MEMS慣性傳感器THELMA制程和封裝方法

　　意法半導(dǎo)體公司推出一系列慣性傳感器，極具誘惑力的價(jià)格配合卓越的產(chǎn)品性能，讓意法半導(dǎo)體迅速擴(kuò)大了在消費(fèi)電子MEMS傳感器市場(chǎng)的份額。公司在MEMS技術(shù)特性上實(shí)現(xiàn)了兩全其美：更小尺寸、更低價(jià)格、更高性能、更多功能(技術(shù)推動(dòng))與更具創(chuàng)新力的設(shè)計(jì)方法(設(shè)計(jì)推動(dòng)的創(chuàng)新)，使最終的MEMS器件更適合消費(fèi)電子市場(chǎng)的需求[1]。這個(gè)戰(zhàn)略已經(jīng)取得巨大成功，意法半導(dǎo)體因此而迅速崛起，成為世界最大的MEMS器件制造商。目前意法半導(dǎo)體的MEMS產(chǎn)品被世界知名的消費(fèi)電子產(chǎn)品選用，如任天堂的Wii游戲機(jī)、蘋果的iPhone手機(jī)和iTouch播放器以及其它產(chǎn)品[2]。例如，任天堂的Wii游戲機(jī)的遙控器“魔棒”(圖1a)使用意法半導(dǎo)體的慣性傳感器檢測(cè)玩家的動(dòng)作，如打網(wǎng)球、高爾夫球或其它游戲，使玩家能夠沉浸在游戲之中并參與屏幕上的人物運(yùn)動(dòng)。這個(gè)功能促使先進(jìn)的計(jì)算機(jī)游戲取得巨大飛躍，從純粹的被動(dòng)活動(dòng)轉(zhuǎn)化為令人興奮的主動(dòng)的游戲參與者。同樣地，蘋果的iPhone采用意法半導(dǎo)體的MEMS傳感器檢測(cè)手持通信設(shè)備相對(duì)于用戶視野的方向，然后相應(yīng)地調(diào)整屏幕的顯示方向(橫向或縱向)，從而為用戶提供更多的使用靈活性和功能 (圖1b)。

　　圖 1:這兩張圖片中的產(chǎn)品采用意法半導(dǎo)體的慣性傳感器技術(shù)，在消費(fèi)電子產(chǎn)品中為客戶提供全新的功能(來(lái)源:iSuppli市調(diào)公司)。

　　意法半導(dǎo)體的MEMS慣性傳感器基于意法半導(dǎo)體的微致動(dòng)器和加速計(jì)的厚外延層制程(THELMA)，如圖2 [3]所示。THELMA是一個(gè)非集成化的MEMS制造程，比多晶硅表面微加工制程略復(fù)雜，但是擁有獨(dú)特的優(yōu)點(diǎn)，準(zhǔn)許實(shí)現(xiàn)較厚的結(jié)構(gòu)，這對(duì)電容式慣性傳感器極其有用。雖然THELMA制程用于實(shí)現(xiàn)電容式慣性傳感器，但是這項(xiàng)技術(shù)非常靈活，還可以用于制造加速計(jì)、陀螺儀和其它的MEMS器件。

　　圖 2:意法半導(dǎo)體用于制造慣性傳感器的THELMA制程工藝。

　　這個(gè)制程的第一個(gè)步驟是在晶圓上生成一層2.5μm厚的熱二氧化硅(圖2a)。第二步是用LPCVD沉積一個(gè)多晶硅層(多晶硅層1)。在這個(gè)多晶硅層上做版圖然后蝕刻，制成埋入式電連接結(jié)構(gòu)，用于傳感器向外部傳遞電位和電容信號(hào)(圖2b)。根據(jù)器件的設(shè)計(jì)，這個(gè)多晶硅層還可用于制造薄多晶硅微加工器件的結(jié)構(gòu)層。然后，用PECVD沉積一層1.6μm厚的二氧化硅層。這個(gè)PEVCD氧化層與2.5μm厚的熱二氧化硅構(gòu)成一個(gè)4.1μm厚的復(fù)合氧化層，用作THELMA制程中的犧牲層。然后，在PECVD沉積氧化物層上做版圖和蝕刻，用作厚多晶硅器件的錨定區(qū)，稍后制成錨定組件(圖 2c)。下一步，用外延沉積法沉積一層厚多晶硅 (圖2d)。這個(gè)層的厚度可以根據(jù)器件設(shè)計(jì)做相應(yīng)的調(diào)整，厚度范圍是15μm到50μm。通過(guò)沉積、版圖和蝕刻工藝，制作一個(gè)連接傳感器的金屬導(dǎo)電層(圖2e)。隨后，用深反應(yīng)離子蝕刻方法(DRIE)在厚多晶硅層上做圖和蝕刻，一直到底部的氧化層(圖2f)。DRIE方法準(zhǔn)許在厚多晶硅層上制作縱橫比很大的結(jié)構(gòu)。最后用氫氟酸蒸汽去除犧牲層，釋放多晶硅結(jié)構(gòu)層(圖2f)。

　　圖 3:意法半導(dǎo)體的兩種慣性傳感器封裝結(jié)構(gòu):(左) 并列封裝;(右)芯片堆疊封裝。