CN102759636B

CN102759636B - 一种电容式mems加速度计及制造方法

Info

Publication number: CN102759636B
Application number: CN201210176681.8A
Authority: CN
Inventors: 杨静; 张富强; 孟美玉
Original assignee: China Aviation Airspace Spaceflight Technology Group Co No9 Academy No772 Research Institute; Mxtronics Corp
Current assignee: China Aviation Airspace Spaceflight Technology Group Co No9 Academy No772 Research Institute; Mxtronics Corp
Priority date: 2012-05-31
Filing date: 2012-05-31
Publication date: 2014-04-09
Anticipated expiration: 2032-05-31
Also published as: CN102759636A

Abstract

一种电容式MEMS加速度计，包括依次设置的第一硅盖板层、中间硅层和第二硅盖板层，所述中间硅层包括第一硅岛和第二硅岛，所述硅岛形成在硅框架的内部，并与硅框架通过间隙间隔开；其中第一硅岛与第一硅盖板层金属电极接触，第二硅岛与第二硅盖板层金属电极接触；第一硅盖板层还包括在第一硅基底上形成的第一金属电极通孔、第二金属电极通孔和硅电极通孔，第一金属电极通孔与第一硅岛的位置相对应，第二金属电极通孔与第二硅岛的位置相对应；硅电极通孔与硅框架的位置相对应；每个通孔内壁有绝缘层，并充满金属导电材料。本发明能够将加速度计的所有电极在同一硅面引出，实现了加速度计的圆片级键合，并且可以采用倒装芯片技术进行封装。

Description

一种电容式MEMS加速度计及制造方法

技术领域

本发明涉及一种微电子机械系统(MEMS)器件及其制造技术，尤其涉及一种电容式MEMS加速度计及其制造方法。

背景技术

MEMS加速度计是MEMS惯性系统中不可缺少的环节，当前应用于多个领域。MEMS加速度计工作原理主要有电容式和压阻式两种，其中压阻式加速度计存在精度低、温度特性差等缺点，应用领域受限。电容式加速度计主要采用梳齿式和“三明治”式两种方案。梳齿式加速度计主要存在以下几个问题：敏感结构的敏感轴和非敏感轴的机械强度差别不大，加速度计的非敏感轴灵敏度难以抑制；敏感轴方向不能提供具有足够机械强度的保护结构，加速度计的抗冲击能力不足；梳齿结构电容输出值较小，对外界加速度的敏感度较低，因此梳齿式加速度计主要适用于消费领域等要求不高的环境。“三明治”式MEMS加速度计的质量块大，敏感电容值大，精度相对较高。

“三明治”式MEMS加速度计一般采用玻璃-硅-玻璃三层结构，玻璃和硅需要在高温环境中才能键合，尽管采用键合用玻璃，但与硅的热膨胀系数还是有差别，制作出的器件存在残余热应力；玻璃-硅键合还必须加高电压，加速度计的质量块在高电场中极易发生偏移，导致静态电容值发生变化，降低器件的性能。“三明治”式MEMS加速度计制作时需将上、下电容电极与硅电极引出，然而传统的玻璃-硅-玻璃三层结构的MEMS加速度计在制造过程中由于无法将上、下玻璃的金属电极和硅电极在同一硅面引出，不能进行硅片-玻璃片圆片级键合，而是按照结构要求将圆片切割成很多独立的小芯片，并对每个小芯片分别进行硅-玻璃键合，而且一直无法解决如何将这种硅片上、下两面都有电极的键合芯片封装在管壳内的难题，生产效率和器件成品率非常低，性能重复性差。

如图7所示为传统MEMS加速度计的封装形式，利用胶707将加速度计芯片701贴在管壳702的腔体内，芯片701上的焊点703通过金属丝704利用引线键合工艺连接在管壳的键合指705上，最后用盖板706将管壳702的腔体密封，完成封装。采用传统的引线键合技术进行封装，当加速度计用于引出电极的通孔超过一定深度时，引线键合的工艺难度会增加，并且成品率及可靠性显著降低；返修难度较大、灵活性差。

发明内容

本发明所要解决的技术问题是提供一种电容式MEMS加速度计，能够将加速度计的所有电极在同一硅面引出，实现了加速度计的圆片级键合，并且可以采用倒装芯片技术进行封装，改变引线键合低可靠性和低生产率的不利状况，能够实现芯片级尺寸封装，并且可以使加速度计芯片与其它芯片之间的互连更加灵活。

本发明所要解决的另一技术问题是提供一种工艺简单的MEMS加速度计制造方法，采用硅-金属-硅圆片级真空键合方法使得加速度计质量块和支撑梁在制作过程中就被封装在高真空的硅密闭空腔内，在器件性能得到提高的同时避免了圆片切割时对内部质量块和支撑梁等可动结构的损伤。采用这种工艺制作的全硅加速度计能够采用倒装芯片封装技术，不需引线键合，从而实现小尺寸封装，并且与其它芯片的互连比较灵活，能够满足特定需求，成品率高，可以实现批量生产。

本发明采用如下技术方案：

一种电容式MEMS加速度计，包括依次设置的第一硅盖板层、中间硅层和第二硅盖板层，中间硅层包括硅框架、质量块、支撑梁；第一硅盖板层包括第一硅基底，在第一硅基底的一个面上形成第一槽、在第一槽所在的第一硅基底的面上形成第一绝缘层，在第一绝缘层上形成第一硅盖板层金属电极；第二硅盖板层包括第二硅基底；在第二硅基底的一个面上形成第二槽、在第二槽所在的第二硅基底的面上形成第二绝缘层，在第二绝缘层上形成第二硅盖板层金属电极；其特征在于，所述中间硅层还包括第一硅岛和第二硅岛，所述硅岛形成在硅框架的内部，并与硅框架通过间隙间隔开；其中第一硅岛与第一硅盖板层金属电极接触，第二硅岛与第二硅盖板层金属电极接触；第一硅盖板层还包括在第一硅基底上形成的第一金属电极通孔、第二金属电极通孔和硅电极通孔，第一金属电极通孔与第一硅岛的位置相对应，第二金属电极通孔与第二硅岛的位置相对应；硅电极通孔与硅框架的位置相对应；每个通孔内壁有绝缘层，并充满金属导电材料。

第一硅盖板层、中间硅层、第二硅盖板层分别包括金属键和区。

一种电容式MEMS加速度计的制造方法，其特征在于，包括以下步骤：

(1)形成第一硅盖板层

在第一硅基底的一个面上形成第一槽、然后形成第一金属电极通孔、第二金属电极通孔和硅电极通孔；在第一槽所在的第一硅基底的面上形成第一绝缘层；然后在第一绝缘层上形成金属键合区、和第一硅盖板层金属电极；在每个通孔内填充导电材料；

(2)形成第二硅盖板层

在第二硅基底的一个面上形成第二槽；在第二槽所在的第二硅基底的面上形成第二绝缘层；在第二绝缘层上形成金属键合区、和第二硅盖板层金属电极；

(3)在硅片上形成金属键合区；然后形成支撑梁；

(4)将形成支撑梁和金属键合区的硅片与第一硅盖板层和第二硅盖板层的其中一盖板层在常压下进行键合，形成两层键合片；

(5)在两层键合片的硅片上形成硅质量块、第一硅岛和第二硅岛；

(6)将上述键合片与另一硅盖板层在真空条件下进行键合，形成MEMS加速度计圆片；

(7)对MEMS加速度计圆片进行切割，分离出加速度计芯片；

(8)对加速度计芯片进行封装获得MEMS加速度计。

本发明与现有技术相比，具有如下优点：

(1)本发明的加速度计采用硅岛结构和硅通孔互联(TSV)技术，能够将上、下硅盖板金属电极与硅结构电极在同一面引出，实现了加速度计的圆片级键合。由于采用硅通孔填充工艺，加速度计封装时能够采用倒装芯片技术，不需引线键合，从而实现小尺寸封装，并且与其它芯片的互连比较灵活。采用倒装芯片技术，具有低成本、高可靠性、电性能好、可返修、设计灵活等特点，并且能够实现芯片级尺寸封装，满足对封装尺寸要求高的特定需求。

(2)本发明的制造方法工艺简单，将硅可动结构密封在硅盖板形成的空腔内，实现圆片级封装，避免了圆片在切割时颗粒对可动结构的沾污，显著提高成品率。采用本发明方法制作的全硅加速度计能够采用倒装芯片封装技术，不需引线键合，从而实现小尺寸封装，并且与其它芯片的互连比较灵活，能够满足特定需求，成品率高，可以实现批量生产。

(3)本发明采用硅-金属-硅键合方式，键合过程没有电场，质量块在键合过程中不发生上下偏移，有效提高了器件的成品率。

附图说明

图1A和1B分别为本发明硅结构层的俯视图示意图和截面示意图。

图2A和2B分别为本发明第一硅盖板的仰视图示意图和截面示意图。

图3A和3B分别为本发明第二硅盖板的仰视图示意图和截面示意图。

图4为本发明制作的基于硅通孔互联技术的全硅结构MEMS加速度计过通孔208的剖视图。

图5为本发明制作的基于硅通孔互联技术的全硅结构MEMS加速度计过通孔207的剖视图。

图6为本发明制作的基于硅通孔互联技术的全硅结构MEMS加速度计圆片上芯片分布示意图。

图7为MEMS加速度计芯片引线键合封装示意图。

图8为本发明制作的基于硅通孔互联技术的全硅结构MEMS加速度计倒装芯片封装示意图。

图9为本发明中制作出键合区与支撑梁的双面抛光硅片和第一硅盖板2的键合片过通孔208的剖视图。

图10为本发明中硅结构层1和第一硅盖板2的键合片过通孔208的剖视图。

具体实施方式

根据电容检测工作原理，全硅结构MEMS加速度计采用三层硅结构：第一硅盖板金属电极与中间硅层质量块上表面形成第一电容，第二硅盖板金属电极与中间硅层质量块下表面形成第二电容；在垂直于质量块方向的加速度的作用下，质量块会发生偏移，引起上下两个电容的变化。通过检测电容值的变化就可以测量加速度。

如图1所示为硅结构层1的结构示意图，硅结构层1包括硅框架101、质量块104、支撑梁102、硅岛105和106。质量块104形成在硅框架101的内部，质量块104的一端通过支撑梁102与硅框架101相连，质量块104的其它端与硅框架101间隔开。硅岛105和106形成在硅框架101的内部，并与硅框架101通过间隙间隔开。硅岛的形状可以是方形、圆形等。硅框架101为双面抛光硅片，其为电阻率0.1Ω·cm至0.001Ω·cm的P型或N型硅片。由于采用低阻硅，质量块104的上表面作为形成第一电容的硅层电极；质量块104的下表面作为形成第二电容的硅层电极。所述支撑梁102与质量块104的厚度可以一致，也可以不同。所述支撑梁102可以位于硅框架101厚度的中央，也可以位于硅框架101的顶部或底部。在硅框架101的上下表面、硅岛105和106的上下表面分别形成金属键合区103。金属键合区材料是钨金、钛金或者金锡。

如图2所示为第一硅盖板2的结构示意图，包括硅基底201、在硅基底201的一个面上形成浅槽204，在硅基底上形成两个金属电极引出通孔206、208，一个硅结构层电极引出通孔207。在浅槽204所在硅基底的表面上形成绝缘层202，在绝缘层202上形成金属键合区203和金属电极205。其中通孔206的位置与硅岛105的位置对应，通孔208的位置与硅岛106的位置对应。通孔207可以形成在硅基底201的任意位置，只要能够保证与硅框架的位置相对应。优选地，通孔207位于两个通孔206与208之间，并且三个通孔的中心位于同一条直线上；以便于后续封装。通孔206、207、208内填充有导电材料。绝缘层202材料是氧化硅或者氮化硅。金属键合区材料是钨金、钛金或者金锡。

如图3所示为第二硅盖板3的结构示意图，包括硅基底301、在硅基底301的一个面上形成的浅槽304、在浅槽所在硅基底的表面上形成绝缘层302，在绝缘层302上形成金属键合区303、和金属电极305。金属键合区303的位置与硅框架101和硅岛105、106上的键合区位置相对应。

如图4和图5所示，本发明的MEMS加速度计包括依次放置的第一硅盖板2、硅结构层1，和第二硅盖板3。质量块104位于硅基底201和硅基底301形成的密闭空腔内。金属电极205的位置与硅质量块104的上表面相对应，金属电极205延伸至与硅岛106的上表面接触。金属电极305的位置与硅质量块104的位置相对应，金属电极305延伸至与硅岛105的下表面接触。所述金属电极引出通孔206位于硅岛105的上方(未图示)，金属电极引出通孔208位于硅岛106的上方。通孔207位于硅框架101的上方。通过通孔208、206可以将金属电极205、305从第一硅盖板的上表面引出；通过通孔207将硅结构层电极从第一硅盖板的上表面引出；从而实现金属电极205、305、和硅结构层电极在同一面引出。

本发明的MEMS加速度计的制造方法，包括以下步骤：

第一步，形成第一硅盖板层2

参考附图2A和2B，在硅基底201上利用湿法腐蚀工艺或者干法刻蚀工艺或者喷砂工艺或者激光工艺或者超声工艺依次制作出浅槽204、通孔206、207、208；利用薄膜淀积工艺在硅基底的表面和通孔206、207、208的侧壁上形成SiO₂或Si₃N₄绝缘层，然后再利用光刻和刻蚀工艺制作出绝缘层202；利用金属薄膜淀积工艺在硅基底绝缘层的表面上形成金属薄膜层，然后再利用光刻和刻蚀工艺制作出金属电极205和键合区203，金属可以是金、钛、钨、铂、铬、银、铝、钼、铜、镍中的一种或几种；利用电镀技术在通孔206、207、208内填充导电材料；利用抛光技术将第一硅盖板圆片表面抛光。浅槽204的深度为1μm至10μm，金属电极205和键合区203的厚度为800埃至5μm，绝缘层202的厚度为1μm至10μm。

第二步，形成第二硅盖板层3

参考附图3A和3B，在硅基底上利用湿法腐蚀工艺或者干法刻蚀工艺或者喷砂工艺或者激光工艺或者超声工艺制作出浅槽304；利用薄膜淀积工艺在硅基底的表面形成SiO₂或Si₃N₄绝缘层，然后再利用光刻和刻蚀工艺制作出绝缘层302；利用金属薄膜淀积工艺在硅基底绝缘层的表面上形成金属薄膜层，然后再利用光刻和刻蚀工艺制作出金属电极305和键合区303，金属可以是金、钛、钨、铂、铬、银、铝、钼、铜、镍中的一种或几种。浅槽304的深度为1μm至10μm，金属电极305和键合区303的厚度为800埃至5μm，绝缘层202的厚度为1μm至10μm。

第三步，在双面抛光硅片上利用金属薄膜淀积工艺制作出金属薄膜，利用光刻和刻蚀工艺制作出键合区103；然后利用光刻和干法刻蚀工艺在双面抛光硅片上制作出支撑梁102。双面抛光硅片为电阻率为0.1Ω·cm至0.001Ω·cm的P型或N型硅片。

第四步，参考附图9，将第三步制作出的双面抛光硅片与第一硅盖板2在常压下进行一次键合；

第五步，参考附图10，在第四步制作的键合片上利用光刻工艺和干法刻蚀工艺在硅结构层上制作出质量块104、硅岛105、106等结构；

第六步，参考附图4和5，将第五步键合片与第二硅盖板3在真空(100mBar到1E-6mBar)的环境中进行硅-金属-硅键合，形成三层键合片。三层键合后的形成如图6所示的加速度计圆片601；

第七步，如图6所示，加速度计圆片601上排列着多个加速度计芯片602，沿着划片道603切割即可将加速度计芯片602释放出来。

第八步，进行封装，形成MEMS加速度计。如图8所示为本发明的全硅结构MEMS加速度计芯片倒装芯片封装示意图，加速度计芯片801有焊点面对着基板802表面，采用带焊料凸点的钎焊工艺或导电胶803将芯片801与带有金属焊盘的基板802互连，底部填料804后完成封装。基板802的尺寸可以根据需要进行调整，最小能够与芯片801的尺寸相当；基板802上可以根据加速度计芯片801与其它芯片的连接需要，灵活设计金属连线。

本发明采用硅-金属-硅圆片级真空键合，使得加速度计质量块、支撑梁、硅岛等结构在制作过程中就被封装在硅密闭空腔内；键合过程没有电场，质量块在键合过程中不发生上下偏移。

本发明中加速度计芯片能够采用倒装芯片封装，可以实现芯片级尺寸封装，满足系统级封装和对封装尺寸要求严格的需求。

上面详细叙述了微机械加工的基于硅通孔互联技术的电容式MEMS加速度计的特征结构及制造方法，本领域内的技术人员可以在此基础上进行局部调整和修改，不难重复出本发明的结果，但这并不会超出本发明权利要求的保护范围。

Claims

1.一种电容式MEMS加速度计，包括依次设置的第一硅盖板层、中间硅层和第二硅盖板层，中间硅层包括硅框架、质量块、支撑梁；质量块的一端通过支撑梁与硅框架相连，质量块的其它端与硅框架间隔开；第一硅盖板层包括第一硅基底，在第一硅基底的一个面上形成第一槽、在第一槽所在的第一硅基底的面上形成第一绝缘层，在第一绝缘层上形成第一硅盖板层金属电极；第二硅盖板层包括第二硅基底；在第二硅基底的一个面上形成第二槽、在第二槽所在的第二硅基底的面上形成第二绝缘层，在第二绝缘层上形成第二硅盖板层金属电极；其特征在于，所述中间硅层还包括第一硅岛和第二硅岛，所述硅岛形成在硅框架的内部，并与硅框架通过间隙间隔开；其中第一硅岛与第一硅盖板层金属电极接触，第二硅岛与第二硅盖板层金属电极接触；第一硅盖板层还包括在第一硅基底上形成的第一金属电极通孔、第二金属电极通孔和硅电极通孔，第一金属电极通孔与第一硅岛的位置相对应，第二金属电极通孔与第二硅岛的位置相对应；硅电极通孔与硅框架的位置相对应；每个通孔内壁有绝缘层，并充满金属导电材料。

2.如权利要求1所述的电容式MEMS加速度计，其特征在于，第一硅盖板层、中间硅层、第二硅盖板层分别包括金属键合区。

3.如权利要求1所述的电容式MEMS加速度计的制造方法，其特征在于，包括以下步骤：

(1)形成第一硅盖板层

(2)形成第二硅盖板层

(3)在硅片上形成金属键合区；然后形成支撑梁；

(7)对MEMS加速度计圆片进行切割，分离出加速度计芯片；

(8)对加速度计芯片进行封装获得MEMS加速度计。

4.根据权利要求3所述的制造方法，其特征在于，金属键合区材料是钨金、钛金或者金锡。