CN1651968A - 使用集成电路致动器的空间光调制器及其制造和使用方法 - Google Patents

Abstract

空间光调制器(SLM)包括可以利用光刻技术或其它类似技术制造的集成电路致动器。该致动器包括致动器单元，可以由压电材料构成该致动器单元。电极阵列连接到致动器单元的两个侧壁。每个电极阵列可以具有一个或者多个电极部分。反射器件阵列构成SLM。

Description

利用集成电路致动器的空间光调制器 及其制造和使用方法

技术领域

本发明涉及空间光调制器，本发明更特别地涉及反射式空间光调制器。

背景技术

空间光调制器(SLM)(例如，数字微反射镜装置(DMD)、液晶显示器(LCD)等)通常包括可以被控制处于接通或断开状态以形成要求图形的有源区阵列(例如，反射镜区或透射区)。根据要求的曝光方式预定并事先存储的算法用于接通和断开有源区。

传统的反射式SLM将反射镜(例如，反射式单元，像素等)用作有源区。利用使弹性装置(例如，杠杆臂)倾斜或移动反射镜的电路控制反射镜。例如，可以采用静电倾斜反射镜。倾斜或移动使光向反射镜传播，以将光反射到目标，或者从目标反射光。最近几年，SLM逐渐包括较小反射镜，以实现它们要求的升高的分辨率。然而，根据当前的制造技术和所使用的材料，限制了进一步减小反射镜尺寸。例如，电流反射镜的宽度或直径可以小至约16微米。使用SLM的典型环境可以是光刻法、无掩模光刻法、生物工艺学、投影电视等。

光刻技术是用于在衬底表面上产生特征图形的过程。这种衬底可以包括用于制造平板显示器(例如，液晶显示器)、电路板、各种集成电路等的衬底。这些应用中经常使用的衬底是半导体圆片或玻璃衬底。尽管为了说明问题，根据半导体圆片或平板显示器编写该说明，但是本技术领域内的熟练技术人员明白，该说明还可以应用于本技术领域内的熟练技术人员已知的其它类型衬底。

在进行光刻期间，圆片放置在圆片托架上，利用位于光刻设备内的曝光光学部件，对该圆片曝光投影到圆片表面上的图像。尽管在光刻情况下使用曝光光学部件，但是根据特定应用，可以使用不同类型的曝光设备。例如，本技术领域内的熟练技术人员公知，x射线、离子、电子或光子光刻技术均要求不同曝光设备。仅为了说明问题，在此说明光刻法的特定例子。

投影图像使沉积在圆片表面上的层，例如光致抗蚀剂的特性发生变化。这些变化与曝光期间投影到圆片上的特征图形对应。在曝光之后，可以蚀刻该层，以产生图形化的层。该图形与曝光期间投影到圆片上的特征图形对应。然后，利用该图形化的层，消除或者进一步处理圆片上下层结构层，例如导电层、半导电层或绝缘层的曝光部分。然后，与其它步骤一起重复该处理过程，直到在圆片的该平面上，或各层上形成要求的特征图形。

分步扫描技术与具有窄成像缝隙的投影光学系统一起工作。不是一次曝光整个圆片，而是一次对圆片上的各区域。这是通过以在扫描期间，使成像缝隙在区域上移动的方式，同时移动圆片和十字线实现的。然后，必须在区域曝光之间，不同时使圆片级形成阶梯，以在圆片表面上曝光十字线图形的多个拷贝。这样，投影到圆片上的图像质量最高。

传统光刻系统和方法在半导体圆片上形成图像。该系统通常具有用于光刻室，该光刻室用于容纳用于在半导体圆片上执行图像成像过程的设备。根据所使用的光线的波长，所设计的该光刻室具有不同的气体混合物和/或真空度。十字线位于光刻室内。光源(位于系统的外部)发出光束通过光学系统、十字线上的图像轮廓以及第二光学系统，然后与半导体圆片相互作用。

在衬底上制造器件需要多个十字线。在制造时，这些十字线消耗的成本和占用的时间越来越长，因为特征图形的尺寸和小特征图形尺寸要求的准确公差。此外，在被磨损之前，十字线可以仅用于特定时间周期。如果十字线不在特定公差范围内，或者当十字线被损坏时，通常产生附加成本。因此，采用十字线的圆片制造商的成本越来越多，而且有可能昂贵得买不起。

为了克服这些缺陷，开发了无掩模(例如，直接写、数字等)光刻系统。无掩模系统利用SLM代替十字线。然而，随着特征图形的尺寸越来越小，传统SLM不再能实现要求的分辨率。

因此，需要一种可以提供可以用于非常高分辨率环境的SLM的系统和方法。

发明内容

本发明的实施例提供了一种集成电路微光电机械系统(MOEMS)空间光调制器，该空间光调制器包括：反射器件阵列；集成电路致动器，具有致动器单元阵列；以及第一电极阵列和第二电极阵列，连接到每个致动器单元的两侧。电能可以使致动器材料(例如，压电材料)膨胀或收缩，这样在相应方向移动该反射器件。

本发明的又一个实施例提供了一种包括下列步骤的方法。向具有反射镜阵列的MOEMS集成电路空间光调制器照射光。通过与其相连的各电极，利用集成电路致动器，移动反射镜。根据与反射镜相互作用的光线，形成波阵面。

下面将参考附图详细说明本发明的其它实施例、特征和优点以及本发明的各实施例的结构和运行过程。

附图说明

附图在此引入本说明书作为本说明书的一部分，它示出本发明，而且它与说明一起用于进一步解释本发明原理，并使相关技术领域内的熟练技术人员可以实现并使用本发明。

图1示出根据本发明实施例的SLM的一部分；

图2示出根据本发明实施例的SLM的一部分；

图3示出根据本发明实施例的SLM的一部分；

图4示出用于制造根据本发明实施例的SLM的方法的流程图；

图5示出详细示出根据本发明一个实施例的图4中执行的各步骤的流程图；

图6、7和8示出根据本发明各种实施例的各种电极图形；

图9示出根据本发明实施例的SLM的一部分。

现在，将参考附图说明本发明。在附图中，类似的参考编号可以表示相同的或者功能上类似的单元。此外，参考编号最左侧的数字可以识别在其内第一次出现该参考编号的附图。

具体实施方式

尽管对特定结构和排列进行了讨论，但是应该明白，这样做仅是为了说明问题。相关技术领域内的熟练技术人员明白，在本发明的实质范围内，还可以采用其它结构和排列。相关技术领域内的熟练技术人员明白，在各种其它应用中也可以采用本发明。

本发明的实施例提供了一种包括集成电路致动器、可以利用光刻技术或其它类似技术制造的MOEMS或MEMS SLM。该致动器包括可以利用压电材料制造的致动器单元。第一和第二电极阵列连接到致动器单元的两个侧壁，以对其提供功率。每个电极阵列可以具有一个或者多个电极部分。反射器件阵列形成SLM反射镜，并根据送到各电极的电能，利用致动器单元，使该反射器件阵列运动。

在一种典型环境中，在无掩模光刻技术中，可以利用SLM代替十字线，以使图形投影到衬底上。在另一个例子中，如果SLM的形状是非球形的，则SLM可以用于光刻工具的投影光学系统中，以校正波阵面中的像差。在又一个例子中，SLM可以用于在相关技术内公知的生物医学和其它生物工艺学环境。在又一个实施例中，SLM可以用于投影电视。在其它例子中，利用通过集成电路致动器实现的精细分辨率，在光瞳充满期间，SLM可以固定西格马，而且可以是动态可调节缝隙应用的一部分，以校正照度均匀性。这些均是典型环境，而且并不意味着局限于此。

双向运动致动器

图1示出根据本发明实施例的SLM 100的一部分。在各种实施例中，SLM 100可以是集成电路微光电机械系统(MOEMS)SLM或微机电系统(MEMS)SLM。SLM 100包括具有任选绝热层104的衬底102。电极阵列106可以连接到绝热层104或衬底102。致动器单元108连接在电极106与另一个电极阵列110之间。反射器件112连接到电极阵列110。在该结构中，当通过电极106供电时，致动器单元108可以在两个方向(例如，上、下方向)移动反射器件112。这可以被称为类似活塞运动。在一个实施例中，移动距离可以是+/-1/4λ，其中λ是照射光(未示出)的波长。在其它实施例中，该距离可以更小，例如1/8或1/16λ，或者任何其它值。

尽管未具体示出，但是电极106可以连接到导电器件(例如，导线)，以将电极106连接到控制器或电源。该导线可以通过衬底102，或者直接连接到衬底106。这种导线互连的布局和制造过程在制造技术领域众所周知。

利用压电材料分别制造每个致动器单元108。例如，可以使用锆钛酸铅(PZT)、氧化锌(ZnO)、聚偏氟乙烯(PVDF)聚合物薄膜等(下面将术语压电材料和构成压电材料的所有材料称为“PZT”)。

集成电路致动器单元108以线性方式工作，它提供相移，而且产生干扰图形，以提供更精细分辨率。此外，与传统致动器相比，制造集成电路致动器单元108的过程简单，因为在形成该集成电路致动器的过程中，集成电路致动器不要求复杂的静电光刻技术。

根据每个致动器单元108的高度(例如，厚度)和/或致动器单元108之间的间隔，每个致动器单元108可以互相断开或相连，例如，以下参考图2-3所述。这基于要求使用SLM 100。

图9示出根据本发明实施例的SLM 900的一部分。在该实施例中，为了形成整体弧形、凸形、球形、非球形等形状的SLM 900，致动器单元108可以具有不定高度。显然，还可以形成凹形。此外，可以将致动器单元108设置到衬底102上的各位置。致动器单元108的高度和/或位置之一或二者均不定可以提供利用反射器件112形成的各种衍射图形。

再参考图1，然后，继续参考图9，可以配置反射器件112以形成各种形状，例如，矩形、圆形、星射形、非球形等。反射器件112可以由硅、砷化镓、氮化镓、玻璃等构成。可以修改集成电路致动器结构和/或尺寸以在反射镜提供要求的响应，而且可以在高频工作(例如，50-100kHz)期间，使用该集成电路致动器。

图2示出根据本发明实施例的SLM 200的一部分。除了SLM 200在致动器单元108与电极106之间包括压电结构202，而在致动器单元108与电极110之间包括导电结构204之外，SLM 200与SLM 100的工作过程和构造相同。这两个结构202和204可以使相邻致动器单元108连接在一起(或者一起控制)，从而一次控制一组反射器件112。我们明白，可以根据实现特定设计的要求，改变结构202和204的特定形状和/或尺寸。

在其它实施例(未示出)中，底部电极层可以是底部上的一个电极或各电极行，而非各电极106。利用此可以将电连接的数量减少到最小。可以省略绝热层104或其一部分。可以将一条控制线连接到电极阵列110，而不是连接到一个电极。

四方向运动致动器

图3示出根据本发明实施例的SLM 300的一部分。除了每个电极106分别包括单独控制的两个部分106A和106B之外，SLM 300与SLM 100和200相同。根据使用的两个电极部分106A和106B，致动器单元108可以使反射器件112在4个方向运动(例如，上、下、偏左、偏右)。仅在一次对一个电极部分106A或106B加电时，实现这种情况。例如，对电极部分106A加电将使致动器单元108向左下方或右上方倾斜(如透视图所示)，这样又使反射器件112以同样的方向运动。当对电极106B加电时，情况相反。

我们明白，可以利用闭环位置控制过程控制SLM 100、200或300。可以利用每个致动器单元108分别测量电容，因为每个PZT基本是一个绝缘体。测量电容变化可以预测致动器单元108移动了多少，这样又可以预测反射器件112移动了多少。这可以用于确认发生了运动。

此外，由于PZT，各器件存在滞后现象。如果SLM 100、200或300采用预定算法并重复该算法，则每个致动器单元108分别具有可重复位置，因此每个反射器件112也具有可重复位置。在它每次移动时，可以利用正确算法重复设置PZT材料，以便非常精确重复该位置。

利用集成电路致动器制造SLM的方法

下面是可以用于形成SLM 100或900的一个典型处理过程400。我们明白，在本发明范围内，预期还可以采用现在已知的或未来开发的、用于形成集成电路的许多其它处理过程。

图4示出用于制造根据本发明实施例的方法400的流程图。在步骤402，在衬底上形成导电互连图形。在步骤404，在导电互连图形上形成多个压电单元。在步骤406，在多个压电单元的端部，形成各电极。在步骤408，在位于压电单元的端部的电极上形成反射镜。

图5示出详细示出在根据本发明实施例的方法400中执行的各步骤的流程图(步骤502-522)。

在步骤502，该步骤与步骤402有关，利用适当导体(例如，镍等)对衬底102(例如，硅、蓝宝石以及硅蓝宝石等)电镀互连图形，以设置电极106(例如，连接到之后形成的PZT层108的各欧姆连接)。

在步骤504，该步骤与步骤404有关，可以利用沉积、喷涂、汽化、电镀或者任何公知的或未来开发的其它方法，形成PZT材料薄膜108。根据SLM 100的特定应用，可以要求几微米厚的层。

在步骤506，该步骤与步骤406有关，可以形成顶部导体层110，以对PZT致动器108提供地线平面连接。

步骤508至518与步骤408有关。

在步骤508，可以涂布用于形成反射器件112的材料。在步骤510，例如，可以利用具有反射器图形、之后在步骤512曝光的抗蚀剂，喷涂反射器件112的材料。在步骤514，可以显影该抗蚀剂。在步骤516，可以曝光反射镜层区域，以蚀刻该区域。可以选择反射器尺寸，以使每个反射器112具有一个PZT致动器108。

在一个实施例中，可以利用各向异性蚀刻技术蚀刻反射器件/PZT层的未掩蔽区域。这样形成反射镜/致动器阵列，并显著减小在蚀刻的致动器。这种技术的例子可以包括化学加速等离子蚀刻技术、喷涂技术、离子铣削等。在另一个实施例中，可以利用激光烧蚀分离各器件/PZT单元。

在步骤518，可以消除剩余抗蚀剂。

步骤520-522是任选步骤，图4中未具体示出。

在步骤520，可以执行抛光处理，以提供其上具有致动器图形的平坦平面。

在步骤522，可以封装和/或焊接SLM 100。

我们明白，可以利用相关技术领域内的普通技术人员公知的其它等效处理步骤和/或其它顺序的处理步骤，形成致动器单元108。

在一个实施例中，致动器单元和相关反射器件可以具有小至约1微米的直径或宽度，该尺寸小于通常仅小至约16微米的传统致动器。这是利用上述集成电路制造技术(例如，光刻技术)实现的。我们明白，随着集成电路技术的进步，可以制造更小直径或宽度的致动器单元和/或反射镜。因此，可以制造非常高清晰度的SLM，这种非常高清晰度的SLM可以用于非常短波长的环境(例如，EUV)。我们明白，将来，随着技术的进步，可以改变反射镜的尺寸和密度的范围，而且它们并不仅仅局限于典型情况。

电子图形

图6至8示出根据本发明各种实施例的各种电极图形。根据应用的SLM 100和/或用于控制SLM 100的坐标系，可以使用各种电极图形。所使用的电极图形确定SLM 100的自由度。我们明白，这些附图中所示和以上讨论的电极图形仅是示例，并不意味着是全部。还可以采用其它电极图形，而且这些电极图形也在本发明范围内。例如，可以利用大量任意布局的电极提供任何要求的转轴位置或转轴。这完全是使用集成电路致动器的结果。

图6是致动器单元108上的第一电极阵列106或第二电极阵列110的图形600的俯视图。图形600使SLM 100绕4个轴转动或旋转。

图7是致动器单元108上的第一电极阵列106或第二电极阵列110的图形700的俯视图。图形700使SLM 100绕一个轴转动或旋转。

图8是根据本发明实施例的SLM 100的一部分的侧视图。在该结构中，除了第一电极阵列106和第二电极阵列110外，将第三电极阵列800和第四电极阵列802连接/沉积到致动器单元108。这样可以使致动器单元108和相应反射器件112实现X、Y和Z运动。因此，当对电极800/802加电时，反射镜112可以左右“位移”或移位(在透视图中)。我们明白，只能将一对电极106/110或800/802连接到致动器单元108的两侧。

尽管上面对本发明的各实施例进行了说明，但是应该明白，仅作为例子对它们进行说明，而没有限制性意义。显然，在本发明实质范围内，相关技术领域内的熟练技术人员可以在形式和细节方面进行各种变更。因此，本发明的深度和广度不应该局限于上述任何一个典型实施例，而根据所附权利要求及其等效物，确定本发明的深度和广度。

Claims (28)

1、一种微光电机械系统(MOEMS)集成电路空间光调制器，该空间光调制器包括：

反射器件阵列；

集成电路致动器，连接到衬底，该集成电路致动器具有致动器单元阵列；以及

第一电极阵列和第二电极阵列，连接到致动器单元的两侧。

2、根据权利要求1所述的空间光调制器，其中配置致动器单元和电极以在两个方向移动反射器件。

3、根据权利要求1所述的空间光调制器，其中配置致动器单元和电极以在四个方向移动反射器件。

4、根据权利要求1所述的空间光调制器，其中第二电极阵列中的每个电极分别包括第一和第二电极部分。

5、根据权利要求4所述的空间光调制器，其中配置第一和第二电极部分以及第一电极阵列，以使致动器单元使反射器件倾斜。

6、根据权利要求1所述的空间光调制器，该空间光调制器进一步包括：

第一连接器件，位于致动器单元与第二电极阵列的各电极之间；以及

第二连接器件，位于第一电极阵列的各电极之间。

7、根据权利要求1所述的空间光调制器，其中致动器单元中的相邻致动器单元具有不同的高度。

8、根据权利要求2所述的系统，其中致动器单元使反射器件在每个方向约移动光线的四分之一波长。

9、根据权利要求1所述的空间光调制器，其中：

第一电极阵列连接在致动器单元的第一端与反射器件之间；以及

第二电极阵列连接在致动器单元的第二端与衬底之间。

10、根据权利要求1所述的空间光调制器，其中以反射器件形成整个弧形形状的方式，配置致动器单元。

11、根据权利要求1所述的空间光调制器，在衬底上的变化的高度和位置形成致动器单元，使之由其反射的光产生变化的波阵面图形。

12、一种用于形成具有集成电路致动器器件的空间光调制器的方法，该方法包括：

(a)在衬底上，形成导电互连图形；

(b)在导电互连图形上，形成多个压电单元；

(c)在多个压电单元的端部，形成相应电极；以及

(d)在压电单元的端部上的各电极上形成反射镜。

13、根据权利要求12所述的方法，其中步骤(a)包括：

(a1)电镀导电互连图形。

14、根据权利要求13所述的方法，其中步骤(a1)包括利用镍作为导电材料。

15、根据权利要求12所述的方法，其中步骤(b)包括：

(b1)在导电互连图形上，沉积压电材料；

(b2)对压电材料涂布抗蚀剂；

(b4)以保留涂布的致动器区域的方式显影抗蚀剂；以及

(b5)各向异性蚀刻未掩蔽的压电材料区域。

16、根据权利要求15所述的方法，其中步骤(b1)包括至少使用喷涂、汽化和电镀之一。

17、根据权利要求15所述的方法，其中步骤(b5)包括至少使用化学加速等离子蚀刻、喷涂和离子铣削技术之一。

18、根据权利要求12所述的方法，其中步骤(c)包括：

(c1)沉积导电层；以及

(c2)利用抗蚀剂涂布导电层。

19、根据权利要求12所述的方法，其中步骤(d)包括：

(d1)在抗蚀剂上印刷反射镜图形；

(d2)以曝光反射镜图形区域的方式，显影抗蚀剂；

(d3)在反射镜图形区域上，沉积反射镜材料；以及

(d4)消除所有剩余抗蚀剂。

20、根据权利要求12所述的方法，其中该方法进一步包括至少利用硅、蓝宝石和硅蓝宝石之一作为衬底。

21、一种方法，该方法包括：

(a)具有反射镜阵列的集成电路MOEMS空间光调制器接收光；

(b)通过与其相连的各电极，利用MOEMS空间光调制器上的集成电路PZT致动器，移动反射镜；以及

(c)根据与反射镜相互作用的光线，形成波阵面。

22、根据权利要求21所述的方法，其中

对与致动器单元的两个侧壁相连的第一和第二电极阵列加电，以致与其相连的致动器单元和反射镜在两个方向移动。

23、根据权利要求22所述的方法，其中这两个方向是向着或者离开支承电极的衬底。

24、根据权利要求21所述的方法，其中步骤(b)包括：

对与致动器单元的第一侧壁相连的第一电极阵列中的各电极加电；以及

对与致动器单元的第二侧壁相连的第二电极阵列内的第一和第二电极之一加电，以致与其相连的致动器单元和反射镜在4个方向移动。

25、根据权利要求24所述的方法，其中这4个方向是向着支承电极的衬底、离开支承电极的衬底以及倾斜于两个方向。

26、根据权利要求21所述的方法，其中致动器单元使反射器件在每个方向约移动光线的四分之一波长。

27、根据权利要求3所述的系统，其中致动器单元使反射器件在每个方向约移动光线的四分之一波长。

28、根据权利要求21所述的方法，该方法进一步包括：

对第一和第二电极阵列中的各电极加电，以致与其相连的致动器单元和反射镜在多个方向移动。

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