解剖數(shù)字光處理器(DLP)投影器件

     TI從1987年開始開發(fā)DLP MEMS產(chǎn)品，于1994年正式推出，而產(chǎn)品于市場的增長速率亦逐漸擴大。去年十二月TI宣布其發(fā)運數(shù)量達到500萬套，高出2004年四月的300萬套，到今天為止，發(fā)運量相信將接近1000萬套。

     TI主要針對四類市場：背投電視，以及家用、商用和電影院前投影儀。我們分析的DLP系統(tǒng)來自戴爾的2300MP投影儀，另外還帶有DAD1000和DDP2000控制ASIC。

     DLP中的MEMS部分實際上是S1076-7402 XGA數(shù)字微鏡器件(DMD)，這是一種對角尺寸為0.7英寸的"空間光學(xué)調(diào)節(jié)器"，采用了1024×768鋁合金微鏡數(shù)組，在5-晶體管SRAM驅(qū)動單元上制造。這些鏡分為48組，每組都有48行1024個微鏡單元。

     驅(qū)動電路采用~0.6 μm CMOS工藝制造，利用P-/P+外延基底，很遺憾那里太小我們不能進行觀察。原始晶圓由TI或者DongbuAnam制造，據(jù)報導(dǎo)是在Amkor進行的封裝。

     該器件封裝在一個牢固的密封玻璃/金屬/陶瓷組裝件中(這使我頭腦中閃現(xiàn)出磚墻屋子的形狀)，最后還有一個堅固的散熱片和內(nèi)部吸氣條(見圖1)。在玻璃里面有一個長方形窗口使得光線只能通向微鏡數(shù)組，另外在基底還有159個鍍金的接觸點。

     圖2是從封裝中取出的裸片的照片，該器件使用了五個金屬層，三個用于CMOS電路，兩個用于MEMS上層部分。裸片邊緣的紫色部分是第三金屬層(M3)，上面覆蓋有一層薄的氧化物，經(jīng)過調(diào)整使其盡量不反射光線，該層用于遮擋地址線路。我們的照片是將多個圖像組合在一起而得到的拼接效果圖。

     圖3顯示了微鏡數(shù)組的一角，每個鏡12.7 μm見方，間距為13.7 μm。每個鏡中央的暗點是支撐點，連在下面扭動的轉(zhuǎn)動點上。圖4是M5上微鏡的SEM圖像，其中有兩個鏡被拿掉了。

     仔細觀察M4微鏡下面的金屬(圖5)，可以發(fā)現(xiàn)扭動的轉(zhuǎn)動點呈對角排列，轉(zhuǎn)動點支撐每個像素的右上角和左下角，并從下面連到M3。第三金屬層的線從像素的左手和右手邊連接到相鄰像素上，使每行微鏡發(fā)生偏轉(zhuǎn)。微鏡地址電路在轉(zhuǎn)動點的任一邊，同樣連到M3上。

     M4轉(zhuǎn)動層和M5微鏡層都是在犧牲氧化層上通過沉積工藝完成，這在SEM圖片上并不明顯，但是數(shù)組中的M3也覆蓋了同樣一層薄的氧化物作為外圍金屬，這種“暗金屬”可用來防止當(dāng)微鏡關(guān)閉時偏光照射到屏幕上。據(jù)說這樣可將對比度從800:1提高到超過1500:1。

     微鏡電路連接到每個微鏡下面的SRAM單元轉(zhuǎn)換開關(guān)輸出端(見圖6)。偏轉(zhuǎn)微鏡需要12V以上的電壓，所以SRAM單元里7.5V CMOS晶體管是不夠的，為了解決這個問題，在微鏡偏置總線上施加了一個較大的偏置電壓(高達28V)。這個電壓加上微鏡地址電路偏壓，可以提供偏轉(zhuǎn)微鏡所需的靜電作用力。微鏡達到鎖定位置后，可用反向微鏡偏壓使其得到釋放。

     微鏡的鎖存與解鎖通過二進制數(shù)完成，每個像素的灰度級則由微鏡的占空系數(shù)決定，微鏡鎖存到投影位置次數(shù)所占百分比越高，亮度就越大。微鏡的投影光路和黑暗光路角度傾斜相差12o。

在圖7中我們可以看到DLP結(jié)構(gòu)的截面圖，上面顯示了三個常規(guī)CMOS金屬層，以及薄的(70nm)M4扭轉(zhuǎn)層和M5微鏡層。鋁合金微鏡經(jīng)過優(yōu)化，反射率約有90%，扭轉(zhuǎn)金屬是Al/Ti合金，應(yīng)該具有很好的扭矩和可靠性能。M5與轉(zhuǎn)動點金屬連接的一面明顯很薄，另外我們還可以看到M4通孔深深蝕入到了M3中。

圖8是微鏡/轉(zhuǎn)動接點TEM放大圖，我們可以清楚地看見轉(zhuǎn)動點非常薄，但即使這樣TI仍聲稱其具有很高的可靠性�？梢钥闯鯰I在這幾年里對其結(jié)構(gòu)進行了簡化，我們的芯片顯示微鏡直接連在轉(zhuǎn)動點，而TI公布的數(shù)據(jù)顯示微鏡是連在一個連接套上，再連到一對轉(zhuǎn)動點(見圖9)。這種簡化極有可能使得傾斜角從10o升高到12o，從而提高了光學(xué)效率。

顯然，DMD是MEMS技術(shù)一項非常有意義的應(yīng)用，其數(shù)字驅(qū)動系統(tǒng)開關(guān)轉(zhuǎn)換速度比其他LCD技術(shù)要高幾個數(shù)量級，同時光學(xué)效率、對比度以及可靠性都要優(yōu)于等離子和LCD顯示技術(shù)。因此，TI稱目前在投影儀市場擁有近50%的份額。

作者簡介：

Dick James目前是Chipworks公司資深技術(shù)分析師。他于Salford大學(xué)畢業(yè)并獲得應(yīng)用化學(xué)學(xué)士學(xué)位，之后又在英格蘭南安普頓大學(xué)獲得微電子與半導(dǎo)體器件碩士學(xué)位。他在半導(dǎo)體器件工藝開發(fā)、設(shè)計、制造、封裝以及反向還原工程方面擁有超過30年寶貴經(jīng)驗。

作者：Dick James，Chipworks技術(shù)分析師