Конструкция отражательного пространственного модулятора света

Конструкция отражательного пространственного модулятора света

Иллюстрации

Показать все

Реферат

Перекрестные ссылки на родственные заявки

Настоящее изобретение заявляет приоритет предварительной заявки на патент США за №60/390389 с названием «Отражательный пространственный модулятор света», поданной 19 июня 2002 г., содержание которой включено посредством ссылки.

Предпосылки изобретения

1. Область применения изобретения

Данное изобретение относится к пространственным модуляторам света (ПМС) и, в частности, к массиву микрозеркал с управляющей схемой электронной адресации, применяемому в дисплеях.

2. Уровень техники

Пространственные модуляторы света (ПМС) имеют многочисленные применения для обработки оптической информации, проекционных дисплеев, видео- и графических мониторов, телевизоров и для электрофотографической печати. Отражательные ПМС это устройства, которые модулируют падающий свет в соответствии с пространственным шаблоном для отражения изображения, соответствующего электрическому или оптическому входному сигналу. Падающий свет может быть модулирован по фазе, интенсивности, поляризации или направлению отклонения. Отражательный ПМС обычно содержит область или двумерный массив адресуемых элементов изображения (пикселей), выполненный с возможностью отражения падающего света. Пиксельные данные источника сначала обрабатываются соответствующей управляющей схемой, а затем покадрово загружаются в пиксельный массив.

ПМС, известные из уровня техники, имеют различные недостатки. К этим недостаткам относятся: оптически активная область (измеряемая как доля поверхности устройства, обладающая отражательной способностью, именуемая также отношением заполнения) меньше оптимальной, что снижает оптическую эффективность, шероховатость отражающих поверхностей, снижающую отражательную способность зеркал, дифракцию, снижающую контрастность дисплея, использование материалов, имеющих проблемы долговременной надежности, и сложность процесса изготовления, повышающую стоимость изделия.

Многие устройства, известные из уровня техники, содержат существенные неотражающие области на своих поверхностях. Это обеспечивает низкие отношения заполнения и отражательную эффективность ниже оптимальной. Например, в патенте США №4229732 описаны устройства на МОП-транзисторах, которые, помимо зеркал, сформированы на поверхности устройства. Эти устройства на МОП-транзисторах занимают часть поверхности, тем самым снижая долю оптически активной области устройства и снижая отражательную эффективность. Устройства на МОП-транзисторах на поверхности устройства также вызывают дифракцию падающего света, что снижает контрастность дисплея. Кроме того, интенсивный свет, падающий на открытые устройства на МОП-транзисторах, нарушает правильную работу устройств за счет зарядки устройств на МОП-транзисторах и перегрева схем.

Некоторые конструкции ПМС имеют шероховатые поверхности, которые также снижают отражательную эффективность. Например, в некоторых конструкциях ПМС отражающая поверхность представляет собой алюминиевую пленку, осажденную на слое нитрида кремния, полученном методом ЛХПО (лазерного химического осаждения из паровой фазы). Гладкость этих отражающих зеркальных поверхностей трудно контролировать, поскольку они получены осаждением тонкой пленки. Таким образом, конечный продукт имеет шероховатые поверхности, снижающие отражательную эффективность.

Другая проблема, приводящая к снижению отражательной эффективности в некоторых конструкциях ПМС, в частности в некоторых конструкциях с верхней подвеской зеркала, состоит в больших открытых площадях поверхности подвеса. Эти большие открытые площади поверхности подвеса должны блокироваться пластиной, обычно выполненной из вольфрама, в верхней части подвеса, чтобы препятствовать рассеянию падающего света. Эти пластины значительно уменьшают оптически активную область и снижают отражательную эффективность.

Многие традиционные ПМС, например ПМС, описанные в патенте США №4566935, имеют подвесы, выполненные из алюминиевого сплава. Алюминий, как и другие металлы, подвержен усталости и пластической деформации, что может приводить к проблемам долговременной надежности. Кроме того, для алюминия свойственна «память» ячеек, когда ненапряженное положение смещается к наиболее часто занимаемому положению. Кроме того, зеркала, описанные в патенте США №4566935, освобождают, подрезая поверхность зеркала. Этот метод часто приводит к разрушению нежных микрозеркальных структур в процессе освобождения. Для этого также требуются большие зазоры между зеркалами, что снижает долю оптически активной области устройства.

Желательно иметь ПМС с повышенной отражательной эффективностью, долговременную надежность устройства ПМС и упрощенный процесс изготовления.

Сущность изобретения

Настоящее изобретение предусматривает пространственный модулятор света (ПМС). Согласно одному варианту осуществления, ПМС имеет отражающий массив избирательно отклоняемых микрозеркал, изготовленный из первой подложки, связанной со второй подложкой, имеющей индивидуально адресуемые электроды. Вторая подложка также может иметь схему адресации и управления для массива микрозеркал. Альтернативно, части схемы адресации и управления находятся на отдельной подложке и подключены к указанной схеме и электродам на второй подложке.

Массив микрозеркал содержит управляемо отклоняемую зеркальную пластину с отражающей поверхностью для отражения падающего света. Зеркальная пластина присоединена соединителем к вертикальному подвесу, который, в свою очередь, присоединен к разделительным стенкам посредством опорных штырей. Зеркальная пластина, соединитель, вертикальный подвес, опорные штыри и разделительные стенки изготовлены из первой подложки. Эта первая подложка представляет собой пластину из одного материала, согласно одному варианту осуществления монокристаллического кремния. Разделительные стенки обеспечивают разделение между зеркальной пластиной и электродом, связанным с этой зеркальной пластиной, который управляет отклонением зеркальной пластины и размещен на второй подложке, связанной с массивом микрозеркал. Близкое расположение зеркальных пластин и вертикальная ориентация подвеса обеспечивают очень высокое отношение заполнения отражающих поверхностей в массиве микрозеркал. Свет, проникающий через массив микрозеркал, настолько слаб, что не оказывает влияния на работу схем, находящихся на второй подложке.

Пространственный модулятор света изготавливают в несколько этапов, что позволяет снизить стоимость и сложность изготовления. На первой стороне первой подложки формируют полости. Согласно одному варианту осуществления, для этого осуществляют одну операцию анизотропного травления. Параллельно, на первой стороне второй подложки формируют электроды и схему адресации и управления. Первую сторону первой подложки присоединяют к первой стороне второй подложки. Стороны выравнивают, для того чтобы электроды на второй подложке находились в правильном соотношении с зеркальными пластинами, которыми электроды будут управлять. Со второй стороны первой подложки удаляют материал, добиваясь требуемой толщины. В необязательном порядке, на второй стороне первой подложки можно осаждать слой отражающего материала. Осуществляя вторую операцию анизотропного травления, формируют опорные штыри, вертикальные подвесы и соединители, а также освобождают зеркальные пластины от второй стороны первой подложки. Таким образом, модулятор света можно изготавливать только посредством двух главных этапов травления.

Краткое описание изобретения

Фиг.1 - схема общей конструкции пространственного модулятора света согласно одному варианту осуществления изобретения.

Фиг. 2а и 2b - виды в перспективе одного микрозеркала.

Фиг. 3а и 3b - виды в перспективе верхней и боковых сторон массива микрозеркал.

Фиг. 4а и 4b - виды в перспективе нижней и боковых сторон массива микрозеркал.

Фиг. 5а и 5b - виды сверху массива микрозеркал.

Фиг. 6а и 6b - виды сбоку массива микрозеркал.

Фиг. 7а-7d - виды в перспективе верхней, нижней и боковых сторон одного зеркала согласно альтернативному варианту осуществления массива микрозеркал.

Фиг. 8а-8d - виды в перспективе верхней и нижней сторон альтернативного массива микрозеркал.

Фиг.9а - блок-схема предпочтительного варианта осуществления изготовления пространственного модулятора света.

Фиг. 9а-9j - подробные схемы изготовления пространственного модулятора света.

Фиг.10 - подробная схема генерации маски и травления для формирования полостей в первой подложке.

Фиг.11 - вид в перспективе одного варианта осуществления электродов, сформированных на второй подложке.

Фиг.12 - вид в перспективе массива микрозеркал на первой подложке, расположенного поверх электродов и других схем на второй подложке.

Фиг.13 - схема упрощенного варианта осуществления маски, используемой при травлении верхней поверхности на первой подложке.

Фиг.14 - вид в разрезе части двух подложек, связанных друг с другом.

Подробное описание предпочтительных вариантов осуществления

Отражающий пространственный модулятор света (ПМС) 100 имеет массив 103 отклоняемых зеркал 202. Отдельные зеркала 202 можно избирательно отклонять, подавая напряжение смещения между этим зеркалом и соответствующим электродом 126. Отклонение каждого зеркала 202 управляет отражением света, идущего от источника света, на видеодисплей. Таким образом, управление отклонением зеркала 202 позволяет отражать свет, падающий на это зеркало 202, в выбранном направлении и, таким образом, позволяет управлять видом пикселя на видеодисплее.

Обзор пространственного модулятора света.

На фиг.1 показана схема, иллюстрирующая общую конструкцию ПМС 100 согласно одному варианту осуществления изобретения. Первый слой представляет собой массив 103 зеркал, который имеет совокупность отклоняемых микрозеркал 202. Согласно одному предпочтительному варианту осуществления, массив 103 микрозеркал изготавливают из первой подложки 105, которая представляет собой единый материал, например монокристаллический кремний.

Второй слой представляет собой массив 104 электродов с совокупностью электродов 126 для управления микрозеркалами 202. Каждый электрод 126 связан с микрозеркалом 202 и управляет отклонением этого микрозеркала 202. Схема адресации позволяет выбирать один электрод 126 для управления отдельным микрозеркалом 202, связанным с этим электродом 126.

Третий слой является слоем управляющей схемы 106. Эта управляющая схема 106 имеет схему адресации, которая позволяет управляющей схеме 106 управлять напряжением, подаваемым на выбранные электроды 126. Это позволяет управляющей схеме 106 управлять отклонением зеркал 202 в массиве 103 зеркал посредством электродов 126. Обычно управляющая схема 106 также содержит блок 108 управления дисплеем, буферы 110 памяти строк, массив 112 широтно-импульсной модуляции и входы для видеосигналов 120 и графических сигналов 122. Микроконтроллер 114, схема 116 управления оптической системой и флэш-память 118 могут быть внешними компонентами, подключенными к управляющей схеме 106, или, согласно некоторым вариантам осуществления, могут входить в состав управляющей схемы. В различных вариантах осуществления, некоторые из вышеперечисленных компонентов могут отсутствовать, могут находиться на отдельной подложке и подключаться к управляющей схеме 106, или другие дополнительные компоненты могут входить в состав управляющей схемы 106 или быть подключены к управляющей схеме 106.

Согласно одному варианту осуществления, второй слой 104 и третий слой 106 изготавливают с использованием полупроводниковой технологии на единой второй подложке 107. Иными словами, второй слой 104 не обязательно должен быть отделен от третьего слоя 106 и находиться над ним. Напротив, термин «слой» используется как вспомогательное понятие для концептуализации разных частей пространственного модулятора света 100. Например, согласно одному варианту осуществления, второй слой 104, т.е. слой электродов, изготавливают над третьим слоем, т.е. слоем управляющей схемы 106, и их обоих изготавливают на единой второй подложке 107. Иными словами, согласно одному варианту осуществления, электроды 126, а также блок 108 управления дисплеем, буферы 110 памяти строк и массив 112 широтно-импульсной модуляции изготавливают на одной подложке. Интеграция нескольких функциональных компонентов управляющей схемы 106 на одной и той же подложке обеспечивает преимущество повышенной скорости переноса данных по сравнению с традиционными пространственными модуляторами света, в которых блок 108 управления дисплеем, буферы 110 памяти строк и массив 112 широтно-импульсной модуляции изготовлены на отдельной подложке. Кроме того, изготовление второго слоя массива 104 электродов и третьего слоя управляющей схемы 106 на единой подложке 107 обеспечивает преимущество простоты и дешевизны изготовления, а также компактности конечного изделия.

После изготовления слоев 103, 104 и 106 их связывают друг с другом для формирования ПМС 100. Первый слой с массивом 103 зеркал покрывает второй и третий слои 104 и 106. Площадь под зеркалами 202 в массиве 103 зеркал определяет, сколько места имеется под первым слоем 103 для электродов 126 и схемы 106 адресации и управления. Под микрозеркалами 202 в массиве 103 зеркал имеется ограниченное пространство для размещения электродов 126 и электронных компонентов, образующих блок 108 управления дисплеем, буферы 110 памяти строк и массив 112 широтно-импульсной модуляции. В настоящем изобретении используются методы изготовления (подробнее описанные ниже), позволяющие создавать элементы малых размеров, например процессы, позволяющие изготавливать элементы размерами 0,18 микрон, и процессы, позволяющие изготавливать элементы размерами 0,13 микрон или менее. Традиционные пространственные модуляторы света выполнены в процессе изготовления, который не позволяет создавать столь малые элементы. Обычно традиционные пространственные модуляторы света выполнены посредством процесса, который ограничивает размер элемента примерно 1 микроном или более. Таким образом, настоящее изобретение позволяет изготавливать гораздо больше схемных устройств, например транзисторов, в ограниченной области под микрозеркалами массива 103 зеркал. Это допускает интеграцию компонентов, например блока 108 управления дисплеем, буферов 110 памяти строк и массива 112 широтно-импульсной модуляции, на одной подложке с электродами 126. Размещение такой управляющей схемы 106 на одной подложке 107 с электродами 126 повышает производительность ПМС 100.

В других вариантах осуществления различные комбинации электродов 126 и компонентов управляющей схемы могут быть изготовлены на разных подложках и электрически соединены.

Зеркало

На фиг.2а изображен вид в перспективе одного микрозеркала 202. Согласно одному предпочтительному варианту осуществления, микрозеркало 202 изготавливают из пластины единого материала, например монокристаллического кремния. Таким образом, первая подложка 105 в таком варианте осуществления представляет собой пластину из монокристаллического кремния. Изготовление микрозеркала 202 из пластины единого вещества значительно упрощает процесс изготовления зеркала 202. Кроме того, монокристаллический кремний можно полировать для создания гладких зеркальных поверхностей, шероховатость поверхности которых на порядок меньше, чем у осажденных пленок. Зеркала 202, изготовленные из монокристаллического кремния, характеризуются механической жесткостью, что препятствует нежелательному изгибу или кручению поверхности зеркала, и подвесы, изготовленные из монокристаллического кремния, отличаются долговечностью, гибкостью и надежностью. Согласно другим вариантам осуществления, вместо монокристаллического кремния можно использовать другие материалы. Одна возможность состоит в использовании другого типа кремния (например, поликристаллического кремния или аморфного кремния) для микрозеркала 202 или даже в изготовлении зеркала 202 полностью из металла (например, алюминиевого сплава или вольфрамового сплава).

Микрозеркало 202 имеет верхнюю зеркальную пластину 204. Эта зеркальная пластины 204 является частью микрозеркала 202, которая избирательно отклоняется при приложении напряжения смещения между зеркалом 202 и соответствующим электродом 126. Согласно одному варианту осуществления, эта отражающая зеркальная пластина 204 имеет по существу квадратную форму с размерами примерно пятнадцать микрон на пятнадцать микрон, т.е. площадь примерно 225 квадратных микрон, хотя возможны и другие формы и размеры. Согласно одному предпочтительному варианту осуществления, большая часть площади поверхности массива 103 микрозеркал образована площадями зеркальных пластин 204 микрозеркал 202.

Зеркальная пластина 204 имеет отражающую поверхность, которая отражает свет, идущий от источника света, под углом, определенным отклонением зеркальной пластины 204. Эта отражающая поверхность может быть из того же материала, из которого изготовлено микрозеркало 202, в каковом случае поверхность зеркальной пластины 204 отполирована до степени гладкости, которая обеспечивает требуемый уровень отражающей способности. Альтернативно, после изготовления микрозеркал 202 на поверхность зеркальной пластины 204 можно добавить слой отражающего материала, например алюминия. Поскольку в предпочтительном варианте осуществления большая часть площади поверхности образована площадями зеркальных пластин 204 микрозеркал и зеркальные пластины 204 имеют отражающие поверхности, то большая часть площади поверхности массива 103 микрозеркал является отражающей и способна отражать свет под выбранным углом. Таким образом, ПМС 100 имеет большое отношение заполнения и эффективно отражает падающий свет.

Зеркальная пластина 204 присоединена к торсионному пружинному подвесу 206 соединителем 216. Торсионный пружинный подвес 206 присоединен к разделительной опорной раме 210, которая удерживает торсионную пружину 206 на месте. Заметим, что можно использовать и другие пружины и схемы соединения между зеркальной пластиной 204, подвесом 206 и разделительной опорной рамой 210. Торсионный пружинный подвес 206 позволяет зеркальной пластине 204 поворачиваться относительно разделительной опорной рамы 210 вокруг оси между стенками разделительной опорной рамы 210, когда на зеркальную пластину 204 действует сила, например электростатическая сила, за счет подачи напряжения между зеркалом 202 и соответствующим электродом 126. Этот поворот создает угловое отклонение отраженного света в выбранном направлении. Согласно одному варианту осуществления, этот поворот происходит вокруг оси, по существу коллинеарной с длинной осью подвеса. Согласно одному варианту осуществления, торсионный пружинный подвес 206 имеет «вертикальное» выравнивание. Это значит, что ширина 222 подвеса 206 меньше глубины подвеса (измеренной в перпендикулярном направлении относительно поверхности зеркальной пластины 204). Ширина подвеса обычно составляет от 0,1 микрон до 0,5 микрон и, в одном варианте осуществления, равна около 0,2 микрона. Это «вертикальное» выравнивание подвеса способствует минимизации неотражающих поверхностей на поверхности массива 103 зеркал и поддержанию высокого отношения заполнения.

Разделительная опорная рама 210 отделяет зеркальную пластину 204 от электродов и схемы адресации, благодаря чему зеркальная пластина 204 может отклоняться вниз, не прикасаясь к электродам и другим схемам под ней. Согласно одному варианту осуществления, разделительная опорная рама 210 содержит разделительные стенки, которые обычно не отделяют компоненты от остальной разделительной опорной рамы 210. Эти стенки помогают задавать высоту разделительной опорной рамы 210. Высоту разделителей 210 выбирают на основании требуемого разделения между зеркальными пластинами 204 и электродами 126 и топографической конструкции электродов. Чем больше высота, тем больше возможно отклонение зеркальной пластины 204 и тем больше максимальный угол отклонения. Больший угол отклонения обеспечивает повышенную контрастность. Согласно одному варианту осуществления, максимальный угол отклонения зеркальной пластины 204 равен 20 градусам. Разделительная опорная рама 210 характеризуется шириной 212 разделительной стенки, которая, в сумме с зазором между зеркальной пластиной 204 и опорной рамой 210, практически равна расстоянию между соседними зеркальными пластинами 204 соседних микрозеркал 202. Согласно одному варианту осуществления, ширина 212 разделительной стенки равна 1 микрону или менее. Согласно одному предпочтительному варианту осуществления, ширина 212 разделительной стенки равна 0,5 микрона или менее. Таким образом, зеркальные пластины 204 размещаются близко друг к другу, что увеличивает отношение заполнения массива 103 зеркал.

Согласно некоторым вариантам осуществления, микрозеркало 202 содержит элементы, которые препятствуют отклонению зеркальной пластины 204 при предварительно определенном угле отклонения пластины 204 вниз. Обычно эти элементы содержат ограничитель движения и посадочный конец. При отклонении зеркальной поверхности 204 ограничитель движения на зеркальной пластине 204 соприкасается с посадочным концом. Когда это происходит, зеркальная пластина 204 больше не может отклоняться. Существует несколько возможных конфигураций ограничителя движения и посадочного конца. Согласно одному варианту осуществления, посадочный конец изготавливают на разделительных рамах 210 напротив подвеса. Максимальный угол наклона зеркальной пластины 204 ограничивается посадочным концом на разделительных рамах 210, который останавливает механическое движение вниз зеркальной пластины 204. Наличие максимального угла наклона упрощает управление пространственным модулятором 100 света для отражения падающего света в известном направлении.

Согласно другому варианту осуществления, посадочные концы изготавливают совместно с электродами 126 на второй подложке 107. Посадочные концы в данном варианте осуществления можно изготавливать из диэлектрика, например диоксида кремния, для предотвращения короткого замыкания между зеркальной пластиной 204 и электродом 126. Максимальный угол наклона зеркальной пластины 204 ограничивается в этом варианте осуществления углом, под которым зеркальная пластина 204 соприкасается с посадочным концом на второй подложке 107. Этот угол зависит от высоты разделителей 210; чем выше разделители 210, тем больше возможный угол. Посадочный конец на второй подложке 107 может представлять собой выступающий столбик, который уменьшает полную площадь поверхности фактического контакта. На столбиках может быть тот же электрический потенциал, что и на зеркальной пластине 204, во избежание сваривания в месте контакта.

Согласно еще одному варианту осуществления, зазор между зеркальной пластиной 204 и подвесом 206 выполняется с высокой точностью, чтобы, при наклоне зеркальной пластины 204 на определенный угол, углы пластины 204 вблизи подвеса 206 касались концов подвеса 206, которые функционируют как механические ограничители. Дело в том, что участок подвеса 206, присоединенный к зеркальной пластине 204, отклоняется совместно с зеркальной пластиной 204, а участки подвеса 206 вблизи опорной стенки 210 остаются относительно неотклоненными. Например, при высоте торсионного подвеса 206 в 1 микрон зазор в 0,13 микрона между опорной стенкой и подвесом 206 будет обеспечивать максимальный угол наклона зеркальной пластины 204, равный 15 градусам.

Согласно одному предпочтительному варианту осуществления, ограничитель движения и посадочный конец выполнены из того же материала, что и остальное зеркало 202, и оба они изготовлены на первой подложке 105. Согласно вариантам осуществления, где материалом является монокристаллический кремний, ограничитель движения и посадочный конец выполнены из твердого материала, имеющего большую долговечность, что обеспечивает сохранность массива 103 зеркал в течение длительного времени. Кроме того, поскольку монокристаллический кремний является твердым материалом, ограничитель движения и посадочный конец можно изготавливать с малой площадью контакта между ограничителем движения и посадочным концом, что значительно уменьшает силы слипания и позволяет зеркальной пластине 204 свободно отклоняться. Кроме того, это значит, что электрический потенциал на ограничителе движения и посадочном конце одинаковый, что препятствует слипанию, происходящему в процессах сваривания и инжекции заряда, когда ограничитель движения и посадочный конец имеют разные электрические потенциалы.

На фиг.2b показан вид в перспективе, иллюстрирующий нижнюю сторону одного микрозеркала 202, включая опорные стенки 210, зеркальную пластину 204, подвес 206 и соединитель 216.

На фиг.3а показан вид в перспективе, демонстрирующий верхнюю и боковые стороны массива 103 микрозеркал, содержащего микрозеркала с 202-1 по 202-9. Хотя на фиг.3а показан массив 103, состоящий из трех строк и трех столбцов, т.е. всего девяти микрозеркал 202, массивы 103 микрозеркал могут иметь и другие размеры. Обычно каждое микрозеркало 202 соответствует пикселю видеодисплея. Таким образом, более крупные массивы 103 с большим количеством микрозеркал 202 обеспечивают видеодисплей с большим количеством пикселей. Поскольку подвесы 206 в массиве 103 зеркал ориентированы в одном направлении, свет от источников света направляется на зеркала 202 массива 103 в одном направлении для отражения с целью формирования проекционного изображения на видеодисплее.

Согласно фиг.3а, поверхность массива 103 микрозеркал имеет большое отношение (коэффициент) заполнения. Это значит, что большая часть поверхности массива 103 микрозеркал образована отражающими поверхностями зеркальных пластин 204 микрозеркал 202. Очень малая доля поверхности массива 103 микрозеркал является неотражающей. Согласно фиг.3а, неотражающие участки поверхности массива 103 микрозеркал представляют собой области между отражающими поверхностями микрозеркал 202. Например, ширина области между зеркалами 202-1 и 202-2 определяется шириной 212 разделительной стенки и суммой ширины зазора между зеркальными пластинами 204 зеркал 202-1 и 202-2 и опорной стенкой. Зазоры и ширину 212 разделительной стенки можно сделать такими же малыми, как и размер элемента, обеспечиваемый методом изготовления. Таким образом, согласно одному варианту осуществления, зазоры составляют 0,2 микрона, а согласно другому варианту осуществления, зазоры составляют 0,13 микрона. Поскольку полупроводниковые технологии обеспечивают малые элементы, размер разделительной стенки 210 и зазоры можно уменьшить для обеспечения более высокого отношения заполнения. На фиг.3b показан вид в перспективе, детализирующий одно зеркало 202 массива 103 микрозеркал, показанного на фиг.3а. Варианты осуществления настоящего изобретения допускают отношения заполнения 85%, 90% и даже выше.

На фиг.4а показан вид в перспективе нижней и боковых сторон массива 103 микрозеркал, изображенного на фиг.3. Согласно фиг.4а, разделительные опорные рамы 210 микрозеркал 202 образуют полости под зеркальными пластинами 204. Эти полости обеспечивают место для отклонения вниз зеркальных пластин 204, а также обеспечивают большие области под зеркальными пластинами 204 для размещения второго слоя 104 с электродами 126 и/или третьего слоя с управляющей схемой 106. На фиг.4b показан вид в перспективе, детализирующий одно зеркало 202 массива 103 зеркал, изображенного на фиг.4а.

На фиг.5а показан вид сверху массива 103 микрозеркал, содержащего девять микрозеркал с 202-1 по 202-9, изображенных на фиг. 3а и 4а. Например, для микрозеркала 202-1 на фиг.5а показана зеркальная пластина 204, разделительная опорная рама 210, торсионная пружина 206 и соединитель 216, соединяющий зеркальную пластину 204 с торсионной пружиной 206. На фиг.5а также отчетливо показано, согласно описанному выше со ссылкой на фиг.3а, что массив 103 микрозеркал имеет большое отношение заполнения. Большая часть поверхности массива 103 микрозеркал образована отражающими поверхностями микрозеркал с 202-1 по 202-9. На фиг.5а отчетливо видно, что отношение заполнения определяется областями отражающих зеркальных пластин 204 и областями между отражающими поверхностями зеркальных пластин 204. Размер областей между отражающими поверхностями зеркальных пластин 204, согласно одному варианту осуществления, ограничен предельным размером элемента, определяемым процессом изготовления. От этого зависит, насколько малым можно сделать зазор между зеркальной пластиной 204 и разделительной стенкой 210 и насколько толстой можно сделать разделительную стенку 210. Заметим, что, хотя на фиг.2 показано единичное зеркало, имеющее собственную разделительную опорную раму 210, между двумя зеркалами, например зеркалами 202-1 и 202-2, обычно не бывает двух примыкающих разделительных стенок 210. Напротив, между зеркалами 202-1 и 202-2 обычно имеется одна физическая разделительная стенка опорной рамы 210. На фиг.5b показан вид в перспективе, детализирующий одно зеркало 202 массива 103 зеркал, изображенного на фиг.5а.

На фиг.6а показан вид снизу массива 103 микрозеркал, содержащего девять микрозеркал с 202-1 по 202-9, изображенного на фиг.3-5. На фиг.6а показана нижняя сторона зеркальных пластин 204, а также нижние стороны разделительных опорных рам 210, торсионные пружины и соединители. Во многих вариантах осуществления область под зеркальными пластинами 204 достаточно велика для обеспечения оптимальной конструкции и размещения электродов 126 и управляющей схемы 106 и обеспечивает пространство для размещения возможного посадочного конца зеркала. На фиг.6b показан вид в перспективе, детализирующий одно зеркало 202 массива 103 зеркал, изображенного на фиг.6а.

Как видно из фиг. 5а и 6а, очень малая доля света, падающего перпендикулярно к зеркальной пластине 204, может проникать через массив 103 микрозеркал и достигать электродов 126 или управляющей схемы 106, находящихся под массивом 103 микрозеркал. Причина в том, что разделительная опорная рама 210, торсионная пружина 206, соединитель 216 и зеркальная пластина 204 почти полностью закрывают схемы под массивом 103 микрозеркал. Кроме того, поскольку зеркальная пластина 204 отделена от схемы под массивом 103 микрозеркал разделительной опорной рамой 210, свет, распространяющийся под косым углом к зеркальной пластине 204 и проходящий за зеркальную пластину 204, скорее всего попадет на стенку разделительной опорной рамы 210 и не достигнет схемы под массивом 103 микрозеркал. Поскольку свет, падающий на массив 103 микрозеркал, при попадании на схему имеет малую интенсивность, ПМС 100 не имеет проблем, связанных с интенсивным воздействием света на схему. Эти проблемы включают в себя нагрев схемы за счет падающего света и зарядку элементов схемы под действием фотонов падающего света, причем оба эти явления могут привести к сбою в работе схемы.

Согласно фиг.3-6, торсионные пружины 206 каждого микрозеркала 202 в массиве 106 микрозеркал расположены на одних и тех же сторонах. Согласно одному альтернативному варианту осуществления, торсионные пружины 206 разных микрозеркал 202 в массиве 103 микрозеркал расположены на разных сторонах. Например, согласно фиг.3а, пружины 206 зеркал 202-1 и 202-3 расположены на одних и тех же сторонах. Напротив, пружина 206 зеркала 202-2 могла бы находиться на другой стороне, располагаясь перпендикулярно пружинам 206 зеркал 202-1 и 202-3. Это позволяет зеркальным пластинам 204 разных микрозеркал 202-1 и 202-2 отклоняться в разных направлениях, благодаря чему массив 103 зеркал как целое приобретает более одной управляемой степени свободы. В этом альтернативном варианте осуществления на массив 103 микрозеркал можно направлять свет от двух разных источников (например, источников света разного цвета) и по отдельности избирательно перенаправлять микрозеркалами 202 массива 103 микрозеркал для формирования изображения на видеодисплее. В таком варианте осуществления множественные микрозеркала 202 можно использовать для отражения света, идущего от множественных источников света, в один и тот же пиксель видеодисплея. Например, свет от двух источников света разных цветов может идти на массив 103 зеркал в разных направлениях и отражаться массивом 103 для формирования многоцветного изображения на видеодисплее. Микрозеркала 202-1 и 202-3 с торсионными пружинами 206 на первой стороне управляют отражением света первого источника на видеодисплей. Микрозеркала, например микрозеркало 202-2, с торсионными пружинами 206 на другой, второй стороне управляют отражением света второго источника на видеодисплей.

На фиг.7а показан вид в перспективе микрозеркала 702 согласно альтернативному варианту осуществления изобретения. Торсионный подвес 206 в этом варианте осуществления ориентирован по диагонали относительно разделительной опорной стенки 210 и делит зеркальную пластину 204 на две части или стороны: первую сторону 704 и вторую сторону 706. С зеркалом 702 связаны два электрода 126: один электрод 126 для первой стороны 704 и один электрод 126 для второй стороны 706. Это позволяет каждой стороне 704, 706 притягиваться к одному из находящихся под ними электродов 126 и поворачиваться вниз, что обеспечивает более обширный диапазон углового движения при той же высоте опорной стенки 210 по сравнению с зеркалом, изображенным на фиг.2-6. На фиг.7b показан более детальный вид зеркала 702, где изображена зеркальная пластина 702, подвес 206 и опорная стенка 210. На фиг.7с и 7d изображены нижняя сторона единичного зеркала 702 и более детальный вид внутреннего угла зеркала 702. Согласно другим вариантам осуществления, подвес 206 может располагаться по существу параллельно одной из сторон зеркальной пластины 204, а не диагонали, но располагаться таким образом, чтобы делить зеркальную пластину 204 на две части 704, 706.

На фиг.8а-8d показаны различные виды в перспективе массивов зеркал, состоящих из множественных микрозеркал 702, описанных на фиг.7а-7d. На фиг. 8а и 8b показаны верхняя сторона массива зеркал 702 и более подробный вид одного зеркала 702 в массиве. На фиг. 8с и 8d показаны нижняя сторона массива зеркал 702 и более подробный вид одного зеркала 702 в массиве.

Изготовление пространственного модулятора света

На фиг.9а показана блок-схема, иллюстрирующая один предпочтительный вариант осуществления изготовления пространственного модулятора 100 света. На фиг.9b-9g показаны схемы, более подробно иллюстрирующие изготовление пространственного модулятора 100 света. В целом микрозеркала 202 частично изготавливают на первой подложке 105. Отдельно, некоторые или все электроды, схему адресации и управляющую схему изготавливают на второй подложке 107. Затем первую и вторую подложки 105 и 107 связывают друг с другом. Первую подложку утоняют, после чего выполняют этапы литографии и травления. На этом изготовление микрозеркал 202 завершается. Окончательные этапы, включая упаковку, завершают изготовление пространственного модулятора 100 света. Согласно одному варианту осуществления, массив 103 зеркал изготавливают из пластины монокристаллического кремния только методами анизотропного сухого травления, для изготовления массива 103 зеркал применяют только две операции травления, и схему изготавливают с использованием стандартных методов КМОП. Это обеспечивает простоту и дешевизну изготовления ПМС 100.

Традиционные пространственные модуляторы света изготавливают методами микромашинной обработки поверхности, которые включают в себя травление, осаждение структурных слоев, осаждение и удаление защитных слоев. Эти традиционные методы изготовления МЭМС имеют низкую производительность, низкую однородность и обеспечивают размеры элемента примерно 1 микрон или более. Напротив, один вариант осуществления настоящего изобретения предусматривает использование полупроводниковой технологии, в которой не предусмотрены защитные слои, которая имеет более высокую производительность и позволяет формировать элементы размерами 0,13 микрон или менее.

Согласно фиг.9а, генерируют 902 первую маску для первоначального частичного изготовления микрозеркал 202. Эта маска определяет участки вещества, подлежащего удалению с одной стороны первой подложки 105, для формирования полостей на нижней стороне массива 103 микрозеркал, которые образуют разделительные опорные рамы 210 и опорные штыри 208. Процесс фо