KR0140756B1 - 공간 광 변조기 및 변조 방법 - Google Patents

Abstract

본원 발명은 편향가능한 비임을 각각 포함하는 다수의 픽셀, 상기 비임에 인접한 어드레스 전극, 및 상기 비임에 인접한 랜딩전극을 포함하고 상기 비임과 상기 어드레스 전극 사이에 인가된 전압이 상기 어드레스 전극을 향해서 상기 비임을 편향시키고 상기 랜딩 전극이 상기 어드레스 전극을 향해서 편향된 상기 비임과 접촉하고 편향된 비임이 상기 어드레스 전극과 접촉하는 것을 방지하도록 배치되는 것을 특징으로 하는 공간 광 변조기에 관한 것이다.

Description

공간 광변조기 및 변조 방법

제1a도 내지 제1c도는 제1의 양호한 실시예의 픽셀을 도시한 사시도, 단면도, 및 평면도.

제2도는 제1의 양호한 실시예의 픽셀 비임 편향을 도시한 도면.

제3a도 및 제3b도는 제1의 양호한 실시예의 간략화된 변형의 경우에 인가 전압에 대한 비임 편향의 의존성을 도시하고, 이 간략화된 변형 픽셀을 도시한 평면도.

제4도는 분석항을 정하는 간략화된 변형 픽셀을 개략적으로 도시한 단면도,

제5도는 간략화된 변형 픽셀내의 비임상의 토크를 도시한 도면.

제6도는 간략화된 변형 픽셀에 대한 제어 전압의 함수로서의 비임 편향을 도시한 도면.

제7도는 제1의 양호한 실시예를 개략적으로 도시한 단면도.

제8도는 제1의 양호한 실시예내의 비임상의 토크를 도시한 도면.

제9도는 제1의 양호한 실시예 분석시의 항 정의를 도시한 도면.

제10도 내지 제13도는 제1의 양호한 실시예의 차동 동작 모드에 대한 비임상의 토크를 도시한 도면.

제14도는 제1의 양호한 실시예의 차동 동작 모드 내에 포함된 포텐셜 에너지 함수를 도시한 도면.

제15도는 제1의 양호한 실시예상의 차동 바이어스를 도시한 도면.

제16도는 제1의 양호한 실시예내에서 인가된 차동 바이어스에 대한 토크를 도시한 도면.

제17도는 제1의 양호한 실시예의 쌍안정 동작에 대한 타이밍도.

제18도 내지 제23도는 제1의 양호한 실시예의 동작을 분석하기 위한 토크 및 편향을 도시한 도면.

제24도 내지 제26도는 제1의 양호한 실시예에 대한 잡음 여유도 분석을 도시한 도면.

제27도는 제1의 양호한 실시예에 추가된 평형 전극을 개략적으로 도시한 단면도.

제28도는 잡음 여유도 상호 작용을 도시한 도면.

제29도는 제1의 양호한 실시예에 대한 제1리셋트 방법에 대한 타이밍도.

제30a도 및 제30b도는 제1의 양호한 실시예에 대한 제2 리셋트 방법의 타이밍도 및 단면도.

제31도는 선형 어레이의 제2의 양호한 실시예의 평면도.

제32a도 내지 제32c도는 전자 사진 프린팅에 대한 제2의 양호한 실시예의 사용상태를 개략적으로 도시한 도면.

제33도는 제어 전극에 따른 제2의 양호한 실시예의 어드레싱을 도시한 단면도.

제34도는 제2의 양호한 실시예의 어드레싱을 도시한 평면도.

제35a도 내지 제35e도는 제1의 양호한 실시예의 제조 단계를 도시한 단면도.

제36a도 내지 제36c도 및 제37a도 내지 제37c도는 제1의 양호한 실시예의 최종 제조 단계를 도시한 도면.

제38도는 제3의 양호한 실시예의 평면도.

제39a도 내지 제39d도는 선택적인 비임 기하학적 형태 및 배치를 도시한 평면도.

제40a도 내지 제40e도는 제2의 양호한 실시예의 제조 단계를 도시한 단면도.

제41a도 내지 제41c도는 제2의 양호한 실시예의 제조 단계를 도시한 평면도.

제42a도 내지 제42b도는 제4의 양호한 실시예 픽셀 어레이의 평면도 및 개략도.

제43a도 내지 제43d도 및 제44a도 내지 제44c도는 제4의 양호한 실시예의 픽셀의 레벨 평면도 및 단면도.

*도면의 주요 부분에 대한 부호의 설명

20, 120, 320, 320', 320, 420, 420', 520, 520', 520:픽셀

22, 122:기판 24, 324, 182:스페이서

26:금속 힌지층 28:금속 비임층

30, 530, 530', 530:, 580:비임

32, 332, 532, 532', 532, 584:플라즈마 억세스 구멍

34, 36, 130, 334, 336, 581, 582, 634, 636:토션 힌지

40, 41, 42, 46, 340, 341, 446, 579, 589, 642, 646:랜딩 전극

44:이산화 실리콘층 50:레즈스트

52, 184:PMMA 131:비임팁

142, 146, 342, 346, 542, 546, 542', 546', 588, 642, 646:어드레스 전극

186:ARC(역반사코딩) 18:포토레지스트

194:개구 310:선형 어레이

326:힌지층 343:중간 금속 라인

348:에칭 정지부 354:영상 렌즈

356:광도전성 드럼

338, 538, 538', 538, 586:플라즘 에칭 억세스 갭

422:P형 실리콘 기판 444:이산화 실리콘

450:엔에이블 게이트 561, 561', 561:포스트

562, 562', 562:캔틸레버 힌지

610:어레이 626, 628:반사층

643:게이트 산화물 660, 661, 662, 666, 660':n⁺확산 영역

670, 672, 670, 672':P⁺채널 정지부

본 발명은 공간 광 변조기(spatial light modulator) (광밸브)에 관한 것으로, 특히, 전자적으로 어드레스가능한 편향가능 비임으로 형성된 픽셀을 갖고 있는 공간 광 변조기에 관한 것이다.

공간 광 변조기(SLM)은 전기적 또는 광학적인 입력에 대응하는 공간 패턴내의 입사 광을 변조시키는 변환기이다. 입사 광은 위상, 강도, 편광 또는 방향이 변조될 수 있고, 광변조는 여러가지 전기광학 또는 자기 광학 효과가 있는 다양한 물질, 및 표면 변형에 의해 광을 변조시키는 물질에 의해 달성될 수 있다. SLM은 광학 정보프로세싱, 투사 디스플레이, 및 정전(electrostatic)프린팅 분야에서 다양한 응용을 발견 하였다. 엘. 혼벡(L. Hornbeck), 128×128 Deformable Mirror Device, 30 IEEE tran. Elec. Dev. 539(1983)을 참조한다.

대형 휘도 전자 디스플레이용으로 사용된 SLM은 오이도퍼(Eidophor)로 공지되어 있는데, 이 시스템은 능동 광학 소자로서 정전적으로 불균일한 오일 필름을 사용한다. 이. 바우만(E. baumann), The fischer large-screen projection system(Ediophor), 2 J. SMPLE351(1953)을 참조한다. 이 시스템내에서, 균일한 오일필름은 오일 필름상의 각각의 용해가능한 픽셀 영역내에서 피착된 전하의 공간 주기 분포를 발생시키도록 변조되는 전자 비임을 갖고 있는 래스터(raster)형태로 주사된다. 이 전하 분포는 일정한 포텐셜로 유지되는 오일 필름 표면과 지지 기판사이의 정전 인력에 의해 각 픽셀내에 위상 격자를 발생시킨다. 이 인력은 필름 표면을 피착된 전하의 양에 비례하는 양만큼 변형시키게 한다. 변조된 오일필름은 크세논(xenon)아크 램프에서 나오는 공간 간섭성 광선으로 조명된다. 오일 필름상의 변조된 픽셀로의 입사 광은 광학 시스템부분에 의해 교대로 투명 및 불투명 바의 주기적인 교번 어레이로 구성한 굴절 정지면상에 떨어지도록 제조된 일정한 간격의 불연속 셋트내에 국부(local)위상 격자에 의해 회절된다. 굴절 정지바의 스페이싱(spacing)은 높은 광학 스루풋(throughput)효과가 달성되도록 정지면에서 회절된 신호 순서들의 스페이싱을 정합시키기 위해 선택 된다. 광 밸브(ligt valve)의 비변조된 영역에 입사되는 광선은 불투명한 굴절 정지바에 의해 투사 렌즈에 도달 하지 못하게 된다. 그러므로, 투사 스크린상의 굴절 영상 시스템에 의해 광 밸브상의 비변조된 영역에 형성된 영상은 어두어지지만, 변조된 전자비임에 의해 발생된 위상 섭동(perturbation)은 스크린에서 굴절 투사기에 의해 광선의 휘도 스포트(spot)로 변환된다. 음극의 전자충돌(bombardment) 및 유기적인 증기 오염에 의한 오일 중합에 관련된 많은 기술적 어려움에도 불구하고, 이 형태의 오일-필름 시스템은 스크린에서 무수한 루우멘(lumen)의 전체 광선 요구용의 시스템이 보편적으로 사용된다는 점에서 성공적으로 개발되어 왔다.

그러나, 이러한 시스템은 고가이면서 부피가 크고, 부품들의 수명이 짧았다.

또한, 다수의 논-오일-필름(non-oil-film) SLM들은 개발되어왔고, 편광가능 소자형, 편광면의 회전형, 및 광선 산란형을 포함한다. 이 SLM 형태들은 금속, 탄성 중합체, 또는 탄성중합체-광전도체의 반사층의 변형, 및 강유전체, PLZT 세라믹, 및 액정의 편광 및 산란과 같은 여러 가지 효과를 이용한다. 예를 들어, 알.스프래그(R. Sprague)등, Linear total internal reflction spatial light modulator for laser printng, 29Proc. SPIE68(1981) 및 더블유. 터너(W. Turner) 및 알. 스프래그, Integrated total internal reflection(TIR) spatial light modulator for laser printing, 299 Pro. SPIE 76(1982), 및 미합중국 특허 제4,380,373호에는 레이저 광선이 조명 라인으로 형성되고, 광 변조기의 선형 어레이를 통과하며, 감광성 매체상에 영상이 형성되는 감광성 매체에서의 무충격 프린팅용 시스템이 기술되어 있다. 이 어레이는 리튬 리오베이트와 같은 전기 광학 결정의 전내부 반사면에 대해 배치되는 일체형 드라이브 소자상에 제조된 전극 및 드라이브 전자 장치를 갖춘 전내부 반사 공간 광 변조기로서 실행 된다. 각각 2개의 소자들사이의 프린징 필드에 의해 발생된 굴절 지수의 국부변화는 감광성 매체상의 TIR 인터 페이스의 영상을 나타내는 굴절판독 광학으로 판독된다. 이것은 1차원 영상이고, 감광성 매체는 프린팅 응용용의 2차원 영상(예를 들면, 텍스트(text)페이지)을 발생시키기 위한 선형 어레이의 영상아래의 드럼(drum)상에서 회전된다. 그러나, SLM(광 밸브)는 하이브리드 성질로 인해 제조하는데 곤란한 문제점이 있을 수 있다. 프린징 필드 강도, 및 그로 인한 변조된 픽셀로부터 회절된 광선의 양은 어드레스 전극과 10미크론미만의 전기 광학 액정면사이의 공기 틈(air gap)두께를 변화시키도록 감지된다. 그러므로, 액정과 전극 구조물사이애 트랩된 대단히 작은 미립자들은 감광식 매체에서 조명을 불균일하게 하는 문제점을 발생시킨다. 광밸브의 변조된 영역과 비변조된 영역사이의 경계면에 배치된 픽셀에 대한 시스템의 광학적 응답은 어드레싱 기술의 성질로 인해 변조된 영역 중간 근처의 픽셀에 대한 응답보다 상당히 낮다. 이 기술에 기초를 둔 시판용으로 이용가능한 프린터는 현재까지는 소개되지 않았다.

엠. 리틀(M. Littel)등, CCD-Addressed Liquid Crystal Light Valve, Proc. SID Symp. 250(1982. 4)는 실리콘 칩의 전방측상에 CCD영역 어레이 및 칩의 배면측 상에 액정을 갖고 있는 SLM이 기재되어 있다. 전하는 아날로그 전하 데이터의 완전한 프레임이 적재될때까지 CCD 내로 입력되고 그다음 전하는 액정을 변환시키는 칩의 배면측으로 덤프(dump)된다. 이 장치는 전-후 전달로 부터의 전하 스프레이딩으로 인해 분해능 뿐만 아니라 고정된 패턴 잡음도 갖는다.

1차원 어레이와 2차원 어레이로 제조될 수 있는 다른 SLM형태는 변형가능한 미러이다. 변형가능한 미러는 3가지, 즉 탄성 중합체, 막(membrane), 및 캔틸레버 비임으로 세분될 수 있다. 탄성 중합체방법에서 금속 탄성 중합체는 중합체의 압축을 통해 표면 변형을 발생시키는 공간 가변 전압에 의해 어드레스된다. 약 100 또는 200V인 어드레스 전압이 필요하기 때문에, 탄성 중합체는 고밀도 실리콘 어드레스 장치와의 통합에 양호하지 않다. 일반적으로 에이., 래케토스(A. Lakatos) 및 알. 버겐(R. bergen), TV projection display using an amorphorous-Se-type RUTICON light valve, 24 IEEE Tran. Elec. Dev. 930(1977)을 참조한다.

막 변형가능 미러는 여러 가지 형태가 있다. 어느 형태도 상기된 오이도퍼 시스템의 오일 필름을 본질적으로 대체한다. 이 시스템의 경우에, 얇은 반사막은 지지 그리드 구조물 수단에 의해 음극선간(CRT)와 면판(faceplate)에 장착된다. 어드레싱은 오디도퍼 시스템에서와 같이 래스터 주사된 전자 비임에 의해서 이루어진다. 전자 비임에 의해 CRT의 유리 면판상에 피착된 전하는 정전압에서 유지되는 막을 정전적으로 끌어당긴다. 이 인력은 막을 그리드 구조물에 의해 형성된 웰내로 휘어지게 하므로, 각각 변조된 픽셀위치에 최소형 구형 미러를 형성한다. 이 형태의 변조된 픽셀로부터 회절된 광선은 반사된 비임에 관해 회전 대칭되는 비교적 좁은콘(cone)내에 집중된다. 그러므로, 이 형태의 광 밸브는 광밸브의 비변조된 영역으로부터 거울 반사후에 광학 시스템에 의해 형성되는 광원의 영상을 차단하도록 배치 및 배열된 단일 중앙 차광부(obscuration)로 이루어져 있는 굴절 정지면으로 사용된다. 변조된 픽셀들은 중앙 차광부보다는 크지만, 이것상의 중간에 있는 굴절 정지면에서 광선의 원형 패치(patch)로 상승된다. 정지 효율 또는 굴절 정지면을 세척하는 변조된 픽셀 에너지의 분획(fraction)은 오일필름 오이도퍼 투사기에 대한 것보다, 변형가능한 막에 기초를 둔 투사기에 대한 것이 약간 작다. 더욱이, 이러한 막 변형가능 미러 시스템은 2가지 이상의 주요한 문제점을 갖고 있다. 비교적 단단한 반사막을 어드레싱 하기 위해서는 고전압이 요구되고, 전자 비임 래스터와 픽셀지지 그리드 구조물사이의 약간의 오정열이 어드레싱 문제점을 야기시킨다. 이러한 오정렬은 디스플레이 휘도의 영상흐림 및 불균일성을 야기시킨다.

다른 형태의 막 변형가능 미러는 엘. 혼벡(L. Hornbeck), 30 IEEE Tran. Elec. Dev. 539(1983)내에 기술 되어 있고, 실리콘 어드레스 장치에 결합된 금속 중합체 미러의 어레이로 구성되는 하이브리드 통합 회로이다. 공기틈에 의해 미러 소자로부터 절연되는 하부 아날로그 어드레스 회로는 정전 인력에 의해 선택된 픽셀내에 미러의 어레이를 배치되게 한다. 치종 2-차원 변위 패턴은 반사된 광원에 대해 대응하는 위상 변조 패턴을 발생 시킨다. 이 패턴은 굴절 투사 기술에 의해 아날로그 강도 변화시로 변환될 수 있고, 광학 정보 프로세서용의 입력 변환 기로서 사용될 수 있다. 그러나, 막 변형가능 미러는 매우 작은 미크론 크기의 미립자들이 막과 하부지지 구조물 사이에 트랩될 때 발생하는 결함으로 인해 제조능력에 문제점이 있다. 이 막은 트랩된 미립자상에 텐트(tent)를 형성하고, 이러한 텐트의 가로 신장이 미립자 자체 크기보다 상당히 크며, 이 텐트들은 굴절 영상 시스템에 의해 후도 스포트로서 반복적으로 영상이 생길 수 있다.

캔틸레버 비임 변형가능 미러는 선형 또는 면적 패턴으로 입사광선을 변조시키는 소정의 어드레스 수단에 의해, 정전적으로 또 개별적으로 변형될 수 있는 변형가능 캔틸레버 비임의 마이크로 기계적인 배열이다. 적합한 투사 광학에 관련하여 사용된, 캔틸레버비임 변형가능 미러는 디스플레이, 광학 정보 프로세싱, 및 전자 사진프린팅용으로 이용될 수 있다. 진공 증착에 의해 유리상에 제조된 금속 캔틸레버 비임을 사용한 초기 변형은 미합중국 특허 제3,600,798호에 기재되어 있다. 이 장치는 장치의 비통합된 아키텍쳐로부터 상승하는 전방 및 후방 유리 기판의 정렬을 포함하는 제조 문제점을 갖고 있다.

캔틸레버 비임 변형가능 미러 장치는 알 토마스(R. Thomas)등, The Mirror-Matrix Tube;A Novel Light Valve For Projecton Displays, 22 IEEE Tran. Elec. Dev. 765(1975) 및 미합중국 특허 제3,886,310호 및 제3,896,338호에 기재되어 있다. 이 장치는 다음과 같이 제조된다. 열 이산화 실리콘층은 사파이어 기판상의 실리콘상에 성장되고, 산화물은 중간에 결합된 4개의 캔틸레버 비임의 클로버잎(cloverleaf)어레이내에 패턴 된다. 실리콘은 산화물이 중앙 실리콘지지 포스트에 의해 지지된 각 픽셀내에 4개의 산화물 캔틸레버 비임을 남기며 하부 절단할 때까지 등방으로 습식 에칭된다. 이때, 클로버잎 어레이는 반사를 위해 알루미늄으로 경화 된다. 사파이서 기판상에 피착되는 알루미늄은 DC 바이어스에서 유지되는 기준 그리드 전극을 형성한다. 이 장치는 비임이 기준 그리드를 향해 정전 인력에 의해 변형되게 하는 클리버잎 비임상에 전하 패턴을 피착시키는 주사 전자 비임에 의해 어드레스된다. 소거는 밀접배치된 외부 그리드를 음성으로 바이어싱하고, 장치를 저-에너지 전자들로 플루딩(flooding)함으로써 제거가 달성된다. 굴절 투사기는 비임 변형을 투사 스크린에서 휘도 변화로 변환 시키는데 사용된다. 이 장치의 중요한 특징은 비임들 사이의 개구로부터 45° 회전된 방향으로 비임 편향시키는 클로버잎 기하학적 형태인데, 이것은 변조된 회절 신호를 약하게 하지 않고 고정된 회절배경(background) 신호를 블록 아웃(block out)시키기 위해 단순 교차형 굴절 정지면의 사용을 허용한다. 이 장치는 4°까지 편향가능한 비임을 갖고 있는 인치당 50개의 픽셀 밀도로 제조된다. 광학은 150와트 크세논 방전관, 반사 굴절 광학 및 이득이 5인 76.2×106.68㎝ 스크린이 이용된다. 40개의 리솔루션 TV 라인이 45푸트-루멘(foot-lumen)의 스크린 휘도, 15대 1의 콘트라스트, 및 48%의 비임 회절 효과가 입증되었다. 1/30초미만의 기록 시간이 달성되고, 소거 시간이 기록 시간의 1/10만큼 짧아졌다. 그러나, 이 장치는 주사 에러로 부터의 리솔루션 감소, 생산량 감퇴, 및 종래 투사 음극선관이상의 단점을 포함하는 문제점을 갖고 있다. 즉, 주사-대-주사 위치 정확도는 개별 픽셀 상에 다시 기록할 만큼 충분히 높지 못하다. 최소한 4개의 폴드에서 리솔루션력의 최종 손실은 비교될 정도로 기록된 인광 물질에 비해서 동일한 리솔루션을 유지하는데 요구된 픽셀의 수를 증가시킨다. 또한, 장치 생산량은 클로버잎지지 포스트용 에칭 정지부의 결핍, 비임 파괴를 야기시키는 비임의 습식 에칭, 및 산화물 비임상에 0(zero)응력 상태인 인장 알루미늄을 정상적으로 증발시키기 위한 필요성에 의해 제한된다. 더욱이, 이장치는 종래의 투사 CRT보다 우수한 비용 및 수행 장점을 제공하지 못한다.

회로를 어드레싱하므로, 상술한 캔틸레버 장치의 고전압 회로 및 진공관으로 전자 비임을 어드레싱하지 못하는 실리콘상에 통합된 캔틸레버 비임 변형가능 미러들은 케이. 피터슨(K. Petersen), Micromechanical hight Modulator Array Fabricated on Silicon, 31 Appl. Phys. Lett. 521(9177) 및 미합중국 특허 제4,229,732호에 기재되어 있다. 우선 이들의 참고문은 다음과 같이 제조된 판형 캔틸레버 비임으로 다이빙(diving)하는 16×1 어레이가 기술되어 있는데, 약 12미크론의 두께로(100)-배향된 실리콘(p 또는 n)의 에피택셜층은 p+ 기판(도는, 매입층)상에 성장되고, 상부층은 약 0.5미크론의 두께로 산화되며, 약 500Å 두께의 Cr-Au 필름으로 커버된다. Cr-Au는 접촉 패드 및 어드레스 라인을 형성하고, 다이빙보드 금속부를 정하기 위해 에칭되어 떨어져 나간다. 산화물은 제2마스킹 스텝시에, 주변에 코움(comb)패턴으로 에칭 되어 떨어져 나간다. 최종적으로, 실리콘 자체는 120°에서, 에틸렌디아민 및 피로카테콜 용제로 에칭된다. 결정체 축에 관련하여 마스크의 적합한 배향이 유지되는 경우, 금속-피막된 산화물 다이빙 보드는 에칭에 의해 하부 절단되어, 실리콘으로부터 영향을 받지 않는다. 에칭이 이방성이기 때문에, 다른 측방 에칭은 코움(comb) 패턴의 장방형 밀봉을 정하는 (11)면에 의해 정지될 수 있다. 부수적으로, 부식제는 P+물질에 의해 억제되므로, 다이빙 보드밑의 웰 깊이는 상부층의 두께에 의해 정해진다. DC전압이 기판과 다이빙 보드 금속부사이에 제공될 때, 얇은 산화물 다이빙 보드는 에치된 웰내로 정전적으로 하향 편향된다. 다이빙 보드는 길이가 106미크론이고, 폭이 25미크론이며, 임계 전압은 약66V이다.

제2참고문(하트스틴(Hartstein) 및 피터슨(Petersen), 미합중국 특허 제4,229,732호)에는 다이빙 보드 장치(금속 이산화 실리콘 캔틸레버 비임 바로밑에 웰을 형성하기 위한 에칭 정지부로서 매입된 P+층)와 유사한 방식으로 제조된 장치가 기재되어 있지만, 구조는 상이하다. 즉, 캔틸레버 비임은 한 모서리에 힌지된 정방형 플랩내에 있고, 플랩은 다이빙 보드의 차원 행(row)대신에 2차원 어레이를 형성하며, 플랩바로밑의 웰은 플랩의 어드레스 라인이 플랩의 행과열사이의 실리콘의 상부 표면상에 형성될 수 있도록 접속되지는 않는다. 물론, 플랩의 모서리 힌칭(hinging)은 미합중국 특허 제3,886,310호 및 제3,896,338호의 클로버잎 구조물을 형성하지만, 전체 클로버잎 구조물은 사용되지 않는데, 그 이유는 이것이, 클로버잎 플랩이 실리콘 표면으로부터 중간 포스트에 힌지됨으로 인해 표면 어드레싱 라인을 절연되게 하지 못하기 때문이다. 더욱이, 이 장치들은 나쁜 분해능 밀도 제한 및 적은 분획 활성 영역으로 인한, 저효율, 낮은 제조 생산, 어드레스 회로로 부터의 회절 효과로 인한 콘트라스트비의 감소, 및 산화물 플랩의 변환 효과로 인한 잔상(residual image)을 포함하는 문제점이 있다. 특히, 어드레싱 회로는, 광학이 p-에칭 정지부하부의 상부층을 에칭시킴으로써 형성될 웰로 인해 활성영역에 어드레스 회로를 배치하기 위해서는 전혀 존재하지 않기 때문에 활성 영역(플랩)주변에 압착된다. 그러므로, 활성 영역은 회절 효과와 함께 상당히 감소된다. 이것은 동일한 스크린 휘도용으로 요구되는 것보다 큰 램프 전력을 의미한다. 어드레스 회로가 추가 영역을 요구하기 때문에, 픽셀 크기는 활성가능 리솔루션시에 최종적으로 감소하는 플랩 영역보다 상당히 증가된다. 웰을 형성 하는데 요구된 습식 에칭은 낮은 전기적 및 기계적 생산, 실제로 칩내로 다이씽하고, 플랩을 파괴시키며, 보드를 다이빙시킨후와 같이 습식 세척을 요구하는데, 그 이유는 스핀-린스(spin-rinse)/건식 싸이클중에, 비임하부에 트랩된 물은 표면으로부터 스펀됨으로써 비임을 파손시킨다. 물이 표면으로부터 증발되는 경우, 이것은 불규칙 장치 동작에 기여하는 표면 누설 전류를 증가시킬 수 있는 표면 찌꺼기밑에 남게된다. 또한, 실리콘 표면상에 있는 어드레싱 회로는 변조될 입사 광선에 노출되어, 트랜지스터 게이트로 부터의 불필요한 회절 효과를 발생시키거나 콘트라스트비를 더욱 떨어뜨린다. 부수적으로, 어드레스 구조내에서의 광선 누설은 광발생 전하를 발생시켜, 기억 시간을 감소시킨다. 최종적으로, 산화물/금속 플랩은 웰에 접해있는 절연측을 갖고 있고, 웰양단에 존재하는 강한 전계로 인해 충전되는데, 이것은 잔(번-인)상을 발생시킨다. 이 잔상 문제점을 제거하는데 요구된 AC 드라이브는 기술된 NMOS 드라이브 회로에 의해서는 공급될 수 없다. 더욱이, 플랩이 최대 안정 편향을 지나 편향되는 경우, 이것은 웰의 저부에서 붕괴되어 스틱된다. 그러므로, 붕괴 전압이상의 전압은 절대로 피해야만 된다.

캔틸레버 비임 방법의 변화는 케이. 피터슨(K. Petersen), Silicon torsional Scanning Mirror, 24 IBM J. Res. Devp. 631(1980) 및 엠. 카드만(M. Cadman)등, New Micromechanical Display Using thin Metallic Films, 4 IEEE Elec. Dev. Lett. 3(1988)에 기재되어있다. 이 방법은 2개의 힌지에서 둘러싸여진 반사면에 접속되고, 힌지에 의해 형성된 축을 따라 플랩을 비틀므로써 동작하는 금속-피막된 실리콘 플랩 또는 금속 플랩을 형성한다. 플랩들은 하부 어드레싱 기판과 일체로 형성되지는 않지만, 상술한 변형가능 막 장치와 유사한 방식으로 고착된다.

케이디(Cade), 미합중국 특허 제4,356,730호에는 상기 특징을 조합하여 금속 피막된 이산화 실리콘 캔틸레버 다이빙 보드, 모서리-힌지된 플랩, 및 토션(torsion)힌지된 플랩을 갖는 실리콘 기판을 갖고 있다. 어드레싱 전극(메모리 어레이내에서와 같이 x-y어드레싱을 위해 다이빙 보드 또는 플랩당 2개)는 표면상에 있고, 다이빙 보드 또는 플랩은 스위치 또는 메모리 비트로서 동작될 수 있으며, 임계 전압의 인가에 의해 실리콘 기판내에서 에칭된 피트(pit)의 저부에 캡슐화된다. 이때, 다이빙 보드 또는 플랩은 더작은 예비(standby)전압에 의해 피트의 저부에 유지된다.

상술한 캔틸레버 비임 기준은 굴절 투광 시스템이 캔틸레버 비임 장치로 사용되는 것을 제안한다. 그러나, 이러한 시스템은 도달가능한 광학 성능 조건면에서 제한이 있다. 첫째, 영상 렌즈의 애퍼추어(aperture) 직경은 신호 에너지만을 통과시키는데 필요한 것보다 커야만 한다. 그러므로, 렌즈의 속도는 중간 굴절 전자 차광부주변의 모든 신호 에너지를 통과시키기 위해서는 비교적 높아야만 한다(또는, 등가적으로, 이것의 f-수는 비교적 낮다). 부수적으로, 신호는 이 영상 구조내에서 렌즈 푸필(pupil)의 외부를 통과한다. SLM상의 어떤점에서 방사하고 영상 렌즈 푸필의 최외영역을 통과하고 있는 광선은 소정의 영상 렌즈의 광학 설계중에 양호하게 정정된 초점으로 이동 시키는 것이 가장 어려운 과제이다. 외부 광선이 양호한 제어하에서 이동되면, 영상 렌즈의 중간을 통과하는 광선은 자동적으로 양호하게 정정된다. 그러므로, 더큰 레벨의 광학 설계 복잡성이 영상 렌즈에 요구된다. 둘째, 영상렌즈가 캔틸레버 비임 SLM상의 오프-축 픽셀의 양호하게 정정된 영상을 형성할 수 있는 시야각(field angle)은 제한되기도 한다. 소정의 렌즈 설계 임무는 양호한 영상질을 커버할 수 있는 렌즈의 속도와 시야각사이의 절충안이다. 고속 렌즈들은 작은 필드상에서 작동하지만, 광각(wide angle)렌즈들은 비교적 저속이다. 굴절 영상기는 전연(entire) 애퍼추어상에서 양호하게 정정 되어야만 하고, 이 애퍼추어가 영상 형성 광선을 통과시키는데 요구되는 것보다 큰 직경이기 때문에, 렌즈에 의해 커버될 수 있는 시야각은 신호가 통과되게 차동 영상 구조가 고안된 경우보다 작아야 한다. 최종적으로, 소정의 유한 속도를 갖고 있는 영상 렌즈의 경우에, 굴절정지부 구조의 사용은 이용될 수 있는 광원의 크기를 제한 하기도 한다. 이것은 편향된 픽셀 영상에서 투사 스크린 또는 광수용체(photoreceptor)에 송달될 수 있는 방사선 레벨을 제한한다. 이 방사선 레벨, 또는 유니트 영역당 송달된 전력은 광원의 복사 발생량, 광학 시스템의 투광도, 및 광원을 형성하는 영상의 코운(cone)의 입체각에 따라 변한다. 광원 복사는 사용되는 특정한 램프에 의해서만 결정된다. 광학 투광도는 특정한 SLM/굴절 정지부 구조물 및 표면 투광 손실에 따라 변한다. 그러나, 광선의 코운을 형성하는 영상의 입체각은 신호 에너지로 충전되는 영상기 렌즈푸필의 영역에 정비례한다. 영상 렌즈 푸필의 중앙 영역을 불명료하게 하는 굴절 정지부의 사용은 사용가능한 푸필 영역을 제한하므로, 소정의 렌즈 속도 및 소정의 방사원을 얻을 수 있는 영상면 방사선 레벨을 제한 하는데, 이것은 최대 사용가능 광선의 코운이 비임 편향각과 동일한 개방각(openign angle)를 갖고 있는 주요 방사선 제한을 추가하게 된다.

공지된 비임 SLM은 비임 절연체 충전 효과, 비임 붕괴에 대한 과전압 보호 결함, 광학적 비능률 및 불균일성을 야기시키는 소각(small-angle) 및 불균일 비임 편향, 및 픽셀의 고전압 어드레싱을 포함하는 문제점을 갖고 있다.

본 발명은 파괴성 붕괴없이 정확한 구조적으로 결정된 각으로 비임의 소프트-랜딩(soft-landing)을 허용하는 각 비임에 대한 어드레싱 및 랜딩 전극으로 편향가능한 비임 공간 광선 변조기를 제공한다. 이것은 소각 및 불균일 비임 및 과전압 붕괴의 문제점을 해결하여, 증가된 편향 싸이클 수명 및 광학 콘트라스트를 제공한다.

또한, 양호한 실시예들은 이의 유지를 위해서 어드레스 정전압을 요구하지 않는 비임 편향의 공간적으로 안정한 2 또는 3가지 상태를 갖고있는 2개의 동작 모드를 도입할 뿐만 아니라, 종래의 바이어스의 콘트라스트 감소 없이도 저전압 어드레싱을 허용하는 차동 바이어싱 기술을 제공한다.

이하, 첨부 도면을 참조하여 양호한 실시예에 대하여 상세히 설명하겠다.

양호한 실시예의 편향가능한 비임 공간 광선 변조기(SLM)는 전형적으로 픽셀의 선형 또는 영역 어레이로 형성되는데, 각 픽셀은 개별적으로 어드레스가능하고 최소한 한 편향가능 반사 비임을 포함한다. 이 픽셀은 칩에 기초를 둔 모노리틱 실리콘 형태로 배향된다. 실리콘 웨이퍼를 처리하고, 웨이퍼를 칩내에 다이씽시킨 다음 개개의 칩을 처리함으로써 칩이 제조된다. 응용에 따라서 칩의 크기가 변할 수 있는데, 예를 들어, 인치 프린터당 300돗트의 성분일 수 있는 픽셀의 240×1 선형 어레이는 약 12미크론(1/2밀) 스퀘어의 픽셀을 갖고 있는 1300밀×250밀의 칩상에 제조될 수 있다.

SLM은 픽셀의 광선 오프를 반사시킴으로써 동작하고, 반사된 광선은 편향가능 비임의 편향을 변화시킴으로써 변조된다. 따라서, 이러한 SLM은 변형가능 미러 장치(DMD)에도 호출 되고, 편향가능 비임은 미러 소자에도 호출된다. 다음 설명은 DMD에 대해 주요한 개별 픽셀에 관한 것으로, 모든 도면은 이해를 돕기 위한 구조물이다.

제1의 양호한 실시예의 방법에 의해 제조된 DMD의 제1의 양호한 실시예의 단일 픽셀은 제1a도에 사시도, 제1b도에 단면도, 및 제1c도에 평면도로 도시되어 있다. 일반적으로, 픽셀(20)은 비임의 얕은 우울을 커버하고 있는 것이 기본적이고, 스페이서(24), 금속 힌지층(26), 금속 비임층(28), 층(26-28)로 형성된 비임(30), 및 비임(30) 내의 플라즈마 에칭 억세스 구멍(32)를 절연시키는 실리콘기판(22)를 포함한다. 비임층(28)에 의해 커버되지 않은 힌지층(26)의 부분(34, 36)은 스페이서(24)에 의해 지지된 층(26-28)부분에 비임(30)을 인력시킨 토션 힌지(토션봉)을 형성한다.

전극(40, 42, 46 및 41)은 스페이서(24)와 기판(22)사이에 끼워져서, 이산화 실리콘층(44)에 의해 기판(22)로부터 절연된다. 제1b도는 제1a도 및 제1c도에 도시된 바와 같이 선 B-B를 따라 절취하여 도시한 단면도이다.

픽셀(20)의 전형적인 규모는 다음과 같다. 비임(30)은 측면길이가 2.5미크론인 정사각형이고, 스페이서(24)는 두께가 4.0미크론이며 (제1b도내에서 수직), 힌지층(26)은 두께가 800Å 두게이고, 플라즈마 에칭 억세스 구멍(32)는 2.0미크론 스퀘어이며, 플라즈마 에칭 억세스갭(38) (비임(30)과 비임층(28)의 나머지 부분사이의 스페이스)은 2.0미크론폭이다.

최대 비임 편향각이 약 10°인 픽셀(20)에 대한 다른 셋트의 전형적인 규모는 다음과 같다. 비임(30)은 측면 길이가 19미크론 스퀘어이고, 정사각형이고, 스페이서(24)는 두께가 2.3미크론이며(제1b도내에서 수직), 힌지층(26)은 두께가 75Å이고, 비임층(28)은 두께가 3000Å이며, 토션 힌지(34 및 36)은 길이가 각각 4.6미크론 및 폭이 1.0미크론이고, 플라즈마 에칭 억세스 구멍(32)는 1.5미크론 스퀘어이며, 플라즈마 에칭 억세스 갭(38) (비임(30)과 비임층(28)의 나머지 부분사이의 스페이스)은 폭이 1.0미크론이다.

기판(22)는 전극(40, 41, 42 및 46)외에 주변 장치를 포함하는 약 10Ω-㎝의 저항성을 갖고 있는 (10)실리콘이고, 이것의 표면상에 형성된 어드레싱 회로를 갖고 있는 스페이서(24)는 절연체인 포지티브(positive)포토레지스트 인데, 힌지층(26) 및 비임층(28)은 0.2% Ti 및 % Si를 갖고 있는 알루미늄, 티타늄 및 실리콘의 합금이다. 이 합금은 스페이서(24)와 별차이 없는 열팽창 계수를 갖고 있으므로, 다음에 기술한 제조 공정중에 발생된 금속층과 스페이서(24)사이의 응력을 최소화시키고, 또한 2개의 층(26 및 28)은 동일한 금속 최소응력이 있다. 비임 또는 힌지내의 층들사이의 소정의 응력이 비임 또는 힌지의 와아핑(warping) 및 커얼링(curling)을 야기시키고, 금속과 스페이서사이의 소정의 응력이 웰상의 금속 자유부(free portion)의 버클링 또는 와아핑을 야기시킬 수 있다.

제1a도 내지 제1c도의 구조는 2가지 기준을 동시에 만족시키는데, (1)이것은 비임 금속상의 힌지 금속 스텝 범위의 문제점이 없이도 비임 금속을 요구된 만큼 두껍게 제작할 수 있고, 힌지 금속을 요구된 만큼 얇게 제작할 수도 있으며, (2)비임금속하부의 스페이서면은 힌지가 비임 금속의 피착전에 스페이서상에 장방형편으로 형성되는 경우에 발생하는 처리공정 측 효과에 노출되지는 않는다.

픽셀(20)는 기판(22) 상의 금속층(26-28)과 전극(42 또는 46)사이에 전압을 제공함으로써 동작되는데, 비임(30) 및 전극은 공기름 캐패시터의 2개의 판을 형성하고, 인가된 전압에 의해 2개의 판상에 감소된 대향 전하들은 정전력이 비임(30)을 기판(22)로의 끌어당기므로, 전극(40 및 41)이 비임(30)과 동일한 전압에서 유지된다. 이 인력은 비임(30)을 힌지(34 및 36)에서 트위스트시키게 하여 기판(22)를 향해서 편향되게 하는데, 제2도에는 전극(42)에 인가된 포지티브 전압에 대해 가장 작은 갭 영역에 집중된 전하의 지시와 함께 이 편향의 개략도가 도시되어 있다. 20 내지 30V 범위의 전압의 경우, 2°범위내에서 편향이 된다. 물론, 힌지(34)가 더길거나, 더 얇거나, 더좁게 형성된 경우, 편향은 힌지(34)의 컴플라이언스(compliance)가 폭의 역에 선형으로 변하고, 길이의 스퀘어에 비례하며, 두께의 세제곱에 반비례하여 증가한다. 비임(30)의 두께는 처리 공정중에 발생된 표면 응력으로 인해 비임(30)의 와아핑을 상당히 방해하지만, 얇은 힌지(34)는 대형 컴플라이언스를 허용한다. 또한, 제2도는 DMD의 동작중에 발생하는 바와 같이 편향된 비임(30)으로부터 광선 반사 상태를 도시한 것이다.

비임(30)의 편향은 힌지(34)의 트위스팅에 의해 발생된 회복력(restoring force)이 편향의 선형 함수와 거의 같기 때문에 높은 인가된 전압의 비선형 함수이지만, 정전 인력은 비임(30)과 기판(22)의 가장 밀접한 모서리 사이의 거리의 반비례 함수만큼 증가한다(캐패시턴스는 거리가 감소하는 만큼 감소하므로, 질이 떨어져 서로 밀접 상태로 되면 전하는 감소된다). 제3a도에는 어드레스 전극(42)와 함께 결합된 전극(42 및 40) (어드레스 전극(146)과 함께 결합된 전극(41 및 46))을 갖고 있는 픽셀(20)의 간단히 변형된 픽셀(20)에 대한 전압에 따른 편향 근사 종속 변수가 도시되어 있다. 제3b도에는 픽셀(20)의 대응 소자보다 높은 참조번호(100)으로 도시된 픽셀(120)의 소자가 평면도로 도시되어 있다. 픽셀(120)의 토션 비임(180)은 불안정하고, 기판(122)에 접근시키기 위한 모든 방식으로 만곡하는 전압은 붕괴 전압이라 부른다. 붕괴 전압보다 어느 정도 적은 전압의 경우, 편향은(제3도내에 일점 쇄선으로 도시된)전압의 선형 함수와 거의 같고, 이것은 아날로그 동작 영역이라 한다. 아날로그 동작을 포함한 전압(40-50V)는 통상적인 직접 회로 전압보다 상당히 크다.

픽셀(20)의 동작을 분석하기 전에, 간단한 픽셀(120)의 질적분석이 제공될 수 있다. 제4도에는 수반된 가변 정의를 나타내는 픽셀(120)의 (제1b도 및 제2도와 유사한)단면도이고, 제3b도는 2개의 인접 픽셀(20)의 평면도이다.

제4도내에 도시된 바와 같이, 어드레스 전극(46) 및 토션 비임(30)은 접지되어 있고, 전압(ψa)는 토션 비임(130)을 각 θ만큼 회전시키게 하는 어드레스 전극(142)에 제공된다. 토션 비임의 회전은, 토션 비임(130)의 팁(131)이 편향되는 거리(Z_T) 또는 비편향딘 토션 비임 팁(131)과 어드레스 전극(142)사이의 (Z_O)에 대한 정상 거리(α)의 식은 다음과 같다.

적은 회전각 및 라디안으로 표현된 θ의 경우, α는 다음식에 관련된다.

여기서, L은 대향 모서리(35 및 137)에 힌지된 토션인 스퀘어 토션 비임(130)의 측면 길이이다.

어드레스 전극(142)로의 전압(ψa)의 인가에 의해 모서리(135 및 137)을 통해 축에 관한 토션 비임(130)상에 미치는 토크는 다음과 같이 계산된다. 첫째, 회전 및 폭(dx)축으로 부터의 거리(X)에 배치된(제4도의 상부에 도시된)토션 비임(130)의 적은(극소)영역을 고찰한다. 토션 비임(130)상의 적은 영역과 어드레스 전극(142)사이의 적은 수직체내의 정전 에너지는(프린징 필드를 무시한 균일한 전계라는 가정하에서)다음식과 거의 같다.

여기서,

전계이고,

수직체내의 전기 변위이다. Z_O-Z는 적은 수직체의 높이이고,

는 토션 비임상의 적은 영역의 길이이다. 물론, 정전

및

는 매체의 허용도

에 관련되고, 전계 크기는 분리에 의해 제산된 전압차만이다.

전계에 의해 작은 영역상에서, 수직(Z) 방향으로의 적은 힘성분은 Z방향으로 du의 편미분만이고,

이므로

이 적은 힘성분에 의해 토션 비임(130)상에 미치는 적은 토크는 힘이 X와 동일한 모멘트암(moment arm)을 갖고 있기 때문에 xdF_x만이다. 그러므로, 어드레스 전극(142)에 적용된 ψa에 의해 토크 비임(130)상에 미치는 전체 흡인 토크(z_a)는 다음식과 같이 제공된다.

여기서, 소각 근사치 (θ=tan(θ)는 z=xθ를 설정하는데 사용된다.

적분 계산은 다음과 같다.

여기서, θ는 α, 즉 정상 편향을 나타낸다. 제5도에는 3가지 차동 어드레스 전압(V₁V₂V₃)에 대한 α에 따른 τa의 종속 변수가 도시되어 있다. 토션 힌지의 트위스팅에 의해 발생된 회복 토크는 다음식과 같이 제공된다.

여기서, C는 토션 힌지 컴플라이언스이다. 회복 토크의 크기는 제5도내에 대시 라인으로 도시되어 있다.

토션 비임(130)에 대한 안정 등가 지점은 제로 네트(net) 토크의 지점을 분석함으로써 구해질 수 있다. ψa=V₁에 대해 제5도내에서, 지점(P 및 Q)가 제로 네트 토크이다. (α=α₁에 대한) 지점 (P)는 α₁을 향하는 네트 토크 회복을 양방향으로 α의 작은 회유(excursion)로 인해 안정 등가를 나타낸다. 반대로, 지점 (Q)의 경우, α₂로부터 떨어진 α의 적은 회유에 대한 네트 토크는 회유를 증가시키도록 작용하는데, α₁으로 다시 되게 하거나, 팁(131)이 전극(142)(α=1)상에 랜딩되지 못하게 작용한다. 유사한 동작은 0과 V₂사이의 소정의 ψa에 대해서 구할 수 있다.

ψa=V₂의 경우, 지점(P 및 Q)는 τa및 τr의 탄젠트 곡선의 한지점(R)과 만난다. 지점(R)(α=α_c인 경우)은 준안정 등가를 나타내는데, α_c미만의 α의 회유의 경우, 네트 토크 회복(α)는 α_c로 향하지만, α_c이상의 α의 회유의 경우, 네트 토크는 어드레스 전극(142) (α=1)로의 팁(131)의 붕괴를 야기시킨다. 제5도내에 도시된 V₃과 같이 V₂보다 큰 ψa의 경우, 제로 네트 토크의 지점이 전혀 없게된다. 그러므로, V₂는 붕괴 전압(Vc)이다. 제6도에는 상기 사항들을 요약한 것이다. 0에서 Vc까지 ψa를 증가시키면, 증가하고 있는 안정 편향 등가(α₁)을 야기시키고, ψa=Vc에서, 안정 등가가 사라지는 곳에서, α_c에 도달된다. 붕괴된 편향(α=1)이 포함된 경우, 픽셀(120)은 아날로그 등가(ψa에 따라 변하는 편향) 및 다른 디지탈(α=1)이 ψa에 무관한 ψaVc에 대해 2가지 안정 등가를 갖고 있는 것처럼 고찰될 수 있다. ψa≥Vc인 경우, 아날로그 등가가 사라지고, 픽셀(120)은 디지탈만이 남는다.

붕괴시에, 토션 비임팁(131)은 어드레스 전극(142)와 접촉하여, 다량의 전류가 팁(131)을 통해 전극(142)로 흐르며, 팁(131)은 전극(142)에 용접된다. 그러므로, 붕괴는 이 특정한 구조에 대한 해로운 현상이다. 매우 얇은 토션 힌지의 경우, 힌지들은 용융가능한 링크(link)로서 작용하여, 토션 비임 붕괴시에 흩날린다.

픽셀(20)은 하부 전극으로의 토션 비임의 고전압 동작 및 파괴성 붕괴의 픽셀(120)의 문제점을 극복한다. 픽셀(20)은 토션 비임(30)및 어드레스 전극(46)을 갖고 있지만, 어드레스 신호(ψa)의 논리반전을 하는 어드레스 전극(42)의 접속부에 전기적으로 접속되는 부수적인 랜딩 전극(40 및 41)을 갖고 있다. 픽셀(20)의 동작은 다음에 기술되어 있다.

첫째 고정된 어드레스 신호 전압(ψ)의 경우에는 비임(30)의 정상 편향 함수로서의 비임(30)과 어드레스 전극(46)사이에 발생된 토크(τ₊)를 고찰한다. 일차적으로, 비임(30) 및 랜딩 전극(40 및 41)은 접지되고(V_B=0), 전압(ψ)는 어드레스 전극(42)에도 제공된다고 가정한다. 간단한 픽셀(120)에 대한 토크와 같이, 토크(τ₊)는 비임(30)의 팁(31)이 랜딩 전극(41)에 충격을 가해서 비임(30)을 어드레스 전극(46)으로 부터 절연되게 하기 때문에 α가 로 되는 것과 같이 ∞로는 되지 않는다. 전극(42)에 충격을 가하는 픽셀(120)내의 팁(131)의 해로운 현상과 대조적으로, 팁(31)에 의한 랜딩 전극(41)에 타격을 가하는 것은 다량의 전류 펄스를 야기시키지 않고, 비임(30) 및 랜딩 전극(41)이 전기적으로 접속되기 때문에 팁(31)에 랜딩 전극(41)이 용접된다. 더욱이, 비임(30)이 랜딩전극(40)을 향해서 반대 방향으로 편향되기 때문에, α는 -로 되고, τ₊는 비임(30)과 어드레스 전극사이의 절연이 증가하고 있기 때문에 감소한다(제7도 참조).

어드레스 전극(42)에 의해 비임(30)상에 발생된 토크(τ_-)는 토크τ_-(α)=-τ₊(-α)에 의해 τ₊에 관련된다는 것을 쉽게 알게된다. 그러므로, 어드레스 전극(42 및 46)과 α의 정상 편향에 인가된 고정전압(ψ)의 경우, 네트 인력 토크(τ_a)는 전극(46)으로 끌리는 포지티브 토크 및 전극(42)로 끌리는 네가티브 토크의 합토크(τ₊+τ_-)만이다. α의 함수로서 네트 인력 토크가 제8도내에 도시되어 있는데, τ₊(α)및 τ_-(α)에 대한 곡선은 픽셀(120)의 설명에 관련하여 τ_a의 미분과 유사한 방식으로 미분된다. 제9도에는 토션 비임(30)하부의 어드레스 전극(42 및 46)의 연장을 측정하기 위한 부수적인 L'가 제4도와 동일하게 변할 수 있는 것을 도시한 것이다.

그러므로, 픽셀(120)의 경우, L'는

같고, β는 1과 같다. 이 정의 및 적분 계산에 있어서, τ₊의 계산은 다음과 같다.

이것은 다음과 같이 부분 분수에 의해 즉시 적분된다.

여기서, g(α, β)는 방정식에 의해 정해진 무차 함수이다. β=1/2을 대입하면 제8도의 곡선을 구할 수 있다.

픽셀(20)의 동작을 분석하기 위해, 비임(30) 및 랜딩 전극(40 및 41)에 인가된 포지티브 차동 바이어스(V_B)를 증가시키는 효과를 임의로 고려하지만, 어드레스 전극(42 및 46)은 접지 전위에서 둘다 유지된다(물론, 이것은 어드레스 전극과 접지 비임(30), 및 양쪽 랜딩 전극에 V_B를 인가시키는 것과 동일한 토크를 발생시키고, 또한 네가티브 V_B는 최종적으로 대칭되지만, 포지티브 V_B만은 간단한 기호로 고찰될 수 있다). 픽셀(120)의 분석과 같이, 제로 네트 토크(인력 토크(τ_a) 플러스 회복 토크(τ_r))로 지점을 계산하면 등가지점이 결정된다. 이때, τ_r은 픽셀(120)과 동일한데, 그 이유는 τ가 토션 비임 편향 및 토션 힌지 컴플라이언스에 따라서만 변하기 때문이다. 그러나, 픽셀(20)에 대한 인력 토크(τ_a)는 픽셀(120)에 대해 α=1에서 제한된 토크 및 포지티브 토크와는 대조적으로 α=0(제8도 참조)에서 0으로 제한, 등가 및 통과하게 된다(제5도 참조). 이것은 이미 기술한 다음과 같은 픽셀(120)의 동작으로 부터 질적차에 기인한다.

제10도에는 적은 V_B및 접지된 어드레스 전극(42 및 46)을 갖고 있는 픽셀(20)에 대한 τ_a및 τ_r이 도시되어 있다. 네트 토크는 α=0에서 사라지고, 비임(30)은 비편향된 상태를 유지한다. 비임(30)이 랜딩 전극(40 또는 41)들 중 한 전극에 붕괴되는 α=±1을 포함하는 소정의 α=0인 경우, 네트 토크는 비임(30)을 비편향된 상태(α=0)으로 회복시키고, 이것은 단지 안정 등가라 한다. 그러므로, 이것은 단안정 동작 모드이다.

차동 바이어스가 V_B=V₂(제10도)로 부터 V_B=V₂(제11도)로 증가되기 때문에, 제로 네트 토크의 2개의 추가 지점이 나타나는데, α=0 및 지점(P 및 -P)는 α±1 근처에 있다. 다시 말해서, α=0은 안정 등가이지만, 지점(P 및 -P)는 픽셀(12)에 대해 제5도내의 지점(Q)와 유사한 불안정 모드인데, 더 작은 │α│로의 P또는 -P관한 적은 회유의 비임(30)을 양쪽의 랜딩 전극(40 도는 41) (α=±1)로 붕괴시키기 위해 네트 토크를 제공한다. 그러므로, 이것으로서, 차동 바이어스 비임(30)은 안정 등가(α=0, ±1)을 갖고 있다. 그러므로, 이것은 삼안정 동작 모드이다.

차동 바이어스를 V_B=V₂에서 V_B=V₀(제12도 참조)까지 더욱 증가시키면, α=0, 및 α=0에서 τ_a및 τ_r은 탄젠트 곡선은 실제로, 0에 관해 α내에서 어느정도 적은 회부가

을 갖고 있고, 비임(30)이 랜딩 전극(α=±1)들중 한 전극에 붕괴된다. V_O보다 큰 차동 바이어스(V_B)의 경우, 픽셀(20)은 쌍안정 지점(α=±1)이 되도록 일정하므로, 이것은 쌍안정 동작 모드이다(제13도 참조).

요약하면, 동일한 포텐셜에 결합된 2개의 어드레스 전극의 경우, 픽셀(20)은 적은 차동 바이어스에 대해 단안정(α=0)이고, 차동 바이어스를 증가시키기 위해 삼안정으로 되며(α=0, ±1), V₀보다 크거나 같은 모든 차동 바이어스에 대해 쌍안정으로 설정된다.(α=±1). 차동 바이어스를 증가시키는 동작의 진행은 차동 바이어스(V_B)의 여러가지 값에 대한 비임 편향 함수로서 토션 비임(30)의 포텐셜 에너지를 그래프로 도시함으로써 도시화된다(제14도). α=0으로 부터 양방향으로 증가하고, 비임(30)은 안정 지점만을 제로 편향하는 단안정이다. V_B가 V₁으로 증가하기 때문에, 포텐셜 에너지 곡선의 기울기는 α=±1에서 0이 되고, 네트 토크가 이 지점에서 제로가 된다. V_BV₁인 경우, 포텐셜 에너지는 α=±1에서 더 낮아지고, α=0과 α=±1사이에 장벽이 발생하며, 비임(30)이 이때 삼안정 모드로 된다. V_B에서 V₀로 더욱 증가시키면 붕괴가 야기되고, α=0에서의 장벽이 사라지며, 비임(30)이 이때 삼안정 모드로 된다.

픽셀(20)의 쌍안정 모드를 실시하는데 요구된 최소 차동 바이어스(V₀)는 다음과 같다. 비임(30)및 랜딩 전극(40 및 41), 및 접지된 어드레스 전극(42 및 46)에 인가된 V_B의 경우, 비임(30)상의 어드레스 전극에 의해 발생된 네트토크에 관한 식은 다음과 같다.

여기서,

는 픽셀(120)의 분석에 관련하여 이미 정해진 무차원 함수이고, τ₀는 일차양

이다. 제18도에는 이 함수들의 그래프가 도시되어 있다. 이때, V₀는 α=0에서 τ_a및 τ_r탄젠트 곡선으로 작도된 V₀값이고,

이미 제공된 정의를 이용하면, 이것은 다음과 같은 식으로 다시 표현될 수 있다.

토션 힌지 컴플라이언스(C)를 알고 있는 경우, 상기 방정식은 V₀, 즉 픽셀(20) 쌍안정 모드로만 실행하는 차동 바이어스로 해석될 수 있다. C가 미지수인 경우, V₀는 아날로그 모드시에 픽셀 동작에 대한 붕괴전압(V_C)의 퍼센테이지로서 수식화될 수 있고, 실험으로 결정될 수도 있다.

어드레스가능한 쌍안정 픽셀(20)을 실행하기 위해서, 양호한 회전 방향이 설정되어야만 한다. 어드레스 전극(42와 46)이 접지된 경우, 약 α=0인 적은 섭동은 비임(30) 및 랜딩 전극(40 및 41)에 차동 바이어스(V_BV₀)의 인가시에 랜딩 전극들 중 한 전극으로 비임(30)을 무작위하게 회전 및 붕괴시키게 된다. 그러나, 차동 바이어스의인가전인 경우, 어드레스 전극(46)은 ψ₊=-V_B의 포텐셜에 셋트되는데, 여기서, γ는 1보다 상당히 적은 정수이므로, 차동 바이어스(V_B)를 비임(30) 및 랜딩 전극(40 및 41) (제15도)에 인가시키면 비임(30)을 회전시키기 위해 네트 토크가 랜딩 전극(41)을 발생할 수 있다. 이것은 제16도내에 τ_a곡선으로 도시되어 있다. 실제로, 토션 비임은 V_B의 대향 신호의 ψ₊에 의해 τ=+1 안정 상태로 트리거되어 왔다. ψ₊및 V_B의 대향 신호들은, 비임(30)이 계속해서 편향되지 않은 경우일지라도 차동 바이어스가 인가될때 어드레스 전극(42)로의 인력보다 큰 어드레스 전극(46)으로의 인력을 의미하고, 또한 적은 크기의 γ는 V_B의 인가 전에, 비임(30)이 제5도내의 지점 P와 유사한 안정 등가 지점에 도달하도록 짧은 거리만큼 회전시킬 필요가 있다는 것을 의미한다. 이와 마찬가지로, 트리거링 포텐셜(ψ)를 어드레스 전극(42)에 인가시키면, 차동 바이어스의 인가시에 비임(30)을 랜딩 전극(40)으로 회전시킨다. 또한, 트리거링 포텐셜(ψ_-)를 어드레스 전극(42)에 인가시키면, 차동 바이어스의 인가시에 비임(30)을 랜딩 전극(40)으로 회전시킨다. 또한, 트리거링 포텐셜(ψ_±)가 V_B와 동일한 신호인 겨우, 이것은 차동 바이어스가 인가될때 대향 어드레스 신호의 트리거링 포텐셜을 대향 어드레스 전극에 인가시키는 것과 거의 같다.

V_B가 유지되는 한, 안정 상태(α=±1)의 비임(30)은 현상태로 유지되는데, 트리거링 포텐셜(ψ_±=-V_B)인 경우일지라도 안정상태가 제거되어, 어드레스 전극이 접지로 복귀된다. 한 안정상태로 부터 다른 안정 상태로 비임(30)을 트리거시키기 위해서, 차동 바이어스가 순간적으로 턴 오프되어야만 한다. 차동 바이어스가 다시 턴 온 될때, 2개의 어드레스 전극의 포텐셜은 샘플되고, 비임(30)은 적합한 상태로 트리거된다., 제17도에는 α=1과 네가 티드 전압 V인 α=-1 사이에서 교대로 절환되는 비임(30)의 타이밍도가 도시되어 있다.

γ의 크기는 단지, 어드레스 전압 대 차동 바이어스의 비율이고, 더 적은 는 픽셀(20)의 동작 전압보다 적게 행해질 수 있다. 차동 바이어스

가 비임(30)에 인가 되고, 랜딩 전극(40 및 41) 및 전극(42)가 접지된때, 전극(46)에 의해 포텐셜(ψ_±=

로 발생된 인력 토크를 고찰함으로써 의 분석이 개시된다(이때, 포지티브 어드레스 전압 및 네가티스 차동 바이어스가 추정될 수 있다). 포텐셜차가 ψ=

이기 때문에,

접지에서 전극(42)에 의해 발생된 인력 토크는 이미 유도된 바와 동일하다.

그러므로, 네트 인력 토크는 다음과 같다.

제19도에는 γ=0 및 γ=0, 1에 대한 τ_a가 도시되어 있고, γ=0인 경우, α=0에서 양호한 방향으로 전혀 회전하지 않은 쌍안정 상태인 픽셀(20)이 도시되어 있다. 반대로, γ=0, 1인 경우, 네트 토크는 지점(P)에서 제로이고, α

인 경우, 비임(30)은 랜딩전극(41)을 향해서 회전하며, α

인 경우, 비임(30)은 랜딩전극(40)을 향해 회전한다. 이때, γ도 차동 바이어스의 사용에 의해 α=0에서 토크 이득에 관련되고, 이 이득은 ψ₊= -γV의 인가된 어드레스 전압 플러스 V의 인가된 차동 바이어스를 갖고 있는 α=0에서 네트 인력 토크-대-ψ₊= -γV_B의 인가된 어드레스 전압을 갖고 있지만, 인가된 차동 바이어스는 전혀 갖고 있지 않은 α=0에서 네트 인력 토크의 비율로서 정해진다. 그러므로, 이것을 식으로 표현하면 다음과 같다.

예를 들어, V_B=-50V및 γ=0.1(그러므로, 어드레스 전압 ψ₊= +5V)인 경우, G=21이다. 이것은 α=0에서의 토크는 5V 어드레스 전압만을 사용할 때 보다, 5V 어드레스 전압이 50V 차동 바이어스와 결합된 때가 21배 더 크다는 것을 의미한다. 토크 이득의 이러한 개념은 활성화시에만 네트 토크를 발생시킬 수 없는 더작은 어드레스 전압에 의해 발생된 토크시의 이득을 발생시키는 차동 바이어스의 특징을 설명하는데 도움을 준다.

픽셀(20)의 α1을 갖고 있는 어드레스 전극은 픽셀(120)의 비임(130)이 유사한 동작 상태하에서 전극(142 또는 146)에 타격을 가할때 발생하는 랜딩에 비해서 비임(30)이 랜딩 전극(40 또는 41)에 타격을 가할때 발생하는 소프트 랜딩인 것을 특징으로 한다. 제20도에는 붕괴 전압이 어드레스 전극(146)에 인가되지만, 전극(146)이 비임(130)의 1/2폭인 β배의 폭으로 감소되는 픽셀(120)에 대한 인력 및 회복 토크가 도시되어 있다(이것은 픽셀(20)내에서와 동일한 β이고, 비임(130)이 전극(146)에 타격을 가하는 경우 인력토크의 무제한성을 방지하는데 필요하게 된다). 랜딩 토크는 랜딩 편향(α=1)에서 인력과 회복 토크 사이에만 계차가 있고, 회복 토크에 정상 랜딩 토크는 랜딩 편향에서 회복 토크에 의해 제산된 이 계차가 있다.

여기서, 제20도의 기하학적 형태가

를 대입하도록 사용된다. 그러므로, β가 1과 거의 같은 붕괴 편향(α_C)를 실행하도록 선택될 수 있고, τ_L은 제로에 가깝게 된다. β=0.5인 경우, 붕괴 편향(α_C=0.9)및 τ_L은 0.011로 계산되므로, 랜딩 토크가 랜딩시에 회복 토크의 1%만이다.

전극(146)상에 얇은 유전체층을 제공하는 것은 이것이 비임(130)을 전극(146)에 타격을 가하지 않아서 파괴되지 않게되기 때문에 β=1 폭의 전극(146)을 사용할 수 있다. 그러므로, 랜딩 편향(α_C)은 1보다 작을 수 있고, 1에 가까운 적(α_Lβ)는 g(α, β)시에 로그 특성이다. 그리고, (2000Å의 이산화 실리콘으로 커버된 폴리실리콘 전극(146) 및 4 미크론 두께의 스페이서층 및 대기상태에서의 동작에 있어서 픽셀(120)에 대응하는) β=1 및 α_L=0.987에 대한 정상 랜딩 토크는 약 3.06, 및 붕괴 편향(α_C=0.541)로 계산된다. β=1을 갖는 정상 랜딩 토크대 β=0.5를 갖는 정상 랜딩 토크의 비율은 약 278인데, 이것은 정상 랜딩 토크에 따른 β의 큰 효과를 나타낸다.

소프트 랜딩의 이용을 결정할때는 고려될 2가지 효과가 있다. 제1효과는 전극(어드레스 전극상의 랜딩 전극 또는 유전체)에 타격을 가하는 이동 비임의 충돌에 의해 발생된 기계적 손상을 분배하는 카이네틱(kinetic)효과이다. 제2효과는 일렬의 랜딩 토크에 의해 야기된 비임과 전극사이에 발생된 냉각 용접 효과를 분배하는 정적 효과이고, 카이네틱 효과는 랜딩시에 카이네틱 에너지(속도)를 더 낮춤으로써 감소된다.

랜딩시에 카이네틱 에너지는 기계적인 댐핑의 정도에 따라 변하는 2가지 극단의 경우에 계산될 수 있다. 댐핑은 전극에 타격을 가하기 위해 비임을 신속하게 회전(1μsec) 시키므로써 비임과 전극사이의 갭내의 공기 변위에 의해 야기되고, 2가지 극단의 경우에는 오버댐핑이 발생하여, 댐핑이 전혀 발생하지 않는다.

오버댐핑된 경우에, 비임의 속도는 일렬의 인력 토크의 부재시에 신속하게 제로 상태로 된다. 그러므로, 정상 랜딩 토크를 감소시키기 위해 선택된 β의 경우에, 속도는 랜딩시에 거의 제로로 감소된다.

언댐핑된 경우에, 카이네틱 에너지는 비임이 전극에 타격을 가할때까지 계속해서 증가하고, τ_a-τ_r을 α=0에서 α=1까지 적분함으로써 계산될 수 있다. α=0.5에 대한 적분-대 β=1.0에 대한 적분 비율은 이미 고찰된 정상 랜딩 토크의 비율보다 더욱 작다. 그러므로, 소프트 랜딩이 픽셀(120)에 대한 정적과 카이네틱 랜딩효과를 감소시킬때 효과적이다.

픽셀(20)의 쌍안정(V_B=V₀)만을 실행하기 위한 레벨에서 차동바이어스를 갖고 있는 픽셀(20)에 대한 소프트 랜딩 분석은 다음과 같다. 제21도에는 γ=0(곡선 번호(1))및 =0.1(곡선 번호(2))에 대한 τ_a곡선이 도시되어 있다. 이때, 조건(V_B=V₀)은 α=0에서 인력이고, 회복 토크 곡선은 다음 식과 같이 탄젠트 함수를 부여하고,

쌍안정 픽셀(20)에 대한 정상화된 랜딩 토크에 관한 식은 같다.

α=0.5 및 γ=0.1인 경우, 정상 랜딩 토크는 0.74이고, 즉 랜딩 토크는 회복 토크의 75%이다. 반대로, β=1.0, α=0.987, γ=0.1인 경우, 정상 랜딩 토크는 15.8이므로, 랜딩 토크의 비율은 21.4이다.

정상 랜딩 토크는 제22도내에 도시된 바와 같이 홀딩(holding)전압을 측정함으로써 실험으로 결정될 수 있다. 상부의 τ_a곡선은 픽셀(20)의 쌍안정 및 어드레스 전압(ψ_a= -V_B), 및 랜딩 토크(τ_L)을 갖고 있는 비임 랜딩을 형성하는 최소 차동 바이어스(V₀)에 대한 인력을 나타낸다. 이때, γ가 고정되어 있고, V_B가 V₀보다 적은 크기로 천천히 감소된다고 가정한다. V_B=V_H에서, τ_a(1)은 τ_γ(1)로 크기가 감소되고, 랜딩 토크는 제로로 감소된다. 더 작은

의 경우, 네트 토크는 제22도내에 아날로그 등가 위치(P)로의 회복비임(30)의 방향이다. 그러므로, V_B가 천천히 감소되고, V_H보다 약간 작기 때문에, 비임(30)은 이것의 랜드된 위치로 부터 갑자기 해제되어 상당히 더 적은 편향된 아날로그 등가로 복귀 한다.

그러므로, 쌍안정 모드시의 픽셀(20)의 동작은 고정된 γ에 대한 차동 바이어스의 함수로서 α의 그래프인 제23도에 도시된 바와 같이 히스테리시스 곡선으로 설명될 수 있다. 지점(0)에서, V_B=0이므로, ψ_a=-γV_B는 제로이므로, 비임(30)은 편향되지 않게 된다(α=0) 지점(0)으로 부터 지점(1)까지, 픽셀(20)은 아날로그 모드내에 접지된 어드레스 전극(42)를 갖고 있는 어드레스 전극(46)에 인가된 어드레스 전압(ψ_a=-γV_B)는 1미만인 안정 등가 (α(V_B))로 편향가능한 비임(30)이 발생한다. V_B가 증가하기 때문에, V_B=V_B에서 쌍안정 동작이 지점(1)에서 α_c의 편향으로 도달될때까지 α가 증가하고, 비임(30)은 지점(2)에서 랜딩 전극(41)을 붕괴시킨다. 이때, 비임(30)은 V_B=V_H가 지점(3)에 도달되어, 비임(30)이 전극(41)로 부터 해제될 때까지 V_B의 크기가 감소되기 때문에 랜딩전극(41)상에 유지된다. 관련된 비임(30)은 아날로그 모드시에 V_H에 대응하는 편향 상태로 복귀한다(제23도 내의 지점(4) 참조).

소정의 디지탈 장치와 같이, 쌍안정 모드시에 동작하는픽셀(20)은 소정의 픽셀 파라메터들이 지정된 양이상 만큼 의도된 동작 지점으로 부터 벗어나는 경우 적합한 안정 상태로 절환되지는 않는다. 허용된 편차량은 잡음 여유도라 부르는데, 소정의 픽셀파라메터가 잡음 여유도 이상만큼 변하는 경우, 픽셀은 부당한 상태로 절환한다. 더욱이, 의도된 동작 지점으로 부터의 한 파라메터의 소정의 잡음 또는 편차는 픽셀에 대한 다른 파라메터의 잡음 여유도를 감소시킨다.

불안정한 쌍안정 동작을 야기시킬 수 있는 2가지 최대 유효픽셀(20) 파라메터 편차는, i) 평면으로 부터의 토션 비임(30)편차, 및 ii) 토션 힌지(34 및 36), 및 비임(30)에 관련된 어드레스 전극(42 및 46)의 오정렬이다. 첫째, 평면으로 부터의 비임(30)편차 (α)에 대한 여유도를 고찰한다. 제24도에는 (비임(30)을 랜딩전극(41)에서 α=+1)로 편향시키기 위해) 전극(46)에서 어드레스된 픽셀(20)에 대한 인력 토크(τ_a), 및 (데시 라인(1)(2) 및 (3)으로 도시된) 평면으로 부터 비임(30)의 3가지 차동 편차에 대한 회복토크(τ_γ)이 도시되어 있다. 선(1)의 경우, 비임(30)은 납작하고, 네트 토크는 α=1을 향해서 비임(30)을 회전시킨다. 선(2)의 경우, 비임(30)은 (랜딩 전극(40)을 향해서) -│α_m│의 빌트-인(built-in) 초기 편향, 및 어드레스 전극(46)으로의 차동 바이어스 플러스 어드레싱 전압을 인가시키고, 어드레스 전극(42)로의 접지가 빌트-인 초기 편향으로 인해 제로 네트 토크를 발생시킨다. 선(3)의 경우, 빌트-인 초기 편향은 전극(46) 및 접지(42)상으로의 차동 바이어스 플러스 어드레싱 전압의 인가가 α=-1을 향해서 네트 토크 회전 비임(30)을 발생시킬 만큼 커서, 부당한 안정 상태가 발생한다. 그러므로, -│α_m│은 비임 평면으로 부터의 최대 허용 편차이다.

은 다음과 같은 해를 간단히 구함으로써 계산된다.

인 경우, 함수(g)는 근사치이므로, 해는 다음식과 같다.

물론, 랜딩 전극(46)방향으로의 각 여유도는 대칭을 이룬다.

β=0.5 및 γ1인 경우, α_m의 식은 다음 식과 같이 감소한다.

각편차 여유도는 예상된 바와 같이 γ만큼 증가하고, 평면 상태가 감소하는 만큼, 적합한 동작이 차동 바이어스에 관련하여 큰 어드레싱 전압을 요구한다. 예를 들어, γ=0.1 및 랜딩각이 10°인 경우,

=0.16및 이것은 평면으로 부터의 16°의 각편차에 대응한다(α는 정상화된 편향값이다). 0.5°의 평면상태는 실제적으로 완전히 달성되었다.

비임(30) 및 토션 힌지(34 및 36)에 관련된 한 형태의 어드레스 전극(42 및 46)의 오정렬은 제25도에 평면도로 도시되어 있다. 즉, 전극은 랜딩 전극(40)방향으로, 랜딩 전극(41)에서 떨어진 간격(ε)만큼 대각선으로 오정렬되지만, 모든 다른 정렬은 정정된다. 간략하게 하기 위해 이 오정렬만이 분석한다. 첫째, 제25도내에 도시된 바와 같이, 오정렬은 비임(30)과 전극(42 및 46)사이의 차동 형태의 영역을 정하는데, 이 영역들은 차동 바이어스 및 어드레싱 전압에 의해 발생된 토크를 변화 시키게 한다. 영역 ±ΔA₂로 부터의 토크 변화는 이의 적은 모멘트 암으로 인해 무시될 수 있고, 전극(46)이 어드레스 전압(ψ_a=-γV_B)을 갖고 있으며, 전극(42)가 접지되어 있다고 가정한다. 그러므로, 영역(-ΔA₁)은 포지티브 토크(τ₊)를 감소시키고, 영역(A₁)은 네가티브 토크(τ_-)를 증가시킨다. 제26도에는 3가지 오정렬에 대한 인력 토크에 따른 효과가 도시되어 있다. 곡선(1)의 경우, 오정렬(ε)은 제로이고, 네트 토크는 포지티브이므로, 비임(30)이 정정 랜딩 전극으로 회전한다. 곡선(2)의 경우, 오정렬은 ε_m과 같고, 약 α=0인 인력토크가 회복 토크와 거의 같으며, 네트 토크는 제로이므로, 비임(30)의 변이는 비임(30)이 회전할때 랜딩 전극(40 또는 41)의 변이를 결정한다. 곡선(3)의 큰 오정렬 εε_m인 경우, α=0에서 네트토크는 네가티브이고, 비임(30)은 랜딩 전극(41) 대신에 랜딩전극(40)으로 회전한다. 즉, 부당한 안정 상태가 발생한다. 여유도(ε_m)을 결정하기 위해서는, τ₊및 τ_-에 대한 오정렬(ε)의 효과, 및 α=0에서 τ_a를 제로로 되는 ε에 대한 해를 간단히 계산한다. 물론, 오정렬은 전극폭의 차와 같다. 그러므로, 식은 다음과 같고,

매우 적은 α에 따른 g(α, β)에 대한 접근(asymptotic)형태가 다음과 같은 g의 정의로 부터 용이하게 유도된다.

적은 γ의 경우, α=0에서 조건(τ_a) 소진(vanishe)은 다음식과 같다.

그러므로

예를들어, γ=0, 1 및 β=0.5의 경우, 오정렬 여유도는

ε_m=0.02L인데, L=12.5 미크론인 픽셀(20)의 경우, 이것은 전형적인 전류 차단기(stepper) 오정렬을 초과하는 ε_m=0.25 미크론이다.

물론, γ가 증가하면_m도 증가한다.

또한, 어드레스 전극 오정렬은 제27도내에 양호한 실시예의 픽셀(220)의 단면도로 개략적으로 도시된 바와 같이 평형(balance) 전극을 사용함으로써 보상될 수 있다. 픽셀(220)은 어드레스 전극(242 및 246), 랜딩 전극(240 및 241), 플러스 어드레스 전극과 랜딩 전극사이에 배치된 평형 전극(243 및 245)를 갖고 있다. 이때, 오정렬 상태가 아닌 경우, 평형 전극은 차동 바이어스 전압에서 바이어스되는데, (이미 기술한 바와 같이)랜딩 전극(240)의 방향으로 어드레스 전극의 오정렬 상태인 경우, 평형 전극은 오정렬을 역전시키기 위한 추가 토크를 공급하기 위해(τ₊를 증가시키기 위해)접지를 향해 바이어스 된다. 오정렬이 다른 방향인 경우, 평형전극(243)은 접지를 향해 바이어스된다.

상기에 계산된 잡음 여유도는 독립적이지 않아서, 여유도를 낮추기 위한 효과가 상호 작용한다. 예를 들어, 제28도에는 제로 오정렬 및 여유도(ε=1/2ε_m)의 1/2과 동일한 오정렬을 갖는 (+전극(46) 또는 -전극(42)를 어드레싱하는)2가지 쌍안정 어드레스 상태에 대한 인력 토크가 도시되어 있다. 각편차(α)에 대한 여유도는 정렬된 경우와 오정렬된 경우가 나타나는데, 명확하게, 오정렬된 경우는 +전극에 관련하여 오정렬된 경우의 여유도의 1/2 및 -전극에 관련된 여유도보다 50% 큰 각 편차의 여유도를 갖게 된다. 물론, 편각은 대칭이고, 각편차 여유도내에서의 비평면성은 오정렬 여유도를 더 낮추게 된다. γ가 증가하면 여유도도 확장된다.

비임(30) 및 랜딩 전극(40 및 41)이 전기적으로 접속 되고, 비임(30)이 동작중에 랜딩 전극(40 및 41)상에서 소프트 랜드할지라도, 비임(30)은 랜딩 전극(40 또는 41)에 고착된다. 그러므로, 다음과 같은 전기적 리셋트 방법은, 비임(30)을 랜딩 전극(40 또는 41)중 한 전극에서 떨어지게 하고, 리셋트 비임(30)을 비편향된 위치에서 떨어지도록 하는 토션 힌지(34 및 36)에 의해 제공된 회복토크를 보강 하기 위한 픽셀(20)이 사용될 수 있다. 제1방법은 어드레싱하기 위한 리셋트 전극 및 어드레스 전극(46)으로서 어드레스 전극(42)를 사용하는데, 픽셀(20)은 단안정 또는 삼안정 모드시에 동작되는데, 이 회전은(랜딩 전극(41)로의)한 방향으로만 동작된다. 리셋트 방법은 차동 바이어스와 어드레스 전압이 접지에 있을때 리셋트 전극(42)에 인가된 고전압 펄스(1μsec에 대해 90V)를 포함한다. 제29도에는, 비임(30)및 랜딩 전극(40 및 41)에 인가된 차동 바이어스(ψ_B), ψ_B가 사라질때 전극(42)에 인가된 리셋트 펄스(ψ_R), 전극(46)에 순차적으로 인가된 편향, 비편향하는 어드레스 전압(ψ_R), 전극(46)에 순차적으로 인가된 편향, 비편향하는 어드레스 전압(ψ_R)및 최종 비임 편향(α)의 타이밍도가 도시되어 있다. 이때, 비임(30)이 랜딩 전극(41)상에 고정된 경우, 펄스 또는 리셋트 전극(42)는 비임(30)을 랜딩 전극(41)에서 떨어뜨리기 위한 토션힌지(34 및 36)의 회복 토크를 돕도록 단기간 토크를 제공 한다. 그러나, 비임(30)이 랜딩 전극(41)상에 고정되지는 않았지만, 편향되지 않는 경우, 리셋트 전극(41)상의 펄스는 랜딩 전극(40)을 향해서 비임(30)을 회전시킨다. 그러나, 단기간의 펄스(1μsec)는 비임(30)의 시정수(약 12μsec) 보다 작아서, 랜딩 전극(40)에 도달하지 않으므로, 토션 힌지(34 및 6)의 회복 토크가 비임(30)을 비편향된 상태로 복귀시킨다. 랜딩 전극(40) 방향으로의 이 단기간 변이와 제29도내의 네가티브 α밸브로의 딥(dip)에 의해 나타난다. 또한, 비임(30)이 고정되어 있지 않는 경우, 비임(30)을 가져오는 토션 힌지(34 및 36)의 회복력은 제29도내에 데시선으로 도시된 α가 α=0으로 되게 한다. 단일 직접 회로칩상의 픽셀(20)의 어레이의 모든 리셋트 전극(40)은 온-칩(on-chip)과 함께 결합될 수 있고, 단일 오프-칩(off-chip) 고전압 펄스 구동기는 리셋트 펄스를 공급한다.

제2 리셋트 방법이 제30a도 내지 제30b도내에 도시 되어 있고, 고착된 비임(30)을 랜딩 전극(40 또는 41)에서 떨어뜨리는데 도움을 주기 위해 토션 힌지(34 및 36)의 비회전 벤딩(bending)을 사용한다. 이 방법내에서, 리셋트 펄스는 어드레스 전극(42 및 46)이 접지되어 있는 랜딩 전극(40 및 41) 및 비임(30)에 인가된다. 픽셀(20)의 어레이내에서, 차동 바이어스 버스는 모든 랜딩 전극을 함께 접속시키는데 사용될 수 있고, 이 버스는 토션 비임(30)을 포함하는 반사층(26-28)에 접속되므로, 리셋트 펄스는 차동 바이어스 버스에만 인가된다. 제1리셋트 방법과는 대조적으로, 제2리셋트 방법에 있어서, 픽셀(20)은 소정 모드시에 동작될 수 있다. 접지된 어드레스 전극을 갖고 있는 비임(30)에 인가된 리셋트 펄스(전형적으로, 1μsec에 대해 60V)는, 비임(30)의 랜딩 전극들중 한 전극에 비편향 또는 고정되지는에 따라 기판(22)을 향해 비임(30)을 편향시키는데, 토션 힌지(34 및 36)의 비회전 벤딩은 이 편향의 포텐셜 에너지를 저장한다. 제30a도에는 타이밍도가 도시되어 있고, 제30b도에는 편향 상태가 도시되어 있다. 제30a도내에서, 비임 및 랜딩 전극 바이어스(ψ_B)는, 리셋트 펄스가 동일한 극성을 갖고 있을지라도, 차동 바이어스(-│V_B│)로의 대향 극성의 리셋트펄스 (+│V_B│)을 갖고 있는데, 어드레싱 전압(전극(46)에 대한 ψ_A)(+)및 전극(42)에 대한 ψ_A))는 비임(30)을 랜딩 전극(41)로 우선 편향시킨 다음, 착지 전극(40)으로 편향 시켜, 최종적으로 착지전극(41)로 복귀시킨다. 리셋트 펄스의 종료시에, 이 저장된 포텐셜 에너지는 해제되어, 수직으로 비임(30)을 밀어 올리는 임펄스를 제공한다. 그러므로, 비편향된 비임(30)은 비편향된 상태에 관해 수직으로 댐프된 발진만을 억제하는데, 고정된 비임(30)이 랜딩전극에서 떨어지고, 회복된 토크가 비편향된 상태로 복귀 하므로, 수직 댐프된 발진이 억제된다,. 이 제2리세트 방법이 이것의 랜딩방향이 어떻든지 간에 비임을 리셋트 시키기 때문에, 취급으로 인한 정전 방전에 수반하는 비임의 해로운 붕괴 및 고착은 리셋트 펄스가 인가되자 마자 자동적으로 정정된다. 제30b도에는 어드레스 전극(42와 46)사이에 있는 토션 힌지축을 따라 절취하여 도시한 수직으로 편향된 비임(30)의 단면도가 도시되어 있다.

제31도에는 픽셀(20)과 유사한 각각의 픽셀을 갖고 있는 제2의 양호한 실시예의 픽셀(320, 320', 320...)의 선형 어레이(310)부분의 평면도가 도시되어 있다. 픽셀(320)의 경우, 비임(330), 토션힌지(334 및 336), 랜딩 전극(340 및 341), 및 어드레스 전극(342 및 346)이 픽셀(320')와 유사하게 도시되어 있다. 랜딩 전극들은 중간 금속 라인(343)에 모두 접속된다. 선형 어레이(310)은 제32a도 내지 제32c도에 개략적으로 도시된 바와 같이 전자 사진 인쇄용으로 사용될 수 있다. 제32a도는 사시도이고, 제32b도 내지 제32c도에는 광원 및 광학(352), 어레이(310), 영상 렌즈(354), 및 광도전성 드럼(356)을 포함하는 시스템(35)의 단면도 및 평면도가 도시되어 있는데, 광원(352)로 부터의 광선은 시트(sheet, 358)의 형태이고, 광선이 시트(360)을 형성하는 비임(330, 330', 330...)사이의 영역으로 부터 반사되고, 시트(361)내에 네가티브로 편향된 비임으로 부터 반사되며, 시트(362) 내의 영상 렌즈(354)를 통과하는 포지티브로 편향된 비임으로 반사되어, 각각 편향된 비임에 대한 일렬의 돗트로서 라인(364)내의 드럼 (356)상에 집속되는 선형 어레이(310)을 조명한다. 선형 어레이(310)이 실제로 2행의 픽셀이기 때문에, 드럼(356)상의 영상은 한 라인(364)내에서 영상 돗트를 뒤로 가져가는 드럼 회전과 함께 픽셀의 행들중 한 행을 어드레싱하는 2개의 라인 및 전자 지연내에서의 돗트들이다. 그러므로, 문자화되고 래스터-주사형인 그래픽 정보의 텍스트 또는 프레임 페이지는 드럼(36)을 회전시킬때 라인(364)를 돗트로 형성하기 위해 어레이(310)에 있을때 라인에 정보를 공급함으로써 인쇄될 수 있는데, 이 돗트 영상들은 건조 사진술과 같은 표준 기술에 의해 용지(paper)에 전달된다. 랜딩 전극상에 있을때 비임(330)의 편향각이 θ인 경우 시트(362)는 시트 (358)의 입사각이 법선으로 부터 선형 어레이(310)까지 2θ인때 선형 어레이(310)으로의 법선이다. 이 기하학적 형태는 제32b도내에 도시되어 있고, 영상 렌즈를 선형 어레이(310)으로의 법선에 배열되게 한다. 각각 포지티브로 편향된 비임은 3개의 비임에 대해 제32c도내에 개략적으로 도시된 바와 같이 영상 렌즈(354)상에 광원(352)의 영상(355)를 발생시킨다.

쌍안정 모드로 동작하는 픽셀을 갖고 있는 선형 어레인(310)은 캔틸레버 비임 픽셀의 선형 어레이보다 유리 한데, 그 이유는 i) 쌍안정 픽셀이 큰 편향각에서 동작 하므로, 광원의 각대변(angular subtense) 이 드럼에서 더 밝은 돗트를 발생시키도록 증가될 수 있고, ii) 턴-오프 픽셀이 캔틸레버 경우와 같이 단지 비편향된 방향으로가 아니라 대향 방향으로 편향된 토셧 비임을 갖고 있으므로, 이것은 턴-오프 픽셀로 부터의 반사각을 두배로 하고, 비임 곡률로 인해 광학 콘트라스트 감소를 줄여서, 제로 인가 전압에 대한 각편차의 영향을 제거하며; (iii) 휘도 불균일성이, 편향각이 스페이서 두께의 선형 함수이고, 편향 불균일성이 캔틸레버 비임과 같이 스페이서 두께 및 힌지 컴플라이언스에 매우 민감한 비선형 동작영역에 따라서는 변화지 않기 때문에 개선된다.

선형 어레이(310) 내의 개별 픽셀의 어드레싱은 제33도 및 제34도내에 간단하게 도시되어 있는데, 제33도는 입력 및 엔에이블 게이트(450)을 나타내는 어드레스 전극(446)을 따라 절취하여 도시한 단일 픽셀(420)의 단면도이고, 제34도는 픽셀(420) 및 420')및 어드레싱 회로를 도시한 평면도이다. Ti:Si:Al 전극(446)은 이산화실리콘(444)에 의해 P형 실리콘 기판(422)로 부터 절연되고, 비임(430)을 편향시키기 위한 전압은 모든 픽셀 및 기판(422)에 대해 공통 바이어스가 접지된 금속층(426-428)을 갖고 있는 전극(446)에 인가된다. (픽셀(420')내에 랜딩 전극(441')로서 형성된) 랜딩 전극(441 및 440)은 금속층(426-428) 및 비임(430)에 접속된다. 엔에이블 게이트(450)은 폴리실리콘이고, 게이트 산화물(454)에 의해 기판(422)로 부터 분리되며, n+도프된 영역(452', 456', 462, 466, 462', 및 466', ...)가 공통 게이트로서 엔에이블 게이트(450)을 갖고 있는 MOSFET용의 드레인 및 소오스를 각각 형성한다. 어드레스 전극(444 및 446)용의 입력은 MOSFET드레인(452 및 456)에 인가되고, MOSFET가 엔에이블이트(450)에 의해 턴온 된때 어드레스 전극에 접속된다.

기판(322)상에 어드레싱 전극을 포함하는 픽셀(320)의 제1의 양호한 실시예의 제조 방법 스텝이 다음과 같이 제35a도 내지 제35e도내에 단면도로 도시되어 잇다.

(a) 첫째, 2,000Å의 열 산화물(344)는 (100) 실리콘 기판(322)상에 성장된다. 그 다음, 3,000Å의 Ti:Si:Al(0.2% Ti 및 1% Si)는 산화물(344)상에 스퍼터(sputter) 피착 및 패턴되고, 프라즈마가 전극(346)을 정하기 위해 에칭한다(제35a도 참조).

(b) 포지티브 포토레지스트는 스펀 온되고, 스페이서(324)를 형성하기 위해 전체 두께가 4미크론인 3가지 응용시에 구워지는데, 레지스트의 3가지 응용은 매우 얇은 단일층상에서 스피닝하고 있을때 발생할 수 있는 레지스트 표면 웨이브(wave)를 방지하기 위해서 두껍게 형성하는데 사용된다. 약 180℃에서 구우면 이전층이 레지스트 용매 중에서 용해되지 않도록, 스페이서로 부터의 초과 용매를 드라이브 아웃시키기 위한 레지스트의 각각의 응용후에 요구되는데, 최후에 굽는 작업은 비임 패턴 사진 석판 기술로 포토레지스트를 굽는 동안 힌지 금속하부에 용매 기포가 형성되지않게 한다. 기판(322)의 표면상에 형성되어 있는 소정의 회로상에 포토레지스트가 평면화된다. 포지티브 포토레지스트는 클로로벤젠내에서 용해되지 않게 양호하게 선택된다. 이때, 힌지층(326)을 형성하기 위한 800Å의 Ti:Si:Al(0.2% Ti 및 1% Si)는 고유 스페이서(324)와 금속층(326)사이의 열팽창 오정합을 가능한 최소화 시키기 위해 실온에 가까운 기판 온도에서 스퍼터 피착된다. 또한, 이 알루미늄 합금은 순수 알루미늄의 피착시에 상승하는 힐로킹(hillocking)를 최소화시킨다. 그 다음, 1500Å의 이산화 실리콘 PEVCD에 의해 피착되는데, 산화물은 토션 힌지 에칭정지부(348)을 형성하기 위해 패턴 및 에칭되고(평면도내에서, 토션힌지(334 및 336) 플러스 각각의 힌지 단부에서 적은 연장을 하기위한 영역을 차지하는 에칭 스텝(348)), 및 포토레지스트는 패터닝시에 사용되고, 에칭은 플라즈마 스트립된다(제35B도 참조).

(c) 비임층(328)을 형성하기 위한 3,600Å의 Ti:Si:Al은 실온에서 스퍼터 피착되고, 포토레지스트(50)은 스펀 온된다. 금속피착은 금속층들사이의 응력이 전혀 발생 되지 않도록 힌지층(326)의 피착과 동일한 조건하에서 피착 된다., 포토레지스트(50)은 플라즈마 에칭 억세스 구멍(332)및 플라즈마 에칭 억세스 갭(338) 플러스힌지(334 및 336)을 정하기 위해 패턴된다. 이때, 패턴된 포토레지스트(50)은 힌지 에칭 정지부(348)이 힌지(334 및 336)으로 되는 힌지층(326) 부분의 에칭을 보호하는 금속층(326및 328)을 플라즈마 에칭시키기 위한 마스크로서 사용된다. 알루미늄 합금의 플라즈마 에칭은 염소/붕소 삼염소/탄소 사염소 에칭 개스 혼합물일 수 있다. 2000Å의 이산화 실리콘이 포토레지스트(50)의 위치에 패턴되는 스텝(b)시에 마스킹되는 이산화 실리콘을 대안으로서 사용될수 있는데, 이 대안내에서, 알루미늄 합금 에칭은 삼염화 실리콘으로 반응성 이온 에칭시킬 수 있다. 힌지 두께는 층(326)의 두께에 의해 결정되고, 힌지폭은 에칭 정지부(348)의 폭에 의해 결정되므로, 힌지(334 및 336)의 컴플라이언스는 상이한 프로세서 파라메터에 의해 조정될 수 있다(제35c도 참조).

(d) 얇은 포지티브 포토레지스트층은 접착층으로 작용 하도록 스펀 온된 다음, 1.5미크론의 PMMA(폴리메틸 메타크리레이트)(52)는 칩(공간 광선 변조기로 되도록 각각의 칩)내에 다이스된다. 다이싱 찌꺼기는 제35d도 내의 PMMA(52)상에 안착된다.

(e) PMMA(52)는 클로로벤젠으로 살포하자 마자, 원심분리함으로써 용해되는데, 레지스트(또는 산화물) (50) 및 스페이서(24)는 클로로벤젠내에서 용해되지 않는다. 그러므로, 다이씽 찌꺼기는 찌꺼기에 직접 노출될 비임(330)없이도 제거된다. 최종적으로, 레지스트(50) 및 스페이서(324)는 산소중에서 이방적으로 플라즈마 에칭되므로, (CF₄또는 NF₃와 같은)몇% 플루오르가 에칭정지부(348)의 노출 부분을 제거하는데, 이 에칭은 저온이고, 비임(30)밑에 웰을 형성하기 위해 스페이서(324)만을 충분히 제거하도록 모니터된다. 제35e도는 제1b도와 유사하지만, 단지 상이한 점은 단면도라는 것이다. 제35e도는 제1a도 및 제c도에서 생략되는 에칭 정지부(348)의 나머지부분이 도시되어 있는데, 제2의 양호한 실시예의 제조 방법(후술한)은 제1a도 및 제1c도를 명확하게 하기 위해 나머지 부분을 무시한다. 제36a 도 내지 제36c도는 평면도이고, 제37a도 내지 제37c도는 스페이서(324)의 에칭단을 단면도로 도시한 것이다.

제38도에는 픽셀(520, 520', 520)를 포함하는 제3의 양호한 실시예의 픽셀의 선형 어레이(510)의 평면도가 도시되어 있다. 비임(530, 530', 530)는 플라즈마 에칭 억세스 구멍(532, 532', 532)및 플라즈마 에칭 억세스갭(538, 538', 538)를 각각 갖고있는 8각형인데, 플라즈마 에칭 억세스갭(538 및 538')는 비임(530과 530')사이의 공통 부분을 갖고 있으므로, 접촉 픽셀들사이에는 다른 갭들이 있다. 비임(530, 530', 530)밑의 스페이서(524)내의 웰은 서로 함께 접속되어, 제38도내에 점선으로 도시된 바와 같이 한개의 긴 웰을 형성한다. 어드레스 전극(542, 546, 542', 546',...)및 랜딩 전극(540, 541, 540', 541',...)은 제38도내에 데시선으로 도시되어 있는데, 접촉 랜딩 전극은, 예를 들어 참조 번호(541'및 540')를 형성한다. 제38도를 명확하게 하기 위해 토션 힌지(534, 536,...)은 비임(530, 530', 530,...)와 동일한 층으로 부터 제조된것과 같이 도시되어 있다.

제39a도 내지 제39d도는 선택적인 비임 기하학적 형태의 평면도가 도시되어 있다. 특히, 제39a도에는 캔틸레버 힌지(572), 플라즈마 에칭 억세스 구멍(574), 플라즈마 에칭 억세스 갭(576), 어드레스 전극(578), 및 랜딩 전극(579)를 갖고 있는 캔틸레버 비임(570)이 도시되어 있다. 캔틸레버 비임은 한방향으로만 편향하고, 제5도의 곡선과 유사하지만 제한적인 토크 곡선을 갖고 있으므로, (랜딩 전극(579)에 붕괴된 한 안정 편향 지점 플러스)단안정 및 쌍안정 동작만이 이용될 수 있다.

제39b도에는 토션 힌지(581 및 582), 플라즈마 에칭 억세스 구멍(584), 플라즈마 에칭 억세스갭(586), 어드레스 전극(588), 및 랜딩 전극(589)를 갖고 있는 토션 비임(580)이 도시되어 있다. 비임(580)은 한 방향으로만 편향하고, 비임(570)과 유사한 동작을 한다.

제39도에는 일단의 4개의 비임 그룹의 접촉 반전된 클로버잎들로서 정렬된 캔틸레버 비임(590, 590', 590,...)의 선형어레이가 도시되어 있다. 선형 어레이(510)의 경우와 같이, 비임(590, 590', 590,...)하부의 웰은 점선으로 도시된 바와 같이 단일 연신(enlogate)웰을 형성하기 위해 결합한다., 캔틸레버비임(592, 592', 592,...)는 비임와 동일한층으로 제조된것과 같이 도시되어 있고, 어드레스 및 랜딩 전극은 명확하게 하기 위해 도시하지 않았다.

제39d도에는 캔틸레버 힌지(562, 562', 572,...)에 의해 4개의 그룹을 이루고 포스트(561, 561, 561,...)상에 지지된 캔틸레버비임(560, 560', 560)영역의 어레이 부분이 도시되어 있다. 비임에 대한 랜딩 전극은 전극(563)과 같이 행으로 접속될 수 있고, 비임들은 도전성 포스트를 통해 행전극(564)에 접속된다. 어드레스 전극(565, 565', 565,...)는 도시되지 않은 회로를 통해 어드레스되고, 전극밑의 층내에 형성된다. 소정의 전극은 명확하게 하기 위해 생략하였다.

제2의 양호한 실시예의 매입 힌지 제조 방법이 모서리에서가 아니라 토션 비임의 평면사에 배치된 힌지의 단면도(제40a도 내지 제40e도), 및 평면도(제41a도 내지 제41c도)가 도시되어 있다. 이 단면도는 힌지축(제41c도 내의 부분 AA)에 횡방향으로 취해진다. 제2의 양호한 실시예의 처리 공정은 매입 SiO₂에 에칭 정지부로서가 아니라 얇은 힌지 금속 영역을 정하기 위해 금속 리포트 오프(liftoff)상에 의존된다. 제1의 양호한 실시예 공정의 경우와 같이 소정의 플라즈마 에칭은 힌지와 비임 금속층을 에칭시키는데만 요구된다.

처리 공정은 스페이서(182) (제40a도)상의 얇은 알루미늄 힌지층(180)의 스퍼터 피착시킴으로써 개시된다. 삼층 레지스트 공정은 힌지 패턴이 최종적으로 에칭되는 얇은 금속 영역보다 무엇이 늦어지는지를 나타내기 위해 사용된다. 삼층 레지스트 공정 선택은 와이. 씨. 린(Y. C. Lin)등, J. Vac. Sci. Technol., Bi(4), 1215(1983)의 Sestertious process의 변형이다.

변형된 세스터티오스(Sestertious) 처리 공정은 PMMA의 스페이서층(184)를 힌지 금속(180)상에 스핀닝시킴으로서 개시된다. 두께(약 5000Å)는 비임 금속의 두께 보다 약간크게 선택된다. PMMA(184)는 포토레지스트 캡핑층의 후속 하부절단중에 이것의 현상기내의 적당히 높은 용해비를 유지하기 위해서 표준 공정에 비해서 감소된 온도에서 굽게된다. 그 다음, 역반사 코팅(ARC)(186)은 PMMA(184)상에 스펀되어 구워진다. ARC(186) 코팅은 포토레지스트(188)과 PMMA(184)사이에 형성되는 계면층을 보호하도록 작용한다. 또한, 이것은 후속 사진 석판 노출 중에 힌지금속(10)으로 부터 반사된 광선량을 감소 시킨다.

이때, ARC(186)은 포지티브 포토레지스트(188)로 코팅 된다. 포토레지스트(188)은 요구된 힌지 리프트오프 패턴내에서 노출 및 현상되어, 최종적으로 깊은 UV가 단단 하게 굽게된다. ARC(180)은 포토레지스트(188)과 동시에 현상된다. 그다음, PMMA(184)는, 포토레지스트(188)에 피막되지 않은 PMMA(184)의 영역이 이들의 평균 분자량 내에서 감소되어, 클로로벤젠내에서 더 용해되도록 노출된 다량의 깊은 UV이다. PMMA(184)의 클로로벤젠 현상이 PMMA(184)의 노출된 부분을 용해시키고, 과현상이 제40a도에 도시된 바와 같이 포토레지스트 캡핑층의 약 1미크론의 하부절단을 발생시킨다. 스핀건식한 다음 PMMA(184)를 현상하는 중에 외부로 빠져나오는 유연한 PMMA의 필라멘트를 제거하기 위해 애시가 작용한다. 이때, 포토레지스트(18)및 PMMA(184)내에 계속해서 포함된 휘발 성분을 경화가 감소시킨다. 이 휘발 성분들은 PMMA현상 중에 클로로벤젠흡수에 의해 야기된다.

삼층 레지스트 패턴(포토레지스트(188), ARC(186), 및 PMMA(184)가 형성된 후, 비임 금속(190)은 스퍼터 피착 된다. PMMA(184)상에 돌출 포토레지스트 캡은 스퍼터된 비임 금속(190)이 제40b도내에 도시된 바와 같이 2개의 층으로 갈라지게 한다. 이때, 비임 금속(190)은 클로로 벤젠 또는 1-금속-2-피롤리디논내에 삼층 레지스트 패턴을 침전시켜서 용해시킴으로써 리프트된다. (제40c도내에 단면도 및 제41a도내에 평면도로 도시된)최종 형태는 두꺼운 금속 영역(30)에 의해 둘러싸여진 얇은 금속 영역(180)인데, 얇은 금속(190)은 패턴된 연부(192)에 테이퍼된다.

그다음, 힌지 및 비임에 대응하는 패턴은 제40d도(단면도) 및 제41d도(평면도)내에 도시된 바와 같이 사진 석판으로 정해진다. 포토레지스트내의 개구는 도면내에서 참조번호(194)로 도시되어 있고, 노출된 금속은 제41b도 내의 개구(194)의 2개의 짧은 수직 부분에 대한 힌지 금속 및 다른 경우 비임 금속(190)이다. 그다음, 이 패턴은 제1의 양호한 실시예의 공정과는 달리 힌지와 비임 기하학적 형태를 포함한다. 이 때문에, 제2의 양호한 실시예의 공정은 자체-정렬된다. 힌지 금속(180) 및 비임 금속(190)의 노출된 부분은 힌지와 비임 기하학적 형태를 동시에 형성하도록 에칭된 플라즈마이다. 포토레지스트가 애시된 후, 처리 공정이 완료되고, 비임은 제40e도(단면도) 및 제41c도(평면도)내에서와 같이 나타난다.

제42a도는 포스트(624, 624', 624,...)에 반복적으로 접속되는 토션 힌지(634 및 636)에 의해 지지된 토션 비임(630)을 각각 포함하는 제4 양호한 실시예의 픽셀(620)의 어레인(610)부분의 평면도인데, 어레이(610)에 대한 어드레싱 회로는 제2a도내에 도시되어 있지 않지만, 어레이에 대한 전체 어드레싱 회로가 제42b도내에 개략적으로 도시되어 있다. 각각의 픽셀은(각 어드레스 전극용의)2개의 가변 캐피시터로서 도시되어 있고, 제어하는 2개의 MOSFET는 캐패시터로 억세스되는데, MOSFET 게이트들은 행내에서 모든 픽셀을 공유한다. 어레이(610)은 라인 어드레스되는데, 즉, 데이타가 게이트 디코더에 의해 워드라인(word line)을 선택할때 어레이로 한 행의 픽셀을 공급되고, 데이타가 부유소오스를 충전하여 비임을 적합하게 편향시키는 비트 라인(bitline) (드레인)상에 제공된다. 제42b도내에 도시된 바와 같이, 데이타는 직렬 형태로 기록된 다음, 직렬-대-병렬 변환기(S/P 변환기)에 의해 병렬 형태로 변환되어 비트라인에 인가될 때까지 저장 레지스터(레지스트)내에 보유되는데, 게이트 디코더는 어레이의 행을 순차적으로 선택한다.

제43a도 내지 제43d도는 픽셀내의 연속 레벨을 도시한 평면도이고, 제44a도내지 제44c도는 제42a도 및 제43a도 내지 제43d도내의 선(A-A, B-B 및 C-C)를 따라 절취하여 도시한 부분 단면도이다. 특히, 제43a도에는 P-실리콘 기판(622)내의 n+확산영역(660, 661, 662, 666, 660',...)및 P+채널 정지부(670, 672, 670', ...)가 도시되어 있다. 확산된 라인(660 및 661)은 비트라인 및 MOSFET에 대한 드레인이고, 영역(662 및 666)은 픽셀(620)내의 MOSFET에 대한 부유 소오스이다. 다른 장치들은 어레인(610)과 같이 동일한 칩상에 제조될 수 있고, 어레인(610)은 CMOS칩의 p 웰내에 형성될 수 있다. 제43B도에는 게이트 레벨이 도시되어 있고, 부착된 게이트(682, 686, 682', 686', ...)를 갖고 있는 폴리실리콘 워드 라인(680 및 680')가 도시되어 있다. 제43C도에는 명확하게 하기 위해 워드라인 및 게이트 및 부유 소오스만을 갖고 있는 전극 레벨이 도시되어 있다. 어드레스 전극(642 및 646)은 개구(663 및 667)을 통해 부유 소오스(662 및 666)에 수직으로 각각 접속되는데, 랜딩 전극(640 및 641)은 접촉 픽셀로 형성되고, 반사층 내의 비임 및 힌지를 통해 상호접속된다. 제43d도에는 스페이서 레벨이 도시되어 있고, 비임(630, 630', 630,...)가 형성되는 반사층(626 및 628)을 지지하기 위해 픽셀(20)내의 스페이서(24)면을 취하게 되는 금속 포스트(624, 624', 624)가 도시되어 있다. 금속 포스트(624, 624', 624,...)는 스페이서(24)가 어드레스와 랜딩 전극으로 부터 비임을 절연시키는 픽셀(20)과는 대조적으로 비임(630, 630', 630,...)를 랜딩 전극(642, 646,...)에 전기적으로 접속시킨다. 물론, 제42a도에는 반사층 레벨 평면도가 도시되어 있다.

제44a도 내지 제44c도는 제42a도의 선(A-A, B-B- 및 C-C)를 따라 절취하여 도시한 단면도이고, 반사층(힌지 금속(626) 플러스 비임금속(628))을 지지하고 있으며, 힌지 및 비임 금속 피착으로 제조되는 프소트(624, 624', 624)를 도시한 부분 단면도이다. 절연 이산화실리콘(산화물)(644)는 두께가 약 8,000Å이지만, 금속 전극(642, 646, 642',...)의 피착중에 스텝 범위를 돕기 위해 측벽개구를 부유 소오스(662, 666, 662',...)하부로 경사지도록 리플로우된다. 게이트 산화물(643)은 두께가 약8000Å이고, 워드 라인 및 게이트(682, 686, 682',...)를 형성하기 위해 피착된 폴리시리콘의 에칭중에 보전된다.

어레이(610)은 스페이서층(제1방법의 참조 번호(324)및 제2방법의 참조 번호(182))이 힌지 및 비임 금속의 피착전에 포스트(624, 624), 624,...)에 개구를 형성하기 위해 패턴되는 것을 제외하고는 상술된 제1및 제2의 양호한 실시예의 방법과 유사한 방법으로 제조된다. 이때, 힌지 및 비임 금속의 피착은 포스트를 형성하고, 스페이서는 픽셀에 관해 전체적으로 에칭되어 떨어져 나간다. 전극밑의 회로는 표준 실리콘 처리를 함으로써 제조된다.

(변형 및 장점)

양호한 실시예의 장치 및 변조 방법의 여러가지 변형은 양호한 실시예의소프트 랜딩에 납땜하는 어드레싱 랜딩 전극의 분리를 보유하고 있는 동안 실시될 수 있다. 더욱이, 효과적인 대칭비임들은 차동 바이어스를 사용할 수 있다. 어드레스 전극은 제공된것 보다 인력 토크의 더욱 면밀한 분석을 요구할지라도, 랜딩 전극의 외측으로 이동될 수 있는데, 그 이유는 프린징 필드가 인력에 기초를 두고 있기 때문이다. 더욱이, 규모 및 형태는(힌지가 비임 금속으로 제조될 지라도)힌지 길이, 폭, 및 두께, 비임의 크기 및 이의 두께, 스페이서의 두께등이 변화될 수 있다. 비임 및 힌지의 기하학적 형태는 제39도내에 도시된 바와 같이 변화될 수 있다. 실제로, 두껍고 얇은 부분의 패턴이 비임으로 제조될 수 있고, 각층내에 에칭정지부를 갖고 있는 3개 이상의 금속 층은 여러가지 비임 구조물을 발생시킬 수 있다. 또한, 금속성인 Cu:Ti:W, 크롬 등, 도전성 내부층을 포함하는 스페이서 또는 혼합물 스페이서에 대한 폴리이미드와 같은 상이한 레지스트 또는 절연체 스페이서를 경화시키는 방사선 물질, 기판용의 다른 반도체 및 전극 또는 금속 전극등과 같은 물질들이 변화될 수 있다. 매입된 힌지 에칭정지부는 텅스텐과 같은 상이한 물질일 수 있고, 처리 공정은 힌지금속과 비임 금속사이의 정지부 나머지 부분을 전혀 에칭시키지 않을 수 있다. 랜딩 전극은 랜딩 전극상에 비임이 고정되지 않게 얇은 이산화 실리콘층 또는 다른 물질로 커버될 수 있거나, 랜딩 전극이 비임으로부터 상이한 물질로 제조될 수 있으므로, 랜딩 전극으로의 냉각 용접을 할 수 없으나, 랜딩 전극이 비임 팁 또는 연부로 부터떨어져 비임을 접촉시키기 위한 윤곽이 잡힌다. 여러가지 어드레싱 회로는 기판의 배면으로의 개부를 포함하는 전극밑에 형성될 수 있다.

랜딩 전극의 장점은 균일성, 큰 각 및 소프트-랜드된 비임편향을 포함한다.

Claims (34)

1. 편향가능 비임을 각각 포함하는 다수의 픽셀, 상기비임에 인접한 어드레스 전극, 및 상기 비임에 인접한 랜딩 전극을 포함하고, 상기 비임과 상기 어드레스 전극사이에 인가된 전압이 상기어드레스 전극을 향해서 상기 비임을 편향시키고, 상기 랜딩 전극이 상기 어드레스 전극을 향해서 편향된 상기 비임과 접촉하고 편향된 비임이 상기 어드레스 전극과 접촉하는 것을 방지하도록 배치되는 것을 특징으로 하는 공간 광 변조기.
2. 제1항에 있어서, 상기 편향가능 비임이 상기 어드레스 전극 및 랜딩 전극으로 부터 떨어져 지지된 반사층내에 형성되고, 상기 반사층내에 형성된 힌지에 의해 반사층에 접속되는 것을 특징으로 하는 공간 광 변조기.
3. 제2항에 있어서, 상기 반사층이 상기 편향가능 비임과 상기 전극사이에 웰을 갖고있는 스페이서층에 의해 어드레스 전극과 랜딩 전극으로 부터 떨어져 지지되는 것을 특징으로 하는 공간 광 변조기.
4. 제3항에 있어서, 각각의 상기 편향기능 비임이 2개의 토션 힌지에 의해 반사층에 접속되고, 각각의 상기 픽셀이 2개의 어드레스 전극 및 2개의 랜딩 전극을 갖고 있는 것을 특징으로 하는 공간 광 변조기.
5. 제4항에 있어서, 상기 편향가능 비임들 및 랜딩 전극들이 전원에 접속되는 것을 특징으로 하는 공간 광 변조기.
6. 제2항에 있어서, 상기 반사층이 다수의 포스트에 의해 상기 어드레스 전극 및 랜딩 전극으로 부터 떨어져 지지되는 것을 특징으로 하는 공간 광 변조기.
7. 제6항에 있어서, 각각의 상기 편향가능 비임이 2개의 토션 힌지에 의해 반사층에 접속되고, 각각의 상기 픽셀이 2개의 어드레스 전극 및 2개의 랜딩 전극을 갖고 있는 것을 특징으로 하는 공간 광 변조기.
8. 제7항에 있어서, 상기 편향가능 비임 및 랜딩 전극들이 전원에 접속되는 것을 특징으로 하는 공간 광 변조기.
9. 층 구조물내에 형성된 다수의 픽셀을 포함하고;상기 층구조물이 절연 기판, 이 기판상의 스페이서층, 이 스페이서층상의 도전성 반사층, 및 다수의 어드레싱 및 랜딩 전극을 포함하며;각각의 상기 픽셀이, 상기 반사층내에 형성되고 이 반사층으로 부터 형성된 1개이상의 힌지에 의해 반사층의 나머지 부분에 접속된 편향가능 소자, 상기 스페이서층내에 형성되고, 상기 편향가능 소자로 부터 상기기판까지 연장되는 웰, 정전 인력에 의해 편향가능 소자를 편향시키기 위해 웰의 저부에 있는 기판상에 배치된 제1어드레싱 전극, 편향가능 소자가 제1어드레싱 전극에 의한 인력에 의해 기판으로 편향될 때 편향가능 소자와 접촉하고, 편향가능 소자가 어드레스전극과 접촉하는 것을 방지하도록 배치된 웰의 저부에 있는 상기 기판상의 제1랜딩 전극을 포함하는 것을 특징으로 하는 공간 광 변조기.
10. 제9항에 있어서, 상기 편향가능 소자 및 상기 제1랜딩 전극이 전기적으로 접속되는 것을 특징으로 하는 공간 광 변조기.
11. 제9항에 있어서, 상기 편향가능 소자가 상기 반사층으로부터 형성된 2개의 힌지에 의해 상기 반사층의 나머지 부분에 접속되고, 2개의 힌지에 의해 정해진 축 둘레를 회전하는 것에 의해 편향가능한 것을 특징으로 하는 공간 광 변조기.
12. 제11항에 있어서, 각각의 픽셀이, 상기 제1어드레싱 전극에 의한 인력에 기인하는 회전방향과 반대인 회전 방향으로 정전 인력에 의해 상기 소자를 편향시키기 위해 상기 웰의 저부에 있는 기판상에 배치되는 제2어드레싱 전극, 및 상기 편향가능 소자가 상기 제2어드레싱 전극에 의한 인력에 의해 상기 기판으로 편향될 때 상기 편향가능 소자와 접촉하기 위해 웰의 저부에 있는 기판상에 배치된 제2랜딩 전극을 포함하는 것을 특징으로 하는 공간 광 변조기.
13. 제12항에 있어서, 각각의 상기 픽셀이 상기 편향가능소자 양극 랜딩 전극과 기판사이에 접속된 전원 공급 장치를 포함하는 것을 특징으로 하는 공간 광 변조기.
14. 제9항에 있어서, 상기 반사층이 제1및 제2 금속내부층으로 제조되고, 1개 이상의 상기 힌지가 제1내부층으로 부터 형성되는 것을 특징으로 하는 공간 광 변조기.
15. 층 구조물내에 형성된 다수의 픽셀을 포함하고;상기 층구조물이 저부층, 이 저부층상의 중간층, 및 이중간층상의 도전성 반사층을 포함하며, 각각의 상기 픽셀이, 상기 반사층내에 형성된 편향가능 소자, 상기 중간층과 상기 저부층사이에 있고, 상기 편향가능 소자밑으로 연장되는 제1및 제2어드레싱 전극, 및 상기 중앙층내에 형성되고, 상기 편향가능 소자로 부터 상기 전극까지 연장되는 웰을 포함하는 것을 특징으로 하는 공간 광 변조기.
16. 제15항에 있어서, 상기 편향가능 소자가 상기 반사층으로부터 형성된 2개의 힌지의 의해 상기 반사층의 나머지 부분에 접속된 상기 반사층의 일부이고, 상기 제1및 제2어드레싱 전극들이 2개의 힌지에 의해 정해진 축의 대향측상의 상기 편향가능 소자 아래에 배치되는 것을 특징으로 하는 공간 광 변조기.
17. 제16항에 있어서, 상기 반사층의 상기 일부가 정사각형이고, 상기 힌지들이 이부분의 대각선 대향 모서리에 배치되는 것을 특징으로 하는 공간 광 변조기.
18. 제16항에 있어서, 각각의 상기 픽셀이 상기 중간층과 상기 저부층사이에 있고, 상기 편향가능 소자 아래로 연장되며, 상기 어드레싱 전극에 의해 상기 저부층으로 상기 편향될때 편향가능 소자와 접촉하도록 배치된 제1및 제2랜딩전극을 포함하는 것을 특징으로 하는 공간 광 변조기.
19. 제15항에 있어서, 상기 반사층이 상기 중간층상에 있고, 상기 중간층이 상기 저부층상에 있으며, 상기 편향가능 소자가 상기 반사층내에 형성된후 상기 중간층의 플라즈마 에칭에 의해 상기 웰이 특성화되는 것을 특징으로 하는 공간 광 변조기.
20. 제15항에 있어서, 상기 저부층이 실리콘이고, 상기 중간층이 절연 스펀-온 물질이며, 상기 반사층이 우수한 알루미늄인 것을 특징으로 하는 공간 광 변조기.
21. 제15항에 있어서, 상기 저부층이 이산화 실리콘층을 갖고 있는 실리콘이고, 상기 어드레싱 전극이 우수한 알루미늄이며, 상기 중간층이 절연 스펀-온 물질이고, 상기 반사층이 우수한 알루미늄인 것을 특징으로 하는 공간 광 변조기.
22. 제15항에 있어서, 상기 저부층이 실리콘 기판이고, 상기 어드레싱 전극이 상기 실리콘 기판내의 확산 영역이며, 상기 중간층이 이산화 실리콘의 최소한 일부분 및 상기폴리실리콘층과 상기 반사층사이의 절연물상의 확산 영역 플러스 폴리실리콘의 최소한 일부분상의 이산화실리콘층을 포함하고, 상기 반사층이 우수한 알루미늄인 것을 특징으로 하는 공간 광 변조기.
23. 제15항에 있어서, 상기 픽셀에 대한 상기 중간층내의 웰이 인접 픽셀내의 대응웰과 결합되는 것을 특징으로 하는 공간 광 변조기.
24. 층 구조물내에 형성된 다수의 필셀을 포함하고;상기 층 구조물이 저부층, 이 저부층상의 다수의 전극, 상기 전극 및 저부층상의 평면 스페이서층, 및 이 스페이서층상으이 도전성 반사층을 포함하며;각각의 상기 픽셀이, 상기 반사층내에 형성된 편향가능 소자, 상기 편향가능 소자 밑으로 연장되는 어드레싱 전극인 제1전극 및 랜딩 전극인 제2전극, 및 상기 스페이서층내에 형성되고, 편향가능 소자로부터 제1및 제2전극으로 연장되며, 편향가능 소자의 폭보다 큰 폭으로 되어 있는 웰을 포함하는 것을 특징으로 하는 공간 광 변조기.
25. 제24항에 있어서, 상기 편향가능 소자가 상기 반사층으로부터 형성된 2개의 힌지에 의해 상기 반사층의 나머지 부분에 접속된 상기 반사층의 일부분인 것을 특징으로 하는 공간 광 변조기.
26. 제25항에 있어서, 상기 반사층 부분이 정사각형이고, 상기 힌지가 이 부분의 대각선 대향 모서리에 배치되는 것을 특징으로 하는 공간 광 변조기.
27. 제24항에 있어서, 상기 반사층이 상기 스페이서층상에 있게 되고, 상기 스페이서층이 상기 전극 및 상기 저부층상에 있게 되며, 상기 편향가능 소자가 상기 반사층내에 형성된 후,스페이서 층의 플라즈마 에칭에 의해 상기 웰이 특성화되는 것을 특징으로 하는 공간 광 변조기.
28. 제24항에 있어서, 각각의 상기 픽셀이 상기 편향가능 소자 밑으로 연장되는 어드레싱 전극인 제3전극 및 랜딩 전극인 제4전극을 포함하는 것을 특징으로 하는 공간 광 변조기.
29. 편향가능 비임 공간 및 광 변조기의 픽셀을 리셋팅시키는 방법에 있어서, 편향 비임의 힌지내에 에너지를 저장하기 위해 전압을 인가하는 단계, 및 상기 저장된 에너지를 방출하기 위해 전압을 제거하는 단계를 포함하는 것을 특징으로 하는 방법.
30. 제29항에 있어서, 각각의 상기 편향가능 비임이 2개의 토션 힌지에 의해 지지되고, 상기 에너지가 회전축으로부터 벗어나 상기 토션 힌지를 만곡시킴으로써 저장되는 것을 특징으로 하는 방법.
31. 각각의 픽셀에 대한 대향 어드레싱 전극을 갖고 있는 편향가능 비임 공간 광 변조기의 픽셀을 리셋팅시키는 방법에 있어서, 편향 가능 비임의 시정수보다 적은 기간의 펄스인 전압 펄스를 제1어드레싱 전극에 제공하는 단계를 포함하는 것을 특징으로 하는 방법.
32. 쌍방향 비임을 갖고 있는 편향가능 비임 공간 광 변조기를 어드레싱하는 방법에 있어서, 신호 전압을 편향가능 비임밑의 어드레싱 전극에 제공하는 단계, 및 바이어스 전압을 상기 편향 가능 비임에 제공하는 단계를 포함하는 것을 특징으로 하는 방법.
33. 제32항에 있어서, 상기 바이어스 전압이 상기 신호 전압의 최대 크기보다 큰 크기를 갖고 있는 것을 특징으로 하는 방법.
34. 제32항에 있어서, 공간 광 변조기가 상기 비임에 인접한 랜딩 전극을 포함하고, 상기 바이어스 전압이 이 랜딩 전극에도 제공되는 것을 특징으로 하는 방법.

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