(57)【要約】【課題】微小電子機械システムにおける位置合わせ不良誤差を低減する。【解決手段】方法は、直交するように向けられた１対の加速度計１２０−１、１２０−２および直交するように向けられた１対のジャイロスコープ１２５−１、１２０−２の一方または両方を備える、少なくとも１対の慣性センサ１２０−１，２、１２５−１，２を有する第１のシリコンウェハセグメント１１０を製作するステップと、加速度計１２０−３およびジャイロスコープ１２５−３の一方または両方を備える、少なくとも１つの慣性センサ１２０−３、１２５−３を有する第２のシリコンウェハセグメント１１５を製作するステップと、少なくとも１対の慣性センサおよび前記少なくとも１つの慣性センサが互いに直交して向けられるように、第１のシリコンウェハセグメントと第２のシリコンウェハセグメントを組み合わせるステップと、第２のシリコンウェハセグメントに第１のシリコンウェハセグメントを接着するステップと、を含む。【選択図】図１Ａ
2007121304.tif 000002
【特許請求の範囲】
【請求項１】
直交するように向けられた１対の加速度計（１２０−１、１２０−２）および直交するように向けられた１対のジャイロスコープ（１２５−１、１２０−２）の一方または両方を備える、少なくとも１対の慣性センサ（１２０−１，２、１２５−１，２）を有する第１のシリコンウェハセグメント（１１０）を製作するステップと、
加速度計（１２０−３）およびジャイロスコープ（１２５−３）の一方または両方を備える、少なくとも１つの慣性センサ（１２０−３、１２５−３）を有する第２のシリコンウェハセグメント（１１５）を製作するステップと、
前記少なくとも１対の慣性センサ（１２０−１、１２０−２、１２５−１、１２０−２）および前記少なくとも１つの慣性センサ（１２０−３、１２５−３）が互いに直交して向けられるように、前記第１のシリコンウェハセグメント（１１０）と前記第２のシリコンウェハセグメント（１１５）を組み合わせるステップと、
前記第２のシリコンウェハセグメント（１１５）に前記第１のシリコンウェハセグメント（１１０）を接着するステップと、
を含む、６自由度の慣性センサを製造する方法。
【請求項２】
前記第１のシリコンウェハセグメント（１１０）と前記第２のシリコンウェハセグメント（１１５）を組み合わせるステップは、
前記第２のシリコンウェハセグメント（１１５）内のマウントトレンチ（１１６）に前記第１のシリコンウェハセグメント（１１０）を挿入するステップと、
前記第１のシリコンウェハセグメント（１１０）内のマウントトレンチ（１１６）に前記第２のシリコンウェハセグメント（１１５）を挿入するステップのいずれか一方をさらに含む、請求項１に記載の方法。
【請求項３】
前記第２のシリコンウェハセグメント（１１５）に前記第１のシリコンウェハセグメント（１１０）を接着するステップは、シリコン融解接着するステップをさらに含む、請求項１に記載の方法。
【請求項４】
前記第１のシリコンウェハセグメント（１１０）を製作するステップは、
複数の直交する加速度計の対（２１５−１、２１５−２）および複数の直交するジャイロスコープの対（２２０−１、２２０−２）の一方または両方を有する第１のシリコンウェハ（２１０）を製作するステップと、
前記第１のシリコンウェハ（２１０）に複数の接触ブリッジ（２４０）を与えるステップと、
前記第１のシリコンウェハ（２１０）内に１つまたは複数のマウントトレンチ（１１６、２５０）をエッチングするステップと、
前記第１のシリコンウェハ（２１０）を前記接触ブリッジ（２４０）と平行な１つまたは複数の断面（２６０）に切断するステップと、
前記１つまたは複数の断面（２６０）を、１つまたは複数のウェハセグメント（２７０）に分離するステップとを含む、請求項１に記載の方法。
【請求項５】
前記第１のシリコンウェハ（２１０）に複数の接触ブリッジ（２４０）を与えるステップは、
前記第１のシリコンウェハ（２１０）に複数の金電気めっきの接触ブリッジ（２４０）を与えるステップを含む請求項４に記載の方法。
【請求項６】
前記第１のシリコンウェハ（２１０）に複数の金電気めっきの接触ブリッジ（２４０）を与えるステップは、
ＣＶＤで付着されたＰＳＧフォトレジストを与えるステップと、
リソグラフィエッチングおよびスパッタ付着でマスキングするステップと、
ＨＦエッチングでＰＳＧフォトレジストを除去するステップと、
前記第１のシリコンウェハ（２１０）を消イオン水に浸漬するステップとをさらに含む、請求項５に記載の方法。
【請求項７】
１つまたは複数のマウントトレンチ（１１６、２５０）をエッチングするステップは、
リソグラフィおよび深い反応性イオンエッチングでマスキングするステップを含む、請求項４に記載の方法。
【請求項８】
前記第２のシリコンウェハセグメント（１１５）を製作するステップは、
複数の加速度計（４１５−１）および複数のジャイロスコープ（４２０）の一方または両方を有する第２のシリコンウェハ（４１０）を製作するステップと、
前記第２のシリコンウェハ（４１０）に複数の接触ブリッジ（４４０）を与えるステップと、
前記第２のシリコンウェハ（４１０）を前記接触ブリッジ（４４０）と平行な１つまたは複数の断面（４６０）に切断するステップと、
前記１つまたは複数の断面（４６０）を、１つまたは複数のウェハセグメント（４７０）に分離するステップとを含む、請求項１に記載の方法。
【請求項９】
前記第２のシリコンウェハ（４１０）に複数の接触ブリッジ（４４０）を与えるステップは、
前記第２のシリコンウェハ（４１０）に複数の金電気めっきの接触ブリッジ（４４０）を与えるステップを含む、請求項８に記載の方法。
【請求項１０】
前記第２のシリコンウェハ（４１０）に複数の金電気めっきの接触ブリッジ（４４０）を与えるステップは、
ＣＶＤで付着されたＰＳＧフォトレジストを与えるステップと、
リソグラフィエッチングおよびスパッタ付着でマスキングするステップと、
ＨＦエッチングでＰＳＧフォトレジストを除去するステップと、
前記シリコンウェハを消イオン水に浸漬するステップとをさらに含む、請求項９に記載の方法。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
【背景技術】
【０００２】
微小電子機械システム（ＭＥＭＳ）の製造は日々改良されており、多くの単軸センサを創出している。最適の３軸設計が６自由度（６−ＤＯＦ）測定を効率よく実現することができず、現在、多軸センサの製造は２軸に限られている。６−ＤＯＦ性能を提供する慣性測定ユニット（ＩＭＵ）が利用可能であるが、これは、３軸３組に組み立てられた複数の個別センサから構成される。本質的に、この組立てプロセス中の小さな狂いさえ位置合わせ不良誤差をもたらす。そのうえ、最近のＩＭＵは、複数の個別の加速度計およびジャイロから構築されるので、その実装方法は、より高くつき誤差が発生しやすい。
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【０００３】
上記理由および本明細書を読み理解することで当業者に明らかになるであろう下記の他の理由により、当技術分野では、微小電子機械システムにおける位置合わせ不良誤差を低減する技術が必要である。
【０００４】
本発明の実施形態は、３軸ＭＥＭＳセンサシステムおよび方法に、方法およびシステムを提供するが、以下の明細書を読み熟慮することにより理解されるであろう。
【課題を解決するための手段】
【０００５】
一実施形態では、６自由度の慣性センサが提供される。このセンサは、少なくとも１対の慣性センサを有する第１のシリコンウェハセグメントと、少なくとも１つの慣性センサを有する第２のシリコンウェハセグメントとを備え、少なくとも１対の慣性センサは、１対の加速度計および１対のジャイロスコープの一方または両方を備え、少なくとも１つの慣性センサは、加速度計およびジャイロスコープの一方または両方を備え、少なくとも１対の慣性センサと少なくとも１つの慣性センサが互いに直交して向けられるように、第１のシリコンウェハセグメントおよび第２のシリコンウェハセグメントが互いに接着される。
【０００６】
別の実施形態では、６自由度の慣性センサを製造する方法が提供される。この方法は、少なくとも１対の慣性センサを有する第１のシリコンウェハセグメントを製作するステップであって、少なくとも１対の慣性センサが、直交するように向けられた１対の加速度計および直交するように向けられた１対のジャイロスコープの一方または両方を備えるステップと、少なくとも１つの慣性センサを有する第２のシリコンウェハセグメントを製作するステップであって、少なくとも１つの慣性センサが、加速度計およびジャイロスコープの一方または両方を備えるステップと、少なくとも１対の慣性センサおよび少なくとも１つの慣性センサが互いに直交して向けられるように、第１のシリコンウェハセグメントと第２のシリコンウェハセグメントが組み合わされるステップと、第２のシリコンウェハセグメントに第１のシリコンウェハセグメントを接着するステップとを含む。
【０００７】
別の実施形態では、６自由度の慣性センサが提供される。このセンサは、第１の軸方向の加速度および運動の一方または両方を検出する手段と、第１の軸に直交する第２のアクセス方向の加速度および運動の一方または両方を検出する手段と、第１の軸および第２の軸と直交する第３の軸方向の加速度および運動の一方または両方を検出する手段とを備え、第１の軸方向の加速度および運動の一方または両方を検出する手段ならびに第２アクセス方向の加速度および運動の一方または両方を検出する手段は、第１のシリコンウェハ手段上に配置され、第３の軸方向の加速度および運動の一方または両方を検出する手段は、第２のシリコンウェハ手段上に配置され、さらに第２のシリコンウェハ手段に第１のシリコンウェハ手段を接合する手段とを備える。
【発明を実施するための最良の形態】
【０００８】
好ましい実施形態の記述および以下の図に照らして考慮すれば、本発明の実施形態は、より容易に理解され、さらなる利点およびその利用が、より容易に明白になり得る。
【０００９】
慣行に従って、描写された様々な特徴は、原寸に比例して描かれているわけではなく、本発明に関連した特徴を強調するように描かれている。参照文字は、図および文を通して同様の要素を示す。
【００１０】
以下の詳細な説明では、その一部を形成し、かつ本発明が実施され得る具体的な例示的実施形態として示される添付図面を参照する。これらの実施形態は、当業者が本発明を実施することができるように十分詳細に説明されており、また、他の実施形態が利用され得ること、ならびに本発明の範囲から逸脱することなく論理的、機械的および電気的な変更が可能であることを理解されたい。したがって、以下の詳細な説明は、限定的な意味に解釈されるべきではない。
【００１１】
本発明の実施形態は、民生、軍事および宇宙用などの用途（これらの用途に限られないが）で使用されるＭＥＭＳ慣性センサの、製造コストばかりでなく位置合わせ不良誤差をも低減するシステムおよび方法を提供する。本発明の実施形態は、非常に正確で現在利用可能な集積回路およびＭＥＭＳの製作方法を使用してシリコンウェハ上に複数のセンサを製造する利点を活かす。１つのチップ上に複数のセンサを製造することによって、開発コストが大いに低減され、広範な市場でこの技術の利用が可能になる。本発明の実施形態によって示された製作方法が非常に正確であるため、交差結合および位置合わせ不良のセンサ誤差の低減が実現される。その結果得られるＩＭＵセンサの総合性能の改善が、より廉価でより正確な６−ＤＯＦセンサをもたらす。
【００１２】
本発明の実施形態は、均質微細加工プロセスにおける現行の加速度計およびジャイロスコープの設計を利用して、同一のシリコンウェハ上に加速度計およびジャイロスコープの両方を製作する。２つの単一ウェハ上に加速度計およびジャイロスコープの両方を製作した後に、本発明の実施形態は、２つのウェハを切断し接合して全姿勢慣性航法のソリューションのための第３のセンサ軸を生成する方法を提供する。その結果、現況技術で得られる６−ＤＯＦセンサより廉価でより正確な単一の６−ＤＯＦ  ＭＥＭＳセンサがもたらされる。
【００１３】
図１Ａおよび１Ｂは、本発明の一実施形態の６−ＤＯＦ  ＭＥＭＳセンサ１００を示す。センサ１００は、互いに垂直な軸上の加速度を測定するように向けられた２つの加速度計１２０−１および１２０−２、ならびに互いに垂直な軸上の運動を測定するように向けられた２つのジャイロスコープ１２５−１および１２５−２を有する第１のウェハセグメント１１０を備える。センサ１００は、第１のウェハセグメント１１０に垂直方向に組み付けられた第２のウェハセグメント１１５をさらに備える。一実施形態では、図１Ｂに示されるように、第１のウェハセグメント１１０は、第２のウェハセグメント１１５が垂直に差し込まれるマウントトレンチ１１６を含む。一実施形態では、第１のウェハセグメント１１０および第２のウェハセグメント１１５は、シリコン融解ボンディングまたは類似のプロセスを使用して互いに接合される。第２のウェハセグメント１１５は、加速度計１２０−１および１２０−２に対して垂直な軸上の加速度を測定するように向けられた加速度計１２０−３、ならびにジャイロスコープ１２５−１および１２５−２に対して直交する軸上の運動を測定するように向けられたジャイロスコープ１２５−３を含む。一実施形態では、第１および第２のウェハセグメント１１０および１１５は、それぞれ接触ブリッジ１２７−１および１２７−２を介して互いに電気的に結合される。その結果得られる６−ＤＯＦ  ＭＥＭＳセンサ１００は、互いに直交する加速度計１２０−１、１２０−２、１２０−３ならびに互いに直交するジャイロスコープ１２５−１、１２５−２および１２５−３からなる１組の慣性センサである。したがって、６−ＤＯＦ  ＭＥＭＳセンサ１００は、個々にパッケージされて取り付けられた１軸センサの３つ組ではなく、単一のセンサデバイスのパッケージとして実装可能である。センサ１００の利点の１つは、加速度計１２０−１から１２０−３およびジャイロスコープ１２５−１から１２５−３の軸が、集積回路の製造プロセスによってもたらされた高い精度で、元来互いに位置合わせされていることである。対照的に、単軸センサの３つ組は、一般に個別のブラケットまたはハウジング上で機械的に直交して取り付けられた単軸センサを備えており、そのような機械的取付けには本来位置合わせ精度の制限がある。さらに、センサ１００は、機械的に取り付けられた単軸センサの３つ組と異なり、熱の影響や経年変化による内部的な位置合わせの変化を実質上免れる。
【００１４】
当業者なら、ウェハセグメント１１０および１１５などのウェハセグメントが、一般により大きなシリコンウェハから大量に製造されることを理解するであろう。図２および３は、そのようなより大きなシリコンウェハ２１０から、本発明の一実施形態のウェハセグメント１１０を製造する一方法を示す。一実施形態では、図２の２０５で全体が示されるシリコンウェハ２１０は、図１のウェハセグメント１１０に関して説明されたように向けられる複数の加速度計の対２１５−１および２１５−２ならびにジャイロスコープの対２２０−１および２２０−２を備える。当業者ならこの明細書を読めば理解されるように、シリコンウェハ２１０を製作する方法は、以下でより詳細に論じられるように、いくらでもある。図３は、シリコンウェハ２１０から本発明の一実施形態の第１のシリコンウェハセグメント１１０を製作する方法を示す流れ図である。この方法は３１０で始まり、１つまたは複数の接触ブリッジ２４０（図２の２０６で全体が示される）を与える。一実施形態では、接触ブリッジ２４０は、金（Ａｕ）電気めっきまたは他の類似の電気的導電材を含む。一実施形態では、加速度計の対２１５およびジャイロスコープの対２２０の各々に、１つまたは複数の接触ブリッジ２４０が与えられる。一実施形態では、接触ブリッジ２４０の付与は、リンでドープされた二酸化けい素（ＰＳＧ）フォトレジスト材料の化学気相成長（ＣＶＤ）付着による付与、ならびにリソグラフィエッチングおよびスパッタ付着を用いたマスキングを含む。一実施形態では、この方法は、３２０で１つまたは複数のマウントトレンチ２５０（図２の２０６で全体が示される）をエッチングして進行する。一実施形態では、１つまたは複数のマウントトレンチ２５０のエッチングは、リソグラフィを用いたマスキングおよび深い反応性イオンエッチング（ＤＲＩＥ）を含む。一実施形態では、フッ化水素酸（ＨＦ）エッチングとそれに続く１回または複数回の消イオン水への浸漬を使用してフォトレジストが除去される。一実施形態では、この方法は、３３０で、ウェハ２１０を接触ブリッジ２４０と平行な断面２６０（図２の２０７および２０８で全体が示される）に切断し分離して継続する。一実施形態では、この方法は３４０に進み、断面２６０を個別のウェハセグメント２７０（図２の２０９で全体が示される）に切断し分離する。
【００１５】
図４および５は、より大きなシリコンウェハ４１０から本発明の一実施形態の第２のウェハセグメント１１５を製造する一方法を示す。図４の４０５で全体が示されるが、一実施形態ではシリコンウェハ４１０は、図１のウェハセグメント１１５について説明されたように、複数の１軸加速度計４１５およびジャイロスコープ４２０を備える。図５は、シリコンウェハ４１０から本発明の一実施形態の第２のシリコンウェハセグメント１１５を製作する方法を示す流れ図である。この方法は５１０で始まり、１つまたは複数の接触ブリッジ４４０（図４の４０６で全体が示される）を与える。一実施形態では、接触ブリッジ４４０は、Ａｕ電気めっきまたは他の類似の電気的導電材を含む。一実施形態では、１つまたは複数のＡｕ電気めっき接触ブリッジ２４０が、加速度計４１５およびジャイロスコープ４２０の各々に与えられる。一実施形態では、接触ブリッジ４４０の付与は、ＣＶＤを用いたＰＳＧフォトレジストの付与ならびにリソグラフィエッチングおよびスパッタ付着を用いたマスキングからなる。一実施形態では、ＨＦエッチングとそれに続く１回または複数回の消イオン水への浸漬を使用してフォトレジストが除去される。一実施形態では、この方法は、５２０で、ウェハ４１０を接触ブリッジ４４０と平行な断面４６０（図４の４０７および４０８で全体が示される）に切断し分離して継続する。一実施形態では、この方法は５３０に進み、断面４６０を個別のウェハセグメント４７０（図４の４０９で全体が示される）に切断し分離する。
【００１６】
センサ１００などの完全な６−ＤＯＦ  ＭＥＭＳセンサは、図６に示される方法によって例示されるように、ウェハセグメント２７０および４７０から製造される。一実施形態では、この方法は６１０で始まり、図１Ｂで描写されるように、ウェハセグメント４７０およびウェハセグメント２７０を単一のセンサへと組み立てる。一実施形態では、ウェハセグメントの組立ては、接触ブリッジ２４０が接触ブリッジ４４０に接触し、かつ加速度計の対２１５およびジャイロスコープの対２２０が、それぞれ加速度計４１５およびジャイロスコープ４２０と軸において直交するように、ウェハセグメント２７０のマウントトレンチ２５０にウェハセグメント４７０を垂直に挿入することからなる。この方法は、次いで６２０に進み、ウェハセグメント４７０にウェハセグメント２７０を接合する。一実施形態では、ウェハセグメント２７０およびウェハセグメント４７０は、シリコン融解ボンディング（これには限定されないが）などのプロセスを使用して互いに接合される。
【００１７】
本明細書は、一方のウェハセグメント上に２つの加速度計および２つのジャイロスコープを有し、他方のウェハセグメント上に１つの加速度計および１つのジャイロスコープを有する６−ＤＯＦ  ＭＥＭＳセンサの例示的説明を提供するが、本発明の実施形態はそのようには限定されない。それと反対に、本発明の実施形態は、６−ＤＯＦ  ＭＥＭＳセンサが直交するように配向された少なくとも３つのセンサを備える限り、任意の数の慣性センサを備えるウェハセグメントを含む。例えば、代替実施形態では、少なくとも加速度計の３つまたは少なくともジャイロスコープの３つが直交するように配向される限り、第１のウェハセグメントが４つのジャイロスコープおよび２つの加速度計を備え、第２のウェハセグメントが２つのジャイロスコープおよび４つの加速度計を備える。
【００１８】
当業者ならこの明細書を読めば理解されるように、図１Ａのウェハセグメント１１０および１１５中の加速度計１２０−１から１２０−３およびジャイロスコープ１２５−１から１２５−３などの慣性センサの製作に利用可能ないくつかの技法が存在する。例えば、一実施形態では、加速度計１２０−１から１２０−３は、ハネウェル社の容量性振子式加速度計の設計およびＨＩＭＥＭＳプロセスを使用して、ウェハセグメント１１０および１１５中に製作される。別の例として、一実施形態では、ジャイロスコープ１２５−１から１２５−３は、モーガンリサーチ社が、米国陸軍航空隊およびミサイル司令部、ならびにイージステクノロジー・グループと共同で設計した振動性レートジャイロスコープを使用して、ウェハセグメント１１０および１１５上に製作される。当業者がこの明細書を読めば理解されるように、これらの加速度計およびジャイロスコープを同じシリコンウェハ上に製作するために、これらが同じプロセスで製造され得るように、これらの設計には互いに互換性がある。
【００１９】
本明細書に具体的な実施形態が示され説明されてきたが、同じ目的を実現するように意図されたどんな取り合わせも、示された具体的実施形態に置換され得ることが、当業者なら理解されるであろう。本出願は、本発明のいかなる改良または変更も包含するように意図される。したがって、本発明が特許請求の範囲およびそれらの等価物によってのみ限定されることが明白に意図される。
【図面の簡単な説明】
【００２０】
【図１Ａ】慣性センサの一実施形態の図である。
【図１Ｂ】慣性センサの一実施形態の図である。
【図２】第１のシリコンウェハセグメントの製造の一実施形態の図である。
【図３】第１のシリコンウェハセグメントを製造する方法の一実施形態の流れ図である。
【図４】本発明の一実施形態の第２のシリコンウェハセグメントの製造の一実施形態の図である。
【図５】第２のシリコンウェハセグメントを製造する方法の一実施形態の流れ図である。
【図６】第１のシリコンウェハセグメントおよび第２のシリコンウェハセグメントから６自由度の慣性センサを製造する方法の一実施形態の流れ図である。
【図１Ａ】
2007121304.tif 000003
【図１Ｂ】
2007121304.tif 000004
【図２】
2007121304.tif 000005
【図３】
2007121304.tif 000006
【図４】
2007121304.tif 000007
【図５】
2007121304.tif 000008
【図６】
2007121304.tif 000009
【外国語明細書】
2007121304000001.pdf