CN106094064B - 一种热驱动mems微镜阵列器件及其制造方法 - Google Patents
一种热驱动mems微镜阵列器件及其制造方法 Download PDFInfo
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Abstract
一种热驱动MEMS微镜阵列器件，其特征在于包括M×N个热驱动MEMS微镜单元(1)、衬底(2)和电引线(3)，其中M、N为大于等于1的整数，热驱动MEMS微镜单元(1)包括镜面(1‑1)、驱动臂(1‑2)，衬底(2)包括TSV通孔(2‑1)、底部PAD(2‑2)、顶部PAD(2‑3)和硅墙(2‑4)，TSV通孔(2‑1)穿过硅墙(2‑4)分别与顶部PAD(2‑3)和底部PAD(2‑2)相连接，电引线(3)依次与底部PAD(2‑2)、TSV通孔(2‑1)、顶部PAD(2‑3)和驱动臂(1‑2)电连接，镜面(1‑1)通过驱动臂(1‑2)连接在衬底(2)上。优点：本发明创造直接采用单圆片实现带背面引线的电热微镜及微镜阵列，减少了键合等工序，降低了成本，其中的微镜阵列可用于光交叉互联。
Description
技术领域
本发明涉及的是一种热驱动MEMS微镜及阵列器件及其制造方法，属于微机电技术领域。
背景技术
现有热式MEMS微镜具有扫描角度大、驱动电压低、镜面填充率高等巨大优势。现有热式MEMS微镜阵列器件（如CN 104020561 B）是采用1×N阵列结构，该阵列结构将所有引线都从芯片正面引到芯片边沿，当需要采用M×N阵列结构时，仍然只能将引线从芯片正面引导到芯片的边沿；当M和N都较大时，比如大于10，从芯片中心往边沿引线较为困难，且会造成引线电阻分布不均和散热困难的技术问题。
例如美国专利申请号20140055767，名称MIRROR ARRAY，包含微镜阵列和TSV穿孔。利用键合技术（Bonding）实现阵列微镜。
例如申请号：201310511778.4“一种TSV-MEMS组合”专利，分别制作TSV裸片和MEMS裸片，然后通过粘结剂进行粘合。需要在TSV裸片上面制作粘合材料（0009），在MEMS裸片上制作凹槽（0010），完成后需要进行粘合工艺。
键合工艺过程中需要进行圆片对准，存在对准误差及成品率的问题。
发明内容
本发明解决的技术问题是：电热微镜阵列工序复杂、加工成本高、成品率低以及引线和散热方面的技术问题。
本发明的技术方案：一种热驱动MEMS微镜阵列器件，其特征在于包括M×N个热驱动MEMS微镜单元1、衬底2和电引线3，其中M、N为大于等于1的整数，热驱动MEMS微镜单元1包括镜面1-1、驱动臂1-2，衬底2包括TSV通孔2-1、底部PAD2-2、顶部PAD2-3和硅墙2-4，TSV通孔2-1穿过硅墙2-4分别与顶部PAD2-3和底部PAD2-2相连接，电引线3依次与底部PAD2-2、TSV通孔2-1、顶部PAD2-3和驱动臂1-2电连接，镜面1-1通过驱动臂1-2连接在衬底2上。
本发明的优点和技术效果：本申请直接采用单圆片实现了带背面引线的电热微镜阵列，背面引线不仅解决了引线电阻大的问题，同时通过背面将每一个焊点直接与封装载体接触，大大增加了散热速率和散热均匀性，同时整个工艺流程无需键合，大大降低了成本，提高了成品率，其中的微镜阵列可用于光交叉互联（OXC）。
附图说明
图1是实施例1的一种热驱动MEMS微镜阵列器件。
图2是热驱动MEMS微镜单元1。
图3是实施例2选择SOI圆片作为基底4的步骤。
图4是实施例2在基底4上制作TSV通孔2-1、底部PAD2-2和顶部PAD2-3的步骤。
图5是实施例2在基底4正面淀积并图形化形成镜面1-1反射层、驱动臂1-2和电引线3的步骤。
图6是实施例2在基底4的背面，图形化基底4的底硅层4-1，形成镂空结构，并露出掩埋层4-2的步骤。
图7是实施例2去除掩埋层4-2，露出顶硅层4-3的步骤。
图8是实施例2在基底4正面，图形化顶硅层4-3，释放驱动臂1-2和镜面1-1，形成硅墙2-4的步骤。
图9是实施例3选择圆片作为基底4的步骤。
图10是实施例3在基底4上制作TSV通孔2-1、底部PAD2-2和顶部PAD2-3的步骤。
图11是实施例3在基底4正面淀积并图形化形成镜面1-1、驱动臂1-2和电引线3的步骤。
图12是实施例3在基底4的背面，图形化基底4的底部至设定厚度，形成镂空结构的步骤。
图13是实施例3在基底4正面，图形化基底4的顶部，释放驱动臂1-2和镜面1-1，形成硅墙2-4的步骤。
图中，1是热驱动MEMS微镜单元，1-1是镜面，1-1-1是支撑层，1-1-2是高反射薄膜层，1-2是驱动臂，2是衬底，2-1是TSV通孔，2-2是底部PAD，2-3是顶部PAD，2-4是硅墙，3是电引线，4是基底，4-1是底硅层，4-2是掩埋层，4-3是顶硅层。
具体实施方式
一种热驱动MEMS微镜阵列器件，包括M×N个热驱动MEMS微镜单元1、衬底2和电引线3，其中M、N为大于等于1的整数，热驱动MEMS微镜单元1包括镜面1-1、驱动臂1-2，衬底2包括TSV通孔2-1、底部PAD2-2、顶部PAD2-3和硅墙2-4，TSV通孔2-1穿过硅墙2-4分别与顶部PAD2-3和底部PAD2-2相连接，电引线3依次与底部PAD2-2、TSV通孔2-1、顶部PAD2-3和驱动臂1-2电连接，镜面1-1通过驱动臂1-2连接在衬底2上。
优选的，该镜面1-1包括支撑层1-1-1和高反射薄膜层1-1-2，高反射薄膜层1-1-2在支撑层1-1-1的表面。
优选的，该镜面1-1的下方镂空。
优选的，该镜面1-1为正方形、长方形、圆形、椭圆形或多边形中的一种，并由4组驱动臂1-2在所述镜面1-1的4个边支撑。
优选的，该驱动臂1-2包括至少两层热膨胀系数不同的材料，其中至少一层材料为加热电阻材料层，该加热电阻材料层与所述电引线3电连接。
优选的，该驱动臂1-2中一种材料可以用一次或多次，并且所述驱动臂1-2的每一层可以是连续的。
优选的，该驱动臂1-2中一种材料可以用一次或多次，并且所述驱动臂1-2的每一层可以是不连续的。
优选的，所述M和N均等于1，即该器件为单镜面微镜芯片。
一种热驱动MEMS微镜阵列器件的制造方法，其特征在于包括如下步骤：
1）选择SOI圆片作为基底4，该SOI圆片包括底硅层4-1、氧埋层4-2和顶硅层4-3；
2）在基底4上制作TSV通孔2-1、底部PAD2-2和顶部PAD2-3；
3）在基底4正面淀积并图形化形成镜面1-1、驱动臂1-2和电引线3；
4）在基底4的背面，图形化基底4的底硅层4-1，形成镂空结构，并露出掩埋层4-2；
5）去除掩埋层4-2，露出顶硅层4-3；
6）在基底4正面，图形化顶硅层4-3，释放驱动臂1-2和镜面1-1，形成硅墙2-4，最终形成所述热驱动MEMS微镜阵列器件。
优选的，该驱动臂1-2中的一段依次由二氧化硅-钛-二氧化硅-铝-二氧化硅构成。
优选的，该驱动臂1-2中的一段依次由二氧化硅-钛-铜-钛-二氧化硅-钨-二氧化硅构成。
一种热驱动MEMS微镜阵列器件的制造方法，其特征在于包括如下步骤：
1）选择圆片作为基底4；
2）在基底4上制作TSV通孔2-1、底部PAD2-2和顶部PAD2-3；
3）在基底4正面淀积并图形化形成镜面1-1、驱动臂1-2和电引线3；
4）在基底4的背面，图形化基底4的底部至设定厚度，形成镂空结构；
5）在基底4正面，图形化基底4的顶部，释放驱动臂1-2和镜面1-1，形成硅墙2-4，最终形成所述热驱动MEMS微镜阵列器件。
优选的，该驱动臂1-2中的一段依次由二氧化硅-钛-二氧化硅-铝-二氧化硅构成。
优选的，该驱动臂1-2中的一段依次由二氧化硅-钛-铜-钛-二氧化硅-钨-二氧化硅构成。
实施例1
如图1、图2所示，一种热驱动MEMS微镜阵列器件，包括M×N个热驱动MEMS微镜单元1、衬底2和电引线3，其中M、N为大于等于1的整数，热驱动MEMS微镜单元1包括镜面1-1、驱动臂1-2，衬底2包括TSV通孔2-1、底部PAD2-2、顶部PAD2-3和硅墙2-4，TSV通孔2-1穿过硅墙2-4分别与顶部PAD2-3和底部PAD2-2相连接，电引线3依次与底部PAD2-2、TSV通孔2-1、顶部PAD2-3和驱动臂1-2电连接，镜面1-1通过驱动臂1-2连接在衬底2上。
该镜面1-1包括支撑层1-1-1和高反射薄膜层1-1-2，高反射薄膜层1-1-2在支撑层1-1-1的表面。
该镜面1-1的下方镂空。
该镜面1-1为正方形、长方形、圆形、椭圆形或多边形中的一种，并由4组驱动臂1-2在所述镜面1-1的4个边支撑。
该驱动臂1-2包括至少两层热膨胀系数不同的材料，其中至少一层材料为加热电阻材料层，该加热电阻材料层与所述电引线3电连接。
该驱动臂1-2中一种材料可以用一次或多次，并且所述驱动臂1-2的每一层可以是连续的。
该驱动臂1-2中一种材料可以用一次或多次，并且所述驱动臂1-2的每一层可以是不连续的。
所述M和N均等于1，即该器件为单镜面微镜芯片。
驱动臂可以是正反叠放Bimorph级联而成，如专利CN 103091835 B；驱动臂由热膨胀系数不同的材料叠层组成，可以实现微镜的大角度或者大位移驱动，同时，驱动臂采用嵌入式电阻层，可以实现低电压驱动，如专利CN 203101727 U。驱动臂可以是LSF结构，包括多段Bimorph结构和直梁构成，也可以是S结构，S结构由正反叠放Bimorph级联而成，包括正向叠放的Bimorph、反向叠放的Bimorph和三明治结构。其中正向叠放或者反向叠放Bimorph结构可包括多层复合材料，采用嵌入式电阻层，其中优选驱动臂末端带有热隔离结构。其中的Bimorph的两层主要材料可以用二氧化硅和铝，也可以用铜和钨，还可用二氧化硅和铜，多晶硅和铜等；电阻层可采用多晶硅、铂、钨、钛、铝等。各个导电层之间的绝缘或电隔离可采用二氧化硅、氮化硅等。
所述驱动臂包含多层薄膜，其中变形Bimorph结构其厚度范围是0.5um~4um，隔离层其厚度范围0.01um~0.5um，加热器其厚度范围0.01um~0.3um。优选地，Al和SiO2厚度分别为1um，1.1um，隔离层厚度0.1um，加热器厚度0.2um。
所述镜面，包括镜面反射层和镜面支撑，反射层厚度范围30nm~500nm，镜面支撑厚度范围10um~50um；优选地，金属反射层厚度100nm，镜面支撑厚度20um；
所述镜面1-1包括支撑层1-1-1和高反射薄膜层1-1-2，高反射薄膜层1-1-2在支撑层1-1-1的表面。支撑层为单晶硅；镜面上的高反射层可用金属薄膜如铝、金或银等或多层高反介质膜。
所述镜面1-1的下方镂空。
所述M、N均等于1，即为单镜面微镜芯片。
所述M、N为大于1的整数。
所述驱动臂1-2包括至少两层热膨胀系数不同的材料，其中至少一层材料为加热电阻材料层，该加热电阻材料层与所述电引线3电连接。作为一种优选方案，驱动臂由Cu和W两种金属材料组成Bimorph结构，W同时可作为电引线，Cu有高的热膨胀系数，且其热导率也高，W的杨氏模量大，且这两种材料的熔点都高，由两种材料形成的驱动臂，可实现大的位移量程，或者大角度 。
实施例2
本实施例是实施例1的具体制造方法，选择的是SOI圆片作为基底4的制造方法。
如图3～图8所示，该热驱动MEMS微镜阵列器件的制造方法，包括如下步骤：
1）如图3所示，选择SOI圆片作为基底4，该SOI圆片包括底硅层4-1、氧埋层4-2、和顶硅层4-3；
2）如图4所示，在基底4上制作TSV通孔2-1、底部PAD2-2和顶部PAD2-3；其中TSV穿孔可以是完全填充的金属材料，也可以是在孔内表面生长一层金属材料，材料优选Cu，在底硅层与顶硅层，通孔设有引线。PAD下方有绝缘层，可保证在电导通情况下不发生短路。
3）如图5所示，在基底4正面淀积并图形化形成镜面1-1反射层、驱动臂1-2和电引线3；驱动臂包含金属结构层、电隔离层和加热层，金属生长方式可以是溅射、蒸发，电隔离层生长方式可以是化学气相沉积，物理气相沉积，刻蚀可以是湿法刻蚀，也可以是干法刻蚀。驱动臂可以是多段Bimorph结构与直梁构成，如LSF结构，也可以是正反叠放Bimorph级联而成，如双S结构，其中优选驱动臂末端带有热隔离结构。
4）如图6所示，在基底4的背面，图形化基底4的底硅层4-1，形成镂空结构，并露出掩埋层4-2；该镂空结构可用干法刻蚀或者湿法刻蚀形成。
5）如图7所示，去除掩埋层4-2，露出顶硅层4-3；去除方式可以是干法刻蚀，湿法刻蚀，或者上述工艺方案的组合实现。
6）如图8所示，在基底4正面，图形化顶硅层4-3，释放驱动臂1-2和镜面1-1，形成硅墙2-4，最终形成所述热驱动MEMS微镜阵列器件。可采用DRIE干法刻蚀，实现驱动臂和镜面的释放。
该驱动臂1-2中的一段依次由二氧化硅-钛-二氧化硅-铝-二氧化硅构成，也可依次由二氧化硅-钛-铜-钛-二氧化硅-钨-二氧化硅构成。
实施例3
本实施例是实施例1的具体制造方法，选择的是选择圆片作为基底4的制造方法。
如图9～图13所示，该热驱动MEMS微镜阵列器件的制造方法，包括如下步骤：
1）如图9所示，选择圆片作为基底4；圆片可采用普通硅片，或者玻璃片作为基底材料，优选为硅片。
2）如图10所示，在基底4上制作TSV通孔2-1、底部PAD2-2和顶部PAD2-3；
3）如图11所示，在基底4正面淀积并图形化形成镜面1-1、驱动臂1-2和电引线3；
4）如图12所示，在基底4的背面，图形化基底4的底部至设定厚度，形成镂空结构；
5）如图13所示，在基底4正面，图形化基底4的顶部，释放驱动臂1-2和镜面1-1，形成硅墙2-4，最终形成所述热驱动MEMS微镜阵列器件。
该驱动臂1-2中的一段依次由二氧化硅-钛-二氧化硅-铝-二氧化硅构成，也可依次由二氧化硅-钛-铜-钛-二氧化硅-钨-二氧化硅构成。
关于现有MEMS器件阵列的制作方法，加工成本高、工序复杂，键合成品率低的技术问题。
例如美国专利申请号20140055767，名称MIRROR ARRAY，包含微镜阵列和TSV穿孔，利用键合技术（Bonding）实现阵列微镜。
例如申请号：201310511778.4“一种TSV-MEMS组合”专利，是分别制作TSV裸片和MEMS裸片，通过粘结剂进行粘合，需要在TSV裸片上面制作粘合材料（0009），然后在MEMS裸片上制作凹槽（0010），完成后进行粘合工艺。
本方案直接采用单圆片实现微镜阵列，省去了键合工序，降低了成本，提高了成品率。
关于阵列结构的引线电阻分布不均的技术问题，本申请采用TSV点对点引线技术，将阵列中的每个微镜单元的PAD直接引到TSV片的背面，实现了走线电阻的一致性。
关于散热困难的技术问题，本申请通过TSV片将微镜单元中驱动臂的热量直接传导到芯片外部，减小了微镜单元间的温度差异，TSV片缩短了散热通道，提高了散热效率。
Claims (12)
1.一种热驱动MEMS微镜阵列器件，其特征在于包括M×N个热驱动MEMS微镜单元(1)、衬底(2)和电引线(3)，其中M、N为大于等于1的整数，热驱动MEMS微镜单元(1)包括镜面(1-1)、驱动臂(1-2)，衬底(2)包括TSV通孔(2-1)、底部PAD(2-2)、顶部PAD(2-3)和硅墙(2-4)，TSV通孔(2-1)穿过硅墙(2-4)分别与顶部PAD(2-3)和底部PAD(2-2)相连接，电引线(3)依次与底部PAD(2-2)、TSV通孔(2-1)、顶部PAD(2-3)和驱动臂(1-2)电连接，镜面(1-1)通过驱动臂(1-2)连接在衬底(2)上。
2.根据权利要求1所述的一种热驱动MEMS微镜阵列器件，其特征在于所述镜面(1-1)包括支撑层(1-1-1)和高反射薄膜层(1-1-2)，高反射薄膜层(1-1-2)在支撑层(1-1-1)的表面。
3.根据权利要求1所述的一种热驱动MEMS微镜阵列器件，其特征在于所述镜面(1-1)的下方镂空。
4.根据权利要求1所述的一种热驱动MEMS微镜阵列器件，其特征在于所述镜面(1-1)为正方形、长方形、圆形、椭圆形中的一种，镜面为正方形或长方形时由4组驱动臂(1-2)在所述镜面(1-1)的4个边支撑，镜面为圆形或椭圆形时由4组驱动臂(1-2)在所述镜面(1-1)周边的4个点支撑。
5.根据权利要求1所述的一种热驱动MEMS微镜阵列器件，其特征在于所述驱动臂(1-2)包括至少两层热膨胀系数不同的材料，其中至少一层材料为加热电阻材料层，该加热电阻材料层与所述电引线(3)电连接。
6.根据权利要求1所述的一种热驱动MEMS微镜阵列器件，其特征在于所述M和N均等于1，即该器件为单镜面微镜芯片。
7.根据权利要求1所述的一种热驱动MEMS微镜阵列器件的制造方法，其特征在于包括如下步骤：
1)选择SOI圆片作为基底(4)，该SOI圆片包括底硅层(4-1)、氧埋层(4-2)和顶硅层(4-3)；
2)在基底(4)上制作TSV通孔(2-1)、底部PAD(2-2)和顶部PAD(2-3)；
3)在基底(4)正面淀积并图形化形成镜面(1-1)、驱动臂(1-2)和电引线(3)；
4)在基底(4)的背面，图形化基底(4)的底硅层(4-1)，形成镂空结构，并露出掩埋层(4-2)；
5)去除氧埋层(4-2)，露出顶硅层(4-3)；
6)在基底(4)正面，图形化顶硅层(4-3)，释放驱动臂(1-2)和镜面(1-1)，形成硅墙(2-4)，最终形成所述热驱动MEMS微镜阵列器件。
8.根据权利要求7所述的一种热驱动MEMS微镜阵列器件的制造方法，其特征在于所述驱动臂(1-2)中的一段依次由二氧化硅-钛-二氧化硅-铝-二氧化硅构成。
9.根据权利要求7所述的一种热驱动MEMS微镜阵列器件的制造方法，其特征在于所述驱动臂(1-2)中的一段依次由二氧化硅-钛-铜-钛-二氧化硅-钨-二氧化硅构成。
10.根据权利要求1所述的一种热驱动MEMS微镜阵列器件的制造方法，其特征在于包括如下步骤：
1)选择圆片作为基底(4)；
2)在基底(4)上制作TSV通孔(2-1)、底部PAD(2-2)和顶部PAD(2-3)；
3)在基底(4)正面淀积并图形化形成镜面(1-1)、驱动臂(1-2)和电引线(3)；
4)在基底(4)的背面，图形化基底(4)的底部至设定厚度，形成镂空结构；
5)在基底(4)正面，图形化基底(4)的顶部，释放驱动臂(1-2)和镜面(1-1)，形成硅墙(2-4)，最终形成所述热驱动MEMS微镜阵列器件。
11.根据权利要求10所述的一种热驱动MEMS微镜阵列器件的制造方法，其特征在于所述驱动臂(1-2)中的一段依次由二氧化硅-钛-二氧化硅-铝-二氧化硅构成。
12.根据权利要求10所述的一种热驱动MEMS微镜阵列器件的制造方法，其特征在于所述驱动臂(1-2)中的一段依次由二氧化硅-钛-铜-钛-二氧化硅-钨-二氧化硅构成。
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Non-Patent Citations (1)
| Title |
|---|
| 《一种电热式MEMS微镜多自由度模型解析方法》;章皓 等;《传感器与微系统》;20141031;第33卷(第10期);第17页至第24页 * |
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| Publication number | Publication date |
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| CN106094064A (zh) | 2016-11-09 |
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