法又はＰＤＶ法のＳｉＯ2膜に比べて、メンブレン３２の平滑性が低く、光変調素子の光利用効率が低いこともある。
【００３２】
本実施形態例のＭＥＭＳ素子３０のメンブレン３２では、ＳｉＯ2膜に変えて、酸化チタン（ＴｉＯ2）膜及び酸化ジルコニウム（ＺｒＯ2）膜を使ってもＳｉＯ2膜と同様の効果を有する。
更には、メンブレン３２は、Ａｌ／ＳｉＮ／ＳｉＯ2の３層構造で形成されているが、メンブレン３２の弾性力を制御し易くするために、図３に示すように、Ａｌ膜とＳｉＮ膜との間に更に別の層、例えばＳｉＯ2膜を介在させた４層構造でメンブレン３２を形成してもよい。
Ａｌ膜とＳｉＮ膜の間にＳｉＯ2膜を介在させることにより、ＳｉＮ膜とＡｌ膜との間の密着力を向上させ、更に界面準位の発生などの電気的な問題発生を抑制することができる。
【００３３】
以下、本実施形態例に係るＭＥＭＳデバイスの製造方法によって得られたＭＥＭＳデバイスによって構成されるＧＬＶデバイスの一例について説明する。このＧＬＶデバイスは、前述した従来のＧＬＶデバイス１０に用いたＭＥＭＳ素子１２に代えて、ＭＥＭＳ素子３０を用いたものである。
本実施形態例のＧＬＶデバイスは、各ＭＥＭＳ素子３０の光反射膜兼メンブレン側電極１４と基板側電極２０との間に働く静電引力又は静電反発力により光反射膜１４を駆動して、光反射膜１４の傾きを調整し、反射光の光強度を変調させる光変調器として構成されている。
【００３４】
以下、本実施形態例に係るＭＥＭＳデバイスの製造方法によって得られたＭＥＭＳデバイスによって構成されるＧＬＶデバイスを有するレーザディスプレイの一例について説明する。図４は、このレーザディスプレイの構成を示す模式図である。
本実施形態例のレーザディスプレイ４０は、上述の実施形態例のＧＬＶデバイスを用いた光学装置であって、例えば、大型スクリーン用プロジェクタ、特にディ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。
【００３５】
レーザディスプレイ４０は、図４に示すように、赤（Ｒ）、緑（Ｇ）、青（Ｂ）の各色のレーザ光光源として設けられたレーザ４２Ｒ、４２Ｇ、４２Ｂと、各光源に対して、それぞれ、光軸上に順次、設けられたミラー４４Ｒ、４４Ｇ、４４Ｂ、照明光学系４６Ｒ、４６Ｇ、４６Ｂ、及び光変調器として機能するＧＬＶデバイス４８Ｒ、４８Ｇ、４８Ｂとを備えている。
レーザ４２Ｒ、４２Ｇ、４２Ｂとして、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）のレーザがそれぞれ用いられている。
【００３６】
更に、レーザディスプレイ４０は、ＧＬＶデバイス４８Ｒ、４８Ｇ、４８Ｂで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）を合成する色合成フィルタ５０、空間フィルタ５２、ディフューザ５４、ミラー５６、ガルバノスキャナ５８、投影光学系６０、およびスクリーン６２を備えている。
色合成フィルタ５０は、例えばダイクロイックミラーで構成されている。
【００３７】
本実施形態例のレーザディスプレイ４０では、レーザ４２Ｒ、４２Ｇ、４２Ｂから射出されたＲＧＢ各色のレーザ光は、それぞれ、ミラー４４Ｒ、４４Ｇ、４４Ｂを経て照明光学系４６Ｒ、４６Ｇ、４６ＢからＧＬＶデバイス４８Ｒ、４８Ｇ、４８Ｂに入射される。各レーザ光は、色分類された画像信号であり、ＧＬＶデバイス４８Ｒ、４８Ｇ、４８Ｂに同期入力するようになっている。
更に、各レーザ光は、ＧＬＶデバイス４８Ｒ、４８Ｇ、４８Ｂ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５０によって合成され、続いて空間フィルタ５２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５４によってレーザスペックルが低減され、ミラー５６を経て、画像信号と同期するガルバノスキャナ５８により空間に展開され、投影光学系６０によってスクリーン６２上にフルカラー画像として投影される。
【００３８】
レーザディスプレイ４０では、ＲＧＢ全て同一構造のＧＬＶデバイス４８を用いることにより、射出される画像信号の光束は約３１０ルーメンとなる。
本実施形態例のレーザディスプレイ４０と同じ構成で、従来の光変調素子を用いたレーザディスプレイでは、信号の光束が約３００ルーメンであることから、本実施形態例のレーザディスプレイ４０では、光源の利用効率が向上することが判る。
また、ＲＧＢそれぞれの波長に対して最適化されたＧＬＶデバイス４８を用いると、信号の光束は約３２０ルーメンと更に向上する。
【００３９】
このレーザディスプレイ４０では、各色のレーザ４２に対応して、ＧＬＶデバイス４８Ｒ、４８Ｇ、４８Ｂ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、光源を白色光とする一方で、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メンブレンの幅が異なる光変調素子４８Ｒ、４８Ｇ、４８Ｂが１画素を構成するようにしてもよい。
また、単一の光源からの白色光を、ＲＧＢの画素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４８に入射させるようにすることもできる。
更に、例えば、単一の光変調素子４８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。
【００４０】
また、本発明に係るＭＥＭＳデバイスの製造方法によって得られるＧＬＶデバイスは、本実施形態例におけるレーザディスプレイようなプロジェクタ類だけでなく、光通信におけるＷＤＭ（Wavelength DivisionMultiplexing：波長多重）伝送用の各種デバイス、ＭＵＸ（Multiplexer：パラレル−シリアル変換器／多重化装置）、ＤＥＭＵＸ（Demultiplexer：パラレル−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、例えばディ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することができる。
【００４１】
また、実施形態例のレーザディスプレイ４０では、ＧＬＶデバイス４８Ｒ、４８Ｇ、４８Ｂ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。
【００４２】
【発明の効果】
本発明によれば、基板側電極に対面して酸化シリコン膜等の金属酸化膜を有する少なくとも２層の多層構造としてブリッジ部材を形成し、その上にメンブレン側電極を設けることにより、ＭＥＭＳ素子の形成においてシリコン系犠牲層を除去する際にも、メンブレンの裏面からのエッチングによるメンブレンの膜厚分布を最小限に抑制することができる。
本発明に係る製造方法によって得られるＭＥＭＳ素子を光変調素子として使用することにより、光反射率を高めて光利用効率を向上させ、かつ、駆動体の強度を高め、駆動均一性を向上させることができる。また、これにより、ＭＥＭＳ素子の信頼性を高める、製造プロセスでの製作マージンを大きくすることできる。
更には、本発明に係る製造方法によってＭＥＭＳ素子及びＧＬＶデバイスを構成することにより、光利用効率が高く、使用寿命の長いＧＬＶデバイスを実現することができる。また、そのようなＧＬＶデバイスをレーザディスプレイに組み込むことにより、光利用効率の高いレーザディスプレイを実現することができる。
【図面の簡単な説明】
【図１】 実施形態例に係る製造方法によって得られる、ＭＥＭＳ素子の構成を示す断面図である。
【図２】 図２（ａ）から（ｅ）は、それぞれ、実施形態例に係るＭＥＭＳ素子の製造方法の説明に供する工程毎の断面図である。
【図３】 ４層構造のメンブレンの構成を示す断面図である。
【図４】 実施形態例のレーザディスプレイの構成を示す模式図である。
【図５】 ＧＬＶデバイスの構成を示す斜視図である。
【図６】 ＭＯＥＭＳの構成を示す斜視図である。
【図７】 図７（ａ）から（ｅ）は、それぞれ、ＭＯＥＭＳを作製する際の工程毎の図６の線Ｉ−Ｉでの断面図である。
【図８】 図８（ａ）及び（ｂ）は、それぞれ、各ＭＯＥＭＳの配置を示す平面図及び図８（ａ）の線II−IIでのＭＯＥＭＳの断面図である。
【符号の説明】
４８……ＧＬＶデバイス、１２……ＭＥＭＳ素子、１４……光反射面、光反射膜兼メンブレン側電極、１６……静電駆動型メンブレン、１８……絶縁性基板、２０……基板側電極、２２……空隙部、２４……ブリッジ部材、３０……実施形態例のＭＥＭＳ素子、３２……メンブレン、３４……ブリッジ部材、３６……ＳｉＯ2膜、３８……ＳｉＮ膜、４０……レーザディスプレイ、４２……レーザ、４４……ミラー、４６……照明光学系、４８……ＧＬＶデバイス、５０……色合成フィルタ、５２……空間フィルタ、５４……ディフューザ、５６……ミラー、５８……ガルバノスキャナ、６０……投影光学系、６２……スクリーン。
Claims (6)
- 絶縁性基板上に、基板側電極を形成する工程と、
前記基板側電極上に、シリコンからなる犠牲層を形成する工程と、
前記犠牲層を跨いで前記基板上に立脚し、かつ柱部及び梁部が、酸化シリコン（ＳｉＯ2）膜、酸化チタン（ＴｉＯ2）膜、及び酸化ジルコニウム（ＺｒＯ2）膜のいずれかによる層と、ＳｉＮ膜による層とによる共通構造とされたブリッジ部材を形成する工程と、
前記ブリッジ部材の基板側電極対向部に、メンブレン側電極を形成する工程と、
ＸｅＦ 2 ガスを用いたドライエッチング法、又は、ＳＦ 6 ガス若しくはＮＦ 3 ガスを用いたプラズマエッチング法によって、前記犠牲層を除去する工程とを有する
ことを特徴とするＭＥＭＳ素子の製造方法。 - 前記ブリッジ部材を、両端支持のブリッジ状として基板上に立脚形成する
ことを特徴とする請求項１に記載のＭＥＭＳ素子の製造方法。 - 前記メンブレン側電極を、光反射膜の機能を有する金属膜により光反射膜兼電極として形成し、前記メンブレン側電極と前記基板側電極との間に働く静電引力、又は静電反発力により前記光反射膜を駆動させて、反射光の光強度を変調させる光変調素子を構成する
ことを特徴とする請求項１に記載のＭＥＭＳ素子の製造方法。 - 前記ブリッジ部材の前記共通構造を、３層以上の積層構造とする
ことを特徴とする請求項１に記載のＭＥＭＳ素子の製造方法。 - それぞれ、光変調素子として構成され、並列配置された複数個のＭＥＭＳ素子を備えるＧＬＶデバイスの製造方法であって、
前記ＭＥＭＳ素子の製造を、
絶縁性基板上に、基板側電極を形成する工程と、
前記基板側電極上に、シリコンからなる犠牲層を形成する工程と、
前記犠牲層を跨いで前記基板上に立脚し、かつ柱部及び梁部が、酸化シリコン（ＳｉＯ2）膜、酸化チタン（ＴｉＯ2）膜、及び酸化ジルコニウム（ＺｒＯ2）膜のいずれかとＳｉＮ膜とを有する共通の多層構造とされたブリッジ部材を形成する工程と、
前記ブリッジ部材の基板側電極対向部に、メンブレン側電極を形成する工程と、
ＸｅＦ 2 ガスを用いたドライエッチング法、又は、ＳＦ 6 ガス若しくはＮＦ 3 ガスを用いたプラズマエッチング法によって、前記犠牲層を除去する工程とによって行う
ことを特徴とするＧＬＶデバイスの製造方法。 - レーザと、レーザ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の製造方法であって、
前記ＧＬＶデバイスを構成する、光変調素子として並列配置された複数個のＭＥＭＳ素子の製造を、
絶縁性基板上に、基板側電極を形成する工程と、
前記基板側電極上に、シリコンからなる犠牲層を形成する工程と、
前記犠牲層を跨いで前記基板上に立脚し、かつ柱部及び梁部が、酸化シリコン（ＳｉＯ2）膜、酸化チタン（ＴｉＯ2）膜、及び酸化ジルコニウム（ＺｒＯ2）膜のいずれかとＳｉＮ膜とを有する共通の多層構造とされたブリッジ部材を形成する工程と、
前記ブリッジ部材の基板側電極対向部に、メンブレン側電極を形成する工程と、
ＸｅＦ 2 ガスを用いたドライエッチング法、又は、ＳＦ 6 ガス若しくはＮＦ 3 ガスを用いたプラズマエッチング法によって、前記犠牲層を除去する工程とによって行う
ことを特徴とするレーザディスプレイの製造方法。
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