CN1197932A - 薄膜致动镜阵列及其制作方法 - Google Patents
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Abstract
一种M×N薄膜致动镜阵列包括一有源矩阵、一钝化层、一蚀刻剂阻挡层和一个M×N致动结构阵列。该有源矩阵包括一基底、一个M×N晶体管阵列、一粘附层、一扩散阻挡层、一M×N连接端子矩阵和一应力平衡层。该钝化层形成于该有源矩阵的顶端,且该蚀刻剂阻挡层形成于该钝化层的顶端。位于该基底和该连接端子之间的该扩散阻挡层阻挡硅(Si)从该基底向该连接端子扩散。
Description
本发明涉及一种用于光学投影系统中的M×N薄膜致动镜阵列；更具体地，涉及一种具有一种被装置于该阵列中的新型结构的有源矩阵。
在本领域可以获得的各种视频显示系统中，众所周知光学投影系统能够提供大尺寸的高质量显示。在此光学投影系统中，从一光源来的光均匀地照射在一如M×N的致动镜阵列上，其中各镜与各致动器耦合。各致动器可以用诸如响应于施于其的电场而变形的压电或电致伸缩材料的电致位移材料制成。
从每个镜面反射的光束入射在例如一光档板的一小孔上。通过对每一个致动器施加一电信号，来改变每一个镜与入射光束的相对位置，从而引起来自每一镜面的反射光束的光路偏移。由于每一反射光束的光路被改变了，从每一镜面反射的穿过该小孔的光量即被改变，由此调节该光束的强度。被调节的穿过该小孔的光束经诸如投射透镜的合适的光学装置被传至一投影屏上，以由此在其上显示一图象。
在图1A至1H中，诸剖面图显示了在一个共有未决的申请中(美国序列号08/602,928，名称为“用于光学投影系统中的薄膜致动镜阵列”)公开的用于制作一个M×N薄膜致动镜101阵列100的方法。
制作该阵列100的过程开始于准备有源矩阵110，该矩阵包括基底112和一个M×N连接端子114阵列。基底112由诸如硅晶片的绝缘材料组成，而连接端子114由诸如钨(W)的导体材料组成，如图1A所示。
在下一步中，一个由PSG或氮化硅组成的厚度为0.1-2μm的钝化层120被通过利用例如CVD或旋转镀膜法形成于有源矩阵110的顶端。
然后，由氮化硅组成且厚度为0.1-2μm的蚀刻剂阻挡层130被通过利用例如溅射或CVD方法而淀积在钝化层120的顶端，如图1B所示。
随之，通过利用CVD或旋转镀膜法、接着用化学机械磨光(CMP)法来在蚀刻剂阻挡层130的顶端形成由PSG组成的、具有平滑上端面的薄膜待除层140。
接着，以下述方法在薄膜待除层140中制造一个M×N对空穴145阵列：通过利用干的或湿的蚀刻法使每一对中的一个空穴145包围一个连接端子114，如图1C所示。
在下一步，通过利用CVD方法在包含空穴145的薄膜待除层140的顶端淀积由例如氮化硅的氮化物组成的厚度为0.1-2μm的弹性层150。
然后，通过利用溅射或真空蒸镀法在弹性层150的顶端形成由例如Pt/Ta的导电材料组成的厚度为0.1-2μm的第二薄膜层(未示出)。然后将该第二薄膜层通过利用干蚀刻法等切成一个M×N第二薄膜电极165阵列，其中每一个第二薄膜电极165与其它第二薄膜电极165是电断开的，如图1D所示。
接下来，通过利用蒸镀，溶胶凝胶(Sol-Gel)、溅射或CVD法在该M×N第二薄膜电极165阵列的顶端淀积由例如PZT的压电材料或例如PMN的电致伸缩材料组成的厚度为0.1-2μm的薄膜电致位移层170。
随后，通过利用溅射或真空蒸镀法在该薄膜电致位移层170的顶端形成由如铝(Al)或银(Ag)的导电的光反射材料组成的厚度为0.1-2μm的第一薄膜层180，从而形成一个多层结构200，如图1E所示。
如图1F所示，在下一步中，通过利用光刻或激光裁剪法对该多层结构200构图(pattern)，直到薄膜待除层140暴露出来。
在下一步，通过利用移去(lift-off)法形成由例如钨(W)的金属组成的一个M×N导管190阵列，从而形成一个M×N致动结构210阵列，其中每一个致动结构210包括第一薄膜电极185、薄膜电致位移元件175、第二薄膜电极165、弹性元件155和导管190，该导管190从薄膜电致位移元件175的顶端延伸至相应连接端子114的顶端，如图1G所示。
最后，通过利用使用例如氟化氢(HF)蒸气的蚀刻剂或化学剂的湿蚀刻法将薄膜待除层140去除，以由此形成一个M×N薄膜致动镜101阵列100，如图1H所示。
与上述用于制作M×N薄膜致动镜101阵列100的方法相联，有某些不足存在。在由例如硅晶片组成的基底112的顶端上形成由例如钨的导电材料组成的连接端子114。在制作该薄膜致动镜101中的高温处理期间，基底112中的硅(Si)可能扩散到连接端子114中，以致于在其上可能形成例如硅化钨的高电阻材料，由此引起相应的薄膜致动镜101失灵。
因此，本发明的一个主要目的是提供一个M×N具有新型结构的薄膜致动镜阵列以防止硅扩散。
本发明的另一个目的是提供一种用于制作此种M×N薄膜致动镜阵列的方法。
根据本发明的一个方面，提供了一种M×N薄膜致动镜阵列，其中M和N是整数，该阵列用于光学投影系统，该阵列包括：一个包括一基底、一个M×N晶体管阵列、一个粘附层、一个扩散阻挡层、一个M×N连接端子阵列、一个应力平衡层的有源矩阵，其中该扩散阻挡层位于该基底和该连接端子之间，每一个连接端子与晶体管阵列中的相应晶体管电连接；一个在该有源矩阵的顶端形成的钝化层；一个在该钝化层顶端形成的蚀刻剂阻挡层；以及一个M×N致动结构阵列，每一个致动结构包括第一薄膜电极、薄膜电致位移元件、第二薄膜电极、弹性元件和导管，其中第一薄膜电极位于薄膜电致位移元件的顶端，第一薄膜电极用作偏置电极和镜，薄膜电致位移元件位于第二薄膜电极的顶端，该第二薄膜电极形成于该弹性元件的顶端，该第二薄膜电极用作信号电极，而导管将该第二薄膜电极与相应的连接端子作电连接。
根据本发明的另一个方面，提供了一种用于制作一个M×N薄膜致动镜阵列的方法，其中M和N是整数，该阵列用于光学投影系统，该方法包括下列步骤：准备一个包括形成于其上的一个M×N晶体管阵列的基底；淀积一个粘附层；在该粘附层的顶端形成一个扩散阻挡层；形成一个M×N连接端子阵列；淀积一个应力平衡层以由此形成一个多目的层；选择性地去除该多目的层，由此形成一个有源矩阵；在该有源矩阵的顶端依次淀积一个钝化层和一个蚀刻剂阻挡层；形成一个包括一个M×N对空穴阵列的薄膜待除层；在该薄膜待除层的顶端依次淀积一个弹性层、一第二薄膜层、一薄膜电致位移层和一第一薄膜层，由此形成一个多层结构；将该多层结构构图成一个M×N半成品致动结构阵列直到该薄膜待除层暴露出来；形成一个M×N导管阵列，由此形成一个M×N致动结构阵列；去除该薄膜待除层以由此形成一个M×N薄膜致动镜阵列。
本发明的上述和其它目的和特征将通过对下述随附图给出的对优选实施例的描述变得显而易见，其中：
图1A至1H是原理剖面图，说明了以前公知的用于制作一个M×N薄膜致动镜阵列的方法；
图2A和2B是原理剖面图，给出了分别根据本发明的两个实施例的一个M×N薄膜致动镜阵列；
图3A至3K是原理剖面图，说明了用于制作图2A所示的该M×N薄膜致动镜阵列的方法；及
图4A至4K是原理剖面图，说明了用于制作图2B所示的该M×N个薄膜致动镜阵列的方法。
图2A至2B、3A至3K以及4A至4K是原理性剖面图，提供了一个M×N薄膜致动镜301阵列300，其中M和N是整数，该阵列用于光学投影系统，原理性剖面图说明了一种用于制作分别根据本发明的两个实施例的示于图2A和2B的薄膜致动镜阵列的制作方法。应该注意到，出现于图2A和2B、3A至3K和4A至4K中的类似部分用类似的参考数字表示。
在图2A和2B中，提供了一种根据本发明的两个实施例的一个M×N薄膜致动镜301阵列300的剖面图，该阵列300包括：一有源矩阵310、一钝化层340、一蚀刻剂阻挡层350和一个M×N致动结构400阵列。
有源矩阵310具有一包括一个M×N晶体管370阵列(见图3A和4A)的基底312和一多目的层314。每一个晶体管370包括场氧化层372、门端子374、源/漏区376和钝化元件378。多目的层314包括粘附层322、扩散阻挡层324、M×N连接端子326阵列以及应力平衡层328，其中该扩散阻挡层324位于基底312和连接端子326之间，由例如钨(W)的导体材料组成的每一个连接端子326电连接于晶体管370阵列中的一个相应晶体管370，并且由例如C-TiN组成的、厚度为500-700A的应力平衡层328位于连接端子326的顶端。
根据本发明的一个实施例，由例如钛(Ti)组成、厚度为100A或由例如高纯钛氮化钛(tilanium-rich titanium nitride)(Ti-rich TiN)组成、厚度为100-150A的粘附层322位于基底312和扩散阻挡层324之间。由TiN组成、厚度为500-700A的扩散阻挡层324被结晶成立体结构，该立体结构的密堆积面(Close-packing plane)，即密勒指数(Miller indices)(111)平行于基底312的水平方向，如图2A所示。
根据本发明的另一实施例，扩散阻挡层324具有下扩散阻挡层332和上扩散阻挡层334。由例如TiN组成的下和上扩散阻挡层332、334被结晶成立体结构，其中下扩散阻挡层332和上扩散阻挡层334包括分别具有特定晶粒大小，例如分别为150-200A和80-100A的TiN，下扩散阻挡层332的晶粒大小大于上扩散阻挡层334的，如图2B所示。下扩散阻挡层332和上扩散阻挡层334的晶粒大小能够在其淀积期间通过热处理、淀积压力和基底温度来控制。
由例如硅酸磷玻璃(phosphor-silicate glass)(PSG)组成、厚度为2000A的钝化层340位于有源矩阵310的顶端。
由氮化硅组成、厚度为1000-2000A的蚀刻剂阻挡层350位于钝化层340的顶端。
每一个致动结构400具有一邻近端点和远端端点，并包括一第一薄膜电极445、一由压电和电致伸缩材料组成的薄膜电致位移元件435、一第二薄膜电极425、一由绝缘材料组成的弹性元件415及一导管450。由例如Al、Ag或Pt的光反射和导电材料组成的第一薄膜电极445位于薄膜电致位移元件435的顶端并电接于地，由此作为偏置电极和反射镜。该薄膜电致位移元件435位于第二薄膜电极425的顶端。由例如Ta或Pt/Ta的导电材料组成的第二薄膜电极425位于弹性元件415的顶端并通过导管450和连接端子326与晶体管370阵列中的相应晶体管370作电连接，由此用作信号电极。弹性元件415位于第二薄膜电极425的底端，并且其在近端端点处的底部附着于有源矩阵310的顶端，蚀刻剂阻挡层350和钝化层340部分地从其中插入，由此使致动结构400伸出悬臂。导管450从薄膜电致位移元件435的顶端延伸至相应连接端子326的顶端，并与第一薄膜电极445断开，由此将第二薄膜电极425与相应的连接端子326作电连接。
在图3A至3K中，提供的原理性剖面图说明了一种用于根据图2A所示的本发明的一个实施例制作M×N薄膜致动镜301阵列300的方法。
制作该阵列300的过程开始于准备一个包括一个M×N晶体管370阵列的基底312。该基底312由例如硅片的绝缘材料组成，而且每一个晶体管370由例如金属氧化物半导体(MOS)晶体管的开关装置组成，如图3A所示。
接下去，通过利用溅射或CVD方法在基底312的顶端淀积由例如钛(Ti)组成、厚度为100A或由例如高纯钛氮化钛(Ti-rich TiN)组成、厚度为100-500A的粘附层322。
下一步，通过利用PVD方法将由例如TiN组成的、厚度为500-700A的扩散阻挡层324淀积在粘附层322的顶端。该扩散阻挡层324经热处理以释放应力、压实并允许相位变换发生，其中该立体结构的密堆积面，即密勒指数(111)平行于基底312的水平方向，如图3C所示。该热处理包括在450℃将此扩散阻挡层324退火30分钟。
在下一步中，在该扩散阻挡层324的顶端形成一个M×N连接端子326阵列。每一个连接端子326与晶体管370阵列中的一个相应晶体管370电连接，如图3D所示。
然后，通过利用物理蒸气淀积(PVD)在连接端子326的顶端上淀积由例如C-TiN组成的、厚度为500-700A的应力平衡层328，以由此形成一个多目的层314，如图3E所示。
随之，该多目的层314被选择性地去除以暴露出在晶体管370中门端子374以上形成的部分，以由此形成一个有源矩阵310，如图3F所示。
随后，通过利用例如CVD方法在该有源矩阵310的顶端淀积由例如PSG组成、厚度为2000A的钝化层340。
下一步，通过利用等离子增强化学蒸气淀积(PECVD)法在该钝化层340的顶端淀积由氮化硅组成的、厚度为1000-2000A的蚀刻剂阻挡层350。
然后，通过利用大气压力化学蒸气淀积(APCVD)法及后续的CMP法在该蚀刻剂阻挡层350的顶端形成由例如PSG组成的、厚度为1.6μm的薄膜待除层360。
在下一步中，以下述方式在薄膜待除层360中制作一个M×N对空穴365阵列：通过利用干的或湿的蚀刻法使每对中的一个空穴365包围一个连接端子326，如图3G所示。
下一步，通过利用LPCVD方法在包括该空穴365的薄膜待除层360的顶端淀积由例如氮化硅的氮化物组成的、厚度为1000-3000A的弹性层410。
接着，通过利用溅射或CVD方法在该弹性层410的顶端形成由例如Pt/Ta的导电材料组成的、厚度为2000-4000A的第二薄膜层420。
然后，通过利用蒸镀，溶胶凝胶(Sol-Gel)，溅射或CVD方法在第二薄膜层420的顶端淀积由例如PZT的压电材料或例如PMN的电致伸缩材料组成的、厚度为4000-6000A的薄膜电致位移层430。
接着，通过利用溅射或真空蒸镀法在该薄膜电致伸缩层430的顶端形成由例如铝(Al)、银(Ag)或铂(Pt)的导电且反光材料组成的、厚度为2000-6000A的第一薄膜层440，从而形成一个多层结构460，如图3H所示。
在下一步中，如图3I所示，通过利用光刻或激光裁剪(Laser trimming)法将该多层结构460构图成一个M×N半成品致动结构470阵列，直到露出了薄膜待除层360，其中每一个半成品致动结构470包括：第一薄膜电极445、薄膜电致位移元件435、第二薄膜电极425和弹性元件415。
在下一步中，在该半成品致动结构470中制造一个M×N导管450阵列，其中每一个导管450从薄膜电致位移元件435的顶端延伸至相应连接端子326的顶端并与第一薄膜电极445电断开，以由此形成一个M×N致动结构400阵列，如图3J所示。
然后，通过利用使用例如氟化氢(HF)蒸气的蚀刻剂或化学药品的湿蚀刻法而除去薄膜待除层360，以由此形成M×N薄膜致动镜301阵列300，如图3K所示。
在图4A至4K中，提供的原理性剖面图说明了一种用于根据如图2B所示的本发明的另一个实施例制作一个M×N薄膜致动镜301阵列300的方法。
首先，通过利用溅射或CVD方法在基底312的顶端淀积由例如钛(Ti)或高纯钛氮化钛组成的、厚度为100-500A的粘附层322，如图4A所示。
然后，通过利用溅射方法在该粘附层322的顶端淀积由例如TiN组成的、厚度为500-700A的下扩散阻挡层332，该下扩散阻挡层332中的TiN晶粒具有特定晶粒大小，例如150-200A，下扩散阻挡层322的晶粒大小在其淀积期间由热处理、淀积压力和基底温度(T1)控制，如图4B所示。
接着，通过利用溅射法在下扩散阻挡层332的顶端淀积由例如TiN组成的、厚度为300-700A的上扩散阻挡层334，该上扩散阻挡层中TiN晶粒具有特定的晶体大小，例如80-100A，上扩散挡层334的晶粒大小在其淀积期间由热处理、淀积压力和基底温度(T2)控制，由此形成一个包括下和上扩散阻挡层332、334的扩散阻挡层324，如图4C所示。
图4D至4K中所示的进一步的方法与图3D至3K中所示的上述实施例中的相同，而且相同的参考数码表示相同的或类似的元素，因而在此省去其进一步描述。
在本发明的M×N薄膜致动镜301阵列300及其制造方法中，为了防止在连接端子326中形成硅化钨，在基底312和连接端子326之间形成扩散阻挡层324，其中该扩散阻挡层324被结晶成立体结构，该立体结构的密堆积平面平行于基底312的水平方向，或者将该扩散阻挡层324形成为下和上扩散阻挡层332、334，下扩散阻挡层332中的TiN晶粒的晶粒大小大于上扩散阻挡层334中的。
虽然对本发明的描述只是参考了几个优选实施例，但在不背离下述权利要求中提出的本发明的范围的前提下，可作任何修改和变化。
Claims (19)
1、一个M×N薄膜致动镜阵列，其中M和N是整数，该阵列用于光学投影系统，该阵列包括：
一个包括一个基底、一个M×N晶体管阵列、一个扩散阻挡层和一个M×N连接端子阵列的有源矩阵；
一个形成于该有源矩阵顶端上的钝化层；
一个形成于该钝化层顶端上的蚀刻剂阻挡层；以及
一个M×N致动结构阵列，每一个致动结构包括第一薄膜电极、薄膜电致位移元件、第二薄膜电极、弹性元件和导管，其中第一薄膜电极位于薄膜电致位移元件的顶端，第一薄膜电极用作偏置电极和镜，薄膜电致位移元件位于第二薄膜电极的顶端，该第二薄膜电极形成于该弹性元件的顶端，该第二薄膜电极用作信号电极，而导管将该第二薄膜电极与相应的连接端子作电连接。
2、如权利要求1的阵列，其中该有源矩阵还包括一个粘附层和一个应力平衡层。
3、如权利要求1的阵列，其中该扩散阻挡层位于该基底和该连接端子之间。
4、如权利要求2的阵列，其中该粘附层位于该基底和该扩散阻挡层之间。
5、如权利要求2的阵列，其中该应力平衡层位于该连接端子的顶端。
6、如权利要求2的阵列，其中该粘附层是从包括钛(Ti)或高纯钛氮化钛(Ti-rich TiN)的一组中挑选出的。
7、如权利要求1的阵列，其中该扩散阻挡层是由结晶成立体结构的氮化钛(TiN)组成。
8、如权利要求7的阵列，其中该立体结构的密堆积平面(close-packing plane)平行于该基底的水平方向。
9、如权利要求1的阵列，其中该扩散阻挡层被分成下和上扩散阻挡层。
10、如权利要求9阵列，其中下扩散阻挡层中TiN晶粒的晶粒大小大于上扩散阻挡层的。
11、如权利要求2阵列，其中该应力平衡层由氮化立体钛(cubic-titanium nitride)(C-TiN)组成。
12、一种用于制作一个M×N薄膜致动镜阵列的方法，其中M和N是整数，该阵列用于光学投影系统，该方法包括下列步骤：
准备一个包括形成于其上的一个M×N晶体管阵列的基底；
在该基底的顶端形成一个扩散阻挡层；
在该扩散阻挡层的顶端形成一个M×N连接端子阵列，以由此形成一个有源矩阵；
在该有源矩阵的顶端淀积一个钝化层和一个蚀刻剂阻挡层；
形成一个包括一个M×N对空穴阵列的薄膜待除层；
在该薄膜待除层的顶端形成一个M×N致动结构阵列，其中每一个致动结构包括一第一薄膜电极，一薄膜电致位移元件，一第二薄膜电极、一弹性元件和导管；以及
去除该薄膜待除层，以由此形成一个M×N薄膜致动镜阵列。
13、如权利要求12的方法，其中所述的用于准备该基底的步骤还包括用于形成一粘附层的步骤。
14、如权利要求12的方法，其中所述用于形成该连接端子的步骤还包括用于形成一应力平衡层的步骤。
15、如权利要求12的方法，其中该扩散阻挡层通过利用PVD方法形成。
16、如权利要求12的方法，其中该扩散阻挡层经热处理以释放应力、压实并允许相位变换发生。
17、如权利要求12的方法，其中该扩散阻挡层通过下述方法形成：
通过在温度(T1)利用溅射法淀积下扩散阻挡层；及
通过在温度(T2)利用溅射法淀积上扩散阻挡层。
18、如权利要求14的方法，其中温度(T1)高于温度(T2)。
19、一种用于制作一个M×N薄膜致动镜阵列的方法，其中M和N是整数，该阵列用于光学投影系统，该方法包括下列步骤：
准备一个包括形成于其上的一个M×N晶体管阵列的基底；
淀积一个粘附层；
在该粘附层的顶端形成一个扩散阻挡层；
形成一个M×N连接端子阵列；
淀积一个应力平衡层以由此形成一个多目的层；
选择性地去除该多目的层，由此形成一个有源矩阵；
在该有源矩阵的顶端依次淀积一个钝化层和一个蚀刻剂阻挡层；
形成一个包括一个M×N对空穴阵列的薄膜待除层；
在该薄膜待除层的顶端依次淀积一个弹性层、一第二薄膜层、一薄膜电致位移层和一第一薄膜层，由此形成一个多层结构；
将该多层结构构图成一个M×N半成品致动结构阵列直到该薄膜待除层暴露出来；
形成一个M×N导管阵列，由此形成一个M×N致动结构阵列；
去除该薄膜待除层以由此形成一个M×N薄膜致动镜阵列。
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