這個戰(zhàn)略已經(jīng)取得巨大成功,，意法半導(dǎo)體因此而迅速崛起,，成為世界最大的MEMS器件制造商。目前意法半導(dǎo)體的MEMS產(chǎn)品被世界知名的消費電子產(chǎn)品選用,，如任天堂的Wii游戲機,、蘋果的iPhone手機和iTouch播放器以及其它產(chǎn)品[2]。例如,，任天堂的Wii游戲機的遙控器“魔棒”(圖1a)使用意法半導(dǎo)體的慣性傳感器檢測玩家的動作,，如打網(wǎng)球、高爾夫球或其它游戲,，使玩家能夠沉浸在游戲之中并參與屏幕上的人物運動,。這個功能促使先進的計算機游戲取得巨大飛躍，從純粹的被動活動轉(zhuǎn)化為令人興奮的主動的游戲參與者,。同樣地,，蘋果的iPhone采用意法半導(dǎo)體的MEMS傳感器檢測手持通信設(shè)備相對于用戶視野的方向，然后相應(yīng)地調(diào)整屏幕的顯示方向（橫向或縱向）,，從而為用戶提供更多的使用靈活性和功能 (圖1b),。

   (a)                                         (b)

 

     圖 1:這兩張圖片中的產(chǎn)品采用意法半導(dǎo)體的慣性傳感器技術(shù)，在消費電子產(chǎn)品中為客戶提供全新的功能（來源:iSuppli市調(diào)公司）,。

     意法半導(dǎo)體的MEMS慣性傳感器基于意法半導(dǎo)體的微致動器和加速計的厚外延層制程(THELMA),，如圖2 [3]所示。THELMA是一個非集成化的MEMS制造程,，比多晶硅表面微加工制程略復(fù)雜,，但是擁有獨特的優(yōu)點，準(zhǔn)許實現(xiàn)較厚的結(jié)構(gòu),，這對電容式慣性傳感器極其有用,。雖然THELMA制程用于實現(xiàn)電容式慣性傳感器，但是這項技術(shù)非常靈活,，還可以用于制造加速計,、陀螺儀和其它的MEMS器件。

      這個制程的第一個步驟是在晶圓上生成一層2.5μm厚的熱二氧化硅(圖2a),。第二步是用LPCVD沉積一個多晶硅層(多晶硅層1),。在這個多晶硅層上做版圖然后蝕刻，制成埋入式電連接結(jié)構(gòu),，用于傳感器向外部傳遞電位和電容信號(圖2b),。根據(jù)器件的設(shè)計,，這個多晶硅層還可用于制造薄多晶硅微加工器件的結(jié)構(gòu)層。然后,，用PECVD沉積一層1.6μm厚的二氧化硅層,。這個PEVCD氧化層與2.5μm厚的熱二氧化硅構(gòu)成一個4.1μm厚的復(fù)合氧化層，用作THELMA制程中的犧牲層,。然后,，在PECVD沉積氧化物層上做版圖和蝕刻，用作厚多晶硅器件的錨定區(qū),，稍后制成錨定組件(圖 2c)。下一步,，用外延沉積法沉積一層厚多晶硅 (圖2d),。這個層的厚度可以根據(jù)器件設(shè)計做相應(yīng)的調(diào)整，厚度范圍是15μm到50μm,。通過沉積,、版圖和蝕刻工藝，制作一個連接傳感器的金屬導(dǎo)電層(圖2e),。隨后,，用深反應(yīng)離子蝕刻方法(DRIE)在厚多晶硅層上做圖和蝕刻，一直到底部的氧化層(圖2f),。DRIE方法準(zhǔn)許在厚多晶硅層上制作縱橫比很大的結(jié)構(gòu),。最后用氫氟酸蒸汽去除犧牲層，釋放多晶硅結(jié)構(gòu)層(圖2f),。

      意法半導(dǎo)體率先投入量產(chǎn)的低成本封裝方法是意法半導(dǎo)體慣性傳感器的主要特色之一,。如前文所述，MEMS器件的封裝很可能是產(chǎn)品制程中最昂貴的環(huán)節(jié),。意法半導(dǎo)體的封裝方法是使用一個玻璃粉低溫晶圓級鍵合工藝,，把慣性傳感器封閉在兩顆晶圓之間的密閉空腔內(nèi)，然后再使用一個格柵陣列(LGA)封裝平臺技術(shù)封裝芯片,，意法半導(dǎo)體率先將這項封裝技術(shù)用于最后的器件封裝,。在這個過程中，可以把單個的傳感器裸片放在半導(dǎo)體裸片的旁邊（并列結(jié)構(gòu)）或把傳感器裸片和半導(dǎo)體裸片相互堆疊放置（堆疊封裝）,，如圖3所,。

 

      在堆疊結(jié)構(gòu)中，先用膠合膜將傳感器裸片焊到一個表面積很大的基片上(圖4),。半導(dǎo)體裸片和MEMS裸片堆疊放置可使封裝變得很小(圖5),。使用絲焊方法連接兩顆裸片的電觸點，然后,，再用注塑封裝技術(shù)封裝裸片,。這種封裝方法可以在大面積的基片完成，因此成本相對較便宜。封裝應(yīng)力特別是粘接和注塑過程產(chǎn)生的應(yīng)力曾經(jīng)是這項封裝技術(shù)的一大挑戰(zhàn),，意法半導(dǎo)體成功地解決了這個難題,。圖6描述了意法半導(dǎo)體的超緊湊型線性加速計封裝的進化歷程，線性加速計廣泛用于消費電子產(chǎn)品,。

圖 2:意法半導(dǎo)體用于制造慣性傳感器的THELMA制程工藝

 

 

圖 3:意法半導(dǎo)體的兩種慣性傳感器封裝結(jié)構(gòu):(左) 并列封裝,；(右)芯片堆疊封裝

圖 4:意法半導(dǎo)體的的低成本薄型MEMS慣性傳感器封裝。

圖 5:在采用注塑封裝方法前利用絲焊方法把半導(dǎo)體芯片與下面的MEMS傳感器裸片連接在一起的堆疊結(jié)構(gòu)的SEM圖像,。

 

圖 6:意法半導(dǎo)體慣性傳感器封裝的進化歷程圖

 

參考文獻

[1]       B. Vigna, “MEMS Epiphany,” MEMS 2009 Conference, Sorrento Italy, January

26, 2009.

[2]       Source, iSuppli Corporation, See: http://www.isuppli.com

[3]       B. De Masi and S. Zerbini, “Process builds more sensitive structures,” EE Times,

November 22, 2004.