CN114988346A - 一种mems激光雷达用vcsel光源和mems微执行器的集成结构 - Google Patents
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Abstract
本发明提供了一种MEMS激光雷达用VCSEL光源和MEMS微执行器的集成结构。MEMS微执行器采用电磁驱动的单轴对称结构，即MEMS微执行器的承载面和外框的中心重合，且通过两个悬臂梁与外框连接；驱动线圈和VCSEL光源的键合锚点、引线焊接点均设置在承载面上；驱动线圈在通电状态下，受到固定磁场的磁力作用使得承载面绕悬臂梁扭转，进而相对于外框运动；VCSEL光源位于承载面的正中心位置，即悬臂梁的中心线和承载面纵向中心线相交的点；要求VCSEL光源和承载面的中心重合误差应在0～5μm。本申请能在一定程度上增加MEMS激光雷达的扫描角度；不涉及金属镜面的制备，进而规避金属镜面引入的组件稳定性问题。
Description
技术领域
本发明属于微机电系统(MEMS，即Micro-Electro-Mechanical System)领域，尤其涉及一种垂直腔面发射激光器(VCSEL，即Vertical-Cavity Surface-Emitting Laser)和微电磁驱动式执行器的集成装置。
背景技术
近年来，随着激光雷达(LiDAR，即Light Detection And Ranging)飞速发展，技术从简单的激光测距技术，逐步发展出激光跟踪、激光测速、激光扫描成像、激光多普勒成像等技术，而其技术方案仍是以机械式为主。传统机械式激光雷达方案由激光光源、扫描组件和接收探测器采用物料堆叠的形式实现，除了体积大、成本高以外，还存在着固有缺陷，例如装配和调制困难、扫描频率低等问题，一般置于车顶作为工程测试使用，难以满足自动驾驶普及提出的大规模、低成本、车规级需求。受到物联网和自动驾驶双重的发展牵引，以MEMS技术制备出的微镜为核心的激光雷达应运而生。毫米级微镜的引入帮助激光雷达摆脱了笨重的马达、多棱镜等机械运动装置，大大减少了激光雷达的尺寸，无论从车载集成度还是成本角度来讲，其优势都显而易见，但MEMS激光雷达仍有许多亟待解决的问题。
目前，MEMS激光雷达存在的问题主要有：(1)扫描角度较小。微镜作为MEMS激光雷达的核心器件，受到MEMS设计中尺寸效应的限制，器件功耗和驱动力权衡使得镜面直径只能维持在数毫米，镜面面积限制了组件的出光孔径和扫描角度；(2)稳定性问题。MEMS微镜工作的稳定性受结构设计和工艺制造条件的约束，以金属薄层制备成的镜面残余应力大、温度效应明显以及易受外界环境的腐蚀，造成激光雷达反射光路的变形，影响整个组件的稳定性和精确度；(3)存在小型化、集成化的空间。目前的MEMS激光雷达方案以发光二极管为激光光源，光线经由MEMS微镜的镜面反射转化为扫描光束，从严格意义上仍属于激光光源、MEMS微镜和接收器的“组装”，还存在进一步集成化的空间。
发明内容
本申请为现有MEMS激光雷达提供一种全新的光源集成方案，从原有MEMS激光雷达的光源和微镜的集成化入手，设计了VCSEL光源和电磁驱动式MEMS微执行器集成的MEMS-VCSEL结构。
一种MEMS激光雷达用VCSEL光源和MEMS微执行器的集成结构，其特征在于：
本申请中MEMS微执行器采用常规电磁驱动的单轴对称结构(即MEMS微执行器的承载面3和外框1的中心重合，且通过两个悬臂梁4与外框1连接，承载面3在驱动力作用下只绕悬臂梁4做扭转运动)，VCSEL光源5位于承载面3的正中心位置(即图6中所示的悬臂梁4的中心线和承载面3纵向中心线相交的点)。为了保证结构的偏转角度能达到预期指标，要求VCSEL光源5和承载面3的中心重合误差应在(0～5)μm，即图6中区域8所限定的位置。
第一方面，本申请的结构中VCSEL光源发光角和微执行器扫描角的耦合叠加，能在一定程度上增加MEMS激光雷达的扫描角度。
第二方面，本申请的结构中不涉及金属镜面的制备，进而规避金属镜面引入的组件稳定性问题。
第三方面，本申请的结构实现VCSEL激光器和MEMS微执行器进一步集成成为“激光扫射器”，推进MEMS激光雷达方案由“光源-微镜-接收器”到“激光扫射器-接收器”的集成化。
本发明利用集成电路和微纳加工技术手段实现上述设计方案，主要通过三个步骤实现。
1)基材选择
MEMS微执行器主要采用常规单抛单晶硅晶圆作为基材。
VCSEL光源主要采用GaAs外延片作为基材。
2)分立加工
单晶硅晶圆主要通过光刻、刻蚀、氧化成膜、键合、金属溅射、金属蒸发、电镀、注入以及机械减薄等工艺手段实现MEMS微执行器的加工。
CaAs外延片主要采用刻蚀、剥离、分子束沉积、氧化成膜、机械减薄以及金属溅射等工艺手段实现VCSEL光源的加工。
3)组件集成
MEMS微执行器和VCSEL光源主要通过金属键合及引线焊接的方式进行集成。
通过以上步骤可以加工形成激光雷达用MEMS-VCSEL组件。
附图说明：
图1、本申请涉及的结构和传统微镜的扫描角度对比图；
图2、本申请第一种可选实施技术单元示意图；
图3、本申请第二种可选实施技术单元示意图；
图4、本申请第三种可选实施实施技术单元示意图；
图5、本申请第四种可选实施实施技术单元示意图；
图6、本申请VCSEL光源位置示意图；
图7、本申请VCSEL光源电极定义示意图；
图8、本申请双层布线示意图；
图9、本申请单层布线示意图。
具体实施方式
下面结合附图1对本发明的实施例作进一步描述。
本申请中的MEMS微执行器采用电磁方式驱动，具体结构与传统MEMS电磁式微镜类似，主要包括外框、连接承载面和外框的悬臂梁以及光源的承载面等单元；其中承载面通过悬臂梁连接在外框上，驱动线圈和VCSEL光源的键合锚点、引线焊接点均设置在承载面上。驱动线圈在通电状态下，受到固定磁场的磁力作用使得承载面绕悬臂梁扭转，进而相对于外框运动。
本申请中为了便于描述，定义VCSEL光源其出光孔出射光线的方向为正面，反方向为背面，因此单只正装型VCSEL光源有一个正面电极和一个背面，而倒装型的VCSEL光源有两个背面电极，如图7所示。
图1是本申请实施提供的一种结构示意图。如图1所示，本申请的结构包括外框1，线圈2，承载面3，悬臂梁4，VCSEL光源5以及引线焊接点6。
本申请中示例性的，外框1、承载面3和悬臂梁4围成的空域可以采用光刻和刻蚀的方式加工单晶硅衬底形成。线圈2通过蒸镀、剥离的方式在单晶硅衬底表面加工形成。
本申请中MEMS微执行器采用常规电磁驱动的单轴对称结构，VCSEL光源5位于承载面3的正中心位置(即图6中所示的悬臂梁4的中心线和承载面3纵向中心线相交的点)。为了保证结构的偏转角度能达到预期指标，要求VCSEL光源5和承载面3的中心重合误差应在(0～5)μm，即图6中区域8所限定的位置。
本申请VCSEL光源5和承载面3在上述固定位置的前提下，由于VCSEL光源类型和金属引线连接方式选取的差异，存在以下四种可选的实施技术单元。
作为第一种可选实施技术单元，如图2所示，采用正装型VCSEL光源作为集成光源。其背面电极和承载面3上的金属接触区域通过键合的方式实现连接。VCSEL光源的正面电极通过引线与焊接点6进行连接。
作为第二种可选实施技术单元，如图3所示，采用倒装型VCSEL光源作为集成光源。其背面两个电极分别和承载面3上的两个金属接触区通过键合的方式进行连接。
作为第三种可选实施技术单元，如图4所示，线圈2和承载面3上的电极金属连线采用双层布线的形式。具体的，如图8所示，VCSEL金属连接线9沉积在承载面3悬臂梁4表面，其承载面3和悬臂梁四连接区域沉积第一介质层11(二氧化硅或氮化硅)，第一介质层厚度(400～500)nm，介质层尺寸必须能覆盖线圈已达到隔离的效果，线圈2的金属连线10在介质层11处分层，通过自上下贯通介质层11的连接孔12连接两层金属连线。
作为第四种可选实施技术单元，如图5所示，线圈2和承载面3上的电极金属引线采用单层布线的形式。具体的，如图9所示，承载面3上的VCSEL金属连接线9通过重掺杂的硅区域7进行连接,区域7和VCSEL金属连接线9的中心线重合。区域7上覆盖一层第二介质层13(二氧化硅或氮化硅)，介质层厚度(50～100)nm,主要用来防止与线圈2的金属层短路。为了保证良好的欧姆接触，区域7设置长宽比应在(10～12)：1，且区域7单侧宽度超出金属连线9的边沿(2～3)μm，宜采用离子注入工艺进行P型掺杂硅(常规杂质为磷和砷)制作并在(920～1025)℃的温度环境进行杂质激活，掺杂区域的载流子浓度应在(1～5)×1019cm-3范围内。
本申请可选的四种实施技术单元，可以进行以下组合：
本申请基于以上组合结果形成了四种可选实施方案，以此来实现组件功能。
Claims (2)
1.一种MEMS激光雷达用VCSEL光源和MEMS微执行器的集成结构，
其特征在于：
MEMS微执行器采用电磁驱动的单轴对称结构，即MEMS微执行器的承载面和外框的中心重合，且通过两个悬臂梁与外框连接；驱动线圈和VCSEL光源的键合锚点、引线焊接点均设置在承载面上；驱动线圈在通电状态下，受到固定磁场的磁力作用使得承载面绕悬臂梁扭转，进而相对于外框运动；
VCSEL光源位于承载面的正中心位置，即悬臂梁的中心线和承载面纵向中心线相交的点；要求VCSEL光源和承载面的中心重合误差应在0～5μm。
2.根据权利要求1所述的一种MEMS激光雷达用VCSEL光源和MEMS微执行器的集成结构，其特征在于，可选的四种实施技术单元，进行以下组合：
第一种技术单元，采用正装型VCSEL光源作为集成光源；其背面电极和承载面上的金属接触区域通过键合的方式实现连接；VCSEL光源的正面电极通过引线与焊接点进行连接；
第二种技术单元，采用倒装型VCSEL光源作为集成光源；其背面两个电极分别和承载面上的两个金属接触区通过键合的方式进行连接；
第三种技术单元，线圈和承载面上的电极金属连线采用双层布线的形式；VCSEL金属连接线沉积在承载面和悬臂梁表面，其承载面和悬臂梁连接区域沉积第一介质层即二氧化硅或氮化硅，第一介质层厚度为400～500nm，介质层尺寸必须能覆盖线圈已达到隔离的效果，线圈的金属连线在介质层处分层，通过自上下贯通介质层的连接孔连接两层金属连线；
第四种技术单元，线圈和承载面上的电极金属引线采用单层布线的形式；承载面上的VCSEL金属连接线通过重掺杂的硅区域进行连接,区域和VCSEL金属连接线中心线重合；区域上覆盖一层第二介质层即二氧化硅或氮化硅，介质层厚度为50～100nm；为了保证良好的欧姆接触，区域设置长宽比应在(10～12)：1，且区域单侧宽度超出金属连线的边沿2～3μm，采用离子注入工艺进行P型掺杂硅，掺杂区域的载流子浓度应在(1～5)×1019cm-3范围内。
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