Phasenmodulierende Milcrostrukturen für höchstintegrierte
Flachen1ichtmodulatoren
Beschreibung
Die vorliegende Erfindung bezieht sich auf höchstintegrierte Flachen1ichtmodulatoren für Lichtventile und insbesondere auf phasenmodulierende Strukturen für die Phasenmodulation von auf die Strukturen einfallendem Licht.
Flächenlichtmodulatoren, welche für Lichtventile eingesetzt werden, werden seit längerer Zeit in Verbindung mit soge¬ nannten Schlieren-Abbildungssystemen in Projektoranwendungen oder auch bei der Direktbelichtung von Halbleiterwafern ver¬ wendet. Dabei werden elektronische Bildinformationen in ent¬ sprechende Phasenmodulationen eines Lichtstrahls umgewan¬ delt, welche durch die Flächenlichtmodulatoren erzeugt wer¬ den. Das Schlieren-Abbildungssystem wandelt dann die Pha¬ senmodulationen des Lichtstrahls in Lichtintensitätsvaria¬ tionen an einer Beobachtungsebene um, indem beispielsweise das unmodulierte Licht abgeblockt wird, und das Licht, das auf modulierte Bereiche des Flächenlichtmodulators fällt, durchgelassen wird. Der Modus, bei dem das modulierte Licht zu der Beobachtungsebene gelangt, wird positiver Modus ge¬ nannt. Ist das Schlieren-Abbildungssystem derart angeordnet, daß lediglich das unmodulierte Licht zu der Beobachtungε- ebene gelangt und das modulierte Licht abgeblockt wird, ar¬ beitet die gesamte Belichtungsanordnung im sogenannten Nega- tivmodus.
Zum besseren Verständnis des Anwendungsbereichs der vorlie¬ genden Erfindung wird nachfolgend kurz auf ein Schlieren-Ab¬ bildungssystem, bei dem ein bekannter Flächenlichtmodulator verwendet wird, eingegangen. Diese bekannte BelichtungsVor¬ richtung ist in der WO 91/17483 offenbart.
Eine Lichtquelle, die oft als Laser ausgeführt ist, sendet
Licht über eine Strahlaufweitungsoptik und eine Fokussie- rungsoptik auf eine Balkenspiegelanordnung, welche daε Licht durch ein Schlieren-Objektiv hindurch auf einen Flächen- lichtmodulator reflektiert. Abhängig davon, ob ein Bildele¬ ment des Flächenlichtmodulators angesteuert ist oder nicht, wird Licht, das von dem Flächenlichtmodulator reflektiert wird, entweder durch das Schlieren-Objektiv wieder auf die Balkenspiegelanordnung reflektiert oder das Licht gelangt an derselben vorbei in ein Projektionsobjektiv, welche dieses Licht dann auf eine Beobachtungsebene abbildet. In dieser Beobachtungsebene kann beispielsweise ein zu belichtender Wafer positioniert sein.
Wie bereits oben angemerkt wurde, kann die gesamte Schlie¬ ren-Abbildungsanordnung entweder das Licht auf die Beobach¬ tungsebene abbilden, das durch den Flächenlichtmodulator moduliert worden ist, d.h. entsprechend dem Positivmodus, oder die optische Anordnung kann das Licht, das von dem Flächenlichtmodulator nicht moduliert worden ist, auf die Beobachtungsebene abbilden, was dem Negativmodus entspricht, wobei das modulierte Licht von der Beobachtungsebene abge¬ blockt wird und beispielsweiεe zurück in die Lichtquelle re¬ flektiert wird.
Bei der BelichtungsVorrichtung, die in der WO 91/17483 be¬ schrieben ist, wird ein Flächenlichtmodulator verwendet, der eine viskoelastische Steuerεchicht aufweist, die in Richtung zu dem Schlieren-Objektiv hin von einer reflektierenden Oberfläche abgeεchlossen iεt, welche beiεpielsweise ein Me¬ tallfilm εein kann. Der Flächenlichtmodulator weist ferner eine εogenannte aktive Adressierungsmatrix aus, die aus ei¬ ner monolithisch integrierten Anordnung von MOS-Tranεiεto- ren, welche auch aktive CMOS-Matrix genannt wird, mit zuge¬ ordneten Steuerelektrodenpaaren gebildet εein kann. Jedem Bildelement oder Oberflächenbereich der reflektierenden Oberfläche des Lichtmodulators sind zwei Transistoren mit einem oder mehreren Elektrodenpaaren zugeordnet, die jeweils ein Diffraktionsgitter mit einer oder mehreren Gitterperio-
den mit der viεkoelastiεchen Schicht und ihrer reflektieren¬ den Oberfläche bilden.
Wie es in dem Artikel mit dem Titel "Deformation behaviour of thin viscoelastic layers used in an active-matrix- adressed spatial light modulator, SPIE, Bd. 1018, Electro- optic and magneto-optic materials" (1988) beschrieben ist, sind für Verformungsamplituden der viskoelastischen Steuer¬ schicht im Bereich von 0,1 μm Spannungen von mindestens etwa ±10 Volt notwendig. Somit müssen die Transistoren der akti¬ ven Matrix mindestens eine Spitze-zu-Spitze-Spannung von 20 V oder mehr aushalten. Viele herkömmliche MOS-Bauelemente besitzen jedoch eine maximale Betriebsspannung von nur etwa 12 V. Daher ist es nicht möglich, bei derartigen Lichtmodu¬ latoren herkömmliche, preisgünstige CMOS-Bauelemente zu ver¬ wenden. Stattdesεen benötigen bekannte Lichtmodulatoren mit einer viεkoelaεtiεchen Schicht speziell dotierte Transisto¬ ren, damit ausreichende Durchbruchsspannungen erreicht wer¬ den können.
Aus dem U.S Patent Nr. 4,728,185 ist ein Flächenlichtmo¬ dulator bekannt, dessen reflektierende Oberfläche aus einer Vielzahl von elektrisch adresεierbaren, mikromechaniεchen Hebelbalken beεteht.
Die JP-A-4 350 819 offenbart eine Variable-Phaεe-Platte, die eine Phasendifferenz mit guter Reproduzierbarkeit und guter Steuerbarkeit erzeugt. Die Variable-Phase-Platte umfaßt ein innereε Dielektrikum in Schichtform, daε mittelε eines ela¬ stischen Materialε in einem entsprechend großen Loch in ei¬ nem äußeren Dielektrikum befestigt ist. Beide Hauptoberflä¬ chen deε inneren Dielektrikums sind mit einer ersten bzw. zweiten Elektrode beschichtet, wobei ebenfalls beide Haupt¬ oberflächen des äußeren Dielektrikums mit einer ersten bzw. einer zweiten Elektrode beschichtet sind. Die Elektroden sind Licht-transmittierende Leiterschichten, an die jeweils ein Potential angelegt werden kann, wird eine bestimmte Spannungsdifferenz an die Elektroden, die auf den Ober-
flächen des inneren Dielektrikums angebracht sind, angelegt, so wird die Dicke des inneren Dielektrikumε verändert. Wird keine oder eine andere Spannungεdifferenz an die Elektroden, die auf den Oberflächen deε äußeren Dielektrikums angebracht sind, angelegt, so wird die Phase von Licht, das durch das innere Dielektrikum läuft, von der Phase des Lichts, daε durch das äußere Dielektrikum läuft, abweichen. Daε elaεti- sche Material, das das innere Dielektrikum mit dem äußeren Dielektrikum verbindet, dient dazu, unterschiedliche Dicken des inneren Dielektrikums und des äußeren Dielektrikums zu¬ zulassen.
Die DE-AS 12 91 416, auf die der Oberbegriff des Patentan- εpruchε 1 zurückgeht, lehrt einen optischen Phasenmodulator, der eine erste, reflektierende Elektrode aufweist, die auf einem Registrierεtreifen aufgebracht ist. Über der ersten Elektrode ist eine piezoelektrische Schicht angeordnet, auf deren von der ersten Elektrode abgewandten Oberfläche eine zweite, transparente Elektrode angebracht ist, die wiederum zur Lichteinfallsrichtung hin von einem durchsichtigen Sub¬ strat bedeckt ist. Durch Anlegen einer Spannung an verschie¬ dene Teile der ersten Elektrode mittels des Registrierstrei- fenε werden die Dicken der Teile der piezoelektriεchen Schicht entεprechend verändert. Hierdurch hat Licht, daε durch einen Teil der piezoelektrischen Schicht, an den eine Spannung angelegt ist, läuft, von der ersten Elektrode re¬ flektiert wird, und wieder durch den einen Teil der piezo¬ elektriεchen Schicht zurückläuft, einen Phasenunterεchied zu Licht, das durch einen anderen Teil der piezoelektrischen Schicht, an den eine andere Spannung angelegt ist, läuft, von der ersten Elektrode reflektiert wird und wieder durch den anderen Bereich der piezoelektrischen Schicht zurück¬ läuft, da die Dicken der Teile der piezoelektrischen Schicht, an die unterschiedliche Spannungen angelegt sind, unterschiedlich sind.
Das US Patent Nr. 4,660,938 offenbart ein Lichtventil, das ein feines Beugungsgitter aufweist, das auf einer transpa-
renten Elektrode gebildet iεt, wobei die Tiefe von Rillen des Beugungsgitters derart ausgelegt ist, daß die optische Weglänge von Licht mit einer gegebenen Wellenlänge, das durch die Räume zwiεchen den einzelnen Beugungεgitterbalken läuft, εich ungeradzahlig bezüglich der halben Wellenlänge von der optischen Weglänge deε Lichtε unterscheidet, das durch das Beugungsgitter läuft. Der transparenten Elektrode gegenüberliegend ist eine weitere transparente Elektrode angeordnet, wobei sich in einem Raum zwischen den beiden Elektroden sowohl Luft als auch eine transparente Flüsεig- keit befinden. Wird an die zwei Elektroden eine Spannung angelegt, so wird ein elektrisches Feld erzeugt, das die Flüssigkeit in die Räume zwischen den Beugungsgitterbalken zieht, wodurch die optische Weglänge von Licht, das durch diese Räume läuft, verändert wird. Da die anfängliche Dif¬ ferenz der optischen Weglänge zwischen Licht, das durch die Beugungsgitterbalken läuft, und Licht, das durch die Räume zwischen denselben läuft, verändert ist, existiert nicht länger eine Auslöschung benachbarter Lichtstrahlen, wodurch Licht durch die Beugungsgitterεtruktur laufen kann. Daε Lichtventil wird εomit bei keiner angelegten Spannung im wesentlichen kein Licht tranεmittieren, während bei ange¬ legter Spannung aufgrund der nun abweichend angeordneten Flüssigkeit Licht durch die Struktur transmittiert wird.
Das US Patent Nr. 3,560,955 offenbart ein optisches Element mit einer Schicht aus einem isotropen transparenten Ma¬ terial, das in der Lage ist, eine Doppelbrechung aufzuwei¬ sen, wenn eε unter eine Belaεtung gestellt wird. Die Bela¬ stung kann durch eine Mehrzahl von belastungserzeugenden Elementen erreicht werden, die im wesentlichen gleichmäßig auf der Schicht verteilt sind, wobei die belastungserzeu¬ genden Elemente elektrostriktive und magnetoεtriktive Ma¬ terialien aufweiεen können und wirkεam mit einer Einrichtung verbunden sind, um vorbestimmte Mengen an Belastungen an die Schicht εteuerbar anzulegen. Daε transparente isotrope Ma¬ terial, das unter einer Belastung eine Doppelbrechungseigen¬ schaft aufweist, ist zwischen einem Polarisationssieb und
einem Analysiersieb angeordnet. Ebenfalls zwischen dem Po¬ larisationssieb und dem Analysiersieb sowie an das isotrope Material angrenzend ist ein elektrostriktiver Wandlerbalken 18 angeordnet, von dem zwei Seiten mit einer Strom-leitenden dünnen Metallbeschichtung beεchichtet εind, welche Elektro¬ den bilden, an die eine Spannung angelegt werden kann, um den elektrostriktiven Wandlerbalken zu verformen, um eine Belastung auf das isotrope Material ausüben zu können, damit dasselbe doppelbrechend wird. Wenn das isotrope Material doppelbrechend wird, kann die Farbe von Licht, das durch das Analysierεieb tranεmittiert wird, verändert werden.
Die GB 15 96 649 lehrt eine Einrichtung zur optiεchen Pha- εenmodulation. Dieεe Einrichtung umfaßt einen Quarzkriεtall, der zwei Licht-transmittierende Endabschnitte aufweist, durch die Lichtstrahlen laufen. Auf dem Quarzkriεtall befin¬ den sich zwei Paare von Elektroden neben den Endabschnitten desselben. Werden an den Elektroden geeignete Spannungen an¬ gelegt, so wird eine Schwingung des Quarzkristalls erreicht, wobei derselbe gebogen wird, um Lichtstrahlen, die durch seine Enden laufen, einer Phasenmodulation zu unterziehen.
Die Aufgabe der vorliegenden Erfindung besteht darin, andere phasenmodulierende Strukturen für die Phasenmodulation von Licht und aus denselben zusammengesetzte Flächenlichtmodula¬ toren zu schaffen.
Diese Aufgabe wird durch eine phasenmodulierende Struktur gemäß Anspruch 1 und durch einen Flächenlichtmodulator gemäß Anεpruch 12 gelöst.
Die Erfindung verwendet den Effekt, daß ein Dielektrikum in daε Feldgebiet einer spannungsbeaufεchlagten Kondensatoran¬ ordnung gezogen wird, bis die Kapazität maximiert ist, bzw. biε das Luftvolumen des Kondensators mit dem Dielektrikum gefüllt ist, wie es nachfolgend bezugnehmend auf die Fig. la und lb detaillierter beschrieben wird.
Besonders durch die Verwendung eines flüssigen Dielektrikums auf einem Spiegel ist es möglich, mit kleinen Spannungen ausreichende Phasenmodulationen eines auf die phasenmodulie¬ rende Struktur gemäß der Erfindung einfallenden Lichts zu erzeugen, wodurch es möglich wird, den Flächenlichtmodula¬ tor, der die erfindungsgemäßen phasenmodulierenden Struktu¬ ren verwendet, mit Hilfe einer aktiven CMOS-Matrix anzusteu¬ ern. CMOS-Bauelemente sind preiεgünεtig, weiεen einen εehr niedrigen Leiεtungεverbrauch auf und εind höchεtintegriert herstellbar.
Ein weiterer Vorteil der Erfindung besteht darin, daß die zum Erzeugen einer bestimmten Phasenmodulation erforderli¬ chen Spannungen mit kleiner werdenden Strukturen ebenfalls abnehmen, weswegen beispielsweise thermische Verlustleiεtun- gen bei höchεtintegrierten Lichtventilen gemäß der vorlie¬ genden Erfindung klein sind, und weswegen bei kleineren Strukturen gleichzeitig auch kleinere Transistoren für die Steuerung der kleineren Spannungen verwendet werden können. Das heißt, daß die erfindungsgemäßen Strukturen ein gutar¬ tiges Skalierverhalten aufweisen.
Ferner ermöglichen phasenmodulierende Strukturen gemäß der vorliegenden Erfindung in Verbindung mit einer aktiven CMOS-Matrix eine weitreichende Miniaturisierung des Flächen¬ lichtmodulatorε, wodurch kleinεte Bildelementflächen bei gleichzeitig extrem großen Bildelementzahlen (106-109) mög¬ lich εind. Die zu erreichenden Phasenmodulationen deε Lichtε durch die Bildelemente liegen vorzugεweise im Bereich von Null bis π, wobei jedoch auch größere Phasenmodulationen möglich sind.
Die Miniaturisierung der Flächenlichtmodulatoren ist insbe¬ sondere darin vorteilhaft, daß beispielsweiεe bei der Di¬ rektbelichtung von Halbleiterwafern auf aufwendige und ver- luεtreiche, stark verkleinernde optische Anordnungen ver¬ zichtet werden kann, da die Abmessungen der erreichbaren Flächenlichtmodulatoren bereits in die Größenordnungen bei-
spielsweise eines zu belichtenden Wafers gebracht werden können.
Bevorzugte Ausführungsbeiεpiele der vorliegenden Erfindung werden nachfolgend bezugnehmend auf die beiliegenden Zeich¬ nungen detaillierter erläutert. Eε zeigen:
Fig. la und lb eine graphiεche Darεtellung deε Effekts, der der phasenmodulierenden Struktur gemäß der vorliegenden Erfindung zugrundeliegt;
Fig. 2 eine Darstellung des Zustandekommens der Phasen¬ modulation des Lichtε bei εenkrechtem Lichtein¬ fall;
Fig. 3 eine Draufεicht eineε Arrayε von phaεenmodulieren- den Strukturen gemäß einem erεten Auεführungsbei- spiel der vorliegenden Erfindung;
Fig. 4 eine Schnittansicht des Arrays von phasenmodulie¬ renden Strukturen aus Fig. 3;
Fig. 5 eine Draufsicht eines Arrays von phasenmodulieren¬ den Strukturen gemäß einem zweiten Ausführungsbei¬ spiel der vorliegenden Erfindung;
Fig. 6 eine Schnittansicht des Arrays von phasenmodulie¬ renden Strukturen aus Fig. 5;
Fig. 7a und 7b eine schematische Darstellung der Wirkungs¬ weise des Arrays von phasenmodulierenden Struktu¬ ren aus Fig. 5;
Fig. 8 eine schematische Darstellung der Wirkung einer Korrekturlinsenanordnung, die über dem Array von phasenmodulierenden Strukturen angebracht ist;
Fig. 9 eine Draufsicht eines Arrays von phasenmodulieren-
den Strukturen gemäß einem dritten Auεführungεbei- εpiel der vorliegenden Erfindung;
Fig. 10 einen Querschnitt des Arrays von phasenmodulieren¬ den Strukturen von Fig. 9;
Fig. 11 eine Draufεicht eines Arrays von phasenmodulieren¬ den Strukturen gemäß einem vierten Ausführungεbei- εpiel der vorliegenden Erfindung;
Fig. 12a eine Schnittansicht deε Arrays von Fig. 11; und
Fig. 12b eine weitere Schnittansicht des Arrays von Fig. 11.
Die vorliegende Erfindung basiert auf dem Effekt, daß ein Dielektrikum in das Feldgebiet einer Kondensatoranordnung angezogen wird, bis die Kapazität maximiert ist, bzw. biε das Luftvolumen des Kondensators mit dem Dielektrikum so weit als möglich gefüllt ist. Dies sei anhand der einfachen Anordnung in den Fig. la und lb erläutert.
In den Fig. la und lb befinden sich ein Gefäß 10 und ein Plattenkondensator 12. Der Abstand der beiden Platten deε Plattenkondenεators ist mit d bezeichnet. In Fig. la ist keine Spannung an dem Plattenkondensator angelegt (U = 0) . Ein in dem Gefäß vorhandenes flüssigeε Dielektrikum 14 weiεt zwiεchen den Platten des Plattenkondensators und außerhalb der Platten deε Plattenkondenεators denselben Flüssigkeits¬ pegel auf. Lediglich direkt an den beiden Platten des Plat¬ tenkondensators εowie an der Gefäßwand ist der Pegel deε flüεεigen Dielektrikumε 14 aufgrund der Oberflächenεpannung und der Kapillarität der Flüεεigkeit etwaε erhöht.
Wird nun eine Steuerεpannung Us an die Elektroden deε Plat¬ tenkondenεators 12 angelegt, εo εteigt aufgrund deε erwähn¬ ten Effektes der Flüεsigkeitspegel zwiεchen den Kondensa¬ torplatten gegen die Schwerkraft über den durch die Kapil-
larität gegebenen Pegel (Fig. la) an. Der Unterschied des Flüssigkeitεpegelε zwiεchen dem Fall, bei dem die angelegte Spannung 0 iεt, und dem Fall, bei dem die angelegte Spannung Us ist, ist mit Δh bezeichnet. Es sei angemerkt, daß dieser Effekt nicht nur bei einem flüsεigen Dielektrikum auftritt, εondern daß daε Dielektrikum beispielsweise auch ein Feεt- körper oder ein Gas sein kann.
Folgendeε Beiεpiel εoll anhand von Zahlenwerten einen Ein¬ druck über die vorhandenen Größenordnungen vermitteln. Ver¬ wendet man beispielsweise als geeignetes flüssiges Dielek¬ trikum 14 Siliconöl, das eine Dichte von etwa 1 g/cm3 und eine Dielektrizitätskonεtante er von etwa 2,5 aufweiεt, so εteigt der Flüsεigkeitεpegel zwiεchen den Kondenεatorplatten um etwa 1 μm, wenn der Plattenabεtand deε Plattenkondenεa¬ tors 25 μm beträgt, und an die Platten deε Plattenkondenεa- torε eine Spannung von 1 V angelegt wird. Allgemein ausge¬ drückt ist der Flüsεigkeitspegelunterεchied proportional zu U2/d2, wobei d der Plattenabεtand und U die Spannung an dem Plattenkondenεator ist.
Fig. 2 zeigt das Zuεtandekommen einer Phaεenmodulation von Licht aufgrund einer Pegeländerung des flüssigen Dielektri- kumε 14. In Fig. 2 befindet sich unter dem flüssigen Dielek¬ trikum 14 mit dem Brechungsindex n1 ein Spiegel 16. Über dem flüsεigen Dielektrikum 14 befindet εich ein anderes Dielek¬ trikum 18 mit dem Brechungsindex n0, das beispielsweise Luft sein kann. Die linke Hälfte der Fig. 2 entspricht Fig. la, d.h. es existiert in dem flüssigen Dielektrikum 14 kein elektrisches Feld. Die rechte Hälfte von Fig. 2 entspricht Fig. lb, d.h. der Pegel des flüssigen Dielektrikums 14 ist aufgrund eines in dem flüssigen Dielektrikum 14 vorhandenen elektrischen Feldes erhöht.
Es werden zwei näherungsweiεe εenkrecht einfallende Licht- strahlen 20a bzw. 20b verglichen, die εich in Bereichen mit unterschiedlichen Flüssigkeitspegeln ausbreiten, wobei sie an dem Spiegel 16 in einem Punkt E bzw. E' reflektiert wer-
den und dann wieder durch die Dielektrika mit den Brechzah¬ len n^ und n0 zurücklaufen. Die beiden Strahlen legen auf dem Weg von A nach B bzw. von A' nach B' aufgrund des Pegel- unterεchiedeε Δh unterεchiedliche optische Wege zurück. Die¬ ser Unterschied der optischen Wege manifestiert sich in ei¬ nem Phasenunterεchied der beiden Lichtεtrahlen 20a und 20b von:
ΔΦ = 4π- (no-n-^) -Δh/λ-
X εtellt in dieεer Gleichung die Wellenlänge des einfallen¬ den Lichts dar. Bei einer Flüsεigkeit mit n^ = 1,4 (bei- spielsweise Siliconöl) wird für eine Phaεenmodulation von TΓ, d.h. λ/2, ein Pegelunterschied von Δh = λ/1,6 benötigt. An¬ ders ausgedrückt verlängert ein in dem flüssigen Dielektri¬ kum 14 vorhandenes elektrisches Feld den optischen Weg eines Lichtstrahlε aufgrund deε oben beschriebenen Effekts. Damit ist es möglich, mit einer Anordnung gemäß Fig. la und lb die Phase von einfallendem Licht als Reaktion auf eine elektri¬ sche Spannung zu modulieren.
In Fig. 3 ist ein Flächenlichtmodulator 30 gemäß einem er¬ sten Ausführungsbeispiel der vorliegenden Erfindung in der Draufsicht dargestellt, während Fig. 4 diesen Flächenlicht¬ modulator 30 im Querschnitt entlang der Linie A-A in Fig. 3 darstellt. Der Ausdruck "Draufsicht" bzw. der Ausdruck "oben" beziehen sich in dieser Anmeldung lediglich auf die Richtung, aus der Licht auf einen Flächenlichtmodulator 30 einfällt. Bei der Draufsicht in Fig. 3 fällt das Licht dem¬ nach von oben auf die Zeichenebene. Die obere Seite der Struktur 30 ist die Seite, auf die das einfallende Licht 32 auftrifft.
Wie in Fig. 3 und Fig. 4, die ein Querεchnitt entlang der Linie A-A von Fig. 3 iεt, zu sehen ist, besteht der Flächen¬ lichtmodulator 30 aus einer Mehrzahl von phasenmodulierenden Strukturen 34, die jeweilε einzelne Bildelemente des Flä¬ chenlichtmodulators 30 definieren. Die Umrisεe der einzelnen
phaεenmodulierenden Strukturen 34 εind in Fig. 3 εchematiεch durch die εtrichpunktierten Linien angedeutet. Diese strich¬ punktierten Linien haben für die Konstruktion des Flächen¬ lichtmodulators 30 keine Relevanz, sie dienen lediglich zur Veranschaulichung der phasenmodulierenden Strukturen 34.
Anhand von Fig. 4 iεt nachfolgend eine einzelne phasenmodu¬ lierende Struktur 34 beschrieben. Das einfallende Licht 32 trifft zuerst auf ein flüssiges Dielektrikum 36 auf. Dieses flüssige Dielektrikum 36 befindet sich auf einer dünnen di¬ elektrischen Schicht 38, die sich auf einem Spiegel 40 be¬ findet. Bei diesem Ausführungεbeispiel der vorliegenden Erfindung sind der Spiegel 40 sowie eine Elektrode 41, die auch als Spiegelelektrode bezeichnet wird, einstückig ausge¬ führt, wobei der Spiegel 40 durch eine geeignete Oberfläche der Elektrode 41 realisiert ist. Der Spiegel 40 und die Elektrode 41 können jedoch auch getrennte Elemente εein.
Zwiεchen der Spiegelelektrode 41 und einer metallischen Elektrode 42, welche auch als Steuerelektrode bezeichnet wird, befindet sich ein festeε Dielektrikum 44, wobei die Steuerelektrode 42, die Spiegelelektrode 41 und daε feste Dielektrikum 44 eine Pufferkapazität 46 bilden, deren Kapa¬ zitätsbelag über die Dicke und die Dielektrizitätskonεtante des festen Dielektrikums 44 eingestellt werden kann.
Die Steuerelektrode 42 befindet sich auf einem Substrat 48, das beispielsweise als CMOS-Aktivmatrix ausgeführt sein kann, und das in der Lage ist, die Steuerelektröden 42 des Flächenlichtmodulators 30, der durch ein Array von phasenmo¬ dulierenden Strukturen 34 gebildet ist, mit den nötigen Steuerspannungen wahlfrei und mit ausreichender Auflösung anzusteuern.
Auf der im wesentlichen quadratischen Steuerelektrode, deren Kanten etwas neben den strichpunktierten Linien der phasen¬ modulierenden Struktur 34 (Fig. 3) verlaufen, befindet sich in der Mitte ein Stift 50 aus Wolfram oder einem anderen
geeigneten elektriεch leitenden Material oder aus einer Kombination der Materialien. Der Stift 50 erstreckt sich durch ein Loch 52 in der Spiegelelektrode 41 und dem Spiegel 40. Das Loch 52 ist in Fig. 3 im weεentlichen quadratisch dargestellt, wobei es jedoch offensichtlich ist, daß sie auch kreisförmig sein kann oder jede andere geeignete Form annehmen kann. Der sich durch das Loch 52 erstreckende Stift 50, der mit der Steuerelektrode 42 in elektrisch leitender Verbindung ist, ist von der Spiegelelektrode 41 durch daε feste Dielektrikum 44 und die dünne, dielektriεche Schicht 38 elektriεch isoliert.
Durch das planarisierte Dielektrikum 44 und die darauf abge- εchiedene Metallεchicht, die die Spiegelelektrode 41 bildet, ist eine Spiegelebene mit hoher Planarität und guter Reflek- tivität realisiert. Wie bereits angemerkt wurde, iεoliert die dünne dielektriεche Schicht 38 die Steuerelektrode 42, d.h. den Stift 50, von der Spiegelelektrode 41 und dieεelbe sorgt beiεpielεweiεe für eine gute Benetzung der Fläche der Spiegelelektrode 40 gegenüber der Steuerelektrode 42 und für eine chemiεchen Trennung deε Spiegelε von dem flüεεigen Di¬ elektrikum, um die Korrosionsfestigkeit der Anordnung zu verbesεern. Die Steuerelektrode 42 kann ebenfallε mit einem Dielektrikum überzogen sein.
Das flüsεige Dielektrikum 36 befindet εich im Raum oberhalb der dünnen dielektriεchen Schicht 38. Über die Oberflächen¬ spannung deε flüεεigen Dielektrikums 36, deεsen Dichte und dessen Benetzungseigenschaften mit dem System, das aus dem Spiegel 40, der Spiegelelektrode 41, der dünnen dielektri¬ schen Schicht 38 und der Steuerelektrode 42, d.h. dem Stift 50, gebildet ist, und einer eventuellen Pasεivierung kann die Form deε Oberflächenprofils des flüεεigen Dielektrikumε 36 eingeεtellt bzw. optimiert werden. Der optiεch ideale Zu- εtand deε flüεsigen Dielektrikums ist durch eine gleich¬ mäßige Bedeckung der Fläche des Spiegels 40 durch eine homo¬ genen Pegel des flüssigen Dielektrikums 36 gekennzeichnet, falls an der phasenmodulierenden Struktur 34 keine Spannung
angelegt ist. Die dielektrische Schicht 38 ist grundsätzlich nicht für die Funktion und Isolation erforderlich. Sie kann jedoch vorteilhaft genutzt werden, um die Benetzung mit der Flüssigkeit und damit die Oberfläche des Flüsεigkeitsfilms zu optimieren.
Nachfolgend wird die Funktionsweiεe des Flächenlichtmodula- torε 30 gemäß einem erεten Auεführungsbeispiel der vorlie¬ genden Erfindung anhand der Funktionsweise der phasenmodu¬ lierenden Struktur 34 detaillierter erläutert. Die Spiegel¬ elektrode 41 liegt vorzugsweiεe auf einem festen Potential, wie z.B. dem Massepotential. Wird nun an die Steuerelektrode 42 mittels der CMOS-Aktiv-Matrix, die das Substrat 48 der phasenmodulierenden Struktur 34 bildet, eine Spannung Us angelegt, so wird das flüsεige Dielektrikum 36 in den mit Luft gefüllten Feldbereich der aus der Steuerelektrode 42, d.h. dem Stift 50, und der Spiegelelektrode 41 gebildeten Kapazität gezogen.
Fig. 4 zeigt die phasenmodulierende Struktur 34 in dem ange¬ steuerten Zustand, d.h. bei einer an der Steuerelektrode 42 angelegten Spannung Us. Im Gegensatz zu dem Flüssigkeitspro¬ fil der beiden phasenmodulierenden Strukturen, die in Fig. 4 ganz links und ganz rechts im nicht-angesteuerten Zustand dargestellt sind, weist die phasenmodulierende Struktur 34 ein verändertes Flüssigkeitsprofil 54 auf. Das flüssige Di¬ elektrikum 36 lagert sich an dem Stift 50 an, wodurch das Flüssigkeitεprofil 54 weiter entfernt von dem Stift 50 eine Reduktion deε Flüεεigkeitεpegels im Vergleich zum nicht-an¬ gesteuerten Zustandε aufweiεt. Eε sei angemerkt, daß alle einzelnen phasenmodulierenden Strukturen unabhängig vonei¬ nander angesteuert werden können, weswegen die einzelnen Be¬ triebsparameter, wie z.B. der Pegel des flüssigen Dielektri¬ kums 36 und die Fläche einer phasenmodulierenden Struktur, derart gewählt werden können, daß sich benachbarte phasenmo¬ dulierende Strukturen im wesentlichen nicht beeinflussen.
Das auf die angesteuerte phasenmodulierende Struktur 34 ein-
fallende Licht 32 erhält aufgrund der Pegeldifferenz deε flüεεigen Dielektrikumε bzw. aufgrund deε Flüεεigkeitεpro- filε 54 einer angeεteuerten Struktur eine Phasenverschiebung bezüglich des Lichts, das auf eine nicht-angesteuerte pha¬ senmodulierende Struktur einfällt. Beim Abschalten der an die Steuerelektrode 42 angelegten Spannung Us, d.h. beim Entladen der Kapazität, stellt sich das flüssige Dielektri¬ kum 36 unter dem Einfluß der Schwerkraft zurück, wodurch wieder ein im wesentlichen ebenes Flüssigkeitsprofil herge¬ stellt ist.
Das in den Fig. 3 und 4 gezeigte Ausführungεbeiεpiel der vorliegenden Erfindung zeichnet sich durch einen hohen opti¬ schen Füllgrad aus. Der Füllgrad gibt das Verhältnis der op¬ tisch aktiven Fläche eines Bildelements zur Gesamtfläche desselben wieder. In diesem Zusammenhang sei darauf hinge¬ wiesen, daß Fig. 3 und Fig. 4 nicht maßstabsgerecht gezeich¬ net sind, sondern daß die Löcher 52 durch die Spiegelelek¬ trode im Vergleich zur Größe eines Bildelements wesentlich vergrößert dargestellt sind. Bei einem bevorzugten Aus- führungsbeispiel betragen die Fläche eines Bildelements 10 x 10 μm2, der Durchmesser des Stifts 50 0,8 μm und der Durch¬ messer des kreisförmigen Lochs 52 1,6 μm. Bei diesem Ausfüh¬ rungsbeispiel der vorliegenden Erfindung ergibt sich bei¬ spielsweise ein Füllgrad von 98%. Bei einem anderen Ausfüh¬ rungsbeispiel der vorliegenden Erfindung mit einer kleineren Bildfläche von 3 x 3 μm2, einem Durchmesser des Stifts 50 von 0,5 μm und einem Durchmesser des Lochε 52 von 1,6 μm ergibt sich ein optischer Füllgrad von 89%.
Bezugnehmend auf Fig. 3, die den Flächenlichtmodulator 30 gemäß einem ersten bevorzugten Ausführungεbeispiel der vor¬ liegenden Erfindung in der Draufsicht darstellt, sei ange¬ merkt, daß der Spiegel 40 und die Spiegelelektrode 41 bei dem gesamten Flächenlichtmodulator abgesehen von den einzel¬ nen Löchern 52 durchgehend ausgeführt sind. Ferner ist die gesamte Struktur des Flachen1ichtmodulators 30, d.h. die mit der dünnen dielektriεchen Schicht 38 beschichtete Spiegel-
elektrode 41, von dem flüεεigen Dielektrikum 36 durchgehend bedeckt, wobei lediglich die Stifte 50 gewissermaßen als "Inseln" aus der im wesentlichen ebenen Oberfläche des flüs¬ εigen Dielektrikums 36 vorεtehen, wenn der Flächenlichtmodu¬ lator 30 nicht angeεteuert iεt.
Fig. 5 zeigt ein zweiteε Auεführungεbeiεpiel der vorliegen¬ den Erfindung in der Draufsicht, während Fig. 6 das zweite Ausführungεbeiεpiel der vorliegenden Erfindung im Quer¬ schnitt darstellt. Das zweite bevorzugte Ausführungεbeiεpiel der vorliegenden Erfindung iεt dem erεten bevorzugten Auε¬ führungεbeiεpiel der vorliegenden Erfindung, das in den Fig. 3 und 4 dargeεtellt iεt, ähnlich, wobei jedoch, wie eε be¬ sonders in Fig. 6 zu sehen ist, die dünne dielektrische Schicht 38 und das feste Dielektrikum 44 nicht vorhanden sind. Ferner stehen die Stifte 50 nicht über die durch Spie¬ gelelektrodenstreifen 41a, 41b gebildete Ebene hinaus, son¬ dern sind mit derselben im wesentlichen bündig. Wie eε bei der Beεchreibung deε erεten Ausführungεbeiεpielε bereite an¬ gemerkt wurde, iεt auch bei diesem Ausführungsbeiεpiel der Spiegel 40 durch die Oberfläche der Spiegelelektrodenstrei¬ fen 41a, 41b realisiert. Der Spiegel 40 kann jedoch auch von den Spiegelelektrodenstreifen 41a, 4lb getrennt ausgeführt sein. Das Substrat 48 sowie das flüsεige Dielektrikum 36, daε εich bei dem zweiten Ausführungsbeispiel der vorliegen¬ den Erfindung auch in die Zwischenräume zwischen der Spie¬ gelelektrode 40 und der Steuerelektrode 42 hinein erstreckt, sind in Fig. 6 lediglich aus Darstellungsgründen weggelas¬ sen. Es sei angemerkt, daß sowohl das erste Ausführungsbei- spiel der vorliegenden Erfindung ohne die dünne dielektri¬ sche Schicht 38, das feste Dielektrikum 44 und mit bündigen Stiften 50, als auch das zweite Ausführungsbeispiel der vor¬ liegenden Erfindung mit der dünnen dielektrischen Schicht 38, mit dem festen Dielektrikum 44 und vorstehenden Stiften 50 ausgeführt sein können.
In Analogie zu Fig. 3 sind bei dem Flächenlichtmodulator 56 gemäß dem zweiten Ausführungsbeiεpiel der vorliegenden Er-
findung wieder die einzelnen phaεenmodulierenden Strukturen 34' durch εtrichpunktierte Linien untereinander abgegrenzt. Ein Quadrat, das durch jeweilige strichpunktierte Linien definiert ist, bildet ein Bildelement. Für Fachleute ist es offenεichtlich, daß die einzelnen Bildelemente, d.h. die phasenmodulierenden Strukturen, nicht notwendigerweise qua¬ dratisch sein müssen, sondern daß sie jede andere gewünschte Form annehmen können.
Im Unterschied zu Fig. 3 sind längliche Löcher 52' vorhan¬ den, die sich in einer Richtung der phasenmodulierenden Struktur 34' länglich erstrecken, wobei sie jedoch kurz vor Beginn des nächsten Bildelements begrenzt sind. Im Gegensatz zum ersten Ausführungsbeispiel der vorliegenden Erfindung ist jedoch das Loch 52' mit dem Loch 52' der benachbarten phasenmodulierenden Struktur verbunden, wie es in Fig. 5 zu sehen ist. Dies führt dazu, daß die Spiegelelektrode 41, die in Fig. 3 durchgehend ausgeführt ist, in Fig. 5 nicht mehr durchgehend ausgeführt ist, εondern daß die Spiegelelektro- denεtreifen 41a, 41b entstehen, wobei der Spiegelelektroden¬ streifen 41a, der sich bezüglich Fig. 5 auf der linken Seite des Lochs 52' befindet, von dem Spiegelelektrodenstreifen 41b, der εich auf der rechten Seite deε Lochs 52' befindet, elektrisch isoliert ist. Der Spiegel 40 (Fig. 5) ist aus Übersichtlichkeitsgründen in den Fig. 6 bis 8 nicht extra durch εein Bezugszeichen markiert, da er durch die Oberflä¬ che der Spiegelelektrodenstreifen 41a und 41b realiεiert iεt.
Die elektroniεche Ansteuerung des zweiten Ausführungsbei- εpielε der vorliegenden Erfindung findet ähnlich zu der elektroniεchen Anεteuerung deε ersten Ausführungsbeiεpiels der vorliegenden Erfindung statt. Da nun jedoch die beiden Spiegelelektrodenstreifen 41a, 41b voneinander elektrisch isoliert sind, werden sie jeweils mit einer unterschiedli¬ chen fest eingestellten oder steuerbaren Spannung U0 + ΔU bzw. U0 - Δü beaufschlagt. Bei dem Beispiel in Fig. 4 ist der Spiegelelektrodenstreifen 41a mit der Spannung U0 + ΔU
beaufεchlagt, während der Spiegelelektrodenεtreifen 41b mit der Spannung U0 - ΔU beaufεchlagt iεt. Eε iεt jedoch offen- εichtlich, daß die Spiegelelektrodenεtreifen 41a, 41b auch mit den entgegengeεetzten Spannungen beaufschlagt werden können. Die an der Steuerelektrode 42, die mit dem Stift 50, der mit der Ebene der Spiegelelektrodenstreifen bündig ist, angelegte Spannung ist mit Us bezeichnet. Für Fachleute ist es offensichtlich, daß der Stift 50 mit der Steuerelektrode 42 einstückig ausgeführt sein kann. Die Spannung Ug, die an die Steuerelektrode 42 angelegt wird, weist einen Pegel auf, der zwischen den Spannungspegeln der Spiegelelektrodenεtrei¬ fen 41a, 41b liegt. Die Steuerelektrode 42 kann demnach mit dem Spannungshub 2ΔU angesteuert werden.
Die Wirkungsweise eines Bildelements gemäß dem zweiten Aus¬ führungsbeispiel der vorliegenden Erfindung ist in den Fig. 7a und 7b dargestellt. In den Fig. 7a und 7b sind mehrere benachbarte phaεenmodulierende Strukturen 34' εchematiεch dargeεtellt. Die an den Spiegelelektrodenεtreifen 41a, 41b anliegenden Potentiale U0 + ΔU bzw. U0 - ΔU und die an die Steuerelektröden angelegten Steuerungsspannungen U0, U0 - ΔU bzw. U0 + ΔU εind im unteren Bereich von Fig. 7a und 7b notiert. Es können grundεätzlich alle Spannungen zwiεchen U0 - AU und U0 + ΔU an die Elektroden 42 wahlfrei angelegt werden. Die einzelnen phaεenmodulierenden Strukturen 34', die jeweils ein Bildelement darstellen, sind wieder durch strichpunktierte Linien definiert. In Fig. 7a sind bei den beiden linken phasenmodulierenden Strukturen 34' elektrische Feldlinien 58 eingezeichnet, die bei den notierten Span- nungεverhältniεεen auftreten.
Bei der phaεenmodulierenden Struktur 34' ganz linkε in Fig. 7a befinden εich alle drei Elektroden 41a, 42, 41b auf un¬ terschiedlichen Potentialen, wobei das Potential der Steuer¬ elektrode 42 zwischen den Potentialen der beiden Spiegel¬ elektrodenstreifen 41a, 41b liegt. Die Spannungsdifferenz von der Steuerelektrode 42 zu den beiden Spiegelelektroden¬ streifen 41a, 41b beträgt jeweils ΔU. Über den Elektroden
der phasenmodulierenden Struktur 34' ganz links in Fig. 7a ist der sich ergebende Flüsεigkeitεpegel εchematiεch ge¬ zeichnet. Da die Spannungsdifferenz auf beiden Seiten der Steuerelektrode 42 ΔU beträgt, ergibt sich ein mittlerer Flüssigkeitspegel 60m in diesem Bildelement. Für Fachleute ist es offensichtlich, daß die Darstellung der Flüssigkeitε- pegel εchematiεch iεt. In der Realität gehen die abrupt ge¬ zeichneten Flüεεigkeitεübergänge von einem Pegel zum näch- εten kontinuierlich ineinander über.
Bei der phaεenmodulierenden Struktur 34', die in der Mitte von Fig. 7a rechte neben der gerade beschriebenen phasenmo¬ dulierenden Struktur 34' angeordnet ist, ist zwischen dem Spiegelelektrodenstreifen 41b und der Steuerelektrode 42 keine Spannungsdifferenz vorhanden, da sich beide auf dem gleichen Potential U0 - Δu befinden. Da jedoch zwiεchen dem Spiegelelektrodenstreifen 41a und der Steuerelektrode 42 ei¬ ne Spannungsdifferenz von 2ΔU auftritt, laufen alle elektri¬ schen Feldlinien 58 in der linken Hälfte der Spiegelelektro¬ de 4la ein, was zu einem hohen Flüssigkeitεpegel 60h in dem Bereich zwischen der Steuerelektrode 42 und dem Spiegelelek¬ trodenstreifen 4la führt. Da zwischen dem Spiegelelektroden¬ streifen 41b und der Steuerelektrode 42 kein Spannungsunter¬ schied vorhanden ist, wird der Pegel des flüssigen Dielek¬ trikums 36 nicht beeinflußt und es ergibt sich ein niederer Flüsεigkeitspegel 60n.
Bei der phasenmodulierenden Struktur 34' in Fig. 7a ganz rechts ist der Fall gezeigt, bei dem die Steuerspannung U0 + Δu beträgt. Die Verteilung des elektrischen Feldes 58, das hier nicht mehr gezeichnet ist, iεt analog zu dem gerade be- εchriebenen Fall, waε εich in den Flüεεigkeitεpegeln 60n und 60h wiederspiegelt.
Zur Veranεchaulichung deε Umschaltens der Steuerspannung um den Spannungshub 2ΔU sind die drei benachbarten phasenmodu¬ lierenden Strukturen, die gerade beschrieben wurden, in Fig. 7b nochmals dargestellt, wobei die Spannungsverhältnisεe bei
der linken und bei der rechten phaεenmodulierenden Struktur im Vergleich zu Fig. 7a unverändert sind, die Steuerspannung der mittleren phaεenmodulierenden Struktur in Fig. 7b jedoch von U0 - ΔU auf U0 + ΔU umgeεchaltet worden iεt. Alε Reak¬ tion auf daε Umschalten der Steuerspannung um den Spannungs¬ hub 2ΔU haben sich die Flüssigkeitspegel über der mittleren phasenmodulierenden Struktur entsprechend den neuen Span¬ nungsdifferenzen zwischen der Steuerelektrode 42 und den Spiegelelektrodenstreifen 41a, 41b umgekehrt.
Die Flüsεigkeitspegel der anderen phasenmodulierenden Struk¬ turen sind jedoch von dieser Umschaltung im weεentlichen un¬ beeinflußt. Eε wird darauf hingewiesen, daß daε Anlegen ei¬ ner Steuerεpannung U0 einen im weεentlichen gleichmäßigen Flüεsigkeitspegel in dem entsprechenden Bildelement bewirkt. Dieser Zustand entspricht dem nicht-angesteuerten Zuεtand, der bei dem erεten Ausführungsbeispiel durch eine Steuer¬ spannung Us von 0 Volt gekennzeichnet ist. Wird jedoch eine Steuerspannung, die von der Steuerspannung U0 abweicht, an die Steuerelektrode 42 angelegt, so ergibt sich in dem ent¬ sprechenden Bildelement ein näherungsweise stufenförmiger Flüssigkeitspegel 60h, 60n, welcher im Vergleich zu dem näherungsweise ebenen Flüssigkeitεpegel 60m, 60m zu einer Phaεenmodulation des auf die entsprechende phasenmodulie¬ rende Struktur 34' einfallenden Lichts 32 führt.
Das Phasenprofil kann über die detaillierte Gestaltung der Elektrodenflächen oder der Elektrodentopographie, beispiels¬ weise mit Spitzen, die den Stiften 50 des ersten Ausfüh¬ rungsbeispiels ähnlich sind, und durch die detaillierte Ge¬ staltung von Oberflächeneigenschaften, beispielεweiεe der Benetzbarkeit, und der Parameter der Flüssigkeit eingestellt bzw. optimiert werden.
Die Phasenmodulation ist beim zweiten Ausführungsbeispiel der vorliegenden Erfindung zu U0 x Us/d2 proportional. Im Beispiel 2 wird erreicht, daß sich das flüssige Dielektrikum 36 lediglich innerhalb der einzelnen, zu schaltenden Bild-
elemente bewegt und damit nur von dem bei der Ansteuerung eines Bildelements gewünschten Phaεenprofilε abhängig ist. Weiterhin wird auf vorteilhafte Weise zusätzlich zur Schwer¬ kraft die Rückstellung der Bildelemente durch die elektri- εche Kraftwirkung ähnlich zum Ansteuervorgang bewirkt.
Die Fig. 9 und 10 zeigen ein drittes Ausführungsbeispiel der vorliegenden Erfindung als Draufsicht bzw. im Querschnitt. Wie es in Fig. 9 zu sehen ist, ist das dritte Ausführungs¬ beispiel in gewisεer Weiεe eine Kombination deε erεten Aus¬ führungsbeispiels (Fig. 3) und des zweiten Ausführungεbei- spiels (Fig. 5) . Entεprechend dem ersten Ausführungεbeiεpiel εind einzelne Steuerelektroden 42 mit geeignet verbundenen Stiften 50 auε Wolfram vorgeεehen, die sich durch Löcher in der Spiegelelektrode 41 und in dem Spiegel 40, der die Ober¬ fläche der Spiegelelektrode 41 bildet, erstrecken. In Abwei¬ chung vom ersten Ausführungsbeispiel sind an den in Fig. 1 gestrichelten senkrechten Linien zusätzliche Referenzelek¬ troden 50' durchgehend ausgeführt. Die Referenzelektroden 50' bestehen aus leitfähigen Streifen beispielsweise aus Aluminium oder aus einem anderen geeigneten Materilal, wie es besonders in Fig. 10 zu sehen ist. Ein Pixel 34" ist durch die strichpunktierten Linien in Fig. 9 und Fig. 10 gekennzeichnet. Wie es in Fig. 10 zu sehen ist, ragen die drei Stifte 50 über den maximalen Flüssigkeitspegel 60h hinaus. Ihre Abmessungen sind ferner derart gewählt, daß sie ihr jeweiliges Loch 52 abdecken. Für Fachleute ist es jedoch offensichtlich, daß die Abmessungen und Anzahl der Stifte 50, 50' nicht erfindungsweεentlieh εind, und daß dieselben auch variiert werden können.
Um eine Variation der Flüssigkeitspegel von einem Pixel 34" zu einem nächsten Pixel 34" zu erreichen, werden ähnlich zu dem zweiten Ausführungsbeispiel benachbarte Referenzelektro- denstreifen 50' mit Spannungen U0 + ΔU bzw. U0 - ΔU beauf¬ schlagt, wie es in Fig. 10 gezeigt ist. An die Steuerelek¬ troden 42 werden wahlfrei Steuerspannungen Us angelegt, wo¬ bei in Fig. 10 an die Steuerelektrode 42 eine Spannung U0 -
ΔJJ angelegt ist, die aufgrund der jeweiligen Spannungen an den Stiften 50' die eingezeichneten Flüssigkeitspegel 60m, 60h, 60n bedingt. Die Spiegelelektroden 40 befinden sich auf einem weiteren festen oder schaltbaren Referenzpotential, das beispielsweiεe das Maεεepotential oder daε Potential U0 oder ein andereε Potential εein kann, das für die Optimierung der Einstellung der Oberfläche des Dielektrikums 36 vorteilhalft ist.
Das beschriebene dritte Ausführungεbeiεpiel iεt für Licht¬ modulatoren geeignet, bei denen ein Anlegen von unterεchied- lichen Spannungen an die Spiegelelektroden nicht erwünscht ist, wie eε auch beim erεten Auεführungεbeiεpiel der Fall ist. Dasselbe weist jedoch die in Verbindung mit dem zweiten Ausführungsbeispiel beschriebenen Vorteile einer größeren Flüssigkeitspegelvariation durch die differentielle Ansteue- rung sowie der verbesεerten Rückεtellung der Flüεεigkeit bei einer Pixelumεchaltung auf. Die dargeεtellte Pixelεtruktur iεt daher zum Erreichen guter biε größter Phaεenmodulationen bei vorgegebenem Spannungεhub geeignet.
Damit die Wirkung aller Eelektroden 50, 50' alε parasitäres Phasengitter minimiert wird, kann die Geometrie des Bild¬ elements über die geeignete Einstellung der Schichtdicken des Stiftes 50 bzw. des Streifens 50', des Flüsεigkeitε- pegelε im nicht angesteuerten Zustand 60m und des Di¬ elektrikums 38 gewählt werden, derart, daß das Licht bei Einfall und Reflektion an dem Spiegel 40 bzw. an den Metall¬ elektroden 50, 50' im nicht angesteuerten Zustand des Bild¬ elements praktiεch dieselbe Phaεenverεchiebung erfährt. Wei¬ terhin kann der Einfluß parasitärer Phasengitter unterdrückt werden, indem die für die Bilderzeugung gewählte Diffrakti¬ onsrichtung anders gewählt wird wie die parasitär bedingte Richtung. Für Fachleute ist es offensichtlich, daß ähnliche Maßnahmen mit ähnlicher Wirkung auch bei den Ausführungsbeiεpielen 1 und 2 durchgeführt werden können.
Alle Merkmale der Lichtmodulatoren mit Ausnahme der Flüssig-
keit können mit gängigen Verfahren der Halbleitertechnik oder neueren bzw. verbeεεerten Verfahren hergeεtellt werden. Beim flüεsigen Dielektrikum 36 sind u.a. folgende Parameter wichtig: Dichte, optische Tranεparenz, elektrische Durch- εchlagεfeεtigkeit, Dielektrizitätεkonεtante, Brechungεindex, Temperaturbeεtändigkeit, Viskosität, Lichtbeständigkeit, Oberflächenspannung und Dampfdruck.
Zum Schutz gegen eine Verεchmutzung, eine Beεchädigung oder gegen ein Abdampfen der Flüssigkeit können der Flächenlicht¬ modulator 30 gemäß dem ersten Ausführungεbeiεpiel und der Streifen-Flächenlichtmodulator 56 gemäß dem zweiten Auεfüh- rungsbeispiel dicht verpackt und mit einem optisch tranεpa- renten Fenεter, wie z.B. einer Quarzplatte, verεchloεεen werden.
Eε kann vorteilhaft sein, zur optischen Korrektur deε Pha- εenprofils beiεpielεweiεe im nicht-angesteuerten Zustand ein optisches Korrekturelement 62, wie es in Fig. 8 gezeigt ist, vor den Flächenlichtmodulator 30 bzw. 56 zu schalten, um z.B. unerwünschte Phasenmodulationen zu vermeiden oder die Auswirkungen optisch parasitärer oder inaktiver Gebiete zu reduzieren. Zu diesem Zweck ist es nötig, das geeignete op- tiεche Korrekturelement 62, daε die notwendige, durch die Bildelementeanordnung bedingte Regelmäßigkeit beεitzt, über der Bildelementebene genau zu poεitionieren. In Fig. 8 ist dargeεtellt, wie eine linsenartige Vorverformung der Ober¬ fläche des flüssigen Dielektrikums 36, die beispielsweise durch die Kapillarität oder die Oberflächenspannung des flüsεigen Dielektrikumε 36 vorhanden ist, durch das optische Korrekturelement 62, das beispielsweiεe eine Korrekturlinse ist, ausgeglichen werden kann. Die Korrekturlinsen könnten beispielεweiεe mikrotechnisch aus einem Glassubstrat herge¬ stellt und mit der anodischen Bondtechnik aufgebracht wer¬ den.
Fig. 11 zeigt ein Array von phasenmodulierenden Strukturen gemäßp einem vierten Ausführungεbeiεpiel der vorliegenden
Erfindung. In der Fig. 12a iεt ein Querschnitt durch das Array von Fig. 11 entlang der mit Fig. 12a bezeichneten Li¬ nie in Fig. 11 gezeigt. Analog dazu zeigt die Fig. 12b einen Querschnitt entlang der in Fig. 11 mit Fig. 12b bezeichneten Linie. Fig. 11 zeigt die beiden Elektroden 42a, 42b in einer streifenförmigen und gegeneinander überkreuzenden Form, d. h. in einem Gittermuster. Die gestrichelten Linien zeigen wieder eine einzige phasenmodulierende Struktur, die einem Pixel entspricht. Bei dem gezeigten Ausführungsbeiεpiel εind die Elektroden 42a und 42b etwa in der Mitte eineε Pixels überkreuzt, wobei in diesem Bereich durch Anlegen unter¬ schiedlicher Potentiale an die beiden Elektroden ein elek- triεcheε Feld in der Nähe deε Kreuzungεpunkteε erzeugt wird. Daε in der Nähe des Kreuzungspunktes befindliche Dielektri¬ kum 36 stellt daher den Teilbereich des Dielektrikums dar, in dem die mit einer Spannung beaufεchlagbaren Elektroden ein elektriεcheε Feld erzeugen werden. Daε Bezugεzeichen 34'" zeigt demnach ein Pixel bzw. eine phaεenmodulierende Struktur gemäß dem vierten Ausführungsbeispiel der vorlie¬ genden Erfindung.
Wie es in Fig. 12a gezeigt ist, überdeckt das verformbare und transparente Dielektrikum, das vorzugsweise ein Flüssig¬ dielektrikum ist, die streifenförmige Elektrode 42b, die bei einem bevorzugten Ausführungsbeiεpiel über der streifenför- migen Elektrode 42a verläuft, die in einem festen Dielek¬ trikum eingebettet ist. Für Fachleute ist es offensichtlich, daß ebenfalls die waagrechte Elektrode 42b in dem Dielektri¬ kum eingebettet sein kann, und entsprechend die senkrechten Elektroden 42a (Fig. 11) von dem Flüssigdielektrikum über¬ deckt sind. Es ist ebenfalls offensichtlich, daß das Flüs- εigdielektrikum nicht unbedingt die Elektrode 42b überdecken muß, sondern daß das Flüsεigdielektrikum einen geringeren Pegel alε die Höhe der Elektroden haben kann. Die geεamte Struktur wird nach unten hin durch den Spiegel 40 begrenzt, an dem daε auf die Struktur einfallende Licht reflektiert wird, um wieder durch daε feεte Dielektrikum 44 und daε Flüεsigdielektrikum 36 die Struktur zu verlassen. Es ist
offenεichtlich, daß das feste Dielektrikum 44 durchsichtig sein muß.
Fig. 12b zeigt einen weiteren Querεchnitt durch die Struktur von Fig. 11, wobei jedoch aus Übersichtlichkeitεgründen die Elektrode 42b teilweiεe auεgeεchnitten iεt, um zu verdeut¬ lichen, wie ein auf die Struktur einfallendes Licht 32 das Flüsεigdielektrikum 36 εowie daε feεte Dielektrikum 44 durchläuft, um an dem Spiegel 40 reflektiert zu werden. In Analogie zu den vorher beεchriebenen Figuren εind die an die Elektroden angelegten Spannungen εymboliεch dargeεtellt. So wird an jede Elektrode 42a eine Spannung U0 angelegt, wäh¬ rend an jede Elektrode 42b eine Spannung Us angelegt wird. Die Fig. 12a und 12b zeigen einen Zuεtand, bei dem die an¬ gelegte Spannung Us Null iεt, d. h. die Oberfläche deε Flüs- εigdielektrikumε 36 iεt eben. Bei einer angelegten Spannung Us würde εich ein Verlauf der Oberfläche deε Flüεεigdielek- trikums ergeben, der zu Fig. 4 analog ist, d. h. in der Nähe der Kreuzungspunkte der jeweiligen streifenförmigen Elektro¬ den wird ein erhöhter Flüsεigkeitεpegel vorhanden εein. Alle weiteren in den Fig. 11, 12a und 12b beεchriebenen Elemente entεprechen den bereitε vorher auεführlich dargelegten Ele¬ menten mit den gleichen Bezugεzeichen.
Neben dem bereits erwähnten Anwendungsbereich der Flächen¬ lichtmodulatoren gemäß der vorliegenden Erfindung für die Wafer-Direktbelichtung können die Flächenlichtmodulatoren gemäß der vorliegenden Erfindung für eine Vielzahl weiterer Anwendungen, wie z.B. für Projektionεdiεplayε, für hologra- phiεche Displays, für programmierbare Linsen, für Gitter, für optische Korrelatoren und Rechner und für Head-up- Diεplayε, eingeεetzt werden. Optiεche Tranεparenz bezieht sich auf die Tranεparenz für daε verwendete Licht, dessen Wellenlänge nicht nur auf den sichtbaren Bereich begrenzt ist. Je nach Anwendung kann auch Infrarot- oder Ultravio¬ lettlicht verwendet werden.