DE69936590T2 - Vibrationskreisel und sein herstellungsverfahren - Google Patents

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    • H01L29/66—Types of semiconductor device ; Multistep manufacturing processes therefor
    • H01L29/84—Types of semiconductor device ; Multistep manufacturing processes therefor controllable by variation of applied mechanical force, e.g. of pressure
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Description

  • Diese Erfindung betrifft Verbesserungen bei der Herstellung von Kreiseln.
  • Es ist bekannt, mikromechanische Sensoren mit Mikrobearbeitungsverfahren herzustellen. Insbesondere zeigt GB 2 276 976 ein spezielles Verfahren zur Herstellung eines solchen Sensors, bei dem Kavitäten in die Oberfläche eines Siliziumwafers eingebracht werden. Als Nächstes wird ein zweiter Wafer mit der Oberfläche des ersten Wafers verbunden und auf eine solche Weise geätzt, dass Teile des zweiten Wafers freigelegt werden, die sich über den Kavitäten in dem ersten Wafer befinden. Folglich werden aufgehängte schwingfähige Teile hergestellt, die sich über den Kavitäten in dem ersten Wafer befinden.
  • Weiter zeigt WO 95/08775 eine Struktur, bei der eine Siliziumschicht auf ein Substrat aufgebracht ist. Das Silizium wird auf eine solche Weise geätzt, dass sich aufgehängte Resonatorstücke über Kavitäten in dem Silizium bilden.
  • Ein solcher mikromechanischer Sensor ist der Vibrationskreisel, der die Drehrate misst und Anwendung im Bereich der Fahrzeugregelung, intelligenten Munition, Robotik, virtuellen Realität, Freizeit und Medizin sowie auch anderen Bereichen findet.
  • JP 09145740 beschreibt einen Beschleunigungssensor, der eine Sensorelektrode hat, die so geformt ist, dass Effekte beseitigt werden, die mit der ebenen Anisotropie des Materials zusammenhängen, aus denen er hergestellt ist.
  • Die vorliegende Erfindung betrifft einen mikromechanischen Ring-Vibrationskreisel und sein Herstellungsverfahren.
  • Die Erfindung ist durch die Ansprüche 1 und 18 definiert. Weitere Merkmale werden durch die Ansprüche 2–17 und 19–34 definiert.
  • Nach einem ersten Aspekt der Erfindung wird ein mikromechanischer Ring-Vibrationskreisel geschaffen, der ein Ringelement umfasst, das aus einem Material hergestellt ist, das anisotrope mechanische Eigenschaften hat, dadurch gekennzeichnet, dass das Ringelement dazu eingerichtet ist, während der Verwendung zu schwingen, und dadurch, dass wenigstens ein Bereich des Ringelements im Vergleich zum Rest des Ringelements verdickt ist, um die anisotropen mechanischen Eigenschaften des Materials, aus dem das Ringelement hergestellt ist, im wesentlichen zu kompensieren.
  • Die Abmessungen von wenigstens einem Teil des Ringelements können auf periodische Weise im Vergleich zum Rest des Elements dikker oder dünner sein.
  • Der Vibrationskreisel kann funktionieren, als ob er aus einem isotropen Material hergestellt wäre. Dies bietet den Vorteil, dass Material, das keine perfekten Eigenschaften zeigt, verwendet werden kann, um den Vibrationskreisel herzustellen, und trotzdem arbeitet der Vibrationskreisel immer noch genau. Solche Vibrationskreisel haben mehrere Anwendungen, einschließlich: Fahrzeugregelung, intelligente Munition, Robotik, virtuelle Realität und Medizin.
  • Der Vibrationskreisel wird aus einem anisotropen Material hergestellt. Dies ist vorteilhaft, weil dieses wesentlich billiger als isotropes Materials sein kann.
  • Vorzugsweise wird der Vibrationskreisel aus Silizium mit dem Gitterabstand von im wesentlichen <100> als Ebene des Siliziumwafers hergestellt. Es ist bekannt, dass innerhalb von <100>-Silizium der Schubmodul und der radiale Elastizitätsmodul signifikant mit cos4θ variieren (wobei θ ein Winkel innerhalb einer Ebene in dem Silizium von einem Referenzpunkt in dieser Ebene aus ist).
  • Früher wurden mikromechanische Vibrationskreisel aus Siliziumwafern mit im wesentlichen <111> als Waferebene hergestellt. In solchem <111>-orientierten Silizium variiert der radiale Elastizitätsmodul wenig mit der Winkelorientierung. Wie Fachleuten klar ist, ist <111>-Silizium teurer als <100>-Silizium, und es ist deshalb vorteilhaft, <100>-Silizium verwenden zu können. Bis zur Realisierung dieser Erfindung war es nicht möglich, <100>-Silizium zu verwenden, ohne Einstellverfahren einzusetzen (z. B. Lasertrimmen), weil die anisotrope Art des Materials zu Ungenauigkeit des Vibrationskreisels geführt hat. Die Verwendung von <100>-Silizium als Material kann auch die Integration von Elektronik auf dem Chip einfacher machen, und folglich die Leistungsfähigkeit verbessern.
  • Vorzugsweise hat der Vibrationskreisel eine Anzahl von Sensorelementen, z. B. 8 oder 16 oder 32 oder 64 oder 128 Sensorelemente. Die Sensorelemente können mit gleichem Abstand über einen Kreis verteilt sein; wenn z. B. acht Sensorelemente vorgesehen sind, können diese mit 45°-Intervallen auf dem Kreis angeordnet sein.
  • Der Vibrationskreisel wird aus einem Ring hergestellt und kann mit Aufhängungselementen/Stegen mit wenigstens acht Sensorelementen aufgehängt sein, die in 45°-Intervallen auf einem Kreis angeordnet sein können. Wenn ein solcher Vibrationskreisel (der Antriebs- und Erfassungsmoden aufweist) mit allen Sensorelementen von gleichen Abmessungen aus <100>-Silizium hergestellt würde, würde der Anisotropieeffekt zu einer Aufspaltung der Frequenzen des Antriebs- und Erfassungsmodus führen. Diese Aufspaltung ist signifikant und führt zu einer Verringerung der Empfindlichkeit des Vibrationskreisels, da die Moden bei einer einwirkenden Drehrate nicht effizient koppeln und ein hohes Niveau der mechanischen Kopplung die Sensorsignale überdeckt.
  • Wenn acht Sensorelemente vorgesehen sind, können vier von diesen einen Teil mit erhöhter Dicke im Vergleich zu den restlichen vier Sensorelementen aufweisen.
  • Eine Ausführung ist, die Teile des Rings, die zu alternativen Sensorelementen gehören, im Vergleich zu den verbleibenden Teilen des Rings zu verdicken. Diese Verdickung kann eine Annäherung an eine cos4θ -Variation sein, oder kann im Wesentlichen eine cos4θ-Variation sein.
  • Die Sensorelemente mit einem Anteil mit erhöhter Dicke können im Vergleich zu den verbleibenden Sensorelementen um einen Betrag von im wesentlichen im Bereich 0,1 μm bis 50μm, z. B. 13μm, verdickt sein.
  • Die erforderliche Verdickung der Sensorelemente variiert entsprechend der Abmessungen des Wafers und der Größe der Einrichtung. Für einen 100μm dicken Ring kann der Abschnitt mit erhöhter Dicke im Vergleich zu den restlichen Teilen des Rings um im wesentlichen 13μm verdickt sein. Diese Verdickung ist bloß eine Angabe, da die genaue Erhöhung für jeden speziellen Entwurf berechnet werden muss. Es können andere Abschnitte verdickt werden, um Anisotropie in <100>-Silizium zu berücksichtigen.
  • Die Sensorelemente können paarweise vorgesehen werden, wobei ein Sensorelement von jedem Paar auf einer Seite des Ringelements und das andere Sensorelement auf der anderen Seite vorgesehen wird. Eine solche Struktur ist vorteilhaft, weil sie gegenüber dem Vorsehen von einzelnen Sensorelementen auf einer einzigen Seite des Rings eine verbesserte Leistungsfähigkeit bieten kann.
  • Vorzugsweise bildet das Ringelement eine kapazitive Platte und die Sensorelemente andere kapazitive Platten. Die Anordnung kann ein Paar von Differentialkondensatoren mit dem Ringelement als gemeinsame Platte (oder Elektrode) und den Sensorelementen (Elektroden) als andere Platte in jedem Kondensator bilden. Diese Struktur ermöglicht, dass Änderungen der Kapazität gemessen werden, wenn sich das Ringelement bewegt, was eine günstige Struktur und Art der Erfassung von Messwerten von dem Vibrationskreisel schafft.
  • In einer Ausführung sind die Aufhängungsstege in einem Innenbereich des Ringelements vorgesehen, und in anderen Ausführungen sind die Aufhängungsstege in einem Außenbereich des Ringelements vorgesehen. Beide dieser Anordnungen liefern günstige Strukturen zur Aufhängung des Rings.
  • Die Sensorelemente können dazu eingerichtet sein, dass Spannungen an sie angelegt werden. Das Anlegen von Spannungen an ein Sensorelement ist vorteilhaft, weil es ermöglicht, dass elektromagnetische, speziell elektrostatische, Kräfte auf das Ringelement aufgebracht werden. Solche Kräfte können für die Regelung der Bewegung des Ringelements, was zu verbesserter Leistungsfähigkeit führen kann, und auch für die Feineinstellung der Modenfrequenzen über ein elektrostatisches Federäquivalent vorteilhaft sein, das die Gesamtfederkonstante modifiziert.
  • Figure 00060001
  • Spannungen, die an die Sensorelemente angelegt werden, können dazu eingerichtet sein, eine bestimmte Schwingungsmode des Ringelements zu Null zu machen. Dies kann wiederum zu verbesserter Leistungsfähigkeit des Vibrationskreisels führen. Fachleuten ist klar, dass der Vibrationskreisel so angetrieben wird, dass das Ringelement bei einer ersten Harmonischen schwingt, und dass eine angelegte Drehrate eine zweite Harmonische anregt, die im Allgemeinen unter 45° zu der ersten liegt. Das System kann dazu eingerichtet ist, die zweite Harmonische zu Null zu machen. Eine Regeleinrichtung mit geschlossener Regelschleife kann vorgesehen sein, um die Amplitude der Schwingung der zweiten Harmonischen zu überwachen und zu regeln.
  • Hier ist außerdem ein Verfahren zum Betreiben eines solchen Vibrationskreisels beschrieben, bei dem ein Paar von Sensorelementen, das um ein Ringelement des Vibrationskreisels herum angeordnet ist, in Differenzanordnung mit einer Verarbeitungseinrichtung verbunden sind.
  • Ein Vorteil einer solchen Einrichtung ist, dass Rauschen, das beide Sensorelemente gemeinsam haben, unterdrückt werden kann (Gleichtaktunterdrückung wird erhöht), und deshalb kann die Leistungsfähigkeit des Vibrationskreisels gesteigert werden.
  • Die Sensorelemente, die in Differenzanordnung mit der Verarbeitungseinrichtung verbunden sind, können mit Abständen um das Ringelement herum verteilt sein. Alternativ können die Sensorele mente als Paar vorgesehen sein, wobei das Ringelement zwischen dem Paar vorbeiläuft.
  • Die Verarbeitungseinrichtung kann Signalverarbeitung und Regelkreise umfassen.
  • Das Verfahren kann das Anlegen von Spannungen an eines oder mehrere der Sensorelemente umfassen, was folglich eine Vorgehensweise für die Verlagerungsregelung des Ringelements bietet.
  • Das Verfahren kann das Anlegen von Spannungen umfassen, sodass dadurch die Verlagerung von Teilen des Ringelements im Wesentlichen verhindert wird. Wie zuvor diskutiert induziert eine Drehrate eine zweite Harmonische in die Schwingungen des Ringelements. Das Verfahren kann das Anlegen einer Spannung umfassen, um im Wesentlichen zu verhindern, dass das Ringelement mit der zweiten Harmonischen schwingt.
  • In einer anderen Ausführung umfasst das Verfahren das Anlegen von Spannungen an die Sensorelemente, sodass das Ringelement arbeitet, als ob es aus einem Material hergestellt wäre, das isotrope Eigenschaften hat (das <111>-Silizium sein kann).
  • Wenn ein Paar von Sensorelementen vorgesehen ist, wobei das Ringelement zwischen dem Paar hindurchläuft, kann das Verfahren das im wesentlichen gegenphasige Anlegen von Spannungen an jedes Element des Paares umfassen. Dies hat den Vorteil, dass auf das Ringelement stärkere Kräfte aufgebracht werden.
  • Nach einem zweiten Aspekt der Erfindung wird ein Verfahren zur Herstellung eines mikromechanischen Ring-Vibrationskreisels ge schaffen, das die folgenden Schritte umfasst: (i) Nehmen einer Schicht aus kristallinem Material mit anisotropen mechanischen Eigenschaften und (ii) Bestimmen des Grades der Fehlausrichtung des Kristallgitters innerhalb der Schicht aus dem Material, indem die exakte Kristallorientierung festgestellt wird, dadurch gekennzeichnet, dass das Verfahren weiter die folgenden Schritte umfasst: (iii) Berechnen des Betrags der Änderung, der in Dickenrichtung eines Ringelements erforderlich ist, das in der Schicht aus kristallinem Material hergestellt wurde, um die Fehlausrichtung des Kristallgitters zu kompensieren; und (iv) Herstellen eines solchen Ringelements in der Schicht aus dem Material, wobei wenigstens ein Bereich des Ringelements im Vergleich zu dem Rest des Ringelements verdickt ist, um die Fehlausrichtung und folglich die anisotropen mechanischen Eigenschaften der Schicht aus dem Material im wesentlichen zu kompensieren.
  • Vorzugsweise umfasst der Schritt des Herstellens des Ringelements nach der Erfindung das Nehmen eines ersten Wafers mit einer Isolierschicht, die darauf aufgebracht ist, und mit einem zweiten Wafer, der mit der Isolierschicht verbunden ist, und
    • (a) das Aufbringen eines Musters und das nachfolgende Ätzen von entweder dem ersten oder dem zweiten Wafer, sodass Kanäle in dem einen Wafer (dem geätzten Wafer) erzeugt werden, die an der Grenze zur Isolierschicht enden; und
    • b) das Ätzen der Isolierschicht, um Teile der Isolierschicht zu entfernen, die an den geätzten Wafer angrenzen, sodass diese Teile des geätzten Wafers unterhalb einer zuvor festgelegten Größe, die aufgehängten Teile, im wesentlichen frei über dem anderen Wafer aufgehängt werden.
  • Ein solches Verfahren hinterlässt Teile des geätzten Wafers, die oberhalb der zuvor festgelegten Größe liegen, die an dem anderen Wafer über die Isolierschicht befestigt sind. Folglich ist der mikromechanische Sensor derart geformt, dass er sowohl aufgehängte Anteile, als auch Anteile umfasst, die mit der Isolierschicht an dem anderen Wafer befestigt sind.
  • Während eines Ätzvorgangs ätzen die Ätzmittel alle freien Oberflächen eines Zielmaterials an, mit denen sie in Kontakt treten. Wenn deshalb ein Volumen eines Zielmaterials einem Ätzmittel ausgesetzt wird, wird es von jeder seiner Seiten angeätzt, mit der das Ätzmittel in Kontakt tritt. Die Länge der Zeit, die erforderlich ist, damit das Ätzmittel das Zielmaterial vollständig entfernt, hängt von dem kürzesten Abstand von einem Abschnitt an der Kante des Volumens bis zum Zentrum des Volumens ab. Folglich ist eine lange schmale Form entfernt, bevor eine quadratische Form mit demselben Volumen entfernt ist. Folglich hängt die zuvor festgelegte Größe, oberhalb der die aufgehängten Anteile von dem anderen Wafer separiert werden, von den Abmessungen des Volumens der Isolierschicht ab, die geätzt wird.
  • Schritt b) des Prozesses kann mit einem einzelnen Schritt des Aufbringens des Musters und des Ätzens oder kann mit einer Folge von Schritten des Aufbringens und Ätzens durchgeführt werden.
  • Die Isolierschicht kann man sich als Opferschicht und Befestigungsschicht vorstellen. Fachleuten ist jedoch klar, dass die Isolierschicht isolierende Eigenschaften haben hat, die genutzt werden können.
  • Dieses Verfahren ist einfacher anzuwenden als Verfahren nach dem Stand der Technik. Die resultierende Verringerung der Komplexität des Prozesses ist ein Vorteil sowohl gegenüber Oberflächenmikrobearbeitung mit Opferschicht (SSM, sacrificial surface micromachining) als auch traditionellen Bulk-Mikrobearbeitungstechniken (TBM, traditional bulk micromachining).
  • Weitere Vorteile des Verfahrens sind, dass strukturierte Formen in dem geätzten Wafer mit größerer Tiefe ausgeführt werden können, als bei Verfahren nach dem Stand der Technik, die Oberflächen-Mikrobearbeitung (SSM), bei der Schichten abgeschieden werden, oder andere Typen von Silizium-auf-Isolator-Verarbeitung verwenden. Die typischen Grenzen der Dicke einer abgeschiedenen Schicht liegen zwischen 10μm und 20μm. Es wäre nicht möglich, Material verlässlich mit der Dicke abzuscheiden, die von dem vorliegenden Verfahren erreicht wird. Zum Beispiel hat das Aufbringen von Material durch Abscheiden das Problem, dass die Gleichmäßigkeit des Materials schwer zu steuern ist, wobei Fehler von 5% über einen Wafer typisch sind. Außerdem liefert der Prozess eine eingebettete Isolierschicht.
  • Mit der Dicke einer abgeschiedenen Schicht steigen die Eigenspannungen innerhalb der Schicht aus abgeschiedenem Material und können schließlich dazu führen, dass sich die abgeschiedene Schicht von dem Material delaminiert, auf das das Material abgeschieden wurde. Das vorliegende Verfahren kann dazu verwendet werden, Strukturen herzustellen, die eine Tiefe von bis im Wesentlichen 2mm haben. Möglicherweise kann dies auf 2,5mm, 3mm, 3,5mm oder 4mm gesteigert werden.
  • Fachleuten ist klar, dass es vorteilhaft ist, tiefere Strukturen zu haben, da sie steifer sind und deshalb bessere mechanische Eigenschaften haben. Weiter ist es vorteilhaft, Strukturen zu haben, die aus einem Einkristallmaterial statt aus einem abgeschiedenen Material hergestellt sind, da dies zu vielen vorteilhaften Eigenschaften innerhalb der hergestellten Strukturen führt.
  • Fachleute wissen, dass man Wafer kaufen kann, bei denen die Anfangsschritte nach dem Verfahren schon ausgeführt sind; das heißt, eine Sandwich-Struktur aus zwei Wafern mit einer Isolierschicht dazwischen. Deshalb kann der Ausgangspunkt des Prozesses die kommerziell verfügbare Sandwich-Struktur sein. Das Verfahren enthält jedoch die Schritte der Herstellung einer Isolierschicht auf einem ersten Wafer und nachfolgendes Verbinden des zweiten Wafers mit der Isolierschicht.
  • Es ist weiterhin offensichtlich, dass die Kosten eines Wafers mit Silizium und Isolierschichten, die auf die Oberfläche aufgebracht sind, höher sind, als die Kosten eines Wafers ohne zusätzlich aufgebrachte Schichten. Die gesamten Vorteile der Erfindung können größer sein, als die höheren Kosten des Wafers mit zusätzlichen Schichten im Vergleich zu einem Standard-Wafers ins Gewicht fallen.
  • Fachleuten ist klar, dass der Spalt zwischen den aufgehängten Teilen, die zum einen aus der Schicht und zum anderen aus dem Wafer definiert werden, durch die Dicke der Isolierschicht definiert wird, und deshalb kann durch Steuerung der Dicke der Isolierschicht zwischen dem ersten und dem zweiten Wafer dieser Spalt gesteuert werden. Die Dicke der Isolierschicht kann im Wesentlichen im Bereich von 10nm bis 20μm liegen. Noch mehr wird bevorzugt, dass die Isolierschicht eine Dicke im Wesentlichen im Bereich von 100nm bis 10μm hat. In den am meisten bevorzugten Ausführungen liegt die Dicke im Wesentlichen im Bereich von 1 μm bis 5μm. Insbesondere kann eine Schichtdicke von im wesentlichen 1,5μm bis 3μm geeignet sein.
  • Vorzugsweise ist der erste Wafer ein mechanischer Wafer, der nachfolgender Bearbeitung unterzogen wird, um darin Strukturen herzustellen. Ein Vorteil des Aufbringens der Isolierschicht auf dem mechanischen Wafer ist, dass eine sauberere Berührungsfläche für die nachfolgende Verarbeitung (z. B. Ätzen) erzeugt wird.
  • Ein weiterer Vorteil des Einsatzes des ersten Wafers als mechanischer Wafer ist, dass die Einrichtung, die nachfolgend aus dem mechanischen Wafer hergestellt wird, aus einer Einkristallstruktur hergestellt wird. Wie zuvor diskutiert hat dies Vorteile, nämlich ist es wahrscheinlich, dass die hergestellten Einrichtungen höhere Zuverlässigkeit haben, und schwingende Einrichtungen, die daraus hergestellt sind, einen höheren Gütefaktor im Vergleich zu Strukturen haben, die aus polykristallinen Materialien mit Verfahren nach dem Stand der Technik hergestellt sind. Der Einkristall des Wafers zeigt jedoch oft anisotrope Eigenschaften, und es können Überlegungen entstehen, die im Entwurfsstadium bedacht werden müssen, um die anisotropen Eigenschaften berücksichtigen. Die anisotropen Eigenschaften können von Faktoren abhängen, die die Kristallorientierung des Materials und die Genauigkeit von allen Schnitten des Kristalls einschließen.
  • Vorzugsweise ist der zweite Wafer ein Substrat oder ein Handhabungswafer, der als Träger für den mikromechanischen Sensor dient.
  • Natürlich kann der erste Wafer ein Substrat- oder Handhabungswafer sein, und der zweite Wafer kann ein mechanischer Wafer sein, der nachfolgender Bearbeitung unterzogen wird (z. B. Ätzen). Eine solche Struktur ist ebenso möglich, aber die Berührungsfläche zwischen dem mechanischen Wafer und der Isolierschicht tendiert dazu, schlechtere Qualität zu haben, da diese während des Verbindens entsteht.
  • Ein Unternehmen, das eine Sandwich-Struktur liefern kann, die für die Verwendung für den Beginn des Verfahrens geeignet ist, ist BCO Technologies (NI) Ltd., Belfast, BT11 8BU.
  • Das Verfahren kann einen zusätzlichen Schritt des Polierens des Wafers, der geätzt werden soll (der entweder der erste oder der zweite Wafer sein kann), auf die gewünschte Dicke umfassen. Dieses Polieren kann als Teil des Verbindens des zweiten Wafers mit der Isolierschicht oder als ein zusätzlicher Schritt durchgeführt werden, bevor Schritt a) nach dem Verfahren durchgeführt wird. Dies hat den Vorteil, dass der mikromechanische Sensor, der auf diese Weise durch das Verfahren hergestellt wird, auf die richtige Dicke zugeschnitten werden kann. Das Polieren kann durch mechanische Mittel (z. B. Schleifen) oder kann durch chemische Mittel (z. B. Ätzen) oder kann durch eine Kombination von mechanischen und chemischen Mitteln durchgeführt werden.
  • Ein Vorteil des vorliegenden Verfahrens ist, dass der Wafer, der poliert wird, auf seiner gesamten Fläche durch die Kombination aus dem anderen Wafer und der Isolierschicht unterstützt wird. In manchen Verfahren nach dem Stand der Technik wurde ein Wafer poliert, der nicht über seine gesamte Fläche unterstützt wurde, was in manchen Fällen zu Wölbungen des Wafers über die nicht unterstützten Bereiche geführt hat.
  • Während Schritt a) nach dem Verfahren können nasschemische Ätzmittel verwendet werden, um die Kanäle in den geätzten Wafer zu ätzen, und isotrope oder anisotrope Profile können hergestellt werden.
  • Alternativ oder zusätzlich kann Trockenätzen verwendet werden. Ein solches Ätzen ist vorteilhaft, weil es das Aspektverhältnis von Tiefe zu Breite erhöht, das durch Nassätzen erreicht werden kann. Außerdem kann durch Trockenätzen die minimale Größe von Strukturen verringert werden, und die Dichte von Strukturen kann erhöht werden.
  • Insbesondere kann ein Trockenätzer, wie etwa ein Advanced Silicon Etch (ASE)-System verwendet werden, das von Surface Technology Systems hergestellt wird, das ein induktiv gekoppeltes Plasma auf Fluorbasis verwendet.
  • Außerdem kann durch die Verwendung von Trockenätzen die Pakkungsdichte gegenüber der von nassen Prozessen erhöht werden, die zu TBM gehören, was die Stückkosten verringern kann.
  • Noch ein anderer Vorteil der Verwendung von Trockenätzen ergibt sich aus folgendem. Da das Aspektverhältnis der Ätzung erhöht wird, kann die Tiefe des mikromechanischen Sensors gegenüber Strukturen nach dem Stand der Technik erhöht werden. Deshalb kann die Masse der Teile unterhalb der zuvor festgelegten Querschnittsfläche, die in Schritt b) nach dem Verfahren im wesentlichen freigelegt werden (die aufgehängten Teile), gegenüber den Massen von vergleichbaren Strukturen, die durch SSM hergestellt werden, erhöht werden. Ein Vorteil höherer Massen der aufgehängten Strukturen ist, dass die Empfindlichkeit des Sensors erhöht wird. Die Masse der aufgehängten Struktur kann im Vergleich zu Strukturen, die durch traditionelle SSM-Verfahren hergestellt sind, um eine Größenordnung erhöht werden.
  • Vorzugsweise ist die Maske für das Ätzen in Schritt a) optimiert, sodass die Bereiche, die geätzt werden sollen, im Wesentlichen gleiche Querschnitte und Dichte des Musters aufweisen. Dies kann wichtig sein, wenn ein Trockenätzer verwendet wird; die Ätzrate eines solchen Systems hängt von der Querschnittsfläche und der Musterdichte ab, und wenn Bereiche mit verschiedenen Querschnittsflächen oder Musterdichten verwendet werden, werden sie deshalb mit verschiedenen Raten geätzt.
  • Vorzugsweise umfasst das Verfahren die Herstellung von Aufhängungsstegen zwischen den aufgehängten Teilen und dem Rest des geätzten Wafers. Diese Aufhängungsstege haben den Vorteil, dass die aufgehängten Teile, wenn sie von dem anderen Wafer gelöst werden (durch Entfernen der Isolierschicht), in situ durch die Aufhängungsstege gehalten werden. Die Aufhängungsstege können aus Teilen des geätzten Wafers bestehen, die nachdem Ätzprozess verbleiben.
  • Ein weiterer Vorteil eines hohen Aspektverhältnisses des Ätzprozesses für Schritt a) nach dem Verfahren ist, dass die Steifigkeit des Aufhängungsstegs im Vergleich zu Aufhängungsstegen, die nach Verfahren nach dem Stand der Technik hergestellt wurden, in vertikaler Richtung erhöht ist (es ergibt sich nun ein großes Höhe-zu-Breite-Verhältnis im Vergleich zu Strukturen nach dem Stand der Technik, die eine viel geringere Tiefe haben).
  • Die höhere Steifigkeit des Aufhängungsstegs ist vorteilhaft, da dadurch bei schwingenden Sensoren parasitäre Schwingungsmoden verringert werden können. Das heißt, wenn der Sensor in Richtung einer z-Achse in einem kartesischen Koordinatensystem versteift ist, wird Kreuzkopplung des Systems in die x- und die y-Achse verringert. Außerdem kann die höhere Steifigkeit dadurch vorteilhaft sein, dass die Wahrscheinlichkeit, dass die aufgehängten Teile an dem nichtgeätzten Wafer kleben, verringert wird.
  • Das Ätzmittel, das in Schritt b) nach dem Verfahren verwendet wird, kann ein nasschemisches Ätzmittel sein. Alternativ oder zusätzlich kann das Ätzmittel, das in Schritt b) verwendet werden soll, ein Trokkenätzmittel sein, wie etwa ein dampf- oder gasförmiges Ätzmittel, oder kann ein Plasma- oder Ionenstrahl sein.
  • In manchen Prozessen kann es wünschenswert sein, ein dampfförmiges Ätzmittel für Schritt b) nach dem Verfahren zu verwenden. Wenn nasse Ätzmittel verwendet werden, können wegen Oberflächenspannung Probleme mit Haften entstehen, wenn das Ätzmittel trocknet, was verursacht, dass die aufgehängten Teile an dem anderen Wafer oder an Teilen des geätzten Wafers oberhalb der zuvor festgelegten Querschnittsfläche kleben. Als Ergebnis der dampfförmigen Phase des Ätzmittels (z. B. mit HF-Gas) können sich Rückstände bilden, die möglicherweise wegen Dotierungsstoffen in der Isolierschicht (z. B. Phosphor) entstehen können.
  • Das Verfahren kann den Schritt des Säuberns der geätzten Bereiche der Isolierschicht mit einem anderen Mittel in der Gas- oder Dampfphase umfassen, z. B. Wasserdampf, um die Rückstände zu entfernen. Probleme mit Haften, die damit zusammenhängen, dass zwischen den aufgehängten Teilen und dem Rest des ersten und des zweiten Wafers nasse Oberflächen vorliegen, werden deshalb beseitigt oder vermindert (das heißt, die Probleme mit Haften im Zusammenhang mit der Verwendung eines nassen Ätzmittels).
  • Die Struktur kann bei einer Temperatur größer als im Wesentlichen dem Siedepunkt des Dampfes, der verwendet wird, gehalten werden, während das Reinigen durchgeführt wird. In der bevorzugten Ausführung wird die Struktur signifikant über im Wesentlichen 100°C gehalten, während das Reinigen durchgeführt wird. Möglicherweise wird die Struktur bei ungefähr 150°C gehalten. Wenn, wie in der bevorzugten Ausführung, der verwendete Dampf Wasserdampf ist, stellt dies sicher, dass der Wasserdampf nicht kondensiert, wodurch die Oberflächen nass werden und potenziell Probleme mit Haften verursachen. In manchen Ausführungen kann der Wasserdampf, der verwendet wird, weiter überhitzt werden, möglicherweise auf ungefähr 200°C oder mehr.
  • Es kann möglich sein, manche der Kanäle, die in dem geätzten Wafer vor der Ausführung von Schritt b) erzeugt werden, wieder aufzufüllen (mit einem Füllmaterial). Dies ist dadurch vorteilhaft, dass es ermöglicht, kleine Strukturen unterhalb der zuvor festgelegten Querschnittsfläche lateral mit Strukturen oberhalb der zuvor festgelegten Querschnittsfläche zu verankern, sodass sie an ihrem Platz gehalten werden, nachdem die Opfer-Isolierschicht zwischen dem mechanischen und dem Handhabungswafer teilweise entfernt ist.
  • Wenn die Kanäle wiederaufgefüllt werden, können darauf Oberflächenschichten (zum Beispiel eine Metallisierung) abgeschieden werden, oder über dem wieder aufgefüllten Kanal aufgebracht werden. Dies hat den Vorteil, dass die Metallisierung elektrisch isolierte Teile erreichen kann, die ansonsten mechanisch und elektrisch durch den Kanal isoliert wären.
  • Das Material, das verwendet wird, um die Kanäle wieder aufzufüllen, kann ein Nitrid sein, das dadurch vorteilhaft ist, dass es in einer Schicht mit geringer Spannung auf den umgebenden Wafer abgeschieden werden kann. Vorzugsweise wird das Nitrid durch PECVD hergestellt. Das Nitrid kann Siliziumnitrid sein.
  • Natürlich ist für einen Fachmann offensichtlich, dass das Material, das verwendet wird, um die Kanäle wieder aufzufüllen, ein anderes Material als Nitrid sein kann. Tatsächlich ist ein Polymer wie etwa Polyimid, oder vielleicht ein Fotoresist, ein geeignetes Füllmaterial. Polyimid oder Fotoresist ist vorteilhaft in Situationen, in denen es erforderlich ist, elektrische Brücken über einen Kanal zu bilden. Nach dem die elektrische Brücke erzeugt wurde, kann das Verfahren das Entfernen des Füllmaterials umfassen, um den Kanal wiederherzustellen. Das Polyimid kann PIQTM sein.
  • Alternativ oder zusätzlich können die Kanäle mit Polysilizium und/oder einem Oxid des Materials wieder aufgefüllt werden, aus dem der Wafer hergestellt ist (im weiteren Oxid genannt), die alle durch Prozesse wie etwa TEOS oder PECVD abgeschieden werden können.
  • Das Füllmaterial kann Hohlräume enthalten. Fachleuten ist klar, dass die Qualität des Füllmaterials nicht notwendigerweise hoch sein muss.
  • In der Isolierschicht können eingebettete oder überdeckte Kontakte hergestellt werden, wenn sie auf der Oberfläche des ersten Wafers hergestellt wird. Die Kontakte, die in der Isolierschicht eingebettet sind, können aus wenigstens einem der folgenden Materialien hergestellt sein: Polysilizium, Silizid. Natürlich ist Fachleuten klar, dass irgendein anderer Leiter verwendet werden kann, wenn er den Temperaturen standhalten kann, die beim Prozess des Verbindens auftreten.
  • Fachleuten ist klar, dass es notwendig sein kann, elektrische Verbindungen herzustellen, die Brücken zu aufgehängten Teile darstellen.
  • Unter solchen Umständen muss für die Verbindungen Vorsorge getroffen werden, bevor oder nachdem Schritt b) ausgeführt wird.
  • Vorzugsweise werden der erste und der zweite Wafer aus einem Halbleiter hergestellt. Noch mehr wird bevorzugt, dass der erste und der zweite Wafer aus Silizium hergestellt werden.
  • Vorzugsweise ist das Verfahren vollständig mit CMOS-Prozessen kompatibel. Das Verfahren kann die Herstellung von integrierten Schaltkreisen in Verbindung mit dem Sensor leisten, sodass ein Sensor in mit der erforderlichen Verarbeitungselektronik einem einzelnen Gehäuse hergestellt wird.
  • Die Isolierschicht zwischen dem ersten und dem zweiten Wafer kann mehr als ein Material umfassen. Die verschiedenen Materialien können in Schichten abgeschieden werden. In einer Ausführung sind zwei Materialien in drei Schichten vorgesehen. In einer anderen Ausführung sind drei Materialien in vier Schichten vorgesehen.
  • Wenn verschiedene Materialien verwendet werden, um die Isolierschicht zu bilden, können alle oder manche der Materialien verschiedene Ätzraten aufweisen.
  • Die Materialien, die die Isolierschicht bilden, können ein Oxid sein. Außerdem können die Materialien, die die Isolierschicht bilden, dotierte oder undotierte Oxide sein. Vorzugsweise wird wenigstens eine Schicht eines undotierten Oxids und wenigstens eine Schicht eines dotierten Oxids vorgesehen. In der am meisten bevorzugten Ausführung umschließen zwei Schichten aus undotiertem Oxid eine Schicht aus dotiertem Oxid. In der am meisten bevorzugten Ausführung kann eine Nitridschicht in der Isolierschicht vorgesehen sein oder nicht.
  • In anderen Ausführungen kann die Isolierschicht aus wenigstens einer Nitridschicht gebildet werden. Eine solche Nitridschicht kann dotiert oder undotiert sein. Es kann wenigstens eine dotierte Nitridschicht und wenigstens eine undotierte Nitridschicht vorgesehen sein. Tatsächlich können zwei Schichten aus dotiertem Nitrid eine Schicht aus undotiertem Nitrid umschließen.
  • In noch einer anderen Ausführung kann die Isolierschicht polymerbasiert sein, möglicherweise ein Polyimid. Es kann eine Isolierschicht vorgesehen sein, die eine Sandwich-Struktur aus irgendwelchen der folgenden Schichten ist: leitfähige Schichten, Isolierschichten, halbleitende Schichten, Polymerschichten.
  • Die Isolierschicht in mehreren Schichten vorzusehen, ist vorteilhaft, weil dies das Freilegen der aufgehängten Teile von den verbleibenden Teilen unterstützen kann. Wie Fachleuten klar ist, wird ein dotiertes Oxid schneller geätzt als ein undotiertes Oxid. Wenn eine Schicht aus dotiertem Oxid zwischen zwei Schichten aus undotiertem Oxid in der Mitte vorgesehen wird, wird die dotierte Oxidschicht deshalb schneller geätzt. Indem die Zeitdauer des Ätzens der Isolierschicht gesteuert wird, ist es möglich, das Ätzen zu stoppen, nachdem die mittlere dotierte Oxidschicht vollständig entfernt wurde, wobei aber Teile des undotierten Oxids verbleiben. Die Anteile von undotiertem Oxid tendieren dazu, Haften von den aufgehängten Teilen an den verbleibenden Teilen zu verhindern. Das heißt, die Teile von verbleibendem undotiertem Oxid können helfen, das Haften (wegen Oberflächenspannungsffekten) nach dem Prozess des Freiätzens zu verhindern. Die verbleibenden Teile von dem undotierten Oxid kann man sich als Reihe von Erhebungen vorstellen, die die Kontaktoberfläche verringern.
  • Außerdem ist es vorteilhaft, die Isolierschicht durch einen Abscheidungsprozess herzustellen (der PECVD sein kann), da eine abgeschiedene Schicht schneller wächst als thermisch gewachsene Schichten. Außerdem kann der PECVD-Prozess maßgeschneidert werden, sodass entweder Druck- oder Zugspannungen in der abgeschieden Schicht verbleiben. Deshalb kann das Verfahren, wenn mehrere Schichten abgeschieden werden, die Schritte des Abscheidens der Isolierschicht umfassen, derart, dass auf eine Druckschicht eine Zugschicht folgt (oder umgekehrt), sodass es in der Gesamtheit der Schichten im Wesentlichen keine Spannung gibt. Natürlich können, wie oben diskutiert, mehr als zwei Schichten abgeschieden werden.
  • Indem das Material der Schichten in der Isolierschicht gewählt wird, kann es möglich sein, die Dehnung und zwischen dem ersten und dem zweiten Wafer zu eliminieren, das heißt, dass sich die Dehnungen, die die verschiedenen Schichten übertragen, auslöschen, sodass netto keine Dehnung auf die Wafer übertragen wird.
  • Die Teile von dem undotierten Oxid, die verbleiben, können in einem zentralen Bereich der aufgehängten Teile sein, oder können zwischen Kanälen sein, die durch die aufgehängten Teile hindurch hergestellt sind (was man sich als Zugangslöcher vorstellen kann).
  • Ein weiterer Vorteil davon, eine dotierte Schicht zu haben, die von den undotierten Schichten begrenzt ist, ist, dass die undotierten Schichten als Barriere arbeiten können, um zu verhindern, dass die Dotierungsstoffe während des Verbindens des zweiten Wafers mit der Isolierschicht in den Wafer wandern, wenn die undotierte Schicht eine ausreichend große Dicke hat.
  • Nitrid- und Oxidschichten haben typischerweise einen geringeren Haftreibungskoeffizienten als Siliziumschichten und deshalb kann das Einschließen einer solchen Schicht ermöglichen, dass die aufgehängten Teile leichter abgelöst werden. Außerdem sind Nitridschichten Isolatoren und werden von demselben nassen Ätzmittel nicht geätzt, das verwendet wird, um irgendeine Oxidschicht zu entfernen, die vorgesehen wurde, wenn das Ätzmittel selektiv ist. Wenn eine Nitridschicht vorgesehen ist, bleibt sie deshalb während irgendeines Ätzvorgangs einer Oxidschicht, die innerhalb der Isolierschicht vorgesehen ist, erhalten. Nachdem die aufgehängten Teile des geätzten Wafers im wesentlichen freigeätzt sind, sind sie folglich wegen der Nitridschicht sogar trotz des vollständigen Entfernens anderer Schichten der Isolierschicht elektrisch von dem ungeätzten Wafer isoliert, falls die aufgehängten Teile jemals den ungeätzten Wafer berühren.
  • Vorzugsweise werden alle Schichten, die innerhalb der Isolierschicht vorgesehen sind, mit plasmaunterstützter chemischer Dampfabscheidung (PECVD, Plasma Enhanced Chemical Vapour Deposition) hergestellt. Wie oben diskutiert lassen sich solche Schichten schneller ätzen als Schichten, die mit anderen Methoden hergestellt sind. Weil PECVD-Prozesse im Vergleich zu anderen Prozessen bei relativ geringen Temperaturen stattfinden, gibt es außerdem wahrscheinlich geringere Spannungen innerhalb der Isolierschicht. Insbesondere kann die Isolierschicht durch die Verwendung von PECVD gefolgt von einem Ausheilungsschritt hergestellt werden. Der Ausheilungsschritt ist vorteilhaft, weil er die Ausbeute des Verfahrens erhöht. In manchen Ausführungen kann in der Tat ein schnelles thermisches Ausheilen eingesetzt werden, wobei die Isolierschicht für einen kurzen Zeitraum einer hohen Temperatur ausgesetzt wird.
  • Ein Vorteil der Verwendung von abgeschieden Schichten (im Gegensatz zu thermisch aufgewachsenen Schichten) ist, dass die abgeschiedenen Schichten sich schneller ätzen lassen, möglicherweise zwei oder drei Größenordnungen schneller als thermisch gewachsene Schichten.
  • Außerdem kann bevorzugt werden, Dotierungsstoffe in die abgeschiedenen Schichten einzulagern, da diese bewirken, dass die abgeschiedenen Schichten bei geringeren Temperaturen wieder in die flüssige Phase übergehen, und können die Ätzraten noch weiter erhöhen. Geeignete Dotierungsstoffe für die Einbettung in abgeschiedene Schichten können alle aus der folgenden Liste sein (sind aber nicht auf diese Liste begrenzt): Phosphor, Bor, Antimon, Arsen, Germanium.
  • Mit dem Ausheilungsprozess ist es möglich, den zweiten Wafer mit Oxid zu verbinden, das bei der Herstellung der Isolierschicht abgeschieden wurde, das in einem LPCVD (Niedertemperaturoxid)-Prozess abgeschieden wurde. Abgeschiedene Schichten tendieren dazu, sich schneller ätzen zu lassen, als thermisch gewachsene Schichten und es kann deshalb bevorzugt werden, die Isolierschicht durch einen Abscheidungsprozess (wie etwa PECVD oder LPCVD) herzustellen, statt durch thermisches Wachstum.
  • Einem Fachmann ist klar, dass die Dicke des Wafers, der in Schritt b) geätzt wird, die Dicke von Elementen des Sensors definiert, der durch das Verfahren hergestellt wird. Die Dicke des geätzten Wafers zu Beginn des Schrittes b) kann im Wesentlichen im Bereich von 1μm bis 1mm liegen. Noch mehr wird jedoch bevorzugt, dass die Dicke des geätzten Wafers zu Beginn des Prozesses d) im Wesentlichen im Bereich von 10μm bis 200μm liegt.
  • Mit dem Verfahren können Elemente des Sensors hergestellt werden, die dünner als der umgebende Wafer sind, indem der Wafer lokal ausgedünnt wird, zum Beispiel mit einem Ätzprozess.
  • Das Verfahren der Herstellung des Vibrationskreisels nach der Erfindung kann die folgenden Schritte umfassen:
    • a) Herstellen einer Isolierschicht auf der obersten Oberfläche eines ersten Wafers;
    • b) Ätzen von Teilen der Isolierschicht;
    • c) Verbinden eines zweiten Wafers mit der Isolierschicht; und
    • d) Ätzen der untersten Oberfläche von einem der Wafer, dem geätzten Wafer, der an die geätzten Teile der Isolierschicht angrenzt, sodass Teile des geätzten Wafers im Wesentlichen von dem Rest des ersten und des zweiten Wafers frei werden (aufgehängte Teile).
  • Bei diesem Verfahren ist kein Ätzschritt erforderlich, um Teile der Isolierschicht zu entfernen, nachdem der zweite Wafer verbunden wurde, und deshalb werden Probleme vermieden, die mit dem Haften von aufgehängten Teilen an dem Rest der Wafer zusammenhängen.
  • Vorzugsweise wird die unterste Oberfläche des ersten Wafers geätzt. Dies ist wegen der saubereren Berührungsfläche zwischen dem ersten Wafer und der Isolierschicht vorteilhaft (weil die Isolierschicht auf dem ersten Wafer hergestellt wurde).
  • Das Verfahren kann einen Schritt vor Schritt a) umfassen, in dem Markierungskanäle vorzugsweise im wesentlichen senkrecht zur Oberfläche des Wafers in den ersten Wafers geätzt werden, die einen oberen Endabschnitt in der Nähe der oberen Oberfläche des Wafers und einen unteren Endabschnitt gegenüberliegend von dem oberen Endabschnitt haben. Diese Markierungskanäle können eine Tiefe haben, die im Wesentlichen gleich der Tiefe des Wafers ist, in dem sie hergestellt wurden. Die Markierungskanäle können eine Tiefe haben, die im Wesentlichen gleich der Tiefe des Sensors ist, der durch das Verfahren hergestellt wird. Diese Markierungskanäle sind vorteilhaft, da sie als Ausrichtungsmarkierungen für den Rest des Prozesses dienen können, und Strukturen auf der Rückseite des Wafers zur Front des Wafers ausrichten können. Strukturen, die tatsächlich so ausgerichtet werden, können auf der Rückseite des Wafers eingebettet werden.
  • Zusätzlich zur Herstellung von Markierungskanälen vor Schritt a) können andere Teile des Wafers durch Aufbringen von Mustern und Ätzen entfernt werden. Dies kann ermöglichen, dass Teile des Wafers ausgedünnt werden (das heißt, dass ihre Tiefe verringert wird), wenn darauf das Ätzen der Front des Wafers folgt. Eine mögliche Verwendung einer solchen Ausdünnung wäre, zu ermöglichen, dass die empfindliche Achse der Einrichtung, die hergestellt wird, außerhalb der Ebene des Wafers liegt.
  • Wenn ein Teil eine große Steifigkeit in einer ersten Richtung entlang einer z-Achse eines kartesischen Koordinatensystems hat, wird wie oben diskutiert die Kreuzkopplung des Systems zur x- und y-Achse verringert. Indem die Steifigkeit in der z-Achse verringert wird, kann die Empfindlichkeit der Einrichtung in x- und y-Achsrichtung eingestellt werden. Das Verfahren kann das Einstellen der gewünschten Empfindlichkeit umfassen.
  • Alle Kanäle, die in dem ersten Wafer hergestellt wurden, können mit einem Material gefüllt werden. Vorzugsweise füllt die Isolierschicht, die während des Schrittes a) des Prozesses hergestellt wird, alle Kanäle, die in dem ersten Wafer hergestellt wurden.
  • Das Verfahren kann einen anderen Schritt zwischen den Schritten c) und d) umfassen, in dem der erste Wafer auf die gewünschte Dicke poliert wird. Das Polieren kann mechanisch durchgeführt werden (zum Beispiel mit einer Diamantpaste), oder kann chemisch durchgeführt werden, oder kann eine Kombination aus mechanischer Bearbeitung und chemischem Ätzen sein. Fachleuten ist klar, dass, im Fall einer Politur des ersten Wafers die unterste Oberfläche poliert wird, die die Oberfläche ohne der Isolierschicht ist.
  • In der bevorzugten Ausführung entfernt das Polieren des Wafers wenigstens einen Teil des ersten Wafers, sodass die unteren Endabschnitte der Markierungskanäle freigelegt werden. Dies ist vorteilhaft, weil die Markierungskanäle nun an der untersten Oberfläche des Wafers sichtbar sind. Fachleuten ist klar, dass nach Schritt c) nach dem Verfahren die oberste Oberfläche des ersten Wafers sowohl von der Isolierschicht, als auch dem zweiten Wafer, der an der Isolierschicht befestigt ist, bedeckt ist, und dass deshalb die Kanäle (die als Ausrichtungsmarkierungen denen), die in den ersten Wafer geätzt sind, überdeckt sind. Indem die Kanäle in einer Tiefe gleich oder größer der Tiefe des Sensors hergestellt werden, ist es möglich, die Kanäle während des Polierprozesses wieder sichtbar zu machen, sodass die Kanäle verwendet werden können, um den Ätzprozess in Schritt d) auszurichten.
  • Wie bei dem oben beschriebenen Verfahren kann man Silizium-auf-Isolator(SOI, Silicone On Insuator)-Wafer vorproduziert erhalten, und die Schritte a) und b) des Prozesses können vorab durchgeführt werden.
  • Das Verfahren kann einen weiteren Schritt zwischen den Schritten b) und c) umfassen, in dem die Teile der Isolierschicht, die geätzt wurden, mit einem Füllmaterial wieder aufgefüllt werden. Das Füllmaterial kann ein Material sein, das eine Ätzrate hat, die im Wesentlichen gleich der des Wafermaterials während Schritt d) nach dem Verfahren ist. Das Füllmaterial kann im Wesentlichen das selbe Material wie der Wafer sein (wenn der Wafer beispielsweise aus Silizium ist, kann das Füllmaterial Polysilizium sein). Alternativ kann das Füllmaterial ein leitfähiges Material sein, z. B. ein Silizid oder TiW. Vorzugsweise ist das Ätzen in Schritt d) dazu eingerichtet, dass es mit den wiederaufgefüllten geätzten Teilen der Isolierschicht übereinstimmt.
  • Es ist bekannt, dass wenn während bestimmten Ätzvorgängen mit hohem Aspektverhältnis ein Ätzvorgang über den Wafer, durch den der Ätzvorgang läuft, hinausläuft, ein Wafer mit SOI-Struktur beschädigt werden kann (z. B. durch Bildung von kuppelförmigen Hohlräumen), wenn das Ätzen auf die Isolierschicht trifft. Dies geschieht, wenn der Ätzvorgang die Isolierschicht erreicht. Die geringe Ätzrate in Kombination mit Aufladungseffekten bedeuten, dass Ionen an der Verbindungsstelle der Materialien die Bildung von kuppelförmigen Hohlräumen (Kuppelbildung) verursachen können. Wenn das Füllmaterial dasselbe Material wie der Wafer ist, wird es geätzt, als ob es ein Teil des Hauptwafers wäre, und folglich kann wenig oder keine Kuppelbildung auftreten. Wenn das Füllmaterial ein Leiter ist, kann die Ladung auf den Ionen von dem Leiter wegbefördert werden, was folglich ebenfalls das Problem verringert, indem Aufladungseffekte verringert werden, die die Ionen in Richtung der Seitenwände beschleunigen. Ein Vorteil davon, einen Teil der Isolierschicht zu ent fernen und wieder aufzufüllen, ist deshalb, dass, wenn einer Ätzung, wie hier beschrieben, erlaubt wird, zu überätzen, kann sie einfach das Füllmaterial ätzen, im Gegensatz dazu, den Wafer zu beschädigen.
  • Ein Verfahren für die Herstellung einer Ausrichtungsmarkierung, die während der Herstellung des Vibrationskreisels nach der Erfindung verwendet werden kann, wird hier ebenso beschrieben, und umfasst die folgenden Schritte:
    • a) Herstellen von Kanälen in der obersten Oberfläche eines Wafers im Wesentlichen senkrecht zur Oberfläche des Wafers, wobei die Kanäle einen obersten Endabschnitt haben, der an die oberste Oberfläche des Wafers angrenzt, und einen untersten Endabschnitt, der dem obersten Endabschnitt gegenüberliegt;
    • b) Herstellen einer Schicht auf der Oberfläche des Wafers, die die Kanäle füllt;
    • c) Polieren des Wafers von einer hintersten Oberfläche, wenigstens bis der untere Endabschnitt des Kanals in der hintersten Oberfläche des Wafers freigelegt wird.
  • Dieses Verfahren ist dadurch vorteilhaft, dass die anfängliche Bearbeitung auf der obersten Oberfläche des Wafers durchgeführt werden kann, und nachfolgende Bearbeitung auf der hintersten Oberfläche des Wafers durchgeführt werden kann, wobei die Verarbeitungsschritte auf den gegenüberliegenden Seiten des Wafers durch die Verwendung der Ausrichtungsmarkierungen, die durch den Wafer laufen, ausgerichtet werden.
  • Die Schicht, wie auf der Oberfläche des Wafers hergestellt wird, kann ein Oxid oder Nitrid sein, die durch plasmaunterstützte chemische Dampfabscheidung (PECVD, Plasma Enhanced Chemical Vapour Deposition) oder durch LPCVD hergestellt werden können. Fachleuten ist natürlich klar, dass durch die Verwendung von bekannten Mikrobearbeitungsverfahren viele andere Schichten hergestellt werden können. Außerdem können die Schichten durch viele andere Abscheidungsverfahren als PECVD hergestellt werden. Die Schicht, die auf der Oberfläche des Wafers hergestellt wird, kann eine der folgenden sein: Polyimid, Fotoresist.
  • Ein Verfahren zur Separierung von Teilen von wenigstens zwei Wafern, das während der Herstellung des Vibrationskreisels nach der Erfindung verwendet werden kann, wird hier ebenso beschrieben und umfasst die folgenden Schritte:
    • a) Bereitstellen von zwei Wafern, die durch eine Isolierschicht separiert sind, wobei die Isolierschicht aus wenigstens zwei Sub-Schichten aus Materialien hergestellt ist, die verschiedene Ätzraten haben;
    • b) Ätzen der Isolierschicht, um Teile dieser Isolierschicht zu entfernen, wobei die Ätzzeit gesteuert wird, um sicherzustellen, dass wenigstens eine Sub-Schicht in dem Teil, der entfernt wird, teilweise ungeätzt bleibt.
  • Dieses Verfahren ist dadurch vorteilhaft, dass es Probleme verringern kann, die durch Haften der zwei Wafer auftreten, was während des Entfernens der Isolierschicht auftreten kann.
  • Der Teil der Sub-Schicht, der ungeätzt bleibt, kann derart eingerichtet sein, dass er eine kleine Querschnittsfläche im Vergleich zu der Fläche hat, die von dem Teil der Isolierschicht eingenommen wird, die entfernt wird. Vielleicht ist der ungeätzte Teil weniger als im wesentlichen 10%, vielleicht weniger als im Wesentlichen 5% des Teils, das geätzt wird. Wie Fachleuten klar ist, ist das Haften eine Funktion der Querschnittsfläche, und wenn deshalb die Fläche signifikant verringert wird, dann wird das Ausmaß des Haftens, das zwischen den zwei Wafern auftritt, ebenso signifikant verringert.
  • Ein Verfahren der Separierung eines ersten Stücks Material von einem zweiten Stück Material wird hier ebenfalls beschrieben, und umfasst die Verwendung eines Trockenätzprozesses, der zwischen den beiden Stücken ätzt, und die nachfolgende Verwendung eines trockenen Mittels, um irgendwelche Rückstände zu entfernen, die von dem Ätzen zurückgeblieben sind.
  • Das erste Stück und das zweite Stück können aus demselben Material bestehen, oder können aus verschiedenen Materialien bestehen. Das Trockenätzen kann tatsächlich verwendet werden, um ein Material zu ätzen, das sowohl von dem ersten als auch dem zweiten Stück verschieden ist. Ein solcher Prozess kann tatsächlich verwendet werden, um eine Isolierschicht zwischen zwei Wafern zu ätzen, wie hier beschrieben wird.
  • Bei Verfahren zum Separieren von Teilen von zwei aneinandergrenzenden Stücken nach dem Stand der Technik sind Probleme aufgetreten, bei denen Stücke wegen der Haftreibung und der Oberflächenspannung miteinander verkleben, die von Flüssigkeiten verursacht wird, die zwischen den zwei Stücken von dem Herstellungsprozess zurückbleibt. Durch die Verwendung eines trockenen Mittels gibt es offensichtlich keine Flüssigkeit zwischen den Stücken, und deshalb sollten Probleme mit der Haftreibung und der Oberflächenspannung gelöst sein.
  • Der Trockenätzprozess kann HF-Gas verwenden. Ebenso können Plasmaätzverfahren eingesetzt werden, wenn die Selektivität der Ätzung zwischen dem ersten und zweiten Teil und dem Material, das geätzt wird, ausreichend hoch ist. Wenn das Verfahren für Silizium-auf-Isolator-Technik angewendet wird, ist eine ausreichend hohe Selektivität zwischen dem Silizium und dem Isolator erforderlich. Wenn die Selektivität nicht hoch genug ist, kann das Silizium auch geätzt werden, was die Leistungsfähigkeit von irgendeiner Einrichtung beeinträchtigen kann, die aus den Wafern hergestellt wird.
  • Vorzugsweise ist das trockene Mittel Wasserdampf, aber irgendein anderes geeignetes Mittel, um die Rückstände zu entfernen, kann verwendet werden. Der Wasserdampf kann überhitzt sein. Natürlich kann das trockene Mittel die Gas-/Dampfphase von irgendeiner Flüssigkeit sein, und man kann es sich als ein Mittel vorstellen, bei dem niemals irgendwelche Flüssigkeit vorliegt.
  • Vorzugsweise werden die Stücke aus dem Material bei einer Temperatur oberhalb des Siedepunkts des Mittels gehalten, das verwendet werden soll. Dies stellt sicher, dass, wenn das Mittel wird, um die Wafer zu reinigen, keine Tropfen der flüssigen Phase kondensieren oder auf den Stücken aus dem Material zurückbleiben.
  • Ein Vibrationskreisel, der nach dem Verfahren der vorliegenden Erfindung hergestellt ist, hat dadurch Vorteile, dass der Prozess CMOS-kompatibel ist, was ermöglicht, integrierte oder vollständig integrierte Einrichtungen (einschließlich sowohl des Sensors als auch der Elektronik) herzustellen.
  • Das Verfahren kann die Herstellung der gesamten erforderlichen Sensoren und der Verarbeitungselektronik in einem einzelnen Gehäuse umfassen, oder kann die Herstellung eines Sensors in einem ersten Gehäuse und im wesentlichen alle der erforderlichen Verarbeitungsschaltkreise in einem zweiten oder in mehreren Gehäusen umfassen.
  • Fachleuten ist klar, dass der Vibrationskreisel ein mikromechanischer Sensor ist.
  • Das Verfahren umfasst die Bestimmung des Grades der Fehlausrichtung des Kristallgitters vor der Herstellung des Vibrationskreisels. Zum Beispiel kann Röntgen-Fotospektroskopie (XPS, X-ray Photo Spectroscopy) verwendet werden. Nachdem der Grad der Fehlausrichtung berechnet wurde, umfasst das Verfahren weiter die Berechnung des erforderlichen Grades der Änderung der Dickenabmessung, um die Fehlausrichtung des Kristallgitters zu kompensieren.
  • Das Verfahren kann die Berechnung des Grades der Fehlausrichtung durch nassgeätzte Ausrichtungsmarkierungen berechnen.
  • Das Verfahren kann weiter den Schritt des Ätzens einer Ausrichtungsmarkierung mit einer Ätzung, die anisotrope Eigenschaften in Abhängigkeit der Kristallebenen hat, in den Wafer vor der Herstellung des Vibrationskreisels umfassen, um die Orientierung der Kristallebenen zu bestimmen. Die Ätzung kann eine Nassätzung sein.
  • Das Verfahren kann außerdem die Berechnung der erforderlichen Änderungen der Abmessungen des Vibrationskreisels umfassen, um die Fehlausrichtung der Kristallebenen zu der optimalen Orientierung zu berücksichtigen. Alternativ oder zusätzlich kann eine Maske, die verwendet wird, um den Vibrationskreisel herzustellen, an den Ausrichtungsmarkierungen ausgerichtet werden, statt an den flachen Seiten des Wafers. Nachdem der Grad der Fehlausrichtung bestimmt wurde, kann in noch einer anderen Ausführung die Fehlausrichtung in dem fertigen Vibrationskreisel berücksichtigt werden. Zum Beispiel kann der Vibrationskreisel getrimmt werden, oder aktiv eingestellt werden.
  • Es folgt nun, nur als Beispiel, eine detaillierte Beschreibung der Erfindung mit Bezug auf die Zeichnungen im Anhang, in denen:
  • 1 einen Querschnitt durch zwei Siliziumwafer zeigt, die durch mehrere Isolierschichten separiert sind;
  • die 2a bis c Stufen bei der Produktion eines mikromechanischen Sensors nach der Erfindung zeigen;
  • 3 das Prinzip zeigt, das an der Verringerung des Effekts der Haftreibung zwischen zwei Wafern beteiligt ist;
  • 4 die Stufen in einem anderen Prozess zur Herstellung eines mikromechanischen Sensors als dem zeigt, der in 2 gezeigt ist;
  • 5 eine schematische Darstellung eines weiteren Prozessablaufs für die Herstellung eines mikromechanischen Sensors zeigt;
  • 6 ein Bild eines Rasterelektronenmikroskops von einem mikromechanischen Sensor zeigt, der nach der vorliegenden Erfindung hergestellt ist;
  • 7 ein Bild eines Rasterelektronenmikroskops von einer Struktur des Sensors in 6 zeigt;
  • 8 eine schematische Struktur eines Vibrationskreisels nach der vorliegenden Erfindung zeigt;
  • die 9a und 9b die erste bzw. zweite Schwingungsmode des Vibrationskreisels in 8 zeigt;
  • 10 einen Teil des Rings des Vibrationskreisels und seine Aufhängungsstege in 8 zeigt;
  • 11 eine schematische Zeichnung eines Teils eines Vibrationskreisels zeigt;
  • 12 eine schematische Zeichnung einer anderen Anordnung eines Teils eines Vibrationskreisels zeigt;
  • 13 eine schematische Zeichnung eines Teils eines Vibrationskreisels zeigt, das eine Kombination aus den Anordnungen umfasst, die in den 11 und 12 gezeigt sind; und
  • 14 Spannungsverläufe zeigt, die geeignet sind, um den Betrieb eines Vibrationskreisels zu unterstützen.
  • Die Materialien, von denen ein Querschnitt in 1 gezeigt ist, sind für die Herstellung des mikromechanischen Inertialsensors nach dieser Erfindung geeignet.
  • Zwei Siliziumwafer 2 und 4 sind durch eine Isolierschicht 6 separiert, die selbst mehrere Schichten 8, 10, 12 und 14 umfasst. Die oberste Schicht 8 ist eine Schicht aus undotiertem PECVD-Siliziumoxid mit einer Dicke von im wesentlichen 0,2μm. Die Schicht 10 ist aus PECVD-Siliziumdioxid, das mit Phosphor dotiert ist und eine Dicke von im wesentlichen 2,6μm hat. Die Schicht 12 ist der obersten Schicht 8 ähnlich und ist aus 0,2μm dickem PECVD-Siliziumoxid. Die unterste Schicht 14 ist eine 0,1 μm dicke Schicht aus undotiertem PECVD-Siliziumnitrid. Es sei bemerkt, dass diese Struktur nicht unbedingt erforderlich ist, um die Erfindung auszuführen.
  • Mögliche Dotierungsstoffe für die dotiertes Schicht umfassen: Phosphor, Bor, Antimon, Arsen, Germanium. Trotzdem sind andere Dotierungsstoffe ebenso möglich.
  • Wie oben diskutiert werden die Isolierschichten durch PECVD auf einem Standard-Siliziumwafer hergestellt. Nachdem die Isolierschichten hergestellt wurden, wird der Wafer ausgeheilt, um die Isolierschichten für das Verbinden vorzubereiten. Das Vorhandensein der undotierten Schichten 8 und 12 zwischen der dotierten Schicht 10 und den Siliziumwafern 2 und 4 stellt sicher, dass die Dotierungsmittel in der dotierten Schicht 10 nicht in die Siliziumwafer 2 und 4 wandern.
  • Obwohl für die Ausführung beschrieben wurde, dass PECVD verwendet wurde, um die Oxidschichten 8, 10 und 12 und die Nitridschicht 14 herzustellen, können andere Abscheidungs-/Wachstumsprozesse verwendet werden.
  • Die Schichten 8, 10, 12 und 14 werden auf dem mechanischen Wafer 2 abgeschieden, und der Handhabungswafer 4 wird mit der Schicht 14 verbunden. Die abgeschiedenen Schichten liefern eine bessere Berührungsfläche zu dem Wafer als die Berührungsfläche, die verbunden ist, und es wird deshalb bevorzugt, die bessere Berührungsfläche neben dem mechanischen Wafer 2 zu haben. Es ist jedoch auch möglich, die Schichten 8, 10, 12 und 14 auf den Handhabungswafer 4 abzuscheiden (oder aufzuwachsen) und den mechanischen Wafer 2 mit der Schicht 8 zu verbinden.
  • Der oberste Wafer (oder mechanische Wafer) kann auf die gewünschte Dicke poliert werden. Dies wird zu Beginn durch mechanisches Schleifen durchgeführt und mit chemisch-mechanischem Polieren (CMP) beendet, um einen guten Endzustand der Oberfläche sicherzustellen.
  • Folglich haben die Siliziumwafer eine solche Dicke, dass sich die gewünschten Eigenschaften des hergestellten mikromechanischen Inertialsensors ergeben. In dieser Ausführung ist der obere Siliziumwafer 2 100μm und der untere Siliziumwafer 4 (oder Handhabungswafer) 500μm dick. Der Prozess wurde jedoch mit dem mechanischen Wafer 2 durchgeführt, der eine Dicke zwischen 15μm und 100μm hat.
  • Der Prozess der Herstellung des mikromechanischen Inertialsensors ist in den 2a bis 2c umrissen. Die erste Stufe in dem Prozess (in 2 nicht gezeigt) ist, eine Maskierungsschicht 16 auf die freie Oberfläche des mechanischen Siliziumwafers 2 aufzubringen.
  • Als Nächstes wird die Maskierungsschicht 16 mit einem Muster versehen und mit Standardmethoden geätzt, die Teile des mechanischen Siliziumwafers 2 exponiert zurücklassen, wie in 2a gezeigt ist. Mit dem Advanced Silicon Etch (ASE)-System, das von STS geliefert wird, das ein induktiv gekoppeltes Plasma auf Fluorbasis verwendet, wird eine Trockenätzung des obersten Siliziumwafers 2 durchgeführt. Es ist offensichtlich, dass andere Ätzsysteme für tiefe Gräben ebenso verwendet werden können. Die Ätzung endet wegen der hohen Ätz-Selektivität zwischen Silizium und Siliziumdioxid tatsächlich an der Isolierschicht 6. Dies verhält sich wie in 2b gezeigt, die diese zwei Kanäle 18 und 20 zeigt, die in den mechanischen Siliziumwafer 2 eingebracht wurden. Fachleuten ist klar, dass die Kanäle bloße Darstellungen der tatsächlichen Ätzung sind, die bei der Produktion eines mikromechanischen Inertialsensors auftritt.
  • Nachdem die Maskierungsschicht entfernt wurde, wird eine Nassätzung (oder möglicherweise eine Dampfätzung oder möglicherweise eine Trockenätzung) verwendet, um die Maskierungsschicht 16 und Teile der Isolierschicht 6 zu entfernen. Das Ätzen der Isolierschicht 6 als Ganzes geschieht gleichförmig (obwohl das Ätzen innerhalb der Schicht dies nicht ist, wie unten diskutiert wird), sodass Teile des mechanischen Siliziumwafers 2 oberhalb eines zuvor festgelegten Querschnitts mit dem Handhabungs-Siliziumwafer 4 durch die Isolierschicht 6 verbunden bleiben. Für Teile des mechanischen Siliziumwafers 2 unterhalb des zuvor festgelegten Querschnitts ist die Isolierschicht 6 zwischen diesen Teilen und dem Handhabungs-Siliziumwafer 4 vollständig entfernt. Folglich werden die Teile des mechanischen Siliziumwafers 2 (wie etwa das, dass in 2c als 22 gezeigt ist) von dem Handhabungs-Siliziumwafer 4 gelöst.
  • Folglich dient die Isolierschicht sowohl als eine Verbindungsschicht, die die zwei Wafer 2 und 4 miteinander verbindet, als auch als Opferschicht. Ebenso wird klar werden, dass die Dicke der Isolierschicht 6 den Spalt zwischen den aufgehängten Teilen 22 und dem Handhabungswafer 4 festlegt. Der Prozess wurde mit einer Isolierschicht 6 mit einer Dicke zwischen 1,5μm und 3μm verwendet, obwohl er bei Schichtdicken zwischen 10μm und 100μm angewendet werden kann.
  • Ein weiterer Vorteil der Verwendung von Schichten, mit PECVD aufgewachsen sind, gegenüber denen, die oben diskutiert wurden, ist, dass sie sich schneller ätzen lassen als thermisch aufgewachsene Oxide, was für das Ätzen der Isolierschicht 6 beim Freilegen der aufgehängten Teile 22 vorteilhaft ist.
  • Wenn das Ätzen in zwei Stufen ausgeführt wird, wie zuvor beschrieben wurde, ist es möglich, kleine Strukturen, wie etwa Teil 22, lateral an großen Strukturen zu befestigen (die immer noch mit dem untersten Siliziumwafer 4 über die Isolierschicht 6 verbunden sind), indem die Kanäle 18 und 20 mit einem dielektrischen oder anderen Material wieder aufgefüllt werden, das bei dem Ätzen, das die Isolierschicht 6 entfernt, nicht entfernt wird. Wenn dies durchgeführt wird, bleiben kleine Strukturen, wie etwa Teil 22, befestigt, sogar wenn sie nachfolgend vollständig hinterschnitten werden und im Wesentlichen während des Ätzens der Isolierschicht 6 freigelegt werden.
  • Das Wiederauffüllen der Kanäle ermöglicht außerdem die Herstellung eine Oberflächenmetallisierung von kleinen Strukturen aus, wie etwa Teil 22, über die wieder aufgefüllten Kanäle zu den Teilen, die noch mit dem Handhabungs-Siliziumwafer 4 verbunden sind. Dies ermöglicht, dass Treiberelektroden auf Flächen bereitgestellt werden, die sonst mechanisch durch die Kanäle isoliert wären.
  • Wenn es gewünscht wird, können Kontakte (z. B. Polysilizium, Silizid oder andere leitfähiges Schichten, die den Temperaturen bei dem Prozess des Verbindens widerstehen können) in die Isolierschicht 6 eingebettet werden, z. B. mit Planarisierungstechniken.
  • 3 zeigt detaillierter, wie der Ätzprozess, um die Isolierschicht 6 zu entfernen, fortschreitet. Offensichtlich ist 3a dieselbe wie 1, und zeigt einen Querschnitt durch die Wafer, bevor das Ätzen begonnen hat. Wie Fachleuten klar ist, ist die Ätzrate des dotierten Oxids 10 größer als die der undotierten Oxidschichten 8 und 12. Deshalb wird das Material der dotierten Oxidschicht 10 schneller entfernt als das der undotierten Oxidschichten 8 und 12. es ist möglich, das Ätzen zeitlich so zu steuern, dass es gestoppt wird, nachdem die gesamte dotierte Oxidschicht 10 entfernt wurde, wobei aber etwas der der undotierten Schichten 48 als Vorsprünge 24 und 26 zurückbleibt (wie in 3b gezeigt ist).
  • Das Ätzmittel, das verwendet wird, um die Oxidschichten 8, 10 und 12 zu entfernen, entfernt die Nitridschicht 14 nicht. Die Nitridschicht 14 bleibt deshalb zurück, wobei sie den Handhabungswafer 4 überdeckt, was aus zwei verschiedenen Gründen vorteilhaft ist. Erstens ist die Nitridschicht ein Isolator und verhindert Kurzschlüsse zwischen dem mechanischen Wafer 2 und dem Handhabungswafer 4, falls sie in Kontakt kommen. Zweitens hat die Nitridschicht 14 einen geringeren Haftreibungskoeffizienten als Silizium (das heißt, dass Nitrid hilft, Haften zu verhindern), und hilft folglich, die aufgehängten Teile von dem Handhabungswafer 4 zu lösen.
  • Die Erhebungen 24 und 26 helfen, Probleme der aufgehängten Teile 22, die an dem Handhabungs-Siliziumwafer 4 haften, zu entschärfen. Probleme mit Haften im Zusammenhang mit dem nassen Ätzmittel können verursachen, dass die aufgehängten Teile an dem Handhabungswafer kleben. Die Erhebungen 24 und 26 stellen Bereiche mit einer kleinen Oberfläche zur Verfügung, die weniger zu Haftungsproblemen neigen. Folglich kann die Bereitstellung der Vorsprünge 24 und 26 beim Lösen der aufgehängten Teile von dem Handhabungs-Siliziumwafer 4 helfen.
  • Ein weiterer Weg, Haftungsprobleme zwischen den aufgehängten Teilen und dem Handhabungswafer 4 zu entschärfen, ist, einen vollständig trockenen Prozess zu verwenden. Zum Beispiel kann Ätzen mit HF-Dampf, gefolgt von Reinigen mit überhitztem Wasserdampf, verwendet werden.
  • Um dies zu erreichen, werden die Wafer über den Siedepunkt von Wasser aufgeheizt, um sicherzustellen, dass der Dampf nicht auf den Wafern kondensieren kann. Dieses besonders vorteilhaft, falls Trokkenätzen eingesetzt wird, um die Isolierschicht 6 zu entfernen, wobei in diesem Fall keine Flüssigkeiten in dem Prozess verwendet werden, die Klebeprobleme verursachen.
  • Das trockene Tiefätzen, das verwendet wird, um die Kanäle 18 und 20 herzustellen, hat einige Eigenschaften, die berücksichtigt werden müssen, um den Sensor richtig herzustellen. Erstens werden wegen der Effekte des Ätzens mit reaktiven Ionen (RIE, Reactive Ion Etching) enge Strukturen langsamer geätzt als breite Strukturen, und Bereiche mit hoher Musterdichte werden langsamer geätzt als Bereiche mit einer geringen Musterdichte. Diese Eigenschaft kann im Entwurfsprozess überwunden oder entschärft werden, in dem Kanäle, die geätzt werden sollen, so entworfen werden, dass sie im wesentlichen die selbe Breite haben und die exponierte Siliziumfläche minimiert wird.
  • Falls verschieden breite Kanäle verwendet werden, werden breite Kanäle schneller geätzt. Der Trocken-Tiefätzer ätzt wegen der hohen Selektivität der Ätzrate zwischen dem Silizium und der Isolierschicht nicht durch die Isolierschicht 6; nachdem der Kanal, der geätzt wird, diese Tiefe erreicht, endet das Ätzen tatsächlich. Da schmale Kanäle immer noch geätzt werden, wird der Ätzprozess fortgesetzt, und weil breite Kanäle nicht tiefer werden können, können Sie unter Kuppelbildung am untersten Teil des Kanals in der Nähe der Isolierschicht 6 leiden. Dieses Problem hängt mit Aufladung aus dem Plasma und überschüssigem Fluor an der Berührungsfläche zusammen. Die Kuppelbildung kann Teile des Sensors beschädigen. Das Problem kann verringert werden, indem weniger aggressive Ätzungen und geeignete Geometrien verwendet werden.
  • Zweitens ist es bei Verfahren nach dem Stand der Technik schwierig, die Dicke der mechanischen Schicht über ihre volle Breite genau und richtig zu steuern. Bei der Herstellung der Schichten, die (mit SSM-Methoden) geätzt werden, können Prozessvariationen bis 10% über die Breite des Wafers auftreten. Folglich müssen nachfolgende Ätzungen überätzen, um diese Variationen zu berücksichtigen, wobei in diesem Fall Kuppelbildung an den untersten Teilen der Kanäle, die geätzt werden, auftreten kann, wobei Silizium im wesentlichen senkrecht zu der ursprünglichen Ätzrichtung entfernt wird. Diese Variationen der Schichtdicke bestehen zusätzlich zu allen Ungleichmäßigkeiten im Ätzprozess selbst, die auch zu Kuppelbildung usw. führen können.
  • Ein Vorteil der Verwendung der Verfahren, die hier beschrieben werden, ist, dass sie eine gute Gleichmäßigkeit im Prozess für das Ausdünnen des Wafers haben. Mit der SOI-Technik kann der Wafer typischerweise unterhalb 1 μm Genauigkeit über den Wafer (oder 1 % auf einem Wafer von 100μm Dicke) ausgedünnt werden. Die erhöhte Genauigkeit beim Ausdünnen des Wafers kann zu weniger Problemen mit Überätzung und nachfolgender Kuppelbildung führen.
  • Ein alternativer Prozess zur Herstellung des Sensors ist in 4 gezeigt, der helfen kann, manche der Probleme zu lösen, die mit dem Ätzprozess zusammenhängen. Auf einen Standard-Siliziumwafer 50 (mechanischer Wafer) ist auf der obersten Oberfläche eine Markierungsschicht aufgebracht, und wird mit Standardverfahren mit einem Muster versehen. Mit der Maske mit dem Muster werden zwei Kanäle 52 und 54 geätzt, wobei eine Advanced Silicon-Ätzung auf eine Tiefe im wesentlichen gleich oder signifikant mehr als 100% der gewünschten Dicke des Sensors (zum Beispiel im wesentlichen 110% der gewünschten Enddicke des Sensors) verwendet wird. Die Maske mit dem Muster wird dann entfernt.
  • Eine Isolierschicht 56 wird mit PECVD (oder anderen Methoden) auf die oberste Oberfläche des mechanischen Wafers 50 aufgewachsen, sodass die Kanäle 52 und 54 auch mit der Isolierschicht oder anderem geeigneten Füllmaterial aufgefüllt werden. Es ist offensichtlich, dass die mehrlagige Isolierschicht, die mit Bezug auf 1 bis 3 beschrieben wurde, hier auch verwendet werden kann. Polysilizium kann ebenso verwendet werden, um die Markierungen wieder aufzufüllen.
  • Als Nächstes wird Isolierschicht 56 mit einem Muster versehen und geätzt, wobei die Kanäle 52 und 54 als Ausrichtungsmarkierungen verwendet werden. Die Maske, die verwendet wird, um das Dielektrikum mit einem Muster zu versehen, kann dieselbe Maske sein, wie die, die verwendet wird, um die mechanische Struktur bei dem abschließenden Ätzen des Siliziums zu definieren, oder kann eine spezi elle entworfene Maske sein. Im Allgemeinen wird für gute Selektivität ein nasschemisches Ätzmittel verwendet. Der Ätzprozess entfernt die Teile 58 und 60 der Isolierschicht 56, die zu den aufgehängten Teilen in der endgültigen Sensorstruktur gehört.
  • Als Nächstes wird der Handhabungswafer 62 mit der Isolierschicht verbunden, sodass eine Sandwich-Struktur mit der Isolierschicht 56 zwischen zwei Siliziumwafern wie in einer typischen SOI-Struktur hergestellt wird.
  • Nach dem der Handhabungswafer 63 verbunden wurde, wird die Struktur umgedreht, das heißt, um 180° um ihre horizontale Achse rotiert, und die nachfolgende Bearbeitung wird an dem mechanischen Wafer 50 (der nun der oberste Wafer ist) durchgeführt.
  • Der mechanische Wafer 50 wird dann mit mechanischem Polieren und Schleifen auf die gewünschte Dicke poliert, gefolgt von chemisch-mechanischem Polieren, um einen guten Endzustand der Oberfläche zu erzeugen. Zu Beginn des Prozesses wurden die Kanäle 52 und 54 auf eine Dicke von 110% der gewünschten Dicke des Sensors (dies ist die Dicke des mechanischen Wafers nach dem Ätzen) in den Wafer geätzt. Folglich entfernt das Polieren ungefähr 10% des Kanals. Es ist klar, dass die Kanäle 52 und 54 nun vollständig durch den Wafer 50 laufen und mit dielektrischen oder anderen geeigneten Materialien gefüllt werden. In manchen Ausführungen können die Kanäle auch ungefüllt belassen werden. Die Teile der Kanäle 52 und 54, die auf der obersten Oberfläche des mechanischen Wafers 50 sichtbar sind, können als Ausrichtungsmarkierungen für die nachfolgende Bearbeitung verwendet werden. Fachleuten ist klar, dass die Prozesse, die auf jeder Seite des Wafers 50 ausgeführt werden, zueinander ausgerichtet werden.
  • Nachdem der Polierprozess beendet wurde, wird die oberste Oberfläche des mechanischen Wafers 50 mit einem Muster versehen und mit einem Trocken-Tiefätzer geätzt. Das Ätzen findet über den Teilen der entfernten Isolierschicht 56 statt. Wenn die Ätzung durch den mechanischen Wafer 50 läuft, werden aufgehängte Teile 64 und 66 hergestellt, wobei diese Teile nicht durch die Isolierschicht mit dem Handhabungswafer 62 verbunden sind.
  • Dieser alternative Prozessablauf für die Herstellung eines Sensors kann dadurch vorteilhaft sein, dass das Ätzen durch das Silizium nicht zeitlich entsprechend der Tiefe des mechanischen Wafers 50 gesteuert werden muss. Das Ätzen endet nun in einem Hohlraum, und deshalb sind Probleme des Überätzens und nachfolgender Kuppelbildung beseitigt.
  • Die Hohlräume können mit dem Rand des Wafers oder einem größeren Bereich verbunden sein, der zuerst durchgeätzt wird. In einem solchen Fall wird jeglicher Restdruck, der während des Prozesses Verbindens eingeschlossen wurde, freigesetzt, bevor die Ätzung zu den Hohlräumen durchbricht. Dies löst ein potenzielles Problem beim Freilegen der Bauteile in einer Umgebung mit geringem Druck, wie etwa durch Bruchstücke, die losgebrochen werden, wenn ein Bereich unter hohem Druck mit einem Bereich unter geringem Druck durch eine dünne Membran verbunden ist.
  • Weiter kann der alternative Prozessablauf dadurch vorteilhaft sein, dass er nur Trockenätzungen enthält, die kurze, einfache Prozesse sind, und die Verwendung von Nassätzen vermeidet, das dazu tendiert, Probleme bezüglich Kleben der aufgehängten Teile zu verursachen.
  • 5 zeigt einen alternativen Prozessablauf für die Herstellung eines mikromechanischen Sensors, in dem eine Isolierschicht hergestellt wird, und eine Isolierschicht 149 oben auf einem mechanischen Wafer 150 hergestellt wird. In der gezeigten Ausführung ist die Isolierschicht ein Oxid, das auf einen Siliziumwafer aufgewachsen wurde. Dies ist in 5a gezeigt.
  • Wie in 5b gezeigt ist, wird als nächstes die Isolierschicht 149 mit einem Muster versehen und mit Standardmethoden geätzt, sodass ein Teil der Isolierschicht entfernt wird, was einen Hohlraum 152 erzeugt.
  • Wie in 5c gezeigt ist, wird der Hohlraum 152 mit einem Material wieder aufgefüllt, das durch ein Trocken-Tiefätzen oder Ätzen mit hohem Aspektverhältnis leicht geätzt werden kann, das nachfolgend verwendet wird, um Silizium zu ätzen. In diesem Fall wurde der Hohlraum mit Polysilizium wieder aufgefüllt.
  • Ein zweiter Wafer 154 wird dann mit bekannten Methoden mit der Isolierschicht 149 verbunden, was das Standard-Silizium-auf-Isolator (SOI)-Sandwich bildet. Wie man in 5d sehen kann, ist der wiederaufgefüllte Hohlraum 152 zwischen den zwei Wafern 150 und 154 eingeschlossen.
  • Des das Sandwich wird dann umgedreht, sodass das Ätzen an dem mechanischen Wafer durchgeführt werden kann. Wie zuvor diskutiert wird bevorzugt, wegen der sauberen Berührungsfläche zwischen der Isolierschicht 149 und dem Wafer 150 im Gegensatz zu der Berührungsfläche zu dem Wafer 154, mit dem die Isolierschicht 149 verbunden wurde, den Wafer zu ätzen, auf den die Isolierschicht aufgewachsen wurde.
  • Wie in vorangehenden Ausführungen wird der Wafer auf die gewünschte Dicke geschliffen/poliert und dann mit einem Muster versehen und geätzt. Das Ätzen wird wiederum durch einen Prozess mit hohem Aspektverhältnis durchgeführt, in diesem Fall wurde ASE von STS verwendet, um den Kanal 156 einzubringen. Es sei bemerkt, dass in 5e der Kanal 156 in dem mechanischen Wafer 150 zu dem Hohlraum 152 ausgerichtet ist, der in der Isolierschicht 149 erzeugt wurde.
  • Wie zuvor diskutiert ist es wegen Prozessvariationen schwierig, die Ätzung zeitlich genau zu steuern, sodass sie an der Grenze zwischen dem mechanischen Wafer und der Isolierschicht 149 anhält. Wenn der Ätzung ermöglicht wird, zu überätzen, dann tritt wahrscheinlich Kuppelbildung in dem Siliziumwafer 150 in Bereichen des Kanals 156 auf, die neben der Isolierschicht 149 liegen. Die Bereitstellung des gefüllten Hohlraums 152 löst dieses Problem jedoch. Es ist klar, dass die Kuppelbildung wegen dem bevorzugten Ätzen von Silizium im Vergleich zur Ätzrate der Isolierschicht 149 und wegen Aufladung an der Berührungsfläche zu dem Oxid auftritt. Der mit Polysilizium gefüllte Hohlraum wurde derart eingerichtet, dass er mit dem Kanal 156 zusammenfällt, sodass, wenn die Ätzung überätzt, sie das Polysilizium ätzt, das sich mit der selben Rate wie der Siliziumwafer 150 ätzen lässt und leitfähig ist. Das Problem der Kuppelbildung wird folglich entschärft.
  • Es ist klar, dass obwohl in der obigen Diskussion von 5 der Wafer, auf dem die Isolierschicht 149 hergestellt wurde, als der mechanische Wafer betrachtet wurde, es auch möglich ist, die Einrichtungen in dem Wafer 154 herzustellen, der mit der Isolierschicht verbunden ist (das heißt, dass der Wafer 154 als der mechanische Wafer behandelt wird).
  • Ausrichtungsmarkierungen, die im wesentlichen durch den mechanischen Wafer verlaufen, wie hier beschrieben ist, können bei diesem Verfahren verwendet werden, um sicherzustellen, dass die Masken, die verwendet werden, um den mechanischen Wafer zu ätzen, an den Hohlräumen 152 ausgerichtet sind, die in der Isolierschicht 149 erzeugt wurden. In der Tat kann dieselbe Maske verwendet werden, um den mechanischen Wafer und die Isolierschicht 149 zu ätzen, und die Ausrichtungsmarkierung kann verwendet werden, um sicherzustellen, dass diese Maske richtig orientiert ist, bevor die Ätzung mit dem mechanischen Wafer durchgeführt wird.
  • Es ist klar, dass, wenn die Ausrichtungsmarkierung nicht vollständig durch den Wafer verläuft, es immer noch möglich ist, einen Prozess auf einer Seite des Wafers zu einem Prozess auf der gegenüberliegenden Seite des Wafers auszurichten. Eine Ausrichtungsmarkierung, die nur teilweise durch den Wafer verläuft, kann durch Infrarotbilderzeugung von der Seite des Wafers sichtbar werden, auf der die Ausrichtungsmarkierung nicht vorhanden ist. Eine solche Bilderzeugung ist im Allgemeinen in Produktionswerken verfügbar. Bei Methoden nach dem Stand der Technik zur Herstellung von Ausrichtungsmarkierungen wären diese durch die Verwendung von Infrarotbilderzeugung nicht sichtbar.
  • Die obigen Verfahren werden verwendet, um einen mikromechanischen Inertialsensor herzustellen, der ein Ring-Vibrationskreisel ist, und aus Silizium hergestellt sein kann. Ein Schrieb von einem Rasterelektronenmikroskop von einer solchen Einrichtung 101 ist in 6 gezeigt, und ein Querschnitt durch die Linie AA in 6 ist in 7 gezeigt.
  • Der Vibrationskreisel, der in 6 gezeigt ist, umfasst einen einzel nen Ring 99, der von 8 Paaren von Aufhängungsstegen (a bis h) getragen wird, die in 45°-Intervallen um den Ring 99 zentriert sind. Der Ring 99 besteht aus einem aufgehängten Teil, das aus einem Wafer 102 geätzt wurde. Die Paare von Stegen (a bis h) sind mit dem Ring 99 verbunden und verbinden ihn mit dem Wafer 102.
  • In dem Beispiel, das in 6 gezeigt ist, sind acht Elektrodenelemente (D1, P1,2,3,4 Und S1,2,3) mit gleichem Abstand um das Innere des Rings 99 vorgesehen. Jedes der Elektrodenelemente bildet eine Platte eines einzelnen Kondensators, wobei der Ring 99 die andere Platte bildet. Das heißt, die Platte 99 bildet eine der Platten von jedem der acht Kondensatoren, wobei die andere Platte durch ein Elektrodenelement gebildet wird.
  • Das Elektrodenelement D1 wird verwendet, um den Ring anzutreiben. Über den Kondensator, der durch D1 gebildet wird, wird eine Spannung angelegt, um den Ring 99 zum Schwingen anzuregen. Die Kondensatoren, die mit den Elektrodenelementen P1,2,3 gebildet werden, werden verwendet, um die primäre Bewegung des Ringes zu erfassen, und die Kondensatoren, die mit den Elektrodenelementen S1,2,3,4 gebildet werden, werden verwendet, um die sekundäre Bewegung des Rings 99 zu erfassen. Das Antriebselement D1 kann auch verwendet werden, um die primäre Bewegung des Ringes 99 zu erfassen.
  • Fachleuten ist klar, dass die primäre Schwingungsmode des Ringes über den Ring 99 verteilt vier Verschiebungsnullpunkte aufweist (die in 9a mit N markiert sind). Die Nullpunkte sind derart eingerichtet, dass sie dort auftreten, wo die Elektrodenelemente S1,2,3,4 angeordnet sind, sodass die Kondensatoren, die von diesen Elektrodenelementen gebildet werden, nur die sekundäre Bewegung aufnehmen.
  • Die sekundäre Schwingungsmode des Ringes hat ebenfalls über den Ring 99 verteilt vier Verschiebungsnullpunkte (die mit N markiert sind und in 9b gezeigt sind), und die Elektrodenelemente sind derart eingerichtet, dass die Kondensatoren, die durch P1,2,3 und D1 gebildet werden, nur die primäre Bewegung des Rings 99 aufnehmen.
  • Fachleuten ist klar, dass die Elektrodenelemente auch außerhalb des Rings 99 angeordnet sein können, möglicherweise innerhalb der Aufhängungsstege, die an der Position N in 8 gezeigt sind. Weiter sind die Anordnungen, die die Elektrodenelemente innerhalb und außerhalb des Rings vorsehen, in den 11 und 12 gezeigt. Es ist möglich, die Aufhängungsstege 199 einem Zentralbereich 200 zur Verfügung zu stellen. Eine solche Anordnung ist in 12 gezeigt, in der ein Elektrodenelement 202 an der Außenseite des Rings 99 vorgesehen ist. Die Anordnung, die in 11 gezeigt ist, ist eine schematische Darstellung eines Teils der Einrichtung, die in 6 gezeigt ist, mit einem Elektrodenelement 204 innerhalb des Rings 99. Außerdem können zusätzliche Elektrodenelemente zusätzlich zu den bestehenden Antriebs- und Sensorelementen (D, P, S) bereitgestellt werden, die als Einstellkondensatoren arbeiten können. Solche Einstellkondensatoren können an Positionen zwischen den Elektrodenelementen D1, P1,2,3 und S1,2,3,4 vorgesehen werden., wie der, der bei L in 8 gezeigt ist.
  • Bei Betrachtung der 8 ist Fachleuten klar, dass die Kapazität, die von dem Elektrodenelement M erzeugt wird, angegeben werden kann durch:
    Figure 00490001
  • Eine Anordnung mit einem Elektrodenelement 206 innerhalb des Rings 99 und einem Elektrodenelement 208 außerhalb des Rings 99 ist außerdem in 13 gezeigt. Für eine deutlichere Darstellung sind keine Aufhängungsstege gezeigt, die den Ring tragen.
  • In 7 sind ein Teil des mechanischen Wafers 104, ein Teil des Handhabungswafers 106 und der Isolierschicht 108 deutlich sichtbar. Es sei bemerkt, des es im Randbereich des Teils des mechanischen Wafers 104 Hohlräume 110 und 112 gibt, wo die Isolierschicht 108 während des Ätzprozesses entfernt wurde, um den Ring 99 im wesentlichen freizulegen.
  • Der Vibrationskreisel wurde aus Silizium mit einer Orientierung <100> hergestellt. Wie Fachleute wissen, hat solches Silizium anisotrope Eigenschaften, und der Schubmodul und der radiale Elastizitätsmodul variieren signifikant mit cos4θ über das Material. Diese Variation der mechanischen Eigenschaften hat einen wichtigen Einfluss auf die Herstellung des Sensors. Der Vibrationskreisel wurde auch aus Silizium mit einer Orientierung von <111> hergestellt.
  • Um die anisotropen Materialeigenschaften zu kompensieren, sind Teile des Rings 99 in den Bereichen der Aufhängungsstege (b, d, f, h) im Vergleich zu den Teilen des Rings in denen Bereichen der Antriebs/Sensorelemente (a, c, e, g) verdickt. Jeder der verdickten Bereiche des Rings 99 erstreckt sich über einen 45°-Bogen um den Ring 99 herum, und man kann sie in den 8 und 9 sehen. Die 45°-Bögen der Verdickung sind eine Annäherung an eine cos4θ-Variation. Fachleuten ist klar, dass eine tatsächliche cos4θ-Variation eingesetzt werden kann.
  • Die Teile des Rings 99 in den Bereichen der Aufhängungsstege (b, d, f, h) sind relativ zum Rest des Rings 99 um einen Betrag h verdickt. Der Ring 99 in diesem Beispiel hat eine Basisbreite x von 100μm, und Berechnungen haben gezeigt, dass die ideale Verdickung 13μm ist, das heißt h ist 13μm. Dies ist am klarsten in 10 sichtbar. Diese Verdickung kompensiert die anisotropen Eigenschaften und ermöglicht, dass der Vibrationskreisel funktioniert, als ob er aus <111>-Silizium hergestellt wäre, das isotrope Eigenschaften hat, oder wenigstens mehr wie ein Sensor aus <111>-Silizium.
  • Bevor die Herstellung des Vibrationskreisels eingeleitet wurde, wurden Röntgenverfahren verwendet, um die genaue Kristallorientierung des Wafers zu identifizieren, der verwendet werden sollte, um den Vibrationskreisel herzustellen. Nachdem die Kristallorientierung festgestellt wurde, konnte die genaue Dickeneinstellung berechnet werden, die erforderlich ist, um die Fehlausrichtung des Kristalls zu beseitigen, und an der Maske konnten geeignete Änderungen vorgenommen werden, oder Trimmverfahren konnten verwendet werden, um die Fehlausrichtung zu kompensieren, nachdem der Vibrationskreisel hergestellt war. Solche Schritte ermöglichen, dass die Leistungsfähigkeit des Vibrationskreisels genau auf den bestimmten Wafer eingestellt wird. Fachleuten ist klar, dass es schwierig ist, einen Siliziumskristall mit genau definierter Kristallorientierung zu schneiden, und dass dabei im Allgemeinen immer etwas Fehler auftritt.
  • In manchen Ausführungen kann aktive Einstellung verwendet werden, um die Fehlausrichtung des Vibrationskreisels relativ zu den Kristallebenen zu kompensieren.
  • Es ist auch möglich, die Orientierung der Kristallebenen in dem Wafer zu bestimmen, indem geeignete Ausrichtungsmarkierungen mit einer anisotropen Nassätzung auf den Wafer geätzt werden, die sich selbst zu den Kristallebenen des Wafers orientieren. Die nachfolgenden Masken können dann an den Ausrichtungsmarkierungen statt an den Seitenflächen des Wafers ausgerichtet werden. Fachleute kennen die näherungsweise Ausrichtung der Ebenen innerhalb des Wafers. Zum Beispiel können Sie wissen, dass Wafer typischerweise auf ±2° spezifiziert sind. Die Verwendung von anisotrop nassgeätzten Markierungen ermöglicht, dass die tatsächliche Ausrichtung festgestellt wird. Deshalb wird eine einzige Maske für den Vibrationskreisel bereitgestellt, und diese wird mittels der anisotrop geätzten Ausrichtungsmarkierungen richtig ausgerichtet.
  • Ein Vorteil der Verwendung von anisotrop geätzten Ausrichtungsmarkierungen ist, dass mehrere Wafer in einem einzigen Prozess geätzt werden können, und sich das Muster auf jedem Wafer selbst ausrichtet.
  • Der Vibrationskreisel, der hier beschrieben ist, wird aus Silizium hergestellt, wobei Prozesse verwendet werden, die mit CMOS-Bearbeitungstechniken kompatibel sind, was einen Low-Cost-Vibrationskreisel liefert. Der Vibrationskreisel kann mit Verarbeitungsschaltkreisen auf dem Chip ausgestattet sein, die auf einer CMOS-Anlage oder auf anderen Produktionsanlagen für integrierte Mikroelektronik hergestellt werden können. Fachleuten ist klar, dass CMOS-Prozesse typischerweise auf <100>-orientierten Siliziumwafer durchgeführt werden, obwohl es möglich ist, sie zu signifikanten Kosten auf <111>-orientiertem Silizium durchzuführen.
  • Vibrationskreisel arbeiten durch Anregung einer Primärschwingung in der Struktur, die eine Coriolis-Kraft unter einer einwirkenden Drehrate erfährt. Diese Kraft erzeugt eine sekundäre Bewegung, de ren Amplitude ein Maß für die Drehrate ist. In den meisten Einrichtungen entsprechen die primäre und die sekundäre Bewegung zwei Schwingungsmoden der Struktur.
  • Wie zuvor beschrieben werden die Elektrodenelemente S1,2,3,4 verwendet, und die Sekundärbewegung des Rings 99 zu messen. Es ist möglich, die Gleichtaktunterdrückung des Vibrationskreisels zu erhöhen, indem sie Elektrodenelemente in Paaren verwendet werden (vielleicht S1 und S2 und S3 und S4). In einer solchen Anordnung kann Rauschen, das beiden Elektrodenelementen in einem Paar gemeinsam ist, eliminiert werden, was das erfasste Signal erhöht. Es ist auch möglich, die Anordnung, die in 13 gezeigt ist, auf differenzielle Weise zu verwenden, wobei das Paar von Elektrodenelementen 200 und 208 verwendet wird. Es klar, dass sich die Anordnung des Paars von Elektrodenelementen um den Ring 99 wiederholt. Die Verwendung der Elektrodenelemente 206 und 208 auf diese Weise führt zu einer erhöhten Gleichtaktrauschunterdrückung. Die Anordnung in 13 kann verbesserte Rauschunterdrückung im Vergleich zu der Methode der paarweisen Verwendung von Elektrodenelemente in der Anordnung in 6 liefern.
  • Hier werden Ausführungen beschrieben, in denen eine Dickenvariation mit cos4θ um den Ring 99 auftritt. Durch diese Dickenvariation kann der Vibrationskreisel zum Funktionieren gebracht werden. Wenn die Dickenvariation jedoch keine vollständige Kompensation des anisotropen Wesens des Materials erreicht (siehe aber fast erreicht), kann elektrostatische Einstellung verwendet werden, um die Kompensation zu vervollständigen. Die elektrostatische Einstellung kann tatsächlich angewendet werden, um die Leistungsfähigkeit eines Vibrationskreisels ohne die Dickenvariation mit cos4θ zu verbessern.
  • Elektrostatische Einstellung umfasst das Anlegen eines Potenzials an Elektrodenelemente auf eine berechnete Weise, sodass elektrostatische Kräfte auf den Ring 99 ausgeübt werden. Diese Kräfte können maßgeschneidert werden, um jegliches nicht-ideales Verhalten des Rings 99 zu kompensieren.
  • Derartige elektrostatische Einstellung kann besonders in der Ausführung angewendet werden, die in 13 gezeigt ist, bei der Spannungen an die Elektrodenelemente 200 und 208 angelegt werden. Mögliche Signalverläufe sind in 14 gezeigt, die Wechselspannungen zeigt, die Offset-Gleichspannungen überlagert sind. Der Ring 99 ist entlang eines Zentralbereichs in 14 gezeigt und im Allgemeinen auf Masse gelegt.
  • In einer Ausführung des Vibrationskreisels, das die Struktur in 13 verwendet, ist eine Anordnung mit geschlossener Regelschleife aufgebaut, die die Funktionalität der Einrichtung verbessern kann. Wie zuvor beschrieben wird ein Antriebs-Elektrodenelement verwendet, um eine Primärschwingung in den Ring 99 einzubringen. Drehkräfte induzieren eine zweite Harmonische, die in einem Winkel von ungefähr 45° zu der ersten Harmonischen liegt, und es ist die Amplitude dieser Schwingungen auf Grund der zweiten Harmonischen, die verwendet werden kann, um die Drehrate zu berechnen. Mit dem Paar von Elektrodenelementen 206 und 208, die in 13 gezeigt sind, ist es möglich, die zweite Harmonische zu erfassen, und dann eine Spannung an die Elektrodenelemente 206 und 208 anzulegen, sodass die zweite Harmonische im wesentlichen zu Null gemacht (oder verhindert) wird. Die Drehrate kann dann aus den Spannungspegeln berechnet werden, die erforderlich sind, um die zweite Harmonische auf Null zu verringern. Eine solche Anordnung kann die Anordnung linearer und/oder stabiler machen.
  • Zusätzlich zu der allgemeinen Anforderung, dass der Herstellungsprozess CMOS-kompatibel sein soll, wurden die folgenden zusätzlichen Anforderungen als möglicherweise wichtig identifiziert, um kleine Low-Cost-Bauteile mit hoher Empfindlichkeit zu realisieren:
    • a. Erreichen einer starken Antwort durch Frequenzabgleich der primären und sekundären Schwingungsmoden
    • b. Die Frequenz der primären und sekundären Schwingungsmoden sollte hoch sein, um die Größe des Bauteils zu verringern und den Effekt des Rauschens aus der Umwelt zu verringern, aber klein, um die kapazitive Kopplung zu verringern. Sie sollte unter ungefähr 100kHz bleiben, um zu ermöglichen, lineare analoge Standardmethoden der Schaltungstechnik zu verwenden.
    • c. Entwürfe umsetzen, die differenzielle Erfassung der primären und sekundären Bewegung ermöglichen, da dies die Möglichkeit bietet, Gleichtaktsignale zu verringern.
    • d. Entwürfe umsetzen, die die Möglichkeit des Nullens der Sekundärbewegung bieten, um lineares Verhalten über einen breiteren Dynamikbereich zu bieten.
    • e. Standardmaterialien verwenden, wie etwa <100<-Silizium.
  • Eine Struktur des Vibrationskreisels, die diese Anforderungen erfüllen kann, nimmt die Form eines Rings 99 an, der in der Ebene des Wafers schwingt, der in 8 gezeigt ist. Die gewünschte primäre und sekundäre Schwingungsmode des Vibrationskreisels sind wie in den 9a beziehungsweise 9b gezeigt. Der Ring 99 wird von acht Paaren von Aufhängungsstegen 100 an seinem Platz gehalten.
  • Der Ring 99 und seine Stege werden aus dem mechanischen Wafer aus <100>-Silizium geätzt. Für einen Ring, der aus kristallinem Silizium hergestellt ist, wird erwartet, dass er vorhersagbare Materialeigenschaften hat, hohe innere Güte, und die Dicke, die für mechanische Stabilität erforderlich ist. Diese Anforderungen werden nicht verlässlich mit Schichten erreicht, die auf einem Siliziumwafer abgeschieden werden.
  • Es ist wünschenswert, den Ring zum dominanten dynamischen Element zu machen, indem die Ringbreite (5μm bis 1mm) größer als die Breite der Aufhängungsstege 100 (1 μm bis 0,5mm) gemacht wird. Mit dem Ziel, in dem gewünschten Frequenzbereich zu arbeiten, wurde ein Ringradius von 0,25 bis 10mm gewählt, und um mechanische Stabilität zu erreichen, ist möglicherweise eine Ringdicke x von größer als 1μm erforderlich.
  • Fachleuten ist klar, dass eine Vielzahl von verschiedenen Entwürfen von Vibrationskreiseln existiert, die von dem hier beschriebenen verschieden sind, einschließlich anderer Wandlungsmethoden. Zum Beispiel kann es möglich sein, die Widerstandsänderung zu messen, wobei die piezoresisitive Eigenschaft von Silizium in Bauteilen verwendet wird, um die Bewegung des Rings zu messen. Es kann auch möglich sein, induktive Detektoren zu verwenden, um die Bewegung des Rings zu messen, vielleicht, indem Nachverfolgung auf Teile des Ringes angewendet wird, und ein magnetisches Feld angelegt wird.
  • Ein Siliziumskristall ist physikalisch und mechanisch anisotrop und seine radialen und tangentialen elastischen Steifigkeitskoeffizienten variieren mit cos4θ um den Ring. Für einen perfekt geformten kreisförmigen Ring ist der Effekt der Anisotropie, dass sie eine Aufspaltung der Frequenzen der Antriebs- und Erfassungsmoden verursacht.
  • Diese Aufspaltung ist signifikant, und außer wenn sie kompensiert wird, verursacht sie eine Verringerung der Empfindlichkeit des Vibrationskreisels. Der Effekt dieser Anisotropie kann eliminiert oder wesentlich verringert werden, indem die Breite des Rings (um einen Betrag h wie zuvor diskutiert) in den Bereichen verschieden gemacht wird, die zu den Antriebs- und Erfassungsstegen der Antriebsmode gehören. 10 zeigt die Details der vorgeschlagenen Konstruktion, und ein Wert von h von ungefähr 13μm ist erforderlich, damit die Frequenzen für eine Ringdicke von nominell 100μm übereinstimmen.

Claims (34)

  1. Mikromechanischer Ring-Vibrationskreisel (101), der ein Ringelement (99) umfasst, das aus einem Material mit anisotropen mechanischen Eigenschaften hergestellt ist, dadurch gekenn zeichnet, dass das Ringelement (99) dazu eingerichtet ist, während der Verwendung zu schwingen, und dadurch, dass wenigstens ein Bereich des Ringelements (99) relativ zu dem Rest des Ringelements verdickt ist, um die anisotropen mechanischen Eigenschaften des Materials zu kompensieren, aus dem das Ringelement (99) hergestellt ist.
  2. Vibrationskreisel nach Anspruch 1, bei dem wenigstens ein Bereich des Ringelements (99) relativ zum Rest des Ringelements auf eine solche Weise verdickt ist, dass die Dickenabmessung des Ringelements auf periodische Weise als Funktion der Winkeländerung um das Ringelement (99) herum variiert.
  3. Vibrationskreisel nach Anspruch 2, bei dem die periodische Variation um das Ringelement herum näherungsweise mit cos(4θ) auftritt, wobei θ die Winkeländerung um das Ringelement (99) herum ist.
  4. Verfahren nach einem der vorangehenden Ansprüche, bei dem das Ringelement (99) durch eine Anzahl von Aufhängungsstegen (a-h) aufgehängt ist, die das Ringelement (99) mit einem Substrat (102) verbinden.
  5. Vibrationskreisel nach Anspruch 4, bei dem die Aufhängungsstege (a-h) mit einer äußeren Oberfläche des Ringelements (99) verbunden sind.
  6. Vibrationskreisel nach Anspruch 4, bei dem die Aufhängungsstege (a-h) mit einer inneren Oberfläche des Ringelements (99) verbunden sind
  7. Vibrationskreisel nach einem der Ansprüche 4 bis 6, bei dem die verdickten Abschnitte des Ringelements (99) ungefähr zwischen Paaren der Aufhängungsstege (a-h) auftreten.
  8. Vibrationskreisel nach einem der vorangehenden Ansprüche, bei dem das Ringelement (99) eine Platte von wenigstens einem Kondensator bildet, wobei der Vibrationskreisel derart eingerichtet ist, dass Bewegung des Ringelement (99) verursacht, dass der Wert des auf diese Weise gebildeten Kondensators variiert.
  9. Vibrationskreisel nach Anspruch 8, bei dem wenigstens eine Elektrode (D1, P1,2,3,4, S1,2,3) bereitgestellt ist, die eine zweite Platte des Kondensators bildet.
  10. Vibrationskreisel nach Anspruch 9, dadurch gekennzeichnet, dass die wenigstens eine Elektrode (D1, P1,2,3,4, S1,2,3) eine Antriebselektrode umfasst, die dazu eingerichtet ist, die Schwingungen des Ringelements (99) anzutreiben.
  11. Vibrationskreisel nach Anspruch 10, bei dem die Antriebselektrode dazu eingerichtet ist, das Ringelement (99) in einer ersten Schwingungsmode derart anzutreiben, dass es einen Schwin gungsbauch mit Schwingungsmaximum gibt, der an die Antriebselektrode angrenzt.
  12. Vibrationskreisel nach Anspruch 11, bei dem wenigstens eine Sensorelektrode für die erste Mode bei ungefähr einem ganzzahligen Vielfachen von 90° um das Ringelement (99) herum ab der wenigstens einen Antriebselektrode bereitgestellt ist, wobei die wenigstens eine Sensorelektrode für die erste Mode dazu eingerichtet ist, Schwingungen der ersten Mode zu erfassen.
  13. Vibrationskreisel nach Anspruch 12, bei dem das Ringelement derart eingerichtet ist, dass es eine zweite Schwingungsmode aufweist, und wenigstens eine Sensorelektrode für die zweite Mode hat, die dazu eingerichtet ist, Schwingungen auf Grund der zweiten Schwingungsmode zu erfassen.
  14. Vibrationskreisel nach Anspruch 13, bei dem die Sensorelektrode für die zweite Mode an einem Knoten mit Bewegung durch die erste Schwingungsmode gleich Null angeordnet ist.
  15. Vibrationskreisel nach einem der vorangehenden Ansprüche, bei dem wenigstens ein Elektrodenpaar bereitgestellt ist, und das Ringelement dazu eingerichtet ist, zwischen dem Elektrodenpaar hindurchzulaufen.
  16. Vibrationskreisel nach Anspruch 15, bei dem wenigstens ein Paar von Elektroden dazu eingerichtet ist, ein erstes und ein zweites Signal zu erzeugen, und der Vibrationskreisel dazu eingerichtet ist, das erste und das zweite Signal differenziell zu verarbeiten.
  17. Vibrationskreisel nach einem der vorangehenden Ansprüche, der aus einem Material hergestellt ist, das Kristallebenen mit einer <100>-Orientierung aufweist.
  18. Verfahren zur Herstellung eines mikromechanischen Ring-Vibrationskreisels (101), das die folgenden Schritte umfasst: (i) Nehmen einer Schicht aus kristallinem Material (102) mit anisotropen mechanischen Eigenschaften; (ii) Bestimmen des Grades der Fehlausrichtung des Kristallgitters innerhalb der Schicht aus dem Material (102), indem die exakte Kristallorientierung identifiziert wird; (iii) Berechnung des Grades der Änderung, die für die Dickenabmessung eines Ringelementes (99) erforderlich ist, das in der Schicht aus kristallinem Material (102) hergestellt ist, um die Fehlausrichtung des Kristallgitters zu kompensieren; und (iv) Herstellen eines solchen Ringelements (99) in der Schicht aus dem Material (102), wobei wenigstens ein Bereich des Ringelements (99) relativ zum Rest des Ringelements (99) verdickt ist, um die Fehlausrichtung und folglich die anisotropen mechanischen Eigenschaften der Schicht aus dem Material (102) zu kompensieren.
  19. Verfahren nach Anspruch 18, bei dem der Schritt (iv) der Herstellung eines Ringelements (99) die folgenden Schritte umfasst: Nehmen des ersten Wafers (2; 50) mit einer Isolierschicht (8, 10, 12, 14; 56), die darauf aufgebracht ist, und mit einem zweiten Wafer (4; 62), der mit der Isolierschicht (8, 10, 12, 14; 56) verbunden ist, und a) Aufbringen eines Musters auf und nachfolgendes Ätzen von entweder dem ersten oder dem zweiten Wafer, sodass Kanäle (18, 20; 52, 54) in dem einen Wafer (dem geätzten Wafer) erzeugt werden, die an der Grenze zu der Isolierschicht (8, 10, 12, 14; 56) enden; und b) Ätzen der Isolierschicht, um Teile der Isolierschicht (8, 10, 12, 14; 56) zu entfernen, die an den geätzten Wafer angrenzen, sodass die Teile des geätzten Wafers unterhalb einer zuvor festgelegten Größe, aufgehängte Teile, im wesentlichen frei über dem anderen Wafer aufgehängt werden.
  20. Verfahren nach Anspruch 19, bei dem die Isolierschicht eine Dikke zwischen 1,5μm und 3μm hat.
  21. Verfahren nach einem der Ansprüche 19 bis 20, bei dem das Verfahren die Masse der Teile unterhalb der zuvor festgelegten Größe erhöht, die während Schritt b) des Verfahrens im Wesentlichen freigelegt werden.
  22. Verfahren nach einem der Ansprüche 19 bis 21, bei dem die Maske für das Ätzen in Schritt a) optimiert ist, sodass Flächen, die geätzt werden sollen, im Wesentlichen gleiche Querschnittsflächen haben.
  23. Verfahren nach einem der Ansprüche 19 bis 22, bei dem Aufhängungsstege (a-h) vorgesehen sind, um die aufgehängten Teile mit dem Rest des geätzten Wafers zu verbinden.
  24. Verfahren nach einem der Ansprüche 19 bis 23, das weiter den Schritt des Reinigens der Ätzung der Isolierschicht (8, 10, 12, 14; 56) mit einem Dampf enthält.
  25. Verfahren nach einem der Ansprüche 19 bis 24, bei dem manche der Kanäle (8, 10, 12, 14; 56), die in dem geätzten Wafer vor der Ausführung von Schritt b) erzeugt werden, mit einem Füllmaterial wieder aufgefüllt werden.
  26. Verfahren nach einem der Ansprüche 19 bis 25, bei dem Kontakte oder Verbindungsbahnen in die Isolierschicht eingebettet werden, wenn sie auf die Oberfläche des ersten Wafers (2; 50) aufgebracht wird.
  27. Verfahren nach einem der Ansprüche 19 bis 26, bei dem die Isolierschicht (8, 10, 12, 14; 56) zwischen dem ersten und dem zweiten Wafer mehr als ein Material umfasst.
  28. Verfahren nach einem der Ansprüche 19 bis 27, bei dem die Materialien, aus denen die Isolierschicht (8, 10, 12, 14; 56) gebildet wird, Oxide des Materials sind, aus dem der Wafer hergestellt ist.
  29. Verfahren nach einem der Ansprüche 19 bis 28, bei dem eine Nitridschicht innerhalb der Isolierschicht nach Schritt b) zurückbleibt.
  30. Verfahren nach einem der Ansprüche 19 bis 29, bei dem die mechanische Spannung zwischen dem ersten und zweiten Wafer verringert wird, indem die Isolierschicht (8, 10, 12, 14; 56) als eine Reihe von Schichten bereitgestellt wird.
  31. Verfahren nach einem der Ansprüche 19 bis 30, bei dem die Dikke des geätzten Wafers zu Beginn des Prozesses b) im Wesentlichen im Bereich von 11μm bis 200μm liegt.
  32. Verfahren nach Anspruch 18, bei dem der Schritt der Herstellung eines Ringelements (99) die folgenden Schritte umfasst: a. Aufbringen einer Isolierschicht (8, 10, 12, 14; 56) auf die oberste Oberfläche eines ersten Wafers (2; 50); b. Ätzen von Teilen der Isolierschicht (8, 10, 12, 14; 56); c. Verbinden eines zweiten Wafers (4; 62) mit der Isolierschicht (8, 10, 12, 14; 56); und d. Ätzen der untersten Oberfläche von einem der Wafer, dem geätzten Wafer, in Bereichen, die an die geätzten Teile der Isolierschicht (8, 10, 12,14; 56) angrenzen, sodass Teile des geätzten Wafers im Wesentlichen von dem Rest des ersten und zweiten Wafers frei werden (aufgehängte Teile).
  33. Verfahren nach Anspruch 32, bei dem der erste Wafer während Schritt d) nach dem Verfahren geätzt wird.
  34. Verfahren nach Anspruch 32 oder Anspruch 33, das einen weiteren Schritt zwischen den Schritten b) und c) umfasst, in dem die Teile der Isolierschicht, die geätzt wurden, mit einem Füllmaterial wiederaufgefüllt werden.
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