专利名称：用于四层芯片级mems器件的系统和方法
技术领域：
本发明涉及用于四层芯片级MEMS器件的系统和方法。
技术背景
惯性测量单元(IMU)可以获得用于确定导航信息例如位置、方向、姿势的运动信息。例如，IMU被用于高性能应用例如汽车或飞机导航，以及低性能应用例如飞行姿态以及方向识别、个人导航、或者导弹的制导。在引入IMU的一些应用中，对于IMU的放置存在有限的空间。由于典型的IMU通过使用三个陀螺仪、三个加速度计以及支撑电极和电互连提供运动信息，所以对于将IMU集成到具有有限的空间的应用中同时保持所需要的性能构成挑战。发明内容
本发明的实施例提供了用于四层芯片级MEMS器件的系统和方法，并且通过阅读和学习下面的说明书来理解本发明的实施例。
提供了一种用于微机电系统(MEMS)装置的系统和方法。在一个实施例中，一种系统包括第一双芯片，其包括第一基层；接合到第一基层的第一器件层，第一器件层包括第一组MEMS器件；以及接合到第一器件层的第一顶层，其中第一组MEMS器件被密封地隔离。该系统还包括第二双芯片，其包括第二基层；接合到第二基层的第二器件层，第二器件层包括第二组MEMS器件；以及接合到第二器件层的第二顶层，其中第二组MEMS器件被密封地隔离，其中第一顶层的第一顶表面接合到第二顶层的第二顶表面。
应当理解附图仅描述了示意性实施例并且因此不是对范围的限制，该示意性的实施例将通过附图的使用以附加的说明以及细节来描述，其中
图1是根据一个实施例的四层芯片级MEMS器件的透视横截面图。
图2A-2C是示出根据一个实施例的四层芯片级MEMS器件的制造的透视图。
图3A-;3B是示出根据一个实施例的四层芯片级MEMS器件的制造的透视图。
图4A-4D是示出了四层MEMS器件的安装结构的不同实施例的横截面图。
图5是用于构造根据一个实施例的四层MEMS器件的示例方法的流程图。
按照惯例，各种所述的特征不是按比例绘制，而是绘出以强调与示意性的实施例相关的具体特征。
具体实施方式
在下面的详细说明中，参考形成详细说明一部分并且其中通过说明具体示意性实施例的方式来示出的附图。然而应当理解，可以运用其他实施例并且可以做出逻辑的、机械的、电的变化。而且，在附图以及说明书中所呈现的方法不被解释为限制其中可以执行单个步骤的次序。因此，下面的详细说明将不被理解为限定的意义。
本公开的实施例提供了一种用于制造保持高性能的小型IMU的系统和方法。为了合并IMU的多个元件和电子器件，微机电系统(MEMS)陀螺仪和加速度计被封闭在不同对的支持玻璃晶片之间。该玻璃晶片之后彼此堆叠并彼此接合。在玻璃晶片之间的放置以及后续在彼此之上的堆叠考虑到由IMU所占据的体积的减小同时保持所需的IMU的性能。
图1是四层芯片级MEMS系统100的一个实施例的截面图。MEMS系统100包括安排成两个双芯片的四层，该两个双芯片组装在彼此顶部，其围住多个MEMS器件。例如，MEMS 系统100包括具有第一基层102以及第一顶层104的第一双芯片，其围住第一 MEMS器件层 110 ；以及具有第二顶层106和第二基层108的第二双芯片，其围住第二 MEMS器件层112。 第一双芯片和第二双芯片在彼此顶部的放置同时围住MEMS器件，形成了更小的区域，更厚的器件。这减小了 MEMS系统100的挠曲。挠曲的减小可以增加易受由外部震动或者摆动引发的错误影响的MEMS器件的性能。为了进一步减小挠曲，第一基层102，第一顶层104， 第二顶层106和第二基层108可以由刚性材料例如玻璃，或其他刚性非导电材料形成。
而且，第一基层102，第一顶层104，第二顶层106和第二基层108包括凹槽140， 142，以及支撑电极和电互连以支持MEMS器件122和132的操作。例如，第一基层102的内向表面具有凹槽140和电连接以为第一器件层110提供空间，以及第二基层108的内向表面包括凹槽142和电连接以支持第二器件层112的操作。同样地，第一顶层104和第二顶层106的内向表面都包括与第一基层102和第二基层108的电极、电连接和凹槽140、142 成镜像的凹槽、电极以及电互连以为第一器件层110和第二器件层112的操作提供空间。
在特定实施例中，MEMS器件是在惯性测量单元(IMU)中起作用的惯性传感器部件 (ISA)的一部分。当该器件是ISA的一部分时，MEMS系统100包括加速度计和陀螺仪以感测MEMS系统100的旋转和加速。在一些实例中，MEMS系统100包括感测沿着三个正交轴的加速度的三个加速度计以及感测绕三个正交轴的旋转的三个陀螺仪。因此，第一器件层 110和第二器件层112，当结合时，包括三个加速度计和三个陀螺仪。因此，在第一器件层 110中的MEMS器件122包括第一组陀螺仪和第一组加速度计，以及在第二器件层112中的 MEMS器件132包括第二组陀螺仪和第二组加速度计。
为了正确地起作用，一些MEMS器件设计成在特定气氛类型中操作。例如，一些 MEMS陀螺仪设计为在真空气氛类型中操作而一些MEMS加速度计被设计为在气体气氛类型中操作。因为器件层可以包括在不同气氛类型中操作的不同MEMS器件，所以这些器件可以在器件层内彼此密封地隔离。在可选的实施方式中，器件层仅包括单一类型的传感器。例如，如图1所示，第一器件层110包括MEMS器件122，这里MEMS器件122设计为在有气体存在的情况下操作，以及第二器件层112包括MEMS器件132，这里MEMS器件132设计为在真空内操作。为了保持凹槽140和142内的气氛类型，密封封条120和130将凹槽140和142 与MEMS系统100的外部环境的气氛类型封闭分开。密封封条120和130使用围绕MEMS器件122和132的硅环的阳极接合来制造。可选择地，密封封条120和130使用焊剂或共熔CN 102530823 A的封闭环来形成。
在至少一个实施例中，MEMS系统100包括吸气器1 (getter)以对于在第一器件层110中的MEMS器件122和在第二器件层112中的MEMS器件132的至少一部分保持真空环境。在一些实施方式中，吸气器118位于第一基层102，第一顶层104，第二顶层106和第二基层108的任一个的凹槽140和142中，这里该吸气器在具有在MEMS系统100以及需要真空以正确地操作的其他MEMS器件中的陀螺仪的连续真空腔内。在一个可选的实施例中， 沟槽134位于第一顶层104或第二顶层106 —者或两者中，以至于沟槽134形成围住第一和第二组陀螺仪的连续的真空腔。而且，第一顶层104或第二顶层106包括吸气器凹槽126， 其包括暴露到围住第一和第二组陀螺仪的空气腔的吸气器128。
在特定实施例中，MEMS系统100包括多个通孔116，其延伸通过第一基层102和第二基层108以电连接到支持MEMS器件122和132操作的电连接。在一个实例中，通孔116 是形成在第一和第二基层102和108中的导电硅柱。可选择地，通孔116可以是布置在通过微磨蚀或钻孔在第一和第二基层102和108中形成的沟槽内的金属柱。而且，互连118 沿着器件的外部形成以将通孔116连接到用于在PCB板或其他安装表面上安装MEMS系统 100的外部电连接。该互连连接到器件100的外部表面周围的通孔116以至于器件可以以多个方向安装。在一个可选的实施例中，互连连接到位于第一和第二器件层的外部表面上的通孔116以至于允许与第一和第二 MEMS器件122和132的电连接而不延伸通过第一基层102和第二基层108。
如上述与MEMS系统100相关的形成的ISA提供了一种出于三种原因既小又鲁棒的ISA。第一，用来将MEMS器件122和132与外部环境以及彼此隔离的封条120和130位于彼此之上，因此减小了由管芯上的封条共同占据的面积。第二，吸气器1 布置在不常用的凹槽126中，而不是在凹槽140和142中，这里具有吸气器的凹槽将更大以获得足够的吸气器容量并且由于较大的凹槽，MEMS系统100将更大。第三，单独的层每个可以被制得更薄而不牺牲芯片刚性，因为面积与厚度的小比例使堆叠ISA形成硬得多的芯片以及对性能降低的应变和温度变化较不敏感。
图2A-2C是示出用于制造四层芯片级MEMS器件的制造工艺200的一个实施例的示图，这里一个器件层被封闭在气体气氛类型中并且另一个器件层被封闭在真空中。图2A 示出了用于制造第一双芯片201的制造工艺200的一个实施例，这里第一双芯片201将第一器件层封闭在气体气氛类型中。第一双芯片201包括第一基层202和第一顶层204。当形成第一基层202和第一顶层204时，制造工艺200在第一基层202和第一顶层204中形成凹槽，如图1中所示的凹槽142。而且，电连接被图案化并且沉积在第一基层202和第一顶层204上，这里电连接支持MEMS器件的操作。在特定实施例中，第一基层202和第一顶层204由玻璃或另一种刚性非导电材料制造。在另一个实施例中，预形成第一基层202以具有连接到电极和电互连的导电硅柱以将电连接从MEMS器件232延伸到MEMS系统的外部表面。
在特定实施例中，制造工艺200形成第一器件层210。第一器件层210类似于图1 中的第一器件层110，并且工艺200使用常规MEMS工艺形成第一器件层210。例如，工艺200 在支撑硅晶片上沉积外延层。然后工艺200将第一器件层210图案化进入并且穿过该外延层，这里第一器件层210包括封条220和MEMS器件222。当外延层被图案化时，工艺200将包含有第一器件层210的外延层接合到第一基层202。在一些实施方式中，使用阳极接合将第一基层202接合到包含第一器件层210的外延层。当外延层接合到第一外部层202时， 工艺200将支撑硅晶片从外延层移除。当该支撑硅晶片被移除时，在第一器件层210中的 MEMS器件随意移动并且被固定到第一基层202。当制造工艺200将第一器件层210接合到第一基层202时，工艺200将第一顶层 204接合到第一器件层210。在一个实施方式中，工艺200在气体环境中执行第一顶层204 到第一器件层210的接合。当第一顶层204到第一器件层210的接合在气体环境中执行时，工艺200将第一底层202和第一顶层204 二者接合到第一器件层210的封条220。封条220密封地保持围在环绕MEMS器件222的第一双芯片201内的气体气氛类型。例如，当 MEMS器件222包括加速度计时，该加速度计被封闭在气体中以抑制加速度计的运动。在一个可选择的实施方式中，当MEMS器件222是陀螺仪时，MEMS器件222被封闭在真空中。在某些实施例中，当第一顶层204接合到第一基层202时，工艺200在第一顶层 204的顶表面上形成吸气器228。由于第一双芯片201将被接合到将器件封闭在真空中的第二双芯片203，所以位于第一顶层204的顶表面上的吸气器2 保持第二双芯片203中的真空而不影响MEMS系统的大小，同时保持所需的吸气器容量。例如，工艺200在第一顶层204的顶表面内形成吸气器凹槽2 并且在吸气器凹槽226内沉积吸气器材料以形成吸气器228。在某些实施方式中，吸气器材料为薄膜吸气器并且包括例如钛、锌和锆合金的材料。该吸气器材料吸收与吸气器2 表面进行接触的气体。例如，吸气器228的吸气器材料吸收在第二双芯片203中的MEMS器件周围发现的与吸气器材料进行接触的气体。图2B示出了通过制造工艺200制造第二双芯片203的一个实施例。第二双芯片 203包括第二基层208和第二顶层206。当形成第二基层208和第二顶层206时，凹槽形成在第二基层208和第二顶层206中，如图1中的凹槽142所示。而且，工艺200在第二基层 208和第二顶层206上图案化并且沉积电极以及电互连，这里电连接支持MEMS器件的操作。 在特定实施例中，第二基层208和第二顶层206由玻璃或者另一种刚性非导电材料制造。在另一个实施例中，预形成第二基层208以具有连接到电连接的导电硅柱以将电连接从MEMS 器件232延伸到MEMS系统的外部表面。在特定实施方式中，工艺200形成第二器件层212。第二器件层212类似于图1中的第二器件层112，并且使用常规MEMS工艺形成第二器件层212。例如，工艺200在支撑硅晶片上沉积外延层。然后工艺200将第二器件层图案化进入并且穿过该外延层，这里第二器件层212包括封条230和MEMS器件232。当外延层被图案化时，工艺200将包含有第二器件层212的外延层接合到第二基层208。在一些实施方式中，工艺200使用阳极接合将第二基层208接合到包含第二器件层212的外延层。当外延层被接合到第二基层208时， 工艺200将支撑硅晶片从外延层移除。当该支撑硅晶片被移除时，在第二器件层212中的 MEMS器件随意移动并且被固定到第二基层208。当制造工艺200将第二器件层212接合到第二基层208时，工艺200将第二顶层 206接合到第二器件层212。在一个实施方式中，工艺200在气体环境中将第二顶层206接合到第二器件层212。在一个可选择的实施方式中，工艺200在真空中将第二顶层206接合到第二器件层212。当第二顶层206到第二器件层212的接合在真空中执行时，工艺200 将第二底层208和第二顶层206 二者接合到第二器件层212的封条230。封条230密封地保持围在环绕MEMS器件232的第二双芯片203内的真空。例如，当MEMS器件232包括陀螺仪时，该陀螺仪被封闭在真空中以防止空气干扰对旋转的感测。在某些实施方式中，工艺200还通过第二顶层206向吸气器提供通道来保持和维持真空。如前面所述，工艺200在第一顶层204的顶表面上形成吸气器。工艺200通过在第二顶层206中形成的一系列沟槽234向该吸气器提供通道。当工艺200将第二顶层206 接合到第二器件层212时，如图1中所示的凹槽142的凹槽化区域和沟槽234形成第二双芯片203内的连续真空腔。因此，封闭在包含MEMS器件232的连续真空腔内的图2B中的吸气器2 保持第二双芯片203内的真空。图2C示出了通过将第一双芯片201结合到第二双芯片203来制造四层芯片级 MEMS器件的一个实施例。当形成第一双芯片201和第二双芯片203时，制造工艺200通过将第一双芯片201结合到第二双芯片203来形成四层芯片级MEMS器件。在一个实施例中， 第二双芯片203倒置并且堆叠在第一双芯片201上以至于第一双芯片201的第一顶层204 紧邻第二双芯片203的第二顶层206。例如，当第一顶层204的顶表面包括吸气器2 并且第二顶层206的顶表面包括一系列沟槽234时，第二双芯片203布置于第一双芯片201顶部上以至于沟槽234面对吸气器228。在特定实施例中，第一双芯片201接触第二双芯片203的区域被密封地封闭以防止空气进入第一器件层210或第二器件层212内或从其出来。而且，第一双芯片201在真空环境中被接合到第二双芯片203。例如，当第一双芯片201或第二双芯片203包含陀螺器或者其他需要真空环境来准确地操作的MEMS器件时，吸气器材料可以沉积于第一和第二双芯片201和203之间以保持第一器件层210或第二器件层212中的真空。为了形成密封封条214，工艺200在相结合的第一和第二双芯片201和203周围放置熔块或焊料，在彼此上方放置第一和第二双芯片201和203，并且加热焊料或熔块直到其流动并且使第一和第二双芯片201和203彼此结合。在第一和第二双芯片201和203结合期间，焊料或熔块的加热也加热和激活吸气器228，当吸气器2 被激活时，覆盖吸气器228的顶表面的空气被混入吸气器材料中以至于吸气器228的顶表面恢复并且准备好吸收存在于形成暴露到吸气器228的连续空气腔的器件层中的气体分子。因此，工艺200通过将第一双芯片201结合到第二双芯片203来制造MEMS系统。在某些实施方式中，器件的制造是在大晶片上进行的。同样地，形成MEMS系统的工艺形成结合在一起的大批量MEMS器件。为了形成单独的器件，大晶片被分割成单独的器件。图3A-;3B是示出根据一个实施例的四层芯片级MEMS器件的制造工艺300的示图。 图3A示出了包括封闭在真空中的元件和封闭在气体中的元件的双芯片的形成。例如，第一器件层310包括陀螺仪和加速度计二者，这里陀螺仪被封闭在真空中并且加速度计被封闭在充满空气的环境中。为了形成不同的封闭区，两个不同的器件间隔形成在器件层310中。 例如，器件层包括气体间隔340和真空间隔342。在气体间隔340中，器件层310包括设计为在气体环境中操作的MEMS器件344，在真空间隔342中，器件层310包括设计为在真空中操作的MEMS器件348。为了分开气体间隔340和真空间隔342，器件层310包括隔离墙 346。隔离墙346密封地隔离气体间隔340和真空间隔342。当第一底层302被阳极接合到第一器件层310时，第一底层302也被阳极接合到隔离墙346。而且，当第一顶层304被阳极接合到第一器件层310时，第一顶层304也被阳极接合到隔离墙346。
在特定实施例中，为了向吸气器提供通道，制造工艺300形成在第一顶层304中与真空间隔342的位置相对应的沟槽。当吸气器放置于第一双芯片第二双芯片之间时，该沟槽允许吸气器吸收腔内气体。
图:3B示出了形成四层MEMS系统的两个双芯片的结合。例如，如联系图3A所述制造第一双芯片301和第二双芯片303。制造工艺300通过在第一顶层304的顶表面或第二顶层306的顶表面之一或两者上沉积吸气器材料形成吸气器352。由于第一器件层310和第二器件层312 二者都包含气体间隔和真空间隔，所以沟槽350和351被放置以形成连续真空腔，其包括在第一器件层310和第二器件层312 二者中的真空间隔并且将该连续真空腔暴露于吸气器352。而且，第一双芯片301到第二双芯片303的结合类似于联系图2C所说明的第一双芯片201到第二双芯片203的结合。
图4A-4D是示出了根据一个实施例的四层MEMS器件的不同安装结构的示图。例如，在某些实施例中，当制造工艺已经构造了 MEMS系统400时，沿着器件的外部形成互连以允许安装器件到PCB或其他安装基板。在一个实施例中，通孔从系统400内的电元件延伸以连接到该互连。该互连连接系统400的外部表面周围的通孔以至于系统400可以以多个方向被安装的。在某些实施方式中，该通孔是导电的硅，其在玻璃层中形成，来将通孔电连接到沉积在玻璃层上的金属膜。可选择地，该通孔是在通过微磨蚀或钻孔在玻璃层中形成的沟槽内沉积的金属柱。
图4A示出了安装在板妨4上的MEMS系统400，这里MEMS系统400通过耦合到 MEMS系统400的外表面上的电互连的凸块接合件450电连接到板454。例如，在MEMS系统 400上的互连从MEMS系统400的外表面周围的通孔延伸电连接。在某些实施方式中，电互连延伸到接触板454的顶表面的MEMS系统400的一侧。为了连接到板454的顶表面，凸块接合件450提供了在互连和板妨4之间的电连接。
图4B示出了安装在板妨4上的MEMS系统400，这里MEMS系统400通过耦合到 MEMS系统400的一侧上的互连的引线接合件460电连接到板454。例如，当互连是在MEMS 系统400的一侧上时，引线接合件从板妨4延伸以电连接到位于MEMS系统400的一侧上的互连。
图4C示出了安装在板妨4上的MEMS系统400，这里MEMS系统400通过耦合到 MEMS系统400的顶表面上的电接触的引线接合件电连接到板454。例如，当互连是在MEMS 系统400的顶表面上时，引线接合件从板妨4延伸以电连接到位于MEMS系统400的顶表面的互连。
图4D示出了安装在板妨4上的MEMS系统401，这里MEMS系统401通过耦合到 MEMS系统401的外表面的一侧的电互连的凸块接合件480电连接到板454。例如，在MEMS 系统401上的互连从MEMS系统401的外表面周围的通孔延伸电连接。在某些实施方式中， 电互连延伸到与MEMS系统401中层的方向垂直取向的MEMS系统401的一侧。为了连接到板454的顶表面，凸块接合件480提供了在互连和板妨4之间的电连接。
图5是用于构造根据一个实施例的四层MEMS器件的实例方法500的流程图。方法500始于方框502，其通过形成第一基层、将包含第一组MEMS器件的第一器件层接合到该第一基层、以及将第一顶层接合到该第一器件层而形成第一双芯片。在特定实施例中，第一组MEMS器件密封地封闭在第一基层和第一顶层之间。而且，该MEMS器件包括在不同气氛类型中起作用的加速度计和陀螺仪。例如，当第一组MEMS器件是加速度计时，第一基层和第一顶层将加速度计密封地封闭在气体气氛中。
方法500进行到方框504，其通过形成第二基层、将包含第二组MEMS器件的第二器件层接合到该第二基层、以及将第二顶层接合到该第二器件层而形成第二双芯片。在特定实施例中，第二组MEMS器件密封地封闭在第二基层和第二顶层之间。例如，在某些实例中， 第二组MEMS器件包括设计为在真空中操作的陀螺仪。第二基层和第二顶层之间的MEMS器件的密封封闭将陀螺仪封闭在真空中。
方法500进一步进行到方框506，其将第一顶层接合到第二顶层。例如，为了制造完整的ISA，第一器件层和第二器件层包括感测围绕三个正交轴的旋转的三个陀螺仪以及感测沿着正交轴旋转的三个加速度计。而且，在至少一个实施方式中，吸气器布置于第一顶层和第二顶层之间以保持需要真空环境来准确地操作的MEMS器件周围的真空。
虽然已经在此示出和描述了具体的实施例，但是对于本领域普通技术人员能认识到的是任何被预计可以达到相同目的的安排可以用来代替所示的具体实施例。因此，显然地意图是本发明仅通过权利要求以及其等效方式来限定。
权利要求
1.一种微机电系统(MEMQ装置，该装置包括 第一双芯片，其包括第一基层(102)；接合到第一基层(10 的第一器件层(110)，第一器件层(110)包括第一组MEMS器件 (222)；以及接合到第一器件层(110)的第一顶层(104)，其中第一组MEMS器件(22 被密封地隔离；以及第二双芯片，其包括 第二基层(108)；接合到第二基层(108)的第二器件层(112)，第二器件层(11 包括第二组MEMS器件 (232)；以及接合到第二器件层(11 的第二顶层(106)， 其中第二组MEMS器件032)被密封地隔离，其中第一顶层(104)的第一顶表面接合到第二顶层(106)的第二顶表面。
2.权利要求1的装置，还包括位于第二双芯片和第一双芯片之间的吸气器0 )；以及在第二顶层O06)中的沟槽034)，其中，该沟槽允许气体在吸气器(228)和第二器件层(212)之间循环。
3.一种用于制造微机电系统(MEMS)器件的方法，该方法包括通过形成第一基层(102)、将包含第一组MEMS器件022)的第一器件层(110)接合到该第一基层(102)、以及将第一顶层(104)接合到该第一器件层(110)而形成第一双芯片， 其中第一组MEMS器件(22 密封地封闭在第一基层(10 和第一顶层(104)之间；通过形成第二基层(108)、将包含第二组MEMS器件032)的第二器件层(11 接合到该第二基层(108)，以及将第二顶层(106)接合到该第二器件层(11 而形成第二双芯片， 其中第二组MEMS器件(23 密封地封闭在第二基层(108)和第二顶层(106)之间；以及将第一顶层(104)接合到第二顶层(106)。
全文摘要
本发明涉及用于四层芯片级MEMS器件的系统和方法。提供了一种用于微机电系统(MEMS)装置的系统和方法。在一个实施例中，一种系统包括第一双芯片，其包括第一基层；接合到第一基层的第一器件层，第一器件层包括第一组MEMS器件；以及接合到第一器件层的第一顶层，其中第一组MEMS器件被密封地隔离。该系统还包括第二双芯片，其包括第二基层；接合到第二基层的第二器件层，第二器件层包括第二组MEMS器件；以及接合到第二器件层的第二顶层，其中第二组MEMS器件被密封地隔离，其中第一顶层的第一顶表面接合到第二顶层的第二顶表面。
文档编号B81B3/00GK102530823SQ20111045949
公开日2012年7月4日 申请日期2011年11月23日 优先权日2010年11月23日
发明者R·D·霍尔宁 申请人:霍尼韦尔国际公司