JP4223406B2 - 微小電子機械装置デバイス及びその製造方法 - Google Patents

Description

本発明は、微小電子機械装置デバイスの動作に関する。より詳しくは、本発明は、微小電子機械装置デバイスにおける配列状の素子についての動作ないし駆動に関する。

微小電子機械装置（ＭＥＭＳ）デバイスは、動作電圧を印加することによって１又は複数の被駆動状態及び非駆動状態の間にて動作できるような素子の配列を含んでいる。特定の微小電子機械装置デバイスに応じて、素子は干渉変調器（ＩＭＯＤｓ:"interferometric modulators"）や、スイッチ、赤外線（ＩＲ）検出器などを含む。
ある種の微小電子機械装置デバイスにあっては、複数の配列を有することが必要であって、それぞれの配列は特定のタイプの素子だけを備え、それぞれの素子のタイプは異なった動作電圧を必要とする。そうしたデバイスの例として、米国特許第６，０４０，９３７号に開示されているＩＭＯＤベースのカラー表示装置は、赤色／黒色と、緑色／黒色と、青色／黒色との色彩間に切り替えられるようにデザインされた、３つの組ないし配列のＩＭＯＤを含んでいる。ＩＭＯＤｓのそれぞれの配列は、異なった動作電圧をもっている。

米国特許第６，０４０，９３７号

こうした複数の配列における素子を、それらの非駆動状態と被駆動状態との間にて駆動することは、異なった動作電圧が必要とされるために、技術的に難点がある。

本発明の第１の観点によれば、微小電子機械装置デバイスが提供されて、この微小電子機械装置デバイスは、複数の素子であって、それぞれ少なくとも２つの層を重ね合わせに配置されて有し、素子が非駆動状態にあるとき、２つの層の間には隙間を有し、複数の素子は少なくとも２つのタイプになっていて、隙間の高さについて異なっているような上記複数の素子と、複数の素子を被駆動状態に駆動するための駆動機構であって、それぞれの素子における一方の層は他方の層に対して静電的に変位され、駆動機構を動作させるために必要とされる最小電圧は、それぞれの素子のタイプ毎に実質的に同一であるような上記駆動機構と、を備えていることを特徴としている。
本発明の第２の観点によれば、微小電子機械装置デバイスを製造するための方法が提供されて、この方法は、第１の層と、非駆動状態においては第１の層から隙間を隔てている第２の層と、活性化された被駆動状態においては第２の層を静電的に駆動して第１の層に接触させるための電極層とをそれぞれ有しているような素子の配列を構築する段階を備え、素子はその隙間の高さが異なっている少なくとも２つの異なったタイプになっていて、前記構築する段階は、それぞれの素子タイプの形態を変化させて、それぞれの素子を被駆動状態に駆動するために必要とされる電圧の相違を補償する段階を含んでいることを特徴としている。

本発明のさらに別の観点によれば、微小電子機械装置デバイスが提供されて、この微小電子機械装置デバイスは、第１の層と、非駆動状態においては第１の層から隙間を隔てている第２の層と、活性化された被駆動状態においては第２の層を静電的に駆動して第１の層に接触させるための電極層とをそれぞれ有しているような複数の素子であって、素子は少なくとも２つの異なる種類になっていて、隙間の高さについて異なっているような上記複数の素子と、それぞれの素子における電極層を活性化して、素子を非駆動状態から被駆動状態へ変化させるための、複数レベルの出力を有するような集積駆動回路から構成されてなる素子駆動機構とを備えていることを特徴としている。
本発明のさらに別の観点によれば、微小電子機械装置デバイスを製造するための方法が提供されて、この方法は、それぞれの第１の素子が第１の形状に従っているような、第１の素子の配列を製造する段階と、それぞれの第２の素子が第２の形状に従っているような、第２の素子の配列を製造する段階と、を備え、配列を製造する段階は、第１の素子と第２の素子とのそれぞれの定義特性（defining characteristic）に基づいて、第１の形状と第２の形状とのそれぞれの定義形状（defining aspect）を選択する段階と、第１の素子と第２の素子とのそれぞれを動作させるために必要とされる動作電圧の相違を正規化する段階であって、該相違は選択された定義形状の結果であり、それぞれの素子についての定義特性は不変であるような上記正規化する段階とを備えていることを特徴としている。

図１は、本発明に関連した観点が適用される、微小電子機械装置（ＭＥＭＳ）デバイス１００について、一般的な構造を示した簡略図である。図１を参照すると、ＭＥＭｓデバイス１００は、２つの素子１０２及び１０４を備えている。素子１０２と素子１０４とは、それぞれに共通する、下側層ないし基層１０６を有している。素子１０２における上側層１０８は、支柱１１０の形態である多数の支持体によって、基層１０６から間隔を隔てている。同様に、素子１０４における上側層１１２は、支柱１１４の形態である支持体によって、基層１０６から間隔を隔てている。支柱１１４は支柱１１０に比べて明らかに高くなっていて、層１０６と層１０８との間に設けられた隙間１１６の高さは、層１１２と層１０６との間に設けられた隙間１１８の高さに比べて低くなっている。隙間１１６と隙間１１８との高さには相違があるために、図１に示した状態に対応する非駆動状態から、層１０６と層１１２とが基層１１６に接触する被駆動状態（図示せず）へと、層１０８と層１１２とのそれぞれを静電的に駆動するために必要とされる動作電圧は異なっている。従って、いかなる駆動機構にあっても、これらの動作電圧の相違を考慮しなければならない。

上述したように、図１は、本発明の観点が適用される、一般的なＭＥＭｓデバイスを簡略的に示している。実際の実施形態においては、ＭＥＭｓデバイス１００は複数の配列を含んでいて、それぞれの配列は、素子１０２や素子１０８のような素子から構成されている。従って、それぞれの配列における素子は、異なった動作電圧を必要とする。そうしたＭＥＭｓデバイスの一例には、米国特許第６，０４０，９３７号に開示されているＩＭＯＤ表示装置がある。この例では、３つの配列が設けられ、それぞれの配列はＩＭＯＤｓの形態である素子から構成されていて、それぞれのＩＭＯＤは、それらの空気隙間のサイズのために特定の光学的特性を生じるようにデザインされている。それぞれの配列は、特定の光学的特性を有するＩＭＯＤｓだけから構成されている。結果的に、それぞれの配列におけるＩＭＯＤｓを駆動するために異なった動作電圧が必要になる。
本発明の実施形態は、上述したような、ＭＥＭｓデバイス中の素子には異なった動作電圧が必要になるという、ＭＥＭｓデバイスの駆動についての問題点に関連するものである。本発明による特定の実施形態を説明するために、例えば米国特許第６，０４０，９３７号に開示されているようなＭＥＭｓデバイスを参照する。しかしながら、本発明は、素子の幾何学的形態や状態に変化をもたらすような素子の駆動ないし動作のために、異なる動作電圧をそれぞれ必要とする素子から構成されているような、あらゆるＭＥＭｓデバイスに適用可能であることに留意されたい。そうした素子には、ＩＭＯＤｓや、スイッチ、赤外線（ＩＲ）検出器などが含まれていて、素子のある層を他の層に接触させるべく駆動して、幾何学的形態を変化させている。駆動される層は、駆動されない層と区別するために被駆動層と称される。

本発明の実施形態によれば、それぞれの素子を動作させるために必要とされる動作電圧は正規化される。これは、それぞれの配列中にある素子の幾何学形状を変更することによって達成される。本来は、素子の幾何学的形状は、素子に定義特性を与えるものであるので、変更されることはない。従って、米国特許第６，０４０，９３７号のＩＭＯＤ表示装置の場合には、それぞれの素子（ＩＭＯＤ）における空気隙間の高さは、ＩＭＯＤに光学的な定義特性を与えるものであるから、ＩＭＯＤの幾何学形状において空気隙間の高さは変更されることがない。

図２は、図１に示した素子１０２の幾何学形態に変更を加えたもので、支柱１１０の数を増やして支柱の間隔を縮小させた例を示している。従って、層１０８は、支柱１１０によって、より強く支持されていて、そのために、被駆動層１０８を層１０６に接触させるには、より高い動作電圧が必要になる。支柱１１０の数とそれらの間隔を選択することによって、素子１０２と素子１０８とを駆動するのに必要とされる動作電圧は、正規化されることが理解できるだろう。

他の実施形態においては、被駆動層に提供される支持の強さを増減させるべく、被駆動層の幾何学形状を変更している。図３Ａ及び図３Ｂには、かかる例を示している。図３Ａ及び図３Ｂを参照すると、図１及び図２における層１０８及び１１２に対応する、層３００が示されている。層３００は、タブ３０２が繋ぎを形成し、該タブ自体は支柱３０４に支持されているという点において、層１０８及び１１２とは異なった幾何学形状を有している。従って、タブの厚みと長さとは、層３００を支持する強さを変えるように変更される。図面の紙面へ層３００を駆動する動作電圧が必要であるとするならば、図３Ａのタブ３０２は、図３Ｃのタブ３０２に比べて強い支持を提供することが理解できるだろう。従って、図３Ｃの層３００を駆動するには、図３Ａの場合に比べて、必要とされる動作電圧は低くなることになる。本発明による実施形態にあっては、図３Ａ及び図３Ｃに例示した原理を用いることで、機能的に上側にある層（被駆動層）を、隙間を介して機能的に下側にある層へ向けて駆動するような、ＭＥＭｓデバイスにおける素子を動作させるために必要とされる動作電圧を正規化している。隙間が大きい場合には、図３Ａ及び図３Ｃに示した原理に従って、タブの幾何学形状を変更して、被駆動層に提供される支持の強さを減少させる。他方において、隙間が小さい場合には、支持体の幾何学形状を変更して、被駆動層に大きい強さの支持を提供する。こうして、層を駆動すべき隙間のサイズにかかわらず、層を駆動するのに必要とされる電圧を正規化することができる。

図１及び図２には示していないけれども、層１０８及び１１２を駆動する駆動機構は、層１０８及び１１２を基層１０６へ向けて静電的に駆動するための電極を備えている。電極は、層１０６上に配置される。図４には、参照符号４００にて例示的な電極の全体を示している。本発明のいくつかの実施形態によれば、ＭＥＭｓデバイスにおける素子を駆動ないし動作させるのに必要とされる電圧を正規化するために、電極４００の形態を変化させている。電極の形態についての変更には、電極の形状を変更すること、または、例えば電極４００の溝孔４０２のように電極に開口を提供すること、などが含まれる。従って、層が小さい隙間を介して駆動されるならば、電極に溝孔４０２などの溝孔を設けることで、電極が発生する有効静電力を減少させることができる。これによって、層が駆動される隙間の高さにかかわらず、動作電圧を正規化することができる。

本発明の他の実施形態によれば、動作電圧を正規化するための、素子の幾何学形状についての変更には、被駆動層の剛性を変化させることが含まれる。被駆動層の剛性を変化させるためのひとつの方法には、該層のヤング率を変更することが含まれる。従って、小さい空気隙間を介して駆動されるべき層は、大きい空気隙間を介して駆動されるべき層に比べて、高いヤング率を有する材料から作製する。

被駆動層の剛性を変化させるための別の方法は、該層に開口を形成することによって、該層の剛性を低下させることである。図５に示している、層５００は、タブ５０２に加えて、開口ないし溝孔５０４を形成されて含んでいる。
本発明における様々な観点は組み合わせて適用することができて、従って、例えば図５においては、層５００は溝孔を形成されているけれども、層自体はタブ５０２によって支持されており、その厚みは、層５００を駆動するのに必要とされる動作電圧が正規化されるような強さの支持を提供するように選択されている。

図６は、例えば米国特許第６，０４０，９３７号に開示されているようなＩＭＯＤベースの表示装置について、簡略化した応用例６００を示している。表示装置６００は、３つの配列６０２，６０４，６０６を含んでいる。それぞれの配列は、基板６０８上に形成されていて、２×４の格子になったＩＭＯＤｓを含んでいる。それぞれのＩＭＯＤは、使用中には隙間を介して共通の下側層６１２へ向けて駆動されるような、上側層６１０を含んでいる。層６１０は、下方へ延在した周縁部６１１によって、自己支持式になっている。それぞれのＩＭＯＤは、層６１２上に電極６１４を配置されて有している。配列６０２におけるＩＭＯＤｓは最も高い隙間を有していて、配列６０４におけるＩＭＯＤｓは中間的なサイズの隙間を有していて、配列６０６におけるＩＭＯＤｓは最も小さい隙間を有していることが分かるだろう。これは、配列６０２，６０４，６０６におけるＩＭＯＤｓは、非駆動状態において、赤色と緑色と青色との光をそれぞれ反射するような定義特性を有するように製造されるためである。従って、層が駆動されるべき隙間の高さが大きくなると、層６１０を層６１２へ向けて駆動するのに必要とされる動作電圧は高くなる。従って、配列６０２におけるＩＭＯＤｓは、配列６０４や配列６０６におけるＩＭＯＤｓに比べて、高い動作電圧を必要とすることになる。本発明のひとつの実施形態では、層が駆動されるべき隙間のサイズに反比例するように、層６１０の厚みを変化させることによって、動作電圧を正規化している。従って、図６において、層６１０の厚みは、各配列におけるＩＭＯＤｓに必要とされる動作電圧が正規化されるように選択されている。

本発明の他の実施形態においては、層が駆動されるべき隙間の高さの増減に応じ、それぞれの層６１０における引張応力を増減させることによって、動作電圧を正規化している。これは、蒸着圧力や、電力、及び電場バイアスなど、膜蒸着のパラメータを制御することによって達成できる。

図７に示した実施形態のＭＥＭｓデバイス７００は、基板７０６上に形成された支柱７０４によって、機械的な層７０２が支持されているような、ＩＭＯＤを含んでいる。基板７０６の上には、電極７０８が配置され、該電極の上には誘電積層７１０が形成されている。機械的な層７０２と誘電積層７０８との間の空間は、空気隙間を形成している。使用時には、動作電圧が印加されて、層７０２が誘電積層７１０に接触するように駆動する。デバイス７００は代表的には、非駆動状態において、赤色と緑色と青色との光をそれぞれ反射するように、空気隙間がそれぞれ異なっている３組のＩＭＯＤｓを含んでいる。それぞれの組のＩＭＯＤｓに必要とされる動作電圧を正規化するために、本発明のひとつの実施形態においては、誘電積層７１０の誘電率を変化させていて、空気隙間が高くなると、誘電率は大きくされる。変形例としては、空気隙間の高さが小さく（又は大きく）なると、誘電積層の厚みが大きく（又は小さく）なるように、誘電積層の厚みを変化させても良い。

本発明の他の実施形態によれば、図８に示すような駆動機構を提供することによって、ＭＥＭｓデバイスにおける別々の素子を駆動するために、素子が異なった動作電圧を必要とするという問題点が解決される。図８を参照すると、駆動機構は、複数レベルの出力８０２，８０４，８０６を有する集積駆動回路を含んでいるような、駆動チップ８００を備えている。出力８０４〜出力８０６のそれぞれは、異なった電圧を送出し、ひとつの実施形態では、非駆動状態において、赤色と緑色と青色との光をそれぞれ反射すべく空気隙間がそれぞれ異なっている、ＩＭＯＤｓ８０８，８１０，８１２を駆動するために使用される。駆動チップ８００のデザインと集積される構成要素については周知であるので詳しくは説明しない。

本発明について、特定の実施形態を参照して説明したけれども、特許請求の範囲に定められた発明の精神から逸脱せずに、そうした実施形態に様々な応用及び変更を行うことが可能であることは明らかである。従って、明細書と図面は、限定的な意味ではなく、例示的なものであるとみなされるべきである。

図１は、本発明の観点が適用される、一般的なＭＥＭｓデバイスを示した簡略図である。 図２は、本発明の実施形態によって素子の動作電圧を正規化するためには、図１のＭＥＭｓデバイスにおける素子の幾何学形状をどのように変化させるのかについて例示した図である。 図３Ａは、素子の被駆動層について別の幾何学形状を示していて、被駆動層はタブを有している。 図３Ｂは、図３Ａの被駆動層が支持体によって支持されている様子を示した斜視図である。 図３Ｃは、図３Ａの被駆動層について、異なった形態のタブを備えたものを示している。 図４は、本発明のひとつの実施形態によって動作電圧を正規化するためには、それぞれの素子における電極の形態をどのように変化させるのかについて例示した図である。 図５は、本発明の他の実施形態によって動作電圧を正規化するためには、それぞれの素子における被駆動層の剛性をどのように変化させるのかについて例示した図である。 図６は、本発明のひとつの実施形態によって動作電圧を正規化するために、それぞれのＩＭＯＤにおいて駆動される層の厚みを変化させた、ＩＭＯＤベースの表示装置の配列を示した簡略図である。 図７は、誘電積層を含んでいるＩＭＯＤを示した模式的な端面図である。 図８は、本発明のひとつの実施形態による駆動装置を示したブロック図である。

Claims (28)

1. 微小電子機械装置デバイスであって、
   それぞれが少なくとも２つの層を有する複数の素子であって、これらの層は、該素子が非駆動状態にあるときは、間に隙間を有する重ね合わせ関係に配置され、前記複数の素子は、少なくとも２つの隙間の高さが異なっているタイプのものである複数の素子と、
   該複数の素子を被駆動状態に駆動する駆動機構とを備え、
   前記各素子の一方の層は、他方の層に対して静電的に変位され前記層間の間隙を閉じ、
   前記各タイプの素子は、前記間隙を閉じるために必要とされる最小電圧が各タイプの素子に関して実質的に同じであるように、間隙の異なる高さを補償する対応する形態を備えている、
   ことを特徴とする微小電子機械装置デバイス。
2. 前記複数の素子はアレイ構造に配置され、
   複数の素子は実質的に同一平面に配置されている、
   請求項１に記載の微小電子機械装置デバイス。
3. 前記複数のアレイのそれぞれは、ひとつのタイプの素子だけを含んでいる、
   請求項２に記載の微小電子機械装置デバイス。
4. 前記静電的に変位可能な層は自己支持式であり、基板上に載置され間隔をおいた複数のリブを備えている、
   請求項１に記載の微小電子機械装置デバイス。
5. 前記アレイ状の各素子の層は、連続的であり、
   前記静電的に変位可能な層は、支持構造によって支持され、該支持構造は、第１の軸線に沿って間隔をあけ前記第１の軸線を横切る方向に延びる複数の支持体を備え、各支持体は、前記素子が非駆動状態にあるときに、前記静電的に変位可能な層を他方の層の上方に支持するための支持面を有している、
   請求項３に記載の微小電子機械装置デバイス。
6. 前記各アレイにおける前記第１の軸線に沿った前記支持体の間隔は、前記層間の隙間の高さに依存し、
   前記隙間が高くなると、間隔が大きくなる、
   請求項５に記載の微小電子機械装置デバイス。
7. アレイ状の各支持体の支持面の面積は、前記層間の隙間の高さの関数であり、
   前記隙間が高くなると、面積が小さくなる、
   請求項５に記載の微小電子機械装置デバイス。
8. 各素子の静電的に変位可能な層は、前記隙間の高さの関数であるヤング率を有し、
   前記隙間が高くなると、ヤング率が低くなる、
   請求項１に記載の微小電子機械装置デバイス。
9. 各素子の静電的に変位可能な層の厚さは、前記隙間の高さの関数であり、
   前記隙間が高くなると、厚みが小さくなる、
   請求項１に記載の微小電子機械装置デバイス。
10. 少なくとも最も高い隙間を有している素子の前記静電的に変位可能な層は、その剛性を低下させるように形成された開口を有している、
    請求項１に記載の微小電子機械装置デバイス。
11. 各素子の静電的に変位可能な層には、前記隙間の高さが小さくなにつれて、大きくなる引張応力が与えられている、
    請求項１に記載の微小電子機械装置デバイス。
12. 前記駆動機構は、作動時に、前記静電的に変位可能な層を静電的に変位させる電極層を備え、少なくとも最も小さい隙間を有している素子を駆動する電極層は、電極層を作動させるために必要な最小電圧を増大させるように形成された開口を有している、
    請求項１に記載の微小電子機械装置デバイス。
13. 各素子の静電的に変位可能な層は、前記素子の隙間の高さの関数である誘電率をもった誘電材料の上に形成され、隙間が高くなると、誘電率が大きくなる、
    請求項１に記載の微小電子機械装置デバイス。
14. 各素子の静電的に変位可能な層は、前記素子の隙間の高さの関数である厚みをもった誘電材料の上に形成され、隙間が高くなると、厚みが薄くなる、
    請求項１に記載の微小電子機械装置デバイス。
15. 各素子は、光を変調する干渉変調器を構成している、
    請求項１に記載の微小電子機械装置デバイス。
16. ３つの異なった種類の干渉変調器を備え、非駆動状態においてそれぞれ赤、青、又は緑の色の光を反射すべく、それぞれ隙間の高さが異なっている、
    請求項１５に記載の微小電子機械装置デバイス。
17. 微小電子機械装置デバイスを製造するための方法であって、
    第１の層と、非駆動状態において前記第１の層から隙間をあけている第２の層と、作動中の被駆動状態には前記第２の層を静電的に駆動して第１の層に接触させるための電極層と、をそれぞれ有しているような素子のアレイを構築する段階を備え、前記素子はその隙間の高さが異なっている少なくとも２つの異なったタイプになっていて、前記構築する段階は、それぞれの素子タイプの形態を変化させて、それぞれの素子を被駆動状態に駆動するために必要とされる電圧の相違を補償する段階を含んでいる、
    ことを特徴とする方法。
18. アレイ状の各素子の第１の層と第２の層が、支持構造で支持される連続的な層によって形成され、該支持構造は、第１の軸線に沿って間隔をあけ第１の軸線を横切る方向に延びる複数の支持体を備え、各支持体は、前記素子が非駆動状態にあるときに、第１の層を第２の層の上方に支持する支持面を有し、各素子タイプの形態を変化させる段階によって、支持体間の間隔を変化させる段階を含んでいる、
    ことを特徴とする請求項１７に記載の方法。
19. 各素子タイプの形態を変化させる段階は、各支持体の支持面の面積を変化させる段階を備えている、
    請求項１８に記載の方法。
20. 各素子の形態を変化させる段階は、各タイプの素子の第２の層に関し、異なったヤング率の材料を使用する段階を備えている、
    請求項１７に記載の方法。
21. 各タイプの素子の形態を変化させる段階は、各タイプの素子の第２の層の厚さを変化させる段階を備えている、
    請求項１７に記載の方法。
22. 各タイプの素子の形態を変化させる段階は、少なくとも最も高い隙間を有る素子の第２の層について、開口を形成する段階を備えている、
    請求項１７に記載の方法。
23. 各タイプの素子の形態を変化させる段階は、各タイプの素子の第２の層に、隙間の高さに反比例するような強さの引張応力を与える段階を備えている、
    請求項１７に記載の方法。
24. 各タイプの素子の形態を変化させる段階は、少なくとも最も小さい隙間を有する素子における電極層に、開口を形成する段階を備えている、
    請求項１７に記載の方法。
25. 各素子の第２の層は、誘電材料の上に形成され、各タイプの素子の形態を変化させる段階は、各素子の第２の層がその上に形成される誘電材料の誘電率を変化させる段階を備えている、
    請求項１７に記載の方法。
26. 各素子のタイプの形態を変化させる段階は、誘電材料の厚みを変化させる段階を備えている、
    請求項２５に記載の方法。
27. 前記素子は、光を変調する干渉変調器を構成している、
    ことを特徴とする請求項１７に記載の方法。
28. 微小電子機械装置デバイスであって、
    第１の層と、非駆動状態において前記第１の層から隙間をおいた第２の層と、作動中の被駆動状態において前記第２の層を静電的に駆動して第１の層に接触させる電極層とをそれぞれ有している複数の素子であって、少なくとも２つの異なる種類であり、隙間の高さが異なっている複数の素子と、
    各素子の電極層を活性化して、該素子を非駆動状態から被駆動状態へ変化させるための、複数レベルの出力を有するような集積駆動回路とを備え、
    前記各種類の素子は、各タイプの素子の形態を変化させて、各素子を被駆動状態に駆動するために必要な電圧の相違を補償する対応する形態を有している、
    ことを特徴とする微小電子機械装置デバイス。

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