KR100426998B1 - 금속화유전체지지필러및그제조방법 - Google Patents

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Abstract

마이크로기계 장치, 특히 디지탈 마이크로미러 장치에서 사용하기 위한 지지필러(408)는 기판(400)에 의해 지지되는 필러 물질(422)을 포함하고, 금속층(406)으로 덮혀진다. 지지 필러(408)는 기판(400) 상에 필러 물질층을 피착시키고, 지지 필러(408)를 형성하도록 필러층을 패터닝시키고, 지지 필러(408)위에 금속층(406)을 피착시켜 지지 필러를 밀봉하므로써 제조된다. 필러 상부와 동일 평면인 평면은 필러(408) 상에 스페이서층(410)을 도포시킴으로써 생성될 수 있다. 스페이서층(410)의 도포 후, 스페이서층(410)은 필러의 상부가 노출되도록 에칭된다.

Description

금속화 유전체 지지 필러 및 그 제조 방법
본 발명은 마이크로기계 장치에 관한 것으로, 특히 이러한 장치에 필수인 지지 구조체(support structures)에 관한 것이다.
광 편향 공간 광 변조기(spatial light modulator: SLM)의 한 유형은 디지탈 마이크로미러 장치(micromirror device: DMD)이다. DMD는 휘는 빔, 캔틸레버 빔(cantilever beam) 및 두 종래의 히든 힌지 토션 빔(hidden hinge torsion beam) 설계를 포함하는 몇몇 상이한 형태로 사용가능하다. 각 DMD 유형은 전형적으로 어드레스 신호로서 불리는 전기 신호에 의해 생성되는 정전계에 응답하여 정지 위치로부터 움직이는, 예를 들면, 회전 또는 편향되는 작은 미러 어레이를 포함한다. 미러의 정지 위치는 전형적으로 장치의 표면에 평행이다. 광은 미러의 표면으로부터 반사되고, 미러가 움직임에 따라 반사광의 방향이 변한다. 미러의 정지 위치는 미러를 지지하고 미러의 움직임동안 에너지를 저장하는 종종 힌지라고 불리는 빔 또는 스프링에 의해 결정된다. 어드레스 전압이 제거 또는 감소될때, 이 저장된 에너지는 미러를 정지 위치로 복귀시키려는 경향이 있다.
변형가능한 마이크로미러 장치가 또한 DMD로서 참조된다. 디지탈 마이크로 미러 장치 및 변형가능한 마이크로미러 장치 사이의 차이는, 1991년 10월 29일자로 허여된 발명이 명칭이 "공간 광 변조기 및 방법"인 미국 특허 제5,061,049호에서알 수 있는 바와 같이, 디지탈 마이크로 미러 장치는 쌍안정 모드로 동작한다는 것이다. 마이크로미러 장치의 디지탈 동작은 미러가 어드레스 전압의 크기에 관계없이 "온(on)" 또는 "오프(off)" 방향으로 최대 회전을 가지도록 보장하는 바이어스 전압을 인가하는 것을 포함한다. 변형가능한 마이크로미러 장치의 미러 편향은 장치에 인가되는 전압의 아날로그 함수이다. 디지탈 마이크로미러 장치 및 변형가능한 마이크로미러 장치의 구조는 상당히 유사하며, 일부 경우에는 동일하다. 개시된 본 발명은 디지탈 또는 변형가능한 마이크로미러 장치와 관련하여 사용될 수 있다.
DMD는 전형적으로 암시야 투사 장치에 사용되고, 예를 들면, 원하는 영상 해상도를 위해 상당한 픽셀 어레이를 필요로 하는 HDTV 응용에 사용될 수 있다. DMD의 고 해상력에 부가하여, 비디오 디스플레이 응용에 사용가능한 다른 특징은 미러를 제어할 수 있는 속도 또는 장치의 응답 시간이다. 짧은 응답 시간으로 인해, 현 세대의 DMD는 초당 180,000번까지 온 또는 오프로 토글(toggle)될 수 있다. 각 편향 사이클에서 DMD 빔 또는 스프링에 에너지가 저장되고 장치 구조에 기계적 압력이 가해진다.
DMD는 마이크로기계 장치로서 알려진 상당히 큰 그룹 장치의 일부이다. 마이크로기계 장치에는 일부 가속도계, 플로우 센서, 전기 모터 및 플로우 제어 장치가 포함된다. 이들 장치는 종종 마이크로머시닝(micromachining)으로 알려진 공정에 의해 제조된다. 마이크로머시닝은 장치가 제조되는 기판으로부터 또는 장치의 제조동안 피착되는 하나 또는 그 이상의 물질층으로부터 원치않는 물질의 제거를 포함한다. 이 물질은 전형적으로, 완성된 장치의 일부가 이동할 수 있도록 제거된다.예를 들면, 이 물질은 회전자가 고정 샤프트 주위를 스핀(spin)하도록 모터로부터 제거되어야 한다. DMD의 경우에, 물질은 미러가 편향 또는 회전하도록 DMD 미러 아래로부터 제거되어야 한다.
종종 희생층이라 칭해지는 전체 층이 제조 공정동안 사용된다. 예를 들면, DMD는 전형적으로 미러를 편향시키는데 필요한 회로 상에 회생층을 피착시키므로써 제조된다. 그 후, 하나 또는 그 이상의 금속층을 피착 및 패터닝시킴으로써 이 스페이서층 상에 미러 및 그들의 힌지가 만들어진다. 금속층은 전형적으로 알루미늄 또는 알루미늄 합금이고, 힌지에 의해 적어도 하나의 힌지 캡에 연결되는 미러를 형상하도록 패터닝된다. DMD의 초기 형성시에, 희생층은 미러 및 힌지의 아래로부터 제거시킴으로써, 희생층의 일부가 힌지 캡을 지지하도록 남겨진다. 미러는 희생 물질을 제거함으로써 형성된 웰(well) 상에서 힌지에 의해 매달려 있다.
최근의 DMD 설계는 힌지 금속을 피착시키기 전에 각 힌지 캡의 위치에서 희생층에 구멍 또는 비아(via)를 형성하는 것을 포함한다. 힌지 금속이 희생층 상에 피착될 때, 비아의 벽 상에도 피착되어 스페이서 비아로서 알려진 토플리스 할로우 포스트 구조(topless hollow post structure)가 생성된다. 미러, 힌지 및 힌지 캡을 패터닝시킨 후, 힌지 캡을 장치 기판으로부터 떨어져 지지하기 위한 스페이서 비아만을 남겨둔 채 희생층 전부를 제거시킨다. 1992년 1월 28일 허여된 발명이 명칭이 "Multi-Level Deformable Mirror Device"인 미국 특허 제5,083,857호에 개시된 소위 "히든 힌지" 토션빔 장치와 같은 다른 유형의 DMD는 2 또는 그 이상의 희생층을 사용한다. 히든 힌지 토션빔 DMD는 장치 기판 상의 힌지를 지지하기 위한하나의 스페이서 비아 세트와, 힌지 상의 미러를 지지하기 위한 제2 스페이서 비아 세트를 사용한다.
미러를 편향시키기 위해 사용되는 정전기력은 힌지 및 스페이스 비아 구조를 지지할시에 기계적 스트레스를 발생한다. 이들 스트레스가 지지 구조체의 고장을 유발시킴으로써, 장치에 고장을 일으켜 장치를 파괴할 수 있다. 따라서, 본 기술 분야에서는 DMD 및 다른 마이크로기계 장치를 위한 개선된 지지 구조가 필요하다.
본 발명은 지지 필러라 불리는 개선된 지지대 구조를 위한 구조 및 공정을 제공하는데 있다. 지지 필러는 마이크로기계 장치, 특히 디지탈 마이크로미러 장치(DMD)에 사용될 수 있다. 지지 필러는 기판 상에 필러 물질층을 피착시키고, 필러의 형태를 형성하기 위하여 필러 물질을 패터닝하고, 나머지 필러 물질 상에 금속층을 피착시키므로써 금속 외장으로 지지 필러 물질을 둘러싸임으로써 제조된다. 스페이서 물질은 지지 필러 주위에 피착될 수 있어, 부가적인 구조가 제조되는 지지 필러의 상부와의 평면 레벨을 제공한다.
이 지지 필러는 종래의 토션 빔 DMD 및 히든 힌지 DMD를 포함하는 임의 유형의 디지탈 마이크로미러 장치의 힌지 및 미러를 지지하는데 사용될 수 있다. 히든 힌지 DMD는 힌지, 어드레스 전극 또는 미러, 또는 이들의 조합을 지지하기 위해 지지 필러를 사용하여 제조될 수 있다.
개시된 지지 필러 및 이의 제조 방법은 개선된 지지 구조체 강도를 포함하여 현 설계에 비해 몇몇 이점을 가진다.
본 발명 및 그 장점은 첨부도면과 함께 다음의 상세한 설명을 참조하여 보다명백히 이해할 수 있을 것이다.
DMD 및 다른 유형의 마이크로기계 장치에 사용될 수 있는 충분히 강하고 신뢰할만한 지지 구조체를 만들어내는 새로운 제조 공정이 필요하다. 본 명세서에 개시된 기존의 지지 구조체와 개선된 구조체 사이의 혼동을 피하기 위하여, 종래기술의 지지 구조체는 스페이서 비아로서 참조되는 반면, 본 명세서에 개시된 개선된 구조체는 지지 필러로서 참조될 것이다. 본 명세서에 개시된 특정 실시예는 단지 DMD 구조만을 보여주지만, 개시된 방법 및 구조는 다수의 다른 마이크로기계 장치에 적용될 수 있다.
제1도는 종래기술의 히든 힌지 토션빔 DMD 어레이(100)의 일부의 투시도이다. 히든 힌지 장치는 두 레벨의 스페이서 비아에 의존하여 기판(104)으로부터 떨어져 미러를 지지시킨다. 제1 스페이서 비아 레벨은 힌지 지지 스페이서 비아(106)와 어드레스 전극 지지 스페이서 비아(108)를 포함한다. 힌지 지지 스페이서 비아(106)는 토션 힌지(110)의 한 단부를 장치 기판(104)로부터 떨어진 채 지지한다. 토션 힌지(110)는 두꺼운 금속 힌지 캡
아(106)의 상부에 부착된다. 금속 힌지캡(111)은 힌지 금속과 스페이서 비아 금속 사이에서 적당한 금속간 접촉을 보장함으로써 얇은 금속 토션 힌지(110)와 힌지 지지 스페이서 비아(106)사이의 접속을 강화시킨다. 각 힌지 캡(111) 상에, 랜딩 위치(112)가 존재하며, 이 랜딩 위치(112)는 미러들이 랜딩 위치(landing site)(112)를 향하여 회전할때 두 인접한 미러(102) 중 하나의 회전을 정지시킨다. 어드레스 지지 스페이서 비아(108)는 어드레스 전극(114)을 기판(104)으로부터 떨어진 채 지지시키는데 사용된다. 어드레스 지지 스페이서 비아(108)와 힌지 지지 스페이서 비아(106)는 전형적으로 동일한 높이를 가진다.
제2 스페이서 비아 레벨은 토션 힌지(110) 위에서 미러(102)를 지지시키는 미러 지지 스페이서 비아(116)를 포함한다. 미러 지지 스페이서 비아(116)는 힌지 요크(hinge yoke)(118)로 불리는 토션 힌지(110)의 두꺼운 부분 상에서 제조된다. 힌지캡(111)과 같이 힌지 요크(118)는 토션 힌지(110)와 미러 지지 스페이서 비아(116) 사이에서 적당한 금속간 접촉을 보장함으로써 얇은 금속 토션 힌지(110)와 미러 지지 스페이서 비아(116) 사이의 접속을 강화시킨다. 미러 지지 스페이서 비아(116)의 높이는 미러(102)의 최대 각 회전을 제어하도록 변경될 수 있다.
제2도는 하나의 히든 힌지 토션빔 DMD 소자의 분해도이다. 제1도에 관련하여 기술된 구조에 부가하여, 제2도는 기판(104)의 표면 상에 피착되는 금속 바이어스/리셋 버스(200)와 금속 패드(202)를 도시한다. 금속 바이어스/리셋 버스(200)는 힌지 지지 스페이서 비아(106)를 지지하고, 금속 패드(202)는 어드레스 전극 지지 스페이서 비아(108)를 지지한다. 금속 패드(202)가 보호용 산화물층(203)에서의 비아(204)를 통하여 기판(104)의 표면에 형성된 어드레스 회로에 접속되어 어드레스 전극 지지 스페어서비아(108)를 어드레싱 회로에 전기 접속시키는 역활을 한다. 바이어스/리셋 버스(200)와 금속 패드(202)는 전형적으로 제3 장치 금속화층, 즉 M3 부분으로서 제조된다. 제1의 두 금속층, M1 및 M2는 기판 상의 어드레스 회로를 상호접속시키는데 사용된다.
제1도를 다시 참조하면, 각 미러(102)와 그의 어드레스 전극(114)은 공기 갭커패시터(air gap capacitor)의 두 플레이트를 형성한다. 충분한 전압 바이어스가 어드레스 전극(114)과 그의 관련된 미러(102) 사이에 인가되는 경우, 결과적으로 정전기력이 미러(102)를 어드레스 전극(114)을 향하여 편향시키므로써, 토션 힌지(110)를 비틀리게 한다. 인가된 전압이 충분히 큰 경우, 미러(102)는 미러 끝단(103)이 미러 회전을 중지시키는 힌지 캡(111)상의 관련된 랜딩 위치(112)에 접촉할 때까지 편향할 것이다. 힌지 캡(111)이 미러 끝단(103)과 접촉하지 않고 미러(102)의 회전을 중지시키지 않을 경우, 미러(102)는 어드레스 전극(114)과 접촉하여 바이어스 전압으로 단락될 것이다. 각 소자에서 힌지 축의 각 측면 상에 하나의 어드레스 전극(114)이 존재하므로, 미러(102)는 두 방향으로 회전하므로써 두개의 충분히 편향된 두 위치중의 하나를 취할 수 있다.
미러(102) 및 어드레스 전극(114)로부터 바이어스 전압이 제거되면, 토션 힌지(110)의 변형에 의해 저장된 에너지는 미러(102)를 편향되지 않은 또는 중립 상태로 복귀시키려는 경향이 있다. 그러나, 미러(102)와 랜딩 위치(112) 간의 단거리 인력으로 종종 미러(102)는 랜딩 위치(112)에 고착된다. 이것이 발생하면, 고착된 미러(102)를 자유롭게 하기 위하여 공진 리셋으로 불리는 기법이 사용될 수 있다. 공진 리셋 기법은 전압 펄스 또는 일련의 펄스를 사용하여 미러(102)에 기계적 에너지를 저장한다. 전형적으로 공진 리셋은 미러의 공진 주파수, 약 5MHz에서 미러(102)에 인가되는 일련의 5개의 -24볼트 펄스이다. 각 펄스는 미러(102)와 어드레스 전극(114) 사이에 강한 인력을 생성한다. 미러 끝단(103)이 랜딩 위치(112)에 의한 장소에 유지되고, 미러(102)의 중심은 기판(104)을 향하여 굽어지고,미러(102)의 상부 표면은 오목하게 된다. 펄스가 제거되면, 인력은 중지되고, 미러(102)는 상부로 튀어올라 볼록하게 된다. 후속 펄스에 의해 미러 변형이 증가되어, 부가적인 에너지가 저장된다. 마지막 리셋 펄스가 제거될때까지, 미러(102)에 저장된 에너지는 랜딩 위치(112)로부터 멀리 미러를 튀어오르게 하는데 충분하므로, 토션 힌지(110)에 저장된 에너지가 미러(102)를 중립 위치로 복귀시킬 수 있다.
미러(102) 및 토션 힌지(110)를 변형시키는 정전기력은 장치의 부분들을 지지하는 스페이서 비아(106, 108, 116)에 회전력을 주고 구부린다. 관련된 스트레스로 종래의 DMD의 스페이서 비아(106, 108, 116)가 부서져 장치를 파괴할 수 있다. 이들 고장은 주로 2 가지 고장 모드를 통해 발생한다. 제1 고장 모드는 스페이서 비아(106, 108, 116)가 힌지 캡(111), 어드레스 전극(114) 또는 미러(102)의 부착 지점에 또는 부근에서 부서질때, 즉, 스페이서 비아의 상부에 의해 지지될때 발생한다. 제2 주 고장 모드는 스페이서 비아(106, 108 또는 116)가 이 스페이서 비아)(106, 108, 116) 아래의 바이어스/리셋 버스(200) 또는 힌지 요크(118)에 부착되는 지점에 또는 부근에서 부서질때 발생한다. 스페이서 비아(106, 108, 116)의 고장은 본 발명의 제조 공정을 통하여 얻어지는 스페이서 비아의 벽에 대한 불충분한 금속 커버리지, 즉 스텝 커버리지에 기인한다. 주로, 금속은 스페이서 비아의 상부 근처 또는 기저부에서 상당히 얇다.
종래기술의 어드레스 전극 지지 스페이서 비아(108), 힌지 지지 스페이서 비아(106) 및 미러 지지 스페이서 비아(116)는 전형적으로 스퍼터링된 금속을 가지는희생 물질에 구멍, 즉 비아를 라이닝함으로써 만들어 진다. 희생층을 제거시키더라도, 스페이서 비아를 형성하는 라이너는 여전히 남아 있는다. 제3A도는 희생 물질(304)에 의해 부분적으로 덮혀지는 기판(302)을 향하여 스퍼터링되는 금속 입자(300)를 도시한다. 스퍼터링 공정동안, 금속(300)은 모든 방향으로부터 표면에 도달할 수 있다. 따라서, 금속은 영역(306)으로 도시된 바와 같이 180°아크로부터 평평한 수평 표면(320)에 미친다.
벽 구조(310)의 기저부에서의 지점(308)은 벽 구조(310)에 의해 가려지고, 영역(312)으로 도시된 바와 같이 90°아크로부터 지점(308)에 도달하는 금속만을 수용할 수 있다. 지점(308)은 단지 평면이 금속을 수용할 수 있는 아크의 절반으로부터만 금속을 수용할 수 있으므로, 쉐이딩(shading)이 없는 평면 영역에 비하여 지점(308)에는 단지 대략 반정도의 금속만이 피착될 것이다. 쉐이딩 문제는 비아(314)에서 더욱 커진다. 금속은 영역(316)에 의해 도시된 바와 같은 거의 수직으로 비아(314)의 기저부 코너에 접근해야 한다. 보다 많은 금속이 기저부에 비하여 벽의 상부에 도달할 수 있으므로, 돌출부(overhang)가 생긴다. 돌출부는 금속이 벽의 기저부에 도달하지 못하게 제약하여, 결과적으로 벽 하부의 금속 스텝 커버리지를 불량하게 한다.
제3B도는 제3A도의 기판(302)과 스페이서(304) 상에 스퍼터링된 금속층(318)을 도시한다. 금속층(318)은 평평한 수평면(320) 상에서 보다 벽 구조(310)의 측면 상에서 더 얇다. 금속층(318)은 특히 비아(314)의 기저부 상에서 더 얇다. 또한, 비아(314)의 상부 바로 아래에서 얇게 된다. 이 얇은 영역은 금속층(318)이 스퍼터링됨에 따라 비아(314)의 상부에 생기는 돌출부(322)에 의한 것이다. 제3C도는 희생층(304)이 제거된 후의 기판(302)과 금속층(318)을 보여준다. 여기서는, 희생층(304)을 통하여 비아(314)에 형성되었던 스페이서 비아(324)가 남겨진다. 스페이서 비아(324)의 상부 및 기저부 근처의 얇고 약한 금속층(318)의 영역은 스페이서 비아(324)가 스트레스를 받으면 고장나기 쉽다.
종횡비(즉, 비아 높이 대 비아 폭)가 높을 수록, 비아의 하부 부근에서의 스텝 커버리지는 더 악화되기 쉽다. 스페이서 비아(324)를 제조할 시에, 적당한 금속이 비아(314)의 하부쪽 벽에 도달함을 보장하기 위해서는 금속층을 두껍게 피착 시켜야 한다. 그러나, 불행히도, 금속 두께는 임의로 증가시킬 수 없다. 금속이 피착됨에 따라, 돌출부(322)는 벽 하부 상의 금속의 두께보다 급속하게 성장하여, 결국에는 임의 다른 금속이 비아(314)로 들어가지 못하도록 비아를 밀봉해 버릴 것이다. 또한, 또 다른 제약에 의해 전형적인 DMD 제조 단계동안 비아(314) 내로 피착될 수 있는 금속량을 제한한다. 예를 들면, 종래기술의 전형적인 히든 힌지 DMD의 제조동안, 미러 지지 스페이서 비아(116)와 미러(102)는 동일한 금속 피착 단계 동안 형성된다. 과도하게 금속을 피착시키면 미러(102)가 두껍게 되어, 미러의 본래 속성을 감소시키고 보다 높은 공진 리셋 주파수를 필요로 할 것이다. 주파수 의존 감쇠 효과로 인하여, 리셋 효율은 리셋 주파수의 증가에 따라 현저하게 떨어질 것이다. 또한, 미러 두께의 증가는 미러의 관성 모먼트를 증가시키므로써 미러(102)의 응답 시간을 늘릴 것이다.
스페이서 비아(324)의 강도를 증가시킬 수 있는 적어도 3가지 개선책이 있다. 먼저, 스페이서 비아(324)의 크기를 증가시켜 스페이서 비아(324)의 측면의 금속 커버리지를 보다 양호하게 할 수 있다. 그러나, 미러 지지 스페이서 비아(116)는 DMD 미러(102)의 활동 영역을 감소시키는 개구 상부를 가지므로, 미러 지지 스페이서 비아(116)를 크게 하면 미러 활성 영역에서 허용할 수 없는 손실이 생긴다. 또한, 커진 어드레스 지지 스페이서 비아(108)는 어드레스 전극(114)의 사용가능한 크기를 감소시키므로써, 어드레스 전극(114)과 미러(102) 사이에 발생되는 정전기력을 감소시킨다. 두 번째 접근방법은 스페이서 비아(324)의 프로화일을 변경하여 스페이서 비아 외형이 안으로 오목해 지는 것을 피하는 것이다. 스페이서 비아(324)를 형성하는데 사용되는 비아(314)가 비아(314)가 형성되는 희생층에 들어간 후에 넓어질때, 안으로 오목한 외형이 생긴다. 외형을 가지는 스페이서 비아는 전술한 돌출부와 유사하다. 돌출부에 의해 요입하는 외형의 스페이서 비아는 스페이서 비아(324)의 상부 근처에서 불충분한 금속 커버리지를 가져, 힌지 캡(111) 또는 미러(102)가 스페이서 비아(324)를 부서지도록 할 수 있다. 다른 해결 방안은 금속이 피착된 후에 스페이서 비아(324)의 내측상에 산화물 라이너(oxide liner)를 성장시키는 것이다. 산화물 라이너는 스페이서 비아(324)의 기저부에서 스페이서 비아(324)의 내측 상에 성장하여, 금속 두께가 불충분한 곳에 기계 강도를 증가시킨다. 이들 개선책은 스페이서 비아(324)의 강도를 증가시키지만, 아직 DMD를 위한 충분히 강하고 신뢰할만한 스페이서 비아(324)를 만들어 내지는 못한다.
스페이서 비아(324) 설계의 기계적인 약점을 해결하기 위한 새로운 구조 및 공정이 발명되었다. 이는 종래 설계의 포토레지스트 비아 대신에 포토레지스트 필러로 대치한 것이다. 필러들은 상대적으로 멀리 떨어져 있으므로, 스퍼터링 공정 동안 비아의 기저부가 쉐이딩되는 정도까지 필러의 기저부는 쉐이딩되지 않는다. 필러의 스텝 커버리지는 동일한 종횡비를 가지는 구멍 또는 트렌치(trench)의 스텝 커버리지보다 훨씬 양호하다. 따라서, 개시된 구조를 가지는 지지 필러는 종래기술의 스페이서 비아(324)보다 훨씬 양호한 강도를 가진다.
제4A 내지 제4Q도는 본 발명의 일 실시예에 따라 각종 제조 단계 동안의 DMD 소자(401)의 단면을 도시한 것이다. 이 단면은 제2도에서 참조부호(206)로 도시된 힌지 축을 따라 절취한 단면이다. 제4A도는 상부에 어드레싱 회로 및 제1 두 금속화층이 미리 제조되어진 전형적으로 실리콘인 기판 웨이퍼(400)을 도시한다. 제2 금속층은 보호 산화물층(403)으로 덮혀진다. 제2도에 도시된 비아(204)는 산화물 층(403)에서 개구되어, 금속 패드(202)가 기판(400) 상에 제조된 어드레싱 회로와 접촉하도록 만든다. 제4A도에 도시되지는 않았지만, 전형적으로 보호 산화물층(403)상에 얇은 금속층이 피착된다. 전형적으로 텅스텐 또는 알루미늄인 이 얇은 금속층은 기판(400)상의 어드레싱 회로와 전기 접촉을 확립하고, 후속되는 에치(etch) 단계동안 에칭 중지부로서 동작할 수 있다.
전형적으로, 대략 1.0㎛ 두께의 포지티브 유기 포토레지스트층(positive organic photoresist layer)인 제1층의 필러 물질(402)이 기판(400)에 도포된다. 제4B도에 도시된 바와 같이, 필러 물질층(402)이 패터닝되어 필러 물질(404) 부분을 남기도록 현상되며, 이 필러 물질(404)의 부분들이 힌지 지지 필러의 필수 부분을 형성할 것이다. 필러 물질층(402)의 부분은 또한 어드레스 전극 지지 필러를 형성할 것이다. 그러나, 어드레스 전극 지지 필러는 제4A-4Q도의 단면에는 도시되지 않았다. 필러 물질(404) 부분을 형성한 후, 대략 220℃의 온도로 딥 UV경화(deep UV hardened)시켜, 나머지 공정 단계동안 용융 또는 기포가 생기지 않도록 할 수 있다.
필러 물질층(402)을 위한 포토레지스트 대신에 다른 물질을 사용할 수 있다. 다른 물질은 전형적으로 폴리실리콘, 산화물, 질화물 또는 산화질화물과 같은 유전체이다. 유전체가 사용될때, 보호 산화물층(403) 상에, 그리고, 비아(204) 내에 피착되는 얇은 금속층은 비아(204)로부터 필러 물질(402)의 완전한 제거를 용이하게 하는 에칭 중지부로서 사용될 수 있다. 다른 물질이 필러 물질층(402)을 위하여 사용될 수 있지만, 대부분의 다른 물질은 개별의 패턴화 및 에칭 단계를 요구하므로 포토레지스트가 바람직하다. 예를 들면, 1㎛ 두께의 이산화실리콘층이 기판 웨이퍼(400) 상에 성장되고, 포토레지스트층으로 덮혀질 수 있다. 포토레지스트는 지지 필러를 형성하는 이산화실리콘층 부분만을 보호하도록 패터닝되고 현상된다. 그 다음, 이산화실리콘층은 원하는 부분의 필러 물질(404)만을 남겨둔 채 에칭된다.
필러 물질층(402)을 패턴화한 후, 제4C도에 도시된 바와 같이 기판(400)과 필러 물질의 잔존 부분(404)은 금속층(406)으로 덮혀진다. 전형적으로 알루미늄 또는 알루미늄 합금이며, 제3 금속화층 M3를 형성하는 이 금속층은 전형적으로 4000Å 두께로 보호용 산화물층(403) 및 잔존 필러 물질(404) 상에 스퍼터링된다. M3 금속화층은 제2도에 도시된 바이어스/리셋 버스(200)와 금속 패드(202)를 형성하도록 패터닝된다. 제4A-4S도에 도시된 단면은 힌지축을 따라 절취한 것이므로, 바이어스/리셋 버스는 연속된 층으로 나타나고, M3 층의 패터닝 결과는 도시되지 않았다. 완성된 힌지 지지 필러(408)는 필러 물질의 잔존 부분(404)과, 바이어스/리셋 버스를 형성하는 M3 금속층(406)의 외장으로 구성된다.
제5도는 제4C도로부터 금속화된 힌지 지지 필러(408)의 스텝 커버리지를 보여주는 M3 금속층(406)의 피착에 이어 부분적으로 제조된 DMD(500)의 일부에 대한 단면도이다. 필러 금속부(404)는 상부보다 측면 상에서 보다 얇은 금속 외장으로 둘러싸인다. 제3도와 관련하여 전술한 바와 같이, 필러 물질(40)의 부분적인 쉐이딩으로 인하여 상부의 금속에 비해 측벽 상의 금속이 감소된다. 측벽이 필러 물질(404)의 상부보다 적은 금속을 수용하지만, 필러 물질(404)의 잔존 부분은 측벽이 종래기술의 스페이서 비아보다 제3A도의 보다 넓은 아크 영역(312)으로부터 금속을 수용할 수 있도록 충분히 이격되어 있다. 따라서, 측벽은 보다 많은 금속을 수용하고 종래기술의 스페이서 비아보다 균일한 커버리지를 가진다. 금속화된 지지 필러(408)의 복합 특성과 결합되는 개선된 금속 커버리지로 힌지 캡 또는 기판으로부터 부서지는 경향을 나타내지 않는 보다 강력한 지지 필러를 만든다.
제4D도를 다시 참조하면, 힌지 스페이서층(410)이라 불리는 제1 스페이서층이 힌지 지지 필러(408) 상에서 기판 상에 스핀(spin)된다. 힌지 스페이서층(410)은 전형적으로 약 1.0㎛ 두께의 포지티브 포토레지스트층이다. 제4D도에 도시된 바와 같이, 힌지 스페이서층(410)은 각 필러(408)위에 범프(bump)(412)를 가질 것이다. 범프(412)는 포트레지스트에 대한 스피닝(spinning) 공정에 의해 발생되며, 이는 바람직하지 않다. 힌지 스페이서층(410)을 형성하는 데 적은 포토레지스트가 사용되는 경우, 범프를 피할 수는 있지만 포토레지스트가 필러(408) 주위를 플로우할 때 필러(408)의 '섀도우(shadow)'에 의해 포토레지스트 표면에 상당한 파동이 있을 수 있다. 온도의 함수인 포토레지스트의 점도, 기판 웨이퍼(400)의 스핀율 및 스페이서층(410)의 두께 모두 완성된 층의 표면에 영향을 준다. 소정의 조건하에, 하나의 두꺼운층보다는 다수의 얇은 층을 피착시키는 것이 이로울 수 있다. 이상적인 스페이서층(410)은 완벽하게 평면이고, 장치의 제조를 계속하도록 완벽한 평면을 남긴 채 기판 웨이퍼(400)로부터 필러(408)의 상부까지 연장되어, 표면이 완전한 평면으로 되어, 그 위에서 장치의 제조가 계속되는 것이다.
전술한 각 필러(408)위에 형성되는 범프(412)는 산소 플라즈마 에칭으로 제거되어, 필러(408)에 대한 액세스를 제공하고, 스페이서층(410)의 표면을 평탄화시킨다. 힌지 스페이서층(410)의 평탄화는 일정한 힌지 강도 및 보전성을 보장하는데 중요하다. 또한, 스페이서층(410)과 필러(408)의 상부의 비-평면 특징은 제조 공정에 의해 반복될 것이고, 후속층에 영향을 준다. 핀지 스페이서층(410)은 전형적으로 대략 200℃의 온도까지 딥 UV 경화되어 후속 공정 단계 동안 플로우 및 기포생성을 막는다.
제4F도에 도시된 바와 같이, 얇은 알루미늄 합금을 힌지 스페이서층(410)에 스퍼터링 피착시키므로써 힌지층(418)이 생성된다. 힌지층(418)은 전형적으로 600 Å두께이고 0.2 % Ti, 1% Si, 98.8% Al으로 구성된다. 미국 특허 제5,061,049호에 개시된 매립된 힌지 제조 공정에 따르면, 전형적으로 플라즈마(plasma) 피착에 의해 힌지층(418)위에 산화물층이 피착되고, 토션 힌지의 형태로 패터닝되어 산화물 에칭 중지부(420)를 형성한다.
힌지 금속층(418)위에 제2 레벨의 필러가 구성되어 미러 지지 필러를 형성한다. 미러 지지 필러는 힌지 및 어드레스 전극 지지 필러를 제조하는데 사용되는 공정과 동일한 공정으로 제조된다. 제4G도에 도시된 바와 같이, 제2층의 필러 물질은 기판 웨이퍼 상에 피착되고, 필러 물질(422) 부분만을 남기도록 패터닝된다. 제2층의 필러 물질은 전형적으로 2.2㎛ 두께의 포토레지스트층으로, 180℃까지 딥 UV 경화되어 후속되는 공정 단계 동안 플로우 및 기포생성을 막는다. 처음의 두 포토레지스트층이 보다 높은 온도(200℃ 및 220℃)로 경화되었으므로, 힌지 스페이서층(410) 또는 힌지 지지 필러(404)의 열화는 발생되지 않는다.
다음, 제4H도에 도시된 바와 같이, 두꺼운 전극 금속층(424)이 제1 힌지 금속층(418)과 필러 물질(422)위에 피착된다. 전극 금속층(424)은 전형적으로 3750 Å 두께이고, 미러 지지 필러, 힌지 캡 및 어드레스 전극을 형성하도록 스퍼터링 피착된다. 전극이 피착됨에 따라, 필러 물질(422)은 필러 물질(422) 및 전극 금속 외장(424)으로 구성되는 미러 지지 필러(426)를 형성하는 전극 물질에 의해 밀봉된다. 전극 물질(424)이 피착된 후에, 제4I도에 도시된 바와 같이 산화물층이 피착 및 패터닝되어 미러 지지 필러 에칭 중지부(428), 힌지캡 에칭 중지부(430) 및 어드레스 전극 에칭 중지부(도시되지 않음)를 형성한다. 미러 지지 필러 에칭 중지부(428)는 후속되는 에칭 단계로부터 미러 지지 필러 및 힌지 요크를 보호하도록 패터닝된다.
에칭 중지부를 패터닝한 후, 제4J도에 도시된 바와 같이 에칭 중지부에 의해 보호되는 금속층 부분만을 남겨둔 채 전극 금속층(424) 및 힌지 금속층(418)을 에칭시킨다. 그 다음, 제4K도에 도시된 바와 같이 에칭 중지부(420, 428, 430)를 벗겨 낸다. 그 다음, 미러 스페이서층(432)이라 불리는 제2 포토레지스트 스페이서 층이 제4L도에 도시된 바와 같이 웨이퍼상에 스피닝되고, 제4M도에 도시된 바와 같이 미러 지지 필러(426)의 상부에 대한 액세스를 제공하고 제2 스페이서층을 평탄화시키기 위하여 에칭백이 행해진다.
미러 금속층(438)은 제2 스페이서층(432)과 지지 필러(426)의 상부상에 피착된다. 전형적으로 미러 금속층은 4250Å 두께로 스퍼터링 피착된다. 다른 산화물층이 플라즈마 피착되고 패터닝되어 제4O도에 도시된 바와 같은 미러 에칭 방지부(440)를 형성한다. 그 다음, 제4P도에 도시된 바와 같이, 미러 금속층(438)이 플라즈마 에칭되어 미러(442)를 형성한다.
이제 웨이퍼 레벨 공정은 완료되었다. 장치는 나머지 미러 스페이서(432) 및 힌지 스페이서층(410)을 제거하고 미러(422)로부터 미러 산화물 에칭 방지부(440)를 벗겨내므로써 여전히 언더컷(undercut)되어야 한다. 미러 스페이서층(432)이 제거된 후에 미러(442)는 상당히 부서지기 쉬으므로, 장치는 전형적으로 장치를 언더커팅하기 전에 잘려진다. 그러나, 이러한 제한은 개시된 공정의 결과라기 보다는 웨이퍼 분리의 기존 방법으로 인한 제한이다. 손상 잔해를 생성하지 않거나 또는 손상 클린업 단계를 요구하는 웨이퍼 분리 공정이 사용가능하게 되면, 공정 단계는 웨이퍼가 분리되기전에 장치가 완성될 수 있도록 재순서화될 수 있다.
미러 에칭 방지부(440)는 미러 표면을 보호하기 위해 웨이퍼 분리 동안 제자리에 남아 있다. 웨이퍼는 PMMA로 코팅되고, 칩 어레이로 잘려지고, 클로로벤젠으로 스핀-클리닝된다. 웨이퍼 분리후, 칩은 제4Q도에 도시된 바와 같이 미러 에칭 중지부(440) 및 스페이서층(432, 410)이 힌지 및 미러 아래에 공기 갭(444, 446)을 남긴채 완전히 제거되는 플라즈마 에칭 챔버에 배치된다. 힌지를 변형할 수 있고 미러를 편향시킬 수 있는 충분한 공기갭이 있는 한, 스페이서층(432, 410) 부분을 남길 수가 있다.
밀봉된 필러 물질의 열팽창 계수가 알루미늄 필러 외장의 열팽창 계수와 거의 일치하므로, 밀봉된 물질은 지지 필러의 내부에 남아 있을 수가 있다. 밀봉된 물질의 열팽창 계수와 알루미늄 필러 외장의 열팽창 계수 간의 차가 너무 큰 경우, 지지 필러가 고온 또는 저온에 노출되면 파괴된다. 열팽창 계수에 있어서 불일치로 인한 지지 필러의 손상을 막기 위해, 구멍을 전극 또는 힌지 금속층에서 패터닝시켜 밀봉된 물질을 플라즈마 에칭으로 제거시킬 수 있다.
비록, 지금까지 지지 필러를 제조하는 공정이 히든 힌지 DMD의 견지에서 개시되었지만, 다수의 다른 장치가 이 공정을 이용할 수 있다. 제6도에 도시된 종래의 토션빔 DMD(600)는 반도체 기판(610)상에 제조되는 어드레스 전극(608) 위의 2개 토션 힌지(606)에 의해 지지되는 미러(604)로 구성된다. 개시된 공정은 기판(610)으로부터 힌지(606)를 떨어져 지지하는 힌지 지지 필러(602)를 형성하는데 사용될 수 있다. 가속도계, 플로우 센서, 온도 센서 및 모터와 같은 다른 마이크로 기계 장치가 개시된 공정을 사용할 수 있다. 개시된 공정은 종래기술의 스페이서 비아보다 강한 지지 필러를 유리하게 제공한다.
따라서, 지지 필러에 대한 특정 실시예 및 공정에 대해 기술하였지만, 이러한 특정 참조는 다음의 특허청구범위에서 설명되는 바를 제외하고는 본 발명의 범주를 제한하려는 것은 아니다. 또한, 당업자라면, 특정 실시예와 관련하여 기술된 본 발명은 다른 변형이 있을 수 있으며, 모든 이러한 변형은 첨부된 특허청구범위의 범주내에 속해야 한다는 것을 알 수 있을 것이다.
제1도는 종래 기술의 전형적인 히든 힌지 토션빔 DMD 어레이의 일부의 투시도.
제2도는 종래 기술의 히든 힌지 토션빔 DMD 소자의 분해 투시도
제3A도는 기판 및 희생 물질층 상에 스퍼터링되는 금속 단면도.
제3B도는 기판 상에 금속이 스퍼터링된 후에 제3A도의 기판 단면도.
제3C도는 기판 상에 금속이 스퍼터링되고, 희생 물질이 제거된 후의 제3A도의 기판 단면도.
제4A 내지 제4Q도는 본 발명의 일 실시예에 따라 지지대를 가지는 DMD 소자의 제조시 각종 단계를 보여주는 DMD 어레이의 한 소자의 힌지 축을 따라 절취한 단면도.
제5도는 제4C도의 힌지 지지 필러의 금속 스텝 커버리지를 보여주는 단면도.
제6도는 본 발명의 일 실시예에 따라 개선된 지지대를 가지는 전형적인 토션빔 DMD의 일부의 투시도.
도면의 주요 부분에 대한 부호의 설명
400: 기판 404: 필러 물질
406: 금속층 408: 지지 필러
410: 스페이서층 414: 구멍

Claims (12)

  1. 금속화 유전체 지지 필러를 제조하는 방법에 있어서,
    기판 상에 유전체 필러 물질을 피착시키는 단계와;
    상기 필러 물질을 패터닝하여지지 필러를 형성하는 단계와;
    상기 지지 필러 위에 금속층을 피착시키는 단계 - 상기 지지 필러는 상기 금속층으로 둘러싸여 금속화 지지 필러를 형성함 -
    를 포함하는 금속화 유전체 지지 필러를 제조하는 방법.
  2. 제1항에 있어서,
    상기 필러 물질은 포토레지스트, 폴리실리콘, 산화물, 질화물 및 산질화물로 구성되는 그룹으로부터 선택되는 금속화 유전체 지지 필러를 제조하는 방법.
  3. 제1항에 있어서,
    상기 금속층을 피착시키는 단계는 상기 지지 필러 위에 금속층을 스퍼터링하는 단계를 포함하는 금속화 유전체 지지 필러를 제조하는 방법.
  4. 제1항에 있어서,
    상기 금속화 지지 필러 주위에 스페이서층을 피착시키는 단계와,
    상기 금속화 지지 필러의 주위 및 상부 상의 상기 스페이서층의 일부를 제거하는 단계
    를 더 포함하는 금속화 유전체 지지 필러를 제조하는 방법.
  5. 제4항에 있어서,
    상기 스페이서층은 유기 포토레지스트인 금속화 유전체 지지 필러를 제조하는 방법.
  6. 마이크로미러 장치를 제조하는 방법에 있어서,
    기판 상에 유전체 필러 물질을 피착시키는 단계와;
    상기 필러 물질을 패터닝하여 제1 지지 필러를 형성하는 단계와;
    상기 제1 지지 필러상에 제1 금속층을 피착시키는 단계와;
    상기 제1 금속층을 패터닝하여 전극 및 제1 금속화 지지 필러를 형성하는 단계- 상기 제1 금속화 지지 필러는 상기 제1 금속층으로 커버되는 상기 필러 물질로 구성됨 - 와;
    상기 기판상에 제1 스페이서 층을 피착시키는 단계와;
    상기 제1 스페이서층 및 상기 제1 지지 필러 위에 힌지를 형성하는 제2 금속 층을 피착시키는 단계와;
    상기 제2 금속층 상에 제2 유전체 필러 물질을 피착시키는 단계와;
    상기 제2 필러 물질을 패터닝하여 상기 힌지에 부착되는 제2 지지 필러를 형성하는 단계와;
    상기 제2 지지 필러 위에 제3 금속층을 피착시켜 제2 금속화 지지 필러를 형성하는 단계와;
    상기 제1 스페이서층 위에 제2 스페이서층을 피착시키는 단계와;
    상기 제2 금속화 지지 필러의 상부로부터 상기 제2 스페이서층의 일부를 제거하는 단계와;
    상기 제2 스페이서층 위에 제4 금속층을 피착시키는 단계 - 상기 제4 금속층은 상기 제2 지지 필러에 부착되는 적어도 하나의 미러를 형성함 - 와;
    상기 제1 스페이서층 및 상기 제2 스페이서층을 제거하여 상기 힌지와 상기 미러 아래에 에어 갭을 형성하는 단계
    를 포함하는 마이크로미러 장치를 제조하는 방법.
  7. 변형가능한 미러 장치를 제조하는 방법에 있어서,
    기판 상에 필러 물질을 피착하고 패터닝하여 지지 필러를 형성하는 단계와;
    상기 지지 필러 상에 제1 금속층을 피착시켜 금속화 지지 필러를 형성하는 단계와;
    상기 기판상에 스페이서층을 피착시키는 단계와;
    상기 금속화 지지 필러의 상부로부터 상기 스페이서층의 일부를 제거하는 단계와;
    상기 스페이서층 및 상기 금속화 지지 필러 위에 적어도 하나의 부가적인 금속층을 피착시키는 단계 - 상기 적어도 하나의 부가적인 금속층은 힌지와, 상기 힌지에 의해 상기 지지 필러로부터 매달리는 미러를 형성함 - 와;
    상기 스페이서층의 일부를 제거하여 상기 힌지와 상기 미러 아래에 에어 갭을 형성하는 단계
    를 포함하는 변형가능한 미러 장치를 제조하는 방법.
  8. 제7항에 있어서,
    상기 필러 물질은 포토레지스트, 폴리실리콘, 산화물, 질화물 및 산질화물로 구성되는 그룹으로부터 선택되는 변형가능한 미러 장치를 제조하는 방법.
  9. 제7항에 있어서,
    상기 제1 금속층을 피착시키는 단계는 상기 지지 필러상에 알루미늄 합금을 스퍼터링하는 단계를 포함하는 변형가능한 미러 장치를 제조하는 방법.
  10. 마이크로미러 장치에 있어서,
    기판과;
    상기 기판 상의 적어도 하나의 힌지 지지 필러 - 상기 힌지 지지 필러는 제1 금속 외장 내측의 제1 유전체 필러 물질로 구성됨 -와;
    상기 힌지 지지 필러에 접속되는 적어도 하나의 힌지와;
    상기 힌지에 접속되며, 제2 금속 외장 내측의 제2 유전체 필러 물질로 구성되는 적어도 하나의 미러 지지 필러와;
    상기 미러 지지 필러에 의해 지지되는 적어도 하나의 미러 소자
    를 포함하는 마이크로미러 장치.
  11. 마이크로미러 장치에 있어서,
    기판과;
    상기 기판 상의 적어도 하나의 힌지 지지 필러 - 상기 힌지 지지 필러는 제1 금속 외장 내측의 제1 유전체 필러 물질로 구성됨 - 와;
    상기 힌지 지지 필러에 접속되는 적어도 하나의 힌지와;
    상기 적어도 하나의 힌지에 의해 지지되는 적어도 하나의 미러 소자
    를 포함하는 마이크로미러 장치.
  12. 마이크로기계 장치를 위한 지지 필러에 있어서:
    기판과;
    상기 기판에 의해 지지되며, 소망의 지지 필러의 형태로 형성되는 유전체 필러 물질과;
    상기 필러 물질 위에 형성되며, 상기 기판에 의해 적어도 부분적으로 지지되는 금속층
    을 포함하는 지지 필러.
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