FI121539B - Menetelmä mikromekaanisten komponenttien valmistamiseksi sekä tällaisella menetelmällä valmistettu piimikromekaaninen rakenne ja sen käyttö - Google Patents

Description

Menetelmä mikromekaanisten komponenttien valmistamiseksi sekä tällaisella menetelmällä valmistettu piimikromekaaninen rakenne ja sen käyttö 5 Esillä oleva keksintö koskee patenttivaatimuksen 1 johdanto-osan mukaista menetelmää kapeiden rakojen toteuttamiseksi mikromekaanisiin komponentteihin mikromekaanisessa SOI-kiekkorakenteesta.

Esillä oleva keksintö koskee myös jonkin patenttivaatimuksen 8-9 mukaista piimikrome-10 kaanista rakennetta sekä patenttivaatimuksen 19 mukaista piimikromekaanisen rakenteen käyttöä.

Tunnetun tekniikan mukaisissa menetelmissä piimikromekaanisia laitteita, kuten kiihty-vyysantureita ja muita vastaavia laitteita, on valmistettu pääasiallisesti käyttämällä SOI 15 (silicon-on-insulator)-kiekkorakenteita, joihin on etsattu uurteita, joiden seinämät on hape tettu ja joiden pinta sitten on planarisoitu fluoriplasmaetsauksella.

Hsu et ai. :n julkaisussa [W.-T. Hsu, J.R. Clark ja C.T.-C. Nguyen, “A sub-micron capacitive gap process for multiple-metal-electrode lateral micromechanical resonators”, Proc.

20 IEEE MEMS Conference, (Interlaken, Switzerland, 2001), p. 349] esitetään menetelmä vaakasuorien kapasitiivisten rakojen muodostamiseksi mikromekaanisen rakenteen ja sen metallielektrodien välille, jossa menetelmässä piisubstraatin päälle kasvatetaan kalvot oksidia ja LPCVD piinitridiä, jotka kerrokset eristävät laitteet ja liitosyksiköt sähköä johtavasta piisubstraatista, jonka jälkeen muodostetaan kerros liitos-polypiitä, joka seostetaan ja 25 johon muodostetaan rakennekuvioita. Rakennekuvioiden päälle muodostetaan sitten jälleen oksidikerros, joka toimii uhrautuvana kerroksena myöhemmässä plasmaetsauksessa. Läpi-vientireikien muodostamisen jälkeen kasvatetaan kerros rakenteellista polypiitä, joka seostetaan ja lämpökäsitellään. Lopullinen rakenne saavutetaan plasmaetsauksella. Julkaisun menetelmän mukaan valmistetussa rakenteessa elektrodit ovat metallia, kun taas liikkuvat 30 osat ovat polypiitä.

Myös pystysuoria kapasitiivisia rakoja on muodostettu SOI-substraatille [S. Pourkamali ja F. Ayazi, "SOI-Based HF and VHF Single-Crystal Silicon Resonators with Sub-100 Nanometer Vertical Capacitive Gaps," Digest of the 12th International Conference on Solid 2

State Sensors, Actuators and Microsystems (Transducers Ό3), Boston, June 8-12, 2003, pp. 837-840] menetelmällä, joka vastaa Hsu et ai.:n julkaisussa esitettyä menetelmää. Kuten edellisessä julkaisussa, myös tämän julkaisun menetelmässä lopullinen rakenne saavutetaan plasmaetsauksella. Julkaisussa esitetyissä rakenteissa elektrodit ovat polypiitä ja liik-5 kuvat osat ovat yksikiteistä piitä.

Quevy et ai:n julkaisussa (E. Quevy, B. Legrand, D. Collard, L. Buchaillot, “Ultimate Technology for Micromachining of Nanometric Gap HF Micromechanical Resonators” 16th IEEE Micro Electro Mechanical System, Kyoto, Japan, 2003) on osoitettu, että vaa-10 kasuorat kapasitiiviset raot voidaan saada niinkin kapeiksi kuin 60 nm. Liikkuviin osiin on kyseisen julkaisun mukaan käytetty kahta eri materiaalia, nimittäin yksikiteistä piitä ja tyypillisesti disilaanista kasvatettua LPCVD polypiitä. Elektrodien materiaalina käytettiin vahvasti seostettua polypiitä.

15 Vaikka tunnetun tekniikan avulla saavutetaan rakenteita, jotka topografialtaan ovat tasaisia ja joissa on ohuitakin kapasitiivisia rakoja, ratkaisujen eräänä ongelmana on kuitenkin se, että rakenteiden pinta jää plasmaetsausta käyttämällä karkeaksi, jolloin kyseisiä rakenteita ei voi liittää tiiviisti muihin rakenteisiin, vaan ilmaa ja partikkeleita pääsee rakenteiden sisäosiin.

20

Lisäksi plasmaetsauksessa on käytettävä ns. planarisointiresistiä. Tämän resistin paksuus, yhdessä LPCVD polypiin paksuuden kanssa, rajoittaa käytettävän rakennekerroksen paksuutta.

25 On olemassa tarve menetelmälle, jolla saavutetaan tasaisia sileitä pintoja omaavia rakenteita, jotka voidaan saada tiiviisti liitettyä muihin vastaaviin rakenteisiin ja laitteiden seinämiin, sellaisella pintojen tasoitustavalla, joka ei rajoita rakennekerroksen paksuutta.

Esillä olevan keksinnön tavoitteena on tarjota parannettu menetelmä piimikromekaanisten 30 rakenteiden, kuten resonaattoreiden, kiihtyvyysantureiden ja muiden vastaavien laitteiden, valmistamiseksi. Keksinnön edullisilla sovellusmuodoilla saadaan aikaan sileitä pintoja omaavia rakenteita käyttämällä hiontaa ja kiillotusta.

3

Esillä olevan keksinnön mukaisella menetelmällä SOI-kiekkorakenteista valmistetaan mikromekaanisia komponentteja kapeiden rakojen toteuttamiseksi, joihin rakenteisiin on etsattu uurteita, joiden seinämät on hapetettu. Menetelmän mukaan: a) kasvatetaan paksu kerros elektrodimateriaalia, joka kerros peittää kaiken 5 muun materiaalin, b) pinta tasoitetaan hiomalla, c) pinta kiillotetaan kemiallismekaanisella kiillotuksella, jolloin myös pinnan korkeus palautuu alkuperäiselle tasolle, d) rakenteeseen etsataan vapautusreikiä, 10 e) muodostetaan rakennekuvioitä ja f) etsataan käyttämällä fluorivetyhappoliuosta liikkuviksi tarkoitettujen rakenteiden vapauttamiseksi.

Täsmällisemmin sanottuna esillä olevan keksinnön mukaiselle menetelmälle on tunnus-15 omaista se, mikä on esitetty patenttivaatimuksen 1 tunnusmerkkiosissa.

Esillä olevan keksinnön mukaiselle piimikromekaaniselle rakenteelle on puolestaan tunnusomaista se, mikä on esitetty patenttivaatimuksissa 8-9.

20 Keksinnön mukaiselle piimikromekaanisen rakenteen tai sen valmistusmenetelmän käytölle on tunnusomaista se, mikä on esitetty patenttivaatimuksissa 18-19.

Keksinnön mukainen menetelmä eroaa tunnetusta tekniikasta varsinkin pinnan tasoitusvai-heessa, jossa esillä olevan keksinnön menetelmässä ei käytetä plasmaetsausta, kuten viite-25 julkaisuissa, vaan mekaanista hiontaa ja kemiallis-mekaanista kiillotusta.

Keksinnön yhdessä edullisessa suoritusmuodossa voidaan muodostaa myös kampamainen elektrodirakenne. 1

Esillä olevan keksinnön menetelmän yhden sovelluksen etuna on se, että hionnan ja kiillottamisen avulla saadaan aikaiseksi hyvin tasainen ja sileä pinta, mikä puolestaan mahdollistaa mm. ilmatiiviiden rakenteiden ja laitteiden valmistamisen erilaisilla kiekkobondaus-tekniikoilla.

4

Menetelmän toisen sovelluksen etuna on se, että se soveltuu käytettäväksi myös suuremmilla rakennepaksuuksilla kuin tunnetun tekniikan mukaiset menetelmät, koska siinä ei tarvita rakennepaksuutta rajoittavaa planarisointiresistiä.

5 Esillä olevan keksinnön mukaisella sovelluksella, jossa pinta ensin tasoitetaan mekaanisesti hiomalla ja sitten kiillotetaan kemiallismekaanisella kiillotuksella (CMP), rakenteelle saadaan tasaisempi ja sileämpi pinta kuin tunnetussa tekniikassa käytetyllä plasmaetsauk-sella.

10 Keksinnön muut yksityiskohdat ja edut selviävät seuraavasta yksityiskohtaisesta kuvauk sesta.

Kuvio la on yksityiskohtainen kuvaus keksinnön erään edullisen sovellusmuodon mukaisesta 1-D kiihtyvyysanturista. Näkymä ylhäältä antaa yleiskuvan koko rakenteesta 15 Kuviolb on kuviossa la olevan rakenteen poikkileikkaus (B - B’).

Kuvio le on lähikuva ulokerakenteesta.

Kuvio Id on ulokerakenteen poikkileikkaus (A’ - A).

Kuvio 2 kuvaa piimikromekaanisten komponenttien valmistusmenetelmää.

Kuvio 3 a kuvaa keksinnön edullisen sovellusmuodon mukaista lattaresonaattoria näkymä-20 nä ylhäältä.

Kuvio 3b on kuviossa 3a olevan rakenteen erään vaihtoehtoisen ratkaisun poikkileikkaus. Kuvio 3c on kuviossa 3a olevan rakenteen edullisen suoritusmuodon poikkileikkaus.

Seuraavaa numerointia käytetään kuvioissa: 25 1 kelluva massa yksikiteistä piitä 2 substraatin läpi kulkeva ura 3 elektrodit 4 ankkuri 5 ripustusjousi 30 6 kapea rako 7 reikä vapautusetsausta varten 8 elektrodien uloke-rakenteet 9 yksikiteisen piin uloke-rakenteet 10 madallus SOI-kiekkorakenteessa 5 11 pitkittäinen ura uloke-rakenteiden välissä 12 substraatti 13 poikittainen ura uloke-rakenteiden välissä 14 elektrodimateriaali 5

Kuviossa 1 oleva yksikiteisestä piistä valmistettu liikkuva rakenne 1 ’’kelluu” neljän ankkurin 4 varassa, johon se on kiinnittynyt ripustusjousien 5 avulla. Liikkuvan rakenteen 1 ympäri kulkee ura 2, joka takaa rakenteen liikkuvuuden pitämällä nämä liikkuvat rakenneosat 1 erossa substraatista 12. Vapautusetsausta varten, yksikiteiseen piihin on myös tehty 10 ylimääräisiä reikiä 7. Yksikiteisessä piissä on ainakin kaksi uloketta 9 ja niitä vastaan on asetettu vastaava määrä elektrodiulokkeita 8. Yksikiteisen piin ulokkeiden 9 ja elektrodira-kenteiden ulokkeiden 8 väliin on etsattu kapea rako 6, joka koostuu pitkittäisistä uurteista 11 ja poikittaisesta uurteesta 13 ja joka muodostaa ulokkeista 8,9 muodostuvan kytkentä-kondensaattorin ilmavälin. Ulokkeiden takia elektrodirakenne näyttää ylhäältä katsottuna 15 kampamaiselta.

Kuviossa 2 on esitetty piimikromekaanisiin komponentteihin edullisesti muodostettujen kampamaisten elektrodirakenteiden valmistusmenetelmän eri vaiheet (vaiheet 1 - 7): 1) SOI-kiekkorakenteeseen 1 etsataan madallus 10, 20 2) kiekkoon, madalluksen 10 kohdalle, etsataan sekä pitkittäisiä 11 että poikittaisia uurteita 13, 3) uurteiden 11,13 seinämät hapetetaan, 4) koko rakenteelle kasvatetaan paksu kerros elektrodimateriaalia 14, 5) pinta tasoitetaan hionnalla ja kemiallismekaanisella kiillotuksella, 25 6) muodostetaan rakennekuvioita ja vapautusreikiä 7 ja 7) etsataan fluorivetyhappoliuoksella rakenteiden vapauttamiseksi.

Kuviossa 3 kuvatussa keksinnön edullisen sovellusmuodon mukaisessa laattaresonaattoris-sa substraattiin 12 on ankkureiden 4 avulla ankkuroitu kiinteä piialue. Laattaresonaattorin 30 rakenteessa on samantapainen ’’kelluva” piilaatta 1 kuin kuviossa 1 kuvatussa kiihtyvyysanturissa. Poikkileikkausvaihtoehdoissa on kuvattu keksinnön sovellusmuotojen mukaiset eri elektrodirakenteet, joista toinen on yhtenäinen (kuvio 3b) ja toisessa on ohuita ulokkeita (kuvio 3c). Molemmissa vaihtoehdoissa resonaattori 1 on eroteltu elektrodiraken-teesta 3 pelkästään kapealla raolla 6.

6

Keksinnön yhteydessä käytetty termi ’’SOI” tarkoittaa eristemateriaalin päällä olevaa piitä (silicon-on-insulator). SOI-substraatteja, eli SOI-kiekkoja, käytetään etenkin valmistettaessa pieniä tarkkuutta vaativia rakenteita, joissa ne toimivat sähköä eristävinä alusta-5 materiaaleina. Suurin SOI-kiekkojen käyttöalue on nopeat, tiheästi integroidut piirit. Näissä käytettävät SOI-rakennekekerrokset ovat ohuita (satoja nanometreja), kun ne mikrome-kaniikassa ovat useita tai kymmeniä mikrometrejä.

’’Polypii” on monikiteistä piitä. Esillä olevan keksinnön yhteydessä sitä käytetään pääasial-10 lisesti elektrodimateriaalina. Toinen keksinnön mukaisessa menetelmässä paljon käytetty materiaali on yksikiteinen pii, joka on mekaanisesti stabiili materiaali, jolloin se soveltuu hyvin esillä olevan keksinnön mukaisiin tarkoituksiin. Sekä polypiitä että yksikiteistä piitä on yleisesti käytetty mikromekaanisten laitteiden valmistuksessa.

15 Esillä olevan keksinnön yhden edullisen sovellusmuodon mukaan valmistetaan piimikro-mekaaninen rakenne ohuista SOI-kiekkorakenteista, joihin on etsattu uurteita (kuvio 2, vaiheet 1 - 2). Kiekon rakennekerroksen paksuus on noin 5-150 pm, edullisesti noin 20 pm. Uurteiden seinämille kasvatetaan termisellä hapetuksella ohut oksidikalvo (vaihe 3), joka myöhemmässä vaiheessa etsatessa toimii uhrautuvana kerroksena ja jonka paksuus 20 määrää lopullisessa rakenteessa olevan kapasitiivisen raon leveyden. Kalvon paksuus voi vaihdella, mutta on yleensä 50 nm tai ohuempi/paksumpi, esimerkiksi 10 - 200 nm. Tämän jälkeen täytetään uurteet paksulla kerroksella elektrodimateriaalia (vaihe 4), joka kerros peittää kaiken muun materiaalin.

25 Elektrodimateriaalin kasvatuksen jälkeen pinta jää epätasaiseksi, koska se seuraa rakenteen alkuperäistä muotoa. Siksi pinta on tasoitettava. Tasoitus suoritetaan keksinnön mukaisissa edullisissa suoritusmuodoissa ensin karkeasti mekaanisella hionnalla ja sitten kemiallisme-kaanisella kiillotuksella (CMP) (vaihe 5). Kiillotuksen jälkeen pinta on sileä ja sen korkeus on palautunut alkuperäiselle tasolleen, jolloin myös muun muassa uhrautuvana kerroksena 30 käytettävä oksidikalvo tulee esille elektrodimateriaalin (polypiin) alta.

Pinnan tasoittamisen jälkeen rakennekerroksen läpi muodostetaan kapeita tai pieniä reikiä, jotka helpottavat myöhemmässä vapautusetsauksessa käytetyn etsausliuoksen tunkeutumi 7 sen rakenteen eri osiin, ja muodostetaan rakennekuvioita yksikiteiseen rakennepiihin (vaihe 6). Yapautusreikien halkaisijat ovat noin 1 - 10 pm, edullisesti noin 4 pm.

Lopullinen rakenne saavutetaan etsauksella (vaihe 7), jossa käytetään HF-liuosta (fluorive-5 tyhappo-liuosta) etsausliuoksena, jolloin liikkuviksi tarkoitetut rakenteet vapautuvat ja mm. elektrodien ja liikkuvien osien välillä ollut ohut piidioksidikalvo saadaan poistettua. Kyseisen oksidikalvon paikalle jää erittäin kapea kapasitiivinen rako.

Esillä olevan keksinnön toisen edullisen sovellusmuodon mukaan piimikromekaanisten 10 rakenteiden valmistukseen käytettyyn SOI-kiekkoon etsataan ensin madallus 10, johon sitten etsataan uurteet, joista urat 11 ovat pitkittäisiä kuvion Id tarkastelusuunnassa ja urat 13 vastaavasti kuvion Id tarkastelusuuntaan nähden poikittaisia. Poikittaiset uurteet 13 muodostavat tässä edullisessa sovellusmuodossa kampamaisen rakenteen, joka käsittää ainakin kaksi, edullisesti 3-4, yksikiteisen piin uloketta 9. Madalluksen 10 takia tämän 15 rakenteen korkeus on noin 1-2 pm, edullisesti noin 1 pm, alempi kuin sitä ympäröivän rakenteen korkeus. Piisormi-kamparakenteen seinämille kasvatetaan termisellä hapetuksella oksidikalvo, joka myöhemmässä vaiheessa etsatessa toimii uhrautuvana kerroksena. Tämän jälkeen täytetään piiulokkeiden 9 väliset uurteet paksulla kerroksella elektrodimate-riaalia 14 (polypiitä), joka kerros peittää kaiken muun materiaalin. Polypiiulokkeita 8 on 20 tyypillisesti sama määrä kuin yksikiteisen piin ulokkeita 9 (katso kuvio la). Ulokkeita 8 voi olla puolellaan myös 1 tai 2 vähemmän kuin yksikiteisen piin ulokkeita 9. Elektrodima-teriaalin 14 täyttäessä uurteiden lisäksi aiemmin kiekkoon etsatun madalluksen 10, elektrodien polypiisormet 8 pysyvät yhteydessä toisiinsa myös pinnan tasoittamisen jälkeen, jolloin muiden rakenteiden korkeudet on palautettu alkuperäiselle tasolleen paljastaen nii-25 den päälle kasvatetun oksidikerroksen (kuvio 2, vaihe 5). Pinnan tasoitus saavutetaan tämänkin sovellutusmuodon mukaan hiomalla ja kiillottamalla, jonka seurauksena saadaan tasainen ja sileä pinta, joka säilyy tasaisena ja sileänä lopputuotteessa (kuvio 2, vaihe 7).

Tällä toisella edullisella sovellusmuodolla saadaan aikaan kampamaisia elektrodirakenteita 30 3, jotka aikaansaavat suuremman kondensaattori-pinta-alan ja suuremman kokonaiska- pasitanssin liikkuvien rakenteiden 1 ja kiinteän rungon 12 välille. Kapeat raot mahdollistavat pienemmän käyttöjännitteen käytön kun mikromekaanista komponenttia ohjataan elekt-rostaattisesti.

8

Elektrodimateriaalina voidaan käyttää polypiitä, esim. LPCVD polypiitä, edullisemmin epireaktorissa kasvatettua epipolypiitä. Liikkuviin osiin 1 käytetään edullisimmin yksikiteistä piitä. Elektrodit 3 ovat kiinteitä ja niitä erottaa kiinteästä rakennepiistä vain edellä mainittu kapea rako 6.

5

Edellä mainitun toisen sovellusmuodon (kuvio 2) mukaisessa elektrodirakenteessa olevat piiulokkeet 8 muodostavat poikittaissuunnassa kampamaisen rakenteen. SOI-kiekkorakenteeseen aiemmin tehdyn madalluksen 10 takia elektrodirakenteessa olevia ulokkeita 8 yhdistää noin 1-2 pm paksu yhtenäinen elektrodirakenne, joka täyttää paikal-10 la aiemmin olleen madalluksen. Kyseiset polypiin ulokkeet 8 tukevoittavat rakennetta ja estävät elektrodirakenteen 3 uloimpia osia heilumasta vaikka vapautusetsauksessa käytetty liuos onkin päässyt osittain etenemään myös polypiikerroksen alleja taakse.

Yksikiteisen piin ulokkeiden 9 leveydet (W<si>) ovat vähintään muutamia mikroja, edulli-15 sesti noin 5 pm ja niitä erottelevat uurteet, joista muodostuu elektrodien polypiiulokkeita 8, ovat noin 4 pm leveitä ja kiekon pintaan nähden kohtisuorassa. Koko elektrodirakenteen 3 leveys (Wpoiy) voidaan laskea seuraavan kaavan mukaan,

Wpoiy = n*4 + (n - 1)*5 20 jossa n on kapeiden polypiillä täytettyjen uurteiden lukumäärä (esim. kuviossa 2 n = 3) ja numero 4 vastaa kyseisten uurteiden leveyttä. Esimerkiksi uurteiden lukumäärän ollessa 3 (eli n = 3), kuten kuviossa 2, saadaan kaavan avulla laskettua koko kampamaisen rakenteen, eli elektrodirakenteen 3, leveydeksi noin 27 pm. Vaihtelemalla yksikiteisen piin 25 ulokkeiden 9 ja niiden välisten urien leveyksiä voidaan muodostaa noin 20 - 35 pm:n ko-konaisleveyksiä omaavia elektrodirakenteita 3 (kun n = 3).

Yksikiteisen piin saamiseksi vapautettua alusta-materiaalista, eli SOI-kiekosta, esillä olevan keksinnön mukaisiin edullisiin sovellusmuotoihin kuuluu vapautusreikien 7 etsaus 30 yksikiteiseen piihin ennen viimeistä HF-etsausta, joka suoritetaan rakenteiden vapauttamiseksi. Vapautusreikien 7 avulla etsausliuos pääsee vaikuttamaan suurienkin yksikiteisen piin alueiden alle.

9

Piiulokkeiden rakennekerroksen maksimikorkeus määräytyy siitä, että mainitut yksikiteisen piin vapautusreiät 7 on saatava rakennekerroksen läpi. Isompia reikiä tekemällä voidaan käyttää paksumpaa rakennekerrosta. Rakennekerroksen paksuuden suhde reikien leveyksiin (aspektisuhde, max AR) on 10:1, eli jos reiän halkaisija on noin 4 pm voidaan 5 käyttää rakennekerrosta, jonka paksuus on 40 pm. AR on jossain määrin laitekohtainen luku.

Jos edellä mainittuja vapautusreikiä ei tarvita, piiulokkeiden maksimikorkeus määräytyy kamparakenteessa olevien uurteiden etsauksesta ja täytöstä. Kun arvioitu uurteiden max 10 AR on 25:1 ja täyttökerroksen paksuus on 2 pm, suurin mahdollinen uurresyvyys on n. 100 pm, laskettuna seuraavan kaavan mukaan:

korkeus = (2 + 2) * max AR

15 Edellä mainittujen uurteiden leveyden määrää vain terminen hapetus, jolla kyseisten uur teiden seinämille muodostetaan myöhemmin etsattava oksidikalvo.

Kuten kuviosta 1 nähdään jokainen yksikiteisen piin uloke 9 muodostaa parin yhden poly-piin ulokkeen 8 kanssa. Nämä parit 8,9 muodostavat mainitun kampamaisen rakenteen.

20 Kuviossa la näitä pareja on neljä kunkin elektrodin 3 kohdalla. Kyseisen kuvion mukaiselle elektrodirakenteelle kokonaiskapasitanssi (Ctot) olisi siten neljä kertaa suurempi kuin pelkästään yhden ulokeparin 8,9 omaavan rakenteen kapasitanssi (Ci). Kokonaiskapasitanssi on siis suoraan verrannollinen ulokeparin 8,9 määrään (n).

25 Ctot = n* Ci

Esillä olevan keksinnön mukaista menetelmää ja menetelmän avulla valmistettuja rakenteita tai komponentteja voidaan käyttää monella eri tavalla. Tyypillisiä lopputuotteita keksinnön mukaiselle prosessille ovat piimikromekaaniset rakenteet. Tällaisia ovat esimerkiksi 30 piimikromekaaniset tasoresonaattorit, joita käytetään elektronisissa resonaattoreissa väräh telypiireinä, toisin sanoen kvartsikiteen kovaajina. Vaihtoehtoisesti keksintö soveltuu esimerkiksi kiihtyvyysanturien valmistukseen.

10

Keksinnön mukaan valmistettuja rakenteita tai komponentteja voidaan käyttää erilaisiin kiekkobondaus-sovelluksiin, joissa keksintöä käyttämällä saadaan aikaan esim. tyhjösul-jentaan tai pakkaukseen soveltuvia rakenteita, koska hiomalla ja kemiallismekaanisesti kiillottamalla tasoitettu pinta on paljon tasaisempi kuin etsaamalla tasoitettu pinta, jolloin 5 ilmaa tai likaa ja muita partikkeleita ei pääse näihin tyhjö suljettuihin rakenteisiin tai pakkauksiin.

Esillä olevan keksinnön mukainen menetelmä mahdollistaa myös mikromekaanisten komponenttien valmistuksen ja käytön sellaisiin sovelluksiin, joissa tarvitaan suuri elektrodien 10 välinen kapasitanssi. Kapasitiivisia mikromekaanisia antureita käytetään yleisesti mm. autoteollisuudessa. Mikroantureiden vahvuuksia ovat pieni tehonkulutus ja integroitavuus elektroniikkaan. Ne sopivat täydellisesti esim. tarkkuusmittauksiin. Keksinnön mukaan valmistettua kiihtyvyysanturia voidaan käyttää esim. autoissa mittaamaan kiihtyvyyttä tai teollisuuden eri laitteissa mittaamaan koneiden tärinätasoa.

15

Viite

Kaajakari et ai.:n julkaisussa (Ville Kaajakari, Tomi Mattila, Aarne Oja, Jyrki Kiihamäki ja Heikki Seppä, Square-Extensional Mode Single-Crystal Silicon Micromechanical Re-20 sonator for Low-Phase-Noise Oscillator Applications, IEEE Electron Device Letters, Vol. 25, No. 4, 2004) kuvataan mikromekaanisen resonaattorin valmistusmenetelmää.

Claims (17)

1. Menetelmä kapeiden rakoj en toteuttamiseksi mikromekaanisiin komponentteihin mikromekaanisessa SOI-kiekkorakenteesta, johon on etsattu uurteita, joiden seinämät on hape- 5 tettu, joka menetelmä on tunnettu siitä, että a) kasvatetaan paksu kerros elektrodimateriaalia (14) kiekkorakenteelle, joka kerros peittää kaiken muun materiaalin, b) pinta tasoitetaan hiomalla, c) pinta kiillotetaan kemiallismekaanisella kiillotuksella, 10 d) rakenteeseen etsataan ohuita vapautusreikiä (7), e) muodostetaan rakennekuvioita (1,8,9) ja f) etsataan fluorivetyhappoliuoksella rakenteiden (1,8,9) vapauttamiseksi.

2. Patenttivaatimuksen 1 mukainen menetelmä, tunnettu siitä, että käytetty elektrodimate- 15 riaali (14) on epireaktorissa kasvatettua epipolypiitä.

3. Jonkin patenttivaatimuksen 1-2 mukainen menetelmä, tunnettu siitä, että mikromekaanisten komponenttien liikkuviin osiin (1) käytetään yksikiteistä piitä.

4. Jonkin patenttivaatimuksen 1-3 mukainen menetelmä, tunnettu siitä, että kiekkoraken- teeseen etsatut uurteet (13) muodostavat ainakin kaksi yksikiteisen piin uloketta käsittävän kampamaisen rakenteen.

5. Patenttivaatimuksen 4 mukainen menetelmä, tunnettu siitä, että kiekkorakenteeseen 25 etsataan madallus (10) ennen uurteiden (13) etsausta, jolloin kampamainen rakenne saa daan noin 1 pm alemmalle tasolle muuhun rakenteeseen verrattuna.

6. Patenttivaatimuksen 5 mukainen menetelmä, tunnettu siitä, että uurteet (13) kampamai-sessa rakenteessa täytetään elektrodimateriaalilla (14) siten, että materiaali täyttää koko- 30 naan ainakin uurteet (13) ja madalluksen (10).

7. Patenttivaatimuksen 1 mukainen menetelmä, tunnettu siitä, että vetyfluoridietsauksella vapautetaan liikkuviksi tarkoitetut rakenteet (1) ja saadaan aikaan kapasitiivinen rako (6) liikkuvien rakenteiden (1) ja elektrodien (3) välille.

8. Piimikromekaaninen rakenne, joka on valmistettu patenttivaatimuksen 1 mukaisella menetelmällä ja joka käsittää - rungon (12), 5. runkoon (12) joustavasti kiinnitetyn massan (1), - rungon (12) ja massan (1) välille muodostetun kondensaattorirakenteen (8,9), - rakenteen lävitse kulkevia ylimääräisiä reikiä (7) vapautusetsausta varten, tunnettu siitä, että siinä on elektrodirakenne (3), joka on polypiitä, ja sen liikkuvat raken- 10 teet (1) koostuvat yksikiteisestä piistä, j a että niin massaan (1) kuin runkoonkin (12) on muodostettu toisiaan vastaavia ulokkeita (8,9), joilla aikaansaadaan suurempi kondensaat-tori-pinta-ala ja suurempi kokonaiskapasitanssi massan (1) ja rungon (12) välille.

9. Patenttivaatimuksen 8 mukainen piimikromekaaninen rakenne, tunnettu siitä, että 15. siinä on yksikiteisestä piistä valmistettu liikkuva rakenne (1), joka kelluu neljän ankkurin (4) varassa, joihin se on kiinnittynyt ripustusjousien (5) avulla, liikkuvan rakenteen (1) ympäri kulkee ura (2), joka takaa rakenteen liikkuvuuden, 20. yksikiteisen piin ja elektrodirakenteiden (3) väliin on etsattu kapea kapasi- tiivinen rako (6), ja yksikiteisessä piissä on ainakin kaksi uloketta (9) ja vastaava määrä niitä vastaan asetettuja elektrodiulokkeita (8).

10. Patenttivaatimuksen 8 tai 9 mukainen piimikromekaaninen rakenne, tunnettu siitä, että sen elektrodimateriaali (14) on epipolypiitä. 1 2 3 4 Jonkin patenttivaatimuksen 8-10 mukainen piimikromekaaninen rakenne, tunnettu siitä, että sen elektrodirakenteessa (3) on ulokkeita (8), jotka ovat noin 4 pm leveitä. 30 2 Jonkin patenttivaatimuksen 8-11 mukainen piimikromekaaninen rakenne, tunnettu 3 siitä, että sen elektrodirakenteessa (3) olevat ulokkeet (8) muodostavat kampamaisen ra 4 kenteen. 13. .Tonkin patenttivaatimuksen 8-12 mukainen piimikromekaaninen rakenne, tunnettu siitä, että SOI-kiekkorakenteeseen patenttivaatimuksen 5 mukaisesti tehdyn madalluksen (10) takia kampamaisen elektrodirakenteen ulokkeita (8) yhdistää noin 1 pm paksu yhtenäinen polypiimassa. 5

14. Jonkin patenttivaatimuksen 8-13 mukainen piimikromekaaninen rakenne, tunnettu siitä, että yksikiteisen piin ulokkeiden (9) leveydet ovat noin 5 pm.

15. Jonkin patenttivaatimuksen 8-14 mukainen piimikromekaaninen rakenne, tunnettu 10 siitä, että koko elektrodirakenteen (3) leveys on noin 20-35 pm.

16. Jonkin patenttivaatimuksen 8-15 mukainen piimikromekaaninen rakenne, tunnettu siitä, että se on resonaattori.

17. Jonkin patenttivaatimuksen 8-15 mukainen piimikromekaaninen rakenne, tunnettu siitä, että se on kiihtyvyysanturi.

18. Jonkin patenttivaatimuksen 1 - 7 mukaisen menetelmän käyttö kiekkobondaus-sovelluksiin, jolloin saadaan aikaan rakenteita, joita voidaan käyttää esim. tyhjösuljentaan 20 tai pakkaukseen. 1 Jonkin patenttivaatimuksen 8-15 mukaisen piimikromekaanisen rakenteen käyttö sovelluksiin, joissa tarvitaan suuri elektrodien välinen kapasitanssi.