JP4349548B2 - Manufacturing method of light modulation device - Google Patents

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Description

【0001】
【発明の属する技術分野】
本発明は、入射光束の反射方向を変えて光の変調(スイッチング)を行う光変調装置に係り、より具体的には、光反射領域を有する梁を静電力により変形させる基本構造の光変調装置に関する。本発明の光変調装置は、電子写真プロセスにおける光書込装置等の画像装置類やプロジェクターなどの映像装置類に広く応用可能である。
【0002】
【従来の技術】
片持ち梁を静電力で撓ませて光の反射方向を変えてスイッチするデバイスと、それを用いた光変調システムが、K.E.Petersenにより1977年に発表されている(Applied Physics Letters,Vol.31,No.8,pp521〜pp523)。また、D.M.Bloomらが、回折格子を静電力で駆動して光スイッチする素子を発表している(Optics Letters,Vol.7,No.9,pp688〜pp690、特許第2941952号及公報、特許第3016871号公報、特表平10-510374公報)。
【0003】
さらに、光変調システムを用いた画像装置としては、チボーらが、デジタルマイクロミラーデバイス(一般的にDMDと呼ばれる)を一次元又は二次元に配置したものを特開平6-138403公報に開示している。
【0004】
さらに、デジタルマイクロミラーデバイスの素子構造として、L.J.Hornbeckが、ねじり梁型やカンチレバー梁型のデジタルマイクロミラーデバイスを開示している(Proc. SPIE Vol.1150,pp.86-102(1989))。このねじり梁型やカンチレバー型のデジタルマイクロミラーデバイスにおいては、ミラー部は傾斜させて用いられる。
【0005】
さらに、ゲルバートにより、両端固定型の梁を円筒状に撓み変形させて、高速に光変調を行う素子が特開2000-2842公報に開示されている。
【0006】
【発明が解決しようとする課題】
K.E.Petersenが発表した片持ち梁を利用した光スイッチや、L.J.Hornbeckが発表したねじり梁型やカンチレバー梁型のデジタルマイクロミラーデバイスは、梁の安定性の確保が難しく、かつ応答速度も速くできない欠点を有しいる。又、D.M.Bloomらによる特許第2941952号公報及び特許第3016871号公報に示された光スイッチ素子は、入射光の波長が制限されるという欠点がある。
【0007】
一方、ゲルバートにより特開2000-2842公報に開示された素子すなわち、平行な空隙を電極間に有し、その静電引力により両端固定梁を円筒状に撓ませる素子は、高速に変形することが可能なので応答速度を速くできる利点を有しているが、次に述べるような欠点もある。
【0008】
すなわち、特開2000-2842公報に開示された素子においては、図1(a)(概略断面図)及び図1(b)(概略平面図)に示すように、梁101は、空隙105及び絶縁膜106を介して電極103と対向し、基板102の平面上で、梁101の一方の対向する両端(図中、左右両端)を固定端とし、もう一方の対向する両端(図中、手前奥の端)を自由端としている。空隙上部における梁101は、基板平面に接し、平板状である。そのため、梁101を静電力により容易に変形させるためには、つまり低い電圧で駆動できるようにするには、梁101の膜厚を薄くする必要あり、製造歩留の面で梁膜厚を薄く出来ない場合には、駆動電圧を高くしなければならない欠点を有している。
【0009】
さらに、梁101は両端で固定されているため、変形時に梁101が伸長することが求められ、特に、梁膜厚より変形量が大きい場合には、相対的に多大な梁の伸長が必要となる。それにより、デジタルマイクロミラーデバイス等のねじり梁型に比べ、変形のための駆動電圧が相対的に高くなる欠点を有しており、特に、光変調装置としての効果を高めるために、梁膜厚に比べ撓み変形量が大きくなる場合に、この欠点が顕著となる。
【0010】
さらに、空隙10を介して形成された梁101は一般的に残留内部応力を有し、その残留内部応力が圧縮応力の場合には、梁101は撓み又は座屈し、平面性を保てなくなる。したがって、梁101の残留内部応力が引張応力となるように、プロセス(製造工程)設計されることが必要となる。その場合、すなわち梁101の残留内部応力が引張応力の場合、静電引力を利用して梁101を変形させるには、その引張内部応力を補償するために駆動電圧の増大が必要となる欠点がある。
【0011】
さらに、空隙105を介して梁101を図1(a)のように形成するためには、基板102における窪み部位(空隙105に対応)のエッチングによる掘り込みと、犠牲層堆積及びCMP(Chemical Mechanical Polishing)技術による平坦化が一般に必要となるが、CMP工程は通常の写真製版技術に比べ高価な工程であり、コストの上昇を招く欠点がある。さらに、梁101と電極103の間隔のばらつきは、上記エッチングによる掘り込みのばらつきとCMP技術による平坦化のばらつきの両方を含み、特に、パターン依存が顕著なCMP技術のばらつきが大きく、結果的に該間隔のばらつきが大きくなり、それにより駆動電圧のばらつきが増大するという欠点がある。
【0012】
本発明は、主として図1に関連して説明したような従来技術の欠点に鑑みてなされたものであり、その1つの目的は、より低い駆動電圧で梁の変形すなわち光変調が可能な光変調装置を提供することにある。もう1つの目的は、製造プロセスにおいて一般的なCPMP技術による犠牲層の平坦化を実施する必要がなく、製造コストの低減が可能な光変調装置を提供することにある。もう1つの目的は、駆動電圧のばらつきが少なく、製造歩留まりの良い光変調装置を提供することにある。もう1つの目的は、駆動電圧の非印加時に梁が平面に戻りやすく、光変調性のばらつき(すなわち反射光の方向性ばらつき)を抑制でき、かつ応答速度の速い光変調装置を提供することにある。もう1つの目的は、製造プロセスの設計自由度を向上できる光変調装置を提供することにある。本発明のもう1つの目的は、以上に述べたような利点を有する光変調装置を実現するための製造方法を提供することにある。
【0013】
以上に述べた本発明の目的及びその他の目的について、以下の実施の形態の説明において具体的に詳述する。
【0014】
【課題を解決するための手段】
前記目的を達成するため本発明によれば、請求項1記載のように、
光を反射するための梁を静電力によって変形させることにより光変調を行う光変調装置であって、
基板の上面に開放した前記基板の窪みの内部に、前記梁に静電力を作用させるための電極を有し、前記梁は、前記電極と対向する位置に、前記基板の上面よりせり出すように前記基板に保持され、
前記梁に静電力が作用しない状態において、前記梁と前記窪みの間に空隙が形成され、
前記梁に作用する静電力が解除された時に前記梁の復元を補助するための、前記梁の固定端部に近接した支えを有する光変調装置の製造方法であって、
前記基板に前記窪みを形成する工程、
前記窪みの内部に前記電極を形成する工程、
前記電極を覆う保護層を形成する工程、
前記基板の全面に犠牲層を堆積する工程、
前記犠牲層を写真製版法により梁に対応させてパターン化する工程、
前記支えを構成するための層を全面堆積する工程、
前記支えを構成するため層を異方性ドライエッチング法によりエッチバックし、パターン化された前記犠牲層の端部に残存させる工程、
前記梁を形成する工程、及び
前記犠牲層を除去する工程
を有することを特徴とする光変調装置の製造方法が提供される。
【0015】
本発明のもう一つの特徴は、請求項2に記載のように、請求項1記載の光変調装置の製造方法において、前記支えが前記梁と同一材料からなることにある。
【0016】
本発明のもう一つの特徴は、請求項3に記載のように、請求項1記載の光変調装置の製造方法において、前記梁が引張残留応力を有する膜からなることにある。
【0017】
以上に説明した本発明の特徴及びその他の特徴について、実施の形態に関連して以下に詳細に説明する。
【0018】
【発明の実施の形態】
図2乃至図9により、本発明の第1の実施例について説明する。
【0019】
図2は本実施例の光変調装置の構成を説明するための図であり、図2(a)は概略断面図、図2(b)は概略平面図である。ただし、図2()は図2()のA−B線断面を表している。
【0020】
図2において、201はシリコンや光学ガラス等からなる基板である。本実施例では、基板201として、表面に(100)面を有するシリコン基板が用いられるが、これのみに限定されるものではない。基板201上にシリコン酸化膜などの絶縁膜202が形成されている。この絶縁膜202に形成された窪み部位に電極203が形成されている。この電極203は、梁205を静電力で駆動するための一方の電極となるもので、具体的には、Al、Au、Ti、TiN、Cr等の金属や、ITO等の導電性薄膜、不純物が注入されて低抵抗化された基板シリコンによって形成される。204はシリコン窒化膜等の絶縁性を有する膜からなる保護膜であり、電極203が梁205と接触し短絡することを防ぐ役割をする。図中には示されていないが、保護膜204には、電極203と外部信号とを接続する部分としてパッド開口を形成することもある。
【0021】
梁205は、表面に光反射層206を有する両端固定梁であり、そのL型形状の固定端部210により基板上面よりせり出すように形成されている。なお、後述の実施例を含めて、光反射層206は別途堆積された膜に限られる訳ではなく、デバイスの性能に寄与する光反射領域が梁205に形成されていればよい。207は、梁205に電圧を印加するために設けられたパッドであり、梁205を駆動するためのもう一方の電極を取り出す役割を果たす。このパッド207は、梁205として導電性膜が用いられる場合には梁205上に形成され、光反射層206に導電性膜が用いられる場合には光反射層206上に形成される。梁205を撓ませる静電力は、空隙208を介して梁205に対向する電極203と、梁205又は光反射層206との間に電圧を印可することにより発生させる。
【0022】
梁205は、金属膜や、単結晶シリコン、多結晶シリコン、又はシリコン窒化膜等の薄膜で形成される。単結晶シリコンで形成した梁は欠陥が少なく、寿命が長い。又、多結晶シリコンで形成した梁はCVD等の手法を用いることが出来るのでコストを低くでき、かつ膜の残留応力を圧縮応力から引張応力へと制御することが容易である。又、シリコン窒化膜の薄膜で形成した梁は、膜の強い引張応力の作用によりスイッチングの応答速度を速めることが出来る。さらに、梁が単結晶及び多結晶シリコンで形成されている場合には、この単結晶シリコン又は多結晶シリコンを不純物により低抵抗化し、導電性とすることも可能である。
【0023】
本記実施例においては、基板201上に絶縁膜202を形成した後、この絶縁膜202を写真製版法及びドライエッチング法によりパターニングし、空隙208を形成している。しかし、基板201を同様にパターニングし、その後、絶縁膜202を堆積することもできる。
【0024】
本実施例の光変調装置の特徴的な部位の拡大断面を図3に示す。図3において、梁205は、固定端部210(「梁のL型形状の固定端部」)を含み、それより内側部分が実質的な梁として作用する部分である。後述するようにこのL型形状の固定端部210は、その高さt及び角度θを、犠牲層のパターン化により任意に設定することが出来る。又、長さdも、梁205のパターン化により任意に設定することが出来る。303はほぼ矩形な空隙」302は基板平面下部の非平行な空隙である。図2に示した非平行な空隙208は、上記非平行な空隙302と、ほぼ矩形な空隙303を総じたものである。請求項に記載の発明は、梁205(梁部材)が引張残留応力を有する膜からなることを特徴とするが、実際には、800℃前後のCVD法等により成膜されたシリコン窒化膜や、500から600℃のCVD法等により成膜された非晶質なシリコン膜を900℃前後の高温により窒素雰囲気中で熱処理した多結晶シリコン膜が用いられる。これらの膜には、その形成条件によって、約0.5GPaから約2.0GPaの強い引張残留応力を持たせることが可能である。
【0025】
以上に説明した本発明の光変調装置の製造方法について、図4乃至図9を参照し説明する。図4乃至図9は代表的な工程を順に示すもので、各図の(a)は概略断面図(A−B線断面)、(b)は概略平面図である。
【0026】
《図4》 基板201は、シリコン酸化膜202を形成したシリコン基板である。基板201に、面積階調を有するパターンを形成したフォトマスクを用いる写真製版法や、レジストパターン形成後熱変形させる写真製版法により、窪み部位に対応した箇所に、任意の膜厚を有するレジストパターンを形成し、その後ドライエッチング法の手法により窪み部位を形成する。この窪み部位により前記の非平行な空隙302が形成されることになる。
【0027】
《図5》 空隙302に対応する窪み部位の内部に、電極203を形成し、その上に保護膜204を形成する。例えば、Tiをターゲットとしたスパッタ法により厚さ0.01μmの窒化チタン(TiN)の薄膜を成膜し、写真製版法及びドライエッチング法の手法により電極203を形成した後、シリコン窒化膜を膜厚0.2μmで常圧CVD法により成膜して保護膜204を形成する。
【0028】
《図6》 プラズマCVD法により、シリコン酸化膜を任意の膜厚で成膜し、その後レジストを用いた写真製版法によりパターン化し、犠牲層209を形成する。なお、この犠牲層209を図9に示すように除去した時に、梁が自身の引張残留応力により縮み、基板平面に対し平行に平板化出来るように、犠牲層209としてのシリコン酸化膜の膜厚を決定する。さらに、犠牲層209は、図6の断面方向に対し、窪み部位を完全に覆う形でパターン化することが望ましい。その効果は、犠牲層209のパターン化のための写真製版時に多少のアライメントずれが起こった場合でも、空隙208上の梁は絶えず平面であるので、光変調性のばらつき及び駆動電圧のばらつきを抑制できることである。
【0029】
《図7》 基板全面に、シリコン窒化膜を熱CVD法の手法により、例えば厚さ0.1μmで成膜し、この膜を写真製版法及びドライエッチング法によりパターン化し、梁205を形成する。
【0030】
《図8》 基板全面に、入射光束の反射層となるCr薄膜を例えば0.05μmの厚さで、スパッタ法により形成し、その後、このCr薄膜を写真製版法及びドライエッチング法の手法によりをパターニングし、表面反射層206を形成する。この時、表面反射層206の残留内部応力も、図9に示すように犠牲層除去する時に梁の平面化に影響するので、適正な残留応力となるようにプロセス設計する。DCスパッタ法により形成したCr膜は、約1.0GPaの残留内部応力を有し、犠牲層除去時の梁の平面化に貢献した。図8においては、表面反射層206は梁のL型形状の固定端に重ならないように表さているが、固定端部における強度を高めるために、固定端部を表面反射層206で覆うようにしても良い。
【0031】
《図9》 窪み部位を覆う形で形成されていた犠牲層209を、フッ酸の希釈液を用いたウェットエッチング手法により除去する。なお、犠牲層209と、電極の保護膜204及び梁205とのエッチング選択性を基に、犠牲層のエッチングが終了しても、梁205及び保護膜204が所要の厚さを保つように、梁205及び保護膜204の初期膜厚が決定される。犠牲層の除去により、梁205は、内在する引張残留応力を緩和するように縮み、基板平面に平行に平板化される。かくして、基板平面下部における非平行な空隙302と、基板平面上部におけるほぼ矩形な空隙303とからなる非平行な空隙208が形成される。
【0032】
なお、電極203上のパッド部における保護膜204のエッチング開口に関しては図示、説明を省略したが、電極203を窪み部位から基板表面に延長し、図7と図8の間の工程で行うことが可能である。
【0033】
次に、図10乃至図18により、本発明の第2の実施例について説明する
【0034】
図10は本実施例の光変調装置の構成を説明するための図であり、図10(a)は概略断面図、図10(b)は概略平面図である。ただし、図10(a)は図10(b)のA−B線断面を表している。
【0035】
本実施例の光変調装置は、その構成要素は前記第1の実施例と同様であるが、前記第1の実施例との顕著な相違点は梁205の固定端部に近接して支え211が設けられることと支え211と梁205が同一材料により形成されることである。支え211の材料は、少なくとも犠牲層209とのエッチング選択性が良好なことが必要であり、本実施例においては、シリコン窒化膜又は多結晶シリコン膜が用いられる。特に、請求項記載の発明にあっては、支え211は梁205と同じシリコン窒化膜を用いて形成される。
【0036】
本実施例の光変調装置の特徴となる部位を拡大した断面図を図18に示す。図18において、701は梁205の固定端部とそれに近接した支え211を示している。後述する製造方法により形成される支え211は、その長さLを、支え形成層(601)の成膜膜厚により任意に設定することが出来、また、その高さhを、支え形成層のエッチバック時のオーバーエッチング量及び犠牲層の成膜膜厚により、任意に設定することが出来る。
【0037】
本実施例の光変調装置の具体的な製造方法について、図11乃至図17を参照し説明する図11乃至図17は代表的な工程を順に示すもので、各図の(a)は概略断面図(A−B線断面)、(b)は概略平面図である。
【0038】
《図11》 基板201は、シリコン酸化膜202を形成したシリコン基板である。基板201に、面積階調を有するパターンを形成したフォトマスクを用いる写真製版法や、レジストパターン形成後熱変形させる写真製版法により、窪み部位に対応した箇所に、任意の膜厚を有するレジストパターンを形成し、その後ドライエッチング法の手法により窪み部位を形成する。この窪み部位により前記非平行な空隙302が形成されることになる。
【0039】
《図12》 空隙302に対応した窪み部位内に、電極203をTiNの薄膜で形成する。例えば、Tiをターゲットとしたスパッタ法により厚さ0.01μmのTiN薄膜を成膜し、写真製版法及びドライエッチング法の手法により電極203を形成する。その後、電極203の保護膜204として、シリコン窒化膜を例えば膜厚0.2μmで常圧CVD法により成膜した。
【0040】
《図13》 プラズマCVD法によりシリコン酸化膜を任意の膜厚で成膜し、その後、レジストを用いた写真製版法によりパターン化して犠牲層209を形成する。次に、支え形成膜601として、シリコン窒化膜を任意の膜厚で全面に堆積させる。この時、支え形成膜601の膜厚を厚くすることにより、支え211の長さLを任意に広く設定できる。
【0041】
《図14》 一般的な半導体技術の手法であるエッチバック法により、支え形成膜601をエッチバックし、犠牲層209の端面に、支え211となる膜部分を残存させる。エッチバック時のオーバーエッチング量を多くすることにより、支え211の高さhを任意に低く設定できる。
【0042】
《図15》 基板全面に、シリコン窒化膜を熱CVD法の手法により、例えば厚さ0.1μmで成膜し、その後、写真製版法及びドライエッチング法によりパターン化し梁205を形成する。この時、支え211の不要部分も同時にエッチング除去する。
【0043】
《図16》 基板全面に、入射光束の反射層となるCr薄膜を例えば0.05μmの厚さでスパッタ法により形成する。その後、写真製版法及びドライエッチング法の手法によりCr膜をパターニングし、表面反射層206を形成する。なお、表面反射層206の残留内部応力も、図17に示すように犠牲層209を除去した時の梁205の平面化に影響するので、適正な残留応力になるようにプロセス設計する。DCスパッタ法により形成したCr膜は、約1.0GPaの残留内部応力を有し、犠牲層除去時の梁205の平面化に貢献した。なお、図15においては、表面反射層206は梁205のL型の固定端部に重ならないように図示されているが、固定端部における強度を高めるために、表面反射層206で固定端部を覆うようにしても良い。
【0044】
《図17》 窪み部位を覆う形で形成されていた犠牲層209を、フッ酸の希釈液を用いたウェットエッチング手法により除去する。なお、犠牲層209と、電極の保護膜204及び梁205とのエッチング選択性を基に、犠牲層209のエッチングが終了しても、梁205及び保護膜204が所望の厚さを保つように、梁205及び保護膜204の初期膜厚が決定される。又、支え211とのエッチング選択性も考慮が必要であるが、本実施例においては梁205と同一材料であるシリコン窒化膜を用いているので、その必要がない。犠牲層209の除去により、梁205は、内在する引張残留応力を緩和するように縮み、基板平面に平行に平板化される。これにより、基板平面下部における非平行な空隙302と、基板平面上部における、ほぼ矩形な空隙303とからなる非平行な空隙208が形成される。支え211が設けられたため、この残留応力の緩和時における梁固定端の破損に対する耐性も向上する(機械的強度が増す)。
【0045】
なお、電極203上のパッド部における保護膜204のエッチング開口については、図示、説明を省略したが、電極203を窪み部位から基板表面に延長し、図16と図17の間の工程で行えばよい。
【0046】
次に、図4乃至図9を参照して説明した本発明の光変調装置の製造方法よる駆動電圧の低電圧化の効果について、図19及び図20により説明する。図20は本発明製造方法による犠牲層除去前後の光変調装置の断面図である。図19は、図20に対応付けて作図された、従来の製造方法による犠牲層除去前後の光変調装置の断面図を示す。
【0047】
従来方法によれば、犠牲層除去前には、図19(a)に示すように、CMP技術により平坦化された基板平面上に形成された梁は、内在する引張残留応力に起因した力F1により、お互いに引張られている。犠牲層を除去した後も、図19(b)に示すように、そのままの大きさの力F1が残存する。したがって、静電引力により梁を撓ませるには、その残存する力F1を補償するために駆動電圧の増加が必要になる。
【0048】
一方、本発明方法によれば、犠牲層除去前は、図20(a)に示すように、梁は基板平面に対し非平行な面となっている。この状態での引張残留応力に起因する力をF1とする。犠牲層除去後は、図20(b)に示すように、梁は引張残留応力に起因してお互いに引張られて縮み、梁の平面化が達成されるとともに、引張残留応力が緩和されて梁に残存する力F2はF1より小さいものとなる。したがって、残存する力F2を補償するための駆動電圧の増加が少なくなる分、駆動電圧の低電圧化が可能である。
【0049】
さらに、従来方法においては、図19(b)から明らかなように、梁の長さW1は基板内の窪み部位の長さにより規定される。一方、本発明方法によれば、図20(b)から明らかなように、梁の長さW2は犠牲層の長さにより規定されるため、基板の窪み部位の長さを同一とすれば、従来技術に比べW2をW1より長くすることが出来る。又、犠牲層の高さに規定される梁の高さ(基板平面からのせり出し量)tをW2に加算した梁の実質的な長さはさらに増加する。そして、梁を変形させるために必要な駆動電圧は、おおよそ梁の長さの2乗に反比例するので、梁の長さ(W2+t)が増加する分、駆動電圧のさらなる低電圧化が可能である。
【0050】
次に、前記第1の実施例による光変調装置の変形例を図21により説明する。図21(a)は、梁の長さをW2とした時に、非平行な空隙の頂点を、梁の一方の固定端から約W2/4の位置に移動させた変形例を示す。図21(b)は、非平行な空隙の頂点を、梁の一方の固定端部近傍に移動させた変形例を示す。このように非平行な空隙の頂点の位置を移動させることにより、静電力により変位した状態における梁の形状を、望まれる光変調性が得られるような形状に変更することができる。
【0051】
最後に、前記第1の実施例の構成を例にして、本発明の光変調装置による光変調動作を説明する。図22はその説明図である。
【0052】
図22(a)は、駆動電圧が印加されていない状態を示しており、梁(205)は静電力が作用しないため、そのL型形状の固定端部は基板(201)平面より垂直に立った状態である。入射光束は梁表面で正反射され、反射された光束は矢印で示されるように目的の方向に進む。図22(b)は、低い駆動電圧が印加された状態を示しており、静電力の作用により、梁は、空隙(208)が狭い領域から電極(203)側に引きつけられるように撓む。梁の表面が撓むために反射光の方向が変わる。図22(c)は、より高い駆動電圧が印加された状態を示しており、梁に強い静電力が作用し、梁は完全に電極(203)に引きつけら大きく撓む。これにより反射光は目的の方向と異なる方向へ進む。図22(a)に示す反射方向から眺めると、図22(a)の状態では梁での正反射により明る見え(ON動作状態)、図22(c)の状態では反射方向が完全に変わるために暗く見える(OFF動作状態)。このようにして光変調がなされる。
【0053】
さて、前記第1の実施例の構成においては、梁(205)の下の空隙(208)は梁に対して非平行に形成されている。このような空隙の形状は、梁の変形に要する電圧の低下に有効である。梁に作用する静電力は、電極(203)と梁の間の距離の2乗に反比例する。すなわち距離が小さいほど作用する静電力が大きい。そのため、駆動電圧を印加すると、梁は空隙の狭い部分より変形を始める。また梁の変形により順次空隙が狭くなり、平行な空隙の場合より低い電圧で梁の変形が進行する。図22(d)に、図22(b)に示した過渡状態での梁のL型形状の固定端部210の挙動を示す。図22(d)において、梁の光反射層のある部分が、電極間に作用する静電引力1001により撓み始めると、L型形状の固定端部210を支点とした回転動作1002が起こる。このような固定端部210の回転動作により、従来技術に比べ、梁の光反射層のある領域の変形が低い電圧で容易に生じるようになる。
【0054】
【発明の効果】
本発明に係る光変調装置は、
(1)基板平面上部にほぼ矩形な空隙が形成されるように、梁が基板面よりせり出して形成されるため、梁の固定端部を中心とした回転による梁の変形が容易に起こり、さらに実質的な梁の長さが長くなることにより、静電引力による梁の撓みが容易に起こり、より低い駆動電圧で梁の変形すなわち光変調を行うこが可能となる。さらに、その製造工程において、犠牲層除去時に梁の残留内部応力が緩和されるので、静電引力による梁の撓みが容易に起こり、駆動電圧をより低電圧化することが可能となるしたがって、この光変調装置を用いた電子写真プロセスにおける光書込デバイス等の画像装置やプロジェクターなどの映像装置の低電圧化を図ることができる。
(2)の製造工程において一般的なCMP技術による犠牲層の平坦化を行う必要がなく、製造工程のコスト低減が可能である。
(3)その製造工程において、梁と電極の間隔のばらつきは、基板内に形成される窪み部位のエッチングによる掘り込みのばらつきと犠牲層膜の成膜によるばらつきの両方で決定され、パターン依存が大きいCMP技術を用いる必要がないため、駆動電圧のばらつきの抑制が容易で、製造歩留まりを向上させることができる、等々の効果を有する。
(4)梁が基板面よりせり出して形成され、かつ梁の固定端部に近接して支えを有することにより、梁が静電引力により撓んだ後に元の平面に容易に復元しやすくなり、光変調性のばらつき(すなわち反射光の方向性ばらつき)を抑制し、かつ応答速度を高速化することができる。又、梁の固定端部の機械的強度を向上でき、製造歩留を向上させることができる、等々の効果を有する。
(5)支えと梁が同一材料であることにより、両部材の密着性を向上できる。さらに、製造工程において、犠牲層除去時の梁と犠牲層とのエッチング液を、支えを考慮せず(すなわち支えのエッチングダメージを考慮せず)に設定できるので、プロセス設計の自由度が向上する、等々の効果を有する。
(6)引張残留応力を有する膜を用いて梁を形成するため、製造工程において、犠牲層除去時に、梁が、その引張残留内部応力により、固定端部を支点としてお互いに引っ張られ、基板面と平行に平面化する等の効果を有する。
【0055】
本発明に係る光変調装置の製造方法は、上記の如き光変調装置を実現することができ、特に、犠牲層をパターン化し、梁を犠牲層除去時に平面化することにより、駆動電圧の低電圧化、製造コストの低減及び歩留の向上を達成できる等の効果を有し、また、支えの構成層を全面堆積する工程を有し、かつ支え構成層を異方性ドライエッチング法によりエッチバックすることにより、支えを容易に梁の固定端部に近接して設けることができ等の効果を有する。
【図面の簡単な説明】
【図1】 従来技術による光変調装置を説明するための概略断面図及び概略平面図である。
【図2】 本発明による光変調装置の第1の実施例を説明するための概略断面図及び概略平面図である。
【図3】 第1の実施例の光変調装置の特徴部分を説明するための拡大略断面図である。
【図4】 第1の実施例の光変調装置の製造工程を説明するための概略断面図及び概略平面図である。
【図5】 第1の実施例の光変調装置の製造工程を説明するための概略断面図及び概略平面図である。
【図6】 第1の実施例の光変調装置の製造工程を説明するための概略断面図及び概略平面図である。
【図7】 第1の実施例の光変調装置の製造工程を説明するための概略断面図及び概略平面図である。
【図8】 第1の実施例の光変調装置の製造工程を説明するための概略断面図及び概略平面図である。
【図9】 第1の実施例の光変調装置の製造工程を説明するための概略断面図及び概略平面図である。
【図10】 本発明による光変調装置の第2の実施例を説明するための概略断面図及び概略平面図である。
【図11】 第2の実施例の光変調装置の製造工程を説明するための概略断面図及び概略平面図である。
【図12】 第2の実施例の光変調装置の製造工程を説明するための概略断面図及び概略平面図である。
【図13】 第2の実施例の光変調装置の製造工程を説明するための概略断面図及び概略平面図である。
【図14】 第2の実施例の光変調装置の製造工程を説明するための概略断面図及び概略平面図である。
【図15】 第2の実施例の光変調装置の製造工程を説明するための概略断面図及び概略平面図である。
【図16】 第2の実施例の光変調装置の製造工程を説明するための概略断面図及び概略平面図である。
【図17】 第2の実施例の光変調装置の製造工程を説明するための概略断面図及び概略平面図である。
【図18】 梁の固定端部と支えを説明するための拡大概略断面図である。
【図19】 従来技術における犠牲層除去前後の梁に関する説明のための概略断面図である。
【図20】 本発明における犠牲層除去前後の梁に関する説明のための概略断面図である。
【図21】 第1の実施例の変形例を説明するための概略断面図である。
【図22】 本発明による光変調装置の動作を説明するための概略断面図である。
【符号の説明】
201 基板
202 絶縁膜
203 電極
204 保護膜
205 梁
206 光反射層
208 空隙
209 犠牲層
210 梁の固定端部
211 支え
302 ほぼ矩形の空隙
303 非平行な空隙
[0001]
BACKGROUND OF THE INVENTION
  The present invention relates to a light modulation device that modulates (switches) light by changing the reflection direction of an incident light beam, and more specifically, a light modulation device having a basic structure that deforms a beam having a light reflection region by electrostatic force. About. The light modulation device of the present invention can be widely applied to image devices such as an optical writing device in an electrophotographic process and video devices such as a projector.
[0002]
[Prior art]
  KEPetersen announced in 1977 a device that switches a cantilever beam by electrostatic force to change the direction of light reflection and switches it (Applied Physics Letters, Vol. 31, No.8, pp521-pp523). In addition, DMBloom et al. Have announced an element for optical switching by driving a diffraction grating with an electrostatic force (Optics Letters, Vol. 7, No. 9, pp 688 to pp 690, Japanese Patent No. 2941952 and Japanese Patent Publication No. No. 3016871, JP 10-510374).
[0003]
  Further, as an image apparatus using a light modulation system, CHIBO et al. Disclosed in JP-A-6-138403 a digital micromirror device (generally called DMD) arranged one-dimensionally or two-dimensionally. Yes.
[0004]
  Furthermore, as an element structure of a digital micromirror device, L.J. Hornbeck discloses a torsion beam type or cantilever beam type digital micromirror device (Proc. SPIE Vol.1150, pp.86-102 (1989)). In this torsion beam type or cantilever type digital micromirror device, the mirror part is used in an inclined state.
[0005]
  Furthermore, Japanese Patent Laid-Open No. 2000-2842 discloses an element that performs light modulation at high speed by bending and deforming a both-end fixed beam into a cylindrical shape by Gelbert.
[0006]
[Problems to be solved by the invention]
  The optical switch using the cantilever beam announced by KEPetersen and the digital micromirror device of torsion beam type and cantilever beam type released by LJHornbeck are difficult to ensure the stability of the beam and the response speed is not fast. HaveTheYes. In addition, the optical switch elements disclosed in Japanese Patent Nos. 2941952 and 3016871 by D.M.Bloom have a drawback that the wavelength of incident light is limited.
[0007]
  On the other hand, the element disclosed in Japanese Patent Application Laid-Open No. 2000-2842 by Gelbert, that is, the element that has parallel gaps between the electrodes and deflects both ends of the fixed beam into a cylindrical shape by the electrostatic attraction can be deformed at high speed. Since it is possible, it has an advantage that the response speed can be increased, but there are also the following disadvantages.
[0008]
  That is, in the element disclosed in Japanese Patent Application Laid-Open No. 2000-2842, as shown in FIG. 1A (schematic cross-sectional view) and FIG. Opposite the electrode 103 through the film 106, on the plane of the substrate 102, one opposite both ends (left and right both ends in the figure) of the beam 101 are fixed ends, and the other opposite both ends (near in the figure front).WhenThe back end is the free end. The beam 101 in the upper part of the gap is in contact with the substrate plane and has a flat plate shape. Therefore, in order to easily deform the beam 101 by an electrostatic force, that is, to enable driving with a low voltage, it is necessary to reduce the thickness of the beam 101.ButThere is a disadvantage that the driving voltage must be increased if the beam film thickness cannot be reduced in terms of manufacturing yield.
[0009]
  Furthermore, since the beam 101 is fixed at both ends, it is required that the beam 101 expands when deformed. In particular, when the amount of deformation is larger than the beam film thickness, a relatively large amount of beam needs to be expanded. Become. As a result, compared to the torsion beam type such as a digital micromirror device, it has a drawback that the driving voltage for deformation becomes relatively high. This defect becomes significant when the amount of flexure deformation is larger than that of.
[0010]
  Furthermore, the air gap 105In general, the beam 101 formed through the structure has a residual internal stress. When the residual internal stress is a compressive stress, the beam 101 is bent or buckled, and cannot maintain flatness. Therefore, it is necessary to design the process (manufacturing process) so that the residual internal stress of the beam 101 becomes a tensile stress. In this case, that is, when the residual internal stress of the beam 101 is a tensile stress, in order to deform the beam 101 using electrostatic attraction, there is a drawback that an increase in driving voltage is required to compensate for the tensile internal stress. is there.
[0011]
  Further, in order to form the beam 101 through the gap 105 as shown in FIG. 1A, the etching is performed by etching a hollow portion (corresponding to the gap 105) in the substrate 102, sacrificial layer deposition, and CMP (Chemical Mechanical). In general, flattening by a polishing technique is required, but the CMP process is an expensive process compared to a normal photoengraving technique, and has a drawback of increasing costs. Further, the variation in the distance between the beam 101 and the electrode 103 includes both the variation in the etching due to the etching and the variation in the flattening due to the CMP technique. There is a disadvantage in that the variation in the interval becomes large, thereby increasing the variation in the driving voltage.
[0012]
  The present invention has been made mainly in view of the drawbacks of the prior art as described with reference to FIG. 1, and one object thereof is light modulation capable of beam deformation, that is, light modulation with a lower drive voltage. To provide an apparatus. Another object is to provide an optical modulation device that can reduce the manufacturing cost without performing the planarization of the sacrificial layer by a general CPMP technique in the manufacturing process. Another object is to provide an optical modulation device with little variation in drive voltage and good manufacturing yield. Another object is to provide a light modulation device that can easily return to a flat surface when no drive voltage is applied, can suppress variations in light modulation properties (that is, variations in directionality of reflected light), and has a high response speed. is there. Another object is to provide a light modulation device capable of improving the design flexibility of the manufacturing process. Another object of the present invention is to provide a manufacturing method for realizing an optical modulation device having the advantages as described above.
[0013]
  The object and other objects of the present invention described above will be specifically described in the following description of embodiments.
[0014]
[Means for Solving the Problems]
In order to achieve the object, according to the invention, as claimed in claim 1,
A light modulation device that performs light modulation by deforming a beam for reflecting light by electrostatic force,
An electrode for applying an electrostatic force to the beam is provided inside a recess of the substrate opened on the upper surface of the substrate, and the beam protrudes from the upper surface of the substrate to a position facing the electrode. Held on the substrate,
In a state where no electrostatic force acts on the beam, a gap is formed between the beam and the depression,
A method of manufacturing a light modulation device having a support close to a fixed end of the beam for assisting restoration of the beam when an electrostatic force acting on the beam is released,
Forming the recess in the substrate;
Forming the electrode inside the depression;
Forming a protective layer covering the electrode;
Depositing a sacrificial layer over the entire surface of the substrate;
Patterning the sacrificial layer corresponding to the beam by photolithography,
Depositing a layer for constituting the support over the entire surface;
Etching back the layer by anisotropic dry etching to form the support and leaving it at the end of the patterned sacrificial layer;
Forming the beam; and
Removing the sacrificial layer
A method for manufacturing a light modulation device is provided.
[0015]
  According to another aspect of the present invention, in the method for manufacturing an optical modulation device according to claim 1, the support is made of the same material as the beam.
[0016]
  According to another aspect of the present invention, in the method for manufacturing an optical modulation device according to claim 1, the beam is made of a film having a tensile residual stress.
[0017]
  The features of the present invention described above and other features will be described in detail below in relation to the embodiments.
[0018]
DETAILED DESCRIPTION OF THE INVENTION
  A first embodiment of the present invention will be described with reference to FIGS.
[0019]
  2A and 2B are diagrams for explaining the configuration of the light modulation device according to the present embodiment. FIG. 2A is a schematic cross-sectional view, and FIG. 2B is a schematic plan view. However, Figure 2 (a) Is shown in FIG.b) Represents a cross section taken along line AB of FIG.
[0020]
  In FIG. 2, 201 is a substrate made of silicon, optical glass or the like. In this embodiment, a silicon substrate having a (100) surface on the surface is used as the substrate 201, but is not limited to this. An insulating film 202 such as a silicon oxide film is formed on the substrate 201. An electrode 203 is formed in a recessed portion formed in the insulating film 202. This electrode 203 is one electrode for driving the beam 205 with electrostatic force. Specifically, a metal such as Al, Au, Ti, TiN, and Cr, a conductive thin film such as ITO, an impurity, etc. Is formed by substrate silicon having a low resistance. Reference numeral 204 denotes a protective film made of an insulating film such as a silicon nitride film, and serves to prevent the electrode 203 from coming into contact with the beam 205 and short-circuiting. Although not shown in the drawing, a pad opening may be formed in the protective film 204 as a portion connecting the electrode 203 and an external signal.
[0021]
  The beam 205 is a both-ends fixed beam having a light reflecting layer 206 on the surface, and is formed so as to protrude from the upper surface of the substrate by an L-shaped fixed end 210 thereof. The light reflecting layer 206 is not limited to a separately deposited film, including the examples described later, and it is only necessary that a light reflecting region contributing to the performance of the device is formed on the beam 205. Reference numeral 207 denotes a pad provided for applying a voltage to the beam 205 and plays a role of taking out another electrode for driving the beam 205. The pad 207 is formed on the beam 205 when a conductive film is used as the beam 205, and is formed on the light reflecting layer 206 when a conductive film is used for the light reflecting layer 206. The electrostatic force that deflects the beam 205 is generated by applying a voltage between the electrode 203 facing the beam 205 and the beam 205 or the light reflection layer 206 via the air gap 208.
[0022]
  The beam 205 is formed of a metal film or a thin film such as single crystal silicon, polycrystalline silicon, or silicon nitride film. Beams made of single crystal silicon have few defects and long life. In addition, since a beam formed of polycrystalline silicon can use a technique such as CVD, the cost can be reduced and the residual stress of the film can be easily controlled from compressive stress to tensile stress. In addition, a beam formed of a thin silicon nitride film can increase the switching response speed due to the strong tensile stress of the film. Further, when the beam is formed of single crystal and polycrystalline silicon, it is possible to reduce the resistance of the single crystal silicon or polycrystalline silicon with impurities to make it conductive.
[0023]
  In this embodiment, after forming the insulating film 202 on the substrate 201, the insulating film 202 is patterned by photolithography and dry etching to form the void 208. However, the substrate 201 can be similarly patterned, and then the insulating film 202 can be deposited.
[0024]
  FIG. 3 shows an enlarged cross section of a characteristic part of the light modulation device of this embodiment. In FIG. 3, the beam 205 includes a fixed end portion 210 (“L-shaped fixed end portion of the beam”), and an inner portion thereof functions as a substantial beam. As described below,The L-shaped fixed end 210 can be arbitrarily set in height t and angle θ by patterning the sacrificial layer. Also, the length d can be arbitrarily set by patterning the beam 205. 303 is"Almost rectangular gap ",Reference numeral 302 denotes a non-parallel gap below the substrate plane. The non-parallel gap 208 shown in FIG. 2 is a total of the non-parallel gap 302 and the substantially rectangular gap 303. Claim3In the invention described in the above, the beam 205 (beam member) is formed of a film having a tensile residual stress. In practice, however, a silicon nitride film formed by a CVD method or the like at around 800 ° C., or 500 A polycrystalline silicon film obtained by heat-treating an amorphous silicon film formed by a CVD method at 600 ° C. to about 900 ° C. in a nitrogen atmosphere is used. These films can have a strong tensile residual stress of about 0.5 GPa to about 2.0 GPa depending on the formation conditions.
[0025]
  The manufacturing method of the light modulation device of the present invention described above will be described with reference to FIGS. 4 to 9 show typical steps in order, in which (a) is a schematic cross-sectional view (cross-section taken along line AB), and (b) is a schematic plan view.
[0026]
  FIG. 4 A substrate 201 is a silicon substrate on which a silicon oxide film 202 is formed. A resist pattern having an arbitrary film thickness at a position corresponding to the depression by a photoengraving method using a photomask in which a pattern having an area gradation is formed on the substrate 201 or a photoengraving method in which a resist pattern is thermally deformed after forming a resist pattern. After that, a hollow portion is formed by a dry etching method. The non-parallel gap 302 is formed by the recessed portion.
[0027]
  FIG. 5 An electrode 203 is formed inside a hollow portion corresponding to the gap 302, and a protective film 204 is formed thereon. For example, a titanium nitride (TiN) thin film having a thickness of 0.01 μm is formed by sputtering using Ti as a target, and an electrode 203 is formed by photolithography and dry etching, and then a silicon nitride film is formed. A protective film 204 is formed with a thickness of 0.2 μm by atmospheric CVD.
[0028]
  <FIG. 6> A silicon oxide film is formed with an arbitrary film thickness by plasma CVD, and then patterned by photolithography using a resist to form a sacrificial layer 209. When the sacrificial layer 209 is removed as shown in FIG. 9, the thickness of the silicon oxide film as the sacrificial layer 209 is such that the beam shrinks due to its own tensile residual stress and can be flattened parallel to the substrate plane. To decide. Furthermore, it is desirable that the sacrificial layer 209 be patterned so as to completely cover the recessed portion with respect to the cross-sectional direction of FIG. The effect is that even if a slight misalignment occurs during photoengraving for patterning of the sacrificial layer 209, the beam on the gap 208 is always flat, thereby suppressing variations in light modulation properties and variations in drive voltage. It can be done.
[0029]
  << FIG. 7 >> A silicon nitride film is formed on the entire surface of the substrate by a thermal CVD method to a thickness of, for example, 0.1 μm, and this film is patterned by a photoengraving method and a dry etching method to form a beam 205.
[0030]
  <FIG. 8> A Cr thin film serving as a reflective layer for incident light flux is formed on the entire surface of the substrate by sputtering, for example, with a thickness of 0.05 .mu.m. The surface reflection layer 206 is formed by patterning. At this time, since the residual internal stress of the surface reflection layer 206 also affects the planarization of the beam when the sacrificial layer is removed as shown in FIG. 9, the process is designed so as to obtain an appropriate residual stress. The Cr film formed by the DC sputtering method has a residual internal stress of about 1.0 GPa, contributing to the planarization of the beam when removing the sacrificial layer. In FIG. 8, the surface reflection layer 206 is shown so as not to overlap the L-shaped fixed end of the beam.ThisHowever, the fixed end portion may be covered with the surface reflection layer 206 in order to increase the strength at the fixed end portion.
[0031]
  <FIG. 9> The sacrificial layer 209 formed so as to cover the hollow portion is removed by a wet etching method using a diluted solution of hydrofluoric acid. Based on the etching selectivity between the sacrificial layer 209 and the electrode protective film 204 and the beam 205, the beam 205 and the protective film 204 maintain the required thickness even after the sacrificial layer etching is completed. The initial film thicknesses of the beam 205 and the protective film 204 are determined. By removing the sacrificial layer, the beam 205 shrinks so as to relieve the inherent tensile residual stress and is flattened parallel to the substrate plane. Thus, a non-parallel gap 208 composed of a non-parallel gap 302 in the lower part of the substrate plane and a substantially rectangular gap 303 in the upper part of the substrate plane is formed.
[0032]
  Although the illustration and description of the etching opening of the protective film 204 in the pad portion on the electrode 203 are omitted, the electrode 203 is extended from the recessed portion to the substrate surface and can be performed in the process between FIG. 7 and FIG. Is possible.
[0033]
  Next, a second embodiment of the present invention will be described with reference to FIGS..
[0034]
  10A and 10B are diagrams for explaining the configuration of the light modulation device according to the present embodiment. FIG. 10A is a schematic cross-sectional view, and FIG. 10B is a schematic plan view. However, Fig.10 (a) represents the AB sectional view of FIG.10 (b).
[0035]
  The components of the light modulation device of this embodiment are the same as those of the first embodiment, but there are significant differences from the first embodiment.,A support 211 is provided near the fixed end of the beam 205;,The support 211 and the beam 205 are made of the same material. The material of the support 211 needs to have at least good etching selectivity with respect to the sacrificial layer 209. In this embodiment, a silicon nitride film or a polycrystalline silicon film is used. In particular, the claims2In the described invention, the support 211 is formed using the same silicon nitride film as the beam 205.
[0036]
  FIG. 18 shows an enlarged cross-sectional view of a portion that is a feature of the light modulation device of this embodiment. In FIG. 18, reference numeral 701 denotes a fixed end portion of the beam 205 and a support 211 adjacent to the fixed end portion. The length 211 of the support 211 formed by the manufacturing method described later can be arbitrarily set by the film thickness of the support forming layer (601), and the height h of the support 211 can be set. It can be set arbitrarily depending on the amount of overetching during etch back and the film thickness of the sacrificial layer.
[0037]
  A specific method for manufacturing the light modulation device of this embodiment will be described with reference to FIGS..FIG. 11 to FIG. 17 show typical steps in order, in which (a) is a schematic sectional view (cross section taken along line AB), and (b) is a schematic plan view.
[0038]
  << FIG. 11 >> The substrate 201 is a silicon substrate on which a silicon oxide film 202 is formed. A resist pattern having an arbitrary film thickness at a position corresponding to the depression by a photoengraving method using a photomask in which a pattern having an area gradation is formed on the substrate 201 or a photoengraving method in which a resist pattern is thermally deformed after forming a resist pattern. After that, a hollow portion is formed by a dry etching method. The non-parallel gap 302 is formed by the recessed portion.
[0039]
  << FIG. 12 >> The electrode 203 is formed with a thin film of TiN in the hollow portion corresponding to the gap 302. For example, a TiN thin film having a thickness of 0.01 μm is formed by sputtering using Ti as a target, and the electrode 203 is formed by photolithography and dry etching. Thereafter, a silicon nitride film having a thickness of 0.2 μm, for example, was formed as a protective film 204 for the electrode 203 by atmospheric pressure CVD.
[0040]
  <FIG. 13> A silicon oxide film is formed in an arbitrary thickness by plasma CVD, and then patterned by a photoengraving method using a resist to form a sacrificial layer 209. Next, a silicon nitride film is deposited on the entire surface as a support formation film 601 with an arbitrary film thickness. At this time, the length L of the support 211 can be set arbitrarily wide by increasing the thickness of the support forming film 601.
[0041]
  <FIG. 14> The support formation film 601 is etched back by an etch-back method, which is a general semiconductor technology technique, to leave a film portion that becomes the support 211 on the end face of the sacrificial layer 209. By increasing the amount of over-etching at the time of etch back, the height h of the support 211 can be set arbitrarily low.
[0042]
  <FIG. 15> A silicon nitride film is formed on the entire surface of the substrate by a thermal CVD method, for example, to a thickness of 0.1 μm, and then patterned to form a beam 205 by a photoengraving method and a dry etching method. At this time, unnecessary portions of the support 211 are also etched away.
[0043]
  <FIG. 16> A Cr thin film serving as a reflective layer for incident light flux is formed on the entire surface of the substrate by sputtering, for example, to a thickness of 0.05 μm. Thereafter, the Cr film is patterned by a photoengraving method and a dry etching method to form the surface reflection layer 206. Since the residual internal stress of the surface reflection layer 206 also affects the planarization of the beam 205 when the sacrificial layer 209 is removed as shown in FIG. 17, the process is designed so as to have an appropriate residual stress. The Cr film formed by the DC sputtering method has a residual internal stress of about 1.0 GPa, contributing to the planarization of the beam 205 when removing the sacrificial layer. In FIG. 15, the surface reflection layer 206 is illustrated so as not to overlap the L-shaped fixed end portion of the beam 205, but in order to increase the strength at the fixed end portion, the surface reflection layer 206 is fixed to the fixed end portion. May be covered.
[0044]
  <FIG. 17> The sacrificial layer 209 formed so as to cover the hollow portion is removed by a wet etching method using a diluted solution of hydrofluoric acid. Note that, based on the etching selectivity between the sacrificial layer 209 and the protective film 204 of the electrode and the beam 205, the beam 205 and the protective film 204 are maintained to have a desired thickness even after the etching of the sacrificial layer 209 is completed. The initial film thickness of the beam 205 and the protective film 204 is determined. In addition, in this embodiment, the etching selectivity with the support 211 needs to be considered.,Since a silicon nitride film that is the same material as the beam 205 is used, this is not necessary. By removing the sacrificial layer 209, the beam 205 is shrunk so as to relax the inherent tensile residual stress, and is flattened parallel to the substrate plane. As a result, a non-parallel gap 208 composed of a non-parallel gap 302 in the lower part of the substrate plane and a substantially rectangular gap 303 in the upper part of the substrate plane is formed. Since the support 211 is provided, the resistance against breakage of the beam fixed end during the relaxation of the residual stress is improved (the mechanical strength is increased).
[0045]
  Although the illustration and description of the etching opening of the protective film 204 in the pad portion on the electrode 203 are omitted, the electrode 203 is extended from the recessed portion to the substrate surface and is performed in the process between FIGS. 16 and 17. Good.
[0046]
  Next, the method for manufacturing the light modulation device of the present invention described with reference to FIGS.InThe effect of lowering the drive voltage will be described with reference to FIGS. FIG. 20 is a cross-sectional view of the light modulation device before and after the sacrificial layer removal by the manufacturing method of the present invention. FIG. 19 shows a cross-sectional view of the light modulation device before and after removing the sacrificial layer by the conventional manufacturing method, which is plotted in association with FIG.
[0047]
  According to the conventional method, before removing the sacrificial layer, as shown in FIG. 19A, the beam formed on the substrate plane flattened by the CMP technique causes the force F1 caused by the inherent tensile residual stress. Are pulled on each other. Even after the sacrificial layer is removed, the force F1 of the same magnitude remains as shown in FIG. Therefore, in order to bend the beam by electrostatic attraction, it is necessary to increase the drive voltage in order to compensate for the remaining force F1.
[0048]
  On the other hand, according to the method of the present invention, before removal of the sacrificial layer, as shown in FIG. The force resulting from the tensile residual stress in this state is defined as F1. After the sacrificial layer is removed, as shown in FIG. 20B, the beams are pulled and contracted due to the tensile residual stress, and the flattening of the beam is achieved and the tensile residual stress is relaxed to reduce the beam. The remaining force F2 is smaller than F1. Therefore, the drive voltage can be lowered by an amount corresponding to the decrease in the drive voltage for compensating the remaining force F2.
[0049]
  Furthermore, in the conventional method, as is apparent from FIG. 19B, the length W1 of the beam is defined by the length of the recessed portion in the substrate. On the other hand, according to the method of the present invention, as is apparent from FIG. 20B, the length W2 of the beam is defined by the length of the sacrificial layer. Compared with the prior art, W2 can be made longer than W1. Further, the substantial length of the beam is further increased by adding the height of the beam defined by the height of the sacrificial layer (the amount of protrusion from the substrate plane) t to W2. The drive voltage required to deform the beam is approximately inversely proportional to the square of the beam length, so that the drive voltage can be further reduced by the increase in the beam length (W2 + t). .
[0050]
  Next, a modification of the light modulation device according to the first embodiment will be described with reference to FIG. FIG. 21A shows a modification in which the apex of the non-parallel gap is moved to a position of about W2 / 4 from one fixed end of the beam when the length of the beam is W2. FIG. 21B shows a modification in which the apex of the non-parallel gap is moved to the vicinity of one fixed end of the beam. By moving the position of the apex of the non-parallel gap in this way, the shape of the beam displaced by the electrostatic force can be changed to a shape that provides the desired light modulation property.
[0051]
  Finally, the light modulation operation by the light modulation device of the present invention will be described using the configuration of the first embodiment as an example. FIG. 22 is an explanatory diagram thereof.
[0052]
  FIG. 22A shows a state in which no driving voltage is applied, and since the electrostatic force does not act on the beam (205), the L-shaped fixed end portion stands perpendicular to the plane of the substrate (201). It is in the state. The incident light beam is regularly reflected on the beam surface, and the reflected light beam travels in a target direction as indicated by an arrow. FIG. 22B shows a state in which a low drive voltage is applied, and the beam bends so that the gap (208) is attracted to the electrode (203) side from a narrow region by the action of electrostatic force. The direction of the reflected light changes because the surface of the beam bends. FIG. 22 (c) shows a state in which a higher driving voltage is applied. A strong electrostatic force acts on the beam, and the beam is greatly attracted to the electrode (203) and bent greatly. Thereby, the reflected light travels in a direction different from the target direction. When viewed from the reflection direction shown in FIG. 22A, in the state of FIG.TheAppearance (ON operation state), and in the state of FIG. 22C, the reflection direction completely changes, so it looks dark (OFF operation state). In this way, light modulation is performed.
[0053]
  In the configuration of the first embodiment, the gap (208) under the beam (205) is formed non-parallel to the beam. Such a void shape is effective in reducing the voltage required for the deformation of the beam. The electrostatic force acting on the beam is inversely proportional to the square of the distance between the electrode (203) and the beam. That is, the smaller the distance, the larger the electrostatic force that acts. Therefore, when a driving voltage is applied, the beam starts to deform from a narrow gap. Further, the deformation of the beam gradually narrows due to the deformation of the beam, and the deformation of the beam proceeds at a lower voltage than in the case of the parallel air gap. Figure22(D) shows the behavior of the L-shaped fixed end portion 210 of the beam in the transient state shown in FIG. 22 (b). In FIG. 22D, when a portion of the light reflecting layer of the beam starts to bend due to the electrostatic attractive force 1001 acting between the electrodes, a rotation operation 1002 using the L-shaped fixed end 210 as a fulcrum occurs. Due to such a rotation operation of the fixed end portion 210, the deformation of a certain region of the light reflecting layer of the beam easily occurs at a low voltage as compared with the conventional technique.
[0054]
【The invention's effect】
  According to the present inventionThe light modulator is
(1) Since the beam protrudes from the substrate surface so that a substantially rectangular gap is formed in the upper part of the substrate plane, deformation of the beam easily occurs due to rotation about the fixed end of the beam, The substantial length of the beam makes it easier for the beam to bend due to electrostatic attraction, allowing the beam to be deformed or light modulated at a lower drive voltage.WhenIs possible. further,In the manufacturing processSince the residual internal stress of the beam is relieved when the sacrificial layer is removed, the beam is easily bent due to electrostatic attraction, and the drive voltage can be further reduced..Therefore, it is possible to reduce the voltage of an image device such as an optical writing device or a video device such as a projector in an electrophotographic process using this light modulation device.
(2)SoIn this manufacturing process, it is not necessary to planarize the sacrificial layer by a general CMP technique, and the cost of the manufacturing process can be reduced.
(3)In the manufacturing process,The variation in the distance between the beam and the electrode is determined by both the variation in the digging due to the etching of the hollow portion formed in the substrate and the variation due to the formation of the sacrificial layer film, and it is not necessary to use a CMP technique having a large pattern dependency. Therefore, it is easy to suppress variations in drive voltage, and the manufacturing yield can be improved.
(4)Since the beam protrudes from the substrate surface and has a support in the vicinity of the fixed end of the beam, the beam can be easily restored to the original plane after being deflected by electrostatic attraction. Variation (that is, directional variation in reflected light) can be suppressed, and the response speed can be increased. In addition, the mechanical strength of the fixed end of the beam can be improved, the production yield can be improved, and so on.
(5)By using the same material for the support and the beam, the adhesion between the two members can be improved. further,In the manufacturing process,Since the etching solution between the beam and the sacrificial layer when removing the sacrificial layer can be set without considering the support (that is, without considering the etching damage of the support), the degree of freedom in process design is improved. .
(6)In order to form a beam using a film having a tensile residual stress,In the manufacturing process,When removing the sacrificial layer, the beams are pulled by the fixed end portion as a fulcrum due to the tensile residual internal stress, and have an effect of planarizing parallel to the substrate surface.
[0055]
  A method for manufacturing a light modulation device according to the present invention includes:As aboveA light modulation device can be realized, and in particular, by patterning the sacrificial layer and flattening the beam when removing the sacrificial layer, the drive voltage can be reduced, the manufacturing cost can be reduced, and the yield can be improved. Has the effect ofAnd alsoThe support layer can be provided in the vicinity of the fixed end of the beam by having a step of depositing the support component layer over the entire surface and etching back the support component layer by anisotropic dry etching.RuIt has effects such as.
[Brief description of the drawings]
1A and 1B are a schematic cross-sectional view and a schematic plan view for explaining a light modulation device according to a conventional technique.
FIG. 2 is a schematic cross-sectional view and a schematic plan view for explaining a first embodiment of the light modulation device according to the present invention.
FIG. 3 is an enlarged schematic cross-sectional view for explaining a characteristic part of the light modulation device according to the first embodiment;
4A and 4B are a schematic cross-sectional view and a schematic plan view for explaining a manufacturing process of the light modulation device according to the first embodiment.
5A and 5B are a schematic cross-sectional view and a schematic plan view for explaining a manufacturing process of the light modulation device according to the first embodiment.
FIGS. 6A and 6B are a schematic cross-sectional view and a schematic plan view for explaining a manufacturing process of the light modulation device according to the first embodiment. FIGS.
7A and 7B are a schematic cross-sectional view and a schematic plan view for explaining a manufacturing process of the light modulation device according to the first embodiment.
FIGS. 8A and 8B are a schematic cross-sectional view and a schematic plan view for explaining a manufacturing process of the light modulation device according to the first embodiment. FIGS.
FIGS. 9A and 9B are a schematic cross-sectional view and a schematic plan view for explaining a manufacturing process of the light modulation device according to the first embodiment. FIGS.
FIG. 10 is a schematic cross-sectional view and a schematic plan view for explaining a second embodiment of the light modulation device according to the present invention.
FIGS. 11A and 11B are a schematic cross-sectional view and a schematic plan view for explaining a manufacturing process of the light modulation device according to the second embodiment. FIGS.
12A and 12B are a schematic cross-sectional view and a schematic plan view for explaining a manufacturing process of the light modulation device according to the second embodiment.
13A and 13B are a schematic cross-sectional view and a schematic plan view for explaining a manufacturing process of the light modulation device according to the second embodiment.
14A and 14B are a schematic cross-sectional view and a schematic plan view for explaining a manufacturing process of the light modulation device according to the second embodiment.
FIGS. 15A and 15B are a schematic cross-sectional view and a schematic plan view for explaining a manufacturing process of the light modulation device according to the second embodiment. FIGS.
FIGS. 16A and 16B are a schematic cross-sectional view and a schematic plan view for explaining a manufacturing process of the light modulation device according to the second embodiment. FIGS.
FIGS. 17A and 17B are a schematic cross-sectional view and a schematic plan view for explaining a manufacturing process of the light modulation device according to the second embodiment. FIGS.
FIG. 18 is an enlarged schematic cross-sectional view for explaining a fixed end portion and a support of a beam.
FIG. 19 is a schematic cross-sectional view for explaining the beam before and after sacrificial layer removal in the prior art.
FIG. 20 is a schematic cross-sectional view for explaining the beam before and after removing the sacrificial layer in the present invention.
FIG. 21 is a schematic cross-sectional view for explaining a modification of the first embodiment.
FIG. 22 is a schematic cross-sectional view for explaining the operation of the light modulation device according to the present invention.
[Explanation of symbols]
  201 substrate
  202 Insulating film
  203 electrodes
  204 Protective film
  205 Beam
  206 Light reflection layer
  208 gap
  209 Sacrificial layer
  210 Fixed end of beam
  211 Support
  302 Almost rectangular gap
  303 Non-parallel air gap

Claims (3)

光を反射するための梁を静電力によって変形させることにより光変調を行う光変調装置であって、A light modulation device that performs light modulation by deforming a beam for reflecting light by electrostatic force,
基板の上面に開放した前記基板の窪みの内部に、前記梁に静電力を作用させるための電極を有し、前記梁は、前記電極と対向する位置に、前記基板の上面よりせり出すように前記基板に保持され、  An electrode for applying an electrostatic force to the beam is provided in a recess of the substrate opened on the upper surface of the substrate, and the beam protrudes from the upper surface of the substrate to a position facing the electrode. Held on the substrate,
前記梁に静電力が作用しない状態において、前記梁と前記窪みの間に空隙が形成され、  In a state where no electrostatic force acts on the beam, a gap is formed between the beam and the depression,
前記梁に作用する静電力が解除された時に前記梁の復元を補助するための、前記梁の固定端部に近接した支えを有する光変調装置の製造方法であって、  A method of manufacturing a light modulation device having a support close to a fixed end of the beam for assisting restoration of the beam when an electrostatic force acting on the beam is released,
前記基板に前記窪みを形成する工程、  Forming the recess in the substrate;
前記窪みの内部に前記電極を形成する工程、  Forming the electrode inside the depression;
前記電極を覆う保護層を形成する工程、  Forming a protective layer covering the electrode;
前記基板の全面に犠牲層を堆積する工程、  Depositing a sacrificial layer over the entire surface of the substrate;
前記犠牲層を写真製版法により梁に対応させてパターン化する工程、  Patterning the sacrificial layer in correspondence with the beam by photolithography,
前記支えを構成するための層を全面堆積する工程、  Depositing a layer for constituting the support over the entire surface;
前記支えを構成するため層を異方性ドライエッチング法によりエッチバックし、パターン化された前記犠牲層の端部に残存させる工程、  Etching back the layer by anisotropic dry etching to form the support and leaving it at the end of the patterned sacrificial layer;
前記梁を形成する工程、及び  Forming the beam; and
前記犠牲層を除去する工程  Removing the sacrificial layer
を有することを特徴とする光変調装置の製造方法。A method of manufacturing a light modulation device, comprising:
前記支えは前記梁と同一材料からなることを特徴とする請求項1記載の光変調装置の製造方法。The method for manufacturing an optical modulation device according to claim 1, wherein the support is made of the same material as the beam. 前記梁は引張残留応力を有する膜からなることを特徴とする請求項1記載の光変調装置の製造方法。2. The method of manufacturing an optical modulation device according to claim 1, wherein the beam is made of a film having a tensile residual stress.
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