CN102768290A - 一种mems加速度计及制造方法 - Google Patents

Abstract

一种MEMS加速度计及制造方法，采用玻璃-硅-玻璃三层电容式结构，硅层包括第一硅岛和第二硅岛，其中第一硅岛与第一玻璃层的金属电极接触，第二硅岛与第二玻璃层的金属电极接触；第一玻璃层还包括在第一玻璃基底上形成的第一金属电极引出通孔、第二金属电极引出通孔和硅层电极引出通孔；所述第一金属电极引出通孔与第一硅岛的位置相对应，所述第二金属电极引出通孔与第二硅岛的位置相对应，在第一硅岛和第二硅岛上分别形成金属焊点；在硅框架与硅层电极引出通孔对应的位置上形成金属焊点。本发明能够将玻璃层的金属电极与硅层电极在同一面引出，解决了三个电极不在同一面引出的封装难题。

Description

一种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MEMS高精度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。对于“三明治”式MEMS加速度计，一般采用玻璃-硅-玻璃三层结构，质量块体积大，敏感电容值大，精度相对较高。“三明治”式MEMS加速度计工艺过程需将上、下玻璃电极与硅电极引出，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。此外，对于“三明治”式加速度计，若提高其精度，还必须将加速度计敏感结构放置在真空环境中，降低质量块和支撑梁的气体阻尼系数，从而提高对加速度的敏感性。国外高精度MEMS加速度计采用将加速度计圆片切割成独立的小芯片，并分别将其在真空环境中封装在管壳里的工艺方式，这种真空封装方法对封装设备的能力要求非常严格，封装成本很高，国内几乎无法实现批量生产。 

发明内容

本发明所要解决的技术问题是提供一种MEMS高精度加速度计，该结构质量块大，耐冲击，并且能够将两玻璃层金属电极与硅电极在同一面引出，从而解决了圆片切割后将小芯片封装在管壳内的难题。 

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高精度加速度计制造方法，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玻璃密闭空腔内，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，并且切割下的芯片只需进行普通管壳封装，而不必采用真空技术进行管壳封装，采用这种工艺制作的加速度计不仅性能好，成品率高，而且生产成本明显降低，能够实现批量生产。 

本发明包括如下技术方案： 

一种MEMS加速度计，采用玻璃-硅-玻璃三层电容式结构，包括依次设置的第一玻璃层、硅层和第二玻璃层，硅层包括硅框架、质量块、和支撑梁；第一玻璃层包括第一玻璃基底、在第一玻璃基底的一个面上形成的第一槽、和在第一槽的表面上形成的第一玻璃层金属电极，第二玻璃层包括第二玻璃基底、在第二玻璃基底的一个面上形成的第二槽、和在第二槽的表面上形成的第二玻璃层金属电极；其特征在于，所述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玻璃层的金属电极接触，第二硅岛与第二玻璃层的金属电极接触；第一玻璃层还包括在第一玻璃基底上形成的第一金属电极引出通孔、第二金属电极引出通孔和硅层电极引出通孔；所述第一金属电极引出通孔与第一硅岛的位置相对应，所述第二金属电极引出通孔与第二硅岛的位置相对应，在第一硅岛和第二硅岛上分别形成金属焊点；在硅框架与硅层电极引出通孔对应的位置上形成金属焊点。 

第一玻璃层包括在第一槽表面上形成的吸气剂。 

第二玻璃层包括在第二槽表面上形成的吸气剂。 

一种MEMS加速度计的制造方法，其特征在于，包括以下步骤： 

(1)形成第一玻璃层 

在玻璃上制作出第一槽、第一金属电极引出通孔、第二金属电极引出通孔和硅层电极引出通孔，并形成第一玻璃基底；然后在第一槽上形成第一玻璃层金属电极； 

(2)形成第二玻璃层 

在玻璃上形成第二槽，并形成第二玻璃基底、然后在第二槽上形成第二玻璃层金属电极； 

(3)在硅片上形成支撑梁； 

(4)将硅片与第一玻璃层和第二玻璃层的其中一玻璃层在常压下进行键合，形成键合片； 

(5)在键合片上形成硅质量块、第一硅岛和第二硅岛； 

(6)将键合片与另一玻璃层在真空条件下进行键合，形成三层键合片； 

(7)在第一金属电极引出通孔、第二金属电极引出通孔和硅层电极引出通孔相对应的位置进行金属焊点制作，形成MEMS加速度计圆片。 

(8)对MEMS加速度计圆片进行切割，获得加速度计芯片，对加速度计芯片进行封装获得MEMS加速度计。 

在第一玻璃层的第一槽和第二玻璃层的第二槽上形成吸气剂薄膜。 

所述键合采用玻璃-硅直接键合或玻璃-金属-硅键合。 

所述步骤(6)进一步包括如下步骤：将三层键合片放置在真空(100mBar到1E-6mBar)100℃至550℃温度中退火10分钟至10小时，然后风冷至常温。 

所述玻璃采用与硅热膨胀系数相当的键合专用玻璃。 

所述吸气剂的材料是TiZrV。 

所述硅片为双面抛光硅片，其为电阻率0.1Ω·cm至0.001Ω·cm的P型或N型硅片。 

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，通过设计硅岛结构和玻璃通孔结构，能够将上、下 玻璃金属电极与硅电极在硅的同一面引出，制作完成的圆片在切割成独立小芯片后，可以进行普通封装，解决了三个电极不在同一面引出的封装难题。 

(2)本发明的制造方法，通过在真空条件下进行圆片级键合，将支撑梁和质量块密封在玻璃腔内，避免了圆片切割时对可动结构的颗粒沾污，而且切割后的芯片在封装时管壳不需抽真空处理，对封装设备要求较低，显著降低了生产成本，并且成品率得到大幅度提高。 

(3)本发明的制造方法，利用真空键合工艺形成了稳定的玻璃密闭真空腔，使得质量块和支撑梁在真空腔内运动时的气体阻尼非常小，显著提高了加速度计的精度。具有工艺简单，方式有效的特点，适合批量生产。 

附图说明

图1A和1B分别为本发明硅层1的俯视图和剖面图。 

图2A和2B分别为本发明第一玻璃层2的俯视图和剖视图。 

图3A和3B分别为本发明第二玻璃层3的俯视图和剖视图。 

图4为本发明三层结构气密性键合后的过通孔207的剖视图。 

图5为本发明制作的MEMS高精度加速度计过通孔207的剖视图。 

图6为本发明制作的MEMS高精度加速度计过通孔206的剖视图。 

图7为本发明制作的MEMS高精度加速度计圆片分布示意图。 

图8为将双面抛光硅片与第一玻璃层进行键合的示意图。 

图9为在图8形成的键合片上形成硅框架的示意图。 

具体实施方式

根据电容检测工作原理，MEMS高精度加速度计采用玻璃-硅-玻璃三层结构：第一玻璃层金属电极与质量块上表面形成第一电容，第二玻璃层金属电极与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所示为本发明的MEMS加速度计硅层1的结构示意图，硅层1包括硅框架101、质量块103、支撑梁102、硅岛104和105。质量块103形成在硅框架101的内部，质量块103的一端通过支撑梁102与硅框架101相连，质量块103的其它端与硅框架101间隔开。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103的上表面作为形成第一电容的硅层电极；质量块103的下表面作为形成第二电容的硅层电极。硅岛104和105形成在硅框架101的内部，并与硅框架101通过间隙间隔开。所述支撑梁102与质量块103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。 

如图2所示为第一玻璃层2的结构示意图，包括玻璃基底201、在玻璃基底201的一个面上形成的浅槽204、在浅槽204上形成的金属电极203和吸气剂202，金属电极引出通孔205、207，和硅层电极引出通孔206。金属电极203引出至通孔207，其中通孔205的位置与硅岛104的位置对应，通孔207的位置与硅岛105的位置对应。通孔206可以形成在玻璃基底201的任意位置，优选为两个通孔205和207之间，以便于后续封装。吸气剂位于金属电极203所在区域以外的区域，吸气剂的材料可以是TiZrV或其他材料。 

如图3所示为第二玻璃层3的结构示意图，包括玻璃基底301、在玻璃基底301的一个面上形成的浅槽304、在浅槽304的不同位置上形成的金属电极303和吸气剂302。吸气剂位于金属电极303所在区域以外的区域。 

如图5和图6所示为本发明的MEMS高精度加速度计结构示意图，包括依次放置的第一玻璃层2、硅层1，和第二玻璃层3。质量块103位于玻璃基底201和玻璃基底301形成的密闭空腔内。金属电极203的位置与硅质量块103的上表面位置相对应，金属电极203延伸至与硅岛105上表面接触。金属电极303的位置与硅质量块103的下表面位置相对应，金属电极303延伸至与硅岛104下表面接触(未图示)。所述金属电极203的引出通孔207位于硅岛105的上方，所述金属电极303的引出通孔205位于硅岛104的上方。第一焊点501形成在硅岛105上，并与硅导通；第二焊点502形成在硅框架101与通孔206对应的位置，并与硅导通；第三焊点503形成在硅岛104上(未图示)，并与硅导通。通过硅岛105实现金属电极203与第一焊点501的连接；通过硅岛104实现金属电极303与第三焊点503的连接；通过通孔205和207可以将金属电极303、203从第一玻璃 层的上表面引出；通过通孔206将硅层电极从第一玻璃层的上表面引出，由此实现金属电极203、303和硅层电极在同一面引出。 

所述玻璃基底采用与硅热膨胀系数相当的键合专用玻璃，如TEMPAX玻璃，容易实现真空气密性封装，并且制备的器件受热时不容易发生由热应力导致的失效。 

本发明在玻璃层上引入吸气剂可以有效保证键合形成的密闭腔真空长期有效。 

本发明的MEMS加速度计的制造方法，包括以下步骤： 

第一步，形成第一玻璃层2 

参考附图2A和2B，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在玻璃上依次制作出浅槽204、通孔205、通孔206、通孔207，形成玻璃基底201；利用蒸发或溅射等金属薄膜工艺在玻璃基底形成浅槽的表面上形成金属薄膜，然后再利用光刻和刻蚀工艺在浅槽204上制作出金属电极203，金属可以是金、钛、钨、铂、铬、银、铝、钼、铜、镍中的一种或几种；利用蒸发或溅射工艺在浅槽204的金属电极以外的区域制作出吸气剂202。浅槽204的深度为1μm至10μm，金属电极203的厚度为800埃至2μm。吸气剂202的厚度为800埃至10μm。 

第二步，形成第二玻璃层3 

参考附图3A和3B，利用湿法腐蚀工艺或者干法刻蚀工艺或者喷砂工艺在玻璃上制作出浅槽304，形成玻璃基底301；利用蒸发或溅射等金属薄膜工艺在玻璃形成浅槽的表面上形成金属薄膜，然后再利用光刻和刻蚀工艺在浅槽304上制作出金属电极303，金属电极的材料可以是金、钛、钨、铂、铬、银、铝、钼、铜、镍中的一种或几种；在浅槽304金属电极以外的区域上利用蒸发或溅射工艺制作出吸气剂302。浅槽304的深度为1μm至10μm，并与浅槽204深度一致，金属电极303的厚度为800埃至2μm，并与金属电极203的厚度一致。吸气剂302的厚度为800埃至10μm。 

第三步，在双面抛光硅片上利用湿法腐蚀工艺或者干法刻蚀工艺形成支撑梁 102，支撑梁可以位于圆片厚度中间，也可以位于圆片的底部；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8，将形成支撑梁102的双面抛光硅片与第一玻璃层1在常压下进行一次键合； 

第五步，参考附图9，在双面抛光硅片与第一玻璃层1形成的键合片上，利用干法刻蚀工艺在双面抛光硅片上制造出硅质量块103、硅岛104、硅岛105等结构，并形成硅框架101。硅岛形状可以是方形或圆形等； 

第六步，参考附图4，将经过第五步处理后的双面抛光硅片与第一玻璃层1形成的键合片与第二玻璃层3在真空(100mBar到1E-6mBar)环境中进行键合，形成三层键合片。 

第七步，将三层键合片放置在真空(100mBar到1E-6mBar)100℃至550℃温度中退火10分钟至10小时，然后缓慢风冷至常温，形成真空气密性封装。 

第八步，参考附图5和6，采用蒸发工艺或者溅射工艺等金属薄膜工艺在第一玻璃层的通孔区域205、206、207处进行焊点503、502、501的制作，焊点选用金属材料，金属可以是金、钛、钨、铂、铬、银、铝、钼、铜、和镍中的一种或几种，焊点厚度1μm至10μm。 

第九步，参考附图7，对加速度计圆片沿着划片道切割成独立的加速度计芯片。如图7所示，完成的MEMS高精度加速度计圆片701上排列着多个加速度计芯片702，沿着划片道703切割即可获得多个加速度计芯片702。对于切割下的加速度计芯片可以直接放入管壳中进行普通封装，完成封装的芯片为可以使用的加速度计器件。 

所述键合采用玻璃-硅直接键合或玻璃-金属-硅键合。如果采用玻璃-金属-硅键合方式，还需在第一玻璃层和第二玻璃层与硅层接触的相应位置制作出金属键合接触区。 

所述吸气剂的量要保证足以吸附制作过程中上述玻璃与硅键合后形成的密闭腔内释放出的物质。 

本发明通过在真空条件下进行圆片级键合，将支撑梁和质量块密封在玻璃腔内，避免了圆片切割时对可动结构的颗粒沾污，而且切割后的芯片在封装时管壳不需抽真空处理，对封装设备要求较低，显著降低了生产成本，并且成品率得到大幅度提高。 

上面详细叙述了微机械加工的一种MEMS高精度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 (10)

1.一种MEMS加速度计，采用玻璃-硅-玻璃三层电容式结构，包括依次设置的第一玻璃层、硅层和第二玻璃层，硅层包括硅框架、质量块、和支撑梁；第一玻璃层包括第一玻璃基底、在第一玻璃基底的一个面上形成的第一槽、和在第一槽的表面上形成的第一玻璃层金属电极，第二玻璃层包括第二玻璃基底、在第二玻璃基底的一个面上形成的第二槽、和在第二槽的表面上形成的第二玻璃层金属电极；其特征在于，所述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玻璃层的金属电极接触，第二硅岛与第二玻璃层的金属电极接触；第一玻璃层还包括在第一玻璃基底上形成的第一金属电极引出通孔、第二金属电极引出通孔和硅层电极引出通孔；所述第一金属电极引出通孔与第一硅岛的位置相对应，所述第二金属电极引出通孔与第二硅岛的位置相对应，在第一硅岛和第二硅岛上分别形成金属焊点；在硅框架与硅层电极引出通孔对应的位置上形成金属焊点。

2.如权利要求1所述的MEMS加速度计，其特征在于，第一玻璃层包括在第一槽表面上形成的吸气剂。

3.如权利要求1所述的MEMS加速度计，其特征在于，第二玻璃层包括在第二槽表面上形成的吸气剂。

4.一种MEMS加速度计的制造方法，其特征在于，包括以下步骤：

(1)形成第一玻璃层

在第一玻璃基底上制作出第一槽、第一金属电极引出通孔、第二金属电极引出通孔和硅层电极引出通孔；然后在第一槽上形成第一玻璃层金属电极；

(2)形成第二玻璃层

在第二玻璃基底上形成第二槽，然后在第二槽上形成第二玻璃层金属电极；

(3)在硅片上形成支撑梁；

(4)将硅片与第一玻璃层和第二玻璃层的其中一玻璃层在常压下进行键合，形成键合片；

(5)在键合片上形成硅质量块、第一硅岛和第二硅岛；

(6)将键合片与另一玻璃层在真空条件下进行键合，形成三层键合片；

(7)在第一金属电极引出通孔、第二金属电极引出通孔和硅层电极引出通孔相对应的位置进行金属焊点制作，形成MEMS加速度计圆片。

(8)对MEMS加速度计圆片进行切割，获得加速度计芯片，对加速度计芯片进行封装获得MEMS加速度计。

5.根据权利要求4所述的制造方法，其特征在于，在第一玻璃层的第一槽和第二玻璃层的第二槽上形成吸气剂薄膜。

6.根据权利要求4所述的制造方法，其特征在于，所述键合采用玻璃-硅直接键合或玻璃-金属-硅键合。

7.根据权利要求4所述的制造方法，其特征在于，所述步骤(6)进一步包括如下步骤：将三层键合片放置在真空(100mBar到1E-6mBar)100℃至550℃温度中退火10分钟至10小时，然后风冷至常温。

8.根据权利要求4所述的制造方法，其特征在于，所述玻璃采用与硅热膨胀系数相当的键合专用玻璃。

9.根据权利要求5所述的制造方法，其特征在于，所述吸气剂的材料是TiZrV。

10.根据权利要求4所述的制造方法，其特征在于，所述硅片为双面抛光硅片，其为电阻率0.1Ω·cm至0.001Ω·cm的P型或N型硅片。

Images