專利名稱：三軸加速計的制作方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明涉及一種微電機裝置，具體地說，涉及能夠檢測沿著三個正交軸的加速度的電容微電機加速計。
背景技術(shù)：
目前，制造微電機加速計以用于許多應用，包括車輛氣囊和慣性導航以及指引系統(tǒng)。對于諸如車輛氣囊的應用，加速計需要既準確又便宜。
使用與在集成電路制造中使用的制造處理步驟相似或相同的制造處理步驟，電機加速計被形成在晶片上。微電機裝置將電子和機械功能組合進一個裝置。微電機裝置的制造一般基于多晶硅(polysilicon)和犧牲材料(諸如二氧化硅(SiO2)或硅酸鹽玻璃)的交替的層的制造和處理。多晶硅層被逐層地建立并形成圖案以形成裝置的結(jié)構(gòu)。一旦完成了該結(jié)構(gòu)，則通過蝕刻去除犧牲材料來釋放用于操作的微電機加速計的多晶硅構(gòu)件。在一些微電機加速計中去除犧牲材料包括使用等向性釋放蝕刻來從加速計的下表面釋放加速計的橫梁。這種釋放有這樣的缺點，即，蝕刻掉了部分橫梁并且減少了加速計的檢測質(zhì)量和有效性。
上述加速計制造的類型提供一種與晶片的平面共面的加速計。使用該方法，兩個加速計可被制造在一個晶片中以測量兩個正交方向上的加速度，這兩個方向都與晶片的平面共面。對于測量垂直于晶片的平面的加速度的加速計，需要不同的加速計設計。

發(fā)明內(nèi)容
在更廣的方面，本發(fā)明包括一種制造三軸加速計的方法，該方法包括以下步驟提供具有第一主表面和第二主表面的絕緣材料的第一晶片，在第一晶片的第一主表面上蝕刻至少兩個空腔，將金屬在第一晶片的第一主表面上形成圖案以形成用于第三加速計的電連接，提供半導體材料的第二晶片，蝕刻第二晶片的第一主表面的一部分，將第一晶片的第一主表面粘合到第二晶片的第一主表面，從而第二晶片的至少一部分蝕刻部分在第一晶片的至少一部分金屬之上，在第二晶片的第二主表面上放置金屬并使其形成圖案，在第二晶片的第二主表面上放置掩膜層并使其形成圖案，其定義第一加速計、第二加速計和第三加速計的形狀，從而第一和第二加速計將形成在在第一晶片的第一主表面上蝕刻的空腔之上，蝕刻第二晶片的第二主表面以形成加速計，其中，第一和第二加速計每個包括至少兩組獨立的橫梁，以及從第二晶片的第二主表面去除掩膜層。
最好，晶片是絕緣材料。理想地，晶片由玻璃、硼硅酸鹽玻璃或其它等同的材料形成。
最好，用于在第一晶片的第一主表面上形成空腔的蝕刻步驟是異向性蝕刻。
最好，放置在晶片上的金屬是鉻或金?；蛘呷魏纹渌线m的金屬、金屬合金或混合物可被使用。
最好，將金屬在第一晶片的第一主表面上形成圖案的步驟形成用于第三加速計的第一電連接。
最好，將金屬在第一晶片的第一主表面上形成圖案的步驟在第一電連接任一側(cè)形成至少一個金屬板，以在第三加速計的第一電連接的每一側(cè)形成一個電容器。
最好，第二晶片由硅形成。
最好，在將第一晶片粘合到第二晶片的步驟之后，第二晶片的第二主表面被變薄到需要的厚度。
最好，通過陽極、共晶或熱壓縮粘合來執(zhí)行晶片間的粘合。
最好，放置在第二晶片的第二主表面上的金屬是鉻或金?；蛘呷魏魏线m的金屬、金屬合金或混合物可被使用。
最好，放置在第二晶片的第二主表面上的金屬形成第一和第二加速計的電連接。
最好，每組橫梁被錨定到晶片。
最好，一組橫梁包括允許橫梁移動的裝置，該裝置允許橫梁從橫梁的一端開始側(cè)面對著側(cè)面地移動。理想地，該允許橫梁移動的裝置是彈簧或系繩裝置。
最好，制造加速計的方法還包括此步驟在蝕刻晶片前掩膜晶片。
最好，制造加速計的方法還包括此步驟使用平版印刷處理將掩膜物形成圖案。


將通過僅僅作為示例而不是意圖限制性的附圖來進一步描述本發(fā)明的優(yōu)選形式的系統(tǒng)和方法。
圖1顯示具有掩膜層的第一晶片，圖2顯示掩膜層已形成圖案的第一晶片，圖3顯示空腔被蝕刻進晶片的第一主表面的第一晶片，圖4顯示在第一主表面上形成金屬的第一晶片，圖5顯示金屬被形成圖案并被蝕刻在第一主表面上的第一晶片，圖6顯示空腔被形成圖案并被蝕刻在第一主表面上的第二晶片，圖7顯示在每個晶片的第一主表面被粘合在一起的兩個晶片，圖8顯示被粘合在一起的兩個晶片，其中第二晶片的第二主表面被變薄，圖9顯示被粘合在一起的兩個晶片，其中金屬在第二晶片的第二主編面上已被形成，圖10顯示被粘合在一起的兩個晶片，其中在第二晶片的第二主表面上的金屬已被形成圖案，圖11顯示被粘合在一起的兩個晶片，其中掩膜層在第二晶片的第二主表面上形成圖案，圖12顯示被粘合在一起的兩個晶片，其中第二晶片的第二主表面被蝕刻以形成三個加速計，圖13顯示掩膜層被去除的加速計，圖14是加速計之一的平面圖，圖15是顯示第三加速計的平面圖，和圖16是顯示使用中的第三加速計的側(cè)面圖。
具體實施例方式
圖1顯示電絕緣材料的晶片1。該晶片被掩膜層4覆蓋在其第一主表面上。晶片1可由任何合適的電絕緣材料(諸如玻璃、派熱克斯玻璃或其它具有相似屬性的材料)形成。晶片1還可被掩膜層覆蓋在其第二主表面上。
可提供一種選擇的晶片安排來取代晶片1，其中，晶片由導電材料或者諸如硅的半導體材料形成。在此安排中，晶片具有放置于其第一主表面上的電絕緣層。用于絕緣層的合適的材料包括氧化物、氮化物、磷硅酸鹽玻璃、玻璃粉等。
晶片1的第一主表面或者絕緣層3放置有掩膜層4。掩膜層被形成標記，用于被形成在晶片1或者絕緣層和用于兩個加速計的晶片中的空腔。掩膜層還可被形成具有用于對齊目的的標記的圖案，所述標記對于以后階段的處理是有用的。掩膜層可由鉻和任何其它合適的材料(例如多晶硅)形成。圖2顯示已被形成圖案時的掩膜層。掩膜層的圖案可使用本領(lǐng)域技術(shù)人員所公知的并在晶片制造工業(yè)中普遍使用的平版印刷處理。
圖3顯示蝕刻進晶片1的空腔5?？墒褂煤线m的處理(諸如異向性蝕刻)來執(zhí)行蝕刻。在空腔被蝕刻之后，剩余的掩膜層被從第一主表面去除。
圖4顯示放置在晶片的第一主表面上的金屬。該金屬可以是任何合適的金屬。在優(yōu)選實施例中，該金屬是鉻和金的混合物。圖5顯示金屬的圖案形成和蝕刻，來形成用于第三加速計的電連接18和板3。
圖6顯示第二晶片6的第一掩膜、圖案形成和蝕刻步驟。晶片6由諸如硅的半導體材料形成。如從圖6(在圖15中更清楚)中可看到的，從硅的第一主表面蝕刻兩個空腔，同時在所述兩個空腔之間形成較高的區(qū)域17。掩膜層隨后被去除。
在此之后，如圖7所示，晶片6的第一主表面被粘合到晶片1的第一主表面，從而晶片6的高區(qū)域17被粘合到金屬部分18。任何合適的粘合技術(shù)可被用于將這兩個層粘合在一起。例如，合適的技術(shù)可以是陽極、共晶或熱壓縮粘合?；蛘呖墒褂萌魏纹渌线m的技術(shù)。如果晶片6比傳感器所需要的厚度厚，則如圖8所示晶片6的第二主表面被變薄到需要的厚度。使晶片6的第二主表面變薄的技術(shù)包括濕化學蝕刻、背磨、研磨、化學-機械磨光或這些以及其它技術(shù)的組合。
圖8顯示粘合在一起的晶片6和晶片1，上層具有需要的厚度。晶片6的厚度決定平面內(nèi)加速計的橫梁的厚度以及第三加速計的支柱的厚度。通過該處理形成的平面內(nèi)加速計的電容也與橫梁的厚度相關(guān)。平面內(nèi)加速計對加速度力的敏感度也與橫梁的厚度相關(guān)。橫梁越厚，則對于給定的橫梁位移，電容電荷越大。更厚的橫梁的另一效果是傳感器更大的地震或檢測質(zhì)量。這也增加了傳感器對低重力的敏感度。
在粘合晶片1和晶片6的步驟和使晶片6變薄的步驟(如果必要)之后，如圖9所示，鍍金屬7被放置在晶片6的第二主表面上。鍍金屬被用來形成可能被連接到傳感器的其它電子設備的電連接，具體地說，形成到第一和第二加速計的電連接。圖10顯示用于形成電連接的鍍金屬7的圖案形成。
處理的下一步是將掩膜層8放置在鍍金屬7和晶片6之上。使用合適的處理(諸如平版印刷處理)，掩膜層再次形成圖案。如可從圖11中看到的，掩膜層已被形成圖案來形成每個加速計的傳感器結(jié)構(gòu)。對于兩個平面內(nèi)加速計，加速計的傳感器結(jié)構(gòu)包括兩個梳子狀結(jié)構(gòu)，空腔的每一側(cè)有一個；和中心梁，在其每一側(cè)有一個梳子狀結(jié)構(gòu)。從中心梁延伸的每個梳子狀結(jié)構(gòu)與其它梳子狀結(jié)構(gòu)互相嚙合(在圖14中被更詳細地顯示)。然而，其它合適的結(jié)構(gòu)也可在掩膜物上形成。
第三加速計檢測沿著軸19的運動并具有從中心圓柱的任一側(cè)伸出的至少一個支柱。當沿著軸19不存在加速度時，第三加速計的支柱與晶片1共面。當沿著軸19出現(xiàn)加速度時，加速計翹起，這增加了金屬和圓柱17一側(cè)上的支柱之間的電容并減少了金屬和加速計的另一側(cè)上的支柱之間的電容。
在掩膜物的圖案形成之后，該掩膜物隨后如圖12所示被蝕刻，以產(chǎn)生懸于晶片1中的空腔5上方的平面內(nèi)加速計的結(jié)構(gòu)并且解放第三加速計的支柱。該蝕刻步驟可通過異向性蝕刻被執(zhí)行。在將晶片6粘合到晶片1之前形成晶片1中的空腔5以及晶片6中的空腔的步驟，去除了對通過等向性蝕刻在任何加速計的橫梁下蝕刻以釋放它們的需要。這避免了與等向性蝕刻相關(guān)聯(lián)的問題，所述問題包括等向性蝕刻消耗橫梁的大量的厚度，從而降低了傳感器的敏感度和電容。
處理的最后步驟是如圖13所示向后執(zhí)行蝕刻以從傳感器的頂部去除不想要的掩膜層9。另一可選步驟是提供鍍金屬之上的鈍化層。傳感器現(xiàn)在可使用并可被封裝至晶片級別以使得能夠?qū)⒕谐蓡为毜哪！?br> 圖14是使用本發(fā)明的方法形成的平面內(nèi)加速計的頂視圖。如可從圖14中看到的，加速計結(jié)構(gòu)懸于空腔5上方。傳感器結(jié)構(gòu)包括四組在錨塊10與晶片1錨定的固定電容板。每組電容板包括一組橫梁，這組橫梁以梳子狀的排列將一端附于一根更寬的橫梁。所述更寬的橫梁隨后被附于錨塊。第二組電容板顯示在15。這組電容板具有中心的較寬橫梁，較小的橫梁從該較寬橫梁的兩側(cè)以直角延伸。該組電容板的較寬橫梁通過彈簧裝置13被拴在錨12上。彈簧裝置13允許電容板15按箭頭16指示的方向移動。任何允許電容板在一個方向上移動的合適裝置可被使用。
每個錨塊10或12包括用作電觸點的鍍金屬的區(qū)域7。所述電觸點還可被設置在連接到錨塊10或12的晶片的其它區(qū)域。盡管錨塊都處于相同的晶片上，但底部晶片的絕緣屬性使錨塊彼此電絕緣。所述結(jié)構(gòu)下的在底部晶片中的空腔5允許所述結(jié)構(gòu)懸空并自由地對平行于晶片表面的加速度力作出反應。這允許相對于固定板而移置移動板的力所引起的電容改變被檢測到。
圖15是三軸加速計的另一平面圖。框21和22表示更詳細地顯示在圖14中的平面內(nèi)加速計。這兩個平面內(nèi)加速計彼此成直角放置，以評估三軸加速計的平面內(nèi)的兩個方向上的加速度。第三加速計測量不與三軸加速計的平面共面的加速度。例如，第三加速計將是測量垂直于傳感器的平面的加速度的唯一加速計。圖中顯示的布局不應被視為限制性的。還應該注意到，可設置多于三個加速計。
如可從圖15中看到的，鍍金屬形成到第三加速計的中心的電連接18，同時還有設置在加速計的支柱下的其它電連接3。圖15中顯示的加速計在中心的第一側(cè)有一個支柱，在中心的另一側(cè)有兩個支柱。在其它實施例中，加速計在中心的每側(cè)可具有不同數(shù)量的支柱。電通過中心被提供給支柱并與電連接3形成電容器。
如圖16所示，當例如沿著軸23的加速度發(fā)生時，第三加速計將朝著電連接3的一側(cè)或另一側(cè)翹起，減少加速計的該側(cè)的電容并增加加速計的另一側(cè)的電容。
前面描述包括其優(yōu)選形式的本發(fā)明。對于本領(lǐng)域的技術(shù)人員明顯的變更和修改應被包括在由所附權(quán)利要求定義的本發(fā)明的范圍內(nèi)。
權(quán)利要求
1.一種制造三軸加速計的方法，該方法包括以下步驟提供具有第一主表面和第二主表面的絕緣材料的第一晶片，在第一晶片的第一主表面上蝕刻至少兩個空腔，將金屬在第一晶片的第一主表面上形成圖案以形成用于第三加速計的電連接，提供半導體材料的第二晶片，蝕刻第二晶片的第一主表面的一部分，將第一晶片的第一主表面粘合到第二晶片的第一主表面，使得第二晶片的至少一部分蝕刻部分在第一晶片的至少一部分金屬之上，在第二晶片的第二主表面上沉積鍍金屬并使其形成圖案，在第二晶片的第二主表面上沉積掩膜層并使其形成圖案，其限定第一加速計、第二加速計和第三加速計的形狀，使得第一和第二加速計將形成在在第一晶片的第一主表面上蝕刻的空腔之上，蝕刻第二晶片的第二主表面以形成加速計，其中，第一和第二加速計每個包括至少兩組獨立的橫梁，以及從第二晶片的第二主表面去除掩膜層。
2.一種如權(quán)利要求1所述的制造三軸加速計的方法，其中，第一晶片是絕緣材料。
3.一種如權(quán)利要求2所述的制造三軸加速計的方法，其中，第一晶片由玻璃形成。
4.一種如權(quán)利要求2所述的制造三軸加速計的方法，其中，第一晶片由硼硅酸鹽玻璃形成。
5.一種如權(quán)利要求1至4中的任意一個所述的制造三軸加速計的方法，其中，用于在第一晶片的第一主表面上形成空腔的蝕刻步驟是異向性蝕刻。
6.一種如權(quán)利要求1至5中的任意一個所述的制造三軸加速計的方法，其中，沉積在晶片上的金屬是鉻或金。
7.一種如權(quán)利要求1至6中的任意一個所述的制造三軸加速計的方法，其中，將金屬在第一晶片的第一主表面上形成圖案的步驟形成用于第三加速計的第一電連接。
8.一種如權(quán)利要求1至7中的任意一個所述的制造三軸加速計的方法，其中，將金屬在第一晶片的第一主表面上形成圖案的步驟在第一電連接的任一側(cè)形成至少一個金屬板，以在第三加速計的第一電連接的每一側(cè)形成一個電容器。
9.一種如權(quán)利要求1至8中的任意一個所述的制造三軸加速計的方法，其中，第二晶片由硅形成。
10.一種如權(quán)利要求1至9中的任意一個所述的制造三軸加速計的方法，其中，在將第一晶片粘合到第二晶片的步驟之后，第二晶片的第二主表面被變薄到需要的厚度。
11.一種如權(quán)利要求1至10中的任意一個所述的制造三軸加速計的方法，其中，通過陽極粘合來執(zhí)行粘合晶片的步驟。
12.一種如權(quán)利要求1至10中的任意一個所述的制造三軸加速計的方法，其中，通過共晶粘合來執(zhí)行粘合晶片的步驟。
13.一種如權(quán)利要求1至10中的任意一個所述的制造三軸加速計的方法，其中，通過熱壓縮粘合來執(zhí)行粘合晶片的步驟。
14.一種如權(quán)利要求1至13中的任意一個所述的制造三軸加速計的方法，其中，沉積在第二晶片的第二主表面上的金屬是鉻或金。
15.一種如權(quán)利要求1至14中的任意一個所述的制造三軸加速計的方法，其中，沉積在第二晶片的第二主表面上的金屬形成用于第一和第二加速計的電連接。
16.一種如權(quán)利要求1所述的制造三軸加速計的方法，其中，每組橫梁被錨定到所述晶片。
17.一種如權(quán)利要求1至16中的任意一個所述的制造三軸加速計的方法，其中，一組橫梁包括允許橫梁移動的裝置，該裝置允許橫梁從橫梁的一端側(cè)面對著側(cè)面地移動。
18.一種如權(quán)利要求17所述的制造三軸加速計的方法，其中，該允許橫梁移動的裝置是彈簧或系繩裝置。
19.一種如權(quán)利要求1至18中的任意一個所述的制造三軸加速計的方法，還包括此步驟在蝕刻晶片的步驟之前掩膜晶片。
20.一種如權(quán)利要求1至19中的任意一個所述的制造三軸加速計的方法還包括此步驟使用平版印刷處理將掩膜物形成圖案。
全文摘要
本發(fā)明包括一種制造三軸加速計的方法。具有第一和第二主表面的第一晶片，在第一晶片的第一主表面上蝕刻至少兩個空腔，將金屬在第一晶片的第一主表面上形成圖案以形成用于第三加速計的電連接。第二晶片，蝕刻第二晶片的第一主表面的一部分，將第一晶片的第一主表面粘合到第二晶片的第一主表面。對放置了鍍金屬并使其形式圖案的表面進行蝕刻和粘合，并在第二晶片的第二主表面上放置掩膜層并使其形成圖案，定義第一、第二和第三加速計的形狀。第一和第二加速計將形成在在第一晶片的第一主表面上蝕刻的空腔之上。蝕刻第二晶片的第二主表面以形成加速計，其中，第一和第二加速計每個包括至少兩組獨立的橫梁。隨后從第二晶片的第二主表面去除掩膜層。
文檔編號G01P15/125GK1853106SQ200480026571
公開日2006年10月25日 申請日期2004年8月11日 優(yōu)先權(quán)日2003年8月14日
發(fā)明者凱特加瑪桑德拉姆·索利亞庫瑪, 郭杰偉, 布萊彥·K.·帕特蒙 申請人:森斯費伯私人有限公司