WO2016177835A1 - Modulateur spatial de lumiere a cristal liquide et son procede de fabrication - Google Patents

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Definitions

  • the invention relates to a spatial modulator of liquid crystal light and to its method of manufacture. It notably allows, but not only, the realization of spatial modulators of transmissive light of small dimensions (a few millimeters on the side) that can be integrated into optical systems for adaptive optics applications, in order to obtain at the same time a large field , a high resolution and a small footprint.
  • spatial light modulator designates any device capable of spatially modulating the amplitude, the phase and / or the state of polarization of the incident light; displays, for example, can be considered as SLM acting on the amplitude.
  • the invention is particularly suited to the realization of phase modulators operating in transmission.
  • a liquid crystal SLM usually comprises a matrix of lines and columns of liquid crystal pixels, each having a liquid crystal filled volume, a pixel electrode which receives a voltage corresponding to a modulation information and a counter electrode which defines a reference potential, common to all pixels.
  • the voltage applied between the pixel electrode and the counter-electrode produces an electric field that orients the molecules of the liquid crystal. Since these molecules are optically anisotropic, their orientation affects the phase and / or the state of polarization of the incident light; in the case of displays (amplitude SLM), a polarizing film transforms a polarization state modulation induced by the liquid crystal into amplitude modulation.
  • FIG. 1 shows a sectional view of a pixel of a conventional liquid crystal SLM.
  • the pixel electrode Ep of planar shape, is formed on the surface of a substrate SUB; it defines the shape of the pixel, which is not delimited by side walls; the application of a voltage to the electrode Ep is effected by means of a thin-film transistor Q.
  • the counter-electrode CE made of transparent conductive material such as iridium oxide and tin (ITO), is formed on the surface of a transparent slab, parallel to the substrate and separated from the latter by spacers (not shown); the distance Ep - CE is typically a few micrometers.
  • An LC liquid crystal fills the space between the substrate and the transparent plate carrying the counter-electrode.
  • the molecules forming the liquid crystal are oriented with their main axis almost parallel to the planes of the electrodes. More precisely, this axis forms a small angle, called "tilt", with these planes in order to facilitate their rotation in a determined direction during the application of the electric field; this is obtained by depositing on the electrodes a polymer film treated by friction (the most frequent case) or by UV polarized insolation, or deposited by oblique evaporation.
  • the application of a potential difference between the electrodes generates an electric field E oriented in a vertical direction (perpendicular to the planes of the electrodes), which causes a rotation of the molecules of the liquid crystal. If the field E is sufficiently intense, the molecules take a substantially vertical orientation; if it is weaker, they take an intermediate orientation.
  • a glass slab - intended to form the "substrate" SUB of the modulator - is glued to this planarized S1O2 layer by direct molecular adhesion (without addition of material), then the bulk silicon of the SOI substrate is removed by abrasion.
  • a photolithography step allows the resumption of contacts to Through the layer of "buried" Si0 2 - which is now exposed.
  • the bonding of the SOI substrate to the glass slab induces the appearance of mechanical stresses which deform the matrix of electrodes Ep and transistors 0. In the case of very miniaturized devices, these deformations make this step of contact recovery difficult.
  • FIG. 2A shows a plan view of a liquid crystal pixel of an SLM having an alternative structure called IPS, of the English “In Plane Switching", that is to say “switching in the plane” (FIG. see for example document FR 2976707).
  • IPS In Plane Switching
  • both the pixel electrodes Ep and the counter-electrodes CE are arranged on the surface of a substrate which, as in the previous case, may be a slab on which is reported a structure made from a manufacturing substrate in SOI.
  • the electric field E is therefore horizontal, ie parallel to the plane of said substrate, and induces a rotation in a horizontal plane of the LC liquid crystal molecules that are above the substrate.
  • the references L ,, L i + , C 1, C 1, J 1 denote the line and column conductors connected, respectively, to the gates and drains of the transistors Q.
  • the line conductors are superimposed on the counterbands electrodes, but without electrical contact.
  • all the electrodes, the transistors and the addressing conductors Lj, C are produced on the same manufacturing substrate; it is therefore not necessary to perform a lithography step after transfer of the structure of the manufacturing substrate to a glass slab.
  • the IPS technology is particularly well suited to the realization of very small pixels (a few micrometers of sides, instead of about 100 micrometers as in the case of conventional liquid crystal displays).
  • the small lateral dimensions of the pixels make it possible to obtain a sufficiently intense electric field without having to apply a too high potential difference to the electrodes, or without having to provide interdigital electrodes.
  • IPS technology presupposes horizontal orientation of liquid crystal molecules.
  • Such an orientation is advantageous for producing direct view displays (television or computer screens, for example) with a wide angle of view without the need to use compensation films, necessary in the screens exploiting a horizontal-vertical tilting of the molecules.
  • it is not suitable for producing phase modulators because the rotation of molecules in the plane is accompanied by a twisting of the liquid crystal. Indeed, only the molecules that are at mid-height, between the slab carrying the electrodes and the upper slab that closes the structure, can rotate freely under the influence of the electric field E; the molecules closest to the two slabs maintain a fixed orientation.
  • the LC liquid crystal molecules actually take a helical configuration, as shown in the sectional view of FIG. 2B, where the references D1 and D2 denote the two slabs confining the liquid crystal in a vertical direction.
  • the references D1 and D2 denote the two slabs confining the liquid crystal in a vertical direction.
  • WO 2014/11741 1 a lenticular network consisting of cylindrical liquid crystal lenses for auto-stereoscopic screens.
  • This lenticular network comprises two slabs vertically defining a volume filled with liquid crystals, counter-electrodes arranged on the surface of the upper slab and addressable electrodes, spaced from the two slabs.
  • the invention aims to remedy the aforementioned drawbacks of the prior art. More particularly, it aims at providing a novel spatial light modulator structure that allows phase modulation and is suitable for producing pixels of very small lateral dimensions.
  • a liquid crystal light spatial modulator comprising a matrix of liquid crystal pixels delimited, in a so-called vertical direction, by a first and second transparent slabs parallel to one another and spaced apart in said vertical direction, each said pixel comprising a first electrode, referred to as a pixel electrode, and a second electrode, referred to as a counter-electrode, and containing a liquid crystal; the modulator also comprising an electrical circuit for individually addressing the pixel electrodes, as well as the connection of the counter-electrodes to a common potential, and being characterized in that the pixel electrode and the counter-electrode of each pixel are arranged face to face at opposite lateral ends of the pixel, spaced apart from both the first and second slabs in said vertical direction.
  • Another object of the invention is a method of manufacturing such a liquid crystal light spatial modulator, comprising the following steps:
  • Said manufacturing substrate may in particular be an oxide on insulator substrate.
  • Figure 3 illustrates a hypothetical liquid crystal pixel structure, not in accordance with the invention and given for comparison
  • Figure 4 illustrates the structure of a liquid crystal pixel according to one embodiment of the invention
  • FIG. 5A to 5G show various steps of a method of manufacturing a spatial light modulator according to one embodiment of the invention.
  • Figure 6 illustrates the matrix structure of a spatial light modulator according to an embodiment of the invention.
  • the invention recommends the use of liquid crystal pixels in which, as in the case of IPS technology, the pixel electrodes and the counter-electrodes face each other in a horizontal direction, that is to say in a plane parallel to that of the two transparent slabs confining the liquid crystal; advantageously, no electrode is directly carried by the slabs and coplanar with them.
  • the molecules of the latter are oriented vertically in their rest position.
  • the electrodes are not arranged on the "bottom" of the pixel, as in the case of the IPS structure, but are at mid-height between the two slabs, or more precisely at an intermediate position between the interfaces of each slab with liquid crystal (typically at a distance of each interface between 25% and 75%, preferably between 40% and 60% and more preferably between 45% and 55% of the spacing between the two interfaces liquid crystal - slab.
  • FIG. 3 illustrates the configuration that would be obtained by applying a potential difference between the electrodes Ep and CE of a modified IPS pixel so that the rest orientation of the molecules of the liquid crystal LC is substantially vertical (perpendicular to the two plates D1 , carrying the electrodes, and D2).
  • the vertical direction is indicated by "z", by "x” the direction in which the electrodes face each other and by "y” that in which the electrodes extend; thus, the slabs are parallel to the "x-y” plane.
  • Molecules of the liquid crystal tend to align along the lines of the electric field E; but since they are not polar, they can take two opposite orientations.
  • FIG. 4 shows a liquid crystal pixel structure according to one embodiment of the invention, making it possible to overcome this disadvantage.
  • the electrodes Ep and CE are carried by lateral walls P1, P2 extending vertically over a portion of the distance between the slabs D1, D2, so as to be located midway between them. Under these conditions, the disclination plans disappear and the orientation of the liquid crystal molecules becomes almost independent of the "x" and "y" coordinates (except directly below the side walls, but this does not matter because the latter block the passage of light).
  • the side walls P1 and / or P2 may carry on their surface the addressing lines L, the transistors O and, optionally, storage capacitors CS intended to be connected in parallel with the liquid crystal pixels for stabilizing the voltage at their terminals. : as at least some of these elements are, in any case, indispensable, the presence of the walls does not significantly reduce the optical transmission of the pixel.
  • FIG. 4 The structure of FIG. 4 can be obtained by means of a method which will be described with reference to FIGS. 5A to 5G.
  • the process starts with deposition operations performed on an SOI-type SF fabrication substrate, comprising a BS bulk bulk substrate, a buried BOX oxide (SiO 2 ) layer. and an epitaxial layer of ES silicon. Above the ES layer are deposited conductive L addressing lines, and a first and a second OX1, OX2 material having different chemical properties.
  • the material OX1 forms sacrificial blocks or blocks, which occupy volumes which will then be filled by the liquid crystal; the OX2 material, which must be insulating, forms walls delimiting laterally these blocks.
  • OX1 may be silicon oxide and OX2 silicon nitride, or vice versa.
  • Electrodes Ep, CE are made by metal deposition above the OX2 material, at the boundary between the side walls of a pixel and the OX1 material block temporarily occupying the internal volume of this pixel.
  • the electrodes are connected to the conductive lines L by vertical interconnections, or "vias". It is also possible to deposit, on the OX2 material side walls, thin-film transistors connecting the conductive lines L to the electrodes Ep (no shown), as well as capacitors connected in parallel with said electrodes. Then, a dielectric layer CP is deposited above the pavers and the side walls and planarized.
  • the layer CP may consist of the material 0x1; in this case, it may be advantageous to proceed in the following order: depositing lines L, deposition of the 0X2 material and etching to achieve the vertical interconnects, depositing the electrodes, deposition of the 0X1 material thickly between deposits 0X2 and in thin layer above these, planarization of the material 0X1. This is not essential, however.
  • FIG. 5B a silicon substrate SP designed to form a "handle” is adhered, by molecular adhesion, to the planarized layer CP.
  • the BS silicon substrate is abraded to expose the BOX oxide layer, which is planarized to allow its bonding, also by molecular adhesion, to a transparent slab D1, typically glass ( Figure 5D).
  • the abrasion leaves a thickness of silicon of a few tens of microns remaining, the elimination of the substrate being then completed by etching up to the oxide layer BOX.
  • the handle is detached (FIG. 5E) and the selective etching of the material OX1 (and of the layer CP, if it is made of another material), leaving the side walls of material OX2 intact and electrodes Ep, CE ( Figure 5F).
  • the material 0X1 is silicon oxide (Si0 2 )
  • its etching can be performed by CHF 3 +0 2 .
  • a thin layer (thickness of the order of 50 nm, for example) of polyimide is deposited (for example by spin) on the surface of the structure thus produced, and on that of the second transparent slab D2.
  • This polyimide layer is then treated, generally by rubbing, to determine the orientation of the liquid crystal molecules for filling the pixels; this has already been mentioned above with reference to the prior art.
  • the second transparent slab D2 is arranged in front of the first slab D1 and maintained at a predefined distance from the latter by spacers (silica balls or fibers) not shown, the volume between the two slabs is filled with the liquid crystal LC and this volume is sealed by means of a sealing bead CS.
  • the spacers are mixed with the glue forming the sealing bead.
  • the side walls P1, P2 only partially separate the different pixels CL, only one of which is shown in Figure 5G.
  • the liquid crystal molecules Due to the presence of the treated polyimide layer, the liquid crystal molecules are oriented almost - but preferably not perfectly - perpendicularly to the slabs D1, D2; the "tilt" angle formed by the main axis of these molecules and the "z" direction in the absence of an electric field is generally less than 20 ° and typically between 75 ° and 89 °; it can for example be 85 °.
  • a pixel CL according to the invention preferably has lateral dimensions of between 2 and 15 ⁇ m and a height (distance, in the direction "z", between the interfaces of the liquid crystal with the slabs D1 and D2) between 1 pm and 5 pm.
  • the width of the side walls separating two pixels is preferably less than or equal to 1 ⁇ m, for example between 500 nm and 1 ⁇ m (more generally, this width should be as small as possible, subject to technological constraints, to minimize the fraction opaque surface of the matrix). For example, square pixels of 5 ⁇ m can be taken with a thickness of 2.4 ⁇ m.
  • FIG. 6 represents the general structure of an SLM comprising a matrix of liquid crystal pixels CL of the type of FIG. 4.
  • the line conductors also called “control lines, connected to the gates of the transistors O pixels of one and the same line are designated Li at L n for a matrix of n lines
  • the column conductors connected to the drains of the electrodes Ep of the pixels of the same column, are designated by C- ⁇ to C m for a matrix of m columns; the drivers connecting the counter-electrodes to a potential of II reference are not shown to avoid overloading the figure.
  • a line decoder DEC successively addresses the different lines.
  • a digital-to-analog conversion circuit DAC applies to the column conductors during the addressing of a line, a set of analog voltages representing the spatial phase modulation to be achieved by this line.
  • the conversion circuit establishes these analog voltages from a digital signal.
  • a sequencing circuit SEQ provides synchronized operation of the line decoder and the conversion circuit DAC.
  • a polarizing film can be glued to one of the slabs; this is not necessary if the SLM is intended to be illuminated by a beam of light that is already polarized.
  • the pixels do not necessarily have a rectangular shape, and the structure of the electrodes can be more complex, for example interdigitated.
  • matrix should be understood in a broad sense, as indicating any two-dimensional or even one-dimensional arrangement. Indeed, it is not essential that the pixels are arranged in rows and columns. Transistors may be absent, particularly if direct pixel addressing (as many separate feed lines as pixel electrodes to be independently controlled) is adopted, but this is only of interest in the case of of matrices having a small number of pixels.
  • the manufacturing substrate need not be SOI type. More generally, many materials can be used for producing an SLM according to the invention.

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Abstract

Modulateur spatial de lumière à cristal liquide comprenant une matrice de pixels à cristal liquide (CL) délimitées, dans une direction dite verticale (z), par une première (D1) et une seconde (D2) dalles transparentes parallèles l'une à l'autre et espacées dans ladite direction verticale, chaque dite pixel comprenant une première électrode (Ep), dite électrode de pixel, et un deuxième électrode (CE), dite contre-électrode, et contenant un cristal liquide (CL) dont les molécules ont une orientation naturelle de repos non parallèle aux dalles, caractérisé en ce que l'électrode de pixel et la contre-électrode de chaque pixel sont agencées en face à face à des extrémités opposées du pixel, espacées aussi bien de la première que de la seconde dalle dans ladite direction verticale. De préférence, les électrodes sont portées par des parois latérales (P1, P2) s'étendant sur au moins une partie de l'espacement entre la première et la seconde dalle et délimitant latéralement les pixels. Procédé de fabrication d'un tel modulateur spatial de lumière.

Description

MODULATEUR SPATIAL DE LUMIERE A CRISTAL LIQUIDE ET SON
PROCEDE DE FABRICATION
L'invention porte sur un modulateur spatial de lumière à cristal liquide et sur son procédé de fabrication. Elle permet notamment, mais pas uniquement, la réalisation de modulateur spatiaux de lumière transmissif de petites dimensions (quelques millimètres de côté) pouvant être intégrés à des systèmes optiques pour des applications d'optique adaptative, afin d'obtenir à la fois un grand champ, une haute résolution et un faible encombrement.
Le terme « modulateur spatial de lumière » (ou « SLM », de l'anglais « Spatial Light Modulator ») désigne tout dispositif susceptible de moduler spatialement l'amplitude, la phase et/ou l'état de polarisation de la lumière incidente ; les afficheurs, par exemple, peuvent être considérés comme des SLM agissant sur l'amplitude. L'invention se prête particulièrement à la réalisation de modulateurs spatiaux de phase fonctionnant en transmission.
Un SLM à cristal liquide comprend habituellement une matrice de lignes et colonnes de pixels à cristal liquide, comportant chacun un volume rempli de cristal liquide, une électrode de pixel qui reçoit une tension correspondant à une information de modulation et une contre-électrode qui définit un potentiel de référence, commun à tous les pixels. La tension appliquée entre l'électrode de pixel et la contre-électrode produit un champ électrique qui oriente les molécules du cristal liquide. Ces molécules étant optiquement anisotropes, leur orientation affecte la phase et/ou l'état de polarisation de la lumière incidente ; dans le cas des afficheurs (SLM d'amplitude), un film polarisant transforme une modulation d'état de polarisation induite par le cristal liquide en modulation d'amplitude.
La figure 1 montre une vue en coupe d'un pixel d'un SLM à cristal liquide conventionnel. L'électrode de pixel Ep, de forme planaire, est réalisée à la surface d'un substrat SUB ; elle définit la forme de la du pixel, qui n'est pas délimité par des parois latérales ; l'application d'une tension à l'électrode Ep s'effectue par l'intermédiaire d'un transistor à couche mince Q. La contre-électrode CE, réalisée en matériau conducteur transparent tel que l'oxyde d'iridium et étain (ITO), est formée à la surface d'une dalle transparente, parallèle au substrat et séparée de ce dernier par des espaceurs (non représentés) ; la distance Ep - CE est typiquement de quelques micromètres. Un cristal liquide LC remplit l'espace entre le substrat et la plaque transparente portant la contre-électrode. Au repos, en l'absence de champ électrique, les molécules formant le cristal liquide sont orientées avec leur axe principal presque parallèle aux plans des électrodes. Plus exactement, cet axe forme un petit angle, dit de « tilt », avec ces plans afin de faciliter leur rotation dans une direction déterminée lors de l'application du champ électrique ; cela est obtenu en déposant sur les électrodes un film polymère traité par frottement (cas le plus fréquent) ou par insolation UV polarisée, ou bien déposé par évaporation oblique. L'application d'une différence de potentiel entre les électrodes engendre un champ électrique E orienté selon une direction verticale (perpendiculaire aux plans des électrodes), qui provoque une rotation des molécules du cristal liquide. Si le champ E est suffisamment intense, les molécules prennent une orientation sensiblement verticale ; s'il est plus faible, elles prennent une orientation intermédiaire.
Il est connu (F Templier et al. « Development of 5 pm-Pixel Pitch Active- Matrix for Transmissive LCD Picoprojector », Leti Annual Research Report 2012 - Optics and photonics, page 34) de réaliser des SLM du type représenté sur la figure 1 à partir d'un substrat SOI (« Silicon On Insulator », c'est-à-dire silicium sur isolant), comprenant un substrat massif - « bulk » en anglais - de silicium, une couche enterrée de S1O2 et une couche épitaxiale de silicium déposée au-dessus de cette couche enterrée. Les électrodes Ep et les transistors Q sont déposés sur ce substrat, puis recouverts d'une couche de Si02 qui est ensuite planarisée par planarisation mécano-chimique (CMP, de l'anglais « Chemical-Mechanical Planarization »). Une dalle de verre - destinée à former le « substrat » SUB du modulateur - est collée à cette couche de S1O2 planarisée par adhésion moléculaire directe (sans apport de matière), puis le silicium massif du substrat SOI est enlevé par abrasion. Une étape de photolithographie permet la reprise des contacts à J travers la couche de Si02 « enterrée » - qui est désormais exposée. Toutefois, le collage du substrat SOI à la dalle de verre induit l'apparition de contraintes mécaniques qui déforment la matrice d'électrodes Ep et transistors 0. Dans le cas de dispositifs très miniaturisés, ces déformations rendent délicate cette étape de reprise des contacts.
La figure 2A montre une vue en plan d'un pixel à cristal liquide d'un SLM présentant une structure alternative dite IPS, de l'anglais « In Plane Switching », c'est-à-dire « commutation dans le plan » (voir par exemple le document FR 2976707). Dans une telle structure aussi bien les électrodes de pixel Ep que les contre-électrodes CE sont agencées à la surface d'un substrat qui, comme dans le cas précédent, peut être une dalle sur laquelle est rapportée une structure réalisée à partir d'un substrat de fabrication en SOI. Le champ électrique E est donc horizontal, c'est à dire parallèle au plan dudit substrat, et induit une rotation dans un plan horizontal des molécules du cristal liquide LC qui se trouvent au-dessus du substrat. Sur la figure 2, les références L,, Li+ , C,, CJ+1 désignent les conducteurs de ligne et de colonne connectés, respectivement, aux grilles et aux drains des transistors Q. Les conducteurs de ligne sont superposés aux contre-électrodes, mais sans contact électrique. Dans le cas des SLM de type IPS, toutes les électrodes, les transistors et les conducteurs d'adressage Lj, C, sont réalisés sur un même substrat de fabrication ; il n'est donc pas nécessaire de réaliser une étape de lithographie après transfert de la structure du substrat de fabrication à une dalle de verre. Ainsi, la technologie IPS s'avère particulièrement bien adaptée à la réalisation de pixels très petits (quelques micromètres de côtés, au lieu d'environ 100 micromètres comme dans le cas des afficheurs à cristal liquide conventionnels). D'ailleurs les petites dimensions latérales des pixels permettent d'obtenir un champ électrique suffisamment intense sans devoir appliquer une différence de potentiel trop importante aux électrodes, ou sans avoir à prévoir des électrodes interdigitées.
La technologie IPS présuppose une orientation horizontale des molécules du cristal liquide. Une telle orientation est avantageuse pour la réalisation d'afficheurs à vision directe (écrans de téléviseur ou d'ordinateur, par exemple) à large angle de vue sans besoin d'utiliser des films de compensation, nécessaires dans les écrans exploitant un basculement horizontal - vertical des molécules. Cependant, elle ne convient pas à la réalisation de modulateurs de phase car la rotation de molécules dans le plan s'accompagne d'une torsion du cristal liquide. En effet seules les molécules qui se trouvent à mi-hauteur, entre la dalle portant les électrodes et la dalle supérieure qui ferme la structure, peuvent tourner librement sous l'influence du champ électrique E ; les molécules les plus proches des deux dalles maintiennent une orientation fixe. Ainsi, après application d'une différence de potentiel entre les électrodes Ep et CE, les molécules du cristal liquide LC prennent en réalité une configuration en hélice, comme le montre la vue en coupe de la figure 2B, où les références D1 et D2 désignent les deux dalles confinant le cristal liquide dans une direction verticale. Cela n'est pas gênant si l'on cherche à obtenir une rotation de la polarisation de la lumière traversant le cristal liquide, comme dans le cas des afficheurs en technologie IPS ; mais une telle configuration n'est pas adaptée à la réalisation d'un modulateur de phase, où l'on souhaite que le cristal liquide se comporte comme un matériau biréfringent aussi homogène que possible, présentant un axe optique principal dont l'orientation est contrôlée par l'application d'un champ électrique.
Le document WO 2014/1 1741 1 un réseau lenticulaire constitué de lentilles cylindriques à cristaux liquides pour écrans auto- stéréoscopiques. Ce réseau lenticulaire comprend deux dalles délimitant verticalement un volume rempli de cristaux liquides, des contre-électrodes agencées à la surface de la dalle supérieure et des électrodes adressables, espacées des deux dalles.
L'invention vise à remédier aux inconvénients précités de l'art antérieur. Plus particulièrement elle vise à procurer une nouvelle structure de modulateur spatial de lumière permettant une modulation de phase et convenant à la réalisation de pixels de très petites dimensions latérales.
Conformément à l'invention, un tel but est atteint par un modulateur spatial de lumière à cristal liquide comprenant une matrice de pixels à cristal liquide délimités, dans une direction dite verticale, par une première et une seconde dalles transparentes parallèles l'une à l'autre et espacées dans ladite direction verticale, chaque dit pixel comprenant une première électrode, dite électrode de pixel, et une deuxième électrode, dite contre-électrode, et contenant un cristal liquide ; le modulateur comprenant également un circuit électrique permettant l'adressage individuel des électrodes de pixel, ainsi que la connexion des contre-électrodes à un potentiel commun, et étant caractérisé en ce que l'électrode de pixel et la contre-électrode de chaque pixel sont agencées en face à face à des extrémités latérales opposées du pixel, espacées aussi bien de la première que de la seconde dalle dans ladite direction verticale.
Un autre objet de l'invention est un procédé de fabrication d'un tel modulateur spatial de lumière à cristal liquide, comportant les étapes suivantes :
a) sur un substrat de fabrication, déposer un premier matériau formant des blocs agencés en matrice, destinés à former des pixels à cristal liquide, et un second matériau, diélectrique et différent du premier matériau, formant des parois latérales délimitant lesdits blocs ;
b) déposer un matériau conducteur sur lesdites parois latérales pour former des paires d'électrodes agencées en face à face aux extrémités de chaque dit bloc destiné à former un pixel à cristal liquide ;
c) coller, par adhésion moléculaire, une poignée au-dessus de l'ensemble formé par le premier et le second diélectrique et les électrodes ;
d) supprimer le substrat de fabrication ;
e) coller par adhésion moléculaire de l'ensemble formé par le premier et le second matériau diélectrique et les électrodes à une première dalle transparente ;
f) supprimer la poignée ;
g) graver sélectivement le premier matériau en laissant subsister le second matériau de manière à obtenir, à la place des pavés, des cavités formant lesdits pixels à cristal liquide ; et
h) agencer une seconde dalle transparente au-dessus de l'ensemble ainsi obtenu, de telle sorte que lesdites électrodes soient espacées aussi bien de la première que de la seconde dalle, remplir d'un cristal liquide le volume compris entre la première et la seconde dalle et sceller l'ensemble ainsi obtenu avec un cordon de scellement.
Ledit substrat de fabrication peut notamment être un substrat d'oxyde sur isolant.
D'autres caractéristiques, détails et avantages de l'invention ressortiront à la lecture de la description faite e référence aux dessins annexés, donnés à titre d'exemple, dans lesquels :
Les figures 1 , 2A et 2B, décrites plus haut, illustrent l'état de la technique ;
La figure 3 illustre une structure hypothétique de pixel à cristal liquide, non conforme à l'invention et donnée à titre de comparaison ;
La figure 4 illustre la structure d'un pixel à cristal liquide selon un mode de réalisation de l'invention ;
- Les figures 5A à 5G illustrent les différentes étapes d'un procédé de fabrication d'un modulateur spatial de lumière selon un mode de réalisation de l'invention ; et
La figure 6 illustre la structure matricielle d'un modulateur spatial de lumière selon un mode de réalisation de l'invention.
L'invention préconise l'utilisation de pixels à cristal liquide dans lesquels, comme dans le cas de la technologie IPS, les électrodes de pixel et les contre-électrodes se font face dans une direction horizontale, c'est- à-dire dans un plan parallèle à celui des deux dalles transparentes confinant le cristal liquide ; avantageusement, aucune électrode n'est directement portée par les dalles et coplanaire avec elles. Cependant, afin d'éviter l'effet de torsion en hélice du cristal liquide illustré sur la figure 2B, et contrairement au cas de la technologie IPS, les molécules de ce dernier sont orientées verticalement dans leur position de repos. En outre, les électrodes ne sont pas agencées sur « le fond » du pixel, comme dans le cas de la structure IPS, mais se trouvent à mi-hauteur entre les deux dalles, ou plus précisément à une position intermédiaire entre les interfaces de chaque dalle avec le cristal liquide (typiquement à une distance de chaque interface comprise entre 25 % et 75%, de préférence entre 40% et 60% et de manière encore préférée entre 45% et 55% de l'espacement entre les deux interfaces cristal liquide - dalle).
La figure 3 illustre la configuration qu'on obtiendrait en appliquant une différence de potentiel entre les électrodes Ep et CE d'un pixel IPS modifié pour que l'orientation de repos des molécules du cristal liquide LC soit sensiblement verticale (perpendiculaire aux deux dalles D1 , portant les électrodes, et D2). On indique par « z » la direction verticale, par « x » la direction dans laquelle les électrodes se font face et par « y » celle dans laquelle les électrodes s'étendent ; ainsi, les dalles sont parallèles au plan « x- y ». Les molécules du cristal liquide ont tendance à s'aligner suivant les lignes du champ électrique E ; mais comme elles ne sont pas polaires, elles peuvent prendre deux orientations opposées. On observe ainsi des plans de disclinaison DIS qui séparent des domaines du cristal liquide dans lesquels les molécules basculent dans des sens opposés (si les molécules au repos étaient parfaitement verticales, les plans de disclinaison seraient situés à mi- chemin entre les électrodes Ep et CE ; l'angle dit de « tilt » que les molécules forment avec la verticale dans leur état de repos brise cette symétrie). On constate que l'orientation des molécules - et donc l'indice de réfraction vu par un rayon lumineux se propageant dans la direction verticale « z » - varie le long de la direction inter-électrodes « x » : la modulation de phase ainsi obtenue n'est donc pas homogène d'un point à l'autre du pixel.
La figure 4 montre une structure de pixel à cristal liquide selon un mode de réalisation de l'invention, permettant de surmonter cet inconvénient. Dans un tel pixel, les électrodes Ep et CE sont portées par des parois latérales P1 , P2 s'étendant verticalement sur une partie de la distance entre les dalles D1 , D2, de manière à se situer à mi-hauteur entre ces dernières. Dans ces conditions, les plans de disclinaison disparaissent et l'orientation des molécules du cristal liquide devient presque indépendante des coordonnées « x » et « y » (sauf directement au-dessous des parois latérales, mais cela n'a pas d'importance car ces dernières bloquent le passage de la lumière). L'orientation des molécules varie le long de la direction « z », mais cela n'est pas gênant : un rayon de lumière polarisée dans le plan « x-y » verra simplement un indice de réfraction efficace dépendant de l'orientation moyenne des molécules, la moyenne étant calculée selon la direction « z ». On peut dire que, contrairement à l'architecture IPS qui assure une commutation « dans le plan », dans le cas d'un pixel selon l'invention la commutation s'effectue « dans le volume » du pixel.
Les parois latérales P1 et/ou P2 peuvent porter à leur surface les lignes d'adressage L, les transistors 0 et, optionnellement, des condensateurs de stockage CS destinés à être connectés en parallèle aux pixels à cristal liquide pour stabiliser la tension à leurs bornes : comme au moins certains de ces éléments sont, de toute façon, indispensables, la présence des parois ne réduit pas significativement la transmission optique du pixel.
La structure de la figure 4 peut être obtenue au moyen d'un procédé qui sera décrit à l'aide des figures 5A à 5G.
Comme illustré sur la figure 5A, le procédé commence par des opérations de dépôt réalisées sur un substrat de fabrication SF de type SOI , comprenant un substrat massif (« bulk ») de silicium BS, une couche d'oxyde (SiO2) enterrée BOX et une couche épitaxiale de silicium ES. Au- dessus de la couche ES on dépose des lignes conductrices d'adressage L, puis un premier et un deuxième matériau OX1 , OX2 présentant des propriétés chimiques différentes. Le matériau OX1 forme des blocs ou pavés sacrificiels, qui occupent des volumes qui seront ensuite remplis par le cristal liquide ; le matériau OX2, qui doit être isolant, forme des parois délimitant latéralement ces pavés. Par exemple, OX1 peut être de l'oxyde de silicium et OX2 du nitrure de silicium, ou inversement. Des électrodes Ep, CE sont réalisées par dépôt métallique au-dessus du matériau OX2, à la limite entre les parois latérales d'un pixel et le bloc de matériau OX1 occupant provisoirement le volume interne de ce pixel. Les électrodes sont reliées aux lignes conductrices L par des interconnexions verticales, ou « vias ». On peut également déposer, sur les parois latérales en matériau OX2, des transistors à couche mince reliant les lignes conductrice L aux électrodes Ep (non représentés), ainsi que des condensateurs montés en parallèle auxdites électrodes. Ensuite, une couche diélectrique CP est déposée au-dessus des pavés et des parois latérales et planarisée. La couche CP peut être constituée du matériau 0X1 ; dans ce cas, il peut être avantageux de procéder dans l'ordre suivant : dépôt des lignes L, dépôt du matériau 0X2 et sa gravure pour réaliser les interconnexions verticales, dépôt des électrodes, dépôt du matériau 0X1 en couche épaisse entre les dépôts d'0X2 et en couche mince au-dessus de ces derniers, planarisation du matériau 0X1 . Cela n'est cependant pas essentiel.
Ensuite (figure 5B) un substrat en silicium SP destiné à former une « poignée » est collé, par adhésion moléculaire, à la couche planarisée CP.
Puis (figure 5C) le substrat en silicium BS est abrasé jusqu'à exposer la couche d'oxyde BOX, qui est planarisée pour permettre son collage, également par adhésion moléculaire, à une dalle transparente D1 , typiquement en verre (figure 5D). De préférence, l'abrasion laisse subsister une épaisseur de silicium de quelques dizaines de micromètres, l'élimination du substrat étant ensuite achevée par attaque chimique jusqu'à la couche d'oxyde BOX.
A ce point, on détache la poignée (figure 5E) et on procède à la gravure chimique sélective du matériau 0X1 (et de la couche CP, si elle est réalisée en un autre matériau), en laissant intactes les parois latérales en matériau 0X2 et les électrodes Ep, CE (figure 5F). Par exemple, si le matériau 0X1 est de l'oxyde de silicium (Si02), sa gravure peut être réalisée par CHF3+02.
Ensuite une couche mince (épaisseur de l'ordre de 50 nm, par exemple) de polyimide est déposée (par exemple à la tournette) sur la surface de la structure ainsi réalisée, et sur celle de la deuxième dalle transparente D2. Cette couche de polyimide est ensuite traitée, généralement par frottage, pour déterminer l'orientation des molécules de cristal liquide destinées à remplir les pixels ; cela a déjà été mentionné plus haut en référence à l'art antérieur. Puis la deuxième dalle transparente D2 est agencée en face de la première dalle D1 et maintenue à une distance prédéfinie de cette dernière par des espaceurs (billes de silice ou fibres) non représentés, le volume entre les deux dalles est rempli avec le cristal liquide LC et ce volume est scellé au moyen d'un cordon de scellement CS. Généralement, les espaceurs sont mélangés à la colle formant le cordon de scellement. On remarque que les parois latérales P1 , P2 ne séparent que partiellement les différents pixels CL, dont un seul est représenté sur la figure 5G. En raison de la présence de la couche de polyimide traitée, les molécules du cristal liquide s'orientent presque - mais de préférence pas parfaitement - perpendiculairement aux dalles D1 , D2 ; l'angle de « tilt » formé par l'axe principal de ces molécules et la direction « z » en l'absence de champ électrique est généralement inférieur à 20° et typiquement compris entre 75° et 89° ; il peut par exemple valoir 85°.
Un pixel CL selon l'invention présente de préférence des dimensions latérales comprises entre 2 et pm et 15 pm et une hauteur (distance, selon la direction « z », entre les interfaces du cristal liquide avec les dalles D1 et D2) comprise entre 1 pm et 5 pm. La largeur des parois latérales séparant deux pixels est de préférence inférieure ou égale à 1 pm, par exemple comprise entre 500 nm et 1 pm (plus généralement, cette largeur devrait être la plus faible possible, sous réserve des contraintes technologiques, pour minimiser la fraction opaque de la surface de la matrice). On peut, par exemple, prendre des pixels carrés de 5 pm de côté avec une épaisseur de 2,4 pm.
La figure 6 représente la structure générale d'un SLM comprenant une matrice de pixels à cristal liquide CL du type de la figure 4. Comme dans la figure 2A, les conducteurs de ligne, dits aussi « de commande, connectées aux grilles des transistors O des pixels d'une même ligne, sont désignés par Li à Ln pour une matrice de n lignes, et les conducteurs de colonne, connectées aux drains des électrodes Ep des pixels d'une même colonne, sont désignés par C-ι à Cm pour une matrice de m colonnes ; les conducteurs reliant les contre-électrodes à un potentiel de I I référence ne sont pas représentés pour ne pas surcharger la figure. Un décodeur de ligne DEC adresse successivement les différentes lignes. Un circuit de conversion numérique-analogique DAC applique aux conducteurs de colonne pendant l'adressage d'une ligne, un ensemble de tensions analogiques représentant la modulation spatiale de phase à réaliser par cette ligne. Le circuit de conversion établit ces tensions analogiques à partir d'un signal numérique. Un circuit de séquencement SEQ assure le fonctionnement synchronisé du décodeur de ligne et du circuit de conversion DAC.
L'invention a été décrite en référence à un mode de réalisation particulier, mais de nombreuses variantes sont envisageables. Par exemple :
Le cas où l'orientation au repos des molécules du cristal photonique est approximativement verticale parait le plus intéressant, notamment car i! permet la réalisation d'un modulateur spatial de phase optique. Cependant, si on souhaite réaliser une modulation spatiale de direction de polarisation ou d'amplitude, il est également possible d'utiliser un cristal liquide dont les molécules présentent une orientation au repos sensiblement horizontale, comme dans le cas de la technologie IPS.
Un film polariseur peut être collé à l'une des dalles ; cela n'est pas nécessaire si le SLM est destiné à être éclairé par un faisceau de lumière qui est déjà polarisé.
La présence de parois latérales n'est pas essentielle en soi : il s'agit simplement de la manière la plus simple pour supporter les électrodes. Ce qui est essentiel, en revanche, est le positionnement des électrodes à un niveau intermédiaire entre les deux dalles.
Les pixels ne présentent pas nécessairement une forme rectangulaire, et la structure des électrodes peut être plus complexe, par exemple interdigitée.
Le terme « matrice » doit être entendu dans un sens large, comme indiquant tout agencement bidimensionnel, voire unidimensionnel. En effet, il n'est pas essentiel que les pixels soient agencés par lignes et par colonnes. Les transistors peuvent être absents, en particulier si l'on adopte un adressage direct des pixels (autant de lignes d'alimentation distinctes que d'électrodes de pixel devant être pilotés de manière indépendante), mais cela n'est intéressant que dans le cas de matrices comportant un petit nombre de pixels.
Le substrat de fabrication ne doit pas nécessairement être de type SOI. Plus généralement, de nombreux matériaux peuvent être utilisés pour la réalisation d'un SLM selon l'invention.

Claims

REVENDICATIONS
1 . Modulateur spatial de lumière à cristal liquide comprenant une matrice de pixels à cristal liquide (CL) délimités, dans une direction dite verticale (z), par une première (D1 ) et une seconde (D2) dalles transparentes parallèles l'une à l'autre et espacées dans ladite direction verticale, chaque dit pixel comprenant une première électrode (Ep), dite électrode de pixel, et une deuxième électrode (CE), dite contre-électrode, et contenant un cristal liquide (LC) ; le modulateur comprenant également un circuit électrique (DEC, DAC, Q) permettant l'adressage individuel des électrodes de pixel, ainsi que la connexion des contre-électrodes à un potentiel commun, et étant caractérisé en ce que l'électrode de pixel et la contre-électrode de chaque pixel sont agencées en face à face à des extrémités latérales opposées du pixel, espacées aussi bien de la première que de la seconde dalle dans ladite direction verticale.
2. Modulateur spatial de lumière à cristal liquide selon la revendication 1 , dans lequel l'électrode de pixel et la contre-électrode de chaque pixel sont situées à une position intermédiaire entre les interfaces de chaque dite dalle avec le cristal liquide, à une distance de chaque dite interface comprise entre 25% et 75% de l'espacement entre les deux interfaces.
3. Modulateur spatial de lumière à cristal liquide selon l'une des revendications précédentes, dans lequel les molécules dudit cristal liquide ont une orientation naturelle de repos non parallèle aux dalles.
4. Modulateur spatial de lumière à cristal liquide selon la revendication 3, dans lequel les molécules du cristal liquide ont une orientation naturelle de repos formant un angle inférieur à 20°, et de préférence compris entre 1 ° et 15°, avec ladite direction verticale.
5. Modulateur spatial de lumière à cristal liquide selon l'une des revendications précédentes, dans lequel lesdits pixels sont également délimités par des parois latérales (P1 , P2) s'étendant sur au moins une partie de l'espacement entre la première et la seconde dalle, et dans lequel l'électrode de pixel et la contre-électrode de chaque pixel sont portées par deux parois latérales opposées dudit pixel.
6. Modulateur spatial de lumière à cristal liquide selon la revendication 5, dans lequel chaque pixel comprend également un transistor (Q) configuré pour relier sélectivement ladite électrode de pixel à une ligne conductrice (C-i , Cm) dite d'alimentation, ledit transistor étant agencé à la surface de la paroi latérale portant ladite électrode.
7. Modulateur spatial de lumière à cristal liquide selon la revendication 6 comprenant une pluralité de dites lignes conductrices (Ci , Cm) d'alimentation reliées aux électrodes de pixel des pixels par des transistors respectifs, une pluralité de lignes conductrices de commande Ln>) reliées à des grilles desdits transistors et une pluralité de lignes conductrices de référence reliées aux contre-électrodes des pixels, ces lignes conductrices d'alimentation et de commande étant agencées, au moins en partie, au- dessus de parois latérales respectives.
8. Modulateur spatial de lumière à cristal liquide selon la revendication 7, dans lesquels les pixels à cristal liquide sont organisés par lignes et par colonnes, les électrodes de pixels des pixels d'une même ligne étant reliées à une même ligne conductrice d'alimentation par l'intermédiaire de transistors respectifs, et les transistors des pixels d'une même colonne ayant des grilles reliées à une même ligne conductrice de commande.
9. Modulateur spatial de lumière à cristal liquide selon l'une des revendications précédentes, dans lequel l'espacement entre les deux interfaces entre le cristal liquide et la première et la seconde dalle est compris entre 1 et 5 pm.
1 0. Modulateur spatial de lumière à cristal liquide selon l'une des revendications précédentes, dans lequel l'espacement entre l'électrode de pixel et la contre-électrode de chaque pixel est compris entre 2 et 15 pm.
1 1 . Procédé de fabrication d'un modulateur spatial de lumière à cristal liquide selon l'une des revendications précédentes, comportant les étapes suivantes :
a) sur un substrat de fabrication (SF), déposer un premier matériau (OX1 ) formant des blocs agencés en matrice, destinés à former des pixels à cristal liquide (CL), et un second matériau (OX2), diélectrique et différent du premier matériau, formant des parois latérales (P1 , P2) délimitant lesdits blocs ;
b) déposer un matériau conducteur sur lesdites parois latérales pour former des paires d'électrodes (Ep, CE) agencées en face à face aux extrémités de chaque dit bloc destiné à former un pixel à cristal liquide ;
c) coller, par adhésion moléculaire, une poignée (SP) au- dessus de l'ensemble formé par le premier et le second diélectrique et les électrodes ;
d) supprimer le substrat de fabrication ;
e) coller par adhésion moléculaire de l'ensemble formé par le premier et le second matériau diélectrique et les électrodes à une première dalle transparente (D 1 ) ;
f) supprimer la poignée ;
g) graver sélectivement le premier matériau en laissant subsister le second matériau de manière à obtenir, à la place des pavés, des cavités formant lesdits pixels à cristal liquide ; et
h) agencer une seconde dalle transparente (D2) au-dessus de l'ensemble ainsi obtenu, de telle sorte que lesdites électrodes soient espacées aussi bien de la première que de la seconde dalle, remplir d'un cristal liquide le volume compris entre la première et la seconde dalle et sceller l'ensemble ainsi obtenu avec un cordon de scellement (CS).
12. Procédé selon la revendication 1 1 , dans lequel ledit substrat de fabrication est un substrat d'oxyde sur isolant.
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