具有隱藏鉸鏈的高填充率反射式空間光調製器的製作方法
2023-10-09 00:41:34
專利名稱：具有隱藏鉸鏈的高填充率反射式空間光調製器的製作方法
技術領域：
本發明涉及空間光調製器(SLM)，更具體而言，本發明涉及具有隱藏鉸鏈以使象素填充率最大化、散射和衍射最小化並獲得高對比度和高圖像質量的微反射鏡結構。
背景技術：
空間光調製器(SLM)在光學信息處理、投影顯示器、視頻和圖形監視器、電視以及電子照相印刷領域有大量應用。反射式SLM是這樣的器件，其對空間圖樣中的入射光進行調製以反射與電或光輸入相對應的圖像。可以在相位、強度、偏振態或偏轉方向等方面對入射光進行調製。反射式SLM通常包括能夠反射入射光的可尋址圖像元件(象素)的區域或二維陣列。SLM的一個關鍵參數(特別是在顯示器應用中)是光學有效面積在象素麵積中所佔部分(也指SLM的反射性表面積佔SLM總表面積的比例，也稱為「填充率」)。高填充率是期望得到的。
現有技術的SLM有各種缺點。這些缺點包括但不限於(1)低於最優值的光學有效面積，其降低了光學效率；(2)粗糙的反射表面，其降低了反射鏡的反射率；(3)衍射和散射，其降低了顯示器的對比度；(4)使用了長期使用可靠性有問題的材料；以及(5)複雜的製造工藝，其增加了開支並降低了器件的成品率。
許多現有技術的器件在其表面上包括基本上是非反射性的區域。這導致了低填充率並導致低於最優值的反射效率。例如美國專利4,229,732公開的MOSFET器件，除了反射鏡外還要在器件表面上形成該MOSFET器件。這些MOSFET器件佔據了表面積，減少了光學有效的器件區域所佔的部分並降低了反射效率。器件表面上的MOSFET器件還使入射光發生衍射，降低了顯示器的對比度。此外，照射到暴露的MOSFET器件的強光由於使MOSFET器件帶電和使電路過熱而幹擾了器件的正常操作。
某些SLM設計具有粗糙表面，使入射光散射並降低了反射效率。例如，在某些SLM設計中，反射表面是沉積在LPCVD氮化矽層上的鋁膜。當其以薄膜沉積時，難以控制這些反射鏡表面的光潔度。因此，最終產品具有粗糙的表面，降低了反射效率。
在某些SLM設計中，特別是某些頂部懸掛反射鏡的設計中，降低反射效率的另一個問題是暴露的鉸鍊表面積較大。這些暴露的鉸鍊表面積導致由鉸鏈結構引起的散射和衍射，這除了對其他參數外還對對比度有負面影響。
許多傳統的SLM(例如美國專利4,566,935中公開的SLM)具有鋁合金製成的鉸鏈。鋁和其他金屬易受疲勞和塑性變形影響，而疲勞和塑性變形可能引起長期可靠性問題。此外，鋁易受晶胞「記憶」的影響，即其餘位置開始朝向其最常佔據的位置傾斜。另外，4,566,935專利中公開的反射鏡要通過去除反射鏡表面下方的犧牲材料而釋出。這種技術經常在釋出過程中導致精密的微反射鏡結構斷裂。其還需要在反射鏡之間留出較大間隙以用刻蝕劑去除反射鏡下方的犧牲材料，這降低了器件的光學有效面積所佔的部分。
其他傳統SLM需要多個層，包括用於反射鏡、鉸鏈、電極和/或控制電路的單獨的層。製造這樣的多層SLM需要使用多層薄膜堆疊及刻蝕的技術和工藝。使用這些技術和工藝價格昂貴並降低了成品率。例如，使用這些技術經常包括大面積沉積和去除反射鏡片的表面下方的犧牲材料。在反射鏡片的表面下方進行多層薄膜沉積和堆疊通常會導致更粗糙的反射鏡表面，從而降低了反射鏡的反射效率。此外，使反射鏡和鉸鏈處於不同層或襯底中會在反射鏡偏轉時引起平移。由於平移，必須將陣列中的反射鏡間隔開以避免鄰近反射鏡之間的機械幹涉。因為陣列中的反射鏡不能與陣列中的其他反射鏡靠得太近，所以SLM會遭受光學有效面積低於最優值或填充率降低的損失。
所期望的SLM具有提高的反射效率、SLM器件的長期可靠性以及簡化的製造工藝。
發明內容
本發明涉及空間光調製器(SLM)。在一種實施例中，SLM具有由第一襯底製造的反射式可選擇性偏轉的微反射鏡陣列，該第一襯底結合到具有獨立可尋址電極的第二襯底。第二襯底也可以具有用於微反射鏡陣列的尋址和控制電路。或者，部分尋址和控制電路位於單獨的襯底上並連接到第二襯底上的電路和電極。
微反射鏡陣列包括具有高反射性表面以反射入射光的可控偏轉的反射鏡片。反射鏡片用連接器連接到鉸鏈。鉸連結著由隔板支撐壁連接到隔板支撐框架。鉸鏈基本上遮蔽在反射表面下。通過將鉸鏈基本上隱藏在反射表面以下，消除了由於光照射到暴露的鉸鏈結構及從其反射離開而引起的散射和衍射量，從而使器件的對比度最大化。
反射鏡片、連接器、鉸鏈、隔板支撐框架和隔板支撐壁由第一襯底製造。第一襯底是單一材料的晶片，在一種實施例中是單晶矽。隔板支撐壁在反射鏡片和與該反射鏡片相關並控制該反射鏡片偏轉的電極之間設置間隔。電極位於第二襯底上，並且第二襯底結合到微反射鏡陣列。
由於鉸鏈和反射鏡片處於同一襯底中(即同一層中)，所以當反射鏡圍繞鉸鏈縱軸旋轉時沒有平移或位移。由於沒有平移，反射鏡和支撐壁之間的間隙只受製造技術和工藝的限制。反射鏡片的間距很近和將鉸鏈基本上定位在反射表面下方的隱藏手段使微反射鏡陣列可以獲得高填充率、提高的對比度、光的散射和衍射最小化，並基本上消除了穿過微反射鏡陣列照射第二襯底上的電路的光。
此外，由於在優選實施例中反射鏡片和鉸鏈由單晶矽材料製成，所以鉸鏈更堅固、更可靠，並且基本上不受記憶效應、沿著晶界的斷裂或疲勞影響。單晶矽襯底與其他材料特別是沉積薄膜相比，微小的缺陷和裂縫明顯更小。結果，在器件中沿著晶界斷裂(或傳播微小的斷裂)的可能性更小。而且，像本發明中這樣使用單個襯底還將多層薄膜堆疊及刻蝕工藝和技術的使用減至最少。
最終結果是SLM可實現高光學效率並獲得可靠且節省成本地產生高質量圖像的性能。
圖1是圖示了根據本發明一種實施例的空間光調製器總體結構的示意圖。
圖2a是本發明一種實施例中單個微反射鏡的立體圖。
圖2b是圖2a的微反射鏡角部的立體圖。
圖3是不帶反射表面的單個微反射鏡的立體圖，示出了本發明一種實施例中微反射鏡陣列的反射鏡片頂部和側面。
圖4a是示出本發明一種實施例中單個微反射鏡底部和側面的立體圖。
圖4b是圖4a的微反射鏡角部的立體圖。
圖5是示出本發明一種實施例中微反射鏡陣列的頂部和側面的立體圖。
圖6是示出本發明一種實施例中微反射鏡陣列的底部和側面的立體圖。
圖7a是圖2a中所示未偏轉的微反射鏡沿著偏離對角線的截面所取的截面圖。
圖7b是本發明一種實施例中第二襯底中所形成的反射鏡片下方的電極和搭接觸點的俯視圖。
圖7c是圖2a中所示未偏轉的微反射鏡沿著中心對角線截面所取的截面圖。
圖8是圖2a中所示偏轉的微反射鏡的截面圖。
圖9a是示出微反射鏡可替換實施例的頂部和側面的立體圖。
圖9b是圖9a的微反射鏡角部的立體圖。
圖10是示出微反射鏡可替換實施例的底部和側面的立體圖。
圖11是示出微反射鏡陣列可替換實施例的頂部和側面的立體圖。
圖12是示出微反射鏡陣列可替換實施例的底部和側面的立體圖。
圖13是第二襯底上形成的電極的一種實施例的立體圖。
具體實施例方式
反射式空間光調製器(「SLM」)100具有可偏轉反射鏡202的陣列103。可以通過在反射鏡202與相應的電極126之間施加電壓偏置來選擇性地偏轉獨立的反射鏡202。每個反射鏡202的偏轉控制從光源反射到視頻顯示器的光。因此，控制反射鏡202的偏轉可使照射到該反射鏡202的光在選定的方向上反射，並從而可控制視頻顯示器中的象素外觀。
空間光調製器概況圖1是圖示了根據本發明一種實施例的SLM 100總體結構的示意圖。所圖示的實施例有三層。第一層是具有多個可偏轉微反射鏡202的反射鏡陣列103。在一種優選實施例中，微反射鏡陣列103由單一材料(例如單晶矽)的第一襯底105製造。
第二層是電極陣列104，其具有多個電極126用於控制微反射鏡202。每個電極126與一個微反射鏡202相關並控制該微反射鏡202的偏轉。尋址電路使得可以選擇單個電極126用於控制與該電極126相關的特定微反射鏡202。
第三層是控制電路106的層。此控制電路106具有尋址電路，這使控制電路106可以控制將電壓施加到選定的電極126上。這使控制電路106可以通過電極126控制反射鏡陣列103中反射鏡202的偏轉。通常控制電路106還包括顯示控制108、線緩存(line memory buffer)110、脈寬調製陣列112以及用於視頻信號120和圖形信號122的輸入。微控制器114、光學器件控制電路116和快閃記憶體118可以是連接到控制電路106的外部元件，在某些實施例中也可以包括在控制電路106中。在各種實施例中，控制電路106的上面列出的部分中的一些可以沒有，也可以置於單獨的襯底上並連接到控制電路106，或者也可以有其他附加元件作為控制電路106的一部分或連接到控制電路106。
在一種實施例中，第二層104和第三層106都是用半導體製造技術在單個第二襯底107上製造的。就是說，第二層104不必與第三層106分開並位於其上方。更確切地說，術語「層」只是為了幫助形成空間光調製器100不同部分的概念。例如，在一種實施例中，電極126的第二層104是在控制電路106的第三層頂部製造的，兩個層都在單個第二襯底107上製造。就是說，在一種實施例中，電極126以及顯示控制108、線緩存110和脈寬調製陣列112都在單個襯底上製造。將控制電路106的幾個功能元件集成在同一襯底上具有提高數據傳輸速率超過傳統空間光調製器(其中顯示控制108、線緩存110和脈寬調製陣列112都在單獨的襯底上製造)的優點。此外，在單個襯底107上製造電極陣列104的第二層和控制電路106的第三層還具有簡單、製造便宜以及最終產品結構緊湊的優點。
在製造層103和107後，將其結合在一起形成SLM 100。有反射鏡陣列103的第一層覆蓋共同組成107的第二層104和第三層106。反射鏡陣列103中反射鏡202下方的區域決定了第一層103下方有多少空間可用於電極126以及尋址和控制電路106。反射鏡陣列103中的微反射鏡202下方只有有限的空間用於安置電極126以及形成顯示控制108、線緩存110和脈寬調製陣列112的電子元件。本發明將多得多的部分(如與電極126處於同一襯底上的顯示控制108、線緩存110和脈寬調製陣列112)集成在微反射鏡陣列103中的微反射鏡下方的有限區域內。包括與電極126位於同一襯底107上的此控制電路106可提高SLM 100的性能。在其他實施例中，可以在不同的襯底上製造並電連接電極126與控制電路元件的各種組合。
反射鏡圖2a是單個微反射鏡202的一種實施例的立體圖，圖2b是圖2a中所示微反射鏡202的角部236的更詳細的立體圖。在一種優選實施例中，微反射鏡202包括至少一個反射鏡片204、鉸鏈206、連接器216和反射表面203。在可替換實施例中，微反射鏡202還包括隔板支撐框架210，用於支撐反射鏡片204、鉸鏈206、反射表面203和連接器216。優選地，反射鏡片204、鉸鏈206、連接器216和隔板支撐框架210用例如單晶矽的單一材料晶片製造。這樣，此實施例中的圖1所示第一襯底105是單晶矽晶片。用單一材料晶片製造微反射鏡202使反射鏡202的製造大大簡化。此外，可以對單晶矽進行拋光以產生光潔的反射鏡表面，其表面粗糙度比沉積膜要光潔一個數量級。由單晶矽製成的反射鏡202在機械上是剛性的，可防止反射鏡表面不希望的彎曲或扭曲，並且由單晶矽製成的鉸鏈更堅固、更可靠，基本上不受記憶效應、沿晶界的斷裂或疲勞(這些在由微反射鏡陣列中所用的許多其他材料製成的鉸鏈中都是常見的)的影響。在其他實施例中，可以用其他材料代替單晶矽。一種可能性是將另一類型的矽(例如多晶矽或非晶矽)用於微反射鏡202，甚至也可以完全用金屬(例如鋁合金或鎢合金)製造反射鏡202。此外，像本發明中這樣使用單個襯底避免了使用多層薄膜堆疊和刻蝕工藝及技術。
如圖2a-b、3、4a-b、7a和8所示以及如上所述，微反射鏡202具有反射鏡片204。此反射鏡片204是微反射鏡202的一部分，該部分用連接器216耦合到鉸鏈206並通過在反射鏡202與相應電極126之間施加電壓偏置而選擇性地偏轉。圖3所示的實施例中反射鏡片204包括三角形部分204a和204b。在圖9a、9b和10所示的實施例中，反射鏡片204基本是方形，大約十五微米乘十五微米，面積約225平方微米，但也可以是其他形狀和尺寸。反射鏡片204具有上表面205和下表面201。上表面205優選為均方根粗糙度小於2埃的高光潔表面，並優選地構成微反射鏡片204表面積的大部分。在反射鏡片204的上表面205上以及部分鉸鏈206上方沉積有反射材料203，例如鋁或任何其他高反射材料。此反射材料203優選地具有300埃或更小的厚度。反射材料或表面203的厚度確保其沿襲了上表面205平坦光潔的表面。此反射表面203的面積大於反射鏡片204的上表面205的面積，並以由反射鏡片204偏轉所確定的角度反射來自光源的光。注意扭轉彈簧鉸鏈206基本上形成於反射鏡片204的上表面205下方，並基本上被沉積在上表面205上以及部分鉸鏈206上方的反射表面203遮蔽。圖2a與圖3之間的不同在於圖2a圖示的反射鏡片204帶有上表面205上所增加的基本遮蔽鉸鏈206的反射表面203，而圖3圖示的反射鏡片204沒有反射表面203，因而沒有遮蔽鉸鏈206。由於鉸鏈206和反射鏡片204位於同一襯底105中，並且如圖7a和7b所示，鉸鏈206的中心高796基本上與反射鏡片204的中心高795或797共面，所以當反射鏡202圍繞鉸鏈206的縱軸旋轉時沒有平移或位移。由於沒有平移，反射鏡片204與隔板支撐框架210的隔板支撐壁之間的間隙只需受到製造技術和工藝的限制，通常小於0.1微米。反射鏡片204的間距很近並且鉸鏈206基本隱藏在反射表面203之下可以使微反射鏡陣列103獲得高填充率、提高的對比度、光的散射和衍射最小化，並基本上消除了穿過微反射鏡陣列103照射到第二襯底107上的電路的光。
如圖2a-b、3、4a-b、7a、8、9a、9b和10所示，反射鏡片204由連接器216連接到扭轉彈簧鉸鏈206。扭轉彈簧鉸鏈206連接到隔板支撐框架210，該隔板支撐框架210將扭轉彈簧鉸鏈206、連接器216和反射鏡片204保持在合適位置。鉸鏈206包括第一臂206a和第二臂206b。如圖3和10所示，每個臂206a和206b有兩個末端，一個末端連接到隔板支撐框架210而另一個末端連接到連接器216。在可替換實施例中也可以將其他的彈簧、鉸鏈和連接方案用於反射鏡片204、鉸鏈206和隔板支撐框架210之間。如圖3和4a所給出的最為清楚的圖示，扭轉鉸鏈206優選地定向為相對隔板支撐壁210的對角方向(例如成45度角)，並將反射鏡片204分為兩部分或兩側第一側204a和第二側204b。如圖7b所示，兩個電極126與反射鏡202相關，一個電極126用於第一側204a而另一個電極126用於第二側204b。這使得任一側204a和204b都可被吸引到下方的電極126a或126b之一併向下擺動，從而提供了寬範圍的角運動。扭轉彈簧鉸鏈206使得當通過在反射鏡202與相應電極126之間施加電壓而將例如靜電力的力施加到反射鏡片204時，反射鏡片204可以圍繞鉸鏈206的縱軸相對於隔板支撐框架210旋轉。此旋轉產生角度偏轉以在選定的方向上反射光。由於鉸鏈206和反射鏡片204在同一襯底105中，並且如圖7a和7b所圖示，鉸鏈206的中心高796與反射鏡片204的中心高795或797基本共面，所以反射鏡202圍繞鉸鏈206的運動是純轉動而沒有平移。在圖7a和8所示的一種實施例中，扭轉彈簧鉸鏈206的寬度222小於鉸鏈206(垂直於反射鏡片204的上表面205)的深度223。鉸鏈206的寬度222優選為約0.12微米到約0.2微米之間，深度223優選為約0.2微米到約0.3微米之間。
如圖2a-b、3、4a-b、6和7a所示，隔板支撐框架210將反射鏡片204定位在電極126和尋址電路上方的預定距離處，使得反射鏡片204可以向下偏轉到預定的角度。隔板支撐框架210包括隔板支撐壁，這些隔板支撐壁如圖2a、4a、9a和10所示優選地由同一第一襯底105形成並優選地正交布置。這些壁還有助於限定隔板支撐框架210的高度。隔板支撐框架210的高度是根據反射鏡片204與電極126之間的期望距離和電極的形貌設計來選擇的。更大的高度使得反射鏡片204可以偏轉更多，並有更大的最大偏轉角。更大的偏轉角通常提供更高的對比度。在一種實施例中，反射鏡片204的偏轉角是12度。在優選實施例中，如果提供足夠的間距和驅動電壓，反射鏡片204可旋轉多達90度。隔板支撐框架210還為鉸鏈206提供支撐並將反射鏡片204與反射鏡陣列103中的其他反射鏡片204分隔開。隔板支撐框架210具有隔板壁寬212，該隔板壁寬212與反射鏡片204和支撐框架210之間的間隙相加基本上等於相鄰微反射鏡202的相鄰反射鏡片204之間的距離。在一種實施例中，隔板壁寬212為1微米或更小。在一種優選實施例中，隔板壁寬212為0.5微米或更小。這使反射鏡片204靠近在一起布置，增大了反射鏡陣列103的填充率。
在某些實施例中，微反射鏡202包括當鏡面204已經向下偏轉到預定角度時阻止反射鏡片204偏轉的元件405a和405b。這些元件通常可包括運動限位器405a或405b以及搭接觸點710a或710b。如圖4a、6、7a、7b、8、10及12所示，當反射鏡表面204偏轉時，反射鏡片204上的運動限位器405a或405b與搭接觸點710(710a或710b)相接觸。當這種情況發生時，反射鏡片204不能進一步偏轉。運動限位器405a或405b以及搭接觸點710a或710b有多種可能的結構。在圖4a、6、7a、8、10和12所示的實施例中，運動限位器是附裝在反射鏡片204下表面201的圓柱形支柱或機械限位器405a或405b，而搭接觸點710是第二襯底107上相應的圓形區域。在圖7a、7b和8所示的實施例中，搭接觸點710a和710b電連接到隔板支撐框架210，並因此相對於運動限位器405a或405b具有零電勢差以阻止運動限位器405a或405b分別粘接或焊接到搭接觸點710a或710b。從而當反射鏡片204相對於隔板支撐框架210旋轉到超過預定角度(由機械限位器405a或405b的長度和位置確定)時，機械運動限位器405a或405b將分別與搭接觸點710a或710b物理接觸，並阻止反射鏡片204的任何進一步旋轉。
在優選實施例中，運動限位器405a或405b是由第一襯底105製造的，並由與反射鏡片204、鉸鏈206、連接器216和隔板支撐框架210相同的材料製成。搭接觸點710a或710b也優選地由與運動限位器405a或405b、反射鏡片204、鉸鏈206、連接器216以及隔板支撐框架210相同的材料製成。因此，在材料為單晶矽的實施例中，運動限位器405a或405b以及搭接觸點710a或710b是由具有較長功能壽命的硬材料製成的，這使反射鏡陣列103可以長期維持。此外，由於單晶矽是硬材料，運動限位器405a或405b以及搭接觸點710a或710b可以以運動限位器405a或405b分別與搭接觸點710a或710b接觸處的較小面積製造，這大大減小了粘合力並使反射鏡片204可以自由偏轉。此外，這意味著運動限位器405a或405b以及搭接觸點710a或710b維持相同的電勢，防止了運動限位器405a或405b與搭接觸點710a或710b處於不同電勢時可能由焊接和電荷注入工藝而導致的粘接。本發明不限於用上述元件或技術阻止反射鏡片204偏轉。可以使用本領域所知的任何元件和技術。
圖4a是圖示了單個微反射鏡202下部的立體圖，包括支撐壁210、反射鏡片204(包括兩側204a和204b並具有上表面205和下表面201)、鉸鏈206、連接器216以及機械限位器405a和405b。圖4b是圖4a中所示微反射鏡202角部237的更詳細的立體圖。
圖5是示出具有九個微反射鏡202-1到202-9的微反射鏡陣列103的頂部和側面的立體圖。儘管圖5示出的微反射鏡陣列103有三行和三列，但是對於總共九個微反射鏡202，反射鏡陣列103也可以是其他尺寸。通常每個微反射鏡202對應於視頻顯示器上的一個象素。這樣，具有更多微反射鏡202的更大陣列103提供了具有更多象素的視頻顯示器。
如圖5所示，微反射鏡陣列103的表面具有大填充率。就是說，微反射鏡陣列103的大部分表面由微反射鏡202的反射表面203構成。微反射鏡陣列103的表面只有極少部分是非反射性的。如圖5所示，微反射鏡陣列103表面的非反射性部分是微反射鏡202的反射表面203之間的區域。例如，反射鏡202-1與202-2之間的區域寬度由隔板支撐壁寬212以及反射鏡202-1和202-2的反射鏡片204與隔板支撐壁210之間的間隙寬度總和確定。注意，儘管圖2a、2b、3、4a和4b中示出的單個反射鏡202已描述為具有自己的隔板支撐框架210，但例如反射鏡202-1和202-2的反射鏡之間通常沒有兩個單獨的相鄰隔板壁210。相反，反射鏡202-1與202-2之間通常有支撐框架210的一個物理的隔板壁。由於在反射鏡片204偏轉時沒有平移，間隙和隔板壁寬212可以以製造技術所能支持的儘可能小的特徵尺寸來製造。這樣，在一種實施例中，間隙是0.2微米，而在另一實施例中，間隙是0.13微米或更小。由於半導體製造技術允許更小的特徵，隔板壁210的尺寸和間隙可以減小以允許更高的填充率。本發明的實施例允許高填充率。在優選實施例中，填充率是96％甚至更高。
圖6是示出具有九個微反射鏡的微反射鏡陣列103底部和側面的立體圖。如圖6所示，微反射鏡202的隔板支撐框架210限定了反射鏡片204下方的空腔。這些空腔為反射鏡片204提供了向下偏轉的空間，還在反射鏡片204下方留出了較大區域用於安置帶有電極126的第二層104和/或帶有控制電路106的第三層。圖6還示出了反射鏡片204(包括兩側204a和204b)的下表面201以及隔板支撐框架210、扭轉彈簧鉸鏈206、連接器216以及運動限位器405a和405b的底部。
如圖5和6中可見，極少垂直於反射鏡片204的光可以穿過微反射鏡陣列103到達微反射鏡陣列103下方的任何電極126或控制電路106。這是因為隔板支撐框架210以及反射表面203(該反射表面203位於反射鏡片204的上表面205上和部分鉸鏈206上方)為微反射鏡103下方的電路提供了幾乎完整的遮蔽。此外，由於隔板支撐框架210將反射鏡片204與微反射鏡陣列103下方的電路分開，所以以非直角的角度行進到反射鏡片204並穿過反射鏡片204的光很可能照射到隔板支撐框架210的壁而不會到達微反射鏡陣列103下方的電路。由於幾乎沒有入射到反射鏡陣列103上的強光會到達電路，SLM 100避免了與強光照射電路相關的問題。這些問題包括入射光加熱電路以及入射光的光子使電路元件帶電，二者都可引起電路故障。
圖9a是根據本發明可替換實施例的微反射鏡202的立體圖，圖9b是微反射鏡202的角部238更詳細的立體圖。此實施例中的扭轉鉸鏈206平行於隔板支撐框架210的隔板支撐壁。通過在反射鏡片204與相應電極126之間施加電壓偏置而可選擇地使反射鏡片204朝向電極偏轉。對於相同的支撐壁高，圖9a所示的實施例比圖2a和2b中所示具有對角鉸鏈206的反射鏡202提供更小的總的角運動範圍。不過，如同圖2a和2b中所示的實施例，圖9a和9b所示的實施例中鉸鏈206在反射鏡片204的上表面205之下並被反射表面203遮蔽，導致SLM 100具有高填充率、高光學效率、高對比度、低的光衍射和反射、可靠以及節約成本的性能。圖9b是微反射鏡202角部更詳細的立體圖並圖示了反射鏡片204、鉸鏈206、隔板支撐框架210的支撐壁以及反射表面203。圖10圖示了單個微反射鏡202的下部，包括鉸鏈206、連接器216和運動限位器405a。在其他實施例中，鉸鏈206可以基本平行於反射鏡片204的兩側之一併仍然布置為將反射鏡片204分為兩部分204a和204b。圖11和12提供了由多個圖9a、9b和10中所述的微反射鏡202組成的反射鏡陣列的立體圖。
圖13是形成於第二襯底107上的電極126的一種實施例的立體圖。在此實施例中，每個微反射鏡202具有相應的電極126。圖示的實施例中電極126被製造為高於第二襯底107上電路的其餘部分。在優選實施例中，電極126與第二襯底107上電路的其餘部分位於同一水平面。在另一實施例中，電極126延伸到電路上方。在本發明的一種實施例中，電極126是裝在微反射鏡片下方的單獨鋁墊。電極的形狀取決於微反射鏡202的實施方式。例如，在圖2a、2b和3中所示的實施例中，反射鏡202下方優選地有兩個電極126，每個電極126具有圖7b中所示三角形的形狀。在圖9a、9b和10所示的實施例中，反射鏡202下方優選地有單個方形電極126。這些電極製造在第二襯底107的表面上。此實施例中電極126較大的表面積導致只需相對較低的尋址電壓即可將反射鏡片204向下拉到機械限位器上來使反射鏡片204產生預定的完全角度偏轉。
操作在操作中，單獨的反射性微反射鏡202被選擇性地偏轉並用於對入射到反射鏡202並由其反射的光進行空間調製。
圖7a和8圖示了沿圖2a中虛線251所示的微反射鏡202的截面圖。注意此截面圖偏離微反射鏡202的中心對角線，從而圖示了鉸鏈206的外形。圖7c圖示了沿圖2a中虛線250所示的微反射鏡202的不同截面圖。注意此截面圖沿著中心對角線，垂直於鉸鏈206。圖7c圖示了涉及反射鏡片204a和204b的連接器216。圖7a、7c和8圖示了電極126上方的微反射鏡202。在操作中，電壓施加到反射鏡202一側的電極126上，以控制電極126上方的反射鏡片204相應部分(圖8中204a一側)的偏轉。如圖8所示，當電壓施加到電極126時，反射鏡片的一半204a被吸引到電極126，而反射鏡片的另一半204b由於反射鏡片204的結構和剛性而從電極126和第二襯底107移開。這使反射鏡片204圍繞扭轉彈簧鉸鏈206旋轉。當從電極126撤去電壓時，鉸鏈206使反射鏡片204跳回圖7a所示的非偏置位置。或者，在帶有圖2a、2b和3所示的對角鉸鏈206的實施例中，可以將電壓施加到反射鏡片204另一側的電極126上而使反射鏡202在相反方向上偏轉。這樣，將照射到反射鏡202的光在一定的方向上反射，該方向可通過對電極126施加電壓來進行控制。
一種實施例如下操作。起初如圖7a和7c所示反射鏡202未偏轉。在此非偏置狀態下，來自光源並傾斜入射到SLM 100的入射光束由平坦反射鏡202反射。出射的反射光束可由例如光收集器(optical dump)接收。從未偏轉的反射鏡202反射的光不會反射到視頻顯示器上。
當在一半反射鏡片204a與其下的電極126之間施加電壓偏置時，反射鏡202由於靜電吸引而偏轉。在一種實施例中，當反射鏡片204a如圖8所示向下偏轉時，Vc1優選為12伏，Vb為-10伏，且Vc2為0伏。類似地(或相反地)，當反射鏡片204b向下偏轉時，Vc1優選為0伏，Vb為-10伏而Vc2為12伏。由於鉸鏈206的設計，反射鏡片的一側204a或204b(即具有電壓偏置的電極126上方的一側)向下偏轉(朝向第二襯底107)，而反射鏡片的另一側204b或204a從第二襯底107移開。注意在一種優選實施例中，基本上所有的彎曲都發生在鉸鏈206而不是反射鏡片204中。在一種實施例中這可通過使鉸鏈寬度222較窄並將鉸鏈206隻在兩端連接到支撐柱來實現。如上所述，反射鏡片204的偏轉由運動限位器405a或405b來限制。反射鏡片204完全偏轉可將出射的反射光束偏轉進入成像光學器件和偏轉到視頻顯示器。
當反射鏡片204偏轉超過「扣合」或「牽引」電壓(在一種實施例中約為12伏或更小)時，鉸鏈206的回覆機械力或轉矩不再平衡靜電力或轉矩，處於靜電力作用下的反射鏡片204的一半204a或204b朝向其下的電極126「扣合」以實現完全偏轉，這種完全偏轉只受所應用的運動限位器405a或405b的限制。在圖9a、9b和10中所示鉸鏈206平行於隔板支撐框架210的支撐壁的實施例中，為了將反射鏡片204從其完全偏轉位置釋放，必須關斷電壓。在圖2a、2b和3中所示鉸鏈206對角布置的實施例中，為了將反射鏡片204從其完全偏轉位置釋放，必須在另一電極正在通電且反射鏡202吸引到另一側的同時關斷電壓。
微反射鏡202是機電雙穩態器件。在給定釋放電壓與扣合電壓之間的一個具體電壓時，反射鏡片204有兩個可能的偏轉角，這取決於反射鏡202的偏轉歷史。因此，反射鏡202的偏轉就像鎖存器。這些雙穩態和鎖存器特性的存在是由於反射鏡202偏轉所需的機械力與偏轉角大致成線性而對立的靜電力與反射鏡片204和電極126之間的距離成反比。
由於反射鏡片204與電極126之間的靜電力依賴於反射鏡片204與電極126之間的總電壓差，所以施加到反射鏡片204的負電壓減小了施加到電極126以獲得給定偏轉量所需的正電壓。這樣，向反射鏡陣列103施加電壓可以減小電極126需要的電壓大小。這可能是有用的，例如由於在某些應用中希望將必須施加到電極126的最大電壓維持在12V以下，因為在半導體工業中5V的開關能力更常見並且更節省成本。
由於固定了反射鏡202的最大偏轉，所以如果SLM 100在超過扣合電壓的電壓處操作，其可以以數字方式操作。操作本來就是數字式的，因為在圖2a、2b和3所示鉸鏈206平行於隔板支撐框架210的支撐壁的實施例中，反射鏡片204或者通過向相關電極126施加電壓而完全向下偏轉，或者在沒有電壓施加到相關電極126的情況下被允許向上跳起。在圖12a、12b和13所示鉸鏈206對角布置的實施例中，反射鏡片204或者通過向反射鏡片204一側的相關電極126施加電壓而完全向下偏轉，或者當對反射鏡片204另一側上的另一電極126通電時向下偏轉到反射鏡片204的另一側。使反射鏡片204完全向下偏轉直到被阻止反射鏡片204偏轉的物理元件所阻止的電壓稱為「扣合」或「牽引」電壓。這樣，為了使反射鏡片204完全向下偏轉，應向相應電極126施加等於或大於扣合電壓的電壓。在視頻顯示器應用中，當反射鏡片204完全向下偏轉時，反射鏡片204上的入射光被反射到視頻顯示器屏幕上的相應象素，該象素變亮。當反射鏡片204被允許向上跳起時，光反射到使其不照射視頻顯示器屏幕的方向上，該象素變暗。
在這樣的數字式操作期間，相關反射鏡片204已經完全偏轉之後，就不必在電極126上保持完全扣合電壓。在「尋址階段」，與應當完全偏轉的反射鏡片204相對應的選定電極126所用的電壓被設定為偏轉反射鏡片204所需的水平。在該反射鏡片204已由於電極126上的電壓而偏轉後，將反射鏡片204維持在偏轉位置所需的電壓小於實際偏轉所需的電壓。這是因為偏轉的反射鏡片204與尋址電極126之間的間隙比反射鏡片204處於被偏轉過程中時更小。因此，在尋址階段之後的「維持階段」，施加到選定電極126的電壓可由其開始所需的水平減小而基本上不影響反射鏡片204的偏轉狀態。具有更低的維持階段電壓的一個優點是附近的未偏轉反射鏡片204隻受更小的靜電吸引力影響，因此其保持在更加接近於零偏轉的位置處。這提高了偏轉的反射鏡片204與未偏轉的反射鏡片204之間的光學對比度。
通過適當選擇外形尺寸(在一種實施例中，由反射鏡結構和偏轉角度的需求所確定的反射鏡片204與電極126之間的隔板支撐框架210間距是1到5微米，鉸鏈206的厚度是0.05到0.45微米)和材料(例如單晶矽(100))，可以使反射式SLM 100的操作電壓僅有幾伏。由單晶矽製成的扭轉鉸鏈206的剪切模量可以是例如每平方米每弧度5×1010牛頓。通過將反射鏡片204保持在合適電壓下(「負偏置」)而不是接地，可以使電極126操作來使相關反射鏡片204完全偏轉的電壓甚至更小。對於施加到電極126的指定電壓，這導致更大的偏轉角。最大負偏置電壓是釋放電壓，所以當尋址電壓減小到零時，反射鏡片204可以跳回未偏轉的位置。
還可以以更加「模擬」的方式控制反射鏡片204偏轉。施加小於「扣合電壓」的電壓以偏轉反射鏡片204並控制入射光反射的方向。
可替換的應用除了視頻顯示器外，空間光調製器100還可用於其他應用中。這樣的一種應用是無掩模光刻，其中空間光調製器100對光進行導向以使沉積的光刻膠顯影。這就不再需要用於將光刻膠以所希望的圖案正確顯影的掩模。
儘管已經參考多個實施例具體示出並說明了本發明，但本領域技術人員將理解到，在不脫離本發明的精神和範圍的情況下，可在其中進行形式和細節上的各種改變。例如，反射鏡片204也可以通過除了靜電吸引以外的其他方法來偏轉。反射鏡片204可以替換為用磁、熱或壓電驅動來偏轉。
權利要求
1.一種微反射鏡，包括反射鏡片，所述反射鏡片具有上表面和下表面；鉸鏈，所述鉸鏈連接到所述反射鏡片，以允許所述反射鏡片相對於所述鉸鏈的縱軸旋轉；以及反射表面，所述反射表面位於所述反射鏡片的所述上表面上和所述鉸鏈的一部分上方，所述反射表面的面積大於所述反射鏡片的所述上表面的面積。
2.根據權利要求1所述的微反射鏡，其中所述反射表面基本上遮蔽所述鉸鏈。
3.根據權利要求1所述的微反射鏡，其中所述鉸鏈基本上形成於所述反射鏡片的所述上表面的下方，並基本上被所述反射表面遮蔽。
4.根據權利要求1所述的微反射鏡，還包括隔板支撐框架，所述鉸鏈連接到所述隔板支撐框架。
5.根據權利要求4所述的微反射鏡，其中所述鉸鏈具有第一臂和第二臂，每個臂具有兩個末端，一個末端連接到所述隔板支撐框架，另一個末端連接到至所述反射鏡片的連接器。
6.根據權利要求1所述的微反射鏡，其中所述反射鏡片和所述鉸鏈用單塊材料製成。
7.根據權利要求4所述的微反射鏡，其中所述反射鏡片、所述鉸鏈和所述隔板支撐框架由單塊材料製成。
8.根據權利要求6所述的微反射鏡，其中所述材料是單晶矽。
9.根據權利要求1所述的微反射鏡，其中所述鉸鏈是寬度在約0.12微米到約0.2微米之間、且深度在約0.2微米到約0.3微米之間的扭轉彈簧。
10.根據權利要求1所述的微反射鏡，還包括運動限位器，所述運動限位器附裝到所述反射鏡片的所述下表面用於阻止所述反射鏡片圍繞所述鉸鏈的所述縱軸的旋轉超過預定角度。
11.根據權利要求4所述的微反射鏡，其中所述隔板支撐框架包括至少一個壁用於支撐所述反射鏡片，所述壁的厚度為約1微米或更小。
12.根據權利要求4所述的微反射鏡，還包括控制襯底，所述控制襯底連接到所述隔板支撐框架並具有用於承受電壓的電極，所述電壓用於在所述反射鏡片與所述電極之間施加偏置以使所述微反射鏡的所述反射鏡片可控地偏轉。
13.根據權利要求12所述的微反射鏡，其中所述鉸鏈將所述反射鏡片分為第一部分和第二部分，使得當所述反射鏡片的所述第一部分由於所述反射鏡圍繞所述鉸鏈限定的所述縱軸旋轉而朝向所述控制襯底運動時，所述反射鏡片的所述第二部分從所述控制襯底移開。
14.根據權利要求11所述的微反射鏡，其中所述隔板支撐框架具有四個正交定位的壁用於支撐所述反射鏡片和所述鉸鏈以及所述反射鏡圍繞所述鉸鏈限定的軸的旋轉。
15.根據權利要求11所述的微反射鏡，其中所述鉸鏈平行於所述隔板支撐框架的所述壁。
16.根據權利要求11所述的微反射鏡，其中所述鉸鏈相對於所述隔板支撐框架成對角定向。
17.一種微反射鏡陣列，包括多個反射鏡片，反射鏡片具有上表面和下表面；多個鉸鏈，鉸鏈耦合到所述反射鏡片以允許所述反射鏡片圍繞所述鉸鏈限定的軸相對於隔板支撐框架旋轉；以及多個反射表面，反射表面位於所述反射鏡片的所述上表面上和所述鉸鏈的一部分上方，所述反射表面的面積大於所述反射鏡片的所述上表面的面積。
18.根據權利要求17所述的微反射鏡陣列，其中所述反射表面基本上遮蔽所述鉸鏈。
19.根據權利要求17所述的微反射鏡陣列，其中所述鉸鏈基本上形成於所述反射鏡片的所述上表面的下方，並基本上被所述反射表面遮蔽。
20.根據權利要求17所述的微反射鏡陣列，還包括隔板支撐框架，所述隔板支撐框架具有限定了多個空腔的壁，每個空腔對應於一個微反射鏡。
21.根據權利要求20所述的微反射鏡陣列，其中所述反射鏡片、所述鉸鏈和所述隔板支撐框架由單塊材料製成。
22.根據權利要求21所述的微反射鏡陣列，其中所述材料是單晶矽。
23.根據權利要求17所述的微反射鏡陣列，還包括多個運動限位器，運動限位器附裝到所述反射鏡片的所述下表面，用於當所述反射鏡片旋轉到預定角度時阻止所述反射鏡片相對於所述隔板支撐框架旋轉。
24.根據權利要求20所述的微反射鏡陣列，還包括控制襯底，所述控制襯底連接到所述隔板支撐框架並具有與所述多個反射鏡片中每一個相對應的至少一個電極以用於承受電壓，所述電壓用於在所述反射鏡片與所述電極之間施加偏置以使所述微反射鏡的所述反射鏡片可控地偏轉。
25.根據權利要求24所述的微反射鏡陣列，其中所述鉸鏈將所述反射鏡片分為第一部分和第二部分，使得當所述反射鏡片的所述第一部分由於所述反射鏡片圍繞所述鉸鏈限定的軸旋轉而朝向所述控制襯底運動時，所述反射鏡片的所述第二部分從所述控制襯底移開。
26.根據權利要求24所述的微反射鏡陣列，其中所述控制襯底還包括尋址和控制電路用於將電壓選擇性地施加到所述多個電極上以選擇性並可控地使所述陣列中的所述反射鏡片偏轉。
27.根據權利要求17所述的微反射鏡陣列，其中陣列中的所述反射表面構成所述陣列多達94.5％的表面積。
28.一種多個微反射鏡的陣列，包括第一微反射鏡，所述第一微反射鏡包括第一反射鏡片，所述第一反射鏡片具有第一上表面和第一下表面，第一鉸鏈，所述第一鉸鏈連接到所述第一反射鏡片以允許所述第一反射鏡片相對於所述第一鉸鏈的縱軸旋轉，和第一反射表面，所述第一反射表面位於所述第一反射鏡片的所述第一上表面上和所述第一鉸鏈上方，所述第一反射表面的面積大於所述第一反射鏡片的所述第一上表面的面積；以及第二微反射鏡，所述第二微反射鏡包括第二反射鏡片，所述第二反射鏡片具有第二上表面和第二下表面，第二鉸鏈，所述第二鉸鏈連接到所述第二反射鏡片以允許所述第二反射鏡片相對於所述第二鉸鏈的縱軸旋轉，和第二反射表面，所述第二反射表面位於所述第二反射鏡片的所述第二上表面上和所述第二鉸鏈上方，所述第二反射表面的面積大於所述第二反射鏡片的所述第二上表面的面積。
29.根據權利要求28所述的多個微反射鏡的陣列，其中所述第一微反射鏡和所述第二微反射鏡還包括隔板支撐框架，所述第一鉸鏈連接到所述隔板支撐框架以用於所述第一微反射鏡，並且所述第二鉸鏈連接到所述隔板支撐框架以用於所述第二微反射鏡。
30.根據權利要求28所述的多個微反射鏡的陣列，其中所述第一反射鏡片和第二反射鏡片的形狀基本上是方形。
31.根據權利要求28所述的多個微反射鏡的陣列，其中所述第一反射鏡片和第二反射鏡片的形狀基本上是三角形。
32.根據權利要求28所述的多個微反射鏡的陣列，其中所述第一上表面和第二上表面的面積大約為225平方微米。
33.一種操作微反射鏡陣列的方法，包括選擇所述陣列中的微反射鏡進行偏轉；對與所選擇的微反射鏡相對應的電極施加電壓來使所述微反射鏡圍繞鉸鏈旋轉，所述鉸鏈基本上位於所述微反射鏡的上表面的下方和反射表面以下，並允許照射到所述微反射鏡的光在期望的方向上反射；並且其中所述微反射鏡還具有反射鏡片和隔板支撐框架，所述反射表面沉積在所述反射鏡片上，各個所述鉸鏈、反射鏡片和隔板支撐框架由單塊材料製成。
34.根據權利要求33所述的操作微反射鏡陣列的方法，還包括從與所選擇的微反射鏡相對應的所述電極撤去電壓以允許所述微反射鏡返回未偏置的位置。
35.根據權利要求33所述的操作微反射鏡陣列的方法，還包括用運動限位器阻止所述微反射鏡圍繞所述鉸鏈旋轉。
36.一種空間光調製器，包括用於選擇微反射鏡陣列中的微反射鏡進行偏轉的裝置；用於對與所選擇的微反射鏡相對應的電極施加電壓來使所述微反射鏡圍繞鉸鏈旋轉的裝置，所述鉸鏈基本上位於所述微反射鏡的上表面的下方和反射表面以下，並允許照射到所述微反射鏡的光在期望的方向上反射；並且其中所述微反射鏡還具有反射鏡片和隔板支撐框架，所述反射表面沉積在所述反射鏡片上，各個所述鉸鏈、反射鏡片和隔板支撐框架由單塊材料製成。
37.根據權利要求36所述的空間光調製器，還包括用於從與所選擇的微反射鏡相對應的所述電極撤去電壓以允許所述微反射鏡返回無偏置位置的裝置。
38.一種空間光調製器，包括用於偏轉的裝置，所述偏轉裝置具有上表面；用於使所述偏轉裝置圍繞軸旋轉的裝置；以及用於反射光的裝置，所述反射裝置沉積在所述偏轉裝置的所述上表面上和所述旋轉裝置上方以基本上遮蔽所述旋轉裝置。
全文摘要
一種具有隱藏鉸鏈的微反射鏡陣列，可用於例如反射式空間光調製器中。在一種實施例中，微反射鏡陣列包括隔板支撐壁、鉸鏈、反射鏡片和反射鏡片上表面上的反射表面，其中反射表面遮蔽了鉸鏈和反射鏡片。該微反射鏡陣列由單一材料製造。
文檔編號G02B26/00GK1839334SQ200480020949
公開日2006年9月27日 申請日期2004年2月12日 優先權日2003年6月2日
發明者曉河·X·潘, 楊曉 申請人:明銳有限公司