JP4362251B2 - マイクロエレクトリカルメカニカルシステム(mems)光変調器、mems光モジュール、mems光ディスプレイシステム、および、mems光変調方法 - Google Patents
マイクロエレクトリカルメカニカルシステム(mems)光変調器、mems光モジュール、mems光ディスプレイシステム、および、mems光変調方法 Download PDFInfo
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Description
【発明の属する技術分野】
本発明は、光変調器、光モジュール、光ディスプレイシステム、および、光変調方法に関し、より詳細には、マイクロエレクトリカルメカニカルシステム(microelectrical mechanical system、以下「MEMS」という)のMEMS光変調器、MEMS光モジュール、MEMS光ディスプレイシステム、および、MEMS光変調方法に関する。
【0002】
【従来の技術】
液晶ディスプレイなどのフラットパネル光ディスプレイシステムは周知であり、広く使用されている。多数のこのようなディスプレイ(たとえば、液晶ディスプレイ)は、偏光された照明光を必要とする。
【0003】
【発明が解決しようとする課題】
しかし、このようなディスプレイは、一般に、照明光を偏光すると光が大幅に減衰し、それによってディスプレイの輝度が低下したり、または比較的高価な光学構成要素が必要になるという問題がある。また、このようなディスプレイは、一般に、コントラスト比が低く、画像の鮮明度および全体の画像品質を低下させるという問題もある。さらに、このようなディスプレイは、一般に、複雑または困難な製造プロセスを必要とするという問題もある。
【0004】
本発明は、このような問題に鑑みてなされたものであって、その目的とするところは、マイクロエレクトリカルメカニカルシステム(MEMS)のアクチュエータを使用して光を変調するマイクロエレクトリカルメカニカル光ディスプレイシステムを提供することにある。当技術分野で周知のように、MEMSアクチュエータは、従来の半導体(たとえば、CMOS)製造プロセスによって半導体基板上に形成される非常に小型の構成要素の制御を実現する。MEMSシステムおよびアクチュエータは、マイクロマシンによるシステムオンチップ(micromachined systems−on−a−chip)と称されることがある。
【0005】
【課題を解決するための手段】
本発明は、このような目的を達成するために、請求項1に記載の発明は、マイクロエレクトリカルメカニカル光ディスプレイシステムであって、照明光を提供する照明光源と、前記照明光を受光して平行照明光を形成するコリメータレンズと、前記平行照明光を収束する複数の小型レンズで構成されたアレイを有する収束マイクロレンズアレイと、複数のピクセル開口部が延在する平坦な基板と、前記ピクセル開口部上で複数のマイクロエレクトリカルメカニカルシャッタを支持して選択的に位置決めする複数のマイクロエレクトリカルメカニカルアクチュエータとを含み、前記ピクセル開口部が前記収束マイクロレンズアレイから照明光を受光するように位置決めされており、前記マイクロエレクトリカルメカニカルシャッタの選択的な位置決めに従って前記照明光が選択的に通過するマイクロエレクトリカルメカニカル光変調器とを備え、前記マイクロエレクトリカルメカニカルアクチュエータは、自由端で固定された前記マイクロエレクトリカルメカニカルシャッタを有する旋回アームと、前記基板を横断するような平面内で前記マイクロエレクトリカルメカニカルシャッタの選択的な位置決めを行なうために、前記自由端と反対側の枠体基部において前記旋回アームに結合されたバックルビームとを備え、該バックルビームは、基部端縁において前記基板に固定されたアンカーに固定されており、前記マイクロエレクトリカルメカニカルシャッタは、前記小型レンズの焦点での光の遮断位置と、前記焦点から離れた光の伝送位置とを有し、前記自由端は、光の伝送位置にあるときに、前記基板から離れて前記バックルビームを湾曲することによって前記基板から離れて旋回し、さらに、前記マイクロエレクトリカルメカニカル光変調器を通過する照明光を受光するディスプレイ画面を備えることを特徴とする。
【0006】
また、請求項2に記載の発明は、請求項1に記載のマイクロエレクトリカルメカニカル光ディスプレイシステムにおいて、前記マイクロエレクトリカルメカニカル光変調器と前記ディスプレイ画面の間に配置され、前記照明光を前記ディスプレイ画面に投影する複数の小型レンズのアレイを有する投影マイクロレンズアレイを備えることを特徴とする。
【0007】
また、請求項3に記載の発明は、請求項1に記載のマイクロエレクトリカルメカニカル光ディスプレイシステムにおいて、前記マイクロエレクトリカルメカニカル光変調器の前記マイクロエレクトリカルメカニカルアクチュエータが、熱マイクロエレクトリカルメカニカルアクチュエータであることを特徴とする。
【0008】
また、請求項4に記載の発明は、請求項1に記載のマイクロエレクトリカルメカニカル光ディスプレイシステムにおいて、前記照明光源が1つのみの光源を備えることを特徴とする。
【0009】
また、請求項5に記載の発明は、請求項1に記載のマイクロエレクトリカルメカニカル光ディスプレイシステムにおいて、前記照明光源が色の異なる複数の光源を備えることを特徴とする。
【0010】
また、請求項6に記載の発明は、請求項1に記載のマイクロエレクトリカルメカニカル光ディスプレイシステムにおいて、複数の光源を交互に動作させ、フィールドシーケンシャルな方法で前記光源と協調して前記マイクロエレクトリカルメカニカルシャッタを制御するフィールドシーケンシャル制御器を備えることを特徴とする。
【0011】
また、請求項7に記載の発明は、請求項1に記載のマイクロエレクトリカルメカニカル光ディスプレイシステムにおいて、前記ディスプレイ画面が透過性ディスプレイ画面であることを特徴とする。
【0012】
また、請求項8に記載の発明は、請求項1に記載のマイクロエレクトリカルメカニカル光ディスプレイシステムにおいて、他のモジュールに嵌め合わせる、または係合することができるディスプレイモジュールを構成するためにディスプレイシステムを格納するハウジングを備えることを特徴とする。
【0013】
また、請求項9に記載の発明は、請求項1に記載のマイクロエレクトリカルメカニカル光ディスプレイシステムにおいて、前記照明光源が単色であることを特徴とする。
【0014】
更に、請求項10に記載の発明は、請求項1に記載のマイクロエレクトリカルメカニカル光ディスプレイシステムにおいて、前記照明光源が多色であることを特徴とする。
【0015】
請求項11に記載の発明は、マイクロエレクトリカルメカニカルマルチピクセル光変調器であって、複数のピクセル領域を有する平坦な基板と、複数のマイクロエレクトリカルメカニカルシャッタを支持して選択的に位置決めし、前記ピクセル領域に導かれた光を選択的に変調する複数のマイクロエレクトリカルメカニカルアクチュエータと、マイクロエレクトリカルメカニカルマルチピクセル光変調器に向けて光を収束するために用いられる小型レンズとを備え、前記マイクロエレクトリカルメカニカルアクチュエータは、自由端で固定された前記マイクロエレクトリカルメカニカルシャッタを有する旋回アームと、前記基板を横断するような平面内で前記マイクロエレクトリカルメカニカルシャッタの選択的な位置決めを行なうために、前記自由端と反対側の枠体基部において前記旋回アームに結合されたバックルビームとを備え、該バックルビームは、基部端縁において前記基板に固定されたアンカーに固定されており、前記マイクロエレクトリカルメカニカルシャッタは、前記小型レンズの焦点での光の遮断位置と、前記焦点から離れた光の伝送位置とを有し、前記自由端は、光の伝送位置にあるときに、前記基板から離れて前記バックルビームを湾曲することによって前記基板から離れて旋回することを特徴とする。
【0016】
また、請求項12に記載の発明は、請求項11に記載のマイクロエレクトリカルメカニカルマルチピクセル光変調器において、前記ピクセル領域の各々が、平坦な基板を貫いて延びる開口部を備えることを特徴とする。
【0017】
また、請求項13に記載の発明は、請求項11に記載のマイクロエレクトリカルメカニカルマルチピクセル光変調器において、前記ピクセル領域の各々が、平坦な基板上に反射器を備えることを特徴とする。
【0018】
また、請求項14に記載の発明は、請求項11に記載のマイクロエレクトリカルメカニカルマルチピクセル光変調器において、前記マイクロエレクトリカルメカニカルアクチュエータが熱アクチュエータであることを特徴とする。
【0021】
請求項15に記載の発明は、マイクロエレクトリカルメカニカル光モジュールであって、照明光を収束する複数の小型レンズのアレイを有する収束マイクロレンズアレイと、マイクロエレクトリカルメカニカル光変調器であって、複数のピクセル領域を有する平坦な基板と、前記ピクセル領域上で複数のマイクロエレクトリカルメカニカルシャッタを支持して選択的に位置決めし、前記収束マイクロレンズアレイからの光を選択的に変調する複数のマイクロエレクトリカルメカニカルアクチュエータとを備えるマイクロエレクトリカルメカニカル光変調器とを備え、前記マイクロエレクトリカルメカニカルアクチュエータは、自由端で固定された前記マイクロエレクトリカルメカニカルシャッタを有する旋回アームと、前記基板を横断するような平面内で前記マイクロエレクトリカルメカニカルシャッタの選択的な位置決めを行なうために、前記自由端と反対側の枠体基部において前記旋回アームに結合されたバックルビームとを備え、該バックルビームは、基部端縁において前記基板に固定されたアンカーに固定されており、前記マイクロエレクトリカルメカニカルシャッタは、前記小型レンズの焦点での光の遮断位置と、前記焦点から離れた光の伝送位置とを有し、前記自由端は、光の伝送位置にあるときに、前記基板から離れて前記バックルビームを湾曲することによって前記基板から離れて旋回し、さらに、複数の小型レンズのアレイを有し、前記マイクロエレクトリカルメカニカル光変調器からの変調光を受光して変調光を投影するように位置決めされた投影マイクロレンズアレイを備えることを特徴とする。
【0022】
また、請求項16に記載の発明は、請求項15に記載のマイクロエレクトリカルメカニカル光モジュールにおいて、前記収束マイクロレンズアレイと前記マイクロエレクトリカルメカニカル光変調器と前記投影マイクロレンズアレイとを格納または包含して、他のモジュールに嵌め合わせるように構成された取付け構造物を備えることを特徴とする。
【0023】
また、請求項17に記載の発明は、請求項15に記載のマイクロエレクトリカルメカニカル光モジュールにおいて、前記ピクセル領域の各々が、前記平坦な基板を貫いて延びる開口部を備えることを特徴とする。
【0024】
また、請求項18に記載の発明は、請求項15に記載のマイクロエレクトリカルメカニカル光モジュールにおいて、前記マイクロエレクトリカルメカニカルアクチュエータが熱アクチュエータであることを特徴とする。
【0027】
請求項19に記載の発明は、マイクロエレクトリカルメカニカル光ディスプレイであって、照明光を提供する照明光源と、前記照明光を受光して平行照明光を形成するコリメータレンズと、前記照明光を収束する複数の小型レンズのアレイを有する収束マイクロレンズアレイと、複数のピクセル領域を有する平坦な基板と前記ピクセル領域上で複数のマイクロエレクトリカルメカニカルシャッタを支持して選択的に位置決めし前記収束マイクロレンズアレイからの光を選択的に変調する複数のマイクロエレクトリカルメカニカルアクチュエータとを含むマイクロエレクトリカルメカニカル光変調器と、複数の小型レンズのアレイを有し、前記マイクロエレクトリカルメカニカル光変調器からの変調光を受光して変調光を投影するように位置決めされた投影マイクロレンズアレイと、他の取付け構造に嵌め合わせるように構成された取付け構造とを各々が備える複数のマイクロエレクトリカルメカニカル光モジュールとを備え、前記マイクロエレクトリカルメカニカルアクチュエータは、自由端で固定された前記マイクロエレクトリカルメカニカルシャッタを有する旋回アームと、前記基板を横断するような平面内で前記マイクロエレクトリカルメカニカルシャッタの選択的な位置決めを行なうために、前記自由端と反対側の枠体基部において前記旋回アームに結合されたバックルビームとを備え、該バックルビームは、基部端縁において前記基板に固定されたアンカーに固定されており、前記マイクロエレクトリカルメカニカルシャッタは、前記小型レンズの焦点での光の遮断位置と、前記焦点から離れた光の伝送位置とを有し、前記自由端は、光の伝送位置にあるときに、前記基板から離れて前記バックルビームを湾曲することによって前記基板から離れて旋回し、さらに、前記マイクロエレクトリカルメカニカル光変調器を通過する照明光を受光するディスプレイ画面を備えることを特徴とする。
【0028】
また、請求項20に記載の発明は、請求項19に記載のマイクロエレクトリカルメカニカル光ディスプレイにおいて、前記複数のマイクロエレクトリカルメカニカル光モジュールが2次元アレイに配列されていることを特徴とする。
【0029】
また、請求項21に記載の発明は、請求項19に記載のマイクロエレクトリカルメカニカル光ディスプレイにおいて、前記照明光源が、前記複数のマイクロエレクトリカルメカニカル光モジュールのすべてに照明光を供給することを特徴とする。
【0030】
また、請求項22に記載の発明は、請求項19に記載のマイクロエレクトリカルメカニカル光ディスプレイにおいて、前記ピクセル領域の各々が、前記平坦な基板を貫いて延びる開口部を備えることを特徴とする。
【0031】
また、請求項23に記載の発明は、請求項19に記載のマイクロエレクトリカルメカニカル光ディスプレイにおいて、前記マイクロエレクトリカルメカニカルアクチュエータが熱アクチュエータであることを特徴とする。
【0034】
請求項24に記載の発明は、マイクロエレクトリカルメカニカル光モジュールであって、照明光を収束させるための収束マイクロレンズアレイ手段と、複数のピクセル領域を有する平坦な基板と、前記ピクセル領域上の前記基板を横断する平面内で複数のマイクロエレクトリカルメカニカルシャッタを支持して選択的に位置決めする複数のマイクロエレクトリカルメカニカルアクチュエータと、前記収束マイクロレンズアレイ手段からの光を選択的に変調するためのマイクロエレクトリカルメカニカル光変調器手段とを備え、前記マイクロエレクトリカルメカニカルアクチュエータは、自由端で固定された前記マイクロエレクトリカルメカニカルシャッタを有する旋回アームと、前記基板を横断するような平面内で前記マイクロエレクトリカルメカニカルシャッタの選択的な位置決めを行なうために、前記自由端と反対側の枠体基部において前記旋回アームに結合されたバックルビームとを備え、該バックルビームは、基部端縁において前記基板に固定されたアンカーに固定されており、前記マイクロエレクトリカルメカニカルシャッタは、前記小型レンズの焦点での光の遮断位置と、前記焦点から離れた光の伝送位置とを有し、前記自由端は、光の伝送位置にあるときに、前記基板から離れて前記バックルビームを湾曲することによって前記基板から離れて旋回し、さらに、変調光を投影するためにマイクロエレクトリカルメカニカル光変調器手段からの変調光を受光するように位置決めされた投影マイクロレンズアレイ手段を備えることを特徴とする。
【0036】
また、請求項25に記載の発明は、請求項24に記載のマイクロエレクトリカルメカニカル光モジュールにおいて、前記マイクロエレクトリカルメカニカル光変調器手段が、複数のピクセル領域を有する平坦な基板と、前記ピクセル領域上で複数のマイクロエレクトリカルメカニカルシャッタを支持して選択的に位置決めする複数のマイクロエレクトリカルメカニカルアクチュエータとを備えることを特徴とする。
【0037】
更に、請求項26に記載の発明は、請求項24に記載のマイクロエレクトリカルメカニカル光モジュールにおいて、前記投影マイクロレンズアレイ手段が複数の小型レンズのアレイを備えることを特徴とする。
【0038】
請求項27に記載の発明は、マイクロエレクトリカルメカニカル光変調方法であって、平坦な基板を貫いて延びる複数のピクセル開口部に向かって平行照明光を収束するステップと、選択的に変調された光のピクセル配列を形成するために、前記複数のピクセル開口部上の前記基板を横断する平面内で複数のマイクロエレクトリカルメカニカルシャッタを選択的に位置決めするステップとを備え、前記マイクロエレクトリカルメカニカルシャッタは、前記小型レンズの焦点での光の遮断位置と、前記焦点から離れた光の伝送位置とを有し、前記マイクロエレクトリカルメカニカルシャッタは、バックルビームに固定された他の端部を有する旋回アームの自由端で位置決めされ、該バックルビームは、基部端縁において前記基板に固定されたアンカーに固定されており、前記マイクロエレクトリカルメカニカルシャッタは、光の伝送位置において、前記基板から離れて前記バックルビームを湾曲することによって前記基板から離れて旋回することを特徴とする。
【0039】
また、請求項28に記載の発明は、請求項27に記載のマイクロエレクトリカルメカニカル光変調方法において、前記選択的に変調された光のピクセル配列をディスプレイ画面上に導くステップを備えることを特徴とする。
【0040】
また、請求項29に記載の発明は、請求項27に記載のマイクロエレクトリカルメカニカル光変調方法において、前記平行照明光を提供するためコリメータレンズを介して照明光を導き、次いで前記複数のピクセル開口部に向かって平行照明光を収束するステップをさらに備えることを特徴とする。
【0041】
また、請求項30に記載の発明は、請求項27に記載のマイクロエレクトリカルメカニカル光変調方法において、前記複数のピクセル開口部に向かって平行照明光を収束するステップが、収束マイクロレンズアレイを介して平行照明光を導くステップを備えることを特徴とする。
【0042】
また、請求項31に記載の発明は、請求項27に記載のマイクロエレクトリカルメカニカル光変調方法において、前記複数のマイクロエレクトリカルメカニカルシャッタのそれぞれがマイクロエレクトリカルメカニカルアクチュエータによって制御され、前記複数のピクセル開口部上で複数のマイクロエレクトリカルメカニカルシャッタを選択的に位置決めするステップが、前記マイクロエレクトリカルメカニカルアクチュエータを選択的に作動させるステップを備えることを特徴とする。
【0043】
また、請求項32に記載の発明は、請求項31に記載のマイクロエレクトリカルメカニカル光変調方法において、前記マイクロエレクトリカルメカニカルアクチュエータを選択的に作動させるステップが熱的に作動させるステップを備えることを特徴とする。
【0044】
また、請求項33に記載の発明は、請求項27に記載のマイクロエレクトリカルメカニカル光変調方法において、前記複数のピクセル開口部上で複数のマイクロエレクトリカルメカニカルシャッタを選択的に位置決めするステップが、前記ピクセル開口部を介して光量の異なる光を異なるピクセル輝度として通すステップを備えることを特徴とする。
【0045】
また、請求項34に記載の発明は、請求項33に記載のマイクロエレクトリカルメカニカル光変調方法において、前記ピクセル開口部を介して光量の異なる光を異なるピクセル輝度として通すステップが、複数のピクセル開口部上で複数のマイクロエレクトリカルメカニカルシャッタを対応する異なった時間の間だけ位置決めするステップを備えることを特徴とする。
【0046】
また、請求項35に記載の発明は、請求項33に記載のマイクロエレクトリカルメカニカル光変調方法において、前記ピクセル開口部を介して光量の異なる光を異なるピクセル輝度として通すステップが、複数のピクセル開口部のうち対応する異なった部分上で複数のマイクロエレクトリカルメカニカルシャッタを位置決めするステップを備えることを特徴とする。
【0047】
また、請求項36に記載の発明は、請求項27に記載のマイクロエレクトリカルメカニカル光変調方法において、前記平行照明光が、平行照明光の複数の別々な色成分を備えることを特徴とする。
【0048】
また、請求項37に記載の発明は、請求項36に記載のマイクロエレクトリカルメカニカル光変調方法において、複数の別々な色成分平行照明光を前記複数のピクセル開口部に向かって同時に収束するステップを備えることを特徴とする。
【0049】
更に、請求項38に記載の発明は、請求項36に記載のマイクロエレクトリカルメカニカル光変調方法において、複数の別々な色成分平行照明光を前記複数のピクセル開口部に向かって時間的に順次収束するステップを備えることを特徴とする。
【0050】
一実施例では、本発明によるMEMS光ディスプレイシステムは、照明光を提供するための照明光源と、照明光を受光してそこから平行照明光を形成するためのコリメータレンズ(collimating lens)と、平行照明光を収束する小型レンズのアレイを有する収束マイクロレンズアレイ(microlens array)とを含む。収束マイクロレンズアレイは、照明光をマイクロエレクトリカルメカニカルシステム(MEMS)光変調器に導く。
【0051】
MEMS光変調器は、たとえば複数のピクセル開口部が貫いて延びる平坦な基板と、開口部の上でMEMSシャッタを支持し、かつ選択的に位置決めする複数のMEMSアクチュエータとを含む。MEMSアクチュエータとMEMSシャッタは、対応する開口部と共にピクセルに対応している。収束マイクロレンズアレイからの光は開口部を通って焦点を結び、MEMSアクチュエータによるMEMSシャッタの位置決めによって選択的に変調され、それによって照明光上で画像情報を伝える。次いで光は、投影マイクロレンズアレイによって拡散透過性(diffused transmissive)のディスプレイ画面に伝えられる。
【0052】
他の実施例では、MEMS光デバイスモジュールが、たとえば少なくとも収束マイクロレンズアレイと、MEMS光変調器と、投影マイクロレンズアレイとで形成できる。本発明によるMEMS光ディスプレイシステムは、アレイ状に配列され、かつ光源、平行光学系、およびディスプレイ画面に組み合わされた複数のモジュールで形成できる。
【0053】
本発明によるMEMS光ディスプレイシステムは偏光された照明光なしで動作可能なため、光の減衰や照明光の偏光の費用がなくなる。加えて、光を不透明なMEMSシャッタで完全に遮断または変調できるため、非常にコントラスト比の高い表示画像が得られる。さらに、このようなMEMS光変調器は、従来のCMOS回路製造プロセスによって製造できる。
【0054】
本発明の他の目的および効果は、添付した図面を参照しながら説明したその好ましい実施形態の記載から明らかであろう。
【0055】
【発明の実施の形態】
本発明を理解する一助とするため、図1〜15を参照しながら、MUMPsプロセスを使用してマイクロメカニカルデバイスを製作する一般手順を説明する。
【0056】
MUMPsプロセスは、エッチングされて所望の物理構造を生み出す3層の共形(conformal)ポリシリコンを提供する。POLY0に指定された第1層は支持用ウェハに結合され、POLY1およびPOLY2の第2層および第3層の各々は、層が分離されてプロセス中に除去される犠牲層を使用することによって下にある構造から分離可能なメカニカル層である。
【0057】
図1〜15は、ノースカロライナ州リサーチトライアングルパーク、コーンウォリスロード3021のMEMS Technology Applications Centerより提供されたもので、マイクロモーターを構築するための一般プロセスを示している。
【0058】
MUMPsプロセスは、100mmのn型シリコンウェハ10で始まる。ウェハ表面には、POCl3をドーパント源として使用して、標準的な拡散炉中で燐が高濃度にドープされる。これは、後からウェハ上に載置される静電性デバイスからのシリコンへの電荷のフィードスルー(feed−through)を減少させる。次いで、応力の低い600nm低圧化学気相堆積(LPCVD)窒化珪素層12が、電気絶縁層としてシリコン上に堆積され、シリコンウェハと窒化珪素層が基板を形成する。
【0059】
次いで、厚み500nmのLPCVDポリシリコン膜であるPOLY0層14が基板上に堆積される。次いで、POLY0層14は、POLY0層をフォトレジスト16で被覆すること、マスク(図示せず)を用いてフォトレジストを露光すること、および、露光したフォトレジストを現像して、後からPOLY0層にパターンを転写するための所望のエッチマスクを作成することを含むフォトリソグラフィによってパターン付けされる(図2)。フォトレジストをパターン付けした後で、POLY0層14が反応性イオンエッチング(RIE)システムでエッチングされる(図3)。
【0060】
図4を参照すると、厚さ2.0μmのPSG(phosphosilicate glass)犠牲層18がLPCVDによってPOLY0層14上に堆積され、窒化物層12のうち一部が露出している。本明細書中で第1酸化物(First Oxide)と称されるPSG層は、プロセスの終わりに除去されて、ポリシリコンの第1機械層POLY1(下記)を下にある構造、すなわちPOLY0および窒化珪素層から開放する。この犠牲層は、ディンプル(DIMPLES)マスクを用いてリソグラフィでパターン付けされ、深さ750nmでRIEによって第1酸化物層に窪み20を形成する(図5)。次いで、ウェハは第3マスク層ANCHOR1を用いてパターン付けされ、第1酸化物層からPOLY0層へ延びるアンカー穴(anchor hole)22を設けるためにエッチングされる(図6)。ANCHOR1穴は、次のステップでPOLY1層24によって充填される。
【0061】
ANCHOR1のエッチング後、ポリシリコン(POLY1)の第1構造層24が厚さ2.0μmで堆積される。次いで、薄い200nm厚のPSG層26がPOLY1層24の上に堆積され、ウェハをアニールして(図7)PSG層から燐をPOLY1層にドープする。アニールはまた、POLY1層の応力を減少させる。POLY1およびPSGマスク層24、26はリソグラフィでパターン付けされ、POLY1層の構造を形成する。POLY1層をエッチングした後(図8)、フォトレジストが剥離され、残りの酸化物マスクがRIEによって除去される。
【0062】
POLY1層24がエッチングされた後、第2PSG層(以下第2酸化物(Second Oxide)と呼ぶ)28が堆積される(図9)。第2酸化物28は、異なる目的を有する2枚の異なるエッチマスクを使用してパターン付けされる。
【0063】
第1に、POLY1_POLY2_VIA(バイア)エッチング(30に示す)により、第2酸化物内にPOLY1層24に至るエッチング穴を設ける。このエッチングは、POLY1層と後続のPOLY2層との間の機械接続および電気接続を提供する。POLY1_POLY2_VIA層はリソグラフィでパターン付けされ、RIEによってエッチングされる(図10)。
【0064】
第2に、ANCHOR2エッチング(32に示す)は、第1および第2酸化物層18、28、ならびにPOLY1層24を1回のステップでエッチングするために行われる(図11)。ANCHOR2エッチングでは、第2酸化物層が、POLY1_POLY2_VIAエッチングと同じ方法でリソグラフィでパターン付けされ、RIEによってエッチングされる。図11は、POLY1_POLY2_VIAエッチングとANCHOR2エッチングとが終了した後のウェハ断面を示す。
【0065】
次いで、第2構造層POLY2(34に示す)が厚さ1.5μmで堆積され、それに続いて200nmのPSGが堆積される。次いで、ウェハは、POLY2層にドープし、膜の残留応力を減少させるためにアニールされる。次いで、POLY2層が7番目のマスクを用いてリソグラフィでパターン付けされ、PSG層およびPOLY2層がRIEによってエッチングされる。次いで、フォトレジストが剥離され、マスク酸化物が除去される(図13)。
【0066】
MUMPsプロセスで最後に堆積される層は、プローブ用、ボンディング用、電気経路決め用、および、高反射率鏡面の表面を提供する0.5μmの金属層36である。ウェハは8番目のマスクを用いてリソグラフィでパターン付けされ、リフトオフ技法を使用して金属が堆積され、かつパターン付けされる。最後の未剥離の例示的な構造を図14に示す。
【0067】
最後に、ウェハは既知の方法を使用して犠牲層の剥離および試験を受ける。図15は、犠牲酸化物が剥離された後のデバイスを示す。
【0068】
好ましい実施形態では、本発明のデバイスが、上述のステップによるMUMPsプロセスによって製作される。ただし、本発明のデバイスは図1〜15の一般プロセスに示された特定のマスクを使用せず、本発明の構造に特有のマスクを使用する。また、MUMPsプロセスについて上述したステップは、MEMS Technology Applications Centerによる指令によって変わることがある。この製作プロセスは本発明の一部ではなく、本発明を作成するために使用できるいくつかのプロセスの1つにすぎない。
【0069】
図16は、本発明によるマイクロエレクトリカルメカニカルシステム(MEMS)光ディスプレイシステム50の側面線図である。ディスプレイシステム50は、光源52と、照明光をコリメータレンズ58に導く反射器54とを含む。小型レンズ62の2次元アレイ(1次元のみ示す)を有する収束マイクロレンズアレイ60は平行光を受光して、マイクロエレクトリカルメカニカル構造(MEMS)光変調器70に焦点を結ぶ。マイクロレンズアレイ60は、プラスチックレンズの成形アレイとして、またはホロレンズ(hololenses)とも称されるホログラフィックレンズのアレイとして形成できるが、従来のガラスレンズの組立てアレイであってもよい。
【0070】
MEMS光変調器70は、下記でさらに詳しく述べるように、マイクロエレクトリカルメカニカルシステム(MEMS)基板76を介し、対応する開口部74に隣接して位置決めされるマイクロエレクトリカルメカニカルシステム(MEMS)シャッタ72の2次元アレイを有する。各MEMSシャッタ72は画素またはピクセルに対応し、画像制御信号(図示せず)により照明光を遮断または通過させるために表示制御器78によって別々に制御可能であり、それによって表示画像を形成する。たとえば、各MEMSシャッタ72は、所与のピクセル期間の間、対応するピクセルの輝度に反比例してその開口部74を閉塞でき、あるいは各MEMSシャッタ72は、対応するピクセルの輝度に反比例する閉塞期間の間、その開口部74を閉塞できる。
【0071】
小型レンズ82の2次元アレイ(1次元のみ示す)を有する投影マイクロレンズアレイ80は、表示画像光を受光して観察者88から見えるように透過性ディスプレイ画面86の背面84に投影する。投影マイクロレンズアレイ80は、マイクロレンズアレイ60と類似の構造でよいが、製造加工費を最小限に抑えるためにそれと同一にすることができる。別法では、投影マイクロレンズアレイ80は、透過性ディスプレイ画面86上で所望の画像サイズを実現するように光領域を拡大または縮小することができる。
【0072】
MEMS光ディスプレイシステム50は、一般に液晶ディスプレイで得られるよりも多数の利点を有する。たとえば、MEMS光変調器70は、液晶セルの一般的な動作と異なって、照明光が偏光されていることを要しない。これにより、一般に偏光に伴う費用と光の減衰がなくなる。さらに、MEMS光変調器70は実質的に減衰がない状態で非変調光を通すことができるが、一般的な液晶セルは光を著しく減衰させる。同様にMEMS光変調器70は、MEMSシャッタ72が不透明であり光を完全に変調できるため、液晶セルよりもはるかに高いコントラスト比を実現できる。最後に、MEMS光変調器70は、一般に液晶ディスプレイで必要とされる複雑なプロセスを必要とせずに、従来のCMOS回路技法によって製造できる。
【0073】
一実施例では、たとえば、MEMS光変調器70がMEMSシャッタ72の200×200のアレイを含み、対応する開口部74の200×200のアレイを通る光を制御できる。この実施例では、たとえば収束マイクロレンズアレイ60が、小型レンズのそれぞれが約1mmの焦点距離を有する200×200の小型レンズ62を含むことができ、開口部74はそれらの間に約50μmの間隔を有する整然とした規則正しいアレイ状に位置決めできる。このような実施例のMEMS光変調器70は、寸法1cm×1cm、基板76の厚み約200μmを有することができる。倍率約2.5倍をもたらす投影マイクロレンズアレイ80の小型レンズ82を用いれば、ディスプレイ画面86は約2.5cm×2.5cm、約1インチ×1インチの寸法を有することができる。
【0074】
図17は、小型レンズ62の2次元アレイ(1次元のみ示す)を有する収束マイクロレンズアレイ60と、MEMS光変調器70と、小型レンズ82の2次元アレイ(1次元のみ示す)を有する投影マイクロレンズアレイ80とを備えるMEMS光デバイスモジュール100の側面線図である。MEMS光デバイスモジュール100は、例示的なディスプレイ応用例またはモジュール100の使用例を示すため、照明光源、コリメータレンズおよびディスプレイ画面(破線で示す)に関連して示す。
【0075】
MEMS光デバイスモジュール100は、収束マイクロレンズアレイ60と、MEMS光変調器70と、投影マイクロレンズアレイ80とを含むまたは包含する取付け構造(たとえば、枠体またはハウジング)102を含む。取付け構造102は、MEMS光デバイスモジュール100を他の同様のモジュールに嵌め合わせることを可能にし、近接してまとめた構成にすることも、相互に堅固に係合することもできる。電気接続104(たとえば、プラグ、ソケット、リードなど)は、表示制御器(図示せず)をMEMS光変調器70に接続して、MEMSシャッタ72を制御するための表示制御信号を供給することを可能にする。その他の実施例では、本発明のMEMS光デバイスモジュールが、いかなる照明光源と、平行光学系と、ディスプレイ画面とを含むことができることが理解されよう。
【0076】
図18は、複数のMEMS光デバイスモジュール100の1次元または2次元アレイ122(1次元のみ示す)を含むMEMS光ディスプレイシステム120の側面線図である。一実施例では、すべてのMEMS光デバイスモジュール100が同一である。モジュール型ディスプレイハウジング124は、MEMS光デバイスモジュール100のアレイ122を支持および格納する。
【0077】
モジュール型ディスプレイハウジング124は、光源126と、反射器128と、複数のMEMS光デバイスモジュール100に平行光を供給する平行光学系130とを含む。薄いフラットパネルのフォームファクタ(form factor)をサポートするため、光源126と反射器128は、ラップトップコンピュータのフラットパネルディスプレイに使用されているものと類似であることができ、平行光学系130は概ね平坦なマイクロレンズアレイまたはフレネルレンズであることができる。
【0078】
一体型表示制御器134は、MEMS光デバイスモジュール100の電気接続部104に電気的に結合され、単一のディスプレイとしてモジュール100の一体制御を実現する(電気結合部は見やすさのため図示しない)。透過性の散乱ディスプレイ画面136は、MEMS光デバイスモジュール100でのアレイ122の一体型ディスプレイ画面として機能する。
【0079】
例示的な一実施例では、各MEMS光デバイスモジュール100が、2.5cm×2.5cmの面積にわたる200ピクセル×200ピクセルのディスプレイを提供する。MEMS光デバイスモジュール100の6×8アレイ122を含むMEMS光ディスプレイシステム120は、15cm×20cmの面積にわたる1200ピクセル×1600ピクセルのディスプレイを提供できよう。
【0080】
例示のため、MEMS光ディスプレイシステム50とMEMS光デバイスモジュール100とを、それぞれ線図の光源52と共に示す。単色(たとえば白黒)の実施例では、光源52が単一(たとえば、通常は白色)光源(たとえばランプ)に対応できる。多色の実施例では、光源52は、多色またはフルカラー画像を実現するように協働する1つまたは複数の、別々に制御される光源を含むことができる。
【0081】
図19は、多色照明光源152とそれに伴う反射器154の一実施例を示すマイクロエレクトリカルメカニカルシステム(MEMS)光ディスプレイシステム150の側面線図である。概ねディスプレイシステム50のものと同じであるMEMS光ディスプレイシステム150の構成要素は、同じ参照番号で示す。
【0082】
照明光源152は、複数(たとえば3色)の色成分光源(たとえばランプ)156R、156Gおよび156Bを含み、それらが概ね1列に位置決めされ、それぞれ赤、緑および青の光を生成する。MEMSシャッタ72を別々に制御する表示制御器158はまた、色成分光源156R、156Gおよび156Bを別々に活動化する。表示制御器158は、色成分光源156R、156Gおよび156Bを連続的に活動化する間に、赤、緑および青の画像構成要素に対応するMEMSシャッタ72に制御信号を印加し、それによってフィールドシーケンシャル(field−sequential)な方法で色成分画像を形成する。
【0083】
たとえば、180Hzの割合で生成される色成分画像は、60Hzの画像フレーム率を提供できる。例示的な一実施例では、200×200多色ピクセルのディスプレイが、小型レンズ62および72の204×204アレイをそれぞれ有するマイクロレンズアレイ60および70を使用し、色の異なる光の成分が辿る、異なる光路を補償してディスプレイの全領域を形成する。代替実施例としては、当技術分野で周知のように、複数の連続する照明の色が、回転するカラーホイールと白色光源とによって得られることが理解されよう。
【0084】
図20および21は、MEMSシャッタ72を制御するためのそれぞれ活動化状態と弛緩状態にある例示的なMEMSアクチュエータ170の正面図である。この例示的な実施例では、MEMSアクチュエータ170が弛緩状態にある場合に、MEMSシャッタ72が、MEMS基板76を貫いて延びる関連の開口部74の上に維持される。MEMSシャッタ72は、MEMSアクチュエータ170が活動化状態にある場合に、関連の開口部74を遮らないように移動する。MEMSアクチュエータ170は、MEMSシャッタ72を制御するために使用できる様々なMEMSアクチュエータの1つである。
【0085】
MEMSアクチュエータ170は、ヒーチュエータ(heatuator)と呼ばれることもあり、擬似バイモルフ(pseudo−bimorph)として機能する熱アクチュエータの実施例である。アクチュエータ170は、基板(たとえば、図示しないが基板10または窒化物層12)に固定された1対の構造アンカー172および174を含む。細い半導体(たとえばポリシリコン)アーム178がアンカー172に固定され、幅広の半導体(たとえばポリシリコン)アーム180は細い延長部182を介してアンカー174に固定されている。アーム178および180は、横部材184によって相互に結合されている。アンカー172および174との接続部を除いて、アーム178および180と、延長部182と、横部材184とは基板から解放されている。
【0086】
アクチュエータ170の構成要素は電気的に半導体性を有し、正の熱膨張係数を有する。たとえば、アクチュエータ170はシリコンで形成される。アクチュエータ170は、ピクセル制御信号源などの電流源190からアーム178および180を介して電流が通ると活動化される。印加された電流によってアーム178および180のオーミック加熱またはジュール加熱が誘発され、シリコンの正の温度膨張係数のため、アームが長手方向に延びる。アーム178の方が小さいため、アーム180よりも延びる。
【0087】
アクチュエータ170は、サイズの異なるアーム178および180の熱膨張差を利用して、基板に対して平行に弧を描いてたわむ擬似バイモルフを発生する。図21に示すようにアクチュエータ170が弛緩状態にあると、MEMSシャッタ72が開口部74の上に位置決めされ、そこを介して導かれる光を遮断する。図20に示すようにアクチュエータ170が活動化状態にあると、MEMSシャッタ72は光が開口部74を通過するように移動する。
【0088】
図22は、マイクロエレクトリカルメカニカルシステム(MEMS)光ディスプレイシステム200の側面線図であり、これは、マイクロエレクトリカルメカニカルシステム(MEMS)光変調器202が、開口部208に隣接する受光側206上に位置決めされたマイクロエレクトリカルメカニカルシステム(MEMS)シャッタ204の2次元アレイを含むことを除いて、MEMS光ディスプレイシステム50と同じである。MEMSシャッタ204は、図20および21を参照しながら上述したように、光変調器202と平行して平面内で移動するMEMSアクチュエータ(図示せず)によって制御できる。
【0089】
他の実施例では、MEMS光変調器70のMEMSシャッタ72および204が、変調器70および202をそれぞれ横断する(たとえば、それらに直交する)平面でシャッタ72および204を移動するMEMSアクチュエータによって制御できる。このような実施例では、シャッタ72および204が、小型レンズ62の焦点付近に光の遮断位置を有するであろう。シャッタ72および204は一般に、概ね焦点から離れていながらもなおその光の光路内にある光伝送位置を有するであろう。
【0090】
図23は、上述したように、シャッタ72および204の横断面動作を実現できるマイクロエレクトリカルメカニカル面外熱バックルビーム(out−of−plane thermal buckle−beam)アクチュエータ250の平面線図である。アクチュエータ250は、基板(たとえば、図示しないが基板10または窒化物層12)に固定された1対の構造アンカー252および254と、基部端縁260および262でアンカー252および254に固定される1つまたは複数の熱バックルビーム256(複数を示す)とを含む。バックルビーム256は実質的に同じであり、実質的に基板と平行に延び、かつ基板から離され、アンカー252および254のところを除いて基板から解放される。
【0091】
旋回枠体264は、一実施例ではバックルビームの中点(破線270で示す)と、アンカー252および254のうち1つ(たとえば、アンカー254)との間に位置決めされる結合点268部でバックルビーム256に固定される枠体基部266を含む。旋回枠体264は、1端で枠体基部266に結合され、アクチュエータ250が活動化されると面外へ旋回する自由端274に延びる少なくとも1つの旋回アーム272(2本示す)をさらに含む。旋回枠体264は、枠体基部266が結合点268に固定されている箇所を除いて解放され、自由に移動する。図24は弛緩状態にあるアクチュエータ250の側面線図であり、バックルビーム256に対して概ね平行な、またはそれと共面の旋回枠体264を示す。
【0092】
構造アンカー252および254と、バックルビーム256とは電気的に半導体性を有し、正の熱膨張係数を有する。たとえば、バックルビーム256はシリコンで形成される。アクチュエータ250は、導電性結合部282および284ならびに構造アンカー252および254をそれぞれ介して、電流源280からバックルビーム256を介して電流が通ると活動化される。印加された電流によってバックルビーム256のオーミック加熱またはジュール加熱が誘発され、それによって、シリコンの正の温度膨張係数のため、バックルビームが長手方向に延びる。アンカー252および254が基部端縁260および262を制約しているため、延びるバックルビーム256がついに湾曲して基板から離れる。一実施例では、バックルビーム256が、幅(基板に対して平行)が厚み(基板に対して直交)より大きい状態で広いアスペクト比を有し、基板に平行ではなく、偏向または傾いて湾曲して基板から離れるように形成される。図25は、活動化状態にあるアクチュエータ250の側面線図であり、バックルビーム256の面外湾曲を示す。
【0093】
アクチュエータ250の活動化状態でバックルビーム256が湾曲して基板から離れると、旋回枠体264の自由端274が旋回して基板から離れる。旋回枠体264は枠体基部266を軸に回転するが、枠体基部266もまたバックルビーム256によって持ち上げられて基板から離れる。その結果、自由端274が移動して、基板から外側へ離れる旋回力または回転力を働かせる。活動化電流が停止すると、バックルビーム256が冷えて収縮し、これによって旋回枠体264の自由端274が、活動化力と等価ながら反対の回転および並進方向の力でその最初の位置に戻る。このような旋回枠体264の回転たわみは、マイクロ光デバイス(micro−optical devices)に使用されるものなどの他のマイクロメカニカル構造の面外展開を提供することを含む様々な用途で使用できる。たとえば、図23〜25に示す実施例では、シャッタ286が自由端274に固定されて旋回枠体264と共に旋回し、アクチュエータ250が弛緩状態にあるか活動化状態にあるかによって選択的に光を偏向させる。
【0094】
図24は、バックルビーム256の中央付近の基板10(たとえば窒化物層12)に固定され、かつそこから延びる離隔パッド290の上に延びた弛緩状態のバックルビーム256を示す。図25は活動化状態にあるバックルビーム256を示す。たとえば、離隔パッド290は厚み0.5μmのP0層で形成することができ、またバックルビーム256は異なる(解放された)層で形成できる。離隔パッド290は、製作上の近似する性質によりバックルビーム256それぞれに小さな(たとえば0.5μm)***またはたわみ294を押し出す。また、窪み292が、バックルビーム256の各端部付近に形成される。窪み292は、図のようにバックルビーム256の底面からの突出部または窪みとして、またはその上面内の凹部として、あるいはその両方として形成できる。たとえば、MUMPsの実施例では、窪み292は2μmのポリ1層内の0.5μmの凹部として形成でき、基板に接触しない。
【0095】
離隔パッド290および窪み292は、バックルビーム256が湾曲して基板から離れることを可能にし、バックルビーム256と基板(たとえば窒化物層12)の間の静止摩擦を減少させる。典型的なアクチュエータ250内の複数のバックルビーム256では、各バックルビーム256ごとに別々の離隔パッド290を形成できること、または離隔パッド290をすべてのバックルビーム256の下に延びる単一の連続パッドとして形成できることが理解されよう。離隔パッド290と窪み292は、個別に又は一緒に、単独またはバックルビーム256の広いアスペクト比と共に使用して、それらが偏向または傾いて湾曲して基板から離れるようにできる。
【0096】
上述したように、一部の実施例は熱MEMSアクチュエータを使用する。一部の熱MEMSアクチュエータは活動化される際に著しく電力を要することがあり(たとえば10mA)、そのため多数のこのようなアクチュエータの同時動作では電流要件が過度となることがある。したがって、少なくとも静電アクチュエータおよび電力要件の少ない熱アクチュエータを含むその他のMEMSアクチュエータを他の実施例で使用して、全体システムの電力要件を減少させ得ることが理解されよう。加えて、上述の応用例は、主に光ディスプレイ用途を指している。しかし、MEMS光変調器70およびMEMS光デバイスモジュール100を含む本発明の様々な態様は、変調スキャナ、検出器などのその他の光変調用途に使用できることが理解されよう。このような応用例では、たとえばMEMS光変調器70およびMEMS光デバイスモジュール100が光学要素の1次元アレイを使用できる。
【0097】
上述した一実施例では、MEMS光変調器70のMEMS基板76が約200μmの厚みを有する。MEMS光変調器70をその縁部で載置または支持する場合は、このような厚みがMEMS光変調器70に適切な構造剛性を与える。それらの差渡し寸法約20μmを有する開口部74では、収束マイクロレンズアレイ60の小型レンズ62が比較的大きい焦点深度を要することがある。このように大きな焦点深度を回避するため、図22に示すMEMS光変調器202などのMEMS光変調器の他の実施例は、開口部ではなく反射パッドを使用して、反射パッドからディスプレイ画面、スキャナ、センサなどに照明光を選択的に反射することができる。
【0098】
好ましい実施形態の説明のうち一部は、上述のMUMPs製作プロセスのステップを参照している。しかし前述のように、MUMPsは広範なMEMSデバイス設計に対応する一般的な製作プロセスである。それゆえに、本発明のため特に設計される製作プロセスは、おそらく、異なるステップと、異なる寸法および厚みと、異なる材料とを含むことになる。このような特定の製作プロセスはフォトリソグラフィプロセスの当業者の知識内にあり、本発明の一部ではない。
【0099】
本発明の技術的構成が適用でき得る多数の可能な実施形態に鑑みて、詳しい実施形態は例示のためにすぎず、本発明の技術的範囲を限定すると解釈されるものではないことを理解されたい。また、本発明者は、特許請求の範囲およびその均等物の範囲に入り得るような実施形態すべてを本発明の技術的範囲に包含されるものとして主張する。
【0100】
【発明の効果】
以上説明したように、本発明のMEMS光ディスプレイシステムは、液晶ディスプレイで得られるよりも多数の利点を有する。たとえば、MEMS光変調器は、液晶セルの一般的な動作と異なって、照明光が偏光されていることを要しない。これにより、一般に偏光に伴う費用と光の減衰がなくなる。さらに、MEMS光変調器は実質的に減衰がない状態で非変調光を通すことができるが、一般的な液晶セルは光を著しく減衰させる。同様に、MEMS光変調器は、MEMSシャッタが不透明であり光を完全に変調できるため、液晶セルよりもはるかに高いコントラスト比を実現できる。最後に、MEMS光変調器は、一般に液晶ディスプレイで必要とされる複雑なプロセスを必要とせずに、従来のCMOS回路技法によって製造できる。
【図面の簡単な説明】
【図1】マイクロエレクトリカルメカニカルデバイスを製作するための当技術分野で周知の一般的なマルチユーザMEMSプロセス(multi−user MEMSprocess)の断面図である。斜交線は、描かれた従来技術の構造およびプロセスの見やすさを改善するため省略されている。
【図2】マイクロエレクトリカルメカニカルデバイスを製作するための当技術分野で周知の一般的なマルチユーザMEMSプロセス(multi−user MEMSprocess)の断面図である。斜交線は、描かれた従来技術の構造およびプロセスの見やすさを改善するため省略されている。
【図3】マイクロエレクトリカルメカニカルデバイスを製作するための当技術分野で周知の一般的なマルチユーザMEMSプロセス(multi−user MEMSprocess)の断面図である。斜交線は、描かれた従来技術の構造およびプロセスの見やすさを改善するため省略されている。
【図4】マイクロエレクトリカルメカニカルデバイスを製作するための当技術分野で周知の一般的なマルチユーザMEMSプロセス(multi−user MEMSprocess)の断面図である。斜交線は、描かれた従来技術の構造およびプロセスの見やすさを改善するため省略されている。
【図5】マイクロエレクトリカルメカニカルデバイスを製作するための当技術分野で周知の一般的なマルチユーザMEMSプロセス(multi−user MEMSprocess)の断面図である。斜交線は、描かれた従来技術の構造およびプロセスの見やすさを改善するため省略されている。
【図6】マイクロエレクトリカルメカニカルデバイスを製作するための当技術分野で周知の一般的なマルチユーザMEMSプロセス(multi−user MEMSprocess)の断面図である。斜交線は、描かれた従来技術の構造およびプロセスの見やすさを改善するため省略されている。
【図7】マイクロエレクトリカルメカニカルデバイスを製作するための当技術分野で周知の一般的なマルチユーザMEMSプロセス(multi−user MEMSprocess)の断面図である。斜交線は、描かれた従来技術の構造およびプロセスの見やすさを改善するため省略されている。
【図8】マイクロエレクトリカルメカニカルデバイスを製作するための当技術分野で周知の一般的なマルチユーザMEMSプロセス(multi−user MEMSprocess)の断面図である。斜交線は、描かれた従来技術の構造およびプロセスの見やすさを改善するため省略されている。
【図9】マイクロエレクトリカルメカニカルデバイスを製作するための当技術分野で周知の一般的なマルチユーザMEMSプロセス(multi−user MEMSprocess)の断面図である。斜交線は、描かれた従来技術の構造およびプロセスの見やすさを改善するため省略されている。
【図10】マイクロエレクトリカルメカニカルデバイスを製作するための当技術分野で周知の一般的なマルチユーザMEMSプロセス(multi−user MEMSprocess)の断面図である。斜交線は、描かれた従来技術の構造およびプロセスの見やすさを改善するため省略されている。
【図11】マイクロエレクトリカルメカニカルデバイスを製作するための当技術分野で周知の一般的なマルチユーザMEMSプロセス(multi−user MEMSprocess)の断面図である。斜交線は、描かれた従来技術の構造およびプロセスの見やすさを改善するため省略されている。
【図12】マイクロエレクトリカルメカニカルデバイスを製作するための当技術分野で周知の一般的なマルチユーザMEMSプロセス(multi−user MEMSprocess)の断面図である。斜交線は、描かれた従来技術の構造およびプロセスの見やすさを改善するため省略されている。
【図13】マイクロエレクトリカルメカニカルデバイスを製作するための当技術分野で周知の一般的なマルチユーザMEMSプロセス(multi−user MEMSprocess)の断面図である。斜交線は、描かれた従来技術の構造およびプロセスの見やすさを改善するため省略されている。
【図14】マイクロエレクトリカルメカニカルデバイスを製作するための当技術分野で周知の一般的なマルチユーザMEMSプロセス(multi−user MEMSprocess)の断面図である。斜交線は、描かれた従来技術の構造およびプロセスの見やすさを改善するため省略されている。
【図15】マイクロエレクトリカルメカニカルデバイスを製作するための当技術分野で周知の一般的なマルチユーザMEMSプロセス(multi−user MEMSprocess)の断面図である。斜交線は、描かれた従来技術の構造およびプロセスの見やすさを改善するため省略されている。
【図16】本発明によるマイクロエレクトリカルメカニカル(MEMS)光ディスプレイシステムの一実施例の側面線図である。
【図17】MEMS光デバイスモジュールの側面線図である。
【図18】複数の図17のMEMS光デバイスモジュールのアレイを含むモジュール型光デバイスの側面線図である。
【図19】本発明によるマイクロエレクトリカルメカニカル(MEMS)光ディスプレイシステムの他の実施例を示す図である。
【図20】MEMSシャッタを制御するための活動化状態にある例示的なMEMSアクチュエータの正面図である。
【図21】MEMSシャッタを制御するための弛緩状態にある例示的なMEMSアクチュエータの正面図である。
【図22】本発明によるマイクロエレクトリカルメカニカル(MEMS)光ディスプレイシステムの他の実施例を示す図である。
【図23】マイクロエレクトリカルメカニカル面外熱バックルビーム(out−of−plane thermal buckle−beam)アクチュエータの平面線図である。
【図24】弛緩状態にある図23のアクチュエータの側面線図である。
【図25】活動化状態にある図23のアクチュエータの側面線図である。
【符号の説明】
10 基板
12 窒化物層
14 POLY0層
16 フォトレジスト
18 犠牲層
20 窪み
22 アンカー穴
24 POLY1層
26 PSG層
28 第2PSG層
30 POLY1_POLY2_VIAエッチング
32 ANCHOR2エッチング
34 POLY2層
36 金属層
50 MEMS光ディスプレイシステム
52 光源
54 反射器
58 コリメータレンズ
60 収束マイクロレンズアレイ
62 小型レンズ
70 MEMS光変調器
72 MEMSシャッタ
74 開口部
76 MEMS基板
78 表示制御器
80 投影マイクロレンズアレイ
82 小型レンズ
84 背面
86 透過性ディスプレイ画面
88 観察者
100 MEMS光デバイスモジュール
102 取付け構造
104 電気接続部
120 MEMS光ディスプレイシステム
122 アレイ
124 モジュール型ディスプレイハウジング
126 光源
128 反射器
130 平行光学系
134 一体型表示制御器
136 散乱ディスプレイ画面
150 MEMS光ディスプレイシステム
152 多色照明光源
154 反射器
156 色成分光源
158 表示制御器
170 MEMSアクチュエータ
172 アンカー
174 アンカー
178 アーム
180 アーム
182 延長部
184 横部材
190 電流源
200 MEMS光ディスプレイシステム
202 MEMS光変調器
204 MEMSシャッタ
206 受光側
208 開口部
250 アクチュエータ
252 アンカー
254 アンカー
256 バックルビーム
260 基部端縁
262 基部端縁
264 旋回枠体
266 枠体基部
268 結合点
270 破線
272 旋回アーム
274 自由端
280 電流源
282 導電性結合部
284 導電性結合部
286 シャッタ
290 離隔パッド
292 窪み
294 たわみ
Claims (38)
- 照明光を提供する照明光源と、
前記照明光を受光して平行照明光を形成するコリメータレンズと、
前記平行照明光を収束する複数の小型レンズで構成されたアレイを有する収束マイクロレンズアレイと、
複数のピクセル開口部が延在する平坦な基板と、前記ピクセル開口部上で複数のマイクロエレクトリカルメカニカルシャッタを支持して選択的に位置決めする複数のマイクロエレクトリカルメカニカルアクチュエータとを含み、前記ピクセル開口部が前記収束マイクロレンズアレイから照明光を受光するように位置決めされており、前記マイクロエレクトリカルメカニカルシャッタの選択的な位置決めに従って前記照明光が選択的に通過するマイクロエレクトリカルメカニカル光変調器とを備え、
前記マイクロエレクトリカルメカニカルアクチュエータは、自由端で固定された前記マイクロエレクトリカルメカニカルシャッタを有する旋回アームと、前記基板を横断するような平面内で前記マイクロエレクトリカルメカニカルシャッタの選択的な位置決めを行なうために、前記自由端と反対側の枠体基部において前記旋回アームに結合されたバックルビームとを備え、該バックルビームは、基部端縁において前記基板に固定されたアンカーに固定されており、
前記マイクロエレクトリカルメカニカルシャッタは、前記小型レンズの焦点での光の遮断位置と、前記焦点から離れた光の伝送位置とを有し、
前記自由端は、光の伝送位置にあるときに、前記基板から離れて前記バックルビームを湾曲することによって前記基板から離れて旋回し、
さらに、前記マイクロエレクトリカルメカニカル光変調器を通過する照明光を受光するディスプレイ画面を備えることを特徴とするマイクロエレクトリカルメカニカル光ディスプレイシステム。 - 前記マイクロエレクトリカルメカニカル光変調器と前記ディスプレイ画面の間に配置され、前記照明光を前記ディスプレイ画面に投影する複数の小型レンズのアレイを有する投影マイクロレンズアレイを備えることを特徴とする請求項1に記載のマイクロエレクトリカルメカニカル光ディスプレイシステム。
- 前記マイクロエレクトリカルメカニカル光変調器の前記マイクロエレクトリカルメカニカルアクチュエータが、熱マイクロエレクトリカルメカニカルアクチュエータであることを特徴とする請求項1に記載のマイクロエレクトリカルメカニカル光ディスプレイシステム。
- 前記照明光源が1つのみの光源を備えることを特徴とする請求項1に記載のマイクロエレクトリカルメカニカル光ディスプレイシステム。
- 前記照明光源が色の異なる複数の光源を備えることを特徴とする請求項1に記載のマイクロエレクトリカルメカニカル光ディスプレイシステム。
- 複数の光源を交互に動作させ、フィールドシーケンシャルな方法で前記光源と協調して前記マイクロエレクトリカルメカニカルシャッタを制御するフィールドシーケンシャル制御器を備えることを特徴とする請求項1に記載のマイクロエレクトリカルメカニカル光ディスプレイシステム。
- 前記ディスプレイ画面が透過性ディスプレイ画面であることを特徴とする請求項1に記載のマイクロエレクトリカルメカニカル光ディスプレイシステム。
- 他のモジュールに嵌め合わせる、または係合することができるディスプレイモジュールを構成するためにディスプレイシステムを格納するハウジングを備えることを特徴とする請求項1に記載のマイクロエレクトリカルメカニカル光ディスプレイシステム。
- 前記照明光源が単色であることを特徴とする請求項1に記載のマイクロエレクトリカルメカニカル光ディスプレイシステム。
- 前記照明光源が多色であることを特徴とする請求項1に記載のマイクロエレクトリカルメカニカル光ディスプレイシステム。
- 複数のピクセル領域を有する平坦な基板と、
複数のマイクロエレクトリカルメカニカルシャッタを支持して選択的に位置決めし、前記ピクセル領域に導かれた光を選択的に変調する複数のマイクロエレクトリカルメカニカルアクチュエータと、
マイクロエレクトリカルメカニカルマルチピクセル光変調器に向けて光を収束するために用いられる小型レンズとを備え、
前記マイクロエレクトリカルメカニカルアクチュエータは、自由端で固定された前記マイクロエレクトリカルメカニカルシャッタを有する旋回アームと、前記基板を横断するような平面内で前記マイクロエレクトリカルメカニカルシャッタの選択的な位置決めを行なうために、前記自由端と反対側の枠体基部において前記旋回アームに結合されたバックルビームとを備え、該バックルビームは、基部端縁において前記基板に固定されたアンカーに固定されており、
前記マイクロエレクトリカルメカニカルシャッタは、前記小型レンズの焦点での光の遮断位置と、前記焦点から離れた光の伝送位置とを有し、
前記自由端は、光の伝送位置にあるときに、前記基板から離れて前記バックルビームを湾曲することによって前記基板から離れて旋回することを特徴とするマイクロエレクトリカルメカニカルマルチピクセル光変調器。 - 前記ピクセル領域の各々が、平坦な基板を貫いて延びる開口部を備えることを特徴とする請求項11に記載のマイクロエレクトリカルメカニカルマルチピクセル光変調器。
- 前記ピクセル領域の各々が、平坦な基板上に反射器を備えることを特徴とする請求項11に記載のマイクロエレクトリカルメカニカルマルチピクセル光変調器。
- 前記マイクロエレクトリカルメカニカルアクチュエータが熱アクチュエータであることを特徴とする請求項11に記載のマイクロエレクトリカルメカニカルマルチピクセル光変調器。
- 照明光を収束する複数の小型レンズのアレイを有する収束マイクロレンズアレイと、
マイクロエレクトリカルメカニカル光変調器であって、複数のピクセル領域を有する平坦な基板と、前記ピクセル領域上で複数のマイクロエレクトリカルメカニカルシャッタを支持して選択的に位置決めし、前記収束マイクロレンズアレイからの光を選択的に変調する複数のマイクロエレクトリカルメカニカルアクチュエータとを備えるマイクロエレクトリカルメカニカル光変調器とを備え、
前記マイクロエレクトリカルメカニカルアクチュエータは、自由端で固定された前記マイクロエレクトリカルメカニカルシャッタを有する旋回アームと、前記基板を横断するような平面内で前記マイクロエレクトリカルメカニカルシャッタの選択的な位置決めを行なうために、前記自由端と反対側の枠体基部において前記旋回アームに結合されたバックルビームとを備え、該バックルビームは、基部端縁において前記基板に固定されたアンカーに固定されており、
前記マイクロエレクトリカルメカニカルシャッタは、前記小型レンズの焦点での光の遮断位置と、前記焦点から離れた光の伝送位置とを有し、
前記自由端は、光の伝送位置にあるときに、前記基板から離れて前記バックルビームを湾曲することによって前記基板から離れて旋回し、
さらに、複数の小型レンズのアレイを有し、前記マイクロエレクトリカルメカニカル光変調器からの変調光を受光して変調光を投影するように位置決めされた投影マイクロレンズアレイを備えることを特徴とするマイクロエレクトリカルメカニカル光モジュール。 - 前記収束マイクロレンズアレイと前記マイクロエレクトリカルメカニカル光変調器と前記投影マイクロレンズアレイとを格納または包含して、他のモジュールに嵌め合わせるように構成された取付け構造物を備えることを特徴とする請求項15に記載のマイクロエレクトリカルメカニカル光モジュール。
- 前記ピクセル領域の各々が、前記平坦な基板を貫いて延びる開口部を備えることを特徴とする請求項15に記載のマイクロエレクトリカルメカニカル光モジュール。
- 前記マイクロエレクトリカルメカニカルアクチュエータが熱アクチュエータであることを特徴とする請求項15に記載のマイクロエレクトリカルメカニカル光モジュール。
- 照明光を提供する照明光源と、
前記照明光を受光して平行照明光を形成するコリメータレンズと、
前記照明光を収束する複数の小型レンズのアレイを有する収束マイクロレンズアレイと、複数のピクセル領域を有する平坦な基板と前記ピクセル領域上で複数のマイクロエレクトリカルメカニカルシャッタを支持して選択的に位置決めし前記収束マイクロレンズアレイからの光を選択的に変調する複数のマイクロエレクトリカルメカニカルアクチュエータとを含むマイクロエレクトリカルメカニカル光変調器と、複数の小型レンズのアレイを有し、前記マイクロエレクトリカルメカニカル光変調器からの変調光を受光して変調光を投影するように位置決めされた投影マイクロレンズアレイと、他の取付け構造に嵌め合わせるように構成された取付け構造とを各々が備える複数のマイクロエレクトリカルメカニカル光モジュールとを備え、
前記マイクロエレクトリカルメカニカルアクチュエータは、自由端で固定された前記マイクロエレクトリカルメカニカルシャッタを有する旋回アームと、前記基板を横断するような平面内で前記マイクロエレクトリカルメカニカルシャッタの選択的な位置決めを行なうために、前記自由端と反対側の枠体基部において前記旋回アームに結合されたバックルビームとを備え、該バックルビームは、基部端縁において前記基板に固定されたアンカーに固定されており、
前記マイクロエレクトリカルメカニカルシャッタは、前記小型レンズの焦点での光の遮断位置と、前記焦点から離れた光の伝送位置とを有し、
前記自由端は、光の伝送位置にあるときに、前記基板から離れて前記バックルビームを湾曲することによって前記基板から離れて旋回し、
さらに、前記マイクロエレクトリカルメカニカル光変調器を通過する照明光を受光するディスプレイ画面を備えることを特徴とするマイクロエレクトリカルメカニカル光ディスプレイ。 - 前記複数のマイクロエレクトリカルメカニカル光モジュールが2次元アレイに配列されていることを特徴とする請求項19に記載のマイクロエレクトリカルメカニカル光ディスプレイ。
- 前記照明光源が、前記複数のマイクロエレクトリカルメカニカル光モジュールのすべてに照明光を供給することを特徴とする請求項19に記載のマイクロエレクトリカルメカニカル光ディスプレイ。
- 前記ピクセル領域の各々が、前記平坦な基板を貫いて延びる開口部を備えることを特徴とする請求項19に記載のマイクロエレクトリカルメカニカル光ディスプレイ。
- 前記マイクロエレクトリカルメカニカルアクチュエータが熱アクチュエータであることを特徴とする請求項19に記載のマイクロエレクトリカルメカニカル光ディスプレイ。
- 照明光を収束させるための収束マイクロレンズアレイ手段と、
複数のピクセル領域を有する平坦な基板と、前記ピクセル領域上の前記基板を横断する平面内で複数のマイクロエレクトリカルメカニカルシャッタを支持して選択的に位置決めする複数のマイクロエレクトリカルメカニカルアクチュエータと、前記収束マイクロレンズアレイ手段からの光を選択的に変調するためのマイクロエレクトリカルメカニカル光変調器手段とを備え、
前記マイクロエレクトリカルメカニカルアクチュエータは、自由端で固定された前記マイクロエレクトリカルメカニカルシャッタを有する旋回アームと、前記基板を横断するような平面内で前記マイクロエレクトリカルメカニカルシャッタの選択的な位置決めを行なうために、前記自由端と反対側の枠体基部において前記旋回アームに結合されたバックルビームとを備え、該バックルビームは、基部端縁において前記基板に固定されたアンカーに固定されており、
前記マイクロエレクトリカルメカニカルシャッタは、前記小型レンズの焦点での光の遮断位置と、前記焦点から離れた光の伝送位置とを有し、
前記自由端は、光の伝送位置にあるときに、前記基板から離れて前記バックルビームを湾曲することによって前記基板から離れて旋回し、
さらに、変調光を投影するためにマイクロエレクトリカルメカニカル光変調器手段からの変調光を受光するように位置決めされた投影マイクロレンズアレイ手段を備えることを特徴とするマイクロエレクトリカルメカニカル光モジュール。 - 前記マイクロエレクトリカルメカニカル光変調器手段が、複数のピクセル領域を有する平坦な基板と、前記ピクセル領域上で複数のマイクロエレクトリカルメカニカルシャッタを支持して選択的に位置決めする複数のマイクロエレクトリカルメカニカルアクチュエータとを備えることを特徴とする請求項24に記載のマイクロエレクトリカルメカニカル光モジュール。
- 前記投影マイクロレンズアレイ手段が複数の小型レンズのアレイを備えることを特徴とする請求項24に記載のマイクロエレクトリカルメカニカル光モジュール。
- 平坦な基板を貫いて延びる複数のピクセル開口部に向かって平行照明光を収束するステップと、
選択的に変調された光のピクセル配列を形成するために、前記複数のピクセル開口部上の前記基板を横断する平面内で複数のマイクロエレクトリカルメカニカルシャッタを選択的に位置決めするステップとを備え、
前記マイクロエレクトリカルメカニカルシャッタは、前記小型レンズの焦点での光の遮断位置と、前記焦点から離れた光の伝送位置とを有し、
前記マイクロエレクトリカルメカニカルシャッタは、バックルビームに固定された他の端部を有する旋回アームの自由端で位置決めされ、該バックルビームは、基部端縁において前記基板に固定されたアンカーに固定されており、
前記マイクロエレクトリカルメカニカルシャッタは、光の伝送位置において、前記基板から離れて前記バックルビームを湾曲することによって前記基板から離れて旋回することを特徴とするマイクロエレクトリカルメカニカル光変調方法。 - 前記選択的に変調された光のピクセル配列をディスプレイ画面上に導くステップを備えることを特徴とする請求項27に記載のマイクロエレクトリカルメカニカル光変調方法。
- 前記平行照明光を提供するためコリメータレンズを介して照明光を導き、次いで前記複数のピクセル開口部に向かって平行照明光を収束するステップを備えることを特徴とする請求項27に記載のマイクロエレクトリカルメカニカル光変調方法。
- 前記複数のピクセル開口部に向かって平行照明光を収束するステップが、収束マイクロレンズアレイを介して平行照明光を導くステップを備えることを特徴とする請求項27に記載のマイクロエレクトリカルメカニカル光変調方法。
- 前記複数のマイクロエレクトリカルメカニカルシャッタのそれぞれがマイクロエレクトリカルメカニカルアクチュエータによって制御され、前記複数のピクセル開口部上で複数のマイクロエレクトリカルメカニカルシャッタを選択的に位置決めするステップが、前記マイクロエレクトリカルメカニカルアクチュエータを選択的に作動させるステップを備えることを特徴とする請求項27に記載のマイクロエレクトリカルメカニカル光変調方法。
- 前記マイクロエレクトリカルメカニカルアクチュエータを選択的に作動させるステップが熱的に作動させるステップを備えることを特徴とする請求項31に記載のマイクロエレクトリカルメカニカル光変調方法。
- 前記複数のピクセル開口部上で複数のマイクロエレクトリカルメカニカルシャッタを選択的に位置決めするステップが、前記ピクセル開口部を介して光量の異なる光を異なるピクセル輝度として通すステップを備えることを特徴とする請求項27に記載のマイクロエレクトリカルメカニカル光変調方法。
- 前記ピクセル開口部を介して光量の異なる光を異なるピクセル輝度として通すステップが、複数のピクセル開口部上で複数のマイクロエレクトリカルメカニカルシャッタを対応する異なった時間の間だけ位置決めするステップを備えることを特徴とする請求項33に記載のマイクロエレクトリカルメカニカル光変調方法。
- 前記ピクセル開口部を介して光量の異なる光を異なるピクセル輝度として通すステップが、複数のピクセル開口部のうち対応する異なった部分上で複数のマイクロエレクトリカルメカニカルシャッタを位置決めするステップを備えることを特徴とする請求項33に記載のマイクロエレクトリカルメカニカル光変調方法。
- 前記平行照明光が、平行照明光の複数の別々な色成分を備えることを特徴とする請求項27に記載のマイクロエレクトリカルメカニカル光変調方法。
- 複数の別々な色成分平行照明光を前記複数のピクセル開口部に向かって同時に収束するステップを備えることを特徴とする請求項36に記載のマイクロエレクトリカルメカニカル光変調方法。
- 複数の別々な色成分平行照明光を前記複数のピクセル開口部に向かって時間的に順次収束するステップを備えることを特徴とする請求項36に記載のマイクロエレクトリカルメカニカル光変調方法。
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