專利名稱：可變形鏡光閘裝置的制作方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明涉及一種與可變形鏡裝置(DMD8)基本上相似的結(jié)構(gòu)，特別涉及一種具有可單獨偏移的元件的裝置。
可變形鏡裝置(DMD8)通常由一懸掛在一陣列或一系列電極之上的反射表面組成。在一些情況下，反射表面是一薄膜，本發(fā)明涉及的DMD8的類型是另一種。它的反射表面分成若干可單獨控制的鏡片，這些鏡片互相分離，這些DMD8通常是這樣制成的在一基底上構(gòu)成一電極陣列;用一聚合物間隔層覆蓋該電極陣列;用金屬覆蓋上述間隔層;而該金屬被制成圖案，以便構(gòu)成入口孔及構(gòu)成單個鏡片和鉸鏈(hing);然后將該間隔層蝕刻掉并留下間隔層的某些部分以支持鏡金屬。在一些DMD結(jié)構(gòu)中，全部間隔層都被去除，而用金屬柱來支持鏡片。這樣構(gòu)成的單獨鏡片包括一尋址電極，至少一個支持柱和懸掛在電極上的空氣隙之上的一個鏡片。
這類裝置的一些結(jié)構(gòu)是懸臂梁，扭轉(zhuǎn)梁和撓曲梁。懸臂梁DMD有一支持在它的一邊的鏡片。該鏡片由一個薄的鉸鏈(支點)支持著，以便其有運動的自由度。當(dāng)空氣隙下面的電極被用電氣方式尋址時，該鏡片被靜電作用吸向電極并依靠它的鉸鏈向下偏移。扭轉(zhuǎn)梁DMD由布置在鏡片兩邊的兩個鉸鏈支持著。這種典型的DMD有兩個尋址電極。當(dāng)其中一個電極被尋址時，鏡片被靜電作用吸向那個電極，從而引起該鏡片傾斜到設(shè)有尋址的電極的那一邊，并繞由上述兩鉸鏈所確定的中央梁發(fā)生扭轉(zhuǎn)。撓曲梁DMD有四個鉸鏈，各設(shè)在四個邊的一邊。當(dāng)設(shè)置在該撓曲梁的正下方的一個電極被尋址時，鏡片以活塞運動那樣的方式偏移。
這些裝置可在許多領(lǐng)域里應(yīng)用，例如打印機、顯示系統(tǒng)、交換網(wǎng)絡(luò)及其它許多方面。DMD裝置的結(jié)構(gòu)可廣泛應(yīng)用作為開關(guān)或控制器。
本發(fā)明的目的和優(yōu)點很明顯，且在以后的描述中將部分表現(xiàn)出來，本發(fā)明是通過提供一種提升或降低一金屬光閘(Shutter)的結(jié)構(gòu)來完成的。該結(jié)構(gòu)由一基底(基片)、一電極和一懸掛在該電極之上的空氣隙的上方的可反射光的金屬元件組成。該金屬元件有一固定于其上的垂直結(jié)構(gòu)。當(dāng)該電極被尋址時，上述金屬元件偏移，同時引起上述附著的垂直結(jié)構(gòu)與金屬元件一起運動。
該裝置是按下列步驟制造的在一基底上構(gòu)成一電極;用一有機聚合物間隔層覆蓋該晶片;在上述間隔層上制作圖案并用金屬覆蓋;在該金屬上制作圖案并蝕刻以構(gòu)成鉸鏈(轉(zhuǎn)動支點)和可動的金屬元件，該金屬元件包括垂直地固定于其上的結(jié)構(gòu);然后該薄片被分割且去除阻隔層以便金屬元件在空氣隙上運動。


圖1是表示制造光閘裝置的流程圖;
圖2a是表示一扭轉(zhuǎn)梁光閘裝置的頂視圖;
圖2b是光閘在上方時扭轉(zhuǎn)梁裝置的側(cè)視圖;
圖2c是光閘在下方時扭轉(zhuǎn)梁裝置的側(cè)視圖;
圖3a是表示另一種扭轉(zhuǎn)梁光閘裝置的側(cè)視圖;
圖3b是另一種扭轉(zhuǎn)梁光閘裝置的頂視圖;
圖4a表示一撓曲梁光閘裝置的側(cè)視圖;
圖4b表示一橈曲梁光閘裝置的頂視圖;
圖5a是一懸臂梁光閘裝置的頂視圖;
圖5b是一懸臂梁光閘裝置的側(cè)視圖;
圖6是一用來作為波導(dǎo)開關(guān)的光閘裝置的截面圖;
圖7a是制造金屬光閘裝置的另一種流程圖;以及圖7b表示另一種光閘裝置。
基本的DMD結(jié)構(gòu)可作改變以用于多種目的。因為它容易偏移，所以特別適用于作為可控制的光閘裝置，該裝置有一垂直結(jié)構(gòu)固定于金屬元件的下面或頂面，它隨著金屬元件運動而運動。為了構(gòu)成叫做光閘的垂直結(jié)構(gòu)，DMD的制造過程需作一些變動。
圖1表示制造過程的流程圖。在步驟10，必須確定該光閘裝置是否用在波導(dǎo)中，因為用于波導(dǎo)的裝置要求的最初制造步驟不同。如果回答是“否”，則通過線路12直接進行步驟14。在步驟14，在基底上構(gòu)成電極，該基底可以是硅或砷化鎵。電極能通過許多方法形成，其中之一是通過淀積一金屬層，在其上制作圖案再蝕刻這一系列步驟完成。其它方法包括在多晶硅上形成電極以及擴散或移植形成電極。電極形成之后，則該過程進行步驟16，步驟16是用一聚合物間隔層復(fù)蓋該薄片。作為該步驟的一部分，根據(jù)裝置的類型，聚合物上可制成圖案，以便當(dāng)金屬沉淀在它上面時，可形成支持柱和光閘。下一個步驟18是通過沉淀金屬層，制作圖案和蝕刻，來形成金屬元件、鉸鏈和光閘。第一層金屬是制鉸鏈用的薄層。該薄層也填充溝道以便形成柱，(如果要用支柱的話)，并填充局部溝道以形成光閘。然后用二氧化硅覆蓋該薄金屬層，上述二氧化硅被制成圖案以便覆蓋鉸鏈。一厚金屬層然后被設(shè)置并用二氧化硅遮掩以形成金屬元件。最后，整個結(jié)構(gòu)被蝕刻并且除了在第二個掩模留下來限定金屬元件的地方以外，厚金屬被去除。除了在留下的厚金屬的下面以及鉸鏈被遮掩的地方以外，薄金屬都被去除。光閘可相對于金屬元件梁有各種不同的取向。其中一些取向是垂直的、對角線、偏心的和不偏心的。其中一些以后將作討論。如果該裝置使用溝道，那么鉸鏈/梁金屬會充填它們，構(gòu)成支持柱。在步驟20，可能通過鋸開晶片而將該晶片分成許多單個裝置。晶片被分割后，聚合物間隔層在步驟22中被去除。如果希望得到帶有金屬支持柱的結(jié)構(gòu)，全部聚合物間隔層都應(yīng)被去除。如果沒有制成溝道圖案，那么一部分聚合物間隔層將留下來去支持金屬元件。這樣就允許金屬元件在將它們與電極分離開的空氣隙上方自由移動。最后，在步驟23，該裝置被封裝。另一條可采用的路徑是24，這是如果光閘裝置是用在波導(dǎo)中的情形。該過程是通過路徑24從步驟10進行到步驟26。在步驟26，波導(dǎo)的較低層在基底上形成。在步驟28，形成波導(dǎo)芯層，接著步驟30形成較上層。較上的波導(dǎo)層被制成圖案，在波導(dǎo)芯層蝕刻一間隙。然后該過程延續(xù)到步驟14，按照上面描述過的過程進行。兩種最終結(jié)構(gòu)之間差別僅是第一結(jié)構(gòu)的DMD的光閘懸掛在基底一電極的上方;第二結(jié)構(gòu)的DMD的光閘懸掛在一電極的上方，使得該光閘在電極被尋址時進入波導(dǎo)間隙。
圖2a表示一扭轉(zhuǎn)梁光閘裝置的頂視圖。金屬元件32由鉸鏈36a和36b懸掛在尋址電極38a和38b的上方。鉸鏈36a和36b本身分別由柱34a和34b支持著，在該例子中，金屬光閘40懸掛在波導(dǎo)42中的間隙44的上方，該裝置的側(cè)視圖如圖2b所示。金屬元件32在該狀態(tài)下沒被尋址，此時光閘40懸在波導(dǎo)間隙44之上。當(dāng)圖2b中被波導(dǎo)42遮住的尋址電極38b被尋址時，金屬元件向電極偏轉(zhuǎn)，同時使光閘40降低到波導(dǎo)間隙44內(nèi)，如圖2c所示。這樣可阻止任何光通過波導(dǎo)間隙傳輸，因而該裝置象一接通/斷開的開關(guān)一樣工作。另外，DMD光閘可裝配得使其在未尋址狀態(tài)下，光閘處在波導(dǎo)間隙內(nèi)(即“切斷”)。在該情況下，當(dāng)在金屬元件與光閘相對的另一側(cè)的電極38a被尋址時，金屬元件向另一面傾斜，從而使光閘升出波導(dǎo)間隙，這樣尋址狀態(tài)下可使光通過該間隙而傳輸(即“接通”)。
另外，該裝置能以模擬方式工作。光閘偏移的距離能由加到尋址電極上的電壓量控制。采用該方法，光閘能部分降低以便采用模擬方式限制傳輸?shù)墓饬康饺魏我凰?，即從全部傳輸?shù)酵耆袛唷Ｔ摲椒ㄅc先前的尋址方法有差別，原先方法的傳輸衰減是數(shù)字化的，即只有全部通過或切斷。
圖3a表示扭轉(zhuǎn)梁光閘裝置的另一個實施例。在該結(jié)構(gòu)中，鉸鏈36a和36b的軸垂直于波導(dǎo)42的軸。光閘44也垂直于波導(dǎo)42的軸，但仍懸掛在間隙44之上。圖3b是表示尋址電極38b位置的頂視圖。與上面討論的結(jié)構(gòu)相似，當(dāng)電極38b被尋址時，光閘從未編址的“接通”(ON)狀態(tài)傾斜到波導(dǎo)42中，充填間隙44，阻礙光的傳輸，變成“切斷”(OFF)狀態(tài)。
圖4a是表示橈曲梁光閘裝置。金屬元件32對角線懸掛在間隙之上，并由四個鉸鏈支持。從頂視圖4b看到光閘40在金屬元件32中央。光閘40垂直于波導(dǎo)42中的間隙44懸掛。注意這里僅有一個尋址電址電極38，它位于金屬元件下面的大部分區(qū)域。當(dāng)電極38被尋址時，金屬元件依靠它的鉸鏈46a、46b、46c和46d向下移動，這樣就象先前的裝置那樣，使光閘40進入間隙44。
另一個實施例是懸臂梁光閘裝置，如圖5a表示。鉸鏈36僅支持金屬元件32的一邊。電極與橈曲梁的電極相似，它位于金屬元件下面的大部分區(qū)域，圖5b是該裝置的側(cè)視圖。而且，懸臂梁光閘裝置的運行方式與先前描述的其它裝置相似。
圖2a、2b和2c的扭轉(zhuǎn)梁光閘/波導(dǎo)裝置的中央的截面圖如圖6所示。層48是基底上形成的較底層。波導(dǎo)芯層50在較低層的上方。較上層52建在該芯層之上。尋址電極38a和38b在該實施例中是在層52的上。電極也可放在其他地方，只要它們與金屬元件相近，并能引起它們偏轉(zhuǎn)。光閘40從金屬元件42下垂至間隙44。跨越間隙54的距離能被做到所需的任何尺寸。在一具體的實施例中，間隙是1μm寬。芯層52由一0.25μm厚的Si3N4層組成。夾在兩層2.5μm厚的SiO2層之間。另一個可能的結(jié)構(gòu)是光閘設(shè)置在元件的上方，而不是懸掛在元件的下面。該實施例能被適用于上面討論的任何一種裝置。這種變換的結(jié)構(gòu)如圖7a的扭轉(zhuǎn)梁所示?？蓜拥慕饘僭谄渖戏接泄忾l結(jié)構(gòu)40，在該實施例中，波導(dǎo)42的軸是在金屬元件結(jié)構(gòu)的一邊。當(dāng)電極38a被用電的方式尋址時，金屬元件向它傾斜，將光閘40降低使其進入間隙44。如上面所討論，該裝置也能以模擬方式工作，其中傾斜的距離即光通過的量由所加電壓的量控制。
圖7b是光閘設(shè)置的裝置上表面的光電柵裝置制造過程的流程圖。除了在三個主要流程步驟上，該流程基本上與圖1所示的流程相似。在圖7b中，第一個區(qū)別是在步驟56，該步驟將間隔層覆蓋到晶片上。如果需要的話在阻隔層上可制作帶有供淀積支柱用的溝道的圖案。如圖1中所示的那樣。用于淀積光閘的局部溝道可省略。在該實施例中，光閘并不懸掛在金屬元件的下方。下一個差別在步驟58，此時，形成鉸鏈和元件。在圖1中，鉸鏈，元件和光閘可通過設(shè)置一薄的金屬層，在其上加掩模，設(shè)置一厚的金屬層，再在其上加掩模，然后蝕刻所有金屬來形成。本過程除了第一層不充填局部溝道以形成光閘外，其余與圖1所示的過程相似。另外，金屬層的最后蝕刻并不在此步驟完成。步驟60可加入到圖1的過程中。因為此時光閘仍然沒有形成。因此這個步驟是必需的。在步驟58中形成的金屬層由薄金屬、掩模、厚金屬和另一掩模所組成。但還沒有進行蝕刻。在步驟60，可沉積另一金屬層并加上掩模以形成光閘。然后所有的三個金屬層和掩模被蝕刻掉。在光閘處留下三層，在金屬元件處留下兩層，而在鉸鏈處留下一層。每一層的厚度可調(diào)整以形成一最佳結(jié)構(gòu)。
本結(jié)構(gòu)作為一開關(guān)的應(yīng)用已越出波導(dǎo)的范圍。在其它許多方面也可應(yīng)用該類型的裝置。該結(jié)構(gòu)的切換速度和緊湊性使得它優(yōu)于目前使用的許多微型機械開關(guān)。
這樣，盡管至此只對DMD光閘裝置的一特別的實施例作了描述。這些具體的說明并不是作為下列權(quán)利要求書所保護的本發(fā)明的范圍的限制。
權(quán)利要求
1.一種可偏移裝置，其特征在于它包括a.一基底；b.一在上述基底上形成的電極；c.至少一個在上述電極的旁邊、且在上述基底上形成的支持結(jié)構(gòu)；d.一位于上述電極上方、與支持結(jié)構(gòu)相連接的可動金屬元件；e.一在上述電極和上述元件之間的空氣間隙；以及f.一與上述元件相連接的垂直結(jié)構(gòu)。
2.如權(quán)利要求1所述的裝置，其特征在于上述基底是硅。
3.如權(quán)利要求1所述的裝置，其特征在于上述基底是砷化鎵。
4.如權(quán)利要求1所述的裝置，其特征在于上述電極是金屬。
5.如權(quán)利要求1所述的裝置，其特征在于上述電極是多晶硅。
6.如權(quán)利要求1所述的裝置，其特征在于上述支持結(jié)構(gòu)包含一金屬柱。
7.如權(quán)利要求1所述的裝置，其特征在于上述支持結(jié)構(gòu)由有機聚合物構(gòu)成。
8.如權(quán)利要求1所述的裝置，其特征在于上述表面通過一鉸鏈與上述支持結(jié)構(gòu)相連接。
9.如權(quán)利要求1所述的裝置，其特征在于上述表面通過兩個鉸鏈與上述支持結(jié)構(gòu)相連接。
10.如權(quán)利要求1所述的裝置，其特征在于上述表面與上述支持結(jié)構(gòu)通過四個鉸鏈相連接。
11.一種制造方法，其特征在于它包括a.在一基底上形成電極;b.用聚合物間隔層覆蓋上述電極;c.在上述間隔層上制作圖案;d.在上述間隔層上形成金屬層;e.在上述金屬層上制作圖案，以便形成鉸鏈、金屬元件和垂直地固定于上述金屬元件的底面的結(jié)構(gòu);f.將上述基底分割成許多單個裝置;g.從上述裝置中去除一部分間隔層;以及h.封裝上述單個裝置。
12.如權(quán)利要求11所述的方法，其特征在于上述形成電極的步驟包括沉積金屬、在其上制作圖案和蝕刻該金屬。
13.如權(quán)利要求11所述的方法，其特征在于上述形成電極的步驟包括將某種材料擴散進去以作為電極。
14.如權(quán)利要求11所述的方法，其特征在于上述形成電極的步驟包括用多晶硅形成電極。
15.如權(quán)利要求11所述的方法，其特征在于上述在所述間隔層上制作圖案的步驟包括在上述間隔層上制作帶有局部溝道的圖案。
16.如權(quán)利要求11所述的方法，其特征在于上述形成金屬層的步驟包括在上述墊片上淀積金屬。
17.如權(quán)利要求11所述的方法，其特征在于上述形成一金屬層的步驟包括在上述間隔層上淀積上述金屬之前，在上述間隔層上制作帶有溝道的圖案。
18.如權(quán)利要求11所述的方法，其特征在于上述分割步驟包括鋸開上述晶片。
19.如權(quán)利要求11所述的方法，其特征在于上述去除步驟包括基本上去除全部間隔層。
20.如權(quán)利要求11所述的方法，其特征在于上述去除步驟包括去除一部分間隔層且留下一部分上述間隔層作為支持結(jié)構(gòu)。
21.一種可偏移裝置，其特征在于它包括a.一基底;b.一在上述基底上的下包層;c.一在上述下包層上的波導(dǎo)芯層;d.一在上述波導(dǎo)芯層上的上包層;e.一包含一金屬元件和一固定于上述金屬元件的垂直結(jié)構(gòu)的可變形金屬元件結(jié)構(gòu);上述結(jié)構(gòu)懸掛在上述波導(dǎo)芯層的上方，并與上述芯層由一空氣間隙隔開;以及f.一用來對上述金屬元件進行電氣尋址的與上述空氣間隙相鄰的電極。
22.如權(quán)利要求21所述的裝置，其特征在于上述基底是硅。
23.如權(quán)利要求21所述的裝置，其特征在于上述下包層是氧化硅。
24.如權(quán)利要求21所述的裝置，其特征在于上述波導(dǎo)芯層是四氮化三硅。
25.如權(quán)利要求21所述的裝置，其特征在于上述上包層是氧化硅。
26.一種制造方法，其特征在于，它包括a.在一基底上形成一電極;b.用一聚合物間隔層覆蓋上述電極;c.在上述間隔層上形成一金屬層;d.在金屬層上制作圖案以形成鉸鏈和金屬元件;e.在上述金屬層上形成一金屬光閘層;f.在上述光閘層上制作圖案;g.去除一部分上述金屬層和上述光閘層;h.將上述基底分割成許多單個裝置;i.從上述裝置中去除一部分上述間隔層;以及j.封裝上述單個裝置。
27.如權(quán)利要求26所述的方法，其特征在于上述形成電極的步驟包括淀積金屬、在其上制作圖案和蝕刻該金屬。
28.如權(quán)利要求26所述的方法，其特征在于上述形成電極的步驟包括將某種材料擴散進去，以作為一電極。
29.如權(quán)利要求26所述的方法，其特征在于上述形成電極的步驟包括用多晶硅構(gòu)成上述電極。
30.如權(quán)利要求26所述的方法，其特征在于上述形成電極的步驟包括在上述間隔層上淀積金屬。
31.如權(quán)利要求26所述的方法，其特征在于上述形成金屬層的步驟包括在上述間隔層上淀積上述金屬層之前在上述間隔層上制作帶有溝道的圖案。
32.如權(quán)利要求26所述的方法，其特征在于上述在上述金屬層上制作圖案的步驟包括在上述金屬層上加掩模。
33.如權(quán)利要求26所述的方法，其特征在于上述形成上述光閘金屬層包括在上述金屬層上淀積上述光閘層。
34.如權(quán)利要求26所述的方法，其特征在于在上述光閘層上制作圖案包括在上述光閘層上加掩模。
35.如權(quán)利要求26所述的方法，其特征在于上述去除部分上述光閘層和金屬層的步驟包括蝕刻上述層。
36.如權(quán)利要求26所述的方法，其特征在于上述分割步驟包括鋸開上述晶片。
37.如權(quán)利要求26所述的方法，其特征在于上述去除步驟包括基本上去除全部間隔層。
38.如權(quán)利要求26所述的方法，其特征在于上述去除步驟包括去除一部分上述間隔層并留下一部分間隔層作為支持結(jié)構(gòu)。
全文摘要
一種裝置，它包括一含有一電極(38a、38b)及電極和一可單獨偏移的元件(32)之間的間隙的微型機械開關(guān)，上述偏移元件(32)有一連在它下面的垂直光閘(40)，當(dāng)電極被尋址時，可偏移元件(32)的運動引起光閘升高或降低。這樣一種裝置可起開關(guān)作用。它公開了一種使用在波導(dǎo)中的實施例及制造方法。
文檔編號G02B6/35GK1068198SQ9210308
公開日1993年1月20日 申請日期1992年4月23日 優(yōu)先權(quán)日1991年4月26日
發(fā)明者米歇爾·A·米尼亞爾, 杰佛尼·B·桑普塞爾, 瑪克·博伊塞爾 申請人:德克薩斯儀器公司