快速反应的微机械装置的制作方法

专利名称：快速反应的微机械装置的制作方法
技术领域：
本说明书涉及空间光调制器。
背景技术：
在过去的十五到二十年，基于微镜的空间光调制器(SLM)技术已经经历了多个增加的技术上的进步，并且在显示领域获得了广泛的欢迎。此装置工作方式为通过一个静电扭距，使得扭转枢纽(torsion hinge)周围的阵列中的各个微镜阵列板倾斜以便将入射光偏转到预定出射方向。在一些更流行的数字模式操作中，通过有选择的旋转微镜阵列中的单个微镜，实现光的“开”和“关”，并且通过机械的方式停止在一个特定的着陆(landing)位置，以保证偏转角度的精度。一个实用的微镜阵列要求在机械停止处有低的接触附着力以及高效的静电扭距以便控制定时，避免表面接触到支撑点，保证自动性和可靠性。应用到显示上的高性能空间光调制器产生高亮度和高对比度的视频图像。
在视频应用中，早期的空间光调制器具有投射图像的亮度低以及对比度低的缺点。早先的空间光调制器的设计典型地具有像素的低的活跃的反射区域填充比(例如，在各个像素点中活跃的反射区域和非活跃的反射区域之间的比例)。在空间光调制器阵列的每一个像素点周围大的非活动区域导致了低的光耦合效率及低亮度。来自阵列中这些非活动区域的散射光形成了衍射图样，该衍射图样对视频图像的对比度产生不利的影响。另一个降低了基于微镜阵列的空间光调制器的对比度的主要原因是，来自于阵列中的每一个微镜的两个直线边缘的散射光的衍射，该直线边缘垂直于入射照明。在一个传统的方形形状的镜设计中，在操作时，正交的入射光被在阵列中每一个镜的垂直直线前边缘和尾边缘直接散射。散射光产生了衍射图样，并且多个衍射光被投影镜头收集。明亮的衍射图样抹杀了投影视频图像的高对比度。
基于微镜的空间光调制器的一种类型是数字微镜装置(DMD)，由德克萨斯仪器公司发展以及由Hornbeck描述。最新的应用包括一个微镜板，其通过一个刚硬的垂直支撑柱悬挂于轭板的顶部。轭板进一步包括一对扭转枢纽和两对位于寻址电极上面的水平方向的着陆端。作用于轭板和微镜板上并且由寻址电极上的电压电位控制的静电力引起两个板双向的旋转。双板结构用来提供一个近似平面的镜表面，该镜表面掩盖了下面的电路和枢纽机构，这是一种可以用来得到可接受的对比度的方式。
然而，用来在枢纽轭板上面支撑镜板的垂直的镜支撑柱对于数字微镜装置(DMD)的对比度有两个负面影响。首先，大量的波纹(由镜支撑柱的装配引起)存在于当前设计的镜中心点，这个会引起入射光散射以及减少光效率。第二，双板的旋转引起沿着数字微镜装置(DMD)表面的镜反射表面的水平位移，导致在操作时，微镜在水平方向有振动。镜水平方向的移动要求在阵列中的镜之间设计特别大的缝隙，进一步减少了活跃的反射区域的填充率。例如，如果微镜的旋转在每个方向是12°，在镜和轭之间每分开一微米会导致在每个方向有0.2微米的水平位移。换句话说，在相邻镜之间要求有超过0.4微米的特别缝隙空间，以便每一个1微米的微镜支撑柱长度适应水平方向的位移。
轭结构限制了底部电极、轭、镜之间的电容耦合的静电效率。特别在着陆位置，它要求在底部电极、轭、镜之间有高的电压电位偏置，以便能进行角跨越转变(angular cross over transition)。两板结构散射入射光，也降低了视频图像的对比度。
另一种反射式空间光调制器(SLM)包括一个支撑在包含寻址电路的下部基板的上部透光基板。一个或多个静电可偏转的元件从上部基板由两个枢纽柱悬挂。在操作时，单个的镜有选择的被偏转并且用来空间调制光，这些光被通过上部的透射基板入射且然后被反射回。动作制动件可联接到反射可偏转元件，以便镜不会冲向底部的控制基板。代替的，动作制动件依靠上部的透射基板，因此限制了反射可偏转元件的偏转角。
在上面的悬挂镜设计中，镜悬挂柱和机械制动件都暴露于照明光中，减小了活动反射区域的填充率和光效率，并且增加了光的散射。控制反射镜表面的光滑度也是困难的，这个反射镜表面位于沉积铝膜和LPCVD氮化硅层之间。沉积膜质量决定了反射铝表面的粗糙度。没有后磨光程序可用来校正微镜的粗糙度。

发明内容
为了克服在现有技术的装置中上面讨论不足，一种用来显示和打印的高对比度的空间光调制器通过连接高活动反射区域填充率且非衍射的微镜阵列和高静电效率且低表面粘附控制基板被制造。在一个方面，本发明涉及一种空间光调制器，包括镜板，包括反射上表面、具有导电表面部分的下表面、具有第一空腔和第二空腔以及在第二空腔上的膜的基板部分，其中第一空腔具有在下表面上的开口，第二空腔位于基板部分中；基板，包括上表面、与上表面相连的枢纽支撑柱、以及由枢纽支撑柱支撑且与镜板连接以使镜板容易旋转的枢纽组件，其中枢纽组件配置为延伸到第一空腔中以使镜板容易旋转；以及竖立着陆端，连接到基板的上表面，其中竖立着陆端配置为接触镜板的基板部分内第二空腔上的膜，以便在预定的方向上停止镜板的旋转。
在另一个方面，本发明涉及一种空间光调制器，包括二维镜板阵列，每一个镜板包括反射上表面、具有导电表面部分的下表面，具有一个或多个第一空腔和一个或多个第二空腔以及在第二空腔上的膜的基板部分，其中第一空腔具有在下表面上的开口，第二空腔在基板部分中；基板，包括上表面、在上表面上的多个电极、上表面上方的多个枢纽支撑柱、以及多个枢纽组件，每一个枢纽组件被一个枢纽支撑柱支撑，其中每一个枢纽组件配置为延伸到二维阵列中一个镜板的基板部分内的一个第一空腔内，以使镜板容易旋转，且多个竖立着陆端，连接到基板的上表面，其中每一个竖立着陆端配置为当在基板上方的一个电极和一个镜板下表面中的导电表面部分之间施加静电电压时，接触该镜板的基板部分内的第二空腔上的一个膜，以便在预定的方向上停止镜板的旋转。
在另一个方面，本发明涉及一种制作空间光调制器的方法，该空间光调制器包括镜板，它具有在下表面上具有开口的第一空腔、第二空腔、和第二空腔上方的膜；连接到基板上表面的枢纽支撑柱；由枢纽支撑柱支撑且与镜板连接以使镜板容易旋转的枢纽组件，其中枢纽组件配置为延伸到第一空腔中以使镜板容易旋转；着陆端，连接到基板上部表面，所述着陆端配置为接触镜板的基板内的第二空腔上方的膜，以便在预定的方向上停止镜板的旋转。
该方法包括在基板上沉积第一牺牲材料以形成第一牺牲层；图案化第一牺牲层以在第一牺牲层内形成孔；沉积第一材料以在第一牺牲层中的孔内形成枢纽支撑柱和着陆端；沉积第二材料以在第一牺牲层和第一材料上方形成第二层；图案化第二层以形成枢纽组件和枢纽组件周围的开口间隙；在第二层上方沉积第二牺牲材料；图案化第二牺牲材料以形成枢纽组件的上方的第一间隔件和第二间隔件，其中第一间隔件在枢纽组件的上部，而通过第二间隔件，在镜板中形成第二空腔和膜；在第二牺牲材料上方沉积第三材料以形成第三机电层，其中通过该机电层形成该镜板；图案化第三层以形成在镜板周围；且移除第一牺牲材料和第二牺牲材料以形成具有第二空腔和在第二空腔上方的膜的镜板、与基板连接的枢纽支撑柱、由枢纽支撑柱支撑并与镜板连接的枢纽组件、以及与基板的上表面连接的着陆端。
系统的实施包括以下一个或几个。在镜板的基板部分内的第一空腔和相关的枢纽元件被如此构造使得在枢纽元件和第一空腔中的表面之间形成缝隙以允许镜板旋转。该空间光调制器可以进一步包括位于基板的上表面上方的电极。竖立着陆端可以被构造为当电压加到基板上的电极和镜板下表面的导电表面部分时接触镜板基板部分内的第二空腔上的膜，以便使镜板在预定的方向上停止旋转。镜板基板部分内的第二空腔上的膜被构造为当镜板被静电电压产生的静电力推动并被竖立着陆端停止时，由竖立着陆端使该膜形变。该膜可以被构造为恢复形变且产生反推竖立着陆端的弹性力。膜可以部分覆盖镜板基板部分内的第二空腔，在微镜板下部表面的第二空腔处留下一个或几个开口。膜的材料可以从如下选择钛，钽，钨，钼，合金，硅，非晶硅，多晶硅，氮化硅。镜板基板部分的第二空腔上的膜可以包含基本上和镜板基板部分相同的材料。基板可以包括两个枢纽元件，每一个被一个枢纽支撑柱支撑，且每一个枢纽元件被构造为延伸到镜板基板部分的第一空腔中。镜板可以设定成围绕位于由两个第一空腔板内的两个枢纽元件限定的轴旋转。基板可以包含在上表面上的第一电极和第二电极。镜板的基板部分可以包含两个或更多个第二空腔，每一个至少部分地被膜覆盖。当第一电极电压加到第一电极和镜板下表面的导电表面部分上时，镜板可以设定成在第一方向上旋转，当第二电极电压加到第二电极和微镜板下表面的导电表面部分上时，微镜板设定成在第二方向上旋转。第一个竖立着陆端可以设定成通过接触一个第二空腔上的第一膜停止镜板在第一方向上的旋转，第二个竖立着陆端可以设定成通过接触另一个第二空腔上的第二膜停止镜板在第二方向上的旋转。微镜板，枢纽元件，或者枢纽支撑柱可以从以下材料中选择一种铝，硅，非晶硅，多晶硅，以及铝硅合金。
具体实施例包含一个或几个以下优点。公开的系统和方法提供了一种具有高的活跃反射区域填充率的空间光调制器(SLM)。一对扭转枢纽延伸到空腔中，成为镜板下部的一部分，并且在反射表面下保持在最小距离，以便仅允许一个缝隙用来按照预定的角度旋转。阵列中的镜板被一对由两个柱支撑的扭转枢纽悬架，以便允许镜板绕镜平面中的轴旋转。通过减小在跨越转变时单个微镜的水平方向的位移，阵列中相邻镜之间的缝隙显著减小了，这带来了空间光调制器(SLM)的高活跃反射区域填充率。
公开的系统和方法提供的方法阻止了微镜-基板的粘附，加速了微镜的反应时间。一对竖立着陆端构成在控制基板的表面。这些竖立着陆端在机械停止时减少了镜接触区域，提高了机械着陆操作的可靠性。更重要的，通过在微镜阵列的公共栅极303上施加双极尖峰电压，这些着陆端能使镜独立着陆。通过双极脉冲产生的机电振动的动能被转变成弹性势能储存在形变的镜枢纽以及形变的着陆端中，并且后来释放到弹簧上并使镜弹回而离开着陆端。
可以通过桥接在形成在镜板的下侧上的空腔上方的膜进一步减少着陆端和镜板之间的静摩擦。在施加于镜板下部导电表面和基板上一个或多个电极上的电压作用下，当镜板被静电力驱动时，着陆端接触到膜上，以便使镜板在预定的方向上停止。施加在镜板上的静电力使膜产生变形，这在膜中储存机械势能。机械势能在静电电压移除或反向时被释放以产生排斥力。
另外，通过在装置结构内部涂上防静摩擦层，在膜和微型着陆端之间的表面接触粘附力被显著地减小了。镜板因此能够快速地以一个方向向另一个方向倾斜。改善了系统反应时间。
公开的系统和方法兼容宽范围的应用，例如视频显示和打印，显示，打印，无模光刻中的光构图，以及在不同的光纤通道中引导光信号的光开关，。
尽管本发明在参考了众多的具体实施例下进行了具体地显示和描述，相关领域的技术人员应当理解，可以在形式和细节上做各种改变而不脱离本发明的精神和范围。


图1a示出根据本发明的一个具体实施例偏转光到“开”状态的空间光调制器的部分截面图。
图1b示出根据本发明的一个具体实施例偏转光到“关”状态的空间光调制器的部分截面图。
图2是一个透视图，显示了带有对角照明结构的用来作为投射系统的矩形状微镜阵列部分的上部。
图3是一个透视图，显示了带有对角照明结构的用来作为投射系统的控制电路基板部分的上部。
图4是一个透视图，显示了带有垂直照明结构的用来作为投射系统的微镜阵列的部分的上部，每一个微镜具有一连串的弯曲形状的前边缘和后边缘。
图5是一个透视图，显示了带有垂直照明结构的用来作为投射系统的控制电路基板部分的上部。
图6是一个放大后视图，显示了带有垂直照明结构的用来作为投射系统的微镜阵列的部分，每一个微镜具有一连串的弯曲形状的前边缘和后边缘。
图7是一个透视图，显示了在微镜板下部中的空腔下方的扭转枢纽和它们的支撑柱。
图8图示地示出了当朝一个方向旋转15°时，微镜板的扭转枢纽周围的最小空隙间距。
图9为一个高对比度的空间光调制器制作过程流程图。
图10-13是一个空间光调制器的部分侧截面图，示出了一种制作多个支撑框架和连接到寻址电路中存储器单元的第一高度(level)电极的方法。
图14-17是一个空间光调制器的部分侧截面图，示出了一种制作多个支撑柱、第二高度电极和控制基板表面上着陆端的方法。
图18-20是一个空间光调制器的部分侧截面图，示出了一种制作多个扭转枢纽和在支撑框架上枢纽支撑的方法。
图21-23是一个空间光调制器的部分侧截面图，示出了一种制作带有多个隐藏枢纽的微镜板的方法。
图24-26是一个空间光调制器的部分侧截面图，示出了一种形成反射微镜和释放微镜阵列中的单个镜的方法。
图27为具有抵抗静摩擦特点的微镜板底视图。
图28为一个微镜板下部透视图。
图29-31是一个空间光调制器的部分侧截面图，示出了一种具有一个或几个隐藏枢纽和部分被膜覆盖的第二空腔的微镜板的形成过程。
图32-34是一个空间光调制器的部分侧截面图，示出了形成反射微镜及释放微镜板的过程，这个镜板具有一个或几个隐藏枢纽和被膜部分覆盖的第二空腔。
图35是一个微镜板和控制基板展开透视图。
图36是一个接触到与控制基板连接的着陆端的微镜板的放大的截面图。
在不同附图中的同一参考数字和标记表示同一元件。
具体实施例方式
一种高对比度的用来显示和打印的空间光调制器(SLM)通过连接具有高活跃的反射区域填充率和非衍射的微镜阵列以及具有高静电效率和低表面粘附控制基板而构成。根据本发明的一个具体实施例，空间光调制器的部分截面图如图1a所示，以入射角θi的照明401的方向光411相对于微镜阵列的法线方向偏转(412)θo角度。在数字运行模式下，这种结构通常称为“开”位置。图1b为同一个空间光调制器截面图，且微镜板旋转到枢纽106的另一边下方的另一个电极上。同样方向的光411偏转(412)到一个更大角度θi和θo，这个角度由镜板102以及镜103到着陆端222下部表面和光吸收体402的出口之间的空隙间距决定。
根据本发明的另一个具体实施例，高对比度的空间光调制器(SLM)包含三个主要部分控制电路的底部部分，具有多个台阶形电极、微着陆端、枢纽支撑柱的中间部分，以及覆盖有多个带有隐藏扭转枢纽和空腔的微镜的上部分。
底部部分是一个晶片基板300，它带有寻址电路，用来有选择地控制空间光调制器(SLM)的微镜阵列中的每一个微镜的运转。寻址电路包括存储器单元阵列和用来传达信号的字线/位线互连。在硅晶基板上的电寻址电路可以利用标准CMOS技术制作，并且类似于低密度的存储器阵列。
高对比度的空间光调制器(SLM)的中间部分由台阶形电极221阵列，着陆端222，枢纽支撑柱105，以及支撑框架202形成。在本发明中的多层台阶形电极221设计用来在角跨越转变时提高静电扭矩的电容耦合效率。通过提升电极221的表面接近于枢纽106的区域，在镜板103和电极221之间的空隙间距足够狭窄。由于静电吸引力与镜和电极之间的距离的平方成反比，当镜子倾斜在着陆端位置时这个效果更明显。当在模拟模式运行时，高效的静电耦合允许更精确和稳定的控制空间光调制器中的单个微镜的倾斜角度。在数字模式下，在寻址电路中，它要求低很多的驱动电压电位来运行。依据第一高度电极到镜板之间的空隙的相对高度，第一高度电极221和第二高度电极之间的高度差从0.2微米到3微米不同。
在控制基板的表面上，为了制作简单，一对固定的竖立着陆端222a和222b设计成与第二高度电极221具有同样高度。一对固定的竖主着陆端222a和222b具有两个功能。垂直的微端提供一个柔和的机械着地(touch-down)以便每次角跨越转变时微镜以预定的角度精确地着陆到。在控制基板的表面上增加一个固定的着陆端222提高了运行的自动性且延长装置的可靠性。这些竖立着陆端222的第二功能是提供一个机制允许在镜103及其接触制动件222之间容易地分离，这个有效的减小了空间光调制器(SLM)的数字运行时的接触表面的粘附。例如，为了启动一次角跨越转变，一个双极尖峰脉冲电压Vb加到偏压电极303上，典型地通过镜板的扭转枢纽106和支撑柱105连接到每一个镜板103上。由双极偏压Vb建立的电势增强枢纽106两边的静电力。由于气隙间隔的较大不同，在着陆位置两边上的加固是不等的。尽管在镜板103a和103b的下部表面的偏压Vb的增加对于镜102向哪个方向旋转的影响较小，通过转变机电动能为储存在变形的镜枢纽106和变形的微着陆端222a或222b中的弹性势能，在整个镜板102上急速增加的静电力F提供了一个动态激励。双极脉冲在公共偏压Vb上释放后，当镜板从着陆端222a或222b弹起或弹回时，变形的着陆端222a或222b和变形的镜枢纽106的弹性势能转回为镜板的动能。镜板向静止状态的微扰使得能用更小的寻址电压Va以便镜板103从一个状态到另一个状态的角跨越转变。
在控制基板300的表面上的枢纽支撑框架202设计成加强成对的镜支撑柱105的机械稳定性，且在局部保存了静电势。为了简单化，支撑框架202的高度设计成与第一高度电极221一样的高度。利用镜板103的固定尺寸，一对枢纽支撑柱105的高度将决定了微镜阵列的最大偏转角θ。
高对比度空间光调制器(SLM)的上部分被微镜阵列完全覆盖，微镜阵列在上部表面具有光学平坦的反射层102，在镜板103下部部分的空腔下有一对扭转枢纽106。在镜板103中的一对扭转枢纽106制作成镜板103的一部分且在反射表面下保持在最小的距离，以便仅允许一个空隙用于预定的角度旋转。通过最小化枢纽旋转轴106到上部的反射表面102之间的距离，空间光调制器有效的减少了每一个镜在角转变时的水平位移。根据本发明，在空间光调制器(SLM)相邻镜之间的空隙能减少至小于0.2微米，以达到微镜阵列目前最高的活跃反射区域填充率。
用作微镜偏转装置的材料优选为导电的，稳定的，具有合适刚性，弹性和压力。理想的单一材料，例如机电材料，将同时包含镜板103的硬度和扭转枢纽106的弹性，弹性要具有足够的强度偏转而不折断。另外，所有用来构造微镜阵列的材料必须在400℃下处理，这个温度是一个典型的制作过程温度，且不伤害在控制基板中的之前制作的电路。
如图1a和1b所示的实施中，镜板102包括三个层。反射的上层103a由铝构成且代表性的为600埃厚度。中间层103b由基于硅材料构成，例如非晶硅，代表性的为2000到5000埃厚度。底层103c由钛构成并且代表性的为600埃厚度。从图1a和1b可以看出，枢纽106能作为底层103c的一部分实现。镜板102能通过如下的描述制作。
根据本发明的另一个具体实施例，镜板103、扭转枢纽106和支撑柱105的材料由基于铝-硅材料的机电材料构成，例如铝，硅，多晶硅，非晶硅，以及铝硅合金及其合金。在控制室中用500℃以下的温度，通过PVD磁电管溅射单一的包含有铝或/和硅的靶完成沉积。同一结构层也可由PECVD形成。
根据本发明的另一个具体实施例，镜板103、扭转枢纽106和支撑柱105的材料由基于高熔点金属的机电材料构成，例如钛，钽，钨，钼，它们的硅化物及其合金。高熔点金属和它们的硅化物与CMOS半导体加工相适应且具有相对好的机械特性。这些材料可以通过PVD、CVD和PECVD沉积。光学反射率根据镜板103的表面上的应用可以进一步通过PVD沉积金属膜层102增强，例如为铝，金，或它们的合金。
为了达到偏转视频图像的高对比率，任何来自微镜阵列的散射光应该被减小或消除。大多数共同的干扰来自于衍射图，其通过从单个镜前边缘和后边缘的光散射产生。衍射问题的解决方案就是减弱衍射图的强度且将来自于各个像素的不活跃区域的散射光引导到远离投射孔的不同方向。一种方法是沿相对于正方形镜板102像素的边缘45°的方向引导入射光411，这个有时被称作对角枢纽或者对角照明结构。图2是一个透视图，显示了利用对角照明系统的镜阵列的部分的上方，每一个镜102为正方形。阵列中镜的枢纽106沿着镜的两个相对的角的对角方向且垂直于光线411制作。带有对角线枢纽轴的正方形镜的优点是它能够将来自于前边缘和后边缘的散射光偏转到远离投射孔403 45°。缺点是其要求投射棱镜装配系统相对于空间光调制器(SLM)的边缘倾斜。当一个常规的矩形TIR棱镜系统用于区分每一个镜102选择的光的“开”和“关”时，对角线照明结构具有低的光学耦合率。为了覆盖所有活跃的像素阵列，扭曲聚焦点要求的光大于矩形微镜阵列的表面尺寸。较大的矩形TIR棱镜增加了投射显示器的成本、尺寸和重量。
图3显示了用作投射系统的控制电路基板部分的上方的透视图，该系统具有对角照明结构。一对台阶形电极221对角排列，因此提高了镜板103的电容耦合的静电效率。两个微端211a和211b作为着陆制动件用于镜103的机械着陆，以保证倾斜角θ的精度和克服接触摩擦。微端222a和222b由高弹簧常数材料构成，并作为着陆弹簧减少当镜冲下时的接触面积。在二级台阶形电极221的边缘的这些微端222的第二功能是它们的弹性作用将它自身和镜板103分离。当一个双极尖峰电压Vb通过镜阵列一个共同的偏压303施加到镜103上时，在整个镜板103上急速提高的静电力F通过转变机电动能为储存在变形的镜枢纽106内的弹性势能提供了一个动态激励。当镜板从着陆端222弹起和弹回时，弹性势能转变回镜板103的动能。
空间光调制器(SLM)中镜的直线和拐角边缘周期阵列产生衍射图，通过以固定角度的散射光411导致减小了投影图像的对比度。阵列中的镜的弯曲形状的前边缘和后边缘由于光411在镜边缘的散射角的变化产生更弱的衍射图。根据本发明的另一个具体实施例，进入投射孔403的衍射强度的减弱，同时仍然维持一个垂直的照明光学系统通过用至少一个或一系列弯曲形状的带有相对的凹进和突出的前边缘和后边缘代替矩形镜直边或固定角形状而实现。在垂直于入射光411的前边缘和后边缘中形成的曲线减弱了衍射强度，并且减小了直接衍射到投射系统的衍射光的大部分。
垂直照明具有高的光学系统耦合效率，并且要求低花费、小尺寸和较轻的TIR棱镜。然而，由于来自镜前边缘和后边缘的散射光直接被散射投射孔403，它引起了一个衍射图减小了空间光调制器(SLM)对比度。图4是一个透视图，显示了带有垂直照明结构的用来作为投射系统的具有矩形镜的镜阵列部分的上方。扭转枢纽106平行于镜前边缘和后边缘且垂直于光411。因此在空间光调制器(SLM)的镜像素被垂直照射。在图4中，阵列中的每一个镜在前边缘突出和后边缘的凹进中具有一系列曲线。原理就是曲线边缘减弱了散射光的衍射强度并且它进一步以不同的角度衍射大部分散射光远离光学投射孔403。依据选择的曲线数，每一个镜的前边缘和后边缘的曲率半径r可以不同。随着曲率半径r的变小，衍射降低效果更显著。为了使衍射减少效果最大化，根据本发明的另一个具体实施例，设计了一系列小曲率半径r形成了阵列中的每个镜的前边缘和后边缘。曲线数可以根据镜像素尺寸变化，对于10微米尺寸的正方形镜像素，在前边缘和后边缘的两到四个曲线提供一个最适宜的低衍射结果并在当前制造能力的范围内。
图5是一个透视图，显示了带有垂直照明411结构的用来作为投射系统的控制电路基板300的部分的上方。不像传统的平板电极，升起在控制基板300的表面上的两级台阶形电极221靠近枢纽轴，使平板镜板103和底部电极221之间的有效气隙间距变窄，这个大大地增强了镜板103的电容耦合的静电效率。台阶形电极221的级数可以从一到十变化。然而，台阶形电极221的级数越大，制造此装置的复杂度和花费越多。实用的数为二到三。图5还显示了由微端222构成的机械着陆停止件垂直于控制基极300的表面。这些端222在角跨越转变的着陆运行进程中提供一个机械停止。在台阶形电极221的边缘的微端222作为着陆端进一步克服了接触表面的粘附。低电压驱动和高效的微镜阵列设计允许微镜一个大的总偏转角度(|θ|＞15°)运行，以便提高空间光调制器(SLM)的明亮度和对比度。
该反射空间光调制器的另一个优点是通过在镜板103下部部分内的空腔下安置的扭转枢纽106产生了最大可能的活跃的反射区域填充率，这个基本完全消除了镜板103在角跨越转变时的水平位移。图6显示了镜阵列的部分一个放大后视图，其设计成利用四个前边缘和后边缘来减少衍射强度，用来作为带有垂直照明411结构的发射系统。再一次，成对的扭转枢纽106安置在作为镜下部103的部分的空腔下，并且被支撑框202上方的成对的支撑柱105支撑。一对枢纽支撑柱105具有截面宽度W，大于扭转枢纽棒106的宽度。由于枢纽106的轴到镜的反射表面的距离保持在最小，通过紧密地充满(pack)各个镜像素获得高活跃反射区域填充率，而不用担心水平位移。在本发明的一个实施例中，镜像素尺寸(a×b)大约为10微米×10微米，而曲率半径r大约为2.5微米。
图7是一个镜板部分的放大后视图，显示了镜板103下部内的空腔下的扭转枢纽106和它们的支撑柱105。为了获得最佳的性能，在空腔中维持一个最小的空隙G是重要的，扭转枢纽106在这个空腔中产生。枢纽106的尺寸根据镜102的尺寸变化。在本发明中，每一个扭转枢纽106的尺寸大约为0.1×0.2×3.5微米，而支撑柱105具有正方形形状的截面部分，每一边W大约为1.0微米宽度。由于支撑柱105的上表面也在镜板103下部的空腔下，空腔中的空隙G必须足够高以便容纳镜板103以预定的角度θ角旋转而不接触到较大的枢纽支撑柱105。为了镜旋转预定的角度θ而不接触到枢纽支撑柱105，扭转枢纽106放置的空腔的空隙必须大于G＝0.5×W×SIN(θ)，此处的W是枢纽支撑柱105的截面宽度。
图8为一个框图，示例了在一个方向旋转15°时镜板103的扭转枢纽106周围的最小空隙间距G。这个计算表明空腔中的扭转枢纽106的空隙间距G必须大于G＝0.13W。如果正方形枢纽支撑柱105的每一边宽度W为1.0微米，空腔中的空隙间距G应该大于0.13微米。为了在角转换运行中没有水平位移，微镜阵列中的单个镜之间的水平缝隙应该减少到小于0.2微米，根据本发明，这个将导致空间光调制器(SLM)96％的活跃反射区域填充率。
根据本发明的另一个具体实施例，高对比变空间光调制器的制作分成四个利用标准CMOS技术的连续部分。类似于低密度存储器阵列，首先形成一个控制硅晶片基板，该控制硅晶片基板具有支撑框以及在其表面上且连接到晶片中寻址电路中存储器单元的第一高度电极阵列。第二是在控制基板的表面上形成多个第二高度电极，微着陆端，和枢纽支撑柱。第三是在每一对支撑柱上形成多个带有隐藏枢纽的镜。最后，在最终移除剩余的牺牲材料之前，将制作的晶片分离成单个的空间光调制器装置小片(die)。
图9显示了一个高对比度的空间光调制器制作过程流程图的优选的实施例。利用普通的半导体技术，通过制作具有多个存储器单元和用于传递信号的字线/位线互连结构的CMOS电路晶片810作为控制基板，开始制造过程。多个第一高度电极和支撑框架通过图案化多个通孔而形成，该通孔通过电路的钝化层开口直到控制基板820中的寻址节点。为了增强后面的机电层的粘附，通孔和连接开口暴露在2000瓦的射频(RF)或者在大约250℃温度下用混合比例为40∶1∶5的O2，CF4和H2O气体混合物的带有2托总压力的微波等离子体中小于5分钟。根据填充通孔并在控制基板821的表面上形成电极层所选择的材料，通过物理汽相沉积(PVD)或者增强的等离子化学汽相沉积(PECVD)的沉积得到机电层。然后机电层被图案化且各向异性地被蚀刻直到形成了多个电极和支撑框架822。部分制作的晶片被测试823以保证进行进一步的处理之前电子功能。
根据本发明的一个优选的实施例，机电层为铝金属化物(metallization)，其可以采用纯铝，钛，钽，钨，钼膜，铝/多晶硅复合物，铝-铜合金，铝-硅合金的形式。然而这些金属物中的每一个具有稍微不同蚀刻特性，他们可以用等离子蚀刻铝中类似的化学方法蚀刻。在本发明中，两步过程用来各向异性地蚀刻铝金属化物层。首先，晶片用电感耦合等离子体蚀刻同时流动流速分别为100sccm，20sccm，和20sccm的BCl3，Cl2和氩混合物。操作压力范围为10到50毫托，电感耦合的等离子体偏置功率为300瓦，源功率是1000瓦。在蚀刻的过程中，晶片通过在1托压力下20sccm流量的后部氦气冷却。由于铝图案不能简单的从蚀刻室移除到周围环境中，必须执行第二氧等离子体处理步骤以清除钝化的铝表面。在钝化的处理中，部分制作的晶片表面暴露于2000瓦的射频中，或者在大约250℃温度下，2托压力的3000sccm流量的水蒸汽的微波等离子体中小于3分钟。
根据本发明的另一个具体实施例，机电层是硅金属化物，可以采用多晶硅，多酸(polycide)，或者硅化物的形式。然而这些机电层中的每一个具有稍微不同的蚀刻特性，他们可以用多晶硅的等离子体蚀刻类似的化学方法蚀刻。各向异性的多晶硅蚀刻能利用大多数的基于Cl和F的进料，例如Cl2、BCl3、CF4、NF3、SF6、HBr，以及他们和Ar、N2、O2、H2的混合物实现。在本发明中，多晶硅或硅化物层(WSix，TiSix，TaSi)用电感耦合等离子体各向异性地蚀刻，同时流动流速分别为100sccm，50sccm，20sccm，和10sccm的Cl2、BCl3、HBr和HeO2气体。在另一个具体实施例中，多酸层在反应离子蚀刻室各向异性地蚀刻，同时分别以50sccm，40sccm，40sccm和10sccm流量流入Cl2、SF6、HBr和HeO2气体。在两种情况下，操作压力为10到30毫托，电感耦合等离子体偏置功率为100瓦，源功率为1200瓦。在蚀刻的过程中，晶片通过在1托压力下以20sccm流量的后部氦气冷却。典型的蚀刻速度达到每分钟9000埃。
为了提高静电效率和减小在微镜阵列的角跨越转变时的摩擦，多个第二高度电极和微着陆端制作在控制基板的表面上。首先，牺牲材料层以预定的厚度沉积在部分制作的晶片830的表面上。如果牺牲材料是光致抗蚀剂，层被旋转的涂在表面上。如果它是有机的聚合物，该层通过PECVD沉积。为了准备后面的构建，牺牲层必须通过暴露这个层在紫外线光中变硬，然后暴露在CF4等离子体中大约3分钟，再在150℃下烘焙大约两个小时，最后暴露该层在氧等离子体中大约一分钟。第二，牺性层被图案化并形成用于多个第二高度电极，着陆端，和支撑柱831的通孔和接触开口。第三，第二机电层根据选择的材料通过PVD或PECVD方式沉积，形成多个第二高度电极，着陆端，和支撑柱832。最后，第二机电层通过化学机械抛光(CMP)833被平面化到预定的厚度。优选的第二高度电极和微着陆端的高度小于一微米。
一旦升起的多层台阶形电极和微着陆端形成在CMOS控制电路基板上，在每对支撑柱上带有隐藏枢纽的多个镜被制成。这个过程开始于以预定的厚度沉积牺牲材料在部分制成的晶片表面上840。牺牲层图案化以形成用于多个枢纽支撑柱的通孔841。根据填充通孔并形成扭转枢纽和镜的部分的薄层所选择的材料，牺牲层在通过PVD或PECVD沉积机电材料之前进一步变硬842。机电层通过CMP被平面化到预定的厚度843。机电层图案化多个开口以形成多个扭转枢纽850。为了在位于空穴下方的镜板和扭转枢纽的下部形成多个空腔，牺牲材料再一次沉积填充到扭转枢纽周围的开口空隙且以预定的厚度在枢纽上方形成薄层851。优选的厚度是稍微大于G＝0.5×W×SIN(θ)，此处的W为枢纽支撑柱105的截面宽度。牺牲层被图案化以在每一个扭转枢纽上方形成多个间隔件852。另外的机电材料沉积以覆盖部分制成的晶片的表面853。在图案化多个开口之前机电层通过CMP854被平面化到预定的厚度以形成单个的镜板之间的多个空隙870。镜表面的反射率可以通过PVD沉积400埃或者更小厚度的反射层而得到增强，该反射层通过从以下组材料中选择，该组包括铝，金和它们的组合物860。
为了将制成的晶片分离成单个的空间光调制器装置分离成小片，一个厚的牺牲材料层沉积覆盖在制成的晶片表面以便保护880。然后制成的晶片在分离成单个小片之前通过刻画和折断882被部分地锯断881。在剩余的牺牲材料的射频或微波等离子体剥离884之前，空间光调制器装置小片被附接到具有引线接合器和互连的芯片基体上883。空间光调制器(SLM)装置小片在电光功能测试886之前，通过在镜板与电极及着陆端表面之间的接触面进行润滑剂的PECVD涂覆而进一步被润滑885。最后，空间光调制器(SLM)装置由玻璃窗边缘密封887，并为了可靠性和鲁棒性质量控制被送到预烧(burn-in)过程888。
微镜阵列在数字运行时的一个主要问题是微镜在机械着陆位置的高静摩擦。表面接触粘附能增加到超过控制电路的静电力使得在潮湿的环境中导致装置的静摩擦失效。为了在角跨越转变的接触和碰撞中减小镜板103和着陆端222之间的连接粘附，防止接触面的机械磨损退化，一个薄的润滑涂层沉积在镜板103的下部和电极221和着陆端222的表面上。所选择的润滑物应该热稳定，低蒸汽压力，以及和形成微镜阵列装置的金属化物和机电材料不反应。
本发明的一个具体实施例，碳氟化合物膜涂覆在镜板的下部表面以及电极和着陆端表面。空间光调制器(SLM)装置暴露于碳氟化合物等离子中，例如CF4，在大约200℃的基板温度下小于五分钟。表面103上的氟用来阻止水粘附或接触到镜板以及下面的电极和着陆端的界面，这消除了镜在着陆运行时湿度对静摩擦的影响。因为氟原子存在于暴露的表面附近，在镜板103和下面的电极221以及着陆端222之间的界面中涂覆碳氟化合物膜提供了足够的对水的排斥性能。
在本发明的另一个具体实施例中，全氟聚醚(PFPE)或者全氟聚醚(PFPE)混合物或者膦嗪派生物通过PECVD以200℃的基板温度在镜板103和下面的电极221和着陆端222的界面上沉积小于五分钟。PFPE分子的总蒸汽压力范围为1×10-6到1×10-11atm。润滑剂膜的厚度小于1000埃。为了改进金属化物或者说机电层的表面上的粘附和润滑性能，由于磷酸酯与金属表面的亲和力，因此可以选择磷酸酯。
在一系列截面图中示出了制造高对比度空间光调制器的各个过程的更详细的描述。图10到图13是部分空间光调制器的截面侧视图，示出了一种制作连接到寻址电路中存储器单元的多个支撑框架和第一高度电极的方法。图14到图17是部分空间光调制器的截面侧视图，示出了一种在控制基板表面上制作多个支撑柱，第二高度电极，和着陆端的方法。图18到图20是部分空间光调制器的截面侧视图，示出了一种在支撑框架上制作多个扭转枢纽和其支撑的方法。图21到图23是部分空间光调制器的截面侧视图，示出了一种制作带有多个隐藏枢纽的镜板方法。图23到图26是部分空间光调制器的截面侧视图，示出了一种形成反射镜和释放微镜阵列的单个镜的方法。
图10是一个截面图，其示出了利用标准CMOS制作技术后的控制硅晶片基板600。在一个实施例中，在控制基板上的控制电路包括存储器单元阵列、用来交流信号的字线/位线互连。存在多种不同方法来制作执行寻址功能的电路。DRAM，SRAM，和公知的锁存装置都能执行寻址功能。由于镜板102面积在半导体尺度内相对大(例如，镜板102具有大于100平方微米的面积)，复杂电路可以制造在微镜102的下方。可能的电路包括，但是并不是限制于，存储时间顺序的像素信息的存储器缓冲区，以及执行脉冲宽度调制转换的电路。
在一个典型的CMOS制作过程过程中，控制硅晶片基板由钝化层601，例如氧化硅或者氮化硅覆盖。在寻址电路中，钝化的控制基板600各向异性地被图案化和蚀刻形成通孔621，连接到字线/位线互连，如图11所示。根据本发明的另一实施例，介电材料例如氧化硅或者氮化硅各向异性的蚀刻，通过基于C2F6和CHF3的进料以及它们与He和O2的混合完成。在总压力为100mTorr且电感源功率为1200瓦和偏置功率为600瓦，一个优选的高选择性的介电蚀刻过程流入比例为10∶10∶5∶2的C2F6，CHF3，He和O2的混合物。然后，晶片通过在2托压力下，以20sccm的流速的后边氦气流冷却。典型的氧化硅蚀刻速度能达到每分钟8000埃。
下面，图12显示了根据选择的机电材料，通过PVD或PECVD沉积机电层602。机电层602被图案化以定义枢纽支撑框架202和对应每一个微镜102的第一高度电极221，如图12所示。图案化机电层602通过下列过程完成。首先，将光致抗蚀剂层旋涂以覆盖基板表面。然后光致抗蚀剂层暴露于标准的光刻且发展形成预定的图案。机电层各向异性地被蚀刻直到形成多个通孔和开口。一旦通孔和开口形成，部分制成的晶片通过移除开口表面和内部的残渣得到清洁。这个通过暴露图案化的晶片在2000瓦射频(RF)或者在大约250℃温度下以40∶1∶5比例混合的O2，CF4，和H2O气体混合物的2托压力下的微波等离子体中小于5分钟。最后，机电层表面的钝化通过暴露在2000瓦射频(RF)或者大约250℃温度下，3000sccm水蒸汽的2托压力下的微波等离子体中小于三分钟。
下一步是在部分制作的晶片表面上形成多个第二高度电极221，微着陆端222，和支撑柱105。微米厚的沉积材料604沉积在基板表面上，基板表面可旋涂光致抗蚀剂或者有机聚合体的PECVD，如图13所示。牺牲层604通过一系列热处理和等离子处理变硬，以将材料从聚合物疏水状态转变成亲水状态。首先，牺牲层604暴露在紫外线下，然后暴露在CF4下大约三分钟，紧接着在暴露牺牲层到氧等离子体中大约一分钟之前，在大约150℃下烘焙牺牲层大约两个小时。在一些情况下，利用硅，将硼或者磷离子以千电子伏特(KeV)能量注入到牺牲层进一步使牺牲层604变硬。
然后，牺牲层604被图案化形成第二高度电极的多个通孔和接触开口632，微着陆端633，和支撑柱631，如图15所示。为了增强后来的机电层的粘附力，通孔和接触开口暴露在2000瓦射频(RF)或者在大约250℃温度下以40∶1∶5比例混合的O2，CF4，和H2O气体混合物的2托压力下的微波等离子体中小于5分钟。然后机电材料603被沉积以填充通孔和接触开口。依据选择材料的不同，填充通过PECVD或者PVD完成。对于从如下组中选择的材料，该组由铝，钛，钨，钼及它们的合金组成，PVD在半导体行业中是一个通用的沉积方法。对于从如下组中选择的材料，该组由硅，多晶硅，硅化物，多酸，钨，及它们的组合组成，选择PECVD作为沉积方法。部分制作的晶片进一步通过CMP被平面化到预定的厚度，稍微小于1微米，如图16所示。
经过CMP平面化之后，图17显示了牺牲材料604的另一层旋涂在覆层表面形成预定的厚度且变硬以形成扭转枢纽下方的空隙间距。牺牲层604图案化形成枢纽支撑柱641的多个通孔或接触开口，如图18所示。在图19中，机电材料被沉积以填充通孔并且在表面形成扭转枢纽层605。然后枢纽层605通过CMP被平面化到预定的厚度。这儿形成的机电层605的厚度决定了扭转枢纽棒的厚度和后来的镜的机械性能。
部分制作的晶片图案化且各向异性地蚀刻以在机电层605内形成多个扭转枢纽106，如图20所示。更多的牺牲材料604被沉积以填充环绕每个枢纽的开口643且以预定的厚度在表面形成一个薄层604，如图21所示。层604的厚度决定了在每个扭转枢纽106上的间隔件的高度。然后牺牲层604在每一个扭转枢纽106上方图案化形成多个间隔件，如图22所示。由于支撑柱642的上表面也在作为镜板103的下部的空腔下方，空腔中的空隙G必须足够高以便可供镜板103以预定角度θ角旋转，而不接触到较大的枢纽支撑柱105。为了镜旋转预定的角度θ而不接触枢纽支撑柱105，安置扭转枢纽106的空腔的空隙必须大于G＝0.5×W×SIN(θ)，此处的W为枢纽支撑柱105的横截面宽度。在本发明中，阵列中的每一个镜可以在每个方向旋转15°。该计算表明空腔中的扭转枢纽106的空隙间距G必须大于G＝0.13W。如果正方形枢纽支撑柱105的每一边W的宽度为1.0微米，空腔中空隙间距G应该大于0.13微米。
为了在镜板103的下部中每个空腔下方形成带有扭转枢纽106的镜，更多的机电材料605被沉积以覆盖多个牺牲间隔件，如图23所示。在一些情况下，增加化学-机械-磨光(CMP)过程以保证机电层605在蚀刻以形成单个的镜之前获得平整反射表面。整个机电层605的厚度将最后接近于最后制作好的镜板103的厚度。在图23中，部分制作的晶片表面通过CMP被平面化到镜板103预定的厚度。在本发明中，镜板605的厚度在0.3微米到0.5微米之间。如果机电材料是铝或者它的金属合金，镜的反射率足够高以适用于大多数显示应用。对于其他一些机电材料或者其他的应用，镜表面的反射率通过沉积400埃或者更小厚度的反射层606得以增强，反射层的从如下组选择，该组包括铝、金、它们的合金及它们的组合，如图24所示。然后机电层的反射表面606被图案化和各向异性地蚀刻直到形成多个单个的镜，如图25所示。
图26显示了通过阵列中的每一单个的镜之间的多个空隙移除剩余的牺牲材料604和清扫残渣，以形成基于性能良好的微镜阵列的空间光调制器。在一个真实的制作环境中，在交付一个功能良好的空间光调制器应用于视频显示前，要求更多的过程。在机电层605的反射表面606图案化和各向异性地蚀刻形成多个单个的镜之后，更多的牺牲材料604被沉积以覆盖制作好的晶片表面。具有牺牲层604保护的它的表面，制作好的晶片经历通常的半导体封装过程以形成单个的装置小片。在封装过程中，制作的晶片在通过刻划和折断882方式分离成单个的小片之前被部分锯断881。空间光调制器装置小片在剥离结构884中剩余的牺牲材料604和它的残渣之前利用引线接合器和互连883附接于芯片基体。在大约250℃下，暴露图案化的晶片在2000瓦射频(RF)或者以40∶1∶5比例混合的O2，CF4，和H2O气体混合物的2托压力下的微波等离子体中小于五分钟，完成清扫。最后，机电表面和金属化物结构暴露在2000瓦射频(RF)或者在大约250℃下2托压力的3000sccmH2O蒸汽的微波等离子中小于三分钟而钝化。
在等离子体清除和电光功能测试886之前，通过在大约200℃下，暴露于碳氟化合物的PECVD小于五分钟885，空间光调制器(SLM)装置小片进一步覆盖防摩擦层在开口结构的内部。最后，空间光调制器(SLM)装置密封在一个玻璃窗边缘887且为了有可靠性和高鲁棒性质量控制888被送到预烧过程。
尽管本发明已经参考各种实施例进行了详细的显示和描述，对于相关领域的技术人员将理解，可以在形式和细节上进行各种改变，并不脱离本发明的精神和范围。例如，同样的三维多层结构可以通过图案化和蚀刻机电层得以构造，而不是图案化牺牲层和蚀刻通孔。
图27是一个微镜板1000的底视图，微镜板1000在下部表面1010上具有防静摩擦的特点。图28是微镜板下部的透视图。至少下部表面1010的一部分是导电的。导电的表面连接到一个电路上，以便电压能加到控制基板上方的下部表面1010和电极上。一对空腔1021和1031制作在微镜板1000的下方。一对扭转枢纽1020和1030分别延伸到空腔1020和1030中。扭转枢纽1020和1030分别通过枢纽1023和1033连接到微镜板1000的主体部分，枢纽支撑柱1025和1035连接到控制基板(1150)。
扭转枢纽1020通过一个空隙与空腔1021的壁分离开，以便允许镜板1000相对扭转枢纽1020旋转或倾斜。延长的枢纽桥1023的一端连接到扭转枢纽1021而另一端连接到微镜板1000主体。枢纽桥1023的侧表面通过一个通道1022和枢纽桥1023上表面上方的空隙与微镜板1000的主体部分分离。相似地，扭转枢纽1030通过空隙与空腔1031的壁分离。延长的枢纽桥1033的一端连接到扭转枢纽1031而另一端连接到微镜板1000主体。枢纽桥1033的侧表面通过一个通道1032和枢纽桥1033上表面上方的空隙与微镜板1000的主体部分分离。
如图28描述，扭转枢纽1020和1030连接到固定在控制基板上的枢纽支撑柱。当通过跨控制基板上的电极及镜板1000导电下部表面1010上的电压产生的静电力，转矩施加到微镜板1000上时，如前所讨论，微镜板1000能围绕由两个扭转枢纽1020和1030决定的对角线轴倾斜，这在延长的枢纽桥1023和1033中产生扭转变形。微镜板可以通过电感应扭矩抵靠固定在控制基板上的微端211a和211b，被保持在两个角位置，如图1a和1b所示。入射光波因此可以通过微镜1000反射的上表面在两个或更多方向反射。
对于SLM装置的一个挑战就是克服微镜板到停止位置时的接触静摩擦，以便SLM装置内的快速反应时间。微镜板下部表面到着陆端1240末梢的接触静摩擦可以使得当微镜板受到的驱动静电力撤销或反向后，变慢或者阻止微镜板返回到它起始的角位置。接触摩擦由范德瓦尔斯力和毛细管作用力引起，范德瓦尔斯力和毛细管作用力通过接触表面之间的湿度产生。
为了处理接触摩擦问题，微镜板1000包括两个附加的空腔1041和1051。空腔1041能局部由留有一个或多个开口1042的膜1040覆盖。类似地，膜1050架在空腔1051上。膜1050局部地覆盖空腔1051，留有一个或多个开口1052。膜1040和1050被安置为使得当微镜1000旋转时着陆端1240中的一个接触膜1040和1050中的一个。
空腔1041和1051和膜1040和1050可以如空腔1021和1031和扭转枢纽1021和1031一样的过程步骤形成。空腔1041和1051通过移除牺牲材料形成，这在膜1040和1050内部留下空隙。膜1040和1050通过一个层形成，该层包括钛，钽，钨，钼或者这些材料的合金。膜1040和1050也可以由硅，非晶硅，多晶硅，或者氮化硅构成。在一个实施例中，膜1040和1050基本上包括与微镜板1000主体一样的沉积材料。
空腔1041和1051可以通过利用膜1040和1050通过开口1042和1052移除牺牲材料层而形成。牺牲材料，例如，可以为光致抗蚀剂层。在一个实施例中，牺牲材料层作为与前面描述的用于形成空腔1021和1031的牺牲层相同的层而被图案化和沉积。膜1040和1050与扭转枢纽1021和1031由相同的沉积材料层形成。同时形成防粘元件(feature)和扭转枢纽具有如下优点降低了制作复杂度和生产价格，增加了生产吞吐量。
图29-34为空间光调制器部分的截面侧视图，描述了一个镜板的制作过程，此镜板具有其中定位有一个或几个隐藏枢纽的第一空腔以及被一个膜部分覆盖的第二空腔。显示在图27中沿着线A-A’的截面图。在图29-34中描述的制作步骤相似于图21-26显示的那样，除了附加的防摩擦元件，该元件包括空腔1041和1051以及膜1040和1050。特别的，参考图29，在牺牲材料604被沉积在枢纽层605上之前，开口1042和1052被图案化和蚀刻在枢纽层605中(开口1042和1052在图29-34的截面图中不可见)。如图30所示，牺牲材料604被沉积之后，它被图案化并在开口1042和1052内扭转枢纽层605的上方要形成空腔1041和1042的位置处遗留牺牲材料部分604a和604b。当机电层608被沉积，在图31中，牺牲材料的两个小块(pocket)604a和604b形成在扭转枢纽层605表面上的机电层608中。反射层606沉积在图32中扭转枢纽层上。机电层的反射层606然后被图案化。孔被各向异性地蚀刻通过反射层606，机电层608，和扭转枢纽605进入牺牲层604以限定多个单个的镜，如图33所示。图34中，牺牲材料被移除以在枢纽层605内形成开口1042和1052和在开口1042和1052上方的机电层608内形成空腔1041和1051。膜1040和1050保留，架在空腔1041和1051上方。
图35为微镜板1100和控制基板1150上各种层的展开透视图。微镜板1100包括反射层1110，平板层1120，间隔件层1130，以及枢纽-膜层1140。用于防摩擦的第二空腔和用于扭转枢纽的间隔层形成在间隔件层1120中。扭转枢纽1020和1030以及膜1040和1050形成在枢纽-膜层1140内。控制基板1150包括枢纽支撑柱1025和1035，台阶形电极1160，和其它的如上所述的组件。控制基板上的着陆端1240分别与各个膜1140和1150对齐。
图36显示了图27中沿着线A-A’截面图在倾斜角位置下的微镜板1200放大视图。微镜板1200包括基板部分1211，反射的上表面层1210，空腔1212，和架在空腔1212上的膜1220。微镜板1200的倾斜可以通过静电力驱动。固定在控制基板1230上的着陆端1240用来通过接触膜1220停止微镜板1200的倾斜。施加在微镜板1200上的向下静电力能引起膜1220和着陆端1240的应变。作为结果，膜1220扭曲成变形的膜位置1221(如虚线描述，为了更清楚，图36中的变形被放大)。
着陆端1240也弯曲成变形的着陆端位置1241(用虚线，为了更清楚，图36中的变形被放大)。膜1220的变形在膜1220中储存了机械势能。当微镜板的导电的下表面和控制基板上的电极之间的电压移除或者反向时，储存在膜1220中的机械势能可以被释放而产生一个弹性力，这个弹性力推斥着陆端1240的端部。同样的，弯曲的着陆端1240也储存的机械势能，这个势能当驱动静电力移除或反向时可以释放以推开微镜板1200。或者单个着陆端或者一起的势能释放，这个辅助的性能克服了在接触表面的接触摩擦，保证了着陆端1240和膜1220之间的快速分离。
公开的SLM装置可以包括单着陆端，连接到基板，用于停止镜板的旋转。镜板包括空腔和在镜板下侧的空腔上方的膜。如上所述，当镜板通过静电力向着陆板旋转时，膜可以接触着陆端以便停止微镜的旋转。膜接触着陆端时镜板的方向决定了镜板用于光调制时的一个角位置。着陆端和膜之间的接触储存弹性能量在形变的膜和弯曲的着陆端中。当镜板被另一个静电力旋转远离着陆端时，弹性力的释放帮助克服了着陆端和镜板之间的接触摩擦。镜可以倾斜到水平方向或者另一个角方向，这个决定了通过镜板的光调制的第二状态。
本发明的具体实施例和在这个说明书中描述的所有的功能操作能通过如下方式实现数字电子电路，或者计算机软件，固件，或硬件，包括在这个说明书中公开的结构和它们的结构等同物，或者它们的组合。本发明的具体实施例可以作为一个或者几个计算机程序产品实现，例如，一个或几个计算机程序指令模块编码在计算机可读的介质上，例如一个机器可读的存储装置，机器可读的存储介质，存储器装置，或机器可读的传播信号，以便由数据处理设备执行或者控制数据处理设备的运行。术语“数据处理设备”包括所有处理数据的设备，装置和机器，包括，作为示例，可编程处理器，计算机或者多处理器或计算机。除了硬件，设备可以包括代码，该代码能为考虑中的计算机程序创造执行环境，例如，代码组成了处理器固件，协议堆栈，数据库管理系统，操作系统，或者它们的组合。传播信号是人工产生的信号，例如机器产生的电、光学、或者电磁信号，其被产生以编码信息，用来传送到合适的接收设备。
计算机程序(如所知的程序，软件，软件应用，脚本或代码)可以以任何形式的编程语言编写，包括编译的或者解释语言，且它能以任意形式部署，包括作为单机程序或者作为模块，组件，子程序或者其他适合用在计算环境中的单元。计算机程序在文件系统中不必对应于一个文件。程序能存储在文件的部分中，这个文件支持其它程序或者数据(例如，一个或多个脚本存储在标记语言文档中)；致力于考虑中程序的单个文件中，或者在多个同等的文件中(例如，用来存储一个或多个模块，子程序，或者代码部分的文件)。计算机程序能部署成在一个计算机或多个计算机上执行，多个计算机位于一个节点或者散布在多个节点且通过通信网络互连。
本说明中描述的过程和逻辑流程能通过一个或多个可编程处理器实现，这些处理器执行一个或多个计算机程序以通过输入数据和产生输出来完成功能。过程和逻辑流程图的完成和设备的实现可以通过专用逻辑电路，例如FPGA(场可编程栅极阵列)或者ASIC(专用集成电路)。
适用于执行计算机程序的处理器包括作为示例，通用和专用微处理器，以及任一种数字计算机的任何一个或多个处理器。总的来说，处理器接受来自于只读存储器或者随机存取的存储器或者两者的指令和数据。计算机的必要元素是用来执行指令的处理器和用来存储指令和数据的一个或多个存储器装置。总的来说，计算机也包括，或者运转地连接一个或多个用来存储数据的大规模存储装置，例如，磁的，磁-光磁盘，或者光盘，以接收数据或者传送数据，或者两者都有。然而，计算机不必具有这些装置。另外，计算机也可以嵌入在另一个装置中，例如移动电话，个人数字助理(PDA)，移动音频播放器，全球定位系统(GPS)接收器，还有一些未命名的装置。适合包含计算机程序指令和数据的信息载体包括所有形式地非易失性存储器，包括用来示例的半导体存储器装置，例如，EPROM，EEPROM，和闪存装置；磁盘，例如内部硬盘或者可移动盘；磁-光盘；以及CD-ROM和DVD-ROM盘。处理器和存储器可以由专用逻辑电路补充或者并入其中。已经根据一些优选的实施例描述了本发明。本发明，然而，并不限于实施例所描写和描述的。另外，本发明的范围由所附的权利要求限定。
权利要求
1.一种空间光调制器，包括镜板，包括反射上表面、具有导电表面部分的下表面、具有第一空腔和第二空腔以及在第二空腔上的膜的基板部分，其中第一空腔具有在下表面上的开口，第二空腔位于基板部分中；基板，包括上表面、与上表面相连的枢纽支撑柱、以及由枢纽支撑柱支撑且与镜板连接以使镜板容易旋转的枢纽组件，其中枢纽组件配置为延伸到第一空腔中以使镜板容易旋转；以及竖立着陆端，连接到基板的上表面，其中竖立着陆端配置为接触镜板的基板部分内第二空腔上的膜，以便在预定的方向上停止镜板的旋转。
2.如权利要求1所述的空间光调制器，进一步包括在基板上表面上方的电极。
3.如权利要求2所述的空间光调制器，其中竖立着陆端配置为当在基板上方的电极和镜板下表面中的导电表面部分之间施加静电电压时，接触镜板的基板部分中第二空腔上的膜，以便在预定的方向上停止镜板的旋转。
4.如权利要求3所述的空间光调制器，其中镜板的基板部分内的第二空腔上的膜配置为当镜板被该静电电压产生的静电力推动并被竖立着陆端停止时，由竖立着陆端使该膜形变。
5.如权利要求4所述的空间光调制器，其中所述膜配置为恢复形变并产生反推竖立着陆端的弹性力。
6.如权利要求1所述的空间光调制器，其中所述膜部分地覆盖镜板的基板部分内的第二空腔，而在镜板下表面中第二空腔中保留开口。
7.如权利要求1所述的空间光调制器，其中所述膜包括从钛、钽、钨、钼、它们的合金、硅、非晶硅、多晶硅、和氮化硅中选择的材料。
8.如权利要求1所述的空间光调制器，其中镜板的基板部分的第二空腔上方的膜包括基本上与镜板的基板部分相同的材料。
9.如权利要求1所述的空间光调制器，其中第二空腔上的膜和枢纽组件包括基本上相同的材料成分。
10.如权利要求9所述的空间光调制器，其中第二空腔上的膜和枢纽组件包含与镜板的基板部分的材料成分不同的材料成分。
11.如权利要求1所述的空间光调制器，其中基板包括两个枢纽支撑柱和两个枢纽组件，每一个枢纽组件被一个枢纽支撑柱支撑，每一个枢纽组件配置为延伸到镜板的基板部分中相应的第一空腔中。
12.如权利要求11所述的空间光调制器，其中镜板配置为绕着由安置在对应的第一空腔内的两个枢纽细件限定的轴旋转。
13.如权利要求1所述的空间光调制器，其中基板包括上表面上的第一电极和第二电极。
14.如权利要求13所述的空间光调制器，其中镜板的基板部分包括两个第二空腔，每一个第二空腔至少部分地被膜覆盖。
15.如权利要求14所述的空间光调制器，其中当在第一电极和镜板下表面中的导电表面部分之间施加第一静电电压时，镜板在第一方向上旋转，当在第二电极和镜板下表面中的导电表面部分之间施加第二静电电压时，镜板在第二方向上旋转。
16.如权利要求15所述的空间光调制器，其中竖立着陆端中的第一个配置为通过接触第二空腔中的第一个上的第一膜停止镜板在第一方向上的旋转，竖立着陆端中的第二个配置为通过接触第二空腔中的第二个上的第二膜停止镜板在第二方向上的旋转。
17.如权利要求1所述的空间光调制器，其中镜板、枢纽组件、或者枢纽支撑柱包含从铝、硅、非晶硅、多晶硅、和铝-硅合金中选择的材料。
18.一种空间光调制器，包括二维镜板阵列，每一个镜板包括反射上表面、具有导电表面部分的下表面，具有一个或多个第一空腔和一个或多个第二空腔以及在第二空腔上的膜的基板部分，其中第一空腔具有在下表面上的开口，第二空腔在基板部分中；基板，包括上表面、在上表面上的多个电极、上表面上方的多个枢纽支撑柱、以及多个枢纽组件，每一个枢纽组件被一个枢纽支撑柱支撑，其中每一个枢纽组件配置为延伸到二维阵列中一个镜板的基板部分内的一个第一空腔内，以使镜板容易旋转，且多个竖立着陆端，连接到基板的上表面，其中每一个竖立着陆端配置为当在基板上方的一个电极和一个镜板下表面中的导电表面部分之间施加静电电压时，接触该镜板的基板部分内的第二空腔上的一个膜，以便在预定的方向上停止镜板的旋转。
19.如权利要求18所述的空间光调制器，其中在每一个镜板下面设置所述多个电极中的一个或多个电极，且当在基板上方的一个电极和镜板下表面中的导电表面部分之间施加静电电压时，镜板旋转。
20.如权利要求18所述的空间光调制器，其中所述多个电极包括对应于二维阵列中一个镜板的上表面上方的第一电极和第二电极，其中镜板配置为当在第一电极和镜板下表面中的导电表面部分之间施加第一静电电压时在第一方向上旋转，而当在第二电极和镜板下表面中的导电表面部分之间施加第二静电电压时在第二方向上旋转。
21.如权利要求18所述的空间光调制器，其中膜包括从钛、钽、钨、钼、它们的合金、硅、非晶硅、多晶硅、和氮化硅中选择的材料。
22.如权利要求18所述的空间光调制器，其中第二空腔上的膜和枢纽组件包括基本上相同的材料成分。
23.如权利要求22所述的空间光调制器，其中第二空腔上的膜和枢纽组件包含与镜板的基板部分的材料成分不同的材料成分。
24.一种制作空间光调制器的方法，该空间光调制器包括镜板，它具有在下表面上具有开口的第一空腔、第二空腔、和第二空腔上方的膜；连接到基板上表面的枢纽支撑柱；由枢纽支撑柱支撑且与镜板连接以使镜板容易旋转的枢纽组件，其中枢纽组件配置为延伸到第一空腔中以使镜板容易旋转；着陆端，连接到基板上部表面，其中所述着陆端配置为接触镜板的基板内的第二空腔上方的膜，以便在预定的方向上停止镜板的旋转，该方法包括在基板上沉积第一牺牲材料以形成第一牺牲层；图案化第一牺牲层以在第一牺牲层内形成孔；沉积第一材料以在第一牺牲层中的孔内形成枢纽支撑柱和着陆端；沉积第二材料以在第一牺牲层和第一材料上方形成第二层；图案化第二层以形成枢纽组件和枢纽组件周围的开口间隙；在第二层上方沉积第二牺牲材料；图案化第二牺牲材料以形成第一间隔件和第二间隔件，其中第一间隔件在枢纽组件的上部，而通过该第二间隔件，在镜板中形成第二空腔和膜；在第二牺牲材料上方沉积第三材料以形成第三机电层，其中通过该机电层形成该镜板；图案化第三层以形成在镜板周围；且移除第一牺牲材料和第二牺牲材料以形成具有第二空腔和在第二空腔上方的膜的镜板、与基板连接的枢纽支撑柱、由枢纽支撑柱支撑并与镜板连接的枢纽组件、以及与基板的上表面连接的着陆端。
全文摘要
一种空间光调制器，包括镜板，该镜板包括反射上表面，具有导电表面部分的下表面，和具有第一空腔、第二空腔以及在第二空腔上的膜的基板部分，该第一空腔在下表面上具有开口，该第二空腔在基板部分中。该调制器包括基板，该基板包括上表面，与上表面连接的枢纽支撑柱，由枢纽支撑柱支撑并与镜板相连以方便镜板旋转的枢纽组件，以及与基板的上表面连接的竖立着陆端。枢纽组件延伸到第一空腔中。竖立着陆端配置为接触镜板的基板部分内的第二空腔上方的膜以便镜在预定的方向上停止镜板的旋转。
文档编号G02B26/08GK101029965SQ20061013097
公开日2007年9月5日 申请日期2006年11月30日 优先权日2005年11月30日
发明者李契京, 古春泰, 胡行奎, 晓和·X·潘 申请人:视频有限公司