DE69310259T2

DE69310259T2 - Verfahren und Vorrichtung zur elektrostatisch kontrollierten Strahlsteuerung

Info

Publication number: DE69310259T2
Application number: DE69310259T
Authority: DE
Inventors: William E Nelson
Original assignee: Texas Instruments Inc
Current assignee: Texas Instruments Inc
Priority date: 1992-03-04
Filing date: 1993-02-10
Publication date: 1997-11-06
Anticipated expiration: 2013-02-11
Also published as: JP3335698B2; EP0563546A1; EP0563546B1; KR100277450B1; DE69310259D1; JPH063607A; US5212582A; KR930020187A

Description

HINTERGRUND DER ERFINDUNG

1. Gebiet der Erfindung

Diese Erfindung bezieht sich auf elektrooptische Vorrichtungen und insbesondere auf Strahllenk- oder Strahlausrichtungsvorrichtungen, wie sie im Oberbegriff des Anspruchs 1 definiert sind.
Eine Strahllenk- oder Strahlausrichtungsvorrichtung, wie sie oben erwähnt ist, ist aus der EP-A-0 469 293 bekannt. Dieses Dokument beschreibt eine bistabile verformbare Spiegelvorrichtung in Pixelarchitektur, bei der die Torsionsscharniere in einer Schicht angeordnet sind, die sich von der Torsionsbalkenschicht unterscheidet. Bei der Drehbewegung berührt die Balkenschicht Adreßelektroden, die von Pfosten unterstützt werden.

2. Hintergrund der Erfindung

Licht kann durch viele Arten von elektrooptischen Vorrichtungen gelenkt oder ausgerichtet werden. Diese Vorrichtungen umfassen galvanometrische Abtaster, Resonanzspiegel und rotierende Polygonspiegel.
Galvanometrische Abtaster reflektieren Licht von einem Spiegel, der sich mit einem kleinen Winkel um eine Achse dreht. Die Drehung resultiert aus dem Anlegen eines elektrischen Stroms bei Vorhandensein eines festen Magnetfeldes. Der Strom erzeugt ein proportionales Magnetfeld. Die Wechselwirkung zwischen den zwei Magnetfeldern bewirkt eine Verdrehung des stromführenden Leiters. Die Drehbewegung treibt einen Spiegel an, der verwendet wird, um Licht zu lenken oder auszurichten.
Resonanzspiegel reflektieren Licht von einem Spiegel, der sich ebenfalls als Antwort auf ein elektrisches Signal bewegt. Das Signal treibt eine Komponente wie z. B. eine Schwingspule an, die gegen einen federgestützten, mittels Scharnieren aufgehängten Spiegel drückt. Ein am Spiegel angebrachtes Gegengewicht und der Spiegel wirken gemeinsam wie eine Stimmgabel. Der Spiegel oszilliert dann mit einer Resonanzfrequenz, um das Licht abzulenken.
Ein rotierender Polygonspiegel besteht normalerweise aus einem mehrflächigen Spiegel, der von einem Motor mit hoher Geschwindigkeit gedreht wird. Die Spiegelelemente sind typischerweise Facetten, die auf den Umfang einer Scheibe geschnitten sind, obwohl andere Formen ebenfalls möglich sind. Diese Anordnung kommt in optischen Abtastern, die digitale Eingangssignale in Lichtmuster umsetzen, häufiger vor als in anderen Anwendungen.
Diese drei Beispiele sind alle relativ groß, teuer und empfindlich gegen Stöße und Schwingungen. Diese Nachteile beschränken die Anwendbarkeit dieser Vorrichtungen in einer größenbeschränkten und/oder einer mobilen Umgebung. Es entstand Bedarf an einer Vorrichtung zum Lenken von Licht, die sehr kompakt, kostengünstig und leistungseffektiv ist und die in einer mobilen Umgebung verwendet werden kann.
Es ist die Aufgabe der Erfindung, eine Vorrichtung zum Lenken von Licht zu schaffen, die in Kombination mit den obenerwähnten Vorteilen eine saubere Ausrichtung von Licht ermöglicht, indem sie viele Streueffekte beseitigt, und bei der das Spiegelelement von jeglichen Effekten der Betätigungselek-tronik abgeschirmt ist.
Die hier offenbarte, vorliegende Erfindung umfaßt eine Vorrichtung zum Lenken von Licht, die die im Anspruch 1 definierten Merkmale aufweist. Die Vorrichtung ist eine Mehrschichtstruktur, die eine Elektrodenschicht, eine Pfosten- oder Abstandhalterschicht, eine Schicht mit ablenkbaren Elementen, eine zweite Pfosten- oder Abstandhalterschicht und eine abschließende reflektierende Schicht umfaßt. Die Elektrode wird verwendet, um das ablenkbare Element zu adressieren, wodurch das Element in Richtung zur aktivierten Elektrode abgelenkt wird. Wenn das Element abgelenkt wird, wird auch der Pfosten der reflektierenden Schicht abgelenkt. Dies bewirkt wiederum eine Ablenkung des reflektierenden Elements. Die Abmessungen der reflektierenden Schicht sind größer als die der Schicht mit ablenkbaren Elementen, wodurch eine Vergrößerung der aktiven Fläche erreicht wird und jedwede Streuung vom ablenkbaren Element im optischen System, das diese Struktur verwendet, verhindert wird.

KURZBESCHREIBUNG DER ZEICHNUNGEN

Für ein vollständigeres Verständnis der vorliegenden Erfindung und deren weiterer Vorteile wird diese im folgenden in Verbindung mit den beigefügten Zeichnungen genauer beschrieben, in welchen:
Fig. 1 eine erste Ausführungsform einer Vorrichtung zum Lenken von Licht zeigt;
Fig. 2 das in Fig. 1 dargestellte Spiegelelement zeigt;
Fig. 3 und 4 Querschnittsansichten des in Fig. 2 dargestellten Spiegelelements längs der Linien 3-3 bzw. 4-4 zeigen;
Fig. 5a bis 5f Querschnittsansichten aufeinanderfolgender Schritte der Herstellung des in Fig. 2 dargestellten Spiegelelements zeigen;
Fig. 6 eine zweite Ausführungsform einer Vorrichtung zum Lenken von Licht zeigt;
Fig. 7 eine Querschnittsansicht der zweiten Ausführungsform einer in Fig. 6 gezeigten Vorrichtung zum Lenken von Licht längs der Linie 7-7 zeigt;
Fig. 8 eine dritte Ausführungsform einer Vorrichtung zum Lenken von Licht zeigt;
Fig. 9 eine Querschnittsansicht der in Fig. 8 gezeigten dritten Ausführungsform einer Vorrichtung zum Lenken von Licht längs der Linie 9-9 zeigt;
Fig. 10 eine alternative Ausführungsform der vorliegenden Erfindung zeigt, die eine Schichtstruktur mit zwei aktiven Schichten verwendet;
Fig. 11 eine Struktur mit zwei aktiven Schichten in einer Explosionsansicht zeigt;
Fig. 12a-12d eine Struktur mit zwei aktiven Schichten während des Herstellungsprozesses zeigen.

GENAUE BESCHREIBUNG DER BEVORZUGTEN AUSFÜHRUNGSFORMEN

Fig. 1 zeigt eine Strahllenkvorrichtung 10, die eine Ausführungsform einer Vorrichtung zum Lenken von Licht enthält. Die Vorrichtung 10 umfaßt einen typischerweise aus Kunststoff hergestellten Körper 12, der ein Substrat 14 und ein langes, dünnes, ablenkbares Spiegelelement 16 aufnimmt. Das Substrat 14 enthält typischerweise eine Oberflächenwanne (in Fig. 3 gezeigt) mit einer Grundfläche und Seitenwänden, die den Spiegel 16 mittels flexibler Scharniere (in Fig. 2 gezeigt) unterstützen. Die Wanne erlaubt dem Spiegelelement 16, sich aus der Ebene, die das Substrat enthält, um die Achse zu drehen, die von den Scharnieren gebildet wird, während die Flachheit des Spiegelelements 16 erhalten bleibt. Wie schematisch gezeigt ist, richtet ein Kondensersystem einen Lichtstrahl 13 von der Lichtquelle 15 und einem Reflektor 17 über eine Linse 11 auf die DMD 16 aus.
In einer praktischen Anwendung kann ein Lichtbündel 13 von irgendeiner Lichtquelle wie z. B. einem Laser stammen und kann eine Bildinformation enthalten. Zum Beispiel kann die Linse 11 Licht von einem weiteren Raumlichtmodulator (SLM) auf den abtastenden Spiegel der DMD weiterleiten. Das abgetastete Licht kann später zu einem Brennpunkt in einer Bildebene hinter der Vorrichtung 10 konvergieren, wobei es eventuell über ein Zwischenlinsenelement geleitet wird.
Das Spiegelelement 16 operiert im wesentlichen in der Ebene des Substrats 14. Es bewirkt keine Defokussierung oder irgendeine Feldkrümmung im endgültigen Abbild, wie bei herkömmlichen Abtastern.
Die Vorrichtung 10 ist ferner mit einer veränderlichen Anzahl von elektrischen Anschlüssen 18 verbunden, die sie mit anderen Teilkomponenten verbinden. Die Anzahl der Anschlüsse 18 kann sich in Abhängigkeit von der Komplexität der in der Vorrichtung 10 enthaltenen Schaltung ändern. Zum Beispiel kann das Substrat 14 seinerseits ein Halbleiter sein und einen internen Signalgenerator enthalten, der den Grad der Drehung des Spiegelelements 16 steuert. In einem solchen Fall benötigt die Vorrichtung 10 vielleicht nur drei Leiter, Masse, Stromversorgung und EIN/AUS. Die Vorrichtung 10 kann jedoch auch so ausgelegt sein, daß sie von einem externen Signalgenerator angesteuert wird (in Fig. 3 gezeigt). In einem solchen Fall kann die Steuerung der Bewegung des Spiegelelements 16 zusätzliche Anschlußstifte erfordern, wobei das Substrat kein Halbleiter sein muß.
Im Betrieb trifft ein einfallendes Bündel von Lichtstrahlen 13 auf die Oberfläche der Vorrichtung 10, wo es vom Spiegelelement 16 reflektiert wird. Das Spiegelelement 16 wird veranlaßt, sich zu verdrehen oder um eine Achse zu rotieren, die durch seine Träger definiert wird, so daß es das reflektierte Licht um den doppelten Drehwinkel des Spiegelelements ablenkt. Das Spiegelelement 16 besitzt eine natürliche Drehfrequenz, seine "Resonanzfrequenz", bei der es sich mit einer minimalen Antriebskraft dreht. Durch entsprechendes Steuern der physikalischen Abmessungen und der Materialien des Spiegelelements 16 kann die Resonanzfrequenz des Spiegelelements 16 auf bestimmte Anwendungen zugeschnitten werden. Die Resonanzfrequenz des Spiegelelements ist gegeben durch den Ausdruck:
f = 1/2π (τ/I/θ)
oder
f = 1/2π (K/I)
wobei I das Trägheitsmoment des Spiegelelements ist, τ das Spitzenschwingungsdrehmoment des Spiegels bei einer Spitzenamplitude θ ist, K die Federkonstante ist und τ/θ ein Maß für die Rotationssteifigkeit der Scharnierelemente 16 ist. Die mechanischen Eigenschaften einfacher Geometrien und der meisten Halbleitermaterialien sind wohlbekannt, weshalb K und I für die meisten Situationen ermittelt werden können.
Eine breite Vielfalt von Systemen kann die elektromechanischen Eigenschaften des Spiegelelements 16 aufweisen. Zum Beispiel kann die Vorrichtung 10 einen modulierten Laserstrahl wiederholt auf eine Trommel eines xerographischen Druckers oder eines Universalproduktcode-(UPC)-Abtasters lenken. Bei der ersten Anwendung tastet ein Laserstrahl eine Trommel ab, die an den Stellen, an denen sie vom Laser getroffen wird, einen Toner anzieht. Die Trommel kann anschließend das entwickelte Tonermuster auf ein ebenes Papier übertragen, um ein gedrucktes Bild zu erzeugen. In der letzteren Anwendung tastet ein Laserstrahl ein Produkt ab, das von einem Benutzer gekauft wird. Der Strahl wird von einer Serie beabstandeter Linien auf dem Produkt zu einem Photodioden-Detektor zurückgeworfen. Der Abtaster kann anschließend die Identität des Produkts anhand des Linienmusters ermitteln, wobei der Verbraucher mit einem entsprechenden Betrag belastet wird. Der Laserstrahl muß wiederholt ein Raumvolumen abtasten, so daß die Produktidentität ungeachtet der Orientierung des Laserstrahls ermittelt werden kann.
In anderen Anwendungen kann ein virtuelles Anzeigesystem die Vorrichtung 10 enthalten. In einem solchen System wird eine Serie von Zeilen von Anzeigepixeln von einer Raumlichtmodulatormatrix sequentiell auf den Resonanzspiegel projiziert, während der Spiegel oszilliert. Eine herkömmliche verformbare Spiegelvorrichtung, die eine weiße Lichtquelle reflektiert, kann die Serie von Zeilen bilden. Durch günstiges zeitliches Abstimmen des Ausgangs der ablenkbaren Spiegelvorrichtung und der Position des in Resonanz schwingenden Spiegels kann eine volle Anzeigeseite erhalten werden. Die Trägheit der Augen des Betrachters bewirkt, daß der Betrachter die Serie benachbarter Linien als vollständige Anzeigeseite wahrnimmt. Schließlich kann die Abtastung entweder eines Punktes oder einer Matrix geeigneter modulierter Lichtimpulse die Belichtung eines lichtempfindlichen Mediums wie z. B. eines photographischen Films, eines Photoresists oder irgendeines anderen Photopolymers bewirken.
Die Fig. 2 zeigt die linke Hälfte des Spiegelelements 16 der Fig. 1. Obwohl nur der linke Abschnitt des Spiegelelements 16 dargestellt ist, ist auch ein symmetrischer rechter Abschnitt vorhanden. Eine Serie von axial ausgerichteten Pfosten unterstützt das Spiegelelement 16 auf seiner gesamten Länge. Die Stabilität erfordert wenigstens zwei Träger. Diese können entweder am Ende des Spiegels 16 angeordnet sein, wie das Scharnierelement 20, oder können von einer Kante des Spiegelelements 16 beabstandet angeordnet sein, wie die Unterstützungselemente 22. Alle Träger sind längs der Linie 24 ausgerichtet, die die "Drehachse" bildet. Diese Zwischenunterstützungselemente 22 versteifen das Spiegelelement 16 in Längsrichtung, ohne die Drehung des Spiegelelements 16 um seine Drehachse zu beeinträchtigen. Als Folge hiervon ist das Spiegelelement 16 im allgemeinen bündig mit der Oberfläche der Wanne 26 oder mit dem darunterliegenden Substrat. Jedes Unterstützungselement verbindet das Spiegelelement 16 mit der Grundfläche der Wanne und stellt die Flachheit des Spiegelelements 16 während des Betriebs sicher. Die Wanne 26 kann tatsächlich aus dem Substrat 14 geätzt sein oder kann einfach nach der Herstellung einer Schicht oder mehrerer Schichten, die die Seitenwände 28 bilden, übrigbleiben. Die Seitenwände 28 verlaufen im allgemeinen kontinuierlich um den Umfang des Spiegelelements 16.
Ohne die Unterstützungselemente 22 würde das Spiegelelement 16 aufgrund seiner relativ großen Länge und seines dünnen Querschnitts in die Wanne 26 durchhängen. Im Betrieb würde das Spiegelelement 16 sich nicht um seine Drehachse 24 drehen, wenn es (wie im folgenden beschrieben wird) angetrieben wird, sondern würde einfach stärker nach unten durchhängen, wenn es ohne die Unterstützungselemente 22 hergestellt wäre. Beide Ergebnisse würden die erwünschten Lichtlenkfähigkeiten der Vorrichtung einschränken. Das Unterstützungselement 22 umfaßt seinerseits wenigstens ein Scharnierelement 30, das das Spiegelelement 16 mit einem Zentralpfosten 32 verbindet. In der obenbeschriebenen Vorrichtung zum Lenken von Licht umfaßt das Unterstützungselement 22 zwei symmetrische Scharnierelemente 30. Diese Scharnierelemente bestehen typischerweise aus dem gleichen Material wie das Scharnierelement 20 und das Spiegelelement 16, weisen jedoch eine andere Dicke auf.
Die Fig. 3 zeigt eine Ansicht des Spiegelelements 16 längs der Linie 3-3 der Fig. 2. Ein Zentralpfosten 32 in der Wanne 26 unterstützt das Spiegelelement 16 längs seiner Drehachse 24. Die Vorrichtung 10 enthält ferner wenigstens eine Elektrode 34, die gegenüber der Drehachse 24 nach außen verschoben ist. Eine zweite komplementäre Elektrode 36 kann der Vorrichtung 10 in einer zweiten Position hinzugefügt werden, die ebenfalls gegenüber der Drehachse 24 nach außen in einer Richtung verschoben ist, und die im allgemeinen der Richtung der Elektrode 34 entgegengesetzt ist. Wie gezeigt, sind die Elektroden 34 und 36 mit einem Signalgenerator 37 elektrisch verbunden. Von einem Signalgenerator 39 kann an das Spiegelelement 16 eine zusätzliche Spannung angelegt werden, um andere Steuerfunktionen zu verwirklichen, wie z. B. eine Vorspannung und ein Zurücksetzen, da das Spiegelelement 16 und die Pfosten 32 von den Elektroden 34 und 36 elektrisch isoliert sind. Dies ist ferner im US- Patent Nr. 5,061,049, erteilt am 29.10.1991, offenbart. Die Signalgeneratoren 37 und 39 können innerhalb oder außerhalb der Vorrichtung 10 angeordnet sein. Die Vorrichtung 10 kann ferner einen oder zwei Anschläge 38 enthalten, die gegenüber den Elektroden 34 und 36 nach außen verschoben sind und auf dem gleichen elektrischen Potential gehalten werden wie das Spiegelelement 16. Diese Anschläge, die als Landeelektroden bezeichnet werden, sind so angeordnet, daß das Spiegelelement 16 an diesen anschlägt, bevor es an den Elektroden 34 und 36 oder an irgendeinem anderen Teil der Vorrichtung 10 anschlägt. Dies verhindert, daß ein elektrischer Strom zwischen dem Spiegelelement 16 und den Elektroden 34 und 36 oder irgendeinem anderen Element fließt, was die zwei Elemente verschmelzen würde oder eine andere Beschädigung verursachen würde. Die Elektroden und die Anschläge können einzelne Sätze von kleinen Flächen, mehrfache Sätze von kleinen Flächen oder langgestreckte Streifen sein, die im allgemeinen parallel zur Drehachse verlaufen.
Das Anlegen eines Wechselstroms zwischen den Elektroden 34 und 36 kann die periodische Drehung des Spiegelelements 16 um seine Drehachse 24 steuern. Diese an die Elektroden 34 und 36 angelegten Signale in der obenbeschriebenen Vorrichtung zum Lenken von Licht sind gegeneinander um 180º phasenverschoben und besitzen eine Frequenz gleich der Resonanzfrequenz des Spiegelelements 16. Das Spiegelelement 16 wird währenddessen auf einem mittleren Potential gehalten. Das Steuern der Amplitude der Wechselstromwelle kann die Amplitude der Drehung regeln.
Im obenerwähnten Fall kann der Spiegel in Abhängigkeit von der Auswahl der Antriebsspannungsamplitude und der Frequenz in Resonanz oder außerhalb der Resonanz angesteuert werden. In einem solchen Fall wird er in einer analogen Weise um 50 % des maximalen Drehwinkels abgelenkt. Nach diesem Punkt überwindet die elektrostatische Anziehung, die umgekehrt proportional zum Quadrat des Abstands des Spiegels 16 zu den Elektroden 34, 36 ist, das lineare Rückstelldrehmoment der Scharniere 30, wobei der Spiegel mit vollem Ablenkwinkel auf den Landeelektroden 38 landet. Dies ist der digitale Betriebsmodus. Der Spiegel 16 rotiert um den maximalen Winkel bis zu einem präzisen Ruhepunkt oder Ruhewinkel. Die Spiegelträgheit I und die Dämpfung aufgrund des im Hohlraum 26 vorhandenen Gases bestimmen die Drehgeschwindigkeit. In einem Betriebsmodus wird der Spiegel 16 einfach von der Landeelektrode 38 zurückprallen. In einem weiteren Modus kann ein spezieller Steuerimpuls, Rücksetzimpuls genannt, verwendet werden, um den Zeitverlauf der Rückkehrdrehung des Spiegels genau zu steuern.
Fig. 4 zeigt eine Querschnittsansicht des Spiegelelements 16 der Fig. 2 längs der Linie 4-4. Hierbei ist ein Spiegelelement 16 über zwei dünne Scharnierelemente 30 mit dem Unterstützungspfosten 32 verbunden. Die Scharnierelemente 30 sind teilweise von einer Oxidschicht 40 bedeckt, wobei ein Abschnitt derselben nach der Herstellung stehenbleibt, wie im folgenden genauer beschrieben wird. Der Zentralpfosten 32 ruht auf einer elektrisch isolierten Fläche 42 und den Schichten 44 und 46. Das Substrat 46 kann die Schaltung enthalten, die zum Ansteuern des Spiegelelements 16 um seine Drehachse wie oben beschrieben erforderlich ist.
Die Fig. 5a-5f zeigen Querschnittsansichten aufeinanderfolgender Schritte der Herstellung des in Fig. 4 gezeigten Spiegelelements.
(a) Anfangs wird unter Verwendung herkömmlicher photolithographischer Techniken eine Substratschicht 46 hergestellt. Die Substratschicht kann z. B. einen internen Oszillator zum Ansteuern des Spiegelelements 16 (Fig. 1-4) oder eine andere Steuerschaltung enthalten.
Eine Schicht 44, möglicherweise aus Siliciumdioxid, isoliert jede Unterstützungspfostenfläche 42 von dem darunterliegenden Substrat. Die Pfostenfläche 42 besitzt eine Dicke von ungefähr 3000 Å und ist aus einer Legierung von Aluminium, Titan und Silicium hergestellt ("Ti:Si:Al"). Nachdem das Ti:Si:Al mittels Sputtern auf der Siliciumoxidschicht 44 abgeschieden worden ist, wird es gemustert und plasmageätzt, um die Pfostenfläche 42, die Elektroden 34 und 36 sowie die Anschläge 38 zu definieren (die letzten drei sind in Fig. 3 gezeigt).
(b) Ein Photoresist wird anschließend in typischerweise drei Auftragsschichten aufgetragen und eingebrannt bis zu einer Gesamtdicke von ungefähr 4 µm, um den Abstandhalter 48 auszubilden. Das dreifache Auftragen des typischerweise positiven Resists bis zur endgültigen Dicke verhindert Resistoberflächenwellen, die auftreten, wenn eine einzige, sehr dicke Schicht aufgetragen wird. Das Brennen nach jedem Auftragen des Resists bei ungefähr 180º C verhindert, daß die vorangehenden Schichten beim nachfolgenden Auftragen des Resists angelöst werden, wobei das überschüssige Lösungsmittel aus dem Abstandhalter ausgetrieben wird und die Ausbildung von Lösungsmittelblasen unter den Scharniermetall verhindert wird.
(c) Der Abstandhalter 48 wird geätzt, um ein Durchgangsloch auszubilden, das die jeweilige Pfostenfläche 42 freilegt.
(d) Auf den Abstandhalter 48 werden ungefähr 800 Å an Ti:Si:Al aufgetragen, um einen Teil des jeweiligen Pfostens und eine dünne Scharnierschicht 50 auszubilden, aus der die Endscharniere und die Zentralscharniere geätzt werden. Der Drehwiderstand oder die Flexibilität der Scharniere kann durch Steuern ihrer Länge, Breite und Dicke sowie durch Steuern ihrer Zusammensetzung gesteuert werden. Typischerweise ist jedes Scharnier 2 µm breit. Die Unterstützungspfostenscharniere sind 10 µm lang. Als nächstes werden 1500 Å an Siliciumdioxid abgeschieden, gemustert und geätzt, um Scharnierätzstopper 52 über allen zukünftigen Scharnieren auszubilden.
(e) Es werden ungefähr 3600 Å an Ti:Si:Al mittels Sputtern auf der Scharnierschicht 50 und den Scharnierätzstoppern 52 abgeschieden, um die Spiegelschicht 54 auszubilden. Das Abscheiden des Metalls der Spiegelschicht 54 findet unter den gleichen Bedingungen statt wie die Abscheidung der Scharnierschicht 50, so daß sich zwischen den Metallschichten keine Spannungen entwikkeln. Das Steuern der Länge, Breite, Dicke und der Zusammensetzung des jeweiligen Spiegels steuert das Trägheitsmoment I. Jedes Spiegelelement kann typischerweise bis zu 1 cm breit und mehrere Zentimeter lang sein. Schließlich wird auf der Oberseite der Spiegelschicht 54 eine Ätzstoppschicht 56 abgeschieden, um diese während der nachfolgenden Herstellungsschritte zu schützen.
(f) Eine Photoresist-Schicht wird auf die Ätzstoppschicht 56 aufgetragen und gemustert, um Spiegelelemente und Plasmaätz- Zugangsöffnungen 58 oberhalb der Scharnieranschläge 52 (in Fig. 5e gezeigt) zu definieren. Die gemusterte Photoresistschicht kann anschließend als Maske für das Plasmaätzen der Ätzstoppschicht verwendet werden. Die Zugriffsöffnungen 58 erscheinen als Satz von "C's", die einander zugewandt sind, wenn sie von oben betrachtet werden. Das Plasmaätzen der Aluminiumlegierung kann mit einer Ätzgasmischung aus Chlor/Bortrichlorid/Kohlenstofftrichlorid durchgeführt werden. Nachdem die übriggebliebene Photoresistschicht entfernt worden ist, können die übriggebliebene Ätzstoppschicht 50 und die Scharnierätzstopper 52 durch anisotropisches Ätzen entfernt werden.
Die Zugangsöffnungen 58 können minimiert werden, indem sie an die Abmessungen der Pfosten und Scharniere angepaßt werden, wobei eine Lücke von nur 1 oder 2 µm die Pfosten und Scharniere vom Spiegel 16 trennt. Dies minimiert die optischen Auswirkungen des Pfostens und der Scharniere auf die Spiegelleistung.
Der Abstandhalter 48 wird z. B. mittels Ätzen in Sauerstoff mit wenigen Prozent Fluor entfernt. Der fertiggestellte Unterstützungspfosten des Resonanzspiegels ist in Fig. 4 dargestellt.
Das optionale Endscharnier 20 (in Fig. 2 gezeigt) resultiert aus der Verwendung der gleichen Schritte wie beim Zentralpfosten und bei den Scharnierelementen, die in den Fig. 5a-5f gezeigt sind. Jedes Endscharnier 20 ist in das umgebende nichtrotierende Spiegelmetall integriert. In einigen Anwendungen kann es vorteilhaft sein, die umgebende Struktur zu entfernen, so daß nur das aktive Spiegelelement über die Substratschicht 46 hinausragt. Die Unterstützungspfosten können in diesem Fall an den äußersten Enden des Spiegels vorgesehen sein.
Eine praktische Einschränkung der beschriebenen Ausführungsform betrifft die Beschränkung der Dicke des Abstandhalters und der Höhe des Unterstützungspfostens, die unter Verwendung brauchbarer Halbleiterprozesse erreicht werden können. Die Größe des in Fig. 5c ausgebildeten Durchgangsloches hängt von den technischen Prozessen und von der Dicke der Abstandhalterschicht 48 ab. Im allgemeinen muß die Größe des Durchgangsloches mit zunehmender Dicke der Abstandhalterschicht zunehmen. Die Größe des Durchgangsloches muß jedoch minimiert werden, um irgendwelche optischen Abweichungen im resultierenden Spiegelelement 16 zu minimieren. Diese optische Einschränkung beschränkt daher die Dicke der Abstandhalterschicht 48 und den maximalen Drehwinkel. Die Abstandhalter mit der obenerwähnten Dicke von 4 µm erlauben nur kleine Drehwinkel für die Spiegel, die eine beliebige gewünschte Breite aufweisen. Wenn ein Drehwinkel von ± 10º gewünscht ist, kann die Breite des Spiegels nur das 12-fache der Dicke der Abstandhalterschicht 48 bzw. ungefähr 50 µm betragen.
Die Fig. 6 und 7 zeigen eine asymmetrische Spiegelstruktur, die die Beschränkung des Drehwinkels überwindet. Sie operiert nur in einer Richtung, sorgt jedoch für einen relativ breiten Spiegel und vernünftige Operationswinkel innerhalb der obenbeschriebenen Abstandhalterbeschränkungen. Die Nachteile sind ein größeres Trägheitsmoment I und eine unidirektionale Operation.
Die Fig. 8 und 9 zeigen einen praktischen Weg zum Erreichen großer Spiegelflächen, die über Winkel von 10º oder mehr operieren können, und die die Herstellungseinschränkungen der Abstandhalterschicht 48 und der Unterstützungspfosten 32 erfüllen. Bei diesem Lösungsansatz sind Spiegel mit großer Ausdehnung in einer netzartigen Matrix langer, schlanker Elemente 16 unterteilt. Jedes Spiegelelement 16 ist auf einer Linie von Unterstützungselementen 22 unterstützt, wie in Fig. 3 gezeigt. Jeder Spiegel besitzt die Elektrode 34 und den Anschlag 38, wie in Fig. 3 gezeigt, die zur Adressierung des Spiegels erforderlich sind.
Der optische Effekt der Drehung der Matrix der Elemente synchron um parallele Achsen 24 ist äquivalent zum Drehen eines größeren Spiegels um denselben Winkel. Ein Vorteil des netzartigen Spiegeldrehschemas liegt darin, daß die äußersten Enden der Spiegelmatrix in nahezu derselben Ebene verbleiben wie die Zentralelemente. Anders als der herkömmliche makroskopische Galvanometerspiegel, der als Ergebnis seiner Drehung um eine Achse senkrecht zum optischen Weg Änderungen der optischen Weglänge hervorruft, bewerkstelligt die DMD-Spiegelmatrix eine Strahllenkung ohne Änderung der optischen Weglänge um mehr als einige wenige µm. Während Galvanometer Brennpunktverschiebungen und andere optische Artefakte hervorrufen, beseitigt das Verfahren der vernetzten Spiegel dieselben. Fresnell-Linsen sind nach dem gleichen Prinzip aufgebaut.
Als ein Ergebnis der Fähigkeit zum individuellen Kippen der langen Elemente der Spiegelmatrix unter genauer elektrischer Steuerung kann die Matrix verwendet werden, um den gleichen Effekt zu erreichen wie eine reflektierende Fresnell-Linse eines zylindrischen Typs (z. B. mit einer optischen Stärke längs nur einer Achse und keiner optischen Stärke längs der orthogonalen Achse). Die Signalgeneratoren 37 und 39 (in Fig. 3 gezeigt) können eine vorgeschriebene Serie von Spannungsschritten an die Adreßelektroden der parallelen Zeilen der Spiegel anlegen, die einer Gleichung entsprechen, die die gewünschte eindimensionale optische Oberfläche beschreiben. Zum Beispiel kann ein ebener Spiegel modelliert werden, indem im allgemeinen gleiche Spannungspegel an alle Elektroden angelegt werden. Andere optische Oberflächen können modelliert werden, indem die Spiegel um ein veränderliches Maß gekippt werden. Dies schafft ein aktives, elektronisch programmierbares, reflektierendes, zylindrisches optisches Element mit minimalen Streueffekten.
Es ist ferner unter der Steuerung der Signalgeneratoren 37 und 39 möglich, sowohl die Wirkung der Linse als auch des Lenkspiegels zu kombinieren. Das auf die Oberfläche treffende Licht könnte dann fokussiert und gleichzeitig abgelenkt werden. Dies ist möglich aufgrund der sehr hohen Antwortgeschwindigkeit der DMD-Spiegelelemente des monolithischen Halbleitertyps.
Die Fig. 10 zeigt eine Ausführungsform der vorliegenden Erfindung, in der der Lenkspiegel auf einer DMD-ähnlichen Struktur montiert ist. Das Spiegelelement ist unverändert. Es wird weiterhin mittels der Elektroden 34 und 36 betätigt und landet auf der Elektrode 38. Längs der Drehachse 24 ist eine Zeile von Pfosten 62 angeordnet, die einen weiteren Spiegel 61 unterstützen. Der Pfosten 62 wiederholt sich über die gesamte Länge der Drehachse der Vorrichtung. Eine solche Struktur bietet viele Vorteile, wovon zwei ein erhöhter Ablenkwinkel und das Befreien der Spiegels von irgendwelchen Effekten der Betätigungselektronik sind. Eine ähnliche Struktur ist im US-Patent Nr. 5,083,857, erteilt am 28.01.1992, "Multi-Level Deformable Mirror Device", offenbart.
Die Fig. 11 zeigt eine Ansicht des erweiterten Spiegels 61 in bezug zur mechanischen Unterstützungsstruktur. Das Spiegelelement 16 ruht auf den Pfosten 62, die längs der Drehachse des Spiegelelementes wiederholt angeordnet sind. Wie gezeigt, sind diese Pfosten zwischen den Zugangsöffnungen 22 in ungefähr gleichen Abständen angeordnet. Aufgrund der Größe des zweiten Spiegels muß mehr als ein Unterstützungspfosten verwendet werden. Die Pfosten unterstützen den Spiegel 61, der sich weiter erstreckt als der ursprüngliche Spiegel 16. Ein weiterer Vorteil dieser Ausführungsform liegt in der vollständigen Abschirmung des betätigten Spiegels 16 vom einfallenden Licht. Außerdem bietet sie eine Wahlmöglichkeit für die Materialien. Das Spiegelelement 16 kann aus einem weiteren Material bestehen, das nicht reflektiert, wenn der Entwickler dieses so auswählt.
Die Fig. 12A zeigt die Originalstruktur, wie in Fig. 4 gezeigt, die mit einem weiteren Abstandhalter 63 abgedeckt ist. Die Originalstruktur umfaßt denselben Abschnitt wie vorher, Scharniere 30, Pfosten 32 und das Spiegelelement 16. Die Originalstruktur verbleibt in ihrem ungeätzten Zustand, so daß der Abstandhalter unterhalb des Elements 16 mit Ausnahme der für die Pfosten 32 ausgeschnittenen Durchgangslöcher intakt bleibt. Ähnlich dem ersten Prozeß werden die Durchgangslöcher 64 in den zweiten Abstandhalter 63 geätzt, wie in Fig. 12b gezeigt. Das größere Ausmaß des zweiten Spiegels kann größere Durchgangslöcher für stabilere Unterstützungspfosten erfordern. Außerdem kann der Abstandhalter 63 eine größere Tiefe aufweisen als die erste Abstandhalterschicht 48, wodurch die Lücke zwischen den zwei Spiegelstrukturen erweitert wird.
Die Fig. 12c zeigt die Metallfüllung der Durchgangslöcher 64. Diese Ausführungsform erfordert keine Scharniere, so daß das Unterstützungsmetall und das Spiegelmetall aus der gleichen Metallschicht entstehen können. Das Ätzen der Zugangslöcher hängt von der Größe der Matrixfläche dieser hergestellten Vorrichtungen ab. Wenn die Matrix kleiner ist und ein kleineres Abstandhaltermaterial aufweist, kann das Ätzmittel durch Unterwandern des Spiegels zum Abstandhalter gelangen. Eine große Fläche erfordert möglicherweise die Verwendung von Zugangslöchern ähnlich dem vorher beschriebenen Prozeß.
Die Fig. 12d zeigt die Vorrichtung nach dem Ätzen. Das Ätzen kann länger dauern, da mehr Abstandhalter zu entfernen ist, nämlich die erste Schicht 48 und die zweite Schicht 63, die beide in Fig. 12c gezeigt sind. Die resultierende Struktur umfaßt einen großen Spiegel, der von einem kleineren Spiegel unterstützt wird, wobei der kleinere Spiegel mit der Adressierungsschaltung in Wechselwirkung tritt und der große Spiegel den kleineren Spiegel von irgendwelchem Kontakt mit Licht abschirmt.
Obwohl bisher bestimmte Ausführungsformen eines Spiegel zum Lenken von Licht beschrieben worden sind, ist somit nicht beabsichtigt, daß solche speziellen Referenzen als Einschränkungen des Umfangs dieser Erfindung betrachtet werden, sofern dies nicht in den folgenden Ansprüchen ausgeführt ist.

Claims

1. Lichtlenkanordnung (10) mit einer Elektrodenschicht (34, 36), einer Schicht (16) mit ablenkbaren Elementen und einer reflektierenden Schicht (61) zum Lenken von Licht, dadurch gekennzeichnet, daß die Schicht mit ablenkbaren Elementen über der Elektrodenschicht durch Scharniere (20) an entgegengesetzten Kanten der Schicht mit ablenkbaren Elementen aufgehängt ist, wodurch eine Drehachse (24) definiert wird, wobei die reflektierende Schicht von der Schicht mit ablenkbaren Elementen entfernt durch wenigstens zwei Stützpfosten (62) abgestützt ist, die entlang der durch die Scharniere definierten Drehachse in einer Linie liegen, so daß dann, wenn die Elektrodenschicht aktiviert ist, die Schicht mit ablenkbaren Elementen abgelenkt wird, wodurch die reflektierende Schicht zum Ablenken veranlaßt wird, und daß die reflektierende Schicht eine größere Ausdehnung als die ablenkende Schicht hat.

2. Anordnung nach Anspruch 1, bei welcher die Schicht (16) mit ablenkbaren Elementen eine Vorrichtung mit verformbaren Spiegeln ist.

3. Anordnung nach Anspruch 1 oder Anspruch 2, bei welcher die Schicht (16) mit ablenkbaren Elementen aus Ti:Si:Al besteht.

4. Struktur nach einem der vorhergehenden Ansprüche, bei welcher die reflektierende Schicht (61) aus Ti:Si:Al besteht.

5. Verfahren zum Herstellen einer Lichtlenkvorrichtung (10), bei welchem ein Substrat mit einer Adressierungsschaltung (46) hergestellt wird, über der Adressierungsschaltung ein Abstandsmaterial (48) aufgeschleudert wird, das Abstandsmaterial zur Bildung von Durchkontaktlöchern geätzt wird, Mittelpfosten (32) gebildet werden, indem über dem Abstandsmaterial eine erste Metallschicht so aufgebracht wird, daß das Metall die Durchkontaktlöcher füllt, der erste Metallschicht zur Bildung von Scharnieren (20) strukturiert wird, auf der ersten Metallschicht eine zweite Metallschicht aufgebracht wird, die zweite Metallschicht zur Bildung von Ablenkelementen (16) strukturiert wird, über der zweiten Metallschicht ein zweiter Abstandshalter aufgeschleudert wird, in den zweiten Abstandshalter Durchkontaktlöcher geschnitten werden, eine dritte Metallschicht aufgebracht wird, damit Pfosten (62) in den Durchkontaktlöchern und an dem Pfosten befestigte Spiegel (61) gebildet werden, und das Abstandsmaterial so geätzt wird, daß ein Ablenkelement, das zu der Adressierungsschaltung hin abgelenkt werden kann, und ein an den Ablenkelement befestigter Spiegel zurückbleiben, der so betätigbar ist, daß Licht bei der Ablenkung zu der Adressierungsschaltung hingelenkt wird, dadurch gekennzeichnet, daß das Aufbringen der zweiten Abstandsschicht und das Aufbringen der dritten Metallschicht folgende weitere Schritte enthalten:

Schneiden der Durchkontaktlöcher längs einer Achse (24), die durch die aus der ersten Metallschicht geformten Scharniere definiert wird, so daß der Spiegel von wenigstens zwei Pfosten entlang der Achse gestützt wird; und

Bilden der Spiegel mit größerem Ausmaß als die Ablenkelemente.

6. Verfahren nach Anspruch 5, bei welchem beim Herstellen eines Substrats mit der Adressierungsschaltung ein Substrat mit einer CMOS-Adressierungsschaltung hergestellt wird.

7. Verfahren nach Anspruch 5 oder Anspruch 6, bei welchem das Aufschleudern eines Abstandshalters das Aufschleudern eines Abstandshalters aus Photoresist umfaßt.

8. Verfahren nach einem der Ansprüche 5 bis 7, bei welchem das Aufbringen der ersten Metallschicht das Aufbringen von Ti:Si:Al umfaßt.

9. Verfahren nach einem der Ansprüche 5 bis 8, bei welchem das Aufbringen der zweiten Metallschicht das Aufbringen von Ti:Si:Al umfaßt.

10. Verfahren nach einem der Ansprüche 5 bis 9, bei welchem der Schritt des Aufbringens der dritten Metallschicht das Aufbringen von Ti:Si:Al umfaßt.

11. Verfahren nach einem der Ansprüche 5 bis 10, bei welchem der Ätzschritt ein Plasmaätzen umfaßt.