CN1614458A - 衍射薄膜压电微镜及其制造方法 - Google Patents

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Abstract

公开了一种衍射微镜及其制造方法。更具体，本发明属于以压电工作方式工作的衍射薄膜压电微镜及其制造方法，以保证优良的位移、工作速度、可靠性、线性度及低压工作。该衍射薄膜压电微镜包括其上形成凹部以为其中心提供气隙的硅衬底，以及具有带状的压电镜面层，在其两端沿凹部的两端粘附到硅衬底，同时在其中心部分与凹部的底部隔开，以及包括当电压施加到压电材料层时在其中心部分可垂直移动且因此衍射入射光束的薄膜压电材料层。

Description

衍射薄膜压电微镜及其制造方法
技术领域
本发明一般涉及衍射微镜及其制造方法，更具体涉及以压电工作方式中工作的衍射薄膜压电微镜，以保证优良的位移量、工作速度、可靠性、线性度以及低压工作，以及衍射薄膜压电微镜的制造方法。
背景技术
通常，光信号处理技术的优点在于：与其中不能实时处理大量数据的常规数字信息处理技术不同，光信号处理技术以并行方式迅速地处理大量数据。已对使用空间光调制理论的二进制相位滤波器、光逻辑门、光放大器、图象处理技术、光学器件以及光调制器的设计和制造进行了研究。空间光调制器应用于光存储器、光显示器、打印机、光学互连以及全息图场，且已对采用它的显示器件进行了研究。
空间光调制器被如图1所示的反射可变形的光栅调制器10包含。在Bloom等人的美国专利号5,311,360中公开了该调制器10。调制器10包括多个反射可变形的带(ribbons)18，具有反射面部分的带18悬挂(suspended)在硅衬底16的上部上且以规则的间隔相互隔开。在硅衬底16上淀积绝缘层11。接着，淀积牺牲二氧化硅膜12和低应力氮化硅膜14。通过带18构图氮化膜14，以及部分二氧化硅膜12被刻蚀，由此通过氮化物框架20保持带18在氧化物隔片层12上。以便调制具有λo的单波长光，该调制器被如此设计：带18和氧化物隔片12的厚度每个是λ/4。
光栅振幅由每个带18的反射面22和衬底16的反射面之间的垂直距离(d)限制，通过在带18(带18的反射面22用作第一电极)和衬底16(在衬底16的下侧面上形成的导电层24用作第二电极)施加电压控制调制器10的光栅振幅。在无电压施加的光调制器的未变形态中，光栅振幅是λ/2，而从带反射的光束和衬底之间的总往返行程差是λo。因此，反射光的相位被增强。由此，在未变形态中，当调制器10反射入射光时它起平面镜的作用。在图2中，参考标记20表示未变形态中由调制器10反射的入射光。
当在带18和衬底16之间施加适当的电压时，静电力能使带18朝衬底16的表面向下移动。此时，光栅振幅变为λ/4。总往返行程差是波长的一半，且从变形带18反射的光和从衬底16反射的光受到破坏性干涉。调制器使用干涉衍射入射光26。在图3中，参考标记28和30表示变形态中分别以+/-衍射模式(D+1，D-1)衍射的光束。
已证明在带18底下形成空间应用的湿法过程中和在调制器10的工作过程中带18粘附到衬底16是光调制器10的公共问题。减小粘附的各种方法有：冷冻干燥、光刻胶-丙酮牺牲层的干法刻蚀、OTS单层处理、硬带的使用和/或通过缩短带获得的紧密氮化膜，使两个面对表面的一个或两个的表面粗糙或起皱的方法、在带的下部上形成相反围栏(rail)的方法，以及改变表面的化学性能的方法。在固态传感器和1994年6月苏格兰的Hilton Head Island held致动器车间中，报道了通过在桥的下部上形成相反围栏(rail)减小接触面积完成防粘附以及Sandeyas等人建议的“a process of finely treating the surface of a deformable gratinglight valve for high resolution display devices”和由Apte等人建议的“agrating light valve for high resolution display devices”中公开的采用粗糙的多晶硅层完成防粘附。
而且，Apte等人发现调制器10的机械工作具有带18的变形作为形成磁滞现象的电压函数的性能。磁滞现象理论上基于带18和衬底16之间的静电吸引力是形变的非线性函数的事实，而带18的硬度基本上是拉伸的弹性力的线性函数。图4图示了作为带18和衬底16之间的电压函数的光输出(间接地表明带18的形变)的曲线图，示出了感应的磁滞性能。由此，当带18变形到向下位置，以与衬底16接触时，它们被锁存且要求保持电压小于初始施加的电压。
Bloom等人的美国专利号5,311,360公开了调制器10不需要有源元件的有源矩阵设计的优点的锁存特点。此外，Bloom等人描述了在功率的有效利用是非常重要的情况下在小功率应用中该特点是重要的。但是，Bloom等人公开了在带18的下面添加小脊以减小接触面积，由此减少粘附问题。但是，由于调制器10的衬底用作光学表面，因此增加小脊到表面的工艺是复杂的，其中衬底16的发射元件必须是平滑的，以便具有高反射率且必须位于带18的平坦表面上。
一般的显示器件以2-D阵列的像素形成。由多个像素形成的间断图像通过用户的眼睛成一体，由此形成构成整体图像的总计像素图像。令人遗憾地，这种显示器件的价格是高昂的，因为像素被重叠，以形成完全阵列，以致每个像素的制造成本加倍。包括多个像素的显示器件由电视或计算机系统例示。它们的像素可以由LCD器件或CRT器件形成。
由此，存在能减小或除去反光元件和衬底之间的粘附而不没有为了减小粘附采用的复杂表面处理的衍射光栅光阀的需要。
以及，要求一种显示器件，该显示器件在设计系统的同时减少像素数目以降低制造成本而不减小图像质量。
为了满足上述要求，在Silicon Light Machines公司的名称为“method and device for modulating incident light beam to form 2-Dimage”的韩国专利申请号10-2000-7014798中提出了一种常规改进技术。
在“method and device for modulating the incident light beam to formthe 2-D image”中，衍射光栅光阀包括多个拉伸元件，每个元件具有反射面。拉伸元件布置在衬底的上侧上，以便它们相互平行，具有支撑端，且它们的反射面位于阵列中(GLV阵列)。根据显示元素拉伸元件形成组。该组交替地施加电压到衬底，导致元件变形。每个变形拉伸元件的几乎平坦的中心部分以预定距离与未变形元件的中心部分平行并隔开，预定距离设为未变形反射面和衬底之间的距离的1/3-1/4。因此，防止变形的拉伸元件与衬底表面接触。通过防止元件和衬底之间的接触，防止拉伸元件和衬底之间粘附。此外，每个变形拉伸元件和衬底之间预定距离被限制，以便防止引起拉伸元件变形的磁滞现象。
图5是根据常规改进技术在未变形态中GLV的拉伸元件100的侧剖视图。在图5中，拉伸元件100通过其端部悬挂在衬底(包括结构层)的表面上。在图5中，参考标记102表示气隙。
图6是包括六个拉伸元件100的GLV的一部分的平面图。拉伸元件100具有相同的宽度且相互平行布置。拉伸元件100彼此紧密的隔开，以便拉伸元件100可以独立于其他元件而变形。如图6所示的六个拉伸元件100优选形成单个显示元件200。因此，1920个拉伸元件的阵列形成在其中布置有320个显示器件的GLV阵列。
图7是具有未变形拉伸元件100的显示元件200的前视图。图7是沿着图5的线A-A′的示图；通过使拉伸元件100上偏压等于导电层106选择未变形态。由于拉伸元件100的反射面基本上是共面的，因此拉伸元件100上的入射光被反射。
图8是GLV的变形拉伸元件100的侧剖视图。图8示出了在其悬挂态中保持变形的拉伸元件100，以与其下相邻衬底的表面隔开。这与图1至3的常规调制器不同。防止拉伸元件100和衬底表面之间接触，由此避免常规调制器的缺点。但是，在变形态拉伸元件100易于下垂。该原因是拉伸元件100在垂直于其纵向的方向中朝衬底均匀地经受静电吸引力作用，而拉伸元件100的拉力沿拉伸元件100的长度作用。因此，拉伸元件的反射面是不平坦的而是曲线的。
但是，拉伸元件100(图8)的中心部分102几乎是平坦的，使仅通过拉伸元件100的中心部分102获得的衍射光的对比度合乎需要。基本上平坦的中心部分102具有浅孔110之间的1/3距离。因此，当浅孔110之间的距离是75μm，几乎平坦的中心部分102约为25μm长。
图9是显示元件200的前视图，其中交替地布置变形拉伸元件100。图9是沿图8的线B-B′的箭头方向的示图。通过施加偏压未除去的拉伸带100保持在希望的位置。通过穿过导电层106交替施加工作电压到拉伸元件100实现移动拉伸带100的变形。垂直距离(d1)几乎恒定于几乎平坦中心部分102(图8)，由此限制GLV的光栅振幅。通过调整工作的拉伸元件100上的工作电压可以控制光栅振幅(d1)。这导致GLV以最佳对比度精确调谐。
至于具有单波长(λ1)的衍射入射光，优选GLV具有入射光的1/4(λ/4)波长的光栅宽度(d1)，以保证显示器件图像中的最大对比度。但是，光栅宽度(d1)仅要求往返行程距离与半波长(d1)和波长(λ1)(即，d1＝λ1/4，3λ1/4，5λ1/4，...，Nλ1/2+λ1/4)的总数的总和相同。
参考图9，每个拉伸元件100的下侧面向上与衬底间隔d2的距离。由此，在GLV的工作过程中，拉伸元件100不与衬底接触。这导致避免在常规调制器中发生的发射带和衬底之间粘附问题。
参考图4所示的磁滞曲线，由于拉伸元件100移动元件和衬底之间的1/3-1/4距离，以衍射入射光，因此防止了磁滞现象。
但是，由Silicon Light Machines公司制造且采用静电法来控制微镜位置的光调制器是不利的，其中工作电压较高(通常30V左右)，以及施加的电压和位移之间的相关性是非线性的，因此在控制光的过程中可靠性差。
发明内容
因此，本发明着眼于现有技术中发生的上述缺点，且本发明的目的是提供一种通过压电工作方法工作的衍射薄膜压电微镜，与通过静电工作方法工作的常规反光衍射光调制器不同，以保证优良的位移、工作速度、可靠性、线性度和低电压工作，以及提供衍射薄膜压电微镜的制造方法。
本发明的另一目的是提供一种通过薄膜压电工作方法工作以使硅晶片上的各种结构设计成为可能的衍射薄膜压电微镜及其制造方法。
可以通过提供一种衍射薄膜压电微镜完成上述目的，该衍射薄膜压电微镜包括其上形成凹部以为其中心提供气隙的衬底；以及具有带状的压电镜面层，该压电镜面层在其两端沿凹部的两端粘附到衬底而在其中心部分与凹部的底部隔开，以及该衍射薄膜压电微镜包括当电压施加到压电材料层时在其中心部分可垂直移动且因此衍射入射光束的薄膜压电材料层。
此外，本发明提供一种衍射薄膜压电微镜，包括其上形成凹部以为其中心提供气隙的衬底；具有带状的下支撑体，该下支撑体在其两端沿凹部的两端粘附到衬底的上侧，同时在其中心部分与凹部的底部隔开，该中心部分可垂直移动；以及具有带状的压电镜面层，该压电镜面层层叠在下支撑体上，而在其两端与衬底凹部的底部隔开，以及包括当电压施加到薄膜压电材料层的两侧时在其中心部分可垂直移动的薄膜压电材料层，且因此衍射入射光束。
而且，本发明提供一种衍射薄膜压电微镜，包括其上形成凹部以为其中心提供气隙的衬底；具有带状的下支撑体，该下支撑体在其两端沿凹部的两端粘附到衬底的上侧，而在其中心部分与凹部的底部隔开；第一压电层，该第一压电层在其端部设置在下支撑体的端部上以及在其另一端设置在朝下支撑体端部的方向远离下支撑体中心预定距离的位置处，以及包括第一薄膜压电材料层，以收缩和膨胀，以便当电压施加到第一薄膜压电材料层时提供第一垂直致动力；第二压电层，该第二压电层在其端部设置在下支撑体的另一端部上以及在其另一端设置在朝下支撑体端部的方向远离下支撑体中心预定距离的位置处，以及包括第二薄膜压电材料层，以收缩和膨胀，以便当电压施加到第二薄膜压电材料层时提供第二垂直致动力；以及位于下支撑体中心以衍射入射光束的微镜层。
同样，本发明提供一种衍射薄膜压电微镜，包括在其表面上形成的绝缘层的衬底；下支撑体，该下支撑体具有带状且在其两端粘附到衬底，而在其中心部分从衬底拱起预定距离，中心部分可垂直移动；以及压电镜面层，该压电镜面层层叠在下支撑体上，而在其中心部分与衬底隔开，且包括薄膜压电材料层，以收缩和膨胀，以便当电压施加到压电材料层的两端时在其中心部分垂直移动，并衍射入射光束。
而且，本发明提供一种衍射薄膜压电微镜，包括在其表面上形成的绝缘层的衬底；下支撑体，该下支撑体具有带状且在其两端粘附到衬底两端的上侧边上，而在其中心部分从衬底拱起预定距离，中心部分可垂直移动；以及第一压电层，该第一压电层在其端部设置在下支撑体的端部上以及在其另一端设置在朝下支撑体端部的方向远离下支撑体中心预定距离的位置处，以及包括薄膜压电材料层，以收缩和膨胀，以便当电压施加到薄膜压电材料层时垂直移动；第二压电层，该第二压电层在其端部设置在下支撑体的另一端部上以及在其另一端设置在朝下支撑体端部的方向远离下支撑体中心预定距离的位置处，且收缩和膨胀，以便当电压施加到其上时垂直移动；以及微镜层，该微镜层位于下支撑体的中心，以衍射入射光束。
而且，本发明提供一种制造衍射薄膜压电微镜的方法，在硅晶片上形成掩模层并构图掩模层以形成凹部的第一步骤；形成牺牲层以便填充第一步骤中形成的凹部的第二步骤；在其中填充了凹部的硅晶片上形成压电镜面层的第三步骤；刻蚀第三步骤中形成的压电镜面层以形成多个带，并除去牺牲层以形成衍射薄膜压电微镜的第四步骤。
而且，本发明提供一种制造衍射薄膜压电微镜的方法，在硅晶片上形成掩模层并构图掩模层以形成凹部的第一步骤；形成牺牲层以便填充第一步骤中形成的凹部的第二步骤；在其中填充了凹部的硅衬底上形成下支撑体的第三步骤；以除其端部的凹部和在其另一端向外远离凹部的中心预定距离的位置处之外在衬底的剩余部分上设置每个压电镜面层的方式在第三步骤中形成的下支撑体上形成一对压电镜面层，以及压电镜面层彼此相对的第四步骤；在下支撑体的中心部分形成微镜层的第五步骤；以及刻蚀一对压电镜面层和下支撑体以形成多个带并除去牺牲层以形成衍射薄膜压电微镜的第六步骤。
而且，本发明提供一种制造衍射薄膜压电微镜的方法，在硅衬底上层叠牺牲层，形成掩模层并刻蚀所得的衬底以形成拱起部分的第一步骤；在其上在第一步骤中形成了拱起部分的硅衬底上层叠下支撑体的第二步骤；在第二步骤中形成的下支撑体上形成压电镜面层的第三步骤；以及刻蚀第三步骤中形成的压电镜面层以形成多个带，并除去牺牲层以形成衍射薄膜压电微镜的第四步骤。
而且，本发明提供一种制造衍射薄膜压电微镜的方法，包括在硅衬底上层叠牺牲层、形成掩模层以及刻蚀所得的衬底以形成拱起部分的第一步骤；在其上在第一步骤中形成了拱起部分的硅衬底上层叠下支撑体的第二步骤；以除其端部处的拱起部分拱起部分和在其另一端向外远离拱起部分预定距离的拱起部分位置处之外在衬底的剩余部分上设置每个压电镜面层的方式，在第二步骤中形成的下支撑体上形成一对压电镜面层，以及压电镜面层彼此相对拱起部分第四步骤；在下支撑体的中心部分上形成微镜层的第四步骤；以及刻蚀一对压电镜面层和下支撑体以形成多个带并除去牺牲层以形成衍射薄膜压电微镜的第五步骤。
附图说明
从下面结合附图的详细说明将更清楚地理解本发明的上述及其他目的、特点及其他优点，其中：
图1图示了根据常规技术采用静电法的光栅调制器；
图2图示了在未变形态中根据常规技术由采用静电法的光栅调制器反射的入射光；
图3图示了根据常规技术由于静电力由变形态中的光栅调制器衍射的入射光；
图4图示了根据常规技术采用静电法的光栅调制器的磁滞曲线；
图5是根据常规改进技术采用静电法的柱型衍射光栅光阀的侧剖视图；
图6是根据常规改进技术包括对应于单个显示元件的六个拉伸元件的部分光栅光阀(GLV)的平面图；
图7是根据常规改进技术包括六个拉伸元件的GLV的显示元件的前剖视图，在未变形状态中反射入射光；
图8是根据常规改进技术由静电力变形的GLV的拉伸元件的侧剖视图；
图9是包括六个交替地布置的拉伸元件的GLV显示元件的前剖视图，根据常规改进技术由静电力引起变形态中衍射入射光；
图10a至10j图示了根据本发明的实施例具有凹部的衍射薄膜压电微镜的制造；
图11a至11c图示了其中压电材料未变形的、具有凹部的各种衍射薄膜压电微镜；
图12a至12c图示了其中压电材料未变形的、具有凹部的各种衍射薄膜压电微镜；
图13a至13b图示了其中交替地布置具有凹部且尺寸相同或不同的衍射薄膜压电微镜的显示元件的工作，以及图13c图示了其中以规则的间隔布置具有凹部的衍射薄膜压电微镜的显示元件的工作；
图14a至14h图示了根据本发明的另一实施例具有拱起部分的薄膜压电光调制器的制造；
图15a至15c图示了具有拱起部分的各种衍射薄膜压电微镜，其中压电材料未变形；
图16a至16c图示了具有拱起部分的各种衍射薄膜压电微镜，其中压电材料未变形；以及
图17a至17b图示了其中交替地布置具有拱起部分和相同宽度或不同宽度的衍射薄膜压电微镜的显示元件的工作，以及图17c图示了其中以规则的间隔布置具有拱起部分的衍射薄膜压电微镜的显示元件的工作。
具体实施方式
下面，将参考图10a至10j详细描述根据本发明按优选实施例。
图10a至10j图示了根据本发明的实施例具有凹部的衍射薄膜压电微镜的制造。
参考图10a，通过热氧化工艺在硅晶片1001上形成0.1-1.0μm厚度的掩模层1002，然后进行用于硅刻蚀的构图。
参考图10b，使用能刻蚀硅的溶液如TMAH或KOH以预定厚度刻蚀硅，然后除去掩模层1002。关于这一点，可以进行干法刻蚀和湿法刻蚀。
参考图10c，根据热氧化工艺在刻蚀的硅上形成绝缘和刻蚀防止层1003。也就是，在硅晶片的表面上形成绝缘和刻蚀防止层1003，如SiO2。
参考图10d，根据低压化学气相淀积(LPCVD)或等离子体化学气相淀积(PECVD)工艺在硅晶片1001的刻蚀部分上淀积多晶硅(Poly-Si)或无定形硅，以形成用于气隙的牺牲层1004，以及所得的硅晶片被抛光以平整其表面。在这方面，在使用绝缘体上的硅(SOI)的情况下，可以省略多晶硅的淀积和抛光。
接着，根据LPCVD或PECVD工艺，淀积0.1-5.0μm的优选厚度的氮化硅如Si3N4，根据热氧化或PECVD工艺淀积0.1-5μm厚度的SiO2，但是根据需要这些过程可以被省略。
参考图10e，在硅晶片1001上淀积用于支撑压电材料的下支撑体1005。构成下支撑体1005的材料可以由Si氧化物(例如，SiO2等)、Si氮化物(例如，Si3N4等)、陶瓷衬底(硅，ZrO2，Al2O3等)以及Si碳化物例示。必要时可以省略下支撑体1005。
参考图10f，在下支撑体1005上形成下电极1006，其中用于下电极1006的材料例子包括Pt、Ta/Pt、Ni、Au、Al、RuO2等。在此情况下，使用溅射或蒸发工艺淀积0.01-3μm厚的材料。
参考图10g，根据湿法工艺(丝网印刷，溶胶-凝胶涂敷等)或干法工艺(溅射、蒸发、汽相淀积等)在下电极1006上形成0.01-20.0μm厚度的压电材料1007。纵向型和横向型压电材料都可以用作压电材料1007。压电材料的例子可以包括PzT、PNN-PT、ZnO等，以及压电电解材料包含选自由Pb、Zr、Zn或钛构成组的至少一种。
参考图10h，在压电材料1007上形成上电极1008，其中上电极的材料可以由Pt、Ta/Pt、Ni、Au、Al和RuO2例示。在此情况下，使用溅射或蒸发工艺形成0.01-3μm厚度的上电极。
参考图10i，微镜1009粘附到上电极1008，其中微镜的材料例子包括反光材料如Ti、Cr、Cu、Ni、Al、Au、Ag、Pt以及Au/Cr。
此时，上电极1008可以用作微镜或可以在上电极1008上淀积分开的微镜。
参考图10j，在使用掩模层如光刻胶构图这种衍射薄膜压电微镜阵列的母体之后，刻蚀微镜1009、上电极1008、压电材料1007、下电极1006以及下支撑体1005，以形成衍射薄膜压电微镜阵列。接着，使用XeF2气体刻蚀牺牲层1004。
至此，已描述了在由衍射薄膜压电微镜阵列形成衍射薄膜压电微镜阵列之后除去牺牲层1004，但是可以在牺牲层1004被除去之后形成微镜阵列。
换句话说，在其上未形成下支撑体1005的衍射薄膜压电微镜阵列的部分母体中形成孔，以及使用XeF2气体刻蚀牺牲层1004。接着，使用掩模层如光刻胶构图衍射薄膜压电微镜阵列的母体，以及刻蚀微镜1009、上电极1008、压电材料1007、下电极1006和下支撑体1005以形成微镜阵列。
图11a至11c图示了具有凹部的各种衍射薄膜压电微镜，其中压电材料未变形。
图11a图示了用气隙替换硅晶片的牺牲层，且因此压电材料与衬底表面部分地隔开并由其端部支撑。此外，下电极1006a、压电材料层1007a、上电极1008a和微镜1009a设置在下支撑体1005a上。
图11b图示了用气隙替换硅晶片的牺牲层，且因此压电材料与衬底表面部分地隔开并由其端部支撑。在这方面，微镜1009b设置在下支撑体1005b的中心部分上。而且，下电极1006b、压电材料层1007b和上电极1008b设置在下支撑体1005b上。为了制造这种衍射薄膜压电微镜，在形成上电极1008b之后，刻蚀下电极1006b的中心部分、压电材料层1007b和上电极1008b，然后在中心部分上形成微镜1009b。
图11c图示了用气隙替换硅晶片的牺牲层，且因此压电材料与衬底表面部分地隔开并由其端部支撑。在这方面，下电极1006c、压电材料层1007c、上电极1008c以及微镜1009c设置在下支撑体1005c的中心部分上。
图12a至12c图示了具有凹部的各种衍射薄膜压电微镜，其中压电材料未变形。
图12a示出了当电压施加到压电材料1007a的上部和下部时，通过压电材料的收缩和膨胀力下支撑体1005a、下电极1006a、压电材料层1007a、上电极1008a和微镜1009a向下翘曲。此时，在水平方向作用于压电材料1007a的收缩力使得压电材料1007a在水平方向收缩。但是，由于压电材料1007a的下侧坚固地粘附到下支撑体1005a，因此收缩力使得压电材料1007a向下翘曲。
图12b示出了当电压施加到在下支撑体1005b两端上设置的压电材料层1007b的上侧和下侧时，在水平方向产生收缩力。此时，在水平方向作用于压电材料1007b的收缩力使得压电材料1007b在水平方向收缩。但是，由于压电材料1007b的下侧坚固地粘附到下支撑体1005b，收缩力使得压电材料1007b将向上的翘曲。结果，在下支撑体1005b的中心上设置的下支撑体1005b和微镜1009b向上翘曲。
图12c示出了当电压施加到在下支撑体1005c的中心上设置的压电材料1007c的上侧和下侧时，下电极1006c，压电材料层1007c，上电极1008c和微镜1009c向上翘曲。
图13a图示了显示元件的工作，其中布置具有凹部且尺寸相同的衍射薄膜压电微镜。通过施加电压衍射薄膜压电微镜垂直地移动。
图13b图示了显示元件的工作，其中交替地布置具有凹部且尺寸不同的衍射薄膜压电微镜。通过施加电压衍射薄膜压电微镜垂直地移动。
图13c图示了显示元件的工作，其中布置具有凹部且尺寸相同或不同的衍射薄膜压电微镜。此时，微镜形成在绝缘层的整个上侧上以衍射入射光。
图14a至14h图示了根据本发明的另一实施例具有拱起部分的薄膜压电光调制器的制造。
参考图14a，根据热氧化工艺在硅晶片上形成绝缘和刻蚀防止层2002。也就是说，在硅晶片的表面上形成由SiO2制成绝缘和刻蚀防止层2002。此外，根据LPCVD或PECVD工艺，在硅晶片2001的绝缘和刻蚀防止层2002上淀积多晶硅(Poly-Si)或无定形硅以形成气隙，以及所得的硅晶片被抛光以平整其表面，形成牺牲层2003。
接着，通过热氧化工艺在牺牲层2003上形成0.1-3.0μm厚度的掩模层2004，然后进行用于硅刻蚀的构图。
参考图14b，使用能刻蚀硅的溶液如TMAH或KOH以预定的厚度刻蚀硅，然后除去掩模层2004。
接下来，在根据LPCVD或PECVD工艺，淀积0.1-5.0μm的优选厚度的氮化硅如Si3N4，根据热氧化或PECVD工艺淀积0.1-3μm厚度的SiO2，但是根据需要这些过程可以被省略。
接着，参考图14c，在绝缘和刻蚀防止层2002以及牺牲层2003上淀积用于支撑压电材料的下支撑体2005。在此情况下，构成下支撑体2005的材料可以由硅氧化物(例如SiO2等)、Si氮化物(例如Si3N4等)、陶瓷衬底(例如，硅、ZrO2、Al2O3等)以及Si碳化物例示。必要时可以省略下支撑体2005。
参考图14d，在下支撑体2005上形成下电极2006，其中用于下电极2006的材料例子可以包括Pt、Ta/Pt、Ni、Au、Al、RuO2等，以及使用溅射或蒸发工艺淀积0.01-3μm厚度的材料。
参考图14e，根据湿法工艺(丝网印刷，溶胶-凝胶涂敷等)或干法工艺(溅射、蒸发、汽相淀积等)在下电极2006上形成0.01-20.0μm厚度的压电材料2007。可以使用纵向型和横向型压电材料作为压电材料2007。压电材料的例子可以包括PzT、PMN-PT、PLZT、AIN、ZnO等，以及压电电解材料包含选自由Pb、Zr、Zn或钛构成组的至少一种。
参考图14f，在压电材料2007上形成上电极2008，其中上电极材料可以由Pt、Ta、Ta/Pt、Ni、Au、Al、Ti/Pt、IrO2和RuO2例示，以及使用溅射或蒸发工艺形成0.01-3μm厚度的上电极。
参考图14g，微镜2009粘附到上电极2008。微镜材料的例子包括反光材料，如Ti、Cr、Cu、Ni、Al、Au、Ag、Pt、和Au/Cr。
此时，上电极2008可以用作微镜或可以在上电极2008上淀积隔开的微镜。
参考图14h，在使用掩模层如光刻胶构图这种衍射薄膜压电微镜阵列的母体之后，刻蚀微镜2009、上电极2008、压电材料2007、下电极1006和下支撑体2005，以形成衍射薄膜压电微镜阵列。接着，使用XeF2气体刻蚀牺牲层2003。
至此，已描述了在由衍射薄膜压电微镜阵列形成衍射薄膜压电微镜阵列之后除去牺牲层2003，但是可以在除去牺牲层2003之后形成微镜阵列。
换句话说，在其中未形成下支撑体2005的衍射薄膜压电微镜阵列的部分母体中形成孔，以及使用XeF2气体刻蚀牺牲层2003。使用掩模层如光刻胶构图衍射薄膜压电微镜阵列的母体，以及刻蚀微镜2009、上电极2008、压电材料2007、下电极2006和下支撑体2005，以形成微镜阵列。
图15a至15c图示了具有拱起部分的各种衍射薄膜压电微镜，其中压电材料未变形。
图15a图示了用气隙替换硅晶片的牺牲层，且因此压电材料与衬底表面部分地隔开并由其端部支撑。此外，下电极2006a、压电材料层2007a、上电极2008a和微镜2009a设置在下支撑体2005a上。图15a不同于图11a，其中部分压电材料向上拱起并与绝缘和刻蚀防止层隔开。
图15b图示了用气隙替换硅晶片的牺牲层，且因此压电材料与衬底表面部分地隔开并由其端部支撑。在这方面，微镜2009b设置在下支撑体2005b的中心部分上。而且，下电极2006b、压电材料层2007b和上电极2008b设置在下支撑体2005b的两端上。为了制造这种衍射薄膜压电微镜，在形成上电极2008b之后，刻蚀下电极2006b的中心部分、压电材料层2007b和上电极2008b然后在中心部分上形成微镜2009b。图15b不同于图11b，其中部分压电材料向上拱起并与绝缘和刻蚀防止层隔开。
图15c图示了用气隙替换硅晶片的牺牲层，且因此压电材料与衬底表面部分地隔开并由其端部支撑。在这方面，下电极2006c、压电材料层2007c、上电极2008c以及微镜2009c设置在下支撑体2005c的中心部分上。图15c不同于图11b，其中部分压电材料向上拱起并与绝缘和刻蚀防止层隔开。
图16a至16c图示了具有拱起部分的各种衍射薄膜压电微镜，其中压电材料未变形。
图16a示出了当电压施加到压电材料2007a的上侧和下侧时，通过压电材料的收缩和膨胀力下支撑体2005a、下电极2006a、压电材料层2007a、上电极2008a和微镜2009a向下翘曲。此时，在水平方向作用于压电材料2007a的收缩力努力使压电材料2007a在水平方向收缩。但是，由于压电材料2007a的下侧坚固地粘附到下支撑体2005a，因此收缩力使得压电材料2007a向下翘曲。
图16b示出了当电压施加到设置在下支撑体2005b两端上的压电材料层2007b的上侧和下侧时，在水平方向产生收缩力。此时，在水平方向作用于压电材料2007b的收缩力使得压电材料2007b在水平方向收缩。但是，由于压电材料2007b的下侧坚固地粘附到下支撑体2005b，因此收缩力能够使压电材料2007b向上的翘曲。结果，在下支撑体2005b的中心上设置的下支撑体2005b和微镜2009b向上翘曲。
图16c示出了当电压施加到在下支撑体2005c的中心上设置的压电材料2007c的上侧和下侧时，下电极2006c，压电材料层2007c，上电极2008c和微镜2009c向上翘曲。
图17a图示了显示元件的工作，其中布置具有拱起部分且宽度相同的衍射薄膜压电微镜。通过施加电压衍射薄膜压电微镜垂直地移动。
图17b图示了显示元件的工作，其中交替地布置具有拱起部分且宽度不同的衍射薄膜压电微镜。通过施加电压衍射薄膜压电微镜垂直地移动。
图17c图示了显示元件的工作，其中以规则的间隔布置具有拱起部分的衍射薄膜压电微镜。微镜形成在绝缘层的整个上侧上，以衍射入射光。
其间，本发明的说明书仅描述了由单个层构成的压电材料层，但是压电材料层可以包括多个层，以便实现低压工作。此时，下和上电极由多个层构成。
换句话说，可以以此方式构成：向上连续地层叠第一下电极、第一压电材料层、第一上电极、第二下电极、第二压电材料层、第二上电极、第三下电极...。
如上所述，压电传感器的使用电压和位移之间的相关性成线性，而在根据常规技术的静电法的情况下相关性是非线性的。与静电法相比，
本发明优点在于：可以在相对低的电压下获得希望的位移和获得高工作速度。
本发明的另一个优点是由于可以可靠地控制带的位移，因此与静电法不同可以实现灰度控制。
而且，在本发明中，在制造压电微镜阵列的过程中，可以设计各种长度和宽度的带，因此容易调谐光效率，以便满足相关应用的要求。
在说明性方式中描述了根据本发明的衍射薄膜压电微镜及其制造方法，且应当理解使用的专业词汇定为描述的性质而不是限制的性质。根据上述教导本发明的许多改进和改变都是可能的。因此，应当理解在附加的权利要求的范围内，本发明可以实践而不是具体地描述。

Claims (24)

1、一种衍射薄膜压电微镜，包括：
其上形成凹部以为其中心提供气隙的衬底；以及
具有带状的压电镜面层，该压电镜面层在其两端沿凹部的两端粘附到衬底的上侧，而在其中心部分与凹部的底部隔开，以及该压电镜面层包括薄膜压电材料层，当电压施加到薄膜压电材料层的两侧时薄膜压电材料层在其中心部分可垂直移动，且因此衍射入射光束。
2、根据权利要求1所述的衍射薄膜压电微镜，其中压电镜面层包括：
下电极层，该下电极层具有带状且在其两端沿凹部的两端设置在衬底上而在其中心部分与衬底的底部隔开，以提供压电电压；
压电材料层，该压电材料层层叠在下电极层上并收缩和膨胀，以便当电压施加到其两侧时产生垂直致动力；以及
上电极和镜面层，该上电极和镜面层层叠在压电材料层上，以提供压电电压到压电材料层并衍射入射光束。
3、根据权利要求1所述的衍射薄膜压电微镜，还包括下支撑体，该下支撑体具有带状且在其两端沿凹部的两端粘附到衬底的上侧，而在其中心部分与凹部的底部隔开，中心部分可垂直移动，以及压电镜面层层叠在下支撑体的上侧上。
4、根据权利要求1所述的衍射薄膜压电微镜，其中压电镜面层包括：
第一电极层，该第一电极层具有带状且在其两端沿凹部的两端设置在衬底上，而在其中心部分与衬底的底部隔开，以提供压电电压；
多个压电材料层，该多个压电材料层以多层层叠在第一电极层上，其中当电压施加到材料层时，电压施加的层收缩和膨胀，以便产生垂直致动力；
多个第二电极层，该多个第二电极层层叠在压电材料层之间，以提供压电电压到压电材料层；以及
电极和镜面层，该电极和镜面层层叠在压电材料层的最上层上，以提供压电电压到压电材料层并衍射入射光束。
5、一种衍射薄膜压电微镜，包括：
其上形成凹部以为其中心提供气隙的衬底；
具有带状的下支撑体，该下支撑体在其两端沿凹部的两端粘附到衬底的上侧，而在其中心部分与凹部的底部隔开，该中心部分可垂直移动的；以及
具有带状的压电镜面层，该压电镜面层层叠在下支撑体上，而在其两端与衬底凹部的底部隔开，以及包括薄膜压电材料层，当电压施加到薄膜压电材料层的两侧时薄膜压电材料层可垂直移动，且因此衍射入射光束。
6、根据权利要求5所述的衍射薄膜压电微镜，其中压电镜面层包括：
下电极层，该下电极层层叠在下支撑体上，同时在其两端与衬底的凹部底部隔开，以提供压电电压；
压电材料层，该压电材料层层叠在在下电极层上且收缩和膨胀，以便当电压施加到其两侧时产生垂直致动力；以及
上电极和镜面层，该上电极和镜面层层叠在压电材料层上，以提供压电电压到压电材料层并衍射入射光束。
7、根据权利要求5所述的衍射薄膜压电微镜，其中压电镜面层包括：
第一电极层，该第一电极层层叠在第一支撑体上，同时在其两端与衬底的凹部底部隔开，以提供压电电压；
多个压电材料层，该多个压电材料层以多层层叠在第一电极层上，其中当电压施加到材料层时，电压施加的层收缩和膨胀，以便产生垂直致动力；
多个第二电极层，第二电极层层叠在压电材料层之间，以提供压电电压到压电材料层；以及
电极和镜面层，层叠在多个压电材料层的最上层上，以提供压电电压到压电材料层并衍射入射光束。
8、一种衍射薄膜压电微镜，包括：
其上形成凹部以为其中心提供气隙的衬底；
具有带状的下支撑体，该下支撑体在其两端沿凹部的两端粘附到衬底的上侧，而在其中心部分与凹部的底部隔开；
第一压电层，该第一压电层在其端部设置在下支撑体的端部上以及在其另一端设置在朝向下支撑体端部的方向上远离下支撑体中心预定距离的位置处，以及包括第一薄膜压电材料层，以收缩和膨胀，以便当电压施加到第一薄膜压电材料层时提供第一垂直致动力；
第二压电层，该第二压电层在其端部设置在下支撑体的另一端部上以及在其另一端设置在朝向下支撑体另一端部的方向上远离下支撑体中心预定距离的位置处，以及包括第二薄膜压电材料层，以收缩和膨胀，以便当电压施加到第二薄膜压电材料层时提供第二垂直致动力；以及
位于下支撑体中心以衍射入射光束的微镜层。
9、根据权利要求8所述的衍射薄膜压电微镜，其中第一压电层包括：
第一下电极层，该第一下电极层具有带状在其端部设置在下支撑体的端部上以及在其另一端设置在朝向下支撑体端部的方向上远离下支撑体中心预定距离的位置处，以提供第一压电电压；
层叠在第一下电极层上的第一压电材料层，在其端部设置在下支撑体的端部上以及在其另一端设置在朝向下支撑体端部的方向上远离下支撑体中心预定距离的位置处，并收缩和膨胀，以便当电压施加到其两侧时产生第一致动力；
第一上电极层，该第一上电极层层叠在第一压电材料层上，在其端部设置在下支撑体的端部上以及在其另一端设置在朝向下支撑体端部的方向上远离下支撑体中心预定距离的位置处，以提供第一压电电压，以及
第二压电层包括：
第二下电极层，该第二下电极层具有带状且在其端部设置在下支撑体的另一端部上以及在其另一端设置在朝向下支撑体另一端部的方向上远离下支撑体中心预定距离的位置处，以提供第二压电电压；
层叠在第二下电极层上的第二压电材料层，该第二压电层在其端部设置在下支撑体的另一端部上以及在其另一端设置在朝向下支撑体另一端部的方向上远离下支撑体中心预定距离的位置处，并收缩和膨胀，以便当电压施加到其两侧其时产生第二致动力；
第二上电极层，该第二上电极层层叠在第二压电材料层上且在其端部设置在下支撑体的另一端部上以及在其另一端设置在朝向下支撑体另一端部的方向远离下支撑体中心预定距离的位置处，以提供第二压电电压。
10、根据权利要求8所述的衍射薄膜压电微镜，其中第一和第二压电层的每一个由多个层叠层组成。
11、一种衍射薄膜压电微镜，包括：
包括在其表面上形成的绝缘层的衬底；
下支撑体，该下支撑体具有带状且在其两端粘附到衬底，而在其中心部分从衬底拱起预定距离，中心部分可垂直移动；以及
具有带状的压电镜面层，该压电镜面层层叠在下支撑体上，且包括薄膜压电材料层，以收缩和膨胀，以便当电压施加到薄膜压电材料层的两端时在其两端产生垂直致动力，由此使从衬底拱起的其中心部分垂直地移动预定距离，并衍射入射光束。
12、根据权利要求11所述的衍射薄膜压电微镜，其中压电镜面层在其两端设置在衬底上拱起的部分下支撑体上。
13、根据权利要求11所述的衍射薄膜压电微镜，其中压电镜面层包括：
下电极层，该下电极层层叠在下支撑体上，以提供压电电压；
压电材料层，该压电材料层层叠在下电极层上，且收缩和膨胀，以便当电压施加到其两侧时产生垂直致动力；以及
上电极和镜面层，该上电极和镜面层层叠在压电材料层上，以提供压电电压到压电材料层，以及反射入射光束。
14、根据权利要求11所述的衍射薄膜压电微镜，其中压电镜面层包括：
第一电极层，该第一电极层层叠在第一支撑体上，以提供压电电压；
多个压电材料层，该多个压电材料层以多层层叠在第一电极层上，其中当电压施加到材料层时，电压施加的层收缩和膨胀，以便产生垂直致动力；
多个第二电极层，该多个第二电极层层叠在压电材料层之间，以提供压电电压到压电材料层；以及
电极和镜面层，该电极和镜面层层叠在压电材料层的最上层上，以提供压电电压到压电材料层，以及衍射入射光束。
15、一种衍射薄膜压电微镜，包括：
包括在其表面上形成的绝缘层的衬底；
下支撑体，该下支撑体具有带状且在其两端粘附到衬底两端的上侧边上，而在其中心部分从衬底拱起预定距离，中心部分可垂直移动；以及
第一压电层，该第一压电层在其端部设置在下支撑体的端部上以及在其另一端设置在朝向下支撑体端部的方向上远离下支撑体中心预定距离的位置处，以及包括第一薄膜压电材料层，以收缩和膨胀，以便当电压施加到第一薄膜压电材料层时提供第一垂直致动力；
第二压电层，该第二压电层在其端部设置在下支撑体的另一端部上以及在其另一端设置在朝向下支撑体另一端部的方向远离下支撑体中心预定距离的位置处，以及包括第二薄膜压电材料层，以收缩和膨胀，以便当电压施加到第二薄膜压电材料层时提供第二垂直致动力；以及
微镜层，该微镜层位于下支撑体的中心，以衍射入射光束。
16、根据权利要求15所述的衍射薄膜压电微镜，其中第一压电层包括：
具有带状的第一下电极层，该第一下电极层在其端部设置在下支撑体的端部上以及在其另一端朝着下支撑体端部的方向远离下支撑体中心位置，以提供第一压电电压；
层叠在第一下电极层上的第一压电材料层，在其端部设置在下支撑体的端部上以及在其另一端设置在朝向下支撑体端部的方向中远离下支撑体中心预定距离的位置处，并收缩和膨胀，以便当电压施加到其两侧时产生第一致动力；
第一上电极层，该第一上电极层层叠在第一压电材料层上，以及在其端部设置在下支撑体的端部上和在其另一端设置在朝下支撑体端部的方向远离下支撑体中心预定距离的位置处，以提供第一压电电压，以及
第二压电层包括：
第二下电极层，该第二下电极层具有带状且在其端部设置在下支撑体的另一端部上以及在其另一端设置在朝向下支撑体另一端部的方向中远离下支撑体中心预定距离的位置处，以提供第二压电电压；
层叠在第二下电极层上的第二压电材料层，该第二压电层在其端部设置在下支撑体的另一端部上以及在其另一端设置在朝向下支撑体另一端部的方向远离下支撑体中心预定距离的位置处，并收缩和膨胀，以便当电压施加到其两侧其时产生第二致动力；
第二上电极层，该第二上电极层层叠在第二压电材料层上且在其端部设置在下支撑体的另一端部上以及在其另一端设置在朝向下支撑体另一端部的方向远离下支撑体中心预定距离的位置处，以提供第二压电电压。
17、根据权利要求15所述的衍射薄膜压电微镜，其中第一和第二压电层的每一个由多个层叠的层组成。
18、一种制造衍射薄膜压电微镜的方法，包括：
在衬底上形成掩模层并构图掩模层以形成凹部的第一步骤；
形成牺牲层以便填充第一步骤中形成的凹部的第二步骤；
在其中填充了凹部的衬底上形成压电镜面层的第三步骤；
刻蚀第三步骤中形成的压电镜面层以形成多个带，并除去牺牲层以形成衍射薄膜压电微镜的第四步骤。
19、根据权利要求18所述的方法，还包括在其中填充了凹部的衬底上形成下支撑体的第五步骤，以在第二步骤之后在下支撑体上层叠压电镜面层。
20、根据权利要求19所述的方法，还包括刻蚀压电镜面层的两端以便在第四步骤之后压电镜面层在其两端设置在凹部上的第六步骤。
21、一种制造衍射薄膜压电微镜的方法，包括：
在衬底上形成掩模层并构图掩模层以形成凹部的第一步骤；
形成牺牲层以便填充第一步骤中形成的凹部的第二步骤；
在其中填充了凹部的硅衬底上形成下支撑体的第三步骤；
以除其端部的凹部和在其另一端向外远离凹部的中心预定距离的位置处之外，在衬底的剩余部分上设置每个压电镜面层的方式在第三步骤中形成的下支撑体上形成一对压电镜面层，以及压电镜面层彼此相对的第四步骤；
在下支撑体的中心部分形成微镜层的第五步骤；以及
刻蚀一对压电镜面层和下支撑体以形成多个带并除去牺牲层以形成衍射薄膜压电微镜的第六步骤。
22、一种制造衍射薄膜压电微镜的方法，包括：
在衬底上层叠牺牲层，形成掩模层和刻蚀所得的衬底以形成拱起部分的第一步骤；
在其上在第一步骤中形成了拱起部分的衬底上层叠下支撑体的第二步骤；
在第二步骤中形成的下支撑体上形成压电镜面层的第三步骤；以及
刻蚀第三步骤中形成的压电镜面层，以形成多个带且除去牺牲层，以形成衍射薄膜压电微镜的第四步骤。
23、根据权利要求22所述的方法，还包括刻蚀压电镜面层的两端以便在第四步骤之后压电镜面层在其两端设置在拱起部分上的第五步骤。
24、一种制造衍射薄膜压电微镜的方法，包括：
在衬底上层叠牺牲层，形成掩模层和刻蚀所得的衬底以形成拱起部分的第一步骤；
在其上在第一步骤中形成了拱起部分的衬底上层叠下支撑体的第二步骤；
以除其端部的凹部和在其另一端向外远离凹部的中心预定距离的位置处之外，在衬底的剩余部分上设置每个压电镜面层的方式在第二步骤中形成的下支撑体上形成一对压电镜面层，以及压电镜面层彼此相对的第三步骤；
在下支撑体的中心上形成微镜层的第四步骤；以及
刻蚀一对压电镜面层和下支撑体以形成多个带并除去牺牲层以形成衍射薄膜压电微镜的第五步骤。
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