KR100412003B1 - 개량된빔을갖는미소기계장치 - Google Patents

개량된빔을갖는미소기계장치 Download PDF

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죤에이치.트레질가스
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텍사스 인스트루먼츠 인코포레이티드
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Abstract

전기적으로 어드레스, 집적, 모노리딕가능한 미소미러 장치(10)는 각종 금속 및 산화물 층, 포토레지스트, 액체 및 플라즈마 에칭, 플라즈마 스트리핑을 포함하여 스퍼터링 기술과 관련된 기술과 물질을 이용하여 형성된다. 장치(10)는 스퍼터링과 선택적 에칭에 의해 형성된 하나 또는 그 이상의 빔(18)에 의해 지지되어지는 선택적, 전기적으로 편향가능한 질량체 또는 미러(12)를 포함한다. 빔(18)은 전기 전도성의 금속간 알루미늄 화합물, 또는 둘 또는 그 이상의 이러한 화합물의 혼합물로 구성됨으로써 개선된다. 개선된 빔(18)을 구성하는 물질은 비교적 고융점을 가지며, FCC 결정 구조보다 적은 1차 슬립 시스템을 나타내며, 알루미늄 및 알루미늄 합금을 에칭하는데 사용된 것과 동일한 또는 유사한 에칭제 및 공정에 의해 에칭가능하며, 알루미늄 또는 알루미늄 합금보다 강하며 덜 이완된다. 따라서, 개선된 빔(18)은 변형되지 않는 다른 장치를 제조하는데 사용된 전형적인 공정 단계에서 상당한 또는 근본적인 변형을 하지 않고도 증가된 강도와 감소된 이완을 나타낸다.

Description

개량된 빔을 갖는 미소기계 장치{MICRO MECHANICAL DEVICE HAVING AN IMPROVED BEAM}
발명의 분야
본 발명은 빔(beam)이 개선된 미소기계 장치(micromechanical device)에 관한 것으로, 특히 빔 또는 힌지형 부재(hinge-like member)가 개선된 미소미러 장치(micromirror device)에 관한 것이다. 보다 상술하자면, 본 발명은 전기적으로 어드레스가능하고, 집적가능한 모노리딕형 미소미러 장치에 관한 것으로, 이러한 장치의 전기 및 기계적인 소자들은 스퍼터링 기술, 각종의 금속 및 산화물 층, 포토레지스트, 액체 및 플라즈마 에칭, 플라즈마 스트리핑과 관련 기술 및 물질(materials)로 형성될 수 있으며, 이러한 장치의 선택적이며 정전기적으로 편향가능한 미러는 스퍼터링과 선택적 에칭에 의해 형성된 하나 또는 그 이상의 개선된 힌지형 캔틸레버(cantilever) 및/또는 비틀림 빔(torsion beams)에 의해 지지되어 있으며, 이 빔들은 변형되지 않는 다른 장치를 제조하는데 사용되는 전형적인 처리 단계와 그다지 다르지 않으면서도 증가된 강도와 감소된 이완(relaxation)을 나타낸다.
발명의 배경
각종 형태의 미소기계 장치들이 공지되어 있다. 이러한 장치들은 픽셀들이 전기적으로 어드레스가능하고 편향가능한 미러 또는 반사기로 형성되는 미소기계 공간 광 변조기("SLM")를 포함한다. SLM는 전기 및/또는 광 입력에 대응하여 입사광을 변조할 수 있는 변환기들이다. SLM은 입사광을 위상, 강도, 편광 및 방향에 대해서 변조시킬 수 있다.
본 발명은 디지탈 미소미러 장치 또는 변형가능한 미러 장치("DMD")로 불려지는 상기 한 형태의 SLM에 관한 것이다. 본 원에서 포함된 형태의 SLM DMD는 프린터, 이미징 시스템(imaging systems), 전자사진 재현 시스템(xerographic reproduction systems) 및 디지탈형 비디오 시스템(digitized video systems) 등의 여러 장치에 사용될 수 있다. 미국 특허 제5,041,851호, 제4,728,185호, 제5,101,236호 및 제5,079,544호를 참조 바람.
미국 특허 제5,061,049 및 5,096,279호에서는 바람직한 미소기재 장치, 보다 상술하자면 DMD SLM의 구조 및 제조 방법에 대해 기재되어 있다. 일반적으로, 미소기계 장치들은 전형적으로 변형가능한 빔에 의해 지지된 변형가능 또는 이동가능한 질량체(mass)를 포함한다. 상기 미국 특허 제5,061,049호에 따르면, DMD SLM은 비교적 두껍고 거의 평면인 금속 미러 또는 반사기의 어레이 또는 매트리스를 포함하여 "질량체"를 구성한다. 각각의 미러는 스퍼터링 및 선택적 에칭에 의해 형성되는 알루미늄 또는 Al(98.5-98.8 %) : Si(1 %) : Ti(0.2-0.5 %) 등의 알루미늄 합금 층을 포함한다.
각각의 미러들은 스퍼터링 및 선택적 에칭에 의해 동일하게 구성 및 형성된비교적 박막인 층 상에 제공되며 하나 또는 그 이상의 빔에 의해 지지된다. 이들 빔은 각 미러의 경계를 지나 연장하여 최종에는 포토레지스트 또는 금속으로 구성될 수도 있는 하나 또는 그 이상의 스페이서(spacers) 또는 포스트(posts)에 의해 지지되어지는 비교적 박막 층 부분들을 포함하고 있다. 상기 스페이서 또는 포스트는 미러 아래의 웰(well)을 한정하거나 이 웰에 의해 분리되어지며 미러들이 선택적으로 편향되어질 때 이들 미러들은 이들 스페이서 또는 포스트의 내외부로 이동할 수 있다. 스페이서 또는 포스트와 웰들은 금속, 절연 및 포토레지스트 박판의 선택적 침착 및 제거 또는 패터닝에 의해 차례로 형성된다.
비편향된 DMD 미러는 "수평" 즉, 그 웰 위에 있고, 또한 기판에 대해 거의 평행이 되는 정위치(normal position)를 취할 수 있고, 이 기판상에 또는 내에 DMD가 형성되어 있다. 수직으로 배치되어 있는 각각의 미러는 입사광을 제1 목적지로 반사시킨다. 미러에 소정의 정전 흡인력 또는 반발력을 선택적으로 인가시킴으로써 미러는 그 정상 위치에서 벗어나 선택적으로 편향되어진다. 편향된 미러는 비수평이거나 또는 수평 상태를 벗어나 회전될 수 있다. 편향된 각각의 미러는 입사광을, 편향량과 이에 따라서 인가된 정전력의 존재 및/또는 강도에 따라 제2 목적지로 반사시킴으로써 입사광을 변조시킨다.
미러가 그 정상 위치를 벗어나 이동을 하게 되면 빔이 변형되고, 여기에 전위 에너지가 저장되게 된다. 저장된 전위 에너지는 일단 정전력이 제거되면 미러를 그 정상 위치로 복귀시키려는 경향이 있다. 따라서, 미러를 지지하고 있는 빔은 캔틸레버 모드, 비틀림 모드 또는 쳐짐 모드로 불리는 이들 모드의 조합으로 변형될수 있다.
어레이 또는 매트리스의 미러의 선택적 정전 편향은 기판 상 또는 기판 내의 웰의 하단부 상에 배치된 전극의 상합(congruent)어레이 또는 매트릭스에 의해 선택적으로 행해진다. 선택된 정전력에 의해 발생하는 전압이 MOSFET 또는 기능상 동일한 소자들과, 전극에 관련된 관련 전기 부품들에 의해 전극에 선택적으로 인가되어진다. 이들 회로 소자 및 부품들은 전형적으로 전통적인 집적 회로 제조 처리 기술을 이용하여 기판 상 또는 기판 내에 형성된다. 상술하자면, MOSFET 또는 다른 소자들과 관련된 부품 및, 또한 미러, 빔, 포스트 또는 스페이서와 전극들은 전형적인 CMOS 또는 동일한 기술을 이용하여 실리콘이나 다른 기판 상 또는 기판 내에 집적화된 모노리딕으로 형성되는 것이 바람직하다.
상술된 형의 미소기계 장치에 대한 광범위한 테스팅과 분석에 의하면, 빔의 강도는 계속된 사용에 따라 "크리이프(creep)" 또는 "변형"으로서 알려진 현상인 이완에 견뎌내기에 충분히 크지 않은 것으로 나타났다. 이러한 빔의 이완에 의해 미소기계 DMD SLM 및 기타 유사한 미소기계 장치의 동작을 부적절하게 한다. 예를 들어, 이완된 빔은 흡인 정전력이 인가되지 않은 경우 미러를 정상 위치에 또는 미러를 정상 위치로 복원시킬 수 없게 될 수 있다. 비정상 위치에서의 미러는 입사광을 제1 목적지 또는 제2 목적지가 아닌 곳으로 방사시킬 수 있다. 따라서, 빔의 이완에 의해 입사광은 비람직하지 않은 변조를 일으키게 된다. 또한, 이완에 의해 미러가 정상 위치로 적당하게 복귀하지 않는 일이 일어나지 않더라도, 미러의 빔이 이완되면 적용가능한 전극에 소정의 전압을 인가하는 경우에 적당량에 의해서도 미러를 편향시키지 못하게 될 수 있다. 또한, 입사광의 부적당한 변조가 일어나게 된다.
알루미늄 합금으로 구성된 것보다 강하고 이완을 덜 받게되는 빔이 공지되어 있는데, 예를 들어, 상술된 형에 관련된 초기 개발된 SLM은 실리콘 산화물로 이루어진 빔형 부재를 이용하였다. 미국 특허 제4,356,730호, 제4,229,732호 및 제3,886,310호를 참조하기 바람. 또한 DMD 미러의 빔을 상술된 알루미늄 합금보다 강하고 상기 알루미늄 합금보다 이완 또는 크리이프를 덜 받는 물질로 제조하는 것이 일반적으로 제안되어 있다. 그러나, 이러한 물질의 사용에 의해, DMD의 어드레싱 회로와 기계적 소자들을 포함하여 DMD를 제조하는데 현재 사용되고 있는 처리 시퀀스와 물질(예를 들어, 에칭제)의 경우 실질적인 또는 근본적인 변형을 필요로 할 수 있으며, 또한 처리의 복잡성을 추가로 필요로 할 수 있으므로 DMD의 제조 비용이 상승하게 되는 가능성이 수반되어진다.
다른 제안으로는 알루미늄 또는 알루미늄 합금의 박편과 알루미나와 같이 보다 강하고 덜 유연한 물질의 박편을 다수개 교대로 적층시켜 빔을 제조하는 것이 있다. 외측 박편은 알루미늄 또는 알루미늄 합금으로서, 에칭을 포함한 공정 단계의 대부분이 종래의 DMD 구조를 형성하기 위한 상술된 것과 동일하다. 박편을 교대로 적층시키는 것은 알루미늄 또는 알루미늄 합금의 스퍼터 침착과, 보다 강하고 덜 유연한 물질의 스퍼터 침착을 주기적으로 중단시킴으로써 형성되어, 공정이 그정도 복잡해져 제조 비용이 상승될 수 있다.
본 발명의 목적은 보다 강하고 내( )이완성이 있으며, DMD 공정 시퀀스의 복잡성 또는 비용을 실질적이며 근본적으로 증가시킴이 없이도 빔을 제조할 수 있는 DMD SLM 등과 같은 미소기계 장치를 제공하는데 있다.
본 발명에 의하면, 미소기계 장치용으로 개량된 변형가능한 빔이 제공되어진다. 상기 장치는 빔에 의해 지지되어지는 편향가능한 질량체를 포함하고 있다. 이 질량체의 편향에 의해 빔이 변형되어진다. 바람직한 실시예의 경우, 미소기계 장치는 DMD SLM이며, 질량체는 가동 또는 편향가능한 미러로서 이 미러가 편향됨에 따라 입사광이 선택적으로 변조되어진다.
개선된 빔은 다음의 방법 중 하나 또는 그 이상으로 특징될 수 있다.
+++ 빔은 전기 전도성인 하나 또는 그 이상의 알루미늄 화합물로 구성된다.
+++ 빔은 일반식 AlxQy의 알루미늄 화합물로 구성되며, 여기서 Q는 산소가 아니며, 화합물은 비교적 고융점을 가지며 FCC 결정 구조의 12개의 1차 슬립 시스템(primary slip systems)보다 적은 1차 슬립 시스템을 나타낸다.
+++ 상기 특징의 경우 Q는 금, 칼슘, 구리, 철, 하프늄, 마그네슘, 니오븀, 니켈, 스캔듐, 코발트, 탄탈, 지르코늄, 바륨, 몰리브멘, 스트론튬, 텅스텐, 루테늄, 바나듐, 크롬, 이리듐, 로듐, 리륨, 안티몬, 티타늄, 세륨, 가돌리늄, 홀뮴, 란탄, 루테튬, 네오디뮴, 사마륨, 테르븀, 셀레늄, 탄소, 비소, 붕소, 인 또는 질소이다.
+++ 빔은 전기 전도성 알루미늄 금속간 화합물 또는 둘 또는 그 이상의 이러한 알루미늄 화합물의 혼합물로 이루어지는 그룹에서 선택한 전기 비절연 물질로구성된다.
+++ 상기 특징의 경우, 물질은 Al2Au, Al2Ca, Al2Cu, Al3Fe, Al3Hf, Al3Mg2, Al3Nb, Al3Ni, Al3Sc, Al3Ta, Al3Zr, Al4Ba, Al4Mo, Al4Sr, Al4W, Al6Ru, Al7Cr, Al8V5, Al9Co2, Al9Ir2, Al9Rh2, AlLi, Al3Ti, AlTi, AlSb, AlAb, AlP, AlN, Al3Ce, Al3Gd, Al3Ho, Al3La, Al3Lu, Al3Nd, Al3Sm, Al3Tb, Al2Se3, Al4C3, AlB2, AlTi+Al3Ti, and Al3Ti+AlN이다.
+++ 빔을 알루미늄을 함유한 금속간 화합물, 알루미늄을 함유한 화합물 반도체, 알루미늄과 희토류(rare earth)를 함유한 화합물과, 알루미늄과 비금속을 함유한 화합물로 이루어진 그룹에서 선택한 전기 전도성 물질로 구성된다.
상기 모든 특징의 경우에, 그와 같이 형성된 빔은 종래 기술의 빔, 특히 알루미늄 또는 알루미늄 합금으로 제조된 빔보다 강하고 이완을 덜 받는다. 개선된 빔이 알루미늄을 함유하기 때문에, 전형적인 또는 편의적으로 변형된 알루미늄 에칭 화학 작용 및 과정을 유리하게 사용할 수 있다. 또한, 빔은 전기 전도성이므로, 전형적인 종래 기술의 DMD에서 나타내는 바와 같이 미러에 빔을 통해 적당한 전위를 인가시킬 수 있다.
제1도를 우선 참조해 보면, Hornbeck씨의 미국 특허 제5,061,049호와 Lee씨의 미국 특허 제3,600,798호에서 도시된 형일 수 있는 개별의 DMD(10)인 다수의 미소기계 장치가 인접하여 도시되어 있다. DMD(10)는 Cade씨의 미국 특허제4,356,730호, Hartstein씨와 그외 공동인의 미국 특허 제4,229,732호, Nathanson씨와 그외 공동인의 미국 특허 제3,896,338호 및 Guldberg씨와 그외 공동인의 미국 특허 제3,886,310호에서 도시된 것과 동일한 것일 수 있다. DMD(10)는 제1도에서 도시된 어레이(array)로 배치될 수 있으며, Nelson씨와 그외 공동인의 미국 특허 제5,101,236호, DeMond씨와 그외 공동인의 미국 특허 제5,079,544호, Nelson씨의 미국 특허 제5,041,851호 및 Tomas씨의 미국 특허 제4,728,185호에서 도시 및 기술된 것과 같은 시스템에서 사용될 수 있다. 이하의 기술에서, DMD(10)는 쌍안정 또는 디지탈 모드로 동작하는 것으로 기술되어 있지만, 다른 모드, 즉 3 안정 또는 아나로그로 동작될 수 있다.
제1 내지 3도에서 일반적으로 도시되어 있는 바와 같이, 각각의 DMD(10)는 선택적으로 이동 가능하거나 편향 가능한 질량체를 포함하는데, 이 질량체는 DMD(10)의 경우에 비교적 두껍고 부피가 크며, 금속 또는 금속 광 반사식, 가동형 또는 편향형인 미러(12)와 미러(12)를 선택적으로 정전 편향시키기 위한 관련 어드레싱 회로(14, 단지 두개만 도시되어 있음)를 구비한다. 공통 기판(16) 내에 또는 위에 미러(12)와 그들의 어드레싱 회로(14)의 어레이를 모노리딕으로 형성시키는 방법은 상기 특허에서 기술되어 있다. 물론, 본 원에서 상세히 도시 및 기술된 DMD(10)가 아닌 미소기계 장치도 본 발명의 원리를 유리하게 이용할 수 있다.
전형적으로, 각각의 미러(12)는 하나 또는 그 이상의 비교적 얇고, 일체 지지형 빔 또는 힌지(18) 상에서 이동 또는 회전함으로써 편향되어진다. 제1도에서는 각 미러(12)가 정반대로 배치된 한쌍의 비틀림 빔(18a)에 의해 지지되어 있는 것으로 도시되어 있지만, 미러(12)는 하나 또는 그 이상의 캔틸레버 빔(18b)에 의해 지지될 수 있는 데, 두가지 형태는 제4b도에서 도시되어 있는 바와 같이 만곡 빔(18c)이고, 한 형태는 상술한 바와 같이 제4c도에서 도시되어 있다. 제4a도는 비틀림 빔 지지형 DMD(10)의 4가지 형태를 도시한다.
DMD(10)의 형성 중에 에칭, 침착 및/또는 주입 마스크의 일부로서 기능을 한후 기판(16) 상에 남아있는 잔류 포토레지스트를 포함할 수 있는 원주 부재(22) 사이에 언더컷 웰(20, 제1도에서 도시안 되)이 형성된다. 빔(18)과, 미러(12)와 미러와 거의 동일 평면에 있는 빔을 둘러싸고 있는 금속 부분(23)은 부재(22)에 의해 지지되어진다.
각 웰(20)은 이것과 관련된 미러(12)의 적어도 일부분을 제3도에서 도시된 비편향 또는 정상 위치로부터 제2도의 화살표 방향으로 도시된 기판(16)쪽으로의 이동을 허용함으로써 상기 일부분의 편향에 적합된다. 각 미러(12)의 편향은 미러와, 웰(20)에 배치된 관련된 제어 또는 어드레싱 전극(24)에 적당한 전위를 인가시킴으로써 발생된 전계에 의해 가해지는 흡인 또는 반발력에 의해 행해진다. 어드레싱 회로(14)와 관련된 회로 및 회로 소자에 의해 제어 전극(24)과 미러(12)에 전위가 선택적으로 인가되어진다. 전형적으로, 미러(12)는 선택된 전압이 제어 전극(24)에 인가되는 동안 접지 전위에 있게 됨으로써, 미러(12)에는 흡인력이 가해지게 된다. 동일 극성의 전위를 미러(12)와 이들의 제어 전극(24)에 인가시킴으로써 미러(12)에 반발력을 인가시킬 수도 있다.
빔(18)이 변형되지 않으면, 제3도 및 제2도의 점선으로 도시된 바와 같이 미러 소자(12)의 정상 위치에서 고정될 수 있다. 빔(18)이 변형되면, 미러를 빔(18)이 변형되지 않을 때 차지하고 있던 위치로 복원시키려는 에너지를 저장하고 있다. 미러 소자(12)가 그 정상 위치에 있으면 장치(10)에 입사하는 광은 제1 사이트로 반사된다. 어드레싱 회로(14)가 적절한 전위를 인가하면, 그 미러(12)는 제어 전극(24) 및 기판(16)쪽으로 또는 이들로부터 그 정상 위치를 벗어나 정전 흡인 또는 반발되어진다. 미러 소자(12)는 따라서 이것이 착륙 선택 위치에 결합할 때까지 이동 또는 편향된다.
상기 특허 5,096,279호에서는 착륙 전극(landing electrode:34)의 사용을 추천하고 있다. 상술하자면, 착륙 전극(34)은 미러(12)와 동일 전위로 유지되고 미러소자(12)의 기계적인 저지대(mechanical stop)로서 작용하므로 소자의 편향된 위치를 고정시킨다. 또한, 착륙 전극(34)과 미러 소자(12)의 결합에 의해 미러 소자(12)가 제어 전극(24)과 결합하게 되는 것이 방지된다. 미러 소자(12)와 제어 전극(24) 간의 전위차 때문에, 이러한 결합에 의해 미러 소자(12)에는 전류가 흐르게 된다. 이러한 형태의 전류 흐름에 의해 미러 소자(12)가 제어 전극(24)에 응접되기 쉽거나 비교적 얇은 빔(18)을 퓨즈 또는 융합시키기 쉽다.
미러 소자(12)의 편향 위치에서, 입사광은 이제 제2 사이트로 반사되어진다. 미러(12)가 비편향될 때 광이 전달되어지는 제1 사이트는 전자 사진 프린팅 장치의 관찰 스크린 또는 감광성 드럼 등과 같은 이용 장치에 의해 점유되거나 이용 장치를 구성할 수 있다. 제2 사이트로 전달된 광은 흡수될 수 있거나 또는 제1 사이트로 도달되는 것이 방지될 수 있다. 제1 및 제2 사이트의 역할은 물론, 역으로 될수 있다. 상술한 방법에서, 입사광은 DMD(10)에 의해 변조되어 어느 사이트를 포함하든 간에 선택적으로 이용 장치에 도달하거나 도달하지 않게 된다.
제1 내지 3도에서, 각 미러(12)는 한쌍의 제어 전극(24a, 24b)과 한쌍의 착륙 전극(34a, 34b)에 관련되어지는 것으로 도시되어 있다. DMD(10)가 상술한 바와 같이, 2진 또는 쌍안정 모드로 동작하면, 각 미러(12)는 제2도의 점선으로 도시된 정상인 비편향된 위치와 제2도에서 도시된 시계 반대 방향 회전 위치 사이에서만 이동가능하다. 제2도에서 비록 도시하지는 않았지만, 미러(12)의 시계 반대 방향 회전은 미러(12)가 좌측 착륙 전극(34a)과의 접촉 결합을 할 때까지 발생한다. 미러(12)가 바람직한 접지 전위이면, 미러(12)의 시계 반대 방향 회전은 어드레싱 회로(14)에 의해 좌측 제어 전극(24a)에 전압을 인가시킴으로써 행해질 수 있다. 후자의 경우에, 우측 제어 및 착륙 전극(24b 및 34b)은 제거 또는 미사용될 수 있다.
미러(12)가 정전 반발에 의해 회전된다면, 이 미러와 우측 제어 전극(24b)은 제2도에서 도시된 시계 반대 방향 회전을 달성하기 위한 동일 극성의 전위를 포함할 것이다. 이 경우에, 좌측 제어 전극(24a)과 우측 착륙 전극(34b)은 제거 또는 미사용될 수 있다.
DMD는 또한 미러(12)가 정상인 완전한 시계 반대 방향 위치와 미러(12)가 우측 착륙 전극(34b)과 결합하는 완전한 시계 반대 방향 위치 사이에서 회전가능한 2진 모드로 동작할 수 있다. DMD가 이와 같이 동작하면, 비편향된 빔(18)은 미러(12)의 정상 위치를 셋트시키지 않는다. 또한 미러(12)가 접지 전위에 있을 경우, 미러(12)는 제어 전극(24a)의 전위에 의해 완전한 시계 반대 방향으로 회전되고, 제어 전극(24b)의 전위는 매우 낮은 값을 갖거나 0이다. 미러(12)는 우측 착륙 전극(34b)을 지지하도록 제어 전극(24b)의 적당한 전압에 의해 완전한 시계 방향으로 회전되며, 제어 전극(24a)의 전위는 0 또는 거의 0이다.
미러(12)가 접지 전위에 있지 않는 다른 2진 동작 교환의 경우, 상이한 극성 및/또는 크기를 갖는 전압이 제어 전극(24a, 24b)에 동시에 인가되어 미러(12)의 상보 부분을 선택적으로 회전시키기 위해 동시에 흡인 및 반발시킬 수 있다. 3 안정동작은 미러(12)를 완전한 시계 반대 방향 또는 완전한 시계 방향으로 회전시킴으로써 달성되며, 미러는 제어 전극(24a, 24b) 모두의 에너지가 상실될 때 변형되지 않은 빔에 의해 셋트된 정상의 중간 위치를 점유하게 된다. 아나로그 동작은 적당한 크기의 전위 제어 전극(24a, 24b)에 인가함으로써 미러(12)의 선택된 시계 반대 방향 및/또는 시계 방향 회전량에 의해 달성된다. 아나로그 동작 중 착륙 전극(34a, 34b)의 결합으로 특징되는 미러(12)의 완전한 회전은 미러(12)가 점유할 수 있는 이론적으로는 무한수의 회전 위치 중 하나이다.
제4A도는 우측 상단에서 제1 내지 3도에서 일반적으로 도시된 변형을 포함하여 미러(12)가 비틀림 빔(18a)에 의해 지지되어지는 DMD의 변형을 도시한다. 상술된 바와 같이, 비틀림 빔(18a)에 의해 지지된 미러(12)는 빔(18a)과 일치하는 축(40)을 중심으로 하여 빔(18a) 상에서 선택적으로 회전된다. 회전 축(40)은 거의 우측 하부 표현(rendition)으로 미러(12)의 대칭 축과 일치하지만, 축(40)은 정확하게 일치하지는 않는다. 제4b도에서, 빔(18)은 캔틸레버 빔(18b)이고, 미러(12)는 빔(18b)과 법선인 회전 축(42)을 중심으로 가동 또는 편향가능하다. 제4a 및 4b도에서는 도시하지는 않았지만, 알 수 있는 바와 같이 제어 전극(24)은 회전 축(40 및 42)에 대해 비대정적으로 위치되어진다.
제4c도에서 빔(18)은 미러(12)의 이동에 의해 비틀림 및 캔틸레버 모드로 변형되는 소위 만곡 빔(18c)이다. 상술하자면, 각 만곡 빔(18c)은 비틀림 변형가능한 소자(44)와 캔틸레버 모드로 변형가능한 소자(46)를 포함한다. 제어 전극(24)으로의 미러(12)의 흡인과 제어 전극(24)으로부터의 미러(12)의 반발에 의해 미러(12)는 기판(16)과 거의 평행됨으로써 피스톤과 같이 이동한다.
제1 내지 3도를 참조해 보면, 각 미러(12)가 도시된 금속 층(50 및 52)과 같은 둘 또는 그 이상의 층을 포함할 수 있다는 것을 알 수 있다. 이들 층(50, 52)들은 모노리딕 집적 회로를 제조하는데 사용된 전형적인 과정에 따라 실행 중에 선택적으로 침착 및 패턴 또는 에칭될 수 있다. 이와 같이 하여, 미러(12), 빔(18) 및 제어 회로(14)는 연속한 일련의 상관 처리 단계에 의해 모두 제조될 수 있다. 종래에는 층(50, 52) 모두 약 98.8 : 1 : 0.2 % 비의 Al : Ti : Si 합금으로구성하였으며, 층(50)의 두께는 약 500 내지 1000Å이고 층(52)의 두께는 약 3,000 내지 5,000Å이지만, 다른 두께를 사용할 수도 있다. 층(50, 52)은 다른 알루미늄 합금 또는 알루미늄으로 구성될 수 있다.
DMD를 제조하기 위해, 비교적 박막인 층(50)을 우선 이전에 침착된 포토레지스트(22)의 연속 층의 자유 표면 상에 전형적으로 스퍼터링에 의해 침착시킨다. 다음에 비교적 더 두꺼운 층(52)을 층(50)의 자유 표면 상에 침착시킨다. 층(50 및 52)을 선택적으로 패터닝시킴에 의해 빔(18)이 존재해야 하는 얇은 층(50)이 아닌두꺼운 층(52)이 제거되고 미러(12)와 빔(18)의 주변부가 존재해야 하는 층(50 및 52) 모두가 제거된다. 이들 주변부와 주변 영역(23) 사이에는 액세스 갭(54)이 형성된다. 층(50, 52)을 선택적으로 패터닝함으로써 또한 이들 층 모두를 통하는 액세스 구멍(56)이 형성된다. 액세스 갭 및 구멍(54, 56)을 통한 플라즈마 에칭에 의한 바와 같이 포토레지스트(22)를 선택적으로 제거시킴에 의해 웰(20)이 형성된다.
일부 실시예의 경우, 상술된 바와 같이, 빔(18)과 그들의 미러(12)에 대한 지지를 웰(20)의 형성 후에 잔존하는 원주형 포토레지스트(22)에 의해 달성하는 것이 바람직할 수 있다. 제5a도는 제1 내지 3도의 비틀림 빔(18a)의 DMD(10) 대신에 캔틸레버 빔(18b)의 DMD(10)에서 이러한 형태의 지지를 도시하고 있다. 제5b도는 다소 다르게 구성된 히든-힌지, 캔틸레버 빔(18b)의 DMD(10)를 도시하며, 여기서 빔(18b) 및 미러(12)에 대한 지지는 웰(20)과 동일한 기능을 하는 구멍 영역(60) 상에서 미러(12)를 현수(suspend)하고 있는 금속 포스트(58)에 의해 제공된다. 상기 미국 특허 제5,061,049호의 제35a 내지 35e도에서는 제1 내지 4와 5a도에서 도시된 형태의 DMD(10)를 제조하는 제1 방법을 나타내고 있다. 상기 미국 특허 '049호 특허의 상기 도면의 경우 층(326)은 최종적으로 빔(18)으로서 작용하는 스퍼터된 광 알루미늄 층이며 스퍼터된 광 알루미늄 층(328)이 결국에는 반사 미러(12)를 형성한다. 또한 상기 특허에서 제40a 내지 40e도에서는 빔(18)이 스퍼터된 광 알루미늄 합금 층(180)으로 제조되고 미러(12)가 스퍼터된 광 알루미늄 층(190)으로 제조되는 본 발명의 DMD(10)를 형성하는 다른 방법이 도시되어 있다.
미러(12)가 편향 위치에 있을 경우, 빔(18)은 변형되어 따라서 미러소자(12)를 빔(18)이 변형되지 않을 때 점유하고 있던 위치로 복원시키려는 에너지를 갖게 된다. 이론적으로, 제어 전극(24)이 어드레싱 회로(14)에 의해 에너지를 상실하게 되면, 저장된 에너지가 미러 소자(12)를 이 위치로 복원시킨 것이다.
상술된 형의 DMD(10)를 광범위하게 동작 및 테스트하였다. 이러한 테스트 결과 DMD(10)가 여러 경우로 인해 부적당한 동작을 하거나 동작불가능한 것으로 나타났다.
DMD(10)의 부적절한 동작 또는 고장의 원인 중 하나가 미국 특허 제5,096,279호에 기재되어 있다. 상술하자면, 미러의 편향 중에 결속되어 있는 미러(12)와 착륙 전극(34)이 접착, 용접 또는 점착되어 재어 전극(24)의 단순한 에너지 제거로 인해 미러 소자(12)가 빔(18)이 변형되지 않을 때 점유하고 있던 위치로 복귀되지 않을 수 있다. 미러 소자(12)와 착륙 전극(34)의 점착 또는 접착을 극복하는 특정한 리셋 신호를 제어 전극(28)에 인가할 수 있다. 미러 소자(12)와 착륙 전극(34)의 점착을 방지시키는 다른 기술로서는 이들 소자들을 적절한 물질로 코팅하는 방법이 있다.
DMD(10)의 부적절한 동작 또는 고장의 다른 원인은 그들 빔(18)이 전형적으로 알루미늄 합금 층(50)으로 구성된다라는 사실에 관련된다. 알루미늄 합금은 비교적 낮은 항복 응력을 나타내며, 이것으로 제조된 빔(18)은 크리이프, 이완 또는 변형으로 인해 시간이 지남에 따라 변형된다. 이러한 현상으로 인해 빔(18)이 크게 파손 또는 고장날 수 있거나 또는 미러(12)가 그 어드레싱 회로(14)의 상태에 의해 지령된 위치가 아닌 다른 위치에 놓이게 될 수 있다.
본 발명에서는 Al : Ti : Si 또는 다른 알루미늄의 층(50)을 기계적으로 보다 강하고 알루미늄 또는 이전에 사용된 알루미늄 합금의 면심입방("FCC") 결정 구조의 12개의 1차 슬립 시스템보다 적은 1차 슬립 시스템을 나타내는 알루미늄 화합물로 대체하였다. 이들 알루미늄 화합물은 종래의 알루미늄 합금에서 사용된 것과 동일하거나 적당하게 변형된 침착/에칭 물질 및 화학 작용을 사용할 수 있다. 약간의 변형이 필요하더라도, 보다 강한 비알루미늄 물질과는 다르게, 화학 작용 변형에는 알루미늄에 관련된 시간에 따른 테스트와 잘 알려진 과정에서 근본적인 변경을 필요로 하지는 않는다.
본 발명의 알루미늄 화합물은 알루미늄을 포함한 전기 전도성 금속간 화합물을 포함한다. 전기 전도율은 상술된 형의 DMD가 빔(18)을 통해 전기 전위를 미러(12)에 인가하는 것을 필요로 하므로 빔(18)이 갖는 중요한 특성이 된다. 이러한 요건에 의하면 빔(18)으로서 SiO2와 같이 임의의 비전도성이지만 강한 물질의 사용은 제외된다. 본 원에서 사용한 "전기 전도성 금속간 화합물"이란 용어는
(A) 알루미늄과 다른 물질의 전기적으로 비절연인 화합물이며, 다른 물질은
(1) 티타늄, 니켈, 철, 니오븀, 탄탈, 지르코늄, 몰리브덴, 텅스텐, 리튬, 금, 칼슘, 구리, 하프늄, 마그네슘, 스칸듐, 바륨, 스트론튬, 루테늄, 크롬, 바나듐, 코발트, 이리듐 및 로듐과: 세륨, 가돌리늄, 홀뮴, 란탄, 루테튬, 네오디뮴, 사마륨 및 테르븀 등과 같은 희토류 금속을 포함하는 금속,
(2) 금속, 또는 비소와 안티몬 등과 같은 비금속으로 볼 수 있는 물질, 또는
(3) 인, 질소, 셀레늄, 붕소와 탄소 등과 같은 비금속일 수 있다.
(B) (A)에서 언급한 화합물의 혼합물
상기 정의에 부합하는 화합물, 즉 FCC보다 적은 전기 전도성 금속간 화합물은 (1) 알루미늄과 디른 금속을 구비한 화합물 - - Al2Au, Al2Ca, Al2Cu, Al3Fe, Al3Hf, Al3Mg2, Al3Nb, Al3Ni, Al3Sc, Al3Ta, Al3Zr, Al4Ba, Al4Mo, Al4Sr, Al4W, Al6Ru, Al7Cr, Al8V5, Al9Co2, Al9Ir2, Al9Rh2, AlLi, Al3Ti, 및 AlTi, (2) 알루미늄을 포함한 화합물 반도체 - - AlSb, AlAs, AlP 및 AlN,
(3) 알루미늄과 희토류를 포함한 화합물 - - Al3Ce, Al3Gd, Al3Ho, Al3La, Al3Lu, Al3Nd, Al3Sm, 및 Al3Tb과, (4) 알루미늄과 비금속을 포함한 화합물 - - Al2Se3, Al4C3, 및 AlB2를포함한다.
주 금속간 화합물의 혼합물은 Al3Ti+AlN과 Al3Ti+AlTi를 포함한다.
경제적이며 기능적인 이유로서 바람직한 화합물은 Al3Fe, Al3Nb, Al3Ni, Al3Ta, Al3Zr, Al4Mo, Al4W, AlAs, AlLi, AlN, AlP, AlSb, Al3Ti, AlTi, Al3Ti+AlTi 및 Al3Ti+AlN이다.
상기 화합물 모두는 화합물 캐소드 또는 동시에 다수의 캐소드로 스퍼터링에 의해 편리하게 침착될 수 있다. 화합물의 구성성분비를 조절 또는 선택하는 기술을 이용할 수 있다. 상기 화합물은 알루미늄 함유량이 상당히 높기 때문에, 이전의 알루미늄 및 알루미늄 합금 힌지에서 사용된 것과 같거나 편의적으로 변형된 에칭 물질 및 에칭 화학 작용 - 에칭제, 마스크 또는 저지대를 일반적으로 계속 사용할 수 있다. 예를 들어, 적당한 전도성을 가지며, 정렬된 알루미늄 금속간 화합물을 스퍼터하여 상기 특허 제5,061,049호의 층(326 및 180)을 형성할 수 있으며, 이 층(326 및 180)으로 본 발명에 따른 개선된 힌지(18)를 형성할 수 있다. 개선된 DMD 또는 다른 미소기계 장치를 제조하는데 상기 특허 제5,061,049호에서 기술된 공정에 대한 근본적인 변형은 불필요하며 이들 장치의 변형가능한 빔은 장시간 사용에 의해서도 상당한 크리이프 또는 이완을 나타내지 않는다.
제1도는 본 발명의 원리에 따라 구성 및 제조되어진 변형가능한 비틀림 빔에 의해 지지되어지는 가동 또는 편향가능한 질량체 또는 미러를 도시하는 DMD SLM형 미소기계 장치 어레이의 일부에 대한 평면도.
제2도는 제1도의 라인 2-2을 따라 절취한 단일 DMD 일부에 대한 측단면도.
제3도는 제2도에서 도시되고 제1도의 라인 3-3을 따라 절취된 DMD 일부에 대한 측단면도.
제4도는 제1 내지 3도에서 도시된 것과 기능상 동일한 각종의 DMD SLM에 대한 평면도로서, 이들 DMD의 빔은 본 발명의 원리에 따라 구성 및 제조되는 것으로 제4A도는 비틀림 빔 DMD의 4가지 형태도, 제4B도는 캔틸레버 빔 DMD의 두가지 형태도, 제4C도는 만곡 빔 DMD의 한 형태도.
제5도는 캔틸레버 빔 DMD의 상이한 두 형태도에 대한 측면도이며, 이들 빔 모두는 본 발명의 원리에 따라 편의적으로 구성 및 제조되는 것으로 제5A도는 캔틸레버 빔을 지지하는 포토레지스트 스페이서를 갖는 DMD를 도시하고, 제5B도는 캔틸레버 빔을 지지하는 금속 포스트를 도시하는 도면.
도면의 주요 부분에 대한 부호의 설명
10 : 미소미러 장치(DMD)
12 : 미러
18 : 빔

Claims (10)

  1. 미소 기계 장치에 있어서,
    기판과;
    금속 질량체(metallic mass)와;
    상기 기판에 부착된 지지부(support)와;
    상기 기판상의 지지부로부터 질량체를 지지하는 적어도 하나의 변형가능한 빔 - 상기 빔은 알루미늄의 전기 전도성 화합물로 이루어짐 - 및;
    상기 금속 질량체와 상기 기판 사이에서 기판상에 배치되는 적어도 하나의 제어 전극을 구비하며, 상기 적어도 하나의 제어 전극은 상기 금속 질량체를 정전 편향시키는 것을 특징으로 하는 미소 기계 장치.
  2. 제1항에 있어서,
    상기 알루미늄의 전기 전도성 화합물은 알루미늄의 금속간 화합물, 알루미늄을 함유한 반도체 화합물, 알루미늄과 희토류(rare earth) 금속의 화합물, 알루미늄과 비금속의 화합물 및 이들의 조합으로 이루어진 그룹에서 선택되는 것을 특징으로 하는 미소 기계 장치.
  3. 제1항에 있어서,
    상기 알루미늄의 전기 전도성 화합물은 면심 입방 결정 구조체보다 적은 1차슬립 시스템(primary slip systems)을 나타내는 것을 특징으로 하는 미소 기계 장치.
  4. 제1항에 있어서,
    상기 장치는 공간 광 변조기인 것을 특징으로 하는 미소 기계 장치.
  5. 제1항에 있어서,
    상기 금속 질량체는 미러인 것을 특징으로 하는 미소 기계 장치.
  6. 제1항에 있어서,
    상기 알루미늄의 전기 전도성 화합물은 Al2Au, Al2Ca, Al2Cu, Al3Fe, Al3Hf, Al3Mg2, Al3Nb, Al3Ni, Al3Sc, Al3Ta, Al3Zr, Al4Ba, Al4Mo, Al4Sr, Al4W, Al6Ru, Al7Cr, Al8V5, Al9Co2, Al9Ir2, Al9Rh2, AlLi, Al3Ti, AlTi, AlN, AlSb, AlAs, AlP, Al3Ce, Al3Gd, Al3Ho, Al3Lu, Al3Sm, Al3Tb, Al2Se3, Al4C3, AlB2, 및 이들의 조합으로 이루어진 군에서 선택되는 것을 특징으로 하는 미소 기계 장치.
  7. 제1항에 있어서,
    상기 장치는 공간 광변조기이고;
    상기 알루미늄의 전기 전도성 화합물은 알루미늄의 금속간 화합물, 알루미늄을 함유한 반도체 화합물, 알루미늄과 희토류(rare earth) 금속의 화합물, 알루미늄과 비금속의 화합물 및 이들의 조합으로 이루어진 그룹에서 선택되는 것을 특징으로 하는 미소 기계 장치.
  8. 제1항에 있어서,
    상기 금속 질량체는 미러이고;
    상기 알루미늄의 전기 전도성 화합물은 알루미늄의 금속간 화합물, 알루미늄을 함유한 반도체 화합물, 알루미늄과 희토류(rare earth) 금속의 화합물, 알루미늄과 비금속의 화합물 및 이들의 조합으로 이루어진 그룹에서 선택되는 것을 특징으로 하는 미소 기계 장치.
  9. 제1항에 있어서,
    상기 장치는 공간 광변조기이고;
    상기 알루미늄의 전기 전도성 화합물은 Al2Au, Al2Ca, Al2Cu, Al3Fe, Al4Hf, Al3Mg2, Al3Nb, Al3Ni, Al3Sc, Al3Ta, Al3Zr, Al4Ba, Al4Mo, Al4Sr, Al4W, Al6Ru, Al7Cr, Al8V5, Al9Co2, Al9Ir2, Al9Rh2, AlLi, Al3Ti, AlTi, AlN, AlSb, AlAs, AlP, Al3Ce, Al3Gd, Al3Ho, Al3Lu, Al3Sm, Al3Tb, Al2Se3, Al4C3, AlB2, 및 이들의 조합으로 이루어진 군에서 선택되는 것을 특징으로 하는 미소 기재 장치.
  10. 제1항에 있어서,
    상기 금속 질량체는 미러이고;
    상기 알루미늄의 전기 전도성 화합물은 Al2Au, Al2Ca, Al2Cu, Al3Fe, Al3Hf, Al3Mg2, Al3Nb, Al3Ni, Al3Sc, Al3Ta, Al3Zr, Al4Ba, Al4Mo, Al4Sr, Al4W, Al6Ru, Al7Cr, Al8V5, Al9Co2, Al9Ir2, Al9Rh2, AlLi, Al3Ti, AlTi, AlN, AlSb, AlAs, AlP, Al3Ce, Al3Gd, Al3Ho, Al3Lu, Al3Sm, Al3Tb, Al2Se3, Al4C3, AlB2, 및 이들의 조합으로 이루어진 군에서 선택되는 것을 특징으로 하는 미소 기계 장치.
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