带有自限制微型机械元件的双层介质反射空间光调制器的制作方法

专利名称：带有自限制微型机械元件的双层介质反射空间光调制器的制作方法
发明的背景1．发明领域本发明涉及空间光调制器，尤其是带有固定在一光学透射介质上的电子可寻址的可偏转的元件的空间光调制器。
2．现有技术描述空间光调制器(SLM)是以空间模式调制与一种光或电输入相应的一束入射光的变换器。入射光可以在相位、强度、偏振或方向上被调制。这种调制可以通过使用具有光磁性、光电性或弹性的各种材料来实现。SLM有许多应用，包括显示系统、光信息处理、光数据存贮及打印。
对于一SLM单元的一般技术是在两电极之间夹用一液晶材料，至少其中一个电极是透明的。通过在两个电极之间加一个电压，液晶层中分子的方向发生改变，这会改变层的光学性质，尤其是通过该层传输的光的偏振。因此，与一个或更多起偏滤光器相结合的液晶层能被用来形成一个振幅调制器(光阀)。然而，这种基于装置的液晶对SLM应用有几个不利之处。首先，光的许多部分在起偏滤光器中被吸收，降低了光的效率。另外，装置有有限的对比率，(当装置打开时的像素强度与装置关闭时的像素强度比)，而且最广泛使用的液晶的反应时间很慢(几微秒)。还有，液晶在一个相当窄的温度范围之外性能很差。由于这些及其它的原因，使用移动的结构偏转光的机械的SLM一直被研究。
被设计用于投影显示系统的一个早期的机械SLM是由Nathanson描述的，美国专利号为U.S.Pat.No.3,746,911。SLM的单个像素像在一个常用的直视阴极射线管(CRT)中一样被通过一个扫描电子束被寻址。电子束不是激发一个磷光体，而是给排列在一石英面板上的可偏转的反射性的元件充电。被充电的元件由于静电力弯向面板。弯曲和未弯曲的元件向不同方向反射平行光。从未弯曲的元件反射的光用一套Schlieren光栏(Schlieren stops)阻隔，而从弯曲的元件反射的光被允许经过投影光学装置在屏上形成一个图像。
另一寻址电子束SLM是the Eidophor,E.Baumann在1953年的J.SMPTE的第20卷的351页上的“Fisher大屏幕投影系统(Eidophor)”(E.Baumann,“The Fischer large-screen projection system(Eidophor)”20 J.SMPTE 351(1953))中被描述。在这个系统中，活性光学元件是一个油层，该油层被电子光束周期性地激起涟漪以使入射光分散。Eidophor系统的一个不利之处是油层由于不断的电子轰炸而被聚合而且油挥发导致阴极寿命短。这两个系统的一个不利之处是它们使用了体积大的而且昂贵的真空管。
一个空间光调制器，其中的可移动元件通过设置在一硅介质上的电子线路被寻址，由K.Peterson在31Appl.Phys.Let.第31卷第521页(1977)上的“在硅上制作的微型机械光调制阵列”(K.Peterson,“Micromechanical Light Modulator Array Fabricated on Silicon”31 Appl.Phys.Let.521(1977))所描述。该SLM包括在一硅介质之上的一个16×1悬臂镜阵列。这些镜是由二氧化硅制成的且有一个反射金属层。这些镜下的空间是通过一KOH蚀刻剂蚀刻掉硅而形成的。这些镜通过静电吸引被偏转一个偏压被加在反射元件与介质之间并产生一个静电力。一个类似的空间光调制器是二维阵列，由Hartstein和Peterson描述，美国专利号为U.S.Pat.No.4,229,732。虽然这个SLM的开关电压由于仅在一个角处联接可偏转镜元件而被降低，但是该装置由于小的光学活性区(作为整个装置区域的一部分)而效率很低。另外，来自寻址电路的衍射降低了显示的对比率。
一个基于硅的微型机械SLM(其中装置的大部分是光学活性的)是数字镜装置(DMD)，由Texas Instruments研制并由Harnbeck在美国专利号为U.S.Pat.No.5,216,537及其参考文献中描述。最近的发明包括一通过扭转铰链悬挂在寻址电极之上的第一铝薄片。第二铝薄片被建立在第一铝薄片顶部并作为一个反射镜。双面薄片铝结构被要求提供一个覆盖下面的电路和铰链装置的近似平的反射镜表面，为了达到一个可接受的对比率，这是必要的。整个结构是由铝合金——薄片制成的，扭转铰链及特别的“登陆点”每个都有独立的最优化的成分。铝能在低温被堆积，以避免在制作过程中损害下面的CMOS寻址电路。然而铝的不足之处是易疲劳且易塑性变形，这会导致长期可靠性问题及单元“记忆”，这里空闲位置开始向其最频繁被占据的位置倾斜。该DMD的另一个不足之处包括1)在当前设计中，一个大的涟漪(由镜的支持柱引起)被显示在镜中心，这引起入射光的散射并降低光的效率。2)整个DMD结构通过一聚合体牺牲层的等离子蚀刻被释放。这种制作过程是有问题的，在于它(A)为了使等离子蚀刻释放有效，要求反射镜之间间隙大，且(B)在释放过程中形成像素损失，这在精密的微型镜结构上是不足够小的。由于复杂的结构和制作过程的困难，DMD的商业化一直进行得很慢。
另一个在平的介质上制作的SLM是由Bloom等描述的光栅阀(GLV)，美国专利号为U.S.Pat.No.5,311,360。正如在专利5,311,360中所描述的，GLV的可偏转机械元件是反射性的平的柱或带。光从带和介质反射。如果反射的带和反射的介质之间的距离是一个半波长，从两个面反射的光会增加而装置的作用像一个镜子。如果距离是四分之一波长，直接从两个表面反射的光将破坏性地干涉而该装置将作为一个衍射光栅，将光变成衍射级。一个好的途径是用高机械质量的陶瓷层，如LPCVD(低压化学挥发沉积)氮化硅制作该装置。
即使寻址电路不能被置于这种薄膜之下，一种固有的电机械双稳态也可以被用作实现一种“被动的”寻址方案(Raj Apte，用于高分辨显示的光栅光阀，斯坦福大学博士论文，1994年六月)(Raj Apte,Grating Light Valves for High Resolution Displays,StanfordUniversity Ph.D.thesis,June 1994)。双稳态存在是因为偏转所要求机械力大致是线性的，而静电力遵循平方反比定律。当施加一个偏压时，带偏转。当带被偏转过某一点时，存贮的机械力不再能平衡静电力从而带猛地咬住介质。为了使带恢复到未偏转时的位置，电压必须基本上降低到折断电压之下。这种闭锁行为允许驱动电路被置于片外或仅在周边，且寻址电路不必占据阵列的光学活性部分。实际中，这种途径是难于实现的当带与介质得以接触时，这时它处于一个不同的势，电荷能注入进绝缘陶瓷带材料中，变换开关电压从而使被动寻址不可能。整个装置的薄膜非一致性也能大幅度地变换开关电压。关于GLV技术的另一问题是粘结由于偏转的带的下侧与介质大表面接触，带趋向于粘到介质上。包括该结构的薄膜会被粗糙化，但这导致不想要的光学散射，减少了装置的对比率。
微型机械的基于反射镜的SLM比基于衍射的SLM更有优越性因为它们仅以一个角度反射入射光，这个角度可能相当大。这使该光学系统的设计简化，在该光学系统中，被调制的光可以穿过成像透镜的中心，同时保持高效率。这导致图像失常更少且降低制造成本。
因此，需要一个有高对比率的、高效率的、高速的空间光调制器，该调制器容易制作，且它的移动元件是由可靠的机械材料制成的。
发明概要简单地说，根据本发明的一个实施例，一个空间光调制器包括一个光学透射介质和一个电路介质。一个或更多的反射性的可偏转的元件被固定在光学透射介质的下表面。这种光学透射介质被保持在电路介质的上方且与其间隔开，该电路介质包括能选择性地激活每个反射性可偏转元件的寻址电路。
在操作中，单个反射性元件有选择地被偏转且用于空间地调制入射到光学透射介质的光，然后穿过光学透射介质被反射回来。
在本发明的一个实施例中，空间光调制器包括一个像素阵列。每个像素包括一个单个的可偏转的刚性镜及一个扭转铰链，(该铰链将镜附着在光学透射介质的上部)，以及光学透射介质。光学透射介质被置于一个硅介质的之上，在光学透射介质上形成一个电极阵列。在一个实施例中，在光学透射介质中形成一个孔径层以阻隔光到达电极或镜支撑结构(铰链及固定装置)。每个镜通过在每个镜与其相应的电极之间施加一个偏压被选择性地静电偏转。
根据本发明的一个实施例，制作该空间光调制器的过程被提供。一牺牲层被沉积在一介质上。穿过牺牲层蚀刻一个孔，该孔允许将后面的层固定到光学透射介质上。一个反射层被沉积在该牺牲层上，且被模式化以限定一个或更多的反射性可偏转元件。该反射层通过孔与牺牲层相连。牺牲层被去除以便反射性元件是自由的且可以偏转。寻址电路及电极被形成在一个电路介质上。该介质与电路介质排成一条直线且结合以使反射性元件可以通过寻址电路和电极被选择性地激发。该两介质可以被结合，如通过介质周边的环氧物连接。
根据本发明的一个实施例，一个过程包括在反射性可偏转的元件与寻址电路之间的施加一个偏压。该偏压可以在装置操作过程中被改变。
在该硅介质上的电子寻址电路可以用标准的CMOS技术制作，且类似一个低密度存贮阵列。
由于该两介质仅在它们被单个制造后结合到一起，所以每个介质的制作过程是不匹配的。由于在顶端介质的制作过程中不考虑CMOS的兼容性，所以本发蝗的空间光调制器的一个优点是机械地可偏转的反射性元件能由仅按其优质的机械性质所选的材料制成，如LPCVD-沉积的氮化硅、氧化硅、不定形硅及多硅。因为这些薄膜被在高温时沉积，所以它们通常与CMOS过程不兼容，因为后者使用铝相互联接，铝在这些较高的温度时会熔化。
这种空间光调制器的另一个优点是在两个介质被连接到一起之后，移动的部分可以被全部装入胶囊。这提供了一种优质的包装方法并使得装置高强度。
本发明的空间光调制器还有一个优点是它不昂贵且制造简单。它是由两介质层组成的一个可以用标准的CMOS技术制作的光学透射介质，以及包括可偏转的反射性元件的第二光学透射介质，该元件制作简单。
还有，该空间光调制器的另一个优点是光阻隔孔径层，以及其它的平面光学器件(如，彩色滤光器，反射性增强层，微型透镜)能与光学透射介质结合。这能改善对比率并增加有效光偏转角，且减少本系统级别的自由空间光学装置成本。
还有，本空间光学调制器的另一个优点是运动限制结构还可以由坚硬的且长寿命的高温材料制成。因为它们的硬度和几何结构，运动限制结构在操作过程中有一个小的接触区，这极大地减少了在结构与介质之间的粘结力。还有，运动限制结构与它们得以接触的介质在同一电势，这防止通过焊接和电荷注入而粘结。这些是DMD及GLV的早期版本所面临的问题。
还有，本空间光调制器的另一个优点是光学透射介质的高温处理允许将交替的高低折射率的电介质薄膜沉积到可偏转的反射性的元件上，这提高它们的反射性。
在考虑到下面的附图和详细的描述之后，这些和其它的优点相对于现有技术的那些技术是明显的。
附图的简要描述

图1显示本发明的一空间光调制器的一个实施例的一个角的顶部透视图。
图2A-2F显示在制作的几个阶段过程中图1的一个像元的底部透视图。
图3A和3B显示图1的一个像元调制一束光的截面图。
图4显示一通过施加偏压图1的镜的偏转角的滞后现象图。
图5显示对于几个不同的偏压，作用在可偏转镜上的电的和机械的力矩图。
图6A显示给图1的SLM像元单个寻址的DRAM结构。
图6B显示给图1的SLM像元单个寻址的SRAM结构。
图7显示在一个密集的像素阵列中取间隔装置放置的顶视图。
图8A-8H显示具有不同铰链设计的镜阵列的底视图。
图9A-9D显示在镜与光学透射介质(子铰链设计)之间有铰链的一个像元的制作过程。
图10A-10D显示子铰链设计的实施例。
图11A-11C显示在铰链与光学透射介质(超级铰链设计)之间有镜的像元的制作过程。
图12显示一个超级铰链的实施例。
图13显示本发明的空间光调制器的一实施例的一个角的放大的顶端透视图。
图14显示以一个类似的结构单元阵列设计的图10A的具有子铰链的一个单元。
附图中的参考数字标号10微型机械空间光调制器(SLM)12像元
14下表面16上表面20光学透射介质22孔径层24保护层25孔26牺牲层28镜结构支撑层30铰链32反射层34电路介质36寻址电路38钝化层42底电极43触头44取间隔装置46钝化层48镜49运动制动销50铰链51铰链支撑54固定区56引入的光束58出射的光束60字线62位线64光源66成像光学装置68晶体管70第一电介质层72第二电介质层
74电压电源78光学凸块111凸块本发明的详细描述说明书涉及几个包含参考数字标号的图形。在不同的图中同样的参考标号表示类似或同一部件。
在本说明书中，单词“optical”与“light”被使用。在说明书和权利要求书中，“optical”意思是指与电磁频率有关，不只在可见光领域内的频率。如，一个“光学透射介质”是对一个工作频率的电磁波来说是可传送的介质，无论该频率是不是可见光范围内的。
本发明的一个微型机械空间光调制器10(其后用“SLM”)的一个实施例的一个角的顶端透视图显示在图1中。图1的SLM10的放大图显示在图13中。SLM10可以包括任何构形和阵列大小的像元。然而，为了清晰起见，一个2×2网格构形中的仅四个像元12,12a,12b和12c在图中显示。像元12,12a,12b和12c都有一个象素间距，如，12微米。“pixel pitch”被定义为相邻像元的类似部分之间的距离。
反射性可偏转的元件(如，镜48,48a,48b,48c)(每个分别相应于像元12,12a,12b,12c)被固定到一光学透射介质20在未偏转位置时的下表面14上。因此，镜48,48a,48b,48c透过图1中的光学透射介质20是可见的。为了清晰起见，位于镜48,48a,48b,48c和光学透射介质20之间的光阻隔孔径层22，仅用虚线表示以便显示下面的铰链50,50a,50b和50c。相邻镜间的间距可以是，如，0.5微米或小于0.5微米。
制作SLM10的一个过程被显示在图2A-2F中的底部透视图中。为了清晰起见，仅像元12的制作被描述。然而，从该说明书中，像元12a,12b,12c及SLM10中的其它像元可以同时被制作且以与制作像元12相同的方式制作。
光学透射介质20是由能忍受连续的处理温度的材料制成的。访光学透射介质20可以为，如，一个4英寸500微米厚的石英薄片。这种石英薄片被广泛地采用，如，在美国的加立福尼亚州的San Jose的Rincon Circle 960号的Hoya Corporation，邮编为95131(HoyaCorporation U.S.A.at 960 Rincon Circle,San Jose,CA 95131.)。
如图2A所示，一个光阻隔层(如，一个50纳米厚的钨层)被沉积并被成型形成光阻隔孔径层22。该孔径层22是由一个在连续的制作阶段中能够保持稳定的不透明的材料(如，钨)制成的。钨可以被用，如，众所周知的喷溅技术，沉积。光敏电阻的模型被用众所周知的照相平版印刷的处理在孔径层22上形成。然后孔径层用一个Drytek 100等离子体蚀刻机蚀刻。体积占50％的SF6和体积占50％的C2ClF5的混合物被以300sccm(对HF6是150sccm，对C2CLF5是150sccm)的比率引入蚀刻机的反应腔中。蚀刻发生在大约100mTorr的压力下且蚀刻机上的电源设置在500瓦直到光学透射介质20被显现(大约1分钟)。蚀刻之后，剩余的光敏电阻被用一个通用的氧等离子体带去除。后面所描述的模式化可以类似地操作。
如图2B所示，一光学透射保护层24(如，一个大约94纳米厚，重7％的掺杂磷的二氧化硅)接着被沉积作一钝化层。反射性可偏转的元件(镜48)穿过保护层24被连接到光学透射介质20上。二氧化硅保护层24可以被沉积，如在一个Tylan熔炉的石英管中在大约400℃和250mTorr的压力下通过LPCVD处理大约5分钟。SiH4,O2,及PH3被分别以28,115及7sccm的速率引入到腔内。然后，掺杂磷的二氧化硅在1100℃在一个蒸汽的环境中被软溶20分钟。
牺牲层26(如，一个大约0.6μm厚的不定形硅层)，(它最后在后面的描述中被去除)，被沉积在保护层24上。不定形硅层可以使用LPCVD处理被沉积在，如，一Tylan熔炉的石英管中。SLM10在石英管中在大约670℃和220mTorr的压力下用135分钟被显示。SiH4与H2的结合物被以246sccm的流速(对SiH4是146sccm而对H2是100sccm)引入。
孔25通过选择性的各向异性的蚀刻穿过牺牲不定形硅层26被模式化，如通过使用在50％的SF6和50％的C2CLF5(指体积)的环境下的模型化等离子体蚀刻直到保护层24的一部分穿过牺牲层26被显露。这样的蚀刻可以发生在一个Drytex 100等离子体蚀刻机的反应腔中。气体成分被以100sccm(对SF6来说是50sccm，对C2CLF5来说是50sccm)的比率引入，且压力为150mTorr。主要的是，在这些条件下需要大约4.5分钟穿过牺牲层26显露保护层24的该部分。
镜结构支撑层28，如一个大约138nm厚的低应力氮化硅层，被沉积并模式化形成镜48和运动制动销49。镜48是一个相当硬的薄片。低应力氮化硅层可以被沉积，如，在一个Tylan熔炉的石英管中，通过在大约785℃和200mTorr的压力下使用LPCVD处理大约36分钟。沉积发生，如，通过将SiCl2H2和NH3分别以165sccm和32sccm的比率引入到石英管。在沉积和光敏电阻的模式化光显露之后，氮化硅可以被用ATM8100的六角电极等离子体蚀刻机在1200瓦的电压下被蚀刻。蚀刻气体，如，O2和CHF3，被分别以流速6sccm和85sccm引入反应腔中，蚀刻时间是17分钟。在这些条件下，聚合硅与氮化硅的选择性比率大约为1∶6。
如图2C所示，铰链层30(如，一个大约40nm厚的低应力氮化硅层)然后被生长并被模式化来另外地限定扭转铰链50(这种模式的上视图能在图8A中看到)。至少铰链50的一部分穿过孔25接触保护层24以限定支座51(图2D-2F)。铰链50通过“扭转”操作，该“扭转”意思是铰链50通过施加转矩在铰链50的纵向被扭曲。因此，固定到镜48上的铰链50的末端相对于由51和51所支撑的末端被成角度地偏转。铰链50可以为，如，大约O.5微米宽。
对于铰链层30的低应力氮化硅的薄层用LPCVD处理被沉积在Tylan熔炉的石英管中。SiCl2H2和NH3以流速如，分别为165sccm和32sccm，被引入石英管。如，沉积发生，如，在温度785C，压力250mTorr，用11分钟。
如图2D中所示，牺牲层26然后用各向同性的蚀刻处理被部分地去除。蚀刻过程是各向同性的以便牺牲层26的部分被从下面的镜48和铰链50中去除。在牺牲层26被部分地蚀刻之后，不在镜48和铰链50下面的牺牲层26被去除。另一方面，牺牲层26在镜48和铰链50下的重要部分由于镜48和铰链50的保护仍然保留。因此，在部分被蚀刻后，牺牲层26在下面所描述的进一步的制作步骤中继续支撑镜48和铰链50并防止空载微粒寄留在镜48和铰链50下面。一个合适的各向同性蚀刻处理是在一个Drytex100等离子体蚀刻机的反应腔中对一个等离子体蚀刻处理通过显露的方式处理。大约100％的SF6被以大约50sccm的流速引入反应腔中，置蚀刻机的电压为375瓦。在室温下(然而，等离子体产生热)，在大约150mTorr的压力下，蚀刻发生大约100秒。在这个过程中，硅与氮化硅的选择比是大约6∶1。
参考图2E，之后，SLM10的平行面(如，镜结构支撑层28，铰链层30，及保护层24的部分)被镀以一传导和反射层32(如，大约30nm厚的铝层)，该层是光学反射性的。一些垂直面(如，离镜48最近的铰链50的垂直面)也被镀膜以将镜结构支撑层28上的反射层32与保护层24上的反射层32电连接。为了清晰起见，铰链层30上的反射层32的部分和垂直面未在图2E中示出。这样的一个反射层32可以被沉积用如，以一个角度向下蒸发铝以使角的平行矢量为从镜48到运动制动销49。以这个角度，没有任何金属(铝)在保护层24上的运动制动销49与保护层24接触的点处存在，因为运动制动销49屏蔽该表面而不让金属沉积。指出的是保护层24由于上面所描述的牺牲层26的部分蚀刻被显露。蒸发可以发生，如，在e-gun热蒸发机的反应腔中以每秒一纳米的沉积速率。
取间隔装置44(图1到13)被提供在光学透射介质上。取间隔装置44是，如，由Hoechst-Delanese AZ4330-RS光敏电阻组成，以30秒5000rpm旋转，使用传统的照像平版印刷技术被显露和模式化以形成取间隔装置44，然后在233℃时硬烤1小时以增加结构硬度。
镜48a,48b,和48c被从光学透射介质20上全部释放，除了在铰链支撑51和51上的以外，它是使用第二各向同性蚀刻剂蚀刻的，如，一个二氯化氙蚀刻处理，这会完全去除牺牲层26。该蚀刻在大约4Torr的压力下在一个大约100％-二氯化氙环境下在室温下持续大约20分钟。在这些条件下，这种蚀刻处理的选择性是100∶1以上。
其上固定有镜阵列的光学透射介质20现在易于与一个包含寻址电路36的电路介质34(如，一个半导体介质)结合，如图3A中所示的截面图。取间隔装置44(图1和13)与电路介质结合以保持光学透射介质20与电路介质34相分离但又距离最近。
在一个实施例中，平面的光学元件，如，有不同的折射率的两电介质层70和72(图2F)，被沉积作为镜结构支撑层28。电介质层的该叠层可以反射光或滤去特定的频率范围。如，沉积在氮化硅层(光学指数为2.0)的顶部的二氧化硅层(光学指数为1.46)将提高反射率，如，如果氮化硅层为68nm厚而二氧化硅是96nm厚，那么铝反射层32对许多光学光谱的反射率为92％到95％。
在牺牲层26被完全蚀刻掉后，光学透射介质20与电路介质34相结合。首先，介质20和34在光学上排成一条直线且相互结合在一起，而且能用分散在电路介质34的边缘周围的环氧胶合在一起。由于顶部介质20是光学可透射的，所以通过将光学透射介质20上的一个模型与电路介质34上的一个模型排成一行就可以很容易地实现排成一直线。通过在一个干净的环境下在光学透射介质20和电路介质34的边缘周围的分散的环氧，镜48可以被与空载微米隔离。
在图3A中，单元12的底部电极42(如，一个500nm厚铝底部电极)被显示穿过触头43与寻址电路36相连接。许多构形是可能的。在一个实施例中，活性底部电极42在物理上位置比电路元件36的其余部分及相互连接的部位的位置高。在本实施例中，底部电极42通过静电力与悬挂在上面的镜48相互作用。
上面所描述的实施例的操作在图3A和图3B中显示。在图3A中，镜48是未偏转的。在这个未偏转的状态里，一个从光源64引入的、斜入射到SLM10上的光束穿过光学透射介质20并被平面镜48反射及被孔径层22部分反射。输出的光束58的角度因此也与光学透射介质20倾斜。输出的光束可以由，如，一个光学凸块78，所接收。孔径层22与光学透射介质20的结合是将不想要的扩散光从下面的铰链50中去除的技术。
具有一偏压的单元12在图3B中被显示，该偏压被施加在镜48和底部电极42单元之间。镜48由于静电引力被偏转。因为铰链50的设计，镜48的自由端被偏转向电路介质34。指出的是铰链50可以比镜48更灵活这样力的施加使得基本上所有的弯曲在铰链50内。这可以通过使铰链层30比如上所述的镜结构支撑层28薄得多来实现。镜48的偏转使输出的光束58以一个相当的角度偏转进入成像光学装置66中。
镜48的运动受与沉积在光学透射介质20上的保护层24接触的运动制动销49所限制(图3B)以使镜48与电路介质34不接触。由于接触没有发生，所以电连接镜48,48a,48b和48c保持在同一势点。还有，在能产生粘接的镜48和电极42之间没有任何电荷注入和焊接。当在未偏转的位置时，镜48与光学透射介质20相分离，如分隔距离为2.8微米的时候，运动制动销49可以从铰链50的枢纽轴向外延伸(如，大约3.3微米)。
调制器的全部的电机械特性在图4和图5中被进一步描述。在图4中，画出了镜48的偏转角α对偏压的曲线且可观察到滞后现象。当一个偏压被施加在镜48与电极42之间时(图3A和3B)，镜48偏转(看图4的线401)，当镜48偏转过折断电压Vsnap(如，大约6.8伏)时，铰链50的存贮机械力不再能平衡静电力从而镜48向电路介质34的电极42的方向断裂(看图4的402线)直到运动制动销49接触光学透射介质20。为了使镜48回到其未偏转的位置(图4的404线)，电压必须被降低在折断电压(图4的403线)之下，达到Vrelease(如，大约5.6伏)。因此，镜48在电压Vrelease与Vsnap之间将是一个电机械双稳装置。换句话说，给定在Vrelease与Vsnap之间的一个特定的电压，依照镜48偏转的历史镜48有两种可能的偏转角α。因此，镜48偏转就像一个门插销。由于偏转所需的机械力关于偏转角α大致是线性的，而反静电力与镜48和电极42之间的距离成反比，所以双稳性与门插销这些特性存在。
这种门插销行为允许驱动电路被置于片外或仅在周边，该行为对驱动每个电极使用被动寻址而不是具有一个存贮单元。如，当在每个给定的列的每个镜48被电连接时在每个给定的行的每个电极42被电连接。在寻址期间，由于每个像元与被寻址的像元并不在同一行和列，所以所施加的电压是在Vrelease与Vsnap之间的中间电压(如6.2伏)。因此，对于这些像元，如果镜48被偏转在线403，那么镜48的偏转代表一个二元态(如，一个二元的一)，如果镜48被偏转在线401，那么镜48的偏转代表另一个二元态(如，一个二元的零)。用另一句话说，该中间电压并不唯一地决定镜48偏转的状态。
如果一个通电状态(或断电状态)在被寻址的像元是可以被编程的，那么被寻址的像元行的电极42电压被改变以增加(或减少以关闭)所施加的偏压。被寻址的像元列的镜48电压也被改变以增加(或减少以关闭)所施加的偏压。对于碰巧与被寻址的像元在同一行或同一列的未被寻址的像元，所施加的偏压增加(或减少以关闭)，但仍在Vrelease与Vsnap之间。因此，二元态并没有因为未被寻址的像元碰巧与被寻址的像元在同一行或同一列而发生变化。然而，对于被寻址的像元，电极42及镜48的电压一直被改变以增加(或减少以关闭)所施加的偏压。这种增加比Vsnap大(或这种减少比Vrelease小以关闭被寻址的像元)，从而被寻址的像元处于开的状态(或处于关闭的状态)。为了寻址和编程，对每个行和列仅需要一个驱动电路。因此，驱动电路可以沿装置的周边被放置或被放置片外。
甚至对于其中每个电极42有一个驱动电路(如在DRAM构形中的一个晶体管)的全部活性寻址，成组的连接镜能增加寻址效率。这可以通过或者在用镜阵列周边的连接来实现，或者通过在像素位置将镜连接到该电路介质的沉积柱来实现。由于静电力仅仅取决于传导的反射层32与底部电极42之间的整个电压，所以一个施加在一个镜组(通过反射层32)的负压减少了相应电极的操作电压从而减少了SLM10的电压要求。这是可取的，如，对于保持操作电压在5V之下因为5V开关能力对于半导体工业是标准的。另外，偏离被寻址的像元的每个电极所需的电荷数量比所有镜被放在基板上的一个实施例的小。因此给被寻址的像元编程所需的时间是相对快的。
在图5中，我们画出了当所施加的偏压被增加从而镜48倾斜时，机械和电的转矩与偏转角α之间的关系曲线。如图5所示，由铰链50的机械存贮力所引起的机械转矩τmechnical相对于偏转角α大致是线性的。另一方面，由镜48与电极42之间的静电力引起的每个电转矩(τelectrical)曲线遵从反比平方定律且随着偏转角α的增加急剧增加(当镜48的-电极42结构的电容被增加时)。在低偏压处，如由底部曲线(V=Va)所例示的，有一个平衡点αE。如果镜48被倾斜得比平衡点αE稍微多(或少)一些，指向上的机械力(或指向下的静电力)起主要作用从而镜48向上(或向下)偏转回平衡点αE。通过改变镜48与电极42之间的通电状态偏压，可以控制镜48的倾斜。
如果镜48与电极42之间的偏压超过一个关键值(如在中间曲线所示，这里V=Vb)，平衡点αE不再存在，镜48向电路介质34折断(见图4中的402线)。如果机械力矩与角度成线性，当镜48大约偏转向电路介质的中途时，折断发生。如果在适当的位置没有制动机制，那么折断行为将继续直至镜48与电极42接触。因为粘接可能由于焊接发生，所以为了避免这种操作的模式，这是可取的。当发生接触的这些表面最初处于不同的电势时或者当大面积接触面与可延展材料如金属发生作用时，焊接是特别可能的。
上面所述的运动制动销49是由硬材料如氮化硅制成的。这些硬材料比金属结构有相当长的寿命。运动制动销49与光学透射介质20也有一个有限的接触区，并因此减少粘结力。通过保持运动制动销49与他们得以接触的反射层32有一样的势，引起焊接的电势差也可能被避免。折断从而运动制动销49与光学透射介质20之间的物理接触会通过保持V＜Vb被完全避免。
如果SLM10在超过折断点的电压被操作，它能用或者活性寻址(如，在每个像元位置的一个分离的晶体管驱动电极42)，或者用被动寻址(如，对每一行或列仅一个驱动电路)以，通过探测早就提到的电机械双稳性，以数字的方式被操作。如果SLM10在比Vsnap大的电压操作，沿线403偏转可以代表一个二元态而所有其它偏转代表另一个二元态。
如果SLM10在折断点之下的电压被操作，它能用活性寻址以模拟的方式被操作。如，对于不同的偏转角α，如果电源64从许多位置发射射线，光的不同强度可以被反射到成像光学装置66。上面所述的高质量的机械材料的使用可以在像元阵列上产生良好的一致性，而且使模拟操作实用。之后，镜48偏转将与在每个相应的电极处存贮的电荷成正比。在折断点之下操作有利于防止在操作期间机械接触，消除可能的粘结问题。
对于镜操作超过折断电压的情况，随着，改变作为时间函数的电压是可能的。在活性寻址阶段，寻址被置于，对于那些电极，基于静电力的镜偏转所需的水平，在那些电极处，镜偏转被需要。在正被讨论的镜偏转之后，保持在被偏转位置所需的电压比真正的偏转所需的电压小。这是因为偏转的镜与寻址电极之间的间距比镜在被偏转过程中的已经小了。因此，在活性寻址阶段之后的这个阶段，(如，所说的“维持阶段”)寻址电压位置可能会被从初始的位置降低而基本上不影响镜的状态。有一个维持阶段的好处是未偏转的镜现在也比以前易受较小的静电吸引力吸引，因此它们达到与零-偏转位置更近的一个位置。这改善了偏转的镜与未偏转的镜之间的光学对比率。
寻址电路36的一个存贮阵列部分的电子构图在图6A及图6B中显示。如果活性寻址被使用，那么体现在图6A的电路中的寻址方案会被用来单个地确定SLM10的每个像元的位置。介质20和34未在图6A中显示，镜48和底部电极42被象征性地画出。该方案与被用作DRAM(动态随机接收存贮)的方案一样。每个像元12,12a,12b和12c分别由NMOS晶体管68,68a,68b,和68c驱动。如，如果像元12被寻址，电极42接着就被充电。像素(包括像元12和12c)的相应列的状态通过对想要的镜偏转在适当的偏压时把持相应的位线62来确定。偏离是与镜48相关的，该偏离被连接到一个一般电压，如基极。然后相应的字线60被脉冲高-低-高(如，NMOS晶体管68是临时被打开的)且电压值被存贮为底电极42与镜48之间的电荷。一个附加的电容可以与镜-电极结合体平行放置以确保足够的电荷被存贮以克服泄露。
另一个实施例使用一个SRAM(表态随机接收存贮器)型单元来驱动激发电极(图6B)。如，像元12通过在相应的位线62上施加一个代表一个二元态一的电压被寻址。电压足以给电极42充电且偏转镜48。代表一个二元态零的电压被显示在另一个相应的位线62(条)上。相应的字线60通过施加一个足以打开晶体管69a和69b的电压被选择。变极器69C的输入与从变极器68D的输出代表一个二元态零。从变极器69C的输出与变极器68D的输入代表一个二元态一。在晶体管69A打开时，电极42通过位线62被充电。
由于镜48区域按照半导体的比例可以是相当大(12×12微米=144平方微米)，所以更复杂的电路能被制作在每个激发电极的下面。可能的电路包括，但是不限于，存贮缓冲器以在每个像素存贮时间序列像素信息；电子电路以通过在变化的电压水平驱动电极来补偿可能的镜/电极间距的不一致。
适当地选择大小(介质20和34的间距1到5μm，铰链厚度为0.03到0.3μm)和材料(氮化硅)，一个SLM10能被制作有一个仅几伏的操作电压。铰链50的角转动系数可以是，如，大约3.3×10-14牛顿米每转动度。如上面所讨论的，在寻址电路必须运行的位置处的电压通过保持镜48的势为负(或正)能被制作得甚至更低，参照于电路基极(偏压)。如，在负偏压状态，这会产生将滞后现象曲线向左移动的效果，以致于激发电极阵列在如0-5V的一个低电压范围内能被运行且引起镜偏转。对于一给定的电压，这导致在偏转角上有一个更大的差别。最大的负偏压是-Vrelease。负压可以被施加到镜48上通过，如，临近的开关76使镜48与被设计施加一个负压的电源74相匹配。(见图6A的像元12)。
根据介质20和34的平面性和抗弯曲性，取间隔装置44自身可能需要被镶嵌在镜阵列中。图7显示了一个在中间具有一个取间隔装置的合理的相邻的镜阵列。镜阵列包括56个镜48,48a到48z,48aa到48az,48ba,48bb和48be。为了清晰起见，光学透射介质20和电路介质34未被示出且每个镜48由一个方形代表。取间隔装置44位于镜48aa,48ab,48ai和48aj之中，每个镜具有与图7中所示的取间隔装置的相应的边有一个共有的边。
图8A显示了一个通过参照图2A-2D所描述的过程形成的SLM10的像元12和12a的顶视图。镜48和48a绕由薄的铰链50和50a所限定的轴旋转。镜48和48a的运动受运动制动销49和49a限制，它向前移动最后碰到固定镜48和48a于其上的光学透射介质20(见图3B)。在一个实施例中，对角线代表包括与较薄的铰链相比的一个相当厚的氮化硅层。在保持在铰链50和50a中的灵活性同时，这种加固机械地使镜48和48a变硬。类似的加固见于图8B-8E。
在形成SLM10的光学活性元件的镜48的设计中还存在着许多可能的变化。图8A-8D显示一些变化，在这些变化中，运动制动销49与镜48基本共面。在图8B显示了有两个运动制动销498B的一个实施例。在图8C中，铰链508C被直接连到运动制动销498C上。图8C和8D是类似的，除了图8D仅显示一个运动制动销498D。图8E显示相邻的支撑518E。图8E的像元128E根本就没有运动制动销且如果SLM10仅在Vsnap之下操作则像元128E是最有用的。
在图8F和8G所示的实施例中，铰链508F和508G是通过屈曲而不是通过转动操作的。“Flexure”意思是指铰链508F和508G的末端被固定及镜488F和488G的角偏转使得铰链508F和508G在铰链508F和508G的中部角偏转，从而使得铰链508F和508G沿铰链508F和508G的纵向伸展。图8F和图8G的铰链508F和508G有铰链支撑518F和518G，铰链支撑518F和518G连接铰链508F和508G向下至光学透射介质20(图1,2A,2B,2C,2D,2E,2F,3A,3B,9A,9B,9C,9D,10A,10B,10C,11A,11B,11C,12和13)。因此铰链508F和508G纵向地弯曲而不是扭转地弯曲。在铰链508F和508G的该实施例中，机械恢复力将根据偏转的比线性更快而增加，如最初的拉力中的应变。带有这种特性的铰链508F和508G在镜48以模拟方式被操作时可能是有用的，因为折断角(从而Vsnap)将被增加。在图8H中，铰链508H是一个悬臂设计，且通过屈曲而不扭转操作。
生产本发明的微型机械SLM10的第二制作过程在图9A-9D和图10A中被图示说明。这种处理使用多氮化硅层来达到一个比用图2A-2F中所略述的处理可能具有更高的孔径比的一镜型结构。这部分地因为镜光栏4910A(图10A)和镜4810A(图10A)位于不同的平面。光学透射介质20是由如石英这种能忍受连续的处理温度的材料制成的。在这个过程中，阻隔光的孔径层22和保护层24的沉积，如图1,2A，和2C所示，一直被跳过但可能被增加作为处理的第一步骤。
牺牲层2610A(如，一个大约0.5微米厚，LPCVD成长的不定形硅层)被沉积。在孔2510A被模式化而穿过到达如图9A中所示的光学透射介质层20之后，一个运动制动层(如，一个厚150nm的LPCVD成长的低应力氮化硅层)被沉积并被模式化以形成具有一个尖锐的接触点90的运动制动销4910A。
下一步，铰链层(如，一个厚40nm的低应力氮化硅层)被生长然后被成型来限制图9B中所示的扭转铰链5010A。第二牺牲层27被沉积(如，一个大约0.5微米厚的，LPCVD成长的不定形硅层)，且被成型以便孔25c向下到达铰链5010A(图9C)。该第二牺牲层2710A会被用通常所知的化学机械抛光(CMP)技术抛光以为后面的膜沉积而获得一个平面。由于连续的沉积层包括镜结构支撑层2810A，所以镜结构支撑层2810A将提高平面的特性从而具有改善的反射同一性及改善的系统对比度和亮度。最后，一个大约138nm厚的氮化硅镜结构支撑层2810A被沉积并被成型以形成相当坚硬的镜薄片。
下一步，牺牲层2610A和27被用一各向同性的(如，一个二氯化氙气体蚀刻；参考前面的100％SF6等离子体处理也可以被使用)蚀刻处理部分地去除，并且整个结构被涂以如，一个非常薄的铝层(30nm)(图10A的反射层3210A)，该层既具有高的反射性且又有助于上面所述的将那些镜电连接在一起。
最后，那些镜用第二各向同性的蚀刻处理(如，一个氯化氙气体蚀刻)全部释放，完全去除牺牲层2610A。那些镜现在容易与包含寻址电路的电路介质34结合在一起，使用如，前面所描述的同样的技术参考图2和图3。因此，一个子铰链结构被制作，在该子铰链中一个可能是透明的铰链5010A被沉积在光学透射介质20及镜48之间。
图10A-10C用上述处理制作的子铰链结构的示意图。为了清楚起见，SLM的1010A-10D被旋转90°以使铰链5010A-10D可以被看见。图10A显示一个具有一扭转铰链5010A及一居中的运动制动销4910A的单元1210A，该装置被显示以合乎图14中的类似结构单元的阵列的比例。图10B显示了具有两个光栏4910B的示意图。图10C显示了使用两个带型铰链4910C的一个装置，该装置还用两种方式内在地提供了“运动制动销”的功能。当镜4810C偏转时，在未偏转的位置可以是直线的铰链5010C由于由镜4810C施加的转矩而呈现一个S形。当镜4810C的角度偏转增加时，铰链5010C延展并且弯曲。因此，镜4810C的机械恢复力以比与角度偏转成线性的更大速率增加。这种非线性的量是一种方式，通过这种方式铰链5010C的功能提供“运动制动销”的功能性甚至在没有接触光学透射介质20时。用这种结构得到“运动制动销”的功能性的第二方式是通过在镜4810C和铰链5010C之间接触。
图10D还显示了一扭转铰链装置的另一个示意图，对于该装置，沉积运动制动层的步骤被去掉，因为它并不利用被分别制作的运动制动销。在图10D的示意图中，触头5110D穿过第一牺牲层中的孔而形成。带铰链5010D在第一牺牲层上被形成。第二牺牲层被形成在铰链5010D及第一牺牲层之上而且还有一个显露铰链5010D的中心部分的一个孔。触头51。穿过该孔及镜4810D的一个单层而形成，而且运动制动销4910D被沉积在第二牺牲层的顶部。之后两个牺牲层被去除以使镜4810D及运动制动销4910D自由。
制作本发明的微型机械空间光调制器(SLM)的第三个制作过程在图11A-11C及图12中以截面图显示。这个过程也使用了多层氮化硅以获得比图2所略述的过程可能具有更高的孔径比(光学活性区的分数)的一个镜型结构。光学透射介质20是由如石英这种能忍受连续处理温度的材料制成的。在这个过程中，阻光孔径层22及保护层24的沉积被从该过程中忽略，但能被增加作为该过程的第一步。
首先，如图11A所示，光学透射介质20被模式化和蚀刻以便小凸块111被形成接触点。接下来，一个0.5μm厚的LPCVD生长的不定形硅牺牲层2612被沉积，该层最后被去除。接着一个厚138nm的氮化硅镜结构支撑层2812被沉积，该层被模式化以形成相当坚硬的镜薄片2812〔图11B〕。之后，第二牺牲层2712被沉积，且被模式化以便孔29β向下到达镜薄片28，孔2912向下到达凸块111。然后一个大约40nm厚的低应力氮化硅铰链层2912被生长且被模式化以限定如图11C所示的扭转铰链。
其次，牺牲层2612及2712用具有100∶1〔也可以用100％SF6的等离子体处理〕以上的蚀刻选择性的二氯化氙各向同性的蚀刻处理而被部分地去除，且整个结构涂以一个非常薄的铝层〔30nm〕，该铝层既具有高的反射性又有助于镜电连接在一起。最后镜用第二氯化氙蚀刻处理被完全释放，完全去除牺牲层2612。现在镜易于与包含寻址电路的一个半导体介质结合，使用在前面图2和图3中所描述的相同的介质结合技术。
图12显示了使用上述过程制作的结构的一个示意图。支撑5112通过穿过孔2912的氮化硅铰链层沉积而形成。铰链5012形成铰链层2912。镜4812是图11B中所示的镜薄片2812。该镜通过支撑51β固定到铰链5012上。由于支撑5112，镜4812在未偏转位置时与光学透射介质20分离。
一个单个的方镜不是仅仅可能的反射可偏转元件48；其它的设计，如四叶苜蓿形的或者似光栅型的设计是可能的。如，一行统一偏转的膜状镜能形成可变换的衍射光栅。反射性可偏转的元件是一个涂有金属的薄膜也是可行的。可偏转元件的设计也能被制作以便元件的一部分从较低介质移开而不是移向它。镜元件也能被设计朝多于一个方向偏转，如，具有多于一个可控制的自由度。
如果调制器被操作以使反射性可偏转的元件在被激发时接触电路介质，如图8E中所示的装置实施例将会发生，另一个结构可以被增加到电路介质。如，在一个镜装置中，突出的凸块能被制作以减少真正接触的整个表面。凸块最好与避免接触时焊接的镜处于同一电势。另外，一个传导的透明层，如氧化铟锑，能够被沉积在保护层24之前。施加在传导透明层与镜之间的偏压会主动地将镜拉到介质20的顶部而使它们恢复到关闭状态。
有许多不同的方法来制作起寻址功能的电路。上面所述的DRAM，SRAM和被动的寻址方案，以及现有技术中众所周知的门插销装置都可以具有寻址功能。电路介质可以是透明的，如石英。在这种情况下，晶体管可以由与水晶硅可以相比较的多硅制作。
在一个实施例中，孔径层22还可以被修改以包括任一二元的光学模式。另外，在光学透射介质20的顶面16或者在底面14处，其它的平面的光学部件能与光学透射介质20结合成一体。许多可能的结构中的一些结构包括由一层或一叠层组成的彩色滤光器，微型透镜而且具有颜色扩散或衍射的特性。如在Jahns和Huang的“自由空间的光学部件的平面结合”，《应用光学》，28卷，第9期，1989年5月1日(PlanarIntegration of Free-Space Optical Components”Applied Optics,vol.28,No.9,1 May 1989.)。将这种光学功能结合到光学透射介质上的能力能增加实用的对比率且通过减少本系统级的自由空间光学装置的成本而降低成本。在本发明的一些实施例中，镜薄片本身能结合除简单的反射性之外的光学功能。如，镜能由多个相当透明的层组成以增加过滤能力或提高与其它部件可比较的某些波长的反射率。这是有用的，如，作为平衡光学系统的颜色缺陷，如照明灯的光谱，的一种方法。
有许多制作过程可以被修改。代替使用一个环氧将两个介质结合在一起，其它材料，如在可达到的处理温度时熔化的金属或热塑料可以被使用。在任一方案中，维持介质层彼此分开的取间隔装置在每一层能够被建立。非常重要的指出的是偏转的方法也不一定被限制是静电的热的和压电的激发也是其中可以选择的。在每一个像元，还有一个顶部到底部的介质的电连接，在该每个像元处，组成每个像素的元件能维持在它们自己的电势处。在制作过程中，为了使镜的光学活性区尽可能地平，化学机械抛光(CMP)能够被增加在几个阶段，如在保护层被沉积在模式化的孔径层的顶部上之后，在镜层被沉积之后。
对于微型机械元件，许多材料可以作为替代一种可能是使用另一种型号的陶瓷制作镜，或者甚至完全用一种金属(如一个铝合金)制作镜。对于牺牲层的材料也有许多可能性，如，二氧化硅。硅还可以被用作网格材料而不用钨作网格材料。这将使该过程与用来制作CMOS芯片产品的氮化硅沉积设备更匹配。网格及相关的保护层还可以被完全去除。然而，对于可偏转的元件(如镜)，材料的另一组合将是硅(如，LPCVD的多晶硅)，对于牺牲层是二氧化硅(如，LPCVD生长)。二氧化硅可以用含有氟化氢的酸蚀刻掉，且用众所周知的关键点干燥(critical-point-drying)技术可以完成干燥处理以促使非粘结的镜释放。取间隔装置也可以由大量的材料制成，包括各种有机物，氧化物或金属。
总之，本发明的SLM10是一个能展现许多可取性质的一个装置，包括高分辨，高光学效率，高对比率或调制深度，以及高机械可靠性。SLM10可以应用在许多领域，包括投影显示系统。SLM10的低开关电压的创新性的设计使标准的CMOS电路被用作寻址部件。可偏转元件本身也可使用在硅CMOS制作设备中可提供的标准过程被制作在一个分离的介质上。两个介质都可以用相对粗糙的装置或者不是很精密的设备来制作。这些因素使SLM10容易制作且价格不贵。
虽然以上本发明一直是用特定的实施例描述的，但是，可以预想得到，由此而进行的修改和改变将无疑明显地属于本发明的技术领域。因此，想要指出的是，下面的权利要求将被解释包括所有这些修改和改变，所有的这些修改和改变都落在本发明的实质精神用范围之内。
权利要求
1．一种空间光调制器包括具有一上表面和一下表面的光学透射介质；至少一个固定在光学透射介质下表面的的可偏转元件；以及一个位于光学透射介质的下表面之下且与其间隔分开的电路介质，电路介质包括能够激发一套至少一个可偏转元件的寻址电路。
2．权利要求1所述的空间光调制器还包括至少一个连接到寻址电路的电极，其中当偏压被施加在至少一个电极和相应的可偏转元件之间时，一个电极或多个电极中的每一个被定位以选择性地使相应的可偏转元件的一个或多个偏转。
3．权利要求1所述的空间光调制器，其中一个可偏转元件或多个可偏转元件中的每一个是反射性的且包括一个金属层。
4．权利要求3所述的空间光调制器，其中一个可偏转元件或多个可偏转元件中的每一个还包括一个结构支撑层。
5．权利要求1所述的空间光调制器，其中一个可偏转元件或多个可偏转元件中的至少一个还包括用一个或多个扭转铰链被固定到光学透射介质上的一个相当坚硬的薄片，这个或这些扭转铰链沿薄片的边缘设置，由此薄片可以绕边缘转动。
6．权利要求5所述的空间光调制器，还包括一种为了限制一个可偏转元件或多个可偏转元件中的每一个与光学透射介质之间的接触区域的装置。
7．权利要求1所述的空间光调制器，其中光学透射介质包括一个孔径层，由此光可以仅穿过光学透射介质的下表面的一部分。
8．权利要求1所述的空间光调制器，其中光学透射介质还包括固定的光学元件。
9．权利要求1所述的空间光调制器，其中一个可偏转元件或多个可偏转元件中的每一个包括一个电传导部分且可通过静电力偏转。
10．权利要求1所述的空间光调制器，还包括一种装置使一个可偏转元件或多个可偏转元件中的每一个电连接到电路介质上。
11．权利要求1所述的空间光调制器，其中一个可偏转元件或多个可偏转元件中的每一个是相当坚硬的且用灵活的铰链固定到光学透射介质上。
12．权利要求1所述的空间光调制器，其中一个可偏转元件或多个可偏转元件中的每一个包括许多反射性可偏转的元件，且其中这些反射性可偏转的元件被分成许多小组，每个小组是有方向的以便将入射光选择性指向一个特定的角度。
13．权利要求1所述的空间光调制器，其中一个可偏转元件或多个可偏转元件中的至少一个是由一包括一金属层的迭片组成的。
14．权利要求1所述的空间光调制器，其中电路介质包括一个电极，用于在一个可偏转元件或多个可偏转元件中的每一个与光学透射介质之间形成静电吸引。
15．制作一空间光调制器的过程，该过程包括在光学透射介质上沉积一牺牲层；穿过牺牲层蚀刻一个孔，在那里该孔允许将随后的层固定到介质上；在牺牲层上沉积一反射层；通过孔将反射层连接到光学透射介质上；将反射层模式化以限定一个或更多的反射性的可偏转的元件；去除牺牲层以便反射层是自由的且可以偏转；在电路介质上形成寻址电路及电极；以及将光学透射介质与电路介质排成一条直线并结合在一起，其中反射元件可以由寻址电路及电极选择性地激发。
16．权利要求15的制作一空间光调制器的过程，其中孔径层是在牺牲层沉积在光学透射介质上之前沉积在光学透射介质上的，由此所说的孔径层允许光仅穿过一小组介质区域。
17．反射性的空间光调制器包括在电路介质上的一个电极阵列；包括一下端面的光学透射介质，光学透射介质位于电路介质的上方且与其彼此分隔，光学透射介质具有与电极阵列相应的一个传导的反射性的可偏转的元件阵列且固定在下表面。
18．权利要求17的空间光调制器，其中反射性的可偏转的元件是成行电连接的；电极是成列电连接的，这些列在像素位置处与那些行交叉；这里单个的像素可以通过选择性地施加适当的行和列偏压从而形成静电吸引被打开或关闭。
19．权利要求17的反射性的空间光调制器结构，其中光学透射介质包括一个孔径层，其中所说的孔径层允许光仅穿过一小组介质区域。
20．权利要求1的空间光调制器，其中一个可偏转元件或多个可偏转元件中的每一个包括一个与光学透射介质成一个角度的镜，其中该角度能通过激发寻址电路中的一个相应的电极被连续地改变。
21．权利要求1的空间光调制器，其中一个可偏转元件或多个可偏转元件中的每一个还包括一个坚固地被连接到该镜上的镜光栏以便当角度增加时，镜光栏的一个自由端移得离光学透射介质更近。
22．权利要求21的空间光调制器，其中镜光栏被构造以使在该镜光栏的自由端与光学透射介质接触时该镜的自由端与电路介质相分离。
23．权利要求21的空间光调制器，其中一个可偏转元件或多个可偏转元件中的每一个通过一铰链被连接到电路介质上以使可偏转元件或多个可偏转元件中的每一个绕相应的铰链自由地旋转，其中镜光栏被连接到与该镜相对的那个铰链上。
24．权利要求21的空间光调制器，其中镜光栏包括一个尖锐的接触端，该接触端被设计在角度处于最大值时接触光学透射介质。
25．权利要求21的空间光调制器，其中镜光栏与该镜是共面的。
26．权利要求21的空间光调制器，其中镜光栏与光学透射介质是电连接。
27．权利要求1的空间光调制器，其中一个可偏转元件或多个可偏转元件中的至少一个包括一个镜薄片，以及一个将镜薄片连接到光学透射介质的铰链，该铰链被设计以便当一个力施加到该镜薄片上时，铰链中发生弯曲，结果，镜薄片与光学透射介质之间的角度发生改变。
28．权利要求27的空间光调制器，这里铰链被沿该镜薄片的边缘放置。
29．权利要求27的空间光调制器，其中铰链与镜薄片相比较是相当弹性的。
30．权利要求29的空间光调制器，其中铰链材料比镜材料有更小的弹性系数。
31．权利要求30的空间光调制器，其中铰链比镜薄片更薄。
32．权利要求27的空间光调制器，其中铰链位于与镜薄片不同的一个平面。
33．权利要求32的空间光调制器，其中铰链被放置在镜薄片与光学透射介质之间。
34．权利要求33的空间光调制器，其中铰链是由相当透明的材料组成的。
35．权利要求32的空间光调制器，其中镜薄片被放置在铰链与光学透射介质之间。
36．权利要求1的空间光调制器，其中一个可偏转元件或多个可偏转元件中的至少一个在激发时向寻址电路偏转。
37．权利要求36的空间光调制器，其中被要求使至少一个可偏转元件折向寻址电路的所述寻址电路的电压大于该可偏转元件被从所说的寻址电路释放时寻址电路的电压。
38．权利要求1的空间光调制器，其中空间光调制器包括一个二维空间光调制器阵列的一部分。
39．权利要求1的空间光调制器，其中寻址电路包括一个存贮阵列。
40．权利要求40的空间光调制器，其中存贮阵列包括一个DRAM存贮阵列。
41．权利要求40的空间光调制器，其中存贮阵列包括一个SRAM存贮阵列。
42．权利要求1的空间光调制器，其中电路介质包括一个硅硬模的一部分。
43．权利要求1的空间光调制器，其中光学透射介质包括石英。
44．权利要求1的空间光调制器，还包括被设计将电磁辐射传播到至少一个反射性可偏转元件上的一个光源；以及被设计用来接收至少被反射的电磁辐射的一部分的成像光学装置。
45．权利要求1的空间光调制器，其中至少一个可偏转元件包括一个光学透明支撑层，以及一个反射层。
46．权利要求45的空间光调制器，其中所说的光学透明支撑层包括一氮化硅层。
47．权利要求45的空间光调制器，其中所说的反射层包括一个铝层。
48．权利要求1的空间光调制器，还包括被设计施加在一个或多个反射性的可偏转的元件的一个或更多小组上的电压电源。
49．权利要求15的过程，其中去除该牺牲层包括用一气相的XeF2蚀刻剂蚀刻该牺牲层来释放该反射性的可偏转的元件除了在将该反射性的可偏转的元件与光学透射介质连接的一个铰链处。
50．权利要求15的过程，其中沉积一反射层包括沉积第一折射率的第一电介质层；以及沉积第二折射率的第二电介质层，该第二折射率不同于第一折射率。
51．权利要求15的过程，其中模式化反射层包括沉积一光学传输层；模式化该光学传输层以限定一镜光栏，访镜光栏具有一个自由端；以及沉积一传导材料在镜光栏上以使在该镜光栏与光学透射介质接触时传导材料不接触光学透射介质。
52．权利要求51的过程，其中沉积一传导材料包括以一个角度向镜光栏的自由端沉积该传导材料。
53．操作一空间光调制器的过程包括在寻址电路与一反射性可偏转的元件之间施加一偏压，寻址电路包括在一电路介质中，该反射性可偏转的元件被固定到一光学透射介质的下表面，电路介质被沉积在光学透射介质之下且与其相分离。
54．权利要求53的过程，其中施加的偏压包括施加一负电压到该反射性可偏转的元件；以及施加一从0到5伏的正电压到该寻址电路。
55．权利要求5所述的空间光调制器，还包括一个装置，访方法用于限制一个或多个可偏转元件中的每一个与电路介质之间的接触区域。
全文摘要
一个空间光调制器(12)包括一个上端的固定在一包括寻址电路的下端介质(34)的上方的光学透射介质(20)。一个或更多的静电可偏转元件(48)通过铰链(50)悬挂在上端介质(20)上。在操作时,单个镜(48)被有选择性地偏转且有助于空间地调制入射到上端介质(20)的光(56),然后,穿过上端介质(20)被反射回来。运动制动销(49)可以被固定到反射性的可偏转的元件上以便镜(48)不会突然地打到底部介质(34)上。而是运动制动销(49)顶靠着上端介质(20)从而限制反射性的可偏转的元件(48)的偏转角。
文档编号G02B26/08GK1309782SQ9881422
公开日2001年8月22日 申请日期1998年9月24日 优先权日1998年9月24日
发明者A·G·休博斯 申请人:反射公司