KR100723549B1 - 반사식 공간 광 변조기의 제조 - Google Patents

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Abstract

마이크로 미러 배열체를 포함하는 반사식 공간 광 변조기의 제조이다. 일 실시예에서, 마이크로 미러 배열체는 단지 2 번의 주 에칭 단계에 의해서 단결정 재료인 기판으로부터 제조된다. 제1 에칭은 재료의 제1 측면에 공동을 형성한다. 제2 에칭은 지지 포스트, 수직형 힌지, 및 미러 판을 형성한다. 제1 및 제2 에칭 사이에, 기판은 주소 지정 및 제어 회로에 접합될 수 있다.
이방성 이온 에칭, 미러 판, 힌지, 스페이서 지지 프레임

Description

반사식 공간 광 변조기의 제조{FABRICATION OF A REFLECTIVE SPATIAL LIGHT MODULATOR}
관련 출원의 상호 참조
본 출원은 본 명세서에 참조로서 통합된 개시물이며, 2002년 6월 19일 자로 출원되고 "반사식 공간 광 변조기"로 명명된 미국 특허 가출원 번호 제60/390,389호로부터 우선권을 청구한다.
기술분야
본 발명은 공간 광 변조기(SLMs)에 관한 것이며, 특히, 디스플레이 응용 분야용 전기적으로 주소 지정 가능한 제어 회로를 구비한 마이크로 미러 배열체에 관한 것이다.
공간 광 변조기(SLMs)는 광 정보처리, 영사 디스플레이, 비디오 및 그래픽 모니터, 텔레비전 및 전자 사진 인쇄의 영역에서 많은 응용 분야를 가진다. 반사식 SLMs는 전기적 또는 광학적 입력에 상응하는 화상을 반사시키기 위해 공간 패턴 내의 입사광을 변조하는 장치이다. 입사광은 위상, 세기, 분극화, 또는 굴절 방향 등이 변조될 수 있다. 반사식 SLM은 통상적으로 입사광을 반사할 수 있는 주소 지정 가능 화상 소자(픽셀)의 영역 또는 2 차원 배열체를 포함한다. 소스 픽셀 데이 터가 관련 제어 회로에 의해 먼저 처리되고, 이후 한번에 한 프레임씩 픽셀 배열체 내에 저장된다.
종래 기술의 SLMs는 다양한 결함을 가진다. 이러한 결함에는, 광학 효율을 감소시키는 최적 광학 활성 영역(장치의 표면 영역 중 반사식인 부분을 측정하여, "충전율(fill ratio)"라고 함)보다 작은 영역, 미러의 반사율을 감소시키는 거친 반사 표면, 디스플레이의 대비비를 낮추는 굴절, 장기간 신뢰도 문제를 가지는 재료의 사용, 및 제품의 비용을 증가시키는 복잡한 제조 공정이 있다.
많은 종래 기술의 장치는 그 표면에 실질적인 비반사 영역을 포함한다. 이는 낮은 충전율을 제공하여 최적의 반사 효율 보다 낮은 효율을 제공한다. 예컨대, 미국 특허 번호 제4,229,732호는 미러에 추가된 장치의 표면 상에 형성된 MOSFET 장치를 개시한다. 이러한 MOSFET 장치는 표면 면적을 차지하고, 장치 면적 중 광학적으로 활성 부분을 감소시키고, 반사 효율을 감소시킨다. 또한 상기 장치의 표면 상의 MOSFET 장치는 입사광을 굴절시키고, 이는 디스플레이의 대비비를 낮춘다. 또한, 노출된 MOSFET 장치를 충격하는 강한 광은 MOSFET 장치를 대전시키고 회로를 가열시킴으로써 장치의 적절한 작동을 간섭한다.
일부 SLM 설계는 거친 표면을 가지는데 이 역시 반사 효율을 감소시킨다. 예컨대, 일부 SLM 설계에서 반사 표면은 LPCVD 질화 실리콘층 상에 증착된 알루미늄 필름이다. 이러한 반사식 미러 표면의 평활도는 이들이 박형 필름 상에 증착될 때 제어하기가 어렵다. 따라서, 최종 제품은 반사 효율을 감소시키는 거친 표면을 가진다.
일부 SLM 설계, 특히 일부 상단 현수 미러 설계에 있어서 반사 효율을 감소시키는 다른 문제는 크게 노출된 힌지 표면 면적이다. 이러한 크게 노출된 힌지 표면 면적은 입사광의 분산을 방지하기 위해 상기 힌지의 상단 상에 통상적으로 텅스텐으로 만들어진 슬래브에 의해 차단되어야 한다. 이러한 슬래브는 광학적인 활성 면적을 현저하게 감소시키고 반사 효율을 낮춘다.
미국 특허 번호 제4,566,935호에 개시된 SLM과 같은 많은 종래의 SLMs는 알루미늄 합금으로 만들어진 힌지를 가진다. 다른 금속들과 마찬가지로, 알루미늄은 피로 및 소성 변형을 받을 수가 있고, 이는 장기간 신뢰도 문제를 초래할 수 있다. 또한, 휴지 위치가 가장 빈번하게 점유되는 위치를 향해 기울기 시작하는 셀 "기억" 현상이 일어날 수 있다. 또한, 상기 특허 제4,566,935호에 개시된 미러는 미러 표면을 언더컷함으로써 해제된다. 이 기술은 종종 해제 과정에서 정밀한 마이크로-미러 구조의 파손을 초래한다. 이는 또한 미러 사이에 넓은 간격을 필요로 하는데, 이는 광학적으로 활성화된 장치 면적의 부분을 감소시킨다.
요구되는 것은 개선된 반사 효율, SLM 장치의 장기간 신뢰도, 및 간단한 제조 공정을 구비한 SLM이다.
본 발명은 공간 광 변조기(SLM)이다. 일 실시예에서, 상기 SLM은 개별적으로 주소 지정 가능한 전극을 가지는 제2 기판에 접합된 제1 기판으로부터 제조된 반사식 선택적 편향가능 마이크로 미러 배열체를 가진다. 제2 기판은 또한 마이크로 미러 배열체용 주소 지정 및 제어 회로를 가질 수 있다. 선택적으로, 주소 지 정 및 제어 회로의 부분은 개별적인 기판 상에 있고 제2 기판 상의 회로 및 전극에 접속된다.
마이크로 미러 배열체는 입사광을 반사하기 위한 반사 표면을 구비한 제어가능하게 편향가능한 미러 판을 포함한다. 상기 미러 판은 커넥터에 의해 수직 힌지에 연결되고, 차례로 상기 힌지는 지지 포스트에 의해 스페이서 벽에 연결된다. 각각의 미러 판, 커넥터, 수직 힌지, 지지 포스트 및 이격 벽은 제1 기판으로부터 제조된다. 일실시예에서 이러한 제1 기판은 단일 재료, 단결정 실리콘의 웨이퍼이다. 스페이서 벽은 미러 판과, 미러 판의 편향을 제어하고 마이크로 미러 배열체에 접합된 제2 기판 상에 위치하며 상기 미러 판과 관련된 전극 사이의 간격을 제공한다. 미러 판의 밀접한 간격과 힌지의 수직 지향은 반사 표면이 마이크로 미러 배열체에 대한 매우 높은 충전율을 가질 수 있게 한다. 매우 적은 광이 마이크로 미러 배열체를 통과해서 제2 기판 상의 회로를 충격한다.
공간 광 변조기는 적은 단계를 거쳐서 제조되는데, 이는 제조 비용 및 복잡성을 낮게 유지한다. 제1 기판의 제1 측면 내에 공동이 형성된다. 이는 일 실시예에서 단일 이방성 에칭으로 이루어진다. 동시에, 전극과 주소 지정 및 제어 회로가 제2 기판의 제1 측면 상에 제조된다. 제1 기판의 제1 측면은 제2 기판의 제1 측면에 접합된다. 측면들은 제2 기판 상의 전극이 제어할 미러 판과 적절한 관계에 있도록 정렬된다. 제1 기판의 제2 측면은 바람직한 두께로 박형화된다. 선택적으로, 반사식 재료의 층은 제1 기판의 제2 측면 상에 증착된다. 제2 이방성 에칭이 지지 포스트, 수직 힌지 및 커넥터를 한정하고, 미러 판을 제1 기판의 제2 측 면으로부터 해제한다. 따라서, 공간 광 변조기가 단지 2 개의 주요 에칭 단계에 의해서 제조될 수 있다.
도1은 본 발명의 일 실시예에 따른 공간 광 변조기의 전체적인 구조를 도시한 도면이다.
도2a 및 도2b는 단일 마이크로 미러를 도시한 사시도이다.
도3a 및 도3b는 마이크로 미러 배열체의 상단부 및 측면을 도시한 사시도이다.
도4a 및 도4b는 마이크로 미러 배열체의 바닥부 및 측면을 도시한 사시도이다.
도5a 및 도5b는 마이크로 미러 배열체의 평면도이다.
도6a 및 도6b는 마이크로 미러 배열체의 저면도이다.
도7a 내지 도7d는 마이크로 미러 배열체의 대체 실시예의 단일 미러의 상단, 바닥 및 측면을 도시하는 사시도이다.
도8a 내지 도8d는 대체 마이크로 미러 배열체의 상단 및 바닥을 도시한 사시도이다.
도9a는 공간 광 변조기가 제조되는 방법의 양호한 실시예를 도시한 플로우차트이다.
도9b 내지 도9j는 공간 광 변조기의 제조를 보다 상세하게 도시한 블록도이다.
도10은 제1 기판 내에 공동을 형성하는 마스크 및 에칭의 생성을 보다 상세하게 도시한 도면이다.
도11은 제2 기판 상에 형성된 전극의 일 실시예를 도시한 사시도이다.
도12는 제2 기판 상의 전극 및 다른 회로 위에 위치된 제1 기판 상의 마이크로 미러 배열체를 도시한 사시도이다.
도13은 제1 기판의 상부 표면을 에칭하는데 사용되는 마스크의 간단한 실시예를 도시한 도면이다.
도14는 서로 접합된 2 개의 기판의 일부의 단면을 도시한 도면이다.
반사식 공간 광 변조기("SLM")(100)는 편향가능한 미러(202)의 배열체(103)를 가진다. 개별적인 미러(202)는 미러와 대응 전극(126) 사이에 전압 바이어스를 인가함으로써 선택적으로 편향될 수 있다. 각 미러(202)의 편향은 광원으로부터 비디오 디스플레이로 반사되는 광을 제어한다. 따라서, 미러(202)의 편향을 제어하는 것은 상기 미러(202)를 충격하는 광이 선택된 방향으로 반사되어, 비디오 디스플레이 내의 픽셀의 외양을 제어할 수 있게 한다.
공간 광 변조기의 개요
도1은 본 발명의 일 실시예에 따른 SLM(100)의 전체 구조를 도시한 도면이다. 도시된 실시예는 3 개의 층을 가진다. 제1 층은 복수개의 편향가능한 마이크로 미러(202)를 가지는 미러 배열체이다. 양호한 일 실시예에서, 마이크로 미러 배열체(103)는 단결정 실리콘과 같은 단일 재료인 제1 기판(105)으로부터 제조된 다.
제2 층은 마이크로 미러(202)를 제어하기 위한 복수개의 전극(126)을 구비한 전극 배열체(104)이다. 각 전극(126)은 마이크로 미러(202)와 연관되며, 마이크로 미러(202)의 편향을 제어한다. 주소 지정 회로는 전극(126)과 관련된 특정 마이크로 미러(202)의 제어를 위한 단일 전극(126)의 선택을 허용한다.
제3 층은 제어 회로(106)의 층이다. 이러한 제어 회로(106)는 주소 지정 회로를 가지며, 이는 제어 회로(106)가 선택된 전극(126)에 인가된 전압을 제어할 수 있게 한다. 이는 제어 회로(106)가 전극(126)을 경유하여 미러 배열체(103) 내의 미러(202)의 편향을 제어할 수 있게 한다. 통상적으로, 제어 회로(106)는 또한 디스플레이 제어부(108), 라인 메모리 버퍼(110), 펄스 폭 변조 배열체(112) 및 비디오 신호(120) 및 그래픽 신호(122)용 입력부를 포함한다. 마이크로 제어기(114), 광학 제어 회로(106) 및 플래쉬 메모리(118)가 제어 회로(106)에 연결된 외부 성분이 될 수 있고, 또는 소정의 실시예에서 제어 회로(106) 내에 포함될 수 있다. 다양한 실시예에서, 제어 회로(106)의 상기 열거된 부품의 일부가 결여될 수 있고, 별개의 기판 상에 있어서 제어 회로(106)에 연결될 수도 있으며, 또는 다른 부가적인 성분이 제어 회로(106)의 부품으로서 존재하거나 제어 회로(106)에 연결될 수 있다.
일 실시예에서, 제2 층(104) 및 제3 층(106)은 모두 단일 제2 기판(107) 상에 반도체 제조 기술을 사용하여 제조될 수 있다. 즉, 제2 층(104)은 제3 층(106)을 분리하고 상방에 있을 필요는 없다. 오히려, "층"이라는 용어는 공간 광 변조 기(100)의 상이한 부품을 개념화하는 것을 돕기 위한 것이다. 예컨대, 일 실시예에서, 전극들의 양측의 제2 층(104)은, 모두 단일 제2 기판(107)상에 제조된, 제어 회로(106)의 제3 층의 상단부 상에 제조된다. 즉, 디스플레이 제어부(108), 라인 메모리 버퍼(110) 및 펄스 폭 변조 배열체(112)와 마찬가지로 전극(126)은 모두 일 실시예에서의 단일 기판 상에 제조될 수 있다. 동일 기판 상의 제어 회로(106)의 몇몇 기능적인 성분의 통합체는 개별적인 기판 상에 제조된 디스플레이 제어부(108), 라인 메모리 버퍼(110) 및 펄스 폭 변조 배열체(112)를 가지는 종래의 공간 광 변조기보다 개선된 데이터 전송률이라는 이점을 제공한다. 또한, 전극 배열체(104)의 제2 층 및 제어 회로(106)의 제3 층을 단일 기판(107) 상에 제조하는 것은 간단하고 저렴한 제조 및 소형의 최종 제품이라는 이점을 제공한다.
층(103, 104 및 106)이 제조된 후에, 이들은 SLM(100)을 형성하기 위해 서로 접합된다. 미러 배열체(103)를 구비한 제1 층은 제2 및 제3 층(104, 106)을 덮는다. 미러 배열체(103) 내의 미러(202) 아래의 면적은 제1 층(103) 하방에 전극(126)과 주소 지정 및 제어 회로(106)를 위한 공간이 얼마나 있는가를 결정한다. 미러 배열체(103) 내의 마이크로 미러(202) 하방에는 전극과, 디스플레이 제어부(108), 라인 메모리 버퍼(110) 및 펄스 폭 변조 배열체(112)를 형성하는 전자 성분을 고정하기 위한 한정된 공간이 존재한다. 본 발명은 0.18 미크론의 형상부의 제조를 허용하는 공정과 같은 소형 형상부 치수의 생산을 가능하게 하는 제조 기술(이하에서 보다 완전하게 설명됨)과, 0.13 미크론 또는 그 이하의 형상부의 제조를 가능하게 하는 공정을 사용한다. 종래의 공간 광 변조기는 그러한 소형 형상부를 가능하게 하지 않는 제조 공정을 통해 만들어진다. 통상적으로, 종래의 공간 광 변조기는 형상부의 치수를 대략 1 미크론 또는 그 이상으로 한정하는 제조 공정을 통해 만들어진다. 따라서, 본 발명은 미러 배열체(103)의 마이크로 미러의 하방의 한정된 면적에 트랜지스터와 같은 보다 많은 회로 장치의 제조를 가능하게 한다. 이는 전극(126)과 같이 동일 기판 상에 디스플레이 제어부(108), 라인 메모리 버퍼(110) 및 펄스 폭 변조 배열체(112)와 같은 품목의 통합을 가능하게 한다. 전극(126)과 같이 동일한 기판(107) 상에 그러한 제어 회로(106)를 포함하는 것은 SLM(100)의 성능을 개선한다.
다른 실시예에서, 전극(126) 및 제어 회로의 성분의 다양한 조합이 상이한 기판 상에 제조되어서 전기적으로 연결될 수 있다.
미러
도2a는 단일 마이크로 미러(202)의 사시도이다. 양호한 일 실시예에서, 마이크로 미러(202)는 단결정 실리콘과 같은 단일 재료의 웨이퍼로부터 제조될 수 있다. 따라서, 그러한 실시예에서의 제1 기판(105)은 단결정 실리콘의 웨이퍼이다. 단일 재료 웨이퍼로 마이크로 미러(202)를 제조하는 것은 미러(202)의 제조를 현저하게 단순화할 수 있다. 또한, 단결정 실리콘은 증착된 필름보다 평활한 정도의 표면 거칠기 양을 가지는 평활한 미러 표면을 생성하기 위해 연마될 수 있다. 단결정 실리콘으로부터 제조된 미러(202)는 기계적으로 강성인데, 이는 미러 표면의 바람직하지 않은 굽힘 또는 비틀림을 방지하며, 단결정 실리콘으로부터 제조된 힌지는 내구성, 가요성 및 신뢰성을 가진다. 다른 실시예에서, 다른 재료가 단결정 실리콘 대신 사용될 수 있다. 하나의 가능성은 마이크로 미러(202) 용으로 다른 유형의 실리콘(예컨대, 폴리실리콘 또는 아몰퍼스 실리콘)을 사용하는 것 또는 금속(예컨대, 알루미늄 합금 또는 텅스텐 합금)으로 미러(202)를 더욱 완전하게 만드는 것이다.
마이크로 미러(202)는 상단 미러 판(204)을 가진다. 이 미러 판(204)은 미러(202)와 대응 전극(126) 사이를 경유하여 전극을 인가함으로써 선택적으로 편향된 마이크로 미러(202)의 부분이다. 일 실시예에서, 이 반사식 미러 판(204)은 실질적으로 정방형 형상이고, 대략 225 제곱 미크론의 면적을 위해 대략 15 미크론 ×15 미크론이지만, 다른 형상 및 치수 또한 가능하다. 양호한 일 실시예에서, 마이크로 미러 배열체(103)의 표면 면적의 많은 부분이 마이크로 미러(202)의 미러 판(204)의 면적으로 이루어진다.
미러 판(204)은 광원으로부터의 광을 미러 판(204)의 편향에 의해 결정된 각도로 반사하는 반사 표면을 가진다. 미러 판(204)의 표면이 바람직한 수준의 반사율을 제공하는 평활도로 연마되는 경우에, 이러한 반사 표면은 마이크로 미러(202)가 제조된 재료와 동일한 재료일 수 있다. 선택적으로 마이크로 미러(202)의 제조 후에, 알루미늄과 같은 반사 재료의 층이 미러 판(204)의 표면에 부가될 수 있다. 양호한 실시예에서 마이크로 미러 배열체(103)의 표면 면적의 많은 부분이 마이크로 미러의 미러 판(204)의 면적으로 이루어지고 미러 판(204)은 반사 표면을 가지기 때문에, 마이크로 미러 배열체(103)의 표면 면적의 많은 부분은 반사식이며 선택된 각도로 광을 반사시킬 수 있다. 따라서, SLM(100)은 큰 충전율을 가지며 효율적으로 입사광을 반사한다.
미러 판(204)은 커넥터(216)에 의해 비틀림 스프링 힌지(206)에 연결된다. 비틀림 스프링 힌지(206)는 비틀림 스프링(206)을 적소에 유지하는 스페이서 지지 프레임(210)에 연결된다. 미러 판(204), 힌지(206) 및 스페이서 지지 프레임(210) 사이의 다른 스프링 및 연결 기구도 사용될 수 있음을 알아야 한다. 미러(202)와 대응 전극(126) 사이에 전압을 인가함으로써 정전기력과 같은 힘이 미러 판(240)에 인가될 때 비틀림 스프링 힌지(206)는 미러 판(204)이 스페이서 지지 프레임(210)의 벽 사이의 축을 중심으로 스페이서 지지 프레임(210)에 대해 회전할 수 있게 한다. 이러한 회전은 선택된 방향으로 광을 반사하기 위해 각 편향을 발생시킨다. 일 실시예에서, 이러한 회전은 힌지의 장축과 실질적으로 동일 선상에 있는 축을 중심으로 일어난다. 바람직한 일 실시예에서, 비틀림 스프링 힌지(206)는 "수직" 정렬을 가진다. 즉, 힌지(206)는 (미러 판(204) 표면 에 대해 수직인) 힌지의 깊이 보다 작은 폭(222)을 가진다. 힌지의 폭은 통상적으로 0.1 미크론 내지 0.5 미크론이고, 일 실시예에서 대략 0.2 미크론이다. 이러한 힌지의 "수직" 정렬은 미러 배열체(103)의 표면 상의 비반사 표면을 최소화하는 것을 돕고, 충전율을 높게 유지하는 기능을 한다.
미러 판(204)이 전극 및 그 하방의 다른 회로와 접촉하지 않고 하향으로 편향될 수 있도록 스페이서 지지 프레임(210)은 전극 및 주소 지정 회로로부터 미러 판(204)을 분리시킨다. 일 실시예에서 스페이서 지지 프레임(210)은 통상적으로 성분들을 스페이서 지지 프레임(210)의 잔여부로부터 분리시키지 않는 스페이서 벽 을 포함한다. 이러한 벽은 스페이서 지지 프레임(210)의 높이를 한정하는 것을 보조한다. 스페이서(210)의 높이는 미러 판(204)과 전극(126) 사이의 바람직한 분리와 전극의 지형적 설계에 의거하여 선택된다. 보다 높은 높이는 미러 판(204)의 보다 큰 편향 및 보다 높은 최대 편향 각을 가능하게 한다. 보다 큰 편향각은 보다 양호한 대비비를 제공한다. 일 실시예에서, 미러 판(204)의 최대 편향각은 20 도이다. 또한 스페이서 지지 프레임(210)은 힌지(206)용 지지부를 제공하고, 미러 판(204)을 미러 배열체(103) 내의 다른 미러 판(204)으로부터 이격시킨다. 스페이서 지지 프레임(210)은 미러 판(204)과 지지 프레임(210) 사이의 간극에 추가될 때, 인접 마이크로 미러(202)의 인접 미러 판(204)들 사이의 거리와 실질적으로 동일한 스페이서 벽 폭(212)을 가진다. 일 실시예에서, 스페이서 벽 폭(212)은 1 미크론 이하이다. 양호한 일 실시예에서, 스페이서 벽 폭(212)은 0.5 미크론 이하이다. 이는 미러 배열체(103)의 충전율을 증가시키기 위해 미러 판(204)을 서로 밀접하게 배치시킨다.
소정의 실시예에서, 마이크로 미러(202)는 판(204)이 소정 각도까지 하향 편향되었을 때 미러 판(204)의 편향을 정지시키는 요소를 포함한다. 통상적으로, 이러한 요소는 작동 정지부 및 랜딩 팁을 포함한다. 미러 표면(204)이 편향될 때, 미러 판(204) 상의 작동 정지부는 랜딩 팁과 접촉한다. 그러면, 미러 판(204)은 더 이상 편향될 수 없다. 작동 정지부 및 랜딩 팁에 대한 몇몇 가능한 구성이 있다. 일 실시예에서, 랜딩 팁은 힌지 측에 대향된 스페이서 프레임(210) 상에 제조된다. 미러 판(204)의 최대 경사각은 미러 판(204)의 하향 기계적 작동을 정지시 키는 스페이서 프레임(210) 상의 랜딩 팁에 의해 한정될 것이다. 고정된 최대 경사각을 가지는 것은 기지의 방향으로 입사광을 반사하기 위한 공간 광 변조기(100)를 제어하는 것을 단순화시킨다.
다른 실시예에서, 랜딩 팁은 제2 기판(107) 상의 전극(126)을 따라서 제조된다. 이 실시예의 랜딩 팁은 미러 판(204)과 전극(126) 사이의 쇼트 회로를 방지하기 위해 이산화 실리콘과 같은 절연체로 제조될 수 있다. 미러 판(204)의 최대 경사각은 본 실시예에서는 미러 판(204)이 제2 기판(107) 상의 랜딩 팁과 접촉하는 각도에 의해 한정된다. 스페이서(210)의 높이는 이 각도에 영향을 주는데, 보다 높은 스페이서(210)는 낮은 것보다 큰 각도를 허용한다. 제2 기판(107) 상의 랜딩 팁은 접촉 시에 실제적인 총 표면 면적을 감소시키는 돌출 범프가 될 수 있다. 범프는 접촉시에 용접을 피하기 위해 미러 판(204)과 동일한 전기 전위에서 유지될 수 있다.
또 다른 실시예에서, 미러 판(204)과 힌지(206) 사이의 간격은 정확하게 제조되어서 미러 판(204)이 소정 각으로 경사질 때, 힌지(206) 근방의 판(204)의 코너부는 힌지(206)의 단부에 접촉할 것이고 이는 기계적 정지부로서 작용한다. 이는 미러 판(204)에 연결된 힌지(206)의 섹션이 미러 판(204)을 따라서 편향하기 때문에 발생하지만, 지지 벽(210) 근방의 힌지(206)의 섹션은 상대적으로 편향되지 않은 채 남아 있다. 예컨대, 비틀림 힌지(206)의 높이가 1 미크론인 상태에서, 지지 벽과 힌지(206) 사이의 0.13 미크론의 간격은 15도의 미러 판(204)의 최대 경사각을 초래한다.
양호한 일 실시예에서, 작동 정지부 및 랜딩 팁은 모두 미러(202)의 지지대와 동일한 재료로 만들어지고, 이들은 모두 제1 기판(105)으로 제조된다. 재료가 단결정 실리콘인 실시예에서, 그러므로 작동 정지부 및 랜딩 팁은 긴 기능적 수명을 가지는 강성 재료로 만들어지는데, 이는 미러 배열체(103)가 오랜 시간 지속될 수 있게 한다. 또한, 단결정 실리콘이 강성 재료이기 때문에, 작동 정지부 및 랜딩 팁은 작동 정지부가 랜딩 팁과 접촉하는 작은 면적으로써 제조될 수 있는데, 이는 접착력을 현저하게 감소시키고 미러 판(204)이 자유롭게 편향될 수 있게 한다. 또한, 이는 작동 정지부와 랜딩 팁이 동일한 전기 전위에서 유지된다는 것을 의미하며, 이는 용접을 통해 발생할 수 있는 접착을 방지하고 대전 주입 공정(charge injection process)은 작동 정지부 및 랜딩 팁이 상이한 전기 전위에 있는 것이다.
도2b는 지지 벽(210), 미러 판(204), 힌지(206) 및 커넥터(216)를 포함하는 단일 마이크로 미러(202)의 하부측을 도시하는 사시도이다.
도3a는 9 개의 마이크로 미러(202-1 내지 202-9)를 가지는 마이크로 미러 배열체(103)의 상단 및 측면을 도시하는 사시도이다. 도3a가 총 9 개의 마이크로 미러(202)를 위해 3 개의 열과 3 개의 행을 구비한 마이크로 미러 배열체(103)를 도시하지만, 다른 치수의 마이크로 미러 배열체(103) 또한 가능하다. 통상적으로, 각 마이크로 미러(202)는 비디오 디스플레이 상의 픽셀에 상응한다. 따라서, 보다 많은 마이크로 미러(202)를 구비한 보다 큰 배열체(103)는 보다 많은 픽셀을 구비한 비디오 디스플레이를 제공한다. 미러 배열체(103) 내의 힌지(206)가 모두 한 방향을 따라서 평행하게 대면하기 때문에, 광원은 비디오 디스플레이 상에 투사된 화상을 형성하기 위해 반사되야 하는 단일 방향을 따라서 배열체(103) 내의 미러(202)에 지향된다.
도3a에 도시된 바와 같이, 마이크로 미러 배열체(103)의 표면은 큰 충전율을 가진다. 즉, 마이크로 미러 배열체(103)의 표면의 대부분은 마이크로 미러(202)의 미러 판(204)의 반사 표면으로 이루어진다. 마이크로 미러 배열체(103)의 매우 적은 표면만이 비반사식이다. 도3a에 도시된 바와 같이, 마이크로 미러 배열체(103) 표면의 비반사 부분은 마이크로 미러(202)의 반사 표면 사이의 영역이다. 예컨대, 미러(202-1과 202-2) 사이의 영역의 폭은 스페이서 벽 폭(212)과, 미러(202-1과 202-2)의 미러 판(204)과 지지벽(210) 사이의 간격의 폭의 합에 의해 결정된다. 상기 간격 및 스페이서 벽 폭(212)은 제조 기술에 의해 지지되는 형상부 치수만큼 작게 만들어질 수 있다. 따라서, 일 실시예에서, 간격이 0.2 미크론이며 다른 실시예에서는 간격이 0.13 미크론이다. 반도체 제조 기술이 보다 작은 형상부를 가능하게 한다면, 스페이서 벽(210) 및 간격의 치수는 감소될 수 있어서 보다 높은 충전율을 가능하게 한다. 도3b는 도3a의 미러 배열체(103)의 하나의 미러(202)를 상세하게 도시한 사시도이다. 본 발명의 실시예는 85 %, 90 % 또는 그 이상의 충전율을 가능하게 한다.
도4a는 도3에 도시된 마이크로 미러 배열체(103)의 바닥부 및 측면을 도시한 사시도이다. 도4a에 도시된 바와 같이, 마이크로 미러(202)의 스페이서 지지 프레임(210)은 미러 판(204)의 하방의 공동을 한정한다. 이러한 공동은 미러 판(204)이 하향으로 편향되기 위한 공간을 제공하며, 또한 전극(126)을 구비한 제2 층 (104) 및/또는 제어 회로(106)를 구비한 제3 층의 배치를 위한 미러 판(204) 밑의 넓은 공간을 허용한다. 도4b는 도4a의 미러 배열체(103)의 하나의 미러(202)를 상세하게 도시한 사시도이다.
도5a는 도3a 및 도4a에 도시된 9 개의 마이크로 미러(202-1 내지 202-9)를 가지는 마이크로 미러 배열체(103)를 도시한 평면도이다. 예컨대, 마이크로 미러(202-1)에 대해서, 도5a는 미러 판(204), 스페이서 지지 프레임(210), 비틀림 스프링(206) 및 미러 판(204)을 비틀림 스프링(206)에 연결하는 커넥터(216)를 도시한다. 도5a는 또한 도3a에 대해 전술된 바와 같이, 마이크로 미러 배열체(103)가 큰 충전율을 가진다는 것을 명확하게 도시한다. 마이크로 미러 배열체(103)의 대부분의 표면은 마이크로 미러(202-1 내지 202-9)의 반사 표면으로 이루어진다. 도5a는 충전율이 어떻게 반사 미러 판(204)의 면적 및 미러 판(204)의 반사 표면 사이의 면적에 의해 결정되는 지를 명확하게 도시한다. 일 실시예에서의 미러 판(204)의 반사 표면 사이의 면적의 치수는 제조 공정의 형상부 치수의 한계에 의해 한정된다. 이는 미러 판(204)과 스페이서 벽(210) 사이에 만들어질 수 있는 간격의 작은 정도와, 스페이서 벽(210)의 두꺼운 정도를 결정한다. 도2에 도시된 바와 같이 단일 미러(202)가 그 고유의 스페이서 지지 프레임(210)을 가지는 것으로 설명되었지만, 미러(202-1 및 202-2)와 같은 미러 사이에 통상적으로 2 개의 분리 인접 스페이서 벽(210)은 없다는 것을 알아야 한다. 오히려, 미러(202-1 및 202-2) 사이에 지지 프레임(210)의 물리적인 스페이서 벽은 통상적으로 한 개다. 도5b는 도5a의 미러 배열체(103)의 하나의 미러(202)를 상세하게 도시한 사시도이다.
도6a는 도3 내지 도5에 도시된 바와 같이 9 개의 마이크로 미러(202-1 내지 202-9)를 가지는 마이크로 미러 배열체(103)를 도시한 저면도이다. 도6a는 스페이서 지지 프레임(210), 비틀림 스프링(206) 및 커넥터(216)와 마찬가지로 미러 판(204)의 바닥부를 도시한다. 미러 판(204)의 하방의 면적은 많은 실시예에서 전극(126) 및 제어 회로(106)의 최적의 설계 및 배치와 가능한 미러 랜딩 팁을 수용하기 위한 공간을 허용할 수 있도록 충분히 크다. 도6b는 도6a의 미러 배열체(103)의 하나의 미러(202)를 상세하게 도시한 사시도이다.
도5a 및 도6a에 도시된 바와 같이, 미러 판(204)에 수직인 매우 적은 광이 마이크로 미러 배열체(103)를 통과해 지나가서 마이크로 미러 배열체(103) 하방의 전극(126) 또는 제어 회로(106)에 도달할 수 있다. 이는 스페이서 지지 프레임(210), 비틀림 스프링(206), 커넥터(216) 및 미러 판(204)이 마이크로 미러 배열체(103) 하방의 회로에 대해 거의 완전한 커버를 제공하기 때문이다. 또한, 스페이서 지지 프레임(210)이 미러 판(204)을 마이크로 미러 배열체(103) 하방의 회로로부터 분리시키기 때문에, 미러 판(204)에 대해 수직하지 않은 각도로 진행하면서 미러 판(204)을 통과해 지나가는 광은 스페이서 지지 프레임(210)의 벽을 충격하고, 마이크로 미러 배열체(103)의 하방의 회로에는 도달하게 되지 않을 것이다. 미러 배열체(103) 상에 입사하는 매우 적은 세기의 광이 회로에 도달하기 때문에, SLM(100)은 회로를 충격하는 강한 광과 관련된 문제점을 회피한다. 이러한 문제점에는 입사광이 회로를 가열시킨다는 것과 입사광 광자가 회로 소자를 대전시킨다는 것을 포함되는데, 이들은 모두 회로의 기능 이상을 야기시킬 수 있다.
도3 내지 도6에서, 마이크로 미러 배열체(103) 내의 각 마이크로 미러(202)는 동일 측상에 자기의 비틀림 스프링을 가진다. 일 대체 실시예에서, 마이크로 미러 배열체(103) 내의 상이한 마이크로 미러(202)는 상이한 측상에 비틀림 스프링(206)을 가진다. 예컨대, 도3a를 다시 참조하면, 미러(202-1 및 202-3)는 도시된 바와 같이 동일한 측상에 스프링(206)을 가질 것이다. 반면에, 미러(202-2)는 미러(202-2)의 스프링(206)이 미러(202-1 및 202-3)의 스프링에 수직이 되도록 상이한 측면 상에 스프링(206)을 가질 것이다. 이는 상이한 마이크로 미러(202-1 및 202-2)의 미러 판(204)이 상이한 방향으로 편향될 수 있게 하는데, 이는 미러 배열체(103)에 전체적으로 하나 이상의 제어 가능한 자유도를 부여한다. 이 대체 실시예에서, 2 개의 상이한 광원(예컨대, 상이한 색광을 가지는 광원)이 마이크로 미러 배열체(103)를 향해 지향되고 마이크로 미러 배열체(103) 내의 마이크로 미러(202)에 의해 선택적으로 개별적으로 재지향되어서 비디오 디스플레이 상에 화상을 형성할 수 있다. 그러한 실시예에서, 다중 마이크로 미러(202)가 다중 광원으로부터의 광을 비디오 디스플레이 내의 동일한 픽셀에 반사시키기 위해 사용될 수 있다. 예컨대, 2 개의 상이한 색광원이 상이한 방향을 따라서 미러 배열체(103)를 향해 지향되어서 비디오 디스플레이 상에 다중 컬러 화상을 형성할 수 있다. 제1 측면 상에 비틀림 스프링(206)을 구비한 마이크로 미러(202-1 및 202-3)는 비디오 디스플레이로의 제1 광원의 반사를 제어한다. 상이한 제2 측면 상에 비틀림 스프링(206)을 구비한 마이크로 미러(202-2)와 같은 마이크로 미러는 비디오 디스플레이로의 제2 광원의 반사를 제어한다.
도7a는 본 발명의 대체 실시예에 따른 마이크로 미러(702)를 도시한 사시도이다. 본 실시예 내의 비틀림 힌지(206)는 스페이서 지지 벽(210)에 대하여 사선으로 지향되고, 미러 판(204)을 2 개의 부분 또는 측면, 즉, 제1 측면(704) 및 제2 측면(706)으로 분할한다. 2 개의 전극(126), 즉, 제1 측면(704)을 위한 하나의 전극(126)과 제2 측면(706)을 위한 하나의 전극(126)이 상기 미러(702)와 관련된다. 이는 둘 중 어느 하나의 측면(704, 706)이 전극(126) 하방 중 하나에 부착되어 하향으로 피봇될 수 있게 하고, 도2 내지 도6에 도시된 미러와 비교했을 때 동일한 지지 벽(210) 높이에 대해서 보다 큰 범위의 각 운동을 제공한다. 도7b는 미러(702)의 상세도이고, 미러 판(204), 힌지(206) 및 지지 벽(210)을 도시한다. 도7c 및 도7d는 단일 미러(702)의 하부측을 도시하고, 미러(702)의 내부 코너를 도시한 상세도이다. 다른 실시예에서, 힌지(206)는 미러 판(204)의 측면 중 하나에 대해 사선이라기보다는 실질적으로 평행할 수 있고, 여전히 미러 판(204)을 2 개의 부분(704, 706)으로 분할하기 위해 위치된다.
도8a 내지 도8d는 도7a 내지 도7d에 도시된 바와 같이 다중 마이크로 미러(702)를 포함하는 미러 배열체를 도시한 다양한 사시도이다. 도8a 및 도8b는 미러(702) 배열체의 상단부를 도시하고, 배열체 내의 하나의 미러(702)의 상세도이다. 도8c 및 도8d는 미러(702) 배열체의 하부를 도시하고, 배열체 내의 하나의 미러(702)의 상세도이다.
공간 광 변조기의 제조
도9a는 공간 광 변조기(100)가 제조되는 방법의 양호한 일 실시예를 도시하 는 플로우차트이다. 도9b 내지 도9g는 공간 광 변조기(100)의 제조를 보다 상세하게 도시한 블록도이다. 요약하면, 마이크로 미러(202)는 제1 기판(105) 상에 부분적으로 제조된다. 개별적으로, 일부 또는 전부의 전극, 주소 지정 회로 및 제어 회로는 제2 기판(107) 상에 제조된다. 이후 제1 및 제2 기판(105 및 107)은 서로 접합된다. 제1 기판(105)은 박형화되고, 이후에 석판술 및 에칭 단계가 따른다. 이후 마이크로 미러(202)의 제조가 완료된다. 최종 단계에서, 포장을 포함하여, 공간 광 변조기(100)가 완성된다. 일 실시예에서, 미러 배열체(103)는 이방성 드라이 에칭 방법만을 사용하여 단결정 실리콘의 웨이퍼로부터 제조되고, 미러 배열체(103)를 제조하기 위해 단 2 단계의 에칭만이 수행되며, 회로는 표준 CMOS 기술을 사용하여 제조된다. 이는 SLM(100)을 제조하기 위한 용이하고 저렴한 방법을 제공한다.
종래의 공간 광 변조기는 에칭, 구조층의 증착, 희생층의 증착 및 제거를 포함하는 표면 마이크로 기계가공 기술에 의해 제조된다. 이러한 종래의 MEMS 제조 기술은 낮은 생산량, 낮은 균일성 및 대략 1 미크론 이상의 최종 형상부 치수를 초래한다. 반면에, 본 발명의 일 실시예는 희생층을 포함하지 않고 매우 높은 생산량을 가지며 0.13 미크론 이하의 형상부의 형상을 가능하게 하는 반도체 제조 기술을 사용한다.
도9a를 참조하면, 제1 마스크가 마이크로 미러(202)를 초기에 부분적으로 제조하기 위해 생성된다. 이러한 마스크는 스페이서 지지 프레임(210) 및 지지 포스트(208)를 한정하는 미러 배열체(103)의 하부측 상에 공동을 형성하기 위해 제1 기 판(105)의 일 측면으로부터 에칭될 부분을 한정한다. 사진석판술과 같은 표준 기술이 제1 기판 상에 마스크를 생성하기 위해 사용될 수 있다. 전술된 바와 같이, 양호한 일 실시예에서 마이크로 미러(202)가 단결정 실리콘과 같은 단일 재료로부터 형성된다. 따라서, 양호한 일 실시예에서, 제1 기판(105)은 단결정 실리콘의 웨이퍼이다. 다중 SLMs(100)에 사용되기 위해 통상적으로 다중 마이크로 미러 배열체(103)가 단일 웨이퍼 상에 제조된 후에 분리된다는 것을 알아야 한다. 마이크로 미러 배열체(103)를 생성하기 위해 제조된 구조체는 통상적으로 CMOS 회로에서 사용되는 형상부보다 커서, CMOS 회로를 제조하기 위한 공지된 기술을 사용하여 마이크로 미러 배열체(103) 구조물을 형성하는 것은 상대적으로 용이하다. 도9b는 제조 전의 제1 기판(105)을 도시한 측면도이다. 기판(105)은 미러 배열체(103)가 제조될 재료인 장치 층(938), 절연 산화층(936) 및 취급 기판(934)을 최초에 포함한다. 도9c는 마스크를 위에 구비한 제1 기판(105)을 도시하는 측면도이다.
마스크가 생성된(902) 후에, 양호한 실시예에서, 제1 기판(105)은 미러 판(204) 하방에 공동을 형성하기 위해 이방성 이온 에칭(904)된다. 다른 방식으로, 공동이 모든 마이크로 미러(202)에 대해 제1 기판 내에 형성된다. 습식 에칭 또는 플라즈마 에칭과 같은 이방성 이온 에칭을 제외한 다른 방법도 공동을 형성하기 위해 사용될 수 있다. 도9d는 에칭된 공동을 구비한 제1 기판(105)을 도시하는 블록도이다.
미러 판(204)의 하방에 공동을 제조하는 것과는 별도로, 전극(126) 및 제어 회로(106)가 제2 기판(107) 상에 제조된다(906). 제2 기판(107)은 수정과 같은 투 명 재료 또는 다른 재료가 될 수 있다. 만일 제2 기판이 수정이라면, 트랜지스터는 결정질 실리콘과 비교하여 폴리실리콘으로 만들어질 수 있다. 회로는 표준 CMOS 제조 기술을 사용하여 제조될 수 있다(906). 예컨대, 일 실시예에서, 제2 기판(107) 상에 제조된(906) 제어 회로(106)는 메모리 셀, 열 주소 지정 회로 및 행 데이터 저장 회로의 배열체를 포함한다. 주소 지정 기능을 수행하는 전기 회로를 만들기 위한 상이한 많은 방법이 있다. 통상적으로 알려진 DRAM, SRAM 및 래치 장치는 모두 주소 지정 기능을 수행할 수 있다. 미러 판(204) 면적이 반도체 스케일에 비해 상대적으로 클 수 있기 때문에(예컨대, 미러 판(204)은 225 제곱 미크론의 면적을 가질 수 있다), 복합 회로가 마이크로 미러(202)의 하방에 제조될 수 있다. 가능한 회로로는 시간 연속 픽셀 정보를 저장하기 위한 저장 버퍼, 다양한 전압 수준에서 전극(126)을 구동함으로써 미러 판(204)의 가능한 비균일성을 전극 분리 거리로 보상하기 위한 회로, 및 펄스 폭 변조 변환을 수행하기 위한 회로를 포함하지만 이에 한정되지는 않는다.
이러한 제어 회로(106)는 산화 실리콘 또는 질화 실리콘과 같은 패시베이션 층으로써 도포된다. 다음에, 금속화 층이 증착된다. 이 금속화 층은 일 실시예의 바이어스/리셋 버스와 마찬가지로 전극9126)을 한정하기 위해 패턴화되고 에칭된다. 전극(126)은 하나 이상의 전극이 각 마이크로 미러(202)에 대응하도록 제조 동안에 배치된다. 제1 기판(105)으로써와 같이, 다중 SLMs(100)에 사용되는 회로의 다중 세트가 통상적으로 제2 기판(107) 상에 제조되고 이후에 분리된다.
다음에, 제1 및 제2 기판은 서로 접합(910)된다. 공동을 가지는 제1 기판 (105)의 측면이 전극을 가지는 제2 기판의 측면(107)에 접합된다. 제2 기판(107) 상의 전극이 마이크로 미러 배열체(103) 내의 마이크로 미러(202)의 편향을 제어하기에 적절한 위치에 있도록 기판(105 및 107)이 정렬된다. 일 실시예에서, 이중 초점 현미경을 사용하여 제1 기판(105) 상의 패턴을 제2 기판(107) 상의 패턴과 정렬시킴으로써 2 개의 기판(105 및 107)이 광학적으로 정렬되고, 2 개의 기판(105 및 107)은 양극 또는 공융 접합과 같은 저온 접합 방법에 의해 서로 접합된다. 제조(906)에 대하여 가능한 많은 대체 실시예가 있다. 예컨대, 열가소성 또는 유전체 스핀 유리 접합 재료가 사용될 수 있어서, 기판(105 및 107)은 열적-기계적으로 접합된다. 도9e는 서로 접합된 제1 및 제2 기판(105, 107)을 도시하는 측면도이다.
제1 및 제2 기판(105 및 107)이 서로 접합된 후에, 에칭되지 않은 제1 기판(105)의 표면은 바람직한 두께로 박형화된다(912). 먼저, 도9f에 도시된 바와 같이 통상적으로 그라인딩 또는 에칭에 의해 취급 기판(934)이 제거된다. 이후 산화물(934)이 제거된다. 이후, 만일 필요하다면, 장치층(938)이 박형화 또는 연마된다. 이러한 박형화는 일 실시예에서, 마이크로 미러(202)의 바람직한 두께에 근접한 제조된 공동의 바닥부와 제1 기판(105)의 대향 표면 사이의 두께로 기계적으로 기판(105)을 그라인딩함으로써 수행된다. 일 실시예에서, 기계적 그라인딩에 의해 달성된 상기 두께는 대략 5 미크론이다. 이후 기판(105)은 공동의 바닥부와 제1 기판(105)의 대향 표면 사이의 바람직한 두께로 기계적 미세 연마 또는 화학적 기계적 연마에 의해 연마된다. 상기 두께는 미러 판(204)의 두께를 한정한다. 일 실시예에서, 상기 바람직한 두께는 대략 1 미크론 이하이다. 도9g는 제1 기판(105)이 박형화된 후의 접합된 제1 및 제2 기판(105, 107)을 도시한 측면도이다.
다음에, 마이크로 미러(202)의 반사 표면이 생성된다. 이는 제1 기판(105)의 표면이 반사식이 되도록 제1 기판(105)을 연마함(913)으로써 수행될 수 있다. 또한, 반사 표면을 생성하기 위해 제1 기판(105) 상에 반사성 재료의 층을 증착하는 것도 가능하다. 반사 표면을 생성하기 위한 다른 방법 또한 사용될 수 있다.
일 실시예에서, 알루미늄의 반사층이 증착된다(914). 제1 기판(105)의 박형화된 표면은 대략 10 nm의 티타늄계 박형 필름으로 코팅된다. 이후 알루미늄의 대략 30 nm 두께의 층이 가시광 스펙트럼의 대부분을 넘는 95 %이상의 반사율을 구비한 반사층을 형성하기 위해 증착된다. 도9h는 증착된 반사층(932)을 도시하는 측면도이다.
제1 기판(105)의 반사 표면은 이후 마스크되고, 양호한 실시예에서, 미러 배열체(103)를 형성하는 것을 종료하고 미러 판(204)을 해제하기 위해 높은 종횡비로 이방성 이온 에칭된다(916). 상기 제2 에칭은 미러 판(204), 비틀림 스프링 힌지(206) 및 커넥터(216)를 한정한다. 따라서, 마이크로 미러(202)를 제조하기 위해 제1 기판(105)의 2차례의 에칭만이 소요된다. 이는 마이크로 미러(202)를 제조하는 비용을 현저하게 감소시킨다. 도9i는 마스크(933)로 덮인 제1 기판(105)의 표면을 도시하는 블록도이고, 도9j는 미러 판(204), 힌지(206), 스페이서 지지 프레임(210) 및 전극(126)을 포함하는 제2 에칭 이후의 공간 광 변조기(100)를 도시하는 블록도이다.
소정의 실시예에서, 힌지(206)는 미러 판(204)의 표면으로부터 리세스되기 위해 부분적으로 에칭된다. 또한, 소정의 실시예에서, 반사 표면은 미러 판(204), 비틀림 스프링 힌지(206) 및 커넥터(216)를 한정하는 제2 에칭 이후에 증착된다(914). 그러한 반사층은 예컨대, 각도의 수평 벡터가 미러 판(204)으로부터 힌지(206)까지가 되도록 하는 각도로 하향으로 알루미늄을 증발시킴으로써 증착될 수 있다. 상기 각도로써, 만일 힌지(206)가 미러 판(204)의 표면으로부터 리세스되도록 에칭된다면, 비틀림 힌지(206)의 표면에 의해 입사광의 광학적 분산을 최소화시키기 위해 리세스된 힌지(206)의 표면상에 실질적으로 반사성 코팅을 증착하지 않는 것이 가능하다. 예컨대, 초당 1 나노미터의 증착 속도로 이-건(e-gun) 열 증발기의 반응 챔버 내에서, 증발이 일어날 수 있다.
소정의 실시예에서, 마이크로 미러 배열체(103)는 유리 또는 다른 투명 재료편에 의해 보호된다. 일 실시예에서, 마이크로 미러 배열체(103)의 제조 동안에, 제1 기판(105) 상에 제조된 각각의 마이크로 미러 배열체(103)의 원주 둘레에 림(rim)부가 남아있다. 마이크로 미러 배열체(103) 내의 마이크로 미러(202)를 보호하기 위해, 유리 또는 다른 투명 재료편은 상기 림부에 접합된다(918). 상기 투명 재료는 마이크로 미러(202)를 물리적인 손상으로부터 보호한다. 일 대체 실시예에서, 유리판 상의 감광성 수지의 층 내에 림부의 배열체를 생성하기 위해 석판술이 사용된다. 이후 에폭시가 림부의 상부 에지에 인가되고, 유리판은 완성된 반사식 SLM(100)에 정렬되고 부착된다.
전술된 바와 같이, 다중 공간 광 변조기(100)가 2 개의 기판(105 및 107)으 로부터 제조될 수 있으며, 다중 마이크로 미러 배열체(103)가 제1 기판(105) 내에 제조될 수 있고, 다중 세트의 회로가 제2 기판(107) 내에 제조될 수 있다. 다중 SLMs(100)를 제조하는 것은 공간 광 변조기(100) 제조 공정의 효율을 증가시킨다. 그렇지만, 만일 다중 SLMs(100)가 일시에 제조된다면, 이는 개별적인 SLMs(100)로 분리되어야 한다. 각 공간 광 변조기(100)를 분리하여 사용 대기 상태로 하기 위한 많은 방법이 있다. 제1 방법으로서, 각 공간 광 변조기(100)는 조합된 기판(105 및 107)상의 SLMs(100)의 나머지로부터 간단하게 다이 분리된다(920). 각 분리된 공간 광 변조기(100)는 이후 표준 포장 기술을 사용하여 포장된다(922). 제2 방법으로서, 각 SLM(100)을 개별적인 공동 내로 캡슐화하고 SLMs(100)가 분리되기 전에 전기적 납땜을 형성하기 위해 웨이퍼 레벨 칩 스케일 포장이 수행된다. 이는 반사식 편향가능 요소를 보다 보호하고 포장 비용을 감소시킨다. 이러한 방법의 일 실시예에서, 제2 기판(107)의 후면측은 땜납 범프와 접합된다(924). 제2 기판(107)의 후면측은 이후 제2 기판(107)상의 회로의 제조 중에 형성된 금속 커넥터를 노출시키기 위해 에칭된다(926). 다음에, 도전성 선이 금속 커넥터와 땜납 범프 사이에 이들 둘을 전기적으로 연결하기 위해 증착된다. 최종적으로, 다중 SLMs가 다이 분리된다(930).
도10은 마스크(1000)의 생성(902) 및 제1 기판 내에 공동을 형성하는 에칭(904)을 보다 상세하게 도시한다. 양호한 실시예에서, 제1 기판은 단결정 실리콘의 웨이퍼이다. 산화물이 제1 기판 상에 증착되고 패턴화된다. 이는 도10에 도시된 패턴을 초래하며, 여기서, 영역(1004)은 하방의 기판이 에칭되는 것을 방지할 산화물이고 영역(1002)은 노출된 기판의 영역이다. 노출된 기판(1002)의 영역은 공동을 형성하기 위해 에칭될 것이다. 에칭되지 않는 영역(1004)은 남겨져서 스페이서 지지 포스트(208) 및 스페이서 지지 프레임(210)을 형성한다.
일 실시예에서, 기판은 각각 100 sccm, 50 sccm, 및 10 sccm의 유속으로 SF6, HBr, 및 산소 가스를 유동시키는 반응성 이온 에칭 챔버 내에서 에칭된다. 작동 압력은 10 내지 50 mTorr의 범위 내에 있고, 바이어스 전력은 60 W이며 전원은 300 W이다. 다른 실시예에서, 기판은 각각 100 sccm, 50 sccm, 및 10 sccm의 유속으로 Cl2, HBr, 및 산소 가스를 유동시키는 반응성 이온 에칭 챔버 내에서 에칭된다. 이러한 실시예에서, 에칭 공정은 공동이 대략 3 내지 4 미크론의 깊이가 되면 정지된다. 이 깊이는 원위치 광학 간섭계 기술과 같은 원위치 에칭 깊이 모니터링 또는 에칭 속도 조절에 의해 측정된다.
다른 실시예에서, 공동은 이방성 반응 이온 에칭 공정에 의해 웨이퍼 내에 형성된다. 웨이퍼는 반응 챔버 내에 배치된다. SF6, HBr, 및 산소 가스가 각각 100 sccm, 50 sccm 및 20 sccm의 총 유속으로 반응 챔버 내로 유입된다. 50 W의 바이어스 전력 설정 및 150 W의 전원이 대략 5 분 동안 50 mTorr의 압력에서 사용된다. 이후 웨이퍼는 1 mTorr의 압력에서 20 sccm의 후방 헬륨 가스 유동에 의해 냉각된다. 양호한 일 실시예에서, 에칭 공정은 공동이 대략 3 내지 4 미크론 깊이가 되면 정지한다. 이러한 깊이는 원위치 광학 간섭계 기술과 같은 원위치 에칭 깊이 모니터링 또는 에칭 속도 조절에 의해 측정된다.
도11은 제2 기판(107) 상에 형성된 전극(126)의 일 실시예를 도시하는 사시 도이다. 이 실시예에서, 각 마이크로 미러(202)는 대응 전극(126)을 가진다. 상기 도시된 실시예에서 전극(126)은 제2 기판(107) 상의 회로의 나머지 부분보다 높게 제조된다. 도11에 도시된 바와 같이, 전극(126)의 측면 상의 재료는 약간 피라미드 형상인 전극의 상단 표면으로부터 하향 경사진다. 다른 실시예에서, 전극(126)은 제2 기판(107)상의 회로의 나머지 부분과 동일한 수준 상에 위치되며 오히려 상기 회로 상방으로 연장한다. 본 발명의 일 실시예에서, 전극(126)은 대략 10 × 10 미크론의 치수인 개별적인 알루미늄 패드이다. 이러한 전극(126)은 제2 기판(107)의 표면상에 제조된다. 본 실시예에서의 전극(126)의 큰 표면적은 미러 판(204)을 기계적 정지부까지 하향으로 당기고, 미러 판(204)의 완전한 소정의 각 편향을 야기시키기 위해 필요한 상대적으로 낮은 주소 지정 전압을 초래한다.
도12는 제2 기판(107) 상의 전극(126) 및 다른 회로 상에 위치된 제1 기판(105) 상의 마이크로 미러 배열체(103)를 도시하는 사시도이다. 이는 마이크로 미러 배열체(103) 내의 마이크로 미러(202)와 제1 및 제2 기판(105 및 107)을 접합하기 전의 전극의 상대 위치를 도시한다. 도시를 위한 목적으로 마이크로 미러 배열체(103) 내의 마이크로 미러(202)는 완성된 마이크로 미러(202)로서 도시되었다는 것을 알아야 한다. 그렇지만, 양호한 실시예에서, 도9a에 대해 설명된 바와 같이, 제1 기판 내의 미러 판(204) 밑의 공동만이 제1 기판(105)을 제2 기판(107)에 접합하기 전에 에칭될 것이다. 미러 판(204), 힌지(206), 및 커넥터(216)는 아직 제조되지 않을 것이다. 전극(126)이 회로의 나머지 부분의 수준 상방에 위치되고, 전극(126)의 측면 상의 재료가 하향 경사지는 실시예에서, 경사 재료는 제2 기판 9107) 상의 제1 기판의 정확한 위치 설정을 보조한다.
도13은 제1 기판(105)의 상부 표면을 에칭(916)하는데 사용되는 마스크의 단순화된 실시예를 도시한다. 에칭(916) 단계에서, 영역(1302)은 노출된 상태로 남겨지고 미러 판9204)을 해제하고 비틀림 스프링(206), 커넥터(216) 및 지지 포스트(208)를 형성하기 위해 에칭된다. 다른 영역(1304)은 포토레지스트 재료로서 덮이고 에칭되지 않는다. 이 영역은 미러 판(204) 자체 및 힌지(206)를 형성할 재료를 포함한다. 도13에 도시된 바와 같이, 미러 배열체(103)의 대부분의 표면은 반사성이다. 제조 공정은 미러 판(204)을 지지 벽(210) 및 힌지(206)로부터 분리하는 단지 작은 비반사 간격만을 생성한다.
제1 기판(105)의 상부 표면은 미러 판(204)을 해제하기 위해 에칭되고 제1 기판(105)의 상부 표면이 마스크된 후에 힌지(206)를 형성한다. 일 실시예에서, 각각 100 sccm, 50 sccm 및 10 sccm의 유속으로 SF6, HBr 및 산소 가스를 유동시키는 반응성 이온 에칭 챔버 내에서 에칭된다. 작동 압력은 10 내지 50 mTorr의 범위 내에 있고, 바이어스 전력은 60 W, 전원은 300 W이다. 에칭 깊이가 통상적으로 1 미크론 이하이기 때문에, 몇몇 다른 제조 공정으로써 동일한 목적을 달성할 수 있다. 다른 실시예는 기밀한 치수 제어를 달성하기 위해, 10 내지 50 mTorr의 작동 압력 및 각각 50 W 및 300 W의 에칭 반응 챔버의 바이어스 및 전원 전력 설정에서 Cl2 및 산소 가스를 사용한다. 에칭 공정은 원위치 에칭 깊이 모니터링 또는 에칭 속도 조절에 의해 바람직한 깊이(일 실시예에서는 대략 5 미크론의 깊이)에서 정지된다.
작동
작동시에, 개별적인 반사 요소는 선택적으로 편향되고 미러에 입사되어 이에 의해 반사된 광을 공간적으로 변조하는 가능을 한다.
도14는 전극(126) 상방의 마이크로 미러(202)를 도시하는 단면도이다. 작동시에, 전극(126) 상방의 대응 미러 판(204)의 편향을 제어하기 위해서 전극(126)에 전압이 인가된다. 도14에 도시된 바와 같이, 전압이 전극(126)에 인가될 때, 미러 판(204)은 전극으로 이끌린다. 이는 미러 판(204)이 비틀림 스프링(206)을 중심으로 회전하는 것을 야기시킨다. 전압이 전극(126)으로부터 제거될 때, 힌지(206)는 미러 판(204)이 상향으로 탄성 복귀하는 것을 야기시킨다. 따라서, 미러 판(204)을 충격하는 광은 전극에 인가되는 전압에 의해 제어될 수 있는 방향으로 반사된다.
일 실시예는 이하와 같이 작동된다. 최초에 미러 판은 편향되지 않은 상태이다. 이러한 바이어스되지 않은 상태에서, 광원으로부터 SLM(100)으로 경사지게 입사하는 인입 광빔은 편평 미러 판(204)에 의해 반사된다. 반사된 출력 광빔은 예컨대 광학 덤프에 의해 수용된다. 편향되지 않은 미러 판(204)으로부터 반사된 광은 비디오 디스플레이에 반사되지 않는다.
미러 판(204)과 바닥 전극(126) 사이에 전압 바이어스가 인가될 때, 미러 판(204)은 정전 인력에 인해 편향된다. 힌지(206)의 설계로 인해, 미러 판(204)의 자유단은 제2 기판(107)을 향해 편향된다. 양호한 일 실시예에서 실질적으로 모든 굽힙은 미러 판(204)보다는 힌지(206)에서 발생한다는 것을 알아야 한다. 이는 힌 지 폭(222)을 박형으로 만들고, 힌지(206)를 단지 양단부에서만 지지 포스트(208)에 연결함으로써 달성될 수 있다. 미러 판(204)의 편향은 전술된 바와 같이 작동 정지부에 의해 한정된다. 미러 판(204)의 완전 편향은 반사된 출력 광빔을 화상 광학부 및 비디오 디스플레이 내로 편향시킨다.
미러 판(204)이 "스내핑" 또는 "당김" 전압(일 실시예에서 대략 12 볼트)을 초과해서 편향될 때, 힌지(206)의 반환 기계력 또는 토크는 더 이상 정전기력 또는 토크를 균형잡지 못하고 미러 판(204)은 작동 정지부에 의해서만 한정되는 완전 편향을 달성하기 위해 전극(126)을 향해 하향으로 "스냅"된다. 미러 판(204)을 그 완전 편향된 위치로부터 해제시키기 위해, 전압은 스내핑 전압이하로 해제 전압(예컨대, 스내핑 전압이 5.0 볼트인 실시예에서 대략 3.3볼트)까지 실질적으로 강하되야 한다. 따라서, 마이크로 미러(202)는 전자 기계적으로 쌍안정(bistable) 장치이다. 해제 전압과 스내핑 전압 사이의 구체적인 전압이 주어지면, 미러 판(204) 편향의 이력에 따라서 미러 판(204)이 있을 수 있는 2가지 가능한 편향각이 있다. 따라서, 미러 판(204) 편향은 래치로서 작용한다. 이러한 쌍안정성 및 래치 특성은 미러 판(204)의 편향을 위해 필요한 기계적인 힘이 편향각에 대해 대략 선형이기 때문에 존재하며, 대향 정전기력은 미러 판(204)과 전극(126) 사이의 거리에 반비례한다.
미러 판(204)과 전극(126) 사이의 정전기력이 미러 판(204)과 전극(126) 사이의 총 전압에 의존하기 때문에, 미러 판(204)에 인가된 음 전압은 주어진 편향량을 달성하기 위해 전극(126)에 인가될 필요가 있는 양 전압을 감소시킨다. 따라 서, 미러 배열체(103)에 전압을 인가하는 것은 전극(126)의 필요 전압량을 감소시킬 수 있다. 이는 유용할 수 있는데, 예컨대, 일부 응용에서 5 V 절환 능력이 반도체 산업에서 보다 일반적이기 때문에 전극(126)에 인가되야 하는 최대 전압을 12 V 이하로 유지하는 것이 바람직하기 때문이다. 게다가, 전압이 미러 배열체(103)에 인가되는 각 전극을 바이어스 시키기 위해 필요한 대전량은 미러 배열체(103)가 접지 전위에서 유지되는 실시예에서 필요로 하는 대전량보다 작다. 따라서, 적절한 전압을 전극(126)에 정확하게 인가해서 미러 판(204)을 편향시키는데 필요한 시간을 상대적으로 빨라진다.
미러 판(204)의 최대 편향은 고정되기 때문에, 만일 스내핑 전압을 초과한 전압에서 작동된다면, SLM(100)은 디지털 방식으로 작동될 수 있다. 미러 판(204)은 관련 전극(126)에 전압을 인가함으로써 하향으로 완전 편향되거나 관련 전극(126)에 아무 전압도 인가되지 않은 채 상향으로 탄성력을 받을 수 있게 되기 때문에 작동은 본질적으로 디지털 방식이다. 미러 판(204)의 편향을 정지시키는 물리적인 요소에 의해 정지될 때까지 미러 판(204)이 하향으로 완전 편향되는 것을 야기시키는 전압을 "스내핑" 또는 "당김" 전압이라고 알고 있다. 따라서, 미러 판(204)을 완전 하향으로 편향시키기 위해, 스내핑 전압보다 같거나 높은 전압이 대응 전극(126)에 인가된다. 비디오 디스플레이 응용 시, 미러 판(204)이 하향으로 완전 편향될 때, 미러 판(204) 상의 입사광은 비디오 디스플레이 상의 대응 픽셀에 반사된다. 미러 판(204)이 상향으로 탄성력을 받게 될 때, 광은 비디오 디스플레이를 충격하지 않도록 하는 방향으로 반사된다.
그러한 디지털 작동 중에, 관련 미러 판(204)이 완전 편향된 후에 전극(126) 상에 완전 스내핑 전압을 유지할 필요는 없다. "주소 지정 단계" 동안, 완전 편향되야하는 미러 판(204)에 대응하는 선택된 전극(126)을 위한 전압은 미러 판(204)을 편향시키는데 필요한 수준으로 설정된다. 논의의 미러 판(204)이 전극(126) 상의 전압으로 인해 편향된 후에, 상기 편향 위치에서 미러 판(204)을 유지시키기 위해 필요한 전압은 실제적인 편향을 위해 필요한 것보다 적다. 이는 편향된 미러 판(204)과 주소 지정 전극(126) 사이의 간격이 미러 판(204)이 편향되고 있는 과정에 있을 때 보다 작기 때문이다. 그러므로, 주소 지정 단계 후의 "유지 단계"에서는 선택된 전극(126)에 인가된 전압은 미러 판(204)의 편향 상태에 실질적으로 영향을 주지 않으면서 그 원래 요구된 수준보다 감소될 수 있다. 보다 낮은 유지 단계 전압을 가지는 것의 이점 중 하나는 근방의 편향되지 않은 미러 판(204)이 보다 작은 정전 인력 상태에 있게 되므로써, 이들이 제로 편향 지점에 보다 밀접하게 유지된다는 것이다. 이는 편향된 미러 판(204)과 편향되지 않은 미러 판(204) 사이의 광학적 대비비를 개선시킨다.
치수(일 실시예에서, 1 내지 5 미크론의 미러 판(204)과 전극(126) 사이의 스페이서(210) 분리 및 0.05 내지 0.45 미크론의 힌지(206) 두께) 및 재료(단결정 실리콘(100) 등)의 적절한 선택으로써, 반사식 SLM(100)은 적은 볼트의 작동 전압을 가지도록 만들어질 수 있다. 단결정 실리콘으로 만들어진 힌지(206)의 비틀림 계수는 예컨대, 5 ×1010 N/m2/rad가 될 수 있다. 전극(126)이 관련 미러 판(204) 을 완전 편향시키도록 작동하는 전압은 적절한 전압("음 바이어스")으로 미러 판(204)을 유지함으로써 접지 보다 낮게 이루어질 수 있다. 이는 전극(126)에 인가된 소정 전압에 대하여 보다 큰 편향각을 초래한다. 최대 음 바이어스 전압은 해제 전압이어서, 주소 지정 전압이 영으로 감소될 때 미러 판(204)은 편향되지 않은 위치로 스냅 복귀될 수 있다.
"아날로그" 방식으로 미러 판(204) 편향을 제어하는 것 또한 가능하다. "스내핑 전압" 보다 낮은 전압이 미러 판(204)을 편향시키고 입사광이 반사되는 방향을 제어하기 위해 인가된다.
대체 응용분야
비디오 디스플레이 외에도, 공간 광 변조기(100)는 다른 응용분야에서도 유용하다. 그러한 응용분야에는 공간 광 변조기(100)가 증착된 포토레지스트를 현상하기 위해 지향되는 무 마스크 사진 석판술이 있다. 이는 원하는 패턴으로 포토레지스트를 정확하게 현상하기 위한 마스크가 필요 없게 한다.
비록 본 발명은 다양한 실시예를 참조로 하여 특정 도시되고 설명되었지만, 본 발명의 기술 사상의 범위를 벗어나지 않고 형상 및 세부 사항에 다양한 변화가 이루어질 수 있다는 것이 관련 기술분야의 숙련자들에 의해서 이해될 것이다. 예컨대, 미러 판(204)은 정전 인력과 마찬가지로 다른 방법을 통해서 편향될 수도 있다. 미러 판(204)은 자석, 열, 또는 피에조 전기 작용을 대신 사용하여 편향될 수 있다.

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  17. 제1 기판의 제1 측면으로부터 에칭될 영역을 한정하는 제1 마스크를 생성하는 단계와,
    제1 기판의 제1 측면 내에 복수개의 공동을 형성하기 위해 제1 마스크에 의해 한정된 제1 기판의 제1 측면 상의 영역을 에칭하는 단계와,
    제2 기판의 제1 측면 상에 제어 회로를 제조하고, 그 후 전극을 제조하는 단계와,
    그 이후, 제1 기판의 제1 측면을 제2 기판의 제1 측면에 접합하는 단계와,
    제1 기판의 제2 측면 상에 반사 표면을 생성하는 단계와,
    제1 기판의 제2 측면으로부터 에칭될 영역을 한정하는 제2 마스크를 생성하는 단계와,
    복수개의 힌지 및 미러 판을 형성하기 위해 제2 마스크에 의해 한정된 제1 기판의 제2 측면 상의 영역을 에칭하는 단계를 포함하고,
    상기 제2 기판의 제1 측면 상에 전극을 제조하는 단계는,
    제조된 제어 회로를 패시베이션 층으로 도포하는 단계와,
    상기 패시베이션 층 상에 금속화 층을 증착하는 단계와,
    전극을 한정하는 패턴으로 금속화 층을 패턴화하는 단계와,
    전극을 이루는 재료 이면에 남겨지는 금속화 층을 에칭하는 단계를 포함하는 것을 특징으로 하는 복수개의 미러 배열체를 구비한 공간 광 변조기를 제조하는 방법.
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