具有用于增强微镜与静电场耦合的机构的微镜的制作方法

专利名称：具有用于增强微镜与静电场耦合的机构的微镜的制作方法
技术领域：
本发明大体上涉及微机电(microelectromechanical)系统，更特别地，涉及微镜，该微镜具有用于增强微镜与静电场的耦合的机构。
背景技术：
空间光调制器(SLMs)是响应于一个光或电输入以空间的方式调制入射光束的传感器。可以从相位、强度、偏振、或方向方面来调制入射光束。这种调制可以通过使用各种材料来完成，这些材料呈现出磁光性质、电光性质、或弹性。SLMs具有很多用途，包括光学信息处理、显示系统、和静电印刷。
Nathanson在美国专利No.3,746,911中描述了一种早期的用于投影显示系统中的SLM。SLM的单个象素是通过扫描电子束来进行寻址的，如在常规直视阴极射线管(CRT)中那样。电子束并不激发磷光，而是对排列在石英屏极上的可偏转反射元件进行充电。被充电的元件因为静电力的作用朝屏极弯曲。弯曲和未弯曲的元件将平行的入射光束以不同的方向反射。从未弯曲的元件反射出的光被一组纹影光阑挡住，而从弯曲元件反射出的光就可以通过投影光学仪器从而在屏幕形成图像。另一种电子束寻址的SLM是大图象投射器(Eidophor)，在E.Baumann，″The Fischer large-screen projection system(Eidophor)″20 J.SMPTE 351(1953)中被描述。在那个系统中，主动光学器件是油膜，该油膜周期性地由电子束形成凹陷，从而使入射光发生衍射。该大图象投射器系统的缺点就是油膜被不断的电子轰击和油蒸气聚合，从而使阴极使用寿命缩短。这两个系统的缺点就是它们要使用庞大昂贵的真空管。
在K.Peterson，″Micromechanical Light Modulator Array Fabricatedon Silicon″31 Appl.Phys.Let.521(1977)中描述了一种SLM，其中可活动的元件是通过硅衬底上的电路进行寻址的。该SLM在硅衬底上包含16×1的悬臂镜阵列。这些镜子由二氧化硅制成并具有反射金属涂层。镜子之下的空间是通过KOH蚀刻将硅蚀刻掉产生的。镜子被静电引力偏转在反射元件和衬底之间施加偏压从而产生静电力。在Hartstein和Peterson的美国专利No.4,229,732中描述了一种类似的具有二维阵列的SLM。虽然仅在一个角将可偏转镜元件连接起来可以降低这种SLM的开关电压，但因为很小的分数有效面积该器件的光效率仍然很低。而且，来自寻址电路的衍射会降低显示的对比度(调制深度)。
另一种SLM设计是Bloom，et al.的美国专利No.5,311,360中描述的光栅阀(grating-light-valve，GLV)。这种GLV的可偏转机械元件是反射平面束或带。光从反射带和衬底反射出来。如果反射带和反射衬底表面间的距离是二分之一波长，从这两个表面反射的光就会发生相长性叠加，该器件就如同一个镜子。如果这个距离是四分之一波长，从这两个表面直接反射的光就会发生破坏性干涉，该器件就如同衍射光栅使光线具有衍射级。‘360专利中的方法并没有在每个象素位置处使用有源半导体电路，而是依靠内在的微机电双稳定性来实施无源寻址机制。之所以存在双稳定性是因为偏转所需要的机械力大体上是线性的，而静电力遵循平方反比定律。随着施加偏压，反射带就偏转。当反射带偏转到经过某个点的时候，复原机械力不再与静电力平衡，反射带就向衬底撞去。电压必须降低到大致低于撞击电压(snappingvoltage)，从而使反射带能够返回到其未偏转的位置。高机械质量的陶瓷薄膜，例如LPCVD(低压化学气相沉积)氮化硅，可以用来形成反射带。然而，GLV具有几方面的难点。一个问题就是无源寻址机制可能不能够提供高帧速(整个SLM场更新的速度)。另外，使用无源寻址机制，甚至在关闭的时候反射带也会稍微偏转。这就降低了可获得的对比度。而且，即使该器件大致是平面的，如在DMD中那样，光会被象素之间的区域散射，进一步降低了对比度。
另一种基于衍射的SLM是在P.Alvelda，″High-Efficiency ColorMicrodisplays″307 SID 95 Digest中描述的微显示。那个SLM利用电极顶上的液晶层，这些电极排列成光栅图样。通过在交替电极上施加合适的电压就可以打开和关闭象素。该器件以有源的方式寻址并可能具有比GLV更好的对比度。然而，这种器件是基于液晶的双折射，要求偏振光，因而降低了光学效率。而且，液晶的响应时间慢。因此，为了获得彩色图像，必须并行使用三个器件，每个专用于每个原色。
具有大分数光学有源面积的基于硅的显微机械SLM是由德州仪器开发的数字微镜器件(Digital Mirror Device，DMD)，在Hornbeck的美国专利No.5,216,537和其它参考文献中有所描述。
因此，需要一种具有高分辨率、高占空因数和高对比度的空间光调制器。进一步需要一种不需要偏振光的空间光调制器，因此光学效率高并且具有机械坚固性。

发明内容
这个目的是由所附的独立权利要求的特征实现的。本发明的优选实施例在附属权利要求中被描述。该系统中的微镜器件包括可以增强微镜器件与静电场的耦合的机构。
在本发明的一个实施例中，公开了一种微镜器件。该微镜器件包括衬底；连到所述衬底的铰链和铰链支座；可活动的反射镜板或镜面(mirror plate)，其中所述铰链在所述镜板上的第一位置处固定到所述镜板；和延长板(extension plate)，该延长板在所述镜板的第二位置处连到所述镜板。
在本发明的另一个实施例中，公开了一种微镜阵列器件。该微镜阵列器件包括衬底；通过铰链和铰链支座连到所述衬底的反射镜板，该镜板被所述衬底上的所述铰链和所述铰链支座固定；和延长板，该延长板连到所述镜板，并通过所述镜板、所述铰链和所述铰链支座连到所述衬底。
在本发明的又一个实施例中，公开了一种微镜器件。该器件包括衬底；连到所述衬底的铰链和铰链支座；在固定点固定到所述铰链的反射镜板，从所述衬底的顶部观察所述固定点偏离所述镜板的对角线；和连到所述镜板的延长板。
在本发明的又一个实施例中，公开了一种显示系统。该显示系统包括光源；微镜阵列，该阵列选择性地反射来自所述光源的光，每个微镜进一步包括衬底；连到所述衬底的铰链和铰链支座；可活动的反射镜板，其中所述铰链在所述镜板上的第一位置处固定到所述镜板；和延长板，该延长板在所述镜板上的第二位置处连到所述镜板；和一组光学器件，用于将来自所述光源的光引导到空间光调制器上并将来自所述微镜的反射光投射到显示靶上。
在本发明的又一个实施例中，公开了一种制造微镜器件的方法。该方法包括在衬底上沉积第一牺牲层；在所述第一牺牲层上形成镜板；在所述镜板上沉积第二牺牲层；形成铰链、铰链支座和延长板，进一步包括在所述镜板上方的第一位置处除去所述第二牺牲层的第一部分，以露出所述镜板的第一部分；和在所述第二牺牲层和所述镜板暴露的第一部分上沉积所述延长板；和除去所述第一和第二牺牲层。
本发明的优选实施例可以总结如下。公开了一种微镜器件，和一种制造这样一种微镜器件的方法，该微镜器件包括镜板、铰链和延长板。在所述镜板上形成延长板，该延长板在镜板和电极之间，该电极和所述镜板关联以转动所述镜板。延长板可以是金属的或电介质。也公开了一种制造这样一种微镜器件的方法。特别地，形成镜板之后形成延长板。而且，也公开了一种投影系统，该系统包括空间光调制器，该空间光调制器具有这些微镜组成的阵列，以及光源、聚光装置，其中来自所述光源的光被聚焦到所述微镜阵列上；投射装置，用于将所述微镜阵列选择性反射的光投射到靶上；和控制器，用于选择性地启动或驱动所述阵列中的微镜。


虽然所附的权利要求特别地给出了本发明的特征，从下面结合附图的详细描述可以最好地理解本发明及其目的和优点，其中图1以图解的方式示出了利用空间光调制器的一种实例性显示系统；图1b是方块图，示意性地示出了另一种显示系统，该显示系统利用三个空间光调制器，从而分别调制三原色(即，红、绿和蓝)光束；图1c是实例性图解，示出了图1b中的显示系统；图2是图1a中实例性空间光调制器的剖视图；图3a示出了根据本发明一个实施例的实例性微镜器件；图3b示出了一种微镜阵列，该微镜阵列包括图3a中的微镜器件；
图4a示出了根据本发明另一个实施例的另一种实例性微镜；图4b示出一种微镜阵列器件，该器件包括图4a中的多个微镜器件；图4c示出根据本发明又一个实施例的又一种实例性微镜器件；图4d示出了一种微镜阵列器件，该器件包括图4c中的多个微镜器件；图5示出了又一种实例性微镜；图6是根据本发明一个实施例的微镜器件的剖视图；图7是根据本发明另一个实施例的微镜器件的剖视图；图8a到图8d是在实例性制造工艺的不同步骤时微镜器件的侧视图；图9是图8a到图8d中的微镜器件在释放后的剖视图；图10是图8a到图8d中的微镜器件在释放后的侧视图；和图11a到图11d是在另一个实例性加工工艺的不同步骤时微镜器件的侧视图。
具体实施例方式
用于对MEMS器件例如可活动的微镜和微镜阵列进行微制造的工艺在Huibers(韦伯)的美国专利No.5,835,256和6,046,840中有所描述，每个专利的主题在此参考引入。在本申请中阐释一种类似的在晶片衬底(例如，光透射衬底或包括CMOS或其它电路的衬底)上形成MEMS可活动元件(例如，微镜)的工艺。“光透射”，在此意味着至少在器件工作期间该材料是透光的(该材料可以在其上暂时具有挡光层从而提高在制造过程中处理衬底的能力，或者具有部分挡光层用于在使用过程中减少光散射。不管如何，用于可见光的衬底的一部分优选地在使用中可以透过可见光，以便光可以进入器件、被微镜反射、并返回穿出器件。当然，不是所有的实施例都使用透光衬底)。“晶片”，在此意味着可以在其上形成多个微镜或微结构阵列的任何衬底，该衬底可以被分成许多芯片，每个芯片都在其上具有一个或多个微镜。虽然不是每种场合都这样做，通常每个芯片都是一个被单独包装和出售的器件或产品。与单独形成每个芯片相比，在较大的衬底或晶片上形成多个“产品”或芯片可以降低造价，加快制成过程。当然，晶片可以是任何尺寸或形状，但优选地晶片是常规圆形或基本圆形的晶片(例如直径是4、6、或12英寸的晶片)从而可以在标准铸造车间加工。
Reid在2001年7月20日递交的美国专利申请No.09/910,537和在2001年6月22日递交的美国专利申请No.60/300,533都包含一些材料实例，这些材料可以用于本发明的各种组件。这些申请在此参考引入。
本发明公开了一种微镜器件，该微镜器件包括用于增强微镜器件与静电场的耦合的机构。微镜阵列具有各种用途(例如，无掩模光刻、原子光谱技术、微镜阵列的无掩模加工、信号处理、显微技术等)，其中一个就是显示系统。图1a示出了利用微镜器件一种典型的显示系统。在其基本构造中，显示系统包括光源102、光学器件(例如，光导管104、聚光装置106和投射装置108)、显示靶112和空间光调制器110，该空间光调制器进一步包括多个微镜器件(例如微镜器件阵列)。光源102(例如，弧光灯)射出光线，其穿过光学积分器/光导管104和聚光装置106，照射在空间光调制器110上。空间光调制器110的微镜由控制器选择性地启动或致动(例如，在2002年5月14日授权的美国专利No.6,388,661中所公开的那样，该专利在此参考引入)从而在其位于“打开”位置时将入射光反射到投射装置108内，从而在显示靶112(屏幕、观察者的眼睛、光敏材料，等)上产生图像。实例性的操作方法在Richards的美国专利No.6,388,661和在2003年1月10日递交的序列号No.10/340,162的美国专利申请中被公开，上述每个的主题在此参考引入。通常，会使用更加复杂的光学系统，特别是在针对彩色图像的显示应用中，例如图1b和图1c中的显示系统。
参考图1b，在此示出了一种实施三个空间光调制器的显示系统的方框图，其中每个空间光调制器用于分别调制三原色(即，红、绿和蓝)光束。如所示的那样，来自光源102的光174穿过滤光器176从而被分成三束基色光束，即，红光176、绿光178和蓝光180。每个颜色光束照射到单独的空间光调制器上并由其调制。具体地，红光176、绿光178和蓝光180分别照射空间光调制器182、184和186并被调制，每个空间光调制器都包括微镜阵列器件。调制后的红光188、绿光190和蓝光192在光组合器194中被重新组合形成调制的彩色图像。组合的色光196被引到(例如，通过投影镜)显示靶112上用于显示。图1c示出了基于图1b中方框图的简化的显示系统。
参考图1c，该显示系统利用二向色棱镜组合204将入射光分成三原色光束。二向色棱镜组合包括棱镜176a、176b、176c、176d、176e和176f。完全内向反射(TIR)表面，即，TIR表面205a、105b和205c在对着气隙的棱镜表面处被确定。棱镜176c和176e的表面198a和198b涂有二向色薄膜，从而成为二向色表面。特别地，二向色表面198a反射绿光而传输其它光。二向色表面198b反射红光而传输其它光。三个空间光调制器182、184和186沿着棱镜组合的周围排列，每个空间光调制器具有微镜阵列器件。
不管光学系统利用的是图1a中的单个微镜阵列器件，还是图1b和1c中的多个微镜阵列器件，来自透光衬底的反射优选地被最小化。在操作中，来自光源102的入射白光174进入棱镜176b，然后以大于TIR表面205a临界TIR角的角度被引导向TIR表面205a。TIR表面205a朝着空间光调制器186完全内向反射入射白光，该空间光调制器用于调制入射白光中的蓝光成分。在二向色表面198a处，来自TIR表面205a的完全内向反射光中的绿光成分在来出被分离并被反射向空间光调制器182，该空间光调制器用于调制绿光。如所示的那样，分离的绿光经过TIR的TIR表面205b从而以所需的角度照射空间光调制器182。这可以通过以下的方式实现，即，将分离绿光射到TIR表面205b上的入射角设置成大于TIR表面205b的临界TIR角。在来自TIR表面205a的反射光中，除了绿光之外剩下的光成分或分量穿过二向色表面内198a并在二向色表面198b处被反射。因为二向色表面198b用于反射红光成分，射到二向色表面198b上的红光成分因此被分离并被反射到空间光调制器184上，该空间光调制器用于调制红光。最后，入射白光(白光174)中的蓝色成分到达空间光调制器186并由其调制。通过三个空间光调制器的协同操作，红、绿和蓝光可以被合适地调整。调制红、绿和蓝光被重新收集并通过光学器件(如果需要的话)传到显示靶112上，所述光学器件例如投影镜202。
空间光调制器一般都包括由一个数千或数百万微镜器件组成的阵列。图2所示为一个实例性微镜阵列器件的一部分的剖视图，该微镜阵列器件被用在图1a到图1c的显示系统中。参考图2，微镜阵列器件110包括形成于衬底120上的微镜(例如微镜122)阵列，在这个特定实例中，该衬底为对可见光是透明的玻璃。这些微镜以空间方式调制入射光，即，选择性地将入射光反射到投影镜(例如图1a中的投影镜108)上或使入射光发生反射离开投影镜，以在显示靶(例如图1a中的显示靶112)上产生图像或视频。这些微镜对入射光的选择性反射是由电极(例如电极126)阵列和电路(未示出)实现的。具体地，每个微镜包括镜板或镜面(mirror plate)，该镜板与电极相关联。这样就可以在镜板和相关联的电极之间建立静电场。镜板响应建立的静电场从而转动到“开”状态或“关”状态。在“开”状态下，镜板将入射光反射到投影镜内，在“关”状态下，镜板使入射光发生反射离开投影镜。在这个特定的实例中，电极阵列和电路形成在衬底124上，该衬底优选地是半导体晶片。可以选择地，电极和电路可以与微镜形成在相同的衬底上，这里没有示出。
参考图3a，此处示出了一个实例性微镜器件的透视图。如所示的那样，铰链支座210形成在衬底120上，该衬底是对可见光透明的玻璃衬底。连到衬底的铰链支座包括两个支柱218。铰链214固定到铰链支座。镜板230通过铰链接触部分216固定到铰链214。在这个特定实例中，镜板和铰链的固定点在偏离镜板对角线(例如，该对角线沿着连接铰链支座两个支柱的直线)的一个位置处。从衬底120的顶部观察，这种结构便于镜板沿着平行于但偏离镜板对角线的转动轴转动。“平行于但偏离对角线”意味着转动轴可以精确地或基本上平行于(±10°)微镜的对角线。这种设计可以使微镜器件的性能具有几个方面的优点。这种不对称偏置设置的一个优点就是镜板可以转动的角度大于在对称设置中所能达到的转动角(在镜板-衬底间隙相同的情况下)。除了支柱、铰链和铰链接触部分，铰链支座210可以包括另外的特征。例如，限位器211a可以是铰链支座的一部分从而阻止镜板到“开”状态的转动，因此可以用来为微镜阵列器件的微镜确定一个统一的“开”状态角。限位器211b也可以是铰链支座的一部分。这个限位器可以用来阻止镜板到“关”状态的转动，因此可以为微镜阵列器件的微镜确定一个统一的“关”状态角。为了驱动镜板相对于衬底转动，其上具有电极和电路(未示出)的衬底124邻近镜板放置。
在操作中，第一电压被施加到镜板而第二电压被施加到与镜板相关联的电极。镜板和电极之间的压差以及两者之间的距离确定了施加到镜板上的静电力的强度，因此确定了镜板的转角。给出镜板、电极和镜板和电极之间的压差，静电力就由镜板和电极之间的距离确定。特别地，施加在镜板上的静电力可以通过减小镜板和电极之间的“有效距离”来加强。根据本发明，这是通过在镜板和电极之间提供延长板212来实现的。在本发明的一个实施例中，延长板在与衬底(例如衬底120)相对的镜板一侧上，铰链支座(例如铰链支座210)和铰链连接到该衬底上。延长板通过支柱236连到镜板，通过镜板、铰链、和铰链支座连到衬底120。支柱236在镜板上的位置既不是中心也不是在镜板的对角线处。这些相对位置也可以在图6中看到，其中示出了微镜器件的剖视图。如图6中所示，延长板确定了延长板和电极126之间的第一间隙G1；和延长板和镜板之间的第二间隙G2。在如图4c所示的一种情况下，如果延长板延伸超过镜板，延长板就确定了延长板和衬底(例如，图6中的衬底120)的第三间隙，镜板连到该衬底。
在本发明的一个实施例中，延长板是金属的，并电连接到镜板。在操作中，微镜延长板和镜板具有相同的电压。然而，因为延长板比镜板离电极更近，因此施加到延长板上的静电力比施加到镜板上的力大。即，与将镜板转动到所需角度所要求的电极和镜板间压差相比，延长板和电极间更小的压差就足以将镜板转到相同的所需角度。在本发明的实施例中，延长板与镜板之间的距离与铰链214和镜板之间的距离是相同的。这种设置简化了微镜器件的加工，这将在下面讨论。
在本发明的另一个实施例中，延长板与镜板间的距离不同于铰链与镜板之间的距离。例如，延长板和镜板之间的距离大于铰链和镜板之间的距离，如图7所示。在这种情况下，获得所需转角所要求的压差甚至小于图6中微镜获得相同所需角度的所需压差，在图6中，铰链和延长板离镜板的距离是相同的。
在本发明的又一个实施例中，延长板是介电常数大于1的电介质板。在操作中，当电压被施加到电极和镜板上从而在电极和镜板之间产生压差，施加到镜板上的静电力要大于在下面这种情况下施加到镜板上的静电力，即，镜板和电极之间没有电介质板但其间建立的压差相同的情况下。即，与将镜板转动到所需角度所要求的电极和镜板间压差相比，只需要更小的压差就可以将镜板转到相同的所需角度。与延长板是金属的实施例类似，电介质延长板与镜板隔开的距离可以与镜板和铰链间的距离相同或不同。
参考图3b，其中示出了一个微镜阵列器件的透视图。该微镜阵列器件包括图3a中的微镜阵列。在显示应用中，每个微镜器件对应图像或视频帧的一个象素。阵列中微镜的数目确定了显示的图像或视频的分辨率。在本发明的实施例中，微镜阵列器件优选地包括1280×720、14000×1050、1600×1200、1920×1080、或2048×1536微镜器件，其中m×n(例如1280×720)表示沿着微镜阵列长度方向有1280个微镜而沿着微镜阵列的宽度方向有720个微镜。当然，可以利用图3a中的微镜器件形成对应其它所需分辨率的微镜阵列。
参考图4a，其中示出了根据本发明另一个实施例的另一个实例性微镜器件。如在图中所示的那样，延长板220在与衬底120相对的镜板一侧上，铰链支座210和铰链连接到该衬底上。延长板置于镜板和电极(未示出)之间，该电极与镜板相关联用于转动镜板。延长板通过支柱221连到镜板，通过镜板、铰链、和铰链支座连到衬底120。支柱221在镜板上的位置既不是在镜板的中心也不是对角线处。和图3a中所示的情形不同，延长板220延伸超过镜板。而且，延长板具有不同的形状，并通过多个支柱例如支柱221连到镜板。在这个特定的实例中，延长板为矩形。实际上，延长板可以采用任意所需的形状，例如方形、矩形、菱形、或梯形。而且，延长板可以通过任意数目的支柱连到镜板。与图3a中的情形类似，图4a中的延长板可以是金属的或电介质。如果延长板是金属的，就可以电连接到镜板。在任意一种情形下，与镜板和电极之间没有延长板相比，将镜板转动到所需角度要求的压差都减小了。也可以在铰链支座上形成其它特征，例如限位器211a和211b用于分别阻止镜板转到“开”状态和“关”状态。
参考图4b，其中示出了一个微镜阵列器件的透视图。该微镜阵列器件包括图4a中的微镜阵列。如图中所示的那样，每个微镜的延长板都延伸超过镜板，该延长板连到镜板。因此，延长板部分盖住相邻微镜的镜板或镜面。在本发明的实施例中，微镜阵列器件优选地包括1280×720、14000×1050、1600×1200、1920×1080、或2048×1536微镜器件，其中m×n(例如1280×720)表示沿着微镜阵列长度方向有1280个微镜而沿着微镜阵列的宽度方向有720个微镜。当然，可以利用图4a中的微镜器件形成对应其它所需分辨率的微镜阵列。
参考图4c，其中示出了根据本发明另一个实施例的另一个实例性微镜器件。与图3a和图4a中的情形不一样，微镜器件的铰链支座224的结构是不同的。特别地，图3a和4a中的限位器211b从铰链支座移走。而且铰链支座的边缘，例如边缘点A用来作为限位器以阻止镜板的转动。与图3a和图4a中的情形相比，这种铰链结构允许更大的延长板(例如延长板222)。因此，与具有更小尺寸的微镜-延长板的微镜器件，例如图4a中的微镜器件相比，将镜板转到所需角度要求的静电力将减小。与图3a和图4a中的情形类似，延长板222可以是金属或电介质。如果延长板是金属，就可以电连接到镜板。延长板可以采用任意所需的形状，例如方形、矩形、菱形、或梯形。而且，延长板可以通过任意数目的支柱连到镜板。延长板与镜板隔开的距离可以与镜板和铰链间的距离相同或不同。具体地，延长板可以比铰链更靠近或更远离镜板。
参考图4d，其中示出了实例性微镜阵列器件。微镜阵列器件包括图4c中的微镜阵列。因为这种结构的微镜器件允许大微镜-延长板，阵列中每个微镜器件的微镜-延长板都延伸超过微镜器件的镜板。而且，与图4a中的情形相比，微镜的延长板会盖住相邻微镜器件镜板的更大部分。
可以选择地，对于每个微镜器件的一个延长板而言，可以在微镜器件上形成多个微镜-延长板，如图5中所示的那样。在图5中的特定实例性微镜器件中，微镜器件包括两个延长板226，每个都通过独立的支柱连到微镜器件的镜板。可以选择地，可以在镜板上形成任意数目的延长板。而且，可以提供任意数目的支柱来将延长板连接到镜板。
可以用各种途径来构筑上述的微镜器件。下面参考图8a到图11d来讨论实例性工艺。本领域普通技术人员应该意识到的是实例性的工艺仅仅是阐释的目的，不应该理解为限制性的。
图8a到图8d示出了在微镜器件的实例性加工工艺的不同步骤时微镜器件(器件的剖视图在图6中示出)的侧视图，其中微镜器件具有延长板，该延长板与镜板隔开的距离和铰链与镜板之间的距离相同。参考图8a，设置衬底120。在此衬底上沉积第一牺牲层232，其后沉积镜板层230。衬底可以是玻璃(例如1737F，Eagle 2000)、石英、PyrexTM、蓝宝石。衬底也可以是半导体衬底(例如硅衬底)，其上形成有一个或多个驱动电极和/或控制电路(例如CMOS型DRAM)。第一牺牲层可为任一种合适的材料，例如非晶硅，或者可以选择地是聚合物或聚酰亚胺，或者甚至是多晶硅、氮化硅、二氧化硅，这取决于牺牲材料的选择以及所选择的蚀刻剂。如果第一牺牲层是非晶硅，该层可在300-350℃沉积。第一牺牲层的厚度范围很宽，可根据微镜器件的大小和微镜器件中镜板的所需最大转角而变化，不过优选厚度是从500到50,000，优选约为10,000。第一牺牲层可以用任何适用的方法，如LPCVD或PECVD，来沉积到衬底上。
作为该实施例的可以选择的特征，可以在衬底的表面上沉积增透层或减反射层(未示出)。沉积增透层用来减少入射光从衬底表面的反射。如所需的那样，也可以在玻璃衬底的任一表面上沉积其它的光学增强层。除了光学增强层外，也可以在衬底表面上沉积导电层。这种导电层可以被用作电极以驱动镜板转动，特别地转动到“关”状态。
在沉积第一牺牲层之后，就要在第一牺牲层上沉积和图案化镜板230。因为镜板被设计用于反射所需光谱(如可见光光谱)内的入射光，镜板层优选包含显示出对入射光具有高反射率(优选为90％或更高)的一种或多种材料。微镜板的厚度范围很宽，可根据所需的机械性能(例如弹性模量)、微镜的尺寸、所需的“开”状态角和“关”状态角、和镜板的电传导性能(例如导电率)以及所选的形成镜板的材料的性能而变化。在本发明的一个实施例中，镜板是一种多层结构，包括优选厚度大约为400的SiOx层、优选厚度大约为2500的光反射铝层、和优选厚度大约为80的钛层。除了铝外，也可采用其它对可见光具有高反射率的材料用于光反射层，例如Ti、AlSiCu和TiAl。这些镜板层可以在优选温度大约为150℃下通过PVD来沉积。
沉积之后，镜板可以被图案化到所需的形状，例如图3a中的形状。可利用标准光刻胶图案化，继之以通过利用例如CF4、Cl2，或根据微镜板的特定材料而利用其它合适的蚀刻剂所作的蚀刻，来实现镜板的图案化。
图案化镜板230之后，就在镜板230和第一牺牲层232上沉积第二牺牲层234。第二牺牲层可包含非晶硅，或可选择包含针对第一牺牲层所述及的上列各种材料中的一种或多种。第一及第二牺牲层不一定是相同的，不过在优选实施例中是相同的，以便简化用于除去这些牺牲层的蚀刻处理。类似于第一牺牲层，第二牺牲层可利用任何合适的方法如LPCVD或PECVD来沉积。在本发明的实施例中，第二牺牲层包含在大约350℃沉积的非晶硅。第二牺牲层的厚度可以在9000量级，但可根据微镜板与铰链之间的所需距离(在垂直于镜板和衬底的方向上)而调整到任一合理厚度，如介于2000与20,000之间。优选地，铰链和镜板被大小为0.5到1.5微米的间隙隔开，更优选地从0.5到0.8微米，更优选地为0.8到1.25微米，更优选地为1.25到1.5微米。
在本发明的优选实施例中，镜板包括铝，牺牲层(例如，第一和第二牺牲层)是非晶硅。然而，因为铝和硅的扩散特别是在镜板边缘的扩散，这种设计方案存在缺陷。为了解决这个问题，可以在沉积第二牺牲硅层之前在图案化的微镜板上沉积保护层(未示出)，以便铝层与硅牺牲层隔离开。在除去牺牲材料后，这个保护层可以除去或不除去。如果保护层没有被除去，就可以在镜板上沉积后被图案化。
如图中所示，所沉积的第二牺牲层随后被图案化，从而利用标准光刻技术继之以蚀刻，来形成两个深通路孔(deep-via)区218、浅通路孔(shallow via)区216和镜延长板通路孔213。蚀刻步骤可根据第二牺牲层的特定材料，利用Cl2、BCl2、或其它合适的蚀刻剂来完成。跨越两个深通路孔区的距离取决于微镜板的确定的对角线的长度。在本发明的一实施例中，在图案化之后，跨越这两个深通路孔区的距离优选约为10μm，但按需要可以是任何合适的距离。为形成浅通路孔区，可利用CF4或其它合适的蚀刻剂来执行蚀刻步骤。浅通路孔区可具有任何合适的尺寸，优选是在2.2微米的量级上。每个深通路孔的大小为大约0.5微米。
在图案化第二牺牲层之后，在图案化的第二牺牲层上沉积铰链支座层236和238，如在图8b中所示的那样。因为铰链支座层用于固定铰链(例如图3a中的214)及镜板(例如图3a中的镜板230)，铰链和镜板附着于铰链支座层，从而使镜板能够转动，因此希望铰链支座层所包含的材料至少具有大的弹性模量。根据本发明的一实施例，层236包括通过PVD来沉积的厚度为400的TiNx层(虽然它可以包括TiNx，厚度在100和2000之间)，以及通过PECVD沉积的厚度为3500的SiNx层238(虽然SiNx层的厚度在2000和10,000之间)。当然能够使用其它合适的材料和沉积方法(如LPCVD或溅射)。虽然SiNx层对本发明而言不是必须的，但可以提供微镜和铰链之间的导电接触表面从而，至少，降低电荷感应的静摩擦。
在沉积之后，将层236和238图案化到所需的结构(例如，图3a中的铰链支座210)，如图8c中所示。也可以设置微镜限位器，例如对应“开”状态的微镜限位器(例如，图3a中的微镜限位器211a)和/或对应“关”状态的微镜限位器(例如，图3a中的微镜限位器211b)。之后利用一种或多种合适的蚀刻剂执行蚀刻步骤。特别是，能以氯化学(chlorine chemistry)或氟化学(fluorine chemistry)来蚀刻各层，其中蚀刻剂是全氟化碳(perfluorocarbon)或含氢氟烃(hydrofluorocarbon)(或SF6)，此蚀刻剂被赋能(energized)从而有选择地以化学及物理方式蚀刻铰链层(例如以CF4、CHF3、C3F8、CH2F2、C2F6、SF6等等，或更可能地以上述物质的混合物或与附加气体例如CF4/H2、SF6/Cl2的混合物，或使用一种以上蚀刻物质如CF2Cl2——它们均可与一种或多种可选的惰性稀释剂一起，进行等离子体/RIE蚀刻)。当然可用不同的蚀刻剂来蚀刻每个铰链支座层(例如氯化学用于金属层，碳氢化合物或碳氟化合物(或SF6)等离子体用于硅或硅化合物层，等等)。
蚀刻铰链支座层后，就形成两个支柱218(在图中两个支柱重叠)、铰链接触区域216和微镜-延长板通路孔213。通过蚀刻除去铰链接触区域216和微镜-延长板通路孔213的底部，就露出铰链接触区域之下的一部分镜板。镜板的暴露部分被用来形成与外部电源的电接触。蚀刻后，就留下铰链接触区域216和微镜-延长板通路孔的侧壁(例如，侧壁240)以及层236和238的剩余部分。侧壁上的剩余部分帮助增强以后形成的铰链的机械性能和电学性能。
在完成图案化和蚀刻层236和238之后，沉积并随后图案化铰链层242，如图8d所示。在本发明的实施例中铰链层是导电的。铰链层的合适材料的例子为Al、Ir、钛、氮化钛、氧化钛、碳化钛、TiSiNx、TaSiNx、或其它三元及更多元化合物。当选择将钛用于铰链层时，该层可在100℃下沉积。可以选择地，铰链层可以包括多个层，例如100的TiNx和400的SiNx。
在沉积之后，利用蚀刻图案化铰链层以在铰链区域216形成铰链(例如图3a中的铰链214)和在微镜-延长板区域212形成延长板(例如图3a中的延长板212)。与铰链支座层(层236和238)类似，铰链层242可用氯化学或氟化学来蚀刻，其中蚀刻剂是全氟化碳或含氢氟烃(或SF6)，此蚀刻剂被赋能，从而有选择地以化学及物理方式蚀刻铰链层(例如以CF4、CHF3、C3F8、CH2F2、C2F6、SF6等等，或更可能地以上述物质的混合物或与附加气体例如CF4/H2、SF6/Cl2的混合物，或使用一种以上蚀刻物质如CF2Cl2——它们均可与一种或多种可选的惰性稀释剂一起，进行等离子体/RIE蚀刻)。当然可用不同的蚀刻剂来蚀刻每个铰链层(例如氯化学用于金属层，碳氢化合物或碳氟化合物(或SF6)等离子体用于硅或硅化合物层，等等)。
在以上的实例中，延长板具有和铰链相同的材料，而且延长板与镜板隔开的距离与镜板和铰链之间的距离相同。因此，延长板可以同时被加工(例如沉积和蚀刻)。如果延长板包括的材料不同于铰链的材料，就应该在图案化的铰链支座层上分别加工铰链和延长板。在这种情况下，可以沉积第三牺牲层，并执行一个单独的蚀刻步骤。例如，可以在图案化的铰链层上沉积第三牺牲层(在微镜-延长板区域212处的铰链材料在图案化铰链层后被除去)。并将第三牺牲层图案化以露出微镜-延长板区域212，用以沉积微镜-延长板层，该层包括的材料不同于铰链的材料。然后图案化沉积的微镜-延长板层以形成所需的延长板。在上述实例中，形成铰链之后接着形成延长板。可以选择地，可以在形成铰链之前形成延长板。可以应用类似的工艺(例如沉积并图案化微镜-延长板层和沉积并图案化第三牺牲层之后沉积和图案化铰链层)，这里不再进一步讨论。
最后，通过利用所选蚀刻剂的合适的蚀刻处理来除去牺牲层，从而分离或释放微镜器件。分离蚀刻利用了能够自发(spontaneous)化学侵蚀牺牲材料的蚀刻气体，优选为各向同性蚀刻，其以化学方式(而非物理方式)除去牺牲材料。用以完成这种化学侵蚀的这类化学侵蚀法及装置披露于1999年10月26日提交的属于Patel等人的美国专利申请No.09/427,841以及2000年8月28日提交的属于Patel等人的美国专利申请No.09/649,569中，上述美国专利申请各自的主题内容在此通过引用而并入本文。用于分离蚀刻的优选蚀刻剂是气相氟化物蚀刻剂，它们除了处在可选择的应用温度，是不被赋能的。这些气体的例子包括HF气，稀有气体卤化物如二氟化氙，以及卤间化合物如IF5、BrCl3、BrF3、IF7和ClF3。分离蚀刻可包括额外的气体组分，如N2或惰性气体(Ar、Xe、He等等)。通过这种方式，来除去其余牺牲材料并分离或释放微机械结构。在此种实施例的一方面，在蚀刻室内提供XeF2与稀释剂(例如N2和He)。XeF2的浓度优选为8托，不过此浓度可从1托变化到30托或更高。使用这种非等离子体蚀刻优选进行900秒，不过此时间可从60变化到5000秒，这取决于温度、蚀刻剂浓度、压强、要除去的牺牲材料的量，或其它因素。蚀刻速率可保持恒定为18/s/托，不过蚀刻速率可从1/s/托变化到100/s/托。分离过程的每一步骤均可在室温完成。
除了上述的用在最终分离或中间蚀刻步骤中的蚀刻剂和蚀刻方法外，还有其它可以单独使用或结合使用的蚀刻剂和蚀刻方法。这些方法的其中一些包括湿法蚀刻，例如ACT、KOH、TMAH、HF(液态)；氧等离子体、SCCO2、或超临界CO2(利用超临界CO2作为蚀刻剂在美国专利申请No.10/167,272中有所描述，该申请在这里参考引入)。当然，所选的蚀刻剂和方法应该与要除去的牺牲材料和希望之后留下的材料相匹配。
图9示出了分离后微镜器件的剖视图。图10示出了图9中相同微镜器件的侧视图。
如以前讨论过的那样，延长板(例如图3a中的延长板212)与镜板间的距离可以不同于铰链与镜板之间的距离。下面将参考图11a到图11d来讨论用于这些微镜器件的实例性加工处理，其中在此示出了在加工工艺中的不同步骤时微镜器件(图7中示出了该器件的剖视图)的侧视图。
参考图11a，在图案化铰链层之前就可以执行在图8a到图8d中讨论的相同的步骤。在这个实例性工艺中，图案化铰链层以便在图案化后除去在微镜-延长板区域212处的铰链层，如图8d中所示。然后在图案化的铰链层上沉积第三牺牲层244，如图11b中所示。沉积的第三牺牲层的厚度确定了延长板(例如图3a中的212)和镜板(例如，图3a中的230)之间的距离。沉积之后，就图案化第三牺牲层。在图案化的第三牺牲层上，沉积并图案化微镜-延长板层，如图11c中所示。最后，利用蚀刻除去三个牺牲层，从而分离微镜器件。分离之后的微镜如11d所示。
图11a到图11d示出用于微镜器件的加工工艺，该器件具有延长板，该延长板与镜板隔开的距离比镜板与铰链的距离大。可以利用类似的加工工艺以加工微镜器件，该器件延长板与镜板隔开的距离比镜板与铰链的距离短。
本领域普通技术人员应该理解的是，此处描述了一种新的有用的空间光调制器。然而考虑到如果使用本发明的原理还有很多可能的实施例，就应该认识到此处参考附图所描述的实施例仅仅是阐释的，而不应该看成是对本发明范围的限制。例如，本领域普通技术人员应该认识到本发明阐释的实施例在设置和细节上是可以变动的，只要不背离本发明的精神。因此，如在此描述的那样，本发明涉及所有这些实施例，都在所附权利要求及其等同的范围内。
权利要求
1.一种微镜器件，其包括衬底；连到所述衬底的铰链和铰链支座；可活动的反射镜板，其中所述铰链在所述镜板上的第一位置处固定到所述镜板；和延长板，该延长板在所述镜板的第二位置处连到所述镜板。
2.如权利要求1所述的器件，其中所述延长板确定了所述延长板和所述镜板之间的第一间隙；而且其中所述延长板通过支柱连到所述镜板。
3.如权利要求1所述的器件，其中所述延长板确定了所述延长板和所述衬底之间的第二间隙。
4.如权利要求1所述的器件，进一步包括设置在另一个衬底上的电极，该电极邻近所述延长板放置以便在所述电极和所述延长板之间建立第一静电场；而且其中所述延长板确定了所述延长板和其上设置了所述电极的所述衬底之间的第三间隙。
5.如权利要求1所述的器件，其中所述延长板位于与所述衬底相对的所述镜板一侧上。
6.如权利要求1所述的器件，其中所述延长板是导电的。
7.如权利要求1所述的器件，其中所述延长板是介电常数大于1.0的电介质。
8.如权利要求1所述的器件，其中所述延长板延伸超过所述镜板。
9.如权利要求1所述的器件，其中所述镜板固定到所述铰链，使得所述镜板绕旋转轴转动，从所述衬底的顶部观察该旋转轴平行但偏离所述镜板的对角线。
10.如权利要求2所述的器件，其中所述延长板与所述衬底隔开的距离与所述铰链支座和所述衬底之间的距离相同。
11.如权利要求1所述的器件，进一步包括邻近所述延长板放置的第一电极，以便在所述第一电极和所述延长板之间建立第一静电场，而且所述镜板响应所述第一静电场从而相对于所述衬底在第一转动方向上转动。
12.如权利要求11所述的器件，进一步包括邻近所述镜板放置的第二电极，以便在所述镜板和所述第二电极之间建立第二静电场，而且所述镜板响应所述第二静电场从而相对于所述衬底在与所述第一转动方向相反的第二转动方向上转动。
13.如权利要求12所述的器件，其中所述第一电极和第二电极都在一个衬底上，该衬底不是所述铰链支座所连的衬底。
14.如权利要求13所述的器件，其中所述第一电极在一个衬底上，该衬底不是所述铰链支座所连的衬底；而且其中所述第二电极在所述铰链支座所连的衬底上。
15.如权利要求14所述的器件，其中所述第二电极是在所述衬底表面上的电极薄膜，所述铰链支座连到所述衬底。
16.一种微镜器件，包括衬底；通过铰链和铰链支座连到所述衬底的反射镜板，该镜板被所述衬底上的所述铰链和所述铰链支座固定；和延长板，该延长板连到所述镜板，并通过所述镜板、所述铰链和所述铰链支座连到所述衬底。
17.如权利要求16所述的器件，其中所述延长板确定了所述延长板和所述镜板之间的第一间隙；而且其中所述延长板通过支柱连到所述镜板。
18.如权利要求16所述的器件，其中所述延长板确定了所述延长板和所述衬底之间的第二间隙。
19.如权利要求16所述的器件，其中进一步包括设置在另一个衬底上的电极，该电极邻近所述延长板放置以便在所述电极和所述延长板之间建立第一静电场；而且其中所述延长板确定了所述延长板和其上设置了所述电极的所述衬底之间的第三间隙。
20.如权利要求16所述的器件，其中所述延长板位于与所述衬底相对的所述镜板一侧上。
21.如权利要求16所述的器件，其中所述延长板是导电的。
22.如权利要求16所述的器件，其中所述延长板是介电常数大于1.0的电介质。
23.如权利要求16所述的器件，其中所述延长板延伸超过所述镜板。
24.如权利要求16所述的器件，其中所述镜板固定到所述铰链，使得所述镜板绕旋转轴转动，从所述衬底的顶部观察该旋转轴平行但偏离所述镜板的对角线。
25.如权利要求17所述的器件，其中所述延长板与所述衬底隔开的距离与所述铰链支座和所述衬底之间的距离相同。
26.如权利要求16所述的器件，进一步包括邻近所述延长板放置的第一电极，以便在所述第一电极和所述延长板之间建立第一静电场，而且所述镜板响应所述第一静电场从而相对于所述衬底在第一转动方向上转动。
27.如权利要求26所述的器件，进一步包括邻近所述镜板放置的第二电极，以便在所述镜板和所述第二电极之间建立第二静电场，而且所述镜板响应所述第二静电场从而相对于所述衬底在与所述第一转动方向相反的第二转动方向上转动。
28.如权利要求27所述的器件，其中所述第一电极和第二电极都在一个衬底上，该衬底不是所述铰链支座所连的衬底。
29.如权利要求27所述的器件，其中所述第一电极在一个衬底上，该衬底不是所述铰链支座所连的衬底；而且其中所述第二电极在所述铰链支座所连的衬底上。
30.如权利要求29所述的器件，其中所述第二电极是在所述衬底表面上的电极薄膜，所述铰链和铰链支座连到所述衬底。
31.一种微镜器件，包括衬底；连到所述衬底的铰链和铰链支座；在固定点固定到所述铰链的反射镜板，从所述衬底的顶部观察所述固定点偏离所述镜板的对角线；和连到所述镜板的延长板。
32.如权利要求31所述的器件，其中所述延长板位于与所述衬底相对的所述镜板一侧上。
33.如权利要求31所述的器件，其中所述延长板是金属的。
34.一种显示系统，包括光源；微镜阵列，该阵列选择性地反射来自所述光源的光，每个微镜进一步包括衬底；连到所述衬底的铰链和铰链支座；可活动的反射镜板，其中所述铰链在所述镜板上的第一位置处固定到所述镜板；和延长板，该延长板在所述镜板的第二位置处连到所述镜板；和一组光学元件，用于将来自所述光源的光引导到空间光调制器上并将来自所述微镜的反射光投射到显示靶上。
35.如权利要求34所述的显示系统，其中所述延长板确定了所述延长板和所述镜板之间的第一间隙；而且其中所述延长板通过支柱连到所述镜板。
36.如权利要求34所述的显示系统，其中所述延长板确定了所述延长板和所述衬底之间的第二间隙。
37.如权利要求34所述的显示系统，进一步包括设置在另一个衬底上的电极，该电极邻近所述延长板放置以便在所述电极和所述延长板之间建立第一静电场；而且其中所述延长板确定了所述延长板和其上设置了所述电极的所述衬底之间的第三间隙。
38.如权利要求34所述的显示系统，其中所述镜板位于与所述衬底相对的所述镜板一侧上。
39.如权利要求34所述的显示系统，其中所述延长板是导电的。
40.如权利要求34所述的显示系统，其中所述延长板延伸超过所述镜板。
41.如权利要求34所述的显示系统，其中所述镜板固定到所述铰链，使得所述镜板绕旋转轴转动，从所述衬底的顶部观察该旋转轴平行但偏离所述镜板的对角线。
42.如权利要求35所述的显示系统，其中所述延长板与所述衬底隔开的距离与所述铰链支座和所述衬底之间的距离相同。
43.如权利要求34所述的显示系统，进一步包括邻近所述延长板放置的第一电极，以便在所述第一电极和所述延长板之间建立第一静电场，而且所述镜板响应所述第一静电场从而相对于所述衬底在第一转动方向上转动。
44.如权利要求43所述的显示系统，进一步包括邻近所述镜板放置的第二电极，以便在所述镜板和所述第二电极之间建立第二静电场，而且所述镜板响应所述第二静电场从而相对于所述衬底在与所述第一转动方向相反的第二转动方向上转动。
45.如权利要求44所述的显示系统，其中所述第二电极是在所述衬底表面上的电极薄膜，所述铰链支座连到所述衬底。
46.一种制造微镜器件的方法，该方法包括在衬底上沉积第一牺牲层；在所述第一牺牲层上形成镜板；在所述镜板上沉积第二牺牲层；形成铰链、铰链支座和延长板，进一步包括在所述镜板之上的第一位置处除去所述第二牺牲层的第一部分，以露出所述镜板的第一部分；和在所述第二牺牲层和所述镜板暴露的第一部分上沉积所述延长板；和除去所述第一和第二牺牲层。
47.如权利要求46所述的方法，进一步包括在形成所述延长板之前，沉积第三牺牲层；和在所述第三牺牲层上形成所述延长板；并且除去所述第一和第二牺牲层的步骤进一步包括除去所述第三牺牲层。
48.如权利要求46所述的方法，其中形成所述铰链、所述铰链支座和所述延长板的步骤进一步包括在所述镜板之上的第二位置处除去所述第二牺牲层的第二部分，以露出所述镜板的第二部分；和在所述第二牺牲层和所述镜板暴露的第二部分上沉积所述铰链。
49.如权利要求46所述的方法，其中除去所述第一和第二牺牲层的步骤进一步包括利用采用非等离子体自发化学气相蚀刻剂的自发气相蚀刻来蚀刻所述第一和第二牺牲层。
50.如权利要求49所述的方法，其中所述化学气相蚀刻剂是气相卤间化合物。
51.如权利要求49所述的方法，其中所述化学气相蚀刻剂是气相稀有气体卤化物。
52.如权利要求51所述的方法，其中所述稀有气体卤化物是二氟化氙。
全文摘要
公开了一种微镜器件(122)，和一种制造这样一种微镜器件(122)的方法，该微镜器件包括微镜板(230)、铰链(214)和延长板(212)。在所述微镜板上形成延长板(212)，该延长板在微镜板(230)和电极(126)之间，该电极和所述微镜板(230)关联以转动所述微镜板。延长板(212)可以是金属的或电介质。也公开了一种制造这样一种微镜器件的方法。特别地，形成微镜板(230)之后形成延长板(212)。而且，也公开了一种投影系统(102)，该系统包括空间光调制器(110)，该空间光调制器具有这些微镜组成的阵列，以及光源(102)、聚光装置，其中来自所述光源(102)的光被聚焦到所述微镜阵列上；投射装置，用于将所述微镜阵列(110)选择性反射的光投射到靶上；和控制器，用于选择性地启动或致动所述阵列(110)中的微镜(122)。
文档编号G02B26/08GK1816765SQ200480018880
公开日2006年8月9日 申请日期2004年6月10日 优先权日2003年7月3日
发明者S·R·帕特尔, A·G·韦伯 申请人:反射公司