ФОТОННЫЕ МИКРОЭЛЕКТРОМЕХАНИЧЕСКИЕ СИСТЕМЫ И СТРУКТУРЫ
PHOTONIC MICROELECTROMECHANICAL SYSTEMS AND STRUCTURES

Уровень техники
Микроэлектромеханические системы включают в себя микромеханические элементы, приводы и электронику. Микромеханические элементы можно образовать, используя осаждение, травление и/или другие процессы микрообработки, при осуществлении которых стравливают участки подложек и/или осажденных слоев материалов или добавляют слои для формирования электрических и электромеханических устройств. Микроэлектромеханическое устройство одного вида называют интерферометрическим модулятором. Использованный в настоящей заявке термин интерферометрический модулятор или интерферометрический модулятор света относится к устройству, которое избирательно поглощает и/или отражает свет благодаря использованию принципов оптической интерференции. Согласно некоторым вариантам осуществления интерферометрический модулятор может содержать пару проводящих пластин, причем одна из них или обе они могут быть прозрачными и/или отражающими, целиком или частично, и имеющими возможность относительно перемещаться при приложении соответствующего электрического сигнала. Согласно конкретному варианту осуществления одна пластина может содержать неподвижный слой, осажденный на подложке, а другая пластина может содержать металлическую мембрану, отделенную от неподвижного слоя воздушным промежутком. Как описано в настоящей заявке более подробно, в зависимости от положения одной пластины относительно другой может изменяться оптическая интерференция света, падающего на интерферометрический модулятор. Такие устройства находят широкое применение, и в области техники, к которой относится изобретение, представляется выгодным использовать и/или изменить характеристики устройств этих видов так, чтобы их особенности могли бы быть использованы при улучшении существующих изделий и создании новых изделий, которые еще не разработаны.
Раскрытие изобретения
Согласно некоторым вариантам осуществления оптическое устройство содержит непрозрачную подложку. Оптическое устройство также содержит первый оптический слой, который является по меньшей мере частично пропускающим и по меньшей мере частично отражающим для падающего света. Кроме того, оптическое устройство содержит второй оптический слой, который является по меньшей мере частично отражающим для падающего света. Второй оптический слой отнесен от первого оптического слоя. По меньшей мере один из первого оптического слоя и второго оптического слоя является подвижным между первым положением с первым расстоянием между первым и вторым оптическими слоями и вторым положением со вторым расстоянием между первым и вторым оптическими слоями. Перемещение по меньшей мере одного из первого оптического слоя и второго оптического слоя между первым и вторыми положениями модулирует отражательную способность устройства.
Согласно некоторым вариантам осуществления оптическое устройство содержит первое средство для отражения света. Первое средство для отражения является по меньшей мере частично пропускающим и по меньшей мере частично отражающим для падающего света. Оптическое устройство также содержит второе средство для отражения света. Второе средство для отражения является по меньшей мере частично отражающим для падающего света. Второе средство для отражения отнесено от первого средства для отражения. По меньшей мере одно из первого средства для отражения и второго средства для отражения является подвижным между первым положением с первым расстоянием между первым средством для отражения и вторым средством для отражения и вторым положением со вторым расстоянием между первым средством для отражения и вторым средством для отражения. Перемещение по меньшей мере одного из первого средства для отражения и второго средства для отражения между первым и вторым положениями модулирует отражательную способность устройства. Кроме того, оптическое устройство содержит средство для поддержания по меньшей мере одного из первого и второго средств для отражения, при этом средство для поддержания является непрозрачным.
Некоторые варианты осуществления относятся к способу изготовления оптического устройства. Способ включает в себя создание непрозрачной подложки. Способ также включает в себя формирование одного или нескольких слоев на непрозрачной подложке. Один или несколько слоев включают в себя первый оптический слой, который является по меньшей мере частично пропускающим и по меньшей мере частично отражающим для падающего света. Кроме того, один или несколько слоев включают в себя второй оптический слой, который является по меньшей мере частично отражающим для падающего света. Второй оптический слой отнесен от первого оптического слоя. По меньшей мере один из первого оптического слоя и второго оптического слоя является подвижным между первым положением с первым расстоянием между первым и вторым оптическими слоями и вторым положением со вторым расстоянием между первым и вторым оптическим слоями. Перемещение по меньшей мере одного из первого оптического слоя и второго оптического слоя между первым и вторым положениями модулирует отражательную способность устройства.
Некоторые варианты осуществления относятся к способу модуляции света. Способ включает в себя создание оптического устройства. Оптическое устройство содержит непрозрачную подложку. Оптическое устройство также содержит первый оптический слой, который является по меньшей мере частично пропускающим и по меньшей мере частично отражающим для падающего света. Кроме того, оптическое устройство содержит второй оптический слой, который является по меньшей мере частично отражающим для падающего света. Второй оптический слой отнесен от первого оптического слоя. По меньшей мере один из первого оптического слоя и второго оптического слоя является подвижным между первым положением с первым расстоянием между первым и вторым оптическими слоями и вторым положением со вторым расстоянием между первым и вторым оптическими слоями. Способ также включает в себя перемещение по меньшей мере одного из первого оптического слоя и второго оптического слоя во время облучения устройства светом.
Краткое описание чертежей
На чертежах:
фиг.1А - схематическое сечение иллюстративной подложки дисплея, включающей в себя просветляющее покрытие и встроенное дополнительное освещение;
фиг.1В - схематический вид другой структуры для дополнительного освещения;
фиг.2 - схематическое изображение деталей иллюстративного процесса изготовления источника в виде дуговой лампы с помощью микрообработки;
фиг.3 - вид иллюстративной диаграммы возбуждения с центрированием относительно смещения для матриц интерферометрических модуляторов в дисплее;
фиг.4А - диаграмма, которой поясняется иллюстративная схема отображения цветов, основанная на концепции «основа плюс пигмент»;
фиг.4В - структурная схема иллюстративной системы, которая предназначена для реконфигурируемых пользователем изделий, имеющих центральной частью дисплей;
фиг.4С - схематический вид иллюстративного изделия общего применения, имеющего центральной частью дисплей;
фиг.5А - схематический вид геометрии иллюстративного интерферометрического модулятора, показанного в выключенном состоянии, в котором оптические свойства развязаны от электромеханических свойств;
фиг.5В - схематический вид интерферометрического модулятора из фиг.5А во включенном состоянии;
фиг.5С - график, иллюстрирующий характеристику конструкции интерферометрического модулятора из фиг.5А и 5В в состояниях черного и белого;
фиг.5D - график, иллюстрирующий характеристику конструкции интерферометрического модулятора из фиг.5А и 5А в нескольких цветовых состояниях;
фиг.6А - схематический вид другого иллюстративного интерферометрического модулятора со скрытой опорной структурой, в котором оптические свойства развязаны от электромеханических свойств, при этом интерферометрический модулятор показан в выключенном состоянии;
фиг.6В - схематический вид интерферометрического модулятора из фиг.6А во включенном состоянии;
фиг.7А - схематический вид конструкции иллюстративного интерферометрического модулятора в одном состоянии, в котором используются анизотропно напряженные мембраны;
фиг.7В - схематический вид интерферометрического модулятора из фиг.7А в другом состоянии;
фиг.8А - схематический вид иллюстративного интерферометрического модулятора, в котором используется поворотное включение;
фиг.8В - схематический вид иллюстративной последовательности технологических операций изготовления интерферометрического модулятора из фиг.8А;
фиг.9А - структурная схема иллюстративного микроэлектромеханического ключа;
фиг.9В - структурная схема иллюстративного возбудителя строки, основанного на микроэлектромеханических ключах;
фиг.9С - структурная схема иллюстративного возбудителя столбца, основанного на микроэлектромеханических ключах;
фиг.9D - структурная схема иллюстративного вентиля НЕ-И, основанного на микроэлектромеханических ключах;
фиг.9Е - структурная схема иллюстративной дисплейной системы, включающей в себя микроэлектромеханические элементы логики и возбудителя;
фигуры 10А-10Н - схематические виды, поясняющие структуру, изготовление и работу иллюстративного микроэлектромеханического ключа;
фигуры 10I и 10J - виды двух альтернативных конструкций иллюстративных ключей;
фиг.11А - схематический вид иллюстративной двумерной фотонной структуры на основе микрокольца;
фиг.11В - схематический вид иллюстративной периодической двумерной фотонной структуры;
фиг.12 - схематический вид иллюстративной трехмерной фотонной структуры;
фиг.13А - схематический вид иллюстративного интерферометрического модулятора, включающего в себя микрокольцевую структуру, в выключенном состоянии;
фиг.13В - схематический вид интерферометрического модулятора из фиг.13А во включенном состоянии;
фиг.13С - схематический вид иллюстративного интерферометрического модулятора, включающего в себя периодическую двумерную фотонную структуру;
фиг.14А - схематический вид иллюстративного интерферометрического модулятора, который действует как оптический ключ;
фиг.14В - схематический вид иллюстративного варианта интерферометрического модулятора из фиг.14А, который действует как оптический аттенюатор;
фиг.15А - схематический вид иллюстративного интерферометрического модулятора, который функционирует как оптический ключ или оптическое развязывающее устройство;
фиг.15В - схематический вид совокупности интерферометрических модуляторов, действующих как оптический переключатель N×N;
фиг.16 - схематический вид, поясняющий иллюстративную последовательность технологических операций изготовления структуры перестраиваемого интерферометрического модулятора;
фиг.17А - схематический вид структуры иллюстративного перестраиваемого интерферометрического модулятора, встроенного в ключ, селектирующий по длинам волн;
фиг.17В - схематический вид ключа из фиг.17А, селектирующего по длинам волн, дополнительно включающего в себя полупроводниковые приборы;
фиг.17С - схематический вид элементов с соединенными столбиковыми выводами, объединенных с ключом, селектирующим по длинам волн;
фиг.18А - схематическое представление иллюстративного двухканального корректора/смесителя;
фиг.18В - схематический вид иллюстративной реализации корректора/смесителя из фиг.18А с использованием элементов, основанных на интерферометрических модуляторах;
фиг.19 - схематическая иллюстрация непрерывного процесса изготовления, основанного на использовании рулона;
фиг.20A-20F - схематические виды, иллюстрирующие деформации в мембранном слое интерферометрического модулятора, приводящие к изменениям цветов, отображаемых интерферометрическим модулятором;
фиг.20G - схематический вид иллюстративной системы, которая может быть использована для оценивания состояния остаточного напряжения в осажденной пленке;
фиг.21А-21Е - схематические виды неоднородной пленки; фиг.21А - схематический вид иллюстративной формы неоднородной пленки, которая имеет уникальные просветляющие свойства; фиг.21В и 21С - схематические виды иллюстративной пленки на ранних стадиях образования; фиг.21D и 21Е - схематические виды иллюстративной перфорированной неоднородной пленки;
фиг.22А - схематический вид примера интерферометрического модулятора инверсного типа, в конфигурации которого развязаны оптические и электромеханические свойства устройства;
фиг.22В - схематический вид другого иллюстративного интерферометрического модулятора инверсного типа, в котором подложка выполнена сильно отражающей; и
фиг.23А и 23В - структурные схемы системы, поясняющие иллюстративное дисплейное устройство, содержащее интерферометрические модуляторы.
Нижеследующее подробное описание относится к некоторым конкретным вариантам осуществления изобретения. Однако изобретение может быть осуществлено большим числом различных способов. В этом описании делаются ссылки на чертежи, на которых повсюду аналогичные детали обозначены одинаковыми позициями. Как будет понятно из последующего описания, варианты осуществления могут быть реализованы в любом устройстве, которое сконфигурировано для индикации изображения, будь-то движущегося (например, видеоизображения) или неподвижного (например, статического изображения), и независимо от того, текстовое оно или изобразительное. Точнее, предполагается, что варианты осуществления могут быть реализованы в ряде электронных устройств или связаны с рядом электронных устройств, таких как, но без ограничения ими, мобильные телефоны, беспроводные устройства, персональные электронные секретари, карманные или портативные компьютеры, приемники и навигационные устройства глобальной системы позиционирования, фотокамеры, устройства воспроизведения в формате MP3, видеокамеры, игровые консоли, наручные часы, часовые циферблаты, калькуляторы, телевизионные мониторы, дисплеи с плоским экраном, компьютерные мониторы, автомобильные дисплеи (например, дисплей одометра и т.д.), органы управления и/или дисплеи в кабине, дисплей видоискателя камеры (например, дисплей камеры заднего обзора в транспортном средстве), электронные фотографы, электронные рекламные щиты или знаки, проекторы, архитектурные конструкции, упаковки и эстетические структуры (например, дисплей изображений на части ювелирного изделия). Микроэлектромеханические устройства со структурой, подобной описанной в настоящей заявке, также могут быть использованы в прикладных технологиях без дисплеев, например, в электронных переключающих устройствах.
Просветляющие покрытия
Характерной чертой одной ранее описанной конструкции интерферометрического модулятора является его эффективность в темном состоянии, в котором он поглощает вплоть до 99,7% света, который падает на него. Эта высокая эффективность в темном состоянии является полезной в отражательных дисплеях. В описанной конструкции интерферометрический модулятор отражает свет определенного цвета в выключенном состоянии и поглощает свет во включенном состоянии.
Поскольку матрица интерферометрических модуляторов располагается на подложке, возможность поглощения уменьшается благодаря собственному отражению подложки. В случае стеклянной подложки степень отражения обычно составляет около 4% в пределах видимого спектра. Поэтому, несмотря на поглотительную способность структуры интерферометрического модулятора, темное состояние может быть только темным, поскольку существует отражение от передней поверхности подложки.
Один способ улучшения общей рабочей характеристики дисплея на основе интерферометрических модуляторов заключается в нанесении просветляющих покрытий (AR-покрытий). Эти покрытия могут содержать один или несколько слоев диэлектрических пленок, осажденных на поверхность подложки, и предназначены для снижения отражения от этой поверхности. Существуют многочисленные различные, возможные конфигурации таких пленок, и их структура и формирование хорошо известны. Одна простая структура пленки представляет собой однократное покрытие из фторида магния толщиной, составляющей приблизительно одну четверть длины волны света, представляющего интерес. В другом примере используется четвертьволновая пленка фторида свинца, осажденного на стекло, за которой следует четвертьволновая пленка фторида магния, а в еще одном третьем примере пленка сульфида цинка расположена между двумя ними.
На фиг.1А показан иллюстративный способ, которым просветляющее покрытие может быть введено в дисплей с интерферометрическими модуляторами для улучшения характеристики дисплейной системы. На фиг.1А просветляющее покрытие 100, которое, как установлено, может содержать одну или несколько тонких пленок, осаждено на поверхность стеклянного слоя 102, соединенного со стеклянной подложкой 106, на противоположной стороне которой изготовлена матрица 108 интерферометрических модуляторов. В некоторых вариантах осуществления вследствие наличия просветляющего покрытия 100 уменьшается количество падающего света 109, отраженного от поверхности, благодаря вводу большей части его в стеклянный слой 102. Результат заключается в том, что больше падающего света 109 воспринимается матрицей 108 интерферометрических модуляторов, и при работе интерферометрического модулятора в режиме поглощения может быть получено более темное состояние дисплея. Кроме того, в некоторых вариантах осуществления просветляющее покрытие 100 может быть осаждено непосредственно на поверхность стеклянной подложки 106, на сторону, противоположную стороне матрицы 108 интерферометрических модуляторов.
Встроенное освещение
На фиг.1А также показано, каким образом согласно некоторым вариантам осуществления такой дисплей может быть снабжен источниками дополнительного освещения. В примере осуществления из фиг.1А матрица микроскопических дуговых ламп 104 образована в стеклянном слое 102. Дуговые лампы представляют собой эффективные источники света. С давних времен дуговые лампы изготавливают, используя способы, аналогичные способам изготовления обычных ламп накаливания. Типичный вариант такой лампы описан в патенте США №4987496. Изготавливают стеклянную колбу, а электроды, изготовленные отдельно, вводят в колбу. После заполнения соответствующим газом колбу герметизируют. Хотя такие лампы могут быть сделаны достаточно маленькими, способ изготовления их непригоден для производства крупных монолитных матриц таких ламп.
Способы, используемые при изготовлении микромеханических структур, могут быть применены для изготовления микроскопических газоразрядных или дуговых ламп. Вследствие микроскопических размеров этих «микроламп» напряжения и токи, необходимые для возбуждения их, в некоторых вариантах осуществления значительно ниже, чем требуемые для питания дуговых ламп обычных размеров, изготовленных путем использования известных способов. В примере из фиг.1А матрица изготовлена так, что свет 113, излучаемый лампами 104, направляется к матрице 108 интерферометрических модуляторов благодаря внутреннему рефлекторному слою 111, который описан ниже.
На фиг.2 представлены детальные чертежи, поясняющие, каким образом может быть изготовлена такая иллюстративная лампа, оптимизированная для плоского панельного дисплея. Последовательность этапов описывается следующим образом. Как видно на этапе 1, используя жидкостное или сухое химическое травление, осуществляют травление стеклянного слоя 200, чтобы образовать чашку 201 рефлектора. Глубина и форма чашки для каждой лампы определяются требуемой площадью освещения. При мелкой чашке будет создаваться большое рассеяние отраженного пучка, тогда как параболическое зеркало будет способствовать сведению отраженного света в параллельный пучок. Диаметр чашки можно изменять от 10 до нескольких сотен микрометров. В некоторых вариантах осуществления этот размер определяется величиной площади изображения, которая может быть в приемлемой степени скрыта от восприятия наблюдателя. Он также является функцией плотности матрицы микроламп. На этапе 2 рефлекторный/галогенидный слой 204 и временный слой 202 осаждают и структурируют, используя общепринятые технологии осаждения, например распыление, и общепринятые технологии фотолитографии. Рефлекторный/галогенидный слой может быть стопкой пленок, содержащей алюминий (рефлектор) и галогениды, такие как иодид таллия, иодид натрия и иодид индия. Галогенид может улучшать, хотя и необязательно, характеристики света, который генерируется. Временный слой может быть, например, таким слоем, как кремний.
Далее на этапе 3 электродный слой 206 осаждают и структурируют, чтобы образовать два отдельных электрода. Этот материал может быть огнеупорным материалом, аналогичным вольфраму, и должен иметь толщину, которая является достаточной для обеспечения механической опоры, порядка нескольких тысяч ангстрем. Затем, используя способ сухого отделения, удаляют временный слой 202. Согласно некоторым вариантам осуществления узел (в виде матрицы таких ламп) герметизируют путем присоединения к стеклянной пластинчатой подложке 106 (показанной на фиг.1А) так, чтобы рефлектор был обращен к пластине. Газ, например ксенон, используют для заполнения полостей, образованных лампами во время процесса герметизации, при давлении около одной атмосферы. Это можно осуществить при выполнении процесса герметизации в воздухонепроницаемой камере, которую предварительно заполняют ксеноном.
На этапе 4 вследствие приложения достаточного напряжения к электродам каждой лампы будут возникать электрический разряд в газе между концами электродов и излучение света 205 в направлении от рефлектора 204. Это напряжение может быть всего лишь несколько десятков вольт при воздушном промежутке порядка нескольких сотен микрометров или меньше. Если материал электродов осаждался при минимальном механическом напряжении, временный слой 202 будет определять местоположение электродов внутри чашки. В этом случае в некоторых вариантах осуществления толщину выбирают так, чтобы разряд находился в фокальной точке чашки. При наличии остаточного механического напряжения, которое вызывает перемещение электродов после снятия напряжения, в некоторых вариантах осуществления толщину выбирают так, чтобы компенсировать это перемещение. В общем случае толщина должна составлять несколько частей глубины чашки, от нескольких до десятков микрометров.
Снова обратимся к фиг.1А, на которой свет показан распространяющимся по траектории 113. Следовательно, свет излучается к матрице интерферометрических модуляторов, где он воздействует на матрицу, а затем отражается матрицей по траекториям 110 к границе 107 раздела и к наблюдателю 115.
Лампы могут быть изготовлены без включения рефлекторного слоя с тем, чтобы они могли излучать свет во всех направлениях.
Лампы, изготовленные с рефлектором или без него, могут быть использованы в ряде прикладных областей, в которых необходимы микроскопические источники света или матрицы источников света. Эти прикладные области могут охватывать проекционные дисплеи, источники задней подсветки для излучающих плоских дисплеев или обычные источники света для внутреннего (жилые дома, здания) или наружного (автомобили, импульсные лампы) применения.
Обратимся к фиг.1В, на которой показана концепция альтернативного иллюстративного источника дополнительного освещения. Световод 118 представляет собой стеклянный или пластиковый слой, который присоединен к подложке 112. Источники 116 света, которые могут содержать любое число излучающих источников, таких как люминесцентные лампы, светодиодные матрицы или указанные выше матрицы микроламп, расположены на противоположных сторонах световода. Свет 122 вводят в световод, используя коллиматор 120, так что большая часть света канализируется внутри световода вследствие полного внутреннего отражения. Площадка 124 рассеяния представляет собой участок световода, которому придают шероховатость, используя жидкостные или сухие способы химической обработки. Площадку рассеяния покрывают материалом или стопкой 126 тонких пленок, которая содержит отражающую поверхность, обращенную к подложке 112, и поглощающую поверхность, обращенную к наблюдателю 128.
Когда свет, канализированный внутри световода, попадает на площадку рассеяния, условия для полного внутреннего отражения нарушаются, и некоторая часть 129 света рассеивается по всем направлениям. Рассеянный свет, который обычно выходит в окружающую среду к наблюдателю 128, отражается в подложку 112 из-за наличия отражающей стороны покрытия 126. Аналогично упомянутым выше микролампам площадки рассеяния согласно некоторым вариантам осуществления изготавливают в виде матрицы, при этом каждой площадке придают такие размеры, что участок дисплея, который она загораживает от прямого наблюдения, малозаметен. Хотя их размеры небольшие, порядка десятков микрометров, они могут создавать достаточное дополнительное освещение вследствие собственной оптической эффективности нижележащей матрицы 114 интерферометрических модуляторов. Форма площадки рассеяния может быть круговой, прямоугольной или произвольных конфигураций, при которых может минимизироваться восприятие их наблюдателем.
Адресация элементов в матрице
Чтобы включить матрицы интерферометрических модуляторов согласованным образом с целью индикации, в некоторых вариантах осуществления к строкам и столбцам матрицы прикладывают последовательность напряжений, что обычно известно как «построчный» режим. Основная идея заключается в подаче достаточного напряжения на конкретную строку, чтобы напряжения, подаваемые на выбранные столбцы, вызывали включение или выключение соответствующих элементов в выбранной строке в зависимости от напряжения на столбце. Согласно некоторым вариантам осуществления пороговые значения и прикладываемые напряжения должны быть такими, чтобы только элементы в выбранной строке подвергались воздействию при подаче напряжений столбцов. Вся матрица может быть адресована на протяжении периода времени путем последовательного выбора набора строк, содержащих изображение.
смещения
включения
выключения
смещения
выключения
включения
Один простой иллюстративный способ осуществления этого показан на фиг.3. Петля 300 гистерезиса является идеализированным представлением электрооптической характеристики отражающего интерферометрического модулятора. По оси x показано приложенное напряжение, а по оси y показана амплитуда отраженного света. Интерферометрический модулятор согласно некоторым вариантам осуществления имеет гистерезис, поскольку когда напряжение повышается выше порога притягивания, структура интерферометрического модулятора включается и становится сильно поглощающей. Когда приложенное напряжение снижается, то приложенное напряжение должно быть доведено до уровня ниже порога отпускания, чтобы структура переместилась обратно в выключенное состояние. Разница между пороговыми значениями притягивания и отпускания создает окно гистерезиса. Эффект гистерезиса, а также альтернативные схемы адресации рассмотрены в патенте США № 5986796. В некоторых вариантах осуществления окно гистерезиса может быть использовано путем поддержания напряжения смещения, V, чтобы в любой момент времени удерживать интерферометрический модулятор в любом состоянии, в возбужденном или выключенном. Напряжения V и V соответствуют напряжениям, необходимым для включения или выключения структуры интерферометрического модулятора. Согласно некоторым вариантам осуществления матрицу возбуждают путем приложения напряжений к столбцам и строкам, используя электронику, известную как возбудители столбцов и строк. Интерферометрические модуляторы изготавливают с пороговым значением притягивания 6 В и пороговым значением отпускания 3 В. Для такого устройства типичными значениями V, V и V являются соответственно 4,5 В, 0 В и 9 В.
смещения
включения
выключения
включения
выключения
На фиг.3 показана временная диаграмма 302, иллюстрирующая форму напряжений, которые могут быть приложены для включения матрицы интерферометрических модуляторов, которые имеют петлю гистерезиса, похожую на петлю 300. В некоторых вариантах осуществления используются всего пять напряжений, два напряжения столбцов и три напряжения строк. В некоторых вариантах осуществления напряжения выбирают так, что Vcol1 точно равно удвоенному значению V, а Vcol0 равно 0 В. В некоторых вариантах осуществления напряжения строк выбирают так, чтобы разность между Vsel F0 и Vcol0 была равна V, а разность между Vsel F0 и Vcol1 была равна V. В противоположность этому в некоторых вариантах осуществления разность между Vsel F1 и Vcol1 равна V, разность между Vsel F1 и Vcol0 равна V.
Адресация происходит на чередующихся кадрах 0 и 1. В иллюстративной адресной последовательности данные для строки 0 загружаются в возбудители столбцов в течение кадра 0, в результате чего в зависимости от того, являются ли данные двоичной единицей или нулем, прикладываются уровни Vcol1 или Vcol0 напряжений, соответственно. Когда данные приведены в порядок, с возбудителя строки 0 подается выбранный импульс со значением Vsel F0. Это приводит к тому, что становятся включенными все интерферометрические модуляторы на столбцах с Vcol0, а интерферометрические модуляторы на столбцах с Vcol1 выключаются. Данные для следующей строки загружаются в столбцы, и выбранные импульсы прикладываются к этой строке и так далее до тех пор, пока не будет достигнут конец изображения. Затем адресация начинается снова со строки 0; однако в это время адресация происходит в пределах кадра 1.
Различие между кадрами заключается в том, что соответствие между данными и напряжениями столбцов изменяется, теперь двоичный нуль представлен Vcol0, а импульс выбора строки теперь находится на уровне Vsel F1. В некоторых вариантах осуществления путем использования такого способа полярность напряжений, подаваемых на дисплейную матрицу, полностью изменяется с каждым кадром. Это является полезным, особенно для дисплеев на основе микроэлектромеханических элементов, поскольку позволяет компенсировать накопление заряда постоянного тока любого уровня, которое может происходить, когда прикладываются напряжения только одной полярности. Накопление заряда внутри структуры может приводить к значительному смещению электрооптической характеристики интерферометрического модулятора или другого микроэлектромеханического устройства.
Схемы отображения цветов
Поскольку интерферометрический модулятор представляет собой универсальное устройство с рядом потенциальных оптических характеристик, то возможно некоторое количество различных схем отображения цветов, имеющих различные характерные признаки. В одной возможной схеме используется то, что имеются конструкции бинарных интерферометрических модуляторов, которые позволяют получать цветовые состояния, темные или состояния черного и состояния белого в одном и том же интерферометрическом модуляторе. Эта возможность может быть использована для получения схемы цветов, которую можно описать как «основа плюс пигмент». Такая терминология использована потому, что способ аналогичен способу, которым получают цвета краски путем добавления пигментов к бесцветной основе до получения желаемого цвета. Используя этот способ, можно получить любой цвет в спектре конкретной краски и любую степень насыщения путем регулирования состава и количества пигментов, которые добавляются к основе. То же самое можно утверждать в отношении дисплея, который включает в себя цветные и черные, и белые пикселы.
Как показано на фиг.4А, типовой пиксел 400 содержит пять подпикселных элементов 402, 404, 406 и 408, при этом каждый подпиксел способен отражать красный, зеленый, голубой и белый, соответственно. Все подпикселы способны быть в темном состоянии. Управление яркостью каждого подпиксела можно осуществлять, используя способы, относящиеся к широтно-импульсной модуляции, рассмотренные в патенте США №5835255. В сочетании с соответствующим образом выбранными относительными размерами подпикселов это приводит в результате к пикселу, с помощью которого можно осуществлять в очень больших пределах регулировку яркости и насыщения. Например, путем минимизации общей яркости белых подпикселов можно получать сильно насыщенные цвета. В противоположность этому путем минимизации яркости цветовых подпикселов или путем максимизации их в сочетании с белыми подпикселами можно получать яркое черно-белое изображение. Очевидно, что также достижимы все промежуточные варианты.
Управление цветовой схемой пользователем
Схемы цветов согласно некоторым вариантам осуществления, описанным ранее, а также собственные характеристики дисплея на основе интерферометрических модуляторов, выраженные в разрешении, глубине шкалы уровней серого и частоты регенерации, обеспечивают гибкость характеристик дисплея. С учетом этого ряда полезно предоставить пользователю изделие, включающее в себя такое управление дисплеем в пределах его общих характеристик. В качестве альтернативы может быть предпочтительно, чтобы дисплей автоматически приспосабливался к различным потребностям наблюдателя.
Например, пользователь может захотеть использовать изделие в черно-белом режиме, если в некоторой ситуации представляется только текст. Однако в другой ситуации пользователь может захотеть наблюдать высококачественные цветные статические изображения или в еще одном режиме может захотеть наблюдать живое видео. Хотя потенциально каждый из этих режимов находится в рамках данной конфигурации дисплея с интерферометрическими модуляторами, но необходим компромисс между отдельными характеристиками. Компромисс включает в себя необходимость в низких скоростях регенерации, если требуется получение изображений с высоким разрешением, или возможность получения значительной глубины шкалы оттенков серого, если необходимо только черно-белое изображение.
Чтобы обеспечить пользователю гибкость в удовлетворении требований такого вида, в некоторых вариантах осуществления технические средства контроллера могут быть в определенной степени переконфигурированы. Компромисс является следствием того, что любой дисплей имеет только определенную величину ширины полосы пропускания, которая принципиально ограничена временем отклика пикселных элементов, и поэтому определяет количество информации, которое может быть отображено в течение заданного времени.
Одна иллюстративная архитектура дисплея, которая может обеспечить такую гибкость, показана на фиг.4В. На этой структурной схеме логический узел 412 контроллера реализован путем использования одной из множества интегральных схем, включающей в себя программируемые логические приборы и вентильные матрицы, программируемые пользователем, в которых обеспечивается возможность изменения функциональных возможностей или осуществления реконфигурации элемента после выхода из производства. Такие приборы, которые традиционно используются для специализированных областей применения, таких как цифровая обработка сигналов или сжатие изображений, могут обеспечить высокие характеристики, необходимые для такой обработки, наряду с тем, что обеспечивается гибкость во время этапа проектирования изделий, включающих в себя такие приборы.
Контроллер 412 согласно некоторым вариантам осуществления формирует сигналы и данные для электроники 414 и 416 возбудителей, предназначенной для адресации дисплея 418. Обычные контроллеры основаны на интегральных схемах, то есть на специализированных интегральных схемах, которые эффективно «программируются» благодаря заложенному в них конструктивному решению в процессе изготовления. Контроллер 412 согласно некоторым вариантам осуществления имеет внутреннюю топологию кристалла, включающую в себя многочисленные логические элементы основного и более высокого уровней (логические вентили, или логические модули, или узлы вентилей). Путем использования программируемых пользователем устройств, таких как программируемые логические устройства или вентильные матрицы, программируемые пользователем, различные конфигурации дисплея могут быть загружены в контроллер дисплея в виде аппаратных приложений или «аппаратн. приложений» из элемента 410, который может быть запоминающим устройством или обычным микропроцессором и запоминающим устройством. Запоминающее устройство может быть выполнено в виде блоков электрически стираемой программируемой постоянной памяти (EEPROM) или в виде других перепрограммируемых устройств хранения данных, а микропроцессор может иметь вид простого микроконтроллера, функция которого заключается в загрузке аппаратного приложения из запоминающего устройства в вентильную матрицу, программируемую пользователем, если только это не выполняется каким-либо процессором, имеющим отношение к общему функционированию изделия. Этот подход является выгодным, поскольку при относительно простых схемах можно получать большое разнообразие различных конфигураций характеристик дисплея и разные скорости сканирования дисплея, наряду с возможностью сочетания их.
Например, один участок экрана может функционировать как область ввода текста с низким разрешением, в то время как другой обеспечивает высококачественное визуальное воспроизведение входящей электронной почты. Это может быть осуществлено в рамках ограничений общей ширины полосы пропускания дисплея путем изменения скорости регенерации и числа сканирований различных сегментов дисплея. Область текста с низким разрешением может быть просканирована быстро и только один раз или дважды, соответственно с одним или двумя битами глубины шкалы оттенков серого. Область высококачественного визуального воспроизведения электронной почты может быть просканирована быстро и с тремя или четырьмя проходами, соответствующими трем или четырем битам шкалы оттенков серого.
Конфигурируемые электронные изделия
Эта идея может быть распространена на некоторые варианты осуществления, чтобы охватить не только функциональные возможности контроллера дисплея, но также и функциональные возможности всего изделия. На фиг.4С показана иллюстративная конфигурация обобщенного портативного электронного изделия 418, которое имеет программируемое логическое устройство или эквивалентное ему в ядре 420. Во многих персональных компактных электронных изделиях с дисплеем, таких как персональный цифровой секретарь и электронные органайзеры, центральный процессор представляет собой вариант процессора на основе сокращенного набора команд (архитектуры процессора на основе сокращенного набора команд), в котором используется сокращенный набор команд. Хотя процессоры на основе сокращенного набора команд представляют собой более эффективные по производительности версии центральных процессоров по сравнению с центральными процессорами большей части персональных компьютеров, они все же являются процессорами общего применения, которые затрачивают большое количество энергии на выполнение повторяющихся задач, таких как извлечение команд из запоминающего устройства.
В персональных компьютерах потребление электроэнергии не является проблемой, а пользователь обычно хочет работать с большим числом сложных программных средств. Противоположное справедливо в отношении типичных компактных/персональных электронных изделий. Они должны потреблять немного электроэнергии, а число предоставляемых относительно простых программ сравнительно небольшое. Такой режим благоприятствует реализации программ специального назначения, которые могут включать в себя Web-браузеры, функции календаря, графические программы, базы данных телефонов/адресов и, в частности, в качестве аппаратного приложения, распознавать рукописный текст/речь. Поэтому всякий раз, когда пользователю требуются выполняемые функции конкретного вида, например, программа, процессор ядра реконфигурируется с помощью соответствующего аппаратного приложения, и пользователь взаимодействует с изделием. Поэтому процессор аппаратного приложения, вариант вентильной матрицы, программируемой пользователем, имеет аппаратное приложение, ясно выраженное в его внутренней логике и соединениях, которые перекомпоновываются и соединяются заново каждый раз при загрузке нового аппаратного приложения. Многочисленные поставщики этих элементов также предоставляют систему разработки приложений, которая позволяет упростить специализированный язык программирования (язык описания аппаратных средств) в логическом представлении, которое осуществляет соответствующий процессор. Кроме того, делаются многочисленные попытки упрощения процесса или приведения в эту форму языков программирования более высокого уровня. Один способ реализации такого процессора подробно описан в статье: Kouichi Nagami, et al., “Plastic cell architecture: Towards reconfigurable computing for general-purpose”, Proc. IEEE Workshop on FPGA-based Custom Computing Machines, 1998.
Снова обратимся к фиг.4С, где согласно некоторым вариантам осуществления процессор 420 аппаратного приложения находится в центре группы устройств ввода-вывода и периферийных устройств, которые используются, видоизменяются или игнорируются в зависимости от характера и функции загружаемого в текущее время аппаратного приложения. В некоторых вариантах осуществления аппаратные приложения могут загружаться из запоминающего устройства 422, резидентного в изделии, или из внешнего источника через радиочастотный или инфракрасный интерфейс 424, который может извлекать аппаратные приложения из Интернета, сотовых сетей или из других электронных устройств, равно как и содержимое для конкретного аппаратного приложения. Другие примеры аппаратных приложений включают в себя алгоритмы распознавания голоса или синтеза речи для звукового интерфейса 432, алгоритмы распознавания рукописных текстов для устройства 426 с перьевым вводом и режимы сжатия и обработки для дисплея 428 и устройства 430 ввода изображений. Такое изделие может выполнять большое число функций с помощью его основных компонентов, дисплея в качестве основного интерфейса пользователя и реконфигурируемого процессора ядра. Общее потребление электроэнергии таким устройством может быть порядка десятков милливатт по сравнению с несколькими сотнями милливатт, потребляемыми существующими изделиями.
Разделение электромеханических свойств и оптических свойств
В патенте США №6674562 уже описаны иллюстративные конструкции интерферометрических модуляторов, которые были предложены для развязывания электромеханических характеристик интерферометрического модулятора и его оптических характеристик. Чтобы частично развязать электромеханические характеристики и оптические характеристики, в некоторых вариантах осуществления, описанных в настоящей заявке, используется конфигурация интерферометрического модулятора инверсного типа, примеры которой показаны на фиг.5А, 5В, 6А, 6В, 22А и 22В. Подобно многим другим конструкциям интерферометрических модуляторов в конструкции интерферометрического модулятора инверсного типа используются электростатические силы для изменения геометрии интерферометрического резонатора. В некоторых вариантах осуществления, описанных в настоящей заявке, электромеханические свойства интерферометрического модулятора развязаны от оптических свойств интерферометрического модулятора, в результате чего обеспечивается возможность выбора структурного проектирования и материалов, используемых для некоторых элементов интерферометрического модулятора, независимо от их оптических свойств.
В иллюстративном интерферометрическом модуляторе, показанном на фиг.5А и 5В, электрод 502 сформирован на подложке 500 и электрически изолирован от мембраны/зеркала 506 изолирующей пленкой 504. Электрод 502 расположен против поверхности наблюдения и функционирует только как электрод, но не как зеркало. Оптический резонатор 505 образован между мембраной/зеркалом 506 и дополнительным зеркалом 508. Опора для дополнительного зеркала 508 обеспечивается прозрачной сверхструктурой 510, которая может быть выполнена из толстого осажденного органического, такого как SU-8, полиимид, или неорганического материала.
В некоторых вариантах осуществления в отсутствие приложенного напряжения мембрана/зеркало 506 удерживается в некотором положении, показанном на фиг.5А, относительно дополнительного зеркала 508, определяемом толщиной временных слоев, осаждаемых в процессе изготовления. В случае напряжения включения около 4 В толщина, составляющая несколько тысяч ангстрем, может быть подходящей. Если дополнительное зеркало выполнено из соответствующего материала, например из хрома, а зеркало/мембрана выполнено из отражающего материала, такого как алюминий, то структура будет отражать определенные частоты света 511, которые могут восприниматься наблюдателем 512. В частности, если хром довольно тонкий, с тем чтобы он был полупрозрачным, около 40 Е, а алюминий достаточно толстый, по меньшей мере 500 Е, с тем чтобы он был светонепроницаемым, то структура может иметь большое разнообразие оптических откликов. На фиг.5С и 5D показаны примеры характеристик черно-белого цветов, соответственно, для иллюстративного интерферометрического модулятора из фиг.5А и 5В. В некоторых таких вариантах осуществления оптический отклик определяется длиной резонатора и толщиной составляющих слоев.
На фиг.5В показан результат действия напряжения, приложенного между основным электродом 502 и мембраной/зеркалом 506 иллюстративного интерферометрического модулятора из фиг.5А. Как показано на фиг.5В, мембрана/зеркало 506 переместилась в вертикальном направлении, при этом изменилась длина оптического резонатора и, следовательно, изменились оптические свойства интерферометрического модулятора. На фиг.5С показан один иллюстративный рефлективный оптический отклик, который возможен в случае двух состояний, при этом показаны темное состояние 521, когда устройство полностью включено, и состояние 523 белого, когда устройство не включено полностью. На фиг.5D показан иллюстративный оптический отклик с максимумами 525, 527 и 529 цветов, соответствующими голубому, зеленому и красному цветам, соответственно. Поэтому в некоторых вариантах осуществления электромеханической характеристикой устройства можно управлять независимо от оптической характеристики. В некоторых вариантах осуществления материалы и конфигурации подложки 500, основного электрода 502 или изолирующей пленки 504 влияют на электромеханику интерферометрического модулятора, но заметно не влияют на оптические характеристики интерферометрического модулятора. В некоторых таких вариантах осуществления один или несколько из этих элементов могут быть выбраны независимо от материалов, содержащихся в дополнительном зеркале.
В другом примере интерферометрического модулятора инверсного типа, показанном на фиг.22А, модулятор 2200 содержит светонепроницаемую подложку 2202, защитный пассивирующий слой 2222, проводник 2204, диэлектрик 2206, первые опорные столбики 2208, механический/зеркальный слой 2210, вторые опорные столбики 2212, металлическое зеркало 2214 и прозрачный слой 2216. Первый резонатор 2218 образован между диэлектриком 2206 и механическим/зеркальным слоем 2210, а второй резонатор 2220 образован между механическим/зеркальным слоем 2210 и металлическим зеркалом 2214. Механический/зеркальный слой 2210 поддерживается первыми опорными столбиками 2208, а прозрачный слой 2216 поддерживается вторыми опорными столбиками 2212. В некоторых вариантах осуществления проводник 2204 подключен к устройству возбуждения и используется для электростатического перемещения механического/зеркального слоя 2210. На фиг.22А механический/зеркальный слой 2210 показан сплошной линией в пассивном или несмещенном состоянии, тогда как пунктирной линией механический/зеркальный слой 2210 показан на фиг.22А в передвинутом или в перемещенном состоянии. Обычно механический/зеркальный слой 2210 выбирают так, чтобы получить желаемый оптический отклик на падающий свет, когда он приходит в контакт с диэлектриком 2206.
Согласно некоторым вариантам осуществления наблюдатель 2201 рассматривает изображение со стороны, противоположной подложке 2202. Когда согласно некоторым вариантам осуществления механический/зеркальный слой 2210 подвергается электростатическому смещению, первый резонатор 2218 сжимается, а второй резонатор 2220 расширяется, так что промежуток между металлическим зеркальным слоем 2214 и механическим/зеркальным слоем 2210 увеличивается. В других иллюстративных простых конструкциях интерферометрических модуляторов, подобных описанным в патенте США №6055090, рефлективные окрашенные состояния получают, используя интерференцию, а темное состояние - с помощью поглощения. В некоторых таких иллюстративных интерферометрических модуляторах темное состояние получают потому, что для максимизации поглощения максимум результирующей стоячей волны располагают оптимальным образом внутри второго резонатора 2220. Когда механический/зеркальный слой 2210 перемещается в соприкосновение с диэлектриком 2206 или близко к нему, стоячая волна сдвигается с места, при этом, в зависимости от заранее заданного промежутка между диэлектриком 2206 и механическим/зеркальным слоем 2210, отражается голубой, зеленый или красный свет. При сокращении промежутка между металлическим зеркальным слоем 2214 и механическим/зеркальным слоем 2210 модулятор может отражать, по существу, все длины волн в видимом спектре, следствием чего является рефлективное состояние белого. Как описано выше, согласно некоторым вариантам осуществления наблюдатель 2201 инверсного интерферометрического модулятора рассматривает изображение со стороны, противоположной подложке, а не через подложку.
В некоторых вариантах осуществления подложка содержит часть интерферометрического модулятора инверсного типа, которая находится противоположно относительно стороны отображения подвижного зеркала и, по существу, не взаимодействует с модулируемым светом. Термин «сторона отображения» использован в настоящей заявке для обозначения стороны интерферометрического модулятора инверсного типа, с которой наблюдатель видит модулированный свет. Подложка 2202, проводник 2204 и диэлектрический слой 2206 на фиг.22А находятся ниже механического/зеркального слоя 2210, в связи с чем расположены противоположно стороне отображения механического/зеркального слоя 2210. В некоторых вариантах осуществления, в которых механический/зеркальный слой 2210 выполнен, по существу, непрозрачным (например, полностью отражающим), на свет, падающий на модулятор 2200 со стороны отображения и модулируемый модулятором 2200, по существу, не влияют оптические свойства подложки 2202, проводника 2204 или диэлектрического слоя 2206. Поэтому в некоторых вариантах осуществления по меньшей мере один элемент из подложки 2202, проводника 2204 и диэлектрического слоя 2206 может быть выбран, по существу, непрозрачным (например, светонепроницаемым, сильно отражающим или полупрозрачным) для света. В некоторых вариантах осуществления подложка 2202 включает в себя проводник 2204 или диэлектрический слой 2206, или как проводник 2204, так и диэлектрический слой 2206.
Некоторые варианты осуществления, согласно которым по меньшей мере один элемент из подложки, проводника и диэлектрического слоя интерферометрического модулятора инверсного типа выполнен непрозрачным, обеспечивают преимущества, не обнаруживаемые в других интерферометрических модуляторах инверсного типа. Например, типичные интерферометрические модуляторы инверсного типа имеют токопроводящие дорожки на подложке или внутри нее, и эти токопроводящие дорожки электрически соединены с проводником. Если подложка выполнена, по существу, прозрачной, эти токопроводящие дорожки могут быть видны со стороны отображения, «плавающими» без какой-либо поддерживающей структуры. Когда интерферометрический модулятор инверсного типа рассматривают со стороны отображения, сочетание токопроводящих дорожек с прозрачной подложкой может быть причиной появления кромок между модуляторами, которые представляются серыми или имеют муаровые структуры. Кроме того, свет, входящий в модулятор снизу (например, через прозрачный участок подложки), можно наблюдать со стороны отображения. Поэтому дисплеи с использованием интерферометрических модуляторов инверсного типа могут иметь пониженный контраст при наблюдении со стороны отображения.
Чтобы попытаться исключить этот пониженный контраст, можно использовать оптические маски и матовые покрытия, однако для такого маскирования требуются дополнительные этапы обработки и добавление дополнительной структуры к интерферометрическим модуляторам. В некоторых вариантах осуществления подложку выбирают непрозрачной (например, светонепроницаемой, сильно отражающей или полупрозрачной), чтобы согласовать ее с оптическим образом токопроводящих дорожек, в результате чего создается равномерный контур при наблюдении со стороны отображения. В некоторых других вариантах осуществления подложку выбирают непрозрачной и неотражающей (например, темной), так что она согласуется с цветом интерферометрического модулятора инверсного типа, когда он находится в темном состоянии. В некоторых других вариантах осуществления подложку выбирают так, чтобы исключить использование маскирующих структур или этапы обработки.
В некоторых вариантах осуществления при наличии непрозрачной подложки с достижением преимущества исключаются проблемы обработки, обусловленные рассеянием света в процессе фотолитографии. Согласно некоторым вариантам осуществления в процессе изготовления интерферометрического модулятора инверсного типа фотолитографические технологии используют для образования различных элементов модулятора. При фотолитографическом процессе изготовления структур на подложке, когда подложка является, по существу, прозрачной для света, используемого для фотолитографии (например, для ультрафиолетового света), рассеяние света элементами или поверхностями нижележащей подложки может приводить к диффузии света при фотолитографии. В таком случае это рассеяние света может повлиять (например, ограничить резкость, точность или минимальные размеры изображения) на размеры получающихся в результате, образуемых фотолитографией структур. Точно также, прозрачный проводник или прозрачный диэлектрический слой может создавать нежелательное рассеяние света при фотолитографии, тем самым влияя на размеры вышележащих структур, образуемых фотолитографией. Согласно некоторым вариантам осуществления, описанным в настоящей заявке, такое рассеяние уменьшают или исключают путем использования подложки, которая является, по существу, непрозрачной к свету при фотолитографии.
В некоторых вариантах осуществления при наличии непрозрачной подложки предпочтительно защищать нижележащие схемы от паразитной засветки. Согласно некоторым вариантам осуществления интерферометрический модулятор изготавливают на полупроводниковой подложке (например, кремниевой), которая содержит схемы, включающие в себя, но без ограничения ими, пассивные элементы (например, тонкопленочные резисторы, конденсаторы, дроссели) и активные элементы (например, диоды, транзисторы, интегральные схемы). Например, кремниевую подложку можно изготовить, чтобы иметь схемы для измерения емкости, которые можно масштабировать до размера матрицы интерферометрических модуляторов. В некоторых вариантах осуществления такие измерительные схемы могут быть использованы для контроля состояния каждого интерферометрического модулятора в матрице (например, для получения характеристик запоминающих устройств) или для измерения внешних сил, приложенных к подложке (например, для получения характеристик сенсорного экрана). Согласно некоторым другим вариантам осуществления подложка содержит схемы управления.
Если подложка выполнена прозрачной, паразитный свет может попадать на схемы подложки. Потенциально паразитный свет может повредить схемы или может создать в схемах носители заряда, посредством этого влияя на шум и точность сигналов, формируемых схемами. Путем использования непрозрачной подложки нижележащие схемы подложки будут, по существу, защищены от паразитного света.
В некоторых вариантах осуществления при наличии непрозрачной подложки с достижением преимущества обеспечивается возможность использования для изготовления интерферометрических модуляторов типового оборудования для технологической обработки полупроводников. Например, в случае изготовления дисплея с плоским экраном путем использования кремниевых подложек различные этапы изготовления зависят от ориентации кремниевой пластины. Верхняя поверхность кремниевой пластины обычно имеет различные структуры, образованные на ней, так что оптические свойства обработанной верхней поверхности отличаются от оптических свойств необработанной нижней поверхности кремниевой пластины. В существующем технологическом оборудовании различие оптических свойств обработанной верхней поверхности и необработанной нижней поверхности используется для определения ориентации кремниевой пластины.
Намного более трудно использовать это существующее технологическое оборудование для изготовления интерферометрических модуляторов с прозрачной стеклянной подложкой. Оптические свойства верхней поверхности производят, по существу, то же самое впечатление, что и оптические свойства нижней поверхности, поскольку структуры, образованные на верхней поверхности, видны со стороны обеих поверхностей. Следовательно, стеклянная подложка не обеспечивает различных оптических свойств двух поверхностей, когда существующее технологическое оборудование используют для определения ориентации пластины. Чтобы преодолеть эту трудность при использовании стеклянных подложек, требуются иные технологии для выявления различия между двумя поверхностями. Однако эти технологии могут быть громоздкими и трудными для объединения с другими технологиями изготовления. Согласно некоторым вариантам осуществления при использовании непрозрачной подложки (например, кремниевой) типовое оборудование для технологической обработки полупроводников можно без труда использовать для формирования интерферометрических модуляторов на подложке, поскольку структуры, образованные на верхней поверхности, больше не видны со стороны нижней поверхности.
В некоторых вариантах осуществления при наличии непрозрачной подложки с достижением преимущества обеспечивается возможность объединения процесса изготовления интерферометрического модулятора с процессом изготовления нижележащих схем управления. Например, типовое оборудование для технологической обработки полупроводников может быть использовано для формирования как схем управления на полупроводниковой (например, кремниевой) подложке, так и интерферометрических модуляторов на подложке.
В некоторых вариантах осуществления при наличии непрозрачной подложки выгодно повышается площадь участка для схем управления, и выгодно ослабляются ограничения, связанные с интегрированием схем управления в интерферометрические модуляторы. В случае интерферометрических модуляторов со схемами управления в них схемы управления занимают площадь, которая в ином случае могла бы быть использована для модуляции света, в результате чего ограничивается площадь дисплея, которая является оптически активной. Поэтому желательно уменьшать участок площади дисплея, занятый схемами управления. В некоторых вариантах осуществления, описанных в настоящей заявке, благодаря размещению схем управления внутри подложки или на подложке ниже оптических элементов интерферометрических модуляторов, схемы управления с достижением преимущества выведены из области отображения, и при этом получены более крупные участки для формирования схем управления.
В некоторых вариантах осуществления при наличии непрозрачной подложки с достижением преимущества облегчается использование источников освещения, встроенных в матрицу интерферометрических модуляторов. Включение источников освещения в матрицу интерферометрических модуляторов было описано ранее. Например, в случае интерферометрических модуляторов инверсного типа источник освещения (например, органические светодиоды) может быть включен в интерферометрический модулятор для обеспечения освещения от дисплея. Однако прозрачная подложка должна обеспечивать такой путь для света от источника света, чтобы он выходил без ущерба для яркости дисплея. Согласно некоторым вариантам осуществления по меньшей мере участок подложки выполнен сильно отражающим для снижения потерь света от источника освещения, проходящего сквозь подложку.
Альтернативную структуру интерферометрического модулятора инверсного типа согласно некоторым вариантам осуществления можно сформировать, используя отражающую подложку. На фиг.22В схематично показан другой иллюстративный интерферометрический модулятор 2200 инверсного типа, в котором подложка 2202 является сильно отражающей. Механический/зеркальный слой 2210 из фиг.22В выполнен частично прозрачным и частично отражающим. Например, в некоторых вариантах осуществления механический/зеркальный слой 2210 содержит тонкий слой хрома, предназначенный для частичного пропускания и отражения света, и прозрачный слой оксида индия и олова, предназначенный для приложения соответствующего напряжения для включения интерферометрического модулятора 2200. Подложка 2202 из фиг.22В выполнена сильно отражающей и используется как неподвижный рефлектор. Интерферометрический модулятор 2200 согласно некоторым вариантам осуществления также содержит пассивирующий слой 2222 на подложке 2202, проводник 2204 на пассивирующем слое 2222 и диэлектрический слой 2206 на проводнике 2204. В некоторых вариантах осуществления проводник 2204 содержит прозрачный слой оксида индия и олова, тогда как в некоторых других вариантах осуществления проводник 2204 содержит металл с пассивирующим слоем. В случае включения интерферометрического модулятора 2200 путем приложения соответствующих напряжений к механическому/зеркальному слою 2210 и к проводнику 2204 механический/зеркальный слой 2210 перемещается относительно подложки 2202, в результате чего размер оптического резонатора между ними изменяется. В некоторых других вариантах осуществления проводник 2204 выполнен сильно отражающим и используется как неподвижный рефлектор.
Как описано выше, согласно некоторым вариантам осуществления вследствие развязывания оптических и электромеханических характеристик интерферометрического модулятора в инверсной конфигурации подложка 2202, проводник 2204 и диэлектрический слой 2206 расположены на противоположной стороне отражающего механического зеркала 2210 от прозрачной поверхности 2216 наблюдения и, следовательно, вне оптического пути света, взаимодействующего с интерферометрическим модулятором. В соответствии с этим, в отличие от других конструкций интерферометрических модуляторов, нет необходимости в том, чтобы материалы, используемые для изготовления подложки 2202, проводника 2204 и диэлектрического слоя 2206, имели какие-либо особые оптические характеристики, и они могут быть образованы из любого подходящего материала.
3
3
3
3
3
3
3
В некоторых вариантах осуществления свобода при выборе материалов, используемых для изготовления подложки 2202, диэлектрика 2206 и проводника 2204, выгодно обеспечивает улучшение одной или нескольких характеристик интерферометрического модулятора, включая, но без ограничения ими, размер, физическую долговечность, прочность, массу, гибкость, стоимость, продолжительность изготовления и производственные ресурсы и электромеханические характеристики. Например, в некоторых вариантах осуществления подложка 2202, диэлектрик 2206 и/или проводник 2204 могут содержать светонепроницаемый материал, который имеет лучшие структурные свойства по сравнению с прозрачными материалами, необходимыми для предшествующих конфигураций интерферометрических модуляторов. Например, для подложки 2202, диэлектрика 2206 и/или проводника 2204 можно использовать материалы, которые имеют более высокие значения плотности и/или модуля Юнга, чем прозрачные материалы, которые требовались ранее, что позволяет использовать более прочные и менее крупные элементы интерферометрического модулятора. Например, при использовании металлической подложки можно выгодно уменьшить толщину подложки и, следовательно, общую толщину интерферометрического модулятора. Кроме того, распространенной причиной рекламаций на дисплеи с плоским экраном является разламывание стеклянных подложек этих дисплеев. При использовании для подложки более прочных и более долговечных материалов срок службы дисплеев выгодно возрастает. Согласно некоторым вариантам осуществления подложку 2202, диэлектрик 2206 и/или проводник образуют из материалов, имеющих плотность больше чем 2,5 г/см, 3,0 г/см, 3,5 г/см, 4,0 г/см, 5,0 г/см, 6,0 г/см или 7,0 г/см и/или имеющих модуль Юнга больше чем 60 ГПа, 70 ГПа, 80 ГПа, 90 ГПа, 100 ГПа, 150 ГПа, 200 ГПа или 300 ГПа.
Подложка инверсных интерферометрических модуляторов может быть образована из любого подходящего материала, включая светонепроницаемые или полупрозрачные материалы. Материалы, подходящие для подложек, включают в себя, но без ограничения ими, металлы (например, нержавеющую сталь, алюминий), анодированные металлы, кремний (например, кремниевую пластину), поликремний, пластики, керамики, полимеры (например, полиимид, MYLAR), углерод (например, графит), стекло и кварц, а также сплавы и композиты из таких материалов. Согласно некоторым вариантам осуществления, когда подложка представляет собой гибкую пластиковую или металлическую фольгу, то подложка имеет гибкость, достаточную для использования ее при «рулонной» или «ленточной» технологической обработке, посредством которой электронные схемы (например, тонкопленочные транзисторы, резисторы, конденсаторы) формируют на подложке (например, методами осаждения и фотолитографии). Согласно некоторым таким вариантам осуществления можно изготовить схемы на протяжении больших участков (например, длиной 1 м или больше), совместимые с последующей технологией изготовления больших дисплеев с интерферометрическими модуляторами. В одном варианте осуществления подложка представляет собой светонепроницаемую пластиковую подложку, которая включает в себя пассивированную печатную плату. В некоторых таких вариантах осуществления печатная плата может быть изготовлена с включением в нее желаемых схем, а технология тонких пленок может быть использована для изготовления интерферометрических модуляторов на пассивированной печатной плате. Согласно некоторым таким вариантам осуществления предпочтительно отделять изготовление схем от изготовления интерферометрических модуляторов. Кроме того, подложка может представлять собой изделие из слоистого материала, образованного большим количеством материалов для подложек. Подложка может быть жесткой или гибкой. Например, гибкая подложка может представлять собой тонкую металлическую или пластиковую фольгу. Несмотря на то что пределы толщины, указанные в настоящей заявке, не являются ограничивающими, подложка может иметь толщину от около 0,1 мм до около 1,0 мм, а более предпочтительно от около 0,3 мм до около 0,7 мм. Тонкая светонепроницаемая подложка может быть получена с помощью операций формообразования металла, таких как вытягивание (например, протягивание листа металла поверх или через по меньшей мере один штамп, чтобы сделать его тоньше).
Предпочтительно, чтобы подложка была непроницаемой для влаги и соответствующим образом пассивирована. Согласно различным вариантам осуществления защитный пассивирующий слой образуют на поверхности светонепроницаемой подложки. В некоторых вариантах осуществления путем формирования пассивирующего слоя подложку подготавливают для последующей обработки (например, для формирования проводника или диэлектрического слоя). В некоторых вариантах осуществления, в которых используют металлическую подложку, пассивирующий слой обеспечивает электрическую изоляцию для предохранения других структур от закорачивания на металлическую подложку. Нет необходимости в том, чтобы защитный пассивирующий слой был отдельным слоем, а он может быть образован на верхней части светонепроницаемой подложки путем предварительной пассивирующей обработки. Согласно некоторым вариантам осуществления пассивирующая обработка включает в себя, но без ограничения ими, удаление экзогенного железа или соединений железа с поверхности посредством химического растворения, в большинстве случаев посредством обработки раствором кислоты, который удаляет поверхностное загрязнение, но не влияет существенно на саму светонепроницаемую подложку. Такие технологические обработки включают в себя химическую обработку светонепроницаемой подложки слабым окислителем, таким как раствор азотной кислоты, с целью усиления спонтанного образования защитного пассивирующего слоя. Кроме того, этап пассивирования может включать в себя осаждение оксида и покрытие органическим сглаживающим слоем методом центрифугирования.
Диэлектрический слой инверсных интерферометрических модуляторов может содержать любой подходящий материал, известный в данной области техники, такой как оксид металла (например, оксид алюминия или диоксид кремния), нитрид кремния и т.п. Как описано выше, нет необходимости в том, чтобы диэлектрический слой инверсного интерферометрического модулятора имел какие-либо особые оптические характеристики, и поэтому структурная конструкция и материалы диэлектрического слоя могут быть выбраны так, чтобы оптимизировались его электрические характеристики. Например, диэлектрический слой может быть образован непрозрачным (например, из светонепроницаемых, сильно отражающих или полупрозрачных материалов), который в иных случаях не может быть использован в других конструкциях интерферометрических модуляторов. Кроме того, диэлектрический слой в инверсном интерферометрическом модуляторе может быть значительно толще, чем диэлектрический слой из того же самого материала в интерферометрическом модуляторе, в котором диэлектрический слой влияет на оптические характеристики. При диэлектрическом слое повышенной толщины могут улучшаться различные свойства диэлектрического слоя и/или интерферометрического модулятора, такие как электрические характеристики и расходы на изготовление. При более толстом диэлектрическом слое также можно получить расширение круга материалов, конфигураций и способов изготовления, которые могут быть использованы для других слоев интерферометрического модулятора на стороне диэлектрического слоя, противоположной стороне поверхности наблюдения, включая подложку и проводник. Например, способы нанесения электрохимического покрытия могут быть использованы для получения проводника на подложке с последующим осаждением диэлектрического слоя повышенной толщины. Согласно различным вариантам осуществления диэлектрический слой инверсных интерферометрических модуляторов имеет толщину больше чем около 200 Е, 300 Е, 400 Е, 500 Е, 600 Е, 700 Е, 800 Е, 900 Е, 1000 Е, 2000 Е или несколько тысяч ангстрем.
Интерферометрические модуляторы инверсного типа могут быть изготовлены различными способами и могут быть применены в различных архитектурах и конфигурациях. Например, интерферометрические модуляторы инверсного типа можно изготовить, используя технологии изготовления полупроводников, такие как фотолитография, осаждение (например, «сухие» способы, такие как химическое осаждение из паровой фазы и жидкостные способы, такие как покрытие центрифугированием), маскирование, теневое маскирование, обратная литография и травление (например, сухие способы, такие как плазменное травление и жидкостные способы). Примеры подходящих технологий, совместимых с вариантами осуществления, описанными в настоящей заявке, рассмотрены в патенте США №6040937.
Согласно одному варианту осуществления интерферометрический модулятор инверсного типа, такой как показанный на фиг.22А, изготавливают путем формирования защитного пассивирующего слоя 2222 на непросвечивающей подложке 2202 и после этого формирования проводника 2204 путем осаждения материала электрода и последующих формирования рисунка и травления. Материал проводника является проводящим и может представлять собой любой подходящий материал, известный в данной области техники, такой как металл или полупроводник (например, кремний), легированный для того, чтобы получить нужную удельную электропроводность (например, оксид индия и олова). В некоторых вариантах осуществления проводник и подложка содержат печатную плату. Затем на проводнике 2204 формируют диэлектрик 2206 путем осаждения, предпочтительно путем химического осаждения из паровой фазы. В дальнейшем осаждают временный слой (непоказанный), который удаляют на последующем этапе травления. Временный слой может быть любым подходящим материалом, известным в данной области техники, включая, но без ограничения ими, молибден, кремний, вольфрам или титан. Слой, препятствующий травлению, предпочтительно использовать поверх временного слоя, и он может быть материалом, который является более устойчивым к последующему этапу травления, чем временный слой, и может быть металлом (например, титаном, алюминием, серебром, хромом), диэлектрическим материалом, предпочтительно оксидом металла (например, оксидом алюминия) или любым подходящим материалом, известным в данной области техники. На временном слое формируют рисунок и проводят травление, используя маску для формирования опорных столбиков 2208, с последующей необязательной планаризацией. Затем механический/зеркальный слой 2210 формируют путем осаждения (с последующей необязательной планаризацией). В некоторых вариантах осуществления механический/зеркальный слой может содержать нитрид кремния, диоксид кремния, фторид магния или фторид кальция в качестве подложки, на которой формируют металлическую пленку, например алюминиевую, серебряную, или из некоторого количества металлов порядка нескольких сотен ангстрем. Материалы могут быть выбраны на основе спектральных свойств, резистивных свойств и т.д. и могут включать в себя любой материал, известный и используемый в данной области техники. По усмотрению могут быть сформированы изолятор и/или усиливающая отражение пленка, например, из оксида металла.
2
2
2
2
2
Поверх механического/зеркального слоя 2210 может быть образован слой, препятствующий травлению. Еще один временный слой осаждают, формируют на нем рисунок и проводят травление для образования вторых опорных столбиков 2212 (с последующей необязательной планаризацией). Осаждают металлический зеркальный слой 2214, который может содержать Cr или любой подходящий материал, известный в данной области техники, а на него осаждают прозрачный слой 2216. После указанного выше процесса изготовления проводят травление, например, XeF, для удаления временных слоев. XeF представляет собой обычный источник газа F. Вместо или в дополнение к XeF могут быть использованы другие травители, такие как F.
Другой пример интерферометрического модулятора инверсного типа показан на фиг.6А. Как и в случае варианта осуществления, показанного на фиг.5, электрод 602, образованный на подложке 600, электрически изолирован от мембраны/зеркала 608 изолирующей пленкой 604. Электрод 602 расположен противоположно поверхности наблюдения и функционирует только как электрод, но не как зеркало. В отличие от варианта осуществления, показанного на фиг.5, опорная структура 606, поддерживающая мембрану/зеркало 608, расположена так, что она скрыта мембраной/зеркалом 608. Таким образом, эффективно уменьшается величина неактивной области, поскольку наблюдатель 614 видит только область, покрываемую мембраной/зеркалом 608, и минимальный промежуток между соседними интерферометрическими модуляторами. В этом заключается отличие от структуры на фиг.5, где опоры мембраны видны и образуют, если исходить из понятий цвета, неактивную и неаккуратную область. На фиг.6А структура показана в выключенном состоянии, в котором мембрана/зеркало 608 соприкасается с дополнительным зеркалом 612, которое поддерживается прозрачной сверхструктурой 610. Та же самая структура на фиг.6В показана во включенном состоянии, в котором мембрана/зеркало 608 оказывается перемещенным к изолирующей пленке 604, электроду 602 и подложке 600.
На фиг.7А показана еще одна геометрическая конфигурация, предназначенная для использования в структуре интерферометрического модулятора. Эта конструкция аналогична показанной в патенте США №5638084. Эта конструкция основана на светонепроницаемой пластичной мембране, которая анизотропно напряжена, так что естественным образом находится в криволинейном состоянии. При приложении напряжения мембрана выпрямляется с образованием микроэлектромеханического оптического затвора.
Функциональные возможности устройства можно расширить, сделав его интерферометрическим. Вариант интерферометрического модулятора показан на фиг.7А, где стопка 704 тонких пленок аналогична стопке диэлектрик/проводник/изолятор, которая служит основой для конструкции интерферометрического модулятора с индуцированным поглотителем, рассмотренной в патенте США №6040937.
Согласно некоторым вариантам осуществления приложение напряжения между алюминиевой мембраной 702 и стопкой 704 вынуждает мембрану 702 расположиться горизонтально относительно стопки. Согласно некоторым вариантам осуществления в процессе изготовления алюминиевую мембрану 702, которая может также включать в себя другие отражающие металлы (серебро, медь, никель), диэлектрики или органические материалы, которые покрывают отражающим металлом, осаждают на тонкий временный слой (непоказанный), который может быть удален путем использования жидкостного травления или технологий газофазного удаления. Кроме того, алюминиевая мембрана 702 механически прикреплена к подложке 700 посредством опорной лапки 716, которая осаждена непосредственно на оптическую стопку 704. Вследствие этого свет, который падает на область, где лапка и стопка перекрываются, поглощается, что делает эту механически неактивную область также оптически неактивной. Этим способом исключается необходимость в отдельной черной маске в этой и в других конструкциях интерферометрических модуляторов.
В некоторых вариантах осуществления, в зависимости от расположения слоев стопки, падающий свет 706 либо полностью поглощается, либо свет 708 отражается на отдельных частотах. Оптические свойства аналогичны оптическим свойствам интерферометрического модулятора с индуцированным поглотителем, описанного в патенте США №6040937.
На фиг.7В показана конфигурация устройства в случае, когда напряжение не приложено. В некоторых вариантах осуществления остаточные напряжения в мембране 702 побуждают ее свернуться в плотно смотанную спираль. Остаточные напряжения могут быть сообщены путем осаждения тонкого слоя материала 718 (показанного на фиг.7А) поверх мембраны 702, которая имеет чрезвычайно высокое остаточное напряжение растяжения. Хром является одним примером, посредством которого можно получать высокие напряжения при толщине пленки, составляющей всего несколько сотен ангстрем. Световой пучок 706 в случае, когда мембрана 702 больше не блокирует его путь, может пройти сквозь стопку 704 (показанную на фиг.7А). Далее световой пучок 712 встречается с пластиной 710. Пластина 710 может находиться в состоянии либо сильного поглощения, и в этом случае световой пучок 712 поглощается, либо сильного отражения (отдельного цвета или белого), и в этом случае световой пучок 712 отражается 714. В случае модулятора, предназначенного для использования в отражательном дисплее, оптическая стопка 704 должна быть выполнена так, чтобы, когда устройство включено, оно отражало бы конкретный цвет (если пластина 710 поглощающая) или поглощало бы (если пластина 710 отражающая).
Поворотное включение
Как показано на фиг.8А, еще одна геометрия интерферометрического модулятора основана на поворотном включении. Используя приведенные в качестве примера процессы, рассмотренные в патенте США №6040937, на подложке 800 формируют электрод 802, алюминиевую пленку толщиной около 1000 Е и изолятор 806. Осаждают опорные столбики 808 и опорный затвор 812 с поворотным шарниром 810, на который помещают отражающую пленку 813. Опорный затвор может быть алюминиевой пленкой, толщина которой составляет несколько сотен ангстрем. Ее размеры в направлениях X-Y могут быть порядка от десятков до нескольких сотен микрометров. Пленка может быть интерферометрической и рассчитанной на отражение конкретных цветов. Будет удовлетворять требованиям неподвижная интерферометрическая стопка в виде индуцированного поглотителя, аналогичного описанному в патенте США №6040937. Кроме того, пленки могут содержать полимеры с введенными цветными пигментами, или они могут быть алюминиевыми или серебряными для обеспечения широкополосного отражения. Согласно некоторым вариантам осуществления электрод 802 и затвор 812 выполнены так, что приложение напряжения (например, 10 В) между ними двумя побуждает затвор 812 осуществить частичный или полный поворот вокруг оси шарнира 810. Только затвор 818 показан в повернутом состоянии, хотя обычно все затворы для определенного пиксела возбуждаются синхронно сигналом на общем шинном электроде 804. Такому затвору свойственна форма электромеханического гистерезиса, если расстояния между шарнирами и электродом рассчитаны так, что электростатическое притяжение электродов преодолевает натяжение пружины шарнира в некоторой точке в процессе поворота. Поэтому затворы имеют два электромеханически устойчивых состояния.
В режиме работы на пропускание затвор либо задерживает падающий свет, либо обеспечивает возможность сквозного прохождения света. На фиг.8А показан отражательный режим, в котором падающий свет 822 отражается обратно к наблюдателю 820. В этом режиме и в одном состоянии затвор 812 либо отражает белый свет, если затвор 812 металлизирован, либо отражает отдельный цвет или набор цветов, если он покрыт интерферометрическими пленками или пигментами. Характерные толщины и получающиеся цвета для интерферометрической стопки также описаны в патенте США №6040937. В другом состоянии свет может проходить сквозь затвор 812, причем он может быть поглощен в подложке 800, если поверхность подложки 800 покрыта поглощающей пленкой или пленками (непоказанными). Эти пленки могут содержать другой пигмент, введенный в органическую пленку, или могут быть индуцированным многослойным поглотителем, предназначенным для поглощения. В противоположность этому затворы 812 могут быть сильно поглощающими (например, черными), а поверхность подложки 800 может быть покрыта сильно отражающими пленками 824 или избирательно покрыта пигментом или интерферометрическими пленками для отражения цветов, наряду с линиями пленок, отражающими цвета, описанными выше.
В некоторых вариантах осуществления работа устройства может быть дополнительно улучшена путем добавления дополнительного электрода 814, который придает дополнительный крутящий момент затвору, когда он заряжен до потенциала, который создает электростатическое притяжение между дополнительным электродом 814 и затвором 812. Дополнительный электрод 814 представляет собой совокупность проводника 814 и опорной структуры 816. Электрод может содержать прозрачный проводник, например, из оксида индия и олова, который может быть толщиной около одной тысячи ангстрем. Предпочтительно, чтобы все структуры и связанные с ними электроды изготавливались из материалов, которые монолитно осаждаются на одну подложку и, следовательно, легко формируются и надежно действуют вследствие хорошего контроля за промежутками между электродами. Например, в случае, если такой электрод расположен на противолежащей подложке, то изменения поверхностей подложки устройства и противолежащей подложки могут складываться, создавая отклонения вплоть до нескольких микрометров или больше. Поэтому напряжение, необходимое для оказания влияния на конкретное изменение характеристики, может изменяться не менее чем на несколько десятков вольт или больше. Структуры, которые являются монолитными, точно повторяют изменения поверхности подложки и претерпевают такое изменение в небольшой степени.
На фиг.8В показаны последовательные этапы 1-7 иллюстративного процесса изготовления поворотного модулятора. На этапе 1 на подложку 830 наносят покрытия электрода 834 и изолятора 832. Типичными материалами электрода и изолятора являются алюминий и диоксид кремния, толщина каждого из которых составляет одну тысячу ангстрем. Их структурируют на этапе 2. Временный разделитель 836, материал, такой как кремний, толщиной несколько микрометров осаждают и структурируют на этапе 3 и покрывают материалом 838 столбика/шарнира/затвора на этапе 4. Им может быть сплав алюминия или сплав титана/вольфрама толщиной около 1000 Е. На этапе 5 материал 838 структурируют для образования шинного электрода 844, опорного столбика 840 и затвора 842. Рефлектор 846 затвора осаждают и структурируют на этапе 6. На этапе 7 временный разделитель стравливают, получая законченную структуру. Этап 7 также представлен на виде сверху структуры с детальным показом шарнира, содержащего опорные столбики 848, торсионный стержень 850 и затвор 852.
Переключающие элементы
Согласно некоторым вариантам осуществления, охватывающим интерферометрические модуляторы, которые представляют собой бинарные устройства, для адресации дисплея требуется только небольшое число уровней напряжения. Нет необходимости в том, чтобы электроникой возбудителей формировались аналоговые сигналы, которые необходимы для достижения полутонового режима.
Поэтому электроника может быть реализована путем использования других средств. В частности, электроника для возбуждения и выполнения логических функций может быть реализована путем использования ключевых элементов на основе микроэлектромеханических устройств.
смещения
На фиг. с 9А по 9Е показана концепция некоторых вариантов осуществления. На фиг.9А представлена схема базового ключевого элемента, осуществляющего соединение входа 900 с выходом 904 при приложении управляющего сигнала 902. На фиг.9В показано, каким образом может быть реализован возбудитель строки. Для схемы адресации, описанной выше, от возбудителя строки требуется вывод трех уровней напряжения. Приложением соответствующих управляющих сигналов к возбудителю строки для выхода 912 обеспечивается выбор одного из входных уровней напряжения. Входными напряжениями являются Vcol1, Vcol0 и V, соответствующие 906, 908 и 910 на фиг.9В. Точно также, в случае возбудителя столбца, показанного на фиг.9С, соответствующие управляющие сигналы приводят к выбору того или иного уровня входного напряжения для передачи на выход 920. Входными напряжениями являются Vsel F1, Vsel F0 и «земля», соответствующие 914, 916 и 918 на фиг.9С. На фиг.9D показано, каким образом может быть реализовано логическое устройство 932, в этом случае вентиль НЕ-И, путем использования базовых ключевых элементов 934, 936, 938 и 940. Все эти элементы могут быть сконфигурированы и объединены способом, который обеспечивает возможность изготовления дисплейной подсистемы, показанной на фиг.9Е. Подсистема содержит логические схемы 926 контроллера, возбудитель 924 строки, возбудитель 928 столбца и дисплейную матрицу 930, и в ней используется схема адресации, рассмотренная выше на фиг.3.
Изготовление ключевых элементов в виде микроэлектромеханических устройств делает возможным изготовление всей дисплейной системы путем использования одного процесса. Процесс изготовления ключей становится подпроцессом процесса изготовления интерферометрических модуляторов и показан на фиг.10А-10Н.
Этап 1 показан на фиг.10А и 10В, на которых представлены соответственно вид сбоку и вид сверху начальной стадии. Стрелка 1004 указывает направление проекции вида сбоку. Подложка 1000 имеет временный разделитель 1002, кремниевый слой толщиной приблизительно 2000 Е, осажденный на ее поверхность и структурированный. На этапе 2, показанном на фиг.10С и 10D (наблюдаемых в той же самой проекции, как и фиг.10А и 10В), структурный материал, сплав алюминия толщиной несколько микрометров, осаждают и структурируют для формирования стержня 1010 истока, структуры 1008 стока и структуры 1006 затвора. В этот момент времени на структурный материал можно нанести некорродирующий металл, такой как золото, иридий или платина, чтобы сохранить низкое сопротивление контактов в течение срока службы ключа. В стержне 1010 истока вытравливают канавку 1012 для облегчения перемещения стержня в плоскости, параллельной плоскости подложки. Этап 3 показан на фиг.10Е-10Н. На фиг.10Е и 10G показаны виды спереди, при этом стрелки 1016 указывают направление проекций, тогда как на фиг.10F и 10Н показаны виды сверху. На этапе 3 стравливают временный материал, оставляя стержень 1010 истока нетронутым и свободным для перемещения.
На фиг.10F ключ показан в выключенном состоянии 1014. Во включенном состоянии 1018, показанном на фиг.10Н, с источника 1017 напряжения подается напряжение между стержнем 1010 истока и структурой 1006 затвора (показанной на фиг.10D), и стержень 1010 истока отклоняется к затвору 1006 до тех пор, пока он не приходит в соприкосновение со стоком 1008, в результате чего устанавливается электрический контакт между стержнем 1010 истока и стоком 1008. Конфигурация срабатывания параллельна поверхности подложки, поэтому обеспечивается возможность использования процесса изготовления, который является совместимым с основными процессами изготовления интерферометрического модулятора. Кроме того, согласно некоторым вариантам осуществления для этого процесса требуется меньше этапов, чем для процессов, используемых для изготовления ключей, которые срабатывают в направлении, перпендикулярном к поверхности подложки.
2
На фиг.10I и 10J показаны две альтернативные конструкции планарных микроэлектромеханических ключей. Ключ на фиг.10I отличается тем, что при приложении напряжения между стержнем 1028 ключа и структурой 1022 затвора стержень 1028 ключа служит для создания контакта между стоком 1024 и истоком 1026. В ключе из фиг.10А-10Н токи, которые должны протекать через стержень истока к стоку, могут влиять на пороги переключения, что усложняет расчет схем. Это не относится к случаю ключа, показанного на фиг.10I. У ключа из фиг.10I обнаруживаются дополнительные технические возможности. В этом случае изолятор 1040 электрически изолирует стержень 1042 ключа от контактного стержня 1038, который создает контакт между стоком 1034 и истоком 1036 при приложении напряжения между структурой 1032 затвора и стержнем 1042 ключа. Изолятор 1040 может быть таким материалом, как SiO, который можно осаждать и структурировать, используя обычные технологии. Использование такого ключа исключает необходимость в электрической изоляции напряжений возбуждения ключа от логических сигналов в схемах, содержащих эти ключи.
Многомерные фотонные структуры
В общем случае интерферометрические модуляторы содержат элементы, которые имеют полезные оптические свойства и могут перемещаться с помощью приводных средств относительно друг друга или других электрических, механических или оптических элементов.
Сборки тонких пленок, предназначенные для получения интерферометрических стопок, являются подклассом более крупного класса структур, которые заявитель относит к многомерным фотонным структурам. В широком смысле заявитель определяет фотонную структуру как структуру, которая обладает способностью изменять прохождение электромагнитных волн вследствие геометрии и связанных с ней изменений показателя преломления структуры. Такие структуры имеют пространственные свойства, поскольку они взаимодействуют со светом в основном вдоль одной или нескольких осей. Структуры, которые являются многомерными, также называются фотонными структурами с запрещенной зоной или фотонными кристаллами. В книге “Photonic crystals” (Joannopoulos John D., et al.) описаны фотонные структуры, которые являются периодическими.
Одномерная фотонная структура с запрещенными зонами может быть в виде стопки тонких пленок. Только для примера на фиг.16 показаны технология изготовления и конечное изделие интерферометрического модулятора в виде диэлектрического фильтра Фабри-Перо. Стопки 1614 и 1618 тонких пленок, которые могут быть образованы чередующимися слоями кремния и диоксида кремния четвертьволновой толщины, сформированы на подложке 1600 с целью образования структуры интерферометрического модулятора, которая включает в себя центральный резонатор 1616. В общем случае стопка является непрерывной в направлениях Х и Y, но имеет периодичность оптических характеристик в направлении Z вследствие изменений показателей преломления материалов, которые содержатся в чередующихся слоях с высокими и низкими показателями. Эта структура может считаться одномерной, поскольку влияние периодичности максимизировано для волн, распространяющихся вдоль одной оси, в этом случае вдоль оси Z.
На фиг.11А и 11В показаны две реализации двумерной фотонной структуры. Показанный на фиг.11А микрокольцевой резонатор 1102 может быть изготовлен из одного или из большего числа хорошо известных материалов, например из сплава пентаоксида тантала и диоксида кремния, путем использования хорошо известных технологий. Для устройства, оптимизированного для длин волн в диапазоне 1,55 мкм, типичные размеры равны w=1,5 мкм, h=1,0 мкм и r=10 мкм.
Изготовленная на подложке 1100 (стеклянной в качестве одной возможности, хотя могут быть многие другие) структура является, по существу, круглым волноводом, для которого показатель преломления и размеры w, r и h определяют частоты и моды света, который распространяется внутри него. Такой резонатор при условии правильного расчета может действовать как частотный избирательный фильтр для широкополосного излучения, которое вводится в него. В этом случае, как указано ориентирующим знаком 1101, излучение обычно распространяется в плоскости XY. Одномерным аналогом этого устройства будет фильтр Фабри-Перо, выполненный с использованием однослойных зеркал. Ни у одного из устройств не обнаруживается оптическая периодичность высокого порядка вследствие однослойных «границ», образованных зеркалами; однако в широком смысле они могут считаться фотонными структурами.
Более традиционная фотонная структура с запрещенными зонами показана на фиг.11В. Столбчатая матрица 1106, изготовленная на подложке 1104, обеспечивает периодическое изменение показателя преломления в направлениях Х и Y. Электромагнитное излучение, распространяющееся через эту среду, наиболее сильно подвергается воздействию, если оно распространяется в пределах плоскости XY, указанной ориентирующим знаком 1103.
Вследствие периодических свойств в случае одномерной стопки тонких пленок в матрице из фиг.11В характеристики распределяются, за исключением случая размерности более высокого порядка. Матрица является периодической в том смысле, что вдоль некоторой оси на протяжении матрицы в пределах плоскости XY показатель преломления изменяется между показателем преломления материала столбцов и показателем преломления окружающего материала, которым обычно является воздух. При соответствующем проектировании такой матрицы путем использования видоизменений тех же самых принципов применительно к проектированию стопок тонких пленок обеспечивается возможность изготовления устройств с разнообразными оптическими откликами (зеркал, полосовых фильтров, щелевых фильтров и т.д.), воздействующих на излучение, распространяющееся в плоскости XY. Матрица 1106 на фиг.11В включает в себя сингулярность или дефект 1108 в виде столбца, который отличается размером и/или показателем преломления. Например, диаметр этого столбца может быть немного больше или меньше остальных столбцов (которые могут быть диаметром порядка четверти длины волны), или он может быть выполнен из иного материала (возможно, из воздуха в противоположность диоксиду кремния). Общий размер матрицы определяется размером оптической системы или элементом, которым необходимо управлять. В зависимости от желаемой характеристики дефект также может быть в виде отсутствия столбца или столбцов (строки). Эта структура аналогична диэлектрическому фильтру Фабри-Перо из фиг.16, но она функционирует только в двух измерениях. В этом случае дефект аналогичен резонатору 1616 (показанному на фиг.16). Остальные столбцы аналогичны соседним двумерным стопкам.
Значимые размеры структуры из фиг.11В показаны в виде расстояния sx между столбцами по оси x, расстояния sy между столбцами по оси y (любое из которых может считаться постоянной решетки), диаметра d столбцов и высоты h матрицы. Аналогично четвертьволновой стопке, одномерному эквиваленту, диаметры столбцов и расстояния между столбцами могут быть порядка четверти волны. Высота h определяется желаемыми модами распространения, в случае одномодового распространения используют не намного больше половины длины волны. Уравнения, предназначенные для связи размера структур с воздействием их на свет, хорошо известны и приведены в книге “Photonic crystals” (Joannopoulos John D., et al.).
Структуру такого вида также можно изготовить, используя те же самые материалы и технологии, как используемые для изготовления резонатора 1102 (показанного на фиг.11А). Например, одна пленка кремния может быть осаждена на стеклянную подложку и структурирована путем использования обычных технологий и протравлена путем использования реактивного ионного травления, чтобы получить столбцы с большим отношением размеров. В случае длины волны 1,55 мкм диаметр и расстояние между столбцами могут быть порядка 0,5 мкм и 0,1 мкм, соответственно.
Кроме того, фотонные структуры позволяют направлять излучение при связывающих геометрических ограничениях. Поэтому они довольно полезны в областях применения, в которых желательно перенаправлять и/или выбирать отдельные частоты или полосы частот света в случае, когда размерные ограничения являются очень строгими. Могут быть изготовлены волноводы, канализирующие свет, распространяющийся в плоскости XY, которые могут воздействовать на свет, чтобы осуществить поворот на 90° в пространстве, которое меньше длины волны света. Например, это может быть осуществлено путем создания дефекта столбца в виде линейной строки, которая может действовать как волновод.
Трехмерная структура показана на фиг.12. Трехмерная периодическая структура 1202, изготовленная на подложке 1200, оказывает воздействие на распространение излучения в плоскостях XY, YZ и XZ. Путем соответствующего проектирования структуры и выбора образующих ее материалов может быть получен ряд оптических откликов. Применимы те же самые правила проектирования, однако в данном случае они применяются для трехмерного случая. В противоположность точкам и линиям, которые различаются размером и/или показателем преломления относительно окружающей среды, дефекты присутствуют в виде точек, линий или областей. На фиг.12 дефект 1204 представляет собой один точечный элемент, но также могут быть линейные элементы или сочетания линейных и точечных элементов или областей. Например, «линейная» или «змеевидная» матрица точечных дефектов может быть изготовлена так, чтобы она следовала по произвольному трехмерному пути сквозь фотонную структуру с запрещенными зонами и действовала как сильно ограниченный волновод для света, распространяющегося внутри нее. Обычно дефект должен находиться внутри, но с целью иллюстрации показан на поверхности. Значимые размеры этой структуры показаны на чертеже. Диаметр, разнесение и материалы фотонной структуры с запрещенными зонами полностью зависят от области применения, однако упомянутые выше правила проектирования и уравнения также применимы.
Трехмерные фотонные структуры с запрещенными зонами являются более сложными в изготовлении. Чтобы получить в структуре третье измерение, обычные способы для изготовления одномерных или двумерных элементов в случае применения их к трехмерным должны включать в себя многочисленные циклы осаждения, структурирования и травления. Технологии изготовления, предназначенные для создания периодических трехмерных структур, включают в себя: голографические способы, в которых фоточувствительный материал экспонируют воздействием стоячей волны и мультиплицируют волну в виде изменений показателя в самом материале; использование самоорганизующихся или самоупорядочивающихся материалов, в основу которых положены природные адгезионные и ориентационные свойства некоторых сополимеров, чтобы создать матрицу столбчатых или сферических структур в процессе осаждения материала; керамические технологии, которые могут включать в себя введение источника сферических структур контролируемых размеров в жидкую суспензию, в которой после затвердевания создаются структуры, и они могут быть удалены растворением или высокой температурой; сочетания этих способов; и другие технологии, известные в данной области техники.
Технологии самоупорядоченности сополимеров представляют особый интерес, поскольку они низкотемпературные и требуют минимальной фотолитографии или обходятся без фотолитографии. В общем случае эта технология включает в себя растворение полимера, в одном примере блоксополимера стирола и полифенилхиноина, в растворителе, таком как дисульфид углерода. После распределения раствора по подложке и обеспечения возможности испарения растворителя в результате получается плотная гексагональная упаковка заполненных воздухом полимерных сфер. Чтобы получить большое число слоев, процесс может быть повторен многократно, а период матрицы можно регулировать путем управления числом повторяющихся звеньев компонентов (m и n) полимера. Введением коллоида нанометрового размера, содержащего металлы, оксиды или полупроводники, можно получить эффект дополнительного уменьшения периода матрицы, а также повышения показателя преломления полимера.
Дефекты можно ввести путем непосредственного воздействия на материал на субмикрометровом уровне, используя такие средства, как фокусируемые, ионные пучки или атомные силовые микроскопы. Первое из двух может быть использовано для удаления или добавления материала на очень небольших выбранных участках или для изменения оптических свойств материала. Удаление материала происходит тогда, когда пучок энергетических частиц, таких какие используются в приборе с фокусируемым ионным пучком, распыляет материал на своем пути. Добавление материала происходит тогда, когда сфокусированный ионный пучок проходит сквозь летучий газ, содержащий металл, такой как гексафторид вольфрама (для вольфрамового проводника) или тетрафторид кремния (для изолирующего диоксида кремния). Газ разделяется, а составляющие осаждаются, когда пучок контактирует с подложкой. Атомная силовая микроскопия может быть использована для удаления материала примерно на молекулярном уровне.
Другой способ включает в себя использование технологии, которая может быть названа микроэлектроосаждением, и она подробно описана в патенте США №5641391. Согласно этому способу один микроскопический электрод можно применить для получения с субмикрометровым разрешением трехмерных элементов путем использования ряда материалов и подложек. Металлические «дефекты», осажденные таким способом, затем могут быть оксидированы для образования диэлектрического дефекта, вокруг которого можно изготовить матрицу фотонных структур с запрещенными зонами, используя технологии, описанные выше.
Поверхностные элементы, существующие в виде структуры из других материалов, на подложке, на которой изготавливают фотонную структуру с запрещенными зонами, можно также использовать как шаблон для образования дефектов внутри фотонной структуры с запрещенными зонами в процессе формирования ее. Это особенно относится к технологиям изготовления фотонной структуры с запрещенными зонами, которые чувствительны к состояниям подложки, прежде всего к самоорганизующимся способам. Эти элементы в зависимости от конкретной природы процесса могут стимулировать или сдерживать «рост» фотонной структуры с запрещенными зонами в очень локализованной области вокруг зародыша. Таким образом, может быть образована конфигурация «зародышей» дефектов, а фотонная структура с запрещенными зонами сформирована позже с дефектами, образуемыми внутри в процессе формирования фотонной структуры с запрещенными зонами.
Следовательно, класс устройств, известных в качестве интерферометрических модуляторов, может быть дополнительно расширен путем включения в сами модуляторы более крупного семейства многомерных фотонных структур. Фотонная структура любого вида, которая по своей сущности является статическим устройством, теперь может быть сделана динамической путем изменения ее геометрии и/или изменения ее близости к другим структурам. Аналогичным образом микромеханический фильтр Фабри-Перо (показанный на фиг.16), содержащий два зеркала, каждое из которых представляет одномерную фотонную структуру, может быть перестроен путем изменения ширины резонатора электростатическим способом.
На фиг.13 показаны два примера конструкций интерферометрических модуляторов, включающих в себя двумерные фотонные структуры с запрещенными зонами. На фиг.13А на виде 1300 с местным разрезом показана самоподдерживающаяся мембрана 1304, которая изготовлена с микрокольцевым резонатором 1306, расположенным на стороне, обращенной к подложке 1303. Волноводы 1301 и 1302, находящиеся внутри объема подложки 1303, выполнены планарными и параллельными, и их можно изготовить, используя известные технологии. На фиг.13А интерферометрический модулятор показан в невозбужденном состоянии с конечным воздушным промежутком (показателем) между микрокольцом и подложкой. Микрокольцо изготовлено и расположено таким образом, что перекрывает пару волноводов ниже в подложке и находится на одной оси с ними. Размеры микрокольца идентичны размерам в примере, показанном выше на фиг.11А. На сечении 1305 показаны размеры волноводов, которые могут составлять w=1 мкм, h=0,5 мкм и t=100 нм. В случае невозбужденного состояния свет 1308 проходит в волноводе 1302 невозмущенным, а выходной пучок 1310 спектрально идентичен входному 1308.
Возбуждение интерферометрического модулятора с целью прижатия микрокольца в тесный контакт с подложкой и волноводами изменяет оптическую характеристику устройства. Свет, распространяющийся в волноводе 1302, теперь может входить в микрокольцо благодаря явлению рассеяния в волноводе. Микрокольцо, если его размеры выбраны соответствующим образом, действует как оптический резонатор, отводящий выбранную частоту из волновода 1302 и инжектирующий ее в волновод 1301. Это показано на фиг.13В, где световой пучок 1312 показан распространяющимся в направлении, противоположном направлению входного пучка 1308 и выходного пучка 1310. Такое устройство может быть использовано в качестве частотно-избирательного ключа, который отбирает отдельные длины волн из волновода при приложении напряжения или воздействии другого приводного средства, необходимого для приведения структуры в тесный контакт с нижележащими волноводами. Статический вариант этой геометрии описан в статье “Vertically coupled microring resonator channel dropping filter” (Little B.E., et al.), IEEE Photonics Technology Letters, vol.11, №2, 1999.
Другой пример показан на фиг.13С. В этом случае пара волноводов 1332 и 1330 и резонатор 1314 образованы на подложке в виде столбчатой фотонной структуры с запрещенными зонами. Фотонная структура с запрещенными зонами представляет собой равномерную матрицу столбцов с волноводами, образованными путем удаления двух строк (по одной для каждого волновода), и с резонатором, образованным путем удаления двух столбцов. Вид 1333 сверху дает более детальное представление о конструкции волноводов 1330 и 1332 и резонаторе 1314. Размеры зависят от длины волны, представляющей интерес, а также от используемых материалов. В случае длины волны 1,55 мкм диаметр и расстояния между столбцами должны быть порядка 0,5 мкм и 1 мкм, соответственно. Высотой h определяются моды распространения, которые будут поддерживаться, и она должна быть несколько больше половины длины волны, если должны распространяться только одиночные моды.
На внутренней поверхности мембраны 1315 сформированы два изолированных столбца 1311, которые ориентированы вниз и имеют те же самые размеры и выполнены из того же самого материала (или из оптически эквивалентного материала), что и столбцы на подложке. Резонатор и столбцы предназначены для дополнения друг друга; когда столбец расположен на мембране, то соответственно отсутствует столбец в резонаторе.
Когда интерферометрический модулятор находится в невозбужденном состоянии, имеется конечный вертикальный воздушный промежуток 1312, составляющий по меньшей мере несколько сотен нанометров, находящийся между фотонной структурой с запрещенными зонами и столбцами мембраны, и поэтому оптическое взаимодействие не происходит. Отсутствие столбцов в резонаторе проявляется подобно дефектам, обуславливая связь между волноводами 1330 и 1332. В этом состоянии устройство действует как устройство, показанное на фиг.13В, и выбранные частоты света 1328, распространяющегося по волноводу 1330, инжектируются в волновод 1332 и распространяются в направлении 1329, противоположном входному пучку 1328 и выходному пучку 1326.
Однако при возбуждении интерферометрического модулятора до контакта с фотонной структурой с запрещенными зонами столбцы помещаются в резонатор, изменяя его характеристику. Дефекты резонатора исключаются благодаря расположению столбцов мембраны. Устройство в этом состоянии действует как устройство, показанное на фиг.13А, при этом свет 1328 распространяется без интерференции.
Статический вариант этой геометрии описан в статье “Channel drop filters in photonic crystals” (Haus Y.F.), Optics Express, vol.3, №1, 1998.
Оптические ключи
На фиг.14А устройство, основанное на индуцированном поглотителе, включает в себя самоподдерживающуюся алюминиевую мембрану 1400 порядка от десятков до сотен квадратных микрометров, которая подвешена на стопке 1402 материалов, содержащих совокупность металлов и оксидов, структурированных на прозрачной подложке 1404. Для этой цели могут использоваться пленки, применяемые в модуляторе с индуцированным поглотителем, описанном в патенте США №6040937. Пленки на подложке также могут содержать прозрачный проводник, например, из оксида индия и олова. На нижней стороне структура может включать в себя блестящую металлическую пленку, например, молибдена или вольфрама, толщиной несколько сотен ангстрем.
Согласно некоторым вариантам осуществления материалы выбраны так, что в невозбужденном состоянии устройство отражает в диапазоне конкретных длин волн, но становится сильно поглощающим, когда мембрана приводится в контакт. На виде 1410 сбоку показано устройство, наблюдаемое при взгляде на боковую поверхность подложки 1412. Световой пучок 1408 проходит через подложку 1412 под некоторым произвольным углом и попадает на интерферометрический модулятор 1406, показанный в невозбужденном состоянии. В предположении, что частота света соответствует области отражения интерферометрического модулятора в невозбужденном состоянии, свет отражается под сопряженным углом 1411 и уходит вдаль. На виде 1414 сбоку тот же самый интерферометрический модулятор показан в возбужденном состоянии. Поскольку теперь устройство является сильно поглощающим, свет, который падает на него, больше не отражается, а поглощается материалами в стопке интерферометрического модулятора.
Поэтому в этой конфигурации интерферометрический модулятор может действовать как оптический ключ для света, который распространяется внутри подложки, на которой он изготовлен. Подложка подвергнута механической обработке для образования поверхностей, которые являются хорошо полированными, строго параллельными (в пределах 1/10 длины волны света, представляющего интерес) и во много раз более толстыми (составляющими, по меньшей мере, сотни микрометров) по сравнению с длиной волны света. Это позволяет подложке функционировать в качестве подложки/волновода в том смысле, что световые пучки, проходящие в направлении, которое в среднем параллельно подложке, не будут претерпевать многократных отражений от одной поверхности к другой. Световые волны в такой структуре часто называют волнами, канализированными в подложке.
На фиг.14В показан вариант этой идеи. Мембрана 1422 структурирована на подложке 1426 поверх оптической стопки 1424 так, что мембрана 1422 больше не является прямоугольной, а сужается к одному концу 1420. Хотя механическая константа пружины для структуры остается постоянной по ее длине, площадь электродов уменьшается. Поэтому величина силы, которая может быть приложена электростатическим способом, меньше на более узком конце 1420 конуса. В случае приложения постепенно возрастающего напряжения мембрана 1422 начнет срабатывать на более широком конце, а по мере повышения напряжения срабатывание будет продолжаться по направлению стрелки 1428.
Интерферометрический модулятор оказывает влияние на падающий свет как поглощающая область с площадью, которая зависит от значения приложенного напряжения. На виде 1434 сбоку показано его влияние на пучок, проходящий в подложке, когда напряжение не приложено. На соответствующей отражающей площади 1429 на виде 1435, на котором представлен интерферометрический модулятор с проекцией падающего луча, показан «отпечаток» 1431 луча, наложенного на отражающую площадь 1429. Поскольку вся отражающая площадь 1429 не является поглощающей, пучок 1430 отражается от интерферометрического модулятора 1428 (с минимальными потерями) в виде пучка 1432.
В случае вида 1436 сбоку приложено напряжение промежуточного значения, и отраженный пучок 1440 в некоторой степени ослабляется, поскольку теперь отражающая площадь 1429, показанная на виде 1437, является частично поглощающей. Виды 1438 и 1439 отражают результат полного срабатывания и полного ослабления пучка, поскольку отражающая площадь 1429 является абсолютно поглощающей.
Поэтому, используя коническую геометрию, можно создавать различные оптические аттенюаторы, характеристика которых непосредственно зависит от значения приложенного напряжения.
Оптический ключ другого вида показан на фиг.15А. Опорная рамка 1500 изготовлена из металла, такого как алюминий, толщиной несколько тысяч ангстрем таким образом, что она электрически соединена с зеркалом 1502. Зеркало 1502 находится на прозрачной оптической подставке 1501, которая присоединена к опоре 1500. Зеркало 1502 может содержать одну металлическую пленку или совокупность металлических, оксидных и полупроводниковых пленок.
2
Подставка 1501 изготовлена из материала, который имеет тот же самый или более высокий показатель преломления в сравнении с показателем преломления подложки 1504. Это может быть SiO (тот же самый показатель) или полимер с переменным показателем. Подставку 1501 подвергают обработке так, чтобы зеркало 1502 поддерживалось под углом 45°. Обработку подставки 1501 можно осуществить, используя технологию, известную как аналоговая литография, которая основана на фотошаблоне, оптическая плотность элементов которого непрерывно изменяется. Путем соответствующего изменения плотности отдельного элемента можно сформировать трехмерную конфигурацию на фоторезисте, который экспонируют, используя этот шаблон. С помощью реактивного ионного травления эту конфигурацию затем можно перенести на другие материалы. Весь узел подвешен над проводником 1503, который структурирован для образования ничем не заслоненного «окна» 1505 в нижележащей подложке 1504. Иначе говоря, объем проводника 1503 вытравлен, так что окно 1505, содержащее отожженное стекловолокно, открыто. Ключ, аналогично другим интерферометрическим модуляторам, может быть включен для приведения всего узла в контакт с подложкой/волноводом. Видом 1512 сбоку иллюстрируются оптические характеристики. Пучок 1510 проходит внутри подложки под углом 45° от нормали, что исключает распространение его за пределы границ подложки. Это происходит потому, что указанный выше угол 45° известен как критический угол, который благодаря принципу полного внутреннего отражения обеспечивает возможность отражения 1508 пучка с минимальными потерями или без них на границе 1519 раздела между подложкой и наружной средой.
Принцип полного внутреннего отражения основан на законе Снеллиуса, но при этом основное требование заключается в том, что среда за пределами подложки должна иметь показатель преломления, который ниже, чем показатель преломления подложки. На виде 1512 сбоку устройство показано с ключом 1506 в невозбужденном состоянии, и при этом пучок 1510 проходит беспрепятственно. В случае, когда, как показано на виде 1514 сбоку, ключ 1506 приведен в контакт с подложкой 1516, путь 1518 пучка изменяется. Поскольку подставка имеет показатель преломления, больший или равный показателю преломления подложки 1516, пучок больше не претерпевает полного внутреннего отражения на границе раздела. Пучок выходит из подложки 1516 в оптическую подставку, где отражается зеркалом. Зеркало наклонено под углом 45°, так что теперь отраженный пучок 1518 проходит под углом, который является нормальным к плоскости подложки. Результат заключается в том, что свет может проходить через границу подложки, поскольку она больше не удовлетворяет критерию полного внутреннего отражения, и может захватываться волоконно-оптическим ответвителем 1520, который расположен на противоположной стороне подложки/волновода. Аналогичная концепция описана в статье “Waveguide panel display using electromechanical spatial modulators” (Zhou X., et al.), SID Digest, vol. XXIX, 1998. Это конкретное устройство предназначено для применения в излучающих дисплеях. Кроме того, зеркало может быть реализовано в виде отражающей дифракционной решетки, которая может быть вытравлена на поверхности подставки путем использования обычных технологий формирования рельефа. Однако такой способ приводит к зависимости от длины волны и к многочисленным дифракционным порядкам, которые не существуют в случае тонкопленочных зеркал. Кроме того, альтернативные оптические структуры с их соответствующими характеристиками и недостатками могут быть использованы вместо зеркала. Они могут быть проклассифицированы на преломляющие, отражающие и дифракционные и могут включать в себя микролинзы (как пропускающие, так и отражающие), вогнутые или выпуклые зеркала, дифракционные оптические элементы, голографические оптические элементы, призмы и оптические элементы любого другого вида, которые могут быть образованы путем использования технологий микрообработки. В случае, когда используется альтернативный оптический элемент, то, в зависимости от свойств микрооптики, подставка и угол, который придается ей относительно оптики, могут не быть необходимыми.
Такое изменение относительно интерферометрического модулятора действует как выходной ключ для света. Если зеркало спроектировано правильно, то, по желанию, широкополосное излучение или излучение на отдельных частотах можно отвести из подложки/волновода. На виде 1526 сбоку показана более усложненная реализация, в которой дополнительное неподвижное зеркало 1528, наклоненное под углом 45°, сформировано на стороне подложки 1524, противоположной стороне выводного ключа 1506. Зеркало отличается от ключа тем, что оно не может быть приведено в действие. При правильном выборе углов зеркал на обеих структурах свет 1522, который эффективно выводится из подложки 1524 с помощью ключа 1506, может быть повторно введен обратно в подложку (пунктирные линии) благодаря зеркалу 1528 повторного ввода. Однако в случае изготовления зеркала 1528 повторного ввода с иными ориентациями в плоскости XY совокупность зеркал может быть использована для перенаправления света в любом новом направлении в подложку/волновод. Совокупность этих двух структур будет называться реверсирующим переключателем. Кроме того, зеркала повторного ввода могут быть использованы для вывода любого света, который распространяется в подложке в направлении, перпендикулярном к поверхности.
На фиг.15В показана одна реализация матрицы реверсирующих переключателей. На виде снизу на подложку 1535 линейная матрица 1536 представляет собой матрицу волоконно-оптических устройств ввода, которые направляют свет в подложку 1535 под углом, нормальным к плоскости XY. Матрица зеркал повторного ввода (невидимая) расположена непосредственно напротив матрицы волоконно-оптических устройств ввода, чтобы осуществлять ввод света в подложку 1535. На поверхностях подложки 1535 сформированы матрицы реверсирующих переключателей, из которых 1531 является характерным примером. Переключатели расположены таким образом, что свет, вводимый в подложку от любого одного из входных устройств волоконно-оптических устройств 1536 ввода, может быть направлен на любое одно из выходных волоконно-оптических устройств 1532 вывода. Таким образом, устройство может действовать как оптический переключатель N×N, который может подключать любой один из любого числа различных входов к любому одному из любого числа различных выходов.
Перестраиваемый фильтр
2
2
Обратимся к фиг.16, на которой показан интерферометрический модулятор в виде перестраиваемого фильтра Фабри-Перо. В этом случае проводящую контактную площадку 1602 осаждают и структурируют на подложке 1600 вместе с диэлектрическими зеркалами 1604 и 1608 и временным слоем 1606. Он может быть кремниевой пленкой толщиной, кратной нескольким половинам длин волн. Зеркала могут содержать стопки материалов, двумя примерами являются TiO (высокий показатель) и SiO (низкий показатель), с чередующимися высоким и низким показателями. Один из слоев также может быть воздухом. Изолирующий слой 1610 осаждают и структурируют так, что вторая контактная площадка 1612 контактирует только с зеркалом 1608. Затем структурируют зеркало 1608, оставляя зеркальный «островок» 1614, присоединенный к опорам 1615. Поперечные размеры островка в основном определяются размером светового пучка, с которым он должен взаимодействовать. Это обычно порядка от десятков до нескольких сотен микрометров. Временный слой частично стравливают химическим способом, но оставляя подставки 1613 с размером, достаточным для обеспечения механической устойчивости, предположительно, порядка десятков квадратных микрометров. В случае, если верхний слой зеркала 1608 и нижний слой зеркала 1604 слабо легируют, чтобы они были проводящими, то приложение напряжения между контактными площадками 1602 и 1612 будет приводить к смещению зеркального островка. Поэтому оптический отклик структуры можно перестраивать.
На фиг.17А показано применение такого перестраиваемого фильтра. На верхней поверхности подложки 1714 сформированы перестраиваемый фильтр 1704, зеркала 1716 и просветляющее покрытие 1712. На нижней поверхности подложки также сформировано зеркало 1717, например, из металла, такого как золото, толщиной по меньшей мере 100 нм. На верхней поверхности подложки расположена оптическая сверхструктура 1706, внутренняя поверхность которой отражает по меньшей мере 95%, например, благодаря добавлению отражающей золотой пленки, и которая также поддерживает наклоненное зеркало 1710. В этом устройстве световой пучок 1702 проходит внутри подложки под некоторым углом, который больше критического угла, который равен приблизительно 41° для подложки из стекла и среды в виде воздуха. Поэтому для зеркал 1716 требуется удержание пучка 1702 связанным в пределах границ подложки/волновода. Эта конфигурация обеспечивает большую гибкость при выборе углов, при которых распространяется свет.
Пучок 1702 падает на фильтр 1704 Фабри-Перо, который пропускает отдельную частоту света 1708, отражая остальные 1709. Прошедшая частота 1708 попадает на отражающую сверхструктуру 1706 и отражается от нее и повторно отражается зеркалом 1716 на наклоненное зеркало 1710. Зеркало 1710 наклонено так, что свет, пропущенный фильтром 1704, направляется к просветляющему покрытию 1712 под нормальным углом относительно подложки 1714 и проходит сквозь подложку 1714 и во внешнюю среду. Отраженная частота 1709 отражается внутри подложки 1714 между зеркалами 1717 и 1716 и, наконец, будучи отраженной 1718, проходит сквозь подложку 1714 и во внешнюю среду. Следовательно, устройство в целом действует как селективный фильтр по длинам волн.
Сверхструктуру можно изготовить, используя несколько технологий. Одна включает в себя объемную микрообработку кремниевой пластины для образования резонатора определенной глубины, например, порядка толщины подложки и составляющей по меньшей мере несколько сотен микрометров. Наклоненное зеркало формируют после травления резонатора, а весь узел присоединяют к подложке, например стеклянной, используя любую одну из многих технологий соединения кремния и стекла.
На фиг.17В представлен более усложненный вариант. В этом примере добавлен второй перестраиваемый фильтр 1739 для создания дополнительного канала частотной селекции, что обеспечивает возможность независимого разделения двух отдельных частот. Пучок 1730 проходит сквозь подложку 1744 и попадает на первый фильтр 1732 Фабри-Перо, который пропускает отдельную частоту света 1734, отражая остальные. Пропущенная частота 1734 попадает на зеркало 1736 и отражается от него и повторно отражается вторым зеркалом на один из двух детекторов 1738. Отраженная частота отражается внутри подложки 1744 между зеркалом 1740 и дополнительным зеркалом на второй фильтр 1739 Фабри-Перо, который пропускает отдельную частоту света и отражает остальные сквозь подложку 1744 и во внешнюю среду. Частота, пропущенная вторым фильтром 1739, отражается между отражающей сверхструктурой 1742 и дополнительным зеркалом на детектор 1738. Детекторы 1738 обеспечивают более высокую степень интегральной функциональности.
Фиг.17С охватывает интегральную схему. Световой пучок 1750 вводится в подложку 1770 и попадает на перестраиваемый фильтр 1752. Этот фильтр отличается от фильтров из фиг.17А и 17В тем, что он включает в себя зеркало 1756 повторного ввода, которое сформировано на поверхности подвижного зеркала фильтра. Угол наклона зеркала такой, что частота, выбранная фильтром 1752, тотчас вводится обратно в подложку при нормальном угле в виде светового пучка 1758. Остальные частоты, содержащиеся в световом пучке 1750, распространяются до тех пор, пока они не наталкиваются на зеркало 1760 повторного ввода, которое наклонено под таким углом, что оно имеет поверхность, которая перпендикулярна к распространяющемуся пучку. Поэтому путь пучка изменяется на обратный из устройства, где он может быть использован другими устройствами, которые присоединяют оптически. Световой пучок 1758 попадает на интегральную схему 1764, которая может обнаруживать и декодировать информацию в пучке. Интегральная схема 1764 может быть в виде вентильной матрицы, программируемой пользователем, или другой кремниевой, кремниевой/германиевой или на основе арсенида галлия интегральной схемы, которая может приносить пользу благодаря непосредственному выводу света, несущего информацию. Например, между интегральными схемами 1764 и 1762 может быть образована весьма широкополосная оптическая связь с помощью двунаправленной траектории 1722 света. Она образуется совокупностью зеркал 1776 и 1778 и зеркал 1768 повторного ввода. Свет может излучаться либо интегральными схемами, если они включают в себя такие элементы, как лазеры поверхностного излучения с вертикальными резонаторами, или светодиодами. Свет может быть обнаружен любым числом оптически чувствительных элементов, при этом основные свойства элемента зависят от полупроводниковой технологии, использованной для изготовления интегральной схемы. Свет, который попадает на интегральную схему, также может модулироваться интерферометрическими модуляторами, которые сформированы на поверхности интегральной схемы, которая обращена к свету, распространяющемуся в подложке.
Оптический смеситель с использованием волновода подложки
На фиг.18А и 18В показан двухканальный оптический смеситель, реализованный с использованием подложки/волновода в варианте с полным внутренним отражением. На фиг.18А показана схема устройства. Свет, содержащий многочисленные длины волн, имеет две конкретные длины волны, 1801 и 1803, отщепленные и направленные к двум независимым регулируемым аттенюаторам 1805. Затем они выводятся в несколько возможных каналов 1807 или на оптическое заграждающее устройство 1813.
На фиг.18В показано выполнение. Входной свет направляется в устройство через волоконно-оптическое устройство 1800 ввода, через просветляющее покрытие 1802 и вводится в подложку 1804 посредством использования зеркала 1806 повторного ввода. Зеркало повторного ввода направляет свет на перестраиваемый фильтр 1808, отщепляющий частоту λ1 и направляющий все невыделенные частоты 1814 ко второму перестраиваемому фильтру 1809, который отщепляет частоту λ2, при этом оставшиеся частоты (пучок 1819) проходят дальше вниз по ходу лучей благодаря полному внутреннему отражению. Следуя по пути частоты λ1, которая была пропущена перестраиваемым фильтром 1808, свет перенаправляется (пучок 1815) обратно в волновод подложки посредством зеркала 1810 через просветляющее покрытие и повторно вводится обратно в подложку 1804 зеркалом 1811 повторного ввода, которое направляет пучок 1815 к аттенюатору 1812. Частота λ2, которая была пропущена вторым перестраиваемым фильтром 1809, перенаправляется (пучок 1817) в подложку 1804 зеркалом, расположенным аналогично зеркалу 1810, где пучок следует по пути, параллельному пути пучка 1815. Пучки 1815 и 1817 проходят внутри подложки 1804 благодаря полному внутреннему отражению, и сдвигаются по положению посредством устройства 1816 дополнительной юстировки пучков.
Устройство 1816 дополнительной юстировки пучков обеспечивает тот же самый результат, что и зеркало повторного ввода, за исключением того, что зеркало находится параллельно поверхности подложки. Поскольку зеркало подвешено на фиксированном расстоянии над поверхностью подложки, местоположение точки падения на противоположную границу подложки сдвигается вправо. Сдвиг определяется непосредственно высотой устройства дополнительной юстировки. Пучок 1819, содержащий длины волн, неотобранные вторым перестраиваемым фильтром 1809, также сдвигается посредством устройства 1818 дополнительной юстировки. Результат заключается в том, что три пучка (1815, 1817 и 1819) разделяются в равной степени, когда они падают на матрицу выводных ключей 1820 и 1824. Они служат для избирательного перенаправления пучков в один из двух оптических сумматоров, при этом одним из них является 1828, или на детектор/поглотитель 1830. Оптические сумматоры направляют свет из выводных ключей 1820 и 1824 в выходные волоконно-оптические устройства 1822 и 1826 вывода, соответственно. Оптические сумматоры можно изготовить, используя ряд технологий. Согласно одному способу полимерную пленку структурируют с образованием столбика, при этом, используя реактивное ионное травление, его верхнюю часть преобразуют в линзу. Поглотитель/детектор, представляющий собой полупроводниковый прибор, который может быть присоединен к подложке, служит для обеспечения измерения выходной мощности смесителя. Оптические сверхструктуры 1829 поддерживают внешние оптические элементы и образуют для смесителя герметичный корпус.
Сочетание планарных интерферометрических модуляторов и волновода подложки обеспечивает получение семейства оптических устройств, которые легко изготавливаются, конфигурируются и связываются с внешними средствами, поскольку устройства расположены на волноводе и/или на сверхструктуре и способны выполнять операции над светом, который проходит внутри волновода и между волноводом и сверхструктурой. Поскольку все элементы изготавливаются по планарной технологии, можно достичь уменьшения размеров путем изготовления подложки большой площади, а различные части могут быть совмещены и соединены легко и точно. Кроме того, поскольку все активные элементы срабатывают в направлении, перпендикулярном к подложке, то их относительно просто изготавливать и приводить в действие по сравнению с более усложненными непланарными зеркалами и пучками. Для расширения функциональных возможностей активные электронные элементы могут быть присоединены либо к сверхструктуре, либо к подложке/волноводу. В качестве альтернативы активные устройства могут быть изготовлены как часть сверхструктуры, особенно в случае такого полупроводника, как кремний или арсенид галлия.
Процессы технологии изготовления печатных конструкций
Поскольку интерферометрические модуляторы, а также многие другие микроэлектромеханические структуры являются планарными и поскольку для многих слоев не нужны полупроводниковые электрические характеристики, которые требуются при использовании специализированных подложек, можно воспользоваться технологиями изготовления, которые близки к технологиям полиграфической промышленности. В технологиях этого вида обычно используется «подложка», которая выполнена гибкой и в виде непрерывного листа, например, бумаги или пластика. В этих технологиях, называемых технологиями рулонной печати, обычно используется непрерывный рулон материала подложки, который подается в ряд установок, в каждой из которых подложка избирательно покрывается краской, чтобы последовательно сформировать полноцветное графическое изображение. Такие технологии представляют интерес вследствие высокой скорости, с которой можно получать изделия.
На фиг.19 представлена такая последовательность применительно к изготовлению одного интерферометрического модулятора, а в расширительном смысле к изготовлению матрицы интерферометрических модуляторов или других микроэлектромеханических структур. Источник 1900 рулонного материала содержит рулон материала подложки, такого как прозрачный пластик. Для этого описания показательный участок 1902 на отрезке материала от рулона содержит только одно устройство. Штампом 1904 для тиснения выдавливают в листе пластика рисунок из углублений. Это может быть сделано посредством металлического оригинала, который имеет соответствующий рисунок из выступов, полученных на нем травлением.
Металлический оригинал закреплен на барабане, который прижимается к листу с давлением, достаточным для деформации пластика с образованием углублений. Это показано на виде 1906. В установке 1908 для нанесения покрытия тонкие слои материала осаждаются путем использования хорошо известных процессов осаждения тонких пленок, таких как распыление или испарение. В результате получается стопка 1910 из четырех пленок, содержащая оксидную, металлическую, оксидную и временную пленки. Эти материалы соответствуют конструкции интерферометрического модулятора с индуцированным поглотителем. В установке 1912 распределяется, отверждается и экспонируется фоторезист, предназначенный для структурирования этих слоев. После того как рисунок задан, в установке 1914 осуществляется травление пленок. В качестве альтернативы формирование рельефа может быть осуществлено путем использования процесса, известного как лазерное выжигание. В этом случае лазер сканирует по материалу таким образом, что обеспечивается синхронизация с перемещением подложки. Частота и мощность лазера такие, что он может испарять материалы, представляющие интерес, до размеров элементов, которые имеют порядок микрометров. Частоту лазера подстраивают так, чтобы он взаимодействовал с материалами на подложке, а не с самой подложкой. Поскольку испарение происходит быстро, подложка нагревается в минимальной степени.
2
В примере этого устройства все пленки травятся при использовании одного и того же рисунка. Это видно на 1918, где фоторезист снят после использования установки 1916. Установка 1920 представляет собой еще одну установку для осаждения, в которой осаждается то, что станет структурным слоем интерферометрического модулятора. Одним из кандидатов для этого слоя 1922 является алюминий. В качестве такого материала также могут использоваться органические материалы, которые имеют минимальное остаточное напряжение, и которые могут быть осаждены путем использования ряда технологий термовакуумного осаждения из паровой фазы и плазмостимулированного химического осаждения из паровой фазы. Следующим шагом, используя установки 1924, 1926 и 1928, соответственно, на этом слое формируют рисунок, осуществляют травление и удаление фоторезиста. Установку 1930 используют для стравливания временного слоя. Если слой кремниевый, это можно осуществить, используя XeF, травитель в газовой фазе, используемый для таких целей. Результат заключается в получении структуры 1932 с самоподдерживающейся мембраной, которая образует интерферометрический модулятор.
Герметизацию полученных устройств осуществляют посредством присоединения гибкого листа 1933 к верхней поверхности листа подложки. Он также подается из непрерывного рулона 1936 и покрывается герметичной пленкой, например металлической, путем использования установки 1934 для нанесения покрытия. Два листа соединяют, используя установку 1937 для термокомпрессии, чтобы получить конечное упакованное устройство 1940.
Измерение напряжения
Остаточное напряжение является фактором, учитываемым при проектировании и изготовлении микроэлектромеханических структур. В интерферометрических модуляторах и в других структурах, в которых структурные элементы механически релаксируют во время процесса изготовления, остаточное напряжение определяет конечную геометрию элемента.
Интерферометрический модулятор как интерферометрическое устройство чувствителен к изменениям конечной геометрии подвижной мембраны. Отраженный, или в иных конструктивных случаях пропущенный, свет является непосредственной функцией величины воздушного промежутка резонатора. Следовательно, изменения этой величины вдоль длины резонатора будет приводить к нежелательным изменениям цвета. С другой стороны, это свойство является полезным инструментом при определении остаточного напряжения самой структуры, поскольку изменения цвета могут быть использованы для определения изменений и степени деформации мембраны. Знание деформированного состояния любого материала позволяет определять остаточные напряжения в материале. Для определения этого в программах компьютерного моделирования и алгоритмах могут быть использованы двумерные данные относительно деформированного состояния. Поэтому интерферометрический модулятор может обеспечить средство для осуществления такой оценки.
На фиг.20A-20F показаны примеры того, каким образом интерферометрический модулятор может быть использован таким образом. Интерферометрические модуляторы 2000 и 2002 на фиг.20А, 2004 и 2006 на фиг.20С и 2008 и 2010 на фиг.20Е показаны на видах сбоку, тогда как те же самые интерферометрические модуляторы показаны через подложку на видах сбоку на фиг.20B, 20D и 20F, соответственно. Интерферометрические модуляторы слева имеют двухконсольную форму, а интерферометрические модуляторы справа одноконсольную форму. В случае фиг.20А структурные материалы не имеют остаточных напряжений, а у обеих мембран деформация не обнаруживается. Как показано на фиг.20В, устройства, наблюдаемые через подложку, имеют однородный цвет, который определяется толщиной разделительного слоя, на котором они были сформированы. Интерферометрические модуляторы 2004 и 2006 на фиг.20С показаны с градиентом напряжения, при этом сжимающее напряжение больше наверху, чем внизу. В результате у структурных мембран обнаруживается деформация, и характер изменения цвета показан на фиг.20D на виде снизу. Цветовая область 2018, соответствующая средней области мембраны интерферометрического модулятора 2004, может быть красной, поскольку она находится дальше от подложки, чем области мембраны, расположенные по бокам области 2018. С другой стороны, если цветовая область 2016, соответствующая участку мембраны на левой стороне интерферометрического модулятора 2006, зеленая, то цветовая область 2014, соответствующая участку мембраны на правой стороне интерферометрического модулятора 2006, может быть голубой, поскольку она находится ближе к подложке.
Интерферометрические модуляторы 2008 и 2010 на фиг.20Е показаны в состоянии, при котором градиент напряжения такой, что напряжение на растяжение больше наверху, чем внизу. Соответственно деформированы структурные мембраны, что проявляется в изменении цвета, показанном на виде внизу на фиг.20F. В этом случае область 2024, соответствующая среднему участку мембраны интерферометрического модулятора 2008, может быть голубой, тогда как участки мембраны, расположенные по бокам области 2024, соответствующие отдаленным участкам мембраны интерферометрического модулятора 2008, могут быть зелеными, поскольку они находятся дальше от подложки. Точно также, если область 2020, соответствующая левой стороне мембраны интерферометрического модулятора 2010, красная, то область 2022, соответствующая правой стороне мембраны интерферометрического модулятора 2010, может быть голубой, поскольку она находится дальше от подложки.
На фиг.20G показана система, которая может быть использована для быстрого и точного оценивания состояния остаточного напряжения в осажденной пленке. Пластина 2030 содержит матрицу структур интерферометрических модуляторов, состоящих как из одноконсольных, так и из двухконсольных мембран переменной длины и ширины. Структурные мембраны изготовлены из материала, механические свойства и остаточные напряжения которого хорошо описаны. Возможны многие материалы, за исключением имеющих ограничения по отражательной способности, которая может быть крайне низкой, в связи с чем в этом случае интерферометрические модуляторы не могут быть использованы для целей отображения. Хорошими кандидатами являются материалы в кристаллической форме (например, кремний, алюминий, германий), которые совместимы или могут быть сделаны совместимыми с технологическими процессами изготовления, имеют определенную величину отражательной способности и имеют механические свойства, которые известны или могут быть охарактеризованы с высокой степенью точности. Эти «тестовые структуры» изготавливают и ослабляют в них напряжения так, что они являются устойчивыми. Если материалы без напряжения, то у структур не должны обнаруживаться изменения цвета. Однако если это не случается, то состояния цветов или карты цветов могут быть зарегистрированы путем использования высокоразрешающего формирователя 2034 изображений, с помощью которого через посредство оптической системы 2032 можно получать изображения с большим увеличением.
Формирователь изображений подключен к компьютерной системе 2036, в которой находится аппаратное обеспечение, способное регистрировать и обрабатывать видеоданные. Аппаратное обеспечение может содержать легкодоступную плату быстродействующей обработки для выполнения с высокой скоростью численных расчетов. Программное обеспечение может состоять из программ сбора для сбора информации о цвете и вычисления поверхностных деформаций. В базовой программе данные о деформации используются для определения оптимального сочетания равномерного напряжения и градиента напряжения по толщине мембраны, которое может предопределять общую форму.
В одном режиме использования можно создать коллекцию «исходных» тестовых пластин с подробными записями их напряженных состояний без осаждения, чтобы отложить их для более позднего использования. Когда возникает необходимость определения остаточного напряжения осажденной пленки, тестовую пластину извлекают и на верх ее осаждают пленку. Осажденная пленка изменяет геометрию структур и, следовательно, их карты цветов. Используя программное обеспечение, находящееся в компьютерной системе, можно сравнить карты цветов тестовой пластины до и после и произвести точное оценивание остаточного напряжения в осажденной пленке. Кроме того, тестовые структуры можно спроектировать так, чтобы они срабатывали после осаждения. Наблюдение их поведения во время срабатывания с вновь осажденными пленками даже может дать больше информации о состояниях остаточных напряжений, а также об изменении свойств пленки в течение многих циклов срабатывания.
Этот способ также можно использовать для определения напряжений в пленках, когда их осаждают. При соответствующем видоизменении системы осаждения может быть создан оптический путь, обеспечивающий возможность наблюдения с помощью системы формирования изображений структур и тенденцию изменения их карт цветов в реальном времени. При попытке управлять таким образом остаточным напряжением это облегчит создание систем обратной связи, работающих в реальном времени, предназначенных для регулирования характеристик осаждения. С помощью программного обеспечения и аппаратного обеспечения можно «опрашивать» тестовую пластину на периодической основе и обеспечить возможность оператору установки для осаждения изменять условия по мере роста пленки. В целом эта система превосходит другие средства для измерения остаточного напряжения, которые основаны либо только на электромеханическом срабатывании, либо на использовании дорогих и сложных интерферометрических систем для измерения деформации изготовленных структур. Недостаток первого средства заключается в необходимости создания электроники возбудителей для крупной матрицы устройств и в неточности измерений смещений электронным способом. Второе средство является зависимым от оптических свойств наблюдаемых пленок и сложным из-за необходимости иметь внешнюю оптику и аппаратное обеспечение.
Разрывные пленки
Материалами другого класса с интересными свойствами являются пленки, структура которых неоднородная. Эти пленки могут быть в различных формах и собирательно будут называться разрывными пленками. На фиг.21А показана разрывная пленка одного вида. Подложка 2000 может быть металлической, диэлектрической или полупроводниковой, имеет области 2104, 2106 и 2108 на поверхности, полученные травлением. Области, содержащие отдельные профили, которые должны иметь высоту 2110, составляющую некоторую часть длины волны света, представляющего интерес, получают травлением, используя технологии фотолитографии и химического травления, чтобы получить профили, которые аналогичны показанным позициями 2104 (треугольные), 2106 (цилиндрические) и 2108 (заостренные «битые камни»). Порядок эффективного диаметра основания 2102 любого отдельного профиля равен порядку высоты структуры. Хотя каждая область несколько иная, они все имеют общее свойство, заключающееся в том, что при перемещении из среды падения в подложку эффективный показатель преломления постепенно изменяется от показателя преломления среды падения до показателя преломления самой пленочной подложки 2000. Структуры этого типа действуют как просветляющие покрытия лучшего качества по сравнению с теми, которые выполнены из совокупности тонких пленок, поскольку их характеристики не страдают в такой же степени от угловых зависимостей. Поэтому они остаются хорошо просветляющими в широком диапазоне углов падения.
На фиг.21В показано покрытие 2120, которое осаждено на подложку 2122 и также может быть металлическим, диэлектрическим или полупроводниковым. В этом случае пленка все еще находится на ранних стадиях образования, имея толщину приблизительно меньше 1000 Е. В продолжение большей части процессов осаждения пленки подвергаются воздействию процесса постепенного зарождения центров кристаллизации, в результате чего образуются локальности материала, которые становятся все больше и больше до тех пор, пока в некоторый момент времени они не начинают соединяться, образуя непрерывную пленку. На фиг.21С показан вид сверху пленки 2124. Оптические свойства пленок на ранней стадии отличаются от оптических свойств непрерывных пленок. В случае металлов для разрывных пленок характерны более высокие потери, чем для их непрерывных эквивалентов.
На фиг.21D показана разрывная пленка третьего вида. В этом случае пленку 2130 осаждают на подложку 2132 до толщины, составляющей по меньшей мере тысячу ангстрем, так что она считается непрерывной. Структуру отверстий 2134, меньших длины волны (имеющих меньший диаметр по сравнению с длиной волны, представляющей интерес), образуют в материале, используя технологии, которые аналогичны способу самоупорядоченности, описанному ранее. В этом случае полимер может действовать как маска для передачи картины травления в нижележащий материал, а отверстия можно вытравить, используя технологии реактивного ионного травления. Поскольку материал непрерывный, но перфорированный, он не действует подобно пленке на ранней стадии из фиг.21В. Зато оптические свойства отличаются от оптических свойств непротравленной пленки тем, что падающее излучение претерпевает меньшие потери, и могут обнаруживаться максимумы пропускания, обусловленные поверхностными плазмонами. Кроме того, геометрией отверстий, а также углом падения и показателем преломления среды падения можно управлять, чтобы регулировать спектральные характеристики света, который пропускается. На фиг.21Е показан вид сверху перфорированной пленки 2136. Такие пленки, как эти, описаны в статье “Control of optical transmission through metals perforated with subwavelength hole arrays” (Kim Tae Jin). Хотя они регулярные по структуре, но отличаются от фотонных структур с запретными зонами.
Разрывные пленки всех трех типов являются кандидатами для включения в структуру интерферометрического модулятора. А именно, они могут действовать как одна или несколько пленок материалов в статических и/или подвижных частях структуры интерферометрического модулятора. Все три имеют уникальные оптические свойства, которыми можно управлять способами, которые основаны, главным образом, на структуре и геометрии отдельных пленок, а не на сочетании пленок различной толщины. Они могут быть использованы совместно с другими электронными, оптическими и механическими элементами интерферометрического модулятора, который может содержать их. В очень простых случаях оптические свойства каждой из этих пленок могут быть изменены благодаря поверхностной проводимости или оптической интерференции путем приведения их в непосредственный контакт с другими пленками или в непосредственную близость к ним. Такое изменение можно наблюдать при непосредственном изменении электропроводности пленки и/или при изменении эффективного показателя преломления окружающей среды. Тем самым более сложные оптические отклики отдельного интерферометрического модулятора могут быть получены при более простых структурах, для которых имеются менее сложные технологии изготовления.
Визуальные дисплейные устройства
Дополнительные варианты осуществления настоящего изобретения охватывают визуальные дисплейные устройства, содержащие множество интерферометрических модуляторных устройств, изготовленных в виде большой матрицы, для образования пикселов внутри отражательного дисплея. На фиг.23А и 23В представлены структурные схемы системы, иллюстрирующие вариант осуществления дисплейного устройства 40. Например, дисплейное устройство 40 может быть сотовым или мобильным телефоном. Однако те же самые или несколько измененные компоненты дисплейного устройства 40 также иллюстрируют дисплейные устройства различных видов, например телевизионных приемников и портативных медиа-плейеров.
Дисплейное устройство 40 включает в себя корпус 41, дисплей 30, антенну 43, громкоговоритель 44, устройство 48 ввода и микрофон 46. Корпус 41 обычно изготавливают одним из большого количества способов производства, которые хорошо известны специалистам в данной области техники, включая литье под давлением и вакуумное формование. Кроме того, корпус 41 может быть изготовлен из любого материала из числа большого количества материалов, включая, но без ограничения ими, пластик, металл, стекло, резину и керамику или комбинации их. В одном варианте осуществления корпус 41 включает в себя съемные детали (непоказанные), которые можно заменять другими съемными деталями различных цветов или деталями, содержащими различные эмблемы, картинки или символы.
Дисплей 30 иллюстративного дисплейного устройства 40 может быть любым из большого количества дисплеев, включая бистабильный дисплей, описанный в настоящей заявке. В других вариантах осуществления дисплей 30 представляет собой дисплей с плоским экраном, например плазменный, электролюминесцентный, выполненный на органических светодиодах, выполненный на сверхскрученных нематических жидких кристаллах или жидкокристаллический дисплей на тонкопленочных транзисторах, описанный выше, или дисплей с неплоским экраном, такой как электронно-лучевая трубка или другое ламповое устройство, которые хорошо известны специалистам в данной области техники. Однако для целей описания настоящего примера осуществления дисплей 30 представляет собой дисплей с интерферометрическими модуляторами, рассмотренный в настоящей заявке.
Компоненты иллюстративного дисплейного устройства 40 согласно одному варианту осуществления схематично показаны на фиг.23В. Показанное иллюстративное дисплейное устройство 40 включает в себя корпус 41 и может содержать дополнительные компоненты, по меньшей мере частично включаемые в него. Например, иллюстративное дисплейное устройство 40 согласно одному варианту осуществления включает в себя сетевой интерфейс 27, который содержит антенну 43, подключенную к трансиверу 47. Трансивер 47 соединен с процессором 21, который соединен с кондиционирующим средством 52. Кондиционирующее средство 52 может быть выполнено с возможностью кондиционирования сигнала (например, фильтрации сигнала). Кондиционирующее средство 52 соединено с громкоговорителем 44 и с микрофоном 46. Кроме того, процессор 21 соединен с устройством 48 ввода и с контроллером 29 возбудителя. Контроллер 29 возбудителя соединен с кадровым буфером 28 и с возбудителем 22 матрицы, который, в свою очередь, соединен с дисплейной матрицей 30. Источник 50 питания обеспечивает энергией все компоненты, необходимые для конкретной конструкции иллюстративного дисплейного устройства 40.
Сетевой интерфейс 27 включает в себя антенну 43 и трансивер 47, так что может быть осуществлена связь иллюстративного дисплейного устройства 40 с одним или несколькими устройствами в сети. Чтобы снизить требования к процессору 21, на сетевой интерфейс 27 согласно одному варианту осуществления также может быть возложена функция обработки. Антенна 43 представляет собой любую антенну, известную специалистам в данной области техники, предназначенную для излучения и приема сигналов. В одном варианте осуществления антенна излучает и принимает радиочастотные сигналы в соответствии со стандартом IEEE 802.11, включая стандарты IEEE 802.11(a), (b) или (g). Антенна согласно другому варианту осуществления излучает и принимает радиочастотные сигналы в соответствии со стандартом Bluetooth («голубой зуб»). В случае сотового телефона антенна предназначена для приема сигналов систем CDMA (система с кодовым разделением каналов и с многостанционным доступом), GSM (глобальная система для мобильной связи), AMPS (усовершенствованная система мобильной телефонной связи) или других известных сигналов, которые используются для связи в пределах беспроводной сотовой телефонной сети. В трансивере 47 сигналы, полученные от антенны 43, предварительно обрабатываются, так что они могут быть получены и дополнительно обработаны процессором 21. В трансивере 47 также обрабатываются сигналы, поступающие из процессора 21, так что они могут быть переданы из иллюстративного дисплейного устройства 40 с помощью антенны 43.
В варианте осуществления трансивер 47 может быть заменен приемником. В еще одном варианте осуществления сетевой интерфейс 27 может быть заменен источником изображений, который может сохранять или создавать видеоданные для передачи в процессор 21. Например, источником изображений может быть цифровой видеодиск или жесткий диск, который содержит видеоданные, или модуль программного обеспечения, который формирует видеоданные.
Как правило, процессор 21 управляет всей работой иллюстративного дисплейного устройства 40. Процессор 21 получает данные, например сжатые видеоданные, от сетевого интерфейса 27 или от источника изображений и преобразует данные в исходные видеоданные или в формат, который легко преобразовать в исходные видеоданные. Затем преобразованные данные передаются из процессора 21 в контроллер 29 возбудителя или в кадровый буфер 28 для сохранения. Исходные данные обычно относятся к информации, которая служит отличительным признаком характеристик изображения на каждом месте в пределах изображения. Например, такие характеристики изображения могут включать в себя цвет, насыщение и уровень оттенка серого.
В одном варианте осуществления процессор 21 включает в себя микроконтроллер, центральный процессор или логическое устройство для выполнения операций управления иллюстративным дисплейным устройством 40. Кондиционирующее средство 52 обычно включает в себя усилители и фильтры и обеспечивает передачу сигналов на громкоговоритель 44 и получение сигналов с микрофона 46. Кондиционирующее средство 52 может быть отдельным компонентом в иллюстративном дисплейном устройстве 40 или может быть введено в процессор 21 или в другие компоненты.
Контроллер 29 возбудителя получает исходные видеоданные, формируемые процессором 21, либо непосредственно с процессора 21, либо с кадрового буфера 28, и соответствующим образом переформатирует исходные видеоданные для передачи с большой скоростью в возбудитель 22 матрицы. Точнее, контроллер 29 возбудителя переформатирует исходные видеоданные в поток данных, имеющий растровый формат, чтобы получить временную последовательность, пригодную для сканирования по дисплейной матрице 30. Затем контроллер 29 возбудителя передает отформатированную информацию на возбудитель 22 матрицы. Хотя контроллер 29 возбудителя, такой как контроллер жидкокристаллического дисплея, часто объединен с системным процессором 21 в виде отдельной интегральной схемы, такие контроллеры могут быть реализованы многими способами. Они могут быть включены в процессор 21 в виде компонента, включены в процессор 21 в виде программного обеспечения или полностью проинтегрированы в один узел вместе с возбудителем 22 матрицы.
Обычно возбудитель 22 матрицы получает отформатированную информацию с контроллера 29 возбудителя и переформатирует видеоданные в параллельный набор сигналов, которые подаются много раз в секунду на сотни, а иногда и на тысячи выводов, идущих от дисплейной матрицы x-y пикселов.
В одном варианте осуществления контроллер 29 возбудителя, возбудитель 22 матрицы и дисплейная матрица 30 подходят для дисплеев всех типов, описанных в настоящей заявке. Например, в одном варианте осуществления контроллер 29 возбудителя представляет собой контроллер обычного дисплея или контроллер бистабильного дисплея (например, контроллер интерферометрических модуляторов). В еще одном варианте осуществления возбудитель 22 матрицы представляет собой обычный возбудитель или возбудитель бистабильного дисплея (например, дисплея с интерферометрическими модуляторами). В одном варианте осуществления контроллер 29 возбудителя проинтегрирован вместе с возбудителем 22 матрицы. Такое осуществление является обычным в системах с высокой степенью интеграции, таких как сотовые телефоны, наручные часы и другие дисплеи небольшой площади. В еще одном варианте осуществления дисплейная матрица 30 представляет собой типичную дисплейную матрицу или бистабильную дисплейную матрицу (например, дисплей, включающий в себя матрицу интерферометрических модуляторов).
Устройство 48 ввода обеспечивает пользователю возможность управления работой иллюстративного дисплейного устройства 40. В одном варианте осуществления устройство 48 ввода включает в себя клавиатуру, например клавиатуру с американским стандартом расположения клавиш или телефонный кнопочный номеронабиратель, кнопку, коммутационное устройство, сенсорный экран, чувствительную к давлению или теплу мембрану. В одном варианте осуществления микрофон 46 представляет собой устройство ввода для иллюстративного дисплейного устройства 40. Когда микрофон 46 используют для ввода данных в устройство, пользователем могут подаваться речевые команды для управления работой иллюстративного дисплейного устройства 40.
Источник 50 питания может включать в себя ряд запасающих энергию устройств, хорошо известных в данной области техники. Например, в одном варианте осуществления источник 50 питания представляет собой аккумулятор, такой как никель-кадмиевый аккумулятор или ионно-литиевый аккумулятор. В другом варианте осуществления источник 50 питания представляет собой возобновляемый источник энергии, конденсатор или солнечный элемент, в том числе пластиковый солнечный элемент и солнечный элемент, покрытый поглощающей свет краской. В еще одном варианте осуществления источник 50 питания выполнен с возможностью получения энергии из настенной розетки.
В некоторых осуществлениях возможность программирования управления присуща, как описано выше, контроллеру возбудителя, который может быть размещен в электронной дисплейной системе в нескольких местах. В некоторых случаях возможность программирования управления присуща возбудителю 22 матрицы. Специалисты в данной области техники должны признать, что описанная выше оптимизация может быть выполнена любым количеством аппаратных и/или программных компонентов и в различных конфигурациях.
Другие варианты осуществления находятся в рамках объема нижеследующей формулы изобретения.