JPH0854555A - 微小機械式装置用の改良されたヒンジ - Google Patents

Abstract

(57)【要約】 【目的】 微小機械的装置（１０）の改良されたヒンジ
（１２）を提供する。 【構成】 異なる材料の交互層（１２ａ及び１２ｂ）か
らヒンジが製造される。第１の材料は製造工程における
適応性に基づいて選択され、第２の材料はその強度か、
又は第１の材料より比較的望ましい他の特性によって選
択される。

Description

【発明の詳細な説明】

【０００１】

【産業上の利用分野】本発明は微小機械式装置（micro-
mechanical devices）に関し、更に詳細にはヒンジによ
る移動が可能な少なくとも１つの可動素子をもつ装置に
関連する。

【０００２】

【従来の技術】電子機器の分野において様々な機械式装
置の小形化が最近開発されている。このような装置の典
型は、小型ギア、レバー、及びバルブである。これらの
『微小機械式』装置は、集積回路技術及び時には電気的
制御回路を共に使って製造される。一般的な用途には、
加速度計、圧力センサ、及びアクチュエータ（actuato
r）がある。他の例としては、微小機械式反射画素から
空間光変調器を形成することもできる。

【０００３】微小機械式空間光変調器の一形式はデジタ
ル・マイクロ・ミラー装置（ＤＭＤ）であり、時には変
形ミラー装置とも呼ばれる。ＤＭＤは数百又は数千の小
型傾斜ミラーの配列を有する。ＤＭＤに入射した光は各
ミラーから画像面に選択的に反射するか、又は反射せ
ず、画像を形成する。ミラーを傾斜させるため、各ミラ
ーは柱で支持された少なくとも一つのヒンジ上に取付け
られる。ミラーは空隙によって下にある制御回路上方に
隔てられる。制御回路は静電力（electrostaticforce
s）を提供し、各ミラーを選択的に傾斜させる。多くの
ＤＭＤにおいて、ミラーの端部は停止体（stop）として
機能する着地電極と接触する。

【０００４】ＤＭＤを継続的に使用した後、変形の連続
によりヒンジが機械的リラクゼーションを受けることが
あり得る。このようなリラクゼーションを起こす他の要
因には、極温における作動がある。ヒンジのリラクゼー
ションが起こると、デバイスはもはや適切に作動しな
い。

【０００５】

【課題を解決するための手段及び作用】本発明の一面は
ヒンジによって支持された少なくとも一つの可動素子を
もつ一形式の改良微小機械式装置である。ヒンジは第１
の材料と第２の材料の交互の層をもつ。第１の材料は、
処理工程の流れに適応しやすい（amenability ）ため従
来微小機械式ヒンジとして用いられていた形式である。
第２の材料は、第１の材料において比較的不十分な強度
又は熱安定性などの望ましい特性をいくつか有する。

【０００６】本発明の利点は、ＤＭＤ又は他の微小機械
式装置の作動寿命を延ばす、より適応性のあるヒンジを
提供することである。層に用いる材料は異なる所望の特
性に基づいて選択され得る。例えば処理工程の流れに適
応しやすいため従来ヒンジとして用いられている『ペア
レント』材料層が、ヒンジに強度を加える『強化（enha
ncer）』材料と互い違いにされ得る。従って、ヒンジの
製造方法は現存する微小機械式製造工程のエッチング化
学に対する実質的な変更を必要としない。

【０００７】

【実施例】一例として、マイクロ・ミラー装置のある特
定の形式であるデジタル・マイクロ・ミラー装置、時に
は『変形ミラー装置』（ＤＭＤ）とも呼ばれる装置に関
して、以下に記述する。背景として説明したように、Ｄ
ＭＤは各々が制御回路の基板上に支持されている小型の
ヒンジミラーを有する。本発明はＤＭＤの製造過程にお
いて、改良されたヒンジを提供するために用いられる。

【０００８】ＤＭＤの一実施例は、画像形成であり、Ｄ
ＭＤは画像面に選択的に光を反射する可撓性ミラーの配
列を有する。ＤＭＤによって形成された画像は、表示シ
ステムやノンインパクト印刷に用いることができる。Ｄ
ＭＤの他の用途には、画像形成を含まない、光学ステア
リング（optical steering）や光学スイッチング（opti
cal switching ）や加速度計などが考えられる。このよ
うな用途においては、『ミラー』は必ずしも反射するも
のでなくても良い。さらに、他の用途では、ＤＭＤはデ
ジタルモードよりアナログモードにおいて用いられてい
る。『ＤＭＤ』という用語をここでは一般的に、基板か
ら空隙によって隔てられて少なくとも一つのヒンジに取
付けられている可撓性であり、それに関して可動の素子
をもつ微小機械式装置の一つの形式を含むものとして用
いている。

【０００９】本発明はさらにヒンジに取付けられた可動
素子をもつ他の形式の微小機械式装置に用いることも可
能である。ＤＭＤの傾斜ビームのように他の微小機械式
装置もヒンジの変形によって移動する部位をもつことが
あり、使い過ぎ（over time）のヒンジの機械的リラク
ゼーションの可能性を引き起こしている。

【００１０】図１及び図２は、ＤＭＤの単一ミラー素子
１０を示す。図１においてミラー１１は撓んでおらず、
図２ではミラー１１が着地電極１７に向かって傾くこと
により撓んでいる。前述のように、様々なＤＭＤの実施
例においてこのようなビーム素子１０を単一または配列
で用いることができる。

【００１１】図１及び図２におけるミラー素子１０は
『ねじれビーム』素子として周知である。片持ちばり
（cantilever）ビーム型または撓み（flexure ）ビーム
型を含む、ビーム素子１０の他の形式も製造できる。種
々の形式のＤＭＤが米国特許番号４，６６２，７４６
号，発明の名称「空間光変調器及び方法」、同４，９５
６，６１０号，「空間光変調器」、同５，０６１，０４
９号，「空間光変調器及び方法」、同５，０８３，８５
７号，「多レベル変形ミラー装置」、及び米国特許出願
番号０８／０９７，８２４号に記載されている。これら
の特許は各々、テキサス・インスツルメンツ・インコー
ポレイテツドに譲渡されており、参照のためここに示し
た。

【００１２】画像表示の用途において、光源がＤＭＤの
表面を照射する。レンズシステムを用いてビーム素子１
０配列とほぼ同じ大きさに光を形作り、それらに向けて
この光をあてる。各ミラー素子１０は支持柱１３に取付
けられたねじれヒンジ１２上の傾斜ミラー１１をもつ。
これらの支持柱１３は基板１５上に伸びて形成される。
ミラー１１は、基板１５上に形成されたアドレス及びメ
モリ回路からなる制御回路１４上に位置付けられる。

【００１３】制御回路１４のメモリセルのデータに基づ
く電圧がミラー１１の対向するすみの下に位置する２つ
のアドレス電極１６に供給される。選択的にアドレス電
極１６に電圧を供給することによって、ミラー１１とこ
れらのアドレス電極１６との間に静電力が生成される。
静電力は各ミラー１１を約＋１０度（on）又は約−１０
度（off ）傾け、これにより、ＤＭＤ表面上の光照射が
調整される。『on』ミラー１１から反射した光は表示光
学系を介して画像面に向う。『off 』ミラー１１からの
光は画像面から離れた方へ反射する。その結果パターン
が画像を形成する。ミラー１１が『on』である各画像フ
レームの時間の割合がグレーの濃さを決定する。色はカ
ラー・ウィール（color wheel）又は３−ＤＭＤセット
アップにより加えることができる。

【００１４】実際上、ミラー１１及びそのアドレス電極
１６がコンデンサを形成する。適性電圧がミラー１１及
びそのアドレス電極１６に供給されると、静電力（引き
つけ、または反発する）によってミラー１１が引きつけ
るアドレス電極１６の方に傾斜する、あるいは反発する
アドレス電極１６から離れて傾斜する。ミラー１１はそ
の端が下にある着地電極１７に接触するまで傾斜する。

【００１５】アドレス電極１６及びミラー１１の間の静
電力がなくなると、ヒンジに蓄積されたエネルギーが復
元力を生成し、ミラー１１を反射する前の位置に戻す。
ミラー１１がその反射する前の位置に戻るのを助ける適
性電圧をミラー１１又はアドレス電極１６に供給するこ
ともできる。

【００１６】図１及び２に示すように、ヒンジ１２は異
なる材料の交互層１２ａ及び１２ｂを含む。後述のよう
に、一つの層はその材料が装置製造工程の流れに適応し
やすいために、このようなヒンジに典型的に用いられる
『ペアレント』材料から作られる。もう一つの層は、強
度や熱安定性などの所望の特性をヒンジにいくらか付加
する『強化』材料である。この説明の一例として、層１
２ａ及び１２ｂはそれぞれ、アルミニウムとアルミナで
あり、アルミナはより強い材料である。ヒンジ１２の全
体の厚さは１００から１０００オングストロームの範囲
であり、層１２ａ及び１２ｂの厚さがこの全体の厚さの
一部になっている。２つの層のみを用いたのは説明のた
めであって、典型的なヒンジ１２は各材料の交互層を幾
つか有して良い。他の例として、強化材料は強化材料の
中心層がその上下にペアレント材料があるようにペアレ
ント材料で封止されてもよい。

【００１７】図３はヒンジ１２の断面図である。この例
では４層のペアレント材料１２ａ及び３層の他の材料１
２ｂがある。層１２ａの厚さは各々約７５オングストロ
ームであり層１２ｂの厚さは各々約５０オングストロー
ムである。

【００１８】前述のように、ペアレント材料は微小機械
式装置の製造中に用いられる従来の工程への適応性で選
択される。この基準に従うと、ペアレント材料は基本的
にアルミニウムである。アルミニウムは、様々な理由に
より、同じ装置の他の構造にアルミニウムが適している
故に、ペアレント材料として選択されるに適している。
さらに、特にヒンジに関していえば、アルミニウムはフ
ォトレジストエッチングなどのパターニング工程に適し
ている。この説明の目的のために層１２ａに使われるペ
アレント材料のこの特性は、その『処理工程に対する適
応性』として言及され、そのペアレント材料は微小機械
的装置に従来用いられている形式のものを意味する。

【００１９】『強化』材料は第１の材料に欠けている特
性のために選択される。この例では第２の材料は、ペア
レント材料のリラクゼーションを押さえる。これは第２
の材料がペアレント材料よりより強い（よりしなやかで
ない）場合に成される。従って、強化材料はアルミナで
ある。

【００２０】ヒンジの強度を強める要望のあるとき、ア
ルミナは層１２ｂの材料として考えられる単なる一つの
候補に過ぎない。層１２ｂの他の候補はチタニウム、チ
タニウム−タングステン合金、タングステン、タンタラ
ム、クロミウム、亜鉛硫化物、ポリシリコン、二酸化シ
リコン、銅、モリブデン、ニッケル及び窒化アルミニウ
ムである。これらの各材料はアルミニウムより固有の強
度（inherent strength ）が強く、繰り返し変形したの
ちも材料の一区間（a strip of）はそれほどの急激に応
力を失うことはない。

【００２１】材料の他の組合わせも他のパフォーマンス
基準を改良することができる。温度安定性は、ペアレン
ト材料より温度範囲の広いより安定性のある材料層を付
加することによって改良できる。

【００２２】図４から７は、ヒンジ１２を形成するため
に使う本発明の方法を示す。例示のため、前述の形式の
ＤＭＤの単一ミラー素子１０の製造に関して本発明の方
法を説明する。典型的にこの方法は、ビーム素子１０の
配列をもつＤＭＤの製造工程中、あるいは少なくとも一
つの可動素子をもつ他の微小機械的装置の製造工程中に
おいて実施される。

【００２３】一般的に、図４から７の工程は、ヒンジ１
２の層をデポジットする代替的工程を含む。例示のた
め、２層のみのデポジションを説明するが、付加デポジ
ション工程を実施することによって、より多くの層をデ
ポジットすることも可能であることを理解されたい。

【００２４】図４において、フォトレジスト・エッチン
グなどのような工程によって支持柱１３が基板１５上に
パターニングされる。スペーサ材料４０がデポジットさ
れ、柱１３の間の空隙を埋めてスペーサ４０の上面が実
質的に柱１３の頂点と同平面になるようする。

【００２５】ヒンジ層１２ａの第１の層４２が、スペー
サ材料４０の上面及び支持柱１３の上面によって提供さ
れた表面上にデポジット及びパターニングされる。その
後ヒンジ層１２ｂの第２の層４４が、第１の層４２上に
デポジット及びパターニングされる。両方の層のデポジ
ションは、スパッタリングのような従来の手段で行われ
てよい。パターニングは図１及び２にはっきり見られる
ヒンジパターンを形成する。上記のように第１の層４２
及び第２の層４４は、異なる材料からなり、一つの材料
はペアレント材料であって処理に適応しやすく、もう一
つの材料はペアレント材料に比較的不足しているパフォ
ーマンス基準を改良した強化材料である。前述にあるよ
うに、層４２及び４４の２つの材料はそれぞれアルミナ
及びアルミニウムである。しかし、前述のような他の材
料も各材料に用いることができる。

【００２６】図５において、酸化物層５２が層４４上に
デポジットされ、パターニング及びエッチングされて支
持柱１３上方に層４４の酸化物帯を形成する。その後ミ
ラー層５４が、酸化物層５２が残っている部分上と同様
に層４２の露出面上にデポジットされる。ミラー層５４
の材料は、反射性を理由に一般的にアルミニウムであ
り、それは層４４の『処理工程に対する適応性』に一致
する。この説明の例では層４４のみがエッチングされる
が、図５に示すようにヒンジ１２ａ及び１２ｂの一部を
除去するエッチングでもよい。各材料の多重層をもつヒ
ンジ１２に関しては、両方のタイプの材料層上でエッチ
ングが成され得る。

【００２７】図６において、酸化物層５２の酸化物に対
し選択的な工程でミラー層５４がパターニング及びエッ
チングされる。図６と共に図１及び２にあるように、各
ミラー素子１０毎にミラー１１が形成される。

【００２８】図７において、スペーサ材料４０及び酸化
物層５２の残った部分が除去される。これによりミラー
１１が前述のように回転できる。図１及び２に示すよう
に、ヒンジ１２は２つの層１２ａ及び１２ｂから構成さ
れ、１２ｂはミラー１１と同じ材料のペアレント層であ
る。このようにヒンジ層１２ｂも反射性があり、ミラー
１１と同様に後続の処理工程に適応しやすい。

【００２９】図８は、本発明における層状のヒンジと、
アルミニウムの単一層で形成されたヒンジとの比較を示
す。図８の比較におけるほか、ヒンジは図１及び２に示
されたミラー素子１０のヒンジ１２として使われ、ヒン
ジ１２は各々が約１２０オングストロームの厚さの４層
のアルミニウムと、各々が約３０オングストロームの厚
さの５層のアルミナを有していた。

【００３０】比較は、ミラー１１を各方向に傾けるのに
必要な最小アドレス電圧の増加量として測定した負荷リ
ラクゼーションに関する。最低アドレス電圧が下にある
制御回路１４によって生成された最大値に達すると、ミ
ラー素子１０はフェイル（fail）すると考えられる。１
００時間のオペーレーション後、非層状ヒンジはフェイ
ルした。しかし、層状ヒンジは６００時間のオペレーシ
ョン後フェイルした。本発明は特定の実施例を参照して
説明されたが、本説明が限定的な意味に解釈されること
を意図しているのではない。開示された実施例の種々の
変形及び他の実施例も、本説明を参照すればこの技術の
分野の習熟者にとって明白である。したがって、添付の
特許請求の範囲はあらゆるこれらの変形及び組合せを包
含することを意図する。

【００３１】以上の説明に関して更に次の項を開示す
る。

【００３２】（１） ヒンジによって支持されるすくな
くとも一つの可動素子を有する改良された微小機械式装
置の一形式であって、第１及び第２の材料の交互層を有
するヒンジであって、前記第１の材料が前記微小機械的
装置の処理に適応しやすく、前記第２の材料が前記第１
の材料よりよりしなやかでないという改良点を含む微小
機械式装置。

【００３３】（２） 第１項に記載の装置において、前
記第１の材料が基本的にアルミニウムである装置。

【００３４】（３） 第２項に記載の装置において、前
記第２の材料が基本的にアルミナである装置。

【００３５】（４） 第２項に記載の装置において、前
記第２の材料が基本的にチタニウムである装置。

【００３６】（５） 第２項に記載の装置において、前
記第２の材料が基本的にタングステンである装置。

【００３７】（６） 第２項に記載の装置において、前
記第２の材料が基本的にタンタラムである装置。

【００３８】（７） 第２項に記載の装置において、前
記第２の材料が基本的にクロミウムである装置。

【００３９】（８） 第２項に記載の装置において、前
記第２の材料が基本的に亜鉛硫化物である装置。

【００４０】（９） 第１項に記載の装置において、前
記第２の材料が基本的に窒化アルミニウムである装置。

【００４１】（１０） ヒンジに取付けられたすくなく
とも一つの可動素子をもつ微小機械式装置の改良された
ヒンジ製造方法であって、前記改良点は、基板上に第１
の材料層をデポジットし、前記第１の材料は前記微小機
械的装置の処理に適応しやすく、前記第１の層上に第２
の材料層をデポジットし、前記第２の材料は前記第１の
材料よりよりしなやかでなく、前記第１又は第２の層又
は両方をエッチングして前記ヒンジをパターニングする
工程を含む方法。

【００４２】（１１） 第１０項に記載の装置におい
て、前記第１の材料は基本的にアルミニウムである装
置。

【００４３】（１２） 第１１項に記載の装置におい
て、前記第２の材料は基本的にアルミナである装置。

【００４４】（１３） 第１１項に記載の装置におい
て、前記第２の材料は基本的にチタニウムである装置。

【００４５】（１４） 第１１項に記載の装置におい
て、前記第２の材料は基本的にタングステンである装
置。

【００４６】（１５） 第１１項に記載の装置におい
て、前記第２の材料は基本的に窒化アルミニウムである
装置。

【００４７】（１６） デジタル・マイクロ・ミラー装
置（ＤＭＤ）であって、少なくとも一つの着地電極、支
持柱、前記支持柱から伸びるヒンジ、及び前記ヒンジに
取付けたミラーがその上で形成される基板であって、提
供される力に応じて前記ミラーが前記着地電極のほうに
移動するように前記ヒンジが変形でき、前記ヒンジが第
１の材料及び第２の材料の交互層をもち、前記第１の材
料は前記ＤＭＤの処理に対する適応性で選択され、第２
の材料は前記第１の材料より比較的強度が高くなるよう
に選択されることを含むデジタル・マイクロ・ミラー装
置。

【００４８】（１７） 第１６項に記載の装置におい
て、前記第１の材料は基本的にアルミニウムである装
置。

【００４９】（１８） 第１７項に記載の装置におい
て、前記第２の材料は基本的にアルミナである装置。

【００５０】（１９） 第１８項に記載の装置におい
て、前記第１の材料層は約７５オングストロームの厚さ
であって、前記第２の材料層は約５０オングストローム
の厚さである装置。

【００５１】（２０） 第１６項に記載の装置におい
て、前記各層の厚さが１００オングストロームより薄い
装置。

【００５２】（２１） 異なる材料の交互層１２ａ及び
１２ｂからヒンジが製造される。第１の材料は製造工程
における適応性に基づいて選択され、第２の材料はその
強度か、又は第１の材料より比較的望ましい他の特性に
よって選択される。

【図面の簡単な説明】

【図１】本発明によって製造した微小機械式装置、つま
りデジタル・マイクロ・ミラー装置（ＤＭＤ）、の１つ
の形式の非撓性ビーム素子を示す。

【図２】撓み位置にある図１のビーム素子を示す。

【図３】図１及び２のヒンジを示す。

【図４】本発明におけるヒンジをもつＤＭＤの製造方法
を示す。

【図５】本発明におけるヒンジをもつＤＭＤの製造方法
を示す。

【図６】本発明におけるヒンジをもつＤＭＤの製造方法
を示す。

【図７】本発明におけるヒンジをもつＤＭＤの製造方法
を示す。

【図８】本発明におけるヒンジの操作寿命を従来のヒン
ジと比較して示す。

【符号の説明】

１０ ミラー素子 １２ ヒンジ １３ 支持柱 １４ 制御回路 １５ 基板 １６ アドレス電極 １７ 着地電極

Claims (3)

【特許請求の範囲】
1. 【請求項１】 ヒンジによって支持されるすくなくとも
   一つの可動素子を有する改良された微小機械式装置の一
   形式であって、 第１及び第２の材料の交互層を有するヒンジであって、
   前記第１の材料が前記微小機械的装置の処理に適応しや
   すく、前記第２の材料が前記第１の材料よりよりしなや
   かでないという改良点を含む微小機械式装置。
2. 【請求項２】 ヒンジに取付けられたすくなくとも一つ
   の可動素子をもつ微小機械式装置の改良されたヒンジ製
   造方法であって、前記改良点は、 基板上に第１の材料層をデポジットし、前記第１の材料
   は前記微小機械的装置の処理に適応しやすく、 前記第１の層上に第２の材料層をデポジットし、前記第
   ２の材料は前記第１の材料よりよりしなやかでなく、 前記第１又は第２の層又は両方をエッチングして前記ヒ
   ンジをパターニングする工程を含む方法。
3. 【請求項３】 デジタル・マイクロ・ミラー装置（ＤＭ
   Ｄ）であって、 少なくとも一つの着地電極、支持柱、前記支持柱から伸
   びるヒンジ、及び前記ヒンジに取付けたミラーがその上
   で形成される基板であって、提供される力に応じて前記
   ミラーが前記着地電極のほうに移動するように前記ヒン
   ジが変形でき、前記ヒンジが第１の材料及び第２の材料
   の交互層をもち、前記第１の材料は前記ＤＭＤの処理に
   対する適応性で選択され、第２の材料は前記第１の材料
   より比較的強度が高くなるように選択されることを含む
   デジタル・マイクロ・ミラー装置。