DE2727751A1

DE2727751A1 - Deformografisches membran-bildanzeigegeraet

Info

Publication number: DE2727751A1
Application number: DE19772727751
Authority: DE
Inventors: Roland Yen-Mou Hung; James Lewis Levine
Original assignee: International Business Machines Corp
Current assignee: International Business Machines Corp
Priority date: 1976-06-30
Filing date: 1977-06-21
Publication date: 1978-01-05
Also published as: FR2357023B1; JPS533358A; CA1100614A; DE2727751C3; US4087810A; GB1538359A; DE2727751B2; IT1114106B; FR2357023A1

Description

Böblingen, 16. Juni 1977

blu-rs-sr

Anmelderin:

International Business Machines Corporation, Armonk, N.Y. 10 504,USA

Amtliches Aktenzeichen:

Neuanmeldung

Aktenz. der Anmelderin:

Docket YO 975 052

Vertreter:

Patentassessor

Dipl.-Ing. K. W. BLUTKE 7030 Böblingen, Sindelfinger Str. 49

Bezeichnung:

Deformographisches Membran-Bildanzeigegerät

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Die Erfindung betrifft ein defomographisches Membran-Bildanzeigegerät der im Oberbegriff des Anspruches 1 gekennzeichneten Art.

Bei herkömmlichen derartigen Bildanzeigegeräten sind im allgemeinen auf einem nichtleitenden Basisträger mehrere symmetrische angeordnete Löcher ausgebildet. In einigen Fällen verlaufen die Löcher teilweise durch den Basisträger, in anderen vollständig, über die Oberfläche des Basisträgers ist eine reflektierende Membran gespannt. Ladungsansammlung in entsprechenden Löchern durch elektrostatische/ elektromagnetische oder anderen Einrichtungen führt dazu, daß der Membranteil dieser Löcher verformt oder in das Loch hinein durchgebogen wird. Dies führt zur wahlweisen Bildung von Vertiefungen in der Membran. Auf die Oberfläche der Membran auftreffendes Licht wird entsprechend der Tiefe dieser Deformationen (Vertiefungen) phasenmoduliert. Aus den phasenmodulierten Anteilen des von der Membranoberfläche reflektierten Lichtes kann ein optisch sichtbares Bild erzeugt werden.

Bei derartigen herkömmlichen Bildanzeigegeräten ist die Herstellung sehr schwierig; außerdem ist eine komplexe Steuerschaltung erforderlich, die außerhalb des Basisträgers untergebracht ist.

Bei den Basisträgern, bei denen die Löcher nur teilweise durchgehen, sind mehrere externe Anschlüsse zum Niederschlagen von j iLadung in diesen Löchern erforderlich. Bei Basisträgern mit Durchgangslöchern sind andere Einrichtungen, wie beispielsweise eine Elektronenschleuder, erforderlich, um Ladungen in den Löchern oder auf der Membran niederzuschlagen. Andere bekannte Basisträger müssen in evakuierten Glasgehäusen oder

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dergleichen untergebracht werden, wodurch die Kosten und Probleme der Herstellung weiter zunehmen.

In der US-Patentschrift 3 796 480 wird ein Membran-Lichtmodulator beschrieben, in dem eine Collodium-Membran mit mehreren, in einem bestimmten Abstand angeordneten reflektierenden und leitenden Streifen überzogen und über einen Träger gespannt wird, der aus einer Glasplatte mit einer Reihe darin ausgebildeter Löcher besteht. Eine separate Elektrode liegt unter jeder Lochspalte. Einzelne elektrische Signale werden von einer äußeren Quelle an jeden Streifen und jede derartige Elektrode angelegt, um eine elektrostatische Ablenkung in den Teilen der Membran über den Löchern zu erzeugen. Die Struktur selbst ist schwierig herzustellen und erfordert einen externen Anschluß für jeden Streifen und für jede Elektrode.

In der US-PS 3 701 586 wird ein deformographisches Bildanzeigegerät beschrieben, in dem eine Membran über einem aus einer Mikrokanalplatte bestehenden Basisträger angeordnet wird, bei dem die Löcher vollständig durchgehen. Auf die Membran wird über einem vorgegebenen Loch eine Ladung durch eine Elektronenschleuder aufgebracht. Somit ergibt sich ein komplexes und schwierig herzustellendes Bildanzeigegerät.

Andere deformographische Bildanzeigegeräte sind beispielsweise in der US-PS 3 858 080 und 3 479 109 beschrieben, wobei in der zuletzt genannten Patentschrift beispielsweise ein Bildanzeigegerät beschrieben wird, in dem eine Membran über einen Glasträger gespannt wird.

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Es ist Aufgabe der Erfindung, ein deformographisches Bildanzeigegerät unter Minimierung der externen Steueranschlüsse vorzusehen.

Diese Aufgabe der Erfindung wird in vorteilhafter Weise durch die im kennzeichnenden Teil des Anspruches 1 angegebenen Maßnahmen gelöst.

Vorteilhafte Weiterbildungen der Erfindung sind den Unteransprüchen zu entnehmen.

Ausführungsbeispiele der Erfindung sind in den Zeichnungen dargestellt und werden im folgenden näher beschrieben. Es zeigen:

Fig. 1 eine Schnittansicht eines Teiles eines de-

formographisehen Membran-Bildanzeigegerätes;

Fig. 2 ein Dunkelfeld-Projektionssystem zur Bildsichtbarmachung;

Fig. 3 ein Diagramm; Helligkeit als Funktion der

Ablenkung in einem deformographisehen Membran-Bildanzeigegerät;

Fig. 4 eine schematische Darstellung zur Herstellung

defomographischen Membran-Bildanzeigegerätes aus einem Halbleitersubstrat;

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Fig. 5 eine schematische Darstellung einer anderen

Möglichkeit zur Herstellung eines deformographischen Membran-Bildanzeigegerätes auf einem Halbleitersubstrat;

Fig. 6 eine Schnittansicht einer Vakuumkammer, die

zeigt, wie eine Membran auf ein Halbleitersubstrat zur Herstellung eines deformographiechen Membran-Bildanzeigegerätes aufgebracht wird}

Fign. 7A u. 7B eine schematische Darstellung von seriellen

Schieberegisterkonfigurationen zum wahlweisen Anlegen von Ladungen an entsprechende Elektroden in einem deformographischen Membran-Bildanzeigegerät;

Fig. 8 eine schematische Darstellung einer Schieberegisterstufe zur Verwendung in den in Fign. 7A und 7B gezeigten Schieberegistern und

Fign. 9A bis 9D Impulsdiagramme mit der Beziehung, wie Daten

in einer zeitlichen Reihenfolge an entsprechende Schieberegisterstufen gemäß Fig. 8 angelegt werden.

Ein erfindungsgemäßes defomographisches Bildanzeigegerät enthält «ine reflektierende, metallisierte Membran, die über eine Isolierschicht aus Siliciumdloxyd gespannt ist, die ihrerseits wieder auf einem Halbleiter-Wafer ausgebildet ist. Der Wafer enthält in einem Ausführungsbeispiel unter der Isolierschicht angeordnete Schaltungen. In der Isolierschicht werden Löcher ausgebildet, damit die Membran sich unter der Anziehung

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einer Im Boden eines jeden Loches ausgebildeten/ geladenen Metallelektrode verformen kann. Die Ladung auf einer gegebenen Elektrode wird durch die Schaltung gesteuert. In einem anderen Ausführungsbeispiel werden Löcher direkt in den Silicium-Wafer geätzt.

Fig. 1 zeigt ein Substrat 2 mit einem darin ausgebildeten Loch 3. Eine Metallelektrode ist am Boden des Loches gebildet und eine reflektierende, metallisierte Membran ist über die Oberfläche des Substrates 2 gespannt. Die gestrichelte Linie zeigt die Position der Membran im nichtverformten Zustand, während die ausgezogene Linie 7 die Position der Membran im verformten Zustand darstellt. R ist der Radius des Loches im Substrat und r der Radius einer symmetrischen kreisförmigen Verformung der Membran bezogen auf die Mitte des Loches. Y(r) beschreibt die kreisförmige, symmetrische Verformung der Membran. Die Herstellung des deformographischen Bildanzeigegerätes wird kurz beschrieben.

Fig. 2 zeigt allgemein ein Dunkelfeldprojektionssystem 8. Eine Lichtquelle 9 wirft Licht auf eine Linse 10, die das gesammelte Licht auf eine Membran 11 lenkt, die das Licht reflektiert, das dann durch eine Linse 12 auf einen Separierer (Blende) 13 geworfen wird. Eine Linse 14 sammelt das die Blende umgehende Licht und projiziert es auf einen Bildschirm 15. Die Linse 14 ist so eingestellt, daß die Membran auf dem Schirm 15 abgebildet wird. Die Blende 13 ist so ausgelegt, daß alles Licht blockiert wird, wenn die Membran nicht verformt ist einschließlich des Streulichtes von einer anderen Oberflächenstruktur, das durch die darunterliegende Schaltung im Substrat erzeugt wird.

Jeder deformierte Punkt resultiert in einem hellen Punkt auf dem Bildschirm mit folgender Intensität:

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4 S_n

° **"■ (1-cos 0)

worin bedeuten:

S = Intensität auf dem Bildschirm bei entfernter Blende; ο

R =» Radius des Loches im Substrat;

1151,

λ ■ die Wellenlänge und

Y(r) ■ die kreisförmige, symmetrische Verformung der Membran in einem Abstand r von der Mitte des Loches.

Die Lage der Punkte auf dem Bildschirm 15 entspricht der Lage der Verformungen auf der Membran 11, abgesehen von der durch die Linse 14 gelieferten VergröBerung. Der Grad der Kollimierung, die Eigenschaften der Linse, die Verformungstiefe usw., unter denen die obige Gleichung (1) gültig ist, sind Fachleuten der Phasenkontrastmikroskopie bekannt. Fig. 3 zeigt eine typische Kurve der Punkthelligkeit (S/S ) gegen die Deflektion (Y(O)) und zeigt bei 16, daß eine Deflektion Y(o) von ungefähr der 1/2 Wellenlänge des Lichtes für Bildanzeigezwecke ausreicht.

Fig. 4 zeigt eine Darstellung zur Herstellung eines deformographischen Membran-Bildanzeigegerätes. In einem Halbleitersubstrat 17, dessen Durchmesser zwischen ein und vier Zoll beträgt und dessen Dicke in der Größenordnung von 10 Mils liegt, sind mehrere Löcher 18 ausgebildet. Das Halbleitersubstrat ist vorzugsweise Silicium, kann jedoch auch aus Gallium-Arsenld oder anderem geeigneten Halbleitermaterial bestehen. Die Löcher werden bis zu einer Tiefe von wenigen Mikron, beispielsweise durch in der Halbleitertechnik übliche Atzprozesse,

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durch Bohren mit Ionenstrahlen oder durch andere bekannte Techniken ausgebildet. Durch Aufdampfen eines Metalles, wie beispielsweise Aluminium, werden dann in den Löchern 18 Metallelektroden ausgebildet. Das Metall kann auch durch andere geeignete Verfahren und Einrichtungen bis zu einer Dicke von wenigen hundert 8 im Loch niedergeschlagen werden. Die Steuerschaltung 20 wird auf dem Halbleitersubstrat 17 mit Standard-Siliciumplanarprozessen für die LSI-Technik hergestellt. Dafür können beispielsweise MOSFET-Prozesse benutzt werden. Zu den typischen Steuerschaltungen gehören Schieberegisterzellen und andere MOS-Standardschaltungen. Eine typische Steuerschaltung ist im einzelnen in Fig. 8 gezeigt. Die einzelnen Steuerkreise sind durch mehrere Leitungen 21 untereinander verbunden, die beispielsweise Dateneingabeleitungen, Taktleitungen, Leseleitungen und Rückstell-Leitungen umfassen können. Die Leitungen 21a verbinden die einzelnen Speicherkreise mit ausgewählten Elektroden und können auf herkömmliche photolithographische Weise ausgebildet werden. Eine reflektierende Metallmembran 22 wird dann vorzugsweise mit der Metallseite nach unten unter reduziertem Druck über die Oberfläche des Substrates gespannt, wie es im einzelnen im Zusammenhang mit Fig. 6 beschrieben ist. Die Membran muß stark reflektieren und durch die durch die Niederspannungsschaltungen (z. B. 5 bis 20 Volt) erzeugten Kräfte verformt werden können. Sie kann aus einer dünnen Schicht von typischerweise 800 8 Dicke aus Plastikmaterial (z. B. Collodium) bestehen, die als Auflage für eine aufgedampfte Metallschicht dient. Das Plastikmaterial ist nicht wesentlich und kann entweder vor oder nach der Montage entfernt werden. Das Metall sollte dick genug sein, um den größten _; Teil des auftreffenden Lichtes zu reflektieren, muß jedoch j auch dünn genug sein, um leicht verformt zu werden. Ein guter Reflektor, wie Aluminium oder Silber, ist dazu geeignet. Das

Metall sollte möglichst keine Biegeermüdung aufweisen. Wenn j

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die Plastikschicht verwendet wird, sollte die Metallschicht etwa 400 8 dick sein, wogegen sie bei Weglassen der Plastikschicht etwa 6OO Ä* dick sein muß.

Der Deformation stehen drei Faktoren entgegen. (1) Wenn Gas unter der Membran eingeschlossen wird, wird es zusammengedrückt und setzt der Deformation somit Widerstand entgegen. (2) Wenn die Membran unter Spannung montiert wird, besteht eine Rückstellkraft ähnlich der bei einem gespannten Draht gegen die seitliche Deflektion. (3) Schließlich gibt es eine Durchbiegesteifigkeit der Membran selbst. Nur dieser letzte Faktor ist zwangsläufig, die anderen können durch entsprechende Herstellungsverfahren eliminiert werden.

Fig. 5 zeigt eine weitere Möglichkeit zur Bildung eines deformographiechen Membran-Bildanzeigegerätes auf einem Halbleitersubstrat. Auf ausgewählten Bereichen der Oberfläche eines Halbleitersubstrates 23 mit einem Durchmesser zwischen ein und vier Zoll und einer Dicke von etwa 10 Mils werden durch Aufdampfen einer dünnen Metallschicht mehrere Elektroden 24 gebildet. Wieder ist das Halbleitersubstrat vorzugsweise aus Silicium, kann jedoch aus Gallium-Arsenid oder einem anderen geeigneten Halbleitermaterial bestehen. Die beispielsweise in MOSFET-Technik ausgeführte Steuerschaltung 25 wird auf dem Substrat 23 hergestellt, wobei die Steuerleitungen 26 mit \ photolithographischen Verfahren oder ähnlichen Verfahren ausgebildet werden. Eine Isolierschicht 27, beispielsweise aus ;

₂, wird in einer Dicke von ein oder zwei Mikron über der !oberfläche des Halbleiters 23 gebildet.

i i

!Mehrere Löcher 28 werden dann in die Schicht 27 direkt über _;

!jeder Elektrode 24 geätzt. Eine Metall-Membran 29 wird unter '

j I

reduziertem Druck über die Isolierschicht 21 gezogen und |

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hermetisch damit abgedichtet. Eine typische Anordnung für die hermetische Abdichtung der Schicht 27 mit der Metall-Membran 29 1st In Flg. 6 gezeigt.

Flg. 6 zeigt eine beispielhafte Technik für die hermetische Abdichtung des Halbleltersubstrats mit der Metall-Membran, wobei die Ausbildung oder Nichtausbildung einer Isolierschicht auf dem Substrat keine Rolle spielt. Eine Vakuumkammer 30 enthält Kanäle 31, die an nicht dargestellte Pumpen angeschlossen sind, die die Kammer 30 evakuieren. Die Kammer 30 enthält außerdem eine Packbasis 32, eine Kurζzeitauflage 33 und einen Deckel 34, mit dem die Membran auf das Halbleitersubstrat gepreßt wird. Ein Siliciumsubstrat 35 wird auf der Packbasis befestigt und eine Metall-Membran 36 kurzzeitig auf der Auflage 33. Nach Evakuieren der oberen und unteren Hälfte der Kammer 30 wird die Membran 36 in Berührung mit dem Siliciumsubstrat 35 gebracht, indem man den Druck in der oberen Hälfte der Kammer 30 manipuliert. Der Deckel 34 wird dann gegen die Membran heruntergedrückt und hermetisch durch ein geeignetes Klebemittel oder durch Löten abgedichtet.

Die Steuerschaltung zur Aktivierung der betreffenden Elektroden! für die Bildanzeige kann in Form eines matrixadressierten Speichers oder einer Reihe serieller Schieberegister ausgeführt werden, wobei die letzte Ausführung bevorzugt wird, weil die

Anzahl von Steuerleitungen zum Halbleitersubstrat wesentlich

reduziert wird. Die Fign. 7 und 8 zeigen ein serielles Schieberegistersystem, mit dem Ladungen wahlweise an die entsprechendein Elektroden angelegt werden können. An einen Eingangsanschluß 37 (Fig. 7A) werden Datenpulse angelegt, die seriell durch die Schieberegisterstufen 38, 39 und 40 geschoben werden und ImIt der ersten Elektrodenzeile in der Bildanzeige zusammenarbeiten. Die Ladung wird an die Elektroden 41, 42 und 43 ent-

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sprechend dem Zustand der Schieberegisterstufen 38, 39 und angelegt. Daten von der Stufe 40 werden seriell durch die entsprechenden Stufen der folgenden Zeile bis zur N-ten Zeile geschoben, die die Schieberegisterstufen 44, 45 und 46 enthalten, die wiederum das Anlegen der Ladung an die Elektroden 47, 48 bzw. 49 steuern. Wenn die Bildanzeige eine große Anzahl von Elektroden enthält, kann das Anlegen eines zweiten Dateneinganges an den Eingangsanschluß 37* (Fig. 7B) erwünscht sein, der die Daten seriell an die N+1 Zeile gibt, die die Schieberegisterstufen 50, 51 und 52 enthält, die wiederum Ladungen an die Elektroden 53, 54 bzw. 55 anlegen, wobei die Ausgabe der Stufen 52 seriell in die folgenden Zeilen und schließlich in die M-te Zeile verschoben wird (wobei M > N ist), die die Schieberegisterstufen 56, 57 und 58 enthält, die ' wahlweise Ladungen an die Elektroden 59, 60 und 61 anlegen. Da Daten in jede Zeile seriell und nicht parallel eingeschoben werden,, wird die Anzahl von Dateneingangsleitungen entsprechend reduziert.

Eine typische Schieberegisterstufe ist allgemein bei 62 in Fig. 8 gezeigt. Eingabedaten werden an einen Eingangsanschluß 64 der Schieberegisterzeile 63 angelegt und dann durch Anlegen eines Taktimpulses an einen Eingangsanschluß 65 in die folgenden Stufen verschoben. Die Daten werden an einem Ausgangsanschluß 66 ausgeschoben. Die Schieberegisterstufe enthält N-Kanal MOSFETs 67, 68 und 69, die kaskadenförmig geschaltet sind. Der gemeinsame Drain-Source-Anschluß 70 der FETs 68 und 69 ist an eine Elektrode 71 angeschlossen, die die Verformung der Membran über der Elektrode entsprechend der dort angelegten Ladung steuert. Eine typische Operationsfolge ist aus den Fign. 9A bis 9D zu ersehen. Die Dateneingabe ist in Fig. 9A gezeigt und erfolgt an dem Dateneingabeanschluß 64 und von dort zur Schieberegisterzelle 63. Die Daten werden

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seriell an den Ausgabeanschluß 66 geschoben und an den Gate-Anschluß 72 des FET 68 angelegt. Die serielle Verschiebung der Daten wird von Taktimpulsen gemäß Darstellung In Flg. 9B gesteuert, die an den Eingangsanschluß 65 angelegt werden, um an den Taktanschluß 73 der Schieberegister ze He 63 sowie an den Anschluß 74 weitergeleitet zu werden, um an nachfolgende Schieberegisterstufen angelegt zu werden. Nachdem alle Eingabedaten im Schieberegister gespeichert wurden, wird nach Darstellung in Fig. 9C an den Anschuß 75 und dann an die Gate-Elektrode 76 des FET 69 und an den Anschluß 77 ein Rückstellimpuls zur Weiterleitung an die übrigen Stufen des Schieberegisters angelegt. Durch Anlegen des Rückstellimpulses an das Gate 76 wird der FET 69 leitend und legt Erdpotential an die Elektrode 71. Wenn die Elektrode 71 keine Ladung hat, wird der darüberliegende Membranteil nicht verformt. Nach Darstellung in Fig. 9D wird als nächstes ein Abfrageimpuls an den Eingangsanschluß 78 angelegt, um an die Gate-Elektrode 79 des FET 67 weitergeführt zu werden, und er wird an den Anschluß 80 angelegt, um an nachfolgende Schieberegisterstufen weitergeführt zu werden. Durch Anlegen des Abfrageimpulses an die Gate-Elektrode 79 wird der FET 67 leitend und legt ein positives Potential an den gemeinsamen Drain-Source-Anschluß 81 der FETs 67 und 68. Wenn kein Datenimpuls an die Gate-Elektrode 72 des FET 68 angelegt wird, bleibt der FET 68 im nichtleitenden Zustand und demzufolge wird keine Ladung an die Elektrode 71 angelegt. Wenn jedoch andererseits ein Dateneingangsimpuls an die Gate-Elektrode 72 angelegt wird, wird der FET 68 leitend und eine positive Spannung an die Elektrode 71 angelegt, so daß die resultierende Ladung zu einer Verformung oder Deformation des Teiles der darüberliegenden Membran führt. Die

Bildanzeige kann durch Anlegen weiterer Rückstellimpulse 82 >

und Abfrageimpulse 83 gemäß Darstellung in den Fign. 9C und 9D \ wiederholt werden. Wie oben schon gesagt wurde, können das

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Schlebereglster 62 und die zugehörigen Steueranschlüsse Im Halbleitersubstrat In bekannter MOSFET- oder Bipolar-Technlk ausgeführt werden.

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Claims

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P ATENT ANSPRÜCHE

Defomographisches Membran-Bildanzeigegerät mit einer Vielzahl von Löchern in einem Substrat und mit einer über den Löchern auf dem Substrat verlaufenden deformographischen, mindestens abschnittsweise leitenden Membran, bei dem eine in jedem Loch vorgesehene Elektrode mit einem Ladungssignal beaufschlagbar ist, durch dessen Wirkung die Membran über dem Loch defoxxnierbar ist,

wobei auf die Membran auftreffendes Licht an den deformierten Stellen modifizierbar ist und über eine Blende optisch sichtbar gemacht wird, dadurch gekennzeichnet,

daß das Substrat ein Halbleiter (17) oder eine auf einem Halbleiter (23) aufgebrachte isolierende Schicht (27) ist,

und daß auf dem Halbleiter die Steuerschaltkreise (20, 25) zur Aktivierung der auf dem Halbleiter gebildeten Lochelektroden integriert sind.
2. Anordnung nach Anspruch 1,
dadurch gekennzeichnet,

daß das Halbleitermaterial Silicium ist.
3. Anordnung nach Anspruch 1,
dadurch gekennzeichnet,

daß die Membran (22, 29) durchgehend verläuft und aus einer reflektierenden Metallschicht oder aus einer auf einer Trägerschicht angeordnete reflektierenden Metallschicht besteht.

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4. Anordnung nach Anspruch 1,
dadurch gekennzeichnet,

daß die isolierende Schicht (27) Siliciumdioxyd ist.
5. Anordnung nach den Ansprüchen 1 und 2, dadurch gekennzeichnet,

daß die Steuerschaltkreise in MOSFET- oder Bipolar-Technik auf dem Silicium-Material ausgeführt sind und daß die mit ihnen verbundenen Elektroden direkt unter den Löchern in der isolierenden Schicht 27 angeordnet sind.
6. Anordnung nach Anspruch 1,
dadurch gekennzeichnet,

daß die Steuerschaltkreise (20, 25) eine serielle Schieberegisterschaltung bilden.

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