CN100414599C - 反射式空间光调节器的结构 - Google Patents

Abstract

本发明是空间光调节器(100)，具有选择性地反射的可偏转微镜阵列(103)板(202)，由第一衬底(105)制造。在另一衬底上，有用于微镜阵列(103)的寻址和控制电路(106)，其使得控制电路(106)控制施加到与微镜板(204)相关的选定的电极(126)的电压。通常，控制电路(106)包括显示控制(108)、线路存储缓存(110)、脉宽调制阵列(112)和用于视频信号(120)和图形信号(122)的输入。镜阵列衬底(105)进一步具有隔离支持框架(210)和铰链(206)，其中当静电力施加到微镜阵列板(204)时，与其相连的铰链使得镜板(204)相对于隔离支持框架(210)旋转。该旋转在选定的方向为反射光产生角度偏转。第一衬底和第二衬底压焊到一起。

Description

反射式空间光调节器的结构

相关申请的交叉引用

本申请声明拥有2002年6月19日提交的题为“Reflective SpatialLight Modulator”(反射式空间光调节器)的临时美国专利申请序列号60/390,389的优先权，其公开内容作为本文的参考。

技术领域

本发明涉及空间光调节器(SLM)，更为确切地说，涉及用于显示设备中带有电子可寻址控制电路的微镜阵列。

背景技术

空间光调节器(SLM)在光学信息处理、投影显示、视频和图形监视器、电视和电子照相印刷等领域里有着大量的应用。反射式SLM是在空间模式中调制入射光以反射对应于电子或光学输入的图像的设备。可以对入射光进行相位、强度、偏振或偏转方向等方面的调制。反射式SLM一般由能够反射入射光的可寻址图片元件(像素)的区域或二维阵列组成。源像素数据首先经过有关的控制电路的处理，然后被加载到像素阵列上，一次加载一框架。

现有技术的SLM具有多种缺点。这些缺点包括：不够优化的光学有效区域(通过测量设备表面中的反射部分所占比例而得，也叫做“填充比”)减少了光学效率，粗糙的反射表面降低了镜的反射性，衍射降低了显示的对比度，使用的材料在长期耐用性方面存在问题，还有，复杂的制造过程增加了产品的生产成本。

许多现有技术的设备包括了在其表面上基本不反射的区域。这使它具有低填充比和低的最佳反射效率。例如，美国专利号4,229,732中公开的MOSFET器件是在镜以及设备表面上形成的。这些MOSFET器件占用了表面面积，减少了设备区域中的光学有效部分，并且减少了反射效率。该设备表面上的MOSFET器件还衍射入射光，这会降低显示的对比度。进而，照射到暴露的MOSFET器件的强光通过对MOSFET器件进行充电和使电路过热，从而干扰了这些器件的正常工作。

一些SLM设计具有粗糙的表面，这也降低了反射效率。例如，在一些SLM设计中，反射表面为淀积于LPCVD硅氮化物层上的铝膜。由于它们是淀积的薄膜，因此很难控制这些反射镜面的光滑度。这样，最终产品就具有粗糙的表面，因此降低了反射效率。

降低一些SLM设计，特别是一些上方悬挂镜的设计的反射效率的另一个问题，是大面积暴露的铰链表面区域。这些大面积暴露的铰链表面区域不得不在铰链上部使用一般由钨制成的厚片来遮挡，以防止入射光的散射。这些厚片大大地减少了光学有效面积，降低了反射效率。

诸如美国专利号4,566,935中公开的SLM等许多现有的SLM，都有由铝合金制成的铰链。铝以及其他金属，容易发生疲性和塑性变形，导致长期耐用性问题。另外，铝易受单元“记忆”的影响，其中其他位置开始朝向最频繁被占用的位置倾斜。进而，在4,566,935号专利中公开的镜通过从下部切割镜面来释放出来。这一技术在释放期间，经常导致精细微镜结构的毁损。它还需要镜之间具有大的隙缝，这样将减少设备区域中的光学有效部分。

理想情况下需要的是反射效率和SLM设备长期耐用性经过改善的SLM，并且制造过程得到了简化。

发明内容

本发明提出一种空间光调节器(SLM)。在一个实施例中，SLM具有由第一衬底制造的反射式、偏转可选的微镜阵列，其中第一衬底被压焊到具有单个可寻址电极的第二衬底。第二衬底也可具有用于微镜阵列的寻址和控制电路。可选情况下，寻址和控制电路部分位于单独的衬底上，并且连接到位于第二衬底上的电路和电极。

微镜阵列包括受控可偏转的镜板，它具有反射表面，用于反射入射光。镜板通过连接器与垂直铰链相连接，该铰链然后再通过支撑杆连接到隔离壁。镜板、连接器、垂直铰链、支撑杆和隔离壁中的每一个都是由第一衬底来制造的。在一个实施例中，该第一衬底是由单一材料如单晶硅组成的晶片。隔离壁在镜板和与镜板有关并控制着镜板偏转的电极之间提供隔离，隔离壁位于被压焊到微镜阵列的第二衬底上。对于微镜阵列，镜板的紧密间距和铰链的垂直方向使得反射表面具有很高的填充比。很少光能够通过微镜阵列，照射到位于第二衬底上的电路上。

空间光调节器的制造只需要很少的步骤，这降低了制造成本和复杂度。空穴是在第一衬底的第一侧面形成的。这是通过在一个实施例中进行单个各向异性蚀刻来完成的。电极和寻址与控制电路是在第二衬底的第一侧面上以并列的方式制造的。第一衬底的第一侧面被压焊到第二衬底的第一侧面上。这些侧面经过对齐，以便第二衬底上的电极与电极控制的镜板处在正确的关系中。第一衬底的第二侧面薄到预期厚度。可选地，可以将反射材料层淀积在第一衬底的第二侧面上。第二各向异性蚀刻限定了支撑柱、垂直铰链和连接器，并且从第一衬底的第二侧面释放出镜板。这样，仅通过两个主要蚀刻步骤就可以制造出空间光调节器。

附图说明

图1示出了根据本发明的一个实施例的空间光调节器的总体结构。

图2a和2b为单个微镜的透视图。

图3a和3b为透视图，示出了微镜阵列的顶部和侧面。

图4a和4b为透视图，示出了微镜阵列的底部和侧面。

图5a和5b为微镜阵列的俯视图。

图6a和6b为微镜阵列的仰视图。

图7a～7d为透视图，示出了微镜阵列的备选实施例中的单个镜面的顶部、底部和侧面。

图8a～8d为透视图，示出了备选微镜阵列的顶部和底部。

图9a为一流程图，示出了如何制造空间光调节器的优选实施例。

图9b～9j为框图，更加详细地示出了空间光调节器的制造。

图10更加详细地示出了在第一衬底中形成空穴的掩模和蚀刻的产生。

图11为形成于第二衬底之上的电极的一个实施例的透视图。

图12为透视图，示出了位于电极上面的第一衬底之上的微镜阵列，以及位于第二衬底之上的其他电路。

图13示出了在蚀刻第一衬底的上表面中使用的掩模的经过简化的实施例。

图14为压焊在一起的两个衬底的部分的剖面图。

具体实施方式

反射式空间光调节器(“SLM”)100具有由可偏转镜202组成的阵列103。通过在单个镜202和对应的电极126之间施加偏置电压，可以有选择地使这个镜发生偏转。每个镜202的偏转控制着光从光源反射到视频显示器。这样，通过控制镜202的偏转，就可以使照射到那个镜202的光在选定的方向上发生反射，从而能够控制视频显示器上的像素的出现。

空间光调节器概述：

图1示出了根据本发明的一个实施例的SLM 100的总体结构。所示的实施例有三层结构。第一层为镜阵列103，它由多个可偏转的微镜202组成。在一个优选实施例中，微镜阵列103由作为诸如单晶硅等单一材料的第一衬底105制造而得。

第二层为电极阵列104，它具有用于控制微镜202的多个电极126。每个电极126与微镜202有关，并且控制着微镜202的偏转。寻址电路能够选择单个电极126，用以控制与该电极126有关的特定微镜202。

第三层为控制电路106层。控制电路106具有寻址电路，它使控制电路106能够控制施加于所选电极126上的电压。因此使控制电路106经由电极126控制着镜阵列103中的镜202的偏转。一般地，控制电路106也包括显示控制108、线路存储缓存110、脉宽调制阵列112和用于视频信号120和图形信号122的输入。微控制器114、光学控制电路116和闪存118可以是与控制电路106相连的外部组件，或者在一些实施例中可以包括到控制电路106中。在各种实施例中，控制电路106的上述所列部件中的一些部件可以没有，可以在单独的衬底上并且和控制电路106相连，或者也可以提供其他额外部件作为控制电路106的部件或与控制电路106相连。

在一个实施例中，第二层104和第三层106是通过使用半导体制造技术在单个的第二衬底107上制造的。也就是说，第二层104不需要与第三层106分离并位于其上方。而且，术语“层”用于概念化空间光调节器100的不同部件。例如，在一个实施例中，电极的第二层104是在控制电路106的第三层的上部制造的，而第二层和第三层都是在单个第二衬底107上制造的。也就是说，在一个实施例中，电极126，以及显示控制108、线路存储缓存110和脉宽调制阵列112，都是在单个衬底上制造的。与将显示控制108、线路存储缓存110和脉宽调制阵列112分别制造在单独的衬底上的现有空间光调节器相比，将控制电路106的几个功能组件集成在同一个衬底上会使数据传输率得到提高。进而，在单个衬底107上制造电极层104的第二层和控制电路106的第三层，具有制造简单和成本低廉的优势，同时使最终的产品小型化。

在制造了层103、104和106之后，将它们压焊在一起，以形成SLM 100。具有镜阵列103的第一层覆盖第二层和第三层104、106。在镜阵列103中位于镜202下面的区域决定了在第一层103下面有多少空间用于电极126，以及寻址和控制电路106。在镜阵列103的微镜202下面只有有限的空间来装配电极126和形成显示控制108、线路存储缓存110和脉宽调制阵列112的电子元件。本发明使用的制造技术(下面将详细介绍)能够生成小的特征尺寸，诸如0.18微米特征的制造处理，以及0.13微米或更小的特征的制造处理。现有空间光调节器的制造处理无法针对这么小的特征。一般地，现有空间光调节器是通过将特征尺寸限制在约1微米或更大尺寸的制造处理而获得的。这样，本发明在镜阵列103的微镜下面的有限面积中，能够制造诸如晶体管等更多的电路器件。这样能够将诸如显示控制108、线路存储缓存110和脉宽调制阵列112等项集成与电极126相同的衬底上。在与电极126同一的衬底107上包括这种电路阵列112，将改善SLM 100的性能。

在其他实施例中，电极126和控制电路的组件的各种组合可以制造于不同的衬底上，并且电子连接起来。

镜：

图2a为单个微镜202的透视图。在一个优选的实施例中，微镜202由诸如单晶硅等单一材料的晶片制造而得。这样，在这种实施例中的第一衬底105是单晶硅材料的晶片。由单一材料的晶片来制造微镜202大大简化了镜202的制造。进而，单晶硅能够被抛光，以生成光滑的镜面，其表面光洁度要比淀积膜的表面光洁度光滑高一个数量级。由单晶硅制造的镜202在机械上是刚性的，这样能防止对镜面进行未预期的弯折或扭曲，并且由单晶硅制造的铰链耐用、柔韧和可靠。在其他实施例中，可以使用其他材料来代替单晶硅。一种可能性是使用另一种类型的硅(例如，多晶硅，或无定形硅)来制造微镜202，或甚至完全使用金属(例如，铝合金，或钨合金)来制造镜202。

微镜202具有顶部镜板204。该镜板204微镜202的部分，微镜202是通过在镜202和相应的电极126之间施加偏置电压来有选择地被偏转的。在一个实施例中，这种反射性镜板204在形状上基本上是方形的，大约为15微米×15微米，其面积大约为225平方微米，不过其他形状和尺寸也是可以的。在一个优选实施例中，微镜阵列103的表面区域的大部分是由微镜202的镜板204的区域组成的。

镜板204具有反射性表面，能够以通过镜板204的偏转而确定的角度来反射来自光源的光。该反射表面的所用材料可以与制造微镜202所用的材料相同，在这种情况下，镜板204的表面经过抛光后其光洁度能够达到预期的反射系数水平。可选地，在制造了微镜202之后，可以将诸如铝等反射性材料层添加到镜板204的表面。由于在优选实施例中，微镜阵列103的表面区域的大部分是由微镜的镜板204的区域组成的，并且镜板204具有反射表面，微镜阵列103的表面区域的大部分是反射性的，能够以选定的角度来反射光。这样，SLM 100就具有大的填充比，并且有效地反射了入射光。

镜板204通过连接器216连接到扭转弹簧铰链206。扭转弹簧铰链206连接到隔离支持框架210，它在适当的位置固定着扭转弹簧206。注意到在镜板204、铰链206和隔离支持框架210之间还可以使用其他弹簧和连接结构。当通过在镜202和相应的电极126之间施加电压来向镜板204施加诸如静电力的力时，扭转弹簧铰链206允许将镜板204沿着位于隔离支持框架210的两壁之间的轴相对于隔离支持框架210进行旋转。这种旋转产生了角度偏转，用于将光反射到选定的方向上。在一种实施例中，这种旋转发生在与铰链的长轴基本上在同一条直线上的一个轴上。在一个优选实施例中，扭转弹簧铰链206具有“垂直的”排列。也就是说，铰链206具有比铰链的深度小的宽度222(垂直于镜板204的表面)。铰链的宽度一般位于0.1和0.5微米之间，在该实施例中约为0.2微米。这个铰链的“垂直的”排列的作用是有助于最小化镜阵列103表面上的非反射性表面，并且保持高的填充比。另外，在一个优选的实施例中，

隔离支持框架210将镜板204从电极以及寻址电路中分离出来，以便镜板204可以在不接触下面的电极和其他电路的情况下，能够向下发生偏转。在一个实施例中，隔离支持框架210包括隔离壁，它一般不是与隔离支持框架210的其余部分分离开来的单独组件。这些壁有助于限定隔离支持框架210的高度。隔离支持框架210的高度选择是基于位于镜板204和电极126之间的预期间隔，以及对电极的外形设计。高度较大则能够使镜板204具有更多的偏转，以及更大的偏转角。更大的偏转角则能提供更好的对比度。在一种实施例中，镜板204的最大偏转角为20度。隔离支持框架210也对铰链206提供支持，并且将镜阵列103中的镜板204相互分隔开来。隔离支持框架210具有隔离壁宽212，当将其加到镜板204和支持框架210之间的隙缝时，该宽度基本上等于相邻微镜202的相邻镜板204之间的距离。在一个实施例中，隔离壁宽212为1微米或更小。在一个优选实施例中，隔离壁宽212为0.5微米或更小。这样就将镜板204更加紧密地放置在一起，以增加镜阵列103的填充比。

在一些实施例中，当镜板204被向下偏转一个预定角度时，微镜202包括能够停止镜板204发生偏转的元件。一般地，这些元件包括活动塞和着陆端。当镜面204发生偏转时，位于镜板204上的活动塞与着陆端相接触。此时，镜板204就不再偏转。对于活动塞和着陆端，有几种可能的结构。在一个实施例中，着陆端制造于与铰链侧相对的隔离框架210上。镜板204的最大倾角将受到位于隔离框架210上的着陆端的限制，隔离框架210停止了镜板204的向下机械运动。具有固定的最大倾角会简化对空间光调节器100的控制，以便将入射光反射到已知的方向上。

在另一个实施例中，着陆端的制造沿着位于第二衬底107上的电极126。该实施例的着陆端可以由诸如硅氧化物等绝缘体制造而得，以便防止在镜板204和电极126之间发生短路。在该实施例中，镜板204的最大倾角受到镜板204与位于第二衬底107上的着陆端相接触处的角度的限制。隔离框架210的高度影响着这个角度；隔离框架210越高，则这个角越大。位于第二衬底107上的着陆端可以是一个凸出的引脚，它减少了实际上接触的总表面面积。该引脚可以与镜板204处于同一电势，以避免接触面发生焊接。

在另一个实施例中，位于镜板204和铰链206之间的隙缝得到准确地制造，因此当镜板204倾斜一个预定的角度时，镜板204与铰链206接近的拐角将与铰链206的端点发生接触，充当机械塞。这之所以发生，是因为与镜板204相连接的铰链206部分沿着镜板204发生偏转，而靠近支持壁210的铰链206部分保持相对未偏转。例如，当扭转铰链206的高度为1微米时，在支持壁和铰链206之间的0.13微米的隙缝将导致镜板204的最大倾角为15度。

在一个优选实施例中，活动塞和着陆端都是由与镜202的其他部分相同的材料制造的，并且均是从第一衬底105制造而得。在材料为单晶硅的实施例中，活动塞和着陆端因此由具有较长功能寿命的硬材料制造而得，这样能够使镜阵列103延续很长时间。进而，由于单晶硅为硬材料，则活动塞和着陆端能够使得活动塞与着陆端相接触一小块区域来制造，这样将大大减少粘附力，并使镜板204自由地发生偏转。另外，这意味着活动塞和着陆端保持同样的电势上，这样能够防止因焊接而可能发生的粘附，并且电荷注入过程就是在不同的电势上的活动塞和着陆端。

图2b为透视图，示出了单个微镜的下部，包括支持壁210，镜板204，铰链206和连接器216。

图3a为透视图，示出了具有9个微镜202-1至202-9的微镜阵列103的上部和侧部。图3a示出了带有三行和三列的微镜阵列103，总共9个微镜202，具有其他尺寸的微镜阵列103可能的。一般地，每一个微镜202对应于视频显示中的一个像素。这样，具有更多微镜202的大型阵列103的视频显示带有更多的像素。由于镜阵列103中的铰链206都平行于一个方向，因此光源沿着反射的单个方向被引导到阵列103中的镜202上，这样在视频显示上形成了投射图像。

如图3a所示，微镜阵列103的表面具有大的填充比。也就是说，微镜阵列103的表面大部分是由微镜202的镜板204的反射性表面制成的。微镜阵列103的表面上有很少是非反射性的。如图3a所示，微镜阵列103表面的非反射部分是位于微镜202的反射表面之间的区域。例如，位于镜202-1和202-2之间的区域的宽度是由间隔壁宽212以及位于镜202-1和202-2的镜板204和支持壁210之间的隙缝宽度之和来决定的。隙缝和间隔壁宽212可以做得与由制造技术所支持的特征尺寸一样小。这样，在一个实施例中，隙缝为0.2微米，并且在另一个实施例中，隙缝为0.13微米。随着半导体制造技术允许有更小的特征，可以减小间隔壁210和隙缝的尺寸，以便具有更高的填充比。图3b为透视图，它详细描述了图3a中的镜阵列103的一个镜202。本发明的实施例允许的填充比为85％、90％或更高。

图4a为透视图，示出了如图3所示的微镜阵列103的底部和侧部。如图4a所示，微镜202的隔离支持框架210限定了镜板204下面的空穴。这些空穴为镜板204向下偏转提供空间，并且还能够允许在镜板204下面具有大的区域，以便放置带有电极126的第二层104，和/或带有控制电路106的第三层。图4b为透视图，详细描述了图4a的镜阵列103的一个镜202。

图5a为如图3a和4a所示的带有9个微镜202-1至202-9的微镜阵列103的俯视图。例如，对于微镜202-1，图5a示出了镜板204、隔离支持框架210、扭转弹簧206以及用于将镜板204与扭转弹簧206相连接的连接器216。正如上面参考图3a所示的，图5a也清楚地示出了微镜阵列103具有大的填充比。微镜阵列103的大部分表面是由微镜202-1至202-9的反射性表面制造的。图5a清楚地表明填充比是如何由反射性镜板204的面积以及位于镜板204的各反射性区域之间的区域来决定的。在一个实施例中，位于镜板204的反射性表面之间的区域尺寸受到制造过程的特征尺寸限度的限制。这就决定了在镜板204和间隔壁210之间的隙缝可以做得多么小，并且间隔壁210是多么厚。注意到，当所述的如图2所示的单个镜202具有各自的隔离支持框架210时，则在诸如202-1和202-2等两个镜之间通常没有相邻的两个单独相邻隔离壁210。相反，一般在镜202-1和202-2之间会有支持框架210的一个物理隔离壁。图5b为透视图，详细描述了图5a的镜阵列103的一个镜202。

图6a为如图3至图5所示的具有9个微镜202-1至202-9的微镜阵列103的仰视图。图6a除了示出了隔离支持框架210、扭转弹簧206和连接器216的底部以外，也示出了镜板204的底部。在许多实施例中，位于镜板204下面的区域足够大，以便能够进行电极126和控制电路106的最佳设计和摆放，具有容纳得下可能的镜着陆端的空间。图6b为透视图，详细描述了图6a的镜阵列103的一个镜202。

如图5a和6a所示，在镜板204的法线上很少光能够穿过微镜阵列103到达微镜阵列103下面的电极126或控制电路106。这是因为隔离支持框架210、扭转弹簧206、连接器216和镜板204对微镜阵列103下面的电路提供几乎完全的覆盖。还有，由于隔离支持框架210将镜板204与微镜阵列103下面的电路分开，因此沿着与镜板204非垂直的角度传输并且穿过镜板204的光有可能打到隔离支持框架210的壁上，而到达不了微镜阵列103下面的电路。由于很少入射到镜阵列103上的强光到达电路，因此SLM 100避免了与打到电路的强光相关的问题。这些问题包括加热电路的入射光，并且入射光子为电路元件充电，这两个问题都会引起电路功能故障。

在图3～6中，在微镜阵列103中的每一个微镜202在同一侧都有它的扭转弹簧206。在一个可选的实施例中，在微镜阵列103中的不同微镜202在不同侧都有扭转弹簧206。例如，回到图3a，镜202-1和202-3将如图所示，在同一侧具有弹簧206。与此相对照，镜202-2在不同侧具有弹簧206，以便镜202-2的弹簧206垂直于镜202-1和202-3的弹簧206。这样能够使不同微镜202-1和202-2的镜板204在不同的方向上发生偏转，因此使镜阵列103总体上具有一个可控自由度。在这个可选实施例中，两个不同的光源(例如，具有不同颜色的光源)能够直接朝向微镜阵列103引导，并且分别有选择地被微镜阵列103中的微镜202重新引导，在视频显示器上形成图像。在这种实施例中，可以使用多个微镜202将来自多个光源的光反射到视频显示器的同一像素上。例如，两个不同颜色的光源可以沿着不同的方向引导到镜阵列103上，并且被阵列103反射，在视频显示器上形成多色图像。在第一侧上具有扭转弹簧206的微镜202-1和202-3控制着第一光源到视频显示器的反射。诸如在另一个不同侧上带有弹簧206的微镜202-2等的微镜控制着第二个光源到视频显示器的反射。

图7a为根据本发明的可选实施例的微镜702的透视图。在这个实施例中，扭转弹簧206相对于隔离支持框架210位于对角线方向上，并且将镜板204分成两部分，或两侧：第一侧704和第二侧706。两个电极126与镜702有关，一个电极126用于第一侧704，一个电极126用于第二侧706。这使两侧704和706都被吸引到位于下面的一个电极126上并且垂直向下，并且为同一支持壁210的高度提供了与如图2～6所示的镜相比的更大范围的角度移动。图7b为镜702的更加详细的视图，其中示出了镜板204、铰链206和支持壁210。图7c和7d示出了单个镜702的下侧以及镜702的内角的更为详细的视图。在其他实施例中，铰链206基本上与镜板204的侧边之一而不是对角线相平行，并且其安装位置将镜板204分成两部分704和706。

图8a～8d为由如图7a～7d所述的多个微镜702所组成的各个微镜阵列的各种透视图。图8a和8b示出了镜702阵列的上部以及阵列中的镜702的更加详细的视图。图8c和8d示出了镜702阵列的下侧以及阵列中的一个镜702的更加详细的视图。

空间光调节器的制造

图9a为一流程图，示出了空间光调节器100的制造的一个优选实施例。图9b～9g为框图，更加详细地示出了空间光调节器100的制造。总之，微镜202部分制造于第一衬底105上。个别地说，电极、寻址电路和控制电路中的一些或全部都制造于第二衬底107上。第一和第二衬底105和107于是被压焊在一起。第一衬底105去薄，然后是平版印刷和蚀刻步骤。然后，完成微镜202的制造。最终步骤，包括封装等，完成了空间光调节器100的制造。在一个实施例中，镜阵列103仅是通过使用各向异性干蚀刻方法，由单晶硅的晶片制造而成的，要制造镜阵列103，只需要两步蚀刻，并且电路的制造使用了标准的CMOS技术。这为制造SLM 100提供了容易和便宜的方法。

现有的空间光调节器的制造使用的表面微型机器制造技术包括蚀刻、结构层的淀积、牺牲层的淀积和去除。这些现有的MEMS制造技术产生很低的产量、很差的同一性，并且结果得到约1微米或更大尺寸的特征尺寸。与之相对照，本发明的一个实施例使用半导体制造技术，它不包括牺牲层，并且具有更高的产量，并且能够制造0.13微米或更小的特征。

参考图9a，第一掩模的生成(902)初始化地部分制造了微镜202。该掩模限定了第一衬底105的一侧中需要蚀刻的部分，通过蚀刻，在微镜阵列103的下面形成空穴，该空穴限定了隔离支持框架210和支撑柱208。诸如照相平版印刷等标准技术可用于在第一衬底上生成掩模。如前所述，在一个优选实施例中，微镜202是由诸如单晶硅等单一材料形成的。这样，在一个优选实施例中，第一衬底105是单晶硅的材料。注意，一般在多个SLM 100中使用的多个微镜阵列103是在单个晶片上制造的，并且在后来被分开。被制造用以生成微镜阵列103的结构一般大于在CMOS电路中使用的特征，因此使用用于制造CMOS电路的已知技术来形成微镜阵列103相对比较容易。图9b为侧视图，它示出了在进行制造之前的第一衬底105。衬底105起初包括器件层938，它是镜阵列103赖以制造的材料，绝缘氧化层936，以及处理衬底934。图9c为侧视图，它示出了第一衬底105，其上有掩模。

在生成了掩模902之后，在优选实施例中，第一衬底105被各向异性离子蚀刻(904)，以便在镜板204的下面形成空穴。换句话说，在第一衬底中为每一个微镜202形成了“阱”。除各向异性离子蚀刻之外的其他方法，诸如湿蚀刻或等离子蚀刻等，也可用于形成空穴或“阱”。图9d为框图，示出了第一衬底105，其中被蚀刻有空穴。

与位于镜板204下面的空穴制造相分别的是，电极126和控制电路106被制造于第二衬底107上(906)。第二衬底107可以是诸如石英等透明材料或其它材料。与结晶硅相比，如果第二衬底为石英，也可以用多晶硅来制造晶体管。电路的制造可以使用标准CMOS制造技术(906)。例如，在一个实施例中，制造于第二衬底107之上的控制电路106包括存储单元阵列、行寻址电路和列数据加载电路。有多种不同方法来制造电路以执行寻址功能。公知的DRAM、SRAM和锁存器件可以执行寻址功能。由于镜板204的区域在半导体的尺度上相对较大(例如，镜板204可以具有225平方微米的区域)，因此可以在微镜202下面制造复杂的电路。可以制造的电路包括但不局限于用以存储时序像素信息的存储缓存，通过以不同的电压来驱动电极126以补偿镜板204到电极126之间间隔距离的可能的非均一性的电路，以及用以执行脉宽调制转换的电路。

该控制电路106的上面覆盖着诸如硅氧化物或硅氮化物等钝化层然后，在其上淀积金属化层。在一个实施例中，该金属化层被形成构图，并经过蚀刻，除了限定偏置/重置总线之外，还限定了电极126。电极126是在制造期间放置进去的，这样一个或多个电极126就对应于每一个微镜202。对于第一衬底105，一般在多个SLM 100中使用的多套电路是在第二衬底107上制造的(906)，并且在稍后被分开。

下一步，第一和第二衬底被压焊在一起(910)。第一衬底105的具有空穴的一侧被压焊到第二衬底107的具有电极的一侧。衬底105和107经过对齐，这样位于第二衬底107上的电极就处于适当的位置上，以便能够控制微镜阵列103中的微镜202的偏转。在一个实施例中，通过将第一衬底105上的图形与第二衬底107上的图形进行对齐，从而使用双聚焦显微镜来将这两个衬底105和107进行光学对齐，并且通过诸如阳极或共晶压焊方法的低温压焊方法，将这两个衬底105和107压焊在一起。有许多可能的替换实施例用于制造(906)。例如，可以使用热塑性或电介质性旋涂玻璃压焊材料，这样衬底105和107就得到热力式压焊。图9e为侧面图，示出了被压焊在一起的第一和第二衬底105和107。

在将第一和第二衬底105和107压焊到一起之后，尚未被蚀刻的第一衬底105的表面被去薄到一个预定厚度(912)。首先，如图9f所示，通过研磨或蚀刻将处理衬底934除去。然后，除去氧化物936。然后，根据需要，将器件层938去薄或抛光。在一个实施例中，这种去薄操作是通过在所制造的“阱”的底部与第一衬底105的相对表面之间将衬底105机械式研磨到一个厚度来完成的，该厚度接近于微镜202的预期厚度。在一个实施例中，这种通过机械式研磨而取得的厚度约为5微米。然后，通过机械式精细抛光或化学机械抛光的方法将衬底105抛光到一个在“阱”底部和第一衬底105的相对面之间预期的厚度。这一厚度限定了镜板204的厚度。在一个实施例中，这一预期厚度小于约1微米或更小。图9g为一侧视图，示出了在第一衬底105去薄之后被压焊在一起的第一和第二衬底105和107。

接下来，生成了微镜202的反射表面。这可以通过抛光第一衬底105来实现(913)，以便使第一衬底105的表面具有反射性。可以在第一衬底105上淀积一层反射材料(914)，以生成反射表面。也可以使用其他生成反射表面的方法。

在一个实施例中，铝反射层被淀积(914)。第一衬底105的经过去薄的表面上面涂敷厚约10nm的钛种子薄膜。然后，约30nm厚的铝层淀积于其上，形成反射层，对于绝大部分可见光谱而言，其反射率大于95％。图9h为侧视图，它示出了淀积反射层932。

然后，第一衬底105的反射表面被掩模，并且在优选实施例中进行高纵横比的各向异性离子蚀刻(916)，以最终形成微镜阵列103和释放镜板204。这第二步蚀刻限定了镜板204、扭转弹簧铰链206和连接器216。这样，仅需对第一衬底105进行两步蚀刻就可以制造微镜202。这样将大大降低微镜202的制造成本。图9i为框图，示出了为模板933所覆盖的第一衬底105的表面，并且图9j为框图，示出了经过第二步蚀刻之后的空间光调节器100，它包括镜板204、铰链206、隔离支持框架210和电极126。

在一些实施例中，铰链206被部分地蚀刻，从镜板204的表面上凹下去。还有，在一些实施例中，在进行了用于限定镜板204、扭转弹簧铰链206和连接器216的第二蚀刻之后，淀积了反射表面(914)。这一反射层可以通过例如以一个向下的角度蒸发铝来淀积，以便该角度的水平矢量为从镜板204至铰链206。有了这个角度，以及在铰链206被蚀刻以便从镜板204的表面凹陷的情况下，基本上可以在凹进去的铰链206的表面上不淀积反射涂层，以便最小化入射光在扭转铰链206的表面上的散光。例如，在电子枪热蒸发器的反应室中，可以以每秒一纳米的淀积速度发生蒸发。

在一些实施例中，微镜阵列103被一块玻璃或其他透明材料所保护。在一个实施例中，在微镜阵列103的制造期间，沿着在第一衬底105上制造的每一个微镜阵列103的周边留下了一个边框。为了保护在微镜阵列103中的微镜202，一片玻璃或其他透明材料被压焊到这个边框(918)。这种透明材料保护着微镜202免受物理损害。在一个替换实施例中，平板印刷术被用于在玻璃板上的光敏树脂层中产生边框阵列。然后，将环氧树脂应用于边框的上边缘处，并且将玻璃板对齐和粘附于完整的反射性SLM 100。

如上面所讨论的，可以由两个衬底105和107来制造多个空间光调节器100；多个微镜阵列103可以在第一衬底105中制造，并且多套电路可以在第二衬底107中制造。制造多个SLM 100增加了空间光调节器100制造过程的效率。不过，如果多个SLM 100是一次性制造的，则它们将被必须分成单个SLM 100。有多种方法来将每一个空间光调节器100分开和便于使用。在第一个方法中，每一个空间光调节器100只是在结合的衬底105和107上与SLM 100的其他部分相分离(920)的管芯。然后使用标准的封装技术将每一个分离的空间光调节器100进行封装(922)。

在第二个方法中，执行晶片级芯片尺度的封装，以便将每一个SLM100封装成单个的空穴和在SLM 100被分开之前形成电铅。这进一步保护反射性可偏转元件和减少封装成本。在该方法的一个实施例中，第二衬底107的后侧与焊接引脚压焊在一起(924)。然后，第二衬底107的后侧被蚀刻(926)，暴露出金属连接器，该连接器是在第二衬底107上进行电路制造期间形成的。接下来，将导线淀积于金属连接器和焊接引脚之间，以电连接这二者。最后，多个SLM就成为分开的管芯(930)。

图10更加详细地示出了掩模1000的生成(902)和用于在第一衬底中形成空穴的蚀刻(904)。在优选实施例中，第一衬底为单晶硅的晶片。氧化物在第一衬底上被淀积和构图。结果得到如图10所示的图形，其中区域1004为防止其下的衬底被蚀刻的氧化物，并且区域1002为暴露的衬底区域。暴露的衬底1002的区域经过蚀刻，形成空穴。未被蚀刻的区域1004仍然保持，并形成隔离支持柱208和隔离支持框架210。

在一个实施例中，衬底在分别以100sccm、50sccm和10sccm的流速流通着SF6、HBr和氧气等的反应离子蚀刻室中被蚀刻。工作压强在10到50mTorr范围内，偏置功率为60W，并且源功率为300W。在另一个实施例中，衬底在分别以100sccm、50sccm和10sccm的流速流通着Cl2、HBr和氧气等的反应离子蚀刻室中被蚀刻。在这些实施例中，当空穴为约3～4微米的深度时，蚀刻过程停止。这一深度是通过使用现场蚀刻深度监视来测量的，例如通过现场光学干涉仪技术，或者通过调整蚀刻速率。

在另一个实施例中，空穴是通过各向异性反应离子蚀刻过程在晶片中形成的。该晶片被放置于反应室中。SF6、HBr和氧气分别以100sccm、50sccm和20sccm的流速被引入到反应室中。在50mTorr的压强下使用50W的偏置功率设置和150W的源功率大约5分钟。该晶片然后在1mTorr的压强下被20sccm流速的后侧氦气流所冷却。在一个优选实施例中，当空穴为大约3～4微米深时，蚀刻处理停止。这一深度是使用现场蚀刻深度监视来测量的，例如通过现场光学干涉仪技术，或者通过调整蚀刻速率。

图11为形成于第二衬底107上的电极126的一个实施例的透视图。在该实施例中，每一个微镜202具有相应的电极126。在所示的实施例中，制造的电极126比第二衬底107上的电路的其他部分要高。如图11所示，位于电极126的侧边上的材料从电极的上表面以某种金字塔的形状向下倾斜。在其他实施例中，电极126与第二衬底107上的电路的其他部分位于同一高度上，而不是在电路上方延伸。在本发明的一个实施例中，电极126为大约10×10微米的单个铝片。这些电极126制造于第二衬底107的表面上。在该实施例中，电极126的大部分表面区域将具有用以将镜板204向下拉到机械塞上的相对较低的寻址电压，从而使镜板204完全以预定的角度发生偏转。

图12为一透视图，示出了第一衬底105上的微镜阵列103，其中的第一衬底105置于第二衬底107上的电极126和其他电路上。该图示出了在将第一和第二衬底105和107压焊(910)到一起之前，在微镜阵列103中的微镜202和电极的相对位置。注意，为便于解释，在微镜阵列103中的微镜202是作为完整的微镜202来示出的。不过，在优选实施例中，参考图9a所述，只有位于第一衬底105中的镜板204下面的空穴才能够在将第一衬底105压焊到第二衬底107之前被蚀刻。镜板204、铰链206和连接器216目前还没有被制造。在电极126位于电路的其余部分的高度之上以及电极126一侧的材料向下倾斜的情况下，倾斜的材料则有助于正确地将第一衬底105摆放到第二衬底107上。

图13示出了掩模的经过简化的实施例，该掩模用于在第一衬底105的上表面的蚀刻中(916)。在蚀刻步骤(916)中，区域1302被暴露出来，并且经过蚀刻后生成了镜板204和形成扭转铰链206、连接器216和支持柱208。其他区域1304为光阻材料所覆盖，并且没有被蚀刻。这些区域包括镜板204自身和形成铰链206的材料。如图13所示，镜阵列103的大部分表面是反射性的。制造过程仅生成用于将镜板204与支持壁210和铰链206相分离的小的非反射隙缝。

在第一衬底105的上表面被掩模之后，第一衬底105的上表面经过蚀刻生成了镜板204和形成铰链206。在一个实施例中，它在分别以100sccm、50sccm和10sccm的流速流通着SF6、HBr和氧气等的反应离子蚀刻室中被蚀刻。工作压强在10到50mTorr范围内，偏置功率为60W，并且源功率为300W。由于蚀刻深度一般小于1微米，因此有其他几个制造过程能够取得这一目标。另一个实施例在工作压强为10到50mTorr范围内，蚀刻反应室的偏置功率为50W和源功率为300W的情况下，分别使用Cl2和氧气来取得紧密维度控制。通过使用现场蚀刻深度监视或通过调整蚀刻速率，该蚀刻处理停止于预期深度(在一个实施例中，约为5微米深)。

操作：

在操作中，单个反射元件被有选择地偏转，并用于空间调制入射到镜并被反射的光。

图14为剖面图，它示出了位于电极126之上的微镜202。在操作中，将电压应用于电极126上，以控制在电极126上的相应镜板204的偏转。如图14所示，当将电压应用于电极126时，镜板204被吸引到电极上。这会使镜板204沿着扭转弹簧206发生旋转。当从电极126上去除电压时，铰链206将使镜板204向上弹回。这样，打到镜板204上的光被反射到可以由应用到电极的电压所控制的方向上。

一个实施例的操作如下。一开始镜板没有发生偏转。在这种未偏置的状态，来自光源并倾斜入射到SLM 100上的入射光束被扁平的镜板204所反射。向外的反射光束可以被，例如，光学垃圾桶所吸收。从未发生偏转的镜板204上反射回来的光不被反射到视频显示器上。

当将偏置电压应用于镜板204和底部电极126之间时，镜板204由于静电吸引而发生偏转。由于铰链206的设计，镜板204的自由端朝向第二衬底107发生偏转。注意，在一个优选实施例中，基本上所有的弯曲都发生在铰链206中而不是发生在镜板204中。在一个实施例中，这可以通过使铰链宽度222变薄，并且将铰链206仅在两端连接到支持柱208来完成。镜板204的偏转受到活动塞的限制，如上所述。镜板204的全反射将向外反射的光束偏转到成像光学设备上，并到达视频显示器。

当镜板204偏转过“扳动”或“拖动”电压(在一个实施例中约为12伏)，则恢复机械力或铰链206的力矩将不再平衡静电力或力矩，并且镜板204向下“扳动”电极126，以获得完全偏转，仅受到活动塞的限制。为了从完全偏转的位置处释放得到镜板204，电压必须大大低于扳动电压，到达一个释放电压(例如，在扳动电压为5.0伏的实施例中大约为3.3伏)。这样，微镜202为电机式双稳态设备。给定位于释放电压和扳动电压之间的特定电压，则镜板204可处于两个可能的偏转角，这取决于镜板204发生偏转的历史。因此，镜板204的偏转起到锁存的作用。由于使镜板204发生偏转所需的机械力大约正比于偏转角，因此这种双稳态和锁存的作用是存在的，尽管相对的静电力是反比于镜板204和电极126之间的距离的。

由于在镜板204和电极126之间的静电力依赖于镜板204和电极126之间的总电压，因此应用于镜板204上的负电压将减少需要施加于电极126上以获得给定偏转量的正电压。这样，将电压应用到镜阵列103将减少电极126的电压幅度要求。这将是很有用的，例如，因为在一些应用中需要将必须施加到电极126上的最大电压维持在低于12V，这是因为5V的开关能力在半导体工业中是更为常见的。另外，在将电压施加于镜阵列103时需要对每一个电极126施加偏置的电荷量，要比在将镜阵列103维持在地电势的实施例中所需的电荷少。这样，向电极126正确地施加合适的电压和使镜板204发生偏转所需的时间是相对较快的。

由于镜板204的最大偏转是固定的，因此在操作电压大于扳动电压时，可以以数字的方式来操作SLM 100。这种操作实质上是数字的，因为镜板204要么可以通过将电压应用到相关的电极126使其发生完全向下偏转，要么允许在没有将电压施加到相关电极126的情况下发生向上弹回。使镜板204完全向下偏转直到被能够阻挡镜板204偏转的物理元件所阻挡的电压称为“扳动”或“拖动”电压。这样，为了使镜板204全面向下偏转，可以向相对应的电极126施加等于或大于扳动电压的一个电压。在视频显示应用中，当镜板204被完全向下偏转时，入射到镜板204上的光被反射到位于视频显示器上的相应像素。当允许镜板204向上弹回时，光的反射方向为不会照射到视频显示器上的方向。

在这种数字操作期间，在相关的镜板204发生完全偏转后，不需要在电极126上再保持住完全的扳动电压。在“寻址阶段”期间，用于所选电极126的电压对应于应该发生完全偏转的镜板204，该电压被设置为能够使镜板204发生偏转的电平级别。在所述镜板204因为在电极126上施加的电压而发生偏转之后，在偏转位置处保持镜板204所需的电压小于实际发生偏转所需的电压。这是因为偏转的镜板204和寻址电极126之间的间隙小于当镜板204处于被偏转时的过程中的。因此，在寻址阶段之后的“保持阶段”，施加于所选电极126的电压可以在基本不影响镜板204的偏转状态的情况下，从它最初所需的电平被减小。具有低保持阶段电压的一个优势是，近乎未发生偏转的镜板204受到更小的静电吸引力，并且因此与零偏转位置保持很近的距离。这将改善偏转镜板204和未偏转镜板204之间的光学对比度。

通过选择合适的尺度(在一个实施例中，位于镜板204和电极126之间的间隔210为1～5微米，并且铰链206的厚度为0.05～0.45微米)，以及材料(诸如单晶硅(100))，则可以使反射性SLM 100的操作电压仅有几伏的水平。铰链206的扭转模块由单晶硅制成，它可以是例如每平方米每半径5×10¹⁰牛顿的大小。通过将镜板204维持在合适的电压值(“负偏置”)上而不是地电势上，可以使让相关镜板204完全发生偏转的电极126的操作电压更低一些。这样对于施加在电极126上的给定电压，会导致更大的偏转角。最大的负偏置电压为释放电压，因此当寻址电压下降到零时，镜板204能够扳回到未发生偏转的位置。

另外还可以以“模拟”的方式来控制镜板204的偏转。使用小于“扳动电压”的电压来使镜板204发生偏转，并且控制着入射光的反射方向。

其它应用：

除了视频显示器以外，空间光调节器100在其他应用中也是有用的。一个应用是在没有掩模的照相平板印刷中，其中空间光调节器100引导光以显影淀积的光阻材料。这将免除对掩模的需要，以便在预期图形中正确地显影光阻材料。

尽管通过参考多个实施例对本发明进行特别的展示和描述，但是对于在相关专业领域内的技术人员来说，在不偏离本发明的精神和范围的情况下对其进行形势和细节上的改变都是可以理解的。例如，可以通过使用除静电吸引之外的其他方法来使镜板204发生偏转。可以使用磁、热和压电式激励方法来使镜板204发生偏转。

Claims (20)

1. 一种空间光调节器，包括：

控制电路衬底，包括用于接收选定电压的多个电极和选自下列组的至少一个：存储缓存；显示控制器；以及脉宽调制阵列；以及

镜阵列衬底，键合到控制电路衬底，镜阵列衬底包括：

多个微镜板；

隔离支持框架，用于将多个微镜板与控制电路衬底相隔离以及支持微镜板；和

多个铰链，每个铰链连接到隔离支持框架和多个微镜板之一，每个铰链使得多个微镜板之一相对于最接近隔离支持框架的铰链延伸，用于使得镜板相对于隔离支持框架围绕由铰链限定的轴旋转。

2. 如权利要求1的空间光调节器，进一步包括多个CMOS反相器，其中多个电极的每个由不同的CMOS反相器来驱动。

3. 如权利要求1的空间光调节器，其中，多个微镜板中的每个微镜板、隔离支持框架和多个铰链中的每个铰链是连续单片材料的一部分。

4. 如权利要求3的空间光调节器，其中材料是单晶硅。

5. 如权利要求1的空间光调节器，其中镜阵列衬底与控制电路衬底对齐，使得每个电极定位在微镜板底下并与该镜板相关，从而由该电极接收的选定电压控制镜板的旋转移动。

6. 如权利要求1的空间光调节器，其中通过在低于大约500摄氏度下执行的低温键合方法，镜阵列衬底键合到控制电路衬底。

7. 一种单晶片空间光调节器，包括：

控制电路衬底，包括：

电极层，带有多个电极，用于接收选定电压；和

控制电路层，包括线路存储缓存和脉宽调制阵列；以及

镜阵列衬底，键合到控制电路衬底，该镜阵列衬底包括多个微镜的阵列，其中，所述镜阵列衬底的微镜由连续单片材料制造。

8. 如权利要求7的空间光调节器，其中所述连续单片材料是单晶硅。

9. 如权利要求7的空间光调节器，其中多个微镜的阵列包括：

多个微镜板；

隔离支持框架，用于将多个微镜板与控制电路衬底相隔离以及支持微镜板；以及

多个铰链，每个铰链连接到隔离支持框架和多个微镜板之一，用于使得镜板相对于隔离支持框架围绕由铰链限定的轴旋转。

10. 如权利要求9的空间光调节器，其中微镜板、隔离支持框架和铰链由连续单片材料制造。

11. 如权利要求9的空间光调节器，其中镜阵列衬底的微镜板的每个与控制电路衬底的多个电极的至少一个对齐并相关，使得由每个电极接收的选定电压用来控制相关镜板的旋转移动。

12. 如权利要求7的空间光调节器，其中通过在低于大约500摄氏度下执行的低温键合方法，镜阵列衬底键合到控制电路衬底。

13. 如权利要求7的空间光调节器，其中控制电路衬底的多个电极位于钝化层上。

14. 如权利要求13的空间光调节器，其中钝化层位于包括线路存储缓存和脉宽调制阵列的电路层之上。

15. 如权利要求14的空间光调节器，其中电路层进一步包括显示控制器。

16. 一种空间光调节器，其具有的微镜阵列和控制电路集成在一个晶片上，以改善数据传输速率，所述空间光调节器包括：

微镜阵列衬底，包括：

多个微镜板；

隔离支持框架，用于将多个微镜板与控制电路衬底相隔离以及支持微镜板；和

多个铰链，每个铰链连接到隔离支持框架和多个微镜板之一，用于使得镜板相对于隔离支持框架围绕由铰链限定的轴旋转；

控制电路衬底，包括：

控制电路层，带有包括从下列组中选择的至少一个的控制电路：

存储缓存；

显示控制器；以及

脉宽调制阵列；

电极层，带有多个电极，连接到控制电路，用于从控制电路接收选定电压，并且每个电极与镜阵列衬底的多个微镜板之一相关，从而由电极接收的选定电压创建电场，该电场控制该多个微镜板之一的旋转；并且

其中制造控制电路衬底的电极和控制电路，然后控制电路衬底键合到镜阵列衬底。

17. 如权利要求16的空间光调节器，其中微镜板、隔离支持框架和铰链由连续单片材料制造。

18. 如权利要求16的空间光调节器，其中微镜阵列被部分地制造，然后键合到控制电路衬底，从而完成微镜阵列的制造。

19. 如权利要求16的空间光调节器，其中通过在低于大约500摄氏度下执行的低温键合方法，镜阵列衬底键合到控制电路衬底。

20. 一种空间光调节器，包括：

控制电路衬底，包括用于接收选定电压的多个电极和选自下列组的至少一个：存储缓存；显示控制器；以及脉宽调制阵列；以及

镜阵列衬底，键合到控制电路衬底，镜阵列衬底包括：

多个微镜板；

隔离支持框架，用于将多个微镜板与控制电路衬底相隔离以及支持微镜板，该隔离支持框架基本上包封每个镜板；和

多个铰链，每个铰链连接到隔离支持框架和多个微镜板之一，用于使得镜板相对于隔离支持框架围绕由铰链限定的轴旋转。

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