MEMS惯性传感器THELMA制程和封装方法

　　意法半导体公司推出一系列惯性传感器，极具诱惑力的价格配合卓越的产品性能，让意法半导体迅速扩大了在消费电子MEMS传感器市场的份额。公司在MEMS技术特性上实现了两全其美：更小尺寸、更低价格、更高性能、更多功能(技术推动)与更具创新力的设计方法(设计推动的创新)，使最终的MEMS器件更适合消费电子市场的需求[1]。这个战略已经取得巨大成功，意法半导体因此而迅速崛起，成为世界最大的MEMS器件制造商。目前意法半导体的MEMS产品被世界知名的消费电子产品选用，如任天堂的Wii游戏机、苹果的iPhone手机和iTouch播放器以及其它产品[2]。例如，任天堂的Wii游戏机的遥控器“魔棒”(图1a)使用意法半导体的惯性传感器检测玩家的动作，如打网球、高尔夫球或其它游戏，使玩家能够沉浸在游戏之中并参与屏幕上的人物运动。这个功能促使先进的计算机游戏取得巨大飞跃，从纯粹的被动活动转化为令人兴奋的主动的游戏参与者。同样地，苹果的iPhone采用意法半导体的MEMS传感器检测手持通信设备相对于用户视野的方向，然后相应地调整屏幕的显示方向(横向或纵向)，从而为用户提供更多的使用灵活性和功能 (图1b)。

　　图 1:这两张图片中的产品采用意法半导体的惯性传感器技术，在消费电子产品中为客户提供全新的功能(来源:iSuppli市调公司)。

　　意法半导体的MEMS惯性传感器基于意法半导体的微致动器和加速计的厚外延层制程(THELMA)，如图2 [3]所示。THELMA是一个非集成化的MEMS制造程，比多晶硅表面微加工制程略复杂，但是拥有独特的优点，准许实现较厚的结构，这对电容式惯性传感器极其有用。虽然THELMA制程用于实现电容式惯性传感器，但是这项技术非常灵活，还可以用于制造加速计、陀螺仪和其它的MEMS器件。

　　图 2:意法半导体用于制造惯性传感器的THELMA制程工艺。

　　这个制程的第一个步骤是在晶圆上生成一层2.5μm厚的热二氧化硅(图2a)。第二步是用LPCVD沉积一个多晶硅层(多晶硅层1)。在这个多晶硅层上做版图然后蚀刻，制成埋入式电连接结构，用于传感器向外部传递电位和电容信号(图2b)。根据器件的设计，这个多晶硅层还可用于制造薄多晶硅微加工器件的结构层。然后，用PECVD沉积一层1.6μm厚的二氧化硅层。这个PEVCD氧化层与2.5μm厚的热二氧化硅构成一个4.1μm厚的复合氧化层，用作THELMA制程中的牺牲层。然后，在PECVD沉积氧化物层上做版图和蚀刻，用作厚多晶硅器件的锚定区，稍后制成锚定组件(图 2c)。下一步，用外延沉积法沉积一层厚多晶硅 (图2d)。这个层的厚度可以根据器件设计做相应的调整，厚度范围是15μm到50μm。通过沉积、版图和蚀刻工艺，制作一个连接传感器的金属导电层(图2e)。随后，用深反应离子蚀刻方法(DRIE)在厚多晶硅层上做图和蚀刻，一直到底部的氧化层(图2f)。DRIE方法准许在厚多晶硅层上制作纵横比很大的结构。最后用氢氟酸蒸汽去除牺牲层，释放多晶硅结构层(图2f)。

　　图 3:意法半导体的两种惯性传感器封装结构:(左) 并列封装;(右)芯片堆叠封装。