光栅光调制器与有源矩阵驱动电路单片集成方法技术

本发明专利技术提出一种光栅光调制器与有源矩阵驱动电路单片集成方法，其结合当ＭＥＭＳ器件与ＣＭＯＳ电路单片集成的加工工艺，首先利用ＣＭＯＳ电路加工有源矩阵驱动电路，然后利用低温的表面微机械加工工艺得到ＭＥＭＳ光栅光调制器，实现支撑在下电极上的上层可动光栅形成的ＭＥＭＳ光栅光调制器和下层有源矩阵驱动电路的单片集成。利用该工艺加工的光栅光调制器，可以面向高清晰度、高分辨率投影显示。

【技术实现步骤摘要】

本专利技术属于一种光栅光调制器与有源矩阵驱动电路单片集成的工艺设计
，更具 体的说，本专利技术是先利用CMOS工艺加工有源矩阵驱动电路驱动，然后利用表面微机械加工 工艺加工光栅光调制器，实现两者在纵向上的单片集成，由此可以显著提高光栅光调制器作 为投影显示器件的性能。
技术介绍
近年来，随着MEMS技术的不断发展，对将来MEMS器件的要求是微型化和集成化； 低功耗和低成本；高精度和长寿命；多功能和智能化。将MEMS与CMOS集成电路的单片 集成，可以满足上述要求。实现单片集成是实现MEMS器件智能化的关键，特别是单片集成 MEMS技术是片上系统芯片能否实现的关键技术之一。将MEMS器件与CMOS驱动电路单 片集成，可以降低功耗、信号噪声和芯片成本，减小电路之间的互连线和芯片面积，提高电 路传输速率，可以显著的提高MEMS器件的性能。目前，MEMS器件与CMOS电路的单片集成大部分是采用在MEMS器件周围集成CMOS 电路。如，MEMS传感器与CMOS电路单片集成等。在单片集成技术中，分别制造MEMS 器件和CMOS电路，然后从各自的晶片切开，固定在一个共同的衬底上，连线键合，这样就 实现两者的集成，称为混合法(hybrid)。这种方法不会产生MEMS制造过程对CMOS电路的 污染，同时两者生产过程互不干扰。但是，由于信号经过键合点和引线，导致在高频应用时， 信号传输质量下降，并且开发两套生产线增加了产品的成本。为了解决某些性能上的问题， 也为了突现更低的成本，CMOS和MEMS被制作在同一衬底上。CMOS设计中并入了 MEMS 器件，而最后的结果是一完整的CMOS-MEMS系统。某些设计在生产线工艺完成之后还需要 一至两额外工艺来形成MEMS器件的结构。设计工艺受生产线工艺流程的限制， 一般是不允 许作变动的。生产线上给出的设计规则可用于CMOS部分的设计，但为了获得MEMS设计 部分的版图却常忽略掉这些设计规则。在设计一个系统时，是先做MEMS工艺还是后做 MEMS工艺可以权衡其利弊而进行选择。于是便有了 Pre-CMOS或Post-CMOS工艺之分。Pre-CMOS集成方法是先制造MEMS结构，后制造CMOS电路。虽然克服了MEMS的高 温工艺对CMOS电路的影响，但由于存在垂直的微结构，存在MEMS器件与电路互连台阶覆 盖性问题。而且，在CMOS电路工艺过程中对微结构的保护也是一个需要考虑的问题。甚至 已优化微调的CMOS工艺流程，如栅氧可能被重掺杂的结构层影响。另外，MEMS工艺过 程中不能有任何的金属或其他的材料，如压电材料聚合物等，使得这种方法只适合一些特殊 应用。目前，单片集成MEMS技术主要以Post-CMOS技术为主，该方法是在加工完CMOS电路 的硅片上，通过一些附加MEMS微细加工技术以实现单片集成MEMS系统。Post-CMOS方法 主要问题是MEMS加工工艺温度会对前面的CMOS电路性能产生影响，更为严重的是后面高 温MEMS加工工艺温度与前面CMOS工艺金属化不兼容。以目前研究最多的多晶硅作为结构 层的MEMS为例，使磷硅玻璃致密化的退火温度为95(TC，而使作为结构层多晶硅的应力退火 温度则达到105(TC，这将使CMOS器件结深发生迁移。特别是80(TC时浅结器件的结深迁移就 会影响器件的性能。另一方面，采用常规铝金属化工艺时，当温度达至IJ400 450。C时，CMOS 电路可靠性将受到严重的影响。从以上可以看出如何克服后面高温MEMS微结构加工温度 对前面的巳加工完的CMOS电路影响是解决单片集成MEMS系统关键所在。重庆大学提出的MEMS光栅光调制器，其专利号为ZL200510020186.8。该器件是用于投 影显示的器件。目前，加工的光栅光调制器芯片中没有单片集成有源矩阵驱动电路。这样， 光栅光调制器阵列只能利用无源矩阵驱动方式进行显示。由于矩阵电容的耦合效应，无源矩 阵驱动的光栅光调制器阵列明显的存在交叉效应，导致光学对比度较低。交叉效应表现为当 选通某个像素时，该像素会引起周围像素电压的变化，可能导致暗态的像素显示亮态。并且， 无源矩阵驱动的光栅光调制器阵列进行逐行扫描时，每一时刻只有一行能够显示，光利用率 只有1/N(N为行数)。这些都限制了GLM器件面向高分辨率、高清晰度的投影显示的发展。
技术实现思路
为了进一步提高MEMS光栅光调制器的投影显示性能，并结合当MEMS器件与CMOS电 路单片集成的加工工艺。本专利技术的提出一种MEMS光栅光调制器与CMOS有源矩阵驱动电路 单片集成方法。首先，利用CMOS电路加工有源矩阵驱动电路，然后利用低温的表面微机械 加工工艺得到MEMS光栅光调制器。利用该工艺加工的光栅光调制器，可以面向高清晰度、高分辨率投影显示。本专利技术解决其技术问题所采用的技术方案如下本发面提出一种MEMS光栅光调制器与CMOS有源矩阵驱动电路单片集成方法，用以实 现支撑在下电极上的上层可动光栅形成的MEMS光栅光调制器和下层有源矩阵驱动电路的 单片集成，其加工步骤如下a. 在一硅衬底上利用CMOS工艺加工出有源矩阵驱动电路，有源矩阵驱动电路加工时， 所有金属层之间的二氧化硅介质层在淀积后，对介质层进行化学机械抛光(CMP)处 理；b. 光栅光调制器的下电极直接由CMOS工艺中的顶层金属溅射、刻蚀形成，利用通孔将 有源矩阵驱动电路的电压输出端和光栅光调制器的下电极连接起来；c. 在光栅光调制器的下电极上进行等离子体增强化学气象淀积(PECVD)，淀积一层二氧 化硅绝缘层，并对二氧化硅绝缘层进行CMP打磨；d. 在二氧化硅绝缘层上旋涂聚酰亚胺(PI)牺牲层，对PI进行干法腐蚀，并剥离，从而 在对应于上层光栅光调制器的支撑位置形成四个铝柱孔；e. 在牺牲层上低温溅射一层铝膜，并对铝膜进行干法刻蚀，形成上层可动光栅图案；f. 用氧等离子体刻蚀掉牺牲层，释放三维光栅光调制器结构，实现有源驱动电路与光栅 光调制器的单片集成工艺。光栅光调制器与有源矩阵驱动电路是纵向上的单片集成，即光栅光调制器位于有源矩阵 驱动电路的正上方。通孔将有源矩阵驱动电路的输出端与光栅光调制器下电极在电学上相连。 光栅光调制器的加工温度低于400°C，这样不会破坏下层的有源矩阵驱动电路。利用光栅光 调制器下极板和各层金属布线，对下层有源矩阵驱动电路进行遮光保护。光栅光调制器阵列 的全部可动光栅连接在一起，并且连接到一个电压源或接地。本专利技术解决了 MEMS光栅光调制器与CMOS有源矩阵驱动电路单片集成的工艺加工。 同时，加工的集成芯片可以降低芯片功耗，减小电路之间的互连线，降低信号噪声，提高电 路传输速率，减小了芯片的面积，同时降低芯片生产成本，可以显著的提高MEMS光栅光调 制器的投影显示性能。利用该单片集成工艺加工得到的MEMS光栅光调制器可以消除交叉效 应，从而提高投影显示的光学对比度和光利用率，可以面向HDTV和大屏幕投影显示。附图说明图1 MEMS光栅光调制器与DRAM单片集成的工艺流程；图2 MEMS光栅光调制器与SRAM单片集成的工艺流程；图3 MEMS光栅光调制器与DRAM单片集成的剖析图4 MEMS光栅光调制器与SRAM单片集成的剖析图5 MEMS光栅光调本文档来自技高网...

【技术保护点】
一种光栅光调制器与有源矩阵驱动电路单片集成方法，用以实现支撑在下电极上的上层可动光栅形成的ＭＥＭＳ光栅光调制器和下层有源矩阵驱动电路的单片集成，其特征在于，首先，利用ＣＭＯＳ工艺加工下层有源矩阵驱动电路；然后，利用微表面机械加工工艺得到上层光栅光调制器，该方法包括以下步骤：　ａ．在一硅衬底上利用ＣＭＯＳ工艺加工出有源矩阵驱动电路，有源矩阵驱动电路加工时，所有金属层之间的二氧化硅介质层在淀积后，对介质层进行化学机械抛光ＣＭＰ处理；　ｂ．光栅光调制器的下电极直接由ＣＭＯＳ工艺中的顶层金属溅射、刻蚀形成，利用通孔将有源矩阵驱动电路的电压输出端和光栅光调制器的下电极连接起来；　ｃ．在光栅光调制器的下电极上进行等离子体增强化学气象淀积ＰＥＣＶＤ，淀积一层二氧化硅绝缘层，并对二氧化硅绝缘层进行ＣＭＰ打磨；　ｄ．在二氧化硅绝缘层上旋涂聚酰亚胺ＰＩ牺牲层，对ＰＩ进行干法腐蚀，并剥离，从而在对应于上层光栅光调制器的支撑位置形成四个铝柱孔；　ｅ．在牺牲层上低温溅射一层铝膜，并对铝膜进行干法刻蚀，形成上层可动光栅图案；　ｆ．用氧等离子体刻蚀掉牺牲层，释放三维光栅光调制器结构，实现有源驱动电路与光栅光调制器的纵向单片集成。...

【技术特征摘要】

【专利技术属性】
技术研发人员：张智海，金珠，张洁，王宁，韦玮，
申请(专利权)人：重庆大学，
类型：发明
国别省市：85[中国|重庆]