KR20000005776A - 초소형기계장치및그의제조방법 - Google Patents

Abstract

본 발명의 초소형 기계 장치는 기판(104)과, 이 기판 위에 현수된 강성의 편향가능 부재(302, 314, 326)와, 기판 위에 지지되며 강성 편향가능 부재로부터 이격된 적어도 하나의 스프링(328)을 구비한다. 스프링은 강성 편향가능 부재가 편향되어 스프링과 접촉하는 경우 강성 편향가능 부재의 편향에 저항한다. 본 발명의 초소형 기계 장치는 기판 상에 적어도 하나의 지지 구조물(116)을 제조하고, 기판으로부터 이격되고 적어도 하나의 지지 구조물들 중의 적어도 하나에 의해서 현수된 적어도 하나의 스프링을 제조하며, 기판 및 스프링으로부터 이격되고 적어도 하나의 지지 구조물들 중의 적어도 하나에 의해서 현수된 편향가능 부재를 제조하는 것에 의해 구성된다. 본 발명의 초소형 기계 장치는 초소형 미러 장치가 그에 전기적으로 접속된 제어기가 지시하는 바에 따라 입사 광을 선택적으로 반사시키며 그 선택적으로 반사되는 광은 이미지 평면 상에 집속되는 투사 디스플레이 시스템에서 유용하다. 초소형 미러 장치는 제각기 기판과, 기판에 의해 지지된 스프링과, 기판에 의해 지지되고 스프링으로부터 이격된 편향가능 부재로 이루어진 초소형 미러 소자들의 어레이를 포함한다. 강성의 편향가능 부재는 스프링 쪽으로 편향되는 미러를 포함하며, 상기 스프링은 강성 편향가능 부재의 편향에 저항한다.

Description

초소형 기계 장치 및 그의 제조 방법{SPRING-RING MICROMECHANICAL DEVICE}

본 발명은 초소형 기계 장치(micromechanical device)에 관한 것으로서, 구체적으로는 편향가능한 부재(deflectable member)를 가진 초소형 기계 장치에 관한 것이며, 더욱 구체적으로는 디지털 초소형 미러 장치(digital micromirror device: DMD)에 관한 것이다.

초소형 기계 장치란 집적 회로의 제조를 위해 개발된 광학적 리소그래피(optical lithography), 도핑(doping), 금속 스퍼터링(metal sputtering), 산화물 침착(oxide deposition) 및 플라즈마 에칭(plasma etching)과 같은 기법을 사용하여 반도체 웨이퍼 상에 전형적으로 제조되는 작은 구조물을 말한다.

간혹 변형가능 초소형 미러 장치라고도 하는 디지털 초소형 미러 장치(DMD)는 초소형 기계 장치의 한가지 형태이다. 다른 형태의 초소형 기계 장치로서는 가속도계, 압력/흐름 센서, 기어 및 모터가 있다. 어떤 초소형 기계 장치 예를 들어 압력 센서, 흐름 센서 및 DMD는 상업적인 성공을 거두었으나, 다른 형태의 초소형 기계 장치는 아직 상업적으로 실시되지 못하고 있다.

디지털 초소형 미러 장치는 주로 광학적 디스플레이 시스템에서 사용된다. 디스플레이 시스템에서, DMD는 디지털 이미지 데이터를 사용하여 광 비임의 일부를 디스플레이 스크린을 향해 선택적으로 반사시키는 것에 의해 광 비임을 변조시키는 광 변조기이다. 아날로그 동작 모드로 동작할 수도 있지만, DMD는 전형적으로 디지털 쌍안정 동작 모드로 동작하는 것으로서 이 DMD는 최초의 진정한 전색(full-color) 이미지 투사 시스템에서 핵심적인 요소이다.

초소형 미러 장치는 최근 10년 내지 15년에 걸쳐 급속히 발전되어 왔다. 초기의 장치는 변형가능한 반사 멤브레인(deformable reflective membrane)을 사용했는데, 이 멤브레인은 그의 하부 어드레스 전극 쪽으로 정전기적으로 끌려 당겨지는 경우에 그 어드레스 전극 쪽으로 딤플링(dimpling)된다. 쉬리렌 광학 시스템(Schlieren optics)은 멤브레인을 조명하여(illuminate), 그 멤브레인의 딤블링된 부분에 의해서 산란되는 광으로부터 이미지를 생성한다. 쉬리렌 시스템은 멤브레인 장치에 의한 이미지 형성을 가능케 하나, 이렇게 형성된 이미지는 매우 희미하므로 콘트라스트비가 낮아 대부분의 이미지 디스플레이 응용에 부적합하게된다.

그 이후의 초소형 미러 장치는 암시야(dark-field) 광학 시스템과 결합된 실리콘 또는 알루미늄 재료의 플랩 또는 다이빙 보드 형상 캔틸레버 빔(flap or diving board-shaped cantilever beam)을 사용하여, 콘트라스트비가 향상된 이미지를 생성했다. 플랩 및 캔틸레버 빔 장치는 단일의 금속 층을 사용하여 상부 반사 층을 형성했다. 그러나, 이 단일의 금속 층은 넓은 영역에 걸쳐 변형되어 그 변형된 부분에 도달하는 광을 산란시키는 경향이 있다. 토션 빔(torsion beam) 장치는 얇은 금속 층을 사용하여 힌지(hinge)라고 하는 토션 빔을 형성하며, 두꺼운 금속 층을 사용하여 전형적으로 미러형의 표면(mirror-like surface)을 가진 강성 부재(rigid member) 또는 강성 빔을 형성함으로써, 변형을 DMD 표면의 비교적 작은 부분에 집중시킨다. 따라서, 강성 미러는 평탄한 상태로 유지되는 반면에 힌지는 변형됨으로써, 그 장치에 의해 산란되는 광량이 최소화되어 그 장치의 콘트라스트비가 향상된다.

히든-힌지(hidden-hinge) 구성의 최근의 초소형 미러 구조에 있어서는, 토션 빔 상측에 미러를 제조하는 것에 의해 콘트라스트 비를 더욱 향상시킨다. 이 상측의 미러는 입사 광이 토션 빔, 토션 빔 지지구조물 및 토션 빔과 미러 지지구조물을 연결하는 강성 요크(yoke)에 충돌하지 못하게 한다. 이들 지지 구조물은 장치 기판 상의 어드레스 전극 및 미러 바이어스/리세트 금속화 층(mirror bias/reset metalization)과 함께 그들에 충돌하는 광을 산란시키는 경향이 있는데, 이 산란된 광은 이미지 스크린에 도달하여 투사된 이미지의 콘트라스트를 감소시킨다. 히든-힌지 초소형 미러 구성은 대부분의 광이 그들 지지 구조물에 도달하지 못하게 하는 것에 의해 이미지의 콘트라스트 비를 향상시킨다.

초소형 미러를 토션 빔 및 그의 지지 구조물 상측에 위치시키기 위해서는 토션 빔과 그 상측의 초소형 미러를 이격시키기 위한 지지 구조물이 필요한데, 전형적으로는, 이를 위해 스페이서비아(spacervia) 또는 지지 기둥을 제작한다. 스페이서비아는 미러가 위에 제조되는 희생 층(sacrificial layer)내의 홀(hole)내로 금속을 침착시켜 형성한 중공의(즉, 속이 빈) 금속관(hollow tube of metal)이다. 이 중공의 스페이서비아의 상부는 개방되어 있으므로, 초소형 미러의 표면 영역이 감소된다. 또한, 스페이서비아의 개방된 상부에는 예리한 에지(sharp edge)가 존재하므로, 입사 광이 회절되어 투사된 이미지의 콘트라스트가 낮아진다.

투사된 이미지의 콘트라스트를 향상시켜야 하는 것 외에도, 초소형 미러 설계자는 또한 미러 리세트의 신뢰성을 향상시켜야 한다. 이 미러 리세트란 초소형 미러가 온(on) 위치 또는 오프(off) 위치로 회전된 후 그 초소형 미러를 중립 위치로 복원시키는 동작을 말한다. 어떤 초소형 미러는 장치 표면 상에 존재하는 수증기 및 금속간 결합에 의해서 발생되는 반 데르 발스 힘(van der Waals force)과 같은 각종 힘으로 인해 랜딩 사이트(landing site)에 고착되는 경향이 있다. 동적 리세트(dynamic reset)라고 하는 기법에서는, 전압 펄스를 사용하여 초소형 미러 및 토션 빔의 동적 응답을 여기시켜 미러가 랜딩 사이트로부터 스프링처럼 튀어 올라 중립 위치로 복원되게 한다.

하지만, 유감스럽게도, 미러의 랜딩 사이트에 대한 고착력의 크기는 상당히다양하다. 간혹 랜딩 사이트에 약하게 고착된 미러는 단일의 리세트 펄스에 의해 랜딩 사이트로부터 해방되나, 강하게 고착된 미러의 경우는 랜딩 사이트로부터의 해방에 충분한 에너지를 얻기까지 수개의 펄스를 필요로 한다. 충분한 에너지를 얻기도 전에 시기 상조적으로 해방된 미러는 수개의 문제점을 초래할 수도 있다. 그들 문제점 중의 하나는, 시기 상조적으로 해방된 미러는 나머지 동적 리세트 기간 중에 다시 랜딩될 수도 있는데, 만일에 시기 상조적으로 해방된 미러가 나머지 동적 리세트 기간 중에 아주 늦게 랜딩되면, 미러가 랜딩 사이트로부터의 두 번째 해방에 충분한 에너지를 리세트 펄스로부터 얻을 수 없게 될 것이라는 것이다. 다른 문제점은, 시기 상조적으로 해방된 초소형 미러는 토션 빔의 축을 중심으로 동요하게 되는 경향이 있을 수도 있는데, 만일에 그 동요하는 미러가 적절하지 않은 어드레스 전극 쪽으로 회전되는 동안에 미러 바이어스 전압이 재차 인가되면, 미러가 그 적절하지 않은 어드레스 전극에 정전기적으로 래칭(latch)되므로 암 화소(dark pixel)가 간헐적으로 점멸되는 현상이 발생된다.

따라서, 본 발명의 목적은 투사된 이미지의 콘트라스트를 향상시킴과 동시에 초소형 미러 리세트 동작의 신뢰성을 향상시킬 수 있는 초소형 미러 장치 및 그의 제조 방법을 제공하고자 하는 것이다.

도 1은 종래 기술에 따른 초소형 미러 어레이의 일 부분에 대한 사시도.

도 2는 도 1에 도시한 초소형 미러 어레이로부터 단일의 초소형 미러 소자를 확대 도시한 사시도.

도 3은 본 발명의 일 실시예에 따른 스프링 링의 일 부분에 대한 사시도.

도 4는 도 3에 도시한 초소형 미러 어레이로부터 단일의 초소형 미러 소자를 확대 도시한 사시도.

도 5는 도 4에 도시한 단일 초소형 미러 소자의 측면도로서, 미러 바이어스/리세트 금속화 층과의 접촉 전에 초소형 미러 소자의 강성 편향가능 부재의 회전이 스프링 링에 의해서 정지되는 것을 도시한 도면.

도 6은 도 4에 도시한 단일 초소형 미러 소자의 측면도로서, 미러와 미러 바이어스/리세트 금속화 층 간의 접촉에 의해서 회전이 정지되기 전에 강성 편향가능 부재의 회전에 의한 스프링 링의 변형을 도시한 도면.

도 7은 도 4에 도시한 단일 초소형 미러 소자의 측면도로서, 토션 빔 요크와 미러 바이어스/리세트 금속화 층 간의 접촉에 의해서 회전이 정지되기 전에 강성 편향가능 부재의 회전에 의한 스프링 링의 변형을 도시한 도면.

도 8은 토션 빔 캡 상에 제조된 두꺼운 스프링 연장부를 가진 단일 초소형소자를 확대 도시한 사시도.

도 9는 토션 빔 캡 상에 제조된 얇은 스프링 연장부를 가진 단일 초소형 소자를 확대 도시한 사시도.

도 10은 얇은 중간부와 두꺼운 단부를 가진 얇은 스프링 연장부를 가진 단일 초소형 소자를 확대 도시한 사시도.

도 11은 트위스트 링 스프링 구조를 가진 단일 초소형 소자를 확대 도시한 사시도.

도 12는 어드레스 전극과 미러 바이어스/리세트 금속화 층 상의 반사방지 코팅에 대한 단면도.

도 13은 도 3의 스프링 링 초소형 미러 어레이의 토션 빔 지지 스페이서비아, 토션 빔, 토션 빔 요크 및 스프링 링을 제조하는데 사용되는 스페이서, 금속 및 산화물 층의 단면도.

도 14는 도 4의 부분 완성된 스프링 링 초소형 미러 장치의 평면도로서, 토션 빔 에칭 스톱과, 토션 빔 요크 에칭 스톱과, 토션 빔 스페이서비아 캡 및 스프링 링의 형성에 사용되는 에칭 스톱의 위치를 도시한 도면.

도 15는 도 8의 부분 완성된 두꺼운 캡 연장부 스프링 초소형 미러 장치에 대한 평면도로서, 토션 빔 에칭 스톱과, 토션 빔 요크 에칭 스톱과, 토션 빔 스페이서비아 캡 및 두꺼운 스프링 캡 연장부의 형성에 사용되는 에칭 스톱의 위치를 도시하는 도면.

도 16은 도 9의 부분 완성된 얇은 토션 빔 캡 연장부 스프링 초소형 미러 장치에 대한 평면도로서, 토션 빔 에칭 스톱과, 토션 빔 요크 에칭 스톱과, 토션 빔 스페이서비아 캡 에칭 스톱과, 스프링 캡 연장부 에칭 스톱의 위치를 도시하는 도면.

도 17은 도 10의 부분 완성된 토션 빔 캡 연장부 스프링 초소형 미러 장치에 대한 평면도로서, 토션 빔 에칭 스톱과, 토션 빔 요크 에칭 스톱과, 토션 빔 스페이서비아 캡 에칭 스톱과, 스프링 캡 연장부 에칭 스톱의 위치를 도시한 도면.

도 18은 도 11의 부분 완성된 트위스트 링 초소형 미러 장치에 대한 평면도로서, 토션 빔 에칭 스톱과, 토션 빔 요크 에칭 스톱과, 토션 빔 스페이서비아 캡 에칭 스톱과, 트위스트 링 에칭 스톱의 위치를 도시한 도면.

도 19는 도 13의 금속 층들에 대한 단면도로서, 그들 금속 층을 패터닝하고 산화물 및 스페이서 층들을 제거한 후의 상태를 도시한 도면.

도 20은 도 3의 초소형 미러 어레이와 유사하나 미러 어드레싱을 가능케 하는 미러 바이어스/리세트 금속화 층을 가진 단일 초소형 미러 소자의 확대 사시도.

도 21은 본 발명의 일 실시예에 따라 개량된 초소형 미러 장치를 사용하는 초소형 미러 기반 투사 시스템의 개략도.

<도면의 주요 부분에 대한 부호의 설명>

104, 1104 : 기판

116 : 토션 빔 지지 스페이서비아

300 : 스프링 링 디지털 초소형 미러 장치(DMD)

302, 1602 : 미러

310 : 어드레스 전극

312, 612, 712 : 미러 바이어스/리세트 금속화 층

314 : 토션 빔 요크

320 : 토션 빔 힌지

322, 922 : 토션 빔 캡

326 : 미러 지지 스페이서비아

328 : 스프링 링

330 : 너브

332 : 링 구조

334 : 얇은 부분

832 : 요크 연장부

834, 934 : 토션 빔 캡 연장부

922 : 토션 빔 캡

936 : 에지

938 : 얇은 중간부

940 : 두꺼운 단부

1002 : 반사방지 코팅

1102 : 스페이서 층

1106 : 얇은 금속 층

1108, 1112 : 산화물 층

1110, 1208 : 두꺼운 금속 층

1202, 1204, 1206, 1208, 1210, 1212, 1214, 1216, 1222, 1306 : 에칭 스톱

1600 : 이미지 투사 시스템

1604 : 광원

1606 : 렌즈

1608 : 광 트랩

1610 : 투사 렌즈

1612 : 이미지 평면 또는 스크린

1614 : 제어기

본 발명의 상기 및 기타 다른 목적 및 장점은 도면을 참조한 다음의 설명으로부터 자명해 질 것이며, 그들은 스프링에 기반을 둔 복원 구조 및 그의 제조 방법을 포함하는 초소형 기계 시스템 및 방법을 제조하는 본 발명에 의해서 달성될 것이다.

본 발명의 일 실시예에 따른 초소형 기계 장치는 기판과, 이 기판 위에 현수된 강성의 편향가능 부재와, 기판 위에 지지되며 강성 편향가능 부재로부터 이격된 적어도 하나의 스프링을 구비하며, 이 스프링은 강성 편향 부재와 상기 스프링이 접촉하는 경우에 강성 편향가능 부재의 편향에 저항하는 동작을 수행한다.

본 발명의 다른 실시예에 따른 초소형 기계 장치 제조 방법은 기판 상에 적어도 하나의 지지 구조물을 제조하는 단계와, 기판으로부터 이격되고 지지 구조물들 중의 적어도 하나에 의해서 현수된 적어도 하나의 스프링을 제조하는 단계와, 기판 및 스프링으로부터 이격되고 지지 구조물들 중의 적어도 하나에 의해서 현수된 편향가능 부재를 제조하는 단계를 포함하며, 편향가능 부재는 스프링과의 접촉 상태로 이동할 수 있으며 스프링은 편향가능 부재의 더 이상의 이동에 저항하는 동작을 수행할 수 있다.

본 발명의 또다른 실시예에 따른 디스플레이 시스템은 광로를 따라 광 비임을 제공할 수 있는 광원과, 광로 상의 초소형 미러 장치와, 이 초소형 미러 장치에 전기적으로 접속된 제어기와, 투사 광로 내에 위치하는 투사 광학계를 구비하며, 초소형 미러 장치는 초소형 미러 소자들의 어레이로 구성되고, 제각기의 초소형 미러 소자는 기판과, 기판에 의해 지지된 스프링과, 기판에 의해 지지되고 스프링으로부터 이격된 편향가능 부재로 구성되며, 강성의 편향가능 부재는 전형적으로 광로 내에 배치된 미러로서 스프링 쪽으로 편향될 수 있고, 이 스프링은 강성 편향가능 부재의 편향에 저항하며, 제어기는 전기적 신호를 초소형 미러 장치에 인가하여 강성 편향가능 부재를 선택적으로 편향시키고, 그 선택적으로 편향된 강성 편향가능 부재는 투사 광로를 따라 광을 선택적으로 반사시키며, 투사 광학계는 초소형 미러 장치에 의해 반사된 광을 이미지 평면 상에 집속시킬 수 있다.

이제, 본 발명 및 그의 장점에 대한 더욱 완전한 이해를 위해, 도면을 참조한 다음의 설명을 참조한다.

본 발명의 초소형 미러 장치에 의하면, 투사된 이미지의 콘트라스트비가 향상됨과 동시에 미러 리세트 동작의 신뢰성이 향상되는데, 이는 초소형 미러와 그 하측의 기판 사이에 설치된 스프링에 의해 이루어진다. 스프링은 금속인 것이 바람직하지만, 편향가능 부재와의 접촉 시에 또한 편향부재에 의한 변형 시에 에너지를 저장할 수 있는 탄성 부재를 이용할 수도 있다. 스프링은 편향가능 부재와 스프링간의 접촉(이 접촉은 중간 부재를 통해 이루어 질 수도 있음)시에 편향가능 부재의 운동에 저항한다.

종래 기술에 따른 전형적인 히든-힌지 DMD(100)는 DMD 셀 또는 소자들의 직교 어레이로서, 이 어레이는 수천개의 행 DMD 소자 및 열 DMD 소자를 구비하기도 한다. 도 1은 종래 기술에 따른 DMD 어레이의 일 부분을 도시한 것으로서, 여기서는 수개의 미러(102)를 제거하여 그 밑에 있는 DMD 어레이의 기계적 구조를 보여주고 있다. 도 2는 DMD 구조들 간의 관계를 더욱 상세히 보여 주기 위해 종래 기술에 따른 단일 DMD 소자를 확대 도시한 것이다.

DMD는 반도체 전형적으로는 실리콘 기판(104) 상에 제공된다. 전기적 제어회로는 전형적으로 표준 집적회로 제조 공정에 의해 반도체 기판(104)의 표면 내에 또는 그 위에 제공된다. 이 제어 회로는 전형적으로 각각의 미러(102)와 연관된 또한 전형적으로 각 미러(102)의 하측에 있는 메모리 셀과 이 메모리 셀로의 디지털 데이터 전송을 제어하기 위한 디지털 로직 회로를 포함한다. 하지만, 이들에 제한되지는 않는다. DMD 구조 상에는 또한 미러 상부 구조에 대한 바이어스 및 리세트 신호를 구동시키는 분압 회로가 제공되는데, 이 분압 회로는 DMD의 외부에 제공될 수도 있다. 어떤 구성의 기판(104)내에는 또한 이미지 처리 및 포맷팅 로직이 형성된다. 설명 목적상, 어드레싱 회로는 DMD 미러의 회전 방향을 제어하는데 사용되는 어떤 회로 예를 들어 직접적인 전압 전달 수단 및 공유 메모리 셀을 포함하는 것으로 하겠다.

어떤 DMD 구성에서는 수개의 DMD 소자가 하나의 메모리 셀을 공유할 수 있게 하는 분할 리세트 구성을 사용하는데, 이 분할 리세트는 매우 큰 어레이의 동작에 필요한 메모리 셀의 수를 감소시켜 DMD 집적 회로 상에 분압기 및 이미지 처리 회로를 위해 이용될 수 있는 공간을 더 많이 제공한다. 분할 리세트는 DMD의 쌍안정 동작에 의해서 인에이블링되어, 하부 메모리의 내용이 미러(102)에 대한 바이어스 전압의 인가시 미러의 위치에 영향을 미치지 않고서도 변경될 수 있게 한다.

실리콘 기판(104) 및 어떤 필요한 금속 연결 층은 절연 층(106)에 의해 DMD 상부 구조로부터 절연되는데, 절연 층(106)은 전형적으로 침착된 실리콘 이산화물 층으로서 이 층 위에는 DMD 상부 구조가 형성된다. 실리콘 이산화물 층 내에는 홀 또는 비아(hole or via)가 형성되어, DMD 상부 구조가 기판(104)내에 형성된 전기회로와 전기적으로 접속될 수 있게 한다.

DMD 구조의 제 1 층은 금속화 층으로서, 이 금속화 층은 전형적으로 제 3 금속화 층이므로 간혹 M3라고 한다. 제 1 및 2의 두 금속화 층은 기판 상에 제공되는 회로들을 상호 연결하기 위해 필요하다. 제 3 금속화 층은 절연 층 상에 침착되며, 패터닝에 의해 어드레스 전극(110) 및 미러 바이어스/리세트 접속 수단(112)을 형성하게 된다. 어떤 초소형 미러 구성은 상호 분리된 랜딩 전극들과 미러 바이어스 접속 수단(112)에 전기적으로 연결된 다른 구조를 갖는다. 설명 목적상, 랜딩 전극과 같은 랜딩 구조를 장치 기판의 일부로 생각하겠다. 따라서, 편향가능 구조와 기판상의 랜딩 사이트 간의 접촉을 편향 구조와 기판 간의 접촉으로 생각한다. 랜딩 전극은 미러(102)의 회전을 제한하여 회전된 미러(102) 또는 힌지 요크(114)가 미러(102)에 대해 상대적인 전압 전위를 가진 어드레스 전극(110)에 접촉하지 못하도록 한다. 미러(102)가 어드레스 전극(110)과 접촉하면, 그 결과의 단락 회로에 의해 토션 빔 힌지(120)가 용융될 수도 있고 또는 미러(102)가 어드레스 전극(110)에 녹아 붙을 수도 있어, 그 어떤 경우에서도 DMD가 무용지물화된다.

랜딩 구조 및 미러(102)에는 항상 동일한 전압이 인가되므로, 미러 바이어스 접속 수단 및 랜딩 전극은 가능하다면 단일 구조로 조합시키는 것이 바람직하다. 랜딩 전극과 미러 바이어스 접속 수단(112) 간의 조합은 미러(102) 또는 힌지 요크(114)와의 접촉에 의해 미러(102)의 회전을 기계적으로 제한하기 위한 영역들을 미러 바이어스 접속 수단 또는 랜딩 사이트라고 하는 기판의 다른 영역 상에 제공함으로써 얻을 수 있다. 간혹, 랜딩 사이트는 미러(102) 및 토션 빔 힌지요크(114)가 랜딩 사이트에 고착되는 경향을 감소시키도록 선택한 재료로 코팅하기도 한다.

미러 바이어스/리세트 전압의 미러(102)로의 전달은 미러 바이어스/리세트 금속화 층(112)과 미러 및 인접 미러 소자들의 토션 빔을 이용하는 경로들의 조합을 통해서 이루어진다. 분할 리세트 구성에서는 미러들의 어레이를 제각기 독립적인 미러 바이어스 접속 수단을 가진 다수의 서브 어레이로 분할해야 한다. 도 1에 도시한 랜딩 전극/미러 바이어스(112) 구성은 분할 리세트 응용에 이상적으로 적합한데, 이는 단순히 미러 바이어스/리세트 층으로 서브어레이들을 상호 절연시키는 것에 의해 DMD 소자들을 전기적으로 절연된 행들 또는 열들로 용이하게 분리시킬 수 있기 때문이다. 도 1의 미러 바이어스/리세트 금속화 층(112)은 상호 절연된 미러들의 행들로 분할된다.

전형적으로 스페이서비아라고 하는 제 1 층의 지지 부재들은 어드레스 전극(110) 및 미러 바이어스 접속 수단(112)을 형성하는 금속 층 상에 제공된다. 이들 스페이서비아는 토션 빔 지지 스페이서비아(116) 및 상부 어드레스 전극 스페이서비아(118)를 포함하는 것으로서, 이들 스페이서비아는 전형적으로 얇은 스페이서 층을 어드레스 전극(110) 및 미러 비아 접속 수단(112) 위에 회전 침착시키는 것에 의해 형성된다. 이 얇은 스페이서 층은 전형적으로 1㎛ 두께의 포지티브 포토레지스트 층이다. 이 포토레지스트 층을 침착시킨 후에는, 그 층을 노출 및 패터닝시킨 다음에 높은 UV로 경화시켜 홀을 형성한다. 이 홀 내에는 차후 스페이서비아가 형성될 것이다. 상기한 얇은 스페이서 층 및 차후 제조 공정에서 사용되는두꺼운 스페이서 층은 희생 층이라고 하는데, 그 이유는 그들 층은 제조 공정 중에 주형으로서만 사용되고 장치 동작 전에 제거되기 때문이다.

스페이서 층 상에 또한 홀 내에는 얇은 금속 층이 스퍼터링된다. 그 다음, 이 얇은 금속 층 상에는 산화물이 침착되며, 이 침착된 산화물은 패터닝되어 차후 힌지(120)를 형성할 영역 위에 에칭 마스크를 형성하게 된다. 다음, 얇은 금속 층 및 산화물 에칭 마스크 위에는 전형적으로 알루미늄 합금의 두꺼운 금속 층이 스퍼터링된다. 다음, 다른 산화물 층이 침착되고 패터닝되어 힌지 요크(114), 힌지 캡(122) 및 상부 어드레스 전극(124)을 규정하게 된다. 이 제 2 산화물 층의 패터닝 후에는, 두 개의 금속 층이 동시에 에칭되며 산화물 에칭 스톱(etch stop)이 제거되어 두 금속 층에 의해 형성되는 두꺼운 강성 힌지 요크(114), 힌지 캡(122) 및 상부 어드레스 전극(124)과 얇은 토션 빔 금속 층만에 의해서 형성되는 얇은 가요성의 토션 빔(120)이 남게 된다.

다음, 두꺼운 금속 층 위에는 두꺼운 스페이서 층이 침착되고 패터닝되어 내부에 미러 지지 스페이서비아(126)가 형성될 홀을 규정하게 된다. 두꺼운 스페이서 층은 전형적으로 2㎛의 두꺼운 포지티브 포토레지스트 층이다. 두꺼운 스페이서 층의 표면 상에 또한 두꺼운 스페이서 층 내의 홀 내에는 전형적으로 알루미늄 합금의 미러 금속 층이 스퍼터링된다. 다음, 이 금속 층은 패터닝되어 미러(102)를 형성하게 된다. 미러(102)의 형성 후에는, 두 스페이서 층이 플라즈마 에칭에 의해 제거된다.

일단 두 스페이서 층이 제거된 제거되면, 미러는 토션 빔 힌지(120)에 의해형성되는 축을 중심으로 자유롭게 회전할 수 있게 된다. 에어 갭 캐패시터(air gap capacitor)의 두 극판을 형성하는 어드레스 전극(110)과 편향가능 강성 부재간의 정전기적 인력은 미러 구조의 회전을 위해 사용된다. 초소형 미러 장치의 구성에 따라, 편향가능 강성 부재는 토션 빔 요크(114), 빔 또는 미러(102), 토션 빔에 직접 부착된 빔 또는 이들의 조합으로 된다. 상부 어드레스 전극(124)은 또한 편향가능 강성 부재를 정전기적으로 끌어당긴다.

전압 전위에 의해서 생성되는 힘은 두 극판간 거리의 역수의 함수이다. 강성 부재가 정전기 토크로 인해 회전하는 때, 토션 빔 힌지(120)는 변형되어 대략 토션 빔(120)의 각도 편향의 선형 함수인 복원 토크로 그 회전에 저항한다. 이 구조의 회전은 복원 토션 빔 토크가 정전기 토크와 동일하게 될 때까지 또는 회전이 그 회전하는 구조와 기판 간의 접촉에 의해서 기계적으로 차단될 때까지 계속된다. 여기서, 기판에는 랜딩 사이트 또는 랜딩 전극이 포함된다. 후술하는 바와 같이, 대부분의 초소형 미러 장치는 디지털 모드로 동작한다. 이 디지털 동작 모드에서는, 초소형 미러 상부 구조를 완전히 편향시킬 수 있을 정도의 충분한 큰 바이어스 전압이 사용된다.

초소형 미러 장치는 일반적으로 두 동작 모드 중의 한 모드로 동작된다. 제 1 동작 모드는 종종 빔 조절(beam steering)이라고 불리는 아날로그 모드로서, 이 아날로그 모드에서는 어드레스 전극이 원하는 정도의 미러 편향에 대응하는 전압으로 충전된다. 초소형 미러 장치의 충돌하는 광은 미러 편향에 의해서 결정되는 각도로 미러에 의해 반사된다. 어드레스 전극에 인가되는 전압에 따라, 개별 미러에의해서 반사되는 광은 투사 렌즈의 개구 바깥쪽으로 배향되거나 부분적으로 그 개구 내로 배향되거나 완전히 그 개구 내로 배향된다. 반사된 광은 투사 렌즈에 의해서 이미지 평면 상으로 집속된다. 각각의 개별 미러는 이미지 평면 상의 특정 위치에 대응한다. 반사된 광이 완전히 투사 렌즈 내로 배향되는 상태로부터 완전히 그 개구 바깥쪽으로 배향되는 상태로 이동되는 경우, 미러에 대응하는 이미지 위치는 흐려져 연속적인 휘도 레벨을 생성하게 된다.

제 2 동작 모드는 디지털 모드로서, 각각의 초소형 미러는 디지털적으로 동작할 때 토션 빔 축을 중심으로 두 방향 중의 어떤 방향으로 완전히 편향된다. 디지털 동작에서는, 미러의 완전한 편향을 위해 비교적 큰 전압이 사용된다. 어드레스 전극에는 표준 로직 전압 레벨이 인가되지만, 미러 금속 층에는 전형적으로 +24V의 큰 바이어스 전압이 인가된다. 충분히 큰 미러 바이어스 전압 즉 장치 파괴 전압이라고 하는 것보다 큰 전압은 어드레스 전압이 없는 경우에도 미러가 가장 가까운 랜딩 전극으로 편향되게 한다. 따라서, 큰 미러 바이어스 전압을 사용하면, 어드레스 전압은 미러를 약간 편향시킬 수 있을 정도로 크게 하는 것만으로 족하다.

초소형 미러 장치에 의한 이미지 생성을 위해, 광원은 회전 각도의 두배와 동일한 각도로 배치됨으로써, 광원 쪽으로 회전된 미러는 광을 초소형 미러 장치의 표면에 수직한 방향으로 또한 투사 렌즈의 개구 내로 반사시켜 이미지 평면 상에 휘도 화소를 생성한다. 광원으로부터 멀어지는 쪽으로 회전된 미러는 광을 투사 렌즈로부터 멀어지는 쪽으로 반사시켜 대응하는 화소를 어두운 상태로 남게 한다. 중간 휘도 레벨은 미러를 급속히 온/오프 상태로 회전시키는 펄스 폭 변조에 의해서 생성된다. 미러의 듀티 사이클은 이미지 평면에 도달하는 광량을 결정한다. 인간의 눈은 광 펄스들을 통합하며 인간의 뇌는 점멸이 없는 중간 휘도 레벨을 인지한다.

전색 이미지는 3개의 초소형 미러를 사용하여 3개의 단색 이미지를 생성하는 것에 의해 또는 회전하는 컬러 휠(a rotating color wheel)상에 장착된 3개의 컬러 필터를 통과하는 광 비임이 조명하는 단일 초소형 미러 장치를 사용하여 3개의 단색 이미지를 순차적으로 형성하는 것에 의해 발생된다.

도 3 및 4는 최근에 개발된 스프링 링 구조에 따른 히든-힌지 초소형 미러를 도시한 것이다. 본 명세서에서는 본 발명을 주로 초소형 미러 장치에 관해 설명하고 있으나, 본 발명의 개념은 다른 형태의 초소형 기계 장치에 적용될 수 있다.

도 3 및 4에 도시한 바와 같이, 링 형상의 스프링(328)은 토션 빔 요크(314) 둘레에서 연장하는 토션 빔 요크 레벨로 제공된다. 스프링 링(328)은 그의 외주연에 너브(nub)(330)를 갖는다. 편향시, 미러(302)의 저부는 너브(330)와 접촉하여 스프링 링(328)을 하방으로 압압한다. 미러(302)가 스프링 링(328)을 하방으로 압압함에 따라, 스프링 링(328)은 미러(302)를 상방으로 압압하는 복원력을 생성한다.

충분히 큰 미러 바이어스 전압스프링 링(328)은 미러(302)에 의한 편향시에 에너지를 저장하며 그 저장된 에너지를 미러(302)가 비편향 상태로 복원되는 때에 방출한다. 미러(302)를 편향시키는 정전기력이 제거되거나 충분히 감소되면, 그저장된 전위 에너지는 스프링 링(328)을 비편향 상태로 다시 스냅핑하여(snap), 미러(302)를 그의 중립 위치로 다시 복원시킨다. 스프링 링(328)의 힘은 미러(302) 또는 요크(114)와 스프링 링(328) 또는 미러 바이어스/리세트 금속화 층(112)간의 고착 상태를 해소시키거나 적어도 해소시키는데 도움을 주어 미러(302)를 자유롭게 해서 토션 빔 힌지(320)가 미러(302)를 중립 위치로 복원시킬 수 있게 한다. 미러가 그의 중립 위치를 거쳐 대향 어드레스 전극 쪽으로 구동되게 하는 것에 의해 미러의 위치 변경을 행하는 동적 리세트와 조합되어, 스프링 링(328)은 어레이의 모든 미러(302)를 신뢰성 있게 리세트시킴으로써, 화소의 고착 또는 시기 상조적 해방으로 인한 시각적 결함이 제거된다.

본 발명의 양호한 실시예에 따르면, 스프링 링(328)의 편향에 의해 생기는 복원력은 미러(302) 또는 요크(314)가 기판(104) 표면상의 어드레스 전극(310) 또는 미러 바이어스/리세트 금속화 층(312)과 접촉하기 전에 미러(302)의 회전을 중단시킬 수 있을 정도로 충분하다. 도 5는 본 발명에 따른 편향된 히든-힌지 초소형 미러 소자의 측면도로서 편향된 스프링 링(328)과 미러(302)간의 관계를 도시한 것이다. 도 5에서, 스프링 링(328)의 편향에 의해서 생기는 복원력은 미러(302)가 기판(104) 표면상의 어드레스 전극(310) 또는 미러 바이어스/리세트 금속화 층(312)과 접촉하기 전에 미러(302)의 회전을 중단시킬 수 있을 정도로 충분하다.

본 발명의 다른 양호한 실시예에 따르면, 스프링 링(328)의 편향에 의해 생기는 복원력은 미러(302) 또는 요크(314)가 기판(104) 표면상의 어드레스 전극(310) 또는 미러 바이어스/리세트 금속화 층(312)과 접촉하기 전에 미러(302)의 편향을 중단시키기에는 불충분하다. 도 6 및 7은 본 발명에 따른 편향된 히든-힌지 초소형 미러 소자의 단면도로서 편향된 스프링 링(328)과 미러(302)간의 관계를 도시한 것이다.

도 6에 있어서, 스프링 링(328)의 편향에 의해 생기는 복원력은 미러(302)가 미러 바이어스/리세트 금속화 층(612)과 접촉하기 전에 미러(302)의 회전을 중단시키기에는 불충분하다. 미러 바이어스/리세트 금속화 층(612)과의 접촉에 의해 미러(302)의 회전이 중단되기는 하나, 스프링 링(328)은 여전히 미러(302)와 스프링 링(328) 및 미러 바이어스/리세트 금속화 층(612)간의 고착 상태를 파괴하기에는 불충분한 복원력을 제공한다.

도 7에 있어서, 스프링 링(328)의 편향에 의해 생기는 복원력은 토션 빔 요크(314)가 미러 바이어스/리세트 금속화 층(712)과 접촉하기 전에 미러의 회전을 중단시키기에는 불충분하다. 도 6에서와 같이, 미러 바이어스/리세트 금속화 층(612)과의 접촉에 의해 미러(302)의 회전이 중단되기는 하나, 스프링 링(328)은 여전히 미러(302)와 스프링 링(328) 및 미러 바이어스/리세트 금속화 층(612)간의 고착 상태를 파괴하기에는 불충분한 복원력을 제공한다.

본 발명은, 토션 빔 요크의 일부로서 제조된 스프링 연장부를 포함하는 종래의 장치와는 달리, 편향가능 부재에 견고하게 부착되지 않은 스프링을 개시한다. 본 명세서에서 개시하고 있는 구조는 기판과 강성 편향 부재의 일부분 사이에 있는 중간 층의 일부로서 제조된 스프링 구조를 바람직하게 갖는다.

이전의 설명은 스프링 링으로서 알려진 새로운 구조에 초점을 두었으나, 이스프링 링 구조는 분리된 편향가능 소자의 운동을 금지하도록 동작할 수 있는 스프링 부재를 가진 초소형 기계 장치의 일 예에 불과하다. 다른 많은 구조에서도 분리된 편향가능 소자의 운동을 중단시키기 위해 스프링을 사용한다.

도 8, 9, 10 및 11에 또다른 스프링 구조의 예들을 도시한다. 도 3 및 4의 스프링 링 구조와 같이, 이들 구조도 미러에 대한 토션 빔 힌지의 저항을 보조하여 미러(302)를 비편향 위치로 복원시킬 수 있는 에너지 저장 부재를 제공한다. 도 8 및 9에 도시한 두 개의 다른 스프링 구조는 토션 빔 지지 기둥으로부터 캔틸레버된 리프 스프링(leaf spring) 또는 스프링 연장부재를 이용한다. 제 3의 다른 스프링 구조는 적어도 하나의 얇은 토션 빔 섹션을 가진 링 형상 구조를 사용하는데, 얇은 토션 빔 섹션은 링 형상 구조와 편향가능 부재 간의 접촉 시에 트위스트 동작을 할 수 있다.

도 8은 토션 빔 캡(322)으로부터 연장하는 연장부(834)를 도시한다. 두꺼운 연장부(834)는 토션 빔 요크(314)와 토션 빔 캡(322)을 형성하는데 사용되는 얇은 금속 토션 빔 층과 두꺼운 금속 층으로 구성된다. 두꺼운 연장부(834)는 회전 미러(302)와의 접촉 시에 변형되며, 편향가능 강성 부재와 어드레스 전극(110) 간의 정전기적 인력이 제거되는 때에 비편향 위치 쪽으로 복원된다.

도 9는 토션 빔 캡(322)으로부터 연장하는 연장부(934)를 도시한다. 두꺼운 연장부(934)는 얇은 토션 빔 금속 층으로 구성되어 회전 미러(302)와의 접촉 시에 변형된다. 이러한 변형에 의해 연장부(934)에 에너지가 저장되며, 이러한 에너지는 편향가능 강성 부재와 어드레스 전극(110) 간의 정전기적 인력이 제거되는 때에미러(302)가 비편향 위치 쪽으로 튀어 오르게 하는데 사용된다.

토션 빔 캡(922)으로부터 연장하는 얇은 가요성 연장부(934)를 사용하는 경우에 있어서의 한가지 어려움은 미러(302)의 저면과의 접촉을 피하는 것이다. 연장부(934)는 얇기 때문에, 미러(302)를 비편향 위치로 복원시키는데 필요한 강도를 유지하기 위해서는 비교적 짧아야 한다. 그러나, 가요성 연장부가 짧으면, 그 연장부가 미러(302)의 저면과 두꺼운 토션 빔 캡(922)의 에지(936)가 접촉될 수 있게 상태로 변형되는 경우가 있다. 미러(302)의 저면과 두꺼운 토션 빔 캡(922)의 에지(936)가 접촉되는 것을 회피하기 위해, 도 10에 도시한 실시예에서는 두꺼운 단부(940)와 얇은 중간부(938)를 가진 스프링 연장부를 제공한다. 편향시, 미러(302)의 저면은 두꺼운 단부와 접촉하여 미러(302)와 스프링 연장부간의 접촉을 최소화시키는 한편 얇은 중간부(938)는 변형된다.

얇은 가요성 연장부를 사용해서 고화질의 이미지를 생성하는데 필요한 일정한 미러 회전을 제공하는 것은 어렵다. 상술한 바와 같이, 화소의 휘도는 디스플레이 렌즈의 개구 내로 들어가는 미러에 의한 반사 광량에 좌우된다. 따라서, 미러의 회전이 과도하거나 불충분하여 반사된 광의 일부가 개구 바깥쪽에 있게 되면, 모든 화소의 휘도가 동일하지 않게 되어 디스플레이 품질이 저하된다. 이러한 문제는 미러가 토션 빔 축을 중심으로 트위스트하는 대신에 토션 빔 축을 따라 트위스트하는 경우에도 마찬가지로 발생한다. 따라서, 각 어레이내의 각 미러는 장치의 수명 동안 미러의 회전시마다 동일한 크기만큼 정확하게 회전해야 한다.

얇은 토션 빔 캡 연장부(934)의 제조는 용이하나, 일정한 미러 편향을 제공하는 얇은 토션 빔 캡 연장부(934)를 제조하는 것은 매우 어렵다. 토션 빔 캡 연장부(934)의 강도는 대략 두께 대 길이 비의 3 제곱과 근사하다. 토션 빔을 형성하는 금속 층은 공칭적으로 600Å의 두께를 갖는 반면에, 토션 빔 요크 및 캡을 형성하는 두꺼운 금속 층은 공칭적으로 4000Å의 두께를 가진다. 토션 빔 힌지(320) 및 토션 빔 캡 연장부(934)를 형성하는데 사용되는 금속 층은 토션 빔 캡 연장부(934)의 길이에 비해 얇기 때문에, 생산 제조 공정 중에 전형적으로 발생하는 두께 변동은 캡 연장부(934)의 강도가 크게 달라지게 할 수 있다. 강성 편향가능 구조가 미러 바이어스/리세트 금속화 층에 의해서 정지되지 않는 실시예에서, 캡 연장부(934)의 커다란 강도 변동은 편향가능 구조가 회전되는 범위를 상당히 변화시킬 수 있게 된다. 상술한 바와 같이, 이러한 미러 회전 변동은 초소형 미러 장치가 생성하는 이미지를 상당히 저하시키게 된다.

스프링이 두꺼워질수록 두께 변동에 따른 스프링 강도에 대한 영향은 작아진다. 따라서, 도 8에 도시한 두꺼운 토션 빔 캡 연장부(834)는 도 9에 도시한 얇은 토션 빔 캡 연장부(934)보다 소정 범위의 금속 두께 변동에 대해 일정한 강도를 제공한다. 도 8에 도시한 짧은 길이의 두꺼운 토션 빔 캡 연장부(834)는 일정한 강도를 제공하기는 하나 너무 두꺼워서 미러(302)를 비편향 위치로 복원시키는데 필요한 탄성 스프링을 제공하지 못하는 경우도 있다.

스프링 링 DMD(300) 구성은 안정적인 미러 편향을 제공하는 한편 미러(302)를 비편향 위치로 복원시키는데 필요한 탄성력을 제공한다. 스프링 링은 얇은 토션 빔 금속 층 및 두꺼운 토션 빔 캡 금속 층으로 형성되므로, 제조 두께 변동은그의 공칭 두께에 비해 크지 않아 스프링 강도에 대해 영향을 미치지 않는다. 또한, 그 스프링 링의 길이에 의해 강도가 감소되므로, 그 스프링은 미러를 비편향 위치로 구동시킬 수 있을 정도의 충분한 에너지를 저장하도록 휘어질 수 있게 된다.

두꺼운 토션 빔 캡 연장부(834)에 비해서 스프링 링(328)의 컴플라이언스(compliance)가 증가되는데, 이는 스프링 링(328)의 길이가 증가되기 때문이다. 스프링 링(328)의 형상에 의해서도 길다란 두꺼운 토션 빔 캡 연장부에 대해 바람직한 부가적인 특징들이 제공된다. 첫째, 스프링 링(328)은 각각의 토션 빔 캡(322)으로부터 연장하는 연장부와 연결되므로, 분리된 각 연장부의 컴플라이언스의 작은 차이로 인해서는 토션 빔 축에 수직한 축에 대해 미러(302)가 경사지지 않을 것이다. 둘째, 스프링 링(328)의 가장 외측에 너브(330)를 제공함으로써, 스프링 링(328)과 미러(302)간의 접촉점이 최소화되고 제어된다.

하나의 너브(330)를 도시했으나, 희생 스페이서 층을 제거하는 현재 미러 언더컷 프로세스(mirror undercut process)에서의 결함 때문에, 두 개의 근접 이격된 너브 또는 단일의 노치형 너브(notched nub)를 사용하는 것이 유리하다. 언더컷 프로세스는 초소형 미러 소자의 대각 중심선들을 따라 스페이서 재료의 아주 작은 불규칙한 리지(ridge)들을 남기는 경향이 있는데, 이 리지는 토션 힌지, 힌지 캡 및 힌지 요크의 상면 및 하면 상에 또한 미러의 하면 상에 존재한다.

리지는 단지 약 1.2㎛의 두께를 가지나, 이 작은 두께는 1° 정도의 큰 편향된 미러의 회전을 감소시키기에는 충분한 것이다. 리지는 어떤 미러들의 회전을감소시키므로, 불충분하게 회전된 미러에 의해 반사되는 광은 투사 렌즈의 개구 내에 완전하게 들어가지 않게 되어, 그 불충분하게 회전된 미러에 대응하는 화소의 휘도가 감소한다. 0.5°의 작은 불충분한 회전은 인지될 수 있고, 1°의 불충분한 회전은 투사된 영상의 반점으로서 확실히 눈에 보이게 된다. 잔여 스페이서 재료의 리지에 의해서 초래되는 이미지 화질 저하를 회피하기 위해, 너브(330)를 노치형으로 제공하여 리지와의 접촉을 피하거나 또는 리지의 양변에 하나씩 두 개의 너브를 사용한다.

도 11은 스프링 기반 복원 구조(spring based return structure)를 가진 초소형 기계 장치의 다른 실시예를 상세히 도시한 것이다. 도 11에서, 링 구조(332)의 양변에는 두꺼운 너브(330)의 양쪽에 하나씩 두 개의 얇은 부분(334)이 제공된다. 도 3 및 4의 전체 링 구조(328)는 미러(302) 저면과의 접촉 시에 변형되도록 구성되나, 도 11의 링 구조(332)는 그의 얇은 부분(334)만이 너브(330)의 편향이 가능하게 되도록 트위스트하는 것에 의해 변형된다.

전술한 모든 장치들에서는, 스프링이 토션 빔 지지 스페이서비아(116)에 부착되어 미러(302) 바로 밑에서 연장한다. 이들 실시예에서는 스프링 및 지지 구조가 미러(302) 밑에 제공되어 화질을 저하시키는 반사를 일으키지 않기 때문에 초소형 기계 장치를 사용하여 이미지를 형성하는 응용에는 바람직할 것이나, 다른 응용에서는 스프링 및 지지 구조를 입사 광에 노출되지 않도록 숨길 필요가 없다. 이들 다른 응용에 있어서는, 스프링을 편향가능 소자 위에 제공하여 편향가능 소자가 스프링의 하면과 접촉하도록 할 수 있다. 또한, 스프링 지지 구조를 초소형미러(302)의 외주연 바깥쪽에 제공하되 스프링이 편향가능 소자를 향해 안쪽으로 연장하게 할 수도 있다. 또한, 어떤 초소형 기계 소자들은 토션 힌지의 트위스트에 의해서 상하 방향으로 이동을 하는 것이 아니라 기판에 대해 측방향으로 이동하는 편향가능 소자를 구비할 수도 있다. 스프링은 전형적으로 편향가능 소자의 운동을 구속할 수 있는 위치에 스프링을 위치시키기 위해 측방향 운동을 하는 편향가능 소자의 측부에 제공된다.

현재의 DMD 구성에 영향을 미치는 한가지 문제점은 토션 빔 힌지 메모리(memory) 또는 힌지 크립(creep)에 있다. 토션 빔 힌지 메모리는 미러가 주어진 방향으로 반복적으로 회전된 후 토션 빔을 형성하는 금속이 영구적으로 트위스트되는 경우에 발생한다. 간혹 격자간 슬립 평면(intercrystalline slip plane)을 따르는 이동에 의해서 야기되는 트위스트는 미러를 한 회전 방향 쪽으로 바이어스시킨다. 주어진 편향의 경우, 힌지 메모리에 있어서의 높은 컴플라이언트 스프링 구조에 대한 문제점은 덜하다.

어드레스 전극과 편향가능 부재 간의 정전기적 인력이 토션 힌지 메모리에 의해서 생성되는 바이어스를 극복할 수 없을 정도로 불충분한 경우에는, 미러는 어드레스 전극에 인가되는 데이터에 무관하게 미러 바이어스 전압의 인가시에 토션 빔 힌지 메모리의 방향으로 항상 회전할 것이다. 어드레스 전극이 토션 빔 힌지 메모리를 극복할 수 없는 레벨까지 토션 빔 힌지 메모리가 상승하는 것은 드문 일이나, 토션 빔 힌지 메모리는 어드레스 마진(address margin)을 감소시켜 간헐적으로 에러를 발생한다. 간헐적인 미러 회전 에러는 이미지의 어두운 영역에서의 섬광 효과로서 상당히 자주 관찰된다.

스프링 기반 구성에 의하면, 높은 컴플라이언스 힌지를 사용할 수 있어 힌지 크립의 발생가능성이 적다. 스프링 링(328)은 미러(302)를 비편향 중립 영역으로 이동시키거나 동적 리세트의 경우 미러(302)가 중립 영역을 가로지르게 하는 기능을 수행할 뿐만 아니라, 토션 빔(320)이 강성 편향가능 부재의 정전기적 회전에 저항하여 종극적으로는 그 회전을 정지시키는데 보조한다. 토션 빔(320)은 어떠한 저항성 및 복원성 토크도 더 이상 제공하지 않기 때문에, 토션 빔(320)의 컴플라이언스가 증가될 수 있음과 동시에 스프링 링(328)의 구비함으로써 충분한 저항성 및 복원성 토크가 유지될 수 있다.

토션 빔 컴플라이언스는 토션 빔 힌지의 길이, 폭 및 두께에 의해서 또한 토션 빔 형성 재료에 의해서 결정된다. 이들 모든 파라미터는 제조 공정 능력이나 초소형 미러 소자의 사이즈에 대한 물리적 제약에 의해서 제한된다. 아마도 토션 빔 컴플라이언스를 증가시키는 가장 좋은 방법은 토션 빔의 두께를 감소시키는 것일 것이다. 토션 빔의 두께를 635Å으로부터 600Å으로 감소시키면, 힌지의 컴플라이언스가 증가한다. 토션 빔의 두께를 더욱 감소시키면 컴플라이언스가 더욱 증가할 것이나, 토션 빔의 두께를 600Å 미만으로 감소시키는 것은 어렵다.

스프링 링 구성(300)에 의하면, 또한 초소형 미러 어레이의 기계적 신뢰성이 향상된다. 초소형 미러 상부 구조의 한가지 잠재적인 고부하 작용점으로서는 미러 지지 스페이서비아(326)와 토션 빔 요크(314)간의 연결 부위가 있는데, 이 연결 부위는 수직 스페이서비아 벽들이 스페이서비아의 수평 베이스와 교차하는 미러 지지스페이서비아(326)에서 미러 지지 스페이서비아(326)내의 금속 분포가 불량함으로 인해 약화된다. 이 경계 부위의 금속 분포는 스텝 커버리지(step coverage)라 불린다. 스텝 커버리지의 문제점은 스페이서비아내의 홀 내로 금속을 침착시키는데 있어서의 고유한 어려움으로 인해 발생되는 것으로서, 그 문제점은 1997년 12월 30일에 특허된 "Support Post Architecture for Micromechanical Devices" 란 명칭의 미국 특허 제 5,703,728 호에서 상세히 논의되고 있다.

미러 지지 스페이서비아(326)와 토션 빔 요크(314)간의 연결 부위를 강화시키지 않고서도, 스프링 링(328)이 제공하는 "소프트 랜딩(soft landing)"은 미러 지지 스페이서비아(326)와 토션 빔 요크(314)간의 연결 부위에 대한 스트레스를 감소시켜 장치의 신뢰성을 향상시킨다. 이러한 스트레스를 감소시키는 요인으로서는 몇 가지가 있다. 이들 중의 하나는, 토션 빔 요크(114) 또는 미러(102)가 미러 바이어스/리세트 금속화 층에 충돌할 때 발생되는 미러(102)의 돌발적인 정지 현상과는 달리 스프링 링에 의해 미러(302)가 점차적으로 정지한다는 것이다.

상기한 요인들 중의 다른 하나는, 스프링 링(328)이 미러(302)와 접촉하여 그 미러를 정지시킴으로써 미러 지지 스페이서비아(326)와 토션 빔 요크(314) 간의 연결 부위에 대한 미러 관성으로 인한 파괴적인 영향이 배제된다는 것이다. 미러(302)는 그의 비교적 큰 무게 때문에 강성 편향가능 부재의 관성의 약 60%를 차지한다. 토션 빔 요크(114)를 미러 바이어스/리세트 금속화 층(112)에 랜딩시키는 종래 기술의 장치에 있어서는, 미러 지지 스페이서비아(126)의 길이 부분이 레버 암으로서 사용됨으로 인한 커다란 관성력은 미러 지지 스페이서비아(126)와 토션 빔 요크(114)간의 연결 부위에 커다란 토션력을 생성했다. 반면에, 스프링 링에 미러(302)를 직접적으로 랜딩시키는 본 발명에 있어서는, 그러한 관성력이 제거되고 그 대신에 어드레스 전극(310)과 토션 빔 요크(314) 간의 정전기적 인력에 의해 상당히 작은 토크가 발생된다.

소프트 랜딩 특징 및 미러 관성으로 인한 스트레스 제거 덕분에 미러 지지 스페이서비아(326)에 대한 스트레스가 감소된다. 그 결과, 도 3 및 4에 도시한 스페이서비아(326)와 같이 스페이서의 직경을 상당히 작게 할 수 있다. 스페이서비아는 일부 공간을 차지하는데, 이 공간은 스페이서비아 공간으로 사용되지 않는 경우에는 액티브 미러 영역으로서 사용될 공간이다. 스페이서비아의 상부는 개방되어 있으므로, 스페이서비아 영역에 충돌하는 광을 이미지 평면으로 반사시킬 수는 없다. 그러므로, 스페이서비아를 작게 하면, 액티브 미러 영역을 증대시킬 수 있고 또한 초소형 미러 장치의 광효율을 증대시킬 수 있을 것이다.

스페이서비아를 작게 하면, 이미지 휘도가 향상되는 것 외에도 투사된 이미지의 콘트라스트비가 증가된다. 스페이서비아에 충돌하는 광은 미러의 경사 방향과 무관하게 산란된다. 산란된 광 중의 일부는 투사 이미지에 도달한다. 이미지에 도달한 산란 광은 이미지 전체에 걸쳐 무작위적으로 확산되므로, 그 산란 광은 이미지의 어두운 영역을 밝게 하여 그 이미지를 유실시킴으로써 콘트라스비를 저하시킨다.

미러(302)와 미러 지지 스페이서비아(326)간의 경계부분에 의해서 산란된 광이 직선 에지에 의해서 산란되는 경우 특히 직선 에지가 토션 빔 힌지(320)의 축에평행한 경우 그 산란 광은 렌즈의 개구 결국은 투사된 이미지에 도달할 가능성이 높다. 산란된 광의 영향을 감소시키기 위해 또한 미러 지지 스페이서비아를 강화시키기 위해, 종래의 초소형 미러에서는 직사각형 단면을 가지며 토션 빔에 평행한 변부가 힌지에 수직한 변부보다 짧은 미러 지지 스페이서비아를 사용했다. 도 1 및 2에 도시한 바와 같이, 미러 지지 스페이서비아의 폭은 토션 빔(120)에 수직한 방향에서 약 4㎛이며 또한 토션 빔(120)에 평행한 방향에서 약 3㎛이다.

미러 지지 스페이서비아(326)의 외주를 감소시키는 것에 의해, 미러(302)와 미러 지지 스페이서비아(326) 간의 경계부의 길이를 감소시킴으로써 경계부에 의해 산란되는 광량을 감소시킨다. 스페이서비아(326)를 충분히 작게 하면, 미러 지지 스페이서비아(326)가 내부에 형성되는 감광성 스페이서 재료의 응답 및 포토리소그라피 프로세스에 의한 회절은 미러 지지 스페이서비아(326)의 각진 코너를 둥글게 하므로, 투사 시스템 개구 내로 광을 반사시킬 가능성이 큰 직선 에지를 배제시키거나 크게 감소시킨다. 2.6㎛ 직경의 스페이서비아는 필요한 세기를 제공할 수 있을 정도로 크며 또한 코너를 둥굴게 하는 포토리소그라피 프로세스에 적합한 정도로 충분히 작다.

여러 다른 장점으로서는 M3 금속화 층에 랜딩하지 않게 한 미러(302)의 부수적인 효과를 들 수 있는데, 이러한 장점 중의 하나는 미러(302) 아래에 있는 구조에 반사방지 코팅을 사용할 수 있다는 것이다. 미러들 간의 갭을 통과하는 광은 미러 지지 스페이서와 기판(104) 표면 상의 M3 금속화 층에 의해서 산란되는데, 이 광 중의 일부는 종국적으로는 미러들 간의 갭을 역방향으로 다시 통과하여 투사 렌즈 시스템의 개구 내로 진입해서 초소형 미러 어레이에 의해 생성되는 이미지의 콘트라스트를 감소시킨다. 콘트라스트를 향상시키는 한가지 방법은 미러 하부 표면들에 반사방지 코팅을 제공하는 것이 있는데, 도 12에 도시한 반사방지 코팅(1002)은 그 코팅된 표면으로부터의 반사성분을 감소시켜 투사 이미지의 화질을 저하시키는 표류 광들을 감소시킨다.

그러나, 유감스럽게도, 어드레스 전극(310) 및 미러 바이어스/리세트 금속화 층(312)에 적용하기 쉬우며 마모성 동적 리세트에 대해 충분한 내성을 미러 바이어스/리세트 금속화 층(312)과 미러(302) 또는 요크(314) 간에 제공할 수 있는 반사방지 코팅(1002)은 알려지고 있지 않다. 하지만, 스프링 기반 초소형 미러 구성은 미러(302)와 M3 층 간의 접촉을 배제시킴으로써 반사방지 코팅(1002)의 사용을 가능케 한다.

미러(302)와 미러 바이어스/리세트 금속화 층(312) 간의 접촉을 배제시키면, 또한 장치의 전기적 신뢰성과 기계적 파손에 대한 내성이 향상시킬 수 있다. 스프링 링(328)에 의해 미러(302)의 회전을 정지시키는 경우에는, 미러 바이어스/리세트 금속화 층(112) 상에 별도의 랜딩 사이트가 필요 없게 된다. 통상적으로 토션 빔 요크(114) 또는 미러(102)와의 접촉에 의해 미러의 회전을 정지시키는 랜딩 사이트를 배제시키면, M3 금속화 층 상에서 이용가능한 추가적인 공간이 확보된다.

특히 힌지 축으로부터 가장 먼 층 부분에서의 추가적인 공간은 어드레스 전극을 크게 하는데 사용될 수 있다. 추가적인 공간은 또한 어드레스 전극과 미러 바이어스/리세트 금속화 층 간의 갭을 크게 하는 데에도 사용될 수 있다. 갭을 크게 하면, 입자들에 의해서 야기되는 단락 회로가 장치에서 생기지 않게 되며 또한 제조 결함에 대한 공차가 증대되므로 장치의 제조 수율이 증대된다. 또한, 추가적인 공간 중의 일부는 특히 분리 리세트 어드레스 방법을 사용하는 경우에 미러 바이어스/리세트 신호의 경로배정을 간단화하는데 사용될 수도 있다.

어드레스 전극(310)을 크게 하면, 강성 편향가능 부재 및 어드레스 전극에 의해 형성되는 에어 캐패시터의 용량이 증대된다. 어드레스 전극(310)을 토션 빔(320)의 축으로부터 멀리 연장시키면, 어드레스 전극(310)과 강성 편향가능 부재 간의 정전기적 인력에 의해서 생성되는 토크가 증대된다. 이와 같이 증대된 용량 및 토크는 상호협동적으로 장치의 동작 신뢰성을 증대시켜 장치 동작이 필요한 전압을 낮춘다.

장치의 동작을 더욱 일관성 있게 하는 것 외에도, 어드레스 전극(310)을 크게 하는 것에 의해 정전기적 마진을 향상시키면, 도 1 및 2에 도시한 바와 같이 상부 어드레스 전극(124)과 미러(102) 간의 정전기적 인력을 생성하는데 필요한 상부 어드레스 전극(124)이 필요 없게 된다. 상부 어드레스 전극(124) 없이도, 미러 지지 스페이서비아(326)의 높이를 종래 기술의 구성 즉 미러(102)와 상부 어드레스 전극(124) 간의 접촉을 방지하기 위해 지지 스페이서비아(126)의 높이를 크게 해야 하는 종래 기술의 구성에서와 같이 크게 할 필요가 없다. 상부 어드레스 전극(124)을 배제시키면, 또한 토션 빔 요크(314)를 크게 할 수 있어 장치에 의해 생성되는 정전기적 토크가 증대된다.

미러 지지 스페이서비아(326)를 짧게 하면, 수개의 장점을 얻을 수 있다. 첫째, 미러(302)와 어드레스 전극(310) 간의 갭을 줄이면, 미러(302)와 어드레스 전극(310) 간의 주어진 전압 차에 의해서 생성되는 정전기력이 증대되어 장치의 정전기적 성능이 더욱 향상된다. 둘째, 미러 지지 스페이서비아(326)는 미러의 관성이 작용하는 추가적인 모멘트 암이므로, 미러 지지 스페이서비아(326)의 높이를 감소시키면, 미러 지지 스페이서비아(326)와 토션 빔 요크를 연결하는 연결 부위에 대한 스트레스가 감소된다.

또한, 미러 지지 스페이서비아(326)를 짧게 하면 미러(302)들 사이를 통과할 수 있는 광량이 감소하여 이미지의 콘트라스트비가 더욱 향상된다. 미러 지지 스페이서비아(326)를 짧게 하면, 미러의 회전 시에 미러(302)들 간의 갭이 감소하여 그 갭을 통과하는 광량이 감소한다. 미러(302)들 간의 갭을 통과하는 광은 하부 구조 및 미러 바이어스/리세트 금속화 층에 의해서 반사된다. 하부 구조에 의해서 반사되는 광의 일부는 미러 갭을 역방향으로 다시 통과하여 이미지 평면에 도달해서, 투사 이미지를 유실시킴으로써 디스플레이의 콘트라스트를 감소시킨다.

토션 빔 요크(314)는 미러 바이어스/리세트 금속화 층(312)과 더 이상 접촉하지 않으므로, 토션 빔 지지 스페이서비아(116)의 높이는 더 이상 미러(302)의 최종 경사각에 좌우되지 않는다. 또한, 토션 빔 지지 스페이서비아(116)의 높이가 미러의 경사각에 영향을 미치지 않고 랜딩 사이트 및 상부 어드레스 전극의 배제에 의해 장치의 정전기적 성능이 크게 향상되므로, 토션 빔 지지 스페이서비아(116)의 높이를 비교적 큰 범위에 걸쳐 변화시킬 수 있다.

토션 빔 지지 스페이서비아(116)의 높이는 정전기적 성능과 파편에 대한 내성을 고려하여 결정한다. 토션 빔 지지 스페이서비아(116)를 짧게 하면, 토션 빔 요크(314)와 어드레스 전극(310) 간의 갭이 감소됨으로써 그들 간의 정전기적 인력이 증가된다. 그러나, 토션 빔 요크(314)와 어드레스 전극(310) 간의 갭을 작게 하면, 장치 패키지 내부의 파편으로 인해서 장치가 고장날 가능성이 커진다. 토션 빔 요크(314)와 어드레스 전극(310) 간의 파편은 미러(302)의 회전을 기계적으로 제한할 뿐만 아니라 토션 빔 요크(314)와 어드레스 전극(310)을 전기적으로 단락시킨다.

토션 빔 지지 스페이서비아(116)와 미러 지지 스페이서비아(326)의 높이는 지지 스페이서비아를 형성하는데 사용되는 스페이서 층의 두께에 의해서 결정된다. 종래 기술의 장치에서는, 1.18㎛ 높이의 스페이서를 이용하여 토션 빔 지지 스페이서비아(116)를 형성하고 2.15㎛ 높이의 스페이서 층을 이용하여 미러 지지 스페이서비아(126)를 형성한다. 이들 스페이서 층은 0.32㎛ 두께의 토션 빔 요크와 조합되어 3.65㎛ 높이의 미러를 형성한다. 스프링 복원 구조를 사용하는 일 실시예에서는 1.46㎛의 스페이서 층을 사용하여 토션 빔 지지 스페이서비아(116) 및 미러 지지 스페이서비아(326)를 형성한다. 이 실시예는 0.36㎛ 두께의 토션 빔 요크(314)와 조합하여 3.28㎛ 높이의 미러를 형성한다. 토션 빔 요크(314)와 어드레스 전극(310) 간의 갭을 크게 했음에도 불구하고, 본 발명의 장치에 의하면, 정전기적인 성능이 향상되고, 파편에 대한 내성이 증대된다. 또한, 본 발명에 의하면, 미러 높이를 낮추고 미러 바이어스/리세트 금속화 층(312)에 반사방지 코팅을 제공하는 것에 의해 이미지의 콘트라스트비를 증가시킬 수 있다.

본 발명에 따른 장치를 제조하는 데에는 추가적인 단계들이 필요하지 않다. 한가지 제조 방법에 따르면, 요크 연장부(832)이던지, 랜딩 스프링은 그것이 토션 빔 캡 연장부(834, 934)이던지, 스프링 링(328)이던지 또는 트위스트 링(332)이던지 간에 관계없이 토션 빔 요크(314)와 토션 빔 캡(322)과 동시에 제조된다. 랜딩 스프링을 제조하기 위해서는 단지 토션 빔 에칭 스톱 포토리소그라피 마스크 또는 토션 빔 캡 및 요크 포토리소그라피 마스크 또는 이들 양자를 변경시키는 것만이 필요하다.

도 13은 도 3의 토션 빔 지지 스페이서비아(116), 토션 빔(320), 토션 빔 요크(314) 및 스프링 링(328)을 제조하는데 사용되는 스페이서, 금속 및 산화물 층의 단면도이다. 도 13에 도시한 바와 같이, 스페이서 층(1102)은 통상적으로 0.8㎛ 두께의 포지티브 포토레지스트 층으로서, 이 층을 집적 회로 기판(1104) 위에 침착한 다음 패터닝하여 홀 또는 비아를 형성하게 되는데, 이 홀 또는 비아 내에는 차후 토션 빔 지지 스페이서비아가 형성된다. 이러한 스페이서 층(1102)을 침착시키기에 앞서, 기판 상에는 어떤 필요한 전기 회로, 금속 회로 접속 부재, 어드레스 전극 및 미러 바이어스/리세트 금속화 층을 형성한다.

다음, 스페이서 층(1102) 위에 또한 비아 내에 얇은 금속 층(1106)을 스퍼터링시키는데, 이 층은 토션 빔(320)을 형성하는 것이다. 다음, 얇은 금속 층(1106) 위에 산화물 층(1108)을 침착시키고 패터닝하여 차후 토션 빔을 형성할 얇은 금속 층(1106) 영역들 위에 에칭 스톱을 형성한다. 추가적인 에칭 스톱들은 도 9에 도시한 얇은 토션 빔 캡 연장부(934) 및 도 11에 도시한 트위스트 링(332)의 얇은 부분(334)과 같은 얇은 스프링 구조 형성 영역들 위에 형성한다.

다음, 얇은 금속 층(1106) 및 에칭 스톱 위에 두꺼운 금속 층(1110)을 스퍼터링한다. 다음, 두꺼운 금속 층(1110) 위에 제 2의 산화물 층(1112)을 침착시키고 패터닝하여, 토션 빔 지지 스페이서비아(116), 토션 빔 지지 캡(322) 및 토션 빔 요크(314)를 형성하기 위한 두꺼운 금속 층(1110) 영역들 위에 에칭 스톱을 형성한다. 추가적인 에칭 스톱들은 도 3에 도시한 스프링 링(328) 및 너브(330), 도 8에 도시한 두꺼운 토션 빔 캡 연장부(834) 및 도 11에 도시한 트위스트 링(332)의 두꺼운 부분(334) 및 너브(330)와 같은 두꺼운 스프링 구조 형성 영역들 위에 형성한다.

도 14는 도 4의 부분 완성된 스프링 링 초소형 미러 장치에 대한 평면도로서, 토션 빔 에칭 스톱(1202)과, 토션 빔 요크 에칭 스톱(1204)과, 토션 빔 스페이서비아 캡 및 스프링 링을 형성하는데 사용되는 에칭 스톱(1206)의 위치를 도시하는 도면이다. 도 14에서, 토션 빔 요크, 스페이서비아 및 스프링 링을 형성하는데 사용되는 에칭 스톱들은 두꺼운 금속 층(1208) 및 얇은 금속 층을 덮으며, 토션 빔을 형성하는 에칭 스톱(1202)은 두 금속 층들 간에 위치하는 것으로서 점선으로 도시된다.

도 15는 도 8의 부분 완성된 초소형 미러 장치에 대한 평면도로서, 토션 빔 에칭 스톱(1202)과, 토션 빔 요크 에칭 스톱(1204)과, 토션 빔 스페이서비아 캡 및 두꺼운 스프링 캡 연장부를 형성하는데 사용되는 에칭 스톱(1306)의 위치를 도시하는 도면이다. 도 15에서, 토션 빔 요크, 스페이서비아 캡 및 스프링 캡 연장부를형성하는데 사용되는 에칭 스톱들은 두꺼운 금속 층(1208) 및 얇은 금속 층을 덮으며, 토션 빔을 형성하는 에칭 스톱(1202)은 두 금속 층들 간에 위치하는 것으로서 점선으로 도시된다.

도 16은 도 9의 부분 완성된 얇은 토션 빔 캡 연장부 스프링 초소형 미러 장치에 대한 평면도로서, 토션 빔 에칭 스톱(1202), 토션 빔 요크 에칭 스톱(1204), 토션 빔 스페이서비아 캡 에칭 스톱(1406) 및 스프링 캡 연장부 에칭 스톱(1412)의 위치를 도시하는 도면이다. 도 16에 도시한 바와 같이, 토션 빔 요크 및 스페이서비아 캡을 형성하는데 사용되는 에칭 스톱들은 두꺼운 금속 층(1208) 및 얇은 금속 층을 덮으며, 토션 빔을 형성하는 에칭 스톱(1202) 및 스프링 캡(1412)을 형성하는 에칭 스톱들은 두 금속 층들 간에 위치하는 것으로서 점선으로 도시된다.

도 17은 도 10의 부분 완성된 초소형 미러 장치에 대한 평면도로서, 토션 빔 에칭 스톱(1202)과, 토션 빔 요크 에칭 스톱(1204)과, 토션 빔 스페이서비아 캡 및 스프링 캡 연장부를 형성하는데 사용되는 에칭 스톱(1222)과, 스프링 캡 연장부의 두꺼운 단부를 형성하는데 사용되는 에칭 스톱(1210)의 위치를 도시한 도면이다. 에칭 스톱(1212)은 스프링 연장부의 얇은 부분의 형상을 결정한다. 도 17에 도시한 바와 같이, 토션 빔 요크, 스페이서비아 캡 및 스프링 캡 연장부를 형성하는데 사용되는 에칭 스톱들은 두꺼운 금속 층(1208) 및 얇은 금속 층을 덮으며, 토션 빔 및 스프링 연장부의 얇은 부분을 형성하는 에칭 스톱(1202)은 두 금속 층들 간에 위치하는 것으로서 점선으로 도시된다.

도 18은 도 11의 부분 완성된 스프링 링 초소형 미러 장치에 대한 평면도로서, 토션 빔 에칭 스톱(1202)과, 토션 빔 요크 에칭 스톱(1204)과, 토션 빔 스페이서비아 캡 및 트위스트 링의 두꺼운 단부를 형성하는데 사용되는 에칭 스톱(1214)과, 트위스트 링의 너브를 형성하는데 사용되는 에칭 스톱(1216)의 위치를 도시한 도면이다. 도 18에 도시한 바와 같이, 토션 빔 요크, 스페이서비아 캡 및 트위스트 링의 두꺼운 부분 및 트위스트 링 너브를 형성하는데 사용되는 에칭 스톱들은 두꺼운 금속 층(1208) 및 얇은 금속 층을 덮으며, 토션 빔 및 트위스트 링의 얇은 부분을 형성하는 에칭 스톱(1202, 1218)은 두 금속 층들 간에 위치하는 것으로서 점선으로 도시된다.

도 19는 도 13의 금속 층들에 대한 단면도로서, 그들 금속 층을 패터닝하고 산화물 및 스페이서 층들을 제거한 후의 상태를 도시한 것이다. 금속 층들의 형성 및 산화물 에칭 스톱의 패터닝 후, 단일의 에칭 스톱을 사용하여, 에칭 스톱으로 덮여지지 않은 모든 두꺼운 또한 얇은 금속 층 영역들을 제거한다. 금속 층들의 에칭 후에는 산화물 에칭 스톱을 제거한다. 스페이서 층은 그 위에 미러 지지 스페이서비아 및 미러가 형성될 때까지 제거하지 않는다. 일단 스페이서 층들을 제거한 후에는, 강성 편향가능 부재가 토션 빔들에 의해서 형성되는 축을 중심으로 자유롭게 회전할 수 있게 된다.

도 20은 도 4의 스프링 링 구조를 가진 단일 DMD 소자의 확대 사시도이다. 도 20의 장치에서는 미러 바이어스/리세트 금속화 층(312)을 토션 빔 지지 패드(338)로 교체하고 어드레스 전극(310)들을 상호연결하여 다른 미러 어드레싱 방식을 구현한다. 전형적인 DMD 어드레싱 방식에서는 원하는 회전 방향에 따라 특유의 어드레스 전압 및 그의 상보적 성분을 각각의 어드레스 쌍에 인가하며 또한 공통의 바이어스 전압을 모드 미러에 인가한다. 도 20의 미러 바이어스/리세트 금속화 층에 의해 인에이블링되는 미러 어드레싱 방식에 있어서는, 2-장치 폭 바이어스 신호가 토션 빔 축의 양쪽에 있는 어드레스 전극(310)에 인가되는 동안 각각의 미러가 특유의 어드레스 전압을 수신할 수 있게 된다.

도 20에서 어드레스 전극(310)의 형상 및 위치는 도 4에 도시한 어드레스 전극(310)의 형상 및 위치와 동일하다. 어드레스 전극(310)들을 동일하게 유지시키면, 어떤 어드레싱 방식이 이용되는 지에 관계없이 초소형 미러 장치의 동작이 동일하게 될 것이다. 상호접속 부재(336)는 소자 행에서 토션 빔 축의 어느 한 쪽에 있는 모든 어드레스 전극(310)을 다른 쪽에 있는 어드레스 전극(310)과 접속시킨다. 한편 소자 행들 간의 접속은 어레이의 액티브 부분 외부에서 만들어 진다.

도 21은 본 발명에 따라 개량된 초소형 미러(1602)를 사용하는 이미지 투사 시스템(1600)의 개략도이다. 도 21에서, 광원(1604)로부터의 광은 렌즈(1606)에 의해서 초소형 미러(1602)에 집속된다. 단일 렌즈로서 도시하였으나, 렌즈(1606)는 전형적으로 렌즈 및 미러 그룹으로서 이들은 광원(1604)으로부터의 광을 집속시켜 초소형 미러(1602)의 표면 쪽으로 배향시킨다. 제어기(1614)로부터의 이미지 데이터 및 제어 신호는 일부 미러는 온(on) 위치로 또한 나머지 다른 미러들은 오프(off) 위치로 회전하게 한다. 오프 위치로 회전된 초소형 미러 장치 상의 미러들은 광을 광 트랩(1608) 쪽으로 반사시키며 온 위치로 회전된 미러들은 투사 렌즈(1610) 쪽으로 반사시키는데, 여기서는 설명을 간단히 하기 위해 단일의 렌즈만 도시했다. 투사 렌즈(1610)는 초소형 미러 장치(1602)에 의해서 변조된 광을 이미지 평면 또는 스크린(1612) 상에 집속시킨다.

이제까지 스프링 복원 구조를 가진 초소형 기계 장치와, 스프링 복원 구조를 가진 초소형 기계 장치의 제조 방법과, 스프링 미러 복원 구조를 가진 초소형 미러 장치를 사용하는 디스플레이에 대한 특정 실시예를 설명하였으나, 본 발명의 범주는 특허청구 범위에 기재한 사항에 의해서가 아니고는 그러한 특정 실시예에 의해서 제한되지 않는다. 또한, 본 발명을 그의 특정 실시예를 참조하여 설명하였으나, 당업자라면 알 수 있듯이, 다른 변형 실시예가 가능하므로 그러한 모든 변형 실시예를 특허청구범위의 범주 속에 포함시키고자 한다.

상술한 바와 같이, 본 발명에 의하면, 투사된 이미지의 콘트라스트가 향상되며 또한 초소형 미러 리세트 동작의 신뢰성이 향상된다.

Claims (22)

1. 초소형 기계 장치에 있어서,

   기판;

   상기 기판 위에 현수된 강성의 편향가능 부재; 및

   상기 기판 위에 지지되며 상기 강성 편향가능 부재로부터 이격된 적어도 하나의 스프링을 포함하되,

   상기 스프링은 상기 강성 편향가능 부재의 편향에 의해서 상기 강성 편향 부재와 상기 스프링이 접촉하는 경우에 상기 강성 편향가능 부재의 편향에 저항하도록 동작가능한 것을 특징으로 하는 초소형 기계 장치.
2. 제1항에 있어서, 상기 스프링은 상기 기판과 상기 강성 편향가능 부재 간의 접촉을 방지하도록 동작가능한 것을 특징으로 하는 초소형 기계 장치.
3. 제1항에 있어서, 상기 강성 편향가능 부재는 상기 스프링에 의한 저항을 극복하여 상기 기판과 접촉할 수 있는 것을 특징으로 하는 초소형 기계 장치.
4. 제1항에 있어서, 상기 스프링은 상기 기판 위에 지지된 리프 스프링을 포함하는 것을 특징으로 하는 초소형 기계 장치.
5. 제1항에 있어서, 상기 스프링은 상기 기판 상의 두 지지 부재 사이에서 상기 기판 위에 현수된 탄성 스트립을 포함하는 것을 특징으로 하는 초소형 기계 장치.
6. 제5항에 있어서, 상기 탄성 스트립은 상기 편향가능 부재와의 접촉 시에 편향하도록 동작가능한 것을 특징으로 하는 초소형 기계 장치.
7. 제5항에 있어서, 상기 탄성 스트립은 상기 편향가능 부재와의 접촉 시에 트위스트하도록 동작가능한 것을 특징으로 하는 초소형 기계 장치.
8. 제1항에 있어서, 상기 강성 편향가능 부재는 미러를 포함하는 것을 특징으로 하는 초소형 기계 장치.
9. 제1항에 있어서, 상기 강성 편향가능 부재는 적어도 하나의 토션 빔에 의해서 상기 기판 위에 현수되고, 상기 토션 빔에 의해 형성되는 축을 중심으로 하여 두 방향 중의 한 방향으로 회전하도록 동작가능한 것을 특징으로 하는 초소형 기계 장치.
10. 제9항에 있어서, 상기 적어도 하나의 스프링은 상기 축의 각 측 상에 적어도 하나의 스프링을 포함하는 것을 특징으로 하는 초소형 기계 장치.
11. 제9항에 있어서, 상기 스프링은 적어도 두 지지 구조물에 의해서 지지되는 링 형상 스프링을 포함하는 것을 특징으로 하는 초소형 기계 장치.
12. 제11항에 있어서, 상기 링 형상 스프링은 그로부터 연장하는 적어도 하나의 너브(nub)를 더 포함하는 것을 특징으로 하는 초소형 기계 장치.
13. 제11항에 있어서, 상기 링 형상 스프링은 적어도 하나의 얇은 부분을 더 포함하며, 상기 얇은 부분은 상기 링 형상 스프링과 상기 편향가능 부재 간의 접촉 시에 트위스트하도록 동작가능한 것을 특징으로 하는 초소형 기계 장치.
14. 제1항에 있어서, 상기 강성 편향가능 부재는,

    토션 빔 요크와,

    미러 지지 스페이서비아(spacervia)와,

    미러

    를 구비하는 것을 특징으로 하는 초소형 기계 장치.
15. 제14항에 있어서, 상기 기판과 상기 토션 빔 요크 간의 접촉에 의해서 상기 강성 편향가능 부재의 편향이 제한되는 것을 특징으로 하는 초소형 기계 장치.
16. 제14항에 있어서, 상기 기판과 상기 미러 간의 접촉에 의해서 상기 강성 편향가능 부재의 편향이 제한되는 것을 특징으로 하는 초소형 기계 장치.
17. 초소형 기계 장치를 제조하는 방법에 있어서,

    기판 상에 적어도 하나의 지지 구조물을 제조하는 단계와,

    상기 기판으로부터 이격되고 상기 적어도 하나의 지지 구조물들 중의 적어도 하나에 의해서 지지된 적어도 하나의 스프링을 제조하는 단계와,

    상기 기판 및 상기 스프링으로부터 이격되고 상기 적어도 하나의 지지 구조물들 중의 적어도 하나에 의해서 지지된 편향가능 부재를 제조하는 단계

    를 포함하며, 상기 편향가능 부재는 상기 스프링과 접촉하도록 이동할 수 있으며, 상기 스프링은 상기 편향가능 부재의 더 이상의 이동에 저항하도록 동작가능한 초소형 기계 장치 제조 방법.
18. 제17항에 있어서, 상기 적어도 하나의 스프링은 상기 편향가능 부재와 상기 기판 사이에 제조되는 것을 특징으로 하는 초소형 기계 장치 제조 방법.
19. 제17항에 있어서, 상기 편향가능 부재와 상기 적어도 하나의 스프링은 적어도 하나의 공통 지지 구조물 상에 제조되는 것을 특징으로 하는 초소형 기계 장치 제조 방법.
20. 제17항에 있어서, 상기 적어도 하나의 스프링을 제조하는 단계는 상기 적어도 하나의 지지 구조물들 중의 적어도 하나로부터 연장하는 금속 스트립을 제조하는 단계를 포함하는 것을 특징으로 하는 초소형 기계 장치 제조 방법.
21. 제17항에 있어서, 상기 적어도 하나의 스프링을 제조하는 단계는 상기 적어도 하나의 지지 구조물들 중의 적어도 둘 사이에 현수되는 금속 스트립을 제조하는 단계를 포함하는 것을 특징으로 하는 초소형 기계 장치 제조 방법.
22. 제17항에 있어서, 상기 적어도 하나의 스프링을 제조하는 단계는 상기 적어도 하나의 지지 구조물들 중의 적어도 둘 사이에 현수되는 금속 스트립을 제조하는 단계를 포함하고, 상기 금속 스트립은 상기 금속 스트립과 상기 편향가능 부재 간의 접촉 시에 트위스트하도록 동작가능한 얇은 부분을 갖도록 제조되는 것을 특징으로 하는 초소형 기계 장치 제조 방법.