DE69919036T2 - Herstellungsverfahren eines Vibrationsstrukturkreisels - Google Patents

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Description

  • 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.
  • 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.
  • 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.
  • 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.
  • 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.
  • 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.
  • 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.
  • 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.
  • 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.
  • Vorzugsweise wird das Fotolackmaterial durch schnelles Drehen abgelagert und durch Einbrennen gehärtet.
  • Zweckmäßigerweise werden gewählte Bereiche des Substrats, die durch Entwicklung der ersten Fotolackschicht freigelegt wurden, durch einen isotropen Feuchtätzvorgang geätzt.
  • Vorzugsweise besteht das Substrat aus Glas, auf dem eine Siliziumschicht durch anodische Verbindung aufgebracht ist.
  • Stattdessen kann das Substrat aus Silizium bestehen, das thermisch oxidiert ist, um eine Oberflächenoxidschicht zu bilden, auf der die Siliziumschicht durch Fusionsverbindung festgelegt wird.
  • Zweckmäßigerweise wird die Aluminiumschicht auf der Siliziumschicht durch Sputtern aufgebracht.
  • Vorzugsweise werden die freigelegten Bereiche der Aluminiumschicht durch ein auf Phosphorsäure basierendes Verfahren geätzt.
  • 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:
  • 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;
  • 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;
  • 3 ist eine der 2 entsprechende Schnittansicht mit einem weiteren Schritt bei dem erfindungsgemäßen Verfahren;
  • 4 ist eine den 2 und 3 entsprechende Schnittansicht, welche einen weiteren Schritt des erfindungsgemäßen Verfahrens erkennen lässt; und
  • 5 ist eine Schnittansicht, geschnitten nach der Linie A-A gemäß 1, wobei ein weiterer Schritt des erfindungsgemäßen Verfahrens gezeigt ist.
  • 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.
  • 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.
  • 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.
  • 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.
  • 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.
  • 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.
  • 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.
  • 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.
  • 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.
  • 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.
  • 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.
  • 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.
  • 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.
  • 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.

Claims (7)

  1. 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 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 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.
  2. Verfahren nach Anspruch 1, bei welchem das Fotolackmaterial durch Rotation abgelagert und durch Einbrennen ausgehärtet wird.
  3. Verfahren nach den Ansprüchen 1 oder 2, bei welchem ausgewählte Bereiche des Substrats, die durch Entwicklung der ersten Fotolackschicht freigelegt wurden, durch ein isotropes Feuchtätzverfahren geätzt werden.
  4. Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 3, bei welchem das Substrat aus Glas besteht, auf dem die Siliziumschicht durch anodische Verbindung aufgebracht ist.
  5. Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 3, bei welchem das Substrat aus Silizium besteht, das thermisch oxidiert wird, um eine Oberflächenoxidschicht zu bilden, auf der die Siliziumschicht durch Fusionsverbindung festgelegt wird.
  6. Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 5, bei welchem die Aluminiumschicht auf der Siliziumschicht durch Sputtern festgelegt ist.
  7. Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 6, bei welchem die freigelegten Bereiche der Aluminiumschicht durch ein auf Phosphorsäure basierendes Verfahren geätzt werden.
DE69919036T 1998-12-24 1999-12-17 Herstellungsverfahren eines Vibrationsstrukturkreisels Expired - Lifetime DE69919036T2 (de)

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GBGB9828478.9A GB9828478D0 (en) 1998-12-24 1998-12-24 Method of manufacturing a vibrating structure gyroscope
GB9828478 1998-12-24
PCT/GB1999/004298 WO2000039525A1 (en) 1998-12-24 1999-12-17 Method of manufacturing a vibrating structure gyroscope

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DE69919036D1 DE69919036D1 (de) 2004-09-02
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DE69919036T Expired - Lifetime DE69919036T2 (de) 1998-12-24 1999-12-17 Herstellungsverfahren eines Vibrationsstrukturkreisels

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US (1) US6471883B1 (de)
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