Les matrices de micro-miroirs en couches minces

Les matrices de micro-miroirs en couches minces permettent des modulateurs spatiaux de lumière de type réflectif. Des actionneurs constitués de couches minces piezoélectriques micro-usinées sont utilisés pour controler l'angle de pivotement de chaque micro-miroir de la matrice de façon à définir l'échelle des niveaux de gris de chacun des pixels de l'écran. La lumière réfléchie à la surface d'un miroir forme une image de forme rectangulaire sur le plan de l'écran d'arrêt de projection et cette image se déplace le long de l'axe horizontal au fur et à mesure que l'angle de pivotement change. Lorsqu'un micro-miroir ne pivote pas, toute la lumière réfléchie est bloquée et absorbée sur l'écran d'arrêt et l'image du pixel sur l'écran est dans l'état éteint. Quand le micro-miroir est au pivotement maximal, toute la lumière réfléchie passe au travers de l'écran d'arrêt, l'image du pixel sur l'écran est dans l'état allumé. La quantité de lumière qui passe au travers de l'écran d'arrêt est proportionnelle à l'angle d'inclinaison de chaque miroir. Un contrôle précis des angles de pivotement permet de générer des niveaux de gris sur l'écran entre les états de brillance extrème (éteint-allumé). Pour cela les systèmes à micro-miroirs en couches minces partage la nécessité fonctionnelle de pouvoir réaliser des matrices avec le système DMD à laquelle ils ajoutent la nécessité du contrôle nanométrique de la précision du positionnement pour les échelles de niveaux de gris.

Chaque pixel consiste en une structure bicouche : une couche miroir et une couche actionneur. Le pivotement du miroir est assuré par un actionneur couche mince piézoélectrique sous la forme d'une micro-poutre mono-encastrée. Comme on peut le voir sur l'image ci-dessous, un miroir est connecté à la poutre mono-encastrée inférieure par un bras de suspension.

Les poutres sont attachées au substrat PMOS. Chaque poutre mono-encastrée consiste en une couche de nitrure de silicium (SiNx) non stoechiométrique qui sert de support à une électrode inférieure en platine, une couche piézoélectrique et une électrode supérieure en platine. Lorsqu'on applique une tension entre les deux électrodes, la couche piézoélectrique se contracte dans le direction horizontale et se dilate dans le direction verticale. Il en résulte que la ligne neutre de la poutre se déplace vers l'électrode inférieure du fait de l'épaisseur de la couche support et la contraction mécanique de la couche piézoélectrique produit une déflection verticale de la poutre vers le haut et par voie de conséquence l'inclinaison de miroir déposé dessus.

Les dispositifs à matrices de micro-miroirs en couches minces sont fabriqués en bloc sur des matrice PMOS active par des technqiues de micro-usinage de surface. La matrice active est un réseau de transistors qui adressent le signal video à chaque pixel. La taille de chacun des miroirs est de 49 µm x 49 µm pour des systèmes au format XGA.

Les couches miroirs sont en aluminium déposé par pulvérisation sur la couche sacrificielle supérieure. La couche d'aluminium est usinée par des technqiues de gravure sèche pour réaliser la forme des miroirs. Les couches sacrificielles sont enlevées pour réaliser les gaps d'air nécessaires. Comme il est nécessaire d'utiliser deux matériaux différents pour ces couches, le procédé de dégagement se fait en deux étapes. Tout d'abord, la couche sacrificielle supérieure est dégagée au travers des ouvertures entre les miroirs par gravure plasma. Après le dégagement complet de cette couche, la couche sacrificielle inférieure se trouve exposée à l'air et est éliminée par un procédé de gravure à la vapeur de fluorure de xénon. Les deux techniques utilisées présentent des vitesses de gravure latérale élevées, ne laissent pas de résidus, ne gravent et n'endommagent pas les autres couches. L'image ci-dessus représente des clichés au microscope électronique de structures completes par des matrice aux formats VGA et XGA après le processus de libération des couches sacrificielles. Les 800 000 miroirs finaux du dispositifs au format XGA présentent des positions d'inclinaison initiale de 0° ± 0,03°.

Un prototype de projecteur opérationnel du 5 400 lumens avec trois systèmes à matrices de micro-miroirs en couches minces et une lampe au xénon de 1 kW avait été présenté au salon Asian Display 1998. Il offrait une efficacité globale de transmission de la lumière de 22%.

Les actionneurs à micro-poutrse piézoélectriques encastrées des matrices de micro-miroirs en couches minces n'ont pas servi que pour l'affichage mais aussi pour le balayage rapide des matrices de sondes AFM et pour l'adaptation des contraintes mécaniques dans les dispositifs photoniques.