CN101084462B - 高反差空间光调制器和方法 - Google Patents

Abstract

通过将高有效反射区域填充比和无衍射的微镜阵列与高静电效率和低表面粘连的控制衬底相结合制作了用于显示和印刷的高反差空间光调制器。

Description

高反差空间光调制器和方法

相关申请的交叉参考

本申请要求2003年10月27日提交的序号60/514,589的题为“高反差空间光调制器和方法”的U.S.临时专利申请的优先权，其内容在此引入作为参考。

技术领域

本发明涉及空间光调制器(SLM)阵列及其制作，更特定地，涉及具有可电寻址控制电路的用于显示和印刷应用的微镜阵列。

背景技术

在过去的十五至二十年中，基于微镜的空间光调制器(SLM)取得了越来越多的技术进步并得到了显示工业的采用。该器件通过利用静电扭矩绕扭转铰链倾斜阵列中的各微镜板将入射光反射到预定出射方向上来工作。在更普遍的数字模式工作中，通过选择性旋转微镜阵列中的各镜面并机械地停在特定的着陆(landing)位置来确保反射角的精确度来“开”或“关”定向光。实用的微镜阵列需要在机械停止处低的接触粘结力以及高效静电扭矩来控制定时，克服表面接触粘连，并确保可靠性。用于显示应用的高性能空间光调制器产生高亮度和高反差比的视频图像。

早期视频应用中的SLM都有投影图像低亮度和低反差比的缺点。以前的SLM涉及通常象素的有效反射区域填充比(例如象素中有效反射区域和无效区域之比)都较低。SLM阵列中的每个象素周围的大无效区域导致低的光耦合效率和低亮度。来自阵列中这些无效区域的散射光形成衍射图案，反过来影响视频图像的反差。减小基于微镜阵列的SLM的反差比的另一因素在于来自每个镜子中垂直于入射照射的两个平直边缘的散射光的衍射。在传统方形镜子设计中，正交入射光在工作过程中直接被阵列中的每个镜子的垂直平直前、后缘散射。散射光产生衍射图案，投影透镜聚集了多个这种衍射光。亮的衍射图案抵消了投影视频图像的高反差。

一种基于微镜的SLM是德州仪器开发的数字镜器件(DMD)。最近的实施包括通过轭板顶上的刚性垂直支撑柱悬挂起来的微镜板。轭板进一步在寻址电极上包含一对扭转铰链和两对水平着陆尖头。由寻址电极上的电压电势控制施加在轭板和镜板上的静电力引起两块板的双向旋转。双板结构用于提供基本平坦的镜子表面，覆盖下面的电极和铰链机构，这是实现可接受反差比的一个方法。

然而，将镜板举在铰链轭板上方的垂直支镜柱对DMD的反差比有两个负面影响。首先，当前设计中的镜子中央处有一个大的凹陷(由支镜柱的制作引起)，这导致了入射光的散射且降低了光学效率。其次，双板旋转引起镜子表面沿DMD表面的水平位移，导致微镜在工作过程中的水平振动。镜子的水平移动使得阵列中的镜子之间要设计成有更大的间隙，进一步降低了有效反射区域填充比。例如，如果镜子在每个方向的旋转是12°，那么镜子和轭之间的每一微米间隔就会导致在每个方向上的0.2微米水平位移。换句话说，对于支镜柱的每一微米长度来说，在相邻镜子之间就需要超过0.4微米的空间来容纳水平位移。

轭结构限制了底部电极与轭和镜子之间的电容耦合的静电效率。尤其是在着陆位置处，轭结构需要在电极与轭和镜子之间有高的电压电势偏置以确保角度交叉转换。双板结构散射入射光，也降低了视频图像的反差比。

另一现有技术的反射式SLM包括上透明衬底，位于包含寻址电路的下衬底之上。从上衬底伸出的两个铰链柱撑起一个或多个静电偏转元件。工作时，各个镜子选择性偏转，用于对入射上透明衬底上并随后被其反射回去的光进行空间调制。在反射式偏转元件上可加上止动器从而镜子不会折断到底部控制衬底上。或者，止动器靠着上透明衬底从而限制了反射式偏转元件的偏转角度。

在这样的顶部悬挂镜子设计中，悬镜柱和机械停止器都受到光照，这降低了有效反射区域填充比和光学效率，增大了光散射。还难以控制夹在沉积的铝膜和LPCVD氮化硅层之间的反射镜表面的光滑度。沉积膜质量决定了反射铝表面的粗糙度。无法进行沉积后抛光来纠正镜子粗糙度。

非常需要提供能够克服前述与现有技术相关的缺点的高发反差空间光调制器。

发明内容

本发明是制造高反差空间光调制器(SLM)的方法，该调制器包含高有效反射区域填充比和无衍射的微镜阵列以及高静电效率和低表面附着的控制衬底。

根据本发明另一实施方案，几对扭转铰链嵌入在要作为镜板的下部的一部分的空腔下，并在反射表面下方与之保持最小距离使得仅有允许预定角旋转的间隙。阵列中的每个镜子由一对受两根柱支撑的扭转铰链悬挂，从而每个镜子沿镜子平面中的一条轴旋转。通过消除各个镜子在交叉转换过程中的水平位移，显著减小了阵列中相邻金子之间的间隙，导致了非常高的SLM有效反射区域填充比。

根据本发明另一实施方案在控制衬底表面上制作了一对垂直着陆尖头。这些垂直着陆尖头减小了机械停止过程中镜子的接触面积，提高了机械着陆工作的可靠性。最重要地，这些着陆尖头通过在镜子阵列的公共偏置上施加尖锐的双极脉冲电压使得有镜子着陆分隔。双极脉冲所产生的电机冲击的动能被转换成弹性应变能存储在形变镜子铰链和形变着陆尖头中，并随后释放来触发和弹起分开着陆尖头的镜子。

根据本发明另一实施方案，台阶电极(step electrode)位于控制衬底表面上方以减小铰链区域附近镜子和寻址电极之间的空气隙间距。更小的空气隙间距，尤其是在机械停止位置处更小的空气隙间距增强了电机锁定并提高了静电效率。

根据本发明另一实施方案，在器件结构内部覆盖一层抗静摩擦层显著地减小了镜板和微着陆尖头之间的表面接触粘连。

根据本发明另一实施方案，镜板、内嵌铰链、支撑柱、台阶电极和着陆尖头的材料由基于铝-硅的机电材料——例如铝、硅、多晶硅和铝-硅合金——支撑。沉积由在温度低于500℃的受控环境中磁控溅射含有铝或硅或二者都包含的单个标靶的物理气相沉积(PVD)来完成。也可用等离子体增强化学气相沉积(PECVD)来形成相同结构的层。

根据本发明另一实施方案，镜板103、内嵌扭转铰链106、支撑柱105、台阶电极221和着陆尖头222的材料由基于难熔金属的机电材料——例如钛、钽、钨、钼和它们的硅化物形成。难熔金属和它们的硅化物与CMOS半导体工艺相容并具有相对较好的机械特性。这些材料可以用PVD、化学气相沉积(CVD)和PECVD来沉积。在镜板表面上沉积金属薄膜——例如铝、金或它们的合金——可以提高光反射率。

本发明提供用于显示和印刷的高反差空间光调制器。本发明将高有效反射区域填充比和无衍射的微镜阵列与高静电效率和低表面粘连的控制衬底结合在一起。

附图说明

下面这些引入并形成说明书的一部分的附图示出了本发明的实施方案，并与说明书一起用于解释本发明的原理。

图1a为根据本发明某一实施方案的空间光调制器的一部分的剖视图，将光反射到“开”状态。

图1b为根据本发明某一实施方案的空间光调制器的一部分的剖视图，将光反射到“关”状态。

图2为根据本发明某一实施方案用于具有对角照明的投影系统的矩形镜子阵列的一部分的透视图。

图3为一透视图，示出根据本发明某一实施方案用于具有对角照明的投影系统的控制电路衬底的一部分的顶部。

图4为一透视图，示出根据本发明某一实施方案用于具有正交照明的投影系统的镜子阵列的一部分，其中每个镜子都具有一系列弯曲前、后缘。

图5为根据本发明某一实施方案用于具有正交照明的投影系统的控制电路衬底的透视图。

图6为用于具有正交照明的投影系统的镜子阵列的一部分的放大背视图，其中每个镜子具有一系列弯曲前、后缘。

图7为镜板下部中的空腔下方的内嵌扭转铰链及其支撑柱的透视图。

图8示出镜板在某一方向旋转15°时其内嵌扭转铰链周围的最小空气隙间距。

图9为根据本发明制作的高反差空间光调制器的制作流程图。

图10-13为空间光调制器的一部分的侧面剖视图；它们示出制作支撑框架和与寻址电路中的记忆单元相连的第一级电极的一种方法。

图14-17为空间光调制器的一部分的侧面剖视图；它们示出在控制衬底表面上制作支撑柱、第二级电极以及着陆尖头的一种方法。

图18-20为空间光调制器的一部分的侧面剖视图；它们示出在支撑框架上制作多个扭转铰链和支撑的一种方法。

图21-23为空间光调制器的一部分的侧面剖视图；它们示出制作具有内嵌隐藏铰链的镜板的一种方法。

图23-26为空间光调制器的一部分的侧面剖视图；它们示出形成反射镜和分离微镜阵列的各个镜子的一种方法。

具体实施方式

通过将高有效反射区域填充比和无衍射的微镜阵列与高静电效率和低表面粘连的控制衬底相结合制作了用于显示和印刷的高反差空间光调制器(SLM)。

图1a示出根据本发明某一实施方案的空间光调制器的一部分的剖视图，来自照明源401的定向光411形成入射角θi。偏射光412具有角度θo，该角度相对微镜阵列的法线方向测量。在数字工作模式中，这一格局通常称作“开”位置。

图1b示出空间光调制器的同一部分的剖视图，只是镜板转向了铰链106的另一侧下的另一电极。定向光411和偏射光412形成更大的角度θi和θo。这些角度是镜板102的尺寸以及镜子103下表面和着陆尖头222之间的空气隙间距的函数。偏射光412射向光吸收器402。

根据本发明另一实施方案，高反差SL包括三个主要部分：包括控制电路的底部，具有一组台阶电极、微着陆尖头、铰链支撑柱的中部，以及被一组具有内嵌扭转铰链和空腔的镜子覆盖的上部。

底部是具有寻址电路的晶片衬底300，寻址电路选择性控制SLM的微镜阵列中每个镜子的工作。寻址电路包括记忆单元阵列和用于传递信号的字线/位线互连的阵列。硅片衬底上的电学寻址电路可以用标准CMOS技术来制作，类似于低密度记忆阵列。

高反差SLM的中部由台阶电极221、着陆尖头222、铰链支撑柱105和支撑框架202的阵列形成。本发明的多层台阶电极221设计来提高角度交叉转换过程中静电扭矩的电容耦合效率。通过使电极221表面抬升靠近铰链106，有效地缩小了镜板103和电极221之间的空气隙间距。由于静电吸引力反比于镜子和电极之间的距离的平方，这一效应在镜子于其着陆位置处倾斜时变得明显。当工作在模拟模式时，高效静电耦合使得可以更精确和稳定地控制空间光调制器中各个微镜的倾斜角。在数字模式中，寻址电路的工作只需更低的驱动电压电势。第一级电极221之间的高度差可以在0.2微米到3微米之间变化，取决于第一级电极到镜板之间的空气隙的相对高度。

在控制衬底表面上，为了制作简单，一对固定的垂直着陆尖头222a和222b设计成与第二级电极221具有相同的高度。一对固定的垂直尖头222a和222b具有两个功能。垂直尖头在每个角度交叉转换上为镜子提供和缓的机械着地来着陆。在控制衬底的表面上增加固定的着陆尖头222改善了机器工作并延长了器件的可靠性。这些垂直着陆尖头222的第二个功能在于提供一个机构以容易地分开镜子103和它的接触停止器222，这有效地消除了SLM数字工作过程中的接触表面粘连。例如，为了启动角度交叉转换，在通常通过每个镜板103的内嵌铰链106和支撑柱105与每个镜板103相连的偏置电极303上施加尖锐的双极脉冲电压Vb。双极偏压Vb所建立的电压电势增强了铰链106两侧上的静电力。由于空气隙间距上大的差别，这一增强在着陆位置处的两侧上是不相等的。尽管偏置电压Vb在镜板下表面103a和103b上的增大对镜子102将转向的方向影响更小，但是作用在整个镜板102上的静电力F的尖锐增加通过将电机动能转换成存储在形变镜子铰链106和形变着陆尖头222a或222b中的弹性应变能提供了动态激励。在双极脉冲释放到公共偏置Vb上之后，形变着陆尖头222a或222b以及形变镜子铰链106的弹性应变能转换回镜板的动能，它触发和弹起离开着陆尖头222a或222b处。镜板对静止状态的这一微扰使得镜板103从一个状态到另一个状态的角度交叉转换的寻址电压电势Va非常小。

控制衬底300表面上的铰链支撑框架202设计成增强该对支镜柱105的机械稳定性，并将静电势限制在局部区域中。为简化起见，支撑框架202的高度设计成与第一级电极221相同。由于镜板103的尺寸固定，一对铰链支撑柱105的高度决定了微镜阵列的最大偏转角θ。

高反差SLM的上部完全被微镜阵列覆盖，镜板103上表面上有平坦的反光层102，而其下部中的空腔下有一对内嵌扭转铰链106。镜板103中的扭转铰链106制作成镜板103的一部分，在反射表面下方与其保持最小距离以使得只有一个足够预定角度旋转的间隙。通过使绕轴106旋转的铰链与上反射表面102之间的距离最小化，空间光调制器有效地消除了每个镜子在角度转换过程中的水平位移。根据本发明，SLM阵列中的相邻镜子之间的间隙可以减小到小于0.2微米以获得当前最高的微镜阵列有效反射区域填充比。

用于微偏射器件的材料优选地是导电的、稳定的，具有合适的硬度、弹性和应力。理想地，单种材料——例如机电材料——将覆盖镜板103的硬度和扭转铰链106的塑性，具有足够的强度来偏转而不会断裂。此外，所有用于构建微镜阵列的材料优选地在400℃下加工，这是典型的避免破坏控制衬底中的预制电路的制造工艺温度。

根据本发明另一实施方案，镜板103、内嵌扭转铰链106和支撑柱105的材料由基于铝-硅的机电材料——例如铝、硅、多晶硅、铝-硅合金，以及它们的合金——制成。在某一实施方案中，沉积由在温度低于500℃的受控腔中磁控溅射含有铝或硅或二者都包含的单个标靶的PVD来完成。也可用PECVD来形成相同结构的层。

根据本发明另一实施方案，镜板103、内嵌扭转铰链106和支撑柱105的材料由基于难熔金属的机电材料——例如钛、钽、钨、钼、它们的硅化物和它们的合金——制成。难熔金属和它们的硅化物与CMOS半导体工艺相容并具有相对较好的机械特性。这些材料可以用PVD、CVD和PECVD来沉积。通过在镜板表面上进一步用PVD沉积一层金属薄膜102(例如铝、金或它们的合金，取决于镜板103表面上的应用)可以提高光反射率。

为了实现偏射视频图像的高反差比，任何来自微镜阵列的散射光都应当被减小或消除。最常见的干扰产生于来自各镜子的前、后缘的照明的散射所产生的衍射图案。衍射问题的解决方法是减弱衍射图案的强度并将来自每个象素的无效区域的散射光导引到除了投影光瞳之外的其它不同方向。一种方法是将入射光411导向与方形镜子102象素的边缘成45°角的方向，这有时称作对角铰链或对角照明结构。

图2为一透视图，示出镜子阵列的一部分的顶部，每个镜子102具有方形形状；这一镜子阵列使用对角照明系统。阵列中镜子的铰链106在对角方向上沿镜子的两个相对的角制作，并垂直于照射光411。具有对角铰链轴的方形镜子的优点在于它能够将来自前、后缘的散射光偏射到与投影光瞳403成45°的方向。缺点在于它要求投影棱镜组系统朝SLM的边缘倾斜。在使用传统的矩形TIR棱镜系统来分开每个镜子102所选择的“开”和“关”光时，对角照明具有低的光耦合效率。扭曲了的聚焦点要求大于矩形微镜阵列表面的照明以覆盖所有的有效象素阵列。更大的矩形TIR棱镜增大了成本、体积和投影显示器的重量。

图3示出用于具有对角照明结构的投影系统的控制电路衬底的一部分的透视图。一对台阶电极221呈对角布置，以提高与镜板103电容耦合的静电效率。两个微尖头222a和222b用作镜子103的机械着陆的着陆停止以保证倾角θ的精度，并克服接触静摩擦。这些微尖头222a和222b由高弹簧常数材料制成，用作着陆弹簧以减小镜子按下时的接触面积。双层台阶电极221的边缘处的这些微尖头222的第二个功能在于它们的弹簧效应，有助于与镜板103的分隔。当通过镜子阵列的公共偏置303向镜子103上施加尖锐的双极脉冲电压电势Vb时，整个镜板103上静电力F的迅速增大通过将电机动能转换成存储在形变镜子铰链106中的弹性应变能提供了动态激励。在镜板103从着陆尖头222弹起时弹性应变能变回镜板103的动能。

现有技术SLM中镜子平直或转角陡峭边缘的周期阵列产生衍射图案，通过以固定角度散射照射光411而降低了投影图案的反差。阵列中的镜子的弯曲前、后缘大大减弱了衍射图案，这是由于照射光411在镜子边缘处的散射角变化。根据本发明另一实施方案，通过用至少一个或一系列曲面形状的具有相对的凹进和伸展的前、后缘代替矩形镜子的平直或固定角度的转角形边缘，降低了衍射到投影光瞳403中的强度，同时仍保留了正交照明光学系统。在前、后缘形成垂直于入射照射411的曲面减弱了衍射强度，减少了一大部分直接衍射到投影系统中的散射光。

正交照明具有更高的光学系统耦合效率，只需更便宜、尺寸更小和更轻的TIR棱镜。然而，由于来自镜子前、后缘的散射光被直接散射进投影光瞳403，它产生了减小SLM的反差比的衍射图案。

图4示出用于具有正交照明的投影系统的镜子阵列的顶部的透视图。内嵌扭转铰链106平行于每个镜子的前、后缘，并垂直于照射光411。因此SLM中的镜子象素受到正交照射。在图4中，阵列中的每个镜子在前缘伸展和后缘凹进中都具有一系列曲面。原理是曲面边缘减弱了散射光的衍射强度，它进一步将一大部分散射光衍射到偏离光学投影光瞳403的各个角度上。每个镜子的前、后缘的曲率半径r可根据所选择的曲面的数目而改变。随着曲率半径r变小，衍射减弱效应变得越显著。为了使衍射减弱效应最大化，根据本发明另一实施方案，设计了一系列小的曲率半径r来形成阵列中的每个镜子的前、后缘。曲面的数目可根据镜子象素的尺寸而改变，若方形镜子象素尺寸10微米，则每个前、后缘上二至四个曲面就给出了最佳的结果和低的衍射。另外，这一结构处于当前制造能力内。

图5为用于具有正交照明411的投影系统的控制电路衬底300的一部分的透视图。与传统平板电极不同，抬升于控制衬底300表面上方靠近铰链轴的双层台阶电极221减小了平面镜板103和底电极221之间的有效空气隙间距，这显著地提高了镜板103的电容耦合的静电效率。台阶电极221的层数可以从一到十。然而，台阶电极221层数越大，制造该器件就更复杂和昂贵。更实际的数目是二或三。图5还示出由尖头222制成的垂直于控制衬底300表面的机械着陆停止。这些尖头222在角度交叉转换的着陆运行过程中提供机械停止。台阶电极221的边缘处的尖头222用作着陆尖头，进一步克服接触表面粘连。这一低电压驱动和高效率微镜板设计使得微镜可以有更大的总偏转角(|θ|＞15°)以提高SLM的亮度和反差比。

这一反射式空间光调制器的另一优点在于它通过将扭转铰链106内嵌在镜板103下部中的空腔下方(这几乎完全消除了角度交叉转换过程中镜子103的水平位移)得到了最大可能的有效反射区域填充比。图6示出设计成使用四曲面前、后缘以减小衍射强度的镜子阵列的一部分的放大背视图，用于具有正交照明411结构的投影系统。在两个空腔下也内嵌了几对扭转铰链106，作为镜子下部103的一部分，并由一对位于支撑框架202顶部的支撑柱105支撑。铰链支撑柱105截面宽度W远大于扭转铰链棒106的宽度。由于铰链106的轴到镜子反射表面之间的距离保持最小，通过无需担心水平位移而密集排列的各镜子象素实现了高的有效反射区域填充比。在本发明某一方面中，镜子象素尺寸(a×b)大约为10微米×10微米，而曲面半径r大约为2.5微米。

图7为镜板一部分的放大背视图，示出镜板103下部中的空腔下方的内嵌扭转铰链106和它们的支撑柱105。为了获得最佳性能，重要的是保持形成了内嵌扭转铰链106的空腔中的最小空气隙G。铰链106的尺寸根据镜子102的尺寸而改变。在本发明某一实施方案中，每个扭转铰链106的尺寸大约是0.1×0.2×3.5微米，而支撑柱105具有方形截面，每边宽W为大约1.0微米。由于支撑柱105的顶表面也在作为镜板103下半部分的空腔的下方，空腔中的空气隙G需要能高到足以容纳镜板103的角度旋转而不会在预定角度θ处接触到更大的铰链支撑柱105。为了使镜子能够旋转预定角度θ而不接触到铰链支撑柱105，扭转铰链106所内嵌的空腔的空气隙必须大于G＝0.5×W×SIN(θ)，其中W为铰链支撑柱105的截面宽度。

图8示出镜板103在一个方向上旋转15°时其内嵌扭转铰链106周围的最小空气隙间距G。计算指出空腔中的扭转铰链106的空气隙间距G必须大于G＝0.13W。如果方形铰链支撑柱105的每边宽度W为1.0微米，那么空腔中的空气隙间距G就应当大于0.13微米。没有了角度转换运作过程中的水平位移，微镜阵列中的各镜子之间的水平间隙可以减小到小于0.2微米，根据本发明，这导致了96％的SLM有效反射区域填充比。

根据本发明另一实施方案，高反差空间光调制器的制作分为四个连续部分，使用标准CMOS技术。首先，形成控制硅片衬底，其表面上有支撑框架和第一级电极阵列，与晶片中的寻址电路中的记忆单元相连，组成低密度记忆阵列。其次，在控制衬底的表面上形成一组第二级电极、微着陆尖头和铰链支撑柱。然后，在每对支撑柱上形成具有内嵌隐藏铰链的一组镜子。最后，在最终除去剩余的牺牲材料之前将制作好的晶片分割成单个空间光调制器件。

图9示出高反差空间光调制器的制造工艺流程图的优选实施方案。制造工艺开始于使用普通的半导体技术制作作为控制衬底的CMOS电路晶片810，它具有一组记忆单元和字线/位线互连用于传递信号。通过构图穿过电路钝化层打开控制衬底中的寻址节点的通孔而形成一组第一级电极和支撑框架820。为了提高随后机电层的粘附性，用2000瓦特的具有40∶1∶5的O₂、CF₄和H₂O气体混合物的2Torr总压力的RF或微波等离子体在大约250℃下处理至多五分钟。取决于选来填充通孔并在控制衬底821表面上形成电极层的材料，用物理气相沉积(PVD)或等离子体增强化学气相沉积(PECVD)沉积机电层。然后构图机电层并通过各向异性腐蚀将其腐蚀穿以形成多个电极和支撑框架822。对该部分完成的晶片进行测试823以确保电学功能。

根据本发明某一优选实施方案，机电层为铝金属化，可以是纯Al、钛、钽、钨、钼膜，Al/多晶Si合成物、Al-Cu合金，或Al-Si合金。虽然这些合金的每一种都具有稍微不同的腐蚀特性，但是它们都可以用与对Al进行等离子体腐蚀所用的相同的化学试剂来腐蚀。利用本发明，用两步工艺来各向异性腐蚀铝金属化层。首先，在感应耦合等离子体中腐蚀晶片，BCl₃、Cl₂和Ar混合物流速分别为100sccm、20sccm和20sccm。工作压力在10到50mTorr，感应耦合等离子体偏置功率为300瓦特，源功率为1000瓦特。在腐蚀工艺过程中，用1Torr压力的20sccm背侧氦气流来冷却晶片。由于Al图案无法被简单地从腐蚀室移除到环境气氛种，因此进行第二氧等离子体处理步骤来清洁和钝化Al表面。在钝化工艺中，部分完成的晶片的表面用2000瓦特具有3000sccm H₂O蒸汽的2Torr压力的RF或微波等离子体在大约250℃的温度下处理至多三分钟。

根据本发明另一实施方案，机电层为硅金属化，可以是多晶硅、多硅化物(polycide)或硅化物形式。虽然这些机电层的每一种都具有稍微不同的腐蚀特性，但是它们都可以用与对多晶硅进行等离子体腐蚀所用的相同的化学试剂来腐蚀。多晶硅的各向异性腐蚀可以用多数Cl和F基原料——例如Cl₂、BCl₃、CF₄、NF₃、SF₆、HBr和它们与Ar、N₂、O₂和H₂的混合物——来完成。在本发明种，多晶硅或硅化物层(WSix或TiSix或TaSi)在感应去耦等离子体中进行各向异性腐蚀，Cl₂、BCl₃、HBr和HeO2气体流速分别为100sccm、50sccm、20sccm和10sccm。在另一实施方案中，多硅化物层在反应离子腐蚀室内进行各向异性腐蚀，Cl₂、CF₆、HBr和HeO₂气体流速分别为50sccm、40sccm、40sccm和10sccm。在两种情形中，工作压力都在10至30mTorr范围内，感应耦合等离子体偏置功率为100瓦特，源功率为1200瓦特。在腐蚀工艺过程中，用压力1Torr的20sccm背侧氦气流来冷却晶片。典型的腐蚀速率可达到9000埃每分钟。

为了在微镜阵列角度交叉转换过程中提高静电效率并减小静摩擦，在控制衬底的表面上制作了多个第二级电极和微着陆尖头。首先，在部分完成的晶片的表面上沉积预定厚度的牺牲材料层830。如果牺牲材料为光刻胶，则该层旋涂在表面上。如果为有机聚合物，则用PECVD来沉积该层。为了为随后的组装做准备，应当通过下面的方法来硬化牺牲层：用紫外光照射，然后用CF₄等离子体处理大约三分钟，然后在大约150℃下烘焙大约两个小时，最后用氧等离子体处理该层大约一分钟。其次，构图牺牲层以形成用于多个第二级电极、着陆尖头和支撑柱的通孔和接触开孔831。然后，取决于所选的形成多个第二级电极、着陆尖头和支撑柱的材料，用PVD或PECVD沉积第二机电层832。最后，用化学机械抛光(CMP)将第二机电层磨平至预定厚度833。第二级电极和微着陆尖头的优选高度为小于一个微米。

一旦在CMOS控制电路衬底上形成了抬起的多层台阶电极和微着陆尖头，就制作好了多个在每对支撑柱上具有内嵌隐藏铰链的镜子。该工艺开始于在部分完成的晶片的表面上沉积具有预定厚度的牺牲材料840。然后构图牺牲层为多个铰链支撑柱841形成通孔。在用PVD或PECVD(取决于选来填充通孔并形成用于扭转铰链和镜子842的一部分的一个薄层的材料)沉积机电材料之前进一步硬化牺牲层。化学机械抛光(CMP)843将机电层磨平至预定厚度。由多个开孔来构图机电层以形成多个扭转铰链850。为了在镜板下部中形成多个空腔以及内嵌在空腔下的扭转铰链，再次沉积牺牲材料来填充扭转铰链周围的开孔间隙并在铰链顶上形成具有预定厚度的薄层851。优选的预定厚度稍大于G＝0.5×W×SIN(θ)，其中W为铰链支撑柱105的截面宽度。构图牺牲层以在每个扭转铰链852顶上形成多个隔层。沉积更多的机电材料来覆盖部分完成晶片的表面853。在构图多个开孔以在各镜板之间形成多个空气隙870之前，用CMP 854将机电层磨平到预定厚度。通过用PVD沉积400埃或更薄的反射层可以提高镜面的反射率86θ，反射层选自下列这些：铝、金或它们的组合。

为了将已完成晶片分隔成单个的空间光调制器件单元片，沉积了厚层牺牲材料以覆盖已完成晶片的表面作为保护880。然后在通过划线和断裂分成单个单元片882之前，已完成晶片被部分划片881。在用RF或微波等离子体剥离剩余的牺牲材料884之前，用线焊和互连将空间光调制器件单元片粘到片基上883。在电-光功能测试886之前用PECVD在镜板与电极和着陆尖头之间的介面中覆盖上润滑剂以进一步润滑SLM器件单元片885。最后，用玻璃窗口唇边密封SLM器件887，并将其进行老化实验以进行可靠性和耐用性质量控制888。

微镜阵列的数字工作中的主要问题之一是微镜在机械着陆位置处高的静摩擦。在潮湿环境中，表面接触粘连会大到超过控制电路的静电力，造成静摩擦导致的器件失效。为了减小镜板103和着陆尖头222之间的接触粘连，并在角度交叉转换的接触和撞击过程中保护介面的机械磨损退化，在镜板103下部上以及电极221和着陆尖头222的表面上沉积薄的润滑覆层。所选的润滑剂应当是热稳定的，低蒸汽压，并且不与形成微镜阵列器件的金属化和机电材料发生反应。

在本发明的实施方案中，在镜板下部的表面以及电极和着陆尖头的表面上覆盖碳氟化合物薄层。在大约200℃的衬底温度下用碳氟化合物(例如CF₄)等离子体处理SLM器件至多五分钟。表面103上的氟用于防止水在镜板与下方电极和着陆尖头之间的介面处的吸附和粘着，这消除了着陆运作过程中湿度对镜子的静摩擦的影响。由于存在于暴露表面附近的氟原子，在镜板103与下方电极221和着陆尖头222之间的介面中覆盖碳氟化合物膜提供了足够的斥水作用。

在本发明另一实施方案中，在大约200℃的衬底温度下，用PECVD在镜板103与下方电极221和着陆尖头222之间的介面中沉积至多五分钟全氟聚醚(PFPE)或PFPE混合物或膦嗪衍生物。PFPE分子具有1×10^-6到1×10^-11atm范围内的总计蒸汽压。润滑剂膜的厚度小于1000埃。为了改善金属化或机电层表面上的粘着和润滑性能，可选择磷酸酯，这是因为它们与金属化表面的亲合力。

制作高反差空间光调制器的工艺的更详细的描述示于一系列剖面图中。图10至图13为空间光调制器的一部分的侧面剖视图，示出制作多个支撑框架和与寻址电路中的记忆单元相连的第一级电极的一种方法。图14、17为空间光调制器的一部分的侧面剖视图，示出在控制衬底表面上制作多个支撑柱、第二级电极和着陆尖头的一种方法。图18至20为空间光调制器的一部分的侧面剖视图，示出在支撑框架上制作多个扭转铰链和支撑的一种方法。图21至23为空间光调制器的一部分的侧面剖视图，示出制作具有多个内嵌隐藏铰链的镜板的一种方法。图23至26为空间光调制器的一部分的侧面剖视图，示出形成反射镜和分离微镜阵列的各镜子的一种方法。

图10为一剖视图，示出使用标准CMOS制作技术之后的控制硅片衬底600。在某一实施方案中，控制衬底中的控制电路包括记忆单元阵列和用于传递信号的字线/位线互连。有多个不同的用于制作执行寻址功能的电路的方法。众所周知，DRAM、SRAM和闩锁器件都执行寻址功能。由于镜板102的面积在半导体尺度上相对较大(例如镜板102可具有大于100平方微米的面积)，在微镜102下方可制作复杂电路。可能的电路包括，但不局限于：存储时序象素信息的存储缓冲器和执行脉冲宽度调制变换的电路。

在典型的CMOS制作工艺中，控制硅片衬底被钝化层601(例如氧化硅或氮化硅)覆盖。钝化的控制衬底600被构图并进行各向异性腐蚀以形成与寻址电路中的字线/位线互连相连的通孔621，如图11所示。根据本发明另一实施方案，用基于C₂F₆和CHF₃的原料和它们与He和O₂的混合物来完成介电材料(例如氧化硅或氮化硅)的各向异性腐蚀。优选的高选择性介电腐蚀工艺使用10∶10∶5∶2比例混合的C₂F₆、CHF₃、He和O₂混合物，总压力100mTorr，感应源功率1200瓦特，偏置功率600瓦特。然后用2Torr压力的20sccm背侧氦气流来冷却晶片。典型的氧化硅腐蚀速率能大到8000埃每分钟。

接下来，图12示出用PVD或PECVD(取决于所选的机电材料)沉积机电层602。这一机电层602被构图以确定相应于每个微镜102的铰链支撑框架202和第一级电极221，如图12所示。构图机电层602由如下的工艺来进行。首先，旋涂一层光刻胶以覆盖衬底表面。然后光刻胶层进行标准光刻并显影以形成预定图案。各向异性地腐蚀穿机电层以形成多个通孔和开孔。一旦形成了通孔和开孔，则从表面和开孔内除去残留物以清洁部分完成晶片。这通过用2000瓦特的具有40∶1∶5的O₂、CF₄和H₂O气体混合物的2Torr总压力的RF或微波等离子体在大约250℃下处理至多五分钟来完成。最后，通过用2000瓦特的具有3000sccm的H₂O蒸汽的2Torr压力的RF或微波等离子体在大约250℃温度下处理至多三分钟来钝化机电层的表面。

下一步是在部分完成晶片的表面上形成多个第二级电极221、微着陆尖头222和支撑柱105。在衬底表面上沉积一微米厚的牺牲材料604，它可以是旋涂的光刻胶或PECVD沉积的有机聚合物，如图14所示。通过一系列热和等离子体处理来硬化牺牲层604以将材料结构从聚合物的憎水状态转变为亲水状态。首先，用紫外光照射牺牲层604，然后用CF₄等离子体处理大约三分钟，随后在用氧等离子体处理牺牲层大约一分钟之前，在大约150℃下烘焙牺牲层大约两小时。在某些情形中，用KeV能量的硅、硼或磷离子注入牺牲层进一步硬化了牺牲层604。

然后牺牲层604被构图以形成用于第二级电极632、微着陆尖头633和支撑点631的多个通孔和接触开孔，如图15所示。为了为随后的机电层提高粘附性，用2000瓦特的具有40∶1∶5的O₂、CF₄和H₂O气体混合物的2Torr总压力的RF或微波等离子体在大约250℃温度下处理至多五分钟。然后沉积机电材料603来填充通孔和接触开孔。填充由PECVD或PVD来进行，取决于所选的材料。对于选自下列的材料，在半导体工业中PVD是通用的沉积方法：铝、钛、钨、钼，它们的合金。对于选自下列的材料，选择PECVD作为沉积方法：硅、多晶硅、硅化物、多硅化物、钨、它们的组合。然后用CMP将部分完成晶片磨平至稍小于一微米的预定厚度，如图16所示。

在CMP平坦化之后，图17示出在空白表面上旋涂预定厚度的另一层牺牲材料604，并硬化以在扭转铰链下形成空气隙隔层。牺牲层604被构图以形成用于支撑柱641的多个通孔或接触开孔，如图18所示。在图19中，沉积机电材料以填充通孔并在衬底上形成扭转铰链层605。然后用CMP将这一铰链层605磨平至预定厚度。这里形成的机电层605的厚度确定了扭转铰链棒的厚度和镜子的机械性能。

部分完成晶片被构图并各向异性腐蚀以在机电层605中形成多个扭转铰链106，如图20所示。沉积更多的牺牲材料604以填充环绕每个铰链的开孔643并在表面上形成具有预定厚度的薄层604，如图21所示。这一层604的厚度确定了每个扭转铰链106顶上的隔层的厚度。然后牺牲层604被构图以在每个扭转铰链106顶上形成多个隔层，如图22所示。由于支撑柱642的顶表面也在作为镜板103的下部的空腔之下，空腔中的空气隙G需要足够高以容纳镜板103的角度旋转而在预定角度θ下不会接触到更大的铰链支撑柱105。为了镜子能旋转预定角度θ而不接触到铰链支撑柱105，扭转铰链106锁内嵌于其中的空腔的空气隙必须大于G＝0.5×W×SIN(θ)，其中W为铰链支撑柱105的截面宽度。在本发明中，阵列中的每个镜子可以在每个方向上旋转15°。计算显示空腔中的扭转铰链106的空气隙间距必须大于G＝0.13W。如果方形铰链支撑柱105的每边宽度W是1.0微米，那么空腔中的空气隙间距应当大于0.13微米。

为了形成在镜板103的下部中的每个空腔下具有内嵌扭转铰链106的镜子，沉积更多的机电材料605以覆盖多个牺牲隔层，如图23所示。在某些情形中，增加化学机械抛光(CMP)工艺来保证在腐蚀形成单个镜子之前已经实现了机电层605的平坦反射表面。总的机电层605厚度最终将大约等于最后制作好的镜板103的厚度。在图23中，部分完成晶片的表面由CMP磨平到镜板103的预定厚度。在本发明中，镜板605的厚度介于0.3至0.5微米之间。如果机电材料为铝或其金属合金，那么镜子的反射率对于大多数显示应用来说已经足够高了。对于某些其它机电材料或对于其它应用，可以通过沉积400埃或更薄的选自下列的反射层606来增大镜面的反射率：铝、金，它们的合金和组合，如图24所示。然后机电层的反射表面606被构图并各向异性腐蚀穿以形成多个单个镜子，如图25所示。

图26示出剩余的牺牲材料604被除去，并通过阵列中每个单个镜子之间的多个空气隙清除残留物，以形成基于功能微镜阵列的空间光调制器。在实际的制造环境中，在将功能空间光调制器用于视频显示应用之前还需要更多的工艺。在机电层605的反射表面606被构图并各向异性腐蚀穿以形成多个单个镜子之后，沉积更多牺牲材料604以覆盖已完成晶片的表面。已完成晶片表面被一层牺牲层604保护，进行普遍的半导体封装工艺以形成单个器件单元片。在封装工艺中，在被划线和断裂分成单个单元片882之前，已完成晶片被部分划片881。在剥离结构中剩余的牺牲材料604及其残余物884之前，用线焊和互连将空间光调制器件单元片粘到片基上883。在某一实施方案中，清洁通过用2000瓦特的具有40∶1∶5比例的O₂、CF₄和H₂O气体混合物的2Torr总压力的RF或微波等离子体在大约250℃下处理至多五分钟来完成。最后，通过用2000瓦特的具有3000sccm的H₂O蒸汽的2Torr压力的RF或微波等离子体在大约250℃温度下处理至多三分钟来钝化机电层和金属化结构的表面。

在等离子体清洁和电光功能测试886之前，在大约200℃下用PECVD沉积碳氟化合物至多五分钟885以用抗静摩擦层进一步覆盖SLM器件单元片的开孔结构内部。最后，用玻璃窗口唇边密封SLM器件887，并将其进行老化实验以进行可靠性和耐用性质量控制888。

尽管参照多个实施方案特定地示出并描述了本发明，但是本领域技术人员将能理解，只要不偏离本发明的精神和范围，就可以对其进行各种形式和细节上的改变。例如，相同的3维多层结构可通过构图和腐蚀机电层，而不是构图牺牲层并腐蚀通孔，来构成。

除了视频显示和印刷之外，此处描述的空间光调制器也可用于其它应用，例如用于无掩模光刻中，其中空间光调制器引导光来显影沉积的光刻胶，以及用于光开关中，其中光信号被引导和分布在光纤网络中。

Claims (21)

1.一种空间光调制器，包括：

控制衬底，其上部具有多个与功能电路相连的电极；

多个镜板，每个镜板具有上反射表面和下导电部分，下导电部分具有凹进该下导电部分的空腔和位于该空腔内的扭转铰链；

多个铰链支撑柱，位于所述控制衬底的顶部，其中每个铰链支撑柱都完全处于与所述多个镜板中关联的一个镜板之下，每个铰链支撑柱支撑一个关联的铰链，以协助镜板绕该关联的铰链的轴旋转。

2.根据权利要求1的空间光调制器，其中功能电路包括一系列记忆单元和用于传递信号的字线/位线互连结构。

3.根据权利要求1的空间光调制器，其中每个所述电极为台阶电极，具有抬升至所述控制衬底的表面上方的部分，以缩窄每个镜板与处于该镜板之下的台阶电极之间的距离。

4.根据权利要求1的空间光调制器，其中所述控制衬底进一步包括多个垂直于所述控制衬底的表面的着落尖头，以限制每个镜板的移动。

5.根据权利要求1的空间光调制器，其中该镜板或铰链支撑柱包含选自下列的一种或多种材料：铝、硅、多晶硅和铝硅合金。

6.根据权利要求1的空间光调制器，其中电极或铰链支撑柱包含选自下列的一种或多种材料：钛、钽、钨、钼、它们的合金、或它们的硅化物。

7.根据权利要求1的空间光调制器，其中所述镜板包括厚度400埃或更薄的由选自下列材料中的一种或一种以上形成的反射层：铝和金。

8.根据权利要求1的空间光调制器，其中所述多个镜板中的每个镜板都与所有相邻的镜板隔开小于0.2微米。

9.根据权利要求1的空间光调制器，其中每个凹进的空腔具有由下导电部分内的空腔与直接位于该空腔内的扭转铰链之间的距离限定的高度，其中该高度大于一个铰链支撑柱宽度的一半乘以镜板可旋转的最大偏转角的正弦。

10.根据权利要求1的空间光调制器，其中每个镜板包括：

前缘、后缘和至少一个边缘；以及

至少前缘或后缘的一部分位于沿多条具有半径r的曲线，其中至少一个侧边具有侧边长a，且半径r小于a。

11.根据权利要求1的空间光调制器，其中所述多个电极中的至少一个为台阶电极，其具有多个层，每层具有在控制衬底之上的区别性高度。

12.根据权利要求11的空间光调制器，其中该至少一个台阶电极具有两个或三个层，每层具有在控制衬底之上的区别性高度。

13.一种制造空间光调制器的方法，包括：

在衬底的表面形成多个电极，以形成控制衬底；

在控制衬底顶部形成多个铰链支撑柱；和

形成多个镜板，每个镜板具有上反射表面和下导电部分，下导电部分具有凹进该下导电部分的空腔和位于该空腔内的扭转铰链；

其中每个铰链支撑柱都完全处于多个镜板中关联的一个镜板之下，每个铰链支撑柱支撑一个关联的铰链，协助镜板绕该关联的铰链的轴旋转。

14.根据权利要求13的方法，其中每个所述电极为台阶电极，其具有抬升至所述控制衬底的表面上方的部分，以缩窄每个镜板与处于该镜板之下的台阶电极之间的距离。

15.根据权利要求13的方法，其中所述控制衬底进一步包括多个垂直于所述控制衬底的表面的着落尖头，以限制每个镜板的移动。

16.根据权利要求13的方法，其中形成该多个铰链支撑柱或形成该多个镜板包括形成下列的层：铝、硅、多晶硅、铝硅合金、或它们的组合。

17.根据权利要求13的方法，其中形成该多个铰链支撑柱或形成该多个镜板包括形成下列的层：钛、钽、钨、钼、它们的合金、或它们的硅化物。

18.根据权利要求13的方法，其中形成该多个镜板包括形成厚度400埃或更薄的由选自下列材料中的一种或多种形成的反射层：铝和金。

19.根据权利要求13的方法，进一步包括将相邻的镜板彼此隔开，其中隔开的步骤包括在相邻的镜板之间形成小于0.2微米的间隙。

20.根据权利要求13的方法，其中形成该多个镜板包括形成凹进的空腔，以具有由下导电部分内的空腔与直接位于该空腔内的扭转铰链之间的距离限定的高度，其中该高度大于一个铰链支撑柱宽度的一半乘以镜板可旋转的最大偏转角的正弦。

21.根据权利要求13的方法，其中形成该多个镜板包括：

形成前缘、后缘和至少一个边缘；以及

形成至少前缘或后缘的一部分处于沿多条具有半径r的曲线上，其中至少一个侧边具有侧边长a，且半径r小于a。

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