DE4224349A1

DE4224349A1 - Raumlichtmodulator aus silizium

Info

Publication number: DE4224349A1
Application number: DE4224349A
Authority: DE
Inventors: Benedict B O'brien; Brent E Burns; King L Hu; Adrian C Ionescu
Original assignee: Northrop Grumman Corp
Current assignee: Northrop Grumman Corp
Priority date: 1991-07-24
Filing date: 1992-07-23
Publication date: 1993-03-04
Also published as: GB2258055A; FR2679665A1; GB2258055B; FR2679665B1; GB9215419D0; US5170283A; JPH05257070A

Description

Die Erfindung betrifft Raumlichtmodulatoren (SLM) und ins besondere solche Raumlichtmodulatoren, die die Technologie verformbarer Spiegel verwenden. Die Erfindung betrifft besonders einen verbesserten Raumlichtmodulator mit einem hohen Beugungswirkungsgrad, einer geringen falschen Beu gung, einer ausgezeichneten Temperaturfestigkeit und einer hohen Belastbarkeit.

Raumlichtmodulatoren werden in vielen Anwendungsbereichen von optischen Prozessoren, beispielsweise in Korrelatoren und optischen neuralen Netzwerken, als aktives Element verwendet.

Es ist eine Form von Raumlichtmodulatoren mit verformbaren Spiegeln bekannt, bei der eine Anordnung von Spiegelelemen ten oder Bildelementen auf einer Membrane oder einem blu menblattartigen Aufbau ausgebildet ist, die bzw. der auf einem Gitter im Abstand zu einer entsprechenden Anordnung von Elektroden angeordnet ist, die auf ein Substrat aufge bracht sind und einzeln durch Aufbringung eines lokalen elektrischen Feldes bewegbar sind, das auf jede Elektrode aufgebracht wird, um das entsprechende Spiegelelement abzulenken. Bei einer Ablenkung in ein geeignetes Muster, das dem Zustand der aufgebrachten elektrischen Signale entspricht, verursacht die gemeinsame Ablenkung der Elemen te oder Bildelemente eine Phasenänderung in der Wellenfront eines von der Anordnung reflektierten Lichtstrahls, so daß eine in dem Zustand des elektrischen Signals mitgeführte Information auf einen von der Anordnung reflektierten Lichtstrahl kodiert wird.

Raumlichtmodulatoren dieser allgemeinen Art sind aus der USA 44 41 791, der USA 45 71 603 und aus der Druckschrift "Characteristics of the Deformable Mirror Device for Opti cal Information Processing", Opt. Eng. Nov. - Dez. 1983, Ausgabe 22, Nr. 6, Seiten 675-681 bekannt. In diesen Veröffentlichungen wird ein Raumlichtmodulator vorgeschla gen, bei dem eine Polymermembrane verwendet wird, die auf einem Gitter über einer Anordnung von Elektroden gelagert ist, die an einer Rückwand angebracht sind. Die Veröffent lichungen beschreiben die Theorie der Betriebsweise einer solchen Vorrichtung. Eine gründliche Analyse dieser Art von Vorrichtung zeigt, daß der Beugungswirkungsgrad geringer als gewünscht und weit geringer als ein nennenswerter Prozentsatz des Erreichbaren ist. Die Temperaturempfind lichkeit ist aufgrund der Verwendung von unterschiedlichen Materialien bedeutend. Außerdem sind die Ablenkungsparame ter weniger als optimal. Grund für diese Einschränkungen ist in erster Linie die Verwendung von unterschiedlichen Materialien, d. h. eines Polymermembranmaterials auf einer Siliziumrückwand. Der Wärmeausdehnungskoeffizient des Polymers unterscheidet sich sehr von dem des Siliziums, so daß sich die Spannung, die sich in der Membrane entwickelt, in einem Temperaturbereich dramatisch ändert. Außerdem ist der Hohlraum zwischen der Rückwand und der Membrane druck empfindlich, so daß der Wandler selbst druckempfindlich wird. Die trommelähnliche Eigenschaft der Ablenkung der Membrane beschränkt den Ablenkungs-Wirkungsgrad. Deswegen sind die Vorrichtungen dieser bekannten Art nicht leicht für eine Verwendung in einem weiten Temperaturbereich und für Modulationszwecke anpaßbar, die einen Hochfrequenzbe trieb mit sich bringen. Zusätzlich ist die Stärke des einfallenden Lichtstrahls auch durch die Temperaturgrenzen der Membrane begrenzt, die bei den meisten Kunststoffen weniger als 200°C betragen.

Eine Vielzahl anderer dem Stand der Technik angehörender Patente offenbaren Raumlichtmodulatoren unterschiedlichen Aufbaus, die jedoch ähnliche Nachteile haben. Beispiele solcher anderen Konstruktionen sind in der USA 49 56 619, der EP-A 03 32 953 A2, der US 46 62 746, der US-A 46 15 595 und der US 47 10 732 erläutert.

In den Fällen, in denen für den Aufbau eine Membrane ver wendet wird, die einen blumenartigen oder klappenartigen Aufbau hat, bei dem die Ränder jeder Klappe auf einer Seite an einem Träger angelenkt sind und ansonsten vollkommen frei sind, wie es beispielsweise in dem US-Patent 46 15 595 der Fall ist, treten auch dann, wenn keine beabsichtigte Ablenkung des Blumenblatts vorhanden ist, Probleme wegen einer fehlerhaften Ablenkung auf, deren Grund die Tendenz jedes Blumenblatts ist, sich wegen der Spannungen einzurol len, die während der Herstellung beim Ätzverfahren indu ziert werden. Außerdem haben Lichtmodulatoren mit blumen blattartigen Konstruktionen eine Eigenneigung, die auf den Strahl übertragen wird, was unerwünscht ist.

Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, einen verbes serten kompakten Raumlichtmodulator zu schaffen, der die Einschränkungen und Nachteile des Stands der Technik über windet und der besonders zur Phasenmodulation von Hoch leistungslaserstrahlen geeignet ist.

Diese Aufgabe wird durch einen Raumlichtmodulator gelöst, der eine(n) Siliziumrückwand oder -träger mit einer dünnen Isolierschicht aufweist, auf der bzw. dem eine zweite Schicht aus Isoliermaterial angebracht ist, die ein Ab standsgitter zur Bildung einer Anordnung von Zellen bildet. Das Material an dem Gitter hat einen ähnlichen Ausdehnungs koeffizient wie Silizium. Auf der dünnen Isolierschicht auf der Rückwand ist in jeder Zelle eine Elektrode angebracht. Eine dünne Membrane aus dotiertem Silizium ist an dem Abstandsgitter über der Anordnung von Zellen und Elektroden angebracht. Auf der Membrane ist an der der Rückwand abge wandten Seite eine hochreflektierende Oberfläche ange bracht, um eine Anordnung von reflektierenden Bildelementen über der Anordnung von Zellen zu schaffen, wodurch die einzelnen Abschnitte der Membrane und des jede Zelle über lagernden Bildelements durch elektrostatische Anziehung zwischen der Membrane und der Elektrode abgelenkt werden, wenn die jeweilige Elektrode selektiv geladen wird, wobei die Ablenkung nach einem Muster erfolgt, das dem Zustand der auf die Elektroden aufgebrachten elektrischen Signale entspricht. In jeder Zelle ist von der Elektrodenseite der Rückwand bis zu ihrer gegenüberliegenden Seite eine Entlüf tungsöffnung ausgebildet, damit ein Gas aus der Zelle austreten kann, wenn die Membrane abgelenkt wird. Nuten erstrecken sich quer über die Fläche der Rückwand und über die Zelle und schneiden die Entlüftungsöffnung, um ein Entweichen von Gas aus der Zelle und durch die Öffnung zu unterstützen. Die Entlüftungsöffnung ist in ihrer Größe und ihrem Aufbau vorzugsweise für eine kritische Dämpfung der Massenbewegung der abgelenkten Membrane an der Zelle ausge legt, um die durch die elektrostatische Ablenkung verur sachte Bewegung zu steuern. Biegestellen mit verringertem Querschnitt sind in der Membrane längs einer geschlossenen Linie ausgebildet, die sich um den Innenumfang des Ab standsgitters erstreckt, so daß sich die Membrane in der Biegestelle eher wie ein Kolben bewegt.

Der erfindungsgemäße Raumlichtmodulator ist für einen Betrieb in einem weiten Temperaturbereich thermisch stabil. Der Raumlichtmodulator ist außerdem bei sehr hohen Ein gangsleistungspegeln von beispielsweise 1000 Watt einsetz bar. Schließlich weist er einen sehr hohen Beugungswir kungsgrad auf.

Ausführungsbeispiele der Erfindung werden nachstehend anhand der Zeichnungen näher erläutert. Es zeigt:

Fig. 1 eine Draufsicht auf eine einzelne Zelle eines Raum lichtmodulators, bei dem eine Membrane entfernt ist, um die innere Struktur einer Zelle zu zeigen;

Fig. 2 den Schnitt 2-2 von Fig. 1, wobei eine starke rück wärtige Befestigungsplatte entfernt ist;

Fig. 3 den Schnitt 3-3 von Fig. 1, wobei die starke rück wärtige Befestigungsplatte angeordnet ist;

Fig. 4a ein Modell einer Zelle ohne Membranbiegestellen der in den Fig. 1 bis 3 gezeigten Anordnung, das seine Arbeitsweise in Ansprechung auf eine Ablenkungsspannung zeigt;

Fig. 4B ein die Wirkungsweise des Modells von Fig. 4a zeigendes Diagramm, das die Verschiebung als Funk tion der Ablenkungsspannung zeigt;

Fig. 5 eine Draufsicht auf eine Zelle einer anderen Aus führungsform des Raumlichtmodulators;

Fig. 6 den Schnitt 6-6 von Fig. 5;

Fig. 7 den Schnitt 7-7 von Fig. 5.

Der erfindungsgemäße Raumlichtmodulator 10 weist eine Rückwand 11 aus Silizium auf, auf der ein Isolator 12 aus einer Siliziumdioxidbeschichtung ausgebildet ist. Die Rückwand 11 ist für eine Lagerung der gesamten Vorrichtung mit einem starken Rückenteil 13 verklebt und auf diesem gelagert. Ein Abstandsgitter 14 aus Isoliermaterial, wie z. B. Siliziumdioxid, ist auf der Rückwand 11 ausgebildet und bildet um eine Anordnung von Zellen, von denen eine, 15, näher gezeigt ist. Jede Zelle bildet ein Bildelement, das, wie es gezeigt ist, quadratisch sein kann. In der Fläche jeder Zelle ist eine Ablenkungselektrode 17 an der Oxidbeschichtung 12 angebracht. Eine dotierte Siliziummem brane 18 ist mittels einer geeigneten Einrichtung, bei spielsweise einem Klebeverbindungsteil 19 aus Glas, mit dem Gitter 14 verklebt. Nach außen gerichtete Spiegelelemente 20 sind auf der Membrane 18 angebracht, und zwar ein Ele ment 20 auf jeder Zelle, um auf der Membrane 18 ein reflek tierendes Bildelement zu bilden, oder es ist die gesamte nach außen gerichtete Spiegelfläche mit dem Reflexions material beschichtet.

Die Rückwand 11 ist aus einem p-dotierten Siliziumwafer hergestellt, durch den Entlüftungsöffnungen 21 an einer Mittellage in der Zelle 15 sowohl von der Oberseite als auch von der Unterseite der Rückwand 11 aus geätzt sind, um eine Durchgangsöffnung zu schaffen. Eine Vielzahl von Nuten 22 bis 28 ist auf der Oberseite der Rückwand 11 in jeder Zelle 15 so ausgebildet, daß sie sich untereinander und das jeweilige Entlüftungsloch 21 schneiden. Jedes Entlüftungs loch 21 und die zugeordneten Nuten 22 bis 28 sind in ihrer Größe so ausgelegt, daß Gas aus dem Inneren der Zelle durch das Entlüftungsloch entweichen kann, wenn das Membranele ment abgelenkt wird. Hierdurch wird außerdem eine Bewe gungsdämpfung geschaffen, die auf eine kritische Dämpfungs charakteristik eingestellt werden kann, um die Bewegung des Membranelements anzuhalten, nachdem die aufgebrachte Span nung verändert wurde.

Die Membrane 18 ist aus dotiertem Silizium hergestellt, so daß sie eine Leitfähigkeit aufweist, die dazu ausreicht, daß auf sie ein Bezugsgrundpotential für den Betrieb der Vorrichtung aufgebracht werden kann. Ein Dotiergrad von 10¹⁸ pro cm³ ist für den Zweck ausreichend. Die Bewegung der Membrane wird durch das elektrostatische Feld gesteuert, das sich zwischen ihr und der Zellelektrode nach Aufbrin gung der Ablenkungsspannung entwickelt.

Die Membrane ist um den Innenrand des Gitters um jede Zelle 15 geätzt, um eine dünnwandige Biegestelle 30 in Form einer geschlossenen Kurve zu schaffen, die an der Außenseite durch eine Rippe 32 begrenzt ist, die an dem Gitter 14 gelagert und mit diesem verklebt ist. Die Biegestelle 30 bildet einen zentralen Membrankolbenbereich 37, der an der Innenseite der Biegestelle durchgehend dicker ist und gegenüber der Zellelektrode 17 liegt. Während des Betriebes zieht eine selektive Ladung einer Elektrode 17 mit einem elektrischen Signal den Membrankolben an und verursacht eine Ablenkung des Kolbens in Richtung der Elektrode und der Rückwand, wobei das verdrängte Luftvolumen durch die Entlüftungsöffnung 21 entweicht. Hierdurch wird eine Druck empfindlichkeit vermieden und außerdem die Membranbewegun gen nach einem Wechsel des aufgebrachten Signals mechanisch stabilisiert.

Die der Rückwand abgewandte Seite der Membrane ist mit einer reflektierenden Schicht versehen, die aus Chrom oder aus anderen geeigneten, für die Wellenlänge des Vorgangs ausgewählten, reflektierenden Materialien besteht.

Ein Leiter 33 erstreckt sich von der Elektrode 17 durch die jeweilige Entlüftungsöffnung für eine Verbindung mit einem elektrischen Abtast-Haltekreis 36, der zweckmäßigerweise über einen Lötstoßkontakt 37 zwischen dem starken Rücken teil 13 und der Rückwand 11 verbunden ist.

Der Abtast-Haltekreis 36 ist ein gewöhnlicher Stromkreis, wie er z. B. in dem monolithischen BIFET-Abtast- und Halte kreis verwendet wird, der von National Semiconductor unter der Bezeichnung LF-198 beziehbar ist, und der durch einen XY-Treiber mit einem analogen logischen Eingang (nicht gezeigt) antreibbar ist, der eine Ausgangsspannung von 0 bis ungefähr 18 Volt hat.

Der obere Abschnitt des starken Rückenteils 13 ist eine Schicht 38. Die Schicht 38 ist ein integrierter Schaltkreis aus Silizium, der einen geeigneten Schaltkreis 36 für jede Zelle und andere Schaltkreise (nicht gezeigt) enthält, wie es für die XY-Adressierbarkeit notwendig ist. Ein starker Rückenteil 39 aus Silizium ist mit der Siliziumschicht 38 mittels einer Klebeschicht 40 verklebt. Die Klebeschicht 40 kann eine Glasschicht oder eine andere Schicht sein, die geeignet ist, um zwei Siliziumoberflächen miteinander zu verbinden.

Die Siliziumrückwand 11 ist geätzt, um Kontaktauflagen 41 zu bilden. Klebestellen 42 aus Glas oder aus anderen Klebe mitteln verkleben die Kontaktauflagen mit der Silizium schicht 38. Der Zweck der Kontaktauflagen ist der, daß der Zwischenraum zwischen der Rückwand 11 und der Schicht 38 genau aufrechterhalten wird. Der elektrische Kontakt kann außerdem durch eine mechanische Verbindung hergestellt werden, die bei Anwendung den Lötanschluß ersetzen könnte.

Die beim Aufbau verwendeten Materialien wurden für eine Temperaturbeständigkeit der zusammengebauten Vorrichtung sorgfältig ausgewählt. Die Vorrichtung ist mikrobearbeitet und mittels allgemein bekannter Siliziumform- und klebe technologien zusammengebaut. Ein Beispiel eines Herstel lungsverfahrens für einen erfindungsgemäßen Raumlichtmodu lator wird nachstehend beschrieben.

Die Grundplatte wird von einem Siliziumwafer des p-Typs (Bor, 10¹⁶/cm³) gebildet, der einen Durchmesser von 7,5 bis 15 cm und eine Dicke von 0,03 bis 0,06 cm hat. Als erstes wird der Wafer so behandelt, daß die Nuten 22 bis 28 geätzt werden und der Abschnitt der Entlüftungslöcher 21 von der Oberseite der Rückwand 11 aus geätzt werden. Dann wird der Rest der Entlüftungslöcher 21 von der Unterseite der Rück wand 11 aus geätzt. Dann läßt man eine 4 µm dicke Silizium oxidschicht wachsen, um das Distanzgitter 14 zu bilden, wonach die Feldschicht 12 von ungefähr 5000 Ångström 0,5 µm) für eine elektrische Isolierung zwischen den Ele menten erfolgt.

Danach wird eine leitende Hochtemperatur-Elektrodenschicht aus Platin-Polysilizium (in polykristallines Silizium zur Bildung von Platin-Silizid gesintertes Pt) gebildet, um die Leiter 33 und jede der Elektroden 17 herzustellen. Eine Schicht klebendes Glas 19 wird selektiv auf das Gitter 14 aufgetragen, damit das letztere für ein Verkleben der Membrane mit dem Gitter verwendet werden kann. Das Glas ist 7059 (Corning) Borsilikatglas, damit es mit den thermischen Eigenschaften des Siliziums übereinstimmt.

Alternativ kann ein einfaches Metall, beispielsweise Alumi nium anstatt des Platinsilizids mit einer Klebeglasschicht für niedrigere Temperaturen wie z. B. Corning 7556 verwendet werden.

Die Membrane ist aus einem p-leitenden Einkristallsilizi umwafer (Bor, 10¹⁶/cm³) hergestellt, der einen Durchmesser von 7,5 bis 15 cm hat und auf dessen einer Seite eine n-leitende Siliziumschicht (Arsen oder Phosphor, 10¹⁸/cm³) epitaktisch gewachsen ist, die eine Dicke von 3 µm hat, und zusammen mit dem ursprünglichen Wafer einen pn-Übergang bildet, der elektrisch vorgespannt ist, um einen Ätzan schlag an der Übergangsgrenzfläche für eine Verwendung in einem späteren Ätzprozeß zu bilden. Ziel der Verwendung der Technik des epitaktischen Wachsens ist es, daß fast der ganze ursprüngliche Wafer nacheinander entfernt werden kann (durch Ätzen) und nur noch die epitaktisch gewachsene Schicht verbleibt, die an dem Umfangsrand von einem Ring aus ursprünglichem Material getragen wird. Das verbleibende bezüglich seiner Dicke sorgfältig kontrollierte Membran element besteht dann nur noch aus der epitaktisch gewachse nen, 3 µm dicken n-Schicht, die in einem Ring gelagert ist.

Das Muster der Biegestellen wird mit geeigneter Photolitho graphie aufgebracht und die Biegestellen 30 2 µm tief in die epitaktische Schicht geätzt, wobei ein Biegungsstreifen von 1 µm verbleibt, der eine geschlossene Kurve bildet, die um den Innenrand jeder Zelle liegt.

Die Membrane wird dann genau zu der Rückwand und dem Gitter ausgerichtet. Ein geringer Unterdruck wird durch die Ent lüftungsöffnungen abgezogen, um einen Klebedruck zwischen der Membran und der Rückwand auszuüben. Dann wird die Anordnung auf eine Klebetemperatur von 825°C (für das Klebeglas 7059) erwärmt, die ausreichend ist, um die Glas beschichtung mit dem Gitter und der Membran zu verschmelzen und einen vollkommen verklebten Aufbau zwischen der Mem brane und dem Gitter zu schaffen. Die Chromschicht wird auf die gesamte nach außen zeigende Oberfläche der Membrane durch eine Schattenmaske aufgedampft. Falls es für speziel le Eigenschaften, z. B. den Wellenlängen-Reflexionswir kungsgrad notwendig ist, kann zusätzliches Metall wie z. B. Silber oder Gold auf die Chromschicht aufgetragen werden. Wenn verschiedene Modulatoranordnungen auf einem einzelnen Wafer hergestellt werden, können vorher geätzte V-Nuten als Bruchlinien zu deren Trennung verwendet werden.

In den Fig. 4a und 4b ist ein Modell der Betriebsweise der Zelle zusammen mit den Ablenkungskurven gezeigt. Bei Verwendung eines vereinfachten Modells beträgt dann die inkrementale Anziehungskraft an einer kreisförmigen Mem brane, wie es in Fig. 4a angenommen ist,

wobei d der Abstand der Elektrode von der ablenkenden Membran, r der Radialabstand von der Symmetrieachse, w die Membranablenkung und V die angelegte Spannung ist. Als Annäherung kann die relative Form der Membranablenkung, wie es in Gleichung (2) vorgegeben ist, angenommen werden. Die Gleichung (2) für die relative Anlenkung ist für eine Membrane geeignet, die durch einen Druckunterschied über der Membrane abgelenkt wird, wobei sich die Beziehung von w_m den Druckunterschieden aus Gleichung (3) ergibt. Bei dieser Berechnung wird angenommen, daß die Amplitude und Form der Membranablenkung dieselbe ist, wenn die Gesamt druckkraft an der Membrane gleich der gesamten elektrischen Anziehungskraft ist, die auf die Membrane ausgeübt wird.

Es wird angenommen

w(r) = w_m(a²-r²)²/a⁴ (2)

wobei

w(r=o) = w_m
w_m = 0.22qa⁴/Eh³ (3)

wobei q der Druckunterschied über der Membrane, E das Young-Modul und h die Membrandicke ist.

Die inkrementale Kraft kann dann integriert und die gesamte elektrische Kraft F_e an der Membran erhalten werden

wobei

Hierdurch läßt sich w_m als Funktion von V berechnen, indem F_e geteilt durch die gesamte Membranfläche für q in Glei chung (3) eingesetzt wird. Die berechnete Ansprechkennlinie 50 ist in durchgehender Linie in Fig. 4b gezeigt, während die gemessene Kurve 52 sehr ähnlich ist.

Die gesamte Vorrichtung ist eine Anordnung von identischen Zellen auf einem einzelnen Wafer, von denen jede der in Fig. 1 bis 3 gezeigten entspricht. Die Anordnung kann in verschiedenen Größen hergestellt sein. Beispiele hierfür sind Anordnungen mit 16×16 und 128×128. Bei einer Vorrichtung mit relativ wenig Zellen, beispielsweise 16×16 Zellen, ist es praktisch, jede Ablenkungselektrode mit einer einzelnen Drahtverbindungsauflage um den Umfang der Vorrichtung zu versehen. Bei einer Vorrichtung mit vielen Elementen, beispielsweise 128×128 Zellen, ist es nicht praktisch, einzelne Auflagen zu haben. Der für große Anord nung geeignete Aufbau, der in den Fig. 1 bis 3 gezeigt ist, erfordert es, daß die Elektroden zweckmäßigerweise durch die Entlüftungslöcher zu einem an der Rückwand befe stigten Stromkreis hindurchgehen. In diesem Fall reduzieren XY-adressierende Techniken die Anzahl von Leitungen, und die Verwendung der Entlüftungslöcher sorgt für einen ein fachen Zugang.

Bei der in den Fig. 5 bis 7 gezeigten weiteren Ausfüh rungsform der Erfindung ist jede Zelle oder jedes Bild element unabhängig ausgefüllt. Dies funktioniert bei klei neren Anordnungen gut, bei denen die Anzahl der Zuführ leitungen begrenzt ist. Um Wiederholungen zu minimieren, haben die gleichen Teile in Fig. 5 bis 7 das gleiche Be zugszeichen wie die in Fig. 1 bis 3, jedoch um 100 erhöht. Die Elektrode 117 ist durch den Leiter 160 ausgefüllt, andere Leiter 161 (von denen nur einer gezeigt ist) können durch die Zelle hindurchgehen und durch die Öffnungen durchgehen, die an den Schnittstellen des Gitters herge stellt sind, damit sie ungehindert durch die Zellanordnung hindurchgehen können. Es ist klar, daß die Anzahl der Leiter 161 mit dem Quadrat der Anordnungsfläche ansteigt, so daß dieser Schritt begrenzt ist.

Die Dimensionen und Eigenschaften einer typischen 128×128-Anordnung sind folgende:

- Gesamter aktiver Bereich: 10 cm×10 cm (hergestellt aus 15 cm-Siliziumwafern),
- Rückwand: p-leitendes Silizium (Bor), 0,5 mm dick.
- Gitter: 4 µm SiO₂×50 µm,
- Feldoxidschicht: 5000 Å SiO₂,
- Starkes Rückenteil: Siliziumschicht mit XY-adressier baren Stromkreisen, die auf ein dickes Teil geklebt sind, ∼1 cm dick, aus Silizium oder 7740-Glas,
- Membrandicke nach der Bearbeitung: 3 µm,
- Biegestellendicke: 1 µm,
- Zelleinheit: 0,8 mm×0,8 mm,
- Bildelementreflexionsvermögen <0,98,
- Bildelementablenkung: 0 bis 1 µm,
- Flächenfüllfaktor <0,6,
- Frequenzgang des Bildelements: Gleichstrom bis 20 kHz,
- Betriebsbereich der Elektrode: 0 bis 17 V,
- Membranempfindlichkeit δ = 0,5 µm/12 V,
- Spannung bei δ = 0,5 µm: 17 MPa.

Claims

1. Raumlichtmodulator mit

- einer Siliziumrückwand (11), in der eine Isolier schicht (12) vorgesehen ist,
- einem Abstandsgitter (14) aus Isoliermaterial, das auf der Rückwand (11) angebracht ist und eine Anord nung von Zellen (15) bildet, die einen Teil ihrer Fläche abdeckt und darauf eine zweite Schicht bildet,
- einer Vielzahl von Elektroden (17), wobei jede Elek trode (17) in einer der Zellen (15) auf der Rückwand (11) angebracht ist,
- einer Membrane (18) aus dotiertem Silizium, die auf dem Abstandsgitter (14) sich über die Anordnung von Zellen (15) und Elektroden (17) erstreckend befestigt ist, und
- einer Einrichtung (20), die eine Spiegelfläche auf der Membrane (18) auf der der Rückwand (11) abgewand ten Seite bildet.

2. Raumlichtmodulator nach Anspruch 1, gekennzeichnet durch Einrichtungen für ein selektives Laden und Ent laden jeder Elektrode (17), wobei die einzelnen Ab schnitte der Membrane (18), die jede entsprechende Zelle (15) überlagern, durch jede geladene Elektrode (17) durch eine elektrostatische Anziehung zwischen der Membrane (18) und der Elektrode (17) nach einem Muster abgelenkt werden, das dem Zustand der auf die Elek troden (17) angebrachten elektrischen Signale ent spricht.

3. Raumlichtmodulator nach Anspruch 1, gekennzeichnet durch eine Einrichtung, die in jeder Zelle eine Entlüf tungsöffnung (21) von der Elektrodenseite der Rückwand (11) bis zu ihrer gegenüberliegenden Seite bildet, damit Gas aus der Zelle (15) entweichen kann, wenn die Membrane (18) abgelenkt wird.

4. Raumlichtmodulator nach Anspruch 3, gekennzeichnet durch eine Nuteneinrichtung (22 bis 28), die sich quer über die Fläche der Rückwand (11) und über der Zelle (15) erstreckt, so daß sie die Entlüftungsöffnung (21) schneidet, um das Entweichen von Gas aus der Zelle (15) und durch die Öffnung (21) zu unterstützen.

5. Raumlichtmodulator nach Anspruch 3, bei dem die Entlüf tungsöffnung (21) in ihrer Größe und ihrem Aufbau für eine kritische Dämpfung der Massenbewegung der abge lenkten Membrane (18) an der Zelle (15) ausgelegt ist.

6. Raumlichtmodulator nach Anspruch 4, bei dem die Entlüf tungsöffnung (21) und die Nut (22 bis 28) zusammen eine Größe zur Schaffung einer kritischen Dämpfung der Massenbewegung der abgelenkten Membrane haben.

7. Raumlichtmodulator nach Anspruch 1, gekennzeichnet durch eine Vielzahl von elektrischen Leitern (33), die jeweils mit einer Elektrode (17) verbunden sind.

8. Raumlichtmodulator nach Anspruch 4, gekennzeichnet durch eine Vielzahl von elektrischen Leitern (33), die jeweils durch die jeweilige Entlüftungsöffnung (21) für jedes Element mit einer der Elektroden (17) verbunden sind.

9. Raumlichtmodulator nach Anspruch 1, bei dem die Mem brane (18) eine dotierte dünne Beschichtung aus Silizi um aufweist, die epitaktisch auf einem Siliziumwafer gewachsen ist, von dem im wesentlichen der ganze ur sprüngliche Wafer weggeätzt wurde.

10. Raumlichtmodulator nach Anspruch 1, dadurch gekenn zeichnet, daß die Elektroden (17) aus Platinsilizid hergestellt sind.

11. Raumlichtmodulator nach Anspruch 1, dadurch gekenn zeichnet, daß die Elektroden (17) aus einer Schicht aus einem elementaren Metall oder Schichten von elementaren Metallen hergestellt sind.

12. Raumlichtmodulator nach Anspruch 1, dadurch gekenn zeichnet, daß das Abstandsgitter (14) aus Siliziumdi oxid (SiO₂) hergestellt ist, das auf der Siliziumrück wand (11) angebracht ist.

13. Raumlichtmodulator nach Anspruch 1, bei dem die Mem brane (18) ungefähr 3 µm dick und das Abstandsgitter (14) ungefähr 4 µm hoch sind.

14. Raumlichtmodulator nach Anspruch 1, dadurch gekenn zeichnet, daß die Rückwand (11) und die Membrane (18) aus einem Einkristall aus Siliziummaterial hergestellt sind.

15. Raumlichtmodulator nach Anspruch 1, gekennzeichnet durch eine dünne Oxidschicht, die die Elektrode (17) abdeckt, um ein Anhaften der Membrane (18) an der Elektrode (17) zu verhindern.

16. Raumlichtmodulator nach Anspruch 1, dadurch gekenn zeichnet, daß die Membrane (18) mit Einrichtungen versehen ist, die Biegestellen (30) mit verringertem Querschnitt bilden, die darin entlang einer geschlosse nen Linie ausgebildet sind, die sich um den Innenumfang des Abstandsgitters (14) erstreckt, so daß sich die Membrane (18) innerhalb der Biegestelleneinrichtung (30) eher in einem Kolbenmodus bewegt.

17. Raumlichtmodulator mit

- einer Rückwand (11), die aus einem dotierten Hoch temperatur-Einkristall hergestellt ist,
- einer Membrane (18), die aus einem dotierten Ein kristallmaterial hergestellt ist, das den gleichen Wärmeausdehnungskoeffizient hat, wie das Material der Rückwand (11),
- einem auf einer Seite der Rückwand (11) ausgebildeten Abstandsgitter (14),
- wobei das Gitter (14) eine Vielzahl von erhobenen Rippen (32) aufweist, die von einer Seite zur Rück wand (11) hin hervorstehen und den Umfang einer Vielzahl von Flächenelementen (15) bilden und die Membrane (18) von der Rückwand (11) im Abstand hal ten,
- Einrichtungen zum Verbinden der Membrane (18) mit dem Gitter (14),
- einer Vielzahl von Elektroden (17), die jeweils auf der Rückwand (11) innerhalb jedes der Vielzahl von Flächenelementen (15) angeordnet ist,
- wobei die Membrane (18) eine Dicke hat, die gering genug ist, damit sie durch elektrostatische Kräfte leicht gebogen werden kann, die zwischen der Elek trode (17) und der Membrane (18) aufgebracht werden,
- Einrichtungen in der Membrane (18) für eine Bildung von Biegestellen (30) darin um die Innenseite jedes Flächenumfangs, so daß sich der Bereich der Membrane (18) innerhalb der Biegestellen vorzugsweise in einem Kolbenmodus bewegt, wenn sie gebogen wird,
- Einrichtungen, die eine Vielzahl von Entlüftungsöff nungen (21) in der Rückwand (11) bilden, wobei wenig stens eine Entlüftungsöffnung (21) in jedem Flächen element (15) angeordnet ist und jede Entlüftungs öffnung (21) so bemessen ist, daß die durch die Elektrode (17) verursachte Bewegung der Membrane (18) kritisch gedämpft wird, und
- einer elektrischen Verbindungseinrichtung (33) für eine Verbindung jeder Elektrode (17) durch das jewei lige Entlüftungsloch (21) zur gegenüberliegenden Seite der Rückwand (11).