CN106125295A - 一种电热式mems微镜阵列器件及其制造方法 - Google Patents

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Abstract

一种电热式MEMS微镜阵列器件，包括M×N个热驱动MEMS微镜单元、互联结构和PCB结构，其中M、N为大于等于1的整数，互联结构两端分别与热驱动MEMS微镜单元和PCB结构连接，其中热驱动MEMS微镜单元包括基底、微镜焊盘、驱动臂和镜面，PCB结构包括本底、布线埋层、接插口和PCB焊盘，镜面通过驱动臂连接在基底上，互联结构两端分别与微镜焊盘和PCB焊盘连接，布线埋层埋藏于本底内，接插口设置在本底侧面，PCB焊盘位于PCB结构的表面，接插口通过布线埋层与PCB焊盘一一对应并电连接。优点：采用先将未释放的MEMS微镜阵列芯片与专用PCB进行对位焊接，再对未释放的MEMS微镜阵列芯片进行释放，解决了先释放后封装芯片所带来的裂片率高的技术问题，制造成本低。

Description

一种电热式 MEMS 微镜阵列 器件及其制造方法
技术领域
本发明涉及的是一种电热式MEMS微镜阵列器件及其制造方法，属于微机电技术领域。
背景技术
MEMS（micro-electro-mechanical-systems）是由半导体或其他材料经过微加工工艺加工后构成的可控的微机械结构系统。MEMS依托于成熟的半导体工艺将电、机械和光、热、压电等传感器、执行器、信号处理和控制集成电路集成在一起。MEMS微镜是目前已经在光通信中广泛使用的一种器件。MEMS微镜的基本原理就是通过电热、静电或者磁力的作用使可以活动的微镜面发生转动或平动，从而改变输入光的传播方向或相位。MEMS微镜及其阵列可广泛用于光通讯中的光交换、光谱分析仪器和光投影成像、天文学和视觉科学中的波前相差矫正等领域。
当MEMS微镜阵列用于光交换时，它既有机械微镜阵列开关的低损耗、低串扰、低偏振敏感性和高消光比的优点，又有波导开关的高开关速度、小体积、易于大规模集成等优点。
基于MEMS微镜阵列开关交换技术的已广泛应用于骨干网或大型交换网。目前MEMS微镜阵列主要有4x4与1xN两种模式。当4x4的阵列需要继续扩展到M*N微镜阵列时（M＞4、N＞4），驱动臂电引线的布置就成为了一个难题，常规技术是通过牺牲镜面填充率，来实现驱动臂电引线的布线。
公开号为CN102967933 A的中国专利申请中提到的MEMS微镜阵列，上微镜电极组内的每个上微镜电极与一个提供随机变化电压信号的信号源连接。要实现每个微镜独立控制，就需要将每个微镜的电引线引至芯片的边缘，从而方便金线键合进行封装，但这样就会在芯片的表面布置大量的电引线，占据了大量的芯片面积，降低了镜面的占空比。
公开号为CN 104241220 A的中国专利申请，同时利用TSV技术、Bump技术、MEMS传感器芯片与ASIC芯片互连技术（Flipchip），实现了超小尺寸的MEMS传感器无塑封装。如将该发明专利用在大规模高填充率电热式MEMS微镜阵列的封装，会存在良率低、成本高和芯片破碎率高的问题。例如电热式MEMS微镜8X8阵列的焊盘数量为256个，假设TSV技术的良率≤99.5%，那么256个焊盘至少存在1个焊盘失效，在MEMS微镜阵列中存在1个焊盘失效，整个产品就不能正常使用。TSV技术应用在电热式MEMS微镜阵列中，不仅成本高，且良率低。
发明内容
本发明解决的技术问题是：先释放后封装芯片所带来的裂片率高的技术问题。
本发明的技术方案：一种电热式MEMS微镜阵列器件，包括M×N个热驱动MEMS微镜单元1、互联结构2和PCB结构3，其中M、N为大于等于1的整数，互联结构2两端分别与热驱动MEMS微镜单元1和PCB结构3连接，其中热驱动MEMS微镜单元1包括基底1-1、微镜焊盘1-2、驱动臂1-3和镜面1-4，PCB结构3包括本底3-1、布线埋层3-2、接插口3-3和PCB焊盘3-4，镜面1-4通过驱动臂1-3连接在基底1-1上，互联结构2两端分别与微镜焊盘1-2和PCB焊盘3-4连接，布线埋层3-2埋藏于本底3-1内，接插口3-3设置在本底3-1侧面，PCB焊盘3-4位于PCB结构3的表面，接插口3-3通过布线埋层3-2与PCB焊盘3-4一一对应并电连接。
本发明的优点和技术效果：采用先将未释放的MEMS微镜阵列芯片与专用PCB进行对位焊接，再对未释放的MEMS微镜阵列芯片进行释放，解决了先释放后封装芯片所带来的裂片率高的技术问题，且制造成本低。
附图说明
图1是SOI圆片示意图；
图2是在基底1-1顶层的表面形成驱动臂1-3、微镜焊盘1-2和镜面1-4的示意图；
图3是在微镜焊盘1-2上制作互联结构2的示意图；
图4是PCB结构示意图；
图5是新基底示意图；
图6是减薄后新基底示意图；
图7是在新基底4的背面淀积金属层并图形化，形成镜面1-4的反射层1-8的示意图；
图8是释放后的热驱动MEMS微镜阵列示意图。
图中，1是热驱动MEMS微镜单元，1-1是基底，1-2是微镜焊盘，1-3是驱动臂，1-4是镜面，1-5是顶硅层，1-6是底硅层，1-7是氧埋层，1-8是反射层，2是互联结构，2-1是导电柱，2-2是凸点，3是PCB结构，3-1是本底，3-2是布线埋层，3-3是接插口，3-4是PCB焊盘。
具体实施方式
一种电热式MEMS微镜阵列器件，包括M×N个热驱动MEMS微镜单元1、互联结构2和PCB结构3，其中M、N为大于等于1的整数，互联结构2两端分别与热驱动MEMS微镜单元1和PCB结构3连接，其中热驱动MEMS微镜单元1包括基底1-1、微镜焊盘1-2、驱动臂1-3和镜面1-4，PCB结构3包括本底3-1、布线埋层3-2、接插口3-3和PCB焊盘3-4，镜面1-4通过驱动臂1-3连接在基底1-1上，互联结构2两端分别与微镜焊盘1-2和PCB焊盘3-4连接，布线埋层3-2埋藏于本底3-1内，接插口3-3设置在本底3-1侧面，PCB焊盘3-4位于PCB结构3的表面，接插口3-3通过布线埋层3-2与PCB焊盘3-4一一对应并电连接。
优选的，该互联结构2包括导电柱2-1和凸点2-2，凸点2-2置于导电柱2-1上，导电柱2-1与PCB焊盘3-4连接，凸点2-2与微镜焊盘1-2连接。
优选的，该互联结构2是凸点2-2，凸点2-2的两端分别与PCB焊盘3-4和微镜焊盘1-2连接。
优选的，该PCB结构3上集成有电热式MEMS微镜阵列的控制电路。
优选的，该镜面1-4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1-3在所述镜面1-1的4个边支撑。
优选的，该驱动臂1-3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。
优选的，该驱动臂1-3中一种材料可以用一次或多次，并且所述驱动臂1-3的每一层可以是连续的，也可以是不连续的。
优选的，M和N均等于1，即该器件为单镜面微镜芯片。
一种电热式MEMS微镜阵列器件的制备方法，包括以下步骤：
1）选择SOI圆片，作为基底1-1；
2）在基底1-1顶层的表面形成驱动臂1-3、微镜焊盘1-2和镜面1-4；
3）在微镜焊盘1-2上制作互联结构2；
4）选择绝缘材料作为本底3-1，在本底3-1上制作布线埋层3-2、接插口3-3和PCB焊盘3-4；
5）利用倒装键合技术将本底3-1与基底1-1互联，形成新基底4；
6）减薄新基底4背面至设定厚度；
7）在新基底4的背面淀积金属层并图形化，形成镜面1-4的反射层1-8；
8）图形化新基底4的背面，释放驱动臂1-3和反射镜面1-4，最终形成所述热驱动MEMS微镜阵列器件。
实施例 1
如图8所示，一种电热式MEMS微镜阵列器件，包括M×N个热驱动MEMS微镜单元1、互联结构2和PCB结构3，其中M、N为大于等于1的整数，互联结构2两端分别与热驱动MEMS微镜单元1和PCB结构3连接，其中热驱动MEMS微镜单元1包括基底1-1、微镜焊盘1-2、驱动臂1-3和镜面1-4，PCB结构3包括本底3-1、布线埋层3-2、接插口3-3和PCB焊盘3-4，镜面1-4通过驱动臂1-3连接在基底1-1上，互联结构2两端分别与微镜焊盘1-2和PCB焊盘3-4连接，布线埋层3-2埋藏于本底3-1内，接插口3-3设置在本底3-1侧面，PCB焊盘3-4位于PCB结构3的表面，接插口3-3通过布线埋层3-2与PCB焊盘3-4一一对应并电连接。
互联结构2包括导电柱2-1和凸点2-2，凸点2-2置于导电柱2-1上，导电柱2-1与PCB焊盘3-4连接，凸点2-2与微镜焊盘1-2连接，导电柱为Cu材料，凸点为PbSn材料。
互联结构2也可是凸点2-2，凸点2-2的两端分别与PCB焊盘3-4和微镜焊盘1-2连接，连接方式采用Flipchip工艺进行连接。
PCB结构3上集成有电热式MEMS微镜阵列的控制电路，控制电路可实现对MEMS微镜阵列的独立控制。
该镜面1-4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1-3在所述镜面1-1的4个边支撑。
该驱动臂1-3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。
该驱动臂1-3中一种材料可以用一次或多次，并且所述驱动臂1-3的每一层可以是连续的，也可以是不连续的。
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；
当M和N均等于1，即该器件为单镜面微镜芯片。
实施例 2
本实施例是实施例1的制备方法。
一种电热式MEMS微镜阵列器件的制备方法，包括以下步骤：
1）如图1所示，选择SOI圆片，作为基底1-1，该SOI圆片包括顶硅层1-5、底硅层1-6和氧埋层1-7；
2）如图2所示，在基底1-1顶层的表面形成驱动臂1-3、微镜焊盘1-2和镜面1-4；
2.1）在顶硅层1-5上采用PECVD法淀积SiO2并图形化，作为驱动臂的第一层结构；
2.2）在SiO2薄膜上溅射Ti并图形化，作为驱动臂的加热引线结构；
2.3）在Ti薄膜上采用PECVD法淀积SiO2并图形化，作为驱动臂的加热引线的隔离层结构；
2.4）在步骤2-3的SiO2薄膜上溅射Al并图形化，作为驱动臂的二层结构；
2.5）在Al薄膜上再次采用PECVD法淀积SiO2并图形化，作为驱动臂的第三层结构；
2.6）在步骤2.5）的SiO2薄膜上溅射Al并图形化，得到反射镜面及微镜焊盘；
2.7）在底硅层1-6的背面，DRIE背面硅；
2.8）在顶硅层1-5的正面，DRIE正面硅；
3）如图3所示，在微镜焊盘1-2上制作互联结构2；
3.1）在热驱动MEMS微镜单元1上，涂覆光阻胶并曝光显影，露出芯片上的微镜焊盘1-2；
3.2）在微镜焊盘1-2上，电镀导电柱2-1；
3.3）在导电柱2-1上电镀凸点2-2；
3.4）去除光阻胶；
3.5）回流；
4）如图4所示，选择绝缘材料作为本底3-1，在本底3-1上制作布线埋层3-2、接插口3-3和PCB焊盘3-4；
5）如图5所示，利用倒装键合技术将本底3-1与基底1-1互联，形成新基底4；
6）如图6所示，减薄新基底4背面至设定厚度；
7）如图7所示，在新基底4的背面淀积金属层并图形化，形成镜面1-4的反射层1-8；
8）如图8所示，图形化新基底4的背面，释放驱动臂1-3和反射镜面1-4，最终形成所述热驱动MEMS微镜阵列器件。

Claims (10)

1.一种电热式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）、互联结构（2）和PCB结构（3），其中M、N为大于等于1的整数，互联结构（2）两端分别与热驱动MEMS微镜单元（1）和PCB结构（3）连接，其中热驱动MEMS微镜单元（1）包括基底（1-1）、微镜焊盘（1-2）、驱动臂（1-3）和镜面（1-4），PCB结构（3）包括本底（3-1）、布线埋层（3-2）、接插口（3-3）和PCB焊盘（3-4），镜面（1-4）通过驱动臂（1-3）连接在基底（1-1）上，互联结构（2）两端分别与微镜焊盘（1-2）和PCB焊盘（3-4）连接，布线埋层（3-2）埋藏于本底（3-1）内，接插口（3-3）设置在本底（3-1）侧面，PCB焊盘（3-4）位于PCB结构（3）的表面，接插口（3-3）通过布线埋层（3-2）与PCB焊盘（3-4）一一对应并电连接。
2.根据权利要求1所述一种电热式MEMS微镜阵列器件，其特征在于：所述互联结构（2）包括导电柱（2-1）和凸点（2-2），凸点（2-2）置于导电柱（2-1）上，导电柱（2-1）与PCB焊盘（3-4）连接，凸点（2-2）与微镜焊盘（1-2）连接。
3.根据权利要求1所述一种电热式MEMS微镜阵列器件，其特征在于：所述互联结构（2）是凸点（2-2），凸点（2-2）的两端分别与PCB焊盘（3-4）和微镜焊盘（1-2）连接。
4.根据权利要求1所述一种电热式MEMS微镜阵列器件，其特征在于：所述PCB结构（3）上集成有电热式MEMS微镜阵列的控制电路。
5.根据权利要求1所述一种电热式MEMS微镜阵列器件，其特征在于所述镜面（1-4）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（1-3）在所述镜面（1-1）的4个边支撑。
6.根据权利要求1所述一种电热式MEMS微镜阵列器件，其特征在于所述驱动臂（1-3）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。
7.根据权利要求6所述一种电热式MEMS微镜阵列器件，其特征在于所述驱动臂（1-3）中一种材料可以用一次或多次，并且所述驱动臂（1-3）的每一层可以是连续的。
8.根据权利要求6所述一种热驱动MEMS微镜阵列器件，其特征在于所述驱动臂（1-3）中一种材料可以用一次或多次，并且所述驱动臂（1-3）的每一层可以是不连续的。
9.根据权利要求1所述一种电热式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。
10.一种电热式MEMS微镜阵列器件的制备方法，其特征在于包括以下步骤：
1）选择SOI圆片，作为基底（1-1）；
2）在基底（1-1）顶层的表面形成驱动臂（1-3）、微镜焊盘（1-2）和镜面（1-4）；
3）在微镜焊盘（1-2）上制作互联结构（2）；
4）选择绝缘材料作为本底（3-1），在本底（3-1）上制作布线埋层（3-2）、接插口（3-3）和PCB焊盘（3-4）；
5）利用倒装键合技术将本底（3-1）与基底（1-1）互联，形成新基底（4）；
6）减薄新基底（4）背面至设定厚度；
7）在新基底（4）的背面淀积金属层并图形化，形成镜面（1-4）的反射层（1-8）；
8）图形化新基底（4）的背面，释放驱动臂（1-3）和反射镜面（1-4），最终形成所述热驱动MEMS微镜阵列器件。
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