JP2006502449A - マイクロミラー・システム - Google Patents

Abstract

特にデジタル映写に使用されるマイクロミラー装置を開示する。他の用途も考えられる。装置は、下部構造の上方に設けられたヒンジ上に支持されるミラーを含む。既知のマイクロミラー装置に対する、上部構造の様々な改良を示す。記載された特徴は、製造可能性を改善し、要素のさらなる小形化を可能にし、かつ／または相対的な光反射を増大させるために適用可能である。装置は、場合によってはコストを節約し、電力消費量を低下させ、解像度を高める、本明細書に記載された様々な任意の特徴を利用して製造することができる。

Description

関連出願の相互参照
本出願は、各々が発明者によって2002年10月11日に出願され、参照として本明細書に組み入れられる「Micromirror Systems with Side-Supported Mirrors and Concealed Flexure Members」という名称の米国特許出願第10/269,796号、「Micromirror System with Electrodes Configured for Sequential Mirror Attraction」という名称の米国特許出願第10/269,763号、「Micromirror Systems with Open Support Structures」という名称の米国特許出願第10/269,478号に対する優先権およびそれらの恩典を主張する。

発明の分野
本発明は概して、入射光の変調によって光学画像を形成することのできる空間光変調器の分野に関する。本発明は、光学ディスプレイ、適応光学機器、および／または切換え用途に使用されるマイクロミラー装置アレイの形をしたマイクロエレクトロ・メカニカルシステム（MEMS）を含んでよい。任意に、本発明は、個々のまたは分離されたマイクロミラー要素を含む。

背景
一般に、MEMS装置は、通常、集積回路の組立て用に開発された光学リソグラフィ、金属スパッタリング、プラズマ酸化物付着、およびプラズマ・エッチングを含む処理技術を用いて半導体ウェハ上に組み立てられる小形の構造である。マイクロミラー装置は一種のMEMS装置である。他の種類のMEMS装置には、たとえば、加速計、圧力センサおよび流量センサ、燃料噴射器、インクジェット・ポート、ならびに歯車およびモータが含まれる。マイクロミラー装置はすでに商業的にかなり成功している。

マイクロミラー装置は主として光学表示システムに使用される。マイクロミラーによる表示システムの需要が高いのは、このシステムで実現できる画質が高いためである。商業セグメントおよびホーム・シアター・セグメントは市場需要のこの面を推進している。他の市場セグメントは、画質面よりもコスト面を特徴としている。このような装置は、半導体ウェハ上に大量に製造されるので、半導体産業の特徴であるウェハ処理による規模の利益と同じ規模の利益を利用し、したがって、このような装置の販売をすべての価格点で競争力のあるものにしている。

表示システムでは、マイクロミラー装置は、デジタル画像データを用いて、光線の一部を選択的に表示画面に反射することによって光線を変調することの多い光変調器である。アナログ動作モードが可能であるが、多くのマイクロミラー装置はデジタル双安定動作モードで動作する。

現在および将来のマイクロミラー・ベース表示システムの独特な特性によって、このようなシステムは、液晶ディスプレイ（LCD）および陰極管（CRT）型システムを含む様々なより低い品質のソリューションから、劇場および会議室用映写機、業務用映写機、ホーム・シアター、ディスプレイ、標準テレビジョン・ディスプレイ、および高精細度ディスプレイを含む用途の市場シェアを獲得することができる。マイクロミラー・ベース表示システムは今や、他の既存の技術に代わる、小形で高解像度および高輝度の装置を実現している。

現在、このようなシステムは、全デジタル・ディスプレイ（ミラー制御は、光源でA/D変換が必要になる可能性があることを除いて完全にデジタルである）；プログレッシブ・ディスプレイ（ちらつきなどのインタレース表示アーチファクトを除去する−場合によってはインタレース・プログレッシブ走査変換が必要になる）；一定の表示解像度（装置上のミラーの数はミラー・アレイ解像度を定める。画面上画素のアスペクト比が1:1であることに加えて、比が一定であるため、現在、様々な入力ビデオ・フォーマットをマイクロミラー・アレイに適合するようにリサンプリングする必要がある）；デジタル・カラー作成（カラー・フィルタおよびランプのスペクトル特性はシステムにおけるデジタル・カラー処理に結合される）；およびデジタル表示転送特性（マイクロミラー装置ディスプレイでは、ミラーを変調するのに用いられるグレー・スケール値と対応する光強度との関係が線形であり、したがって、表示の前にビデオ処理の一部として「デガンマ（de-gamma）」プロセスが実行される）をさらなる特徴としている。

MEMS表示装置は、過去10年から15年にわたって急激に進歩している。初期の装置は、下方のアドレス電極に静電的に引き付けられる変形可能な反射膜を使用していた。アドレス電圧を印加すると、反射膜はアドレス電極の方へへこむ。反射膜を照明し、反射膜のくぼんだ部分によって反射された光から画像を形成するのにシュリーレン光学機器が用いられた。シュリーレン・システムによって形成された画像は非常に暗く、コントラスト比が低く、大部分の画像表示用途に適していない。

これよりも後の世代のマイクロミラー装置は、暗視野光学機器に結合されたシリコンまたはアルミニウムのフラップまたはカンチレバー・ビームを用いて、コントラスト比が改善された画像を形成した。このような装置は通常、単一の金属層を用いて装置の反射層を形成した。この単一の金属層は、下方のアドレス電極によって引き付けられたときにフラップまたはカンチレバーの全長にわたって下向きに湾曲し、湾曲面を形成した。入射光は、この表面によって散乱し、それにより、フラップまたはカンチレバー・ビーム装置によって形成される画像のコントラスト比が低下した。

変形を反射面の比較的小さな部分に集中させることによって画像コントラスト比を改善するために、隣接するねじり棒部分によって支持されるミラーを利用した装置が開発された。このような装置では、薄い金属層を用いて、ヒンジと呼ばれることの多いねじり棒を形成し、それよりも厚い金属層を用いて剛性の部材を形成した。より厚い部材は通常、鏡状の表面を有する。剛性のミラーは、ねじりヒンジが変形する間平坦なままであり、装置によって散乱させられる光の量が最小限に抑えられ、装置のコントラスト比が向上する。改善されているが、このような装置の支持構造は、光路内にあり、したがって、受け入れられない量の散乱光を発生させた。

より成功したマイクロミラー構成は、より高さの高いミラーを用いてほとんどの光が装置支持構造に達しないようにすることによって画像コントラスト比をさらに改善するように、「隠れヒンジ」または隠れねじり／たわみ部材を組み込んでいる。マイクロミラーの回転を可能にするミラー支持構造は、ミラーの周囲ではなくミラーの下方に位置するため、画素画像に対応する光を反射するのに装置のより大きな表面積を利用することができる。隠れたわみマイクロミラー装置に入射する光の多くは、有効画素面に達し、画像画素を形成するのに用いられるかまたは画像から光トラップに反射されるため、このような装置のコントラスト比は他の既知の装置のコントラスト比よりもずっと高い。

この経過の一部は、Texas Instruments社のワールドワイドウェブサイトに発表されている。（本発明を含め）使用可能なさらなる考察および技術的詳細は、MEMS and MOEMS Technology and Applications, by P. Rai-Choudhury, 169-208 (SPIE Press, 2000)に示されている。

設計がこのように進歩しているにもかかわらず、既知のマイクロミラー装置のいくつかの局面をさらに改善することができる。第1に、コストに直接影響を与える一般的な製造可能性の問題を改善することができる。たとえば、所与の加工済みウェハからの（機能基準を満たす画素の形をした）装置の収量を増やすと、製品の品質とコストの節約が共に向上する。さらに、マイクロミラー装置を製造するのに必要なマスクまたは段階がより少ないプロセスを含む、より簡単な製造手順が望ましい。

さらに、既存のマイクロミラー装置の性能局面を向上させることができる。1つのそのような局面は、マイクロミラーからの光反射の割合を高めることに関する。他の局面は、所与のミラーを偏向させる際に実現できる角変位に関する。光学切換え用途と画像形成のコントラスト比に関しては全偏向能力または全角度分解能が特に重要になることがある。

改善が可能な他の性能局面は、電力消費量に関する。現在SVGA用途向けに生産されているマイクロミラー装置は、50万個を超える有効ミラーを含み、SXGA用途は、130万個の有効ミラーを必要とする。これほど多くの要素に電力を供給することは累積効果を有するため、電力消費量問題に対処することは将来、画像形成に使用される画素の数が増え続けるにつれてますます重要になろう。

マイクロミラー装置を改良する他の手段は、装置を引き続き小形化することである。性能に関しては、小形化により、部品とより質量の小さな部品との間の距離が短くなるため、エネルギー消費量が改善され、全体的なパッケージ・サイズの制約を考慮してよりミラー密度の高いマイクロミラー装置を構成することによって、表示システム解像度を向上させることができる。そのため、電力消費が改善できる。製造の点では、ミラー要素を引き続き小形化すると、所与のサイズのウェハに対するマイクロミラー・システムの数が多くなる。

本発明の様々な局面は、上記の1つまたは複数の問題点を改善する。もちろん、他のものではない本発明の一変形態様のみである特定の特徴を与えることができる。いずれの場合も、本発明の各局面によって与えられる特徴は、Texas Instruments DMT(商標)によって代表される構造的な手法とは異なる。本発明の特徴は、以下に詳しく説明するTexas Instruments DMD(商標)要素の開発に述べられているような特徴の単なる一連の改善ではなく、「隠れヒンジ」または隠れたわみマイクロミラー装置開発のまったく異なる発展的な方法に相当する。本発明の各局面によって示されるこの新しい手法は、本発明に競争力を与え、いくつかの点で消費者に利益をもたらす。

発明の概要
本発明は、任意に表示システムに用いられるマイクロミラー構造を含む。本発明によるマイクロミラー・アレイ装置は一般に、アドレス指定フィーチャを含む下部構造上に設けられた上部構造を含む。基板上に配置された上部構造のフィーチャには、電極、ヒンジ、マイクロミラー、支持部材、またはそれらの一部が含まれる。支持部材対は、ヒンジおよびそれを作動させるのに用いられる電極フィーチャの上方にミラー／マイクロミラーを保持するのに設けられている。

本発明の1つの主要な局面は、ミラーの側面の所にまたは側面に沿って各マイクロミラー要素をそのそれぞれのヒンジ部の上方に支持することを含む。そして、ヒンジは、ミラー支持体に対して画素中心に向かって設けられた1つまたは複数のフィーチャによって基板の上方に支持される。動作時には、マイクロミラーは好ましくは、双安定的に動作し、各ヒンジまたはヒンジ部によって形成される軸の周りを回転する。

ヒンジとミラー部との間の支持体は互いに向かい合って配置されているが、各マイクロミラーに沿った支持体の位置は様々であってよい。好ましい配置位置にはミラーの両隅部または両側面が含まれる。一般に、ミラーは、形状が最密になる多角形平面を有する（たとえば、三角形、六角形、ならびに正方形、長方形、台形、平行四辺形、および菱形などの四辺形）。

上述のミラーおよびヒンジの支持手法または取付け手法は、利用可能な反射表面積を最大にするのを助ける。本発明による側面支持フィーチャを利用すると、光散乱フィーチャや非反射フィーチャを設けるための加工を施す必要のない特定のミラー面態様を作製することができる。このようなミラー支持手法に関連して、最終的に除去される支持体前駆領域が、アレイの個々のマイクロミラー要素を解放するときに空間が開放される位置に一時的に配置される製造技術が開示される。このため、支持構造を効果的に配置／形成するのに必要な空間は、無駄にならず、ミラーの作動を可能にするために開放したままにしておかなければならない空間内に位置する。本発明の他の変形態様では、「ビア」内に形成されるより従来的な柱状ミラー支持体が設けられる。しかし、この支持体はこの場合も、所与のミラーの対辺に配置される。

本発明の他の主要な局面は、ミラーを作動させるのに用いられる電極を、ミラー部を漸次引き付けるように配置する段階を含む。これは、ミラーのヒンジに近いより高いレベルからより低い外側レベルまで徐々に低くなる電極部を使用することによって行われる。各電極の、ミラーに近い部分がミラーの中心により近く、各電極の、ミラーから遠い別の部分がミラー中心から遠いため、各電極部分によるミラーの順次引力とミラーを適切に傾斜させるための遊び（clearance）を設けることが可能になる。

このように構成された電極は、単体構造によって設けられるか、別々の組立て部分によって設けられるかにかかわらず、任意の方法で支持することができる。複数の離散した平面レベル（2つ以下）、または1つもしくは複数の傾斜電極表面を設けることができる。高い複数のレベルまたは段が使用される電極変形態様は、真の傾斜表面をモデル化している。このような傾斜表面および場合によっては湾曲した表面は本発明の範囲内である。

参照されるTexas Instruments DMD(商標)は様々な高さの電極を使用しているが、作用する引力は、本明細書で考察する意味において順次作用するわけではない。さらに、本発明の好ましい変形態様によれば、単一の表面のみ（ミラーの下側）が異なる高さの電極と静電相互作用する。さらに復元力に対抗して十分な傾斜角を実現するようにミラー要素に十分な力を加えるのを可能にする、上記のように形成されたシステムは、（参照されるTexas Instruments装置の6マスク・プロセスとは異なり）さらに5マスク・プロセスによって製造することができる。

本発明の他の主な局面は、「開放」支持構造を用いて、所与の要素を、それが固定されたフィーチャから分離する段階を含む。開放支持体とは、既知の支持構造、たとえば、実質的に方形の断面を有する「ビア」内に形成される、Texas Instruments DMD(商標)の柱状支持ポストとは異なり、密な周囲を有していないことを意味する。

本発明による支持部材は、単一側面構成であっても、多側面／面構成であってもよい。支持部材は、所与の構造を片持ち梁方式またははすむかいになる箇所で支持する。ミラー要素およびヒンジ要素は好ましくは、たとえば支持体を互いにはすむかいに配置することによって両側面に沿って支持される。電極は好ましくは、片持ち梁部を含むように構成される。しかし、本発明の範囲内の他の変形態様が可能である。

製造時に段状犠牲材料または傾斜犠牲材料上に材料を配置すると、片持ち梁式電極を作製することができる。犠牲材料を除去すると、構造が残る。本発明による他の開放支持構造を作製するときは、少なくとも2つのカラム型またはビア型支持体前駆部の間にスパニング部を設ける。次いで、スパニング部用の付着面として使用される任意の犠牲材料が、カラムの、スパニング部の支持体を形成しない部分と一緒に除去され、したがって、間にスパニング・セグメント、スパニング区画、またはスパニング部を形成する材料セグメントの側面に1つまたは複数の「開放」支持体が形成される。

本発明は、個別にまたは組み合わせて説明する上記の改良のいずれかを含む。改良された上部構造を含むマイクロミラー装置を用いたシステムは、本発明による装置の使用および製造に関連する方法と同様に本発明の局面を形成する。

図1〜8Hは、当技術分野で知られている情報を表し、図6および8A〜8Hは、既知のマイクロミラー装置の各局面を表している。他の図に示されているフィーチャを本発明で使用することができる。図9A〜15Hは、本発明に特有のフィーチャを示している。図11Aおよび11Bは、本発明によるマイクロミラー装置を、参照される図に示されている装置と比較している。各図のある局面は、本発明を概略的に表し、一方、他の局面は好ましい関係を示している。それにもかかわらず、各図に示されているものによる本発明の変形態様が考えられる。

詳細な説明
本発明を上記の概要よりも詳しく説明するうえで、まず適用可能な技術について説明する。この考察に続いて、既知のマイクロミラー装置およびその製造方法について説明する。次いで、本発明によるマイクロミラー装置の変形態様と、好ましい製造方法を開示する。次に、既知のマイクロミラー装置および本発明のマイクロミラー装置の比較図について説明する。最後に、様々な光学支持体、マイクロミラー、および電極構成を含む、本発明の他の任意の局面について説明する。

しかし、本発明をそのように詳しく説明する前に、本発明が、記載されている特定の変形態様に限らず、もちろん変形できることを理解する必要がある。本発明の真の要旨および範囲から逸脱せずに、記載されている発明に様々な変更を施し、かつ均等物で置き換えることができる。さらに、本発明の特定の状況、材料、設計形状、物質の組成、プロセス、プロセス行為、または段階を本発明の目的、要旨、または範囲に適応させるように、多くの修正を施すことができる。すべてのこのような修正は、特許請求の範囲内のものである。

本明細書で述べる方法は、論理的に可能な、本明細書で述べるイベントの任意の順序と、イベントについての、本明細書で述べる順序で行うことができる。さらに、ある範囲の値が与えられた場合、その範囲の上限と下限との間に存在するあらゆる値、またはその述べられた範囲内に存在する値は本発明に包含される。さらに、本明細書で説明する本発明の変形態様の任意の特徴を、本明細書で説明する特徴のうちの1つまたは複数とは独立に記載し請求することも、組み合わせて記載し請求することもできると考えられる。

本明細書で述べるすべての既存の主題（たとえば、文献、特許、特許出願、ハードウェア）は、本発明の主題と矛盾しないかぎり（矛盾する場合、本明細書に存在する主題が優先する）参照として本明細書に全体的に組み入れられる。参照される項目は、本出願の出願日よりも前にそれを開示するためにのみ与えられている。本明細書に記載されていることのうちで、本発明が従来の発明によってそのような内容に先行する資格を有さなくなることを認めるものと解釈すべきものはいっさいない。

単数形の項目の参照は、同じ項目が複数存在する可能性を含む。具体的には、本明細書および添付の特許請求の範囲では、単数形「a」、「and」、および「the」は、特に明示されないかぎり複数の指示対象を含む。さらに、特許請求の範囲を任意の要素を除外するように記載できることに留意されたい。そのため、このことは、請求要素の説明または「否定」制限の使用に関連する「solely」、「only」、または「lacking」のような排他的な語の使用についての予備知識として働くものである。

以下に明示されないかぎり、本明細書で使用されるすべての科学技術用語は、本発明が属する技術分野の当業者によって一般に理解されているのと同じ意味を有する。しかも、ある要素については、本明細書では説明を明確にするように定義し、場合によっては他の意味を与えることができる。

次に図1Aおよび1Bを参照すると、微小機械光変調器2の双安定動作が示されている。この装置は、基板10上に設けられたミラー部4、ヒンジ部6、および電極部8を含んでいる。

図1Aでは、ミラーは、ヒンジ部6の周りを水平位置から時計回りに回転するかまたはたわむように示されている。ヒンジは、ミラー回転から戻る際に機械的復元力を与えるように構成されている。ミラー回転は、各要素を保持する基板10の上方に配置された装置の少なくともミラー部4と電極部8との静電引力の結果として起こる。

ミラーは、このように引き付けられると、安定な最小電位エネルギー状態に固定される。図1Bは、第2の電極の反対側の第2の最小電位エネルギー状態に偏向させたミラーを示している。このような2つの全角状態間のマイクロミラー装置ミラーの動作は、「双安定」動作と呼ばれるものに相当する。このような動作は、デジタル・モードで使用される。

デジタル動作は、比較的高いアドレス電圧を用いて、ミラーを完全に偏向させる段階を含む。アドレス電極は下方の論理回路によって駆動される。通常正の電圧であるバイアス電圧は通常、ミラー金属層に印加され、アドレス電極とミラーとの電圧差を調整する。ミラー・バイアス電圧を装置の「しきい値電圧」と呼ばれるものよりも高い値に設定すると、ミラーは、アドレス電圧がない場合でもアドレス電極の方へ完全に偏向される。高いバイアス電圧を使用する場合、アドレス電圧が準安定点を横切りさえすれば逆の双安定最小電位エネルギー状態に入ることができるのでより低いアドレス電圧を使用することができる。

マイクロミラー装置は、アナログ・モードで動作することもできる。この動作は、「ビーム・ステアリング」と呼ばれることもあり、アドレス電極をミラーの所望の偏向に対応する電圧に充電する段階を含む。マイクロミラー装置に入射した光は、ミラーにより、ミラーの偏向によって決定される角度に反射される。個々のミラーによって反射された光線は、アドレス電極に印加される電圧に応じて、投影レンズの開口の外側に当るか、部分的にレンズの開口の内側に当るか、完全にレンズの開口の内側に当たるように向けられる。反射された光は、レンズ・システムによって画像面上に集束させられる。個々の各ミラー画素は画像面上の画素に対応する。反射光線が開口の完全に内側から開口の完全に外側まで移動すると、ミラーに対応する画像位置が暗くなり、連続的な明るさレベルが形成される。

光学切換え用途に使用されるこのような装置に関してはデジタル・マイクロミラー装置動作とアナログ・マイクロミラー装置動作の両方を適用できることに留意されたい。すなわち、マイクロミラー装置（特に本発明によって作製されたマイクロミラー装置）は、光をある経路から別の経路に向け、経路を必要に応じて光学的に接続し切り離す働きをする。

しかし、既知の設計に対する本発明の各局面の導入における考察のために、図2は、マイクロミラー装置動作のデジタル・モードで画像を形成する手法を示している。光源12の方へ回転させられたミラー2に入射した光源12からの入射光は、反射してレンズ14を通過し、画面（見やすくするために他の構成要素に対して上向きに旋回させて示してある）などの上に対応する明るい画素16として表示される。これに対して、光源から離れる方向に回転させられたミラーは、光を投影レンズから離れる方向へ光トラップ18内に反射させ、投影画像面に対応する暗い画素を残す。明るい画素を形成するように回転させられたミラーを「オン」とみなし、一方、画素を暗いままにしておくように位置きめされたミラーを「オフ」とみなすことができる。

図3は、中間的な画素明るさを得る方法を示している。デジタル・モード・マイクロミラーは、パルス幅変調技術を用いてミラーをオンとオフに急速に回転させ、画像面に達する光の量を変化させる。人間の目は、光パルスを一体化し、脳はちらつきのない中間明るさレベルを知覚する。図3には、より大きなアレイ22の一部を形成する微小機械光変調器要素2の有効行が示されている。方向マーカ24は、レンズ14と反対側の投影された画素行26内の対応する画素の位置を示している。全強度の明るい画素16は、光線28を絶えず照射することによって表示される。暗い画素20は、投影ターゲットに達する光が本質的になくなるように対応する反射要素2を「オフ」のままにすることによって形成される。中間強度30の画素は、対応するマイクロミラー要素2の「オン」と「オフ」を切り換えることによって中間的な照明間隔を照射することによって形成される。

図4は、画面34上に画像を投影するように上述のデジタル動作原則が適用されるデジタル投影サブシステム32を示している。サブシステムは、光源12および投影レンズ14と、プロセッサ38、メモリ40、および光変調要素2を含むマイクロミラー・アレイ42を含むボードまたはモジュール36とを含んでいる。図示のマイクロミラー装置は、装置のMEMS部分マイクロミラー・アレイ22要素が、窓46によって密封されたハウジング44内に設けられているという点で「パッケージング」されている。

これらの構成部材は、おそらく光源12から放出された光を整形する中間光学機器と一緒に、単独でグレー・スケールまたは「白黒」画像を示すのに十分である。カラー・フィルタまたは「カラー・ホィール」48の形をした他の構成要素と、カラー・ホィール48と一緒に使用され、集光レンズ50および整形レンズ52を含み、カラー・ホィール48が回転するにつれてレンズの色付き部分によって柱状光線を集束させ復元する光学機器とが設けられている。ホィール上の回転とマイクロミラー要素2の作動を調整することによって、全色合成が可能である。

全色画像は、3つの単色画像を順次形成することによって生成される。このプロセスは、上述のアナログまたはデジタル・グレー・スケーリング方法と一緒に、各色の多数の陰影レベルを与える。観察者は、3つの単色グレー・スケーリング画像の和から単一の全色画像を知覚する。

カラー・ホィール手法だけでなく他の手法が知られている。既知の技術によれば、特に複数のマイクロミラー装置を利用するカラー・ホィールの代わりに、専用の一色またはフィルタ付き光源を設けることができる。または、カラー・ホィールを引き続き、複数のマイクロミラー装置および色分離プリズム（図示せず）と一緒に利用することができる。さらに、複数のマイクロミラー装置を、カラー・ホィールなしで、光源およびカラー・フィルタリング・プリズムと一緒に使用することができる。

光学機器の選択は様々であってよい。他の光源および／または他のマイクロミラー・アレイを設けると、重ね合せによって画像を形成し、より高い明るさおよび解像度を与えることができる。単一のマイクロミラー・アレイ用の専用の光源を設けるだけで、明るさを向上させることもできる。現在のマイクロミラー装置によって実現される解決策の1つの制限は、明るさレベルに関する。単一の光源の明るさには実用的な制限があるので、この問題の1つの解決策は複数の光源を利用することである。コスト／システム複雑度を大きくする因子は通常、所与のシステムでこのような改良を実現するかどうかを判定するうえで考慮される。

選択される最終的な構成にかかわらず、好ましくは2つの媒体フォーマットの一方がマイクロミラー装置と一緒に使用される。ただし、他の方法も可能である。これらは図5Aおよび5Bに示されている。最初の図は投影機54を示している。図示の投影機は、代表的なコンシューマー・ホーム・シアターに適している。本発明によるシステムを組み込むことのできる他の装置は、より大規模な用途（すなわち、舞台イベントや映画上映）に適しており、高熱出力および廃熱生成向けに構成される。2番目の図は投影テレビジョン56を示している。図示のテレビジョンは、背面投影システムである。ただし、他の形式（たとえば、前面投影）を使用してもよい。

いずれの場合も、このようなシステムは、特に本発明によるマイクロミラー装置向けに設計するか、または本発明によるマイクロミラー装置の周りに設計することができる。または、本発明によるパッケージングされた「光エンジン」を既存のシステムと置き換えて（さらなる修正を施すかもしくはモジュール36全体を置き換えるか、またはそれらを行わずに）性能を向上させることができると考えられる。

本発明の様々な局面によって得られる性能面の利点を理解するには、出願時の状況を定めると考えられる上述のTexas Instruments装置の構造を理解することが重要である。図6は、アレイの単一のミラー要素2を分解斜視図で示している。

いくつかの構造レベルが表されている。1番下のレベルは、電極アドレス指定回路60が設けられた半導体基板58である。このような回路（上述のマイクロミラー装置に設けられる回路であるか本発明による回路であるかにかかわらず）をアドレス指定する方法が図7に示されている。マイクロミラー要素2の様々な行列について、2N行ごとにN個のアドレス指定入力62および16列ごとに1つのデータ入力64を組み込んだアドレス指定構造が示されている。選択された位置／間隔で接続を可能にするビアを含むパッシベーション層を有する様々な構成のこのような基板材料が市販されている。

図6を参照すると、アドレス回路の上方の上部構成構成要素の物理的な位置合わせは、選択時に、装置の電極にアドレス電圧が印加されるような位置合わせである。上述のバイアス電圧は、基板58上に設けられたバイアス／リセット・バス66に接続された中間構造を介してミラーに印加される。

ヒンジ支持体68は、バイアス・バスの上方に設けられ、順次ビアによる角柱状の支持体70によってバス66の上方に支持される。（これらの構成要素およびその他の構成要素の最終的な位置合わせは点線で示されている。）これらの支持ポストは、装置製造の中間段階で犠牲材料層内に設けられる穴内に付着させることによって形成される。したがって、支持ポストは中実ではなく、固体ベース部72まで中空であり、密閉された外壁または周囲を有する。ヒンジ支持体は、ヨーク76に取り付けられたヒンジ・セグメントまたはヒンジ部74に取り付けられている。ヨークの隅部はばね先端78を備えている。ばね先端は、電圧を厳密に調節したり他の緩衝接触に依存したりする必要なしに、ミラーが完全に作動したときにヨークとバイアス・バスとの間の接触を和らげる緩衝体を形成する。そのようなフィーチャは潜在的に有用であるが、本発明によるマイクロミラー装置はそのようなフィーチャを使用しても使用しなくてもよいと考えられる。

マイクロミラー要素2は、ヨークの上方にミラー80を含んでいる。ミラーは、ヒンジ支持体に設けられている支持体と同様なビア型支持体70を介してヨークに連結され、ミラー面に穴118を残す。ミラー、ヨーク、ヒンジ、およびヒンジ支持体はそれぞれ、接続構造を介してバス66のバイアス電圧に充電される。

装置を作動させるときは、それぞれミラーおよびヨークを静電引付けする電極82および84に電圧が印加される。上部の外側電極部82は、他の接続柱状ビア70を介して下部電極部84に電気的に接続されている。要素のこの組合せは、各電極部84のベースの充填ビア86によってアドレス指定回路に電気的に接触するように配置される。上部電極はミラーを引き付けるように位置させられ、一方、下部電極はヨークを引き付けるように位置させられる。

マイクロミラー装置2の上部構造を作製する方法が図8A〜8Hに表されている。図示の段階は、材料付着（犠牲材料または構造材料）と犠牲材料除去との間の中間的なマスキング段階の後でとられる処置を示している。製造中の構造を最も明確に示すために、この斜視図では、装置が図6に示されている断面線を横切って示されており、構造が傾けられている。

図8Aには、導電材料で形成されたバス66の一部および下部電極84が示されている。これらは、基板10上に付着させた材料によって形成され、付着した材料は適切にエッチングされている。隆起した部分は、第1のマスク88（概略的に図示されている）を用いて構成された保護層で覆われる。基板は、下方の回路へのビアを処理できるように適切に配置された穴を有するパッシベーション層で覆われたアドレス指定回路を含んでいる。ビアは、上記に図6に関して説明したように基板と電極との間の電気的接続部86を形成するように充填される。

図8Bは、図8Aの構造上に配置された犠牲材料層90を示している。ビア・コラム・ホール92は、この場合も第2のマスク94によって材料を選択的にエッチングすることによって形成される。

図8Cでは、ヒンジ部74およびばね先端78を作製する際に用いるのに適した他の導電材料層96が設けられている。これに続いて、ヒンジ前駆部100およびばね先端前駆部79として働く層96の領域上に酸化物（図示せず）などの保護層を設ける際に第3のマスク98が使用される。

図8Dでは、他の導電材料層102が付着させられている。第4のマスク104は、層102の、ヒンジ支持体前駆部106、ビームまたはヨーク前駆部108、および上部電極前駆部110として働く領域上に、保護層（図示せず）を形成するのに利用される。

ヒンジ金属層96とヨーク／電極金属層102は共にビア穴92を充填し、柱状支持部70を形成する。材料層の、第3および第4のマスクを使用するプロセス時に保護されない部分は、ヒンジ支持体68、ヒンジ74、ヨーク76、および上部電極部82を形成するように、図8Eに示されているように選択的にエッチングされる。

図8Fは、他の犠牲材料層112を含む他の中間製造段階におけるマイクロミラー装置を示している。この層は、図8Eの構造上に付着させられる。犠牲材料層112は、第5のマスク114を利用してパターン化されたビア・コラム・ホール96を含んでいる。図8Gに示されているように犠牲層112上にミラー材料層116を付着させる際に、ビア・ホール96は部分的に充填され、支持カラム70が形成され、ミラー要素の「面」になるものに穴または開口部118が残る。金属酸化物層（図示せず）を付着させた後、第6の最後のマスク120を用いて、点線で示されているミラー前駆領域122および隣接する境界がパターン化され形成され、境界は、完全なマイクロミラー・アレイにおける隣接するミラー80間に空間を形成するように除去される。最後に、図8Hは、完成したマイクロミラー要素2を示しており、構造を解放するためにすべての犠牲材料が除去されている。

前述の方法に関連する使用材料、中間準備段階、および構成面のその他の詳細は、当業者による合理的な実験の範囲内で当業者に既知であり、かつ／または上述の背景もしくは以下の米国特許を参照することによって理解することができる。「Multi-level Deformable Mirror Device」という名称のHornbeckの米国特許第5,083,857号、「Spatial Light Modulator and Method」という名称のHornbeckの米国特許第5,096,279号、「Electrostatically Controlled Beam Steering Device and Method」という名称のNelsonの米国特許第5,212,582号、「Active Yoke Hidden Hinge Digital Micromirror Device」という名称のHornbeckの米国特許第5,535,047号、「Multi-level Digital Micromirror Device」という名称のHornbeckの米国特許第5,583,688号、「Multi-level Deformable Mirror Device with Torsion Hinges Placed in a layer Different From the Torsion Beam Layer」という名称のHornbeckの米国特許第5,600,383号、「Reflective spatial Light Modulator with Encapsulated Micro-Mechanical Element」という名称のHuibersの米国特許第5,835,256号、「Multi-Motion Micromirror」という名称のMichalicek, et al.の米国特許第6,028,689号、「Reduced Micromirror Mirror Gaps for Improved Contrast Ratio」という名称のCarter, et al.の米国特許第6,028,690号、「Yield Superstructure for Digital Micromirror Device」という名称の米国特許第6,323,982号、「Encapsulated Multi-Directional Light Beam Steering Device」という名称のHuibersの米国特許第6,337,760号、「Display Apparatus with Digital Micromirror Device」という名称のWoodの米国特許第6,6,348,907号、「Double Substrate Reflective Spatial Light Modulator」という名称のHuibersの米国特許第6,356,378号、「Method for Manufacturing a Micromechanical Device」という名称のFunk, et alの米国特許第6,369,931号、「Monochrome and Color Digital Display System and Methods」という名称のRichardsの米国特許第6,388,661号、「Deflectable Spatial Light Modulator Having Stopping Mechanisms」という名称のHuibers, et al.の米国特許第6,396,619号。いずれの場合も、本発明によるマイクロミラー装置は、同じ詳細に従ってまたは他の方法で製造しかつ／または動作させることができる。

本発明の特徴に関して、図9Aは、本発明による好ましいマイクロミラー要素124を示している。図示の本発明の変形態様は、使用できる任意の特徴の各々を含んでいる。ただし、そのような特徴のすべてを所与の製品に設ける必要があるわけではない。図9Bは、図9Aのマイクロミラー装置124からそのミラーを無くした構成を示している。図9Cは、側面から見た同じ構成を示している。

使用できる本発明の任意の特徴は、まとめてまたは個々に3つの基本群に分類される。第1の群は、ミラー部126をその側面で支持することに関し、第２群は、ミラーを順次引き付けるようになっている電極128を設けることに関し、第3群は、ミラー、電極部、および／または開放支持構造を有するヒンジ部130を含む様々な構成要素の支持に関する。これらの特徴は、以下の説明では様々な方法で対処される。

図9Aに示されているミラーは、その反射面が図6および8の装置2とは異なり加工されていないという点で連続「面」を有している。（実線と点線によって示されている）「潜在的な面」または「予定された面」は、ミラーの実際の面（実線のみによって示されている領域）よりもいくらか大きくてよいが、一般に光を散乱させる「暗」空間または「死」空間132を低減させることができる。後述のように、本発明の局面によってそのような空間を最小限に抑えるか、場合によっては無くすことができる。

ミラーの下の要素124の一般的な特徴について説明する。1つのそのような局面は、ミラー126をそのヒンジに取り付ける方法に関する。ミラー要素126の両側の支持体134は、ミラー要素126をヒンジ部130に固定している。ヒンジ部は、個々のセグメントを含んでいても、単体構造の一部であってもよい。いずれの場合も、形成されるヒンジは、橋形支持体138によって基板136に取り付けられている。支持体は好ましくは、垂直支持セグメント144同士の間でスパニング・セグメント142に取り付けられているヒンジ・センター140の下が開放されている。支持構造を安定させるために脚部146を設けてもよい。他の方法は、基板の表面に対して傾斜するように（すなわち、垂直構成要素と水平構成要素の両方を有する）支持セグメント144を作製することである。

同様に、支持体134を基板に対して斜めに設けることができる。しかし、支持体を図示のように直交するように設ける方が好ましい。各支持体134のベース148は、各ヒンジ部130に直接連結することができる。しかし、（たとえば、結合界面として働く）中間材料層またはナブ150を使用することが好ましい場合がある。

いずれの場合も、装置は、ヒンジが基板136の表面からある距離だけ（約0.1ミクロン以下）上方に設けられ、ミラー126がヒンジからある距離だけ（約0.1ミクロン以下）上方に（基板136の表面から約0.2ミクロン以下上方に）設けられるように構成されている。ヨークを無くすことによって、大きな偏向角度（通常約+/-10⁰、場合によっては約+/-15⁰から約+/-20⁰以上）を実現することのできる、本発明による非常に低プロファイルのマイクロミラー装置を作製することができる。もちろん、本発明によるミラー／マイクロミラー装置は有利なことに、場合によっては、電磁的手法、電気機械的手法、熱機械的手法、または圧電的手法を含む他の作動技術を特に非投影技術用に利用して（場合によってはMEMS技術を用いて）大規模に製造することができる。

角偏向と一緒に増大するヒンジ復元力に応答して十分な静電引力を与えるのを容易にする本発明の局面は、電極128の構成に関係している。電極は、複数の部分152および154（またはそれよりも多く）をそれぞれの異なるレベルに備えることができる。（各段152/154間に支持部156を有するように示されているように）連続的な部材によって一連の段として設けられるか、離散した部材または連続的な傾斜部材で形成された段によって一連の段として設けるかにかかわらず、ミラーの回転の中心または回転点からより遠い部分がより低いレベルになるように構成される。

中心により近いより高い部分と中心からより離れたより低い部分を有するように示されている電極構成は、ある角度に傾斜しているためミラー用の遊びを形成する。さらに、この構成はミラー126を順次引き付けることができる。ミラーが1組の電極に対して傾斜していると、上部電極部はまず、（静電引力と物体間の距離との逆2乗関係によって）ミラーに対する顕著な静電引力を生じさせる。上部電極部が実際上ミラーを内側に引き付けると、電極下部の作用が増大する。ミラーをその全角変位まで引き付けるうえでさらなる助けとなるのは、下部電極部152と相互作用するミラーのより遠い領域にもたらされる機械的な利点の向上、すなわち応力中心距離の増大である。

本発明によるマイクロミラー装置124を製造する方法が図10A〜10Gに示されている。もちろん、使用される工程段階は、本発明の所与の変形態様において本発明のどのフィーチャが実際に使用されるかに応じて異なる。しかし、この場合も最も好ましい手法が示されている。

図10Aでは、基板136上に犠牲材料層158が設けられる。犠牲材料層158は、エッチング時に開口160および基板レベル部162が形成されるように第1のマスク210によってパターン化される。図10Bでは、犠牲層の一部を含む表面全体上にヒンジ金属層164が付着させられる。第2のマスク166を利用して、層164の、前駆領域168として働く領域上にパッシベーション層（図示せず）が形成される。基板136に設けられたビア206に金属層164が充填され、基板の酸化物層の下方のアドレス回路との間に接続部208が形成される。上述と同じアドレス指定・基板組立て手法を使用しても、作製された装置上部構造を電気的に制御する他の方法を利用してもよい。このことは、装置要素同士の間の接続と基板136の構成にも当てはまる。

図10Cに示されているように、ヒンジ材料上により厚い導電材料層170が付着させられる。この層によって電極128が組み立てられ、さらに開口部160が充填され、ヒンジ部130用の支持体前駆領域172が形成される。層170は、さらにビア206および連結構造208も充填する。第3のマスク174を用いて、層170の、電極前駆部176として働く領域上に保護層（図示せず）が形成される。

図10Dでは、層164および170は、ヒンジ130、支持スパナ142、ならびに電極部152および154を表すように選択的にエッチングされるように示されている。図10Eに示されているように、これらの構造は次いで、他の犠牲層178で覆われている。第4のマスク180を用いて、犠牲層178が、そのエッチング時に支持体前駆領域182が形成されるようにパターン化される。

図10Fは、選択的にエッチングされ、次いでミラーとして働くのに適した導電材料の層184で覆われた犠牲層178（または後で高反射率金属層または誘導材料で覆うことのできる基板）を示している。第5のマスク186を用いて、パッシベーション層が、保持すべきミラー前駆領域188上に形成される。しかし、互いに隣接するマイクロミラー126間に空間を形成するように除去される互いに隣接する境界190上には形成されない。

図10Gは、すべての犠牲材料が除去された後の本発明の局面によるマイクロミラー要素124を示している。上述のように、ミラーは、装置基板の上方に支持されるヒンジに取り付けられた支持体によって互いに向かい合う側面もしくは縁部の所にまたはこの側面もしくは縁部に沿って支持される。支持部材は、ミラーの互いに向かい合う側面／部分に配置されるだけでなく、「開放」性を有することを特徴とすることができる。プログレッシブ電極または2段電極も示されている。

さらに、上述の方法に従って製造されたマイクロミラー装置が5枚のマスク、すなわち、事前に製造された基板上に組み立てられたままのマスクとしか必要としないことに留意されたい。これに対して、Texas Instruments DMD(商標)は、同じ条件の下で6枚のマスクを用いて製造される。したがって、本発明による方法は、製造コストと装置収量の両方の観点から極めて有利である。

さらに、本発明によるマイクロミラー装置は、既知の装置と同じ画素寸法によって作製することができる。そうする際に、本発明による装置は、少なくとも光反射に関して性能面の利益をもたらす。この進歩の理由を以下に考察する。

かかる考察の前に、まず図11Aに設けられているマイクロミラー要素と図11Bに設けられているマイクロミラー要素を並べて比較検討すると有用である。Texas Instruments DMD(商標)は、上から見て左側に示されており、本発明によるマイクロミラー装置124がその隣に示されている。この2つの寸法の違いは直ちに明らかになろう。本発明の技術を用いると、ヨーク層が無くなるため、本発明のある局面によるマイクロミラー装置を参照した装置よりも約25%から約65%以上小さくすることができ（すなわち、本発明による装置は既知の装置のサイズの約75%から約35%であってよい）、それによって、複数の電極レベルを使用しつつ犠牲層の隙間をより小さくすることができる。

支持フットプリント（画素サイズ）を小さくすると、同じヒンジ長さを有するより小形のミラーを得ることができる。犠牲層の隙間を小さくすると、全体的により薄い構造が得られ、それによって、ミラーを偏向させるのに必要な水平ピボット運動空間が狭くなり、したがって、互いに隣接するミラー間に必要な隙間が小さくなる。

一般に、本発明で使用されるミラー要素を概ね19ミクロンの直径を有するDMDサイズのミラーよりも小さくすることができる。本発明によるミラー／画素要素は有利なことに、約10ミクロンよりも小さい直径で製造することができる。「直径」とは、定めることのできる任意の長軸に沿った距離を意味し、言い換えれば、直径は、構造を囲むことのできる任意の円の直径に相当する。

基板に直接向かい合う位置にのみ（基板に接触するように）電極を設けるか、または多段電極を使用しない場合、ずっと小形のミラーを作製することができる。そのような例では、本発明で用いられるミラーの直径は、本発明の製造技術を考慮すると6ミクロン程度であってよい。このようなサイズのミラーは、既知のDMD(商標)ミラー・サイズと比べて直径が69%小さくなることに相当する（すなわち、本発明のミラー要素は、既知のミラーの直径の約31%である）。技術が発展するにつれて、電極構成にかかわらずずっと小形のミラーが可能である。

図9A'〜9C'は、単一レベルの1組の電極128を用いて組み立てられた本発明による装置124の構成要素を示している。図示の構成は、上述の5マスク・プロセスの修正態様を用いて作製することができる。当業者には、製造方法の違いが容易に明らかになろう。一般に、空間の制約を考慮すると共に、本発明の他の変形態様と同様に遊びを考慮して電極のサイズを最大にすることが好ましい。

さらに、図9A'〜9C'は、他のミラー支持手段または手法を用いて組み立てられた装置124の構成要素を示している。図示の支持構成は、上述の5マスク・プロセスの修正態様によって製造することもでき、当業者にはこの製造方法の違いが容易に明らかになろう。基本的に、本発明のこの変形態様では、犠牲材料に形成されたビアを充填することによって形成できる柱状支持体またはポスト212が利用される。このような手法は、製造上の観点から、または場合によっては状況に応じた他の理由で望ましい。

これにもかかわらず、支持体対の各支持体は、本発明の図示の局面の他の変形態様と同様に、互いに向かい合いかつミラー126の本体を挟んで位置している。支持体212は、ミラー126の縁部の所に壁124を有するように示されている（各支持体は、構造を形成するように充填される最初のビア形状に応じて、4枚以上の壁を有しても、湾曲面を形成してもよい）。しかし、支持体は、（選択されるマイクロミラー装置の形式に応じて）ミラーの、支持体に最も近い側面／隅部または縁部から嵌めこむことができる。しかし、選択されるミラー形式（すなわち、隅部支持位置を有する方形ミラー、隅部支持位置を有する六角形ミラー、側面支持位置を有する六角形ミラーなど）を考慮してヒンジまたはねじり部材の長さを最大にするように支持体212を位置させることが好ましい。この場合、各支持体のベース（または中間構造）は、あらゆるヒンジ部の端部に位置させられる。しかし、構成済みの支持体212は一般に、ヒンジ支持部材138の外側に位置させられる。

図9A"〜9C"は、互いに向かい合う隅部位置で支持された六角形ミラーの詳細を示している。このミラーの構成および外観は、図9A〜9Cに示されているマイクロミラー要素124に類似している。しかし、この六角形ミラー形式は使用上のある利点をもたらす。一つには、このミラーは、一連の行（または列が）重ね合わせて、蜂の巣のように密に実装することができる。このような重ね合せによって、重ね合せが起こるより高解像度の出力を模倣する、画像形成における能力が得られる。このような動作の原則は、「DMD Architecture to Improve Horizontal Resolution」という名称のGove, et al.の米国特許第6,232,936号に明確に記載されており、この特許を参照すれば理解することができる。図9A"〜9C"に示されているミラー形式に関連する他の潜在的な利点を以下に示す。

特に図9A〜9Cおよび9A"〜9C"に関して、Texas Instruments社の装置と参照図に示されている装置との直ちに明らかになる別の違いは、ミラー面に対して実質的に反射しないかまたは反射が不十分な「死」空間または「暗」空間とみなすことができるものに関する。前者の構造のミラー面80には大きな中央穴118が存在する。図2に示されているように、この場合、実際に各画素画像の中央に暗い領域または欠けた領域が生じる。これに対して、図9Aおよび9A"の各ミラー126は、中央が加工されていない。予定されたミラー面に関連する暗空間または死空間132は、支持ベース部148の上方の空間のみである。

しかし、上記に示唆したように、この空間は、支持構成に応じて最小限に抑えるか、または場合によっては無くすことができる。図12A、12B、および12Cに様々な支持構成が示されている。図12Aは、上から見たミラー部192と、各支持部材のベース148と、方形のミラーに関する垂直部を形成する壁部194とを示している。図12Bは、有利なことに、同じ参照番号によって示されている六角形ミラーと一緒に使用される構成を示している。図12Cに示されているように、ベース148は、場合によっては、特にミラー側面取付け構成では完全に無くすことができる。ここでは、支持壁134が、延長されたベース部148を追加せずに下方の構造に直接取り付けられた六角形ミラーが図示されている。支持体134は、（図9Aで明らかなように）壁のある厚さが上から見てミラー126の表面よりも下方に存在するため破線で示されている。

ベースを含まない支持領域を作製する方法が図13Aおよび13Bに示されている。図13Aには支持体前駆部196が示されている。支持体前駆部196は、上記の考察に従って破線198で示されているようにエッチングされ、領域200が除去される。結果として得られる分離構造は、支持体134およびベース148領域を含み、上方にミラー領域126を含む。図13Bでは、支持体前駆領域は非常に小さく、領域200を除去しても離散したベース148は残らず、（下方の構造に取り付けられた）ベース表面202のみが残る。

本発明の各局面によって得られる、ミラーを支持する異なる方法を考慮すると、予定されたミラー面の約88%から約100%が利用され、したがって反射面を構成する実現することが可能である。本明細書に記載された既知の装置の限界は88%よりも少ない。

図9A'に示されている本発明の変形態様は、これらの特定の利点をもたらさないが、各画素に大きな中央穴118を含むTexas Instruments社の手法にはない利点をもたらす。本発明によるミラー面に設けられたミラー穴216に関連する死帯域または暗帯域は、互いに離れており、複合面積がTexas Instruments社の柱状支持体よりも小さい。さらに、このような空間のこの非局在化の効果は観察者からははっきりと分からないと考えられる。暗空間または死空間を画素内で分散化すると、観察者が注意して見たときにフィーチャを見つけるのをさらに困難にすることができる。

しかし、支持体は、図11Aおよび11Bに見られるように構成されており、各マイクロミラー要素は境界188に囲まれている。この隙間または境界は、ミラーがアレイ内で前後に傾くときにミラー用の遊びを形成する。任意のマイクロミラー・アレイの有効領域では、この死空間を無くすことはできない。しかし、低プロファイル・マイクロミラー・アセンブリを設けることによって死空間を小さくすることができる。ヨーク76の上方に設けられ下方のヒンジおよび／または基板から著しく分離された、Texas instruments DMD(商標)のような非常に高い位置のミラーは、本発明によって実現できる低プロファイル構成よりも広い、必要な角偏向を実現するための横方向空間を必要とする。本発明の各局面による低プロファイル・マイクロミラー装置を製造する能力は、隙間空間が有効アレイ領域の面積の約11.4%に相当すると考えられる既知のマイクロミラー装置よりも、全体的な隙間または境界空間を小さくするのを可能にする。

ある例では、隙間サイズを小さくすることは、予定されたミラー面の利用度の向上よりも顕著であってよい。たとえば、より短い支持体134を設ける（またはビア・ホール118の充填量を増やす）場合、部分光反射を期待することができる。この場合、各帯域は、反射に関して「死」帯域というよりも「暗」帯域である。

これにもかかわらず、前述のTexas Instrumentsマイクロミラー装置を含むアレイ22は、本発明によって製造できるマイクロミラー装置を用いたアレイ191の解像度を得ることはできない。概ね同じ空間では、アレイ191には100個の光変調器が実装され、これに対してアレイ22では36個である。この違いの結果として、投影できる画素の数はほぼ3倍になる。

画素密度を高くすると、画像の細部構成をより微細にすることが可能になる。さらに、暗帯域または死帯域はより拡散され、（隙間188および／または空間132が穴118に対して小さくなるため）より小さくなる。図11Bでは暗帯域または死帯域を見分けるのがより困難であるように、各因子は、暗帯域または死帯域の効果をより目立たなくするのに寄与する。全体的な死空間が小さくなるため、既知の装置と比べて画像の明るさが全体的に高くなる。死空間が分散される領域の数が多くなるため、見掛けの画質が向上する。人間の目は、パターン認識に対する調整が優れている。「死」領域または「暗」領域を分散させることは、このような領域の集中度を低くし、人間のこの能力に逆らう。

しかし、このような極めて多くのミラーを設けると、ある種の対処が必要になる。DLP(商標)システムにおけるミラーがミラーの下方のメモリ・セルにデータをロードすることによって制御されることを考えると、異なるアドレス指定を行うより少ない数のミラーを作動させるように構成されたデータ・ストリームは通常、他のアレイを動作させるのには適していない。このような違いの対処は、ハードウェア／ソフトウェアによって行うことができる。特定の解像度の所与の入力信号を取り込み、信号を、手持ちの装置に適合する解像度にアップコンバートまたはダウンコンバートすることのできる機器が存在する。

上述のように、本発明によってミラー・アレイを製造する際、ミラー前駆領域が設けられる。これらは、支持体を形成するようにパターン化される。図14A〜14Cには、ミラー前駆領域部206が3つの異なるミラー・タイプについて示されている。破線は、個々のミラー要素126が分離されたときに存在する位置を示すために与えられている。実線はピットまたは穴132を示しており、縁部の一部が支持部134を形成している（場合によっては、底部の一部もベース148を形成する）。図を見ると分かるように、空間132は、各ミラー要素同士の間に設けられる空間188に一部が存在する。この位置決めは実際上、支持構造を作製する際に空間のある種の「奪取（theft）」を可能にする。このように特徴付けする理由は、所与の深さのフォトレジストの任意の穴が、金属付着時に適切に充填されるようにあるアスペクト比またはサイズ／直径を有さなければならないというプロセス制限があることである。しかし、製造時に、最終的に開放されたままにしなければならない領域に開放領域を配置することによって、反射空間の損失が最小限に抑えられる。

図示の様々なミラー構成に関して、各構成は、アレイ構成内の他の材料因子に応じて様々な程度に実現できる注目すべきある利点をもたらす。これらの利点について、その潜在的な相対的長所に関して説明する。

隅部取付け具を利用した方形ミラーに関しては、この構成は、画素面積を最小にする最大のヒンジ長を受け入れる。特に非常に小さなミラー／画素の場合、より長いヒンジ長が非常に有用であることがある。所与のヒンジ断面積について、長さと共に剛性が低くなり全体的なねじり変位機能が低下するので、このような設計を用いて比較的大きなミラー偏向を実現することが可能である。これに加えて（または上記とは別に）、利用可能なヒンジ長を長くすると、少なくとも本明細書に図示し考察するそのような他のミラー・コネクタ構成に関しては、最小画素サイズを得ることができる。

隅部取付け点を用いた六角形ミラーでは、ヒンジ長に対してより大きい相対ミラー面積を実現することができる。このような構成は、より大きな静電力を発生させるのを可能にする。したがって、各ミラーを偏向させるのに印加する電圧を低下させることができる。電圧を低下させると、全体的な装置電力要件が低減して有利である。

側面取付け具を用いた六角形ミラーに関して、この構成は、ヒンジ長に対してより長い、ヒンジ・ミラー領域に垂直なミラー軸を受け入れる。他の因子、特にヒンジ構成および電極構成に応じて、（両縁部がヒンジに平行になる六角ミラー／ヒンジ構成と比べて）ミラーの隅部の所の張出しミラー部によって得られる応力中心距離が長くなることによって、特にヒンジからの復元力が最大になるミラー作動端部に向かう静電引力を増大させることができる。そのため、この場合、電力消費量および／または最大ミラー偏向において相対的な利点を得ることができる。

本発明における他の任意の利点は、様々な電極構成を利用して実現することができる。もちろん、電極の平面図は、所与の状況に合わせて変更または最適化することができる。さらに、図15A〜15Hは様々な可能な電極構成の側面図である。各図は、複数のレベルを含む電極を示している。図15Aの変形態様には、2つのレベル152および154が示されている。図15B〜15Dには徐々に高くなるレベル218が示されている。図15Eでは、連続的なレベルが実質的に一様な電極または傾斜した電極204の形で示されている。図15Eの連続的なレベルは単に傾斜した表面を形成しているが、図15Fでは、一定の曲率を有する電極が形成されている。湾曲部220は、たわみ部材によって与えられる復元力の非線形性を整合させるかまたはその他の方法で考慮するように電極とミラーと（または電極とTexas Instruments社の設計と同様なヨークのような任意の中間構造と）の間の静電引力を調整するうえで特に有用である場合がある。しかし、より簡単な1組の段状電極面（サイズ、高さ、向き／平面などが様々である）をこのように調整できることを理解されたい。（他の構成における段ではなく）曲率および図示の湾曲を用いることは一例に過ぎない。しかし、構成済みの湾曲電極形式および傾斜電極形式は、当業者に知られている高度なフォトリソグラフィ技術（たとえば、グレースケール・マスキング）を利用して作製することができる。

考えられる電極構造の他の変形態様は、離散しているが電気的に接続された部材によって様々な電極レベルを形成することに関する。図15Gおよび15Hはこのような手法の例を示している。図15Gでは、中央ビア228、カンチレバー構造226、または本明細書で説明する電極構造の任意の組合せを有するカラム224によって任意に支持された水平段222が設けられている。図15Hでは、水平段222および傾斜段230が設けられている。あらゆるこのような電極は、個々にアドレス指定することも、電気的に相互接続することもできる。

このような構造は、上述の技術またはその他の方法によって設けることができる。たとえば、ある方法では、ティアを構成する複数の層を付着させる。または、導電材料を1回付着させることによって、ティアごとに個別のマスクを用いて段状電極を形成することもできる。各マスクは、電極全体の別々のティアを形成するような選択的なエッチングを可能にする。最後に、Sandia社によって開発されたSUMMiT(商標)技術ではこれらおよびその他の技術が組み合わされる。

基板136に対すて最適な曲率（および平面図）、角度、および電極レベルは、既知の経験的および／または統計的なモデル化技術または分析技術を用いて求めることができる。本発明のこのような局面の設計では、所望のヒンジ／ねじり棒たわみと関連する応力との関係と、静電引力を考慮することができる。所与のミラーおよび／または偏向特性に関する静電作動の利点を有するある構成を企図することができる。3つの寸法のいずれかにおける電極形状は、理論上の引力を考慮した数学的モデルおよび／またはコンピュータ・シミュレーションもしくはその他の方法を介して決定することができる。双安定動作のために、電極形状およびモデルの性質は比較的簡単なものであってよい。アナログまたはビーム・ステアリング技術を制御するのに適したマイクロミラー装置を提供することが目的である場合、ミラー角変位と関連する力と電極の引力とのより複雑な関係が必要になることがある。

直接記載され本明細書に組み入れられる本発明で可能なこのような変形態様だけでなく、他の電極構成、およびミラーと関連するヒンジとの他の全体的な接続構成も本発明の範囲内である。図示の本発明の各態様および考えられるような他の態様では、要素の垂直離隔に関する変形態様を与えることもできることが理解できよう。

特に、選択された品目の高さまたは相対的離隔は、電極領域などの構成要素のサイズおよび／または向きに影響を与えることができる。すなわち、マイクロミラーの所望の偏向範囲を満たすうえで干渉を避けるには電極の形状および高さをカスタマイズすることが必要になる場合がある。

いずれの場合も、本明細書に開示された様々な任意の特徴を利用して、多数の変形態様ならびに可能なマイクロミラー装置構成および関連するシステムを作ることができる。これらの変形態様はそれぞれ、所与の用途に適したあるそれぞれの利点をもたらす。これらの利点および用途のうちのいくつかについては一例としてのみ説明した。このような考察は本発明の範囲を制限するものではない。実際、本明細書によってカバーされる本発明のある変形態様は、場合によっては、上記に一例として示されたこのような利点をもたらさないことがある。さらに、本発明は、本明細書で説明したマイクロミラー装置または要素のアレイを含んでよいのと同様に、このような構造を個別に含んでよい。適用可能性は予定された用途に依存するが、その多く（すべての可能な用途ではない）について本明細書で述べた。

さらに、本明細書でMEMS処理に関連して説明した特徴を比較的な大きな規模に適用できることに留意されたい。すなわち、本明細書で使用した語「マイクロミラー」は、直径／長さ／幅が1mmを超えるミラー構造に適用することができる。このような大きな構造は、既知の投影機またはモニタの分野以外の分野に適用することができる。したがって、本発明によって製造された装置をディスプレイおよび画像投影に関して考察した状況以外で使用できることを理解されたい。他の用途には、光切換え、適応光学機器、通信、光整形、フォトコピア、および（携帯電子機器に使用されているような）マイクロディスプレイを含めてよい。

本発明の範囲は、各請求項の文字通りの範囲または均等な範囲によってのみ制限されるものである。適用可能な既知の等価構造および／または特徴を明細書中に表すことに努めた。このような項目が本明細書に表されていなくても、それが適用範囲から除外されるわけではない。

図1Aおよび1Bは、双安定マイクロミラー動作を示す側面図である。 マイクロミラー装置表示システムの一部を利用した3つの画素の投影を示す斜視図である。 パルス幅変調（PWM）を利用したマイクロミラー装置内の単一のミラー配列についてのグレースケール画像形成を示す斜視図である。 例示的なカラー・マイクロミラー投影システムの斜視図である。 図5Aは、マイクロミラー装置による投影機の斜視図であり、図5Bは、マイクロミラー装置による投影テレビジョンの斜視図である。 DMD(商標)要素の分解斜視図である。 マイクロミラー装置アレイにアドレス指定する方法を示す回路図である。 図8A〜8Hは、様々な製造段階における図6のマイクロミラー要素を示す斜視図である。 図9Aは、本発明によるマイクロミラー要素の斜視図であり、図9Bは、ミラーを含まない図9Aの要素を示し、図9Cは、側面からの図9Aの要素を示し、図9A'〜9C'は、他のミラー支持手法による単一段電極を用いた本発明の他の変形態様の同じ図であり、図9A"〜9C"は、六角ミラーを用いた本発明の他の変形態様の同じ図である。 図10A〜10Gは、様々な製造段階における図9A〜9Cのマイクロミラー要素を示す斜視図である。 図11Aは、図6のDMT(商標)と図8のマイクロミラー装置を比較する平面図であり、図11Bは、図11Aに示されている要素のアレイの斜視図である。 本発明による様々なミラー支持構成を示す図である。 それぞれベースを含む支持部およびベースを含まない支持部を製造する任意の方法を示す図である。 図14A〜14Cは、中間製造段階における様々なミラー構成を示す図である。 図15A〜15Hは、様々なレベル、形状、および支持手法を用いた様々な電極構成の側面図である。

Claims (51)

1. アドレス回路を含む電気構成要素を有する基板と、
   各微小機械光変調器要素が、該基板によって支持され、かつミラーの互いに向かい合う部分と少なくとも1つのねじり部材を含むヒンジの互いに向かい合う部分との間に位置する一対のミラー支持体のみによって該基板から間隔を置いて配置されたミラーを含み、該ヒンジが、該ミラーの下方に配置され、該ヒンジの端部同士の間の少なくとも1つのヒンジ支持体によって該基板の上方に支持されている、微小機械光変調器要素のアレイとを含む、マイクロミラー装置。
2. 電気構成要素が、ミラーを双安定的に動作させるように構成される、請求項1記載の装置。
3. アレイの各ミラーごとに1つのヒンジ支持体が設けられる、請求項1記載の装置。
4. ミラーが方形であり、向かい合う部分は該ミラーの向かい合う隅部である、請求項1記載の装置。
5. ミラーが六角形であり、向かい合う部分は該ミラーの向かい合う側面である、請求項1記載の装置。
6. ミラーが六角形であり、向かい合う部分は該ミラーの向かい合う隅部である、請求項1記載の装置。
7. ミラーが、約19ミクロン未満の直径を有する、請求項1記載の装置。
8. ミラーが、約6ミクロンの直径を有する、請求項7記載の装置。
9. ミラーの面には、非反射フィーチャを設けるための加工がなされない、請求項1記載の装置。
10. ミラーの潜在的な面の約88%から約100%が反射面を含む、請求項1記載の装置。
11. アレイ内の境界領域が、有効反射面積の約12%未満を含む、請求項1記載の装置。
12. ミラー支持体が、互いに隣接する微小機械光変調要素間に設けられる、請求項1記載の装置。
13. ミラー支持体が、ビアによる（via-based）カラムの形をしている、請求項1記載の装置。
14. アドレス回路を含む電気構成要素を有する基板と、該基板によって支持されかつ該基板から間隔を置いて配置されたミラー、複数のヒンジ部、および複数の電極を含む微小機械光変調器要素のアレイとを含むマイクロミラー装置を製造する方法であって、
    該ヒンジ部に取り付けられたミラー支持体前駆部を、互いに隣接するミラー前駆領域間に形成する段階と、
    該ミラー支持体前駆部および該ミラー前駆領域をエッチングし、複数のミラーおよびミラー支持体を形成する段階とを含む方法。
15. 各支持体前駆部が一対のミラー支持体を形成し、該ミラーは方形である、請求項14記載の方法。
16. 各支持体前駆部が一対のミラー支持体を形成し、該ミラーは六角形である、請求項14記載の方法。
17. 各支持体前駆部が単一のミラー支持体を形成し、該ミラーは六角形である、請求項14記載の方法。
18. アドレス回路を含む電気構成要素を有する基板と、
    各微小機械光変調器要素が、該基板の上方のミラー部、該ミラー部の下方の複数のヒンジ部、および複数の電極部を含む、微小機械光変調器要素のアレイとを含むマイクロミラー装置であって、
    各電極のある部分は、各電極の、該ミラー部の中心からより離れた該基板により近い別の部分よりも、該ミラー部の中心により近い該基板に対して上方に位置し、それにより、該ミラー部用の遊び（clearance）が形成され、かつ該電極部によって該ミラー部を順次引き付けることができる、マイクロミラー装置。
19. 電気構成要素が、該ミラー部を双安定的に動作させるように構成される、請求項18記載の装置。
20. 電極部分が連続的な部材によって形成される、請求項18記載の装置。
21. 連続的な部材の少なくとも1つが湾曲している、請求項20記載の装置。
22. 電極部が、互いに離散した部材によって形成される、請求項18記載の装置。
23. 互いに離散した部材が、電気的に接続され、かつ基板表面に対してそれぞれの異なる高さに設けられる、請求項22記載の装置。
24. 電極部が基板表面に対して傾斜している、請求項18記載の装置。
25. 電極部が、基板表面に実質的に平行な少なくとも2つの高さを含む、請求項18記載の装置。
26. アドレス回路を含む基板電気構成要素を設ける段階と、
    基板の表面上に少なくとも2つの外側電極部を形成する段階と、
    基板の上方に少なくとも2つの内側電極部を形成する段階と、
    少なくとも1つのヒンジ部の上方に支持され、かつ電極部によって順次引き付けられるように位置されたミラー部を電極部の上方に形成する段階とを含む、マイクロミラー装置を製造する方法。
27. 形成動作で使用されるマスクが5枚のみである、請求項26記載の方法。
28. 請求項26の方法によって製造されたマイクロミラー装置。
29. さらに請求項27の方法によって製造された、請求項28記載の装置。
30. 電気構成要素が、各ミラー部を双安定的に動作させるように構成される、請求項29記載の装置。
31. 電極部が連続的な部材によって形成される、請求項28記載の装置。
32. 電極部が、互いに離散した部材によって形成される、請求項28記載の装置。
33. 電極部が基板表面に対して傾斜している、請求項28記載の装置。
34. 電極部が、基板表面に実質的に平行な少なくとも2つの高さを含む、請求項28記載の装置。
35. アドレス回路を含む電気構成要素を有する基板と、
    各微小機械光変調器要素が、該基板の上方のミラー部、該ミラー部の下方の複数のヒンジ部、および複数の電極部を含む、微小機械光変調器要素のアレイとを含む、マイクロミラー装置であって、
    各微小機械光変調要素の少なくとも一部は、材料の、少なくとも1つの開放支持体と連通するセグメントによって該基板の上方に保持されている、マイクロミラー装置。
36. アドレス回路を含む電気構成要素を有する基板と、
    各微小機械光変調器要素が、該基板の上方のミラー部、該ミラー部の下方の複数のヒンジ部、および複数の電極部を含む、微小機械光変調器要素のアレイとを含む、マイクロミラー装置であって、
    各微小機械光変調要素の少なくとも一部は、境界領域に配置された開放支持体によって該基板の上方に保持される、マイクロミラー装置。
37. 各ミラー部が、一対の互いに離散した開放支持体によって基板の上方に保持される、請求項35または36記載の装置。
38. 開放支持体が複数の垂直部を含む、請求項37記載の装置。
39. 複数の垂直部が、ヒンジ部の1つに取り付けられた共通のベースの所で接触する、請求項38記載の装置。
40. ヒンジ部が、少なくとも1つの開放支持体によって基板の上方に保持される、請求項35または36記載の装置。
41. アドレス回路を含む電気構成要素を有する基板と、
    各微小機械光変調器要素が、該基板の上方のミラー部、該ミラー部の下方の複数のヒンジ部、および複数の電極部を含む、微小機械光変調器要素のアレイとを含む、マイクロミラー装置であって、
    各微小機械光変調要素の少なくとも1つの電極部は、少なくとも1つの開放支持体によって該基板の上方に保持される、マイクロミラー装置。
42. 各電極部に設けられる開放支持体は1つだけであり、それによって各部分が片持ち梁式に支持される、請求項41記載の装置。
43. 請求項1〜13、18〜25、または28〜42のいずれかに記載されたマイクロミラー装置から選択されるマイクロミラー装置を含むデジタル映写機。
44. アドレス回路を含む電気構成要素を有する基板と、各微小機械光変調器要素が、該基板の上方のミラー部、該ミラー部の下方の複数のヒンジ部、および複数の電極部を含む、微小機械光変調器要素のアレイとを含むマイクロミラー装置における支持構造を製造する方法であって、
    2本のカラムおよび上面を含む前駆構造を作製する段階と、
    該カラムおよび該上面の一部を除去し、該前駆カラム同士の間に配置された該前駆上面のスパニング・セグメント、および該スパニング・セグメントに取り付けられた該カラムの開放支持部のみを残す段階とを含む方法。
45. スパニング・セグメントが電極部を含む、請求項44記載の方法。
46. スパニング・セグメントがミラー部を含む、請求項44記載の方法。
47. スパニング・セグメントが少なくとも1つのヒンジ部に取り付けられる、請求項44記載の方法。
48. アドレス回路を含む電気構成要素を有する基板と、各微小機械光変調器要素が、該基板の上方のミラー部、該ミラーの下方の複数のヒンジ部、および複数の電極部を含む、微小機械光変調器要素のアレイとを含むマイクロミラー装置における電極を製造する方法であって、
    該基板の第1の表面上に犠牲材料層を設ける段階と、
    該第1の表面および該犠牲層の第2の表面上に電極材料を付着させる段階と、
    該犠牲層を除去し、上部が該基板上の電極下部の上方で開放支持部によって支持される少なくとも1つの電極を残す段階とを含む方法。
49. 開放支持体が実質的に垂直である、請求項48記載の方法。
50. 少なくとも1つの電極が2つのレベルを含む、請求項48記載の方法。
51. 上部が基板の第1の表面に対して傾斜している、請求項48記載の方法。

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