CN105572860B - 用于扭转空间光调制器的倾斜电极元件 - Google Patents

用于扭转空间光调制器的倾斜电极元件 Download PDF

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Abstract

本发明涉及用于扭转空间光调制器的倾斜电极元件。提供一种通过在衬底(11)上沉积光致抗蚀剂间隔层(15)而形成例如DMD型像素的微机电系统MEMS像素(10)的方法。将所述光致抗蚀剂间隔层暴露于灰阶光刻掩模(28)以塑形所述光致抗蚀剂间隔层的上部表面(30)。控制部件(13a)形成于所述经塑形间隔层上，且具有经配置以使能量密度最大化的倾斜部分(22)。成像部件(14a)经配置以依据所述控制部件定位以形成空间光调制器SLM。

Description

用于扭转空间光调制器的倾斜电极元件
技术领域
本发明一般来说涉及半导体微机电系统(MEMS)技术，且更特定来说涉及空间光调制器(SLM)。
背景技术
半导体空间光调制器(SLM)适合用于数字成像应用，包含投影仪、电视、打印机及其它技术。数字微反射镜装置(DMD)为在1987年于德克萨斯州(Texas)达拉斯市(Dallas)的德州仪器公司(TEXAS INSTRUMENTS INCORPORATED)发明的SLM的一种类型。DMD为基于微机电系统(MEMS)技术的单片半导体装置。DMD通常包括形成图片元素(像素)的双稳态可移动微反射镜的区域阵列，所述双稳态可移动微反射镜制作于对应寻址存储器单元的区域阵列及安置于微反射镜下方的相关联寻址电极上方。寻址电极由控制电路用电压电位选择性激励以形成致使相应微反射镜朝向相应地址电极偏斜的静电吸引力。在一些应用中，微反射镜也可经提供有电压电位。在受让于本发明的同一受让人的美国专利7,011,015中揭示DMD的一个实施例，所述美国专利的教示以引用方式并入本文中。
上述DMD上部结构的制作通常将类CMOS工艺与完成的SRAM存储器电路一起使用。通过使用多个光掩模层，上部结构形成有用于地址电极、铰链、翘曲(spring)尖端、反射镜层的铝与用于形成气隙的牺牲层的经硬化光致抗蚀剂的交替层。
DMD像素技术的设计及构建的单片性质与和偏斜微反射镜以静电方式相互作用的准平面结构相关联。此呈现使结构收缩同时试图维持静电权利的能力的问题。最后，所述设计变得对源自平面部件的边缘的静电力矩传递及此可形成的所有变化越来越敏感。
扭转空间光调制器的静电效率受限于隆起的地址电极，所述隆起的地址电极在微反射镜为水平且非偏斜时平行于所述微反射镜，但在所述微反射镜朝向地址电极偏斜时地址电极相对于所述微反射镜成角度。提供较高偏置操作以在微反射镜的每一地址侧上增加力矩产生可提供并发情况，例如顶部空间中的物种的场梯度诱导迁移，此最终可导致SLM的故障。其还可形成短路，其中凸起翘突(binge)的圆形特征连同高场(及场梯度)可导致毁灭性电流或瞬态电流，所述毁灭性电流或瞬态电流可溅镀来自翘突的金属或完全打开通孔的基底。CMOS节点传递额外偏置的能力在路径被收缩时也成问题。
发明内容
本发明提供用于扭转空间光调制器的倾斜电极。
在第一实例性实施例中，一种方法包括：在衬底的上部表面上沉积光致抗蚀剂间隔层，及将所述间隔层暴露于灰阶光刻掩模以塑形所述间隔层的上部表面。在所述经塑形上部表面上形成控制部件，使得所述控制部件不平行于所述衬底。在所述控制部件上方形成可定位成像部件，其中所述成像部件经配置以依据所述控制部件定位以形成空间光调制器(SLM)。
在一些实施例中，通过经由掩蔽所述间隔层的选定部分的所述灰阶光刻掩模使所述间隔层的所述上部表面相对于所述衬底倾斜。所述控制部件包括具有倾斜部分的地址电极。所述成像部件在于所述控制电极上方且朝向所述控制电极偏斜时实质上平行于所述控制电极，以确立实质上均匀能量密度。所述衬底包含经配置以控制所述成像部件的位置的存储器，且所述成像部件具有经配置以调制入射光并形成图像的光反射上部表面。所述成像部件形成于扭转铰链上，且所述控制部件在所述衬底上面隆起且定位于所述成像部件下面。
在另一实例性实施例中，一种方法包括：在衬底的上部表面上沉积间隔层，及使用灰阶光刻掩模形成地址电极以塑形所述间隔层的上部表面。所述衬底上方的可定位成像部件经配置以依据所述地址电极定位以形成空间光调制器(SLM)。
在一些实施例中，将所述地址电极经形成为在所述衬底上面隆起且定位于所述成像部件下面，其中使所述地址电极相对于所述衬底倾斜。所述成像部件在偏斜时实质上平行于所述地址电极。所述衬底包含经配置以控制所述成像部件的位置的存储器，其中所述成像部件具有经配置以调制入射光并形成图像的光反射上部表面，且所述成像部件形成于扭转铰链上。
在另一实例性实施例中，一种方法包括：在包含存储器的衬底的上部表面上沉积光致抗蚀剂间隔层，及将所述间隔层暴露于灰阶光刻掩模以塑形所述间隔层的上部表面。在所述经塑形上部表面上形成控制部件，且在所述控制部件上方形成可定位成像部件。所述成像部件在依据所述存储器偏斜时实质上平行于所述控制部件以形成空间光调制器(SLM)。
在一些实施例中，所述成像部件具有经配置以调制入射光并形成图像的光反射上部表面，且所述成像部件形成于扭转铰链上。所属领域的技术人员可从所附图、说明及权利要求书易于明了其它技术特征。
附图说明
为获得对本发明及其优点的更完整理解，现在参考结合附图一起进行的以下说明，附图中：
图1说明根据本发明的MEMS像素元件的分解图；
图2A、图2B及图2C说明关于偏斜MEMS像素的三个主要考虑；
图3说明形成于存储器单元上的包含地址电极及偏置总线的M1层的实例性实施例；
图4说明当在M1层上方处理时的第一牺牲光致抗蚀剂间隔层的顶部的图像；
图5说明叠加于图4中所展示的光致抗蚀剂形貌的顶部上的包含隆起的地址电极、铰链及翘曲尖端的M2层；
图6展示具体来说在M2层级处观看的7.6μm DMD像素的高分辨率光学干涉仪捕获，其展示隆起的地址电极及翘曲尖端中的显著量的卷曲；
图7说明减小反射镜与隆起的地址电极之间的组合角的隆起的地址电极中的卷曲；
图8说明根据本发明的一对倾斜且隆起的地址电极；
图9说明针对图1中所展示的像素的地址电极的俯视透视图；
图10说明根据本发明的倾斜隆起的地址电极的俯视透视图；
图11说明反射镜角度依据施加到地址电极的电压而变的图；
图12说明针对图9及图10中所展示的地址电极配置的反射镜交叉的速度；
图13到22说明根据本发明的实例性过程；
图23说明反射镜与隆起的地址电极之间的最大化的能量密度；
图24到34说明另一实例性实施例，借此形成完全成角度且不具有水平部分的经塑形地址电极；且
图35说明具有提供静电力矩增益同时维持相对均匀电场及场梯度的经延伸长度的隆起的倾斜地址电极的另一实例性实施例。
具体实施方式
下文所讨论的图1到35及在本专利文件中用于描述本发明的原理的各种实例仅以图解方式进行且决不应解释为限制本发明的范围。所属领域的技术人员将理解，可以任何适合方式及以任何类型的经适合布置的装置或系统来实施本发明的原理。
图1是像素元件10的分解图，像素元件10在此实例实施例中展示为DMD像素。像素元件10为使用半导体制作技术制作于晶片(衬底)上的此些像素元件的阵列中的一者。像素元件10为制作于形成于晶片上的SRAM存储器单元11上方的以单片方式集成的MEMS上部结构单元。已通过等离子蚀刻移除两个牺牲光致抗蚀剂层以在上部结构的三个金属层之间产生气隙。出于此说明的目的，所述三个金属层通过被这些气隙分离而被“间隔”开。
最上部第一金属(M3)层14具有反射镜14a。反射镜14a下方的气隙释放反射镜14a以便围绕为第二金属(M2)层13的部分的柔性扭转铰链13b旋转。反射镜14a通过通孔14b支撑于扭转铰链13b上。隆起的地址电极13a也形成M2层13的部分且定位于反射镜14a下方。第三金属(M1)层12具有用于形成于晶片上的反射镜14a的地址电极12a，地址电极12a及13a各自连接到存储器单元11且由存储器单元11通过电压电位驱动。M1层12进一步具有偏置总线12b，偏置总线12b将所有像素10的反射镜14a电互连到芯片周边处的接合垫12c。芯片外驱动器(未展示)将必需的偏置波形供应到接合垫12c以用于恰当的数字操作。
反射镜14a可各自为7.4μm且由铝制成以实现最大反射性。其在8μm中心上排列以形成具有高填充因数(～90％)的矩阵。可取决于应用而提供反射镜14a的其它尺寸。高填充因数产生使光在像素级使用的高效率及无缝(无像素化)投影图像。反射镜14a下方的铰链层13准许反射镜14a的紧密间隔。由于铰链13b的下伏放置，因此像素元件10的阵列被称为“隐藏铰链”型DMD架构。
在操作中，在反射镜14a与其地址电极12a及13a之间形成静电场，从而形成静电力矩。此力矩不利于还原铰链13b的力矩以沿正方向或负方向产生反射镜旋转。反射镜14a旋转直到其抵靠为铰链层13的部分的翘曲尖端13c静止下来(或着落)为止。这些翘曲尖端13c附接到下伏地址层12且因此为反射镜14a提供固定但柔性着落表面。
图2A、图2B及图2C说明关于偏斜MEMS像素10及所呈现静电考虑的三个主要考虑。图2A展示隆起的地址电极13a与反射镜14a之间的理论静电分布。如图2B中所展示，向上卷曲为具有准平面隆起的地址电极13a的普通状况，此给予额外边缘敏感性。理想地，期望具有如图2C中所展示的跨越隆起的地址电极13a的静电场(及力/力矩)的均匀总分布。
由于通过第一牺牲光致抗蚀剂间隔层15(图4)的层12中的形貌耦合而导致地址电极13a及翘曲尖端13c的额外卷曲(称为“翘突”)，此增加M2层的差异应力。化学机械平坦化(CMP)不能作用于光致抗蚀剂中的翘突。此外，由于电极12a之间的间隙，因此光致抗蚀剂将部分填充。此非均匀性为形成形貌变化的因素。
图3展示形成于存储器单元11上的包含地址电极12a及偏置总线12b的M1层12的实例性实施例。图4为在M1层12上方处理时的第一牺牲光致抗蚀剂间隔层15的顶部的图像。在此灰阶图像中以黑色展示的高特征展示在地址电极12a上方形成翘突的间隔层15中的成堆特征。
图5展示叠加于图4中所展示的光致抗蚀剂形貌的顶部上的包含隆起的地址电极13a、铰链13b及翘曲尖端13c的M2层13，其具有处于隆起的地址电极13a的外边缘(相对于铰链13b)的显著翘突。地址电极12a上方的翘突因此导致在所述翘突上方处理的相关联隆起的地址电极13a及翘曲尖端13c的变化，此也被称为卷曲。
图6展示具体来说在M2层级13处观看的7.6μm DMD像素的高分辨率光学干涉仪捕获。在隆起的地址电极13a及翘曲尖端13c中存在显著量的卷曲，所述卷曲中的每一者可卷曲约2.5度。此图像中的尺度经夸大以展示隆起的地址电极13a以及翘曲尖端13c沿相反方向歪斜的度数且起作用来降级隆起的地址电极13a的静电效率。卷曲在动态操作期间减小反射镜14a与邻近隆起的地址电极13a之间的间隙。此为针对像素10设计的边界性的共同位置且与偏置破坏及操作空间边界直接相关。此卷曲将反射镜14a与隆起的地址电极13a之间的组合角减小到约14.5度，如图7中所展示。此不期望地将对这些地址电极边缘的特定形状的显著敏感性给予静电力矩传递以及借此像素的操作及边界。
根据本发明，地址电极12a及13a经组合以形成既倾斜又隆起的单个地址电极，使得反射镜14a经定位为在偏斜时与经组合地址电极实质上平行。使用次波长灰阶光刻掩蔽工艺来形成经塑形地址电极。有利地，倾斜与隆起的地址电极的表面区域提供静电增益且使偏斜(锁存)状态中的能量密度最大化。通过倾斜地址电极的外部分，由于通过反射镜14a与凸起且倾斜地址电极之间的一定程度的平行度获得的额外间隙边界，因此倾斜表面可部分地或完全地横向延伸反射镜14a的几何长度而不导致碰撞。
图8说明具有包括外倾斜部分22及内水平部分24的上部表面的一对倾斜且隆起的地址电极20的一个实例性实施例，外倾斜部分22及内水平部分24各自面对上面的反射镜14a。在替代实例性实施例中，整个地址电极20可为倾斜的且省略水平部分24。水平部分24接近于扭转铰链13b而定位，且倾斜部分22向下远离水平部分24成角度。在一个实例性实施例中，倾斜部分22相对于水平线成16度的角度，且偏斜反射镜14a在其着落于翘曲尖端13c上时相对于水平线成12度的角度。当然，在其它实施例中，其它角度可为适合的。
地址电极20的倾斜部分22与偏斜状态中的反射镜14a实质上平行，此使静电能量密度最大化同时维持边界，且此有助于确保均匀分布静电能量。在其它实施例中，可选择倾斜部分22及反射镜14a偏斜的不同角度以确立偏斜反射镜14a与倾斜电极部分22之间的角度。在一个实施例中，每一者的角度可为相同的，使得反射镜14a与倾斜部分22平行于彼此。
图9说明针对图1中所展示的像素10的地址电极12a及13a的俯视透视图。图10说明根据本发明的地址电极20的俯视透视图。地址电极20的相对内边缘具有凹口或凹部26以便为扭转铰链13b(未展示)提供空隙。
图11说明针对图9及图10中所展示的地址电极配置的反射镜14a的角度随施加到地址电极的电压而变的图。寻址电压从零斜变上升，且可看出，隆起的倾斜电极20具有约7.5伏特的吸合(pull-in)阈值，比针对地址电极12a与13a的组合的9.5伏特吸合电压低约2伏特。
图12说明针对图9及图10中所展示的地址电极配置的反射镜14a的交叉的速度。交叉被定义为反射镜14a从一个偏斜状态跨越到另一偏斜状态。倾斜电极20提供较快速交叉，其中所着落静电矩增加约2X倍。
参考图13到23，展示使用根据本发明的次波长灰阶光刻掩蔽工艺来形成倾斜且隆起的地址电极20的制作过程。反射镜14a是使用第二牺牲间隔层级根据常规抗蚀剂图案化工艺而形成且此处将不进行详细描述。
图13说明间隔层15在包含存储器单元的衬底11(也被称为载体)上的牺牲光致抗蚀剂沉积，其说明符合衬底11的非平面表面的间隔层15的非平面表面。
图14说明将间隔层15的光致抗蚀剂暴露于灰阶掩模28。
图15说明形成并蚀刻间隔层15的经暴露光致抗蚀剂以实现间隔层15的经选择性塑形的光致抗蚀剂上部表面30，上部表面30具有各自从平坦中心部分32向下延伸的一对成角度上部表面31。
图16说明M2层13在间隔层15上方的毯覆沉积。M2层13包括铝或其它材料(如所期望)的金属层。有利地，M2层13符合间隔层15的上部表面30的形状且因此具有一对成角度表面34及平坦中心部分35。
图17说明图案光致抗蚀剂层36在M2层13上的沉积，图案光致抗蚀剂层36也被称为图案抗蚀剂层级。
图18说明暴露层36的光致抗蚀剂以在M2层13中定义图案38，图案38对应于待在M2层13中形成的经塑形电极20。
图19说明形成并剥离经暴露层36以产生图案38。
图20说明蚀刻间隔层15上方的M2层13以在M2层13中定义地址电极20。
图21说明移除图案抗蚀剂38使得电极20保持于间隔层15上方。
图22说明移除牺牲间隔层15，导致从M2层13形成各自均具有如图8及图10中所展示的倾斜部分22及平坦部分24的电极20。
图23说明反射镜14a与地址电极20的倾斜部分22之间的组合角为约4度。此有利地改进静电力矩传递同时维持实质上均匀的电场及场梯度。
图24到34说明本发明的另一实例性实施例，借此形成完全成角度且不具有水平部分的经塑形地址电极40，其中相似编号指代相似元件。
图25到26说明使用次波长灰阶光刻掩蔽工艺塑形间隔层15，使得光致抗蚀剂层15的上部表面30具有从顶点44向下延伸的一对成角度表面42。
图27说明M2层13在间隔层15上方的毯覆沉积。M2层13包括铝或其它材料(如所期望)的金属层。有利地，M2层13符合间隔层15的上部表面30的形状且因此具有从顶点48延伸的一对成角度表面46。
图28说明图案光致抗蚀剂层36在M2层13上的沉积，图案光致抗蚀剂层36也被称为图案抗蚀剂层级。
图29说明暴露层36的光致抗蚀剂以在M2层13中定义抗蚀剂图案50，抗蚀剂图案50对应于待在M2层13中形成的经塑形电极40。
图30说明形成并剥离经暴露层36以产生抗蚀剂图案50。
图31说明蚀刻间隔层15上方的M2层13以在M2层13中定义地址电极40。
图32说明移除抗蚀剂图案50使得电极40保持于间隔层15上方。
图33说明移除牺牲间隔层15，导致从M2层13形成各自均具有倾斜部分的电极40。
图34说明反射镜14a与地址电极40的倾斜部分之间的组合角为约4度。此有利地改进静电力矩传递同时维持实质上均匀的电场及场梯度。
图35说明隆起的倾斜地址电极60的另一实例性实施例，隆起的倾斜地址电极60根据图23到34中所描述及所展示的过程形成，但其中图32中的抗蚀剂图案50经延伸以形成比地址电极40长的地址电极60。此经延伸地址电极60提供静电力矩增益同时维持相对均匀电场及场梯度。
尽管图已说明不同电路及操作实例，但可对图做出各种改变。举例来说，间隔层15可通过灰阶掩蔽而暴露以在地址电极中形成其它形状，且也可塑形像素10的其它特征。
陈述贯穿本专利文档使用的特定词语及短语的定义可为有利的。术语“包含”及“包括”以及其派生词意味无限制地包含。术语“或”为包含性的，意味及/或。短语“与…相关联”以及其派生词可意味包含、包含在内、与…互连、含有、含于…内、连接到或与…连接、耦合到或与…耦合、可与…通信、与…协作、交错、并置、接近于、限制于或被…限制、具有、具有…性质、与…具有关系等等。短语“…中的至少一者”在与物项的列表一起使用时意味可使用所列举物项中的一或多者的不同组合，且可需要列表中的仅一个物项。举例来说，“A、B及C中的至少一者”包含以下组合中的任一者：A、B、C，A及B，A及C，B及C，以及A及B及C。
虽然本发明已描述一些实施例及大体相关联的方法，但所属领域的技术人员将明了这些实施例及方法的更改及排列。因此，实例性实施例的以上说明并不界定或约束本发明。在不背离如由所附权利要求书所界定的本发明的精神及范围的情况下，也可能有其它改变、替代及更改。

Claims (18)

1.一种用于形成半导体装置的方法，其包括：
在衬底的上部表面上沉积光致抗蚀剂间隔层；
将所述光致抗蚀剂间隔层暴露于灰阶光刻掩模以塑形所述光致抗蚀剂间隔层的上部表面；
在经塑形的上部表面上形成不具有水平部分的控制部件，使得所述控制部件具有：不平行于所述衬底的上部表面；以及不平行于所述衬底的下部表面；及
在所述控制部件上方形成可定位成像部件，所述成像部件经配置以依据由所述控制部件分布的静电场而定位以形成空间光调制器SLM。
2.根据权利要求1所述的方法，其中通过所述灰阶光刻掩模使所述光致抗蚀剂间隔层的所述上部表面相对于所述衬底倾斜。
3.根据权利要求2所述的方法，其进一步包括掩蔽所述光致抗蚀剂间隔层的选定部分。
4.根据权利要求1所述的方法，其中所述控制部件包括具有相对于所述衬底的倾斜部分的地址电极。
5.根据权利要求4所述的方法，其中当所述成像部件在所述地址电极上方且朝向所述地址电极偏斜时，所述成像部件实质上平行于所述地址电极。
6.根据权利要求5所述的方法，其中所述地址电极经配置以确立所述地址电极与所述成像部件之间的实质上均匀场或能量密度。
7.根据权利要求1所述的方法，其中所述衬底包含经配置以控制所述成像部件的位置的存储器。
8.根据权利要求1所述的方法，其中所述成像部件具有经配置以调制入射光并形成图像的光反射上部表面。
9.根据权利要求1所述的方法，其中所述成像部件形成于扭转铰链上。
10.根据权利要求1所述的方法，其中所述控制部件在所述衬底上面隆起且定位于所述成像部件下面。
11.一种用于形成半导体装置的方法，其包括：
在衬底的上部表面上沉积间隔层；
使用灰阶光刻掩模形成不具有水平部分的地址电极以塑形所述间隔层的上部表面，所述地址电极具有：相对于所述衬底倾斜的上部表面；以及相对于所述衬底倾斜的下部表面；及
在所述衬底上方形成可定位成像部件，所述成像部件经配置以依据由所述地址电极分布的静电场而定位。
12.根据权利要求11所述的方法，其中所述成像部件形成空间光调制器SLM。
13.根据权利要求11所述的方法，其进一步包括将所述地址电极形成为在所述衬底上面隆起且定位于所述成像部件下面。
14.根据权利要求11所述的方法，其中所述成像部件在偏斜时实质上平行于所述地址电极。
15.根据权利要求14所述的方法，其中所述地址电极经配置以确立所述地址电极与所述成像部件之间的实质上均匀场或能量密度。
16.一种用于形成半导体装置的方法，其包括：
在包含存储器的衬底的上部表面上沉积光致抗蚀剂间隔层；
将所述光致抗蚀剂间隔层暴露于灰阶光刻掩模以塑形所述光致抗蚀剂间隔层的上部表面；
在经塑形的上部表面上形成不具有水平部分的控制部件，所述控制部件具有：相对于所述衬底倾斜的上部表面；以及相对于所述衬底倾斜的下部表面；及
在所述控制部件上方形成可定位成像部件，其中所述成像部件在依据由所述控制部件分布的静电场而偏斜时实质上平行于所述控制部件以形成空间光调制器SLM，所述控制部件依据所述存储器。
17.根据权利要求16所述的方法，其中所述成像部件具有经配置以调制入射光并形成图像的光反射上部表面。
18.根据权利要求16所述的方法，其中所述成像部件形成于扭转铰链上。
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