MEMS芯片结构及制备方法、掩膜版、器件与流程

本发明涉及半导体技术领域，具体涉及一种mems芯片结构及其制备方法，以及掩膜版、mems器件。

背景技术：

传统的mems芯片包括扫描微镜和扫描平台。并且在mems芯片结构外围设置外围电路板，外围电路是与mems芯片结构相电连的，外围电路包括控制器电路等。mems芯片结构中，扫描微镜耦合于扫描平台。扫描平台在驱动激励和磁场作用下能够产生移动，控制器控制扫描平台的移动方向和位置。扫描微镜能够沿着旋转轴旋转。传统器件中，各个外围电路都独占一块电路板，并且与mems芯片结构采用导线或金属线相电连，使得最终的产品器件体积较大。随着现代科技生活进步，微型化、便携化的产品越来越得到青睐。而与此同时，也对电器件的反馈速率、图像清晰度等提出了更高的要求。如何提高电器件的反馈速率、图像清晰度的前提下，来实现电器件的微型化，是业界急需解决的一大难题。

技术实现要素：

为了克服以上问题，本发明旨在提供一种mems芯片结构及mems器件，mems芯片结构中，利用同时设置于同一芯片上的mems主元件和mems辅助元件，较为显著地缩小了现有mems芯片为基础的电器件的体积。

为了达到上述目的，本发明提供了一种mems芯片结构，在同一芯片上包括：

mems主元件，用于反射光束和扫描图像；

mems辅助元件，包括：

驱动电路元件，一端与外界元器件相连，另一端与mems反射镜的电路相电连，用于提供驱动功率，控制外界元器件和mems反射镜的运行；

逻辑运算元件，与驱动电路元件相连接，用于进行逻辑运算，控制驱动电路元件的启闭；

cpu中央处理元件，一端与外界元器件相连，另一端与驱动电路元件、逻辑运算元件、电源相电连，用于向驱动电路元件、逻辑运算元件、存储元件、电源发送信号并控制驱动电路元件、逻辑运算元件、电源的逻辑关系；以及用于控制外界元器件的逻辑关系；

电源，一端与外界元器件相连，另一端与mems反射镜、驱动电路元件、逻辑运算元件、cpu中央处理元件相电连，用于向各个元件或外界提供电能。

在一些实施例中，还包括：存储元件，一端与电源相连，另一端与外界元器件相连，用于存储外界元器件发送来的数据。

在一些实施例中，所述mems主元件具有反射镜和磁生部件，反射镜能够在磁生部件和外界磁场的相互作用下，沿第一方向轴转动或沿第二方向轴转动，并且反射光线；第一方向不同于第二方向。

在一些实施例中，所述第一方向与所述第二方向垂直。

在一些实施例中，所述mems辅助元件环绕在mems主元件的周围设置。

在一些实施例中，所述mems主元件的边缘与所述mems辅助元件的边缘之间的距离不小于每个所述mems辅助元件的宽度的1/2。

在一些实施例中，每个所述mems辅助元件的尺寸小于所述mems主元件的尺寸。

为了达到上述目的，本发明还提供了一种上述的mems芯片结构的制备过程中所采用的掩膜版，掩膜版上的目标图案包括：mems主元件图案和多个mems辅助元件图案；

mems辅助元件图案包括：

驱动电路元件图案，一端向外延伸用于与外界元器件相连，另一端用于与mems反射镜图案相电连；

逻辑运算元件图案，与驱动电路元件图案相连接；

存储元件图案，一端与电源图案相连，另一端向外延伸用于与外界元器件相连；

cpu中央处理元件图案，一端向外延伸用于与外界元器件相连，另一端与驱动电路元件图案、逻辑运算元件图案、存储元件图案、电源图案相电连；

电源图案，一端向外延伸用于与外界元器件相连，另一端与mems反射镜图案、驱动电路元件图案、逻辑运算元件图案、存储元件图案、cpu中央处理元件图案相连。

在一些实施例中，所述mems辅助元件图案环绕在mems主元件图案的周围设置。

在一些实施例中，所述mems主元件图案和所述mems辅助元件图案分别设置于不同的子掩膜版层上，这些子掩膜版层对准层叠形成最终的目标图案。

在一些实施例中，驱动电路元件图案，逻辑运算元件图案，存储元件图案，cpu中央处理元件图案，电源图案分别设置在不同的子掩膜版层上；在这些子掩膜版层中，每一层子掩膜版层上都设置有对准标记，用于每一层子掩膜版层的对准；这些子掩膜版层堆叠后获得最终的目标图案。

在一些实施例中，对准标记的图案为十字以及环绕一字设置的圆环。

在一些实施例中，子掩膜版层的堆叠设置中，从下往上的每层子掩膜版中的对准标记都相对应且一一对准；或者，mems辅助元件图案的各个子掩膜版中，上下相邻的对准标记相对应，在每个子掩膜版层中至少设置两个对准标记；每一层子掩膜版层中的对准标记不同；大小不同；子掩膜版层的堆叠设置中，使得从下往上的每层子掩膜版中的对准标记依序递增，且在同一子掩膜版层中的各个对准标记依序递增，上下相邻的子掩膜版层中至少有一个对准标记尺寸相同，尺寸相同的对准标记用于重叠对准。

为了达到上述目的，本发明还提供了一种上述的mems芯片结构的制备方法，包括：

步骤01：设计目标图案掩膜版；目标图案掩膜版中包括mems主元件图案和多个mems辅助元件图案；mems辅助元件图案包括：

驱动电路元件图案，一端向外延伸用于与外界元器件相连，另一端用于与mems反射镜图案相电连；

逻辑运算元件图案，与驱动电路元件图案相连接；

cpu中央处理元件图案，一端向外延伸用于与外界元器件相连，另一端与驱动电路元件图案、逻辑运算元件图案、存储元件图案、电源图案相电连；

电源图案，一端向外延伸用于与外界元器件相连，另一端与mems反射镜图案、驱动电路元件图案、逻辑运算元件图案、存储元件图案、cpu中央处理元件图案相连；

步骤02：利用目标图案掩膜版进行光刻和刻蚀工艺，在芯片上形成mems主元件和mems辅助元件。

在一些实施例中，还包括存储元件图案；存储元件图案的一端与电源图案相连，另一端向外延伸用于与外界元器件相连。

在一些实施例中，所述步骤02包括所述mems主元件的制备过程和所述mems辅助元件的制备过程；

制备所述mems辅助元件之前，先用掩膜遮挡在已制备的mems主元件区域上，然后进行mems辅助元件的制备；

制备好mems辅助元件之后，将掩膜去除；或者，

制备所述mems主元件之前，先用掩膜遮挡在已制备的mems辅助元件区域上，然后进行mems主元件的制备；

制备好mems主元件之后，将掩膜去除。

在一些实施例中，驱动电路元件图案，逻辑运算元件图案，存储元件图案，cpu中央处理元件图案，电源图案分别设置在不同的子掩膜版层上；在这些子掩膜版层中，每一层子掩膜版层上都设置有对准标记，用于每一层子掩膜版层的对准；这些子掩膜版层堆叠后获得最终的目标图案；

在mems辅助元件制备过程中，采用对应的子掩膜版层来进行光刻和刻蚀工艺，其它区域用掩膜遮挡；每一层在光刻和刻蚀之前，先进行对准标记的查找和对准。

在一些实施例中，所述掩膜采用有机材料，该有机材料能在醇中溶解。

为了达到上述目的，本发明还提供了一种mems器件，包括：mems芯片结构和场磁体；其中，mems芯片结构包括：

mems主元件，具有反射镜和磁生部件，反射镜能够在磁生部件和外界磁场的相互作用下，沿第一方向轴转动或沿第二方向轴转动，并且反射光线；第一方向不同于第二方向；

mems辅助元件，包括：

驱动电路元件，一端与外界元器件相连，另一端与mems反射镜相电连，用于提供驱动功率，控制外界元器件和mems反射镜的运行；

逻辑运算元件，与驱动电路元件相连接，用于进行逻辑运算，控制驱动电路元件的启闭；

cpu中央处理元件，一端与外界元器件相连，另一端与驱动电路元件、逻辑运算元件、存储元件、电源相电连，用于向驱动电路元件、逻辑运算元件、存储元件、电源发送信号并控制驱动电路元件、逻辑运算元件、存储元件、电源的逻辑关系；以及用于控制外界元器件的逻辑关系；

电源，一端与外界元器件相连，另一端与mems反射镜、驱动电路元件、逻辑运算元件、存储元件、cpu中央处理元件相电连，用于向各个元件或外界提供电能；

场磁体，设置于mems辅助元件外围，用于提供磁场使与磁生部件的磁场相互作用。

在一些实施例中，还包括：存储元件，一端与电源相连，另一端与外界元器件相连，用于存储外界元器件发送来的数据。

在一些实施例中，所述mems辅助元件环绕在mems主元件的周围设置。

在一些实施例中，所述mems主元件的边缘与所述mems辅助元件的边缘之间的距离不小于每个所述mems辅助元件的宽度的1/2。

在一些实施例中，每个所述mems辅助元件的尺寸小于所述mems主元件的尺寸。

在一些实施例中，所述磁生部件为电感线圈或磁体。

在一些实施例中，所述场磁体环绕设置于mems辅助元件的外围；所述mems芯片结构与所述场磁体之间的间距大于所述mems辅助元件的宽度。

在一些实施例中，所述场磁体具有水平部和竖直部；水平部上表面用于支撑mems芯片结构，竖直部顶部高于mems芯片结构顶部。

在一些实施例中，所述水平部的上表面设置有多层结构，从下往上至少包括：缓冲层、吸附层；缓冲层在mems芯片结构降落时起到缓冲作用；吸附层用于吸附mems芯片结构，避免mems芯片结构发生相对滑移。

在一些实施例中，所述缓冲层的材料为柔性材料。

在一些实施例中，所述吸附层的材料为石墨烯薄膜。

在一些实施例中，所述石墨烯薄膜为单层石墨烯薄膜。

本发明的mems芯片结构，设置了mems主元件和mems辅助元件，将驱动电路元件、逻辑运算元件、cpu中央处理元件、电源与mems主元件融合在同一个芯片上，免去了传统mems器件中多个处理电路板所占用的较大较多的空间，显著缩小了以mems为基础的器件体积；也即是，去除了外围电路设计，采用本发明的mems芯片结构，将无需使用传统的芯片外围电路，由于芯片外围电路占据电器件产品的主要空间和体积，这将使得本发明的mems芯片结构为基础的电器件产品的体积和占据空间大大减小，真正的实现了电器件的微型化和便携性。

附图说明

图1为本发明的一个实施例的mems芯片结构的示意图

图2为本发明的一个实施例的mems芯片结构的掩膜版示意图

图3为本发明的一个实施例的对准标记示意图

图4为本发明的另一个实施例的对准标记示意图

图5为本发明的一个实施例的mems器件的俯视示意图

图6为本发明的一个实施例的mems器件的截面结构示意图

具体实施方式

为使本发明的内容更加清楚易懂，以下结合说明书附图，对本发明的内容作进一步说明。当然本发明并不局限于该具体实施例，本领域内的技术人员所熟知的一般替换也涵盖在本发明的保护范围内。

以下结合附图1～6和具体实施例对本发明作进一步详细说明。需说明的是，附图均采用非常简化的形式、使用非精准的比例，且仅用以方便、清晰地达到辅助说明本实施例的目的。

请参阅图1，本实施例中的一种mems芯片结构，mems主元件01和mems辅助元件02均在同一芯片00上。

mems主元件01用于反射光束和扫描图像。具体的，mems主元件01具有反射镜103和磁生部件，反射镜103与第一方向轴101相连，第二方向轴102与反射镜103外的平衡环相连；反射镜103能够在磁生部件和外界磁场的相互作用下，沿第一方向轴101转动或沿第二方向轴102转动，并且反射光线；第一方向不同于第二方向，较佳的，第一方向与第二方向垂直。这里的mems主元件中，反射镜103在磁场作用下和驱动电路元件作用下，沿第一方向轴101偏转或沿第二方向轴102偏转，从而反射呈光栅图案。实质上，本发明中所称的mems芯片结构指的是狭义上的mems扫描微镜结构芯片。

本实施例中，mems辅助元件02可以但不限于环绕在mems主元件01的周围设置。mems辅助元件02包括：驱动电路元件、逻辑运算元件，cpu中央处理元件，电源，此外，还可以进步设置有存储元件。

具体的，驱动电路元件的一端与外界元器件相连，另一端与mems反射镜103的电路相电连，用于提供驱动功率，控制外界元器件和mems反射镜103的运行。逻辑运算元件，与驱动电路元件相连接，用于进行逻辑运算，控制驱动电路元件的启闭。cpu中央处理元件，一端与外界元器件相连，另一端与驱动电路元件、逻辑运算元件、电源、以及存储元件相电连，用于向驱动电路元件、逻辑运算元件、存储元件、电源发送信号并控制驱动电路元件、逻辑运算元件、存储元件、电源的逻辑关系；此外，cpu中央处理元件还可以用于控制外界元器件的逻辑关系。

本实施例中，电源的一端与外界元器件相连，另一端与mems反射镜103、驱动电路元件、逻辑运算元件、cpu中央处理元件相电连，用于向各个元件或外界提供电能。这里，存储元件的一端与电源相连，另一端与外界元器件相连，用于存储外界元器件发送来的数据。

需要说明的是，本实施例的mems芯片结构由于具备处理器、逻辑运算、存储器等元件，无需采用传统的芯片结构之外的外围电路板，显著地缩小了器件的空间。

本实施例的mems芯片结构的整体尺寸，例如长度或宽度不大于2cm，面积不大于4cm²。因此，本实施例的mems芯片结构大大改变了现有的mems基础的器件的占有空间，缩小了器件的体积，使得器件微型化、超薄、超轻化成为可能。

在mems主元件01也就是扫描镜微镜结构的周围设置了mems辅助元件02，因此，避免mems主元件01与周围的mems辅助元件02的各个电路相互之间的干扰等影响，较佳的，mems主元件01的边缘与mems辅助元件02的边缘之间的距离不小于每个mems辅助元件02的宽度的1/2。此外，由于mems主单元01用于扫描和反射光束形成光栅，为了提高整个mems芯片结构的光扫描性能，每个mems辅助元件02的尺寸小于mems主元件01的尺寸，这样不仅提高了芯片性能，还能够提高芯片集成度。

本实施例中，上述mems芯片结构的制备方法，可以包括如下步骤：

步骤01：设计目标图案掩膜版；

具体的，请参阅图2，目标图案掩膜版中包括mems主元件图案01’和多个mems辅助元件图案02’。本实施例中，mems辅助元件图案02’可以但不限于环绕在mems主元件图案01’的周围设置。环绕设置可以充分根据mems主元件图案01’来设置，使得芯片00集成度更高。结合附图1，mems主元件图案01’中与mems主元件01相对应设置有第一方向轴图案101’、第二方向轴图案102’以及反射镜图案103’。这些图案的连接关系与上述图1中相应部件的连接关系相同，这里不再赘述。

mems辅助元件02’图案包括：驱动电路元件图案，逻辑运算元件图案、存储元件图案、cpu中央处理元件图案、电源图案，还有存储元件图案；这些图案与上述mems芯片结构中的mems辅助元件02’相对应。具体的，驱动电路元件图案的一端向外延伸用于与外界元器件相连，另一端用于与mems反射镜图案103’的电路相电连。逻辑运算元件图案与驱动电路元件图案相连接。存储元件图案的一端与电源图案相连，另一端向外延伸用于与外界元器件相连。cpu中央处理元件图案非一端向外延伸用于与外界元器件相连，另一端与驱动电路元件图案、逻辑运算元件图案、存储元件图案、电源图案相电连。电源图案非一端向外延伸用于与外界元器件相连，另一端与mems反射镜图案、驱动电路元件图案、逻辑运算元件图案、存储元件图案、cpu中央处理元件图案相连。

为了提高刻蚀精度，使得每一部分的辅助元件图案转移精度提高，这里的mems主元件图案101’和mems辅助元件图案102’分别设置于不同的子掩膜版层上，这些子掩膜版层对准层叠形成最终的目标图案。较佳的，驱动电路元件图案，逻辑运算元件图案，存储元件图案，cpu中央处理元件图案，电源图案分别设置在不同的子掩膜版层上。在这些子掩膜版层中，每一层子掩膜版层上都设置有对准标记，用于每一层子掩膜版层的对准。这些子掩膜版层堆叠后获得最终的目标图案。需要说明的是，当将外围电路去除，而与mems芯片结构整合时，mems芯片结构中各个功能区域的结构尺寸大大降低，在套刻时，稍微一点点偏差，相对于传统器件可能不重要，然而，针对集成了很多外围电路的芯片结构，一点点的套刻精度下降和套刻精度偏差，会导致多层掩膜版之间对准度降低，影像最终产品质量。

针对不同的子掩膜版层，为了提高套刻精度，对准标记的图案为一字、或圆环、以及环绕一字设置的圆环。圆环能够提供多层对准，当有一层不对准时，圆环就会出现部分重叠而呈现非圆环状态，投射光斑也是非圆环状态，很明显看出；并且进一步在圆环中设置“一”字标记，在多层子掩膜版层套刻中，“一”字如果不对准，多层子掩膜版层堆叠，在光束下会成栅格或形成辐射离散斑点，从而明显判断出不对准。这里，请参阅图3，“一”可以位于圆环的直径上，或者位于直径1/3～1/2的区域且与直径平行设置，如图4所示。此外，所有层中的子掩膜版层中的标记中“一”和圆环的位置对应关系相同。

此外，在子掩膜版层的堆叠设置中，从下往上的每层子掩膜版中的对准标记都相对应且一一对准。在本发明的另一实施例中，mems辅助元件图案的各个子掩膜版中，也可以设置上下相邻的对准标记相对应，在每个子掩膜版层中至少设置两个对准标记。进一步的，还可以设置每一层子掩膜版层中的对准标记不同；图案不同或者图案相同但大小不同。

针对每一层子掩膜版层中的对准标记图案相同但大小不同的情况，子掩膜版层的堆叠设置中，使得从下往上的每层子掩膜版中的对准标记依序递增，且在同一子掩膜版层中的各个对准标记依序递增，而且上下相邻的子掩膜版层中至少有一个对准标记尺寸相同，尺寸相同的对准标记用于重叠对准。

此外，针对每一层掩膜版层中的至少两个对准标记图案不同的情况，掩膜版层的堆叠设置中，上下相邻的掩膜版层中至少有一个对准标记图案和尺寸相同，图案和尺寸相同的对准标记用于重叠对准。

当每一层掩膜版层中设置三个及以上的对准标记时，其中一个对准标记与上相邻层的对准标记相同，一个对准标记与下相邻层的对准标记相同，剩余的一个或多个对准标记与其它非相邻层的对准标记相同，从而使得一层掩膜版层中的对准标记不仅可以对准相邻上下两层，还可以对准其它非相邻层，这样起到多层对准作用，进一步提高对准精度和套刻质量。

步骤02：利用目标图案掩膜版进行光刻和刻蚀工艺，在芯片上形成mems主元件和mems辅助元件。

具体的，包括mems主元件的制备过程和mems辅助元件的制备过程；这里，mems主元件和mems辅助元件的制备顺序可以互换。

制备mems辅助元件之前，先用掩膜遮挡在已制备的mems主元件区域上，然后进行mems辅助元件的制备；备好mems辅助元件之后，将掩膜去除。

或者，

制备mems主元件之前，先用掩膜遮挡在已制备的mems辅助元件区域上，然后进行mems主元件的制备；制备好mems主元件之后，将掩膜去除。

这里，掩膜可以但不限于采用有机材料，该有机材料能在醇中溶解。

需要说明的是，由于驱动电路元件图案，逻辑运算元件图案，存储元件图案，cpu中央处理元件图案，电源图案分别设置在不同的子掩膜版层上；在这些子掩膜版层中，每一层子掩膜版层上都可以设置有对准标记，用于每一层子掩膜版层的对准；这些子掩膜版层堆叠后获得最终的目标图案。

并且，在mems辅助元件制备过程中，采用对应的子掩膜版层来进行光刻和刻蚀工艺，其它区域用掩膜遮挡；每一层在光刻和刻蚀之前，先进行对准标记的查找和对准。

此外，本实施例中，请参阅图5，还提供了一种mems器件包括：上述的mems芯片结构和场磁体03；关于mems芯片结构可以参见上述描述，这里不再赘述。

这里的场磁体03设置于mems辅助元件02外围，用于提供磁场与磁生部件的磁场相互作用。本实施例中，磁生部件可以但不限于为电感线圈或磁体，例如磁铁等。

具体的，场磁体03环绕设置于mems辅助元件02的外围；在水平面内，mems芯片结构与场磁体03之间的间距大于mems辅助元件02的宽度。这样，可以避免mems辅助元件02中的电路对场磁体03产生的磁场、以及磁生部件产生的磁场的干扰，从而进一步避免mems辅助元件02对场磁体03的磁场和磁生部件的磁场之间的相互作用。此外，mems辅助元件02的尺寸小于mems芯片00与场磁体03之间的间距，还可以反过来避免mems辅助元件02受到场磁体和mems主元件01的结构的干扰。

本实施例中，请参阅图6并结合图1，场磁体03具有竖直部301和水平部302。水平部302上表面用于支撑mems芯片00，竖直部301顶部高于mems芯片00顶部。这样的设置中，当mems芯片00没有在磁场作用下，水平部302上表面用于承载mems芯片00；当向mems芯片00施加磁场时，mems芯片00中的mems主元件01发生偏转，开始执行对光束的扫描和反射，形成光栅。关于mems主元件01发生偏转进行扫描的过程是可以参照现有的双轴mems扫描微镜结构及其工作原理，这是本领域技术人员可以知晓的，这里不再赘述。

由于mems芯片00是微精细结构，并且，本实施例中mems芯片00不仅具有mems主元件01还具有mems辅助元件02，而mems辅助元件02多设置在mems主元件01周围。特别是，mems辅助元件02中的电路采用多层互连层，这样，当mems芯片00落在场磁体03上时，容易造成mems辅助元件02受损，影响器件性能，因此，在水平部302的上表面设置有多层结构，从下往上至少包括：缓冲层3022、吸附层3021。缓冲层3022在mems芯片00降落时起到缓冲作用。较佳的，缓冲层3022的材料为柔性材料，柔性材料可以为有机材料，或者为具有多孔的薄膜层。此外，吸附层3021用于吸附mems芯片00，避免mems芯片00发生相对滑移。较佳的，吸附层3021的材料可以采用石墨烯薄膜。石墨烯薄膜可以但不限于采用单层石墨烯薄膜。采用单层石墨烯薄膜，不仅利用石墨烯薄膜表面的多悬挂键来提高表面能，提高吸附力，而且还由于石墨烯薄膜具有多孔网状结构，可以进一步提高缓冲力，减小mems芯片00在移动过程中的冲击力。

虽然本发明已以较佳实施例揭示如上，然所述实施例仅为了便于说明而举例而已，并非用以限定本发明，本领域的技术人员在不脱离本发明精神和范围的前提下可作若干的更动与润饰，本发明所主张的保护范围应以权利要求书所述为准。