TWI267628B - Single-chip gyro device implemented by back-end semiconductor fabrication process - Google Patents

Description

1267628 九、發明說明： 【發明所屬之技術領域】 種 ㈣係為—種機殼按鍵旋轉蚊裝置，尤指-μ ; “知機殼裝卸之按鍵旋轉固定裝置。 【先前技術】 & s t螺儀是彻肖動量守㈣原理而可以值定地 心向固疋方向而運作，設計係以量測柯氏力(C〇ri〇lis ❿ F〇rCe)為主，其可被應用於飛機、飛船、人造衛星、潛 艇也艦、飛彈等。現行之陀螺儀多以傳統機械方式 製作，體積及重量均較大；若以半導體方式製作時， 為保有其感測能力，多將機械結構體與電路分開製 作，再以導線方式連接，此將產生雜訊較高的問題衣 例如，請參閱第一圖，其係習用機械式陀螺儀襞置 包括一機械結構晶片1及一電路晶片2，其以導線3 方式連接電路晶片與機械結構晶片，此方式所產生之 籲 寄生效應較大，組件體積大，且成本較高， 請參閱第二圖，其係習用單晶片式陀螺儀裝置， 其以單晶片方式完成雙載子互補式金氧半導體 (BiCMOS)電路4與厚的複晶層結構5，但缺點為利用 矩形結構，感測訊號的讀出容易變成非線性化，且溫 度漂移，製程穩定性等影響較大。 此 以陀螺儀感測原理來看，形成環形對稱的機械結 構是最佳的設計方式’但在整合結構與電路的單晶片 實現中，現有技術上難以此方式進行，因此必須以複 6 1267628 一電路及該機械結構體之電氣連接。 依據本發明之構想，該等介層孔形成複數個金屬 侧壁，與該等金屬層形成平整之該機械結構體。 依據本發明之構想，該機械結構體為一環形對稱 結構。 依據本發明之構想，該機械結構體為一圓形對稱 結構。 依據本發明之構想，該基板可藉由佈局（layout)設 計，經由蝕刻過程蝕刻清空，使該機械結構體可自由 轉動。 本案之功效與目的，可藉由下列實施例與圖示說 明，俾有更深入之了解。 【實施方式】 本案之單晶片陀螺儀裝置，將可由以下之實施例 說明而得到充分之了解，使得熟習本技藝之人士可據 以完成之’然本案之實施例並非可由下列實施例而被 限制其實施型態。 請參閱第三圖，其係習知單晶片陀螺儀裝置於蝕 刻前之示意圖，包括一基板10、一電路層11、一介電 層20、一第一金屬層31、一第二金屬層32、一第三 金屬層3 3及一第四金屬層3 4，經姓刻製程後’請參 閱第四圖，其係習知單晶片陀螺儀裝置於蝕刻後之示 意圖，包括一基板10、一電路層11、複數個介電層 20、一第一金屬層31、一第二金屬層32、一第三金屬 8 !267628 二33及一第四金屬層34，顯而易見的是，姓刻過程 〜 只際上將整個機械結構切割出來，該機械結構係由所 有金屬層及介電層所構成，由於係濕式蝕刻或本質上 不可能有完美蝕刻選擇比的乾式蝕刻，對於各介電層 句有些向内凹陷的側餘刻(Undercut)現象。此側飿刻 見象成表面粗糙不平，影響美觀及機械結構體之質 篁’進一步影響系統之彈性係數、阻尼等設計上的困 難’另外介電層之存在亦使整個陀螺儀的感測面積相 鲁 形變小，靈敏度亦變得較差。 為改善此種情形，提升陀螺儀的感測性能，請參 閱第五圖，其係本案較佳實施例之一單晶片陀螺儀裝 置於蝕刻前之示意圖，包括一基板1〇、一電路層n、 w電層20、一第一金屬層31、一第二金屬層32、 一第三金屬層33、一第四金屬層34以及複數個介層 孔40。經過蝕刻製程後，請參閱第六圖，其係本案較 佳實施例之一單晶片陀螺儀裝置於蝕刻後之示意圖， • 包括一基板10、一電路層11、複數個介電層20、一 第一金屬層31、一第二金屬層32、一第三金屬層33、 一第四金屬層34以及複數個介層孔（Via)4〇，該等金 屬層係形成於基板10上，最底層介電層2〇係形成於 基板10及最底層金屬層31間，其餘該等介電層2 〇之 任一層係形成於該等金屬層間，該等金屬層以及該等 介電層係形成一機械結構體50,此外複數個介層孔4〇 連接該等金屬層並裸露於該等介電層外，以防止該等 介電層被側蝕刻（Undercut)，介層孔之存在形成了一 9 1267628 道防護牆’抑㈣刻製程對爽在金屬層間之介電層側 #刻’此舉不但以該等介層孔與該等金屬層形成一平 整之金屬表面與極佳的等電位連接，同時亦加大整個 感測，積或電容量’使陀螺儀之$敏度相對提升。 第六圖中單晶片陀螺儀裝置之結構體係經由一般 半導體製程之後段製_實現，此後段製程即所謂触 刻製程、化學氣相沈積（Chemical Vapor Deposition - _)製程以及一平坦化製程

(Planarization) ’其蝕刻製程不需經由使用特殊設備 的離子㈣，-般㈣製程原本會對介質層侧姓刻 ⑽⑽t)，因介層孔的存在可防 是故濕式㈣即可料產生树_顧構造^程 第六圖中的機械結構體5G，其底層金屬層3i ^ 與^板1。上的電路層u作電氣連接，結構佈局』 因考慮有較佳的慣性❹以及可簡化電路 複 性’宜^形形對稱形成機械結構體50的外形 =㈣七圖’其係杨較佳實施例形成一刊 意圖’包括一基板10、-電路肩 1卜複數個介電層2〇、-第—金 、 ^ 層32、一第r金屬屛Μ 心 ^复肩 丞板10上無電路形成之部份， 可利用佈局設計，触最底層介電層，形成一 構體5卜相對於可自由轉動之機械結構體Μ 在右方之固錢械結構體52則係蚊於基板上。 1267628 本發明之設計係利用積體電路（ic)後段製程實現 之單晶片式陀螺儀裝置；相較於習知裝置以粗糙的方 式進行外形設計，並沒有善加利用成熟的標準半導體 製程。本發明提出利用較佳的佈局設計，使機械結構 體可達更好的特性及品質，且因而簡化電路的複雜 性，同時以單晶片實現亦可達成體積小、高性能化及 低成本化。 本案得由熟習此技術之人士任施匠思而為諸般修 飾，然皆不脫申請專利範圍所欲保護者。 【圖式簡單說明】 第一圖其係習用機械式陀螺儀裝置； 第二圖其係習用單晶片式陀螺儀裝置； 第三圖其係習知單晶片陀螺儀裝置於蝕刻前之 不意圖， 第四圖其係習知單晶片陀螺儀裝置於蝕刻後之 不意圖， 第五圖其係本案較佳實施例之一單晶片陀螺儀 裝置於蝕刻前之示意圖； 第六圖其係本案較佳實施例之一單晶片陀螺儀 裝置於蝕刻後之示意圖；以及 第七圖其係本案較佳實施例形成一可轉動之機 械結構體之示意圖。 【主要元件符號說明】 1267628 1機械結構晶片 2電路晶片 3導線 4雙載子互補式金氧半導體(BiCMOS)電路 5複晶層結構 10基板 11 '電路層 31第一金屬層 33第三金屬層 40介層孔 51可轉動機械結構體

20介電層 32第二金屬層 34第四金屬層 50機械結構體 52固定機械結構體

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Claims (1)

1. ^267628 曰修(更)正替換頁j 、申請專利範圍·· h —種單晶片陀螺儀裝置，其係至少包括： 一基板； 複數個金屬層，其係形成於該基板上； 該基板及中_介電層係形成於 ，及:亥底層金屬層間，其餘該等介電層之任一層 孫^ 4·、於β亥等金屬層間，該等金屬層以及該等介電層 係形成一機械結構體；以及 、 複數個介層孔(Via)，其係連接該等金屬声， =露於該等介電層外，以防止該等介電層被側姓曰刻 (Undercut) ° 2、 如申請專利範圍第丨項之單晶片陀螺儀裝置，其 中該結構體係經由一半導體後段製程所製作。 3、 如申請專利範圍第2項之單晶片陀螺儀裝置，其 中該半導體後段製程係包括一蝕刻、一化學氣相沈積 及一平坦化處理。 4·如申請專利範圍第1項之單晶片陀螺儀裝置，其 中一電路層形成於該基板上。 5·如申請專利範圍第5項之單晶片陀螺儀裝置，i 中該等金屬層係提供該電路層及該機械結構體之電 氣連接。 6·如申請專利範圍第1項之單晶片陀螺儀裝置，其 中該等介層孔形成複數個金屬侧壁，與該等金屬層形 成平整之該機械結構體。 7·如申請專利範圍第1項之單晶片陀螺儀裝置，其 13 /267628 矿^月日修(更)正替換頁 中該機械結構體為一環形對稱結構。 8·如申睛專利範圍第2項之單晶片陀螺儀裝置，其 中該機械結構體為一圓形對稱結構。 /、 9·如申請專利範圍第1項之單晶片陀螺儀裝置，其 中該基板可藉由佈局（layout)設計，經由蚀刻過程飿 刻清空，使該機械結構體可自由轉動。

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