(57)【要約】【課題】３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すること。【解決手段】微小電気機械システム（ＭＥＭＳ）デバイス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、システムは、第１の外側層と、第１の組のＭＥＭＳデバイスを含む第１のデバイス層とを備え、第１のデバイス層は第１の外側層に接合される。システムは、第２の外側層と、第２の組のＭＥＭＳデバイスを含む第２のデバイス層とをさらに備え、第２のデバイス層は第２の外側層に接合される。さらに、システムは、第１の側と、第１の側と反対側の第２の側とを有する中央層を備え、第１の側は第１のデバイス層に接合され、第２の側は第２のデバイス層に接合される。【選択図】図１
2012148397.tif 000002
【特許請求の範囲】
【請求項１】
第１の外側層（１０２）と、
第１の組のＭＥＭＳデバイス（１２２、１２３）を含む第１のデバイス層（１０８）であり、前記第１の外側層（１０２）に接合される、第１のデバイス層（１０８）と、
第２の外側層（１０６）と、
第２の組のＭＥＭＳデバイス（１２０、１２１）を含む第２のデバイス層（１１０）であり、前記第２の外側層（１０６）に接合される、第２のデバイス層（１１０）と、
第１の側と、前記第１の側と反対側の第２の側とを有する中央層（１０４）であり、前記第１の側が前記第１のデバイス層（１０８）に接合され、前記第２の側が前記第２のデバイス層（１１０）に接合される、中央層（１０４）と、
を備える微小電気機械システム（ＭＥＭＳ）デバイス。
【請求項２】
前記第１の組のＭＥＭＳデバイス（１２２、１２３）が第１の組の加速度計および第１の組のジャイロスコープを含み、
前記第２の組のＭＥＭＳデバイス（１２０、１２１）が第２の組の加速度計および第２の組のジャイロスコープを含み、
前記第１の組のジャイロスコープおよび前記第２の組のジャイロスコープが第１の雰囲気タイプ中で気密封止され、前記第１の組の加速度計および前記第２の組の加速度計が第２の雰囲気タイプ中で気密封止される、請求項１に記載のＭＥＭＳデバイス。
【請求項３】
ＭＥＭＳデバイスを形成する方法であって、
第１のデバイス層（１０８）を第１の外側層（１０２）に接合するステップであり、前記第１のデバイス層（１０８）が第１の組のＭＥＭＳデバイス（１２２、１２３）を含む、ステップと、
第２のデバイス層（１１０）を第２の外側層（１０６）に接合するステップであり、前記第２のデバイス層（１１０）が第２の組のＭＥＭＳデバイス（１２０、１２１）を含む、ステップと、
中央層（１０４）を前記第１のデバイス層（１０８）および前記第２のデバイス層（１１０）に接合するステップと、
を含む、方法。
【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を統合することは非常に困難である。
【発明の概要】
【課題を解決するための手段】
【０００３】
[0003]本発明の実施形態は３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）デバイス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、システムは、第１の外側層と、第１の組のＭＥＭＳデバイスを含む第１のデバイス層とを備え、第１のデバイス層は第１の外側層に接合される。システムは、第２の外側層と、第２の組のＭＥＭＳデバイスを含む第２のデバイス層とをさらに備え、第２のデバイス層は第２の外側層に接合される。さらに、システムは、第１の側と、第１の側と反対側の第２の側とを有する中央層を備え、第１の側は第１のデバイス層に接合され、第２の側は第２のデバイス層に接合される。
【０００４】
[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】
【０００５】
【図１】[0006]一実施形態による３層チップスケールＭＥＭＳデバイスの図である。
【図２】[0007]一実施形態による３層チップスケールＭＥＭＳデバイスの製作を示す図である。
【図３】[0008]一実施形態による３層チップスケールＭＥＭＳデバイスの製作を示す図である。
【図４】[0009]図４Ａは３層ＭＥＭＳデバイスの空洞構成の実施形態を示す図である。図４Ｂは３層ＭＥＭＳデバイスの空洞構成の実施形態を示す図である。図４Ｃは３層ＭＥＭＳデバイスの空洞構成の実施形態を示す図である。図４Ｄは３層ＭＥＭＳデバイスの空洞構成の実施形態を示す図である。
【図５】[0010]一実施形態による３層ＭＥＭＳデバイスを組み立てる例示の方法の流れ図である。
【図６】[0011]一実施形態による３層ＭＥＭＳデバイスを組み立てる例示の方法の流れ図である。
【図７】[0012]一実施形態による３層ＭＥＭＳデバイスを組み立てる例示の方法の流れ図である。
【図８】[0013]図８Ａは３層ＭＥＭＳデバイスの取り付け構成の実施形態を示す図である。図８Ｂは３層ＭＥＭＳデバイスの取り付け構成の実施形態を示す図である。図８Ｃは３層ＭＥＭＳデバイスの取り付け構成の実施形態を示す図である。図８Ｄは３層ＭＥＭＳデバイスの取り付け構成の実施形態を示す図である。
【図９】[0014]一実施形態による３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】
【０００６】
[0015]一般的な方法に従って、記載された様々な特徴は、正しい縮尺で描かれるのではなく、例示的実施形態に関する特定の特徴を強調するように描かれる。
[0016]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、描かれた図および明細において提示される方法は、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。
【０００７】
[0017]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支持ガラスの３つの異なる層の間に密封される。３つのガラスウェハ間にＭＥＭＳジャイロスコープおよび加速度計を配置することにより、所望の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。
【０００８】
[0018]図１は、３層チップスケールＭＥＭＳシステム１００の一実施形態の図である。ＭＥＭＳシステム１００は、多数のＭＥＭＳデバイスを囲む３つの積層層を含む。例えば、ＭＥＭＳシステム１００の３つの積層層は、第１のデバイス層１０８および第２のデバイス層１１０を囲む第１の外側層１０２、第２の外側層１０６、および中央層１０４を含む。第１の外側層１０２、第２の外側層１０６、および中央層１０４の積層方位はＭＥＭＳシステム１００の厚さに対する面積の比を減少させ、それにより、ＭＥＭＳシステム１００の硬さが増加する。硬さが増加すると、外部衝撃、振動、またはＭＥＭＳシステムと周囲材料との間の熱膨張不整合によって誘起される誤差の影響を受けやすいＭＥＭＳデバイスの性能が劣化することがある歪みを低減することができる。硬さをさらに増加させるために、第１の外側層１０２、第２の外側層１０６、および中央層１０４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される。
【０００９】
[0019]いくつかの実施形態では、第１の外側層１０２、第２の外側層１０６、および中央層１０４は、ＭＥＭＳデバイスの動作を支持するために、凹部と、支持電極および相互接続とを含む。例えば、第１の外側層１０２の内向きの表面は、第１のデバイス層１０８の動作を支持するために、凹部１３０と、その中に形成された電極および相互接続とを有する。さらに、第２の外側層１０６の内向きの表面は、第２のデバイス層１１０の動作を支持するために、凹部１３３と、その中に形成された電極および相互接続とを有する。第１の外側層１０２に面する中央層１０４の表面は、第１のデバイス層１０８の動作を支持するために、凹部１３１と、その中に形成された金属相互接続とを有する。さらに、第２の外側層１０６に面する中央層１０４の表面は、第２のデバイス層１１０の動作を支持するために、凹部１３２と、その中に形成された電極および相互接続とを有する。
【００１０】
[0020]さらなる実施形態では、ＭＥＭＳシステム１００は慣性測定ユニット（ＩＭＵ）内の慣性センサアセンブリ（ＩＳＡ）である。ＭＥＭＳシステム１００がＩＳＡ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。第１のデバイス層１０８および第２のデバイス層１１０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、一実施形態では、第１のデバイス層１０８は第１の組のジャイロスコープ１２２と第１の組の加速度計１２３とを含み、第２のデバイス層１１０は第２の組のジャイロスコープ１２０と第２の組の加速度計１２１とを含む。
【００１１】
[0021]いくつかのＭＥＭＳデバイスは異なる雰囲気タイプ中で動作するように設計される。例えば、第１および第２の組のジャイロスコープ１２０、１２２は真空雰囲気タイプ中で動作するように設計され、一方、第１および第２の組の加速度計１２１、１２３はガス雰囲気タイプ中で動作する。第１のデバイス層１０８および第２のデバイス層１１０が異なる雰囲気タイプ中で動作する異なるＭＥＭＳデバイスを含む場合、第１のデバイス層１０８は封止部１１２を含み、第２のデバイス層１１０は、デバイス層内で互いに異なるデバイスを密閉して分離する封止部１１３を含む。さらに、外部環境の空気からＭＥＭＳデバイスを密閉して分離するために、第１のデバイス層１０８は外部封止部１０９を含み、第２のデバイス層１１０は外部封止部１１１を含む。
【００１２】
[0022]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１０８および第２のデバイス層１１０のＭＥＭＳデバイスの少なくとも一部の真空環境を維持するためにゲッタ１１８を含む。いくつかの実施態様では、ゲッタ１１８は外側層１０２、１０６、または中央層１０４のいずれかの凹部に配置され、ゲッタ１１８は、第１および第２の組のジャイロスコープ１２０、１２２を有する連続的空気空洞内にある。代替の実施形態では、チャネル１１４が第１の外側層１０２に配置され、チャネル１１５が中央層１０４に配置され、その結果、第１および第２の組のジャイロスコープ１２０、１２２を囲む凹部区域に関連するチャネル１１４および１１５が連続的空気空洞を形成し、その結果、ゲッタ１１８は連続的空気空洞によって囲まれたＭＥＭＳデバイスの真空を維持することができる。
【００１３】
[0023]いくつかの実施形態では、ＭＥＭＳシステム１００内の密閉体積と外部環境との間の雰囲気タイプの交換を妨げるように、封止層１１６がＭＥＭＳシステム１００の外部表面に取り付けられる。１つの実施態様では、封止層１１６は、チャネル１１４および１１５を通して第１および第２の組のジャイロスコープ１２０および１２２を囲む連続的空気空洞に露出されるゲッタ１１８をさらに含む。したがって、ゲッタ１１８に関連する封止層１１６はＭＥＭＳシステム１００を封止し、真空を維持する。さらに、ＭＥＭＳシステム１００は封止層１１６内に代替の電気デバイスを含む。いくつかの実施形態では、封止層１１６は外側層に接合されたシリコン層であり、ＭＥＭＳシステム１００を別のデバイスまたはプリント回路板などの表面に取り付ける表面を提供する。
【００１４】
[0024]さらなる例示的実施形態では、ＭＥＭＳシステム１００は、デバイス層への電子接続を可能にするビア接続１４０を含む。１つの実施態様では、ビア接続１４０は、ドリルまたはマイクロアブレーションにより外側層を通る孔を生成することによって形成される。孔がデバイス層の一部の中に形成され、ビア接続１４０がデバイス層の一部に接続される場合、孔は、外側層と電極および金属相互接続との間の電気接続を行うために導電性材料で充填される。
【００１５】
[0025]ＭＥＭＳシステム１００に関連して上述したように形成されたＩＳＡは小さくかつ頑強なＩＳＡを備える。例えば、ゲッタ１１６は、ＭＥＭＳデバイスを含む凹部にではなく封止層１１６の未使用部分に堆積され、それにより、ＭＥＭＳシステム１００のサイズを増加させることなく効率的なゲッタリングを可能にする。さらに、個別の層は各々、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】
[0026]図２は、一実施形態による３層チップスケールＭＥＭＳデバイスの製作プロセス２００を示す図である。上述のように、図１に関連して、ＭＥＭＳシステム１００は第１の外側層１０２を含む。第１の外側層１０２は図２に示された第１の外側層２０２と同様である。製作プロセス２００は、ＭＥＭＳデバイスの動作を支持するために、ガラスウェハに凹部２３０をエッチングし、次に、凹部区域上に電極および相互接続金属をパターン化することによって第１の外側層２０２を生成する。さらに、製作プロセス２００は、図１で説明した中央層１０４と同様である中央層２０４を製作する。製作プロセス２００が、第１の外側層２０２で行われたように単一の表面に凹部と電極および相互接続とを形成するのと比較して、中央層２０４の２つの反対側の表面に凹部２３１、２３２と支持電極および相互接続金属とを形成する点で製作プロセス２００は第１の外側層２０２とは違うように中央層２０４を形成する。
【００１７】
[0027]製作プロセス２００は、さらに、第１のデバイス層２０８を形成する。第１のデバイス層２０８は図１の第１のデバイス層１０８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２０８を形成する。例えば、製作プロセス２００は支持シリコン基板上にエピタキシャル層を堆積させる。次に、プロセス２００は、第１のデバイス層２０８のＭＥＭＳデバイス２２２、２２３と封止部２１２および２０９とをエピタキシャル層中にパターン化する。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２０８を含むエピタキシャル層を第１の外側層２０２に接合する。いくつかの実施態様では、プロセス２００は、第１のデバイス層２０８を含むエピタキシャル層に第１の外側層２０２を陽極接合を使用して接合する。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基板を除去する。支持シリコン基板が除去されると、第１の外側層２０８内のＭＥＭＳデバイス２２２および２２３は第１の外側層２０２に固定されながら自由に移動できるようになる。
【００１８】
[0028]製作プロセス２００が第１のデバイス層２０８を第１の外側層２０２に接合すると、プロセス２００は、さらに、中央層２０４を第１のデバイス層２０８に接合する。いくつかの実施態様では、プロセス２００は、中央層２０４を第１のデバイス層２０８に接合する前に中央層２０４の両側に凹部２３１、２３２を形成し、電極および相互接続をパターン化する。代替として、プロセス２００は、中央層２０４を第１のデバイス層２０８に接合する前に中央層２０４の一方の側に凹部２３１を形成し、電極および相互接続をパターン化し、中央層２０４が第１のデバイス層２０８に接合された後に中央層２０４の他方の側に凹部２３２を形成し、電極および相互接続をパターン化する。さらに、１つの実施態様では、プロセス２００は、ガス環境で中央層２０４の第１のデバイス層２０８への接合を行う。中央層２０４の第１のデバイス層２０８への接合がガス環境で行われる場合、第１のデバイス層２０８の封止部２１２および２０９は第１のデバイス層２０８のＭＥＭＳデバイスをガス雰囲気タイプ中で気密封止する。
【００１９】
[0029]製作プロセス２００が中央層２０４を第１のデバイス層２０８に接合し、中央層２０４の両方の表面がパターン化され、凹部を作られると、プロセス２００は第２のデバイス層２１０を中央層２０４に接合する。プロセス２００は、第１のデバイス層２０８の製作に関して説明した同じ方法を使用して第２のデバイス層２１０を製作する。第２のデバイス層２１０が中央層２０４に接合されると、プロセス２００は第２の外側層２０６を第２のデバイス層２１０に接合する。中央層２０４の第１のデバイス層２１０への接合と同様の方法で、プロセス２００は第２の外側層２０６を第２のデバイス層２１０にガス環境で接合し、その結果、第２のデバイス層２１０のＭＥＭＳデバイスはガス雰囲気タイプ中で密封される。さらに、第１のデバイス層２０８および第２のデバイス層２１０内の別個のデバイスは封止部２１３によって互いに密閉して分離され、封止部２１１によって外部環境から気密封止される。
【００２０】
[0030]ＭＥＭＳシステムの多数の層が一緒に接合される場合、プロセス２００は、真空などの非ガス雰囲気タイプ中で動作するように意図されるＭＥＭＳデバイスを含む第１のデバイス層２０８および第２のデバイス層２１０の区域の封を開ける。例えば、図２に示されるように、第２のデバイス層２１０のデバイス２２０および第１のデバイス層２０８のデバイス２２２は真空中で動作するように設計される。デバイス２２０およびデバイス２２２の封を開けるため、プロセス２００は、デバイス２２０および２２２を囲む連続的空洞を形成するために第１の外側層２０２および中央層２０４を通って延びるチャネル２１４および２１５をマイクロアブレーション、ドリルなどにより形成し、連続的空洞を外部環境に接続する。いくつかの実施態様では、チャネル２１４および２１５は、第１の外側層２０２および第２の外側層２０６が第１のデバイス層２０８および第２のデバイス層２１０に接合される前に形成される。外部環境が真空である場合、連続的空洞内にある雰囲気タイプは、デバイス２２１および２２３を囲むガス雰囲気タイプと異なるようになる。代替として、チャネルは、第１の外側層２０２および第２の外側層２０６の両方に、または第２の外側層２０６に形成される。デバイス２２０および２２２がチャネル２１４の生成によって封を開けられると、ＭＥＭＳシステム１００は真空環境に配置され、その環境がデバイス２２０および２２２を囲む連続的空洞内から空気を排気する。いくつかの実施形態では、空気が連続的空洞内から排気されると、チャネル２１４は連続的空洞の真空を維持するために密封される。さらなる実施形態では、図１に記載されたような封止層１１６を使用して、外部環境からチャネル２１４を密封し、ゲッタ１１８の使用により真空を維持する。チャネル２１４が密封されると、デバイス２２０および２２２は真空で動作し、デバイス２２１および２２３はガス環境で動作する。
【００２１】
[0031]いくつかの実施形態では、封止層はチャネル２１４の開口を覆うように取り付けられる。封止層は、図１の封止層１１６に関して上述した封止層と同様である。いくつかの実施態様では、プロセス２００はシリコンから封止層１１６を製作し、封止層１１６を下部のデバイス層２０２に陽極接合する。封止層１１６はゲッタ１１８を含んでいるので、封止層１１６が下部のデバイス層２０２に陽極接合されるとき、封止層１１６を下部のデバイス層２０２に接合している間に生成された熱がゲッタ１１８を活性化し、その結果、ゲッタ１１８はリフレッシュされた表面を有し、ゲッタ１１８が連続的空洞内に存在するガスを吸収して連続的空洞からガスを除去する。
【００２２】
[0032]いくつかの実施態様では、製作プロセス２００は大きいガラスウェハで行われる。したがって、プロセス２００は、一緒に連結されたＭＥＭＳデバイスの大量のバッチを生成する。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。
【００２３】
[0033]図３は、一実施形態による３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。製作プロセス３００は、図２において第１の外側層２０２、第２の外側層２０６、および第１のデバイス層２０８に関して説明したような第１の外側層３０２、第２の外側層３０６、および第１のデバイス層３０８を製作する。製作プロセス３００は、シリコン基板およびエピタキシャル層を生成することによって第２のデバイス層３１０を形成する。第２のデバイス層３１０のデバイスのパターンがエピタキシャル層にエッチングされる。次に、エピタキシャル層が中央層３０４に接合される製作プロセス２００とは対照的に、製作プロセス３００は、エピタキシャル層を第２の外側層３０６に陽極接合を使用して接合する。エピタキシャル層が第２の外側層３０６に接合されると、シリコン基板は除去され、動作のためにデバイスは自由になる。第１のデバイス層３０８が第１の外側層３０２に接合され、第２のデバイス層３１０が第２の外側層３０６に接合されると、製作プロセス３００は、中央層３０４の両側に凹部３３１、３３２と支持電極および相互接続とを形成することによって中央層３０４を製作する。中央層３０４が形成されると、製作プロセス３００は中央層３０４を第１のデバイス層３０８および第２のデバイス層３１０の両方に接合する。
【００２４】
[0034]いくつかの実施形態では、製作プロセス３００は、デバイス３２０〜３２３がすべて真空環境内で囲まれるように中央層３０４を第１のデバイス層３０８および第２のデバイス層３１０に真空の存在下で接合する。代替として、製作プロセス３００は、デバイス３２０〜３２３がすべてガス環境内で囲まれるように中央層３０４を第１のデバイス層３０８および第２のデバイス層３１０にガス環境で接合する。しかし、加速度計などのいくつかのデバイスは、ガス環境で動作するように設計される。例えば、デバイス３２１および３２３はガス環境で動作するように設計される。デバイス３２１および３２３をガス環境で囲むために、プロセス３００は第１の外側層３０２および中央層３０４を通って延びるチャネル３１４および３１５をマイクロアブレーション、ドリルなどにより形成してデバイス３２０および３２２を囲む連続的空洞を形成し、連続的空洞を外部環境に接続する。製作プロセス３００がチャネル３１４および３１５を生成すると、連続的空洞は連続的空洞をＭＥＭＳシステムの外部雰囲気に露出しながらデバイス３２１および３２３を囲む。連続的空洞によって囲まれたデバイス３２１および３２３が、デバイス３２０および３２２を取り囲む雰囲気タイプと異なる外部雰囲気に露出される場合、ハンダ、キャップ、または堆積薄膜などの栓３２７がチャネル３１４を封止し、所望の雰囲気内にデバイス３２１および３２３を維持する。例えば、デバイス３２１および３２３が加速度計である場合、プロセス３００はチャネル３１４を形成してデバイス３２１および３２３をガス雰囲気タイプに露出し、次に、ガス雰囲気タイプを含む連続的空気空洞を密封するために栓３２７を配置する。
【００２５】
[0035]図４Ａ〜４Ｄは、３層ＭＥＭＳデバイス中の様々なゲッタおよびチャネル構成を示す図である。図４Ａは、チャネル４１４ａおよび４１５ａが異なる水平場所で第１の外側層４０２ａおよび中央層４０４ａを通って延びる一実施形態を示す。第１のデバイス層および中央層を通るチャネルが互いに直上にあった図１〜３に示された実施形態とは対照的に、第１の外側層４０２ａのチャネル４１４ａは第１の外側層４０２ａの中央に隣接して配置される。対照的に、中央層４０４ａのチャネル４１５ａは中央層４０４ａの縁部に隣接して配置される。チャネル４１４ａは、チャネル４１５ａの中央層４０４ａの場所とは異なる第１の外側層４０２ａの場所に配置されるが、チャネル４１４ａおよびチャネル４１５ａの両方はデバイス４２０および４２２ａを囲み、さらに封止層４１６ａのゲッタ４１８ａにアクセスする連続的空洞の一部である。
【００２６】
[0036]図４Ｂは、第１のデバイス層４０８ｂが第１のタイプのＭＥＭＳデバイスを含み、第２のデバイス層４１０ｂが第２のタイプのＭＥＭＳデバイスを含む一実施形態を示す。例えば、いくつかの実施形態では、ＭＥＭＳシステムがＩＳＡである場合、第１のデバイス層４０８ｂはジャイロスコープを含み、一方、第２のデバイス層４１０ｂは加速度計を含む。いくつかの実施形態では、封止部４１２ｂはＭＥＭＳシステムの各デバイスを密閉して分離し、その結果、連続的空気空洞がない。同じタイプのデバイスが同じデバイス層４０８ｂまたは４１０ｂに配置され、封止部が個別のデバイスを互いに密閉して分離している場合、別個のチャネル４１４ｂおよび４１５ｂが、デバイス層に含まれたデバイスを外部環境に露出するために外側層を通って延びる。例えば、製作プロセスは第１の外側層４０２ｂにチャネル４１４ｂを形成し、第１のデバイス層４０８ｂのデバイス４２２ｂを囲む連続的空気空洞を形成する。さらに、製作プロセスは第１の外側層４０２ｂのチャネル４１５ｂを形成し、第１のデバイス層４０８ｂのデバイス４２３ｂを囲む連続的空気空洞を形成する。いくつかの実施態様では、チャネル４１４ｂおよび４１５ｂの両方は、ゲッタ４１８ｂを含む封止層４１６ｂにより密封され、ゲッタ４１８ｂはチャネル４１４ｂおよび４１５ｂを通して連続的空気空洞に露出される。
【００２７】
[0037]図４Ｃは、第１のデバイス層４０８ｃが第１のタイプのＭＥＭＳデバイスを含み、第２のデバイス層４１０ｃが第２のタイプのＭＥＭＳデバイスを含む一実施形態を示す。例えば、いくつかの実施形態では、ＭＥＭＳシステムがＩＳＡである場合、第１のデバイス層４０８ｃはジャイロスコープを含み、一方、第２のデバイス層４１０ｃは加速度計を含む。デバイス層が単一のデバイスタイプを含むいくつかの実施態様では、デバイス層のデバイスは連続的空洞によって囲まれる。例えば、デバイス４２２ｃおよび４２３ｃは単一の連続的空洞によって囲まれる。単一の連続的空洞がデバイス層のすべてのデバイスを囲む場合、外側層を通る単一のチャネル４１４により、製作プロセスは連続的空洞内に含まれる雰囲気タイプを変更することができる。例えば、連続的空洞内の所望の雰囲気が真空である場合、チャネル４１４ｃは連続的空洞内に存在するいかなるガスも除去できるようにする。ガスが除去されると、ゲッタ４１８ｃをもつ封止層４１６ｃが第１の外側層に４０２ｃに接合され、デバイス４２２ｃおよび４２３ｃを含む連続的空洞内の真空が維持される。
【００２８】
[0038]図４Ｄは、多数のチャネルを使用して多数のゲッタにアクセスする一実施形態を示す。いくつかの実施形態では、各デバイスは封止部４１２ｄにより他のデバイスから気密封止される。異なるチャネルは、第１の外側層４０２ｄまたは第２の外側層４０６ｄのいずれかにより異なる場所に配置することができる。例えば、チャネル４１４ｄおよび４１５ｄは第１のデバイス層４０２ｄを通って延び、チャネル４１４ｄは、デバイス４２２ｄを囲む連続的空洞の一部を形成し、チャネル４１５ｄは、デバイス４２３ｄを囲む連続的空洞の一部を形成する。さらに、チャネル４１４ｄおよび４１５ｄはそれぞれの連続的空洞を異なるゲッタ４１９ｄおよび４１８ｄに露出する。例えば、チャネル４１４ｄは、デバイス４２２ｄを囲む連続的空洞をゲッタ４１９ｄに露出し、チャネル４１５ｄは、デバイス４２３ｄを囲む連続的空洞をゲッタ４１８ｄに露出する。
【００２９】
[0039]図５は、一実施形態による３層ＩＭＵを組み立てる例示の方法５００の流れ図である。方法５００は、ＭＥＭＳジャイロスコープ層が製作される５０２で始まる。例えば、製作プロセスは、デバイスが真空雰囲気タイプ内で動作するように設計されるジャイロスコープで構成される第１のデバイス層を組み立てる。製作プロセスは、当技術分野で知られているプロセスを使用してＭＥＭＳジャイロスコープを生成する。例えば、製作プロセスはシリコン基板上にエピタキシャル層を堆積させる。エピタキシャル層が堆積されると、製作プロセスはエピタキシャル層にＭＥＭＳジャイロスコープをパターン化する。さらに、ジャイロスコープ層のジャイロスコープは３つの直交軸のまわりの回転を感知することができる。
【００３０】
[0040]方法５００は、ＭＥＭＳ加速度計層が製作される５０４に進む。例えば、製作プロセスは、デバイスがガス雰囲気タイプ内で動作するように設計される加速度計で構成される第２のデバイス層を組み立てる。製作プロセスは、当技術分野で知られているプロセスを使用してＭＥＭＳ加速度計を生成する。例えば、製作プロセスはシリコン基板上にエピタキシャル層を堆積させる。エピタキシャル層が堆積されると、製作プロセスはエピタキシャル層にＭＥＭＳ加速度計をパターン化する。さらに、加速度計層の加速度計は３つの直交軸に沿った加速度を感知することができる。
【００３１】
[0041]方法５００は、ジャイロスコープ層が第１の外側ガラスウェハに接合される５０６に進む。例えば、ジャイロスコープ層は、凹部、電極、および相互接続が第１の外側ガラスウェハの表面に形成されている第１の外側のガラスウェハに接合される。第１の外側ガラスウェハの表面に形成された凹部と電極および相互接続とはジャイロスコープ層のジャイロスコープの動作を支持する。いくつかの実施形態では、ジャイロスコープ層を第１の外側ガラスウェハに接合するために、パターン化されたジャイロスコープを含むエピタキシャル層は第１の外側ガラスウェハに陽極接合される。エピタキシャル層が第１の外側ガラス層に接合されると、ＭＥＭＳシステムの動作のために、エピタキシャル層を支持したシリコン基板が除去されてジャイロスコープは自由になる。
【００３２】
[0042]方法５００は、加速度計層が第２の外側ガラスウェハに接合される５０８に進む。例えば、加速度計層は、凹部と電極および相互接続とが第２の外側ガラスウェハの表面に形成されている第２の外側のガラスウェハに接合される。第２の外側ガラスウェハの表面に形成された凹部と電極および相互接続とは加速度計層の加速度計の動作を支持する。いくつかの実施形態では、加速度計層を第２の外側ガラスウェハに接合するために、パターン化された加速度計を含むエピタキシャル層が第２の外側ガラスウェハに陽極接合される。エピタキシャル層が第２の外側ガラス層に接合されると、ＭＥＭＳシステムの動作のために、エピタキシャル層を支持したシリコン基板が除去されて加速度計は自由になる。
【００３３】
[0043]方法５００は、中央ガラスウェハが真空環境でジャイロスコープ層に接合される５１０に進む。いくつかの実施形態では、ジャイロスコープは真空環境で動作するように設計される。ＭＥＭＳシステム内に真空環境を生成するために、中央ガラスウェハは真空環境でジャイロスコープ層に接合される。中央ガラスウェハがジャイロスコープ層に接合するとき、やはりジャイロスコープ層に接合されている第１の外側ガラスウェハと中央ガラスウェハとが組み合わされて、真空環境を維持するジャイロスコープのまわりの密封した空洞が生成される。
【００３４】
[0044]方法５００は、中央ガラスウェハがガス環境で加速度計層に接合される５１２に進む。いくつかの実施形態では、加速度計はガス環境で動作するように設計される。ＭＥＭＳシステム内にガス環境を生成するために、中央ガラスウェハはガス環境で加速度計層に接合される。中央ガラスウェハが加速度計層に接合するとき、やはり加速度計層に接合されている第２の外側ガラスウェハと中央ガラスウェハとが組み合わされて、ガス環境を維持する加速度計のまわりの密封した空洞が生成される。したがって、加速度計層の加速度計およびジャイロスコープ層のジャイロスコープは３層ＩＳＡ内のそれぞれの環境で気密封止される。
【００３５】
[0045]図６は、一実施形態による３層ＭＥＭＳデバイスを組み立てる例示の方法６００の流れ図である。方法６００は、中央層がデバイス層に接合される６０２で始まる。デバイス層を製作するために使用されるエピタキシャル層および支持シリコン基板は図２に関して上述したように概ね製作される。デバイス層に関して、支持シリコン基板に接続されたエピタキシャル層が中央ウェハに陽極接合され、その後、支持シリコン基板が除去される。
【００３６】
[0046]方法６００は、所望の場所でデバイス層に接触するように外側層を通って延びる導管が外側層に形成される６０４に進む。デバイス層が外側層に接合される前に、所望の場所でデバイス層に接触するように外側層を通って延びる導管が外側層に生成される。所望の場所は、特定の雰囲気で動作するＭＥＭＳデバイスの場所に対応するいくつかの場所に配置される。例えば、デバイス層がジャイロスコープと加速度計との混合を含み、ジャイロスコープが真空環境で動作するように設計され、加速度計がガス環境で動作するように設計される場合、導管の所望の場所は、真空で動作するデバイスに対応するか、またはガス環境で動作するデバイスに対応する。
【００３７】
[0047]方法６００は、導管が導電性被覆で被覆される６０６に進む。例えば、導管の一方の側が導管の他方の側に電気的に接続されるように、金属が導管に堆積される。導管に導電性材料を堆積させることによって、外側層の導電性材料と接触するようになるデバイス層の表面は外側層の他の側に電気的に接続されることになる。
【００３８】
[0048]方法６００は、外側層およびデバイス層が第１の雰囲気中で一緒に陽極接合される６０８に進む。例えば、中央層に既に接合されているデバイス層はガス環境下で外側層に陽極接合される。デバイスがガス環境で接合される場合、デバイスが外側層の外部表面に電気的に接続される場所に隣接していない限り、陽極接合はガス環境でデバイス層のデバイスを密封することになる。導電性材料は、導電性材料がデバイス層に接触する場所と外側層の外部表面との間で短絡を生成するので、導電性材料で被覆された導管は、導管の場所でデバイス層が外側層に接合するのを妨げる。短絡は、陽極接合が導管の場所でデバイス層を外側層に密封するのを妨げ、それにより、導管の場所での気密封止の形成が妨げられる。したがって、導管の場所によって、デバイスのあるものは密封されるのが妨げられ、一方、他のものは所望の雰囲気タイプ中で密封されるのが可能になる。例えば、導管の場所がジャイロスコープの場所に対応し、雰囲気タイプがガス環境である場合、ジャイロスコープは陽極接合の後で密封されないままであるが、デバイス層の他のデバイスはガス環境で密封される。方法６００は、導電性被覆の一部が除去される６１０に進む。例えば、デバイス層と外側層の外部表面との間の短絡を切断するために、導電性被覆の一部が導管内から除去される。次に、方法６００は、外側層およびデバイス層が第２の雰囲気中で一緒に陽極接合される６１２に進む。例えば、短絡が除去され、元の陽極接合がガス環境で行われていた場合、デバイスは真空中に配置され、デバイスが真空の存在下にある間に陽極接合される。短絡が除去されているので、陽極接合は真空中でデバイス層の未封止部分を密封することになる。代替として、デバイス層の未封止部分は別のガス環境の存在下で密封される。したがって、デバイス層は外側層に密封され、個々のデバイスは所望の雰囲気タイプ中で密封される。
【００３９】
[0049]図７は、一実施形態による３層ＭＥＭＳデバイスを組み立てる例示の方法７００の流れ図である。方法７００は、外側層および中央層が形成される７０２で始まる。例えば、製作プロセスは、図２で説明したような第１の外側層２０２、中央層２０４、および第２の外側層２０６の生成に関して上述した同じプロセスを実質的に使用して外側層および中央層を生成する。方法７００は、デバイス層が形成され、デバイス層が加速度計およびジャイロスコープを含む７０４に進む。同様に、製作プロセスは、図２で説明したような第１のデバイス層２０８および第２のデバイス２１０に関して上述した同じプロセスを実質的に使用してデバイス層を生成する。
【００４０】
[0050]方法７００は、ガス放出材料が、加速度計を含む空洞に露出されるように設計された区域の外側層および中央層に堆積される７０６に進む。ガス放出材料は、ある温度よりも上に加熱されたとき解離する物質である。例えば、デバイス層の加速度計の場所に対応する外側層および中央層の凹部区域に金属が堆積される。金属が堆積されると、製作プロセスはイオン注入を使用してアルゴンなどのガスを金属に注入する。
【００４１】
[0051]方法７００は、ガス放出材料中のガスが解離する閾値温度よりも低い温度でデバイス層が外側層に接合される７０８に進む。例えば、外側層、中央層、およびデバイス層は図２または３に関して上述したように互いに接合されるが、中央および外側層へのデバイス層の接合は、加速度計に隣接して配置されたガス放出材料からガスが解離する閾値温度よりも低い温度で行われる。さらに、接合は真空の存在下で行われ、その結果、デバイス層のデバイスは真空環境で密封される。
【００４２】
[0052]方法７００は、ガス放出材料の温度が閾値温度よりも上に上昇される７１０に進む。いくつかのデバイスの雰囲気タイプを変えるために、ガス放出材料の温度が上げられ、その結果、ガス放出材料のガスが解離し、雰囲気タイプを真空からガス環境に変更する。したがって、ＭＥＭＳデバイスは、適切な動作雰囲気にデバイスを維持しながら３つの支持層内で動作する。
【００４３】
[0053]図８Ａ〜８Ｄは、一実施形態による３層ＭＥＭＳデバイスの様々な取り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８００を組み立てたとき、デバイスがＰＣＢ板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、ビアが、相互接続に接続するためにデバイス８００内の電気構成要素から延びる。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８００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をＭＥＭＳシステム８００の外部表面に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を含む。代替として、ビアは、ガラスリフロープロセスによりガラス層に形成されたチャネル内に配置される金属ポストを含む。一実施形態では、相互接続は、ガラス層を通り抜けることなしに第１および第２のＭＥＭＳデバイスに電気的に接続できるように第１および第２のデバイス層の外部表面の場所に接続する。
【００４４】
[0054]図８Ａは基盤８５４上に取り付けられたＭＥＭＳシステム８００を示し、ＭＥＭＳシステム８００は、ＭＥＭＳシステム８００の封止層上の電気接触部に結合されるバンプボンド８５０により基盤８５４に電気的に接続される。例えば、ＭＥＭＳシステム８００の相互接続はＭＥＭＳシステム８００のまわりを封止層の外部表面まで延びる。理由は、電気的接続が封止層の同じ下側にあり、ＭＥＭＳシステム８００が、ＭＥＭＳシステム８００に電気的に接続するバンプボンド８５０に取り付けられるからである。
【００４５】
[0055]図８Ｂは基盤８５４上に取り付けられたＭＥＭＳシステム８００を示し、ＭＥＭＳシステム８００は、ＭＥＭＳシステム８００の側面の電気接触部に結合されるワイヤボンド８６０により基盤８５４に電気的に接続される。例えば、相互接続がＭＥＭＳシステム８００の側面にある場合、ワイヤボンド８６０は、ＭＥＭＳシステム８００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８５４から延びる。
【００４６】
[0056]図８Ｃは基盤８５４上に取り付けられたＭＥＭＳシステム８００を示し、ＭＥＭＳシステム８００は、ＭＥＭＳシステム８００の上部表面上の電気接触部に結合されるワイヤボンド８７０により基盤８５４に電気的に接続される。例えば、相互接続がＭＥＭＳシステム８００の上部表面にある場合、ワイヤボンド８７０は、ＭＥＭＳシステム８００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８５４から延びる。
【００４７】
[0057]図８Ｄは基盤８５４上に取り付けられたＭＥＭＳシステム８０１を示し、ＭＥＭＳシステム８０１は、ＭＥＭＳシステム８０１の側面に配置された封止層上の電気接触部に結合されるバンプボンド８８０により基盤８５４に電気的に接続される。例えば、ＭＥＭＳシステム８０１の相互接続はＭＥＭＳシステム８０１のまわりをＭＥＭＳシステム８０１の側部表面に配置された封止層の外部表面まで延びる。理由は、電気的接続が封止層の外側表面にあり、ＭＥＭＳシステム８０１が、ＭＥＭＳシステム８０１に電気的に接続するバンプボンド８８０に取り付けられるからである。
【００４８】
[0058]図９は、一実施形態による３層ＭＥＭＳデバイスを組み立てる例示の方法９００の流れ図である。方法９００は、第１のデバイス層が第１の外側層に接合される９０２で始まる。例えば、第１の組のジャイロスコープおよび第１の組の加速度計を含む第１のデバイス層が第１の外側層に接合される。いくつかの実施態様では、第１の外側層は第１のデバイス層に陽極接合される。
【００４９】
[0059]さらに、方法９００は、第２のデバイス層が第２の外側層に接合される９０４に進む。例えば、第２の組のジャイロスコープおよび第２の組の加速度計を含む第２のデバイス層が第２の外側層に接合される。いくつかの実施態様では、第２の外側層は第２のデバイス層に陽極接合される。
【００５０】
[0060]方法９００は、中央層が第１のデバイス層および第２のデバイス層に接合される９０６に進む。さらに、方法９００は、第１の組のＭＥＭＳデバイスおよび第２の組のＭＥＭＳデバイスの第１のＭＥＭＳデバイスが第１の雰囲気タイプ中で密封され、第１の組のＭＥＭＳデバイスおよび第２の組のＭＥＭＳデバイスの第２のＭＥＭＳデバイスが第２の雰囲気タイプ中で密封される９０８に進む。例えば、中央層が第１のデバイス層および第２のデバイス層に接合されるとき、中央層がガス雰囲気タイプ中でデバイス層に接合される。真空のような非ガス雰囲気タイプ中で他のデバイスを密封するために、ＭＥＭＳデバイスの一部は非ガス雰囲気タイプに露出される。非ガス雰囲気タイプに露出している間に、デバイスは非ガス雰囲気タイプをデバイスの環境の状態に維持するために気密封止される。
【００５１】
[0061]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。
【図１】
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【図２】
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【図３】
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【図４】
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【図５】
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【図６】
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【図７】
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【図８】
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【図９】
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【外国語明細書】
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