-
Die
vorliegende Erfindung bezieht sich auf einen räumlichen Lichtmodulator und
ein Verfahren zur Herstellung desselben.
-
Räumliche
Lichtmodulatoren (Spatial light modulators = SLMs) sind Wandler,
die einen einfallenden Lichtstrahl in ein räumliches Muster modulieren,
das einer optischen oder elektrischen Eingabe entspricht. Der einfallende
Lichtstrahl kann in Phase, Intensität, Polarisation oder Errichtung
moduliert werden. Diese Modulation kann durch die Verwendung einer
Vielzahl von Materialien, die magnetooptische, elektrooptische oder
elastische Eigenschaften zeigen. SLMs haben viele Anwendungsfälle einschließlich Anzeigesysteme,
optische Informationsverarbeitung, optische Datenspeicherung und
Drucken.
-
Eine übliche Technologie
für eine
SLM-Zelle ist es, ein Flüssigkristallmaterial
zu verwenden, das zwischen zwei Elektroden eingebracht ist, wobei
wenigstens eine der Elektroden transparent ist. Durch Anlegen einer
Spannung zwischen den Elektroden ändert sich die Orientierung
der Moleküle
in der Flüssigkristallschicht,
was die optischen Eigenschaften der Schicht verändert, insbesondere die Polarisation des
Lichts, welches durch die Schicht hindurchtritt. So kann eine Flüssigkristallschicht
in Kombination mit einem oder mehreren Polarisationsfiltern verwendet
werden, um einen Amplitudenmodulator (Lichtventil) zu erzeugen.
Solche auf Flüssigkristall
basierende Vorrichtungen haben jedoch mehrere Nachteile bei SLM-Anwendungen.
Als erstes wird viel Licht in den Polariationsfiltern absorbiert,
so dass der optische Wirkungsgrad reduziert wird. Zusätzlich hat
die Vorrichtung ein begrenztes Kontrastverhältnis (Verhältnis der Intensitäten des
Pixels, wenn es ein ist, und des Pixels, wenn es aus ist), und die
Ansprechzeit der am häufigsten
verwendeten flüssigen
Kristalle ist sehr langsam (einige Millisekunden). Flüssigkristalle
haben auch ein schlechtes Betriebsverhalten außerhalb eines recht engen Temperaturbereichs. Aus
diesen und anderen Gründen
wurden mechanische SLMs, die bewegliche Strukturen zum Ablenken des
Lichts verwenden, verfolgt.
-
Ein
früher,
mechanischer SLM, der zur Verwendung in einem Projektions-Anzeigesystem
ausgelegt war, ist von Nathanson beschrieben, U.S. Patent Nr. 3,746,911.
Die einzelnen Pixel des SLM werden über einen Abtastelektronenstrahl
wie bei der herkömmlichen,
direkt betrachtbaren Kathodenstrahlröhre (CRT) adressiert. Statt
einen Phosphor anzuregen, lädt
der Elektronenstrahl ablenkbare, reflektierende Elemente, die auf
einer Quarz-Stirnplatte angeordnet sind. Elemente, die aufgeladen
werden, biegen sich aufgrund elektrostatischer Kräfte zu der Frontplatte
hin. Gebogene und ungebogene Elemente reflektieren parallele, einfallende
Lichtstrahlen in verschiedene Richtungen. Das von den ungebogenen
Elementen reflektierte Licht wird mit einem Satz von Schlieren-Stops
blockiert, während
das Licht von den gebogenen Elementen durch die Projektionsoptik
hindurchtreten und ein Bild auf einem Bildschirm bilden können.
-
Ein
anderer, durch Elektrodenstrahlen adressierter SLM ist der Eidophor,
der in E. Baumann, "The Fischer
large-screen projection system (Eidophor)", 20 J.SMPTE 351 (1953) beschrieben.
In diesem System ist das aktive optische Element ein Ölfilm, der
periodisch durch den Elektronenstrahl mit Vertiefungen versehen
ist, um das einfallende Licht zu berechen. Ein Nachteil des Eidophor-Systems
ist es, dass der Ölfilm
durch konstantes Elektronenbombardement polarisiert wird, und dass Öldämpfe eine
kurze Kathodenlebensdauer zur Folge haben. Ein Nachteil von beiden
dieser Systeme ist ihre Verwendung von großbauenden und teuren Vakuumröhren.
-
Ein
räumlicher
Lichtmodulator, in dem bewegliche Elemente über eine elektrische Schaltung auf
einem Siliziumsubstrat adressiert werden, ist in K. Peterson, "Micromechanical Light
Modulator Array Fabricated on Silicon", 31 Appl. Phys. Let. 521 (1977) beschrieben.
Dieser SLM enthält
ein 16 mal 1 Feld von freitragenden Spiegeln oberhalb eines Siliziumsubstrats.
Die Spiegel sind aus Siliziumdioxid hergestellt und haben eine reflektierende
Metallbeschichtung. Der Raum unterhalb der Spiegel wird durch Wegätzen von
Silizium über
eine KOH-Ätzung
erzeugt. Die Spiegel werden durch eine elektrostatische Anziehungskraft
ausgelenkt: Eine Vorspannung wird zwischen den reflektierenden Elementen
und dem Substrat angelegt und erzeugt eine elektrostatische Kraft.
Ein ähnlicher
räumlicher
Lichtmodulator ist das zweidimensionale Feld, das von Hartstein
und Peterson beschrieben wurde, U.S. Patent Nr. 4,229,732. Obwohl
die Umschaltespannung dieses SLM abgesenkt ist, indem die auslenkbaren
Spiegelelemente nur an einer Ecke angeschlossen werden, hat diese
Vorrichtung einen geringen Wirkungsgrad aufgrund der kleinen optisch
aktiven Fläche
(als ein Bruchteil der gesamten Vorrichtungsoberfläche). Zusätzlich senkt
die Brechung von der Adressierschaltung das Kontrastverhältnis der
Anzeige herab.
-
Ein
auf Silizium basierender mikromechanischer SLM, in dem ein großer Bruchteil
der Vorrichtung optisch aktiv ist, ist die digitale Spiegelvorrichtung
(Digital Mirror Device = DMD), der von Texas Instruments entwickelt
wurde und von Hornbeck beschrieben wurde, US Patent Nr. 5,216,537
und seine Zitate. Die jüngsten
Ausführungen
umfassen eine erste Aluminiumplatte, die über Torsionsscharniere oberhalb
von Adressierungselektroden aufgehängt sind. Eine zweite Aluminiumplatte
ist auf der Oberseite der ersten ausgebildet und wirkt als Spiegel.
Die Doppelplatten-Aluminiumstruktur ist erforderlich, um eine näherungsweise
ebene Spiegeloberfläche
bereit zu stellen, die die darunter liegende Schaltung abdeckt,
und einen Scharniermechanismus zu haben, der wesentlich ist, um
ein akzeptables Kontrastverhältnis
zu erreichen. Die gesamte Struktur wird aus einer Aluminiumlegierung
hergestellt, wobei die Platten, die Torsionsscharniere und spezielle "Anschlagspitzen" jeweils unabhängig voneinander
optimierte Zusammensetzungen haben. Das Aluminium kann bei tiefen
Temperaturen abgeschieden werden, wodurch eine Beschädigung der
darunter liegenden CMOS-Adressierschaltung während der Herstellung vermieden
wird. Aluminium hat jedoch den Nachteil, dass es einer Ermüdung und
einer plastischen Deformation unterworfen ist, was zu Langzeit-Zuverlässigkeitsproblemen
und einem Zellen-"Gedächtnis" führen kann,
wobei die Ruheposition beginnt, sich in Richtung auf die am häufigsten
eingenommene Position zu biegen. Zusätzliche Nachteile der DMD umfassen:
1) eine große
Vertiefung (verursacht durch den Spiegellagerzapfen) ist an der
Mitte des Spiegels in gegenwärtigen
Designs vorhanden, was eine Streuung des einfallenden Lichts bewirkt
und den optischen Wirkungsgrad reduziert. 2) Die gesamte DMD-Struktur
wird über
Plasmaätzen
einer polymeren Sacrificial-Schicht freigesetzt. Dieses Herstellungsverfahren
ist problematisch, da es a) große
Zwischenräume
zwischen den Spiegeln erfordert, damit die Plasmaätz-Materialabtragung
effektiv ist, und da b) Pixelfehler durch den Freisetzungsprozess
erzeugt werden, der nicht genügend
schonend für
die delikaten Mikrospiegelstrukturen ist. Aufgrund der komplexen
Struktur und der Verfahrensschwierigkeiten ist die Kommerzialisierung
der DMD nur langsam voran gekommen.
-
Ein
anderer SLM, der auf einem flachen Substrat hergestellt wird, ist
das Gitter-Lichtventil (GLV), das von Bloom, et. al. beschrieben
wurde, U.S. Patent Nr. 5,311,360. Wie in dem '360-Patent beschrieben ist, sind die
auslenkbaren mechanischen Elemente der GLV reflektierende, flache
Balken oder Bänder.
Licht wird von sowohl den Bändern
als auch dem Substrat reflektiert. Wenn der Abstand zwischen der
Oberfläche
der reflektierenden Bänder
und dem reflektierenden Substrat die Hälfte einer Wellenlänge beträgt, addiert
sich das von den beiden Oberflächen reflektierte
Licht konstruktiv und die Vorrichtung wirkt als ein Spiegel. Wenn
dieser Abstand ein Viertel einer Wellenlänge beträgt, interferiert das direkt
von den zwei Oberflächen
reflektierte Licht destruktiv, und die Vorrichtung wirkt als Brechungsgitter,
wobei Licht im Brechungsmuster ausgesandt wird. Ein bevorzugter Ansatz
besteht darin, die Vorrichtung aus keramischen Filmen mit hoher
mechanischer Qualität
herzustellen, beispielsweise aus LPCVD (low pressure chemical vapor
deposition)-Siliziumnitrid.
-
Obwohl
die Adressierschaltung nicht unterhalb solcher Filme angeordnet
werden kann, kann eine inhärente,
elektromechanische Bistabilität
ausgenutzt werden, um ein "passives" Adressierschema umzusetzen
(Raj Apte, Grating Light Valves for High Resolution Displays, Stanford
University, Ph.D. thesis, Juni 1994). Die Bistabilität existiert,
weil die mechanische Kraft, die zum Auslenken erforderlich ist, näherungsweise
linear ist, während
die elektrostatische Kraft einem invers quadratischen Gesetz folgt. Wenn
eine Spannung angelegt wird, werden die Bänder ausgelenkt. Wenn die Bänder an
einem bestimmten Punkt vorbei ausgelenkt werden, kann die zurückholende,
mechanische Kraft die elektrostatische Kraft nicht länger ausgleichen,
und die Bänder schnappen
auf das Substrat. Die Spannung muss erheblich unterhalb der Schnapp-Spannung
abgesenkt werden, damit die Bänder
wieder in ihre unausgelenkte Position zurückkehren. Diese Sperrwirkung
ermöglicht
es, dass die Treiberschaltung außerhalb des Chips oder nur
an der Peripherie angeordnet wird, und die Adressierschaltung muss
nicht den optisch aktiven Teil des Feldes einnehmen. In der Praxis
ist dieser Ansatz schwierig umzusetzen: Wenn das Band in Kontakt
mit dem Substrat kommt, das sich auf einem unterschiedlichen Potential
befindet, kann Ladung in das isolierende, keramische Bandmaterial
injiziert werden, was die Umschaltspannungen verschiebt und die
passive Adressierung unmöglich
macht. Eine Film-Ungleichförmigkeit über der Vorrichtung
kann ebenfalls die Umschaltspannungen signifikant verschieben. Ein
anderes Problem bei der GLM-Technologie ist das Haften: Da die Unterseite der
abgelenkten Bänder
das Substrat mit einem großen
Oberflächenbereich
kontaktiert, neigen die Bänder
dazu, an dem Substrat fest zu sitzen. Filme, die die Struktur bilden,
können
aufgeraut werden, aber dies hat eine unerwünschte optische Streuung zur Folge,
was das Kontrastverhältnis
der Vorrichtung reduziert.
-
Mikromechanische,
auf Spiegel basierende SLMs haben einen Vorteil gegenüber auf
Brechung basierenden SLMs, weil sie einfallendes Licht unter nur
einem Winkel reflektieren, der sehr groß sein kann. Dies vereinfacht
das Design des optischen Systems, bei dem das modellierte Licht
durch die Mitte von Abbildungslinsen hindurchtreten kann, während ein
hoher Wirkungsgrad aufrechterhalten wird. Dies hat ein Bild mit
weniger Aberrationen zur Folge und setzt die Herstellungskosten
herab.
-
Aus
der US-A-5,784,190 sind eine mikromechanische Blende zur Verwendung
als eine elektronische Anzeigentechnologie und Verfahren bekannt, die
sich auf die Herstellung derselben beziehen. Solch eine mikromechanische
Blende umfasst eine elektrisch leitfähige, mikromechanische Mikroblendenplatte,
die über
einem transparenten Substrat durch leitfähige Federmittel gehalten wird
und die durch eine anziehende Gegenelektrode ausgelenkt wird, um
den Auslenkungswinkel der Blendenplatte zu modulieren, um die Lichtmenge
zu modulieren, die durch die Blende hindurchtritt. Die Federmittel
der mikromechanischen Blende umfassen eine kombinierte Torsionsfeder-
und Blattfeder-Einrichtung.
-
Es
besteht daher ein Bedarf für
einen räumlichen
Lichtmodulator mit einem hohen Kontrastverhältnis, einem hohen Wirkungsgrad,
hoher Geschwindigkeit, der leicht herzustellen ist und dessen bewegliche
Elemente aus zuverlässigen
mechanischen Materialien hergestellt sind.
-
Nach
einem hauptsächlichen
Aspekt der Erfindung umfasst ein räumlicher Lichtmodulator ein optisch
durchlässiges
Substrat, das eine obere Oberfläche
und eine untere Oberfläche
hat; wenigstens ein auslenkbares Element, das an der unteren Oberfläche des
optisch durchlässigen
Substrats befestigt ist; und ein Schaltungssubstrat, das unterhalb
und unter Abstand von der unteren Oberfläche des optisch durchlässigen Substrats
angeordnet ist, wobei das Schaltungssubstrat die Adressierschaltung
enthält,
die in der Lage ist, einen beliebigen Satz der wenigsten einen,
auslenkbaren Elemente zu aktivieren.
-
Nach
einem bevorzugten Aspekt der Erfindung umfasst wenigstens eines
der wenigstens einen, auslenkbaren Elemente ferner eine im wesentlichen
starre Platte, die an dem optisch durchlässigen Substrat mit einem oder
mehreren Torsionsscharnieren befestigt ist, die entlang einer Kante
der Platte angeordnet sind, wobei die Platte um die Kante drehbar
ist.
-
Nach
einem bevorzugten Aspekt der Erfindung ist das Scharnier entlang
einer Kante der Spiegelplatte angeordnet.
-
Gemäß einem
bevorzugten Aspekt der Erfindung das Scharnier verhältnismäßig elastisch
im Vergleich zu der Spiegelplatte.
-
Gemäß einem
bevorzugten Aspekt der Erfindung hat das Scharniermaterial ein kleineres
Elastizitätsmodul
als das Spiegelmaterial.
-
Gemäß einem
bevorzugten Aspekt der Erfindung ist das Scharnier dünner als
die Spiegelplatte.
-
Gemäß einem
bevorzugten Aspekt der Erfindung ist das Scharnier zwischen der
Spiegelplatte und dem optisch durchlässigen Substrat angeordnet.
-
Gemäß einem
hauptsächlichen
Aspekt der Erfindung umfasst ein Verfahren zur Herstellung eines räumlichen
Lichtmodulators das Abscheiden einer Sacrificial-Schicht über einem
optisch durchlässigen
Substrat; das Ätzen
eines Lochs durch die Sacrificial-Schicht, wobei das Loch die Befestigung
von nachfolgenden Schichten an dem Substrat gestattet; das Abscheiden
einer reflektierenden Schicht über der
Sacrificial-Schicht; das Verbinden der reflektierenden Schicht mit
dem optisch durchlässigen
Substrat durch das Loch; das Bemustern der reflektierenden Schicht,
um eines oder mehrere reflektierende, auslenkbare Elemente zu definieren;
das Entfernen der Sacrificial-Schicht, so dass die reflektierenden Elemente
frei sind und ausgelenkt werden können; das Ausbilden einer Adressierschaltung
und von Elektroden auf einem Siliziumsubstrat und das Ausrichten
und Verbinden des optisch durchlässigen Substrats
und des Siliziumsubstrats, wobei die reflektierenden, auslenkbaren
Elemente wahlweise durch die Adressierschaltung und die Elektroden
aktiviert werden können.
Nach einem weiteren hauptsächlichen
Aspekt der Erfindung umfasst ein Verfahren zum Betätigen des
optischen Lichtmodulators das Anlegen einer Vorspannung zwischen
der Adressierschaltung und dem reflektierenden, auslenkbaren Element,
wobei die Adressierschaltung in einem Schaltungssubstrat enthalten
ist, das reflektierende, auslenkbare Element an einer unteren Oberfläche eines
optisch durchlässigen
Substrats befestigt ist und das Schaltungssubstrat unterhalb, jedoch
separat von dem optisch durchlässigen
Substrat angeordnet ist.
-
Kurz
gesagt umfasst gemäß einem
Ausführungsbeispiel
dieser Erfindung ein räumlicher
Lichtmodulator ein optisch durchlässiges Substrat und ein Schaltungssubstrat.
Eines oder mehrere reflektierende, auslenkbare Elemente sind an
der unteren Oberfläche
des optisch durchlässigen
Substrats befestigt. Das optisch durchlässige Substrat wird oberhalb
und unter Abstand von einem Schaltungssubstrat gehalten, das die
Adressierschaltung enthält,
die in der Lage ist, jedes reflektierende, auslenkbare Element selektiv
zu aktivieren.
-
Im
Betrieb werden die einzelnen reflektierenden Elemente des räumlichen
Lichtmodulators, wobei elektronisch adressierbare, auslenkbare Elemente
an einem optisch durchlässigen
Substrat befestigt sind, wahlweise ausgelenkt und dienen dazu, Licht, das
auf sie einfällt,
räumlich
zu modulieren und dann durch das optisch durchlässige Substrat hindurch zurückzureflektieren.
-
In
einem Ausführungsbeispiel
dieser Erfindung weist der räumliche
Lichtmodulator ein Feld von Pixel auf. Jedes Pixel umfasst einen
einzigen, auslenkbare, starren Spiegel und ein Torsionsscharnier, das
den Spiegel an einem oberen, optisch durchlässigen Substrat befestigt.
Das optisch durchlässige Substrat
wird oberhalb eines Siliziumsubstrats gehalten, auf dem ein Feld
von Elektroden ausgebildet ist. In einem Ausführungsbeispiel ist eine Blendenschicht
in dem optisch durchlässigen
Substrat eingebaut, um Licht daran zu hindern, die Elektroden oder die
Spiegeltragestruktur (Scharniere und Befestigungen) zu erreichen.
Einzelne Spiegel werden elektrostatisch wahlweise dadurch ausgelenkt,
dass eine Spannung zwischen den einzelnen Spiegeln und ihren zugeordneten
Elektroden angelegt wird.
-
Gemäß einem
Ausführungsbeispiel
dieser Erfindung wird ein Verfahren zur Herstellung des räumlichen
Lichtmodulators bereitgestellt. Eine Sacrificial-Schicht wird auf
einem Substrat abgeschieden. Ein Loch wird durch die Sacrificial-Schicht geätzt, wobei
das Loch die Befestigung der nachfolgenden Schichten an dem optisch
durchlässigen Substrat
ermöglicht.
Eine reflektierende Schicht wird auf der Sacrificial-Schicht abgeschieden
und wird bemustert, um eines oder mehrere, reflektierende, auslenkbare
Elemente zu definieren. Die reflektierende Schicht wird mit der
Sacrificial-Schicht durch das Loch hindurch verbunden. Die Sacrificial-Schicht wird
entfernt, so dass die reflektierenden Elemente frei sind und ausgelenkt
werden können.
Eine Adressierschaltung und Elektroden werden auf dem Schaltungssubstrat
ausgebildet. Das Substrat und das Schaltungssubstrat werden aufeinander
ausgerichtet und miteinander verbunden, so dass die reflektierenden
Elemente selektiv durch die Adressierschaltung und die Elektroden
aktiviert werden können.
Die beiden Substrate können
beispielsweise durch Epoxy-Material
um die Peripherie der Substrate herum miteinander verbunden werden.
-
Nach
einem Ausführungsbeispiel
dieser Erfindung umfasst das Verfahren das Anlegen einer Vorspannung
zwischen dem reflektierenden, auslenkbaren Element und der Adressierschaltung.
Die Vorspannung kann während
des Betriebs der Vorrichtung verändert
werden.
-
Die
elektrische Adressierschaltung auf dem Siliziumsubstrat kann unter
Verwendung herkömmlicher
CMOS-Technologie hergestellt werden und ähnelt einem Speicherfeld geringer
Dichte.
-
Da
die beiden Substrat erst miteinander verbunden werden, nachdem sie
einzeln hergestellt worden sind, sind die Herstellungsverfahren
für jedes Substrat
voneinander entkoppelt. Da es keine Probleme für die CMOS-Kompatibilität während der
Herstellung des oberen Substrats gibt, ist ein Vorteil des räumlichen
Lichtmodulators dieser Erfindung, dass die mechanisch auslenkbaren,
reflektierenden Elemente aus Materialien hergestellt werden können, die
nur nach ihren außerordentliche
guten mechanischen Eigenschaften ausgewählt werden können, beispielsweise
LPCVD-abgeschiedenes Siliziumnitrid, Siliziumoxid, amorphes Silizium
und Poly-Silizium. Da diese Schichten bei hohen Temperaturen abgeschieden
werden, sind sie normalerweise nicht mit CMOS-Verfahren kompatibel,
weil letztere Aluminiumverbindungen benutzen, die bei diesen hohen Temperaturen
schmelzen würden.
-
Ein
weiterer Vorteil dieses räumlichen
Lichtmodulators ist es, dass, nachdem die zwei Substrate miteinander
verbunden worden sind, die beweglichen Teile voll eingekapselt sein
können.
Dies liefert ein ausgezeichnetes Verfahren zum Verpacken und führt zu einer
hohen Robustheit der Vorrichtung.
-
Der
räumliche
Lichtmodulator dieser Erfindung hat den weiteren Vorteil, dass er
preisgünstig und
ohne Umwege konstruiert werden kann. Er ist aus zwei Substraten
zusammengesetzt, von denen eines unter Verwendung der Standard-CMOS-Techniken
hergestellt ist, und ein zweites optisch durchlässiges Substrat die auslenkbaren,
reflektierenden Elemente enthält,
das sehr einfach herzustellen ist.
-
Ein
noch weiterer Vorteil dieses räumlichen Lichtmodulators
ist es, dass eine das Licht blockierende Blendenschicht und auch
andere ebene Optiken (beispielsweise Farbfilter, die Reflexion verbessernde
Beschichtungen, Mikrolinsen) in dem optisch durchlässigen Substrat
eingebaut werden können. Dies
kann das Kontrastverhältnis
verbessern und den effektiven Lichtreflexionswinkel vergrößern, und es
reduziert die Kosten der im Raum angeordneten Optik auf dem Systemniveau.
-
Ein
noch weiterer Vorteil dieses räumlichen Lichtmodulators
ist es, dass die Bewegung begrenzende Strukturen auch aus Hochtemperaturmaterialien
hergestellt werden können,
die hart sind und eine lange Lebensdauer haben. Wegen ihrer Härte und Geometrie
haben die eine Bewegung begrenzende Strukturen einen kleinen Kontaktbereich
während des
Betriebs, was die Haftungskräfte
zwischen den Sturkuren und dem Substrat in hohem Maße reduziert.
Die eine Bewegung begrenzenden Strukturen sind auch auf demselben
elektrischen Potential wie das Substrat, mit dem sie in Kontakt
kommen, was das Anhaften über
Schweißvorgänge und
Ladungsinjektion verhindert. Dies waren Probleme, denen man bei
frühen
Versionen der DMD und des GLV begegnet ist.
-
Ein
noch weiterer Vorteil des räumlichen Lichtmodulators
ist es, dass die Hochtemperaturverarbeitung des optisch durchlässigen Substrats
es ermöglicht,
dass die elektrischen Filme mit abwechselnd hohen und niedrigen
Brechungsindices auf die auslenkbaren, reflektierenden Elemente
abgeschieden werden können,
was ihre Reflexionsfähigkeit verbessert.
-
Diese
und andere Vorteile werden ersichtlich für den Durchschnittsfachmann
nach dem Studium der beigefügten
Zeichnungen und der detaillierten Beschreibung der Ausführungsbeispiele
der Erfindung.
-
1 zeigt
eine perspektivische Draufsicht auf eine Ecke eines Ausführungsbeispiels
eines räumlichen
Lichtmodulators der vorliegenden Erfindung.
-
2A–2F zeigen
eine perspektivische Darstellung von unten auf eine Pixelzelle von 1 während mehreren
Stadien der Herstellung.
-
3A und 3B zeigen
einen Querschnitt einer Pixelzelle von 1, die einen
Lichtstrahl moduliert.
-
4 zeigt
eine Hysteresekurve in dem Auslenkungswinkel des Spiegels von 1 gegenüber der
angelegten Vorspannung.
-
5 zeigt
eine grafische Darstellung der elektrischen und mechanischen Torsionsmomente, die
auf dem auslenkbaren Spiegel bei unterschiedlichen Vorspannungen
wirken.
-
6A zeigt
eine DRAM-Struktur, um die SLM-Pixelzellen von 1 individuell
zu adressieren.
-
6B zeigt
eine SRAM-Struktur, um die SLM-Pixelzellen von 1 individuell
zu adressieren.
-
7 zeigt
eine Draufsicht auf eine Abstandsstückanordnung in einem dichten
Pixelfeld.
-
8A–8H zeigen
Draufsichten von unten auf Spiegelfelder mit unterschiedlichen Scharnierausführungen.
-
9A–9C zeigen
das Herstellungsverfahren einer Pixelzelle, die das Scharnier zwischen dem
Spiegel und dem optisch durchlässigen
Substrat hat (Sub-Scharnier-Design).
-
10A–10D zeigen Ausführungsbeispiele des Sub-Scharnier-Designs.
-
11A–11C zeigen das Herstellungsverfahren einer Pixelzelle,
die den Spiegel zwischen dem Scharnier und dem optisch durchlässigen Substrat
hat (Super-Scharnier-Design).
-
12 zeigt
ein Ausführungsbeispiel
des Super-Scharnier-Designs.
-
13 zeigt
eine perspektivische Explosions-Draufsicht auf eine Ecke eines Ausführungsbeispiels
eines räumlichen
Lichtmodulators der vorliegenden Erfindung.
-
14 zeigt
eine Zelle, die das Sub-Scharnier-Design von 10A hat
und in einem Feld von ähnlich
strukturierten Zellen konfiguriert ist.
-
In
dieser Beschreibung werden die Worte "optisch" und "Licht" verwendet. In der Beschreibung und
den Ansprüchen
bedeutet "optisch" einen Bezug auf
beliebige elektromagnetische Frequenzen nicht nur Frequenzen im
sichtbaren Bereich. Beispielsweise ist ein "optisch durchlässiges Substart" ein Substrat, welches
für die
elektromagnetische Ausbreitung einer Betriebsfrequenz durchlässig ist,
ob diese sich im sichtbaren Bereich befindet oder nicht.
-
Eine
perspektivische Draufsicht auf eine Ecke eines Ausführungsbeispiels
eines mikromechanischen, räumlichen
Lichtmodulators 10 (im Folgenden "SLM 10") dieser Erfindung ist in 1 gezeigt. Eine
Explosionsdarstellung des SLM 10 von 1 ist in 13 gezeigt.
Der SLM 10 kann Pixelzellen jeglicher Konfiguration oder
Feldgröße umfassen.
Zum Zwecke der Klarheit sind jedoch nur vier Pixelzellen 12, 12a, 12b und 12c in
einer 2 × 2-Gitteranordnung in 1 gezeigt.
Die Pixelzellen 12, 12a, 12b und 12c haben
einen Pixelabstand von beispielsweise 12 Mikron. "Pixelabstand" ist definiert als
Abstand zwischen entsprechenden Abschnitten von benachbarten Pixelzellen.
-
Reflektierende,
auslenkbare Elemente (beispielsweise Spiegel 48, 48a, 48b und 48c),
die jeweils einer entsprechenden Pixelzelle 12, 12a, 12b und 12c entsprechen,
sind an der unteren Oberfläche 14 eines
optisch durchlässigen
Substrats in einer nicht-ausgelenkten Position befestigt. Somit
sind die Spiegel 48, 48a, 48b und 48c durch
das optisch durchlässige
Substrat 20 in 1 hindurch sichtbar. Zum Zwecke
der Klarheit sind Licht-blockierende Blendenschichten 22 zwischen
den Spiegeln 48, 48a, 48b oder 48c und
dem optisch durchlässigen Substrat 20 nur
durch gestrichelte Linien dargestellt, um die darunter liegenden
Scharniere 50, 50a, 50b und 50c zu
zeigen. Der Abstand, der benachbart angeordnete Spiegel trennt,
kann beispielsweise 0,5 μm
oder geringer sein.
-
Ein
Verfahren zur Herstellung des SLM 10 ist in Draufsicht
von unten in den 2A–2F gezeigt.
Zur Klarheit wird nur die Herstellung der Pixelzelle 12 beschrieben.
Es ist jedoch aus der Beschreibung ersichtlich, dass die Pixelzellen 12a, 12b, 12c und
andere Pixelzellen in dem SLM 10 gleichzeitig und in derselben
Weise hergestellt werden können, wie
die Pixelzelle 12 hergestellt wird.
-
Das
optisch durchlässige
Substrat 20 ist aus Materialien hergestellt, die die nachfolgenden
Bearbeitungstemperaturen aushalten können. Das optisch durchlässige Substrat 20 kann
beispielsweise ein 4-inch-Quarzwafer
mit einer Dicke von 500 Mikron sein. Solche Quarzwafer sind weithin
beispielsweise von Hoya Corporation U.S.A., 960 Rincon Circle, San
Jose, CA 95131 erhältlich.
-
Wie
aus 2A zu ersehen ist, wird eine Licht-blockierende
Schicht (beispielweise eine 50 nm dicke Wolframschicht) abgeschieden
und bemustert, um die Licht-blockierende Blendenschicht 22 zu
bilden. Die Blendenschicht 22 ist aus einem opaken Material
(beispielsweise Wolfram) hergestellt, welches während der nachfolgenden Herstellungsschritte
stabil bleibt. Das Wolfram kann beispielsweise unter Verwendung
bekannter Sputter-Techniken abgeschieden werden. Ein Muster aus
Fotoresist wird über
der Blendenschicht 22 unter Verwendung bekannter, lithographischer
Verfahren ausgebildet. Die Blen denschicht 22 wird dann
unter Verwendung eines Drytek 100 Plasmaätzgeräts geätzt. Eine Mischung aus 50 Vol.-%
SF6 und 50 Vol.-% C2ClF5 wird in die Reaktionskammer des Ätzgeräts mit einer
Rate von 300 sccm (150 sccm für
HF6 und 150 sccm für C2ClF5) eingeführt.
Die Ätzung
findet bei einem Druck von etwa 100 mTorr mit einer Leistungseinstellung
an dem Ätzgerät bei 500
Watt statt, bis das optisch durchlässige Substrat 20 freigelegt
ist (etwa eine Minute). Nach der Ätzung wird der restliche Fotoresist entfernt
unter Verwendung einer herkömmlichen Sauerstoffplasmaabtragungsmethode.
Die im Folgenden beschriebene Bemusterung kann auf ähnliche
Weise durchgeführt
werden.
-
Wie
in 2B zu ersehen ist, wird als nächstes eine optisch durchlässige Schutzschicht 24 (beispielsweise
ein etwa 94 nm dickes, mit 7 Gew.-% Phosphor dotiertes Siliziumdioxid)
als nächstes
als Passivierungsschicht abgeschieden. Das reflektierende auslenkbare
Element (Spiegel 48) soll mit dem optisch durchlässigen Substrat 20 durch
die Schutzschicht 24 verbunden werden. Die Siliziumdioxid-Schutzschicht 24 kann
beispielsweise durch LPCVD-Verfahren in einer Quarzröhre eines Tylan-Ofens
bei etwa 400°C
und 250 mTorr während etwa
5 Minuten abgeschieden werden. SiH4, O2 und PH3 werden
in die Kammer mit Raten von 28, 115 bzw. 7 sccm eingeführt. Das
Phosphor-dotierte Siliziumdioxid wird dann bei 1100°C während 20
Minuten in einer Dampfatmosphäre
zurückfließen gelassen.
-
Eine
Sacrificial-Schicht 26 (beispielsweise eine etwa 0,6 μm dicke,
amorphe Siliziumschicht), die, wie im Folgenden beschrieben wird,
gelegentlich entfernt wird, wird auf der Schutzschicht 24 abgeschieden.
Die amorphe Siliziumschicht kann unter Verwendung von LPCVD-Verfahren
beispielsweise in der Quarzröhre
eines Tylan-Ofens abgeschieden werden. Der SLM 10 wird
in dem Quarzrohr bei etwa 670°C
und 200 mTorr während
135 min exponiert. Eine Zusammensetzung aus SiH4 und
H2 wird in das Quarzrohr mit einer Flussrate
von 246 sccm (146 sccm SiH4 und 100 sccm
H2) eingeführt.
-
Löcher 26 werden
als Muster durch die Sacrificial-Schicht 26 aus amorphem
Silizium durch selektives, anisotropes Ätzen unter Verwendung von beispielsweise
einer bemusterten Plasmaätzung
in einer 50% SF6- und 50% C2CF5- (nach Volumen-) Umgebung ausgebildet,
bis ein Abschnitt der Schutzschicht 24 durch die Sacrificalschicht 26 freigelegt
ist. Diese Ätzung
kann in der Reaktionskammer des Drytek 100-Plasmaätzgerätes stattfinden.
Die Gaszusammensetzung wird mit einer Rate von 100 sccm (50 sccm
SF6 und 50 sccm C2ClF2) und bei einem Druck von 150 mTorr eingeführt. Typischerweise dauert
es etwa 4,5 min, um den Abschnitt der Schutzschicht 24 durch
die Sacrificialschicht 26 unter diesen Bedingungen freizulegen.
-
Eine
strukturelle Spiegel-Trageschicht 28, beispielsweise eine
etwa 138 mm dicke Siliziumnitridschicht mit niedriger Stressbelastung,
wird abgeschieden und bemustert, um den Spiegel 48 und
den Bewegungsanschlag 49 zu bilden. Der Spiegel 48 ist eine
im Wesentlichen starre Platte. Die Siliziumnitridschicht mit niedriger
Stressbelastung kann beispielsweise in einem Quarzrohr eines Tylan-Ofens
unter Verwendung von LPCVD-Verfahren bei etwa 785°C und 250
mTorr während
etwa 36 min abgeschieden werden. Die Abscheidung findet beispielsweise durch
Einführen
von SiCl2H2 und
NH3 in das Glasrohr bei 165 sccm bzw. 32
sccm statt. Nach der Abscheidung und Bemusterung durch Belichtung
eines Fotoresist kann die Siliziumschicht unter Verwendung eines
AMT 8100 Plasmaätzgerätes mit
hexagonaler Elektrode und bei einer Leistung von 1200 Watt geätzt werden.
Die Ätzgase,
beispielsweise O2 und CHF3,
werden in die Reaktionskammer bei Flussraten von 6 sccm bzw. 85
sccm während
einer Ätzperiode
von 17 min eingeführt.
Unter diesen Bedingungen ist das Selektivitätsverhältnis von Polysilizium zu Siliziumnitrid
etwa 1:6.
-
Wie
in 2C zu ersehen ist, wird dann eine Scharnierschicht 30 (beispielsweise
eine 40 nm dicke Schicht aus Siliziumnitrid mit geringer Stressbelastung)
aufwachsen gelassen und bemustert, um zusätzlich das Torsionsscharnier 50 zu
definieren (eine Draufsicht auf dieses Muster ist in 8A zu
sehen). Wenigstens ein Abschnitt des Scharniers 50 steht
in Kontakt mit der Schutzschicht 24 durch die Löcher 25,
um Stützen 51 zu
definieren (2D–2F). Das
Scharnier 50 arbeitet durch "Torsion", was bedeutet, dass das Scharnier 50 durch Anwenden
eines Drehmoments um die Längsrichtung
des Scharniers 50 gebogen wird. Auf diese Weise wird das
Ende des Scharniers 50, das an dem Spiegel 48 befestigt
ist, winkelmäßig in Bezug
auf die Enden ausgelenkt, die von den Stützen 51 und 51 abgestützt werden.
Das Scharnier 50 kann beispielsweise etwa 0,5 μm breit sein.
-
Die
dünne Schicht
aus Siliziumnitrid geringer Stressbelastung für die Scharnierschicht 30 wird
in einem Glasrohr eines Tylan-Ofens unter Verwendung eines LPCVD-Verfahrens
abgeschieden. SiCl2H2 und NH3 werden in das Glasrohr bei einer Flussrate
von beispielsweise 165 sccm bzw. 32 sccm eingeführt. Die Abscheidung erfolgt
beispielsweise bei einer Temperatur von 785°C und einem Druck von 250 mTorr
während
11 min.
-
Wie
in 2D gezeigt ist, wird dann die Sacrificialschicht 26 teilweise
unter Verwendung eines isotropen Ätzverfahrens entfernt. Das Ätzverfahren
ist isotropisch, so dass Abschnitte der Sacrificialschicht 26 von
unterhalb des Spiegels 48 und des Scharniers 50 entfernt
werden. Nach der teilweisen Ätzung
der Sacrificialschicht 26 wird die Sacrificialschicht 26,
die nicht unterhalb des Spiegels 48 und des Scharniers 50 liegt,
entfernt. Andererseits bleiben signifikante Abschnitte der Sacrificialschicht 26 unter
dem Spiegel 48 und dem Scharnier 50 aufgrund der
Schutzwirkung des Spiegels 48 und des Scharniers 50 übrig. Daher
trägt nach
der teilweisen Ätzung
die Sacrificialschicht 26 weiterhin den Spiegel 48 und
das Scharnier 50 und verhindert, dass in die Luft freigesetzte
Teilchen sich unter dem Spiegel 48 und dem Scharnier 50 während der
Herstellungsschritte absetzen, die im Folgenden beschrieben werden.
Ein geeignetes, isotropisches Ätzverfahren besteht
darin, dass ein Plasmaätzverfahren
in der Reaktionskammer eines Drytek 100-Plasmaätzgeräts durchgeführt wird. Etwa 100% SF6 wird in die Reaktionskammer mit einer Flussrate
von etwa 50 sccm mit einer Leistungseinstellung an dem Ätzgerät, die auf
375 Watt eingestellt ist, eingeführt.
Die Ätzung
findet während
etwa 100 s bei Raumtemperatur (das Plasma erzeugt jedoch Wärme) und
bei einem Druck von etwa 150 mTorr statt. In diesem Verfahren ist
das Selektivitätsverhältnis von
Silizium zu Siliziumnitrid etwa 6:1.
-
Bezugnehmend
auf 2E werden sodann die horizontalen Oberflächen (beispielsweise
die strukturelle Spiegeltrageschicht 28, die Scharnierschicht 30 und
Abschnitte der Schutzschicht 24) des SLM 10 mit
einer leitfähigen
und reflektierenden Schicht 32 beschichtet (beispielsweise
eine etwa 30 nm dicke Schicht aus Aluminium), die optisch reflektierend
ist. Einige vertikale Oberflächen
(beispielsweise die vertikale Oberfläche des Scharniers 50 neben
dem Spiegel 48) werden ebenfalls beschichtet, um die reflektierende
Schicht 32 auf der strukturellen Spiegeltrageschicht 28 elektrisch
mit der reflektierenden Schicht 32 auf der Schutzschicht 24 zu
verbinden. Zum Zwecke der Klarheit sind Abschnitte der reflektierenden
Schicht 32 auf der Scharnierschicht 30 und die
vertikalen Oberflächen
nicht in 2E gezeigt. Solch eine reflektierende
Schicht 32 kann beispielsweise durch Verdampfen von Aluminium
unter einem Winkel nach unten abgeschieden werden, so dass der horizontale
Vektor des Winkels von dem Spiegel 48 zu dem Bewegungsanschlag 49 verläuft. Bei
diesem Winkel existiert kein Metall (Aluminium) auf der Schutzschicht 24 an
dem Punkt, wo der Bewegungsanschlag 49 in Kontakt mit der
Schutzschicht 24 kommt, weil der Bewegungsanschlag 49 diese
Oberfläche
gegenüber
einer Metallabscheidung abschirmt. Es ist zu beachten, dass die
Schutzschicht 24 während
der teilweisen Ätzung
der Sacrificialschicht 26, die oben beschrieben wurde,
frei liegt. Die Verdampfung kann beispielsweise in der Reaktionskammer
eines thermischen e-Pistolen-Verdampfers bei einer Abscheidungsrate
von 1 Nanometer pro Sekunde stattfinden.
-
Abstandshalter 44 (1 und 13)
sind auf dem optisch durchlässigen
Substrat vorgesehen. Die Abstandshalter 44 sind beispielsweise
aus einem Hoechst-Delanese AZ4330-RS-Fotoresist, das mit 5.000 Umdrehungen
pro Minute während
30 Sekunden aufgeschleudert, belichtet und bemustert wird, um Abstandsstücke 44 unter
Verwendung herkömmlicher
lithographischer Techniken zu bilden, und dann bei 233°C während einer
Stunde hart gebacken werden, um eine erhöhte strukturelle Festigkeit
zu geben.
-
Die
Spiegel 48a, 48b und 48c sind von dem optisch
durchlässigen
Substrat 20 vollständig
freigegeben mit der Ausnahme an den Scharnierträgern 51 und 51 mit
einer zweiten isotropen Ätzung,
beispielsweise einem Xenon-Difluorid-Ätzverfahren, welches die Sacrificialschicht 26 vollständig entfernt.
Diese Ätzung
wird bei etwa 4 Torr in einer ca. 100% Xenon-Difluorid-Umgebung
während
etwa 20 Minuten bei Raumtemperatur durchgeführt. Unter diesen Bedingungen
ist die Selektivität
des Ätzverfahrens über 100
zu Eins.
-
Das
optisch durchlässige
Substrat 20 mit dem daran befestigten Spiegelfeld ist nun
bereit, mit einem Schaltungssubstrat 34 (beispielsweise
einem Halbleitersubstrat), das die Adressierschaltung 36 enthält, verbunden
zu werden, wie im Querschnitt in 3A gezeigt
ist. Die Abstandsstücke 44 (1 und 13)
werden mit dem Schaltungssubstrat 34 verbunden, um das
optisch durchlässige
Substrat 20 unter Abstand von jedoch in enger Nachbarschaft
zu dem Schaltungssubstrat 34 zu halten.
-
In
einem Ausführungsbeispiel
werden planare, optische Elemente, beispielsweise zwei dielektrische
Schichten 70 und 72 (2F) mit
unterschiedlichem Brechungsindex als strukturelle Spiegel-Trägerschicht 28 abgeschieden.
Dieser Stapel dielektrischer Schichten kann Licht reflektieren oder
spezielle Frequenzbereiche ausfiltern. Beispielsweise verbessert
eine Schicht aus Siliziumdioxid (optischer Index von 1,46), die
auf der Oberseite einer Schicht aus Siliziumnitrid (mit einem optischen
Index von 2,0) abgeschieden wird, die Reflexionsfähigkeit
beispielsweise einer reflektierenden Aluminiumschicht 32 mit
einer Reflektivität
von 92% bis 95% über
einem großen
Bereich des optischen Spektrums, wenn die Siliziumnitridschicht
68 nm und die Siliziumdioxidschicht 96 nm dick ist.
-
Nachdem
die Sacrificialschicht 26 voll weggeätzt ist, wird das optische
durchlässige
Substrat 20 mit dem Schaltungssubstrat 34 verbunden.
Als Erstes werden die Substrate 20 und 34 optisch
ausgerichtet und zusammengehalten, und dann werden sie mit einem
Epoxyharz miteinander verklebt, das um den Rand des Schaltungssubstrats 34 herum
zugegeben wird. Da das obere Substrat 32 optisch durchlässig ist,
kann die Ausrichtung leicht durch Ausrichtung eines Musters auf
dem optisch durchlässigen Substrat 20 auf
ein Muster auf dem Schaltungssubstrat 34 erreicht werden.
Durch Abgeben von Epoxyharz um die Ränder des optisch durchlässigen Substrats 20 und
des Schaltungssubstrats 34 herum in einer sauberen Atmosphäre kann
der Spiegel 48 von in der Luft befindlichen Teilchen isoliert
werden.
-
In 3A ist
eine Bodenelektrode 42 (beispielsweise eine 500 nm dicke
Aluminium-Bodenelektrode) der Zelle 12 gezeigt, die eine
Verbindung zu der Adressierschaltung 36 durch einen Kontakt 43 hat.
Viele Anordnungen sind möglich.
In einem Ausführungsbeispiel
sollte die aktive Bodenelektrode 32 physisch höher liegen
als der Rest der Schaltungskomponenten 36 und der Schaltungsverbindungen. In
diesem Ausführungsbeispiel
steht die Bodenelektrode 32 mit dem darüber hängenden Spiegel 48 durch
elektrostatische Kräfte
in Wechselwirkung.
-
Die
Arbeitsweise des oben beschriebenen Ausführungsbeispiels ist in 3A und 3B gezeigt.
In 3A ist der Spiegel 48 nicht ausgelenkt. In
dem nicht vorgespannten Zustand tritt ein ankommender Lichtstrahl
von einer Lichtquelle 64, der unter einem Winkel auf den
SLM 10 auftrifft, durch das optisch durchlässige Substrat 20 hindurch
und wird von den flachen Spiegeln 48 und teilweise von
der Blendenschicht 22 reflektiert. Der Winkel des austretenden
Lichtstrahls 58 ist somit ebenfalls schräg zu dem optisch
durchlässigen
Substrat 20. Der austretende Lichtstrahl kann beispielsweise
von einer optischen Abladestelle 78 empfangen werden. Die
Anordnung der Blendenschicht 22 in dem optisch durchlässigen Substrat 20 ist
eine Technik, um eine unerwünschte Lichtstreuung
von dem darunter liegenden Scharnier 50 zu eliminieren.
-
Die
Zelle 12, bei der eine Vorspannung zwischen dem Spiegel 48 und
der Bodenelektrode 42 angelegt ist, ist in 3B gezeigt.
Der Spiegel 48 wird aufgrund elektrostatischer Anziehung
ausgelenkt. Wegen des Designs des Scharniers 50 wird das
freie Ende des Spiegel 48 zu dem Schaltungssubstrat 34 hin
ausgelenkt. Es ist zu beachten, dass das Scharnier 50 flexibler
sein kann als der Spiegel 48, so dass das Anlegen der Kraft
bewirkt, dass im Wesentlichen die gesamte Biegung in dem Scharnier 50 stattfindet.
Diese kann dadurch erreicht werden, dass die Scharnierschicht 30 viel
dünner
gemacht wird als die strukturelle Spiegeltrageschicht 28,
wie oben beschrieben wurde. Die Auslenkung des Spiegels 48 lenkt
den austretenden Lichtstrahl 58 in einem signifikanten
Winkel in die Abbildungsoptik 60 ab.
-
Die
Bewegung des Spiegels 48 ist durch den Bewegungsanschlag 49 begrenzt,
der mit der Schutzschicht 24, die auf dem optisch durchlässigen Substrat 20 abgeschieden
ist (siehe 3B) in Kontakt, so dass der
Spiegel 48 nicht in Kontakt mit dem Schaltungssubstrat 34 kommt.
Da der Kontakt nicht stattfindet, bleiben die elektrisch miteinander
verbundenen Spiegel 48, 48a, 48b und 48c auf
demsel ben Potential. Auch gibt es keine Ladungsinjektion und keine
Verschweißung
zwischen dem Spiegel 48 und der Elektrode 42,
was ein Festkleben zur Folge haben kann. Wenn der Spiegel 48 in
der nicht ausgelenkten Position von dem optisch durchlässigen Substrat 20 beispielsweise
um 2,8 μm
getrennt ist, kann der Bewegungsanschlag 49 sich von der
Schwenkachse des Scharniers 50 (beispielsweise um etwa 3,3 μm) weg erstrecken.
-
Die
vollständigen,
elektromechanischen Charakteristiken des Modulators werden ferner
in 4 und 5 erläutert. In 4 ist
der Auslenkungswinkel α des
Spiegels 48 gegen die Vorspannung aufgetragen, und eine
Hysterese wird beobachtet. Wenn eine Vorspannung zwischen dem Spiegel 48 und
der Elektrode 42 angelegt wird (3A und 3B),
wird der Spiegel 48 ausgelenkt (siehe Linie 401 in 4).
Wenn der Spiegel 48 über
die Umschnappspannung VSchnappen (etwa 6,8
Volt) hinaus ausgelenkt wird, kann die mechanische Rückholkraft des
Scharniers 50 die elektrostatische Kraft nicht länger ausgleichen,
und der Spiegel 48 schnappt zu der Elektrode 42 des
Schaltungssubstrats 34 (siehe Linie 402 von 4)
um, bis der Bewegungsstop 48 mit dem optisch durchlässigen Substrat 20 in
Kontakt kommt. Die Spannung muss erheblich unter die Umschnappspannung
(siehe Linie 403 von 4) auf VFreigeben (beispielsweise etwa 5,6 Volt)
abgesenkt werden, damit der Spiegel 48 in seine nicht ausgelenkte
Position zurückkehrt
(siehe Linie 404 von 4). Auf
diese Weise ist der Spiegel 48 eine elektromechanisch bistabile
Vorrichtung zwischen den Spannungen VFreigeben und
VSchnappen. In anderen Worten gibt es bei
einer vorgegebenen speziellen Spannung zwischen VFreigeben Und
VSchnappen zwei mögliche Auslenkwinkel α des Spiegels 48 je
nach der Vorgeschichte der Ablenkung des Spiegels 48. Daher
wirkt die Ablenkung des Spiegels 48 als eine Sperre. Diese
Bistabilitäts-
und Sperr-Eigenschaften
existieren, da die mechanische Kraft, die für die Auslenkung erforderlich
ist, näherungsweise
linear in Bezug auf den Auslenkungswinkel α ist, während die entgegen wirkende,
elektrostatische Kraft umgekehrt proportional zu dem Abstand zwischen
dem Spiegel 48 und der Elektrode 42 ist.
-
Diese
Sperrwirkung ermöglicht
es, dass die Treiberschaltung außerhalb des Chips oder nur
an der Peripherie unter Verwendung passiver Adressierung angeordnet
werden, statt eine Speicherzelle zum Betreiben jeder Elektrode vorzusehen.
Beispielsweise kann jede Elektrode 42 in jeder vorgegebenen
Zeile elektrisch verbunden sein, während jeder Spiegel 48 in
jeder vorgegebenen Spalte elektrisch verbunden ist. Während der
Adressierung ist die angelegte Vorspannung für jede Pixelzelle, die nicht
in derselben Zeile oder Spalte wie die adressierte Pixelzelle liegt,
bei einer dazwischen liegenden Spannung (beispielsweise 6,2 Volt)
zwischen VFreigeben und VSchnappen.
Daher stellt für
diese Pixelzellen die Auslenkung des Spiegels 48 einen
binären
Zustand "Eins" (d.h. eine binäre Eins)
dar, wenn der Spiegel 48 an der Linie 403 ausgelenkt
wird, und sie stellt den anderen binären Zustand "Null" (d.h. eine binäre Null) dar,
wenn der Spiegel an der Linie 401 ausgelenkt wird. In anderen
Worten bestimmt diese dazwischen liegende Spannung nicht in eindeutiger
Weise den Zustand der Ablenkung des Spiegels 48.
-
Wenn
ein Ein-Zustand (oder ein Aus-Zustand) an der adressierten Pixelzelle
programmiert werden soll, wird die Spannung der Elektrode 42 der adressierten
Pixelzellenzeile geändert,
um die angelegte Vorspannung zu erhöhen (oder zu erniedrigen zum
Abschalten). Die Spannung des Spiegels 48 der adressierten
Pixelzellenspalte wird ebenfalls geändert, um die angelegte Vorspannung
zu erhöhen (oder
herabzusetzen zum Ausschalten). An den nicht adressierten Pixelzellen,
die in derselben Zeile oder Spalte wie die adressierte Pixelzelle
sind, steigt die angelegte Vorspannung an (oder fällt zum
Abschalten ab), ist jedoch immer noch zwischen VFreigeben und VSchnappen. Daher ändern sich die binären Zustände an den
nicht-adressierten Pixelzellen nicht, die in der gleichen Zeile
und Spalte wie die adressierte Pixelzelle sind. Für die adressierte
Pixelzelle wurden jedoch sowohl die Spannung der Elektrode 42 als
auch die Spannung des Spiegels 48 geändert, so dass die Vorspannung
erhöht
wird (oder herabgesetzt wird zum Ausschalten). Diese Erhöhung ist
größer als VSchnappen (oder die Absenkung ist geringer
als VFreigeben, um das adressierte Pixel
auszuschalten), und auf diese Weise wird die adressierte Pixelzelle
eingeschaltet (oder ausgeschaltet). Zum Adressieren und Programmieren
ist nur eine Treibschaltung für
jede Zeile und jede Spalte erforderlich. Daher können die Treiberschaltungen
entlang der Peripherie der Vorrichtung oder des Chips angeordnet
werden.
-
Selbst
bei voll aktiver Adressierung, bei der jede Elektrode 42 eine
Treiberschaltung hat (wie ein Transistor in einer DRAM-Konfiguration),
könnte
die Verschaltung der Spiegel in Gruppen den Adressierungswirkungsgrad
erhöhen.
Dies kann entweder durch Anschlüsse
an der Peripherie des Spiegelfeldes oder durch Abscheiden von Säulen erreicht
werden, die die Spiegel mit dem Schaltungssubstrat an den Pixelstellen
verbinden. Da die elektrostatische Kraft nur von der Gesamtspannung
zwischen der leitfähigen
und reflektierenden Schicht 32 und der Bodenelektrode 42 abhängt, reduziert
eine negative Spannung, die an eine Spiegelgruppe angelegt wird (über die
reflektierende Schicht 32) die Betriebsspannung der entsprechenden
Elektroden, wodurch der Spannungsbedarf für den SLM 10 reduziert
wird. Es ist beispielsweise erwünscht,
die Betriebsspannung unterhalb von 5 V zu halten, weil eine 5 V-Umschaltfähigkeit
in der Halbleiterindustrie Standard ist. Zusätzlich ist die Ladungsmenge,
die erforderlich ist, um jede Elektrode des adressierten Pixels
vorzuspannen, kleiner als bei einem Ausführungsbeispiel, bei dem alle
Spiegel auf Erdpotential gehalten werden. Daher ist die Zeit, die
zum Programmieren und Adressieren einer Pixelzelle erforderlich
ist, relativ schnell.
-
In 5 sind
die mechanischen und elektrischen Drehmomente gegen den Auslenkungswinkel α aufgetragen,
während
die angelegte Vorspannung erhöht
wird und der Spiegel 48 sich neigt. Wie in 5 gezeigt
ist, ist das mechanische Drehmoment τmechanisch,
das durch die mechanische Rückholkraft des
Scharniers 50 verursacht wird, näherungsweise linear relativ
zu dem Auslenkungswinkel α.
Andererseits gehorcht jede Kurve des elektrischen Drehmoments (τelektrisch),
die durch die elektrostatische Kraft zwischen dem Spiegel 48 und
der Elektrode 42 verursacht wird, einem umgekehrt quadratischen
Gesetz und steigt mit einem zunehmenden Auslenkungswinkel α schart an
(während
die Kapazität
der Spiegel 48 – Elektrode 42 – Anordnung
erhöht
wird). Bei geringen Vorspannungen, wie durch die Bodenkurve (V =
Va) beispielhaft dargestellt ist, ein Gleichgewichtspunkt αE vorhanden.
Wenn der Spiegel 48 etwas mehr (oder weniger) als der Gleichsgewichtspunkt αE gekippt
wird, dominiert die nach oben gerichtete, mechanische Kraft (oder
die nach unten gerichtete elektrostatische Kraft), und der Spiegel 48 wird
zurück
nach oben (oder nach unten) zu dem Gleichgewichtspunkt αE zurück gelenkt.
Durch Veränderung
der Vorspannung für
den Ein-Zustand zwischen dem Spiegel 48 und der Elektrode 42 wird
die Auslenkbewegung des Spiegels 48 gesteuert.
-
Wenn
die Vorspannung zwischen dem Spiegel 48 und der Elektrode 42 einen
kritischen Wert (hier V = Vb, wie durch
die mittlere Kurve zu sehen ist), existiert der Gleichgewichtspunkt αE nicht
mehr, und der Spiegel 48 schnappt zu dem Schaltungssubstrat 34 hin
(siehe Linie 402 von 4). Das
Umschnappen tritt auf, wenn der Spiegel 48 etwa zur Hälfte zu
dem Schaltungssubstrat 34 hin ausgelenkt ist, wenn das
mechanische Drehmoment linear im Winkel ist. Wenn kein anderer Anschlagmechanismus
eingerichtet wäre,
würde die
Schnappwirkung weitergehen, bis der Spiegel 48 mit der
Elektrode 42 Kontakt macht. Es kann erwünscht sein, diese Arbeitsweise
zu vermeiden, weil ein Festkleben aufgrund einer Schweißung auftreten
könnte.
Eine Schweißung
ist besonders wahrscheinlich, wenn die Oberflächen, die miteinander Kontakt
machen, ursprünglich
auf unterschiedlichen elektrischen Potentialen sind, oder wenn große Kontaktoberflächenbereiche
im Spiel sind, wie sie bei formbaren Materialien, beispielsweise
Metall, auftreten.
-
Die
Bewegungsanschläge 49,
die oben beschrieben wurden, sind aus harten Materialien, beispielsweise
Siliziumnitrid, hergestellt. Diese Hartmaterialien haben potentiell
längere
Lebensdauern als Metallstrukturen. Die Bewegungsanschläge 49 haben
auch einen begrenzten Kontaktbereich mit dem optisch durchlässigen Substrat 20,
und sie reduzieren daher die Haftungskräfte. Indem die Bewegungsanschläge 49 auf
demselben Potential wie die reflektierende Schicht 32 gehalten
werden, mit der sie in Kontakt kommen, können elektrische Potentialunterschiede,
die zu einer Verschweißung
führen,
ebenfalls vermieden werden. Das Umschnappen und daher der physische
Kontakt zwischen den Bewegungsanschlägen 49 und dem optisch
durchlässigen Substrat 20 kann
vollständig
dadurch vermieden werden, dass V < Vb gehalten wird.
-
Wenn
der SLM 10 bei Spannungen über dem Umschnapppunkt betrieben
wird, kann er in einer digitalen Weise unter Verwendung von entweder
aktiver Adressierung (d.h. ein separater Transistor treibt die Elektrode 42 an
jeder Pixelstelle) oder unter Verwendung passiver Adressierung (d.h.
nur eine Treiberschaltung für
jede Zeile oder Spalte) betrieben werden, indem die oben erwähnte, elektromechanische
Bistabilität
ausgenutzt wird. Wenn der SLM 10 bei Spannungen größer als
VSchnappen betrieben wird, kann die Auslenkung
entlang der Linie 403 einen binären Zustand darstellen, während alle
anderen Auslenkungen den anderen binären Zustand darstellen.
-
Wenn
der SLM 10 bei Spannungen unterhalb des Umschnapppunktes
betrieben wird, kann er in einer analogen Weise unter Verwendung
aktiver Adressierung betrieben werden. Beispielsweise kann für unterschiedliche
Auslenkungswinkel α eine
unterschiedliche Lichtintensität
zu der Abbildungsoptik 66 abgelenkt werden, wenn die Lichtquelle 64 Strahlen von
einem weiten Bereich von Orten aussendet. Die Verwendung von mechanischen
Materialien hoher Qualität,
die oben beschrieben wurde, hat eine gute Gleichförmigkeit über dem
Pixelfeld zur Folge und macht den analogen Betrieb praktisch durchführbar. Die
Auslenkung des Spiegels 48 ist dann proportional zu der
Ladung, die in jeder entsprechenden Elektrode gespeichert ist. Der
Betrieb unterhalb des Umschnapppunktes hat auch den Vorteil, dass
ein mechanischer Kontakt während
des Betriebs verhindert wird, was mögliche Haftungsprobleme eliminiert.
-
Bei
einem Spiegelbetrieb über
die Umschnappspannung hinaus, ist es ferner möglich, die Adressierungsspannung
als eine Funktion der Zeit wie folgt zu variieren. Während des
aktiven Adressierungsschrittes ist die Adressierung auf ein Niveau eingestellt,
das für
die Auslenkung des Spiegels auf der Basis elektrostatischer Kraft
bei den Elektroden erforderlich ist, wo die Auslenkung des Spiegels
benötigt
wird. Nachdem die betreffenden Spiegel ausgelenkt worden sind, ist
die Spannung, die zum Halten in der ausgelegten Position erforderlich
ist, geringer als die, die für
die tatsächliche
Auslenkung erforderlich ist. Dies ist der Fall, weil der Spalt zwischen dem
ausgelenkten Spiegel und der Adressierungselektrode bereits kleiner
ist als in dem Fall, wenn der Spiegel gerade dabei ist, ausgelenkt
zu werden. Daher kann in dem Stadium nach dem aktiven Adressierungsstadium
(beispielsweise "Haltestadium" genannt) das Adressierungsspannungsniveau
von seinem anfänglichen
Niveau aus reduziert werden, ohne dass der Status des Spiegels wesentlich
beeinflusst wird. Ein Vorteil davon, dass man eine Haltestatusspannung,
ist es, dass die nicht-ausgelenkten Spiegel nunmehr auch einer kleineren
elektrostatischen Anziehungskraft als vorher unterworfen werden
können,
und dass sie daher eine Position näher bei der Nullauslenkungsposition
annehmen. Dies verbessert das optische Kontrastverhältnis zwischen den
ausgelenkten Spiegeln und den nicht-ausgelenkten Spiegeln.
-
Eine
elektrische Schemadarstellung eines Speicherfeldabschnitts der Adressierschaltung 36 ist in 6A und 6B gezeigt.
Wenn die aktive Adressierung angewendet wird, kann ein Adressierungsschema,
das in der Schaltung von 6A verwirklicht
ist, verwendet werden, um jede Pixelzelle des SLM 10 individuell
zu adressieren. Die Substrate 20 und 34 sind in 6A nicht
gezeigt, und der Spiegel 48 und die Bodenelektrode 42 sind
nur symbolisch gezeichnet. Das Schema ist identisch zu dem, das
bei einem DRAM (dynamic random access memory = dynamischer Speicher
mit beliebigem Zugriff) verwendet wird. Jede Pixelzelle 12, 12a, 12b und 12c wird
durch einen entsprechenden NMOS-Transistor 68, 68a, 68b und 68c betrieben.
Wenn beispielsweise die Pixelzelle 12 adressiert werden
soll, wird die Elektrode 42 wie folgt aufgeladen. Der Zustand
der Pixel der entsprechenden Spalte (die die Pixelzellen 12 und 12c enthält) wird
dadurch eingestellt, dass die entsprechende Bitleitung 62 auf
der geeigneten Vorspannung für
die gewünschte
Spiegelauslenkung gehalten wird. Die Vorspannung ist relativ zu
den Spiegeln 48, die mit einer gemeinsamen Spannung (beispielsweise
Erdpotential) verbunden sind. Die entsprechende Wortleitung 60 wird
dann auf Nieder-Hoch-Nieder gepulst (d.h., der NMOS-Transistor 68 wird
temporär
geöffnet),
und der Spannungswert wird als Ladung zwischen der Bodenelektrode 42 und dem
Spiegel 48 gespeichert. Ein zusätzlicher Kondensator kann elektrisch
parallel zu der Spiegel-Elektroden-Anordnung vorgesehen werden,
um sicherzustellen, dass genügend
Ladung gespeichert ist, um eine Leckage zu überwinden.
-
Ein
anderes Ausführungsbeispiel
verwendet eine SRAM- (static random access memory = statischer Speicher
mit beliebigem Zugriff-) Zelle, um die Betätigungselektroden zu betreiben
(6B). Beispielsweise wird die Pixelzelle 12 dadurch
adressiert, dass eine Spannung, die eine binäre "Eins" darstellt, an
die entsprechende Bitleitung 62 angelegt wird. Die Spannung
ist ausreichend, um die Elektrode 42 zu laden und den Spiegel 48 auszulenken.
Eine Spannung, die eine binäre "Null" darstellt, ist auf
der anderen entsprechenden Bitleitung 62 (bar) vorhanden. Die
entsprechende Wortleitung 60 wird ausgewählt, indem
eine Spannung angelegt wird, die zum Öffnen der Transistoren 69a und 69b ausreicht.
Der Eingang zu dem Inverter 69c und der Ausgang von dem
Inverter 69d stellen eine binäre "Null" dar.
-
Der
Ausgang von dem Inverter 69c und der Eingang des Inverters 69d stellen
eine binäre "Eins" dar. Wenn der Transistor 69a offen
ist, wird die Elektrode 42 durch die Bitleitung 62 aufgeladen.
-
Da
die Fläche
des Spiegels 48 in Bezug auf Halbleitergrößenordnungen
verhältnismäßig groß ist (12 × 12 μm = 144 μm2), kann eine komplexere Schaltung unter
jeder Betätigungselektrode
hergestellt werden. Mögliche
Schaltungen umfassen, sind jedoch nicht begrenzt auf, Speicherpuffer,
um eine zeitsequenzielle Pixelinformation an jedem Pixel zu speichern,
und eine elektronische Schaltung, um eine mögliche Ungleichförmigkeit
der Spiegel/Elektroden-Trennung zu kompensieren, indem die Elektroden
an variierenden Spannungsniveaus betrieben werden.
-
Bei
geeigneter Auswahl der Dimensionen (Trennung der Substrate 20 und 34 bei
1 bis 5 μm und
Scharnierdicke von 0,03 bis 0,3 μm)
und Materialien (Siliziumnitrid) kann ein SLM 10 so hergestellt werden,
dass er eine Betriebsspannung von nur wenigen Volt hat. Der Winkel-Torsionsmodul
des Scharniers 50 kann beispielsweise 3,3 × 10–14 Newton-Meter
pro Grad der Drehung betragen. Wie oben diskutiert wurde, kann die
Spannung, bei der die Adressierungsschaltung arbeiten muss, selbst
noch geringer gemacht werden, indem der Spiegel 48 auf
einem negativen (oder positiven) Potential im Vergleich zu dem Schaltungs-Erdpotential
(die Vorspannung) gehalten wird. In dem Fall der negativen Vorspannung hat
dies beispielsweise die Wirkung, dass die Hysteresekurve von 4 nach
links verschoben wird, so dass das Betätigungs-Elektrodenfeld in einem
Niederspannungsbereich (beispielsweise 0 bis 5 V) arbeiten kann
und eine Spiegelauslenkung verursachen kann. Dadurch resultiert
ein großer
Unterschied in dem Auslenkungswinkel bei einer vorgegebenen Spannung.
Die maximale, negative Vorspannung ist –VFreigeben.
Die negative Spannung kann an den Spiegel 48 beispielsweise
durch Schließen
des Schalters 76 angelegt werden, der den Spiegel 48 mit
einer Spannungsquelle 74 koppelt, die konfiguriert ist,
um eine negative Spannung anzulegen (siehe Pixelzelle 12 von 6A).
-
In
Abhängigkeit
von der Ebenheit und dem Widerstand gegenüber einer Biegung der zwei
Substrate 20 und 34 kann es erforderlich sein,
dass Abstandsstücke 44 in
dem Spiegelfeld selbst eingebettet werden. 7 zeigt
eine Draufsicht auf ein gut zusammenhängendes Spiegelfeld mit einem
Abstandsstück 44 in
der Mitte. Das Spiegelfeld umfasst 56 Spiegel 48, 48a bis 48z, 48aa bis 48az, 48ba, 48bb und 48bc.
Zum Zwecke der Klarheit sind das optisch durchlässige Substrat 20 und
das Schaltungssubstrat 34 nicht gezeigt, und jeder Spiegel 48 ist
als ein Quadrat dargestellt. Das Abstandsstück 44 ist entlang
den Spiegeln 48aa, 48ab, 48ai und 48aj zentriert,
wobei jeder Spiegel eine Kante coplanar mit einer entsprechenden
Ecke des Abstandsstücks 44 hat,
wie in 7 gezeigt ist.
-
8A zeigt
eine Draufsicht auf Pixelzellen 12 und 12a des
SLM 10, die durch das unter Bezugnahme auf die 2A–2D beschriebene
Verfahren hergestellt sind. Die Spiegel 48 und 48a drehen sich
um die Achse, die durch die dünnen
Scharniere 50 und 50a definiert wird. Die Bewegung
der Spiegel 48 und 48a wird durch die Bewegungsanschläge 49 und 49a begrenzt,
die sich zu dem optisch durchlässigen
Substrat 20, an dem die Spiegel 48 und 48a befestigt
sind (siehe 3B), hin bewegen und gelegentlich
darauf auftreffen. In einem Ausführungsbeispiel
stellen die diagonalen Linien den Bereich dar, der eine relativ
dicke Siliziumnitridschicht im Vergleich zu den dünneren Scharnieren
umfasst. Diese Verstärkung
versteift mechanisch die Spiegel 48 und 48a, während die
Flexibilität
in den Scharnieren 50 und 50a beibehalten wird.
Eine ähnliche
Verstärkung ist
in den 8B–8E zu
sehen.
-
Es
gibt viele mögliche
Abwandlungen in dem Design des Spiegels 48, die die optisch
aktive Komponente des SLM 10 bilden. Die 8A–8D zeigen
Abwandlungen, in denen der Bewegungsanschlag 49 und der
Spiegel 48 im Wesentlichen coplanar sind. Ein Ausführungsbeispiel
hat zwei Bewegungsanschläge 498B , wie in 8B gezeigt
ist. In 8C sind die Scharniere 508C direkt mit den Bewegungsanschlägen 498C verbunden. Die Ausführungsbeispiele
der 8C und 8D sind ähnlich mit
der Ausnahme, dass 8D nur einen Bewegungsanschlag 498D zeigt. Die 8E zeigt
Stützen 518E , die nebeneinander liegen. Die Pixelzelle 128E von 8E hat überhaupt
keine Bewegungsanschläge und
ist höchst
nützlich,
wenn der SLM 10 nur bei geringem VSchnappen arbeitet.
-
In
den in den 8F und 8G gezeigten Ausführungsbeispielen
arbeiten die Scharniere 608F und 508G durch Verbiegen und nicht durch Torsion. "Verbiegung" bedeutet, dass die
Enden der Scharniere 508F und 508G fixiert sind, und dass die Winkelauslenkung
der Spiegel 488F und 488G bewirkt, dass die Scharniere 508F und 508G winkelmäßig an dem
mittleren Abschnitt der Scharnier 508F und 508G ausgelenkt werden, so dass bewirkt
wird, dass die Scharniere 508F und 508G entlang der Längsrichtung der Scharnier 508F und 508G gestreckt
werden. Die Scharniere 508F und 508G von 8F und 8G haben
Scharnierstützen 518F und 518G ,
die die Scharniere 508F und 508G nach unten mit dem optisch durchlässigen Substrat 20 verbinden
(1, 2A, 2B, 2C, 2D, 2E, 2F, 3A, 3B, 9A, 9B, 9C, 9D, 10A, 10B, 10C, 11A, 11B, 11C, 12 und 13).
Diese Scharniere 508F und 508G biegen sich in Längsrichtung und nicht durch
Torsion. In diesem Ausführungsbeispiel
der Scharniere 508F und 508G steigt die mechanische Rückholkraft
bei einer Auslenkung mit einer Abhängigkeit schneller als linear an,
da die Belastung primär
eine Dehnungsbelastung ist. Ein Scharnier 508F oder 508G mit dieser Charakteristik kann nützlich sein,
wenn der Spiegel 48 in analoger Weise betrieben wird, da
der Umschnappwinkel (und damit VSchnappen)
erhöht
wird. In 8H hat das Scharnier 508H das Design eines Auslegers und arbeitet
ebenfalls durch Verbiegung und nicht durch Torsion.
-
Ein
zweites Herstellungsverfahren, um den mikro-mechanischen SLM 10 dieser
Erfindung herzustellen, ist im Querschnitt in den 9A–9D und
in 10A gezeigt. Dieses Verfahren verwendet mehrfache
Siliziumnitrid-Schichten, um eine Spiegeltyp-Anordnung mit einem
höheren
Blendenverhältnis (Bruchteil
der optisch aktiven Fläche)
zu erreichen, als dies mit dem in den 2A–2F zusammengefassten
Verfahren möglich
ist. Dies trifft teilweise zu, weil der Spiegelanschlag 4910A (10A)
und der Spiegelanschlag 4810A (10A) in unterschiedlichen Ebenen liegen. Das optisch
durchlässige
Substrat 20 ist aus Materialien, beispielsweise Quarz, hergestellt,
die die nachfolgenden Bearbeitungstemperaturen aushalten können. In
diesem Verfahren wurde die Abscheidung der Licht-blockierenden Blendenschicht 22 und
der Schutzschicht 24, die in den 1, 2A, 2B und 2C gezeigt sind,
weggelassen, sie könnten
jedoch in einem ersten Schritt des Verfahrens hinzugefügt werden.
-
Ein
Sacrificialschicht 2610A (beispielsweise eine
etwa 0,5 μm
dicke amorphe Siliziumschicht mit LPCVD gezogen) wird abgeschieden.
Nachdem die Löcher 2510A durch das optisch durchlässige Substrat 20 mit
einem Muster hergestellt sind, wie in 9A gezeigt
ist, wird die Bewegungsanschlagsschicht (beispielsweise eine 150
nm dicke Siliziumnitridschicht mit geringer Stressbelastung und
mit LPCVD gezogen) abgeschieden und mit Mustern bearbeitet, um den
Bewegungsanschlag 4910A mit einer
scharten Kontaktspitze 90 zu bilden.
-
Als
Nächstes
wird eine Scharnierschicht (beispielsweise eine 40 nm dicke Schicht
aus Siliziumnitrid mit geringer Stressbelastung) gezogen und dann
mit Muster bearbeitet, um das Torsionsscharnier 5010A zu
definieren, wie in 9B zu sehen ist. Eine zweite
Sacrificialschicht 27 wird abgeschieden (beispielsweise
eine etwa 0,25 μm
dicke, amorphe Siliziumschicht mit LPCVD gezogen) und mit Muster bearbeitet,
so dass ein Loch 25c nach unten zu dem Scharnier 5010A (9C) durchreicht.
Diese zweite Sacrificialschicht 2710A könnte mit
bekannten, chemisch-mechanischen Poliertechniken (CMP) poliert werden,
um eine flache Oberfläche
für die
nachfolgende Filmabscheidung zu erreichen. Da die nachfolgend abgeschiedenen
Schichten die strukturelle Spiegeltrageschicht 2810A ,
umfassen, zeigt die strukturelle Spiegeltrageschicht 2810A , eine verbesserte Flachheit und
damit eine bessere Reflexions-Gleichförmigkeit
und einen verbesserten Systemkontrast und eine verbesserte Helligkeit.
Schließlich
wird eine etwa 138 nm dicke, strukturelle Spiegeltrageschicht 2810A , aus Siliziumnitrid abgeschieden
und durch Muster bearbeitet, um die im Wesentlichen starre Spiegelplatte
zu bilden (9D).
-
Als
Nächstes
werden die Sacrificialschichten 2610A und 27 teilweise
unter Verwendung eines isotropen (beispielsweise Xenon-Difluorid-Gasätzung; das
100% SF6-Plasmaverfahren, auf das oben Bezug
genommen wurde, kann ebenfalls verwendet werden), Ätzverfahren
entfernt, und die gesamte Struktur wird beispielsweise mit einer
sehr dünnen Schicht
(30 nm) Aluminium (reflektierende Schicht 3210A ,
von 10A) beschichtet, die sowohl
hoch reflektierend ist auch dazu dient, die Spiegel elektrisch miteinander
zu verbinden, wie oben beschrieben wurde.
-
Schließlich werden
die Spiegel durch ein zweites, isotropes Ätzverfahren (beispielsweise
eine Xenon-Difluorid-Gasätzung),
die die Sacrificialschicht 2610A vollständig entfernt,
voll freigesetzt. Die Spiegel sind nun bereit, mit dem Schaltungssubstrat 34,
das die Adressierungsschaltung enthält, unter Verwendung von beispielsweise
denselben Techniken verbunden zu werden, die oben unter Bezugnahme
auf 2 und 3 beschrieben
wurden. Auf diese Weise wird eine Scharnier-Unterstruktur hergestellt,
in der ein Scharnier 5010A , das
transparent sein kann, zwischen dem optisch durchlässigen Substrat 20 und
dem Spiegel 48 angeordnet ist.
-
Die 10A–10C zeigen Ausführungsbeispiele der Scharnier-Unterstruktur,
die unter Verwendung des oben beschriebenen Verfahrens hergestellt
wurde. Zum Zwecke der Klarheit sind die SLMs 1010A –1010D um 90° gedreht, so dass die Scharniere 5010A –5010D sichtbar sind. 10A zeigt eine Zelle 1210A mit
einem Torsionsscharnier 5010A und
einem Bewegungsanschlag 4910A ,
der mittig angeordnet ist. Diese Vorrichtung ist maßstabsgerecht
in einem Feld ähnlicher
Strukturzellen in 14 gezeigt. 10B zeigt ein Ausführungsbeispiel mit zwei Bewegungsanschlägen 4910B . 10C zeigt
eine Vorrichtung, die zwei bandartige Scharniere 4910C verwendet,
die für
sich ebenfalls die "Bewegungsanschlags"-Funktionalität in zweierlei Hinsicht liefern.
Wenn der Spiegel 4810C ausgelenkt
wird, nimmt das Scharnier 5010C , das
in der nicht ausgelenkten Position gerade sein kann, eine S-Form
aufgrund eines Drehmoments an, das von dem Spiegel 4810C ausgeübt wird. Wenn die Winkelauslenkung
des Spiegels 4810C zunimmt, strecken
sich die Scharniere 5010C , und
sie biegen sich auch. Somit nimmt die mechanische Rückholkraft
für den
Spiegel 4810C mehr als mit einer
linearen Rate in Bezug auf die Winkelauslenkung zu. Diese nicht-lineare
Eigenschaft ist eine Art und Weise, durch die die Scharniere 5010C so funktionieren, dass sie die "Bewegungsanschlags"-Funktionalität liefern,
selbst ohne das optisch durchlässige
Substrat 20 zu kontaktieren. Eine zweite Art und Weise,
mit der die Bewegungsanschlags-Funktionalität mit dieser
Struktur erreicht wird, ist durch einen Kontakt zwischen dem Spiegel 4810C und den Scharnieren 5010C .
-
10D zeigt noch ein anderes Ausführungsbeispiel
einer Torsionsscharniervorrichtung, bei dem der Schritt der Abscheidung
einer Bewegungsanschlagsschicht eliminiert werden kann, da es separat
hergestellte Bewegungsanschläge
nicht ausnutzt. In dem Ausführungsbeispiel
von 10D werden Kontakte 5110D durch Löcher in der ersten Sacrificialschicht
ausgebildet. Ein bandförmiges
Scharnier 5010D wird auf der ersten
Sacrificialschicht ausgebildet. Eine zweite Sacrificialschicht wird über dem Scharnier 5010D und der ersten Sacrificialschicht
ausgebildet und mit einem Loch geformt, das einen zentralen Abschnitt
des Scharniers 5010D freilegt.
Der Kontakt 51α wird durch das Loch
geformt, und eine einzige Schicht, die den Spiegel 4810D und den Bewegungsanschlag 4910D bildet, wird auf der Oberseite der
zweiten Sacrificialschicht abgeschieden. Die zwei Sacrificialschichten
werden dann entfernt, um den Spiegel 4810D und
den Bewegungsanschlag 4910D freizusetzen.
-
Ein
drittes Herstellungsverfahren zur Herstellung des mikromechanischen,
räumlichen
Lichtmodulators (SLM) dieser Erfindung ist im Querschnitt in den 11A–11C und 12 gezeigt.
Dieses Verfahren verwendet ebenfalls mehrfache Siliziumnitridschichten,
um eine Spiegel-artige Struktur mit einem hohen Blendenverhältnis (Bruchteil
der optisch aktiven Fläche)
zu erreichen als es mit dem Verfahren möglich ist, das in 2 dargestellt ist. Das optisch durchlässige Substrat 20 ist
aus einem Material, beispielsweise Glas, hergestellt, das die nachfolgenden
Bearbeitungstemperaturen aushalten kann. In diesem Verfahren wurden
die Abscheidung der Licht-blockierenden Blendenschicht 22 und
der Schutzschicht 24 aus dem Verfahren weggelassen, sie
könnten
jedoch an dem ersten Schritt des Verfahrens hinzugefügt werden.
-
Als
Erstes wird das optisch durchlässige Substrat 20 bemustert
und geätzt,
so dass kleine Erhöhungen 111 als
Kontaktpunkte ausgebildet werden, wie in 11A zu
sehen ist. Als Nächstes
wird eine 0,5 μm
dicke, amorphe Silizium-Sacrificialschicht 2612 mit
LPCVD abgeschieden, die gelegentlich entfernt werden wird. Darauf
folgt die Abscheidung einer strukturellen, 138 nm dicken Spiegeltrageschicht 2812 aus Siliziumnitrid, die bemustert
wird, um eine im Wesentlichen starre Spiegelplatte 2812 zu bilden (11B).
Als Nächstes
wird eine zweite Sacrificialschicht 2712 abgeschieden
und bemustert, so dass das Loch 29β bis
zu der Spiegelplatte 28 nach unten reicht, so dass die
Löcher 2912 zu den Erhöhungen 111 nach unten
reichen. Eine etwa 40 nm dicke Siliziumnitrid-Scharnierschicht 2912 geringer Stressbelastung wird dann
gezogen und bemustert, um die Torsionsscharniere zu bilden, wie
in 11C zu sehen ist.
-
Als
Nächstes
werden die Sacrificialschichten 2612 und 2712 unter Verwendung eines isotropen
Xenon-Difluoridätzverfahrens
mit einer Ätzselektivität von über 100
zu 1 (ein 100% SF6-Plasmaverfahren kann
ebenfalls verwendet werden) teilweise entfernt, und die gesamte
Struktur wird mit einer sehr dünnen Schicht
(30 nm) aus Aluminium beschichtet, die sowohl in hohem Maße reflektierend
ist als auch dazu dient, die Spiegel elektrisch miteinander zu verbinden.
Schließlich
werden die Spiegel durch ein zweites Xenon-Difluoridätzverfahren
vollständig
freigesetzt, indem die Sacrificialschicht 2612 vollständig entfernt
wird. Die Spiegel sind nun bereit, mit dem Halbleitersubstrat, das
die Adressschaltung enthält, verbunden
zu werden, wobei dieselben Substratverbindungstechniken verwendet
werden, die oben unter Bezugnahme auf 2 und 3 beschrieben wurden.
-
12 zeigt
ein Ausführungsbeispiel
einer Struktur, die unter Verwendung des obigen Verfahrens hergestellt
ist. Die Stützen 5112 werden durch die Abscheidung der
Siliziumnitridscharnierschicht durch die Löcher 2912 gebildet.
Das Scharnier 5012 wird aus der
Scharnierschicht 2912 hergestellt.
Der Spiegel 4812 ist die Spiegelplatte 2812 , die in 11B gezeigt
ist. Der Spiegel ist über
die Stütze 51a an dem
Scharnier 5012 befestigt. Der Spiegel 4812 ist aufgrund der Stützen 5112 in der nicht-ausgelenkten Position
von dem optisch durchlässigen
Substrat 20 getrennt.
-
Ein
einziger quadratischer Spiegel ist nicht die einzige Möglichkeit
für ein
mögliches,
reflektierendes, auslenkbares Element 48; andere Designs, beispielsweise
ein Kleeblattdesign oder ein gitterartiges Design sind möglich. Beispielsweise
kann eine Zeile dünnere
Spiegel, die alle gleichzeitig ausgelenkt werden, ein schaltbares
Brechungsgitter bilden. Es ist auch möglich, dass das reflektierende,
auslenkbare Element eine mit Metall beschichtete Membran ist. Das
Design des auslenkbaren Elements kann auch so ausgeführt werden,
dass ein Teil des Elements sich von dem tiefer liegenden Substrat
weg bewegt, statt sich darauf zuzubewegen. Die Spiegelelemente können auch
so ausgeführt
werden, dass sie in mehr als einer Richtung ausgelenkt werden, d.h.
dass sie mehr als einen kontrollierbaren Freiheitsgrad haben.
-
Wenn
der Modulator so betrieben wird, dass das reflektierende, auslenkbare
Element das Schaltungssubstrat bei einer Betätigung berührt, wie es bei dem Vorrichtungs-Ausführungsbeispiel
auftreten würde,
das in 8E gezeigt ist, kann eine zusätzliche
Struktur zu dem Schaltungssubstrat hinzugefügt werden. Beispielsweise können in
einer Spiegelvorrichtung vorstehende Erhöhungen hergestellt werden,
um den tatsächlichen
in Kontakt tretenden Oberflächenbereich
zu reduzieren. Die Erhebungen sind vorzugsweise auf demselben elektrischen
Potential wie der Spiegel, um eine Schweißung bei Kontakt zu vermeiden.
Zusätzlich
kann eine leitfähige,
transparente Schicht, beispielsweise Indium-Zinnoxid, vor der Schutzschicht 24 abgeschieden
werden. Eine Vorspannung, die zwischen der leitfähigen, transparenten Schicht
und den Spiegeln angelegt wird, zieht die Spiegel aktiv zu dem oberen
Substrat 20 hin und setzt sie in ihren Aus-Zustand zurück.
-
Es
gibt viele unterschiedliche Verfahren, um die elektrische Schaltung
herzustellen, die die Adressierungsfunktion durchführt. DRAM,
SRAM und passive Adressierungsschemata, die oben beschrieben wurden,
und auch Verriegelungsvorrichtungen, die im Stand der Technik bekannt
sind, können
alle die Adressierungsfunktionen durchführen. Das Schaltungssubstrat
kann transparent sein, beispielsweise Quarz. In diesem Fall können die
Transistoren aus Polysilizium im Vergleich zu kristallinem Silizium
hergestellt werden.
-
In
einem Ausführungsbeispiel
kann die Blendenschicht 22 ferner modifiziert werden, so
dass sie ein beliebiges, binäres,
optisches Muster umfasst. Zusätzlich
können
planare, optische Komponenten in das optisch durchlässige Substrat 20 entweder
an der oberen Oberfläche 16 oder
der unteren Oberfläche 14 des
optisch durchlässigen
Substrats 20 integriert werden. Einige von vielen möglichen
Strukturen umfassen Farbfilter, die aus einer Schicht oder einem
Stapel von Schichten zusammengesetzt sind, Mikrolinsen und Farb-streuende
oder -beugende Merkmale. Siehe beispielsweise Jahns und Huang, "Planar Integration
of Free-Space Optical components",
Applied Optics, Band 28, Nr. 9, 1. Mai 1989. Die Fähigkeit,
diese optische Funktionalität
in das optisch durchlässige
Substrat zu integrieren, kann das erreichbare Kontrastverhältnis vergrößern und
senkt Kosten, indem die Kosten der im freien Raum angeordneten Optik
auf dem Systemniveau reduziert wird. In vielen Ausführungsbeispielen
dieser Erfindung können
die Spiegelplatten selbst optische Funktionalität über die einfache Reflexionsfähigkeit
hinaus umfassen. Beispielsweise können die Spiegel aus einer Vielzahl,
im Wesentlichen transparenter Schichten bestehen, um Filterungsfähigkeit
hinzuzufügen
oder die Reflexionsfähigkeit
von gewissen Wellenlängen im
Vergleich zu anderen zu verbessern. Dies ist beispielsweise als
ein Mittel, um Farbfehler in dem optischen System auszugleichen,
beispielsweise das Spektrum einer Beleuchtungslampe, auszugleichen.
-
Es
gibt viele Modifikationen des Herstellungsverfahrens, die gemacht
werden können.
Statt der Verwendung eines Epoxyharzes, um die beiden Substrate
miteinander zu verbinden, können
andere Materialien, beispielsweise Metalle, die bei erreichbaren
Verfahrenstemperaturen schmelzen, oder Thermoplaste verwendet werden.
In jedem Schema können
die Abstandshalter, die die Substrate unter Abstand halten, auf
einem der Substrate ausgebildet werden. Es ist wichtig, festzustellen,
dass das Verfahren der Ablenkung nicht notwendigerweise auf die elektrostatische
begrenzt ist: thermische und piezoelektrische Bestätigung sind
unter den alternativen Möglichkeiten.
Es kann auch eine elektrische Verbindung von einem oberen zu einem
unteren Substrat an jedem Pixel vorhanden sein, wobei Elemente,
die jedes Pixel ausmachen, bei ihrem eigenen elektrischen Potential
gehalten werden können.
Eine chemisch-mechanische Polierung (CMP) kann an verschiedenen
Stadien während
des Herstellungsverfahrens hinzugefügt werden, beispielsweise nach
der Abscheidung der Schutzschicht auf der Oberseite der bemusterten
Blendenschicht oder nach der Abscheidung der Spiegelschicht, um
die optisch aktive Fläche
des Spiegels so flach wie möglich
zu machen.
-
Viele
Materialien können
bei den mikromechanischen Elementen ausgetauscht werden: eine Möglichkeit
ist die Verwendung eines anderen Typs von Keramik (beispielsweise
Siliziumdioxid) für
den Spiegel oder selbst die Herstellung des Spiegels vollständig aus
einem Metall (beispielsweise Aluminiumlegierung). Es gibt auch viele
Möglichkeiten
für das Material
der Sacrificialschicht, beispielsweise Siliziumdioxid. Silizium
könnte
auch statt des Wolfram als Gittermaterial verwendet werden. Dies
würde das Verfahren
kompatibler mit den Abscheidungsvorrichtung für Siliziumnitrid machen, die
für die CMOS-Chipproduktion
verwendet werden. Das Gitter und die zugehörige Schutzschicht können auch völlig weggelassen
werden. Eine noch andere Kombination von Materialien wäre Silizium
(beispielsweise LPCVD-polykristallines Silizium) für die auslenkbaren
Elemente (beispielsweise Spiegel) und Siliziumdioxid (beispielsweise
LPCVD gezogen) für
die Sacrificialschicht. Das Siliziumoxid kann mit Fluorwasserstoffsäure weggeätzt werden,
und die Trocknung kann unter Verwendung bekannter Kritisch-Punkt-Trocknungs-Techniken
erreicht werden, um eine haftungsfreie Spiegelfreigabe zu erleichtern. Die
Abstandsstücke
können
auch aus einer großen Vielzahl
von Materialien hergestellt werden, einschließlich verschiedener Polymere,
Oxide oder Metalle.
-
Zusammenfassend
ist der SLM 10 dieser Erfindung eine Vorrichtung, die viele
erwünschte
Eigenschaften zeigt, einschließlich
einer hohen Auflösung, einem
hohen optischen Wirkungsgrad, einem hohen Kontrastverhältnis oder
einer Modulationstiefe und einer hohen mechanischen Zuverlässigkeit.
Der SLM 10 hat Anwendungsfälle in einer großen Vielzahl
von Bereichen einschließlich
der Projektionsanzeigesysteme. Niedrige Umschaltspannungen und das
neue Design des SLM 10 ermöglicht es, dass eine Standard-CMOS-Schaltung
als Adressierungsmechanismus verwendet werden kann. Die auslenkbaren
Elemente selbst können
unter Verwendung von Standardverfahren, die in Silizium-CMOS-Herstellungseinrichtungen
vorhanden sind, auf einem separaten Substrat hergestellt werden.
-
Beide
Substrate können
unter Verwendung relativ großer
Merkmale und mit Einrichtungen geringer als der Stand der Technik
hergestellt werden. Diese Faktoren bewirken, dass der SLM 10 leicht
und mit geringen Kosten hergestellt werden kann.