具有隐藏铰链的高填充率反射式空间光调制器的制造技术

专利名称：具有隐藏铰链的高填充率反射式空间光调制器的制造技术
技术领域：
本发明涉及空间光调制器(SLM)，更具体而言，本发明涉及具有隐藏铰链以使象素填充率最大化、散射和衍射最小化并获得高对比度和高图像质量的微反射镜结构。
背景技术：
空间光调制器(SLM)在光学信息处理、投影显示器、视频和图形监视器、电视以及电子照相印刷领域有大量应用。反射式SLM是这样的器件，其对空间图样中的入射光进行调制以反射与电或光输入相对应的图像。可以在相位、强度、偏振态或偏转方向等方面对入射光进行调制。反射式SLM通常包括能够反射入射光的可寻址图像元件(象素)的区域或二维阵列。SLM的一个关键参数(特别是在显示器应用中)是光学有效面积在象素面积中所占部分(也指SLM的反射性表面积占SLM总表面积的比例，也称为“填充率”)。高填充率是期望得到的。
现有技术的SLM有各种缺点。这些缺点包括但不限于(1)低于最优值的光学有效面积，其降低了光学效率；(2)粗糙的反射表面，其降低了反射镜的反射率；(3)衍射和散射，其降低了显示器的对比度；(4)使用了长期使用可靠性有问题的材料；以及(5)复杂的制造工艺，其增加了开支并降低了器件的成品率。
许多现有技术的器件在其表面上包括基本上是非反射性的区域。这导致了低填充率并导致低于最优值的反射效率。例如美国专利4,229,732公开的MOSFET器件，除了反射镜外还要在器件表面上形成该MOSFET器件。这些MOSFET器件占据了表面积，减少了光学有效的器件区域所占的部分并降低了反射效率。器件表面上的MOSFET器件还使入射光发生衍射，降低了显示器的对比度。此外，照射到暴露的MOSFET器件的强光由于使MOSFET器件带电和使电路过热而干扰了器件的正常操作。
某些SLM设计具有粗糙表面，使入射光散射并降低了反射效率。例如，在某些SLM设计中，反射表面是沉积在LPCVD氮化硅层上的铝膜。当其以薄膜沉积时，难以控制这些反射镜表面的光洁度。因此，最终产品具有粗糙的表面，降低了反射效率。
在某些SLM设计中，特别是某些顶部悬挂反射镜的设计中，降低反射效率的另一个问题是暴露的铰链表面积较大。这些暴露的铰链表面积导致由铰链结构引起的散射和衍射，这除了对其他参数外还对对比度有负面影响。
许多传统的SLM(例如美国专利4,566,935中公开的SLM)具有铝合金制成的铰链。铝和其他金属易受疲劳和塑性变形影响，而疲劳和塑性变形可能引起长期可靠性问题。此外，铝易受晶胞“记忆”的影响，即其余位置开始朝向其最常占据的位置倾斜。另外，4,566,935专利中公开的反射镜要通过去除反射镜表面下方的牺牲材料而释出。这种技术经常在释出过程中导致精密的微反射镜结构断裂。其还需要在反射镜之间留出较大间隙以用刻蚀剂去除反射镜下方的牺牲材料，这降低了器件的光学有效面积所占的部分。
其他传统SLM需要多个层，包括用于反射镜、铰链、电极和/或控制电路的单独的层。制造这样的多层SLM需要使用多层薄膜堆叠及刻蚀的技术和工艺。使用这些技术和工艺价格昂贵并降低了成品率。例如，使用这些技术经常包括大面积沉积和去除反射镜片的表面下方的牺牲材料。在反射镜片的表面下方进行多层薄膜沉积和堆叠通常会导致更粗糙的反射镜表面，从而降低了反射镜的反射效率。此外，使反射镜和铰链处于不同层或衬底中会在反射镜偏转时引起平移。由于平移，必须将阵列中的反射镜间隔开以避免邻近反射镜之间的机械干涉。因为阵列中的反射镜不能与阵列中的其他反射镜靠得太近，所以SLM会遭受光学有效面积低于最优值或填充率降低的损失。
所期望的SLM具有提高的反射效率、SLM器件的长期可靠性以及简化的制造工艺。

发明内容
本发明涉及空间光调制器(SLM)。在一种实施例中，SLM具有反射式可选择性偏转的微反射镜阵列，该微反射镜阵列通过将第一衬底结合到具有独立可寻址电极的第二衬底而制造。第二衬底也可以具有用于微反射镜阵列的寻址和控制电路。或者，部分寻址和控制电路位于单独的衬底上并连接到第二衬底上的电路和电极。
微反射镜阵列包括具有高反射性表面以反射入射光的可控偏转的反射镜片。反射镜片用连接器连接到铰链。铰链接着由隔板支撑壁连接到隔板支撑框架。铰链基本上遮蔽在反射表面下。通过将铰链基本上隐藏在反射表面以下，消除了由光照射到暴露的铰链结构及从其反射离开而引起的散射和衍射量，从而使器件的对比度最大化。
反射镜片、连接器、铰链、隔板支撑框架和隔板支撑壁由第一衬底制造。第一衬底是单一材料的晶片，在一种实施例中是单晶硅。隔板支撑壁在反射镜片和与该反射镜片相关并控制该反射镜片偏转的电极之间设置间隔。电极位于第二衬底上，并且第二衬底结合到微反射镜阵列。
由于铰链和反射镜片处于同一衬底中(即同一层中)，所以当反射镜围绕铰链纵轴旋转时没有平移或位移。由于没有平移，反射镜和支撑壁之间的间隙只受制造技术和工艺的限制。反射镜片的间距很近和将铰链基本上定位在反射表面下方的隐藏手段使微反射镜阵列可以获得高填充率、提高的对比度、光的散射和衍射最小化，并基本上消除了穿过微反射镜阵列照射第二衬底上的电路的光。
此外，由于在优选实施例中反射镜片和铰链由单晶硅材料制成，所以铰链更坚固、更可靠，并且基本上不受记忆效应、沿着晶界的断裂或疲劳影响。单晶硅衬底与其他材料特别是沉积薄膜相比，微小的缺陷和裂缝明显更小。结果，在器件中沿着晶界断裂(或传播微小的断裂)的可能性更小。而且，像本发明中这样使用单个衬底还将多层薄膜堆叠及刻蚀工艺和技术的使用减至最少。在本发明中，牺牲材料的沉积和去除被限制在局部区域，即铰链周围。此外，在本发明中不必从反射镜下面去除牺牲材料。因此，去除牺牲材料容易得多，并且反射镜片的上表面保持光洁使得可以将反射表面增加到超光洁表面。
SLM由很少的步骤制造，这使制造成本和复杂度保持很低。在第一衬底的第一面中形成空腔。并行地在第二衬底的第一面上制造电极及寻址和控制电路。将第一衬底的第一面结合到第二衬底的第一面。将各面对准使第二衬底上的电极与该电极将要控制的反射镜片处于合适的关系。将第一衬底切薄到预定的期望厚度，刻蚀铰链，将牺牲材料沉积在铰链周围的区域，将表面平面化，沉积反射表面覆盖铰链，通过刻蚀释出反射镜片，并去除铰链周围的牺牲层。
最终结果是易于制造SLM，该SLM可实现高光学效率并获得可靠且节省成本地产生高质量图像的性能。


图1是图示了根据本发明一种实施例的空间光调制器总体结构的示意图。
图2a是本发明一种实施例中单个微反射镜的立体图。
图2b是图2a的微反射镜角部的立体图。
图3是不带反射表面的单个微反射镜的立体图，示出了本发明一种实施例中微反射镜阵列的反射镜片顶部和侧面。
图4a是示出本发明一种实施例中单个微反射镜底部和侧面的立体图。
图4b是图4a的微反射镜角部的立体图。
图5是示出本发明一种实施例中微反射镜阵列的顶部和侧面的立体图。
图6是示出本发明一种实施例中微反射镜阵列的底部和侧面的立体图。
图7a是图2a中所示未偏转的微反射镜沿着偏离对角线的截面所取的截面图。
图7b是本发明一种实施例中第二衬底中所形成的反射镜片下方的电极和搭接触点的俯视图。
图7c是图2a中所示未偏转的微反射镜沿着中心对角线截面所取的截面图。
图8是图2a中所示偏转的微反射镜的截面图。
图9a是图示了空间光调制器制造方式的优选实施例的流程图。
图9b到图9m是更详细图示空间光调制器制造方式的截面图。
图10图示了用于在第一衬底中形成空腔的掩模的优选实施例。
图11是在第二衬底上形成的电极的一种实施例的立体图。
图12a是本发明可替换实施例的微反射镜的立体图。
图12b是图12a的微反射镜角部的立体图。
图13是示出图12a所示实施例中的微反射镜底部和侧面的立体图。
图14是示出本发明可替换实施例中微反射镜阵列顶部和侧面的立体图。
图15是示出图14所示可替换实施例中微反射镜阵列的底部和侧面的立体图。
图16a到图16e是图示了在第一衬底中制造空腔的可替换方法的视图。
具体实施例方式
反射式空间光调制器(“SLM”)100具有可偏转反射镜202的阵列103。可以通过在反射镜202与相应的电极126之间施加电压偏置来选择性地偏转独立的反射镜202。每个反射镜202的偏转控制从光源反射到视频显示器的光。因此，控制反射镜202的偏转可使照射到该反射镜202的光在选定的方向上反射，并从而可控制视频显示器中的象素外观。
空间光调制器概况
图1是图示了根据本发明一种实施例的SLM 100总体结构的示意图。所图示的实施例有三个层。第一层是具有多个可偏转微反射镜202的反射镜阵列103。在一种优选实施例中，微反射镜阵列103由SLM 100中的第一衬底105制造，第一衬底105在制造完成时是单一材料，例如单晶硅。
第二层是电极阵列104，其具有多个电极126用于控制微反射镜202。每个电极126与一个微反射镜202相关并控制该微反射镜202的偏转。寻址电路使得可以选择单个电极126用于控制与该电极126相关的特定微反射镜202。
第三层是控制电路106的层。此控制电路106具有寻址电路，这使控制电路106可以控制将电压施加到选定的电极126上。这使控制电路106可以通过电极126控制反射镜阵列103中反射镜202的偏转。通常控制电路106还包括显示控制108、线缓存(line memory buffer)110、脉宽调制阵列112以及用于视频信号120和图形信号122的输入。微控制器114、光学器件控制电路116和闪存118可以是连接到控制电路106的外部元件，在某些实施例中也可以包括在控制电路106中。在各种实施例中，控制电路106的上面列出的部分中的一些可以没有，也可以置于单独的衬底上并连接到控制电路106，或者也可以有其他附加元件作为控制电路106的一部分或连接到控制电路106。
在一种实施例中，第二层104和第三层106都是用半导体制造技术在单个第二衬底107上制造的。就是说，第二层104不必与第三层106分开并位于其上方。更确切地说，术语“层”只是为了帮助形成空间光调制器100不同部分的概念。例如，在一种实施例中，电极126的第二层104是在控制电路106的第三层顶部制造的，两个层都在单个第二衬底107上制造。就是说，在一种实施例中，电极126以及显示控制108、线缓存110和脉宽调制阵列112都在单个衬底上制造。将控制电路106的几个功能元件集成在同一衬底上具有提高数据传输速率超过传统空间光调制器(其中显示控制108、线缓存110和脉宽调制阵列112都在单独的衬底上制造)的优点。此外，在单个衬底107上制造电极阵列104的第二层和控制电路106的第三层还具有简单、制造便宜以及最终产品结构紧凑的优点。
在制造层103和107后，将其结合在一起形成SLM 100。有反射镜阵列103的第一层覆盖共同组成107的第二层104和第三层106。反射镜阵列103中反射镜202下方的区域决定了第一层103下方有多少空间可用于电极126以及寻址和控制电路106。反射镜阵列103中的微反射镜202下方只有有限的空间用于安置电极126以及形成显示控制108、线缓存110和脉宽调制阵列112的电子元件。本发明使用允许将特征尺寸制造得很小的制造技术，例如可以制造0.18微米特征的工艺和可以制造0.13微米或更小特征的工艺。传统的空间光调制器所用的制造工艺不允许如此小的特征。通常传统的空间光调制器是通过将特征尺寸限制在约1微米或更大的制造工艺制成的。于是，本发明允许在反射镜阵列103的微反射镜下方有限的区域内制造多得多的电路器件(例如晶体管)。这允许将例如显示控制108、线缓存110和脉宽调制阵列112的部分集成在电极126所在的同一衬底上。包括与电极126位于同一衬底107上的此控制电路106提高了SLM 100的性能。在其他实施例中，可以在不同的衬底上制造并电连接电极126与控制电路元件的各种组合。
在其他实施例中，可以在不同的衬底上制造并电连接电极126与控制电路元件的各种组合。
反射镜图2a是单个微反射镜202的一种实施例的立体图，图2b是图2a中所示微反射镜202的角部236的更详细的立体图。在一种优选实施例中，微反射镜202包括至少一个反射镜片204、铰链206、连接器216和反射表面203。在可替换实施例中，微反射镜202还包括隔板支撑框架210，用于支撑反射镜片204、铰链206、反射表面203和连接器216。优选地，反射镜片204、铰链206、连接器216和隔板支撑框架210用例如单晶硅的单一材料晶片制造。这样，此实施例中的图1所示第一衬底105是单晶硅晶片。用单一材料晶片制造微反射镜202使反射镜202的制造大大简化。此外，可以对单晶硅进行抛光以产生光洁的反射镜表面，其表面粗糙度比沉积膜要光洁一个数量级。由单晶硅制成的反射镜202在机械上是刚性的，可防止反射镜表面不希望的弯曲或扭曲，并且由单晶硅制成的铰链更坚固、更可靠，基本上不受记忆效应、沿晶界的断裂或疲劳(这些在由微反射镜阵列中所用的许多其他材料制成的铰链中都是常见的)的影响。在其他实施例中，可以用其他材料代替单晶硅。一种可能性是将另一类型的硅(例如多晶硅或非晶硅)用于微反射镜202，甚至也可以完全用金属(例如铝合金或钨合金)制造反射镜202。此外，像本发明中这样使用单个衬底避免了使用多层薄膜堆叠和刻蚀工艺及技术。
如图2a-b、3、4a-b、7a和8所示以及如上所述，微反射镜202具有反射镜片204。此反射镜片204是微反射镜202的一部分，该部分用连接器216耦合到铰链206并通过在反射镜202与相应电极126之间施加电压偏置而选择性地偏转。图3所示的实施例中反射镜片204包括三角形部分204a和204b。在图12a、12b和13所示的实施例中，反射镜片204基本是方形，大约十五微米乘十五微米，面积约225平方微米，但也可以是其他形状和尺寸。反射镜片204具有上表面205和下表面201。上表面205优选为均方根粗糙度小于2埃的高光洁表面，并优选地构成微反射镜片204表面积的大部分。在反射镜片204的上表面205上以及部分铰链206上方沉积有反射材料203，例如铝或任何其他高反射材料。此反射材料203优选地具有300埃或更小的厚度。反射表面或材料203的厚度确保其沿袭了反射镜片204的上表面205平坦光洁的表面。此反射表面203的面积大于反射镜片204的上表面205的面积，并以由反射镜片204偏转所确定的角度反射来自光源的光。注意扭转弹簧铰链206基本上形成于反射镜片204的上表面205下方，并基本上被沉积在上表面205上以及部分铰链206上方的反射表面203遮蔽。图2a与图3之间的不同在于图2a图示的反射镜片204带有上表面205上所增加的基本遮蔽铰链206的反射表面203，而图3图示的反射镜片204没有反射表面203，因而没有遮蔽铰链206。由于铰链206和反射镜片204位于同一衬底105中，并且如图7a和7b所示，铰链206的中心高796基本上与反射镜片204的中心高795或797共面，所以当反射镜202围绕铰链206的纵轴旋转时没有平移或位移。由于没有平移，反射镜片204与隔板支撑框架210的隔板支撑壁之间的间隙只需受到制造技术和工艺的限制，通常小于0.1微米。反射镜片204的间距很近并且铰链206基本隐藏在反射表面203之下可以使微反射镜阵列103获得高填充率、提高的对比度、光的散射和衍射最小化，并基本上消除了穿过微反射镜阵列103照射到第二衬底107上的电路的光。
如图2a-b、3、4a-b、7a、8、12a、12b和13所示，反射镜片204由连接器216连接到扭转弹簧铰链206。扭转弹簧铰链206连接到隔板支撑框架210，该隔板支撑框架210将扭转弹簧铰链206、连接器216和反射镜片204保持在合适位置。铰链206包括第一臂206a和第二臂206b。如图3和13所示，每个臂206a和206b有两个末端，一个末端连接到隔板支撑框架210而另一个末端连接到连接器216。在可替换实施例中也可以将其他的弹簧、铰链和连接方案用于反射镜片204、铰链206和隔板支撑框架210之间。如图3和4a所给出的最为清楚的图示，扭转铰链206优选地定向为相对隔板支撑壁210的对角方向(例如成45度角)，并将反射镜片204分为两部分或两侧第一侧204a和第二侧204b。如图7b所示，两个电极126与反射镜202相关，一个电极126用于第一侧204a而另一个电极126用于第二侧204b。这使得任一侧204a和204b都可被吸引到下方的电极126a或126b之一并向下摆动，从而提供了宽范围的角运动。扭转弹簧铰链206使得当通过在反射镜202与相应电极126之间施加电压而将例如静电力的力施加到反射镜片204时，反射镜片204可以围绕铰链206的纵轴相对于隔板支撑框架210旋转。此旋转产生角度偏转以在选定的方向上反射光。由于铰链206和反射镜片204在同一衬底105中，并且如图7a和7b所图示，铰链206的中心高796与反射镜片204的中心高795或797基本共面，所以反射镜202围绕铰链206的运动是纯转动而没有平移。在图7a和8所示的一种实施例中，扭转弹簧铰链206的宽度222小于铰链206(垂直于反射镜片204的上表面205)的深度223。铰链206的宽度222优选为约0.12微米到约0.2微米之间，深度223优选为约0.2微米到约0.3微米之间。
如图2a-b、3、4a-b、6和7a所示，隔板支撑框架210将反射镜片204定位在电极126和寻址电路上方的预定距离处，使得反射镜片204可以向下偏转到预定的角度。隔板支撑框架210包括隔板支撑壁，这些隔板支撑壁如图2a、4a、12a和13所示优选地由同一第一衬底105形成并优选地正交布置。这些壁还有助于限定隔板支撑框架210的高度。隔板支撑框架210的高度是根据反射镜片204与电极126之间的期望距离和电极的形貌设计来选择的。更大的高度使得反射镜片204可以偏转更多，并有更大的最大偏转角。更大的偏转角通常提供更高的对比度。在一种实施例中，反射镜片204的偏转角是12度。在优选实施例中，如果提供足够的间距和驱动电压，反射镜片204可旋转多达90度。隔板支撑框架210还为铰链206提供支撑并将反射镜片204与反射镜阵列103中的其他反射镜片204分隔开。隔板支撑框架210具有隔板壁宽212，该隔板壁宽212与反射镜片204和支撑框架210之间的间隙相加基本上等于相邻微反射镜202的相邻反射镜片204之间的距离。在一种实施例中，隔板壁宽212为1微米或更小。在一种优选实施例中，隔板壁宽212为0.5微米或更小。这使反射镜片204靠近在一起布置，增大了反射镜阵列103的填充率。
在某些实施例中，微反射镜202包括当镜面204已经向下偏转到预定角度时阻止反射镜片204偏转的元件405a和405b。这些元件通常可包括运动限位器405a或405b以及搭接触点710a或710b。如图4a、6、7a、7b、8、13及15所示，当反射镜表面204偏转时，反射镜片204上的运动限位器405a或405b与搭接触点710(710a或710b)相接触。当这种情况发生时，反射镜片204不能进一步偏转。运动限位器405a或405b以及搭接触点710a或710b有多种可能的结构。在图4a、6、7a、8、13和15所示的实施例中，运动限位器是附装在反射镜片204下表面201的圆柱形支柱或机械限位器405a或405b，而搭接触点710是第二衬底107上相应的圆形区域。在图7a、7b和8所示的实施例中，搭接触点710a和710b电连接到隔板支撑框架210，并因此相对于运动限位器405a或405b具有零电势差以阻止运动限位器405a或405b分别粘接或焊接到搭接触点710a或710b。从而当反射镜片204相对于隔板支撑框架210旋转到超过预定角度(由机械限位器405a或405b的长度和位置确定)时，机械运动限位器405a或405b将分别与搭接触点710a或710b物理接触，并阻止反射镜片204的任何进一步旋转。
在优选实施例中，运动限位器405a或405b是由第一衬底105制造的，并由与反射镜片204、铰链206、连接器216和隔板支撑框架210相同的材料制成。搭接触点710a或710b也优选地由与运动限位器405a或405b、反射镜片204、铰链206、连接器216以及隔板支撑框架210相同的材料制成。因此，在材料为单晶硅的实施例中，运动限位器405a或405b以及搭接触点710a或710b是由具有较长功能寿命的硬材料制成的，这使反射镜阵列103可以长期维持。此外，由于单晶硅是硬材料，运动限位器405a或405b以及搭接触点710a或710b可以以运动限位器405a或405b分别与搭接触点710a或710b接触处的较小面积制造，这大大减小了粘合力并使反射镜片204可以自由偏转。此外，这意味着运动限位器405a或405b以及搭接触点710a或710b维持相同的电势，防止了运动限位器405a或405b与搭接触点710a或710b处于不同电势时可能由焊接和电荷注入工艺而导致的粘接。本发明不限于用上述元件或技术阻止反射镜片204偏转。可以使用本领域所知的任何元件和技术。
图4a是图示了单个微反射镜202下部的立体图，包括支撑壁210、反射镜片204(包括两侧204a和204b并具有上表面205和下表面201)、铰链206、连接器216以及机械限位器405a和405b。图4b是图4a中所示微反射镜202角部237的更详细的立体图。
图5是示出具有九个微反射镜202-1到202-9的微反射镜阵列103的顶部和侧面的立体图。尽管图5示出的微反射镜阵列103有三行和三列，但是对于总共九个微反射镜202，反射镜阵列103也可以是其他尺寸。通常每个微反射镜202对应于视频显示器上的一个象素。这样，具有更多微反射镜202的更大阵列103提供了具有更多象素的视频显示器。
如图5所示，微反射镜阵列103的表面具有大填充率。就是说，微反射镜阵列103的大部分表面由微反射镜202的反射表面203构成。微反射镜阵列103的表面只有极少部分是非反射性的。如图5所示，微反射镜阵列103表面的非反射性部分是微反射镜202的反射表面203之间的区域。例如，反射镜202-1与202-2之间的区域宽度由隔板支撑壁宽212以及反射镜202-1和202-2的反射镜片204与隔板支撑壁210之间的间隙宽度总和确定。注意，尽管图2a、2b、3、4a和4b中示出的单个反射镜202已描述为具有自己的隔板支撑框架210，但例如反射镜202-1和202-2的反射镜之间通常没有两个单独的相邻隔板壁210。相反，反射镜202-1与202-2之间通常有支撑框架210的一个物理的隔板壁。由于在反射镜片204偏转时没有平移，间隙和隔板壁宽212可以以制造技术所能支持的尽可能小的特征尺寸来制造。这样，在一种实施例中，间隙是0.2微米，而在另一实施例中，间隙是0.1 3微米或更小。由于半导体制造技术允许更小的特征，隔板壁210的尺寸和间隙可以减小以允许更高的填充率。本发明的实施例允许高填充率。在优选实施例中，填充率是96％甚至更高。
图6是示出具有九个微反射镜的微反射镜阵列103底部和侧面的立体图。如图6所示，微反射镜202的隔板支撑框架210的支撑壁限定反射镜片204下方的空腔。这些空腔为反射镜片204提供了向下偏转的空间，还在反射镜片204下方留出了较大区域用于安置带有电极126的第二层104和/或带有控制电路106的第三层。图6还示出了反射镜片204(包括两侧204a和204b)的下表面201以及隔板支撑框架210、扭转弹簧铰链206、连接器216以及运动限位器405a和405b的底部。
如图5和6中可见，极少垂直于反射镜片204的光可以穿过微反射镜阵列103到达微反射镜阵列103下方的任何电极126或控制电路106。这是因为隔板支撑框架210以及反射表面203(该反射表面203位于反射镜片204的上表面205上和部分铰链206上方)为微反射镜103下方的电路提供了几乎完整的遮蔽。此外，由于隔板支撑框架210将反射镜片204与微反射镜阵列103下方的电路分开，所以以非直角的角度行进到反射镜片204并穿过反射镜片204的光很可能照射到隔板支撑框架210的壁而不会到达微反射镜阵列103下方的电路。由于几乎没有入射到反射镜阵列103上的强光会到达电路，SLM 100避免了与强光照射电路相关的问题。这些问题包括入射光加热电路以及入射光的光子使电路元件带电，二者都可引起电路故障。
图12a是根据本发明可替换实施例的微反射镜202的立体图，图12b是微反射镜202的角部238更详细的立体图。此实施例中的扭转铰链206平行于隔板支撑框架210的隔板支撑壁。通过在反射镜片204与相应电极126之间施加电压偏置而可选择地使反射镜片204朝向电极偏转。对于相同的支撑壁高，图12a所示的实施例比图2a和2b中所示具有对角铰链206的反射镜202提供更小的总的角运动范围。不过，如同图2a和2b中所示的实施例，图12a和12b所示的实施例中铰链206在反射镜片204的上表面205之下并被反射表面203遮蔽，导致SLM 100具有高填充率、高光学效率、高对比度、低的光衍射和反射、可靠以及节约成本的性能。图12b是微反射镜202角部更详细的立体图并图示了反射镜片204、铰链206、隔板支撑框架210的支撑壁以及反射表面203。图13图示了单个微反射镜202的下部，包括铰链206、连接器216和运动限位器405a。在其他实施例中，铰链206可以基本平行于反射镜片204的两侧之一并仍然布置为将反射镜片204分为两部分204a和204b。图14和15提供了由多个图12a、12b和13中所述的微反射镜202组成的微反射镜阵列的立体图。
空间光调制器的制造图9a是图示了空间光调制器100制造方式的一种优选实施例的流程图。图9b到图9m更详细地图示了制造空间光调制器100的优选方法，图16a到16e与图9e到图9m一起图示了可替换的优选制造方法。
参考图9a，生成(902)掩模来进行微反射镜202的初始部分制造。此掩模1000的优选实施例图示于图10中并限定要从第一衬底105的一面刻蚀(904)掉以形成微反射镜阵列103下侧空腔的部分，该空腔限定隔板支撑框架210和支撑壁。如图10所示，掩模1000的区域1004是光刻胶材料或例如氧化硅或氮化硅的其他电介质材料，其将防止下方的第一衬底105受到刻蚀。图10中的区域1002是衬底105的暴露区域，其将要被刻蚀以形成空腔。不被刻蚀的区域1004留下来并形成隔板支撑框架210中的隔板支撑壁。
在一种实施例中，第一衬底105是在SF6、HBr和氧气分别以100sccm、50sccm和10sccm的流速流动的反应离子刻蚀室中刻蚀的。操作压力在10到50mTorr的范围内，偏压功率为60W，电源功率为300W。在另一实施例中，第一衬底105是在Cl2、HBr和氧气分别以100sccm、50sccm和10sccm的流速流动的反应离子刻蚀室中刻蚀的。在这些实施例中，当空腔约3-4微米深时停止刻蚀工序。此深度是用刻蚀深度原位监视(例如原位光学干涉仪技术)或通过对刻蚀速率进行计时来测量的。
在另一实施例中，通过各向异性反应离子刻蚀工艺在晶片中形成空腔。晶片置于反应室中。分别以100sccm、50sccm和20sccm的总流速将SF6、HBr和氧气引入反应室。在50mTorr压力下使用50W的偏压功率设置和150W的电源功率设置约5分钟。之后用1mTorr压力的20sccm背面氦气流冷却晶片。在一种优选实施例中，当空腔约3-4微米深时停止刻蚀工序。此深度是用刻蚀深度原位监视(例如原位光学干涉仪技术)或通过对刻蚀速率进行计时来测量的。
可以用例如光刻的标准技术生成第一衬底105上的掩模。如前所述，在一种优选实施例中，微反射镜202由例如单晶硅的单一材料形成。这样，在一种优选实施例中，第一衬底105是单晶硅晶片。注意通常在一个晶片上制造用于多个SLM 100的多个微反射镜阵列103待以后分割。通常为产生微反射镜阵列103而制造的结构大于CMOS电路中所用的特征，所以使用用于制造CMOS电路的已知技术来形成微反射镜阵列103的结构比较容易。
图9b是图示了制造之前的第一衬底105的截面图。衬底105起初包括预定厚度的器件层1615、绝缘氧化物层1610和操纵衬底(handlingsubstrate)1605。器件层1615位于衬底105的第一面而操纵衬底1605位于衬底105的第二面。在优选实施例中，器件层1615由单晶硅材料制成，厚度在约2.0微米到3.0微米之间。如图9b所示的衬底105用本领域已知的任何标准的绝缘体上硅(“SOI”)工艺制造，也可以从诸如SoitecInc.、Shinetsu Inc.或Silicon Genesis Inc.的硅晶片供应商处购买。
参考图9b，在第一衬底105第二面上的器件层1615中刻蚀出浅的空腔198。刻蚀的细节已在上述段落中进行了描述，特别是上面的第59-61段。刻蚀深度约为运动限位器405a和405b(待形成)末端与第二衬底107之间的距离197(在第二衬底107结合到第一衬底105之后，下面将要说明)。此深度的距离197确定了后续刻蚀步骤中最终将制成的运动限位器405a和405b的长度。如图9c和9d所示，两个运动限位器405a和405b是优选地用光刻技术从第一衬底105的器件层1615刻蚀的。同样，刻蚀的细节已在上文的59-61段中描述。
图16a-16e图示了用于制造带有空腔的第一衬底105的可替换方法。图16a示出了制造之前第一衬底105的截面图。与图9b中的第一衬底105一样，图16a中的第一衬底105起初包括预定厚度的器件层1615、绝缘氧化物层1610和操纵衬底1605。器件层1615位于衬底105的第一面上而操纵衬底1605位于衬底105的第二面上。此第一衬底105可以用本领域已知的任何标准的绝缘体上硅工艺制造，也可以从诸如上面所述的硅晶片供应商处购买。在优选实施例中，器件层1615由单晶硅材料制成，如图16e所示的器件层1615的顶部部分1615a具有预定厚度，优选为0.2微米到0.4微米之间。器件层的此顶部部分1615a的厚度最终将是最后制成的反射镜片204的大致厚度。
参考图16b，在获得(制造或购买均可)具有前面段落中所述各层1610和1615以及衬底1605的第一衬底105后，将例如氧化硅的电介质材料1620沉积在第一衬底105的器件层1615上。
之后用本领域已知的标准光刻和刻蚀技术刻蚀电介质材料1620以在预定位置产生开口1625和1626，隔板支撑框架210的支撑壁将定位在该预定位置。如图16c所示，经过刻蚀的电介质材料1620产生了用于后续工艺步骤的掩模以及开口1625和1626。
在图16c所图示的优选实施例中，使用外延生长工艺以器件层1615中的单晶硅材料作为外延生长的“晶种”，而在电介质材料1620的开口1625和1626处生长出单晶硅材料1627和1628。通常在开口1627和1628中生长的材料是与器件层1615(或晶种)相同的材料，并具有与器件层1615相同的晶体结构。在图16c所示的实施例中，所生长的单晶硅材料1627和1628最终将成为用于微反射镜阵列103的隔板支撑框架210的支撑壁。
最后，去除电介质材料1620得到图16e所示结构。除了图16e中的结构没有运动限位器405a和405b以外，得到的第一衬底105与图9d所示第一衬底105结构相同。不过，根据上述讨论，本领域普通技术人员应当明白如何将运动限位器405a和405b添加到图16e所示的结构。例如，可以刻蚀并外延生长出此运动限位器405a和405b，就如隔板支撑框架210的支撑壁那样。因此，图16a到16e提供了在第一衬底105中制造空腔的可替换方法，该方法在第一衬底105的器件层1615的顶部部分1615a的整个厚度上都可精确控制。完成图9e到9m所示的步骤将制成隐藏铰链的高填充率反射式空间光调制器100。
回到图9a，独立于第一衬底105中空腔的制造而在第二衬底107的第一面703上如图9a和9e所示形成(906)电极126、寻址和控制电路106中的部分或全部。第二衬底107可以是例如石英的透明材料或另外的材料。如果第二衬底是石英，则与晶体硅相比，晶体管可以由多晶硅制成。优选地用标准CMOS制造技术形成(906)电路。例如，在一种实施例中，在第二衬底107上形成或制造(906)的控制电路106包括存储单元阵列、行地址电路和列数据加载电路。有多种不同方法制造执行寻址功能的电子电路。公知的DRAM、SRAM和锁存器件都可以执行寻址功能。由于反射镜片204的面积相对于半导体尺度可以较大(例如反射镜片204可以具有225平方微米的面积)，所以可以在微反射镜202下方制造复杂的电路。可能的电路包括但不限于用于存储时序象素信息的存储缓冲器、用于补偿反射镜片204到电极126间距可能的非均匀性(由于在不同电压电平对电极126进行驱动)的电路以及执行脉宽调制转换的电路。
此控制电路106由例如氧化硅或氮化硅的钝化层覆盖。接着沉积金属化层。在一种实施例中，对此金属化层进行图案化和刻蚀以限定电极126以及偏置/复位总线。在制造过程中布置电极126，使得有一个或更多电极126对应于每个微反射镜202。与第一衬底105一样，通常在第二衬底107上形成(906)用于多个SLM 100中的多组电路待以后分割。
之后如图9a和9e所示，将图9d或图16e所示的第一衬底105结合(910)到第二衬底107。如图9e所示，第一衬底105在与第二衬底107相反的一面上具有顶层905。将第一衬底105带有空腔和运动限位器405a和405b的一面结合(910)到第二衬底具有电极126的一面。将衬底105和107对准使第二衬底107上的电极处于适当位置以控制微反射镜阵列103中的微反射镜202偏转。在一种实施例中，用双焦显微镜通过将第一衬底105上的图样与第二衬底107上的图样对准而将两个衬底105和107光学对准，并通过例如阳极结合或共晶结合的低温结合方法将两个衬底105和107结合(910)在一起。在优选实施例中，结合(910)可发生在低于400摄氏度的任何温度下，包括室温下。例如可以用热塑性塑料或电介质自旋玻璃(dielectric spin glass)结合材料以通过热-机械方式结合衬底105和107。结合(910)确保第一衬底105与第二衬底107之间有良好的机械粘附，并可以在室温下发生。图9e是示出结合在一起的第一衬底105和第二衬底107的截面图。有多种可替换实施例可用于制造(906)第二衬底。
在将第一衬底105与第二衬底107结合(910)在一起后，如图9f和9a所示将第一衬底105的顶层905切薄(912)到预定的期望厚度。首先去除图9f或图16e所示的操纵衬底1605，这通常通过研磨和/或刻蚀进行，然后用本领域已知的任何用于进行氧化物剥离的技术来剥离氧化物层1610。氧化物层1610用作切薄步骤912的停止标志并置于第一衬底105内以产生切薄到期望厚度的第一衬底105。切薄工艺可以包括研磨和/或刻蚀，优选地包括硅背部刻蚀工艺，例如湿法刻蚀或等离子刻蚀。结果得到的第一衬底105的上表面205最终将要形成如图3、7a、8和9m所示的反射镜片上表面205。在优选实施例中，所得第一衬底105的最终厚度是几个微米。
接着，用两步刻蚀工序刻蚀(913)铰链206。首先，如图9g所示，刻蚀第一衬底105的上表面205以形成凹陷910。这确保将要形成在凹陷910中的铰链206基本上位于第一衬底105的上表面205(在制造工艺结束时将要成为反射镜片204的上表面205)的下面。其次，如图9h和9a所示，再次刻蚀第一衬底105以从第一衬底105的反射镜片部分915基本释出铰链206。如图3、4a、4b、12a、12b和13图示的实施例中所示，铰链206的末端仍然与隔板支撑框架210的隔板支撑壁连接。第一衬底105的反射镜片部分915将形成微反射镜202的反射镜片204。
在一种实施例中，在Cl2、O2和N2气体分别以100sccm、20sccm和50sccm的流速流动的解耦等离子源室(decoupled plasma source chamber)中刻蚀出铰链206。操作压力在4到10mTorr范围内，偏压功率为40W，电源功率为1500W。深度是用刻蚀深度原位监视(例如原位光学干涉仪技术)或通过对刻蚀速率进行计时来测量的。
之后如图9i和9a所示，将例如光刻胶的牺牲材料920沉积(914)到第一衬底105上，填充铰链206上及其周围的间隙，包括铰链206与第一衬底105的反射镜片部分915之间以及第一衬底105的上表面205上的间隙。光刻胶可以简单地旋涂到衬底上。
之后如图9j和9a所示，用回蚀步骤、化学机械处理(“CMP”)工艺或本领域已知的任何其他工艺将带有牺牲材料920的第一衬底105平面化(915)。此工艺确保牺牲材料920只留在铰链上及其周围，而不留在第一衬底105的上表面205上。注意在平面化步骤中，由于牺牲材料920是从第一衬底105的上表面205去除的，所以去除比较容易。
如图9k和9a所示将反射表面203沉积(916)到平面化的表面(包括反射镜片204的上表面205和铰链206被牺牲材料920覆盖部分上方的部分)上以产生反射表面203。如上所述，反射表面203的面积大于反射镜片204上表面205的面积。反射表面优选为铝或本领域已知的任何其他反射材料，并优选地具有300埃或更小的厚度。反射表面203覆盖第一衬底105的上表面205以及部分铰链206上方的区域。图9k是示出沉积的反射表面203的截面图。反射表面203较薄，确保其沿袭了反射镜片204的上表面205平坦光洁的特性。
如图9l和9a所示，刻蚀(917)反射表面203和反射镜片部分915以从第一衬底105的反射镜片部分915释出反射镜片204。对反射表面203和反射镜片部分915的刻蚀优选地在同一室内进行。
在反射表面203是铝材料的优选实施例中，反射表面203的刻蚀(917)发生在Cl2、BCl3和N2气体分别以40sccm、40sccm和10sccm的流速流动的解耦等离子源室中。操作压力是10mTorr，偏压功率为75W，电源功率为800W。刻蚀深度是用原位刻蚀深度监视(例如原位光学干涉仪技术)或通过对刻蚀速率进行计时来测量的。在刻蚀(917)铝反射表面203之后，在优选实施例中由硅制成的下层反射镜片部分915在HBr、Cl2、和O2气体分别以90sccm、55sccm和5sccm的流速流动的解耦等离子源室中刻蚀(917)。操作压力是5mTorr，偏压功率为75W，电源功率为500W。刻蚀深度是用原位刻蚀深度监视(例如原位光学干涉仪技术)或通过对刻蚀速率进行计时来测量的。
在刻蚀(917)反射表面203和反射镜片部分915之后，反射镜片204被释出；但是铰链206仍然由牺牲材料920固定在适当的位置。结果，反射镜片204和微反射镜作为整体还不能围绕铰链206旋转，从而确保了在后续处理步骤中器件不被破坏。
制造微反射镜202的最终步骤是去除(918)铰链206上及其周围剩余的牺牲材料920。注意，由于牺牲材料920不在反射镜片204或反射镜202的下方，所以去除铰链206上及其周围剩余的牺牲材料920比较容易。例如等离子刻蚀的干法处理是优选的，因为湿法处理伴随有粘着的问题。在一种实施例中，牺牲材料920是在O2等离子室中刻蚀掉的光刻胶材料。在去除(918)牺牲材料920后，铰链206被释出，并且反射镜片204自由地围绕铰链206旋转。按照上述制造步骤，结果是铰链206基本上形成于反射镜片204的上表面205下方并由反射表面203遮蔽，该反射表面203沉积在反射镜片204的上表面205上以及部分铰链206上方。
在某些实施例中，微反射镜阵列103由一片玻璃或其他透明材料保护。在一种实施例中，在微反射镜阵列103的制造期间，围绕第一衬底105上制造的每个微反射镜阵列103的周边保留凸缘。如图9a所述，为了保护微反射镜阵列103中的微反射镜202，将一片玻璃或其他透明材料结合(919)到该凸缘。此透明材料保护微反射镜202免受物理损害。在一种可替换实施例中，用光刻在玻璃板上的光敏树脂层中制造凸缘阵列。之后将环氧树脂涂敷到凸缘的上边缘，将玻璃板对准并附装到完成的反射式SLM 100。
如上所述，可以由两个衬底105和107制造多个SLM 100。可以在第一衬底105中制造多个微反射镜阵列103，并可以在第二衬底107中制造或形成多组电路。制造多个SLM 100增加了空间光调制器100制造工艺的效率。但是，如果一次制造多个SLM 100，则必须将其分成单独的SLM100。有多种方法将每个空间光调制器100分开并使其做好投入使用的准备。在第一种方法中，将每个空间光调制器100简单地与组合的衬底105和107上SLM 100的其余部分管芯分离(920)。之后用标准封装技术对每个分开的空间光调制器100进行封装(922)。
在第二种方法中，在将各SLM分离之前进行晶片级芯片规模封装，以将每个SLM 100密封进单独的空腔中并形成电引线。这进一步保护了反射性可偏转元件并减少了封装成本。在如图9a所示此方法的一种实施例中，第二衬底107的背部用焊锡球结合(924)。之后刻蚀(926)第二衬底107的背部以将第二衬底107上在电路制造期间形成的金属连接器暴露出来。接着在金属连接器与焊锡球之间沉积(928)导线以使二者电连接。最后，对多个SLM进行管芯分离(930)。
图11是第二衬底107上形成的电极126的一种实施例的立体图。在此实施例中，每个微反射镜202都有相应的电极126。此图示实施例中的电极126制成高于第二衬底107上的其余电路。在优选实施例中，电极126与第二衬底107上的其余电路位于同一水平上。在另一实施例中，电极126延伸到电路上方。在本发明的一种实施例中，电极126是装配在微反射镜下方的单独铝垫。电极的形状取决于微反射镜202的实施例。例如，在图2a、2b和3所示的实施例中，优选地有两个电极126位于反射镜202下方，每个电极126具有如图7b所示的三角形形状。在图12a、12b和13所示的实施例中，优选地有单个方形电极126位于反射镜202下方。这些电极126在第二衬底107的表面上制造。在此实施例中电极126的表面积较大，使得将反射镜片204向下牵引到机械限位器上使反射镜片204产生预定角度的完全偏转所需的寻址电压比较低。
操作在操作中，单独的反射性微反射镜202被选择性地偏转并用于对入射到反射镜202并由其反射的光进行空间调制。
图7a和8图示了沿图2a中虚线251所示的微反射镜202的截面图。
注意此截面图偏离微反射镜202的中心对角线，从而图示了铰链206的外形。图7c图示了沿图2a中虚线250所示的微反射镜202的不同截面图。注意此截面图沿着中心对角线，垂直于铰链206。图7c图示了涉及反射镜片204a和204b的连接器216。图7a、7c和8图示了电极126上方的微反射镜202。在操作中，电压施加到反射镜202一侧的电极126上，以控制电极126上方的反射镜片204相应部分(图8中204a一侧)的偏转。如图8所示，当电压施加到电极126时，反射镜片的一半204a被吸引到电极126，而反射镜片的另一半204b由于反射镜片204的结构和刚性而从电极126和第二衬底107移开。这使反射镜片204围绕扭转弹簧铰链206旋转。当从电极126撤去电压时，铰链206使反射镜片204跳回图7a所示的非偏置位置。或者，在带有图2a、2b和3所示的对角铰链206的实施例中，可以将电压施加到反射镜片204另一侧的电极126上而使反射镜202在相反方向上偏转。这样，将照射到反射镜202的光在一定的方向上反射，该方向可通过对电极126施加电压来进行控制。
一种实施例如下操作。起初如图7a和7c所示反射镜202未偏转。在此非偏置状态下，来自光源并倾斜入射到SLM 100的入射光束由平坦反射镜202反射。出射的反射光束可由例如光收集器(optical dump)接收。从未偏转的反射镜202反射的光不会反射到视频显示器上。
当在一半反射镜片204a与其下的电极126之间施加电压偏置时，反射镜202由于静电吸引而偏转。在一种实施例中，当反射镜片204a如图8所示向下偏转时，Vc1优选为12伏，Vb为-10伏，且Vc2为0伏。类似地(或相反地)，当反射镜片204b向下偏转时，Vc1优选为0伏，Vb为-10伏而Vc2为12伏。由于铰链206的设计，反射镜片的一侧204a或204b(即具有电压偏置的电极126上方的一侧)向下偏转(朝向第二衬底107)，而反射镜片的另一侧204b或204a从第二衬底107移开。注意在一种优选实施例中，基本上所有的弯曲都发生在铰链206而不是反射镜片204中。在一种实施例中这可通过使铰链宽度222较窄并将铰链206只在两端连接到支撑柱来实现。如上所述，反射镜片204的偏转由运动限位器405a或405b来限制。反射镜片204完全偏转可将出射的反射光束偏转进入成像光学器件和偏转到视频显示器。
当反射镜片204偏转超过“扣合”或“牵引”电压(在一种实施例中约为12伏或更小)时，铰链206的回复机械力或转矩不再平衡静电力或转矩，处于静电力作用下的反射镜片204的一半204a或204b朝向其下的电极126“扣合”以实现完全偏转，这种完全偏转只受所应用的运动限位器405a或405b的限制。在图9a、9b和10中所示铰链206平行于隔板支撑框架210的支撑壁的实施例中，为了将反射镜片204从其完全偏转位置释放，必须关断电压。在图2a、2b和3中所示铰链206对角布置的实施例中，为了将反射镜片204从其完全偏转位置释放，必须在另一电极正在通电且反射镜202吸引到另一侧的同时关断电压。
微反射镜202是机电双稳态器件。在给定释放电压与扣合电压之间的一个具体电压时，反射镜片204有两个可能的偏转角，这取决于反射镜202的偏转历史。因此，反射镜202的偏转就像锁存器。这些双稳态和锁存器特性的存在是由于反射镜202偏转所需的机械力与偏转角大致成线性而对立的静电力与反射镜片204和电极126之间的距离成反比。
由于反射镜片204与电极126之间的静电力依赖于反射镜片204与电极126之间的总电压差，所以施加到反射镜片204的负电压减小了施加到电极126以获得给定偏转量所需的正电压。这样，向反射镜阵列103施加电压可以减小电极126需要的电压大小。这可能是有用的，例如由于在某些应用中希望将必须施加到电极126的最大电压维持在12V以下，因为在半导体工业中5V的开关能力更常见并且更节省成本。
由于固定了反射镜202的最大偏转，所以如果SLM 100在超过扣合电压的电压处操作，其可以以数字方式操作。操作本来就是数字式的，因为在图2a、2b和3所示铰链206平行于隔板支撑框架210的支撑壁的实施例中，反射镜片204或者通过向相关电极126施加电压而完全向下偏转，或者在没有电压施加到相关电极126的情况下被允许向上跳起。在图12a、12b和13所示铰链206对角布置的实施例中，反射镜片204或者通过向反射镜片204一侧的相关电极126施加电压而完全向下偏转，或者当对反射镜片204另一侧上的另一电极126通电时向下偏转到反射镜片204的另一侧。使反射镜片204完全向下偏转直到被阻止反射镜片204偏转的物理元件所阻止的电压称为“扣合”或“牵引”电压。这样，为了使反射镜片204完全向下偏转，应向相应电极126施加等于或大于扣合电压的电压。在视频显示器应用中，当反射镜片204完全向下偏转时，反射镜片204上的入射光被反射到视频显示器屏幕上的相应象素，该象素变亮。当反射镜片204被允许向上跳起时，光反射到使其不照射视频显示器屏幕的方向上，该象素变暗。
在这样的数字式操作期间，相关反射镜片204已经完全偏转之后，就不必在电极126上保持完全扣合电压。在“寻址阶段”，与应当完全偏转的反射镜片204相对应的选定电极126所用的电压被设定为偏转反射镜片204所需的水平。在该反射镜片204已由于电极126上的电压而偏转后，将反射镜片204维持在偏转位置所需的电压小于实际偏转所需的电压。这是因为偏转的反射镜片204与寻址电极126之间的间隙比反射镜片204处于被偏转过程中时更小。因此，在寻址阶段之后的“维持阶段”，施加到选定电极126的电压可由其开始所需的水平减小而基本上不影响反射镜片204的偏转状态。具有更低的维持阶段电压的一个优点是附近的未偏转反射镜片204只受更小的静电吸引力影响，因此其保持在更加接近于零偏转的位置处。这提高了偏转的反射镜片204与未偏转的反射镜片204之间的光学对比度。
通过适当选择外形尺寸(在一种实施例中，由反射镜结构和偏转角度的需求所确定的反射镜片204与电极126之间的隔板支撑框架210间距是1到5微米，铰链206的厚度是0.05到0.45微米)和材料(例如单晶硅(100))，可以使反射式SLM 100的操作电压仅有几伏。由单晶硅制成的扭转铰链206的剪切模量可以是例如每平方米每弧度5×1010牛顿。通过将反射镜片204保持在合适电压下(“负偏置”)而不是接地，可以使电极126操作来使相关反射镜片204完全偏转的电压甚至更小。对于施加到电极126的指定电压，这导致更大的偏转角。最大负偏置电压是释放电压，所以当寻址电压减小到零时，反射镜片204可以跳回未偏转的位置。
还可以以更加“模拟”的方式控制反射镜片204偏转。施加小于“扣合电压”的电压以偏转反射镜片204并控制入射光反射的方向。
可替换的应用除了视频显示器外，空间光调制器100还可用于其他应用中。这样的一种应用是无掩模光刻，其中空间光调制器100对光进行导向以使沉积的光刻胶显影。这就不再需要用于将光刻胶以所希望的图案正确显影的掩模。
尽管已经参考多个实施例具体示出并说明了本发明，但本领域技术人员将理解到，在不脱离本发明的精神和范围的情况下，可在其中进行形式和细节上的各种改变。例如，反射镜片204也可以通过除了静电吸引以外的其他方法来偏转。反射镜片204可以替换为用磁、热或压电驱动来偏转。
权利要求
1.一种制造空间光调制器的方法，包括形成限定空腔的第一衬底；在第二衬底上制造电极；将所述第一衬底结合到所述第二衬底；和在所述第一衬底上形成铰链和反射镜片；以及在反射镜片上和所述铰链的一部分上方涂敷反射表面，所述反射表面的面积大于所述反射镜片的上表面面积。
2.根据权利要求1所述的方法，其中所述反射表面基本遮蔽与所述反射镜片相关的所述铰链。
3.根据权利要求1所述的方法，其中所述铰链基本形成于所述反射镜片的上表面下方并基本由所述反射表面遮蔽。
4.根据权利要求1所述的方法，其中所述空间光调制器中的所述第一衬底是单片材料。
5.根据权利要求1所述的方法，其中所述空间光调制器中的所述第一衬底是单晶硅。
6.根据权利要求1所述的方法，还包括在所述反射镜片的下表面上形成运动限位器。
7.根据权利要求6所述的方法，还包括在所述第二衬底上接纳所述运动限位器的位置处形成搭接触点。
8.根据权利要求1所述的方法，还包括在将所述第一衬底结合到所述第二衬底之前，在所述第二衬底上制造寻址和控制电路。
9.根据权利要求1所述的方法，其中所述铰链的中心高度基本与所述反射镜片的中心高度共面。
10.根据权利要求1所述的方法，其中所述空腔由所述第一衬底中的隔板支撑框架上的隔板支撑壁界定。
11.根据权利要求1所述的方法，其中所述电路是用互补金属氧化物半导体技术形成的。
12.根据权利要求1所述的方法，其中形成限定空腔的第一衬底的步骤包括获得所述第一衬底，所述第一衬底具有预定厚度的器件层；在所述第一衬底的所述器件层上沉积电介质材料；刻蚀所述电介质材料以在预定位置处产生开口；在所述开口中生长与所述器件层具有相同晶体结构的材料；以及去除所述电介质层。
13.根据权利要求12所述的方法，其中所述器件层是单晶硅材料，并且其中所述第一衬底包括所述器件层上的绝缘氧化物层和所述绝缘氧化物层上的操纵衬底。
14.根据权利要求12所述的方法，其中所述器件层的厚度在0.2微米和0.4微米之间。
15.根据权利要求12所述的方法，其中所述电介质材料是氧化硅。
16.根据权利要求12所述的方法，其中在所述开口中生长的所述材料是通过外延生长工艺生长的。
17.根据权利要求1所述的方法，其中形成限定空腔的第一衬底的步骤包括在所述第一衬底上布置掩模，所述掩模具有限定所述空腔位置的第一部分以及对限定了所述空腔的支撑壁的位置进行限定的第二部分，所述第一部分使所述第一部分下方待刻蚀的所述第一衬底暴露，所述第二部分能够防止所述第二部分下方的所述第一衬底被刻蚀；将所述掩模的所述第一部分下方的所述第一衬底刻蚀到预定厚度；以及从所述衬底去除所述掩模。
18.根据权利要求1所述的方法，其中在第二衬底上制造电极的步骤包括用钝化层覆盖控制电路；在所述钝化层上沉积金属化层；以将要限定所述电极的图案将所述金属化层图案化；以及刻蚀所述金属化层以留下构成所述电极的材料。
19.根据权利要求1所述的方法，其中将所述第一衬底结合到所述第二衬底的步骤包括将所述第一衬底相对于所述第二衬底对准，使所述第二衬底上的所述电极处于控制所述第一衬底中相关微反射镜偏转的位置中；以及用低温结合方法结合所述第一衬底和所述第二衬底。
20.根据权利要求1所述的方法，其中在所述第一衬底上形成铰链和反射镜片的步骤包括将所述第一衬底的顶层切薄到预定厚度；在所述第一衬底上基本上在所述切薄的第一衬底的上表面下方刻蚀所述铰链；将牺牲层沉积到所述第一衬底上；将所述第一衬底平面化以从所述第一衬底的所述上表面去除所述牺牲层；通过刻蚀所述第一衬底来释出所述反射镜片；以及去除所述铰链上及其周围的所述牺牲层以使所述反射镜片可以围绕由所述铰链限定的轴线旋转。
21.根据权利要求20所述的方法，其中将所述第一衬底的顶层切薄到预定厚度的步骤包括通过研磨和/或刻蚀以去除所述第一衬底中的操纵衬底；以及剥离所述第一衬底中的绝缘氧化物层。
22.根据权利要求20所述的方法，其中刻蚀所述第一衬底上的基本上在所述切薄的第一衬底的上表面下方的所述铰链的步骤包括在所述第一衬底的所述上表面中刻蚀出凹陷；以及刻蚀所述第一衬底以从所述第一衬底释出所述铰链，保持所述铰链的一端连接到所述第一衬底。
23.根据权利要求20所述的方法，其中将牺牲层沉积到所述第一衬底上的步骤包括用所述牺牲层填充所述铰链上及其周围的间隙；以及在所述第一衬底的所述上表面上沉积所述牺牲层。
24.根据权利要求20所述的方法，其中将所述第一衬底平面化以去除所述牺牲层的步骤包括用回蚀步骤或化学机械处理工艺去除所述牺牲层。
25.根据权利要求20所述的方法，其中去除所述铰链上及其周围的所述牺牲层的步骤包括用等离子刻蚀工艺。
26.根据权利要求1所述的方法，其中在反射镜片上和所述铰链的一部分上方涂敷反射表面的步骤包括在所述第一衬底的上表面上沉积铝；以及在所述铰链的一部分上方沉积铝，其中所述铝的厚度为300埃或更小。
27.一种制造用于空间光调制器的多个反射镜的方法，包括在第一衬底的第一面中形成空腔；将所述第一衬底的第二面上的顶层切薄到预定厚度；在所述第一衬底的所述第二面上基本上在所述切薄的第一衬底的上表面下方刻蚀铰链；在所述第一衬底的所述第二面上沉积牺牲层；将所述第一衬底的所述第二面平面化；在所述第一衬底的所述第二面上沉积反射表面；通过刻蚀释出反射镜；去除所述铰链上及其周围的所述牺牲层以使所述反射镜可以围绕由所述铰链限定的轴线旋转。
28.根据权利要求27所述的制造用于空间光调制器的多个反射镜的方法，其中所述反射表面基本遮蔽所述铰链。
29.根据权利要求27所述的制造用于空间光调制器的多个反射镜的方法，其中所述反射表面沉积在所述第一衬底的所述上表面上以及所述铰链的一部分上方，所述反射表面的面积大于反射镜片的上表面面积。
30.根据权利要求27所述的方法，其中在第一衬底的第一面中形成空腔的步骤包括由所述第一衬底的所述第一面生成限定待刻蚀区域的掩模；去除所述第一衬底的所述第一面上由所述掩模限定的区域中的材料，以在所述第一衬底的所述第一面中形成所述空腔。
31.根据权利要求27所述的方法，其中在第一衬底的第一面中形成空腔的步骤包括获得所述第一衬底，所述第一衬底具有预定厚度的器件层；在所述第一衬底的所述器件层上沉积电介质材料；刻蚀所述电介质材料以在待产生的隔板支撑框架的支撑壁处产生开口；在所述开口中生长与所述器件层具有相同晶体结构的材料；以及去除所述电介质层。
32.根据权利要求31所述的方法，其中所述第一衬底还具有所述器件层上的绝缘氧化物层以及所述绝缘氧化物层上的操纵衬底，并且其中所述器件层的厚度在约2微米和约3微米之间。
33.根据权利要求30所述的方法，其中去除所述第一衬底由所述掩模限定的区域中的材料的步骤包括刻蚀所述第一衬底。
34.根据权利要求30所述的方法，其中去除所述第一衬底由所述掩模限定的区域中的材料的步骤包括在有SF6、HBr和氧气气体流动的情况下进行各向异性反应离子刻蚀。
35.根据权利要求27所述的方法，其中切薄所述第一衬底第二面的顶层的步骤包括通过研磨和/或刻蚀去除所述操纵衬底；以及剥去所述氧化物层。
36.根据权利要求27所述的方法，其中切薄所述第一衬底第二面的顶层的步骤包括从由研磨、硅回蚀、湿法刻蚀和等离子刻蚀组成的组中选择的工艺。
37.根据权利要求27所述的方法，其中刻蚀铰链的步骤包括进入所述第一衬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蚀，以及由所述第一衬底的反射镜片部分释出所述铰链的第二刻蚀。
38.根据权利要求27所述的方法，还包括在所述第一衬底中的所述反射镜片的下表面上刻蚀运动限位器。
39.一种制造空间光调制器的方法，所述空间光调制器包括多个反射镜组成的阵列，所述方法包括由第一衬底的第一面生成限定待刻蚀区域的掩模；刻蚀所述第一衬底的所述第一面上由所述掩模限定的区域以在所述第一衬底的所述第一面中形成多个空腔；在第二衬底的第一面上制造电极；将所述第一衬底的所述第一面结合到所述第二衬底的所述第一面；将所述第一衬底的所述第二面上的顶层切薄到预定厚度；在所述第一衬底中刻蚀铰链；在所述第一衬底上沉积牺牲层；将所述第一衬底平面化以从所述第一衬底的所述第二面上的上表面去除所述牺牲层，留下所述铰链上及其周围的牺牲材料；在所述上表面上和所述铰链的一部分上方沉积反射表面；通过刻蚀来释出反射镜；从所述第一衬底去除剩余的牺牲层以使所述反射镜可以围绕由所述铰链限定的轴线旋转。
40.根据权利要求39所述的制造空间光调制器的方法，其中所述反射表面的面积大于所述反射镜片的上表面面积。
41.根据权利要求39所述的制造空间光调制器的方法，其中所述反射表面基本遮蔽所述铰链。
42.根据权利要求39所述的制造空间光调制器的方法，其中所述铰链基本上形成于所述第一衬底的上表面下方并基本上被所述反射表面遮蔽。
43.根据权利要求39所述的方法，其中刻蚀所述第一衬底的所述第一面上由所述掩模限定的区域以在所述第一衬底的所述第一面中形成多个空腔的步骤包括在有SF6、HBr和氧气气体流动的情况下进行各向异性反应离子刻蚀。
44.根据权利要求39所述的方法，还包括在所述第二衬底的所述第一面上制造电极之前，在所述第二衬底的所述第一面上形成控制电路。
45.根据权利要求44所述的方法，其中在所述第二衬底的所述第一面上形成控制电路的步骤包括制造缓存、显示控制器和脉宽调制阵列。
46.根据权利要求39所述的方法，其中在所述第二衬底的所述第一面上制造电极的步骤包括用钝化层覆盖所制造的控制电路；在所述钝化层上沉积金属化层；以将要限定所述电极的图案将所述金属化层图案化；以及刻蚀所述金属化层以留下构成所述电极的材料。
47.根据权利要求39所述的方法，还包括在将所述第一衬底的所述第一面结合到所述第二衬底的所述第一面之前，将所述第一衬底与所述第二衬底对准使得当所述第一衬底和第二衬底结合在一起时，所述第二衬底上的所述电极被定位来控制所述第一衬底中的反射镜偏转。
48.根据权利要求47所述的方法，其中将所述第一衬底与所述第二衬底对准的步骤包括将所述第一衬底上的图案与所述第二衬底上的图案对准。
49.根据权利要求39所述的方法，其中将所述第一衬底的所述第一面结合到所述第二衬底的所述第一面的步骤包括使用在小于约400摄氏度下进行的低温结合方法。
50.根据权利要求39所述的方法，其中刻蚀所述铰链的步骤包括进入所述第一衬底的所述上表面以在所述上表面之下形成凹陷的第一刻蚀，以及由所述第一衬底的反射镜片部分释出所述铰链的第二刻蚀。
51.根据权利要求39所述的方法，还包括在所述反射镜的下表面上刻蚀运动限位器，并且其中所述反射表面沉积在所述第一衬底的所述上表面上和所述铰链的一部分上方。
52.一种操作空间光调制器的方法，包括在所述空间光调制器的微反射镜阵列中选择微反射镜来偏转；以及在所选择的微反射镜和与所选择的微反射镜相关的电极之间施加电压差以使所述微反射镜偏转，所述微反射镜具有反射表面，所述反射表面基本遮蔽铰链并将入射到所述微反射镜上的光偏转。
全文摘要
一种具有隐藏铰链的微反射镜阵列的制造，该微反射镜阵列可用于例如反射式空间光调制器中。在一种实施例中，微反射镜阵列由衬底制造，该衬底是单晶硅材料的第一衬底。在第一衬底的第一面中形成空腔。在第二衬底的第一面上分开制造电极以及寻址和控制电路。将第一衬底的第一面结合到第二衬底的第一面。将各面对准以使第二衬底上的电极与将要在第一衬底上形成的、电极将要控制的反射镜片处于适当关系。将第一衬底切薄到预定的期望厚度，刻蚀铰链，沉积牺牲材料，将第一衬底的上表面平面化，沉积反射表面以覆盖铰链，通过刻蚀释出反射镜，并去除铰链周围的牺牲层以释出铰链，使铰链可以围绕与铰链共线的轴线旋转。
文档编号G02F1/00GK1853129SQ200480020946
公开日2006年10月25日 申请日期2004年2月12日 优先权日2003年6月2日
发明者潘晓河, 杨晓 申请人:明锐有限公司