集成隐藏式3维梳齿电极驱动器的低吸合电压CMOS-MEMS微镜阵列

程正喜，刘 亦，徐鹤靓，康晓旭

(1.中国科学院 上海技术物理研究所，上海 200083; 2.上海集成电路研发中心，上海 201210)

微镜阵列芯片是投影显示系统的主流光学图形产生器之一，在工业、商业和消费电子等领域中均有广泛应用，比如用于机器视觉、电影投影等大尺寸显示以及交互显示等。微镜阵列是一种由半导体工艺制备的几微米至几百微米级别尺寸的可动微镜组成的反射式器件。由于静电驱动器具有低功耗的优点，且易于与其他微结构集成，因此一般采用静电方式驱动微镜。通过电路单独控制每个微镜的偏转角度，从而调整每个微镜表面的反射光的方向，控制图像亮点对应的微镜的反射光进入出射光阑中形成图像。

美国德州仪器公司(Texas Instruments, TI)自从1995年投放数字微镜(Digital Micromirror Device, DMD)芯片到市场中开始，一直是微镜阵列芯片的最主要供应商[1-4]。TI DMD是静电驱动的双稳态扭臂式的微镜阵列，并将扭臂隐藏在微镜下方，以此增加微镜占空比，提高光反射效率。微镜根据输入的数字信号确定微镜偏转为正偏或反偏状态，对应于图像中像素的明暗状态。大部分学术研究机构，如东京大学、加州大学洛杉矶分校(University of California, Los Angeles, UCLA)、斯坦福大学(Stanford University, SU)、日本东北大学(Tohoku University, TU)、富士通实验室(Fujitsu, FUJ)、北京大学和上海微系统所等[5-11]，主要研制特定用途的微镜阵列，包括应用于光通信的光交换开关阵列和天文望远镜用的光阑阵列等。比利时微电子中心(Interuniversity Microelectronics Center, IMEC)的SiGe微镜阵列[12-13]，德国弗劳恩霍夫光学微系统研究院(Fraunhofer Institute for Photonic Microsystems, Fraunhofer IPMS)的空间光调制元件(Spatial Light Modulators, SLM)[14]也在技术或者商业上取得了一定的成功。

TI的DMD器件是一个非常成功的器件，成功源于高占空比的微镜结构、稳定的双稳态工作模式、数字驱动方式以及综合了微镜结构、材料、工艺、驱动方式和封装等实现的高可靠性。TI的DMD有两点不完美之处： 1) DMD需要专门的MEMS传感器(Microelectro Mechanical Systems)工艺，在CMOS-DRAM电路上制备微镜阵列，成本较高；2) 因为微镜的吸合电压在18.0～24.0 V，超过了常规CMOS的工作电压，因此需要一块单独的高压控制芯片来驱动微镜阵列芯片，集成度不高。DMD几代产品都维持了较高的吸合电压和独立的高压控制芯片，有其从产品良率、封装等方面的考量；另一方面也可能是成功技术的惯性延续。在DMD的基础上，本文从上述两点不足出发，尝试提出不同的解决方案，以期找到一些与DMD竞争的可能性。

针对TI的DMD采用专门MEMS工艺制备微镜阵列引起的不足，本文采用CMOS-MEMS工艺方案，在CMOS后端工艺中基本完成MEMS微镜阵列的结构制备，然后在CMOS工艺后附加少量的Post-CMOS工艺并最终完成器件。CMOS电路和微镜阵列直接单片集成，集成度高，芯片面积小。而且CMOS工艺良率高，在制备大规模阵列式器件方面具有优势。因此CMOS-MEMS工艺制备的单片集成微镜阵列芯片面积小，产品良率高，成本低。

针对TI的DMD中微镜吸合电压较高导致的不足，本文采用CMOS后端金属互连层制备隐藏垂直梳齿电极驱动的低吸合电压微镜。该微镜的吸合电压与CMOS电路的工作电压兼容，可以将驱动电路与微镜阵列单片集成，从而实现工艺和工作电压与CMOS工艺全面兼容的数字微镜阵列，得到高集成度的CMOS-MEMS投影芯片。

在本文中，我们采用0.35-μm 2-Poly-4-Metal(2P4M) CMOS工艺设计和制造了2种集成了隐藏式梳齿驱动器的静电驱动双稳态微镜阵列。作为概念展示，相应地设计和制造了2种集成了驱动电路的1×8规模的微镜阵列，文中分别称为微镜A和微镜B。采用商业有限元仿真软件计算了微镜结构的电-力耦合特性。在大气环境下，2种微镜的静态吸合电压仿真结果分别为19.25 V和3 V，与CMOS工艺的工作电压接近和兼容。测试结果表明微镜A典型的吸合电压为21 V，与仿真结果基本接近。

1 微镜结构设计

设计了2种与CMOS工作电压兼容的低吸合电压CMOS-MEMS微镜结构，微镜A和微镜B的结构示意图如图1和图2所示。该微镜结构分3层，从上至下依次为镜面、垂直梳齿电极和寻址电极。其中垂直梳齿电极由两部分构成： 一部分垂直梳齿电极通过钨塞从微镜下表面悬挂下来形成悬挂电极(Suspended electrodes)；另一部分垂直梳齿电极通过钨塞从寻址电极上表面支撑起来形成升高电极(Raised electrodes)。

图1 微镜A结构示意图Fig.1 Schematic view of micro-mirror A

图2 微镜B的结构示意图Fig.2 Schematic view of micro-mirror B

同时，在Post-CMOS工艺中，通过湿法腐蚀适当缩小由CMOS金属互联层形成的TiN/Al/TiN三明治结构的扭臂中Al的宽度，甚至将TiN/Al/TiN三明治结构的扭臂转化为TiN/Air/TiN结构，降低扭臂的弹性系数，进一步降低微镜的吸合电压。像素的间距为20 μm，其中镜面的尺寸为18 μm×18 μm，因此镜面的占空比为81.0%。

微镜A和微镜B的结构的区别在于，微镜A中扭臂、寻址电极和悬挂电极平行于镜面的对角线，而微镜B中扭臂、寻址电极和悬挂电极平行于镜面边。

采用有限元仿真计算得到，微镜A TiN/Al/TiN扭臂吸合电压为19.25 V。微镜B TiN/Air/TiN 扭臂吸合电压是3.0 V，仿真的微镜镜面顶点的位移D-偏置电压Vbias特性曲线如图2(b)所示。微镜B TiN/Air/TiN的吸合电压低于5 V和3.3 V CMOS工艺的工作电压。

2 芯片制备

微镜由0.35 μm 2-Poly-4-Metal(2P4M) CMOS工艺的后端工艺中的金属层构成。在CMOS工艺后，在实验室中进行释放工艺，得到微镜阵列芯片，具体见文献[15]。图3展示了CMOS工艺结束后，Post-CMOS工艺基本流程为： 1) 采用反应离子刻蚀(Reactive Ion Etching, RIE)刻蚀表面的钝化层(0.6 μm氮化硅和0.5 μm氧化硅)；2) 采用光刻工艺用光刻胶固定微镜，避免在随后的湿法腐蚀和脱水过程中，微镜发生粘连或被气泡吹走[16]。采用基本不腐蚀铝的SILOX VAPOX-III溶液腐蚀氧化硅，释放微镜阵列[17]；3) 采用氧等离子体灰化去除光刻胶，或者采用丙酮浸泡方式去除光刻胶，然后在异丙醇中闪蒸脱水120℃[18]。

我们在实验过程中发现SILOX VAPOX-III溶液长时间腐蚀，会导致金属的表面和侧面被少量腐蚀。为了降低湿法腐蚀释放的时间，在RIE干法刻蚀窗口时，将覆盖在微镜镜面上的介质都刻蚀干净。更进一步地，在微镜镜面上设计了9个湿法释放孔(1 μm×1 μm)，便于腐蚀液进入镜面下方腐蚀，缩短腐蚀时间，将腐蚀时间控制在25℃温度下65 min。通过上述两项措施降低湿法释放过程中微镜结构的损伤。

在设计和制备器件过程中，完全遵守CMOS的设计规则，也没有在CMOS工艺中调整任何工艺，因此器件的结构设计和工艺是完全与CMOS工艺兼容的。Post-CMOS工艺与具体的CMOS工艺是相对独立的，这大大提高了选择具体CMOS工艺的灵活性。

成功释放后的微镜A的扫描电子显微镜(Scanning Electron Microscop， SEM)照片如图4所示。微镜B的高倍显微镜照片如图5所示。为了展示CMOS-MEMS工艺中直接集成MEMS结构和CMOS电路的优点，我们设计和制造了集成移位寄存器作为微镜驱动器的1×8微镜阵列，芯片如图6所示，芯片的局部放大图如图7所示。

图4 微镜A的SEM照片Fig.4 SEM pictures of micro-mirror A

图5 微镜B的显微镜照片Fig.5 Microscopic pictures of micro-mirror B

图6 微镜阵列芯片照片Fig.6 Pictures of micro-mirror arrays chips

图7 集成1×8移位寄存器的1×8微镜A阵列芯片照片Fig.7 Picture of 1×8 micro-mirror A linear array integrated with 1×8 shift-register linear array chip

3 测试结果

微镜芯片的测试系统如图8所示[15]。与微镜直接串联100 kΩ电阻作为限流电阻，避免微镜镜面意外接触到寻址电极时电流过大。采用显微镜测试不同偏置电压微镜镜面的位移，从而得到吸合电压。采用TiN/Al/TiN扭臂的微镜A的吸合电压典型值为21 V，采用TiN/Air/TiN扭臂的微镜B的吸合测试结果离散性较大，其中TiN/Air/TiN扭臂中残余部分Al。

图8 测试系统Fig.8 The test bench set-up

4 讨 论

静电驱动微镜的部分代表性研究成果列表如表1所示。TI DMD是静电驱动的双稳态扭臂式的微镜阵列，并将扭臂隐藏在微镜下方，以此增加微镜占空比，提高光反射效率。UCLA采用隐藏式垂直梳齿驱动扭臂式微镜降低了微镜的吸合电压，但是微镜的尺寸相对较大[6,19-20]。本文的微镜结构中采用了隐藏式3维梳齿驱动器，借助CMOS互连工艺中的金属钨塞形成三维悬挂电极，相对于平行板电极驱动器，提高了极板的面积，等效提高了同样微镜面积下极板电容的电容密度，从而提高了静电驱动器正负极板间的静电作用力。CMOS工艺中的关键尺寸较小，减小了3维电极极板间的横向间距，进一步提高了正负极板间的静电作用力，从而显著降低了吸合电压。但是，我们发现吸合电压测试结果离散大，部分原因是微镜结构自身的稳定性下降，部分原因是扭臂受到腐蚀溶液的侵蚀程度不同，这导致吸合电压均匀性变差，不利于阵列器件工作。采用TiN/Air/TiN扭臂的微镜B制备工艺难度较大，工艺难以控制，吸合电压测试结果离散性尤为明显。我们将在后续工作中重点研究和解决这个问题。

表1 静电驱动微镜的吸合电压比较列表

(续表)

5 结 语

我们采用0.35-μm 2-Poly-4-Metal(2P4M) CMOS工艺设计和制造了2种1×8规模集成了隐藏式梳齿驱动器的静电驱动双稳态微镜阵列。3维梳齿驱动器的静电驱动器提高了电容密度，降低了微镜的吸合电压。微镜A和微镜B的静态吸合电压仿真结果分别为19.25 V和3 V。测试结果表明： 微镜A的典型的吸合电压为21 V；微镜B的吸合电压测试结果较为离散。微镜A和B的吸合电压正在逐步实现与CMOS电路工作电压兼容，可以将驱动电路与微镜阵列单片集成，从而为实现工艺和工作电压与CMOS工艺全面兼容的数字微镜阵列，为研制高集成度的CMOS-MEMS投影芯片奠定了基础。在下一步工作中我们将重点研究和解决SILOX VAPOX-Ⅲ溶液对金属的腐蚀和微镜结构工作时的稳定性问题。