MEMS 光调制器像素单元及其制作方法 技术领域 本发明涉及光调制器， 特别涉及应用于平板显示系统的 MEMS 光调制器像素单元 及其制作方法。
背景技术 在投影系统中， 关键的组成部件是光调制器。现有的光调制器包括微机电部件 (Micro-Electro-Mechanical Systems， MEMS)， 所述光调制器通过控制施加于微机电部件 上的电信号， 控制微机电部件进行移动， 利用微机电部件的移动对入射光调制器的光线进 行调制， 输出具有一定灰度的光线。
通常光调制器包括多个呈矩阵排布的像素单元， 现有的光调制器像素单元有两 种： 利用光的反射原理的数字镜面器 (digital mirror device， DMD) 和利用光的衍射原理 的光栅光阀 (grating light valve， GLV)。其中数字镜面器单个像素的能耗大， 特别是在 应用于高分辨率的微显示系统时， 整体能耗大 ； 而光栅光阀的单个像素的能耗小， 整体能耗
较小， 且由于光栅光阀具有模拟灰度好、 光学效率高、 调制速度快等优点， 成为目前的主流 技术。在国际申请号为 PCT/US2002/0096022002.3.27 的国际申请中可以发现更多关于现 有的光调制器像素单元信息。
在实际中， 发现现有的光调制器像素单元普遍需要利用单色光源发出的单色光线 作为入射光线， 所述单色光源可以通常为价格较为昂贵的 LED 灯， 因此， 现有的光调制器像 素单元的成本较高。 发明内容 本发明的实施例解决的问题是提供一种 MEMS 光调制器像素单元及其制作方法， 解决了现有的光调制器像素单元普遍需要利用单色光源发出的单色光线作为入射光线的 问题， 降低了光调制器像素单元的成本。
为解决上述问题， 本发明的实施例提供一种光调制器像素单元， 包括 ：
衬底 ；
所述衬底上具有含有空腔的层间介质层 ；
底部电极， 位于衬底上对应所述空腔的位置 ；
顶部电极， 位于所述空腔上方对应于底部电极位置的层间介质层内， 所述顶部电 极为光栅， 所述光栅远离底部电极的表面为光线反射面 ；
滤光片， 位于所述顶部电极上， 用于将白光转换为三基色光线 ；
可动电极， 位于所述底部电极与顶部电极之间的空腔内， 所述可动电极面向顶部 电极的表面为光线反射面， 所述可动电极能够沿垂直于光线反射面的方向移动， 并分别位 于第一位置、 第二位置或第三位置， 当可动电极位于第一位置、 第二位置或第三位置时， 使 得三基色光线中的一种透过顶部电极的栅孔并经可动电极反射后的光线在顶部电极发生 衍射。
可选地， 所述底部电极与所述衬底之间电学绝缘 ； 所述顶部电极与所述衬底之间 电学绝缘。
可选地， 所述层间介质层覆盖所述衬底表面 ；
所述底部电极位于覆盖衬底表面的层间介质层内 ；
所述可动电极位于所述空腔内， 所述可动电极与所述空腔的空腔壁之间具有间 隙， 用于容纳可动电极的运动。
可选地， 所述层间介质层为氧化硅、 氮氧化硅、 碳化硅、 氮化硅或者其中的组合。
可选地， 还包括位于衬底内的控制电路， 所述底部电极与所述控制电路的第一控 制端电连接， 所述可动电极与所述控制电路的第二控制端电连接， 所述顶部电极与所述控 制电路的第三控制端电连接， 所述层间介质层内形成有多个第二导电插塞， 所述多个第二 导电插塞将第二控制端和可动电极电连接， 所述多个第二导电插塞关于可动电极的中心对 称。
可选地， 所述顶部电极材质为金属， 厚度范围为 30 ～ 300 埃， 所述金属为银、 铝、 铜、 钛、 铂金、 金、 镍、 钴或者其中的组合。
可选地， 所述光栅包括多个栅条， 所述栅条之间具有栅孔， 所述栅条和栅孔的宽度 相同， 所述栅条和栅孔的宽度范围为 0.1 ～ 5 微米。
可选地， 所述可动电极的材质为金属， 厚度范围为 800 ～ 10000 埃， 所述金属可以 为银、 铝、 铜、 钛、 铂金、 金、 镍、 钴或者其中的组合。
可选地， 所述可动电极上形成有顶部绝缘层， 所述顶部绝缘层用于增大可动电极 的刚性。
相应地， 本发明还提供一种光调制器像素单元的制作方法， 包括 ：
提供衬底 ；
在所述衬底上形成第一介质层 ；
在所述第一介质层表面形成底部电极 ；
在所述第一介质层和底部电极上形成第二介质层 ；
在所述第二介质层内形成第一牺牲层 ；
在所述第一牺牲层上形成可动电极 ；
在所述可动电极和第二介质层上形成第三介质层 ； 在可动电极上的第三介质层内 形成第二牺牲层， 所述第二牺牲层的位置与第一牺牲层的位置对应 ；
在所述第三介质层上形成第四介质层 ；
在所述第四介质层内形成顶部电极 ； 去除第一牺牲层和第二牺牲层， 形成空腔， 所 述可动电极悬置于所述空腔内 ； 在所述顶部电极上形成滤光片。
可选地， 所述顶部电极为光栅， 所述光栅远离底部电极的表面为光线反射面， 所述 光栅包括多个栅条和相邻的栅条之间的栅孔。
可选地， 在形成所述顶部电极之前， 还包括 ：
在所述第四介质层内形成通孔的步骤， 所述通孔位于所述栅孔内， 且所述通孔露 出所述第二牺牲层的表面 ；
利用所述通孔去除所述第一牺牲层和第二牺牲层。
可选地， 在利用所述通孔去除所述第一牺牲层和第二牺牲层后， 还包括 ： 在所述第四介质层表面形成覆盖层， 所述覆盖层覆盖所述通孔且将所述通孔封闭， 所述覆盖层与所 述第一介质层、 第二介质层、 第三介质层和第四介质层构成层间介质层， 所述滤光片形成在 所述覆盖层之上。
可选地， 还包括 ：
在所述层间介质层内形成多个第二导电插塞， 所述多个第二导电插塞将第二控制 端和可动电极电连接， 所述多个第二导电插塞关于可动电极的中心对称。
可选地， 所述顶部电极材质为金属， 厚度范围为 30 ～ 300 埃， 所述金属为银、 铝、 铜、 钛、 铂金、 金、 镍、 钴或者其中的组合。
可选地， 还包括 ： 在所述可动电极上形成顶部绝缘层的步骤。
与现有技术相比， 本发明的实施例具有以下优点 ：
本发明的实施例所述的光调制器像素单元由于加装了滤光片， 因此， 所述光调制 器像素单元可以白光光源 ( 例如是包括太阳在内的自然光源或普通的日光灯 ) 作为入射光 线， 而无需专门的单色光源作为入射光线， 由于滤光片和白光光源的成本之和通常远远低 于单色光源的成本， 因此， 本发明所述的光调制器像素单元与现有的采用单色光源的光调 制器像素单元相比， 成本大大降低 ； 本发明实施例还在所述可动电极上设置顶部绝缘层， 从而增强了顶部电极的刚 性， 防止所述顶部电极由于反复使用产生金属疲劳， 提高了可动电极的使用寿命 ；
本发明的实施例提供 MEMS 光调制器， 所述 MEMS 光调制器包括用于调制第一光线 的第一光调制器像素单元、 用于调制第二光线的第二光调制器像素单元和用于调制第三光 线的第三光调制器像素单元， 所述第一光调制器像素单元、 第二光调制器像素单元和第三 光调制器像素单元包括滤光片， 所述滤光片将白色光线过滤为三基色光线， 使得所述第一 光调制器像素单元、 第二光调制器像素单元和第三光调制器像素单元能够分别调制第一光 线、 第二光线或第三光线， 本发明实施例的 MEMS 光调制器可以对白光光源发出的白光进行 调制， 无需专门的三基色光源， 从而解决了现有的 MEMS 光调制器无法在白光光源下正常显 示的问题， 本发明的 MEMS 光调制器特别适合应用于平板显示系统。
附图说明
图 1 是本发明一个实施例的光调制器像素单元的结构示意图。 图 2 是图 1 沿 AA 的剖面结构示意图。 图 3 是图 1 沿 BB 的剖面结构示意图。 图 4 是本发明的一个实施例的光调制器像素单元制作方法流程示意图。 图 5 ～图 13 是本发明一个实施例的光调制器像素单元的制作方法剖面结构示意 图 14 是图 8 沿 AA 方向的剖面结构示意图。图。
具体实施方式
发明人发现， 由于现有技术的光调制器通常是针对单色光源发出的单色光线进行 调制， 这使得现有的光调制器无法应用于白光光源的情况。比如现有的光调制器在应用于 微显示系统 ( 例如手机或电子书 ) 时， 在白天的阳光下会出现显示屏的显示不良或无法显示的问题。 为了解决上述问题， 发明人提出一种光调制像素单元， 利用光的衍射原理对白色 光线进行调制， 所述光调制器像素单元主要应用于平板显示系统、 微显示系统。
具体地， 请结合图 1， 图 1 为本发明一个实施例的光调制器像素单元的器件结构示 意图。光调制器像素单元 200 包括 ：
衬底 201， 所述衬底 201 上形成有层间介质层 227， 所述层间介质层 227 内具有空 腔 219， 所述空腔 219 具有空腔壁 ；
底部电极 205， 位于所述衬底 201 上的层间介质层 227， 且所述底部电极 205 的位 置与所述空腔 219 的位置对应， 所述底部电极 205 与控制电路的第一控制端 202 电连接 ；
顶部电极 230， 位于所述衬底 201 和空腔 219 上的层间介质层 227 内， 所述顶部电 极 230 的位置与所述底部电极 205 的位置对应， 所述顶部电极 230 与控制电路的第三控制 端 222 电连接， 所述顶部电极 230 为光栅， 所述光栅包括至少两个栅条 229 和位于相邻栅条 229 之间的栅孔 223， 所述栅条 229 远离底部电极 205 的表面为光线反射面 ；
滤光片 235， 位于所述顶部电极 230 上， 所述滤光片 235 用于将输入所述光调制器 像素单元的白色光线过滤为第一光线、 第二光线或第三光线， 所述第一光线、 第二光线、 第 三光线为三基色光线 ； 可动电极 212， 位于所述底部电极 205 与顶部电极 230 之间的空腔内， 所述可动电 极 212 与控制电路的第二控制端 215 电连接， 所述可动电极 212 面向顶部电极 230 的表面 为光线反射面， 所述可动电极 212 能够沿垂直于光线反射面的方向移动， 所述可动电极 212 与顶部电极 230 之间以及所述可动电极 212 与底部电极 205 之间具有电绝缘材料 ；
所述顶部电极 230、 可动电极 212、 底部电极 205 位置相对应， 在控制电路控制下， 所述可动电极 212 的位置会发生偏移， 分别位于第一位置、 第二位置或第三位置， 当可动电 极 212 位于第一位置时， 所述第一光线的透过顶部电极 230 的栅孔 223 并经可动电极 212 反射后的光线在顶部电极 230 发生衍射 ； 当可动电极 212 在第二位置时， 所述第二光线透过 顶部电极 230 的栅孔 223 并经可动电极 212 反射后的光线在顶部电极 230 发生衍射 ； 当可 动电极 212 在第三位置时所述第三光线透过顶部电极 230 的栅孔并经可动电极 212 反射后 的光线在顶部电极 230 发生衍射， 所述光栅的栅条 229 和栅孔 223 宽度相同， 所述栅孔 223 的宽度范围为 0.1 ～ 5 微米。
作为一个实施例， 所述衬底 201 为半导体衬底， 例如为硅、 锗或砷化镓等等。作为 其他的实施例， 所述衬底 201 还可以为玻璃基板。下面将以所述衬底 201 为半导体衬底为 例进行说明。
所述控制电路用于对衬底 201 上的各个结构 ( 例如可动电极 212、 顶部电极 230 和 底部电极 205) 施加控制信号， 所述控制电路具有第一控制端 202、 第二控制端 204、 第三控 制端 203。所述控制电路可以形成于所述衬底 201 内 ( 当衬底 201 为半导体衬底时 )， 也可 以形成于另一半导体衬底内， 通过导电结构与衬底 201 上的各个结构电连接。
仍然参考图 1， 作为一个实施例， 所述光调制器像素单元 200 还包括 ：
所述层间介质层 227 覆盖所述衬底 201 的表面， 所述空腔 219 分为第一部分 208 和第二部分 217， 所述第一部分 208 位于空腔 219 的下部， 第二部分 217 位于空腔 219 的上 部；
所述底部电极 205 位于所述空腔 219 的第一部分 208 与衬底 201 之间的层间介质
层 227 内 ；
所述顶部电极 230 位于空腔 219 的第二部分 217 与衬底 201 之间的层间介质层 227 内 ；
所述可动电极 212 位于所述空腔 219 内， 空腔 219 的尺寸和形状与可动电极 212 的尺寸和形状对应， 所述可动电极 212 与所述空腔 219 的空腔壁之间具有间隙， 用于容纳可 动电极 212 的运动， 所述可动电极 212 面积小于顶部电极 230 的面积。
所述可动电极 212 位于所述底部电极 205 与顶部电极 230 之间， 所述可动电极 212 与第二控制端 204 电连接， 所述可动电极 212 面向顶部电极 230 的表面为光线反射面， 所述 可动电极 212 能够沿垂直于其光线反射面的方向移动， 所述可动电极 212 与顶部电极 230 之间以及所述可动电极 212 与底部电极 205 之间具有电绝缘材料。其中， 本发明所述的光 线反射面， 具体是指平行光线入射至光线反射面后， 经反射后形成的反射光线仍然为平行 光线 ( 即光线发射表面对入射光线的反射为镜面反射 )。
进一步地， 本实施例中， 所述可动电极 212 与顶部电极 230 之间具有顶部绝缘层 214。本实施例中， 所述顶部绝缘层 214 直接采用部分层间介质层 227。此外， 还可以在顶部 电极 230 下方额外形成绝缘材料以便对可动电极 212 和顶部电极 230 之间进行电学绝缘。 所述可动电极 212 与底部电极 205 之间具有底部绝缘层 211， 本实施例中， 所述底 部绝缘层 211 直接采用部分的层间介质层 227。此外， 还可以在可动电极 212 与底部电极 205 之间额外形成绝缘材料以便可动电极 212 与底部电极 205 之间进行电学绝缘。
所述顶部电极 230、 可动电极 212、 底部电极 205 位置相对应， 所述可动电极 212 面 积小于顶部电极 230 的面积， 在控制电路控制下， 所述可动电极 212 的位置会发生偏移。
所述层间介质层 227 内形成有多个第二导电插塞 215。所述第二导电插塞 215 将 第二控制端 204 和可动电极 212 电连接， 所述多个第二导电插塞 215 关于可动电极 212 的 中心对称。本实施例中， 所述多个第二导电插塞 215 为 2 个， 由于截面的关系， 图 1 中仅示 出了一个第二导电插塞 215， 后续图 2 中将会进一步介绍第二导电插塞 215 与可动电极 212 和空腔 219 的关系。
所述层间介质层 227 内还形成有第一导电插塞 206、 第三导电插塞 222。其中所述 第一导电插塞 206 用于将第一控制端 202 和底部电极 205 电连接， 所述第三导电插塞 222 用于将第三控制端 203 和顶部电极 230 的栅条 229 电连接。
进一步地， 所述顶部电极 230 用于分光， 即用于将从顶部电极 230 上方入射的光线 一分为二， 所述顶部电极 230 为光栅， 包括多个栅极条 229 和相邻栅极条 229 之间的栅孔 223。所述栅孔 223 的宽度范围为 0.1 ～ 5 微米。所述栅条 229 的材质选自金属， 所述金属 可以为银、 铝、 铜、 钛、 铂金、 金、 镍、 或钴或者其中的组合， 其厚度范围为 500 ～ 10000 埃。
由于顶部电极 230 位于层间介质层 227 内， 光线自滤光片 235 入射光调制器像素 单元 200 时， 被所述滤光片 235 过滤为第一光线、 第二光线或第三光线， 所述第一光线、 第二 光线或第三光线到达所述顶部电极 230， 由于所述顶部电极 230 的栅条 229 远离底部电极 205 的表面为光线反射面， 因此， 从顶部电极 230 上方入射的第一光线、 第二光线或第三光 线被顶部电极 230 的栅条 229 和栅孔 223 分为第一部分和第二部分。即第一部分被顶部电 极 230 的栅条 229 的光线反射面反射， 第二部分透过栅孔 223 入射可动电极 212。
作为一个实施例， 所述顶部电极 230 的栅条 229 的宽度与栅孔 223 的宽度相同， 以
保证被顶部电极 230 的栅条 229 反射的光线的第一部分和被顶部电极 230 的栅孔 223 透过 的光线的第二部分的强度相同。
所述光线的第二部分在透过栅孔 223 入射至可动电极 212 的光线反射面后， 又被 光线反射面反射至顶部电极 230 的栅条 229 下方， 然后由于栅条 229 之间的栅孔 223 的宽 度小于光线 ( 第一光线或第二光线或第三光线 ) 的波长， 所述光线的第二部分在栅条 229 处发生衍射， 第二部分光线由于衍射向栅条 229 上方传输， 第二部分的衍射光线与第一部 分光线在顶部电极 230 叠加， 形成明暗相间的条带， 并且通过所述滤光片 235 输出。
作为一个实施例， 所述可动电极 212 的材质为金属， 所述金属可以为银、 铝、 铜、 钛、 铂金、 金、 镍、 或钴或者其中的组合。所述可动电极 212 的厚度范围为 500 ～ 10000 埃。
进一步地， 参考图 1 所示， 所述可动电极 212 与顶部电极 230 之间的顶部绝缘层 214 形成于所述可动电极 212 的光线反射面上。所述顶部绝缘层 214 为额外形成的电绝缘 层， 其材质可以为氧化硅、 氮氧化硅、 碳化硅、 氮化硅或者其中的组合。所述顶部绝缘层 214 随着可动电极 212 在空腔 219 内沿垂直于光线反射面的方向偏移运动而偏移运动。由于 可动电极 212 的材质为金属， 由于制作过程中工艺条件的限制会造成厚度不均匀或使用过 程中可动电极 212 反复运动会造成金属疲劳 ( 金属失效， 或失去弹性 )， 本发明在可动电极 212 上方设置顶部绝缘层 214， 可以增大可动电极 212 的刚性。另外， 由于顶部绝缘层 214 是完全透光的， 因此光线可以穿过第二绝缘层 214 达到可动电极 212， 并在可动电极 212 的 表面发生反射。
在其他的实施例中， 若通过优化制作工艺、 材质选择合适， 也可使得可动电极 212 具有良好的刚性， 这样不用在可动电极 212 的光线反射面设置顶部绝缘层 214。
本发明所述的顶部绝缘层 214 的厚度与调制的入射光线的波长有关， 因此， 顶部 绝缘层 214 的厚度应根据待调制的入射光线波长进行确定。 在本实施例中， 顶部绝缘层 214 的厚度应满足可动电极 212 运动至第一位置时， 所述可动电极 212 的光线反射面与顶部电 极 230 的距离为第一光线波长的 1/4 的奇数倍。由于位于第一位置时， 可动电极 212 与顶 部电极 230 之间没有间隙， 只有顶部绝缘层 214， 因此所述顶部绝缘层 214 的厚度与顶部电 极 230 的厚度之和应等于第一光线波长的 1/4 的奇数倍。
为了更好的说明本发明的光调制器像素单元结构， 请参考图 2， 为图 1 沿 AA 的剖 面结构示意图。为了便于说明， 图 2 中仅示出了顶部电极 230 和第三导电插塞 222 以及第 三控制端 203。所述顶部电极 230 位于空腔 219 上方， 顶部电极 219 包括多个栅条 229， 图 2 中以 5 个进行示意。
相邻的栅条 329 之间具有栅孔 223， 所述栅条 229 的宽度与栅孔 223 的宽度相同。 其中所述栅条 229 的宽度具体是指， 位于两个栅孔 229 之间的栅条 229 的一侧到另一侧的 距离。所述栅孔 223 的宽度是指， 一个栅条 229 的一侧到与之相邻的另一栅条 229 的一侧 距离。所述栅条 229 通过第三导电插塞 222 与第三光线控制端 229 电连接。
请参考图 3， 为图 1 沿 BB 方向的剖面结构示意图。所述可动电极 212 与所述空腔 219 的空腔壁之间具有间隙， 以便可动电极 212 的偏移运动， 所述可动电极 212 通过多个第 二导电插塞 215 与控制电路的第二控制端 204 电连接， 所述多个第二导电插塞 215 关于可 动电极 212 的中心对称。所述第二导电插塞 215 一方面用于可动电极 212 与第二光线控制 端 204 电连接， 另一方面所述第二导电插塞 215 用于将可动电极 212 悬空于空腔 219 内， 支撑可动电极 212 运动。所述第二导电插塞 215 的数目可以为 2 个或 2 个以上， 本实施例中 为 2 个。如图 3 所示， 所述可动电极 212 的外侧与第二导电插塞 215 相连接， 通过所述第二 导电插塞 215， 所述可动电极 212 能够悬置于所述空腔 219 内， 当然， 在其他的实施例中， 所 述可动电极 212 还可以通过其他的固定连接结构 ( 比如悬臂等 )， 与层间介质层相连接， 从 而实现可动电极 212 悬置与空腔中。
由于顶部电极 230、 可动电极 212 之间设置顶部绝缘层 214， 因而顶部电极 230、 顶 部绝缘层 214 与可动电极 212 构成第一电容结构。 若控制电路对第二控制端 202、 第三控制 端 203 之间施加电信号 ( 相当于对第一电容结构充电 )， 在顶部电极 230、 可动电极 212 之间 会产生第一静电力， 所述第一静电力使得可动电极 212( 包括可动电极 212 上方的顶部绝缘 层 214) 向顶部电极 230 偏移运动 ( 第二导电插塞 215 与可动电极 212 电连接， 从而第二导 电插塞 215 发生弹性变形 )， 所述可动电极 212 会移动至顶部绝缘层 214 与顶部电极 230 接 触， 此时所述可动电极 212 位于第一位置， 所述可动电极 212 的光线反射面与顶部电极 230 之间具有第一预定距离， 所述第一预定距离应等于第一光线波长的 1/4 的奇数倍。此时， 若 入射至光调制器像素单元的白色光线被所述滤光片 235 过滤为第一光线， 则第一光线经过 顶部电极 230 被分为第一部分和第二部分， 其中第一部分被顶部电极 230 的栅条 229 的光 线反射面反射， 第二部分则透过顶部电极 230 的栅孔 223 传输至可动电极 212 的光线反射 面， 然后被可动电极 212 的光线反射面反射至顶部电极 230 的栅条 229， 在栅条 229 处发生 衍射并向上传输， 第二部分光线由于衍射向栅条 229 上方传输， 第二部分与第一部分光线 在顶部电极 230 叠加， 形成明暗相间的条带。衍射的原理以及形成明暗相间的条带的原理 与现有的光栅光阀的原理相同， 作为本领域技术人员的公知技术， 这里不做详细的描述。
若控制电路对第二控制端 202、 第三控制端 203 之间没有施加电信号或者撤去电 信号， 则在顶部电极 230、 可动电极 212 之间产生的第一静电力消失， 第二导电插塞 215 恢 复至弹性形变前的状态， 从而可动电极 212 在第二导电插塞 215 的牵引作用下， 进行偏移运 动至放松状态。此时所述可动电极 212 位于第二位置， 可动电极 212 的光线反射面与顶部 电极 230 之间具有第二预定距离， 所述第二预定距离应等于第二光线波长的 1/4 的奇数倍， 此时， 若入射至光调制器像素单元的白色光线被过滤为第二光线， 则第二光线经过顶部电 极 230 被分为第一部分和第二部分， 其中第一部分被顶部电极 230 的栅条 229 的光线反射 面反射， 第二部分则透过顶部电极 230 的栅孔 223 传输至可动电极 212 的光线反射面， 然后 被光线反射面反射至顶部电极 230 的栅条 229 处， 在顶部电极 230 的栅条 229 处发生衍射 并向上传输， 第二部分光线由于衍射向栅条 229 上方传输， 第二部分与第一部分光线在顶 部电极 230 叠加， 形成明暗相间的条带。衍射的原理以及形成明暗相间的条带的原理与现 有的光栅光阀的原理相同， 作为本领域技术人员的公知技术， 这里不做详细的描述。
可动电极 212、 底部电极 205 之间设置有底部绝缘层 211， 所述可动电极 212、 底部 绝缘层 211、 底部电极 205 构成第二电容结构。若控制电路对第一控制端 202、 第二控制端 204 之间施加电信号 ( 相当于对第二电容结构充电 )， 则在可动电极 212、 底部电极 205 之间 产生第二静电力， 所述第二静电力使得可动电极 212 朝向底部电极 205 偏移运动 ( 第二导 电插塞 215 与可动电极 212 电连接， 从而第二导电插塞 215 发生弹性变形 )， 所述可动电极 212 会移动至可动电极 212 与空腔 219 底部接触， 此时所述可动电极 212 位于第三位置， 可 动电极 212 的光线反射面与顶部电极 230 之间具有第三预定距离， 所述第三预定距离应等于第三光线波长的 1/4 的奇数倍， 此时， 若入射至光调制器像素单元的白色光线被所述滤 光片 235 过滤为第三光线， 则第三光线经过顶部电极 230 被分为第一部分和第二部分， 其中 第一部分被顶部电极 230 的栅条 229 的光线反射面反射， 第二部分则透过顶部电极 230 的 栅条 223 传输至可动电极 212 的光线反射面， 然后被光线反射面反射至顶部电极 230 的栅 条 223， 在栅条 223 处发生衍射并向上传输， 第二部分光线由于衍射向栅条 229 上方传输， 第 二部分与第一部分光线在顶部电极 230 叠加， 形成明暗相间的条带。衍射的原理以及形成 明暗相间的条带的原理与现有的光栅光阀的原理相同，
从上述分析可知， 以第一光线为蓝色光线， 第二光线为绿色光线， 第三光线为红色 光线为例， 在光调制器像素单元 200 输入白色光线， 所述光调制器像素单元 200 如果作为蓝 色光线的调制器， 即白色光线被滤光片 235 过滤为蓝色光线， 若可动电极 212 的光线反射面 与顶部电极 230 的距离等于蓝色光线波长的 1/4 奇数倍时， 所述光调制器像素单元 200 输 出为全黑， 若可动电极 212 的光线反射面与顶部电极 230 的距离等于红色光线或绿色光线 的 1/4 奇数倍时， 所述光调制器 200 输出为蓝色光线， 从而通过控制某一固定的时间段内光 调制器输 200 输出的蓝色光线和全黑的时间的比例， 可以控制所述光调制器像素单元 200 输出的蓝色光线的灰度。 同理， 所述光调制器像素单元 200 作为绿色光线的调制器， ， 可以控制所述光调制 器像素单元 200 输出的绿色光线的灰度 ；
同理， 所述光调制器像素单元 200 作为红色光线的调制器， ， 可以控制所述光调制 器像素单元 200 输出的红色光线的灰度。
所述 MEMS 光调制器至少包括 3 个前述的光调制器像素单元， 分别是 ：
第一光调制器像素单元， 用于调制第一光线 ；
第二光调制器像素单元， 用于调制第二光线 ；
第三光调制器像素单元， 用于调制第三光线，
所述第一光调制器像素单元、 第二光调制器像素单元、 第三光调制器像素单元的 结构与图 1 所示的光调制器像素单元的结构相同， 具体请参考前一实施例所述。其中所述 第一光线、 第二光线、 第三光线为三基色光线。
当白色光线入射所述 MEMS 光调制器时， 所述第一光调制器像素单元的滤光片使 白色光线中的第一光线透过， 所述第二光调制器像素单元的滤光片使白色光线中的第二光 线透过， 所述第三光调制器像素单元的滤光片使白色光线中的光线透过， 从而所述第一光 调制器像素单元的顶部电极、 底部电极和可动电极配合工作， 对所述第一光线进行调制 ； 所 述第二光调制器像素单元的顶部电极、 底部电极和可动电极配合工作， 对所述第二光线进 行调制 ； 所述第三光调制器像素单元的顶部电极、 底部电极和可动电极配合工作， 对所述第 三光线进行调制。所述第一光调制器像素单元、 第二光调制器像素单元和第三光调制器像 素单元的工作原理请结合第一实施例的光调制器像素单元， 在此不做详细地说明。
由于可以利用白色光线作为光源， 从而本发明所述的 MEMS 光调制器可以直接利 用日光灯或太阳光作为光源， 利用滤光片对日光灯或太阳光发出的白色光线进行过滤， 从 而无需专门的单色光源， 由于滤光片的成本远低于单色光源的成本， 因此本实施例的 MEMS 光调制器的成本比现有的光调制器降低。
本发明实施例的 MEMS 光调制器可以对白光光源发出的白光进行调制， 无需专门
的三基色光源， 从而解决了现有的 MEMS 光调制器无法在白光光源下正常显示的问题， 本发 明的 MEMS 光调制器特别适合应用于平板显示系统。
相应地， 本发明实施例提供一种上述光调制器像素单元的制作方法， 请参考图 4， 包括 ：
步骤 S1， 提供衬底 ；
步骤 S2， 在所述衬底上形成第一介质层 ；
步骤 S3， 在所述第一介质层表面形成底部电极 ；
步骤 S4， 在所述第一介质层和底部电极上形成第二介质层 ；
步骤 S5， 在所述第二介质层内形成第一牺牲层 ；
步骤 S6， 在所述第一牺牲层上形成可动电极 ；
步骤 S7， 在所述可动电极和第二介质层上形成第三介质层 ；
步骤 S8， 在可动电极上的第三介质层内形成第二牺牲层， 所述第二牺牲层的位置 与第一牺牲层的位置对应 ；
步骤 S9， 在所述第三介质层上形成第四介质层 ；
步骤 S10， 在所述第四介质层内形成顶部电极 ；
步骤 S11， 去除第一牺牲层和第二牺牲层， 形成空腔， 所述可动电极悬置于所述空腔内 ； 步骤 S12， 在所述顶部电极上形成滤光片。
下面结合本发明实施例对上述技术方案进行详细地说明。 为了更好地说明本发明 的技术方案， 请结合图 4， 并参考图 5 ～图 13 所示的本发明一个实施例的光调制器像素单元 的制作方法剖面结构示意图。
首先， 请参考如图 5， 提供衬底 201， 所述衬底 201 为半导体衬底。 作为一个实施例， 所述衬底 201 内形成有控制电路， 所述控制电路具有第一控制端 202、 第二控制端 204、 第三 控制端 203。所述第一控制端 202、 第二控制端 204、 第三控制端 203 用于对后续形成的底 部电极、 可动电极、 顶部电极施加电信号， 其布局结构与底部电极、 可动电极、 顶部电极的对 应。根据实际需要可以进行具体设置。
然后， 参考图 6， 在所述衬底 201 上形成第一介质层 207， 并且在第一介质层 207 表面形成底部电极 205。所述底部电极 205 下方的第一介质层 207 内形成有第一导电插塞 206， 所述第一导电插塞 206 电连接底部电极 205 与所述第一控制端 202。
参考图 7， 在所述第一介质层 207 和底部电极 205 的位置形成可动电极 205。具体 地， 在第一介质层 207 上形成第二介质层 228， 所述第二介质层 228 包括底部绝缘层 211。 所 述底部绝缘层 211 位于底部电极 205 上方的第二介质层 228 内。所述底部绝缘层 211 用于 底部电极 205 与后续形成的可动电极之间绝缘。作为优选的实施例， 所述底部绝缘层 211 的材质选择与第二介质层 228 相同的材质， 这样可以在形成第二介质层 228 的同时， 形成所 述底部绝缘层 211， 节约工艺步骤。所述底部绝缘层 211 也可以利用额外的工艺步骤形成。
然后， 仍参考图 7， 对所述第二介质层 228 进行刻蚀， 在所述第二介质层 228 内形成 第一凹槽 208， 露出所述底部绝缘层 211。所述第一凹槽 208 的位置与底部电极 205 的位置 对应， 用于后续形成空腔的第一部分， 提供空间支持后续形成的可动电极进行偏移运动。
然后， 继续参考图 7， 在所述第一凹槽 208 内填充第一牺牲层 209， 所述第一牺牲层
209 覆盖所述底部绝缘层 211。
所述第一牺牲层 209 用于在后续形成可动电极 212 时， 支撑所可动电极 212， 最终 将会被去除， 因此第一牺牲层 209 的材料选自易于被去除的材质， 即所述第一牺牲层 209 优 选与第二介质层 228 以及后续形成的可动电极的材料具有较高刻蚀选择比的材料， 这样在 去除第一牺牲层 209 时可以不破坏其他不希望去除的物质。例如所述第一牺牲层 209 的 材料可以为碳、 锗或者聚酰胺 (polyamide)。本实施例中， 所述第一牺牲层 209 的材质为 非晶碳 (Amorphous Carbon)， 利用等离子体增强化学气相沉积 (PECVD) 工艺形成。为了保 证形成的非晶碳薄膜的质量， 所述等离子增强化学气相沉积的工艺温度范围优选为 350 ～ 450℃。
本发明通过利用等离子体化学气相沉积的方法填充于非晶碳于第一凹槽 208 内， 这样可以与 CMOS 工艺兼容， 并且利用等离子体化学气相沉积方法形成的非晶碳结构致密， 能够通过灰化工艺被氧化为二氧化碳， 易于气化去除， 而不会对器件的其余部分造成影响。 需要说明的是， 在利用等离子体增强化学气相沉积方法在第一凹槽 208 内填充第一牺牲层 209 之后， 需要进行表面平坦化的步骤， 以保证后续制作可动电极时的沉积步骤可以均匀地 沉积金属。
请参考图 8， 在所述第二介质层 228 以及第一牺牲层 209 的表面形成可动电极 212， 所述可动电极 212 与底部电极 205 电学绝缘， 所述可动电极 212 的位置与底部电极 205 对应， 所述可动电极 212 位于通过第二导电插塞 215 与第二光线控制端 204 电连接。在形 成可动电极 212 之前， 需要对应于第二控制端 204、 可动电极 212 的位置形成第二导电插塞 215。所述第二导电插塞 215 关于可动电极 212 的中心对称。所述第二导电插塞 215 贯穿 所述第二介质层 228、 第一介质层 207。所述可动电极 212 远离底部电极 205 的一侧具有光 线反射面， 用于反射光线。
请参考图 14， 为图 8 沿 AA 方向的剖面结构示意图。第一凹槽 208 形成于第二介质 层 228 内， 所述第一凹槽 208 内填充第一牺牲层 209。可动电极 212 通过第二导电插塞 215 与第二控制端 204 电连接。所述第二导电插塞 215 关于可动电极 212 的中心对称分布。由 于第二导电插塞 215 一方面用于将可动电极 212 电连接， 另一方面， 用于将后续形成的可动 电极 212 悬空于后续形成的空腔内， 并且支撑可动电极 212 运动。由于可动电极 212 在控 制电路的静电力作用下偏移运动， 设置所述第二导电插塞 215 应关于可动电极 212 的中心 对称分布， 这样保证可动电极 212 受到的静电力平衡。在保证可动电极 212 受到的静电力 平衡的前提下， 第二导电插塞 215 的数目还可以为 3 个或多个， 其排布可以根据具体情况进 行选择， 在此不做详细的说明。
本实施例中， 所述第一凹槽 208 以及位于第一凹槽 208 内的部分可动电极 212 形 状为方形。 在其他的实施例中， 所述第一凹槽 208 以及位于第一凹槽 208 内的可动电极 212 形状还可以为其他的形状， 例如圆形等。
所述可动电极 212 的厚度范围为 500 ～ 10000 埃。
下面请参考图 8， 由于可动电极 212 的材质为金属， 为了防止制作工艺限制导致的 金属表面不均匀或反复移动底部电极造成金属疲劳失效， 作为可选的实施例， 在形成可动 电极 212 之后， 需要形成覆盖可动电极 212 的顶部绝缘层 214、 所述顶部绝缘层 214 的材质 选择具有一定刚性的透明绝缘物质， 以免影响可动电极 212 的光线反射面反光效果。所述顶部绝缘层 214， 用于可动电极 212 与后续形成的顶部电极电学绝缘。
参考图 9， 在所述第二介质层 228、 可动电极 212 上方形成第三介质层 216， 在所述 第三介质层 216 内形成第二凹槽 217， 所述第二凹槽 217 的位置与第一凹槽 208 对应。所述 第二凹槽 217 用于后续形成空腔的第二部分。
然后， 在所述第二凹槽 217 内填充第二牺牲层 218。所述第二凹槽 217 内的第二 牺牲层 218 用于支撑后续形成的顶部电极， 最终第二牺牲层 218 将与第一凹槽 208 内的第 一牺牲层 209 被移除， 以便所述第二凹槽 217 和第一凹槽 208 共同构成空腔。所述第二牺 牲层 218 的材质应选用易移除的材质， 即所述第二牺牲层 218 优选与第三介质层 216 以及 可动电极 212 的材料具有较高刻蚀选择比的材料， 这样在去除第二牺牲层 218 时可以不 破坏其他不希望去除的物质。例如所述第二牺牲层 218 的材料可以为碳、 锗或者聚酰胺 (polyamide)。 本实施例中， 所述第二牺牲层 218 的材质选择与第一牺牲层 209 相同的材质， 其制作方法可以参考形成第一牺牲层 209 的方法， 并且， 所述第二牺牲层 218 可以与第一牺 牲层 209 在同一工艺步骤中移除。
然后， 参考图 10， 在所述第三介质层 216 上形成第四介质层 220， 所述第四介质层 220 内形成有顶部电极 230。所述顶部电极 230 位于第二凹槽 217 上方。
所述顶部电极 230 的结构请结合图 2。所述顶部电极 230 为光栅， 所述光栅包括 至少两个栅条 229， 相邻的栅条 229 之间为栅孔 223， 所述栅孔 223 内填充有透明绝缘物质。 所述栅孔 223 内填充的透明绝缘物质可以为氧化硅、 氮氧化硅、 碳化硅、 氮化硅或者其中的 组合。
所述栅条 229 的材质为金属， 所述金属可以是银、 铝、 铜、 钛、 铂金、 金、 镍、 钴或者 其中的组合。所述可动电极 212 的厚度范围为 500 ～ 10000 埃。所述栅条 229 远离可动电 极 212 的一侧为光线反射面。 作为优选的实施例， 所述栅条 229 的材质为与可动电极 212 相 同的材质， 这样栅条 229 的光线反射面的反射率与可动电极 212 的光线反射面的反射率相 同。作为优选的实施例， 所述栅条 229 的宽度等于所述栅孔 223 的宽度， 这样入射所述顶部 电极 230 的光线可以被等分为第一部分和第二部分， 其中第一部分被栅条 229 反射， 第二部 分透过栅孔 229 入射至可动电极 212 的光线反射面。其中所述栅条 229 的宽度具体是指， 位于两个栅孔 229 之间的栅条 229 的一侧到另一侧的距离。所述栅孔 223 的宽度是指， 一 个栅条 229 的一侧到与之相邻的另一栅条 229 的一侧距离。图 10 中栅条 229 的数目为 5 个， 在实际中， 栅条 229 的数目可以根据实际进行设置。
所述顶部电极 230 的栅条 229 通过第三导电插塞 222 与第三控制端 203 电连接。 因此， 在形成第四介质层 220 和顶部电极 230 之前， 还需要进行金属化工艺， 形成第三导电 插塞 222。具体的制作方法与现有技术相同， 在此不做赘述。
然后， 参考图 11， 刻蚀所述第四介质层 220， 形成通孔 225， 所述通孔 225 位于栅孔 223 内。所述通孔 225 露出所述第二牺牲层 217 表面。所述通孔 225 露出第二牺牲层 218， 所述通孔 225 用于通入气体或液体， 进行去除第一牺牲层 209 和第二牺牲层 218。所述通 孔 225 深宽比不宜过大， 以避免厚度沉积工艺难以将其封堵 ； 也不宜过小， 以免影响去除第 一牺牲层 209 和第二牺牲层 218 的效果， 所述深宽比根据要去除的牺牲层材质、 厚度进行具 体调节选择。本领域技术人员可以根据上述原则进行自由调制， 并经过有限次实验获得较 为优化的范围。本实施中， 所述通孔 225 的深宽比范围为 0.3 ～ 1.5。以第一牺牲层 209 和第二牺 牲层 218 的材质为非晶碳为例， 本实施例利用灰化工艺 ( 干法刻蚀工艺的一种 ) 去除非晶 碳， 具体为 ： 在高温下 (100 ～ 350 摄氏度 )， 向所述通孔内通入氧离子， 利用所述氧离子轰 击非晶碳， 将所述非晶碳氧化为气态的氧化物， 这样可以有效将牺牲层去除， 而不对其他结 构造成损伤。
然后参考图 12， 然后去除第一凹槽 208 内的第一牺牲层 ( 未示出 ) 和第二凹槽 217 内的第二牺牲层 ( 未示出 )， 在第四介质层表面形成覆盖层 226， 所述覆盖层 226 覆盖通孔 ( 未示出 )， 将通孔封闭。在所述第一凹槽 208 内的第一牺牲层和第二凹槽 217 内的第二牺 牲层被去除以后， 第一凹槽 208 和第二凹槽 217 形成空腔 219， 其中第一凹槽 208 作为所述 空腔 219 的第一部分， 所述第二凹槽 217 作为所述空腔 219 的第二部分， 可动电极 212 位于 空腔 219 内。
所述覆盖层 226 用于封闭通孔， 其材质可以为氧化硅、 氮化硅或氮氧化硅或者其 中的组合。作为优选的实施例， 所述覆盖层 226 的材质与第四介质层 220、 第三介质层 216、 第二介质层 228、 第一介质层 207 的材质相同， 并与第四介质层 220、 第三介质层 216、 第二介 质层 228、 第一介质层 207 构成层间介质层 227， 用于各个电极以及导电插塞之间相互绝缘。 接着， 请参考图 13， 在所述覆盖层 226 上形成滤光片 235。所述滤光片 235 的厚度 需要形成的光调制器像素单元的进行具体设置。具体地， 当需要形成的光调制器像素单元 用于调制红色光线时， 所述滤光片 235 应满足对入射的白色光线中的蓝色光线和绿色光线 过滤， 将红色光线输出至顶部电极 230 ； 当需要形成的光调制器像素单元能用于调制绿色 光线时， 所述滤光片 235 应满足对入射的白色光线中的蓝色光线和红色光线过滤， 将绿色 光线输出至顶部电极 230 ； 当需要形成的光调制器像素单元能用于调制蓝色光线时， 所述 滤光片 235 应满足对入射的白色光线中的绿色光线和红色光线过滤， 将蓝色光线输出至顶 部电极 230。
需要说明的是， 上述实施例形成的光调制器像素单元仅能够用于单色光线调制。 对于需要应用于彩色显示时， 本发明的实施例提供一种 MEMS 器件的制作方法， 所述方法制 作至少三个光调制器像素单元， 所述方法包括 ：
形成第一光调制器像素单元， 用于调制第一光线 ；
形成第二光调制器像素单元， 用于调制第二光线 ；
形成第三光调制器像素单元， 用于调制第三光线，
所述第一光调制器像素单元、 第二光调制器像素单元、 第三光调制器像素单元的 结构的制作方法与前一实施例所述的光调制器像素单元的制作方法相同， 所述第一光线、 第二光线、 第三光线为三基色光线。
综上， 本发明的实施例所述的光调制器像素单元由于加装了滤光片， 因此， 所述光 调制器像素单元可以白光光源 ( 例如是包括太阳在内的自然光源或普通的日光灯 ) 作为入 射光线， 而无需专门的单色光源作为入射光线， 由于滤光片和白光光源的成本之和通常远 远低于单色光源的成本， 因此， 本发明所述的光调制器像素单元与现有的采用单色光源的 光调制器像素单元相比， 成本大大降低 ；
本发明的实施例提供 MEMS 光调制器， 所述 MEMS 光调制器包括用于调制第一光线 的第一光调制器像素单元、 用于调制第二光线的第二光调制器像素单元和用于调制第三光
线的第三光调制器像素单元， 所述第一光调制器像素单元、 第二光调制器像素单元和第三 光调制器像素单元包括滤光片， 所述滤光片将白色光线过滤为三基色光线， 使得所述第一 光调制器像素单元、 第二光调制器像素单元和第三光调制器像素单元能够分别调制第一光 线、 第二光线或第三光线， 本发明实施例的 MEMS 光调制器可以对白光光源发出的白光进行 调制， 无需专门的三基色光源， 从而解决了现有的 MEMS 光调制器无法在白光光源下正常显 示的问题， 本发明的 MEMS 光调制器特别适合应用于平板显示系统。本发明虽然已以较佳实 施例公开如上， 但其并不是用来限定本发明， 任何本领域技术人员在不脱离本发明的精神 和范围内， 都可以利用上述揭示的方法和技术内容对本发明技术方案做出可能的变动和修 改， 因此， 凡是未脱离本发明技术方案的内容， 依据本发明的技术实质对以上实施例所作的 任何简单修改、 等同变化及修饰， 均属于本发明技术方案的保护范围。