程正喜，劉 亦，徐鶴靚，康曉旭

(1.中國科學院 上海技術物理研究所，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)的主流光學圖形產(chǎn)生器之一，在工業(yè)、商業(yè)和消費電子等領域中均有廣泛應用，比如用于機器視覺、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體工藝制備的幾微米至幾百微米級別尺寸的可動微鏡組成的反射式器件。由于靜電驅(qū)動器具有低功耗的優(yōu)點，且易于與其他微結構集成，因此一般采用靜電方式驅(qū)動微鏡。通過電路單獨控制每個微鏡的偏轉(zhuǎn)角度，從而調(diào)整每個微鏡表面的反射光的方向，控制圖像亮點對應的微鏡的反射光進入出射光闌中形成圖像。

美國德州儀器公司(Texas Instruments, TI)自從1995年投放數(shù)字微鏡(Digital Micromirror Device, DMD)芯片到市場中開始，一直是微鏡陣列芯片的最主要供應商[1-4]。TI DMD是靜電驅(qū)動的雙穩(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)字信號確定微鏡偏轉(zhuǎn)為正偏或反偏狀態(tài)，對應于圖像中像素的明暗狀態(tài)。大部分學術研究機構，如東京大學、加州大學洛杉磯分校(University of California, Los Angeles, UCLA)、斯坦福大學(Stanford University, SU)、日本東北大學(Tohoku University, TU)、富士通實驗室(Fujitsu, FUJ)、北京大學和上海微系統(tǒng)所等[5-11]，主要研制特定用途的微鏡陣列，包括應用于光通信的光交換開關陣列和天文望遠鏡用的光闌陣列等。比利時微電子中心(Interuniversity Microelectronics Center, IMEC)的SiGe微鏡陣列[12-13]，德國弗勞恩霍夫光學微系統(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]也在技術或者商業(yè)上取得了一定的成功。

TI的DMD器件是一個非常成功的器件，成功源于高占空比的微鏡結構、穩(wěn)定的雙穩(wěn)態(tài)工作模式、數(shù)字驅(qū)動方式以及綜合了微鏡結構、材料、工藝、驅(qū)動方式和封裝等實現(xiàn)的高可靠性。TI的DMD有兩點不完美之處： 1) DMD需要專門的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) 因為微鏡的吸合電壓在18.0～24.0 V，超過了常規(guī)CMOS的工作電壓，因此需要一塊單獨的高壓控制芯片來驅(qū)動微鏡陣列芯片，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的慣性延續(xù)。在DMD的基礎上，本文從上述兩點不足出發(fā)，嘗試提出不同的解決方案，以期找到一些與DMD競爭的可能性。

針對TI的DMD采用專門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微鏡陣列的結構制備，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。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TI的DMD中微鏡吸合電壓較高導致的不足，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)動電路與微鏡陣列單片集成，從而實現(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工藝設計和制造了2種集成了隱藏式梳齒驅(qū)動器的靜電驅(qū)動雙穩(wěn)態(tài)微鏡陣列。作為概念展示，相應地設計和制造了2種集成了驅(qū)動電路的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)有限元仿真軟件計算了微鏡結構的電-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。測試結果表明微鏡A典型的吸合電壓為21 V，與仿真結果基本接近。

1 微鏡結構設計

設計了2種與CMOS工作電壓兼容的低吸合電壓CMOS-MEMS微鏡結構，微鏡A和微鏡B的結構示意圖如圖1和圖2所示。該微鏡結構分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成： 一部分垂直梳齒電極通過鎢塞從微鏡下表面懸掛下來形成懸掛電極(Suspended electrodes)；另一部分垂直梳齒電極通過鎢塞從尋址電極上表面支撐起來形成升高電極(Raised electrodes)。

圖1 微鏡A結構示意圖Fig.1 Schematic view of micro-mirror A

圖2 微鏡B的結構示意圖Fig.2 Schematic view of micro-mirror B

同時，在Post-CMOS工藝中，通過濕法腐蝕適當縮小由CMOS金屬互聯(lián)層形成的TiN/Al/TiN三明治結構的扭臂中Al的寬度，甚至將TiN/Al/TiN三明治結構的扭臂轉(zhuǎn)化為TiN/Air/TiN結構，降低扭臂的彈性系數(shù)，進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的結構的區(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成。在CMOS工藝后，在實驗室中進行釋放工藝，得到微鏡陣列芯片，具體見文獻[15]。圖3展示了CMOS工藝結束后，Post-CMOS工藝基本流程為： 1) 采用反應離子刻蝕(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]。

我們在實驗過程中發(fā)現(xiàn)SILOX VAPOX-III溶液長時間腐蝕，會導致金屬的表面和側面被少量腐蝕。為了降低濕法腐蝕釋放的時間，在RIE干法刻蝕窗口時，將覆蓋在微鏡鏡面上的介質(zhì)都刻蝕干凈。更進一步地，在微鏡鏡面上設計了9個濕法釋放孔(1 μm×1 μm)，便于腐蝕液進入鏡面下方腐蝕，縮短腐蝕時間，將腐蝕時間控制在25℃溫度下65 min。通過上述兩項措施降低濕法釋放過程中微鏡結構的損傷。

在設計和制備器件過程中，完全遵守CMOS的設計規(guī)則，也沒有在CMOS工藝中調(diào)整任何工藝，因此器件的結構設計和工藝是完全與CMOS工藝兼容的。Post-CMOS工藝與具體的CMOS工藝是相對獨立的，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結構和CMOS電路的優(yōu)點，我們設計和制造了集成移位寄存器作為微鏡驅(qū)動器的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 測試結果

微鏡芯片的測試系統(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電流過大。采用顯微鏡測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的吸合測試結果離散性較大，其中TiN/Air/TiN扭臂中殘余部分Al。

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

4 討 論

靜電驅(qū)動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)動扭臂式微鏡降低了微鏡的吸合電壓，但是微鏡的尺寸相對較大[6,19-20]。本文的微鏡結構中采用了隱藏式3維梳齒驅(qū)動器，借助CMOS互連工藝中的金屬鎢塞形成三維懸掛電極，相對于平行板電極驅(qū)動器，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)動器正負極板間的靜電作用力。CMOS工藝中的關鍵尺寸較小，減小了3維電極極板間的橫向間距，進一步提高了正負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)吸合電壓測試結果離散大，部分原因是微鏡結構自身的穩(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，吸合電壓測試結果離散性尤為明顯。我們將在后續(xù)工作中重點研究和解決這個問題。

表1 靜電驅(qū)動微鏡的吸合電壓比較列表

(續(xù)表)

5 結 語

我們采用0.35-μm 2-Poly-4-Metal(2P4M) CMOS工藝設計和制造了2種1×8規(guī)模集成了隱藏式梳齒驅(qū)動器的靜電驅(qū)動雙穩(wěn)態(tài)微鏡陣列。3維梳齒驅(qū)動器的靜電驅(qū)動器提高了電容密度，降低了微鏡的吸合電壓。微鏡A和微鏡B的靜態(tài)吸合電壓仿真結果分別為19.25 V和3 V。測試結果表明： 微鏡A的典型的吸合電壓為21 V；微鏡B的吸合電壓測試結果較為離散。微鏡A和B的吸合電壓正在逐步實現(xiàn)與CMOS電路工作電壓兼容，可以將驅(qū)動電路與微鏡陣列單片集成，從而為實現(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。在下一步工作中我們將重點研究和解決SILOX VAPOX-Ⅲ溶液對金屬的腐蝕和微鏡結構工作時的穩(wěn)定性問題。