MEMS慣性傳感器優(yōu)勢解析：THELMA制程和低成本封裝方法

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)體的微致動器和加速計(jì)的厚外延層制程(THELMA)，如圖2 [3]所示。THELMA是一個非集成化的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。

這個制程的第一個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沉積一個多晶硅層(多晶硅層1)。在這個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(圖2b)。根據(jù)器件的設(shè)計(jì)，這個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PEVCD氧化層與2.5μm厚的熱二氧化硅構(gòu)成一個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。通過沉積、版圖和蝕刻工藝，制作一個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)。

意法半導(dǎo)體率先投入量產(chǎn)的低成本封裝方法是意法半導(dǎo)體慣性傳感器的主要特色之一。如前文所述，MEMS器件的封裝很可能是產(chǎn)品制程中最昂貴的環(huán)節(jié)。意法半導(dǎo)體的封裝方法是使用一個玻璃粉低溫晶圓級鍵合工藝，把慣性傳感器封閉在兩顆晶圓之間的密閉空腔內(nèi)，然后再使用一個格柵陣列(LGA)封裝平臺技術(shù)封裝芯片，意法半導(dǎo)體率先將這項(xiàng)封裝技術(shù)用于最后的器件封裝。在這個過程中，可以把單個的傳感器裸片放在半導(dǎo)體裸片的旁邊（并列結(jié)構(gòu)）或把傳感器裸片和半導(dǎo)體裸片相互堆疊放置（堆疊封裝），如圖3所。