DE69834847T2

DE69834847T2 - Reflektierender räumlicher lichtmodulator mit doppelsubstrat und selbstbeschränkenden mikromechanischen elementen

Info

Publication number: DE69834847T2
Application number: DE69834847T
Authority: DE
Inventors: Gerrit Andrew Mountain View HUIBER
Original assignee: Reflectivity Inc
Current assignee: Reflectivity Inc
Priority date: 1998-09-24
Filing date: 1998-09-24
Publication date: 2007-02-15
Anticipated expiration: 2018-09-25
Also published as: CN1232858C; EP1116063A1; KR20010106484A; EP1116063A4; AU9583798A; KR100635589B1; CN1309782A; WO2000017695A1; JP2002525676A; EP1116063B1; DE69834847D1

Description

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 V_Schnappen (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 V_Freigeben (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 V_Freigeben und V_Schnappen. In anderen Worten gibt es bei einer vorgegebenen speziellen Spannung zwischen V_Freigeben Und V_Schnappen 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 V_Freigeben und V_Schnappen. 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 V_Freigeben und V_Schnappen. 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 V_Schnappen (oder die Absenkung ist geringer als V_Freigeben, 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 τ_mechanisch, das durch die mechanische Rückholkraft des Scharniers 50 verursacht wird, näherungsweise linear relativ zu dem Auslenkungswinkel α. Andererseits gehorcht jede Kurve des elektrischen Drehmoments (τ_elektrisch), 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 = V_a) beispielhaft dargestellt ist, ein Gleichgewichtspunkt α_E vorhanden. Wenn der Spiegel 48 etwas mehr (oder weniger) als der Gleichsgewichtspunkt α_E 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 α_E 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 = V_b, wie durch die mittlere Kurve zu sehen ist), existiert der Gleichgewichtspunkt α_E 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 < V_b 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 V_Schnappen 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 –V_Freigeben. 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 49_8B , wie in 8B gezeigt ist. In 8C sind die Scharniere 50_8C direkt mit den Bewegungsanschlägen 49_8C verbunden. Die Ausführungsbeispiele der 8C und 8D sind ähnlich mit der Ausnahme, dass 8D nur einen Bewegungsanschlag 49_8D zeigt. Die 8E zeigt Stützen 51_8E , die nebeneinander liegen. Die Pixelzelle 12_8E von 8E hat überhaupt keine Bewegungsanschläge und ist höchst nützlich, wenn der SLM 10 nur bei geringem V_Schnappen arbeitet.
In den in den 8F und 8G gezeigten Ausführungsbeispielen arbeiten die Scharniere 60_8F und 50_8G durch Verbiegen und nicht durch Torsion. "Verbiegung" bedeutet, dass die Enden der Scharniere 50_8F und 50_8G fixiert sind, und dass die Winkelauslenkung der Spiegel 48_8F und 48_8G bewirkt, dass die Scharniere 50_8F und 50_8G winkelmäßig an dem mittleren Abschnitt der Scharnier 50_8F und 50_8G ausgelenkt werden, so dass bewirkt wird, dass die Scharniere 50_8F und 50_8G entlang der Längsrichtung der Scharnier 50_8F und 50_8G gestreckt werden. Die Scharniere 50_8F und 50_8G von 8F und 8G haben Scharnierstützen 51_8F und 51_8G , die die Scharniere 50_8F und 50_8G 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 50_8F und 50_8G biegen sich in Längsrichtung und nicht durch Torsion. In diesem Ausführungsbeispiel der Scharniere 50_8F und 50_8G steigt die mechanische Rückholkraft bei einer Auslenkung mit einer Abhängigkeit schneller als linear an, da die Belastung primär eine Dehnungsbelastung ist. Ein Scharnier 50_8F oder 50_8G mit dieser Charakteristik kann nützlich sein, wenn der Spiegel 48 in analoger Weise betrieben wird, da der Umschnappwinkel (und damit V_Schnappen) erhöht wird. In 8H hat das Scharnier 50_8H 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 49_10A (10A) und der Spiegelanschlag 48_10A (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 26_10A (beispielsweise eine etwa 0,5 μm dicke amorphe Siliziumschicht mit LPCVD gezogen) wird abgeschieden. Nachdem die Löcher 25_10A 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 49_10A 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 50_10A 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 50_10A (9C) durchreicht. Diese zweite Sacrificialschicht 27_10A 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 28_10A , umfassen, zeigt die strukturelle Spiegeltrageschicht 28_10A , 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 28_10A , aus Siliziumnitrid abgeschieden und durch Muster bearbeitet, um die im Wesentlichen starre Spiegelplatte zu bilden (9D).
Als Nächstes werden die Sacrificialschichten 26_10A 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 32_10A , 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 26_10A 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 50_10A , 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 10_10A –10_10D um 90° gedreht, so dass die Scharniere 50_10A –50_10D sichtbar sind. 10A zeigt eine Zelle 12_10A mit einem Torsionsscharnier 50_10A und einem Bewegungsanschlag 49_10A , der mittig angeordnet ist. Diese Vorrichtung ist maßstabsgerecht in einem Feld ähnlicher Strukturzellen in 14 gezeigt. 10B zeigt ein Ausführungsbeispiel mit zwei Bewegungsanschlägen 49_10B . 10C zeigt eine Vorrichtung, die zwei bandartige Scharniere 49_10C verwendet, die für sich ebenfalls die "Bewegungsanschlags"-Funktionalität in zweierlei Hinsicht liefern. Wenn der Spiegel 48_10C ausgelenkt wird, nimmt das Scharnier 50_10C , das in der nicht ausgelenkten Position gerade sein kann, eine S-Form aufgrund eines Drehmoments an, das von dem Spiegel 48_10C ausgeübt wird. Wenn die Winkelauslenkung des Spiegels 48_10C zunimmt, strecken sich die Scharniere 50_10C , und sie biegen sich auch. Somit nimmt die mechanische Rückholkraft für den Spiegel 48_10C 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 50_10C 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 48_10C und den Scharnieren 50_10C .
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 51_10D durch Löcher in der ersten Sacrificialschicht ausgebildet. Ein bandförmiges Scharnier 50_10D wird auf der ersten Sacrificialschicht ausgebildet. Eine zweite Sacrificialschicht wird über dem Scharnier 50_10D und der ersten Sacrificialschicht ausgebildet und mit einem Loch geformt, das einen zentralen Abschnitt des Scharniers 50_10D freilegt. Der Kontakt 51_α wird durch das Loch geformt, und eine einzige Schicht, die den Spiegel 48_10D und den Bewegungsanschlag 49_10D bildet, wird auf der Oberseite der zweiten Sacrificialschicht abgeschieden. Die zwei Sacrificialschichten werden dann entfernt, um den Spiegel 48_10D und den Bewegungsanschlag 49_10D 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 29_β 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.

Claims

Räumlicher Lichtmodulator umfassend ein optisch durchlässiges Substrat (20) mit einer oberen Oberfläche und einer unteren Oberfläche; wobei wenigstens ein reflektierendes, auslenkbares Element (48, 48a–48z, 48aa–48bc) an der unteren Oberfläche des optisch durchlässigen Substrats (20) angeordnet ist; dadurch gekennzeichnet, dass die reflektierenden, auslenkbaren Elemente wahlweise ausgelenkt werden, um Licht räumlich zu modulieren, das auf sie einfällt und dann durch das optisch durchlässige Substrat (20) zurück reflektiert wird, wobei ein Siliziumsubstrat (34) vorgesehen ist, das unterhalb und unter Abstand von der unteren Oberfläche des optisch durchlässigen Substrats (20) vorgesehen ist, wobei das Siliziumsubstrat (34) eine Adressierschaltung (36) enthält, die in der Lage ist, einen beliebigen Satz, der wenigstens einen, auslenkbaren Elemente (48, 48a–48z, 48aa–48bc) zu aktivieren.
Räumlicher Lichtmodulator nach Anspruch 1, ferner umfassend wenigstens eine Elektrode (42, 42a–42c), die mit der Adressierschaltung (36) verbunden ist, wobei jede einzelne der wenigstens einen Elektroden (42, 42a–42c) positioniert ist, um eines oder mehrere der wenigstens einen auslenkbaren Elemente (48, 48a–48z, 48aa–48bc) wahlweise auszulenken, wenn eine Vorspannung zwischen der wenigstens einen Elektrode (42, 42a–42c) und dem entsprechenden, auslenkbaren Element (48, 48a–48z, 48aa–48bc) angelegt wird.
Räumlicher Lichtmodulator nach Anspruch 1, wobei jedes der wenigstens einem auslenkbaren, reflektierenden Elemente (48, 48a–48z, 48aa–48bc) eine Metallschicht umfasst.
Räumlicher Lichtmodulator nach Anspruch 3, worin jedes der wenigstens einen auslenkbaren Elemente (48, 48a–48z, 48aa–48bc) ferner eine strukturelle Trägerschicht umfasst.
Räumlicher Lichtmodulator nach Anspruch 1, wobei wenigstens eines der wenigstens einen auslenkbaren Elemente (48, 48a–48z, 48aa–48bc) ferner eine im wesentlichen starre Platte umfasst, die an dem optisch durchlässigen Substrat (20) mit einem oder mehreren Torsionsscharnieren (50, 50a–50c, 508, 509, 5010) befestigt ist, die an einer Kante der Platte angeordnet sind, wobei die Platte um das Scharnier drehbar ist.
Räumlicher Lichtmodulator nach Anspruch 5, ferner umfassend ein Mittel zur Begrenzung der Kontaktfläche zwischen jedem der wenigstens einen reflektierenden Elemente (48, 48a–48z, 48aa–48bc) und dem Siliziumsubstrat (34).
Räumlicher Lichtmodulator nach Anspruch 5, ferner umfassend ein Mittel zur Begrenzung der Kontaktfläche zwischen jedem der wenigstens einen auslenkbaren Elemente (48, 48a–48z, 48aa–48bc) und dem optischen durchlässigen Substrat (20).
Räumlicher Lichtmodulator nach Anspruch 1, worin das optisch durchlässige Substrat (20) eine Blendenschicht (22) aufweist, wobei Licht nur durch einen Teil der unteren Oberfläche des optisch durchlässigen Substrats (20) hindurch treten kann.
Räumlicher Lichtmodulator nach Anspruch 1, worin das optisch durchlässige Substrat (20) fixierte optische Elemente umfasst.
Räumlicher Lichtmodulator nach Anspruch 1, worin jedes der wenigstens einen auslenkbaren Elemente (48, 48a–48z, 48aa–48bc) einen elektrisch leitfähigen Abschnitt umfasst und durch eine elektrostatische Kraft auslenkbar ist.
Räumlicher Lichtmodulator nach Anspruch 1, ferner umfassend ein Mittel zum elektrischen Verbinden von jedem der wenigstens einen auslenkbaren Elemente (48, 48a–48z, 48aa–48bc) mit dem Siliziumsubstrat (34).
Räumlicher Lichtmodulator nach Anspruch 1, worin jedes der wenigstens einen auslenkbaren Elemente (48, 48a–48z, 48aa–48bc) starr ist und durch flexible Scharniere an dem optisch durchlässigen Substrat (20) befestigt ist.
Räumlicher Lichtmodulator nach Anspruch 1, worin das wenigstens eine auslenkbare Element (48, 48a–48z, 48aa–48bc) eine Vielzahl von reflektierenden, auslenkbaren Elementen (48, 48a–48z, 48aa–48bc) umfasst, und worin die Vielzahl der reflektierenden, auslenkbaren Elemente (48, 48a–48z, 48aa–48bc) in eine Vielzahl von Unter-Sätzen gruppiert sind, wobei jeder Unter-Satz so orientiert ist, dass er einfallendes Licht selektiv in einen spezifischen Winkel ausrichtet.
Räumlicher Lichtmodulator nach Anspruch 1, worin wenigstens eins der wenigstens einen auslenkbaren Elemente (48, 48a–48z, 48aa–48bc aus einem Laminat einschließlich einer Metallschicht zusammengesetzt ist.
Räumlicher Lichtmodulator nach Anspruch 1, worin das Siliziumsubstrat (34) eine Elektrode (42, 42a–42c) umfasst, um eine elektrostatische Anziehung zwischen jedem der wenigstens einen reflektierenden, auslenkbaren Elemente und dem optisch durchlässigen Substrat (20) zu erzeugen.
Räumlicher Lichtmodulator nach Anspruch 1, worin jedes der wenigstens einen auslenkbaren Elemente einen Spiegel umfasst, der einen Winkel in Bezug auf das optisch durchlässige Substrat (20) hat, wobei der Winkel kontinuierlich durch Betätigung einer entsprechenden Elektrode (42, 42a–42c) in der Adressierschaltung (36) variiert werden kann.
Räumlicher Lichtmodulator nach Anspruch 1, worin jedes der wenigstens einen auslenkbaren Elemente ferner einen Spiegelanschlag (39) aufweist, der starr mit dem Spiegel verbunden ist, so dass, wenn der Winkel größer wird, ein freies Ende des Spiegelanschlags (39) sich näher zu dem optisch durchlässigen Substrat (20) hin bewegt.
Räumlicher Lichtmodulator nach Anspruch 17, worin der Spiegelanschlag (49) so konstruiert ist, dass ein freies Ende des Spiegels von dem Siliziumsubstrat (34) getrennt ist, wenn das freie Ende des Spiegelanschlags (49) in Kontakt mit dem optisch durchlässigen Substrat (20) ist.
Räumlicher Lichtmodulator nach Anspruch 17, worin jedes der wenigstens einen auslenkbaren Elemente (48, 48a–48z, 48aa–48bc) mit dem Siliziumsubstrat (34) durch ein Scharnier (50, 50a–50c, 508, 509, 5010) verbunden ist, so dass sich jedes der wenigstens einen auslenkbaren Elemente (48, 48a–48z, 48aa–48bc) frei um ein entsprechendes Scharnier (42, 42a–42c) drehen kann, wobei der Spiegelanschlag (49) mit dem Scharnier (42, 42a–42c) gegenüber liegend zu dem Spiegel verbunden ist.
Räumlicher Lichtmodulator nach Anspruch 17, worin der Spiegelanschlag (49) eine scharfe Kontaktspitze aufweist, die konfiguriert ist, um das optisch durchlässige Substrat (20) zu kontaktieren, wenn der Winkel auf einem maximalen Wert ist.
Räumlicher Lichtmodulator nach Anspruch 17, worin der Spiegelanschlag (49) in einer Ebene mit dem Spiegel ist.
Räumlicher Lichtmodulator nach Anspruch 17, worin der Spiegelanschlag (49) und das optisch durchlässige Substrat (20) elektrisch miteinander verbunden sind.
Räumlicher Lichtmodulator nach Anspruch 1, worin wenigstens eines der wenigstens einen auslenkbaren Elemente (48, 48a–48z, 48aa–48bc) umfasst: – eine Spiegelplatte; und – ein Scharnier (50, 50a–50c, 508, 509, 5010), das die Spiegelplatte mit dem optisch durchlässigen Substrat (20) verbindet, wobei das Scharnier (50, 50a–50c, 508, 509, 5010) so strukturiert ist, dass, wenn eine Kraft auf die Spiegelplatte ausgeübt wird, eine Durchbiegung in dem Scharnier (50, 50a–50c, 508, 509, 5010) auftritt, und dass als Resultat ein Winkel zwischen der Spiegelplatte und dem optisch durchlässigen Substrat (20) sich ändert.
Räumlicher Lichtmodulator nach Anspruch 23, worin das Scharnier (50, 50a–50c, 508, 509, 5010) in einer von der Spiegelplatte unterschiedlichen Ebene liegt.
Räumlicher Lichtmodulator nach Anspruch 23, worin das Scharnier (50, 50a–50c, 508, 509, 5010) aus im Wesentlichen transparentem Material zusammengesetzt ist.
Räumlicher Lichtmodulator nach Anspruch 23, worin die Spiegelplatte zwischen dem Scharnier (50, 50a–50c, 508, 509, 5010) und dem optisch durchlässigen Substrat (20) angeordnet ist.
Räumlicher Lichtmodulator nach Anspruch 1, worin wenigstens eines der wenigstens einen auslenkbaren Elemente (48, 48a–48z, 48aa–48bc), wenn es aktiviert wird, eine Auslenkung zu der Adressierschaltung (36) hin erfährt.
Räumlicher Lichtmodulator nach Anspruch 1, wobei eine Spannung der Adressierschaltung (36), die erforderlich ist, um zu bewirken, dass das wenigstens eine auslenkbare Element (48, 48a–48z, 48aa–48bc) zu der Adressierschaltung (36) hin schnappt, größer ist als eine Spannung der Adressierschaltung (36), bei der das auslenkbare Element (48, 48a–48z, 48aa–48bc) von der Adressierschaltung (36) freigegeben wird.
Räumlicher Lichtmodulator nach Anspruch 1, worin der räumliche Lichtmodulator (10) einen Abschnitt eines zweidimensionalen Feldes von räumlichen Lichtmodulatoren umfasst.
Räumlicher Lichtmodulator nach Anspruch 1, worin die Adressierschaltung (36) ein Speicherfeld umfasst.
Räumlicher Lichtmodulator nach Anspruch 30, worin das Speicherfeld ein DRAM Speicherfeld umfasst.
Räumlicher Lichtmodulator nach Anspruch 1, worin das Speicherfeld ein SRAM Speicherfeld umfasst.
Räumlicher Lichtmodulator nach Anspruch 1, worin das Siliziumsubstrat (34) einen Abschnitt eines Siliziumwavers umfasst.
Räumlicher Lichtmodulator nach Anspruch 1, worin das optisch durchlässige Substrat (20) Quarz umfasst.
Räumlicher Lichtmodulator nach Anspruch 1, ferner umfassend: – eine Lichtquelle (64), die konfiguriert ist, um eine elektromagnetische Strahlung auf wenigstens eines der reflektierenden, auslenkbaren Elemente (48, 48a–48z, 48aa–48bc) auftreffen zu lassen; und – eine Abbildungsoptik (66), die konfiguriert ist, um wenigstens einen Teil der reflektierten elektromagnetischen Strahlungen zu empfangen.
Räumlicher Lichtmodulator nach Anspruch 1, worin wenigstens ein auslenkbares Element (48, 48a–48z, 48aa–48bc) umfasst: – eine optisch transparente Trägerschicht; und – eine reflektierende Schicht
Räumlicher Lichtmodulator nach Anspruch 36, worin die optisch durchlässige Trägerschicht eine Siliziumnitridschicht umfasst.
Räumlicher Lichtmodulator nach Anspruch 36, worin die reflektierende Schicht eine Aluminiumschicht umfasst.
Räumlicher Lichtmodulator nach Anspruch 1, ferner umfassend eine Spannungsquelle, die konfiguriert ist, um eine Vorspannung auf einen oder mehrere Unter-Sätze der wenigstens einen, reflektierenden, auslenkbaren Elemente (48, 48a–48z, 48aa–48bc) anzulegen.
Räumlicher Lichtmodulator nach Anspruch 1, umfassend: – ein Feld von Elektroden (42, 42a–42c) auf einem Siliziumsubstrat (34); – ein optisch durchlässiges Substrat (20), das ein Feld von leitfähigen, reflektierenden, auslenkbaren Elementen (48, 48a–48z, 48aa–48bc) hat, die zu dem Feld der Elektroden (42, 42a–42c) korrespondieren und an der Unterseite befestigt sind.
Räumlicher Lichtmodulator nach Anspruch 40, worin: – die reflektierenden, auslenkbaren Elemente (48, 48a–48z, 48aa–48bc) elektrisch in Reihen miteinander verbunden sind; – die Elektroden (42, 42a–42c) elektrisch in Spalten miteinander verbunden sind, die die Zeilen von Pixel-Orten kreuzen; wobei individuelle Pixel durch wahlweises Anlegen von geeigneten Zeilen- und Spaltenvorspannungen und durch Erzeugen elektrostatischer Anziehung ein- und ausgeschaltet werden können.
Reflektierende, räumliche Lichtmodulatorstruktur nach Anspruch 40, worin das optisch durchlässige Substrat (20) eine Blendenschicht (22) enthält, worin die Blendenschicht einen Durchtritt von Licht nur durch einen Unter-Satz der Substratfläche gestattet.
Verfahren zur Herstellung eines räumlichen Lichtmodulators, wobei das Verfahren umfasst: – Abscheiden einer Sacrificial-Schicht (26) über einem optisch durchlässigen Substrat (20); – Ätzen eines Lochs (25) durch die Sacrificial-Schicht (26), wobei das Loch (25) die Befestigung von nachfolgenden Schichten an dem Substrat gestattet; – Abscheiden einer reflektierenden Schicht (28) über der Sacrificial-Schicht (26); – Verbinden der reflektierenden Schicht (28) mit dem optisch durchlässigen Substrat (20) durch das Loch (25); – Bemustern der reflektierenden Schicht (28), um eines oder mehrerer reflektierender, auslenkbare Elemente (48, 48a–48z, 48aa–48bc) zu definieren; – Entfernen der Sacrificial-Schicht (26), so dass die reflektierenden Elemente (48, 48a–48z, 48aa–48bc) frei sind und ausgelenkt werden können; – Ausbilden einer Adressierschaltung (36) und von Elektroden (42, 42a–42c) auf einem Siliziumsubstrat (34); und – Ausrichten und Verbinden des optisch durchlässigen Substrats (20) und des Siliziumsubstrats (34), wobei die reflektierenden, auslenkbaren Elemente wahlweise durch die Adressierschaltung (36) und die Elektroden (42, 42a–42c) aktiviert werden können.
Verfahren nach Anspruch 43, worin eine Blendenschicht (22) auf dem optisch durchlässigen Substrat (20) vor der Abscheidung der Sacrificial-Schicht (26) auf dem optisch durchlässigen Substrat (20) abgeschieden wird, wobei die Blendenschicht (22) den Durchtritt von Licht nur durch einen Unter-Satz der Substratfläche gestattet.
Verfahren nach Anspruch 43, worin das Entfernen der Sacrificial-Schicht (26) das Ätzen der Sacrificial-Schicht durch eine XeF2-Gasphasen-Ätzung umfasst, um das reflektierende, auslenkbare Element (48, 48a–48z, 48aa–48bc) außer an einem Scharnier (50, 50a–50c, 508, 509, 5010) freizugeben, das dass reflektierende auslenkbare Element (48, 48a–48z, 48aa–48bc) mit dem optisch durchlässigen Substrat (20) verbindet.
Verfahren nach Anspruch 43, worin das Abscheiden der reflektierenden Schicht umfasst: – Abscheiden einer ersten dielektrischen Schicht mit einem ersten Brechungsindex; und – Abscheiden einer zweiten dielektrischen Schicht mit einem zweiten Brechungsindex, der sich von dem ersten Brechungsindex unterscheidet.
Verfahren nach Anspruch 43, worin die Bemusterung der reflektierenden Schicht umfasst: – Abscheiden einer optisch durchlässigen Schicht; – Bemusterung der optisch durchlässigen Schicht, um einen Spiegelanschlag (49) zu definieren, wobei der Spiegelanschlag (49) ein freies Ende hat; und – Abscheiden eines leitfähigen Materials (32) auf dem Spiegelanschlag (49), so dass das leitfähige Material (32) nicht mit dem optisch durchlässigen Substrat (20) in Kontakt kommt, wenn der Spiegelanschlag (49) das optisch durchlässige Substrat (20) kontaktiert.
Verfahren nach Anspruch 47, worin das Abscheiden eines leitfähigen Materials (32) das Abscheiden des leitfähigen Materials unter einem Winkel zu dem freien Ende des Spiegelanschlags (49) umfasst.