CN101239697B - 垂直集成微电子机械结构、实现方法及其系统 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种基于单晶硅膜片、在垂直方向上实现直接集成的微电子机械结构，实现该垂直集成微电子机械结构的方法以及基于该垂直集成微电子机械结构实现的应用系统。在本发明中，采用聚合物材料及垂直方向的互连，实现在垂直方向对悬吊的单晶硅微机械系统结构的集成。由此实现的垂直集成微电子机械结构具有单晶硅膜片和衬底芯片，其中，单晶硅膜片作为淀积层，由支柱支撑，悬于衬底芯片之上；单晶硅膜片上具有可动/固定的结构单元。使用该技术制作的MEMS传感单元和CMOS处理电路可以集成于同一芯片，进一步减少了CMOS芯片的体积。本发明也适用于其它MEMS器件的制造、高密度微电子器件的集成和器件的芯片级封装等。

Description

垂直集成微电子机械结构、实现方法及其系统

技术领域

本发明涉及一种对基于单晶硅膜片、在垂直方向上实现直接集成的微电子机械结构，实现该垂直集成微电子机械结构的方法以及基于该垂直集成微电子机械结构实现的应用系统，属于微电子机械系统(MEMS)技术领域。

背景技术

微电子机械系统(MEMS)被认为是一种将改变整个工业和带来下一次技术革命的新技术。它可以将机械构件、光学系统、驱动部件、电控系统集成为一个整体单元的微型系统。这种微电子机械系统不仅能够采集、处理与发送信息或指令，还能够按照所获取的信息自主地或根据外部的指令采取行动。它采用微电子技术和微加工技术(包括硅体微加工、硅表面微加工、LIGA和芯片键合等技术)相结合的制造工艺，可以制造出各种性能优异、价格低廉、微型化的传感器、执行器、驱动器和微系统。该项技术不仅可降低成本、体积、重量和功率损耗，同时在性能、生产批量和功能性上可提高几个数量级。

公开号为CN1711210的发明专利申请公开了一种基于MEMS技术的垂直集成结构，该结构包括微机电系统(MEMS)和用于将信号传送至MEMS的芯片。MEMS具有锚定部分，锚定部分具有穿透其中的导体，MEMS通过锚定部分连接至衬底。芯片在垂直于衬底表面的方向上贴覆于MEMS衬底，从而形成芯片到MEMS的导电通路。芯片刻通过将导体与形成于芯片上的C4金属焊垫结合、或通过将导体与芯片上的金属柱头结合而贴覆。MEMS衬底可在被贴覆于芯片前减薄，或者可从MEMS下侧去除。暂时的承载板用于方便处理MEMS以及与芯片对准。

上述垂直集成结构的一个典型应用是作为加速度计。图1是一种加速度计的设计概念图。它的中央是可动检测质量块，该质量块由折形弹簧在铰接点悬吊在衬底上。可动质量块上伸出有许多悬臂电极。在A传感区，每个这样的可动电极处于两个固定电极之间，与这两个固定电极间保持不同的间距。而在B区，每个可动电极与两个固定电极的不平衡间距与在A区的不平衡间距呈相反分布。这样就可以构成差分电容传感结构。利用这种差分电容式传感机理，可以有效地进行共模抑制，提高线性度，并且可以抵销如热膨胀之类的诸多一阶附加效应。

公开号为CN1643385的发明专利申请公开了一种制造加速计的方法。该方法是通过制造于芯片上的器件通过在覆盖芯片上形成一种样式的粘合环，且对齐并在热压缩下粘合两个芯片到一起而被封装，所以每个器件的操作部件被各自的粘合环包围。所述的粘合环通过占据被环跨接的器件上表面中的任何沟槽或其它不连续部分，如导电轨而提供密封。加速计是通过在衬底的顶部蚀刻至少一个空腔，粘合中间材料层至所述衬底的顶部上，沉积金属化层至中间层上，且蚀刻金属化层和中间层以形成垂悬于每个空腔上的传感器结构而制造的。沉积在衬底上的下金属化层的导电轨与导电轨交叉而没有电连接，导电轨沉积于中间层的上面。电桥是通过在中间层下边形成空腔以容纳下导电轨而制造的。

采用微电子机械技术的新型加速度计最早在上个世纪80年代晚期出现，它具有高性能、高集成度、小尺寸及低成本等诸多优点。但由于技术上还有待进一步成熟，该加速度计直到近几年才在汽车安全气囊上得到应用，在例如运动检测、运动装备、地震监测等诸多领域还需要进一步加以改进，以满足实际使用的要求。

发明内容

本发明的第一个目的在于提供一种新型的垂直集成微电子机械结构(简称为VIMEMS)。该结构通过聚合物材料及垂直方向的互连结构，在垂直方向实现对悬吊的单晶硅微机械系统(MEMS)结构的直接集成。

本发明的第二个目的是提供一种实现上述垂直集成微电子机械结构的方法。

本发明的第三个目的在于提供一种应用该垂直集成微电子机械结构的垂直集成微电子机械系统。

为实现上述的发明目的，本发明采用下述的技术方案：

一种垂直集成微电子机械结构，具有单晶硅膜片和衬底芯片，其特征在于：

所述单晶硅膜片作为淀积层，由支柱支撑，悬于所述衬底芯片之上，下方表面有淀积薄膜结构；

所述支柱由环氧树酯层构成；

所述单晶硅膜片上具有可动/固定的结构单元；

所述垂直集成微电子机械结构中具有树酯层，所述树酯层兼有将所述硅膜片粘接至所述衬底芯片的作用和作为牺牲层的作用。

其中较优地，所述支柱也由金属层构成，该金属层使位于上层的单晶硅膜片与所述衬底芯片实现电气连接。

所述单晶硅膜片上刻有通孔，所述金属层经由该通孔的侧壁表面与所述单晶硅膜片实现电气连接。

所述单晶硅膜片有多层，各层单晶硅膜片之间通过所述支柱实现支撑。所述支柱为电气连接上下两个单晶硅膜片的金属层。

一种用于实现垂直集成微电子机械结构的方法，该垂直集成微电子机械结构具有单晶硅膜片和衬底芯片，所述单晶硅膜片作为淀积层，由支柱支撑，悬于所述衬底芯片之上；所述单晶硅膜片上具有可动/固定的结构单元，其特征在于包括如下步骤：

(1)用树酯将一掺杂的硅片或其它材料的膜片和集成电路芯片粘接在一起；

(2)将该膜片减薄到所需厚度；

(3)在掺杂的硅片和树酯层中腐蚀出通孔，然后在通孔的侧壁上淀积金属层，形成对掺杂硅片或膜片与输出电路的互连；

(4)在掺杂的硅片上腐蚀出机械传感结构

(5)用含氧等离子刻蚀法将树酯牺牲层全部或部分腐蚀掉，使悬吊的机械传感单元释放。

在制作具有多层单晶硅膜片层的垂直集成微电子机械结构时，在所述步骤(3)之后，首先过表面平整的硅片上涂敷环氧树酯，粘接另一层硅片；而后将另一层硅片减薄至所需厚度，并在另一层硅片中刻蚀和淀积通孔和金属互连层；随后，通过腐蚀在另一层硅片上形成所需的机械敏感单元；最后将树酯牺牲层全部腐蚀掉，使悬吊结构可以自由运动。

一种垂直集成微电子机械系统，具有悬吊的中央梁和多个沿中央梁横向伸出的叉指电极，其特征在于：

所述垂直集成微电子机械系统中具有上述的垂直集成微电子机械结构。

所述垂直集成微电子机械系统为加速度计或者角速度计。

本发明所提供的垂直集成微电子机械结构可以用来实现独特的三维叠层式“芯片上的微系统”，从而在低成本条件下进行微型、高性能MEMS器件的快速成型开发和灵活制造。利用本发明，可以在标准的CMOS芯片上叠加一定厚度的单晶硅层来形成MEMS感应单元，并通过三维密封封装的方法来制作MEMS器件。

附图说明

下面结合附图和具体实施方式对本发明作进一步的说明。

图1为一种现有的加速度计的设计概念图。

图2为本发明所提供的垂直集成微电子机械结构的示意图。

图3介绍了制作VIMEMS器件的工艺流程。

图4介绍了制作多层VIMEMS器件的工艺流程。

图5介绍了一种作为加速度计的垂直集成微电子机械系统。

图6介绍了一种基于上述垂直集成微电子机械结构的角速度计的设计方案。

图7为图6所示的角速度计的工作原理示意图。

具体实施方式

图2所示为本发明所提供的垂直集成微电子机械结构的示意图。其中，单晶硅膜片通过垂直方向上的互连金属和通孔与读出电路(ROIC)用胶合树酯粘接在一起。该垂直集成微电子机械器件由单晶硅膜片和衬底芯片组成。其中，单晶硅膜片上可制作可动和固定的结构单元。该单晶硅膜片由支柱支撑，悬于衬底之上，其下方表面有淀积薄膜结构(deposited thin film patterns)。支柱可以由环氧树酯层构成。该树酯层还兼有将单晶硅膜片粘接至衬底芯片的作用。其中树酯层也用来作为牺牲层，被全部或部分腐蚀掉。另外，该支柱也可以由金属层构成。该金属层可将上层的硅膜片与所述衬底进行电气连接。此外，支柱还可以由树酯和金属层构成。树酯层将硅膜片与衬底粘接；而由金属层将上层的硅膜片与衬底进行电气互接。硅膜片上刻有通孔，金属层经由该通孔的侧壁表面与硅膜片实现电气连接和电气接触。

VIMEMS结构本身也起到机械功能结构的作用。当胶合树酯去掉后，垂直互连层本身可以用来当作支撑体。这种结构在形式上非常类似于美国TI(德州仪器)公司用于制造其DMD器件结构。该DMD器件主要用于TI公司的DLP产品中。但两者存在明显的不同，其主要不同之处在于：本VIMEMS结构中的淀积层是单晶硅而不是金属薄膜。另外，VIMEMS结构中的树酯牺牲层同时也兼具粘接层的作用。也就是说，VIMEMS用作牺牲层的树酯又用来作粘接层来将膜片粘接在衬底上。然而，DMD中用的牺牲层并没有粘接层的作用。它们只是将悬吊膜片在牺牲层上。它们靠得是淀积膜片的粘附性来将膜片粘接在衬底上。

利用VIMEMS技术，多层MEMS结构可以叠加在一起，通过互连层与读出电路连接来构成更为复杂的MEMS器件。具体而言，可以在单晶硅膜片上再制作另外一层具有可动和固定单元的单晶硅膜片。该另外一层单晶硅膜片由另一组支柱支撑于前述的第一层单晶硅膜片之上。以此类推，可以形成多层硅机械结构，以制作更为复杂的VIMEMS器件。

图3介绍了制作VIMEMS器件的工艺流程。首先如图3(a)所示，用树酯将一掺杂的硅片或其它材料的膜片和集成电路芯片粘接在一起。这里所说的膜片一般是空白膜片或者现有的淀积薄膜结构。再如图3(b)所示，将该膜片减薄到所需厚度。硅片可用砷，磷，锑或硼掺杂成N型或P型导电层来用作为电极。接下来，如图3(c)所示，在掺杂的硅片和树酯层中腐蚀出通孔，然后在通孔的侧壁上淀积金属层图3(d)，形成对掺杂硅片或膜片与输出电路的互连图3(e)。随后，如图3(f)所示，在掺杂的硅片上腐蚀出机械传感结构。最后，如图3(g)所示，用含氧等离子刻蚀法将树酯牺牲层全部或部分腐蚀掉，使悬吊的机械传感单元释放，最终得到如图1，2所示的结构。

图3中所示的VIMEMS制作工艺仅采用了单层的硅片。这对多数的惯性传感器来说已经可以满足要求。更为复杂的器件结构可能要求多于一层的单晶硅片。这可以通过图4(a)-(d)所示的在图3(d)所示的单层结构上叠加形成另一层硅片的工艺来实现。在图3(c)所示的步骤之后，如图4(a)所示，可以在经过表面平整的第一层硅片上涂敷环氧树酯，粘接第二层硅片。而后将第二层硅片减薄至所需厚度。接下来，如图4(b)所示，在第二层硅片中刻蚀和淀积通孔和金属互连层。随后，如图4(c)所示，通过腐蚀，在第二层硅片上形成所需的机械敏感单元。最后，如图4(d)所示，树酯牺牲层被全部腐蚀掉，使悬吊结构可以自由运动。如此类推，可以用同样方法形成多层硅机械结构，来制作更为复杂的VIMEMS器件。

图5介绍了一种作为加速度计的垂直集成微电子机械系统。其中，在衬底30上集成了X轴加速度计101和Z轴加速度计102。两种加速度计均由掺杂的单晶硅制作。衬底上分别分布有有源和无源器件，如信号处理电路，电气互连和电容极板等。如果衬底是导电的，它就可以作为电容器的极板。X轴加速度计的构成如下：(1)一个悬吊的中央梁14；多个沿中央梁横向伸出的叉指电极16；中央梁两端的两组窄的折形弹簧12，以及由薄层有机黏合剂20粘接在衬底上的焊盘17。(2)固定结构，两条侧梁22和由其上横向伸出的多个固定叉指电极18。固定叉指电极18与前述的可动叉指电极16相邻分布并相互平行。侧梁22也由粘接层20固定在衬底上。所述的所有叉指电极和横梁均由掺杂单晶硅制作，因而是导电体。当固定电极18被充电至与悬吊电极不同的电位，每一组固定叉指电极与相邻的可动电极间就存在电位差。如果沿X方向存在加速度，悬梁14和可动叉指电极16将相对固定叉指电极18产生运动，导致它们之间的电容上的电压差改变。由此可以测量X方向的加速度。与此类似，沿Y方向分布的相同结构的加速度计可以用来测量Y方向的加速度。Z轴的加速度计102由中心极板40和将其悬吊于焊盘17的四条窄长悬臂组成。当中心极板充电至其电位与衬底或极板下方的固定电极41上的电位不同时，它们之间就存在电容电位差。此时，如果有Z方向的加速度加于102之上，悬吊的中央极板40将相对于固定极板41产生运动，导致它们之间的电容电位差改变。由此可以测出Z方向的加速度。

图6介绍了一种基于上述的VIMEMS结构的角速度计的设计方案。图7为该角速度计的工作原理示意图。其中的刚性框架用来使感应和驱动模式相互区分开。驱动弹簧和感应弹簧分别只能在Y方向和X方向形变。中央悬吊的检测质量块由分布于刚性框架内侧的梳状驱动电容驱动，在Y方向上产生振动。该系统可以产生自振，以保证器件工作在其谐振频率上。刚性框架内还有一组叉指电容，用来感应驱动位移。该振动信号被放大后反馈至驱动电极。

在上述基于VIMEMS结构的加速度计中，衬底芯片上已制作有集成电路。对可动单元和集成电路进行电气连接的连接体由淀积的金属制薄膜制作。可动和固定单元由相互间形成电容，可以感测角速度或Coriolis力的梳状电极组成。可动单元上更有弹簧和检测质量块以形成机械谐振器。当用交流信号驱动至系统谐振时，如果器件被转动，其可动单元上将产生Coriolis力。这样，如果外界有一绕Z轴的转动，检测质量块上将产生沿X轴的Coriolis力。位于刚性框架外侧的一组感应梳状电容用来测量该X轴的Coriolis加速度。另一组梳状电容用来产生沿Y方向作用于框架的静电力，以对系统进行自我检测。该组梳状电容还可以用来对相互耦合的位移进行补偿。由于系统工作在较高的谐振频率下，加之结构紧凑，所用的单晶硅材料又非常坚固，该系统仅产生很小的轴外位移。也就是说，该系统的正交误差很小。如果正交位移很小，加速度计仍工作在其线性区内，就可以利用其相对于Coriolis信号的90°相位差来减小正交误差。

另外，在本角速度计中，外界的线性角速度的影响也可以被抑制掉。加速度计同时对外界的线性角速度和内部产生的Coriolis角速度响应。但是，Coriolis角速度信号是被调制在系统的谐振频率下的。通常系统的谐振频率设计在18kHz左右。而外界的线性角速度，根据环境的不同，其频率一般在6kHz或更低。因此，外界线性加速度信号可以从Coriolis加速度信号中过滤掉。采用5mm×5mm见方，50μm厚的结构，如果谐振系数为10000，器件可以实现约0.1°/hr/rtHz的本底噪声。限位器用来限制所有三个方向的最大振动位移。

利用本发明所提出的VIMEMS集成技术，可以通过三维密封封装的方法，在标准的CMOS芯片上叠加一定厚度的单晶硅层来形成MEMS传感单元。这样，使用该技术制作的MEMS传感单元和CMOS处理电路可以集成于同一芯片，进一步减少了CMOS芯片的体积。

该技术同样适用于其它MEMS器件的制造、高密度微电子器件的集成和器件的芯片级封装。例如，对RF谐振器或RF开关与RF电路的集成，光开关的制作以及生物MEMS器件的自封装。利用VIMEMS技术所制作的小型、低成本、高分辨率的振动传感器，如加速度计、角速度计、倾斜计和陀螺仪等，可广泛应用于民用基础设施的建设和安全监控，石油工业中的地震探测和一般的地震监测。

上面对本发明所述的垂直集成微电子机械结构、实现方法及其系统进行了详细的说明。对本领域的一般技术人员而言，在不背离本发明实质精神的前提下对它所做的任何显而易见的改动，都将构成对本发明专利权的侵犯，将承担相应的法律责任。

Claims (9)

1.一种垂直集成微电子机械结构，具有单晶硅膜片和衬底芯片，其特征在于：

所述单晶硅膜片作为淀积层，由支柱支撑，悬于所述衬底芯片之上，下方表面有淀积薄膜结构；

所述支柱由环氧树酯层构成，所述环氧树酯层兼有将所述硅膜片粘接至所述衬底芯片的作用和作为牺牲层的作用；

所述单晶硅膜片上具有可动或固定的结构单元。

2.一种垂直集成微电子机械结构，具有单晶硅膜片和衬底芯片，其特征在于：

所述单晶硅膜片作为淀积层，由支柱支撑，悬于所述衬底芯片之上，下方表面有淀积薄膜结构；

所述支柱由金属层构成，该金属层使位于上层的单晶硅膜片与所述衬底芯片实现电气连接；

所述单晶硅膜片上具有可动或固定的结构单元；

所述垂直集成微电子机械结构中具有环氧树酯层，所述环氧树酯层兼有将所述硅膜片粘接至所述衬底芯片的作用和作为牺牲层的作用。

3.如权利要求1或2所述的垂直集成微电子机械结构，其特征在于：

所述单晶硅膜片上刻有通孔，所述金属层经由该通孔的侧壁表面与所述单晶硅膜片实现电气连接。

4.如权利要求3所述的垂直集成微电子机械结构，其特征在于：

所述单晶硅膜片有多层，各层单晶硅膜片之间通过所述支柱实现支撑。

5.如权利要求2所述的垂直集成微电子机械结构，其特征在于：

所述支柱为电气连接上下两个单晶硅膜片的金属层。

6.一种用于实现垂直集成微电子机械结构的方法，该垂直集成微电子机械结构具有单晶硅膜片和衬底芯片，所述单晶硅膜片作为淀积层，由支柱支撑，悬于所述衬底芯片之上；所述单晶硅膜片上具有可动或固定的结构单元，其特征在于包括如下步骤：

(1)用树酯将一掺杂的硅片或其它材料的膜片和集成电路芯片粘接在一起；

(2)将该膜片减薄到所需厚度；

(3)在掺杂的硅片和环氧树酯层中腐蚀出通孔，然后在通孔的侧壁上淀积金属层，形成对掺杂硅片或膜片与输出电路的互连；

(4)在掺杂的硅片上腐蚀出机械传感结构

(5)用含氧等离子刻蚀法将树酯牺牲层全部或部分腐蚀掉，使悬吊的机械传感单元释放。

7.如权利要求6所述的实现垂直集成微电子机械结构的方法，其特征在于包括如下步骤：

制作具有多层单晶硅膜片层的垂直集成微电子机械结构时，在所述步骤(3)之后，首先过表面平整的硅片上涂敷环氧树酯，粘接另一层硅片；而后将另一层硅片减薄至所需厚度，并在另一层硅片中刻蚀和淀积通孔和金属互连层；随后，通过腐蚀在另一层硅片上形成所需的机械敏感单元；最后将树酯牺牲层全部腐蚀掉，使悬吊结构可以自由运动。

8.一种垂直集成微电子机械系统，具有悬吊的中央梁和多个沿中央梁横向伸出的叉指电极，其特征在于：

所述垂直集成微电子机械系统中具有如权利要求1所述的垂直集成微电子机械结构。

9.如权利要求8所述的垂直集成微电子机械系统，其特征在于：

所述垂直集成微电子机械系统为加速度计或者角速度计。

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