[發明專利]一種電容式MEMS加速度計及制造方法

有效

• 申請號: 201210176681.8
• 申請日: 2012-05-31
• 公開（公告）號: CN102759636A
• 公開（公告）日: 2012-10-31
• 發明（設計）人: 楊靜;張富強;孟美玉
• 申請（專利權）人: 北京時代民芯科技有限公司;中國航天科技集團公司第九研究院第七七二研究所
• 主分類號: G01P15/125
• 分類號: G01P15/125
• 代理公司: 中國航天科技專利中心 11009
• 代理人: 安麗

技術領域

本發明涉及一種微電子機械系統(MEMS)器件及其制造技術，尤其涉及一種電容式MEMS加速度計及其制造方法。

背景技術

MEMS加速度計是MEMS慣性系統中不可缺少的環節，當前應用于多個領域。MEMS加速度計工作原理主要有電容式和壓阻式兩種，其中壓阻式加速度計存在精度低、溫度特性差等缺點，應用領域受限。電容式加速度計主要采用梳齒式和“三明治”式兩種方案。梳齒式加速度計主要存在以下幾個問題：敏感結構的敏感軸和非敏感軸的機械強度差別不大，加速度計的非敏感軸靈敏度難以抑制；敏感軸方向不能提供具有足夠機械強度的保護結構，加速度計的抗沖擊能力不足；梳齒結構電容輸出值較小，對外界加速度的敏感度較低，因此梳齒式加速度計主要適用于消費領域等要求不高的環境。“三明治”式MEMS加速度計的質量塊大，敏感電容值大，精度相對較高。

“三明治”式MEMS加速度計一般采用玻璃-硅-玻璃三層結構，玻璃和硅需要在高溫環境中才能鍵合，盡管采用鍵合用玻璃，但與硅的熱膨脹系數還是有差別，制作出的器件存在殘余熱應力；玻璃-硅鍵合還必須加高電壓，加速度計的質量塊在高電場中極易發生偏移，導致靜態電容值發生變化，降低器件的性能?！叭髦巍笔組EMS加速度計制作時需將上、下電容電極與硅電極引出，然而傳統的玻璃-硅-玻璃三層結構的MEMS加速度計在制造過程中由于無法將上、下玻璃的金屬電極和硅電極在同一硅面引出，不能進行硅片-玻璃片圓片級鍵合，而是按照結構要求將圓片切割成很多獨立的小芯片，并對每個小芯片分別進行硅-玻璃鍵合，而且一直無法解決如何將這種硅片上、下兩面都有電極的鍵合芯片封裝在管殼內的難題，生產效率和器件成品率非常低，性能重復性差。

如圖7所示為傳統MEMS加速度計的封裝形式，利用膠707將加速度計芯片701貼在管殼702的腔體內，芯片701上的焊點703通過金屬絲704利用引線鍵合工藝連接在管殼的鍵合指705上，最后用蓋板706將管殼702的腔體密封，完成封裝。采用傳統的引線鍵合技術進行封裝，當加速度計用于引出電極的通孔超過一定深度時，引線鍵合的工藝難度會增加，并且成品率及可靠性顯著降低；返修難度較大、靈活性差。

發明內容

本發明所要解決的技術問題是提供一種電容式MEMS加速度計，能夠將加速度計的所有電極在同一硅面引出，實現了加速度計的圓片級鍵合，并且可以采用倒裝芯片技術進行封裝，改變引線鍵合低可靠性和低生產率的不利狀況，能夠實現芯片級尺寸封裝，并且可以使加速度計芯片與其它芯片之間的互連更加靈活。

本發明所要解決的另一技術問題是提供一種工藝簡單的MEMS加速度計制造方法，采用硅-金屬-硅圓片級真空鍵合方法使得加速度計質量塊和支撐梁在制作過程中就被封裝在高真空的硅密閉空腔內，在器件性能得到提高的同時避免了圓片切割時對內部質量塊和支撐梁等可動結構的損傷。采用這種工藝制作的全硅加速度計能夠采用倒裝芯片封裝技術，不需引線鍵合，從而實現小尺寸封裝，并且與其它芯片的互連比較靈活，能夠滿足特定需求，成品率高，可以實現批量生產。

本發明采用如下技術方案：

一種電容式MEMS加速度計，包括依次設置的第一硅蓋板層、中間硅層和第二硅蓋板層，中間硅層包括硅框架、質量塊、支撐梁；第一硅蓋板層包括第一硅基底，在第一硅基底的一個面上形成第一槽、在第一槽所在的第一硅基底的面上形成第一絕緣層，在第一絕緣層上形成第一硅蓋板層金屬電極；第二硅蓋板層包括第二硅基底；在第二硅基底的一個面上形成第二槽、在第二槽所在的第二硅基底的面上形成第二絕緣層，在第二絕緣層上形成第二硅蓋板層金屬電極；其特征在于，所述中間硅層還包括第一硅島和第二硅島，所述硅島形成在硅框架的內部，并與硅框架通過間隙間隔開；其中第一硅島與第一硅蓋板層金屬電極接觸，第二硅島與第二硅蓋板層金屬電極接觸；第一硅蓋板層還包括在第一硅基底上形成的第一金屬電極通孔、第二金屬電極通孔和硅電極通孔，第一金屬電極通孔與第一硅島的位置相對應，第二金屬電極通孔與第二硅島的位置相對應；硅電極通孔與硅框架的位置相對應；每個通孔內壁有絕緣層，并充滿金屬導電材料。

第一硅蓋板層、中間硅層、第二硅蓋板層分別包括金屬鍵和區。

一種電容式MEMS加速度計的制造方法，其特征在于，包括以下步驟：

(1)形成第一硅蓋板層

在第一硅基底的一個面上形成第一槽、然后形成第一金屬電極通孔、第二金屬電極通孔和硅電極通孔；在第一槽所在的第一硅基底的面上形成第一絕緣層；然后在第一絕緣層上形成金屬鍵合區、和第一硅蓋板層金屬電極；在每個通孔內填充導電材料；