CN1163689A - 薄膜致动反射镜阵列及其制造方法 - Google Patents

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Abstract

薄膜致动反射镜阵列，包括：有源矩阵，具有含连接端子和晶体管阵列的基底；致动结构阵列，各致动结构包括第二薄膜电极，下电致位移元件，中间薄膜电极，上电致位移元件和第一薄膜电极，其制法包括：提供有源矩阵并在其顶上形成薄膜待除层；选择地去除薄膜待除层；在其上形成第二薄膜电极层；选择地去除第二薄膜电极层；淀积下电致位移层；形成中间电极层；淀积上电致位移层；形成第一薄膜电极层，将形成的多层结构构形成半成品致动结构阵列；去除薄膜待除层。

Description

薄膜致动反射镜阵列及其制造方法
本发明涉及一种光学投影系统，且更具体地，涉及一种用于该系统中的M×N薄膜致动反射镜阵列及其制造方法，其中各薄膜致动反射镜具有一双压电晶片结构。
在本技术领域内可获得的各种视频显示系统中，已知光学投影系统能够提供大尺度的高质量显示。在这种光学投影系统中，来自一光源灯的光被均匀地照射到一个例如M×N的可驱动反射镜阵列上，其中各反射镜都分别与各致动器相连接。这些致动器可以用诸如压电材料或电致伸缩材料的电致位移材料制成，这些材料响应于施加于其上的电场而发生形变。
来自各反射镜的光束入射到例如一光学挡板的孔上。通过在各致动器上施加一电信号，各反射镜相对于入射光束的位置将发生改变，由此使从各反射镜反射的光束的光路发生偏转。当各反射光束的光路改变时，从各反射镜反射的通过该孔的光量会发生变化，从而调制了光束的强度。通过该孔的经调制的光束经过一个诸如投影透镜那样的适当的光学装置，被传送到一个投影屏幕上，从而在其上显示出图象。
在图1A至1G中，示出了制造M×N薄膜致动反射镜11的阵列10的过程中所涉及的制造步骤，其中M和N均为整数，这些制造步骤已公开于标题为“薄膜致动反射镜阵列(THIN FILM ACTUATED MIRRORARRAY)，美国专利申请序列号为08/430,628的共有未决的美国专利申请中。
该阵列10的制造过程起始于准备一具有一顶表面的有源矩阵20，该有源矩阵20包括一基底22、一M×N晶体管阵列(未示出)、一导线图形(未示出)及一M×N连接端子24的阵列。
在下一步骤中，在有源矩阵20的顶表面上形成一薄膜待除层40，如果该薄膜待除层40由金属制成，则它用溅射法或蒸镀法形成，如果该薄膜待除层40由磷硅玻璃(PSG)制成，则它用化学汽相淀积法(CVD)或旋转镀膜法形成；如果该薄膜待除层由多晶硅制成，则它用CVD法形成。
然后，形成一包含由该薄膜待除层40所包围的M×N支持元件30的阵列的支持层15，其中该支持层15是这样形成：通过使用照相蚀刻法在薄膜待除层40上形成一M×N空槽阵列(未示出)，使各空槽分别包围各连接端子24；并通过使溅射法或CVD法在包围着各连接端子24的各空槽内形成支持元件30，如图1A中所示。这些支持元件30由绝缘材料制成。
在下一步骤中，通过使用Sol-Gel法、溅射法或CVD法在支持层15的顶上形成由与支持元件30相同的绝缘材料制成的弹性层70。
接着，在各支持元件30中用下述方法形成一由金属制成的导管35：首先通过使用蚀刻法形成一M×N空洞阵列(未示出)，各空洞从弹性层70的顶部延伸到各连接端子24的顶部；然后用金属填充这些空洞，从而形成导管35，如图1B中所示。
在下一步骤中，通过使用溅射法，在包含着导管35的弹性层70的顶上形成的由导电材料制成的第二薄膜层60。该第二薄膜层60通过形成在支持元件30中的导管35与这些晶体管电连接。
然后，通过使用溅射法、CVD法或Sol-Gel法，在第二薄膜层60的项上形成由例如钛酸铅锆(PZT)的压电材料制成的薄膜电致位移层80，如图1C中所示。
在下一步骤中，通过使用照相蚀刻法或激光修剪法，将薄膜电致位移层80、第二薄膜层60和弹性层70构型成一M×N薄膜电致位移元件85的阵列，一M×N第二薄膜电极65的阵列和一M×N弹性元件75的阵列，直至支持层15暴露出来，如图1D所示。各第二薄膜电极65通过形成在各支持元件30中的各导管35与各晶体管电连接，并在薄膜致动反射镜11中起到信号电极的作用。
接着，对各薄膜电致位移元件85进行高温热处理，例如对于PZT，为650℃左右，以使之发生相变，从而形成一M×N热处理过的结构的阵列(未示出)。由于各热处理过的薄膜电致位移元件85非常地薄，当它由压电材料制成时由于在薄膜致动反射镜11的工作过程中它可由所施加的电信号极化，所以不必对它进行极化。
在以上步骤后，通过采用下述方法在M×N热处理过的结构的阵列中的薄膜电致位移元件85的顶上形成由导电及反光材料制成的M×N第一薄膜电极50的阵列：首先使用溅射法，形成由导电且反光材料制成的层88、完全覆盖M×N热处理过的结构的阵列的顶部，包括暴露出的支持层15，如图1E中所示；然后使用蚀刻法，有选择地去除该层88，从而形成一M×N致动反射镜结构95的阵列90，其中各致动反射镜结构件95包括一顶表面和四个侧表面，如图1F中所示。各第一薄膜电极50在薄膜致动反射镜11中既起到反射镜作用也起到偏置电极的作用。
按着的步骤是以一薄膜保护层(未示出)完全覆盖各致动反射镜结构95中的顶表面和四个侧表面。
然后通过使用蚀刻法去除支持层15的薄膜待除层40。最后，去除薄膜保护层，从而形成M×N薄膜致动反射镜11的阵列10，如果图1G中所示。
在上述制造M×N薄膜致动反射镜11的阵列10的方法中存在有一些缺陷。薄膜电致位移元件85的形成涉及到高温，并因此，需要小心地选取用于薄膜待除层40的材料，使其能经受得住在形成过程中所要求的高温。而且，由于阵列10的制造方法涉及高温处理，因此用于薄膜致动反射镜11中的电极及用于有源矩阵20中的导线图形的材料必须也能经受得住高温，而这样的材料通常是比较昂贵的，从而提高了阵列10的制造成本。
并且，在薄膜电致位移元件85的形成期间所要求的高温可对各致动反射镜11的结构完整性带来不利的影响，进而会降低阵列10的整体性能。
因此，本发明的一个主要目的是提供一种光学投影系统中使用的M×N薄膜致动反射镜阵列，在其制造期间不需进高温处理。
本发明的另一个目的是提供一种光学投影系统中使用的M×N薄膜致动反射镜阵列的制造方法，其免去了高温处理，从而使得更加易于选择用于薄膜待除层的材料。
根据本发明的一个方面，提供了一种光学投影系统中使用的M×N薄膜致动反射镜阵列，其中M及N均为整数，各薄膜致动反射镜具有一双压电晶片结构，该阵列包括有：一有源矩阵，具有一顶表面并包括一带有M×N连接端子阵列和一M×N晶体管阵列的基底；及一M×N致动结构阵列，各致动结构具有一近端和一远端，各致动结构包括有一起第二偏置电极作用的第二薄膜电极、一具有一顶表面及一底表面的下层电致位移元件、一起到信号电极作用的中间薄膜电极、一具有一顶表面及一底表面的上层电致位移元件及一既起到反射镜又起到第一偏置电极作用的第一薄膜电极，其中上层和下层电致位移元件由中间薄膜电极所分开，第一薄膜电极位于上层电致位移元件的顶表面上，第二薄膜电极位于下层电致位移元件的底表面上，中间薄膜电极通过各连接端子与各晶体管电连接，并且各致动结构的近端附连于该有源矩阵的顶表面，从而形成所述具有该双层电晶片结构的薄膜致动反射镜。
根据本发明的另一方面，提供了一种光学投影系统中使用的M×N薄膜致动反射镜阵列的制造方法，其中M及N均为整数，各薄膜致动反射镜具有一双层压电晶片结构，该方法包括有以下步骤：提供一具有一顶表面的有源矩阵，该有源矩阵包括一带有一M×N晶体管阵列和一M×N连接端子阵列的基底：在该有源矩阵的顶表面上淀积一薄膜待除层；去除形成在各连接端子上的该薄膜待除层部分；在有源矩阵包括薄膜待除层的顶上形成由第二导电材料制成的第二薄膜电极层；去除在有源矩阵中的各连接端子的顶上形成的第二薄膜电极层部分；在有源矩阵及第二薄膜电极层的顶上淀积一下电致位移层；形成一M×N空洞的阵列，各空洞具有内表面并从该下电致位移层的顶部延伸到各连接端子的顶部；在下电致位移层包括各空洞内表面的顶上形成一由第一导电材料制成的中间电极层；在该中间电极层的顶上淀积一上电致位移层，同时填充这些空洞；在上电致位移层的顶上形成一由导电且反光材料制成的第一薄膜电极层，从而形成一包括第一薄膜电极层、上电致位移层、中间电极层、下电致位移层及第二薄膜电极层的多层结构；将该多层结构构型成一M×N半成品致动结构的阵列，其中各半成品致动结构包括一第一薄膜电极、一上层电致位移元件、一中间薄膜电极、一下层电致位移元件及一第二薄膜电极；并去除该薄膜待除层，从而形成所述M×N薄膜致动反射镜阵列。
从结合附图给出的对优选实施例的说明中，以上及其它目的和特征将变得更加显见，附图中：
图1A至1G给出了说明先前公开的制造M×N薄膜致动反射镜阵列的方法的截面视图；
图2给出了根据本发明的M×N薄膜致动反射镜的透视截面图；及
图3A至3H给出了说明根据本发明的制造M×N薄膜致动反射镜阵列的方法的截面视图。
图2及3A至3H分别给出了根据本发明的优选实施例的在光学投影系统中使用的M×N薄膜致动反射镜101的阵列100的透视截面图及其制造方法的截面视图。应注意到图2及3A至3H中出现的相同部件用相同的参照数字表示。
在图2中，给出了本发明的M×N薄膜致动反射镜101的阵列100的透视截面图，其中各致动结构111具有一双压电晶片结构。
有源矩阵120具有一顶表面并包括一带有一M×N连接端子124的阵列、一导线图形(未示出)和一M×N晶体管阵列(未示出)的基底122，各连接端子124与各晶体管电连接。
各具有一近端和一远端的致动结构111包括一起到第二偏置电极作用的第二薄膜电极165，一具有一顶表面及一底表面的下层电致位移元件185，一起到信号电极作用中间薄膜电极135，一具有一顶表面及一底表面的上层电致位移元件175和一既起到反射镜又起到第一偏置电极作用的第一薄膜电极155，其中各致动结构111的近端附连于有源矩阵120的顶表面，并且第一和第二薄膜电极155、165相互间电连接。上层及下层电致位移元件175、185由中间薄膜电极135所分开。第一薄膜电极155位于上层电致位移元件175的顶表面上。第二薄膜电极165位于下层电致位移元件185的底表面上。中间薄膜电极135通过各连接端子124与各晶体管电连接。各薄膜致动反射镜101中的上层及下层电致位移元件175、185由例如氧化锌(ZnO)的结晶不对称材料制成，该材料的特点在于：它不呈现出磁滞回路，且它可在200℃至300℃的温度范围内形成。对上层及下层电致位移元件175、185采用这样一种材料又允许第一、第二和中间薄膜电极155、165、135可使用低熔点及更便宜的电极材料，例如铝(Al)或银(Ag)，从而减低了阵列100的整体制造成本。
上层电致位移元件的极化方向与下层电致位移元件的极化方向相同。当向各薄膜致动反射镜101中的上层及下层电致位移元件175、185施加一电场时，该二电致位移元件中的一个的极化方向与该电场相同而另一个电致位移元件的极化方向与该电场相反。在这种情况下，极化方向与该电场相同的电致位移元件将垂直扩张而水平收缩，而其极化方向与该电场相反的电致位移元件将垂直收缩而水平扩张，从而导致电压双晶片模式。
图3A至3F给出了说明根据本发明的制造一M×N薄膜致动反射镜101的阵列100的方法的截面视图。
制造阵列100的过程起始于准备一具有一顶表面的有源矩阵120，该有源矩阵120包括一带有一M×N连接端子124的阵列、一导线图形(未示出)和一M×N晶体管阵列(未示出)的基底122，  其中该基底122由例如玻璃的绝缘材料制成。
然后，在有源矩阵120的顶上形成一由例如ZnO的氧化物或例如聚酰亚胺的聚合物制成的并具有1-2μm的厚度的薄膜除层140，如果该薄膜待除层140是由氧化物制成的，它是采用溅射或真空蒸镀法形成，如果该薄膜待除层是由聚合物制成的，它是采用旋转镀膜法形成。如前面所指出的，上层及下层电致位移元件175、185采用ZnO，免除了现有技术中采取的高温处理，使得更易于选择用于薄膜待除层140的适当材料。
在接着的步骤中，通过采用照相蚀刻法，去除形成在有源矩阵120中的连接端子124顶上的薄膜待除层140部分，如图3A所示。
在下一步骤中，通过采用溅射法或真空蒸镀法，在有源矩阵120包括薄膜待除层140的顶上形成一由第二导电材料，例如铝制成的并具有0.1-2μm厚度的第二薄膜电极层160。
然后，通过采用照相蚀刻法或激光修剪法，去除形成在有源矩阵120中各连接端子124顶上的第二薄膜电极层160部分，如图3B所示。
如图3C所示，通过采用真空蒸镀法或溅射法，在有源矩阵120包括第二薄膜电极层160的顶上形成一由ZnO制成的并具有0.1-2μm厚度的下电致位移层180。一ZnO的薄膜层可在200-300℃左右形成。
在下一步骤中，如图3D中所示，通过用蚀刻法，形成一M×N空洞190的阵列，各空洞190具有一内表面并从下电致位移层180的顶部，通过有源矩阵120延伸至各连接端子124的顶部。
如图3E所示，通过采用溅射法或真空蒸镀法，在下电致位移层180包括空洞190内表面上形成一由例如铝的第一导电材料制成的并具有0.1-2μm厚度的中间电极层130。
在接着的步骤中，通过采用真空蒸镀法或溅射法，在中间电极层130的顶上形成一由与下电极位移层180相同材料制成具有0.1-2μm厚度的上电极位移层170，如图3F所示。
如图3G所示，通过采用溅射法或真空蒸镀法，在上电致位移层170的顶上形成一由例如铝或银的导电且反光材料制成并具有0.1-2μm厚度的第一薄膜电极层150，从而形成一包括有第一薄膜电极层150、上电致位移层170、中间电极层130、下电致位移层180和第二薄膜电极层160的多层结构200。
然后，通过采用照相蚀刻法或激光修剪法，将多层结构200构型成一包括第一薄膜电极155、上层电致位移元件175、中间薄膜电极135、下层电致位移元件185和第二薄膜电极165的半成品致动结构250的阵列，直至薄膜待除层140暴露出来。
在下一步骤中，通过采用蚀刻法，去除薄膜待除层140，从而形成M×N薄膜致动反射镜101的阵列100，如图3H所示。
与先前公开的M × N薄膜致动反射镜11的阵列10的制造方法相比较，现有技术要求进行高温处理以使在构成薄膜电致位移层80的电致位移材料中发生相变，而在本发明方法中，由于各致动结构111的上及下层电致位移元件175、185由ZnO制成，可以不必进行高温处理，从而可在更广泛的范围内选择用于薄膜待除层140的材料。
并且，上及下层电致位移元件175、185采用ZnO，可允许在薄膜致动反射镜101中的第一、第二及中间薄膜电极155、165、135和在有源矩阵120中的导线图形采用低熔点和更便宜的材料，从而降低阵列100的整体制造成本。
而且，由于阵列100的形成没有采用高温处理，从而能更好地保持其结构完整性及其性能。
尽管仅对于某些优选实施例对本发明进行了描述，但不脱离由所附权利要求限定的本发明的范围，可做出其它的改型和变化。

Claims (11)

1、一种用于光学投影系统的M×N薄膜致动反射镜阵列，其中M及N均为整数，各薄膜致动反射镜具有一双压电晶片结构，该阵列包括：
一有源矩阵，具有一顶表面并包括一带有一M×N连接端子阵列和一M×N晶体管阵列的基底；及
一M×N致动结构的阵列，各致动结构具有一近端和一远端，各致动结构包括一起第二偏置电极作用的第二薄膜电极、一具有一顶表面和一底表面的下电致位移元件、一起信号电极作用的中间薄膜电极、一具有一顶表面和一底表面的上电致位移元件及一起反射镜和第一偏置电极作用的第一薄膜电极，其中该上及下电致位移元件由中间薄膜电极所分开，第一薄膜电极位于上电致位移元件的顶表面上，第二薄膜电极位于下电致位移元件的底表面上，中间薄膜电极通过各连接端子与各晶体管电连接，及各致动结构的近端附连于有源矩阵的顶表面，从而形成具有双压电晶片结构的薄膜致动反射镜。
2、如权利要求1所述的阵列，其中第一薄膜电极与第二薄膜电极电连接。
3、一种用于光学投影系统中的M×N薄膜致动反射镜阵列的制造方法，其中M及N均为整数，各薄膜致动反射镜具有一双压电晶片结构，该方法包括有以下步骤：
提供一有源矩阵，该有源矩阵具有一顶表面并包括一带有一M×N晶体管阵列和一M×N连接端子阵列的基底；
在有源矩阵的顶上淀积一薄膜待除层；
去除形成在有源矩阵上的各连接端子顶上的薄膜待除层部分；
在有源矩阵包括薄膜待除层的顶上形成由第二导电材料制成的第二薄膜电极层；
去除有源矩阵中的各连接端子上形成的第二薄膜电极层部分；
在有源矩阵及第二薄膜电极层的顶上淀积下电致位移层；
形成一M×N空洞阵列，各空洞具有一内表面并从下电致位移层的顶部延伸至各连接端子的顶部；
在下电致位移层包括各空洞内表面的顶上形成由第一导电材料制成的一中间电极层；
在中间电极层的顶上淀积一上电致位移层，同时填充这些空洞；
在上电极致位移层的顶上形成由导电且反光材料制成的第一薄膜电极层，从而形成一包括有第一薄膜电极层、上电致位移层、中间电极层、下电致位移层、和第二薄膜电极层的多层结构；
将该多层结构形成一M×N半成品致动结构的阵列，其中各半成品致动结构包括一第一薄膜电极、一上层电致位移元件、一中间薄膜电极、一下层电致位移元件、和一第二薄膜电极；及
去除薄膜待除层，从而形成M×N薄膜致动反射镜阵列。
4、如权利要求3所述的方法，其中上及下电致位移层由结晶不对称材料制成。
5、如权利要求4所述的方法，其中，该结晶不对称材料为ZnO。
6、如权利要求3所述的方法，其中上及下电致位移层的形成厚度为0.1-2μm。
7、如权利要求3所述的方法，其中上及下电致位移层利用真空蒸镀或溅射法形成。
8、如权利要求3所述的方法，其中薄膜待除层是由氧化物或聚合物制成。
9、如权利要求3所述的方法，其中薄膜待除层是这样形成的：如果该薄膜待除层是由氧化物制成的，则采用溅射法或真空蒸镀法；而如果该薄膜待除层是由聚合物制成的，则采用旋转镀膜法。
10、如权利要求3所述的方法，其中第一薄膜、第二薄膜及中间薄膜电极层是通过采用溅射法或真空蒸镀法形成的。
11、如权利要求3所述的方法，其中第二薄膜电极层、中间电极层和第一薄膜电极层的形成厚度为0.1-2μm。
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