JP3836167B2 - 回転自在の要素のアレイおよびそれを作る方法 - Google Patents

Description

【０００１】
【産業上の利用分野】
この発明はディジタル・マイクロミラー装置、更に具体的に云えば、ねじれヒンジ（torsion hinge ）が反射面とは異なる平面内に構成されているこの様な装置に関する。
【０００２】
【関連出願】
下記の全ての特許出願は出願人に譲渡されており、ここで参考の為に引用する。
【０００３】
米国特許第４，５６６，９３５号
１９８６年１月２８日付与、 空間光変調器及び方法
米国特許第４，６１５，５９５号
１９８６年１０月７日付与、 フレーム・アドレス式空間光変調器
米国特許第４，６６２，７４６号
１９８７年５月５日付与、 空間光変調器及び方法
米国特許第５，０６１，０４９号
１９９１年１０月２９日付与、空間光変調器及び方法
米国特許第５，０８３，８５７号
１９９２年１月２８日付与、 多重レベルの変形可能なミラー装置
米国特許第５，０９６，２７９号
１９９２年３月１７日付与、 空間光変調器及び方法
【０００４】
【従来の技術及び課題】
一形式の空間光変調器（ＳＬＭ）はディジタル・マイクロミラー装置（ＤＭＤ）である。ディジタル・マイクロミラー装置は変形自在のマイクロミラー装置とも呼ばれているが、この用語は現在では専らアナログ・モードで動作する装置に使われている。ＤＭＤは光を逸らせる技術に多くの用途が見出されている。装置は小さなミラーであって、電気信号に応答してこのミラーが回転即ち撓んで（deflect ）、入射光の向きを変える。或る用途では、ＤＭＤのアレイを使って光を変調すると共に、個々のＤＭＤ要素（画素と呼ばれる）が選択的に回転させられた時、パターン又は像を発生する。
【０００５】
典形的には、ＤＭＤは暗視野投影装置（dark field projection arangement）に使われており、例えば、所望の明瞭度の為に画素の大きいアレイを必要とするＨＤＴＶ用途に使うことができる。理想的なＤＭＤは、輝度が一様でコントラストが高くて、解像度の高い像を作ると共に、極めて信頼性のあるものであるべきである。ＤＭＤ要素は、商業的な表示装置にとって十分な信頼性を持つ様にする為、多数回でも故障なしに動作する様に設計されていなければならない。これは、ＤＭＤ要素の応力及び疲労を最小限に抑える頑丈な生産性のある設計を必要とする。
【０００６】
作像の用途では、主に２つの形式のＤＭＤが使われている。即ち、従来のねじれビームＤＭＤ及び隠れヒンジＤＭＤである。両方とも、ミラーを回転方向に撓ませて一対のねじれヒンジをねじる為に静電引力を用いている。従来のねじれビームＤＭＤミラーは、ヒンジ支持柱に取付けられたねじれヒンジによって直接的に支持されている。従来のねじれビームＤＭＤの１つの欠点は、ヒンジ及びヒンジ支持柱が入射光を散乱し、それが表示のコントラスト比を低下させることである。更に、ねじれヒンジ及びヒンジ支持柱がミラーの平面内に配置されている為、ミラーの面積が減少し、その為像の輝度が低下する。隠れヒンジ構造はヒンジ支持柱及びねじれヒンジをミラーの下方へ移すことにより、こう云う問題に対処している。ミラーは、ミラー支持柱により、ヒンジの平面より上方に支持されている。
【０００７】
【課題を解決する為の手段及び作用】
この発明は、ミラーが回転方向に撓むことができる様にする、その下側にあるヒンジによって、基板の上方に懸架された（suspend ）ミラー要素を持つディジタル・マイクロミラー装置（ＤＭＤ）及びそれを作る方法を提供する。着地ヒンジ・ヨークがヒンジに取付けられて、ミラーの行程を制限する。着地ヨークがミラーより短い。この為、ミラーの先端が着地する従来の隠れヒンジＤＭＤに比べて、発生される膠着トルクが一層小さい。膠着トルク（sticking torque ）が一層小さいことにより、必要とするリセット電圧が一層小さくなる。
【０００８】
ここで説明するＤＭＤの設計は、現存の設計に比べて、輝度の一様性が改良されること、画素を互い違いにして、水平方向の解像度を一層高くするのが容易になること、画素の「またたき（twinkling ）」がなくなったこと、対角線方向の機械的な欠陥がないこと、装置の寿命全体に亘って必要とするリセット電圧が安定していること、ミラーとヒンジの正しい整合に対する依存度が一層小さいこと、矩形の画素を使えること、並びに水平分割リセット・アドレス方式が容易になることを含めて、幾つかの利点がある。
【０００９】
この発明並びにその利点が更によく理解される様に、次に図面について説明する。
【００１０】
【好ましい実施例の詳しい説明】
図１はこの発明の第１の実施例による隠れヒンジ・ディジタル・マイクロミラー装置アレイ１００の一部分の平面図を示す。典形的には、アレイ内の各々の要素（エレメント）は四角のミラー１０２であり、これは中心間１７μｍで、ミラーの間の間隙は約１μｍにして作られている。各々のミラー要素が支持柱１０４によって支持されるが、典形的には、この柱はミラーの中心にある。図２は図１のＤＭＤアレイの１つの要素又は画素の分解図である。ミラー２００がミラー支持柱２０２によって支持されており、この柱が着地ヨーク２０４の上にある。着地ヨーク２０４は各々のねじれヒンジ２０６の一端に取付けられている。各々のねじれヒンジ２０６の他端が、ヒンジ支持柱２１０の上にあるヒンジ支持柱キャップ２０８に取付けられている。アドレス電極２１２がアドレス支持柱２１４によって支持されている。アドレス支持柱２１４及びヒンジ支持柱２１０が、アドレス電極２１２、ねじれヒンジ２０６及び着地ヨーク２０４をバイアス／リセット・バス２１６及びアドレス電極パッド２１８から離して支持している。ミラーが回転する（これを撓むと云うこともある）と、着地ヨーク２０４の先端２２０が着地点２２２でバイアス／リセット・バス２１６と接触する。
【００１１】
図３ａは図１のアレイの１つの要素をヒンジ軸線に沿って切った断面図である。ミラー３００がミラー支持柱３０２の上にある。ミラー支持柱３０２がヒンジ・ヨーク３１０に取付けられている。ヒンジ・ヨーク３１０が２つのねじれヒンジ３０４の夫々の一端に取付けられる。各々のねじれヒンジ３０４の他端がヒンジ支持柱キャップ３２０に取付けられ、このキャップは、メタライズ層３０８の上に作られたヒンジ支持柱３０６により、基板３１８から離して保持されている。メタライズ層３０８が、半導体基板３１８を保護する酸化物上側被覆３１６に重なっている。
【００１２】
図３ｂは図１のアレイの１つの要素をヒンジ軸線と垂直の方向に切った断面図である。ミラー支持柱３０２がヒンジ・ヨーク又は着地ヨーク３１０の上にある。ヒンジ・ヨーク３１０は、ミラー３００が回転する時、ミラー要素３００及びミラー支持柱３０２と連動して回転する様に設計されている。アドレス電極３１４が、メタライズ層３０８の上に作られたアドレス電極支持柱によって支持されている。アドレス電極支持柱は断面図の平面内にはなく、その為示してない。
【００１３】
メタライズ層３０８は、典形的には３番目のメタライズ層又はＭ３であるが、半導体基板３１８を保護する様に設計された酸化物上側被覆３１６に重なっている。基板３１８は典形的にはシリコンであるが、その面にはアドレス回路が作られている。ヒンジ・ヨーク３１０の先端３１２は、ミラー３００がアドレス電極３１４と接触する前に、図３ｃに示す様に、Ｍ３ ３０８に着地する様に構成されている。従って、ミラー要素が回転する範囲は着地先端３１２の設計によって制限される。従来のＤＭＤの設計は、典形的には、ヒンジ・ヨークの代わりにミラーの先端が着地していた。
【００１４】
製造する為の１つの順序が図４ａ−４ｆに示されている。この方法は図４ａから始まり、この時基板４００の上にはアドレス回路が作られていて、保護酸化物層４０２で覆われている。メタライズ層Ｍ３ ４０８が、必要な所で、その下側の回路の層と接触することができる様にする為に、酸化物層に孔が開けられている。ヒンジ・スペーサ層４０４がアドレス回路の上に回転デポジットされ、その上にヒンジ及び電極を作る為の平面状の面を作る。ヒンジ・スペーサ層４０４は、電極支持柱及びヒンジ支持柱を定める孔４０６を形成する様にパターンぎめされる。電極支持柱に対する孔は、図４ａ−４ｆの断面図では示されていないが、ヒンジ支持柱の為の孔と同様である。スペーサの厚さがヒンジの空隙を決定し、後で説明する様に、この空隙がミラーの回転角度を決定する。典形的には、スペーサ層は厚さ１．０μｍのポジのフォトレジストであり、このフォトレジストは遠紫外線によって２００℃の温度まで硬化させ、この後の処理工程の間の流動及び泡立ちを防止する。
【００１５】
図４ｂから始まる多重工程の方法により、ヒンジ及び電極がデポジットされて形成される。最初に、アルミニウム合金の薄い層４１０がデポジットされて、装置のヒンジ４２４を形成する。この層は典形的には厚さ６００オングストロームの０．２％のＴｉ、１％のＳｉ及び残りＡｌの合金の層である。２番目に、酸化物をプラズマ・デポジットし、ヒンジの形にパターンぎめする。次に、典形的には厚さ３，０００オングストロームのアルミニウム合金の一層厚手の金属層４１２をデポジットして、電極，支持柱４２６及びヒンジ・ヨーク４２８を形成する。その後、２番目のマスク用酸化物をプラズマ・デポジットし、電極支持柱及びヒンジ支持柱、及びヒンジ・ヨークの形にパターンぎめする。
【００１６】
１回のプラズマ・エッチを使って、ヒンジ，電極，支持柱及びヒンジ・ヨークの金属をパターンぎめする。２つの酸化物層がエッチ・ストッパとして作用し、その下にある金属を保護する。プラズマ・エッチが完了した後、酸化物のエッチ・ストッパを薄い金属のヒンジ及び一層厚手の金属の支持柱及び電極から、プラズマ・エッチングによって除去する。図４ｃは、酸化物のエッチ・ストッパを除去した後のＤＭＤ要素を示す。
【００１７】
図４ｄに示す様に、一層厚手のミラー・スペーサ層４１４をヒンジ及び電極の上に回転デポジットし、ミラー支持柱４１６を形成する孔４１５ができる様にパターンぎめする。スペーサ４１４は、典形的には厚さが２．２μｍであるが、完成されたミラーに要求される回転に応じて、これより厚手にしても薄手にしてもよい。ミラー・スペーサ層４１４は、典形的には１８０℃の温度まで遠紫外線で硬化して、この後の処理工程の間の流動及び泡立ちを防止する。ヒンジ・スペーサが一層高い温度（２００℃）に硬化させてあるので、ヒンジ・スペーサ層４０４の劣化が起らないことに注意されたい。
【００１８】
次に、図４ｅに示す様に、アルミニウム合金の厚手の層を４，２５０オングストロームの典形的な厚さまで、スパッタリングによってデポジットする。この層がミラー支持柱４１６及びミラー４３０の両方を形成する。その後、マスク用の酸化物層をミラーの上にプラズマ・デポジットし、ミラーの形にパターンぎめする。その後、ミラーの金属層をプラズマ・エッチングして、ミラー及び支持柱を形成する。ウェーハにＰＭＭＡを被覆し、チップ・アレイに鋸びきし、クロロベンゼンを用いてパルス式回転洗浄する間、マスク用酸化物層はその場所に残しておくのが典形的である。この後、チップをプラズマ・エッチング室に配置し、そこでマスク用酸化物層及び両方のスペーサ層４０４，４１４を除去して、図４ｆに示す様に、ヒンジ空隙４２０及びミラー空隙４２２を残す。
【００１９】
この発明の一実施例のＤＭＤ要素の異なるレベルの２つの平面図が図５及び図６に示されている。図５では、ミラー層を取除いて、その下にある構成部品を示している。破線はミラーの輪郭を示す。ミラー支持柱５００がヒンジ・ヨーク５０２の上にありこのヒンジ・ヨークが一対のねじれヒンジ５０４によって支持されている。ヒンジ支持柱５０６が２つのねじれヒンジの夫々の一端に取付けられる。２つのアドレス電極５０８が電極支持柱５１０によって支持される。アドレス電極５０８及びヒンジ・ヨーク５０２の形並びに支持柱の配置は、希望によって変更することができる。
【００２０】
図６は、Ｍ３メタライズ層を示す為に、アドレス電極、着地ヨーク及びヒンジを取除いた図５の要素を示す。Ｍ３層は、２種類の構造、即ちバイアス／リセット・バス６００及びアドレス支持パッド６０２を残す様にパターンぎめされる。ヒンジ支持柱５０６は、Ｍ３層のバイアス／リセット・バス６００の部分の上に作られ、これに対してアドレス電極支持柱５１０は、図示の様にアドレス支持パッド６０２の上に作られる。バイア（透孔）６０４がアドレス支持パッドを、保護用酸化物を介して、基板の上に組立てられたアドレス回路と接続する。
【００２１】
図７ａは、図３ｂのＤＭＤ要素が回転し、着地ヨークがＭ３メタライズ層のバイアス／リセット部分と接触する状態を示す。ヒンジ・ヨークの着地先端の長さが、ヒンジからＭ３までの所定の空隙に対して、ミラーがどの位まで回転し得るかを決定する。図示例では、着地先端は、ミラー要素自体のモーメントのアームの大体半分になる様に選ばれている。ミラーの寸法及びミラー支持柱の高さが、ミラーの先端が着地するのを防止する様に選ばれていると仮定すると、ヒンジ空隙の厚さ及び着地先端の長さが、ミラーが、着地先端によって停止させられるまでに、どの位回転するかを決定する。後で説明するが、最適の着地先端の長さは、ミラーとアドレス電極の間の静電引力のモーメントのアームの長さに関係する。これによって、ミラーの最大の回転を制御する様に、プロセスのできる範囲内で、ヒンジ空隙の厚さを変えることができる。ミラーの回転は、交代的な反射光路を分け隔てて、必要な投影光学系（projection optics ）の場所ができる様にするのに十分にすべきである。典形的な装置は、各々の方向に約１０°のミラーの回転を有する。
【００２２】
着地先端がバイアス／リセット・バスに着地した後、着地先端の表面分子とバイアス／リセット・バスとの間には、ファン・デル・ワールスの力（Van der Waals force ）と呼ばれる距離の短い双極子モーメントの引力が働く為に、それがバイアス／リセット・バスにくっつく傾向がある。着地先端及びバイアス／リセット・バスの表面はこの膠着を減らす様に不活性化層で処理することができるが、ヒンジの復元力は依然として信頼性のある動作にするには不十分であることがある。共振リセットと呼ばれる方法を用いて、ヒンジの復元力を１０倍までにし、こうして着地先端が着地電極から確実に剥がれる様に保証することができる。共振リセットは、ミラーとアドレス電極の間の引力を増加する電圧パルス又は一連のパルスである。一実施例では、共振リセットは、ミラーの共振周波数、大体５ MHz で、ミラーに印加される５個１組の２４ボルトのパルスである。最初のパルスがミラーを上に凹に曲げ、先端を強制的に着地電極に押付け、先端に対して下向きの力を加える。最初のパルスがターンオフになった時、ミラーが回復し、その後下に凹の位置にオーバーシュートし、先端を着地電極から引き離す傾向を持つ先端に対する上向きの反作用力を加える。この後のパルスを印加すると、振動の振幅が増加すると共に、対応する先端の上向きの反作用力が増加し、それがミラーを着地面から引き離す傾向を持つ。
【００２３】
典形的には、５個のパルスの後、先端の反作用力にはそれ以上の増加が無い。これは、各々のリセット・パルスによって得られるエネルギが、空気制動並びに金属の曲げに失われるエネルギと等しいからである。一旦最大の振動が達成されたら、パルス列をターンオフし、ミラーの先端が離れるのにまかせ、ミラーをリセットする。ミラーの共振が最も効率のよいリセット周波数であって、ミラーを自由にする傾向を持つ大きな先端の反作用力を生ずると同時に、ヒンジの応力を低いレベルに保つことを指摘しておきたい。
【００２４】
ミラーの先端が着地するのに比べて、ヒンジ・ヨークの着地先端が着地することの１つの利点は、着地先端の寸法が一層短いことである。この寸法が短いことにより、ヒンジの回転軸線に対する膠着力のモーメントのアームが減少する。モーメントのアームが小さくなれば、膠着トルクが一層小さくなり、従ってミラー要素をリセットするのに必要なトルクも一層小さくなる。リセット・パルスによって発生されるトルクは、リセット・パルスの電圧レベルとアドレス電極及びミラーの形状の両方に関係する。着地先端と着地面の間の接着力はモーメントのアームの長さとは無関係である。膠着力のモーメントのアームが短ければ短いほど、膠着力によって発生されるトルクが一層小さくなると共に、リセット・トルクが膠着トルクに打ち勝つのは一層容易になる。ミラーに比べて着地ヨークの寸法が一層短いことは、信頼性のあるリセットを達成するのに必要なリセット電圧をそれに対応して減少することができると共に、１回のパルス・リセットができる様になる。
【００２５】
１回のリセット・パルスを使うことは、画素のまたたきの問題をなくすのに望ましいことである。ミラーがくっつかないか又はバイアス／リセット・バスにくっつくとしても極く僅かである時、またたきが起る。リセット・パルス列によって発生される力は、５番目の、最後のパルスより前に、軽くくっついたミラーを離すのに十分であることがある。そう云うことが起ると、ミラーがばね式にバイアス／リセット・バスから離れ、その後、後続のリセット・パルスにより、バイアス／リセット・バスに戻る。その時、ミラーがバイアス／リセット・バスにくっつき、リセット・パルス列の残りのパルスは、ミラーを離すのに十分なエネルギを発生しないことがある。ミラーは、次の完全なリセット期間がそれをバイアス／リセット・バスから離すまで、くっついたままになっている。
【００２６】
動作について説明すると、暗視野光学系を使って像が発生される。この時、ＤＭＤミラーが一方の方向、即ち、「オン」に回転して、像平面に光を逸らせ、反対方向、即ち、「オフ」に回転して、光を像スクリーンから逸らせる。パルス幅変調を使って、グレースケール表示をする。ミラーが「オン」位置に膠着した場合、ミラーは、「オフ」位置にあるべきであるのに、光をスクリーンへ反射することがある。画素は本来よりも一時的に一層明るく見え、チカチカ又はまたたきする様に見える。「オフ」であるミラーがリセットされず、その後「オン」位置へ回転しない時、同じ問題が起るが、それほど目立たない。ここで説明した構造は、１回のパルス・リセットを使うことができる様にすることにより、画素のまたたきを除くことができる。
【００２７】
ミラーに比べて着地ヨークの寸法を一層短くすることによって、膠着したミラーをリセットするのに必要なトルクが減少するが、短すぎる着地ヨークを使うと、ミラーのヒンジに余分の応力が生ずることがある。ヒンジに対する余分の応力を理解する為には、図７ａ−７ｃに示したＤＭＤミラーに作用する撓みの力を理解することが必要である。ＤＭＤミラーとアドレス電極の間の静電引力のモーメントのアームは、ミラー及びヒンジの形に関係する。四角のミラーを持つ典形的な隠れヒンジＤＭＤでは、静電力のモーメントのアーム、又は静電力の中心は、ヒンジ軸線からミラー先端までの距離の大体半分である。ミラーが回転すると、ミラー先端及びヒンジの反作用力の組合せから生ずる同じ大きさで反対の力によって、静電力を打ち消さなければならない。
【００２８】
図７ａに示す様に、回転したＤＭＤの形状が、着地先端が静電引力よりも、回転軸線から一層遠くにあると、平衡を保つ為には、ヒンジに上向きの力７０２が必要である。つまり、ミラーの先端に着地する隠れヒンジＤＭＤが回転すると、ミラーは回転するだけでなく、ヒンジからの上向きの力７０２が増加して平衡に達するまで、基板に向って並進をする。
【００２９】
図７ｂに示す様に、静電引力７０４が着地先端よりも回転軸線から一層遠くにあると、ミラーは、ヒンジによって発生された下向きの力７０６がミラーを平衡状態にするまで、上向きに並進する傾向がある。ヒンジによって発生される上向き及び下向きの力は、２つの効果がある。第１に、ヒンジの変形により、ヒンジに加わる応力が増加し、これは金属のクリープ（creep ）によって、ヒンジが永久的にたるむ（sag ）原因になることがある。第２に、ヒンジの強さ、並びにバイアス電圧によって発生される力の強さに応じて、各々のミラーの回転が異なる。投影される画素の輝度がミラーの回転角度に関係するから、ミラーの回転が全て同じでない場合、像の画素は一様にはならず、像が劣化する。着地ヨークのリセット能力が高まったことによることを活用し、ヒンジに掛かる応力を最小限に抑えると共に、バイアス電圧に対する輝度の依存性を最小限に抑える為には、着地先端は、図７ｃに示す様に、静電引力の中心の真下にあるべきである。
【００３０】
着地ヨークがヒンジの軸線と整合していることが重要である。整合が正しくないと、着地先端がバイアス／リセット・バスに接触する前に、要素が回転する程度に影響を与える着地先端の実効長が変わる。或る要素と次の要素とで、回転の制御がよくないと、像の品質が劣化することがあり、特に像の輝度の一様性が劣化することがある。１つの解決策は、ヒンジをパターンぎめするのと同時に、着地先端をパターンぎめし、こうしてヒンジ及び着地先端の正しい整合を保証することである。従来のＤＭＤ構造では、この解決策は実用的ではなかった。ヒンジの金属をミラー先端に露出する様に従来のねじれビームＤＭＤをパターンぎめすると、ミラーの先端からの光の回折が増加し、その結果、光学的なコントラスト比が一層低くなる。従来の隠れヒンジＤＭＤのねじれヒンジは、ミラーの着地先端とは異なる平面に作られており、こうして１回のパターンぎめ工程を使うことができなかった。ここで開示した構造は、光の回折を増加せずに、ねじれヒンジをパターンぎめするのと同時に、着地先端をパターンぎめすることができる様にするから、ヒンジとヨークの整合を制御するのが容易になり、その結果、アレイの要素の間で一層一貫性のある回転が得られる。
【００３１】
図８及び９は、この発明に従って装置を製造するのに使われる典形的な酸化物のエッチ・ストッパを示す。図８では、第１の酸化物のエッチ・ストッパ８００がヒンジ金属の上にデポジットされ、ヒンジだけを限定する様にパターンぎめされる。電極金属層をデポジットした後、第２の酸化物のエッチ・ストッパ８０２をデポジットし、ヒンジ支持柱キャップ、着地ヨーク及びアドレス電極を限定する様にパターンぎめする。２つの酸化物のエッチ・ストッパが、ヒンジの各々の端に重なることに注意されたい。電極及びヒンジの金属層を１回のエッチ工程でエッチングすると、エッチ・ストッパの下の金属が残る。従って、厚手の電極の金属層及び薄手のヒンジの金属層の両方が第２の酸化物のエッチ・ストッパ８０２の下に残り、これに対して第１の酸化物のエッチ・ストッパ８００の下には薄手のヒンジの金属層だけが残る。図８に示す様に、第１の酸化物のエッチ・ストッパ８００がパターンぎめされる時にヒンジが限定され、第２の酸化物のエッチ・ストッパ８０２がパターンぎめされる時に着地ヨークの先端８０４が限定される。
【００３２】
図９は、セルフアライン形ヒンジを形成するのに典形的に使われる酸化物のエッチ・ストッパを示す。この時、第１の酸化物のエッチ・ストッパ層９００が、ヒンジだけでなく、着地ヨークの先端９０４をも限定する様にパターンぎめされる。第２の酸化物のエッチ・ストッパ９０２がヒンジ支持柱キャップ、アドレス電極及び着地ヨークの中心部分を限定する。第２の酸化物のエッチ・ストッパは、着地ヨークの先端９０４まで伸びていない。この時、２つの酸化物のエッチ・ストッパが、ヒンジの各々の端と共に、着地ヨークの先端の近くに重なることに注意されたい。この場合も、金属層をエッチングした時、厚手の電極の金属層及び薄手のヒンジの金属層の両方が第２の酸化物のエッチ・ストッパ９０２の下に残り、第１の酸化物のエッチ・ストッパ９００の下には薄手のヒンジの金属層だけが残る。然し、図８で、着地ヨークの先端及びヒンジが別々のパターンぎめ工程によって限定されるのに対し、今度は、着地ヨークの先端及びヒンジが１回の工程でパターンぎめされ、こうして相互の整合を確実にする。
【００３３】
図１０は、ヒンジ及び電極の金属層がエッチングされた後の一実施例のセルフアライン形ＤＭＤ要素の平面図で、ヒンジ・ヨーク１０００、アドレス電極１００２、及びヒンジ１００４を示す。図１１及び１２はこのセルフアライン形ＤＭＤ要素の断面図である。図１１及び１２の断面の平面は図３ｂ及び３ｃと同じである。図１１は中立位置にあるＤＭＤ要素を示し、図１２は撓んだ又は回転した位置にあるＤＭＤ要素を示す。
【００３４】
その下側にある回路の高さを埋め合せる為に、ヨークの設計は行毎に変更することもできる。典形的なＣＭＯＳ回路の設計にすると、１つおきの線の下で高さの変動が生じ、目につく線のペア効果が生ずる。ミラーの先端で着地するＤＭＤの設計では、ミラーの寸法又は形を変えずに、この変動を補償することはできない。然しミラーの寸法又は形を変更すれば、やはり輝度の変動の原因になる。着地ヨークの長さは、その下側にある回路の１つおきの行での高さの変動を補償する様に交互の行で変更して、こうして輝度に対する回路の影響を減少することができる。後で説明する分割リセットを利用する様に設計されたＤＭＤは、典形的には、回路の高さの変動が１６本の線毎に繰返して起る。従って、典形的な分割リセット回路は、着地ヨークの変動がやはり１６本の線毎に繰返される必要がある。
【００３５】
データ入力路の帯域幅の条件を下げ、ＣＭＯＳ回路素子の必要な数を減らす為に、一度にミラー要素の一部分だけをロード及びリセットすることができる様にするのが望ましい。この特徴は、分割リセット・メモリ多重化アドレス方式と呼ばれるが、残りの要素がロード、リセットされ、電気機械的にラッチされる間、大多数の要素がデータを表示することができる様にする。即ち、１つのＣＭＯＳ回路素子、例えばＳＲＡＭセルが、１つより多くのＤＭＤ要素をアドレスすることができる。分割リセットを実現する為には、要素がブロックにまとめられ、各々のブロックに対するミラー・バイアス信号を隔離する。制御回路は、各々のブロックに対するミラー・バイアス信号を独立に制御する様にしなければならない。バイアス／リセット・バスを使って、ＤＭＤ要素のグループのミラー・バイアス信号を一緒に接続し、要素のブロック全体に共通のミラー・バイアスを印加することができる様にする。要素のグループ分けは決定的ではないが、フレーム全体に対するデータから或るブロックに対するデータを抽出するのに必要な論理回路を決定する。典形的には、１行にある全ての要素が同じブロック内にあり、ブロック内にある行の数は、希望するブロックの数によって決定される。例えば、隣合った行をグループに一緒にまとめてもよいし、或いは各々のブロックの行をインターリーブにすることができる。
【００３６】
バイアス／リセット・バスは、ミラー支持構造を通じて、ミラー・バイアス信号を各々のミラーに伝達する。ここで説明したバイアス／リセット・バスの設計の為、要素は効率よくブロックにまとめることができる。図１３はＤＭＤ要素のアレイを示しており、バイアス／リセット・バス１３００及びアドレス支持パッド３０２のメタライズを露出する様に、ミラー、ヒンジ及び電極金属は取除いてある。参考の為、ヒンジ支持柱の場所１３０４、アドレス電極支持体の場所１３０６及びアドレス支持パッドのバイア１３０８が示されている。図１３に示す様に、５個のＤＭＤ要素からなる５行のバイアス／リセット・バス１３００が電気的に接続されている。図１４は隔離された５行１４０２，１４０４，１４０６，１４０８，１４１０を形成する様に作られた個々のＤＭＤ要素からなる５行のアレイのバイアス／リセット・バス・メタライズ部分１４００を示す。前に述べた様に、装置を接続する実際のパターンは決定的ではない。例えば、要素は垂直、水平又は対角線の行にまとめることができる。図１４の例で、ブロックが交互の行で構成される場合、行はミラー・アレイの有効な区域の外側で接続される。これは、ミラー・アレイの有効区域の外側にメタライズ部を追加し、行を接続するのにジャンパー線を使い、又はボンドアウトの際に行を接続することにより、このメタライズ部を行を接続する様にパターンぎめすることによって行なうことができる。
【００３７】
ここで説明した構造は、分割リセットの相互接続部を著しく容易にする。従来のＤＭＤの設計は、ミラーの先端で着地し、その為、ミラー・バイアス電圧を伝える装置の隅の近くに着地電極を必要とした。着地電極はアドレス電極と同じレベルに組立てられ、ヒンジ支持柱によって支持されていた。こう云う着地電極の寸法と配置の為、典形的には、１つの着地電極を対角線上で隣接する要素が共有することが必要になると共に、別の対角線に隣接する一対の要素のヒンジ支持柱によって支持されていたので、４つの要素が電気的に接続されていた。この為、従来の構造は、行毎又は水平の分割リセットを実現するのに必要な電気的な隔離が簡単にはできなかった。
【００３８】
分割リセットができる様にする、アレイの行の間の機械的及び電気的な隔離により、隣接する行のミラーを画素ピッチの半分だけ互い違いにし、表示の実効的な水平方向の解像度を高めることができる。第２に、隣接する要素のヒンジ支持体の間に機械的な接続がないから、１つの要素が構造的な破損を生じても、その破損が隣接するミラー要素の破壊に繋がる様なことがもはやなくなる。
【００３９】
ＤＭＤが、回転を制限するのに、もはやミラーの先端に頼らないので、ミラーは四角である必要がない。この為、他のミラーの形を使うことができる。現在、合衆国のＨＤＴＶに対する１つの提案では、線数９６０で縦横比１６：９のスクリーンがある。水平及び垂直方向の間隔が等しいとすると、四角の画素であれば、１，７０７個の水平方向の画素が必要になる。然し、提案された放送用伝送基準では、水平方向の画素は１，４００と云う様に少ない。この為、水平方向のデータの再標本化が必要になるか又は矩形の画素を使うことが必要になる。
【００４０】
着地電極の疲労が、もう１つの問題であるが、着地ヨークがこの問題を軽減する。従来のＤＭＤの設計ではミラー先端と着地電極の間の摩耗の為、ミラーをリセットするのに必要な力は、装置の経年と共に徐々に増加した。この設計をもっと効率よくリセットする様にすれば、必要とするリセット・パルスが一層少なくなるので、着地ヨークと着地電極の間の摩耗が減少する。更に、リセット・パルスは、ミラーを共振させる様に設計されるが、ミラーの先端が着地する従来のＤＭＤの設計では、この結果、ミラーと着地電極の間に接線方向の削り取る様な運動が生ずる。着地ヨークの設計は、ミラー先端が着地電極と接触せず、着地ヨークが共振しない為に、この削り取る様な運動をなくす。
【００４１】
これまでの説明は、４５°のねじれヒンジＤＭＤの設計を中心としてきており、それを簡略にした図が図１５ａに示されているが、この発明では、この他のヒンジの設計でも利点が得られる。例えば、図１５ｂの９０°のねじれヒンジ要素は、これまで説明した利点を達成する為に着地ヨークを使うことができる。図１５ａ及び１５ｂでは、ミラー要素１５００、着地ヨーク１５０２、ヒンジ１５０４及びヒンジ支持柱１５０６の平面図が示されている。
【００４２】
ここに示したＤＭＤは、空間光変調器であって、これは幾通りかの方法で使うことができる。ＤＭＤは、直視又は間接的に視る為、像を投影するのに用いることができるし、或いはゼログラフ式印刷装置の一部分として、光を変調する為に使うことができる。図１６は像投影装置の略図である。ディジタル像データが電気入力１６０２を介してＤＭＤ １６００に書込まれ、ＤＭＤミラーの動作を制御する。光源１６０６からの光１６０４がＤＭＤ １６００で反射され、ＤＭＤミラーの回転の極性に応じて、吸光装置１６０８によって吸収されるか、或いはスクリーン１６１０に投影される。
【００４３】
図１７は一実施例の表示装置のブロック図である。図１７で、アナログ像データが標本化され、ビデオ信号変換器１７００によってディジタル像データに変換される。ディジタル像データがＤＭＤフォーマット装置１７０４により、ＤＭＤ１７０２で表示するフォーマットにされる。装置に対する像データ入力がディジタルであれば、ビデオ信号変換器１７００は使わず、像データが直接的にＤＭＤフォーマット装置１７０４に入力される。フォーマットが定められたディジタル・データがＤＭＤのアドレス回路１７０６に書込まれる。これは典形的にはＳＲＡＭメモリ・セルで構成される。アドレス回路１７０６の出力がＤＭＤミラーの回転を制御すると共に、ランプ１７０８から受取った光の変調を制御する。この後、変調された光が観察者の目又は表示スクリーンに投影される。
【００４４】
図１８は、ここで説明したＤＭＤ １８００を使った一実施例のプリンタ装置の見取図である。プリンタ装置の動作は、変調された光をスクリーンに投影する代わりに、光が静電的に帯電した印刷ドラム１８０２に投影されることを別とすれば、表示装置の場合と同様である。光が印刷ドラム１８０２に入射すると、照射された区域が放電する。ドラムが回転する時、印刷ドラム１８０２が現像剤の源１８０４を通り越して回転し、印刷ドラム１８０２の内、帯電したままでいる区域が若干の現像剤を引付ける。現像剤が、転写コロナ１８０６により、印刷しようとする物体に転写され、溶融装置１８０８を通過する時、印刷される物体に接着する。
【００４５】
この為、これまでは、空間光変調器及び方法の特定の実施例を説明したが、この様に特定の場合について述べたことは、特許請求の範囲に記載される範囲以外に、この発明の範囲に対する制約と考えてはならない。更に、この発明を或る特定の実施例に関連して説明したが、当業者には、この他の変更も容易に考えられる。従って、この様な全ての変更は、特許請求の範囲内に属するものと考えられるべきである。
【００４６】
以上の説明に関して、さらに以下の項目を開示する。
（１） 各々の当該要素が少なくとも２つの状態に個別に回転し得る様な回転自在の要素のアレイを作る方法に於て、前記アレイ内の全ての要素を支持する基板を設け、少なくとも２つのヒンジ及び少なくとも１つのヒンジ・ヨークで構成されていて、該ヒンジが前記基板及び前記ヒンジ・ヨークを接続しており、該ヒンジ・ヨークが前記要素に接続されている様な支持構造を前記基板及び前記要素の間に構成し、前記要素を前記基板及び前記ヒンジ・ヨークの平面とは別個の平面内に維持する工程を含み、前記要素が回転する時、前記ヒンジ・ヨークが該要素と共に回転して、前記基板に接触することによって前記要素の回転を制限する様にした方法。
【００４７】
（２） 第１項記載の方法に於て、前記要素の回転を制御する信号を供給するアドレス電極を作る工程を含む方法。
【００４８】
（３） 第１項記載の方法に於て、前記要素の回転を制御する信号を含むアドレス電極を作る工程を含み、該アドレス電極が前記基板から離して支持されている方法。
【００４９】
（４） 第１項記載の方法に於て、前記要素の回転を制御する信号を含むアドレス電極を作る工程を含み、前記アドレス電極は前記基板から離して支持されており、前記アドレス電極は前記少なくとも２つのヒンジと同じ平面内に作られている方法。
【００５０】
（５） 第１項記載の方法に於て、バイアス／リセット・バスを作る工程を含み、該バイアス／リセット・バスは前記基板上に構成されていてミラーに電気的に接続されている方法。
【００５１】
（６） 第１項記載の方法に於て、前記基板内に制御回路を作る工程を含み、該制御回路は前記要素の回転を制御する様に作用し得る方法。
【００５２】
（７） 第１項記載の方法に於て、前記ヒンジ・ヨークの寸法を１つの要素と別の要素とで変える工程を含む方法。
【００５３】
（８） 第１項記載の方法に於て、前記ヒンジ・ヨークが先端を持ち、前記少なくとも２つのヒンジ及びヒンジ・ヨークの先端が同時にパターンぎめされる方法。
【００５４】
（９） 第１項記載の方法に於て、前記アレイが像表示装置の空間光変調器である方法。
【００５５】
（１０） 第１項記載の方法に於て、前記アレイがプリンタ装置の空間光変調器である方法。
【００５６】
（１１） 基板と、ミラー要素と、該ミラー要素に接続された少なくとも１つのヒンジ・ヨークと、前記基板及び前記ヒンジ・ヨークの間にある少なくとも２つのヒンジとを有し、該ヒンジは前記ミラー要素を支持していて、前記ミラー要素が前記基板に対して回転することができる様にし、前記ヒンジ・ヨークが該ミラー要素の回転を制限するディジタル・マイクロミラー装置。
【００５７】
（１２） 第１１項記載のディジタル・マイクロミラー装置に於て、前記要素の回転を制御する信号を作るアドレス電極を有するディジタル・マイクロミラー装置。
【００５８】
（１３） 第１１項記載のディジタル・マイクロミラー装置に於て、前記要素の回転を制御する信号を作るアドレス電極を有し、該アドレス電極が前記基板から離して支持されているディジタル・マイクロミラー装置。
【００５９】
（１４） 第１１項記載のディジタル・マイクロミラー装置に於て、前記要素の回転を制御する信号を作るアドレス電極を有し、該アドレス電極が前記基板から離して支持されており、前記アドレス電極が前記少なくとも２つのヒンジと同じ平面内にあるディジタル・マイクロミラー装置。
【００６０】
（１５） 第１１項記載のディジタル・マイクロミラー装置に於て、バイアス／リセット・バスを有し、該バイアス／リセット・バスは前記基板上に構成されていて前記ミラーに電気的に接続されているディジタル・マイクロミラー装置。
【００６１】
（１６） 第１１項記載のディジタル・マイクロミラー装置に於て、前記基板内にある制御回路を有し、該制御回路は前記要素の回転を制御する様に作用し得るディジタル・マイクロミラー装置。
【００６２】
（１７） 第１１項記載のディジタル・マイクロミラー装置に於て、前記ヒンジ・ヨークの寸法が１つの要素と別の要素とで変えられているディジタル・マイクロミラー装置。
【００６３】
（１８） 第１１項記載のディジタル・マイクロミラー装置に於て、前記ヒンジ・ヨークが先端を持ち、前記少なくとも２つのヒンジ及びヒンジ・ヨークの先端が同時にパターンぎめされるディジタル・マイクロミラー装置。
【００６４】
（１９） 第１１項記載のディジタル・マイクロミラー装置に於て、該装置が像表示装置の空間光変調器であるディジタル・マイクロミラー装置。
【００６５】
（２０） 第１１項記載のディジタル・マイクロミラー装置に於て、該装置がプリンタ装置の空間光変調器であるディジタル・マイクロミラー装置。
【００６６】
（２１） ディジタル・マイクロミラー装置を作る方法に於て、アドレス回路を含む基板を用意し、該基板の上に第１のスペーサ層をデポジットし、該第１のスペーサ層は、ヒンジ支持柱及びアドレス電極支持柱を構成する様にパターンぎめされ、前記ヒンジ支持柱を作り、前記アドレス電極支持柱を作り、前記第１のスペーサ層の上に、前記ヒンジ支持柱及びヒンジ・ヨークに接続された変形自在のねじれヒンジを設け、前記第１のスペーサ層の上に前記アドレス電極支持柱に接続されたアドレス電極を設け、前記基板の上に前記ヒンジ・ヨーク上のミラー支持柱を構成する様にパターンぎめされた第２のスペーサ層をデポジットし、前記第２のスペーサ層の上に前記ミラー支持柱に接続された複数個のミラーを設け、前記第１及び第２のスペーサ層を取除く工程を含み、前記ミラーは前記ヒンジを変形させることによって回転することができ、前記ヒンジ・ヨークは該ミラーの回転を制限する様にした方法。
（２２） 改良された隠れヒンジ・ディジタル・マイクロミラー装置及びその製法を説明した。装置は、ヨーク４２８に取付けられたヒンジ４２４を持ち、このヨークが装置のミラー４３０の回転を制限する。一実施例では、ミラー４３０が、着地ヒンジ・ヨーク４２８によって２つのねじれヒンジ４２４に取付けられた中心支持柱４１６によって支持されている。ねじれヒンジ４２４の両端が２つの支持柱４２６に取付けられ、これらの柱が、ヒンジ４２４を基板４００の上方に保持すると共に、ヒンジ４２４をねじれ形式で捩ることができる様にする。２つの犠牲スペーサ層４０４，４１４を使うことによって、装置が製造されるが、これらのスペーサ層を取去って、ミラー４３０が回転できる様にする。
【図面の簡単な説明】
【図１】この発明の第１の実施例によるＤＭＤアレイの平面図。
【図２】図１のＤＭＤアレイの１つの要素の分解図。
【図３】ａは図１のＤＭＤアレイの１つの要素をヒンジ軸線に沿って切った断面図。
ｂは図１のＤＭＤアレイの１つの要素をヒンジ軸線に対して垂直に切った断面図。
ｃは図１のＤＭＤアレイの１つの要素をヒンジ軸線に対して垂直に切った断面図で、回転位置にあるミラー及び着地ヨークを示す。
【図４】ａは図１のＤＭＤアレイの１つの要素をヒンジ軸線に沿って切った断面図で、ヒンジ・スペーサ層を示す。
ｂは図１のＤＭＤアレイの１つの要素をヒンジ軸線に沿って切った断面図で、ヒンジ・金属層を示す。
ｃは図１のＤＭＤアレイの１つの要素をヒンジ軸線に沿って切った断面図で、ヒンジ及び電極の金属層を示す。
ｄは図１のＤＭＤアレイの１つの要素をヒンジ軸線に沿って切った断面図で、ミラー・スペーサ層を示す。
ｅは図１のＤＭＤアレイの１つの要素をヒンジ軸線に沿って切った断面図で、ミラー金属層を示す。
ｆは図１のＤＭＤアレイの１つの要素をヒンジ軸線に沿って切った断面図で、プラズマ・エッチ・アンダーカット後の完成された装置を示す。
【図５】図１のＤＭＤアレイの１つの要素の平面図で、その下側にあるアドレス電極及び着地ヨークを示す為にミラーを取除いてある。
【図６】図５のＤＭＤ要素の平面図で、バイアス／リセット・バスを示す為にアドレス電極及び着地ヨークを取除いてある。
【図７】ａは１つのＤＭＤ要素の断面図で、平衡状態にある撓みの力を示す。
ｂは１つのＤＭＤ要素の断面図で、平衡状態にある撓みの力を示す。
ｃは１つのＤＭＤ要素の断面図で、平衡状態にある撓みの力を示す。
【図８】１つのＤＭＤ要素の平面図で、第１の実施例の第１及び第２のパターンぎめされた酸化物のエッチ・ストッパを示す。
【図９】１つのＤＭＤ要素の平面図で、第２の実施例の第１及び第２のパターンぎめされた酸化物のエッチ・ストッパを示す。
【図１０】図９の第１及び第２の酸化物のエッチ・ストッパを使ってヒンジ及び電極の金属層をエッチングした後の１つのＤＭＤ要素の平面図。
【図１１】図９に示した実施例による着地ヨークの先端を持つ１つのＤＭＤ要素の断面図。
【図１２】図１１のＤＭＤ要素の断面図で、回転した位置にあるミラー及び着地ヨークを示す。
【図１３】バイアス／リセット・バスが１回バイアス／リセット・バスを形成している様な、ＤＭＤ要素を相互接続した５×５アレイのバイアス／リセット・バスの平面図。
【図１４】バイアス／リセット・バスが水平の行の間で電気的に分割され又は隔離されている様なＤＭＤ要素の５×５アレイのバイアス／リセット・バスの平面図。
【図１５】ａは４５°ねじれビームヒンジを持つ１つのＤＭＤ要素のヒンジの配置を示す平面図。
ｂは９０°ねじれビームヒンジを持つ１つのＤＭＤ要素のヒンジの配置を示す平面図。
【図１６】一実施例のＤＭＤを基本とした像投影装置の略図。
【図１７】一実施例のＤＭＤを基本とした表示装置のブロック図。
【図１８】一実施例のＤＭＤを基本としたプリンタ装置の見取図。
【符号の説明】
３００ ミラー（要素）
３０２ ミラー支持柱
３０４ ねじれヒンジ
３０６ ヒンジ支持柱
３０８ メタライズ層
３１０ ヒンジ・ヨーク
３１２ ヨーク先端
３１８ 基板

Claims (3)

1. 各々の当該要素が少なくとも２つの状態に個別に回転し得る様な回転自在の要素のアレイを作る方法に於て、
   前記アレイ内の全ての要素を支持する基板を設け、
   少なくとも２つの丁番及び少なくとも１つの丁番ヨークで構成されていて、該丁番が前記基板及び前記丁番ヨークを接続しており、該丁番ヨークが前記要素に接続されている様な支持構造を前記基板及び前記要素の間に構成し、
   前記基板の平面及び前記要素の平面とは別個の平面にアドレス電極を構成し、このアドレス電極は前記要素を電気的に引き付けるよう作動し、
   前記要素を前記基板及び前記丁番ヨークの平面とは別個の平面内に維持する工程を含み、前記要素が回転する時、前記丁番ヨークが該要素と共に回転して、前記基板に接触することによって前記要素の回転を制限する様にした、
   前記アレイを作る方法。
2. ディジタル・マイクロミラー装置であって、
   基板と、
   ミラー要素と、
   該ミラー要素に接続された少なくとも１つの丁番ヨークと、
   前記基板の平面及び前記要素の平面とは別個の平面に保持されたアドレス電極とを有し、該アドレス電極は前記要素を電気的に引き付けるよう作動し、更に
   前記基板及び前記丁番ヨークの間にある少なくとも２つの丁番とを有し、該丁番は前記ミラー要素を支持していて、前記ミラー要素が前記基板に対して回転することができる様にし、前記丁番ヨークが該ミラー要素の回転を制限する
   前記ディジタル・マイクロミラー装置。
3. ディジタル・マイクロミラー装置を作る方法に於て、
   アドレス回路を含む基板を用意し、該基板の上に第１のスペーサ層をデポジットし、
   該第１のスペーサ層は、丁番支持柱及びアドレス電極支持柱を構成する様にパターンぎめされ、
   前記丁番支持柱を作り、
   前記アドレス電極支持柱を作り、
   前記第１のスペーサ層の上に、前記丁番支持柱及び丁番ヨークに接続された変形自在の捩れ丁番を設け、
   前記第１のスペーサ層の上に前記アドレス電極支持柱に接続されたアドレス電極を設け、
   前記基板の上に前記丁番ヨーク上のミラー支持柱を構成する様にパターンぎめされた第２のスペーサ層をデポジットし、
   前記第２のスペーサ層の上に前記ミラー支持柱に接続された複数個のミラーを設け、
   前記第１及び第２のスペーサ層を取除く工程を含み、前記ミラーは前記丁番を変形させることによって回転することができ、前記丁番ヨークは該ミラーの回転を制限する様にした、
   前記ディジタル・マイクロミラー装置を作る方法。

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