一种热驱动mems微镜阵列器件及其制造方法
【专利摘要】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。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。
【专利说明】
一种热驱动MEMS微镜阵列器件及其制造方法
技术领域
[0001]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】
[0002]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I XN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MXN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。
[0003]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。
[0004]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。
[0005]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】
[0006]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。
[0007]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MXN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I的整数，热驱动MEMS微镜单元I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。
[0008]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(0XC)。
【附图说明】
[0009]图1是实施例1的一种热驱动MEMS微镜阵列器件。
[0010]图2是热驱动MEMS微镜单元I。
[0011]图3是实施例2选择SOI圆片作为基底4的步骤。
[0012]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。
[0013]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。
[0014]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。
[0015]图7是实施例2去除掩埋层4-2，露出顶硅层4-3的步骤。
[0016]图8是实施例2在基底4正面，图形化顶娃层4_3，释放驱动臂1_2和镜面1_1，形成娃墙2-4的步骤。
[0017]图9是实施例3选择圆片作为基底4的步骤。
[0018]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。
[0019]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。
[0020]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。
[0021]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。
[0022]图中，I是热驱动MEMS微镜单兀，1-1是镜面，1-1-1是支撑层，1_1_2是尚反射薄膜层，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是娃墙，3是电引线，4是基底，4_1是底娃层，4_2是掩埋层，4_3是顶娃层。
【具体实施方式】
[0023]一种热驱动MEMS微镜阵列器件，包括MXN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I的整数，热驱动MEMS微镜单元I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。
[0024]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。
[0025]优选的，该镜面1-1的下方镂空。
[0026]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。
[0027]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。
[0028]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。
[0029]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。
[0030]优选的，所述M和N均等于I，即该器件为单镜面微镜芯片。
[0031 ] 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。
[0032]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。
[0033]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。
[0034]—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。
[0035]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。
[0036]优选的，该驱动臂1-2中的一段依次由二氧化娃-钛-铜-钛-二氧化娃-妈-二氧化硅构成。
[0037]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 X 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I的整数，热驱动MEMS微镜单元I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。
[0038]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。
[0039]该镜面1-1的下方镂空。
[0040]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。
[0041]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。
[0042]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。
[0043]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。
[0044]所述M和N均等于I，即该器件为单镜面微镜芯片。
[0045]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B imorph、反向叠放的B imorph和三明治结构。其中正向叠放或者反向叠放B imorph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娃和招，也可以用铜和妈，还可用二氧化娃和铜，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娃、氮化娃等。
[0046]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0.0lunH).3um。优选地，Al和Si02厚度分别为lum，l.lum，隔离层厚度0.lum，加热器厚度0.2umo
[0047]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1um?50um;优选地，金属反射层厚度10nm，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。
[0048]所述镜面1-1的下方镂空。
[0049]所述M、N均等于I，即为单镜面微镜芯片。
[0050]所述M、N为大于I的整数。
[0051]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。
[0052]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。
[0053]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。
[0054]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。
[0055]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。
[0056]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。
[0057]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。
[0058]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。
[0059]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。
[0060]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:
I)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。
[0061 ] 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。
[0062]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。
[0063]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。
[0064]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。
[0065]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。
[0066]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。
[0067]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。
[0068]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。
【主权项】
1.一种热驱动MEMS微镜阵列器件，其特征在于包括M X N个热驱动MEMS微镜单元(I)、衬底(2)和电引线(3)，其中M、N为大于等于I的整数，热驱动MEMS微镜单元(I)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。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5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)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。7.根据权利要求5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)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。8.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I，即该器件为单镜面微镜芯片。9.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。10.根据权利要求9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。11.根据权利要求9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。12.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。13.根据权利要求12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。14.根据权利要求12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。
【文档编号】B81B7/04GK106094064SQ201610400906
【公开日】2016年11月9日
【申请日】2016年6月8日
【发明人】陈巧, 王伟, 丁金玲, 谢会开
【申请人】无锡微奥科技有限公司