具有隱藏鉸鏈的高填充率反射式空間光調製器的製造技術

2023-10-09 01:43:39

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造技術
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具有反射式可選擇性偏轉的微反射鏡陣列，該微反射鏡陣列通過將第一襯底結合到具有獨立可尋址電極的第二襯底而製造。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。在本發明中，犧牲材料的沉積和去除被限制在局部區域，即鉸鏈周圍。此外，在本發明中不必從反射鏡下面去除犧牲材料。因此，去除犧牲材料容易得多，並且反射鏡片的上表面保持光潔使得可以將反射表面增加到超光潔表面。
SLM由很少的步驟製造，這使製造成本和複雜度保持很低。在第一襯底的第一面中形成空腔。並行地在第二襯底的第一面上製造電極及尋址和控制電路。將第一襯底的第一面結合到第二襯底的第一面。將各面對準使第二襯底上的電極與該電極將要控制的反射鏡片處於合適的關係。將第一襯底切薄到預定的期望厚度，刻蝕鉸鏈，將犧牲材料沉積在鉸鏈周圍的區域，將表面平面化，沉積反射表面覆蓋鉸鏈，通過刻蝕釋出反射鏡片，並去除鉸鏈周圍的犧牲層。
最終結果是易於製造SLM，該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是圖示了空間光調製器製造方式的優選實施例的流程圖。
圖9b到圖9m是更詳細圖示空間光調製器製造方式的截面圖。
圖10圖示了用於在第一襯底中形成空腔的掩模的優選實施例。
圖11是在第二襯底上形成的電極的一種實施例的立體圖。
圖12a是本發明可替換實施例的微反射鏡的立體圖。
圖12b是圖12a的微反射鏡角部的立體圖。
圖13是示出圖12a所示實施例中的微反射鏡底部和側面的立體圖。
圖14是示出本發明可替換實施例中微反射鏡陣列頂部和側面的立體圖。
圖15是示出圖14所示可替換實施例中微反射鏡陣列的底部和側面的立體圖。
圖16a到圖16e是圖示了在第一襯底中製造空腔的可替換方法的視圖。
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個層。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SLM 100中的第一襯底105製造，第一襯底105在製造完成時是單一材料，例如單晶矽。
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。本發明使用允許將特徵尺寸製造得很小的製造技術，例如可以製造0.18微米特徵的工藝和可以製造0.13微米或更小特徵的工藝。傳統的空間光調製器所用的製造工藝不允許如此小的特徵。通常傳統的空間光調製器是通過將特徵尺寸限制在約1微米或更大的製造工藝製成的。於是，本發明允許在反射鏡陣列103的微反射鏡下方有限的區域內製造多得多的電路器件(例如電晶體)。這允許將例如顯示控制108、線緩存110和脈寬調製陣列112的部分集成在電極126所在的同一襯底上。包括與電極126位於同一襯底107上的此控制電路106提高了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。
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12a、12b和13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。反射表面或材料203的厚度確保其沿襲了反射鏡片204的上表面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、12a、12b和13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13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、12a和13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、13及15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、13和15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0.1 3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的支撐壁限定反射鏡片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12a是根據本發明可替換實施例的微反射鏡202的立體圖，圖12b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12a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12a和12b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12b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13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14和15提供了由多個圖12a、12b和13中所述的微反射鏡202組成的微反射鏡陣列的立體圖。
空間光調製器的製造圖9a是圖示了空間光調製器100製造方式的一種優選實施例的流程圖。圖9b到圖9m更詳細地圖示了製造空間光調製器100的優選方法，圖16a到16e與圖9e到圖9m一起圖示了可替換的優選製造方法。
參考圖9a，生成(902)掩模來進行微反射鏡202的初始部分製造。此掩模1000的優選實施例圖示於圖10中並限定要從第一襯底105的一面刻蝕(904)掉以形成微反射鏡陣列103下側空腔的部分，該空腔限定隔板支撐框架210和支撐壁。如圖10所示，掩模1000的區域1004是光刻膠材料或例如氧化矽或氮化矽的其他電介質材料，其將防止下方的第一襯底105受到刻蝕。圖10中的區域1002是襯底105的暴露區域，其將要被刻蝕以形成空腔。不被刻蝕的區域1004留下來並形成隔板支撐框架210中的隔板支撐壁。
在一種實施例中，第一襯底105是在SF6、HBr和氧氣分別以100sccm、50sccm和10sccm的流速流動的反應離子刻蝕室中刻蝕的。操作壓力在10到50mTorr的範圍內，偏壓功率為60W，電源功率為300W。在另一實施例中，第一襯底105是在Cl2、HBr和氧氣分別以100sccm、50sccm和10sccm的流速流動的反應離子刻蝕室中刻蝕的。在這些實施例中，當空腔約3-4微米深時停止刻蝕工序。此深度是用刻蝕深度原位監視(例如原位光學幹涉儀技術)或通過對刻蝕速率進行計時來測量的。
在另一實施例中，通過各向異性反應離子刻蝕工藝在晶片中形成空腔。晶片置於反應室中。分別以100sccm、50sccm和20sccm的總流速將SF6、HBr和氧氣引入反應室。在50mTorr壓力下使用50W的偏壓功率設置和150W的電源功率設置約5分鐘。之後用1mTorr壓力的20sccm背面氦氣流冷卻晶片。在一種優選實施例中，當空腔約3-4微米深時停止刻蝕工序。此深度是用刻蝕深度原位監視(例如原位光學幹涉儀技術)或通過對刻蝕速率進行計時來測量的。
可以用例如光刻的標準技術生成第一襯底105上的掩模。如前所述，在一種優選實施例中，微反射鏡202由例如單晶矽的單一材料形成。這樣，在一種優選實施例中，第一襯底105是單晶矽晶片。注意通常在一個晶片上製造用於多個SLM 100的多個微反射鏡陣列103待以後分割。通常為產生微反射鏡陣列103而製造的結構大於CMOS電路中所用的特徵，所以使用用於製造CMOS電路的已知技術來形成微反射鏡陣列103的結構比較容易。
圖9b是圖示了製造之前的第一襯底105的截面圖。襯底105起初包括預定厚度的器件層1615、絕緣氧化物層1610和操縱襯底(handlingsubstrate)1605。器件層1615位於襯底105的第一面而操縱襯底1605位於襯底105的第二面。在優選實施例中，器件層1615由單晶矽材料製成，厚度在約2.0微米到3.0微米之間。如圖9b所示的襯底105用本領域已知的任何標準的絕緣體上矽(「SOI」)工藝製造，也可以從諸如SoitecInc.、Shinetsu Inc.或Silicon Genesis Inc.的矽晶片供應商處購買。
參考圖9b，在第一襯底105第二面上的器件層1615中刻蝕出淺的空腔198。刻蝕的細節已在上述段落中進行了描述，特別是上面的第59-61段。刻蝕深度約為運動限位器405a和405b(待形成)末端與第二襯底107之間的距離197(在第二襯底107結合到第一襯底105之後，下面將要說明)。此深度的距離197確定了後續刻蝕步驟中最終將製成的運動限位器405a和405b的長度。如圖9c和9d所示，兩個運動限位器405a和405b是優選地用光刻技術從第一襯底105的器件層1615刻蝕的。同樣，刻蝕的細節已在上文的59-61段中描述。
圖16a-16e圖示了用於製造帶有空腔的第一襯底105的可替換方法。圖16a示出了製造之前第一襯底105的截面圖。與圖9b中的第一襯底105一樣，圖16a中的第一襯底105起初包括預定厚度的器件層1615、絕緣氧化物層1610和操縱襯底1605。器件層1615位於襯底105的第一面上而操縱襯底1605位於襯底105的第二面上。此第一襯底105可以用本領域已知的任何標準的絕緣體上矽工藝製造，也可以從諸如上面所述的矽晶片供應商處購買。在優選實施例中，器件層1615由單晶矽材料製成，如圖16e所示的器件層1615的頂部部分1615a具有預定厚度，優選為0.2微米到0.4微米之間。器件層的此頂部部分1615a的厚度最終將是最後製成的反射鏡片204的大致厚度。
參考圖16b，在獲得(製造或購買均可)具有前面段落中所述各層1610和1615以及襯底1605的第一襯底105後，將例如氧化矽的電介質材料1620沉積在第一襯底105的器件層1615上。
之後用本領域已知的標準光刻和刻蝕技術刻蝕電介質材料1620以在預定位置產生開口1625和1626，隔板支撐框架210的支撐壁將定位在該預定位置。如圖16c所示，經過刻蝕的電介質材料1620產生了用於後續工藝步驟的掩模以及開口1625和1626。
在圖16c所圖示的優選實施例中，使用外延生長工藝以器件層1615中的單晶矽材料作為外延生長的「晶種」，而在電介質材料1620的開口1625和1626處生長出單晶矽材料1627和1628。通常在開口1627和1628中生長的材料是與器件層1615(或晶種)相同的材料，並具有與器件層1615相同的晶體結構。在圖16c所示的實施例中，所生長的單晶矽材料1627和1628最終將成為用於微反射鏡陣列103的隔板支撐框架210的支撐壁。
最後，去除電介質材料1620得到圖16e所示結構。除了圖16e中的結構沒有運動限位器405a和405b以外，得到的第一襯底105與圖9d所示第一襯底105結構相同。不過，根據上述討論，本領域普通技術人員應當明白如何將運動限位器405a和405b添加到圖16e所示的結構。例如，可以刻蝕並外延生長出此運動限位器405a和405b，就如隔板支撐框架210的支撐壁那樣。因此，圖16a到16e提供了在第一襯底105中製造空腔的可替換方法，該方法在第一襯底105的器件層1615的頂部部分1615a的整個厚度上都可精確控制。完成圖9e到9m所示的步驟將製成隱藏鉸鏈的高填充率反射式空間光調製器100。
回到圖9a，獨立於第一襯底105中空腔的製造而在第二襯底107的第一面703上如圖9a和9e所示形成(906)電極126、尋址和控制電路106中的部分或全部。第二襯底107可以是例如石英的透明材料或另外的材料。如果第二襯底是石英，則與晶體矽相比，電晶體可以由多晶矽製成。優選地用標準CMOS製造技術形成(906)電路。例如，在一種實施例中，在第二襯底107上形成或製造(906)的控制電路106包括存儲單元陣列、行地址電路和列數據加載電路。有多種不同方法製造執行尋址功能的電子電路。公知的DRAM、SRAM和鎖存器件都可以執行尋址功能。由於反射鏡片204的面積相對於半導體尺度可以較大(例如反射鏡片204可以具有225平方微米的面積)，所以可以在微反射鏡202下方製造複雜的電路。可能的電路包括但不限於用於存儲時序象素信息的存儲緩衝器、用於補償反射鏡片204到電極126間距可能的非均勻性(由於在不同電壓電平對電極126進行驅動)的電路以及執行脈寬調製轉換的電路。
此控制電路106由例如氧化矽或氮化矽的鈍化層覆蓋。接著沉積金屬化層。在一種實施例中，對此金屬化層進行圖案化和刻蝕以限定電極126以及偏置/復位總線。在製造過程中布置電極126，使得有一個或更多電極126對應於每個微反射鏡202。與第一襯底105一樣，通常在第二襯底107上形成(906)用於多個SLM 100中的多組電路待以後分割。
之後如圖9a和9e所示，將圖9d或圖16e所示的第一襯底105結合(910)到第二襯底107。如圖9e所示，第一襯底105在與第二襯底107相反的一面上具有頂層905。將第一襯底105帶有空腔和運動限位器405a和405b的一面結合(910)到第二襯底具有電極126的一面。將襯底105和107對準使第二襯底107上的電極處於適當位置以控制微反射鏡陣列103中的微反射鏡202偏轉。在一種實施例中，用雙焦顯微鏡通過將第一襯底105上的圖樣與第二襯底107上的圖樣對準而將兩個襯底105和107光學對準，並通過例如陽極結合或共晶結合的低溫結合方法將兩個襯底105和107結合(910)在一起。在優選實施例中，結合(910)可發生在低於400攝氏度的任何溫度下，包括室溫下。例如可以用熱塑性塑料或電介質自旋玻璃(dielectric spin glass)結合材料以通過熱-機械方式結合襯底105和107。結合(910)確保第一襯底105與第二襯底107之間有良好的機械粘附，並可以在室溫下發生。圖9e是示出結合在一起的第一襯底105和第二襯底107的截面圖。有多種可替換實施例可用於製造(906)第二襯底。
在將第一襯底105與第二襯底107結合(910)在一起後，如圖9f和9a所示將第一襯底105的頂層905切薄(912)到預定的期望厚度。首先去除圖9f或圖16e所示的操縱襯底1605，這通常通過研磨和/或刻蝕進行，然後用本領域已知的任何用於進行氧化物剝離的技術來剝離氧化物層1610。氧化物層1610用作切薄步驟912的停止標誌並置於第一襯底105內以產生切薄到期望厚度的第一襯底105。切薄工藝可以包括研磨和/或刻蝕，優選地包括矽背部刻蝕工藝，例如溼法刻蝕或等離子刻蝕。結果得到的第一襯底105的上表面205最終將要形成如圖3、7a、8和9m所示的反射鏡片上表面205。在優選實施例中，所得第一襯底105的最終厚度是幾個微米。
接著，用兩步刻蝕工序刻蝕(913)鉸鏈206。首先，如圖9g所示，刻蝕第一襯底105的上表面205以形成凹陷910。這確保將要形成在凹陷910中的鉸鏈206基本上位於第一襯底105的上表面205(在製造工藝結束時將要成為反射鏡片204的上表面205)的下面。其次，如圖9h和9a所示，再次刻蝕第一襯底105以從第一襯底105的反射鏡片部分915基本釋出鉸鏈206。如圖3、4a、4b、12a、12b和13圖示的實施例中所示，鉸鏈206的末端仍然與隔板支撐框架210的隔板支撐壁連接。第一襯底105的反射鏡片部分915將形成微反射鏡202的反射鏡片204。
在一種實施例中，在Cl2、O2和N2氣體分別以100sccm、20sccm和50sccm的流速流動的解耦等離子源室(decoupled plasma source chamber)中刻蝕出鉸鏈206。操作壓力在4到10mTorr範圍內，偏壓功率為40W，電源功率為1500W。深度是用刻蝕深度原位監視(例如原位光學幹涉儀技術)或通過對刻蝕速率進行計時來測量的。
之後如圖9i和9a所示，將例如光刻膠的犧牲材料920沉積(914)到第一襯底105上，填充鉸鏈206上及其周圍的間隙，包括鉸鏈206與第一襯底105的反射鏡片部分915之間以及第一襯底105的上表面205上的間隙。光刻膠可以簡單地旋塗到襯底上。
之後如圖9j和9a所示，用回蝕步驟、化學機械處理(「CMP」)工藝或本領域已知的任何其他工藝將帶有犧牲材料920的第一襯底105平面化(915)。此工藝確保犧牲材料920隻留在鉸鏈上及其周圍，而不留在第一襯底105的上表面205上。注意在平面化步驟中，由於犧牲材料920是從第一襯底105的上表面205去除的，所以去除比較容易。
如圖9k和9a所示將反射表面203沉積(916)到平面化的表面(包括反射鏡片204的上表面205和鉸鏈206被犧牲材料920覆蓋部分上方的部分)上以產生反射表面203。如上所述，反射表面203的面積大於反射鏡片204上表面205的面積。反射表面優選為鋁或本領域已知的任何其他反射材料，並優選地具有300埃或更小的厚度。反射表面203覆蓋第一襯底105的上表面205以及部分鉸鏈206上方的區域。圖9k是示出沉積的反射表面203的截面圖。反射表面203較薄，確保其沿襲了反射鏡片204的上表面205平坦光潔的特性。
如圖9l和9a所示，刻蝕(917)反射表面203和反射鏡片部分915以從第一襯底105的反射鏡片部分915釋出反射鏡片204。對反射表面203和反射鏡片部分915的刻蝕優選地在同一室內進行。
在反射表面203是鋁材料的優選實施例中，反射表面203的刻蝕(917)發生在Cl2、BCl3和N2氣體分別以40sccm、40sccm和10sccm的流速流動的解耦等離子源室中。操作壓力是10mTorr，偏壓功率為75W，電源功率為800W。刻蝕深度是用原位刻蝕深度監視(例如原位光學幹涉儀技術)或通過對刻蝕速率進行計時來測量的。在刻蝕(917)鋁反射表面203之後，在優選實施例中由矽製成的下層反射鏡片部分915在HBr、Cl2、和O2氣體分別以90sccm、55sccm和5sccm的流速流動的解耦等離子源室中刻蝕(917)。操作壓力是5mTorr，偏壓功率為75W，電源功率為500W。刻蝕深度是用原位刻蝕深度監視(例如原位光學幹涉儀技術)或通過對刻蝕速率進行計時來測量的。
在刻蝕(917)反射表面203和反射鏡片部分915之後，反射鏡片204被釋出；但是鉸鏈206仍然由犧牲材料920固定在適當的位置。結果，反射鏡片204和微反射鏡作為整體還不能圍繞鉸鏈206旋轉，從而確保了在後續處理步驟中器件不被破壞。
製造微反射鏡202的最終步驟是去除(918)鉸鏈206上及其周圍剩餘的犧牲材料920。注意，由於犧牲材料920不在反射鏡片204或反射鏡202的下方，所以去除鉸鏈206上及其周圍剩餘的犧牲材料920比較容易。例如等離子刻蝕的幹法處理是優選的，因為溼法處理伴隨有粘著的問題。在一種實施例中，犧牲材料920是在O2等離子室中刻蝕掉的光刻膠材料。在去除(918)犧牲材料920後，鉸鏈206被釋出，並且反射鏡片204自由地圍繞鉸鏈206旋轉。按照上述製造步驟，結果是鉸鏈206基本上形成於反射鏡片204的上表面205下方並由反射表面203遮蔽，該反射表面203沉積在反射鏡片204的上表面205上以及部分鉸鏈206上方。
在某些實施例中，微反射鏡陣列103由一片玻璃或其他透明材料保護。在一種實施例中，在微反射鏡陣列103的製造期間，圍繞第一襯底105上製造的每個微反射鏡陣列103的周邊保留凸緣。如圖9a所述，為了保護微反射鏡陣列103中的微反射鏡202，將一片玻璃或其他透明材料結合(919)到該凸緣。此透明材料保護微反射鏡202免受物理損害。在一種可替換實施例中，用光刻在玻璃板上的光敏樹脂層中製造凸緣陣列。之後將環氧樹脂塗敷到凸緣的上邊緣，將玻璃板對準並附裝到完成的反射式SLM 100。
如上所述，可以由兩個襯底105和107製造多個SLM 100。可以在第一襯底105中製造多個微反射鏡陣列103，並可以在第二襯底107中製造或形成多組電路。製造多個SLM 100增加了空間光調製器100製造工藝的效率。但是，如果一次製造多個SLM 100，則必須將其分成單獨的SLM100。有多種方法將每個空間光調製器100分開並使其做好投入使用的準備。在第一種方法中，將每個空間光調製器100簡單地與組合的襯底105和107上SLM 100的其餘部分管芯分離(920)。之後用標準封裝技術對每個分開的空間光調製器100進行封裝(922)。
在第二種方法中，在將各SLM分離之前進行晶片級晶片規模封裝，以將每個SLM 100密封進單獨的空腔中並形成電引線。這進一步保護了反射性可偏轉元件並減少了封裝成本。在如圖9a所示此方法的一種實施例中，第二襯底107的背部用焊錫球結合(924)。之後刻蝕(926)第二襯底107的背部以將第二襯底107上在電路製造期間形成的金屬連接器暴露出來。接著在金屬連接器與焊錫球之間沉積(928)導線以使二者電連接。最後，對多個SLM進行管芯分離(930)。
圖11是第二襯底107上形成的電極126的一種實施例的立體圖。在此實施例中，每個微反射鏡202都有相應的電極126。此圖示實施例中的電極126製成高於第二襯底107上的其餘電路。在優選實施例中，電極126與第二襯底107上的其餘電路位於同一水平上。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是裝配在微反射鏡下方的單獨鋁墊。電極的形狀取決於微反射鏡202的實施例。例如，在圖2a、2b和3所示的實施例中，優選地有兩個電極126位於反射鏡202下方，每個電極126具有如圖7b所示的三角形形狀。在圖12a、12b和13所示的實施例中，優選地有單個方形電極126位於反射鏡202下方。這些電極126在第二襯底107的表面上製造。在此實施例中電極126的表面積較大，使得將反射鏡片204向下牽引到機械限位器上使反射鏡片204產生預定角度的完全偏轉所需的尋址電壓比較低。
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
1.一種製造空間光調製器的方法，包括形成限定空腔的第一襯底；在第二襯底上製造電極；將所述第一襯底結合到所述第二襯底；和在所述第一襯底上形成鉸鏈和反射鏡片；以及在反射鏡片上和所述鉸鏈的一部分上方塗敷反射表面，所述反射表面的面積大於所述反射鏡片的上表面面積。
2.根據權利要求1所述的方法，其中所述反射表面基本遮蔽與所述反射鏡片相關的所述鉸鏈。
3.根據權利要求1所述的方法，其中所述鉸鏈基本形成於所述反射鏡片的上表面下方並基本由所述反射表面遮蔽。
4.根據權利要求1所述的方法，其中所述空間光調製器中的所述第一襯底是單片材料。
5.根據權利要求1所述的方法，其中所述空間光調製器中的所述第一襯底是單晶矽。
6.根據權利要求1所述的方法，還包括在所述反射鏡片的下表面上形成運動限位器。
7.根據權利要求6所述的方法，還包括在所述第二襯底上接納所述運動限位器的位置處形成搭接觸點。
8.根據權利要求1所述的方法，還包括在將所述第一襯底結合到所述第二襯底之前，在所述第二襯底上製造尋址和控制電路。
9.根據權利要求1所述的方法，其中所述鉸鏈的中心高度基本與所述反射鏡片的中心高度共面。
10.根據權利要求1所述的方法，其中所述空腔由所述第一襯底中的隔板支撐框架上的隔板支撐壁界定。
11.根據權利要求1所述的方法，其中所述電路是用互補金屬氧化物半導體技術形成的。
12.根據權利要求1所述的方法，其中形成限定空腔的第一襯底的步驟包括獲得所述第一襯底，所述第一襯底具有預定厚度的器件層；在所述第一襯底的所述器件層上沉積電介質材料；刻蝕所述電介質材料以在預定位置處產生開口；在所述開口中生長與所述器件層具有相同晶體結構的材料；以及去除所述電介質層。
13.根據權利要求12所述的方法，其中所述器件層是單晶矽材料，並且其中所述第一襯底包括所述器件層上的絕緣氧化物層和所述絕緣氧化物層上的操縱襯底。
14.根據權利要求12所述的方法，其中所述器件層的厚度在0.2微米和0.4微米之間。
15.根據權利要求12所述的方法，其中所述電介質材料是氧化矽。
16.根據權利要求12所述的方法，其中在所述開口中生長的所述材料是通過外延生長工藝生長的。
17.根據權利要求1所述的方法，其中形成限定空腔的第一襯底的步驟包括在所述第一襯底上布置掩模，所述掩模具有限定所述空腔位置的第一部分以及對限定了所述空腔的支撐壁的位置進行限定的第二部分，所述第一部分使所述第一部分下方待刻蝕的所述第一襯底暴露，所述第二部分能夠防止所述第二部分下方的所述第一襯底被刻蝕；將所述掩模的所述第一部分下方的所述第一襯底刻蝕到預定厚度；以及從所述襯底去除所述掩模。
18.根據權利要求1所述的方法，其中在第二襯底上製造電極的步驟包括用鈍化層覆蓋控制電路；在所述鈍化層上沉積金屬化層；以將要限定所述電極的圖案將所述金屬化層圖案化；以及刻蝕所述金屬化層以留下構成所述電極的材料。
19.根據權利要求1所述的方法，其中將所述第一襯底結合到所述第二襯底的步驟包括將所述第一襯底相對於所述第二襯底對準，使所述第二襯底上的所述電極處於控制所述第一襯底中相關微反射鏡偏轉的位置中；以及用低溫結合方法結合所述第一襯底和所述第二襯底。
20.根據權利要求1所述的方法，其中在所述第一襯底上形成鉸鏈和反射鏡片的步驟包括將所述第一襯底的頂層切薄到預定厚度；在所述第一襯底上基本上在所述切薄的第一襯底的上表面下方刻蝕所述鉸鏈；將犧牲層沉積到所述第一襯底上；將所述第一襯底平面化以從所述第一襯底的所述上表面去除所述犧牲層；通過刻蝕所述第一襯底來釋出所述反射鏡片；以及去除所述鉸鏈上及其周圍的所述犧牲層以使所述反射鏡片可以圍繞由所述鉸鏈限定的軸線旋轉。
21.根據權利要求20所述的方法，其中將所述第一襯底的頂層切薄到預定厚度的步驟包括通過研磨和/或刻蝕以去除所述第一襯底中的操縱襯底；以及剝離所述第一襯底中的絕緣氧化物層。
22.根據權利要求20所述的方法，其中刻蝕所述第一襯底上的基本上在所述切薄的第一襯底的上表面下方的所述鉸鏈的步驟包括在所述第一襯底的所述上表面中刻蝕出凹陷；以及刻蝕所述第一襯底以從所述第一襯底釋出所述鉸鏈，保持所述鉸鏈的一端連接到所述第一襯底。
23.根據權利要求20所述的方法，其中將犧牲層沉積到所述第一襯底上的步驟包括用所述犧牲層填充所述鉸鏈上及其周圍的間隙；以及在所述第一襯底的所述上表面上沉積所述犧牲層。
24.根據權利要求20所述的方法，其中將所述第一襯底平面化以去除所述犧牲層的步驟包括用回蝕步驟或化學機械處理工藝去除所述犧牲層。
25.根據權利要求20所述的方法，其中去除所述鉸鏈上及其周圍的所述犧牲層的步驟包括用等離子刻蝕工藝。
26.根據權利要求1所述的方法，其中在反射鏡片上和所述鉸鏈的一部分上方塗敷反射表面的步驟包括在所述第一襯底的上表面上沉積鋁；以及在所述鉸鏈的一部分上方沉積鋁，其中所述鋁的厚度為300埃或更小。
27.一種製造用於空間光調製器的多個反射鏡的方法，包括在第一襯底的第一面中形成空腔；將所述第一襯底的第二面上的頂層切薄到預定厚度；在所述第一襯底的所述第二面上基本上在所述切薄的第一襯底的上表面下方刻蝕鉸鏈；在所述第一襯底的所述第二面上沉積犧牲層；將所述第一襯底的所述第二面平面化；在所述第一襯底的所述第二面上沉積反射表面；通過刻蝕釋出反射鏡；去除所述鉸鏈上及其周圍的所述犧牲層以使所述反射鏡可以圍繞由所述鉸鏈限定的軸線旋轉。
28.根據權利要求27所述的製造用於空間光調製器的多個反射鏡的方法，其中所述反射表面基本遮蔽所述鉸鏈。
29.根據權利要求27所述的製造用於空間光調製器的多個反射鏡的方法，其中所述反射表面沉積在所述第一襯底的所述上表面上以及所述鉸鏈的一部分上方，所述反射表面的面積大於反射鏡片的上表面面積。
30.根據權利要求27所述的方法，其中在第一襯底的第一面中形成空腔的步驟包括由所述第一襯底的所述第一面生成限定待刻蝕區域的掩模；去除所述第一襯底的所述第一面上由所述掩模限定的區域中的材料，以在所述第一襯底的所述第一面中形成所述空腔。
31.根據權利要求27所述的方法，其中在第一襯底的第一面中形成空腔的步驟包括獲得所述第一襯底，所述第一襯底具有預定厚度的器件層；在所述第一襯底的所述器件層上沉積電介質材料；刻蝕所述電介質材料以在待產生的隔板支撐框架的支撐壁處產生開口；在所述開口中生長與所述器件層具有相同晶體結構的材料；以及去除所述電介質層。
32.根據權利要求31所述的方法，其中所述第一襯底還具有所述器件層上的絕緣氧化物層以及所述絕緣氧化物層上的操縱襯底，並且其中所述器件層的厚度在約2微米和約3微米之間。
33.根據權利要求30所述的方法，其中去除所述第一襯底由所述掩模限定的區域中的材料的步驟包括刻蝕所述第一襯底。
34.根據權利要求30所述的方法，其中去除所述第一襯底由所述掩模限定的區域中的材料的步驟包括在有SF6、HBr和氧氣氣體流動的情況下進行各向異性反應離子刻蝕。
35.根據權利要求27所述的方法，其中切薄所述第一襯底第二面的頂層的步驟包括通過研磨和/或刻蝕去除所述操縱襯底；以及剝去所述氧化物層。
36.根據權利要求27所述的方法，其中切薄所述第一襯底第二面的頂層的步驟包括從由研磨、矽回蝕、溼法刻蝕和等離子刻蝕組成的組中選擇的工藝。
37.根據權利要求27所述的方法，其中刻蝕鉸鏈的步驟包括進入所述第一襯底的所述第二面上的上表面以在所述上表面之下形成凹陷的第一刻蝕，以及由所述第一襯底的反射鏡片部分釋出所述鉸鏈的第二刻蝕。
38.根據權利要求27所述的方法，還包括在所述第一襯底中的所述反射鏡片的下表面上刻蝕運動限位器。
39.一種製造空間光調製器的方法，所述空間光調製器包括多個反射鏡組成的陣列，所述方法包括由第一襯底的第一面生成限定待刻蝕區域的掩模；刻蝕所述第一襯底的所述第一面上由所述掩模限定的區域以在所述第一襯底的所述第一面中形成多個空腔；在第二襯底的第一面上製造電極；將所述第一襯底的所述第一面結合到所述第二襯底的所述第一面；將所述第一襯底的所述第二面上的頂層切薄到預定厚度；在所述第一襯底中刻蝕鉸鏈；在所述第一襯底上沉積犧牲層；將所述第一襯底平面化以從所述第一襯底的所述第二面上的上表面去除所述犧牲層，留下所述鉸鏈上及其周圍的犧牲材料；在所述上表面上和所述鉸鏈的一部分上方沉積反射表面；通過刻蝕來釋出反射鏡；從所述第一襯底去除剩餘的犧牲層以使所述反射鏡可以圍繞由所述鉸鏈限定的軸線旋轉。
40.根據權利要求39所述的製造空間光調製器的方法，其中所述反射表面的面積大於所述反射鏡片的上表面面積。
41.根據權利要求39所述的製造空間光調製器的方法，其中所述反射表面基本遮蔽所述鉸鏈。
42.根據權利要求39所述的製造空間光調製器的方法，其中所述鉸鏈基本上形成於所述第一襯底的上表面下方並基本上被所述反射表面遮蔽。
43.根據權利要求39所述的方法，其中刻蝕所述第一襯底的所述第一面上由所述掩模限定的區域以在所述第一襯底的所述第一面中形成多個空腔的步驟包括在有SF6、HBr和氧氣氣體流動的情況下進行各向異性反應離子刻蝕。
44.根據權利要求39所述的方法，還包括在所述第二襯底的所述第一面上製造電極之前，在所述第二襯底的所述第一面上形成控制電路。
45.根據權利要求44所述的方法，其中在所述第二襯底的所述第一面上形成控制電路的步驟包括製造緩存、顯示控制器和脈寬調製陣列。
46.根據權利要求39所述的方法，其中在所述第二襯底的所述第一面上製造電極的步驟包括用鈍化層覆蓋所製造的控制電路；在所述鈍化層上沉積金屬化層；以將要限定所述電極的圖案將所述金屬化層圖案化；以及刻蝕所述金屬化層以留下構成所述電極的材料。
47.根據權利要求39所述的方法，還包括在將所述第一襯底的所述第一面結合到所述第二襯底的所述第一面之前，將所述第一襯底與所述第二襯底對準使得當所述第一襯底和第二襯底結合在一起時，所述第二襯底上的所述電極被定位來控制所述第一襯底中的反射鏡偏轉。
48.根據權利要求47所述的方法，其中將所述第一襯底與所述第二襯底對準的步驟包括將所述第一襯底上的圖案與所述第二襯底上的圖案對準。
49.根據權利要求39所述的方法，其中將所述第一襯底的所述第一面結合到所述第二襯底的所述第一面的步驟包括使用在小於約400攝氏度下進行的低溫結合方法。
50.根據權利要求39所述的方法，其中刻蝕所述鉸鏈的步驟包括進入所述第一襯底的所述上表面以在所述上表面之下形成凹陷的第一刻蝕，以及由所述第一襯底的反射鏡片部分釋出所述鉸鏈的第二刻蝕。
51.根據權利要求39所述的方法，還包括在所述反射鏡的下表面上刻蝕運動限位器，並且其中所述反射表面沉積在所述第一襯底的所述上表面上和所述鉸鏈的一部分上方。
52.一種操作空間光調製器的方法，包括在所述空間光調製器的微反射鏡陣列中選擇微反射鏡來偏轉；以及在所選擇的微反射鏡和與所選擇的微反射鏡相關的電極之間施加電壓差以使所述微反射鏡偏轉，所述微反射鏡具有反射表面，所述反射表面基本遮蔽鉸鏈並將入射到所述微反射鏡上的光偏轉。
全文摘要
一種具有隱藏鉸鏈的微反射鏡陣列的製造，該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，微反射鏡陣列由襯底製造，該襯底是單晶矽材料的第一襯底。在第一襯底的第一面中形成空腔。在第二襯底的第一面上分開製造電極以及尋址和控制電路。將第一襯底的第一面結合到第二襯底的第一面。將各面對準以使第二襯底上的電極與將要在第一襯底上形成的、電極將要控制的反射鏡片處於適當關係。將第一襯底切薄到預定的期望厚度，刻蝕鉸鏈，沉積犧牲材料，將第一襯底的上表面平面化，沉積反射表面以覆蓋鉸鏈，通過刻蝕釋出反射鏡，並去除鉸鏈周圍的犧牲層以釋出鉸鏈，使鉸鏈可以圍繞與鉸鏈共線的軸線旋轉。
文檔編號G02F1/00GK1853129SQ200480020946
公開日2006年10月25日 申請日期2004年2月12日 優先權日2003年6月2日
發明者潘曉河, 楊曉 申請人:明銳有限公司