(57)【特許請求の範囲】
【請求項１】
実質的に平坦なシリコンリング振動構造体と、振動構造体へ駆動運動を伝達し、振動構造体の動きを検出する容量性手段と、前記容量性手段を包囲するスクリーン層とを備えた振動構造ジャイロスコープの製造方法において、
板状ガラスあるいはシリコン基板の一面にフォトレジスト材料の第１層を析出させる工程と、
前記基板の選択された領域を露出するための前記フォトレジスト材料の第１層を硬化し、パターン形成しそして現像する工程と、
前記基板に開口部を形成するために前記基板の前記露出領域をエッチングする工程と、
開口部を設けた前記基板から残りの第１フォトレジスト材料層を剥離する工程と、
開口部を設けた前記基板の前記一面にシリコン層を付着させる工程と、
前記基板に付着されるその表面から最も離れたシリコン層の表面にアルミニウムの層を析出させる工程と、
前記シリコン層に対してアルミニウム層の最も外側の表面にフォトレジスト材料の第２層を析出させる工程と、
前記アルミニウム層の選択された領域を露出するために第２フォトレジスト層を硬化し、パターン形成しそして現像する工程と、
前記アルミニウム層の前記露出領域をエッチングして、スクリーン層に接地する結合パッドと、容量性駆動及び検出手段のための接続点を構成する結合パッドと、実質的に平坦なシリコンリング振動構造体を電気的に接続する結合パッドとを形成するアルミニウムの層領域を残す工程と、
アルミニウム層から残りの前記第２フォトレジスト層を剥がす工程と、
残りの析出されたアルミニウム層領域を越えてシリコン層にフォトレジスト材料の第３層を析出させる工程と、
前記シリコン層の露出選択領域に強度の反応性イオンエッチングを行って、前記シリコン層の選択された領域を露出させるための前記フォトレジスト材料の第３層を硬化し、パターン形成しそして現像する工程と、
前記シリコン層の露出選択領域に強度の反応性イオンエッチングを行って、シリコン層から前記リング構造体の振動を限定するものでなく、前記基板の開口部の上のハブによって搭載されたシリコン層、容量性駆動及び検出手段、包囲スクリーン層及び実質的に平坦なリング振動構造体を形成し、そして容量性駆動及び検出手段とスクリーン層及びリング振動構造体を互いに電気的に絶縁する工程と
を含むことを特徴とする振動構造ジャイロスコープの製造方法。
【請求項２】
前記フォトレジスト材料を紡糸式によって析出させ、焼成によって硬化させることを特徴とする請求項１に記載に振動構造ジャイロスコープの製造方法。
【請求項３】
第１フォトレジスト層を現像することによって露出された該基板の選択領域を等方性湿式エッチング方法によってエッチングすること特徴とする請求項１または２に記載の振動構造ジャイロスコープの製造方法。
【請求項４】
前記基板がガラスで作られ、該ガラス基板にシリコン層が陽極結合によって付着されることを特徴とする請求項１〜３のうち何れか１項に記載の振動構造ジャイロスコープの製造方法。
【請求項５】
前記基板が、表面酸化層を形成するように熱的に酸化されたシリコンで作られ、該シリコン基板の表面酸化層にシリコン層が融解結合によって付着されることを特徴とする請求項１〜３のうち何れか１項に記載の振動構造ジャイロスコープの製造方法。
【請求項６】
前記アルミニウム層はスパッタリングによってシリコン層に付着させることを特徴とする請求項１〜５のうち何れか１項に記載の振動構造ジャイロスコープの製造方法。
【請求項７】
前記アルミニウム層の前記露出領域がリン酸ベースの工程によってエッチングされることを特徴とする請求項１〜６のうち何れか１項に記載の振動構造ジャイロスコープの製造方法。
【発明の詳細な説明】
【０００１】
本発明は実質的に平坦であるシリコンリング振動構造体と、前記振動構造体に駆動振動を伝達し、振動を検出する容量性手段とを備えた振動構造を有するジャイロスコープの製造方法に関する。このような製造方法は、特に微細機械加工による振動構造ジャイロスコープを製造するのに適している。
微細機械加工で作られた振動構造ジャイロスコープは大量生産、低単位コストで製造することができる。このことは、自動車のシャーシ制御やナビゲーションシステムやカムコーダの安定化など、新しい多様な商業分野に利用されていた。
【０００２】
通常の振動構造ジャイロは様々な共振器構造を用いて構成される。これらは振動ビーム、チューニングフォーク、シリンダ、半球シェル及びリングを備えている。微細機械加工における固有の平面特性のため、これらの構造体全てが微細組立体に適しているわけではない。ウエハ処理技術は、ウエハの平面における高い寸法許容量と整合精度性とを有する。リング構造のすべてのおける共振運動はリングの平板面内にあり、これらの高い寸法許容量及び整合精度は装置の性能を存在する最も重要なものである。従って平坦なリング構造体は特にこれらの方法を用いて製造するのに適しており、そして種々の構造のものが知られている。これらは、欧州特許B第619471号、欧州特許A第859219号、欧州特許A第461761号及び米国特許A第5547093号に記載の誘導駆動及び検出装置、加えて、駆動及び検出の容量性を有する装置が記載してある。
【０００３】
前記した提案の誘導装置では、共振構造体は結晶性シリコンウエハからエッチングされる。しかし、これらは、トランスジューサ機能を提供するために磁場への適用を必要とする。このことは、永久磁石と成型された極片とを組み込んだ磁気回路を使用することにより助長される。それらは、通常の組立技術を用いて構成しなければならず、その後、組立体と共振構造体を正確に調整することが必要である。
【０００４】
また、欧州特許B第619471号に開示された装置も、結晶性シリコンウエハからエッチングされるが、ウエハ処理及び組立技術を使用して駆動及びピックオフトランスジューサが製造され、追加的な非微細機械加工した部材を操作する必要がなという利点がある。また、その設計及び組立方法は、誘導装置より著しく小さい装置に適合する。その設計は個々に処理かつ、正確に整合した重ねた３つの結合しウエハを使用する。トランスジューサの利得及び装置の性能は、ウエハ間に形成された開口部の深さによって異なる。一方微細組立方法は、ウエハの平板に正確な整合と許容値とを提供するが、この第３軸の寸法制御は、装置特性の必然的な変化が生じ、あまり正確ではない。さらにこの装置の欠点は、組立工程数が多く、両側面ウエハ処理を必要とする。従って、この設計は、磁気回路部材の組立体とその組み立て工程を省く電圧の小さい装置になり、さらに複雑な組み立ての場合は、高単位コストとなる。
【０００５】
また、米国特許第5547093号に開示の装置は、ウエハ処理技術を使用して製造される駆動及びピックオフトランスジューサ構造を備え、小型構造が可能となる。この設計のもう一つの利点は、必然的なトランスジューサの間隙がウエハの平板にあり、正確に制御ができることである。しかし、先の装置と異なりこの例の共振器は、電気的形成金属から構成される。結晶性シリコンからエッチングされる装置のために、材料の機械特性から共振器が形成され、組み立て工程による影響を受けない。振動構造ジャイロの性能は、必然的にその性質と、共振器の機械特性の安定性とに従う。結晶性シリコンは高温でも安定である高Ｑ共振を維持することが可能であり、従って理想的な共振材料である。電気鋳造された金属は、ほとんど完全な弾性作用と結晶性シリコンの均一性とを調和させることはできない。析出処理の均一を最適化するために、一定の特性の大きさを維持することが必要である。これは、振動構造のリングと支持脚との幅を一致させることが必要であり、共振器の大きさ設計の柔軟性を非常に制限する。完成した構造のモード(modal)作用は、感度の問題がある電圧を与え、モードバランス処理を悪化させる共振器支持脚によって制御される。この構造の組み立ては、両方の装置ウエハの収率と組み立てコストは反対に影響し、多数の処理工程を有する複雑な処理である。
【０００６】
英国特許出願第9817347.9号には、大量の結晶性シリコンから構成され容量性駆動・検出のリング振動構造または共振器が開示されている。この構造は第１図の平面図で示されている。
精度を向上させ、完成した振動構造体のシリコン機械特性の保持が確実となるジャイロスコープを製造する方法が必要である。
【０００７】
本発明の一つの特徴によれば、  実質的に平坦なシリコンリング振動構造体と、振動構造体へ駆動運動を伝達し、振動構造体の動きを検出する容量性手段と、前記容量性手段を包囲するスクリーン層とを備えた振動構造ジャイロスコープの製造方法において、
板状ガラスあるいはシリコン基板の一面にフォトレジスト材料の第１層を析出させる工程と、
前記基板の選択された領域を露出するための前記フォトレジスト材料の第１層を硬化し、パターン形成しそして現像する工程と、
前記基板に開口部を形成するために前記基板の前記露出領域をエッチングする工程と、
開口部を設けた前記基板から残りの第１フォトレジスト材料層を剥離する工程と、
開口部を設けた前記基板の前記一面にシリコン層を付着させる工程と、
前記基板に付着されるその表面から最も離れたシリコン層の表面にアルミニウムの層を析出させる工程と、
前記シリコン層に対してアルミニウム層の最も外側の表面にフォトレジスト材料の第２層を析出させる工程と、
前記アルミニウム層の選択された領域を露出するために第２フォトレジスト層を硬化し、パターン形成しそして現像する工程と、
前記アルミニウム層の前記露出領域をエッチングして、スクリーン層に接地する結合パッドと、容量性駆動及び検出手段のための接続点を構成する結合パッドと、実質的に平坦なシリコンリング振動構造体を電気的に接続する結合パッドとを形成するアルミニウムの層領域を残す工程と、
アルミニウム層から残りの前記第２フォトレジスト層を剥がす工程と、
残りの析出されたアルミニウム層領域を越えてシリコン層にフォトレジスト材料の第３層を析出させる工程と、
前記シリコン層の露出選択領域に強度の反応性イオンエッチングを行って、前記シリコン層の選択された領域を露出させるための前記フォトレジスト材料の第３層を硬化し、パターン形成しそして現像する工程と、
前記シリコン層の露出選択領域に強度の反応性イオンエッチングを行って、シリコン層から前記リング構造体の振動を限定するものでなく、前記基板の開口部の上のハブによって搭載されたシリコン層、容量性駆動及び検出手段、包囲スクリーン層及び実質的に平坦なリング振動構造体を形成し、そして容量性駆動及び検出手段とスクリーン層及びリング振動構造体を互いに電気的に絶縁する工程と
を含むことを特徴としている。
【０００８】
フォトレジスト材料は、紡糸式(spining)よって析出させ、焼成によって硬化される。
簡便には、基板の選択領域は第１フォトレジスト層を現像することによって露出され、等方性ウエットエッチング方法によってエッチングされる。
有利には、前記基板はシリコン層が陽極結合によって析着されるガラスで作られる。
代替的には、前記基板が、シリコン層が融解結合いよって析着する表面酸化層を製造するシリコン熱酸化で作られる。
簡便には、前記アルミニウム層はスパッタリングによってシリコン層に付着される。
有利には、前記アルミニウム層の前記露出領域がリン酸ベースの工程によってエッチングされる。
【０００９】
本発明をより理解するため、また同様なものをどのように実施するかを示すために、実施例として示す添付図面を参照して説明する。
第１図は、英国特許出願第9817347.9号に開示され特許請求された発明に係らない容量性駆動、検出リング振動構造体または共振ジャイロスコープの概略図である。
第２図は、第１図の線A-Aに係る横断面図であり、第１図に係るジャイロスコープを製造する本発明に係る方法における第１段階を示す。
第３図は、第２図の横断面図に類似の図であり、本発明に係る方法の他の段階を示す。
第４図は、第２及び３図の横断面図に類似の図であり、本発明に係る方法のさらに他の段階を示す。
第５図は、第１図の線A-Aの断面図であり、本発明に係る方法の他の段階を示す。
【００１０】
振動構造ジャイロスコープを製造する本発明に係る方法はジャイロスコープ製造に適しており、第１図は、リング共振器２から中央シリコンハブ４へ内側に延びるシリコン支持脚３で支持されるシリコン製でほぼ平板状のリング共振器２によって構成されるシリコン製でほぼ平板状の振動リング構造体１を示している。第１図のそのジャイロスコープはリング共振器２に駆動振動を伝達する容量性駆動手段５と、リング共振器２の振動を検出しピックオフするための容量性検出手段６とを備える。前記ジャイロスコープ装置は、第２〜５図に示す如く、熱的誘導応力を最小とするために基板７は、シリコン層８と熱膨張係数が一致するガラス製である。別法として基板７が、熱膨張係数がシリコン層８と正確に一致するようにシリコンでつくってもよい。
【００１１】
第１図に示されるような振動構造ジャイロスコープを製造するための本発明の方法は、フォトレジスト材料の第１層９をガラスあるいはシリコンの基板７の平板のような片面に析出させる段階を有する。使用されるフォトレジスト材料は、好ましくは、Shipley S1818SP16のような規格の"ポジティブフォトレジスト"である。また、好ましくはフォトレジスト第１層９は、ついで紡糸方式によって基板７に析出される。さらに、フォトレジスト第１層９は、後のエッチングのために、基板７の選択領域を露出させる目的で、例えば焼成、露出マスクの使用のパターン形成及び現像によって硬化される。更に、基板７の露出される領域は、第１図で示すように基板７に開口部１０を形成するために、例えば等方性ウエットエッチング方法を使用してエッチングされる。開口部１０は、連続的に構成されるジャイロスコープの一部の支持脚３とリング共振器２の非制限な振動をもたらすために形成される。代表的には、深さ20-30μmの開口部が使用され、図示はしていないが、開口部１０の次のマスク水準の調節を正確に行うために、アライメントキーもまた基板７にエッチングされる。ついで残っている第１層９は開口部の開いた基板７から剥離される。
【００１２】
基板７がガラスから成る場合には、シリコンデバイス層８は、基板７の開口部を設けた表面に陽極的接合により取り付けられる。この状態は第３図に示される。層８は接合より先に所望の厚さまで薄くするかあるいは接合の後薄くし得る。この陽極的接合方法は、基板７及び層８を密接に接触させて配置し、４００℃近くに加熱し、ガラス基板７とシリコンデバイス層８との間に約１０００ボルト近い電圧を印加することで実施される。
【００１３】
代わりに、基板７がシリコンから成る場合には、シリコン基板７はほぼ１μmの表面酸化層を形成するように熱的に酸化され、次に層８の酸化した表面が、シリコン基板７の開口部表面に融解結合される。この方法では、層８と基板７との表面は密着され、ほぼ６００℃に加熱される。また、この方法では、層８及び基板７との表面が非常に平坦であり、表面に汚染がないことが必要である。
【００１４】
金属被膜化及びエッチング工程は、これらの工程において、開口部１０を正確に整合するためにマスクを設けることが必要である。ガラス基板７を使用する場合、アライメントキーが接合シリコン層と基板との組合せの下側を通して視認しうる。金属被膜とエッチングマスクは、両側整合器を使ってこれらキーを正確に整合される。シリコン基板７を使う場合は、整合面に形態の特徴が見えることがない。この場合、基板７の底面にアライメントキーを設ける必要がある。これは、両側整合器を使用して開口部を有する表面キーに整合されるキー群に付加マスク水準を使用する必要がある。
基板７上のアライメントキーが層８を通して露出される場合、両側整合器の使用を避けることができる。アライメントキー位置の周辺領域をエッチングするためにシリコン層８を必要とする。また、付加エッチマスクは、等方性ドライエッチング工程を使用してシリコンを簡便に取り除くことが必要である。アライメントキーが、基板ウエハ(例えば4mm×4mmの孔)の整合を正確に整合しなくても十分に露出することを確実にするため、その露出領域は充分に大きくするべきである。整合された基板表面にアライメントキーが露出されると、片方のアライメントキーが次のマスク水準のために使用しうる。
【００１５】
本発明における方法の次の工程は、基板７に析出された表面から最も離れたシリコン層８の表面上に、アルミニウムの層(図示せず)を析出させることである。アルミニウムはスパッタリングによって析出させることが好ましい。次にフォトレジスト材料の第２層は、好ましくは紡糸方式によってシリコン層８に対して、アルミニウム層の選択領域を露出するため、アルミニウム層の最も外側に析出されるのが好ましく、焼成、パターン形成及び現像によって硬化される。ついで、ボンドパッドを提供するアルミニウムをシリコン層８の領域に残すために、添付図面の第４図に示されるように、このアルミニウム層の露出領域は好ましくはリン酸ベース方法を用いてエッチングすることが好ましい。
この方法において、ボンドパッド１１はスクリーン層を付加的ボンドパッド１２及ぶ１３を備えた接地電位に接触させるために、配置される。追加ボンドパッド１２及ぶ１３はその駆動部分及びピックオフ(検出)部分各々を外部回路構成要素(図示せず)に接続するためのものである。付加的ボンドパッド１４はリング共振器２の電気的接続を提供する。
【００１６】
次に、残りの第２フォトレジスト層は、ボンドパッド１１、１２、１３及び１４がアルミニウム層から剥離される。第３フォトレジスタ材料層は、好ましくは析出したアルミニウムボンドパッド１１、１２、１３及び１４上でシリコン層８の露出表面を紡糸することによって、析出される。さらに第３フォトレジスト層は、好ましくはシリコン層８の選択領域を露出させるために焼成、パターン形成及び現像することによって硬化させる。エッチングマスクは、第３フォトレジスタ材料が露出・現像される前に、基板７上の開口部整合キーに整合される。強度の反応性イオンエッチングは、実質的に平坦であるリング振動構造体をシリコン層８から形成するために、シリコン層８の露出選択領域上で行われる。その振動構造体とはすなわち、添付図面第１〜５図に示される基板開口部１０の上のハブ４に搭載された支持脚３及びリング共振器２、共振器２の周りの容量性駆動及び検出手段５、６及びスクリーン層１５、及び検出手段５、６を備えるものである。絶縁基板７の表面上にその振動構造体を搭載し、独立した構造要素は互いに電気的に絶縁している。エッチングは強度の反応性イオンエッチング(商標名DRIE)方法を用いて実行し、この方法はほとんど垂直な側面壁を備えたシリコンにおいて縦横比40:1までの深く狭い溝１４を作ることができる。このエッチング工程はフッ素ベースのプラズマによってシリコンの自発性化学的エッチングの分離からなりこの特徴の側壁の皮膜保護はフッ素重合体皮膜保護段階によってエッチングされる。コンピュータ制御下の工程を代替的に行うことによって、垂直壁特徴は、シリコンにおいて高速及び高品質でシリコンを製造することができる。
【００１７】
シリコンのエッチング速度はガラスより高いものであり、従って、ガラス基板７はエッチングが停止したようになる。これは、基板７に整合された駆動パッド１２及びピックオフ１３をシリコン層８を介した状態で周辺スクリーン層１５から電気的に離される。次に残った第３層フォトレジスタ材料はアルミニウム層から剥離される。
操作中、ジャイロスコープ動作は、共振周波数で容量性駆動位置５に印加された振動電圧によって励起され、制御される。合成リング動作は、ピックオフのキャパシタギャップを横断する電流を介して検出される。ピックオフに容量的に整合した駆動信号がスプリアス信号を発生させると、ジャイロ誤動作が起きる。この整合はスクリーン層１５によって最小化され、層１５は、リング共振器２に面する以外の層８の平面の全てのサイド上の各容量を取り囲む。スクリーン層１３は上部表面のワイヤパッド１１を介して接地電位に外側で接続する。
【００１８】
基板７がシリコンの場合、付加的容量性整合経路が層８の材料の測定可能な伝導性のために備えられる。駆動信号は基板７に整合し、基板７は層８と７との間の薄い(1μm)酸化層によって駆動キャパシタの底部表面から離れただけである。このことは、ピックオフキャパシタ位置に戻る。この整合機構は基板７に電気的に接続することによって排除できる。組立体２が金属容器に取り付けられると、その取り付けは、基板の底面を前記金属容器の表面に、例えば導体エポキシ樹脂を使用して、直接接合させることによって簡便に達成される。次に、この容器は外部回路を介して接地に接続される。これが簡単ではないとき、ワイヤ整合による上部表面の接続が、この方法の改善を進めることができる。これは、エッチングマスクの変形によって達成される基板７のコーナーおけるスクリーン層１５のエッチングを行う追加アクセス孔を必要とする。これらの孔の底の露出酸化物は酸化物の選択ドライエッチング方法によって取り除かれるので、伝導基板表面を露出する。基板７の電気的接続を助長するために、付加的な金属被覆方法の工程が必要とされる。アルミニウムのような金属は、このとき単純なシャドウマスク技術を使って孔の表面に析出される。接地接続は金属被覆孔表面とスクリーン層ボンドパッド１１との間のワイヤ整合によって作られる。
【００１９】
複数のジャイロスコープ装置は、単一のガラスあるいはシリコン基板に作られ、ダイス加工よって処理した後分割される。代表的には、溝は基板７にのこぎり歯状の切り込みが入れられ、その深さは、個々のデバイスを分離するためにそののこぎり歯状線に沿って次々と裂いていくことが十分可能な深さである。これは、簡便には、層８と基板７とを整合した後、行われる。狭い溝１４にエッチングを施す前にのこぎり歯形成工程が行われている際、切りくずが現れるという利点がある。この溝構成工程は切りくずを発生させず、従って溝１４が障害となる危険性が減り、故にリング共振器２の自由振動を防ぐ。
【００２０】
本発明の製造方法が、シリコン層８の機械特性を保護する構造となっている。共振器及びデバイスの臨界寸法許容量とピックオフトランスジューサギャップ１４が層８の平面に全て画定される。これら構造体は、標準マスキングと強度の反応性イオンエッチング技術を使用して、高精密度に製造し得る。これらが技術は十分、小さいジャイロスコープ装置の製造に適応し、かつ大きな変形を行うことの必要がなく、寸法の広い範囲の装置の組立にも適応し得る。この方法は単純な片側工程のために、高収率、低コストの制作ルートが得られる最小工程段階数を付加的に提供する。
【図面の簡単な説明】
【図１】  第１図は英国特許出願第9817347.9号に開示され特許請求された発明に係らない容量性駆動、検出リング振動構造体または共振ジャイロスコープの概略図である。
【図２】  第２図は、第１図の線A-Aに係る横断面図であり、第１図に係るジャイロスコープを製造する本発明に係る方法において第１段階を示す。
【図３】  第３図は、第２図の横断面図の類似の図であり、本発明に係る方法の他の段階を示す。
【図４】  第４図は、第２及び３図の横断面図の類似の図であり、本発明に係る方法のさらに他の段階を示す。
【図５】  第５図は、第１図の線A-Aの断面図であり、発明に係る方法の他の段階を示す。
【図１】
0005049427.tif 000002
【図２】
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【図３】
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【図４】
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【図５】
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