专利名称：垂直集成的mems的制作方法
垂魏成的MEMS
背景技术：
微机电系统(MEMS)装置是微机械和微电子系统的组合。一些MEMS装置可包括由导线连接在一起的两个芯片，可會^隹以实现这两个芯片之间的期望对准。
附图示出了本系统和方法的多种实施例并且是说明书的一部分。示出的实
施例只是本系统和方法的示例，并不限制本公开的范围。
图1示出了根据一个示范性实施例的双层单芯片MEMS装置的顶视图。
图2示出了沿图1中的截面2-2所取的该MEMS装置的横截面图。
图3为示出根据一个示范性实施例的形成MEMS装置的方法的流程图。
图4A为根据一个示范性实施例的MEMS装置的侧视图。
图犯为根据一个示范性实施例的MEMS装置的侧视图。
图4C为根据一个示范性实施例的MEMS装置的仰视图。
图5为根据一个示范性实施例的由绝缘体上硅(silicon on insulator)晶片形
成的MEMS装置的侧视图。
在附图中，同样的附图标记表示类似的但可能不等同的元件。
具体实施例方式
本说明书公开了一种用以形成微机电系统(MEMS)换能器的示范性系统和方法。根据本文公开的一个示范性实施例，该MEMS换能器由两个晶片形成，并且消除了挠性件(flexure)和检测质量(proofmass)的厚度之间的相互影响，从而允许每一个被独立地设计。另外，本示范性的系统和方法亥触晶片的全部两侧以限定检测质量和挠性件，从而允许顶部晶片和底部晶片的光学对准。下面^^供本MEMS换能器系统和方法的更多细节。
在公开和描述本系统和方法的特定实施例之前，应当理解，本系统和方法并不局限于此处公开的特定工艺和材料，因为这些在一定程度上可以变化。同样应当理解，本文{柳的术语是为了描述特定实施例而不打算是限制性的，因为本系统和方法的范围将由随附的权禾腰求书及其等同物限定。
在本说明书和随附的权利要求书中使用的术语"检测质量"应当被宽泛地
理解为包含测量，或机器(如加速度测量设备)中^吏用的任何预定的惯性质
量，其用作要测量的量的基准质量。
在以下的描述中，为了解释的目的，阐述了大量的具体细节，以便提供用
于形成微机电系统(MEMS)换能器的本系统和方法的透彻理解。然而，对于本领域技术人员显而易见的是，可以实施本方法而无需这些具体细节。本说明书中蹈啲"一个实施例"或"实施例"意味着关于该实施例描述的特定特征，结构或者特性包含在至少一个实施例中。在本说明书中不同地方出现的短语"在一个实施例中"可能指的是不同的实施例。
示范性结构
图1和图2示出根据一个示范性实施例的MEMS装置(100)的不同视图。具体地，图1示出MEMS装置(100)的顶视图，而图2示出该MEMS装置的沿图l的截面2-2所取的横截面图。如图2所示，该MEMS装置通常包括定位在下晶片(120)之上的上晶片(110)。材树135)将这两个晶片(110,120)结合在一起以形成单一芯片。如下面详细描述的，图示的双晶片配置可以提供提高的处理速率并且允许若干设计和制皿处。
图1详细示出根据一个示范性实施例的上晶片(110)的顶视图。如图所示，上晶片(110)包括固定(anchoring)部併125)和可移动部併130)。多^f禺合1^(140)位于上晶片(110)的外围周围使得耦合块(140)位于固定部分(125)和可移动部分(130)之间。如图1中所述，在耦合與140)和可移动部併130)之间以及耦合±^(140)和固定部併125)之间形成了间隙。
多个第一挠性辨145)将上晶片(110)的可移动部併130)耦合到耦合i^(140)。此外，例如图示的第二挠性辨150)的其他任何数量的挠性件能将耦合與140)耦合到固定部併125)。图示结构允许上晶片(110)的可移动部浙130)平行于x轴和y轴两者移动。
现在转到图2，示出了沿图1的截面2-2所取的该MEMS装置的横截面图。如图所示，为了示出MEMS装置(100)的所有特征，材茅巩135)被示出为明显厚于晶片。显而易见的是，材料(135)和上下晶片(110， 120)的厚度可以具有除图2所示的比例以外的比例。在一个示范性实施例中，根据一个示范性实施例，位于上晶片(110)和下晶片(120)之间的材料(135)的厚度近似等于这些晶片之间的间隙。根据一个示范性实施例，材秋135)的厚度可以约为0.1-10 。此外，上晶片和下晶片(110,120)的厚度可以在大约300-725 '1^t间。MEMS换能器的制凝可能在MEMS装置(100)的上表面上形成腔(160)。根据一个示范性实施例，在MEMS换能器的形成过程中，可选择性地限定该敏160)。根据一个示范性实施例，该腔(160)可存在于真空中(existinavacuum)。
虽然上述MEMS装置(100)被描述并示出为包括两个耦合的晶片，但是根据本示范性系统和方法，也可以IOT任何数量的晶片来形成MEMS装置。根据一个可选实施例，第三晶片可以结合到图1和图2所示的MEMS装置的背表面以密封得到的结构，该第三晶片可以由多种材料制成，包括但决不限于玻璃、塑料、硅或类似的材料。可选地，任何数量的保护性未加工表面可用于密封该MEMS装置。得到的MEMS装置然后可以被密封在封装中。
另外，形成本示范性MEMS装置的两个或更多个晶片的使用和形成允许使用替代的晶片结构。具体地，根据一个示范性实施例，上晶片(410)可以由绝缘体上硅(SOI)衬底形成，如图5所示。具体地，由SOI衬底形成上晶片的能力对挠性件和腔的形成提供了更好的控制。如图5所示，该SOI衬底的绝缘体层(500)可被用作刻蚀该衬底的导板(guide)。因此，挠性辨440)的厚度及挠性件边缘可以通过绝缘体层(500)的定位容易地建立。特别地，根据一个示范性实施例，得到的挠性辨440)的高度由SOI衬底上的顶部硅的高度限定，而检测质量(430)的高度由顶部硅的高度和已加工的操作晶片(handle wafer)的高度限定。
另外，如图5所示，亥iMJ:晶片(410)的背面可在检测质量(430)上方产生腔(510)。控制背腔的大小的能力允许增大检测质量(430)的质量以及齡MEMS封装的容积的设计，其可用于针对MEMS封装内的压力进行设计。特别地，根据一个示范性实施例，腔(510)的x-y面积可以扩张为大于检测质量(430)的x-y面积，从而导舰于给定的腔深度在检测质量(430)下具有更大的容积，并且因而有助于控制检测质量的阻尼。另外，根据一个示范性实施例，控制背腔的能力藉由通过深槽来働空与外部封装容积M而允许用于吸气剂(getter)的增大的表面面积和容积，所述外部封装容积可以具有更大的表面面积。形成MEMS换能器装置的一个示范性方法将在下文中更详细地描述。示范性形成
图3是示出根据一个示范性实施例的形成MEMS换能器装置的方法的流程图。如图3所示，该方法开始于形成第一晶片(步骤300)。根据一个示范性实施例，第一晶片的形成可以包括对第一晶片的第一侧进行图案化以在其中形成特征(feature)。对晶片图案化可以包括但决不限于光亥岐、压印光刻、激光烧蚀、激光退火，微接触印刷、喷墨印刷，开槽，显微机械加工等。
根据一个示范性实施例，通过上述工艺形成的特征可以包括任何数量的部件的形成，所述部件包括但决不限于挠性件和/或一个或多个可移动部分。齡可移动部分的相对尺寸与该可移动部分的检测质量对应。如此处所用的以及在随附的权利要求书中，术语"检测质量"应当被宽泛地解释为包含测量装置或机器(如加速度测量设备)中用作要测量的量的基准质量的任何预定的惯性质量。每一个可移动部分的检测质量可舰调整该检测质量的厚度和表面面积而独立地改变。厚度的改变可以通过使用目前可用或将来发展的任何合适的方法磨削和域嫩ij晶片来实现。调整表面面积也可以包括但不限于图案化、蚀刻、开槽或微机W口工。
改变检测质量的厚度对于合适的功能性可能是重要的。例如，可能希望形成分开的可移动部分，以分别检测相对于x—y平面以及平行于z轴的移动。根据这样的方法，#^可移动部分可具有预定的质量。每一个可移动部分的质量可以是不同的，从而使得对于给定的管芯(die)面积，可以3拉i鹏择对于x—y平面和z平面中移动的灵敏度，如同一MEMS换能器装置内所希望的，从而选择性地增强灵敏。
根据本示范性实施例，使用多个晶片形成MEMS换能器装置允许刻蚀或者以其它方式修改晶片的两侧。例如根据一个示范性实施例，在第一晶片中形成挠性件包括通过从该晶片的第一侦懒除材料来限定该挠性件；以及进一步从该晶片的第二侧移除材料来释放该挠性件。根据一个实施例，从，二侧移除材料的步骤可以在多个晶片被结合后再执行，如下面将进一步详述的。
第一晶片的形成进一步包括在每个可移动部分上形成一个或多个电活性(active)板。这可以iOT任意数量的沉积禾口域图案化工艺来执行，所^T艺包括但不限于真空沉积工艺、旋涂工艺、帘涂工艺、喷墨涂覆工艺等。例如，根据一个示范性实施例，第一晶片的第二侧上可形成有电路和/或部件，所述第二侧与第一侧相对定位。这些电活性板可以用作电极板或其他电部件，如以下更详细介绍的。此外，可移动部分的形成可以包括与其形成电路，所述电路耦合
到电极板并且配置为耦合到得到的MEMS换能器装置的其他部件。可以使用任一前述方法对电活性板图案化，但并不限于这些方法。电路的形成可以使用任意数量的目前可用劍每来发展的适当方法来完成。
如上所述，本示范性方法还包括第二晶片的形爽310步徵。根据一个示范性方法，第二晶片的形成包括形成包含但不限于电部件(如电极和/或电路)的晶片。根据一个示范性实施例，在第二晶片上形成的电路被KS成mffi孔(490)等电耦合到第一晶片中的电路。此外，为了电耦合第一和第二晶片，本示范性方》跑含对准和耦合第一和第二晶片(步骤320)。传统地，将一个或多个晶片与
识别的目标对准通常涉及^ffl复杂精密的机器，例如对准器。进行对准工艺，使得第一晶片和第二晶片中的电极板相对于彼 准。在进行对准之前，结合材料可以被沉积在第一晶片的表面上。该结合材料可以是粘合剂、或电介质，但并不限于这些，该结合材料为MEMS装置提供真空密封(hermetic seal)。如这里使用的以及在随附的权利要求书中，术语"粘合剂"应被宽泛地解释为包括可用来接合多个衬底的任何东西，包括但绝不限于胶、焊料、化学键合、等离子体结合、共晶结合(eutectic bonding)等。 一旦晶片己经被对准和耦合，每个晶片上的电极板相对于彼此初始对准。然后可以监控上晶片的可移动部分的相对移动，以检测x-y平面中和或平行于z轴的移动，如现在将更详细讨论的。
尽管可以用对准器将目前形成的第一和第二衬底机械对准，本示范性形成方法也提供第一和第二晶片的光学对准。具体而言，根据一个示范性实施例，从第一晶片的第一侧和第二侧都移除材料允许ffi31第一晶片的光学可视路径。因此，在形成过程中可以使用光学方法检查第一相关晶片的物理对准。 一旦如上所述被对准并物理耦合，MEMS换能器可被用来测量。
图4A4B示出了根据本示范性系统和方法的实施例的示范性MEMS换能器装置(400)的横截面，该MEMS换能器装置合并了图1和图2所示的MEMS装置(100)中的许多特征。具体地，图4A4B进一步详细示出了MEMS换能器装置(400)的电路。参照图4A，该MEMS换能器，包括上晶片(410)和下晶片(420)。如上所述，该MEMS换能器装置(400)被配置成j顿电容器板或电纟棘检测移动，检测上晶片(410)的可移动部饼430)的移动。依赖于本系统的设计，挠性ft(440)允许可移动部併430)响应于外力在x， y或z方向中的一个或多个方向上移动。为了简便和便于说明，示意性地并且一般t标出了挠性辨440)。上晶片(410)定位在下晶片(420)上方，并用粘合剂材秋450)与其连接。根据所示的示范性实施例，晶片(410， 420)被结合并密封以形成单一芯片。
图4A4B所示的本示范性MEMS换能器装置(400)包括在上晶片(410)的可移动部分(430)的下表面上的电极(460)。电极(465)和(470)是在下晶片(420)的上表面上的相对定位的电极。随着可移动部併430)的摇摆(agitate),上晶片(410)上的电树460)和下晶片(420)上的电銜465)及(470)之间的重叠发生改变，从而导致电敬460，465和470)之间的电容发生变化。通，测电容的变化，MEMS换能器^g(400)在x和/或y方向上的移动随后被检测到。将监测通过该至少一个通孔提供纟^A电路。
根据一个示范性实施例，等式1可用来计算电极之间的电容变化，其中e表示介电常数
C=( e A)/d 等式(l)在等式l中，A为电极之间在x和y方向上的重叠面积，d为电极之间在z方向上的距离。使用等式1来计算电极之间的电容变化在Hartwdl等的题为"Three-Axis Motion Detector"的美国专利No.6504385)中有描述，该专利的全部内 此引入以供参考。
使用图4B所示的另一组电极也可以确定z方向上的移动。根据一个示范性实施例，这些电极耦合到该MEMS换能器装置的第二可移动部分。提供图4B所示的位于可移动部分(430)上的电极(475)和位于下晶片(420)上的电极(480)来确定z方向上的移动。根据一个示范性实施例，位于可移动部分(430)上的上电銜475)可具有较短的长度，而位于下晶片(420)上的电极(480)可延伸可移动部分(430)的长度从而使得电极(475， 480)之间的重叠不改变。因此，电极(W》和(480)之间的检观倒的电容的任何变化基本上是由z方向上的移动造成的。
特别地，根据图4C示出的一个示范性实施例，上电极(475)可以包括多个电极(475A， 475B)。根据一个示范性实施例，本示范性系统和方法的z轴加速度计评估上电极(475)的这两侧(4"A， 4"B)之间的相对于下电极(化0)的差分距离。
此外，再参考图4B，可以按照需要形成与检测z方向上的移动相关联的可移动部併430)的厚度，该厚度基本上与和检测x—y平面上的移动相关的可移动部併430)的厚度无关。从而，与传统的单晶片电容性MEMS换能器相比，本发明的双晶片结构允许可移动部分(430)在x， y或z方向上具有更大的惯性质量分
布。而且，该装置的x—y灵敏度和z灵敏度也可以被独立ite择和控制。
图4A4B中所示的换能器电子器辨485)可包括但决不限于一个或多个电路，所述电路用来检测对应的电极(460， 465， 470， 475和480)之间的电容的变化。根据图4B所示的一个示范性实施例，通逝顿通 L(490)将可移动部併430)上的电极(460， 4")连接到换能器电子器件(485)。来自电极(460， 4")的信号经M L(490)传递到换能器电子器件(485)。例如，根据一个示范性实施例，电信号可以MM孔(490)从上晶片(410)上的电路(未示出)传送到下晶片(420)上的电路(未示出)，反之亦然。财卜，例如沿挠性辨440)延伸的导体(未示出)可以用来将上晶片(410)的可移动部併430)上的电路与通 L(490)连接。在，的M实施例中，根据MEMS装置的设计， 一个或多个电路和电极可用在可选实施例中。此外，这里所述的电路可包括但决不限于无源部fK例如电容器，电阻
器，电感器，电极等)、以及有源元fK例如晶体管荀或者无源部件和有源部件
的组合。这里将电极(460， 465， 470， 475和480)示出为设置在上晶片和下晶片(410和420)的表面上。然而，包括有源和/^6源部件的电路可以设置在这些表面的任一个上。另外，电路可以包括位于一个以上的晶片上的部件。
根据一个示范性实施例，换能器电子器#(485)还连接到下晶片(420)上的电极(465， 470)。因此，换能器电子器辨485)可操作以检测电fet间的电容变化。该换能器电子器件可以包括一个或多个电路，所述电路用来计算电极之间的重叠A和/郷巨离d的变化，如战等式l中所j顿的。可选地，换能器电子器件(485)可以将电容变化输出给外部电路从而计算重叠A和/郷巨离d的变化。根据
J^魁啲一个示范性实施例，本示范性系统和方法的z轴加速度计评估该电极的这两侧(475A， 475B)之间的差分距离。j顿战等式l，可根据电极(475，480)之间的电容变化计算距离d。此外，如果确定了值d，也可以根据所检测的图4A中所示的电极(460， 465， 470)之间的电容变化来计算重叠A。虽然本示范性实施例针对MEMS换能器，但也可以使用其他双晶片装置，如以下将进一步详述的。
根据一个示范性实施例，为了检测x， y和z方向中的一个或多个方向上的电容变化，可以使用更多的电极或者可以改变电极的形状和大小。根据一个示
范性实施例，可以用五个电极和五个反电极来检测x， y， z方向的移动。而且，如果要检测一个或者两个方向上的移动，可以使用较少数量的电极。另外，本示范性形成方法可以用来形成类似的MEMS装置，包括但绝不限于陀螺仪，惯性传麟，速率传麟等。
本文示出和描述的是本示范性系统和方法的实施例以及一些变型。在本文使用的术语、描述和数字作为例证被提出，并且不打算作为对本发明的限制。本领域技术人员将认识到，以在本系统和方法的范围和精神内许多变型是可能的，本系统和方法的范围和精神意欲由权利要求书及其等同物限定，在权利要求书中，除非另有说明，所有术语都应该做最宽泛的理解。
给出上面的描述以示出和描述示范性实施例。但这并不打算是穷尽的或将本发明限制于公开的任何具体形式。在上述的教导下，许多修改和变型是可能的。本公开的范围意欲由权利要求书限定。
权利要求
1、一种形成微机电系统(MEMS)的方法，包括形成第一晶片(110，410)，包括从所述第一晶片(110，410)移除材料以限定至少一个挠性构件(145，150，440)和至少一个检测质量(430)；形成包含电子电路的第二晶片(120，420)；和将所述第一晶片(120，420)结合到所述第二晶片(120，420)，使得在所述第一晶片(110，410)和所述第二晶片(120，420)之间限定间隙；其中所述至少一个挠性构件(145，150，440)的厚度与所述至少一个检测质量(430)的厚度无关。
2、 如权利要求l所述的方法，其中形j^/f述第一晶片(110， 410)包括 在所述第一晶片(IIO， 410)的第一侧上图案化电路部件； ,A^f述晶片(110， 410)的所述第一侧移除材料以限定所超少一个挠性构件(145， 150， 440)的第一侧；禾口/A^f述第一晶片(110， 410)的第二侦幡除材料以进一步限定所超少一个挠 性构辨145， 150， 440)。
3、 如权利要求2所述的方法，其中iA^f述第一晶片(110， 410)的所述第一 侧和所述第一晶片(IIO， 410)的所述第二侦懒除材料包括对所述晶片(110， 410) 进行蚀刻、开槽或微机W口工。
4、 如权利要求1所述的方法，其中形^0f述第一晶片(UO， 410)包括^0f 述第一晶片(110， 410)上形成至少一个耦合块(140)，其中所述耦合i^(140)配置 为将所述挠性辨145， 150， 440)的至少一段耦合至断述第一晶片(110， 410)的固 定部浙125)。
5、 如权利要求1所述的方法，进一步包括用保护性的未加工的表面或晶片 封装所述MEMS。
6、 如权利要求1所述的方法，其中将所述第一晶片(IIO， 410)结合到所述 第二晶片(120， 420)包括在所述第一晶片(110， 410)与所述第二晶片(120， 420) 之间施加粘合剂(450)。
7、 如权利要求1所述的方法，其中将所述第一晶片(IIO， 410)结合到所述 第二晶片(120， 420)包括，ffi31^^f述第一晶片(110， 410)中形成的窗口，光学对准所述第一晶片(110， 410)和所述第二晶片(120， 420)。
8、 如权利要求1所述的方法，其中所^A所述第一晶片(110， 410)移除材 料以限定至少一个挠性构辨145， 150， 440)包括移除已知量的材料以限定所述 挠性#(145， 150， 440)的高度和宽度，从而产生所述挠性件(145， 150， 440)的期望弹性常数。
9、 如权利要求8所述的方法，其中所述第一晶片(IIO， 410)被配置为允许 所述检测质量(430)与所述第二晶片(120， 420)平ffi:也平移。
10、 如权禾腰求8所述的方法，其中所述第一晶片(IIO， 410)被配置为允许 所述检测质量(430)相对于所述第二晶片(120， 420)垂直地平移。
11、 如权利要求l所述的方法，其中所述第一晶片(IIO， 410)包^^色缘体上 硅(SOI)衬底。
12、 如权利要求1所述的方法，进一步包括用所述第一晶片(110，410)限定敏160， 510)，其中舰MM述第一晶片(llO， 410)的原始厚度减去所述检观帳量(430)的高度来限定所述腔(160， 510);和限定所述掛160， 510)，使得所述腔(160， 510)的x—y面积大于所述检 测质量(430)的x—y面积。
13、 一种微机电系统(MEMS)加3Ut计，包括 第一晶片(IIO， 410);禾口结合至U所述第一晶片(llO， 410)的第二晶片(120， 420); 其中，/A^f述第一晶片(110， 410)的至少顶表面和底表面移除材料，从而限 定至少一个烧性构^(145， 150， 440)和至少一个检测质量(430);其中，^^f述第一晶片(110， 410)上的x-y加鹏计和z加速度计的检测质量(430)的分布是^i:可控的。
14、 一种MEMS换肖g器装置(400)，包括 第一晶片(IIO， 410);第二晶片(120， 420)，其中，从所述第二晶片(120， 420)的至少顶表面和底 表面移除材料，从而限定至少一个挠性构辨145， 150， 440)和至少一个检测质 量(430)，其中所述第一晶片(IIO， 410)被结合至U所述第二晶片(120， 420);至少一个电路，其用来检测所蹈少一个挠性构辨145， 150， 440)的移动； 其中，所述至少一个电路的灵敏度在x—y平面和z方向上是独立可控的。
15、如权利要求4所述的MEMS换能戮440)，进一步包括 耦合至U所述第一晶片(llO， 410)的至少一个通孔；所述至少一个通孔为电信号提供通过所述第一晶片(110， 410)传播的路
全文摘要
本发明公开了一种形成微机电系统(MEMS)换能器的示范性系统和方法。根据本文公开的一个示范性实施例，该MEMS换能器由两个晶片形成，并且消除了检测质量和挠性件的厚度的相互影响，从而允许它们被独立设计。此外，本示范性系统和方法刻蚀晶片的两侧以限定检测质量和挠性件，从而允许光学对准顶部和底部晶片。
文档编号B81C1/00GK101553425SQ200780038947
公开日2009年10月7日 申请日期2007年10月18日 优先权日2006年10月20日
发明者D·J·米利根, S·拉马穆尔蒂 申请人:惠普开发有限公司