專利名稱：數(shù)字微鏡器件的制作方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明涉及數(shù)字鏡器件(DMD)。本發(fā)明被開發(fā)主要是為了提供一種可以用直接的 MEMS(微電子機(jī)械系統(tǒng))制造步驟制造的改善的器件。
背景技術(shù)：
數(shù)字微鏡器件(DMD)現(xiàn)在比較常見于諸如數(shù)據(jù)投影機(jī)之類的眾多光學(xué)設(shè)備中。在這樣的設(shè)備中，圖像由在半導(dǎo)體芯片(DMD)上排列成矩陣的多個(gè)微小的反射鏡生成。每個(gè)反射鏡表示所投影的圖像內(nèi)的一個(gè)或多個(gè)像素。反射鏡的數(shù)目與所投影的圖像的分辨率相應(yīng)。DMD技術(shù)由德克薩斯儀器公司在二十世紀(jì)八十年代開發(fā)(例如，參見US 4，956，619、US 4，662，746 以及有關(guān)專利)。DMD芯片的表面上有幾十萬個(gè)微小的反射鏡，這些反射鏡被排列成矩形陣列，與要顯示的圖像內(nèi)的像素相應(yīng)。可以使這些反射鏡各自轉(zhuǎn)動(dòng)士 10-12°，成為接通或斷開狀態(tài)。 在接通狀態(tài)，將來自投影機(jī)燈泡的光線反射入鏡頭，使像素在屏幕上呈現(xiàn)為亮的。在斷開狀態(tài)，將光線導(dǎo)向別處(通常是引導(dǎo)到一個(gè)散熱器上)，使像素呈現(xiàn)為暗的。為了產(chǎn)生灰度，使反射鏡非常快地進(jìn)行通斷切換，而接通時(shí)間與斷開時(shí)間之比就確定了所產(chǎn)生的色調(diào)(二進(jìn)制脈沖寬度調(diào)制)。現(xiàn)代DMD芯片可以產(chǎn)生多達(dá)IOM個(gè)灰色調(diào)。反射鏡本身由鋁制成，通常為邊長(zhǎng)約16微米的正方形。每個(gè)反射鏡通過從反射鏡的下表面伸出的剛性桿安裝在軛架上。軛架由柔順的扭鉸鏈支承，使得軛架(從而反射鏡) 可以在它的接通和斷開的位置之間運(yùn)動(dòng)。扭鉸鏈?zhǔn)潜容^耐疲勞和抗震的。電極通過靜電引力/斥力來控制反射鏡的位置。鉸鏈的每一側(cè)都設(shè)置有一對(duì)電極，一個(gè)作用于軛架而另一個(gè)直接作用于鋁反射鏡。大約20-30伏的偏置電位加到反射鏡和軛架上，而用5伏的CMOS(互補(bǔ)金屬氧化物半導(dǎo)體)訪問電極。因此，在反射鏡一側(cè)的電極被驅(qū)動(dòng)到+5V時(shí)，反射鏡就向電極處于OV的相對(duì)側(cè)傾斜。使CMOS電壓反向，就導(dǎo)致反射鏡反向傾斜。因此，每個(gè)反射鏡的接通/斷開狀態(tài)是可通過CMOS控制的。對(duì)于諸如上述的DMD的更為詳細(xì)的說明，可參見David Armitage等人的 “Introduction to Microdisplays" (John Wiley and Sons，2006)oDMD的設(shè)計(jì)在過去的十來年間相對(duì)沒有什么改變。然而，它們?cè)诿總€(gè)反射鏡組件內(nèi)有若干活動(dòng)部件的較為復(fù)雜的設(shè)計(jì)需要相應(yīng)復(fù)雜的MEMS制造工藝。這種復(fù)雜性增大了制造成本，而且可能影響到每個(gè)反射鏡組件可以小型化的程度。所希望的是提供一種比已知的DMD設(shè)計(jì)相對(duì)簡(jiǎn)單的DMD。

發(fā)明內(nèi)容
在第一方面，提供了一種包括位于基片上的微鏡組件的陣列的數(shù)字微鏡器件，每個(gè)微鏡組件包括
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與基片隔開的反射鏡，所述反射鏡具有上反射面和下支承面；支承反射鏡的桿，所述桿從所述基片延伸到所述下支承面，所述桿形成反射鏡的傾斜軸；第一電極和第二電極，所述第一電極和第二電極分別位于所述桿的兩側(cè)，每個(gè)電極都是可通過所述基片內(nèi)的電子電路個(gè)別訪問的，其中，所述桿由彈撓性材料構(gòu)成，使得所述反射鏡能夠憑借靜電力向所述第一電極或向所述第二電極傾斜。由于所述反射鏡繞撓性桿傾斜，本發(fā)明避免了在常規(guī)的DMD內(nèi)的軛架和扭鉸鏈結(jié)構(gòu)。這大大地簡(jiǎn)化了 DMD的總體設(shè)計(jì)和制造。任選的是，所述桿由諸如聚二甲基硅氧烷(PDMS)之類的聚合物構(gòu)成。PDMS具有較小的楊氏模量(小于IOOOMPa)，使桿能被通過電極所施加的靜電力彎曲。此外，本申請(qǐng)人以前已說明PDMS在MEMS器件中的應(yīng)用和它容易結(jié)合入MEMS制造工藝的情況。任選的是，所述上反射面整個(gè)區(qū)域是平的。這與現(xiàn)有技術(shù)的DMD在上反射面內(nèi)有著由于與桿連接而產(chǎn)生的壓痕完全不同。與現(xiàn)有技術(shù)的器件相比，完全平的上反射面有益地改善了光學(xué)質(zhì)量。任選的是，所述反射鏡包括形成上反射面的金屬板。任選的是，所述金屬板是鋁板。任選的是，所述反射鏡還包括所述金屬板的支承臺(tái)，所述支承臺(tái)形成所述下支承面。因此，反射鏡通常是合成一體的包括上金屬板和金屬板的下支承臺(tái)的兩部分結(jié)構(gòu)。任選的是，所述支承臺(tái)與所述金屬板是基本上共同延伸的。任選的是，所述支承臺(tái)和所述桿由同樣的材料構(gòu)成。通常，桿和支承臺(tái)在單個(gè)淀積步驟中一起形成。例如，淀積PDMS可以一起形成桿和支承臺(tái)。任選的是，所述第一電極和第二電極形成所述反射鏡的第一和第二著落墊。任選的是，所述反射鏡具有分別接觸第一和第二著落墊的第一和第二接觸點(diǎn)，其中所述第一和第二接觸點(diǎn)由聚合物構(gòu)成。由于接觸點(diǎn)由聚合物(例如PDMS)構(gòu)成，因此使反射鏡成為粘到任一電極上的趨勢(shì)減到最小。任選的是，所述支承臺(tái)形成所述第一和第二接觸點(diǎn)。因此不需要附加的部件來解決可能的靜摩擦問題。支承臺(tái)具有支承上鋁反射板和使反射鏡與電極之間的靜摩擦減到最小的雙重功能。任選的是，所述反射鏡電連接到偏置電位。偏置電位通常使反射鏡保持在高電位， 使得反射鏡可在受CMOS電壓(通常為5V)控制的電極的作用下傾斜。所述桿可以由導(dǎo)電聚合物構(gòu)成，因此桿提供與偏置電位的電連接。例如，桿可以由注入了金屬離子的PDMS構(gòu)成?；蛘?，可以將多個(gè)反射鏡按行聯(lián)接在一起，每行在一端電連接到偏置電位。因此， 可以通過公共的接觸點(diǎn)將偏置電位施加到整個(gè)一行的反射鏡上。任選的是，每行反射鏡具有一個(gè)共同的傾斜軸。任選的是，一行內(nèi)的相鄰反射鏡通過鏈接聯(lián)接在一起，鏈接是沿共同的傾斜軸對(duì)準(zhǔn)的。任選的是，所述基片是包括一個(gè)或多個(gè)CMOS層的硅基片，這些CMOS層包括電子電路。在第二方面，提供了一種包括上述的數(shù)字微鏡器件的投影機(jī)。采用DMD的投影機(jī)和投影機(jī)系統(tǒng)對(duì)于技術(shù)人員來說是眾所周知的。在第三方面，提供了一種制造微鏡組件的方法，這種方法包括下列步驟(a)在基片的表面上形成一對(duì)隔開的電極，電極接到基片內(nèi)的底層電子電路上；(b)在電極和基片上淀積一層犧牲材料；(C)在犧牲材料中形成桿開口以便形成支架，桿開口定位在電極之間；(d)在支架上淀積一層彈撓性材料；(e)在撓性層上淀積一個(gè)金屬層；(f)蝕穿金屬層和撓性層，以形成支承在撓性材料的桿上的個(gè)體微鏡，該微鏡包括熔合到支承臺(tái)上的金屬層；以及(g)除去犧牲材料，以提供微鏡組件。按照第三方面的方法提供了一種用極少的制造步驟制造DMD的簡(jiǎn)單而有效的方法。任選的是，彈撓性材料包括聚二甲基硅氧烷(PDMS)。任選的是，犧牲材料是光刻膠。任選的是，金屬層包括鋁。任選的是，在基片上同時(shí)制造由一些微鏡構(gòu)成的陣列，所述陣列形成數(shù)字微鏡器件。任選的是，基片是包括一個(gè)或多個(gè)CMOS層的硅基片，這些CMOS層包括電子電路。在第四方面，提供了一種包括由桿支承的可傾斜反射鏡的微鏡組件，其中所述桿由彈撓性材料構(gòu)成。任選的是，所述可傾斜的反射鏡包括具有上反射面的金屬層。任選的是，所述可傾斜的反射鏡還包括支承臺(tái)，所述金屬層安裝在該支承臺(tái)上，所述支承臺(tái)由彈撓性材料構(gòu)成。任選的是，所述彈撓性材料包括聚二甲基硅氧烷(PDMS)。任選的是，所述反射鏡是可用靜電力傾斜的。任選的是，所述桿兩側(cè)設(shè)置有一對(duì)電極，所述電極提供至少部分靜電力。


下面將參照附圖對(duì)本發(fā)明的任選實(shí)施例進(jìn)行例示性的說明，在這些附圖中圖1為按照本發(fā)明的DMD的示意性剖視圖；圖2示出了圖1的DMD處在傾斜位置的情況；圖3為圖1所示的DMD的平面圖；圖4示出了 MEMS制造中形成電極的第一階段；圖5示出了 MEMS制造中形成犧牲支架的第二階段；圖6示出了 MEMS制造中淀積反射鏡層和桿的第三階段；圖7示出了 MEMS制造中形成各個(gè)微鏡的第四階段；以及圖8示出了使用本發(fā)明的DMD的數(shù)據(jù)投影機(jī)。
具體實(shí)施例方式本申請(qǐng)人以前已說明了聚二甲基硅氧烷(PDMS)在MEMS器件中的通用性(例如， 參見2008年6月20日提交的美國(guó)申請(qǐng)No. 12/142，779和2007年3月12日提交的美國(guó)申請(qǐng)No. 11/685，084，這兩個(gè)申請(qǐng)的內(nèi)容通過引用包括在這里)。特別是，將PDMS用于傳統(tǒng)的 MEMS制造工藝已導(dǎo)致了機(jī)械噴墨設(shè)備的改善，而且打開了單片上實(shí)驗(yàn)室設(shè)備和顯微分析系統(tǒng)的新領(lǐng)域?，F(xiàn)在已發(fā)現(xiàn)，PDMS具有適合用于DMD的特性，使得DMD可以具有比市售的DMD簡(jiǎn)單得多的設(shè)計(jì)。參見圖1和2，圖中示出了按照本發(fā)明的數(shù)字微鏡器件的一部分。DMD包括在基片2的表面上排列成矩陣的多個(gè)微鏡組件1。通常，每個(gè)微鏡組件1與相鄰的微鏡組件的間隔小于5微米(例如，為2微米)。微鏡組件包括與基片1隔開的反射鏡5。每個(gè)反射鏡通常是正方形的，長(zhǎng)度在大約10至20微米的范圍內(nèi)。反射鏡5包括形成反射鏡的上反射面8的鋁板7。反射鏡5還包括形成反射鏡的下支承面11的支承臺(tái)10。鋁板7在DMD的MEMS制造期間熔合到支承臺(tái)10上。由于鋁板粘貼在支承臺(tái)10上，因此可以將反射鏡5上反射面8制作成整個(gè)區(qū)域完全是平的。這有益地提供了優(yōu)異的光清晰度。相反，現(xiàn)有技術(shù)的DMD在反射面內(nèi)有著由于支承柱連接到反射鏡上而引起的壓痕。雖然鋁是在DMD中通常使用的反射物質(zhì)，但可以理解，可以用其他金屬(例如，鈦) 來代替。反射鏡5由從基片2延伸到下支承面11的彈撓性桿13支承。桿13和支承臺(tái)10 兩者形成由相同的撓性材料構(gòu)成的一體結(jié)構(gòu)。通常，桿13和支承臺(tái)10由楊氏模量小于 IOOOMPa的聚合物構(gòu)成。形成桿13的優(yōu)選材料是楊氏模量為600ΜΙ^左右的聚二甲基硅氧焼。桿13形成反射鏡5的傾斜軸。如從圖2可以極為清楚地看到的那樣，反射鏡5能繞傾斜軸傾斜最多士 15度角左右，通常為士7到10度。彈撓性桿13與剛性桿在它的基底鉸接以允許反射鏡傾斜的現(xiàn)有技術(shù)DMD形成對(duì)照。桿13可以呈現(xiàn)為連接在反射鏡5的質(zhì)心的支承柱?；蛘撸瑮U13可以至少部分沿傾斜軸延伸。通常，桿13呈現(xiàn)為沿傾斜軸延伸并與反射鏡5共同延伸的支承壁。第一電極15和第二電極16分別位于桿13的兩側(cè)。第一和第二電極是可由硅基片1內(nèi)的電子電路個(gè)別訪問的，能通過靜電引力使反射鏡5傾斜。DMD的典型工作情況將在下面詳細(xì)說明。電子電路包含在基片上部的CMOS層18內(nèi)。如圖2中極為清楚地示出的那樣，第一和第二電極形成反射鏡5在傾斜時(shí)的著落墊?，F(xiàn)有技術(shù)的DMD的問題之一是在反射鏡/軛架與著落墊之間的靜摩擦力。靜摩擦力可以使反射鏡成為永久性地粘在著落墊上，導(dǎo)致反射鏡成為不起作用的。然而，在微鏡組件1 中，支承臺(tái)10形成接觸著落墊的第一和第二接觸點(diǎn)。由于支承臺(tái)10有益地由PDMS構(gòu)成， 任何靜摩擦力是極小的。與現(xiàn)有技術(shù)的DMD —致，本發(fā)明的DMD在反射鏡5由偏置電位保持在比較高的電位(例如20至50伏)的情況下工作最有效。這使得當(dāng)?shù)谝换虻诙姌O由底層的5伏CMOS 電路接通或斷開時(shí)所需的靜電力最大。
偏置電位可以通過支承桿13加到鋁板7上。雖然諸如PDMS之類的聚合物材料通常是電絕緣的，但可以通過注入諸如鈦離子之類的金屬離子使這樣的材料導(dǎo)電(例如，參見 Dubois et al，Sensors and Actuators A，130-131 U006)，147-154，其內(nèi)容通過引用包括在這里)。因此，采用導(dǎo)電桿13，可以將鋁板7保持在高的偏置電位。或者，通過如圖3所示將鋁板聯(lián)接在一起并將偏置電位從電壓源在一行的一端加到這行的反射鏡上，可以將偏置電位加到鋁板7上。鄰接的板7通過沿反射鏡的傾斜軸延伸的鏈接20菊鏈在一起。這些鏈接沿傾斜軸定位，以便使它們對(duì)反射鏡傾斜的阻抗減到最小。雖然鏈接20在反射鏡傾斜期間不可避免地受到小的扭力，但這些鏈接通常并不會(huì)由于這個(gè)扭力而疲勞。這是由于這些聯(lián)接件極小，允許立即解除任何晶體位錯(cuò)。在傳統(tǒng)的DMD內(nèi)的扭鉸鏈由于同樣原因也不疲勞?，F(xiàn)在參見圖2，圖中示出了處在傾斜位置的微鏡組件1。為了移到所示的傾斜位置，由CMOS電路18將第一電極15設(shè)置到+5V而將第二電極設(shè)置到0V。由于鋁板被偏置到大約+45V的電位，反射鏡5從第一電極受到靜電斥力，從而向第二電極傾斜。當(dāng)然，電極極性逆轉(zhuǎn)，就會(huì)使反射鏡5在相反方向上傾斜。為了將反射鏡5保持在它的傾斜位置，可以將兩個(gè)電極設(shè)置為+5V或0V?？梢岳斫猓趦A斜期間，桿13撓曲，以適應(yīng)反射鏡5傾斜。因此，與現(xiàn)有技術(shù)的設(shè)計(jì)不同，不需要任何復(fù)雜的允許反射鏡彈性傾斜的扭鉸鏈結(jié)構(gòu)?，F(xiàn)在參見圖4至7，在這些圖中示出了經(jīng)簡(jiǎn)化的制造圖1所示的DMD的MEMS制造工藝。在圖4至7中沒有示出CMOS層18。在圖4所示的第一步驟中，通過在CMOS基片1上淀積1微米的鋁層再蝕刻成各個(gè)第一和第二電極15和16，形成電極(或著落墊)。鋁電極與底層CMOS內(nèi)的上金屬層連接， 使得每個(gè)電極都是分別可控的。在圖5所示的第二步驟中，將一層光刻膠22旋壓到電極上，構(gòu)圖以形成桿開口 23。 這層光刻膠22對(duì)于以后的淀積PDMS和鋁起著犧牲支架的作用。在圖6所示的第三步驟中，在光刻膠層22上淀積一個(gè)PDMS層后，再淀積一個(gè)鋁層。PDMS層包括每個(gè)微鏡組件的桿13和支承臺(tái)10。鋁層包括具有上反射面8的板7。在圖7所示的第四步驟中，蝕刻PDMS和鋁層，形成各個(gè)反射鏡5。這個(gè)蝕刻步驟使用適當(dāng)構(gòu)圖的光刻掩膜(未示出)，為了蝕穿不同的層可能需要不同的蝕刻化學(xué)處理。在最后一個(gè)步驟中，通過暴露于氧化等離子體(例如02等離子體)將犧牲光刻膠 22除去。最后的“灰化”步驟形成圖1所示的DMD。圖8示出了典型的采用如上所述的DMD的數(shù)據(jù)投影機(jī)100 (例如圖像投影機(jī)或視頻投影機(jī))。任何包括已知的DMD的數(shù)據(jù)投影機(jī)也可以包括按照本發(fā)明的DMD。如在US 6，966，659中所述，投影機(jī)還可以包括打印從計(jì)算機(jī)系統(tǒng)101接收到的圖像的打印頭，該專利文件的內(nèi)容通過引用包括在這里。例如，打印輸出102可以從投影機(jī)100的后部彈出，如圖8所示。當(dāng)然，可以理解，以上對(duì)本發(fā)明所作的說明只是例示性的，在所附權(quán)利要求書確定的本發(fā)明的范圍內(nèi)可以進(jìn)行細(xì)節(jié)修改。
權(quán)利要求
1.一種數(shù)字微鏡器件，包括位于基片上的微鏡組件的陣列，每個(gè)微鏡組件包括與基片隔開的反射鏡，所述反射鏡具有上反射面和下支承面；支承所述反射鏡的桿，所述桿從所述基片延伸到所述下支承面，所述桿形成所述反射鏡的傾斜軸；第一電極和第二電極，所述第一電極和第二電極分別位于所述桿的兩側(cè)，每個(gè)電極都是可通過所述基片內(nèi)的電子電路個(gè)別訪問的，其中，所述桿由彈撓性材料構(gòu)成，使得所述反射鏡能夠憑借靜電力向所述第一電極或向所述第二電極傾斜。
2.根據(jù)權(quán)利要求1的數(shù)字微鏡器件，其中，所述桿由聚合物構(gòu)成。
3.根據(jù)權(quán)利要求1的數(shù)字微鏡器件，其中，所述桿由聚二甲基硅氧烷PDMS構(gòu)成。
4.根據(jù)權(quán)利要求1的數(shù)字微鏡器件，其中，所述上反射面整個(gè)區(qū)域是平的。
5.根據(jù)權(quán)利要求1的數(shù)字微鏡器件，其中，所述反射鏡包括形成所述上反射面的金屬板。
6.根據(jù)權(quán)利要求5的數(shù)字微鏡器件，其中，所述金屬板是鋁板。
7.根據(jù)權(quán)利要求5的數(shù)字微鏡器件，其中，所述反射鏡還包括所述金屬板的支承臺(tái)，所述支承臺(tái)形成所述下支承面。
8.根據(jù)權(quán)利要求7的數(shù)字微鏡器件，其中，所述支承臺(tái)與所述金屬板是基本上共同延伸的。
9.根據(jù)權(quán)利要求7的數(shù)字微鏡器件，其中，所述支承臺(tái)和所述桿由同樣的材料構(gòu)成。
10.根據(jù)權(quán)利要求1的數(shù)字微鏡器件，其中，所述第一電極和第二電極形成所述反射鏡的第一和第二著落墊。
11.根據(jù)權(quán)利要求10的數(shù)字微鏡器件，其中，所述反射鏡具有分別接觸第一和第二著落墊的第一和第二接觸點(diǎn)，以及其中，所述第一和第二接觸點(diǎn)由聚合物構(gòu)成。
12.根據(jù)權(quán)利要求11的數(shù)字微鏡器件，其中，所述支承臺(tái)形成所述第一和第二接觸點(diǎn)。
13.根據(jù)權(quán)利要求1的數(shù)字微鏡器件，其中，所述反射鏡與偏置電位電連接。
14.根據(jù)權(quán)利要求13的數(shù)字微鏡器件，其中，所述桿由導(dǎo)電聚合物構(gòu)成，所述桿提供與所述偏置電位的電連接。
15.根據(jù)權(quán)利要求14的數(shù)字微鏡器件，其中，所述桿由注入了金屬離子的聚二甲基硅氧烷PDMS構(gòu)成。
16.根據(jù)權(quán)利要求13的數(shù)字微鏡器件，其中，多個(gè)反射鏡按行聯(lián)接在一起，每行在一端電連接到所述偏置電位。
17.根據(jù)權(quán)利要求1的數(shù)字微鏡器件，其中，每行反射鏡具有一個(gè)共同的傾斜軸。
18.根據(jù)權(quán)利要求1的數(shù)字微鏡器件，其中，一行內(nèi)的相鄰反射鏡通過鏈接聯(lián)接在一起，所述鏈接是沿所述共同的傾斜軸對(duì)準(zhǔn)的。
19.根據(jù)權(quán)利要求1的數(shù)字微鏡器件，其中，所述基片是包括一個(gè)或多個(gè)CMOS層的硅基片，所述CMOS層包括所述電子電路。
20.一種投影機(jī)，包括根據(jù)權(quán)利要求1的數(shù)字微鏡器件。
全文摘要
一種數(shù)字微鏡器件包括位于基片上的微鏡組件的陣列。每個(gè)微鏡組件包括與基片隔開的反射鏡；支承反射鏡的桿；以及分別位于桿兩側(cè)的第一電極和第二電極。桿由彈撓性材料構(gòu)成，使得反射鏡能夠憑借靜電力向第一電極或向第二電極傾斜。這種數(shù)字微鏡器件可以用于數(shù)據(jù)投影機(jī)之類。
文檔編號(hào)B81B7/04GK102239436SQ200880132192
公開日2011年11月9日 申請(qǐng)日期2008年12月17日 優(yōu)先權(quán)日2008年12月17日
發(fā)明者G·J·麥克沃依, K·西爾弗布魯克, 歐瑞麗 R·P·S, V·P·勞勒 申請(qǐng)人:西爾弗布魯克研究股份有限公司