集成隱藏式3維梳齒電極驅(qū)動(dòng)器的低吸合電壓CMOS-MEMS微鏡陣列

程正喜，劉 亦，徐鶴靚，康曉旭

(1.中國(guó)科學(xué)院 上海技術(shù)物理研究所，上海 200083; 2.上海集成電路研發(fā)中心，上海 201210)

微鏡陣列芯片是投影顯示系統(tǒng)的主流光學(xué)圖形產(chǎn)生器之一，在工業(yè)、商業(yè)和消費(fèi)電子等領(lǐng)域中均有廣泛應(yīng)用，比如用于機(jī)器視覺(jué)、電影投影等大尺寸顯示以及交互顯示等。微鏡陣列是一種由半導(dǎo)體工藝制備的幾微米至幾百微米級(jí)別尺寸的可動(dòng)微鏡組成的反射式器件。由于靜電驅(qū)動(dòng)器具有低功耗的優(yōu)點(diǎn)，且易于與其他微結(jié)構(gòu)集成，因此一般采用靜電方式驅(qū)動(dòng)微鏡。通過(guò)電路單獨(dú)控制每個(gè)微鏡的偏轉(zhuǎn)角度，從而調(diào)整每個(gè)微鏡表面的反射光的方向，控制圖像亮點(diǎn)對(duì)應(yīng)的微鏡的反射光進(jìn)入出射光闌中形成圖像。

美國(guó)德州儀器公司(Texas Instruments, TI)自從1995年投放數(shù)字微鏡(Digital Micromirror Device, DMD)芯片到市場(chǎng)中開(kāi)始，一直是微鏡陣列芯片的最主要供應(yīng)商[1-4]。TI DMD是靜電驅(qū)動(dòng)的雙穩(wěn)態(tài)扭臂式的微鏡陣列，并將扭臂隱藏在微鏡下方，以此增加微鏡占空比，提高光反射效率。微鏡根據(jù)輸入的數(shù)字信號(hào)確定微鏡偏轉(zhuǎn)為正偏或反偏狀態(tài)，對(duì)應(yīng)于圖像中像素的明暗狀態(tài)。大部分學(xué)術(shù)研究機(jī)構(gòu)，如東京大學(xué)、加州大學(xué)洛杉磯分校(University of California, Los Angeles, UCLA)、斯坦福大學(xué)(Stanford University, SU)、日本東北大學(xué)(Tohoku University, TU)、富士通實(shí)驗(yàn)室(Fujitsu, FUJ)、北京大學(xué)和上海微系統(tǒng)所等[5-11]，主要研制特定用途的微鏡陣列，包括應(yīng)用于光通信的光交換開(kāi)關(guān)陣列和天文望遠(yuǎn)鏡用的光闌陣列等。比利時(shí)微電子中心(Interuniversity Microelectronics Center, IMEC)的SiGe微鏡陣列[12-13]，德國(guó)弗勞恩霍夫光學(xué)微系統(tǒng)研究院(Fraunhofer Institute for Photonic Microsystems, Fraunhofer IPMS)的空間光調(diào)制元件(Spatial Light Modulators, SLM)[14]也在技術(shù)或者商業(yè)上取得了一定的成功。

TI的DMD器件是一個(gè)非常成功的器件，成功源于高占空比的微鏡結(jié)構(gòu)、穩(wěn)定的雙穩(wěn)態(tài)工作模式、數(shù)字驅(qū)動(dòng)方式以及綜合了微鏡結(jié)構(gòu)、材料、工藝、驅(qū)動(dòng)方式和封裝等實(shí)現(xiàn)的高可靠性。TI的DMD有兩點(diǎn)不完美之處： 1) DMD需要專門(mén)的MEMS傳感器(Microelectro Mechanical Systems)工藝，在CMOS-DRAM電路上制備微鏡陣列，成本較高；2) 因?yàn)槲㈢R的吸合電壓在18.0～24.0 V，超過(guò)了常規(guī)CMOS的工作電壓，因此需要一塊單獨(dú)的高壓控制芯片來(lái)驅(qū)動(dòng)微鏡陣列芯片，集成度不高。DMD幾代產(chǎn)品都維持了較高的吸合電壓和獨(dú)立的高壓控制芯片，有其從產(chǎn)品良率、封裝等方面的考量；另一方面也可能是成功技術(shù)的慣性延續(xù)。在DMD的基礎(chǔ)上，本文從上述兩點(diǎn)不足出發(fā)，嘗試提出不同的解決方案，以期找到一些與DMD競(jìng)爭(zhēng)的可能性。

針對(duì)TI的DMD采用專門(mén)MEMS工藝制備微鏡陣列引起的不足，本文采用CMOS-MEMS工藝方案，在CMOS后端工藝中基本完成MEMS微鏡陣列的結(jié)構(gòu)制備，然后在CMOS工藝后附加少量的Post-CMOS工藝并最終完成器件。CMOS電路和微鏡陣列直接單片集成，集成度高，芯片面積小。而且CMOS工藝良率高，在制備大規(guī)模陣列式器件方面具有優(yōu)勢(shì)。因此CMOS-MEMS工藝制備的單片集成微鏡陣列芯片面積小，產(chǎn)品良率高，成本低。

針對(duì)TI的DMD中微鏡吸合電壓較高導(dǎo)致的不足，本文采用CMOS后端金屬互連層制備隱藏垂直梳齒電極驅(qū)動(dòng)的低吸合電壓微鏡。該微鏡的吸合電壓與CMOS電路的工作電壓兼容，可以將驅(qū)動(dòng)電路與微鏡陣列單片集成，從而實(shí)現(xiàn)工藝和工作電壓與CMOS工藝全面兼容的數(shù)字微鏡陣列，得到高集成度的CMOS-MEMS投影芯片。

在本文中，我們采用0.35-μm 2-Poly-4-Metal(2P4M) CMOS工藝設(shè)計(jì)和制造了2種集成了隱藏式梳齒驅(qū)動(dòng)器的靜電驅(qū)動(dòng)雙穩(wěn)態(tài)微鏡陣列。作為概念展示，相應(yīng)地設(shè)計(jì)和制造了2種集成了驅(qū)動(dòng)電路的1×8規(guī)模的微鏡陣列，文中分別稱為微鏡A和微鏡B。采用商業(yè)有限元仿真軟件計(jì)算了微鏡結(jié)構(gòu)的電-力耦合特性。在大氣環(huán)境下，2種微鏡的靜態(tài)吸合電壓仿真結(jié)果分別為19.25 V和3 V，與CMOS工藝的工作電壓接近和兼容。測(cè)試結(jié)果表明微鏡A典型的吸合電壓為21 V，與仿真結(jié)果基本接近。

1 微鏡結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)

設(shè)計(jì)了2種與CMOS工作電壓兼容的低吸合電壓CMOS-MEMS微鏡結(jié)構(gòu)，微鏡A和微鏡B的結(jié)構(gòu)示意圖如圖1和圖2所示。該微鏡結(jié)構(gòu)分3層，從上至下依次為鏡面、垂直梳齒電極和尋址電極。其中垂直梳齒電極由兩部分構(gòu)成： 一部分垂直梳齒電極通過(guò)鎢塞從微鏡下表面懸掛下來(lái)形成懸掛電極(Suspended electrodes)；另一部分垂直梳齒電極通過(guò)鎢塞從尋址電極上表面支撐起來(lái)形成升高電極(Raised electrodes)。

圖1 微鏡A結(jié)構(gòu)示意圖Fig.1 Schematic view of micro-mirror A

圖2 微鏡B的結(jié)構(gòu)示意圖Fig.2 Schematic view of micro-mirror B

同時(shí)，在Post-CMOS工藝中，通過(guò)濕法腐蝕適當(dāng)縮小由CMOS金屬互聯(lián)層形成的TiN/Al/TiN三明治結(jié)構(gòu)的扭臂中Al的寬度，甚至將TiN/Al/TiN三明治結(jié)構(gòu)的扭臂轉(zhuǎn)化為T(mén)iN/Air/TiN結(jié)構(gòu)，降低扭臂的彈性系數(shù)，進(jìn)一步降低微鏡的吸合電壓。像素的間距為20 μm，其中鏡面的尺寸為18 μm×18 μm，因此鏡面的占空比為81.0%。

微鏡A和微鏡B的結(jié)構(gòu)的區(qū)別在于，微鏡A中扭臂、尋址電極和懸掛電極平行于鏡面的對(duì)角線，而微鏡B中扭臂、尋址電極和懸掛電極平行于鏡面邊。

采用有限元仿真計(jì)算得到，微鏡A TiN/Al/TiN扭臂吸合電壓為19.25 V。微鏡B TiN/Air/TiN 扭臂吸合電壓是3.0 V，仿真的微鏡鏡面頂點(diǎn)的位移D-偏置電壓Vbias特性曲線如圖2(b)所示。微鏡B TiN/Air/TiN的吸合電壓低于5 V和3.3 V CMOS工藝的工作電壓。

2 芯片制備

微鏡由0.35 μm 2-Poly-4-Metal(2P4M) CMOS工藝的后端工藝中的金屬層構(gòu)成。在CMOS工藝后，在實(shí)驗(yàn)室中進(jìn)行釋放工藝，得到微鏡陣列芯片，具體見(jiàn)文獻(xiàn)[15]。圖3展示了CMOS工藝結(jié)束后，Post-CMOS工藝基本流程為： 1) 采用反應(yīng)離子刻蝕(Reactive Ion Etching, RIE)刻蝕表面的鈍化層(0.6 μm氮化硅和0.5 μm氧化硅)；2) 采用光刻工藝用光刻膠固定微鏡，避免在隨后的濕法腐蝕和脫水過(guò)程中，微鏡發(fā)生粘連或被氣泡吹走[16]。采用基本不腐蝕鋁的SILOX VAPOX-III溶液腐蝕氧化硅，釋放微鏡陣列[17]；3) 采用氧等離子體灰化去除光刻膠，或者采用丙酮浸泡方式去除光刻膠，然后在異丙醇中閃蒸脫水120℃[18]。

我們?cè)趯?shí)驗(yàn)過(guò)程中發(fā)現(xiàn)SILOX VAPOX-III溶液長(zhǎng)時(shí)間腐蝕，會(huì)導(dǎo)致金屬的表面和側(cè)面被少量腐蝕。為了降低濕法腐蝕釋放的時(shí)間，在RIE干法刻蝕窗口時(shí)，將覆蓋在微鏡鏡面上的介質(zhì)都刻蝕干凈。更進(jìn)一步地，在微鏡鏡面上設(shè)計(jì)了9個(gè)濕法釋放孔(1 μm×1 μm)，便于腐蝕液進(jìn)入鏡面下方腐蝕，縮短腐蝕時(shí)間，將腐蝕時(shí)間控制在25℃溫度下65 min。通過(guò)上述兩項(xiàng)措施降低濕法釋放過(guò)程中微鏡結(jié)構(gòu)的損傷。

在設(shè)計(jì)和制備器件過(guò)程中，完全遵守CMOS的設(shè)計(jì)規(guī)則，也沒(méi)有在CMOS工藝中調(diào)整任何工藝，因此器件的結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)和工藝是完全與CMOS工藝兼容的。Post-CMOS工藝與具體的CMOS工藝是相對(duì)獨(dú)立的，這大大提高了選擇具體CMOS工藝的靈活性。

成功釋放后的微鏡A的掃描電子顯微鏡(Scanning Electron Microscop， SEM)照片如圖4所示。微鏡B的高倍顯微鏡照片如圖5所示。為了展示CMOS-MEMS工藝中直接集成MEMS結(jié)構(gòu)和CMOS電路的優(yōu)點(diǎn)，我們?cè)O(shè)計(jì)和制造了集成移位寄存器作為微鏡驅(qū)動(dòng)器的1×8微鏡陣列，芯片如圖6所示，芯片的局部放大圖如圖7所示。

圖4 微鏡A的SEM照片F(xiàn)ig.4 SEM pictures of micro-mirror A

圖5 微鏡B的顯微鏡照片F(xiàn)ig.5 Microscopic pictures of micro-mirror B

圖6 微鏡陣列芯片照片F(xiàn)ig.6 Pictures of micro-mirror arrays chips

圖7 集成1×8移位寄存器的1×8微鏡A陣列芯片照片F(xiàn)ig.7 Picture of 1×8 micro-mirror A linear array integrated with 1×8 shift-register linear array chip

3 測(cè)試結(jié)果

微鏡芯片的測(cè)試系統(tǒng)如圖8所示[15]。與微鏡直接串聯(lián)100 kΩ電阻作為限流電阻，避免微鏡鏡面意外接觸到尋址電極時(shí)電流過(guò)大。采用顯微鏡測(cè)試不同偏置電壓微鏡鏡面的位移，從而得到吸合電壓。采用TiN/Al/TiN扭臂的微鏡A的吸合電壓典型值為21 V，采用TiN/Air/TiN扭臂的微鏡B的吸合測(cè)試結(jié)果離散性較大，其中TiN/Air/TiN扭臂中殘余部分Al。

圖8 測(cè)試系統(tǒng)Fig.8 The test bench set-up

4 討 論

靜電驅(qū)動(dòng)微鏡的部分代表性研究成果列表如表1所示。TI DMD是靜電驅(qū)動(dòng)的雙穩(wěn)態(tài)扭臂式的微鏡陣列，并將扭臂隱藏在微鏡下方，以此增加微鏡占空比，提高光反射效率。UCLA采用隱藏式垂直梳齒驅(qū)動(dòng)扭臂式微鏡降低了微鏡的吸合電壓，但是微鏡的尺寸相對(duì)較大[6,19-20]。本文的微鏡結(jié)構(gòu)中采用了隱藏式3維梳齒驅(qū)動(dòng)器，借助CMOS互連工藝中的金屬鎢塞形成三維懸掛電極，相對(duì)于平行板電極驅(qū)動(dòng)器，提高了極板的面積，等效提高了同樣微鏡面積下極板電容的電容密度，從而提高了靜電驅(qū)動(dòng)器正負(fù)極板間的靜電作用力。CMOS工藝中的關(guān)鍵尺寸較小，減小了3維電極極板間的橫向間距，進(jìn)一步提高了正負(fù)極板間的靜電作用力，從而顯著降低了吸合電壓。但是，我們發(fā)現(xiàn)吸合電壓測(cè)試結(jié)果離散大，部分原因是微鏡結(jié)構(gòu)自身的穩(wěn)定性下降，部分原因是扭臂受到腐蝕溶液的侵蝕程度不同，這導(dǎo)致吸合電壓均勻性變差，不利于陣列器件工作。采用TiN/Air/TiN扭臂的微鏡B制備工藝難度較大，工藝難以控制，吸合電壓測(cè)試結(jié)果離散性尤為明顯。我們將在后續(xù)工作中重點(diǎn)研究和解決這個(gè)問(wèn)題。

表1 靜電驅(qū)動(dòng)微鏡的吸合電壓比較列表

(續(xù)表)

5 結(jié) 語(yǔ)

我們采用0.35-μm 2-Poly-4-Metal(2P4M) CMOS工藝設(shè)計(jì)和制造了2種1×8規(guī)模集成了隱藏式梳齒驅(qū)動(dòng)器的靜電驅(qū)動(dòng)雙穩(wěn)態(tài)微鏡陣列。3維梳齒驅(qū)動(dòng)器的靜電驅(qū)動(dòng)器提高了電容密度，降低了微鏡的吸合電壓。微鏡A和微鏡B的靜態(tài)吸合電壓仿真結(jié)果分別為19.25 V和3 V。測(cè)試結(jié)果表明： 微鏡A的典型的吸合電壓為21 V；微鏡B的吸合電壓測(cè)試結(jié)果較為離散。微鏡A和B的吸合電壓正在逐步實(shí)現(xiàn)與CMOS電路工作電壓兼容，可以將驅(qū)動(dòng)電路與微鏡陣列單片集成，從而為實(shí)現(xiàn)工藝和工作電壓與CMOS工藝全面兼容的數(shù)字微鏡陣列，為研制高集成度的CMOS-MEMS投影芯片奠定了基礎(chǔ)。在下一步工作中我們將重點(diǎn)研究和解決SILOX VAPOX-Ⅲ溶液對(duì)金屬的腐蝕和微鏡結(jié)構(gòu)工作時(shí)的穩(wěn)定性問(wèn)題。