專利名稱：一種具有改進的微鏡片陣列的投影電視的制作方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明涉及一種投影電視，特別是涉及一種前屏幕投影或者后屏幕電視。
背景技術(shù)：
Huibers的美國專利5,835,256號和6,046,840號，和Huibers等人的美國專利申請09/617,419，每個專利(申請)的主題內(nèi)容通過參考被結(jié)合在此，這些專利(申請)披露了用于控制光束的微機電器件(MEMS)，例如在光學開關(guān)中，和/或者用于顯示器(例如投影顯示器)。一個共同的特性是可以移動的微鏡片，以便于依靠微鏡片元件的傾角通過不同的角度偏轉(zhuǎn)光束。在一種常規(guī)的直觀顯示系統(tǒng)或者投影顯示系統(tǒng)的類型中，反射的微鏡片元件用于產(chǎn)生圖像。典型的微鏡片元件是正方形，并且對于“開”狀態(tài)具有一個單獨的傾角，對于“關(guān)”狀態(tài)是平直的，或者對于“開”狀態(tài)和“關(guān)”狀態(tài)有同樣的傾角，但是有相反符號。

發(fā)明內(nèi)容
本發(fā)明提供了一種后屏幕投影或者前屏幕投影電視，該電視包括光源、微鏡片陣列和顯示被觀看圖像的屏幕，在所述微鏡片陣列中的每個微鏡片具有由四條微鏡片的邊限定的四邊形形狀。所述電視在工作時，來自光源的光入射到上述微鏡片陣列上并且以矩形圖像的形式被引導到該屏幕上；其中該微鏡片是用脈寬調(diào)制的，從而能夠在開狀態(tài)和關(guān)狀態(tài)之間移動以便在該屏幕上獲得灰度圖像；并且其中每個微鏡片均對應于該屏幕上的該被觀看圖像中的一個像素；并且其中該被觀看圖像具有四條邊，并且在該被觀看圖像中的像素的邊不與任何圖像的邊平行。
本發(fā)明還提供了另一種后屏幕投影或者前屏幕投影電視，該電視包括光源、微鏡片陣列和顯示被觀看圖像的屏幕；其中在工作時來自該光源的光入射到該微鏡片陣列上并且作為矩形圖像被引導到該屏幕上；在該微鏡片陣列中的微鏡片是用脈寬調(diào)制的，從而能夠在開狀態(tài)和關(guān)狀態(tài)之間移動以便在該屏幕上獲得灰度圖像；并且其中每個微鏡片均對應于該屏幕上被觀看圖像中的一個像素；并且其中該被觀看圖像具有四條邊，并且其中每個微鏡片在該屏幕上形成一個對應的微鏡片圖像，該微鏡片在該屏幕上的矩形圖像的一條邊的方向上具有一個單獨的凸狀的突起，并且該微鏡片沒有與該矩形圖像的邊真正平行的邊；其中該微鏡片的水平行，依平行于該矩形圖像的一邊的行，而從一個角落到另一角落地延伸，并且其中在各行中與尋址列對應的垂直線從每個微鏡片延伸而連接到每個其它行的微鏡片；并且其中該微鏡片的垂直列，依平行于該矩形圖像的一邊的列，而從一個角落到另一角落地延伸，并且其中在各列中與尋址行對應的水平線從每個微鏡片延伸并且連接到每個其它列的微鏡片。
為了將沿著開關(guān)方向的光衍射減小到最小，特別是將達到收集光學系統(tǒng)(collection optics)的接受光錐區(qū)的光衍射減小到最小，在本發(fā)明中，使用非矩形的微鏡片(這里所說的“矩形”包括正方形微鏡片)。這里所說的衍射表示周期性結(jié)構(gòu)的光離開的散射，其中光不必須是單色的或者是相位相干的。同樣，為了將照明光學系統(tǒng)的成本和本發(fā)明的顯示單元的尺寸減小到最小，光源被放置成與陣列的行(或者列)正交，并且/或者光源被放置成與框架的一邊正交，該框架限定陣列的有效面積。入射光束雖然與行(或者列)以及/或者有效面積的邊正交，對于陣列中的單個的微鏡片的邊正交不是必須的。正交的邊引起入射光束沿著微鏡片開關(guān)的方向衍射，并且導致光“泄露”進入到“開”狀態(tài)，即使微鏡片是在“關(guān)”狀態(tài)。這種光衍射減小了微鏡片的反差比。
本發(fā)明優(yōu)化了微鏡片陣列的反差比，這樣當微鏡片在它們的“關(guān)”狀態(tài)時，它們發(fā)送最少的光到空間區(qū)域，該空間區(qū)域就是當微鏡片在它們的“開”狀態(tài)時光被控制到達的區(qū)域。更具體地說，本發(fā)明包括一個特別定位的光源和入射光束、和特別設(shè)計的在陣列中的微鏡片，該微鏡片使達到投影(或者觀測)光學系統(tǒng)的接受光錐區(qū)的光衍射減小到最小，以便提供改進的反差比。通過考慮微鏡片的緊配合以及從“關(guān)”狀態(tài)到“開”狀態(tài)具有低衍射的大的填充系數(shù)(fill factor)，即使在陣列被沿著微鏡片周期的光軸照明時，本發(fā)明的排列和結(jié)構(gòu)也將陣列中的非反射面積減小到最小。也就是，通過有角度的邊不與微鏡片的旋轉(zhuǎn)軸平行，該結(jié)構(gòu)優(yōu)化了反差比，并且通過鉸鏈(hinge)優(yōu)化了填充系數(shù)，該鉸鏈需要相對小的面積并且允許相鄰的微鏡片和極少量被浪費的非反射區(qū)域一起傾斜。本發(fā)明各種各樣的例子的微鏡片的結(jié)構(gòu)和形狀也減小了在微鏡片被靜電地偏轉(zhuǎn)時相鄰微鏡片之間的串擾。
本發(fā)明的另一個方面是微鏡片陣列，在該陣列中單個的微鏡片繞著一個平直的或者非偏轉(zhuǎn)的狀態(tài)不對稱地傾斜。通過使微鏡片的“關(guān)”狀態(tài)處在一個角度，該角度比在“開”狀態(tài)的微鏡片的相反的角度小，a)來自微鏡片的邊緣并進入收集光學系統(tǒng)的衍射光被減到最??；b)從微鏡片的底下被散射并且進入收集光學系統(tǒng)的光也被減到最小；c)微鏡片的行程被減小，這樣將鄰近的微鏡片相互碰撞的可能性減小到最小，這反過來又減小微鏡片之間的縫隙以及增加微鏡片的填充系數(shù)；d)微鏡片偏轉(zhuǎn)的角度能夠被增加到更大的范圍，該范圍比對于開狀態(tài)和關(guān)狀態(tài)具有同樣的偏轉(zhuǎn)角度的微鏡片陣列排列的范圍更大。
本發(fā)明的另一個方面是微鏡片陣列的封裝，該封裝具有一個能透射光的部分，該部分不平行于微鏡片構(gòu)成在其上的襯底。透射光的部分可以是任何適合的材料，例如玻璃板，石英或者聚合物，并且考慮引導來自透射光的襯底的鏡面反射而不是來自在封裝中的平行的透射光板引起的鏡面反射。最好鏡面反射被引導到足夠遠離收集光學系統(tǒng)以便照明圓錐體的尺寸的增加將使鏡面反射不進入收集光學系統(tǒng)。
本發(fā)明還有一個方面是一個投影系統(tǒng)，包括一個被布置成矩形的有效微鏡片陣列，該微鏡片能夠圍繞關(guān)狀態(tài)和開狀態(tài)之間的開關(guān)軸轉(zhuǎn)動，微鏡片對應于觀測圖像中的像素；包括一個用于將光引導到微鏡片陣列的光源，該光源被設(shè)置成以便于引導光不垂直于每個微鏡片的至少兩條邊，并且，當每個微鏡片被作為俯視圖觀測時，平行于每個微鏡片的至少另外兩條邊；包括被布置成接受來自開狀態(tài)下的微鏡片的光的收集光學系統(tǒng)。
本發(fā)明的另一個方面是一個投影系統(tǒng)，包括一個微鏡片陣列，每個微鏡片對應觀測圖像中的一個像素，并且具有凹多邊形或者一個或多個非矩形平行四邊形的形狀；一個用于將光引導到微鏡片陣列收集光學系統(tǒng)的光源，該收集光學系統(tǒng)被布置成接受來自微鏡片反射的光。
本發(fā)明的另一個方面仍然是一個投影系統(tǒng)，包括一個用于提供入射光束的光源，一個可移動的反射元件的陣列，和一個用于投影來自陣列的光的收集光學系統(tǒng)，其中來自投影系統(tǒng)的投影圖像將以矩形圖像被顯示在目標上，該圖像由成千到數(shù)百萬的像素構(gòu)成，每個像素的形狀是凹多邊形、一個單一的非矩形平行四邊形、或者非矩形平行四邊形的組合。
本發(fā)明的另一個方面還是一個投影系統(tǒng)，包括一個光源，一個可移動微鏡片元件的陣列，和收集光學系統(tǒng)，其中陣列中的每個微鏡片元件具有一個開關(guān)軸，該開關(guān)軸基本平行于陣列有效面積的至少一條邊，并且與微鏡片元件的一條或多條邊成35到60度的角度。
本發(fā)明的另一個方面是一個投影系統(tǒng)，包括一個光源和一個可移動微鏡片元件的陣列，每個微鏡片元件具有一條前面的邊(leadingside)，該邊不垂直于入射光束，也不垂直于有效面積的任何邊，以便其反差比與具有與入射光束相垂直的邊的微鏡片元件相比增加2到10倍。
本發(fā)明的另一個方面是一個投影系統(tǒng)，包括一個光源，收集光學系統(tǒng)和一個可移動微鏡片元件的陣列，該投影系統(tǒng)具有與圖21C中所示的基本一樣的衍射模式(pattern)。
本發(fā)明的另一個方面仍然是一個投影系統(tǒng)，包括一個光源和一個矩形的可移動的微鏡片陣列，微鏡片能夠在開狀態(tài)和關(guān)狀態(tài)之間移動，并且能夠?qū)㈤_狀態(tài)下的光反射到預定的空間區(qū)域，其中光源被布置成以基本90度角將光引導到由陣列限定的矩形的至少一條邊，并且其中當微鏡片在關(guān)狀態(tài)時，基本上沒有衍射光進入到預定的空間區(qū)域。
本發(fā)明的另一個方面是將圖像投影到目標上的方法，包括引導光束到矩形的微鏡片陣列，光束被引導成與矩形陣列前面的邊成一個角度，該角度在正90度加或減40度的范圍之內(nèi)，并且其中陣列中的微鏡片的形狀是多邊形而且被定位成以便于光束以不同于90度的角度入射到多邊形所有的邊上；以及將來自微鏡片的光投影到目標上以便在其上形成圖像。
本發(fā)明的另一個部分是一個投影系統(tǒng)，包括一個光源，光收集系統(tǒng)和一個微鏡片陣列，該陣列被布置成空間地調(diào)制來自光源的光，該陣列形成于襯底上并且構(gòu)造成使每個微鏡片在沒有被啟動時能夠在第一位置上，每個微鏡片能夠移動到開位置上以將光引導到陣列的光收集系統(tǒng)，并且能夠在相反的方向上移動到關(guān)位置上以引導光離開光收集系統(tǒng)，所說的開位置和關(guān)位置兩者均與所說的第一位置不同，并且其中開位置相對于第一位置成一個角度，該角度不同于關(guān)位置的角度。
本發(fā)明的另一個方面是一種用于空間地調(diào)制光束的方法，包括通過微鏡片陣列將來自光源的光束引導到光收集系統(tǒng)，該微鏡片陣列設(shè)置成空間地調(diào)制來自光源的光束，該陣列形成在襯底上并且當不調(diào)制時每個微鏡片處于第一位置，在陣列中調(diào)制微鏡片使每個微鏡片移動到開位置，在該位置將光引導到陣列的光收集系統(tǒng)，并且移動到關(guān)位置，以引導光離開光收集系統(tǒng)，所說的開位置和關(guān)位置兩者均不同于所說的第一位置，并且其中開位置相對于第一位置成一個角度的數(shù)值不同于在關(guān)位置時的角度的數(shù)值。
本發(fā)明的另一個方面還是一個構(gòu)成在襯底上的光學微機械元件，該元件在相對于襯底的第一角度數(shù)值上具有開位置，在相對于襯底上第二角度的數(shù)值上有關(guān)位置，第一和第二數(shù)值不同，并且具有基本上平行于襯底的第三位置，開位置和關(guān)位置都由緊靠著襯底的或者緊靠著形成在所說的襯底上的結(jié)構(gòu)的光學微機械元件所限定。
本發(fā)明的另一個方面仍然是用于調(diào)制光的方法，包括反射來自被布置在平面的襯底上的可偏轉(zhuǎn)微鏡片陣列的光，所說的微鏡片傾斜到第一位置或傾斜到第二位置；在其中在所說的第一位置和襯底之間形成的角度和在所說的第二位置和襯底之間形成的角度明顯不同。
本發(fā)明的另一個方面是用于調(diào)制光的方法，包括一個光源，一個平面的光調(diào)制器陣列，該陣列包括可偏轉(zhuǎn)元件和收集光學系統(tǒng)，其中陣列中的元件有選擇地配置成至少兩種狀態(tài)，其中在第一狀態(tài)元件引導來自光源的光經(jīng)過第一角度進入收集光學系統(tǒng)，在第二狀態(tài)元件引導來自光源的光經(jīng)過第二角度進入收集光學系統(tǒng)，第三角度代表光從陣列被反射，如同陣列是微鏡片化的表面，其中第一角度和第三角度的差與第二角度和第三角度的差是明顯不同的。
本發(fā)明的另一個方面是一個投影系統(tǒng)，包括用于提供光束的光源；一個微鏡片陣列，該陣列包括多個被設(shè)置在該光束路徑中的微鏡片；和收集光學系統(tǒng)，該系統(tǒng)設(shè)置成在光束入射到微鏡片陣列上并且反射離開陣列中的做為開和關(guān)微鏡片模式的多數(shù)微鏡片之后、在光束的光路中；其中微鏡片陣列包括一個襯底，微鏡片陣列被固定在襯底上，在襯底上的每個微鏡片能夠從非偏轉(zhuǎn)的位置移動到開位置和關(guān)位置，其中開位置和關(guān)位置相對于非偏轉(zhuǎn)位置成不同的角度。
本發(fā)明的另一個部分還是一種用于將圖像投影到目標的方法，包括將來自光源的光束引導到微鏡片陣列上；調(diào)制每個微鏡片到開位置或者關(guān)位置，其中在開位置中，微鏡片引導光到收集光學系統(tǒng)，該系統(tǒng)設(shè)置成用于接收當微鏡片處于開位置時來自微鏡片的光，其中開和關(guān)微鏡片的圖案形成圖像；并且其中，在微鏡片開位置中微鏡片的位置成的角度的數(shù)值與在微鏡片關(guān)位置中微鏡片的位置成的角度的數(shù)值是不同的。
本發(fā)明的另一個部分仍然是用于空間調(diào)制光束的方法，包括引導光束到微鏡片陣列上，微鏡片陣列能夠移動到第一或者第二位置，其中在第一位置中微鏡片引導入射到其上的光束的一部分進入到收集光學系統(tǒng)，并且其中每個微鏡片在第二位置時的相鄰微鏡片之間的最小距離小于每個微鏡片在第一位置時的相鄰微鏡片之間的最小距離。
本發(fā)明的另一個方面是一種裝置，包括一個襯底，襯底上構(gòu)成一個反射的或者衍射的微機械裝置；用于固定襯底和可移動微機械裝置的封裝；在其中封裝包括光學透射窗口，該窗口與襯底不平行。
本發(fā)明更另一部分是一個投影系統(tǒng)，包括一個光源；光收集光學系統(tǒng)；一個襯底，在該襯底上構(gòu)成一個反射或者衍射微機械裝置；用于固定襯底和可移動微機械裝置的封裝；其中封裝包括與襯底不平行的光學透射窗口；設(shè)置在來自光源的光束的路徑中的封裝的微機械裝置用于調(diào)制來自該光束的光，并且收集光學系統(tǒng)收集調(diào)制過的光。
本發(fā)明更進一步的另一個部分還是一個投影儀(projector)，包括一個光源，一個封裝的微機電(MEMS)裝置，該微機電裝置具有一個襯底和一個在封裝內(nèi)的窗口，在該襯底上有一個微機械裝置，該窗口被設(shè)置成與襯底成一個角度，還包括收集光學系統(tǒng)，被設(shè)置成接收來自光源的被封裝的微機電裝置(MEMS)調(diào)制過的光。
本發(fā)明的另一個方面是一種用于制造微鏡片的方法，包括提供一個襯底；在襯底上沉積第一犧牲(sacrificial layer)層并使第一犧牲形成圖案(patterning)；在犧牲層上沉積至少一層鉸鏈(hinge)層，并且使至少一層鉸鏈層形成圖案以構(gòu)成至少一個柔性的鉸鏈；沉積第二犧牲層并使第二犧牲層形成圖案，在第二犧牲層上沉積至少一層鏡片層，并且使至少一層鏡片層形成圖案以構(gòu)成一鏡片元件，并且移去第一和第二犧牲層以便于釋放微鏡片。
本發(fā)明的另一個方面仍然還是光學微機械裝置，包括一個襯底；一個在襯底上的第一柱；一個柔性鉸鏈，其中該柔性鉸鏈的近端在該柱上；一個連接于柔性鉸鏈的遠端的第二柱；和一個連接于第二柱上的板。


圖1是本發(fā)明的微鏡片的一個實施例的俯視圖；圖2A到圖2E是微鏡片的橫截面視圖，取自沿著圖1的線2-2，用于說明本發(fā)明的一種制造微鏡片的方法；圖3A到3D是示于圖2A到圖2E相同的微鏡片的橫截面視圖，但是取自沿著圖1的線3-3；圖4A到圖4J是微鏡片的橫截面視圖，用于說明本發(fā)明的另一種制造微鏡片的方法；圖5A到圖5G是微鏡片的橫截面視圖，用于說明本發(fā)明的又一種制造微鏡片的方法；
圖6A到6C是不同形狀的微鏡片和鉸鏈組合的平面視圖；圖7是具有多個與圖6A中相同的微鏡片的微鏡片陣列的一部分的平面視圖；圖8是本發(fā)明的一個實施例的部分分解的立體視圖；圖9A到9C是橫截面視圖，示出了圖8的實施例的微鏡片的動作；圖10A到10D是仍然依照本發(fā)明的另一個實施例的過程的橫截面視圖；圖11A到11C是橫截面圖，示出了依照在圖10A到10D中闡明的方法制造的微鏡片的動作。
圖12是依照圖11A到11C的方法構(gòu)成的微鏡片陣列中的多個微鏡片的平面視圖。
圖13是圖12的微鏡片的部分分解的立體視圖。
圖14A到14C示出了具有平坦的非偏轉(zhuǎn)的“關(guān)”狀態(tài)的微鏡片。
圖15A到15C示出了具有相等角度的偏轉(zhuǎn)的“開”和“關(guān)”狀態(tài)的微鏡片。
圖16A到16C示出了“開”狀態(tài)的角度大于“關(guān)”狀態(tài)的角度的微鏡片。
圖17A到17E示出了微鏡片的封裝裝置，該封裝裝置具有成角度的窗口。
圖18是本發(fā)明的微鏡片陣列的照明系統(tǒng)的例圖。
圖19A到19E示出了入射光、微鏡片的邊、和有效面積的邊之間的關(guān)系。
圖20是現(xiàn)有技術(shù)的微鏡片陣列的實例圖。
圖21和圖22是本發(fā)明的實施例的圖，在其中正方形的微鏡片與有效面積的邊成一個角度。
圖23到圖25示出了微鏡片，其中，微鏡片的“前邊緣”和“后邊緣”不垂直于入射光束。
圖26A到26F和27A到27F是具有一個或多個平行四邊形形狀的微鏡片的例圖。
圖28是單個微鏡片的例圖。
圖29是微鏡片陣列的例圖，該微鏡片陣列具有垂直于入射光束的前和后邊，還具有與入射光束成45度角的另一部分。
圖30和31是微鏡片陣列的例圖，其中微鏡片沒有邊平行于或者垂直于入射光束和陣列的有效區(qū)域的邊。
圖32A到32J是具有相應的鉸鏈結(jié)構(gòu)的微鏡片的例圖。
圖33A到33C是衍射圖案的例圖，該衍射圖案具有通過收集光學系統(tǒng)(33A)的接受光錐區(qū)的衍射線條，并且避開接受光錐區(qū)(33B和33C)。
具體實施例方式
用于微制造可移動的微鏡片或者微鏡片陣列的方法披露在Huiber的美國專利5,835,256號和6,046,840號中，每個專利的主題內(nèi)容通過參考被結(jié)合在此。用于構(gòu)成本發(fā)明的微鏡片的一種相似的方法示于圖1到圖3中。圖1是本發(fā)明的微鏡片的一個實施例的俯視圖。正如在圖1中所能夠看到的，柱21a和21b通過在襯底上面的鉸鏈120a和120b支撐微鏡片板24，該襯底具有在其上的電極(沒有表示出)，電極用于引起微鏡片板24的偏轉(zhuǎn)。雖然沒有在圖1中示出，但是將在這里進一步討論，成千甚至數(shù)百萬的微鏡片24能夠被設(shè)置在陣列中，用于反射其上的入射光束并投影圖像到觀察器或者目標/熒光屏。
微鏡片24和陣列中的其他微鏡片能夠用很多種不同的方法被制造。其中一種方法示于圖2A到圖2E中(取自沿著圖1的橫截面2-2)，其中微鏡片最好被制造在透射光的襯底上，該襯底然后與電路襯底結(jié)合在一起。這種方法被進一步披露在于2000年8月30日提交的Llkov等人的美國專利臨時申請60/2,292,46號中，和于2000年12月7日提交的Llkov等人的美國專利申請09/7,324,445號中。雖然該方法將被連同透射光的襯底一起被描述，但是任何其它合適的襯底也能夠被使用，例如具有電路的半導體襯底。如果半導體襯底例如單晶硅被使用，也許最好將微鏡片的柱帶電地連接到集成電路IC過程中的金屬的3層，并且使用導電的材料作為微鏡片的至少一部分。直接在電路襯底上構(gòu)成微鏡片的方法(代替在分離的透射光襯底上)將被在此更詳細地討論。
如同在圖2A中所能夠看到的，透光的襯底13(至少在其上增加層之前)例如玻璃(例如Corning 1737F或者Eagle2000)，石英，PyrexTM，藍寶石等等被提供。透光的襯底可以將選擇的光阻隔層添加到它的下邊以幫助在加工期間處理襯底。這樣的光阻隔層可以是TiN層，該TiN層是通過反作用的濺射成2000埃的厚度沉積到透射光的襯底的后邊，該TiN層一旦加工完成后將被除去。襯底可以是任何形狀和尺寸，雖然用在集成電路制造中的標準晶片的形狀是被優(yōu)選的。
如同在圖2A中所能夠看到的，一個犧牲層14，例如非晶硅，被沉積。犧牲層可以是其它適合的材料，該材料以后能夠從微機械結(jié)構(gòu)材料(例如SiO2，多晶硅，聚酰亞胺，酚醛清漆等等)下清除。犧牲層的厚度范圍很寬，取決于可移動元件/微鏡片的尺寸和所需要的傾角，雖然厚度從500埃到50000埃，但是最好是大約5000埃。作為非晶硅的替代物，犧牲層能夠是許多聚合物的任意一種，光致抗蝕劑(photoresist)或者其他有機材料(或者甚至多晶硅，氮化硅，二氧化硅等等，取決于所選擇的對蝕刻劑有抵抗力的材料，和所選擇的蝕刻劑)。選擇的粘和增進劑(adhesion promoting)(例如SiO2或者SiN)可以在沉積犧牲材料之前被應用。
為了在襯底13和后面沉積的微機械結(jié)構(gòu)層之間提供接觸區(qū)域，具有寬度“d”的孔6被形成在犧牲層中。通過在光致抗蝕劑上旋轉(zhuǎn)并且引導光通過掩膜以增加或減少抗蝕劑的溶解性(取決于抗蝕劑是正抗蝕劑還是負抗蝕劑)來形成孔。尺寸“d”的大小可以從0.2到2微米(最好大約是0.7微米)，取決于最終的微鏡片和微鏡片陣列的尺寸。當顯影抗蝕劑以除去孔的區(qū)域中的抗蝕劑之后，孔被氯或者其它合適的蝕刻劑(取決于犧牲的材料)蝕刻在犧牲層的非晶硅中。剩余的光致抗蝕劑然后被除去，例如用氧的等離子體。在犧牲層中的孔可以是任何合適的尺寸，雖然優(yōu)選具有從0.1到1.5μm的直徑，更優(yōu)選的是大約0.7+/-0.25μm。蝕刻一直進行到玻璃/石英襯底，或者直到任何中間層，例如粘和增進劑層，如果透射光的襯底完全被蝕刻，最好是在小于2000埃的數(shù)量。如果犧牲層14是能直接形成圖案的材料(例如酚醛清漆(novolac)或者其它的光敏光致抗蝕劑)，那么被沉積和被顯影在犧牲層14之上的附加的光致抗蝕劑層是不需要的。在這樣的情況下，光致抗蝕劑的犧牲層被形成圖案以除去在孔6的區(qū)域中的材料，并且然后在沉積附加層之前被有選擇地變硬。
在這一點上，如同在圖2B中所能夠看到的，第一結(jié)構(gòu)層7被例如化學蒸汽(vapor)沉積作用沉積。優(yōu)選該材料是被LPCVD(低氣壓化學蒸氣沉積)或者PECVD(等離子體增強的化學蒸氣沉積)沉積的氮化硅或者氧化硅，然而任何適合的薄膜材料例如多晶硅，金屬或者金屬合金，碳化硅或者有機化合物能夠被沉積在這點(當然犧牲層和蝕刻劑應該適合于所使用的結(jié)構(gòu)材料)。第一層的厚度因可移動元件的尺寸和所需要的元件硬度的大小而可以變化，然而在一個實施例中該層具有從100埃到3200埃的厚度，更優(yōu)選的是在900埃到1100埃之間。如同在圖2B中所能夠看到的，層7延伸到在犧牲層中蝕刻的孔里。
如同在圖2C中所能夠看到的，第二層8被沉積。材料可以和第一層的材料相同(例如氮化硅)或者是不同的(氧化硅、碳化硅、多晶硅等等)，并且能夠被如同用于第一層的化學蒸氣沉積作用沉積。第二層的厚度可以比第一層大或者小，取決于可移動元件所需要的硬度，鉸鏈所需要的柔性，所使用的材料等等。在一個實施例中，第二層的厚度從50埃到2100埃，并且優(yōu)選大約是900埃。在另一個實施例中，第一層被PECVD沉積而第二層被LPCVD沉積。
在示于圖2A到2E中的實施例中，第一層和第二層都被沉積在限定了可移動(微鏡片)元件和柱的區(qū)域中。根據(jù)想得到的用于微鏡片元件的硬度，在微鏡片元件的區(qū)域中的只沉積第一層或者第二層中的任何一層也是可能的。同樣地，也可以用單獨的層以代替7、8兩層來用于整個的微結(jié)構(gòu)區(qū)域，雖然這能涉及板的硬度和鉸鏈的易彎曲性的折中。同樣地，如果一個單獨的層被使用，構(gòu)成鉸鏈的區(qū)域能夠被部分地蝕刻以降低在這個區(qū)域中的厚度并提高因而引起的鉸鏈的易彎曲性。使用超過兩層來產(chǎn)生分層的(laminate)可移動元件也是可能的，這在可移動元件的尺寸被增加例如用于在光學開關(guān)中開關(guān)光束是特別希望的。用于這樣的層或者多層的材料也可以包括金屬合金和電介質(zhì)材料或者金屬和氮、氧、碳的化合物(特別是過渡金屬)。一部分這些可選擇的材料披露于美國專利申請60/228,007號，該專利的主題內(nèi)容通過參考被結(jié)合于此。
如同在圖2D中所能看到的，一個反射層9被沉積。反射材料可以是金、銀、鈦、鋁或者其它的金屬，或者多于一種金屬的合金，雖然優(yōu)選是通過PVD沉積的鋁。金屬層的厚度能夠從50埃到2000埃，最好大約是500埃。可以添加一個可選擇的金屬鈍化層，例如一個通過PECVD沉積到9層上面的10到1100埃的氧化硅層。其它的金屬沉積技術(shù)也可以用于沉積金屬層9，例如化學液體沉積作用和電鍍。沉積9層之后，光致抗蝕劑被旋轉(zhuǎn)并形成圖案，跟著是用合適的金屬蝕刻劑蝕刻金屬層。在鋁層的情況下，氯(或者溴)化學物質(zhì)能夠被使用(例如用具有可選擇的最好是惰性的稀釋的例如Ar和/或者He的Cl2和/或者BCl3(或者Cl2、CCl4、Br2、CBr4等等)的等離子體/RIE蝕刻)。應該注意反射層不需要最后被沉積，但是更合適能夠被直接沉積在犧牲層14上，在形成微鏡片元件的其它層之間，或者作為形成微鏡片元件的唯一的層。然而，在一些方法中，由于在較高的溫度下電介質(zhì)被沉積，也許需要沉積電介質(zhì)層之后沉積金屬層。
涉及圖2E，第一層和第二層7、8能夠在反射層之后用已知的蝕刻劑或者蝕刻劑的組合(取決于所使用的金屬和需要的各向同性的等級)被蝕刻。例如，第一層和第二層能夠被用氯化學或者氟化學(或者其它的鹵化物)(例如用F2、CF4、CHF3、C3F8、CH2F2、C2F6、SF6等等的等離子體/RIE蝕刻，或者更多的類似上述的、或者附加的氣體的組合，例如CF4/H2、SF6/Cl2或者使用超過一種蝕刻種類的氣體，例如CF2Cl2，所有的可能都帶有一種或者多種可選擇惰性稀釋，)蝕刻。當然，如果不同的物質(zhì)用于第一層和第二層，那么使用不同的蝕刻劑來蝕刻每一層(根據(jù)所使用的材料在本領(lǐng)域中已知的等離子體蝕刻化學)。如果反射層在第一層和第二層之前被沉積，所使用的蝕刻化學應被顛倒。或者，取決于所使用的材料，所有的層能夠被一起蝕刻。示于圖2E的具有寬度“e”的縫隙20a和20b用于把柱21與微鏡片體22分開。
圖3A到3D示出了取自沿著不同的橫截面(在圖1中的橫截面3-3)的相同的過程，并且示出了透射光的襯底13，在該襯底上沉積了犧牲層14。在犧牲層14上沉積了結(jié)構(gòu)層7。如同在圖3B到3C中所能看到的，層7的一部分在附加層8和層9之前被除去。這個被除去的部分在構(gòu)成鉸鏈的區(qū)域中以增加鉸鏈區(qū)域的柔性。這種使鉸鏈區(qū)域“變薄”的方式，在2000年1月28日提交的True等人的美國臨時專利申請60/178,902號中被提出，還在2001年1月22日提交的True等人的美國專利申請09/767,632中被提出，每個專利的主題內(nèi)容通過參考被結(jié)合于此。除去層7和層8的部分并且層9被添加之后，跟著是如同上面提出的層7、層8和層9的圖案的形成。如同在圖3D中所能夠看到的，鉸鏈23的寬度“a”從0.1μm到10μm，優(yōu)選為大約0.7μm。鉸鏈23被縫隙“b”彼此分開，被縫隙“c”與鄰近的微鏡片板分開，縫隙“c”的寬度“a”也可以從0.1μm到10μm，優(yōu)選為大約0.7μm。
上面一般提及的處理步驟，能夠被以多種方式實現(xiàn)。例如，玻璃晶片(例如Corning1737F，Eagle2000，石英或者藍寶石晶片)能夠被提供并且在其背面被涂以2000埃的厚度的不透明的涂層，例如Cr，Ti，Al，TaN，多晶硅，或者TiN，或者其它的不透明的涂層，這是為了使透明襯底臨時的不透明而用于處理。然后，依照，圖1-4，一個可選擇的粘和層被沉積后(例如帶有硅的不飽和鍵的物質(zhì)，如，SiNx-或者SiOx，或者導電材料，例如玻璃態(tài)石墨，或者氧化錫銦)，然后氫化的非晶體硅的犧牲材料在等離子體增強的化學蒸氣沉積系統(tǒng)中，以5000埃的厚度被沉積(氣體＝SiH4(200sccm)，1500sccm的Ar，功率＝100W，壓力＝3.5T，溫度＝380℃，電極間距＝350mil；或者氣體＝150sccm的SiHy，100sccm的Ar，功率＝55W，壓力＝3Torr，溫度＝380℃，電極間距＝350mil；或者氣體＝200sccm的SiH4，1500sccm的Ar，功率＝100W，溫度＝300℃，壓力＝3.5T；或者在這些設(shè)置之間的其它的處理點)在透明的晶片上，例如應用材料公司(Applied Materials)的P5000?；蛘郀奚牟牧夏苡肏uiber等人的美國專利5,835,256號中提出的線，在560℃下被LPCVD沉積，該專利主題內(nèi)容通過參考結(jié)合于此?；蛘?，犧牲材料能夠通過濺射被沉積，或者可以是包含有機物質(zhì)的不含硅材料(后面將被除去，例如等離子體氧化灰)。a-SiN被形成圖案(光致抗蝕劑并用氯化學被蝕刻，例如Cl2、BCl3和N2)，以便于形成用于將玻璃襯底和微鏡片孔固定在一起的孔。用于在微鏡片中產(chǎn)生硬度并用于將微鏡片連接到玻璃上的第一氮化硅層，通過PECVD被沉積(射頻RF功率＝150W，壓力＝3Torr，溫度＝360℃，電極間距＝570mil，氣體＝N2/SiH4/NH3(1500/25/10)；或者射頻RF功率＝127W，壓力＝2.5Torr，溫度＝380℃，氣體＝N2/SiH4/NH3(1500/25/10sccm)，電極間距＝550mil，或者其它的處理參數(shù)可以被使用，例如，功率在175W和壓力在3.5Torr)到900埃的厚度，并且被形成圖案(壓力＝800mT，射頻RF功率＝100到200W，電極間距＝0.8到1.1mm，氣體＝CF4/CHF3/Ar(60或70/40到70/600到800sccm，He＝0到200sccm)，以便除去微鏡片鉸鏈形成的區(qū)域中的氮化硅。接著，第二氮化硅層通過PECVD以900埃的厚度被沉積(射頻RF功率＝127W，壓力＝2.5T，溫度＝380℃，氣體＝N2/SiH4/NH3(1500/25/10sccm)，電極間距＝550mil)。然后，鋁以500埃的厚度并在140℃到180℃的溫度被濺射到第二氮化硅層，功率＝2000W，Ar＝135sccm。或者，代替鋁的金屬可以是鋁合金(Al-Si(1％)，Al-Cu(0.5％)或者AlSiCu或者AlTi)以及注入的鋁或者目標摻雜的鋁。鋁被用氯化學(壓力＝40mT，功率＝550W，氣體＝BCl3/Cl2/N2＝50/15/30sccm)在P5000中形成圖案。然后，SiN層被蝕刻(壓力＝100mT，功率＝460W，氣體＝CF4/N2(9/20sccm))，跟著在等離子體中在H2O+O2+N2化學中灰化。接著，剩余的結(jié)構(gòu)被ACT清洗(丙酮+DI晶片溶液)并且被旋轉(zhuǎn)干燥。(這個清洗可以用EKC技術(shù)的EKS265光致抗蝕劑剩余物清除劑或者其它基于清潔劑的溶液)?？刮g劑涂在其上面具有微結(jié)構(gòu)的晶片上之后，背面的TiN在等離子體中被BCl3/Cl2/CF4化學蝕刻(或者其它的來自金屬蝕刻劑的CRC手冊的金屬蝕刻劑)，或者被拋光或者用CMP碾碎，或者使用酸性蒸汽例如HF清除—接著是第二次的ACT清除(丙酮+DI晶片溶液)和第二次旋轉(zhuǎn)干燥。晶片被分成單獨的小片，并且每個小片被暴露給300W的CF4等離子體(壓力＝150Torr，用于60秒的85sccm，接著是在He，XeF2和N2中的300秒的蝕刻(蝕刻壓力158Torr))。蝕刻通過在大約400Torr的N2的氣室中提供小片被完成。第二區(qū)域/氣室具有在其內(nèi)的3.5Torr的XeF2和38.5Torr的He。兩個區(qū)域/氣室之間的屏障被除去，造成了組合的XeF2、He和N2的蝕刻混合物。
或者，透明的晶片(例如Corning1737F)在玻璃晶片的背面被涂以厚度為2000埃的TiN。然后，依照圖1-4，在沒有粘和層的情況下，氫化的非晶硅的犧牲層在應用材料公司的P5000中被以5300埃的厚度沉積(功率＝100W，壓力＝3.5T，溫度＝300℃，SiH4＝200sccm，Ar＝1500sccm，或者壓力＝2.5Torr，功率＝50W，溫度＝360℃，電極間距＝350mil，SH4流＝200sccm，Ar流＝2000sccm)在玻璃晶片上。a-Si被形成圖案(光致抗蝕劑和被氯化學蝕刻，例如Cl2，BCl3和N2-500W)，以便于形成用于將微鏡片固定到玻璃襯底的孔。用于在微鏡片中產(chǎn)生并用于將微鏡片連接到玻璃上的第一氮化硅層，通過PECVD被沉積(壓力＝3Torr，1500W，360℃，縫隙＝570，SiH4＝25sccm，NH3＝10sccm，N2＝1500sccm)到900埃的厚度，并且被形成圖案(CF4/CHF3)，以便除去微鏡片鉸鏈將被形成的區(qū)域中的氮化硅。接著，第二氮化硅層通過PECVD以900埃的厚度被沉積(和沉積第一層相同的條件)。然后，鋁被以500埃的厚度(150C)濺射到第二氮化硅層?；蛘?，代替鋁的金屬可以是鋁合金(Al-Si(1％)，Al-Cu(0.5％)或者AlSiCu或者AlTi)以及注入的鋁或者目標摻雜的鋁。鋁被用氯化學(BCl3，Cl2，N2)在P5000中形成圖案。然后，SiN層被蝕刻(CHF3，CF4)，跟著在隔開的灰化器中灰化(在250C的O2，CH3OH)。接著，剩余的結(jié)構(gòu)被用EKC技術(shù)的EKS265光致抗蝕劑剩余物清除劑清除。在抗蝕劑涂在其上面具有微結(jié)構(gòu)的晶片上之后，背面的TiN在等離子體中被SF6/Ar蝕刻，接著是第二次的清除和第二次旋轉(zhuǎn)干燥。
在晶片襯底上沉積了犧牲層和結(jié)構(gòu)層之后，晶片被分成單獨的小片，并且每個小片然后被放置在Dryrec parallel plate RF等離子體反應器中。100sccm的CF4和30sccm的O2流向等離子體室，該等離子體室在大約200mtorr下工作80秒。然后，小片在143Torr的蝕刻壓力下(組合的XeF2、He和N2)被蝕刻300秒。蝕刻通過在大約400Torr的N2的氣室中提供小片來實現(xiàn)。第二區(qū)域/氣室具有在其內(nèi)具有5.5Torr的XeF2和20Torr的He。在兩個區(qū)域/氣室之間的屏障被除去，造成組合的XeF2、He和N2的蝕刻混合物。上面的步驟也能夠在一個300W功率、CF4(150Torr、85sccm)、工作120秒的平行板等離子體蝕刻器中完成。第二蝕刻(化學的，非等離子體的)的附加的特性披露在于1999年10月26日提交的Patel等人的美國專利申請09/427,841中，和于2000年8月28日提交的Patel等人的美國專利申請09/649,569中，每個專利申請的主題內(nèi)容通過參考被結(jié)合于此。
雖然每個微鏡片的鉸鏈能夠如同上面所提出的，在和微鏡片元件(用于微鏡片體的層7，8和9對圖3中的用于微鏡片鉸鏈的層8和9)相同的平面中基本上形成，但是它們也能夠在不同的平面上與微鏡片元件分開地構(gòu)成并且平行于微鏡片元件，并且做為一個單獨的處理步驟的一部分(第二犧牲層材料沉積之后)。這個放在上面的類型的鉸鏈在前面提到的美國專利6,046,840的圖8和圖9中被披露，并且更詳細地披露在于2000年8月3日提交的Huibers等人的美國專利申請09/631,536中，其主題內(nèi)容通過參考被結(jié)合于此。無論是如圖中一樣與一層犧牲層一起構(gòu)成，還是如放在上面的的鉸鏈一樣用兩層(或者更多)犧牲層構(gòu)成，這樣的犧牲層都要像下面將要討論的一樣被用各向同性的蝕刻劑除去。微鏡片的“釋放”能夠在接著上面描述的步驟被立即完成，或者能夠在與第二襯底上的電路組合之前被立即完成。如果電路、電極和微鏡片不是構(gòu)成在同一個襯底上，那么像上面所提出的在透光的襯底上構(gòu)成微鏡片之后，第二襯底被提供，該襯底包括在襯底(例如硅晶片)上面的金屬層(例如金屬3)上的大電極陣列。如同在圖11A中所能看到的一樣，像上面討論的在其上構(gòu)成了微鏡片44的陣列的透光襯底40，被結(jié)合到第二襯底60上，第二襯底具有在電壓Vo、Va、Vb下的電路和電極，電路和電極作為最后一層形成在襯底上。(每個微鏡片一個單獨的電極也能夠被用于帶有單一的移動方向的微鏡片的實施例，例如在圖1中被闡明的。)微鏡片44通過分隔器(spacer)41(例如與每個微鏡片鄰近的光致抗蝕劑間隔器和/或把襯底40結(jié)合到襯底60時沉積在環(huán)氧樹脂之內(nèi)的間隔器。)與襯底60上的電極保持分離。在電路襯底上的一個或多個電極靜電地控制微顯示器像素點(pixol)(在上面的光透射傳輸襯底上的一個微鏡片)。在背面表面上的每個電極上的電壓，決定它對應的微顯示器的像素是光學“開”還是“關(guān)”。從而在微顯示器上構(gòu)成可見的圖像。用于產(chǎn)生脈寬調(diào)制的灰度級或彩色圖像的背面和方法的細節(jié)在Richards申請的美國專利09/564069號中被披露，其主題內(nèi)容通過參考被結(jié)合于此。第一襯底和第二襯底的組合在前面涉及到的Llkov等人的專利申請中被詳細地示出，很多不同類型的晶片的結(jié)合在本領(lǐng)域中中是已知的。如粘合、陽極化、光晶體的融合、微波焊料和熱壓結(jié)合。
本發(fā)明的微鏡片的釋放，根據(jù)所使用的犧牲材料的類型的處理類型，可以是單步驟的或者多步驟的處理。在本發(fā)明的一個實施例中，第一蝕刻的完成具有相對較低的選擇率(例如低于200∶1，優(yōu)選低于100∶1，更優(yōu)選低于10∶1)，而接著的第二蝕刻具有較高的選擇率(例如高于100∶1，優(yōu)選高于200∶1，更優(yōu)選高于1000∶1)。這樣的雙蝕刻在2001年5月22日提交的Patol等人在美國專利申請60/293,032號中被更進一步的示出，并通過參考被結(jié)合于此。當然，其他的釋放方法能夠被使用，取決于犧牲材料。例如，如果光致抗蝕劑或者其他的有機材料是犧牲材料，氧等離子體灰化或超臨界液體釋放能夠被使用。包含純氧的等離子體能夠產(chǎn)生腐蝕有機物的物質(zhì)以形成作為產(chǎn)品的H2O、CO和CO2，并且不蝕刻SiO2、Al或者Si。或者如果犧牲材料是SiO2，那么例如各向同性的干燥蝕刻劑(CHF3+O2，HF3或SF6)能夠被使用。如果犧牲材料是氮化硅，那么氟原子能夠被用來各向同性地蝕刻氮化硅(例如CF4/O2，CHF3/O2，CH2F2或者CH3F等離子體)。如果犧牲材料是非晶硅，那么以XeF2，BrF3或者BrCl3形式的氟原子能夠被使用，如果犧牲材料是鋁，那么氟原子(BCL3，CCl4，sicl4)能夠被使用。當然任何蝕刻劑(和犧牲材料)將根據(jù)蝕刻所需要凹進的量至少被部分地選擇。
另一個用于形成微鏡片的過程示于圖4A到4J中。如同在圖4A中所能看到的，襯底30(這能夠是任何適合的襯底，例如玻璃/石英襯底或者半導體電路襯底)在其上沉積了犧牲材料31。任何適合的犧牲材料能夠被使用，優(yōu)選是在被蝕刻的材料和犧牲材料之間有大的蝕刻選擇率的材料。一種可能的犧牲材料是一種有機的犧牲材料，例如光致抗蝕劑或者其他的有機材料，例如在2001年6月15日提交的Reid等人的美國專利申請60/298,529中所提出的。根據(jù)確切的結(jié)構(gòu)層的組成，其他已知的微機電(MEMS)犧牲層，例如非晶硅或者PSG能夠被使用。如果犧牲材料不是能直接形成圖案的，那么光致抗蝕劑層32被添加并且被顯影以形成一個或多個孔徑(圖4B)。然后如在圖4C中所看到的，孔徑34被蝕刻到犧牲材料31中并且光致抗蝕劑32被除去。如同在圖4D中所能看到的，一個(最好是導電的)層35被沉積，這將最終至少構(gòu)成1用于MEMS器件(在這個例子中是微鏡片結(jié)構(gòu))的柔性部分。層35也能夠形成用于將微鏡片固定到襯底上的柱36，或甚至微鏡片體的全部或部分。如同將在此更進一步討論的，本發(fā)明的優(yōu)選實施例中的導電層35包括金屬-硅、鋁、硼-氮，優(yōu)選金屬是過渡金屬，特別是后面的過渡金屬。層35也可以是多(最好導電)層。或者在多個其它類型的層之間的導電層。(結(jié)構(gòu)的電介質(zhì)層、反射層、抗靜摩擦層等等)。層35不必是導電的，并且根據(jù)恰當?shù)姆椒?、目標材料和沉積過程中所使用的氣體，層35也能夠絕緣的。
圖4E顯示了光致抗蝕劑37(形成圖案的)的附加部分，其后跟著一部分氮化物層35的蝕刻和除去光致抗蝕劑(圖4F)。然后，如同在圖4G中所能看到的，微鏡片結(jié)構(gòu)材料層38被沉淀。該材料可以是導電的或絕緣的，并且可以是多層。如果材料是單一的層，最好是反射的(例如鋁層或者金層或者金屬合金層)。然后，如同在圖4H中所能看到的，光致抗蝕劑39被添加并且被顯影，接著是蝕刻除去層38的部分(例如在將進行彎曲操作的部分區(qū)域)。最后，如同在圖4J中所能看到的，犧牲層被除去以釋放微機電裝置以便于MEMS自由固定在襯底上。在圖4中沒有示出形成在襯底30上或內(nèi)部(如果襯底是電路襯底)的電路和在襯底30上的光阻隔層，該阻隔層用于改進襯底的自動處理(如果襯底是透光襯底，例如玻璃，石英，藍寶石等等)。
如同從圖4A到4J中所能看到的，一個自由直立的MEMS微機電結(jié)構(gòu)被形成在層35以構(gòu)成MEMS裝置的柔性部分地方，而層38構(gòu)成由于層35的易彎曲的性質(zhì)而移動的結(jié)構(gòu)。如同能看到的，層38構(gòu)成在襯底30上的支撐MEMS結(jié)構(gòu)的柱和壁以及可移動的部分。可移動的元件可以做為層38和35(如果需要還可以附加層)的疊層被構(gòu)成，或者單獨由層38構(gòu)成，或甚至完全由層35構(gòu)成?？梢苿忧乙讖澢脑慕M成取決于最終所需要的硬度或易彎曲性，最終所需要的導電率，正在被構(gòu)成的MEMS裝置等等。
依照圖1到圖4形成的微鏡片優(yōu)選構(gòu)成在透光的襯底上并且具有非偏轉(zhuǎn)的“關(guān)”狀態(tài)和偏轉(zhuǎn)的“開”狀態(tài)，然而，微鏡片可以和微鏡片驅(qū)動電路和電極在同樣的襯底上構(gòu)成，同樣地，微鏡片的“開”狀態(tài)和“關(guān)”狀態(tài)可以在不是平直的非偏轉(zhuǎn)狀態(tài)的位置。在示于圖5-9的實施例中，微鏡片和用于移動微鏡片的電路和電極被構(gòu)成在相同的襯底上。并且，微鏡片不僅具有偏轉(zhuǎn)的“開”和“關(guān)”狀態(tài)，而且具有在“開”和“關(guān)”之間的不一樣的偏轉(zhuǎn)角度。如同在圖5A到5G中所示出的，具有形成于其上的電路和電極的半導體襯底可以是依照本發(fā)明的用于制造微鏡片的起始(starting)襯底。
如同在圖5A中所能看到的，具有用于控制微鏡片的電路的半導體襯底10具有一個構(gòu)成在其上的離散區(qū)域12a-12e的形成圖案的金屬層——典型的是鋁(例如，在半導體處理中的最后的金屬層)。如同在圖5B中所能看到的，一個犧牲層14被沉積在其上。如同在前面的實施例中，取決于臨近的結(jié)構(gòu)和所需要的蝕刻劑，犧牲層材料能夠從許多材料中被選擇。在目前的例子中，犧牲層材料是酚醛清漆光致抗蝕劑。如同在圖5B中也能看到的，孔15a到15c通過標準的用于酚醛清漆光致抗蝕劑的形成圖案的方式被形成在犧牲材料中，以便于形成連接到金屬區(qū)域12a到12c的孔徑15a到15c。如同在圖5C中所能看到的，形成孔15a到15c之后，依照標準的插頭(plug)形成方法，形成插頭或者其它的連接件16a到16c。例如鎢(W)能夠通過CVD用下面的反應被沉積a)硅還原(這個還原通常通過允許WF6氣體與在大約300℃溫度下的晶片襯底上的暴露的固體硅的區(qū)域接觸來產(chǎn)生)，b)氫還原(這個過程在減小的氣壓下進行，通常在低于450℃的溫度下)，c)硅烷還原(這個反應(在大約300℃的LPCVD)被廣泛地用于產(chǎn)生氫化反應的W核層)。其它的導電材料，特別是其它的難熔金屬，可以被用于插頭16a到16c。沉積插頭材料層之后，進行化學機械拋光直到犧牲層，以便于形成如圖5c所示的插頭。對于一些插頭材料，或許最好首先沉積一層襯墊以避免剝落(例如，對于鎢插頭TiN，TiW或者TIWN襯墊能夠被沉積在犧牲材料的孔中以包圍鎢并且隨后要在犧牲層)。
如同在圖5D中能夠看到的，一個導電層被沉積并且被形成圖案以便于形成離散的金屬區(qū)域18a到18c，每個區(qū)域都分別通過插頭16a到16c被分別電氣連接到底層金屬區(qū)域12a到12c。導電層可以是任何適合的材料(鋁、鋁合金、或者其它的金屬合金、導電陶瓷等等)該材料通過適合的方式例如物理蒸汽沉積方式或者電鍍被沉積。材料最好應該具有導電性及適當?shù)挠捕群蛷椥缘鹊慕M合(如同將看到的，區(qū)域18c將作為用于微鏡片的鉸鏈被構(gòu)成)。當然，離散區(qū)域18a到18c不需要同時被形成，如果需要不同的材料或特性構(gòu)成一個離散區(qū)域到下一個離散區(qū)域。(并且有其它的構(gòu)成在裝置中的區(qū)域，例如區(qū)域12a到12e和插頭18a到18c)。當然少量的處理步驟被涉及，如果在一層中的每個離散區(qū)域是在同一時間被沉積的材料。在優(yōu)選實施例中，這個導電層可以是鋁合金或者導電的二元或三元多更高的化合物，例如披露在2000年8月23日提交的Reid的美國專利申請60/228007和于2001年6月22日提交的Reid的美國專利申請60/300533中的這些化合物。兩個專利申請通過參考被結(jié)合于此。這些化合物通過反作用的濺射被沉積。適當?shù)奈g刻化學被用來對導電層形成圖案。(例如用于鋁的氯化學)以便形成離散的導電區(qū)域18a到18c。
如同在圖5E中更進一步地示出，犧牲層20的第二層被沉積，該層可以和層14的犧牲材料相同或者不同(最好是相同的材料以便兩層能同時被除去)。然后，層20被形成圖案以便于形成直到區(qū)域18c的孔20a。如同在犧牲層14中構(gòu)成孔，這可以用一個附加的層來完成，或者層20能被直接形成圖案，如果材料是光致抗蝕劑或者其它能直接形成圖案的材料。如同在圖5F中所能看到的，一個插頭或接頭22通過在犧牲層20上沉積最好是導電材料而形成，接著是化學機械拋光，使插頭22被連接到離散區(qū)域(“鉸鏈”)18c。然后，如同在圖5G中能看到的，微鏡片體24通過沉積(最好是導電的)層構(gòu)成，接著是形成圖案在所需要的微鏡片形狀中。很多微鏡片形狀是可能的，例如示于圖6A中的，并且將在此更進一步地討論。然而，依照本發(fā)明的這個例子的微鏡片的形狀可以具有任何形狀，示于圖6B和6C中的正方形或菱形。當然，這些允許緊湊的微鏡片封裝并且因此有高填充系數(shù)的形狀是優(yōu)選的。(例如示于圖7中的緊密配合陣列中的圖6A中的微鏡片的形狀)。圖6C中(后面的圖12中)的點劃線是微鏡片的軸或者旋轉(zhuǎn)。
依照圖5A到5G，用于制造微鏡片的各層作為單個的層被示出。然而，每個層(無論是結(jié)構(gòu)層還是犧牲層)能夠作為疊層被提供。例如，疊層中的一層具有改進的機械特性而另一層具有改進的導電性。同樣地，雖然在優(yōu)選實施例中結(jié)構(gòu)層是導電的，但是使微鏡片元件24(或者在疊層24中的一個層)以及驅(qū)動電極12d和18d(和將電極12d和18d連接到半導體襯底上的層/材料)導電是可能的。更進一步，上面披露的材料(金屬，金屬合金，金屬-陶瓷合金等等)不需要包含任何金屬，但是能夠包含例如硅(如多晶硅)或者硅的化合物(如Si3N4、SiC、SiO2等等)。如果Si3N4作為結(jié)構(gòu)材料被使用，并且非晶硅作為犧牲材料被使用，二氟化氙能夠做為氣相蝕刻劑被使用，以便除去犧牲的非晶硅。如果需要，被用作結(jié)構(gòu)材料的硅或者硅化物(或其他的化合物)能夠在除去犧牲層以前和/或者之后被韌化(beannealed)以提高結(jié)構(gòu)層的應力特性。圖8是按照圖5A到圖5G構(gòu)成的微鏡片的分解的立體視圖。
制造微鏡片的最后的步驟之一是除去犧牲層14和20。圖9A是除去犧牲層之后的微鏡片的視圖，示出了通過柱22、鉸鏈18c、柱16c和金屬區(qū)域22連接到襯底10上的微鏡片24。由于沒有電壓被施加到任何底層的電極(在上述處理中形成的離散金屬區(qū)域)，例如電極18b或12d，示于圖9A的微鏡片沒有被移動或偏轉(zhuǎn)。這個非偏轉(zhuǎn)的位置不是微鏡片的“關(guān)”位置，對于投影系統(tǒng)這通常是遠離“開”位置的最遠角(為了達到被投影圖像的最佳反差比)。微鏡片的“開”位置，即微鏡片偏轉(zhuǎn)光到收集光學系統(tǒng)的接受光圓錐體的位置，被示于圖9B。電壓VA被施加到電極12d上，為了靜電地下拉微鏡片板24直到板24的邊緣碰撞到電極12e。微鏡片板24和電極12e處于相同的電勢下，在這個例子中是電壓Vo。如同圖9C所示，當電壓VB被施加到電極18b上，微鏡片板24偏轉(zhuǎn)到一個相反的位置，它的移動被電極18a停止。電極18a和微鏡片板24出在相同的電勢下。(在這個例子中是電壓Vo)。取決于電極18b。對電極12d的尺寸和這些電極和微鏡片板24之間的距離，施加到電極18b和12d上的電壓不必是一樣的。示于于圖9C中的偏轉(zhuǎn)位置是“關(guān)”位置，并且被偏轉(zhuǎn)的光離收集光學系統(tǒng)最遠。
如同通過比較圖9B和9C所能看到的，“關(guān)”位置比“開”位置形成一個較低的角度(與襯底)。在下文，當涉及到開位置和關(guān)位置(或相對于襯底的這樣的角度或非偏轉(zhuǎn)的微鏡片位置)，一個角度的符號將被使用(相對于襯底是正或負，或非偏轉(zhuǎn)位置)。符號是任意的，但是表明了微鏡片向著“開”位置的方向轉(zhuǎn)動并且在“關(guān)”位置的相反的方向轉(zhuǎn)動。這樣的不對稱性的好處將在下面更詳細地討論。在本發(fā)明的一個例子中，開位置是從0到+30度，而關(guān)位置是從0到-30度。向開位置移動，比向關(guān)位置移動大例如，開位置能夠從+10到+30度(或者+12到+20度或者+10到+15度)，而關(guān)位置能夠大于0和在0到-30度之間(或者在一個較小的范圍之內(nèi)，在0和-10或-12度之間，或從-1到-12，或從-1到-10或-11度，或從-2到-7度)。在另一個例子中，微鏡片能夠旋轉(zhuǎn)至少+12度到開位置和在-4到-10度的關(guān)位置。取決于用于鉸鏈的材料，使用更大的角度能夠被達到，例如一個從+10到+35度的開的旋轉(zhuǎn)和從-2到-25度的關(guān)的旋轉(zhuǎn)(當然材料疲勞和塑性變形在大角度時會成為問題)。不考慮旋轉(zhuǎn)的方向，最好開和關(guān)位置在相對0于襯底是大于3度但小于30度的角度，最好開位置是大于+10度，并且鏡片在開方向上比在關(guān)方向多轉(zhuǎn)動1度(或更多)。
圖10AA到10DD示出了另一種方法和微鏡片結(jié)構(gòu)。在材料、層、犧牲的蝕刻、結(jié)構(gòu)層的沉積等等上的變化，都是就前面描述的過程而言。對于示于圖10A到10D中的方法，襯底40能夠是透光的襯底(后來被連接到具有電路和電極的第二襯底上)或者已經(jīng)具有了在其上的電路和電極的半導體襯底。在圖11A到11B中能看到的本例中，電路和電極構(gòu)成或在分離的襯底上。
在圖10A中，犧牲層42被沉積并且被形成圖案以便于構(gòu)成孔43，然后，如同在圖10B中所示出的，插頭46被構(gòu)成(最好是如同在圖5A到5B的過程中一沉積金屬。金屬合金或者其它的導電層或平面化的(例如被CMP)來形成插頭)。然后，如同在圖10C中所能看到的，鉸鏈50被通過沉積導電材料構(gòu)成(具有適合的非晶易組織，彈性，硬度，密度等等)。在本例中，鉸鏈(和/或微鏡片)是早期過渡金屬的硅的氮化物。例如Ta-Si-N，后期過度金屬的硅的氮化物例如Co-Si-N或金屬或金屬-陶瓷合金例如鈦鋁氧化物合金。沉積這樣的材料之后，沉積光致抗蝕劑，并且形成圖案，以便于允許蝕刻/除去除了鉸鏈區(qū)域50以外的所有區(qū)域。然后，如同在圖10D中所能看到的，微鏡片板44通過用光致抗蝕劑首先保護鉸鏈被構(gòu)成，并且然后沉積一個鉸鏈結(jié)構(gòu)層并形成圖案以便于構(gòu)成部分地與鉸鏈50重疊并因此與鉸鏈50連接的微鏡片板44。如同在其他的實施例中，成千甚至數(shù)百萬的這樣的鏡片陣列在陣列中被同時構(gòu)成。
然后，無論是在晶片級別還是小片級別，具有微鏡片的襯底被連接到具有驅(qū)動電路和電極的襯底上。在本例中每個微鏡片至少應該有兩個電極。每個用于一個偏轉(zhuǎn)方向，優(yōu)選具有第三個電極用于允許微鏡片通過撞在具有和微鏡片自身一樣的電勢的材料上來停止其移動(在一個方向上)。具有用于偏轉(zhuǎn)微鏡片的電極72和74的第二襯底60和焊盤或電極70示于圖11A。在圖11A中微鏡片在非偏轉(zhuǎn)的位置。當電壓VA被施加在電極72上，微鏡片44被偏轉(zhuǎn)直到它碰撞電極70(圖11B)。這是微鏡片的開位置，其允許光進入系統(tǒng)的收集光學系統(tǒng)。在襯底之間設(shè)計縫隙是可能的，以便于將片4的末端同時碰撞電極70和襯底40。當VB被施加到電極74上，微鏡片板44在相反的方向上偏轉(zhuǎn)直到微鏡片的末端碰撞襯底40。這是微鏡片的關(guān)位置。由于鉸鏈50和柱46的位置，在這個關(guān)位置的微鏡片的角度小于在開位置的微鏡片的角度。這樣的微鏡片的陣列示于圖12。并且依照圖10A到10D的過程制造的微鏡片的分解視圖被示于圖13。
圖14A是在陣列中的多個微鏡片的橫截面視圖，在該陣列中在“關(guān)”狀態(tài)的微鏡片沒有被偏轉(zhuǎn)(組100)，而在“開”狀態(tài)的微鏡片(組102)被從平直的狀態(tài)移動以便于投影光到光能被看到的地方(直接地，到整體裝置中的目標上，穿過一個屋子到屏幕上等等)。這樣的微鏡片陣列的排列較好地示于圖14B和圖14C中。如同在圖14B中所能看到的，在微鏡片的開狀態(tài)，光50的入射光錐被偏轉(zhuǎn)到微鏡片的關(guān)(在這個圖中所有的微鏡片在開狀態(tài))，光52的光錐被向遠處投影到輸出孔60，并且在大多數(shù)情況下將前進到圖像系統(tǒng)(例如投影透鏡或透鏡組)。光錐54代表來自透明蓋的鏡面反射。圖14C是在關(guān)狀態(tài)的微鏡片的圖。其中光錐52表示在這個關(guān)狀態(tài)下來自微鏡片的反射光。光的入射圓錐和反射圓錐將收縮到整個陣列上，雖然在這些圖中，為了圖解容易，光錐被當作單個微鏡片上的拉錐被示出。
圖14B和14C的排列具有當微鏡片在它們的關(guān)非偏轉(zhuǎn)的狀態(tài)時有沒什么光能夠通過微鏡片之間的縫隙傳播，而引起所不需要的“縫隙散射”的好處。然而，如同圖14C中所示衍射光被微鏡片的重復模式引起(延伸到偏轉(zhuǎn)的關(guān)的光52的圓錐體之外的光61a和61b)。這個不需要的光被來自微鏡片的邊緣的散射或衍射引起(邊緣衍射)，特別是，因為入射光錐(及這樣的出射光錐)被做成盡可能大，以便增加效率，例如延伸到偏轉(zhuǎn)的關(guān)的光的圓錐體之外的光61a的衍射光能夠進入到輸出孔60(例如收集光學系統(tǒng))并且會不希望地減小反差比。
為了避免這種減小反差比的關(guān)狀態(tài)的光(包括衍射光)和開狀態(tài)的光的重疊，開狀態(tài)的光和關(guān)狀態(tài)的光能夠通過偏轉(zhuǎn)用于開和關(guān)狀態(tài)的微鏡片被進一步地彼此分離。如同在圖15A中所能看到的，如果微鏡片如同在這個圖中所示出的一樣在它的關(guān)狀態(tài)被偏轉(zhuǎn)，一些光將如被示出的光線116一樣被適當?shù)仄D(zhuǎn)到遠離開狀態(tài)的方向(例如光學收集系統(tǒng))。其它的光112將不會射到微鏡片上，但是將在較低的襯底(例如在較低的電路和電極上)的上表面散射，并且進入光學收集系統(tǒng)，即使相鄰的微鏡片在關(guān)的狀態(tài)?；蛘呷缤ㄟ^光線114所能看到的，入射的光能照到微鏡片上，還仍然導致縫隙散射，而不是像光線116那樣被適當?shù)匾龑У疥P(guān)的角度。如示于圖15B中的開的排列和圖14B中的一樣。然而如同圖15C中所示出的，由微鏡片的同期性引起的具有衍射61a的關(guān)狀態(tài)，被進一步遠離“開”的角度移動，以便于導致因衍射和邊緣衍射造成的改進的反差比。(雖然如同上面提到的由于縫隙造成反差比的減小)。
改進的微鏡片陣列將使關(guān)的光錐和開的光錐之間的距離最大化(減少進入接受光錐區(qū)的邊緣散射)，還將相鄰微鏡片之間的縫隙減小到最小(最小化縫隙散射)。一個被試驗過的解決方案提供了具有微鏡片的微鏡片陣列，該微鏡片如同圖15A到15C一樣，在用于開和關(guān)狀態(tài)的相反的方向上偏轉(zhuǎn)，并且在微鏡片下面提供一個光吸收層以便于減小縫隙散射。不幸的是，這增加了處理的復雜性，或吸收了照射到微鏡片陣列組合上的光(進入光閥)，這增加了光閥上的溫度并引起由于熱膨脹而造成的問題，增加了微鏡片結(jié)構(gòu)的疲勞和下垂，增加了鈍化膜的斷裂，自組合的單分子層和/或潤滑劑等等。
如同在圖16A到16C中所能看到的，在開和關(guān)狀態(tài)上被偏轉(zhuǎn)，并在偏轉(zhuǎn)不同的角度的微鏡片被提供。如同在圖16A中所能看到的，微鏡片100在關(guān)狀態(tài)被偏轉(zhuǎn)，也就是其偏轉(zhuǎn)角小于微鏡片102在其開狀態(tài)上的偏轉(zhuǎn)角(從平直的或非偏轉(zhuǎn)狀態(tài)向相反的方向上偏轉(zhuǎn))。如同在圖16B中所能看到的，開狀態(tài)和一些鏡面反射54是沒有變化的(入射光50作為出射光52被投影進入輸出孔60)。在圖16C中微鏡片處于足夠地偏轉(zhuǎn)位置的關(guān)狀態(tài)，以便于進入輸出孔60的邊緣散射光61a被減少到最少，而只偏轉(zhuǎn)這么多足以使這樣的邊緣散射光在接收光錐區(qū)之外，是為了將由于大的關(guān)狀態(tài)偏轉(zhuǎn)造成的來自微鏡片下面的縫隙散射光減小到最小。
本發(fā)明的一個附加特征是器件的封裝。如同上面提到的，離開光透明的襯底的反射，能夠引起鏡面反射。如同在圖17A中所能看到的，入射光錐50在開位置反射離開微鏡片，作為反射光錐52被示出。從透光襯底32的表面反射的鏡面光示作為光錐54。在制造投影系統(tǒng)中，希望增加圓錐體的擴張角以便于增加etendue和投影系統(tǒng)的效率。然而，如同在圖17A中所能看到的，增加光錐50的擴張角將導致光錐52和54的擴張角的增加，這樣來自光錐54的鏡面反射光將會進入輸出孔60，即使微鏡片處在其關(guān)狀態(tài)(這樣減小了反差比)。
為了允許更大的光錐的擴張角，又要避免鏡面反射進入輸出孔，如同在圖17B所能看到的，透光襯底32被放置成相對襯底有一個角度。在很多情況下，襯底30是微鏡片(或其他光學MEMS元件)構(gòu)成于其上的襯底，而襯底32是用于光學MEMS裝置的封裝中的透光窗口。窗口的角度大于-1度(負號與角度的方向或微鏡片的方向一致)。在一個例子中，窗口在從-2到-15度的角度中，或者在從-3到-10度的范圍中。無論怎樣，窗口在相對于襯底的角度上，該角度最好和微鏡片的關(guān)位置在相同的方向上。(相對于微鏡片襯底和/或封裝底部)。如同在圖17B中所能看到的，當微鏡片在開狀態(tài)時，在作為來自開的微鏡片的反射光(光反射圓錐52)和鏡面反射光(光錐54)之間有一個縫隙。這個“縫隙”是由于鏡面反射圓錐54在一個較大的距離下被反射，這個較大的距離是由于有角度的光透明襯底。這個排列允許，如同在圖17C中所能看到的，增加來自開的微鏡片(光錐52)和光透明襯底(光錐54)的入射光錐(和相應的反射光錐)的擴張角。(為了照明容易，光錐的反射點在介于微鏡片和透光襯底中間，雖然實際光錐52自微鏡片反射而鏡面反射光錐4自襯底32反射)。如圖解17B和17C中的有角度的透光窗口允許較大的通過量、較大的系統(tǒng)效率、較大的光值etendue(etendue＝立體角乘面積)。如圖17B和17C中示出的光閥能夠調(diào)制一個較大的etendue光束，并且能夠通過更多的來自光源的光，因而這樣更有效率。
一個被封裝的器件示于圖17D和圖17E。如同在圖17D中所看到的，入射光40(這個視圖與前一個視圖相反)入射到陣列上并從那里被反射。如同在圖17E中所能看到的，一個有角度的透光襯底32(具有掩膜區(qū)域34a和34b)不僅允許如同上面所述的增加光錐的擴張角，而且另外允許窗口32的掩膜和微鏡片陣列之間的縫隙被最小化，這樣減小了光散射和聚集在封裝上的溫度。透光襯底相對于襯底的角度是從1-15度，最好是從2-15度，或甚至是從3-10度。如同在圖17D到圖17E中所能看到的，在封裝中的襯底的一端的連接線37(從電氣上把襯底連接到封裝上，用以微鏡片或其它微機械元件的驅(qū)動)被布置在有角度的窗口比襯底相反的一端距離更大的地方。這樣，有角度的窗口允許連線的存在，還使得透光窗口和在沒有連線的襯底一端的微鏡片襯底之間的距離最小。注意，光從與有角度的窗口升高的一邊和連線的位置相對應的封裝的一端入射到微鏡片陣列上。能夠存在于封裝中的附加的成分是封裝粘合劑，分子清除劑或其它的吸氣劑，一種靜摩擦清除劑源(如氯硅烷、全氟化的n-堿基酸、環(huán)己烷二矽酸等等)。
如果本發(fā)明的微鏡片用于投影顯示器，應該有一個適合的光源，這個光源照明陣列并通過收集光學系統(tǒng)把圖像投影到目標上。光源和入射到陣列上并入射到每個微鏡片的光束的排列能夠改進反差比，而本發(fā)明中最小化投影系統(tǒng)的軌跡，可以在圖18和19A到19C中看到。如同在圖18中所能看到的，光源114引導光束116與陣列的有效區(qū)域的前邊93成90度角。(陣列的有效區(qū)域在圖中作為矩形94被示出)。有效區(qū)域94在通常的矩形陣列中一般具有從64,000到大約2,000,000個像素點，例如在圖18中所示。有效區(qū)域94反射光(通過開狀態(tài)微鏡片)通過接收光學系統(tǒng)115到達目標以在目標上(例如墻或屏幕)形成相應的矩形圖像。當然，陣列能夠是不同于矩形的其他形狀，并且在目標上產(chǎn)生相應的形狀(除非通過一個掩膜)。來自光源114的光反射離開陣列中特定的微鏡片(那些在開狀態(tài)的)，并且通過光學系統(tǒng)115(為清楚起見簡化為兩片透鏡)。在其關(guān)狀態(tài)的微鏡片，引導光達到圖18中的區(qū)域99。圖18是投影系統(tǒng)的簡化，該投影系統(tǒng)可以具有附加元件，例如TIR棱鏡、附加的聚焦或放大透鏡、用于提供彩色圖像的彩色轉(zhuǎn)盤(color wheel)、光管等等，這些在本領(lǐng)域都是已知的。當然，如果投影系統(tǒng)是用于無掩膜光刻術(shù)或非彩色應用，而不是彩色圖像投影應用(例如前屏幕或后屏幕投影電視、計算機監(jiān)視器等等)，那么，彩色轉(zhuǎn)盤和不同的收集光學系統(tǒng)都能夠被使用。并且，目標可以不是屏幕或光致抗蝕劑，但可以是作為直接觀測顯示器的觀測者的視網(wǎng)膜。如同在圖18中所能看到的，陣列中所有開的微鏡片引導光一起進入一個單獨的收集光學系統(tǒng)，該系統(tǒng)可以是一個或一組用于引導/聚焦/投影光到目標上的透鏡。
無論被觀測到的圖像是在計算機、電視或電影屏幕上，在屏幕上的圖像上的像素點(每個被觀測到的圖像或投影的圖像上的的像素點與陳列中的微鏡片元件相對應)具有至少不平行于形成矩形屏幕圖像的四條邊中的兩條邊。如同在圖19A-19E中的微鏡片元件的一個例子中所能看到的，入射光束不會垂直地射到任何微鏡片元件的邊上。圖19A是光照射在一個單個的微鏡片元件上的透視圖，而圖19B是俯視圖，圖19C是側(cè)視圖。入射光束可以是偏離垂直于微鏡片陣列的平面10度到50度(例如20度)。
無論入射光束與微鏡片的平面形成的角度是怎樣，沒有微鏡片的邊將會垂直于入射到其上的光束(見圖19D)。在優(yōu)選的實施例中，微透鏡的邊將被布置成關(guān)于在微鏡片平面上的入射光束光軸的投影或一個小于80度的角度(131)或優(yōu)選的是55度或更小，更優(yōu)選的是45度或更小，最優(yōu)選的是40度或更小。相反，角度132應該是100度或更大，優(yōu)選是125度或更大，更優(yōu)選是135度或更大，最優(yōu)選是140度或更大。微鏡片的開關(guān)(也就是旋轉(zhuǎn))軸在圖19D中被標示為點線103。取決于所使用的鉸鏈的類型，這個開關(guān)軸能夠在沿著微鏡片的其它位置，例如線106。如同在圖19D中所能看到的，開關(guān)軸(例如103或106)當投影到微鏡片平面時垂直于被投影到微鏡片的平面上的入射光束102。圖19E和圖19D一樣是俯視圖，然而一個微鏡片陣列與照射到2維(2-D)陣列微鏡片上的入射光束102一起示于圖19E中。注意圖19E中的每個微鏡片具有示于圖19A-19D中的微鏡片的形狀。如同在圖19E中所能看到的，整個微鏡片陣列的形狀是矩形。陣列四條邊中的每一條，117-120，通過在有效區(qū)域(121-124)最后的行和列中最邊緣的像素點之間劃線而形成(例如，邊119通過貫穿角落上的像素點123和122的線而形成)。雖然在圖19E中能夠看到“前面的”(最接近光源的)和“后面的”(離光源最遠的)有效區(qū)域的邊119、117由于有效區(qū)域中的微鏡片的形狀而是“鋸齒形狀”的，但是應該記住在從1cm2到lin2的區(qū)域中能夠有多達3,000,000或更多的微鏡片。因此，除非在極度放大的情況下，有效區(qū)域?qū)⒒旧鲜蔷匦蔚?，同時有效區(qū)域的邊118和120(或117和119)平行于圖19D中的微鏡片的邊107和109(圖19D中的微鏡片是圖19E的有效區(qū)域之內(nèi)的一個微鏡片元件)；并且同時有效區(qū)域117和119(或118和1290)是不垂直于微鏡片的前面的或后面的邊125a-d(見圖19D)。圖19E也能夠被看作包括大量被投影的像素的圖像。(每個投影的像素具有示于圖19D中的形狀)。依照上面所述，因此被投影的圖像的邊118和120(或117和119)是平行于被投影的像素的邊107和108，并且被投影的圖像的邊117和119(或118和120)不垂直于投影的像素的邊125a-d。
圖20是一個2維微鏡片陣列的視圖(當然具有比在典型的有效區(qū)域中少得多的像素點)。為了是圖示方便(在圖20中和圖21-26和29-32一樣)，少于60個的微鏡片/像素被示出。雖然典型的顯示器具有從64像素(320×200)到1920K像素(1600×1200像素＝U×*GA)，或更高的(例如1920×1080＝HDTV；2048×1536＝Q×GA)。由于本發(fā)明中的每個像素尺寸非常小，能達到的分辨率基本沒有限制。如同在圖20中所能看到的，每個像素的邊是平行有效區(qū)域的相對應的邊。這樣，每個微鏡片的邊或者垂直于有效區(qū)域的邊，或者平行于有效區(qū)域的邊。形成對比的是，如同在圖21中所示出的，微鏡片的邊既不平行于也不垂直于有效區(qū)域的邊。如同在下面將會看到的，在其他的實施例中，一些邊既不平行于也不垂直于有效區(qū)域的邊，而一些邊能夠平行于有效區(qū)域的邊(只要邊平行于來自入射光束的被置于微鏡片的平面上的線)。
如圖22中所示出的微鏡片陣列達到了高反差比。然而，如示于圖23-29的微鏡片的排列簡化了尋址方式。更特別的是，圖23-29具有不把像素點放置在與陣列的X軸和Y軸成角度排列的格點上的好處。因為典型的視頻圖像源在X-Y軸柵格上提供像素的彩色數(shù)據(jù)，圖23-29中的像素的排列為了在顯示器上再現(xiàn)可接受的圖像而避免了非無價值的(non-trivial)視頻預處理。同樣的圖23-29的排列避免了更復雜的顯示器后平面的布局(關(guān)于圖13和14，需要兩倍于像素控制單元的行線或列線)。圖22中的水平線80連接微鏡片元件的頂部的行，而豎直的線81A-D從頂部行的微鏡片延伸(這些水平的和豎直的線對應于陣列中尋址的行和列)。如同在圖22中所能看到的，僅僅每隔一個微鏡片以這種方式被連接。這樣，為了所有的微鏡片被尋址，需要兩倍的行和列，這樣在尋址陣列中導致了增加了復雜性。圖22也顯示出了在微鏡片的角上的支撐柱83，該支撐柱連接在每個微鏡片元件(“放在上面的鉸鏈”在上文討論過)下面的鉸鏈(沒有示出)上并連接到在微鏡片元件上面的光透射襯底上(沒有示出)。
在如圖23所示的本發(fā)明優(yōu)選實施例中，一個陣列92被提供。光束90被引導到陣列上，成為沒有微鏡片的邊是垂直于入射光束的。在圖23中，微鏡片前面的邊(相對入射光束90)與入射光束90成大約135度的角。優(yōu)選這個角度大于100度，最好大于130度。如果入射光束的前面的邊之間的角度是135度或更大，并且甚至能到140度或更大，那么反差比被進一步提高。如同在圖23中所能看到的，微鏡片元件的定位不會引起上面討論的與圖22相關(guān)的尋址問題。柱95連接到圖23中的每個微鏡片元件下面的鉸鏈上(未示出)。鉸鏈在垂直于入射光束的方向延伸(并且平行于有效區(qū)域的前面的邊和后面的邊91B和91D)。鉸鏈允許垂直于入射光束的微鏡片的軸旋轉(zhuǎn)。
圖24是與示于圖23的相似的微鏡片的視圖。然而，在圖24中，微鏡片元件是“相反”地并且用它們“凹”的部分作為它們前面的邊。即使圖24中的微鏡片與示于圖23中的微鏡片相反的，這里仍然沒有垂直于入射光束的微鏡片的邊。圖24示出了設(shè)置在與鉸鏈連接在一起的微鏡片同樣的平面上的鉸鏈101。兩種類型的鉸鏈被披露于上面提到的840號專利中。圖25也示出了和微鏡片陣列在同一平面中的鉸鏈110，并且示出了在每個微鏡片前面的邊上的雙“凸”的部分112(“突起部”)和“凹”的部分113(“切除部”)。由于每個微鏡片的凹的或切掉的部分，每個微鏡片是凹多邊形的形狀。雖然微鏡片能夠是凸多邊形(如果沒有凸多邊形的微鏡片的邊是平行于有效區(qū)域的前面的邊)，優(yōu)選微鏡片具有凹多邊形形狀。凸多邊形作為在多邊形中沒有包含多邊形的邊的線能穿過其內(nèi)部的多邊形是已知道。一個多邊形當且僅當不是凸多邊形時是凹多邊形。凹多邊形形狀可以是一系列(非矩形的)平行四邊形的形式，或者具有至少一個凹的和至少一個匹配的凸的部分(用于配合相鄰的微鏡片的凹的部分)，雖然任何凹多邊形的形狀是可能的。雖然是不太被優(yōu)選，如同上面提到的，微鏡片的形狀也能夠是那種單個的(非矩形的)平行四邊形。雖然沒有被圖示出，相配合的一個或多個突起部和一個或多個切除部不需要由直線構(gòu)成(沒有任何就此而言的微鏡片的邊)，但是可以是曲線。在這個實施例中，突起部和切除部是半圓形，雖然被說明的有角度的突起部和切除部是優(yōu)選的。
圖26A到26F示出了本發(fā)明的另一個實施例。雖然微鏡片的形狀在每個圖中是不同的，但是每一個微鏡片在沒有任何邊是垂直于入射光束上是一樣的。當然，當一個微鏡片的邊改變方向，這里有一個點，然而很小，在這點邊能夠被認為是垂直的，如果僅僅是瞬間的。然而，當說明沒有任何邊垂直時，意味著沒有實質(zhì)部分是垂直的，或至少在微鏡片的前面的邊或者后面的邊沒有這樣的實質(zhì)部分。即使前面的邊的方向逐漸地改變(或前面的邊的一部分垂直于入射光束，例如示于圖29中的)，優(yōu)選的是不會有超過前面的邊的1/2垂直于入射光束，更優(yōu)選的是不超過1/4，最優(yōu)選的是1/10或者更小。前面的邊和后面的邊垂直于入射光束的部分越少，反差比的改進越大。
很多微鏡片的實施例能夠被視為一個或多個平行四邊形(例如同一個多邊形)的組合。如同在圖27A中所能看到的，一個單個的平行四邊形由于其沒有垂直于入射光束的邊，所以對于減少光的衍射是有效的(光束具有從頁面的底部到頂部的方向并且起始于頁面平面之外)。圖27A示出了一個單個的平行四邊形，水平箭頭表示平行四邊形的寬“d”.圖27A中(和圖27B到27F)的微鏡片的開關(guān)軸也是在這個水平的方向。例如，開關(guān)軸能夠沿著圖27A中的虛線。圖27B和27C示出了兩個和三個平行四邊形微鏡片的圖形，在其中每個隨后的平行四邊形有和前一個相同的形狀、尺寸和外形。這種排列形成了微鏡片元件的“鋸齒”形的前面的邊和后面的邊。圖27D到27F示出2到4個平行四邊形。然而，在圖27D到27F中，每個隨后的平行四邊形是前一個平行四邊形的微鏡面圖像，而不是同一個平行四邊形的圖像這種排列構(gòu)成微鏡片元件的“鋸齒形邊”。應該注意平行四邊形不需要每個有相同的寬度，并且，連接鋸齒的頂點的線或連接鋸齒邊的線不需要垂直于入射光束。每個平行四邊形的寬度，如果它們被構(gòu)造成相同的寬度，寬度將是“d”＝M/N，其中M是微鏡片的總寬度，N是平行四邊形的數(shù)目。隨著平行四邊形數(shù)目的增加，寬度“d”是遞減的(假設(shè)微鏡片寬度是常數(shù))。然而，寬度“d”應該最好是大大地大于入射光的波長。為了保持高的反差比，平行四邊形的數(shù)目N(或者微鏡片的前面的邊改變方向的次數(shù))應該小于或等于0.5M/λ，或最好是小于或等于0.2M/λ，并且甚至小于等于0.1M/λ，其中λ是入射光的波長。雖然平行四邊形的數(shù)目在圖27中是從1到4，但是任何數(shù)目是可能的，雖然15或更少，并且最好是10或更少將形成更好的反差比。圖27中的平行四邊形的數(shù)目最優(yōu)選的(4或者更少)。
如同在圖28中所能看到的，鉸鏈(柔性件)191、193被設(shè)置在和微鏡片元件190在同一平面上。來自圖28的平面外的光源的入射光束195照射到微鏡片190前面的邊上，沒有一條邊是垂直的。最好鉸鏈的任何部分不垂直于入射光束，以便于減少在微鏡片開關(guān)方向上的光衍射。
同樣的，應該注意示作平行于有效區(qū)域的邊的“直”的微鏡片的邊(例如圖28中微鏡片的邊194、196)也可以具有其他的圖形。上面的圖21是一個例子，在其中沒有垂直于入射光束的85的微鏡片的邊。圖30和圖31是另一個例子，在其中沒有微鏡片的邊垂直于或平行于入射光束，也沒有如同圖22的增加的尋址的復雜性。入射光束能夠被實際地引導成垂直于圖30中的四個有效區(qū)域的任何邊(見箭頭1-4)并且不會垂直地入射到任何微鏡片的邊上。這個獨一無二的特性也存在于示于圖31的陣列中。如同在圖29中能看到的，每個微鏡片的前面的邊的部分垂直于入射光束而部分不垂直于入射光束也是可能的。
圖32A到32J示出了用于本發(fā)明的微鏡片的可能的鉸鏈。與圖24相似，圖32A式出了具有平行于入射光束延伸的柔性件96的微鏡片(當在這個圖中作為俯視圖來看時)并且該彎柔性件將微鏡片97連接到將微鏡片元件固定到襯底上的柱98上。入射光束能夠被引導到在圖32A中的箭頭5或6的方向上的陣列上(從上面所能看到的)。當然入射光束起源于平面之外(見圖11A到11E)。這樣的入射光束對于圖32B到32L是一樣的。圖32C到32E是這種類型的鉸鏈的另一個實施例。圖32F到32L是另一個鉸鏈和微鏡片的實施例的視圖，其中除了圖32J，鉸鏈都不平行于入射光束或前面的有效區(qū)域的邊延伸，并且仍然能導致微鏡片繞著垂直于入射光束的轉(zhuǎn)動軸轉(zhuǎn)動。
當平行于微鏡片的轉(zhuǎn)動軸(和垂直于入射光束)的微鏡片的邊沒有被最小化時，被這樣的微鏡片的邊衍射的光將通過收集光學系統(tǒng)，即使微鏡片在關(guān)狀態(tài)，這樣減小了反差比。如同在圖33A中所能見到的，一個“+”形狀的衍射圖案(由照明大體的正方形微鏡片陣列引起的，例如圖20的與陣列前面的邊成90度角的微鏡片)貫穿接收光錐區(qū)(圖中的圓圈)。衍射圖案在這個圖中能夠作為一系列暗點被看見(與相對應的較亮的背景)，該衍射圖案形成一條垂直的和一條水平的線，并且正好從接受光錐區(qū)體的圓圈下面穿過，該圓圈作為一個圓形黑實線被加在衍射圖案上。雖然沒有被示出，但是在微鏡片的開狀態(tài)下，兩條衍射線將穿過接受光錐區(qū)的圓圈之內(nèi)。因此，如同在圖33A中所能看到的，垂直的衍射線將進入收集光學系統(tǒng)的接受關(guān)錐區(qū)，即使當微鏡片在關(guān)狀態(tài)，這樣減小了反差比。圖33B是由照明一個成45度角的正方形微鏡片的陣列引起的衍射圖案。如同在圖38B中所能看到的，與圖33A相比，穿過接受光錐區(qū)(圖33B中的黑色小實心圓圈)的衍射光被減少了。然而，如同上面提到的，雖然通過這樣的照明衍射被減小了，但是回引起其它的問題。
作為對比，如同在圖33C中所能看到的，本發(fā)明的衍射圖案(來自圖28的在關(guān)狀態(tài)的微鏡片)沒有延伸通過收集光學系統(tǒng)接受光錐區(qū)的衍射線，或者當微鏡片在開狀態(tài)時光線被引導到的空間區(qū)域。這樣，基本上上沒有衍射光通過當微鏡片在開狀態(tài)時光線經(jīng)過的區(qū)域。隨著正交于陣列的有效區(qū)域(和/或正交于列或行)的照明光，產(chǎn)生這樣一種衍射圖案的微鏡片陣列是新的。同樣的，微鏡片結(jié)構(gòu)、因此鉸鏈和微鏡片的光源裝置、有效區(qū)域的邊/或者尋址的行和列也是新的。
本發(fā)明根據(jù)具體實施例被描述。然而，熟悉本領(lǐng)域的技術(shù)人員將會理解很多變化存在于這里所描述的實施例的說明中。例如，本發(fā)明的微鏡片的形狀能夠被用于光學開關(guān)中的微鏡片(例如，如披露在于2000年7月17日提交的Huibers等人的美國專利申請09/617,149中和于2000年9月8日提交的Huibers的美國專利申請60/231,041中，兩個專利申請通過參考被結(jié)合于此)以減少開關(guān)中的衍射。此外，本發(fā)明的微鏡片能夠依照結(jié)構(gòu)和方式被制造。如同那些披露在于2001年1月22日提交的T rue等人的美國專利申請09/767,632，于2000年8月3日提交的Huibers等人的美國專利申請09/631,536，于2001年5月22日提交的Patel等人的美國專利申請60/293,092，以及于2000年8月11日提交的Haiber等人的美國專利申請06/637,479中的。同樣，雖然一個標準的紅/綠/藍或紅/綠/白色度轉(zhuǎn)輪能夠在結(jié)合了本發(fā)明的微鏡片的投影顯示器中被使用。但是其他的色度轉(zhuǎn)輪也能被使用，例如披露在提交于2001年2月9日提交的Huibers的美國臨時專利申請60/267,648，和于2001年2月6日提交的Richards等人的美國專利申請60/266,780中的，兩個專利申請通過參考被結(jié)合于此。
同樣的，本發(fā)明適合于使用可移動(和可替換)襯底的方法，可移動(和可替換)的襯底用于單個和組合目的，例如披露在于2001年3月15日提交的Patel等人的美國臨時專利申請60/276,222中的。此外，本發(fā)明的微鏡片能夠在陣列中通過脈寬調(diào)制被驅(qū)動，例如如同在于2000 5月3日提交的Richards的美國專利申請09/564,069中的，其主題內(nèi)容通過參考被結(jié)合于此。更進一步地，如果鹵化物或惰性氣提交的Patel等人的美國專利申請09/427,841和于2000年8月28日提交Patel等人的美國專利申請09/649,569中的方法能夠被使用，兩個專利申請通過參考被結(jié)合于此。或者犧牲材料以及用于去除它們的方法能夠是那些于2001年6月5日提交的reid等人的美國專利申請60/298,529中提出的。此外其他的結(jié)構(gòu)材料能夠被使用，例如，于2000年8月23日提交的美國專利申請60/228,007中提出的和于2001年6月22日提交的美國專利申請60/300,533中的MEMS材料。上述每個專利和申請通過參考被結(jié)合于此。
貫穿本申請的結(jié)構(gòu)或?qū)幼鳛樵谏厦?或沉積在上面)、或跨過其它的層或結(jié)構(gòu)或在其它的層或結(jié)構(gòu)之上、或臨接其它的層或結(jié)構(gòu)等等被公開。應該認識到這意味著，直接或間接的在上面、跨過、在上方、臨接等等。由于應該認識到在現(xiàn)有技術(shù)中多種中間層或結(jié)構(gòu)能夠被放入包括但并不限于密封層、粘和層、導電層、用于減小摩擦的層等等。以同樣的方式，由于附加的結(jié)構(gòu)或?qū)樱缫r底或?qū)舆@樣的結(jié)構(gòu)能夠是一個疊層。同樣地，當短語“至少一個”或“一個或多個”(或類似的)被使用時，是用來強調(diào)特定的結(jié)構(gòu)或者層的潛在的復數(shù)性質(zhì)，然而這個措辭應該決不意味著沒有以這種方式提出的特定的結(jié)構(gòu)或者層缺少復數(shù)性質(zhì)。以同樣的方式，當短語“直接或間接”被使用，應該決不限制這些短語沒有被使用的地方，意味著在別的任何地方是直接或間解的意思。同樣地，“MESE”、“微機械的”和“微機電的”在此是可替代地被使用，并且結(jié)構(gòu)可以有也可以沒有電氣元件。最后，短語“用于…的裝置”中的“裝置”在權(quán)利要求中特別地提出，這并不意味著在權(quán)利要求中是任何元件，而是依照特定的關(guān)于短語“用于…的裝置”的特定規(guī)定解釋。
權(quán)利要求
1.一種后屏幕投影或者前屏幕投影電視，其包括光源，用于提供光；微鏡片陣列，構(gòu)成該微鏡片陣列的每個微鏡片具有由四條微鏡片的邊限定的四邊形形狀；屏幕，被觀看圖像顯示在該屏幕上；其中在工作時，來自光源的光入射到該微鏡片陣列上并且作為矩形圖像被引導到該屏幕上；其中該微鏡片是用脈寬調(diào)制的，能夠在開狀態(tài)和關(guān)狀態(tài)之間移動以在該屏幕上獲得灰度圖像；并且其中每個微鏡片均對應于該屏幕上的該被觀看圖像中的一個像素；并且其中該被觀看圖像具有四條邊，并且在該被觀看圖像中的像素的邊不與任何圖像的邊平行。
2.如權(quán)利要求1的投影電視，其進一步包括彩色轉(zhuǎn)盤。
3.如權(quán)利要求2的投影電視，其進一步包括光管。
4.如權(quán)利要求1的投影電視，其為前投影電視。
5.如權(quán)利要求1的投影電視，其為投影電視。
6.一種后屏幕投影或者前屏幕投影電視，其包括光源，用于提供光；微鏡片陣列；屏幕，被觀看圖像顯示在該屏幕上；其中在工作時，光從該光源入射到該微鏡片陣列上并且作為矩形圖像被引導到該屏幕上；其中構(gòu)成該微鏡片陣列的微鏡片是用脈寬調(diào)制的，能夠在開狀態(tài)和關(guān)狀態(tài)之間移動以在該屏幕上獲得灰度圖像；并且每個微鏡片均對應于該屏幕上被觀看圖像中的一個像素；并且其中該被觀看圖像具有四條邊，并且其中每個微鏡片在該屏幕上形成一個對應的微鏡片圖像，該微鏡片在該屏幕上的矩形圖像的一條邊的方向上具有一個單獨的凸狀的突起，并且該微鏡片沒有與該矩形圖像的邊真正平行的邊；其中該微鏡片的水平行，依平行于該矩形圖像的一邊的行，而從一個角落到另一角落地延伸，并且其中在各行中與尋址列對應的垂直線從每個微鏡片延伸而連接到每個其它行的微鏡片；并且其中該微鏡片的垂直列，依平行于該矩形圖像的一邊的列，而從一個角落到另一角落地延伸，并且其中在各列中與尋址行對應的水平線從每個微鏡片延伸并且連接到每個其它列的微鏡片。
7.如權(quán)利要求6的投影電視，進一步包括彩色轉(zhuǎn)盤。
8.如權(quán)利要求7的投影電視，進一步包括光管。
9.如權(quán)利要求6的投影電視，其為前投影電視。
10.如權(quán)利要求6的投影電視，其為后投影電視。
全文摘要
本發(fā)明提供了一種后屏幕投影或者前屏幕投影電視，包括光源、微鏡片陣列和屏幕。微鏡片陣列中的微鏡片具有四邊形形狀。在工作時，光從光源的入射到且以矩形圖像的形式被引導到屏幕上，該微鏡片用脈寬調(diào)制，能在開狀態(tài)和關(guān)狀態(tài)之間移動以屏幕上獲得灰度圖像；每個微鏡片均對應于屏幕上被觀看圖像中的一個像素；并且被觀看圖像中的像素的邊不與任何圖像的邊平行。本發(fā)明還提供了另一種后屏幕投影或者前屏幕投影電視，其包括光源、微鏡片陣列和屏幕。其中屏幕圖像具有四條邊，每個微鏡片在屏幕上形成一個對應的微鏡片圖像，該微鏡片在該屏幕圖像的一條邊的方向上具有一個單獨的凸狀突起，且該微鏡片沒有與該屏幕圖像的邊真正平行的邊。
文檔編號G02B27/18GK1567019SQ200410054658
公開日2005年1月19日 申請日期2001年8月3日 優(yōu)先權(quán)日2000年8月3日
發(fā)明者A·G·胡伊博斯, F·伊爾科夫, S·帕特爾, P·W·理查茲, J·斯托克頓 申請人:反射公司