MEMS慣性傳感器THELMA制程和封裝方法

　　意法半導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品性能，讓意法半導體迅速擴大了在消費電子MEMS傳感器市場的份額。公司在MEMS技術特性上實現了兩全其美：更小尺寸、更低價格、更高性能、更多功能(技術推動)與更具創新力的設計方法(設計推動的創新)，使最終的MEMS器件更適合消費電子市場的需求[1]。這個戰略已經取得巨大成功，意法半導體因此而迅速崛起，成為世界最大的MEMS器件制造商。目前意法半導體的MEMS產品被世界知名的消費電子產品選用，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)使用意法半導體的慣性傳感器檢測玩家的動作，如打網球、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采用意法半導體的MEMS傳感器檢測手持通信設備相對于用戶視野的方向，然后相應地調整屏幕的顯示方向(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:這兩張圖片中的產品采用意法半導體的慣性傳感器技術，在消費電子產品中為客戶提供全新的功能(來源:iSuppli市調公司)。

　　意法半導體的MEMS慣性傳感器基于意法半導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雜，但是擁有獨特的優點，準許實現較厚的結構，這對電容式慣性傳感器極其有用。雖然THELMA制程用于實現電容式慣性傳感器，但是這項技術非常靈活，還可以用于制造加速計、陀螺儀和其它的MEMS器件。

　　圖 2:意法半導體用于制造慣性傳感器的THELMA制程工藝。

　　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構，用于傳感器向外部傳遞電位和電容信號(圖2b)。根據器件的設計，這個多晶硅層還可用于制造薄多晶硅微加工器件的結構層。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厚的熱二氧化硅構成一個4.1μm厚的復合氧化層，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，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器件設計做相應的調整，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電層(圖2e)。隨后，用深反應離子蝕刻方法(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方法準許在厚多晶硅層上制作縱橫比很大的結構。最后用氫氟酸蒸汽去除犧牲層，釋放多晶硅結構層(圖2f)。

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