CN101120278A

CN101120278A - 包括半导体材料的空间光调制器

Info

Publication number: CN101120278A
Application number: CNA2004800448741A
Authority: CN
Inventors: 托比约恩·桑德斯特罗姆
Original assignee: Micronic Laser Systems AB
Current assignee: Micronic Laser Systems AB
Priority date: 2004-12-21
Filing date: 2004-12-21
Publication date: 2008-02-06

Abstract

本发明的一方面包括用于抵抗具有静电激励器的微镜装置的偏转漂移的稳定方法，该方法包括如下动作：提供激励器，该激励器包括为所述微镜以及在所述微镜下面的至少一个电极的至少两个构件，所述至少两个构件中的至少一个由半导体材料形成，在所述至少一个半导体构件上设置面向所述激励器的另一构件的表面层，所述表面层具有10¹⁷cm³或更高的载流子密度。

Description

包括半导体材料的空间光调制器

技术领域

本发明涉及一种空间光调制器(SLM)，更具体而言涉及一种以模拟电压激励的多值的SLM，其中所述SLM在其结构中包括半导体材料。

背景技术

具有微镜的SLM在本领域中是公知的，例如本发明相同申请人的美国专利6,747,783所揭示的。SLM可以说以两种不同方式激励，模拟激励和数字激励。在镜元件的模拟激励中，电极与镜元件之间的静电力用于将镜元件偏转到大于两个的多个偏转态。在模拟激励中，激励过程中镜位置或偏转程度由激励力和镜元件的支撑例如铰链的弹簧常数之间的平衡决定。在模拟激励中，所述镜元件优选设置为完全偏转态与非偏转态之间的多个状态，其中所述完全偏转态不由固定挡(fixed stop)决定。

在数字激励中，仅存在镜的两种不同的偏转态，完全开启或完全关闭，完全开启可以由固定挡决定，即施加足够高的激励力以驱动镜元件到固定挡。这样的结构有时被称为DMD(数字微镜装置)结构，且在这样的装置中，在完全开启和完全关闭态之间不存在偏转态。

通常，所述SLM以铝合金制造，即激励器、镜元件以及铰链元件由所述铝合金制作。所述铝合金已经表现出一些滞弹性行为，即它具有某种记忆效应，使得对于特定驱动电压，镜元件的偏转不仅取决于所述电压值，而且取决于所施加的电压值的历史。这应该被认为是迟滞效应，虽然其在时间依赖关系上通常更为复杂。并非仅有通常使用的铝合金显示一定的滞弹性行为，似乎大多数金属都如此。不显示任何可测量的滞弹性行为的材料是单晶硅。硅显示若干种吸引人的性质，例如在室温时优异的弹性行为、充分发展的蚀刻技术、电导性和合理的DUV电磁辐射反射。

然而，在高精度模拟SLM中的激励器和/或镜元件中使用单晶硅的一个问题是表面势不稳定。已经有实验显示所述表面势由于位于表面上的电荷而改变1V之大，该表面上的电荷例如是来自空气的电离分子或在硅表面的天然氧化物之上或其中俘获的电子。表面势的差异导致对于相同偏转的激励电压的改变，即激励器特性的漂移。所述改变可以随时间、温度、电磁辐射暴露、清洗和施加的电压历史而变化。所有这些共同地使得部分或完全由半导体单晶材料例如单晶硅制作的SLM难以用于高精度的应用。

因此，希望发展至少部分由半导体材料制作的SLM结构，其将不具有上述特性漂移的问题。

发明内容

因此，本发明的一个目的是提供一种SLM结构，其至少部分由半导体材料制成，且不具有或几乎不具有可测量的特性漂移。

除其它之外，此目的根据本发明的第一方面通过抵抗微镜装置的偏转漂移的稳定方法而实现，该微镜装置具有静电激励器，该方法包括如下动作：提供激励器，该激励器包括为所述微镜以及在所述微镜下面的至少一个电极的至少两个构件，所述至少两个构件中的至少一个由半导体材料形成，在所述至少一个半导体构件上设置面对所述激励器的另一构件的表面层，所述表面层具有10¹⁷cm³或更高的载流子密度。在所述微镜下面指的是微镜装置的特定取向。反向微镜装置或同一装置的其他取向的功能当然不依赖于几何取向，且“在......下面”应该在此背景下理解。

本发明的其他特性和优点将从后面通过示例的方式给出的本发明的优选实施方式的具体描述和附图1-8变得明显，且因此不是限制性的。

附图说明

图1示意性地绘示在微镜阵列中的三个镜面的俯视图；

图2绘示具有一个处于寻址态的微镜的沿图1的A-A的微镜的侧视图；

图3绘示未施加电压的沿图1的A-A的微镜的侧视图；

图4绘示由半导体表面上的电荷产生的电压变化的能带图；

图5绘示图4中的能带图，但具有面对间隙的退化的“金属”层；

图6a绘示近退化反型P硅的能带图；

图6b绘示被垂直电场驱动以在表面产生导电层的n硅的能带图；

图6c绘示为将半导体屏蔽于表面上的电荷的金属膜的能带图；

图6d绘示退化半导体的整个体积的能带图；

图6e绘示由具有高浓度固定离子的薄膜产生的近退化导电表面层的能带图；

图7绘示沿图1的A-A的本发明的微镜的侧视图；

图8绘示微镜的另一实施例的侧视图。

具体实施方式

下面的具体描述将参考附图做出。描述了优选实施例以说明本发明，但不是用于限制本发明的范围，本发明的范围由权利要求限定。本领域的普通技术人员在后面的描述的基础上将认识到多种等同的变化。

在本发明的至少一个示范性实施例中微镜装置可以是SLM。所述SLM根据本领域技术人员公知的技术例如可以用在平版印刷(lithograph)图案的形成中、数字或模拟激励中且因此不需要在本文中进一步阐明。

图1绘示在微镜阵列10中的三个镜面100的俯视图，为了清楚的原因而仅示出了三个镜面100，在实际的微镜阵列中镜面的数目可以多达数百万。

在图1中示出的微镜是铰链镜面类型，其可以被顺时针偏转或逆时针偏转。微镜100可以围绕支撑在锚或支柱110的铰链120旋转。

图2绘示了与图1中相同的三个镜面。在示出的实施例中，镜面100和电极130、140均由硅制成，不仅镜面的反射表面可以由硅制成，而且弯曲铰链和锚或支柱也可以由硅制成。当施加电压时，如在图2中本发明的至少一个示范性实施例中的中心镜面所示，镜面是可倾斜的。

图3绘示与图1中相同的三个镜面，但它们中的任何一个均未施加电压。即使在无电压的情况下，如图3的稍微倾斜的最左边的镜面及中心镜面所示，由于硅表面的静电电荷所产生的表面势的差异，一些镜面也将趋向于倾斜。

图7绘示根据本发明的微镜阵列的实施例。这里电极130、140设置有具有高载流子密度的表面层。表面电阻可以最多为1000Ω/平方。镜面100还设置有具有高载流子密度的表面层。镜面的所述表面面对电极130、140，即镜面100与电极130、140之间的间隙。在图7所示的本发明的实施例中，包括所述镜元件和至少一个电极的激励器结构中仍然可能在半导体材料的表面势形成静电力。然而，得到的表面势漂移可以小得多，因此镜偏转可以小得多。

至少一个电极中的至少一个和所述镜面可以根据本发明的至少一个示范性实施例由半导体材料制作。所述半导体材料还可以根据本发明至少一个示范性实施例提供有表面层，在该表面层中费米能级落在其产生高密度载流子处的电子能量，即在允许带(导带或价带)内或在带隙中但靠近能带边。这在大多数情况下等同于产生导电表面层。在本发明的一个示范性实施例中，某一级别的载流子密度可以决定所述费米能级的位置。高密度的载流子可以通过多种方式实现，例如通过高掺杂、涂覆导电层、通过在半导体中掺杂、在膜中产生固定电荷或通过电场而将表面反型(inversion)或累积。

图8绘示本发明的另一实施例。在本发明的示范性实施例中，朝半导体的电场方向可以固定以一直具有一个符号的情况下，半导体表面的掺杂可以使得其一直处于累积中。在图8中，激励器(镜面100和电极130、140)包括硅侧和金属侧。这里，金属侧是金属电极130、140，且硅侧是由硅或其他类型的半导体材料制成的镜面。如果镜面100关于电极一直为负，则半导体镜面应该是n掺杂的。此外，在操作过程中的电场不应该接近零，因为即使在存在电荷的情况下，也需要有限的电场来保证累积。

在另一实施例中，电极130、140和镜面100均由半导体材料制成。在此情况下，镜面100的掺杂应该与电极的相反，例如n掺杂镜面意味着p掺杂电极。在本发明的示范性实施例中，只有在有效(偏转临界)相中，即在其用于调节光且需要高精度偏转的时候，电场不得不具有特定方向。如果电场方向相反，即一直为正的镜面，则如果镜面和电极均由半导体材料制成，那么掺杂应该颠倒，即p掺杂镜面和n掺杂电极。

图4和5示出解释本发明如何工作的能带图。在半导体物理和MOS技术的许多教科书中描述了能带图，例如S.M.Sze：“Semiconductor DevicesPhysics and Technology”，John Wiley & Sons Inc，New York(2001)(ISBN0471333727).

图4示出了如下激励器(电极500和镜面430)的能带图，其中在一个板(电极)上的金属和在另一个(镜面)上的n掺杂半导体被空气间隙420分隔。可能在金属电极410中有一个费米能级，在半导体镜面470中有另一费米能级。在外部电路中呈现的电压可能是费米能级的差值。图4示出了在半导体镜面430的表面上具有表面电荷和不具有表面电荷时的费米能级和各个能带。当在表面建立/增加电荷时，所述电荷必须被相反的电荷平衡。由于靠近表面450处n掺杂半导体可能被耗尽，这是经常发生的情况，能够发现平衡电荷的最接近的位置位于耗尽层的内侧上。平衡电荷通过耗尽层455的深度变化而形成。在正电荷和负电荷之间可能存在电场，其可以被结合以导致半导体上表面势的变化。表面势的变化可以与电荷的分离490成比例。这可以从图4看出，与具有电荷的n掺杂半导体中的费米能级475相比，不具有电荷的n掺杂半导体中的费米能级470可以更靠近金属410中的费米能级。如可以从图4中的本发明的一个示范性实施例中推断出的，当与镜面的体材料相比时，不具有电荷的价带480可以比具有电荷的价带485更靠近半导体中的费米能级470。相反，在半导体镜面的体材料中不具有电荷的导带460比具有电荷的价带465进一步远离费米能级470。

图5示出激励器的能带图，根据本发明，金属电极500和半导体镜面530被空气间隙520分隔。面对金属电极500的半导体镜面530的表面可以被足够高地掺杂以变成退化的，即所述镜面530可被称为具有金属性质。在本申请中金属性质意味着在本发明的示范性实施例中的费米能级位于允许带例如价带580内。

在本发明示范性实施例中的导电层形成在耗尽区之外的情况，这例如反型层、退化表面层或金属层，所述层可以接触衬底的或任何其他合适点从而避免其被电浮置。

在半导体镜面530的表面存在可移动电荷，且当一些电荷被增加时，就在所述镜面530的表面可以发现平衡电荷。与图4所示的现有技术的激励器结构状态的电荷分离490相比，电荷分离590可以小得多，在纳米量级，且因此表面势可以小得多。当无电压施加在镜面与电极之间时，更小的表面势将导致非常小的镜面偏转。而且，由于本发明的示范性实施例中无电荷的镜面中的费米能级570大致等于具有电荷的镜面中的费米能级575，由电荷导致的电压变化540可以或多或少地消除。从图5中的本发明的示范性实施例中还可以看出，价带580与具有电荷的价带585一致，且导带560与具有电荷的导带一致。

在图4和5中，可以假设镜面430、530和电极400、500之间的力可以为恒定的，即激励器中空气间隙420、520中的电场为恒定的。增加的电荷的影响显示为费米能级的变化，即外部电压，需要其来保持力(镜面430、530的偏转)为恒定。

图6a-6e示出根据本发明的另一实施例。在图6a中，示出了近退化反型p硅的能带图。相同的能带图将适用于近退化n硅(反型或非反型)或富集层(enrichment layer)。半导体材料可以是单质半导体，例如硅、类金刚石碳或锗，或者可以是混合半导体或半导体化合物，例如锗化硅、GaAs、或碳化硅。

在图6a中，激励器包括由金属制成的电极600、由硅制成的镜面630和位于所述镜面630和所述电极600之间的空气间隙620。在本发明的示范性实施例中，金属电极600中的费米能级610在半导体的费米能级670之下。在面向金属电极600的表面处的导带660比在镜面的体材料中即更深入镜材料处的导带660更靠近镜面630中的费米能级670。另一方面，与在体材料中价带680相对于费米能级670相比，在面向所述金属电极600的镜元件630表面处价带680更加远离费米能级670。

在本发明的示范性实施例中，图6b示出n硅镜面的能带图，该n硅镜面被垂直电场驱动而在面对金属电极的表面产生导电层。在金属中的费米能级610低于在半导体镜面630中的费米能级670。在面对金属电极600的半导体镜面630的表面处导带660与深入半导体镜面处的同一导带相对于费米能级670相比更靠近费米能级670。然而，在半导体镜面630表面处价带680与深入镜元件630的价带680相对于费米能级670相比更远离费米能级670。

在图6c中，示出了将半导体镜面630屏蔽于面对金属电极600的表面上的电荷的金属膜695的能带图。在金属电极600中的费米能级610低于半导体镜面630中的费米能级670。导带660在金属膜695处与深入半导体镜面630处导带660相对于费米能级670相比更远离同一费米能级670。价带680在金属膜695处与在深入半导体镜面630处价带680相对于费米能级670相比更靠近费米能级670。

图6d示出半导体镜面的能带图，该半导体镜面在整个体积中而不仅在其面向金属电极的表面上退化。在金属电极600中的费米能级610低于半导体镜面630的费米能级670。在整个体积中，半导体镜面630的费米能级670在导带660和价带680之上。在整个体积中，所述费米能级670与所述导带680之间的距离为恒定，如同所述费米能级670与所述价带660之间的距离一样。

图6e示出了由具有高浓度固定离子的薄膜产生的近退化导电表面层的能带图。金属电极600中的费米能级610低于半导体镜面630中的费米能级670。在此实施例中，费米能级670在具有高浓度离子的薄膜697处与在深入半导体镜面630处费米能级670相对于导带660相比更靠近同一导带660。然而，价带在具有高浓度的固定离子的薄膜处与在深入半导体镜面处所述价带对于费米能级670相比更远离同一费米能级。

采用具有足够高以在激励器中创建半导体表面的最小表面势的高密度载流子，可以通过载流子的小的物理转移而实现电荷的平衡。累积层或反型层应该能够吸收10¹¹载流子/cm²的变化，而不进入耗尽。空气间隙620中的场通常为10-50MV/m。该场对应于5-25×10¹⁰载流子/cm²的必要电荷重排。为了吸收该变化，靠近表面处应该具有10-50×10¹⁰载流子/cm²。为了在0.01μm之内具有该数量的载流子，在层中需要1-5×10¹⁷载流子/cm³。这给出了所需的载流子密度的大致的估计。另一估计是硅中的退化极限，大约为10¹⁹载流子/cm³。

虽然通过参考上述详细描述的优选实施例和示例公开了本发明，但应该理解这些示例旨在示意性的而不是限制性的。可以预期对本领域技术人员来说进行改进和组合是容易的，这些改进和组合也将落入由所附权利要求所限定的本发明的精神和范围中。

Claims

1.一种抵抗具有静电激励器的微镜装置的偏转漂移的稳定方法，包括如下动作：

提供激励器，所述激励器包括为所述微镜以及在所述微镜下面的至少一个电极的至少两个构件，所述至少两个构件中的至少一个由半导体材料形成，

在所述至少一个半导体构件上设置面向所述激励器的另一构件的表面层，所述表面层具有10¹⁷cm³或更高的载流子密度。

2.根据权利要求1所述的方法，其中所述载流子密度为5×10¹⁷cm³或更高。

3.根据权利要求1所述的方法，其中所述载流子密度为10¹⁹cm³或更高。

4.根据权利要求1所述的方法，其中所述半导体材料是硅或锗或者所述材料的组合。

5.根据权利要求1所述的方法，其中所述表面层是导电的。

6.根据权利要求5所述的方法，其中所述导电层具有最大为1000欧姆/平方的表面电阻。

7.根据权利要求1所述的方法，其中所述表面层具有金属性质。

8.根据权利要求1所述的方法，其中所述表面层是退化半导体。

9.根据权利要求1所述的方法，其中所述表面层是其中费米能级与其最近能带边之间的距离比所述半导体的体材料中所述费米能级与其最近能带边之间的距离小的半导体的层。

10.根据权利要求1所述的方法，其中所述表面层是累积层。

11.根据权利要求1所述的方法，还包括如下动作：

通过垂直于所述表面的电磁场产生所述表面层。

12.根据权利要求1所述的方法，其中所述表面层是具有内建电荷的膜。

13.一种空间光调制器，包括多个静电激励器，所述激励器包括为微镜以及位于所述微镜下面的至少一个电极的至少两个构件，所述电极能够静电吸引所述微镜，所述构件中的至少之一由半导体材料形成，其中所述至少一个半导体构件上设置有面对所述激励器中另一构件的表面层，所述表面层具有10¹⁷cm³或更高的载流子密度。

14.根据权利要求13所述的空间光调制器，其中所述载流子的密度是5×10¹⁷cm³或更高。

15.根据权利要求13所述的空间光调制器，其中所述载流子的密度是10¹⁹cm³或更高。

16.根据权利要求13所述的空间光调制器，其中所述半导体材料是硅或锗或所述材料的组合。

17.根据权利要求13所述的空间光调制器，其中所述表面层是导电的。

18.根据权利要求17所述的空间光调制器，其中所述导电层具有最大为1000欧姆/平方的表面电阻。

19.根据权利要求13所述的空间光调制器，其中所述表面层具有金属性质。

20.根据权利要求13所述的空间光调制器，其中所述表面层是退化半导体。

21.根据权利要求13所述的空间光调制器，其中所述表面层是这样的半导体的层，其中费米能级与其最近的能带边之间的距离小于在所述半导体的体材料中所述费米能级与所述最近的能带边之间的距离。

22.根据权利要求13所述的空间光调制器，其中所述表面层为累积层。

23.根据权利要求13所述的空间光调制器，还包括如下动作：

通过垂直于所述表面的电磁场产生所述表面层的动作。

24.根据权利要求13所述的空间光调制器，其中所述表面层是具有内建电荷的膜。

25.一种静电激励器，包括为微镜和在所述微镜下面的至少一个电极的至少两个构件，所述电极能够静电吸引所述微镜，所述构件中至少一个由半导体材料形成，其中在所述至少一个半导体构件上设置面向所述激励器的另一构件的表面层，所述表面层具有10¹⁷cm³或更高的载流子密度。

26.根据权利要求25所述的静电激励器，其中所述载流子的密度是5×10¹⁷cm³或更高。

27.根据权利要求25所述的静电激励器，其中所述载流子的密度是10¹⁹cm³或更高。

28.根据权利要求25所述的静电激励器，其中所述半导体材料是硅或锗或所述材料的组合。

29.根据权利要求25所述的静电激励器，其中所述表面层是导电的。

30.根据权利要求29所述的静电激励器，其中所述导电层具有最大为1000欧姆/平方的表面电阻。

31.根据权利要求25所述的静电激励器，其中所述表面层具有金属性质。

32.根据权利要求25所述的静电激励器，其中所述表面层是退化半导体。

33.根据权利要求25所述的静电激励器，其中所述表面层是这样的半导体的层，其中费米能级与其最近的能带边之间的距离小于在所述半导体的体材料中所述费米能级与所述最近的能带边之间的距离。

34.根据权利要求25所述的静电激励器，其中所述表面层为累积层。

35.根据权利要求25所述的静电激励器，还包括如下动作：

通过垂直于所述表面的电磁场产生所述表面层的动作。

36.根据权利要求25所述的静电激励器，其中所述表面层是具有内建电荷的膜。

37.一种抵抗静电激励器的偏转漂移的稳定方法，所述静电激励器包括为微镜和至少一个电极的至少两个元件，所述元件中至少一个由半导体材料制成，所述方法包括如下动作：

改变面对所述激励器的另一元件的所述半导体材料表面的表面性质，使得表面势的绝对值降低。

38.根据权利要求37所述的方法，其中所述表面具有1×10¹⁷cm³或更高的密度。

39.根据权利要求37所述的方法，其中所述载流子的密度是10¹⁹cm³或更高。

40.根据权利要求37所述的方法，其中所述半导体材料是硅或锗或所述材料的组合。

41.根据权利要求1所述的方法，其中所述表面层是导电的。

42.根据权利要求41所述的方法，其中所述导电层具有最大为1000欧姆/平方的表面电阻。

43.根据权利要求37所述的方法，其中所述表面层具有金属性质。

44.根据权利要求37所述的方法，其中所述表面层是退化半导体。

45.根据权利要求37所述的方法，其中所述表面层是其中费米能级与其最近的能带边之间的距离比所述半导体的体材料中所述费米能级与其最近的能带边之间的距离小的半导体的层。

46.根据权利要求37所述的方法，其中所述表面层为累积层。

47.根据权利要求37所述的方法，还包括：

通过垂直于所述表面的电磁场产生所述表面层的动作。

48.根据权利要求37所述的方法，其中所述表面层是具有内建电荷的膜。

49.一种抵抗具有静电激励器的微镜装置的偏转漂移的稳定方法，包括如下动作：

提供激励器，所述激励器包括为所述微镜和位于所述微镜下面的至少一个电极的至少两个构件，所述至少两个构件中的至少一个由半导体材料形成，

提供电压驱动序列，在偏转临界相中，电场一直具有自每个半导体表面或到每个半导体表面的相同方向，

提供至少一个半导体表面的掺杂，使得在所述偏转临界相中电场产生累积层。

50.根据权利要求1、37、49所述的方法，其中所述镜装置是用于在工件上形成平版印刷图案的空间光调制器。