(57)【要約】      （修正有）【課題】外部温度及び応力の影響をほとんど受けないマイクロ加工ディスク状共振器ジャイロスコープを提供する。【解決手段】集積された絶縁体は、電極ウェハと同じウェハ上に作製され、複数の集積絶縁梁２１０を形成する。絶縁層２０４の中央領域２０８に支持された共振器２０２は絶縁梁２１０によって外部から熱的かつ機械的に絶縁される。更に、ゲッター２２６及び衝撃緩和部２２４を内蔵するキャップ層２２０により真空封止を形成する。【選択図】図２
2015121551.tif 000002
【特許請求の範囲】
【請求項１】
共振器ジャイロスコープ（２００）を形成する方法（１４００）であって、
絶縁層（２０４、４００、７００、１１００）をエッチングして、各々の第１端部が前記絶縁層の中央領域（２０８）に、第２端部が前記絶縁層の周辺部にそれぞれ接続される、複数の絶縁梁（２１０、６０８、１１０８）を形成すること（１４０２）と、
前記絶縁層を選択的に接着して、共振器層（２０２、７００、１００４、１００６）及び静電電極（１２４、２０６、７０８、１０１０）を前記絶縁層の中央領域において支持すること（１４０４）と、
共振器を、前記静電電極を有する前記共振器層からエッチングすることであって、前記電極の側壁がディスク状共振器の共振器側壁と相互作用することにより、前記共振器の振動モードが前記静電電極によって励起され、検出されて、前記共振器の運動が測定されること（１４０６）と、
支持層（１２２、２１４）を接着して前記絶縁層の前記周辺部を支持すること（１４０８）と
を含む方法（１４００）。
【請求項２】
前記絶縁層が、前記中央領域の前記埋め込み静電電極に接続されて、前記複数の絶縁梁を経由して前記周辺部に達する金属トレース（２３０、６００、６０４、１１０６）を含む、請求項１に記載の方法。
【請求項３】
前記金属トレースが、前記周辺部の前記絶縁層から前記支持層内の導電性貫通接続部（１１０、２１６、６１０、１１０２、１２０４）まで延在するように接続される、請求項２に記載の方法。
【請求項４】
前記支持層内の前記導電性貫通接続部がボールグリッドアレイ（ＢＧＡ）（９００、１３０８）に接続される、請求項３に記載の方法。
【請求項５】
前記複数の絶縁梁が放射状対称部分円形梁を含む、請求項１ないし４のいずれか１項に記載の方法。
【請求項６】
前記支持層が、前記共振器を支持する前記絶縁層の前記中央領域の動きを制限する１つ以上の衝撃緩和部（２２２、１２０６）を含む、請求項１ないし５のいずれか１項に記載の方法。
【請求項７】
前記振動モードが前記共振器の３次元振動モードを含む、請求項１ないし６のいずれか１項に記載の方法。
【請求項８】
更に、キャップ（２２０、８００、１３００）を接着して前記共振器を封止することにより、前記共振器の周り、及び前記絶縁層の前記中央領域の周りに、前記キャップ層と前記支持層との間において、真空を形成することを含む、請求項１ないし７のいずれか１項に記載の方法。
【請求項９】
前記キャップの内部には、真空の形成を助ける薄膜ゲッター材料（２２６、８１０、１３０６）が更に含まれる、請求項８に記載の方法。
【請求項１０】
前記キャップの内部には、前記共振器を支持する前記絶縁層の前記中央領域の動きを制限する１つ以上の衝撃緩和部（２２４、８０８、１３０４）が含まれる、請求項８に記載の方法。
【請求項１１】
前記共振器、前記絶縁層、及び前記支持層がシリコンを含む、請求項１ないし１０のいずれか１項に記載の方法。
【請求項１２】
前記共振器、前記絶縁層、及び前記支持層が石英を含む、請求項１ないし１０のいずれか１項に記載の方法。
【請求項１３】
振動モードを使用して運動を測定する共振器手段（２０２、７００、１００４、１００６）と、
前記共振器手段を中央領域（２０８）において支持する絶縁層手段（２０４、４００、７００、１１００）であって、各々の第１端部が前記絶縁層の前記中央領域に、第２端部が前記絶縁層の周辺部に、それぞれ接続される複数の絶縁梁（２１０、６０８、１１０８）を含む前記絶縁層手段（２０４、４００、７００、１１００）と、
前記絶縁層手段の前記周辺部を支持する支持層手段（１２２、２１４）と
を備える共振器ジャイロスコープ（２００）。
【請求項１４】
前記絶縁層が、前記中央領域の静電電極（１２４、２０６、７０８、１０１０）に接続されて、前記複数の絶縁梁を経由して前記周辺部まで延在する金属トレース（２３０、６００、６０４、１１０６）を含み、前記金属トレースが、前記周辺部の前記絶縁層から前記支持層内の導電性貫通接続部（１１０、２１６、６１０、１１０２、１２０４）まで延在するように接続され、前記支持層内の前記導電性貫通接続部がボールグリッドアレイ（ＢＧＡ）（９００、１３０８）に接続されている、請求項１３に記載の共振器ジャイロスコープ。
【請求項１５】
前記共振器を封止するキャップ（２２０、８００、１３００）を更に備え、前記キャップの内部には、前記共振器を支持する前記絶縁層の前記中央領域の動きを制限する１つ以上の衝撃緩和部（２２４、８０８、１３０４）が含まれ、前記キャップの内部には、薄膜ゲッター材料（２２６、８１０、１３０６）が更に含まれ、前記共振器の周り、及び前記絶縁層の前記中央領域の周りに、前記キャップ層と前記支持層との間において、真空が形成される、請求項１３又は１４に記載の共振器ジャイロスコープ。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本開示はジャイロスコープに関するものであり、特にディスク状共振器ジャイロスコープの製造に関するものである。更に具体的には、本発明は、絶縁ケース付きディスク状共振器ジャイロスコープの製造に関するものである。
【背景技術】
【０００２】
機械式ジャイロスコープを使用して、移動しているプラットフォームの方向を、内側に移動しているプルーフマスに関して検出される慣性運動に基づいて求める。代表的な電気機械式ジャイロスコープは、吊り下げられたプルーフマス、ジャイロスコープケース、ピックオフ、またはセンサ、トルカーまたはアクチュエータ、及び読み取り電子装置を含む。慣性プルーフマスはジャイロスコープケースから内側に吊り下げられ、このジャイロスコープケースは、プラットフォームに固く取り付けられ、プラットフォームの慣性運動を伝達するのに対し、そうでない場合はプルーフマスを外乱から絶縁する。プルーフマスの内部運動を検出するピックオフ、この運動を維持または調整するトルカー、及びプルーフマスに極めて近接させる必要がある読み取り電子装置は、ケースに内側から取り付けられ、このケースが、プラットフォーム電子装置及び電源との電気貫通接続部にもなる。ケースは、ジャイロスコープを輸送手段プラットフォームに取り付け、輸送手段プラットフォームに位置合わせするための標準的な機械インターフェースにもなる。種々の形態では、ジャイロスコープは多くの場合、航空機および宇宙船のような輸送手段の重要なセンサとして用いられる。これらのジャイロスコープは普通、ナビゲーションに有用であるか、または自由物体の向きを自律的に求める必要がある場合に必ず有用となる。
【０００３】
より古い従来の機械式ジャイロスコープは、今日の規格からみると非常に重い機構であり、比較的大きい回転マスを用いていた。多数の最新技術により、レーザジャイロスコープ及び光ファイバジャイロスコープのような光学式ジャイロスコープのみならず、機械振動型ジャイロスコープを含む新規の形態のジャイロスコープが出現している。
【０００４】
宇宙船は一般的に、姿勢制御を支援する慣性速度センサ装置に依存する。現在この姿勢制御は多くの場合、従来の高価な回転マスジャイロ（例えば、ケアフォットの慣性基準装置）、または従来の加工振動型ジャイロスコープ（例えば、リットンの半球形の共振器ジャイロスコープ慣性基準装置）を用いて行なわれる。しかしながら、これらの装置は共に非常に高価であり、大きく、かつ重い。
【０００５】
更に、これまでの幾つかの対称振動型ジャイロスコープが製造されているが、これらのジャイロスコープの振動体の運動量はケースを介して輸送手段プラットフォームに直接伝達される。この伝達またはカップリングによって、慣性速度入力と区別が付かない外乱およびエネルギー損失を吸収してしまうので、検出エラー及びドリフトが生じる。そのような振動型ジャイロスコープの１つの例を、タンらによる特許文献１に見出すことができ、この文献には、対称なクローバー葉状の振動型ジャイロスコープ構造が記載されている。他の平面型音叉ジャイロスコープは、振動をベースプレートからかなりの程度絶縁することができるが、これらのジャイロスコープは、調整動作に望ましい振動の対称性に欠けている。
【０００６】
更に、半球形の共振器ジャイロスコープ及び振動薄型リングジャイロスコープのようなシェルモードジャイロスコープは、かなり望ましい絶縁性、及び振動の対称性を有することが知られている。しかしながら、これらの構造は、プレーナ技術による薄いシリコンの微細加工には適していない、またはプレーナ技術による薄いシリコンの微細加工に関して大きな制約がある。半球形の共振器では、高感度静電気センサ及び有効アクチュエータに対応して、半球の極めて広い円筒状の側面を用いる。しかしながら、当該半球形の共振器の高いアスペクト比および３次元に湾曲した幾何学形状は、プレーナ技術による薄いシリコンの安価な微細加工には適していない。薄型リングジャイロスコープ（例えば、特許文献２には、プレーナ技術によるシリコンの微細加工には適するが、デバイスの極めて広い平坦領域を利用する静電気センサ及びアクチュエータが無い。更に、このジャイロスコープのケースは、共振プルーフマスと同じ材料ではないので、共振プルーフマスに対するピックオフ及びトルカーの位置整合状態が、温度とともに変化し、ジャイロスコープがドリフトしてしまう。
【０００７】
ケースの、またはケース内部の共振器の低周波耐震支持材を使用する振動絶縁も知られている（例えば、特許文献３）。しかしながら、このように絶縁を強化すると、それに比例して耐震設計質量が重くなり、／または支持周波数が低くなるという不具合を伴う。これらの両方の影響は、プルーフマスが加速状態では位置整合状態にならないので、小型で軍事的な慣性測定ユニット（ＩＭＵ）用途には望ましくない。
【０００８】
近年、埋め込み静電電極を使用するディスクを備えることにより励振及び検出を行なう画期的な共振器構造がマイクロジャイロ用に開発されている。一般的に、これらの電極は、共振器とともに、ベースプレートに選択的に接着されるウェハに貫通エッチングを施すことにより形成される。このようにして貫通エッチングされる側壁は電極と共振器との間の容量性ギャップを形成し、電極及び共振器は、ベースプレートに別々に接着されたままとなる。ディスクの３次元振動モードが発生し、検出されて角速度が測定される。このようなディスク状共振器ジャイロスコープ（ＤＲＧ）及び用途の幾つかの開発が既に行なわれている。
【０００９】
しかしながら、ディスク状共振器ジャイロスコープ（ＤＲＧ）構造の改良が必要である。例えば、現在のＤＲＧチップは、環境による影響に耐える能力に限界がある。ＤＲＧに関する個別パッケージング技術に頼ると、費用が高く付き、かつ信頼性が落ちる。ＤＲＧチップとパッケージ材料との熱膨張係数（ＣＴＥ）の不一致は、温度変化による内部応力を生じ得る。更に、ＤＲＧとパッケージングとの間の残留応力によって、不安定なセンサ挙動が経時的に生じ得る。ＤＲＧチップと外部パッケージとを固く接着すると、応力及び振動が伝達されて、周囲条件に対するデバイスの感度が高くなり過ぎる虞があり、大きい中央接着領域が能動センサ素子に近接すると、応力及び温度に対する感度が悪化する可能性がある。
【００１０】
これまでの説明に鑑みて、ＤＲＧの応用分野では、これらのＤＲＧを周囲環境に対して堅牢にし、或る範囲の環境における高信頼度の、長期間に亘る動作を確保することができるようにする必要がある。ＤＲＧに関するこのような技術が宇宙空間用途で特に必要になる。更に、このようなＤＲＧを完全性の高い真空ケースを用いて製造する必要がある。更には、このようなＤＲＧが、匹敵する共振器ジャイロスコープと同等の、または匹敵する共振器ジャイロスコープよりも優れた性能を持つようにする必要がある。以下に詳述するように、本発明は、全てのこれらの必要性、及び他の必要性を満たす。
【先行技術文献】
【特許文献】
【００１１】
【特許文献１】米国特許第５８９４０９０号
【特許文献２】米国特許第６２８２９５８号
【特許文献３】米国特許第６００９７５１号
【発明の概要】
【００１２】
外部温度及び応力の影響をほとんど受けないように設計されるマイクロ加工ディスク状共振器ジャイロスコープ（ＤＲＧ）が開示される。ＤＲＧは、角速度を測定する振動型ジャイロスコープであり、この振動型ジャイロスコープは、外部温度及び機械的な応力に対する感度が低くなるように設計される。ＤＲＧは集積された絶縁体を特徴とする。この集積された絶縁体は、電極と同じウェハ上に作製されて、複数の集積絶縁梁を形成する。更に、ＤＲＧは、ウェハレベル気密真空封止部、フリップチップボールグリッドアレイ（ＢＧＡ）、及び垂直電気貫通接続部を含むことにより、信頼性を高め、製造コストを低減することができる。追加の支持層は、衝撃緩和部、垂直電気貫通接続部、及びフリップチップＢＧＡと一緒に使用することができる。ゲッター及び衝撃緩和部を内蔵するパイレックスキャップまたは石英キャップを用いることができる。記載される方法によって、温度変化及び機械的な応力のような外部環境に対するＤＲＧの感度を低くすることができ、更に、高価なＬＣＣパッケージの必要を無くすことができる。
【００１３】
本発明の代表的な共振器ジャイロスコープの実施形態は、静電電極を有する共振器であって、電極側壁が共振器の側壁と相互作用することにより、前記共振器の振動モードが前記静電電極によって励起され、検出されて、その運動が測定される共振器と、前記共振器及び前記静電電極を中央領域において支持する絶縁層であって、各々の第１端部が前記絶縁層の前記中央領域に、第２端部が前記絶縁層の周辺部にそれぞれ接続される複数の絶縁梁を含む前記絶縁層と、前記絶縁層の前記周辺部を支持する支持層とを備える。通常、前記絶縁層は、前記中央領域の前記埋め込み静電電極に接続されて、前記複数の絶縁梁を経由して前記周辺部まで延在する金属トレースを含む。前記金属トレースは、前記周辺部の前記絶縁層から前記支持層内の導電性貫通接続部まで延在するように接続することができる。前記支持層内の前記導電性貫通接続部は、ボールグリッドアレイ（ＢＧＡ）に接続することができる。
【００１４】
幾つかの実施形態では、前記複数の絶縁梁は、放射状対称熱的／機械的絶縁梁を含むことができる。更に、前記支持層は、前記ディスク状共振器を支持する前記絶縁層の前記中央領域の動きを制限する１つ以上の衝撃緩和部を含むことができる。前記振動モードは通常、前記共振器の３次元振動モードを含む。前記共振器、前記絶縁層、及び前記支持層はシリコンを含むことができる。別の構成として、前記共振器、前記絶縁層、及び前記支持層は石英を含むことができる。
【００１５】
別の実施形態は、前記共振器を封止するキャップを含むことができ、前記キャップの内部には、前記共振器を支持する前記絶縁層の前記中央領域の動きを制限する１つ以上の衝撃緩和部が含まれる。前記キャップの内部には更に、薄膜ゲッター材料が含まれる。真空は、前記共振器の周り、及び前記絶縁層の前記中央領域の周りに、前記キャップ層と前記支持層との間において、形成される。
【００１６】
同様にして、共振器ジャイロスコープを製造する代表的な方法は、絶縁層をエッチングして、各々の第１端部が前記絶縁層の中央領域に、第２端部が前記絶縁層の周辺部に、それぞれ接続される複数の絶縁梁を形成することと、前記絶縁層を選択的に接着して、共振器層及び静電電極を前記絶縁層の中央領域において支持することと、共振器を、前記静電電極を有する前記共振器層からエッチングすることであって、前記電極側壁がディスク状共振器の共振器側壁と相互作用することにより、前記共振器の振動モードが前記静電電極によって励起され、検出されて、前記共振器の運動が測定されることと、支持層を接着して前記絶縁層の前記周辺部を支持することとを含む。本開示の方法の実施形態は、本明細書において記載される装置の実施形態と矛盾しないように更に変更することができる。
【００１７】
別の実施形態では、共振器ジャイロスコープは、運動を、振動モードを使用して測定する共振器手段と、前記共振器手段を中央領域において支持する絶縁層手段であって、各々の第１端部が前記絶縁層の前記中央領域に、第２端部が前記絶縁層の周辺部にそれぞれ接続される複数の絶縁梁を含む、前記絶縁層手段と、前記絶縁層手段の前記周辺部を支持する支持層手段とを備える。本開示の装置の実施形態は、本明細書において記載される他の装置及び方法の実施形態と矛盾しないように更に変更することができる。
【００１８】
更に、シリコン製ディスク状共振器ジャイロスコープを製造する例示的な方法は、シリコン絶縁層を形成する複数工程を含み、これらの工程は、絶縁凹部をシリコン絶縁ウェハにエッチングし、貫通エッチングを施して、ビアホールを前記シリコン絶縁ウェハに形成し、絶縁酸化層を前記シリコン絶縁ウェハの上に形成し、前記絶縁酸化層をエッチングして、複数の絶縁梁の下の領域を開口することにより行なわれる。シリコンベース層は、ベース凹部をシリコンベースウェハにエッチングし、ベース酸化層を前記シリコンベースウェハに形成し、衝撃緩和ベースバンプを前記シリコンベースウェハに接着することにより形成することができる。前記シリコン絶縁層を前記シリコンベース層に接着し、ワイヤトレースを前記シリコン絶縁層の上に、静電電極の位置から前記ビアホールまで延在するようにパターニング形成する。電気コンタクトを前記ビアホールに堆積させて形成する。これらの絶縁梁は、パターニング及び貫通エッチングを施すことにより、前記シリコン絶縁ウェハに形成される。垂直貫通接続部も、パターニング及び貫通エッチングを施すことにより、ベースウェハに形成される。シリコン共振器層は、前記共振器層を前記絶縁層に接着し、パターニング及び貫通エッチングを施して、前記ディスク状共振器のディスク状共振器及び静電電極を形成することにより形成される。キャップ層は、キャップ凹部をキャップウェハにエッチングし、キャップ衝撃緩和柱状突起部をキャップ凹部にエッチングし、衝撃緩和部を柱状突起部の上に接着し、薄膜ゲッターをキャップ凹部に接着することにより形成することができる。次に、キャップ層をシリコン絶縁層に接着する。この方法は、本明細書において記載される装置の実施形態と矛盾しないように更に変更することができる。
【００１９】
石英製ディスク状共振器ジャイロスコープを製造する例示的な方法は、石英共振器層を形成する複数工程を含み、これらの工程は、犠牲シリコン層を石英ハンドリングウェハの上に堆積させ、１つ以上の開孔を石英ハンドリングウェハにエッチングし、犠牲シリコン層を研磨し、石英共振器ウェハを犠牲シリコン層に接着し、石英共振器ウェハをパターニングし、貫通エッチングして、ディスク状共振器及び静電電極を形成し、非常に薄い導電材料膜を、ディスク状共振器及び静電電極の表面に堆積させ、接着材料をディスク状共振器及び静電電極の中央ポストに接着することにより行なわれる。石英絶縁層は、複数の貫通孔を石英絶縁ウェハにエッチングし、金属をこれらの貫通孔に充填し、石英絶縁ウェハを平坦化して、これらの貫通孔を延びる電気貫通接続部を形成し、共振器層に対応する接着パターンをエッチングし、ワイヤトレースを石英絶縁ウェハの上に、静電電極の位置から電気貫通接続部まで延在するように堆積形成し、接着剤を石英絶縁ウェハの接着パターンの上に、共振器層の静電電極及びディスク状共振器に対応するように接着し、パターニング及び貫通エッチングを施して複数の絶縁梁を石英絶縁ウェハに形成することにより形成される。次に、石英絶縁層を石英共振器層に接着する。石英ベース層は、ベース凹部を石英ベースウェハにエッチングし、貫通エッチングを施して、複数孔を石英ベースウェハに形成することにより、絶縁層の電気貫通接続部に一致させ、複数の衝撃緩和部をベース凹部に接着することにより形成される。次に、石英ベース層を共振器層に接着する。次に、絶縁層の貫通孔に金属を充填して、絶縁層及びバベース層を貫通する貫通接続部を完成させる。次に、石英ハンドリングウェハを、犠牲シリコン層を溶解することにより取り外すことができる。キャップ層は、キャップ凹部を石英キャップウェハにエッチングし、キャップ凹部をパターニングし、エッチングして、ゲッター材料及びキャップ衝撃緩和部に対応する場所を形成し、ゲッター材料及び衝撃緩和部をキャップ凹部のこれらの場所に接着することにより形成することができる。ゲッター材料は、キャップ層を絶縁層に接着する前に活性化される。この方法は、本明細書において記載される装置の実施形態と矛盾しないように更に変更することができる。
【００２０】
次に、同様の参照番号が、対応する構成要素を、図面全体を通じて指している図面を参照する。
【図面の簡単な説明】
【００２１】
【図１】図１Ａは、現在のディスク状共振器ジャイロスコープ（ＤＲＧ）素子を示している。図１Ｂは、現在のＤＲＧアセンブリに対応するＤＲＧチップを模式的に示している。
【図２】図２Ａは、本開示の例示的なＤＲＧの実施形態の断面を示している。図２Ｂは、本開示の例示的なＤＲＧの実施形態のキャップ層を示している。図２Ｃは、本開示の例示的なＤＲＧの実施形態のディスク状共振器層を示している。図２Ｄは、本開示の例示的なＤＲＧの実施形態の絶縁層を示している。図２Ｅは、本開示の例示的なＤＲＧの実施形態の支持層を示している。
【図３】図３Ａは、本開示の例示的なＤＲＧの実施形態の絶縁層の上面図を示している。図３Ｂは、本開示の例示的なＤＲＧの実施形態の支持層の上面図を示している。図３Ｃは、本開示の例示的なＤＲＧの実施形態のディスク状共振器層の上面図を示している。図３Ｄは、本開示の例示的なＤＲＧの実施形態のキャップ層の上面図を示している。
【図４】図４Ａは、本開示の例示的なシリコン製ＤＲＧの実施形態の絶縁層を形成する例示的なプロセスを示している。図４Ｂは、本開示の例示的なシリコン製ＤＲＧの実施形態の絶縁層を形成する例示的なプロセスを示している。図４Ｃは、本開示の例示的なシリコン製ＤＲＧの実施形態の絶縁層を形成する例示的なプロセスを示している。図４Ｄは、本開示の例示的なシリコン製ＤＲＧの実施形態の絶縁層を形成する例示的なプロセスを示している。図４Ｅは、本開示の例示的なシリコン製ＤＲＧの実施形態の絶縁層を形成する例示的なプロセスを示している。
【図５】図５Ａは、本開示の例示的なシリコン製ＤＲＧの実施形態のベース層を形成する例示的なプロセスを示している。図５Ｂは、本開示の例示的なシリコン製ＤＲＧの実施形態のベース層を形成する例示的なプロセスを示している。図５Ｃは、本開示の例示的なシリコン製ＤＲＧの実施形態のベース層を形成する例示的なプロセスを示している。図５Ｄは、本開示の例示的なシリコン製ＤＲＧの実施形態のベース層を形成する例示的なプロセスを示している。
【図６】図６Ａは、本開示の例示的なシリコン製ＤＲＧの実施形態のベース層及び絶縁層を接着し、更に処理する例示的なプロセスを示している。図６Ｂは、本開示の例示的なシリコン製ＤＲＧの実施形態のベース層及び絶縁層を接着し、更に処理する例示的なプロセスを示している。図６Ｃは、本開示の例示的なシリコン製ＤＲＧの実施形態のベース層及び絶縁層を接着し、更に処理する例示的なプロセスを示している。図６Ｄは、本開示の例示的なシリコン製ＤＲＧの実施形態のベース層及び絶縁層を接着し、更に処理する例示的なプロセスを示している。図６Ｅは、本開示の例示的なシリコン製ＤＲＧの実施形態のベース層及び絶縁層を接着し、更に処理する例示的なプロセスを示している。図６Ｆは、本開示の例示的なシリコン製ＤＲＧの実施形態のベース層及び絶縁層を接着し、更に処理する例示的なプロセスを示している。
【図７】図７Ａは、本開示の例示的なシリコン製ＤＲＧの実施形態の共振器層を形成する例示的なプロセスを示している。図７Ｂは、本開示の例示的なシリコン製ＤＲＧの実施形態の共振器層を形成する例示的なプロセスを示している。図７Ｃは、本開示の例示的なシリコン製ＤＲＧの実施形態の共振器層を形成する例示的なプロセスを示している。
【図８】図８Ａは、本開示の例示的なシリコン製ＤＲＧの実施形態のキャップ層を形成する例示的なプロセスを示している。図８Ｂは、本開示の例示的なシリコン製ＤＲＧの実施形態のキャップ層を形成する例示的なプロセスを示している。図８Ｃは、本開示の例示的なシリコン製ＤＲＧの実施形態のキャップ層を形成する例示的なプロセスを示している。図８Ｄは、本開示の例示的なシリコン製ＤＲＧの実施形態のキャップ層を形成する例示的なプロセスを示している。
【図９】図９Ａは、本開示の例示的なシリコン製ＤＲＧの実施形態のキャップ層を接着し、シリコン製ＤＲＧの実施形態を完成させる例示的なプロセスを示している。図９Ｂは、本開示の例示的なシリコン製ＤＲＧの実施形態のキャップ層を接着し、シリコン製ＤＲＧの実施形態を完成させる例示的なプロセスを示している。
【図１０】図１０Ａは、本開示の例示的な石英製ＤＲＧの実施形態の共振器層を形成する例示的なプロセスを示している。図１０Ｂは、本開示の例示的な石英製ＤＲＧの実施形態の共振器層を形成する例示的なプロセスを示している。図１０Ｃは、本開示の例示的な石英製ＤＲＧの実施形態の共振器層を形成する例示的なプロセスを示している。図１０Ｄは、本開示の例示的な石英製ＤＲＧの実施形態の共振器層を形成する例示的なプロセスを示している。図１０Ｅは、本開示の例示的な石英製ＤＲＧの実施形態の共振器層を形成する例示的なプロセスを示している。図１０Ｆは、本開示の例示的な石英製ＤＲＧの実施形態の共振器層を形成する例示的なプロセスを示している。
【図１１】図１１Ａは、本開示の例示的な石英製ＤＲＧの実施形態の絶縁層を形成し、共振器層を接着する例示的なプロセスを示している。図１１Ｂは、本開示の例示的な石英製ＤＲＧの実施形態の絶縁層を形成し、共振器層を接着する例示的なプロセスを示している。図１１Ｃは、本開示の例示的な石英製ＤＲＧの実施形態の絶縁層を形成し、共振器層を接着する例示的なプロセスを示している。図１１Ｄは、本開示の例示的な石英製ＤＲＧの実施形態の絶縁層を形成し、共振器層を接着する例示的なプロセスを示している。
【図１２】図１２Ａは、本開示の例示的な石英製ＤＲＧの実施形態のベース層を形成し、絶縁層を接着する例示的なプロセスを示している。図１２Ｂは、本開示の例示的な石英製ＤＲＧの実施形態のベース層を形成し、絶縁層を接着する例示的なプロセスを示している。図１２Ｃは、本開示の例示的な石英製ＤＲＧの実施形態のベース層を形成し、絶縁層を接着する例示的なプロセスを示している。図１２Ｄは、本開示の例示的な石英製ＤＲＧの実施形態のベース層を形成し、絶縁層を接着する例示的なプロセスを示している。図１２Ｅは、本開示の例示的な石英製ＤＲＧの実施形態のベース層を形成し、絶縁層を接着する例示的なプロセスを示している。図１２Ｆは、本開示の例示的な石英製ＤＲＧの実施形態のベース層を形成し、絶縁層を接着する例示的なプロセスを示している。
【図１３】図１３Ａは、本開示の例示的な石英製ＤＲＧの実施形態のキャップ層を形成し、絶縁層を接着する例示的なプロセスを示している。図１３Ｂは、本開示の例示的な石英製ＤＲＧの実施形態のキャップ層を形成し、絶縁層を接着する例示的なプロセスを示している。図１３Ｃは、本開示の例示的な石英製ＤＲＧの実施形態のキャップ層を形成し、絶縁層を接着する例示的なプロセスを示している。図１３Ｄは、本開示の例示的な石英製ＤＲＧの実施形態のキャップ層を形成し、絶縁層を接着する例示的なプロセスを示している。図１３Ｅは、本開示の例示的な石英製ＤＲＧの実施形態のキャップ層を形成し、絶縁層を接着する例示的なプロセスを示している。
【図１４】図１４は、本開示のＤＲＧの実施形態を製造する例示的な方法のフローチャートである。
【発明を実施するための形態】
【００２２】
１．概要
高感度素子（共振器、電極）は、長い可撓性の梁によって完全に吊り下げられることにより、外部応力及び熱影響から絶縁される。絶縁梁は低強度及び可撓性を呈することにより、大きな変位に対して非常に小さい耐力で耐えることができる。したがって、ＣＴＥ不一致または外部応力のいずれかに起因するチップケースに対する全ての応力または歪みを絶縁梁が吸収することができ、全ての応力または歪みが検出素子に伝達されることがない。これらの絶縁梁は、電極と同じウェハ（電極ウェハ）をエッチングすることにより形成されるので、ＣＴＥ不一致を最小限に抑え、複雑さ及びコストを低減することができる。絶縁梁の梁剛性を顧客要求に合わせて設計することにより、特定の周波数範囲の振動を減衰することができる。シリコン垂直貫通接続部によって、潜在的な真空リーク経路を無くすことができ、金属によって生じるＣＴＥ不一致を低減することができる。
【００２３】
別の実施形態では、フリップチップボールグリッドアレイ（ＢＧＡ）を用いて、電気基板へのチップの直接接着を可能にして、ワイヤボンディングの必要を無くしている。キャップを被せる前にＢＧＡを接着する場合、ＢＧＡによって、デバイスの電気的スクリーニング及び調整も、真空状態でキャップを被せる最終工程の直前に可能になる。したがって、ＢＧＡ構造によって、共振器を非常に正確に調整し、バランスさせることができる。
【００２４】
更に、本発明の実施形態の製造プロセス全体にバッチ形成を用いることができる。これにより、規模の経済を達成することができ、大きな利点をもたらすことができる。個々にハンドリングする必要を全く伴なうことなく、デバイスコストを現在のＤＲＧデバイスコストの２０％という低い値にまで減らすことができる。更に、個々のハンドリングを無くすことにより、バッチ歩留まりも劇的に高めることができる。
【００２５】
２．現状のディスク状共振器ジャイロスコープ及びパッケージング
図１Ａは、現在のディスク状共振器ジャイロスコープ（ＤＲＧ）アセンブリ１００を示している。現在のＤＲＧは、図示のように、微細機械加工によるセラミックリードレスチップキャリア（ＬＣＣ）真空パッケージ１０６を使用して実現されている。代表的なアセンブリ１００はコアＤＲＧチップ１０２を含み、コアＤＲＧチップ１０２は、セラミックＬＣＣパッケージ１０６に封止される３層シリコンまたは石英ＭＥＭＳジャイロチップを含み、セラミックＬＣＣパッケージ１０６は、気密真空封止を可能にして、ジャイロスコープを正しく動作させることができる。ＬＣＣパッケージは、熱圧着によりパッケージ１０６の残りの部分に接着される蓋１０４を含むことができる。ワイヤリード１０８をＤＲＧチップ１０２と貫通接続部１１０との間にパッケージ１０６内で取り付ける。ＤＲＧチップ１０２をパッケージ１０６に、圧着材１１２により中央で接着する。更に、パッケージ１０６の蓋１０４は、ゲッター１１４を含むことにより、真空形成を容易にしている。例示的な現在のＤＲＧアセンブリに関する詳細な記述に関しては、例えば「中央にチップを取り付けたプレーナ型共振器ジャイロスコープ（“ＰＬＡＮＡＲ  ＲＥＳＯＮＡＴＯＲ  ＧＹＲＯＳＣＯＰＥ  ＷＩＴＨ  ＣＥＮＴＲＡＬ  ＤＩＥ  ＡＴＴＡＣＨＭＥＮＴ”）」と題する米国特許出願公開第２００８／０２９５６２２（Ａ１）号を参照されたい。
【００２６】
図１Ｂは、図１Ａに示す現在のＤＲＧチップ１０２に対応するＤＲＧチップを模式的に示している。コアＤＲＧチップ１０２は、３つの個別シリコン層または石英層を含むＭＥＭＳジャイロチップであり、各シリコン層または石英層は、別々に微細機械加工され、金−錫（Ａｕ−Ｓｎ）共晶接着により組み付けて合体させる。下部電極支持層１２２は、当該支持層１２２の上にパターニング形成されて、能動共振器容量電極素子を励起し、検出し、バイアスするＣＭＯＳ電極１２４を特徴としている。当該下部電極支持層１２２は、外部パッケージとの構造支持インターフェース及び電気インターフェースともなる。中央ＤＲＧ層１２６は、貫通エッチングにより形成されるディスク状共振器１２８を含む。上部層は、塵防止カバーキャップ１３０を含むことにより、ハンドリング中及び試験中のダメージに対する保護を可能にしている。通常、塵防止カバーキャップ１３０は、ＤＲＧに永久的に取り付けられるが、その目的は、パーティクルがアセンブリプロセス中に進入しないようにするためである。塵防止キャップは通常、気密封止用接着剤で接着されることはない。
【００２７】
チップ１０２は、一旦、形成され、ダイシングされると、標準のＬＣＣパッケージの内部に取り付けられ、封止される状態になる。チップ１０２はまず、ＬＣＣパッケージ１０６の底面（図１Ａ参照）に、例えば金−錫（Ａｕ−Ｓｎ）共晶接着により、金−錫プリフォームがパッケージ１０６の中央で溶融した状態で接着される。一旦、チップ１０２が固く取り付けられると、当該チップをＬＣＣ貫通接続部１１０にワイヤボンディングして、これらの貫通接続部１１０を電気インターフェースとする。最後に、ゲッター１１４が予め取り付けられている蓋１０４を真空中で加熱してゲッターを活性化し、次に、蓋１０４をパッケージ１０６に圧着し、最終真空封止を形成する。
【００２８】
従来のＤＲＧアセンブリ１００（図１Ａ及び１Ｂに示すように）は、極めて優れた真空パッケージ及び十分なプラットフォームを実現して、研究所並みの性能を持つが、実用環境におけるハンドリング性が低い。例えば、ＤＲＧアセンブリ１００は、温度に対する感度がかなり高く、ターンオンバイアスを繰り返すことができず、かなり大きい動的不安定性を経時的に有し、これにより、デバイスは、温度が大きく変化した状態で、動作することができなくなる可能性がある。ＤＲＧアセンブリ１００に関するこのような不安定性の原因は、３つの主要な要因に帰することができる。
【００２９】
第１に、ＤＲＧチップはＬＣＣパッケージに、異種材料を接着することにより固く取り付けられる。ボンディングパッドの領域は、チップの底面の約９分の１を占め、能動共振器の真下に位置する。熱圧着の柔軟性の欠如に、ＣＴＥ不一致、及び被影響領域が広いことが加味されることによって、高い熱機械応力及び歪みが、チップ及びＬＣＣパッケージの両方に生じる虞がある。その結果、デバイスは、温度変化に対して感度が非常に高くなる可能性がある。更に、ＬＣＣに加わる全ての応力が高剛性ボンディングパッドを介して、クッション効果をほとんど、または全く生じることなく伝達される。これにより、外部応力または振動に対する感度が非常に高くなり得る。
【００３０】
第２に、金−錫（Ａｕ−Ｓｎ）共晶接着及びゲッター活性化には、例えば４００℃という非常に高い処理温度が必要である。固く接着された異種材料を多数の温度サイクルに亘って真空封止中に高速に加熱し、冷却すると、ボンディングパッドに極めて大きな残留応力が蓄積される。残留応力の大きさに依存するが、接着構造は、中程度から極めて高い予測不能な程度の構造不安定性を呈し、。したがってこれにより、当該接着構造自体が、ターンオンバイアスを繰り返すことができない状態になってしまい、当該接着構造は、センサ挙動のランダムな変化を経時的に発現する。
【００３１】
第３に、大きいボンディングパッドが能動共振器の真下に位置している。当該ボンディングパッドが当該共振器に、当該ボンディングパッドの広い面積で近接すると、非常に高い熱伝導率が中央能動層に生じることになる。したがって、熱に対するチップ自体の感度が必ず、この短く、かつ非常に熱伝導性の高い経路を介して高くなる。
【００３２】
更に、ＤＲＧアセンブリ１００のＬＣＣ真空封止プロセスは信頼性がなく、かく費用が高く付いてしまう。当該ＬＣＣ真空封止プロセスの開発段階では、当該コストが全開発コストの約５０％になるのに対し、デバイス歩留まりは２５％未満である。生産段階では、ＬＣＣ封止を、かなりの程度の環境保全能力を発揮するように向上させると、デバイスコスト全体の約８０％のコストを要することが予測される。
【００３３】
３．画期的なディスク状共振器ジャイロスコープ
次に、本明細書において提供される画期的な設計によるＤＲＧは、現在のＤＲＧアセンブリの上記不具合を解決するために考案されている。本開示の実施形態は、熱的かつ機械的絶縁機構を同じウェハに電極層として組み込み、塵防止キャップ層の代わりに、パイレックスキャップまたは石英キャップを用いて真空封止を行なうことにより、外部パッケージングの必要が全く無いようにしている。キャップ材料及び電極絶縁材料は、ＣＴＥが共振器材料のＣＴＥと一致するように選択することができる。全体的な効果は、ジャイロスコープのバイアス及びスケールファクタに対する環境による影響を低減することである。したがって、この画期的なアーキテクチャは、環境的に堅牢なディスク状共振器ジャイロ（ＥＲＤＲＧ）と表記することができる。
【００３４】
本開示の１つの実施形態では、例示的なＥＲＤＲＧは、シリコンにより構成することができ、これまでの設計における３つの層と比較して、４つの異なる層（すなわち、４枚のウェハを積層した層）を含む（例えば、米国特許第７４０１３９７号、及び第７０４０１６３号を参照）。この画期的な設計では、支持層は、ジャイロスコープの母体機械支持体及び垂直電気貫通接続部を提供することができる。電極／絶縁層の周辺部を支持層の上部に接着することができる。当該層の電極領域は、８個の放射状対称部分円形梁から吊り下げることができ、この場合、導電性のトレースが、共振器を支持する中央領域からこれらの梁を経由して当該層の周辺部まで延在している。これらの梁は、撓み、細く、長く（しかしながら、小空間に収まって）なるように設計され、。したがって、熱的絶縁及び機械的絶縁を、共振器の高感度構成要素に関して実現する。共振器層は、これまでの設計から変更する必要はなく（本発明の実施形態は、全てのディスク状共振器パターンに関して動作することができる）、電極の上部に、電極／絶縁層の中央領域において接着することができる。これまでのＤＲＧ構造による塵防止キャップの代わりに、パイレックスキャップまたは石英キャップを用いることができ、この場合、ゲッター及び衝撃緩和バンプを予め接着しておく。デバイスは、高真空状態で、電極／絶縁層にキャップを陽極接着またはフリットボンディングすることにより完全に封止することができる。
【００３５】
絶縁梁は、指定周波数より高い機械振動を絶縁し、数ｇの加速度に耐えるように設計（調整）することもできる。しかしながら、加速度がこれらの閾値を超える場合、更なる変位を、正しく配置される衝撃緩和バンプで止めて、これらの梁への永久ダメージを回避することができる。衝撃緩和バンプは、キャップ内に配置することができ、支持層は、このような機能を実現する。
【００３６】
図２Ａは、本発明の例示的なＤＲＧの実施形態の断面を示している。例示的なＤＲＧ２００は、絶縁層２０４に中央で接着されるディスク状共振器２０２を含む。ディスク状共振器２０２は、ディスク状共振器２０２の内部側壁と相互作用する側壁を有する埋め込み静電電極２０６を含むことにより、ディスク状共振器２０２の振動モードが励起され、埋め込み静電電極２０６によって検出されて、ディスク状共振器２０２の運動を測定する。ディスク状共振器２０２を形成するために、ディスク状ウェハを絶縁層２０４に選択的に接着し、ディスク状ウェハに選択的に貫通エッチングを施して、静電電極２０６及びディスク状共振器２０２構造を同時に分離し、形成する。ディスク状ウェハを接着する前に、ワイヤトレース（図示せず）を絶縁層２０４の上にパターニング形成して、個々の静電電極２０６との電気接続を設ける。（ディスク状共振器２０２の動作及び設計に関しては、例えば米国特許第６９４４９３１号、第７３４７０９５号、第７０４０１６３号、第７１６８３１８号、第７４０１３９７号、第７２８５８４４号、第７３９６４７８号、及び第７４３７２５３号に既に記載されている）。通常、ディスク状共振器は、固体の３次元振動を使用して動作させることにより、ディスク状共振器の運動（例えば、回転速度）を測定する。
【００３７】
絶縁層２０４は、ディスク状共振器２０２及び埋め込み静電電極２０６を中央領域２０８において支持し、各々の第１端部が絶縁層２０４の中央領域２０８に、第２端部が絶縁層２０４の周辺部２１２に、それぞれ接続される複数の絶縁梁２１０を備えている。静電電極２０６に中央領域において接続されるワイヤトレースは、絶縁梁２１０を経由して中央領域２０８から周辺部２１２まで延在し、支持層２１４に達する出力端子としてのエッチングビア２２８に接続され、この支持層２１４は、絶縁層２０４の周辺部２１２を支持するように接着される。支持層２１４は、複数のスルーエッチング垂直貫通接続部（ｔｈｒｏｕｇｈ  ｅｔｃｈｅｄ  ｖｅｒｔｉｃａｌ  ｆｅｅｄｔｈｒｏｕｇｈｓ）２１６を含み、各垂直貫通接続部２１６は、これらのワイヤトレースのうちの１つのワイヤトレースに接続され、１つのワイヤトレースで電気信号を支持層２１４の裏面に接続し、この場合、各垂直貫通接続部２１６は、ボールコネクタ２１８（例えば、金バンプ）を含むことにより、この技術分野で公知のフリップチップボールグリッドアレイ（ＢＧＡ）インターフェースとなる。更に、支持層２１４は、ディスク状共振器２０２を支持する絶縁層２０４の中央領域２０８の動き（下方の）を制限する１つ以上の衝撃緩和部２２２も含む。したがって、図示のように、ディスク状共振器２０２は、絶縁層２０４の中央領域２０８の上で支持され、外部温度及び外部運動から複数の絶縁梁２１０によって効果的に絶縁される。絶縁層２０４の中央領域２０８は、これらの絶縁梁２１０に載るようにして「浮いている」。
【００３８】
ＤＲＧ２００は更にキャップ層２２０を含み、このキャップ層２２０を使用して真空封止を、支持層２１４、及びキャップ層２２０と支持層２１４との間に挟まれる絶縁層２０４とともに形成する。キャップ層２２０は更に、１つ以上の衝撃緩和部２２４を含むことにより、ディスク状共振器２０２を支持する絶縁層２０４の中央領域２０８の動き（上方の）を制限する。また、キャップ層２２０は更に、薄層ゲッター材料２２６を含むことにより、キャップ層２２０を絶縁層２０４に接着するときのＤＲＧ２００内の真空形成を容易にすることができる。
【００３９】
図２Ｂ〜２Ｄは、図２ＡのＤＲＧ２００の個々の構成層を示している。図２Ｂは、本開示の例示的なＤＲＧ２００の実施形態のキャップ層２２０を示している。薄層ゲッター材料２２６は、キャップ層２２０のエッチング凹部に配置され、衝撃緩和部２２４は、キャップ層２２０の内側の高位部に配置される。図２Ｃは、本開示の例示的なＤＲＧ２００の実施形態のディスク状共振器２０２を示している。既に説明したように、ディスク状共振器２０２は、複数の埋め込み静電電極２０６（共振器の貫通エッチング側壁と相互作用する貫通エッチング側壁を有する）を含み、これらの埋め込み静電電極を使用してＤＲＧ２００を動作させる。図２Ｄは、本開示の例示的なＤＲＧの実施形態の絶縁層２０４を示している。絶縁層２０４は、複数の絶縁梁２１０を介して接続される中央領域２０８及び周辺部２１２を有する。更に、共振器の静電電極に接続される電気トレース２３０は、絶縁層２０４の上に、中央領域２０８から絶縁梁２１０を経由して周辺部２１２まで延在するようにパターニング形成され、この周辺部２１２で、これらのトレースが、ビア２２８を介して下方の支持層２１４に接続される。図２Ｅは、本開示の例示的なＤＲＧの実施形態の支持層２１４を示している。支持層２１４は、絶縁層２０４の中央領域２０８の運動を可能にするエッチング凹部を含む。支持層２１４は、絶縁層２０４の周辺部２１２に接着される。更に、貫通エッチングされた垂直貫通接続部２１６は、絶縁層２０４から延びるワイヤトレースの各々に接続される。支持層２１４の裏面では、各貫通接続部２１６は、この技術分野で公知のフリップチップボールグリッドアレイ（ＢＧＡ）インターフェースに対応するボールコネクタ２１８（例えば、金バンプ）を含むことができる。更に、支持層２１４は、ディスク状共振器２０２を支持する絶縁層２０４の中央領域２０８の動き（下方の）を制限する衝撃緩和部２２２も含む。
【００４０】
図３Ａは、本開示の例示的なＤＲＧ２００の実施形態の絶縁層２０４の上面図を示している。層２０４は、１６個の貫通エッチングビア２２８（図示のように、１つのビアに記号を付している）、及び８個の対称な放射部分円弧状梁２１０（図示のように、１つの円弧状梁に記号を付している）を含む。これらの対称な円弧状梁２１０はそれぞれ、図示のように、絶縁層２０４の中央領域２０８と周辺部２１２との間のバネを形成し、このバネは、３つの短いねじれ素子と直列に接続される２つの長いカンチレバー素子を有する。ワイヤトレースは、中央領域２０８の輪郭領域３００にパターニング形成される。ワイヤトレースのパターンは、ワイヤトレースが、共振器に埋め込まれる静電電極の各々に接続されるので、共振器構造に依存する。電極幾何学形状のワイヤトレースの全てはまた、絶縁梁２１０を経由して延在してビア２２８を通り抜けている。これらのワイヤトレースは、各ペアがＤＲＧ２００動作時の寄生カップリングを相殺するように差分ペアになるように、８個の絶縁梁ペア２１０を通って延在している。梁幅は、所望の周波数より高い振動を絶縁するように決定することができる。絶縁層２０４は、シリコンにより形成することもできるので、共振器ウェハ２０２の熱膨張係数（ＣＴＥ）に一致させることができる。電極構造は、これまでのＤＲＧ構造と同じとすることができる。例えば、米国特許第７４０１３９７号及び第７０４０１６３号を参照されたい。１６個の異方性貫通エッチングビア２２８によって、ワイヤトレースを下方に延在させて支持層の垂直貫通接続部に傾斜壁に沿って到達させることができ、電気的連続性を確保することができる。
【００４１】
図３Ｂは、本開示の例示的なＤＲＧの実施形態の支持層２１４の上面図を示している。例示的なＤＲＧ２００では、支持層２１４は、高濃度ドープシリコンにより形成することができる。支持層２１４は、円形凹部３０２（例えば、５μｍの深さの）を中央に含むことにより、上記絶縁層２０４の中央領域２０８の上での検出素子の変位を可能にしている。７個の衝撃緩和部２２２（図示のように、１つの衝撃緩和部に記号を付している）は、凹部領域３０２内の放射状対称パターンである。支持層２１４は更に、１６個の貫通エッチング垂直貫通接続部２１６（図示のように、１つの垂直貫通接続部に記号を付している）を含む。これらの貫通接続部２１６を絶縁層２０４の底部に接着する（各貫通接続部２１６が絶縁層２０４のビア２２８に接続される）ことにより、完成デバイスの気密封止を保持する。
【００４２】
図３Ｃは、本開示の例示的なＤＲＧ２００の実施形態のディスク状共振器層２０２の上面図を示している。形成される共振器パターンは、ＤＲＧ２００を動作させるために使用される貫通エッチング静電電極２０６が占有する空間を示している。中味の詰まった中央領域は、共振器の唯一の支持体としての絶縁層２０４の中央領域に接着される。共振器層２０２は、既に形成されているＤＲＧの幾何学形状を有するシリコンとすることができる。例えば、米国特許第７４０１３９７号及び第７０４０１６３号を参照されたい。絶縁層２０４の中央領域は、電極層の中央ポストにも接着され、次に、ウェハに貫通エッチングを施して解放されることにより、電極及び共振器を同時に形成する。
【００４３】
図３Ｄは、本開示の例示的なＤＲＧ２００の実施形態のキャップ層２２０の上面図を示している。キャップ層２２０は、パイレックスで形成して、絶縁ウェハ２０４の熱膨張率に一致させることができる。パイレックスキャップ層２２０は、シリコン絶縁層２０４に陽極接着することができる。キャップ層２２０は、絶縁層２０４の設置領域全体を覆う方形とすることができる。キャップ層２２０は、共振器に対応する１０５μｍの窪みと、小さい隙間とを含むことができる。更に、キャップ層２２０は、予め堆積させた薄膜ゲッター材料２２６を含む。８個の衝撃緩和部２２４（図示のように、１つの衝撃緩和部に記号を付している）を使用して、共振器２０２がゲッター材料２２６と接触するのを防止することができる。更に、必要に応じて、キャップ層２２０の外面に金属をコーティングして、ガス分子の透過を抑制することができる。
【００４４】
高感度素子（例えば、共振器及び容量電極）を長い可撓性梁によって全体を吊り下げて、これらの素子を外部応力及び熱の影響から絶縁する。低強度及び可撓性を呈するように設計される絶縁梁は、大きな変位に対して、非常に小さい耐力で耐えることができる。したがって、チップケースに加わる衝撃、応力、または歪み（例えば、ＣＴＥ不一致または外部応力のいずれかに起因する）は、絶縁梁で全て吸収することができ、ＤＲＧの高感度素子には決して伝達されない。絶縁梁は、電極に対応するワイヤトレースが堆積形成される同じウェハをエッチングすることにより形成することができるので、ＣＴＥ不一致を最小にし、複雑さ及びコストを低減することができる。絶縁梁の剛性は、特定周波数範囲の振動を減衰させるように設計することができる。更に、シリコン垂直貫通接続部によって潜在的なリーク経路を無くすことができ、金属によって生じるＣＴＥ不一致を低減することもできる。これらの垂直貫通接続部は、接着領域の下を通過しなくても済むので、真空封止接着の邪魔にはならない。フィル材料を選択してシリコンのような基板のＣＴＥに一致させる場合、ＣＴＥの不一致は生じない。
【００４５】
本開示のＤＲＧの実施形態を実施するために、フリップチップＢＧＡを、前に説明したように用いることもできるので、ＤＲＧを、電気基板に直接的かつ効率的に取り付けることができ、面倒で費用が高く付くワイヤボンディングの必要を無くすことができる。キャップ層を接着する前にＢＧＡを接着する場合、ＢＧＡによって、真空状態でキャップを被せる最終工程の直前にデバイスを容易に電気スクリーニングし、調整することもできる。ＢＧＡを使用して、試験用電子機器で、全てのチップをウェハレベルで同時に電気的に操作することができる。ウェハの裏面側に位置するＢＧＡとのコンタクトを行なうように設計されるチャックを使用することができる。別の構成として、一度にチップを１つしか操作することができないＢＧＡではなく、ウェハレベルプローブ検査を用いて試験を行なうことができる。しかしながら、ウェハレベルプローブ検査は、更に複雑であり、かつ更に高い費用を要する自動プローブシステムを必要とする。このように、ＢＧＡを当該構造に使用すると、共振器を低いコストで非常に正確に調整し、バランスさせることができる。
【００４６】
本開示の実施形態は、バッチ生産を使用するように開発されているので、極めて大きな利点を規模の経済からもたらすことができる。個々にハンドリングする必要を伴なうことなく、デバイスコストを現在のＤＲＧの２０％という低い値にまで低減することができることが推定される。更に、デバイスの個々のハンドリングを無くすことにより、バッチの総合歩留まりを劇的に向上させることもできる。
【００４７】
本開示の１つの例示的なＤＲＧの実施形態では、ＥＲＤＲＧ（環境的に堅牢なディスク状共振器ジャイロスコープ）は、ベース層が高濃度ドープシリコンにより構成されるようにシリコンにより形成することができ、キャップをパイレックスで形成して、ＣＴＥを略一致させることができる。シリコン製ＤＲＧの異なる層の重要な形成工程及びプロセスフローの概要を以下に図４Ａ〜９Ｂに示す。
【００４８】
図４Ａ〜４Ｅは、本開示の例示的なシリコン製ＤＲＧの実施形態の絶縁層を形成するための例示的なプロセスを示している。図４Ａは、シリコンウェハが、位置合わせマーク４０２を有するＤＲＧの絶縁層４００になるように形成される様子を示しており、これらの位置合わせマーク４０２は周縁部にエッチングされる。これらの位置合わせマーク４０２は、異なる層を接着中及びエッチング中に正確に位置合わせするために使用される。図４Ｂは、３〜４μｍの複数凹部４０４をエッチングした（レジストリフローを用いて（凹部の）周縁部に傾斜を付ける）後の絶縁層４００を示している。リフローレジストは、普通に行なわれている通りに、フォトレジストをまず、塗布し、パターニングすることにより処理される。次に、高温ベークを施して、フォトレジストの辺縁部が溶融し、変形するようにする。変形した辺縁部によって、傾斜の付いた周縁部を形成する。次のエッチングプロセスでは、低選択性エッチングレシピを選択して、レジスト及びシリコン基板を共にエッチングすることにより、傾斜の付いた周縁部が完成基板に形成される。高台部分４０６が、共振器の静電電極を接続するだけでなく共振器自体を中央で接着するための位置となる。図４Ｃは、等方性貫通エッチングを施して絶縁層４００の周辺部に形成されるビアホール４０８を示している。図４Ｄは、約１μｍ〜０．５μｍの厚さの熱酸化層４１０の形成を示している。図４Ｅは、これらの絶縁梁に対応する位置の下の熱酸化層４１０にエッチングされる開口領域４１２を示している。
【００４９】
図５Ａ〜５Ｄは、本開示の例示的なシリコン製ＤＲＧの実施形態のベース層５００を形成するための例示的なプロセスを示している。図５Ａは、シリコンウェハが、位置合わせマーク４０２を有するＤＲＧのベース層５００になるように形成される様子を示しており、これらの位置合わせマーク４０２は周縁部にエッチングされる。図５Ｂは、大きい約５μｍの凹部５０４を層５００にエッチングした後のベース層５００を示している。図５Ｃは、約１μｍの厚さの熱酸化層５０６を層５００に形成する様子を示している。最後に、図５Ｄは、凹部５０４内に形成される約１μｍの高さの衝撃緩和部を示している。衝撃緩和バンプ材料は、処理温度に基づいて選択される。理想的には、衝撃緩和バンプ材料は、金のような軟質材料とすることができる。しかしながら、次の接着温度が高い場合、窒化シリコンのような高温材料を用いることができる。
【００５０】
図６Ａ〜６Ｆは、本開示の例示的なシリコン製ＤＲＧの実施形態のベース層及び絶縁ウェハ層を接着し、更に処理するための例示的なプロセスを示している。図６Ａは、絶縁層４００をベース層５００に、これらの層の位置合わせマークを使用して溶融接着する様子を示している。図６Ｂは、下層ワイヤトレース６００が、絶縁層４００の上面に、約０．７μｍ厚さのＴｉ／Ａｕ／Ｔｉリフトオフプロセスで形成される様子を示している。図６Ｃは、絶縁層４００の開口ビア４０８に反応性イオンエッチング（ＲＩＥ）を施した状態の約１．０μｍのＰＥＣＶＤ酸化膜６０２を示している。図６Ｄは、Ａｕ／Ｃｒ金属リフトオフプロセスを用い、貫通孔酸化膜をＲＩＥ除去し、Ａｕ／Ｃｒ電気コンタクト６０６を堆積形成することにより形成される０．５μｍの上層金属トレース６０４を示している。図６Ｅは、絶縁層４００の絶縁梁６０８が、パターニング及び貫通エッチングを施すことにより形成される様子を示している。図６Ｆは、ベース層５００の上の垂直貫通接続部６１０が、パターニング及び貫通エッチングを施すことにより形成される様子を示している。
【００５１】
図７Ａ〜７Ｃは、本開示の例示的なシリコン製ＤＲＧの実施形態の共振器層７００を形成するための例示的なプロセスを示している。図７Ａは、シリコンウェハが、位置合わせマーク７０２が周縁部にエッチングされ、かつ約０．５μｍ厚さのＡｕ／Ｃｒ接着金属トレース７０４がリフトオフを用いて形成される構成の共振器層７００になるように形成される様子を示しており、これらの金属トレース７０４は、リフトオフにより選択的に底面にパターニング形成されて、共振器の静電電極位置及び中央接着部の両方に一致している。図７Ｂは、共振器層７００を絶縁層４００の中央領域に、金−錫共晶接着により接着する様子を示している。図７Ｃは、共振器層７００に、パターニング及びＤＲＩＥ貫通エッチングを施すことにより、共振器７０６及び静電電極７０８を形成する様子を示している。
【００５２】
図８Ａ〜８Ｄは、本開示の例示的なシリコン製ＤＲＧの実施形態のキャップ層８００を形成するための例示的なプロセスを示している。図８Ａは、位置合わせマーク８０２が周縁部にエッチングされた状態のパイレックスウェハを示している。図８Ｂは、１０５μｍ深さの凹部８０４がキャップ層８００にエッチングされた状態のキャップ層８００を示している。図８Ｃは、更に別の複数凹部を深い凹部８０４にエッチングして、衝撃緩和部８０８の柱状突起部８０６を形成する様子を示している。図８Ｄは、これらの柱状突起部８０６の周りのこれらの凹部に接着した薄膜ゲッター材料８１０を示している。
【００５３】
図９Ａ〜９Ｂは、本開示の例示的なシリコン製ＤＲＧの実施形態のキャップ層８００を接着し、シリコン製ＤＲＧを仕上げるための例示的なプロセスを示している。図９Ａは、キャップ層８００を絶縁層７００の周辺部の所定の位置に、陽極接着を使用して接着する（位置合わせマーク７０２を使用して）様子を示している。キャップ層８００は、金属をコーティングして透過を抑制することができる外面を有することができる。図９Ｂは、フリップチップ金バンプ９００（Ａｕ／Ｃｒ  ＢＧＡ）をベース層５００の底部に接着した状態のＤＲＧを示している。シリコン製ＤＲＧは、この時点で、回路基板にＢＧＡを使用して接続される状態になっている。
【００５４】
構造の別の実施形態では、ＥＲＤＲＧは石英により形成される。幾何学形状及び構造は、上に詳述したシリコン製ＤＲＧ構造の幾何学形状及び構造に極めて類似するが、製造プロセスは異ならせることができる。更に、垂直電気貫通接続部の構造は異なる。例えば、ベース層の貫通接続部を、絶縁方形シリコンポストによって設けるという必要はなくなる。その代わりに、これらの貫通接続部は、貫通エッチング孔に金属を充填することにより形成することができる。更に、絶縁層から延びる電気ビア接続部を、ワイヤトレースを、傾斜壁を有する貫通孔を通って下方に延在させることにより設けるという必要はなくなる。その代わりに、電気接続部は、貫通孔に金属を充填することにより設けることができる。本開示の石英製ＤＲＧの実施形態の異なる層に対応する重要な形成工程及びプロセスフローの概要を以下に図１０Ａ〜１３Ｅに示す。
【００５５】
図１０Ａ〜１０Ｆは、本開示の例示的な石英製ＤＲＧの実施形態の共振器ウェハ層を形成するための例示的なプロセスを示している。図１０Ａは、１２５μｍ厚さの石英ウェハを示しており、この石英ウェハを使用して、１０μｍ厚さの犠牲シリコン堆積層１０００が接着した状態の共振器をハンドリングする。図１０Ｂは、石英内のエッチング開孔１００２を示しており、この場合、シリコン層１０００は研磨されている。図１０Ｃは、１２５μｍ厚さの別の石英ウェハを示しており、この石英ウェハをシリコン層１０００に接着するとＤＲＧの共振器層１００６になる。図１０Ｄは共振器層１００６を示しており、この共振器層１００６に、パターニング及び貫通エッチングを施すことにより、第１石英ウェハに一時的に取り付けられる共振器１００８及び容量電極１０１０を形成する。図１０Ｅは、共振器１００８及び容量電極１０１０の全体の上に堆積する導電薄膜１０１２を示している。当該導電膜は、金、白金、またはドープトポリシリコンとすることができる。当該導電膜１０１２を共振器１００８及び容量電極１０１０の側壁の上に形成して、これらの構成素子の間の容量結合をＤＲＧの動作中に可能にしている。図１０Ｆは、共振器１００８の中央ポストだけでなく、容量電極１０１０の各容量電極の両方に堆積する接着金属１０１４を示している。
【００５６】
図１１Ａ〜１１Ｄは、本開示の例示的な石英製ＤＲＧの実施形態の絶縁層１１００を形成し、共振器層１００４を接着するための例示的なプロセスを示している。図１１Ａは、１２５μｍ厚さの別の石英ウェハを示しており、この石英ウェハが絶縁層１１００になり、この絶縁層１１００は、金属が充填されたエッチング貫通孔を有し、この絶縁層１１００を平坦化して電気貫通接続部１１０２を形成する。図１１Ｂは、共振器層１００６に対応するエッチング接着パターン１１０４(容量電極１０１０だけでなく、中央共振器を支持するための高台部分を有する)を示している。共振器層１００６の容量電極１０１０に接続されることになるワイヤトレース１１０６は、絶縁層１１００の上にパターニング形成される。図１１Ｃは、複数の絶縁梁１１０８を示しており、これらの絶縁梁１１０８は、絶縁層１１００にパターニング及び貫通エッチングを施すことにより形成される。図１１Ｄは、共振器層１００４を示しており、この共振器層１００４をひっくり返して、絶縁層１１００に接着する。
【００５７】
図１２Ａ〜１２Ｆは、本開示の例示的な石英製ＤＲＧの実施形態のベース層１２００を形成し、絶縁層１１００を接着するための例示的なプロセスを示している。図１２Ａは、２５０μｍ厚さの石英ウェハを示しており、この石英ウェハは、５μｍの深さにエッチングされる凹部１２０２を有するベース層１２００になるように形成され、この凹部１２０２は、絶縁層１１００の中央領域の下に配置される。図１２Ｂは、電気貫通接続部１２０４のために複数孔をベース層１２００にエッチングする様子を示している。図１２Ｃは、複数の金衝撃緩和部１２０６を示しており、これらの衝撃緩和部１２０６は、ベース層１２００内の凹部１２０２の底部に形成される。図１２Ｄは、ベース層１２００を、絶縁層１１００及び共振器層１００６から成るアセンブリに、ガラスフリット接着剤で接着する様子を示している。図１２Ｅは、貫通接続部１２０４がベース層１２００を貫通して、金属で充填され、かつ平坦化された絶縁層１１００に達する様子を示している。図１２Ｆは、共振器層１００６の石英ハンドリングウェハがこの時点で、犠牲シリコン層１０００にＸｅＦ２エッチングを施すことにより取り外される様子を示している。この段階では、ＤＲＧを、プローブを高真空状態で使用して動作させて、質量を局所的に付加するか、または取り除いて、２つの共振モードを縮退させて動作させることにより共振器を個々に調整することができる。
【００５８】
図１３Ａ〜１３Ｅは、本開示の例示的な石英製ＤＲＧの実施形態のキャップ層１３００を形成するための例示的なプロセスを示している。図１３Ａは、３７０μｍ厚さの石英ウェハを示しており、この石英ウェハは、１３０μｍの深さにエッチングされる空洞凹部１３０２を有するキャップ層１３００になるように形成される。図１３Ｂは、凹部１３０２に更にエッチングを施して、衝撃緩和部及び薄膜ゲッター材料のための場所を形成する。図１３Ｃは、所定の場所に配置された複数の金衝撃緩和部１３０４、及び薄膜ゲッター材料１３０６を示している。図１３Ｄは、キャップ層１３００を、ガラスフリット接着剤を使用して、共振器層１００６、絶縁層１１００、及びベース層１２００から成るアセンブリに、ゲッター材料１３０６を活性化した状態で接着する様子を示している。図１３Ｅは、ベース層１２００の底部に接合されるフリップチップ金バンプ１３０８（すなわち、Ａｕ／Ｃｒ  ＢＧＡ）を示している。
【００５９】
４．ディスク状共振器ジャイロスコープを製造する方法
図１４は、本開示のＤＲＧの実施形態を製造する例示的な方法１４００のフローチャートである。方法１４００は、絶縁層をエッチングすることにより、各々の第１端部が絶縁層の中央領域に、第２端部が絶縁層の周辺部に、それぞれ接続される複数の絶縁梁を形成する操作１４０２を含む。操作１４０４では、絶縁層を選択的に接着して、共振器層及び静電電極を絶縁層の中央領域において支持する。絶縁層及び共振器層を接着した後、操作１４０６では、共振器を、電極側壁を持つ静電電極を有する共振器層からエッチングし、電極側壁が共振器の共振器側壁と相互作用することにより、共振器の振動モードを静電電極で励起し、検出して、共振器の運動を測定する。操作１４０８では、支持層を接着して、絶縁層の周辺部を支持する。更に、操作１４１０では、キャップを接着して共振器を封止することにより、共振器の周り、及び絶縁層の中央領域の周りに、キャップ層と支持層との間において、真空を形成する。方法１４００を、任意の操作を設定することにより更に向上させて、これまでの節において記載される装置実施形態を拡張することができる。
【００６０】
操作１４０２〜１４１０の順番は、この技術分野の当業者が理解するように、多くの異なる順番で実行してもよいことに注目することが重要である。しかしながら、操作１４０６は、共振器ウェハ層を支持構造に、静電電極及びディスク状共振器を互いから貫通エッチングプロセスにおいて分離する前に選択的に接着する必要があるので、操作１４０４の後に行なう必要がある。更に、図１４の概略方法１４００を詳細例に適用することにより、シリコン製ディスク状共振器ジャイロスコープチップまたは石英製ディスク状共振器ジャイロスコープチップを形成することができる。
【００６１】
熱的／機械的絶縁体を有するシリコン製ディスク状共振器ジャイロスコープチップを形成する例示的な方法は、以下の詳細工程において行なうことができる。シリコン絶縁層は、絶縁凹部をシリコン絶縁ウェハにエッチングし、ビアホールをシリコン絶縁ウェハに貫通エッチングを施して形成し、絶縁酸化層をシリコン絶縁ウェハの上に形成し、絶縁酸化層をエッチングして、絶縁梁の下の領域を開口することにより形成される。シリコンベース層は、ベース凹部をシリコンベースウェハにエッチングし、ベース酸化層をシリコンベースウェハに形成し、衝撃緩和ベースバンプをシリコンベースウェハに接着することにより形成される。次に、シリコン絶縁層をシリコンベース層に接着する。ワイヤトレースは、シリコン絶縁層の上に、静電電極の位置から絶縁層のビアホールまで延在するようにパターニング形成され、電気コンタクトは、これらのビアホールに堆積させて形成される。絶縁梁は、パターニング及び貫通エッチングを施すことにより、シリコン絶縁ウェハに形成される。垂直貫通接続部も、パターニング及び貫通エッチングを施すことにより、ベースウェハに形成される。
【００６２】
シリコン共振器層は、シリコン共振器層を絶縁層に接着し、パターニング及び貫通エッチングを施してシリコン共振器層のディスク状共振器及び静電電極を形成することにより形成される。（シリコン共振器層形成の詳細は、これまでに述べてきたように、全ての公知のシリコンディスク状共振器に関して説明した通りに用いることができる）。
【００６３】
キャップ層は、キャップ凹部をキャップウェハにエッチングし、キャップ衝撃緩和柱状突起部をキャップ凹部にエッチングし、衝撃緩和部を柱状突起部の上に接着し、薄膜ゲッターをキャップ凹部に接着することにより形成することができる。次に、キャップ層をシリコン絶縁層に接着して、シリコン製ディスク状共振器ジャイロスコープを完成する。
【００６４】
熱的／機械的絶縁体を有する石英製ディスク状共振器ジャイロスコープチップを形成する例示的な方法は、以下の詳細な工程において行なうことができる。石英共振器層は、まず、犠牲シリコン層を石英ハンドリングウェハの上に堆積し、１つ以上の開孔を石英ハンドリングウェハにエッチングし、犠牲シリコン層を研磨し、更に石英共振器ウェハを犠牲シリコン層に接着することにより形成することができる。次に、石英共振器ウェハにパターニング及び貫通エッチングを施して、ディスク状共振器及び静電電極を形成する。次に、非常に薄い導電材料膜を、ディスク状共振器及び静電電極の表面に堆積させる。最後に、接着材料をディスク状共振器の中央ポスト、及び静電電極に接着する。（石英共振器層を形成する詳細な工程は、これまでに述べてきたように、全ての公知の石英ディスク状共振器に関して説明した通りに用いることができる）。
【００６５】
次に、石英絶縁層は、まず、複数の貫通孔を石英絶縁ウェハにエッチングし、金属をこれらの貫通孔に充填し、石英絶縁ウェハを平坦化して、電気貫通接続部をこれらの貫通孔に形成することにより形成することができる。次に、共振器層に対応する接着パターンをエッチングし、ワイヤトレースを石英絶縁ウェハの上に、静電電極の位置から電気貫通接続部まで延在するように堆積形成する。次に、接着剤を石英絶縁ウェハの接着パターンの上に、共振器層の静電電極及びディスク状共振器に対応するように接着する。最後に、複数の絶縁梁を、パターニング及び貫通エッチングを施すことにより、石英絶縁ウェハに形成する。次に、石英絶縁層を石英共振器層に接着させることができる。
【００６６】
石英ベース層は、ベース凹部を石英ベースウェハにエッチングし、複数孔を、貫通エッチングを施して石英ベースウェハに形成することにより、絶縁層の電気貫通接続部に一致させ、複数の衝撃緩和部をベース凹部に接着することにより形成することができる。次に、石英ベース層を共振器層に接着する。この時点で、絶縁層の貫通孔に金属を充填して、絶縁層及びバベース層を貫通する貫通接続部を完成させることができる。次に、石英ハンドリングウェハを、犠牲シリコン層を溶解することにより取り外すことができる。
【００６７】
石英共振器ジャイロスコープのキャップ層は、キャップ凹部を石英キャップウェハにエッチングし、キャップ凹部をパターニングし、エッチングして、ゲッター材料及びキャップ衝撃緩和部に対応する場所を形成し、ゲッター材料及び衝撃緩和部を、キャップ凹部のこれらの場所に接着することにより形成することができる。次に、ゲッター材料を、キャップ層を絶縁層に接着する直前に活性化させる。
【００６８】
以上で、本発明の好適な実施形態を含む記述が完了する。本発明の好適な実施形態を含むこれまでの記述は、例示及び説明のために行なわれてきた。本記述は、全てを網羅するために、または本発明を、開示する厳密な形態に限定するために行なわれるのではない。多くの変更及び変形を、これまでの示唆の範囲で加えることができる。本発明の更に別の変形は、以下の請求項に示す本発明の概念から逸脱しない範囲で想到することができる。
【図１】
2015121551.tif 000003
【図２】
2015121551.tif 000004
【図３】
2015121551.tif 000005
【図４】
2015121551.tif 000006
【図５】
2015121551.tif 000007
【図６】
2015121551.tif 000008
【図７】
2015121551.tif 000009
【図８】
2015121551.tif 000010
【図９】
2015121551.tif 000011
【図１０】
2015121551.tif 000012
【図１１】
2015121551.tif 000013
【図１２】
2015121551.tif 000014
【図１３】
2015121551.tif 000015
【図１４】
2015121551.tif 000016
【手続補正書】
【提出日】平成27年2月10日(2015.2.10)
【手続補正１】
【補正対象書類名】特許請求の範囲
【補正対象項目名】全文
【補正方法】変更
【補正の内容】
【特許請求の範囲】
【請求項１】
振動モードを使用して運動を測定する共振器手段（２０２、７００、１００４、１００６）と、
前記共振器手段を中央領域（２０８）において支持する絶縁層手段（２０４、４００、７００、１１００）であって、各々の第１端部が絶縁層手段の前記中央領域に、第２端部が絶縁層手段の周辺部に、それぞれ接続される複数の絶縁梁（２１０、６０８、１１０８）を含む絶縁層手段（２０４、４００、７００、１１００）と、
前記絶縁層手段の前記周辺部を支持する支持層手段（１２２、２１４）と
を備え、
前記複数の絶縁梁が放射状対称部分円形梁を含む、
共振器ジャイロスコープ（２００）。
【外国語明細書】
2015121551000001.pdf
2015121551000002.pdf
2015121551000003.pdf
2015121551000004.pdf