專利名稱：制造角速率傳感器的方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明涉及角速率傳感器，更具體地講是涉及制造角速率傳感器的方法。
對于種類繁多的電子測量系統(tǒng)而言，角速率傳感器是大量需要的。例如，汽車中用于防止翻車過程中人員傷害的安全系統(tǒng)或防側(cè)滑系統(tǒng)需要用于確定車輛的軸向定準的變化速率的裝置?，F(xiàn)有的能夠為這類系統(tǒng)提供合適的信號的傳感器，其制造成本是很高的，因為它們需要復(fù)雜的設(shè)計和相應(yīng)的昂貴的制造技術(shù)。
某些已有的裝置采用一個元件的靜電激勵和由Coriolis(科里奧利)效應(yīng)所引起的元件的電容變動的檢測。這些裝置通常是采用絕緣體上外延硅晶片或多晶硅制造的。這類裝置的局限性在于其硅晶片是非常貴的，或者多晶硅器件呈現(xiàn)很差的生產(chǎn)質(zhì)量，即具有不均勻特性和內(nèi)在應(yīng)力，這可能導(dǎo)致尤其是在任何彈簧元件中產(chǎn)生不希望的特性。
本發(fā)明的目的是要在造價和制造簡易性兩方面克服已有技術(shù)的一些問題。
根據(jù)本發(fā)明，提出了一種制造角速率傳感器的方法，它包括以下步驟在一個硅襯底上制備角速率傳感器的各元件，這些元件包括一個或多個硅片、一個支承梁和隱埋的導(dǎo)體；設(shè)置檢測裝置；和通過陽極結(jié)合(anodic bonding)將元件密封在第一玻璃板和第二玻璃板之間的一個腔體中。
本發(fā)明使得可以采用低成本的硅晶片制造角速率傳感器。
優(yōu)選方案是，檢測裝置為通過金屬淀積在第一玻璃板上形成的電極。
優(yōu)選方案是，硅片、梁和襯底處于大致平行的平面中，該方法還包括如此非對稱蝕刻梁的步驟，即，在使用時，它具有在一個方向上彎曲的趨勢，此方向既具有平行于平行平面的分量也具有垂直于平行平面的分量。
該方法還包括以下步驟在隱埋的導(dǎo)體上形成一個n型外延層，以保護導(dǎo)體防止陽極結(jié)合。
襯底優(yōu)選n型單晶硅襯底。
優(yōu)選方案是，隱埋的導(dǎo)體是由以下步驟制備的在襯底的一個表面上涂覆光致抗蝕劑掩模；在光致抗蝕劑掩模的間隙中，將離子注入襯底中；使離子向襯底中擴散。
與隱埋的導(dǎo)體接觸的p型觸點可以由以下步驟制備在襯底的一個表面上涂覆光致抗蝕劑掩模；在光致抗蝕劑掩模的間隙中，將離子注入襯底中；使離子向襯底中擴散。
優(yōu)選方案是，陽極結(jié)合步驟還包括在襯底上形成一個鈍化層。
該方法還包括以下步驟使襯底和第一玻璃板如此對準，即，第一和第二電極形成一個或多個電容器。
下面將參照附圖描述本發(fā)明的一個例子，附圖中

圖1是根據(jù)本發(fā)明的工藝制造的角速率傳感器的平面示意圖；圖2是在本發(fā)明的工藝中第一步驟之后硅晶片的截面示意圖，此截面是沿圖1中的線AB截取的；圖3是圖2所示的晶片在第二工藝步驟之后的截面示意圖，此截面是沿圖1中的線AB截取的；圖4是圖3所示的晶片在第三工藝步驟之后的截面示意圖，此截面是沿圖1中的線AB截取的；圖5是圖4所示的晶片在第四工藝步驟之后的截面示意圖，此截面是沿圖1中的線AB截取的；圖6是圖5所示的晶片在第五工藝步驟之后的截面示意圖，此截面是沿圖1中的線AB截取的；圖7是圖6所示的晶片在第六工藝步驟之后的截面示意圖，此截面是沿圖1中的線AB截取的；圖8是圖7所示的硅晶片在第七工藝步驟之后的截面示意圖，此截面是沿圖1中的線AB截取的；圖9是圖8所示的硅晶片在第八工藝步驟之后的截面示意圖，此截面是沿圖1中的線AB截取的；圖10是圖9所示的晶片在第九工藝步驟之后的截面示意圖，此截面是沿圖1中的線AB截取的；圖11是圖10所示的晶片在第十工藝步驟之后的截面示意圖，此截面是沿圖1中的線AB截取的；圖12是圖11所示的晶片在第十一工藝步驟之后的截面示意圖，此截面是沿圖1中的線AB截取的；圖13是在第十二工藝步驟中形成的頂部玻璃板的截面示意圖，此截面是沿圖1中的線AB截取的；圖14是圖12所示的晶片和圖13所示的玻璃板在第十三工藝步驟之后的截面示意圖，此截面是沿圖1中的線AB截取的；圖15是圖14所示的結(jié)構(gòu)在第十五工藝步驟之后的截面示意圖，此截面是沿圖1中的線AB截取的。
一種角速率傳感器1是采用整體硅(bulk silicon)微切削加工工藝制備的。該傳感器1包括兩個硅片(silicon masses)20，它們由一個支承梁連接，在這個例子中，其大致處于襯底的平面中。硅片20和支承梁被布置成具有這樣的趨勢在既不垂直于襯底3的平面也不平行于襯底3之平面的方向上彎曲。
由此，當在垂直于襯底3的平面的方向上對硅片20進行靜電激勵時，硅片20大致平行于襯底3的平面產(chǎn)生振動。這使得當該傳感器在襯底3的平面上旋轉(zhuǎn)時，硅片20要承受相當大的回轉(zhuǎn)力矩。因此，與已有技術(shù)的具有不同幾何結(jié)構(gòu)的裝置相比，由回轉(zhuǎn)力矩引起的旋轉(zhuǎn)是很大的，并且由這種旋轉(zhuǎn)導(dǎo)致的電容變化可以更容易地檢測。
為了實現(xiàn)預(yù)期的運動，激勵通常發(fā)生在諧振頻率上，它一般在4-10kHz的范圍內(nèi)。硅片20及其支承結(jié)構(gòu)被封裝在兩個玻璃板即頂部和底部玻璃板18、19之間。頂部玻璃板18設(shè)置有一個金屬圖形，此圖形界定了用于檢測振動的電容器電極21。要檢測的振動是非平面的角振動，它是在頂部玻璃板18上的電極21和硅片20之間電容性地檢測到的，如圖13中所示。
角速率傳感器可以具有多種幾何結(jié)構(gòu)和設(shè)計，參照圖1，角速率傳感器1的一個例子具有其中示意性示出的幾何結(jié)構(gòu)和設(shè)計。
該制造工藝的第一步驟(工藝步驟1)是在硅晶片3的前表面4上界定一個凹口2，此凹口用作多個感測電容器的空氣間隙和在壓觸點及引線焊點區(qū)域中的所需空間。第一光致抗蝕劑掩模層被涂敷至硅晶片3，隨后通過活性離子蝕刻(RIE)處理形成一個凹口，該凹口深度為幾個微米。圖2示出了沿圖1中的線AB截取的在工藝步驟1之后的硅晶片3的截面示意圖。
可以理解的是，例如2微米的凹口深度與1微米厚的電容器電極組合將導(dǎo)致1微米的標稱電容器間隙。當然，可能需要不同尺寸的間隙。
工藝步驟2用來界定硅片20、彈簧、一個薄支承柱和一個n阱的厚度，此n阱用于隔離后面要形成的p型隱埋導(dǎo)體。硅片20是通過注入磷來界定的，為了獲得合適的厚度，磷被深擴散。一般厚度可以在10-20微米的范圍內(nèi)。在后續(xù)的濕蝕刻工藝中，由這種磷擴散和p型襯底形成的p-n結(jié)是反偏的，由此以電化學(xué)方法形成硅片20的厚度。
氧化硅熱生長并且采用標準的光刻工藝和第二掩模層對其進行構(gòu)圖。氧化硅是通過在HF基的溶液中進行蝕刻而構(gòu)圖的，并且被用作注入工藝的掩模。磷被注入在前表面4上，而后表面5被注入硼，以降低晶片3的串聯(lián)電阻。磷擴散至特定的厚度，并且氧化物被再氧化，以在硅晶片3中形成一個用于圖形識別的淺凹口。
在這個工序中，最后一步是蝕刻去除晶片3之前表面4上的氧化硅。晶片3的后表面5上的氧化物不被蝕刻，因為它被用作后續(xù)工藝的機械保護。在圖3中示出了這個工藝步驟之后的簡化的截面示意圖。
工藝步驟3用于形成p型導(dǎo)體7，用于通過壓觸點將引線焊點與相應(yīng)的電極連接，壓觸點是在后面的陽極結(jié)合步驟之后得到的。p型擴散圖形是由第三光致抗蝕劑掩模層界定的，導(dǎo)體7是通過注入硼和隨后的熱擴散工藝形成的。進行注入，并且剝離去除光致抗蝕劑。隨后，硼擴散至特定的厚度。最后，晶片前側(cè)上的氧化物在緩沖的HF中被蝕刻。在圖4中示出了工藝步驟3之后的硅晶片3的截面示意圖。
工藝步驟4用于在硅晶片3的前表面4上生長一個n型外延層8，以掩埋導(dǎo)體7。一個單晶的n型硅層8外延生長在晶片3的整個前表面4上。在圖5中示出了工藝步驟4之后的晶片的截面示意圖。
應(yīng)當指出的是，這個外延層加到硅片和彈簧元件的厚度上。彈簧以及硅片的厚度是由工藝步驟2中的擴散和此外延層的厚度界定的。
工藝步驟5用于蝕刻彈簧的一部分，以獲得非對稱的彈簧截面。在非對稱彈簧的上表面中，通過濕蝕刻或干蝕刻形成一個凹槽10，如圖中所示。這改變了彈簧的剛性，從而在相對于彈簧的主平面成一定角度處形成一個薄弱點。這個角度通常為4度。
首先，熱生長一個掩模氧化物層9。通過采用第四掩模層，這個氧化物層在前表面4上被構(gòu)圖。隨后，采用異向性蝕刻工藝進行濕蝕刻或干蝕刻，以形成凹槽10。在圖6中示出了工藝步驟5之后的晶片3的截面示意圖。
工藝步驟6用于通過外延層8形成與隱埋導(dǎo)體7的電連接。以光致抗蝕劑作為掩模材料，采用第五掩模層對其進行構(gòu)圖，通過注入硼來制備觸點13。注入通常是通過一個薄的氧化硅層11進行的。在注入之后，光致抗蝕劑被剝離去除。隨后，硼擴散至特定的厚度，以接觸隱埋的p型導(dǎo)體。在圖7中示出了這個工藝步驟6之后的晶片3的截面示意圖。
工藝步驟7用于降低對n型外延層8的接觸電阻，改善與n型區(qū)域的金屬電接觸，以及改善電化學(xué)蝕刻停止工藝。
采用第六光致抗蝕劑掩模形成一個淺的磷注入層14。在注入之后，光致抗蝕劑被剝離去除，并且n+注入層14被退火。在圖8中示出了這個工藝步驟7之后的晶片3的截面示意圖。
工藝步驟8用以制造用于金屬觸點13的接觸孔15。接觸孔15是采用第七光致抗蝕劑和氧化硅掩模層界定的，掩模層在HF基的溶液中被蝕刻。在圖9中示出了在這個工藝步驟8之后的晶片3的截面示意圖。
工藝步驟9用以淀積用于連接的金屬并對其進行構(gòu)圖并且用以保證對p型和n型擴散層的電阻接觸。一個高純度的鋁層16被真空淀積在接觸孔15中。光致抗蝕劑被用于采用第八掩模層對鋁層構(gòu)圖。通過濕蝕刻工藝，鋁被蝕刻。在圖10中示出了在這個工藝步驟9之后的晶片3的截面示意圖。
工藝步驟10用以對帶有氧化硅的后表面5構(gòu)圖，氧化硅將被用作濕蝕刻硅的掩模，并且該工藝步驟10用以進行蝕刻，以獲得膜片(membranes)(在質(zhì)量擴散的厚度中)和薄的支承柱。
通過異向性蝕刻，硅從后表面5被蝕刻。硅片和彈簧的厚度是借助于電化學(xué)鈍化技術(shù)控制的。蝕刻停止是通過在p型襯底和n型外延層或n型阱之間的p-n結(jié)上施加反偏壓實現(xiàn)的。
后表面氧化物定界是通過第九掩模層形成的。光致抗蝕劑被用作氧化物的圖形界定物，隨后它通過RIE或通過在以HF基的溶液中的濕蝕刻來被蝕刻。在整體硅的濕蝕刻之前，光致抗蝕劑被去除。
彈簧元件、硅片和薄支承柱的厚度通常在12-30微米的范圍內(nèi)，其中包括外延層厚度。在圖11中示出了這個工藝步驟10之后的晶片3的截面示意圖。
工藝步驟11是通過去除陽極結(jié)合區(qū)域中和自由硅片和彈簧結(jié)構(gòu)上的氧化物來開始的。
后面的工藝步驟13中的三層陽極結(jié)合包括將玻璃結(jié)合至硅晶片3兩側(cè)上的裸露硅或薄的氧化物上。由此，從玻璃安裝區(qū)域去除鈍化氧化硅層。這個區(qū)域的圖形是由第十光致抗蝕劑掩模層界定的。氧化物在HF基的溶液中被蝕刻。
工藝步驟11繼續(xù)，通過對膜片穿孔，分離該傳感器的硅片和彈簧元件，并且暴露出引線焊點區(qū)域。硅片和彈簧是通過采用RIE貫穿膜片而分離的。蝕刻區(qū)域是由第十一光致抗蝕劑掩模界定的。蝕刻之后，抗蝕劑被剝離去除。
應(yīng)當指出的是，硅片和彈簧全部具有相同的厚度，此厚度是由質(zhì)量擴散(mass diffusion)和外延層8之和界定的。在圖12中示出了這個工藝步驟11之后的晶片3的截面示意圖。
工藝步驟12是在頂部玻璃板18上淀積一個圖形，用作引線焊點、連接線、檢測電容器的電極21和激勵元件所用的金屬。
首先，淀積一個合適材料的薄的粘接層。而后，在頂部玻璃板18上真空淀積高純度鋁。光致抗蝕劑被用于采用第十二掩模層對鋁構(gòu)圖。鋁被蝕刻。在圖13中示出了這個工藝步驟12之后的頂部玻璃板18的截面示意圖。
工藝步驟13用于形成傳感器間隙和壓觸點并且用于氣密密封機械結(jié)構(gòu)腔體。
三層陽極結(jié)合被用于將硅晶片密封于頂部玻璃板18和底部玻璃板19之間，以獲得機械剛性的結(jié)構(gòu)和傳感器的低壓(真空)氣氛。在陽極結(jié)合之后，采用為了使各引線焊點區(qū)域分離所需的切割步驟。硅晶片3被置于兩個玻璃板18、19之間，并且采用一個準直結(jié)合設(shè)備來使構(gòu)圖的頂部玻璃板18與硅晶片對準并結(jié)合。兩個玻璃-硅結(jié)同時被陽極結(jié)合。在圖14中示出了這個工藝步驟13之后的器件的截面示意圖。
工藝步驟14用于使引線焊點分離和暴露。引線焊點是通過沿底部玻璃劃線切割而分離和暴露的。最后，工藝步驟15用于分離傳感器模片。傳感器模片是通過沿底部玻璃劃線切割而分離的。在圖15中示出了這個工藝步驟15之后的器件的截面示意圖。
在一個變換例中，在上述工藝的第一步驟中形成于硅襯底3中的凹口被形成在玻璃板18中。對于硅片和彈簧元件，還可以選擇各種不同的厚度。
由回轉(zhuǎn)力矩引起的旋轉(zhuǎn)還可以由壓電裝置檢測。雖然電容器電極將因此成為不需要的，但許多上述的步驟仍維持不變。尤其是，要采用陽極結(jié)合和結(jié)合之前的準備步驟。
總體上講，上述制造方法需要遠比已有技術(shù)的工藝少的步驟，使得制造更簡單和更廉價。另外，通過隱埋的導(dǎo)體形成了從腔體內(nèi)至外部的低電容連接。這免除了對原本較昂貴的絕緣體上外延硅襯底的需要并且使寄生電容減小到最低程度。
權(quán)利要求
1.一種制造角速率傳感器的方法，包括以下步驟在一個硅襯底上制備角速率傳感器的各元件，這些元件包括一個或多個硅片、一個支承梁和隱埋的導(dǎo)體；設(shè)置檢測裝置；和通過陽極結(jié)合，將元件密封在第一玻璃板和第二玻璃板之間的一個腔體中。
2.根據(jù)權(quán)利要求1的方法，其特征在于，檢測裝置為通過金屬淀積在第一玻璃板上形成的電極。
3.根據(jù)權(quán)利要求1或2的方法，其特征在于，硅片、支承梁和襯底處于大致平行的平面中，還包括如此非對稱蝕刻梁的步驟，即，在使用時，它具有在一個方向上彎曲的趨勢，此方向既具有平行于平行平面的分量也具有垂直于平行平面的分量。
4.根據(jù)權(quán)利要求1-3中任一權(quán)利要求的方法，其特征在于，還包括以下步驟在隱埋的導(dǎo)體上形成一個n型外延層，以保護導(dǎo)體免于陽極結(jié)合。
5.根據(jù)權(quán)利要求1-4中任一權(quán)利要求的方法，其特征在于，襯底為n型單晶硅襯底。
6.根據(jù)權(quán)利要求1-5中任一權(quán)利要求的方法，其特征在于，隱埋的導(dǎo)體是由以下步驟制備的在襯底的一個表面上施加光致抗蝕劑掩模；在光致抗蝕劑掩模的間隙處將離子注入襯底中；使離子向襯底中擴散。
7.根據(jù)權(quán)利要求1-6中任一權(quán)利要求的方法，其特征在于，與隱埋的導(dǎo)體接觸的p型觸點是由以下步驟制備的在襯底的一個表面上施加光致抗蝕劑掩模；在光致抗蝕劑掩模的間隙處將離子注入襯底中；使離子向襯底中擴散。
8.根據(jù)權(quán)利要求1-7中任一權(quán)利要求的方法，其特征在于，陽極結(jié)合步驟還包括在襯底上形成一個鈍化層。
9.根據(jù)權(quán)利要求8的方法，其特征在于，該方法還包括以下步驟去除頂部玻璃板和襯底的接觸區(qū)域中的鈍化層。
10.根據(jù)權(quán)利要求1-9中任一權(quán)利要求的方法，其特征在于，還包括以下步驟使襯底和第一玻璃板如此對準，即，第一和第二電極形成一個或多個電容器。
11.根據(jù)權(quán)利要求1-10中任一權(quán)利要求的方法，其特征在于，襯底為絕緣體上外延硅襯底。
全文摘要
一種制造角速率傳感器的方法,包括以下步驟:在一個硅襯底上制備角速率傳感器的各元件,該角速率傳感器的這些元件包括一個或多個硅片、一個支承梁和隱埋的導(dǎo)體;設(shè)置檢測裝置;通過陽極結(jié)合,將元件密封在第一玻璃板和第二玻璃板之間的一個腔體中。這使得角速率傳感器可以采用低成本的硅晶片制造。
文檔編號G01P9/04GK1250871SQ9912109
公開日2000年4月19日 申請日期1999年10月12日 優(yōu)先權(quán)日1998年10月12日
發(fā)明者T·克維斯特羅伊, H·雅各布森 申請人:森桑諾爾有限公司