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Die
Erfindung bezieht sich auf ein Verfahren zur Herstellung eines Vibrationsstrukturkreisels,
der eine aus Silizium bestehende im Wesentlichen ebene Ringvibrationsstruktur
und kapazitive Mittel aufweist, um der Vibrationsstruktur eine Antriebsbewegung und
eine Abtastbewegung aufzuprägen.
Ein derartiges Herstellungsverfahren ist insbesondere geeignet zur
Herstellung eines Vibrationsstrukturkreisels durch Mikro-Materialbearbeitung.
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Durch
Mikro-Materialbearbeitung hergestellte Vibrationsstrukturkreisel
können
in hohen Stückzahlen
kostengünstig
hergestellt werden. Dies hat eine Vielzahl neuer kommerzieller Anwendungsbereiche
eröffnet,
beispielsweise bei der Kontrolle von Automobilchassis und bei Navigationssystemen
und der Stabilisierung von Camcordern.
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Herkömmliche
Vibrationsstrukturkreisel können
unter Benutzung verschiedener Resonatorausbildungen konstruiert
werden. Diese umfassen Vibrationsstrahlen, Abstimmgabeln, Zylinder,
halbkugelförmige
Schalen und Ringe. Infolge der planaren Eigennatur der Mikro-Materialbearbeitungsverfahren sind
nicht all diese Strukturen zur Mikro-Materialbearbeitung geeignet.
Die Wafer-Bearbeitungstechniken liefern
enge Dimensionstoleranzen und Ausrichtgenauigkeiten in der Ebene
des Wafers. Bei Ringstrukturen liegt die gesamte Resonanzbewegung
in der Ebene des Ringes, und es sind daher diese Dimensionen, die
am kritischsten für
den Betrieb dieser Vorrichtungen sind. Ebene Ringstrukturen sind
daher besonders geeignet zur Herstellung unter Benutzung dieser
Verfahren, und es ist eine Anzahl von Konstruktionen bekannt. Diese
umfassen induktiv angetriebene und abgetastete Einrichtungen, wie sie
z. B. in der EP-B-0619471, EP-A-0859219 beschrieben sind. Die EP-A-0461761
und die US-A-5547093
beschreiben außerdem
Vorrichtungen, die kapazitiv angetrieben und abgetastet werden.
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Bei
den früher
vorgeschlagenen induktiven Einrichtungen wurden die Resonatorstrukturen
aus kristallinen Siliziumwafern geätzt. Sie erfordern jedoch die
Anwendung eines Magnetfeldes, um die Wandlerfunktionen durchführen zu
können.
Dies wird durch Benutzung eines Magnetkreises bewirkt, in dem ein
Permanentmagnet und geformte Polstücke angeordnet sind. Dies muss
unter Benutzung herkömmlicher
Fabrikationstechniken konstruiert werden und erfordert einen nachträglichen
Zusammenbau und eine genaue Ausrichtung auf die Resonatorstruktur.
Dies begrenzt das Ausmaß der
möglichen Miniaturisierung,
und dies trägt
beträchtlich
zu den Kosten der Einheit bei.
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Die
in der EP-B-0619471 beschriebene Einrichtung wird ebenfalls aus
einem kristallinen Siliziumwafer geätzt, hat jedoch den Vorteil,
dass die Antriebs- und Abtastwandler-Strukturen unter Benutzung
von Wafer-Bearbeitungs- und Herstellungstechniken verarbeitet werden
und keine zusätzlichen nicht
durch Mikro-Materialbearbeitung
hergestellte Komponenten benötigen,
um arbeitsfähig
zu sein. Das Konstruktions- und Fabrikationsverfahren ist demgemäß kompatibel
mit einer Vorrichtung, deren Größe beträchtlich
kleiner ist als bei den induktiven Vorrichtungen. Die Konstruktion
benutzt einen Stapel von drei miteinander verbundenen Wafern, die
individuell bearbeitet und genau ausgerichtet werden müssen. Die
Wandlerverstärkungen
und demgemäß der Betrieb
der Vorrichtung hängt
von der Tiefe des Hohlraumes ab, der zwischen den Wafern gebildet
wird. Die Mikro-Materialbearbeitungsverfahren bewirken eine genaue
Ausrichtung und genaue Toleranzen in der Ebene des Wafers, jedoch
ist die Kontrolle der Abmessungen in dieser dritten Achse weniger
genau, was zu einer unvermeidbaren Variation in der Charakteristik
der Vorrichtungen führt.
Ein weiterer Nachteil dieser Vorrichtung ist die große Zahl
von Fabrikationsschritten und die Forderung nach einer doppelseitigen
Waferverarbeitung. Deshalb führen die
komplexen Fabrikationsschritte zu hohen Kosten der Einheit, obgleich
diese Konstruktion zu einer günstig
kleinen Vorrichtung führt,
bei der Magnetkreiskomponenten nicht getrennt hergestellt und zusammengebaut
werden müssen.
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Die
in der
US 5547093 beschriebene
Vorrichtung besitzt ebenfalls Antriebs- und Abtastwandler-Strukturen,
die unter Benutzung von Wafer-Bearbeitungstechniken hergestellt
sind und dadurch in kleinen Abmessungen produziert werden können. Diese
Konstruktion hat den zusätzlichen
Vorteil, dass die kritischen Wandlerspalte in der Ebene des Wafers liegen
und demgemäß genau
kontrolliert werden können.
Jedoch ist in diesem Fall im Unterschied zu den vorher genannten
Vorrichtungen der Resonator aus elektro-geformtem Metall hergestellt.
Bei den Vorrichtungen, die aus kristallinem Silizium geätzt sind,
werden die mechanischen Eigenschaften des Materials, aus dem der
Resonator hergestellt wird, nicht durch den Fabrikationsvorgang
beeinträchtigt. Die
Arbeitsweise eines jeden Vibrationsstrukturkreisels ist in kritischer
Weise abhängig
von der Natur und Stabilität
der mechanischen Eigenschaften des Resonators. Kristallines Silizium
ist in der Lage, dauerhaft Schwingungen hoher Güte Q standzuhalten, und zwar
mit Resonanzcharakteristiken, die über der Temperatur stabil sind,
so dass sie ein ideales Resonatormaterial bilden. Durch Elektroformung
verarbeitete Metalle sind nicht in der Lage, sich an das nahezu
perfekte elastische Verhalten und die Gleichförmigkeit des kristallinen Siliziums
anzupassen. Um den Ablagerungsprozess gleichförmig zu optimieren, ist es
notwendig, eine konstante Merkmalsgröße aufrecht zu erhalten. Dies
erfordert, dass die Ringbreite und die Tragarmbreite der Vibrationsstruktur
identisch sind, und dies beschränkt
die dimensionale Konstruktionsflexibilität für den Resonator. Das modale
Verhalten der sich ergebenden Struktur wird durch die Resonatorträgerarme
dominiert, was zu potentiellen Lagerempfindlichkeitsproblemen führt und
die Modenausgleichsprozeduren kompliziert. Eine Fabrikation einer
solchen Struktur ist ein komplexes Verfahren, welches eine große Zahl
von Herstellungsschritten erfordert, die in ungünstiger Weise sowohl die Waferausbeute
beeinträchtigen
als auch die Fabrikationskosten erhöhen.
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Die
GB-Patentanmeldung Nr. 9817347.9 beschreibt eine kapazitiv angetriebene
und abgetastete Ringvibrationsstruktur oder einen Resonator, der
aus massivem kristallinem Silizium hergestellt werden kann. Eine
solche Struktur ist im Grundriss in 1 dargestellt.
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Es
besteht ein Bedarf nach einem Verfahren zur Herstellung eines derartigen
Kreisels mit einer verbesserten Genauigkeit, wobei gewährleistet
wird, dass die sich ergebende Vibrationsstruktur die mechanischen
Eigenschaften des Siliziums beibehält.
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Gemäß einem
Aspekt der vorliegenden Erfindung betrifft diese ein Verfahren zur
Herstellung eines Vibrationsstrukturkreisels, der eine aus Silizium bestehende
im Wesentlichen ebene Ringvibrationsstruktur und kapazitive Mittel
aufweist, um der Vibrationsstruktur eine Antriebsbewegung und eine
Abtastbewegung aufzuprägen,
wobei eine Abschirmschicht die kapazitiven Mittel umgibt und wobei
das Verfahren die folgenden Schritte umfasst: es wird eine erste
Schicht aus einem Fotolackmaterial auf einer Oberfläche eines
plattenartigen Glases oder eines Siliziumsubstrats aufgebracht;
es wird die erste Fotolackschicht gehärtet, bemustert und entwickelt, um
gewählte
Bereiche des Substrats freizulegen; es werden die freigelegten Bereiche
des Substrats geätzt,
um darin Hohlräume
zu erzeugen; es wird der Rest der ersten Schicht aus Fotolackmaterial
von dem mit Hohlräumen
versehenen Substrat abgezogen; es wird eine Siliziumschicht auf
die mit Hohlräumen
versehene eine Oberfläche
des Substrats aufgebracht; es wird eine Schicht aus Aluminium auf
der Oberfläche
der Siliziumschicht aufgebracht, die am weitesten entfernt ist von
der Oberfläche,
die auf dem Substrat angebracht ist; es wird eine zweite Schicht aus
Fotolackmaterial auf der äußersten
Oberfläche der
Aluminiumschicht in Bezug auf die Siliziumschicht aufgebracht; es
wird die zweite Fotolackschicht gehärtet, bemustert und entwickelt,
um gewählte
Bereiche der Aluminiumschicht freizulegen; es werden die freigelegten
Bereiche der Aluminiumschicht geätzt,
um auf der Siliziumschicht Bereiche von Aluminium zu belassen, wodurch
gebildet werden: Verbundkissen zur Erdung der Schirmschicht, Verbundkissen,
die Verbindungspunkte für
die kapazitiven Antriebs- und Abtastmittel bilden und Verbundkissen
zur elektrischen Verbindung mit der aus Silizium bestehenden im
Wesentlichen ebenen Ringvibrationsstruktur, wobei das Verfahren
weiter die folgenden Schritte umfasst: Abstreifen der verbleibenden
zweiten Fotolackschicht von der Aluminiumschicht; Ablagerung einer
dritten Schicht eines Fotolackmaterials auf der Siliziumschicht über den
restlichen abgelagerten Aluminiumlagenbereichen; eine Härtung, Musterung
und Entwicklung der dritten Schicht aus Fotolackmaterial, um gewählte Bereiche der
Siliziumschicht freizulegen; tiefes, reaktives Ionenätzen der
freigelegten gewählten
Bereiche der Siliziumschicht, um aus der Siliziumschicht die kapazitiven
Antriebs- und Abtastmittel, die Umgebungsschicht und die im Wesentlichen
ebene Ringvibrationsstruktur zu erzeugen, die über eine Nabe auf den Substrathohlräumen montiert
wird und eine unbehinderte Schwingung der Ringstruktur ermöglicht,
und es werden elektrisch die kapazitiven Antriebs- und Abtastmittel,
die Schirmschicht und die Ringvibrationsstruktur voneinander isoliert.
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Vorzugsweise
wird das Fotolackmaterial durch schnelles Drehen abgelagert und
durch Einbrennen gehärtet.
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Zweckmäßigerweise
werden gewählte
Bereiche des Substrats, die durch Entwicklung der ersten Fotolackschicht
freigelegt wurden, durch einen isotropen Feuchtätzvorgang geätzt.
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Vorzugsweise
besteht das Substrat aus Glas, auf dem eine Siliziumschicht durch
anodische Verbindung aufgebracht ist.
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Stattdessen
kann das Substrat aus Silizium bestehen, das thermisch oxidiert
ist, um eine Oberflächenoxidschicht
zu bilden, auf der die Siliziumschicht durch Fusionsverbindung festgelegt
wird.
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Zweckmäßigerweise
wird die Aluminiumschicht auf der Siliziumschicht durch Sputtern
aufgebracht.
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Vorzugsweise
werden die freigelegten Bereiche der Aluminiumschicht durch ein
auf Phosphorsäure
basierendes Verfahren geätzt.
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Zum
besseren Verständnis
der Erfindung und um Einzelheiten der Erfindung zu zeigen, wird
im Folgenden auf die beiliegenden Zeichnung Bezug genommen. In der
Zeichnung zeigen:
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1 ist eine schematische
Ansicht einer kapazitiv angetriebenen und abgetasteten Vibrationsstruktur
oder eines Resonatorkreisels, die nicht gemäß der Erfindung ausgebildet
und in der GB-Patentanmeldung 9817347.9 beansprucht sind;
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2 ist eine Schnittansicht,
geschnitten nach der Linie A-A gemäß 1, welche einen ersten Schritt in dem
erfindungsgemäßen Verfahren
zur Herstellung eines Kreisels gemäß 1 zeigt;
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3 ist eine der 2 entsprechende Schnittansicht
mit einem weiteren Schritt bei dem erfindungsgemäßen Verfahren;
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4 ist eine den 2 und 3 entsprechende Schnittansicht, welche
einen weiteren Schritt des erfindungsgemäßen Verfahrens erkennen lässt; und
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5 ist eine Schnittansicht,
geschnitten nach der Linie A-A gemäß 1, wobei ein weiterer Schritt des erfindungsgemäßen Verfahrens
gezeigt ist.
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Das
erfindungsgemäße Verfahren
zur Herstellung eines Vibrationsstrukturkreisels ist geeignet zur
Herstellung eines Kreisels, wie dieser in 1 dargestellt ist und der eine aus Silizium
bestehende im Wesentlichen planare Ringvibrationsstruktur 1 aufweist,
die aus einem aus Silizium bestehenden im Wesentlichen ebenen Ringresonator 2 hergestellt
ist, der über
Siliziumträgerarme 3 abgestützt ist,
die sich vom Ringresonator 2 nach einer zentralen Siliziumnabe 4 nach
innen erstrecken. Der Kreisel gemäß 1 besitzt kapazitive Antriebsmittel 5,
um auf den Ringresonator 2 eine Antriebsbewegung aufzuprägen und
kapazitive Abtastmittel 6, um die Bewegung des Ringresonators 2 festzustellen
und abzunehmen. Der Kreisel weist ein Substrat 7 aus Glas
auf, dessen thermischer Ausdehnungskoeffizient jenem der Siliziumschicht 8 angepasst
ist (vergleiche 2 bis 5), um thermisch induzierte
Beanspruchungen zu minimieren. Stattdessen kann das Substrat 7 aus
Silizium bestehen, so dass der thermische Ausdehnungskoeffizient
präzise
jenem der Siliziumschicht 8 angepasst ist.
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Das
erfindungsgemäße Verfahren
zur Herstellung eines Vibrationsstrukturkreisels der Bauart gemäß 1 umfasst die folgenden
Schritte: es wird zunächst
eine erste Schicht 9 aus einem Fotolackmaterial auf einer
Oberfläche
des plattenartigen Glassubstrats oder Siliziumsubstrats 7 aufgebracht,
wie dies aus 2 der beiliegenden
Zeichnung ersichtlich ist. Das benutzte Fotolackmaterial ist vorzugsweise
ein industriell standardisiertes „positives Fotolackmaterial", beispielsweise
Shipley S181SP16. Vorzugsweise wird die erste Fotolackschicht 9 auf dem
Substrat 7 durch Rotation aufgebracht. Die erste Fotolackschicht 9 wird
dann beispielsweise durch Einbrennen gehärtet und es wird ein Muster
unter Benutzung einer Maske erzeugt und entwickelt, um gewählte Bereiche
des Substrats 7 für
die nachfolgende Ätzung
freizulegen. Die freigelegten Bereiche des Substrats 7 werden
dann, z. B. unter Benutzung eines isotropen Feuchtätzvorganges
geätzt,
um Hohlräume 10 im
Substrat 7 zu bilden, wie dies in 2 dargestellt ist. Die Hohlräume 10 sind
so gestaltet, dass die Trägerarme 3 und
die Ringresonatorabschnitte 2 des nachher geformten Kreisels
frei schwingen können.
Eine Hohlraumtiefe von 20 bis 30 μm
wird im typischen Fall benutzt und nicht dargestellte Schlüssel können auch
im Substrat 7 geätzt werden,
um eine genaue Ausrichtung der folgenden Maskenpegel an die Hohlräume 10 zu
ermöglichen. Die
verbleibende erste Schicht 9 wird dann von dem mit Hohlräumen versehenen
Substrat 7 abgezogen.
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Wenn
das Substrat 7 aus Glas hergestellt ist, dann wird eine
Siliziumwaferschicht 8 darauf durch anodische Verbindung
auf der mit Hohlräumen
versehenen Oberfläche
des Substrats 7 aufgebracht. Dies ist in 3 dargestellt. Die Schicht 8 kann
vor der Verbindung auf die gewünschte
Dicke verringert werden, oder sie kann auch nach der Verbindung
auf die gewünschte
Dicke gebracht werden. Das anodische Verbindungsverfahren besteht
darin, Substrat 7 und Schicht 8 in innige Berührung miteinander
zu bringen und diese auf etwa 400°C
zu erwärmen
und dabei ein Potential von etwa 1000 Volt zwischen dem Glassubstrat 7 und
der Siliziumschicht 8 anzulegen.
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Wenn
stattdessen das Substrat 7 aus Silizium besteht, wird dieses
thermisch oxidiert, um eine etwa 1 μm dicke Oberflächenschicht
zu erzeugen, und die oxidierte Oberfläche der Schicht 8 wird
dann durch Fusion mit der mit Hohlräumen versehenen Oberfläche des
Siliziumsubstrats 7 verbunden. Dieser Verfahrensschritt
besteht darin, die Oberflächen der
Schicht 8 und des Substrats 7 in innige Berührung zu
bringen und diese auf etwa 600°C
aufzuheizen. Dieses Verfahren setzt voraus, dass die Oberflächen der
Schicht 8 und des Substrats 7 extrem flach und
frei von Oberflächenverunreinigungen
sind.
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Der
Metallisierungsschritt und der Ätzschritt erfordern,
dass die Maskierungen für
diese Schritte genau auf die Hohlräume 10 ausgerichtet
sind. Bei Benutzung eines Glassubstrats 7 sind die Ausrichtschlüssel durch
die Unterseite der Verbundsiliziumschicht und das Substratpaar sichtbar.
Die Metallisierung und die Ätzmarkierungen
können
genau auf diese Schlüssel
unter Benutzung eines doppelseitigen Ausrichtgerätes ausgerichtet werden. Bei
Benutzung eines Siliziumsubstrats 7 ist es nicht möglich, Merkmale
auf der Verbundoberfläche
zu erkennen. In diesem Fall ist es notwendig, Ausrichtschlüssel auf
der unteren Oberfläche
des Substrats 7 anzubringen. Dies erfordert die Benutzung
eines zusätzlichen Maskenpegels
mit diesen ausgerichteten Schlüsseln unter
Benutzung einer doppelseitigen Ausrichteinrichtung an den Schlüsseln der
mit Hohlräumen
versehenen Oberfläche.
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Es
ist möglich,
die Benutzung einer doppelseitigen Ausrichteinrichtung zu vermeiden,
wenn die Ausrichtschlüssel
auf dem Substrat 7 durch die Schicht 8 freigelegt
werden. Dies erfordert eine Ätzung
der Siliziumschicht 8 im Bereich um die Ausrichtschlüsselstellungen.
Eine zusätzliche Ätzmaske ist
erforderlich, wobei das Silizium in zweckmäßiger Weise unter Benutzung
eines isotropen Trockenätzverfahrens
entfernt wird. Der freigelegte Bereich sollte genügend groß sein,
um zu gewährleisten,
dass die Ausrichtschlüssel
vollständig
freiliegen, ohne dass es notwendig wäre, eine genaue Ausrichtung auf
den Substratwafer vorzunehmen (z. B. 4 mm × 4 mm-Loch). Wenn die Ausrichtschlüssel auf
der Verbundsubstratoberfläche
freigelegt sind, kann eine Einseitenausrichtung für folgende
Maskierungspegel benutzt werden.
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Der
nächste
Schritt bei dem erfindungsgemäßen Verfahren
besteht darin, eine nicht dargestellte Aluminiumschicht auf der
Oberfläche
der Siliziumschicht 8, entfernt von deren Oberfläche, auf
dem Substrat 7 anzuordnen. Vorzugsweise wird das Aluminium
durch Sputtern abgelagert. Eine zweite nicht dargestellte Fotolackschicht
wird dann auf der äußersten
Oberfläche
der Aluminiumschicht gegenüber der
Siliziumschicht 8 vorzugsweise durch Rotation aufgebracht,
durch Einbrennen gehärtet,
bemustert und entwickelt, um gewählte
Bereiche der Aluminiumschicht freizulegen. Die freigelegten Bereiche
der Aluminiumschicht werden dann vorzugsweise unter Benutzung eines
auf Phosphorsäure
basierenden Verfahrens geätzt,
um auf der Siliziumschicht 8 Bereiche von Aluminium-Verbundkissen
zu belassen, wie dies in 4 der
beiliegenden Zeichnung dargestellt ist.
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Auf
diese Weise ist ein Verbundkissen 11 vorgesehen, um eine
Schirmschicht auf Erdpotential zu verbinden, wobei zusätzliche
Verbundkissen 12, 13 eine Verbindung von Antriebs-
und Abtaststellen für
die äußere Schaltung
(nicht dargestellt) bilden. Ein weiteres Verbundkissen 14 ist
zur elektrischen Verbindung mit dem Ringresonator 2 vorgesehen.
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Dann
wird die verbleibende zweite Fotolackschicht von der Aluminiumschicht,
d. h. von den Verbundkissen 11, 1, 13 und 14 abgezogen,
und es wird eine dritte Schicht aus Fotolackmaterial vorzugsweise
durch Rotation auf der freiliegenden Oberfläche der Siliziumschicht 8 über den
abgelagerten Aluminium-Verbundkissen 11, 12, 13 und 14 aufgebracht. Die
dritte Schicht aus Fotolackmaterial wird dann vorzugsweise durch
Einbrennen ausgehärtet,
bemustert und entwickelt, um gewählte
Bereiche der Siliziumschicht 8 freizulegen. Dann wird eine Ätzmaske
auf die Hohlraumausrichtschlüssel
auf dem Substrat 7 aufgelegt, bevor die dritte Schicht
aus Fotolackmaterial freigelegt und entwickelt wird. Ein wird ein
tiefes, reaktives Ionenätzverfahren
auf den freigelegten gewählten
Bereichen der Siliziumschicht 8 vorgenommen, um daraus
die im Wesentlichen ebene Ringvibrationsstruktur zu erzeugen, nämlich die
Trägerarme 3 und
den Ringresonator 2, die an der Nabe 4 über den
Hohlräumen 10 des
Substrates gelagert sind und die kapazitiven Antriebs- und Abtastmittel 5, 6 und eine
Abschirmschicht 15, die den Resonator 2 und die
Antriebs- und Abtastmittel 5, 6 umschließt, wie dies
aus den 1 und 5 der beiliegenden Zeichnung
ersichtlich ist. Indem diese Strukturen auf der Oberfläche des
Isoliersubstrats 7 angeordnet werden, ergibt sich eine
elektrische Isolation der einzelnen Strukturen gegeneinander. Das Ätzen wird
unter Benutzung eines tiefen, reaktiven Ionenätzverfahrens (DRIE-Verfahren)
durchgeführt,
das in der Lage ist, tiefe, schmale Rinnen 14 mit einem
Aspektverhältnis
bis zu 40 : 1 in dem Silizium mit nahezu vertikalen Seitenwänden zu
erzeugen. Dieses Ätzverfahren
benutzt die Trennung einer spontanen chemischen Ätzung von Silizium durch ein
auf Fluor basierendes Plasma, und die Passivierung der Seitenwand
des Musters wird durch einen Fluorpolymer-Passivierungsschritt geätzt. Durch Änderung
der Schritte unter Computersteuerung können Muster mit vertikalen
Wänden
in Silizium mit hoher Genauigkeit und Qualität hergestellt werden.
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Die Ätzrate für Silizium
ist beträchtlich
höher als
jene für
Glas, und demgemäß wirkt
das Glassubstrat 7 als Ätzanschlag.
Dadurch verbleiben die Antriebskissen 12 und die Abtastkissen 13 auf
dem Substrat 7 über
die Siliziumschicht 8 verbunden, und sie sind elektrisch
von der umgebenden Schirmschicht 15 isoliert. Das verbleibende
Material der dritten Fotolackschicht wird dann von der Aluminiumschicht
abgezogen.
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Im
Betrieb wird die Kreiselbewegung durch oszillierende Spannungen
erregt und gesteuert, die bei Resonanzfrequenz den kapazitiven Antriebsstellen 5 zugeführt werden.
Die resultierende Ringbewegung wird über den Stromfluss über den
Spalten des Abtastkondensators abgenommen. Betriebsfehler des Kreisels
treten auf, wenn die Antriebssignale kapazitiv mit den Abtastsignalen
gekoppelt werden, wodurch fehlerhafte Signale entstehen. Diese Kopplung kann
durch die Abschirmschicht 15 vermindert werden, die jeden
kapazitiven Sitz allseitig in der Ebene der Schicht 8 mit
Ausnahme jener Fläche
umschließt, die
auf den Ringresonator 2 weist. Die Abschirmschicht 15 ist
außen über das
Drahtverbindungskissen 11 auf der äußeren Oberfläche mit
Erde bzw. Masse verbunden.
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Wenn
das Substrat 7 Silizium ist, dann besteht eine zusätzliche
kapazitive Kopplungsverbindung infolge der endlichen Leitfähigkeit
des Materials der Schicht 8. Das Antriebssignal kann in
das Substrat 7 eingekoppelt werden, das nur von der Bodenfläche der
Antriebskondensatoren durch eine dünne (~1 μm) Oxidschicht zwischen den
Schichten 8 und 7 getrennt ist. Dies kann wiederum
eine Rückkopplung
in die Abtastkondensatorstellen ergeben. Dieser Kopplungsmechanismus
kann vermieden werden, indem das Substrat 7 elektrisch
mit Masse verbunden wird. Wenn der Aufbau 2 in einer Metallbüchse (nicht
dargestellt) montiert ist, dann kann dies zweckmäßigerweise erreicht werden,
indem direkt die Substratunterfläche
mit der Oberfläche
der Büchse
verbunden wird, indem beispielsweise ein leitfähiges Epoxydharz benutzt wird.
Die Büchse
kann dann über
einen äußeren Kreis
geerdet bzw. an Masse gelegt werden. Wenn dies nicht zweckmäßig ist,
kann eine Verbindung mit der oberen Oberfläche mittels einer Drahtverbindung
hergestellt werden, wobei das Verfahren etwas abgewandelt wird.
Dies erfordert zusätzliche Zugriffslöcher, die
in der Schirmschicht 15 an den Ecken des Substrats 7 eingeätzt werden
müssen, was
durch Modifikation der Ätzmaske
erreicht werden kann. Das freigelegte Oxid an der Unterseite dieser
Löcher
wird durch einen oxidselektiven Trockenätzvorgang entfernt, wodurch
die leitfähige
Substratoberfläche
freigelegt werden kann. Um eine elektrische Verbindung mit dem Substrat 7 herzustellen,
ist ein zusätzlicher
Metallisierungsprozessschritt erforderlich. Metall, beispielsweise
Aluminium, kann dann auf der Oberfläche der Löcher abgelagert werden, indem
eine einfache Schattenmaskentechnik benutzt wird. Die Masseverbindung
kann dann über eine
Drahtverbindung zwischen der metallisierten Lochoberfläche und
den Verbundkissen 11 der Abschirmschicht hergestellt werden.
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Auf
einem einzigen aus Glas oder Silizium bestehenden Substrat können mehrere
Kreiselanordnungen hergestellt werden, die dann voneinander durch
Zersägen
in Chips getrennt werden. Stattdessen können im Substrat 7 Rinnen
mit einer Tiefe angeordnet werden, die ausreicht, um anschließend eine
Trennung in Einzelanordnungen vorzunehmen. Dies wird zweckmäßigerweise
unmittelbar nach Verbindung der Schicht 8 mit dem Substrat 7 durchgeführt. Dies
hat den Vorteil, dass die während
des Sägevorganges
erzeugten Späne
auftreten, bevor das Ätzen
der schmalen Rinnen 14 erfolgt. Der Trennprozess erzeugt
keine Späne
und vermindert somit die Gefahr der Verstopfung der Rinnen 14,
wodurch die freie Schwingung des Ringresonators 2 behindert werden
könnte.
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Das
Herstellungsverfahren nach der Erfindung ergibt eine Struktur, die
die mechanischen Eigenschaften einer Siliziumschicht 8 aufrecht
erhält. Die
kritischen Dimensionstoleranzen der Resonatorspalte und der Antriebs-
und Abtastwandlerspalte 14 sind sämtlich in der Ebene der Schicht 8 definiert. Diese
Strukturen können
mit einem hohen Maß an Genauigkeit
hergestellt werden, wobei standardisierte Maskierungstechniken und
tiefe, reaktive Ionenätztechniken
benutzt werden. Diese Techniken sind voll kompatibel mit der Herstellung
klein bemessener Kreisel, aber sie können auch für die Herstellung von Einrichtungen
benutzt werden, die einen großen
Bereich von Abmessungen haben, ohne dass eine wesentliche Modifizierung
erforderlich wäre. Das
Verfahren schafft außerdem
eine einseitige Verarbeitung mit einer minimalen Zahl von Herstellungsschritten,
und dies führt
zu einer hochqualifizierten, kostengünstigen Fabrikationsroute.