(57)【特許請求の範囲】
【請求項１】
真空セルと、
該真空セル内にある透明な基板と、
該基板上にある静電的に作動可能な回転可能な複数のマイクロミラーのアレイであって、該アレイは、第１の基準電位に保持されている、複数のマイクロミラーのアレイと、
該真空セル内で支持されている複数の絶縁支柱のアレイと、
該複数のマイクロミラーのアレイの上方に該複数の支柱によって支持されている薄い浮動電位絶縁膜と、
該真空セル内にあるコレクターグリッドであって、該アレイに対向して該絶縁膜から間隔をあけて配置されているコレクターグリッドと、
該真空セル内にあるソースであって、該コレクターグリッドを介して該第１の基準電位に向かって加速されて該絶縁膜の裏側に衝突する一次電子を放射することにより、射出されるべき二次電子であって、該コレクターグリッド上に収集されるべき二次電子を生じさせ、これにより、該複数のマイクロミラーを回転させて該膜に向かって変形させる微細に分解された静電引力を生成する所定の電荷パターンを該膜の上に残す、ソースと
を備え、
該膜は、該一次電子が該複数のマイクロミラーを透過することを止めさせるように十分に厚く、該膜は、該電荷パターンと該複数のマイクロミラーとの間のフリンジ場が該静電引力の分解能を劣化させないように十分に薄い、光モジュレータ。
【請求項２】
前記基板と前記複数のマイクロミラーのアレイとの間に、前記透明な基板の上の電荷の蓄積から該複数のマイクロミラーを遮蔽する透明な等電位層（４２）をさらに備える、請求項１に記載の光モジュレータ。
【請求項３】
前記等電位層の上に、前記複数のマイクロミラー間の電気的連続性を確実にする導電性グリッド（４０）をさらに備える、請求項１または２に記載の光モジュレータ。
【請求項４】
前記等電位層（４２）は、複数のマイクロミラーの下に複数の穴（１０８）のアレイを有しており、
前記光モジュレータは、
該等電位層の下にある絶縁層（１０４）と、
該絶縁層と前記基板との間にある埋め込み導電層（１０２）であって、一定の電位に保持されている埋め込み導電層（１０２）と
をさらに備え、
該一定の電位は、前記第１の基準電位に対して該穴を通る電界を作り出し、該電界が該複数のマイクロミラーを該基板に向かって下方にバイアスする一定の引力を該複数のマイクロミラー上に確立する、請求項２に記載の光モジュレータ。
【請求項５】
前記膜の裏面上にある複数のアトラクターパッド（４４）のアレイであって、前記複数のマイクロミラーのアレイに対して整列されている複数のアトラクターパッド（４４）のアレイをさらに備え、
前記ソースは、各マイクロミラーの電荷が、対応するアトラクターパッドに均一に分散されるように、該複数のアトラクターパッド上に前記電荷パターンを書き込む、請求項１に記載の光モジュレータ。
【請求項６】
前記膜の表面上にある複数のアトラクターパッド（４６）のアレイであって、前記複数のマイクロミラーのアレイに面し、かつ、該複数のマイクロミラーのアレイに対して整列されている複数のアトラクターパッド（４６）のアレイをさらに備え、
該膜の裏面上および該膜の表面上にある複数のアトラクターパッドが、直列キャパシタのアレイを形成し、それにより、該裏面上にある複数のアトラクターパッドに堆積された電荷が、該複数のマイクロミラーに対向する該表面上にある複数のアトラクターパッド上にミラー電荷を生成する、請求項５に記載の光モジュレータ。
【請求項７】
前記複数のアトラクターパッドが、１より小さな二次放射係数を示し、
前記光モジュレータは、各アトラクターパッドの上に、１より大きな二次放射係数を示す制御パッド（９２）をさらに備える、請求項５に記載の光モジュレータ。
【請求項８】
前記複数のマイクロミラーのそれぞれは、
前記基板から間隔をあけて該マイクロミラーを配置する導電性支柱（２８）と、
前記静電引力に応答して、該マイクロミラーを回転させ、かつ、前記膜に向かって上方に該マイクロミラーを変形させることが可能なヒンジ（３０）と、
光線を偏向させる反射面（３２）と
を備え、
該ヒンジおよび該反射面は、同一平面上にあり、かつ、同一の厚さを有しており、その同一の厚さは、該膜が存在しない場合に前記一次電子を止めるには薄すぎる、請求項１に記載の光モジュレータ。
【請求項９】
前記コレクターグリッドは、第２の基準電位に保持されており、前記電荷パターンは、該コレクターグリッドの該第２の基準電位に向かって局所化された膜の電位を増加させ、それにより、前記膜と前記複数のマイクロミラーとの間の電位差が前記微細に分解された静電引力を生成し、該複数のマイクロミラーは、該電位差が閾値電位を超えた場合にスナップオーバーしやすく、該コレクターグリッドは、該第２の基準電位が該閾値電位よりも小さくなるようにバイアスされる、請求項１に記載の光モジュレータ。
【請求項１０】
真空セルと、
該真空セルに取り付けられた電荷制御ミラー（ＣＣＭ）と、
ソースと
を備え、
該電荷制御ミラーは、
透明な基板と、
該透明な基板上にある透明な等電位層と、
該等電位層上にある静電的に作動可能な回転可能な複数のマイクロミラーのアレイであって、該等電位層および該複数のマイクロミラーのアレイの両方が基準電位に保持されている、複数のマイクロミラーのアレイと、
該基板上にある複数の絶縁支柱のアレイと、
該複数のマイクロミラーのアレイの上方に該複数の支柱によって支持されている浮動電位絶縁膜と、
該複数のマイクロミラーに対向して該絶縁膜から間隔をあけて配置されているコレクターグリッドと
を含み、
該ソースは、該コレクターグリッドを介して加速されて該複数のマイクロミラーの上方にある該絶縁膜の一部に衝突する一次電子を放射することにより、射出されるべき二次電子であって、該コレクターグリッド上に収集されるべき二次電子を生じさせ、これにより、該複数のマイクロミラーを回転させて該膜に向かって変形させる微細に分解された静電引力を生成する所定の電荷パターンを該膜の上に残す、光モジュレータ。
【請求項１１】
真空セルと、
該真空セルに取り付けられた電荷制御ミラー（ＣＣＭ）と、
ソースと
を備え、
該電荷制御ミラーは、
透明な基板と、
該透明な基板上にある透明な等電位層と、
該等電位層上にある導電性グリッドと、
静電的に作動可能な片持ちの複数のマイクロミラーのアレイであって、該複数のマイクロミラーは、それぞれ、該導電性グリッドの一部を共通の支柱領域として共有し、該導電性グリッドと該等電位層と該複数のマイクロミラーとは、基準電位に保持されている、複数のマイクロミラーのアレイと、
該複数のマイクロミラーに共通の支柱領域上にある複数の絶縁浮動電位支柱膜のアレイであって、該複数の絶縁浮動電位支柱膜は、各支柱領域を共有する該複数のマイクロミラーのそれぞれの上方に扇状に広がっている、複数の絶縁浮動電位支柱膜のアレイと、
該複数の支柱膜上にある複数のアトラクターパッドのアレイであって、該複数のマイクロミラーに対して整列されている複数のアトラクターパッドのアレイと、
該複数のマイクロミラーに対向して該複数の絶縁支柱膜から間隔をあけて配置されているコレクターグリッドと
を含み、
該ソースは、該コレクターグリッドを介して加速されて該複数の支柱膜上にある該複数のアトラクターパッドに衝突する一次電子を放射することにより、射出されるべき二次電子であって、該コレクターグリッド上に収集されるべき二次電子を生じさせ、これにより、該複数のマイクロミラーを回転させて該複数の支柱膜に向かって変形させる微細に分解された静電引力を生成する所定の電荷パターンを該複数のアトラクターパッドの上に残す、光モジュレータ。
【請求項１２】
透明な基板と、
該透明な基板上にある透明な等電位層と、
該等電位層上にある静電的に作動可能な片持ちの複数のマイクロミラーのアレイと、
該基板上にある複数の絶縁支柱のアレイと、
該複数のマイクロミラーのアレイの上方に該複数の支柱によって支持されている薄い浮動電位絶縁膜と、
該真空セル内にあるコレクターグリッドであって、該アレイに対向して該絶縁膜から間隔をあけて配置されているコレクターグリッドと
を備える、電荷制御ミラー（ＣＣＭ）。
【発明の詳細な説明】
【０００１】
（発明の背景）
（発明の分野）
本発明は、ビームアドレス静電起動光モジュレータ、より具体的には、薄絶縁膜を用いてマイクロミラーアレイを真空内のビームから切り離す電荷制御ミラー（ＣＣＭ）に関する。
【０００２】
（関連技術の説明）
静電起動光モジュレータにおいて、光のビームは、映像アドレシング信号に応答して、例えば、反射薄膜、またはマイクロミラーのアレイのような個別の反射要素のゆがみの振幅に比例してビームへの変調を分け与える、光弁ターゲットに向かって方向付けられる。振幅または位相変調ビームは、その後、投影光学系に送られ、画像を形成する。ターゲットは、基板の内部に向かって引き込む、下にある基板と、個別の反射要素との間の静電引力を生成する。ゆがみの振幅は、映像信号のピクセル輝度に対応する。光モジュレータの光学系の性能が、ゆがみの範囲、静電気的不安定、および解像度と密接に関係することが周知である。
【０００３】
ゆがみ範囲は、基板の上の反射要素のギャップによって、厳密に制限されている。さらに、静電気的不安定の問題に起因して、ギャップの約３分の１しか有効に用いられ得ないことが一般的に理解される。引力は、反射要素の復元したばねの力を圧倒する傾向にあり、ベース電極への全ての道程をスナップする原因となる。この問題は、一般的に、プルイン、またはスナップオーバーと呼ばれる。要素がスナップオーバーすると、ファンデルワールス力に起因して、基板に接した（ｓｔｉｃｋ）ままになる。有効な範囲は、対角線が要素の対角線の長さの約６０％である、要素の下にある制御電極を用いることによって、ギャップの約５分の４まで拡大され得る。しかし、このことにより、同じ量のゆがみを得るために必要な電圧が増加する。
【０００４】
１９６０年代の終わりにおいて、ＲＣＡは、真空内で高エネルギー走査電子ビームを用いて、ガラス基板の近傍で支持される薄金属膜にアドレスする、新たなＳｃｌｉｅｒｅｎ光弁を開発した。この光弁は、Ｊ．Ａ．ｖａｎ  Ｒａａｌｔｅ、「Ａ  Ｎｅｗ  Ｓｃｌｉｅｒｅｎ  Ｌｉｇｈｔ  Ｖａｌｖｅ  ｆｏｒ  Ｔｅｌｅｖｉｓｉｏｎ  Ｐｒｏｊｅｃｔｉｏｎ」、Ａｐｐｌｉｅｄ  Ｏｐｔｉｃｓ、Ｖｏｌ．９、Ｎｏ．１０、（１９７０年１０月）、２２２５頁に記載されている。電子ビームは、金属層を透過し、映像信号の輝度に比例して、基板に電荷を堆積する。堆積された電荷は、金属膜を基板に向かって内側に変形する、引力を生成する。このことによって、反射された光の一部がストップを失い、全ての光が最終的にスクリーンに到達するまでスクリーンの明度が増大する。実際の動作において、各ピクセルは、放物線的に変形する。結果として、各ピクセル素子の中央部分に入射する光はゆがまされず、フィルファクターおよび光学効率性を制限する。さらに、変形範囲は、放物線的変形を維持するように、約２０％に制限されている。
【０００５】
消去は、ビジコンチューブの表面板を通じて、誘電層に堆積された電荷を抜き取ることによって、達成される。表面板のＲＣ時間定数は、１フレーム時間中に実質的に全ての堆積した電荷が抜き取られることを保証するように、設定され得る。しかし、表面板は、誘電材料のトラップによって作成される放電時間の変動を最小化するため、加熱される必要がある。さらに、ガラス基板は、時間が経つにつれて、電子照射に応答して、退色する傾向がある。
【０００６】
最近になって、Ｗａｒｄｅらによる米国特許第５，２８７，２１５号に記載してあるように、Ｏｐｔｒｏｎ  Ｓｙｓｔｅｍｓ，  Ｉｎｃ．が、電荷転送プレート（ＣＴＰ）が、真空の下から大気中で可能なウェルまで走査電子銃からの電荷を結合する膜光変調システムを開発した。ＣＴＰの中、または上で形成される絶縁支柱のアレイは、ウェルをスパンする変形可能反射膜を支持する。ＣＴＰは、電子ビーム相互作用を膜から切り離し、気圧を取り除くために必要な構造支持体を提供する高密度マルチ供給真空対空気インターフェースとして働く。真空対空気のインターフェースは、反射膜が、真空ではなく空気中に設立されて、動作することを可能にする。これは、より簡略的、かつ安価である。
【０００７】
しかし、ＣＴＰが、気圧に耐えるために十分な構造的な完全性を提供するので、ＣＴＰは、有効なディスプレイサイズについて、少なくとも３ｍｍなど、非常に厚くなる必要がある。堆積された電荷のパターンの解像度を維持するため、経験から得られた法則では、電荷平面が、好適には、ピクセルの幅の１０分の１以内であり、幅の１０倍より大きくあってはならない。長い距離では、フリンジング力によって、静電引力の解像度があせる。ピクセルサイズをかなり大きい０．１ｍｍと仮定しても、電荷平面は、１ｍｍより大きくなり得ず、好適には、約１０ミクロンである。電荷平面を、膜の近傍に効率的に移動するために、Ｗａｒｄｅは、ＣＴＰに導電性フィードスルーを形成して、ＣＴＰの底面からウェルに電荷パターンを転送する。ウェルは、膜から、公称で、２〜１０ミクロン間隔が開けられている。
【０００８】
フィードスルーは、近接の問題を解決するが、ウェルに送達される電荷の量を劇的に減少させる。電荷が、円柱状のフィードスルーの周りを均一に分配し、フィードスルーの一方の端部の面積が、これらの寸法の全表面積の１／１０００であり得るので、ウェルに送達される電荷の量は、約１／１０００に減少し得る。従って、走査電子銃は、膜を起動するために必要な電荷の約１０００倍の電荷を送達する必要がある。電流密度がより高くなると、ビームスポットサイズがより大きくなり、従って、ディスプレイの解像度がより低くなる。
【０００９】
１９７０年代の初めに、Ｗｅｓｔｉｎｇｈｏｕｓｅ  Ｅｌｅｃｔｒｉｃ  Ｃｏｒｐｏｒａｔｉｏｎは、電子銃アドレス片持ち梁変形可能ミラー装置を開発した。この装置は、Ｒ．  Ｔｈｏｍａｓらの「Ｔｈｅ  Ｍｉｒｒｏｒ−Ｍａｔｒｉｘ  Ｔｕｂｅ：  Ａ  Ｎｏｖｅｌ  Ｌｉｇｈｔ  Ｖａｌｖｅ  ｆｏｒ  Ｐｒｏｊｅｃｔｉｏｎ  Ｄｉｓｐｌａｙｓ」、ＥＤ−２２  ＩＥＥＥ  Ｔｒａｎ．  Ｅｌｅｃ．  Ｄｅｖ．  ７６５  （１９７５）、ならびに米国特許第３，７４６，３１０号、第３，８８６，３１０号および第３，８９６，３３８号に記載されている。この装置は、熱二酸化ケイ素層をシリコンオンサファイア基板の上で成長させることによって、製造される。この酸化物は、中央で接合された４つの片持ち梁のクローバー形アレイにおいてパターニングされる。シリコンは、酸化物がアンダーカットされるまで、同位体的に、湿式エッチングされ、中央シリコン処理支柱によって支持される４つの酸化片持ち梁を、各ピクセル内に残す。クローバー型アレイは、その後、反射性のため、アルミニウムで金属被覆される。サファイア基板の上に堆積されるアルミニウムは、ｄ．ｃ．バイアスで維持される、ミラーの端部に近傍する基準格子電極を形成する。電界メッシュは、ミラーの上で支持されて、入射一次電子に応答して、ミラーから放射される任意の二次電子を収集する。
【００１０】
この装置は、クローバー型梁に電荷パターンを堆積する、低エネルギー走査電子ビームによってアドレスされ、ビームが、静電起動によって、基板上の基準グリッド電極に向かって変形される原因となる。チューブに低エネルギー電子をあふれさせて、全てのミラーを同時に消去する間、堆積された電荷を、ミラーの上でフレーム時間を通じて維持し、その後、電界メッシュ電位に等しくなるように目標電圧を上げることによって、消去は達成される。このアプローチによって、モジュレータのコントラスト比が増大するが、ビデオ適用例において受容されない「ちらつき」が生成される。
【００１１】
走査電子ビームによって堆積される電荷の量が適度なまま、クローバー型梁の変形を可能にするため、Ｗｅｓｔｉｎｇｈｏｕｓｅは、クローバー型梁を薄く、曲げやすくする必要がある。また、反射率を１０〜１５％減少する結晶利得構造を避けるため、Ｗｅｓｔｉｎｇｈｏｕｓｅは、クローバー型梁の上に非常に薄いアルミニウムコーティングを用いる必要がある。結果として、電子ビームエネルギーは比較的低くなって、実質的に全ての電子が、ミラーで止まり、下にあるガラス基板へと透過しない。不運なことに、低エネルギービームが、解像度を低減する比較的大きいスポットサイズを示す。
【００１２】
より厚いミラーが、高エネルギー電子ビームとの組合せで用いられて、入射電子を止めて、高解像度を維持し得る。しかし、映像性能の品質を保証するため、ミラーの基本的な機械的共鳴は、ミラーを完全に安定させることを可能にするように、約１００倍、映像速度を超える必要がある。５〜１０ｋＨｚの共鳴振動数が適切である。結果として、クローバー型梁および支柱の接合部分で形成されるヒンジは、かなり強固、すなわち厚くなる必要がある。ビームのゆがみとは反対のヒンジのばね力が、厚さの３乗で増加するので、適切な力の生成のためには、より多くの電荷がビームに堆積される必要がある。１ピクセルドウェル時間で、小さいスポットサイズで、十分な電流を送達し得る電子銃は、最新技術を現在越えている。
【００１３】
頑固なスナップオーバー問題および制限されたコントラスト比によって、今日まで、ＣＲＴ、液晶、および反射膜に基づく技術より優れている、マイクロミラー光モジュレータ固有の光学能の利点が利用され、上市されるはなかった。実際、問題点が非常にやっかいだったので、光モジュレータ産業は、これらの引きつけモード装置の動作のデジタルモードおよび代替的な起動技術の開発にかなりの時間とお金を投資した。
【００１４】
Ｔｅｘａｓ  Ｉｎｓｔｒｕｍｅｎｔｓは、利点に対して、プルイン問題を用いる、デジタルマイクロミラー装置（ＤＭＤ）を有するデジタルモード光モジュレータを初めに開発した。ＤＭＤは、ミラーの先端がベース電極まで下がった状態で、バイナリ位置の間を前後に揺れるねじれマイクロミラーを利用する。「接触」効果は、ミラーの先端をベース電極にほんの少し触れること、およびアンチ接触コーティングを用いることによって、低減されるが、消滅はしない。２つの位置の間で前後にミラーを速く揺することによって作製される、時分割多重化方式（ＴＤＭ）が用いられて、異なるグレーレベルを確立する。ＴＤＭアドレシング方式を実現するエレクトロニクスは、アナログ変調のために必要とされる方式より、ずっと複雑、かつ高価である。さらに、アンチ接触コーティングは、装置を複雑にし、製造コストを大幅に増加させる。
【００１５】
Ａｕｒａ  Ｓｙｓｔｅｍは、静電起動を圧電起動と置き換えたマイクロミラー光弁ターゲットを開発した。マイクロミラーは、圧電ペダスタルの上に形成される。ＤＣ電圧がペダスタルに印加され、形状およびミラーの傾きを変化させる。圧電起動はプルインを避けるが、製造プロセスが複雑かつ高価であり、ゆがみ角が小さく、高周波数で切り替えられる高電圧がペダスタルの起動に必要とされる。
【００１６】
（発明の要旨）
上述の問題に関して、本発明は、増大したゆがみ範囲、低減したビーム電流、改良された静電安定性を有する、高解像度電荷制御ミラー（ＣＣＭ）を提供する。
【００１７】
これは、基準電圧に維持されているマイクロミラーアレイから電子ビームを切り離す、薄絶縁膜を真空セルに挿入することによって達成される。膜は、入射電子がミラーへと透過しないように止めるために、十分厚いが、フリンジ電界が最小化され、解像度に影響しないように十分薄い。実際、膜は薄いので、誘導電荷パターンに起因して、印加される電界に対して膜自体を支持することができず、絶縁支柱のアレイによって支持される必要がある。マイクロミラーをビームから切り離すことによって、それらをより薄くすることが可能になって、十分な共鳴周波数を維持するために必要なヒンジの厚さが低減し、マイクロミラーをひずませるために必要なビーム電流の量が低減する。高解像度では、ビームドウェル時間は非常に短く、電荷効率性が非常に重要になる。
【００１８】
好適な実施形態において、アレイの下にある等電位層は、蓄積された静電電荷からミラーを遮蔽して、ミラーをスナップオーバーし、基板に接するようにするいずれの引力も現れないようにする。さらに、アトラクターパッドのアレイが、膜の上に形成されて、電界全体の解像度を改良させ、各マイクロミラーによって見られる電界均一性を改良させ得る。さらに、アトラクターパッドの相補的アレイは、膜の前面でパターニングされて、直列キャパシタのアレイを規定し得る。底面パッドに堆積される電荷は、反対側の前面パッドにミラー電荷を生成する。結果として、電荷パターンは、膜の前面に効率的にシフトされて、所与の量の電荷について電界を増大する。
【００１９】
ゆがみ範囲の制限は、マイクロミラーの上で支柱アレイの上の薄膜を支持すること、および、ミラー対膜の間隔の約８３％までが用いられることを可能にするアトラクターパッドジオメトリーを規定することによって、解消される。膜へのスナップオーバーは、ＣＣＭをバイアシングして、最大膜電位を規定するグリッド電位を、スナップオーバー閾値電位より低くすることによって避けられ得る。さらに、ミラーは下方向にバイアシングされて、効率的にゆがみ範囲を増大し得る。これは、ミラーの下にある等電位層に小さい穴を形成すること、および厳重にフィルタリングされたバイアス電位を埋め込み層に印加して非常に安定した引力を生成することによって行われ得る。
【００２０】
本発明のこれらおよび他の特徴および利点は、添付の図面を参照しながら、好適な実施形態の以下の詳細な説明を考慮することによって、当業者にとって明らかになる。
【００２１】
（好適な実施形態の詳細な説明）
本発明は、公知の静電起動マイクロミラーターゲットに関連する、制限されたゆがみ範囲、高ビーム電流、静電不安定、および制限された解像度の問題を解消するＣＣＭ構成を提供する。これは、薄絶縁膜を真空セルに挿入して、電子ビームをマイクロミラーアレイから切り離すことによって、達成される。切り離すことによって、ミラーが、反射性を最適化し、より良好な映像性能のためのより高い共鳴周波数を示し、ヒンジと同時に製造されるように、設計されることをさらに可能にする。
【００２２】
電子ビームソースは、１つの電子銃であってもよいし、１対の電子銃であってもよいし、電界エミッタアレイ（ＦＥＡ）、薄ＣＲＴ、表面導電性電子（ＳＣＥ）アレイまたは金属−絶縁−金属（ＭＩＭ）カソードアレイのような固定された梁アレイであってもよい。
【００２３】
ゆがみ範囲の制限は、マイクロミラーの上で支柱アレイの上の薄膜を支持すること、および、ミラーと膜との間隔の約８３％までが用いられることを可能にする、膜の上のアトラクターパッドジオメトリーを規定することによって、解消される。スナップオーバーは、ＣＣＭをバイアシングして、最大膜電位を規定するグリッド電位を、スナップオーバー閾値電位より低くすることによって避けられ得る。最大膜電位は、二次電子の低エネルギースペクトル、ならびにアトラクターパッドおよびコレクターグリッドのジオメトリーに依存する精密な差によって、グリッド電位を僅かに超え得る。さらに、ミラーは下方向にバイアシングされて、効率的にゆがみ範囲を増大し得る。バイアスは、ミラーを、中間地点から上または下にゆがませて、時間が経つにつれて、結晶利得構造に起因するオフセットが発達することから、ある特定のヒンジを防ぐ所望の効果を得る。
【００２４】
静電不安定の問題は、全てのミラーを基準電位、適切にはアノード電位に維持する、等電位層をミラーアレイの下に形成することによって、解消される。等電位層がミラーと同じ電位なので、二者の間には引力は作り出され得ない。結果として、等電位層は、基板の上の静電荷のあらゆる蓄積から、マイクロミラーを効率的に遮蔽し、基板の上のあらゆる漂遊電荷を連れ出す。
【００２５】
改良された解像度および低減したビーム電流は、主に、ビームをミラーアレイから切り離した結果である。膜は、かなり薄いが、最適なミラーの厚さより厚い。結果として、より高いエネルギービームが用いられ得る。より高いエネルギービームは、解像度を改良する、より小さいスポットサイズを有する。さらに、ミラーの厚さ、従って、ヒンジの厚さが低減されるので、より低い電流ビームが用いられ得る。より低い電流ビームによって、ミラーをゆがませるために必要な電荷の量が減少する。より低い電流ビームは、さらに、より小さいスポットサイズを有し、これにより、解像度がさらに改良される。
【００２６】
改良された解像度は、また、膜の設計の結果でもある。膜が非常に薄いので、膜の上の電荷パターンと、ミラーとの間の間隔が、ほぼミラーと膜との間隔である。ゆがみ範囲が大きく、ミラーが小さくても、この間隔が十分に小さいので、解像度へのフリンジ電界効果は小さい。解像度は、膜の上のアトラクターパッドとの組合せて、適切なビーム変調によって、２倍まで増加される。これらのパッドは、各ミラーについて均一な電界を作り出すように機能する。最終的に、電荷パターンは、膜の前面に相補的アトラクターパッドのアレイを形成して、直列キャパシタを規定することによって、電荷の量を薄めることなく膜の他の側面にシフトされ得る。底面に堆積された電荷は、前面に反射される。これは、電荷パターンを、より近くに移動させるだけでなく、空気の数倍の誘電率を有する、膜の他の側面に移動させる。
【００２７】
説明のために、本発明は、まず、膜起動ＣＣＭのジオメトリーおよび機能性を示す、１つのピクセルのコンテキストにおいて説明される。図１ａに示すように、ＣＣＭ１０は、回転可能マイクロミラー１８と一次電子のソース２０との間で、支柱アレイ１６の上に支持される、薄絶縁膜１４を含む。支柱アレイ１６およびマイクロミラー１８は、パシベーション層２４によって覆われ得る、透明基板２２の上に形成される。特定の構成において、膜とソースとの間に支柱アレイを形成することが可能であり得る。例えば、ソースが固定エミッタアレイである場合、支柱および膜構造は、アレイの上部の上に造られ得る。各マイクロミラーは、導電性支柱領域またはパッド２６、支柱２８、ヒンジ３０、ならびにミラー素子３２を含む。ヒンジ３０およびミラー素子３２は、好適には、同一平面上にあり、同じ厚さである。示しているように、基板２２がセルの表面板を形成し得るが、ＣＣＭ１０は、完全に真空セル３４内にある。
【００２８】
好適な構成において、支柱パッド２６を含む導電性グリッド４０が、適切には、基板２２の上の透明導電膜または酸化物（ＴＣＦまたはＴＣＯ）であり、１００Å以下の、非常に薄い透明等電位層４２の上に形成される。層４２は、ミラーと基板との間で、不安定の原因となり得る電位差が発生することを防ぐ。グリッド４０は、全てのマイクロミラーの間の電気的連続性を保証し、基準電位、適切には、アノード電位で維持する。層４２は、両方の機能を行い得るが、電気的連続性を保証するためには、より厚くなる必要があり、そのことによって、光学効率は低減する。
【００２９】
相対的正電位ＶGにバイアスされた、コレクターグリッド３５と、マクロミラー１８との電位差は、均一な電界３８を確立する。コレクターグリッドによってミラーに及ぼされる引力は、相対的に大きい間隔に起因して、無視できる程度のミラーゆがみを引き起こす。あるいは、コレクターグリッドは、削除され得、コレクター電極は、真空セル３４の内部のバイアシングされた導電性コーティングであり得、これは標準的なＣＲＴ技術である。膜１４は、電界３８内の浮動電位にある。任意の堆積された電荷がない場合、膜電位は、基準電位とコレクターグリッド電位との間の電位で安定し、ミラーアレイとグリッドとの間の電界を満たすようになる。膜電位の正確な値は、膜の誘電定数および厚さ、コレクターグリッドおよびミラーアレイと膜との相対的間隔のジオメトリーに依存する。膜がミラーアレイにより近いので、初期的な電位は、基準電位に近い。それにも関わらず、膜は、好適には、ミラーを消去状態にするスタートアップシーケンスの一部として、所望の消去電位にされる。
【００３０】
電荷パターン３６をマイクロミラー１８に書き込むため、ソース２０が一次電子を放出し、一次電子はコレクターグリッド３５を通ってアノード電位ＶAによって加速され、膜１４の底面に衝突して、二次電子を放出させ、コレクターグリッドによって収集されるようにする。ソースは、放出される二次電子の数が、入射一次電子の数とは異なる、ビームエネルギーで動作する。適切には、膜は、放射係数を示すＭｇＯのような二次放射材料によってコーティングされる。すなわち、そのビームエネルギーで、放射二次電子の入射一次電子に対する比は、１よりずっと大きい。これによって、膜１４に電荷パターン３６を書き込むために必要なビーム電流の量が減少する。
【００３１】
膜１４への電荷パターン３６の堆積は、消去電位に関して、各ピクセルの電位を変調する。コーティングされた膜によって、電荷パターン３６は、ミラーアレイの消去状態電位に関して、局所化された膜電位を増大させる正味の正電荷を表す。その後、これによって、膜とマイクロミラーとの間の電界３８が増大され、基板２２から外側に、かつ、膜に向けて、ミラー素子３２を回転およびゆがませる傾向のある引力が生成される。引力は、ヒンジのばねの力によって反対され、ゆがみの量は、所与のジオメトリーの力再均衡化式によって決定される。ミラーゆがみは、その後、光のビームへの変調を与える。
【００３２】
概して、堆積された電荷が多くなると、電界が強くなり、ゆがみが大きくなる。膜とマイクロミラーとの間の電位差が、（ミラージオメトリーとヒンジコンプライアンスによって決定される）スナップオーバー閾値電位を超える場合、ミラーはスナップオーバーし、膜に接するようになる。スナップオーバーは、比較的大きいミラー対膜間隔を設けること、および利用可能なゆがみ範囲のある割合のみを用いることによって、または、ＶG＋ＶB＜Ｖｔｈになるように、閾値電圧の下で、膜電位の上限を決定する、コレクターグリッド電位＋ＶGをバイアシングすることによって、避けられ得る。ＶBは、二次電子の低エネルギースペクトルおよび電極ジオメトリーに起因して、膜電位が＋ＶGを僅かに越え得る事実を考慮した安全マージンを表す。
【００３３】
膜１４から電荷パターン３６を消去するために、利用可能な技術が数多くある。上述したように、膜電位は、一部の消去電位にされ、全てのピクセルが同じ電位およびゆがみを有するようにする。例えば、膜電位は、電荷が抜き取られることを可能にすることによって、浮動電位平衡に戻り得る。コレクターグリッド全体またはそのセグメントは、アノード電位に切り替えられ、走査されて、それにより、膜電位をアノード電位に駆動する。ミラーアレイがアノード電位に維持される場合、ミラーは、中間位置に消去される。反対に、ミラーアレイがグリッド電位に維持される場合、ミラーは、最大ゆがみ状態に消去される。さらに、コーティングされた膜の二次放射係数が、それぞれ、１より多いか、１より少ないエネルギーで動作する一対の銃が用いられて、まず、膜電位を消去電位に駆動して変化パターンを消去し、その後、ピクセル電位を選択的に調整して新たな電荷パターンを再度書き込み得る。この同じ効果が、反対の電子親和力を有する各ピクセルに制御パッドを形成し、１つの銃で膜を走査することによって、実現され得る。
【００３４】
このＣＣＭ構成において、基板２２、膜１４、およびミラー１８の厚さは、異なる機能を行うように選択される。基板２２がセルの表面板を規定するとすると、その厚さは、気圧を防ぐために十分な強度を提供する厚さである必要がある。一般的には、２〜３ｍｍの厚さである。ミラーがビームから切り離されるので、ヒンジと同時に、極度に薄く、２０００〜３０００オングストロームの厚さにされ得る。上述したように、このことにより、高いヒンジコンプライアンスに起因して、反射率が改良され、ミラーのゆがみに必要な力が低減される。
【００３５】
膜１４は、少なくとも、入射電子がマイクロミラーへと透過することを止めるために十分な厚さであり、支柱アレイから引き剥がされないために十分に弾力を有する必要がある。典型的には、対象となる膜材料は、電子を止めるためには、ビームエネルギー１キロボルトにつき約１０００オングストロームの厚さが必要であり、ここで５〜１０キロボルトのビームエネルギーが妥当である。しかし、上述したように、コストおよび製造上の理由だけでなく、電荷効率を改良し、解像度を維持するため、薄膜が望ましい。１〜２ミクロンの膜厚は、より薄い膜が好適ではあるが、妥当な均衡を提供するように見える。ＷａｒｄｅのＣＴＰとは異なり、膜１４が薄いので、誘導された電荷パターンに起因して、印加された電圧に対して膜自体を支持し得ず、さらに、気圧を防ぎ得ないことに留意されたい。
【００３６】
図１ｂに示すように、膜１４の底面は、いくつかの目的を果たす、電気的に絶縁されたアトラクターパッド４４のアレイで、パターニングされ得る。まず、堆積された電荷は、パッドの表面にわたって均一に分配されて、それにより、下にあるミラーを起動する、より均一な電界を提供する。次に、ＣＲＴ産業において公知の技術を用いて、ビームが変調され得、スポットサイズより細かい解像度が得られる。最後に、パッドジオメトリーはミラージオメトリーに関して構成され得、使用可能なゆがみ範囲は、ミラー対膜間隔の約８３％である。
【００３７】
図１ｃに示すように、底面アトラクターパッド４６の付加は、ミラーによって見られる電荷の量を減少することなく、膜の底面に堆積された電荷３６を膜の前面に効率的に変換するという追加された利点を有する直列キャパシタを形成する。上部パッド４４への電荷の堆積によって、等しい数のミラー電荷が底面パッド４６に蓄積される。膜１４は薄いが、直列キャパシタが、１０ミクロンのミラー対膜間隔および１〜２ミクロンの膜について、少なくとも２０〜３０％（膜誘電定数に依存する）、より近くに、電荷パターンを効率的に移動する。ミラーの上の力が、電界（電圧／距離）の２乗に比例するので、単位ビーム電流あたりの得られるミラーゆがみの量にかなり大きい影響を有し得る。膜誘電定数が式から取り除かれるので、利点はさらに大きい。さらに、底面パッドによって提供されるシメトリーは、薄膜への横向きの応力を減少する。
【００３８】
マクロミラーアレイおよび支柱膜構造のカレントな好適な実施形態を、図２、３および４に示す。この構成において、ミラー層は、共通の支柱領域５２を共有する、中央で接合された４つの片持ち梁５０ａ、５０ｂ、５０ｃ、および５０ｄのクローバー型アレイにパターニングされる。ミラー層は、それぞれの片持ち梁を支柱領域５２に接合する、ねじれ屈曲ヒンジ５４ａ、５４ｂ、５４ｃ、および５４ｄにさらにパターニングされる。他のヒンジの設計が利用可能であるが、所与のフィルファクターについて、より高いコンプライアンスを与えるので、ねじれヒンジが好適である。
【００３９】
支柱３６および膜１４は、支柱３６がミラーの共通支柱領域５２に位置する、一体型ガルウィング形態構造５５として形成される。膜１４は、クローバー型アレイの間に間隔を開けられ、マイクロミラーおよび膜を同時にレリーズ処理する間用いられる多くの通気口（ｖｅｎｔ  ｈｏｌｅ）５６を有する。この構成によって、フィルファクターを大幅に減少することなく、製造を考慮すると望ましい、より小さいアスペクト比で、支柱の直径を比較的大きくすることが可能になる。他の複数花弁型構成が、当然本発明の範囲内である。例えば、カラーディスプレイは、３花弁型ＲＧＢ構造を用い得る。
【００４０】
上部アトラクターパッド５８ａ、５８ｂ、５８ｃ、および５８ｄならびに底部アトラクターパッド６０ａ、６０ｂ、６０ｃ、および６０ｄは、膜１４の両側にパターニングされて、それぞれ、片持ち梁５０ａ、５０ｂ、５０ｃ、および５０ｄに直接接するようにされる。示しているように、アトラクターパッドの対角線は、下にある片持ち梁の対角線の約６０％である。これによって、片持ち梁が、スナップオーバーなしに、ミラー対膜間隔の約８３％にわたってゆがませることを可能にする。電荷効率を高めるため、上部アトラクターパッドは、所望のビームエネルギーでの係数より大きい放射係数を表す二次放射材料６２でコーティングされる。
【００４１】
示しているように、４つのアトラクターパッドは、互いに電気的に絶縁されている。結果として、各クローバー型構造は、４つの個別のピクセルを表す。いくつかの適用例において、アトラクターパッドを共にショートさせ、各クローバー型構造を１つのピクセルとして処理することが望ましくあり得る。これによって、ビームがより容易にアドレスする、より大きいピクセルが規定される。
【００４２】
図２、３、および４に示すＣＣＭは、５マスクプロセスを用いて、ＴＣＯまたはＴＣＦ層によってコーティングされるガラス基板の上に製造される。フォトレジストの層は、マスク１、すなわち、ミラーレリーズマスクを用いてパターニングされて、マイクロミラーアレイのレリーズ層を形成する。その後、レリーズ層は、アルミニウムでコーティングされ、マスク２、すなわち、ミラー金属マスクを用いてパターニングされて、マイクロミラーアレイおよび導電性グリッドを規定する。フォトレジストの第２のより厚い層は、マスク３、すなわち、膜レリーズマスクを用いてパターニングされて、支柱−膜構造のレリーズ層を形成する。支柱−膜層の堆積の前に、マスク４、すなわち、アトラクターパッドマスクを用いて、レリーズ層の上に、底面アトラクターパッドがパターニングされる。堆積の後、アトラクターマスク４は、膜の上に上部アトラクターパッドをパターニングするために再利用される。最後に、マスク５、すなわち、膜通気口マスクを用いて、クローバー型構造の間で、膜に通気口がパターニングされる。プロセスが完了時、レリーズの前に、基板は、個別のマイクロミラーアレイに切り分けられる。その後、ミラーおよび支柱−膜レリーズ層は、同時にレリーズされて、図２、３および４に示す自立型の構造を残す。
【００４３】
上述したように、複数の異なる様式で、電荷パターンが書き込まれ、消去され得る。１つの特定の二重ビームアドレス方式を、図５ａおよび図５ｂに示す。個別の支柱１６の上で支持され、アトラクターパッドと共にパターニングされていない固体膜１４と共に示されるが、アドレス方式は、概して、膜起動ＣＣＭに対して適用可能である。フレーム時間利用率（ＦＴＵ）を改良するため、コレクターグリッド３５は、４つ以上の電気的に絶縁されたセグメントに分割される。ＦＴＵは、（ｎ−２）／ｎである。ここで、ｎはセグメントの数である。基準に対して電位−ＶAにバイアスされた一対の走査電子銃は、消去ビーム６６より２セグメント遅れている書き込みビーム６４で膜１４をラスター走査する。ビームに同期するコントローラ６８は、アノード電位と＋ＶGとの間で、グリッドセグメントの電位を切り替える。
【００４４】
両方の場合において、ビームは、膜１４から二次電子が放出される原因となる。グリッドセグメント電位がアノード電位に切り替えられる場合、二次電子は、コレクターグリッド３５に引きつけられず、膜１４に再度堆積して、図５ｂに示すように、電荷パターンを消去する。反対に、グリッドセグメントが＋ＶGに切り替えられている場合、二次電子は、コレクターグリッドの＋ＶGセグメントによて収集されて、図５ａに示すように、新たな電荷パターン３６を書き込む。両方の銃が、好適には、膜の二次放射曲線上の第１および第２の交差点の間で動作するので、酸化マグネシウム（ＭｇＯ）のような高い二次放射係数材料を有する膜の表面全体をコーティングすることによって、画像解像度はさらに改良され得る。コーティングは、所与の電荷パターンについて、より低いビーム電流を可能にする電流アンプとして機能する。
【００４５】
上述の膜起動マイクロミラー技術は、多くの異なる画像ディスプレイシステムにおいて用いられ得る。これらの画像ディスプレイシステムには、投影システム、非放射直視システム、すなわち、「白紙」、およびフラットパネル放射システムが含まれるが、これらに限定されない。白紙およびフラットパネルシステムは、直視に適応するため、変更されたミラージオメトリーを必要とし得る。
【００４６】
図６に示すように、単色投影ディスプレイ７０は、反射器および冷却ファン７４と共に、アーク灯のような明光源７２を含む。アーク灯は、光の紫外線成分を吸収するように選択された、収集光学系７６によって平行にされる分散光を生成する。集光レンズ８０は、平行光の焦点を回転ミラー／シュリーレンストップ８２に合わせる。回転ミラーは、電界レンズ８４に拡散している光を再度方向付け、光を再度平行にし、上述のタイプの二重ビームアドレス膜起動マイクロミラー光モジュレータ８６に映す。カラーディスプレイは、収集光学系７６とレンズ８０との間に、ＲＧＢ色相環８８を配置することによって、実現され得る。これは、一般的に、順次式カラーと呼ばれる。
【００４７】
光モジュレータ８６は、映像アドレス信号に応答して、個別のマイクロミラーのゆがみの振幅に比例して、空間的変調を光に分ける。示すように、光モジュレータ８６は、図５ａおよび５ｂに示す二重ビームアドレス方式を実現する。空間的に変調された光は、電界レンズ８４を通じて戻り、電界レンズ８４で回転ミラー／シュリーレンストップ８２を通じて広がる平面に焦点を合わせられる。シュリーレンストップは、空間的に変調されたビームを輝度が変調されたビームに変換し、次いで輝度が変調されたビームは、投影レンズ９０を通り、投影レンズ９０は、輝度が変調されたビームを平行にし、スクリーンに映す。
【００４８】
図７に示すように、膜起動ＣＣＭは、変更され得、ＦＴＵが１００％に達する状態で、コレクターグリッドのセグメント化または電位の切り替えなしに、１つのビームによってアドレシングが行われ得る。これは、制御パッド９２を規定するように、二次放射材料でアトラクターパッド５８ａ〜５８ｄを部分的にコーティングすることによってのみ達成される。基準に対して−ＶAにバイアスされたソースは、各ピクセルの制御パッド９２およびアトラクターパッド５８に選択的にアドレスするサブピクセル解像度ビーム９４を放射して、アトラクターパッドに電荷パターンを書き込む。図１に示す固体膜構造に関して説明したが、この改変例は、図２および３に示す集積ガルウィング構造に対して等しく適用可能である。
【００４９】
典型的なアトラクターおよび制御パッド材料についての、それぞれの二次電子放射曲線９６および９８を図８に示す。曲線は、一次電子の到達エネルギーに対する、放射された二次電子の入射一次電子に対する比δを描く。第１および第２の交差点（δ＝１）の間の到達エネルギーは、制御パッド材料、適切には、脱気されたＭｇＯは、１より大きい係数を有する。その領域の外側では、その材料は１より小さい係数を表す。アトラクターパッド材料、適切には、脱気されたアルミニウム膜は、常に１より小さい係数を有する。結果として、アトラクターおよび制御パッド材料ならびにビームエネルギー１００を適切に選択することによって、各ピクセルは、所定ビームエネルギーについて、１より大きい放射係数を有する第１の部分、および同じビームエネルギーについて１より小さい放射係数を有する第２の部分を含む。
【００５０】
ピクセル化された膜への電荷パターンの書き込みの２つの異なるモード、差動書き込みモードおよび消去／書き込みモードが現在企図されている。差動書き込みモードにおいて、現在のピクセル値がメモリに格納され、アトラクターパッドまたは制御パッドのいずれかにアドレスすることによって、次のピクセル値が書き込まれる。消去／書き込みモードにおいて、ビームは、まず、アトラクターパッドまたは制御パッドのいずれかに方向付けられて、ピクセル電位を所望の消去電位、すなわち、消去状態にする。ビームは、その後、他のパッドに方向付けられて、消去電位から離れるようにピクセル電位を調節、すなわち、書き込み状態にする。いずれの場合においても、ＦＴＵは１００％に達する。
【００５１】
消去／書き込みモードの特定の例において、ビームは、制御パッドにまず方向付けられて（δ＞１）、ピクセル電位は、グリッド電位に等しくなって、平衡に達するまで上げられる。これは、ミラーがアノード電位で維持される場合、最大ミラーゆがみに対応する消去状態である。その直後に、ビームはアトラクターパッドに方向付けられて（δ＜１）、ピクセル電位およびゆがみ角が所望の値に達するまでピクセル電位は低減される。その後、電荷は次のフレームまでピクセルで維持される。
【００５２】
図９に示すように、基本的な膜起動ＣＣＭは、ゆがみ範囲を実質的に増大するように変更され得る。これは、まず、支柱１６の高さを増大させることによって基板対膜の間隔を増加させ、ミラー支柱２８を延長し、基板と膜１４との間のほぼ中央に位置させることによって、達成される。これによって、ミラーに、基板または膜のいずれにもスナップオーバーすることなくゆがむために十分な間隔が提供される。図１に示す固体膜構造に関して説明したが、この改変例は、図２および３に示す集積ガルウィング構造に対して等しく適用可能である。
【００５３】
埋め込み導電層１０２およびスペーサー層１０４は、層４２の下にある基板２２の上に形成される。バイアス電位１０６は、埋め込み層１０２およびＴＣＦまたはＴＣＯ層４２の間で印加されて、埋め込み層１０２上の電位が、層４２およびマイクロミラーアレイ上の基準電位より低い。個別のミラーがこの一定の電界を「感じる（ｓｅｅ）」ため、層４２は、マイクロミラーの下にある穴１０８のアレイでパターニングされる。アトラクターパッドのジオメトリーを模倣するため、穴１０８は、好適には、ミラーの先端から間隔を開けられる。
【００５４】
穴１０８を通じて作用する電界は、基板に向かってミラーを引きつける力をミラーに及ぼす。膜からあらゆる引力を取り去ると、マイクロミラーの全ては、バイアスゆがみによって維持される。バイアス電位１０６が一定なので、厳重にフィルタリングされて、いずれのノイズも、スナップオーバーの原因となり得る過渡的な力を生成しないようにする。電荷が膜の上に書き込まれる場合、膜は、ミラーを膜の上方向に向かってゆがむ傾向のある反対の引力を及ぼす。拡大されたゆがみ範囲に加えて、固有の機械的停止位置に関してミラーを両方向にゆがむことによって、ヒンジ上の非対称な応力の量を低減し、ヒンジの性能を高め、寿命を延ばすことができる。
【００５５】
本発明のいくつかの例示的な実施形態を示し、説明したが、多くの変形例および代替的な実施形態が当業者には想起される。例えば、電界エミッタアレイが、走査電子銃の代わりに用いられて、膜起動ＣＣＭにアドレスし得る。このような変形例および代替的な実施形態が企図され、添付の特許請求の範囲に記載の本発明の精神および範囲から逸脱することなく作製され得る。
【図面の簡単な説明】
【図１ａ】  図１ａは、本発明による、膜起動ＣＣＭの１つのピクセルの模式図である。
【図１ｂ】  図１ｂは、本発明による、膜起動ＣＣＭの１つのピクセルの模式図である。
【図１ｃ】  図１ｃは、本発明による、膜起動ＣＣＭの１つのピクセルの模式図である。
【図２】  図２は、クローバー型ミラー構造および穴のある膜を有する膜起動ＣＣＭのカレントな好適な実施形態の断面図である。
【図３】  図３は、図２に示す共通中央支柱を有するクローバー型ミラー構造の平面図である。
【図４】  図４は、穴のある膜およびアトラクターパッド構成の平面図である。
【図５ａ】  図５ａは、二重ビームアドレシング方式における書き込みおよび消去モードの膜起動ＣＣＭの断面図である。
【図５ｂ】  図５ｂは、二重ビームアドレシング方式における書き込みおよび消去モードの膜起動ＣＣＭの断面図である。
【図６】  図６は、図５ａおよび図５ｂに示す、二重ビームアドレシング方式を組み込む投影ディスプレイの模式図である。
【図７】  図７は、ＣＣＭ用の単一ビームアドレシング方式の断面図である。
【図８】  図８は、図７に示すミラーおよび制御パッド材料用の二次電子放射曲線のプロットである。
【図９】  図９は、ゆがみ範囲が増大した、膜起動ＣＣＭの他の実施形態の断面図である。
【図１ａ】
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【図１ｂ】
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【図１ｃ】
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【図２】
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【図３】
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【図４】
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【図５ａ】
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【図５ｂ】
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【図６】
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【図７】
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【図８】
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【図９】
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