CN1125327A - 可驱动反射镜阵列及其制造方法 - Google Patents

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Abstract

一种用于光学投影系统的M×N薄膜可驱动反射镜阵列，包括：一个有源矩阵，一个M×N支持单元阵列，M×N个第一、第二和第三导体三重体，及一个M×N薄膜驱动结构。每个驱动结构都含有一个第一层、一个电致位移层和一个第二层，其中第一和第二层分别位在电致位移层的顶部和底部。在每个可驱动反射镜中，第一层都通过各自的第二和第三导体与导线图案有电连接，从而起到偏置电极的作用；而第二层都通过第一导体与内含的一个晶体管有电连接，从而起到信号电极的作用。

Description

可驱动反射镜阵列及其制造方法
本发明涉及光学投影系统，较具体地说，涉及用于该系统的一种M×N薄膜可驱动反射镜阵列及其制造方法。
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给出大尺度的高质量显示。在这种光学投影系统中，一个例如M×N的可驱动反射镜阵列被来自光源的光束均匀地照明，其中每一个反射镜与各自的驱动器相耦合。驱动器可以由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。
从各个反射镜上反射的光束入射到例如一个光学挡板的开口上。通过在各个驱动器上施加电信号，可以改变各个反射镜和入射光束之间的相对位置，从而使各反射镜反射光束的光路发生偏转。由于各反射光束的光路发生了变化，各反射镜的反射光束中能通过开口的光量就随之变化，从而实现了光束的光强调制。利用一个适当的光学装置，例如一个投影透镜，通过开口的调制光束被传送到一个投影屏幕上，从而在其上显示出图像。
图1示出了用于光学投影系统的M×N薄膜可驱动反射镜11的阵列10的横截面图，该阵列已在下列共有待审批美国专利申请中公开：美国专利申请序列号08/331,399，其标题为“薄膜可驱动反射镜阵列及其制造方法(THIN FILM ACTUATED MI RROR ARRAY AND MFTHOD FOR THIN MANUFACTURE THEREOF)”，该阵列包括：一个有源矩阵12，一个M×N薄膜驱动结构14的阵列13，一个M×N支持单元16的阵列15，以及一个M×N反射镜18的阵列17。
有源矩阵12含有一个基底19，一个M×N晶体管阵列(未示出)，以及一个M×N接线端21的阵列20。阵列10中的每一个驱动结构14中至少含有：一个电致位移材料薄膜层22，该材料例如是象钛酸铅锆(PZT)那样的压电材料，或者是象铌酸铅镁(PMN)那样的电致伸缩材料；一个第一电极23；一个第二电极24；以及一个由陶瓷做成的弹性层25，其中第一和第二电极23、24分别位在电致位移层22的顶部和底部，而弹性层25又位在第二电极24的底部。各个支持单元16用来以悬臂的形式支持在各个驱动结构14，并利用其中由例如钨(W)那样的金属做成的导体26使各个驱动结构14和有源矩阵12实现电连接。再有，各个由例如铝(Al)那样的反光材料做成的反射镜18位在各个驱动结构14的顶部。
在薄膜可驱动的反射镜阵列10中，在各个驱动结构14中的位在第一和第二电极23、24之间的电致位移层22两侧施加一个电信号，从而造成该位移层22的形变，接着它又使位在其顶部的反射镜18发生形变，结果造成了入射光束光路的改变。
上述薄膜可驱动反射镜11的阵列10存在一些问题。因为各个驱动结构14中的第一电极23是与阵列10中处在同一行或同一列中的其他驱动结构14的第一电极23相连接在一起的，所以如果由于任何原因(例如短路)而使某一个驱动结构14不能工作时，则阵列10中处在同一行或同一列中的所有其他驱动结构14也变得不能工作。另外，由于在各个驱动结构14中存在有一个由陶瓷做成的弹性层25，这就必须要额外增加一个制作薄膜层的步骤，使得本来已经很复杂的整体制造过程变得更加复杂。
因此，本发明的一个主要目的是提供一种用于光学投影系统的M×N可驱动反射镜阵列，其中各个可驱动反射镜中的第一电极不和阵列中同一行或同一列中的任一个其他可驱动反射镜的第一电极相连接，从而使得偏置电压可以分别施加在各个可驱动反射镜上。
本发明的另一个目的是提供这种M×N可驱动反射镜阵列的制造方法。
根据本发明的一个方面，提供了种用于光学投影系统的M×N薄膜可驱动反射镜阵列，M×N个薄膜可驱动反射镜中的每一个都能够引起入射光束光路的偏转，上述阵列包括：一个有源矩阵，它含有一个基底，一个导线图案，用来把偏置电压输送到各个薄膜可驱动反射镜上，一个M×N晶体管阵列，各个晶体管能够给各个薄膜可驱动反射镜提供电信号，以及一个M×N对的接线端阵列，其中各对接线端中的一个接线端与一个晶体管相电连接，另一个接线端与导线图案相电连接；M×N个第一、第二和第三导体三重体，其中第一导体与连接在晶体管上的接线端有电连接，第二导体与连接在导线图案上的接线端有电连接；一个M×N支持单元阵列，各个支持单元中均含有第一和第二导体；以及一个M×N薄膜驱动结构阵列，各个薄膜驱动结构均含有：一个由导电并且反光的材料做成的第一层，一个具有顶面和底面的电致位移层，以及一个由导电材料做成的第二层，第一层和第二层分别位在电致位移层的顶面和底面上，各个驱动结构含有一个近端和一个远端，各驱动结构的近端固定在各个支持单元的顶部，第三导体形成在第一层和第二层之间，各驱动结构的第一层通过第二和第三导体与连接在导线图案上的接线端有电连接，由此第一层可同时起到偏置电极和反射光束的反射镜的作用，而其中的第二层通过第一导体与连接在晶体管上的接线端有电连接，从而使它能起到信号电极的作用，这里，施加在位于第一和第二层之间的电致位移层两侧的电信号使该位移层发生变形，进而引起包括起反射镜作用的第一层在内的上述各个驱动结构发生形变，由此改变了入射光束的光路。
根据本发明的另一个方面，提供了一种制造上述M×N薄膜可驱动反射镜阵列的方法，上述方法包括以下步骤：(a)提供一个带有顶面的有源矩阵，该有源矩阵含有一个基底，一个M×N晶体管阵列，一个在顶面上的M×N对接线端阵列，以及一个导线图案；(b)在有源矩阵顶面上形成这样一个待除层，该待除层完全覆盖M×N对接线端阵列；(c)除去待除层中环绕各对接线端的部分；(d)用绝缘材料充填上述除去部分，以形成环绕在各对接线端周围的支持单元；(e)在每个支持单元中形成一对第一和第二导体，各个导体都从各个支持单元的顶部开始并延伸到各个接线端，其中第一导体与晶体管相电连接，第二导体与导线图案相电连接；(f)在待除层和支持单元顶部淀积一层由导电材料做成的第二薄膜层；(g)除去第二薄膜层中环绕各个第一导体的那些部分；(h)用绝缘材料充填上述除去部分，以使第一导体和第二导体电绝缘，从而也使第一接线端和第二接线端电绝缘；(i)在第二层顶部形成电致位移层；(j)在电致位移层上形成一个M×N不含电致位移材料部分的阵列；(k)用导电材料充填上述部分，以形成M×N第三导体阵列；(l)淀积一层由既导电又反光的材料做成的第一薄膜层，以形成可驱动反射镜结构；(m)使可驱动反射镜结构形成图案，变成M×N半完成可驱动反射镜结构图形；(n)使各个半完成可驱动反射镜结构中的第一薄膜层形成图案，变成具有近端和远端，以形成M×N可驱动反射镜结构阵列，其中的近端和远端在物理上以及在电气上都是互相分离的，并且近端与第三导体有电连接；以及(O)从各个可驱动反射镜结构中除去待除层，从而形成了上述的M×N薄膜可驱动反射镜阵列。
本发明的上述目的和其他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1示出以前公开的M×N薄膜可驱动反射镜阵列的横截面图；
图2示出根据本发明的一个优选实施例的M×N薄膜可驱动反射镜阵列的横截面图；
图3画出组成图2所示阵列的一个薄膜可驱动反射镜的顶视图；以及
图4(A)至(I)列出根据本发明的优选实施例的各个制造步骤中的示意性截面图。
现在参见图2至图4，那里示意性地画出了根据本发明优选实施例的用于光学投影系统的M×N薄膜可驱动反射镜201的阵列200的截面图和顶视图以及有关的制造方法，其中M和N为整数，需要指出，图2至图4中出现的相同的组成部分用相同的数字代号表示。
图2画出了阵列200的横截面图，其中包括一个有源矩阵202，一个M×N支持单元204的阵列203，M×N个由第一、第二、第三导体104、105、205组成的三重体，以及一个M×N薄膜驱动结构207的阵列206。
有源矩阵202含有一个基底208，一个M×N晶体管阵列(未画出)，一个M×N对第一和第二接线端210的阵列209，以及一个导线图案(未画出)，其中各个晶体管用来向各个薄膜可驱动反射镜201供给电信号，导线图案用来向各个薄膜可驱动反射镜201供给偏置电压，各接线端对中的第一和第二接线端210分别与晶体管和导线图案相电连接。
由例如钨(W)那样的金属做成的一对第一和第二导体104、105都伴随有一个由例如氮化硅(Si3N4)那样的绝缘材料做成的支持单元204，其中一个导体对中的第一和第二导体104、105分别与第一和第二接线端210相电连接。
每个驱动结构207都含有一个第一层211，一个具有顶面和底面213、214的电致位移层212，一个第三导体205和一个第二层215。另外，每个驱动结构207都带有一个近端和一个远端216、217。第一层211由例如银(Ag)那样的既导电又反光的材料做成，其厚度为500～2000，电致位移层212由例如象PZT那样的压电材料或者象PMN那样的电致伸缩材料做成，其厚度为0.7μm～2μm，第二层215由例如铂(pt)那样的导电材料做成，其厚度为0.7μm～2μm。
在各个驱动结构207中，第一和第二层211、215分别位在电致位移层212的顶面和底面213、214上，其上的近端216固定在各个支持单元204的顶部。此外，第二层215的近端216中的环绕第二导体105并与后者有电连接的那部分107首先被除去，然后充填象二氧化硅(SiO2)那样的绝缘材料，由此使第一导体104和第二导体105电绝缘，让第二层215可以通过第一导体104连接到晶体管上，从而使它能起到信号电极的作用。第三导体205使第一层211和第二层215中与第二导体105有电连接的那部分发生电连接，从而使第一层通过第二和第三导体105、205与导线图案相电连接，结果使第一层能够同时起到偏置电极和反射光束的反射镜的作用。
如图3所示，第一层211被分成近端216和远端217，近端216和远端217在物理上和气上是互相分离的，并且近端216是与第三导体205相电连接的，从而是与导线图案相电连接的。
当在第一和第二层211、215之间的电致位移层212的两侧施加一个电信号时，该位移层将发生形变，从而使包括作为反射镜的第一层211在内的驱动结构207发生形变，由此改变了入射光束的光路。
在本发明的M×N可驱动反射镜201的阵列200中，偏置电压的施加情况与以前公开的阵列10中的情况不同，它是分别施加到各个可驱动反射镜201上的，从而排除了当一个可驱动反射镜201不能正常工作时造成同一行或同一列中的所有可驱动反射镜都不能工作的危险。
图4A至4I画出了制造本发明M×N薄膜可驱动反射镜201的阵列200时所涉及的制造步骤。制造阵列200的过程从制备具有一个顶面220的主动矩阵202开始，其中包括基底208，M×N晶体管阵列(未画出)，导线图案(未画出)以及M×N对第一第二接线端210的阵列209，如图4A所示。
在下一个步骤中，在有源矩阵202的顶面220上形成一个待除层221，该层的厚度为1μm～2μm，其材料可以是像铜(Cu)或镍(Ni)那样的金属，或者是磷硅玻璃(PSG)，或者是多晶硅；如果待除层221的材料是金属，则用溅射法制作；如果其材料是PSG，则用化学气相淀积法(CVD)或旋转镀膜法制作；如果其材料是多晶硅，则用CVD方法制作；如图4B所示。
接着，形成第一支持层222，它含有M×N支持单元204的阵列203和待除层221，其中第一支持层222是这样形成的；利用光刻方法制作一个M×N空槽阵列(未示出)，各个空槽位在各对接线端210的周围；然后用溅射法或CVD法在位于各对接线端210周围的各个空槽内形成材料为Si3N4那样的陶瓷的支持单元204，如图4C所示。
其后，利用下述方法在各个支持单元204中形成第一和第二导体104、105，它们的材料是象W那样的金属，分别用来使第一层211与导线图案相电连接和使第二层215与晶体管相电连接；其形成方法是：首先用蚀刻法制作各对空洞，各个空洞都从支持单元204的顶部开始并延伸到相应接线端210的顶部；然后用象W那样的金属充填空洞，如图4D所示。
接着，如图4E所示，用溅射法在第一支持层222的顶部形成第二薄膜层223，该层由例如pt那样的导电材料做成，其厚度为0.7μm～2μm。各个可驱动反射镜中的各个第二层215都通过形成在各个支持单元204中的第一导体104与相应的晶体管有电连接。
在下一个步骤中，使各个支持单元204中的第二导体105和第一导体104之间实现电绝缘，其方法是，首先用例如光刻法去除第二薄膜层223中环绕各个第二电极105的部分，然后用像SiO2那样的绝缘材料充填这些部分。
其后，如图4F所示，用溶胶-凝胶法或溅射法在第二薄膜层223的顶部形成一个薄膜电致移层225，该层由象PZT那样的压电材料或者象PMN那样的电致伸缩材料做成，厚度为0.7μm～2μm；然后对该层进行热处理，以使其发生相变。由于薄膜电致位移层225是足够地薄的，所以没有必要对它进行极化；它可以在相应的可驱动反射镜201的工作过程中用施加的电信号予以极化。
在下一步骤中，在电致位移层225上形成一个M×N第三导体205阵列，其方法是：首先用光刻法在薄膜电致位移层225上形成一个M×N不含电致位移材料部分的阵列，每一个上述部分位在第二薄膜层223中含有相应第二导体105并与第一导体104有电绝缘的那部分的顶部；然后如图4G所示，用象W那样的导电材料充填这些部分，以形成M×N第三导体205阵列。
其后，如图4H所示，利用溅射法在含有M×N第三导体205阵列的薄膜电致位移层225的顶部形成一个第一薄膜层226，该层由象Ag那样的既导电又反光的材料做成，厚度为500～2000，由此得到了可驱动反射镜结构227。
然后用光刻法或激光剪裁法使可驱动反射镜结构形成图案，变成M×N半完成可驱动反射镜结构阵列(未示出)。接着用光刻法使各个半完成可驱动反射镜结构中的第一薄膜层226形成图案，变成具有一个近端和一个远端，以形成M×N可驱动反射镜结构阵列(未示出)，其中的近端和远端在物理上和电气上是互相分离的，并且近端是与第三导体205相电连接的，而后者又是通过第二导体105和相应的接线端210与导线图案相连接的，所以近端可以起到偏置电极的作用。
然后用蚀刻法去除各个可驱动反射镜结构中的待除层221，以形成M×N薄膜可驱动反射镜201的阵列200，如图4I所示。
虽然只是通过某些优选实施例对本发明进行了说明，但是在不偏离由下述权利要求所规定的本发明的范畴的情形下，可以作出其他各种修改和变化。

Claims (18)

1、一种用于光学投影系统的M×N薄膜可驱动反射镜阵列，该M×N个薄膜可驱动反射镜中的每一个都能引起入射光束光路的偏转，上述阵列包括：
一个有源矩阵，它含有：一个基底；一个导线图案，用来把偏置电压传送到各个薄膜可驱动反射镜上；一个M×N晶体管阵列，每个晶体管都能够向相应的薄膜可驱动反射镜提供电信号；以及一个M×N对接线端阵列，其中每一对中的一个接线端与一个晶体管相电连接，另一个接线端与导线图案相电连接；
M×N个第一、第二和第三导体三重体，其中的第一导体与连接在晶体管上的接线端相电连接，第二导体与连接在导线图案上的接线端相电连接；
M×N支持单元阵列，每个支持单元都带有第一和第二导体；以及
一个M×N薄膜驱动结构阵列，每个薄膜驱动结构都含有：一个由既导电又反光的材料做成的第一层，一个具有顶面和底面的电致位移层，以及一个由导电材料做成的第二层；第一和第二层分别位在电致位移层的顶面和底面上的，每个驱动结构都带有一个近端和一个远端，每个驱动结构的近端都固定在相应支持单元的顶部，第三导体形成在第一和第二层之间；每个驱动结构中的第一层都通过第二和第三导体与连接在导线图案上的接线端相电连接，从而使它能同时起到偏置电极和反射光束的反射镜的作用，而其中的第二层通过第一导体与连接在晶体管上的接线端相电连接，从而使它能起到信号电极的作用，其中施加在位于第一和第二层之间的电致位移层两侧的电信号造成该位移层的形变，从而造成上述包括作为反射镜的第一层在内的每个驱动结构的形变，由此改变了入射光束的光路。
2、根据权利要求1的阵列，其中每个可驱动反射镜中的第一层在物理上和电气上被分割成一个近端和一个远端，该近端与第三导体相电连接，从而起着偏置电极的作用，而该远端则起着反射光束的反射镜的作用。
3、根据权利要求1的阵列，其中每个可驱动反射镜中的第二层的厚度为0.7μm～2μm。
4、根据权利要求1的阵列，其中每个可驱动反射镜中的电致位移层的厚度为0.7μm～2μm。
5、根据权利要求1的阵列，其中与第二层相电连接的第一和第二导体由于第二层中存在绝缘材料而互相电绝缘，只因为第一导体同时与第二层和晶体管有电连接而使得第二层能起到信号电极的作用。
6、根据权利要求5的阵列，其中每个可驱动反射镜中的第三导体与第二层中和第二导体有电连接的那一部分相电连接，它还与第一层有电连接，从而使得第一层能起到偏置电极的作用。
7、根据权利要求1的阵列，其中每个可驱动反射镜中的第一层的厚度为500～2000。
8、根据权利要求1的阵列，其中的电致位移层由压电材料或电致伸缩材料做成。
9、一种光学投射系统，它包括具有权利要求1至8中任何一项所述的结构的M×N薄膜可驱动反射镜。
10、一种制造M×N薄膜可驱动反射镜的方法，上述方法包括以下步骤：
(a)提供一个具有一个顶面的有源矩阵，该有源矩阵含有一个基底，一个M×N晶体管阵列，一个位在其上的M×N对接线端阵列，以及一个导线图案；
(b)在有源矩阵顶面上形成一个待除层，并使该待除层完全覆盖上述M×N对接线端阵列；
(c)去除待除层中环绕各对接线端的部分；
(d)用绝缘材料充填上述部分，以形成环绕各对接线端的支持单元；
(e)在各个支持单元中形成一对第一和第二导体，各个导体都从相应支持单元的顶部开始，并延伸到对应的接线端上，其中第一导体与晶体管相电连接，第二导体与导线图案相电连接；
(f)在待除层和支持单元顶部淀积一层由导电材料做成的第二薄膜层；
(g)去除第二薄膜层中环绕各个第二导体的部分；
(h)用绝缘材料充填上述部分，以使第二导体与第一导体电绝缘，从而使第一接线端与第二接线端电绝缘；
(i)在第二层顶部形成一个薄膜电致位移层；
(j)在上述薄膜电致位移层中形成一个M×N不含有电致位移材料部分的阵列；
(k)用导电材料充填上述部分以形成M×N第三导体阵列；
(l)淀积一层由既导电又反光的材料做成的第一薄膜层，以形成可驱动反射镜结构；
(m)使上述可驱动反射镜结构形成图案，变成M×N半完成可驱动反射镜结构阵列；
(n)使每个上述半完成可驱动反射镜结构中的第一薄膜层形成图案，变成有一个近端和一个远端，以形成M×N可驱动反射镜结构阵列，其中的近端和远端在物理上和电气上是互相分离的，并且近端与第三导体相电连接；以及
(o)从每个上述可驱动反射镜结构中去除待除层，以形成上述M×N薄膜可驱动反射镜阵列。
11、根据权利要求10的方法，其中的待除层如果由金属做成则用溅射方法形成；如果由磷硅玻璃做成则用化学气相淀积法形成；或者如果由多晶硅做成则用旋转镀膜法形成。
12、根据权利要求10的方法，其中的第二薄膜层用溅射法形成。
13、根据权利要求10的方法，其中的薄膜电致位移层用溶胶-凝胶法或溅射法形成。
14、根据权利要求10的方法，其中的第一薄膜层用溅射法或真空蒸镀法形成。
15、根据权利要求10的方法，其中的第一、第二和第三导体用光刻法以及随后的溅射法形成。
16、根据权利要求10的方法，其中的可驱动反射镜结构用光刻法或激光剪裁法形成图案。
17、根据权利要求10的方法，其中的待除层用蚀刻法去除。
18、一种光学投影系统，它包括用根据权利要求10至17中任何一项的方法制备的M×N薄膜可驱动反射镜阵列。
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