CN1161462A - 带有温度补偿层的薄膜致动的反射镜阵列 - Google Patents

Abstract

一种在光学投影系统中使用的M×N个薄膜致动的反射镜阵列，该阵列包括：一个有源矩阵、M×N个支持件的一个阵列、M×N个致动机构的一个阵列，每一个致动机构被分成一个致动部分和一个反光部分，并包括第一薄膜电极、薄膜电致移位件、第二薄膜电极、弹性件、绝缘件、温度补偿件和一个导管。此外，还提出一种制造这种M×N个薄膜致动的反射镜的阵列的方法。

Description

带有温度补偿层的薄膜致动的反射镜阵列

本发明涉及光学投影系统，更具体地说，涉及用于该系统中的M×N个薄膜致动的反射镜的一个阵列及其制造方法。

在现有技术中能利用的各种视频显示系统中，光学投影系统已知能够提供大规模的高质量显示。在这种光学投影系统中，来自一盏灯的光线均匀地照射在诸如M×N个致动反射镜的一个阵列上，其中的各反射镜是连接在各致动器上的。这些致动器可由一种电致移位材料制成，诸如响应作用在其上的电场而变形的压电或电致伸缩的材料。

从各反射镜反射的光束入射在诸如一块遮光板的一个小孔中。通过在各致动器上作用一个电信号，便可改变各反射镜对入射光束的相对位置，从而导致从各反射镜反射的光束的光径的偏移。随着各反射光束的光径的变化，各反射镜反射的通过小孔的光量产生了变化，借此调节了光束的强度。将通过小孔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块投影屏幕上，便在其上面显示出一个图象。

图1A至1G中，示出了用于制造M×N个薄膜致动的反射镜101的一个阵列100的步骤，其中M与N为整数，这一方法公开在名为“薄膜致动的反射镜阵列”的未授权共同拥有的08/430,628号美国专利申请中。

制造阵列100的工艺从制备具有一个上表面并包括一块基板12、M×N个晶体管的一个阵列(未示出)及M×N个连接端14的一个阵列的有源矩阵10开始。

在随后的步骤中，当薄膜待除层24是由金属制成时用真空喷镀或蒸发法，当薄膜待除层24是由硅酸磷玻璃(PSG)制成时用化学汽相淀积(CVD)或旋涂法，而当薄膜待除层24是由多晶硅制成时则用CVD法，在有源矩阵10的上表面上形成一个薄膜待除层24。

此后，形成一个由该薄膜待除层24包围的包含M×N个支承件22的阵列的支承层20，其中该支承层20是用下述方法形成的：用光刻法在薄膜待除层24上形成M×N个空槽的一个阵列(未示出)，各该空槽位于连接端14周围，以及用真空喷镀或CVD法在位于连接端14周围的各空槽中构成支承件22，如图1A所示。支承件22是用绝缘材料制成的。

在下一步骤中，用Sol-Gel(溶胶-凝胶)、真空喷镀或CVD法在支承层20上方形成与支承件22的材料相同的绝缘材料制成的一个弹性层30。

随后，用下述方法在各支承件22中形成由金属制成的一个导管26：用蚀刻法首先制成M×N个孔的一个阵列(未示出)，各孔从弹性层30的顶面延伸到连接端14的顶面；然后在其中填充金属从而形成导管26，如图1B中所示。

在下一步骤中，用真空喷镀法在包含导管26的弹性层30顶部形成由导电材料制成的第二薄膜层40。第二薄膜层40通过形成在支承件22中的导管26电连接在晶体管上。

然后用真空喷镀法、CVD法或Sol-Gel法在第二薄膜层40的顶部形成由诸如钛酸铅锆(PZT)等压电材料制成的一个薄膜电致移位层50，如图1C中所示。

在下一步骤中，用光刻或激光修剪法将薄膜电致移位层50、第二薄膜层40及弹性层30制成M×N个薄膜电致移位件55的一个阵列、M×N个第二薄膜电极45的一个阵列及M×N个弹性件35的一个阵列的图案，直到支承层20被暴露出为止，如图1D中所示。各该第二薄膜电极45通过形成在各支承件22中的导管26电连接在晶体管上，并作为薄膜致动的反射镜101中的一个信号电极工作。

接着，在高温下，例如对于PZT为650摄氏度左右，热处理各薄膜电致移位件55以使其产生相变，而借此形成M×N个经过热处理的结构(未示出)的一个阵列。由于各经过热处理的薄膜电致移位件55是充分薄的，在它是用压电材料制成的情况中，没有必要推撑它：因为在薄膜致动的反射镜101的操作期间它能被所作用的电信号推撑。

上述步骤之后，用下述方法在M×N个经过热处理的结构的阵列中的薄膜电致移位件55的顶部构成由一种导电与反光的材料制成的M×N个第一薄膜电极65的一个阵列：首先用真空喷镀法形成完全覆盖包含暴露的支承层20在内的M×N个经过热处理的结构的阵列的顶部的、用导电与反光材料制成的一个层60，如图1E中所示；然后用蚀刻法有选择地去掉该层60，获得M×N个致动的反射镜结构111的一个阵列110，其中各该致动的反射镜结构111包含一个顶部表面及四个侧面，如图1F中所示。各第一薄膜电极65作为一块反射镜及薄膜致动的反射镜101中的一个普通的偏压电极工作。

在上一步骤后面，用一个薄膜保护层(未示出)完全覆盖各该致动的反射镜结构111中的顶部表面及四个侧面。

然后用湿浸蚀法去掉支承层20中的薄膜待除层24。最后去掉薄膜保护层，从而构成M×N个薄膜致动的反射镜101的阵列100，如图1G中所示。

上述M×N个薄膜致动的反射镜101的阵列100的一个主要缺陷在于：由于构成各薄膜致动的反射镜101的薄膜的热膨胀系数差异所导致的光效率的低下。例如，当阵列100的周围的温度变化时，构成薄膜致动的反射镜101的各薄膜层会膨胀或收缩不同的量，这一变形会影响到薄膜致动的反射镜101的结构整体性，导致不能对入射光进行有效的反射和调制，从而引起阵列100的光效率的降低。

因此，本发明的主要目的是提供能在光学投影系统中使用的、即使在剧烈的温度变化条件下也可以对入射光束进行正确地反射和调制的M×N个薄膜致动的反射镜的一个阵列。

本发明的再一个目的在于提出一种制造这种M×N个薄膜致动的反射镜阵列的方法。

按照本发明的一个方面，提供了一种用于光学投影系统中的M×N个薄膜致动的反射镜的阵列，其中M和N为整数，该阵列包括：一个有源矩阵，该有源矩阵包括一块带有M×N个连接端的一个阵列和M×N个晶体管的一个阵列的基板，其中，每一个连接端与晶体管阵列中的一个对应晶体管电连接；M×N个支持件的一个阵列；M×N个致动机构的一个阵列，每一个致动机构支持在一个支持件上构成悬臂结构并包括一个第一薄膜电极、一个薄膜电致移位件、一个第二薄膜电极、一个弹性件、一个绝缘件、一个温度补偿件和一个导管；第一、二薄膜电极分别设置在薄膜电致移位件的顶部和底部上；弹性件设置在第二薄膜电极的底部；温度补偿件位于弹性件的下部；每一个致动机构被分成一个致动部分和一个反光部，其中，致动部分包括作为反射镜并在各致动机构中作为偏压电极的第一薄膜电极的一个前部、薄膜电致移位件、作为信号电极通过导管电连接到连接端的第二薄膜电极、弹性件的前部和温度补偿件的一个部分；反光部分包括也作为反射镜的第一薄膜电极的剩余部分、弹性件的剩余部分和温度补偿件的剩余部分；每一个绝缘件通过在每一个致动机构的第一薄膜电极的前部和其剩余部分之间产生电绝缘，限定出致动部分和反光部。

根据本发明的另一个方面，提供了一种制造用于光学投影系统中的M×N个薄膜致动的反射镜的阵列的方法，其中M与N为整数，该方法包括下述步骤：提供一个有源矩阵，该有源矩阵包含一块具有M×N个连接端的一个阵列及M×N个晶体管的一个阵列的基板；在该有源矩阵的顶部淀积一个薄膜待除层；在薄膜待除层上形成M×N个空槽的一个阵列，各该空槽位于连接端的顶部周围；在各空槽中构成支持件；使一温度补偿层淀积在包括支持件的薄膜待除层的顶面上；除去在各支持件顶部的温度补偿层部分；在包含支持件的温度补偿层的顶部淀积一弹性层；在各支持件中构成一个导管，该导管从弹性层的顶部延伸到一个对应的连接端的顶部；在包含导管的弹性层的顶部淀积一个第二薄膜层和一个薄膜电致移位层；用下列方式分别将薄膜电致移位层和第二薄膜层制成M×N个薄膜电致移位件的一个阵列和M×N个第二薄膜电极的一个阵列的图案：各薄膜电致移位件和各第二薄膜电极分别从各相应的支持件上悬臂伸出，从而使第二薄膜电极电连接到导管并因此电连接到连接端上；各薄膜电致移位件和第二薄膜电极具有多个侧表面；在包括各薄膜电致移位件和第二薄膜电极的侧表面的薄膜电致移位件和弹性层的顶部淀积一层第一薄膜层；将形成在各第二薄膜电极和薄膜电致移位件的一个侧表面上的第一薄膜层部分去掉，籍此，使第一薄膜层被分隔开；在每一个第一薄膜层的去掉部分上形成一个绝缘件；分别将第一薄膜层、弹性层和温度补偿层制成M×N个第一薄膜电极的一个阵列、M×N个弹性件的一个阵列和M×N个温度补偿件的一个阵列的图案，籍此，使薄膜待除层暴露出来；其中各绝缘件将第一薄膜电极限定为一个前部和一个剩余部；以及将薄膜待除层去掉，籍此，M×N个薄膜致动反射镜的阵列得以形成。

从下面结合附图给出的对较佳实施例的描述中，本发明的上述及其它目的与特征将是显而易见的，附图中：

图1A至1G为展示以前公开的制造M×N个薄膜致动的反射镜的阵列的一种方法的示意性剖视图；

图2是根据本发明的M×N个薄膜致动的反射镜的一个阵列的示意性剖视图。

图3A至3G是用于制造图2所示的M×N个薄膜致动的反射镜的阵列的一种方法的示意性剖视图。

图2、图3A到图3G分别是根据本发明的用于光学投影系统的M×N个薄膜致动的反射镜301的一个阵列300的示意性剖视图，和根据本发明的制造该M×N个薄膜致动的反射镜300的阵列301的一种方法的示意性剖视图；其中M、N为整数。应该指出，出现在图2和3A至3G中的相同部件是用相同的参照标号表示的。

图2是根据本发明的M×N个薄膜致动的反射镜301的一个阵列300的示意性剖视图。阵列300包括一个有源矩阵210、M×N个支持件222的一个阵列和M×N个致动机构200的一个阵列。

有源矩阵210包括一块带有M×N个连接端214的一个阵列和M×N个晶体管的一个阵列(未示出)的基板212。每一个连接端214与一个晶体管阵列中的一个对应晶体管电连接。

每一个支持件222是用诸如氮化硅等绝缘材料制成的，并围绕连接端214的顶面形成。

每一个致动机构200支持在每一个支持件222上构成悬臂结构，并包括一个第一薄膜电极265、一个薄膜电致移位件255、一个第二薄膜电极245、一个弹性件235、一个绝缘件275、一个温度补偿件285和一个导管226。第一、二薄膜电极265、245分别设置在薄膜电致移位件255的顶部和底部上。弹性件235设置在第二薄膜电极的底部。温度补偿件285位于弹性件235的下部。

每一个致动机构200上设有一个致动部分290和一个反光部分295。每一个致动机构200中的致动部分290包括作为反射镜并在各致动机构200中作为偏压电极的第一薄膜电极265的一个前部、薄膜电致移位件255、作为信号电极通过导管226电连接到连接端214的第二薄膜电极245、弹性件235的前部和温度补偿件285的一个部分。在每一个致动机构200中的光反射部分295包括也作为反射镜的第一薄膜电极265的剩余部分、弹性件235的剩余部分和温度补偿件285的剩余部分。每一个绝缘件275通过在每一个致动机构200的第一薄膜电极265的前部和其剩余部分之间产生电绝缘，限定出致动部290和反光部295。

构成每一个温度补偿件285的材料的热膨胀系数与构成作为反射镜的第一薄膜电极265的材料的热膨胀系数几乎相同。这样，即使在剧烈的温度变化条件下，在各薄膜致动的反射镜301中的温度补偿件285也能保证各致动机构200的物理完整性。构成各温度补偿件285的材料可以与第二薄膜电极245的材料相同。

此外，由于各致动机构200分别被绝缘件275分成致动部分290和反光部分295，在薄膜致动的反射镜301的工作过程中，各致动机构200中的反光部295  台终被保持成平直的，因此提高了阵列300的光学效率。

应该理解地是，第二薄膜电极245也可由反光并导电材料构成，制造阵列300的方法仅需稍加修改就可适应这种变化。

图3A至3G为制造图2所示的M×N个薄膜致动的反射镜301的阵列300的一种方法的示意性剖视图。

制造阵列300的方法从制备一个包含带有M×N个连接端214的一个阵列及M×N个晶体管的一个阵列(来示出)的一个基板212的有源矩阵210开始，其中各该连接端214电连接在晶体管阵列中一个对应的晶体管上。

在下一步骤中，在该有源矩阵210的顶部构成厚度为0.1-2μm的由诸如金属铜(Cu)、镍(Ni)、硅酸磷玻璃(PSG)或多晶硅制成的一个薄膜待除层224。如果该薄膜待除层224是用金属制成的，则用真空喷镀或蒸发法形成该薄膜待除层224；如果该薄膜待除层224是用PSG制成的，则用化学汽相淀积(CVD)法或旋除法；而如果该薄膜待除层224是用多晶硅制成的，则用CVD法。

然后，用光刻法在薄膜待除层224上形成M×N个空槽的一个阵列(未示出)，各该空槽位于连接端214的顶部周围。

而后，用真空喷镀或CVD法在各空槽中构成支持件222。各支持件222是用绝缘材料诸如氮化硅材料制成的。

在随后的步骤中，利用真空喷镀或真空蒸发法使一温度补偿层280淀积在包括支持件222的薄膜待除层224的顶面上。构成该温度补偿层的材料，例如铝或金，具有与构成作为反射镜的第一薄膜电极265的材料相同或几乎相同的热膨胀系数，而且温度补偿层280的厚度与第一薄膜电极265的厚度相同。

然后，利用光刻法或激光修剪法，除去在各支持件222顶部的温度补偿层280部分，如图3A所示。

随后，用真空喷镀或蒸发法在包含支持件222的温度补偿层280的顶部淀积一层用与支持件222相同的材料制成的厚度为0.1-2μm的弹性层230。

此后，在各支持件222中构成一个用诸如金属铝(Al)制成的导管226。各该导管226是用下述方法构成的：首先用蚀刻法形成M×N个孔的一个阵列(未示出)，各孔从弹性层230的顶部延伸到一个对应的连接端214的顶部；以及用诸如喷射法等在其中填充金属，如图3B中所示。

在随后的步骤中，用真空喷镀或真空蒸发法在包含导管226的弹性层230的顶部形成厚度为0.1-2μm的用诸如铂(Pt)或铂/钛(Pt/Ti)等导电材料制成的一个第二薄膜层(未示出)。

接着，用蒸发法或真空喷镀法在第二薄膜层的顶部形成厚度为0.1-2μm的用诸如钛酸铅锆(PZT)等压电材料或诸如铌酸铅镁(PMN)等电致伸缩的材料制成的一个薄膜电致移位层(未示出)。然后热处理该薄膜电致移位层以使之产生相变。

然后，用下列方式通过光刻或激光修剪法分别将薄膜电致移位层和第二薄膜层制成M×N个薄膜电致移位件255的一个阵列和M×N个第二薄膜电极245的一个阵列的图案：薄膜电致移位件255和第二薄膜件245分别从各相应的支持件222上悬臂伸出，从而使第二薄膜电极245电连接到导管226并因此电连接到连接端214上。各薄膜电致移位件255和第二薄膜电极245具有多个侧表面。

由于各薄膜电致移位件255是充分薄的，当它是用压电材料制成的时，没有必要推撑它：因为在薄膜致动的反射镜301的操作期间，它能被所施加的电信号推撑。

在随后的步骤中，用真空蒸发法或真空喷镀法在包括各薄膜电致移位件255和第二薄膜电极245的侧表面的薄膜电致移位件255和弹性层230的顶部淀积一层厚度为0.1-2μm的用诸如金属铝(Al)或银(Ag)等导电并反光材料制成的第一薄膜层260，如图3D所示。

在下一步中，利用光刻法或激光修剪法将形成在薄膜电致移位件255和第二薄膜电极245的一个侧表面上的第一薄膜层260部分去掉，籍此，使第一薄膜层被分隔开。

然后，用蒸发法或真空喷镀法在第一薄膜层260的去掉部分上形成由绝缘材料制成的一个绝缘件275。构成绝缘件275的材料可以与构成支持件222和弹性层230的材料相同。

在上述步骤之后，利用光刻法或激光修剪法分别将第一薄膜层260、弹性层230和温度补偿层280制成M×N个第一薄膜电极265的一个阵列、M×N个弹性件235的一个阵列和M×N个温度补偿件285的一个阵列的图案，籍此，使薄膜待除层224暴露出来，如图3F所示。各绝缘件27 将第一薄膜电极265限定为前部和剩余部。

最后，利用蚀刻法将薄膜待除层224去掉，籍此，M×N个薄膜致动的反射镜301的阵列300得以形成，如图3G所示。

虽然上面已相对于一定的较佳实施例描述了本发明，但是，还可以作出其它修正与改变而不脱离下述权利要求书中所限定的本发明的范围。

Claims (13)

1、一种在光学投影系统中使用的M×N个薄膜致动的反射镜阵列，该阵列包括：

一个有源矩阵，该有源矩阵包括一块带有M×N个连接端的一个阵列和M×N个晶体管的一个阵列的基板，其中，每一个连接端与晶体管阵列中的一个对应晶体管电连接；

M×N个支持件的一个阵列；以及

M×N个致动机构的一个阵列，每一个致动机构支持在一个支持件上构成悬臂结构并包括一个第一薄膜电极、一个薄膜电致移位件、一个第二薄膜电极、一个弹性件、一个绝缘件、一个温度补偿件和一个导管；第一、二薄膜电极分别设置在薄膜电致移位件的顶部和底部上；弹性件设置在第二薄膜电极的底部；温度补偿件位于弹性件的下部；

每一个致动机构被分成一个致动部分和一个反光部，其中，致动部分包括作为反射镜并在各致动机构中作为偏压电极的第一薄膜电极的一个前部、薄膜电致移位件、作为信号电极通过导管电连接到连接端的第二薄膜电极、弹性件的前部和温度补偿件的一个部分；反光部分包括也作为反射镜的第一薄膜电极的剩余部分、弹性件的剩余部分和温度补偿件的剩余部分；每一个绝缘件通过在每一个致动机构的第一薄膜电极的前部和其剩余部分之间产生电绝缘，限定出致动部分和反光部。

2、根据权利要求1所述的阵列，其特征在于，第一薄膜电极由导电并反光的材料构成。

3、根据权利要求1所述的阵列，其特征在于，第二薄膜电极由导电材料构成。

4、根据权利要求1所述的阵列，其特征在于，构成各温度补偿件的材料的热膨胀系数与构成第一薄膜电极的材料的几乎相同。

5、根据权利要求1所述的阵列，其特征在于，构成各温度补偿件的材料与构成第一薄膜电极的材料相同。

6、根据权利要求1所述的阵列，其特征在于，构成各温度补偿件的材料的热膨胀系数与构成第二薄膜电极的材料的几乎相同。

7、根据权利要求1所述的阵列，其特征在于，构成各温度补偿件的材料与构成第二薄膜电极的材料相同。

8、根据权利要求1所述的阵列，其特征在于，第一薄膜电极与第二薄膜电极均由导电并反光的材料构成。

9、一种制造用于光学投影系统中的M×N个薄膜致动的反射镜的阵列的方法，其中M与N为整数，该方法包括下述步骤：

提供一个有源矩阵，包含一块具有M×N个连接端的一个阵列及M×N个晶体管的一个阵列的基板；

在该有源矩阵的顶部淀积一个薄膜待除层；

在薄膜待除层上形成M×N个空槽的一个阵列，各该空槽位于连接端的顶部周围；

在各空槽中构成支持件；

使一温度补偿层淀积在包括支持件的薄膜待除层的顶面上；

除去在各支持件顶部的温度补偿层部分；

在包含支持件的温度补偿层的顶部淀积一弹性层；

在各支持件中构成一个导管，该导管从弹性层的顶部延伸到一个对应的连接端的顶部；

在包含导管的弹性层的顶部淀积一个第二薄膜层和一个薄膜电致移位层；

用下列方式分别将薄膜电致移位层和第二薄膜层制成M×N个薄膜电致移位件的一个阵列和M×N个第二薄膜电极的一个阵列的图案：各薄膜电致移位件和各第二薄膜电极分别从各相应的支持件上悬臂伸出，从而使第二薄膜电极电连接到导管上并因此电连接到连接端上；各薄膜电致移位件和第二薄膜电极具有多个侧表面；

在包括各薄膜电致移位件和第二薄膜电极的侧表面的薄膜电致移位件和弹性层的顶部淀积一层第一薄膜层；

将形成在各第二薄膜电极和薄膜电致移位件的一个侧表面上的第一薄膜层部分去掉，籍此，使第一薄膜层被分隔开；

在第一薄膜层的去掉部分上形成一个绝缘件；分别将第一薄膜层、弹性层和温度补偿层制成M×N个第一薄膜电极的一个阵列、M×N个弹性件的一个阵列和M×N个温度补偿件的一个阵列的图案，籍此，使薄膜待除层暴露出来；其中各绝缘件将第一薄膜电极限定为一个前部和一个剩余部；以及

将薄膜待除层去掉，籍此，M×N个薄膜致动反射镜的阵列得以形成。

10、根据权利要求9所述的阵列，其特征在于，第一薄膜电极由导电并反光的材料构成。

11、根据权利要求9所述的阵列，其特征在于，第二薄膜电极由导电材料构成。

12、根据权利要求9所述的阵列，其特征在于，构成各温度补偿件的材料的热膨胀系数与构成第一薄膜电极的材料的热膨胀系数几乎相同。

13、根据权利要求9所述的阵列，其特征在于，构成各温度补偿件的材料与构成第一薄膜电极的材料相同。

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