解剖数字光处理器(DLP)投影器件

TI从1987年开始开发DLP MEMS产品，于1994年正式推出，而产品于市场的增长速率亦逐渐扩大。去年十二月TI宣布其发运数量达到500万套，高出2004年四月的300万套，到今天为止，发运量相信将接近1000万套。

TI主要针对四类市场：背投电视，以及家用、商用和电影院前投影仪。我们分析的DLP系统来自戴尔的2300MP投影仪，另外还带有DAD1000和DDP2000控制ASIC。

DLP中的MEMS部分实际上是S1076-7402 XGA数字微镜器件(DMD)，这是一种对角尺寸为0.7英寸的"空间光学调节器"，采用了1024×768铝合金微镜数组，在5-晶体管SRAM驱动单元上制造。这些镜分为48组，每组都有48行1024个微镜单元。

驱动电路采用~0.6 μm CMOS工艺制造，利用P-/P+外延基底，很遗憾那里太小我们不能进行观察。原始晶圆由TI或者DongbuAnam制造，据报导是在Amkor进行的封装。

该器件封装在一个牢固的密封玻璃/金属/陶瓷组装件中(这使我头脑中闪现出砖墙屋子的形状)，最后还有一个坚固的散热片和内部吸气条(见图1)。在玻璃里面有一个长方形窗口使得光线只能通向微镜数组，另外在基底还有159个镀金的接触点。

图1

图2是从封装中取出的裸片的照片，该器件使用了五个金属层，三个用于CMOS电路，两个用于MEMS上层部分。裸片边缘的紫色部分是第三金属层(M3)，上面覆盖有一层薄的氧化物，经过调整使其尽量不反射光线，该层用于遮挡地址线路。我们的照片是将多个图像组合在一起而得到的拼接效果图。

图2

图3显示了微镜数组的一角，每个镜12.7 μm见方，间距为13.7 μm。每个镜中央的暗点是支撑点，连在下面扭动的转动点上。图4是M5上微镜的SEM图像，其中有两个镜被拿掉了。

图3

图4

仔细观察M4微镜下面的金属(图5)，可以发现扭动的转动点呈对角排列，转动点支撑每个像素的右上角和左下角，并从下面连到M3。第三金属层的线从像素的左手和右手边连接到相邻像素上，使每行微镜发生偏转。微镜地址电路在转动点的任一边，同样连到M3上。

图5

M4转动层和M5微镜层都是在牺牲氧化层上通过沉积工艺完成，这在SEM图片上并不明显，但是数组中的M3也覆盖了同样一层薄的氧化物作为外围金属，这种“暗金属”可用来防止当微镜关闭时偏光照射到屏幕上。据说这样可将对比度从800:1提高到超过1500:1。

微镜电路连接到每个微镜下面的SRAM单元转换开关输出端(见图6)。偏转微镜需要12V以上的电压，所以SRAM单元里7.5V CMOS晶体管是不够的，为了解决这个问题，在微镜偏置总线上施加了一个较大的偏置电压(高达28V)。这个电压加上微镜地址电路偏压，可以提供偏转微镜所需的静电作用力。微镜达到锁定位置后，可用反向微镜偏压使其得到释放。

图6

微镜的锁存与解锁通过二进制数完成，每个像素的灰度级则由微镜的占空系数决定，微镜锁存到投影位置次数所占百分比越高，亮度就越大。微镜的投影光路和黑暗光路角度倾斜相差12o。

在图7中我们可以看到DLP结构的截面图，上面显示了三个常规CMOS金属层，以及薄的(70nm)M4扭转层和M5微镜层。铝合金微镜经过优化，反射率约有90%，扭转金属是Al/Ti合金，应该具有很好的扭矩和可靠性能。M5与转动点金属连接的一面明显很薄，另外我们还可以看到M4通孔深深蚀入到了M3中。

图7

图8是微镜/转动接点TEM放大图，我们可以清楚地看见转动点非常薄，但即使这样TI仍声称其具有很高的可靠性。可以看出TI在这几年里对其结构进行了简化，我们的芯片显示微镜直接连在转动点，而TI公布的数据显示微镜是连在一个连接套上，再连到一对转动点(见图9)。这种简化极有可能使得倾斜角从10o升高到12o，从而提高了光学效率。

图8

图9

显然，DMD是MEMS技术一项非常有意义的应用，其数字驱动系统开关转换速度比其他LCD技术要高几个数量级，同时光学效率、对比度以及可靠性都要优于等离子和LCD显示技术。因此，TI称目前在投影仪市场拥有近50%的份额。

作者简介：

Dick James目前是Chipworks公司资深技术分析师。他于Salford大学毕业并获得应用化学学士学位，之后又在英格兰南安普顿大学获得微电子与半导体器件硕士学位。他在半导体器件工艺开发、设计、制造、封装以及反向还原工程方面拥有超过30年宝贵经验。

 

作者：Dick James，Chipworks技术分析师