CN1125328A - 用在光学投影系统中的薄膜驱动反射镜阵列 - Google Patents

用在光学投影系统中的薄膜驱动反射镜阵列 Download PDF

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Abstract

用在光学投影系统中的M×N薄膜驱动反射镜阵列，包括有源矩阵、M×N个支承件阵列及M×N个薄膜驱动结构阵列。各驱动结构包含第一层、电致位移层、第二层及弹性层，其中第一与第二层置于电致位移层的顶面与底面上，弹性层置于第二层的底部。将第一层分成近端与远端。在各驱动反射镜中，第一层的近端连接在导线图案上作为偏压电极工作，第二层通过位于各支承件中的导管电连接在晶体管之一上作为信号电极工作。第一层的远端作为反射光束的反射镜工作。

Description

用在光学投影系统中的 薄膜驱动反射镜阵列
本发明涉及光学投影系统，更具体地涉及用在该系统中的M×N薄膜驱动反射镜阵列及其制造方法。
在本技术中可资利用的各种视频显示系统中，光学投影系统是已知能提供大规模高质量显示的。在这种光学投影系统中，灯光均匀地照射在一个诸如M×N驱动反射镜的阵列上，其中各反射镜与各驱动器相连。这些驱动器可用电致位移材料制成，诸如压电或电致伸缩材料，它们根据作用在其上的电场而变形。
各反射镜反射的光束入射在诸如光学隔板等的一个小孔上。通过在各驱动器上作用一个电信号，便改变了各反射镜对入射光束的相对位置，进而导致各反射镜的反射光束的光径的偏斜。随着各反射光束的光径的改变，各反射镜反射的通过小孔的光的量也改变了，借此调制光束的强度。将通过小孔的调制的光束经由诸如投影透镜等适当的光学器件透射到一个投影屏幕上，而在其上显示一个图象。
图1中示出了美国专利号为No.08/331,399的名称为“薄膜驱动的反射镜阵列及其制造方法”(THIN FILM ACTUATED MIRROR ARRAY AND METHODFOR THE MANUFACTURE THEREOF)的未决共有申请中所公开的用于光学投影系统中的一个M×N薄膜驱动的反射镜11的阵列10的剖视图，其中包括一个有源矩阵12、M×N个薄膜驱动结构14的一个阵列13，M×N个支承件16的一个阵列15以及M×N块反射镜18的一个阵列17。
有源矩阵12包含一块基板19、M×N个晶体管(未示出)的一个阵列以及M×N个接线端21的一个阵列20。阵列10中的各驱动结构14设置有至少一个诸如钛酸铅锆(PZT)等压电材料或铌酸铅镁(PMN)等电致伸缩材料的电致位移材料的薄膜层22、一个第一电极23、一个第二电极24及一个由陶瓷制成的弹性层25，其中的第一与第二电极23、24分别置于电致位移层22的顶部与底部，而弹性层25则置于第二电极24的底部。各支承件16用于通过用悬臂支承各驱动结构14而使各驱动结构14就位，并通过提供一个由诸如钨(W)等金属制成的导管26而电连接各驱动结构14与有源矩阵12。再者，将由诸如铝(Al)等反光材料制成的各反射镜18置于各驱动结构14顶上。
在薄膜驱动的反射镜阵列10中，将一个电信号跨越作用在位于各驱动结构14中的第一与第二电极23、24之间的电致位移层22上而导致其变形，并进而使置于其上的反射镜18变形，借此改变入射光束的光径。
上述薄膜驱动反射镜11的阵列10存在着若干与之相关的问题。首先要提到的是在其操作中由其中各驱动反射镜11中的电致位移层22与弹性层25之间产生的应力引起的阵列10的光学效率的降低。其间产生的应力会导致在反射镜18和第一电极23上形成裂缝，或者在某些情况中，甚至会将反射镜18和第一电极23从各驱动反射镜11上剥离，再者，应力会施加到电致位移层22上，从而使连接在其上面的反射镜18与第一电极23以不规则的形式弯曲，所有这些都会引起阵列10的光学效率的降低。
因此，本发明的主要目的为提供一个M×N驱动反射镜的阵列，其中由一个电致位移层与一个弹性层构成的各驱动反射镜能够解除在正常操作期间电致位移层与弹性层之间产生的应力。
本发明的另一目的为提供制造这种M×N驱动反射镜的阵列的方法。
按照本发明的一个方面，提供了用在一个光学投影系统中的M×N薄膜驱动的反射镜的一种阵列，各该M×N薄膜驱动的反射镜能够导致一个入射光束的光径的偏斜，所述阵列包括：包含一块基板的一个有源矩阵；用于将偏压带给各薄膜驱动的反射镜的一个导线图案；M×N个晶体管的一个阵列，各该晶体管能将一个电信号提供给各该薄膜驱动的反射镜；以及M×N个接线端的一个阵列，其中各该接线端是电连接在各晶体管上的；M×N个支承件的一个阵列，各该支承件上设置有一个导管；以及M×N个薄膜驱动结构的一个阵列，各该薄膜驱动结构包含由导电与反光材料制成的一个第一层、具有一个顶面与一个底面的一个电致位移层，由导电材料制成的一个第二层以及由陶瓷制成的一个弹性层，第一与第二层分别放置在电致位移层的顶面与底面上，弹性层置于第二层的底上，各该驱动结构分成一个近端与一个远端，各该驱动结构的近端固定在各支承件的顶上，用间隙将各该驱动结构中的第一层分成一个近端与一个远端，近端与远端是在物理上与电气上互相分隔的，其近端是与导线图案电连接的，借此使之能作为一个偏压电极工作，而其远端则作为反射光束的一块反射镜工作，并且其中的第二层通过各支承件中的导管电连接在连在晶体管上的接线端上，从而使它作为一个信号电极工作，其中跨越作用在第一层的近端与第二层之间的各驱动结构中的电致位移层上的电信号导致其变形，并从而导致包含作为反射镜工作的第一层的远端在内的所述各驱动结构的变形，借此改变入射光束的光径。
按照本发明的另一方面，提供了制造所述M×N薄膜驱动的反射镜的阵列的一种方法，所述方法包括下述步骤：(a)提供一个具有一个顶面的有源矩阵，该有源矩阵包括一块基板、M×N个晶体管的一个阵列、在其顶面上的M×N个接线端的一个阵列及一个导线图案；(b)以下述方式在有源矩阵的顶面上形成一个待除层，使得该待除层完全覆盖M×N个接线端的阵列；(c)去掉各接线端周围的待除层部分；(d)通过在这些部分中填充一种绝缘材料而在各接线端周围形成一个支承件；(e)在包含支承件的待除层上面涂覆一个用陶瓷制成的弹性层；(f)在各支承件中形成一个导管，各该导管从弹性层的顶部延伸到各接线端上，其中的导管是电连接在晶体管上的；(g)在弹性层上面喷镀由导电材料制成的一个第二薄膜层；(h)在第二层上面形成一个电致位移层；(i)喷镀由导电与反光材料制成的一个第一薄膜层以形成一个驱动反射镜结构；(j)将该致动反射镜结构制成M×N个半成品驱动反射镜结构的一个阵列的图形；(k)将各该半成品驱动反射镜结构中的第一薄膜层制成一个近端与一个远端的图形以形成M×N个驱动反射镜结构的一个阵列，其中其近端与远端是用一个间隙在物理上与电气上互相隔离，并且其近端是与导线图案电连接的；以及(l)去掉各驱动反射镜结构中的待除层，从而形成所述的M×N薄膜驱动反射镜的阵列。
从以下对结合附图给出的较佳实施例的描述中，本发明的上述及其他目的与特征将是显而易见的，附图中：
图1示出在先公开的M×N薄膜驱动反射镜阵列的剖视图；
图2示出按照本发明的较佳实施例的M×N薄膜驱动反射镜阵列的剖视图；
图3表示构成图2中所示的阵列的一块薄膜驱动反射镜的俯视图；以及
图4(A)至4(H)再现为按照本发明的较佳实施例提出的制造步骤的示意性剖视图。
参见图2至4，其中提供了按照本发明的较佳实施例的用于光学投影系统中的M×N薄膜驱动反射镜201的一个阵列200及其制造方法的示意性剖视与俯视图，其中M与N为整数。应指出，出现在图2至4中的相同部件是用相同的参照数字表示的。
在图2中，示出了包括一个有源矩阵202、M×N个支承件204的一个阵列203及M×N个薄膜致动结构207的一个阵列206的阵列200的剖视图。
有源矩阵202包括一块基板208、M×N个晶体管的一个阵列(未示出)、M×N个接线端210的一个阵列209以及一个导线图案(未示出)，其中各晶体管用于将一个电信号提供给各薄膜驱动反射镜201，导线图案用于将一个偏压提供给各薄膜驱动反射镜201，而各接线端210则电连接在各晶体管上。
在各该由诸如氮化硅(Si3N4)等绝缘材料制成的支承件204上设置有由诸如钨(W)等金属制成的一个导管104，其中位于各支承件204中的各导管104电连接在连在各晶体管上的各接线端210上。
各驱动结构207包含一个第一层211、具有一个顶面与一个底面213、214的一个电致位移层212、一个第二层215以及一个弹性层205。再者，各该驱动结构207上设置有一个近端与一个远端216、217。第一层211由诸如银(Ag)等导电与反光材料制成，并具有500-2000的厚度，电致位移层212由诸如PZT等压电材料或诸如PMN等电致伸缩材料制成，并具有0.7-2μm的厚度，第二层215由诸如铂(Pt)等导电材料制成，并具有0.7-2μm的厚度，弹性层205由诸如SiO2等绝缘材料制成。
在各该驱动结构207中，第一与第二层211、215置于电致位移层212的顶面与底面213、214上，弹性层205置于第二层215的底部，而其近端216则固定在各支承件204的顶上。各驱动结构207的第二层215通过导管104连接在晶体管上，借此使它能作为一个信号电极工作。如图3中所示，第一层211分成一个近端与一个远端216、217，其中其近端与远端216、217是用一个间隙125在物理上与电气上互相隔离的，并且其近端216是与导线图案电连接的，借此使之能作为一个偏压电极工作，而其远端则作为反射光束的一块反射镜工作。
当在第一层211的近端与第二层215之间的电致位移层212上跨越作用一个电信号时，便导致其变形，并从而导致包含作为反射镜工作的第一层211的远端在内的驱动结构207的变形，借此改变入射光束的光径。
图4A至4H中示出了涉及制造M×N薄膜驱动反射镜201的创造性阵列200的制造步骤。制造阵列200的工艺从制备具有一个顶面220的有源矩阵202开始，其中包括基板208、M×N个晶体管的阵列(未示出)、导线图案(未示出)以及M×N个接线端210的阵列209，如图4A中所示。
在下一步骤中，在有源矩阵202的顶面上形成一个厚度为1-2μm并由诸如铜(Cu)或镍(Ni)金属、磷硅玻璃(PSG)或多晶硅(poly-Si)制成的待除层221，如果待除层221是由金属制成的则采用阴极真空喷镀法，如果待除层221是由PSG制成的则采用化学蒸镀(CVD)法或旋转涂敷，而如果待除层是由多晶硅制成的则采用CVD法，如图4B中所示。
接着，形成包含M×N个支承件204的阵列203与待除层221的一个第一支承层222，其中该第一支承层222是用下述方法形成的：使用光刻法建立M×N个空槽的一个阵列(未示出)，各该空槽位于各接线端210周围；并采用阴极真空喷镀法或CVD法在位于各接线端210周围的各空槽中形成由诸如Si3N4等绝缘材料制成的一个支承件204，如图4C中所示。
在随后的步骤中，在包含支承件204的待除层221的顶上形成由诸如氧化硅(SiO2)等绝缘材料制成的一个弹性层105。
此后，用下述方法在各支承件204中形成用于电连接第二层215与晶体管的由诸如W等金属制成的导管104：首先采用蚀刻法建立一个空洞，该空洞从弹性层105的顶部延伸到对应的接线端210的顶部；以及用诸如W等金属填满其中，如图4D中所描绘的。
随后如图4E中所示，采用阴极真空喷镀法在第一支承层222的顶上形成由诸如Pt等导电材料制成并具有0.7-2μm厚度的一个第二薄膜层223。各该驱动反射镜中的各第二层215是通过形成在各支承件204中的导管104电连接在对应的晶体管上的。
此后，如图4F中所示，采用溶胶-凝胶(sol-gel)法或阴极真空喷镀法在第二薄膜层223的顶上形成由诸如PZT等压电材料或诸如PMN等电致伸缩材料诸如制成并具有0.7-2μm厚度的一个薄膜电致位移层225，然后对其进行热处理使其产生相转移。由于该电致位移层225是充分地薄的，因此没有必要极化它；它可用在对应的驱动反射镜201的操作期间所作用的电信号来极化。
在图4G中所描绘的后续步骤中，采用阴极真空喷镀法在薄膜电致位移层225的顶上形成由诸如银等导电与反光材料制成并具有500-2000厚度的一个第一薄膜层226，而得到一块驱动的反射镜结构227。
然后采用光刻法或激光剪裁法将驱动反射镜结构227成形为M×N个半成品驱动反射镜结构的一个阵列(未示出)。然后采用光刻法将各该半成品驱动反射镜结构中的第一薄膜层226成形为一个近端与一个远端以形成M×N个驱动反射镜结构的一个阵列(未示出)，其中其近端与远端是用间隙125在物理上与电气上互相隔离的，并且其近端是与导线图案电连接的，借此作为偏压电极工作。
然后采用蚀刻法去掉各该驱动反射镜结构中的待除层221以形成M×N薄膜驱动反射镜201的阵列200，如图4H中所示。
虽然只对某些较佳实施例描述了本发明，可以在不脱离所附权利要求书中所提出的本发明的范围的条件下，作出其他的改型与变化。

Claims (15)

1、用在光学投影系统中的M×N块薄膜驱动反射镜的一种阵列，各该M×N薄膜驱动反射镜能够导致一个入射光束的光径的偏斜，所述阵列包括：
一个有源矩阵，包括一块基板、用于将一个偏压带给各薄膜驱动反射镜的一个导线图案、M×N个晶体管的一个阵列，各该晶体管能够将一个电信号提供给各薄膜驱动反射镜，以及M×N个接线端的一个阵列，其中各该接线端是电连接在各晶体管上的；
M×N个支承件的一个阵列，各该支承件上设置有一个导管；以及
M×N个薄膜驱动结构的一个阵列，各该薄膜驱动结构包含由导电与反光材料制成的一个第一层，具有一个顶面与一个底面的一个电致位移层，由导电材料制成的一个第二层，以及由绝缘材料制成的一个弹性层，第一与第二层分别置于电致位移层的顶面与底面上，弹性层置于第二层的底部，各该驱动结构分成一个近端与一个远端，各该驱动结构的近端固定在各支承件的顶上，各该驱动结构中的第一层是用一个间隙分成一个近端与一个远端的，近端与远端是在物理上与电气上互相隔离的，其近端与导线图案电连接借此使其能作为一个偏压电极工作，而其远端则作为一块反射光束的反射镜工作，并且其中的第二层通过各支承件中的导管电连接在连在晶体管上的接线端上，借此使它能作为一个信号电极工作，其中在第一层的近端与第二层之间的各该驱动结构中的电致位移层上跨越作用的电信号导致其变形，并从而导致包含作为反射镜工作的第一层的远端在内的所述各驱动结构的变形，借此改变入射光束的光径。
2、权利要求1的阵列，其中各该驱动反射镜中的第二层具有0.7-2μm的厚度。
3、权利要求1的阵列，其中各该驱动反射镜中的电致位移层具有0.7-2μm的厚度。
4、权利要求1的阵列，其中各该驱动反射镜中的第一层具有500-2000的厚度。
5、权利要求1的阵列，其中该电致位移层是由压电材料或电致伸缩材料制成的。
6、一种光学投影系统，包括具有权利要求1至5中任何一项中所述的结构的M×N薄膜驱动反射镜的一个阵列。
7、制造所述M×N薄膜驱动反射镜的阵列的一种方法，所述方法包括下述步骤：
(a)提供具有一个顶面的一个有源矩阵，该有源矩阵包含一块基板、M×N个晶体管的一个阵列，在其顶面上的M×N个接线端的一个阵列以及一个导线图案；
(b)以下述方式在该有源矩阵的顶面上形成一个待除层，使得该待除层完全覆盖M×N个接线端的阵列；
(c)去掉各该接线端周围的待除层部分；
(d)通过以绝缘材料填满这些部分而在各接线端周围形成一个支承件；
(e)在包含支承件在内的待除层的顶上涂覆由绝缘材料制成的一个弹性层；
(f)在各该支承件中形成一个导管，各该导管从弹性层的顶部延伸到各接线端上，其中该导管是电连接在晶体管上的；
(g)在弹性层顶上喷镀由导电材料制成的一个第二薄膜层；
(h)在第二层顶上形成一个电致位移层；
(i)喷镀由导电与反光材料制成的一个第一薄膜层而构成一个驱动反射镜结构；
(j)将该驱动反射镜结构成形为M×N个半成品驱动反射镜结构的一个阵列；
(k)将各该半成品驱动反射镜结构中的第一薄膜层成形为一个近端与一个远端以形成M×N个驱动反射镜的一个阵列，其中其近端与远端是用一个间隙在物理上与电气上互相隔离的，并且其近端是与该导线图案电连接的；以及
(l)去掉各该驱动反射镜结构中的待除层，借此构成所述M×N薄膜驱动反射镜的阵列。
8、权利要求7的方法，其中如果该待除层是由金属制成的则采用阴极真空喷镀法来形成该待除层，如果该待除层是由磷硅玻璃制成的则采用化学蒸镀法，或者如果该待除层是由多晶硅制成的则采用旋转涂敷法。
9、权利要求7的方法，其中该第二薄膜层是采用阴极真空喷镀法形成的。
10、权利要求7的方法，其中该薄膜电致位移层是采用溶胶-凝胶法或阴极真空喷镀法形成的。
11、权利要求7的方法，其中该第一薄膜层是采用阴极真空喷镀法或真空蒸发法形成的。
12、权利要求7的方法，其中该导管是采用光刻法、随后用阴极真空喷镀法形成的。
13、权利要求7的方法，其中该驱动反射镜结构是采用光刻法或激光剪裁法成形的。
14、权利要求7的方法，其中该待除层是采用蚀刻法去掉的。
15、一种光学投影系统，包括按照权利要求7至14中任何一项中所述的方法制备的M×N薄膜驱动反射镜的一个阵列。
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