CN101088037B - 用于微型面镜装置的撑柱 - Google Patents

Abstract

一个改良的微行面镜装置用的撑柱由导电掺杂半导体组成，并且在常温和极端温度下不受塑胶变形的影响。该撑柱是直接连接到微行面镜装置上，并使光学平面微镜的制作更容易。这就消除了由于微镜反射表面上凹坑所引起的夫琅和费衍射。此外，该撑柱避开了入射光照射从而改善了对比度和占空因数。

Description

用于微型面镜装置的撑柱

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。

尽管近年来已经取得显著进步，仍然有需求来改进这些撑柱的性能与可靠性。具体地说，现在需求一种导电撑柱的工艺，其制造的复杂程度较低，且在规范温度至极限的温度的范围内不易发生蠕变。另外，对撑柱的结构还有要求，它应能便于加工制作光学上平整的面镜以能在消除夫琅禾费衍射的同时还能改进对比度与占空因数。

发明内容

本发明提供一种用于微型面镜装置的撑柱，它能克服现有工艺的某些局限性。依据本发明，由一掺杂半导体构成了一种撑柱，并且设计得使它能直接连接于对着衬底的微型面镜表面。

所述的微型面镜装置是用于投影显示的。

本发明的许多优点都是源于构成该撑柱的材料。掺杂的半导体撑柱能提供一种导电系统，从而可在对微型面镜加以偏压的同时，尚能改进弹性及简化制作过程。另外，该材料在极限温度下也坚固耐用并能免除由蠕变引起的撑柱记忆效应。并且，按照本发明所制作的撑柱的结构能便利于制造光学平整的面镜，以及由于容许直接连接该微型面镜而能进一步简化加工制造过程。

附图说明

图1A与图1B所示，是在推荐的方案中依据本发明所制撑柱的俯视、侧视与透视图。

图2A-2C所示，是在一替换方案中依据本发明所制撑柱的俯视、侧视与透视图。

图3A与图3B所示，是在第二个替换方案中依据本发明所制撑柱的俯视、侧视与透视图。

图4A与图4B所示，是在第三个替换方案中依据本发明所制撑柱的俯视、侧视与透视图.

图5A与图5B所示，是在第四个替换方案中依据本发明所制撑柱的俯视、侧视与透视图。

图6所示，是在第五个替换方案中依据本发明所制撑柱的俯视与侧视图。

具体实施方式

图1A所示，是在推荐的方案中依据本发明所制撑柱的俯视图和侧视图。在此图中，撑柱102，最好被描述为一个复合的扭转竖直悬臂支架，它由102a，102b，102c与102d几个部件构成。部件102a向外伸出，平行于衬底表面，并直接连接于相对于衬底的微型面镜101的表面。部件102b相对于衬底表面垂直伸出，并连接于部件102a。部件102b的另一端连接至部件102d的延长部分(102c)。部件102d自身乃是支柱103的直接延伸。支柱103延伸于衬底(104)表面之下，并把该复合的撑柱结构(102)固定至衬底(104)。撑柱102的厚度相对于微型面镜很小，以确保大部分弯曲发生在撑柱上。这就改进了微型面镜在其偏转条件下的平面性质。图1B所示是在推荐的方案中依据本发明所制撑柱的透视图。

图2A-2C所示，是在一替换方案中依据本发明所制撑柱的俯视、侧视与透视图。在这些图中，撑柱102，最好被描述为一个竖直悬臂支架，它由部件102a与102b构成。部件102a向外伸出，平行于衬底表面，并直接连接于相对于衬底的微型面镜101的表面。部件102b伸出得垂直于衬底表面，并连接于部件102a。部件102b自身乃是支柱103的直接延伸。图2C所示，是对图2A中替换方案的稍加修改，把微型面镜(101)与撑柱102之间的接触点从微型面镜(101)的几何中心移开了。

图3A与图3B所示是在第二个替换方案中依据本发明所制撑柱的俯视、侧视与透视图。在图3A中撑柱102是一扭转撑柱，它由部件102a与102b构成。部件102a是支柱103的延伸。部件102a从支柱103彼此相向着水平地延伸开来，并逐渐竖直弯起至中心附近，在此处它们与水平的部件102b相遇。图3B所示，是对图3A中替换方案的稍加修改，其中的部件102a没有弯起，但是不再连接于竖直部件102a与102b，而是连接于水平部件102c。

图4A与图4B所示是在第三个替换方案中依据本发明所制撑柱的俯视、侧视与透视图。在图4A中，撑柱102是一扭转撑柱，他由部件102a，102b与102c构成。部件102a是支柱103的延伸。部件102a从支柱103水平地延伸开来，且是彼此相向着。水平部件102a连接至支柱103附近的竖直部件102b。竖直部件102b的另一端连接于水平部件102c。图4B所示，是对图4A的两个轻微修改，其中的部件102b从支柱103竖直地延伸开来且连接至部件102c，这样以除去部件102a。该图还示出了一个多边形的支柱103，而不是圆形的支柱103。对于图4A与图4B中所描述的方案，相对于衬底的微型面镜表面必须升高，离开部件102c，只是在中心处除外，在这里微型面镜101与部件102c发生接触。

图5A与图5B所示是在第四个替换方案中依据本发明所制撑柱的俯视、侧视与透视图.在图5A与图5B中，撑柱102是一个悬臂支架，且由部件102a，102d与102e构成.部件102a是支柱103的延伸.在图5A中，部件102a从支柱103水平地延伸开来，且连接至竖直的部件102d.竖直部件102d连接于水平部件102e.部件102e直接连接于相对于衬底的微型面镜的表面.在图5B中，撑柱102是由102a，102b，102c，102d与102e构成的.部件102a水平地向外延伸离开支柱103并连接至平行于衬底表面且垂直于部件102a的部件102b.部件102b连接于部件102c.部件102c被连接至竖直部件102d.部件102d连接于水平的部件102e.部件102e则连接于相对于衬底的微型面镜101的表面.另外，图5B示出了两个支撑微型面镜101的撑柱(102).

图6所示是在第五个替换方案中依据本发明所制撑柱的俯视图与侧视图。在图6中，撑柱102是一个竖直的悬臂支架，且是由两个部件102a与102b构成的。部件102b从衬底表面延伸开来，且直接连接于微型面镜101。该撑柱(102)由水平延伸部分102a直接固定在衬底上。

本发明推荐的与替换的方案中所描述的结构可由掺杂的半导体构成，这种半导体对于制作微型面镜装置中采用的常规加工步骤十分便利。对微型面镜装置的制作有多种半导体可以应用，且可以有代表性的予以选择，这可根据具体的应用与装置的控制电路方案而定。一般说来，半导体包含元素半导体，III-V化合物半导体，II-VI化合物半导体，IV化合物半导体及合金半导体。具体的例子是硅(Si)，锗(Ge)，砷化镓(GaAs)，砷化铟镓(InGaAs)，磷化铟(InP)以及硅锗(SiGe)。在硅的情形，其材料还可进而次分为非晶的，多晶的或单晶硅。在制作过程中这种材料的源可以是绝缘体上硅(SOI)衬底，蓝宝石硅(SOS)衬底，单晶铸块的块状衬底薄晶片外延层或由薄膜沉积的这种衬底薄晶片。一般的外延方法包含有固相外延，汽相外延，液相外延与分子束外延。一般的薄膜沉积方法是用电子束，丝极，快速或物理蒸发与溅射沉积，化学蒸汽沉积(CVD)。现在已有多种的CVD方法，并正在继续研究发展着。可列举的一些例子包含有电子共振CVD，金属有机化学汽相沉积(MOCVD)，热丝化学汽相沉积(HFCVD)，触媒化学汽相沉积(Cat-CVD)，常压化学气相沉积(APCVD)，低压化学气相淀积(LPCVD)，和等离子增强化学气相淀积(PECVD)。

对这些材料可加入杂质以改变他们的力学与电学特性。加入杂质的方法可有多种，包含有恒源扩散，有限制的源扩散，两步扩散，衬底自动掺杂，衬底的外扩散以及离子注入。两步扩散的方法有两步，其中有一个短恒源扩散，被称为预沉积步骤，接着跟随一个有限制的源扩散，被称为压入步骤(drive-in step)。杂质也可以在沉积或结晶化过程中引入，也称为原位掺杂。虽然这些杂质可以从周期表中几乎任何元素中选取，但最常用的杂质是III族，IV族，V族和VII族元素。这些杂质的一些例子是氟，硅，磷，硼，砷，锑，镓，铟和铝。这些杂质的来源可以是一些硅玻璃层，诸如磷硅酸盐玻璃(PSG)，硼硅玻璃(BSG)，硼磷硅玻璃(BPSG)，砷硅玻璃(AsSG)和锑硅玻璃(SbSG)。也存在许多其它的固体，液体和气体源。这些源的例子如砷，乙硼烷，磷化氢，三氧化硼，硼酸三钾酯，氮化硼，三溴化硼，五氧化磷，磷酸铵，二磷酸铵，氯氧化磷，三氧化砷，三氧化锑，五氯化锑，硅烷，氯化硅烷和三氢化锑。

在用离子注入加入杂质的情况，需要退火以电激活注入的杂质并消除离子注入损伤。完成这一过程有许多种方法，包含炉子退火，激光退火，快速热退火，灯退火和电传导加热退火。

微镜单元的总装能用几种不同的方法完成.这些方法的例子如自组装，晶片绑定和单片集成电路制作.自组装是将衬底和微镜元件加一种湿的溶液，在其中微镜元件会自己贴到衬底上的绑定位置上去.晶片绑定允许半导体器件连接到其它材料或衬底上，并且它由胶粘绑定，硅熔合绑定和阳极绑定组成.单片集成电路制作要用到几个处理步骤，诸如氧化，光刻，刻蚀，扩散，蒸发或溅射，化学蒸汽沉积，离子注入，外延和退火，以在衬底上建造器件.

在推荐的方案中，本发明是用CMOS制作工艺实现的。多晶硅是一种CMOS生产工艺中通常用到的材料。该多晶硅首选的来源是一个用LPVCD沉积的薄膜，用三氢化磷气体离子注入掺杂，并用快速热处理退火。推荐的总装方法是衬底上制作微镜的单片集成电路。

有这样众多的材料和掺杂方法来建造这撑柱的优点是在于本发明能够简化现在微行面镜装置的制造。

在这些推荐的方案和替换方案中的撑柱结构较先前的工艺提供了一些不同的优点。相对于应用一个掺杂或未掺杂的半导体撑柱的现有工艺而言，本发明放置器件于不同于支撑结构的平面，从而使在一衬底上制作的微行面镜装置的密度增加了。相对于描述撑柱材料交换层的现有工艺而言，本发明通过做成了单一材料构成的撑柱，提供了一种简化的方法。此外，本发明在极端温度下仍很坚固耐用，而且不受金属蠕变影响。相对于那些撑柱避开输入光的现有工艺而言，本发明不需要连接撑柱到微镜的那些支柱或调整垫通路(Spacervias)。这就简化了生产过程，消除了由于调整垫通路(Spacervias)引起的夫琅和费衍射并提供一个光学平镜。

虽然本发明是相对于特定的推荐方案和替代方案描述的，对那些对该技术熟练的人而言，在读过本申请之后对这些推荐方案和替换方案细节的许多变化和修改会变得很清楚。再参照图1A和图1B，这样的修改之一是将部件102b直接连接到部件102d，这样就消除了伸延部分102c。另外一个变更是采用多重竖直悬臂支架部件(102b)直接或者通过部件102d的延伸(102c)连接到部件102d。还有另外一个变更就是用一些多角形支柱来代替圆形的支柱(103)，反之亦然。这样，以下附加的权利要求的意图是在于考虑到先前的工艺，尽可能广范地包含这些变更和修改。

Claims (19)

1.一种微型面镜装置，包括一掺杂半导体撑柱(102)，其中所述撑柱不被入射光照射，所述撑柱是扭转撑柱，由第一部件(102a)和第二部件(102b)构成；第一部件(102a)是支柱的延伸，从两个支柱彼此相向水平地延伸开来并逐渐竖直弯起至镜面的中心附近，并分别与水平的第二部件(102b)的两侧相连接，第二部件(102b)直接连接于微型镜面的相对于衬底的表面。

2.根据权利要求1的微型面镜装置，所述的半导体是从一组包含元素半导体和III-V族化合物半导体中选择的。

3.根据权利要求2所述的微型面镜装置，所述的半导体的源是从蓝宝石硅衬底和绝缘体上硅衬底之中选择的。

4.根据权利要求3所述的微型面镜装置，杂质是从一组包含III族元素，IV族元素，V族元素和VII族元素中选取并引入所述半导体的。

5.根据权利要求4所述的微型面镜装置，所述的杂质是从一组包含离子注入，恒源扩散，有限源扩散，两步扩散，衬底自动掺杂，衬底外扩散中选取的方法引入的。

6.根据权利要求5所述的微型面镜装置，所述杂质的源的类型是从一组包含固体，液体和气体中选取的。

7.根据权利要求6所述的微型面镜装置，所述杂质的源是从一组包含磷硅酸盐玻璃，硼硅玻璃，硼磷硅玻璃，砷硅玻璃，锑硅玻璃，乙硼烷，磷化氢，三氧化硼，硼酸三甲酯，氮化硼，三溴化硼，五氧化磷，磷酸铵，二磷酸铵，氯氧化磷，三氧化砷，三氧化锑，五氯化锑，硅烷，氯化硅烷和三氢化锑之中选取的。

8.根据权利要求7所述的微型面镜装置，所述的半导体是从一组包含炉退火，激光退火，快速热退火，灯退火和电导加热退火中选取的一种方法退火的。

9.根据权利要求8所述的微型面镜装置，所述的微型面镜是从一组包含自组装，晶片绑定和单片集成电路制作之中选取的方法来组装的。

10.根据权利要求9所述的微型面镜装置，是用于投影显示的。

11.根据权利要求1所述的微型面镜装置，所述半导体是从一组包含非晶硅，多晶硅和单晶硅之中选取的。

12.根据权利要求11所述的微型面镜装置，所述半导体的源是从蓝宝石硅衬底和绝缘体上硅衬底之中选择的。

13.根据权利要求12所述的微型面镜装置，撑柱中的一种杂质是从一组包含III族元素，IV族元素，V族元素和VII组元素中选取并引入所述半导体的。

14.根据权利要求13所述的微型面镜装置，所述的杂质是从一组包含离子注入，恒源扩散，有限源扩散，两步扩散，衬底自动掺杂，衬底外扩散中选取的方法引入的。

15.根据权利要求14所述的微型面镜装置，所述杂质的源的类型是从一组包含固体，液体和气体中选取的。

16.根据权利要求15所述的微型面镜装置，所述杂质的源是从一组包含磷硅酸盐玻璃，硼硅玻璃，硼磷硅玻璃，砷硅玻璃，锑硅玻璃，乙硼烷，磷化氢，三氧化硼，硼酸三甲酯，氮化硼，三溴化硼，五氧化磷，磷酸铵，二磷酸铵，氯氧化磷，三氧化砷，三氧化锑，五氯化锑，硅烷，氯化硅烷和三氢化锑之中选取的。

17.根据权利要求16所述的微型面镜装置，所述半导体是用从一组包含炉退火，激光退火，快速热退火，灯退火和电导加热退火中选取的方法退火的.

18.根据权利要求17所述的微型面镜装置，微型面镜是用从一组包含自组装，晶片绑定和单片集成电路制作中选取的方法组装的。

19.根据权利要求18所述的微型面镜装置，是用于投影显示。

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