光调制器像素单元及其制作方法

专利名称：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) 0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光调制器像素单元、MEMS光调制器及其制作方法，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。为了解决上述问题，本发明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，位于所述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，所述顶部电极为半透光的金属薄膜；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，使得三基色光线中的一种透过顶部电极并经可动电极反射后的光线在顶部电极发生干涉。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、钼金、金、镍、钴或者其中的组合。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、钼金、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，本发明实施例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，所述顶部电极为半透光的金属薄膜。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童年空且将所述通孔封闭，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、钼金、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。


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是本发明的另一个实施例的光调制器像素单元制作方法流程示意图。图4 图11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。图12是图7沿AA的剖面结构示意图。
具体实施例方式发明人发现，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，利用光的干涉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。下面对本发明的光调制器像素单元的器件结构进行说明。请参考图2，图2是本发明一个实施例的光调制器像素单元的结构示意图。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内形成有空腔219，位于所述层间介质层227内，所述空腔219具有空腔壁；底部电极205，位于所述衬底201上，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221，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221的位置与所述底部电极205的位置对应，所述顶部电极221与控制电路的第三控制端203电连接，所述顶部电极221为半透光的金属薄膜；滤光片235，位于所述顶部电极221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221之间的空腔内，所述可动电极212与控制电路的第二控制端204电连接，所述可动电极212面向顶部电极221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221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221、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，入射至光调制器像素单元200的第一光线的经由顶部电极221反射的光线与透过顶部电极221的由可动电极212反射的并再透过顶部电极221的光线发生相消干涉；当可动电极212位于第二位置时，入射至光调制器像素单元200的第二光线的经由顶部电极221反射的光线与透过顶部电极221的由可动电极212反射的并再透过顶部电极 221的光线发生相消干涉；当可动电极212位于第三位置时，入射至光调制器像素单元200 的第三光线的经由顶部电极221反射的光线与透过顶部电极221的由可动电极212反射的并再透过顶部电极221的光线的发生相消干涉；所述第一光线、第二光线、第三光线为三基色光线。具体地，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内的各个结构(例如可动电极212、顶部电极221和底部电极20 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2，作为一个实施例，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，所述第二部分217位于空腔219的上部。所述底部电极205位于所述衬底201上并与衬底201之间的层间介质层227内。所述顶部电极221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221的面积。所述可动电极212，位于所述底部电极205与顶部电极221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221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221 之间以及所述可动电极212与底部电极221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221之间具有顶部绝缘层 224，所述顶部绝缘层2M包括位于可动电极212上的第二绝缘层214和顶部电极221之间的第一绝缘层223，所述第一绝缘层223直接采用部分层间介质层227。此外，还可以在顶部电极221下方额外形成绝缘材料以便对可动电极212和顶部电极221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221、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221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221电连接。进一步地，所述顶部电极221用于分光，即用于将从顶部电极221上方入射的光线一分为二，因此所述顶部电极221为半透光的金属薄膜。发明人发现，金属薄膜在厚度为 30 300埃时，具有半透光的性质，可以将入射光线一半透过，一半反射。发明人还发现，金属薄膜半透光的性质主要取决于金属层的厚度，与入射光线的波长关系不大。本发明利用金属薄膜厚度为30 300埃时具有半透光的性质，将其作为半透光薄膜，进行分光。其中， 所述金属为银、铝、铜、钛、钼金、金、镍、钴或者其中的组合。由于顶部电极221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221，由于所述顶部电极221远离底部电极205的表面为光线反射面，因此，从顶部电极221上方入射的第一光线、第二光线或第三光线被顶部电极221分为第一部分和第二部分。即第一部分被顶部电极221反射面反射，第二部分透过所述顶部电极221入射可动电极212。作为一个实施例，所述可动电极212的材质为金属，所述金属为银、铝、铜、钛、钼金、金、镍、钴或者其中的组合。所述可动电极212的厚度范围为800 10000埃。
进一步地，参考图2所示，所述第一绝缘层223为层间介质层227的一部分，这样不需要额外的工艺步骤形成第一绝缘层223。所述第二绝缘层214形成于所述可动电极212 的光线反射面上方。所述第二绝缘层214为额外形成的电绝缘层，所述电绝缘层的材质为氧化硅、氮氧化硅、碳化硅、氮化硅或者其中的组合。作为本发明的一个实施例，所述第二绝缘层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223的材质为金属，制作过程中工艺条件的限制会造成厚度不均勻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上方设置第二绝缘层214，可以增大可动电极212的刚性。因此，本发明所述的可动电极212在空腔219内偏移运动的时候，可动电极212上方的第二绝缘层214也会跟随可动电极212 —起进行偏移运动，另外，由于第二绝缘层214 是完全透光的，因此光线可以穿过第二绝缘层214到达可动电极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的光线反射面设置第二绝缘层214。此时，顶部绝缘层仅由第一绝缘层223构成，即可动电极212和顶部电极221之间仅有第一绝缘层223 进行电学绝缘，本实施例中，所述第一绝缘层223直接利用所述层间介质层的一部分，也可以额外在顶部电极221下形成绝缘材料，比如采用氧化硅、氮氧化硅、碳化硅、氮化硅或者其中的组合。本发明所述的顶部绝缘层224的厚度与调制的入射光线的波长有关，因此，顶部绝缘层2M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224 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221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221之间没有间隙，只有顶部绝缘层224，因此所述顶部绝缘层224的厚度与顶部电极221的厚度之和应等于第一光线波长的1/4的奇数倍。所述顶部绝缘层2M确定后，第一绝缘层223和第二绝缘层214的厚度可以根据实际情况进行设置。所述可动电极212与底部电极205之间的底部绝缘层211用于可动电极212与底部电极205电学绝缘。作为本发明的一个实施例，所述底部绝缘层211可以为所述层间介质层227的一部分，这样无需额外制作电学绝缘层；作为本发明的又一实施例，所述底部绝缘层211为额外制作的电学绝缘层，其材质选自氧化硅、氮氧化硅、碳化硅、氮化硅或者其中的组合。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。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，由于可动电极212通过第二导电插塞215接收来自控制电路的静电力，在保证可动电极212受到的静电力平衡的情况下，第二导电插塞212的排布可以根据实际进行设置。下面结合图2，所述控制电路通过第一控制端202、第二控制端204、第三控制端 203分别与所述底部电极205、可动电极212、顶部电极221电连接。由于顶部电极221、可动电极212之间设置顶部绝缘层224，因而顶部电极221、顶部绝缘层2M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204、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221、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上方的第二绝缘层214)向顶部电极221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224的第一绝缘层223与第二绝缘层214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221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，若第一光线入射至光调制器像素单元200，则第一光线经过顶部电极221被分为第一部分和第二部分，其中第一部分被顶部电极221反射，第二部分则透过顶部电极221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221，并透过顶部电极221向上传输，从而第一光线的第二部分相对于第一部分的波长差为第一光线波长的1/2的奇数倍。由于第一光线的第二部分和第一部分频率相同，并且第二部分相对于第一部分的波长差为第一光线波长的1/2的奇数倍，因此，第一光线的第二部分与第一部分会发生相消干涉，光调制器像素单元200输出为零(全黑)。若控制电路对第二控制端204、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221、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221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，若第二光线入射至光调制器像素单元200，则第二光线经过顶部电极221被分为第一部分和第二部分，其中第一部分被顶部电极221反射，第二部分则透过顶部电极221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221，并透过顶部电极221向上传输，从而第二光线的第二部分相对于第一部分的波长差为第二光线波长的1/2的奇数倍。由于第二光线的第二部分和第一部分频率相同，并且第二部分相对于第一部分的波长差为第二光线波长的1/2的奇数倍，因此，第二光线的第二部分与第一部分发生相消干涉， 光调制器像素单元200输出为零(全黑)。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221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，若第三光线入射至光调制器像素单元200，则第三光线经过顶部电极221被分为第一部分和第二部分，其中第一部分被顶部电极221反射，第二部分则透过顶部电极221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221，并透过顶部电极221向上传输，从而第三光线的第二部分相对于第一部分的波长差为第三光线的波长的1/2的奇数倍。由于第三光线的第二部分和第一部分频率相同，并且第二部分与第一部分的波长差为第三光线的波长的1/2的奇数倍，因此，第三光线第二部分与第一部分发生相消干涉，光调制器像素单元200输出为零(全黑)。从上述分析可知，当可动电极212的光线反射面与顶部电极221的距离等于第一光线波长的1/4奇数倍时，光调制器像素单元200输入第一光线，输出为全黑，若光调制器像素单元200输入第二光线或第三光线，则此时的光调制器像素单元200相对于第二光线和第三光线为镜面，即光调制器像素单元200输入第二光线，反射第二光线并将其输出；或输入第三光线，同样反射第三光线并将其输出。同理，对于当可动电极212的光线反射面与顶部电极221的距离等于第二光线波长的1/4奇数倍时，光调制器像素单元200输入第二光线，输出为全黑；光调制器像素单元 200输入第三光线或第一光线，则此时光调制器像素单元200相对于第三光线或第一光线为镜面，即光调制器像素单元200输入第一光线，反射第一光线并将其输出；光调制器像素单元200输入第三光线，反射第三光线并将其输出。对于当可动电极212的光线反射面与顶部电极221的距离等于第三波长的1/4奇数倍时，光调制器像素单元200输入第三光线，输出为全黑；此时光调制器像素单元200相对于第一光线或第二光线为镜面，即光调制器像素单元200输入第一光线，反射第一光线并将其输出；或输入第二光线，反射第二光线并将其输出。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。本发明还提供了一种光调制器像素单元的制作方法，请参考图5，为本发明另一个实施例的光调制器像素单元制作方法流程示意图。所述方法包括步骤Si，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，在所述第四介质层内形成顶部电极；步骤S10，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。下面结合实施例对本发明的技术方案进行详细的说明。请参考图4 图11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4，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。作为本发明的其他实施例，所述控制电路还可以形成于另一个半导体衬底内，通过导电结构与衬底201内后续形成的底部电极、可动电极和顶部电极电连接。然后，参考图5，在衬底201上形成第一介质层207，并且在所述第一介质层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与第一控制端202。然后，请参考图6，在第一介质层207上形成第二介质层228，所述第二介质层2 包括底部绝缘层211。所述第二介质层2 的材质选自氧化硅、氮氧化硅、碳化硅、氮化硅或者其中的组合。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，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。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2 相同的材质，这样可以在形成第二介质层2 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，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。然后，仍参考图6，对所述第二介质层2 进行刻蚀，在所述第二介质层2 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6，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时，支撑所述可动电极，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°C。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勻地沉积金属。
请参考图7，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的位置形成至少两个第二导电插塞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12，为图7沿AA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 —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内的部分可动电极212形状还可以为其他的形状，例如圆形等。所述可动电极212的材质选自金属，所述金属可以是、铝、铜、钛、钼金、金、镍、钴或者其中的组合。所述可动电极212的厚度范围为800 10000埃。下面请参考图7，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勻或反复移动底部电极造成金属疲劳失效，作为优选实施例，在形成可动电极212之后，需要形成覆盖可动电极212的第二绝缘层214。所述第二绝缘层214的材质选择具有一定刚性透明绝缘物质，以免影响可动电极212的光线反射面反光效果，同时也增大了可动电极212的刚性。所述第二绝缘层214与后续的第一绝缘层共同构成顶部绝缘层，用于可动电极212与后续形成的顶部电极之间的电学绝缘。参考图8，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9，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内形成有第一绝缘层223和顶部电极221，所述第一绝缘层223位于第二凹槽217上方，所述顶部电极221位于第一绝缘层223上方。一方面，所述第一绝缘层223用于在第二牺牲层218被移除后，将所述第二凹槽217和第一凹槽208封闭成为空腔，另一方面，所述第一绝缘层223与可动电极212上覆盖的第二绝缘层214共同构成顶部绝缘层224。所述第一绝缘层223的材质选自氧化硅、氮氧化硅、碳化硅、氮化硅或者其中的组合。作为优选的实施例，所述第一绝缘层223的材质与所述第四介质层220的材质相同，这样，可以在形成第四介质层223的同时形成，节约工艺步骤。作为本发明的又一实施例，所述第一绝缘层 223还可以利用额外的工艺步骤形成，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。所述顶部电极221的位置与可动电极212对应。所述顶部电极221 —侧与第三导电插塞222电连接。在形成底部电极221之前，需要进行金属化工艺，对应于第三控制端203 和顶部电极221的位置形成第三导电插塞222。所述第三导电插塞222贯穿部分所述第四介质层220、第三接介质层216、第二介质层228、第一介质层207，所述第三导电插塞222连接顶部电极221与第三控制端203。所述顶部电极221用于分光(即将入射其表面的光线一半反射，一半透过)，所述顶部电极221为半透光的金属薄膜。本实施例中，顶部电极221的材质选自金属，所述顶部电极221的厚度为30 300埃，在所述厚度范围内，顶部电极221具有半透光的性质。所述第一绝缘层223和第二绝缘层214共同构成顶部绝缘层224。所述顶部绝缘层2M用于可动电极212向顶部电极221运动时，使得可动电极212和顶部电极221相互电学绝缘，并且控制可动电极212和顶部电极221之间的距离为第一预定距离(第一预定距离等于第一光线波长的1/4)。在实际中，所述顶部绝缘层224的厚度需要等于第一预定距离。在满足顶部绝缘层224的厚度需要等于第一预定距离的前提下，第一绝缘层223和第二绝缘层214的厚度可以根据实际进行设置。在可动电极212的刚性符合要求的前提下， 第一绝缘层223的厚度可以为零。然后，参考图10，刻蚀所述第四介质层220，形成通孔225，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11，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2 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2 用于封闭通孔，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。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。然后再所述覆盖层2 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221 ；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221 ；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221。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。
权利要求
1.一种光调制器像素单元，其特征在于，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，位于所述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，所述顶部电极为半透光的金属薄膜；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，使得三基色光线中的一种透过顶部电极并经可动电极反射后的光线在顶部电极发生干涉。
2.如权利要求1所述的光调制器像素单元，其特征在于，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。
3.如权利要求1所述的光调制器像素单元，其特征在于， 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。
4.如权利要求3所述的光调制器像素单元，其特征在于，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。
5.如权利要求3所述的光调制器像素单元，其特征在于，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。
6.如权利要求1所述的光调制器像素单元，其特征在于，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、钼金、金、镍、钴或者其中的组合。
7.如权利要求1所述的光调制器像素单元，其特征在于，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、钼金、金、镍、钴或者其中的组合。
8.如权利要求1所述的光调制器像素单元，其特征在于，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。
9.一种如权利要求1所述的光调制器像素单元的制作方法，其特征在于，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。
10.如权利要求9所述的光调制器像素单元的制作方法，其特征在于，所述顶部电极为半透光的金属薄膜。
11.如权利要求9所述的光调制器像素单元的制作方法，其特征在于，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。
12.如权利要求11所述的光调制器像素单元的制作方法，其特征在于，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童年空且将所述通孔封闭，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。
13.如权利要求9所述的光调制器像素单元的制作方法，其特征在于，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。
14.如权利要求9所述的光调制器像素单元的制作方法，其特征在于，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、钼金、金、镍、钴或者其中的组I=I O
15.如权利要求9所述的光调制器像素单元的制作方法，其特征在于，还包括在所述可动电极上形成顶部绝缘层的步骤。
全文摘要
本发明实施例提供MEMS光调制器像素单元及其制作方法，所述光调制器像素单元包括位于衬底上的层间介质层，位于层间介质层内的空腔；位于衬底上的层间介质层内、且与所述空腔的位置对应的底部电极、可动电极和顶部电极；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；所述可动电极具有光线反射面，所述顶部电极为半透光的金属薄膜，利用所述可动电极在空腔内的运动，使得所述光调制器能够对将滤光片转换后的三基色光线进行调制。本发明实施例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。
文档编号B81C1/00GK102360119SQ20111029838
公开日2012年2月22日 申请日期2011年9月29日 优先权日2011年9月29日
发明者唐德明, 毛剑宏 申请人:上海丽恒光微电子科技有限公司