ИНТЕРФЕРОМЕТРИЧЕСКАЯ ОПТИЧЕСКАЯ ДИСПЛЕЙНАЯ СИСТЕМА С ШИРОКОДИАПАЗОННЫМИ ХАРАКТЕРИСТИКАМИ
INTERFEROMETRIC OPTICAL DISPLAY SYSTEM HAVING WIDE-BAND CHARACTERISTICS

Область техники
Настоящее изобретение относится к микроэлектромеханическим системам, используемым в качестве интерферометрических модуляторов (iMoD). В частности, настоящее изобретение относится к устройствам и способам усовершенствования производства интерферометрических модуляторов.
Уровень техники
Микроэлектромеханические системы (МЭМС) содержат микромеханические элементы, исполнительные механизмы-микроактюаторы и электронные схемы. Микромеханические элементы могут быть изготовлены путем осаждения, травления и/или с помощью других процессов микрообработки, посредством которых части подложки и/или слои осажденного материала удаляют травлением или добавляют слои для получения электрических и электромеханических устройств. Один из типов МЭМС представлен интерферометрическим модулятором. В настоящем описании термином «интерферометрический модулятор» или «интерферометрический светомодулятор» обозначено устройство, которое селективно поглощает и/или отражает свет, используя принципы оптической интерференции. В некоторых вариантах реализации интерферометрический модулятор может содержать пару проводящих пластин, по меньшей мере одна из которых может быть прозрачной и/или отражающей полностью или частично, и может совершать относительное перемещение при подаче соответствующего электрического сигнала. В конкретном варианте реализации одна пластина может содержать зафиксированный слой, осажденный на подложку, а другая пластина может содержать металлическую мембрану, которая отделена от зафиксированного слоя воздушным зазором. Как более подробно описано далее, положение пластин по отношению друг к другу может влиять на оптическую интерференцию света, падающего на интерферометрический модулятор. Такие устройства имеют широкое применение, и может быть полезным использование и/или изменение характеристик устройств таких типов как в известных решениях, так и для усовершенствования существующих изделий и для создания новых изделий, еще не разработанных.
СУЩНОСТЬ ИЗОБРЕТЕНИЯ
Система, способ и устройства в соответствии с изобретением имеют собственные аспекты, причем ни один из аспектов в отдельности не обеспечивает требуемых свойств. Далее кратко будут рассмотрены наиболее характерные особенности настоящего изобретения без ограничения его объема, что вместе с разделом «Подробное описание предпочтительных вариантов реализации изобретения» объясняет как особенности настоящего изобретения обеспечивают преимущество перед другими дисплейными устройствами.
В одном из вариантов реализации предложен способ изготовления дисплея на основе МЭМС, согласно которому берут прозрачную подложку, на которой формируют матрицу интерферометрических модуляторов, при этом интерферометрические модуляторы содержат материал, коэффициент поглощения (k) которого ниже порогового значения для длин световых волн в рабочем оптическом диапазоне интерферометрического модулятора.
В другом варианте реализации изобретения предложен способ формирования матрицы интерферометрических модуляторов, согласно которому на прозрачной подложке формируют оптическую стопу, на которую осаждают временный слой, поверх которого, в свою очередь, формируют электропроводящий слой, и удаляют по меньшей мере часть временного слоя, образуя таким образом зазор между подложкой и электропроводящим слоем.
Еще в одном варианте реализации предложен дисплей на основе МЭМС, согласно способу изготовления которого на прозрачной подложке формируют матрицу интерферометрических модуляторов, содержащих материал, показатель преломления которого возрастает по мере увеличения длины волны.
В другом варианте реализации предложен интерферометрический модуляционный дисплей, содержащий средства пропускания света и средства обеспечения интерференции при отражении света, пропущенного через указанные средства пропускания света, причем указанные средства отражения света выполнены из материала, коэффициент поглощения (k) которого ниже порогового значения для длин световых волн в рабочем оптическом диапазоне интерферометрического модулятора.
Еще в одном варианте реализации предложен дисплей на основе МЭМС, содержащий подложку и осажденную на нее матрицу интерферометрических модуляторов, содержащую материал, коэффициент поглощения (k) которого ниже порогового значения для длин световых волн в рабочем оптическом диапазоне интерферометрического модулятора. Кроме того, дисплей в данном варианте реализации изобретения дополнительно содержит процессор, выполненный с возможностью обработки видеоданных и электрически взаимодействующий с матрицей, и запоминающее устройство, электрически взаимодействующее с процессором.
Ниже приведено более подробное описание этих и других вариантов реализации изобретения.
КРАТКОЕ ОПИСАНИЕ ЧЕРТЕЖЕЙ
Фиг.1 - трехмерное изображение участка одного из вариантов реализации интерферометрического модуляционного дисплея, в котором подвижный отражающий слой первого интерферометрического модулятора находится в релаксационном положении, а подвижный отражающий слой второго интерферометрического модулятора находится в активированном положении.
Фиг.2 - принципиальная схема электронного устройства согласно одному из вариантов реализации, включающему интерферометрический модуляционный дисплей с размерами 3×3.
Фиг.3 - график зависимости положения подвижного зеркала от приложенного напряжения для одного из примеров реализации интерферометрического модулятора, изображенного на фиг.1.
Фиг.4 иллюстрирует значения напряжения группы строк и столбцов, которые могут быть использованы для приведения в действие интерферометрического модуляционного дисплея.
Фиг.5А иллюстрирует пример кадра данных, отображаемых на интерферометрическом модуляционном дисплее с размерами 3×3, изображенном на фиг.2.
Фиг.5В иллюстрирует пример временной диаграммы сигналов строк и столбцов, которые могут быть использованы для записи кадра, изображенного на фиг.5А.
Фиг.6А и 6В - принципиальные схемы варианта реализации экрана дисплея, содержащего интерферометрические модуляторы.
На фиг.7А показано сечение устройства, изображенного на фиг.1.
На фиг.7В показано сечение интерферометрического модулятора согласно еще одному варианту реализации.
На фиг.7С показано сечение интерферометрического модулятора согласно еще одному варианту реализации.
На фиг.7D показано сечение интерферометрического модулятора согласно ещу одному варианту реализации.
На фиг.7Е показано сечение интерферометрического модулятора согласно еще одному варианту реализации.
Фиг.8 - блок-схема операций способа изготовления интерферометрического модулятора.
На фиг.9А схематично показано сечение интерферометрического модулятора согласно одному из вариантов реализации.
На фиг.9В схематично показано сечение интерферометрического модулятора согласно еще одному варианту реализации.
На фиг.9С схематично показано сечение интерферометрического модулятора согласно еще одному варианту реализации.
На фиг.9D схематично показано сечение интерферометрического модулятора согласно еще одному варианту реализации.
На фиг.9Е схематично показано сечение интерферометрического модулятора согласно еще одному варианту реализации.
Фиг.10 изображает дисперсионную кривую, характеризующую материал (например, германий), показатель преломления которого возрастает, а коэффициент поглощения (k) уменьшается по мере увеличения длины волны в рабочем оптическом диапазоне интерферометрического модулятора.
Фиг.11А - поперечное сечение интерферометрического модулятора согласно одному из вариантов реализации, используемого при моделировании спектральных характеристик в светлом состоянии.
Фиг.11В - поперечное сечение интерферометрического модулятора согласно одному из вариантов реализации, используемого при моделировании спектральных характеристик в темном состоянии.
Фиг.12 - спектральная характеристика смоделированного интерферометрического модулятора, показанного на фиг.11, в которой в качестве поглощающего вещества использован германий, обладающий широкодиапазонной характеристикой белого света.
Фиг.13А - поперечное сечение нераскрепленного интерферометрического модулятора согласно одному из вариантов реализации, соответствующего раскрепленному интерферометрическому модулятору в светлом состоянии.
Фиг.13В - поперечное сечение нераскрепленного интерферометрического модулятора согласно одному из вариантов реализации, соответствующего раскрепленному интерферометрическому модулятору в темном состоянии.
Фиг.14 изображает экспериментальную дисперсионную кривую слоя германия толщиной 90 Å, осажденного на подложку.
Фиг.15 представляет сравнение экспериментальных и смоделированных спектральных характеристик нераскрепленного интерферометрического модулятора, изображенного на фиг.13.
Фиг.16 представляет еще одно сравнение экспериментальных и смоделированных спектральных характеристик нераскрепленного интерферометрического модулятора, изображенного на фиг.13.
Фиг.17 изображает смоделированные спектральные характеристики двух интерферометрических модуляторов: (А) - интерферометрический модулятор, содержащий германий, (В) - интерферометрический модулятор, содержащий поглощающее вещество с отношением n:k, равным 4:1,6, где 4 и 1,6 соответственно, средние значения n и k германия без дисперсии.
Фиг.18 изображает смоделированные спектральные характеристики (А) интерферометрического модулятора, содержащего CuO, и (В) - интерферометрического модулятора, содержащего поглощающее вещество с отношением n:k, равным 2,5:0,8, где 2,5 и 0,8 соответственно средние значения n и k CuO без дисперсии.
Фиг.19 изображает смоделированные спектральные характеристики интерферометрического модулятора, содержащего частично отражающий материал с отношением n:k, равным 7:2,4.
Фиг.20 изображает смоделированные спектральные характеристики интерферометрического модулятора, содержащего частично отражающий материал с отношением n:k, равным 4:1.
ПОДРОБНОЕ ОПИСАНИЕ ПРЕДПОЧТИТЕЛЬНЫХ ВАРИАНТОВ РЕАЛИЗАЦИИ ИЗОБРЕТЕНИЯ
Приведенное ниже подробное описание относится к конкретным вариантам реализации изобретения, однако существует множество других способов реализации настоящего изобретения. В настоящем описании даны ссылки на чертежи, причем на всех чертежах одинаковые элементы имеют одинаковые числовые обозначения. Как станет ясно из нижеследующего описания, варианты реализации могут быть осуществлены в любом устройстве, выполненном с возможностью воспроизведения изображения, как движущегося, например видеоизображения, так и неподвижного, например статического изображения, как текстового, так и графического. В частности, предполагается, что варианты реализации изобретения могут быть осуществлены в различных электронных устройствах или связаны с указанными устройствами, такими, помимо прочего, как мобильные телефоны, беспроводные устройства, персональные цифровые ассистенты (PDA), карманные или портативные компьютеры, GPS-приемники/навигаторы, фотокамеры, МР3-плейеры, видеокамеры, игровые приставки, наручные часы, часы, калькуляторы, телевизионные мониторы, дисплеи с плоским экраном, компьютерные мониторы, дисплеи автомобильных приборов, например дисплей счетчика пробега, приборы управления и/или дисплеи кабины самолета, дисплеи обзорных камер, например дисплей камеры заднего обзора транспортного средства, оборудование для электронного фотографирования, электронные рекламные щиты или вывески, проекционные установки, архитектурные конструкции, различные виды конструктивного оформления, художественные конструкции, например воспроизведение изображений на ювелирных изделиях. Устройства, содержащие МЭМС, или конструкции, подобные приведенным в настоящем описании, можно также использовать в приложениях, не связанных с воспроизведением изображений, например в электронных переключающих устройствах.
x
1-x
В одном из вариантов реализации изобретения раскрыт дисплей, в котором использован материал, коэффициент поглощения (k) которого ниже порогового значения для длин световых волн в рабочем оптическом диапазоне интерферометрического модулятора. В другом варианте реализации изобретения предложено использовать материал, показатель преломления (n) которого возрастает и/или коэффициент поглощения (k) которого уменьшается по мере увеличения длины волны в рабочем оптическом диапазоне. В качестве такого материала может быть использован германий или сплавы на основе германия (например, SiGe). Дисплеи, содержащие этот материал, способны в "светлом" состоянии отражать широкодиапазонный белый цвет, не оказывая влияния на уровень темного фона дисплея в "темном" состоянии. В одном из вариантов реализации изобретения слой германия располагают внутри поглощающего слоя интерферометрического устройства с целью получения устройства, отражающего на наблюдателя широкодиапазонный белый свет. В другом варианте реализации изобретения используют материал в сочетании с металлом в многослойной структуре. Металл обеспечивает дополнительную тонкую настройку рабочих оптических характеристик дисплея, в частности добавление металлического слоя, примыкающего к материалу, обеспечивает меньшую отражательную способность (темный фон) в темном состоянии и тем самым улучшает степень контрастности дисплея. Следует подчеркнуть, что варианты реализации изобретения не ограничены этим или какими-либо конкретными толщинами слоев.
Один из вариантов реализации интерферометрического модуляционного дисплея, содержащего интерферометрический дисплейный элемент на основе МЭМС, изображен на фиг.1. В этом устройстве пиксели могут быть в светлом или темном состоянии. Когда пиксели в светлом («включенном» или «открытом») состоянии, дисплейный элемент отражает пользователю значительную часть падающего видимого света. Когда пиксели в темном («выключенном» или «закрытом») состоянии, дисплейный элемент отражает пользователю незначительную часть видимого падающего света. В зависимости от варианта реализации свойства, характеризующие отражение света, во «включенном» и «выключенном» состояниях могут быть заменены на противоположные. Пиксели МЭМС могут быть выполнены с возможностью преимущественного отражения определенного цветового спектра, благодаря чему возможен вывод на дисплей выбранных цветов помимо черного и белого.
На фиг.1 представлено трехмерное изображение двух смежных пикселей в последовательности пикселей дисплея, причем каждый пиксель содержит интерферометрический модулятор на основе МЭМС. В некоторых вариантах реализации интерферометрический модуляционный дисплей включает в себя матрицу из строк и/или столбцов указанных интерферометрических модуляторов. Каждый интерферометрический модулятор содержит пару отражающих слоев, которые расположены на изменяемом и регулируемом расстоянии друг от друга, образуя полость оптического резонатора, выполненную с возможностью изменения по меньшей мере по одной координате. В одном из вариантов реализации изобретения один из отражающих слоев может быть перемещен в одно из двух положений. В первом положении, релаксационном, подвижный отражающий слой расположен на относительно большом расстоянии от зафиксированного частично отражающего слоя. Во втором положении, активированном, подвижный отражающий слой расположен ближе к частично отражающему слою и является смежным с ним. Падающий свет, отраженный от двух указанных слоев, в зависимости от положения подвижного отражающего слоя интерферирует с усилением или с ослаблением, обеспечивая полностью отражающее или неотражающее состояния каждого пикселя.
Изображенная на фиг.1 часть матрицы пикселей содержит два смежных интерферометрических модулятора 12а и 12b. Подвижный отражающий слой 14а левого интерферометрического модулятора 12а показан в релаксационном положении на заданном расстоянии от оптической стопы 16а, содержащей частично отражающий слой. Подвижный отражающий слой 14b правого интерферометрического модулятора 12b показан в активированном положении и является смежным оптической стопе 16b.
Оптические стопы 16а и 16b (собирательно называемые оптической стопой 16) обычно содержат несколько сплавленных слоев, которые могут включать электродный слой, состоящий, например, из оксида индия и олова (ITO), частично отражающий слой, состоящий, например, из хрома, и прозрачный диэлектрик.
Таким образом, оптическая стопа 16 является электропроводящей, частично прозрачной и частично отражающей, и может быть изготовлена, например, путем осаждения, по меньшей мере, одного из вышеупомянутых слоев на прозрачную подложку 20. В некоторых вариантах реализации изобретения на слоях сформирован рельеф в виде параллельных полос с образованием в дисплейном устройстве строковых электродов, как описано ниже. Подвижные отражающие слои 14а, 14b могут быть сформированы в виде набора параллельных полос по меньшей мере одного металлического слоя (перпендикулярного строковым электродам 16а и 16b), осажденного на верхнюю часть опор 18, и промежуточного временного материала, осажденного между опорами 18. После удаления вытравливанием временного материала подвижные отражающие слои 14а, 14b оказываются отделены от оптических стоп 16а и 16b заданным зазором 19. Для получения отражающих слоев 14 можно использовать материал с высокими проводящими и отражающими свойствами, например алюминий, а указанные полосы могут образовывать в дисплейном устройстве столбцовые электроды.
Когда напряжение не приложено, между подвижным отражающим слоем 14а и оптической стопой 16а остается зазор 19, а подвижный отражающий слой 14а находится в механически релаксационном положении, как показано на примере пикселя 12а на фиг.1. Однако когда к выбранной строке и столбцу приложена разность потенциалов, конденсатор, образованный в соответствующем пикселе на пересечении электродов строки и столбца, становится заряженным, и электростатические силы сближают электроды. Если напряжение достаточно высоко, то подвижный отражающий слой деформируется и прижимается к оптической стопе 16. Диэлетрический слой (не показан) внутри оптической стопы 16 предотвращает закорачивание и регулирует зазор между слоями 14 и 16, как показано на примере правого пикселя 12b на фиг.1. Процесс проходит одинаково независимо от полярности приложенной разности потенциалов. Таким образом, активация строки/столбца, с помощью которой можно переводить пиксели в отражающее или неотражающее состояние, во многом аналогична соответствующим процессам в жидкокристаллических и других дисплеях.
На фиг.2-5 показан пример процесса и системы, предназначенной для использования матрицы интерферометрических модуляторов в дисплеях.
На фиг.2 приведена принципиальная схема электронного устройства согласно одному из вариантов реализации, которое может включать аспекты настоящего изобретения. В примере варианта реализации электронное устройство содержит процессор 21, который может представлять собой одно- или многокристальный универсальный микропроцессор, такой как ARM, Pentium, Pentium II, Pentium III, Pentium IV, Pentium Pro, 8051, MIPS, Power PC, ALPHA, или любой спициализированный микропроцессор, такой как цифровой сигнальный процессор, микроконтроллер или программируемая матрица логических элементов. Как и в известных решениях, процессор 21 может быть выполнен с возможностью выполнения по меньшей мере одного программного модуля. Кроме выполнения операционной системы процессор может быть выполнен с возможностью выполнения по меньшей мере одного программного приложения, в том числе веб-браузера, телефонного приложения, программы для работы с электронной почтой или любого другого программного приложения.
В одном из вариантов реализации процессор 21 также выполнен с возможностью взаимодействия с матричным формирователем 22. В одном из вариантов реализации формирователь 22 содержит схему 24 формирования строк и схему 26 формирования столбцов, при этом эти схемы подают сигналы на панель или дисплейную матрицу (дисплей) 30. На фиг.2 сечение матрицы, показанной на фиг.1, обозначено линиями 1-1. Для интерферометрических модуляторов на основе МЭМС в протоколе активации строк и/или столбцов можно использовать преимущества гистерезисных свойств этих устройств, проиллюстрированных на фиг.3. В этом случае для деформации подвижного слоя и перевода его из релаксационного состояния в активированное состояние может потребоваться, например, разность потенциалов 10 вольт. Однако при уменьшении напряжения до значений менее 10 вольт подвижный слой сохраняет свое состояние. В варианте реализации, изображенном на фиг.3, подвижный слой не становится полностью релаксационным до тех пор, пока напряжение не падает ниже 2 вольт. Таким образом, в примере, изображенном на фиг.3, имеется область поданного напряжения, приблизительно от 3 до 7 вольт, при котором устройство стабильно в релаксационном или активированном состоянии. В настоящем описании этот диапазон называется «гистерезисной областью» или «областью стабильности». Для матрицы дисплея, имеющей гистерезисные характеристики, показанные на фиг.3, протокол активации строки и/или столбца может быть разработан таким образом, что во время стробирования строки к тем ее пикселям из стробируемой строки, которые необходимо активировать, прикладывают разность потенциалов около 10 вольт, а к тем пикселям, которые необходимо перевести в релаксационное состояние, разность потенциалов, близкую к нулю. После стробирования к пикселям прикладывают установившуюся разность потенциалов около 5 вольт, так что они остаются в том состоянии, в которое были переведены при стробировании строки. В этом примере к каждому пикселю после того как на него осуществлена запись, прикладывают разность потенциалов из «области стабильности» 3-7 вольт. Такое свойство стабилизирует конструкцию пикселя, изображенного на фиг.1, при условии подачи одного и того же напряжения в существующем перед этим активированном или релаксационном состоянии. Так как каждый пиксель интерферометрического модулятора и в активированном и в релаксационном состоянии, по существу, представляет собой конденсатор, образованный зафиксированным и подвижным отражающими слоями, указанное стабильное состояние можно удерживать при напряжении в пределах гистерезисной области почти без рассеивания мощности. Если приложенный потенциал имеет постоянное значение, то в пикселе, по существу, нет тока.
В типичных применениях дисплейный кадр может быть создан путем задания набора столбцовых электродов в соответствии с требуемым набором активированных пикселей первой строки. После этого к электроду строки 1 прикладывают импульс строки, который активирует пиксели, соответствующие линиям заданных столбцов. Затем заданный набор столбцовых электродов изменяют, так чтобы они соответствовали требуемому набору активированных пикселей второй строки. После этого к электроду строки 2 прикладывают импульс, который активирует соответствующие пиксели строки 2, в соответствии с заданными столбцовыми электродами. Импульс строки 2 не влияет на пиксели строки 1 и оставляет их в состоянии, в которое они были переведены во время импульса строки 1. Для получения кадра описанные действия могут быть повторены последовательно для всех строк. Как правило, кадры обновляются и/или корректируются новыми данными для изображения за счет непрерывного повторения этого процесса при требуемом количестве кадров в секунду. Кроме того, известно большое количество протоколов для управления строковыми и столбцовыми электродами матриц пикселей с целью получения дисплейных кадров. Эти протоколы могут быть использованы совместно с настоящим изобретением.
bias
bias
bias
bias
bias
bias
На фиг.4 и 5 изображен один из возможных вариантов протокола активации для создания дисплейного кадра на матрице 3×3, показанной на фиг.2. На фиг.4 показаны возможные уровни столбцовых и строковых напряжений, которые могут быть использованы для пикселей, для которых характерны гистерезисные кривые, изображенные на фиг.3. В варианте реализации, изображенном на фиг.4, для активации пикселя к соответствующему столбцу прикладывают напряжение - V, а к соответствующей строке - напряжение +ΔV, которые могут быть равны -5 вольт и +5 вольт соответственно. Перевод пикселя в релаксационное состояние осуществляется путем приложения к соответствующему столбцу напряжения +V и к соответствующей строке аналогичного напряжения +ΔV, благодаря чему на концах пикселя создается нулевая разность потенциалов. В строках, где поддерживают нулевое напряжение строки, пиксели стабилизированы в состоянии, в котором они были первоначально, независимо от того было ли приложено к столбцу напряжение +V или -V. Необходимо отметить, что могут быть использованы напряжения с полярностью, противоположной полярности напряжений, описанных выше. Например, активацию пикселя может вызывать приложение к соответствующему столбцу напряжения +V, а к соответствующей строке напряжения -ΔV. B этом варианте реализации перевод пикселя в релаксационное состояние осуществляется путем приложения к соответствующему столбцу напряжения -V и к соответствующей строке аналогичного напряжение -ΔV, обеспечивая на пикселе нулевую разность потенциалов.
На фиг.5В изображена временная диаграмма, иллюстрирующая последовательность сигналов строк и столбцов, подаваемых на матрицу 3×3, изображенную на фиг.2, для получения дисплейной конфигурации, показанной на фиг.5А, где активированные пиксели являются неотражающими. Перед записью кадра, показанного на фиг.5А, пиксели могут быть в любом состоянии, а в данном примере напряжение на всех строках равно нулю, а напряжение на всех столбцах составляет +5 вольт. При таких напряжениях все пиксели стабильны в имеющихся активированных или релаксационных состояниях.
В кадре, показанном на фиг.5А, пиксели (1, 1), (1, 2), (2, 2), (3, 2) и (3, 3) активированы. Для того чтобы перевести их в такое состояние, в течение «линейного времени передачи данных» к строке 1, столбцам 1 и 2 прикладывают напряжение -5 вольт, а к столбцу 3 - напряжение +5 вольт. Это не меняет состояние пикселей, так как напряжение на всех пикселях остается в области стабильности 3-7 вольт. Далее выполняют стробирование строки 1 посредством импульса, напряжение которого растет от 0 до 5 вольт, а затем снова падает до нуля. Это активирует пиксели (1, 1) и (1, 2) и переводит пиксель (1, 3) в релаксационное состояние. При этом на другие пиксели матрицы влияние не оказывается. Для установления желаемого состояния строки 2 к столбцу 2 прикладывают напряжение -5 вольт, а к столбцам 1 и 3 - напряжение +5 вольт. Посредством аналогичного стробирования строки 2 активируют пиксель (2, 2) и переводят пиксели (2, 1) и (2, 3) в релаксационное состояние. И вновь на другие пиксели матрицы влияния не оказывается. Строку 3 устанавливают аналогично путем приложения к столбцам 2 и 3 напряжения -5 вольт, а к столбцу 1 - напряжения +5 вольт. Посредством стробирования строки 3 пиксели строки 3 переходят в состояние, показанное на фиг.5А. После записи кадра потенциалы строк равны нулю, а потенциалы столбцов можно поддерживать на уровне +5 или -5 вольт. Тогда изображение на дисплее остается стабильным, как показано на фиг.5А. Необходимо отметить, что аналогичный процесс может быть использован для матриц, содержащих десятки или сотни строк и столбцов. Также необходимо отметить, что время приложения, последовательность и уровни напряжений, используемые для активации строк и столбцов, можно изменять в широких пределах в рамках общих принципов, описанных выше. Рассмотренные выше случаи являются лишь примерами, и в описываемых способах и системах могут быть использованы любые способы активации с помощью приложения напряжения.
На фиг.6А, 6В изображены принципиальные схемы варианта реализации дисплейного устройства 40. Устройство 40 может представлять собой, например, сотовый или мобильный телефон. Однако аналогичные компоненты устройства 40 или их незначительно измененные варианты могут также служить примером различных типов дисплейных устройств, таких как телевизоры и портативные медиа-плейеры.
Устройство 40 содержит корпус 41, дисплей 30, антенну 43, динамик 45, микрофон 46 и устройство 48 ввода данных. Корпус 41, как правило, изготавливают по любой из множества технологий изготовления, известных специалистам в данной области, в том числе с помощью литья под давлением и вакуумного формования. Кроме того, корпус 41 может быть выполнен из множества материалов, в том числе пластика, металла, стекла, резины, керамики или их сочетаний. В одном из вариантов реализации корпус 41 содержит съемные части (не показаны), которые могут быть заменены другими съемными частями, имеющими другой цвет, или содержащими другие логотипы, изображения или символы.
Дисплей 30 устройства 40 может представлять собой один из множества видов дисплеев, в том числе бистабильный дисплей, описанный в тексте настоящей заявки. В других вариантах реализации понятие дисплей 30 включает плоскопанельный дисплей, например плазменный, электролюминесцентный, с органическими светодиодами, жидкокристаллический дисплей с матрицей суперскрученных нематических элементов или жидкокристаллический дисплей на тонкопленочных транзисторах, как описано выше, или неплоскопанельный дисплей, например дисплей с электронно-лучевой трубкой или иной трубкой, известный специалисту в данной области. Однако при описании настоящего варианта изобретения понятие дисплей 30 включает интерферометрический модуляционный дисплей.
Компоненты одного из вариантов реализации устройства 40 схематически изображены на фиг.6В. Изображенное устройство 40 содержит корпус 41 и может содержать дополнительные компоненты, которые по меньшей мере частично заключены в корпус. Например, в одном из вариантов реализации устройство 40 содержит сетевой интерфейс 27, включающий антенну 43, соединенную с приемопередатчиком 47. Приемопередатчик 47 соединен с процессором 21, связанным, в свою очередь, с преобразующими аппаратными средствами 52. Средства 52 могут быть выполнены с возможностью преобразования сигнала (например, его фильтрации). Средства 52 соединены с динамиком 45 и микрофоном 46. Процессор 21 также соединен с устройством 48 и контроллером 29 формирователя. Контроллер 29 соединен с буфером 28 кадров и с матричным формирователем 22, который, в свою очередь, соединен с дисплейной матрицей 30. Источник 50 питания обеспечивает питание всех компонентов, как требует конкретная конструкция устройства 40.
Интерфейс 27 содержит антенну 43 и приемопередатчик 47, благодаря которым устройство 40 может взаимодействовать по меньшей мере с одним устройством сети. В одном из вариантов реализации интерфейс 27 может также иметь возможности обработки данных для уменьшения требований к процессору 21. Антенна 43 представляет собой любую антенну, известную специалистам в данной области, которая предназначена для передачи и приема сигналов. В одном из вариантов реализации антенна передает и принимает радиосигналы в соответствии со стандартом IEEE 802.11, в том числе IEEE 802.11 (a), (b) или (g). В другом варианте реализации антенна передает и принимает радиосигналы в соответствии со стандартом BLUETOOTH. Антенны сотовых телефонов предназначены для приема сигналов стандартов множественного доступа с кодовым разделением (CDMA), глобальной системы мобильной связи (GSM), усовершенствованной службы мобильной телефонной связи (AMPS) или других известных сигналов, которые используют для связи в беспроводных сотовых телефонных сетях. Приемопередатчик 47 выполняет предварительную обработку сигналов, получаемых от антенны 43, так что они могут быть приняты процессором 21 для дальнейшей обработки. Приемопередатчик 47 также выполняет обработку сигналов, получаемых от процессора 21, так что устройство 40 может передавать их через антенну 43.
В альтернативном варианте реализации приемопередатчик 47 может быть заменен приемником. Еще в одном альтернативном варианте реализации интерфейс 27 может быть заменен видеоисточником, который может хранить или генерировать видеоданные для передачи процессору 21. Видеоисточником может быть, например, цифровой видеодиск (DVD) или накопитель на жестком диске, содержащий видеоданные, или программный модуль, который генерирует видеоданные.
Как правило, процессор 21 управляет всей работой дисплейного устройства 40. Процессор 21 принимает данные, например сжатые видеоданные, от интерфейса 27 или видеоисточника и обрабатывает указанные данные с переводом их в исходные видеоданные или в формат, который может быть легко обработан с получением исходных видеоданных. После этого процессор 21 отправляет обработанные данные на контроллер 29 или в буфер 28 для хранения. Исходные данные, как правило, содержат информацию, которая определяет характеристики каждой области изображения. Указанные характеристики включают, например, цвет, насыщенность цвета, уровень шкалы полутонов.
В одном из вариантов реализации процессор 21 содержит микроконтроллер, центральный процессор или логический блок для управления работой устройства 40. Аппаратные средства 52, как правило, содержат усилители и фильтры для передачи сигналов на динамик 45 и для приема сигналов от микрофона 46. Средства 52 могут быть выполнены в форме отдельных компонентов устройства 40 или могут быть включены в процессор 21 или в другие компоненты.
Контроллер 29 принимает исходные видеоданные, генерируемые процессором 21, непосредственно с процессора 21 или из буфера 28, и соответствующим образом переформатирует указанные данные для их высокоскоростной передачи на формирователь 22 матрицы. В частности, контроллер 29 переформатирует исходные видеоданные в поток данных в формате, подобным формату растровой графики, с длительностью, пригодной для развертывания изображения на дисплейной матрице 30. После этого контроллер 29 отправляет отформатированную информацию на формирователь 22. Несмотря на то, что контроллер 29, например контроллер жидкокристаллического дисплея, часто соединен с процессором 21 в виде отдельной интегральной схемы, такие контроллеры могут быть выполнены множеством способов. Они могут быть встроены в процессор 21 в форме аппаратных средств, программных средств или могут быть полностью интегрированы в аппаратные средства с формирователем 22.
Как правило, формирователь 22 принимает отформатированную информацию от контроллера 29 и переформатирует видеоданные в параллельный ряд волновых сигналов, которые подаются множество раз в секунду на сотни, а иногда и тысячи проводников, выходящих из матрицы x-y пикселей дисплея.
В одном из вариантов реализации контроллер 29, формирователь 22 и дисплейная матрица 30 пригодны для любого типа дисплеев, описываемых в настоящей заявке. Например, в одном из вариантов реализации контроллер 29 представляет собой контроллер обычного дисплея или контроллер бистабильного дисплея (например, контроллер интерферометрического модулятора). В другом варианте реализации формирователь 22 представляет собой стандартный драйвер или драйвер бистабильного дисплея (например, интерферометрического модуляционного дисплея). В одном из вариантов реализации контроллер 29 объединен с формирователем 22. Такой вариант реализации обычен для высокоинтегрированных систем, таких как сотовые телефоны, наручные часы и другие устройства с дисплеями небольших размеров. Еще в одном варианте реализации дисплейная матрица 30 представляет собой обычную дисплейную матрицу или матрицу бистабильного дисплея (например, дисплея, содержащего матрицу интерферометрических модуляторов).
Устройство 48 ввода позволяет пользователю управлять работой устройства 40. В одном из вариантов реализации устройство 48 ввода содержит клавиатуру, такую как стандартная клавиатура QWERTY или телефонная клавиатура, кнопку, переключатель, сенсорный экран, теплочувствительную или чувствительную к нажиму мембрану. В одном из вариантов реализации устройство ввода для устройства 40 представляет собой микрофон 46. При использовании микрофона 46 для ввода данных в устройство пользователь может управлять работой устройства 40 с помощью голосовых команд.
Источник питания 50 может содержать различные аккумуляторы энергии, которые хорошо известны в данной области техники. Например, в одном из вариантов реализации источник питания 50 представляет собой перезаряжаемую батарею, такую как никель-кадмиевая батарея или литий-ионная батарея. Еще в одном варианте реализации источник питания 50 представляет собой возобновляемый источник энергии, конденсатор или солнечную батарею, в том числе гибкую солнечную батарею и фоточувствительную краску. Еще в одном варианте реализации источник питания 50 выполнен с возможностью получения энергии из сетевой розетки.
В некоторых вариантах реализации, как указывалось выше, в контроллере формирователя, который может быть расположен в нескольких местах электронной системы дисплея, реализована возможность изменять управляющую программу. В некоторых случаях эта возможность реализована в формирователе 22. Описанная выше оптимизация может быть реализована в любом количестве аппаратных и/или программных компонентов и при различных конфигурациях.
Элементы конструкции интерферометрических модуляторов, которые работают в соответствии с принципами, описанными выше, можно изменять в широких пределах. Например, на фиг.7А-7Е изображены пять различных вариантов реализации подвижного отражающего слоя 14 и поддерживающих его конструкций. На фиг.7А изображено поперечное сечение варианта реализации, показанного на фиг.1, в котором полоса металлического материала 14 осаждена на перпендикулярно проходящие опоры 18. На фиг.7В подвижный отражающий слой 14 прикреплен к опорам лишь по краям с помощью соединительных элементов 32. На фиг.7С подвижный отражающий материал 14 подвешен к деформируемому слою 34, который может быть выполнен из гибкого металла. Деформируемый слой 34 по периметру соединен, прямо или не прямо, с подложкой 20. Указанные соединения в тексте настоящей заявки называются поддерживающими структурами. В варианте реализации изобретения, изображенном на фиг.7D, имеются опоры 18, содержащие опорные вставки 42, на которых лежит деформируемый слой 34. Слой 14 оказывается подвешенным над зазором, как на фиг.7А-7С, однако в этом случае опоры 18 образованы не за счет заполнения слоем 34 отверстий между деформирующим слоем 34 и оптической стопой 16. Предпочтительнее чтобы опоры 18 были выполнены из материала, подвергшегося планаризации, из которого выполняют вставки 42.
Вариант реализации изобретения, изображенный на фиг.7Е, основан на варианте реализации изобретения, изображенном на фиг.7D, но он также может быть адаптирован для работы с любым из вариантов реализации изобретения, показанным на фиг.7А-7С, а также с другими не показанными вариантами реализации изобретения. В варианте реализации изобретения, изображенном на фиг.7Е, использован дополнительный слой металла или другого проводящего материала для получения шинной структуры 44. Такая структура дает возможность выполнять сигнальную разводку на тыльной стороне интерферометрических модуляторов, при этом исключается необходимость использования нескольких электродов и, следовательно, их формирования на подложке 20.
В вариантах реализации изобретения, таких как изображенные на фиг.7, интерферометрические модуляторы функционируют как устройства прямого видения, в которых визуальные объекты видны с лицевой стороны прозрачной подложки 20, являющейся стороной, противоположной той, на которой размещен сам модулятор. В этих вариантах реализации изобретения отражающий слой 14 оптически закрывает некоторые участки интерферометрического модулятора на стороне, которая противоположна подложке 20, включая деформируемый слой 34 и шинную структуру (фиг.7Е). Благодаря этому можно конфигурировать и оказывать влияние на закрытые области без отрицательного воздействия на качество изображения. Такая разделенная архитектура модулятора позволяет осуществлять выбор конструкции и материалов, используемых для обеспечения необходимых электромеханических и оптических свойств модулятора, и осуществлять их функционирование независимо друг от друга. Кроме того, варианты реализации изобретения, изображенные на фиг.7С-7Е, имеют дополнительные преимущества, обусловленные тем, что оптические свойства отражающего слоя 14 не связаны с его механическими свойствами, причем механические функции выполняются слоем 34. Благодаря этому имеется возможность оптимизировать конструкцию и материалы отражающего слоя 14 в отношении оптических свойств и оптимизировать конструкцию и материалы деформируемого слоя 34 в отношении требуемых механических свойств.
В одном из вариантов реализации изобретения предложен способ изготовления дисплейного устройства на основе МЭМС, заключающийся в том, что на прозрачной подложке формируют матрицу интерферометрических модуляторов, содержащих материал, коэффициент поглощения (k) которого меньше порогового значения для длин световых волн в рабочем оптическом диапазоне интерферометрического модулятора. Формирование матриц интерферометрических модуляторов включает в себя формирование на прозрачной подложке оптической стопы, осаждение на ней временного слоя, поверх которого формируют электропроводящий слой, и удаление по меньшей мере части временного слоя с формированием зазора между подложкой и электропроводящим слоем.
На фиг.8 показаны некоторые операции процесса 800 изготовления интерферометрического модулятора, который отражает широкодиапазонный белый свет. Эти операции могут быть выполнены в процессе изготовления, например, основных видов интерферометрических модуляторов, показанных на фиг.1, 7 и 9, наряду с другими операциями, не показанными на фиг.8. Со ссылкой на фиг.8 и 9А процесс 800 начинают с операции 805, заключающейся в обеспечении прозрачной подложки. В некоторых вариантах реализации прозрачная подложка 20 выполнена из стекла, пластика или другого светопроницаемого материала и, тем не менее, может способствовать изготовлению матрицы интерферометрического модулятора. Используемый здесь термин "прозрачный" относится к материалам, которые, главным образом, являются прозрачными для рабочих длин волн интерферометрического модулятора, и таким образом прозрачные подложки не должны пропускать все длины световых волн и могут поглощать часть света на рабочих длинах волн интерферометрического модулятора. В некоторых вариантах реализации прозрачная подложка 20 может представлять собой дисплей большой площади.
Процесс 800 продолжается операцией 810 формирования на прозрачной подложке 20 оптической стопы 16. Как рассмотрено выше, оптическая стопа 16 является электропроводящей, частично прозрачной и частично отражающей, и может быть изготовлена, например, путем осаждения на прозрачную подложку 20 по меньшей мере одного слоя. В некоторых вариантах реализации изобретения слои нанесены в виде параллельных полос и могут образовывать в дисплейном устройстве строковые электроды. В некоторых вариантах реализации оптическая стопа 16 содержит диэлектрический слой 24, который осаждают по меньшей мере на один из слоев частично отражающего материала 23 (например, вышеупомянутого материала).
x
1-x
x
1-x
x
1-x
Со ссылкой на фиг.9А в качестве одного из вариантов реализации изобретения формирование оптической стопы 16 включает в себя осаждение частично отражающего материала 23 (например, вышеупомянутого материала) по меньшей мере на часть подложки 20 и осаждение диэлектрического слоя 24 на частично отражающий материал 23. Обычно толщина диэлектрического слоя составляет примерно от 100 до 800 ангстрем (Å). Частично отражающий материал 23 (например, вышеупомянутый материал) имеет коэффициент поглощения (k), величина которого ниже порогового значения для длин световых волн в рабочем оптическом диапазоне интерферометрического модулятора. В одном из вариантов реализации изобретения пороговое значение k составляет примерно 2,5. В некоторых вариантах реализации частично отражающий материал 23 может иметь значение k, которое остается практически постоянным для длин световых волн в рабочем оптическом диапазоне интерферометрического модулятора. В некоторых других вариантах реализации частично отражающий материал 23 может иметь значение k, которое уменьшается по мере увеличения длины световой волны в рабочем оптическом диапазоне интерферометрического модулятора. В некоторых вариантах реализации частично отражающий материал может иметь показатель преломления (n), который увеличивается по мере увеличения длины световой волны в рабочем оптическом диапазоне интерферометрического модулятора. Рабочий оптический диапазон интерферометрического модулятора может находиться в пределах от 300 до 800 нм, предпочтительно от 350 до 750 нм, а предпочтительнее от 400 до 700 нм. В некоторых вариантах реализации изобретения частично отражающий материал 23 (например, вышеупомянутый материал) содержит сплав кремния и германия (например, SiGe). В других вариантах реализации изобретения в качестве частично отражающего материала 23 используют германий. Толщина частично отражающего слоя может составлять примерно от 20 до 400 Å, предпочтительно от 50 до 200 Å. В некоторых вариантах реализации изобретения, изменяя значения x и y, получают различные соединения SiGe (х=0-1), причем это изменение используют для "тонкой настройки" параметров пик, что, в свою очередь, позволяет регулировать спектральные свойства отраженного широкодиапазонного белого света с высокой интенсивностью излучения. В других вариантах реализации параметры пик частично отражающего материала 23 (например, вышеупомянутого материала) настраивают путем добавления в германий или германийсодержащий сплав (например, SiGe) примесей, концентрация которых составляет примерно от 0,01% до 10%. В качестве примесей можно использовать B, P, As, C, In, Al, либо Ga, но это не ограничивает использование других примесей. В одном из вариантов реализации изобретения отношение n:k, частично отражающего материала 23 приблизительно, равно от 2,5 до 6. В другом варианте реализации отношение n:k, частично отражающего материала 23, приблизительно равно 3.
2
x
1-x
x
1-x
2
2
3
Другой вариант реализации изобретения ориентирован на формирование слоя с высоким содержанием германия на прозрачной подложке, поверх которого наносят слой аналогичный SiO. В этом варианте реализации изобретения формирование оптической стопы заключается в осаждении на подложку германийсодержащего сплава (например, SiGe), и термическом окислении осажденного сплава SiGe в окислительной среде, как например O, NO, O или NO, причем Si предпочтительно окисляют для создания прозрачного диэлектрического слоя из оксида кремния, за которым остается слой частично отражающего материала с высоким содержанием германия и с требуемыми значениями n и k. В некоторых вариантах реализации толщина осажденного слоя из германийсодержащего сплава может составлять примерно от 20 до 500 Å.
В другом варианте реализации изобретения материал 23 используют в сочетании с металлом в многослойной структуре. Металлический слой содержит материал, выбранный из группы, состоящей из хрома, молибдена, преломляющих материалов и преломляющих сплавов. Металл обеспечивает дополнительную тонкую настройку оптических характеристик дисплейного устройства. В частности, добавление металлического слоя, прилегающего к материалу, позволяет снизить отражательную способность (темный фон) в темном состоянии и, следовательно, улучшает контраст дисплейного устройства. В одном варианте реализации изобретения толщина слоя хрома составляет от 1 до 50 Å, от 10 до 40 Å, либо от 25 до 36 Å. В другом варианте реализации изобретения толщина металлического слоя составляет от 1 до 50 Å, от 10 до 40 Å, либо от 25 до 36 Å.
Согласно фиг.8 процесс 800 продолжается операцией 815, заключающейся в осаждении временного слоя на оптическую стопу 16. Как рассмотрено ниже, временный слой затем удаляют (например, при выполнении операции 830) с формированием зазора 19, поэтому в получившемся интерферометрическом модуляторе 12, показанном на фиг.1, 7 и 9, временный слой не показан.
2
2
Формирование временного слоя на оптической стопе 16 может включать в себя осаждение материала, который может быть удален травлением XeF, например молибдена, вольфрама или аморфного кремния, причем толщину этого материала выбирают из условия обеспечения после последующего удаления, заданной величины зазора 19. В некоторых вариантах реализации изобретения в качестве временного слоя используют материал, испаряющийся при нагреве (например, органический полимер). Испаряющийся при нагреве материал представляет собой твердый материал, при нагреве которого до температуры испарения имеет место испарение практически всего полимера (например, более 95% по весу). Диапазон температуры испарения должен быть выбран достаточно высоким, чтобы испаряющийся при нагреве материал оставался целым при стандартных температурах обработки, но достаточно низким, чтобы другие материалы, присутствующие при испарении, не были повреждены. В одном варианте реализации изобретения в качестве материала, испаряющегося при нагреве, используют испаряющийся при нагреве полимер. Можно использовать разнообразные полимеры, испаряющиеся при нагреве. Например, в качестве такого материала можно использовать поликарбонат (полиэтилен высокой плотности), обладающий способностью деполимеризации при нагреве, например полициклогексен карбонат, алифатический поликарбонат, которые можно получить из СО и эпоксидного соединения (см. патент США №6,743,570 В2). Также можно использовать и другие поликарбонаты, обладающие способностью деполимеризации при нагреве.
Осаждение оптической стопы и временного материала осуществляют с помощью стандартных технологий, как, например, с помощью нанесения покрытия осаждением паров (например, напылением), плазменно-химического осаждения из паровой или газовой фазы, термохимического осаждения из паровой или газовой фазы, молекулярно-пучкового осаждения, нанесения покрытия центрифугированием, ионного легирования, ионно-лучевого осаждения, гальванопокрытия, либо с помощью импульсного лазерного напыления. Осаждение временного слоя может быть выполнено в выбранных местах, например, технологиями печати, одним из которых является струйное осаждение. В одном варианте реализации изобретения временный слой наносят с помощью печати в местах, прилегающих к опорным структурам (уже осажденным опорным структурам или местам предполагаемого осаждения опорных структур).
В некоторых вариантах реализации изобретения операция (на фиг.8 не показана) формирования опорной структуры может быть выполнена после операции 815 и до формирования электропроводящего слоя 14 при выполнении операции 820.
Формирование опоры 18, показанной на фиг.1, 7 и 9, может включать в себя операции по формированию рельефа временного слоя для формирования отверстия опорной структуры, осаждению в отверстие непроводящего материала (например, полимера) для формирования опор 18 с использованием таких способов, как плазмохимическое осаждение из паровой или газовой фазы, термохимическое осаждение из паровой или газовой среды, центрифугирование, ионное легирование, ионно-лучевое осаждение, либо импульсное лазерное напыление. Формирование рельефа осуществляют такими методами, как электронно-лучевая литография и перенос рисунка. Затем выполняя операцию 820, формируют электропроводящий слой 14 на временном слое и опоре так, чтобы после удаления временного слоя при выполнении операции 825 опора поддерживала электропроводящий слой 14.
2
2
В некоторых вариантах реализации изобретения отверстие опоры, сформированное во временном слое, проходит через временный слой и через оптическую стопу 16 до нижележащей подложки 20, таким образом нижняя часть опоры 18 соприкасается с подложкой 20, как показано на фиг.7А. В других вариантах реализации изобретения отверстие, сформированное во временном слое, проходит через временный слой, но не через оптическую стопу 16. Например, как показано на фиг.7С, нижняя часть опорной вставки 42 соприкасается с оптической стопой 16. В одном варианте реализации материалы, удаляемые травлением с помощью XeF, можно использовать при формировании по меньшей мере части опорной структуры. К материалам опорных структур, удаляемых травлением с помощью XeF, относятся молибден и кремнийсодержащие материалы, например непосредственно кремний (включая аморфный кремний, поликремний, кристаллический кремний), а также силикогерманий и нитрид кремния. В еще одном варианте реализации опоры могут быть выполнены из полимера.
Как показано на фиг.8, процесс 800 продолжается операцией 820, согласно которой формируют подвижный отражающий слой, например подвижный отражающий слой 14, показанный на фиг.1, 7 и 9. Для формирования подвижного отражающего слоя 14 выполняют по меньшей мере одну операцию осаждения, например осаждение отражающего слоя (например, алюминия, алюминийсодержащего сплава), наряду с формированием по меньшей мере одного рельефа, нанесением маски, и/или травлением. Как рассмотрено выше, подвижный отражающий слой 14 обычно выполняют электропроводящим, поэтому он может быть назван в данном описании электропроводящим слоем. Поскольку временный слой все еще присутствует в частично изготовленном интерферометрическом модуляторе при выполнении операции 820 процесса 800, то на этом этапе подвижный отражающий слой 14 обычно является зафиксированным. Частично изготовленный интерферометрический модулятор, который содержит временный слой, именуется в данном описании "нераскрепленным" интерферометрическим модулятором.
2
Как показано на фиг.8, процесс 800 продолжается операцией 825, согласно которой формируют зазор, например зазор 19, показанный на фиг.1, 7 и 9. Формирование зазора 19 выполняют путем воздействия на временный материал (осажденный при выполнении операции 815) травильным средством. Подвергающийся травлению временный материал, такой как молибден или аморфный кремний, можно удалить сухим химическим травлением, например, воздействуя на временный слой газообразным или парообразным травильным средством, как, например, пары твердого дифторида ксенона (XeF), в течение времени, достаточного для удаления заданного количества материала, относящегося к структурам, окружающим зазор 19. Также могут быть использованы и другие способы травления, например жидкостное и/или плазменное травление. В некоторых вариантах реализации операция 825 выпаривания включает в себя нагревание. Нагревание может быть выполнено на плитке, в духовке, в сушильной печи или с помощью любого нагревательного устройства, с помощью которого возможно достичь и поддерживать температуру, достаточную для выпаривания испаряемого при нагреве материала, в течение времени, достаточного для испарения, по существу, всего временного материала. Поскольку при выполнении операции 825 процесса 800 удаляют временный слой, то на этом этапе подвижный отражающий слой 14 обычно становится подвижным.
После удаления временного материала получившийся полностью или частично изготовленный интерферометрический модулятор именуется "раскрепленным" интерферометрическим модулятором. В некоторых вариантах реализации изобретения процесс 800 может включать в себя дополнительные операции, последовательность которых может отличаться от последовательности операций, показанной на фиг.8.
На фиг.9А-9Е показаны различные варианты реализации дисплея на основе МЭМС, содержащего подложку 20 и осажденную на нее матрицу интерферометрических модуляторов, содержащую материал 23, коэффициент поглощения (k) которого ниже порогового значения для длин световых волн в рабочем оптическом диапазоне интерферометрического модулятора. Подложка 20 может представлять собой прозрачную подложку большой площади, выполненную, например, из стекла, пластика или иного светопропускающего материала. Таким образом, прозрачная подложка также является средствами пропускания света. Интерферометрический модулятор представляет собой также средства обеспечения интерфереренции при отражении света, например, через прозрачную подложку. Интерферометрический модулятор может включать в себя оптическую стопу 16, электропроводящий слой 14 (например, подвижный слой), опорную структуру (например, опоры 18), и зазор 19, отделяющий оптическую стопу от электропроводящего слоя. Материал 23 (например, частично отражающий слой) обычно имеет характер изменения коэффициента рассеяния и/или коэффициента поглощения, способный компенсировать изменение длины волны изоляционного или диэлектрического слоя и воздуха в зазоре. В одном из вариантов реализации изобретения указанный материал имеет коэффициент рассеяния и/или коэффициент поглощения, кривая которых показана на фиг.10. На фиг.10 показан характер изменений коэффициента рассеяния и/или коэффициента поглощения германия, показатель преломления которого увеличивается, а коэффициент поглощения уменьшается по мере увеличения длины волны в рабочем оптическом диапазоне. Материал с аналогичным характером изменений коэффициента рассеяния и/или коэффициента поглощения обеспечивает высокий полный коэффициент отражения, не ухудшая при этом благоприятный высокий уровень поглощения видимого света в темном/выключенном состоянии. В некоторых вариантах реализации изобретения полный коэффициент отражения может составлять от 30% до 70% в рабочем оптическом диапазоне. Стандартная толщина слоя материала 23 (например, германия, сплава германия, легированного германия или сплава, содержащего легированный германий) может составлять от 50 до 200 Å.
В некоторых вариантах реализации изобретения частично отражающий материал 23 (например, вышеупомянутый материал) может быть осажден на прозрачную подложку 20. В одном из вариантов реализации прозрачный проводящий материал 25 (например, оксид индия и олова, либо другой прозрачный проводящий оксид, такой как ZnO) может быть осажден на частично отражающий материал 23 (см. фиг.9А). В другом варианте реализации изобретения частично отражающий материал 23 (например, вышеупомянутый материал) может быть осажден на прозрачный проводящий материал 25 (см. фиг.9В). В этом случае прозрачный проводящий материал 25 может быть осажден по меньшей мере на часть подложки раньше осаждения частично отражающего материала 23 (например, вышеупомянутого материала). В качестве прозрачного проводящего материала 25 можно выбрать любые оптически прозрачные проводящие материалы, а стандартная толщина составляет от 100 до 800 Å. Толщину прозрачного проводящего материала 25 определяют положением слоя и заданной величиной зазора. В некоторых вариантах реализации изобретения прозрачный проводящий материал 25 содержит оксид олова, оксид сурьмы, либо оксид индия. В другом варианте реализации, показанном на фиг.9С, прозрачный проводящий материал 25 (например, оксид индия и олова) может быть пропущен, так как германий или слой германийсодержащего сплава могут выполнять функцию проводящего слоя, особенно при наличии примесей в виде элементов III группы (например, B, Al или Ga) или V группы (например, P, As или Sb).
2
2
В еще одном варианте реализации изобретения, показанном на фиг.9D, частично отражающий материал 23 (например, вышеупомянутый материал) может быть включен в прозрачную подложку 20. В прозрачную подложку 20 может быть добавлен частично отражающий материал 23. Для этого выполняют ионное легирование материала в подложку 20 и формируют внутри подложки полосу или слой частично отражающего материала 23 с помощью любого известного метода обработки полупроводников. В этом варианте реализации часть подложки, которая содержит материал, может считаться частью оптической стопы 16. В еще одном из вариантов реализации, показанном на фиг.9Е, полоса частично отражающего материала 23 может быть включена в диэлектрический слой 24 (например, изоляционный слой). Например, сначала осаждают тонкий слой диэлектрика (скажем, SiO), поверх которого осаждают частично отражающий материал 23, на который, в свою очередь, осаждают SiO в большем количестве. Как вариант на подложку до осаждения изоляционного или диэлектрического слоя 24 в качестве проводника может быть осажден прозрачный проводящий материал 25 (например, оксид индия и олова).
Пример 1
Моделирование интерферометрического модулятора было выполнено на основе одного из вариантов реализации нераскрепленного интерферометрического модулятора, показанного на фиг.11.
Смоделированная конструкция содержала стеклянную подложку 20, расположенную на ней оптическую стопу 16, зазор 19, разделяющий оптическую стопу 16 и алюминиевый отражающий слой 14. Оптическая стопа 16 содержит расположенный на подложке 20 слой 102 оксида индия и олова, на котором расположен частично отражающий материал 23, на котором, в свою очередь, расположен диэлектрический слой 24. В этом примере, в качестве частично отражающего материала 23 был использован германий. За счет изменения толщин слоев оксида индия и олова, германия и слоев диэлектрика была получена возможность оптимизации таких характеристик интерферометрического модулятора, как контраст, коэффициент отражения, баланс белого, а также их комбинаций. Для расчета коэффициента отражения и коэффициента пропускания стопы как функции длины волны в зависимости от толщин, показателей преломления (n) и коэффициентов поглощения (k) каждого из слоев была использована компьютерная программа The Essential Macleod компании Thin Film Center Inc. (Тусон, штат Аризона, США).
2
2
3
Оптимальные исходные толщины слоев при таком моделировании составляли 330 Å для слоя 102 оксида индия и олова; 99 Å германия для частично отражающего материала 23; 119 Å SiO и 80 Å AlO для диэлектрического слоя 24; и 300 Å для алюминиевого отражающего слоя 14. Величина зазора 19 составляет 1900 Å в ярком состоянии (фиг.11А) и 0 Å в темном состоянии (фиг.11В). Смоделированная спектральная характеристика интерферометрического модулятора для работы с широкодиапазонным светом, в котором германий используется в качестве частично отражающего слоя (например, поглощающего вещества), показала коэффициент отражения в ярком состоянии более 50%, и контраст между ярким и темным состоянии, равный 100:1 (фиг.12).
Пример 2
Другое моделирование интерферометрического модулятора было выполнено на основе одного из вариантов реализации нераскрепленного интерферометрического модулятора, показанного на фиг.11. Смоделированная конструкция содержала стеклянную подложку 20, расположенную на ней оптическую стопу 16, зазор 19, разделяющий оптическую стопу 16 и алюминиевый отражающий слой 14. Оптическая стопа 16 содержит расположенный на подложке 20 слой 102 оксида индия и олова, на котором расположен частично отражающий материал 23, на котором, в свою очередь, расположен диэлектрический слой 24. Однако в этом примере металлический слой (например, Cr или Mo) был смоделирован либо над либо под частично отражающим материалом 23. За счет изменения толщин слоев оксида индия и олова, германия, металлического слоя и диэлектрического слоя была получена возможность оптимизации таких характеристик интерферометрического модулятора, как контраст, коэффициент отражения, баланс белого, а также их комбинаций. Для расчета коэффициента отражения и коэффициента пропускания стопы как функций длины волны в зависимости от толщин, показателей преломления (n) и коэффициентов поглощения (k) каждого из слоев была использована компьютерная программа The Essential Macleod компании Thin Film Center Inc. (Тусон, штат Аризона, США).
2
2
3
Оптимальные исходные толщины слоев при таком моделировании составляли 330 Å для слоя оксида индия и олова; 100 Å для слоя германия; 10-40 Å Cr, 119 Å SiO и 80 Å AlO для диэлектрических слоев; и 300 Å для слоя алюминия. Величина зазора 19 составляет 1850 Å в ярком состоянии и 0 Å в темном состоянии. Комбинирование германия с металлом (например, Cr или Mo) в качестве поглощающего вещества повышает контраст примерно на 25%.
Пример 3
2
2
2
2
Как показано на фиг.13, нераскрепленные интерферометрические модуляторы были получены путем осаждения на стеклянную подложку 20 слоя германия толщиной 90 Å в качестве частично отражающего слоя 23. На слой германия был осажден изоляционный слой 101 из SiO, на который, в свою очередь, был осажден алюминиевый отражающий слой 14 толщиной более 300 Å. Слой 101 в нераскрепленном интерферометрическом модуляторе соответствует зазору в раскрепленном интерферометрическом модуляторе. Толщина слоя 101 равна расстоянию между частично отражающим слоем 23 и алюминиевым отражающим слоем 14 (т.е. подвижным слоем в раскрепленном интерферометрическом модуляторе). Были подготовлены устройства с толщиной слоя SiO как 450 Å, так и 1080 Å. Устройство со слоем SiO толщиной 450 Å (фиг.13В) эквивалентно раскрепленному интерферометрическому модулятору в темном состоянии, тогда как устройство со слоем SiO толщиной 1080 Å (фиг.13А) эквивалентно раскрепленному интерферометрическому модулятору в ярком состоянии. Спектральные характеристики обоих устройств были измерены и сравнены с данными, полученными при моделировании с помощью компьютерной программы The Essential Macleod компании Thin Film Center Inc. (Тусон, штат Аризона, США).
На фиг.14 показана экспериментальная дисперсионная кривая слоя германия толщиной 90 Å, осажденного методом напыления, которая подтверждает, что германий является одним из материалов, показатель преломления (n) которых возрастает и/или коэффициент поглощения (k) уменьшается по мере увеличения длины волны в рабочем оптическом диапазоне (например, от 400 до 700 нм).
2
2
На фиг.15 показаны спектральные характеристики этих нераскрепленных интерферометрических модуляторов со слоем германия толщиной 90 Å в качестве частично отражающего слоя. Как моделируемые, так и экспериментальные данные показали полный коэффициент отражения в диапазоне от 30% до 70% в ярком состоянии (например, при слое SiO толщиной 1080 Å) и менее 10% в темном состоянии (например, при слое SiO толщиной 450 Å) в диапазоне длин волн от 400 до 700 нм.
Пример 4
2
2
2
2
2
Как показано на фиг.13, нераскрепленные интерферометрические модуляторы были получены путем осаждения на стеклянные подложки слоя германия толщиной 70 Å в качестве частично отражающего слоя 23. На слой германия был осажден изоляционный слой 101 из SiO, на который, в свою очередь, был осажден алюминиевый отражающий слой 14 толщиной более 300 Å. Слой 101 в нераскрепленном интерферометрическом модуляторе соответствует зазору в раскрепленном интерферометрическом модуляторе. Толщина слоя 101 равна расстоянию между частично отражающим слоем 23 и отражающим слоем 14 (т.е. подвижным слоем в раскрепленном интерферометрическом модуляторе). В этом примере были выполнены четыре устройства, имеющих различные толщины изоляционного слоя 101 из SiO. В одном из устройств слой SiO толщиной 441 Å был осажден на слой германия с целью формирования устройства, эквивалентного раскрепленному интерферометрическому модулятору в темном состоянии (фиг.13В). Остальные три устройства были изготовлены с различными толщинами SiO (фиг.13А) для измерений спектральных характеристик в ярком состоянии при различных величинах зазора. Толщины SiO каждого из этих устройств составляли 1084 Å, 1277 Å и 1488 Å. На фиг.16 показаны спектральные характеристики этих нераскрепленных интерферометрических модуляторов с использованием слоя германия толщиной 70 Å в качестве частично отражающего слоя. Как моделируемые, так и экспериментальные данные отображают полный коэффициент отражения в диапазоне от 30% до 70% в различных светлых состояниях и ниже 20% для темного состояния.
Пример 5
2
Другой интерферометрический модулятор был смоделирован на основе одного из вариантов реализации нераскрепленного интерферометрического модулятора, показанного на фиг.11. Смоделированная конструкция содержала стеклянную подложку 20, расположенную на ней оптическую стопу 16, зазор 19, разделяющий оптическую стопу 16 и алюминиевый отражающий слой 14. Оптическая стопа 16 содержит слой частично отражающего материала 23, расположенный на слое оксида индия и олова, и диэлектрический слой, расположенный на слое материала 23. Исходные толщины слоев при этом моделировании составляли: у слоя германия 90 Å, у SiO для диэлектрических слоев 250 Å, и у слоя алюминия 300 Å. Величина зазора 19 составляет 1700 Å в светлом состоянии (фиг.11А) и 100 Å в темном состоянии (фиг.11В).
Моделирование частично отражающих материалов 23 (например, поглощающих веществ) с различными отношениями n:k было выполнено с целью выявления эффектов настройки параметров n и k. На фиг.17 приведено сравнение смоделированных спектральных характеристик двух интерферометрических модуляторов: (А) - интерферометрический модулятор, содержащий германий, а (В) - интерферометрический модулятор, содержащий поглощающее вещество с отношением n:k, равным 4:1,6, где 4 и 1,6 соответственно средние значения n и k германия без дисперсии. На фиг.18 показаны смоделированные спектральные характеристики (А) интерферометрического модулятора, содержащего CuO и (В) интерферометрического модулятора, содержащего поглощающее вещество с отношением n:k, равным 2,5:0,8, где 2,5 и 0,8 соответственно средние значения n и k CuO без дисперсии. Моделирования с использованием средних значений n и k определенного частично отражающего материала позволяют прогнозировать реакцию реального материала в рабочем оптическом диапазоне интерферометрического модулятора. На фиг.19 показаны смоделированные спектральные характеристики интерферометрического модулятора, содержащего частично отражающий материал с отношением n:k, равным 7:2,4. На фиг.20 показана смоделированная спектральная характеристика интерферометрического модулятора, содержащего частично отражающий материал с отношением n:k,равным 4:1. Результаты этих моделирований показывают, что наилучшим является отношение n:k в диапазоне от 2,5 до 6, а наиболее предпочтительным является отношение, равное 3.