意法半導(dǎo)體THELMA制程和低成本封裝方法

意法半導(dǎo)體公司推出一系列慣性傳感器，極具誘惑力的價格配合卓越的產(chǎn)品性能，讓意法半導(dǎo)體迅速擴大了在消費電子MEMS傳感器市場的份額。公司在MEMS技術(shù)特性上實現(xiàn)了兩全其美：更小尺寸、更低價格、更高性能、更多功能(技術(shù)推動)與更具創(chuàng)新力的設(shè)計方法(設(shè)計推動的創(chuàng)新) ，使最終的MEMS器件更適合消費電子市場的需求[1]。

這個戰(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電子產(chǎn)品選用，如任天堂的Wii游戲機、蘋果的iPhone手機和iTouch播放器以及其它產(chǎn)品[2]。例如，任天堂的Wii游戲機的遙控器“魔棒”(圖1a)使用意法半導(dǎo)體的慣性傳感器檢測玩家的動作，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動。這個功能促使先進的計算機游戲取得巨大飛躍，從純粹的被動活動轉(zhuǎn)化為令人興奮的主動的游戲參與者。同樣地，蘋果的iPhone采用意法半導(dǎo)體的MEMS傳感器檢測手持通信設(shè)備相對于用戶視野的方向，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，但是擁有獨特的優(yōu)點，準(zhǔn)許實現(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制程用于實現(xiàn)電容式慣性傳感器，但是這項技術(shù)非常靈活，還可以用于制造加速計、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，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。

在堆疊結(jié)構(gòu)中，先用膠合膜將傳感器裸片焊到一個表面積很大的基片上(圖4)。半導(dǎo)體裸片和MEMS裸片堆疊放置可使封裝變得很小(圖5)。使用絲焊方法連接兩顆裸片的電觸點，然后，再用注塑封裝技術(shù)封裝裸片。這種封裝方法可以在大面積的基片完成，因此成本相對較便宜。封裝應(yīng)力特別是粘接和注塑過程產(chǎn)生的應(yīng)力曾經(jīng)是這項封裝技術(shù)的一大挑戰(zhàn)，意法半導(dǎo)體成功地解決了這個難題。圖6描述了意法半導(dǎo)體的超緊湊型線性加速計封裝的進化歷程，線性加速計廣泛用于消費電子產(chǎn)品。

圖 2:意法半導(dǎo)體用于制造慣性傳感器的THELMA制程工藝

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

圖 4:意法半導(dǎo)體的的低成本薄型MEMS慣性傳感器封裝。

圖 5:在采用注塑封裝方法前利用絲焊方法把半導(dǎo)體芯片與下面的MEMS傳感器裸片連接在一起的堆疊結(jié)構(gòu)的SEM圖像。

圖 6:意法半導(dǎo)體慣性傳感器封裝的進化歷程圖

參考文獻

[1] B. Vigna, “MEMS Epiphany,” MEMS 2009 Conference, Sorrento Italy, January
26, 2009.
[2] Source, iSuppli Corporation, See: http://www.isuppli.com
[3] B. De Masi and S. Zerbini, “Process builds more sensitive structures,” EE Times, November 22, 2004.