(57)【要約】隠れヒンジを備えたマイクロミラーアレイであって、例えば、反射型空間光変調器には有用なマイクロミラーアレイである。一実施形態では、このマイクロミラーアレイは、スペーサ支持壁、ヒンジ、ミラープレート、およびこのミラープレートの上面上にあり、かつヒンジとミラープレートとを隠す反射面を含む。このマイクロミラーアレイは、単一材料から作製される。【特許請求の範囲】
【請求項１】
上面と下面とを有するミラープレートと、
前記ミラープレートが、ヒンジの長軸を中心に回転できるようにするために前記ミラープレートに連結されたヒンジと、
前記ミラープレートの前記上面の上にあり、かつ前記ヒンジの上にある反射面であって、前記ミラープレートの前記上面の面積よりも大きな面積を有する反射面とを備えるマイクロミラー。
【請求項２】
前記反射面は、実質的に前記ヒンジを隠す請求項１に記載のマイクロミラー。
【請求項３】
前記ヒンジは、前記ミラープレートの前記上面の下に実質的に形成され、前記反射面によって実質的に隠される請求項１に記載のマイクロミラー。
【請求項４】
前記ヒンジを連結するスペーサ支持フレームをさらに備える請求項１に記載のマイクロミラー。
【請求項５】
前記ヒンジは、第１のアームと第２のアームとを有し、各アームには両端があり、一方の端部は前記スペーサ支持フレームに連結され、他方の端部は前記ミラープレートとのコネクタに連結される請求項４に記載のマイクロミラー。
【請求項６】
前記ミラープレートと前記ヒンジとは、単一材料から作製される請求項１に記載のマイクロミラー。
【請求項７】
前記ミラープレートと、前記ヒンジと、前記スペーサ支持フレームとは単一材料から作製される請求項４に記載のマイクロミラー。
【請求項８】
前記材料は単結晶シリコンである請求項６に記載のマイクロミラー。
【請求項９】
前記ヒンジは、約０．１２ミクロンから約０．２ミクロンまでの幅と、約０．２ミクロンから約０．３ミクロンまでの深さとを有するトーションバネである請求項１に記載のマイクロミラー。
【請求項１０】
前記ヒンジの長軸の周りでの前記ミラープレートの所定の角度を超えての回転を停止するために、前記ミラープレートの前記下面に取り付けられた動作ストッパをさらに備える請求項１に記載のマイクロミラー。
【請求項１１】
前記スペーサ支持フレームは、前記ミラープレートを支持するための壁であって、約１ミクロン以下の厚みを有する少なくとも１つの壁を含む請求項４に記載のマイクロミラー。
【請求項１２】
前記スペーサ支持フレームに連結された制御基板であって、電圧を受け入れるための電極を有する制御基板をさらに備え、この電圧は、前記マイクロミラーの前記ミラープレートを可変に偏向させるために、前記ミラープレートと前記電極との間にバイアスを印加するのに用いられる請求項４に記載のマイクロミラー。
【請求項１３】
前記ヒンジは、前記ミラープレートを第１の部分と第２の部分とに分割し、前記ミラーが、前記ヒンジによって定まる前記長軸の周りに回転するのに従って、前記ミラープレートの前記第１の部分が前記制御基板に向かって移動すると、前記ミラープレートの前記第２の部分が前記制御基板から離れる請求項１２に記載のマイクロミラー。
【請求項１４】
前記スペーサ支持フレームは、前記ミラープレートおよび前記ヒンジと、前記ヒンジによって定まる軸の周りでの前記ミラーの前記回転とを支持するために直角に配置された４つの壁を有する請求項１１に記載のマイクロミラー。
【請求項１５】
前記ヒンジは、前記スペーサ支持フレームの前記壁と平行である請求項１１に記載のマイクロミラー。
【請求項１６】
前記ヒンジは、前記スペーサ支持フレームを基準として、対角線方向である請求項１１に記載のマイクロミラー。
【請求項１７】
複数のミラープレートであって、各ミラープレートは上面と下面とを有する複数のミラープレートと、
複数のヒンジであって、各ヒンジは、前記ミラープレートが、このヒンジによって定まる軸の周りに、スペーサ支持フレームに対して回転できるようにするために、前記ミラープレートに結合された複数のヒンジと、
複数の反射面であって、各反射面は、前記ミラープレートの前記上面の上にあり、かつ前記ヒンジの一部の上にあり、さらに前記ミラープレートの前記上面の面積よりも大きな面積を有する複数の反射面とを備えるマイクロミラーからなるアレイ。
【請求項１８】
前記反射面は、実質的に前記ヒンジを隠す請求項１７に記載のマイクロミラーからなるアレイ。
【請求項１９】
前記ヒンジは、前記ミラープレートの前記上面の下に実質的に形成され、前記反射面によって実質的に隠される請求項１７に記載のマイクロミラーからなるアレイ。
【請求項２０】
複数のキャビティを画定する壁を有するスペーサ支持フレームをさらに備え、各キャビティはマイクロミラーに対応する請求項１７に記載のマイクロミラーからなるアレイ。
【請求項２１】
前記ミラープレートと、前記ヒンジと、前記スペーサ支持フレームとは単一材料から作製される請求項２０に記載のマイクロミラーからなるアレイ。
【請求項２２】
前記材料は単結晶シリコンである請求項２１に記載のマイクロミラーからなるアレイ。
【請求項２３】
複数の動作ストッパをさらに備え、各動作ストッパは、前記ミラープレートが、所定の角度まで回転した時に、前記スペーサ支持フレームに対する前記ミラープレートの回転を停止するために、前記ミラープレートの前記下面に取り付けられる請求項１７に記載のマイクロミラーからなるアレイ。
【請求項２４】
前記スペーサ支持フレームに連結された制御基板であって、電圧を受け入れるための、複数のミラープレート各々に対応する少なくとも１つの電極を有する制御基板をさらに備え、この電圧は、前記マイクロミラーの前記ミラープレートを可変に偏向させるために、前記ミラープレートと前記電極との間にバイアスを印加するのに用いられる請求項２０に記載のアレイ。
【請求項２５】
前記ヒンジは、前記ミラープレートを第１の部分と第２の部分とに分割し、前記ミラープレートが、前記ヒンジによって定まる前記軸の周りに回転するのに従って、前記ミラープレートの前記第１の部分が前記制御基板に向かって移動すると、前記ミラープレートの前記第２の部分が前記制御基板から離れる請求項２４に記載のアレイ。
【請求項２６】
前記制御基板は、前記アレイ内の前記ミラープレートを選択的に、かつ可変に偏向させるために、前記複数の電極に電圧を選択的に印加するためのアドレス指定および制御回路をさらに備える請求項２４に記載のアレイ。
【請求項２７】
前記アレイ内の前記反射面は、前記アレイの前記表面積の９４．５％も構成する請求項１７に記載のアレイ。
【請求項２８】
第１の上面と第１の下面とを有する第１のミラープレートと、
前記第１のミラープレートが、第１のヒンジの長軸を中心に回転できるようにするために、前記第１のミラープレートに連結された第１のヒンジと、
前記第１のミラープレートの前記第１の上面上にあり、かつ前記第１のヒンジの上にある第１の反射面であって、前記第１のミラープレートの前記第１の上面の面積よりも大きな面積を有する第１の反射面とを備える第１のマイクロミラー、および、
第２の上面と第２の下面とを有する第２のミラープレートと、
前記第２のミラープレートが、第２のヒンジの長軸を中心に回転できるようにするために、前記第２のミラープレートに連結された第２のヒンジと、
前記第２のミラープレートの前記第２の上面上にあり、かつ前記第２のヒンジの上にある第２の反射面であって、前記第２のミラープレートの前記第２の上面の面積よりも大きな面積を有する第２の反射面とを備える第２のマイクロミラーを備える複数のマイクロミラーからなるアレイ。
【請求項２９】
前記第１のマイクロミラーおよび前記第２のマイクロミラーは、スペーサ支持フレームをさらに備え、前記第１のヒンジは、前記第１のマイクロミラー用のスペーサ支持フレームに連結され、前記第２のヒンジは、前記第２のマイクロミラー用のスペーサ支持フレームに連結される請求項２８に記載の複数のマイクロミラーからなるアレイ。
【請求項３０】
前記第１のミラープレートおよび前記第２のミラープレートは、実質的に四角形である請求項２８に記載のアレイ。
【請求項３１】
前記第１のミラープレートおよび前記第２のミラープレートは、実質的に三角形である請求項２８に記載のアレイ。
【請求項３２】
前記第１の上面および前記第２の上面は、約２２５平方ミクロンの面積を有する請求項２８に記載のアレイ。
【請求項３３】
マイクロミラーアレイの操作方法であって、
偏向させるマイクロミラーを前記アレイ内で選択し、
前記マイクロミラーが、前記マイクロミラーの上面の下であり、かつ前記マイクロミラーの反射面の下に位置するヒンジの周りに回転するように、さらに、前記マイクロミラーに入射する光が、所望の方向に反射できるように、前記選択したマイクロミラーに対応する電極に電圧を印加することを含み、
前記マイクロミラーは、ミラープレートをさらに有し、このミラープレートの上に前記反射面が堆積され、また、スペーサ支持フレーム、前記ヒンジの各々、ミラープレート、およびスペーサ支持フレームは、単一材料から作製されるマイクロミラーアレイの操作方法。
【請求項３４】
前記マイクロミラーが、バイアスを加えられていない位置に戻ることができるように、前記選択したマイクロミラーに対応する前記電極から前記電圧を取り除くことをさらに含む請求項３３に記載のマイクロミラーアレイの操作方法。
【請求項３５】
前記ヒンジの周りでの前記マイクロミラーの前記回転を、動作ストッパを用いて停止することをさらに含む請求項３３に記載のマイクロミラーアレイの操作方法。
【請求項３６】
偏向させるマイクロミラーを、マイクロミラーからなるアレイ内で選択する手段と、
前記マイクロミラーが、前記マイクロミラーの上面の下であり、かつ前記マイクロミラーの反射面の下に位置するヒンジの周りに回転するように、さらに、前記マイクロミラーに入射する光が、所望の方向に反射できるように、前記選択したマイクロミラーに対応する電極に電圧を印加する手段とを備え、
前記マイクロミラーは、ミラープレートをさらに有し、このミラープレートの上に前記反射面が堆積され、また、スペーサ支持フレーム、前記ヒンジの各々、ミラープレート、およびスペーサ支持フレームは、単一材料から作製される空間光変調器。
【請求項３７】
前記マイクロミラーが、バイアスを加えられていない位置に戻ることができるように、前記選択したマイクロミラーに対応する前記電極から前記電圧を取り除く手段をさらに備える請求項３６に記載の空間光変調器。
【請求項３８】
上面を有する偏向手段と、
軸の周りで、前記偏向手段を回転させる手段と、
光を反射させる手段であって、前記偏向手段の前記上面の上に、かつ前記回転手段を実質的に隠すために前記回転手段の上に堆積された反射手段とを備える空間光変調器。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
［関連出願の相互参照］
本出願は、「Hidden Hinge High Fill Ratio Reflective Spatial Light Modulator  （隠れヒンジ高充填率反射型空間光変調器）」と題され、２００３年６月２日に出願した米国特許仮出願番号６０／４７５，４０４の優先権を主張し、ここに引用して援用するものである。
【背景技術】
【０００２】
本発明は、空間光変調器（ＳＬＭ）に関し、より詳細には、画素の充填率を最大化し、散乱および回折を最小化し、高コントラスト比および高画質を達成するための隠れヒンジを備えたマイクロミラー構造に関する。
【０００３】
空間光変調器（ＳＬＭ）には、光学情報処理、投射型ディスプレイ、ビデオおよびグラフィックスモニタ、テレビ、および電子写真印刷の分野で数多くの用途がある。反射型ＳＬＭは、入射光を空間パターンに変調し、電気入力または光入力に対応する像を反射する。この入射光は、位相、強度、極性、あるいは偏向方向を変調してもよい。反射型ＳＬＭは、通常は、入射光を反射することができる面状または２次元アレイ状のアドレス可能な画素（ピクセル）からなる。ＳＬＭの重要なパラメータ、特にディスプレイ用途に重要なパラメータは、光学的に利用可能な領域の画素面積に対する割合である（ＳＬＭの総表面積に対する、ＳＬＭの反射する表面積の割合としても求められ、「充填率」とも呼ばれる）。従って、高充填率が望ましい。
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【０００４】
従来技術のＳＬＭには、さまざまな欠点がある。このさまざまな欠点には、（１）光学効率を減少させる過小な光学的利用面積、（２）ミラーの反射率を減少させる起伏のある反射面、（３）ディスプレイのコントラスト比を低下させる回折と散乱、（４）長期的な信頼性に課題がある材料の使用、および（５）コストを増加させ、装置の歩留まりを低下させる複雑な製造プロセスが含まれるが、これに限定されるものではない。
【０００５】
従来技術による多くの装置には、その表面に実質的に反射をしない領域が含まれる。このことが、低充填率をもたらし、また過小反射効率をもたらす。例えば、米国特許第４，２２９，７３２号には、ミラーに加えて、装置の表面上に形成されたＭＯＳＦＥＴ素子が開示されている。このＭＯＳＦＥＴ素子は表面積をふさぐので、その結果、光学的に利用可能な装置面積の割合が減少し、反射効率が減少する。また、この装置表面上のＭＯＳＦＥＴ素子は、入射光の回折も行い、このためディスプレイのコントラスト比が低下する。さらに、強烈な光に曝されたＭＯＳＦＥＴ素子は、そのＭＯＳＦＥＴ素子が帯電し、回路が過熱するために、装置の正常な動作を妨げる。
【０００６】
一部のＳＬＭのデザインには、入射光を散乱し、反射効率を減少させる起伏のある表面がある。例えば、一部のＳＬＭのデザインでは、この反射面は、ＬＰＣＶＤで形成したシリコン窒化物層の上に堆積したアルミニウム膜である。これらが、薄膜として堆積されているために、反射ミラー面の平坦性を制御するのは困難である。従って、最終製品には起伏のある表面が残り、このため、反射効率が減少する。
【０００７】
一部のＳＬＭデザインに関わる反射効率を減少させる別の課題、特に一部の吊り下げミラーを用いたデザインの課題は、大きく露出したヒンジの表面積である。この大きく露出したヒンジの表面積というヒンジ構造のために散乱および回折が起こり、多くのパラメータの中でもとりわけコントラスト比に悪影響を及ぼす。
【０００８】
米国特許第４，５６６，９３５号に開示されたＳＬＭのような従来の多くのＳＬＭは、アルミニウム合金で作製されたヒンジを有する。他の金属と同様にアルミニウムは、疲労や塑性変形の影響を受けやすく、長期的な信頼性に課題を生じる。また、アルミニウムは、細胞「記憶」の影響を受けやすく、停止位置が、もっとも頻繁に占有する位置に傾き始める。さらに、米国特許第４，５６６，９３５号に開示されたミラーは、ミラー表面の下にある犠牲材料を除去することにより解放される。この技術では、多くの場合、解放プロセス時に、繊細なマイクロミラー構造が破壊される。また、エッチャントでミラーの下の犠牲層を除去するために、ミラー間に大きなすき間が必要となり、その結果、光学的に利用可能な装置面積の割合を減少させる。
【０００９】
従来の他のＳＬＭは、ミラー、ヒンジ、電極、および／または制御回路のために、個別の層を含む複数の層を必要とする。そのような多層ＳＬＭの製造には、薄膜を多層に積み重ねる技術やプロセス、および多層薄膜のエッチング技術やプロセスが必要になる。このような技術やプロセスを使用すれば、コスト高となり、歩留まりを低下させる。例えば、このような技術を使用すると、多くの場合、ミラープレートの下にある犠牲材料を何度も堆積しては除去することになる。ミラープレートの下に薄膜を多層に堆積して積み重ねると、通常は、ミラー表面の起伏はより大きくなり、その結果、ミラーの反射効率が減少する。さらに、ミラーとヒンジとを、異なる層または基板に有することで、ミラーが偏向すると並進変位が生じる。この並進変位のために、隣接するミラー間での機械的な干渉を起こさないようにするためには、アレイ内のミラーは間隔を取らなければならない。このアレイ内のミラーは、アレイ内にある他のミラーのあまり近くには配置できないので、このＳＬＭは、過小な光学的利用領域または低充填率が欠点となる。
【００１０】
従って、反射効率を向上させ、長期的な信頼性があり、さらに簡単な製造プロセスを用いたＳＬＭが求められる。
【課題を解決するための手段】
【００１１】
本発明は、空間光変調器（ＳＬＭ）に関する。一実施形態では、このＳＬＭは、選択的に偏向可能な反射型のマイクロミラーアレイであって、個別にアドレス指定ができる電極を有する第２の基板に接合された第１の基板から作製されたマイクロミラーアレイを有する。また、前記第２の基板は、前記マイクロミラーアレイ用のアドレス指定・制御回路を有してもよい。あるいは、このアドレス指定・制御回路の一部が、別の基板上にあり、前記第２の基板の前記回路および前記電極に接続されてもよい。
【００１２】
前記マイクロミラーアレイは、入射光を反射する高い反射率の反射面を備え、かつ可変に偏向できるミラープレートを含む。このミラープレートは、コネクタによってヒンジに連結される。このヒンジは、次に、スペーサ支持壁を備えたスペーサ支持フレームに連結される。また、このヒンジは、前記反射面の下に実質的に隠される。このヒンジを、前記反射面の下に実質的に隠すことによって、露出したヒンジ構造に入射して反射する光による散乱および回折は全て除去され、そのため、装置のコントラスト比を最大化できる。
【００１３】
前記ミラープレート、前記コネクタ、前記ヒンジ、前記スペーサ支持フレーム、および前記スペーサ支持壁は、第１の基板から作製される。この第１の基板は、単一材料、例えば、一実施形態では単結晶シリコンからなるウエハである。前記スペーサ支持壁は、前記ミラープレートと、このミラープレートの偏向を制御し、かつこのミラープレートに対応する電極との間の分離を行う。また、前記電極は前記第２の基板上に位置し、この第２の基板は、前記マイクロミラーアレイに接合される。
【００１４】
前記ヒンジおよび前記ミラープレートは、同一基板内（つまり、同一層内）にあるので、前記ミラーが、前記ヒンジの長軸の周りに回転する際の並進運動または並進変位は全くない。並進変位が全くないので、前記ミラーと前記支持壁との間隔は、作製技術およびプロセスによってのみ制限される。前記ミラープレート間の狭い間隔と、前記ヒンジを実質的に前記反射面の下に配置することによって前記ヒンジを隠すこととにより、前記マイクロミラーアレイを高充填率にし、コントラスト比を向上させ、光の散乱と回折とを最小限にし、前記マイクロミラーアレイを通過し、前記第２の基板上の前記回路に入射する光を実質的に除去することが可能となる。
【００１５】
さらに、前記ミラープレートおよび前記ヒンジは、好適な実施形態では、単結晶シリコン材料から作製されるので、作製した前記ヒンジは、より頑丈で、より信頼性が高く、また、記憶効果、結晶粒界に沿っての破壊、あるいは疲労という欠点が実質的にはない。単結晶シリコン基板には、他の材料、とりわけ堆積によって形成した薄膜と比べると、微視的な欠陥やクラックは実質的にほとんどない。その結果、装置の結晶粒界に沿って破壊する（または微視的な破壊を伝播する）ことはほとんどありえない。また、本発明の場合のように単一基板を用いることによって、薄膜を多層に積み重ねるプロセスや技術、および多層薄膜のエッチングプロセスや技術は、最小限の使用ですむ。
【００１６】
最終的な結果として、高品質画像を高い信頼性と高いコスト効率とをもって形成するための、高い光学効率および高い性能を達成できるＳＬＭが実現される。
【発明を実施するための最良の形態】
【００１７】
反射型空間光変調器（ＳＬＭ）１００は、偏向ミラー２０２からなるアレイ１０３を有する。個々のミラー２０２は、ミラー２０２と、それに対応する電極１２６との間に電圧バイアスを印加することで選択的に偏向させることができる。この各ミラー２０２の偏向は、光源からビデオディスプレイに反射される光を制御する。従って、ミラー２０２の偏向を制御することによって、そのミラー２０２に当たる光を選択した方向に偏向することができ、それによってビデオディスプレイの画素のオン／オフを制御できる。
空間光変調器の概要
【００１８】
図１は、本発明の一実施形態によるＳＬＭ１００の概略構造を示す概略図である。この図示した実施形態は、３つの層を有する。第１の層は、ミラーアレイ１０３であり、複数の偏向可能なマイクロミラー２０２を有する。好適な一実施形態では、このマイクロミラーアレイ１０３は、単結晶シリコンなどの単一材料である第１の基板１０５から作製される。
【００１９】
第２の層は、マイクロミラー２０２を制御するための複数の電極１２６を備えた電極アレイ１０４である。各電極１２６は、マイクロミラー２０２に対応し、そのマイクロミラー２０２の偏向を制御する。アドレス指定回路によって、１つの電極１２６に対応する特定のマイクロミラー２０２を制御するために、その１つの電極１２６を選択できる。
【００２０】
第３の層は、制御回路１０６の層である。この制御回路１０６は、アドレス指定回路を有し、そのアドレス指定回路によって、制御回路１０６は選択した電極１２６に印加する電圧を制御できる。これによって、制御回路１０６は、電極１２６を介して、ミラーアレイ１０３のミラー２０２の偏向を制御できる。通常、この制御回路１０６は、ディスプレイ制御部１０８、ラインメモリバッファ１１０、パルス幅変調アレイ１１２、およびビデオ信号１２０とグラフィックス信号１２２の入力も含む。また、一部の実施形態では、ミラー制御器１１４、光学制御回路１１６、およびフラッシュメモリ１１８は、制御回路１０６と接続された外部コンポーネントであってもよいし、あるいは制御回路１０６内に含まれていてもよい。さまざまな実施形態に応じて、制御回路１０６の上記部品の一部はなくてもよいし、また制御回路１０６と接続された別の基板上にあってもよいし、あるいは、追加コンポーネントが、制御回路１０６の一部としてあってもよいし、また制御回路１０６に接続されていてもよい。
【００２１】
一実施形態では、第２の層１０４および第３の層１０６は、いずれも半導体作製技術を用いて、単一の第２の基板１０７上に作製される。つまり、第２の層１０４は、必ずしも第３の層１０６と分かれている必要もなく、また第３の層１０６の上にある必要もない。むしろ、「層（ｌａｙｅｒ）」という用語は、この空間光変調器１００の異なった部分を概念的に説明する助けとなるためのものである。例えば、一実施形態では、第２の層１０４の電極１２６が、第３の層の制御回路１０６上に作製され、言い換えると、いずれも単一の第２の基板１０７上に作製されることになる。つまり、一実施形態では、電極１２６は、ディスプレイ制御部１０８、ラインメモリバッファ１１０、およびパルス幅変調アレイ１１２と同様に、全て、単一の基板上に作製される。制御回路１０６の複数の機能コンポーネントを同一の基板上に統合することによって、別の基板上に作製されたディスプレイ制御部１０８、ラインメモリバッファ１１０、およびパルス幅変調アレイ１１２を有する従来の空間光変調器に対して、データ転送速度が改善されるという効果が実現される。さらに、第２層目の電極アレイ１０４と、第３層目の制御回路１０６とを単一の基板１０７上に作製すれば、簡単で割安な製造、および最終製品の小型化という利点が実現される。
【００２２】
層１０３および１０７が作製されると、それらは互いに接合され、ＳＬＭ１００を形成する。ミラーアレイ１０３を備えた第１の層は、第２および第３の層１０４，１０６を、まとめて１０７として覆う。ミラーアレイ１０３にあるミラー２０２の下の領域によって、電極１２６およびアドレス指定・制御回路１０６のための空間が、第１の層１０３の下にどの程度あるのかが決定される。ミラーアレイ１０３のマイクロミラー２０２の下には、電極１２６と、ディスプレイ制御部１０８、ラインメモリバッファ１１０、およびパルス幅変調アレイ１１２を形成する電子コンポーネントとを納めるには限られた空間しかない。本発明では、ディスプレイ制御部１０８、ラインメモリバッファ１１０、およびパルス幅変調アレイ１１２などのコンポーネントを、マイクロミラーアレイ１０３にあるマイクロミラーの下の限られた領域であり、かつ電極１２６と同一基板上により多く統合する。このような制御回路１０６を、電極１２６と同一基板１０７上に含めることで、ＳＬＭ１００の性能は向上する。他の実施形態では、電極１２６および制御回路にある各コンポーネントが、さまざまな組合せで、異なる基板上に作製され、また電気的に接続されてもよい。
ミラー
【００２３】
図２ａは、１つのマイクロミラー２０２に関する一実施形態の斜視図であり、図２ｂは、図２ａに示すマイクロミラー２０２の隅部２３６のより詳細な斜視図である。一実施形態では、このマイクロミラー２０２は、少なくとも１つのミラープレート２０４、ヒンジ２０６、コネクタ２１６、および反射面２０３を含む。別の実施形態では、マイクロミラー２０２は、ミラープレート２０４、ヒンジ２０６、反射面２０３、およびコネクタ２１６を支持するスペーサ支持フレーム２１０をさらに含む。このミラープレート２０４、ヒンジ２０６、コネクタ２１６、およびスペーサ支持フレーム２１０は、単結晶シリコンなどの単一材料のウエハで作製されることが好ましい。従って、この実施形態では、図１に示す第１の基板１０５は、単結晶シリコンウエハである。単一材料のウエハからマイクロミラー２０２を作製することによって、ミラー２０２の作製は、大幅に簡易化される。さらに、単結晶シリコンを研磨することで、堆積した薄膜よりも１桁滑らかな表面粗さを有する平坦なミラー面を生成することができる。単結晶シリコンから作製されたミラー２０２は、機械的に剛性であり、そのため、ミラー面に不要な曲げ、またはそりが生じることがなく、また、単結晶シリコンから作製されたヒンジは、より頑丈で、より信頼性が高く、さらに、マイクロミラーアレイで用いられる他の多くの材料で作製したヒンジには普通に存在する記憶効果、結晶粒界に沿っての破壊、あるいは疲労という欠点が実質的にはない。他の実施形態では、単結晶シリコンの代わりに他の材料を用いてもよい。１つの可能性は、別のタイプのシリコン（例えば、ポリシリコン、またはアモルファスシリコン）をマイクロミラー２０２に用いることであり、あるいは、ミラー２０２を完全に金属（例えば、アルミニウム合金、またはタングステン合金）から作ることである。また、本発明のように単一の基板を用いると、薄膜を多層に積み重ねるプロセスや技術、および多層薄膜のエッチングプロセスや技術の使用を避けることができる。
【００２４】
図２ａ、２ｂ、３、４ａ、４ｂ、７ａ、および８に示し、さらに上記で説明したように、マイクロミラー２０２はミラープレート２０４を有する。このミラープレート２０４は、コネクタ２１６によってヒンジ２０６と結合したマイクロミラー２０２の一部であり、このミラー２０２とそれに対応する電極１２６との間に電圧バイアスを印加することによって選択的に偏向される。また、図３に示す実施形態のミラープレート２０４は、三角形の部分２０４ａ、２０４ｂを含む。図９ａ、９ｂ、および１０に示す実施形態では、ミラープレート２０４は、実質的に正方形であり、約１５ミクロン×１５ミクロンで、およそ２２５平方ミクロンの面積である。もちろん、他の形状や寸法も可能である。このミラープレート２０４は、上面２０５と下面２０１とを有する。上面２０５は、二乗平均平方根で２オングストローム未満の粗さの、特に平坦な表面であることが好ましく、マイクロミラー２０４の表面積の大部分を構成することが好ましい。このミラープレート２０４の上面２０５の上、およびヒンジ２０６の一部の上に、アルミニウムまたは他の高反射材料などの反射材料２０３が堆積される。この反射材料２０３の膜厚は、３００Ａ以下であることが好ましい。また、この反射材料または反射面２０３が薄いことによって、上面２０５の平坦で滑らかな表面が間違いなく反映される。この反射面２０３は、ミラープレート２０４の上面２０５の面積よりも広い面積を有し、光源からの光を、ミラープレート２０４の偏向によって決まる角度に反射する。トーションバネヒンジ２０６が、ミラープレート２０４の上面２０５の下に実質的に形成され、上面２０５の上、およびヒンジ２０６の一部の上に堆積された反射面２０３によって実質的に隠されることに留意されたい。図２ａと図３との違いは、図２ａが、上面２０５の上に設けられた反射面２０３を備え、実質的にヒンジ２０６を隠すミラープレート２０４を示すのに対し、図３は、反射面２０３がない、つまりヒンジ２０６を曝すミラープレート２０４を示す点である。ヒンジ２０６とミラープレート２０４とは、同一基板１０５にあり、図７ａ、７ｂに示すように、ヒンジ２０６の中心高さ７９６は、ミラープレート２０４の中心高さ７９５、７９７と実質的に同一面７９５であるため、ミラー２０２が、ヒンジ２０６の長軸の周りに回転する際の並進運動または並進変位はない。並進変位がないために、ミラープレート２０４とスペーサ支持フレーム２１０の支持スペーサ壁との間のすき間は、作製技術およびプロセスの制約によって制限されるだけで十分であり、通常、０．１ミクロン未満である。実質的に反射面２０３の下にあるミラープレート２０４間の近接した間隔と、ヒンジ２０６の被覆とによって、マイクロミラーアレイ１０３は高充填率となり、コントラスト比は改善され、光の散乱と回折は最小限に抑えられ、マイクロミラーアレイ１０３を通過して第２の基板１０７上の回路に入射する光が実質的に除去されるという効果がある。
【００２５】
図２ａ、２ｂ、３、４ａ、４ｂ、７ａ、８、９ａ、９ｂ、および１０に示すように、ミラープレート２０４は、コネクタ２１６によって、トーションバネヒンジ２０６に連結される。このトーションバネヒンジ２０６は、スペーサ支持フレーム２１０に連結され、スペーサ支持フレーム２１０は、トーションバネヒンジ２０６、コネクタ２１６、およびミラープレート２０４を所定の位置に保持する。このヒンジ２０６は、第１のアーム２０６ａと第２のアーム２０６ｂとを含む。各アーム２０６ａ、２０６ｂには両端があり、図３および図１０に示すように、一方の端部は、スペーサ支持フレーム２１０に連結され、他方の端部は、コネクタ２１６に連結される。別の実施形態では、ミラープレート２０４、ヒンジ２０６、およびスペーサ支持フレーム２１０に、他のバネ、ヒンジ、および連結方式を用いてもよい。図３および図４ａに端的に示すように、トーションバネヒンジ２０６は、スペーサ支持壁２１０を基準として、対角線方向（例えば、４５度の角度）に向いており、ミラープレート２０４を２つの部分または面に分割することが好ましい。つまり、第１の面２０４ａと第２の面２０４ｂである。図７ｂに示すように、２つの電極１２６は、ミラー２０２に対応し、一方の電極１２６ａが第１の面２０４ａ、また他方の電極１２６ｂが第２の面２０４ｂに対応する。これによって、いずれの面２０４ａ、２０４ｂも、電極１２６ａ、１２６ｂの一方に、下向きに回転して引きつけられることが可能になり、広範囲の角運動を実現する。このトーションバネヒンジ２０６によって、ミラープレート２０４は、ミラー２０２とそれに対応する電極１２６との間に電圧を印加して、静電気力などの力がミラープレート２０４に加えられると、スペーサ支持フレーム２１０と相対的に、ヒンジ２０６の長軸の周りに回転できる。この回転によって、反射光に関して選択した方向への角偏位が生ずる。ヒンジ２０６とミラープレート２０４とは、同一基板１０５内にあり、図７ａおよび７ｂに示すように、ヒンジ２０６の中心高さ７９６は、ミラープレート２０４の中心高さ７９５、７９７と実質的に同一面７９５であるため、ミラー２０２は、ヒンジ２０６の周りで、並進変位が全くない純粋な回転を行う。図７ａおよび図８に示す一実施形態では、トーションバネヒンジ２０６は、（ミラープレート２０４の上面２０５に対して垂直な）ヒンジ２０６の深さ２２３よりも小さな幅２２２を有する。このヒンジ２０６の幅２２２は、約０．１２ミクロンと約０．２ミクロンとの間であることが好ましく、また、深さ２２３は、約０．２ミクロンと約０．３ミクロンとの間であることが好ましい。
【００２６】
図２ａ、２ｂ、３、４ａ、４ｂ、６、および７ａに示すように、スペーサ支持フレーム２１０は、ミラープレート２０４が、下向きに、所定の角度まで偏向できるように、ミラープレート２０４を、電極１２６およびアドレス指定回路上の所定の距離を隔てた位置に合わせる。このスペーサ支持フレーム２１０は、図２ａ、４ａ、９ａおよび１０に示すように、好ましくは、同じ第１の基板１０５から形成され、さらに好ましくは、直角に位置するスペーサ支持壁を含む。この壁は、また、スペーサ支持フレーム２１０の高さを定めるのにも役に立つ。このスペーサ支持フレーム２１０の高さは、ミラープレート２０４と電極１２６との間の所望の間隔と、電極の立体デザインとに基づき選ばれる。この高さが高ければ高いほど、ミラープレート２０４もより大きく偏向でき、最大偏向角もより大きくなる。偏向角がより大きくなれば、一般に、より高いコントラスト比が実現される。一実施形態では、ミラープレート２０４の偏向角は１２度である。好適な実施形態では、十分な間隔と駆動電圧とが与えられれば、ミラープレート２０４は、９０度程度回転できる。スペーサ支持フレーム２１０は、ヒンジ２０６を支持することもでき、また、ミラープレート２０４と、ミラーアレイ１０３中の他のミラープレート２０４との間隔を確保する。このスペーサ支持フレーム２１０には、スペーサ壁の幅２１２があり、ミラープレート２０４と支持フレーム２１０との間隔に、この幅を加えると、隣接するマイクロミラー２０２の隣接するミラープレート２０４間の距離と実質的に等しくなる。一実施形態では、このスペーサ壁の幅２１２は１ミクロン以下である。好適な一実施形態では、このスペーサ壁の幅２１２は、０．５ミクロン以下である。このことによって、ミラープレート２０４同士が密接に配置され、ミラーアレイ１０３の充填率が増加する。
【００２７】
一部の実施形態では、マイクロミラー２０２は、プレート２０４が、所定の角度まで下向きに偏向した場合に、このミラープレート２０４の偏向を停止する部品４０５ａ、４０５ｂを含む。通常、この種の部品は、動作ストッパ４０５ａ、４０５ｂ、およびランディングチップ７１０ａ、７１０ｂを含んでもよい。図４ａ、６、７ａ、７ｂ、８、１０、および１２に示すように、ミラー面２０４が偏向すると、ミラープレート２０４上の動作ストッパ４０５ａまたは４０５ｂは、ランディングチップ７１０（７１０ａまたは７１０ｂのいずれか一方）と接触する。このようになると、ミラープレート２０４は、それ以上偏向できない。この動作ストッパ４０５ａ、４０５ｂおよびランディングチップ７１０ａ、７１０ｂには、いくつかの可能な構成がある。図４ａ、６、７ａ、８、１０、および１２に示す実施形態では、動作ストッパは、ミラープレート２０４の下面２０１に取り付けられた円柱状の、あるいは機械的なストッパ４０５ａ、４０５ｂであり、ランディングチップ７１０は、第２の基板１０７上の対応する円形領域である。図７ａ、７ｂ、および８に示す実施形態では、ランディングチップ７１０ａ、７１０ｂは、スペーサ支持フレーム２１０と電気的に接続され、従って、動作ストッパ４０５ａまたは４０５ｂに対し電位差がゼロボルトであり、動作ストッパ４０５ａまたは４０５ｂが、それぞれランディングチップ７１０ａまたは７１０ｂに粘着または溶着しないようにする。このように、ミラープレート２０４がスペーサ支持フレーム２１０に対して、（機械的ストッパ４０５ａ、４０５ｂの長さと位置とによって決まる）所定の角度を越えて回転しようとする場合は、機械的動作ストッパ４０５ａまたは４０５ｂは、それぞれ、ランディングチップ７１０ａまたは７１０ｂと物理的に接触し、ミラープレート２０４がそれ以上回転しないようにする。
【００２８】
好適な実施形態では、動作ストッパ４０５ａ、４０５ｂは、第１の基板１０５から作製され、また、ミラープレート２０４、ヒンジ２０６、コネクタ２１６、およびスペーサ支持フレーム２１０と同じ材料で作製される。ランディングチップ７１０ａ、７１０ｂもまた、動作ストッパ４０５ａ、４０５ｂ、ミラープレート２０４、ヒンジ２０６、コネクタ２１６、およびスペーサ支持フレーム２１０と同じ材料で作製されることが好ましい。この材料が単結晶シリコンである場合の実施形態では、動作ストッパ４０５ａ、４０５ｂ、およびランディングチップ７１０ａ、７１０ｂは、機能的に長寿命である硬質材料から作製され、そのため、ミラーアレイ１０３は、長期間、持ちこたえることができる。さらに、単結晶シリコンが硬質材料であるため、動作ストッパ４０５ａまたは４０５ｂが、それぞれランディングチップ７１０ａまたは７１０ｂと接触する面積を小さく作製することができ、それによって、粘着力が大幅に減少し、ミラープレート２０４が自由に偏向できる。また、これが意味することは、動作ストッパ４０５ａまたは４０５ｂ、およびランディングチップ７１０ａまたは７１０ｂが等電位に保たれ、それによって、動作ストッパ４０５ａまたは４０５ｂ、およびランディングチップ７１０ａまたは７１０ｂが異なる電位にある場合に溶着および電荷注入過程を介して生じる粘着が起こらないようにするということである。本発明は、ミラープレート２０４の偏向を停止する上記で説明した部品および技術には限定されない。当該技術で既知のあらゆる部品および技術を用いてもよい。
【００２９】
図４ａは、単一のマイクロミラー２０２の裏面を示す斜視図であり、支持壁２１０、（面２０４ａおよび２０４ｂを含み、上面２０５と下面２０１とを有する）ミラープレート２０４、ヒンジ２０６、コネクタ２１６、および機械的ストッパ４０５ａ、４０５ｂが含まれる。図４ｂは、図４ａに示すマイクロミラー２０２の隅部２３７のより詳細な斜視図である。
【００３０】
図５は、９個のマイクロミラー２０２−１〜２０２−９を有するマイクロミラーアレイ１０３の上部および側部を示す斜視図である。図５は、３行と３列の合計９個のマイクロミラー２０２を備えたマイクロミラーアレイ１０３を示すが、他の規模のマイクロミラーアレイ１０３を考えてもよい。通常、各マイクロミラー２０２は、ビデオディスプレイ上の画素に対応する。従って、より多くのマイクロミラー２０２を備えたより大きなアレイ１０３であるほど、より多くの画素を備えたビデオディスプレイが実現される。
【００３１】
図５に示すように、マイクロミラーアレイ１０３の表面は、大きな充填率を有する。つまり、マイクロミラーアレイ１０３表面のほとんどが、マイクロミラー２０２の反射面２０３で構成される。マイクロミラーアレイ１０３表面のごくわずかな部分が、非反射部である。図５に示すように、このマイクロミラーアレイ１０３表面の非反射部は、マイクロミラー２０２の反射面２０３間の領域である。例えば、ミラー２０２−１と２０２−２との間の領域の幅は、スペーサ支持壁の幅２１２、およびミラー２０２−１のミラープレート２０４とスペーサ支持壁２１０とのすき間の幅と、ミラー２０２−２のミラープレート２０４とスペーサ支持壁２１０とのすき間の幅の和で決まる。図２ａ、２ｂ、３、４ａ、および４ｂに示すような単一のミラー２０２は、それ自身のスペーサ支持フレーム２１０を有するように説明されているが、通常は、ミラー２０２−１および２０２−２などのミラー間には、２つの個別に隣接するスペーサ壁２１０はないことに留意されたい。それどころか、ミラー２０２−１と２０２−２との間には、通常は、支持フレーム２１０の１つの物理的なスペーサ壁しかない。ミラープレート２０４の偏向の際には並進変位がないので、上記のすき間とスペーサ壁の幅２１２は、作製技術がサポートする形状程度に小さく作ることができる。従って、一実施形態では、このすき間は０．２ミクロンであり、他の実施形態では、このすき間は０．１３ミクロン以下である。半導体作製技術によって、より小さな形状の作製が可能になるので、スペーサ壁２１０の寸法およびすき間を小さくすれば、より高い充填率を可能にすることができる。本発明の実施形態によって、高充填率が可能になる。好適な実施形態では、充填率は９６％あるいはそれ以上となる。
【００３２】
図６は、９個のマイクロミラーを有するマイクロミラーアレイ１０３の底部および側部を示す斜視図である。図６に示すように、マイクロミラー２０２のスペーサ支持フレーム２１０は、ミラープレート２０４の下にキャビティを画定する。このキャビティは、ミラープレート２０４が下向きに偏向するための空間を与え、また、電極１２６を備えた第２の層１０４、および／または制御回路１０６を備えた第３の層を配置するために、ミラープレート２０４の下に広い領域を割り当てる。図６には、（面２０４ａ、２０４ｂを含む）ミラープレート２０４の下面２０１、さらにスペーサ支持フレーム２１０の底部、トーションバネヒンジ２０６、コネクタ２１６、および動作ストッパ４０５ａ、４０５ｂも示す。
【００３３】
図５および図６に示すように、ミラープレート２０４の法線方向の光のほとんどは、マイクロミラーアレイ１０３を通過して、電極１２６や、マイクロミラーアレイ１０３の下にある制御回路１０６に届くことができない。これは、スペーサ支持フレーム２１０と、ミラープレート２０４の上面２０５の上にあり、かつヒンジ２０６の一部の上にある反射面２０３とが、マイクロミラーアレイ１０３の下にある制御回路をほぼ完全に覆っているからである。また、スペーサ支持フレーム２１０が、ミラープレート２０４と、マイクロミラーアレイ１０３の下にある回路とを分離しているので、垂直ではない角度でミラープレート２０４に入射し、ミラープレート２０４を通過する光は、スペーサ支持フレーム２１０の壁面に当たり、マイクロミラーアレイ１０３の下にある回路には届かない可能性が高い。ミラーアレイ１０３へ入射する強い光は、回路にはほとんど届かないので、ＳＬＭ１００は、回路に入射する強い光に付随する問題を回避できる。この問題には、回路を加熱する入射光、および回路素子を帯電させる入射光のフォトンも含まれ、このいずれもが、回路に誤動作を生じさせる原因となりうる。
【００３４】
図９ａは、本発明の別の実施形態によるマイクロミラー２０２の斜視図であり、図９ｂは、このマイクロミラー２０２の隅部２３８のより詳細な斜視図である。この実施形態のトーションヒンジ２０６は、スペーサ支持フレーム２１０のスペーサ支持壁と平行である。ミラープレート２０４は、このミラープレート２０４とそれに対応する電極１２６との間に電圧バイアスを印加することによって、電極方向に選択的に偏向する。図９ａに示す実施形態では、図２ａおよび２ｂに示す対角線方向のヒンジ２０６を備えたミラー２０２と比べ、同じ高さの支持壁からでも、より狭い角運動範囲しか実現されない。それでも、図２ａおよび２ｂに示す実施形態のように、図９ａおよび９ｂに示す実施形態のヒンジ２０６は、ミラープレート２０４の上面２０５の下にあり、反射面２０３に隠されているために、高い充填率、高い光学効率、高いコントラスト比、低い度合いの光の散乱と回折、および信頼性が高くコスト効率のよい性能を備えたＳＬＭ１００が実現できる。図９ｂは、マイクロミラー２０２の隅部のより詳細な斜視図であり、ミラープレート２０４、ヒンジ２０６、スペーサ支持フレーム２１０の支持壁、および反射面２０３を示す。図１０は、ヒンジ２０６と、コネクタ２１６と、動作ストッパ４０５ａとを含む単一のマイクロミラー２０２の裏面を示す。他の実施形態では、ヒンジ２０６は、ミラープレート２０４の辺の１つと実質的に平行であってもよく、また、ミラープレート２０４を２つの部分２０４ａおよび２０４ｂに分割するように位置してもよい。図１１および１２は、図９ａ、９ｂおよび１０に示したような複数のマイクロミラー２０２から構成されるミラーアレイの斜視図を示す。
【００３５】
図１３は、第２の基板１０７上に形成された電極１２６の一実施形態の斜視図である。この実施形態では、各マイクロミラー２０２には、それに対応する電極１２６がある。この例示する実施形態での電極１２６は、第２の基板１０７上にあるその他の回路部分よりも高くなるように作製される。好適な実施形態では、電極１２６は、第２の基板１０７上にあるその他の回路部分と同じ高さで配置される。他の実施形態では、電極１２６は、回路の上方に広がる。本発明の一実施形態では、電極１２６は、マイクロミラープレートの下部にうまく納まる個別のアルミニウムパッドである。また、電極の形状は、マイクロミラー２０２の実施形態によって変わる。例えば、図２ａ、２ｂ、および３に示す実施形態では、ミラー２０２の下に２つの電極１２６があり、この各電極１２６は、図７ｂに示すような三角形状を有することが好ましい。また、図９ａ、９ｂ、および１０に示す実施形態では、単一で四角形の電極１２６がミラー２０２の下にあることが好ましい。この電極１２６は、第２の基板１０７の表面上に作製される。この実施形態では電極１２６の表面積が大きいので、ミラープレート２０４を、機械的なストッパまで引き下げるのに必要なアドレス指定電圧は比較的低くなり、ミラープレート２０４は、所定の角度に完全に偏向できる。
動作
【００３６】
動作中は、個々の反射マイクロミラー２０２は、選択的に偏向され、入射してミラー２０２で反射される光を空間的に変調する機能を果たす。
【００３７】
図７ａおよび８は、図２ａの破線２５１に沿って示すマイクロミラー２０２の断面図である。この断面図は、マイクロミラー２０２の中心対角線から外れたものであり、従って、ヒンジ２０６の輪郭が示されることに留意されたい。図７ｃは、図２ａの破線２５０に沿って示すマイクロミラー２０２の別の断面図である。この断面図は、中心対角線に沿ったものであり、ヒンジ２０６と直交することに留意されたい。図７ｃは、ミラープレート２０４ａおよび２０４ｂに関連させてコネクタ２１６を示す。図７ａ、７ｃ、および８は、電極１２６上にあるマイクロミラー２０２を示す。動作中は、ミラー２０２の片側に対応する電極１２６に電圧が印加され、この電極１２６上にあるミラープレート２０４の対応する部分（図８の２０４ａ面）の偏向を制御する。図８に示すように、電圧が電極１２６に印加されると、ミラープレートの半分２０４ａが、電極１２６に引きつけけられ、ミラープレートの残りの半分２０４ｂが、ミラープレート２０４の構造および剛性のために、電極１２６および第２の基板１０７から遠ざかる。これにより、ミラープレート２０４は、トーションバネヒンジ２０６の周りに回転できる。電圧が電極１２６から取り除かれると、ヒンジ２０６により、ミラープレート２０４は、図７ａに示すようなバイアスが加えられていない状態の位置に跳ね返される。あるいは、図２ａ、２ｂ、および３に示す対角状のヒンジ２０６を備えた実施形態では、ミラープレート２０４の反対側に対応する電極１２６に電圧を印加して、ミラー２０２を反対方向に偏向させてもよい。このようにして、ミラー２０２に入射する光は、電極１２６への電圧の印加によって制御可能な方向に反射される。
【００３８】
一実施形態では、次のように動作する。まず、ミラー２０２は、図７ａおよび７ｃに示すように偏向されていない。このバイアスが加えられていない状態では、光源からＳＬＭ１００に斜めに入射する入射光線は、平らな状態のミラー２０２で反射される。出射する反射光線は、例えば、光ダンプが受光してもよい。この偏向していないミラー２０２で反射された光は、ビデオディスプレイには反射されない。
【００３９】
電圧バイアスがミラープレートの半分２０４ａと、その下の電極１２６との間に印加されると、ミラー２０２は、静電気引力のために偏向する。一実施形態では、ミラープレート２０４が、図８に示すように下向きに偏向する場合は、Ｖｅ１は１２ボルト、Ｖｂは−１０ボルト、さらにＶｅ２は０ボルトであることが好ましい。同様に（あるいは、逆に）、ミラープレート２０４ｂが下向きに偏向する場合は、Ｖｅ１は０ボルト、Ｖｂは−１０ボルト、さらにＶｅ２は１２ボルトであることが好ましい。ヒンジ２０６のデザインのために、ミラープレートの片面２０４ａまたは２０４ｂ（言い換えると、電圧バイアスを加える電極１２６の上にある方）が下向きに（第２の基板１０７に向かって）偏向し、ミラープレートの他方の面２０４ｂまたは２０４ａが第２の基板１０７から遠ざかる。好適な一実施形態では、全ての曲げは、実質的に、ミラープレート２０４ではなくヒンジ２０６に生じる。これは、一実施形態では、ヒンジの幅２２２を薄くし、このヒンジ２０６を、その両端でのみ支柱に連結することによって実現してもよい。また、ミラープレート２０４の偏向は、上記で説明したように、動作ストッパ４０５ａまたは４０５ｂによって制限される。ミラープレート２０４が完全に偏向することによって、出射する反射光線は、撮像光学系とビデオディスプレイとに偏向される。
【００４０】
ミラープレート２０４が、「スナッピング（ｓｎａｐｐｉｎｇ）」電圧または「引っ張り（ｐｕｌｌｉｎｇ）」電圧（一実施形態では約１２ボルト以下）を越えて偏向しようとすると、ヒンジ２０６の復元機械力または復元トルクは、もはや静電気力または静電気トルクの平衡を保つことができなくなり、静電気力がかかっているミラープレートの半分２０４ａまたは２０４ｂは、その下の電極１２６に向かって突然下に傾き（ｓｎａｐ）、規定通りに、動作ストッパ４０５ａまたは４０５ｂによってのみ制限を受ける完全偏向を実現する。ヒンジ２０６が、図９ａ、９ｂおよび１０に示すように、スペーサ支持フレーム２１０の支持壁と平行である実施形態では、完全に偏向した位置からミラープレート２０４を解放するためには、電圧をオフにしなければならない。ヒンジ２０６が、図２ａ、２ｂおよび３に示すように対角状である実施形態では、完全に偏向した位置からミラープレート２０４を解放するためには、他方の電極に電圧を印加して、ミラー２０２が他方に引きつけられる状態で、偏向に用いた電圧をオフにしなければならない。
【００４１】
マイクロミラー２０２は、電気機械的に双安定な素子である。解放電圧とスナッピング電圧との間のある電圧が与えられると、ミラー２０２の偏向履歴に応じて、ミラープレート２０４が取りうる２つの偏光角が考えられる。このように、ミラー２０２の偏向は、ラッチの機能を果たす。ミラー２０２の偏向に必要な機械力は、偏向角に対してほぼ線型であり、一方、反対方向の静電気力は、ミラープレート２０４と電極１２６との間隔に反比例するため、この双安定性とラッチ特性とが存在する。
【００４２】
ミラープレート２０４と電極１２６との間の静電気力は、このミラープレート２０４と電極１２６との間の全電圧差分に応じて変化するので、ミラープレート２０４に負電圧を印加すると、ある偏向量を実現するために電極１２６に印加しなければならない正電圧は低下する。このように、ミラーアレイ１０３に電圧を印加することによって、電極１２６の電圧幅条件を低下させることができる。これが有用なのは、例えば、５Ｖのスイッチング機能が、半導体産業ではより一般的であり、またよりコスト効率が高いために、一部の用途では、電極１２６に印加しなければならない最大電圧を１２Ｖ未満に維持することが望ましいからである。
【００４３】
ミラー２０２の最大偏向は一定であるため、スナッピング電圧を越えた電圧でＳＬＭ１００を動作させる場合は、このＳＬＭ１００は、デジタル方式で作動することができる。この動作が、基本的にデジタルであるというのは、ヒンジ２０６が、図９ａ、９ｂ、および１０に示すように、スペーサ支持フレーム２１０の支持壁と平行である実施形態の場合は、ミラープレート２０４は、対応する電極１２６に電圧を印加することによって下向きに完全に偏向するか、あるいは対応する電極１２６に電圧を印加することなく跳ね上がるためである。一方、図２ａ、２ｂ、および３に示すような対角状のヒンジ２０６を備えた実施形態の場合は、ミラープレート２０４は、ミラープレート２０４の一方の面に対応する電極１２６に電圧を印加することによって下向きに完全に偏向するか、あるいはミラープレート２０４の他方の面に対応する他方の電極１２６に電圧を印加して、ミラープレート２０４の他方の面を下向きに偏向するためである。ミラープレート２０４の偏向を停止させる物理的な部品によって停止するまで、ミラープレート２０４を下向きに完全に偏向させる電圧は、「スナッピング」電圧または「引っ張り」電圧として知られる。従って、ミラープレート２０４を、完全に下向きに偏向させるためには、スナッピング電圧以上の電圧を、対応する電極１２６に印加する。ビデオディスプレイ用途の場合、ミラープレート２０４が、完全に下向きに偏向すると、そのミラープレート２０４への入射光は、ビデオディスプレイ画面上の対応する画素に反射され、その画素は明るく見える。ミラープレート２０４が、跳ね上がった場合は、この光はビデオディスプレイ画面に当たらないような方向に反射され、対応する画素は暗く見える。
【００４４】
このようなデジタル動作時では、ミラープレート２０４が完全に偏向した後は、スナッピング電圧を、対応する電極１２６に完全に印加し続ける必要はない。「アドレス指定段階」では、完全に偏向する必要があるミラープレート２０４に対応して選択された電極１２６に対する電圧は、ミラープレート２０４を偏向させるのに必要なレベルに設定される。このミラープレート２０４が電極１２６への電圧によって偏向すると、その変更した位置にミラープレート２０４を保持するために必要な電圧は、実際の変更に必要な電圧未満である。これは、この偏向したミラープレート２０４とアドレス指定電極１２６との間隔が、ミラープレート２０４が偏向過程にある場合よりも小さいためである。従って、アドレス指定段階の後の「保持段階」では、ミラープレート２０４の偏向状態に実質的に影響を及ぼすことなく、選択した電極１２６に印加する電圧を、本来の要求レベルから低下させることができる。保持電圧が低いという１つの効果は、隣接する未偏向のミラープレート２０４が受ける静電気引力の影響がより小さく、そのために、ほぼゼロ偏向位置の状態でありつづけることである。これにより、偏向したミラープレート２０４と未偏向のミラープレート２０４との間の光学コントラスト比は向上する。
【００４５】
寸法（一実施形態では、ミラープレート２０４と電極１２６との間のスペーサ支持フレーム２１０による分離間隔は、ミラー構造と偏光角条件とに応じて１〜５ミクロンであり、ヒンジ２０６の厚みは０．０５〜０．４５ミクロンである）および材料（例えば単結晶シリコン（１００））を適切に選択すれば、わずか数ボルトの動作電圧を有するように反射型ＳＬＭ１００を作製することができる。単結晶シリコンで作製されたトーションヒンジ２０６の剛性率は、例えば、１ラジウム当たり１平方メートル当たり５×１０１０ニュートンである。ミラープレート２０４を完全に偏向させるための、対応する電極１２６の動作電圧は、接地電位ではなく、適当な電圧（負バイアス）にミラープレート２０４を保持することで、さらに低下させることができる。これにより、電極１２６に印加する任意の電圧に対して、より大きな偏向角が生じる。最大負バイアス電圧は、解放電圧であるため、アドレス指定電圧をゼロまで低下させると、ミラープレート２０４は未偏向状態の位置まで跳ね返ることができる。
【００４６】
ミラープレート２０４の偏向を、より「アナログ」方式で制御することも可能である。「スナッピング電圧」未満の電圧を、ミラープレート２０４を偏向させるために印加して、その電圧で、入射光を反射させる方向を制御する。
他の用途
【００４７】
ビデオディスプレイだけではなく、空間光変調器１００は、他の用途においても有用である。そのような用途の１つは、マスクを用いないフォトリソグラフィであり、空間光変調器１００は、コーティングしたフォトレジストを現像するために光の方向を定める。これにより、所望のパターンにフォトレジストを正確に現像するためのマスクが必要ではなくなる。
【００４８】
本発明は、多くの実施形態を参照に詳しく示して説明してきたが、当業者には当然のことながら、本発明の精神と範囲とを逸脱することなく、形態および細部に関してさまざまな変更を行うことが可能である。例えば、ミラープレート２０４は、静電気引力以外の方法によっても同様に偏向させることができる。このミラープレート２０４は、代わりに、磁気、熱、または圧電駆動を用いてもよい。
【図面の簡単な説明】
【００４９】
【図１】本発明の一実施形態による空間光変調器の概略構造を示す概略図である。
【図２ａ】本発明の一実施形態における１つのマイクロミラーの斜視図である。
【図２ｂ】図２ａに示すマイクロミラーの隅部の斜視図である。
【図３】本発明の一実施形態におけるマイクロミラーアレイのミラープレートの上部および側部を示す、反射面がない状態での１つのマイクロミラーの斜視図である。
【図４ａ】本発明の一実施形態における１つのマイクロミラーの底部および側部を示す斜視図である。
【図４ｂ】図４ａに示すマイクロミラーの隅部の斜視図である。
【図５】本発明の一実施形態におけるマイクロミラーアレイの上部および側部を示す斜視図である。
【図６】本発明の一実施形態におけるマイクロミラーアレイの底部および側部を示す斜視図である。
【図７ａ】図２ａの中心から外れた対角断面に沿って示す、偏向していない状態のマイクロミラーの断面図である。
【図７ｂ】本発明の一実施形態における第２の基板に形成され、ミラープレートの下にある電極およびランディングチップの上面図である。
【図７ｃ】図２ａの中心対角断面に沿って示す、偏向していない状態のマイクロミラーの断面図である。
【図８】図２ａに示す偏向した状態のマイクロミラーの断面図である。
【図９ａ】マイクロミラーの別の実施形態の上部および側部の斜視図である。
【図９ｂ】図９ａに示すマイクロミラーの隅部の斜視図である。
【図１０】マイクロミラーの別の実施形態の底部および側部を示す斜視図である。
【図１１】マイクロミラーアレイの別の実施形態の上部および側部を示す斜視図である。
【図１２】マイクロミラーアレイの別の実施形態の底部および側部を示す斜視図である。
【図１３】第２の基板上に形成された電極の一実施形態の斜視図である。
【図２ａ】
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【図２ｂ】
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【図３】
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【図４ａ】
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【図４ｂ】
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【図５】
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【図６】
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【図７ａ】
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【図７ｂ】
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【図７ｃ】
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【図８】
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【図９ａ】
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【図９ｂ】
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【図１０】
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【図１１】
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【図１２】
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【図１３】
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【図１】
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【国際調査報告】
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