DE102015104913A1

DE102015104913A1 - Herstellung von Wolfram-Mems-Strukturen

Info

Publication number: DE102015104913A1
Application number: DE102015104913.9A
Authority: DE
Inventors: John Geen; George M. Molnar; Gregory S. Davis; Kenneth J. Cole; James Timony; Bruce Ma; Kenneth Flanders
Original assignee: Analog Devices Inc
Current assignee: Analog Devices Inc
Priority date: 2014-04-04
Filing date: 2015-03-30
Publication date: 2015-10-08
Anticipated expiration: 2035-03-31
Also published as: KR101760560B1; CN104973563A; US20150336790A1; JP6117842B2; JP2015199191A; CN104973563B; US9878901B2; KR20150115678A; DE102015104913B4

Abstract

Dicke (beispielsweise mehr als zwei Mikrometer große), feinkörnige, spannungsarme Wolfram-MEMS-Strukturen werden bei niedrigen Temperaturen hergestellt, insbesondere für sogenannte ”MEMS-zuletzt”-Herstellungsverfahren (beispielsweise, wenn MEMS-Strukturen nach dem Herstellen von elektronischen Schaltungen hergestellt werden). Mittel zum sehr genauen Ätzen struktureller Einzelheiten aus der abgelagerten Wolframschicht und zum festen und stabilen Verankern der Wolframschicht an einem darunterliegenden Substrat werden offenbart. Zudem werden Mittel zum Entfernen einer Opferschicht, die unter der beweglichen Wolframschicht liegt, ohne das Wolfram zu beschädigen oder zu ermöglichen dass dieses nach unten gezogen und durch die Oberflächenspannung festgesetzt wird, offenbart.

Description

QUERVERWEIS AUF VERWANDTE ANMELDUNG(EN)
Diese Patentanmeldung beansprucht den Nutzen und damit die Priorität der vorläufigen US-Patentanmeldung Nr. 61/975,061 mit dem Titel FABRICATION OF TUNGSTEN MEMS STRUCTURES, die am 4. April 2014 eingereicht worden ist und hiermit durch Bezugnahme vollständig mit aufgenommen ist.
GEBIET DER ERFINDUNG
Die vorliegende Erfindung bezieht sich im Allgemeinen auf MEMS-Vorrichtungen und insbesondere auf eine Herstellung von Wolfram-MEMS-Strukturen.
HINTERGRUND DER ERFINDUNG
Vorrichtungen mit mikroelektromechanischen Systemen (MEMS-Vorrichtungen), die solche Dinge wie Trägheitssensoren (beispielsweise kapazitive, piezoelektrische und konvektive Beschleunigungsmesser und Vibrations- und Stimmgabel-Gyroskope), Mikrofone, Drucksensoren, HF-Vorrichtungen und optische Vorrichtungen (beispielsweise optische Schalter) umfassen, weisen oft eine Anzahl von Strukturen auf, die losgelöst werden, um so beweglich zu sein. Beispiele losgelöster Strukturen umfassen Mikrofonmembranen, Trägheitssensor-Prüfmassen und -Shuttles und suspendierte Verkapselungsschicht(en), die Sensorstrukturen abdecken.
MEMS-Vorrichtungen werden typischerweise auf einem Substrat (beispielsweise einem Silizium- oder Silizium-auf-Isolator-Wafer) unter Verwendung verschiedener Mikrobearbeitungstechniken wie beispielsweise Ätzen in das Substrat und/oder Ablagern/Strukturieren (depositing/patterning) verschiedener Materialien gebildet. Strukturen, die losgelöst werden sollen, werden typischerweise oben auf einer oder mehreren ”Opfer-”Schichten aus Materialien, die anschließend entfernt werden, um die Struktur loszulösen, gebildet. Typische Opferschichten für die MEMS-Wafer-Herstellung umfassen eine Oxidschicht. Die Oxidschicht wird typischerweise unter Verwendung eines nassen oder trockenen Ätzprozesses entfernt. Ein Nassätzprozess (z. B. eine gepufferte Oxidätzung) erfordert typischerweise Freisetzungslöcher, die sorgfältig angeordnet und beabstandet sind, um einen Nassätz-Zugang zu ermöglichen, was bestimmte Beschränkungen für den Produktentwurf und die Prozesse auferlegen kann. Ein Trockenätzprozess (z. B. Dampf-HF) liefert im Allgemeinen mehr Freiheit bei der Anordnung und Beabstandung der Ätzlöcher, was wiederum zu einer größeren Flexibilität bei dem Sensorentwurf führt.
Es ist von den Erfindern seit über einem Jahrzehnt erkannt worden, dass Wolfram wesentliche Vorteile gegenüber Silizium, das herkömmlich als Material zum Herstellen von mikrobearbeiteten Trägheitsinstrumenten verwendet wird, aufweist. Insbesondere dann, wenn mechanische Wolframstrukturen in die Elektronik in einer Weise eingebaut werden könnten, die derjenigen ähnlich ist, die von Sherman et al im US-Patent 5,417,111 gelehrt wird, könnten wesentliche Verbesserungen bei den Kosten und der Genauigkeit gemacht werden. Die Kosten für ein gegebenes Leistungsvermögen könnten durch Verringern der mechanischen Strukturgröße verringert werden und die Genauigkeit bei einer bestimmten Größe könnte durch Ausnutzen des größeren Trägheitssignals von Wolfram verbessert werden.
Die Gründe dafür liegen in den Eigenschaften des Wolframmetalls. Erstens ist es wie Silizium ein sprödes Material bei normalen Temperaturen (nämlich in dem Sinne, dass es nicht formbar ist). Das heißt, dass es keine bleibende Verformung annimmt, wenn es in einem Ausmaß belastet wird, das geringer als Brechen ist. Daher bildet es sich bewegende Strukturen mit stabiler Geometrie und Steifigkeit aus. Zweitens hat es die 8,3-fache Dichte von Silizium. So erfährt eine Wolframstruktur etwa die achtfache Trägheitskraft verglichen mit einer Siliziumstruktur ähnlicher Größe, während erwartet werden könnte, dass sie nahezu die gleichen Störkräfte aus Nicht-Trägheitsquellen wie der Brownschen Bewegung des umgebenden Mediums erfährt (oder alternativ kann eine Wolframstruktur ungefähr ein Achtel der Größe einer Siliziumstruktur aufweisen, um die gleiche Trägheitskraft zu erfahren, beispielsweise hat Wolfram mit 4 μm Dicke ungefähr die gleiche Masse wie Silizium mit 33 μm Dicke). Somit erwartet man, dass Wolfram ein wesentlich verbessertes Signal-Rausch-Verhältnis (SNR) erzielt. Drittens besitzt Wolfram den 2,5-fachen Elastizitätsmodul von Silizium. Eine größere strukturelle Steifigkeit kann bei einer gegebenen Größe erhalten werden, so dass es weniger anfällig für Störungen ist. Viertens zeigen unsere Messungen, dass die absolute Festigkeit von Wolframmikrostrukturen vergleichbar mit denen aus Silizium ist. Die Festigkeit ist ein kritischer Parameter bei der Gestaltung sich bewegender Strukturen. Fünftens weist Wolfram im Gegensatz zu Silizium elektrisch leitfähige Oxide auf. Silizium bildet auf natürliche Weise ein isolierendes Oberflächenoxid aus, das in unterschiedlichem Ausmaß abhängig von der Temperatur, der Zeit und Umgebungsfaktoren elektrische Ladung einfängt. Dies destabilisiert die Nullabweichung mikrobearbeiteter Gyroskope und Beschleunigungsmesser, was im Allgemeinen das wichtigste Maß für die Trägheitsinstrumentengenauigkeit ist. Es wurde festgestellt, dass das Beschichten aktiver Oberflächen von Siliziumsensoren mit einem Leiter ihre Stabilität erheblich verbessert, wie O'Brien et al. im US-Patent 5,205,171 lehren. Auch wenn es wie Silizium fremde Spezies an der Oberfläche adsorbieren kann, ist Wolfram frei von dem dominanten Ladungseffekt.
Andere haben erkannt, dass die Verwendung von Wolfram in MEMS-Vorrichtungen besonders als Ersatz für Silizium bestimmte Vorteile haben würde. Zum Beispiel erwähnen das US-Patent Nr. 7,367,232 und die veröffentlichte US-Patentanmeldungen Nr. US 2011/0005319 und US 2011/0096623 Wolfram als mögliches Material für verschiedene MEMS-Strukturen. Allerdings offenbart die bloße Offenbarung von Wolfram als mögliches Material für MEMS-Strukturen nicht tatsächlich die Umsetzung solcher Wolfram-MEMS-Strukturen auf eine verwendbare Weise oder ermöglicht diese. Die Erfinder haben mit Wolfram-MEMS-Strukturen (beispielsweise als Ersatz für Siliziumstrukturen) experimentiert und haben herausgefunden, dass die Verwendung von herkömmlichen Herstellungsprozessen Wolfram-MEMS-Strukturen mit hohen inneren Spannungen erzeugt, so dass die Wolfram MEMS-Strukturen dazu neigen, sich zu verziehen oder zu verbiegen, wenn sie losgelöst werden, was zu Vorrichtungen führt, die unbrauchbar sind oder ein niedriges Leistungsvermögen aufweisen.
ZUSAMMENFASSUNG BEISPIELHAFTER AUSFÜHRUNGSFORMEN
In einer Ausführungsform der vorliegenden Erfindung weist ein Verfahren zum Herstellen einer MEMS-Vorrichtung ein Ablagern (depositing) eines wolframbasierten Materials bei einer Temperatur unter etwa 500°C und ein Verwenden eines Kornwachstumsinhibitors auf, um eine spannungsarme wolframbasierte Materialschicht, die mindestens zwei Mikrometer dick ist, über einer darunterliegenden Oxidschicht zu bilden, ohne zuerst die Oxidschicht zu verdichten. Das Verfahren weist auch ein Ätzen der wolframbasierten Materialschicht auf, um eine wolframbasierte MEMS-Struktur zu bilden.
In verschiedenen alternativen Ausführungsformen kann die wolframbasierte MEMS-Struktur eine loslösbare wolframbasierte bewegliche Masse sein, wobei das Verfahren ferner das Entfernen von Oxid umfassen kann, das unter der loslösbaren wolframbasierten beweglichen Masse liegt, um die wolframbasierte bewegliche Masse loszulösen.
In verschiedenen alternativen Ausführungsformen kann die MEMS-Vorrichtung eine elektronische Schaltung vor dem Ablagern des wolframbasierten Materials aufweisen, wobei in diesem Fall das Ablagern des wolframbasierten Materials die Temperatur der elektronischen Schaltung nicht auf über etwa. 450°C erhöhen darf.
In verschiedenen alternativen Ausführungsformen kann das Ablagern der wolframbasierten Materialschicht ein Ablagern des wolframbasierten Materials auf einem Target, das mit einem Kornwachstumsinhibitor wie etwa Bor oder einem Metall der seltenen Erden dotiert ist, umfassen. Alternativ kann das Ablagern der wolframbasierten Materialschicht abwechselnd (1) ein Ablagern einer wolframbasierten Materialschicht und (2) ein Einführen eines Kornwachstumsinhibitors wie etwa Bor oder einem Metall der seltenen Erden, um vertikale Kornwachstum zu einer anschließend abgelagerten wolframbasierten Materialschicht zu stoppen, umfassen.
In weiteren alternativen Ausführungsformen kann das Ätzen der wolframbasierten Materialschicht ein Ätzen der wolframbasierten Materialschicht unter Verwendung eines Ätzmittels, das im Wesentlichen Fluor ist, das aus Schwefelhexafluorid-Gas (SF6-Gas) erzeugt wird, umfassen und eine passivierende Schicht aus einem polytetrafluorethylenartigen Polymer wird aus Trifluormethan erzeugt, um eine präzise, stark anisotrope Ätzung zu bilden. Das restliche schützende Polymer kann nach dem Ätzen unter Verwendung eines Sauerstoffplasmas entfernt werden. Das Ablagern des wolframbasierten Materials kann ein Steuern der Sauerstoffpegel während der Ablagerung des wolframbasierten Materials umfassen. Das Ätzen der wolframbasierten Materialschicht zum Ausbilden mindestens einer loslösbaren wolframbasierten beweglichen Masse kann ferner ein Ätzen der wolframbasierten Materialschicht zum Ausbilden mindestens einer Elektrode angrenzend an der beweglichen Masse umfassen.
Das Verfahren kann ferner ein Ausbilden mindestens eines wolframbasierten Ankers durch die Oxidschicht auf einem darunterliegenden Substrat vor dem Ablagern des wolframbasierten Materials umfassen, um die spannungsarme wolframbasierte Materialschicht zu bilden, wobei die MEMS-Struktur an dem darunterliegenden Substrat durch den mindestens einen wolframbasierten Anker verankert ist. In bestimmten Ausführungsformen kann der mindestens eine wolframbasierte Anker ein Verbundanker sein, der eine Matrix aus kleinen wolframbasierten Ankern mit einem Durchmesser von jeweils etwa 1 Mikrometer aufweist, wobei in diesem Fall das Ausbilden der Matrix aus kleinen wolframbasierten Ankern ein Strukturieren der Oxidschicht, um eine strukturierte Oxidschicht zu bilden, die eine Matrix aus kleinen Löchern mit einem Durchmesser von jeweils etwa 1 Mikrometer durch die Oxidschicht zu dem darunterliegenden Substrat aufweist, und ein Füllen der Löcher mit wolframbasierten Stopfen, um die Matrix aus kleinen wolframbasierten Ankern zu bilden, umfassen kann. Alternativ kann der mindestens eine wolframbasierte Anker ein großer wolframbasierter Anker sein, wobei in diesem Fall ein Ausbilden des großen wolframbasierten Ankers ein Strukturieren der Oxidschicht durch Ätzen einer Vertiefung in die Oxidschicht unter Verwendung mehrerer Ätzschritte, die schrittweise die Breite und die Tiefe der Vertiefung erhöhen, so dass sich die Vertiefung durch die Oxidschicht zu dem darunterliegenden Substrat erstreckt und an der Oberseite wesentlich breiter als an der Unterseite ist, und ein gleichmäßiges Füllen der Vertiefung mit einem wolframbasierten Material, um den großen wolframbasierten Anker auszubilden, umfassen kann. Das darunterliegende Substrat kann eine Masseebene-Struktur der MEMS-Vorrichtung sein, wobei in diesem Fall der mindestens eine wolframbasierte Anker im Wesentlichen aus reinem Wolfram gebildet werden kann und die Masseebene-Struktur aus Titan-Wolfram gebildet werden kann. In jedem Fall kann der mindestens eine wolframbasierte Anker gleichmäßig ohne Hohlräume oder Risse gefüllt werden. Der mindestens eine wolframbasierte Anker und die wolframbasierte Materialschicht können aus dem gleichen wolframbasierten Material ausgebildet werden.
In einer weiteren Ausführungsform der vorliegenden Erfindung weist eine MEMS-Vorrichtung eine spannungsarme wolframbasierte MEMS-Struktur mit einer Dicke von mindestens zwei Mikrometern auf, die durch den Prozess des Ablagerns eines wolframbasierten Materials bei einer Temperatur von unter etwa 500°C und des Verwendens eines Kornwachstumsinhibitors, um eine spannungsarme wolframbasierte Materialschicht mit einer Dicke von mindestens zwei Mikrometern Dicke über einer darunterliegenden Oxidschicht zu bilden, ohne zuerst die Oxidschicht zu verdichten, und des Ätzens der wolframbasierten Materialschicht, um eine wolframbasierte MEMS-Struktur zu bilden, ausgebildet wird.
In verschiedenen alternativen Ausführungsformen kann die MEMS-Struktur an dem darunterliegenden Substrat durch mindestens einen wolframbasierten Anker, der sich von der MEMS-Struktur durch die Oxidschicht zu dem darunter liegenden Substrat erstreckt, verankert sein. In bestimmten Ausführungsformen kann der mindestens eine wolframbasierte Anker ein Verbundanker sein, der eine Matrix aus kleinen wolframbasierten Ankern jeweils mit einem Durchmesser von etwa 1 Mikrometer aufweist. In alternativen Ausführungsformen kann der mindestens eine wolframbasierte Anker einen großen wolframbasierten Anker umfassen, der an der Oberseite wesentlich breiter als an der Unterseite ist. Das darunterliegende Substrat kann eine Masseebene-Struktur der MEMS-Vorrichtung sein, wobei in diesem Fall der mindestens eine wolframbasierte Anker im Wesentlichen aus reinem Wolfram gebildet sein kann und die Masseebene-Struktur aus Titan-Wolfram gebildet sein kann. Der mindestens eine wolframbasierte Anker und die spannungsarme wolframbasierte MEMS-Struktur können aus dem gleichen wolframbasierten Material gebildet sein. Zusätzliche Ausführungsformen können offengelegt und beansprucht werden.
KURZBESCHREIBUNG DER ZEICHNUNGEN
Die vorstehenden Merkmale von Ausführungsformen sind unter Bezugnahme auf die beigefügten Zeichnungen leichter zu verstehen, wobei:
1–12 verschiedene Herstellungsprozessschritte für einen beispielhaften Herstellungsprozess, der im Wesentlichen siliziumbasierte MEMS-Strukturen und elektrische Verbindungen mit wolframbasierten MEMS-Strukturen und elektrischen Verbindungen ersetzt, gemäß einer beispielhaften Ausführungsform zeigt;
13–18 verschiedene Herstellungsprozesse für die Verwendung eines Sockels gemäß einer beispielhaften Ausführungsform zeigen;
19 eine Matrix aus kleinen wolframbasierten Ankern (z. B. jeweils etwa 1 Mikrometer) zum Einsatz anstelle eines einzigen großen wolframbasierten Ankers gemäß einer spezifischen beispielhaften Ausführungsform zeigt;
20–23 verschiedene Herstellungsprozesse zum Ausbilden des wolframbasierten Ankers zum Verankern der loslösbaren MEMS-Strukturen wie in 19 gezeigt darstellen;
24 das Phänomen der ”Brotlaibbildung” für gesputterte Metallschichten zeigt, wie es im Stand der Technik bekannt ist;
25–28 verschiedene Herstellungsprozesse zum Ausbilden des wolframbasierten Ankers zum Verankern der loslösbaren MEMS-Strukturen gemäß einer spezifischen beispielhaften Ausführungsform zeigen; und
29 ein Diagramm ist, das Allan-Abweichungs-Darstellungen für das wolframbasierte Gyroskop und das siliziumbasierte Gyroskop zeigt, die die verbesserte Auflösungsuntergrenze des wolframbasierten Gyroskops zeigen.
GENAUE BESCHREIBUNG DER SPEZIFISCHEN AUSFÜHRUNGSFORMEN
Definitionen: So wie sie in dieser Beschreibung und den beigefügten Ansprüchen verwendet werden, sollen die folgenden Begriffe die angegebenen Bedeutungen haben, sofern der Zusammenhang nichts anderes erfordert.
Der Begriff ”wolframbasiert” bezeichnet ein Material, das im Wesentlichen festes Wolfram ist, das optional eine kleine Menge einer oder mehrerer Substanzen enthält, um Korngrenzen während eines Niedertemperatur-Ablagerungsprozesses (d. h. unter etwa 500°C) zu steuern.
Der Begriff ”beweglich” in Bezug auf eine Masse einer MEMS-Vorrichtung bezeichnet eine MEMS-Struktur, die dazu ausgelegt ist, sich in einem vorbestimmten Modus zu bewegen. Bei einigen Typen von MEMS-Vorrichtungen kann die Bewegung der Masse angetrieben werden (beispielsweise bei einem Resonator in einem MEMS-Gyroskop), während bei anderen Typen von MEMS-Vorrichtungen die Bewegung der Masse passiv sein kann (z. B. bei einer Prüfmasse in einem MEMS-Beschleunigungsmesser). Die angetriebene Bewegung kann translatorisch (z. B. von Seite zu Seite hin und her bewegt), rotatorisch (z. B. um einen zentralen Drehpunkt hin und her bewegt), eine Volumenschallwelle oder ein anderer angetriebener Modus sein.
Wie oben diskutiert ist erkannt worden, dass der Einsatz von Wolfram in MEMS-Vorrichtungen insbesondere als Ersatz für Silizium gewisse Vorteile haben würde. Die Wirkung auf das SNR von Gyroskopen des Typs in US-Patent 6,122,961 bei Ersetzung von Silizium durch Wolfram wird von den in den Anhängen A-B gezeigten Beispielen geschätzt.
HERSTELLUNG VON WOLFRAMSTRUKTUREN
Einige Betrachtungen zur Herstellung von Wolfram-MEMS-Strukturen werden nun erörtert.
Erstens muss die Wolframschicht intrinsisch sehr spannungsarm sein und muss daher feinkörnig sein und feinkörnig bleiben, um eine stabile Strukturgeometrie bereitzustellen, und insbesondere für sogenannte ”MEMS-zuletzt”-Herstellungsprozesse (wenn z. B. MEMS-Strukturen hergestellt werden, nachdem die elektronische Schaltung hergestellt wird) muss die Ablagerung des Wolframs ein Niedertemperaturprozess sein, so dass die darunterliegenden Elektronikschaltungen nicht durch Wärme beschädigt werden. Obwohl ein Ausglühen von Wolfram eine spannungsarme Schicht erzeugen kann, liegt die Temperatur, die zum Ausglühen von Wolfram erforderlich ist, über dem Schmelzpunkt der Elektronik.
Zweitens werden Mittel für eine feste und stabile Verankerung der Wolframschicht auf dem darunterliegenden Substrat benötigt, sonst gehen die Vorteile eines festen und spröden Materials verloren. Diese Bindung sollte auch einen niedrigen, stabilen elektrischen Kontaktwiderstand aufweisen.
Drittens werden Mittel zum sehr genauen Ätzen der strukturellen Einzelheiten aus der gleichförmigen Ablagerung von Wolfram benötigt. Sehr genaue Trägheitsinstrumente gewinnen ihre Stabilität in der Regel durch differentielle Messtechniken. Um genaue Differenzmessungen zu erhalten, müssen die gegenüberliegenden Teile der Struktur genau die gleiche Größe und Form aufweisen.
Viertens werden Mittel zum Entfernen einer Opferschicht, die unter der mobilen Wolframschicht liegt, ohne dass das Wolfram beschädigt wird oder dass zugelassen wird, dass es durch die Oberflächenspannung nach unten gezogen wird und stecken bleibt, benötigt.
In bestimmten beispielhaften Ausführungsformen der vorliegenden Erfindung wird Wolfram bei niedriger Temperatur abgelagert, ohne die Temperatur des Substratmaterials über etwa 450°C zu erhöhen (was im Allgemeinen ungefähr die höchste Temperatur ist, die moderne Elektronik ohne Schaden erreichen kann, wobei kleinere Teile wie Transistoren im Allgemeinen anfälliger für Schäden sind), und zwar insbesondere durch Sputtern bei einer Temperatur von unter etwa 500°C (z. B. zwischen etwa 400°C und 500°C) zusammen mit sorgfältiger Kontrolle des Sauerstoffpegels beim Sputtern. Unter anderem sollten diese Prozesstemperaturen ermöglichen, dass die darunterliegende Elektronik den Wolframablagerungsprozess überlebt. Wie unten erörtert kann das Wolfram so abgelagert werden, dass die mittlere Restspannung sowohl eine Zugspannung ist als auch weniger als 100 MPa beträgt, um brauchbare stabile Strukturen zu erzeugen. Beim normalen Sputtern werden einige Körner des polykristallinen Wolframs aber im Allgemeinen bevorzugt wachsen, während die Schicht dicker wird, wodurch eine säulenförmige Struktur mit gröberer Kornstruktur auf einer Seite als auf der anderen verursacht wird. Dies ruft ein Spannungsgefälle durch den Film hervor, was zu einer Krümmung führt, wenn die Struktur von ihrer Opferunterlage losgelöst wird. Zudem ist stark erwünscht, dass ein sehr feinkörniges Material sowohl eine Langzeitstabilität gegenüber einer Kaltverfestigung aufrechterhält als auch eine genaue Definition des Youngschen Moduls aufgrund der Anisotropie der einzelnen Kristallite erleichtert.
In bestimmten beispielhaften Ausführungsformen der vorliegenden Erfindung wird dies durch einen gezielten Einbau eines kleinen Anteils eines weiteren Materials erreicht, das in Wolfram unlöslich ist, an den Korngrenzen konzentriert ist, diese ”festsetzt” und ein Kornwachstum verhindert. Eine ähnliche Technik, die Kalium verwendet, wird bei Glühlampenfilamenten verwendet, um ein Durchhängen zu verhindern, und auch bei der Herstellung von Wolframwerkzeugen verwendet. Jedoch ist die Aufnahme von Kalium, die bei Filamenten verwendet wird, mit einer halbleiterbasierten Elektronikfertigung genauso wie die Hochtemperaturprozesse, die für Werkzeuge verwendet werden, nicht vereinbar. Die Erfinder haben herausgefunden, dass Bor und Lanthan als Kornwachstumsinhibitoren verwendet werden können, und spekulieren ferner, dass auch andere Materialien Kornwachstum hemmen können (beispielsweise die Oxide von Zirkonium, Hafnium, Thorium, Yttrium, Cer, seltenen Erden und auch die Metalle Kupfer, Nickel, Eisen und Kobalt), obwohl diese Materialien als Halbleiter-Störstellen unterschiedliche Grade von Bedenken auslösen. Zum Beispiel würde die Radioaktivität von Thorium Bedenken hinsichtlich der Zuverlässigkeit der Speicherbauelemente erhöhen. Die Wirksamkeit von Lanthan und anderen seltenen Erden ist vermutlich auf die Bildung von unlöslichen Teilchen aus ihren Oxiden während der Verarbeitung zurückzuführen.
Der Sauerstoff kann in dem Sputter-Target vorhanden sein oder in dem Sputtergas eingeführt werden.
Boronzusätze von 0,01 bis 1 Atomprozent sind wirksam, insbesondere oberhalb von 0,2 %, wo die Korngrenzen durch Wolframborid-Teilchen festgesetzt sind. Der technische Hinweis D-2649 der NASA, der hiermit durch Bezugnahme aufgenommen ist, beschreibt Bor als möglichen Kornwachstumsinhibitor für Wolfram im Rahmen von makroskopischen Werkzeugen und Produkten. Bor ist besonders attraktiv, da es in der Regel mit Halbleiter-Herstellungsprozessen kompatibel ist.
In bestimmten beispielhaften Ausführungsformen kann der Kornwachstumsinhibitor (z. B. Bor oder Lanthan) als Dotierungsmittel in dem Sputtertarget bereitgestellt sein, d. h. der Kornwachstumsinhibitor kann Teil des Targets sein, das dann mit Wolfram gesputtert wird.
In bestimmten anderen beispielhaften Ausführungsformen kann der Kornwachstumsinhibitor beim Sputtern regelmäßig eingeführt werden, um Kornwachstum in der vertikalen Richtung zu stoppen (z. B. Ablagern einer dünnen Wolframschicht, Einführen des Kornwachstumsinhibitors, um die Korngrenzen festzusetzen, Ablagern einer weiteren dünnen Wolframschicht, Einführen des Kornwachstumsinhibitors, um die Korngrenzen festzusetzen usw.). Zum Beispiel kann Bor verwendet werden, indem regelmäßig eine Menge an Diboran in die Sputterkammer eingeführt wird, um eine oder mehrere Schichten auszubilden, die das Kornwachstum unterbrechen.
Drittens ermöglicht das Niedertemperatur-Sputtern auch elektrische Metallstrukturen (beispielsweise eine Masseebene oder Abschirmungsstrukturen und elektrische Verbindungen) unter den MEMS-Strukturen. Diese sind mit Siliziumstrukturen sowohl wegen der zu hohen Siliziumablagerungstemperatur als auch wegen der Kontaminationsgefahr für die Elektronikfertigung inkompatibel. Die aus Polysilizium hergestellten Verbindungen tragen bei Verwendung mit den Siliziumstrukturen erheblich zu dem Sensorrauschen bei, weil sie einen viel größeren Widerstand als Metall aufweisen (in der Größenordnung von Kiloohm im Gegensatz zu Ohm für Metalle). Titan-Wolfram ist ein bevorzugtes Material für die Verbindungs- und Abschirmungsschichten, weil es die Herstellung von festen Ankern ermöglicht und den Rauschbeitrag um nahezu eine Größenordnung im Vergleich mit Polysilizium reduziert, auch wenn andere Materialien für die Verbindungs- und Abschirmungsschichten verwendet werden können.
Viertens sind die Mittel, mit denen ein genaues, stark anisotropes Ätzen erzielt werden kann, ähnlich denen, die von Larmer et al. im US-Patent 5,501,893 (das hiermit durch Bezugnahme aufgenommen ist) für Silizium gelehrt werden, wobei das Ätzmittel im Wesentlichen Fluor ist, das aus Schwefelhexafluoridgas erzeugt wird, und eine passivierende Schicht aus einem polytetrafluorethylenartigen Polymer aus Trifluormethan erzeugt wird. Der Prozess kann auf eine Wolframschicht über einer wärmeempfindlichen integrierten Schaltung angewendet werden, da Wolframhexafluorid trotz seines hohen Molekulargewichts flüchtig ist und bei etwa 20°C bei Atmosphärendruck verdampft, so dass es rasch aus dem Reaktionsort in der Gasphase diffundiert, ohne das Substrat erhitzen zu müssen. Das restliche schützende Polymer ist nach dem Ätzen ein guter elektrischer Isolator und kann Instrumentenfehler durch Einfangen von Oberflächenladung analog zu dem zuvor beschriebenen Siliziumdioxid verursachen. Es wird daher von dem geätzten Wafer mit einem weiteren kurzen isotropen Ätzen entfernt. Ein Beispiel dafür ist ein Sauerstoffplasma, wie es in US-Patent 8,486,198 (das hiermit durch Bezugnahme aufgenommen ist) für die Kammerreinigung gelehrt wird.
BEISPIELHAFTER HERSTELLUNGSPROZESS
Ein beispielhafter Herstellungsprozess, der im Wesentlichen siliziumbasierte MEMS-Strukturen und elektrische Verbindungen mit wolframbasierten MEMS-Strukturen und elektrischen Verbindungen ersetzt, ist nun mit Bezug auf 1–12 beschrieben, die verschiedene Herstellungsprozessschritte in Querschnittsansichten zeigen.
Im Hinblick auf 1 werden obere Metallstrukturen 102 und 104 (beispielsweise aus Titan-Wolfram oder einem anderen geeigneten elektrisch leitenden Material gebildet) auf einer darunterliegenden Oxidschicht ausgebildet und dann durch eine darüberliegende Oxidschicht 106 bedeckt. In dieser bestimmten beispielhaften Ausführungsform werden die Oxidschichten aus Oxid aus hochdichtem Plasma (HDP) gebildet wird, obwohl alternative Ausführungsformen einen anderen Oxidablagerungs-Herstellungsprozess verwenden können.
Im Hinblick auf 2 wird die darüberliegende Oxidschicht 106 beispielsweise durch Schleifen/Polieren ausgedünnt.
Im Hinblick auf 3 wird eine Passivierungsschicht 108 auf der Oxidschicht 106 ausgebildet. In dieser bestimmten beispielhaften Ausführungsform ist die Passivierungsschicht 108 eine Nitrid-Passivierungsschicht, obwohl alternative Ausführungsformen ein anderes Passivierungsmaterial verwenden können.
Im Hinblick auf 4 werden Sätze von Durchkontaktierungen 110 und 112 durch die Passivierungsschicht und die Oxidschicht zu den oberen Metallstrukturen 102 und 104 ausgebildet. Die Durchkontaktierungen werden beispielsweise durch Strukturieren der Passivierungsschicht 108 und Ätzen durch die Passivierungsschicht 108 und die Oxidschicht 106 ausgebildet.
Im Hinblick auf 5 werden die Sätze von Durchkontaktierungen 110 und 112 mit wolframbasierten Stopfen 114 bzw. 116 gefüllt. In einer bestimmten beispielhaften Ausführungsform können die wolframbasierten Stopfen im Wesentlichen aus reinem Wolfram sein, obwohl alternative Ausführungsformen ein anderes wolframbasiertes Material (beispielsweise Titan-Wolfram) oder ein anderes elektrisch leitfähiges Material verwenden können.
Im Hinblick auf 6 werden wolframbasierte Masseebene-Strukturen 118, 120 und 122 beispielsweise durch Ablagern einer wolframbasierten Materialschicht 123 (z. B. vorzugsweise einem Titan-Wolfram-Material) und anschließendes Strukturieren der wolframbasierten Materialschicht 123 ausgebildet. In dieser bestimmten beispielhaften Ausführungsform ist die Masseebene-Struktur 118 elektrisch mit der oberen Metallstruktur 102 über die Durchkontaktierungen 114 verbunden, während die Masseebene-Strukturen 120 und 122 über die Durchkontaktierungen 116 mit der oberen Metallstruktur 104 elektrisch verbunden sind (die elektrische Verbindungsfähigkeit der Masseebene-Struktur 120 ist aufgrund der Querschnittsnatur der Zeichnungen nicht explizit dargestellt).
Im Hinblick auf 7 wird eine Opferoxidschicht (Abstandsschicht) 124 über den Masseebene-Strukturen ausgebildet. Unter anderem wird diese Oxidschicht 124 zum Tragen verschiedener loslösbarer Wolfram-MEMS-Strukturen, die in späteren Prozessschritten gebildet werden, verwendet.
Im Hinblick auf 8, wird die Oxidschicht 124 strukturiert, um eine strukturierte Oxidschicht 126 auszubilden, um Teile der Masseebene-Strukturen freizulegen.
Im Hinblick auf 9 wird eine dicke (d. h. größer oder gleich etwa 2 Mikrometer Dicke) wolframbasierte Materialschicht 128 auf der strukturierten Oxidschicht 126 und freiliegenden Abschnitten der Masseebene-Strukturen ausgebildet. Wichtig ist, dass das wolframbasierte Material bei niedriger Temperatur unter etwa 500°C ohne Verdichten der darunterliegenden Oxidschicht 124/126 abgelagert wird. Die Verdichtung des darunterliegenden Oxids ist im Allgemeinen zur Ablagerung von siliziumbasierten Materialien aufgrund der hohen Temperaturen, bei denen siliziumbasierte Materialien im Allgemeinen abgelagert werden, erforderlich. Somit beseitigt dieser beispielhafte Herstellungsprozess den Schritt des Verdichtens der darunterliegenden Oxidschicht, was Herstellungszeit spart (und somit die Kosten reduziert), und vermeidet auch einen Hochtemperaturprozess, der elektronische Schaltungen beschädigen könnte. Anschließend wird eine Bondanschlussstelle 130 auf der wolframbasierten Materialschicht 128 an einem Abschnitt oberhalb der Masseebene-Struktur 118 ausgebildet. In dieser bestimmten beispielhaften Ausführungsform wird die Bondanschlussstelle 130 aus einem AlCu-Material gebildet, obwohl alternative Ausführungsformen ein anderes elektrisch leitendes Material verwenden können.
Im Hinblick auf 10 wird die wolframbasierte Materialschicht 128 strukturiert, um (eine) loslösbare Wolfram-MEMS-Struktur(en) 134 (z. B. ein Gyroskop, einen Resonator oder eine Beschleunigungsmesser-Prüfmasse) sowie eine leitfähige Wolfram-Bondanschlussstellenbasis 132 zu bilden. Wie oben erörtert kann in einer bestimmten beispielhaften Ausführungsform eine genaue, stark anisotrope Ätzung in einer Weise, die ähnlich derjenigen ist, die von Larmer et al. im US-Patent 5,501,893 (das hiermit durch Bezugnahme aufgenommen ist) für Silizium gelehrt wird, erhalten werden, wobei das Ätzmittel im Wesentlichen Fluor ist, das aus Schwefelhexafluoridgas (SF6) erzeugt wird, und eine Passivierungsschicht aus polytetrafluorethylenartigem Polymer aus Trifluormethan erzeugt wird. In dieser bestimmten beispielhaften Ausführungsform wird das restliche schützende Polymer nach dem Ätzen von dem geätzten Wafer mit einem weiteren kurzen isotropen Ätzen unter Verwendung eines Sauerstoff-Plasmas entfernt, wie es im Wesentlichen im US-Patent 8,486,198 (das hiermit durch Bezugnahme aufgenommen ist) für eine Kammerreinigung gelehrt wird.
Mit weiterem Bezug auf 10 stellen die leitfähige Wolfram-Bondanschlussstellenbasis 132 und die Bondanschlussstelle 130 eine Bindungsstelle für eine metallische Abdeckung bereit. Die leitfähige Wolfram-Bondanschlussstellenbasis 132 und die Bondanschlussstelle 130 können vollständig die loslösbare(n) Wolfram-MEMS-Struktur(en) 134 und andere damit verbundene MEMS-Strukturen (z. B. verschiedene Antriebs- und Erfassungselektroden), die zur Vereinfachung nicht dargestellt sind, umgeben (und tun dies typischerweise). Der Einfachheit halber ist nur eine Bondstelle für die Abdeckung in der Zeichnung dargestellt.
Im Hinblick auf 11 wird die Oxidschicht 126 entfernt, um die Wolfram-MEMS-Strukturen 134 loszulösen. Eine HF-Nassätz-Technik kann verwendet werden, um die Oxidschicht 126 zu entfernen.
Im Hinblick auf 12 wird eine Metallabdeckung 136 mit der Bondanschlussstelle 130 gebondet, um die MEMS-Vorrichtung (typischerweise hermetisch) zu versiegeln. In dieser bestimmten beispielhaften Ausführungsform ist die Metallabdeckung 136 mit der oberen Metallstruktur 102 über die Bondanschlussstelle 130, die Bondanschlussstellenbasis 132 und die Durchkontaktierungen 114 elektrisch verbunden.
Es ist zu beachten, dass der oben diskutierte beispielhafte Herstellungsprozess zusätzliche und/oder alternative Herstellungsschritte aufweisen kann (und oft aufweist), die hier der Einfachheit halber weggelassen sind. Zum Beispiel kann ein Strukturieren einer bestimmten Materialschicht verschiedene Ablagerungs- und Ätzschritte aufweisen. Zudem können zusätzliche Strukturen an den gezeigten Schichten und/oder an verschiedenen zusätzlichen Schichten ausgebildet werden. Zum Beispiel können verschiedene wolframbasierte Elektroden zum Antreiben und/oder Erfassen einer Bewegung einer wolframbasierten beweglichen Masse aus der wolframbasierten Materialschicht 123 (beispielsweise den der beweglichen Masse zugrundeliegenden Elektroden) und/oder aus der wolframbasierten Materialschicht 128 (beispielsweise Elektroden neben der beweglichen Masse) ausgebildet werden.
SOCKEL ZUM VERMEIDEN VON HAFTREIBUNG BEI DER MEMS-LOSLÖSUNG
Um eine Haftreibung der loslösbaren MEMS-Strukturen während des Loslösungsvorgangs zu verhindern, können verschiedene alternative Ausführungsformen einen oder mehrere Sockel verwenden, um die loslösbaren MEMS-Strukturen während der Loslösungsvorgänge zu tragen, wie es beispielsweise im US-Patent 5,314,572 (das hiermit durch Bezugnahme aufgenommen ist) beschrieben ist.
13–18 zeigen verschiedene Herstellungsprozesse für die Verwendung eines Sockels gemäß einer beispielhaften Ausführungsform. 13–18 würden im Wesentlichen 8–11 in dem oben beschriebenen beispielhaften Herstellungsprozess ersetzen.
Im Hinblick auf 13 wird die Oxidschicht 124 strukturiert, um eine strukturierte Oxidschicht 126 zu bilden, so dass Teile der Masseebene-Strukturen freigelegt werden und auch eine Öffnung 1302 für einen Sockel gebildet wird.
Im Hinblick auf 14 wird ein Sockel 1304 in der Öffnung 1302 beispielsweise aus einem Photoresistmaterial oder einem anderen geeigneten Material, das die loslösbaren MEMS-Strukturen tragen kann und entfernt werden kann, nachdem die MEMS-Strukturen losgelöst worden sind, gebildet.
Im Hinblick auf 15 wird eine dicke (d. h. größer oder gleich etwa 2 Mikrometer Dicke) wolframbasierte Materialschicht 128 auf der strukturierten Oxidschicht 126, freiliegenden Abschnitten der Masseebene-Strukturen und einem freiliegenden des Sockels 1304 ausgebildet. Wichtig ist, dass das wolframbasierte Material bei niedriger Temperatur unter etwa 500°C ohne Verdichten der darunterliegenden Oxidschicht 124/126 abgelagert wird. Die Verdichtung des darunterliegenden Oxids ist im Allgemeinen zur Ablagerung von siliziumbasierten Materialien aufgrund der hohen Temperaturen, bei denen siliziumbasierte Materialien im Allgemeinen abgelagert werden, erforderlich. Somit beseitigt dieser beispielhafte Herstellungsprozess den Schritt des Verdichtens der darunterliegenden Oxidschicht, was Herstellungszeit spart (und somit die Kosten reduziert), und vermeidet auch einen Hochtemperaturprozess, der elektronische Schaltungen beschädigen könnte. Anschließend wird eine Bondanschlussstelle 130 auf der wolframbasierten Materialschicht 128 an einem Abschnitt oberhalb der Masseebene-Struktur 118 ausgebildet. In dieser bestimmten beispielhaften Ausführungsform wird die Bondanschlussstelle 130 aus einem AlCu-Material gebildet, obwohl alternative Ausführungsformen ein anderes elektrisch leitendes Material verwenden können.
Im Hinblick auf 16 wird die wolframbasierte Materialschicht 128 strukturiert, um (eine) loslösbare Wolfram-MEMS-Struktur(en) 134 (z. B. ein Gyroskop, einen Resonator oder eine Beschleunigungsmesser-Prüfmasse) sowie eine leitfähige Wolfram-Bondanschlussstellenbasis 132 zu bilden. Wie oben erörtert kann in einer bestimmten beispielhaften Ausführungsform eine genaue, stark anisotrope Ätzung in einer Weise, die ähnlich derjenigen ist, die von Larmer et al. im US-Patent 5,501,893 (das hiermit durch Bezugnahme aufgenommen ist) für Silizium gelehrt wird, erhalten werden, wobei das Ätzmittel im Wesentlichen Fluor ist, das aus Schwefelhexafluoridgas (SF6) erzeugt wird, und eine Passivierungsschicht aus polytetrafluorethylenartigem Polymer aus Trifluormethan erzeugt wird. In dieser bestimmten beispielhaften Ausführungsform wird das restliche schützende Polymer nach dem Ätzen von dem geätzten Wafer mit einem weiteren kurzen isotropen Ätzen unter Verwendung eines Sauerstoff-Plasmas entfernt, wie es im Wesentlichen im US-Patent 8,486,198 (das hiermit durch Bezugnahme aufgenommen ist) für eine Kammerreinigung gelehrt wird. Es ist zu beachten, dass das Strukturieren der wolframbasierten Materialschicht 128 den Sockel 1304 intakt lässt, so dass der Sockel 1304 die loslösbaren MEMS-Strukturen 134 trägt.
Im Hinblick auf 17 wird die Oxidschicht 126 entfernt (beispielsweise durch zusätzliche Löcher, die in die lösbaren MEMS-Strukturen 134 geätzt sind, die der Einfachheit halber nicht gezeigt oder beschrieben sind, jedoch Fachleuten auf dem Gebiet bekannt sind), um die Wolfram-MEMS-Strukturen 134 loszulösen. Eine HF Nassätz-Technik kann verwendet werden, um die Oxidschicht 126 zu entfernen. Es ist zu beachten, dass das Entfernen der Oxidschicht 126 den Sockel 1304 intakt lässt, so dass der Sockel 1304 die loslösbaren MEMS-Strukturen 134 trägt.
Im Hinblick auf 18 wird der Sockel 1304 entfernt, um die MEMS-Strukturen 134 vollständig loszulösen. Eine Sauerstoffplasma-Ätztechnik kann verwendet werden, um einen Photoresist-Sockel 1304 zu entfernen.
Es ist zu beachten, dass der oben diskutierte beispielhafte Herstellungsprozess zusätzliche und/oder alternative Herstellungsschritte aufweisen kann (und oft aufweist), die hier der Einfachheit halber weggelassen sind. Zum Beispiel kann ein Strukturieren einer bestimmten Materialschicht verschiedene Ablagerungs- und Ätzschritte aufweisen. Zudem können zusätzliche Strukturen an den gezeigten Schichten und/oder an verschiedenen zusätzlichen Schichten ausgebildet werden. Zum Beispiel können verschiedene wolframbasierte Elektroden zum Antreiben und/oder Erfassen einer Bewegung einer wolframbasierten beweglichen Masse aus der wolframbasierten Materialschicht 123 (beispielsweise den der beweglichen Masse zugrundeliegenden Elektroden) und/oder aus der wolframbasierten Materialschicht 128 (beispielsweise Elektroden neben der beweglichen Masse) ausgebildet werden.
SEITLICHE ANTRIEBS-/ERFASSUNGSELEKTRODEN
Wie oben diskutiert können Elektroden zum Antreiben und/oder Erfassen einer Bewegung einer beweglichen Masse aus einem wolframbasierten Material gebildet sein. Beispielsweise können die Masseebene-Strukturen 120 und 122 in bestimmten beispielhaften Ausführungsformen aus einem wolframbasierten Material ausgebildet sein, beispielsweise zum Antreiben und/oder Erfassen einer Bewegung außerhalb der Ebene der beweglichen MEMS-Strukturen 134.
Es sollte beachtet werden, dass seitliche Elektroden zusätzlich oder alternativ aus einem wolframbasierten Material ausgebildet sein können, beispielsweise zum Antreiben und/oder Erfassen einer Bewegung einer wolframbasierten beweglichen Masse. Insbesondere können seitliche Elektroden aus dem gleichen wolframbasierten Material wie die bewegliche Masse selbst gebildet sein (beispielsweise aus der in 9 gezeigten Schicht 128). Einige beispielhafte seitliche Elektroden sind beispielsweise in der veröffentlichten US-Patentanmeldung Nr. US 2012/0137773 beschrieben, die hiermit durch Bezugnahme in ihrer Gesamtheit aufgenommen ist. Beispielsweise kann das Strukturieren der wolframbasierten Materialschicht 128, das unter Bezugnahme auf 10 gezeigt und beschrieben ist, eine Ausbildung von einer oder mehreren seitlichen Elektroden angrenzend an einer beweglichen Masse umfassen und mit einer genauen, stark anisotropen Ätzung der oben beschriebenen Art können MEMS-Vorrichtungen mit hohem Aspektverhältnis wie etwa Gyroskope mit Volumenschallwellen (BAW-Gyroskope) ausgebildet werden, in denen die Elektroden sehr nahe an der Masse angeordnet sind. Wie bei den beweglichen MEMS-Strukturen 134 können die seitlichen Elektroden mit einer darunterliegenden Schaltung unter Verwendung von wolframbasierten elektrischen Verbindungen elektrisch verbunden sein.
WOLFRAMANKER
11 und 18 zeigen die beweglichen MEMS-Strukturen 134, die direkt auf den Masseebene-Strukturen 120 und 122 ausgebildet sind. In verschiedenen alternativen Ausführungsformen können die beweglichen MEMS-Strukturen 134 stattdessen an den Masseebene-Strukturen 120 und 122 oder anderen wolframbasierten Strukturen mit einem oder mehreren wolframbasierten Ankern verankert sein. Andere Strukturen wie z. B. Elektroden können in ähnlicher Weise unter Verwendung von wolframbasierten Ankern verankert sein.
In einer bestimmten beispielhaften Ausführungsform wird eine Matrix aus kleinen wolframbasierten Ankern (z. B. jeweils etwa 1 Mikrometer) anstelle eines einzigen großen wolframbasierten Ankers verwendet, wie in 19 gezeigt. Die Erfinder haben herausgefunden, dass solche kleinen Anker, individuell zu schwach, um nützlich zu sein, gleichmäßig ohne Hohlräume oder Risse gefüllt werden und einen Verbundanker bilden, der ausreichend stabil ist.
20–23 zeigen verschiedene Herstellungsprozesse zur Ausbildung der wolframbasierten Anker zum Verankern der loslösbaren MEMS-Strukturen gemäß einer beispielhaften Ausführungsform. 20–23 würden im Wesentlichen 8–10 in dem oben beschriebenen beispielhaften Herstellungsprozesses ersetzen.
Im Hinblick auf 20 wird die Oxidschicht 124 strukturiert, um eine strukturierte Oxidschicht 126 zu bilden, die eine Matrix aus kleinen Löchern 1902 (beispielsweise jeweils etwa 1 Mikrometer) für die Matrix aus kleinen Ankern aufweist und die einen Abschnitt der Masseebene-Struktur 118 freilegt.
Im Hinblick auf 21 werden die Löcher 1902 mit wolframbasierten Stopfen 1904 gefüllt, um Anker vorzugsweise aus dem gleichen wolframbasierten Material zu bilden, das verwendet wird, um die wolframbasierten beweglichen MEMS-Strukturen zu bilden (beispielsweise im Wesentlichen reinem Wolfram, wobei die Masseebene-Strukturen 120 und 122 aus Titan-Wolfram gebildet werden können).
Im Hinblick auf 22 wird eine dicke (d. h. größer oder gleich etwa 2 Mikrometer Dicke) wolframbasierte Materialschicht 128 auf der strukturierten Oxidschicht 126 und freiliegenden Abschnitten der Masseebene-Strukturen 118 ausgebildet. Wichtig ist, dass das wolframbasierte Material bei niedriger Temperatur unter etwa 500°C ohne Verdichten der darunterliegenden Oxidschicht 124/126 abgelagert wird. Die Verdichtung des darunterliegenden Oxids ist im Allgemeinen zur Ablagerung von siliziumbasierten Materialien aufgrund der hohen Temperaturen, bei denen siliziumbasierte Materialien im Allgemeinen abgelagert werden, erforderlich. Somit beseitigt dieser beispielhafte Herstellungsprozess den Schritt des Verdichtens der darunterliegenden Oxidschicht, was Herstellungszeit spart (und somit die Kosten reduziert), und vermeidet auch einen Hochtemperaturprozess, der elektronische Schaltungen beschädigen könnte. Anschließend wird eine Bondanschlussstelle 130 auf der wolframbasierten Materialschicht 128 an einem Abschnitt oberhalb der Masseebene-Struktur 118 ausgebildet. In dieser bestimmten beispielhaften Ausführungsform wird die Bondanschlussstelle 130 aus einem AlCu-Material gebildet, obwohl alternative Ausführungsformen ein anderes elektrisch leitendes Material verwenden können.
Im Hinblick auf 23 wird die wolframbasierte Materialschicht 128 strukturiert, um (eine) loslösbare Wolfram-MEMS-Struktur(en) 134 (z. B. ein Gyroskop, einen Resonator oder eine Beschleunigungsmesser-Prüfmasse) sowie eine leitfähige Wolfram-Bondanschlussstellenbasis 132 zu bilden. Wie oben erörtert kann in einer bestimmten beispielhaften Ausführungsform eine genaue, stark anisotrope Ätzung in einer Weise, die ähnlich derjenigen ist, die von Larmer et al. im US-Patent 5,501,893 (das hiermit durch Bezugnahme aufgenommen ist) für Silizium gelehrt wird, erhalten werden, wobei das Ätzmittel im Wesentlichen Fluor ist, das aus Schwefelhexafluoridgas (SF6) erzeugt wird, und eine Passivierungsschicht aus polytetrafluorethylenartigem Polymer aus Trifluormethan erzeugt wird. In dieser bestimmten beispielhaften Ausführungsform wird das restliche schützende Polymer nach dem Ätzen von dem geätzten Wafer mit einem weiteren kurzen isotropen Ätzen unter Verwendung eines Sauerstoff-Plasmas entfernt, wie es im Wesentlichen im US-Patent 8,486,198 (das hiermit durch Bezugnahme aufgenommen ist) für eine Kammerreinigung gelehrt wird.
In einer weiteren bestimmten beispielhaften Ausführungsform können anstelle einer Matrix aus kleinen Ankern ein oder mehrere große Anker verwendet werden, wobei der eine oder die mehreren Anker im Wesentlichen in der Oxid-Schicht 126 wie oben mit Bezug auf 20–23 diskutiert ausgebildet wird. Jedoch haben die Erfinder herausgefunden, dass die Ablagerung von großen wolframbasierten Ankern durch das Phänomen der ”Brotlaibbildung”, das in der Halbleiterverarbeitung beim Ablagern anderer Materialien wie Siliziumdioxid gut bekannt ist, verkompliziert werden kann. Eine Darstellung der ”Brotlaibbildung” kann in dem US-Patent 6,204,200 oder für gesputterte Metallschichten in 24 gefunden werden. Die ”Brotlaibbildung” erzeugt Hohlräume in einem Material, das in geätzte Vertiefungen mit steilen Wänden abgelagert wird, wie sie in dem Opferoxid eines MEMS verwendet werden, um Anker zu bilden. Die Erfinder haben herausgefunden, dass bei der Herstellung von Wolframankern, die groß genug sind, um ausreichend stark zu sein, die resultierenden Hohlräume sich als feine Risse erstrecken, die die mechanische Integrität ruinieren.
Somit werden in bestimmten beispielhaften Ausführungsformen große wolframbasierte Anker durch Ätzen der Vertiefungen in der Oxidschicht 126 in Stufen so ausgebildet, dass die Hohlräume an der Oberseite viel breiter als an der Unterseite sind. Der Mangel an steilen Seitenwänden ermöglicht es, diese Vertiefungen gleichmäßig mit Wolfram zu füllen, wodurch Anker mit je nach Ätzung verschiedenen Querschnitten, die aber typischerweise durch im Wesentlichen ”V”-förmige Anker verkörpert sind, gebildet werden.
25–28 zeigen verschiedene Herstellungsprozesse für die Ausbildung der wolframbasierten Anker zum Verankern der loslösbaren MEMS-Strukturen gemäß einer beispielhaften Ausführungsform.
Im Hinblick auf 25 bildet eine erste Ätzung Teilvertiefungen 2502.
Im Hinblick auf 26 bildet eine zweite Ätzung breitere und tiefere Vertiefungen 2504.
Im Hinblick auf 27 bildet eine dritte Ätzung die endgültigen Vertiefungen 2506.
Im Hinblick auf 28 werden die Hohlräume 2506 mit wolframbasierten Material gefüllt, um große Anker bilden. Die beweglichen MEMS-Strukturen (nicht dargestellt) können dann über der Oxidschicht 126 und den Ankern 2506 ausgebildet werden.
Es ist zu beachten, dass der oben diskutierte beispielhafte Herstellungsprozess zusätzliche und/oder alternative Herstellungsschritte aufweisen kann (und oft aufweist), die hier der Einfachheit halber weggelassen sind. Zum Beispiel kann ein Strukturieren einer bestimmten Materialschicht verschiedene Ablagerungs- und Ätzschritte aufweisen. Zudem können zusätzliche Strukturen an den gezeigten Schichten und/oder an verschiedenen zusätzlichen Schichten ausgebildet werden. Zum Beispiel können verschiedene wolframbasierte Elektroden zum Antreiben und/oder Erfassen einer Bewegung einer wolframbasierten beweglichen Masse aus der wolframbasierten Materialschicht 123 (beispielsweise den der beweglichen Masse zugrundeliegenden Elektroden) und/oder aus der wolframbasierten Materialschicht 128 (beispielsweise Elektroden neben der beweglichen Masse) ausgebildet werden.
Es ist zu beachten, dass auch andere Strukturen, wie z. B. nicht-bewegliche wolframbasierte Elektrodenstrukturen unter Verwendung von wolframbasierten Stopfen verankert werden können. Zum Beispiel können wolframbasierte Anker in Elektrodenanordnungen der Typen, die in US-Patentanmeldung Nr. US 2012/0137773 beschrieben sind, die hiermit durch Bezugnahme in ihrer Gesamtheit aufgenommen ist, verwendet werden. Unter anderem sind verankerte Elektroden im Allgemeinen weniger anfällig für Verformungen, die durch Wechselwirkungen mit einer beweglichen Masse verursacht werden, insbesondere bei MEMS-Vorrichtungen mit hohem Aspektverhältnisses wie etwa Gyroskopen mit Volumenschallwellen (BAW-Gyroskopen), in denen die Elektroden sehr nahe an der Masse angeordnet sind.
TESTERGEBNISSE
Die Erfinder führten praxisorientierte Tests eines wolframbasierten Gyroskops aus, das auf dem Entwurf und den Geometrien von Analog Devices iMEMS ADXRS640 basiert, wobei die Abschirmungsebene, die Runner (Leiterbahnen) und die Sensorstruktur mit 2,5 μm Wolfram anstatt 4 μm Silizium hergestellt sind. Daher erwarten die Erfinder, eine etwa 2- bis 4-mal bessere Rauschleistung von dem wolframbasierten Gyroskop als von dem siliziumbasierten Gyroskop zu sehen, wenn sie unter den gleichen Bedingungen betrieben werden. Es wurde erwartet, dass die Silizium- und Wolframstrukturen etwa die gleichen Auslenkungen aufweisen, wenn sie bei der gleichen Spannung unter der gleichen Atmosphäre betrieben werden, und die Erfinder haben herausgefunden, dass die wolframbasierten Gyroskope mit ihrer integrierten Elektronik nahe der erwarteten Frequenz mit dem erwarteten Q und der erwarteten Bewegungsamplitude schwingen. Wichtig ist, dass die Erfinder herausgefunden haben, dass die Auflösungsuntergrenze des wolframbasierten Gyroskop im Vergleich zu Silizium um einen großen Betrag verbessert zu sein scheint, was zeigt, dass das wolframbasierte Gyroskop eine bessere Langzeitstabilität als das siliziumbasierte Gyroskop aufweist. Dies wurde aufgrund der größeren Coriolis-Kraft und des Mangels an isolierender Oberfläche zum Einfangen von Ladung erwartet (die Oberflächenoxide von Wolfram sind leitend, während die Oberflächenoxide von Silizium isolierend sind). 29 ist ein Diagramm, das Allan-Abweichungs-Darstellungen für das wolframbasierte Gyroskop und das siliziumbasierte Gyroskop zeigt, die die verbesserte Auflösungsuntergrenze des wolframbasierten Gyroskops zeigen.
SONSTIGES
Es ist zu beachten, dass die Überschriften oben der Übersichtlichkeit halber verwendet werden und nicht in irgendeiner Weise als Einschränkung der vorliegenden Erfindung angesehen werden sollen.
Verschiedene Ausführungsformen der vorliegenden Erfindung können durch die potenziellen Ansprüche, die in den Absätzen aufgeführt werden, die diesem Absatz nachfolgen (und vor den am Ende dieser Anmeldung bereitgestellten Ansprüchen liegen), charakterisiert werden. Diese potenziellen Ansprüche bilden einen Teil der Beschreibung dieser Anmeldung. Dementsprechend kann der Gegenstand der folgenden potenziellen Ansprüche als tatsächliche Ansprüche in späteren Verfahren zu dieser Anmeldung oder jeder Anmeldung, die Priorität auf der Grundlage dieser Anmeldung beansprucht, präsentiert werden. Die Aufnahme solcher potenziellen Ansprüche sollten nicht so ausgelegt werden, dass die tatsächlichen Ansprüche nicht den Gegenstand der potenziellen Ansprüche abdecken. Daher sollte die Entscheidung, diese potenziellen Ansprüche in späteren Verfahren nicht zu präsentieren, nicht als eine Schenkung des Gegenstands an die Öffentlichkeit verstanden werden.
Ohne Einschränkung kann der potenzielle Gegenstand, der beansprucht werden kann (eingeleitet mit dem Buchstaben ”P”, um Verwechslungen mit den eigentlichen nachfolgenden Ansprüchen zu vermeiden) umfassen:

P21. Verfahren zum Verankern einer MEMS-Struktur an einem darunterliegenden Substrat einer MEMS-Vorrichtung unter Verwendung einer Matrix aus kleinen wolframbasierten Ankern anstelle eines einzelnen großen wolframbasierten Ankers, wobei das Verfahren Folgendes aufweist: Strukturieren einer Oxidschicht, um eine strukturierte Oxidschicht zu bilden, die eine Matrix aus kleinen Löchern jeweils mit einem Durchmesser von etwa 1 Mikrometer durch die Oxidschicht zu dem darunterliegenden Substrat aufweist; Füllen der Löcher mit wolframbasierten Stopfen, um die Matrix aus kleinen wolframbasierten Ankern auszubilden; und Ausbilden einer dicken wolframbasierten Materialschicht mit einer Dicke von mindestens 2 Mikrometern auf der strukturierten Oxidschicht, wobei die wolframbasierte Materialschicht bei einer niedrigen Temperatur unter etwa 500 °C ohne Verdichten der darunterliegenden Oxidschicht abgelagert wird, und wobei die dicke wolframbasierte Materialschicht auf dem darunterliegenden Substrat mit der Matrix aus kleinen wolframbasierten Ankern verankert ist.
P22. Verfahren nach Anspruch P21, wobei das darunterliegende Substrat eine Masseebene-Struktur der MEMS-Vorrichtung ist. P23. Verfahren nach Abschnitt P22, wobei die wolframbasierten Stopfen aus im Wesentlichen reinem Wolfram gebildet wird und wobei die Masseebene-Struktur aus Titan-Wolfram gebildet wird.
P24. Verfahren nach einem der Abschnitte P21 bis 23, wobei die Löcher gleichmäßig ohne Hohlräume oder Risse gefüllt werden.
P25. Verfahren nach einem der Abschnitte P21 bis 24, wobei die wolframbasierten Anker und die wolframbasierte Materialschicht aus dem gleichen wolframbasierten Material gebildet werden.
P26. Verfahren nach einem der Abschnitte P21 bis 25, das ferner Folgendes aufweist: Strukturieren der wolframbasierten Materialschicht, um eine loslösbare wolframbasierte MEMS-Struktur zu bilden, die an dem darunterliegenden Substrat mit der Matrix aus kleinen wolframbasierten Ankern verankert ist.
P27. MEMS-Vorrichtung, die Folgendes aufweist: ein Substrat; eine nicht verdichtete Oxidschicht auf dem Substrat, wobei die nicht verdichtete Oxidschicht eine Matrix aus kleinen wolframbasierten Ankern jeweils mit einem Durchmesser von etwa 1 Mikrometer aufweist, die sich jeweils durch die Oxidschicht zu dem Substrat erstrecken; und eine dicke wolframbasierte MEMS-Struktur mit einer Dicke von mindestens 2 Mikrometern auf der Oxidschicht, die an dem darunterliegenden Substrat mit der Matrix aus kleinen wolframbasierten Ankern verankert ist.
sP28. MEMS-Vorrichtung nach Anspruch P27, wobei das Substrat eine Masseebene-Struktur der MEMS-Vorrichtung ist.
P29. MEMS-Vorrichtung nach Abschnitt P28, die wolframbasierten Stopfen aus im Wesentlichen reinem Wolfram gebildet ist und wobei die Masseebene-Struktur aus Titan-Wolfram gebildet ist.
P30. MEMS-Vorrichtung nach einem der Abschnitte P27 bis 29, wobei die wolframbasierten Anker gleichmäßig ohne Hohlräume oder Risse gefüllt sind.
P31. MEMS-Vorrichtung nach einem der Abschnitte P27 bis 30, wobei die wolframbasierten Anker und die wolframbasierte Materialschicht aus dem gleichen wolframbasierten Material gebildet sind.
P32. MEMS-Vorrichtung nach einem der Abschnitte P27 bis 31, wobei die MEMS-Struktur eine loslösbare MEMS-Struktur ist.
P33. Verfahren zum Verankern einer MEMS-Struktur an einem darunterliegenden Substrat einer MEMS-Vorrichtung unter Verwendung eines großen wolframbasierten Ankers, wobei das Verfahren Folgendes aufweist: Strukturieren einer Oxidschicht, das ein Ätzen einer Vertiefung in die Oxidschicht unter Verwendung mehrerer Ätzschritte, ein schrittweises Erhöhen der Breite und der Tiefe der Vertiefung, so dass die Vertiefung sich durch die Oxidschicht zu dem darunterliegenden Substrat erstreckt und an der Oberseite wesentlich breiter als an der Unterseite ist, aufweist; gleichmäßiges Füllen der Vertiefung mit einem wolframbasierten Material, um einen großen wolframbasierten Anker auszubilden; und Ausbilden einer dicken wolframbasierten Materialschicht mit einer Dicke von mindestens 2 Mikrometern auf der strukturierten Oxidschicht, wobei die wolframbasierte Materialschicht bei einer niedrigen Temperatur unter etwa 500°C ohne Verdichten der darunterliegenden Oxidschicht abgelagert wird, und wobei die dicke wolframbasierte Materialschicht an dem darunterliegenden Substrat mit dem großen wolframbasierten Anker verankert wird.
P34. Verfahren nach Abschnitt P33, wobei das darunterliegende Substrat eine Masseebene-Struktur der MEMS-Vorrichtung ist.
P35. Verfahren nach Abschnitt P34, wobei der große wolframbasierte Anker aus im Wesentlichen reinem Wolfram gebildet wird und wobei die Masseebene-Struktur aus Titan-Wolfram gebildet wird.
P36. Verfahren nach einem der Abschnitte P33 bis 35, wobei die Vertiefung gleichmäßig ohne Hohlräume oder Risse gefüllt wird.
P37. Verfahren nach einem der Abschnitte P33 bis 36, wobei der wolframbasierte Anker und die wolframbasierte Materialschicht aus dem gleichen wolframbasierten Material gebildet werden.
P38. Verfahren nach einem der Abschnitte P33 bis 37, das ferner Folgendes aufweist: Strukturieren der wolframbasierten Materialschicht, um eine loslösbare wolframbasierte MEMS-Struktur zu bilden, die an dem darunterliegenden Substrat durch den großen wolframbasierten Anker verankert ist.
P39. MEMS-Vorrichtung, die Folgendes aufweist: ein Substrat; eine nicht verdichtete Oxidschicht auf dem Substrat, wobei die nicht verdichtete Oxidschicht einen großen wolframbasierten Anker aufweist, der im Wesentlichen an der Oberseite breiter als an der Unterseite ist und sich durch die Oxidschicht zu dem Substrat erstreckt; und eine dicke wolframbasierte MEMS-Struktur mit einer Dicke von mindestens 2 Mikrometern auf der Oxidschicht, die an dem darunterliegenden Substrat durch den großen wolframbasierten Anker verankert ist.
P40. MEMS-Vorrichtung nach Abschnitt P39, wobei das Substrat eine Masseebene-Struktur der MEMS-Vorrichtung ist.
P41. MEMS-Vorrichtung nach Abschnitt P38 oder 39, wobei der große wolframbasierte Anker aus im Wesentlichen reinem Wolfram gebildet ist und wobei die Masseebene-Struktur aus Titan-Wolfram gebildet ist.
P42. MEMS-Vorrichtung nach einem der Abschnitte P39 bis 41, wobei der große wolframbasierte Anker gleichmäßig ohne Hohlräume oder Risse gefüllt ist.
P43. MEMS-Vorrichtung nach einem der Abschnitte P39 bis 42, wobei der wolframbasierte Anker und die wolframbasierte Materialschicht aus dem gleichen wolframbasierten Material gebildet sind.
P44. MEMS-Vorrichtung nach einem der Abschnitte P39 bis 43, wobei die MEMS-Struktur eine loslösbare MEMS-Struktur ist.

Die vorliegende Erfindung kann in anderen spezifischen Formen verkörpert werden, ohne von dem wahren Umfang der Erfindung abzuweichen, und zahlreiche Variationen und Abwandlungen sind für den Fachmann basierend auf den Lehren in dem vorliegenden Dokument offensichtlich. Jegliche Bezugnahmen auf die ”Erfindung” sollen sich auf beispielhafte Ausführungsformen der Erfindung beziehen und sollen nicht so ausgelegt werden, dass sie sich auf alle Ausführungsformen der Erfindung beziehen, sofern der Kontext nicht etwas anderes fordert. Die beschriebenen Ausführungsformen sollen in jeder Hinsicht nur als veranschaulichend und nicht als einschränkend betrachtet werden.
ANHANG A – IDEALES RATENRAUSCHEN VON GASGEDÄMPFTEN Z-ACHSEN-GYROSKOPEN MIT KAMMANTRIEB AUSGEDRÜCKT DURCH PROZESSPARAMETER
Dies ist eine Näherungsformel, die verwendet werden kann, um Prozesse quantitativ zu vergleichen, ohne all die Kompromisse und recht komplizierten Berechnungen machen zu müssen, die nötig sind, um Testentwürfe vorzunehmen. Sie weist explizit eine Optimierung für den Prozess auf anstatt eine feste Geometrie zu verwenden, und ist damit ein fairerer Vergleich ist als die eher übertriebene Bewertung aus dem vorherigen ”Gütemaß”, obwohl sie das gleiche qualitative Ergebnis ergibt. Dies gilt wie in Anhang B hergeleitet für Luftgyroskope. Siehe Anhang C für Unterdruckgyroskope.
Die Herleitung ist in Anhang B.

Alle Einheiten sind SI-Einheiten außer Ωn. Ωn ist eine Spektraldichte des Ratenrauschens in (Grad/sek.)/Wz. Hz. B = Strukturdicke; g = minimales Merkmal; h = Opferschichtdicke E = Youngsches Modul; ρ = Dichte; ζ = Luftviskosität V = angelegte Spannung; Vn = Differentialverstärker-Eingangsrauschen; Ct = Fingerabschlusskapazität Übliche Parameter:

ζ := 6·u (Abdeckung mit 70 mbar Luft bei 700 K)

4 um Silizium 21 V BIMOS	Ωn(4·u, 3·u, 2·u, 163·10⁹, 2333, 10·10^–15, 21) = 6.9 × 10 Dies ist in etwa das, was bei der Produktion von Silizium-Gyroskopen erzielt wird.
4 um Wolfram 21 V BIMOS	Ωn(4·u, 2·u, 2·u, 410·10⁹, 19254, 5·10^–15, 21) = 9.0 × 10 Wolfram ergibt eine 7×-Verbesserung.
2,5 um Wolfram 21 V BIMOS	Ωn(2.5·u, 3·u, 2·u, 410·10⁹, 19254, 5·10^–15, 21) = 2.1 × 10 Dünner ergibt eine 3×-Verbesserung.

ANHANG B – HERLEITUNG FÜR GASGEDÄMPFTE GYROSKOPE
Der nutzbare Frequenzbereich in einer Struktur mit einer gegebenen Breite (W) und Dicke (b) ist nach oben durch die erste Biegeschwingungsmode aus der Ebene heraus beschränkt. Diese Frequenz ist üblicherweise für einen ungefähr quadratischen Entwurf die höchste und ist in der Praxis etwas niedriger als die erste Mode einer einfach aufgehängten quadratischen Platte der gleichen Größe. Die Frequenz dieser Plattenmode wird bei ”Roark” als
gegeben, wobei E der Materialmodul, ρ seine Dichte und ν seine Poissonzahl ist. D. h.
wobei
die Geschwindigkeit von Kompressionsschallwellen in dem Material ist.
Eine gute Faustregel ist, dass die Gyroskop-Resonatorfrequenz fo fp/2 nicht überschreiten sollte. Dabei wird im Interesse des besten Leistungsvermögens für eine gegebene Chipfläche immer an die Grenze gegangen, so dass etwa:
Es ist erwünscht, möglichst viel mechanisches Signal zu erhalten. Dies ist die Verschiebung x des Coriolis-Beschleunigungsmessers für eine gegebene Eingangsrate Ω in Grad pro Sekunde und ist gegeben durch:
wobei v die Resonatorgeschwindigkeit ist und ka, kb dimensionslose Entwurfparameter sind, nämlich das Verhältnis von Resonator- zu Beschleunigungsmesser-Trägheit und ein Frequenzverstärkungsfaktor, die in unseren Gyroskopen jeweils etwa 0,5 und 2 betragen.
Aber v = F / D , wobei F die verfügbare Gravitationskraft ist und D die Resonatordämpfung ist, so dass wieder ungefähr gilt:
Dies zeigt eine andere Beschränkung von fo auf. Es ist erwünscht, dass sie so klein wie möglich ist, so dass x groß sein kann. Je niedriger sie aber wird, desto anfälliger wird das Gyroskop für Schläge und Vibration. Wenn sie sehr klein werden würde, könnte das Gyroskop vielleicht sogar einer Haftreibung unterliegen. Erfahrene Anwender werden bei etwa 10 kHz unruhig, während 20 kHz hoch genug ist, um bedenkenlos zu sein. Wir arbeiten üblicherweise bei etwa 16 kHz. Somit gibt es in der Praxis wenig Freiheit bei der Wahl von fo und Gleichung (1) wird zu:
(Dimensionsprüfung OK)
(numerische Prüfung gegen Produktionsentwürfe OK)
Die verfügbare Kraft aus einer Tang-Antriebsfingeranordnung ist:
wobei V das angelegte Potential ist, ε die Permittivität von Luft ist, kf der Randfaktor multipliziert mit dem Anteil von W, der für den Kammantrieb verwendet wird, ist, g die Lücke zwischen den Fingern ist (bezogen beim Prozessminimum, um F zu maximieren) und wf die Fingerbreite ist, die im Prinzip g sein könnte. In der Praxis liegt kf nahe bei 1, so dass dies sich ungefähr reduzieren lässt auf:
Die Scherdämpfung an dem Substrat dominiert D, wenn sowohl die Opferschicht als auch die Struktur nur einige wenige um dick sind.
Wenn die Struktur dicker ist, ist die Verdrängung der Luft durch die sich bewegenden Finger und Kanten signifikanter:
in einer ersten Näherung,
wobei ζ die Luftviskosität ist und
h die Opferschichtdicke ist Kombinieren von Gleichungen (2), (4), (5)
(Dimensionsprüfung OK)
(numerische Prüfung gen1 OK)
Die Coriolis-Beschleunigungsmesserdämpfung Da wird durch den Finger-Quetschfilm dominiert, die in einer ersten Näherung Da = 2·ζ·λ·N·( b / g)³ ist, wobei N die Anzahl der sich bewegenden Finger der Länge λ ist.
Sowohl im gen1- als auch im gen2-Entwurf ist N = 4 W / p , wobei p die Teilung der Finger ist, die durch Ankerentwurfsregeln festgelegt wird. Die BIMOS-Regel p = 12 g wird der Einfachheit halber verwendet, wobei g der Nennwert bei Herstellung 1,25 um ist. Die Ergebnisse der Analyse sind für diese Vereinfachung nicht sehr empfindlich, wie ersichtlich werden wird. Die Brownsche Kraft pro Wurzel von Hz auf den Beschleunigungsmesser ist √4kTDa .
Die Brownsche Verschiebung pro Wurzel von Hz Xb bei fo ist daher:
wobei kT wie üblich die Boltzmann-Energie ist. Somit erhält man durch Einsetzen von Da für N:
Die differentielle Signalspannung, die durch die Verschiebung des Beschleunigungsmessers induziert wird, ist:
wobei Ct die effektive Abschlusskapazität pro Finger ist.
Somit ist dann, wenn das eingangsbezogene Spannungsrauschen der Elektronik Vn pro Wurzel von Hz bei fo ist, die äquivalente Beschleunigungsmesserverschiebung Xv:
(Dimensionsprüfung OK)
Und die gesamte äquivalente Verschiebungsrauschleistung ist:
Dies kann in das äquivalente Ratenrauschen Ωn umgewandelt werden, das das Gyroskop-Leistungsvermögen angibt, indem Gleichung (6) verwendet wird und bedacht wird, dass das Rauschfalten des Demodulators die effektive Rauschleistung verdoppelt, aber nicht die Signalleistung.
was sich vereinfacht zu:
Dies enthält einen freien Parameter λ, der für ein minimales Ωn optimiert würde.
(Dimensionsprüfung OK)
(numerische Prüfung gen2 OK)
und zurück eingesetzt zusammen mit Gleichung (1)
ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG
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Zitierte Patentliteratur

US 5417111 [0005]
US 5205171 [0006]
US 7367232 [0007]
US 6122961 [0027]
US 5501893 [0040, 0051, 0061, 0073]
US 8486198 [0040, 0051, 0061, 0073]
US 5314572 [0056]
US 6204200 [0074]

Claims

Verfahren zum Herstellen einer MEMS-Vorrichtung mit einer wolframbasierten MEMS-Struktur, wobei das Verfahren Folgendes aufweist: Ablagern eines wolframbasierten Materials bei einer Temperatur unter etwa 500°C und Verwenden eines Kornwachstumsinhibitors, um eine spannungsarme wolframbasierte Materialschicht, die mindestens zwei Mikrometer dick ist, über einer darunterliegenden Oxidschicht zu bilden, ohne zuerst die Oxidschicht zu verdichten; und Ätzen der wolframbasierten Materialschicht, um eine wolframbasierte MEMS-Struktur zu bilden.
Verfahren nach Anspruch 1, wobei die wolframbasierte MEMS-Struktur eine loslösbare wolframbasierte bewegliche Masse ist und wobei das Verfahren ferner ein Entfernen von Oxid, das unter der loslösbaren wolframbasierten beweglichen Masse liegt, um die wolframbasierte bewegliche Masse loszulösen, aufweist.
Verfahren nach Anspruch 1 oder 2, wobei die MEMS-Vorrichtung vor dem Ablagern des wolframbasierten Materials eine elektronische Schaltung aufweist und wobei das Ablagern des wolframbasierten Materials die Temperatur der elektronischen Schaltung nicht auf über etwa 450°C erhöht.
Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche, wobei das Ablagern der wolframbasierten Materialschicht Folgendes aufweist: Ablagern des wolframbasierten Materials auf einem Target, das mit einem Kornwachstumsinhibitor dotiert ist; und/oder abwechselnd (1) Ablagern einer wolframbasierten Materialschicht und (2) Einführen eines Kornwachstumsinhibitors, um ein vertikales Kornwachstum zu einer anschließend abgelagerten wolframbasierten Materialschicht zu stoppen.
Verfahren nach Anspruch 4, wobei der Kornwachstumsinhibitor Folgendes aufweist: Bor; und/oder ein Metall der seltenen Erden.
Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche, wobei das Ätzen der wolframbasierten Materialschicht Folgendes aufweist: Ätzen der wolframbasierten Materialschicht unter Verwendung eines Ätzmittels, das im Wesentlichen Fluor ist, das aus Schwefelhexafluoridgas (SF6-Gas) erzeugt wird, und einer passivierenden Schicht aus einem polytetrafluorethylenartigen Polymer, das aus Trifluormethan erzeugt wird, um eine präzise, stark anisotrope Ätzung zu bilden.
Verfahren nach Anspruch 6, das ferner Folgendes aufweist: Entfernen des restlichen schützenden Polymers nach dem Ätzen unter Verwendung eines Sauerstoffplasmas.
Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche, wobei das Ablagern des wolframbasierten Materials Folgendes aufweist: Steuern der Sauerstoffpegel während der Ablagerung des wolframbasierten Materials.
Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche, das ferner Folgendes aufweist: Ausbilden mindestens eines wolframbasierten Ankers durch die Oxidschicht zu einem darunterliegenden Substrat vor dem Ablagern des wolframbasierten Materials, um die spannungsarme wolframbasierte Materialschicht zu bilden, wobei die MEMS-Struktur an dem darunterliegenden Substrat durch den mindestens einen wolframbasierten Anker verankert ist.
Verfahren nach Anspruch 9, wobei der mindestens eine wolframbasierte Anker ein Verbundanker ist, der eine Matrix aus kleinen wolframbasierten Ankern mit jeweils etwa 1 Mikrometer Durchmesser aufweist, und wobei ein Ausbilden der Matrix aus kleinen wolframbasierten Ankern Folgendes aufweist: Strukturieren der Oxidschicht, um eine strukturierte Oxidschicht zu bilden, die eine Matrix aus kleinen Löchern mit einem Durchmesser von jeweils etwa 1 Mikrometer durch die Oxidschicht zu dem darunterliegenden Substrat aufweist, und Füllen der Löcher mit wolframbasierten Stopfen, um die Matrix aus kleinen wolframbasierten Ankern zu bilden.
Verfahren nach Anspruch 9, wobei der mindestens eine wolframbasierte Anker einen großen wolframbasierten Anker aufweist und ein Ausbilden des großen wolframbasierten Ankers Folgendes aufweist: Strukturieren der Oxidschicht durch Ätzen einer Vertiefung in die Oxidschicht unter Verwendung mehrerer Ätzschritte, die schrittweise die Breite und die Tiefe der Vertiefung erhöhen, so dass sich die Vertiefung durch die Oxidschicht zu dem darunterliegenden Substrat erstreckt und an der Oberseite wesentlich breiter als an der Unterseite ist, und gleichmäßiges Füllen der Vertiefung mit einem wolframbasierten Material, um den großen wolframbasierten Anker auszubilden.
Verfahren nach Anspruch 9, 10 oder 11, wobei das darunterliegende Substrat eine Masseebene-Struktur der MEMS-Vorrichtung ist und wobei der mindestens eine wolframbasierte Anker aus im Wesentlichen reinem Wolfram gebildet ist und die Masseebene-Struktur aus Titan-Wolfram gebildet ist.
Verfahren nach Anspruch 9, 10, 11 oder 12, wobei der mindestens eine wolframbasierte Anker gleichmäßig ohne Hohlräume oder Risse gefüllt ist.
Verfahren nach Anspruch 9, 10, 11, 12 oder 13, wobei der mindestens eine wolframbasierte Anker und die wolframbasierte Materialschicht aus dem gleichen wolframbasierten Material ausgebildet sind.
MEMS-Vorrichtung, die Folgendes aufweist: eine spannungsarme wolframbasierte MEMS-Struktur mit einer Dicke von mindestens zwei Mikrometern, die durch den Prozess nach einem der vorhergehenden Ansprüche ausgebildet ist.
MEMS-Vorrichtung nach Anspruch 15, wobei die MEMS-Struktur an dem darunterliegenden Substrat durch mindestens einen wolframbasierten Anker, der sich von der MEMS-Struktur durch die Oxidschicht zu dem darunterliegenden Substrat erstreckt, verankert ist.
MEMS-Vorrichtung nach Anspruch 16, wobei der mindestens eine wolframbasierte Anker ein Verbundanker ist, der eine Matrix aus kleinen wolframbasierten Ankern mit einem Durchmesser von jeweils etwa 1 Mikrometer aufweist.
MEMS-Vorrichtung nach Anspruch 16, wobei der mindestens eine wolframbasierte Anker einen großen wolframbasierten Anker aufweist, der an der Oberseite wesentlich breiter ist als an der Unterseite.
MEMS-Vorrichtung nach Anspruch 16, 17 oder 18, wobei das darunterliegende Substrat eine Masseebene-Struktur der MEMS-Vorrichtung ist und wobei der mindestens eine wolframbasierte Anker aus im Wesentlichen reinem Wolfram gebildet ist und die Masseebene-Struktur aus Titan-Wolfram gebildet ist.
MEMS-Vorrichtung nach Anspruch 16, 17, 18 oder 19, wobei der mindestens eine wolframbasierte Anker und die spannungsarme wolframbasierte MEMS-Struktur aus dem gleichen wolframbasierten Material gebildet sind.