CN1160219A - 薄膜致动的反射镜阵列及其制造方法 - Google Patents

Abstract

一种薄膜致动的反射镜阵列，其中的致动结构包括弹性元件，一对导管，带有条纹的第二薄膜电极，薄膜电致偏移元件，和第一薄膜电极。其制造方法包括下述步骤：制备有源原模；沉积薄膜牺牲层；在薄膜牺牲层中，产生许多对空槽阵列；沉积弹性层；沉积第二薄膜层；在第二薄膜层上产生条纹；沉积薄膜电致偏移层和第一薄膜层；摹制第一薄膜层，薄膜电致偏移层，第二薄膜层和弹性层，形成薄膜保护层；去除薄膜牺牲层和薄膜保护层。

Description

薄膜致动的反射镜阵列及其制造方法

本发明涉及一种光学投影系统；更具体地说，涉及系统中用的一种M×N个薄膜致动的反射镜阵列以及它的制造方法。

在现有技术的种种视频系统中，已知的光学投影系统能够在大尺度上提供高质量的显示。在这种光学投影系统中，来自灯泡的光线均匀地照射到薄膜致动的反射镜阵列，例如M×N阵列，在那里，每一个反射镜与各自的致动器相连接。致动器由电致偏移材料制成，例如压电材料，或者随所加的电场变形的电致伸缩材料。

来自反射镜的反射光束，入射到例如光学障板的孔径上。通过将一个电信号施加到每个致动器，改变每个反射镜相对于入射光束的位置，因而引起来自反射镜的反射光束光路的偏移。随着反射光束光路的变化，每个反射镜的反射光束通过孔径的光量有所变化，由此对光束强度进行调制。经过孔径的被调制光束，通过适当的光学装置，例如投影透镜，照射到投影屏幕上，因而在屏幕上显示一个图象。

在图1A至1G中描述的制造步骤，涉及制造一种M×N薄膜致动的反射镜101阵列100。那里，M和N是整数，是在U.S.Ser.No.08/430,628，名为“THIN FILM ACTUATED MIRROR ARRAY”(薄膜致动的反射镜阵列)的未决专利申请中揭示的。

制造阵列100的过程，从制备一个有源原模10开始，原模10具有顶端表面并包括基底12，M×N个晶体管阵列(未表示)，和M×N连接端子14阵列。

接着的步骤，是在有源原模10的顶端表面形成薄膜牺牲层24，其形成方法是：如果薄膜牺牲层24用金属制造，则使用溅射或者汽化的方法，如果薄膜牺牲层24用磷-硅酸盐玻璃(PSG)制造，则采用化学汽相淀积(CVD)或者自旋涂盖的方法，如果薄膜牺牲层24用多硅制造，则采用CVD方法。

此后，形成支持层20，包括由薄膜牺牲层24环绕的M×N支持元件22阵列，支持层20形成的方法是：使用光刻方法在牺牲层24上产生M×N空槽阵列(未表示)，每个空槽在连接端子14处定位；使用溅射或者CVD方法，在连接端子14处定位的每个空槽中形成支持元件22，如图1A所示。支持元件22由绝缘材料制成。

在下一步骤中，用与支持元件22相同的绝缘材料制造的弹性层30，使用可溶凝胶，溅射或者CVD的方法，在支持层20的顶端形成。

接着，由金属制造的导管26在每个支持元件22中形成，其方法是：首先使用腐蚀方法产生M×N个孔阵列(未表示)，每个孔从弹性层30的顶端延伸到连接端子14的顶端，并且在其中充满金属，从而形成导管26，如图1B所示。

在下一步骤中，由导电材料制造的第二薄膜层40，使用溅射的方法，在包括导管26的弹性层30顶端形成。第二薄膜层40，通过在支持元件22中形成的导管26，与晶体管电气相连。

然后，由压电材料例如锆钛酸铅(PZT)制造的薄膜电致偏移层50，使用溅射的方法，CVD的方法或多硅的方法，在第二薄膜层40的顶端形成，如图1C所示。

在随后的步骤中，薄膜电致偏移层50，第二薄膜层40和弹性层30，被摹制成M×N薄膜电致偏移元件55阵列，M×N第二薄膜电极45阵列，以及M×N弹性元件35阵列，所使用的是光刻或激光修整的方法，直至支持层20露出为止，如图1D所示。每个第二薄膜电极45，通过在每个支持元件22中形成的导管26，与晶体管电气相连，在薄膜致动的反射镜101中起信号电极的作用。

下一步，用高温对每个薄膜电致偏移元件55进行热处理，例如对PZT，温度为650℃左右，使其发生相变，由此而形成M×N热处理结构阵列(未表示)。因为被热处理的电致偏移元件55足够薄，在用压电材料制成的情况下，不需要进行极化，因为在薄膜致动的反射镜101工作期间，它能够被施加的电信号极化。

在上述步骤之后，在导电材料和光反射材料制造的M×N第一薄膜电极65阵列，在M×N热处理结构阵列中的薄膜电致偏移元件55的顶端形成，首先用溅射的方法，用导电材料和光反射材料制成层60，层60完全覆盖M×N热处理结构阵列的顶端，包括露出的支持层20，如图1E所示，然后，用腐蚀的方法，有选择地除去层60的一部分，得到M×N被致动的反射镜结构111的阵列110，在那里，每个被致动的反射镜结构111，包括一个顶端表面和四个侧表面，如图1F所示。每个第一薄膜电极65，在薄膜致动的反射镜101中，除了起偏移电极的作用以外，也用作反射镜。

接着的下一步骤，用薄膜保护层，完全覆盖每个被致动的反射镜结构111的顶端表面和四个侧表面(未表示)。

然后，用湿蚀方法，除去支持层20中的薄膜牺牲层24。最后，除去薄膜保护层，由此而形成M×N薄膜致动的反射镜101阵列100，如图1G所示。

上面所描述的阵列100以及其制造方法存在某些缺陷。首先，在每个薄膜致动的反射镜101工作期间，由于其中的薄膜电致偏移元件55和弹性元件35之间产生的应力，使阵列100的光学效率降低。其间所产生的应力将会在第一薄膜电极65上引起裂纹，或者甚至在某些情况下迫使第一薄膜电极65从薄膜致动的反射镜101上剥离。再者，应力将使薄膜电致偏移元件54弯曲，并因此使与其顶端接触的第一薄膜电极65以不规则的方式弯曲，使阵列100的总体光学效率降低。

因此，本发明的主要目的，是提供一种用于光学投影系统的M×N薄膜致动的反射镜阵列，其中，每一个薄膜致动的反射镜，能消除薄膜电致偏移元件和弹性元件之间产生的应力。

本发明的另一个目的，是提供这种M×N薄膜致动的反射镜阵列的制造方法。

根据本发明的一个目标，提供一种用于光学投影系统的M×N薄膜致动的反射镜阵列，其中M和N是整数，阵列包括：一个有源原模，这个原模包括一个带有M×N对连接端子阵列的基体，和一个M×N晶体管阵列，其中每一对连接的端子与晶体管阵列中的一个相应的晶体管电气相连；一个M×N致动结构阵列，每个致动结构具有一个致动部分和一个光反射部分，并包括一个弹性元件，一对导管，一个被条纹界定为两个部分的第二薄膜电极，一个薄膜电致偏移元件和一个第一薄膜电极，第一和第二薄膜电极分别被设置在薄膜电致偏移元件的顶端和底端，弹性元件被设置在第二薄膜电极的下面，其中，第二薄膜电极中的由条纹界定的两个部分，分别与每个致动结构的致动部分和光反射部分相对应，第二薄膜电极的与每个致动结构中的致动部分相对应的部分，通过导管和连接端子，与晶体管电气相连，因而在每个致动结构中起信号电极的作用，而第一薄膜电极在每个致动结构中起反射和偏移电极的作用。

根据本发明的另一个目标，提供用于光学投影系统的M×N薄膜致动反射镜阵列的制造方法，这一方法包括的步骤是：制备一个有源原模，包括具有M×N对连接端子阵列的基体和M×N晶体管阵列，其中每一对的连接端子与晶体管阵列中的一个相应的晶体管电气相连；在有源原模的顶端沉积一个薄膜牺牲层；在薄膜牺牲中产生M×N对空槽阵列，每个成对的空槽定位于连接端子的顶端；在包含空槽的薄膜牺牲层的顶端，用绝缘材料沉积一个弹性层；在弹性层中形成M×N对导管，每一对导管从弹性层的顶端延伸到连接端子的顶端；在包含导管的弹性层的顶端，用导电材料形成一个第二薄膜层；在第二薄膜层上，产生许多平行的间隔相同的条纹，在那里，这些条纹使弹性层露出，从而将第二薄膜界定为相应数目的物理意义上分离的区域；在第二薄膜层的顶端，相继地沉积一个薄膜电致偏移层和一个第一薄膜层，其中，第一薄膜层用导电和光反射材料制成；摹制第一薄膜层，薄膜电致偏移层，第二薄膜层和弹性层，直至薄膜牺牲层露出，从而形成M×N受致动的反射镜结构阵列，每个受致动的反射镜结构包括第一薄膜电极，薄膜电致偏移元件，带有条纹的第二薄膜电极和带有导管的弹性元件；形成一个薄膜保护层，完全覆盖每个受致动的反射镜结构；去除薄膜牺牲层；去除薄膜保护层，从而形成M×N薄膜致动的反射镜阵列。

本发明的上述和其他目的以及特征，从下面对所给出的带有附图的优选实施例的说明，将变得显而易见，其中：

图1A至1G是概略的横截面图，以此说明上面揭示的M×N薄膜致动的反射镜阵列的制造方法；和

图2是根据本发明的M×N薄膜致动的反射镜阵列的横截面图；

图3A至3F是概略的横截面图，表示图2所示的M×N薄膜致动的反射镜阵列的制造方法；和

图4是根据本发明的M×N薄膜致动的反射镜阵列的顶视图。

图2和图3A至3F分别提供了根据本发明，用在光学投影系统中的M×N薄膜致动的反射镜301的阵列300的横截面图，其中，M和N是整数，以及表示M×N薄膜致动的反射镜301的阵列300的制造方法的概略横截面图。应当注意，在图2和图3A至3F中，相同的部件以相同的标号表示。

在图2中，所提供的是根据本发明的M×N薄膜的致动的反射镜301阵列300的横截面图，阵列300包括有源原模210和M×N致动结构阵列200。

有源原模210包括带有M×N对连接端子214阵列的基体212和M×N晶体管阵列(未示)。每一对连接端子214与晶体管阵列中的一个相应的晶体管电气相连。

每个致动结构200设有致动部分和光反射部分290，295，包括弹性元件235，一对导管226，带条纹280的第二薄膜电极245，薄膜电致偏移元件255，和第一薄膜电极265。薄膜电致偏移元件255由压电材料制成，例如锆钛酸铅(PZT)，或电致伸缩材料，例如含铅铌酸镁(PMN)，具有0.1-2μm厚度。第一薄膜电极265由导电和光反射材料制成，厚度为0.1-2μm，被设置在薄膜电致偏移元件255的顶端。第二薄膜电极245，由导电材料制成，厚度为0.1-2μm，在薄膜电致偏移元件255的底端形成。弹性元件235，由绝缘材料制成，厚度为0.1-2μm，被设置在第二薄膜电极245的下面。条纹280将第二薄膜电极245界定为两个部分，第二薄膜电极245的这两个部分，分别对应于每个致动结构200中的致动部分和光反射部分290，295。第二薄膜电极245的与致动结构200的致动部分290相应的部分，通过导管226和连接端子214，与晶体管电气相连，因此，它在每个致动结构200中起信号电极的作用。第一薄膜电极265在每个致动结构200中除了起偏移电极的作用以外，也作反射镜用。

在图3A至3F中，提供的是概略的横截面图，表示图2所示的M×N薄膜致动的反射镜301的阵列300的制造方法。

阵列300的制造过程从制备一个有源原模开始，包括带有M×N对连接端子214阵列，和M×N晶体管阵列(未增)，其中，每一对的连接端子214与晶体管阵列中的一个相应的晶体管电气相连。

接着的步骤，是在有源原模210的顶端形成薄膜牺牲层224，厚度为0.1-2μm，用金属例如铜(Cu)或镍(Ni)，磷-硅酸盐玻璃(PSG)或多硅制成。薄膜牺牲层的形成方法是：如果薄膜牺牲层224用金属制造，则使用溅射或汽化的方法，如果薄膜牺牲层224用PSG制造，则使用化学汽相淀积(CVD)的方法或自旋涂盖的方法，如果薄膜牺牲层224用多硅制造，则使用CVD的方法。

下一步，用光刻的方法在薄膜牺牲层224中形成M×N对空槽阵列(未示)。每一对空槽定位在连接端子214的顶部。

接着，在包含空槽薄膜牺牲层224的顶端，用汽化的方法或溅射的方法，使用绝缘材料例如氮化硅或碳化硅沉积弹性层230，厚度为0.1-2μm。

此后，在弹性层230中，以金属材料例如铝(A1)形成M×N对导管226阵列。每个导管220的形成方法是：首先用腐蚀的方法产生M×N对孔阵列(未示)，每个孔从弹性层230的顶端延伸到连接端子214的顶端；并以溅射的方法在其中充满金属，如图3A所示。

接着的步骤，是在包含导管226的弹性层230的顶端，用溅射或真空汽化的方法，以导电材料例如铂(Pt)或铂/钛(Pt/Ti)形成第二薄膜层240，厚认为0.1-2μm。

然后，用腐蚀的方法，在第二薄膜层240上产生许多平行的间隔相同的条纹280，如图3B所示，其中，条纹280使弹性层230露出，从而将第二薄膜层240界定为相应数目的物理上分离的区域。

下一步，用汽化的方法或溅射的方法，在第二薄膜层240的顶端，以压电材料例如锆钛酸铅(PZT)或电致伸缩材料例如含铅铌酸镁(PMN)，形成薄膜电致偏移层250，厚度为0.1-2μm。薄膜电致偏移层250然后被热处理，使其发生相变。

在接着的步骤中，用溅射或真空汽化的方法，在薄膜电致偏移层250的顶端，以导电和光反射材料例如铝(Al)或银(Ag)，形成第一薄膜260，厚度为0.1-2μm，如图3C所示。

在上述步骤之后，用光刻或激光修整的方法，摹制第一薄膜层260，薄膜电致偏移层250，第二薄膜240和弹性层230，直至薄膜牺牲层224露出，从而形成M×N受致动的反射镜结构311的阵列310，每个受致动的反射镜结构311具有第一薄膜电极265，薄膜电致偏移元件255，带有条纹280的第二薄膜电极245，和带有导管226的弹性元件235，如图3D所示。每个第二薄膜电极245，通过导管226和连接端子214与晶体管电气相连。

因为每个薄膜电致偏移元件255足够地薄，在用压电材料制成的情况下不需要对其极化，这是由于在薄膜致动的反射镜301工作期间，加到电偏移元件255上的电信号能使其极化。

后面跟着的步骤，是以薄膜保护层270完全覆盖每个受致动的反射镜结构311，如图3E所示。

然后，用腐蚀的方法去除薄膜牺牲层224。最后，去除薄膜保护层270，因此形成M×N薄膜致动的反射镜301的阵列300，如图3F所示。

在图4中，提供根据本发明的M×N薄膜致动的反射镜301阵列300的顶视图。

在M×N薄膜致动的反射镜301阵列300及其制造方法的发明中，由于条纹280将第二薄膜电极245界定为两个部分，这两个部分分别与每个致动结构200中的致动部分和光反射部分290，295相对应，在每个薄膜致动的反射镜301工作期间，变形仅仅在每个致动结构200中的致动部分290发生。每个致动结构200中光反射部分295因此保持平坦的原状，薄膜电致偏移元件255和弹性元件235之间的应力减小，从而使阵列300的总体光学效率增加。

本发明仅就确定的优选实施例作了说明，在不偏离本发明所宣布的下述权利要求的范围情况下，其他的变型和修改可得以实现。

Claims (15)

1、一种用于光学投影系统的M×N薄膜致动的反射镜阵列，其中，M和N是整数，阵列包括：

一个有源原模，这个原模包括一个带有M×N对连接端子的阵列和一个M×N晶体管阵列，其中，每一对的连接端子与晶体管阵列中的一个相应的晶体管电气相连；

一个M×N致动结构阵列，每个致动结构具有一个致动部分和一个光反射部分，并包括一个弹性元件，一对导管，一个被条纹界定为两个部分的第二薄膜电极，一个薄膜电致偏移元件，和一个第一薄膜电极，第一和第二薄膜电极分别被设置在薄膜电致偏移元件的顶端和底端，弹性元件被设置在第二薄膜电极的下面，其中，第二薄膜电极中的由条纹界定的两个部分，分别与每个激励结构的致动部分和光反射部分相对应，第二薄膜电极与每个致动结构中的致动部分相对应的部分，通过导管和连接端子，与晶体管电气相连，因而在每个致动结构中起信号电极的作用，而第一薄膜电极在每个致动结构中起反射镜和偏移电极的作用。

2、如权利要求1的方法，其中，薄膜电致偏移元件具有0.1-2μm的厚度。

3、权利要求1的方法，其中，第一薄膜电极具有0.1-2μm的厚度。

4、权利要求1的方法，其中，第二薄膜电极具有0.1-2μm的厚度。

5、权利要求1的方法，其中，弹性元件具有0.1-2μm的厚度。

6、一种制造用于光学投影系统的M×N薄膜致动的反射镜阵列的方法，这种方法包括下列步骤：制备一个有源原模，包括带有M×N对连接端子阵列的基体和M×N晶体管阵列，其中，每一对的连接端子，与晶体管阵列中的一个相应的晶体管电气相连；

在有源原模的顶端沉积一个薄膜牺牲层；

在薄膜牺牲层中产生M×N对空槽，每一对空槽定位于连接端子的顶端；

在包含空槽的薄膜牺牲层的顶端，用绝缘材料沉积一个弹性层；

在弹性层中形成M×N对导管，每一对导管从弹性层的顶端延伸到连接端子的顶端；

在包含导管的弹性层的顶端，用导电材料形成一个第二薄膜层；

在第二薄膜层上产生许多平行的间隔相同的条纹，在那里，条纹使弹性层露出，从而将第二薄膜层界定为相应数目的物理意义上分离的区域；

在第二薄膜层的顶端，相继地沉积一个薄膜电致偏移层和一个第一薄膜层，其中，第一薄膜层用导电和光反射材料制成；

摹制第一薄膜层，薄膜电致偏移层，第二薄膜层和弹性层，直至薄膜牺牲层露出，从而形成M×N受致动的反射镜结构阵列，每个受致动的反射镜结构包括第一薄膜电极，薄膜电致偏移元件，带有条纹的第二薄膜电极和带有导管的弹性元件；

形成一个薄膜保护层，完全覆盖每个受致动的反射镜结构；

去除薄膜牺牲层；

去除薄膜保护层，从而形成M×N薄膜致动的反射镜阵列。

7、权利要求6的方法，其中，薄膜牺牲层形成的方法是：如果薄膜牺牲层用金属制造，则使用溅射或汽化的方法，如果薄膜牺牲层用PSG即磷-硅酸盐玻璃制造，则使用化学汽相淀积的方法即CVD方法或自旋涂盖的方法，如果薄膜牺牲层用多硅制造，则使用CDV的方法。

8、权利要求6的方法，其中，弹性层用氮化硅或碳化硅制成。

9、权利要求6的方法，其中，使用汽化的方法或溅射的方法，形成弹性层。

10、权利要求6的方法，其中，第二薄膜层用铂(Pt)或铂/钛(Pt/Ti)制成。

11、权利要求6的方法，其中，使用溅射或真空汽化的方法，形成第二薄膜层。

12、权利要求6的方法，其中，薄膜电致偏移层用压电材料或电致伸缩材料制成。

13、权利要求6的方法，其中，使用汽化的方法或溅射的方法，形成薄膜电致偏移层。

14、权利要求6的方法，其中，第一薄膜膜用铝(Al)或银(Ag)制成。

15、权利要求6的方法，其中，使用溅射或真空汽化的方法，形成第一薄膜层。

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