４層チップスケールＭＥＭＳデバイスのためのシステムおよび方法
【課題】微小電気機械システム（ＭＥＭＳ）装置のためのシステムおよび方法を提供すること。
【解決手段】一実施形態では、第１の基層と、第１の基層に接合される第１のデバイス層であり、第１の組のＭＥＭＳデバイスを含む、第１のデバイス層と、第１のデバイス層に接合される第１の上部層であり、第１の組のＭＥＭＳデバイスが密閉して分離される、第１の上部層とを含む第１の二重チップをシステムは備える。第２の基層と、第２の基層に接合される第２のデバイス層であり、第２の組のＭＥＭＳデバイスを含む、第２のデバイス層と、第２のデバイス層に接合される第２の上部層であり、第２の組のＭＥＭＳデバイスが密閉して分離され、第１の上部層の第１の上部表面が第２の上部層の第２の上部表面に接合される、第２の上部層とを含む第２の二重チップをシステムはさらに備える。
【解決手段】一実施形態では、第１の基層と、第１の基層に接合される第１のデバイス層であり、第１の組のＭＥＭＳデバイスを含む、第１のデバイス層と、第１のデバイス層に接合される第１の上部層であり、第１の組のＭＥＭＳデバイスが密閉して分離される、第１の上部層とを含む第１の二重チップをシステムは備える。第２の基層と、第２の基層に接合される第２のデバイス層であり、第２の組のＭＥＭＳデバイスを含む、第２のデバイス層と、第２のデバイス層に接合される第２の上部層であり、第２の組のＭＥＭＳデバイスが密閉して分離され、第１の上部層の第１の上部表面が第２の上部層の第２の上部表面に接合される、第２の上部層とを含む第２の二重チップをシステムはさらに備える。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
関連出願の相互参照
[0001]本出願は、２０１０年１１月２３日に出願された米国特許仮出願第６１／４１６，４８５号の優先権の利益を主張し、その開示は参照により本明細書に組み込まれる。
【背景技術】
【０００２】
[0002]慣性測定ユニット（ＩＭＵ）は、位置、機首方位、および姿勢のような航法情報を決定するための運動情報を取得することができる。例えば、ＩＭＵは、車両または飛行機ナビゲーションなどの高性能用途で、および航空機の姿勢および機首方位認識、パーソナルナビゲーション、またはミサイルの誘導などのより低い性能用途で使用される。ＩＭＵを組み込むいくつかの用途では、ＩＭＵの配置のための空間が制限される。典型的なＩＭＵは３つのジャイロスコープ、３つの加速度計、ならびに支持電極および電気的相互接続を使用することによって運動情報を提供するので、所望の性能を維持しながら制限された空間をもつ用途にＩＭＵを統合するのは挑戦的である。
【先行技術文献】
【特許文献】
【０００３】
【特許文献１】米国特許仮出願第６１／４１６，４８５号
【発明の概要】
【課題を解決するための手段】
【０００４】
[0003]本発明の実施形態は４層チップスケールＭＥＭＳデバイスのためのシステムおよび方法を提供し、以下の明細書を読みかつ検討することによって理解されるであろう。
[0004]微小電気機械システム（ＭＥＭＳ）装置のためのシステムおよび方法が提供される。一実施形態では、第１の基層と、第１の基層に接合される第１のデバイス層であり、第１の組のＭＥＭＳデバイスを含む、第１のデバイス層と、第１のデバイス層に接合される第１の上部層であり、第１の組のＭＥＭＳデバイスが密閉して分離される、第１の上部層とを含む第１の二重チップをシステムは含む。第２の基層と、第２の基層に接合される第２のデバイス層であり、第２の組のＭＥＭＳデバイスを含む、第２のデバイス層と、第２のデバイス層に接合される第２の上部層であり、第２の組のＭＥＭＳデバイスが密閉して分離され、第１の上部層の第１の上部表面が第２の上部層の第２の上部表面に接合される、第２の上部層とを含む第２の二重チップをシステムはさらに含む。
【０００５】
[0005]図面は例示的な実施形態のみを示し、したがって発明の範囲を限定するものと考えるべきでないことを理解した上で、例示的な実施形態は添付図面を使用して追加の特定性および詳細とともに説明される。
【図面の簡単な説明】
【０００６】
【図１】[0006]一実施形態による４層チップスケールＭＥＭＳデバイスの斜視断面図である。
【図２Ａ】[0007]一実施形態による４層チップスケールＭＥＭＳデバイスの製作を示す斜視図である。
【図２Ｂ】[0007]一実施形態による４層チップスケールＭＥＭＳデバイスの製作を示す斜視図である。
【図２Ｃ】[0007]一実施形態による４層チップスケールＭＥＭＳデバイスの製作を示す斜視図である。
【図３Ａ】[0008]一実施形態による４層チップスケールＭＥＭＳデバイスの製作を示す斜視図である。
【図３Ｂ】[0008]一実施形態による４層チップスケールＭＥＭＳデバイスの製作を示す斜視図である。
【図４】[0009]図４Ａは、４層ＭＥＭＳデバイスの取付け構成の一実施形態を示す断面図である。[0009]図４Ｂは、４層ＭＥＭＳデバイスの取付け構成の一実施形態を示す断面図である。[0009]図４Ｃは、４層ＭＥＭＳデバイスの取付け構成の一実施形態を示す断面図である。[0009]図４Ｄは、４層ＭＥＭＳデバイスの取付け構成の一実施形態を示す断面図である。
【図５】[0010]一実施形態による４層ＭＥＭＳデバイスを組み立てる例示の方法の流れ図である。
【発明を実施するための形態】
【０００７】
[0011]一般的な方法に従って、様々な記載のフィーチャは、正しい縮尺で描かれるのではなく、例示的な実施形態に関する特定のフィーチャを強調するように描かれる。
[0012]以下の詳細な説明では、本発明の一部を形成し、実例として特定の例示的実施形態を示す添付図面を参照する。しかし、他の実施形態を利用することができ、論理的、機械的、および電気的な変更を行うことができることが理解されるべきである。さらに、描かれた図および本明細書で提示される方法は、個々のステップが行われ得る順序を限定するものと解釈されるべきではない。したがって、以下の詳細な説明は限定的な意味で解釈されるべきではない。
【０００８】
[0013]本開示の実施形態は、高性能を維持する小さいＩＭＵを製作するためのシステムおよび方法を提供する。ＩＭＵの多数の構成要素およびエレクトロニクスを統合するために、微小電気機械システム（ＭＥＭＳ）ジャイロスコープおよび加速度計は異なる対の支持ガラスウェハの間に密封される。次に、ガラスウェハは互いの上に積層され、互いに接合される。ガラスウェハ間の配置と、それ続く互いの上への積層化により、所望のＩＭＵ性能を維持しながらＩＭＵによって占められる体積を低減することが可能になる。
【０００９】
[0014]図１は、４層チップスケールＭＥＭＳシステム１００の一実施形態の切取り図である。ＭＥＭＳシステム１００は、多数のＭＥＭＳデバイスを囲む、互いの上に組み立てられた２つの二重チップ中に組織された４層を含む。例えば、ＭＥＭＳシステム１００は、第１の基層１０２、および第１のＭＥＭＳデバイス層１１０を囲む第１の上部層１０４を有する第１の二重チップと、第２の上部層１０６、および第２のＭＥＭＳデバイス層１１２を囲む第２の基層１０８を有する第２の二重チップとを含む。第１の二重チップおよび第２の二重チップを互いの上に位置づけると、ＭＥＭＳデバイスを囲みながら、より小さい面積でより厚いデバイスが生成される。これにより、ＭＥＭＳシステム１００の屈曲が低減される。屈曲を低減すると、外部衝撃および振動によって誘起される誤差の影響を受けやすいＭＥＭＳデバイスの性能を向上することができる。屈曲をさらに低減するために、第１の基層１０２、第１の上部層１０４、第２の上部層１０６、および第２の基層１０８は、ガラスなどの硬質な材料、または他の硬質な非導電性材料から製作することができる。
【００１０】
[0015]さらに、第１の基層１０２、第１の上部層１０４、第２の上部層１０６、および第２の基層１０８は、凹部１４０、１４２を含み、ＭＥＭＳデバイス１２２および１３２の動作を支持するために電極および電気的相互接続を支持する。例えば、第１の基層１０２の内向きの表面は第１のデバイス層１１０のための空間を設けるために凹部１４０および電気的接続を有し、第２の基層１０８の内向きの表面は第２のデバイス層１１２の動作を支持するために凹部１４２および電気的接続を含む。同様に、第１の上部層１０４および第２の上部層１０６の両方の内向きの表面は、第１のデバイス層１１０および第２のデバイス層１１２の動作のための空間を設けるために、第１の基層１０２および第２の基層１０８の両方の電極、電気的相互接続、および凹部１４０、１４２にそっくりの凹部、電極、および電気的相互接続を含む。
【００１１】
[0016]いくつかの実施形態では、ＭＥＭＳデバイスは、慣性測定ユニット（ＩＭＵ）内で機能する慣性センサアセンブリ（ＩＳＡ）の一部である。デバイスがＩＳＡの一部である場合、ＭＥＭＳシステム１００は、ＭＥＭＳシステム１００の回転および加速度を感知するための加速度計およびジャイロスコープを含む。いくつかの実施態様では、ＭＥＭＳシステム１００は、３つの直交軸に沿った加速度を感知する３つの加速度計と、３つの直交軸のまわりの回転を感知する３つのジャイロスコープとを含む。したがって、第１のデバイス層１１０および第２のデバイス層１１２は、組み合わされたとき、３つの加速度計と３つのジャイロスコープとを含む。したがって、第１のデバイス層１１０のＭＥＭＳデバイス１２２は第１の組のジャイロスコープと第１の組の加速度計とを含み、第２のデバイス層１１２のＭＥＭＳデバイス１３２は第２の組のジャイロスコープと第２の組の加速度計とを含む。
【００１２】
[0017]正確に機能させるために、いくつかのＭＥＭＳデバイスは特定の雰囲気タイプ中で動作するように設計される。例えば、いくつかのＭＥＭＳジャイロスコープは真空雰囲気タイプ中で動作するように設計され、一方、いくつかのＭＥＭＳ加速度計はガス雰囲気タイプ中で動作するように設計される。デバイス層は、異なる雰囲気タイプ中で動作する異なるＭＥＭＳデバイスを含むことができるので、デバイスはデバイス層内で互いに密閉して分離することができる。代替の実施態様では、デバイス層は単一のタイプのセンサのみを含む。例えば、図１に示されるように、第１のデバイス層１１０はＭＥＭＳデバイス１２２を含み、ここで、ＭＥＭＳデバイス１２２はガスの存在下で動作するように設計されており、第２のデバイス層１１２はＭＥＭＳデバイス１３２を含み、ここで、ＭＥＭＳデバイス１３２は真空内で動作するように設計されている。凹部１４０および１４２内の雰囲気タイプを維持するために、気密封止部１２０および１３０がＭＥＭＳシステム１００の外部環境雰囲気タイプから凹部１４０および１４２を密封する。気密封止部１２０および１３０は、シリコンリングの陽極接合を使用してＭＥＭＳデバイス１２２および１３２のまわりに製作される。代替として、気密封止部１２０および１３０はハンダまたは共晶封止リングを使用して形成される。
【００１３】
[0018]少なくとも１つの実施形態では、ＭＥＭＳシステム１００は、第１のデバイス層１１０のＭＥＭＳデバイス１２２および第２のデバイス層１１２のＭＥＭＳデバイス１３２の少なくとも一部の真空環境を維持するためにゲッタ１２８を含む。いくつかの実施態様では、ゲッタ１１８は、第１の基層１０２、第１の上部層１０４、第２の上部層１０６、および第２の基層１０８のいずれかの凹部１４０および１４２に配置され、ゲッタは、ＭＥＭＳシステム１００のジャイロスコープと、正確に動作するために真空を必要とする他のＭＥＭＳデバイスとを含む連続真空空胴内にある。代替の実施形態では、チャネル１３４が第１の上部層１０４または第２の上部層１０６または両方のいずれかに配置され、その結果、チャネル１３４は第１および第２の組のジャイロスコープを囲む連続真空空胴を形成する。さらに、第１の上部層１０４または第２の上部層１０６のいずれかがゲッタ凹部１２６を含み、ゲッタ凹部１２６は、第１および第２の組のジャイロスコープを囲む空気空胴に露出されるゲッタ１２８を含む。
【００１４】
[0019]いくつかの実施形態では、ＭＥＭＳシステム１００は、ＭＥＭＳデバイス１２２および１３２の動作を支持する電気的接続に電気的に接続するために第１の基層１０２および第２の基層１０８を通って延びる多数のビア１１６を含む。１つの実施態様では、ビア１１６は、第１および第２の基層１０２および１０８に形成された導電性シリコンポストである。代替として、ビア１１６は、マイクロアブレーションまたはドリルにより第１および第２の基層１０２および１０８に形成されたチャネル内に堆積された金属ポストである。さらに、相互接続１１８は、ＭＥＭＳシステム１００をＰＣＢ基盤または他の取付け表面に取り付けるための外部電気的接続にビア１１６を接続するためにデバイスの外側に沿って形成される。相互接続は、デバイスを多方位で取り付けることができるようにデバイス１００の外面のまわりでビア１１６に接続する。代替の実施形態では、相互接続は、第１の基層１０２および第２の基層１０８を通って延びることなしに第１および第２のＭＥＭＳデバイス１２２および１３２との電気的接続を可能にするように、第１および第２のデバイス層の外部表面に配置されたビア１１６に接続する。
【００１５】
[0020]ＭＥＭＳシステム１００に関連して上述したように形成されたＩＳＡは３つの理由で小さくかつ頑強なＩＳＡをもたらす。第１に、外部環境からおよび互いにＭＥＭＳデバイス１２２および１３２を分離するのに使用される封止部１２０および１３０は互いの上に位置づけられ、したがって、ダイ上で封止部によって連帯的に占められる面積が減少する。第２に、ゲッタ１２８は、ゲッタを有する凹部が十分なゲッタリング能力を達成するのにより大きくなることがあり、より大きい凹部のためにＭＥＭＳシステム１００がより大きくなることがある凹部１４０および１４２にではなく未使用の凹部１２６に堆積される。第３に、個々の層は各々、厚さに対する面積の小さい比により、積層ＩＳＡが非常に堅いチップになり、性能を劣化させる歪みおよび温度変化に敏感でなくなるので、チップ剛性を犠牲にすることなく薄くすることができる。
【００１６】
[0021]図２Ａ〜２Ｃは、４層チップスケールＭＥＭＳデバイスを製作するための製作プロセス２００の一実施形態を示す図であり、１つのデバイス層はガス雰囲気タイプ中で密封され、別のデバイス層は真空中で密封される。図２Ａは第１の二重チップ２０１を製作するための製作プロセス２００の一実施形態を示し、第１の二重チップ２０１はガス雰囲気タイプ中で第１のデバイス層を密封する。第１の二重チップ２０１は第１の基層２０２および第１の上部層２０４を含む。第１の基層２０２および第１の上部層２０４を形成するとき、製作プロセス２００は、図１の凹部１４２で示されたように第１の基層２０２および第１の上部層２０４に凹部を形成する。さらに、電気的接続が第１の基層２０２および第１の上部層２０４にパターン化および堆積され、電気的接続はＭＥＭＳデバイスの動作を支持する。いくつかの実施形態では、第１の基層２０２および第１の上部層２０４はガラスまたは別の硬質な非導電性材料から製作される。さらなる実施形態では、第１の基層２０２は、電気的接続をＭＥＭＳデバイス２３２からＭＥＭＳシステムの外部表面まで延ばすために電極および電気的相互接続に接続される導電性シリコンポストを有するように前もって形成される。
【００１７】
[0022]いくつかの実施形態では、製作プロセス２００は第１のデバイス層２１０を形成する。第１のデバイス層２１０は図１の第１のデバイス層１１０と同様であり、製作プロセス２００は通常のＭＥＭＳプロセスを使用して第１のデバイス層２１０を形成する。例えば、製作プロセス２００は支持シリコンウェハにエピタキシャル層を堆積させる。次に、プロセス２００はエピタキシャル層の中におよびそれを通して第１のデバイス層２１０をパターン化し、第１のデバイス層２１０は封止部２２０およびＭＥＭＳデバイス２２２を含む。エピタキシャル層がパターン化されると、プロセス２００は、第１のデバイス層２１０を含むエピタキシャル層を第１の基層２０２に接合する。いくつかの実施態様では、第１の基層２０２は第１のデバイス層２１０を含むエピタキシャル層に陽極接合を使用して接合される。エピタキシャル層が第１の外側層２０２に接合されると、プロセス２００はエピタキシャル層から支持シリコンウェハを除去する。支持シリコンウェハが除去されると、第１のデバイス２１０のＭＥＭＳデバイスは自由に動くことができるが、第１の基層２０２に固定されている。
【００１８】
[0023]製作プロセス２００が第１のデバイス層２１０を第１の基層２０２に接合すると、プロセス２００は第１の上部層２０４を第１のデバイス層２１０に接合する。１つの実施態様では、プロセス２００は、ガス環境で第１の上部層２０４の第１のデバイス層２１０への接合を行う。第１の上部層２０４の第１のデバイス層２１０への接合がガス環境で行われる場合、プロセス２００は第１の下部層２０２および第１の上部層２０４の両方を第１のデバイス層２１０の封止部２２０に接合する。封止部２２０は、ＭＥＭＳデバイス２２２を取り囲む第１の二重チップ２０１内に封入されたガス雰囲気タイプを密閉して維持する。例えば、ＭＥＭＳデバイス２２２が加速度計を含む場合、加速度計は、加速度計の運動を抑制するためにガス中で密封される。代替の実施態様では、ＭＥＭＳデバイス２２２がジャイロスコープである場合、ＭＥＭＳデバイス２２２は真空中で密封される。
【００１９】
[0024]いくつかの実施形態では、第１の上部層２０４が第１の基層２０２に接合されると、プロセス２００は第１の上部層２０４の上部表面にゲッタ２２８を形成する。第１の二重チップ２０１が、真空内にデバイスを密封する第２の二重チップ２０３に接合されるので、第１の上部層２０４の上部表面に位置づけられたゲッタ２２８は、所望のゲッタリング能力を維持しながらＭＥＭＳシステムのサイズに影響を与えることなしに第２の二重チップ２０３の真空を維持する。例えば、プロセス２００は、第１の上部層２０４の上部表面内にゲッタ凹部２２６を形成し、ゲッタ凹部２２６内にゲッタ材料を堆積させてゲッタ２２８を形成する。いくつかの実施態様では、ゲッタ材料は薄膜ゲッタであり、チタン、亜鉛、およびジルコニウム合金などの材料を含む。ゲッタ材料は、ゲッタ２２８の表面と接触するガスを吸収する。例えば、ゲッタ２２８のゲッタ材料は、第２の二重チップ２０３のＭＥＭＳデバイスのまわりで見いだされる、ゲッタ材料と接触するガスを吸収する。
[0025]図２Ｂは、製作プロセス２００によって第２の二重チップ２０３を製作する一実施形態を示す。第２の二重チップ２０３は第２の基層２０８および第２の上部層２０６を含む。第２の基層２０８および第２の上部層２０６を形成すると、凹部が、図１の凹部１４２で示されるように第２の基層２０８および第２の上部層２０６に形成される。さらに、プロセス２００は、第２の基層２０８および第２の上部層２０６に電極および電気的相互接続をパターン化し堆積させ、電気的接続はＭＥＭＳデバイスの動作を支持する。いくつかの実施形態では、第２の基層２０８および第２の上部層２０６はガラスまたは別の硬質な非導電性材料から製作される。さらなる実施形態では、第２の基層２０８は、電気的接続をＭＥＭＳデバイス２３２からＭＥＭＳシステムの外部表面まで延ばすために電気的接続に接続される導電性シリコンポストを有するように前もって形成される。
【００２０】
[0026]いくつかの実施態様では、製作プロセス２００は第２のデバイス層２１２を形成する。第２のデバイス層２１２は図１の第２のデバイス層１１２と同様であり、第２のデバイス層２１２は通常のＭＥＭＳプロセスを使用して形成される。例えば、製作プロセス２００は支持シリコンウェハにエピタキシャル層を堆積させる。次に、プロセス２００はエピタキシャル層の中におよびそれを通して第２のデバイス層２１２をパターン化し、第２のデバイス層２１２は封止部２３０およびＭＥＭＳデバイス２３２を含む。エピタキシャル層がパターン化されると、プロセス２００は、第２のデバイス層２１２を含むエピタキシャル層を第２の基層２０８に接合する。いくつかの実施態様では、プロセス２００は、第２のデバイス層２１２を含むエピタキシャル層に第２の基層２０８を陽極接合を使用して接合する。エピタキシャル層が第２の基層２０８に接合されると、プロセス２００はエピタキシャル層から支持シリコンウェハを除去する。支持シリコンウェハが除去されると、第２のデバイス２１２のＭＥＭＳデバイスは自由に動くことができるが、第２の基層２０８に固定されている。
【００２１】
[0027]製作プロセス２００が第２のデバイス層２１２を第２の基層２０８に接合すると、プロセス２００は第２の上部層２０６を第２のデバイス層２１２に接合する。１つの実施態様では、プロセス２００は第２の上部層２０６を第２のデバイス層２１２にガス環境で接合する。代替の実施態様では、プロセス２００は第２の上部層２０６を第２のデバイス層２１２に真空中で接合する。第２の上部層２０６の第２のデバイス層２１２への接合が真空中で行われる場合、プロセス２００は第２の下部層２０８および第２の上部層２０６の両方を第２のデバイス層２１２の封止部２３０に接合する。封止部２３０は、ＭＥＭＳデバイス２３２を取り囲む第２の二重チップ２０３内に封入された真空を密閉して維持する。例えば、ＭＥＭＳデバイス２３２がジャイロスコープを含む場合、ジャイロスコープは、空気が回転の感知に干渉しないように真空中で密封される。
【００２２】
[0028]いくつかの実施態様では、プロセス２００は、さらに、第２の上部層２０６を通してゲッタにアクセスすることによって真空を維持および持続する。前に説明したように、プロセス２００は第１の上部層２０４の上部表面にゲッタを形成する。プロセス２００は、第２の上部層２０６に形成された一連のチャネル２３４を通してこのゲッタにアクセスする。プロセス２００が第２の上部層２０６を第２のデバイス層２１２に接合すると、図１で凹部１４２として示された凹部区域とチャネル２３４とが第２の二重チップ２０３内に連続真空空胴を形成する。したがって、ＭＥＭＳデバイス２３２を含む連続真空空胴内に密封された図２Ｂのゲッタ２２８は第２の二重チップ２０３内の真空を持続する。
【００２３】
[0029]図２Ｃは、第１の二重チップ２０１を第２の二重チップ２０３に連結することによって４層チップスケールＭＥＭＳデバイスを製作する一実施形態を示す。第１の二重チップ２０１および第２の二重チップ２０３が形成されると、製作プロセス２００は、第１の二重チップ２０１を第２の二重チップ２０３に連結することによって４層チップスケールＭＥＭＳデバイスを形成する。一実施形態では、第２の二重チップ２０３は、第１の二重チップ２０１の第１の上部層２０４が第２の二重チップ２０３の第２の上部層２０６に隣接するように裏返され、第１の二重チップ２０１の上に積層される。例えば、第１の上部層２０４の上部表面がゲッタ２２８を含み、第２の上部層２０６の上部表面が一連のチャネル２３４を含む場合、第２の二重チップ２０３は、チャネル２３４がゲッタ２２８と向かい合うように第１の二重チップ２０１の上に配置される。
【００２４】
[0030]いくつかの実施形態では、第１の二重チップ２０１が第２の二重チップ２０３に接触する領域は、空気が第１のデバイス層２１０または第２のデバイス層２１２のいずれかの中に入らないようにまたはそれから出ないように気密封止される。さらに、第１の二重チップ２０１は真空環境で第２の二重チップ２０３に接合される。例えば、第１の二重チップ２０１または第２の二重チップ２０３のいずれかが、ジャイロスコープまたは正確に動作するのに真空環境を必要とする他のＭＥＭＳデバイスを含む場合、第１のデバイス層２１０または第２のデバイス層２１２のいずれかの真空を持続するために、第１の二重チップ２０１と第２の二重チップ２０３との間にゲッタ材料を堆積することができる。気密封止部２１４を形成するために、プロセス２００は、連結される第１および第２の二重チップ２０１および２０３の縁部のまわりにフリットまたはハンダを配置し、第１および第２の二重チップ２０１および２０３を互いの上に配置し、ハンダまたはフリットが流れて第１および第２の二重チップ２０１および２０３を互いに連結するまでハンダまたはフリットを加熱する。第１および第２の二重チップ２０１および２０３の連結の間、ハンダまたはフリットの加熱がゲッタ２２８も加熱および活性化し、ゲッタ２２８が活性化されると、ゲッタ２２８の上部表面を被覆していた空気がゲッタ材料中に混合され、その結果、ゲッタ２２８の上部表面は再生され、ゲッタ２２８に露出される連続空気空胴を形成するデバイス層内に存在するガス分子を吸収する準備ができる。このように、プロセス２００は、第１の二重チップ２０１を第２の二重チップ２０３に連結することによってＭＥＭＳシステムを製作する。
【００２５】
[0031]いくつかの実施態様では、デバイスの製作は大きいウェハで行われる。そのため、ＭＥＭＳシステムを生成するためのプロセスは、一緒に連結されているＭＥＭＳデバイスの大きいバッチを生成する。個々のデバイスを製作するために、大きいウェハは個々のデバイスに単品化される。
【００２６】
[0032]図３Ａ〜３Ｂは、一実施形態による４層チップスケールＭＥＭＳデバイスの製作プロセス３００を示す図である。図３Ａは、真空中で密封された構成要素とガス中で密封された構成要素とを含む二重チップの形成を示す。例えば、第１のデバイス層３１０はジャイロスコープおよび加速度計の両方を含み、ジャイロスコープは真空中で密封され、加速度計は空気充満環境で密封される。異なる密封領域を生成するために、２つの異なるデバイス区画がデバイス層３１０に形成される。例えば、デバイス層はガス区画３４０および真空区画３４２を含む。ガス区画３４０では、デバイス層３１０はガス環境で動作するように設計されたＭＥＭＳデバイス３４４を含み、真空区画３４２では、デバイス層３１０は真空中で動作するように設計されたＭＥＭＳデバイス３４８を含む。ガス区画３４０を真空区画３４２から分離するために、デバイス層３１０は分離壁３４６を含む。分離壁３４６はガス区画３４０を真空区画３４２から密閉して分離する。第１の下部層３０２が第１のデバイス層３１０に陽極接合される場合、第１の下部層３０２は、さらに、分離壁３４６に陽極接合される。同様に、第１の上部層３０４が第１のデバイス層３１０に陽極接合される場合、第１の上部層３０４は、さらに、分離壁３４６に陽極接合される。
【００２７】
[0033]いくつかの実施形態では、ゲッタにアクセスするために、製作プロセス３００は、真空区画３４２の場所に対応するチャネルを第１の上部層３０４に生成する。ゲッタが第１の二重チップと第２の二重チップとの間に配置される場合、チャネルはゲッタが空胴内のガスを吸収できるようにする。
【００２８】
[0034]図３Ｂは、４層ＭＥＭＳシステムを形成するための２つの二重チップの連結を示す。例えば、第１の二重チップ３０１および第２の二重チップ３０３は図３Ａに関連して説明したように製作される。製作プロセス３００は、第１の上部層３０４の上部表面または第２の上部層３０６の上部表面または両方のいずれかにゲッタ材料を堆積させることによってゲッタ３５２を形成する。第１のデバイス層３１０および第２のデバイス層３１２の両方がガス区画および真空区画の両方を含んでいるとき、チャネル３５０および３５１は、第１のデバイス層３１０および第２のデバイス層３１２の両方の真空区画を含み、連続真空空胴をゲッタ３５２に露出する連続真空空胴を形成するように配置される。さらに、第２の二重チップ３０３への第１の二重チップ３０１の連結は、図２Ｃに関連して説明したような第２の二重チップ２０３への第１の二重チップ２０１の連結と同様である。
【００２９】
[0035]図４Ａ〜４Ｄは、一実施形態による４層ＭＥＭＳデバイスの様々な取付け構成を示す図である。例えば、いくつかの実施形態では、製作プロセスがＭＥＭＳシステム４００を組み立てたとき、デバイスがＰＣＢまたは他の取付け基板に取り付けられるようにするために、相互接続がデバイスの外側に沿って形成される。一実施形態では、相互接続に接続するために、ビアがシステム４００内の電気構成要素から延びる。相互接続は、システム４００を多方位で取り付けることができるようにシステム４００の外面のまわりでビアを接続する。いくつかの実施態様では、ビアは、ガラス層上に堆積された金属膜にビアを電気的に接続するためにガラス層に形成される導電性シリコンである。代替として、ビアは、マイクロアブレーションまたはドリルによりガラス層に形成されたチャネル内に堆積された金属ポストである。
【００３０】
[0036]図４Ａは基盤４５４上に取り付けられたＭＥＭＳシステム４００を示し、ＭＥＭＳシステム４００は、ＭＥＭＳシステム４００の外側表面の電気的相互接続に結合されるバンプボンド４５０により基盤４５４に電気的に接続される。例えば、ＭＥＭＳシステム４００の相互接続は、ＭＥＭＳシステム４００の外側表面のまわりのビアから電気的接続を延ばす。いくつかの実施態様では、電気的相互接続は、基盤４５４の上部表面に接触するＭＥＭＳシステム４００の側面に延びる。基盤４５４の上部表面に接続させるために、バンプボンド４５０は相互接続と基盤４５４との間の電気的接続を行う。
【００３１】
[0037]図４Ｂは基盤４５４上に取り付けられたＭＥＭＳシステム４００を示し、ＭＥＭＳシステム４００は、ＭＥＭＳシステム４００の側面の相互接続に結合されるワイヤボンド４６０により基盤４５４に電気的に接続される。例えば、相互接続がＭＥＭＳシステム４００の側面にある場合、ワイヤボンドは、ＭＥＭＳシステム４００の側面に配置された相互接続に電気的に接続するために基盤４５４から延びる。
【００３２】
[0038]図４Ｃは基盤４５４上に取り付けられたＭＥＭＳシステム４００を示し、ＭＥＭＳシステム４００は、ＭＥＭＳシステム４００の上部表面の電気接触部に結合されるワイヤボンドにより基盤４５４に電気的に接続される。例えば、相互接続がＭＥＭＳシステム４００の上部表面にある場合、ワイヤボンドは、ＭＥＭＳシステム４００の上部表面に配置された相互接続に電気的に接続するために基盤４５４から延びる。
【００３３】
[0039]図４Ｄは基盤４５４上に取り付けられたＭＥＭＳシステム４０１を示し、ＭＥＭＳシステム４０１は、ＭＥＭＳシステム４０１の外側表面の側面の電気的相互接続に結合されるバンプボンド４８０により基盤４５４に電気的に接続される。例えば、ＭＥＭＳシステム４０１の相互接続は、ＭＥＭＳシステム４０１の外側表面のまわりのビアから電気的接続を延ばす。いくつかの実施態様では、電気的相互接続は、ＭＥＭＳシステム４０１の層の方位に垂直に方位づけされるＭＥＭＳシステム４０１の側面に延びる。基盤４５４の上部表面に接続させるために、バンプボンド４８０は相互接続と基盤４５４との間の電気的接続を行う。
【００３４】
[0040]図５は、一実施形態による４層ＭＥＭＳデバイスを組み立てる例示の方法５００の流れ図である。方法５００は、第１の基層を形成し、第１の組のＭＥＭＳデバイスを含む第１のデバイス層を第１の基層に接合し、第１の上部層を第１のデバイス層に接合することによって第１の二重チップを形成するブロック５０２で始まる。いくつかの実施形態では、第１の組のＭＥＭＳデバイスは、第１の基層と第１の上部層との間に気密封止される。さらに、ＭＥＭＳデバイスは、異なる雰囲気タイプ中で機能する加速度計およびジャイロスコープを含む。例えば、第１の組のＭＥＭＳデバイスが加速度計である場合、第１の基層および第１の上部層はガス雰囲気内で加速度計を気密封止する。
【００３５】
[0041]方法５００は、第２の基層を形成し、第２の組のＭＥＭＳデバイスを含む第２のデバイス層を第２の基層に接合し、第２の上部層を第２のデバイス層に接合することによって第２の二重チップを形成するブロック５０４に進む。いくつかの実施形態では、第２の組のＭＥＭＳデバイスは、第２の基層と第２の上部層との間に気密封止される。例えば、いくつかの実施態様では、第２の組のＭＥＭＳデバイスは真空内で動作するように設計されたジャイロスコープを含む。第２の基層と第２の上部層との間のＭＥＭＳデバイスの気密封止により、ジャイロスコープは真空内に密封される。
【００３６】
[0042]方法５００は、さらに、第１の上部層を第２の上部層に接合するブロック５０６に進む。例えば、完全なＩＳＡを製作するために、第１のデバイス層および第２のデバイス層は、３つの直交軸のまわりの回転を感知する３つのジャイロスコープと、３つの直交軸に沿った回転を感知する３つの加速度計とを含む。さらに、少なくとも１つの実施態様では、正確に動作するのに真空環境を必要とするＭＥＭＳデバイスのまわりの真空を維持するために、ゲッタが第１の上部層と第２の上部層との間に堆積される。
【００３７】
[0043]特定の実施形態が本明細書で図示および説明されたが、同じ目的を達成するように意図されたいかなる構成も提示された特定の実施形態と置き換えることができることが当業者には理解されよう。したがって、本発明は特許請求の範囲およびその均等物によってのみ限定されることが明白に意図される。
【技術分野】
【０００１】
関連出願の相互参照
[0001]本出願は、２０１０年１１月２３日に出願された米国特許仮出願第６１／４１６，４８５号の優先権の利益を主張し、その開示は参照により本明細書に組み込まれる。
【背景技術】
【０００２】
[0002]慣性測定ユニット（ＩＭＵ）は、位置、機首方位、および姿勢のような航法情報を決定するための運動情報を取得することができる。例えば、ＩＭＵは、車両または飛行機ナビゲーションなどの高性能用途で、および航空機の姿勢および機首方位認識、パーソナルナビゲーション、またはミサイルの誘導などのより低い性能用途で使用される。ＩＭＵを組み込むいくつかの用途では、ＩＭＵの配置のための空間が制限される。典型的なＩＭＵは３つのジャイロスコープ、３つの加速度計、ならびに支持電極および電気的相互接続を使用することによって運動情報を提供するので、所望の性能を維持しながら制限された空間をもつ用途にＩＭＵを統合するのは挑戦的である。
【先行技術文献】
【特許文献】
【０００３】
【特許文献１】米国特許仮出願第６１／４１６，４８５号
【発明の概要】
【課題を解決するための手段】
【０００４】
[0003]本発明の実施形態は４層チップスケールＭＥＭＳデバイスのためのシステムおよび方法を提供し、以下の明細書を読みかつ検討することによって理解されるであろう。
[0004]微小電気機械システム（ＭＥＭＳ）装置のためのシステムおよび方法が提供される。一実施形態では、第１の基層と、第１の基層に接合される第１のデバイス層であり、第１の組のＭＥＭＳデバイスを含む、第１のデバイス層と、第１のデバイス層に接合される第１の上部層であり、第１の組のＭＥＭＳデバイスが密閉して分離される、第１の上部層とを含む第１の二重チップをシステムは含む。第２の基層と、第２の基層に接合される第２のデバイス層であり、第２の組のＭＥＭＳデバイスを含む、第２のデバイス層と、第２のデバイス層に接合される第２の上部層であり、第２の組のＭＥＭＳデバイスが密閉して分離され、第１の上部層の第１の上部表面が第２の上部層の第２の上部表面に接合される、第２の上部層とを含む第２の二重チップをシステムはさらに含む。
【０００５】
[0005]図面は例示的な実施形態のみを示し、したがって発明の範囲を限定するものと考えるべきでないことを理解した上で、例示的な実施形態は添付図面を使用して追加の特定性および詳細とともに説明される。
【図面の簡単な説明】
【０００６】
【図１】[0006]一実施形態による４層チップスケールＭＥＭＳデバイスの斜視断面図である。
【図２Ａ】[0007]一実施形態による４層チップスケールＭＥＭＳデバイスの製作を示す斜視図である。
【図２Ｂ】[0007]一実施形態による４層チップスケールＭＥＭＳデバイスの製作を示す斜視図である。
【図２Ｃ】[0007]一実施形態による４層チップスケールＭＥＭＳデバイスの製作を示す斜視図である。
【図３Ａ】[0008]一実施形態による４層チップスケールＭＥＭＳデバイスの製作を示す斜視図である。
【図３Ｂ】[0008]一実施形態による４層チップスケールＭＥＭＳデバイスの製作を示す斜視図である。
【図４】[0009]図４Ａは、４層ＭＥＭＳデバイスの取付け構成の一実施形態を示す断面図である。[0009]図４Ｂは、４層ＭＥＭＳデバイスの取付け構成の一実施形態を示す断面図である。[0009]図４Ｃは、４層ＭＥＭＳデバイスの取付け構成の一実施形態を示す断面図である。[0009]図４Ｄは、４層ＭＥＭＳデバイスの取付け構成の一実施形態を示す断面図である。
【図５】[0010]一実施形態による４層ＭＥＭＳデバイスを組み立てる例示の方法の流れ図である。
【発明を実施するための形態】
【０００７】
[0011]一般的な方法に従って、様々な記載のフィーチャは、正しい縮尺で描かれるのではなく、例示的な実施形態に関する特定のフィーチャを強調するように描かれる。
[0012]以下の詳細な説明では、本発明の一部を形成し、実例として特定の例示的実施形態を示す添付図面を参照する。しかし、他の実施形態を利用することができ、論理的、機械的、および電気的な変更を行うことができることが理解されるべきである。さらに、描かれた図および本明細書で提示される方法は、個々のステップが行われ得る順序を限定するものと解釈されるべきではない。したがって、以下の詳細な説明は限定的な意味で解釈されるべきではない。
【０００８】
[0013]本開示の実施形態は、高性能を維持する小さいＩＭＵを製作するためのシステムおよび方法を提供する。ＩＭＵの多数の構成要素およびエレクトロニクスを統合するために、微小電気機械システム（ＭＥＭＳ）ジャイロスコープおよび加速度計は異なる対の支持ガラスウェハの間に密封される。次に、ガラスウェハは互いの上に積層され、互いに接合される。ガラスウェハ間の配置と、それ続く互いの上への積層化により、所望のＩＭＵ性能を維持しながらＩＭＵによって占められる体積を低減することが可能になる。
【０００９】
[0014]図１は、４層チップスケールＭＥＭＳシステム１００の一実施形態の切取り図である。ＭＥＭＳシステム１００は、多数のＭＥＭＳデバイスを囲む、互いの上に組み立てられた２つの二重チップ中に組織された４層を含む。例えば、ＭＥＭＳシステム１００は、第１の基層１０２、および第１のＭＥＭＳデバイス層１１０を囲む第１の上部層１０４を有する第１の二重チップと、第２の上部層１０６、および第２のＭＥＭＳデバイス層１１２を囲む第２の基層１０８を有する第２の二重チップとを含む。第１の二重チップおよび第２の二重チップを互いの上に位置づけると、ＭＥＭＳデバイスを囲みながら、より小さい面積でより厚いデバイスが生成される。これにより、ＭＥＭＳシステム１００の屈曲が低減される。屈曲を低減すると、外部衝撃および振動によって誘起される誤差の影響を受けやすいＭＥＭＳデバイスの性能を向上することができる。屈曲をさらに低減するために、第１の基層１０２、第１の上部層１０４、第２の上部層１０６、および第２の基層１０８は、ガラスなどの硬質な材料、または他の硬質な非導電性材料から製作することができる。
【００１０】
[0015]さらに、第１の基層１０２、第１の上部層１０４、第２の上部層１０６、および第２の基層１０８は、凹部１４０、１４２を含み、ＭＥＭＳデバイス１２２および１３２の動作を支持するために電極および電気的相互接続を支持する。例えば、第１の基層１０２の内向きの表面は第１のデバイス層１１０のための空間を設けるために凹部１４０および電気的接続を有し、第２の基層１０８の内向きの表面は第２のデバイス層１１２の動作を支持するために凹部１４２および電気的接続を含む。同様に、第１の上部層１０４および第２の上部層１０６の両方の内向きの表面は、第１のデバイス層１１０および第２のデバイス層１１２の動作のための空間を設けるために、第１の基層１０２および第２の基層１０８の両方の電極、電気的相互接続、および凹部１４０、１４２にそっくりの凹部、電極、および電気的相互接続を含む。
【００１１】
[0016]いくつかの実施形態では、ＭＥＭＳデバイスは、慣性測定ユニット（ＩＭＵ）内で機能する慣性センサアセンブリ（ＩＳＡ）の一部である。デバイスがＩＳＡの一部である場合、ＭＥＭＳシステム１００は、ＭＥＭＳシステム１００の回転および加速度を感知するための加速度計およびジャイロスコープを含む。いくつかの実施態様では、ＭＥＭＳシステム１００は、３つの直交軸に沿った加速度を感知する３つの加速度計と、３つの直交軸のまわりの回転を感知する３つのジャイロスコープとを含む。したがって、第１のデバイス層１１０および第２のデバイス層１１２は、組み合わされたとき、３つの加速度計と３つのジャイロスコープとを含む。したがって、第１のデバイス層１１０のＭＥＭＳデバイス１２２は第１の組のジャイロスコープと第１の組の加速度計とを含み、第２のデバイス層１１２のＭＥＭＳデバイス１３２は第２の組のジャイロスコープと第２の組の加速度計とを含む。
【００１２】
[0017]正確に機能させるために、いくつかのＭＥＭＳデバイスは特定の雰囲気タイプ中で動作するように設計される。例えば、いくつかのＭＥＭＳジャイロスコープは真空雰囲気タイプ中で動作するように設計され、一方、いくつかのＭＥＭＳ加速度計はガス雰囲気タイプ中で動作するように設計される。デバイス層は、異なる雰囲気タイプ中で動作する異なるＭＥＭＳデバイスを含むことができるので、デバイスはデバイス層内で互いに密閉して分離することができる。代替の実施態様では、デバイス層は単一のタイプのセンサのみを含む。例えば、図１に示されるように、第１のデバイス層１１０はＭＥＭＳデバイス１２２を含み、ここで、ＭＥＭＳデバイス１２２はガスの存在下で動作するように設計されており、第２のデバイス層１１２はＭＥＭＳデバイス１３２を含み、ここで、ＭＥＭＳデバイス１３２は真空内で動作するように設計されている。凹部１４０および１４２内の雰囲気タイプを維持するために、気密封止部１２０および１３０がＭＥＭＳシステム１００の外部環境雰囲気タイプから凹部１４０および１４２を密封する。気密封止部１２０および１３０は、シリコンリングの陽極接合を使用してＭＥＭＳデバイス１２２および１３２のまわりに製作される。代替として、気密封止部１２０および１３０はハンダまたは共晶封止リングを使用して形成される。
【００１３】
[0018]少なくとも１つの実施形態では、ＭＥＭＳシステム１００は、第１のデバイス層１１０のＭＥＭＳデバイス１２２および第２のデバイス層１１２のＭＥＭＳデバイス１３２の少なくとも一部の真空環境を維持するためにゲッタ１２８を含む。いくつかの実施態様では、ゲッタ１１８は、第１の基層１０２、第１の上部層１０４、第２の上部層１０６、および第２の基層１０８のいずれかの凹部１４０および１４２に配置され、ゲッタは、ＭＥＭＳシステム１００のジャイロスコープと、正確に動作するために真空を必要とする他のＭＥＭＳデバイスとを含む連続真空空胴内にある。代替の実施形態では、チャネル１３４が第１の上部層１０４または第２の上部層１０６または両方のいずれかに配置され、その結果、チャネル１３４は第１および第２の組のジャイロスコープを囲む連続真空空胴を形成する。さらに、第１の上部層１０４または第２の上部層１０６のいずれかがゲッタ凹部１２６を含み、ゲッタ凹部１２６は、第１および第２の組のジャイロスコープを囲む空気空胴に露出されるゲッタ１２８を含む。
【００１４】
[0019]いくつかの実施形態では、ＭＥＭＳシステム１００は、ＭＥＭＳデバイス１２２および１３２の動作を支持する電気的接続に電気的に接続するために第１の基層１０２および第２の基層１０８を通って延びる多数のビア１１６を含む。１つの実施態様では、ビア１１６は、第１および第２の基層１０２および１０８に形成された導電性シリコンポストである。代替として、ビア１１６は、マイクロアブレーションまたはドリルにより第１および第２の基層１０２および１０８に形成されたチャネル内に堆積された金属ポストである。さらに、相互接続１１８は、ＭＥＭＳシステム１００をＰＣＢ基盤または他の取付け表面に取り付けるための外部電気的接続にビア１１６を接続するためにデバイスの外側に沿って形成される。相互接続は、デバイスを多方位で取り付けることができるようにデバイス１００の外面のまわりでビア１１６に接続する。代替の実施形態では、相互接続は、第１の基層１０２および第２の基層１０８を通って延びることなしに第１および第２のＭＥＭＳデバイス１２２および１３２との電気的接続を可能にするように、第１および第２のデバイス層の外部表面に配置されたビア１１６に接続する。
【００１５】
[0020]ＭＥＭＳシステム１００に関連して上述したように形成されたＩＳＡは３つの理由で小さくかつ頑強なＩＳＡをもたらす。第１に、外部環境からおよび互いにＭＥＭＳデバイス１２２および１３２を分離するのに使用される封止部１２０および１３０は互いの上に位置づけられ、したがって、ダイ上で封止部によって連帯的に占められる面積が減少する。第２に、ゲッタ１２８は、ゲッタを有する凹部が十分なゲッタリング能力を達成するのにより大きくなることがあり、より大きい凹部のためにＭＥＭＳシステム１００がより大きくなることがある凹部１４０および１４２にではなく未使用の凹部１２６に堆積される。第３に、個々の層は各々、厚さに対する面積の小さい比により、積層ＩＳＡが非常に堅いチップになり、性能を劣化させる歪みおよび温度変化に敏感でなくなるので、チップ剛性を犠牲にすることなく薄くすることができる。
【００１６】
[0021]図２Ａ〜２Ｃは、４層チップスケールＭＥＭＳデバイスを製作するための製作プロセス２００の一実施形態を示す図であり、１つのデバイス層はガス雰囲気タイプ中で密封され、別のデバイス層は真空中で密封される。図２Ａは第１の二重チップ２０１を製作するための製作プロセス２００の一実施形態を示し、第１の二重チップ２０１はガス雰囲気タイプ中で第１のデバイス層を密封する。第１の二重チップ２０１は第１の基層２０２および第１の上部層２０４を含む。第１の基層２０２および第１の上部層２０４を形成するとき、製作プロセス２００は、図１の凹部１４２で示されたように第１の基層２０２および第１の上部層２０４に凹部を形成する。さらに、電気的接続が第１の基層２０２および第１の上部層２０４にパターン化および堆積され、電気的接続はＭＥＭＳデバイスの動作を支持する。いくつかの実施形態では、第１の基層２０２および第１の上部層２０４はガラスまたは別の硬質な非導電性材料から製作される。さらなる実施形態では、第１の基層２０２は、電気的接続をＭＥＭＳデバイス２３２からＭＥＭＳシステムの外部表面まで延ばすために電極および電気的相互接続に接続される導電性シリコンポストを有するように前もって形成される。
【００１７】
[0022]いくつかの実施形態では、製作プロセス２００は第１のデバイス層２１０を形成する。第１のデバイス層２１０は図１の第１のデバイス層１１０と同様であり、製作プロセス２００は通常のＭＥＭＳプロセスを使用して第１のデバイス層２１０を形成する。例えば、製作プロセス２００は支持シリコンウェハにエピタキシャル層を堆積させる。次に、プロセス２００はエピタキシャル層の中におよびそれを通して第１のデバイス層２１０をパターン化し、第１のデバイス層２１０は封止部２２０およびＭＥＭＳデバイス２２２を含む。エピタキシャル層がパターン化されると、プロセス２００は、第１のデバイス層２１０を含むエピタキシャル層を第１の基層２０２に接合する。いくつかの実施態様では、第１の基層２０２は第１のデバイス層２１０を含むエピタキシャル層に陽極接合を使用して接合される。エピタキシャル層が第１の外側層２０２に接合されると、プロセス２００はエピタキシャル層から支持シリコンウェハを除去する。支持シリコンウェハが除去されると、第１のデバイス２１０のＭＥＭＳデバイスは自由に動くことができるが、第１の基層２０２に固定されている。
【００１８】
[0023]製作プロセス２００が第１のデバイス層２１０を第１の基層２０２に接合すると、プロセス２００は第１の上部層２０４を第１のデバイス層２１０に接合する。１つの実施態様では、プロセス２００は、ガス環境で第１の上部層２０４の第１のデバイス層２１０への接合を行う。第１の上部層２０４の第１のデバイス層２１０への接合がガス環境で行われる場合、プロセス２００は第１の下部層２０２および第１の上部層２０４の両方を第１のデバイス層２１０の封止部２２０に接合する。封止部２２０は、ＭＥＭＳデバイス２２２を取り囲む第１の二重チップ２０１内に封入されたガス雰囲気タイプを密閉して維持する。例えば、ＭＥＭＳデバイス２２２が加速度計を含む場合、加速度計は、加速度計の運動を抑制するためにガス中で密封される。代替の実施態様では、ＭＥＭＳデバイス２２２がジャイロスコープである場合、ＭＥＭＳデバイス２２２は真空中で密封される。
【００１９】
[0024]いくつかの実施形態では、第１の上部層２０４が第１の基層２０２に接合されると、プロセス２００は第１の上部層２０４の上部表面にゲッタ２２８を形成する。第１の二重チップ２０１が、真空内にデバイスを密封する第２の二重チップ２０３に接合されるので、第１の上部層２０４の上部表面に位置づけられたゲッタ２２８は、所望のゲッタリング能力を維持しながらＭＥＭＳシステムのサイズに影響を与えることなしに第２の二重チップ２０３の真空を維持する。例えば、プロセス２００は、第１の上部層２０４の上部表面内にゲッタ凹部２２６を形成し、ゲッタ凹部２２６内にゲッタ材料を堆積させてゲッタ２２８を形成する。いくつかの実施態様では、ゲッタ材料は薄膜ゲッタであり、チタン、亜鉛、およびジルコニウム合金などの材料を含む。ゲッタ材料は、ゲッタ２２８の表面と接触するガスを吸収する。例えば、ゲッタ２２８のゲッタ材料は、第２の二重チップ２０３のＭＥＭＳデバイスのまわりで見いだされる、ゲッタ材料と接触するガスを吸収する。
[0025]図２Ｂは、製作プロセス２００によって第２の二重チップ２０３を製作する一実施形態を示す。第２の二重チップ２０３は第２の基層２０８および第２の上部層２０６を含む。第２の基層２０８および第２の上部層２０６を形成すると、凹部が、図１の凹部１４２で示されるように第２の基層２０８および第２の上部層２０６に形成される。さらに、プロセス２００は、第２の基層２０８および第２の上部層２０６に電極および電気的相互接続をパターン化し堆積させ、電気的接続はＭＥＭＳデバイスの動作を支持する。いくつかの実施形態では、第２の基層２０８および第２の上部層２０６はガラスまたは別の硬質な非導電性材料から製作される。さらなる実施形態では、第２の基層２０８は、電気的接続をＭＥＭＳデバイス２３２からＭＥＭＳシステムの外部表面まで延ばすために電気的接続に接続される導電性シリコンポストを有するように前もって形成される。
【００２０】
[0026]いくつかの実施態様では、製作プロセス２００は第２のデバイス層２１２を形成する。第２のデバイス層２１２は図１の第２のデバイス層１１２と同様であり、第２のデバイス層２１２は通常のＭＥＭＳプロセスを使用して形成される。例えば、製作プロセス２００は支持シリコンウェハにエピタキシャル層を堆積させる。次に、プロセス２００はエピタキシャル層の中におよびそれを通して第２のデバイス層２１２をパターン化し、第２のデバイス層２１２は封止部２３０およびＭＥＭＳデバイス２３２を含む。エピタキシャル層がパターン化されると、プロセス２００は、第２のデバイス層２１２を含むエピタキシャル層を第２の基層２０８に接合する。いくつかの実施態様では、プロセス２００は、第２のデバイス層２１２を含むエピタキシャル層に第２の基層２０８を陽極接合を使用して接合する。エピタキシャル層が第２の基層２０８に接合されると、プロセス２００はエピタキシャル層から支持シリコンウェハを除去する。支持シリコンウェハが除去されると、第２のデバイス２１２のＭＥＭＳデバイスは自由に動くことができるが、第２の基層２０８に固定されている。
【００２１】
[0027]製作プロセス２００が第２のデバイス層２１２を第２の基層２０８に接合すると、プロセス２００は第２の上部層２０６を第２のデバイス層２１２に接合する。１つの実施態様では、プロセス２００は第２の上部層２０６を第２のデバイス層２１２にガス環境で接合する。代替の実施態様では、プロセス２００は第２の上部層２０６を第２のデバイス層２１２に真空中で接合する。第２の上部層２０６の第２のデバイス層２１２への接合が真空中で行われる場合、プロセス２００は第２の下部層２０８および第２の上部層２０６の両方を第２のデバイス層２１２の封止部２３０に接合する。封止部２３０は、ＭＥＭＳデバイス２３２を取り囲む第２の二重チップ２０３内に封入された真空を密閉して維持する。例えば、ＭＥＭＳデバイス２３２がジャイロスコープを含む場合、ジャイロスコープは、空気が回転の感知に干渉しないように真空中で密封される。
【００２２】
[0028]いくつかの実施態様では、プロセス２００は、さらに、第２の上部層２０６を通してゲッタにアクセスすることによって真空を維持および持続する。前に説明したように、プロセス２００は第１の上部層２０４の上部表面にゲッタを形成する。プロセス２００は、第２の上部層２０６に形成された一連のチャネル２３４を通してこのゲッタにアクセスする。プロセス２００が第２の上部層２０６を第２のデバイス層２１２に接合すると、図１で凹部１４２として示された凹部区域とチャネル２３４とが第２の二重チップ２０３内に連続真空空胴を形成する。したがって、ＭＥＭＳデバイス２３２を含む連続真空空胴内に密封された図２Ｂのゲッタ２２８は第２の二重チップ２０３内の真空を持続する。
【００２３】
[0029]図２Ｃは、第１の二重チップ２０１を第２の二重チップ２０３に連結することによって４層チップスケールＭＥＭＳデバイスを製作する一実施形態を示す。第１の二重チップ２０１および第２の二重チップ２０３が形成されると、製作プロセス２００は、第１の二重チップ２０１を第２の二重チップ２０３に連結することによって４層チップスケールＭＥＭＳデバイスを形成する。一実施形態では、第２の二重チップ２０３は、第１の二重チップ２０１の第１の上部層２０４が第２の二重チップ２０３の第２の上部層２０６に隣接するように裏返され、第１の二重チップ２０１の上に積層される。例えば、第１の上部層２０４の上部表面がゲッタ２２８を含み、第２の上部層２０６の上部表面が一連のチャネル２３４を含む場合、第２の二重チップ２０３は、チャネル２３４がゲッタ２２８と向かい合うように第１の二重チップ２０１の上に配置される。
【００２４】
[0030]いくつかの実施形態では、第１の二重チップ２０１が第２の二重チップ２０３に接触する領域は、空気が第１のデバイス層２１０または第２のデバイス層２１２のいずれかの中に入らないようにまたはそれから出ないように気密封止される。さらに、第１の二重チップ２０１は真空環境で第２の二重チップ２０３に接合される。例えば、第１の二重チップ２０１または第２の二重チップ２０３のいずれかが、ジャイロスコープまたは正確に動作するのに真空環境を必要とする他のＭＥＭＳデバイスを含む場合、第１のデバイス層２１０または第２のデバイス層２１２のいずれかの真空を持続するために、第１の二重チップ２０１と第２の二重チップ２０３との間にゲッタ材料を堆積することができる。気密封止部２１４を形成するために、プロセス２００は、連結される第１および第２の二重チップ２０１および２０３の縁部のまわりにフリットまたはハンダを配置し、第１および第２の二重チップ２０１および２０３を互いの上に配置し、ハンダまたはフリットが流れて第１および第２の二重チップ２０１および２０３を互いに連結するまでハンダまたはフリットを加熱する。第１および第２の二重チップ２０１および２０３の連結の間、ハンダまたはフリットの加熱がゲッタ２２８も加熱および活性化し、ゲッタ２２８が活性化されると、ゲッタ２２８の上部表面を被覆していた空気がゲッタ材料中に混合され、その結果、ゲッタ２２８の上部表面は再生され、ゲッタ２２８に露出される連続空気空胴を形成するデバイス層内に存在するガス分子を吸収する準備ができる。このように、プロセス２００は、第１の二重チップ２０１を第２の二重チップ２０３に連結することによってＭＥＭＳシステムを製作する。
【００２５】
[0031]いくつかの実施態様では、デバイスの製作は大きいウェハで行われる。そのため、ＭＥＭＳシステムを生成するためのプロセスは、一緒に連結されているＭＥＭＳデバイスの大きいバッチを生成する。個々のデバイスを製作するために、大きいウェハは個々のデバイスに単品化される。
【００２６】
[0032]図３Ａ〜３Ｂは、一実施形態による４層チップスケールＭＥＭＳデバイスの製作プロセス３００を示す図である。図３Ａは、真空中で密封された構成要素とガス中で密封された構成要素とを含む二重チップの形成を示す。例えば、第１のデバイス層３１０はジャイロスコープおよび加速度計の両方を含み、ジャイロスコープは真空中で密封され、加速度計は空気充満環境で密封される。異なる密封領域を生成するために、２つの異なるデバイス区画がデバイス層３１０に形成される。例えば、デバイス層はガス区画３４０および真空区画３４２を含む。ガス区画３４０では、デバイス層３１０はガス環境で動作するように設計されたＭＥＭＳデバイス３４４を含み、真空区画３４２では、デバイス層３１０は真空中で動作するように設計されたＭＥＭＳデバイス３４８を含む。ガス区画３４０を真空区画３４２から分離するために、デバイス層３１０は分離壁３４６を含む。分離壁３４６はガス区画３４０を真空区画３４２から密閉して分離する。第１の下部層３０２が第１のデバイス層３１０に陽極接合される場合、第１の下部層３０２は、さらに、分離壁３４６に陽極接合される。同様に、第１の上部層３０４が第１のデバイス層３１０に陽極接合される場合、第１の上部層３０４は、さらに、分離壁３４６に陽極接合される。
【００２７】
[0033]いくつかの実施形態では、ゲッタにアクセスするために、製作プロセス３００は、真空区画３４２の場所に対応するチャネルを第１の上部層３０４に生成する。ゲッタが第１の二重チップと第２の二重チップとの間に配置される場合、チャネルはゲッタが空胴内のガスを吸収できるようにする。
【００２８】
[0034]図３Ｂは、４層ＭＥＭＳシステムを形成するための２つの二重チップの連結を示す。例えば、第１の二重チップ３０１および第２の二重チップ３０３は図３Ａに関連して説明したように製作される。製作プロセス３００は、第１の上部層３０４の上部表面または第２の上部層３０６の上部表面または両方のいずれかにゲッタ材料を堆積させることによってゲッタ３５２を形成する。第１のデバイス層３１０および第２のデバイス層３１２の両方がガス区画および真空区画の両方を含んでいるとき、チャネル３５０および３５１は、第１のデバイス層３１０および第２のデバイス層３１２の両方の真空区画を含み、連続真空空胴をゲッタ３５２に露出する連続真空空胴を形成するように配置される。さらに、第２の二重チップ３０３への第１の二重チップ３０１の連結は、図２Ｃに関連して説明したような第２の二重チップ２０３への第１の二重チップ２０１の連結と同様である。
【００２９】
[0035]図４Ａ〜４Ｄは、一実施形態による４層ＭＥＭＳデバイスの様々な取付け構成を示す図である。例えば、いくつかの実施形態では、製作プロセスがＭＥＭＳシステム４００を組み立てたとき、デバイスがＰＣＢまたは他の取付け基板に取り付けられるようにするために、相互接続がデバイスの外側に沿って形成される。一実施形態では、相互接続に接続するために、ビアがシステム４００内の電気構成要素から延びる。相互接続は、システム４００を多方位で取り付けることができるようにシステム４００の外面のまわりでビアを接続する。いくつかの実施態様では、ビアは、ガラス層上に堆積された金属膜にビアを電気的に接続するためにガラス層に形成される導電性シリコンである。代替として、ビアは、マイクロアブレーションまたはドリルによりガラス層に形成されたチャネル内に堆積された金属ポストである。
【００３０】
[0036]図４Ａは基盤４５４上に取り付けられたＭＥＭＳシステム４００を示し、ＭＥＭＳシステム４００は、ＭＥＭＳシステム４００の外側表面の電気的相互接続に結合されるバンプボンド４５０により基盤４５４に電気的に接続される。例えば、ＭＥＭＳシステム４００の相互接続は、ＭＥＭＳシステム４００の外側表面のまわりのビアから電気的接続を延ばす。いくつかの実施態様では、電気的相互接続は、基盤４５４の上部表面に接触するＭＥＭＳシステム４００の側面に延びる。基盤４５４の上部表面に接続させるために、バンプボンド４５０は相互接続と基盤４５４との間の電気的接続を行う。
【００３１】
[0037]図４Ｂは基盤４５４上に取り付けられたＭＥＭＳシステム４００を示し、ＭＥＭＳシステム４００は、ＭＥＭＳシステム４００の側面の相互接続に結合されるワイヤボンド４６０により基盤４５４に電気的に接続される。例えば、相互接続がＭＥＭＳシステム４００の側面にある場合、ワイヤボンドは、ＭＥＭＳシステム４００の側面に配置された相互接続に電気的に接続するために基盤４５４から延びる。
【００３２】
[0038]図４Ｃは基盤４５４上に取り付けられたＭＥＭＳシステム４００を示し、ＭＥＭＳシステム４００は、ＭＥＭＳシステム４００の上部表面の電気接触部に結合されるワイヤボンドにより基盤４５４に電気的に接続される。例えば、相互接続がＭＥＭＳシステム４００の上部表面にある場合、ワイヤボンドは、ＭＥＭＳシステム４００の上部表面に配置された相互接続に電気的に接続するために基盤４５４から延びる。
【００３３】
[0039]図４Ｄは基盤４５４上に取り付けられたＭＥＭＳシステム４０１を示し、ＭＥＭＳシステム４０１は、ＭＥＭＳシステム４０１の外側表面の側面の電気的相互接続に結合されるバンプボンド４８０により基盤４５４に電気的に接続される。例えば、ＭＥＭＳシステム４０１の相互接続は、ＭＥＭＳシステム４０１の外側表面のまわりのビアから電気的接続を延ばす。いくつかの実施態様では、電気的相互接続は、ＭＥＭＳシステム４０１の層の方位に垂直に方位づけされるＭＥＭＳシステム４０１の側面に延びる。基盤４５４の上部表面に接続させるために、バンプボンド４８０は相互接続と基盤４５４との間の電気的接続を行う。
【００３４】
[0040]図５は、一実施形態による４層ＭＥＭＳデバイスを組み立てる例示の方法５００の流れ図である。方法５００は、第１の基層を形成し、第１の組のＭＥＭＳデバイスを含む第１のデバイス層を第１の基層に接合し、第１の上部層を第１のデバイス層に接合することによって第１の二重チップを形成するブロック５０２で始まる。いくつかの実施形態では、第１の組のＭＥＭＳデバイスは、第１の基層と第１の上部層との間に気密封止される。さらに、ＭＥＭＳデバイスは、異なる雰囲気タイプ中で機能する加速度計およびジャイロスコープを含む。例えば、第１の組のＭＥＭＳデバイスが加速度計である場合、第１の基層および第１の上部層はガス雰囲気内で加速度計を気密封止する。
【００３５】
[0041]方法５００は、第２の基層を形成し、第２の組のＭＥＭＳデバイスを含む第２のデバイス層を第２の基層に接合し、第２の上部層を第２のデバイス層に接合することによって第２の二重チップを形成するブロック５０４に進む。いくつかの実施形態では、第２の組のＭＥＭＳデバイスは、第２の基層と第２の上部層との間に気密封止される。例えば、いくつかの実施態様では、第２の組のＭＥＭＳデバイスは真空内で動作するように設計されたジャイロスコープを含む。第２の基層と第２の上部層との間のＭＥＭＳデバイスの気密封止により、ジャイロスコープは真空内に密封される。
【００３６】
[0042]方法５００は、さらに、第１の上部層を第２の上部層に接合するブロック５０６に進む。例えば、完全なＩＳＡを製作するために、第１のデバイス層および第２のデバイス層は、３つの直交軸のまわりの回転を感知する３つのジャイロスコープと、３つの直交軸に沿った回転を感知する３つの加速度計とを含む。さらに、少なくとも１つの実施態様では、正確に動作するのに真空環境を必要とするＭＥＭＳデバイスのまわりの真空を維持するために、ゲッタが第１の上部層と第２の上部層との間に堆積される。
【００３７】
[0043]特定の実施形態が本明細書で図示および説明されたが、同じ目的を達成するように意図されたいかなる構成も提示された特定の実施形態と置き換えることができることが当業者には理解されよう。したがって、本発明は特許請求の範囲およびその均等物によってのみ限定されることが明白に意図される。
【特許請求の範囲】
【請求項１】
第１の二重チップであり、
第１の基層（１０２）と、
前記第１の基層（１０２）に接合される第１のデバイス層（１１０）であり、第１の組のＭＥＭＳデバイス（２２２）を含む、第１のデバイス層（１１０）と、
前記第１のデバイス層（１１０）に接合される第１の上部層（１０４）であり、前記第１の組のＭＥＭＳデバイス（２２２）が密閉して分離される、第１の上部層（１０４）と、
を含む、第１の二重チップと、
第２の二重チップであり、
第２の基層（１０８）と、
前記第２の基層（１０８）に接合される第２のデバイス層（１１２）であり、第２の組のＭＥＭＳデバイス（２３２）を含む、第２のデバイス層（１１２）と、
前記第２のデバイス層（１１２）に接合される第２の上部層（１０６）であり、前記第２の組のＭＥＭＳデバイス（２３２）が密閉して分離され、前記第１の上部層（１０４）の第１の上部表面が第２の上部層（１０６）の第２の上部表面に接合される、第２の上部層（１０６）と、
を含む第２の二重チップと、
を備える微小電気機械システム（ＭＥＭＳ）装置。
【請求項２】
前記第２の二重チップと前記第１の二重チップとの間に配置されるゲッタ（２２８）と、
前記第２の上部層（２０６）中のチャネル（２３４）であり、ガスが前記ゲッタ（２２８）と前記第２のデバイス層（２１２）との間で循環することができるようにする、チャネル（２３４）と、
をさらに備える、請求項１に記載の装置。
【請求項３】
微小電気機械システム（ＭＥＭＳ）デバイスを製作する方法であって、
第１の基層（１０２）を形成し、第１の組のＭＥＭＳデバイス（２２２）を含む第１のデバイス層（１１０）を前記第１の基層（１０２）に接合し、第１の上部層（１０４）を前記第１のデバイス層（１１０）に接合することによって第１の二重チップを形成するステップであり、前記第１の組のＭＥＭＳデバイス（２２２）が前記第１の基層（１０２）と前記第１の上部層（１０４）との間に気密封止される、ステップと、
第２の基層（１０８）を形成し、第２の組のＭＥＭＳデバイス（２３２）を含む第２のデバイス層（１１２）を前記第２の基層（１０８）に接合し、第２の上部層（１０６）を前記第２のデバイス層（１１２）に接合することによって第２の二重チップを形成するステップであり、前記第２の組のＭＥＭＳデバイス（２３２）が前記第２の基層（１０８）と前記第２の上部層（１０６）との間に気密封止される、ステップと、
前記第１の上部層（１０４）を前記第２の上部層（１０６）に接合するステップと、
を含む、方法。
【請求項１】
第１の二重チップであり、
第１の基層（１０２）と、
前記第１の基層（１０２）に接合される第１のデバイス層（１１０）であり、第１の組のＭＥＭＳデバイス（２２２）を含む、第１のデバイス層（１１０）と、
前記第１のデバイス層（１１０）に接合される第１の上部層（１０４）であり、前記第１の組のＭＥＭＳデバイス（２２２）が密閉して分離される、第１の上部層（１０４）と、
を含む、第１の二重チップと、
第２の二重チップであり、
第２の基層（１０８）と、
前記第２の基層（１０８）に接合される第２のデバイス層（１１２）であり、第２の組のＭＥＭＳデバイス（２３２）を含む、第２のデバイス層（１１２）と、
前記第２のデバイス層（１１２）に接合される第２の上部層（１０６）であり、前記第２の組のＭＥＭＳデバイス（２３２）が密閉して分離され、前記第１の上部層（１０４）の第１の上部表面が第２の上部層（１０６）の第２の上部表面に接合される、第２の上部層（１０６）と、
を含む第２の二重チップと、
を備える微小電気機械システム（ＭＥＭＳ）装置。
【請求項２】
前記第２の二重チップと前記第１の二重チップとの間に配置されるゲッタ（２２８）と、
前記第２の上部層（２０６）中のチャネル（２３４）であり、ガスが前記ゲッタ（２２８）と前記第２のデバイス層（２１２）との間で循環することができるようにする、チャネル（２３４）と、
をさらに備える、請求項１に記載の装置。
【請求項３】
微小電気機械システム（ＭＥＭＳ）デバイスを製作する方法であって、
第１の基層（１０２）を形成し、第１の組のＭＥＭＳデバイス（２２２）を含む第１のデバイス層（１１０）を前記第１の基層（１０２）に接合し、第１の上部層（１０４）を前記第１のデバイス層（１１０）に接合することによって第１の二重チップを形成するステップであり、前記第１の組のＭＥＭＳデバイス（２２２）が前記第１の基層（１０２）と前記第１の上部層（１０４）との間に気密封止される、ステップと、
第２の基層（１０８）を形成し、第２の組のＭＥＭＳデバイス（２３２）を含む第２のデバイス層（１１２）を前記第２の基層（１０８）に接合し、第２の上部層（１０６）を前記第２のデバイス層（１１２）に接合することによって第２の二重チップを形成するステップであり、前記第２の組のＭＥＭＳデバイス（２３２）が前記第２の基層（１０８）と前記第２の上部層（１０６）との間に気密封止される、ステップと、
前記第１の上部層（１０４）を前記第２の上部層（１０６）に接合するステップと、
を含む、方法。
【図１】
【図２Ａ】
【図２Ｂ】
【図２Ｃ】
【図３Ａ】
【図３Ｂ】
【図４】
【図５】
【図２Ａ】
【図２Ｂ】
【図２Ｃ】
【図３Ａ】
【図３Ｂ】
【図４】
【図５】
【公開番号】特開２０１２−１４８３９６（Ｐ２０１２−１４８３９６Ａ）
【公開日】平成２４年８月９日（２０１２．８．９）
【国際特許分類】
【外国語出願】
【出願番号】特願２０１１−２５５３８２（Ｐ２０１１−２５５３８２）
【出願日】平成２３年１１月２２日（２０１１．１１．２２）
【出願人】（５００５７５８２４）ハネウェル・インターナショナル・インコーポレーテッド (1,504)
【Ｆターム（参考）】
【公開日】平成２４年８月９日（２０１２．８．９）
【国際特許分類】
【出願番号】特願２０１１−２５５３８２（Ｐ２０１１−２５５３８２）
【出願日】平成２３年１１月２２日（２０１１．１１．２２）
【出願人】（５００５７５８２４）ハネウェル・インターナショナル・インコーポレーテッド (1,504)
【Ｆターム（参考）】
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