TW593980B - Method of manufacturing a vibrating structure gyroscope - Google Patents

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593980 經濟部智慧財產局員工消費合作社印製 A7 B7_ 五、發明說明（1 ) 本發明有關於一種用於製造振動結構陀螺儀的方法， 其中該陀螺儀具有完全平坦之矽環振動結構以及對該振 動結構給予驅動蓮動並感測其動作的電容構件。該製法 偽特別適用於以微加工法製造振動結構陀螺儀。 徼加工的振動結構陀螺儀可以大量且低單位成本製造 。此已開啓多樣化之嶄新的商業化應用，諸如汽車底盤 控制及航海条統以及凸輪穩定。 傳統的振動結構陀螺儀可使用若干共振器設計架構。 其包含振動悍、調諧叉、圓柱、半球殼及璟。基於微/機 槭加工製程的固有平面性質，並非所有的這些結構皆適 用於徹製造。該晶圓加工技術將於晶圓平面中産生高尺 寸公差及對齊精度。對於環形結構而言，所有的共振蓮 動皆在該環平面中，所以這些尺寸對於裝置性質最為重 要。平面璟結構因而特別適用於使用這些方法製造，且 若干設計傜為已知。這些方法包含歐洲專利第B- 06 1 9 47 1 ,A- 0 8 5 9 2 1 9, A-0 46 1 76 1號等專利所說明之誘發驅動與感 測裝置，且美國專利第5 5 47 0 9 3號更說明被電容驅動 與感測的裝置。 在先前所提出的誘導裝置中，該共振器結構傺由結晶 矽晶圓蝕刻。然而，其需要施加磁場而提供轉換器功能 。此偽藉由使用混有永久磁鐵與成形極片的磁性電路而 完成。這裝置使用傳統的製造技術完成，並需要後續組 合，以及精確地對齊於該共振結構。此將限制可能的裝 置小型化程度，並明顯地增加單位成本。 一 3 - 本紙張尺度適用中國國家標準（CNS)A4規格（210 X 297公釐） (請先閱讀背面之注意事項再填寫本頁) ----- I---訂------I--· 經濟部智慧財產局員工消費合作社印製 593980 A7 _B7_ 五、發明說明（2 ) 在歐洲專利第B - 0 6 1 9 4 7 1號中所説明的裝置亦由結晶 矽晶圓被蝕刻，而所具有的優點為該驅動與反應轉換器 結構偽使用晶圓加工與組合技術而被製造，且不需額外 的非徼機槭加工組件操作。該設計與製造方法因而與明 顯小於該誘發裝置的裝置尺寸相容。該設計使用三値接 合晶圓的堆疊，其必須値別加工且精確地對齊。該轉換 器增益及裝置性能將取決於形成在晶圓間的孔洞。雖然 該微製造製程在晶圓平面中提供精確的對齊及公差，惟 在第三剌|中的尺寸控制較不精確，而造成不可避免之裝 置性能的異變„本裝置的進一步缺點在於大量的製造步 驟，並需要雙面的晶圓加工。因此，雖然本設計確實可 産生無須製造並組裝磁性電路元件的微小裝置，惟複雜 的製造仍將造成高單位成本。 美國專利第5547093號中所説明的裝置亦具有使用晶 圓加工技術所製造的驅動與反應轉換器結構，並可以小 尺寸製造。該設計所具有的其他優點為該臨界轉換器間 隙像位於晶圓平面中，因而可精確地控制。然而，不若 前述的裝置，在本實例中的共振器傺中電鑄金屬形成。 對於自結晶矽所蝕刻的裝置而言，形成該共振器之材料 的機槭性質俗為製程所影·。任何振動結構陀螺儀的性 能主要取決於該共振器的特性及機槭性質的穩定度。結 晶矽可維持高Q值振動（其共振特性在高溫時仍為穩定） ，因而為理想的共振器材料。電鑄金屬無法滿足幾近完 美的黏彈性行為，以及結晶矽的均勻性。為使得沈積製 -4 - 本紙張尺度適用中國國家標準（CNS)A4規格（210 X 297公釐） (請先閱讀背面之注意事項再填寫本頁) ---------訂---------線· 593980 經濟部智慧財產局員工消費合作社印製 A7 B7_ 五、發明說明（3 ) 稈均勻性最適化，維持固定的特歡尺寸偽所需。其需要 振動結機的環與支撑腳的寬度相等，並嚴格限制共振器 尺寸設計的可撓性。所産生之結構的外在行為偽為共振 器支撑腳所支配，其將産生潛在的安裝敏感性問題以及 複雜的模式平衡程序。該結構的製造偽為一包含大量製 程步驟的複雜程序，其將對於裝置晶圓良率及製造成本 有負面影響。 英國專利申請案第9817347.9號說明一種電容驅動與 敏感的環振動結構或共振器，其可由大結晶矽製造。該 結構的平面圔偽表示於第1圖中。 一種用於將該陀螺儀製造成經改良之精確度，而確保 所産生的振動結構具有矽的機械性質之方法傺所需。 根據本發明之一特性，其傜提供一種用於製造振動結 構陀螺儀的方法，該陀螺儀具有一値完全平出矽環振動 結構，用於對該振動結構給予驅動運動並感測其蓮作的 電容構件，以及一層環繞在該電容構件周圍的罩幕層； 該方法所包含的步驟有沈積一第一層光阻材料於該類玻 璃平板或矽基板的一表面上，將該第一光阻層硬化、刻 畫並顯影而暴露出經選擇的基板區域，將該暴露出的基 板區域蝕刻而形成孔洞於其中，將殘餘的第一層光阻材 料由該具有孔洞的基板剝除，將一層矽固著於具有孔洞 之該基板的一表面，將一層鋁沈積在該矽層表面上（離 其所附箸之基板表面最遠處），將一第二層光阻材料沈 積於有闊該矽層之鋁層的最外圍表面上，將該第二光阻 一 5 一 本紙張尺度適用中國國家標準（CNS)A4規格（210 >< 297公釐） (請先閱讀背面之注意事項再填寫本頁) 訂---------線j 經濟部智慧財產局員工消費合作社印製 593980 A7 _B7_ 五、發明說明（4 ) 餍硬化、刻畫並顯影而暴露出經選擇的鋁層區域，將該 露出的鋁層區域蝕刻而留下提供罩幕層接地用之接合墊 、形成該電容驅動及感測構件之連接點的接合墊及用於 雷連接至該完全平坦矽璟振動結構的接合墊，將殘餘的 第二光阳層由該鋁層剝除，沈積一第三光阻材料層於該 殘留鋁層區域上的矽層上，將該第三光阻材料層硬化、 刻畫並顯影而暴露出經選擇的矽層區域，將該暴露出之 經選擇的矽層區域進行深活性離子蝕刻而由該矽層形成 該瞿容驅動及感測構件、環繞層，及以中心軸附著於基 板孔洞上（其兌許該環結構未受限的振動）的完全平坦環 振動結構，並將該電容驅動與感Μ構件、罩幕層與璟振 動結構彼此電氣隔離。 該光阻材料最好以旋塗法沈積並以烘烤法硬化。 藉由將該第一光阻層顯影所暴露出之經選擇的基板區 域傺以等向性濕式蝕刻製程蝕刻。 有利地是，該基板偽以藉陽極接合而將該矽層附箸於 其的玻璃製成。 此外，該基板傺以熱氧化矽製成，而製造藉熔接法以 將該矽層附著於其的表面氯化層。 方便地是，該鋁層偽以濺鍍法而附著於該矽層。 有利地是，暴露出的鋁層區域偽以磷酸基製程蝕刻。 為了更加瞭解本發明並表示其如何被完成，其係參考 附圖作為實例，其中： 第1圖偽為非根據本發明之英國專利申請案第9817347.9 -6 - 本紙張尺度適用中國國家標準（CNS)A4規格（210 X 297公釐） ---.-------------訂---------線. (請先閱讀背面之注意事項再填寫本頁) 593980 經濟部智慧財產局員工消費合作社印製 A7 B7 五、發明說明（5 ) 號所說明並申請專利之電容驅動及感測環振動結構或共 振器陀螺儀的示意上視圖， 第2圖偽為第1圖之線A-A的橫剖面圖，其表示根據 製造第1圖之陀螺儀之本發明的方法中的第一階段， 第3圖為類化第2圖之表示本發明之方法中的另一個 階段的圖式， 第4圖傺為類似第2圖及第3圖之表示本發明之方法 中的再另一値階段的圖式，以及 第5圖傜為第1圖之線段A-A的橫剖面圖，其表示本 發明之方法中的另一個階段。 根據本發明之製造振動結構陀螺儀的方法偽適用於如 第1圖所示之陀螺儀的製造，其中該陀螺儀具有由完全 平坦之矽環共振器2所組成的完全平坦矽環振動振動結 構1，該共振器2傺以由環共振器2向内延伸至矽中心 軸4的矽支撑腳3所支撑。第1圖陀螺儀具有對於璟共 振器2的驅動蓮動有部分貢獻的電容驅動構件5,以及 用於感測並反應環共振器2蓮動的電容感測構件6。該 陀螺儀裝置包含一個由玻璃製成的基板7,其熱膨脹偽 數與矽層8 (如第2圖至第5圖所示）吻合，而降低熱誘 發應力。此外，基板7可由矽製成，以使得該熱膨脹偽 數與矽層8精密地吻合。 本發明之用於製造第1圖所示之振動結構陀螺儀的方 法包含沈積一第一光阻材料層9於該類玻璃平板或矽基 板7之一表面上的步驟，如附圖的第2圖所示。較佳使 一 7 - 本紙張尺度適用中國國家標準（CNS)A4規格（210 x 297公釐） -----J I I I-訂—-------- (請先閱讀背面之注意事項再填寫本頁) « 經濟部智慧財產局員工消費合作社印製 593980 A7 B7_ 五、發明說明（6 ) 用的光阻材料偽為諸如S h i p 1 e y S 1 8 1 8 S P 1 6等工業標準 ”？E光阻”。該第一光阻層9最好以旋塗法被沈積於該基 板7上。該第一光阻層9接箸以諸如烘烤法硬化、使用 一曝光光罩刻畫並顯影，以暴露出用於後續蝕刻之經選 擇的基板7區域。該經暴露出的基板7區域接著使用諸 如等向性濕式蝕刻製程蝕刻，而形成孔洞1 〇於基板7中 ，如第2圖所示。孔洞1 0被成形，以提供後續形成之陀 螺儀的支撑腳3及環共振器2部分的振動不受限。20至 -3 0微米的孔洞深度通常被使用，且對齊標記（未表示於 圖中）亦可被蝕刻於基板7中，而兌許後續遮罩階段對 孔洞1 0的精確對齊。殘留的第一層9接著由具有孔洞的 基板7剝除 當基板7由玻璃製成時，矽裝置層晶圓8偽以陽極接 合，而被固著於該具有孔洞的基板7表面。此傺表示於 第3圖中。薄層8可在接合前變薄至希冀的厚度，或可 在接合後變薄。該陽極接合製程包含將基板7與薄層8 緊密接觸，加熱至約4 0 0 °C，以及施加一約1，0 0 0伏特的 位勢於該玻璃基板7與矽層8之間。 此外，當基板7由矽製成時，其被熱氧化而製造約1 微米的表面氣化層，且該經氧化的薄層8表面接著被熔 接至該具有孔洞的矽基板7表面。後續的製程包含將薄 層8與基板7的表而緊密接觸，並加熱至約6 0 0 °C。該 製程要求該薄層8與基板7極為平坦且無表面污染。 金屬化與蝕刻步驟要求這些步驟的遮罩精確地對齊於 -8 - 本紙張尺度適用中國國家標準（CNS)A4規格（210 X 297公釐） (請先閱讀背面之注意事項再填寫本頁) ---------訂---------線j 593980 A7 B7 五、發明說明（7 ) (請先閱讀背面之注意事項再填寫本頁) 孔洞1 0 當使用玻璃基板7時，該對齊標記將可由經接 合的矽層與基板對底部看見。該金屬化與蝕刻記號可使 用一雙面的對齊器而被對齊至這些標記。當使用矽基板 7時，無法看見接合面上的特徵。在此實例中，無須在 基板7的底部表面上製造對齊標記。此需要使用額外的 遮罩階段，而這些標記俗使用雙面對齊器而被對齊至該 具有孔洞的表面標記。 若基板7上的對齊標記為薄層8所暴露出時，其得以 避免使用雙面對齊。此要求矽層8被，蝕刻於對齊標記位 置固圍的區域中。一額外的蝕刻遮罩像為所需，而矽傺 便於使用等向性乾式蝕刻製程移除。暴露出的區域應足 夠大，而確保對齊記號在無須精確對齊於基板晶圓的情 況下被完全暴露出（諸如4 m in X 4 in m的孔洞）。在將對齊記 號暴露於接合基板表面上後，可使用單面對齊於後續遮 罩階段。 經濟部智慧財產局員工消費合作社印製 在本發明之方法中的下一個步驟包含將一層鋁（未表 示於圖中）沈積在該矽層8表面上（離其所附著之基板7 表而最遠處該鋁最好以濺鍍法沈積。一第二層光阻 材料（未表示於圖中）接著被沈積在該矽層8之鋁層的最 外圍表面上，其最好使用旋塗、最好為烘烤的硬化、刻 畫以及顯影，而將經選擇的鋁層區域暴露出。該暴露出 的鋁層區域接著被蝕刻，其最好使用磷酸基製程，而將 提供接合墊的鋁區域留置於矽層8上，如附圖的第4圖 所示。 -9 - 本紙張尺度適用中國國家標準（CNS)A4規格（210 X 297公釐） 593980 經濟部智慧財產局員工消費今作社印製 A7 B7_ 五、發明說明（8 ) 在本方法中，接合墊1 1提供以用於將罩幕層與接地位 勢接觸，而使用於驅動與反應（感測）位置連接的接合墊 1 2與1 3傜與外部電路（未表示於圖中）接觸。另一個接合 墊1 4設置以用於環共振器2的電連接。 殘留的第二光阻層接箸由接合墊1 1 , 1 2 , 1 3 , 1 4的鋁層 釗除，目.一第三光阻材料層最好以旋塗在暴露的矽層8 表而，而被沈積在經沈積的鋁接合墊11，12, 13及14。該 第三餍光阻材料接著硬化（最好以烘烤法）、刻畫並顯影 ，而暴露出經選擇的矽層8區域。在該第三層光阻材料 暴露出及顯影前，一蝕刻遮罩偽對齊於基板7上的孔洞 對齊記號。深活性離子蝕刻傺於暴露出之經選擇的矽層 8區域上進行，而由其形成該完全平坦環振動結構，亦 PJ安裝於基板孔洞1 0上之中心軸4上的支撑腳3及環共 振器2、電容驅動與感測機件5 , 6以及環繞該共振器2及 該驅動與感測構件5 , 6的一罩幕層1 5 ,如附圖的第1圖 及第5圖所示。安裝這些結構於絶緣基板7的表面上可 將各結構彼此電氣隔離。該蝕刻最好使用適當的深活性 離子蝕刻（D R I E )製程完成，其可形成約4 0 : 1縱橫比的深 窄溝渠1 4於具有接近垂直之壁面的矽中該蝕刻製程包 含以氟基電漿分離出自發性的矽化學蝕刻，並以氟聚合 物保護步驟保護特徵的壁而。藉由在電腦控制下變換該 步驟，則垂直的壁面特徵可以高精度及品質被形成於矽 中。 矽的蝕刻速率認為較玻璃為高，因此玻璃基板7將作 -10 - 本紙張尺度適用中國國家標準（CNS)A4規格（210 297公釐） -------------—訂---------線 (請先閱讀背面之注意事項再填寫本頁) 593980 A7 B7 五、發明說明（9 ) 為蝕刻阳絶物。此將使得驅動墊1 2及反應墊1 3穿經矽層 8接合至基板7,並與周圍的罩幕層15電氣隔離。殘留 的第三層光阻材料接著由該鋁層剝除。 在作業中，藉由以共振頻率施加於電容驅動位置5之 振動電壓構件，該陀螺儀蓮動儀啓動並控制。所産生的 環蓮動偽以流經反應電容器間隙的電流偵測。若電容連 接至反應器的驅動訊號産生雜訊，則陀螺儀的特性將有 誤。該連接可以罩幕層1 5構件降低，其中該罩幕層1 5 ί% 環繞於薄層8之平而中的所有壁面上的各電容位置，除 了而向璟共振器2的部分。罩幕層15傺穿經上表面上的 導線接合塾11 ,而外部連接至接地電位。 經濟部智慧財產局員工消費合作社印製 (請先閱讀背面之注意事項再填寫本頁) 在基板7為矽之處，一額外的電容連接路線偽基於薄 層8材料約有限導電性而存在。該驅動訊號可連接至基 板7，該基板7傺以薄層8與薄層7之間的薄（〜1微米） 氣化層，而僅與驅動電容器的底部表面隔離。此可交互 地連接回反應電容器位置。該連接機制可藉由將基板7 電連接地而被消除。若該組件2安裝於金屬罐（未表示 於圖中）中，則此可藉由使用諸如導電性環氧樹脂，將 基板底部表面直接接觸於金屬罐表面而容易地達成。該 金鼷罐接著可藉由外部電路而被接地。當此不便於進行 時，將該處理做部分改良，便可以導線接合構件連接至 上表而。此舉需要在基板7角落的罩幕層1 5中蝕刻出額 外的連通孔，其可藉由將該蝕刻罩幕進行改良而達成。 在這些孔洞底部暴露出的氣化物偽以氧化物選擇性乾式 -11- 本紙張尺度適用中國國家標準（CNS)A4規格（210 X 297公釐） 經濟部智慧財產局員工消費令作社印製 593980 A7 B7 五、發明說明（Μ ) 蝕刻製程移除，因而暴露出該導電性基板表面。為促成 對基板7的電連接，一額外的金屬化製程偽為所需。諸 如鋁等金屬可使用簡易的影子罩幕技術，而被接箸沈積 在該孔洞表面上ό該接地連接可接箸藉由該金屬化孔洞 表而與罩幕層接合墊1 1間的導線接合構件，而製作。 複數個陀螺儀裝置可被製作於一單獨的玻璃或矽基板 上，並於切割加工後分離。其他的溝渠可切入基板7 , 達到足以兌許後續沿著切割線劈裂而將個別裝置分開的 深度。此傜於薄層8與基板7的接合後立即完成。此所 具有的優點為在切割製程期間所産生的破Η偽於窄溝渠 1 4蝕刻前出現。該劈裂製程將不會産生破Η ,因而降低 阳塞溝渠1 4的風險，並避免環共振器2的自由振動。 本發明之製法將形成保有矽層8機槭性質的結構。該 共振器及驅動與反應轉換器間隙1 4的臨界尺寸公差皆定 義於薄層8的平面中。這些結構可使用標準遮罩及深活 性離子蝕刻技術，而以高精確度製造。這些技術傺完全 與小陀螺儀裝置尺寸的製造相容，且亦可在無須明顯改 良的情況下，應用於廣泛尺寸範圍的裝置製造。本方法 另使用具有高良率、低成本之最少數目的製程步驟，而 提供單而加工。 符號之説明 1 ......完全平坦矽環振動結構 2 ......完全平坦矽環共振器 3 ......δ夕支撑腳 - 12 - 本紙張尺度適用中國國家標準（CNS)A4規格（210 X 297公釐） ---------------------訂---------線 (請先閱讀背面之注意事項再填寫本頁) 593980

7 7 A B 明說 明發 五

1X 1X 4 5 軸動件 心驅構 中容測板 矽電感基 9

ο 1 1L 1X 墊合墊層 層一洞合接合幕 的第孔接一接罩 層 阻 光 塾 ----------1------------訂---------線* (請先閱讀背面之注意事項再填寫本頁) 經濟部智慧財產局員工消費合作社印製 本紙張尺度適用中國國家標準（CNS)A4規格（210 X 297公釐）

Claims (1)

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   六、申請專利範圍 第88 1 2 1 8 8 1號「製造振動結構陀螺儀的方法」專利案 (90年7月修正） A申請專利範圍： 1. 一種用於製造振動結構陀螺儀之方法，該陀螺儀具有 一完全平坦矽環振動結構，用於傳送驅動運動至該振 動結構。並感測該振動結構的動作的電容構件，以及 一環繞在該電容構件周圍的罩幕層；該方法所包含的 步驟有： 沈積一第一層光阻材料於該類玻璃平板或矽基板的 一表面上， 將該第一光阻層硬化、刻劃之顯影而暴露出經選擇 的基板區域， 將該暴露出的基板區域蝕刻而形成孔洞於其中， 將殘餘的第一層光阻材料中該具有孔洞的基板耦 除， 將一層砂固著於具有孔洞之該基板的一表面， 在該矽層表面上沈積一層鋁層所固著之基板表面最 遠處， 將一第二層光阻材料沈積於有關該矽層之鋁層的最 外圍表面上， 將該第二光阻層硬化，刻畫並顯影而暴露出經露出 經選擇的鋁層區域，將該暴露出的鋁層區域蝕刻而留 下提供罩幕層接地用之接合墊、形成該電容驅動及感 593980 六、申請專利範圍 測構件之連接點的接合墊及用於電連接至該完全平坦 環振動結構的接合墊， 將殘餘的第二光阻層由該鋁層耦除， 沈積一第三光阻材料層於該殘留鋁層區域上的矽層 上， 將該第三光阻材料層硬化、刻畫並顯影而暴露出經 選擇的矽層區域， 將該暴露出之經選擇的矽層區域進行深活性離子蝕 刻而中該矽層形成該電容驅動及感測構件、環繞層， 及以中心軸固著於基板孔洞上（其允許該環結構未受限 的振動）的完全平坦環振動結構，並將該電容驅動與感 測構件、罩幕層與環振動結構彼此電隔離。 2·如申請專利範圍第1項之方法，其中該光阻材料係以 旋塗法沈積並以烘烤法硬化。 3·如申請專利範圍第1項之方法，其中藉由將該第一光 阻層顯影所暴露出之經選擇的基板區域係以等向性濕 式蝕刻製程蝕刻。 4. 如申請專利範圍第2項之方法，其中藉由將該第一光 阻層顯影所暴露出之經選擇的基板區域係以等向性濕 式蝕刻製程蝕刻。 5. 如申請專利範圍第1至4項中任一項之方法，其中該 基板係以藉陽極接合而將該矽層附著於其的玻璃製 成。 -2- 593980 六、申請專利範圍 6·如申請專利範圍第1至4項中任一項之方法，其中該 基板係以熱氧化的矽製成，而製造藉熔接法以將該砂 層附著於其的表面氧化層。 7. 如申請專利範圍第1至4項中任一項之方法，其中該 鋁層係以濺鍍法而附著於該矽層。 8. 如申請專利範圍第5項之方法，其中該鋁層係以濺鍍 法而附著於該矽層。 9·如申請專利範圍第6項之方法，其中該鋁層係以濺鍍 法而附著於該砂層。 10·如申請專利範圍第1至4項中任一項之方法，其中該 暴露出的鋁層區域係以磷酸基製程蝕刻。 11.如申請專利範圍第5項之方法，其中該暴露出的鋁層 區域係以磷酸基製程蝕刻。 1Z如申請專利範圍第6項之方法，其中該暴露出的鋁層 區域係以磷酸基製程蝕刻。 13*如申請專利範圍第7項之方法，其中該暴露出的ί呂層 區域係以磷酸基製程蝕刻。 14. 如申請專利範圍第8項之方法，其中該暴露出的鋁層 區域係以磷酸基製程飩刻。 15. 如申請專利範圍第9項之方法，其中該暴露出的鋁層 區域係以磷酸基製程蝕刻。