DE69027163T2

DE69027163T2 - Spatiallichtmodulator und Verfahren

Info

Publication number: DE69027163T2
Application number: DE69027163T
Authority: DE
Inventors: Larry J Van Hornbeck; William E Nelson
Original assignee: Texas Instruments Inc
Current assignee: Texas Instruments Inc
Priority date: 1989-09-15
Filing date: 1990-08-23
Publication date: 1996-11-14
Anticipated expiration: 2010-08-24
Also published as: JP2978224B2; KR910006750A; JPH03174112A; KR0170393B1; EP0417523A3; EP0417523B1; DE69027163D1; EP0417523A2

Description

Die vorliegende Erfindung betrifft Spatialmodulatoren (Lichtventile) und insbesondere ein Verfahren zum Rücksetzen von Pixeln eines Spatiallichtmodulators mit einem ablenkbaren Balken. Die Aufmerksamkeit wird auf die ältere, nicht vorveröffentlichte Anmeldung EP-A- 332 953 gerichtet, welche jedoch nicht das Anlegen einer Sequenz von Impulsen an Aufsetzelektroden des Lichtmodulators mit einem ablenkbaren Balken offenbart.
Spatiale Lichtmodulatoren (SLM) sind Wandler, die einfallendes Licht in einem räumlichen Muster entsprechend einem elektrischen oder optischen Eingangssignal modulieren. Das einfallende Licht kann hinsichtlich seiner Phase, Intensität, Polarisierung oder Richtung moduliert werden, und die Lichtmodulation kann mit Hilfe einer Vielfalt von Materialien erzielt werden, die verschiedene elektrooptische oder magnetooptische Wirkungen haben, sowie durch Materialien, die Licht durch Oberflächenverformung modulieren. SLM's haben zahlreiche Anwen dungen auf dem Gebiet der optischen Informationsverarbeitung der Projektionsanzeigen und des elektrostatischen Druckens gefunden. Siehe die in L. Hornbeck, 128 X 128 Deformable Mirror Device, 30 IEEE Tran. Elec. Devi. 539 (1983) zitierten Referenzen.
Ein gut bekannter spatialer Lichtmodulator, der für große, helle, elektronische Anzeigevorrichtungen benutzt wird, ist das Eidophor, ein System, bei dem als das aktive optische Element ein mit elektrostatischen Mitteln mit Vertiefungen versehener Ölfilm benutzt wird. Siehe E. Baumann, The Fischer large-screen projection system (Eidophor)", 20 J. SMPTE 351(1953). Bei diesem System wird ein kontinuierlicher Ölfilm rasterartig mit Hilfe eines Elektronenstrahls abgetastet, der so moduliert ist daß eine räumlich periodische Verteilung aufgebrachter Ladungen innerhalb jeder aufiösbaren Pixelfläche auf dem Ölfilm erzeugt wird. Diese Ladungsverteilung führt zur Erzeugung eines Phasengitters innerhalb jedes Bildpunkts aufgrund der elektrostatischen Anziehung zwischen der Oberfläche des Ölfilms und dem unterstützenden Substrat, das auf einem konstanten Potential gehalten ist. Diese Anziehungskraft veranlaßt die Oberfläche des Films, sich um eine der Menge der aufgebrachten Ladung proportionale Größe zu verformen. Der modulierte Ölfilm wird mit räumlich kohärentem Licht aus einer Xenon-Bogenlampe beleuchtet. Das auf die modulierten Pixel auf dem Ölfilm auftreffende Licht wird durch das örtliche Phasengitter in eine diskrete Gruppe regelmäßig im Abstand voneinander liegender Ordnungen gebeugt, die durch einen Teil des optischen Systems so gerichtet werden, daß sie auf einen Schlierenbegrenzer fallen, der aus einer periodischen Gruppen abwechselnder lichdurchlässiger und lichtundurchlässiger Balken besteht. Der Abstand zwischen den Balken des Schlierenbegrenzers ist so gewählt, daß er mit dem Abstand der Ordnungen des gebeugten Signals an der Begrenzerebene übereinstimmt, so daß ein hoher optischer Durchgangswirkungsgrad erreicht wird. Licht, das auf nicht modulierte Bereiche des Lichtventils trifit, wird durch die lichtundurchlässigen Balken des Sclilierenbegrenzers daran gehindert, die Projektionslinse zu erreichen. Bilder, die von nicht modulierten Bereichen auf dem Lichtventil durch das Schlierenabbildungssystem auf dem Projektionsschirm erzeugt werden, sind daher dunkel, während Phasenstörungen, die durch den modulierten Elektronenstrahl hervorgerufen wreden, vom Schlierenprojektor in helle Lichtflecke auf dem Schirm umgewandelt werden. Trotz zahlreicher technischer Schwierigkeiten, die mit der Ölpolymerisierung durch den Elektronenbeschuß und mit Verunreinigungen der Katode durch organische Dämpfe verbunden sind, wurde diese Art des Ölfilmsystems erfolgreich so weit entwickelt, daß es das nahezu universell angewendete System für einen Gesamtlichtbedarf von tausenden von Lumen auf dem Schirm ist. Solche Systeme sind jedoch teuer, räumlich umfangreich und haben Bauteile mit kurzer Lebensdauer.
Es sind auch mehrere spatiale Lichtmodulatoren ohne Ölfilm entwickelt worden, die Typen mit ablenkbaren Elementen, Typen mit Polarisationsebenendrehung und Typen mit Lichtstreuung enthalten. Bei diesen Arten von spatialen Lichtmodulatoren werden verschiedene Effekte angewendet, beispielsweise die Reflexion von reflektierenden Metallschichten, von Elastomeren oder Elastomer-Photoleitern sowie die Polarisierung und Streuung von ferroelektrischen Materialien, von PLZT-Keramiken und Flüssigkristallen. Beispielsweise beschreiben R. Sprague et al in "Linear total internal reflection spatial light modulator for laser printing", 299 Proc. SPIE 68 (1981) und W. Turner und R. Sprague in "Integrated total internal reflection (TIR) spatial light modulator for laser printing", 299 Proc. SPIE 76 (1982) und US-A-4 380 373 ein Svstem zum anschlagrreien Drucken auf einem lichtempfindlichen Medium, bei dem Laserlicht zu einer Beleuchtungszeile geformt, durch eine lineare Gruppe von Lichtmodulatoren geschickt und dann auf dem lichtempfindlichen Medium abgebildet wird. Die Gruppe ist in Form eines spatialen Lichtmodulators mit innerer Totalreflexion verwirklicht, wobei die Elektroden und die Ansteuerelektronik auf einem integrierten Ansteuerelement hergestellt sind, das an der intern total reflektierenden Fläche eines elektrooptischen Kristalls wie Lithiumniobat angebracht ist. Die örtliche Anderung des Brechungsindex, die von dem Streufeld zwischen jeweils zwei Elektroden hervorgerufen wird, wird mit Schlieren-Leseoptiken gelesen, die die TIR-Grenzfiäche auf das lichtempfindliche Medium abbilden. Dies ist ein eindimensionales Bild, und das lichtempfindliche Medium wird auf einer Trommel unterhalb des Abbilders der linearen Gruppe gedreht, um ein zweidimensionales Bild (beispielsweise eine Textseite) für Druckanwendungen zu erzeugen. Der spatiale Lichtmodulator (das Lichtventil) ist jedoch höchst anfällig für Fabrikationsprobleme aufgrund seiner Hybridnatur. Die Streufeldstärke und somit die Menge des an den modulierten Pixeln gebeugten Lichts ist empfindlich für Anderungen der Lufispaltdicke zwischen den Adressierungselektroden und der Oberfläche des elektrooptischen Kristalls von weniger als ein Zehntel µm. Daher können auch sehr kleine Teilchen, die zwischen dem Kristall und der Elektrodenstruktur eingeschlossen sind, Probleme der ungleichmäßigen Beleuchtung am lichtempfindlichen Medium verursachen. Auch das optische Ansprechverhalten des Systems für Pixel, die an der Grenze zwischen modulierten und unmodulierten Bereichen des Lichtventils liegen, ist beträchtlich niedriger als das Ansprechverhalten für Pixel nahe der Mitte eines modulierten Bereichs, was auf die Art des Adressierungsverfahrens zurückzuffihren ist. Ein im Handel erhältlicher Drucker, der auf dieser Technologie beruht, ist bisher nicht eingeführt worden.
M. Little et al beschreiben in "CCD-Addressed Liquid Crystal Valve", Proc. SID Symp. 250 (April 1982) einen spatialen Lichtmodulator mit einer CCD-Flächenmatrix an der Frontseite eines Silicium-Chips und einer Flüssigkristallmatrix auf der Rückseite des Chips. In das CCD- Element wird Ladung eingeführt, bis ein vollständiger Rahmen analoger Ladungsdaten geladen worden ist; die Ladung wird dann zur Rückseite des Chips abgeleitet, wo sie den Flüssigkristall moduliert. Diese Vorrichtung leidet unter starkem Festmusterrauschen sowie unter einer Auflösungsverschlechterung aufgrund der Ladungsausbreitung bei der Übertragung von der Vorderseite zur Rückseite.
Ein weiterer Typ eines spatialen Lichtmodulators, der sowohl in eindimensionalen als auch in zweidimensionalen Gruppen hergestellt werden kann, ist der verformbare Spiegel. Verformbare Spiegel können in drei Klassen unterteilt werden. Elastomere, Membranen und freitragende Balken. Bei der Elastomer-Lösung wird ein metallisierter Elastomer durch eine sich räumlich ändernde Spannung adressiert, die durch Zusammendrücken des Elastomers eine Oberflächenverformung hervorruft. Wegen der Anforderungen an die Adressierungsspannung in der Größenordnung von 100 oder 200 V ist der Elastomer kein guter Kandidat für die Integration in eine dicht gepackte Adressierungsschaltung aus Silicium. Siehe allgemein bei A. Lakatos und R. Bergen in "TV projection display using an amorphorous-Se-type RUTICON light valve", 24 IEEE Tran. Elec. Dev. 930 (1977).
Membranverformbare Spiegel treten in verschiedenen Typen auf Ein Typ ist im wesentlichen ein Ersatz für den Ölfilm des oben erörterten Eidophor-Systems. Bei diesem System ist eine dünne reflektierende Membran auf der Frontplatte einer Katodenstrahlröhre (CRT) mit Hilfe einer Trägergitterstruktur befestigt. Die Adressierung erfolgt durch einen einer Rasterabtastung unterzogenen Elektronenstrahl ebenso wie beim Eidophor. Die durch den Elektronenstrahl auf der Glasfrontplatte der Katodenstrahlröhre abgelagerte Ladung zieht die Memb ran elektrostatisch an, die auf einer konstanten Spannung gehalten ist Diese Anziehungskraft hat zur Folge, daß die Membran in die durch die Gitterstruktur gebildete Vertiefung hineinsinkt, so daß an jeder modulierten Pixelstelle ein sphärischer Miniaturspiegel entsteht. Das von dieser Art des modulierten Pixels abgelenkte Licht wird in einen relativ schmalen Kegel konzentriert. der rotationssymmetrisch um den durch Spiegelwirkung reflektierten Strahl verläuft. Diese Art von Lichtventil wird zusammen mit einem Schlierenbegrenzer verwendet, der aus einer einzigen zentralen Abdeckung besteht, die so positioniert und dimensioniert ist, daß sie das Licht von der Lichtquelle blockiert, das von der Optik und auch der Spiegelreflexion an unmodulierten Bereichen des Lichtventils gebildet wird. Modulierte Pixel haben einen kreisförmigen Lichtfleck in der Ebene des Schlierenbegrenzers zur Folge, der größer als die zentrale Abdeckung ist, jedoch auf diese zentriert ist. Die Begrenzerwirksamkeit oder der Bruchteil der Energie modulierter Pixel, der den Schlierenbegrenzer aufhält, ist allgemein ein wenig niedriger bei Projektoren, die auf verformbaren Membranen beruhen, als bei dem mit einem Ölfilm arbeitenden Eidophor-Projektor. Solche Spiegelsysteme mit verformbarer Membran haben außerdem zumindest zwei Hauptprobleme. Zum Adressieren der relativ steifen reflektierenden Membran sind hohe Spannungen erforderlich, und geringe Fehlausrichtungen zwischen dem Elektronenstrahlraster und der Pixel-Trägergitterstruktur führen zu Adressierungsproblemen Solche Fehlausrichtungen würden Bildunschärfen und eine Ungleichmäßigkeit der Anzeigehelligkeit hervorrufen.
Ein weiterer Typ eines Spiegeis aus einer verformbaren Membran ist in L. Hornbeck, 30 IEEE Trans. Elec. Dev. 539 (1983) und in US-A-4 441 791 beschrieben; es handelt sich dabei um eine integrierte Hybridschaltung aus einer Gruppe metallisierter Polymerspiegel, die mit einer Adressierungsschaltung aus Silicium durch Bonden verbunden sind. Die darunterliegende analoge Adressierungsschaltung, die durch einen Luftspalt von den Spiegelelementen getrennt ist, bewirkt, daß die Gruppe von Spiegeln mit ausgewählten Pixeln durch elektrostatische Anziehung verschoben wird. Das sich ergebende zweidimensionale Verschiebungsmuster führt zu einem entsprechenden Phasenmodulationsmuster für reflektiertes Licht. Dieses Muster kann durch Schlierenprojektionsverfahren in analoge Intensitätsänderungen umgewandelt werden oder als Eingangswandler für einen optischen Informationsprozessor benutzt werden. Der membranverformbare Spiegel hat jedoch Herstellungsprobleme wegen der Empfindliclikeit für Fehler, die sich daraus ergeben, wenn kleine Teilchen in µm-Bereich liegende Teilchen zwischen der Membran und der darunterliegenden Trägerstruktur eingeschlossen werden. Die Membran würde über diesen eingeschlossenen Teilchen ein Zelt bilden, und die seitliche Erstreckung solcher Zelte ist wesentlich größer als die Teilchengröße selbst, wobei diese Zelte ihrerseits durch ein Schlierenabbildungssystem als helle Flecke abgebildet würden.
Ein verformbarer Spiegel vom Typ mit freitragendem Balken ist eine mikromechanische Gruppe verformbarer freitragender Balken, die einzeln elektrostatisch mit Hilfe von Adressierungsmiffeln verformt werden können, damit einfallendes Licht in einem linearen oder flächenartigen Muster moduliert wird. Bei Verwendung im Zusammenhang mit der richtigen Projektionsoptik kann ein verformbarer Spiegel vom Typ mit freitragendem Balken für Anzeigevorrichtungen, für die optische Informationsverarbeitung oder für das elektrographische Drucken verwendet werden. Eine frühe Version mit freitragenden Balken aus Metall, die auf Glas durch Aufdampfen im Vakuum hergestellt werden, erscheint in US-A-3 600 798. Diese Vorrichtung weist Fabrikationsprobleme auf, die die Ausrichtung der vorderen und hinteren Glassubstrate umfassen, die sich aus dem Aufbau der Vorrichtung in lichtintegrierter Form ergibt.
Eine Vorrichtung mit verformbaren Spiegel vom Typ mit freitragendem Balken ist von R. Thomas et al in "The Mirror-Matrix Tube: A Novel Light Valve for Projection Displays", 22 IEEE Trans. Elec. Dev. 765 (1975) und in US-A-3 886 310 und 3 896 338 beschrieben. Diese Vorrichtung wird wie folgt hergestellt: eine thermische Siliciumdioxidschicht wird durch Aufwachsen auf einem Silicium- oder Saphirsubstrat erzeugt; das Oxid wird einer kleeblattartigen Gruppe aus vier in der Mitte miteinander verbundenen freitragenden Balken gemustert. Das Silicium wird isotrop naßgeätzt, bis es unterätzt ist, wobei innerhalb jedes Pixels vier freitragende Balken aus Oxid zurückbleiben, die durch einen zentralen Stützpfosten aus Silicium ge halten sind. Die Kleeblattanordnung wird dann zur Erzielung der Reflektivität mit Aluminium metallisiert. Das auf dem Saphirsubstrat abgelagerte Aluminium bildet eine Referenzgitterelektrode, die auf einer Gleichvorspannung gehalten wird. Die Vorrichtung wird durch einen abgelenkten Elektronenstrahl adressiert, der ein Ladung smuster auf den kleeblattartigen Balken ablagert, das die Balken veranlaßt, sich durch elektrostatische Anziehung gegen das Bezugsgitter hin zu verformen. Das Löschen wird durch negatives Vorspannen eines in dichtem Abstand angebrachten externen Gitters und durch Überfluten der Vorrichtung mit Elektronen mit niedriger Energie erzielt. Zum Umsetzen der Balkenverformung in Helligkeitsschwankungen auf dem Projektionsschirm wird ein Schlierenprojektor verwendet. Ein wesentliches Merkmal dieser Vorrichtung ist die Kleeblattgeometrie, die zu einer Strahlablenkung in eine Richtung führt, die um 450 gegenüber den Öffnungen zwischen den Balken gedreht ist; dies ermöglicht die Verwendung eines einfachen, kreuzförmigen Schlierenbegrenzers zum Blockieren des Festbeugungs-Hintergrundsignals ohne Dämpfung des modulierten Beugungssignals. Die Vorrichtung wurde mit einer Pixeldichte von 500 Pixeln pro inch mit Balken hergestellt, die um bis zu 40 auslenkbar waren. Die Optik machte von einer 150 Watt Xenon-Bogenlampe, einer reflektierenden Schlierenoptik und einem Schirm mit 2,5 x 3,5 Fuß bei einer Verstärkung von 5 Gebrauch. Es wurden 400 TV-Auflösungszeilen bei einer Schirmhelligkeit von 35 Fuß- Lumen einem Kontrastverhältnis von 15 : 1 und einem Strahlbeugungswirkungsgrad von 48 % vorgeführt. Es wurden Schreibzeiten von weniger 1/30 s erzielt, und die Löschzeiten betrugen 1/10 der Schreibzeit. Die Vorrichtung zeigte jedoch Probleme einschließlich einer Verschlechterung der Auflösung bei Ablenkfehlern, einer schlechten Fabrikationsausbeute, und sie hatte keine Vorteile gegenüber herkömmlichen Projektions-Katodenstrahlröhren. Dies bedeutet, daß die Positionierungsgenauigkeit von Abtastung zu Abtastung nicht hoch genug ist, um ein reproduzierbares Schreiben auf einzelnen Pixeln zu erreichen. Der resultierende Auflösungsverlust erzwing eine zumindest vierfache Vergrößerung der Anzahl von Pixeln, die zur Aufrechterhaltung der gleichen Auflösung im Vergleich zu einem vergleichbar beschreibenen Phosphor benötigt werden. Die Bauelement-Ausbeute ist begrenzt, weil ein Ätzstop für den Kleeblatt-Stützpfosten fehlt, wobei das Naßätzen der Balken zu deren Brechen führt, und sie ist begrenzt durch die Notwendigkeit, normal dehnbares Aluminium im spannungsfreien Zustand auf die Oxidbalken aufzudampfen. Die Vorrichtung bietet weiterhin keinen offensichtlichen Kosten- oder Leistungsvorteil gegenüber herkömmlichen Projektions-Katodenstrahiröh-. ren.
Verformbare Spiegel mit freitragenden Balken, die auf Silicium mit einer Adressierungsschaltung integriert sind und somit die Elektronenstrahladressierung mit der zugehörigen Hochspannungsschaltung und die Vakuumgehäuse der zuvor beschriebenen Vorrichtungen mit freitragenden Balken eliminieren, erscheinen in K. Petersen "Micromechanical Light Modulator Array Fabricated on Silicon", 31 Appl.Phys.Lett. 521(1977) und in US-A-4 229 732. Die erste dieser Druckschriften beschreibt eine 16 x 1 Anordnung aus sprungbrettartigen freitragenden Balken, die wie folgt hergestellt wird: auf einem p+-Substrat (oder einer vergrabenen Schicht) wird eine epitaktische Schicht aus (100)-orientiertem Silicium (entweder p oder n) mit einer Dicke von etwa 12 µm aufgewachsen; die epitaktische Schicht wird bis zu einer Dicke von etwa 0,5 µm oxidiert und mit einem Cr-Au-Film mit einer Dicke von etwa 500 Å überzogen. Der Cr-Au-Film wird abgeätzt, damit Kontaktflächen und Adressenleitungen entstehen und die Sprungbrettmetallisierung festgelegt wird. Das Oxid wird in einem Kammmuster in einem zweiten Maskierungsschritt um die Metallisierung herum abgeätzt. Schließlich wird das Silicium selbst in einer Lösung aus Ethylendiamin und Pyrocatechin bei 120ºC geätzt. Wenn die richtige Orientierung der Maske in bezug auf die Kristallachsen aufrechterhalten wird, dann werden die mit Metall überzogenen Oxidsprungbretter durch das Ätzmittel unterätzt und vom Silicium befreit. Da das Ätzen anisotrop erfolgt, wird das seitliche Ätzen durch die (111)- Ebenen angehalten, die die rechtwinklige Umhüllung des Kammusters bilden. Zusätzlich wird das Ätzmittel durch das n+-Material unwirksam gemacht, so daß die Dicke der Vertiefung unterhalb der Sprungbretter durch die Dicke der Epitaxialschicht festgelegt wird. Wenn zwischen das Substrat und die Sprungbrettmetallisierung eine Gleichspannung angelegt wird, wird das dünne, aus Oxid bestehende Sprungbrett elektrostatisch nach unten in die geätzte Vertiefting hinein abgelenkt. Sprungbretter mit Längen von 106 µm und Breiten von 25 µm zeigten eine Schwellenspannung von etwa 66 V.
Die zweite Druckschrift (Hartstein und Petersen US-A-4 229 732) beschreibt Vorrichtungen, die in ähnlicher Weise wie die Sprungbrettvorrichtung hergestellt werden (eine vergrabene p+-Schicht als Ätzstop zum Bilden der Vertiefungen unterhalb metallisierter freitragender Balken aus Siliciumdioxid), jedoch haben sie eine andere Struktur; die freitragenden Balken haben nämlich die Form von quadratischen Klappen, die an einer Ecke gelenkig gelagert sind, wobei die Klappen eine zweidimensionale Anordnung anstelle der eindimensionalen Reihe der Sprungbretter bilden, und die Vertiefungen unterhalb der Klappen sind nicht angeschlossen, so daß Adressierungsleitungen für die Klappen auf der Oberfläche des Siliciums zwischen den Klappenreihen und -spalten gebildet werden können. Die Eckgelenkiagerung der Klappen leitet sich natürlich von der Kleeblattarchitektur gemäß US-A-3 886 310 und 3 896 338 ab, jedoch könnte die vollkommene Kleeblattarchitektur nicht angewendet werden, da diese die an der Oberfläche befindlichen Adressierungsleitungen ausschließen würde, weil die Kleeblätter gelenkig mit einem von der Siliciumfläche isolierten zentralen Pfosten verbunden sind. Diese Vorrichtungen haben außerdem Probleme einschließlich der geringen Auflösung und eines geringen Wirkungsgrades aufgrund von Dichteeinschränkungen und der kleinen aktiven Bruchteilsfläche, einer niedrigen Herstellungsausbeute, einer Verschlechterung des Kontrastverhaltnisses infolge von Beugungseffekten durch die Adressierungsschaltung und des Restbildes aufgrund von Ladungseffekten der Oxidklappen. Insbesondere wird die Adressierungsschaltung um die aktive Fläche (Klappen) gequetscht, da keine Möglichkeit besteht, die Adressierungsschaltung unterhalb des aktivenBereichs anzubringen, weil die Vertie tungen durch Abätzen der Epitaxialschicht nach unten bis zu dem p+-Ätzstop gebildet werden Der aktive Bereich wird daher zusammen mit dem Beugungswirkungsgrad beträchtlich reduziert. Dies bedeutet, daß eine höhere Lampenleistung für die Erzielung der gleichen Bildschirmhelligkeit benötigt wird. Da die Adressierungsschaltung zusätzliche Fläche benötigt, wird die Pixelgröße weit über die Klappenfläche hinaus vergrößert, was zu einer Verkleinerung der erzielbaren Auflösung führt. Das Naßätzen, das zur Bildung der Vertiefungen erforderlich ist, führt zu einer niedrigen elektrischen und mechanischen Ausbeute; Naßreinigungsschritte wie die nach dem Zersägen zu Chips, zerstören Klappen und Sprungbretter, da während der Schleuderspül/Trocknungszyklen das unter dem Balken festgehaltene Wasser den Balken bricht, wenn es von der Oberfläche abgeschleudert wird. Wird das Wasser dagegen an der Oberfläche verdampft, bleiben Reste zurück, die Oberflächenleckströme vergrößern können, die zu einem fehlerhaften Betrieb der Vorrichtung beitragen. Die auf der Siliciumfläche befindliche Adressierungsschaltung ist dem zu modulierenden einfallenden Licht ausgesetzt und erzeugt unerwünschte Beugungseffekte an den Transistor-Gates sowie eine Absenkung des Kontrastverhältnisses. Eine Lichtableitung in die Adressierungsstruktur führt zu durch Licht erzeugten Ladungen und reduziert die Speicherzeit. Schließlich hat die Oxid/Metall-Klappe eine zur Vertiefung gerichtete isolierende Seite, die sich aufgrund der starken elektrischen Felder aufläd, die an der Vertiefung vorhanden sind; dies erzeugt ein Restbild ("einbrennen"). Die zum Eliminieren dieses Restbildproblems erforderliche Wechselstromansteuerung kann durch die beschriebene NMOS-Ansteuerschaltung nicht geliefert werden. Wenn die Klappe über die maximale stabile Ablenkung hinaus abgelenkt wird, bricht sie und bleibt am Boden der Vertiefung haften. Spannungen über der Bruchspannung müssen daher unter allen Umständen vermieden werden.
Eine Abwandlung der Lösung mit freitragendem Balken erscheint in K. Petersen "Silicon Torsional Scanning Mirror", 24 IBM J. Res. Devp. 631(1980) und in M. Cadman et al "New Micromechanical Display Using Thln Metal Films", 4 IEEE Elec. Dev. Lett 3 (1983). Diese Lösung bildet metallbeschichtete Siliciumklappen oder metallische Klappen, die mit der umgebenden reflektierenden Fläche an zwei Gelenken verbunden sind und durch Verdrehen der Klappen längs der von den Gelenken gebildeten Achsen arbeiten Die Klappen sind dabei nicht monolithisch mit dem darunterliegenden Adressierungssubstrat gebildet, sondern in einer Weise analog zu den oben erwähnten Vorrichtungen mit verformbarer Membran daran festgeklebt.
Die US-A-4 356 730 kombiniert die obigen Aspekte und beinhaltet ein Siliciumsubstrat mit metallbeschichteten freitragenden Sprungbrettern aus Siliciumdioxid, mit an den Ecken angelenkten Klappen und torsionsgelagerten Klappen. Die Adressierungselektroden (zwei pro Sprungbrett oder Klappe für eine x-y-Adressierung wie in einer Speichermatrix) befinden sich auf der Oberfläche, und das Sprungbrett oder die Klappe kann als Schalter oder Speicherbit betrieben werden und legt sich durch Anlegen einer Schwellenspannung an den Boden der in das Siliciumsubstrat geätzten Vertiefung an. Das Sprungbrett oder die Klappe kann dann durch eine niedrigere Leerlaufspannung am Boden der Vertiefung festgehalten werden.
In den oben erwähnten Referenzen betreffend freitragende Arme wird vorgeschlagen, daß optische Systeme mit Schlierenprojektion zusammen mit Vorrichtungen mit freitragendem Arm benutzt werden können. Solche Systeme sind jedoch im Hinblick auf die erzielbare optische Leistungsfähigkeit eingeschränkt. Als erstes muß der Aperturdurchmesser der Abbildungslinse größer sein, als es zum Hindurchlassen der Signalenergie allein notwendig wäre. Die Geschwindigkeit der Linse muß daher relativ hoch sein (oder, äquivalent ausgedrückt, ihre f-Zahl muß relativ niedrig sein), damit die gesamte Signalenergie rund um die zentrisch angeordnete Schlierenbegrenzungsabdeckung passieren kann. Zusätzlich gelangt das Signal durch den Außenabschnitt der Linsenpupille bei dieser Abbildungskonfiguration. Lichtstrahlen, die von einem gegebenen Pünkt des spatialen Lichtmodulators ausgehend und durch die am weitesten außenliegenden Bereiche einer Abbildungslinsenpupille fallen, können beim optischen Entwurf von Abbildungslinsen am schwersten auf einen exakt korrigierten Brennpunkt gebracht werden. Wenn die äußeren Strahlen unter Kontrolle gebracht sind, sind die durch die Mitte der Abbildungslinse fallenden Strahlen automatisch exakt korrigiert. Jedoch ist ein höherer Grad der Komplexität beim optischen Entwurf der Abbildungslinsen erforderlich Zweitens ist der Feldwinkel, in dem die Abbildungslinse gut korrigierte Bilder von außerachsig liegenden Bildpunkten auf einem spatialen Lichtmodulator mit freitragendem Balken erzeugen kann, ebenfalls beschränkt. Bei jedem Linsenentwurf muß ein Kompromiß zwischen der Geschwindigkeit der Linse und dem Feldwinkel, den sie bei guter Bildqualität überdecken kann, gemacht werden. Schnelle Linsen zeigen die Neigung, über kleinere Feldwinkel zu arbeiten, während Weitwinkellinsen relativ langsam arbeiten. Da das Schlierenabbildungssystem über seine gesamte Apertur gut korrigiert sein muß und da diese Apertur im Durchmesser größer ist als es zum Hindurchlassen des das Bild formenden Lichts notwendig ist, ist der Feldwinkel ,der durch die Linse überdeckt werden kann, kleiner als er sein könnte, wenn eine Abbildungskonfiguration erdacht werden könnte, bei der das Signal durch die Mitte einer nicht abgedunkelten Linse mit kleinerem Durchmesser geschickt würde. Schließlich begrenzt bei einer Abbildungslinse mit einer gegebenen endlichen Geschwindigkeit die Verwendung der Schlierenbegrenzungskonfiguration die Größe der Lichtquelle, die angewendet werden kann. Dies führt seinerseits zu einer Begrenzung des Bestrahlungspegels, der einem Projektionsschirm oder einem Lichtempfänger im Bild eines abgelenkten Bildpunkts zugeführt werden kann. Dieser Bestrahlungspegel oder die zugeführte Leistung pro Einheitsfläche hängt vom Produkt aus der spezifischen Licht ausstrahlung der Lichtquelle, der Durchlässigkeit des optischen Systems und den Raumwinkel des Kegels der das Bild formenden Lichtstrahlen ab. Die Abstrahlung der Quelle wird nur durch die spezielle Lampe bestimmt, die benutzt wird. Die Durchlässigkeit der Optik hängt von der Begrenzungswirksamkeit der speziellen Schlierenbegrenzungskonfiguration des spatialen Lichtmodulators und von Oberflächenübertragungsverlusten ab. Der Raumwinkel des Bildformungskegels des Lichts ist jedoch der Fläche der Pupille der Abbildungslinse direkt proportional, die mit Signalenergie gefüllt ist. Die Verwendung einer Schlierenbegrenzung, die den mittleren Bereich der Pupille der Abbildungslinse abdunkelt, begrenzt die verwertbare Pupillenfläche und somit den Bestrahlungspegel der Bildebene, der bei einer Linse mit gegebener Geschwindigkeit und einer Quelle mit gegebener Lichtabstrahlung erzielt werden kann; dies gilt zusätzlich zu der grundsätzlichen Bestrahlungseinschränkung, wonach der maximal be nutzbare Lichtkegel einen Öffnungswinkel hat, der gleich dem Strahlablenhkwinkel ist.
Die bekannten spatialen Lichtmodulatoren haben Probleme einschließlich der Aufladungseffekte des Balkenisolators, des Fehlens eines Überspannungsschutzes gegen ein Zusammenbrechen des Balkens, der Strahlablenküng mit kleinem Winkel und der ungleichmäßigen Strahlablenkung, was zu einer optischen Ineffizienz und Ungleichmäßigkeit führt, sowie der Hochspannungsadressierung der Bildpunkte.

ZUSAMMENFASSUNG DER ERFINDUNG

Die vorliegende Erfindung liefert Rücksetzverfahren für Spatiallichtmodulatoren mit ablenkbaren Balken, wie im Anspruch 1 definiert.

KURZE BESCHREIBUNG DER ZEICHNUNGEN

Fig. 1A bis 1C zeigen ein Pixel einer ersten bevorzugten Ausführung perspektivische im Schntit bzw. in einer Draufsicht;
Fig. 2 zeigt die Ablenkung des Pixelbalkens der ersten bevorzugten Ausführung;
Fig. 3A bis 3B zeigen die Abhängigkeit der Balkenablenkung von der angelegten Spannung für eine vereinfachte Version der ersten bevorzugten Pixelausführung bzw. eine Draufsicht auf die vereinfachte Pixelversion;
Fig. 4 ist eine schematische Schnittansicht der vereinfachten Pixelversion zur Definition von Analyseausdrücken;
Fig. 5 zeigt die Drehmomente am Balken in der vereinfachten Pixelversion;
Fig. 6 zeigt die Balkenablenkung in Abhängigkeit von der Steuerspannung für die vereinfachte Pixelversion;
Fig. 7 ist eine schematische Schnittansicht der ersten bevorzugten Ausführung;
Fig. 8 zeigt die Drehmomente am Balken in der ersten bevorzugten Ausführung;
Fig. 9 zeigt die Definition von Ausdrücken bei der Analyse der ersten bevorzugten Ausführung;
Fig. 10 bis 13 zeigen die Drehmomente am Balken für verschiedene Betriebsarten der ersten bevorzugten Ausführung;
Fig. 14 zeigt die Funktionen der potentiellen Energie, die bei den verschiedenen Betriebsarten der ersten bevorzugten Ausführung beteiligt ist;
Fig. 15 zeigt die Differenzvorspannung an der ersten bevorzugten Ausführung;
Fig. 16 zeigt die Drehmomente für angelegte Differenzvorspannungen in der ersten bevorzugten Ausführung;
Fig. 17 ein Zeitdiagramm für einen bistabilen Betrieb der ersten bevorzugten Ausführung;
Fig. 18 bis 23 zeigt die Drehmomente und die Ablenkung für eine Analyse des Betriebs der ersten bevorzugten Ausführung;
Fig. 24 bis 26 veranschaulichen die Rauschgrenzanalyse für die erste bevorzugte Ausführung;
Fig. 27 ist eine schematische Schnittansicht von Ausgleichselektroden, die zur ersten Ausführung hinzugefügt sind;
Fig. 28 zeigt die Rauschgrenzwechselwirkung;
Fig. 29 ist ein Zeitdiagramm für eine erste Methode zum Rücksetzen der ersten bevorzugten Ausführung;
Fig. 30A bis 30B sind ein Zeitdiagramm bzw. eine Schnittansicht einer zweiten Methode zum Rücksetzen der ersten bevorzugten Ausführung;
Fig. 31 ist eine Draufsicht auf eine lineare Gruppe in einer zweiten bevorzugten Ausführung;
Fig. 32A bis 32B veranschaulicht in schematischer Weise die Anwendung der zweiten bevorzugten Ausführung zum elektrophotographischen Drucken, wobei Fig 30C bis 30 E die Erfindung besonders gut veranschaulichen;
Fig. 33 zeigt die Adressierung eines Pixels einer zweiten bevorzugten Ausführung in einem Querschnitt längs eine Steuerelektrode;
Fig. 34 zeigt die Adressierung des Pixels der zweiten bevorzugten Ausführung in der Draufsicht;
Fig. 35A bis 35E zeigen in einer Schnittansicht die Schritte der ersten bevorzugten Ausführung des Verfährens zur Herstellung;
Fig. 36A bis 36C und 37A bis 37C zeigen weiterhin den letzten Schritt der ersten bevorzugten Ausführung des Herstellungsverfahrens;
Fig. 38 zeigt in einer Draufsicht eine dritte bevorzugte Ausführung;
Fig. 39A bis 39D zeigen alternative Balkengeometrien und Anordnungen in der Draufsicht;
Fig. 40A bis 40E zeigen in einer Schnittansicht die Schritte der zweiten bevorzugten Ausführung des Herstellungsverfahrens; Fig. 41A bis 41C zeigen in einer Draufsicht die Schritte der zweiten bevorzugten Ausführung des Herstellungsverfahrens;
Fig. 42A bis 42B sind eine Draufsicht bzw. eine schematische Ansicht einer Anordnung von Pixeln in einer vierten bevorzugten Ausführung;
Fig. 43A bis 43D und 44A bis 44C sind Draufsichten auf Niveaus von Pixeln der vierten bevorzugten Ausführung bzw. von Ansichten dieser Pixel im Schnitt.

BESCHREIBUNG DER BEVORZUGTEN AUSFÜHRUNGSFORMEN

Die bevorzugte Ausführungsform spatialer Lichtmodulatoren (SLM) mit ablenkbarem Balken sind typischerweise aus linearen oder flächenartigen Pixelmatrizen gebildet, wobei jedes Pixel einzeln adressierbar ist und wenigstens einen ablenkbaren reflektierenden Balken aufweist; die Pixel sind in Form monolithischer Chips auf Siliciumbasis organisiert. Die Chips werden hergestellt durch Verarbeiten von Siliciumscheiben, Zersägen der Scheiben in Chips, worauf weitere Verarbeitungsvorgänge der einzelnen Chips folgen. Abhängig von der Anwendung haben die Chips unterschiedliche Größen; beispielsweise kann eine lineare 2400 x 1-Pixelmatrix (die ein Bauteil eines Druckers mit 300 Punkten pro inch sein kann) auf einem Chip von etwa 1300 x 250 mils mit Pixeln von etwa 12 Mikrons (0,5 mil) im Quadrat hergestellt werden. Die SLMs arbeiten dadurch, daß Licht von den Pixeln reflektiert wird, und das reflektierte Licht wird durch Verändern der Ablenkung der ablenkbaren Balken moduliert. Solche SLMs werden folglich als Vorrichtungen mit verformbaren Spiegeln (DMDs) bezeichnet, und die ablerikbaren Balken werden ebenfalls Spiegelelemente genannt. Die folgenden Beschreibungen betreffen hauptsächlich die einzelnen Pixel für eine DMD, und aus Gründen der Klarheit der Erläuterung sind alle Zeichnungen nur schematisch ausgeführt.
Eine erste bevorzugte Ausführung eines Pixels einer DMD, die mittels eines Verfahrens nach einer ersten bevorzugten Ausführung hergestellt ist, ist in Fig. 1A in einer perspektivischen Ansicht, in Fig. 1B im Schnitt und in Fig. 1C in einer Draufsicht dargestellt. Das Pixel, das allgemein mit 20 bezeichnet ist, ist im Prinzip ein Balken (eine Klappe), die eine flache Vertiefung bedeckt, und sie enthält ein Siliciumsubstrat 22, einen isolierenden Abstandshalter 24, eine Gelenkschicht 26 aus Metall, eine Balkenschicht 28 aus Metall, einen in den Schichten 26-28 gebildeten Balken 30 und durch Plasmaätzen erzeugte Zugangslöcher 32 im Balken 30. Die Abschnitte 34, 36 der Gelenkschicht 26, die nicht durch die Balkenschicht 28 bedeckt sind, bilden Torsionsgelenke (Torsionsstangen), die den Balken 30 an dem vom Abstandshalter 24 getragenen Abschnitt der Schichten 26-28 befestigen. Zwischen dem Abstandshalter 24 und den Substrat verlaufen Elektroden 40, 42, 46 und 41, die vom Substrat 22 durch eine Siliciumdioxidschicht 44 isoliert sind. Fig. 1B ist ein Schnitt längs der Linie B-B, die in den Figuren 1A und 1C angegeben ist.
Typische Abmessungen für das Pixel 20 sind wie folgt: der Balken 30 ist ein Quadrat mit den Seitenlängen 12,5 Mikron, der Abstandshalter 24 hat eine Dicke von 4,0 Mikron (vertikal in Fig. 1B), die Gelenkschicht 26 hat eine Dicke von 800 Å, die Balkenschicht 28 hat eine Dicke von 3600 Å, die Gelenke 34 und 36 haben jeweils eine Länge von 4,6 Mikron und eine Breite von 1,8 Mikron, die durch Plasmaätzen erzeugten Zugangslöcher 36 sind 2,0 Mikron im Quarat, und der durch Plasmaätzen erzeugte Zugangsspalt 38 (der Abstand zwischen den Balken 30 und dem Rest der Balkenschicht 28) hat eine Breite von 2,0 Mikron
Eine weitere Gruppe typischer Abmessungen für das Pixel 20, die einen maximalen Balkenablerwwinkel von etwa 10º ergibt, wäre wie folgt: der Balken 30 ist ein Quadrat mit der Seitenlange von 19 Mikron, der Abstandshalter 24 hat eine Dicke von 2,3 Mikron (vertikal in Fig. 1B), die Gelenkschicht 26 hat eine Dicke von 750 Å, die Balkenschicht 28 hat eine Dicke von 3000 Å, die Torsionsgelenke 24 und 36 haben jeweils eine Länge von 4,6 Mikron und eine Breite von 1,0 Mikron, die durch Plasmaätzen erzeugten Zugangslöcher 32 betragen, 1,5 Mikron im Quadrat, und der durch Plasmaätzen erzeugte Zugangsspalt 38 (der Abstand zwischen dem Balken 30 und dem Rest der Balkenschicht 28) hat eine Breite von 1,0 Mikron.
Das Substrat 22 ist ein (100)-Silicium mit einem spezifischen Widerstand von etwa 10 Ohm cm, und auf seiner Oberfläche ist typischerweise eine Adressierungsschaltung mit peripheren Vorrichtungen zusätzlich zu Elektroden 40, 41,42 und 46 gebildet. Der Abstandshalter 24 ist ein Positiv-Photoresist, bei dem es sich um einen Isolator handelt; die Gelenkschicht 26 und die Balkenschicht 28 bestehen beide aus einer Aluminium-Titan- und Siliciumlegierung (Ti:Si:Al) mit 0,2 % Ti und 1 % Si. Diese Legierung hat einen Wärmeausdehnungskoeffizienten, der nicht stark verschieden von dem des Abstandshalters 24 ist, so daß die Spannungsbeanspruchung zwischen den Metallschichten und dem Abstandshalter 24, die während des anschließend beschriebenen Herstellungsprozesses entstehen, minimiert werden; die Spannungsbean-. spruchung wird auch deshalb minimiert, weil die zwei Schichten 26 und 28 aus dem gleichen Metall bestehen. Es sei bemerkt, daß eine Spannungsbeanspruchung zwischen den Schichten im Balken oder im Gelenk ein Verwerfen oder Rollen des Balkens oder des Gelenks zur Folge hätte, und daß eine Spannungsbeanspruchung zwischen dem Metall und dem Abstandshalter ein Einknicken oder Verwerfen des freien Endbereichs des Metalls über der Vertiefung verursachen kann.
Der Aufbau der Figuren 1A bis 1C erfüllt gleichzeitig zwei Kriterien: (1) es ist möglich das Balkenmetall so dick und das Gelenkmetall so dünn wie gewünscht zu machen, ohne daß die Probleme der Stufenüberdeckung des Gelenkmetalls über dem Balkenmetall auftreten, und (2) die Fläche des Abstandshalters unter dem Balkenmetall ist keinen Prozeßnebeneffekten ausgesetzt, die auftreten würden, wenn das Gelenk als rechtwinkliges Stück auf dem Abstandshalter vor der Ablagerung des Balkenmetalls gebildet würde.
Das Pixel wird dadurch betätigt, daß zwischen die Metalischichten 26 bis 28 und die Elektroden 42 oder 46 auf dem Substrat 22 eine Spannung angelegt wird: der Balken 30 und die Elektroden bilden die zweit Beläge eines Luftspaltkondensators, und die durch die angelegte Spannung auf den zwei Belägen induzierten entgegengesetzten Ladungen üben eine elektrostatische Kraft aus, die den Balken 30 gegen das Substrat 22 zieht, während die Elektroden 40 und 41 auf dem gleichen Potential wie der Balken 30 gehalten werden. Diese Anziehungskraft hat zur Folge, daß sich der Balken 30 an den Gelenken 34 und 36 verdreht und gegen das Substrat 22 abgelenkt wird; eine schematische Ansicht dieser Ablenkung ist zusammen mit einer Angabe der an den Bereichen des kleinsten Abstandes konzentrierten Ladungen bei einer an die Elektrode 42 angelegten positiven Spannung in Fig. 2 zu erkennen. Für Spannungen im Bereich von 20 bis 30 V liegt diese Ablenkung im Bereich von 2º. Wenn das Gelenk 34 länger, dünner oder schmaler gemacht würde, würde die Ablenkung zunehmen, da sich die Nachgiebigkeit des Gelenks 34 linear umgekehrt mit seiner Breite und direkt mit dem Quadrat seiner Länge und umgekehrt mit der dritten Potenz seiner Dicke ändert. Es sei bemerkt, daß die Dicke des Balkens 30 ein merkliches Verwerfen des Balkens aufgrund von Oberflächenspannungen verhindert, die während der Verarbeitung erzeugt werden, während die dünne Ausgestaltung des Gelenks 34 eine große Nachgiebigkeit zuläßt. Fig. 2 zeigt auch die Reflexion von Licht am abgelenkten Balken 30, wie sie während des Betriebs eines DMI) auftreten kann.
Die Ablenkung des Balkens 30 ist eine stark nichtlineare Funktion der angelegten Spannung, da die durch das Verdrehen des Gelenks 34 erzeugte Rückstellkraft angenähert linear von der Ablenkung abhängt, während die elektrostatische Anziehungskraft abhängig vom Reziprokwert des Abstandes zwischen der am nächsten liegenden Ecke des Balkens 30 und dem Substrat 22 zunimmt (es sei daran erinnert, daß die Kapazität mit abnehmenden Abstand zunimmt, sodaß die induzierten Ladungen in ihrer Menge zunehmen und auch näher beieinander liegen). Fig. 3A zeigt ungefähr die Abhängigkeit der Ablenkung von der Spannung für ein Pixel 120, das eine vereinfachte Ausgabe des Pixels 20 ist, wobei Elektroden 42 und 40 als Adressierungselektrode 142 zusammengefaßt sind (wobei die Elektroden 41 und 46 als Adressierungselektroden 146 zusammengefaßt sind). Bezüglich einer Draufsicht sei Fig 38 betrachtet, wobei die Elemente des Pixels 120 jeweils mit einer Zahl angegeben sind, die um 100 höher als bei den entsprechenden Elementen des Pixels 20 ist. Die Spannung, bei der der Torsionsbalken 130 des Pixels 120 unstabil wird und sich so weit verbiegt, daß er das Substrat 122 berührt, wird die Zusammenbruchspannung bezeichnet. Für Spannungen, die geringfügig niedriger als die Zusammenbruchspannung sind, ist die Ablenkung angenahert eine lineare Funktion der Spannung (siehe die gestrichelte Linie in Fig. 3A), wobei dies der analoge Arbeitsbereich ist. Es sei bemerkt, daß die Spannungen (40 bis 50 V) für einen analogen Betrieb viel höher als die für integrierte Schaltungen üblichen sind.
Vor der Untersuchung des Betriebs des Pixels 20 wird eine qualitative Analyse des vereinfachten Pixels 120 dargelegt. Fig. 4 zeigt eine schematische Schnittansicht (analog zu den Figuren1B und 2) des Pixels 120, in der die Definitionen der beteiligten Variablen angegeben sind, Fig. 3B ist eine Draufsicht auf zwei nebeneinander liegende Pixel 120.
Wie in Fig. 4 angegeben ist, liegen die Adressierungselektroden 146 und der Torsionsbalken 130 an Masse, und an die Adressierungselektrode 142 ist eine Spannung Φa angelegt, die den Torsionsbalken 130 veranlaßt, sich um einen Winkel θ zu drehen. Die Drehung des Torsionsbalkens kann nur durch den Abstand zT ausgedrückt werden, um den die Spitze 131 des Tor sionsbalkens 130 abgelenkt wird, oder auch als Abstand α, der auf den Abstand zo zwischen der Spitze 131 des unabgelenkten Torsionsbalkens und der Adressierungselektrode 142 normiert ist, d. h.
α = zT/z&sub0;
Für kleine Drehwinkel und wenn θ in Radien ausgedrückt wird, stehen θ und α durch
miteinander in Beziehung, wobei L die Seitenlänge des quadratischen Torsionsbalkens 130 ist, der an den gegenüberliegenden Ecken 135 und 137 torsionsbeweglich gelenkig gelagert ist.
Das durch Anlegen der Spannung φa an die Adressierungselektrode 142 auf den Torsionsbalken 130 um die durch die Ecken 135 und 137 verlaufende Achse ausgeübte Drehmoment wird wie folgt berechnet. Zunächst wird eine kleine (infinitesimale) Fläche des Torsionsbalkens 130 betrachtet, die in einem Abstand x von der Drehachse liegt und die Breite dx hat (siehe die Draufsicht in Fig. 4). Die elektrostatische Energie in den kleinen vertikalen Volumen zwischen der kleinen Fläche auf dem Torsionsbalken 130 und der Adressierungselektrode 142 ist (unter der Annahlne eines gleichmäßigen elektrischen Feldes unter Vernachlässigung von Streufeldern) angenähert gleich
dU = ½ (z&sub0;-z)2(L/ [2-x])dx
wobei das elektrische Feld und die elektrische Verschiebung in dem kleinen vertikalen Volumen sind. Es sei bemerkt, daß z&sub0;-z die Höhe des kleinen vertikalen Volumens ist und das 2(L/ [2-x]) die Länge der kleinen Fläche auf dem Torsionsbalken 130 ist Die elektrostatischen Größen und stehen natürlich über die Dielektrizitätskonstante des Mediums miteinander in Verbindung: = &epsi;&sub0; ; die Größe des elektrischen Feldes entspricht genau der Spannungsdifferenz dividiert durch den Abstand:
Die kleine Kraft in der vertikalen Richtung (z) auf die kleine Fläche durch das elektrische Feld ist gleich der partiellen Ableitung von dU in der Richtung z:
so daß gilt
und daß von der kleinen Kraft auf den Torsionsbalken 130 ausgeübte kleine Drehmoment entspricht xdFz, weil die Kraft einen Hebelarm hat, der gleich x ist. Das durch die an die Adressierungselektrode 142 angelegte Spannung Φa auf den Torsionsbalken 130 ausgeübte gesamte Anziehungsmoment τa ist somit gegeben durch
wobei die Näherung θ = tan(θ) für kleine Winkel angewendet wurde, um z = xθ zu setzen.
Die Auswertung des Integrals ergibt:
wobei θ mittels α, der normierten Ablenkung, ausgedrückt worden ist. Fig. 5 zeigt die Abhängigkeit von τa von α für drei verschiedene Adressierungsspannungen (V&sub1;< V&sub2;< V&sub3;). Das durch das Verdrehen der Torsionsgelenke erzeugte Rückstellmoment ist gegeben durch
wobei C die Nachgiebigkeit des Torsionsgelenks ist. Die Größe des Rückstellmoments ist in Fig. 5 durch die gestrichelte Linie angegeben.
Durch Analysieren von Punkten, an denen das resultierende Drehmoment Null ist, können Punkte eines stabilen Gleichgewichts für den Torsionsbalken 130 gefünden werden. In Fig. 5 liegt ein resultierendes Drehmoment mit dem Wert Null für Φa = V&sub1; an den mit "P" und "Q" bezeichneten Punkten vor. Der Punkt "P" (für α = α1) repräsentiert ein stabiles Gleichgewicht, da für kleine Auslenkungen von α in jeder Richtung das resultierende Drehmoment α wieder in Richtung zu α1 zurückstellt. Im Gegensatz dazu bewirkt beim Punkt "Q" das resultierende Drehmoment für kleine Auslenkungen von α weg von α2 eine Vergrößerung der Auslenkung, entweder zurück zu α1 oder zum Zusammenbrechen, bei dem die Spitze 131 auf der Elektrode 142 aufsetzt (α = 1). Ein gleiches Verhalten ergibt sich für jeden Wert von Φa zwischen 0 und V&sub2;.
Für Φa = V&sub2; fallen die Punkte "P" und "Q" zu einem einzigen Punkt "R" an der Tangente der τa- und τr-Kurven zusammen. Der Punkt "R" (mit α = αc) repräsentiert ein quasistabiles Gleichgewicht: Für Auslenkungen von α unter αc stellt das resultierende Drehmoment α in Richtung auf αc zurück, jedoch führt das resultierende Drehmoment für Au4enkungen α über αc zum Zusammenbrechen der Spitze 131 auf die Adressierungselektrode 142 (α = 1). Für Φa > V&sub2;, beispielsweise V&sub3; gemäß Fig. 5 , gibt es keine Punkte, in denen das resultierende Drehmoment Null ist. V&sub2; ist somit die Zusammenbruchspannung, die mit Vc bezeichnet ist. In Fig. 6 ist der obige Sachverhalt zusammengefaßt: Eine Vergrößerung von Φa von Null auf Vc führt zu einem vergrößerten stabilen Auslenkungsgleichgewicht α1, und bei Φa = Vc hat das stabile Gleichgewicht αc erreicht, wo es verschwindet. Wenn die Zusammenbruchablenkung (α = 1) eingeschlossen ist ,kann das Pixel 120 so betrachtet werden, als habe es zwei stabile Gleichgewichtszustände für Φa < Vc, mit einem analogen Gleichgewicht (Ablenkung abhängig von Φa) und einem digitalen (α = 1) unabhängig von Φa. Für Φa ≥ Vc verschwindet das analoge Gleichgewicht, und das Pixel 120 verhält sich nur digital.
Es sei bemerkt ,daß beim Zusammenbrechen die Torsionsbalkenspitze 131 die Adressierungselektrode 142 berührt und ein großer Strom durch die Spitze131 zur Elektrode 142 fließt so daß die Spitze 131 mit der Elektrode 142 verschweißt wird. Das Zusammenbrechen ist daher eine zerstörende Erscheinung für diese spezielle Architektur. Für sehr dünne Torsionsgelenke wirken die Gelenke wie durchschmelzbare Verbindungen, die durchbrennen, wenn der Torsionsbalken zusammenbricht.
Das Pixel 20 überwindet die Probleme des Pixels 120 beim Betrieb mit hoher Spannung und des zerstörenden Zusammenbrechens des Torsionsbalkens auf die darunterliegenden Elektroden. Das Pixel 20 hat zusätzlich Aufsetzelektroden 40 und 41, die elektrisch mit dem Torsionsbalken 30 verbunden sind, sowie die Verbindung der Adressierungselektrode 42 mit der Adressierungselektrode 46, jedoch mit logischer Umkehrung des Adressensignals Φa. Siehe die schematische Darstellung von Fig 7. Der Betrieb des Pixels 20 wird in den nachfolgenden Absätzen beschrieben.
Für eine feste Adressierungssignalspannung Φ sei zunächst das Drehmoment τ&sbplus; betrachtet, das zwischen dem Balken 30 und der Adressierungselektrode 46 abhängig von der normierten Ablenkung α des Balkens 30 erzeugt wird. Anfänglich wird angenommen, daß der Balken 30 und die Aufsetzelektroden 40 und 41 an Masse liegen (VB=0) und daß die Spannung Φ auch an die Adressierungselektrode 42 angelegt ist. Ahders als das Drehmoment beim vereinfachten Pixel 120 hat das Drehmoment τ&sbplus; nicht die Neigung, gegen unendlich zu gehen, wenn α gegen 1 geht, da die Spitze 31 des Balkens auf die Aufsetzelektrode 41 aufschlägt und den Balkeri 30 von der Adressierungselektrode 46 getrennt hält. Im Gegensatz zur zerstörenden Natur der Spitze 131 im Pixel 120 beim Auftreffen auf die Elektrode 142 führt das Aufschlagen der Spitze 31 auf die Aufsetzelektrode 41 nicht zu einem großen Stromlmpuls und zum Verschweißen der Spitze 31 mit der Aufsetzelektrode 41, weil der Balken 30 und die Aufsetzelektrode 41 elektrisch miteinander verbunden sind. Wenn der Balken 30 in der entgegengesetzten Richtung in Richtung zur Aufsetzelektrode 40 abgelenkt wird, geht α ferner gegen -1 und τ&sbplus; nimmt ab, da der Abstand zwischen den Balken 30 und der Adressierungselektrode 46 größer wird; siehe Fig. 7.
Es ist ohne weiteres zu erkennen, daß das durch die Adressierungselektrode 42 am Balken 30 erzeugte Drehmoment τ&submin; durch Symmetrie mit τ&submin; in Beziehung steht: τ&submin; (α) = -τ&sbplus; (-α). Für eine an beide Adressierungselektroden 42 und 46 angelegte feste Spannung Φ und eine nor mierte Ablenkung von α ist das resultierende Anzugsmoment τa gleich der Summe τ&sbplus; + τ&submin;, wobei ein positives Drehmoment an die Anziehung zur Elektrode 46 und ein negatives Drehmoment eine Anziehung zur Elektrode 42 hervorruft. Das resultierende Anzugsmoment hängt gemäß Fig. 8 von α ab; die Kurven für τ&sbplus; (α) und τ&submin;(α) werden in einer analogen Weise zur Ableitung von τa im Zusammenhang mit der Erörterung des Pixels 120 abgeleitet. Fig. 9 zeigt die benutzten Variablen; dies sind die gleichen Variablen wie in Fig 4 mit Hinzufügung von L' zum Messen der Erstreckung der Adressierungselektroden 42 und 46 unter den Torsionsbalken 30. Es ist zweckmäßig, L' als normierten Abstand β auszudrücken, der gegeben ist durch
Für das Pixel 120 wäre L' gleich L/ 2, und β wäre gleich 1. Mit dieser Definition und einer Anderung der Integrationsväriablen ist die Berechnung von τ&sbplus; wie folgt:
Dies wird unmittelbar durch Partialbrüche integriert, so daß sich ergibt:
wobei g (α, β) eine dimensionslose Funktion ist, die durch die Gleichung definiert wird. Mit β = 1/2 ergeben sich die Kurven von Fig. 8.
Zum Untersuchen der Arbeitsweise des Pixels 20 wird zunächst die Wirkung der Erhöhung der positiven Vorspannungsdifferenz VB betrachtet, die an den Balken 30 und die Aufsetzelektroden 40 und 41 angelegt wird, während die beiden Adressierungselektroden 42 und 46 auf Massepotential gehalten sind. (Dies erzeugt natürlich das gleiche Drehmoment wie das Anlegen VB an beide Adressierungselektroden und das Anlegen von Masse an den Balken 30 sowie an beide Aufsetzelektroden; auch negative Werte der Spannung VB ergeben symmetrische Resultate, jedoch werden zur Vereinfachung der Notation nur positive Werte für VB betrachtet.) Wie bei der Analyse des Pixels 120 werden durch Berechnen von Punkten mit einem resultierenden Drehmoment mit dem Wert Null (Anzugsmoment τa + Rückstellmoment τr) Gleichgewichtspunkte bestimmt. Der Wert für τr ist der gleiche wie für das Pixel 120, weil τr nur von der Ablenkung des Torsionsbalkens und der Nachgiebigkeit des Torsionsgelenks abhängt; das Anzugsmoment τa für das Pixel 20 ist jedoch begrenzt, symmetrisch und verläuft durch Null bei α = 0 (siehe Fig. 8), was im Gegensatz zum unbegrenzten Moment bei α = 1 und dem positiven Drehmoment bei α = 0 für das Pixel 120 steht (siehe Fig. 5). Dies führt zu einem qualitativen Unterschied zum zuvor erörterten Betrieb des Pixels 120, was nachfolgend ausgeführt wird.
Fig. 10 zeigt τa und τr für das Pixel 20 mit einer kleinen Spannung VB und mit an Masse liegenden Adressierungselektroden 42 und 46. Das resultierende Drehmoment verschwindet bei α = 0, und der Balken 30 bleibt unabgelenkt. Es ist zu erkennen, daß das resultierende Drehmoment den Balken 30 für jeden von Null abweichenden Wert von α (einschließlich α = ± 1, wobei der Balken 30 auf eine der Aufsetzelektroden 40 oder 42 aufgetroffen ist) in den nicht abgelenkten Zustand (α = 0) zurückgestellt wird, und daß dies der einzige stabile Gleichgewichtszustand ist. Dies ist somit eine monostabile Betriebsart
Wenn die Differenzvorspannung von VB = V&sub1; (Fig. 10) auf VB = V&sub2; (Fig. 11) erhöht wird, erscheinen zwei zusätzliche Punkte, an denen das resultierende Drehmoment Null ist: α = 0 und die Punkte "P" und "-P" nahe bei α = ± 1. Auch hier ist α = 0 wieder ein stabiles Gleichgewicht, jedoch sind die Punkte "P" und "-P" instabil, analog zum Punkt "Q" in Fig. 5 für das Pixel 120; kleine Auslenkungen um "P" und "-P" zu kleineren Werten α ergeben ein resultierendes Drehmoment zur Rückstellung des Balkens 30 in den nicht abgelenkten Zustand α = 0, und kleine Auslenkungen um "P" oder "-P" zu großen Werten α ergeben ein resultierendes Drehmoment, das den Balken 30 auf eine der Aufsetzelektroden 40 oder 41 aufschlagen läßt (α = ± 1). Mit dieser Differenzvorspannung hat der Balken 30 somit drei stabile Gleichgewichtszustände: α = 0, ± 1. Dies ist daher eine Betriebsart mit drei stabilen Zuständen.
Eine weitere Erhöhung der Differenzvorspannung VB = V&sub2; auf VB = V&sub0; (siehe Fig. 12 hat zur Folge, daß die τa- und τr-Kurven Tangenten bei α = 0 werden und daß α = 0 als stabiler Gleichgewichtszustand verschwindet. Jede kleine Auslenkung von α um 0 ergibt τa > tr , un der Balken 30 schlägt auf eine der Aufsetzelektroden (α = ± 1) auf. Bei einer Differenzvorspannung VB, die größer als Vo ist, hat das Pixel 20 weiterhin zwei stabile Punkte: α = ± 1; dies ist somit eine bistabile Betriebsart. Siehe Fig. 13.
Zusammenfassend gilt, daß das Pixel 20 mit beiden Adressierungselektroden auf dem gleichen Potential für eine kleine Differenzvorspannung monostabil ist (α = 0), für eine erhöhte Differenzvorspannung drei stabile Zustände aufweist (α = 0, ± 1) und für alle Differenzvorspannungen, die größer oder gleich V&sub0; sind, ein bistabiles Verhalten annimmt (α = ± 1). Diese Verhaltensentwicklung mit Größerwerden der Differenivorspannung kann graphisch dargestellt werden, indem die potentielle Energie des Torsionsbalkens 30 abhängig von der Balkenablenkung für verschiedene Werte der Differenzvorspannung VB aufgezeichnet wird; Fig. 14. Für niedrige Werte der Differenzvorspannung (VB = 0 in Fig. 14) nimmt das Potential in beiden Rich tungen von α = 0 aus zu, und der Balken 30 verhält sich monostabil mit der Auslenkung 0 am einzigen stabilen Punkt. Wenn VB auf V&sub1; zunimmt, wird die Steigung der Kurve der potentiel len Energie bei α = ± 1 zu 0, und das resultierende Drehmoment ist an diesen Punkten 0. Für VB > V&sub1; ist die potentielle Energie bei α = ± 1 abgesenkt, und zwischen α = 0 und α = ± 1 entstehen Barrieren; der Balken 30 hat nun drei stabile Zustände. Eine weitere Zunahme von VB auf Vo führt zu einer Vereinigung und zum Verschwinden der Barrieren bei α = 0, und der Balken 30 wird für VB ≥ Vo bistabil.
Die minimale Differenzvorspannung Vo, die erforderlich ist, um das Pixel 20 bistabil zu machen, wird wie folgt abgeleitet. Wenn an den Balken 30 die Spannung VB angelegt wird und die Aufsetzelektro den 40 und 41 sowie die Adressierungselektroden 42 und 46 an Masse gelegt werden, ergibt sich das durch die Adressierungselektroden am Balken 30 erzeugte resultierende Drehmoment aus;
wobei Δg(α, β) g (α, β) - g (-α, β), g (α, β) die zuvor im Zusammenhang mit der Analyse des Pixels 120 definierte dimensionslose Funktion ist und τ&sub0; die Dimensionsgröße ((&epsi;oV²BL³)/z²o )/2 ist. Fig. 18 zeigt diese Funktion. Wenn Vo der Wert VB ist, der τa und τr zur Tangenten bei α = 0 macht, gilt:
unter Verwendung der oben angegebenen Definitionen läßt sich diese wie folgt ausdrücken:
Wenn die Nachgiebigkeit C des Torsionsgelenks bekannt ist, kann die obige Gleichung für Vo gelöst werden, also für die Differenzvorspannung, die das Pixel 20 bistabil macht. Wenn C unbekannt ist, dann läßt sich Vo als Prozentsatz der Zusammenbruchspannung Vc für einen Betrieb des Pixels im Analogmodus ausdrücken und experimentell bestimmen.
Um ein bistabiles Pixel 20 adressierbar zu machen, muß eine bevorzugte Drehrichtung eingestellt werden. Wenn beide Adressierungselektroden 42 und 46 an Masse liegen, veranlassen kleine Störungen um α = 0 den Balken 30, sich zufällig zu drehen und auf eine der Aufsetzelektroden aufrutreffen, wenn die Differenzvorspannung (VB > Vo) an den Balken 30 und die Aufsetzelektroden 40 und 41 angelegt wird. Wenn jedoch vor dem Anlegen der Differenzvorspannung die Adressierungselektrode 46 auf ein Potential Φ&sbplus; = γVB gestellt wird, wobei γ ei ne positive Zahl sehr viel kleiner als 1 ist, dann erzeugt das Anlegen der Differenzvorspannung VB an den Balken 30 und die Aufsetzelektroden 40 und 41 (siehe Fig. 15) ein resultierendes Drehmoment, das den Balken 30 gegen die Aufsetzelektrode 41 dreht. Dies ist in Fig. 16 durch die Kurve τa dargestellt. Der Torsionsbalken ist also durch Φ&sbplus; mit dem entgegengesetzten Vorzeichen von VB in den stabilen Zustand α = +1 "getriggert" worden. Es ist zu erkennen, daß die entgegengesetzten Vorzeichen von Φ&sbplus; und VB bewirken, daß die Anziehung zur Adressierungselektrode 46 größer als die Anziehung zur Adressierungselektrode 42 ist, sobald die Differenzvorspannung angelegt wird, auch wenn der Balken 30 noch unabgelenkt ist; die kleine Größe von γ bedeutet, daß sich der Balken 30 vor dem Anlegen von VB nur um ein kleines Stück drehen muß, um einen stabilen Gleichgewichtspunkt analog zum Punkt "P" in Fig. 5 zu erreichen. Im symmetrischen Fall dreht das Anlegen des Triggerpotentials Φ&submin; an die Adressierungselektrode 42 den Balken 30 zur Aufsetzelektrode 40 beim Anlegen der Differenzvorspannung. Wenn das Triggerpotential Φ± das gleiche Vorzeichen wie VB hat, dann ist dies etwa dem Anlegen eines Triggerpotentials mit dem entgegengesetzten Vorzeichen an die andere Adressierungselektrode nach dem Anlegen der Differenzvorspannung aquivalent.
So lange VB aufrechterhalten wird, verbleibt der sich in einem stabilen Zustand (α = ±1) befindliche Balken 30 in diesem stabilen Zustand, auch wenn das Triggerpotential Φ± = -γVB nicht mehr anliegt und die Adressierungselektroden auf Masse zurückkehren. Um den Balken 30 von einem stabilen Zustand in den anderen stabilen Zustand zu triggern, muß die Differenzvorspannung kurzzeitig abgeschaltet werden. Wenn die Differenzvorspannung wieder eingeschaltet wird, werden die Potentiale der zwei Adressierungselektroden "abgetastet", und der Balken 30 wird in den entsprechenden stabilen Zustand getriggert. Fig. 17 ist ein Zeitdiagramm für den Balken 30, der mit einer negativen Spannung VB abwechselnd zwischen α = 1 und a = 1 und α = -1 umgeschaltet wird.
Die Größe von γ ist das Verhältnis der Adressierungsspannung zur Differenzvorspannung; je kleiner γ gemacht werden kann, desto niedriger ist die Betriebsspannung des Pixels 20. Eine Analyse von γ beginnt mit der Betrachtung des Anzugsmoments, das durch die Elektrode 46 mit dem Potential Φ&sbplus; = γ VB erzeugt wird, wenn die Differenzvorspannung - VB an den Balken 30 angelegt wird und die Aufsetzelektroden 40 und 41 sowie die Elektrode 42 an Masse gelegt werden. (Eine positive Adressierungsspannung und eine negative Differenzvorspannung werden angenommen.) Da die Potentialdifferenz Φ&sbplus; = γ VB ist, gilt;
Das durch die an Masse liegende Elektrode 42 erzeugte Anzugsmoment ist das gleiche wie das oben abgeleitete:
τ&submin; = - τog(-α ,β)
Das resultierende Anzugsmoment beträgt somit:
τα = τ&sub0; [( 1+γ )² g(α,β)-g(-α,β)]
Fig. 19 zeigt τa für γ = 0 und γ = 0,1 und läßt erkennen, daß das Pixel 20 für γ = 0 bistabil ist und keine bevorzugte Drehrichtung bei α = 0 hat. Im Gegensatz dazu ist das resultierende Drehmoment für γ = 0,1 an dem mit "P" bezeichneten Punkt Null, und für α > - αp dreht sich der Balken 30 gegen die Aufsetzelektrode 41, und für α < - αp dreht sich der Balken 30 gegen die Aufsetzelektrode 40. Durch die Anwendung der Differenzvorspannung ist γ auch auf den Drehmomentgewinn bei α = 0 bezogen; dieser Gewinn ist als das Verhältnis des resultiereriden Anzugsmoments bei α = 0 bei einer angelegten Adressierungsspannung von Φ&sbplus; = -γVB zuzüglich einer angelegten Differenzvorspannung VB zum resultierenden Anzugsmoment bei α = 0 mit einer angelegten Adressierungsspannung von Φ&sbplus; = -γVB ohne angelegte Differerenzvorspannung definiert. Somit gilt:
Wenn beispielsweise gilt: VB = -50 V und γ = 0,1 (mit der Adressierungsspannung Φ&sbplus; = + 5 V), dann gilt: G = 21. Dies bedeutet, daß das Drehmoment bei α = 0 21mal größer ist, wenn die Adressierungsspannung von 5 V mit einer Differenzvorspannung 50 V kombiniert wird, als dann, wenn die Adressierungsspannung von 5 V allein verwendet wird Dieses Konzept des Drehmomentgewinns trägt dazu bei, die Eigenschaft der Differenzvorspannung zu veranschaulichen, einen Gewinn an Drehmoment bei einer kleineren Adressierungsspannung zu erzielen, ohne auch dann ein resultierendes Drehmoment zu erzeugen, wenn sie allein wirkt.
Ein Merkmal der Verwendung der Adressierungselektroden mit β < 1 im Pixel 20 ist das weiche Aufsetzen, das der Balken 30 durchführt, wenn er auf die Aufsetzelektrode 40 oder 41 aufschlägt, im Vergleich zu dem Aufsetzen, das der Balken 130 des Pixels 120 durchführt, wenn er unter ähnlichen Betriebsbedingungen auf die Elektrode 142 oder 146 aufschlägt. Es sei zunächst das Pixel 120 betrachtet. Fig. 20 veranschaulicht die Anzugs und Rückstellmomente für das Pixel 120 bei an die Adressierungselektrode 146 angelegter Zusammenbruchspannung. je doch mit einer in der Breite auf das β-fache der halben Breite des Balkens 130 verkleinerten Elektrode 146 (dies ist der gleiche β-Wert wie im Pixel 20, und er wird benötigt, um die unbegrenzte Art des Anzugsmoments zu vermeiden, wenn der Balken 130 auf die Elektrode 146 aufschlägt). Das Aufsetzmoment entspricht der Differenz zwischen den Anzugs- und Rück steilmomenten bei der Aufsetzablenkung (α = 1); das auf das Rückstellmoment normierte Aufsetzmoment entspricht dieser Differenz geteilt durch das Rückstellmoment bei der Auf setzablenkung:
wobei die Geometrie von Fig. 20 verwendet wurde, um einzusetzen: τr (1, β)=τ&sub0;g(αc,β)/αc. Wenn β so gewählt werden kann, daß die Zusammenbruchablenkung (αc) etwa gleich 1 ist. dann nähert sich τL dem Wert Null. Für β = 0,5 berechnen sich die Zusammenbruchablenkung αc = 0,9 und und τL = 0,011, so daß das Aufsetzdrehmoment nur 1 % des Rückstellmoments beim Aufsetzen ist.
Das Aufbringen einer dünnen dielektrischen Schicht über der Elektrode 146 ermöglicht die Verwendung einer Elektrode 146 mit einer (β = 1)-Breite, da dies verhindert, daß der Balken 130 auf die Elektrode 146 aufschlägt und zerstört wird (tatsächlich ist α auf einen Wert geringfügig kleiner als 1,0 begrenzt). Die Aufsetzablenkung αL kann daher kleiner als 1 sein, und das Produkt αLβ, das sich 1 nähert, ist die logarithinische Singularität in g(α, β). Das normierte Aufsetzmoment für β = 1 und αL = 0,987 (was dem Pixel 120 mit einer Elektrode 146 aus polykristallinem Silicium bedeckt mit 2000 Å Siliciumdioxid und einer Abstandsschicht mit einer Dicke von 4 Mikron bei Betrieb in Luft entspricht) berechnet sich zu etwa 3,06 bei einer Zusammenbruchablenkung αc = 0,54. Das Verhältnis des normierten Aufsetzmoments mit β = 1 zur normierten Aufsetzung β = 0,5 beträgt somit 278; dies zeigt die große Wirkung von β auf das normierte Aufsetzmoment.
Bei der Bestimmung der Nützlichkeit des sanften Aufsetzens sind zwei Effekte zu berücksichtigen. Der erste Effekt ist die kinetische Energie, die bei der mechanischen Beschädigung eine Rolle spielt, die durch den Aufprall des sich bewegenden Balkens auf die Elektrode hervorge rufen wird (entweder einer Aufsetzelektrode oder dem Dielektrikum auf einer Adressierungselektrode). Der zweite Effekt ist der statische Effekt, bei dem Kaltverschweißungseffekte zwischen den Balken und der Elektrode eine Rolle spielen, die durch ein aufrechterhaltenes Aufsetzmoment verursacht werden. Der statische Effekt wird durch Absenken des Aufsetzdrehmoments reduziert, wie oben berücksichtigt worden ist, und der kinetische Effekt wird durch Absenken der kinetischen Energie (der Geschwindigkeit) beim Aufsetzen reduziert.
Im Fall mit übergroßer Dämpfung wird die Geschwindigkeit des Balkens schnell auf Null gebracht ,wenn kein aufrechterhaltendes Anzugsmoment vorhanden ist. Für den Fall, daß β im Hinblick auf eine Reduzierung des normierten Aufsetzmoments ausgewählt ist, ist die Geschwindigkeit beim Aufsetzen auf nahezu Null reduziert.
Im ungedämpften Fall nimmt die kinetische Energie kontinuierlich zu, bis der Balken auf die Elektrode aufschlägt, und sie kann durch Integrieren von τα - τr von α = 0 bis α = 1 berechnet werden. Das Verhältnis dieser Integration für β = 0,5 zu dieser Integration für β = 1,0 ist noch kleiner als das Verhältnis der normierten Aufsetzmomente, das oben betrachtet wurde. Das sanfte Aufsetzen bewirkt somit eine Reduzierung sowohl der statischen als auch der kinetischen Aufsetzeffekte für das Pixel 120.
Die Analyse des sanften Aufsetzens für das Pixel 20 mit einer Differenivorspannung auf einem solchen Wert, daß das Pixel 20 bistabil wird (VB = V&sub0;) ist wie folgt Fig. 21 zeigt τa für γ = 0 (Kurve Nr.1) und für γ = 0,1 (Kurve Nr.2). Die Bedingung VB = Vo hat zur Folge, daß die Kurven des Anzugsmoments und des Rückstellmoments bei α = 0 tangential zueinander verlaufen:
das normierte Aufsetzmoment für das bistabile Pixel 20 ist dabei
Für β = 0,5 und γ = 0,1 beträgt das normierte Aufsetzmoment 0,74; dies bedeutet, daß das Aufsetzmoment 74 % des Rückstellmoments beträgt. Im Gegensatz dazu hat das normierte Aufsetzmoment für β = 1,0, α = 0,987, γ = 0,1 den Wert 15,8, so daß das Verhältnis der Aufsetzmomente 21,4 beträgt.
Das normierte Aufsetzmoment kann durch Messen der Haltespannung VH experimentell bestimmt werden, wie dies in Fig. 22 gezeigt ist. Die obere τa-Kurve repräsentiert das Anzugsmoment für die minimale Differenzvorspannung Vo, die das Pixel 20 bistabil macht, und für eine Adressierungsspannung Φa = -γVB, wobei der Balken mit einem Aufsetzmoment τL aufsetzt. Es wird nun angenommen, daß γ einen festen Wert hat und daß VB in seiner Größe angsam unter Vo verringert wird. Bei VB = VH hat τa (1) in seiner Größe auf τr (1) abgenommen, und das Aufsetzmoment hat sich auf Null verringert. Für kleinere Werte VB verläuft das resultierende Drehmoment in einer Richtung zur Rückstellung des Balkens 30 in die in Fig. 22 mit "P" bezeichnete analoge Gleichgewichtsposition. Wenn VB langsam abnimmt und im Betrag geringfügig kleiner als VH wird, löst sich der Balken 30 plötzlich von seiner Aufsetzposition und kehrt in die wesentlich weniger abgelenkte analoge Gleichgewichtsposition zurück.
Die Arbeitsweise des Pixels 20 in bistabilem Modus kann somit mittels einer Hysteresekurve gemäß Fig. 23 beschrieben werden, die eine graphische Darstellung von α abhängig von der Differenzvorspannung VB für einen festen Wert von γ ist. Beim Punkt (0) gilt VB = 0, so daß Φa = -γVB ebenfalls Null ist und der Balken 30 nicht abgelenkt ist (α = 0). Vom Punkt (0) zum Punkt (1) befindet sich das Pixel 20 im Analogmodus, und die an die Adressierungselektrode 46 angelegte Adressierungsspannung (Φa = -γVB) bei an Masse liegender Adressierungselektrode 42 führt dazu, daß der Balken 30 in den stabilen Gleichgewichtszustand α (VB) abgelenkt wird, der kleiner als list. Wenn VB zunimmt, nimmt α zu, bis der bistabile Betrieb bei VB = Vo am Punkt (1) mit einer Ablenkung von αc erreicht wird, und der Balken 30 schlägt beim Punkt (2) auf die Aufsetzelektrode 41 auf Der Balken 30 verbleibt nun auf der Aufsetzelektrode 41, wenn die Größe von VB verkleinert wird, bis VB = VH am Punkt (3) erreicht wird, und der Balken 30 löst sich von der Elektrode 41. Der gelöste Balken 30 kehrt zu der VH entsprechenden Ablenkung im Analogmodus zurück; siehe Punkt (4) in Fig. 23.
Wie mit jeder digitalen Vorrichtung schaltet das im bistabilen Modus arbeitende Pixel 20 nicht in den richtigen stabilen Zustand, wenn gewisse Pixelparameter um mehr als einen angegebenen Betrag vom beabsichtigten Arbeitspunkt abweichen. Der Betrag der zugelassenen Abweichung wird als Störgrenze bezeichnet ; wenn ein Pixelparameter um mehr als die Störgrenze variiert, dann schaltet das Pixel in den falschen Zustand. Überdies reduziert jede Störung oder Abweichung eines Parameters vom beabsichtigten Arbeitspunkt die Rauschgrenze der anderen Parameter des Pixels.
Die zwei wichtigsten Parameterabweichungen des Pixels 20 die zu einem fehlerhaften bistabilen Betrieb führen können, sind (1) eine Abweichung des Torsionsbalkens 30 von der Ebenheit und (2) eine Fehlausrichtung der Adressierungselektroden 42 und 46 bezüglich der Torsionsgelenke 34 und 36 und des Balkens 30. Zunächst sei der Grenzwert für die Abweichung des Balkens 30 von der Ebenheit betrachtet, die mit Δα bezeichnet ist. Fig. 24 zeigt das Anzugsmoment τa für das an der Elektrode 46 abgelenkte Pixel 20 (zum Ablenken des Balkens 30 auf α = + 1 an der Aufsetzelektrode 41), sowie das Rückstellmoment τr für drei verschiedene Abweichungen des Balkens 30 von der Ebenheit (die gestrichelten Linien (1), (2), und (3)). Für die Linie (1) ist der Balken 30 eben, und das resultierende Drehmoment dreht den Balken 30 gegen α = +1. Für die Linie (2) hat der Balken 30 eine eingebaute Anfangsablenkung von - αm (gegen die Aufsetzelektrode 40), und das Anlegen der Differenzvorspannung und der Adressierungsspannung an die Adressierungselektrode 46 und von Masse an die Adressierungselektrode 42 führt zu einem resultierenden Moment mit dem Wert Null wegen der eingebauten Anfangsablenkung. Für die Linie (3) ist die eingebaute Anfangsablenkung so groß, daß das Anlegen der Differenzvorspannung und der Adressierungsspannung an die Elektrode 46 und von Masse an die Elektrode 42 zu einem resultierenden Drehmoment führt, das den Balken 30 gegen α = -1 dreht; dies heißt, daß sich der falsche stabile Zustand ergibt. Somit ist αm die maximale zulässige Abweichung von der Ebenheit des Balkens; sie wird als Grenzwert für die Winkelabweichung bezeichnet. Der Wert von αm wird einfach durch Auffinden der Lösung der folgenden Gleichung berechnet:
τα(α)=τ&sub0;[(1+γ)²g(α,β)-g(-α,β)]=0
Für αm « 1 läßt sich die Funktion g einfach nähern, und die Lösung ergibt sich mit:
Aus Symmetriegründen ist der Winkelgrenzwert in Richtung der Aufsetzelektrode 46 natürlich der gleiche.
Für β = 0,5 und y « 1 reduziert sich der Ausdruck für αm zu
αm= ± 1,6γ
Wie erwartet nimmt der Grenzwert der Winkelabweichung mit y zu, und mit der Abnahme der Ebenheit erfordert eine richtige Arbeitsweise eine großere Adressierungsspannung relativ zur Differenzvorspannung. Mit γ = 0,1 und einem Aufsetzwinkel von 10 Grad ergibt sich αm = 0,16, und dies entspricht einer Winkelabweichung von 1,6 Grad von der Ebenheit (es sei daran erinnert, daß α die normierte Ablenkung ist). Eine Ebenheit von 0,5 Grad ist in die Praxis routinemäßig erzielt worden.
Eine Art der Fehlausrichtung der Adressierungselektroden 42 und 46 bezüglich des Balkens 30 und der Torsionsgelenke 34 und 36 ist in der Draufsicht von Fig 25 dargestellt; die Elektroden sind dabei längs der Diagonalen um eine Strecke &epsi; in der Richtung der Aufsetzelektrode 40 und weg von der Aufsetzelektrode 41 fehlausgerichtet, jedoch sind alle anderen Ausrichtungen korrekt. Der Einfachheit halber wird nur diese Fehlausrichtung analysiert. Gemäß Fig. 25 definiert die Fehlausrichtung die schraffierten Unterschiedsflächen zwischen den Balken 30 und den Elektroden 42 und 46; diese Flächen führen zu Änderungen im Drehmoment, das durch die Differenzvorspannung und die Adressierungsspannung erzeugt wird. Wegen ihrer kleinen He belarme werden die Drehmomentänderungen aus den Flächen ± ΔA&sub2; ignoriert, und es wird angenommen, daß an der Elektrode 46 die Adressierungsspannung Φa=γVB liegt und daß die Elektrode 42 an Masse liegt. Die Fläche -ΔA&sub1; verringert somit das positive Drehmoment τ+, und die Fläche ΔA&sub1; vergrößert das negative Drehmoment τ&submin;. Fig 26 veranschaulicht diese Auswirkung auf das Anzugsmoment für drei Fehlausrichtungen. Für die Kurve (1) hat die Fehlausrichtung &epsi; den Wert Null, und das resultierende Drehmoment ist positiv, so daß sich der Balken 30 zu der richtigen Aufsetzelektrode hin dreht. Für die Kurve (2) ist die Fehlausrichtung gleich &epsi;m, und das Anzugsmoment um α = 0 entspricht etwa dem Rückstellmoment, so daß das resultierende Drehmoment den Wert Null hat und Schwankungen des Balkens 30 bestimmen, zu welcher der Aufsetzelektroden 40 oder 41 sich der Balken 30 dreht. Bei der größeren Fehlausrichtung &epsi; > &epsi;m der Kurve (3) ist das resultierende Drehmoment bei α = 0 negativ, und der Balken 30 dreht sich anstelle zur Aufsetzelektrode 41 zur Aufsetzelektrode 40 hin; dies bedeutet, daß sich der falsche stabile Zustand ergibt. Zum Bestimmen des Grenzwerts &epsi;m wird einfach die Auswirkung der Fehlausrichtung &epsi; auf τ&sbplus; und τ&submin; berechnet und eine Lösung für den &epsi;-Wert gefünden, der τa bei α = 0 zu Null macht. Eine &epsi;-Fehlausrichtung ist natürlich das gleiche wie eine unterschiedlich breite Elektrode, so daß gilt
τ&sbplus;(α)=τ&sub0;(1+γ)²g(α,β-&epsi; 2/L)
τ&submin;(α)=-τ&sub0;g(-α,β+&epsi; 2/L)
die asymptotische Form für g (α, β) für sehr kleine Werte von α läßt sich ohne weiteres aus der Definition von g ableiten:
Für kleine Werte von &epsi; verschwindet die Bedingung τa bei α = 0
(1+γ)²(β-&epsi; 2/L )²-(β+&epsi; 2/L)²=0
Somit gilt
Mit γ = 0,1 und β = 0,5 wird der Fehlausrichtungsgrenzwert zu &epsi;m = 0,02 L; für das Pixel 20 mit L = 12,5 Mikron ergibt dies &epsi;m = 0,25 Mikron, was typische derzeitige Schrittfehlausrichtungen überschreitet. Eine Vergrößerung von γ führt natürlich zu einer Vergrößerung von &epsi;m.
Eine Fehlausrichtung der Adressierungselektrode kann auch durch Verwendung von Ausgleichselektroden kompensiert werden, wie in Fig. 27 in einer schematischen Schnittansicht einer bevorzugten Ausführungsform eines Pixels 220 dargestellt ist. Das Pixel 220 enthält Adressierungselektroden 242 und 246, Aufsetzelektroden 240 und 241 und Ausgieichselektroden 243 und 245, die zwischen die Adressierungselektroden und die Aufsetzelektroden eingefügt sind. Wenn keine Fehlausrichtung vorliegt, werden die Ausgleichselektroden auf die Differenzvorspannung vorgespannt; liegt dagegen eine Fehlausrichtung der Adressierungselektroden in Richtung der Aufsetzelektroden 240 vor (wie oben erörtert wurde), dann wurde die Ausgieichselektrode gegen Masse vorgespannt, damit ein zusätzliches Drehmoment (Zunahme von τ&sbplus;) als Gegenwirkung zu der Fehlausrichtung geliefert. Wenn die Fehlausrichtung in der anderen Richtung vorliegt, dann wird die Ausgleichselektrode 243 auf Masse vorgespannt.
Die oben berechneten Störgrerizwerte sind nicht unabhängig, und die Wirkungen stehen zur Absenkung der Grenzwerte in Wechselwirkung miteinander Fig. 28 zeigt beispielsweise die Anzugsmomente für zwei bistabile Adressierungsbedingungen (Adressieren der "+"-Elektrode 46 oder der "-"-Elektrode 42) ohne Fehlausrichtung und mit Fehlausrichtung entsprechend einer Hälfte des Grenzwerts (&epsi; = 0,5 &epsi;m) Der Grenzwert für die Winkelabweichung αm ist so für den ausgerichteten als auch den fehlausgerichteten Fall dargestellt; im fehlausgerichteten Fall beträgt der Grenzwert der Winkelabweichung natürlich die Hälfte des Grenzwerts im ausgerichteten Fall in bezug auf die "+"-Elektrode, und es liegt ein um 50 % größerer Grenzwert in bezug auf die "-"-Elektrode vor. Das Argument ist natürlich symmetrisch, und die Nichtebenheit innerhalb des Grenzwerts der Winkelabweichung verringert den Fehlausrichtungsgrenzwert. Eine Vergrößerung von γ erweitert die Grenzwerte.
Trotz der Tatsache, daß der Balken 30 und die Aufsetzelektroden 40 und 41 elektrisch verbunden sind, und der Tatsache, daß der Balken 30 sich sanft auf die Aufsetzelektroden 40 und 41 während des Betriebs aufsetzt, kann der Balken 30 an der Aufsetzelektrode 40 oder der Aufsetzelektrode 41 haften bleiben. Daher können die folgenden elektrischen Rückstellveifahren mit dem Pixel 20 angewendet werden, um das Rückstellmoment zu erhöhen, das von den Torsionsgelenken 34 und 36 geliefert wird und den Balken 30 von einer der Aufsetzelektroden 40 oder 41 wegzieht und in die nicht abgelenkte Position zurückstellt. Beim ersten Verfahren werden die Adressierungselektrode als Rückstellelektrode und die Adressierungselektrode 46 zur Adressierung benutzt; das Pixel 20 wird im monostabilen Modus oder im Modus mit drei stabilen Zuständen und mit einer Drehung in nur eine Richtung (zur Aufsetzelektrode 41) benutzt. Das Rückstellverfahren beinhaltet das Anlegen eines Hochspannungsimpulses (90 V für die Dauer von 1 µs) an die Rückstellelektrode 42 während der Zeitperiode, in der sowohl die Differenzvorspannung als auch die Adressierungsspannung auf Masse liegen. Bezüglich eines Zeitdiagramms sei Fig. 29 betrachtet, in der die an den Balken 30 und an die Aufsetzelektroden 40 und 41 angelegte Differenzvorspannung ΦB, die an die Elektrode 42 während der Zeitperioden, in denen ΦB verschwindet, angelegten Rückstellimpulse ΦR, die Adressierungsspannung p, die Adressierungsspannung ΦA die in einer Folge mit Ablenkung, Nichtablenkung und Wiederablenkung an die Elektrode 46 angelegt wird, sowie die resultierende Balkenablenkung α zeigt. Für den Fall, daß der Balken 30 an der Aufsetzelektrode 41 haften geblieben ist, liefert der Impuls an der Rückstellelektrode 42 ein kurzzeitiges Drehmoment, das dem Rückstellmo ment der Torsionsgelenke 34 und 36 hilft, den Balken 30 von der Aufsetzelektrode 41 wegzuziehen. Wenn dagegen der Balken 30 nicht an der Aufsetzelektrode haften geblieben ist, sondem nur abgelenkt worden ist, dann würde der Impuls an der Rückstellelektrode 41 den Balken 30 gegen die Aufsetzelektrode 40 drehen. Die kurze Dauer des Impulses (1 µs) ist jedoch geringer als die Zeitkonstante des Balkens 30 (etwa 12 µs), und der Balken 30 erreicht die Aufsetzelektrode 40 nicht und das Rückstellmoment der Torsionsgelenke 34 und 36 führt den Balken 30 in den unabgelenkten Zustand zurück. Diese kurzzeitige Schwankung in Richtung der Aufsetzelektrode 40 ist in Fig. 29 durch die Absenkung zu negativen α-Werten angezeigt. Wenn der Balken 30 nicht haftet, dann bringt die Rückstellkraft der Torsionsgelenke 34 und 36 den Balken 30 auf α = 0 zurück, wie in dem α-Diagramm in Fig. 29 durch die gestrichelte Linie angegeben ist. Alle Rückstellelektroden 40 einer Matrix aus Pixeln 20 auf einem einzigen integrierten Schaltungschip können auf dem Chip miteinander verbunden sein, und ein einziger außerhalb des Chips befindlicher Hochspannungsimpulstreiber würde die Rückstellimpulse liefern.
Ein zweites Rückstellverfahren ist in den Figuren 30A bis 30B dargestellt; es macht von einem nicht drehenden Biegen von Torsionsgelenken 34 und 36 Gebrauch, um dazu beizutragen, einen haftenden Balken 30 von den Aufsetzelektroden 40 oder 41 wegzuziehen. Bei diesem Verfahren wird der Rückstellimpuls an die Aufsetzelektroden 40 und 41 und an den Balken 30 angelegt, während die Adressierungselektroden 42 und 46 an Masse liegen. In einer Matrix aus Pixeln 20 kann ein Differenzvorspannungsbus dazu benutzt werden, alle Aufsetzelektroden miteinander zu verbinden, und dieser Bus ist an die reflektierende Schicht 26 bis 28 angeschlossen, die die Torsionsbalken 30 enthält, so daß der Rückstellimpuls an den Differenzvorspannungsbus angelegt würde. Im Gegensatz zum ersten Rückstellverfahren kann beim zweiten Verfähren das Pixel 20 in jedem Modus betrieben werden. Ein Rückstellimpuls (typischerweise 60 V für die Dauer von 1 µs), der an den Balken 30 angelegt wird, während die Adressierungselektroden an Masse liegen, lenkt den Balken 30 gegen das Substrat 22, ob der Balken 30 nun nicht abgelenkt ist oder an einer der Aufsetzelektroden haftet; die nicht drehende Biegung der Torsionsgelenke 34 und 36 speichert die potentielle Energie dieser Ablenkung. Bezüglich eines Zeitdiagramms sei auf Fig. 30A und bezüglich der Ablenkung auf Fig. 30B verwiesen. In Fig 30A haben die Balken- und Aufsetzelektroden Vorspannung ΦB einen Rückstellimpuls (+ VR ) mit einer zur Differenzvorspannung (- VB ) entgegengesetzten Polarität, obgleich der Rückstellimpuls auch die gleiche Polarität haben könnte; die Adressierungsspannungen (ΦA(+) für die Elektrode 46 und ΦA(-) für die Elektrode 42) dienen einer Folge von Ablenkungen des Balkens zuerst zur Aufsetzelektrode 41, dann zur Aufsetzelektrode 40 und zuletzt wieder zurück zur Aufsetzelektrode 41. Am Ende des Rückstellimpulses wird diese gespeicherte potentielle Energie freigegeben und liefert einen Impuls, der den Balken 30 geradlinig nach oben zieht. Ein unabgelenkter Balken 30 führt dabei lediglich eine vertikale gedämpfte Schwingung um den unabgelenkten Status aus, während ein haftengebliebener Balken 30 von der Aufsetzelektrode weggezogen wird und von seinem Rückstellmoment in den unabgelenkten Zustand zurückgeführt wird, wobei er auch vertikal gedämpfte Schwingungen zeigt. Da dieses zweite Rücksteuverfahren einen Balken ohne Rücksicht auf seine Aufsetzrichtung zurückstellt, wird jedes unbeabsichtigte Zusammenbrechen und Haften der Balken aufgrund elektrostatischer Entladung infolge der Behandlung automatisch korrigiert, sobald ein Rückstellimpuls angelegt wird. Fig. 30B zeigt den vertikal abgelenkten Balken 30 im Schnitt längs der Torsionsgelenkachse, die zwischen den Adressierungselektroden 42 und 46 liegt.
Figur 30C veranschaulicht ein geändertes zweites Rückwärtsverfahren gemäß der vorliegenden Erfindung, welches sich einer Impulskette von 5 Rücksetzimpulsen anstelle des einzelnen Rücksetzimpulses, wie in Figur 30A dargestellt, bedient. Die Benutzung einer Impulskette an an Stelle eines einzelnen Impulses erzeugt einen weiteren Steuerungsgrad; die Frequenz der Impulskette kann nämlich eingestellt werden. Falls insbesondere die Frequenz der Impulsketle nahe der Resonanzfrequenz der Verbiegung des Torsionsgelenks liegt (Verbiegung ohne Drehung), dann wird die maximale Energie in den Verbiegungsinodus übertragen, und eine kleinere Rücksetzspannung kann benutzt werden. Figur 30D stellt die minimale Spannung dar, die zum Rücksetzen als eine Funktion der Frequenz für das Rücksetzen mit 5 Impulsen benötigt ist, welches auf eine spezielle DMD mit einer linearen Xnordnung von 840 Pixeln, wobei jeder Pixel ähnlich wie bei der ersten bevorzugten Ausfühmngstörm ist angewendet wird. Die Impulse waren Rechtecksignale mit einem Tastverhältnis von 50 %; somit hatten die Impulse bei der Resonanzfrequenz von 2,5 MHZ Breiten von 200 ns utid waren durch Intervalle von 200 ns voneinander getrennt, und die gesamte Impulskette hatte eine Dauer von 2 µs. Der Betrieb bei der Resonanz erniedrigt die minimale Rücksetzspannung (20 Volt) auf etwa 1/2 der minimalen Rücksetzspannung (40 Volt) außerhalb der Resonanz. Es sei bemerkt, daß das Minimieren der Rücksetzspannung ein Minimieren der Möglichkeit eines dielektrischen Ausfalls auf dem DMD-Chip impliziert, und ebenfalls einfachere Stromversorgungen ergibt.
Figur 30E veranschaulicht den Effekt der Anzahl von Impulsen in der Rücksetzimpulskette, welche wiederum 200 ns breite quadratische Impulse, die durch 200 ns lange Intervalle voneinander getrennt sind, umfaßt. Wie erwartet, ist die minimale Rücksetzspannung für eine Impulskette gerade die Rücksetzspannung von 40 Volt außerhalb der Resonanz tür das bestimmte DMD. Die minimale Rücksetzspannung nimmt ab, wenn die Anzahl von Impulsen auf 5 erhöht wird, und oberhalb von 5 Impulsen wird keine weitere Abnahme beobachtet. Anscheinend ist bei mehr als 5 Impulsen die kinetische Energie groß genug, damit die Energieverluste aufgrund der Luftdämpfung gerade den Energiegewinn für jeden zusätzlichen Impuls ausgleichen. Selbstverständlich können andere Impulsformen (wie z.B. eine Sinusform oder eine Dreiecksform) und andere Wellenformen (wie z.B. eine Chirp-Frequenz) die minimale Rücksetzspannungen erniedrigen, falls eine wirksame Anregung von zumindest einem Verbiegungsmodus der Gelenke (d.h. die Resonanz) auftritt.
Fig. 31 ist eine Draufsicht auf einen Teil einer linearen Matrix 310 mit Pixeln 320, 320', 320",... einer zweiten bevorzugten Ausführung, wobei jedes der Pixel dem Pixel 20 gleicht. Für das Pixel 320 sind der Balken 330, die Torsionsgelenke 334 und 336, die Aufsetzelektroden 340 und 341 und die Adressierungselektroden 342 und 346 gezeigt; gleiches gilt für das Pixel 320'. Es sei bemerkt, daß alle Aufsetzelektroden an eine mittlere Metalleitung 343 ange schlossen sind. Die lineare Matrix 310 könnte zum elektrophotographischen Drucken benutzt werden, wie schematisch in den Figuren 32A bis 32C dargestellt ist. Fig. 32A ist eine perspektivische Ansicht, und die Figuren 32B und 32C sind eine Seiten- bzw. eine Draufsicht auf ein System 350, das eine Lichtquellen- und Optikeinheit 352, eine Matrix 310, Abbildungslinsen 354 und eine photoleitfähige Trommel 356 enthält. Das Licht aus der Quelle 352 hat die Form einer Ebene 358, und es beleuchtet die lineare Matrix 310 in mit dem zwischen den Balken 330, 330', 330",... reflektierten Licht, das eine Ebene 360 bildet, wobei das von negativ abgelenkten Balken innerhalb der Ebene 361 und das von positiv abgelenkten Balken durch die Abbildungslinsen 354 innerhalb der Ebene 362 fällt und auf die Trommel 356 innerhalb der Linie 364 als Folge von Punkten fokussiert wird, von einem Punkt für jeden abgelenkten Balken. Da die lineare Matrix 310 tatsächlich aus zwei Reihen von Pixeln besteht, besteht das Bild auf der Trommel 356 aus Punkten innerhalb von zwei Zeilen, und eine elektronische Verzögerung bei der Adressierung einer der zwei Pixelreihen zusammen mit der Trommeldrehung führen die Bildpunkte zurück in eine Linie 364. Eine Textseite oder ein Rahmen graphischer Informationen, die digitalisiert und in ein Rasterabtastformat gebrach sind, können gedruckt werden, indem die Informationen zeilenweise der Matrix 310 zugeführt werden, um jeweils in einer Zeiteinheit Punkte einer Linie 364 auf der Trommel 356 zu bilden, wenn sich die Trommel 356 dreht; diese Punktbilder werden mit Hilfe herkömmlicher Verfahren, beispielsweise der Xerographie, auf Papier übertragen. Wenn θ der Ablenkwinkel des Balkens 330 ist, wenn er sich auf den Aufsetzelektroden 341 befindet, dann liegt die Ebene 362 senkrecht zur linearen Matrix 310, wenn der Einfallwinkel der Ebene 358 den Wert 20 bezüglich der Senkrechten zur linearen Matrix 310 hat. Diese Geometrie ist in Fig. 32B dargestellt und ermöglicht die Orientierung der Abbildungslinsen 354 senkrecht zur linearen Matrix 310 Jeder positiv abgelenkte Balken erzeugt ein Bild 355 der Lichtquelle 352 auf den Abbildungslinsen 354, wie in Fig. 32C für drei Balken schematisch dargestellt ist.
Die lineare Matrix 310 mit den im bistabilen Modus arbeitenden Pixeln hat Vorteile gegenüber linearen Matrizen aus Pixeln mit freitragenden Balken, weil (i) das bistabile Pixel mit einem größeren Ablenkwinkel arbeitet, so daß die Winkelsehne der Lichtquelle zur Erzielung eines helleren Punkts auf der Trommel vergrößert werden kann; (ii) bei den abgeschalteten Pixeln die Torsionsbalken in die entgegengesetzte Richtung abgelenkt und nicht nur unabgelenkt sind, wie im Fall von freitragenden Balken, was den Reflexionswinkel gegenüber abgeschalteten Pixeln verdoppelt und die Verschlechterung des optischen Kontrasts wegen der Balkerkrümmung vermindert sowie den Einfluß der Winkelabweichung bei einer angelegten Spannung mit dem Wert 0 V eliminiert; und (iii) die Helligkeitsgleichmäßigkeit verbessert wird, weil der Ablenkwinkel linear von der Dicke des Abstandselements und nicht von einem nicht linearen Arbeitsbereich abhängt, bei dem die Ablenkungsgleichmäßigkeit für die Dicke des Abstandselements und die Gelenknachgiebigkeit wie beim freitragenden Balken sehr empfindlich ist. Die Adressierung einzelner Pixel in der linearen Matrix 310 ist in einer vereinfachten Version in den Figuren 33 und 34 dargestellt; Fig. 33 ist eine Schnittansicht eines einzelnen Pixels 420 längs einer Adressierungselektrode 446, wobei ein Eingangs- und Freigabe-Gate 450 dargestellt ist und Fig. 34 ist eine Draufsicht, die Pixel 420 und 420' sowie eine Adressierungsschaltung zeigt. Die Ti:Si:Al-Elektrode 446 ist vom p-leitenden Siliciumsubstrat 422 durch Siliciumdioxid 444 isoliert, und die Spannung zum Ablenken des Balkens 430 wird an die Elektrode 446 angelegt, wobei Metalischichten 426 bis 428 eine gemeinsame Vorspannung für alle Pixel bilden und das Substrat 422 an Masse liegt. Die Aufsetzelektroden 441 und 440 (beim Pixel 420' in Form einer gemeinsamen Aufsetzelektrode 441') sind an die Metallschichten 426 bis 428 und somit an den Balken 430 angeschlossen. Das Freigabe-Gate 450 besteht aus polykristallinem Silicium, und es ist vom Substrat 422 durch ein Gate-Oxid 454 isoliert; n&spplus;-dotierte Zonen 452, 456, 452', 456',... und 462, 466, 462', 466',... bilden Drain-bzw. Source-Zonen für MOSFETS mit dem Freigabe-Gate 450 als gemeinsamem Gate. Eingangssignale für die Adressierungselektroden 442 und 446 werden an die MOSFET-Drain-Zonen 452 und 456 angelegt und zu den Adressierungselektroden geleitet, wenn die MOSFETS durch das Freigabe- Gate 450 eingeschaltet werden.
Die Schritte einer ersten bevorzugten Ausführung eines Verfahrens zum Herstellen des Pixels 320 einschließlich der Adressierungselektrode 346 auf dem Substrat 322 sind in Querschnittansichten in den folgenden Figuren 35A bis 35E dargestellt.
(a) Zunächst wird durch Aufwachsen auf dem (100) Siliciumsubstrat 322 ein thermisches Oxid 344 mit einer Dicke von 2000 Å erzeugt. Als nächstes wird durch Zerstäubung auf dem Oxid 344 Ti:Si:Al (0,2 % Ti und 1 % Si) mit einer Dicke von 3000 Å abgeschieden, dann gemustert und an einer Plasmaatzung unterzogen, damit die Elektroden 346 gebildet werden. Siehe Fig. 35A.
(b) In drei Durchgängen wird ein Positiv-Photoresist bis zu einer Gesamtdicke von 4 Mikron auf geschleudert und ausgehärtet, um das Abstandselement 324 zu bilden; es werden drei Resistauftragungen angewendet, um die Dicke aufzubauen, damit Wellungen auf der Resistoberfläche vermieden werden, die auftreten können, wenn eine einzige sehr dicke Schicht aufgeschleudert wird. Ein Aushärten bei etwa 180ºC wird nach jedem Auftragen des Resists benötigt, um zu verhindern, daß sich die vorhergehenden Schichten im Resistlösungsmittel auflösen, und um überschüssiges Lösungsmittel aus dem Abstandselement auszutreiben; der letzte Aushärtvorgang vermeidet die Bildung von Lösungsmittelblasen unter dem Geleriknietall während der Photoresistaushärtung bei der zur Balkenmusterung angewendeten Photolithographie Es sei bemerkt, daß der Photoresist jegliche Schaltungsanordnungen planarisien, die auf der Oberfläche des Substrats 322 gebildet worden ist. Der Positiv-Photoresist wird vorzugsweise so gewählt, daß er in Chlorbenzol unlöslich ist, beispielsweise Resists auf Novalac-Basis Anschließend wird zur Bildung der Gelenkschicht 326 Ti:Si:Al (0,2 % Ti und 1 % Si) mit einer Dicke von 800 Å durch Zerstäubung bei einer Substrattemperatur abgeschieden, die so nahe wie möglich bei der Zimmertemperatur liegt, damit eine Fehianpassung aufgrund thermischer Ausdehnung zwischen dem organischen Abstandselement 324 und der Metallschicht 326 minimiert wird. Diese Aluminiumiegierung minimiert auch die Bildung von Ätzhügeln, die beim Abscheiden von reinem Aluminium auftreten. Im Anschluß daran wird mittels PEVCD Siliciumdioxid mit einer Dicke von 1500 Å abgeschieden; das Oxid wird dann gemustert und geätzt, um Torsionsgelenk-Ätzbegrenzungen 348 zu bilden (in der Draufsicht besetzen die Ätzbegrenzungen 348 die Flächen, die Torsionsgelenke 334 und 336 werden sowie eine kleine Verlängerung an jedem Gelenkende), und der Photoresist, der bei der Musterung und beim Ätzen eingesetzt wird, wird mittels Plasma entfernt. Siehe Fig. 35B.
(c) zur Bildung der Balkenschicht 328 wird mittels Zerstäubung wieder nahe bei Zimmertemperatur Ti:Si:Al (0,2 % Ti und 1 % Si) mit einer Dicke von 3600 Å abgeschieden, und ein Photoresist 50 wird aufgeschleudert. Die Abscheidung des Metalls erfolgt unter den gleichen Bedingungen wie bei der Abscheidung der Gelenkschicht 326, so daß sich keine Spannungsbeanspruchungen zwischen den Metallschichten entwickeln. Der Photoresist 50 wird zur Bildung von Plasmaätz-Zugangslöchern 332 sowie des Plasmaätz-Zugangsspalts 338 und der Gelenke 334 und 336 gemustert. Der gemusterte Photoresist 50 wird dann zum Plasmaätzen der Metallschichten 326 und 328 als Maske benutzt, wobei die Gelenk-Ätzbegrenzungen 348 das Ätzen des Abschnitts der Gelenkschicht 326 verhindern, der zu Gelenken 334 und 336 wird Das Plasmaatzen der Aluminiumlegierung kann in einer Ätzgasmischung aus Chlor ,Bortrichlorid und Kohienstofltetrachlorid erfolgen. Eine Alternative wäre die Verwendung einer Siliciumdioxidmaskierung wie beim Schritt (b) mit gemustertem Siliciumdioxid mit einer Dicke von 2000 A anstelle des Photoresists 50; bei dieesr Alternative könnte das Ätzen der Mumimumlegierung ein reaktives lonenätzen mit Siliciumtetrachlorid sein. Es sei bemerkt, daß die Gelenkdicke durch die Dicke der Schicht 326 bestimmt wird, wobei die Gelenkbreite durch die Breite der Ätzbegrenzungen 348 bestimmt wird; die Nachgiebigkeit der Gelenke 334 und 336 kann somit durch drei verschiedene Prozeßparameter eingestellt werden. Siehe Fig. 35C.
(d) Als Adhäsionsschicht wird eine dünne Schicht aus Positiv-Photoresist aufgeschleudert. worauf dann 1,5 Milcron PMMA (Polymethylmethacrylat) 52 als Schutzschicht während nachfolgender Schritte aufgeschleudert wird; das Substrat 322 wird in Chips zersägt (wobei jeder Chip ein spatialer Lichtmodulator wird). In Fig.35D sind die beim Zersägen entstehenden Rückstände auf dem PMMA 52 dargestellt.
(e) PMMA 52 wird durch Besprühen mit Chlorbenzol und unmittelbares Zentrifugieren aufgelöst; es sei bemerkt, daß sich der Resist (oder das Oxid) 50 und das Abstandselement 24 in Chlorbenzol nicht lösen. Die Sägerückstände werden entfernt, ohne daß der Balken 330 diesen Rückständen direkt ausgesetzt wird. Zuletzt werden der Resist 50 und das Abstandselement 324 in Sauerstoff mit einigen Prozent Fluor (beispielsweise aus CF&sub4; oder NF&sub3;) einem isotiopen Plasmaätzvorgang unterzogen, um den freiliegenden Abschnitt der Ätzbegrenzungen 348 zu entfernen; dieser Ätzvorgang erfolgt bei niedriger Temperatur, und er wird überwacht. um vom Abstandselement 324 gerade so viel zu entfernen, daß eine Absenkung unterhalb des Balkens 330 entsteht. Siehe Fig. 35E, die analog zu Fig. 1B, jedoch längs einem anderen Querschnitt ist. Es sei bemerkt, daß Fig. 35E die Reste 349 der Ätzbegrenzungen 348 zeigt, die in den Figuren 1A und 1C weggelassen sind, weil bei der zweiten bevorzugten Ausführung des Herstellungsverfahrens (die oben beschrieben wurde) diese Rückstände vermied, und auch wegen der Deutlichkeit der Figuren 1A und 1C. Die Stufen des Ätzens des Abstandselements 324 sind in den Figuren 36A bis 36C in der Draufsicht und in den Figuren 37A bis 37C im Schnitt dargestellt.
Fig. 38 zeigt eine Draufsicht auf einen Teil einer linearen Matrix 510 von Pixeln einer dritten bevorzugten Ausführung mit Pixeln 520, 520', 520". Die Balken 530, 530', 530" sind achteckig mit Plasmaätz-Zugangslöchern 532, 532', 532" und Plasmaatz-Zugangsspalten 538, 538', 538"; es sei bemerkt; daß die Plasmaätz-Zugangsspalten 538 und 538' jeweils einen gemeinsamen Abschnitt zwischen den Balken 530 und 530' aufweisen, was auch für die anderen Spalten zwischen benachbarten Pixeln gilt. Die Absenkungen im Abstandsglied 524 unterhalb der Balken 530, 530', 530",... sind alle miteinander verbunden und bilden eine lange Absenkung, wie sie in Fig. 38 mit gestrichelten Linien dargestellt ist. Die Adressierungselektroden 542, 546, 542', 546',... und die Aufsetzelektroden 540, 541, 540', 541', ... sind in Fig. 38 durch gestrichelte Linien dargestellt; es sei bemerkt, daß aneinander anstoßende Aufsetzelektroden gemeinsam benutzt werden, beispielsweise 541 und 540'. Aus Gründen der Klarheit sind in Fig. 38 die Torsionsgelenke 534, 536, ... so dargestellt, als wären sie aus der gleichen Schicht wie die Balken 530, 530', 530",... hergestellt.
Die Figuren 39A bis 39D zeigen in Draufsichten alternative Balkengeometrien. Insbesondere zeigt Fig. 39A einen freitragenden Balken 570 mit einem freitragenden Gelenk 572, einem Plasmaätz-Zugangsloch 574, einem Plasmaätz-Zugangssp alt 576, einer Adressierungselektrode 578 und einer Aufsetzelektrode 579. Ein freitragender Balken wird nur in einer Richtung abgelenkt und weist Drehmomentkurven auf die den Kurven von Fig. 5 gleichen, jedoch begrenzt sind, so daß nur ein monostabiler und ein bistabiler Betrieb verfügbar sind (ein stabiler Ablenkpunkt zuzüglich dem aufgesetzten Punkt auf der Aufsetzelektrode 579).
Fig. 398 zeigt einen Torsionsbalken 580 mit Torsionsgelenken 581 und 582, Plasmaätz-Zugangslöchern 584, einen Plasmaätz-Zugangsspalt 586, einer Adressierungselektrode 588 und einer Aufsetzelekirode 589. Der Balken erfährt nur in einer Richtung eine Ablenkung, und er arbeitet ähnlich wie der Balken 570.
Fig. 39C zeigt eine lineare Matrix aus freitragenden Balken 590, 590', 590"., ..., die wie aneinander angrenzende umgekehrte Kleeblätter aus Gruppen zu vier Balken angeordnet sind. Wie in der linearen Matrix 510 sind die Absenkungen unterhalb der Balken 590, 590', 590", ... zur Bildung einer einzigen länglichen Absenkung vereinigt, wie durch die gestrichelten Linien angegeben ist. Die freitragenden Gelenke 592, 592', 592",... sind dargestellt, wie sie aus der gleichen Schicht wie die Balken gebildet sind; die Adressierungs- und Aufsetzelektroden sind der Deutlichkeit halber nicht dargestellt.
Fig. 39D zeigt einen Teil einer Flächenmatrix aus freitragenden Balken 560, 560', 560", ..., die in Vierergruppen angeordnet und mittels freitragender Gelenke 562, 562', 562",... auf Pfosten 561, 561', 561", ... gehalten sind. Aufsetzelektroden für die Balken können wie die Elektrode 563 in Reihen miteinander verbunden, und die Balken sind durch die leitenden Pfosten mit Reihenelektroden 564 verbunden. Die Adressierungselektroden 565, 565', 565", ... werden über nicht dargestellte Schaltungen adressiert, die in Schichten unterhalb der Elektroden gebildet sind. Einige dieser Elektroden sind der Klarheit wegen weggelassen.
Eine zweite bevorzugte Ausführung eines Verfahrens zur Herstellung vergrabener Gelenke ist in Schnittansichten (Fig. 40A bis 40E) und in Draufsichten (Fig. 41A bis 41C) für ein Gelenk dargestellt, das auf der Flachseite eines Torsionsbalkens und nicht an einer Ecke angeordnet ist. Der Querschnitt verläuft in Querrichtung zur Achse des Gelenks (Schnitt AA in Fig. 41C). Das Verfahren gemäß der zweiten bevorzugten Ausführung beruht auf einem Abheben von Metall zur Bildung der dünnen Gelenkzone aus Metall und nicht auf einer vergrabenen Ätzbegrenzung aus Si0&sub2;. Wie im Verfahren der ersten bevorzugten Ausführung ist nur eine Plasmaätzung erforderlich, um sowohl das Gelenk als auch die Balkenmetallisierungsschichten zu ätzen.
Das Verfahren beginnt mit einer Zerstäubungsab scheidung der dünnen Gelenkschicht 180 aus Aluminium über dem Abstandselement 182 (Fig. 40A). Ein Dreilagen-Resistprozeß wird dazu benutzt, das abzugrenzen, was später die dünne Metallzone wird, in die das Gelenkmuster schließlich geätzt wird. Der ausgewählte Dreilagen-Resistprozeß ist eine Abwandlung des "Sestertious"-Prozesses von Y. C. Lin, und anderen, J. Vac. Sci. Technol., B1(4), 1215 (1983).
Der modifizierte "Sestertious" -Prozeß beginnt durch Abschleudern einer Abstandsschlcht 184 aus PMMA auf das Gelenktnetall 180. Die Dicke (etwa 5000 Å) ist so gewählt,daß sie geringfügig größer als die Dicke des Balkenmet alls ist. Das PMMA 184 wird bei einer im Vergleich zum Standardprozeß reduzierten Temperatur ausgehärtet, damit eine vernünftig hohe Lösungsgeschwindigkeit in ihrem Entwickler während des anschließenden Unterätzens der Photoresist-Verkappungsschicht aufrechterhalten wird. Als nächstes wird eine Antireflexionsschicht (ARC) 186 auf das PMMA 184 aufgeschleudert und ausgehärtet Die Antireflexionsbeschichtung 186 dient dazu, das Entstehen einer Grenzschicht zwischen dem Photoresist 188 und dem PMMA 184 zu verhindern. Ferner wird dadurch der Anteil des vom Gelenkmetall 180 während der anschließenden photolithographischen Belichtung reflektierten Lichts zu reduzieren.
Die Antireflexionsbeschichtung 186 wird dann mit einem Positiv-Photoresist 188 überzogen Der Photoresist 188 wird belichtet und in dem gewünschten Gelenkabhebemuster entwickelt und schließlich im tiefen UV gehärtet und wärmebehandelt Die Antireflexionsbeschichtung 180 wird gleichzeitig wie der Photoresist 188 entwickelt. Im Anschluß daran wird das PMMA 184 mit tiefen UV-Licht belichtet, so daß Bereiche des PMMA 184, die nicht mit dem Photoresist 188 überzogen sind, in ihrem mittleren Molekulargewicht reduziert werden und in Chlorbenzol besser löslich werden. Eine Chlorbenzolentwicklung des PMMA 184 bewirkt eine schnelle Auflösung des belichteten Abschnitts des PMMA 184, und eine Uberentwicklung erzeugt eine Unterschneidung der Photoresist-Verkappungsschicht um etwa 1 Mikron, wie in Fig. 40A gezeigt ist. Eine Veraschung dient dazu, Fäden aus aufgeweichtem PMMA zu entfernen, die während des Schleudertrocknens im Anschluß an die Entwicklung des PMMA 184 ausgeworfen worden sind. Ein Aushärtungsvorgang reduziert dann die immer noch im Photoresist 188 und im PMMA 184 enthaltenen flüchtigen Komponenten. Diese flüchtigen Komponenten werden durch die Chlorbenzolabsorption während der PMMA-Entwicklung verursacht.
Nachdem das dreilagige Resistmuster (Photoresist 188, Antireflexionsbeschichtung 186 und PMMA 184) gebildet ist, wird das Balkenmetall 190 durch Zerstäubung aufgebracht. Die überhängende Photoresistkappe auf dem PMMA 184 hat zur Folge, daß das durch Zerstäubung aufgebrachte Balkenmetall 190 in zwei Schichten aufbricht, wie in Fig. 408 gezeigt ist. Das Balkenmetall 190 wird dann dadurch abgehoben, daß das dreilagige Resistmuster entweder mit Chlorbenzol oder 1-Methyl-2-Pyrrolidinon getrankt und darin aufgelöst wird. Das (in Fig. 40C im Schnitt und in Fig. 41A in der Draufsicht gezeigte) Ergebnis ist eine dünne Metallzone 180, die von einer dicken Metallzone 190 umgeben ist, wobei die dicke Metallzone 190 an ihrem gemusterten Rand 192 abgeschrägt ist.
Als nächstes wird ein dem Gelenk und dem Balken entsprechendes Muster photolithographisch gebildet, wie in Fig. 40D (im Schnitt) und in Fig. 41B (in der Draufsicht) gezeigt ist. Die Öffnung im Photoresist ist in den Figuren mit 194 angegeben, und das freigelegte Metall ist bei den zwei kurzen horizontalen Abschnitten der Öffnung 194 in Fig. 418 Gelenkmetall und im übrigen Balkenmetall 190. Es sei bemerkt, daß dieses Muster sowohl die Gelenk- als auch die Balkengeometrien enthält, anders als beim Verfahren der ersten bevorzugten Ausführung. Aus diesem Grund ist das Verfahren in der zweiten bevorzugten Ausführung selbstjustiert. Der freigelegte Abschnitt des Gelenkmetalls 180 und des Balkenmetalis 190 wird dann einer Plasmaätzung unterzogen, damit gleichzeitig sowohl die Gelenkgeometrie als auch die Balkengeometrie gebildet werden. Nachdem der Photoresist durch Veraschen entfernt worden ist, ist der Prozeß vollendet, und der Balken erscheint wie in Fig. 40E (im Schnitt) und in Fig. 41C (in der Draufsicht).
Fig. 42A ist eine Draufsicht auf einen Teil einer Matrix 610 mit Pixeln 620 einer vierten bevorzugten Ausführung, wobei jedes Pixel 620 Torsionsbalken 630 enthält, die von Torsionsgelenken 634 und 636 gehalten werden, die ihrerseits mit Pfosten 624, 624', 624", ... verbunden sind; die Adressierungsschaltung für die Matrix 610 ist in Fig. 42A nicht dargestellt, jedoch ist die Gesamtadressierung für die Matrix in Fig. 42B schematisch dargestellt. Jedes Pixel ist als zwei variable Kondensatoren (einen für jede Adressierungselektrode) und zwei MOSFETs dargestellt, die den Zugriff auf die Kondensatoren steuern; die MOSFET-Gate-Anschlüsse gehören allen Pixeln in einer Reihe gemeinsam an, und die MOSFET-Drain-Anschlüsse gehören allen Pixeln in einer Spalte gemeinsam an. Die Matrix 610 ist zeilenadressiert; dies bedeutet, daß Daten der Matrix jeweils gleichzeitig einer Pixelreihe durch den Gate-Decodierer zugeführt werden, der die Wortleitung (Gate-Anschlüsse) auswählt, während die Daten an die Bitleitungen (Drain-Anschlüsse) angelegt werden, die dann die schwimmenden Source-Anschlüsse aufladen und die Balken entsprechend ablenken. Wie in Fig. 428 gezeigt ist können die Daten in einem seriellen Format eingegeben und dann mit Hilfe eines Serien-Parallel-Umsetzers ("S/P-Umsetzer") in ein paralleles Format umgesetzt werden und dann in einem Speicherregister ("Register") gespeichert werden, bis sie an die Bitleitungen angelegt werden; der Gate-Decodierer wählt nacheinander die Reihen der Matrix aus.
Die Figuren 43A bis 43D sind Draufsichten, die verschiedene aufeinanderfolgende Niveaus eines Pixels zeigen, und die Figuren 44A bis 44C sind Schnittansichten längs der Linien A-A, B- B und C-C in den Figuren 42A und 43A bis 43D. Insbesondere zeigt Fig. 43A n&spplus;-Diffüsionszonen 660, 661, 662, 666, 660', ... und p&spplus;-Kanalbegrenzungen 670, 672, 670', ... in einem p&supmin;- Siliciumsubstrat 622. Diffündierte Leitungen 660 und 661 sind Bitleitungen und die Drain-Anschlüsse für die MOSFETs, und die Zonen 662 und 666 sind die schwimmenden Source-Anschlüsse für die MOSFETs im Pixel 620. Es sei bemerkt, daß auf dem gleichen Chip, auf dem sich die Matrix 610 befindet, auch andere Baueinheiten hergestellt werden könnten und daß die Matrix 610 in einer p-Wanne eines CMOS-Chips hergestellt werden könnte Fig. 438 zeigt das Gate-Niveau und die Wortleitungen 680 und 680' aus polykristallinem Silicium mit angeschlossenen Gate-Anschlüssen 682, 686, 682', 686',.... Fig. 43C zeigt das Elektrodenniveau, wobei aus Gründen der Klarheit nur die Wortleitungen, die Gate-Anschlüsse und die schwimmenden Source-Anschlüsse dargestellt sind, Adressierungselelctroden 642 und 646 sind in vertikaler Richtung über Durchführungen 663 bzw. 667 mit den schwimmenden Source-Anschlüssen 662 gemeinsam an, und sie sind über die Balken und die Gelenke in der reflektierenden Schicht miteinander verbunden. Fig. 43D ist das Abstandsniveau und zeigt, daß Metalipfosten 624, 624', 624",... den Platz der Abstandselemente 24 im Pixel 20 zum Halten der reflektierenden Schichten 626 und 628 eingenommen haben, in denen die Balken 630, 630', 630",... gebildet sind. Die Metallpfosten 624, 624', 624",... verbinden die Balken 630, 630'. 630",... elektrisch mit dem Aufsetzelektroden 642, 646, ..., was im Gegensatz zum Pixel 20 steht, bei dem die Abstandselemente 24 die Balken sowohl von den Adressierungselektroden als auch von den Aufsetzelektroden isolieren. Fig. 42A zeigt das Niveau der reflektierenden Schicht natürlich in der Draufsicht.
Die Figuren 44A bis 44C sind Schnittansichten des Pixels 620 längs der Linien A-A, B-B und C-C von Fig. 42A, und sie zeigen Pfosten 624, 624'. 624",.., die die reflektierende Schicht (Gelenkmetall 626 und Balkenmetall 628) tragen und die aus den Ablagerungen des Gelenkund Balkenmetalls gebildet sind. Das isolierende Slliciumdioxid (Oxid) 644 hat eine Dicke von etwa 8000 A, jedoch ist es zur Abschrägung der Seitenwände der Öffnungen hinab zu den schwimmenden Source-Anschlüssen 662, 666, 662', ... zurückgeschmolzen worden, um zur Stufenüberdeckung während der Ablagerung der Metallelektroden 642, 646, 642', ... beizutragen. Das Gate-Oxid 643 hat eine Dicke von etwa 800 Å, und es wird während des Ätzens des aufgebrachten polykristallinem Siliciums zur Bildung von Wortleitungen und von Gate-Anschlüssen 682, 686, 682', ... beibehalten.
Die Matrix 610 kann mittels eines Verfahrens hergestellt werden, das analog zu den ersten und zweiten bevorzugten Verfahren ist mit der Ausnahme, daß die Abstandsschicht (324 beim ersten Verfahren und 182 beim zweiten Verfahren) zur Bildung von Öffnungen für die Pfosten 624, 624', 624",... vor dem Aufbringen des Gelenk- und Balkenmetalls gemustert wird. Durch das Aufbringen des Gelenk- und Balkenmetalls werden dann die Pfosten gebildet, und die Abstandsschicht wird um die Pixel herum völlig abgeätzt. Die Schaltung unterhalb der Elektroden wird mittels einer herkömmlichen Siliciumverarbeitung hergestellt.

MODIFIKATIONEN UND VORTEILE

Verschiedene Modifikationen der bevorzugten Ausführungen der Vorrichtungen und der Verfahren können durchgeführt werden, während die Trennung der Adressierungs- und Aufsetzelektroden beibehalten wird, die zum sanften Aufsetzen in den bevorzugten Ausführungen führt. Die in wirksamer Weise symmetrischen Balken können von einer Differenzvorspannung Gebrauch machen. Beispielsweise könnten die Adressierungselektroden zur Außenseite der Aufsetzelektroden bewegt werden, obgleich dies eine sorgfältigere Analyse des Anzugsmoments als die dargelegte Analyse erfordern würde, da die Streufelder die Grundlage für die Anziehung wären. Außerdem können die Abmessungen und Formen variiert werden, beispielsweise die Länge, die Breite und die Dicke des Gelenks (selbst Gelenke aus dem Balkenmetall), die Größe der Balken und ihre Dicke, die Dicke des Abstandselements usw. Auch die Geometrie der Balken und der Gelenke kann variiert werden, wie in Fig. 39 dargestellt ist. In den Balken könnten Muster aus dicken und dünnen Abschnitten hergestellt werden, und drei oder mehr Schichten aus Metall mit Ätzbegrenzungen jeder Schicht könnten verschiedene Balkenstrukturen ergeben. Auch die Materialien könnten variiert werden, beispielsweise Cu:Al, Ti:W, Chrom, usw. für das Metall, andere Resistmaterialien oder Isolatoren wie Polyimid für das Abstandselement oder zusammengesetzte Abstandselemente einschließlich leitender Teilschichten, einer Strahlungshärtung des Abstandselements, andere Halbleitermaterialien für das Substrat und die Elektroden oder Metallelektroden usw. Die Ätzbegrenzung für das vergrabene Gelenk könnte ein anderes Material sein, beispielsweise Wolfram; die Verarbeitung könnte dazu führen, daß zwischen dem Gelenkmetall und dem Balkenmetall keine Rückstände der Ätzbegrenzung vorhanden sind. Die Aufsetzelektroden könnten mit einer dünnen Schicht aus Siliciumdioxid oder einem anderen Material überzogen sein, um ein Haften der Balken auf den Aufsetzelektroden zu verhindern; die Aufsetzelektroden könnten auch aus einem von den Balken verschiedenen Material gebildet werden und daher ein Kaltverschweißen des Balkens mit der Aufsetzelektrode verhindern; die Aufsetzelektroden könnten auch eine solche Kontur haben, daß sie den Balken an einer von der Balkenspitze oder vom Balkenrand entfernten Stelle berühren. Unterhalb der Elektroden können verschiedenartige Adressierungsschaltungen einschließlich von Durchführungen zur Rückseite eines Substrats gebildet werden.
Die Vorteile der Aufsetzelektrode enthalten die gleichmäßige Ablenkung der Balken mit großem Winkel und weichem Aufsetzen.

Claims

1. Verfahren zum Rücksetzen von Pixeln (20; 120; 220; 320; 420; 520; 620) eines Spatiallichtmodulators mit ablenkbarem Balken, bei welchem die Pixel (20; 120; 220; 320; 420; 520; 620) gegenüberliegende Adressierungselektroden (42, 46 142, 146; 242, 246; 342, 346; 442, 446; 542, 546; 642, 646) und gegenüberliegende Aufsetzelektroden (40 41; 140,141 240, 241; 340, 341; 440, 441; 540, 541; 640, 641) auf einem Substrat (22; 122; 322; 422; 622) und Stützpfosten mit zwei Torsionsgelenken (34, 36; 134, 136; 234, 236; 334, 336; 434, 436; 534, 536; 634, 636) enthalten, die die ablenkbaren Balken (30; 230; 330; 430. 530; 630) tragen, wobei das Verfahren die Schritte enthält:

a) Anlegen der Adressierungselektroden (42, 46; 142, 146; 242, 246, 342, 346; 442, 446; 542, 546; 642, 646) an Masse,

b) Anlegen einer Folge von Spannungsimpulsen an die Aufsetzelektroden (40, 41; 140, 141; 240, 241; 340, 341; 440, 441; 540, 541; 640, 641) und den ablenkbaren Balken (30; 230; 330; 430; 530; 630), wobei die Folge eine Frequenz hat, die etwa der Resonanzfrequenz der Gelenke (34, 36; 134, 136; 234, 236; 334,336; 434, 436; 534 536; 634, 636) entspricht, was den ablenkbaren Balken (30; 230; 330; 430; 530) veranlaßt, wiederholt nach unten gegen die Adressierungselektroden (42, 46; 142, 146; 242, 246; 342, 346; 442, 446; 542, 546; 642, 646) zu schwingen und

c) Abtrennen der Folge von Impulsen, damit der ablenkbare Balken (30; 230; 330; 430; 530; 630) in Richtung nach oben reagiert, und sich dadurch selbst von den Aufsetzelektroden (40, 41; 140, 141; 240, 241; 340, 341; 440,441; 540, 541; 640, 641) löst.

2. Verfahren nach Anspruch 1, bei welchem die Folge fünf Impulse aufweist.

3. Verfahren nach Anspruch 1, bei welchem jeder der Spannungsimpulse eine Rechteckwelle mit einem Tastverhältnis von 50 % ist.