[发明专利]一种电容式MEMS加速度计及制造方法

说明书

技术领域

本发明涉及一种微电子机械系统(MEMS)器件及其制造技术，尤其涉及一种电容式MEMS加速度计及其制造方法。

背景技术

MEMS加速度计是MEMS惯性系统中不可缺少的环节，当前应用于多个领域。MEMS加速度计工作原理主要有电容式和压阻式两种，其中压阻式加速度计存在精度低、温度特性差等缺点，应用领域受限。电容式加速度计主要采用梳齿式和“三明治”式两种方案。梳齿式加速度计主要存在以下几个问题：敏感结构的敏感轴和非敏感轴的机械强度差别不大，加速度计的非敏感轴灵敏度难以抑制；敏感轴方向不能提供具有足够机械强度的保护结构，加速度计的抗冲击能力不足；梳齿结构电容输出值较小，对外界加速度的敏感度较低，因此梳齿式加速度计主要适用于消费领域等要求不高的环境。“三明治”式MEMS加速度计的质量块大，敏感电容值大，精度相对较高。

“三明治”式MEMS加速度计一般采用玻璃-硅-玻璃三层结构，玻璃和硅需要在高温环境中才能键合，尽管采用键合用玻璃，但与硅的热膨胀系数还是有差别，制作出的器件存在残余热应力；玻璃-硅键合还必须加高电压，加速度计的质量块在高电场中极易发生偏移，导致静态电容值发生变化，降低器件的性能。“三明治”式MEMS加速度计制作时需将上、下电容电极与硅电极引出，然而传统的玻璃-硅-玻璃三层结构的MEMS加速度计在制造过程中由于无法将上、下玻璃的金属电极和硅电极在同一硅面引出，不能进行硅片-玻璃片圆片级键合，而是按照结构要求将圆片切割成很多独立的小芯片，并对每个小芯片分别进行硅-玻璃键合，而且一直无法解决如何将这种硅片上、下两面都有电极的键合芯片封装在管壳内的难题，生产效率和器件成品率非常低，性能重复性差。

如图7所示为传统MEMS加速度计的封装形式，利用胶707将加速度计芯片701贴在管壳702的腔体内，芯片701上的焊点703通过金属丝704利用引线键合工艺连接在管壳的键合指705上，最后用盖板706将管壳702的腔体密封，完成封装。采用传统的引线键合技术进行封装，当加速度计用于引出电极的通孔超过一定深度时，引线键合的工艺难度会增加，并且成品率及可靠性显著降低；返修难度较大、灵活性差。

发明内容

本发明所要解决的技术问题是提供一种电容式MEMS加速度计，能够将加速度计的所有电极在同一硅面引出，实现了加速度计的圆片级键合，并且可以采用倒装芯片技术进行封装，改变引线键合低可靠性和低生产率的不利状况，能够实现芯片级尺寸封装，并且可以使加速度计芯片与其它芯片之间的互连更加灵活。

本发明所要解决的另一技术问题是提供一种工艺简单的MEMS加速度计制造方法，采用硅-金属-硅圆片级真空键合方法使得加速度计质量块和支撑梁在制作过程中就被封装在高真空的硅密闭空腔内，在器件性能得到提高的同时避免了圆片切割时对内部质量块和支撑梁等可动结构的损伤。采用这种工艺制作的全硅加速度计能够采用倒装芯片封装技术，不需引线键合，从而实现小尺寸封装，并且与其它芯片的互连比较灵活，能够满足特定需求，成品率高，可以实现批量生产。

本发明采用如下技术方案：

一种电容式MEMS加速度计，包括依次设置的第一硅盖板层、中间硅层和第二硅盖板层，中间硅层包括硅框架、质量块、支撑梁；第一硅盖板层包括第一硅基底，在第一硅基底的一个面上形成第一槽、在第一槽所在的第一硅基底的面上形成第一绝缘层，在第一绝缘层上形成第一硅盖板层金属电极；第二硅盖板层包括第二硅基底；在第二硅基底的一个面上形成第二槽、在第二槽所在的第二硅基底的面上形成第二绝缘层，在第二绝缘层上形成第二硅盖板层金属电极；其特征在于，所述中间硅层还包括第一硅岛和第二硅岛，所述硅岛形成在硅框架的内部，并与硅框架通过间隙间隔开；其中第一硅岛与第一硅盖板层金属电极接触，第二硅岛与第二硅盖板层金属电极接触；第一硅盖板层还包括在第一硅基底上形成的第一金属电极通孔、第二金属电极通孔和硅电极通孔，第一金属电极通孔与第一硅岛的位置相对应，第二金属电极通孔与第二硅岛的位置相对应；硅电极通孔与硅框架的位置相对应；每个通孔内壁有绝缘层，并充满金属导电材料。

第一硅盖板层、中间硅层、第二硅盖板层分别包括金属键和区。

一种电容式MEMS加速度计的制造方法，其特征在于，包括以下步骤：

(1)形成第一硅盖板层

在第一硅基底的一个面上形成第一槽、然后形成第一金属电极通孔、第二金属电极通孔和硅电极通孔；在第一槽所在的第一硅基底的面上形成第一绝缘层；然后在第一绝缘层上形成金属键合区、和第一硅盖板层金属电极；在每个通孔内填充导电材料；