CN115397766A - 使用固态半导体工艺的beol金属层构建的mems装置 - Google Patents

Abstract

一种使用CMOS工艺的BEOL的材料形成的MEMS装置，其中应用vHF和后背衬的后处理来形成该MEMS装置，并且其中该MEMS装置的总尺寸在50μm和150μm之间。在其他应用中，MEMS装置可以被实现为惯性传感器。

Description

使用固态半导体工艺的BEOL金属层构建的MEMS装置

技术领域

本申请总体上涉及MEMS装置，并且更具体地涉及用于制造MEMS装置的技术。

背景技术

集成电路是一种具有半导体材料的衬底的半导体装置，在该衬底上使用光刻技术沉积了一系列层。这些层被掺杂和极化，从而产生电气元件(例如，电阻件、电容件或阻抗件)或电子元件(例如，二极管或晶体管)。随后沉积其它层，这些层形成电气连接所需的互相连接层的结构。

微机电机构或微机电系统(MEMS)是使用基于光刻技术的层沉积技术制造的小型机电装置。MEMS可以在其内部提供腔体或中空空间，其中可以填充液体或气体。传统集成电路为完全实心装置，即无任何类型的中空部。中空部可以定义为腔体，该腔体大于原子或亚原子规模上的中空部。MEMS内部可能有移动元件。移动元件可以通过其一端联结到MEMS结构的其余部分，或者可以在至少部分闭合(以防止松动部件从MEMS中“逸出”)的壳体内完全松动(即，未物理地附接到其周围环境)。芯片可以包括MEMS装置和集成电路(IC)，其中IC可以控制MEMS。

目前MEMS装置的主要问题是需要定制的制造工艺。固态电子装置则未出现这种情况，其已向一种称为互补金属氧化物半导体(CMOS)的制造标准靠拢，这种制造标准有许多变型，这些变型主要是根据其节点进行分类。这是工艺在前道工序(FEOL)中能够解决的最小特征尺寸。

实际上，目前市场上发现的大多数MEMS IC都包含在一个内部有两个管芯的封装上。这些管芯中的一个来自CMOS晶片，而另一个来自在定制工艺中生产的MEMS晶片。封装内的管芯通常引线结合并使用塑料封装进行封装。对于需要多个MEMS装置的组合IC，封装内部可能需要两个以上的管芯，其中一个是具有控制电子装置的CMOS，以及多个MEMS管芯，每个管芯采用不同的制造工艺构建。

对于每个MEMS制造商和每种类型的MEMS装置，这种专有制造工艺要求存在几个问题：成本、尺寸、上市时间、性能和批量生产能力。由于90％的半导体行业由固态IC组成，即没有MEMS，并且其大多数采用CMOS工艺制造，因此大多数半导体公司使用所谓的无厂模式，从而将所有生产外包给大型CMOS代工厂，这些代工厂的业务仅专注于生产CMOS晶片。

与最大的MEMS代工厂相比，这在全球范围内产生了通常为x100或更高规模的经济。这就是MEMS工艺的成本比CMOS晶片的成本更昂贵的原因。然而，尤其是如果我们考虑较小节点(lower nodes)的话，由于CMOS工艺的复杂性与MEMS工艺相比大大增加，MEMS晶片的成本可能低于CMOS晶片的成本。但对于相同的复杂程度，CMOS的成本将远低于任何MEMS工艺。如果MEMS可以使用相同的CMOS工艺制造，整个IC的成本将大大降低。这是由于首先我们封装内无需两个管芯，而是一个管芯。因此，我们将取消MEMS模具，并简化封装。

人们有兴趣减小IC的尺寸，尤其是对于智能手机等应用，甚至是可穿戴设备，尤其是对耳塞，其中空间非常有限。目前用于最小化IC的整体尺寸的最佳封装技术是晶片级芯片规模封装(WLCSP)。这实质上是在晶片的顶部沉积密封层以保护晶片，形成焊盘的凸点，并接着切割晶片，其中在之前进行可选的背面研磨。在这个过程中可以有额外步骤，如RDL(再分布层)，但它们并不是所有的实施方式都必须或需要的。然而，如果需要封装一个以上的模具，则无法使用WLCSP。如果MEMS能够构建在同一个CMOS模具中，我们将能够应用WLCSP对其进行封装，从而大大减少总封装模具，并且如果可能的话，可以在相同CMOS工艺中实现不同类型的MEMS装置。然后，制造商能够制造用WLCSP封装的组合芯片。与目前使用的多模具塑料封装的对应方案相比，这将导致更大的收缩量。

当开发新型MEMS装置时，需要开发新的制造工艺来构建新的MEMS装置。由于这种工艺必须处理的体量是对于消费者的MEMS市场的典型体量，并因此是非常大的体量，并且为了使成本最小化，期望从中获得高产量，所以这是一个复杂的项目，其通常需要几年时间和高成本。如果能够使用已存在的现成用于低成本大体量生产的相同CMOS工艺来构建所述MEMS，那么上市时间将最短，因为只需开发所述装置。没有必要花费时间(和成本)来开发定制的制造工艺。

由于CMOS与MEMS工艺存在不同规模的经济，CMOS工艺中使用的设备是最先进的，而对于MEMS工艺，它们通常是传统设备，以降低设置这些MEMS工艺的成本。这意味着CMOS工艺的最小特征尺寸(也称为临界尺寸)通常小于MEMS工艺。因此，如果人们能够使用CMOS制造工艺来构建MEMS，他们将能够制造具有较小特征尺寸的MEMS装置。这将有助于提高装置性能，因为可以制造更软的弹簧/膜以及更小的间隙。

除此之外，如果可以使用CMOS工艺来构建MEMS，则当将MEMS连接到CMOS模具中的电子装置接口(通常是感测/驱动)电路时出现的寄生电容最小化。这通常经由塑料封装内的引线结合来完成，该引线结合通常会增加大约1pF至10pF的电容。在MEMS内置于相同CMOS工艺的情况下，来自MEMS与电子装置连接的寄生电容通常会降至1fF至10fF。这是x100到x1000的缩减。由于寄生电容降低MEMS装置的性能(因为其屏蔽MEMS装置的电容)，因此降低寄生电容能够改善MEMS IC的性能。提高性能意味着提高传感器的灵敏度，从而降低其功耗，或者两者结合。

此外，如上所述，主流CMOS代工厂的批量生产能力是主要MEMS代工厂的批量生产能力的x100倍以上。因此，如果我们能够利用CMOS工艺构建MEMS装置，我们将受益于这种更大体量的生产能力。这将使我们能够应对新的市场，如IoT(物联网)，否则这将是不可能的。如今，MEMS供应商很难服务于现有的MEMS市场，因为他们的批量生产能力有限。IoT有望将当前MEMS市场体量提高x100或更多。如今，只有使用CMOS主流代工厂制造MEMS装置，才能实现这一目标。

一些公司使用单片解决方案与CMOS一起构建MEMS。这在制造工艺结束时仅留下具有CMOS和MEMS的单个模具。有两种方法可以实现这一点，一种是将MEMS和CMOS晶片分开制造后进行结合，另一种是在完成的CMOS晶片上构建MEMS晶片，而不是从空白硅晶片开始。在这两种情况下，都需要定制MEMS制造工艺。这些单片解决方案减小了IC的尺寸，因为无需引线结合，并且可以使用WLCSP。此外，由于MEMS和CMOS之间的寄生互连电容较低，通常可降至100fF至1pF之间，因此其性能也略有提高。

然而，先前的方法仍然存在成本、上市时间和批量生产能力的问题，由于其仍需要完全定制MEMS工艺。此外，尽管尺寸减小并且性能提高，但如果我们能够使用CMOS工艺构建MEMS，情况会更好。由于就尺寸而言，轮廓总是更大，因为本质上我们将有两个管芯，其中一个在另一个之上。但对于CMOS，其为一个模具，可以进行背面研磨。就性能而言，与传统双管芯封装解决方案相比，寄生电容以x10降低，但使用CMOS工艺构建MEMS装置时，寄生电容将以x100降低。

最后，这些单片解决方案只有在仅有一个MEMS装置或传感器的情况下才能工作。如果我们需要一个组合芯片来组合不同类型的传感器，这将不再适用。但是，使用CMOS工艺构建所有这些MEMS装置，我们一直有能够背面研磨的单个模具解决方案。因此，当我们转向组合芯片时，使用CMOS工艺构建MEMS的成本和尺寸优势会显著增加。

成本和尺寸的降低，尤其是当我们转向组合芯片时，部分原因是减少了许多不再需要的结合焊盘。如果我们能够使用已提出了许多解决方案的CMOS制造工艺来构建MEMS装置，那么我们将获得已知优点。最初解决方案是修改CMOS工艺，增加一些步骤来构建MEMS装置。根据这些是在CMOS工艺的开始、中间还是结束时执行，该解决方案被称为预处理、内部处理或后处理。

对CMOS工艺的改进是必需的，因为MEMS装置需要执行机械运动，因此需要IC内部的一些空的空间来执行这种运动。而这些空的空间是CMOS无法产生的。改进的另一个原因是添加不同材料或CMOS工艺中未发现的不同机械性能的层。

考虑到在主流代工厂中实现现代CMOS工艺的巨大成本以及保持其稳定的成本，为了在保持非常高的批量的同时保持非常大的产量，放弃了工艺前和工艺内的改进。剩下的唯一选择是CMOS后处理，以实现MEMS。

CMOS后处理意味着在完成CMOS晶片的制造之后，其经过一些额外的制造步骤，MEMS在这些步骤中实现。然而，与之前解释的单片方法不同，这种方法包括晶片结合或在CMOS晶片上方构建MEMS，在这种情况下，我们只需创建允许MEMS的机械运动所需的空的空间。然后使用CMOS晶片内存在的材料来构建MEMS。

虽然一种可能的方案是使用多晶硅来实现MEMS，但这需要进行深蚀刻，要么从晶片的顶部开始，因此首先蚀刻通过所有的后道工序(BEOL)，或者从背面开始，需要深蚀刻穿过硅衬底。这需要一个复杂的过程，不具有成本效益。

剩下的唯一解决方案是使用CMOS的BEOL中现有的材料来实现MEMS。由于BEOL是CMOS模具的最顶端部分，这将需要最少的后处理，因此成本最低。

为此，已提出了不同的解决方案，例如使用等离子体和/或具有HF和其他化学物质的湿法蚀刻的组合。这些工艺很难以高产量进行批量生产，尤其是当涉及湿法蚀刻时。

先前已提出的简单后处理方法包括使用单一蒸汽HF(vHF)无掩模后处理步骤。vHF蚀刻掉存在于BEOL的金属层之间的氧化硅，并留下所有金属。这是Baolab提出的。由于其简单性，它是成本最低的CMOS后处理方法。此外，它可以在相同CMOS代工厂或封装或装配车间中实现。

在这种方法中，使用金属层(典型地是Al或AlCu和W)来构建MEMS装置，但也可以有其它金属层(如Cu)。通过正确的设计，可以将氧化物捕获在金属外壳内。可以使用其他材料，但它们必须存在于CMOS BEOL中。以前的大多数方法使用特殊的封装(比如叠层封装)，例如LGA，以便保护MEMS。这增加了成本和尺寸，从而最小化或消除了尺寸和成本优势，否则我们将使用CMOS工艺构建MEMS。

Baolab提出使用最顶部的金属层来保护MEMS，同时使用小孔来允许vHF进入MEMS腔体内。稍后，将应用包括铝溅射和图案化的第二组后处理步骤，以正确地密封MEMS装置。这通常会增加CMOS工艺10％的成本。这简化了封装要求，并且无需使用叠层或其他特殊封装。相反，任何标准的封装技术(如QFN或其他)都可以使用。这降低了最终IC的成本和尺寸。

除了顶部金属层之外，底部金属层用于完成MEMS装置所在的金属腔体。这样做是为了限制vHF向底部的蚀刻，由于大多数CMOS工艺在M1下方确实有掺杂的氧化硅，其为最底部金属层。掺杂的氧化硅对vHF反应非常剧烈，迅速增加蚀刻速度，并留下难以清除的非常难处理(nasty)的残留物。这使得设计可移植到大多数CMOS工艺，否则该设计将仅适用于在BEOL的最底部金属层下方没有掺杂氧化硅的特殊工艺。

与使用BEOL中的材料来实现MEMS装置的其他解决方案一样，Baolab的解决方案使用金属壁包围MEMS装置，该金属壁在ASIC模具内限定了MEMS腔体。以这种方式，电子装置就被放置在其周围。这些金属壁由金属层(通常由铝制成)和通孔(通常由钨制成)堆叠而成。然而，如果我们使用低于0.18μm工艺的较小CMOS节点，材料可能会有所不同，主要是铜。原则上，这不是直的竖直壁，因为DRC规则要求金属层延伸到通孔的边缘之外。然而，如果我们意向于增加暴露在壁上的侧向面积，例如在平面电容传感器的情况下，可以对此做出一些例外。这将是代工厂必须接受的DRV。

使用Baolab的解决方案，竖直金属壁原则上连接顶部金属平面和底部金属平面，从而使所有MEMS腔体在电气上短路。通常我们不会对此感兴趣，或者至少不会在所有腔体中的任意地方发生。为了解决这个问题，Baolab使用了竖直交错锚固结构。这些结构迫使vHF在氧化硅层上下移动，直到耗尽，从而留下一些未蚀刻的氧化硅。通过这种方式，我们获得了机械上一致的壁，而不会使顶部金属板和底部金属板电气短路。

这特别有效的一个原因是，通常在CMOS工艺的BEOL的金属层之间沉积的氧化硅层存在于两个不同的子层上，每个子层具有不同的氧化物密度。因此，这些层中的一个层的vHF蚀刻速率慢于另一层。以这种方式，在竖直方向上用vHF蚀刻氧化硅比水平蚀刻更困难(即，花费更多时间)，因为蚀刻沿氧化硅子层之一传播得更快。利用这些锚固结构，我们迫使vHF在所有慢蚀刻速率的子层进行蚀刻，而无法穿过快蚀刻速率的子层快速传播。这些交错锚固件也可以用于在MEMS的不同位置处增加柱或支柱，以便为顶部金属平面提供更大的一致性。考虑到通常用铝溅射来支撑随后的密封，这一点尤其重要，这使得顶部金属平面不会弯曲，否则会破坏MEMS装置或使其无法使用。

这些锚固壁的主要问题是，尽管该锚固壁提供了机械强度，同时使顶部金属平面和底部金属平面电气断开，但其之间的电容非常大。这是因为在交错锚定结构内彼此靠近放置的大表面，一个连接到顶板，而另一个连接到底部板，甚至更糟的是，大部分填充有氧化硅。

与前一个问题相关的另一个问题是，在顶部金属板和底部金属板之间的寄生电容与生产产量和可靠性之间存在关键的权衡。为了最小化这种寄生电容，我们可以最小化锚固结构的长度，减少指状件的数量和/或其高度，和/或可能增加蚀刻时间。以这种方式，如果我们希望将寄生电容最小化，我们将拥有小型锚固结构，其中在vHF蚀刻后，残留氧化硅的量最少。然而，这将是非常脆弱的结构，因为机械冲击、振动或者仅仅是在密封或封装该装置时，容易发生机械故障。这也会导致低产量。由于轻微的过蚀刻将完全移除锚固结构内部的氧化硅，产生顶部部件和底部部件的塌陷，使装置完全无法使用。在生产中，我们需要避免这种对临界vHF蚀刻的需求，因为这总会导致低产量。原因是蚀刻速度和MEMS腔体内蚀刻的氧化硅不仅取决于vHF机器和所应用的配方，还取决于CMOS工艺。尽管我们可以严格控制vHF机器及其配方，但我们无法控制CMOS工艺，其公差通常在30％左右。

除了潜在地需要所有金属层来实现MEMS装置，因此需要特殊的封装工艺，需要在最底部金属板下方没有掺杂的氧化硅的特定CMOS工艺，以及较大的寄生电容之外，使用CMOS BEOL中的材料来实现MEMS的所有解决方案的两个主要问题是产量和可靠性。当我们使用具有顶部金属平面和底部金属平面的Baolab方法时，这些问题更为关键。然而，如果我们不使用该方法，那么过程变得更加复杂和昂贵，从而失去成本优势，以及批量生产、上市时间甚至性能优势。

当使用CMOS工艺的BEOL金属来实施MEMS装置时，发现的一个主要问题是竖直应力梯度。这在定制的MEMS制造工艺中被最小化。然而，在CMOS中，由于这些金属线(其中不打算实现机械结构而仅仅是电气连接)在固态IC中被氧化硅包围，因此残余应力不太受关注，通常导致较大的值。除了较大的残余应力之外，我们通常会发现较大的竖直应力梯度。这导致金属弯曲或卷曲，通常向上，但根据层的不同，也可能向下，尤其是在顶层。当我们使用顶部金属平面和底部金属平面时，这种弯曲是一个大问题。由于装置上方和下方可用的竖直间隙空间最小，所以该装置能够容易地接触到该顶部金属平面和底部金属平面。当MEMS装置接触顶部金属平面或底部金属平面时，其将无法使用。这导致产量和可靠性非常差。

稍微减轻该问题的一种可能方案是增加该竖直间隙距离，减少用于MEMS装置本身的金属层的数量。然而，这将降低平面外方向上的性能，因为间隙会更大，并且因此对于相同位移，给定传感器的相对电容变化会减小。同样，在惯性传感器的情况下，我们将被迫采用更小的检测质量件，无法使用所有可用的金属层，从而进一步降低性能。并且减少用于构建该装置的可移动部件的金属层(如在惯性传感器情况下的检测质量件)的数量将会进一步增加其曲率，如下所述，因此需要最小化MEMS装置的曲率高度。这被定义为沿整个MEMS装置或其特定元件的任何金属层在平面外方向的最大竖直位移。

这个问题的一个已知解决方案是堆叠两个或更多个金属层。以这种方式，我们能够增加所得金属结构的曲率半径，从而降低了总曲率高度。然而，尽管这是设计MEMS装置的某些部件的良好解决方案，例如惯性传感器的检测质量件，我们希望使其尽可能大，以提高传感器的灵敏度，但对于弹簧等其他部件，这会导致非常大的刚度，从而大大降低灵敏度。实际上，刚度与长度和厚度的三次方成反比，因此增加厚度会很快导致弹簧非常硬。这意味着传感器的灵敏度非常低，而致动器的驱动电压较大。此外，许多层的堆叠受到工艺中金属层的数量的限制，并且如果需要修改或使用在BEOL中具有大量金属层的CMOS工艺，这将迅速增加其成本。

综上所述，需要找到正确的设计来实现MEMS装置，方法是重新使用标准CMOS工艺中存在的BEOL材料，使用vHF蚀刻去除MEMS腔体内的部分氧化硅，之后可以用WLCSP封装，并且这些装置具有非常高的产量、可靠性和性能。

在CMOS之后使用vHF蚀刻后处理步骤的另一个问题是，在CMOS晶片的顶部被沉积并被图案化的SiN钝化部被vHF部分蚀刻去除。这意味着在实践中，除非执行非常短的vHF蚀刻步骤，否则SiN钝化部将被大部分或全部蚀刻去除。这将在晶片中留下非常难处理的残留物，并且该残留物将暴露具有ASIC区域的所有晶片，该区域不应使其氧化硅被蚀刻去除。

防止这种情况的已知解决方案是增加钝化部的硅含量，通常通过层的折射率或RI来测量。尽管从技术上来说，这并不复杂，但需要工艺调整，对于大型主流代工厂来说，接受这一点非常具有挑战性。最终，这一要求意味着我们将不再能够使用完全标准的CMOS工艺，因此我们将在一定程度上失去低成本、上市时间短和大批量生产能力的优势。

发明内容

在各种实施方式中，本申请解决了与制造MEMS装置相关的缺陷。

在各个方面，所述系统、装置和方法由vHF蚀刻产生或使用vHF蚀刻来蚀刻去除CMOS工艺的BEOL中的氧化硅的一部分，从而释放构成MEMS装置的BEOL中存在的材料。本发明的方法使用底部金属平面和顶部金属平面，顶部金属平面具有小孔阵列，以允许vHF进入MEMS腔体内。一个关键发明概念是将布局上的整个MEMS尺寸限制在50μm到150μm之间，优选地小于100μm。对于MEMS装置或元件的给定曲率半径，总曲率高度取决于水平尺寸。因此，如果装置足够小，尽管具有较大竖直应力梯度，曲率高度将受到限制。

第二个发明概念是弹簧的设计。为了使此类小装置具有良好的性能，需要小而软的弹簧，同时保持小曲率高度。这些似乎是相互矛盾的要求。短弹簧意味着它们将非常硬，因此MEMS传感器的灵敏度(性能)将会降低。为了拥有软弹簧，我们需要最小化其厚度，这意味着最小化金属叠堆或者根本不使用该短弹簧。但这会增加竖直应力梯度，从而迅速增加总曲率高度。

弹簧设计问题的优选发明解决方案是使用一组至少三个弹簧的而不是一个，所述弹簧均匀分布在装置周围，绕装置的中心轴线旋转，使得MEMS装置在通过vHF蚀刻释放后由于对称性而不会倾斜。

在惯性传感器的情况下，MEMS装置可以包括由多个金属叠堆制成的中心检测质量件，使得与围绕该检测质量件的弹簧相比，该中心检测质量件非常平坦。为了具有足够的灵敏度，该检测质量件也可以大于弹簧。如果保持该检测质量件的一个或更多个弹簧为弯曲的，那么如果检测质量件为倾斜的，其最终将具有大曲率高度，尽管检测质量件本身是相对平坦的。然而，如果弹簧均匀地分布在其周围并且至少有三个弹簧，那么检测质量件将经历较小的由弹簧的曲率带来的竖直位移，其将是平坦的，因此不会通过其较大尺寸对总竖直高度产生影响。

在某些实施方式中，中心质量件将具有圆形形状，并且围绕它的弹簧将具有螺旋形状，并且该弹簧仅由一个金属层或仅两个金属层的叠堆制成。在使用两个金属层的叠堆的情况下，我们将用其中间的通孔层将两个金属层联结。在优选实施方式中，该通孔层将具有与上下金属层相同的线性或螺旋形状，但原则上其将在侧向上稍微变窄，以在每个点处在至少在一个水平方向上满足DRC规则。在整个应用中，当我们说我们使用特定组金属层的叠堆时，应当理解，我们将使用在金属层之间的通孔层来保持它们连接。对于检测质量件、弹簧以及通常对MEMS装置的所有或尽可能多的部件来说，使用圆形和圆润形状，避免了高机械应力，否则该高机械应力将在装置几何形状的直角上累积。这些圆润形状有助于弹簧应力的平衡，并且当我们使用至少三个围绕中心质量件均匀分布的弹簧时，这将导致水平的倾斜度，该水平的倾斜度是我们对于中心质量件所需的。

一个方面包括使用CMOS工艺的BEOL的材料形成的MEMS装置，其中应用vHF和后背衬的后处理来形成MEMS装置，并且MEMS装置的总尺寸在50μm和150μm之间。MEMS装置的总尺寸可以小于100μm。在一些实施方式中，MEMS装置的总尺寸小于或等于50μm。MEMS装置可以包括一组至少三个弹簧，所述弹簧围绕MEMS装置均匀分布，并围绕MEMS装置或其可移动部件的中心轴线旋转。装置形状可以是圆润的，并且弹簧可以具有螺旋形状。弹簧可以由单个金属层或至少两个金属层的叠堆制成。MEMS装置可以包括惯性传感器。

MEMS装置可以包括检测质量件。检测质量件可以由四个金属层的叠堆和弹簧形成或制成，其中弹簧要么与检测质量件的形成叠堆的顶部金属层连接，或者与叠堆的两个顶部金属层连接。弹簧可以连接到外部环，使得在vHF蚀刻之后，其一部分保持掩埋在其外边缘上的氧化硅中。

在一些实施方式中，MEMS装置具有顶部金属平面和小于顶部金属平面的底部金属平面。底部金属平面的外环宽度可以小于或等于顶部金属平面的外环的宽度的10％至50％。底部金属平面的外环宽度可以是顶部金属平面的外环的宽度的大约30％。MEMS装置可以包括至少一个焊盘，其中所述至少一个焊盘包括顶部金属层，顶部金属层被布置成在所有方向上侧向延伸15μm至25μm，以超出竖直对准的钝化开口。至少一个焊盘可以在所有方向上侧向延伸20μm，以超出竖直对准的钝化开口。MEMS装置可以形成在不包括金属填充结构的MEMS腔体内。在一些实施方式中，MEMS装置被布置成具有更多电容，例如以便能够使用更传统的感测电路来测量MEMS电容。MEMS装置可以由电气并联连接的MEMS装置的阵列构成。这些MEMS装置中的每一个都有独自的钝化开口，并且除了形成电气连接的线路/轨道之外，它们将完全断开。

在另一方面，MEMS装置包括一组至少三个弹簧，所述弹簧围绕MEMS装置均匀分布并围绕MEMS装置的中心轴线旋转。装置形状可以为圆润的，并且弹簧可以具有螺旋形状。弹簧可以由单个金属层或至少两个金属层的叠堆制成。MEMS装置可以包括惯性传感器。MEMS装置可以包括检测质量件，其中检测质量件由四个金属层的叠堆和弹簧制成，并且其中弹簧或者与检测质量件的形成叠堆的顶部金属层连接，或者与叠堆的两个顶部金属层连接。

在另一方面，MEMS装置包括弹簧，其中最大位移与弹簧长度的比率为至少1％。MEMS装置可以包括检测质量件，其中检测质量件由弹簧和四个金属层的堆叠制成，并且其中弹簧或者与检测质量件的形成叠堆的顶部金属层连接，或者与叠堆的两个顶部金属层连接。弹簧可以连接到外部环，使得在vHF蚀刻之后，其一部分保持掩埋在其外边缘上的氧化硅中。MEMS装置可以包括顶部金属平面和底部金属平面，其中底部金属平面的外环宽度小于或等于顶部金属平面的外环的宽度的10％至50％。

另一方面是使用CMOS工艺的BEOL材料制造MEMS装置的方法，该方法包括：应用vHF和后背衬的后处理以形成MEMS装置，其中MEMS装置的总尺寸在50um和150um之间。MEMS装置的总尺寸可以小于100um。该方法还可包括形成一组至少三个弹簧，这些弹簧围绕MEMS装置均匀分布并围绕MEMS装置的中心轴线旋转。

该方法可以包括形成圆润的装置形状和形成具有螺旋形状的弹簧。该方法可以包括形成具有单个金属层或至少两个金属层的叠堆的弹簧。该方法可以形成包括惯性传感器的MEMS装置。

该方法可以包括形成检测质量件，其中检测质量件由弹簧和四个金属层的叠堆制成，并且其中弹簧或者与形成叠堆的检测质量件的顶部金属层连接，或者与叠堆的两个顶部金属层连接。该方法可以包括将弹簧连接到外部环，使得在vHF蚀刻之后，其一部分保持掩埋在其外边缘上的氧化硅中。

该方法可以包括形成具有顶部金属平面和底部金属平面的MEMS装置，所述底部金属平面小于顶部金属平面。该方法可以包括形成底部金属平面的外环宽度，底部金属平面的外环宽度小于或等于顶部金属平面的外环的宽度的10％至50％。该方法可以包括将底部金属平面的外环宽度形成为顶部金属平面的外环的宽度的大约30％。该方法可以包括在不包括金属填充结构的MEMS腔体内形成MEMS装置。

在另一方面，一种用于制造MEMS装置的方法包括形成一组至少三个弹簧，所述弹簧围绕MEMS装置或其可移动部件均匀分布，并围绕MEMS装置或其可移动部件的中心轴线旋转。该方法可以包括形成圆润的MEMS装置形状以及形成具有螺旋形状的弹簧。该方法可以包括形成具有单个金属层或至少两个金属层的叠堆的弹簧。该方法可以包括形成包括惯性传感器的MEMS装置。该方法可以包括形成检测质量件，其中检测质量件由弹簧和四个金属层的叠堆制成，并且其中弹簧或者与检测质量件的形成叠堆的顶部金属层连接，或者与堆叠的两个顶部金属层连接。

在又一方面，一种用于制造MEMS装置的方法包括形成弹簧，其中最大位移与弹簧长度的比率为至少1％。该方法可以包括形成具有弹簧和四个金属层的叠堆的检测质量件，其中弹簧或者与检测质量件的形成堆叠的顶部金属层连接，或者与堆叠的两个顶部金属层连接。该方法可以包括将弹簧连接到外部环，使得在vHF蚀刻之后，其一部分保持掩埋在其外边缘上的氧化硅中。该方法可以包括形成小于或等于顶部金属平面的外环的宽度的10％至50％的底部金属平面的外环宽度。

在另一方面，智能手机、可穿戴设备、耳塞或物联网(IoT)装置包括根据前述方面的MEMS装置。

在本部分和整个本申请中描述的所有发明概念，尽管在原则上适用于CMOS，但也可以适用于任何其它固态半导体工艺的BEOL，如BiCMOS、GaAs、SiGe、GaN、SOI等。

在本说明书中(包括本摘要部分)描述的任何两个或更多个特征可以组合以形成在本说明书中未具体描述的实施方式。

在附图和以下描述中阐述了一个或更多个实施方式的细节。根据说明书和附图以及权利要求，其他特征和优势将变得显而易见。

附图说明

图1示出了MEMS装置的检测质量件，该检测质量件具有连接到其周缘并围绕其周缘均匀隔开的三个弹簧；

图2是MEMS装置的金属和通孔层的分解视图，其中未示出SiO₂、钝化部和衬底；

图3是图2的MEMS装置的M4层的放大视图；

图4是图2的MEMS装置的M5层的放大视图；

图5是图2的MEMS装置的V4层的放大视图；

图6是图2的MEMS装置的三维视图；

图7示出了图2的MEMS装置的金属层的侧视图；

图8是图2、图6和图7的MEMS装置的横截面示意图；以及

图9是包括侧向电极的MEMS装置的金属和通孔层的分解视图。

不同附图中的相同附图标记表示相同的元件。

具体实施方式

本申请在各个方面解决了与MEMS装置的制造和/或结构相关的缺陷。

在各个方面，所述系统、装置和方法由vHF蚀刻产生或使用vHF蚀刻来蚀刻去除CMOS工艺的BEOL中的氧化硅的一部分，从而释放将构成MEMS装置的BEOL中存在的材料。本发明的方法使用底部金属平面和具有小孔阵列的顶部金属平面，以允许vHF进入MEMS腔体内。一个关键发明概念是将布局上的整个MEMS尺寸限制在50μm到150μm之间，优选地小于100μm。对于MEMS装置或元件的给定曲率半径，总曲率高度取决于水平尺寸。因此，如果装置足够小，尽管具有较大竖直应力梯度，曲率高度将受到限制。

第二个发明概念是弹簧的设计。为了使此类小装置具有良好的性能，需要小而软的弹簧，同时保持较小曲率高度。这些似乎是相互矛盾的要求。短弹簧意味着其将非常坚硬，因此MEMS传感器的灵敏度(性能)将会降低。为了拥有软弹簧，我们需要最小化其厚度，这意味着最小化金属堆叠或者根本不使用该短弹簧。但这会增加竖直应力梯度，从而迅速增加总曲率高度。

弹簧设计问题的优选发明解决方案是使用一组至少三个弹簧的而不是一个，均匀分布在装置周围，绕装置中心轴线旋转，从而通过对称性，MEMS装置在通过vHF蚀刻释放后不会倾斜。

在惯性传感器的情况下，MEMS装置包括由多个金属堆叠而成的中心检测质量件，因此与围绕该检测质量件的弹簧相比，其非常平坦。为了具有足够的灵敏度，该检测质量件也可以大于弹簧。如果保持该检测质量件的一个或更多个弹簧为弯曲的，那么如果检测质量件为倾斜的，尽管检测质量件本身是相对平坦的，但该弹簧最终将具有较大曲率高度。然而，如果弹簧均匀地分布在其周围并且至少有三个弹簧，那么，检测质量件将经历较小的由弹簧的曲率带来的竖直位移，该检测质量件将是平坦的，因此不会通过其较大的尺寸来对总竖直高度产生影响。

图1示出了MEMS装置的中心质量件和/或检测质量件100，其具有三个弹簧102、104和106，这三个弹簧被制造在和/或连接到检测质量件的周缘上并且围绕其周缘均匀分布。检测质量件100还包括蚀刻孔108的阵列。在一些实施方式中，中心质量件100将具有圆形形状，并且围绕该中心质量件的弹簧102、104和106将具有螺旋形状，并且由仅一个金属层或者由仅两个金属层的叠堆或者多于两个层的叠堆制成。对检测质量件100、弹簧102、104和106以及通常对MEMS装置的所有或尽可能多的部件来说，使用圆形和圆润的形状避免了高机械应力，否则高机械应力将累积在装置几何形状的直角上。这些圆形形状有助于弹簧102、104和106上的应力的平衡，当我们使用至少三个围绕中心质量件100均匀分布的弹簧102、104和106时，这导致水平的倾斜度，这是我们对于中心质量件的所需的。

尽管可以增加弹簧的数量，使得我们能够使用四个或更多个弹簧，并且这将进一步有助于实现中心检测质量件100的水平的倾斜度，但某些实施方式仅具有三个弹簧，因为不这样的话MEMS装置的整体刚度将与弹簧的数量成比例地增加，从而降低其灵敏度。

在本申请中，我们将使用术语“惯性传感器”来指代各种感测加速度的装置。这可以至少包括加速度计、运动检测器和骨传导传感器。它们工作的物理原理相同，但其不同之处在于其检测的频率。同样还有它们的带宽和是否需要感测直流电流(DC)，以及它们的分辨率和/或灵敏度要求。

另一种实施方式可以使用位于检测质量件100的相反侧的直弹簧对，使得每对弹簧位于同一直线上。这种解决方案是可行的，因为在大多数CMOS工艺中发现金属线的残余应力是张力，最顶部金属层有时除外。因此曲率高度被最小化。然而，这种解决方案导致相对较高的刚度，这也高度依赖于装置温度。因此，这是一种可应用于一些MEMS装置的解决方案，尤其是当需要高机械谐振频率时，以及当弹簧刚度的温度依赖性不再严重时。

如果MEMS装置的附接到弹簧的中心部分或检测质量件(例如，在惯性传感器的情况下)比弹簧厚，因此由更大的金属层的叠堆制成，那么如果我们将检测质量件或MEMS的中心部分与顶部金属平面连接，则弹簧的优选实施方式是使用上部金属层制成。这将使弹簧和支撑外部环朝向下部金属板的寄生电容最小化。

图2是MEMS装置200的金属和通孔层的分解视图，其中未示出SiO₂、钝化部和衬底。图2描述了平面外惯性传感器。该平面外惯性传感器采用6个金属BEOL CMOS工艺制造。金属层编号为M1(底部)到M6(顶部)。共有5个通孔层，编号为V1(M1和M2之间)到V5(M5和M6之间)，但在该特定设计中未使用V1。检测质量件具有圆形结构，其具有三个均匀放置在其周围的螺旋弹簧，并且检测质量件加上弹簧的直径为50μm。检测质量件由金属层M2到M5的叠堆制成，而弹簧堆叠金属层M4和M5。检测质量件具有同心环，其在蚀刻孔处停止，该蚀刻孔竖直穿过所述检测质量件，并且检测质量件由通孔层V2到V4制成。

顶部金属平面具有相同的直径，加上围绕该直径的20μm宽的外部环，其相当于直径为90μm的圆。在X和Y方向上，每两个孔的中心之间有间距约为5μm的0.8μm孔的阵列。弹簧在其周围具有20μm宽的围绕环，其构建在相同的M4层和M5层上。同心通孔的阵列联结这些环和这些环上的顶部金属平面。也就是说，它们被实现在V4层和V5层处。

有由M1制成的圆形底部金属平面，其直径也为50μm加上一个6μm宽的外部环，因此小于用于顶部金属平面的顶层和弹簧的支撑部的外部环。内部环和外部环一起相当于一个直径为62μm的圆。内部环和外部环之间的差异在于这样的事实，即在vHF蚀刻之后，外部环被部分地蚀刻，并且边缘保持被氧化硅掩埋(并受其影响)。顶部钝化部以50μm的圆形形状打开，其位于MEMS装置上方。

MEMS装置200包括M6层202、V5层204、M5层206、V4层208、M4层210、V3层212、M3层214、V2层216、M2层218和M1层220。M6层202包括顶板222，该顶板具有布置为阵列的蚀刻孔以及与ASIC的连接部。V5层204包括在外侧金属上延伸的同心通孔环224的阵列。M5层206包括具有蚀刻孔的阵列的检测质量件顶盖226。层206还包括螺旋弹簧228的一部分和外侧金属环230。V4层208包括在外侧金属上延伸的同心通孔环的阵列232、在V4层208中延伸的螺旋弹簧228的一部分、以及同心通孔环的阵列236，其在检测质量件上延伸并在蚀刻孔位置处停止，同时以方形环包围孔位置。M4层210包括具有蚀刻孔阵列的检测质量件平面238、螺旋弹簧228的一部分和外侧金属环230的一部分。V3层212包括同心通孔环244的阵列，该同心通孔环在检测质量件上延伸并在蚀刻孔位置处停止，同时以方形环围绕孔位置。M3层214包括具有蚀刻孔阵列的检测质量件金属平面246。V2层216包括同心通孔环的阵列248，该同心通孔环的阵列在检测质量件上延伸，在蚀刻孔位置处停止，并用方形环围绕该蚀刻孔位置。M2层218包括包含蚀刻孔阵列的检测质量件金属底盖250。M1层220包括底部金属平面252，该底部金属平面包括与ASIC的连接部。

使用6个金属层工艺的加速度计的优选实施方式如下，其中M1层220为底层，并且M6层202为顶层。M1层220将用于实现为底部平面，而M6层202将用于实现为顶部金属平面，该顶部金属平面将被短接到检测质量件和弹簧。检测质量件将使用M2层218到M5层206的叠堆来实现。并且弹簧228将仅使用M5层206或者M4层210和M5层206的叠堆来实现。

如果我们设置检测质量件加上弹簧的总直径，则弹簧旋转的最大角度或长度存在最佳值。弹簧越长(总角度越大)意味着弹簧会越软，但检测质量件会越小。较短的弹簧将允许较大的检测质量件，但弹簧将更硬。因此，始终存在一个最佳值，这取决于具体的设计和工艺特性。然而，一般来说，使用角度超过360°的弹簧很难制造出可靠的装置和良好的产量。也就是说，优选地，每个单独的弹簧将不会围绕圆形检测质量件旋转一圈。

影响设计产量、性能和可靠性的另一个参数是弹簧周围的间距。也就是说，在无任何其它弹簧、检测质量件、锚固件或装置的任何部件的情况下(弹簧的边缘除外，因为其开始和结束时与外环或锚固件/壁和检测质量件或其它MEMS部件熔合)，在弹簧的每个点处存在水平间距或间隙。这显然需要至少等于工艺设计规则检查(DRC)设置的最小间距。然而，在实践中，我们将其设置为一个更高的值，在由工艺的DRC设置的这个最小间距的x2和x10之间。优选的值为x5。例如，在金属之间的最小间隙DRC为300nm的180nm工艺的情况下，我们优选将弹簧的水平间距设置为1.5μm。此处的权衡是，对于非常大的间距，我们将降低灵敏度和/或性能，因为我们将更多地减少检测质量件面积，并因此减少相同的弹簧长度的质量(从而实现弹簧的给定柔软度/刚度)。但是减小弹簧之间的水平间距会导致产量和可靠性较差。

与位移相比(竖直位置，所以在平面外，水平位移，所以在平面内)，弹簧的另一个关键方面(当弹簧柔软时尤其重要)是使其足够短，比如当我们使用一组三个或更多个螺旋弹簧均匀分布在中心检测质量件周围的情况下。由于我们具有较小的检测质量件，并且我们需要非常柔软的弹簧以达到足够的灵敏度，因此原则上这将易于产生静摩擦问题，这将导致这些MEMS装置的可靠性非常差。

图3是图2的MEMS装置的M4层210的放大视图300。M4层210包括在检测质量件内部的50μm圆形金属平面302、螺旋弹簧306、在vHF蚀刻之后在外侧部分处被部分地掩埋在氧化硅中以支撑弹簧并因此支撑检测质量件的外部20μm宽度的环304、以及穿过检测质量件的蚀刻孔的阵列308。

图4是图2的MEMS装置的M5层206的放大视图400。M5层400包括具有蚀刻孔的阵列的检测质量件顶盖402、螺旋弹簧404和外侧金属环406。

图5是图2的MEMS装置的V4层208的放大视图500。V4层500包括在检测质量件上延伸的同心通孔环的阵列502，其在每个蚀刻孔504位置处停止，并以方形环围绕每个孔504。

层500还包括在外侧金属上延伸的同心通孔环的阵列508。

图6是金属层(因此未示出剩余的氧化硅、钝化部和衬底)的非分解3D视图600，比如M6层202包括图2的MEMS装置的蚀刻孔。层202包括蚀刻孔的阵列602、外环604、与ASIC(上部电极和检测质量件)的连接部606。M1层220包括与ASIC的下部电极连接部608。

图7示出了图2的MEMS装置的金属层M1-M6和通孔层V2-V5(由于V1为空的)的侧视图700，包括与ASIC(上部电极和检测质量件)的连接部702、顶部金属平面704、外环706、检测质量件708、底部金属平面710和与ASIC的下部电极连接部712。

图8是图2、图6和图7的MEMS装置的横截面示意图800。图800示出了钝化部802、钝化开口804、弹簧806、蚀刻孔阵列808、外侧金属环810、M6层812、V5层814、M5层816、V4层818、M4层820、SiO₂沉积822、M1层824、V3层826、M3层828、V2层830、M2层832、底部金属平面834、检测质量件836、检测质量件836内部的同心通孔环的阵列838、以及沿外侧金属环810的同心通孔环的阵列840。

MEMS装置被设计为在线性区域中工作。这是由于该装置具有较大尺寸，尽管其具有一定厚度，但较大弹簧使其足够柔软，并且弹簧能够具有最大位移，覆盖其在上方、下方、前部或侧部的非常小的所有间隙。以这种方式，MEMS弹簧遵循胡克定律，具有恒定刚度，即产生与位移成比例的机械恢复力。

在某些情况下，假设位移与弹簧长度相比较大，则机械恢复力开始与位移成比例，但在给定初始位移后，该机械恢复力不再是线性的，并且增加得更快。以这种方式，尽管弹簧对于平衡点(传感器在该平衡点处如此操作具有非常好的灵敏度)周围的小位移来说是柔软的，但在检测质量件经历较大位移的情况下，例如如果受到冲击或强烈振动，接触周围的壁、顶板或底板，那么机械恢复力在该点将会大得多。以这种方式，由于接触点处机械恢复力的增加，MEMS装置回到平衡位置并摆脱静摩擦力。

从这个现象的更详细角度来看，所有弹簧都是非线性的。然而，尽管其它MEMS装置仅经历较小位移，但本文所述的装置可以经历较大位移，使得在接触周围壁、顶板或底板之前进入机械恢复力与位移的非线性区域。

我们可以用两种方法计算弹簧的长度。一个是从一端到另一端的直线距离。第二个方法是沿弹簧的所有长度(沿其曲径和曲线)的整个距离。我们将把这些测量值中最长的一个作为弹簧的“长度”。在本文描述的实施方式中，可导致弹簧接触周围壁、顶板或底板的最小位移与任何弹簧的长度之间的最短比率为至少1％，而在一些设计中，该比率可以为5％或甚至10％。这一原理也适用于较低的比率，但鲁棒性可能不充足。然而，0.5％或甚至0.1％可能提供足够的结果，这取决于特定工艺和整体实施方式。这种短比率是本文描述的MEMS装置的一个因素，在其它MEMS设计中未发现，这允许软弹簧和短间隙的实施方式，以实现能够使用包括WLCSP在内的所有封装技术封装的高性能装置，同时具有高产量和可靠性。

另一个发明概念包括竖直壁的设计，或者更准确地说，MEMS区域的定义，或者氧化硅的侧向蚀刻的限制，以及MEMS的机械锚固或支撑。如前所述，其他设计使用竖直金属壁或锚固件。

在第一种情况下，使用竖直金属壁，我们无法使用顶部金属层和/或底部金属层从顶部和/或底部密封该装置。这意味着我们将需要一种在BEOL的最低金属层下方没有掺杂硅的特殊CMOS工艺，和/或一种特殊的、更昂贵的封装技术，如叠层衬底，以从顶部适当地保护MEMS腔体，并且通常还需要更昂贵的后处理蚀刻工序。如果允许MEMS装置使顶部金属平面和底部金属平面与周围壁电气短路的话，这是可以被完全或部分避免的，而这通常是不可能的。

第二种选择是使用锚固件，尽管其将顶部和底部金属层电气断开，但会在它们之间产生较大寄生电容，从而降低装置性能。此外，通过减少锚固结构或增加vHF蚀刻时间来改善性能、减少该寄生电容的任何尝试都会降低装置的产量和可靠性。

本发明的装置既无连接顶部金属平面和底部金属平面的竖直金属壁，也无电容性的锚固件。相反，这些装置使用两种不同的解决方案。一种解决方案是延伸MEMS装置的位于顶部金属平面和底部金属平面或电极之间的部件，比如弹簧，但也可以是其他电极，使得其最终掩埋在氧化硅中，在水平方向上充分隔开间，使得vHF无法到达此处。在实践中，我们已经看到，无需长的距离。对于180nm CMOS节点，在MEMS装置周围具有20μm的金属就足够了。因此，在释放的MEMS装置周围放置有金属，该金属保持MEMS装置，因为MEMS装置的外边缘在其周围和/或附近具有未被蚀刻去除的氧化硅。优选地，该环绕金属在其外边缘上具有圆形形状，但也可以采用其他形状。

在上述解决方案中，我们有至少三个电气断开的部件，其中顶部金属平面、底部金属平面和MEMS装置的在它们之间的部件电气断开，并且可以使更多的部件电气断开。可以应用一种替代实施方式，其中，不是具有三个或更多个电气断开的部件，而是只有两个。在这种情况下，MEMS装置的一部分可以在顶部金属平面和底部金属平面之间通过竖直金属壁附接到它们中的一个，但无法附接到另一个。在一些实施方式中，MEMS装置连接到顶部金属平面。这是由于顶部金属层通常比底部金属层更不平坦且更弯曲。这是由于底部金属层未与下方的氧化硅分离。为了增加这些外部环的机械一致性，我们可以使用一组通孔以将它们联结。为了使该外部环更加坚固，我们可以使用同心通孔环阵列来代替规则的方形通孔阵列，如检测质量件内所使用的。然而，在这种情况下，将不会有孔穿过外部环，如同发生在检测质量件上的，因此环将不会被破坏，并且该环可以是连续的。

可以应用于最后两个选项的另一个实施方面是，由于我们既不使用竖直金属壁来短接顶部金属平面和底部金属平面，也不使用电容性锚固件以将它们联结，因此与将会更大的顶部金属平面的尺寸相比，我们能够减小底部金属平面的尺寸。其原因是顶部金属的侧向过蚀刻将大于底部金属层，由于为了蚀刻底部金属层，vHF需要首先向下蚀刻以首先到达此处。侧向过蚀刻是从我们需要释放的MEMS装置上方的钝化开口窗口的最外侧边缘到在vHF后处理步骤之后的存在被蚀刻氧化硅的最外侧位置之间的距离。也就是说，由于我们未使用从顶部到底部短接的金属垂直壁，也未使用电容性锚固件，而是通过延伸到周围的氧化硅中的金属区域包围MEMS装置，因此在vHF步骤期间，该金属区域的一部分将使其周围的氧化硅被蚀刻去除，而超过某个点时，其将不再被蚀刻。

利用这种方法，我们减小了顶部金属平面和底部金属平面之间的寄生电容，这在使用上述公开的第二种方法的情况下，即当我们用这些竖直平面或连接部中的一个来短接顶部金属平面和底部金属平面之间的部件时，该寄生电容也是顶部金属平面或底部金属平面与MEMS装置的可移动部件之间的寄生电容。寄生电容的这种减小导致装置灵敏度或性能的提高。

与顶部金属板相比，在下部金属板处外部环的宽度减小的尺寸将取决于CMOS工艺和整体设计。但是，在一些实施方式中，该减小尺寸将在10％和50％之间，优选值为30％。在一些实施方式中，顶部金属板处的外环的宽度是20μm，这意味着底部金属板处的外部环宽度可以具有6μm的优选尺寸。如果中心盘(检测质量件加弹簧)的直径为50μm，则顶板的总尺寸可以具有90μm的直径，且整个底部板的直径可以为62μm的直径。

如果我们将部件锚固在顶部金属平面和底部金属平面之间，使金属区域围绕该部件延伸，最终掩埋入未蚀刻的氧化硅中，则我们也可以使它们的尺寸小于顶部金属平面，但大于底部金属平面。由于在这种情况下，该金属区域的过蚀刻将在某种程度上介于顶部金属平面和底部金属平面之间。在一些实施方式中，该中间板的外部环宽度将在顶部金属平面的环的宽度的30％和70％之间。在一个实施方式中，该值将是50％。然而，这最终取决于具体的CMOS工艺和整体设计。如果顶部金属平面具有圆形形状，则该顶部金属平面可以包括与围绕它的外部环相邻的内部盘。内部盘可以在其中具有孔的阵列，以允许vHF进入MEMS腔体内部，而外部环为实心的(除了下面解释的用于建立沟槽以电隔离大部分外环的可能例外)。

内部盘的延伸部原则上是我们希望通过vHF来释放的MEMS的延伸部。然而，另一个发明概念是减小内部盘的延伸部，从而不在需要释放的MEMS的外部周围设置释放孔。由于vHF可以传输相对较长的距离，所有MEMS都将被释放，并且我们将使所有金属层中的外部环上的过蚀刻最小化，从而能够减小这些外部环的尺寸。这将减少顶部金属板和底部金属板之间的寄生电容，从而提高MEMS的性能。在将这种减小的延伸部用于释放孔的情况下，钝化开口也可以减小，因为我们只需在具有孔阵列的区域上方将其打开。

我们可以实现的内部盘的减小将取决于CMOS工艺，但是在某些实施方式中，每侧的减小量将在2μm和20μm之间，优选值为6μm。也就是说，盘的直径将减小4μm至40μm，优选直径减小12μm。实现内部盘的这种减小可以在具有外部环的所有金属层上将外部环减小到相同的值。为了说明，尽管讨论了内部盘和外部环，但实际上顶部金属层的布局将是单个盘。那么蚀刻孔阵列将位于中心，覆盖由内部盘的尺寸限定的区域。因此，没有蚀刻孔的周围的实心区域可被称为外部环。同样为了说明，当我们说我们减小内部盘时，这并不影响检测质量件、弹簧或需要释放的MEMS装置的其它部件的尺寸。此处的内部盘仅限定了MEMS装置或需要释放的部件上方的区域，这些区域具有蚀刻孔的阵列。

在顶部金属层和底部金属层之间具有多个电气断开部件的情况下，上述描述也是有效的。在这种情况下，每一个都有自身掩埋在氧化硅中的金属延伸部，且它们之间都电气断开，尽管总会有一些电气寄生电容。

尽管优选的方法是使用该外部金属区域在顶部金属平面和底部金属平面之间支撑MEMS部件，将所有释放的MEMS包围在内部，以提供更好的机械一致性，但这不是严格必需的。这在上述公开的情况下尤其有用，其中在顶部金属层和底部金属层之间有两个或更多个电气断开的MEMS部件。一个示例是平面内惯性传感器，其中有多个侧向电极，用于感测不同方向的加速度。

减小顶部金属平面(以及MEMS装置的中间部分，例如如果通过竖直金属连接对其进行电气短路)和底部金属平面之间的寄生电容的另一个变型是，在距需要释放的MEMS一定距离处，在整个顶部金属平面周围添加非常短的沟槽。在一些实施方式中，沟槽位于过蚀刻距离的一半处。在一种配置中，这大约为10μm，因为MEMS周围的这种金属区域的总长度大约为20μm。但距离可以更短，低至5μm甚至更短，甚至可以小于零。优选地，该沟槽将位于5μm和15μm之间的距离处。并且顶部金属板的延伸可以是大约20μm的距离。但是，根据具体的CMOS工艺特性、整个MEMS设计以及所需的vHF特性和配方，该沟槽可以在5μm和30μm之间。

在工艺允许的情况下，沟槽的宽度应最小。该宽度可以是0.8μm，但在一些实施方式中，将在0.5μm和2μm之间，这取决于工艺，尤其是顶部金属层的厚度。可以超过该沟槽处安装金属环以维持钝化。通过该沟槽，外环被分成两个部分，一部分在另一部分内部，这两部分被电气断开并被机械断开。尽管在两个部分之间会有一些寄生电容，并且其最终会连接到氧化硅，因此该两个部分不会彼此相对移动。

因此，可能会质疑为什么需要保留这个分开的外环的外侧部分。原因是在vHF后处理步骤期间会出现过蚀刻，使得位于钝化部和该顶部金属层之间的氧化硅会被蚀刻去除，使得钝化部非常脆弱。出于这个原因，优选保留最外侧的金属环，以防钝化部破裂，以便使其能够得到支撑。然而，根据工艺特性和整体设计，可以只移除外环的外部部分(而不是为外环构建沟槽)，只减小其直径。这将进一步降低寄生电容。

一种优选的实施方式具有围绕MEMS装置并连接到顶部金属平面的短竖直金属壁。该竖直金属壁可以连接或不连接到位于顶部金属平面和底部金属平面之间的MEMS的移动部分，比如弹簧锚固件。该短壁(即不下降到底部金属平面)的目的是阻止vHF在顶部金属平面下方水平地朝向其外边缘蚀刻，迫使vHF首先下降到竖直壁，然后上升返回，以便能够在顶部金属平面下方朝向外边缘蚀刻。根据实施方式，该短竖直金属壁还可以提供机械一致性和/或与MEMS装置的其他部分的电气连接，比如弹簧的锚固件。

在不使用电容性锚固件的情况下，实现机械连接而不使MEMS的两个部分电气短路的另一种实施方式是在MEMS工艺中使用MIM层。该层通常不会被vHF蚀刻去除，或者至少蚀刻得较慢，尽管这取决于具体的CMOS工艺。这提供了比电容性锚固件更紧凑的解决方案。然而，电容倾向于较大，机械鲁棒性可能不足。然而，根据MEMS装置、工艺和整体设计，其在某些实施方式中可能仍然有效。对于一些实施方式，使用水平电容性锚固件代替竖直电容性锚固件也是有效的。在一些配置中，可以实现混合设计，同时使用相同的设计原理，如任何类型或类型组合的电容性锚固件，实现贯穿MEMS金属壁或平面的连接的馈通。

顶部金属平面222处的孔阵列将尽可能小。该孔阵列可能比工艺的DRC所允许的更小，但足够大以确保其在所有顶部金属厚度都能够打开。这个最小尺寸将取决于具体的CMOS工艺，尤其是顶部金属厚度。在一些实施方式中，宽度尺寸为0.8μm。低于此值时，通常难以完全打开，这将导致产量较低。如下文所述，当我们应用密封层时，较大的值可能无法正确填充。因此，有一个折衷方案，既不能有过小的孔而在CMOS工艺中对顶部金属层进行图案化时无法打开，也不能有过大的孔而在封装过程中无法正确密封。因此，在一些实施方式中，孔尺寸将在0.5μm和1.5μm之间，优选值为0.8μm。然而，取决于CMOS工艺、顶部金属厚度以及所使用的密封材料、厚度和工艺，蚀刻孔的尺寸可能变化。在某些实施方式中，考虑到孔非常小，该孔将被绘制为方形孔，因为当我们将强制决定该工艺时，在实际上任何其他形状都不会产生任何影响，并且在装置制造期间，孔将部分被圆润化。

顶部金属平面(例如顶板222)上的孔之间的间隔可能类似于从顶部金属层M1到底部金属层M6的竖直距离的竖直长度。在一些配置中，蚀刻孔在顶部金属层222上水平间隔的距离至少是M1和M6之间的竖直距离的两倍。在一些实施方式中，由于多个氧化物子层具有不同的密度和蚀刻速度，考虑到vHF在竖直方向上的蚀刻速度慢于水平方向，则该距离可以更大。由于目标是确保适当地蚀刻MEMS腔体内的所有体积，因此孔可以放置得足够近，但同时尽可能地防止形成具有如此多的孔和少量剩余金属的较弱的顶部金属平面，当装置封装时，该顶部金属平面可能无法承受其顶部的密封，如下文解释的。

我们通过实验发现，足够的值是使蚀刻孔间隔的距离处于金属堆叠的高度的50％和200％之间。该高度从底部金属层M1的最低点开始计算，直到顶部金属层(例如M6)的最高点。优选值是将孔间隔开一定距离，该距离等于该高度(例如100％)。孔距离是指在水平(X)和垂直(Y)方向上，从一个孔的中心到另一个孔的中心的测量距离。

为了允许vHF降低到氧化硅的最低水平处，以便所有需要去除的氧化硅在所有腔体中被适当蚀刻，实现了穿过腔体内所有MEMS装置的相同孔阵列。这可能相对于顶部金属平面上的孔发生侧向偏移，然而优选实施方式只是将其放置在相同的位置。如果这些孔穿过内部具有氧化硅的结构，比如检测质量件，这些孔可以使用通孔壁包围，以避免vHF通过这些孔进入内部，并蚀刻去除我们希望保持不被蚀刻的氧化硅。考虑到这些孔的小尺寸，其可以优选地制成为方形，这些通孔屏障可以实现为方形环。

第四个发明概念是使用WLCSP工艺中存在的密封层，也称为再钝化，其通常由聚酰亚胺(PI)制成，但也可以是苯并环丁烯(BCB)或其他材料，以密封MEMS腔体。这避免了对特定铝溅射和排列工艺的需要，降低了后处理的复杂性和成本，该后处理进一步简化为仅有vHF蚀刻和后背衬。除此之外，使用PI或BCB被认为可以提供更好的密封，更好地覆盖顶部金属层上的孔阵列。相比之下，铝溅射需要非常厚的沉积，即使如此，由于沉积的保形性，一些孔可能未被适当地密封。PI不会发生这种情况，其可以很好地密封所有孔。在涉及非WLCSP的另一种封装的类型的情况下，工艺仍可以应用PI或BCB或其他涂层和图案化(即使是铝溅射，尽管其并不理想，但可以用足够的厚度和适当的参数集完成)，并且随后继续进行任何封装工艺。

另一个关键的发明概念包括在MEMS腔体内不使用金属填充结构。为了补偿金属残余应力，CMOS设计需要在ASIC的所有区域具有恒定的金属密度。为了实现这一点，一旦ASIC设计完成，将执行称为“金属填充”的自动过程，用随机小金属形状填充所有的空区域，以达到所需的目标金属密度。

这种金属填充无法在MEMS腔体内进行。否则，在施加vHF之后，所有这些微小金属填充结构将被释放，并且其将通过静摩擦附着在MEMS装置上，阻止其正常工作，或者根本不允许其工作。

本申请中给出的所有解释可以应用于不同的CMOS节点、不同的金属叠堆甚至不同的固态半导体工艺。此外，当我们描述顶部金属层和底部金属层时，这些通常是工艺层叠堆中最顶部和最底部的金属层。然而，其也可以适用于其他金属层。在采用6种金属层工艺构建惯性传感器的情况下，我们通常需要所有可用的金属层，以便最大化传感器检测质量件的厚度和质量。然而，如果该工艺有更多可用的金属层，或者如果我们构建另一种类型的MEMS装置，或者甚至对于惯性传感器，如果我们能够设法获得所需的规格，我们可能无需使用金属叠堆中可用的所有金属层。在这种情况下，我们将优选使用位于顶部的金属层，从而为ASIC留下位于底部的金属层，以用于与ASIC进行电气连接。在这种情况下，将没有任何专用区域来实现MEMS，而是在ASIC之上实现MEMS。

在所有情况下，MEMS下方的有源面积(FEOL)可以用于实现ASIC。然而，如果没有可用于连接的金属层，由于它们都用于实现MEMS，那么将难以实现在MEMS下方的ASIC的有效部分。但是，根据工艺和特定的ASIC设计，实现需要很少布线的大型晶体管或其他电路可能是有用的，和/或多晶硅线(如果可用)可用于该布线。当并非工艺叠堆的所有金属层都用于实现MEMS时，那么应该按照以下方式来理解该应用的所有解释。“顶部”和“底部”金属层不是金属叠堆的最顶部和最底部，而是用于实现MEMS装置的金属层的最顶部和最底部。尽管优选实施例包括使用圆形和圆润形状，但所公开的发明可以应用于其他类型的形状。

另一个关键的发明概念包括连接MEMS的感测电子装置，当该感测电子装置是电容性MEMS传感器时，比如但不限于加速度计、骨传导传感器、运动检测器、超声波传感器或任何其他电容传感器。在某些实施方式中，本文的MEMS电容传感器包括独特的小电容。这是由于小尺寸的独特特性，以及最小寄生电容，这是由上述解释的几个概念造成的。此外，由于邻近ASIC(附接到MEMS边缘)并且无需将MEMS布线到ASIC所在的另一模具，甚至无需连接到晶片的顶部(在晶片结合方案中或者在将MEMS构建在ASIC CMOS晶片上方的情况下，ASIC被放置在晶片的顶部处)。

在一些实施方式中，本MEMS传感器的电容大约在10fF到100fF之间，或者大约为50fF。这比用于消费电子器件的商用MEMS装置小约100倍。这允许实现完全不同的感测方案，这对于其他MEMS装置是不可行的，由于这将存在太多的功耗。

在一些配置中，MEMS电容的感测是通过构建环形振荡器来完成，其中环路的至少一个电容是本文所述的MEMS装置。该环形振荡器将馈送计数器，该计数器将在每个采样周期被读取和重置。计数器的输出将已是数字的，并且它将输出电容的值。这种方法有许多技术优势。首先，其简化了模拟设计，除环形振荡器之外是全数字的。这意味着可以避免许多我们原本需要的模拟模块，比如跨导放大器、可编程增益放大器、A/D转换器、模拟滤波器、斩波器和电容失配补偿等。这种简化具有许多技术优势：ASIC面积更小，因此生产成本更低，设计时间减少，因此上市时间更快以及开发成本更低，容易移植到其他CMOS节点和工艺，且功耗更低。

较低功耗源于避免了非常多的高功耗模拟模块。然而，作为这些模块的替换，该工艺将包括以非常高的频率对MEMS传感器电容进行连续充电和放电，该频率可以在10MHz至100MHz之间，但这取决于MEMS设计、CMOS工艺和传感器的目标规格。对于几个pF量级的普通电容来说，这将消耗太多的功率。但是对于电容大约为低x100倍或更低的本发明的MEMS传感器，这并不意味着更多而是实际上更少的功耗，使得本发明的传感器非常节能，此外还有上述对于该感测方案的其他优势。

环形振荡器可以根据许多因素改变其频率，例如电源电压及其噪声、温度以及工艺变化。为了对此进行补偿，可以实施第二环形振荡器，其使用与第一个MEMS装置非常接近的另一个MEMS装置，使得它将经历几乎相同的工艺、电压和温度变化。第二个MEMS装置(或者如果环形振荡器环路中包括一个以上的MEMS装置)将略有不同，其弹簧更硬。优选地，这将使用更宽和/或更厚(即使用更多金属叠堆)的弹簧来制造。以这种方式，连接到该第二传感器的计数器的电容读数将由于传感器测量的幅度(例如，在加速度计的情况下为加速度)而移动很小，但由于所有其他因素，如电源电压、工艺和温度变化，其将以与第一传感器相同的方式变化。

在一个实施方式中，两个环形振荡器各自启动不同的计数器，直到第二个计数器达到预定值。在这种情况下，我们将读取第一个计数器，这将为我们提供所感测的幅度值，并且随后我们将重置两个计数器，并再次开始计数。这个预定值为可编程的，因此我们可以定义不同的采样频率。当采样频率较低时，环形振荡器和/或计数器将在采样之间被禁用，从而将功耗降至最低。在一些实施方式中，包括第三个数字计数器，其具有非常慢的数字时钟，以在每次需要采集新样本时启动装置。

在一些实施方式中，为了在不增加检测质量件的尺寸的情况下增加检测质量，围绕MEMS装置的整个外周构建和/或形成金属壁。以这种方式，氧化硅被捕获在检测质量件内，并且不会被vHF蚀刻去除。此外，检测质量件具有大量通孔，由于这些通孔由钨制成，钨的密度高于氧化硅和铝，该氧化硅和铝为金属层的材料。为了进一步增加检测质量件的有效密度和总质量，可以实施比工艺的DRC所允许的更大和更近的通孔阵列。在圆形检测质量件的情况下，我们也可以使用同心通孔环，其间隔距离与环的厚度相同，优选地，使该距离和环的宽度等于由CMOS工艺DRCs限定的通孔尺寸和通孔间距。尽管CMOS工艺的通孔通常需要为固定尺寸的方形，但实际上我们可以在一个维度上延伸这些通孔，但至少我们需要在另一个维度上保持指定的通孔尺寸。否则晶片将无法正确地制造。由于我们需要在检测质量件上钻孔，这些圆形环可能需要在孔周围中断。对于检测质量件和环，或者通过其内部的填充结构，可以实现其他形状。

另一个关键的发明概念包括对焊盘的改进。这是由于不仅在MEMS装置上方，而且在每个焊盘上方(即与焊盘竖直对准的位置)，都有钝化开口。这就是CMOS工艺中存在钝化开口的原因。这意味着当vHF应用于后处理中时，钝化部下方(即，钝化部和顶部金属层之间)的氧化物将被蚀刻去除。如果焊盘处的顶部金属层不够大，硅蚀刻将超过该顶部金属层并在钝化部下方蚀刻，而下方无金属。如果发生这种情况，焊盘周围的大量氧化硅将被蚀刻去除，且顶部钝化部下方将无氧化物。结果，钝化部会断裂，大量的氧化硅也会被蚀刻去除，从而毁坏ASIC电子电路的一部分。解决这一技术问题的实施方式是，与传统焊盘设计相比，至少延伸顶部金属层(并且如果我们延伸更多或所有其他金属层，甚至可以更好地提供更好的一致性)。这种延伸将取决于具体工艺的细节和所应用的vHF蚀刻。在一些实施方式中，金属将在钝化开口之外的所有方向上具有15μm至25μm之间的侧向延伸。在一个实施方式中，该延伸将为20μm。无需使用圆润的形状，因此，在各种实施方式中，焊盘将保持具有用于钝化开口的方形设计，并且限定钝化开口的金属也是如此。然而，也可以实施其他形状。

本文公开的大多数发明概念可以应用于许多不同的装置，包括但不限于惯性传感器、陀螺仪、压力传感器、超声波传感器和换能器，如CMUTs、扬声器、磁力计和罗盘、麦克风、RF开关、可调电容器、RF电感器、温度传感器等等。为了避免要求CMOS代工厂增加钝化的硅含量，我们可以使用例如Memsstar(苏格兰)开发的特殊配方和/或设备。在vHF蚀刻步骤之后，我们烤制晶片，以便升华氟残留物。

由于本文公开的MEMS装置的更小的尺寸和成本以及更高的性能，加上它们的大批量生产能力和较短的上市时间，本发明的概念使得能够构建更小和更高性能的智能手机、可穿戴设备和耳塞，由于具有用于更大电池的更多空间，因此具有更多功能和更长的寿命以及自主性。这些传感器也是许多物联网(IoT)应用的促成因素，其中这些应用要求超低成本、小尺寸、大批量生产的传感器，同时具有极低的功耗(高性能)。另一个应用示例是嵌入传感器的RFIDs。

图9是包括侧向电极的MEMS装置900的金属层和通孔层的分解视图。图9示出了图2的实施方式的变型，以感测平面内加速度，包括检测质量件的底部部分周围无弹簧的侧向电极。也就是说，检测质量件由4个金属层(从M2到M5)组成。弹簧由金属层M4和M5制成，具有支撑弹簧的外侧金属环。因此，检测质量件不使用在层M2和M3周围的金属。以这种方式，我们可以使用层M2和M3来构建检测质量件的侧向电极。这些侧向电极的形状基本上类似于上述金属层(M4和M5)的外环，但不是一个整个环，而是两个半环。这些半环中的每一个由堆叠在一起的两个可用的金属层(M2和M3)制成，这意味着内部有大量通孔以将其连接。这些通孔成形为同心半环的阵列。

这些侧向电极的外径短于上部金属层的外环。在这种设计中，该侧向电极的外径也短于底部金属平面，但一种改进是使底部金属平面的直径小于这些侧向电极的外径。

由于我们保留有底部金属平面，因此仍能够感测出平面外的加速度。因此，MEMS装置具有多个电极，这允许用同一装置一起感测1个、2个或甚至3个轴。如果不是将这些侧向电极分成半环，而是分成四分之一环，则能够实施这一功能。此外，对于X轴和Y轴(即，平面内加速度)，可以实现差分电容。虽然这种设计适用于惯性传感器，但相同的设计原理(电极、弹簧支撑件等)可以用于实施其他类型的电容传感器和致动器。

MEMS装置900包括M6层902、V5层904、M5层906、V4层908、M4层910、V3层912、M3层914、V2层916、M2层918和M1层920。M6层902包括顶板922，该顶板具有布置成阵列的蚀刻孔和至ASIC的连接部。V5层904包括在外侧金属上延伸的同心通孔环924的阵列。M5层906包括具有蚀刻孔的阵列的检测质量件顶盖926。层906还包括螺旋弹簧928的一部分和外侧金属环930。V4层908包括在外侧金属上延伸的同心通孔环的阵列932、在V4层908中延伸的螺旋弹簧928的一部分、以及在检测质量件上延伸的同心通孔环的阵列936，该同心通孔环阵列在蚀刻孔位置处停止并用方形环将其围绕。M4层910包括检测质量件平面938、螺旋弹簧928的一部分和外侧金属环930的一部分。V3层912包括同心通孔环944的阵列，该同心通孔环在检测质量件上延伸并在蚀刻孔位置处停止，同时使用方形环围绕孔位置。M3层914包括具有蚀刻孔阵列的检测质量件金属平面946和连接到ASIC的侧向电极954。V2层916包括同心通孔环阵列948，该同心通孔环阵列在检测质量件上延伸，在蚀刻孔位置处停止，并用方形环围绕该蚀刻孔位置。V2层916还包括在侧向电极上延伸的同心通孔半环的阵列956。M2层918包括具有蚀刻孔阵列的检测质量件金属底盖950。M2层918还包括侧向电极958。M1层920包括底部金属平面952，其包括至ASIC的连接部。

所描述的不同实施方式的元素或步骤可以组合以形成之前未具体阐述的其他实施方式。元件或步骤可以从先前描述的系统或过程中省去，而不会对其操作或系统的总体操作产生不利影响。此外，各种单独的元件或步骤可以组合成一个或更多个单独的元件或步骤，以执行本说明书中描述的功能。

本说明书中未具体描述的其他实施方式也在以下权利要求的范围内。

Claims (41)

1.一种使用CMOS工艺的后道工序的材料形成的MEMS装置，其中：

应用vHF和后背衬的后处理来形成所述MEMS装置，以及

所述MEMS装置的总尺寸在50μm和150μm之间。

2.根据权利要求1所述的MEMS装置，其中，所述MEMS装置的总尺寸小于100μm。

3.根据权利要求1和2中任一项所述的MEMS装置，还包括一组至少三个弹簧，所述弹簧围绕所述MEMS装置均匀分布并围绕所述MEMS装置的中心轴线旋转。

4.根据权利要求1-3中任一项所述的MEMS装置，其中，所述装置的形状是圆润的，并且所述弹簧为螺旋形状。

5.根据权利要求1-4中任一项所述的MEMS装置，其中，所述弹簧由至少两个金属层的叠堆和单个金属层中的一种制成。

6.根据权利要求1-5中任一项所述的MEMS装置，其中，所述MEMS装置为惯性传感器。

7.根据权利要求1-6中任一项所述的MEMS装置，包括检测质量件，其中，所述检测质量件由所述弹簧和四个金属层的叠堆制成，所述弹簧为以下之一：与所述检测质量件的形成叠堆的顶部金属层一起制成并连接，以及与所述叠堆的两个顶部金属层连接。

8.根据权利要求1-7中任一项所述的MEMS装置，其中，所述弹簧连接至外部环，使得该弹簧的一部分在所述vHF蚀刻后保持掩埋在该外部环的外边缘的氧化硅中。

9.根据权利要求1-8中任一项所述的MEMS装置，其中，所述MEMS装置具有顶部金属平面和底部金属平面，所述底部金属平面小于所述顶部金属平面。

10.根据权利要求9所述的MEMS装置，其中，所述底部金属平面的外环宽度小于或等于所述顶部金属平面的外环的宽度的10％至50％。

11.根据权利要求1-10中任一项所述的MEMS装置，包括焊盘，其中，所述焊盘包括顶部金属层，所述顶部金属层被布置为在所有方向上侧向延伸15μm至25μm，以超出竖直对准的钝化开口。

12.根据权利要求1-11中任一项所述的MEMS装置，其中，所述MEMS装置形成在不包括金属填充结构的MEMS腔体内。

13.一种MEMS装置，所述MEMS装置包括一组至少三个弹簧，所述弹簧围绕所述MEMS装置均匀分布并围绕所述MEMS装置的中心轴线旋转。

14.根据权利要求13所述的MEMS装置，其中，所述装置形状是圆润的，并且所述弹簧具有螺旋形状。

15.根据权利要求13和14中任一项所述的MEMS装置，其中，所述弹簧由至少两个金属层的叠堆和单个金属层中的一种制成。

16.根据权利要求13-15中任一项所述的MEMS装置，其中，所述MEMS装置为惯性传感器。

17.根据权利要求13-16中任一项所述的MEMS装置，包括检测质量件，其中，所述检测质量件由所述弹簧和四个金属层的叠堆制成，所述弹簧为以下之一：与所述检测质量件的形成叠堆的顶部金属层连接，以及与所述叠堆的两个顶部金属层连接。

18.一种MEMS装置，所述MEMS装置包括弹簧，其中，最大位移与弹簧长度之比为至少1％。

19.根据权利要求18所述的MEMS装置，其中，检测质量件由所述弹簧和四个金属层的叠堆制成，所述弹簧为以下之一：与所述检测质量件的形成叠堆的顶部金属层连接，以及与所述叠堆的两个顶部金属层连接。

20.根据权利要求18和19中任一项所述的MEMS装置，其中：

所述弹簧连接到外部环，使得所述弹簧的一部分在vHF蚀刻之后保持掩埋在所述外部环的外边缘上的氧化硅中，以及

底部金属平面的外环宽度小于或等于顶部金属平面的外环的宽度的10％至50％。

21.一种使用CMOS工艺的后道工序的材料制造MEMS装置的方法，所述方法包括：应用vHF和后背衬的后处理以形成所述MEMS装置，

其中所述MEMS装置的总尺寸在50μm和150μm之间。

22.根据权利要求1所述的方法，其中，所述MEMS装置的总尺寸小于100μm。

23.根据权利要求21和22中的任一项所述的方法，进一步包括形成一组至少三个弹簧，所述弹簧围绕所述MEMS装置均匀分布，并围绕所述MEMS装置的中心轴线旋转。

24.根据权利要求21-23中的任一项所述的方法，包括形成圆润的装置形状和形成具有螺旋形状的弹簧。

25.根据权利要求21-24中的任一项所述的方法，所述方法包括用至少两个金属层的叠堆和单个金属层中的一种来形成所述弹簧。

26.根据权利要求21-25中的任一项所述的方法，其中，所述MEMS装置为惯性传感器。

27.根据权利要求21-26中的任一项所述的方法，包括形成检测质量件，其中，所述检测质量件由所述弹簧和四个金属层的叠堆制成，并且所述弹簧为以下之一：与所述检测质量件的形成叠堆的顶部金属层连接，以及与所述叠堆的两个顶部金属层连接。

28.根据权利要求21-27中的任一项所述的方法，包括将所述弹簧连接到外部环，使得所述弹簧的一部分在vHF蚀刻之后保持掩埋在所述外部环的外边缘上的氧化硅中。

29.根据权利要求21-28中的任一项所述的方法，包括形成具有顶部金属平面和底部金属平面的MEMS装置，所述底部金属平面小于所述顶部金属平面。

30.根据权利要求29所述的方法，包括形成底部金属平面的如下的外环宽度，该外环宽度小于或等于所述顶部金属平面的外环宽度的10％至50％。

31.根据权利要求21-30中的任一项所述的方法，包括形成焊盘，其中所述焊盘包括顶部金属层，所述顶部金属层被布置为在所有方向上侧向延伸15μm至25μm，以超出竖直对准的钝化开口。

32.根据权利要求21-31中的任一项所述的方法，所述方法包括在MEMS腔体内形成所述MEMS装置，其中所述MEMS腔体不包括金属填充结构。

33.一种制造MEMS装置的方法，所述方法包括形成一组至少三个弹簧，所述弹簧围绕所述MEMS装置均匀分布并围绕所述MEMS装置的中心轴线旋转。

34.根据权利要求33所述的方法，包括形成圆润的MEMS装置形状，以及形成具有螺旋形状的弹簧。

35.根据权利要求33和34中的任一项所述的方法，所述方法包括使用至少两个金属层的叠堆和单个金属层中的一种形成所述弹簧。

36.根据权利要求33-35中的任一项所述的方法，其中，所述MEMS装置为惯性传感器。

37.根据权利要求33-36中的任一项所述的方法，包括形成检测质量件，其中，所述检测质量件由四个金属层的叠堆和所述弹簧制成，所述弹簧是以下之一：与所述检测质量件的形成叠堆的顶部金属层连接，以及与所述叠堆的两个顶部金属层连接。

38.一种制造MEMS装置的方法，包括形成弹簧，其中，最大位移与弹簧长度的比率为至少1％。

39.根据权利要求38所述的方法，包括形成检测质量件，所述检测质量件包括四个金属层的叠堆和所述弹簧，其中，所述弹簧为以下之一：与所述检测质量件的形成叠堆的顶部金属层连接，以及与所述叠堆的两个顶部金属层连接。

40.根据权利要求38和39中的任一项所述的方法，包括：将所述弹簧连接至外部环，使得所述弹簧的一部分在vHF蚀刻后保持掩埋在所述外部环的外边缘的氧化硅中，以及

形成底部金属平面的如下的外环宽度，该外环宽度小于或等于顶部金属平面的外环宽度的10％-50％。

41.一种智能手机、可穿戴设备、耳塞或物联网(loT)装置，其包括根据权利要求1至20中的任一项所述的MEMS装置。

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