DE69634222T2

DE69634222T2 - Weiterbildungen einer digitalen Mikro-Spiegelvorrichtung (DMD)

Info

Publication number: DE69634222T2
Application number: DE69634222T
Authority: DE
Inventors: Larry J. Hornbeck
Original assignee: Texas Instruments Inc
Current assignee: Texas Instruments Inc
Priority date: 1995-04-18
Filing date: 1996-04-18
Publication date: 2006-01-05
Anticipated expiration: 2016-04-19
Also published as: TW295631B; EP0738910A3; EP0738910A2; KR960038437A; JPH08334709A; JP3851679B2; CA2173637A1; DE69634222D1; CN1160218A; KR100416679B1; US5535047A; EP0738910B1; CA2173637C

Description

Technisches Gebiet der Erfindung
Die vorliegende Erfindung bezieht sich allgemein auf räumliche Lichtmodulatoren zur Modulation von einfallendem Licht, um ein optisches Lichtbild darzustellen, und genauer auf ein digitales Mikrospiegelgerät (DMD), das eine Anordnung von bistabilen, über Adressierungsschaltungen gefertigten Mikrospiegeln aufweist.
Hintergrund der Erfindung
Räumliche Lichtmodulatoren (SLMs) haben auf den Gebieten von optischer Informationsverarbeitung, Projektionsanzeigen, Video- und Grafikmonitoren, Fernsehgeräten und elektrofotografischem Druck zahlreiche Anwendungen gefunden. SLMs sind Geräte, die einfallendes Licht in einem räumlichen Muster modulieren, um ein Lichtbild entsprechend einer elektrischen oder optischen Eingabe darzustellen. Das einfallende Licht kann bezüglich seiner Phase, seiner Intensität, seiner Polarisation oder seiner Richtung moduliert werden. Die Lichtmodulation kann durch eine Vielzahl von Materialien, die verschiedene elektrooptische oder magnetooptische Effekte aufweisen, und durch Materialien, die Licht durch Oberflächenverformung modulieren, erreicht werden.
Typischerweise besteht ein SLM aus einer Fläche oder einer linearen Anordnung adressierbarer Bildelemente (Pixel). Quellenpixeldaten werden zunächst von einem zugehörigen Steuerkreis formatiert, der sich normalerweise außerhalb des SLM befindet, und dann Rahmen für Rahmen in die Pixelanordnung geladen. Diese Pixeldaten können unter Verwendung einer Vielzahl von Algorithmen in die Pixelanordnung geschrieben werden, d.h. sequentiell eine Pixelzeile zur selben Zeit von oben nach unten, überlappend durch sequentielle Adressierung jeder zweiten Pixelzeile von oben nach unten, wie zum Beispiel die ungeraden Pixelreihen, um danach zur Adressierung der geraden Pixelzeilen zurückzukehren, etc. In Kathodenstrahlröhren (CRTs) ist diese Datenschreibtechnik als Rastern bekannt, wobei eine Hochleistungselektronenkanone die Pixelelemente eines Leuchtstoffschirms Zeile für Zeile von links nach rechts abtastet. Dieses Pixeladressdaten-Schreibschema kann gleichermaßen auch für Flüssigkristallanzeigen (LCDs) angewendet werden.
Eine neue Innovation von Texas Instruments Incorporated aus Dallas, Texas, ist das digitale Mikrospiegelgerät oder das verformbare Spiegelgerät (gemeinsam DMD). Das DMD ist ein elektrischer/mechanischer/optischer SLM, geeignet zur Anwendung in Anzeigen, Projektoren und Hartkopiedruckern. Das DMD ist ein monolithischer, integrierter Ein-Chip-Schaltungs-SLM, der aus einer hochdichten Anordnung von 16 μm großen, quadratischen, beweglichen Mikrospiegeln auf 17 μm großen Zentren besteht. Diese Spiegel sind über Adressierungsschaltungen gefertigt, einschließlich einer Anordnung von SRAM-Zellen und Adresselektroden. Jeder Spiegel bildet ein Pixel der DMD-Anordnung und ist bistabil, das heißt stabil in einer von zwei Positionen, wobei eine auf den Spiegel gerichtete Lichtquelle in eine von zwei Richtungen reflektiert wird. In einer stabilen Spiegelstellung „an" wird auf diesen Spiegel einfallendes Licht zu einer Projektorlinse reflektiert und auf einem Anzeigeschirm oder einem lichtempfindlichen Element eines Druckers fokussiert. In der anderen Spiegelstellung „aus" wird auf den Spiegel gerichtetes Licht zu einem Lichtabsorber abgelenkt. Jeder Spiegel der Anordnung wird individuell so gesteuert, dass er einfallendes Licht entweder in die Projektorlinse oder an den Lichtabsorber leitet. Letztlich fokussiert und vergrößert die Projektorlinse das modulierte Licht von den Pixelspiegeln auf einem Anzeigeschirm und erzeugt im Falle einer Anzeige ein Bild. Wenn sich jeder Pixelspiegel der DMD-Anordnung in der „an"-Position befindet, ist das angezeigte Bild eine Anordnung von hellen Pixeln.
Für eine ausführlichere Erläuterung des DMD-Geräts und der Anwendungen wird auf U.S. Patent 5,061,049 an Hornbeck mit dem Titel „Spatial Light Modulator and Method"; U.S. Patent 5,079,544 an DeMond, et al, mit dem Titel „Standard Independent Digitized Video System"; und U.S. Patent 5,105,369 an Nelson mit dem Titel „Printing System Exposure Module Alignment Method and Apparatus of Manufacture" verwiesen, wobei jedes Patent an denselben Zessionar der vorliegenden Erfindung erteilt wurde. Grauskalierung der das Bild darstellenden Pixel wird durch Pulsbreitenmodulationstechniken der Spiegel erreicht, wie zum Beispiel die im U.S. Patent 5,278,652 mit dem Titel „DMD Architecture and Timing for Use in a Pulse-Width Modulated Display System", das an denselben Zessionar der vorliegenden Erfindung erteilt wurde, beschriebene Technik.
Das DMD ist dahingehend revolutionär, dass es eine wirklich digitale Anzeigevorrichtung und eine Lösung mit integrierter Schaltung ist. Die Entwicklung und die Veränderungen des DMD können durch Lesen diverser allgemein erteilter Patente verstanden werden. Die „erste Generation" von DMD räumlichen Lichtmodulatoren implementierten einen ablenkbaren Träger, wobei der Spiegel und der Träger ein und dasselbe waren. Das heißt, dass eine elektrostatische Kraft zwischen dem Spiegel und der darunter liegenden Adresselektrode erzeugt wurde, um eine entsprechende Ablenkung zu induzieren. Die Ablenkung dieser Spiegel kann variabel sein und in der analogen Betriebsart funktionieren, und sie kann einen Blattfeder oder einen freitragenden Träger umfassen, wie im allgemein erteilten U.S. Patent 4,662,746 an Hornbeck mit dem Titel „Spatial Light Modulator and Method", U.S. Patent 4,710,732 an Hornbeck mit dem Titel „Spatial Light Modulator and Method", und U.S. Patent 5,172,262 an Hornbeck mit dem Titel „Spatial Light Modulator and Method" offenbart.
Dieses DMD der ersten Generation kann auch als digitale oder bistabile Vorrichtung verkörpert sein. Der Träger (Spiegel) kann einen Spiegel enthalten, der von einem Torsionsscharnier getragen wird und axial in eine von zwei Richtungen um 10 Grad gedreht wird, bis die Spiegelspitze auf einer Landeplatte landet. Solch ein Ausführungsbeispiel wird im allgemein erteilten U.S. Patent 5,061,049 an Hornbeck mit dem Titel „Spatial Light Modulator and Method" offenbart. Um die van-der-Waals-Kräfte zwischen den Spiegelspitzen und den Landeplatten zu begrenzen, können die Landeplatten von einer orientierten Monoschicht, die auf der Landeplatte gebildet wird, passiviert werden. Diese Monoschicht verringert die van-der-Waals-Kräfte und verhindert ein Festkleben des Spiegels auf der Elektrode. Diese Technik wird im allgemein erteilten U.S. Patent 5,331,454 an Hornbeck mit dem Titel „Low Reset Voltage Process for DMD" offenbart.
Eine „zweite Generation" des DMD ist im allgemein erteilten U.S. Patent 5,083,857 mit dem Titel „Multi-Level Deformable Mirror Device", sowie in der gleichzeitig anhängigen europäischen Patentanmeldung mit der Seriennummer 94120234.3 und dem Titel „Improved Multi-Level digital Micromirror Device", angemeldet am 20. Dezember 1994, Veröffentlichungsnummer 0664470, veröffentlicht am 26. Juli 1995 verkörpert. In dieser Vorrichtung der zweiten Generation befindet sich der Spiegel erhöht über einem Joch, wobei dieses Joch über der Adressierungsschaltung mit einem Paar Torsionsscharniere getragen wird. Wie in 3 dieser Anmeldung abgebildet, wird zwischen dem erhöhten Spiegel und einer erhöhten Elektrode eine elektromagnetische Kraft erzeugt. Beim Drehen kommt das Joch in Kontakt mit einer Landeelektrode, wobei die Spiegelspitzen niemals in Kontakt mit irgendeiner Struktur kommen. Der kürzere Momentarm des Jochs macht ca. 50% des Spiegels aus und gestattet es, dass auf Grund der Tatsache, dass die Spiegelspitze frei beweglich ist, Energie durch Rücksetzimpulse effizienter in den Spiegel gekoppelt wird. Das Anlegen resonanter Rücksetzimpulse an den Spiegel, um die Befreiung der schwenkbaren Struktur von der Landeelektrode zu unterstützen, wird im allgemein erteilten U.S. Patent 5,096,279 mit dem Titel „Spatial Light Modulator and Method" und im U.S. Patent 5,233,456 mit dem Titel „Resonant Mirror and Method of Manufacture" offenbart. Eine bestimmte Menge des zwischen dem Spiegel und der erhöhten Adresselektrode erzeugten Adressmoments wird jedoch im Vergleich zu Vorrichtungen der ersten Generation geopfert, da das Joch den Flächenbereich der Adresselektrode leicht verringert.
Es wird gewünscht, einen verbesserten DMD zu liefern, der eine effizientere Rücksetzaktion hat, und eine Vorrichtung mit mehr Adressmoment, Haltemoment und Adresshaltemoment zu entwickeln. Die verbesserte Vorrichtung würde vorzugsweise unter Verwendung der Basisfertigungsverfahren gefertigt.
Zusammenfassung der Erfindung
Die vorliegende Erfindung erreicht technische Vorteile als DMD räumlicher Lichtmodulator durch laterale Erweiterung des Jochs in einer Richtung, die parallel zu den Scharnieren ist, so dass das Joch einen erheblichen Teil eines ersten Paares von Adresselektroden überlappt. Ein zweites Paar erhöhter Adresselektroden wird seitlich des Jochs und unter einem erhöhten, vom Joch getragenen Spiegel bereitgestellt. Adressmoment wird zwischen dem ersten Paar Adresselektroden und dem Joch erreicht, und zwischen dem erhöhten zweiten Paar Adresselektroden und dem erhöhten Spiegel. Das Joch hat zu den darunter liegenden Adresselektroden einen kleineren Abstand, als der Spiegel in Bezug auf die erhöhten Adresselektroden positioniert ist. Da die Kraft pro Flächeneinheit zwischen den einander gegenüberliegenden Bestandteilen proportional zu eins geteilt durch das Quadrat der Abstände ist, ist die Kraft pro Flächeneinheit zwischen dem Joch und dem darunter liegenden ersten Paar Adresselektroden bis zu 4 mal größer als die Kraft pro Flächeneinheit zwischen dem Spiegel und dem erhöhten zweiten Paar Adresselektroden. Die vorliegende Erfindung hat im Vergleich zu früheren Generationen ohne Änderung des Fertigungsflusses ein überlegenes Adressmoment, Haltemoment, Adresshaltemoment und eine überlegene Rücksetzkraft.
Die vorliegende Erfindung umfasst einen räumlichen Lichtmodulator einschließlich eines Substrats. Eine Adressierungsschaltung, die einen ersten Abschnitt umfasst, wird in der Nähe des Substrats bereitgestellt, und sie umfasst auch einen zweiten Abschnitt erhöht über dem Substrat. Ein Joch wird über dem ersten Abschnitt der Adressierungsschaltung getragen. Mindestens ein Scharnier ist mit dem Joch verbunden und trägt das Joch, wobei das Scharnier die Ablenkung des Jochs über dem ersten Abschnitt der Adressierungsschaltung gestattet. Ein Pixel ist erhöht über dem Joch und wird von diesem getragen, wobei dieses Pixel über dem erhöhten zweiten Abschnitt der Adressierungsschaltung positioniert ist. Der erste und der zweite Abschnitt der Adressierungsschaltung sind elektrisch miteinander verbunden, wobei ein am ersten und zweiten Abschnitt angelegtes Potential eine elektrostatische Kraft an zwei Stellen erzeugt. Erstens wird eine elektrostatische Kraft zwischen dem Joch und dem ersten Abschnitt der Adressierungsschaltung erzeugt, und zweitens zwischen dem erhöhten Pixel und dem erhöhten zweiten Abschnitt.
Der Abstand zwischen dem Joch und dem ersten Abschnitt beträgt ungefähr die Hälfte des zwischen dem Pixel und dem erhöhten zweiten Abschnitt definierten Abstands. Die einander gegenüberliegenden Flächenbereiche des Jochs und des ersten Abschnitts der Adressierungsschaltung entwickeln ein Adressierungsmoment, das ca. 4 mal größer als das zwischen dem erhöhten Pixel und der erhöhten zweiten Elektrode erzeugte Adressierungsmoment ist. Das Netto-Adressmoment ist additiv und erheblich größer als das von DMD-Geräten früherer Generationen erzeugte Adressmoment.
Das Joch hat vorzugsweise die Form eines Schmetterlings, mit einem Paar Jochspitzen auf jeder Seite der Jochachse. Beim Drehen landet ein Paar Jochspitzen auf einer Landeplatte, wobei der getragene und erhöhte Pixelspiegel keine Struktur berührt. Somit können Rücksetzimpulse an den Spiegel geliefert werden, vorzugsweise mit einer Frequenz, die die Resonanzfrequenz des Spiegels ist, um eine gute Rücksetzaktion zu erreichen. Das Joch befindet sich vorzugsweise im Wesentlichen in derselben Ebene wie die Scharniere und kann unter Verwendung eines Einzelätzverfahrens gefertigt werden, so dass die Scharniere zur Präzisionsausrichtung und -abstimmung geformt werden.
Der räumliche Lichtmodulator umfasst ferner eine Steuerschaltung, die mit der Adressierungsschaltung verbunden ist. Diese Steuerschaltung liefert sowohl dem ersten als auch dem zweiten Abschnitt der Adressierungsschaltung Adressdaten, um die Ablenkung des Pixels zu verursachen. Vorzugsweise wird ein erster Abschnitt der Adressierungsschaltung, der eine Platte umfasst, auf jeder Seite der Drehachse des Pixels bereitgestellt, wobei ein separater zweiter Abschnitt der Adressierungsschaltung unter dem Pixel auf jeder Seite dieser Jochachse bereitgestellt wird. Die Steuerschaltung liefert Adressdaten an einen von diesen Sätzen von Adressierungsabschnitten, um die Ablenkung des Jochs und des Spiegels hin zum adressierten ersten und zweiten Abschnitt zu verursachen. Vorzugsweise ist das Pixel ein Spiegel, der eine rechteckige Form mit in Bezug auf das Scharnier geometrisch unter 45° ausgerichteten Flanken hat, um entlang den Flanken des Pixels erzeugte Diffraktionsbedingungen, die von Dunkelfeldoptik wahrgenommen werden, zu minimieren.
Das DMD-Gerät mit einem über einem Paar von Adresselektroden getragenen Joch, das einen erhöhten Spiegel trägt, der sich über ein zweites Paar von Adresselektroden erstreckt, erreicht eine erhebliche Zunahme der Anziehungsfläche zwischen Adresselektroden und der schwenkbaren Struktur, nämlich dem Joch und dem Spiegel. Die darunter liegenden Adresselektroden auf dem Substrat, die aus Metall-3 bestehen, sind sorgfältig konstruiert, um die Anziehungsfläche zu maximieren und es gleichzeitig zu gestatten, dass die Jochspitzen auf Landeelektroden landen, die dasselbe Potential wie der Spiegel und das Joch haben. Die erhöhten Adresselektroden für den Spiegel wurden von der Vorrichtung der zweiten Generation abgeändert, um das erweiterte Joch der vorliegenden Erfindung unterzubringen, während so viel Moment wie möglich, das zwischen dem Spiegel und den erhöhten Elektroden erzeugt werden kann, aufrecht erhalten wird. Jegliches auf Grund einer verringerten Fläche der erhöhten Elektroden verlorene Moment wird durch die Jocherweiterungen, die die Adresselektroden überlappen, mehr als kompensiert, wobei diese Adresselektroden vom Joch mit der Hälfte des Abstands positioniert sind, als der Spiegel von den erhöhten Elektroden positioniert ist. Das Netto-Adressmoment, das im Vergleich zur Vorrichtung der zweiten Generation erzeugt werden kann, ist fast um den Faktor zwei größer. Die vorliegende Erfindung erreicht auch ein größeres Haltemoment und Adresshaltemoment.
Kurze Beschreibung der Zeichnungen
1 ist ein Blockdiagramm eines räumlichen Lichtmodulators gemäß dem bevorzugten Ausführungsbeispiel der vorliegenden Erfindung, einschließlich Reihenadressen- und Spaltendatenladeschaltung zur Steuerung einer Anordnung von Mikrospiegel umfassenden Pixeln;
2 ist eine perspektivische Explosionsdarstellung eines DMD-Pixels der in 1 gezeigten Anordnung, einschließlich eines erhöhten Mikrospiegels, der auf einem ablenkbaren Joch gefertigt ist, wobei das Joch wiederum von einem Paar Scharnieren getragen wird, wobei die schraffierten Flächen das Gebiet elektrostatischer Anziehung zwischen dem erhöhten Spiegel und einer erhöhten Adresselektrode darstellt, und zwischen dem Joch und der darunter liegenden Adresselektrode, die Metall-3 auf dem Substrat umfasst;
3 ist eine Veranschaulichung der elektrostatischen Anziehungskräfte zwischen dem Spiegel und der erhöhten Adresselektrode und zwischen dem Joch und der darunter liegenden Adresselektrode, wobei das Joch und der Spiegel elektrisch mit einem Vorspannungs-/Rücksetzbus verbunden sind und dieselbe Vorspannung haben;
4 ist eine Schnittansicht einer 3 × 3 Anordnung von Pixeln von der in 1 gezeigten Anordnung, wobei einige der Jochs, der erhöhten Adresselektroden und der Scharnierhalterungszapfen entfernt wurden, um die Metall-3-Schicht, die die Substratebenen-Adresselektroden und die Substratebenen-Vorspannungs-/Rücksetzmuster definiert, zu veranschaulichen, und auch darstellend, wie einige der erhöhten Spiegel entfernt wurden, um das erhöhte Joch, das Abschnitte der darunter liegenden Substratebenen-Adresselektroden überlappt, abzubilden;
5 ist eine Veranschaulichung der zwei stabilen abgelenkten Zustände des in 4 gezeigten Pixelspiegels, um einfallendes Licht in eine von zwei Richtungen abzulenken;
6 ist eine Querschnittsansicht eines Pixels der DMD-Anordnung aus 1 entlang der Scharnierachse, um die erhöhten Spiegeladresselektroden und das über einem Paar von Substratadresselektroden getragene Joch zu veranschaulichen;
7 ist auch eine Querschnittsansicht wie die aus 6, wobei das Joch und der Spiegel gemeinsam darauf getragen und in einen stabilen Zustand gedreht werden, wobei die Jochspitzen auf einem Paar entsprechender Landeplatten landen, während der erhöhte Spiegel nahe, aber mit Zwischenraum zu den erhöhten Spiegeladresselektroden bleibt;
8–13 veranschaulichen sequentiell die verschiedenen Schichten des Halbleitermaterials, die bearbeitet werden, um das Pixel auf 2 unter Verwendung herkömmlicher robuster Halbleiterbearbeitungstechniken zu fertigen;
14 ist eine perspektivische Explosionszeichnung eines alternativen bevorzugten Ausführungsbeispiels der vorliegenden Erfindung, bei dem das Joch nur eine Landespitze auf jeder Seite der Torsionsachse definiert hat; und
15 ist eine perspektivische Explosionszeichnung eines weiteren alternativen bevorzugten Ausführungsbeispiels der vorliegenden Erfindung, bei dem das Joch eine einzelne Landespitze auf jeder Seite der Torsionsachse definiert hat, und bei dem das Joch parallel zur Torsionsachse über die darunter liegende Substratadresselektrode verlängert ist.
Ausführliche Beschreibung des bevorzugten Ausführungsbeispiels
Unter Bezugnahme nun auf 1 wird allgemein ein räumlicher Lichtmodulator, der ein digitales Mikrospiegelgerät (DMD) umfasst, bei 10 gezeigt. DMD 10 ist eine integrierte Einzel-Chip-Schaltung, die eine 864 × 576 Mikrospiegelvorrichtung (12) enthält. Die Vorrichtung 12 ist monolithisch über einer 864 × 36 Speicherzellenanordnung 16 gefertigt. Jede Speicherzelle in den 36 Speicherzellenreihen (MR0–MR35), die die Speicherzellenanordnung 16 bilden, ist mit einer dedizierten Gruppe von sechzehn (16) Pixeln 18 verbunden und steuert diese, wie in 2 gezeigt. Jede Speicherzelle umfasst eine primäre 1-Bit statische Direktzugriffsspeicher-(SRAM-)Zelle und eine sekundäre 1-Bit SRAM-Zelle, die von der primären Zelle versorgt wird. Es gibt 864 Bit-Leitungen BL0–BL863, die mit einer von jeder der 864 Speicherzellenspalten verbunden sind. Spaltenpixeldaten werden über die zugehörigen Bit-Leitungen BL0–BL863 in die adressierte primäre Speicherzellenreihe MR_n geladen. Die primäre Speicherzelle wird durch Freigabe der zugehörigen Reihenschreib- oder Lesefreigabeleitung adressiert, gekennzeichnet als WD_n bzw. RD_n, wobei WP_n mit dem Freigabeeingang jeder primären Zelle in der Reihe MR_n verbunden ist. Diese Pixeldaten werden von der primären Zelle in der entsprechenden sekundären Zelle gehalten, indem die globale Steuerleitung MXRFB freigegeben wird, wobei die MXRFB-Leitung mit dem Freigabeeingang aller sekundären Zellen der Anordnung 16 verbunden ist. Die sekundäre Speicherzelle arbeitet im Wesentlichen als Schattenlatch, wobei Daten von der primären Speicherzelle in die sekundäre Speicherzelle geladen werden können, wodurch es ermöglicht wird, anschließend wieder neue Pixeldaten in die primäre Speicherzelle zu laden, ohne die Speicherzelleninhalte der sekundären Speicherzelle zu beeinflussen.
Unter Bezugnahme auf 2 wird nun ein Pixel 18 der Spiegelvorrichtung 12 gezeigt. Die Daten der sekundären Speicherzelle werden an ein Paar komplementärer Adresselektrodenleitungen geliefert, wobei jede Leitung wiederum mit einer von zwei Adresselektroden 26 und 28 verbunden ist, die unter jedem Pixel 18 der Vorrichtung 12 gefertigt und diesem zugeordnet sind. Man kann sehen, dass Pixel 18 einen quadratischen Spiegel 30 enthält, der auf einem Joch, das bei 32 allgemein durch einen Halterungszapfen 34 gezeigt ist, getragen wird und über diesem erhöht ist. Der Halterungszapfen 34 erstreckt sich vom Mittelpunkt des Spiegels nach unten und ist, wie gezeigt, am Mittelpunkt des Jochs entlang einer seiner Torsionsachsen befestigt, um den Massenmittelpunkt des Spiegels 30 auf dem Joch 32 auszubalancieren. Das Joch 32 hat allgemein die Form eines Schmetterlings, die gleich ausführlicher erläutert wird, und wird axial entlang einer seiner zentralen Achsen von einem Paar Torsionsscharniere 40 getragen. Das andere Ende jedes Torsionsscharniers 40 ist mit einem Scharnierhalterungszapfendeckel 42 verbunden und wird von diesem getragen, welcher auf einem entsprechenden Scharnierhalterungszapfen 44 definiert ist. Ein Paar erhöhte Spiegeladresselektroden 50 und 52 werden von einem entsprechenden Adresshalterungszapfen 54 bzw. 56 getragen.
Die Adresshalterungszapfen 54 bzw. 56 und die Scharnierhalterungszapfen 44 tragen die Adresselektroden 50 und 52, die Torsionsscharniere 40 und das Joch 32 weg vom und über einem Vorspannungs-/Rücksetzbus 60 und das Paar Substratebenen-Adresselektrodenplatten 26 und 28. Wenn der Spiegel 30 und das Joch 32 gemeinsam um die von den Scharnieren 40 definierte Torsionsachse des Jochs 32 gedreht werden, landet ein Paar Jochspitzen 58 auf der Seite des Jochs 32, das abgelenkt wird, auf dem Vorspannungs-/Rücksetzbus 60 an den Landesteilen 62 und belegen diesen.
Unter Bezugnahme nun auf 2 in Verbindung mit 3 wird ein technischer Vorteil des Pixels 18 gemäß dem bevorzugten Ausführungsbeispiel der vorliegenden Erfindung in beträchtlichem Detail erläutert. Die Drehung des Spiegels 30 und des Jochs 32 kann in eine von zwei Richtungen erreicht werden, um einen bistabilen Zustand zu erreichen und einfallendes Licht zu modulieren, wie in 5 gezeigt, und wie kurz erläutert wird. Eine Adressspannung wird über den zugehörigen Elektrodenhalterungszapfen 54 bzw. 56 an eine der zwei Adresselektrodenplatten 26 bzw. 28 und an eine der entsprechenden erhöhten Spiegeladresselektroden 50 bzw. 52 angelegt. Diese Adressspannung kann 5 Volt betragen, was kompatibel mit CMOS-Logikschaltungen ist, aber sie könnte je nach Wunsch auch andere Pegel umfassen. Gleichzeitig wird eine +15-Volt-Vorspannung am Vorspannungs-/Rücksetzbus 60 angelegt, und über den Halterungszapfen 44, die Zapfendeckel 42 und die Scharniere 40 somit auch am Joch 32 sowie am Spiegel 30 über die Halterung 34. Die vorliegende Erfindung erreicht technische Vorteile, indem eine elektrostatische Kraft zwischen einander gegenüberliegenden Oberflächen an zwei Stellen, die in 2 durch die schraffierten Flächen dargestellt sind, geliefert wird. Diese elektrostatischen Anziehungskräfte sind auch bei 70, 76, 80 und 82 in 3 dargestellt.
Als Beispiel wird, wenn der Spiegel 30 und das Joch 32 entgegen dem Uhrzeigersinn gedreht werden sollen, wie in 2 und 3 gesehen, ein 0-Volt-Potential auf der Adressleitung V_a geliefert, während auf der komplementären Adressleitung V _a +5 Volt geliefert werden. Danach wird auf der Vorspannungsleitung V_b an den Vorspannungs-/Rücksetzbus 60 ein +15-Volt-Potential geliefert, um am Joch 32 und am Spiegel 30 ein +15-Volt-Potential bereitzustellen. Eine elektrostatische Anziehungskraft vom 20-Volt-Differential wird zwischen der Adresselektrode 26 und dem Abschnitt des Jochs 32 über dieser Substratadresselektrode erzeugt, wobei diese Kraft allgemein bei 70 gezeigt wird. Der entsprechende Abschnitt des Jochs 32, der die adressierte Elektrode 26 überlappt, wird durch den schraffierten Abschnitt, der bei 74 dargestellt ist, gezeigt. Umgekehrt wird, wenn der Spiegel 30 im Uhrzeigersinn gedreht wird, ein 0-Volt-Potential an die komplementäre Adresselektrode 28 geliefert, um eine Anziehungskraft bei 76 zu erzeugen, wobei der entsprechende Abschnitt des Jochs 32 die Adresselektrode 28 überlappt, was durch den schraffierten Bereich bei 78 in 2 gezeigt wird.
Während eine elektrostatische Anziehungskraft bei 70 zwischen einer Hälfte des Jochs 32 und der darunter liegenden Adresselektrode 26 erzeugt wird, wird auch, wie bei 80 in 3 gezeigt, eine elektrostatische Anziehungskraft zwischen der erhöhten Adresselektrode 50 und dem Spiegel 30 erzeugt. Diese elektrostatische Anziehungskraft wird durch das Spannungspotential erzeugt, das zwischen dem Abschnitt des Spiegels 30, gezeigt bei 82, der über der erhöhten Adresselektrode 50 definiert ist, erzeugt wird. Der Abschnitt des Spiegels 30, der die Adresselektrode 52 überlappt, wird bei 84 gezeigt. Somit wird durch Adressierung einer Adresselektrode 26 bzw. 28, die wiederum der entsprechenden erhöhten Adresselektrode 50 bzw. 52 eine Adressspannung liefert, an zwei Stellen, die bei 70 bzw. 80 oder bei 76 bzw. 82 gezeigt werden, eine elektrostatische Anziehungskraft erzeugt. Das selektive Anlegen dieses 0-Volt-Adresspotentials an einer der zwei Adresselektroden 26 bzw. 28 bestimmt, wie sich der Spiegel 30 und das Joch 32 drehen, sobald das +15-Volt-Potential am Vorspannungsbus 60 und folglich am Joch 32 und am Spiegel 30 angelegt wird.
Unter Bezugnahme auf 3 ist ersichtlich, dass die erhöhten Adresselektroden 50 bzw. 52 allgemein koplanar mit dem Joch 32 sind, wobei jede oberhalb der Adresselektroden 26 und 28 mit einem Abstand von ca. 1 Mikrometer entfernt sind. Der Abstand des Spiegels 30 über den erhöhten Adresselektroden 50 bzw. 52 ist ungefähr doppelt so groß wie dieser Abstand, oder ca. 2 Mikrometer. Da die elektrostatische Kraft zwischen einander gegenüberliegenden Oberflächen direkt als Funktion von eins geteilt durch das Quadrat der Abstände zwischen den einander gegenüberliegenden Oberflächen variiert, ist die zwischen dem Joch 32 und den Adresselektroden 26 bzw. 28 erzeugte elektrostatische Anziehungskraft pro Flächeneinheit 4 mal so groß wie die zwischen dem Spiegel 30 und den entsprechenden erhöhten Adresselektroden 50 bzw. 52 erzeugte Anziehungskraft. Die auf jeder Seite der Torsionsachse erzeugten Kräfte sind additiv und verursachen gemeinsam die Drehung des Spiegels 30 und des Jochs 32 in Richtung der Adresselektroden.
In einem alternativen Ausführungsbeispiel können die erhöhten Elektroden 50 bzw. 52 und ihre entsprechenden Halterungszapfen beseitigt werden. In diesem Ausführungsbeispiel beträgt die Höhe des Spiegels 30 über dem Joch 32 nur ca. 1 Mikrometer, um eine starke Anziehungskraft mit dem darunter liegenden Distalnocken der Elektroden 26 und 28 zu erzielen. Bei Ablenkung dreht sich der Spiegel 30 zu dem entsprechenden Distalnocken der Adresselektroden 26 bzw. 28 hin, aber er belegt ihn noch nicht. In diesem Ausführungsbeispiel haben die erhöhten Strukturen, einschließlich der Zapfen 44, des Jochs 32 und des Spiegels 30 dasselbe Potential, und das Risiko eines Kurzschlusses wird vermieden. Somit darf eine Begrenzung auf einen Satz erhöhter Elektroden nicht gefolgert werden.
Das Adressmoment (T_a) ist das Moment, das von der Adressspannung alleine mit dem Joch 32 und dem Spiegel 30 erzeugt wird. Dieses Adressmoment ist erheblich größer als das von DMD-Geräten einer früheren Generation für ähnliche Adressspannungen und Vorspannungspotentiale erzeugte Adressmoment. Die vorliegende Erfindung hat somit eine verbesserte Adressspanne, die definiert ist als Differenz zwischen der Adressspannung V_a und dem Potential, das benötigt wird, um sicherzustellen, dass der Spiegel in die richtige Richtung gedreht wird, wenn die Vorspannung angelegt wird.
Das Pixel der vorliegenden Erfindung hat auch ein erhöhtes Haltemoment (T₁), das definiert ist als ein Maß des Haltemoments, das von der Vorspannung in Anwesenheit einer Adressspannung, die dazu tendiert, den Spiegel in den entgegengesetzten Zustand zu drehen (oder umzukippen), erzeugt wird. Ein anderer drastisch verbesserter Leistungsparameter der vorliegenden Erfindung ist ein erhöhtes Adresshaltemoment (T_h), das definiert ist als ein Maß der Fähigkeit der Adressspannung, den Spiegel nach dem Rücksetzen während der Zeit, in der die Vorspannung aus ist, in seinem gelandeten Zustand zu halten. Ein anderes verbessertes Merkmal der vorliegenden Erfindung ist eine erhöhte Rücksetzkraft (F_r), die definiert ist als ein Maß der Spitzenrückstellkraft, die von einer Kombination eines Einzelimpuls-Rücksetzens und der von der Spitze des Scharniers erzeugten Reaktionskraft erzeugt wird.
Alle vier dieser Leistungsparameter werden durch die vorliegende Erfindung im Vergleich zu DMD-Geräten der vorhergehenden Generation auf Grund der Konstruktion, dass das Joch 32 eine elektrostatische Kraft mit den darunter liegenden Adresselektroden erzeugt, in Kombination mit der Erzeugung elektrostatischer Anziehungskräfte zwischen dem erhöhten Spiegel 30 und den erhöhten Adresselektroden 50 bzw. 52 erheblich verbessert. Auf Grund der Nähe des drehbaren Jochs 32 über den Adresselektroden 26 bzw. 28 und auf Grund einer beträchtlichen ihm gegenüberliegenden Oberfläche werden alle oben genannten Leistungsparameter erheblich erhöht, und sie tragen zum erhöhten elektromagnetischen Wirkungsgrad des DMD-Geräts bei. Insbesondere wird bei keiner Änderung der Scharniersteifigkeit im Vergleich zu Geräten der vorhergehenden Generation ein 1,8-mal höheres Adressmoment erreicht. Das Haltemoment wird im Vergleich zu dem von vorhergehenden DMD-Geräten um den Faktor 2,6 verbessert. Die erzeugte Rücksetzkraft ist eine 8,8fache Erhöhung im Vergleich zu DMD-Geräten der vorhergehenden Generation. Mit all diesen verbesserten Leistungsparametern ist das Verfahren zur Fertigung der vorliegenden Erfindung nahezu identisch mit dem für die Geräte der vorhergehenden Generation, wie kurz beschrieben wird, wodurch ein Vorteil im Vergleich zu Geräten der vorhergehenden Generationen geliefert wird.
Die Implikationen des DMD-Geräts der vorliegenden Erfindung umfassen eine größere Adressspanne, wie erläutert, eine geringere Anfälligkeit für Adressstörungen, niedrigere Rücksetzspannungsanforderungen und höhere Schaltgeschwindigkeiten, was beim Betrieb des Geräts als räumlicher Lichtmodulator kritisch ist. Mit dem vorliegenden Entwurf können sogar nichtlineare Scharniere implementiert werden, mit steiferen Scharnieren, sofern gewünscht, auf Grund verbesserter Adressspannen und Haltespannen.
Um die Möglichkeit der Haftreibung auf Grund der van-der-Waals-Kräfte zu verringern, können die Landeelektroden 60, insbesondere bei den Abschnitten 62, die dem Kontaktpunkt der Spitzen 58 des Jochs 32 entsprechen, passiviert werden. Durch Passivierung der Landeelektroden 60 kann die Tendenz des Jochs 32, zu haften oder zu kleben, verringert werden. Haftreibung ist eine Sperrkraft, die erfordert, dass große Rücksetzspannungen angelegt werden, um den Spiegel in einen flachen Zustand zurückzusetzen, oder um den Spiegel in den entgegengesetzten ablenkbaren bistabilen Zustand zu schalten. Verfahren zur Passivierung der Landeelektroden werden im allgemein erteilten U.S. Patent 5,331,454 an Hornbeck mit dem Titel „Low Reset Voltage Process for DMD" und in der allgemein erteilten gleichzeitig anhängigen japanischen Patentanmeldung mit der Seriennummer 145104/95 und dem Titel „PFPE Coatings for Micro-Mechanical Devices" angemeldet am 9. Mai 1995, Auslegungsnummer 318819/95 mit einem Auslegedatum vom 8. Dezember 1995 offenbart. Um eine Rücksetzung des Spiegels zu erreichen und eine Ablenkung des Spiegels auf den anderen bistabilen Zustand zu induzieren, kann die Vorspannungs-/Rücksetzleitung mit einer Spannung mit einer Frequenz gepulst werden, die der Resonanzfrequenz des Spiegels entspricht und typischerweise ca. 5 MHz beträgt, wie im allgemein erteilten U.S. Patent 5,096,279 mit dem Titel „Spatial Light Modulator and Method" offenbart wird.
Wenden wir uns nun 4 zu, in der eine perspektivische Schnittansicht einer 3 × 3 Anordnung der Vorrichtung 12 gezeigt wird, um die Fertigung der Metall-3-Schicht auf dem Siliziumsubstrat darzustellen, wobei diese Metall-3- Schicht die Adresselektroden 26 und 28 und die Vorspannungs-/Rücksetzbusse 60 auf dem Siliziumsubstrat definiert. Ebenso werden die erhöhten Spiegeladresselektroden, die Zapfendeckel und die Scharniere, die das Joch 32 über der Metall-3-Schicht tragen, dargestellt. Man kann sehen, dass der Spiegelhalterungszapfen von dem entsprechenden Joch entlang der Torsionsachse des Pixels getragen wird.
Wenden wir uns nun 5 zu, in der eine schematische optische Darstellung gezeigt wird, bei der gesehen werden kann, wie einfallendes Licht moduliert und in eine von zwei Richtungen abgelenkt wird, je nach dem, ob sich der Spiegel im Zustand „an" oder „aus" befindet. Wenn der Spiegel 30 im an-Zustand ist, wird einfallendes Licht an Optik reflektiert, einschließlich einer Projektorlinse, und letztendlich im Fall eines Front- oder Rückschirmprojektors auf einem Anzeigeschirm fokussiert bzw. im Fall eines elektrofotografischen Druckers auf einer lichtempfindlichen Oberfläche fokussiert. Wenn der Spiegel 30 in der aus-Position ist, wird einfallendes Licht an einen Lichtabsorber und weg von der Dunkelfeldoptik reflektiert. Die 20°-Drehung zwischen den bistabilen Zuständen des Spiegels 30 erreicht eine 40°-Schwenkung des reflektierenden einfallenden Lichts. Somit erreicht die vorliegende Erfindung ein räumliches Lichtbild mit hohem Kontrastverhältnis, das bei der Verwendung in Dunkelfeldoptiksystemen, für die der räumliche Lichtmodulator der vorliegenden Erfindung gedacht ist, kritisch ist.
Unter Bezugnahme nun auf die 6 und 7 wird eine Querschnittsansicht des Pixels 18 entlang der Linie A-A in 2 gezeigt, wobei die Halterungszapfen nicht gezeigt werden. Wie in 6 gezeigt, ist das Joch 32, wenn sich das Joch 32 und der Spiegel 30 im unabgelenkten (flachen) Zustand befinden, allgemein koplanar mit den erhöhten Adresselektroden 50 bzw. 52, mit einem Abstand von circa 1 Mikrometer über der Metall-3-Schicht, die die Adresselektroden 26 bzw. 28 und den Rücksetz-Norspannungsbus 60 enthält. Der Spiegel 30 ist circa 2 Mikrometer erhöht über dem Paar erhöhter Adresselektroden 50 und 52, was ungefähr das Doppelte des Abstands ist, der das Joch 32 vom Substrat 64 trennt.
Unter Bezugnahme auf 7 landet das Paar Landespitzen 58 der adressierten Hälfte des Jochs 32, wenn das Joch 32 und der Spiegel 30, wie gezeigt, adressiert und im Uhrzeigersinn gedreht werden, auf Abschnitten 62 des Rücksetz-Norspannungsbusses 60. Der erhöhte Spiegel 30 bleibt jedoch, während er damit gedreht wird, mit Abstand über der entsprechenden erhöhten Adresselektrode 52 und von dieser getrennt. Wie gezeigt, beträgt der Momentarm des Jochs 32 circa die Hälfte des Momentarms des Spiegels 30 um die Torsionsachse. Die im Vergleich zum Spiegel 30 kürzere Größe des Landejochs 32 verringert das zum Rücksetzen eines klemmenden Spiegels benötigte Moment, während die Verwendung eines zu kurzen Landejochs eine zusätzliche Belastung für die Torsionsscharniere verursachen kann. Ein besseres Verständnis dieser Kräfte ist in der allgemein erteilten, gleichzeitig anhängigen europäischen Patentanmeldung mit der Seriennummer 94120234.3 und dem Titel „Multi-Level Digital Micromirror Device", angemeldet am 20. Dezember 1994, Veröffentlichungsnummer 0664470, veröffentlicht am 26. Juli 1995 beschrieben. Da das Joch 32 auf einem Paar einander gegenüberliegender Spitzen 58 landet und symmetrisch konstruiert ist, kann unter dem Joch 32, wie in 2 gezeigt, eine große Fläche von Adresselektroden 26 bzw. 28 definiert werden. Außerdem wurde eine verringerte Haftreibung zwischen dem Joch und den Landeelektrodenabschnitten 62 beobachtet, wodurch eine niedrigere Rücksetzspannung angelegt werden muss, wenn der Spiegelzustand geändert oder zurückgesetzt werden soll.
Unter Bezugnahme auf die 8–13 wird nun eine ausführliche Erläuterung der Halbleiterfertigungsverfahren, die zur Fertigung eines Pixels 18 ausgeführt werden, beschrieben. In jeder der 8–13 wurde aus Gründen der Veranschaulichung und der Klarheit die Querschnittsansicht entlang der Linie B-B in 2 gemacht, wenn sie auch nicht maßstabsgetreu ist.
Zuerst wird unter Bezugnahme auf 8 ein Siliziumsubstrat 64 so bearbeitet, dass es die unterliegende Adressierungsschaltung, einschließlich der Anordnung von Speicherzellen 16, der Reihenadressierungsschaltung 20 und der Spaltendatenladeschaltung 30, bildet. Danach wird das Substrat 64 mit einer schützenden Oxidschicht 102 bedeckt. Als nächstes wird eine dritte Metallschicht, allgemein M3 genannt, zerstäubt auf den teilweise bearbeiteten Wafer aufgebracht und bei 104 gezeigt. Diese dritte Metallschicht wird mit Mustern versehen und geätzt, um die in den 2 und 4 gezeigten Adresselektroden 26 und 28 sowie den Vorspannungs-/Rücksetzbus 60 zu definieren. Als nächstes wird eine Scharnierabstandsschicht 106 schnell drehend über der Adressierungsschaltung aufgebracht, und sie umfasst vorzugsweise positiven Photolack mit einer Dicke von 1 Mikrometer. Ein Paar Durchgänge 110 wird durch die Photolackschicht 106 geöffnet, um die Formung der Scharnierhalterungsbolzen zu ermöglichen, danach wird die Photolackschicht 106 mit einer hohen Temperatur tief UV-gehärtet, um Verlaufen und Blasenbildung während nachfolgender Bearbeitungsschritte zu verhindern.
Unter Bezugnahme nun auf 9 wird, wie gezeigt, über der Photolackschicht 106 und in den Durchgängen 110 eine dünne Scharnierschicht 112 aus Metallbelag zerstäubt aufgebracht. Die Scharnierschicht 112 hat vorzugsweise eine Dicke von circa 500 Ångström und kann aus Aluminium, Aluminiumlegierungen, Titanwolfram und anderen, für die vorliegende Erfindung gut geeigneten, leitenden Materialien bestehen. Die Scharnierhalterungszapfen 44 werden in diesem Schritt, wie gezeigt, definiert, und sie sind elektrisch mit dem Vorspannungs-/Rücksetzbus 60 verbunden. Während diesem Schritt wird auch das Paar Elektrodenhalterungszapfen 54 und 56 definiert, wenn auch nicht gezeigt, wobei die Schicht 112 zerstäubt in einem Paar entsprechender in der Photolackschicht 106 geformter Durchgänge aufgebracht wird, wobei diese Durchgänge während des vorhergehenden Schrittes geformt wurden, als die Durchgänge 110 geöffnet wurden. Somit sind sich der Elektrodenhalterungsbolzen und der Scharnierhalterungsbolzen sehr ähnlich. Die Dicke der Photolackabstandsschicht 106 bestimmt den Scharnierluftspalt, und sie bestimmt somit auf Grund der winkeltechnischen Freiheit des Jochs 32 den Spiegeldrehwinkel, bis die Landeelektroden belegt werden.
Unter Bezugnahme nun auf 10 wird eine erste Oxidmaske durch Plasma aufgebracht und in der Form der Scharniere 40 mit Mustern versehen. Danach wird eine dicke Metallschicht, typischerweise circa 3000 Ångström dick, aus Aluminiumlegierung aufgebracht. Eine zweite Oxidmaske wird durch Plasma aufgebracht und dann in der Form des Jochs 32, der erhöhten Elektroden 54 bzw. 56 und der Scharnierhalterungsdeckel 42 mit Mustern versehen. Die dünne Scharnierschicht 112 und die dickere Metallschicht werden dann geätzt, um die Adresselektroden 50 bzw. 52, die Scharnierhalterungsdeckel 42 und die Scharniere 40, wie gezeigt, zu definieren. Zur Definition dieser Strukturen wird Einzelplasmaätzen angewendet. Die zwei Oxidschichten agieren als Ätzstopp und schützen die Metallschichten unter ihnen. Nach Abschluss des Plasmaätzverfahrens werden die Oxidätzstopps von den dünnen Metallscharnieren, den dickeren Metallhalterungszapfendeckeln 42, den Elektroden 50 und 54 und von den Scharnieren 40, wie in 10 gezeigt, entfernt.
Unter Bezugnahme nun auf 11 wird eine dicke Spiegelabstandsschicht 122 drehend über den Scharnieren, Elektroden und Scharnierhalterungsdeckeln aufgebracht, und sie umfasst vorzugsweise einen positiven Photolack mit einer Dicke von ungefähr 2 Mikrometer. In dieser Photolackabstandsschicht 122 wird ein Durchgang 124 geöffnet, um über dem Joch 32, wie gezeigt, eine Öffnung bereitzustellen, danach wird die Photolackschicht 122 tief UV-gehärtet.
Unter Bezugnahme auf 12 wird dann eine Spiegelmetallschicht, bestehend aus einer Aluminiumlegierung und mit reflektierenden Eigenschaften, bis zu einer Dicke von circa 400 nm (4000 Ångström) zerstäubt aufgebracht. Diese Schicht bildet sowohl den Spiegelhalterungszapfen 34 als auch den Spiegel 30. Eine Oxidmaskierungsschicht wird dann durch Plasma auf die Spiegelschicht aufgebracht und in der Form des rechteckigen Spiegels mit Mustern versehen. Die Spiegelmetallschicht wird dann plasmageätzt, um den Spiegel 30 und die Halterungszapfen 34, wie gezeigt, zu bilden. Die Oxidmaskierungsschicht bleibt typischerweise an ihrer Stelle, während der Wafer anschließend bearbeitet und zersägt wird, um Chips zu erhalten.
Unter Bezugnahme auf 13 werden die Chips in eine Plasmaätzkammer gegeben, wo die Oxidmaskierungsschicht und beide Abstandsschichten 106 bzw. 122 durch Plasmaätzen weggeätzt werden, und der Scharnierluftspalt unter den Scharnieren 40 und dem Joch 32 sowie ein Spiegelluftspalt 134 unter dem erhöhten Spiegel 30 zurückbleiben.
Unter Bezugnahme nun auf 14 wird eine perspektivische Explosionszeichnung eines alternativen bevorzugten Ausführungsbeispiels der vorliegenden Erfindung allgemein bei 200 gezeigt. Man sieht, dass das Pixel 200 dem Pixel 18, wie in Bezug auf die 1–13 erläutert, sehr ähnlich ist, wobei sich gleiche Zahlzeichen auf gleiche Elemente beziehen. Das Pixel 200 hat jedoch ein Joch 202, das leicht modifiziert ist und, wie gezeigt, eine einzelne Landespitze 204 auf jeder Seite der Torsionsachse aufweist. Bei Drehung dreht sich eine Spitze 204 des Jochs 202 so lange, bis es eine entsprechende Landeelektrode 208 belegt und darauf landet. Das Joch 202 überlappt im Wesentlichen jedes eines Paares von Adressierungsdeckeln 210 und 212, das aus der Metall-3-Schicht auf dem Substrat geformt ist. Die entsprechenden Abschnitte von einander gegenüberliegenden Oberflächen, die die elektrostatischen Anziehungskräfte erzeugen, werden, wie gezeigt, als schraffierte Flächen bei 214, 216, 218 und 220 gezeigt. Scharniere 222 tragen das Joch 202 von den Scharnierpfosten 224 aus. Erhöhte Adresselektroden 228 und 230 sind koplanar mit dem Joch 202.
Unter Bezugnahme nun auf 15 wird bei 300 noch ein anderes alternatives bevorzugtes Ausführungsbeispiel der vorliegenden Erfindung gezeigt. Das Pixel 300 ist dem in 200 gezeigten Ausführungsbeispiel und dem in 1–13 gezeigten Pixel 18 sehr ähnlich, wobei sich gleiche Zahlzeichen auf gleiche Elemente beziehen. Das Pixel 300 hat, wie gezeigt, auch eine einzelne Landespitze auf jeder Seite der Torsionsachse, ähnlich dem Ausführungsbeispiel in 14. Ein Joch 302 erstreckt sich im Wesentlichen parallel zur Torsionsachse und über die darunter liegenden Adresselektroden, wobei ein Paar Adresselektroden 304 und 306 unter einer Seite des Jochs 302 bereitgestellt wird, und ein anderes Paar Adresselektroden 310 und 312 auf der anderen Seite des Vorspannungs-/Rücksetzbusses 320, der, wie gezeigt, ein X-Muster hat, bereitgestellt wird. Die zwei Adresselektroden 304 und 306 sind elektrisch miteinander verbunden, und das andere Paar Adresselektroden 310 und 312 sind elektrisch miteinander verbunden. Die Paare Adresselektroden sind, wie gezeigt, elektrisch mit den erhöhten Spiegeladresselektroden 330 und 332 über einen entsprechenden Halterungszapfen 336 verbunden. Die Flächen elektrostatischer Anziehung werden durch die schraffierten Flächen 350, 352, 354, 356, 358 und 360 gezeigt. Scharniere 362 tragen das Joch 302 von den Zapfen 364 aus. In diesem Ausführungsbeispiel hat der Vorspannungs-/Rücksetzbus 320 die Form eines X, und er gabelt das Paar Adresselektroden, wie gezeigt. Mit einer X-Form kann der Vorspannungs-/Rücksetzbus leicht und bequem mit benachbarten Pixeln in der Metall-3-Schicht auf dem Siliziumsubstrat zusammengeschaltet werden. Hierdurch kann sich ein wünschenswertes Layout zur Steuerung mehrerer Pixelreihen mit einem gemeinsamen Vorspannungs-/Rücksetzbus ergeben, und hierdurch wird auch die geteilte Rücksetztechnik ermöglicht, wie zum Beispiel in der allgemein erteilten europäischen Patentanmeldung mit der Seriennummer 94100308.9 und dem Titel „Pixel Control Circuitry for Spatial Light Modulator", angemeldet am 11. Januar 1994, Veröffentlichungsnummer 0610665, Veröffentlichungsdatum 17. August 1994. Die Landesteilen der Jochspitzen werden entlang des Vorspannungs-/Rücksetzbusses bereitgestellt, wie bei 340 gezeigt.
Zusammengefasst wird ein räumlicher Lichtmodulator des Typs DMD offenbart, bei dem elektrostatische Kräfte an zwei Stellen erzeugt werden, um eine Ablenkung des Pixelspiegels zu induzieren. Zuerst wird eine Anziehungskraft zwischen dem Joch und einer darunter liegenden Substratadresselektrode erzeugt. Als zweites wird eine elektrostatische Kraft auch zwischen dem erhöhten Spiegel und einer erhöhten Adresselektrode erzeugt. Diese elektrostatischen Kräfte sind additiv und implementieren verbesserte Leistungsparameter im Vergleich zu DMD-Geräten der vorhergehenden Generation. Da das Joch über der Substratadresselektrode mit einem Abstand getrennt ist, der gleich der Hälfte des Abstands zwischen dem Spiegel und den erhöhten Adresselektroden ist, ist eine Anziehungskraft pro Flächeneinheit 4-mal größer als die zwischen dem Spiegel und den erhöhten Elektroden erzeugte Kraft. Die Konstruktion der vorliegenden Erfindung erreicht höhere Adressmomente, höhere Haltemomente, höhere Rücksetzkräfte und größere Adressspannen. Das Pixel ist weniger anfällig für Adressstörungen, erfordert eine niedrigere Rücksetzspannung und kann den Bedarf für Resonanzrücksetz- und Mehrfachrücksetzimpulse beseitigen. Es werden höhere Schaltgeschwindigkeiten erreicht, wobei auf Grund der beschriebenen verbesserten Leistungsparameter nichtlineare und steifere Scharniere implementiert werden können. Die Pixelanordnung kann mit geringer Abweichung vom Basisverfahren gefertigt werden. Somit sind mit dem räumlichen Lichtmodulator der vorliegenden Erfindung im Vergleich zu vorhergehenden Generationen verbesserte Leistungsparameter erreichbar.

Claims

Räumlicher Lichtmodulator (10), der Folgendes umfasst: ein Substrat (64); eine Adressierungsschaltung, die einen ersten Abschnitt (26, 28) in der Nähe des Substrats und einen zweiten Abschnitt (50, 52) erhöht über dem Substrat umfasst; ein Joch (32), das über dem ersten Abschnitt der Adressierungsschaltung getragen wird; mindestens ein Scharnier (40), das mit dem Joch (32) verbunden ist und das Joch trägt, wobei das Scharnier die Ablenkung des Jochs ermöglicht; und ein Pixel (18), das erhöht über dem Joch ist und von diesem getragen wird, wobei das Pixel (18) über dem erhöhten zweiten Abschnitt der Adressierungsschaltung positioniert ist.
Räumlicher Lichtmodulator wie in Anspruch 1 aufgeführt, der ein Paar der Scharniere (40) umfasst, die das Joch (32) entlang einer Jochachse axial tragen.
Räumlicher Lichtmodulator wie in Anspruch 1 aufgeführt, bei dem das Joch (32) eine Breite aufweist, die weniger als die Breite des Pixels (18) beträgt, und das Pixel (18) das Joch überlappt.
Räumlicher Lichtmodulator wie in Anspruch 2 aufgeführt, bei dem das Joch auf jeder Seite der Jochachse ein Paar Jochspitzen (58) aufweist.
Räumlicher Lichtmodulator wie in Anspruch 4 aufgeführt, bei dem das Joch (32) die Form eines Schmetterlings aufweist.
Räumlicher Lichtmodulator wie in Anspruch 1 aufgeführt, bei dem zwischen dem Joch (32) und dem ersten Abschnitt der Adressierungsschaltung (26, 28) ein erster Abstand definiert ist, und zwischen dem Pixel (18) und dem zweiten Abschnitt der Adressierungsschaltung (50, 52) ein zweiter Abstand definiert ist, wobei der erste Abstand kleiner als der zweite Abstand ist.
Räumlicher Lichtmodulator wie in Anspruch 1 aufgeführt, bei dem das Joch (32) im Wesentlichen in derselben Ebene wie der zweite Abschnitt der Adressierungsschaltung (50, 52) ist.
Räumlicher Lichtmodulator wie in Anspruch 2 aufgeführt, bei dem ein erstes Paar einander gegenüberliegender Flächenbereiche zwischen dem Joch (32) und dem ersten Abschnitt der Adressierungsschaltung (26, 28) definiert ist, und ein zweites Paar einander gegenüberliegender Flächenbereiche zwischen dem Pixel (18) und dem zweiten Abschnitt der Adressierungsschaltung (50, 52) definiert ist, wobei der seitliche Abstand des zweiten Paares einander gegenüberliegender Flächenbereiche von der Jochachse größer festgelegt ist als der seitliche Abstand des ersten Paares einander gegenüberliegender Flächenbereiche von der Jochachse.
Räumlicher Lichtmodulator wie in Anspruch 1 aufgeführt, der ferner einen Vorspannungs-/Rücksetzbus (60) umfasst, der auf dem Substrat (64) aufgebaut und mit dem Pixel (18) elektrisch verbunden ist.
Räumlicher Lichtmodulator wie in Anspruch 1 aufgeführt, bei dem sich das Scharnier (40) im Wesentlichen in derselben Ebene wie das Joch (32) befindet.
Räumlicher Lichtmodulator wie in Anspruch 1 aufgeführt, der ferner Steuer- und Überwachungsleitungen umfasst, die mit der Adressierungsschaltung (26, 28, 50, 52) gekoppelt sind, wobei die Steuer- und Überwachungsleitungen Adressdaten an den ersten Abschnitt und an den zweiten Abschnitt der Adressierungsschaltung liefern, um eine Ablenkung des Pixels (18) zu verursachen.
Räumlicher Lichtmodulator wie in Anspruch 2 aufgeführt, der ferner Steuer- und Überwachungsleitungen umfasst, die mit der Adressierungsschaltung gekoppelt sind, wobei die Steuer- und Überwachungsleitungen Adressdaten an einen ersten Abschnitt der Adressierungsschaltung (26, 28) liefern, um eine Ablenkung des Jochs (32) in Richtung des adressierten ersten Abschnitts zu verursachen.
Räumlicher Lichtmodulator wie in Anspruch 1 aufgeführt, der ferner einen Halterungszapfen (34) umfasst, der mit dem Scharnier (40) verbunden ist und dieses trägt.
Räumlicher Lichtmodulator wie in Anspruch 1 aufgeführt, bei dem der erste Abschnitt der Adressierungsschaltung (26, 28) und der zweite Abschnitt der Adressierungsschaltung (50, 52) elektronisch miteinander verbunden sind.
Räumlicher Lichtmodulator wie in Anspruch 1 aufgeführt, bei dem das Pixel (18) ein Spiegel (30) ist.
Räumlicher Lichtmodulator wie in Anspruch 15 aufgeführt, bei dem der Spiegel (30) eine rechteckige Form hat.
Räumlicher Lichtmodulator wie in Anspruch 16 aufgeführt, bei dem der Spiegel (30) Flanken aufweist, die in Bezug auf das Scharnier geometrisch unter 45° ausgerichtet sind.
Räumlicher Lichtmodulator wie in Anspruch 1 aufgeführt, bei dem der zweite Abschnitt über einer Ebene, die durch den ersten Abschnitt (26, 28) definiert ist, liegt.
Anzeigevorrichtung, die einen wie in Anspruch 1 definierten räumlichen Lichtmodulator (10) enthält.
Druckvorrichtung, die einen wie in Anspruch 1 definierten räumlichen Lichtmodulator (10) enthält.