[发明专利]用于微型面镜装置的撑柱

说明书

技术领域

本发明所涉及的是具有一个或多个可动元件的微型面镜装置，而其活动动是用能弯曲的撑柱实现的。

背景技术

在过去的十年中，微电子机械系统(MEMS)领域获得了突破性的进展，已被应用于加速仪，压力传感器，传动装置以及其他各种机械装置的微型化中。电动机械微型面镜装置就是MEMS装置的一例，因为它能用作空间光调制器(SLMs)而引起了很大的关注。

空间光调制器需要排列相当大数量的这种微型面镜装置。一般情况，对每一个SLM需要的装置数量的范围是60,000至数百万个。数字微型面镜装置(DMD)即为微型机械SLM之一例。一个或多个撑柱支撑着每一面镜并容许这些面镜发生倾斜。通过有选择的使每一面镜产生倾斜，来把入射光源或者反射或者不反射至一个成像面上来形成图像。

在典型的视频应用中，期望每个面镜能达到每秒66,000次的切换。因此，撑柱的设计与材料对DMD的可靠性就至关重要。

关于撑柱可靠性的主要顾虑在于它的范性形变。由于在极限温下连续的应用和工作，撑柱会遭受到机械形变，也称为蠕变。撑柱的这种松弛将会导致，当所有电压都除去时仍有残余的倾斜。这一点，即所谓的撑柱记忆，在“Douglass”“数字微型面镜装置的寿命估计与其单独的失效机制”中有所讨论，IEEE国际可靠性物理学讨论会第36期年刊1998，4pp.9-16。正如在该文中所论述的，当这种残余倾斜超过该10度旋转角的大约35％至40％时，面镜将工作失常。此外，虽然占空因数可引起蠕变，对撑柱记忆寿命的主要因素却是温度。

在US 5142405中，其面镜是利用静电力使之倾斜的，而静电力的产生则是通过对该面镜与地址电极加以适当的偏压。对面镜加以偏压的优点，则是以低的地址电压即可以实现静电运动。通过使用适当的面镜偏压，就能以标准5V CMOS地址电路实现双稳操作。然而，所加的地址电压，需要足够的操作容许量以补偿导致进一步设计复杂性的残余倾斜。US 5083857描述一个DMD像素结构，它能改进对比度和亮度，其方法是把撑柱与面镜支柱设置于该可转动面镜表面的下面。不过，该撑柱是由一种对金属蠕变高度敏感的铝合金构成的。此外，连接撑柱与面镜的支柱在面镜的表面上形成一个低凹处。该低凹处可由支柱的边缘确定，也被称为调整垫通路(spacervias)。当面镜被倾斜至切断状态时，调整垫通路(spacervias)的边缘就会把入射光衍射到投射系统的光学镜里，于是就限制了像素结构对对比度比值的改进。这种衍射效应就是已知的那种夫琅禾费衍射。

US 6038056，通过减小由于支撑边缘引起的夫琅禾费衍射，对US 5083857的现有工艺进行了改进。实现这点改进的方法是减小支撑柱边缘的尺寸，并调整支撑柱的边缘与面镜边缘的方向，使之相互平行且相对于入射光成45度角。

US 5631782与US 6447126描述了一种面镜支撑柱，在该装置中支柱的顶部被覆盖且予以封闭.这种改进能消除现有工艺面镜表面的低凹处，这样就提供了一个消除由于调整垫通路引起的衍射的方法.然而，因为位于下面的调整垫层不是平面，这个方法并不能制成光学上平整的镜面.US 5652671通过推荐一种由不同材料交替层制成的撑柱，也对现有工艺作了改进。虽然这个方法通过提供一个弹性更好的撑柱的构造减小了绞链记忆，但是并不能消除它。并且，这种多层绞链的构造与单一材料制成的撑柱相比，将会使制造过程更为复杂。由金属合金构成的撑柱的替代撑柱是一些由半导体材料构成的撑柱。当代IC工业中使用的主要材料是硅。而且，单晶硅被认为是常温下完全弹性的材料。正如在Gad-el-Hak，M.，ed.，MEMS手册，Boca Raton Press，2002，pg.16-23中所论及的，硅在800℃温度之下，不显示有范性形变或蠕变。此外，杂质原子，也叫做掺杂剂，能被导入该半导体，以此可改变它的电学性质。结果是，掺杂的半导体的导电性可用杂质的浓度来控制。这些特性较之铝合金撑柱提供了重大的优越性，无论是对可靠性或是简化制造的复杂性均有裨益。

US 20030234994描述了一种反射性SLM，其中的撑柱由掺杂硅构成，面镜则加以适宜的偏压以能在5V CMOS设计的条件下实现静电偏转。US 20040141894也描述了一个由掺杂硅构成的微型面镜组件。这些与其他一些把掺杂半导体用作其撑柱材料的现有工艺均未能提供一种装置的结构使得其中的撑柱能避开输入光。在应用中，例如图像投射情形，这是一个重要缺点，它会导致低劣的对比度与占空因数。