DE69529880T2

DE69529880T2 - Mikromechanische Vorrichtung

Info

Publication number: DE69529880T2
Application number: DE69529880T
Authority: DE
Inventors: John H. Tregilgas
Original assignee: Texas Instruments Inc
Current assignee: Texas Instruments Inc
Priority date: 1994-11-14
Filing date: 1995-11-14
Publication date: 2003-11-20
Anticipated expiration: 2015-11-15
Also published as: EP0712022A2; KR960018622A; KR100412003B1; DE69529880D1; TW313661B; JPH08227041A; EP0712022A3; EP0712022B1; US5552924A

Description

GEBIET DER ERFINDUNG

Die vorliegende Erfindung bezieht sich auf eine mikromechanische Vorrichtung und insbesondere auf eine mikromechanische Vorrichtung des im Oberbegriff von Anspruch 1 definierten Typs. Genauer bezieht sich die vorliegende Erfindung auf eine elektrisch adressierbare, integrierte, monolithische, mikromechanische Vorrichtung, deren elektrische und mechanische Elemente unter Verwendung von Zerstäubungstechniken, verschiedenen Metall- und Oxidschichten, Photoresists, Flüssigkeits- und Plasmaätzen, Plasmatrennen und verwandten Techniken und Materialien ausgebildet werden können.

HINTERGRUND DER ERFINDUNG

Es sind verschiedene Typen mikromechanischer Vorrichtungen bekannt. Solche Vorrichtungen umfassen mikromechanische räumliche Lichtmodulatoren ("SLMs") mit Bildelementen, die aus elektrisch adressierbaren, ablenkbaren Spiegeln oder Reflektoren ausgebildet sind. SLMs sind Wandler, die auftreffendes Licht entsprechend einem elektrischen und/oder optischen Eingangssignal modulieren können. SLMs können das auftreffende Licht in bezug auf die Phase, die Intensität, die Polarisation und/oder die Richtung modulieren.
Die vorliegende Erfindung bezieht sich auf SLMs vom vorstehenden Typ, die digitale Mikrospiegelvorrichtungen oder verformbare Mikrospiegelvorrichtungen ("DMDs") genannt werden. SLM-DMDs des hier behandelten Typs können in einer Vielzahl von Vorrichtungen wie etwa in Druckern, in Abbildungssystemen, in xerographischen Wiedergabesystemen und in Systemen für digitalisiertes Video verwendet werden. Siehe die gemeinsam übertragenen US-Patente 4.728.185, 5.101.236 und 5.079.544 und das veröffentlichte EP-Patent Nr. 0.433.985.
Die gemeinsam übertragenen US-Patente 5.061.049 und 5.096.279 (im folgenden "049" und "279") offenbaren die Struktur und die Verfahren zur Herstellung bevorzugter mikromechanischer Vorrichtungen, genauer DMD-SLMs. Im allgemeinen enthalten mikromechanische Vorrichtungen typischerweise eine ablenkbare oder bewegliche Masse; die durch einen beweglichen Ausleger unterstützt ist. Gemäß der '049 kann ein DMD-SLM eine Anordnung oder Matrix verhältnismäßig dicker, allgemein ebener Metallspiegel oder -reflektoren enthalten, die die "Masse" bilden. Jeder Spiegel enthält eine Schicht aus Aluminium oder aus einer Aluminiumlegierung wie etwa aus Al (98,5-98,8%) : Si (1%): Ti (0,2-0,5%), die durch Zerstäuben und selektives Ätzen ausgebildet wird.
Die Spiegel ruhen auf einer verhältnismäßig dünnen Schicht, die ähnlich aufgebaut ist und ebenfalls durch Zerstäuben und selektives Ätzen ausgebildet wird. Jeder Spiegel ist durch einen oder mehrere Ausleger unterstützt. Die Ausleger enthalten Abschnitte der verhältnismäßig dünnen Schicht, die über die Grenze jedes Spiegels hinaus verläuft, und sind ihrerseits schließlich durch einen oder mehrere Abstandshalter oder Ständer unterstützt, die aus einem Photoresist oder aus einem Metall aufgebaut sein können. Die Abstandshalter oder Ständer definieren unter den Spiegeln Wannen oder sind durch Wannen getrennt, in die und aus denen sich die Spiegel bewegen können, wenn sie selektiv abgelenkt werden. Die Abstandshalter oder Ständer und die Wannen werden ihrerseits durch selektives Ablagern und Entfernen oder Mustern von Metall-, Isolator- und Photoresist- Dünnschichten ausgebildet.
Ein nicht abgelenkter DMD-Spiegel kann eine Normalstellung einnehmen, die "horizontal", d. h. über seiner Wanne und allgemein parallel zu einem Substrat, auf und in dem die DMD ausgebildet ist, sein kann. Jeder normal angeordnete Spiegel reflektiert darauf auftreffendes Licht zu einem ersten Ziel. Der Spiegel ist durch selektives Anwenden einer vorgegebenen elektrostatischen anziehenden oder abstoßenden Kraft auf ihn selektiv aus seiner Normalstellung ablenkbar. Ein abgelenkter Spiegel kann "nicht horizontal" oder aus der Horizontalen gedreht sein. Jeder abgelenkte Spiegel moduliert darauf auftreffendes Licht dadurch, daß er das Licht zu einem zweiten Ziel reflektiert, das von dem Betrag der Ablenkung und dementsprechend von der Anwesenheit und/oder Stärke der angewendeten elektrostatischen Kraft abhängt.
Die Bewegung eines Spiegels aus seiner Normalstellung verformt seinen Ausleger bzw. seine Ausleger, wobei darin potentielle Energie gespeichert wird. Die gespeicherte potentielle Energie neigt dazu, den Spiegel in seine Normalstellung zurückzustellen, wenn die elektrostatische Kraft entfernt wird. Der Ausleger bzw. die Ausleger, die einen Spiegel unterstützen, können sich in einer freitragenden Betriebsart, in einer Torsionsbetriebsart oder in einer Biegebetriebsart genannten Kombination beider Betriebsarten verformen.
Die selektive elektrostatische Ablenkung der Spiegel einer Anordnung oder Matrix davon wird selektiv durch eine deckungsgleiche Anordnung oder Matrix von Elektroden beeinflußt, die sich auf oder in dem Substrat und auf oder an den Wänden der Wannen befinden. Durch einen MOSFET oder durch funktional ähnliche Elemente und zugehörige den Elektroden zugeordnete elektrische Bauelemente, werden an die Elektroden selektiv ausgewählte Spannungen angelegt, die eine ausgewählte elektrostatische Kräfte erzeugen. Diese Schaltungselemente und -bauelemente werden typischerweise durch herkömmliche Verarbeitungstechniken zur Herstellung integrierter Schaltungen auf und in dem Substrat ausgebildet. Genauer werden die MOSFETs oder anderen Elemente und ihre zugeordneten.
Bauelemente sowie die Spiegel, Ausleger, Ständer oder Abstandshalter und Elektroden vorzugsweise einteilig monolithisch durch typische CMOS- oder ähnliche Techniken in und auf einem Silicium- oder anderen Substrat ausgebildet. Umfangreiche Tests und die Untersuchung des obenbeschriebenen Typs der mikromechanischen Vorrichtung haben gezeigt, daß die Stärke der Ausleger nicht groß genug ist, um ihrer Entspannung - einer Erscheinung die auch als "Kriechverhalten" oder "Verformung" bekannt ist - nach Dauernutzung zu widerstehen. Eine solche Entspannung der Ausleger führt zu einem nicht ordnungsgemäßen Betrieb der mikromechanischen DMD-SLMs und anderen ähnlichen mikromechanischen Vorrichtungen. Beispielsweise ist es möglich, daß ein entspannter Ausleger seinen Spiegel nicht in der Normalstellung halten oder in sie zurückstellen kann, wenn auf ihn keine anziehende elektrostatische Kraft angewendet wird. In einer Nicht-Normalstellung kann der Spiegel auftreffendes Licht zu einem anderen als zu dem ersten oder zweiten Ziel reflektieren. Somit führt die Entspannung eines Auslegers zu einer unerwünschten Modulation des auftreffenden Lichts. Selbst wenn die Entspannung nicht dazu führt, daß ein Spiegel nicht richtig in seine Normalstellung zurückkehrt, kann die Entspannung des Spiegelauslegers bzw. der Spiegelausleger außerdem dazu führen, daß der Spiegel beim Anlegen der vorgegebenen Spannung an die anwendbare Elektrode nicht um den geeigneten Betrag abgelenkt wird. Es kommt erneut zu einer nicht ordnungsgemäßen Modulation des auftreffenden Lichts.
Es sind Ausleger bekannt, die stärker als diejenigen sind, die aus Aluminiumlegierungen bestehen, und die weniger der Entspannung unterliegen. Zum Beispiel haben frühzeitig entwickelte SLMs, die sich auf den obenbeschriebenen Typ bezogen, auslegerartige Elemente verwendet, die Siliciumoxid enthielten. Siehe die US-Patente 4.356.730; 4.229.732 und 3.886.310. Außerdem wird allgemein vorgeschlagen, den bzw. die Ausleger der DMD-Spiegel aus stärkeren Materialien als der obenbeschriebenen Aluminiumlegierung herzustellen, die weniger der Entspannung oder dem Kriechverhalten unterliegen. Die Verwendung solcher Materialien bringt aber die Wahrscheinlichkeit mit sich, daß die derzeit zur Herstellung von DMDs einschließlich deren Adressierungsschaltungsanordnung und mechanischen Elementen verwendeten Verarbeitungsfolgen und Materialien (z. B. Ätzmittel) eine wesentliche oder radikale Abänderung erfordern, was möglicherweise zur Verkomplizierung der Verarbeitung beiträgt, die zu einer gleichzeitigen Erhöhung der Kosten der Herstellung der DMDs führt.
Ein weiterer Vorschlag betrifft die Herstellung von Auslegern mit mehreren Dünnschichten aus Aluminium oder einer Aluminiumlegierung, die sich mit Dünnschichten eines stärkeren, weniger nachgiebigen Materials wie etwa Aluminiumoxid abwechseln. Die äußeren Dünnschichten sind Aluminium oder eine Aluminiumlegierung, so daß die Mehrzahl der Verarbeitungsschritte, die das Ätzen betreffen, die gleichen wie die obenbeschriebenen zur Herstellung der herkömmlichen DMD-Struktur bleiben. Da die abwechselnden Dünnschichten durch zyklisches Unterbrechen der Zerstäubungsablagerung des Aluminiums oder Aluminiumoxids und Zerstäubungsablagerung des stärkeren, weniger nachgiebigen Materials hergestellt werden, ist der Prozeß in diesem Umfang kompliziert, wobei sich die Produktionskosten erhöhen können.
Eine mikromechanische Vorrichtung des im Oberbegriff von Anspruch 1 definierten Typs, die ein aus einer Aluminiumlegierung hergestelltes ausleger- oder gelenkähnliches Element verwendet, ist aus EP-A-0 611 977 bekannt. Diese Dokumente zeigen die mildernden Wirkungen eines fehlerhaften elektromechanischen Bildelements durch Anlegen einer Spannung, die ausreicht, das fehlerhafte Bildelement in der Weise zu schädigen, daß das Bildelement nicht mehr funktioniert.
Ferner wird Bezug genommen auf EP-A-0 480 645, die eine mikromechanische Vorrichtung zur Verwendung in einem Rastertunnelmikroskop offenbart. Die Vorrichtung umfaßt einen piezoelektrischen freitragenden Zweielementausleger, der ein piezoelektrisches Material enthält, das zwischen Ansteuerelektroden zum Ansteuern eines freitragenden Auslegers vorgesehen ist. An dem freitragenden Ausleger ist eine Sonde ausgebildet, während entlang der Oberfläche, wo die Sonde ausgebildet ist, eine Ansteuerelektrode für die Sonde vorgesehen ist. Außerdem ist eine Abschirmelektrode vorgesehen, die die Sonde und die Zugelektrode gegenüber den Ansteuerelektroden elektrisch isoliert. Das piezoelektrische Material umfaßt Materialien wie etwa ZnO, AlN und dergleichen.
Eine Aufgabe der vorliegenden Erfindung besteht in der Schaffung mikromechanischer Vorrichtungen wie etwa DMD-SLMs mit Auslegern, die stärker und ermüdungsbeständig sind, wobei die Ausleger hergestellt werden, ohne die Komplexität oder die Kosten der DMD-Verarbeitungsfolge wesentlich oder radikal zu erhöhen.

ZUSAMMENFASSUNG DER ERFINDUNG

Gemäß der vorliegenden Erfindung wird eine mikromechanische Vorrichtung geschaffen. Die Vorrichtung enthält die Merkmale von Anspruch 1. In bevorzugten Ausführungsformen ist die mikromechanische Vorrichtung ein DMD-SLM und die Masse ein beweglicher oder ablenkbarer Spiegel, der das auftreffende Licht selektiv moduliert, wenn der Spiegel abgelenkt wird.
Der verbesserte Ausleger ist auf folgende Weise gekennzeichnet:
Der Ausleger ist aus einer oder mehreren Aluminiumverbindungen aufgebaut, die elektrisch leitend sind.
Gemäß der bevorzugten Ausführungsform enthält der Ausleger ein elektrisch nichtleitendes Material, das aus der Gruppe ausgewählt wird, die eine elektrisch leitende intermetallische Aluminiumverbindung oder ein Gemisch von zwei oder mehr solchen Aluminiumverbindungen enthält.
In der vorausgehenden Kennzeichnung ist das Material Al&sub2;Au, Al&sub2;Ca, Al&sub2;Cu, Al&sub3;Fe, Al&sub3;Hf, Al&sub3;Mg&sub2;, Al&sub3;Nb, Al&sub3;Ni, Al&sub3;Sc, Al&sub3;Ta, Al&sub3;Zr, Al&sub4;Ba, Al&sub4;Mo, Al&sub4;Sr, Al&sub4;W, Al&sub6;Ru, A&sub7;Cr, Al&sub8;V&sub5;, Al&sub9;Co&sub2;, Al&sub9;Ir&sub2;, Al&sub9;Rh&sub2;, AlLi, Al&sub3;Ti, AlTi, AlSb, AlAs, AlP, AlN, Al&sub3;Ce, Al&sub3;Gd, Al&sub3;Ho, Al&sub3;La, Al&sub3;Lu, Al&sub3;Nd, Al&sub3;Sm, Al&sub3;Tb, Al&sub2;Se&sub3;, Al&sub4;C&sub3;, AlB&sub2;, AlTi+Al&sub3;Ti und Al&sub3;Ti+AlN.
Gemäß einer weiteren bevorzugten Ausführungsform ist der Ausleger aus einem elektrisch leitenden Material aufgebaut, das aus der Gruppe ausgewählt wird, die intermetallische Verbindungen, die Aluminium enthalten, Halbleiterverbindungen, die Aluminium enthalten, Verbindungen, die Aluminium und eine seltene Erde enthalten, und Verbindungen, die Aluminium und ein Nichtmetall enthalten, umfaßt.
In allen obigen Kennzeichnungen sind die so aufgebauten Ausleger stärker und erfahren weniger Entspannung als Ausleger des Standes der Technik, insbesondere jene, die aus Aluminium oder aus Aluminiumlegierungen hergestellt sind. Da die verbesserten Ausleger Aluminium enthalten, können vorteilhaft typische oder zweckmäßig abgeänderte Aluminiumätzchemien und -verfahren verwendet werden. Ferner sind die Ausleger elektrisch leitend, was somit ermöglicht, daß über die Ausleger, wie es in typischen DMDs des Standes der Technik geschieht, geeignete Potentiale an die Spiegel angelegt werden.

KURZBESCHREIBUNG DER ZEICHNUNG

Die vorliegende Erfindung wird nun beispielhaft mit Bezug auf die beigefügte Zeichnung weiter beschrieben, in der:
- Fig. 1 eine Draufsicht eines Abschnitts einer Anordnung mikromechanischer DMD-SLM-Vorrichtungen ist, die deren bewegliche oder ablenkbare Massen oder Spiegel zeigt, die durch verformbare Torsionsausleger unterstützt sind, die in Übereinstimmung mit den Prinzipien der vorliegenden Erfindung aufgebaut und hergestellt sind;
- Fig. 2 eine seitliche Teilschnittansicht einer einzelnen DMD allgemein entlang der Linie 2-2 in Fig. 1 ist;
- Fig. 3 eine seitliche Teilschnittansicht der in Fig. 2 gezeigten DMD allgemein entlang der Linie 3-3 in Fig. 1 ist;
- Fig. 4 Draufsichten einer Vielzahl von DMD-SLMs enthält, die ähnlich den in den Fig. 1-3 gezeigten sind, wobei Fig. 4a vier Typen von Torsionsausleger- DMDs, Fig. 4b zwei Typen von DMDs mit freitragendem Ausleger und Fig. 4c einen Typ einer Biegeausleger-DMD zeigt, wobei die Ausleger aller vorstehenden DMDs vorteilhaft gemäß den Prinzipien der vorliegenden Erfindung aufgebaut und hergestellt sind; und
- Fig. 5 Seitenansichten zweier verschiedener Typen von DMDs mit freitragendem Ausleger enthält, wobei Fig. 5a eine DMD mit einem Photoresist- Abstandshalter zeigt, der einen freitragenden Ausleger unterstützt, während Fig. 5b einen Metallständer zeigt, der einen freitragenden Ausleger unterstützt, wobei alle Ausleger darin zweckmäßig gemäß den Lehren der vorliegenden Erfindung aufgebaut und hergestellt sind.

AUSFÜHRLICHE BESCHREIBUNG

Zunächst sind anhand von Fig. 1 mehrere mikromechanische Vorrichtungen in Form angrenzender, einzelner DMDs 10 gezeigt, die von dem in den gemeinsam übertragenen US-Patenten 5.061.049 an Hornbeck und 3.600.798 an Lee gezeigten Typ sein können. Die DMDs 10 können auch ähnlich jenen sein, die in den US-Patenten 4.356.730 an Cade, 4.229.732 an Hartstein u. a., 3.896.338 an Nathanson u. a. und 3.886.310 an Gu1dberg u. a. gezeigt sind. Die DMDs 10 können sich in einer wie in Fig. I gezeigten Anordnung befinden und können in Systemen verwendet werden wie etwa jenen, die in den gemeinsam übertragenen US- Patenten 5.101.236 an Nelson u. a., 5.079.544 an DeMond u. a., in dem veröffentlichten europäischen Patent 0.433.985 an Nelson und in den US-Patenten 4.728.185 an Thomas gezeigt und beschrieben sind. In der folgenden Beschreibung werden die DMDs 10 in der Weise beschrieben, daß sie in einer bistabilen oder digitalen Betriebsart arbeiten, obgleich sie in anderen Betriebsarten wie etwa tristabil oder analog betrieben werden können.
Wie allgemein in Fig. 1-3 gezeigt ist, enthält jede DMD 10 eine selektiv bewegliche oder ablenkbare Masse, die im Fall der DMDs 10 einen verhältnismäßig dicken und massiven lichtreflektierenden beweglichen oder ablenkbaren Metallspiegel oder metallischen Spiegel 12 umfaßt, und zugeordnete Adressierungsschaltungen 14 (von denen lediglich zwei gezeigt sind) zum selektiven elektrostatischen Ablenken der Spiegel 12. In den obenerwähnten Patenten sind Verfahren zum monolithischen Ausbilden der Anordnung der Spiegel 12 und ihrer Adressierungsschaltungen 14 in und auf einem gemeinsamen Substrat 16 dargestellt. Natürlich können andere mikromechanische Vorrichtungen als die hier ausführlich gezeigten und beschriebenen DMDs 10 die Prinzipien der vorliegenden Erfindung vorteilhaft nutzen.
Typischerweise wird jeder Spiegel 12 durch Bewegen oder Drehen an einem oder an mehreren der verhältnismäßig dünnen, einteiligen Stützausleger oder -gelenke 18 abgelenkt. Obgleich Fig. 1 zeigt, daß jeder Spiegel 12 durch ein Paar diametral gegenüberliegender Torsionsausleger 18a unterstützt ist, können die Spiegel 12, wie zuvor erläutert wurde, durch einen oder mehrere freitragende Ausleger 18b - wobei zwei Typen in Fig. 4b gezeigt sind - oder Biegeausleger 18c - wobei ein Typ in Fig. 4c gezeigt ist - unterstützt sein. Fig. 4a zeigt vier Typen von durch Torsionsausleger unterstützten DMDs 10.
Zwischen den Säulenelementen 22, die restlichen Photoresist enthalten können, der auf dem Substrat 16 verbleibt, nachdem er während der Ausbildung der DMD 10 als Abschnitt einer Ätz-, Ablagerungs- und/oder Implantationsmaske gewirkt hat, sind (in Fig. 1 nicht gezeigte) hinterschnittene Wannen 20 definiert. Die Ausleger 18 und die metallischen Abschnitte 23, die die Spiegel 12 und die Ausleger 18 umgeben, und die zu den Spiegeln 12 allgemein koplanar sind, werden durch die Elemente 22 unterstützt.
Jede Wanne 20 ist an die Ablenkung wenigstens eines Abschnitts ihres zugeordneten Spiegels 12 in sie angepaßt, indem sie ermöglicht, daß sich ein Abschnitt aus einer in Fig. 3 gezeigten nicht abgelenkten oder Normalstellung, wie durch die Richtungspfeile in Fig. 2 gezeigt ist, zu dem Substrat 16 bewegt. Die Ablenkung jedes Spiegels 12 wird durch anziehende oder abstoßende elektrostatische Kräfte bewirkt, die auf ihn durch elektrische Felder ausgeübt werden, die sich daraus ergeben, daß an die Spiegel 12 und an die in den Wannen 20 befindlichen zugeordnete Steuer- oder Adressierungselektroden 24 geeignete Potentiale angelegt werden. Die Potentiale werden durch die Adressierungsschaltungen 14 und durch die zugeordneten Schaltungsanordnungs- und Schaltungselemente selektiv an die Steuerelektroden 24 und an die Spiegel 12 angelegt. Typischerweise ist der Spiegel 12 auf dem Massepotential, während an die Steuerelektroden 24 ausgewählte Spannungen angelegt werden, wodurch auf die Spiegel 12 eine anziehende Kraft ausgeübt wird. Dadurch, daß an die Spiegel 12 und an deren Steuerelektroden 24 Potentiale mit der gleichen Polarität angelegt werden, können auf die Spiegel 12 abstoßende Kräfte ausgeübt werden.
Wenn ein Ausleger 18 unverformt ist, kann er, wie in Fig. 3 und im Umriß in Fig. 2 gezeigt ist, die Normalstellung seines Spiegelelements 12 einstellen. Wenn der Spiegel 18 verformt ist, ist darin Energie gespeichert, die dazu neigt, den Spiegel 18 in die Lage zurückzustellen, die er einnimmt, wenn der Spiegel 18 unverformt ist. Licht, das auf die Vorrichtung 10 auftrifft, wenn ein Spiegelelement 12 in seiner Normalstellung ist, wird an eine erste Stelle reflektiert. Wenn eine Adressierungsschaltung 14 geeignete Potentiale anlegt, wird der Spiegel 12 elektrostatisch aus seiner Normalstellung zu der Steuerelektrode 24 und dem Substrat 16 angezogen oder von ihnen abgestoßen. Dementsprechend bewegt sich das Spiegelelement 12 oder wird es abgelenkt, bis es mit einer Landeelektrodenstelle 34 in Eingriff gelangt.
Die Verwendung der Landeelektrode 34 wird von dem obenerwähnten '279-er Patent empfohlen. Genauer wird die Landeelektrode 34 auf dem gleichen Potential wie der Spiegel 12 gehalten, wobei sie als mechanischer Anschlag für das Spiegelelement 12 dient und somit dessen abgelenkte Stellung einstellt. Ferner verhindert der Eingriff der Landeelektrode 34 und des Spiegelelements 12, daß das Spiegelelement 12 mit der Steuerelektrode 24 in Eingriff gelangt. Wegen der Potentialdifferenz zwischen dem Spiegelelement 12 und der Steuerelektrode 24 würde dieser Eingriff zu einem Stromfluß durch das Spiegelelement 12 führen. Ein Stromfluß dieser Art verschweißt wahrscheinlich das Spiegelelement 12 mit der Steuerelektrode 24 und/oder schmilzt den verhältnismäßig dünnen Ausleger 18 durch bzw. zerschmilzt ihn.
In der abgelenkten Stellung des Spiegelelements 12 wird das auftreffende Licht nun an eine zweite Stelle reflektiert. Die erste Stelle, an die das Licht gerichtet wird, wenn ein Spiegel 12 nicht abgelenkt ist, kann von einer Nutzvorrichtung wie etwa einem Betrachtungsbildschirm oder einer lichtempfindlichen Trommel einer Xerographie-Druckvorrichtung belegt oder aus einer solchen Nutzvorrichtung aufgebaut sein. Das an die zweite Stelle gerichtete Licht kann absorbiert werden, oder es kann auf andere Weise verhindert werden, daß es die erste Stelle erreicht. Natürlich können die Rollen der ersten und der zweiten Stelle umgekehrt sein. Auf die vorstehende Weise wird auftreffendes Licht durch die DMDs 10 moduliert, so daß es diejenige Stelle, die die Nutzvorrichtung enthält, welche immer dies ist, selektiv entweder erreicht oder nicht erreicht.
In den Fig. 1-3 ist gezeigt, daß jedem Spiegel 12 ein Paar Steuerelektroden 24a, 24b und ein Paar Landeelektroden 34a, 34b zugeordnet sind. Wenn die DMDs 10 wie oben beschrieben in einer binären oder bistabilen Betriebsart betrieben werden, kann jeder Spiegel 12 lediglich zwischen der in Fig. 2 im Umriß dargestellten normalen, nicht abgelenkten Stellung und einer wie in Fig. 2 gezeigten entgegen der Uhrzeigerrichtung gedrehten Stellung beweglich sein. Obgleich dies in Fig. 2 nicht gezeigt ist, geschieht die Drehung des Spiegels 12 entgegen der Uhrzeigerrichtung, bis der Spiegel 12 mit der linken Landeelektrode 34a in Eingriff gelangt. Falls der Spiegel 12 auf dem bevorzugten Massepotential ist, kann die Drehung des Spiegels 12 entgegen der Uhrzeigerrichtung dadurch bewirkt werden, daß durch die Adressierungsschaltungsanordnung 14 eine Spannung an die linke Steuerelektrode 24a angelegt wird. In diesem letzteren Fall können die rechte Steuerelektrode und die rechte Landeelektrode 24b und 34b weggelassen oder ungenutzt gelassen werden.
Wenn der Spiegel 12 durch elektrostatische Abstoßung gedreht wird, tragen er und die rechte Steuerelektrode 24b Potentiale mit der gleichen Polarität, um die in Fig. 2 gezeigte Drehung entgegen der Uhrzeigerrichtung zu erreichen. In diesem Fall können die linke Steuerelektrode 24a und die rechte Steuerelektrode 34b weggelassen oder ungenutzt gelassen werden.
Außerdem können die DMDs in einer binären Betriebsart betrieben werden, in der der Spiegel 12 zwischen einer normalen, vollständig entgegen der Uhrzeigerrichtung abgelenkten Stellung und einer vollständig in Uhrzeigerrichtung abgelenkten Stellung, in der der Spiegel 12 mit der rechten Landeelektrode 34b in Eingriff ist, drehbar ist. Wenn sie in dieser Weise betrieben werden, stellt der unverformte Ausleger 18 nicht die Normalstellung des Spiegels 12 ein. Ferner wird der Spiegel 12, wenn er auf Massepotential ist, durch ein Potential auf der Steuerelektrode 24a vollständig entgegen der Uhrzeigerrichtung gedreht; wobei das Potential auf der Steuerelektrode 24b einen sehr niedrigen Betrag hat oder null ist. Durch ein geeignetes Potential auf der Steuerelektrode 24b, wobei das Potential auf der Steuerelektrode 24a null oder nahezu null ist, wird der Spiegel 12 vollständig in Uhrzeigerrichtung gedreht, so daß er an die rechte Landeelektrode 34b angrenzt.
In einer weiteren binären Betriebsvertauschung, in der der Spiegel 12 nicht auf dem Massepotential ist, können an die Steuerelektroden 24a, 24b gleichzeitig Spannungen mit verschiedenen Polaritäten und/oder Beträgen angelegt werden, die komplementäre Abschnitte des Spiegels 12 gleichzeitig anziehen und abstoßen, um diesen selektiv zu drehen. Ein tristabiler Betrieb wird dadurch erreicht, daß die Spiegel 12 vollständig entgegen der Uhrzeigerrichtung oder vollständig in Uhrzeigerrichtung gedreht werden, wobei die Spiegel eine normale Zwischenstellung einnehmen, die durch den unverformten Ausleger eingestellt ist, wenn die Steuerelektroden 24a, 24b beide ausgeschaltet sind. Ein analoger Betrieb wird durch ausgewählte Beträge der Drehung entgegen der Uhrzeigerrichtung und/oder in Uhrzeigerrichtung der Spiegel 12 erreicht, indem an die Steuerelektroden 24a, 24b Potentiale mit geeigneten Beträgen angelegt werden. Im analogen Betrieb ist die durch den Eingriff der Landeelektroden 34a, 34b gekennzeichnete vollständige Drehung der Spiegel 12 lediglich eine einer theoretisch unbeschränkten Anzahl von gedrehten Stellungen, die der Spiegel 12 einnehmen kann.
Fig. 4a zeigt eine Auswahl von DMDs, in denen die Spiegel 12 durch Torsionsausleger 18a unterstützt sind, einschließlich unten rechts der allgemein in den Fig. 1-3 gezeigten Auswahl. Wie oben beschrieben wurde, sind die durch die Torsionsausleger 18a unterstützten Spiegel 12 an den Auslegern 18a um eine Achse 40, die mit den Auslegern 18a zusammenfällt, selektiv drehbar. Die Drehachse 40 fällt in jeder graphischen Darstellung bis auf die untere rechte, in der die Achse 40 nicht zusammenfällt, mit einer Symmetrieachse des Spiegels 12 zusammen. In Fig. 4b sind die Ausleger 18 freibewegliche Ausleger 18b und die Spiegel 12 um eine Drehachse 42, die senkrecht auf den Auslegern 18b steht, beweglich oder ablenkbar. Obgleich dies in den Fig. 4a und 4b nicht gezeigt ist, müssen die Steuerelektroden 24, offensichtlich asymmetrisch in bezug auf die Drehachsen 40 und 42 angeordnet sein.
Die Ausleger 18 in Fig. 4c sind sogenannte Biegeausleger 18c, die sich bei Bewegung der Spiegel 12 sowohl in einer Torsions- als auch in einer freitragenden Betriebsart verformen. Genauer enthält jeder Biegeausleger 18c ein durch Drehung verformbares Element 44 sowie ein Element 46, das in einer freitragenden Betriebsart verformbar ist. Bei Anziehung des Spiegels 12 an die Steuerelektrode 24 oder Abstoßung des Spiegels 12 von der Steuerelektrode bewegt sich der Spiegel 12 hubkolbenartig, wobei er allgemein parallel zu dem Substrat 16 bleibt.
Wieder anhand der Fig. 1-3 ist zu sehen, daß jeder Spiegel 12 zwei oder mehr Schichten wie etwa die gezeigten metallischen Schichten 50 und 52 enthalten kann. Diese Schichten 50, 52 können gemäß und während der Ausführung typischer Verfahren, die zur Herstellung monolithischer integrierter Schaltungen verwendet werden, selektiv abgeschieden und gemustert oder geätzt werden. Auf diese Weise können die Spiegel 12, die Ausleger 18 und die Steuerschaltungsanordnung 14 sämtlich durch eine ununterbrochene Folge zusammenhängender Prozeßschritte hergestellt werden. In der Vergangenheit umfaßten beide Schichten 50, 52 eine Al : Ti : Si-Legierung im Prozentsatz von etwa 98,8 : 1 : 0,2, wobei die Schicht 50, obgleich andere Dicken verwendet worden sind, von etwa S00 Å bis etwa 1000 Å dick und die Schicht 52 von etwa 3000 Å bis etwa 5000 Å dick war. Eine der Schichten 50, 52 kann eine andere Aluminiumlegierung oder Aluminium sein.
Zur Herstellung der DMDs wird zunächst typischerweise durch Zerstäuben auf der freien Oberfläche einer zuvor abgelagerten, ununterbrochenen Schicht des Photoresistes 22 die verhältnismäßig dünne Schicht 50 abgelagert. Daraufhin wird auf der freien Oberfläche der Schicht 50 die verhältnismäßig dickere Schicht 52 abgelagert. Das selektive Strukturieren der Schichten 50 und 52 entfernt dort, wo die Ausleger 18 liegen sollen, die dickere Schicht 52, nicht aber die dünnere Schicht 50, und dort, wo die Umfänge der Spiegel 12 und der Ausleger 18 liegen sollen, beide Schichten 50 und 52. Zwischen diesen Umfängen und den umgebenden Gebieten 23 sind Zugangsspalte definiert. Außerdem erzeugt das selektive Strukturieren der Schichten 50, 52 durch sie beide Zugangslöcher. Das selektive Entfernen des Photoresists 22 etwa dadurch, daß dieser durch die Zugangsspalte und durch die Löcher plasmageätzt wird, erzeugt die Wannen.
Wie oben angemerkt wurde, kann die Unterstützung der Ausleger 18 und ihrer Spiegel 12 in einigen Ausführungsformen bevorzugt durch den nach Ausbildung der Wannen 20 verbleibenden Säulen-Photoresist 22 erreicht werden. Fig. 5a zeigt diese Art der Unterstützung in einer DMD 10 mit freitragendem Ausleger 18b anstelle der DMD 10 mit Torsionsausleger 18a der Fig. 1-3. Fig. 5b zeigt eine DMD 10 mit einem etwas anders konstruierten freitragenden Ausleger 18b mit verborgenem Gelenk, in dem die Unterstützung für den Ausleger 18b und für den Spiegel 12 von einem metallischen Ständer 58 geliefert wird; der den Spiegel 12 über einer offenen Fläche 60 aufhängt, die der gleichen Funktion wie die Wanne 20 dient. Die Fig. 35a-35e des '049-er Patents zeigen ein erstes Verfahren zur Herstellung der DMD 10 des hier in den Fig. 1-4 und 5a gezeigten Typs. In diesen Figuren des '049-er Patents ist die Schicht 326 eine zerstäubte Leichtaluminiumschicht, die schließlich als Ausleger 18 dient, wobei schließlich eine zerstäubte Leichtaluminiumschicht 328 den reflektierenden Spiegel 12 bildet. Die Fig. 40a-40e in dem gleichen Patent zeigen ein alternatives Verfahren zum Ausbilden der DMDs 10 der vorliegenden Erfindung, in dem die Ausleger 18 aus einer zerstäubten Leichtaluminiumlegierungsschicht 180 erzeugt werden, während die Spiegel 12 aus einer zerstäubten Leichtaluminiumschicht 190 hergestellt werden.
Wenn ein Spiegel 12 in einer abgelenkten Stellung ist, ist sein Ausleger 18 verformt und dementsprechend darin Energie gespeichert, die dazu neigt, das Spiegelelement 12 in die Stellung zurückzustellen, die es einnimmt, wenn der Ausleger 18 nicht verformt ist. Theoretisch stellt die gespeicherte Energie das Spiegelelement 12 in diese Stellung zurück, wenn die Steuerelektrode 24 durch die Adressierungsschaltung 14 ausgeschaltet wird.
DMDs 10 der obenbeschriebenen Typen sind umfangreich betrieben und getestet worden. Diese Tests zeigen, daß die DMDs 10 wegen mehrerer Ursachen einen nicht ordnungsgemäßen Betrieb erleiden oder nicht arbeiten können.
Eine Ursache für den nicht ordnungsgemäßen Betrieb oder den Ausfall der DMDs 10 ist in dem gemeinsam übertragenen veröffentlichten europäischen Patent 0.433.985 diskutiert. Genauer können der Spiegel 12 und die Landeelektrode 34, die während der Ablenkung des ersteren in Eingriff sind, zusammenkleben, verschweißt werden oder auf andere Weise aneinander hängenbleiben, so daß ein einfaches Ausschalten der Steuerelektrode 24 möglicherweise nicht dazu führt, daß das Spiegelelement 12 in die Stellung zurückkehrt, die es einnimmt, wenn der Ausleger 18 unverformt ist. An die Steuerelektrode 28 können spezielle Rücksetzsignale angelegt werden, die das Haften oder Zusammenkleben des Spiegelelements 12 und der Landeelektrode 34 überwinden. Andere Techniken, die verhindern, daß die Spiegelelemente 12 und die Landeelektroden 34 haften, umfassen das Beschichten dieser Elemente mit geeigneten Substanzen.
Eine weitere Ursache für den nicht ordnungsgemäßen Betrieb oder Ausfall der DMDs 10 bezieht sich auf die Tatsache, daß ihre Ausleger 18 typischerweise die Schicht 50 aus einer Aluminiumlegierung enthalten. Die Aluminiumlegierung zeigt eine verhältnismäßig niedrige Streckgrenze, wobei sich die daraus hergestellten Ausleger 18 mit der Zeit wegen Kriechverhalten, Entspannung oder Verformung verformen. Diese Erscheinungen können zu einem sprunghaften Totalausfall oder zum Bruch eines Auslegers 18 führen oder dazu, daß ein Spiegel I2 in einer anderen als der durch die Bedingung seiner Adressierungsschaltungsanordnung 14 vorgeschriebenen Stellung angeordnet wird.
Die vorliegende Erfindung ersetzt die Schicht 50 aus Al : Ti : Si oder aus einer anderen Aluminiumlegierung durch Aluminiumverbindungen, die mechanisch robuster sind und die weniger primäre Gleitsysteme als die zwölf primären Gleitsysteme der kubisch-flächenzentrierten Kristallstruktur ("FCC"-Kristallstruktur) des Aluminiums oder der zuvor verwendeten Aluminiumlegierung zeigen. Diese Aluminiumverbindungen ermöglichen die Verwendung der gleichen oder zweckmäßig abgewandelter Ablagerungs/Ätz-Materialien und -Chemien, wie sie bei der früheren Aluminiumlegierung verwendet worden sind. Obgleich eine gewisse Abänderung erforderlich ist, erfordern die abgeänderten Chemikalien anders als die robusten Nichtaluminiummaterialien keine radikale Abweichung von den während der Zeit getesteten und gut verstandenen Verfahren in bezug auf Aluminium.
Die Aluminiumverbindungen der vorliegenden Erfindung umfassen elektrisch leitende intermetallische Verbindungen, die Aluminium enthalten. Da die DMDs des obendiskutierten Typs erfordern, daß über ihre Ausleger 18 elektrische Potentiale an ihre Spiegel 12 angelegt werden, ist die elektrische Leitfähigkeit eine wichtige Eigenschaft, die ein Ausleger 18 besitzen muß. Diese Anforderung schließt die Verwendung bestimmter elektrisch nichtleitender, jedoch robuster Materialien für die Ausleger 18 wie etwa SiO&sub2; aus. Der Begriff "elektrisch leitende intermetallische Verbindung", wie er hier verwendet wird, bedeutet:
eine elektrisch nicht isolierende Verbindung aus Aluminium und aus einem weiteren Material, wobei das weitere Material folgendes sein kann:
(A) ein Metall wie etwa Titan, Nickel, Eisen, Niob, Tantal, Zirkon, Molybdän, Wolfram, Lithium, Gold, Kalzium, Kupfer, Hafnium, Magnesium, Scandium, Barium, Strontium, Ruthenium, Chrom, Vanadium, Kobalt, Iridium und Rhodium einschließlich der Seltenerd-Metalle wie etwa Cer, Gadolinium, Holmium, Lanthan, Lutetium, Neodym, Samarium und Terbium,
(B) ein Material, das als Metall oder Nichtmetall betrachtet werden kann, wie etwa Arsen und Antimon, oder
(C) ein Nichtmetall wie etwa Phosphor, Stickstoff, Selen, Bor und Kohlenstoff; und
(D) Gemische der in (A) dargestellten Verbindungen.
Verbindungen, die den obigen Definitionen genügen, d. h. elektrisch leitende intermetallische Verbindungen mit weniger primären Gleitsystemen als das FCC, umfassen:
(1) Verbindungen, die Aluminium und ein weiteres Metall enthalten - Al&sub2;Au, Al&sub2;Ca, Al&sub2;Cu, Al&sub3;Fe, Al&sub3;Hf, Al&sub3;Mg&sub2;, Al&sub3;Nb, Al3Ni, Al&sub3;Sc, Al&sub3;Ta, Al&sub3;Zr, Al&sub4;Ba, Al&sub4;Mo, Al&sub4;Sr, Al&sub4;W, Al&sub6;Ru, Al&sub7;Cr, Al&sub8;V&sub5;, Al9Co&sub2;, Al&sub9;Ir&sub2;, Al&sub9;Rh&sub2;, AlLi, Al&sub3;Ti, AlTi;
(2) Verbindungshalbleiter, die Aluminium enthalten - AlSb, AlAs, AlP, AlN;
(3) Verbindungen, die Aluminium und eine seltene Erde enthalten - Al&sub3;Ce; Al&sub3;Gd, Al&sub3;Ho, Al&sub3;La, Al&sub3;Lu, Al&sub3;Nd, Al&sub3;Sm, Al&sub3;Tb; und
(4) Verbindungen, die Aluminium und ein Nichtmetall enthalten - Al&sub2;Se&sub3;, Al&sub4;C&sub3; und AlB&sub2;. Mischungen der jeweiligen intermetallischen Verbindungen umfassen Al&sub3;Ti+AlN und Al&sub3;Ti+AlTi.
Verbindungen, die aus wirtschaftlichen und funktionalen Gründen bevorzugt werden, sind Al&sub3;Fe, Al&sub3;Nb, Al&sub3;Ni, Al&sub3;Ta, Al&sub3;Zr, Al&sub4;Mo, Al&sub4;W, AlAs, AlLi, AlN, AlP, AlSb, Al&sub3;Ti, AlTi, Al&sub3;Ti+AlTi und Al&sub3;Ti+AlN.
Sämtliche vorstehenden Verbindungen können zweckmäßig durch Zerstäuben von einer Verbindungskatode oder gleichzeitig von mehreren Katoden abgelagert werden. Zur Steuerung oder Auswahl des Verhältnisses der Bestandteile der Verbindung kann irgendeine Technik verwendet werden. Da die vorstehenden Verbindungen einen bedeutenden oder hohen Aluminiumgehalt enthalten, können im allgemeinen die gleichen oder zweckmäßig abgeänderte Ätzmaterialien und Ätzchemien - Ätzmittel, Masken oder Sperren - wie bei den früheren Aluminium- und Aluminiumlegierungsgelenken weiterverwendet werden. Beispielsweise kann die geeignete leitende, geordnete intermetallische Aluminiumverbindung zerstäubt werden, um die Schichten 326 und 180 in dem '049-er Patent zu erzeugen, wobei aus den Schichten 326 und 180 die verbesserten Gelenke 18 gemäß der vorliegenden Erfindung ausgebildet werden können. Gegenüber den in dem '049-er Patent beschriebenen Verfahren sind keine weiteren radikal wesentlichen Änderungen erforderlich, um verbesserte DMDs oder andere mikromechanische Vorrichtungen zu erzeugen, deren verformbare Ausleger während des vielstündigen Gebrauchs keine wesentliche Entspannung oder kein wesentliches Kriechverhalten erleiden.

Claims

1. Mikromechanische Vorrichtung, mit:

einem Substrat (16) mit einer Wanne (20; 60);

einer metallischen Masse (12);

einem Träger (22; 58), der an dem Substrat (16) befestigt ist;

wenigstens einem verformbaren Balken (18), der die Masse (12) ausgehend von dem Träger (22; 58) über der Wanne (20; 60) trägt; und

wenigstens einer Steuerelektrode (24a, 24b), die in der Wanne (20; 60) angeordnet ist, um die Masse (12) elektrostatisch anzuziehen oder abzustoßen;

dadurch gekennzeichnet, daß:

der Balken (18) im wesentlichen aus einer elektrisch leitenden Aluminiumverbindung besteht.

2. Vorrichtung nach Anspruch 1, bei der die elektrisch leitende Aluminiumverbindung eine intermetallische Verbindung ist.

3. Vorrichtung nach Anspruch 1, bei der die elektrisch leitende Aluminiumverbindung aus der Gruppe ausgewählt ist, die aus intermetallischen Aluminiumverbindungen, Aluminium enthaltene Halbleiterverbindungen, Verbindungen aus Aluminium und einem Seltenerd-Metall, Verbindungen aus Aluminium und einem Nichtmetall sowie Kombinationen hiervon besteht.

4. Vorrichtung nach Anspruch 1 oder Anspruch 3, bei der die elektrisch leitende Aluminiumverbindung aus der Gruppe ausgewählt ist, die aus Al&sub2;Au, Al&sub2;Ca, Al&sub2;Cu, Al&sub3;Fe, Al&sub3;Hf, Al&sub3;Mg&sub2;, Al&sub3;Nb, Al&sub3;Ni, Al&sub3;Sc, Al&sub3;Ta, Al&sub3;Zr, Al&sub4;Ba, Al&sub4;Mo, Al&sub4;Sr, Al&sub4;W, Al&sub6;Ru, Al&sub7;Cr, Al&sub8;V&sub5;, Al&sub9;Co&sub2;, Al&sub9;Ir&sub2;, Al&sub9;Rh&sub2;, AlLi, Al&sub3;Ti, AlTi, AlN, AlSb, AlAs, AlP, Al&sub3;Ce, Al&sub3;Gd, Al&sub3;Ho, Al&sub3;Lu, Al&sub3;Sm; Al&sub3;Tb, Al&sub2;Se&sub3;, Al&sub4;C&sub3;, AlB&sub2; und Kombinationen hiervon besteht.

5. Vorrichtung nach einem vorhergehenden Anspruch, bei der die von dem Balken (18) getragene Masse (12) ein Spiegel ist.