在半導體和襯底之間包括插入器的器件的制作方法
【專利說明】
【背景技術】
[0001]微機電系統(tǒng)(MEMS)包括使用微制造技術制作的微型化的機械和機電元件。MEMS器件的物理尺寸從遠低于一微米變化到幾毫米。而且，MEMS器件從不具有移動元件的相對簡單的結構變化到具有在集成電子元件控制下的多個移動元件的極其復雜的機電系統(tǒng)。MEMS器件的功能元件包括微型化結構、微電子元件和微傳感器以及微致動器，其將能量從一種形式轉換成另一種形式，例如將測量的機械信號轉換成電信號。MEMS器件包括壓力傳感器、加速度計、陀螺儀、擴音器、數(shù)字鏡面顯示器和微流體裝置，并且MEMS器件可以對器件的關鍵尺寸的變化非常敏感。
[0002]一般，MEMS加速度計表現(xiàn)得像彈簧上的阻尼塊。當加速度計經歷加速時，該塊被移位至彈簧能夠以與套管相同的速率加速該塊的點。該位移被測量以給出加速度。壓電、壓阻和電容部件可以用于將機械運動轉換成電信號。
[0003]一些MEMS加速度計包括檢測質量塊(proof mass)和跨越小間隙彼此面對的電極。在間隙的一側是排列在檢測質量塊或轉子上的轉子電極。在間隙的另一側是定子電極或固定電極，跨越間隙面對移動的轉子電極。在外部加速度的影響下，檢測質量塊從其中間位置偏轉，并且轉子電極以及定子或固定電極之間的電容可以被測量用于確定加速度。
【附圖說明】
[0004]圖1是示出包括固定在半導體和襯底之間的插入器的器件的一個實例的圖。
[0005]圖2是示出作為加速度計的MEMS的一個實例的圖。
[0006]圖3A是示出包括具有與半導體的占用空間相同大小的占用空間的插入器的器件的一個實例的圖。
[0007]圖3B是示出圖3A的器件的頂視圖。
[0008]圖4A是示出包括具有比半導體的占用空間大的占用空間的插入器的器件的一個實例的圖。
[0009]圖4B是示出圖4A的器件的頂視圖。
[0010]圖5A是示出包括具有比半導體的占用空間小的占用空間的插入器的器件的一個實例的圖。
[0011]圖5B是示出圖5A的器件的頂視圖。
[0012]圖6是示出襯底的圖。
[0013]圖7是示出附著到圖6的襯底的插入器的圖。
[0014]圖8是示出附著到圖7的插入器和襯底的半導體的圖。
【具體實施方式】
[0015]在下面的詳細描述中，參考附圖，這些附圖構成了該詳細描述的一部分，在這些圖中借助圖示示出了其中可以實施本發(fā)明的特定實施例。在這方面，方向性術語，例如"頂部"、〃底部"、〃前"、〃后"、〃前面"、〃后面〃等等，是參考所描述的圖的取向來使用的。由于實施例的部件可被定位在許多不同的取向上，因此方向性術語用于說明的目的，并且決不是限制性的。應當理解可以利用其它實施例，并且可以在不脫離本發(fā)明的范圍的情況下做出結構或邏輯改變。因此，下面的詳細描述不是以限制性意義進行的，并且本發(fā)明的范圍由所附權利要求限定。應當理解的是，除非另外特別指出，否則本文所描述的各種實施例的特征可以相互組合。
[0016]通過將兩個單獨的半導體晶片結合在一起來制作一些MEMS加速度計，電極存在于所述半導體晶片上，跨越小的間隙彼此面對。在間隙的一側，轉子電極排列在稱為檢測質量塊或轉子的移動結構上，其中檢測質量塊通過由半導體刻蝕工藝(例如Bosch深硅刻蝕)限定的一組彎曲部連接到半導體管芯。在間隙的另一側，定子或固定電極面對移動的轉子電極。轉子電極和定子電極之間的間隙由晶片結合限定，并且加速度計的標度因子對該定子-轉子間隙非常敏感。在一個實例中，轉子電極和定子電極之間的間隙小于2微米(um)。
[0017]在MEMS器件的封裝中，MEMS附著到襯底。通過由于MEMS的半導體材料的熱膨脹系數(shù)(CTE)(例如硅的CTE是每攝氏度百萬分之三(ppm/° C))和襯底的CTE (例如有機襯底的CTE是18 ppm/° C或陶瓷襯底的CTE是7-9 ppm/° C)的差引起的溫度變化在MEMS中產生應力。該差熱機械應力可能扭曲MEMS從而改變關鍵的定子-轉子間隙，其影響傳感器的標度因子和/或使檢測質量塊沿感測軸移位并影響傳感器的偏置補償。使這些性能參數(shù)方面的變化最小化是封裝MEMS加速度計中的重要目標。另外，所述應力可能大得足以破壞 MEMS0
[0018]在封裝MEMS器件中可能引入的另一偏差是MEMS相對于襯底的傾斜。MEMS加速度計的功能性取決于相對于萬有引力的物理取向或感測軸方向。有時，管芯附著粘結劑的不均勻厚度引入傾斜，導致沿感測軸的未知的偏差。
[0019]相對于溫度變化的標度因子可以通過溫度校準來解決?？梢栽诮M裝和建立校準曲線之后在多個溫度下測量標度因子。然后，可以通過例如芯片上的熱感測電阻器(TSR)的方法感測溫度并通過校準曲線修正標度因子。然而，溫度校準增加了成本，并且如果標度因子在器件的工作溫度內不是線性的，則校準需要多于兩個的溫度點，這可能是成本高昂的。另外，多個粘結劑和襯底中的滯后和應力松弛可能產生時間和歷史相關的應力，其限制了溫度校準的有效性。
[0020]可以代替有機襯底(例如FR4)使用陶瓷襯底來最小化熱機械應力。然而，即使當使用陶瓷襯底時標度因子的變化量和溫度的偏置補償較小，它也沒有被消除。而且，陶瓷襯底比有機襯底更貴。
[0021]圖1是示出包括固定或附著在半導體24和襯底26之間的插入器22的器件20的一個實例的圖。插入器22吸收半導體24和襯底26之間的應力，這減少了半導體24和襯底26之間的應力。而且，半導體24由插入器22和襯底26支撐，使得半導體24相對于襯底26的傾斜減小或消除，并且半導體24平行于襯底26。在一個實例中，半導體24是MEMS器件。在一個實例中，襯底26具有比半導體24低的楊氏模量。在一個實例中，襯底26是有機襯底。在一個實例中，襯底26是FR4。在另一個實例中，襯底26是陶瓷襯底。
[0022]插入器22是插入在半導體24和襯底26之間的相對柔性的膜或材料片。插入器22具有比半導體24的楊氏模量和比襯底26低的楊氏模量。在一個實例中，插入器22是預成型的材料片。在一個實例中，插入器22具有小于10兆帕(MPa)的楊氏模量。在一個實例中，插入器22是下述中的至少一個:具有粘彈性的聚合物(即彈性體)、橡膠、硅樹脂膜和聚氨酯膜。
[0023]插入器22借助粘結劑附著到半導體24和襯底26。插入器22借助位于插入器22和半導體24之間的第一粘結劑粘著到半導體24，并且插入器22借助在插入器22和襯底26之間的第二粘結劑粘著到襯底26。在一個實例中，插入器22借助在本文定義為具有0.5-1.0吉帕(GPa)的楊氏模量的中等模量粘結劑附著到半導體24和襯底26中的至少一個。在一個實例中，插入器22借助粘結劑(例如環(huán)氧樹脂或丙烯酸酯)附著到半導體24和襯底26中的至少一個。在一個實例中，插入器22借助膜粘結劑(例如管芯附著膜)附著到半導體24和襯底26中的至少一個。
[0024]插入器22比第一粘結劑厚并且比第二粘結劑厚，使得半導體24和襯底26之間的應力主要被插入器22吸收。插入器22的厚度可以被精確控制。在一個實例中，第一粘結劑和第二粘結劑中的每一個基本上是25微米(um)厚并且插入器22基本上是250 um厚。
[0025]插入器22具有與半導體24的占用空間相同大小的占用空間。在另一個實例中，插入器22具有比半導體24的占用空間大的占用空間。在另一個實例中，插入器22具有比半導體24的占用空間小的占用空間。
[0026]將插入器22附著在半導體24和襯底26之間減少了半導體24和襯底26之間的應力。來自襯底26的應力通過插入器22與半導體24解耦。而且，由半導體24和襯底26的CTE不匹配得到的應力通過插入器22的變形被吸收。另外，半導體24被插入器22和襯底26支撐，這減少或消除了半導體24和襯底26之間的傾斜。
[0027]圖2是示出作為加速度計的MEMS 100的一個實例的圖。MEMS 100包括定子管芯102、檢測質量塊管芯104和蓋管芯106。在一個實例中，半導體24 (在圖1中示出)是MEMS100。
[0028]定子管芯102包括在定子管芯面108上的定子或固定電極，其面對定子-轉子間隙I1和檢測質量塊112。定子管芯102是半導體管芯，例如硅，其被處理以在定子管芯面108上提供定子或固定電極。
[0029]檢測質量塊管芯104包括檢測質量塊或轉子112，其包括排列在檢測質量塊面114上的轉子電極，所述檢測質量塊面114面對定子-轉子間隙110和在定子管芯102的定子管芯面108上的定子或固定電極。檢測質量塊管芯104是半導體管芯，例如硅，其被處理以在檢測質量塊面114上提供轉子電極。檢測質量塊管芯104還包括附著到檢測質量塊112和檢測質量塊管芯104的周界部分118的彎曲部116。將檢測質量塊112連接到檢測質量塊管芯104的彎曲部116