专利名称：制造角速率传感器的方法
技术领域：
本发明涉及角速率传感器，更具体地讲是涉及制造角速率传感器的方法。
对于种类繁多的电子测量系统而言，角速率传感器是大量需要的。例如，汽车中用于防止翻车过程中人员伤害的安全系统或防侧滑系统需要用于确定车辆的轴向定准的变化速率的装置。现有的能够为这类系统提供合适的信号的传感器，其制造成本是很高的，因为它们需要复杂的设计和相应的昂贵的制造技术。
某些已有的装置采用一个元件的静电激励和由Coriolis(科里奥利)效应所引起的元件的电容变动的检测。这些装置通常是采用绝缘体上外延硅晶片或多晶硅制造的。这类装置的局限性在于其硅晶片是非常贵的，或者多晶硅器件呈现很差的生产质量，即具有不均匀特性和内在应力，这可能导致尤其是在任何弹簧元件中产生不希望的特性。
本发明的目的是要在造价和制造简易性两方面克服已有技术的一些问题。
根据本发明，提出了一种制造角速率传感器的方法，它包括以下步骤在一个硅衬底上制备角速率传感器的各元件，这些元件包括一个或多个硅片、一个支承梁和隐埋的导体；设置检测装置；和通过阳极结合(anodic bonding)将元件密封在第一玻璃板和第二玻璃板之间的一个腔体中。
本发明使得可以采用低成本的硅晶片制造角速率传感器。
优选方案是，检测装置为通过金属淀积在第一玻璃板上形成的电极。
优选方案是，硅片、梁和衬底处于大致平行的平面中，该方法还包括如此非对称蚀刻梁的步骤，即，在使用时，它具有在一个方向上弯曲的趋势，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。
该方法还包括以下步骤在隐埋的导体上形成一个n型外延层，以保护导体防止阳极结合。
衬底优选n型单晶硅衬底。
优选方案是，隐埋的导体是由以下步骤制备的在衬底的一个表面上涂覆光致抗蚀剂掩模；在光致抗蚀剂掩模的间隙中，将离子注入衬底中；使离子向衬底中扩散。
与隐埋的导体接触的p型触点可以由以下步骤制备在衬底的一个表面上涂覆光致抗蚀剂掩模；在光致抗蚀剂掩模的间隙中，将离子注入衬底中；使离子向衬底中扩散。
优选方案是，阳极结合步骤还包括在衬底上形成一个钝化层。
该方法还包括以下步骤使衬底和第一玻璃板如此对准，即，第一和第二电极形成一个或多个电容器。
下面将参照附图描述本发明的一个例子，附图中
图1是根据本发明的工艺制造的角速率传感器的平面示意图；图2是在本发明的工艺中第一步骤之后硅晶片的截面示意图，此截面是沿图1中的线AB截取的；图3是图2所示的晶片在第二工艺步骤之后的截面示意图，此截面是沿图1中的线AB截取的；图4是图3所示的晶片在第三工艺步骤之后的截面示意图，此截面是沿图1中的线AB截取的；图5是图4所示的晶片在第四工艺步骤之后的截面示意图，此截面是沿图1中的线AB截取的；图6是图5所示的晶片在第五工艺步骤之后的截面示意图，此截面是沿图1中的线AB截取的；图7是图6所示的晶片在第六工艺步骤之后的截面示意图，此截面是沿图1中的线AB截取的；图8是图7所示的硅晶片在第七工艺步骤之后的截面示意图，此截面是沿图1中的线AB截取的；图9是图8所示的硅晶片在第八工艺步骤之后的截面示意图，此截面是沿图1中的线AB截取的；图10是图9所示的晶片在第九工艺步骤之后的截面示意图，此截面是沿图1中的线AB截取的；图11是图10所示的晶片在第十工艺步骤之后的截面示意图，此截面是沿图1中的线AB截取的；图12是图11所示的晶片在第十一工艺步骤之后的截面示意图，此截面是沿图1中的线AB截取的；图13是在第十二工艺步骤中形成的顶部玻璃板的截面示意图，此截面是沿图1中的线AB截取的；图14是图12所示的晶片和图13所示的玻璃板在第十三工艺步骤之后的截面示意图，此截面是沿图1中的线AB截取的；图15是图14所示的结构在第十五工艺步骤之后的截面示意图，此截面是沿图1中的线AB截取的。
一种角速率传感器1是采用整体硅(bulk silicon)微切削加工工艺制备的。该传感器1包括两个硅片(silicon masses)20，它们由一个支承梁连接，在这个例子中，其大致处于衬底的平面中。硅片20和支承梁被布置成具有这样的趋势在既不垂直于衬底3的平面也不平行于衬底3之平面的方向上弯曲。
由此，当在垂直于衬底3的平面的方向上对硅片20进行静电激励时，硅片20大致平行于衬底3的平面产生振动。这使得当该传感器在衬底3的平面上旋转时，硅片20要承受相当大的回转力矩。因此，与已有技术的具有不同几何结构的装置相比，由回转力矩引起的旋转是很大的，并且由这种旋转导致的电容变化可以更容易地检测。
为了实现预期的运动，激励通常发生在谐振频率上，它一般在4-10kHz的范围内。硅片20及其支承结构被封装在两个玻璃板即顶部和底部玻璃板18、19之间。顶部玻璃板18设置有一个金属图形，此图形界定了用于检测振动的电容器电极21。要检测的振动是非平面的角振动，它是在顶部玻璃板18上的电极21和硅片20之间电容性地检测到的，如图13中所示。
角速率传感器可以具有多种几何结构和设计，参照图1，角速率传感器1的一个例子具有其中示意性示出的几何结构和设计。
该制造工艺的第一步骤(工艺步骤1)是在硅晶片3的前表面4上界定一个凹口2，此凹口用作多个感测电容器的空气间隙和在压触点及引线焊点区域中的所需空间。第一光致抗蚀剂掩模层被涂敷至硅晶片3，随后通过活性离子蚀刻(RIE)处理形成一个凹口，该凹口深度为几个微米。图2示出了沿图1中的线AB截取的在工艺步骤1之后的硅晶片3的截面示意图。
可以理解的是，例如2微米的凹口深度与1微米厚的电容器电极组合将导致1微米的标称电容器间隙。当然，可能需要不同尺寸的间隙。
工艺步骤2用来界定硅片20、弹簧、一个薄支承柱和一个n阱的厚度，此n阱用于隔离后面要形成的p型隐埋导体。硅片20是通过注入磷来界定的，为了获得合适的厚度，磷被深扩散。一般厚度可以在10-20微米的范围内。在后续的湿蚀刻工艺中，由这种磷扩散和p型衬底形成的p-n结是反偏的，由此以电化学方法形成硅片20的厚度。
氧化硅热生长并且采用标准的光刻工艺和第二掩模层对其进行构图。氧化硅是通过在HF基的溶液中进行蚀刻而构图的，并且被用作注入工艺的掩模。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的串联电阻。磷扩散至特定的厚度，并且氧化物被再氧化，以在硅晶片3中形成一个用于图形识别的浅凹口。
在这个工序中，最后一步是蚀刻去除晶片3之前表面4上的氧化硅。晶片3的后表面5上的氧化物不被蚀刻，因为它被用作后续工艺的机械保护。在图3中示出了这个工艺步骤之后的简化的截面示意图。
工艺步骤3用于形成p型导体7，用于通过压触点将引线焊点与相应的电极连接，压触点是在后面的阳极结合步骤之后得到的。p型扩散图形是由第三光致抗蚀剂掩模层界定的，导体7是通过注入硼和随后的热扩散工艺形成的。进行注入，并且剥离去除光致抗蚀剂。随后，硼扩散至特定的厚度。最后，晶片前侧上的氧化物在缓冲的HF中被蚀刻。在图4中示出了工艺步骤3之后的硅晶片3的截面示意图。
工艺步骤4用于在硅晶片3的前表面4上生长一个n型外延层8，以掩埋导体7。一个单晶的n型硅层8外延生长在晶片3的整个前表面4上。在图5中示出了工艺步骤4之后的晶片的截面示意图。
应当指出的是，这个外延层加到硅片和弹簧元件的厚度上。弹簧以及硅片的厚度是由工艺步骤2中的扩散和此外延层的厚度界定的。
工艺步骤5用于蚀刻弹簧的一部分，以获得非对称的弹簧截面。在非对称弹簧的上表面中，通过湿蚀刻或干蚀刻形成一个凹槽10，如图中所示。这改变了弹簧的刚性，从而在相对于弹簧的主平面成一定角度处形成一个薄弱点。这个角度通常为4度。
首先，热生长一个掩模氧化物层9。通过采用第四掩模层，这个氧化物层在前表面4上被构图。随后，采用异向性蚀刻工艺进行湿蚀刻或干蚀刻，以形成凹槽10。在图6中示出了工艺步骤5之后的晶片3的截面示意图。
工艺步骤6用于通过外延层8形成与隐埋导体7的电连接。以光致抗蚀剂作为掩模材料，采用第五掩模层对其进行构图，通过注入硼来制备触点13。注入通常是通过一个薄的氧化硅层11进行的。在注入之后，光致抗蚀剂被剥离去除。随后，硼扩散至特定的厚度，以接触隐埋的p型导体。在图7中示出了这个工艺步骤6之后的晶片3的截面示意图。
工艺步骤7用于降低对n型外延层8的接触电阻，改善与n型区域的金属电接触，以及改善电化学蚀刻停止工艺。
采用第六光致抗蚀剂掩模形成一个浅的磷注入层14。在注入之后，光致抗蚀剂被剥离去除，并且n+注入层14被退火。在图8中示出了这个工艺步骤7之后的晶片3的截面示意图。
工艺步骤8用以制造用于金属触点13的接触孔15。接触孔15是采用第七光致抗蚀剂和氧化硅掩模层界定的，掩模层在HF基的溶液中被蚀刻。在图9中示出了在这个工艺步骤8之后的晶片3的截面示意图。
工艺步骤9用以淀积用于连接的金属并对其进行构图并且用以保证对p型和n型扩散层的电阻接触。一个高纯度的铝层16被真空淀积在接触孔15中。光致抗蚀剂被用于采用第八掩模层对铝层构图。通过湿蚀刻工艺，铝被蚀刻。在图10中示出了在这个工艺步骤9之后的晶片3的截面示意图。
工艺步骤10用以对带有氧化硅的后表面5构图，氧化硅将被用作湿蚀刻硅的掩模，并且该工艺步骤10用以进行蚀刻，以获得膜片(membranes)(在质量扩散的厚度中)和薄的支承柱。
通过异向性蚀刻，硅从后表面5被蚀刻。硅片和弹簧的厚度是借助于电化学钝化技术控制的。蚀刻停止是通过在p型衬底和n型外延层或n型阱之间的p-n结上施加反偏压实现的。
后表面氧化物定界是通过第九掩模层形成的。光致抗蚀剂被用作氧化物的图形界定物，随后它通过RIE或通过在以HF基的溶液中的湿蚀刻来被蚀刻。在整体硅的湿蚀刻之前，光致抗蚀剂被去除。
弹簧元件、硅片和薄支承柱的厚度通常在12-30微米的范围内，其中包括外延层厚度。在图11中示出了这个工艺步骤10之后的晶片3的截面示意图。
工艺步骤11是通过去除阳极结合区域中和自由硅片和弹簧结构上的氧化物来开始的。
后面的工艺步骤13中的三层阳极结合包括将玻璃结合至硅晶片3两侧上的裸露硅或薄的氧化物上。由此，从玻璃安装区域去除钝化氧化硅层。这个区域的图形是由第十光致抗蚀剂掩模层界定的。氧化物在HF基的溶液中被蚀刻。
工艺步骤11继续，通过对膜片穿孔，分离该传感器的硅片和弹簧元件，并且暴露出引线焊点区域。硅片和弹簧是通过采用RIE贯穿膜片而分离的。蚀刻区域是由第十一光致抗蚀剂掩模界定的。蚀刻之后，抗蚀剂被剥离去除。
应当指出的是，硅片和弹簧全部具有相同的厚度，此厚度是由质量扩散(mass diffusion)和外延层8之和界定的。在图12中示出了这个工艺步骤11之后的晶片3的截面示意图。
工艺步骤12是在顶部玻璃板18上淀积一个图形，用作引线焊点、连接线、检测电容器的电极21和激励元件所用的金属。
首先，淀积一个合适材料的薄的粘接层。而后，在顶部玻璃板18上真空淀积高纯度铝。光致抗蚀剂被用于采用第十二掩模层对铝构图。铝被蚀刻。在图13中示出了这个工艺步骤12之后的顶部玻璃板18的截面示意图。
工艺步骤13用于形成传感器间隙和压触点并且用于气密密封机械结构腔体。
三层阳极结合被用于将硅晶片密封于顶部玻璃板18和底部玻璃板19之间，以获得机械刚性的结构和传感器的低压(真空)气氛。在阳极结合之后，采用为了使各引线焊点区域分离所需的切割步骤。硅晶片3被置于两个玻璃板18、19之间，并且采用一个准直结合设备来使构图的顶部玻璃板18与硅晶片对准并结合。两个玻璃-硅结同时被阳极结合。在图14中示出了这个工艺步骤13之后的器件的截面示意图。
工艺步骤14用于使引线焊点分离和暴露。引线焊点是通过沿底部玻璃划线切割而分离和暴露的。最后，工艺步骤15用于分离传感器模片。传感器模片是通过沿底部玻璃划线切割而分离的。在图15中示出了这个工艺步骤15之后的器件的截面示意图。
在一个变换例中，在上述工艺的第一步骤中形成于硅衬底3中的凹口被形成在玻璃板18中。对于硅片和弹簧元件，还可以选择各种不同的厚度。
由回转力矩引起的旋转还可以由压电装置检测。虽然电容器电极将因此成为不需要的，但许多上述的步骤仍维持不变。尤其是，要采用阳极结合和结合之前的准备步骤。
总体上讲，上述制造方法需要远比已有技术的工艺少的步骤，使得制造更简单和更廉价。另外，通过隐埋的导体形成了从腔体内至外部的低电容连接。这免除了对原本较昂贵的绝缘体上外延硅衬底的需要并且使寄生电容减小到最低程度。
权利要求
1.一种制造角速率传感器的方法，包括以下步骤在一个硅衬底上制备角速率传感器的各元件，这些元件包括一个或多个硅片、一个支承梁和隐埋的导体；设置检测装置；和通过阳极结合，将元件密封在第一玻璃板和第二玻璃板之间的一个腔体中。
2.根据权利要求1的方法，其特征在于，检测装置为通过金属淀积在第一玻璃板上形成的电极。
3.根据权利要求1或2的方法，其特征在于，硅片、支承梁和衬底处于大致平行的平面中，还包括如此非对称蚀刻梁的步骤，即，在使用时，它具有在一个方向上弯曲的趋势，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.根据权利要求1-3中任一权利要求的方法，其特征在于，还包括以下步骤在隐埋的导体上形成一个n型外延层，以保护导体免于阳极结合。
5.根据权利要求1-4中任一权利要求的方法，其特征在于，衬底为n型单晶硅衬底。
6.根据权利要求1-5中任一权利要求的方法，其特征在于，隐埋的导体是由以下步骤制备的在衬底的一个表面上施加光致抗蚀剂掩模；在光致抗蚀剂掩模的间隙处将离子注入衬底中；使离子向衬底中扩散。
7.根据权利要求1-6中任一权利要求的方法，其特征在于，与隐埋的导体接触的p型触点是由以下步骤制备的在衬底的一个表面上施加光致抗蚀剂掩模；在光致抗蚀剂掩模的间隙处将离子注入衬底中；使离子向衬底中扩散。
8.根据权利要求1-7中任一权利要求的方法，其特征在于，阳极结合步骤还包括在衬底上形成一个钝化层。
9.根据权利要求8的方法，其特征在于，该方法还包括以下步骤去除顶部玻璃板和衬底的接触区域中的钝化层。
10.根据权利要求1-9中任一权利要求的方法，其特征在于，还包括以下步骤使衬底和第一玻璃板如此对准，即，第一和第二电极形成一个或多个电容器。
11.根据权利要求1-10中任一权利要求的方法，其特征在于，衬底为绝缘体上外延硅衬底。
全文摘要
一种制造角速率传感器的方法,包括以下步骤:在一个硅衬底上制备角速率传感器的各元件,该角速率传感器的这些元件包括一个或多个硅片、一个支承梁和隐埋的导体;设置检测装置;通过阳极结合,将元件密封在第一玻璃板和第二玻璃板之间的一个腔体中。这使得角速率传感器可以采用低成本的硅晶片制造。
文档编号G01P9/04GK1250871SQ9912109
公开日2000年4月19日 申请日期1999年10月12日 优先权日1998年10月12日
发明者T·克维斯特罗伊, H·雅各布森 申请人:森桑诺尔有限公司