CN100580508C

CN100580508C - 具有提高对比度的数字微镜装置及其方法

Info

Publication number: CN100580508C
Application number: CN200580045634A
Authority: CN
Inventors: W·M·邓肯
Original assignee: Texas Instruments Inc
Current assignee: Texas Instruments Inc
Priority date: 2004-11-02
Filing date: 2005-10-28
Publication date: 2010-01-13
Anticipated expiration: 2025-10-28
Also published as: EP1810071A1; CN101095075A; US20060092497A1; US7184201B2; JP2008519293A; EP1810071A4; WO2006050149A1

Abstract

根据本发明的一个实施例，提供了一种具有提高对比度的数字微镜装置及其方法。数字微镜装置包括衬底(214)的上表面上的多个载流导体，每个载流导体(210)具有上表面；布置在载流导体的上表面上的低反射率金属(208)；在衬底之上形成缝隙的第一和第二微镜；且其中布置在载流导体的上表面上的低反射率金属(208)减少了载流导体通过所述缝隙接收的光的反射。

Description

具有提高对比度的数字微镜装置及其方法

【0001】本发明一般涉及光学处理装置，更具体地，涉及一种具有提高对比度的数字微镜装置及其方法。

技术背景

【0002】数字微镜装置(DMD)能够用于光通信和/或投影显示系统。DMD包括微镜阵列，所述微镜阵列通过在活动的“开”和“关”状态之间绕枢轴转动来选择性地传递至少一部分光信号或光束。为了允许微镜绕枢轴转动，每个微镜均被附连于安装在一个或多个支柱上的铰链，所述一个或多个支柱联接于CMOS衬底。在微镜和支柱之下，过去常用CMOS衬底控制DMD微镜的运动。令人遗憾的是，当微镜处于“关”状态，具有光学反射性的CMOS衬底可能会被暴露。当光在DMD的微镜之间通过时，其可被衬底表面反射，从而产生不需要的光学伪像，且限制了DMD的对比度。

【0003】在试图减少组成DMD底层结构的CMOS衬底的反射率的过程中已采用了各种方法来提高DMD的对比度。一些方法使用由诸如二氧化硅和氮化钛构成的多层介质结构来覆盖DMD底层结构。然而，由于氮化钛的半导电的性质这种方法在其适用性上受到限制，所述氮化钛的半导电的性质可导致有关电的问题，例如充电和寄生电容。其它方法采用了氧化铬覆盖铬或其它反射金属以形成在一些DMD中使用的缝隙。这种方法同样受到限制，这是因为铬的使用高度受限于环境条件。最后，采用非金属元素的方法已受到限制，这是由于DMD中暴露层中非金属元素趋向于与DMD顶部空间中的氟起反应而形成具有高分压的化合物，所述高分压可损害DMD。

发明内容

【0004】根据本发明的一个实施例，提供了具有提高对比度的数字微镜装置及其方法。数字微镜装置包括衬底的上表面上的多个载流导体，每个载流导体均具有上表面；布置在载流导体的上表面上的低反射率金属，对于从0.2微米到0.8微米的光波长，所述低反射率金属具有低于3.5的消光系数K值；以及在衬底上形成缝隙(aperture)的第一和第二微镜。布置在载流导体的上表面上的低反射率金属减少了通过缝隙由载流导体接收的光的反射。

根据本发明的另一个实施例，提供了一种用于提高数字微镜装置对比度的方法，包括：通过置于数字微镜装置的衬底之上的第一微镜和第二微镜形成的缝隙来接收光，所述衬底在所述衬底的上表面上具有多个载流导体，每个载流导体具有被布置在所述载流导体的上表面上的低反射率金属，对于从0.2微米到0.8微米的光波长，所述低反射率金属具有低于3.5的消光系数K值；允许通过所述缝隙接收的光接触所述低反射率金属；以及至少部分地减少所述低反射率金属通过所述缝隙接收的光的反射。

【0005】本发明的某些实施例的技术优势包括跟传统DMD相比具有提高对比度的数字微镜装置。本发明的特定实施例用可减少反射离开DMD上层结构的反射光的低反射率金属覆盖这些导体，而不是将高度反射的载流导体留在暴露的衬底上表面上。

【0006】本发明的某些实施例的另一个技术优势是所使用的低反射率金属在暴露于DMD顶部空间中的化合物时趋向于形成离子化合物。这些离子化合物典型地具有的分压比共价化合物的分压要低，从而降低由于顶部空间中的过大压力而对DMD造成损害的风险。

【0007】本发明的某些实施例的又一个技术优势是在DMD中使用的低反射率金属天生具有低吸收系数，从而允许低反射率金属被用于多层堆叠结构中，在所述堆叠结构中金属是至少部分地透射的。在某些实施例中，这些多层堆叠结构具有的发射率甚至可低于那些无限厚的单层结构的反射率。

【0008】根据下文本发明的其它技术优势对于本领域技术人员而言将会是显而易见的。

附图描述

【0009】为了更完整地理解本发明及其特征和优势，现参照如下连同附图的描述，其中：

【0010】图1说明了根据本发明特定实施例的数字微镜装置的部分透视图；

【0011】图2A说明了根据本发明特定实施例的数字微镜装置的部分横断面视图；

【0012】图2B说明了根据本发明特定实施例的数字微镜装置的部分横断面视图；以及

【0013】图3说明了根据本发明特定实施例的形成数字微镜装置衬底的方法流程图。

具体实施方式

【0014】根据本发明的特定实施例，图1说明了数字微镜装置(DMD)100的部分透视图。DMD 100采用低反射率涂层覆盖DMD的CMOS衬底的导电层以减少DMD上层结构的反射率并提高DMD的对比度系数。

【0015】如图1中所示，DMD 100包括微型机电开关(MEMS)装置，所述微型机电开关装置包括几十万个倾斜微镜104的阵列。在本例中，每个微镜104在尺寸上约为13.7平方微米，且在相邻微镜之间具有约1微米的间隙。在一些例子中，每个微镜在尺寸上可小于13平方微米。在其它例子中，每个微镜在尺寸上可约为17平方微米。另外，每个微镜104可倾斜到正负10度，从而产生活动的“开”状态条件或活动的“关”状态条件。在其它例子中，对于活动的“开”状态或“关”状态而言每个微镜104可倾斜正负12度。

【0016】在本例中，每个微镜104在其活动的“开”和“关”状态之间转换以选择性地传递至少一部分光信号或光束。为允许微镜104倾斜，每个微镜104均被附连于安装在铰链柱108上的一个或多个铰链116，并通过空隙在互补金属氧化物半导体(CMOS)衬底102上分隔开。在本例中，微镜104以正或反方向倾斜直到轭架106接触导电管道(conduit)110。虽然本例包括轭架106，但其它例子可除去轭架106。在那些例子中，微镜104以正或反方向倾斜直到微镜104接触反射镜光阑(未明确示出)。

【0017】在该特定例子中，电极112和导电管道110被形成于导电层120内部，所述导电层120被布置在氧化层103外表上。导电层120可以包含，例如，铝合金或其它适合的导电材料。氧化层103用来将CMOS衬底102与电极112和导电管道110隔离。

【0018】导电层120接收偏压，所述偏压至少部分地促进电极112、微镜104和/或轭架106之间形成的静电力的产生。在该特定范例中，偏压包括稳态电压。也就是说，当DMD 100在运转中时施加到导电层120的偏压基本上保持不变。在本例中，偏压包括约26伏。虽然本例使用26伏的偏压，其它偏压也可被使用而不偏离本公开的范围。

【0019】在该特定例子中，CMOS衬底102包括与DMD 100相联系的控制电路。控制电路可包含任何能够至少部分地促进电极112、微镜104和/或轭架106之间静电力的产生的硬件、软件、固件或其组合。与CMOS衬底102相联系的控制电路起作用，从而至少部分地基于从处理器(未明确示出)接收的数据而选择性地在“开”状态和“关”状态之间转换。

【0020】在该特定例子中，微镜104a被置于活动的“开”状态条件，而微镜104b被置于活动的“关”状态条件。控制电路通过选择性地将控制电压施加到与特定微镜104相联系的至少一个电极112，以使微镜104在“开”和“关”状态之间转换。例如，为使微镜104b转换到活动的“开”状态条件，控制电路将控制电压从电极112b移走并将控制电压施加到电极112a。在本例中，控制电压包括约3伏。虽然本例使用约3伏的控制电压，其它控制电压也可被使用而不偏离本公开的范围。此外，当图1说明特定DMD装置时，提供图1及其相关描述仅仅出于说明目的，决不应用来限制本公开的范围。相反，应该认识到，本发明的教导可被用于减少被任何DMD衬底或半导体装置反射的光的量。

【0021】如上所述，当微镜104处于“关”状态时，因为镜面的倾斜使微镜下的上层结构显露出来，所以导电层120可能会暴露。在传统的DMD中，这将产生不需要的反射，所述不需要的反射在光信号的像素之间或由DMD产生的图像之间是明显的，这是因为光通过由镜面形成的缝隙并反射离开DMD的上层结构。然而，DMD 100，特征在于将低反射率金属涂在导电层120上表面之上以减少这种光的反射并提高DMD的对比度系数。这可通过观察图2A和2B被更好地理解，所述图2A和2B说明了根据本发明教导的DMD的例子。

【0022】图2A根据本发明的特定实施例说明了DMD 200的横断面视图。DMD 200包括微镜202，所述微镜202被附连于一个或多个横梁204和铰链206并通过空隙在CMOS衬底214上间隔开。在CMOS衬底214的上表面上，多个电极和导电管道(未明确示出)在导电层210内部形成，所述导电层210被布置在氧化层212的外表上。典型地，导电层210包括铝合金或另一合适的导电材料。这趋向于产生光学上反射的导电层210。为减少离开导电层210的表面的不需要的反射，导电层210中的电极和导电管道被层208中的低反射率金属覆盖。

【0023】通常，根据本发明任何低反射率金属都可适合使用。在特定实施例中，合适的低反射率金属包括，但并不局限于，钛、钨、钒或钽。通常，根据本发明教导的适合使用的低反射率金属具有相对低的K值(也被称作折射率的虚部)。金属的K值和金属的反射率之间的关系由如下等式给出：

R = [\frac{{(n - 1)}^{2} + k^{2}}{{(n + 1)}^{2} + k^{2}}]

在此R是材料的反射系数，n是材料的折射系数，而k是材料的消光系数。如果上述等式中的k值很大，R值将接近1。然而，如果K值很小，R值通常保持在1以下。

【0024】考虑到该关系，对于从约0.2微米到约0.8微米的光波长而言，根据本发明教导的适合使用的低反射率金属典型地具有的K值低于约3.5。对于从约0.4微米到约0.7微米的光波长而言，这些低K值典型地产生反射率低于约0.6的合适的低反射率金属。

【0025】低反射率金属的低K值还可使本发明的低反射率金属具有低吸收系数，A，由如下等式给出：

A = \frac{4 πk}{λ}

在此，A是材料的吸收系数，k是材料的消光系数，而λ是被吸收的光的波长。

【0026】因为本发明的低反射率金属具有低吸收系数，所以本发明的特定实施例可使用低反射率金属作为层堆叠结构的一部分。当被用于这种多层堆叠中时，低反射率金属可以是至少部分地透射的。通过组合多个这些至少部分地透射的金属的薄层，结果形成的多层堆叠具有的反射率可低于无限厚的单层金属涂层的反射率。

【0027】这样的多层堆叠结构的例子应该在图2B中，图2B再次显示了DMD 200。然而，在该实施例中，“层”208实际上是多层堆叠，其包括多个低反射率金属薄层，层220、222、224和226。在该实施例中，层220-226中的每层均可是至少部分地透射的。如上所讨论的，这样产生的层220-226具有的总反射率可低于相同总厚度的单个低反射率金属层的发射率。

【0028】本发明的低反射率金属还可提供其它好处。例如，根据本发明教导的适合使用的低反射率金属，由于它们的金属性质，在暴露于DMD的顶部空间的成分时通常趋向于形成离子化合物，其中所述DMD的顶部空间的成分可包括氟或含磷的。由低反射率金属和顶部空间成分的反应形成的离子化合物典型地具有比共价键化合物低的分压。这些较低的分压帮助减少由于顶部空间中的过大压力而对DMD的上层结构造成损害的风险。对于本领域普通技术人员而言，本发明的其它好处也是显而易见的。

【0029】图3说明了根据本发明教导的提高DMD对比度系数的方法流程图。如图3中所示，流程图300开始于块301。在块302，形成DMD的CMOS衬底。取决于所制造的DMD，这可包含安排在各种不同结构中的各种不同材料，所有这些都属于本发明的教导。

【0030】在块302中形成CMOS衬底之后，形成DMD的导电层。该导电层包括多个用于控制DMD的微镜运动的电极和导电管道，并且典型地由铝合金或另一合适的导电材料组成。

【0031】低反射率金属，例如钛、钨、钒或钽，然后在块303中被沉积在导电层的上表面上。金属的低反射率帮助减少通过“关”状态微镜之间由DMD的上层结构反射的光。因为反射减少，所得到的DMD可具有较高的对比度系数。

【0032】在特定实施例中，低反射率金属实际上可被沉积为多层堆叠结构的一部分。在这样一个实施例中，需要额外的低反射率金属层。当出现在多层堆叠中时，本发明的低反射率金属典型地为薄膜，常常是至少部分地透射的。在某些实施例中，这可产生多层堆叠，其具有的总反射率低于无限厚的金属片的反射率。因此，在块304中，决定是否在导电层的电极和管道上沉积可选的、额外的低反射率金属层。如果需要额外的低反射率金属层，就在块305中沉积额外层。额外的低反射率金属层被添加直到在块304确定不需要额外层。一旦沉积了所需数目的低反射率金属层，流程在块307中结束。

【0033】虽然本发明的方法和装置的特定实施例已在附图中说明并在上述具体实施方式中描述，但应该理解的是，本发明并不限于所公开的实施例，在不脱离本发明范围的情况下，可以对本发明进行许许多多的重新布置、修改和替换。

Claims

1.一种数字微镜装置，包括：

衬底的上表面上的多个载流导体，每个载流导体具有上表面；

布置在所述载流导体的所述上表面上的低反射率金属，对于从0.2微米到0.8微米的光波长，所述低反射率金属具有低于3.5的消光系数K值；

在所述衬底之上形成缝隙的第一和第二微镜；而且

其中布置在所述载流导体的所述上表面上的所述低反射率金属减少了所述载流导体通过所述缝隙接收的光的反射。

2.根据权利要求1所述的装置，其中所述低反射率金属包括多层堆叠结构。

3.根据权利要求1所述的装置，其中对于从0.4微米到0.7微米的光波长，所述低反射率金属具有低于0.6的反射率。

4.根据权利要求2所述的装置，其中对于从0.4微米到0.7微米的光波长，所述低反射率金属具有低于0.6的反射率。

5.根据权利要求1-4中任一项所述的装置，其中所述低反射率金属包括钛、钨、钒或钽。

6.根据权利要求1-4中任一项所述的装置，其中所述低反射率金属在与所述数字微镜装置的顶部空间中的元素起反应时形成离子化合物。

7.根据权利要求5所述的装置，其中所述低反射率金属在与所述数字微镜装置的顶部空间中的元素起反应时形成离子化合物。

8.根据权利要求1-4中任一项所述的装置，其中所述低反射率金属是至少部分地透射的。

9.根据权利要求5所述的装置，其中所述低反射率金属是至少部分地透射的。

10.根据权利要求6所述的装置，其中所述低反射率金属是至少部分地透射的。

11.根据权利要求7所述的装置，其中所述低反射率金属是至少部分地透射的。

12.一种用于提高数字微镜装置对比度的方法，包括：

通过置于数字微镜装置的衬底之上的第一微镜和第二微镜形成的缝隙来接收光，所述衬底在所述衬底的上表面上具有多个载流导体，每个载流导体具有被布置在所述载流导体的上表面上的低反射率金属，对于从0.2微米到0.8微米的光波长，所述低反射率金属具有低于3.5的消光系数K值；

允许通过所述缝隙接收的光接触所述低反射率金属；以及

至少部分地减少所述低反射率金属通过所述缝隙接收的光的反射。