JP3853409B2 - デジタルマイクロミラーデバイス用の支柱構造およびその製造方法 - Google Patents
デジタルマイクロミラーデバイス用の支柱構造およびその製造方法 Download PDFInfo
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Description
【０００１】
【発明の属する技術分野】
本発明はマイクロメカニカルデバイスに関するものであって、更に詳細にはそのようなデバイスと一体になった支持構造に関する。
【０００２】
【従来の技術】
光を偏向させる空間光変調器（ＳＬＭ）の１つのタイプはデジタルマイクロミラーデバイス（ＤＭＤ）である。ＤＭＤは各種の異なる形で利用され、それらのうちには屈曲性の梁、片持ち梁、並びに従来の、およびヒンジが隠れた型の両捩り梁構造が含まれる。各タイプのＤＭＤは、一般に番地信号と呼ばれる電気信号によって発生する静電界に応答して静止位置から動き出す、すなわち回転あるいは偏向を起こす小型ミラーのアレイを含んでいる。ミラーの静止位置は典型的にはデバイスの表面に対して平行である。光はミラーの表面から反射され、ミラーが動くにつれて反射光の方向も変化する。ミラーの静止位置は、しばしばヒンジと呼ばれミラーを支え、またミラーの移動の間にエネルギーを蓄える梁またはバネによって決まる。この蓄えられたエネルギーは、アドレス電圧が取り除かれるか低下した時には、ミラーを静止位置へ戻そうとする。
【０００３】
変形可能なマイクロミラーデバイスもまたＤＭＤと呼ばれる。デジタルマイクロミラーデバイスと変形可能なマイクロミラーデバイスとの違いは、１９９１年１０月２９日付けで発行された”空間光変調器およびその方法（ＳｐａｔｉａｌＬｉｇｈｔ Ｍｏｄｕｌａｔｏｒ ａｎｄ Ｍｅｔｈｏｄ）”と題する米国特許第５，０６１，０４９号に記載されているように、デジタルマイクロミラーデバイスが双安定的に動作するということである。マイクロミラーデバイスのデジタル的な動作は、バイアス電圧を供給して、アドレス電圧の大きさに関わらず、ミラーが”オン”または”オフ”の方向へ最大回転することを保証することを含む。変形可能なマイクロミラーデバイスのミラー偏向はデバイスに与えられる電圧のアナログ的な関数である。デジタルマイクロミラーデバイスの構造と変形可能なマイクロミラーデバイスの構造とは非常に似ており、場合によっては同一である。ここに開示する本発明は、デジタルマイクロミラーデバイスおよび変形可能なマイクロミラーデバイスのいずれのデバイスとも一緒に使用することができるものである。
【０００４】
ＤＭＤは暗視野投影配置で用いられるのが一般的であり、例えば、所望の画像分解能を実現するために大型の画素アレイが必要とされるようなＨＤＴＶ応用において使用される。ＤＭＤの高分解能という性能に加えて、映像表示応用において非常に有用な別の１つの特徴はミラーを制御できるスピード、あるいはデバイスの応答時間である。応答時間が短いため、今のＤＭＤは毎秒当たりに１８万回に達するオン／オフの切り替えを行うことができる。各偏向サイクルはＤＭＤの梁またはバネにエネルギーを蓄え、またデバイス構造に対して機械的なストレスを与える。
【０００５】
ＤＭＤはマイクロメカニカルデバイスとして知られる大きなデバイス群の一部である。マイクロメカニカルデバイスには、加速度計、流量センサー、電気モーター、および流量制御デバイスが含まれる。それらのデバイスはマイクロマシンニング（微細加工）として知られるプロセスによって作製されることが多い。マイクロマシンニングには、デバイスを作り込むべき基板から、あるいはデバイス製造中に堆積された１または複数の材料層から、不必要な材料を除去することが含まれる。この材料の除去は、多くの場合、完成したデバイスの何らかの部品が動けるようにするために行われる。例えば、モーターからそのロータが固定軸の回りに回転できるように材料を除去する必要がある。ＤＭＤの場合であれば、ミラーが偏向あるいは回転できるように、ＤＭＤミラーの下側の材料を除去しなければならない。
【０００６】
製造工程中に、ダミー層（ｓａｃｒｉｆｉｃｉａｌ ｌａｙｅｒ）と呼ばれる１つの層全体が用いられる場合がある。例えば、ＤＭＤは、ミラーを偏向させるために必要な回路を覆ってダミー層を堆積させることによって作製されることが多い。次に、このスペーサー層の上へ１ないし複数の金属層を堆積させパターニングすることによって、ミラーおよびそれらのヒンジが構築される。これらの金属層の多くはアルミニウムまたはアルミニウム合金であって、ヒンジによって少なくとも１個のヒンジキャップへつながれるミラーを定義するようにパターニングされる。初期の形状のＤＭＤでは、ミラーおよびヒンジの下側からダミー層が除去され、残ったダミー層の一部でヒンジキャップを支えるようになっていた。ミラーはダミー材料を除去することによって形成されるウエルの上方にヒンジで以て吊り下げられていた。
【０００７】
最近のＤＭＤ設計は、ヒンジ材料の堆積に先だって各ヒンジキャップの場所のダミー層中に形成された孔あるいはビアを含むものになっている。ヒンジ材料をダミー層の上へ堆積させる時、それはビアの壁にも堆積され、”スペーサービア（ｓｐａｃｅｒｖｉａ）”として知られた上部の欠けた中空の柱構造ができる。ミラー、ヒンジ、およびヒンジキャップをパターニングした後、デバイス構造からダミー層をすべて除去して、ヒンジキャップを支えるスペーサービアのみを残す。その他の型のＤＭＤ，例えば、１９９２年１月２８日付けで発行された”多重レベル変形可能ミラーデバイス（Ｍｕｌｔｉ−Ｌｅｖｅｌ Ｄｅｆｏｒｍａｂｌｅ Ｍｉｒｒｏｒ Ｄｅｖｉｃｅ）”と題する米国特許第５，０８３，８５７号に述べられたようないわゆる”ヒンジの隠れた”捩り梁デバイスでは、２ないしそれ以上のダミー層が使用されている。ヒンジが隠れたタイプの捩り梁ＤＭＤは、デバイス基板の上方へヒンジを支えるために１組のスペーサービアを用い、更にヒンジの上方へミラーを支えるための第２の組のスペーサービアを用いている。
【０００８】
【発明が解決しようとする課題】
ミラーを偏向させるために用いられる静電力は、支えているヒンジおよびスペーサービアの構造中へ機械的なストレスを発生させる。それらのストレスは支持構造に故障を生じさせ、デバイスを駄目にしてしまうことがある。このことに関して、ＤＭＤおよびその他のマイクロメカニカルデバイス用の進歩した支持構造が必要とされる。
【０００９】
【課題を解決するための手段】
本発明は支持ピラーと呼ぶ進歩した支柱構造のための構造およびその製造方法を提供する。支持ピラーはマイクロメカニカルデバイス、特にデジタルマイクロミラーデバイス（ＤＭＤ）において使用されよう。支持ピラーは基板上へピラー材料の層を堆積させ、そのピラー材料をパターニングして支持ピラーの形を定義し、残っているピラー材料を覆って金属層を堆積させ、それによってピラー材料を金属のシース（ｓｈｅａｔｈ）で取り囲むことによって作製される。支持ピラーの周りにスペーサー材料を堆積させて、付加的な構造を作製するための平坦な表面を支持ピラーの上部レベルに揃えて形成してもよい。
【００１０】
支持ピラーは、従来の捩り梁ＤＭＤやヒンジが隠れたタイプＤＭＤを含む任意のタイプのデジタルマイクロミラーデバイスのミラーおよびヒンジを支えるために使用することができる。ヒンジが隠れたタイプのＤＭＤは、ヒンジ、アドレス電極、あるいはミラー、あるいはそれらの組み合わせのいずれかを支えるために支持ピラーを使用するように作製することができる。
【００１１】
ここの開示する支持ピラーおよびそれを製造する方法は、既存の設計と比べて改善された支持構造の強度を含むいくつかの特長を有している。
【００１２】
本発明それ自体、およびそれの特長をより完全に理解するために、以下に図面を参照した詳細な説明を行う。
【００１３】
【発明の実施の形態】
ＤＭＤおよびその他のタイプのマイクロメカニカルデバイスに使用できる、十分な強度を持ち信頼できる支持構造を得るために、新しい製造プロセスが必要である。既存の支持構造とここに示す進歩した構造との間で混乱を避けるために、従来技術の支持構造を”スペーサービア”と呼び、ここに提案する進歩した構造を”支持ピラー”と呼ぶことにする。この明細書で示す特定の実施例はＤＭＤ構造に関するものだけであるが、本方法および本構造は数多くのその他のマイクロメカニカルデバイスに対しても適用できる。
【００１４】
図１は、従来技術のヒンジが隠れたタイプの捩り梁ＤＭＤアレイ１００の一部分の鳥瞰図を示す。ヒンジが隠れたタイプのデバイスは、ミラー１０２を基板１０４から離して保持するために２つのレベルのスペーサービアを必要とする。第１のスペーサービアレベルは、ヒンジ支持スペーサービア１０６とアドレス電極支持スペーサービア１０８とを含むものである。ヒンジ支持スペーサービア１０６は捩りヒンジ１１０の一端をデバイス基板１０４から離して支えている。捩りヒンジ１１０は厚い金属のヒンジキャップ１１１を介してヒンジ支持スペーサービア１０６の上部へ取り付けられている。金属のヒンジキャップ１１１はヒンジ金属とスペーサービア金属との間で適切な金属対金属の接触を保証することによって、薄い金属捩りヒンジ１１０とヒンジ支持スペーサービア１０６との間の接続を強化する。各ヒンジキャップ１１１の上に着地場所１１２があって、それはミラー１０２が着地場所１１２へ向かって回転してくる時に、２つの隣接するミラー１０２のいずれかの回転を停止させる。アドレス支持スペーサービア１０８がアドレス電極１１４を基板１０４から離して保持するために使用されている。アドレス支持スペーサービア１０８とヒンジ支持スペーサービア１０６とは同じ高さであるのが一般的である。
【００１５】
第２のスペーサービアレベルは、ミラー１０２を捩りヒンジ１１０の上方へ保持するミラー支持スペーサービア１１６を含むものである。ミラー支持スペーサービア１１６はヒンジヨーク１１８と呼ばれる捩りヒンジ１１０の厚くなった部分の上に形成される。ヒンジキャップ１１１と同様に、ヒンジヨーク１１８も捩りヒンジ１１０とミラー支持スペーサービア１１６との間の適切な金属対金属の接触を保証することによって薄い金属捩りヒンジ１１０とミラー支持スペーサービア１１６との間の接続を強化している。ミラー支持スペーサービア１１６の高さは変えることができ、それによってミラー１０２の最大回転角度を制御することができる。
【００１６】
図２はヒンジが隠れたタイプの捩り梁ＤＭＤの１要素の展開図である。図１に関して説明した構造に加えて、図２は基板１０４の表面上へ堆積された金属のバイアス／リセットバス２００と金属パッド２０２とを示している。金属のバイアス／リセットバス２００はヒンジ支持スペーサービア１０６を支え、金属パッド２０２はアドレス電極支持スペーサービア１０８を支えている。金属パッド２０２は保護用の酸化物層２０３中のビア２０４を通して、基板１０４の表面に作り込まれたアドレス回路へつながれており、アドレス電極支持スペーサービア１０８をアドレス回路へ電気的に接続する働きをしている。バイアス／リセットバス２００および金属パッド２０２は第３のデバイス金属層あるいはＭ３の一部として作製されるのが一般的である。最初の２つの金属層、Ｍ１およびＭ２は基板上のアドレス回路の相互接続のために用いられる。
【００１７】
図１に戻って、各ミラー１０２とそれのアドレス電極１１４とは空気コンデンサーの２つの電極板を構成している。アドレス電極１１４とそれに付随するミラー１０２との間にもし十分なバイアス電圧が印加されれば、その結果生ずる静電力がミラー１０２をアドレス電極１１４へ向かって偏向させ、それによって捩りヒンジ１１０を捩る。もし加えられた電圧が十分大きければ、ミラー１０２はミラー先端１０３がヒンジキャップ１１１上に付随の着地場所１１２に接触するまで偏向し、ミラーの回転は停止する。もしヒンジキャップ１１１がミラー先端１０３に接触せずミラー１０２の回転を停止させなければ、ミラー１０２はアドレス電極１１４に接触してバイアス電圧を短絡させることになってしまう。各要素中のヒンジ軸の各側には１つのアドレス電極１１４があるので、ミラー１０２はどちらの方向へも回転でき、ミラー１０２が２つの完全に偏向した状態のうち、いずれかの状態を取ることができるようになっている。
【００１８】
ミラー１０２およびアドレス電極１１４からバイアス電圧が取り除かれると、捩りヒンジ１１０の変形によって蓄えられていたエネルギーはミラー１０２を未偏向あるいは中立の状態へ戻そうとする。しかし、ミラー１０２と着地場所１１２との間での短距離の引力が、しばしば、ミラー１０２を着地場所１１２へ固着させてしまう。このようなことが発生した時には、固着したミラー１０２を自由にするために共鳴リセット（ｒｅｓｏｎａｎｔ ｒｅｓｅｔ）と呼ばれる方法が用いられる。共鳴リセット法は１個の電圧パルスあるいは一連のパルスを用いて、ミラー１０２中に機械的なエネルギーを蓄えるものである。典型的な共鳴リセットでは、一連の５個の−２４ボルトのパルス列を約５ＭＨｚ程度のミラー１０２の共鳴周波数においてミラー１０２へ供給する。各パルスはミラー１０２とアドレス電極１１４との間に非常に強い引力を作り出す。ミラー先端１０３は着地場所１１２によって所定の場所に保持されているので、ミラー１０２の中央部は基板１０４の方向へ曲がり、ミラー１０２の上面は凹状になる。パルスが取り除かれると、吸引は停止し、ミラー１０２は上方へバネ作用で戻り、凸状になる。更に続くパルスによってミラーの変形は増大し、蓄積エネルギーも付加される。最後のリセットパルスが取り除かれる時点までに、ミラー１０２に蓄えられているエネルギーはミラー１０２をバネ作用で着地場所１１２から解放するのに十分となり、捩りヒンジ１１０に蓄えられたエネルギーでミラー１０２を中立の位置へ戻すことができる。
【００１９】
ミラー１０２と捩りヒンジ１１０とを変形させる静電力は、デバイス一部を支えるスペーサービア１０６、１０８、１１６をも捩り、曲げる。これに含まれるストレスは従来技術のＤＭＤのスペーサービアを破壊し、デバイスを破壊する場合がある。これらの故障は通常、２つの故障モードを通じて発生する。第１の故障モードは、スペーサービアの上部によって支えられたミラー１０２、ヒンジキャップ１１１、あるいはアドレス電極１１４が取り付けられている地点あるいはその付近でスペーサービア１０６、１０８、１１６が破損した時に発生する。第２の主要な故障モードは、スペーサービア１０６、１０８、１１６の下側のバイアス／リセットバス２００またはヒンジヨーク１１８への接触点あるいはその付近でスペーサービア１０６、１１６、あるいは１０８が破損した時に発生する。スペーサービア１０６、１０８、１１６の故障は、現在の製造プロセスを通して得られるステップカバレッジ、あるいはスペーサービアの壁面での金属カバレッジの不良が原因であるとされている。金属はスペーサービアの上部付近、あるいは底部において薄過ぎることが多い。
【００２０】
従来技術のアドレス電極支持スペーサービア１０８、ヒンジ支持スペーサービア１０６、およびミラー支持スペーサービア１１６は、ダミー材料中の孔またはビアをスパッタされた金属で内張りすることによって形成するのが一般的である。ダミー材料を除去すると、残る内張り（ｌｉｎｅｒ）がスペーサービアを形成することになる。図３Ａはダミー材料３０４で部分的に覆われた基板３０２へ向かってスパッタされてつつある金属粒子３００を示している。スパッタプロセスの間、金属３００は表面へあらゆる方向から接近する。従って、金属は、領域３０６で示したように１８０度の角度範囲から平坦な表面３２０へ到達する。
【００２１】
壁構造３１０の基部にある地点３０８は壁構造３１０の陰になっているため、領域３１２で示したように、地点３０８へ９０度の角度範囲から飛来する金属だけしか受け取ることができない。地点３０８は平坦な表面が金属を受け取る角度範囲の半分の角度範囲だけから金属を受け取ることしかできないため、陰になるものがない平坦な領域と比較して約半分の量の金属が地点３０８に堆積することになる。陰の問題はビア３１４においてはもっと重大である。ビア３１４の底の隅へ金属が到達するためには、金属は領域３１６で示したようにほとんど垂直に飛来しなければならない。底の部分と比べて壁の上部にはより多くの金属が到達できるので、オーバーハングが成長する。このオーバーハングが更に金属の壁低部への到達を制限し、壁の下側の部分での金属カバレッジは劣悪なものになる。
【００２２】
図３Ｂは図３Ａの基板３０２およびスペーサー３０４の上へスパッタされた金属層３１８を示している。金属層３１８は壁構造３１０の側面においては平坦な水平面３２０におけるよりも薄くなっている。金属層３１８はビア３１４の底部で特に薄くなっている。ビア３１４の上部直下にも薄い領域が広がっている。この薄い領域は、金属層３１８がスパッタされるにつれてビア３１４の上部に成長するオーバーハング３２２によってもたらされる。図３Ｃはダミー材料３０４を除去した後の基板３０２および金属層３１８を示している。これによって、ダミー材料３０４中のビア３１４中に形成されたスペーサービア３２４が残される。スペーサービア３２４の上部および底部付近の金属層３１８の薄く弱い領域は、スペーサービア３２４にストレスが与えられた時に故障を起こしがちである。
【００２３】
アスペクト比（すなわち、ビアの高さ対ビアの幅の比）が高くなればそれだけビア底部付近のステップカバレッジは劣化するであろう。スペーサービア３２４を作製する時、ビア３１４の壁低部へ適量の金属が到達することを保証するためには厚い金属層を堆積させなければならない。残念ながら、金属の厚さは自由に増やすことができない。金属を堆積させると、壁の下側の部分での金属の厚さよりも速くオーバーハング３２２が成長し、結果的にビアを封止してしまい、それ以上金属がビア３１４中へ入ってくるのを阻止してしまう。そのほかにも、典型的なＤＭＤ製造工程においてビア３１４中へ堆積される金属の量を制限する制約が存在する。例えば、従来技術の典型的なヒンジが隠れたタイプのＤＭＤを製造する工程中で、同じ金属堆積工程によってミラー支持スペーサービア１１６とミラー１０２とが形成される。金属をあまり厚く堆積させると、ミラー１０２が厚くなり過ぎて、ミラーの鏡面性が低下し、また、より高い共鳴リセット周波数が必要になる。リセット周波数が増大するにつれて、周波数に依存するダンピング効果のためにリセット効率は急激に劣化する。更に、ミラーの厚さを増大させることはミラーの慣性モーメントを増大させることから、ミラー１０２の応答時間を長くしてしまう。
【００２４】
スペーサービア３２４に対してそれらの強度を改善する少なくとも３つの改善点がある。第１に、スペーサービア３２４の寸法を大きくして、スペーサービア３２４の側面の金属カバレッジを改善すること。しかし、ミラー支持スペーサービア１１６がＤＭＤミラー１０２の能動領域を狭める開いた上部を有することになるため、ミラー支持スペーサービア１１６を大きくすることはミラー能動領域の許容できない損失につながる。アドレス支持スペーサービア１１８を大きくすることもまた、アドレス電極１１４の使用できる寸法を少なくし、従ってアドレス電極１１４とミラー１０２との間に生成される静電力を低下させる。第２の方法は、凹角スペーサービア輪郭を回避するためにスペーサービア３２４の断面形状を変化させることを含む。凹角輪郭（ｒｅｅｎｔｒａｎｔ ｃｏｎｔｏｕｒ）は、スペーサービア３２４を形成するために用いられるビア３１４が、ビア３１４の形成されるダミー層に入った後で広がる時に発生する。凹角輪郭を持つスペーサービアは上で述べたオーバーハングと似たものである。オーバーハングは、凹角輪郭スペーサービアがスペーサービア３２４の上部付近で劣悪な金属カバレッジを有する原因となり、また、ヒンジキャップ１１１またはミラー１０２がスペーサービア３２４から破損していく原因ともなる。更に別の解は、金属を堆積させた後にスペーサービア３２４の内側へ酸化物の内張りを成長させることである。酸化物内張りはスペーサービア３２４の内側のスペーサービア３２４の基部に成長し、金属の厚さが不十分な場所での機械的強度を高める。これらの改善は、スペーサービア３２４の強度を高めはするが、それでもまだＤＭＤのためのスペーサービア３２４としては十分な強度は得られず、信頼できない。
【００２５】
スペーサービア３２４設計の機械的な弱点に対処するために新しい構造およびプロセスが発明された。それは従来設計のフォトレジストビアをフォトレジストピラーで置き換えるものである。ピラーは比較的間隔を離してあるため、スパッタ工程の間にピラーの基部はビアの底部ほどには陰にならない。ピラーのステップカバレッジは同じアスペクト比を有する孔やトレンチのステップカバレッジよりも優れている。従って、ここに開示される構造を備えた支持ピラーは従来技術のスペーサービア３２４よりもずっと優れた強度を有する。
【００２６】
【実施例】
図４ないし図２０は、本発明の１つの実施例に従うＤＭＤ要素の、それを製造する工程の各段階における断面図を示す。断面は図２の２０６で示したヒンジ軸に沿って取ったものである。図４は典型的にはシリコンである基板ウエハ４００を示しており、この上にはアドレス回路および最初の２つの金属化層が既に作製されている。第２の金属層は保護用の酸化物層４０３によって覆われている。図２に示されたように金属パッド２０２が基板４００上に作製されたアドレス回路へ接触できるように、ビア２０４が酸化物層４０３中へ開けられる。図４には示されていないが、保護用の酸化物層４０３を覆って薄い金属層が堆積されるのが一般的である。この薄い金属層は典型的にはタングステンまたはアルミニウムであるが、基板４００上のアドレス回路との電気的コンタクトを実現し、更には、後のエッチング工程でのエッチストップとして働くようになっている。
【００２７】
典型的には約１．０μｍの厚さのポジ型の有機フォトレジスト層であるピラー材料４０２の第１の層が基板４００へ取り付けられる。このピラー材料４０２の層はパターニングされ現像されて、図５に示すようなピラー材料４０４の部分が残される。これがヒンジ支持ピラーと一体化された部分を構成することになる。ピラー材料４０２の層の一部はアドレス電極支持ピラーを形成する。しかし、アドレス電極支持ピラーは図４ないし図２０の断面図には示されていない。ピラー材料４０４の一部が形成された後に、それらに対して約２２０℃の温度にまで遠紫外線硬化が施され、残りのプロセス工程での溶融やバブル発生を避けるようにされる。
【００２８】
ピラー材料４０２の層としてフォトレジストの代わりにその他の材料を使用してもよい。代替え材料としては多結晶シリコン、酸化物、窒化物、あるいはオキシナイトライドのような誘電体が一般的である。誘電体を用いる場合には、ビア２０４中および保護用の酸化物層４０３を覆って薄い金属層が堆積され、それをエッチストップとして用いてビア２０４からピラー材料を完全に除去するのを容易にする。ピラー材料層４０２としてその他の材料を使用することもできるが、代替え材料が追加のパターニングおよびエッチング工程を必要とする点でフォトレジストが望ましい。例えば、基板ウエハ４００上へ１μｍの厚さの二酸化シリコン層を成長させて、フォトレジスト層で以て覆う。フォトレジスト層をパターニングし現像して、支持ピラーを形成すべき二酸化シリコン層の部分のみを保護するように加工する。次に二酸化シリコン層をエッチして、ピラー材料４０４の所望の部分だけを残すことを行う。
【００２９】
ピラー材料４０２の層をパターニングした後、基板４００およびピラー材料４０４の残りの部分を、図６に示すように金属層４０６で覆う。典型的にはアルミニウムまたはアルミニウム合金である金属層は第３の金属層Ｍ３を構成するが、保護用の酸化物層４０３および残っているピラー材料４０４の上へ４０００オングストロームの厚さにスパッタされるのが一般的である。Ｍ３金属層はパターニングされて、図２に示されたバイアス／リセットバス２００および金属パッド２０２が形成される。図４ないし図２０の断面はヒンジ軸に沿って取られているので、バイアス／リセットバスは連続した層として見え、Ｍ３層のパターニングの結果は示されていない。完成したヒンジ支持ピラー４０８はピラー材料４０４の残りの部分とバイアス／リセットバスを形成するＭ３金属層４０６のシースとで構成される。
【００３０】
図２１は、Ｍ３金属層４０６の堆積後に部分的に完成したＤＭＤ５００の、図６から取り出した一部分の断面図であり、金属化されたヒンジ支持ピラー４０８のステップカバレッジを示している。このピラー材料４０４の部分は、上部よりも側面が薄い金属のシースの中に収容されている。既に図３に関して説明したように、上部に比べて側面の金属が薄いのは、ピラー材料４０４が部分的に陰になっているためである。側面はピラー材料４０４の上部よりも少ない金属を受け取るのであるが、ピラー材料４０４のその他の残りの部分は十分離れているため、側面は図３Ａの領域３１で示したような従来技術のスペーサービアよりも広い角度範囲から金属を受け取ることが可能となっている。従って、側面は従来技術のスペーサービアよりも多い金属を受け取り、より均一なカバレッジを実現することができる。進歩した金属カバレッジは、金属化された支持ピラー４０８の合成特性と相俟って、ずっと強度の高い支持ピラーを実現しており、ヒンジキャップあるいは基板のいずれからも破損が始まる傾向は見られない。
【００３１】
図７を参照すると、ヒンジスペーサー層４１０と呼ぶ第１のスペーサー層がヒンジ支持ピラー４０８を覆って基板上へスピン塗布されている。このヒンジスペーサー層４１０は典型的には１．０μｍの厚さのポジ型フォトレジストである。図７に示されたように、ヒンジスペーサー層４１０は各ピラー４０８の上にバンプ４１２を有しているであろう。バンプ４１２はフォトレジストをスピン塗布することで生じたものであって好ましいものではない。ヒンジスペーサー層４１０を形成するためのフォトレジストを減らせばバンプは無くすることができるであろうが、フォトレジストがピラー４０８の周囲へ流れる時に、ピラー４０８による”シャドウ”効果によってフォトレジスト表面の顕著な波打ち現象が発生する可能性がある。温度の関数であるフォトレジストの粘性、基板ウエハ４００のスピン回転速度、およびスペーサー層４１０の厚さはいずれも完成した層の表面に影響する。ある条件下では、１つの厚い層を堆積させるよりも複数の薄い層を堆積させるほうが有利である。理想的なスペーサー層４１０は完全に平坦で、基板ウエハ４００からピラー４０８の上端まで広がっており、以降のデバイス製造工程に対して完全に平坦な表面を引き渡す。
【００３２】
各ピラー４０８の上に形成されたバンプ４１２は酸素プラズマエッチによって除去され、ピラー４０８へのアクセスが提供され、スペーサー層４１０の表面が平坦化される。ヒンジスペーサー層４１０の平坦化は堅実なヒンジ強度と一体性とを保証するために重要である。更に、スペーサー層４１０およびピラー４０８の上部の非平坦な特徴は製造工程によって転写され、以降の層に影響を及ぼす。ヒンジスペーサー層４１０は、後に続く処理工程の間に流れ出したり、バブル発生を起こしたりしないように約２００℃の温度にまで遠紫外線硬化されるのが普通である。
【００３３】
ヒンジ層４１８は図９に示されたように、ヒンジスペーサー層４１０の上へ薄いアルミニウム合金のスパッタ堆積を行うことによって形成されるのが一般的である。ヒンジ層４１８は典型的には６００オングストロームの厚さで、０．２％のＴｉ、１％のＳｉ、９８．８％のＡｌを含む。米国特許第５，０６１，０４９号が教えるように、埋め込まれたヒンジを製造するプロセスに従えば、典型的にはヒンジ層４１８を覆ってプラズマ堆積法によって酸化物層を堆積させ、捩りヒンジの形にパターニングすることで酸化物エッチストップ４２０が形成される。
【００３４】
第２レベルのピラーがヒンジ金属層４１８を覆って形成され、ミラー支持ピラーとなる。ミラー支持ピラーはヒンジおよびアドレス電極支持ピラーを作製するために用いられたのと同じプロセスで作製される。ピラー材料の第２の層が基板ウエハ上へ堆積されパターニングされて、図１０に示すようなピラー材料４２２の部分が残される。ピラー材料の第２層は典型的には２．２μｍの厚さのフォトレジストであって、それは引き続くプロセス工程において流れ出したり、バブル発生を起こしたりしないように１８０℃まで遠紫外線硬化される。ヒンジスペーサー層４１０あるいはヒンジ支持ピラー４０４は既にもっと高い温度（２００℃および２２０℃）まで硬化されているので、これら最初の２つのフォトレジスト層の劣化は起こらない。
【００３５】
次に図１１に示すように、第１のヒンジ金属層４１８およびピラー材料４２２を覆って電極金属の厚い層４２４が堆積される。電極金属層４２４は典型的には３７５０オングストロームの厚さであって、スパッタ堆積されて、ミラー支持ピラー、ヒンジキャップ、およびアドレス電極を形成する。電極が堆積されると、ピラー材料４２２は電極金属によって取り囲まれて、ピラー材料４２２と電極金属のシース４２４とを含むミラー支持ピラー４２６が形成される。電極金属４２４を堆積した後に、図１２に示すように、酸化物層が堆積されパターニングされて、ミラー支持ピラーエッチストップ４２８、ヒンジキャップエッチストップ４３０、および番地電極エッチストップ（図示されていない）が形成される。ミラー支持ピラーエッチストップ４２８はパターニングされて、ミラー支持ピラーおよびヒンジヨークを以降のエッチ工程から保護する。
【００３６】
エッチストップのパターニングの後、電極金属層４２４およびヒンジ金属層４１８が両方ともにエッチされ、図１３に示すように、エッチストップによって保護された金属層の部分のみが残される。エッチストップ４２０、４２８、４３０は次に図１４に示すように剥離される。ミラースペーサー層４３２と呼ぶ第２のフォトレジストスペーサー層が、次にウエハ上へ図１５に示されたようにスピン塗布されエッチバックされて、図１６に示すように、ミラー支持ピラー４２６の上部へのアクセスを提供し、第２のスペーサー層を平坦化する。
【００３７】
第２のスペーサー層４３２および支持ピラー４２６の上部を覆ってミラー金属層４３８が堆積される。典型的にはこのミラー金属層はスパッタ堆積された４２５０オングストロームの厚さである。別の酸化物層がプラズマ堆積され、パターニングされて、図１８に示すようなミラーエッチストップ４４０が形成される。次に、図１９に示すように、プラズマエッチによってミラー金属層４３８はミラー４４２に成形される。
【００３８】
ウエハレベルでの処理はこれで完了である。このデバイスは、残っているミラースペーサー４３２とヒンジスペーサー層４１０とを除去し、ミラー４４２からミラー酸化物エッチストップ４４０を剥離することによってアンダーカット処理を施さなければならない。ミラースペーサー層４３２を除去した後はミラー４４２が非常に脆くなるので、デバイスのソーイング（ｓａｗ）はアンダーカットの前に行われるのが普通である。しかし、この制約はここに開示するプロセスの結果ではなく、むしろ既存のウエハ分離の方法による制限である。損傷を受けた切り屑を生じないウエハ分離プロセスや損傷を完全に取り去ってしまう工程が利用できるようになれば、ここの工程は順序を入れ替えてウエハの分離の前にデバイスを完成させることができるようになるであろう。
【００３９】
ミラーエッチストップ４４０は、ミラー表面を保護するためにウエハ分離の間も所定の場所に残される。ウエハはＰＭＭＡによって被覆され、チップアレイに切り出され、クロロベンゼンによるパルススピン洗浄（ｐｕｌｓｅ ｓｐｉｎ−ｃｌｅａｎ）を受ける。ウエハ分離の後、チップはプラズマエッチング反応室中へ入れられ、そこでミラーエッチストップ４４０と、２つのスペーサー層４３２および４１０の完全な除去が行われて、図２０に示すようにヒンジおよびミラーの下側には空隙４４４および４４６のみが残される。ヒンジが変形し、ミラーが偏向できるだけの十分な空隙がある限り、スペーサー層４３２および４１０の一部を残しておくことも可能である。
【００４０】
封じ込まれたピラー材料の熱膨張係数はアルミニウムピラーシースの熱膨張係数とほとんど一致するので、封じ込まれた材料を支持ピラーの内側に残したままでも構わない。封じ込まれた材料の熱膨張係数とアルミニウムピラーシースの熱膨張係数との間に違いがあまり大きい場合には、高温あるいは低温に曝された場合に支持ピラーが破壊する可能性がある。熱膨張係数の不一致に起因する支持ピラーに対する損傷を阻止するために、電極あるいはヒンジ金属層中に孔をパターニングして封じ込まれた材料をプラズマエッチングによって除去するようにすることもできる。
【００４１】
これまで支持ピラーの製造プロセスについてヒンジが隠れたタイプのＤＭＤのみに関して説明してきたが、数多くのその他のデバイスで本プロセスを利用することができる。図２２に示された従来の捩り梁ＤＭＤ６００は、半導体基板６１０上に作製されたアドレス電極６０８の上方へ２つの捩りヒンジ６０６で以て支えられたミラー６０４を含んでいる。ここに開示されたプロセスは、基板６１０から離れた場所にヒンジ６０６を支えるようになったヒンジ支持ピラー６０２を形成するために使用することができる。加速度計、流量センサー、温度センサー、およびモーター等のその他のマイクロメカニカルデバイスもここに開示されたプロセスを用いることができる。ここに開示されたプロセスは従来技術のスペーサービアよりも強い支持ピラーを提供できるという特長を有する。
【００４２】
このように、ここまで支持ピラーとそのプロセスという特別な１つの実施例について説明してきたが、そのような特定の引用は本発明の特許請求の範囲に示された以外の本発明の範囲を制限するものではないことを理解されるべきである。更に、本発明はそれの特定の実施例に関して説明してきたが、当業者にはそれ以外の修正が自ずと明らかになるであろう。そして、それらすべての修正も本発明の請求の範囲に包含されるものと解釈されるべきである。
【００４３】
以上の説明に関して更に以下の項を開示する。以下の各項において、「金属化された」とあるのは、また「金属で強化された」と読みかえることもできる。
（１）金属化された支持ピラーを作製する方法であって、
基板上へピラー材料を堆積させること、
前記ピラー材料をパターニングして支持ピラーを定義すること、および
前記支持ピラーを覆って金属層を堆積させ、そこにおいて前記支持ピラーが前記金属層によって取り囲まれて金属化された支持ピラーが形成されるようにすること、
の工程を含む方法。
【００４４】
（２）第１項記載の方法であって、前記ピラー材料が、フォトレジスト、多結晶シリコン、酸化物、窒化物、およびオキシナイトライドを含むグループのうちから選ばれたものである方法。
【００４５】
（３）第１項記載の方法であって、前記金属層を堆積させる工程が前記支持ピラーを覆って金属層をスパッタすることを含んでいる方法。
【００４６】
（４）第１項記載の方法であって、更に、
前記金属化された支持ピラーの周辺にスペーサー層を堆積させること、
前記金属化された支持ピラーの上部および周辺から前記スペーサー層の一部を除去すること、
の工程を含む方法。
【００４７】
（５）第４項記載の方法であって、前記スペーサー層が有機フォトレジストである方法。
【００４８】
（６）マイクロミラーデバイスを作製する方法であって、
基板上へピラー材料を堆積させること、
前記ピラー材料をパターニングして第１の支持ピラーを定義すること、
前記第１の支持ピラー上へ第１の金属層を堆積させること、
前記第１の金属層をパターニングして、電極と、前記ピラー材料を前記第１の金属層によって覆った第１の金属化された支持ピラーとを形成すること、
前記基板上へ第１のスペーサー層を堆積させること、
前記第１のスペーサー層と前記第１の支持ピラーとを覆って、ヒンジを形成する第２の金属層を堆積させること、
前記第２の金属層の上へ第２のピラー材料を堆積させること、
前記第２のピラー材料をパターニングして、前記ヒンジへ取り付けられた第２の支持ピラーを定義すること、
前記第２の支持ピラーを覆って第３の金属層を堆積させて、第２の金属化された支持ピラーを形成すること、
前記第１のスペーサー層を覆って第２のスペーサー層を堆積させること、
前記第２の金属化された支持ピラーの上部から前記第２のスペーサー層の一部を除去すること、
前記第２のスペーサー層を覆って、前記第２の支持ピラーに取り付けられた少なくとも１個のミラーを定義する第４の金属層を堆積させること、および
前記第１のスペーサー層および前記第２のスペーサー層を除去して、前記ヒンジおよび前記ミラーの下側に空隙を形成すること、
の工程を含む方法。
【００４９】
（７）変形可能なミラーデバイスを作製する方法であって、
基板上へピラー材料を堆積させパターニングして、支持ピラーを定義すること、
前記支持ピラー上へ第１の金属層を堆積させて、金属化された支持ピラーを形成すること、
前記基板上へスペーサー層を堆積させること、
前記金属化された支持ピラーの上部から前記スペーサー層の一部を除去すること、
前記スペーサー層および前記金属化された支持ピラーを覆って、ヒンジと前記ヒンジによって前記支持ピラーから回転自在に支持されたミラーとを形成する少なくとも１個の付加的な金属層を堆積させること、および
前記スペーサー層の一部を除去して、前記ヒンジおよび前記ミラーの下側に空隙を形成すること、
の工程を含む方法。
【００５０】
（８）第７項記載の方法であって、前記ピラー材料が、フォトレジスト、多結晶シリコン、酸化物、窒化物、およびオキシナイトライドを含むグループのうちから選ばれたものである方法。
【００５１】
（９）第７項記載の方法であって、前記第１の金属層を堆積させる工程が前記支持ピラー上へアルミニウム合金をスパッタする工程を含んでいる方法。
【００５２】
（１０）マイクロミラーデバイスであって、
基板、
前記基板上にあって、第１の金属シースの内側に第１のピラー材料を含む少なくとも１個のヒンジ支持ピラー、
前記ヒンジ支持ピラーにつながれた少なくとも１個のヒンジ、
前記ヒンジにつながれて、第２の金属シースの内側に第２のピラー材料を含む少なくとも１個のミラー支持ピラー、および
前記ミラー支持ピラーによって支えられた少なくとも１個のミラー要素、
を含むマイクロミラーデバイス。
【００５３】
（１１）マイクロミラーデバイスであって、
基板、
前記基板上にあって、金属シースの内側にピラー材料を含む少なくとも１個のヒンジ支持ピラー、
前記ヒンジ支持ピラーにつながれた少なくとも１個のヒンジ、および
前記少なくとも１個のヒンジによって支えられた少なくとも１個のミラー要素、
を含むマイクロミラーデバイス。
【００５４】
（１２）マイクロメカニカルデバイス用の支持ピラーであって、
基板、
前記基板によって支えられ、所望の支持ピラー形状に成形されたピラー材料、および
前記ピラー材料を覆って形成され、前記基板によって少なくとも部分的に支えられた金属層、
を含む支持ピラー。
【００５５】
（１３）マイクロメカニカルデバイス、特にデジタルマイクロミラーデバイスと一緒に使用するための支持ピラー４０８は、基板４００によって支えられ、金属層４０６によって覆われたピラー材料４２２を含んでいる。支持ピラー４０８は、基板４００上へピラー材料を堆積させ、前記ピラー材料をパターニングして支持ピラー４０８を定義し、そして前記支持ピラー４０８を覆って前記支持ピラーを取り囲むように金属層４０６を堆積させることにより作製される。ピラー４０８を覆ってスペーサー層４１０を設けることで、ピラーの上端とレベルの揃った平坦な表面が得られる。スペーサー層４１０を設けた後、スペーサー層４１０はピラーの上部を露出させるためにエッチされる。
【図面の簡単な説明】
【図１】従来技術の典型的なヒンジが隠れたタイプの捩り梁ＤＭＤアレイの部分鳥瞰図。
【図２】従来技術のヒンジが隠れたタイプの捩り梁ＤＭＤ要素の展開鳥瞰図。
【図３】Ａは、基板およびダミー層の上へ金属がスパッタされている状態の断面図。
Ｂは、図３Ａの基板の、金属がスパッタされた後の断面図。
Ｃは、図３Ａの基板の、金属がスパッタされダミー材料が除去された後の断面図。
【図４】本発明の１つの実施例に従う支柱を有するＤＭＤ要素の製造中の各段階を示す、ＤＭＤアレイの１つの要素のヒンジ軸に沿って取った断面図であって、番地回路と２つの金属層を形成された基板ウエハの上に第１のフォトレジスト層が塗布された段階を示す断面図。
【図５】本発明の１つの実施例に従う支柱を有するＤＭＤ要素の製造中の各段階を示す、ＤＭＤアレイの１つの要素のヒンジ軸に沿って取った断面図であって、ピラー材料のパターニングを行った段階を示す断面図。
【図６】本発明の１つの実施例に従う支柱を有するＤＭＤ要素の製造中の各段階を示す、ＤＭＤアレイの１つの要素のヒンジ軸に沿って取った断面図であって、基板およびパターニングされたピラー材料を覆って金属層を堆積させた段階を示す断面図。
【図７】本発明の１つの実施例に従う支柱を有するＤＭＤ要素の製造中の各段階を示す、ＤＭＤアレイの１つの要素のヒンジ軸に沿って取った断面図であって、ヒンジスペーサー層をスピン塗布した段階を示す断面図。
【図８】本発明の１つの実施例に従う支柱を有するＤＭＤ要素の製造中の各段階を示す、ＤＭＤアレイの１つの要素のヒンジ軸に沿って取った断面図であって、スペーサー層の平坦化を行った段階を示す断面図。
【図９】本発明の１つの実施例に従う支柱を有するＤＭＤ要素の製造中の各段階を示す、ＤＭＤアレイの１つの要素のヒンジ軸に沿って取った断面図であって、ヒンジ層の上へ酸化物のエッチストップをパターニングした段階を示す断面図。
【図１０】本発明の１つの実施例に従う支柱を有するＤＭＤ要素の製造中の各段階を示す、ＤＭＤアレイの１つの要素のヒンジ軸に沿って取った断面図であって、第２のピラー材料をパターニングした段階を示す断面図。
【図１１】本発明の１つの実施例に従う支柱を有するＤＭＤ要素の製造中の各段階を示す、ＤＭＤアレイの１つの要素のヒンジ軸に沿って取った断面図であって、第１のヒンジ金属層と第２のピラー材料を覆って電極金属層を堆積させた段階を示す断面図。
【図１２】本発明の１つの実施例に従う支柱を有するＤＭＤ要素の製造中の各段階を示す、ＤＭＤアレイの１つの要素のヒンジ軸に沿って取った断面図であって、酸化物層をパターニングしてエッチストップを形成した段階を示す断面図。
【図１３】本発明の１つの実施例に従う支柱を有するＤＭＤ要素の製造中の各段階を示す、ＤＭＤアレイの１つの要素のヒンジ軸に沿って取った断面図であって、エッチストップをマスクにして金属層のエッチングを行った段階を示す断面図。
【図１４】本発明の１つの実施例に従う支柱を有するＤＭＤ要素の製造中の各段階を示す、ＤＭＤアレイの１つの要素のヒンジ軸に沿って取った断面図であって、エッチストップを剥離した段階を示す断面図。
【図１５】本発明の１つの実施例に従う支柱を有するＤＭＤ要素の製造中の各段階を示す、ＤＭＤアレイの１つの要素のヒンジ軸に沿って取った断面図であって、ミラースペーサー層をスピン塗布させた段階を示す断面図。
【図１６】本発明の１つの実施例に従う支柱を有するＤＭＤ要素の製造中の各段階を示す、ＤＭＤアレイの１つの要素のヒンジ軸に沿って取った断面図であって、ミラースペーサー層の平坦化を行った段階を示す断面図。
【図１７】本発明の１つの実施例に従う支柱を有するＤＭＤ要素の製造中の各段階を示す、ＤＭＤアレイの１つの要素のヒンジ軸に沿って取った断面図であって、ミラー金属層を堆積させた段階を示す断面図。
【図１８】本発明の１つの実施例に従う支柱を有するＤＭＤ要素の製造中の各段階を示す、ＤＭＤアレイの１つの要素のヒンジ軸に沿って取った断面図であって、第２のミラーエッチストップを形成した段階を示す断面図。
【図１９】本発明の１つの実施例に従う支柱を有するＤＭＤ要素の製造中の各段階を示す、ＤＭＤアレイの１つの要素のヒンジ軸に沿って取った断面図であって、ミラー金属層をプラズマエッチしてミラーを形成した段階を示す断面図。
【図２０】本発明の１つの実施例に従う支柱を有するＤＭＤ要素の製造中の各段階を示す、ＤＭＤアレイの１つの要素のヒンジ軸に沿って取った断面図であって、ヒンジおよびミラーの下側からスペーサー層を除去した段階を示す断面図。
【図２１】図６のヒンジ支持ピラーの金属ステップカバレッジを示す断面図。
【図２２】本発明の１つの実施例に従う進歩した支柱を有する、典型的な捩り梁ＤＭＤの部分鳥瞰図。
【符号の説明】
１００ ＤＭＤアレイ
１０２ ミラー
１０４ 基板
１０６ ヒンジ支持スペーサービア
１０８ アドレス電極支持スペーサービア
１１０ 捩りヒンジ
１１１ ヒンジキャップ
１１２ 着地場所
１１４ アドレス電極
１１６ ミラー支持スペーサービア
１１８ ヒンジヨーク
２００ バイアス／リセットバス
２０２ 金属パッド
２０３ 保護用酸化物層
２０４ ビア
３００ 金属粒子
３０２ 基板
３０４ ダミー層
３０６ 角度範囲
３０８ 地点
３１０ 壁構造
３１２ 角度範囲
３１４ ビア
３１６ 角度範囲
３１８ 金属層
３２０ 平坦な表面
３２２ オーバーハング
３２４ スペーサービア
４００ 基板ウエハ
４０１ ＤＭＤ要素
４０２ 第１のピラー材料層
４０３ 保護用酸化物層
４０４ ピラー材料の部分
４０６ 金属層
４０８ ヒンジ支持ピラー
４１０ ヒンジスペーサー層
４１２ バンプ
４１８ ヒンジ層
４２０ 酸化物エッチストップ
４２２ ピラー材料の部分
４２４ 電極金属
４２６ ミラー支持ピラー
４２８ ミラー支持ピラーエッチストップ
４３０ ヒンジキャップエッチストップ
４３２ ミラースペーサー層
４３８ ミラー金属層
４４０ ミラーエッチストップ
４４２ ミラー
４４４ 空隙
４４６ 空隙
５００ ＤＭＤ
６００ ＤＭＤ
６０２ ヒンジ支持ピラー
６０４ ミラー
６０６ ヒンジ
６０８ アドレス電極
６１０ 半導体基板
【発明の属する技術分野】
本発明はマイクロメカニカルデバイスに関するものであって、更に詳細にはそのようなデバイスと一体になった支持構造に関する。
【０００２】
【従来の技術】
光を偏向させる空間光変調器（ＳＬＭ）の１つのタイプはデジタルマイクロミラーデバイス（ＤＭＤ）である。ＤＭＤは各種の異なる形で利用され、それらのうちには屈曲性の梁、片持ち梁、並びに従来の、およびヒンジが隠れた型の両捩り梁構造が含まれる。各タイプのＤＭＤは、一般に番地信号と呼ばれる電気信号によって発生する静電界に応答して静止位置から動き出す、すなわち回転あるいは偏向を起こす小型ミラーのアレイを含んでいる。ミラーの静止位置は典型的にはデバイスの表面に対して平行である。光はミラーの表面から反射され、ミラーが動くにつれて反射光の方向も変化する。ミラーの静止位置は、しばしばヒンジと呼ばれミラーを支え、またミラーの移動の間にエネルギーを蓄える梁またはバネによって決まる。この蓄えられたエネルギーは、アドレス電圧が取り除かれるか低下した時には、ミラーを静止位置へ戻そうとする。
【０００３】
変形可能なマイクロミラーデバイスもまたＤＭＤと呼ばれる。デジタルマイクロミラーデバイスと変形可能なマイクロミラーデバイスとの違いは、１９９１年１０月２９日付けで発行された”空間光変調器およびその方法（ＳｐａｔｉａｌＬｉｇｈｔ Ｍｏｄｕｌａｔｏｒ ａｎｄ Ｍｅｔｈｏｄ）”と題する米国特許第５，０６１，０４９号に記載されているように、デジタルマイクロミラーデバイスが双安定的に動作するということである。マイクロミラーデバイスのデジタル的な動作は、バイアス電圧を供給して、アドレス電圧の大きさに関わらず、ミラーが”オン”または”オフ”の方向へ最大回転することを保証することを含む。変形可能なマイクロミラーデバイスのミラー偏向はデバイスに与えられる電圧のアナログ的な関数である。デジタルマイクロミラーデバイスの構造と変形可能なマイクロミラーデバイスの構造とは非常に似ており、場合によっては同一である。ここに開示する本発明は、デジタルマイクロミラーデバイスおよび変形可能なマイクロミラーデバイスのいずれのデバイスとも一緒に使用することができるものである。
【０００４】
ＤＭＤは暗視野投影配置で用いられるのが一般的であり、例えば、所望の画像分解能を実現するために大型の画素アレイが必要とされるようなＨＤＴＶ応用において使用される。ＤＭＤの高分解能という性能に加えて、映像表示応用において非常に有用な別の１つの特徴はミラーを制御できるスピード、あるいはデバイスの応答時間である。応答時間が短いため、今のＤＭＤは毎秒当たりに１８万回に達するオン／オフの切り替えを行うことができる。各偏向サイクルはＤＭＤの梁またはバネにエネルギーを蓄え、またデバイス構造に対して機械的なストレスを与える。
【０００５】
ＤＭＤはマイクロメカニカルデバイスとして知られる大きなデバイス群の一部である。マイクロメカニカルデバイスには、加速度計、流量センサー、電気モーター、および流量制御デバイスが含まれる。それらのデバイスはマイクロマシンニング（微細加工）として知られるプロセスによって作製されることが多い。マイクロマシンニングには、デバイスを作り込むべき基板から、あるいはデバイス製造中に堆積された１または複数の材料層から、不必要な材料を除去することが含まれる。この材料の除去は、多くの場合、完成したデバイスの何らかの部品が動けるようにするために行われる。例えば、モーターからそのロータが固定軸の回りに回転できるように材料を除去する必要がある。ＤＭＤの場合であれば、ミラーが偏向あるいは回転できるように、ＤＭＤミラーの下側の材料を除去しなければならない。
【０００６】
製造工程中に、ダミー層（ｓａｃｒｉｆｉｃｉａｌ ｌａｙｅｒ）と呼ばれる１つの層全体が用いられる場合がある。例えば、ＤＭＤは、ミラーを偏向させるために必要な回路を覆ってダミー層を堆積させることによって作製されることが多い。次に、このスペーサー層の上へ１ないし複数の金属層を堆積させパターニングすることによって、ミラーおよびそれらのヒンジが構築される。これらの金属層の多くはアルミニウムまたはアルミニウム合金であって、ヒンジによって少なくとも１個のヒンジキャップへつながれるミラーを定義するようにパターニングされる。初期の形状のＤＭＤでは、ミラーおよびヒンジの下側からダミー層が除去され、残ったダミー層の一部でヒンジキャップを支えるようになっていた。ミラーはダミー材料を除去することによって形成されるウエルの上方にヒンジで以て吊り下げられていた。
【０００７】
最近のＤＭＤ設計は、ヒンジ材料の堆積に先だって各ヒンジキャップの場所のダミー層中に形成された孔あるいはビアを含むものになっている。ヒンジ材料をダミー層の上へ堆積させる時、それはビアの壁にも堆積され、”スペーサービア（ｓｐａｃｅｒｖｉａ）”として知られた上部の欠けた中空の柱構造ができる。ミラー、ヒンジ、およびヒンジキャップをパターニングした後、デバイス構造からダミー層をすべて除去して、ヒンジキャップを支えるスペーサービアのみを残す。その他の型のＤＭＤ，例えば、１９９２年１月２８日付けで発行された”多重レベル変形可能ミラーデバイス（Ｍｕｌｔｉ−Ｌｅｖｅｌ Ｄｅｆｏｒｍａｂｌｅ Ｍｉｒｒｏｒ Ｄｅｖｉｃｅ）”と題する米国特許第５，０８３，８５７号に述べられたようないわゆる”ヒンジの隠れた”捩り梁デバイスでは、２ないしそれ以上のダミー層が使用されている。ヒンジが隠れたタイプの捩り梁ＤＭＤは、デバイス基板の上方へヒンジを支えるために１組のスペーサービアを用い、更にヒンジの上方へミラーを支えるための第２の組のスペーサービアを用いている。
【０００８】
【発明が解決しようとする課題】
ミラーを偏向させるために用いられる静電力は、支えているヒンジおよびスペーサービアの構造中へ機械的なストレスを発生させる。それらのストレスは支持構造に故障を生じさせ、デバイスを駄目にしてしまうことがある。このことに関して、ＤＭＤおよびその他のマイクロメカニカルデバイス用の進歩した支持構造が必要とされる。
【０００９】
【課題を解決するための手段】
本発明は支持ピラーと呼ぶ進歩した支柱構造のための構造およびその製造方法を提供する。支持ピラーはマイクロメカニカルデバイス、特にデジタルマイクロミラーデバイス（ＤＭＤ）において使用されよう。支持ピラーは基板上へピラー材料の層を堆積させ、そのピラー材料をパターニングして支持ピラーの形を定義し、残っているピラー材料を覆って金属層を堆積させ、それによってピラー材料を金属のシース（ｓｈｅａｔｈ）で取り囲むことによって作製される。支持ピラーの周りにスペーサー材料を堆積させて、付加的な構造を作製するための平坦な表面を支持ピラーの上部レベルに揃えて形成してもよい。
【００１０】
支持ピラーは、従来の捩り梁ＤＭＤやヒンジが隠れたタイプＤＭＤを含む任意のタイプのデジタルマイクロミラーデバイスのミラーおよびヒンジを支えるために使用することができる。ヒンジが隠れたタイプのＤＭＤは、ヒンジ、アドレス電極、あるいはミラー、あるいはそれらの組み合わせのいずれかを支えるために支持ピラーを使用するように作製することができる。
【００１１】
ここの開示する支持ピラーおよびそれを製造する方法は、既存の設計と比べて改善された支持構造の強度を含むいくつかの特長を有している。
【００１２】
本発明それ自体、およびそれの特長をより完全に理解するために、以下に図面を参照した詳細な説明を行う。
【００１３】
【発明の実施の形態】
ＤＭＤおよびその他のタイプのマイクロメカニカルデバイスに使用できる、十分な強度を持ち信頼できる支持構造を得るために、新しい製造プロセスが必要である。既存の支持構造とここに示す進歩した構造との間で混乱を避けるために、従来技術の支持構造を”スペーサービア”と呼び、ここに提案する進歩した構造を”支持ピラー”と呼ぶことにする。この明細書で示す特定の実施例はＤＭＤ構造に関するものだけであるが、本方法および本構造は数多くのその他のマイクロメカニカルデバイスに対しても適用できる。
【００１４】
図１は、従来技術のヒンジが隠れたタイプの捩り梁ＤＭＤアレイ１００の一部分の鳥瞰図を示す。ヒンジが隠れたタイプのデバイスは、ミラー１０２を基板１０４から離して保持するために２つのレベルのスペーサービアを必要とする。第１のスペーサービアレベルは、ヒンジ支持スペーサービア１０６とアドレス電極支持スペーサービア１０８とを含むものである。ヒンジ支持スペーサービア１０６は捩りヒンジ１１０の一端をデバイス基板１０４から離して支えている。捩りヒンジ１１０は厚い金属のヒンジキャップ１１１を介してヒンジ支持スペーサービア１０６の上部へ取り付けられている。金属のヒンジキャップ１１１はヒンジ金属とスペーサービア金属との間で適切な金属対金属の接触を保証することによって、薄い金属捩りヒンジ１１０とヒンジ支持スペーサービア１０６との間の接続を強化する。各ヒンジキャップ１１１の上に着地場所１１２があって、それはミラー１０２が着地場所１１２へ向かって回転してくる時に、２つの隣接するミラー１０２のいずれかの回転を停止させる。アドレス支持スペーサービア１０８がアドレス電極１１４を基板１０４から離して保持するために使用されている。アドレス支持スペーサービア１０８とヒンジ支持スペーサービア１０６とは同じ高さであるのが一般的である。
【００１５】
第２のスペーサービアレベルは、ミラー１０２を捩りヒンジ１１０の上方へ保持するミラー支持スペーサービア１１６を含むものである。ミラー支持スペーサービア１１６はヒンジヨーク１１８と呼ばれる捩りヒンジ１１０の厚くなった部分の上に形成される。ヒンジキャップ１１１と同様に、ヒンジヨーク１１８も捩りヒンジ１１０とミラー支持スペーサービア１１６との間の適切な金属対金属の接触を保証することによって薄い金属捩りヒンジ１１０とミラー支持スペーサービア１１６との間の接続を強化している。ミラー支持スペーサービア１１６の高さは変えることができ、それによってミラー１０２の最大回転角度を制御することができる。
【００１６】
図２はヒンジが隠れたタイプの捩り梁ＤＭＤの１要素の展開図である。図１に関して説明した構造に加えて、図２は基板１０４の表面上へ堆積された金属のバイアス／リセットバス２００と金属パッド２０２とを示している。金属のバイアス／リセットバス２００はヒンジ支持スペーサービア１０６を支え、金属パッド２０２はアドレス電極支持スペーサービア１０８を支えている。金属パッド２０２は保護用の酸化物層２０３中のビア２０４を通して、基板１０４の表面に作り込まれたアドレス回路へつながれており、アドレス電極支持スペーサービア１０８をアドレス回路へ電気的に接続する働きをしている。バイアス／リセットバス２００および金属パッド２０２は第３のデバイス金属層あるいはＭ３の一部として作製されるのが一般的である。最初の２つの金属層、Ｍ１およびＭ２は基板上のアドレス回路の相互接続のために用いられる。
【００１７】
図１に戻って、各ミラー１０２とそれのアドレス電極１１４とは空気コンデンサーの２つの電極板を構成している。アドレス電極１１４とそれに付随するミラー１０２との間にもし十分なバイアス電圧が印加されれば、その結果生ずる静電力がミラー１０２をアドレス電極１１４へ向かって偏向させ、それによって捩りヒンジ１１０を捩る。もし加えられた電圧が十分大きければ、ミラー１０２はミラー先端１０３がヒンジキャップ１１１上に付随の着地場所１１２に接触するまで偏向し、ミラーの回転は停止する。もしヒンジキャップ１１１がミラー先端１０３に接触せずミラー１０２の回転を停止させなければ、ミラー１０２はアドレス電極１１４に接触してバイアス電圧を短絡させることになってしまう。各要素中のヒンジ軸の各側には１つのアドレス電極１１４があるので、ミラー１０２はどちらの方向へも回転でき、ミラー１０２が２つの完全に偏向した状態のうち、いずれかの状態を取ることができるようになっている。
【００１８】
ミラー１０２およびアドレス電極１１４からバイアス電圧が取り除かれると、捩りヒンジ１１０の変形によって蓄えられていたエネルギーはミラー１０２を未偏向あるいは中立の状態へ戻そうとする。しかし、ミラー１０２と着地場所１１２との間での短距離の引力が、しばしば、ミラー１０２を着地場所１１２へ固着させてしまう。このようなことが発生した時には、固着したミラー１０２を自由にするために共鳴リセット（ｒｅｓｏｎａｎｔ ｒｅｓｅｔ）と呼ばれる方法が用いられる。共鳴リセット法は１個の電圧パルスあるいは一連のパルスを用いて、ミラー１０２中に機械的なエネルギーを蓄えるものである。典型的な共鳴リセットでは、一連の５個の−２４ボルトのパルス列を約５ＭＨｚ程度のミラー１０２の共鳴周波数においてミラー１０２へ供給する。各パルスはミラー１０２とアドレス電極１１４との間に非常に強い引力を作り出す。ミラー先端１０３は着地場所１１２によって所定の場所に保持されているので、ミラー１０２の中央部は基板１０４の方向へ曲がり、ミラー１０２の上面は凹状になる。パルスが取り除かれると、吸引は停止し、ミラー１０２は上方へバネ作用で戻り、凸状になる。更に続くパルスによってミラーの変形は増大し、蓄積エネルギーも付加される。最後のリセットパルスが取り除かれる時点までに、ミラー１０２に蓄えられているエネルギーはミラー１０２をバネ作用で着地場所１１２から解放するのに十分となり、捩りヒンジ１１０に蓄えられたエネルギーでミラー１０２を中立の位置へ戻すことができる。
【００１９】
ミラー１０２と捩りヒンジ１１０とを変形させる静電力は、デバイス一部を支えるスペーサービア１０６、１０８、１１６をも捩り、曲げる。これに含まれるストレスは従来技術のＤＭＤのスペーサービアを破壊し、デバイスを破壊する場合がある。これらの故障は通常、２つの故障モードを通じて発生する。第１の故障モードは、スペーサービアの上部によって支えられたミラー１０２、ヒンジキャップ１１１、あるいはアドレス電極１１４が取り付けられている地点あるいはその付近でスペーサービア１０６、１０８、１１６が破損した時に発生する。第２の主要な故障モードは、スペーサービア１０６、１０８、１１６の下側のバイアス／リセットバス２００またはヒンジヨーク１１８への接触点あるいはその付近でスペーサービア１０６、１１６、あるいは１０８が破損した時に発生する。スペーサービア１０６、１０８、１１６の故障は、現在の製造プロセスを通して得られるステップカバレッジ、あるいはスペーサービアの壁面での金属カバレッジの不良が原因であるとされている。金属はスペーサービアの上部付近、あるいは底部において薄過ぎることが多い。
【００２０】
従来技術のアドレス電極支持スペーサービア１０８、ヒンジ支持スペーサービア１０６、およびミラー支持スペーサービア１１６は、ダミー材料中の孔またはビアをスパッタされた金属で内張りすることによって形成するのが一般的である。ダミー材料を除去すると、残る内張り（ｌｉｎｅｒ）がスペーサービアを形成することになる。図３Ａはダミー材料３０４で部分的に覆われた基板３０２へ向かってスパッタされてつつある金属粒子３００を示している。スパッタプロセスの間、金属３００は表面へあらゆる方向から接近する。従って、金属は、領域３０６で示したように１８０度の角度範囲から平坦な表面３２０へ到達する。
【００２１】
壁構造３１０の基部にある地点３０８は壁構造３１０の陰になっているため、領域３１２で示したように、地点３０８へ９０度の角度範囲から飛来する金属だけしか受け取ることができない。地点３０８は平坦な表面が金属を受け取る角度範囲の半分の角度範囲だけから金属を受け取ることしかできないため、陰になるものがない平坦な領域と比較して約半分の量の金属が地点３０８に堆積することになる。陰の問題はビア３１４においてはもっと重大である。ビア３１４の底の隅へ金属が到達するためには、金属は領域３１６で示したようにほとんど垂直に飛来しなければならない。底の部分と比べて壁の上部にはより多くの金属が到達できるので、オーバーハングが成長する。このオーバーハングが更に金属の壁低部への到達を制限し、壁の下側の部分での金属カバレッジは劣悪なものになる。
【００２２】
図３Ｂは図３Ａの基板３０２およびスペーサー３０４の上へスパッタされた金属層３１８を示している。金属層３１８は壁構造３１０の側面においては平坦な水平面３２０におけるよりも薄くなっている。金属層３１８はビア３１４の底部で特に薄くなっている。ビア３１４の上部直下にも薄い領域が広がっている。この薄い領域は、金属層３１８がスパッタされるにつれてビア３１４の上部に成長するオーバーハング３２２によってもたらされる。図３Ｃはダミー材料３０４を除去した後の基板３０２および金属層３１８を示している。これによって、ダミー材料３０４中のビア３１４中に形成されたスペーサービア３２４が残される。スペーサービア３２４の上部および底部付近の金属層３１８の薄く弱い領域は、スペーサービア３２４にストレスが与えられた時に故障を起こしがちである。
【００２３】
アスペクト比（すなわち、ビアの高さ対ビアの幅の比）が高くなればそれだけビア底部付近のステップカバレッジは劣化するであろう。スペーサービア３２４を作製する時、ビア３１４の壁低部へ適量の金属が到達することを保証するためには厚い金属層を堆積させなければならない。残念ながら、金属の厚さは自由に増やすことができない。金属を堆積させると、壁の下側の部分での金属の厚さよりも速くオーバーハング３２２が成長し、結果的にビアを封止してしまい、それ以上金属がビア３１４中へ入ってくるのを阻止してしまう。そのほかにも、典型的なＤＭＤ製造工程においてビア３１４中へ堆積される金属の量を制限する制約が存在する。例えば、従来技術の典型的なヒンジが隠れたタイプのＤＭＤを製造する工程中で、同じ金属堆積工程によってミラー支持スペーサービア１１６とミラー１０２とが形成される。金属をあまり厚く堆積させると、ミラー１０２が厚くなり過ぎて、ミラーの鏡面性が低下し、また、より高い共鳴リセット周波数が必要になる。リセット周波数が増大するにつれて、周波数に依存するダンピング効果のためにリセット効率は急激に劣化する。更に、ミラーの厚さを増大させることはミラーの慣性モーメントを増大させることから、ミラー１０２の応答時間を長くしてしまう。
【００２４】
スペーサービア３２４に対してそれらの強度を改善する少なくとも３つの改善点がある。第１に、スペーサービア３２４の寸法を大きくして、スペーサービア３２４の側面の金属カバレッジを改善すること。しかし、ミラー支持スペーサービア１１６がＤＭＤミラー１０２の能動領域を狭める開いた上部を有することになるため、ミラー支持スペーサービア１１６を大きくすることはミラー能動領域の許容できない損失につながる。アドレス支持スペーサービア１１８を大きくすることもまた、アドレス電極１１４の使用できる寸法を少なくし、従ってアドレス電極１１４とミラー１０２との間に生成される静電力を低下させる。第２の方法は、凹角スペーサービア輪郭を回避するためにスペーサービア３２４の断面形状を変化させることを含む。凹角輪郭（ｒｅｅｎｔｒａｎｔ ｃｏｎｔｏｕｒ）は、スペーサービア３２４を形成するために用いられるビア３１４が、ビア３１４の形成されるダミー層に入った後で広がる時に発生する。凹角輪郭を持つスペーサービアは上で述べたオーバーハングと似たものである。オーバーハングは、凹角輪郭スペーサービアがスペーサービア３２４の上部付近で劣悪な金属カバレッジを有する原因となり、また、ヒンジキャップ１１１またはミラー１０２がスペーサービア３２４から破損していく原因ともなる。更に別の解は、金属を堆積させた後にスペーサービア３２４の内側へ酸化物の内張りを成長させることである。酸化物内張りはスペーサービア３２４の内側のスペーサービア３２４の基部に成長し、金属の厚さが不十分な場所での機械的強度を高める。これらの改善は、スペーサービア３２４の強度を高めはするが、それでもまだＤＭＤのためのスペーサービア３２４としては十分な強度は得られず、信頼できない。
【００２５】
スペーサービア３２４設計の機械的な弱点に対処するために新しい構造およびプロセスが発明された。それは従来設計のフォトレジストビアをフォトレジストピラーで置き換えるものである。ピラーは比較的間隔を離してあるため、スパッタ工程の間にピラーの基部はビアの底部ほどには陰にならない。ピラーのステップカバレッジは同じアスペクト比を有する孔やトレンチのステップカバレッジよりも優れている。従って、ここに開示される構造を備えた支持ピラーは従来技術のスペーサービア３２４よりもずっと優れた強度を有する。
【００２６】
【実施例】
図４ないし図２０は、本発明の１つの実施例に従うＤＭＤ要素の、それを製造する工程の各段階における断面図を示す。断面は図２の２０６で示したヒンジ軸に沿って取ったものである。図４は典型的にはシリコンである基板ウエハ４００を示しており、この上にはアドレス回路および最初の２つの金属化層が既に作製されている。第２の金属層は保護用の酸化物層４０３によって覆われている。図２に示されたように金属パッド２０２が基板４００上に作製されたアドレス回路へ接触できるように、ビア２０４が酸化物層４０３中へ開けられる。図４には示されていないが、保護用の酸化物層４０３を覆って薄い金属層が堆積されるのが一般的である。この薄い金属層は典型的にはタングステンまたはアルミニウムであるが、基板４００上のアドレス回路との電気的コンタクトを実現し、更には、後のエッチング工程でのエッチストップとして働くようになっている。
【００２７】
典型的には約１．０μｍの厚さのポジ型の有機フォトレジスト層であるピラー材料４０２の第１の層が基板４００へ取り付けられる。このピラー材料４０２の層はパターニングされ現像されて、図５に示すようなピラー材料４０４の部分が残される。これがヒンジ支持ピラーと一体化された部分を構成することになる。ピラー材料４０２の層の一部はアドレス電極支持ピラーを形成する。しかし、アドレス電極支持ピラーは図４ないし図２０の断面図には示されていない。ピラー材料４０４の一部が形成された後に、それらに対して約２２０℃の温度にまで遠紫外線硬化が施され、残りのプロセス工程での溶融やバブル発生を避けるようにされる。
【００２８】
ピラー材料４０２の層としてフォトレジストの代わりにその他の材料を使用してもよい。代替え材料としては多結晶シリコン、酸化物、窒化物、あるいはオキシナイトライドのような誘電体が一般的である。誘電体を用いる場合には、ビア２０４中および保護用の酸化物層４０３を覆って薄い金属層が堆積され、それをエッチストップとして用いてビア２０４からピラー材料を完全に除去するのを容易にする。ピラー材料層４０２としてその他の材料を使用することもできるが、代替え材料が追加のパターニングおよびエッチング工程を必要とする点でフォトレジストが望ましい。例えば、基板ウエハ４００上へ１μｍの厚さの二酸化シリコン層を成長させて、フォトレジスト層で以て覆う。フォトレジスト層をパターニングし現像して、支持ピラーを形成すべき二酸化シリコン層の部分のみを保護するように加工する。次に二酸化シリコン層をエッチして、ピラー材料４０４の所望の部分だけを残すことを行う。
【００２９】
ピラー材料４０２の層をパターニングした後、基板４００およびピラー材料４０４の残りの部分を、図６に示すように金属層４０６で覆う。典型的にはアルミニウムまたはアルミニウム合金である金属層は第３の金属層Ｍ３を構成するが、保護用の酸化物層４０３および残っているピラー材料４０４の上へ４０００オングストロームの厚さにスパッタされるのが一般的である。Ｍ３金属層はパターニングされて、図２に示されたバイアス／リセットバス２００および金属パッド２０２が形成される。図４ないし図２０の断面はヒンジ軸に沿って取られているので、バイアス／リセットバスは連続した層として見え、Ｍ３層のパターニングの結果は示されていない。完成したヒンジ支持ピラー４０８はピラー材料４０４の残りの部分とバイアス／リセットバスを形成するＭ３金属層４０６のシースとで構成される。
【００３０】
図２１は、Ｍ３金属層４０６の堆積後に部分的に完成したＤＭＤ５００の、図６から取り出した一部分の断面図であり、金属化されたヒンジ支持ピラー４０８のステップカバレッジを示している。このピラー材料４０４の部分は、上部よりも側面が薄い金属のシースの中に収容されている。既に図３に関して説明したように、上部に比べて側面の金属が薄いのは、ピラー材料４０４が部分的に陰になっているためである。側面はピラー材料４０４の上部よりも少ない金属を受け取るのであるが、ピラー材料４０４のその他の残りの部分は十分離れているため、側面は図３Ａの領域３１で示したような従来技術のスペーサービアよりも広い角度範囲から金属を受け取ることが可能となっている。従って、側面は従来技術のスペーサービアよりも多い金属を受け取り、より均一なカバレッジを実現することができる。進歩した金属カバレッジは、金属化された支持ピラー４０８の合成特性と相俟って、ずっと強度の高い支持ピラーを実現しており、ヒンジキャップあるいは基板のいずれからも破損が始まる傾向は見られない。
【００３１】
図７を参照すると、ヒンジスペーサー層４１０と呼ぶ第１のスペーサー層がヒンジ支持ピラー４０８を覆って基板上へスピン塗布されている。このヒンジスペーサー層４１０は典型的には１．０μｍの厚さのポジ型フォトレジストである。図７に示されたように、ヒンジスペーサー層４１０は各ピラー４０８の上にバンプ４１２を有しているであろう。バンプ４１２はフォトレジストをスピン塗布することで生じたものであって好ましいものではない。ヒンジスペーサー層４１０を形成するためのフォトレジストを減らせばバンプは無くすることができるであろうが、フォトレジストがピラー４０８の周囲へ流れる時に、ピラー４０８による”シャドウ”効果によってフォトレジスト表面の顕著な波打ち現象が発生する可能性がある。温度の関数であるフォトレジストの粘性、基板ウエハ４００のスピン回転速度、およびスペーサー層４１０の厚さはいずれも完成した層の表面に影響する。ある条件下では、１つの厚い層を堆積させるよりも複数の薄い層を堆積させるほうが有利である。理想的なスペーサー層４１０は完全に平坦で、基板ウエハ４００からピラー４０８の上端まで広がっており、以降のデバイス製造工程に対して完全に平坦な表面を引き渡す。
【００３２】
各ピラー４０８の上に形成されたバンプ４１２は酸素プラズマエッチによって除去され、ピラー４０８へのアクセスが提供され、スペーサー層４１０の表面が平坦化される。ヒンジスペーサー層４１０の平坦化は堅実なヒンジ強度と一体性とを保証するために重要である。更に、スペーサー層４１０およびピラー４０８の上部の非平坦な特徴は製造工程によって転写され、以降の層に影響を及ぼす。ヒンジスペーサー層４１０は、後に続く処理工程の間に流れ出したり、バブル発生を起こしたりしないように約２００℃の温度にまで遠紫外線硬化されるのが普通である。
【００３３】
ヒンジ層４１８は図９に示されたように、ヒンジスペーサー層４１０の上へ薄いアルミニウム合金のスパッタ堆積を行うことによって形成されるのが一般的である。ヒンジ層４１８は典型的には６００オングストロームの厚さで、０．２％のＴｉ、１％のＳｉ、９８．８％のＡｌを含む。米国特許第５，０６１，０４９号が教えるように、埋め込まれたヒンジを製造するプロセスに従えば、典型的にはヒンジ層４１８を覆ってプラズマ堆積法によって酸化物層を堆積させ、捩りヒンジの形にパターニングすることで酸化物エッチストップ４２０が形成される。
【００３４】
第２レベルのピラーがヒンジ金属層４１８を覆って形成され、ミラー支持ピラーとなる。ミラー支持ピラーはヒンジおよびアドレス電極支持ピラーを作製するために用いられたのと同じプロセスで作製される。ピラー材料の第２の層が基板ウエハ上へ堆積されパターニングされて、図１０に示すようなピラー材料４２２の部分が残される。ピラー材料の第２層は典型的には２．２μｍの厚さのフォトレジストであって、それは引き続くプロセス工程において流れ出したり、バブル発生を起こしたりしないように１８０℃まで遠紫外線硬化される。ヒンジスペーサー層４１０あるいはヒンジ支持ピラー４０４は既にもっと高い温度（２００℃および２２０℃）まで硬化されているので、これら最初の２つのフォトレジスト層の劣化は起こらない。
【００３５】
次に図１１に示すように、第１のヒンジ金属層４１８およびピラー材料４２２を覆って電極金属の厚い層４２４が堆積される。電極金属層４２４は典型的には３７５０オングストロームの厚さであって、スパッタ堆積されて、ミラー支持ピラー、ヒンジキャップ、およびアドレス電極を形成する。電極が堆積されると、ピラー材料４２２は電極金属によって取り囲まれて、ピラー材料４２２と電極金属のシース４２４とを含むミラー支持ピラー４２６が形成される。電極金属４２４を堆積した後に、図１２に示すように、酸化物層が堆積されパターニングされて、ミラー支持ピラーエッチストップ４２８、ヒンジキャップエッチストップ４３０、および番地電極エッチストップ（図示されていない）が形成される。ミラー支持ピラーエッチストップ４２８はパターニングされて、ミラー支持ピラーおよびヒンジヨークを以降のエッチ工程から保護する。
【００３６】
エッチストップのパターニングの後、電極金属層４２４およびヒンジ金属層４１８が両方ともにエッチされ、図１３に示すように、エッチストップによって保護された金属層の部分のみが残される。エッチストップ４２０、４２８、４３０は次に図１４に示すように剥離される。ミラースペーサー層４３２と呼ぶ第２のフォトレジストスペーサー層が、次にウエハ上へ図１５に示されたようにスピン塗布されエッチバックされて、図１６に示すように、ミラー支持ピラー４２６の上部へのアクセスを提供し、第２のスペーサー層を平坦化する。
【００３７】
第２のスペーサー層４３２および支持ピラー４２６の上部を覆ってミラー金属層４３８が堆積される。典型的にはこのミラー金属層はスパッタ堆積された４２５０オングストロームの厚さである。別の酸化物層がプラズマ堆積され、パターニングされて、図１８に示すようなミラーエッチストップ４４０が形成される。次に、図１９に示すように、プラズマエッチによってミラー金属層４３８はミラー４４２に成形される。
【００３８】
ウエハレベルでの処理はこれで完了である。このデバイスは、残っているミラースペーサー４３２とヒンジスペーサー層４１０とを除去し、ミラー４４２からミラー酸化物エッチストップ４４０を剥離することによってアンダーカット処理を施さなければならない。ミラースペーサー層４３２を除去した後はミラー４４２が非常に脆くなるので、デバイスのソーイング（ｓａｗ）はアンダーカットの前に行われるのが普通である。しかし、この制約はここに開示するプロセスの結果ではなく、むしろ既存のウエハ分離の方法による制限である。損傷を受けた切り屑を生じないウエハ分離プロセスや損傷を完全に取り去ってしまう工程が利用できるようになれば、ここの工程は順序を入れ替えてウエハの分離の前にデバイスを完成させることができるようになるであろう。
【００３９】
ミラーエッチストップ４４０は、ミラー表面を保護するためにウエハ分離の間も所定の場所に残される。ウエハはＰＭＭＡによって被覆され、チップアレイに切り出され、クロロベンゼンによるパルススピン洗浄（ｐｕｌｓｅ ｓｐｉｎ−ｃｌｅａｎ）を受ける。ウエハ分離の後、チップはプラズマエッチング反応室中へ入れられ、そこでミラーエッチストップ４４０と、２つのスペーサー層４３２および４１０の完全な除去が行われて、図２０に示すようにヒンジおよびミラーの下側には空隙４４４および４４６のみが残される。ヒンジが変形し、ミラーが偏向できるだけの十分な空隙がある限り、スペーサー層４３２および４１０の一部を残しておくことも可能である。
【００４０】
封じ込まれたピラー材料の熱膨張係数はアルミニウムピラーシースの熱膨張係数とほとんど一致するので、封じ込まれた材料を支持ピラーの内側に残したままでも構わない。封じ込まれた材料の熱膨張係数とアルミニウムピラーシースの熱膨張係数との間に違いがあまり大きい場合には、高温あるいは低温に曝された場合に支持ピラーが破壊する可能性がある。熱膨張係数の不一致に起因する支持ピラーに対する損傷を阻止するために、電極あるいはヒンジ金属層中に孔をパターニングして封じ込まれた材料をプラズマエッチングによって除去するようにすることもできる。
【００４１】
これまで支持ピラーの製造プロセスについてヒンジが隠れたタイプのＤＭＤのみに関して説明してきたが、数多くのその他のデバイスで本プロセスを利用することができる。図２２に示された従来の捩り梁ＤＭＤ６００は、半導体基板６１０上に作製されたアドレス電極６０８の上方へ２つの捩りヒンジ６０６で以て支えられたミラー６０４を含んでいる。ここに開示されたプロセスは、基板６１０から離れた場所にヒンジ６０６を支えるようになったヒンジ支持ピラー６０２を形成するために使用することができる。加速度計、流量センサー、温度センサー、およびモーター等のその他のマイクロメカニカルデバイスもここに開示されたプロセスを用いることができる。ここに開示されたプロセスは従来技術のスペーサービアよりも強い支持ピラーを提供できるという特長を有する。
【００４２】
このように、ここまで支持ピラーとそのプロセスという特別な１つの実施例について説明してきたが、そのような特定の引用は本発明の特許請求の範囲に示された以外の本発明の範囲を制限するものではないことを理解されるべきである。更に、本発明はそれの特定の実施例に関して説明してきたが、当業者にはそれ以外の修正が自ずと明らかになるであろう。そして、それらすべての修正も本発明の請求の範囲に包含されるものと解釈されるべきである。
【００４３】
以上の説明に関して更に以下の項を開示する。以下の各項において、「金属化された」とあるのは、また「金属で強化された」と読みかえることもできる。
（１）金属化された支持ピラーを作製する方法であって、
基板上へピラー材料を堆積させること、
前記ピラー材料をパターニングして支持ピラーを定義すること、および
前記支持ピラーを覆って金属層を堆積させ、そこにおいて前記支持ピラーが前記金属層によって取り囲まれて金属化された支持ピラーが形成されるようにすること、
の工程を含む方法。
【００４４】
（２）第１項記載の方法であって、前記ピラー材料が、フォトレジスト、多結晶シリコン、酸化物、窒化物、およびオキシナイトライドを含むグループのうちから選ばれたものである方法。
【００４５】
（３）第１項記載の方法であって、前記金属層を堆積させる工程が前記支持ピラーを覆って金属層をスパッタすることを含んでいる方法。
【００４６】
（４）第１項記載の方法であって、更に、
前記金属化された支持ピラーの周辺にスペーサー層を堆積させること、
前記金属化された支持ピラーの上部および周辺から前記スペーサー層の一部を除去すること、
の工程を含む方法。
【００４７】
（５）第４項記載の方法であって、前記スペーサー層が有機フォトレジストである方法。
【００４８】
（６）マイクロミラーデバイスを作製する方法であって、
基板上へピラー材料を堆積させること、
前記ピラー材料をパターニングして第１の支持ピラーを定義すること、
前記第１の支持ピラー上へ第１の金属層を堆積させること、
前記第１の金属層をパターニングして、電極と、前記ピラー材料を前記第１の金属層によって覆った第１の金属化された支持ピラーとを形成すること、
前記基板上へ第１のスペーサー層を堆積させること、
前記第１のスペーサー層と前記第１の支持ピラーとを覆って、ヒンジを形成する第２の金属層を堆積させること、
前記第２の金属層の上へ第２のピラー材料を堆積させること、
前記第２のピラー材料をパターニングして、前記ヒンジへ取り付けられた第２の支持ピラーを定義すること、
前記第２の支持ピラーを覆って第３の金属層を堆積させて、第２の金属化された支持ピラーを形成すること、
前記第１のスペーサー層を覆って第２のスペーサー層を堆積させること、
前記第２の金属化された支持ピラーの上部から前記第２のスペーサー層の一部を除去すること、
前記第２のスペーサー層を覆って、前記第２の支持ピラーに取り付けられた少なくとも１個のミラーを定義する第４の金属層を堆積させること、および
前記第１のスペーサー層および前記第２のスペーサー層を除去して、前記ヒンジおよび前記ミラーの下側に空隙を形成すること、
の工程を含む方法。
【００４９】
（７）変形可能なミラーデバイスを作製する方法であって、
基板上へピラー材料を堆積させパターニングして、支持ピラーを定義すること、
前記支持ピラー上へ第１の金属層を堆積させて、金属化された支持ピラーを形成すること、
前記基板上へスペーサー層を堆積させること、
前記金属化された支持ピラーの上部から前記スペーサー層の一部を除去すること、
前記スペーサー層および前記金属化された支持ピラーを覆って、ヒンジと前記ヒンジによって前記支持ピラーから回転自在に支持されたミラーとを形成する少なくとも１個の付加的な金属層を堆積させること、および
前記スペーサー層の一部を除去して、前記ヒンジおよび前記ミラーの下側に空隙を形成すること、
の工程を含む方法。
【００５０】
（８）第７項記載の方法であって、前記ピラー材料が、フォトレジスト、多結晶シリコン、酸化物、窒化物、およびオキシナイトライドを含むグループのうちから選ばれたものである方法。
【００５１】
（９）第７項記載の方法であって、前記第１の金属層を堆積させる工程が前記支持ピラー上へアルミニウム合金をスパッタする工程を含んでいる方法。
【００５２】
（１０）マイクロミラーデバイスであって、
基板、
前記基板上にあって、第１の金属シースの内側に第１のピラー材料を含む少なくとも１個のヒンジ支持ピラー、
前記ヒンジ支持ピラーにつながれた少なくとも１個のヒンジ、
前記ヒンジにつながれて、第２の金属シースの内側に第２のピラー材料を含む少なくとも１個のミラー支持ピラー、および
前記ミラー支持ピラーによって支えられた少なくとも１個のミラー要素、
を含むマイクロミラーデバイス。
【００５３】
（１１）マイクロミラーデバイスであって、
基板、
前記基板上にあって、金属シースの内側にピラー材料を含む少なくとも１個のヒンジ支持ピラー、
前記ヒンジ支持ピラーにつながれた少なくとも１個のヒンジ、および
前記少なくとも１個のヒンジによって支えられた少なくとも１個のミラー要素、
を含むマイクロミラーデバイス。
【００５４】
（１２）マイクロメカニカルデバイス用の支持ピラーであって、
基板、
前記基板によって支えられ、所望の支持ピラー形状に成形されたピラー材料、および
前記ピラー材料を覆って形成され、前記基板によって少なくとも部分的に支えられた金属層、
を含む支持ピラー。
【００５５】
（１３）マイクロメカニカルデバイス、特にデジタルマイクロミラーデバイスと一緒に使用するための支持ピラー４０８は、基板４００によって支えられ、金属層４０６によって覆われたピラー材料４２２を含んでいる。支持ピラー４０８は、基板４００上へピラー材料を堆積させ、前記ピラー材料をパターニングして支持ピラー４０８を定義し、そして前記支持ピラー４０８を覆って前記支持ピラーを取り囲むように金属層４０６を堆積させることにより作製される。ピラー４０８を覆ってスペーサー層４１０を設けることで、ピラーの上端とレベルの揃った平坦な表面が得られる。スペーサー層４１０を設けた後、スペーサー層４１０はピラーの上部を露出させるためにエッチされる。
【図面の簡単な説明】
【図１】従来技術の典型的なヒンジが隠れたタイプの捩り梁ＤＭＤアレイの部分鳥瞰図。
【図２】従来技術のヒンジが隠れたタイプの捩り梁ＤＭＤ要素の展開鳥瞰図。
【図３】Ａは、基板およびダミー層の上へ金属がスパッタされている状態の断面図。
Ｂは、図３Ａの基板の、金属がスパッタされた後の断面図。
Ｃは、図３Ａの基板の、金属がスパッタされダミー材料が除去された後の断面図。
【図４】本発明の１つの実施例に従う支柱を有するＤＭＤ要素の製造中の各段階を示す、ＤＭＤアレイの１つの要素のヒンジ軸に沿って取った断面図であって、番地回路と２つの金属層を形成された基板ウエハの上に第１のフォトレジスト層が塗布された段階を示す断面図。
【図５】本発明の１つの実施例に従う支柱を有するＤＭＤ要素の製造中の各段階を示す、ＤＭＤアレイの１つの要素のヒンジ軸に沿って取った断面図であって、ピラー材料のパターニングを行った段階を示す断面図。
【図６】本発明の１つの実施例に従う支柱を有するＤＭＤ要素の製造中の各段階を示す、ＤＭＤアレイの１つの要素のヒンジ軸に沿って取った断面図であって、基板およびパターニングされたピラー材料を覆って金属層を堆積させた段階を示す断面図。
【図７】本発明の１つの実施例に従う支柱を有するＤＭＤ要素の製造中の各段階を示す、ＤＭＤアレイの１つの要素のヒンジ軸に沿って取った断面図であって、ヒンジスペーサー層をスピン塗布した段階を示す断面図。
【図８】本発明の１つの実施例に従う支柱を有するＤＭＤ要素の製造中の各段階を示す、ＤＭＤアレイの１つの要素のヒンジ軸に沿って取った断面図であって、スペーサー層の平坦化を行った段階を示す断面図。
【図９】本発明の１つの実施例に従う支柱を有するＤＭＤ要素の製造中の各段階を示す、ＤＭＤアレイの１つの要素のヒンジ軸に沿って取った断面図であって、ヒンジ層の上へ酸化物のエッチストップをパターニングした段階を示す断面図。
【図１０】本発明の１つの実施例に従う支柱を有するＤＭＤ要素の製造中の各段階を示す、ＤＭＤアレイの１つの要素のヒンジ軸に沿って取った断面図であって、第２のピラー材料をパターニングした段階を示す断面図。
【図１１】本発明の１つの実施例に従う支柱を有するＤＭＤ要素の製造中の各段階を示す、ＤＭＤアレイの１つの要素のヒンジ軸に沿って取った断面図であって、第１のヒンジ金属層と第２のピラー材料を覆って電極金属層を堆積させた段階を示す断面図。
【図１２】本発明の１つの実施例に従う支柱を有するＤＭＤ要素の製造中の各段階を示す、ＤＭＤアレイの１つの要素のヒンジ軸に沿って取った断面図であって、酸化物層をパターニングしてエッチストップを形成した段階を示す断面図。
【図１３】本発明の１つの実施例に従う支柱を有するＤＭＤ要素の製造中の各段階を示す、ＤＭＤアレイの１つの要素のヒンジ軸に沿って取った断面図であって、エッチストップをマスクにして金属層のエッチングを行った段階を示す断面図。
【図１４】本発明の１つの実施例に従う支柱を有するＤＭＤ要素の製造中の各段階を示す、ＤＭＤアレイの１つの要素のヒンジ軸に沿って取った断面図であって、エッチストップを剥離した段階を示す断面図。
【図１５】本発明の１つの実施例に従う支柱を有するＤＭＤ要素の製造中の各段階を示す、ＤＭＤアレイの１つの要素のヒンジ軸に沿って取った断面図であって、ミラースペーサー層をスピン塗布させた段階を示す断面図。
【図１６】本発明の１つの実施例に従う支柱を有するＤＭＤ要素の製造中の各段階を示す、ＤＭＤアレイの１つの要素のヒンジ軸に沿って取った断面図であって、ミラースペーサー層の平坦化を行った段階を示す断面図。
【図１７】本発明の１つの実施例に従う支柱を有するＤＭＤ要素の製造中の各段階を示す、ＤＭＤアレイの１つの要素のヒンジ軸に沿って取った断面図であって、ミラー金属層を堆積させた段階を示す断面図。
【図１８】本発明の１つの実施例に従う支柱を有するＤＭＤ要素の製造中の各段階を示す、ＤＭＤアレイの１つの要素のヒンジ軸に沿って取った断面図であって、第２のミラーエッチストップを形成した段階を示す断面図。
【図１９】本発明の１つの実施例に従う支柱を有するＤＭＤ要素の製造中の各段階を示す、ＤＭＤアレイの１つの要素のヒンジ軸に沿って取った断面図であって、ミラー金属層をプラズマエッチしてミラーを形成した段階を示す断面図。
【図２０】本発明の１つの実施例に従う支柱を有するＤＭＤ要素の製造中の各段階を示す、ＤＭＤアレイの１つの要素のヒンジ軸に沿って取った断面図であって、ヒンジおよびミラーの下側からスペーサー層を除去した段階を示す断面図。
【図２１】図６のヒンジ支持ピラーの金属ステップカバレッジを示す断面図。
【図２２】本発明の１つの実施例に従う進歩した支柱を有する、典型的な捩り梁ＤＭＤの部分鳥瞰図。
【符号の説明】
１００ ＤＭＤアレイ
１０２ ミラー
１０４ 基板
１０６ ヒンジ支持スペーサービア
１０８ アドレス電極支持スペーサービア
１１０ 捩りヒンジ
１１１ ヒンジキャップ
１１２ 着地場所
１１４ アドレス電極
１１６ ミラー支持スペーサービア
１１８ ヒンジヨーク
２００ バイアス／リセットバス
２０２ 金属パッド
２０３ 保護用酸化物層
２０４ ビア
３００ 金属粒子
３０２ 基板
３０４ ダミー層
３０６ 角度範囲
３０８ 地点
３１０ 壁構造
３１２ 角度範囲
３１４ ビア
３１６ 角度範囲
３１８ 金属層
３２０ 平坦な表面
３２２ オーバーハング
３２４ スペーサービア
４００ 基板ウエハ
４０１ ＤＭＤ要素
４０２ 第１のピラー材料層
４０３ 保護用酸化物層
４０４ ピラー材料の部分
４０６ 金属層
４０８ ヒンジ支持ピラー
４１０ ヒンジスペーサー層
４１２ バンプ
４１８ ヒンジ層
４２０ 酸化物エッチストップ
４２２ ピラー材料の部分
４２４ 電極金属
４２６ ミラー支持ピラー
４２８ ミラー支持ピラーエッチストップ
４３０ ヒンジキャップエッチストップ
４３２ ミラースペーサー層
４３８ ミラー金属層
４４０ ミラーエッチストップ
４４２ ミラー
４４４ 空隙
４４６ 空隙
５００ ＤＭＤ
６００ ＤＭＤ
６０２ ヒンジ支持ピラー
６０４ ミラー
６０６ ヒンジ
６０８ アドレス電極
６１０ 半導体基板
Claims (3)
- 金属で被覆された支持ピラーを作製する方法であって、
基板上へピラー材料を堆積させる工程と、
前記ピラー材料をパターニングして支持ピラーを定義する工程であって、該支持ピラーは前記ピラー材料の突出部を有し、該突出部は前記基板と離れた方向に突出した複数の側面と、該側面に囲まれ前記基板から離れた位置に閉じられた形状の上部とを有する形状に定義される、前記支持ピラーを定義する工程と、
前記ピラー材料に該ピラー材料と異なる素材の金属層を堆積させる工程であって、前記金属層は前記突出部全体に堆積され、前記ピラー材料の前記複数の側面と前記閉じられた形状の上部とを均一に覆い、前記ピラー材料は前記金属層によって取り囲まれて金属で被覆された支持ピラーを形成する、前記金属層を堆積させる工程と、
少なくとも１つの可動部であって、前記金属層と異なる層として形成され、前記突出部の前記閉じられた形状の上部を覆う金属層によって支持される前記可動部を形成する工程と、
を含む、前記方法。 - 前記金属層を堆積させる工程の後に、前記ピラー材料の少なくとも一部を取り除くことをさらに含む、請求項１に記載の方法。
- 基板と、
前記基板に支持され、第１のピラー材料から成る少なくとも１つのヒンジ支持ピラーであって、前記第１のピラー材料は第１の突出部を有し、該第１の突出部は、前記基板と離れた方向に突出した複数の側面と、該側面に囲まれ前記基板から離れた位置にある第１の閉じられた形状の上部とを有する、前記ヒンジ支持ピラーと、
前記ヒンジ支持ピラーに支持された少なくとも１つのヒンジと、
前記ヒンジに支持され、第２のピラー材料から成る少なくとも１つのミラー支持ピラーであって、前記第２のピラー材料は第２の突出部を有し、該第２の突出部は、前記基板と離れた方向に突出した複数の側面と、該側面に囲まれ前記基板から離れた位置にある第２の閉じられた形状の上部とを有する、前記ミラー支持ピラーと、
前記ミラー支持ピラーに支持された少なくとも１つのミラー要素と、
を含むマイクロミラーデバイスであって、
前記ヒンジ支持ピラーの前記第１のピラー材料は、前記複数の側面と前記閉じられた形状の上部を含む前記第１の突出部全体を、前記第１のピラー材料と異なる素材の第１の金属シースによって均一に覆われ、
前記ヒンジは、前記第１の金属シースのうち、前記閉じられた形状の上部を覆う金属部分によって支持され、
前記ミラー支持ピラーの前記第２のピラー材料は、前記複数の側面と前記閉じられた形状の上部を含む前記第２の突出部全体を、前記第２のピラー材料と異なる素材の第２の金属シースによって均一に覆われ、
前記ミラー要素は、前記第２の金属シースのうち、前記閉じられた形状の上部を覆う金属部分によって支持される、前記マイクロミラーデバイス。
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