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技術 環境的に堅牢なディスク状共振器ジャイロスコープ

出願人 ザ・ボーイング・カンパニー
発明者 ゲ,ハワード,エイチ.チャロナー,アンソニー,ディー.
出願日 2015年1月23日 (6年3ヶ月経過) 出願番号 2015-011355
公開日 2015年7月2日 (5年10ヶ月経過) 公開番号 2015-121551
状態 特許登録済
技術分野 ジャイロスコープ 圧力センサ
主要キーワード 放射状対称 高台部分 ワイヤトレース 総合歩留まり 静電気センサ 垂直貫通 回転マス 特定周波数範囲
関連する未来課題
重要な関連分野

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図面 (15)

課題

外部温度及び応力の影響をほとんど受けないマイクロ加工ディスク状共振器ジャイロスコープを提供する。

解決手段

集積された絶縁体は、電極ウェハと同じウェハ上に作製され、複数の集積絶縁梁210を形成する。絶縁層204の中央領域208に支持された共振器202は絶縁梁210によって外部から熱的かつ機械的に絶縁される。更に、ゲッター226及び衝撃緩和部224を内蔵するキャップ層220により真空封止を形成する。

概要

背景

機械式ジャイロスコープを使用して、移動しているプラットフォームの方向を、内側に移動しているプルーフマスに関して検出される慣性運動に基づいて求める。代表的な電気機械式ジャイロスコープは、吊り下げられたプルーフマス、ジャイロスコープケースピックオフ、またはセンサトルカーまたはアクチュエータ、及び読み取り電子装置を含む。慣性プルーフマスはジャイロスコープケースから内側に吊り下げられ、このジャイロスコープケースは、プラットフォームに固く取り付けられ、プラットフォームの慣性運動を伝達するのに対し、そうでない場合はプルーフマスを外乱から絶縁する。プルーフマスの内部運動を検出するピックオフ、この運動を維持または調整するトルカー、及びプルーフマスに極めて近接させる必要がある読み取り電子装置は、ケースに内側から取り付けられ、このケースが、プラットフォーム電子装置及び電源との電気貫通接続部にもなる。ケースは、ジャイロスコープを輸送手段プラットフォームに取り付け、輸送手段プラットフォームに位置合わせするための標準的な機械インターフェースにもなる。種々の形態では、ジャイロスコープは多くの場合、航空機および宇宙船のような輸送手段の重要なセンサとして用いられる。これらのジャイロスコープは普通、ナビゲーションに有用であるか、または自由物体の向きを自律的に求める必要がある場合に必ず有用となる。

より古い従来の機械式ジャイロスコープは、今日の規格からみると非常に重い機構であり、比較的大きい回転マスを用いていた。多数の最新技術により、レーザジャイロスコープ及び光ファイバジャイロスコープのような光学式ジャイロスコープのみならず、機械振動型ジャイロスコープを含む新規の形態のジャイロスコープが出現している。

宇宙船は一般的に、姿勢制御支援する慣性速度センサ装置に依存する。現在この姿勢制御は多くの場合、従来の高価な回転マスジャイロ(例えば、ケアフォットの慣性基準装置)、または従来の加工振動型ジャイロスコープ(例えば、リットンの半球形共振器ジャイロスコープ慣性基準装置)を用いて行なわれる。しかしながら、これらの装置は共に非常に高価であり、大きく、かつ重い。

更に、これまでの幾つかの対称振動型ジャイロスコープが製造されているが、これらのジャイロスコープの振動体の運動量はケースを介して輸送手段プラットフォームに直接伝達される。この伝達またはカップリングによって、慣性速度入力と区別が付かない外乱およびエネルギー損失を吸収してしまうので、検出エラー及びドリフトが生じる。そのような振動型ジャイロスコープの1つの例を、タンらによる特許文献1に見出すことができ、この文献には、対称クローバー葉状の振動型ジャイロスコープ構造が記載されている。他の平面型音叉ジャイロスコープは、振動ベースプレートからかなりの程度絶縁することができるが、これらのジャイロスコープは、調整動作に望ましい振動の対称性欠けている。

更に、半球形の共振器ジャイロスコープ及び振動薄型リングジャイロスコープのようなシェルモードジャイロスコープは、かなり望ましい絶縁性、及び振動の対称性を有することが知られている。しかしながら、これらの構造は、プレーナ技術による薄いシリコン微細加工には適していない、またはプレーナ技術による薄いシリコンの微細加工に関して大きな制約がある。半球形の共振器では、高感度静電気センサ及び有効アクチュエータに対応して、半球の極めて広い円筒状の側面を用いる。しかしながら、当該半球形の共振器の高いアスペクト比および3次元湾曲した幾何学形状は、プレーナ技術による薄いシリコンの安価な微細加工には適していない。薄型リングジャイロスコープ(例えば、特許文献2には、プレーナ技術によるシリコンの微細加工には適するが、デバイスの極めて広い平坦領域を利用する静電気センサ及びアクチュエータが無い。更に、このジャイロスコープのケースは、共振プルーフマスと同じ材料ではないので、共振プルーフマスに対するピックオフ及びトルカーの位置整合状態が、温度とともに変化し、ジャイロスコープがドリフトしてしまう。

ケースの、またはケース内部の共振器の低周波耐震支持材を使用する振動絶縁も知られている(例えば、特許文献3)。しかしながら、このように絶縁を強化すると、それに比例して耐震設計質量が重くなり、/または支持周波数が低くなるという不具合を伴う。これらの両方の影響は、プルーフマスが加速状態では位置整合状態にならないので、小型で事的な慣性測定ユニットIMU)用途には望ましくない。

近年、埋め込み静電電極を使用するディスクを備えることにより励振及び検出を行なう画期的な共振器構造マイクロジャイロ用に開発されている。一般的に、これらの電極は、共振器とともに、ベースプレートに選択的に接着されるウェハ貫通エッチングを施すことにより形成される。このようにして貫通エッチングされる側壁は電極と共振器との間の容量性ギャップを形成し、電極及び共振器は、ベースプレートに別々に接着されたままとなる。ディスクの3次元振動モードが発生し、検出されて角速度が測定される。このようなディスク状共振器ジャイロスコープ(DRG)及び用途の幾つかの開発が既に行なわれている。

しかしながら、ディスク状共振器ジャイロスコープ(DRG)構造の改良が必要である。例えば、現在のDRGチップは、環境による影響に耐える能力限界がある。DRGに関する個別パッケージング技術に頼ると、費用が高く付き、かつ信頼性が落ちる。DRGチップとパッケージ材料との熱膨張係数(CTE)の不一致は、温度変化による内部応力を生じ得る。更に、DRGとパッケージングとの間の残留応力によって、不安定なセンサ挙動が経時的に生じ得る。DRGチップと外部パッケージとを固く接着すると、応力及び振動が伝達されて、周囲条件に対するデバイスの感度が高くなり過ぎる虞があり、大きい中央接着領域能動センサ素子に近接すると、応力及び温度に対する感度が悪化する可能性がある。

これまでの説明に鑑みて、DRGの応用分野では、これらのDRGを周囲環境に対して堅牢にし、或る範囲の環境における高信頼度の、長期間に亘る動作を確保することができるようにする必要がある。DRGに関するこのような技術が宇宙空間用途で特に必要になる。更に、このようなDRGを完全性の高い真空ケースを用いて製造する必要がある。更には、このようなDRGが、匹敵する共振器ジャイロスコープと同等の、または匹敵する共振器ジャイロスコープよりも優れた性能を持つようにする必要がある。以下に詳述するように、本発明は、全てのこれらの必要性、及び他の必要性を満たす。

概要

外部温度及び応力の影響をほとんど受けないマイクロ加工ディスク状共振器ジャイロスコープを提供する。集積された絶縁体は、電極ウェハと同じウェハ上に作製され、複数の集積絶縁梁210を形成する。絶縁層204の中央領域208に支持された共振器202は絶縁梁210によって外部から熱的かつ機械的に絶縁される。更に、ゲッター226及び衝撃緩和部224を内蔵するキャップ層220により真空封止を形成する。

目的

全体的な効果は、ジャイロスコープのバイアス及びスケールファクタに対する環境による影響を低減することである

効果

実績

技術文献被引用数
0件
牽制数
0件

この技術が所属する分野

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請求項1

共振器ジャイロスコープ(200)を形成する方法(1400)であって、絶縁層(204、400、700、1100)をエッチングして、各々の第1端部が前記絶縁層の中央領域(208)に、第2端部が前記絶縁層の周辺部にそれぞれ接続される、複数の絶縁梁(210、608、1108)を形成すること(1402)と、前記絶縁層を選択的に接着して、共振器層(202、700、1004、1006)及び静電電極(124、206、708、1010)を前記絶縁層の中央領域において支持すること(1404)と、共振器を、前記静電電極を有する前記共振器層からエッチングすることであって、前記電極側壁ディスク状共振器共振器側壁と相互作用することにより、前記共振器の振動モードが前記静電電極によって励起され、検出されて、前記共振器の運動が測定されること(1406)と、支持層(122、214)を接着して前記絶縁層の前記周辺部を支持すること(1408)とを含む方法(1400)。

請求項2

前記絶縁層が、前記中央領域の前記埋め込み静電電極に接続されて、前記複数の絶縁梁を経由して前記周辺部に達する金属トレース(230、600、604、1106)を含む、請求項1に記載の方法。

請求項3

前記金属トレースが、前記周辺部の前記絶縁層から前記支持層内の導電性貫通接続部(110、216、610、1102、1204)まで延在するように接続される、請求項2に記載の方法。

請求項4

前記支持層内の前記導電性貫通接続部がボールグリッドアレイ(BGA)(900、1308)に接続される、請求項3に記載の方法。

請求項5

前記複数の絶縁梁が放射状対称部分円形梁を含む、請求項1ないし4のいずれか1項に記載の方法。

請求項6

前記支持層が、前記共振器を支持する前記絶縁層の前記中央領域の動きを制限する1つ以上の衝撃緩和部(222、1206)を含む、請求項1ないし5のいずれか1項に記載の方法。

請求項7

前記振動モードが前記共振器の3次元振動モードを含む、請求項1ないし6のいずれか1項に記載の方法。

請求項8

更に、キャップ(220、800、1300)を接着して前記共振器を封止することにより、前記共振器の周り、及び前記絶縁層の前記中央領域の周りに、前記キャップ層と前記支持層との間において、真空を形成することを含む、請求項1ないし7のいずれか1項に記載の方法。

請求項9

前記キャップの内部には、真空の形成を助ける薄膜ゲッター材料(226、810、1306)が更に含まれる、請求項8に記載の方法。

請求項10

前記キャップの内部には、前記共振器を支持する前記絶縁層の前記中央領域の動きを制限する1つ以上の衝撃緩和部(224、808、1304)が含まれる、請求項8に記載の方法。

請求項11

前記共振器、前記絶縁層、及び前記支持層がシリコンを含む、請求項1ないし10のいずれか1項に記載の方法。

請求項12

前記共振器、前記絶縁層、及び前記支持層が石英を含む、請求項1ないし10のいずれか1項に記載の方法。

請求項13

振動モードを使用して運動を測定する共振器手段(202、700、1004、1006)と、前記共振器手段を中央領域(208)において支持する絶縁層手段(204、400、700、1100)であって、各々の第1端部が前記絶縁層の前記中央領域に、第2端部が前記絶縁層の周辺部に、それぞれ接続される複数の絶縁梁(210、608、1108)を含む前記絶縁層手段(204、400、700、1100)と、前記絶縁層手段の前記周辺部を支持する支持層手段(122、214)とを備える共振器ジャイロスコープ(200)。

請求項14

前記絶縁層が、前記中央領域の静電電極(124、206、708、1010)に接続されて、前記複数の絶縁梁を経由して前記周辺部まで延在する金属トレース(230、600、604、1106)を含み、前記金属トレースが、前記周辺部の前記絶縁層から前記支持層内の導電性貫通接続部(110、216、610、1102、1204)まで延在するように接続され、前記支持層内の前記導電性貫通接続部がボールグリッドアレイ(BGA)(900、1308)に接続されている、請求項13に記載の共振器ジャイロスコープ。

請求項15

前記共振器を封止するキャップ(220、800、1300)を更に備え、前記キャップの内部には、前記共振器を支持する前記絶縁層の前記中央領域の動きを制限する1つ以上の衝撃緩和部(224、808、1304)が含まれ、前記キャップの内部には、薄膜ゲッター材料(226、810、1306)が更に含まれ、前記共振器の周り、及び前記絶縁層の前記中央領域の周りに、前記キャップ層と前記支持層との間において、真空が形成される、請求項13又は14に記載の共振器ジャイロスコープ。

技術分野

0001

本開示はジャイロスコープに関するものであり、特にディスク状共振器ジャイロスコープの製造に関するものである。更に具体的には、本発明は、絶縁ケース付きディスク状共振器ジャイロスコープの製造に関するものである。

背景技術

0002

機械式ジャイロスコープを使用して、移動しているプラットフォームの方向を、内側に移動しているプルーフマスに関して検出される慣性運動に基づいて求める。代表的な電気機械式ジャイロスコープは、吊り下げられたプルーフマス、ジャイロスコープケースピックオフ、またはセンサトルカーまたはアクチュエータ、及び読み取り電子装置を含む。慣性プルーフマスはジャイロスコープケースから内側に吊り下げられ、このジャイロスコープケースは、プラットフォームに固く取り付けられ、プラットフォームの慣性運動を伝達するのに対し、そうでない場合はプルーフマスを外乱から絶縁する。プルーフマスの内部運動を検出するピックオフ、この運動を維持または調整するトルカー、及びプルーフマスに極めて近接させる必要がある読み取り電子装置は、ケースに内側から取り付けられ、このケースが、プラットフォーム電子装置及び電源との電気貫通接続部にもなる。ケースは、ジャイロスコープを輸送手段プラットフォームに取り付け、輸送手段プラットフォームに位置合わせするための標準的な機械インターフェースにもなる。種々の形態では、ジャイロスコープは多くの場合、航空機および宇宙船のような輸送手段の重要なセンサとして用いられる。これらのジャイロスコープは普通、ナビゲーションに有用であるか、または自由物体の向きを自律的に求める必要がある場合に必ず有用となる。

0003

より古い従来の機械式ジャイロスコープは、今日の規格からみると非常に重い機構であり、比較的大きい回転マスを用いていた。多数の最新技術により、レーザジャイロスコープ及び光ファイバジャイロスコープのような光学式ジャイロスコープのみならず、機械振動型ジャイロスコープを含む新規の形態のジャイロスコープが出現している。

0004

宇宙船は一般的に、姿勢制御支援する慣性速度センサ装置に依存する。現在この姿勢制御は多くの場合、従来の高価な回転マスジャイロ(例えば、ケアフォットの慣性基準装置)、または従来の加工振動型ジャイロスコープ(例えば、リットンの半球形共振器ジャイロスコープ慣性基準装置)を用いて行なわれる。しかしながら、これらの装置は共に非常に高価であり、大きく、かつ重い。

0005

更に、これまでの幾つかの対称振動型ジャイロスコープが製造されているが、これらのジャイロスコープの振動体の運動量はケースを介して輸送手段プラットフォームに直接伝達される。この伝達またはカップリングによって、慣性速度入力と区別が付かない外乱およびエネルギー損失を吸収してしまうので、検出エラー及びドリフトが生じる。そのような振動型ジャイロスコープの1つの例を、タンらによる特許文献1に見出すことができ、この文献には、対称クローバー葉状の振動型ジャイロスコープ構造が記載されている。他の平面型音叉ジャイロスコープは、振動ベースプレートからかなりの程度絶縁することができるが、これらのジャイロスコープは、調整動作に望ましい振動の対称性欠けている。

0006

更に、半球形の共振器ジャイロスコープ及び振動薄型リングジャイロスコープのようなシェルモードジャイロスコープは、かなり望ましい絶縁性、及び振動の対称性を有することが知られている。しかしながら、これらの構造は、プレーナ技術による薄いシリコン微細加工には適していない、またはプレーナ技術による薄いシリコンの微細加工に関して大きな制約がある。半球形の共振器では、高感度静電気センサ及び有効アクチュエータに対応して、半球の極めて広い円筒状の側面を用いる。しかしながら、当該半球形の共振器の高いアスペクト比および3次元湾曲した幾何学形状は、プレーナ技術による薄いシリコンの安価な微細加工には適していない。薄型リングジャイロスコープ(例えば、特許文献2には、プレーナ技術によるシリコンの微細加工には適するが、デバイスの極めて広い平坦領域を利用する静電気センサ及びアクチュエータが無い。更に、このジャイロスコープのケースは、共振プルーフマスと同じ材料ではないので、共振プルーフマスに対するピックオフ及びトルカーの位置整合状態が、温度とともに変化し、ジャイロスコープがドリフトしてしまう。

0007

ケースの、またはケース内部の共振器の低周波耐震支持材を使用する振動絶縁も知られている(例えば、特許文献3)。しかしながら、このように絶縁を強化すると、それに比例して耐震設計質量が重くなり、/または支持周波数が低くなるという不具合を伴う。これらの両方の影響は、プルーフマスが加速状態では位置整合状態にならないので、小型で事的な慣性測定ユニットIMU)用途には望ましくない。

0008

近年、埋め込み静電電極を使用するディスクを備えることにより励振及び検出を行なう画期的な共振器構造マイクロジャイロ用に開発されている。一般的に、これらの電極は、共振器とともに、ベースプレートに選択的に接着されるウェハ貫通エッチングを施すことにより形成される。このようにして貫通エッチングされる側壁は電極と共振器との間の容量性ギャップを形成し、電極及び共振器は、ベースプレートに別々に接着されたままとなる。ディスクの3次元振動モードが発生し、検出されて角速度が測定される。このようなディスク状共振器ジャイロスコープ(DRG)及び用途の幾つかの開発が既に行なわれている。

0009

しかしながら、ディスク状共振器ジャイロスコープ(DRG)構造の改良が必要である。例えば、現在のDRGチップは、環境による影響に耐える能力限界がある。DRGに関する個別パッケージング技術に頼ると、費用が高く付き、かつ信頼性が落ちる。DRGチップとパッケージ材料との熱膨張係数(CTE)の不一致は、温度変化による内部応力を生じ得る。更に、DRGとパッケージングとの間の残留応力によって、不安定なセンサ挙動が経時的に生じ得る。DRGチップと外部パッケージとを固く接着すると、応力及び振動が伝達されて、周囲条件に対するデバイスの感度が高くなり過ぎる虞があり、大きい中央接着領域能動センサ素子に近接すると、応力及び温度に対する感度が悪化する可能性がある。

0010

これまでの説明に鑑みて、DRGの応用分野では、これらのDRGを周囲環境に対して堅牢にし、或る範囲の環境における高信頼度の、長期間に亘る動作を確保することができるようにする必要がある。DRGに関するこのような技術が宇宙空間用途で特に必要になる。更に、このようなDRGを完全性の高い真空ケースを用いて製造する必要がある。更には、このようなDRGが、匹敵する共振器ジャイロスコープと同等の、または匹敵する共振器ジャイロスコープよりも優れた性能を持つようにする必要がある。以下に詳述するように、本発明は、全てのこれらの必要性、及び他の必要性を満たす。

先行技術

0011

米国特許第5894090号
米国特許第6282958号
米国特許第6009751号

0012

外部温度及び応力の影響をほとんど受けないように設計されるマイクロ加工ディスク状共振器ジャイロスコープ(DRG)が開示される。DRGは、角速度を測定する振動型ジャイロスコープであり、この振動型ジャイロスコープは、外部温度及び機械的な応力に対する感度が低くなるように設計される。DRGは集積された絶縁体を特徴とする。この集積された絶縁体は、電極と同じウェハ上に作製されて、複数の集積絶縁梁を形成する。更に、DRGは、ウェハレベル気密真空封止部、フリップチップボールグリッドアレイ(BGA)、及び垂直電気貫通接続部を含むことにより、信頼性を高め、製造コストを低減することができる。追加の支持層は、衝撃緩和部、垂直電気貫通接続部、及びフリップチップBGAと一緒に使用することができる。ゲッター及び衝撃緩和部を内蔵するパイレックスキャップまたは石英キャップを用いることができる。記載される方法によって、温度変化及び機械的な応力のような外部環境に対するDRGの感度を低くすることができ、更に、高価なLCCパッケージの必要を無くすことができる。

0013

本発明の代表的な共振器ジャイロスコープの実施形態は、静電電極を有する共振器であって、電極側壁が共振器の側壁と相互作用することにより、前記共振器の振動モードが前記静電電極によって励起され、検出されて、その運動が測定される共振器と、前記共振器及び前記静電電極を中央領域において支持する絶縁層であって、各々の第1端部が前記絶縁層の前記中央領域に、第2端部が前記絶縁層の周辺部にそれぞれ接続される複数の絶縁梁を含む前記絶縁層と、前記絶縁層の前記周辺部を支持する支持層とを備える。通常、前記絶縁層は、前記中央領域の前記埋め込み静電電極に接続されて、前記複数の絶縁梁を経由して前記周辺部まで延在する金属トレースを含む。前記金属トレースは、前記周辺部の前記絶縁層から前記支持層内の導電性貫通接続部まで延在するように接続することができる。前記支持層内の前記導電性貫通接続部は、ボールグリッドアレイ(BGA)に接続することができる。

0014

幾つかの実施形態では、前記複数の絶縁梁は、放射状対称熱的/機械的絶縁梁を含むことができる。更に、前記支持層は、前記ディスク状共振器を支持する前記絶縁層の前記中央領域の動きを制限する1つ以上の衝撃緩和部を含むことができる。前記振動モードは通常、前記共振器の3次元振動モードを含む。前記共振器、前記絶縁層、及び前記支持層はシリコンを含むことができる。別の構成として、前記共振器、前記絶縁層、及び前記支持層は石英を含むことができる。

0015

別の実施形態は、前記共振器を封止するキャップを含むことができ、前記キャップの内部には、前記共振器を支持する前記絶縁層の前記中央領域の動きを制限する1つ以上の衝撃緩和部が含まれる。前記キャップの内部には更に、薄膜ゲッター材料が含まれる。真空は、前記共振器の周り、及び前記絶縁層の前記中央領域の周りに、前記キャップ層と前記支持層との間において、形成される。

0016

同様にして、共振器ジャイロスコープを製造する代表的な方法は、絶縁層をエッチングして、各々の第1端部が前記絶縁層の中央領域に、第2端部が前記絶縁層の周辺部に、それぞれ接続される複数の絶縁梁を形成することと、前記絶縁層を選択的に接着して、共振器層及び静電電極を前記絶縁層の中央領域において支持することと、共振器を、前記静電電極を有する前記共振器層からエッチングすることであって、前記電極側壁がディスク状共振器の共振器側壁と相互作用することにより、前記共振器の振動モードが前記静電電極によって励起され、検出されて、前記共振器の運動が測定されることと、支持層を接着して前記絶縁層の前記周辺部を支持することとを含む。本開示の方法の実施形態は、本明細書において記載される装置の実施形態と矛盾しないように更に変更することができる。

0017

別の実施形態では、共振器ジャイロスコープは、運動を、振動モードを使用して測定する共振器手段と、前記共振器手段を中央領域において支持する絶縁層手段であって、各々の第1端部が前記絶縁層の前記中央領域に、第2端部が前記絶縁層の周辺部にそれぞれ接続される複数の絶縁梁を含む、前記絶縁層手段と、前記絶縁層手段の前記周辺部を支持する支持層手段とを備える。本開示の装置の実施形態は、本明細書において記載される他の装置及び方法の実施形態と矛盾しないように更に変更することができる。

0018

更に、シリコン製ディスク状共振器ジャイロスコープを製造する例示的な方法は、シリコン絶縁層を形成する複数工程を含み、これらの工程は、絶縁凹部をシリコン絶縁ウェハにエッチングし、貫通エッチングを施して、ビアホールを前記シリコン絶縁ウェハに形成し、絶縁酸化層を前記シリコン絶縁ウェハの上に形成し、前記絶縁酸化層をエッチングして、複数の絶縁梁の下の領域を開口することにより行なわれる。シリコンベース層は、ベース凹部をシリコンベースウェハにエッチングし、ベース酸化層を前記シリコンベースウェハに形成し、衝撃緩和ベースバンプを前記シリコンベースウェハに接着することにより形成することができる。前記シリコン絶縁層を前記シリコンベース層に接着し、ワイヤトレースを前記シリコン絶縁層の上に、静電電極の位置から前記ビアホールまで延在するようにパターニング形成する。電気コンタクトを前記ビアホールに堆積させて形成する。これらの絶縁梁は、パターニング及び貫通エッチングを施すことにより、前記シリコン絶縁ウェハに形成される。垂直貫通接続部も、パターニング及び貫通エッチングを施すことにより、ベースウェハに形成される。シリコン共振器層は、前記共振器層を前記絶縁層に接着し、パターニング及び貫通エッチングを施して、前記ディスク状共振器のディスク状共振器及び静電電極を形成することにより形成される。キャップ層は、キャップ凹部をキャップウェハにエッチングし、キャップ衝撃緩和柱状突起部をキャップ凹部にエッチングし、衝撃緩和部を柱状突起部の上に接着し、薄膜ゲッターをキャップ凹部に接着することにより形成することができる。次に、キャップ層をシリコン絶縁層に接着する。この方法は、本明細書において記載される装置の実施形態と矛盾しないように更に変更することができる。

0019

石英製ディスク状共振器ジャイロスコープを製造する例示的な方法は、石英共振器層を形成する複数工程を含み、これらの工程は、犠牲シリコン層を石英ハンドリングウェハの上に堆積させ、1つ以上の開孔を石英ハンドリングウェハにエッチングし、犠牲シリコン層を研磨し、石英共振器ウェハを犠牲シリコン層に接着し、石英共振器ウェハをパターニングし、貫通エッチングして、ディスク状共振器及び静電電極を形成し、非常に薄い導電材料膜を、ディスク状共振器及び静電電極の表面に堆積させ、接着材料をディスク状共振器及び静電電極の中央ポストに接着することにより行なわれる。石英絶縁層は、複数の貫通孔を石英絶縁ウェハにエッチングし、金属をこれらの貫通孔に充填し、石英絶縁ウェハを平坦化して、これらの貫通孔を延びる電気貫通接続部を形成し、共振器層に対応する接着パターンをエッチングし、ワイヤトレースを石英絶縁ウェハの上に、静電電極の位置から電気貫通接続部まで延在するように堆積形成し、接着剤を石英絶縁ウェハの接着パターンの上に、共振器層の静電電極及びディスク状共振器に対応するように接着し、パターニング及び貫通エッチングを施して複数の絶縁梁を石英絶縁ウェハに形成することにより形成される。次に、石英絶縁層を石英共振器層に接着する。石英ベース層は、ベース凹部を石英ベースウェハにエッチングし、貫通エッチングを施して、複数孔を石英ベースウェハに形成することにより、絶縁層の電気貫通接続部に一致させ、複数の衝撃緩和部をベース凹部に接着することにより形成される。次に、石英ベース層を共振器層に接着する。次に、絶縁層の貫通孔に金属を充填して、絶縁層及びバベース層を貫通する貫通接続部を完成させる。次に、石英ハンドリングウェハを、犠牲シリコン層を溶解することにより取り外すことができる。キャップ層は、キャップ凹部を石英キャップウェハにエッチングし、キャップ凹部をパターニングし、エッチングして、ゲッター材料及びキャップ衝撃緩和部に対応する場所を形成し、ゲッター材料及び衝撃緩和部をキャップ凹部のこれらの場所に接着することにより形成することができる。ゲッター材料は、キャップ層を絶縁層に接着する前に活性化される。この方法は、本明細書において記載される装置の実施形態と矛盾しないように更に変更することができる。

0020

次に、同様の参照番号が、対応する構成要素を、図面全体を通じて指している図面を参照する。

図面の簡単な説明

0021

図1Aは、現在のディスク状共振器ジャイロスコープ(DRG)素子を示している。図1Bは、現在のDRGアセンブリに対応するDRGチップを模式的に示している。
図2Aは、本開示の例示的なDRGの実施形態の断面を示している。図2Bは、本開示の例示的なDRGの実施形態のキャップ層を示している。図2Cは、本開示の例示的なDRGの実施形態のディスク状共振器層を示している。図2Dは、本開示の例示的なDRGの実施形態の絶縁層を示している。図2Eは、本開示の例示的なDRGの実施形態の支持層を示している。
図3Aは、本開示の例示的なDRGの実施形態の絶縁層の上面図を示している。図3Bは、本開示の例示的なDRGの実施形態の支持層の上面図を示している。図3Cは、本開示の例示的なDRGの実施形態のディスク状共振器層の上面図を示している。図3Dは、本開示の例示的なDRGの実施形態のキャップ層の上面図を示している。
図4Aは、本開示の例示的なシリコン製DRGの実施形態の絶縁層を形成する例示的なプロセスを示している。図4Bは、本開示の例示的なシリコン製DRGの実施形態の絶縁層を形成する例示的なプロセスを示している。図4Cは、本開示の例示的なシリコン製DRGの実施形態の絶縁層を形成する例示的なプロセスを示している。図4Dは、本開示の例示的なシリコン製DRGの実施形態の絶縁層を形成する例示的なプロセスを示している。図4Eは、本開示の例示的なシリコン製DRGの実施形態の絶縁層を形成する例示的なプロセスを示している。
図5Aは、本開示の例示的なシリコン製DRGの実施形態のベース層を形成する例示的なプロセスを示している。図5Bは、本開示の例示的なシリコン製DRGの実施形態のベース層を形成する例示的なプロセスを示している。図5Cは、本開示の例示的なシリコン製DRGの実施形態のベース層を形成する例示的なプロセスを示している。図5Dは、本開示の例示的なシリコン製DRGの実施形態のベース層を形成する例示的なプロセスを示している。
図6Aは、本開示の例示的なシリコン製DRGの実施形態のベース層及び絶縁層を接着し、更に処理する例示的なプロセスを示している。図6Bは、本開示の例示的なシリコン製DRGの実施形態のベース層及び絶縁層を接着し、更に処理する例示的なプロセスを示している。図6Cは、本開示の例示的なシリコン製DRGの実施形態のベース層及び絶縁層を接着し、更に処理する例示的なプロセスを示している。図6Dは、本開示の例示的なシリコン製DRGの実施形態のベース層及び絶縁層を接着し、更に処理する例示的なプロセスを示している。図6Eは、本開示の例示的なシリコン製DRGの実施形態のベース層及び絶縁層を接着し、更に処理する例示的なプロセスを示している。図6Fは、本開示の例示的なシリコン製DRGの実施形態のベース層及び絶縁層を接着し、更に処理する例示的なプロセスを示している。
図7Aは、本開示の例示的なシリコン製DRGの実施形態の共振器層を形成する例示的なプロセスを示している。図7Bは、本開示の例示的なシリコン製DRGの実施形態の共振器層を形成する例示的なプロセスを示している。図7Cは、本開示の例示的なシリコン製DRGの実施形態の共振器層を形成する例示的なプロセスを示している。
図8Aは、本開示の例示的なシリコン製DRGの実施形態のキャップ層を形成する例示的なプロセスを示している。図8Bは、本開示の例示的なシリコン製DRGの実施形態のキャップ層を形成する例示的なプロセスを示している。図8Cは、本開示の例示的なシリコン製DRGの実施形態のキャップ層を形成する例示的なプロセスを示している。図8Dは、本開示の例示的なシリコン製DRGの実施形態のキャップ層を形成する例示的なプロセスを示している。
図9Aは、本開示の例示的なシリコン製DRGの実施形態のキャップ層を接着し、シリコン製DRGの実施形態を完成させる例示的なプロセスを示している。図9Bは、本開示の例示的なシリコン製DRGの実施形態のキャップ層を接着し、シリコン製DRGの実施形態を完成させる例示的なプロセスを示している。
図10Aは、本開示の例示的な石英製DRGの実施形態の共振器層を形成する例示的なプロセスを示している。図10Bは、本開示の例示的な石英製DRGの実施形態の共振器層を形成する例示的なプロセスを示している。図10Cは、本開示の例示的な石英製DRGの実施形態の共振器層を形成する例示的なプロセスを示している。図10Dは、本開示の例示的な石英製DRGの実施形態の共振器層を形成する例示的なプロセスを示している。図10Eは、本開示の例示的な石英製DRGの実施形態の共振器層を形成する例示的なプロセスを示している。図10Fは、本開示の例示的な石英製DRGの実施形態の共振器層を形成する例示的なプロセスを示している。
図11Aは、本開示の例示的な石英製DRGの実施形態の絶縁層を形成し、共振器層を接着する例示的なプロセスを示している。図11Bは、本開示の例示的な石英製DRGの実施形態の絶縁層を形成し、共振器層を接着する例示的なプロセスを示している。図11Cは、本開示の例示的な石英製DRGの実施形態の絶縁層を形成し、共振器層を接着する例示的なプロセスを示している。図11Dは、本開示の例示的な石英製DRGの実施形態の絶縁層を形成し、共振器層を接着する例示的なプロセスを示している。
図12Aは、本開示の例示的な石英製DRGの実施形態のベース層を形成し、絶縁層を接着する例示的なプロセスを示している。図12Bは、本開示の例示的な石英製DRGの実施形態のベース層を形成し、絶縁層を接着する例示的なプロセスを示している。図12Cは、本開示の例示的な石英製DRGの実施形態のベース層を形成し、絶縁層を接着する例示的なプロセスを示している。図12Dは、本開示の例示的な石英製DRGの実施形態のベース層を形成し、絶縁層を接着する例示的なプロセスを示している。図12Eは、本開示の例示的な石英製DRGの実施形態のベース層を形成し、絶縁層を接着する例示的なプロセスを示している。図12Fは、本開示の例示的な石英製DRGの実施形態のベース層を形成し、絶縁層を接着する例示的なプロセスを示している。
図13Aは、本開示の例示的な石英製DRGの実施形態のキャップ層を形成し、絶縁層を接着する例示的なプロセスを示している。図13Bは、本開示の例示的な石英製DRGの実施形態のキャップ層を形成し、絶縁層を接着する例示的なプロセスを示している。図13Cは、本開示の例示的な石英製DRGの実施形態のキャップ層を形成し、絶縁層を接着する例示的なプロセスを示している。図13Dは、本開示の例示的な石英製DRGの実施形態のキャップ層を形成し、絶縁層を接着する例示的なプロセスを示している。図13Eは、本開示の例示的な石英製DRGの実施形態のキャップ層を形成し、絶縁層を接着する例示的なプロセスを示している。
図14は、本開示のDRGの実施形態を製造する例示的な方法のフローチャートである。

実施例

0022

1.概要
高感度素子(共振器、電極)は、長い可撓性の梁によって完全に吊り下げられることにより、外部応力及び熱影響から絶縁される。絶縁梁は低強度及び可撓性を呈することにより、大きな変位に対して非常に小さい耐力で耐えることができる。したがって、CTE不一致または外部応力のいずれかに起因するチップケースに対する全ての応力または歪みを絶縁梁が吸収することができ、全ての応力または歪みが検出素子に伝達されることがない。これらの絶縁梁は、電極と同じウェハ(電極ウェハ)をエッチングすることにより形成されるので、CTE不一致を最小限に抑え、複雑さ及びコストを低減することができる。絶縁梁の梁剛性顧客要求に合わせて設計することにより、特定の周波数範囲の振動を減衰することができる。シリコン垂直貫通接続部によって、潜在的な真空リーク経路を無くすことができ、金属によって生じるCTE不一致を低減することができる。

0023

別の実施形態では、フリップチップボールグリッドアレイ(BGA)を用いて、電気基板へのチップの直接接着を可能にして、ワイヤボンディングの必要を無くしている。キャップを被せる前にBGAを接着する場合、BGAによって、デバイスの電気的スクリーニング及び調整も、真空状態でキャップを被せる最終工程の直前に可能になる。したがって、BGA構造によって、共振器を非常に正確に調整し、バランスさせることができる。

0024

更に、本発明の実施形態の製造プロセス全体にバッチ形成を用いることができる。これにより、規模経済を達成することができ、大きな利点をもたらすことができる。個々にハンドリングする必要を全く伴なうことなく、デバイスコストを現在のDRGデバイスコストの20%という低い値にまで減らすことができる。更に、個々のハンドリングを無くすことにより、バッチ歩留まりも劇的に高めることができる。

0025

2.現状のディスク状共振器ジャイロスコープ及びパッケージング
図1Aは、現在のディスク状共振器ジャイロスコープ(DRG)アセンブリ100を示している。現在のDRGは、図示のように、微細機械加工によるセラミックリードレスチップキャリア(LCC)真空パッケージ106を使用して実現されている。代表的なアセンブリ100はコアDRGチップ102を含み、コアDRGチップ102は、セラミックLCCパッケージ106に封止される3層シリコンまたは石英MEMSジャイロチップを含み、セラミックLCCパッケージ106は、気密真空封止を可能にして、ジャイロスコープを正しく動作させることができる。LCCパッケージは、熱圧着によりパッケージ106の残りの部分に接着される蓋104を含むことができる。ワイヤリード108をDRGチップ102と貫通接続部110との間にパッケージ106内で取り付ける。DRGチップ102をパッケージ106に、圧着材112により中央で接着する。更に、パッケージ106の蓋104は、ゲッター114を含むことにより、真空形成を容易にしている。例示的な現在のDRGアセンブリに関する詳細な記述に関しては、例えば「中央にチップを取り付けたプレーナ型共振器ジャイロスコープ(“PLANAR RESONATOR GYROSCOPE WITH CENTRAL DIEATTACHMENT”)」と題する米国特許出願公開第2008/0295622(A1)号を参照されたい。

0026

図1Bは、図1Aに示す現在のDRGチップ102に対応するDRGチップを模式的に示している。コアDRGチップ102は、3つの個別シリコン層または石英層を含むMEMSジャイロチップであり、各シリコン層または石英層は、別々に微細機械加工され、金−錫(Au−Sn)共晶接着により組み付けて合体させる。下部電極支持層122は、当該支持層122の上にパターニング形成されて、能動共振器容量電極素子を励起し、検出し、バイアスするCMOS電極124を特徴としている。当該下部電極支持層122は、外部パッケージとの構造支持インターフェース及び電気インターフェースともなる。中央DRG層126は、貫通エッチングにより形成されるディスク状共振器128を含む。上部層は、塵防止カバーキャップ130を含むことにより、ハンドリング中及び試験中のダメージに対する保護を可能にしている。通常、塵防止カバーキャップ130は、DRGに永久的に取り付けられるが、その目的は、パーティクルがアセンブリプロセス中に進入しないようにするためである。塵防止キャップは通常、気密封止用接着剤で接着されることはない。

0027

チップ102は、一旦、形成され、ダイシングされると、標準のLCCパッケージの内部に取り付けられ、封止される状態になる。チップ102はまず、LCCパッケージ106の底面(図1A参照)に、例えば金−錫(Au−Sn)共晶接着により、金−錫プリフォームがパッケージ106の中央で溶融した状態で接着される。一旦、チップ102が固く取り付けられると、当該チップをLCC貫通接続部110にワイヤボンディングして、これらの貫通接続部110を電気インターフェースとする。最後に、ゲッター114が予め取り付けられている蓋104を真空中で加熱してゲッターを活性化し、次に、蓋104をパッケージ106に圧着し、最終真空封止を形成する。

0028

従来のDRGアセンブリ100(図1A及び1Bに示すように)は、極めて優れた真空パッケージ及び十分なプラットフォームを実現して、研究所並みの性能を持つが、実用環境におけるハンドリング性が低い。例えば、DRGアセンブリ100は、温度に対する感度がかなり高く、ターンオンバイアスを繰り返すことができず、かなり大きい動的不安定性を経時的に有し、これにより、デバイスは、温度が大きく変化した状態で、動作することができなくなる可能性がある。DRGアセンブリ100に関するこのような不安定性の原因は、3つの主要な要因に帰することができる。

0029

第1に、DRGチップはLCCパッケージに、異種材料を接着することにより固く取り付けられる。ボンディングパッドの領域は、チップの底面の約9分の1を占め、能動共振器の真下に位置する。熱圧着の柔軟性の欠如に、CTE不一致、及び被影響領域が広いことが加味されることによって、高い熱機械応力及び歪みが、チップ及びLCCパッケージの両方に生じる虞がある。その結果、デバイスは、温度変化に対して感度が非常に高くなる可能性がある。更に、LCCに加わる全ての応力が高剛性ボンディングパッドを介して、クッション効果をほとんど、または全く生じることなく伝達される。これにより、外部応力または振動に対する感度が非常に高くなり得る。

0030

第2に、金−錫(Au−Sn)共晶接着及びゲッター活性化には、例えば400℃という非常に高い処理温度が必要である。固く接着された異種材料を多数の温度サイクルに亘って真空封止中に高速に加熱し、冷却すると、ボンディングパッドに極めて大きな残留応力が蓄積される。残留応力の大きさに依存するが、接着構造は、中程度から極めて高い予測不能な程度の構造不安定性を呈し、。したがってこれにより、当該接着構造自体が、ターンオンバイアスを繰り返すことができない状態になってしまい、当該接着構造は、センサ挙動のランダムな変化を経時的に発現する。

0031

第3に、大きいボンディングパッドが能動共振器の真下に位置している。当該ボンディングパッドが当該共振器に、当該ボンディングパッドの広い面積で近接すると、非常に高い熱伝導率が中央能動層に生じることになる。したがって、熱に対するチップ自体の感度が必ず、この短く、かつ非常に熱伝導性の高い経路を介して高くなる。

0032

更に、DRGアセンブリ100のLCC真空封止プロセスは信頼性がなく、かく費用が高く付いてしまう。当該LCC真空封止プロセスの開発段階では、当該コストが全開発コストの約50%になるのに対し、デバイス歩留まりは25%未満である。生産段階では、LCC封止を、かなりの程度の環境保全能力を発揮するように向上させると、デバイスコスト全体の約80%のコストを要することが予測される。

0033

3.画期的なディスク状共振器ジャイロスコープ
次に、本明細書において提供される画期的な設計によるDRGは、現在のDRGアセンブリの上記不具合を解決するために考案されている。本開示の実施形態は、熱的かつ機械的絶縁機構を同じウェハに電極層として組み込み、塵防止キャップ層の代わりに、パイレックスキャップまたは石英キャップを用いて真空封止を行なうことにより、外部パッケージングの必要が全く無いようにしている。キャップ材料及び電極絶縁材料は、CTEが共振器材料のCTEと一致するように選択することができる。全体的な効果は、ジャイロスコープのバイアス及びスケールファクタに対する環境による影響を低減することである。したがって、この画期的なアーキテクチャは、環境的に堅牢なディスク状共振器ジャイロ(ERDRG)と表記することができる。

0034

本開示の1つの実施形態では、例示的なERDRGは、シリコンにより構成することができ、これまでの設計における3つの層と比較して、4つの異なる層(すなわち、4枚のウェハを積層した層)を含む(例えば、米国特許第7401397号、及び第7040163号を参照)。この画期的な設計では、支持層は、ジャイロスコープの母体機械支持体及び垂直電気貫通接続部を提供することができる。電極/絶縁層の周辺部を支持層の上部に接着することができる。当該層の電極領域は、8個の放射状対称部分円形梁から吊り下げることができ、この場合、導電性のトレースが、共振器を支持する中央領域からこれらの梁を経由して当該層の周辺部まで延在している。これらの梁は、撓み、細く、長く(しかしながら、小空間に収まって)なるように設計され、。したがって、熱的絶縁及び機械的絶縁を、共振器の高感度構成要素に関して実現する。共振器層は、これまでの設計から変更する必要はなく(本発明の実施形態は、全てのディスク状共振器パターンに関して動作することができる)、電極の上部に、電極/絶縁層の中央領域において接着することができる。これまでのDRG構造による塵防止キャップの代わりに、パイレックスキャップまたは石英キャップを用いることができ、この場合、ゲッター及び衝撃緩和バンプを予め接着しておく。デバイスは、高真空状態で、電極/絶縁層にキャップを陽極接着またはフリットボンディングすることにより完全に封止することができる。

0035

絶縁梁は、指定周波数より高い機械振動を絶縁し、数gの加速度に耐えるように設計(調整)することもできる。しかしながら、加速度がこれらの閾値を超える場合、更なる変位を、正しく配置される衝撃緩和バンプで止めて、これらの梁への永久ダメージを回避することができる。衝撃緩和バンプは、キャップ内に配置することができ、支持層は、このような機能を実現する。

0036

図2Aは、本発明の例示的なDRGの実施形態の断面を示している。例示的なDRG200は、絶縁層204に中央で接着されるディスク状共振器202を含む。ディスク状共振器202は、ディスク状共振器202の内部側壁と相互作用する側壁を有する埋め込み静電電極206を含むことにより、ディスク状共振器202の振動モードが励起され、埋め込み静電電極206によって検出されて、ディスク状共振器202の運動を測定する。ディスク状共振器202を形成するために、ディスク状ウェハを絶縁層204に選択的に接着し、ディスク状ウェハに選択的に貫通エッチングを施して、静電電極206及びディスク状共振器202構造を同時に分離し、形成する。ディスク状ウェハを接着する前に、ワイヤトレース(図示せず)を絶縁層204の上にパターニング形成して、個々の静電電極206との電気接続を設ける。(ディスク状共振器202の動作及び設計に関しては、例えば米国特許第6944931号、第7347095号、第7040163号、第7168318号、第7401397号、第7285844号、第7396478号、及び第7437253号に既に記載されている)。通常、ディスク状共振器は、固体の3次元振動を使用して動作させることにより、ディスク状共振器の運動(例えば、回転速度)を測定する。

0037

絶縁層204は、ディスク状共振器202及び埋め込み静電電極206を中央領域208において支持し、各々の第1端部が絶縁層204の中央領域208に、第2端部が絶縁層204の周辺部212に、それぞれ接続される複数の絶縁梁210を備えている。静電電極206に中央領域において接続されるワイヤトレースは、絶縁梁210を経由して中央領域208から周辺部212まで延在し、支持層214に達する出力端子としてのエッチングビア228に接続され、この支持層214は、絶縁層204の周辺部212を支持するように接着される。支持層214は、複数のスルーエッチング垂直貫通接続部(through etched vertical feedthroughs)216を含み、各垂直貫通接続部216は、これらのワイヤトレースのうちの1つのワイヤトレースに接続され、1つのワイヤトレースで電気信号を支持層214の裏面に接続し、この場合、各垂直貫通接続部216は、ボールコネクタ218(例えば、金バンプ)を含むことにより、この技術分野で公知のフリップチップボールグリッドアレイ(BGA)インターフェースとなる。更に、支持層214は、ディスク状共振器202を支持する絶縁層204の中央領域208の動き(下方の)を制限する1つ以上の衝撃緩和部222も含む。したがって、図示のように、ディスク状共振器202は、絶縁層204の中央領域208の上で支持され、外部温度及び外部運動から複数の絶縁梁210によって効果的に絶縁される。絶縁層204の中央領域208は、これらの絶縁梁210に載るようにして「浮いている」。

0038

DRG200は更にキャップ層220を含み、このキャップ層220を使用して真空封止を、支持層214、及びキャップ層220と支持層214との間に挟まれる絶縁層204とともに形成する。キャップ層220は更に、1つ以上の衝撃緩和部224を含むことにより、ディスク状共振器202を支持する絶縁層204の中央領域208の動き(上方の)を制限する。また、キャップ層220は更に、薄層ゲッター材料226を含むことにより、キャップ層220を絶縁層204に接着するときのDRG200内の真空形成を容易にすることができる。

0039

図2B〜2Dは、図2AのDRG200の個々の構成層を示している。図2Bは、本開示の例示的なDRG200の実施形態のキャップ層220を示している。薄層ゲッター材料226は、キャップ層220のエッチング凹部に配置され、衝撃緩和部224は、キャップ層220の内側の高位部に配置される。図2Cは、本開示の例示的なDRG200の実施形態のディスク状共振器202を示している。既に説明したように、ディスク状共振器202は、複数の埋め込み静電電極206(共振器の貫通エッチング側壁と相互作用する貫通エッチング側壁を有する)を含み、これらの埋め込み静電電極を使用してDRG200を動作させる。図2Dは、本開示の例示的なDRGの実施形態の絶縁層204を示している。絶縁層204は、複数の絶縁梁210を介して接続される中央領域208及び周辺部212を有する。更に、共振器の静電電極に接続される電気トレース230は、絶縁層204の上に、中央領域208から絶縁梁210を経由して周辺部212まで延在するようにパターニング形成され、この周辺部212で、これらのトレースが、ビア228を介して下方の支持層214に接続される。図2Eは、本開示の例示的なDRGの実施形態の支持層214を示している。支持層214は、絶縁層204の中央領域208の運動を可能にするエッチング凹部を含む。支持層214は、絶縁層204の周辺部212に接着される。更に、貫通エッチングされた垂直貫通接続部216は、絶縁層204から延びるワイヤトレースの各々に接続される。支持層214の裏面では、各貫通接続部216は、この技術分野で公知のフリップチップボールグリッドアレイ(BGA)インターフェースに対応するボールコネクタ218(例えば、金バンプ)を含むことができる。更に、支持層214は、ディスク状共振器202を支持する絶縁層204の中央領域208の動き(下方の)を制限する衝撃緩和部222も含む。

0040

図3Aは、本開示の例示的なDRG200の実施形態の絶縁層204の上面図を示している。層204は、16個の貫通エッチングビア228(図示のように、1つのビアに記号を付している)、及び8個の対称な放射部分円弧状梁210(図示のように、1つの円弧状梁に記号を付している)を含む。これらの対称な円弧状梁210はそれぞれ、図示のように、絶縁層204の中央領域208と周辺部212との間のバネを形成し、このバネは、3つの短いねじれ素子と直列に接続される2つの長いカンチレバー素子を有する。ワイヤトレースは、中央領域208の輪郭領域300にパターニング形成される。ワイヤトレースのパターンは、ワイヤトレースが、共振器に埋め込まれる静電電極の各々に接続されるので、共振器構造に依存する。電極幾何学形状のワイヤトレースの全てはまた、絶縁梁210を経由して延在してビア228を通り抜けている。これらのワイヤトレースは、各ペアがDRG200動作時の寄生カップリングを相殺するように差分ペアになるように、8個の絶縁梁ペア210を通って延在している。梁幅は、所望の周波数より高い振動を絶縁するように決定することができる。絶縁層204は、シリコンにより形成することもできるので、共振器ウェハ202の熱膨張係数(CTE)に一致させることができる。電極構造は、これまでのDRG構造と同じとすることができる。例えば、米国特許第7401397号及び第7040163号を参照されたい。16個の異方性貫通エッチングビア228によって、ワイヤトレースを下方に延在させて支持層の垂直貫通接続部に傾斜壁に沿って到達させることができ、電気的連続性を確保することができる。

0041

図3Bは、本開示の例示的なDRGの実施形態の支持層214の上面図を示している。例示的なDRG200では、支持層214は、高濃度ドープシリコンにより形成することができる。支持層214は、円形凹部302(例えば、5μmの深さの)を中央に含むことにより、上記絶縁層204の中央領域208の上での検出素子の変位を可能にしている。7個の衝撃緩和部222(図示のように、1つの衝撃緩和部に記号を付している)は、凹部領域302内の放射状対称パターンである。支持層214は更に、16個の貫通エッチング垂直貫通接続部216(図示のように、1つの垂直貫通接続部に記号を付している)を含む。これらの貫通接続部216を絶縁層204の底部に接着する(各貫通接続部216が絶縁層204のビア228に接続される)ことにより、完成デバイスの気密封止を保持する。

0042

図3Cは、本開示の例示的なDRG200の実施形態のディスク状共振器層202の上面図を示している。形成される共振器パターンは、DRG200を動作させるために使用される貫通エッチング静電電極206が占有する空間を示している。中味の詰まった中央領域は、共振器の唯一支持体としての絶縁層204の中央領域に接着される。共振器層202は、既に形成されているDRGの幾何学形状を有するシリコンとすることができる。例えば、米国特許第7401397号及び第7040163号を参照されたい。絶縁層204の中央領域は、電極層の中央ポストにも接着され、次に、ウェハに貫通エッチングを施して解放されることにより、電極及び共振器を同時に形成する。

0043

図3Dは、本開示の例示的なDRG200の実施形態のキャップ層220の上面図を示している。キャップ層220は、パイレックスで形成して、絶縁ウェハ204の熱膨張率に一致させることができる。パイレックスキャップ層220は、シリコン絶縁層204に陽極接着することができる。キャップ層220は、絶縁層204の設置領域全体を覆う方形とすることができる。キャップ層220は、共振器に対応する105μmの窪みと、小さい隙間とを含むことができる。更に、キャップ層220は、予め堆積させた薄膜ゲッター材料226を含む。8個の衝撃緩和部224(図示のように、1つの衝撃緩和部に記号を付している)を使用して、共振器202がゲッター材料226と接触するのを防止することができる。更に、必要に応じて、キャップ層220の外面に金属をコーティングして、ガス分子の透過を抑制することができる。

0044

高感度素子(例えば、共振器及び容量電極)を長い可撓性梁によって全体を吊り下げて、これらの素子を外部応力及び熱の影響から絶縁する。低強度及び可撓性を呈するように設計される絶縁梁は、大きな変位に対して、非常に小さい耐力で耐えることができる。したがって、チップケースに加わる衝撃、応力、または歪み(例えば、CTE不一致または外部応力のいずれかに起因する)は、絶縁梁で全て吸収することができ、DRGの高感度素子には決して伝達されない。絶縁梁は、電極に対応するワイヤトレースが堆積形成される同じウェハをエッチングすることにより形成することができるので、CTE不一致を最小にし、複雑さ及びコストを低減することができる。絶縁梁の剛性は、特定周波数範囲の振動を減衰させるように設計することができる。更に、シリコン垂直貫通接続部によって潜在的なリーク経路を無くすことができ、金属によって生じるCTE不一致を低減することもできる。これらの垂直貫通接続部は、接着領域の下を通過しなくても済むので、真空封止接着の邪魔にはならない。フィル材料を選択してシリコンのような基板のCTEに一致させる場合、CTEの不一致は生じない。

0045

本開示のDRGの実施形態を実施するために、フリップチップBGAを、前に説明したように用いることもできるので、DRGを、電気基板に直接的かつ効率的に取り付けることができ、面倒で費用が高く付くワイヤボンディングの必要を無くすことができる。キャップ層を接着する前にBGAを接着する場合、BGAによって、真空状態でキャップを被せる最終工程の直前にデバイスを容易に電気スクリーニングし、調整することもできる。BGAを使用して、試験用電子機器で、全てのチップをウェハレベルで同時に電気的に操作することができる。ウェハの裏面側に位置するBGAとのコンタクトを行なうように設計されるチャックを使用することができる。別の構成として、一度にチップを1つしか操作することができないBGAではなく、ウェハレベルプローブ検査を用いて試験を行なうことができる。しかしながら、ウェハレベルプローブ検査は、更に複雑であり、かつ更に高い費用を要する自動プローブシステムを必要とする。このように、BGAを当該構造に使用すると、共振器を低いコストで非常に正確に調整し、バランスさせることができる。

0046

本開示の実施形態は、バッチ生産を使用するように開発されているので、極めて大きな利点を規模の経済からもたらすことができる。個々にハンドリングする必要を伴なうことなく、デバイスコストを現在のDRGの20%という低い値にまで低減することができることが推定される。更に、デバイスの個々のハンドリングを無くすことにより、バッチの総合歩留まりを劇的に向上させることもできる。

0047

本開示の1つの例示的なDRGの実施形態では、ERDRG(環境的に堅牢なディスク状共振器ジャイロスコープ)は、ベース層が高濃度ドープシリコンにより構成されるようにシリコンにより形成することができ、キャップをパイレックスで形成して、CTEを略一致させることができる。シリコン製DRGの異なる層の重要な形成工程及びプロセスフローの概要を以下に図4A〜9Bに示す。

0048

図4A〜4Eは、本開示の例示的なシリコン製DRGの実施形態の絶縁層を形成するための例示的なプロセスを示している。図4Aは、シリコンウェハが、位置合わせマーク402を有するDRGの絶縁層400になるように形成される様子を示しており、これらの位置合わせマーク402は周縁部にエッチングされる。これらの位置合わせマーク402は、異なる層を接着中及びエッチング中に正確に位置合わせするために使用される。図4Bは、3〜4μmの複数凹部404をエッチングした(レジストリフローを用いて(凹部の)周縁部に傾斜を付ける)後の絶縁層400を示している。リフローレジストは、普通に行なわれている通りに、フォトレジストをまず、塗布し、パターニングすることにより処理される。次に、高温ベークを施して、フォトレジストの辺縁部が溶融し、変形するようにする。変形した辺縁部によって、傾斜の付いた周縁部を形成する。次のエッチングプロセスでは、低選択性エッチングレシピを選択して、レジスト及びシリコン基板を共にエッチングすることにより、傾斜の付いた周縁部が完成基板に形成される。高台部分406が、共振器の静電電極を接続するだけでなく共振器自体を中央で接着するための位置となる。図4Cは、等方性貫通エッチングを施して絶縁層400の周辺部に形成されるビアホール408を示している。図4Dは、約1μm〜0.5μmの厚さの熱酸化層410の形成を示している。図4Eは、これらの絶縁梁に対応する位置の下の熱酸化層410にエッチングされる開口領域412を示している。

0049

図5A〜5Dは、本開示の例示的なシリコン製DRGの実施形態のベース層500を形成するための例示的なプロセスを示している。図5Aは、シリコンウェハが、位置合わせマーク402を有するDRGのベース層500になるように形成される様子を示しており、これらの位置合わせマーク402は周縁部にエッチングされる。図5Bは、大きい約5μmの凹部504を層500にエッチングした後のベース層500を示している。図5Cは、約1μmの厚さの熱酸化層506を層500に形成する様子を示している。最後に、図5Dは、凹部504内に形成される約1μmの高さの衝撃緩和部を示している。衝撃緩和バンプ材料は、処理温度に基づいて選択される。理想的には、衝撃緩和バンプ材料は、金のような軟質材料とすることができる。しかしながら、次の接着温度が高い場合、窒化シリコンのような高温材料を用いることができる。

0050

図6A〜6Fは、本開示の例示的なシリコン製DRGの実施形態のベース層及び絶縁ウェハ層を接着し、更に処理するための例示的なプロセスを示している。図6Aは、絶縁層400をベース層500に、これらの層の位置合わせマークを使用して溶融接着する様子を示している。図6Bは、下層ワイヤトレース600が、絶縁層400の上面に、約0.7μm厚さのTi/Au/Tiリフトオフプロセスで形成される様子を示している。図6Cは、絶縁層400の開口ビア408に反応性イオンエッチングRIE)を施した状態の約1.0μmのPECVD酸化膜602を示している。図6Dは、Au/Cr金属リフトオフプロセスを用い、貫通孔酸化膜をRIE除去し、Au/Cr電気コンタクト606を堆積形成することにより形成される0.5μmの上層金属トレース604を示している。図6Eは、絶縁層400の絶縁梁608が、パターニング及び貫通エッチングを施すことにより形成される様子を示している。図6Fは、ベース層500の上の垂直貫通接続部610が、パターニング及び貫通エッチングを施すことにより形成される様子を示している。

0051

図7A〜7Cは、本開示の例示的なシリコン製DRGの実施形態の共振器層700を形成するための例示的なプロセスを示している。図7Aは、シリコンウェハが、位置合わせマーク702が周縁部にエッチングされ、かつ約0.5μm厚さのAu/Cr接着金属トレース704がリフトオフを用いて形成される構成の共振器層700になるように形成される様子を示しており、これらの金属トレース704は、リフトオフにより選択的に底面にパターニング形成されて、共振器の静電電極位置及び中央接着部の両方に一致している。図7Bは、共振器層700を絶縁層400の中央領域に、金−錫共晶接着により接着する様子を示している。図7Cは、共振器層700に、パターニング及びDRIE貫通エッチングを施すことにより、共振器706及び静電電極708を形成する様子を示している。

0052

図8A〜8Dは、本開示の例示的なシリコン製DRGの実施形態のキャップ層800を形成するための例示的なプロセスを示している。図8Aは、位置合わせマーク802が周縁部にエッチングされた状態のパイレックスウェハを示している。図8Bは、105μm深さの凹部804がキャップ層800にエッチングされた状態のキャップ層800を示している。図8Cは、更に別の複数凹部を深い凹部804にエッチングして、衝撃緩和部808の柱状突起部806を形成する様子を示している。図8Dは、これらの柱状突起部806の周りのこれらの凹部に接着した薄膜ゲッター材料810を示している。

0053

図9A〜9Bは、本開示の例示的なシリコン製DRGの実施形態のキャップ層800を接着し、シリコン製DRGを仕上げるための例示的なプロセスを示している。図9Aは、キャップ層800を絶縁層700の周辺部の所定の位置に、陽極接着を使用して接着する(位置合わせマーク702を使用して)様子を示している。キャップ層800は、金属をコーティングして透過を抑制することができる外面を有することができる。図9Bは、フリップチップ金バンプ900(Au/Cr BGA)をベース層500の底部に接着した状態のDRGを示している。シリコン製DRGは、この時点で、回路基板にBGAを使用して接続される状態になっている。

0054

構造の別の実施形態では、ERDRGは石英により形成される。幾何学形状及び構造は、上に詳述したシリコン製DRG構造の幾何学形状及び構造に極めて類似するが、製造プロセスは異ならせることができる。更に、垂直電気貫通接続部の構造は異なる。例えば、ベース層の貫通接続部を、絶縁方形シリコンポストによって設けるという必要はなくなる。その代わりに、これらの貫通接続部は、貫通エッチング孔に金属を充填することにより形成することができる。更に、絶縁層から延びる電気ビア接続部を、ワイヤトレースを、傾斜壁を有する貫通孔を通って下方に延在させることにより設けるという必要はなくなる。その代わりに、電気接続部は、貫通孔に金属を充填することにより設けることができる。本開示の石英製DRGの実施形態の異なる層に対応する重要な形成工程及びプロセスフローの概要を以下に図10A〜13Eに示す。

0055

図10A〜10Fは、本開示の例示的な石英製DRGの実施形態の共振器ウェハ層を形成するための例示的なプロセスを示している。図10Aは、125μm厚さの石英ウェハを示しており、この石英ウェハを使用して、10μm厚さの犠牲シリコン堆積層1000が接着した状態の共振器をハンドリングする。図10Bは、石英内のエッチング開孔1002を示しており、この場合、シリコン層1000は研磨されている。図10Cは、125μm厚さの別の石英ウェハを示しており、この石英ウェハをシリコン層1000に接着するとDRGの共振器層1006になる。図10Dは共振器層1006を示しており、この共振器層1006に、パターニング及び貫通エッチングを施すことにより、第1石英ウェハに一時的に取り付けられる共振器1008及び容量電極1010を形成する。図10Eは、共振器1008及び容量電極1010の全体の上に堆積する導電薄膜1012を示している。当該導電膜は、金、白金、またはドープトポリシリコンとすることができる。当該導電膜1012を共振器1008及び容量電極1010の側壁の上に形成して、これらの構成素子の間の容量結合をDRGの動作中に可能にしている。図10Fは、共振器1008の中央ポストだけでなく、容量電極1010の各容量電極の両方に堆積する接着金属1014を示している。

0056

図11A〜11Dは、本開示の例示的な石英製DRGの実施形態の絶縁層1100を形成し、共振器層1004を接着するための例示的なプロセスを示している。図11Aは、125μm厚さの別の石英ウェハを示しており、この石英ウェハが絶縁層1100になり、この絶縁層1100は、金属が充填されたエッチング貫通孔を有し、この絶縁層1100を平坦化して電気貫通接続部1102を形成する。図11Bは、共振器層1006に対応するエッチング接着パターン1104(容量電極1010だけでなく、中央共振器を支持するための高台部分を有する)を示している。共振器層1006の容量電極1010に接続されることになるワイヤトレース1106は、絶縁層1100の上にパターニング形成される。図11Cは、複数の絶縁梁1108を示しており、これらの絶縁梁1108は、絶縁層1100にパターニング及び貫通エッチングを施すことにより形成される。図11Dは、共振器層1004を示しており、この共振器層1004をひっくり返して、絶縁層1100に接着する。

0057

図12A〜12Fは、本開示の例示的な石英製DRGの実施形態のベース層1200を形成し、絶縁層1100を接着するための例示的なプロセスを示している。図12Aは、250μm厚さの石英ウェハを示しており、この石英ウェハは、5μmの深さにエッチングされる凹部1202を有するベース層1200になるように形成され、この凹部1202は、絶縁層1100の中央領域の下に配置される。図12Bは、電気貫通接続部1204のために複数孔をベース層1200にエッチングする様子を示している。図12Cは、複数の金衝撃緩和部1206を示しており、これらの衝撃緩和部1206は、ベース層1200内の凹部1202の底部に形成される。図12Dは、ベース層1200を、絶縁層1100及び共振器層1006から成るアセンブリに、ガラスフリット接着剤で接着する様子を示している。図12Eは、貫通接続部1204がベース層1200を貫通して、金属で充填され、かつ平坦化された絶縁層1100に達する様子を示している。図12Fは、共振器層1006の石英ハンドリングウェハがこの時点で、犠牲シリコン層1000にXeF2エッチングを施すことにより取り外される様子を示している。この段階では、DRGを、プローブを高真空状態で使用して動作させて、質量を局所的に付加するか、または取り除いて、2つの共振モード縮退させて動作させることにより共振器を個々に調整することができる。

0058

図13A〜13Eは、本開示の例示的な石英製DRGの実施形態のキャップ層1300を形成するための例示的なプロセスを示している。図13Aは、370μm厚さの石英ウェハを示しており、この石英ウェハは、130μmの深さにエッチングされる空洞凹部1302を有するキャップ層1300になるように形成される。図13Bは、凹部1302に更にエッチングを施して、衝撃緩和部及び薄膜ゲッター材料のための場所を形成する。図13Cは、所定の場所に配置された複数の金衝撃緩和部1304、及び薄膜ゲッター材料1306を示している。図13Dは、キャップ層1300を、ガラスフリット接着剤を使用して、共振器層1006、絶縁層1100、及びベース層1200から成るアセンブリに、ゲッター材料1306を活性化した状態で接着する様子を示している。図13Eは、ベース層1200の底部に接合されるフリップチップ金バンプ1308(すなわち、Au/Cr BGA)を示している。

0059

4.ディスク状共振器ジャイロスコープを製造する方法
図14は、本開示のDRGの実施形態を製造する例示的な方法1400のフローチャートである。方法1400は、絶縁層をエッチングすることにより、各々の第1端部が絶縁層の中央領域に、第2端部が絶縁層の周辺部に、それぞれ接続される複数の絶縁梁を形成する操作1402を含む。操作1404では、絶縁層を選択的に接着して、共振器層及び静電電極を絶縁層の中央領域において支持する。絶縁層及び共振器層を接着した後、操作1406では、共振器を、電極側壁を持つ静電電極を有する共振器層からエッチングし、電極側壁が共振器の共振器側壁と相互作用することにより、共振器の振動モードを静電電極で励起し、検出して、共振器の運動を測定する。操作1408では、支持層を接着して、絶縁層の周辺部を支持する。更に、操作1410では、キャップを接着して共振器を封止することにより、共振器の周り、及び絶縁層の中央領域の周りに、キャップ層と支持層との間において、真空を形成する。方法1400を、任意の操作を設定することにより更に向上させて、これまでの節において記載される装置実施形態を拡張することができる。

0060

操作1402〜1410の順番は、この技術分野の当業者が理解するように、多くの異なる順番で実行してもよいことに注目することが重要である。しかしながら、操作1406は、共振器ウェハ層を支持構造に、静電電極及びディスク状共振器を互いから貫通エッチングプロセスにおいて分離する前に選択的に接着する必要があるので、操作1404の後に行なう必要がある。更に、図14の概略方法1400を詳細例に適用することにより、シリコン製ディスク状共振器ジャイロスコープチップまたは石英製ディスク状共振器ジャイロスコープチップを形成することができる。

0061

熱的/機械的絶縁体を有するシリコン製ディスク状共振器ジャイロスコープチップを形成する例示的な方法は、以下の詳細工程において行なうことができる。シリコン絶縁層は、絶縁凹部をシリコン絶縁ウェハにエッチングし、ビアホールをシリコン絶縁ウェハに貫通エッチングを施して形成し、絶縁酸化層をシリコン絶縁ウェハの上に形成し、絶縁酸化層をエッチングして、絶縁梁の下の領域を開口することにより形成される。シリコンベース層は、ベース凹部をシリコンベースウェハにエッチングし、ベース酸化層をシリコンベースウェハに形成し、衝撃緩和ベースバンプをシリコンベースウェハに接着することにより形成される。次に、シリコン絶縁層をシリコンベース層に接着する。ワイヤトレースは、シリコン絶縁層の上に、静電電極の位置から絶縁層のビアホールまで延在するようにパターニング形成され、電気コンタクトは、これらのビアホールに堆積させて形成される。絶縁梁は、パターニング及び貫通エッチングを施すことにより、シリコン絶縁ウェハに形成される。垂直貫通接続部も、パターニング及び貫通エッチングを施すことにより、ベースウェハに形成される。

0062

シリコン共振器層は、シリコン共振器層を絶縁層に接着し、パターニング及び貫通エッチングを施してシリコン共振器層のディスク状共振器及び静電電極を形成することにより形成される。(シリコン共振器層形成の詳細は、これまでに述べてきたように、全ての公知のシリコンディスク状共振器に関して説明した通りに用いることができる)。

0063

キャップ層は、キャップ凹部をキャップウェハにエッチングし、キャップ衝撃緩和柱状突起部をキャップ凹部にエッチングし、衝撃緩和部を柱状突起部の上に接着し、薄膜ゲッターをキャップ凹部に接着することにより形成することができる。次に、キャップ層をシリコン絶縁層に接着して、シリコン製ディスク状共振器ジャイロスコープを完成する。

0064

熱的/機械的絶縁体を有する石英製ディスク状共振器ジャイロスコープチップを形成する例示的な方法は、以下の詳細な工程において行なうことができる。石英共振器層は、まず、犠牲シリコン層を石英ハンドリングウェハの上に堆積し、1つ以上の開孔を石英ハンドリングウェハにエッチングし、犠牲シリコン層を研磨し、更に石英共振器ウェハを犠牲シリコン層に接着することにより形成することができる。次に、石英共振器ウェハにパターニング及び貫通エッチングを施して、ディスク状共振器及び静電電極を形成する。次に、非常に薄い導電材料膜を、ディスク状共振器及び静電電極の表面に堆積させる。最後に、接着材料をディスク状共振器の中央ポスト、及び静電電極に接着する。(石英共振器層を形成する詳細な工程は、これまでに述べてきたように、全ての公知の石英ディスク状共振器に関して説明した通りに用いることができる)。

0065

次に、石英絶縁層は、まず、複数の貫通孔を石英絶縁ウェハにエッチングし、金属をこれらの貫通孔に充填し、石英絶縁ウェハを平坦化して、電気貫通接続部をこれらの貫通孔に形成することにより形成することができる。次に、共振器層に対応する接着パターンをエッチングし、ワイヤトレースを石英絶縁ウェハの上に、静電電極の位置から電気貫通接続部まで延在するように堆積形成する。次に、接着剤を石英絶縁ウェハの接着パターンの上に、共振器層の静電電極及びディスク状共振器に対応するように接着する。最後に、複数の絶縁梁を、パターニング及び貫通エッチングを施すことにより、石英絶縁ウェハに形成する。次に、石英絶縁層を石英共振器層に接着させることができる。

0066

石英ベース層は、ベース凹部を石英ベースウェハにエッチングし、複数孔を、貫通エッチングを施して石英ベースウェハに形成することにより、絶縁層の電気貫通接続部に一致させ、複数の衝撃緩和部をベース凹部に接着することにより形成することができる。次に、石英ベース層を共振器層に接着する。この時点で、絶縁層の貫通孔に金属を充填して、絶縁層及びバベース層を貫通する貫通接続部を完成させることができる。次に、石英ハンドリングウェハを、犠牲シリコン層を溶解することにより取り外すことができる。

0067

石英共振器ジャイロスコープのキャップ層は、キャップ凹部を石英キャップウェハにエッチングし、キャップ凹部をパターニングし、エッチングして、ゲッター材料及びキャップ衝撃緩和部に対応する場所を形成し、ゲッター材料及び衝撃緩和部を、キャップ凹部のこれらの場所に接着することにより形成することができる。次に、ゲッター材料を、キャップ層を絶縁層に接着する直前に活性化させる。

0068

以上で、本発明の好適な実施形態を含む記述が完了する。本発明の好適な実施形態を含むこれまでの記述は、例示及び説明のために行なわれてきた。本記述は、全てを網羅するために、または本発明を、開示する厳密な形態に限定するために行なわれるのではない。多くの変更及び変形を、これまでの示唆の範囲で加えることができる。本発明の更に別の変形は、以下の請求項に示す本発明の概念から逸脱しない範囲で想到することができる。

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