CN1104815C - 具有介质层的薄膜可驱动反射镜阵列 - Google Patents

Abstract

一种M×N薄膜可驱动反射镜(201)阵列(200)包括一个有源矩阵(210)，一个驱动结构(300)阵列，该阵列包括一个弹性单元(235)，一个第二薄膜电极(245)，一个薄膜电致位移单元(255)和一个第一薄膜电极(265)，阵列(200)还包括M×N个薄膜电介质单元(401)的多层叠(400)。另外，还提供保护以使第一薄膜电极(265)不受化学和物理破坏，该电极(265)同时还作为反射镜以反射光束，置于各个驱动结构顶部的薄膜电介质单元(401)的多层叠(400)在各个薄膜可驱动反射镜中提供最大的反射比，由此获得阵列的最佳光学效率。

Description

具有介质层的薄膜可驱动反射镜阵列

技术领域

本发明涉及光学投影系统，较具体地说，涉及用于这种系统的一种M×N薄膜可驱动反射镜阵列及其制造方法，其中，各个薄膜可驱动反射镜具有多层叠电介质单元，此多层叠电介质单元形成在各个薄膜可驱动反射镜的顶部以使其产生最佳的光学效率。

背景技术

在本技术领域内可获得的各种视像显示系统中，已知光学投影系统能够以大尺度给出高质量的显示。在这种光学投影系统中，来自光源的光均匀地照明在一个例如M×N的可驱动反射镜阵列上，其中各个反射镜都与相应的各个驱动器相耦合。驱动器可以用象压电材料或电致伸缩材料那样的电致位移材料做成，这种材料在对施加于其上的电场作出响应时将发生形变。

从各个反射镜反射的光束入射到例如一个光学挡板的开口上。通过给各个驱动器加上电信号，各反射镜和入射光束之间的相对位置将发生改变，由此使各反射镜的反射光束的光路发生偏转。当各个反射光束的光路改变时，从各反射镜反射的光束中能通过开口的光量便发生变化，从而调制了光束的强度。借助一个适当的光学装置，例如一个投影透镜，通过开口的受调制光束被传送到一个投影屏幕上，由此在屏幕上显示出图象。

在图1A至图中1G中，分别示出了有关制备M×N薄膜可驱动反射镜11阵列10的制造步骤，其中M和N为整数，这些已在下列悬而未决的属于本申请人的美国专利申请中公开：美国专利申请序列号08/430,628，标题为“薄膜可驱动反射镜阵列”。

制造阵列10的过程从制备有源矩阵20开始，该矩阵有一个基底22，一个M×N晶体管阵列(未示出)以及一个M×N接线端24阵列。

下一步骤是，在有源矩阵20的顶面上形成一个薄膜待除层40，如果此薄膜待除层40由金属制成则用溅射法形成，如果此薄膜待除层40由硅酸磷玻璃(PSG)制成则用化学气相淀积法(CVD)或旋转镀膜法形成，如果此薄膜待除层40由多晶硅制成则用化学气相淀积法(CVD)形成。

其后，形成一个支持层15，它含有一个由薄膜待除层40围绕的支持单元30阵列，其中支持层15是这样形成的：通过光刻法在薄膜待除层40中形成一个M×N空槽阵列(未示出)，各个空槽位于各个接线端24的周围；以及在每个空槽内用溅射法或化学气相淀积法(CVD)形成一个支持单元30，如图1A所示。此支持单元30由绝缘材料制成。

再下一个步骤是，通过用溶胶一凝胶、溅射或化学气相淀积法(CVD)在支持层15顶面形成一个用与支持单元30相同的绝缘材料制成的弹性层70。

接着，在各个支持单元30中，用下述方法形成由金属制成的导体35：首先用蚀刻法形成一个M×N空洞阵列(未示出)，各个空洞从弹性层顶部延伸到接线端24的顶部，然后在空洞中充填金属由此形成导体35，如图1B所示。

下一个步骤是，通过溅射法在含有导体35的弹性层70的顶部形成一个由导电材料制成的第二薄膜层60。第二薄膜层60通过在支持单元30中形成的导体35电连接到晶体管。

然后，通过用溶胶一凝胶、溅射或化学气相淀积法(CVD)在第二薄膜层60的顶部形成一个由象PZT(钛酸铅锆)那样的压电材料制成的薄膜电致位移层80，如图1C所示。

在下一个步骤是，在薄膜电致位移层80，第二薄膜层60和弹性层70上用光刻法或激光裁剪法形成M×N薄膜电致位移单元85阵列，M×N第二薄膜电极65阵列和M×N弹性单元75阵列中形成图案，直至支持层15暴露，如图1D所示。各个第二薄膜电极65通过在各个支持单元30中形成的导体35电连接到相应的晶体管上，并作为各个薄膜可驱动反射镜11的信号电极。

接着，对各个薄膜电致位移单元85进行热处理，以使薄膜电致位移层85发生相变，由此形成M×N热处理结构阵列(未示出)。由于每个薄膜电致位移单元85都非常薄，所以在它是由压电材料制成的情况下，它不需要被极化：这是由于在薄膜可驱动反射镜11的工作过程中，它可以通过施加电信号而进行极化。

在完成上述步骤后，通过用下述方法，在M×N热处理结构阵列中的薄膜电致位移单元85的顶部，形成一个由象铝(Al)或银(Ag)那样的既导电又反光的材料制成的第一薄膜电极55，首先用溅射法形成一个由既导电又反光的材料制成的层50，完全覆盖住M×N热处理结构阵列的顶部，包括暴露的支持层15，如图1E所示，然后，用蚀刻法选择性地去掉层50，形成M×N可驱动反射镜结构95阵列，其中每个可驱动反射镜结构95包含一个顶面和四个侧面，如图1F所示。各个第一薄膜电极55都作为各个薄膜可驱动反射镜11中的反射镜和偏置电极。

然后，通过用薄膜保护层(未示出)完全覆盖住各个可驱动反射镜结构95的顶面和四个侧面进行处理步骤。

接着，在支持层15上，用蚀刻法去掉薄膜待除层40。最后，用蚀刻法去掉薄膜保护层，由此形成M×N薄膜可驱动反射镜11阵列，如图1G所示。

上述薄膜可驱动反射镜11阵列10及其制造方法存在一些不足。在去掉薄膜保护层的过程中，所用的蚀刻剂可能会以化学方式破坏第一薄膜电极55，而且第一薄膜电极55同时也作为反射镜，在各个薄膜可驱动反射镜11中，这可能对薄膜可驱动反射镜11阵列10的光学效率产生不利影响。另外，尤其当第一薄膜电极55由银(Ag)制成时，第一薄膜电极55可能被氧化，进而降低反射率。

发明内容

因此，本发明的一个主要目的是提供一种能够获得最佳光学效率的M×N薄膜可驱动反射镜阵列及其制造方法。

根据本发明的一个方面，提供了一种M×N薄膜可驱动反射镜阵列，用于一种光学投影系统，其中，M和N为整数，该阵列包括：一个有源矩阵，该有源矩阵包含一个基底，一个在M×N接线端阵列和一个M×N晶体管阵列，其中该有源矩阵位于所述阵列的底部并且各个接线端被电连接到相应的晶体管上并且各个接线端被电连接到相应的晶体管上；M×N导体，各个导体由导电材料制成；一个M×N驱动结构阵列，每个驱动结构包括垂直地顺序放置的一个弹性单元，一个第二薄膜电极，一个薄膜电致位移单元和一个第一薄膜电极，其中各个导体位于各个驱动结构的一个端部，从第二薄膜电极的底部延伸至接线端的顶部，由此以使第二薄膜电极作为各个薄膜可驱动反射镜中的信号电极，由一种既反光又导电的材料制成的第一薄膜电极被接地，由此作为各个薄膜可驱动反射镜中的反射镜和偏置电极；和M×N个薄膜电介质单元的多层叠，各个薄膜电介质单元的多层叠被置于除与各个驱动结构中上述端部相对应部位之外的第一薄膜电极的上方，其中所述各个薄膜电介质单元具有预定的厚度和特定的折射率。

根据本发明的另一个方面，提供了一种制造M×N薄膜可驱动反射镜阵列的方法，其中，M和N为整数，上述方法包括以下步骤：提供一个有源矩阵，该有源矩阵包含一个基底，一个在M×N接线端阵列和一个M×N晶体管阵列，其中各个接线端被电连接到相应的晶体管上；在有源矩阵的顶部淀积一个薄膜待除层；在薄膜待除层中形成一个M×N空槽阵列，各个空槽位于各个接线端顶部的周围；在薄膜待除层的顶部淀积形成一个用绝缘材料制成的弹性层，并同时充填这些空槽；在弹性层中形成M×N导体阵列，各个导体从弹性层的顶部延伸到相应的接线端顶部；在弹性层的顶部连续淀积形成一个第二薄膜层，一个薄膜电致位移层和一个第一薄膜层，其中，第二薄膜层由导电材料制成，第一薄膜层由既导电又反光的材料制成；使第一薄膜层，薄膜电致位移层，第二薄膜层和弹性层各自形成图案，直到暴露出薄膜待除层，由此形成M×N半完成驱动结构阵列，其中各个半完成驱动结构都具有一个第一薄膜电极，一个薄膜电致位移单元，一个第二薄膜电层和一个弹性单元；在含有暴露的薄膜待除层的半完成驱动结构的顶部，连续地淀积多个薄膜电介质层，各个薄膜电介质层都具有预定的厚度；使薄膜电介质层分别在M×N个薄膜电介质单元多层叠中形成图案，直到薄膜待除层再次暴露，由此形成M×N半完成可驱动反射镜阵列，其中，多个薄膜电介质层以这样一种方式形成图案，即每个半完成可驱动反射镜被分为一个驱动部分和反光部分，各个导体和各个薄膜电介质单元分别位于各个半完成可驱动反射镜的驱动部分和反光部分；用薄膜保护层完全覆盖各个半完成可驱动反射镜，由此形成M×N有保护的薄膜可驱动反射镜阵列；去除薄膜待除层；去除薄膜保护层，由此形成M×N薄膜可驱动反射镜阵列。

附图说明

本发明的上述目的和其它目的以及特点将通过下面结合附图对优选实施例的说明而变得清楚明了，在附图中：

图1A至1G示出了说明过去已公开的M×N薄膜可驱动反射镜阵列的制造步骤的示意性横截面图；

图2示出了根据本发明的M×N薄膜可驱动反射镜阵列的横截面图；

图3A至3F示出了说明制造如图2所示的M×N薄膜可驱动反射镜阵列的方法的示意性横截面图。

具体实施方式

现参照图2以及图3A至3F，它们分别为用在光学投影系统的M×N薄膜可驱动反射镜201阵列200的横截面图，其中M和N为整数，以及说明其制造方法的示意性横截面图。值得注意的是：在图2及图3A至图3F中出现的相同部分采用相同的标号。

在图2中，提供了一个根据本发明的一个实施例的M×N薄膜可驱动反射镜201阵列200的横截面图，该阵列200包含一个有源矩阵210，M×N导体225，一个M×N驱动结构300阵列和薄膜电介质单元的M×N个多层叠400。为简明起见，在图2中，示出一个M×N薄膜可驱动反射镜201阵列200，每个薄膜可驱动反射镜201具有一个薄膜电介质单元401的多层叠400，其中多层叠400含有一对薄膜电介质单元401。

有源矩阵210包括一个基底212，一个M×N接线端214阵列和一个M×N晶体管阵列(未示出)，其中每个接线端214电连接到相应的晶体管上。

每个驱动结构具有一个连接部分和一个反光部分330，335，而且包括一个弹性单元235，一个第二薄膜电极245，一个薄膜电致位移单元255以及一个第一薄膜电极265。各个由导电材料制成的导体225被置于各个驱动结构300中的连接部分330，由第二薄膜电极245的底部延伸至与晶体管相电连接的接线端214的顶部，由此使第二薄膜电极245电连接到晶体管，以使第二薄膜电极245作为在各个薄膜可驱动反射镜201中的信号电极。由象铝那样的既导电又反光的材料制成的第一薄膜电极265被接地，以使其在薄膜可驱动反射镜201中作为反射镜和偏置电极。

各个薄膜电介质单元401的多层叠400置于各个驱动结构300中的反光部分335的顶部，其中每个薄膜电介质单元401具有一个预定的厚度和一个特定的折射率。

在可视区域，通过用额外电介质层引导以增加单金属层的反射比是可能的。

金属在空气中正常入射的特征反射比R是： $R=\frac{1-[2n/(1+n^2+k^2)]}{1+[2n/(1+n^2+k^2)]}$ 公式(1)其中，n和k分别为金属的折射率和消光系数。

例如，如果金属涂有二种折射率为n₁和n₂的四分之一波长的材料，且n₂与金属相邻，则其在空气中正常入射的光学反射比是： $R=\frac{1-\left[2{(n_1/n_2)}^{2}n\right]/[1+{(n_1/n_2)}^4(n^2+k^2)]}{1+\left[2{(n_1/n_2)}^{2}n\right]/[1+{(n_1/n_2)}^4(n^2+k^2)]}$ 公式(2)如果有 $\frac{2{(n_1/n_2)}^{2}n}{1+{(n_1/n_2)}^4(n^2+k^2)}<\frac{2n}{1+n^2+k^2}$ 公式(3)且满足 ${\left(\frac{n_1}{n_2}\right)}^2>1$ 或 ${\left(\frac{n_1}{n_2}\right)}^2<\frac{1}{n^2+k^2}$ 公式(4)假设n²+k²≥1则该反射比大于由公式(1)给出的裸金属的反射比。

根据公式(4)，任何金属的反射比都可以通过二个四分之一波长的层提高，(n₁/n₂)＞1，且n₁在外层，n₂与金属相邻。该比率越高，反射比增加越大。

例如，未经处理的铝在以波长为550纳米的光束正常入射时，它的反射比大约为91.6％。

如果用由系数为1.38的氟化镁和系数为2.35的硫化锌组成的二个四分之一波长的材料覆盖铝，氟化镁与铝相邻，外层为硫化锌，则有(n₁/n₂)²＝2.9，根据公式(3)，反射比猛增至96.9％。

阵列200中的各个薄膜可驱动反射镜201反射比可以通过模拟，优化各个组成多层叠400的薄膜电介质单元401的厚度，折射系数，薄膜电介质单元401的数量和入射，而达到最大。

各个薄膜电介质单元401的多层叠400不仅保护在各个驱动结构中的第一薄膜电极265使其不受化学和物理破坏，而且在各个薄膜可驱动反射镜201中提供最大的反射比，由此在阵列200中的各个薄膜可驱动反射镜201中获得最佳光学效率。

在图3A至3F中，提供了示意性的横截面图来说明制造图2所示的M×N薄膜可驱动反射镜201阵列200的方法。

制造阵列200的过程从制备有源矩阵210开始，它包括一个基底212，一个M×N接线端214阵列和一个M×N晶体管阵列(未示出)，其中基底212由象硅晶片那样的绝缘材料制成。

下一个步骤是，在有源矩阵210的顶部形成一个薄膜待除层220，此薄膜待除层220有0.1-2微米厚，由例如铜(Cu)或镍(Ni)的金属，硅酸磷玻璃(PSG)或者多晶硅制成，如果此薄膜待除层220由金属制成则用溅射法或蒸镀法形成，如果此薄膜待除层220由硅酸磷玻璃(PSG)制成则用化学气相淀积法(CVD)或旋转镀膜法形成，如果此薄膜待除层220由多晶硅制成则用化学气相淀积法(CVD)形成。

其后，通过光刻法在薄膜待除层220中形成一个M×N空槽阵列(未示出)，各个空槽位于各个接线端214顶部的周围。

再下一个步骤是，通过用溶胶一凝胶、溅射或化学气相淀积法(CVD)在带有空槽的薄膜待除层的顶部淀积形成一个用绝缘材料例如氮化硅制成的弹性层230，其有0.1-2微米厚。

接着，在弹性层230上形成由金属例如钨(W)制成的M×N导体225。各个导体225是这样形成的：首先用蚀刻法形成一个M×N空洞阵列(未示出)，各个空洞从弹性层230顶部延伸到接线端214的顶部，然后在空洞中用溅射法填充金属，如图3A所示。

然后，用溅射法或者真空蒸镀法在弹性层230和导体225的顶部形成一个第二薄膜层240，此薄膜层240由导电材料例如铂(Pt)或铂钛合金(Pt/Ti)制成，0.1-2微米厚。

下一个步骤是，用真空蒸镀法或者溅射法在第二薄膜层240的顶部淀积一个薄膜电致位移层250，它由压电材料例如钛酸铝锆(PZT)或者电致伸缩材料例如铌酸铅镁(PMN)制成，其厚度为0.1-2微米。然后对薄膜电致位移层250进行热处理，以使其发生相变。

再下一个步骤是，用溅射法或者真空蒸镀法在薄膜电致位移层250顶部形成一个第一薄膜层260，它由例如铝(Al)或银(Ag)的既导电又反光的材料制成，其厚度为0.1-2微米，如图3B所示。

接下来的步骤是，直到薄膜待除层220暴露后，第一薄膜层260，薄膜电致位移层250，第二薄膜层240和弹性层230各自形成图案，由此形成M×N半完成驱动结构341阵列340，如图3C所示，其中每个半完成驱动结构包括一个第一薄膜电极265，一个电致位移单元255，一个第二薄膜电极245和一个弹性单元235。各个半完成驱动结构341中的第二薄膜电极245通过相应的导体225和接线端214被电连接到晶体管上，由此作为各个薄膜可驱动反射镜201的信号电极。各个半完成驱动结构341的第一薄膜电极265作为各个薄膜可驱动反射镜201的反射镜和偏置电极。

由于每个薄膜电致位移单元255都非常薄，所以在它是由压电材料制成的情况下，它不需要被极化：这是由于在薄膜可驱动反射镜201的工作过程中，它可以通过施加电信号而进行极化。

接下来，用溅射法或者真空蒸镀法，在含有暴露的薄膜待除层220的半完成驱动结构341的顶部，连续地淀积多个薄膜电介质层(未示出)。每个薄膜电介质层具有预定的厚度和折射率系数。同样为简明起见，只示出二个薄膜电介质层。

在完成上述步骤后，用光刻法或激光剪裁法使薄膜电介质层分别在M×N个薄膜电介质单元401多层叠400中形成图案，直到薄膜待除层220再次暴露，由此形成M×N半完成可驱动反射镜321阵列320，如图3D所示。多个薄膜电介质层以这样一种方式形成图案，即每个半完成可驱动反射镜321具有一个驱动部分和反光部分330，335，其中各个导体225位于各个半完成可驱动反射镜321中的驱动部分330，而各个薄膜电介质单元401的多层叠400位于各个半完成可驱动反射镜321中的反光部分335。每个半完成可驱动反射镜321包含薄膜电介质单元401的多层叠400，第一薄膜电极265，薄膜电致位移单元255，第二薄膜电极245和弹性单元235。

再下一个步骤是，用薄膜保护层290完全覆盖住各个半完成可驱动反射镜321，由此形成M×N受保护可驱动反射镜311阵列310，如图3E所示。

然后，用蚀刻法去掉薄膜待除层220。最后，去掉薄膜保护层290，由此形成M×N薄膜可驱动反射镜201阵列200，如图3F所示。

尽管每个用本发明的方法制备的薄膜可驱动反射镜201具有一个单一形态结构，但可以理解应用本发明的方法同样可以制造薄膜可驱动反射镜阵列，而每个薄膜可驱动反射镜具有一个双重形态结构，对于后者，仅仅涉及一个附加电致位移层和一个附加电极层的结构。双重形态结构包括两个通过如美国专利No.5,052,777和No.5,481,396所述的电极分隔开的电致位移层，和用于成型双重形态结构的方法。另外，应当清楚，每个薄膜可驱动反射镜可具有交替叠放的三个附加电致位移层和四个附加电极层。

还应注意到，本发明的方法可以修改以使制造的薄膜可驱动反射镜阵列具有不同的几何形状。

尽管只是通过某些优选实施例对本发明进行了说明，然而在不偏离由以下本发明保护范围范畴的情形下，可以做出其他各种修改和变化。

Claims (7)

1.一种M×N薄膜可驱动反射镜阵列，其中，M和N为整数，用于一种光学投影系统，该阵列包括：

一个有源矩阵，该有源矩阵包含一个基底，一个M×N接线端阵列和一个M×N晶体管阵列，其中该有源矩阵位于所述阵列的底部并且各个接线端被电连接到相应的晶体管上；

M×N导体，各个导体由导电材料制成；

一个M×N驱动结构阵列，每个驱动结构包括垂直地顺序放置的一个弹性单元，一个第二薄膜电极，一个薄膜电致位移单元和一个第一薄膜电极，其中各个导体位于各个驱动结构的一个端部，从第二薄膜电极的底部延伸至接线端的顶部，由此以使第二薄膜电极作为各个薄膜可驱动反射镜中的信号电极，由一种既反光又导电的材料制成的第一薄膜电极被接地，由此作为各个薄膜可驱动反射镜中的反射镜和偏置电极；和

M×N个薄膜电介质单元的多层叠，各个薄膜电介质单元的多层叠被置于除与各个驱动结构中上述端部相对应部位之外的第一薄膜电极的上方，其中所述各个薄膜电介质单元具有预定的厚度和特定的折射率。

2.根据权利要求1的阵列，其中，每个薄膜可驱动反射镜具有双重形态结构，该双重形态结构包括由一个电极分开的一对电致位移单元。

3.根据权利要求2的阵列，其中，每个薄膜可驱动反射镜还具有一个附加电极层和一个附加电致位移层。

4.一种制造M×N薄膜可驱动反射镜阵列的方法，其中，M和N为整数，上述方法包括以下步骤：

提供一个有源矩阵，该有源矩阵包含一个基底，一个M×N接线端阵列和一个M×N晶体管阵列，其中各个接线端被电连接到相应的晶体管上；

在有源矩阵的顶部淀积一个薄膜待除层；

在薄膜待除层中形成一个M×N空槽阵列，各个空槽位于各个接线端顶部的周围；

在薄膜待除层的顶部淀积形成一个用绝缘材料制成的弹性层，并同时充填这些空槽；

在弹性层中形成M×N导体阵列，各个导体从弹性层的顶部延伸到相应的接线端顶部；

在弹性层的顶部连续淀积形成一个第二薄膜层，一个薄膜电致位移层和一个第一薄膜层，其中，第二薄膜层由导电材料制成，第一薄膜层由既导电又反光的材料制成；

使第一薄膜层，薄膜电致位移层，第二薄膜层和弹性层各自形成图案，直到暴露出薄膜待除层，由此形成M×N半完成驱动结构阵列，其中各个半完成驱动结构都具有一个第一薄膜电极，一个薄膜电致位移单元，一个第二薄膜电层和一个弹性单元；

在含有暴露的薄膜待除层的半完成驱动结构的顶部，连续地淀积多个薄膜电介质层，各个薄膜电介质层都具有预定的厚度；

使薄膜电介质层分别在M×N个薄膜电介质单元多层叠中形成图案，直到薄膜待除层再次暴露，由此形成M×N半完成可驱动反射镜阵列，其中，多个薄膜电介质层以这样一种方式形成图案，即每个半完成可驱动反射镜被分为一个驱动部分和反光部分，各个导体和各个薄膜电介质单元分别位于各个半完成可驱动反射镜的驱动部分和反光部分；

用薄膜保护层完全覆盖各个半完成可驱动反射镜，由此形成M×N有保护的薄膜可驱动反射镜阵列；

去除薄膜待除层；

去除薄膜保护层，由此形成M×N薄膜可驱动反射镜阵列。

5.根据权利要求4的方法，其中，多个薄膜电介质层用溅射法或蒸镀法淀积形成。

6.根据权利要求4的方法，其中，每个薄膜可驱动反射镜具有双重形态结构，该双重结构包括由一个电极分开的二个电致位移单元。

7.根据权利要求4的方法，其中还包含，在电致位移层淀积后，连续地形成一个附加电极层和一个附加电致位移层。

Images