專利名稱：二維空間光調制器的制作方法
技術領域：
本發(fā)明總的涉及空間光調制器，更具體地，涉及二維衍射空間光調制器以及制造和使用該調制器的方法。
背景技術：
空間光調制器是一個或多個器件的陣列，該器件可以用與器件的電輸入相對應的空間圖案來控制或調制入射光束。入射光束可以在強度、相位、極化或方向上被調制。某些調制可以通過使用微機電系統(tǒng)器件或MEM來完成，該MEM使用電信號來移動微機械結構以調制入射在其上的光?？臻g光調制器正越來越多地被開發(fā)以用于各種不同的應用，包括顯示系統(tǒng)、光學信息處理和數據貯存、打印、以及無掩膜光刻。
一類空間光調制器包括單個MEM器件或MEM器件的直線陣列以用來描繪二維圖案。對于諸如印刷電路板(PCB)圖案形成/印刷、顯示系統(tǒng)、打印和/或相對較中等規(guī)模的半導體加工、空間光調制器等許多應用，這樣的一維MEM器件提供適當的解決方案。
然而，對于需要高的或非常高的分辨率的許多其它應用，諸如前緣(leading edge)半導體加工，最好采用具有二維陣列MEMS器件的空間光調制器。
廣泛采用來自Texas Instruments(德克薩斯儀器公司)的數字反射鏡器件(DMD)的廣泛采用證明對于2D MEMS空間光調制器的興趣。由于它的大面積(etendue)，這個器件可以結合非相干燈源和傳統(tǒng)光學一起以用于創(chuàng)建高質量圖像。然而，盡管它在顯示應用中的成功，DMD在許多應用(例如無掩膜光刻)中沒有被利用。這主要是由于在(a)模擬的灰度能力、(b)調制速度、和(c)衍射效率方面的缺點。
因此，需要一種呈現(xiàn)以下特性的二維空間光調制器大面積、良好的模擬的灰度能力、高的調制速度、和高的衍射效率。還需要一種簡單的、成本便宜的、和能容忍加工變化的制造這樣的空間光調制器的方法。
發(fā)明概要本發(fā)明提供對于這些和其它問題的解決方案，以及提供比起傳統(tǒng)的空間光調制器的另外的優(yōu)點。
一方面，本發(fā)明的目標是用于調制入射到其上的光的衍射器。在總體上，衍射器包括被布置在基片的上表面的上方和與該上表面間隔開的帳篷(tent)部件；被布置在基片的上表面與帳篷部件之間的可移動的傳動器；以及用于移動傳動器的機構。帳篷部件具有被形成在帳篷部件的上側面上(面向離開基片的側面)的第一平面光反射面，該第一平面光反射面具有被在其上形成的一個孔徑。傳動器具有平行于第一平面光反射面和相對于接收經過它的光的該孔徑而布置的第二平面光反射面?？讖娇杀怀尚螢橐?guī)定包括圓形、環(huán)形、橢圓和多邊形的多種幾何圖形的任何一個圖形。優(yōu)選地，孔徑的尺寸和形狀規(guī)定了具有這樣反射率的一個面積，該反射率基本上等于圍繞該孔徑的第一平面光反射面的面積的反射率。如果每個表面的反射率是相同的，則孔徑的尺寸和形狀規(guī)定了一個面積，它基本上等于圍繞該孔徑的第一平面光反射面的面積。
用于移動傳動器的機構適合于相對于帳篷部件的第一平面光反射面使傳動器移位而同時保持可移動的傳動器的第二平面光反射面基本上平行于第一平面光反射面。
在一個實施例中，衍射器被調整為使得在靜止狀態(tài)下，第一平面光反射面和第二平面光反射面互相間隔的距離基本上等于n×λ/4波長，其中λ是入射到第一和第二平面光反射面上的光的特定的波長，以及n是大于或等于0的整數。在這個實施例的一個版本中，n是大于或等于1的奇數，以便在靜止狀態(tài)下把入射到反射體上的光散射。在另一個版本中，n是大于或等于2的偶數，以便在靜止狀態(tài)下把入射到反射體上的光反射。
在另一個實施例中，帳篷部件由從基片上表面延伸到帳篷部件下表面的多個柱子支撐在基片上表面的上方。在這個實施例的一個版本中，至少一個柱子被電耦合到基片上的地電位，以及帳篷部件通過柱子被電耦合到地電位。在另一個版本中，傳動器通過從可移動的傳動器的外部邊緣延伸到至少一個柱子的至少一個撓曲關節(jié)被柔性地耦合在基片的上表面與帳篷部件之間，以及傳動器通過撓曲關節(jié)與柱子被電耦合到地。
在再一個實施例中，可移動的傳動器包括一個在其上形成第二平面光反射面的上面部分、一個下面部分、以及一個耦合上面部分與下面部分的支撐體。優(yōu)選地，上面部分與支撐體相對于孔徑來定尺寸和定形狀，以使得傳動器能夠在一個其中第二平面光反射面與第一平面光反射面處于共面的第一位置與一個其中第二平面光反射面與第一平面光反射面處于平行但不處于共面的第二位置之間移動。在一階成像系統(tǒng)中這個實施例的優(yōu)點在于，它對于多色或多波長光源提供“暗的”反射狀態(tài)。
另一方面，本發(fā)明的目標是包括多個上述衍射器的空間光調制器。通常，調制器包括多個像素，每個像素具有至少一個衍射器。在一個實施例中，衍射器被整體地形成在單個基片上，同時每個衍射器的帳篷部件是由單獨的帳篷膜片形成的，該膜片是由從基片的上表面延伸到帳篷膜片的下表面的多個柱子支撐在基片的上表面的上方的。在另一個實施例中，每個衍射器的傳動器通過從至少一個傳動器的外部邊緣延伸到至少一個柱子的至少一個撓曲關節(jié)被柔性地耦合在基片的上表面與膜片之間，以及每個傳動器沿它的外部邊緣被耦合到至少一個其它的傳動器。
再一方面，本發(fā)明的目標是調制光束的方法。在總體上，該方法包括以下步驟(i)使得光束照射到多個衍射器，其每個包括具有在其上形成的孔徑的第一平面光反射面，以及平行于第一平面光反射面和相對于接收經過它的光的該孔徑而布置的第二平面光反射面；以及(ii)相對于第一平面光反射面移動第二平面光反射面而同時保持第二平面光反射面基本上平行于第一平面光反射面，以便當光束從每個衍射器的第一和第二平面光反射面反射時使光束衍射。
又一方面，本發(fā)明的目標是制造用于調制光束的調制器的方法。總體上，該方法包括(i)提供包含用于驅動調制器的每個像素的電路的電氣上活性的基片；(ii)在基片上沉積第一犧牲層；(iii)形成延伸通過第一犧牲層并終結在基片上的多個孔；(iv)在第一犧牲層上沉積傳動器層，以使得傳動器層的材料基本上填入孔中，形成多個第一柱子；(v)在傳動器層上做出圖案，以形成多個傳動器和把傳動器耦合到第一柱子上的多個撓曲關節(jié)；(vi)在有圖案的傳動器層上沉積第二犧牲層；形成延伸通過第二犧牲層多個第二孔，每個第二孔位于第二犧牲層，以對準并終結在一個第一柱子上；(viii)在第二犧牲層上沉積帳篷層，以使得帳篷層的材料基本上填入第二孔中，從而形成多個第二柱子；(ix)將帳篷層做出圖案，以形成其上具有多個孔徑的帳篷部件，每個孔徑位于帳篷部件中以對準一個傳動器；以及(x)去除第一和第二犧牲層，以釋放傳動器和撓曲關節(jié)。
在一個實施例中，該方法還包括在調制器上沉積金屬以便在帳篷部件上提供第一反射面和在每個傳動器上提供第二反射面的步驟。優(yōu)選地，在沉積步驟，帳篷部件用作為遮蔽掩膜，以使得金屬能夠基本上沉積在傳動器上而不把金屬沉積在撓曲關節(jié)上。更優(yōu)選地，每個傳動器上的第二反射面與第一平面光反射面平行并相對于一個接收穿過它的光的孔徑而被布置。
附圖簡述當結合下面提供的附圖和所附權利要求閱讀以下的詳細說明時將明白本發(fā)明的這些和其它特性與優(yōu)點，其中

圖1是按照本發(fā)明的實施例的平面光閥(PLV)的頂視圖；圖2A-2G是按照本發(fā)明的另一個實施例的具有替換的孔徑的單個衍射器的頂視圖；圖3A是按照本發(fā)明的實施例的單個驅動器的示意性框圖；圖3B是顯示按照本發(fā)明的實施例的傳動器層的剖面圖的PLV的一部分的局部頂視圖；圖4A是按照本發(fā)明的實施例的在散射靜止狀態(tài)下PLV的兩個相鄰的衍射器的示意性截面圖；圖4B是按照本發(fā)明的實施例的在反射靜止狀態(tài)下PLV的兩個相鄰的衍射器的示意性截面圖；圖5A是同時在反射和衍射狀態(tài)下圖1的PLV的衍射器的示意性截面圖；圖5B是同時在反射和衍射狀態(tài)下按照本發(fā)明的再一個實施例的PLV的衍射器的示意性截面圖；圖6是按照本發(fā)明的實施例的用于制造PLV工藝的流程圖；圖7是顯示從其散射的光的強度和分布的、按照本發(fā)明的實施例的單個衍射器的示意性頂視圖；圖8A-8C是在反射狀態(tài)下從按照本發(fā)明的實施例的單個衍射器散射的光的散射強度分布的表面輪廓、灰度和截面；圖8D-8F是在散射狀態(tài)下從按照本發(fā)明的實施例的單個衍射器散射的光的散射強度分布的表面輪廓、灰度和截面；圖9A-9D顯示按照本發(fā)明的實施例的PLV的成像性能的仿真；以及圖10是按照本發(fā)明的另一個實施例的、具有被鏈接的傳動器的PLV的傳動器層的局部示意性頂視圖。
詳細說明本發(fā)明針對一種此后稱為平面光閥(PLV)的新穎的空間光調制器(SLM)，和一種調制入射在其上的光的方法。
現(xiàn)在參照圖1到4描述按照本發(fā)明的PLV。為了清晰起見，廣泛知道的和與本發(fā)明無關的許多SLM細節(jié)在以下的說明中將省略。
圖1是按照本發(fā)明的實施例的PLV的一部分的平面圖。PLV通常具有被布置在基片上表面上的兩個薄膜或膜片(圖上未示出)，它們具有相等的面積與反射率的光反射面。最上面的薄膜是具有第一平面光反射面的材料的均勻的平的薄片的靜止帳篷部件或膜片，例如覆蓋在至少一個鍍鋁表面上繃緊的氮化硅。帳蓬的膜片102具有從反射面延伸到下表面的孔徑104的陣列。帳蓬的膜片102覆蓋了在它下面的傳動器膜片。傳動器膜片包括多個平的、可移位的或可移動的傳動器。傳動器具有平行于第一平面光反射面和相對于接收穿過它的光的孔徑104而布置的第二平面光反射面。每一個傳動器、相關的孔徑和緊密地相鄰和包圍孔徑的帳蓬的膜片102的一部分形成單個獨立的PLV單元、衍射器單元或衍射器。
各個傳動器或傳動器組通過由在基片上位于傳動器膜片下面的驅動電極控制的靜電力相對于第一平面光反射面而向上或向下移動非常小的距離(典型地，僅僅為光的波長的若干分之一)。優(yōu)選地，傳動器可移位n×λ/4的距離，其中λ是入射到第一和第二平面光反射面上的光的特定的波長，而n是等于或大于零的整數。移動傳動器使得來自第二平面光反射面的反射光與由第一平面光反射面發(fā)射的光發(fā)生相長的或相消的干涉，由此調制入射到PLV上的光。
PLV包括任意數目的衍射器，它們被安排和被用來形成任何結構或尺寸的像素。像素由一個或幾個傳動器組成以及在同一個(成組的)電極下工作?？傮w上，PLV包括從約1到約108個像素的陣列，以及每個像素的從1到約25個衍射器。圖1的實施例顯示被配置成方形的4×4個衍射器陣列的單個像素。然而，本領域技術人員將會明白，PLV可包括多個像素，具有被排列成包括方形、三角形、六邊形和圓形的任何結構的任何數目的衍射器。
每個孔徑104的尺寸和位置是預定的以滿足“相等的反射率”約束條件。也就是，在帳蓬膜片102單元內的單個孔徑104的面積的反射率等于在孔徑104外面的單元的其余面積的反射率。如果這些表面的每個表面的反射率是相同的，則這個原理歸結為“相等面積”約束條件。作為“相等面積”約束條件的一個例子，(其中帳篷包含了在方形單元201中圓形孔徑202的陣列，如圖1和2A所示)，當它的直徑d由下式d＝2/π≈0.8單位長度給出時，則在單位長度的方形210內的圓形孔徑202的面積等于其余的面積(在圓外但在方形內的面積)203。
雖然圓形孔徑(例如202和208)唯一地適合于繃緊的薄膜的雙軸應力狀態(tài)，但其它孔徑形狀也是可能的，包括環(huán)形(例如214)、橢圓(例如212)、和多邊形(例如204，206，210)，如圖2A-2G所示。單元可以是方形的，如圖2A，2B，2C，2E，2G，或它可以是其它形狀，諸如三角形(例如，見圖2D)或矩形(見圖2F)。對于能很好地作為高對比度相位調制器工作的那些調制器，僅僅需要滿足相等的反射率原理(或相等的面積原理，如果表面反射率是相同的話。(應當指出，圖2A到2G是說明性的，所以不必是按比例的。例如，圖2G的環(huán)形214不呈現(xiàn)為滿足相等的面積原理，但實際的實施方案被配置成滿足按照本發(fā)明的實施例的相等面積原理)。圓形孔徑中不存在拐角可保證在孔徑的周界附近的薄膜沒有應力集中或翹曲。同樣地，雖然可以設想其它陣列幾何關系(即，六邊形網格)，但方形網格最適合于數字圖像的數據格式。
帳蓬的膜片102可以是靜止的，緊固的或通過在PLV上規(guī)則地間隔的多個柱子被固定到基片，或獨立和可驅動的，僅在PLV的周界處柔性地固定在柱子上。在優(yōu)選實施例中，帳蓬膜片102通過跨在PLV上的柱子被周期地固定到下面的基片，例如在每個像素的每個拐角處。更優(yōu)選地，帳蓬膜片102包括導電材料，諸如氮化鈦(TiN)，以及可以通過一個或多個柱子被電耦合到在基片上的地。替換地，如果帳蓬膜片102在來自基片上傳動器驅動電極的靜電力下發(fā)生變形，則它可以是電浮動的，以便消除這種相互作用。
現(xiàn)在參照圖3A和3B更詳細地描述PLV的下面的結構，諸如傳動器膜片。應該理解，圖3A和3B所示的實施例和其中給出的特定的尺度，僅僅是例子，而且本發(fā)明的PLV不限于所顯示的實施例和尺度。圖3A是按照本發(fā)明的實施例的單個傳動器300的近視圖。圖3B顯示包括單個3×3像素320的傳動器膜片的部分的剖面圖。在這個實施例中，傳動器膜片在每個傳動器的拐角處被緊固或固定到下面的基片。帳篷膜片102在所顯示的陣列的極端處被稀疏地或松弛地固定到基片。
參照圖3A，傳動器300可包括均勻的平面圓盤302，其每個具有平面反射面以及通過鉸鏈或彈性材料的撓曲關節(jié)304被柔性地耦合在一個或多個柱子306。例如，傳動器300的平面圓盤302可包括從繃緊的氮化硅薄膜形成的鍍鋁的圓盤，后者通過同一個氮化硅薄膜的窄的、未鍍鋁的撓曲關節(jié)304被柔性地耦合在柱子306。固定用的柱子306和撓曲關節(jié)304可以被隱藏在由覆蓋的帳篷膜片102所隱蔽的區(qū)域中，由此給本發(fā)明的PLV提供了大面積(光收集功率)和幾乎100％衍射效率。參照圖4，傳動器膜片和在其上形成的傳動器，除了包括鋁層和氮化硅(SiN)層以外，還包括導電薄膜或層(即，氮化鈦TiN)。導電層經由一個或多個柱子被耦合到基片上的地電位(本圖上未示出)，使得一個通過集成的驅動單元或基片中的通道施加到驅動電極上的電壓把傳動器偏轉成朝向或離開基片?？傮w上，來自驅動通道的單個導體分支成為小型電極或驅動電極，它們位于單個像素中每個傳動器的下面。
圖4A和4B中的每個圖顯示通過PLV器件的兩個相鄰的衍射器的截面。在這些示例性實施例中，上部帳篷膜片保持為靜止，而下部傳動器膜片302或傳動器在來自基片402中集成的電子電路的靜電力作用下運動。
集成的電子部位電路402可包括經由高溫互聯(lián)405而耦合到高溫電極404的集成驅動單元403。氧化物406可被使用來電隔絕電極404。電路402被配置成能夠可控制地產生在每個電極404與它的相應的傳動器302之間的靜電力。
成像模式允許混合與匹配成像模式(零階或一階)和器件靜止狀態(tài)(散射或反射)的靈活性。這個設計允許在操作的使用的模式下某些靈活性。
例如，在制造圖4A所示的器件時，將在以下描述，上部犧牲層(在制造期間它處在帳篷102與傳動器302層之間)的厚度可這樣來選擇以使在傳動器靜止狀態(tài)420下，帳篷膜片102(或更精確地說是第一反射面)和傳動器302(或第二反射面)，對于入射到PLV上的光的特定的波長λ而言，被互相移位λ/4的奇數倍。這使得器件處在靜止狀態(tài)420把入射的光散射，如圖4A的左面?zhèn)鲃悠魉尽Ｔ谄骷墓ぷ鳡顟B(tài)440下，如圖4A的右面?zhèn)鲃悠魉荆瑐鲃悠?02可被移位，以使得在帳篷膜片102的反射面與傳動器302之間的距離是λ/4的偶數倍。這使得處在工作狀態(tài)440的器件反射所入射的光。與零階成像相結合，靜止(不活動的)狀態(tài)420相應于PLV零階暗狀態(tài)(由于入射光的衍射)，而工作狀態(tài)440相應于PLV零階亮狀態(tài)(由于入射光的反射)。與一階成像相結合，靜止(不活動的)狀態(tài)420相應于PLV一階亮狀態(tài)(由于入射光的一階衍射)，以及工作狀態(tài)440相應于PLV一階暗狀態(tài)(由于離開一階衍射的入射光的反射)。
在替換實施例中，如圖4B所示，上部犧牲層的厚度可這樣來選擇，使在傳動器的靜止狀態(tài)460下，帳篷膜片102(第一反射面)和傳動器302(第二反射面)，對于入射到PLV上的光的特定的波長λ，被互相移位λ/4的偶數倍。這樣，靜止狀態(tài)460變?yōu)榉瓷涞摹Ｔ谄骷墓ぷ鳡顟B(tài)480下，如圖4B的右面?zhèn)鲃悠魉?，傳動?02可被移位以使得在帳篷膜片102的反射面與傳動器302之間的間隙是λ/4的奇數倍。這使得處在工作狀態(tài)480的器件散射所入射的光。與零階成像相結合，靜止(未激活的)狀態(tài)460相應于PLV零階亮狀態(tài)(由于入射光的反射)，以及工作狀態(tài)480相應于PLV零階暗狀態(tài)(由于入射光的衍射)。與一階成像相結合，靜止(不活動的)狀態(tài)460相應于PLV一階暗狀態(tài)(由于入射光反射而離開一階衍射)，而工作狀態(tài)480相應于PLV一階亮狀態(tài)(由于入射光的一階衍射)。
為了提供穩(wěn)定的工作條件，在傳動器302與基片402之間的距離h大于3×最大移位，即，h＞3λ/4，例如優(yōu)選地h是5λ/4。
按照本發(fā)明的實施例，傳動器膜片的設計被仔細地策劃，以使得傳動器302在移位時保持平的或基本上平的。以下的設計特性可被使用來實現(xiàn)這個特性(1)傳動器圓盤302由窄的撓曲關節(jié)304懸掛，該撓曲關節(jié)承受大部分變形，因為它們在靜電偏轉下呈現(xiàn)拋物線形狀。
(2)傳動器圓盤302僅僅在它們的中心處連接到撓曲關節(jié)304，以及盡可能遠離固定的柱子。當傳動器偏轉時，撓曲關節(jié)的中心保持與基片平行，由此不引起傳動器圓盤的傾斜或轉矩。
(3)傳動器圓盤302僅僅在附著點處被最小地連接到撓曲關節(jié)304。因此，很小的變形從撓曲關節(jié)被機械地傳送到傳動器圓盤。
(4)反射的鋁或金屬層只出現(xiàn)在傳動器圓盤302(不是在撓曲關節(jié)304)，由此，僅僅在有需要的區(qū)域才自然地粘接傳動器。
(5)任選地，如果需要處加的剛性，可以在傳動器圓盤302上而不是在撓曲關節(jié)304上把其它高模量薄膜(諸如氧化物)做成圖案。
非連續(xù)的和共面的表面在上述的PLV的實施例中，PLV是階梯狀的PLV(圖5A)，其中反射狀態(tài)520用兩個分離的、在相位上相差λ/4的偶數倍的表面達到的。在一階成像系統(tǒng)中，這個反射狀態(tài)是暗狀態(tài)。應當指出，這僅僅對于相應于λ的單個波長是“暗的”。這可能不適用于多色應用(多波長應用)。
對于PLV的替換的設計是平的PLV，如圖5B所示。這樣的設計解決了對于多色應用的適用性問題。參照圖5B，物理柱子502用來使得各個反射面在反射狀態(tài)520下真正是共面的。在一階成像系統(tǒng)中，這個狀態(tài)對于所有的波長都是“暗的”一這是重要的優(yōu)點。對于衍射狀態(tài)540，傳動器被偏轉成使得在反射面之間的差值是λ/4的奇數倍。這個偏轉量根據所使用的波長λ而配置。
本發(fā)明的具體的實施例和例子的以上的說明是為了顯示和描述而給出的，雖然本發(fā)明是通過某些前述的例子被描述和顯示，但它不被被看作為限于這些實例。不打算對它們窮舉，或把本發(fā)明限于所公開的精確的形式，以及鑒于以上的教導，在本發(fā)明范圍內的許多修改、改進和變化都是可能的。
按照本發(fā)明的PLV的優(yōu)點包括任何的或所有的以下的項·大面積-PLF的大的面積和大的衍射角允許用高的面積的傳統(tǒng)的光源(即，燈)照射它。由于衍射角和像素尺寸是獨立的，可以制造更大的像素來提高面積而沒有光學角度的損失。
·沒有屏幕門-PLV能生成相同的無邊界的像素。像素框是諸如數字反射鏡裝置(DMD)那樣的傳統(tǒng)的SLM的偽像，它將繼續(xù)存在于傾斜反射鏡方法。
·100％或接近100％的衍射效率-階梯式PLV設計具有100％或接近100％的填充因子(無間隙)。這是優(yōu)于DMD的優(yōu)點，而DMD在每個傾斜反射鏡周圍必須包括間隙，以便有余量。
·103對比度比值-因為PLV沒有間隙，它具有高的對比度，即使在零階工作時。而且，對比度是通過光刻控制的，而光刻本身是高精度的工藝技術。PLV傳動器必須適當地制作成按平面進行偏轉，以便保證這一點。
·改進的模擬的灰度-DMD依賴于脈沖寬度調制來得到灰度，使它因速度和或比特深度而受到限制。相反，PLV本身能達到灰度(通過改變傳動器的移位)。這直接變換成對PLV裝置的更高的數據速率。
·大的衍射角-這里描述的PLV傳動器定標到5μm間距(帶條+孔)。在能夠使用合理的快速光學(f#5)的可視波長(約0.5μm)的情形下，這給予我們的衍射角約為±6°。隨著光刻分辨率的進步，更小的衍射器也是可能的，它實現(xiàn)甚至更大的衍射角。
·窄的衍射光束-25μm方形像素由25個傳動器組成(即，5×5陣列)，被組合成單個基片電極。這具有使得相對于衍射角(θ)的衍射的光束(Δθ)變窄的優(yōu)點。其結果是更高的對比度。
·低電壓工作，與CMOS兼容的3-5V工作-因為傳動器圓盤相對于撓曲關節(jié)的相對較大的面積，PLV的驅動電壓應當低于GLV。而且，由于鉸鏈結構與器件的光學裝置(隱藏的鉸鏈或撓曲關節(jié))是解耦合的，支撐體或柱子可以設計成適合低的驅動電壓，例如通過使得撓曲關節(jié)變窄或實施巧妙的拐折或固定點。
·非接觸切換的MEMS器件-這是任何MEMS器件的主要優(yōu)點。DMD器件是接觸的MEMS器件，為了可靠度，它必須被非常艱苦地設計。
·高的調制速度-因為每個傳動器是如此小，例如5×5μm，它的質量和諧振頻率是非常高的。對于這里描述的5μm傳動器的估計的諧振頻率是T＝6ns(160MHz)。相反，DMD的動作要花費24μs。
·高功率處理-因為器件的基礎是在約800℃下沉積的完全致密的氮化硅，所以器件可以承受極高的光子功率和功率與密度。
現(xiàn)在參照圖6描述用于制造按照本發(fā)明的PLV器件的方法或工藝過程600的實施例。圖6是顯示用于制造器件的粗略的處理工藝的流程圖。所顯示的工藝流程假設，集成的驅動單元或電極的2D(二維)陣列是形成在諸如硅晶片的基片上的。高溫金屬化，諸如鎢(W)，從集成驅動電路延伸到要被形成的傳動器下面的有圖案的陣列或小型電極，或驅動電極。在這時，晶片被做成平面或被拋光以得到光學上平坦的上表面。下面的步驟重點指出如何在晶片的上表面上建立或制造PLV器件。
·SAC1-第一犧牲層被沉積在晶片的上表面(步驟602)。通常，第一犧牲層包括硅。優(yōu)選地，犧牲層具有約5λ/4的厚度，以提供足夠的余量對付排出(Snap down)。替換地，可以應用不同的設計法則來提供具有不同的厚度的犧牲層。
·POST1-用于支撐傳動器的支撐柱的孔被形成或被鉆入第一犧牲層，并終結在基片的上表面上的氧化物蝕刻阻擋層(步驟604)。
·NITRIDE1-傳動器層被沉積在第一犧牲層上，填充柱子的孔，以形成傳動器膜片和柱子。通常，傳動器層包括氮化物，諸如氮化硅(步驟606)。
·METAL1-導電層被沉積在傳動器層的頂部(步驟608)。這個導電薄膜必須不被以后的XeF2釋放步驟所蝕刻，所以最好是TiN。也可以使用多晶硅(Poly-Si)層，不過這應當插在氮化物中。
·RIBCUT1-截斷(cuts)被做成圖案并被蝕刻到傳動器層和導電層，以形成或規(guī)定多個傳動器和把傳動器耦合到柱子的撓曲關節(jié)(步驟610)。
·SAC2-然后把第二犧牲層沉積在做成圖案的傳動器層和導電層上(步驟612)。第二犧牲層的厚度是相對于預定的光的波長而選擇的，以便具有光的λ/4整倍數的厚度，這取決于器件預定的工作模式，即零階或一階工作模式。
·PLANARIZE(平面化)-優(yōu)選地，因為第二犧牲層被沉積在具有已有的拓撲層上，即傳動器條狀截斷，所以通過例如化學機械平面化或拋光(CMP)而把它平面化(步驟614)。
·POST2-形成在選定位置處用于固定帳篷的柱子的孔被延伸到并穿過第二犧牲層(步驟616)。在一個實施例中，這些孔被布置成終結在以前被形成來支撐傳動器的柱子處。替換地，孔還可以延伸到第一犧牲層，并且終結在基片上表面上的氧化物蝕刻阻擋層上。
·NITRIDE2-在第二犧牲層上沉積帳篷層，填充柱子的孔而形成帳篷膜片102和柱子。通常，帳篷層包括氮化物，諸如氮化硅(步驟618)。
·RIBCUT2-執(zhí)行第二條狀截斷來規(guī)定在帳篷層上大的孔徑或孔(步驟620)。
·RELEASE(釋放)-執(zhí)行XeF2釋放來釋放帳篷膜片102和傳動器膜片或傳動器(步驟622)。由撓曲關節(jié)和傳動器圓盤的周界規(guī)定的在帳篷上大的孔徑和在傳動器層上的孔，通過允許蝕刻劑滲透到第一犧牲層而實現(xiàn)蝕刻。因為橫向蝕刻距離是小的，釋放時間是短的，使得陣列中非硅結構的不想要的蝕刻最小化。
·METAL2-把諸如低能鋁的反射材料沉積在整個PLV器件上(步驟624)。帳篷膜片102的上表面被金屬化，以提供第一反射面。另外，具有被形成在其上的孔徑的帳篷膜片102用作為遮蔽掩膜，使得反射材料能夠基本上沉積在傳動器上，而不把金屬沉積在撓曲關節(jié)上。
現(xiàn)在參照圖7和8A-8F描述從按照本發(fā)明的實施例的PLV衍射器散射的光的分布和描述光的分布的公式的推導。
描述從PLV衍射單元散射的光的分布的閉式分析表示式可以被推導。用于這個計算的幾何關系示于圖7。圖7是按照本發(fā)明的實施例單個PLV衍射單元或衍射器的示意的頂視圖，顯示從其散射的光的強度和分布。散射單元包括方形面積(尺度S，相位0)和內插圓形區(qū)域(半徑R，相位)。半徑R被調節(jié)成使得圓形區(qū)域的里面的和外面的面積相等。散射向量(kx，ky，其中k＝2π/λ)是相對于單元的中心定義的。
通過執(zhí)行這個相位單元的二維傅立葉變換，得到公式2的幅度散射系數。第一項是徑向對稱的，以及用于描述從圓的散射。第二項是從SxS方形散射的。它具有四重對稱性。
公式1PLV衍射單元的幅度散射表示式通過公式1的分析表示式，從PLV器件衍射的光的強度可被計算為內插圓形區(qū)域的偏轉(相位)的函數。這被顯示于圖8A-8F。具體地，兩個極限情形是感興趣的(a)相長干擾的反射狀態(tài)(＝0)和(b)相消干擾的衍射狀態(tài)(＝π)。這些情形以各種方式示于圖8A-8F。對于每個狀態(tài)顯示三個圖。第一圖是散射強度的表面圖。第二圖是上下灰度圖像，以及第三圖是通過kx，ky原點的截面圖。在反射狀態(tài)(最上面行，包括圖8A到8C)，可以清楚地看到，器件的四重對稱。這個散射等同于從方形反射單元的衍射。第二行(包括圖8D到8F)顯示，在衍射狀態(tài)，后向反射的光(kx＝0，ky＝0)被減小為零，以及散射強度具有粗略的圓形分布。這是PLV器件基本的對比度機理。
圖8A-8C分別為在反射狀態(tài)下從單個衍射器散射的光的散射強度分布的表面輪廓圖(圖8A)、灰度圖(圖8B)、和截面圖(圖8C)。請注意，在反射狀態(tài)下，器件顯示最大的后向反射率和四重衍射對稱性。
圖8D-8F分別為在散射或衍射狀態(tài)下從單個衍射器散射的光的散射強度分布的表面輪廓圖(圖8D)、灰度圖(圖8E)、和截面圖(圖8F)。在衍射狀態(tài)下，后向反射光消失，以及光被散射到圍繞法線的粗略的圓形分布。
現(xiàn)在參照圖9A-9D描述PLV的成像能力。圖9A-9D顯示按照本發(fā)明的實施例的PLV的成像性能的仿真。
通過在公式1中給出的單個PLV單元的幅度散射表示式，有可能對照本發(fā)明的PLV的成像能力進行仿真。開發(fā)了基于LabView的程序，用于仿真PLV生成的圖像。在這種情形下，每個位圖像素被指定給由單個衍射器組成的PLV單元。如前所述，優(yōu)選實施例對于單個像素多半使用至少一個2×2PLV單元陣列。因此，圖9A-9D所示的圖像代表最壞情形的對比度。圖像仿真的這個處理過程包括以下步驟(a)讀出單色灰度位圖文件；
(b)把灰度級別變換成對于PLV單元的等價的相位(0-π)；(c)對PLV調制器的64×64陣列編程；(d)計算前向傅立葉變換(衍射圖案)；(e)選擇傅立葉變換的子組(Schlieren濾波器)；(f)從衍射子組計算逆傅立葉變換；以及(g)把散射的幅度/相位進行平方散布，以生成強度(圖像)。
圖9A-9D顯示仿真的結果。圖9A顯示物理的PLV MEMS陣列。這是從位圖文件直接裝載到陣列的數據(灰度級別平坦化)。圖9B顯示從MEMS陣列的前向傅立葉變換計算的衍射圖案。請注意四重對稱性。圖9C顯示用來選擇用于成像零階的光的Schlieren濾波器。圖9D顯示從逆傅立葉變換計算的圖像。請注意由PLV產生的連續(xù)的灰度和無邊界像素的質量。
在這種情形下，零階(后向反射)光用來生成圖像。最終得到的圖像傳遞連續(xù)的灰度和無邊界像素(沒有屏幕門)。在圖9D上觀察到的稍微的波動僅僅是由于小尺寸的陣列(64×64)造成的偽像。
現(xiàn)在描述按照本發(fā)明的PLV的某些替換實施例。
鏈接的傳動器以上描述和顯示的PLV的實施例通常具有獨立的傳動器。替換的設計利用單個移動的傳動器外殼或包括幾個衍射特性或單元。一個這樣的器件顯示于圖10。圖10是在PLV中的“鏈接的”傳動器設計的平面圖。這里，多個衍射裝置被包括在單獨的可偏轉的板上。更具體地，圖10的鏈接的傳動器包括四個鍍鋁的衍射裝置，它們位于單個大的(約25μm)傳動器上。這個設計的優(yōu)點在于，它有更多的供改進柔順的撓曲關節(jié)之用的空間。另一個優(yōu)點在于，在給出移動的傳動器板相對較大的尺度的情況下，在這個PLV中擠壓的薄膜阻尼是非常有效的。
鏈接的傳動器可以用于這種設計，其中每個像素包含3，4，5或多個孔或孔徑。然而，因為在低間距結構中很難達到在窄收斂(Δθ)下有大的衍射角(θ)，在優(yōu)選實施例中，PLV具有2×2陣列孔的像素，如圖8所示。另外，方形2×2陣列孔允許在傳動器圓盤周圍有足夠的空間來安放或覆蓋帶帳篷膜片的撓曲關節(jié)。具有2×2陣列孔的較小的鏈接的傳動器的另一個優(yōu)點是，與具有較大的陣列孔的較大的鏈接的傳動器相比較，它的傳動器有較低的移動質量。傳動器的較大的移動質量說明較低的諧振頻率和較低的切換速度。另外，較大的鏈接的傳動器呈現(xiàn)一個相對較大的面積薄膜，它不是在末端被支撐或固定的。因此，需要控制薄膜應力，以保持平的薄膜。
本發(fā)明的具體的實施例和例子的以上的說明是為了顯示和描述而給出的，雖然本發(fā)明是通過某些前述的例子被描述和顯示，但它不被被看作為限于這些實例。它們不打算是窮舉的，或把本發(fā)明限于所公開的精確的形式，以及鑒于以上的教導，在本發(fā)明范圍內的許多修改、改進和變化都是可能的。因此，本發(fā)明的范圍打算包括如這里公開的一般概念和由所附權利要求與它們的等同物規(guī)定。
權利要求
1.一種用于調制入射到其上的光的衍射器，該衍射器包括具有上表面的電活動的基片；被布置在基片上表面的上方和與其間隔開的帳篷部件，并具有被形成在帳篷部件的上側面上(面向離開基片的側面)的第一平面光反射面，該第一平面光反射面具有在其上形成的孔徑；被布置在基片上表面與第一平面光反射面之間的可移動的傳動器，可移動的傳動器具有平行于第一平面光反射面和相對于接收經過它的光的該孔徑而布置的第二平面光反射面；以及用于相對于帳篷部件的第一平面光反射面移動傳動器而同時保持第二平面光反射面基本上平行于第一平面光反射面的機構。
2.按照權利要求1的衍射器，其中孔徑的尺寸和形狀被規(guī)定成使該孔徑的面積的反射率基本上等于圍繞該孔徑的第一平面光反射面的面積的反射率。
3.按照權利要求1的衍射器，其中在靜止狀態(tài)下，第一平面光反射面和第二平面光反射面的互相間隔距離基本上等于n×λ/4，其中λ是入射到第一和第二平面光反射面上的光的具體波長，以及n是大于或等于0的整數。
4.按照權利要求3的衍射器，其中n是大于或等于1的奇數。
5.按照權利要求3的衍射器，其中n是大于或等于2的偶數。
6.按照權利要求1的衍射器，其中用于移動傳動器的機構包括一個電路結構，它被配置成在基片與可移動的傳動器之間創(chuàng)建一個靜電力。
7.按照權利要求1的衍射器，其中帳篷部件由從基片的上表面延伸到帳篷部件的下表面的多個柱子支撐在基片的上表面的上方。
8.按照權利要求1的衍射器，其中帳篷部件由從傳動器層延伸到帳篷部件的多個柱子支撐在基片的上表面的上方。
9.按照權利要求7的衍射器，其中多個柱子的至少一個柱子是電耦合到基片上的地電位的，并且?guī)づ癫考ㄟ^柱子被電耦合到地電位。
10.按照權利要求7的衍射器，其中帳篷部件沒有被電耦合到基片內的地電位。
11.按照權利要求7的衍射器，其中可移動的傳動器通過從可移動的傳動器的外部邊緣延伸到至少一個柱子的至少一個撓曲關節(jié)被柔性地耦合在基片的上表面與帳篷部件之間。
12.按照權利要求11的衍射器，其中多個柱子的至少一個柱子是電耦合到基片內的地電位的，并且其中可移動的傳動器通過撓曲關節(jié)與柱子被電耦合到地電位。
13.按照權利要求1的衍射器，其中孔徑的形狀規(guī)定了從包括圓形、環(huán)形、橢圓和多邊形的組中選擇的一個幾何圖形。
14.按照權利要求1的衍射器，其中可移動的傳動器包括一種高模量材料以增強可移動的傳動器和保持第二平面光反射面的平面性。
15.按照權利要求1的衍射器，其中可移動的傳動器包括一個其上形成第二平面光反射面的上面部分、一個下面部分、和一個耦合上面部分與下面部分的支撐體。
16.按照權利要求15的衍射器，其中衍射器是平面光閥(PLV)，其中上面部分和支撐體相對于孔徑的尺寸和形狀是如此確定的以使得該機構能夠在一個其中第二平面光反射面與第一平面光反射面共面的第一位置與一個其中第二平面光反射面不與第一平面光反射面共面的第二位置之間移動該傳動器。
17.包括按照權利要求1的多個衍射器的調制器。
18.按照權利要求17的調制器，包括多個像素，每個像素包括多個衍射器的至少一個衍射器。
19.按照權利要求17的調制器，其中多個衍射器是整體地形成在單個基片上的，以及其中多個衍射器的每個衍射器的帳篷部件由單個帳篷膜片被形成，該單個帳篷膜片由從基片的上表面延伸到帳篷膜片的下表面的多個柱子支撐在基片的上表面的上方，帳篷膜片具有第一平面光反射面和多個延伸穿過其上的孔徑。
20.按照權利要求17的調制器，其中多個衍射器中的每一個的可移動的傳動器通過從至少一個傳動器的外部邊緣延伸到至少一個柱子的至少一個撓曲關節(jié)而被柔性地耦合在基片的上表面與帳篷膜片的第一平面光反射面之間，以及其中每個可移動的傳動器沿它的外部邊緣被耦合到至少一個其它的可移動的傳動器。
21.一種調制光束的方法，包括以下步驟使得光束照射到多個衍射器，其每個包括具有被形成在其上的孔徑的第一平面光反射面，以及平行于第一平面光反射面和相對于接收穿過它的光的孔徑而布置的第二平面光反射面；以及相對于第一平面光反射面移動第二平面光反射面而同時保持第二平面光反射面基本上平行于第一平面光反射面，由此，當衍射器的第一和第二平面光反射面互相分隔開四分之一波長的奇數倍時，投射到特定的衍射器上的入射光束的一部分被衍射，以及當衍射器的第一和第二平面光反射面互相分隔開四分之一波長的偶數倍時，投射到特定的衍射器上的入射光束的一部分被反射。
22.一種制造用于調制光束的調制器的方法，包括以下步驟提供基片；在基片上沉積第一犧牲層；形成延伸通過第一犧牲層并終結在基片上的第一多個孔；在第一犧牲層上沉積傳動器層，該傳動器層的材料基本上填入孔中，以形成多個第一多個柱子；使傳動器層形成圖案，以形成多個傳動器和多個用于把傳動器耦合到第一多個柱子的撓曲關節(jié)；在有圖案的傳動器層上沉積第二犧牲層；形成延伸通過第二犧牲層和終結在第一多個柱子的第二多個孔；在第二犧牲層上沉積帳篷層；使帳篷層形成圖案，以形成其上具有多個孔徑的帳篷部件，多個孔徑的每個孔徑位于帳篷部件，并對準多個傳動器的一個傳動器；以及去除第一和第二犧牲層，以釋放多個傳動器和多個撓曲關節(jié)，由此帳篷部件由在基片上方的第二多個柱子支撐，以及多個傳動器通過多個撓曲關節(jié)被柔性地耦合到在帳篷部件與基片之間的第一多個柱子。
23.按照權利要求22的方法，還包括以下步驟在調制器上沉積金屬，以便在帳篷部件上提供第一反射面和在多個傳動器的每個傳動器上提供平行于第一平面光反射面和相對于接收穿過它的光的多個孔徑之一布置的第二平面光反射面，其中帳篷部件用作為掩膜，以使得金屬能夠基本上沉積在傳動器上而不把金屬沉積在撓曲關節(jié)上。
全文摘要
提供一種具有衍射性像素的二維(2D)緊密封裝的MEMS(微機電系統(tǒng))陣列的空間光調制器。每個像素(320)包括多個衍射單元或衍射器。每個衍射器包括被布置在基片的上方和與基片的上表面間隔開的帳篷部件(102)，被布置在基片與帳篷部件(102)之間的可移動的傳動器(300)，以及移動傳動器(300)的驅動器。帳篷部件(102)具有面向遠離基片的第一平面光反射面，第一平面光反射面具有在其上形成的小孔徑。傳動器(300)具有平行于和潛在地與第一平面光反射面共面的并相對于接納傳送到它的光的孔徑而布置的第二平面光反射面。孔徑(104)的尺寸和形狀規(guī)定了具有這樣反射率的一個面積，它基本上等于圍繞該孔徑(104)的第一平面光反射面的面積的反射率，以提供最大對比度比值。
文檔編號F21L4/00GK1914454SQ200480041501
公開日2007年2月14日 申請日期2004年12月9日 優(yōu)先權日2003年12月10日
發(fā)明者A·P·佩恩, J·I·特里斯納迪 申請人:硅光機器公司