專利名稱：微慣性傳感器及其制造方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明是涉及微慣性傳感器及其制造方法，如微回轉(zhuǎn)儀等微慣性傳感器包括用于下段結(jié)構(gòu)的元件晶片、用于上部結(jié)構(gòu)的蓋晶片以及它們之間的接合和配線結(jié)構(gòu)。本發(fā)明的目的在于提供比現(xiàn)有結(jié)構(gòu)更小型化，且能檢測上下方向運動的以新結(jié)構(gòu)構(gòu)成的微傳感器。
但是，如果采用該方法，因為上述硅層之間的熱膨脹系數(shù)不同而接合時就會導(dǎo)致彎曲。而且進行上述陽極接合時，則會導(dǎo)致由玻璃產(chǎn)生氧氣的脫氣現(xiàn)象。
為了改善這些眾多弊端，不是采用玻璃和硅層之間的陽極接合，而是采用了硅(Si)與金(Au)之間的共熔焊方式。如果采用上述共熔焊方式，接合面之間不會產(chǎn)生壓力，則可提高成品率，而且不排氣可以維持高真空狀態(tài)。因此，具有可以提高如回轉(zhuǎn)儀等慣性傳感器性能的優(yōu)點。
但是，如果采用這樣的共熔焊的傳統(tǒng)方法，在第一硅層上面須設(shè)置絕緣層，且在上述絕緣層上面又形成第二硅層之后形成圖樣、進行蝕刻，以形成檢測邊緣部、固定點、側(cè)面運動用結(jié)構(gòu)物，制造元件晶片。
另外，為了防止元件晶片在工藝過程中發(fā)生污染，且維持其密封狀態(tài)，在第三硅上面設(shè)置第一絕緣層，在上述第一絕緣層上面則設(shè)置導(dǎo)電配線之后，重新在上述導(dǎo)電配線上面又設(shè)置第二絕緣層，然后增設(shè)Cr/Au層，制造蓋晶片，并采用共熔焊方法將上述元件晶片與蓋晶片接合起來制造微慣性傳感器。
下面通過附圖詳細說明傳統(tǒng)的實施例。
圖1a至圖1f，為了說明采用傳統(tǒng)技術(shù)制造的元件晶片和通過設(shè)置蓋晶片制造微傳感器的封裝工藝而提供的示意圖；圖2是圖示在采用傳統(tǒng)技術(shù)制造的微傳感器的密封接合部上設(shè)置凹槽部，并已完成封裝的元件晶片和蓋晶片的接合狀態(tài)的正斷面結(jié)構(gòu)圖。
如圖1a所示，在厚度約500？的硅(110)上部插入氧化膜絕緣體(120)，而在微傳感器(130)設(shè)置在上部的硅元件晶片(140)的傳感器周圍則隔一定的距離設(shè)置內(nèi)部固定點(150)和外部固定點(160)。此時，在上述內(nèi)部固定點(150)和外部固定點(160)之間設(shè)置低熔點密封接合部(170)，以便使得微傳感器(130)在與蓋晶片(210)接合時得以封裝；且通過蝕刻除掉上述低熔點密封接合部(170)下段以形成凹槽部(300)。
采用上述方法制造的元件晶片(140)如圖1b所示，將除了其外部固定點(160)和內(nèi)部固定點(150)以及低熔點密封接合部(170)以外的絕緣體(120)則通過蝕刻處理得以除掉，最終就可以制造出元件晶片(140)。
在由一定厚度構(gòu)成的蓋晶片(210)的上部增設(shè)絕緣體(220)，以便與上述元件晶片(140)得以接合，在其上部則設(shè)置能使上述元件晶片(140)的內(nèi)部固定點(150)和外部固定點(160)分別得以連接的導(dǎo)電膜圖樣(230)。圖1c將表示這些導(dǎo)電膜圖樣。
此外，在上述導(dǎo)電膜圖樣(230)的上部將增設(shè)2次絕緣體(220′)，以保護導(dǎo)電膜；而在上述絕緣體(220′)、結(jié)構(gòu)(230)的上部則增設(shè)Cr/Au以形成圖樣。
另一方面，如圖1f所示，將連接在上述元件晶片(140)的外部固定點(160)的蓋晶片(210)的連接部外側(cè)進行蝕刻，以便于引線接合。此時，上述蝕刻作業(yè)須采用光敏抗蝕劑，以免Cr/Au受到影響。
如上所述，若元件晶片(140)和蓋晶片(210)制造完畢，如圖2所示，將蓋晶片(210)與元件晶片(140)加熱至400℃左右，并對其施加壓力，采用低熔點接合方法使Au得到熔融的同時封裝元件晶片(140)的微傳感器(130)，此時，Au因為帶有導(dǎo)電性質(zhì)，可以同時發(fā)揮接合和導(dǎo)電兩種作用。
此時，將上述元件晶片(140)和蓋晶片(210)進行低熔點接合時，在密封接合部(170)設(shè)置的凹槽部(300)的角部將匯集因為受到低熔點接合時的熱和壓力而熔融的Au-Si熔水，這有助于提高設(shè)置在上述元件晶片(140)上的慣性傳感器(130)的密封度。
但是，若采用上述的傳統(tǒng)方法，則不僅給尺寸的小型化設(shè)計帶來困難，而且制作過程變得復(fù)雜。即，若在硅(Si)層的上述外部固定點(160)上接通電源，則通過經(jīng)由絕緣層(220，220′)之間的配線與內(nèi)部固定點(150)得以連接，并且通過電容量的變化來檢測側(cè)面運動的變化。因此，為了從外部供應(yīng)電源，必須保留上述外部固定點(160)，為此，需要確保所需空間。
為了去除這樣的外部固定點，曾經(jīng)嘗試過在上述蓋晶片上設(shè)置孔以形成電極，而此時為了防止因凹割所致的影響，必須最大限度地設(shè)置較深的通孔，如果這樣，則會出現(xiàn)可能接觸經(jīng)由上述絕緣層之間的配線的危險。這樣，無法在所需的位置上開孔，從而對小型化設(shè)計帶來一定的難度。
為了實現(xiàn)上述目的，本發(fā)明將提供以如下內(nèi)容為特征的微慣性傳感器，它包括下玻璃基片；包括上述下玻璃基片上用來檢測第一邊緣和第一固定點以及側(cè)面運動檢測結(jié)構(gòu)物在內(nèi)的下硅層；包括分別對應(yīng)于上述下硅層的第一邊緣部、第一固定點及側(cè)面運動檢測結(jié)構(gòu)物的第二邊緣部、經(jīng)內(nèi)設(shè)金屬線的通孔接合的第二固定點以及上述側(cè)面運動檢測結(jié)構(gòu)物之間用來檢測垂直方向電容量的第二檢測用電極在內(nèi)的上硅層；在上述上硅層和下硅層之間共熔的接合層；位于上述上硅層上部，并具有設(shè)置金屬配線的通孔的上玻璃基片。
特別是，用于檢測側(cè)面運動的上述側(cè)面運動檢測結(jié)構(gòu)物由可向水平方向運動的結(jié)構(gòu)物和隨著結(jié)構(gòu)物的水平運動而檢測電容量變化的電極構(gòu)成。而且，上述上硅層的檢測用電極檢測垂直方向的電容量。
因此，按水平、垂直方向在x，y，z軸空間上可以構(gòu)成能檢測的慣性傳感器。
此外，為了本發(fā)明的優(yōu)選實施例，上述共熔接合層則通過Au-Si低共熔接合形成。
即，上述微慣性傳感器則通過SOG晶片構(gòu)成元件晶片和蓋晶片，從上述蓋晶片形成通孔，且在上述蓋晶片上設(shè)置上部檢測用電極，從而解決了現(xiàn)有電極配線難的問題，同時實現(xiàn)了小型化，而且可以檢測垂直方向的電容量。特別是，在本發(fā)明中不僅解決了采用傳統(tǒng)方式設(shè)置通孔時可能觸到電極配線的后顧之憂，而且還進一步完善了因凹割的影響有可能不會發(fā)生接點的弊端。除此之外，在SOG晶片上設(shè)置從玻璃板到硅層的通孔時，將使通孔延伸至硅層，使之與硅層得以連接，以確保供應(yīng)充分的工作電流。
另外，為了本發(fā)明的優(yōu)選實施例，上述元件晶片和蓋晶片則可以采用SOI晶片、LPCVD多晶硅或者Epi多晶硅。
在本發(fā)明中為了制造上述微慣性傳感器，按照下面工藝流程進行。
即，先形成元件晶片的工序，它包括首先在下玻璃基片上面設(shè)置下硅層，且在上述下硅層上為了設(shè)置由能夠向水平方向運動的結(jié)構(gòu)物和隨著運動能檢測電容量變化的電極構(gòu)成的用來檢測側(cè)面運動的結(jié)構(gòu)物、第一固定點以及第一接合用邊緣而進行蝕刻的階段；對作為犧牲層的上述下玻璃基片進行蝕刻的階段；在上述下硅層上另行增設(shè)接合用Au階段；其次，形成蓋晶片的工序，它包括在上玻璃基片上形成上硅層的階段；在上述上硅層上形成蓋的階段；在上述上硅層形成與上述元件晶片工藝中的第一固定點、第一邊緣以及能夠按水平方向運動的結(jié)構(gòu)物分別對應(yīng)的第二固定點和第二邊緣以及第二檢測用電極的階段；在上述上玻璃基片上設(shè)置通孔，其通孔延伸至上述第二固定點內(nèi)部；最后采用低共熔結(jié)合方式將上述元件晶片和蓋晶片粘合，并在上述通孔上增設(shè)導(dǎo)電層，進行導(dǎo)電配線工序。
作為本發(fā)明的另一個實施例，上述共熔焊所需的接合用Au，在形成結(jié)構(gòu)物之前，可事先通過制樣進行設(shè)置。
本發(fā)明中的另一個實施例，上述金屬配線在接合之前，在設(shè)置通孔之后事先可進行。


圖1a至圖1f是為了說明傳統(tǒng)技術(shù)的元件晶片和蓋晶片的微傳感器的封裝工程而提供的示意圖；圖2是圖示在采用傳統(tǒng)技術(shù)制作的微傳感器的密封接合部上形成凹槽部，并已完成封裝的元件晶片和蓋晶片的接合狀態(tài)的正斷面結(jié)構(gòu)圖；圖3是表示本發(fā)明所涉及的微感性傳感器的斷面的斷面圖；圖4是本發(fā)明所涉及的微慣性傳感器的蓋晶片結(jié)構(gòu)因素上硅層的平面圖；圖5是本發(fā)明所涉及的微慣性傳感器的元件晶片的構(gòu)成因素下硅層的平面圖；圖6是本發(fā)明所涉及的微慣性傳感器制作工程流程圖。
<對附圖主要符號的說明>
1下玻璃基片 1a，2a，4a邊緣1b，2b，4b固定部2下硅層2c結(jié)構(gòu)物2d用來檢測側(cè)面運動的電極3接合層 4上硅層4c上部檢測用電極5上玻璃基片5a通孔 6金屬配線如圖3所示，本發(fā)明所涉及的微慣性傳感器，由通過共熔焊的上硅層(4)和在上述上硅層(4)上設(shè)置的玻璃基片(5)構(gòu)成，它與犧牲層蝕刻的下玻璃基片(1)、在上述底座上設(shè)置的下硅層(2)和上述下硅層(2)以及接合層(3)相隔一定距離。
更具體介紹上述各個結(jié)構(gòu)，上述下玻璃基片(1)則可分為邊緣(1a)和固定點(1b)，中央部分則表示蝕刻的犧牲層空間部。
另外，在上述下玻璃基片上設(shè)置的下硅層(2)又可分為邊緣(2a)、固定點(2b)和側(cè)面運動檢測結(jié)構(gòu)物(2c)，邊緣(2a)和固定點(2b)以及結(jié)構(gòu)物(2c)則分別對應(yīng)于上述下玻璃基片(1)的邊緣(1a)和固定點(1b)以及中央蝕刻的犧牲層空間部。
為對應(yīng)于上述下硅層(2)的邊緣部(2a)、固定點(2b)以及結(jié)構(gòu)物(2c)而設(shè)置上硅層(4)的邊緣(4a)和固定點(4b)，而在上述固定點(4b)上方則設(shè)置了形成金屬配線(6)的通孔(5a)。
此時，上述下硅層的結(jié)構(gòu)物(2c)，由用來檢測垂直方向的電容量變化的上部檢測用電極形成另外層。圖4是表示這些相互對應(yīng)的上部電極的位置(4c)。另外，用來檢測上述下硅層結(jié)構(gòu)物(2c)的水平方向的電容量的側(cè)面檢測用電極(2d)，如圖5所示，在與上述下硅層結(jié)構(gòu)物(2c)相同的面上設(shè)置。最頂層則如圖3所示，由上玻璃基片(5)構(gòu)成，且以對應(yīng)于上述上硅層(4)的第一固定點(4a)的位置為中心，在兩側(cè)設(shè)置了“V”字型通孔(5a)，而其通孔延伸至第一固定點內(nèi)部。在這些通孔(5a)的上方則將設(shè)置金屬配線(6)。
下面將詳細介紹上述微慣性傳感器的制造過程。
圖6是表示本發(fā)明所涉及的微慣性傳感器的制造過程及其方法。
如圖6(A)至6(C)所示，首先在下玻璃基片(1)上面設(shè)置下硅層(2)，然后對上述設(shè)置的下硅層(2)進行蝕刻，并在其周圍將設(shè)置密封和接合所需的邊緣(2a)的同時，還設(shè)置固定點(2b)和結(jié)構(gòu)物(2c)，此時上述結(jié)構(gòu)物(2c)則采用RIE，以確保使之向水平方向運動。
對上述下玻璃基片(1)采用HF溶液進行犧牲層蝕刻，使結(jié)構(gòu)物(2c)成為懸浮于空中的釋放狀態(tài)。隨后，上述下硅層(2)將分離為邊緣(2a)、固定點(2b)和結(jié)構(gòu)物(2c)，而在其上方則另行增設(shè)接合用Cr/Au，從而形成接合層(3)。該工藝通常在犧牲層蝕刻之后進行，但可根據(jù)具體情況，在犧牲層蝕刻工藝之前，按其圖樣進行制作。
通過上述各個工序?qū)⑿纬稍?br> 與上述元件晶片形成工藝不同，將另外進行形成蓋晶片的工藝。在上玻璃基片(5)上設(shè)置上硅層(4)，且為了檢測上述元件晶片結(jié)構(gòu)物(2c)的上下運動而在上述上硅層(4)上設(shè)置蓋，并為使上述設(shè)置蓋的上硅層(4)在分別對應(yīng)于上述元件晶片的邊緣(2a)、固定點(2b)和結(jié)構(gòu)物(2c)的位置上形成邊緣(4a)、固定點(4b)而用RIE進行蝕刻并分離；而上述上部電極層(4c)則通過結(jié)構(gòu)物(2c)的垂直方向的相對運動檢測垂直方向的電容量。
此外，還進行在對應(yīng)于上述固定點(4b)的襯墊上從上玻璃基片(5)向下段方向設(shè)置″V″字型通孔(5a)的工藝。
對于經(jīng)過這些一系列工藝過程的上述元件晶片和蓋晶片，則采用共熔焊方式進行粘合，并在上述通孔上設(shè)置金屬配線(6)，從而可以制造本發(fā)明所涉及的微慣性傳感器。
若采用這些工藝，則可以解決如下弊端先設(shè)置SOG MEMS結(jié)構(gòu)物，當(dāng)作為慣性傳感器利用時，則制造結(jié)構(gòu)物之后，再用引線接合方式進行機殼封裝，而且在將傳感器的芯片進行切割或芯片接合的過程中因移動而會導(dǎo)致污染，從而降低成品率，且只靠機殼封裝難以用低價封裝較敏感于周圍環(huán)境的慣性傳感器的傳統(tǒng)技術(shù)的弊端。另外，用晶片級封裝技術(shù)取代這些機殼封裝技術(shù)，從而徹底清除了因切割和芯片接合所致的污染，而且在不受周圍環(huán)境影響的條件下可以封裝傳感器。此外，為了進一步提高及加強慣性傳感器和RF元件的性能，在真空環(huán)境中進行封裝，從而可以用低價制造出高性能元件。
同時，還具有無需進行設(shè)置電極所需的配線工序，從而可以實現(xiàn)小型化的優(yōu)勢。
在本發(fā)明中，在SOG MEMS結(jié)構(gòu)物的元件晶片上設(shè)置結(jié)構(gòu)物，并接合設(shè)置檢測電極和配線孔的SOG蓋晶片，從而實現(xiàn)晶片級的封裝效果。因此，不僅可以減少在工藝如dicing或機殼封裝過程中可能會發(fā)生的成品率減低的現(xiàn)象，而且還可以簡化工藝流程，實現(xiàn)小型化。
權(quán)利要求
1.一種微慣性傳感器，其特征在于它包括下玻璃基片；包括上述下玻璃基片上用來檢測第一邊緣和第一固定點以及側(cè)面運動檢測結(jié)構(gòu)物在內(nèi)的下硅層；包括分別對應(yīng)于上述下硅層的第一邊緣部、第一固定點及側(cè)面運動檢測結(jié)構(gòu)物的第二邊緣部、經(jīng)內(nèi)設(shè)金屬線的通孔接合的第二固定點以及上述側(cè)面運動檢測結(jié)構(gòu)物之間用來檢測垂直方向電容量的第二檢測用電極在內(nèi)的上硅層；在上述上硅層和下硅層之間共熔的接合層；位于上述上硅層上部，并具有設(shè)置金屬配線的通孔的上玻璃基片。
2.根據(jù)權(quán)利要求書1所述的微慣性傳感器，其特征在于用于檢測側(cè)面運動的上述側(cè)面運動檢測結(jié)構(gòu)物由可向水平方向運動的結(jié)構(gòu)物和隨著結(jié)構(gòu)物的水平運動而檢測電容量變化的電極構(gòu)成。
3.根據(jù)權(quán)利要求書1所述的微慣性傳感器，其特征在于上述上硅層的第二檢測用電極檢測垂直方向的電容量。
4.根據(jù)權(quán)利要求書1所述的微慣性傳感器，其特征在于上述共熔的接合層是通過Au-Si低共熔結(jié)合方式形成。
5.根據(jù)權(quán)利要求書1所述的微慣性傳感器，其特征在于上述通孔從上玻璃基片上部延伸至上硅層的第二固定點內(nèi)部。
6.一種微慣性傳感器的制造方法，其特征在于它包括先形成元件晶片的工序，它包括首先在下玻璃基片上面設(shè)置下硅層，且在上述下硅層上為了設(shè)置由能夠向水平方向運動的結(jié)構(gòu)物和隨著運動能檢測電容量變化的電極構(gòu)成的用來檢測側(cè)面運動的結(jié)構(gòu)物、第一固定點以及第一接合用邊緣而進行蝕刻的階段；對作為犧牲層的上述下玻璃基片進行蝕刻的階段；在上述下硅層上另行增設(shè)接合用Au階段；其次，形成蓋晶片的工序，它包括在上玻璃基片上形成上硅層的階段；在上述上硅層上形成蓋的階段；在上述上硅層形成與上述元件晶片工藝中的第一固定點、第一邊緣以及能夠按水平方向運動的結(jié)構(gòu)物分別對應(yīng)的第二固定點和第二邊緣以及第二檢測用電極的階段；在上述上玻璃基片上設(shè)置通孔，其通孔延伸至上述第二固定點內(nèi)部；最后采用低共熔結(jié)合方式將上述元件晶片和蓋晶片粘合，并在上述通孔上增設(shè)導(dǎo)電層，進行導(dǎo)電配線工序。
7.一種微慣性傳感器，其特征在于它包括下基片；包括設(shè)置在同一面的在上述下基片上用來檢測第一邊緣和第一固定點以及水平方向電容量的側(cè)面檢測用電極在內(nèi)的結(jié)構(gòu)物由下硅層構(gòu)成的元件晶片；包括分別對應(yīng)于上述下硅層的第一邊緣部、第一固定點及結(jié)構(gòu)物的第二邊緣部、第二固定點以及上述結(jié)構(gòu)物之間用來檢測垂直方向電容量的上部檢測用電極在內(nèi)的上硅層；位于上述上硅層上部，并具有設(shè)置金屬配線的通孔的包括上基片的蓋晶片；在上述上硅層和下硅層之間共熔的接合層。
8.根據(jù)權(quán)利要求書7所述的微慣性傳感器，其特征在于上述通孔從上玻璃基片延伸至上硅層的固定點內(nèi)部。
9.根據(jù)權(quán)利要求書7所述的微慣性傳感器，其特征在于上述的下基片和上基片采用玻璃制成。
10.根據(jù)權(quán)利要求書7所述的微慣性傳感器，其特征在于上述通孔從上述上基片延伸至于上硅層內(nèi)部，并呈“V”字型，同時形成導(dǎo)電性金屬膜。
11.根據(jù)權(quán)利要求書7所述的微慣性傳感器，其特征在于上述元件晶片和上述蓋晶片是采用硅涂覆于玻璃上的SOG晶片。
12.根據(jù)權(quán)利要求書7所述的微慣性傳感器，其特征在于上述元件晶片和上述蓋晶片是采用硅涂覆于絕緣層上的SOI晶片。
13.根據(jù)權(quán)利要求書7所述的微慣性傳感器，其特征在于上述元件晶片和上述蓋晶片是采用LPCVD多晶硅晶片。
14.根據(jù)權(quán)利要求書7所述的微慣性傳感器，其特征在于上述元件晶片和上述蓋晶片是采用Epi多晶硅晶片。
全文摘要
本發(fā)明將提供以如下內(nèi)容為特征的微慣性傳感器，它包括下玻璃基片；包括上述下玻璃基片上用來檢測第一邊緣和第一固定點以及側(cè)面運動檢測結(jié)構(gòu)物在內(nèi)的下硅層；包括分別對應(yīng)于上述下硅層的第一邊緣部、第一固定點及側(cè)面運動檢測結(jié)構(gòu)物的第二邊緣部、經(jīng)內(nèi)設(shè)金屬線的通孔接合的第二固定點以及上述側(cè)面運動檢測結(jié)構(gòu)物之間用來檢測垂直方向電容量的第二檢測用電極在內(nèi)的上硅層；在上述上硅層和下硅層之間共熔的接合層；位于上述上硅層上部，并具有設(shè)置金屬配線的通孔的上玻璃基片。此外，在本發(fā)明中提供了微慣性傳感器制造方法，本發(fā)明的目的在于實現(xiàn)產(chǎn)品的小型化和工藝的簡化上。
文檔編號G01P9/04GK1447093SQ0310100
公開日2003年10月8日 申請日期2003年1月6日 優(yōu)先權(quán)日2002年3月27日
發(fā)明者安承道, 金京洙, 曹智萬 申請人:三星電機株式會社