鎢mems結(jié)構(gòu)的制造
【專利說明】
[0001] 相關(guān)申請(qǐng)的交叉引用
[0002] 本專利申請(qǐng)請(qǐng)求2014年4月4日提交的題為"鎢MEMS結(jié)構(gòu)的制造"的美國(guó)臨時(shí) 專利申請(qǐng)No. 61/975061的優(yōu)先權(quán)，其整體通過引用在此并入本文。
技術(shù)領(lǐng)域
[0003] 本發(fā)明總體涉及MEMS器件，更具體地涉及鎢MEMS結(jié)構(gòu)的制造。
【背景技術(shù)】
[0004] 包括諸如慣性傳感器（例如，電容性、壓電和對(duì)流加速度和振動(dòng)和調(diào)諧音叉陀螺 儀）、麥克風(fēng)、壓力傳感器、RF器件和光器件（例如，光開關(guān)）之類的物體的微機(jī)電系統(tǒng) (MEMS)器件通常包括許多可釋放以進(jìn)行移動(dòng)的結(jié)構(gòu)。釋放結(jié)構(gòu)的示例包括傳聲器振膜、慣 性傳感器防護(hù)物和滑梭、以及覆蓋傳感結(jié)構(gòu)的懸掛密封層。
[0005] MEMS器件通常通過諸如刻蝕至襯底和/或沉積/圖案化各種材料之類的顯微機(jī)械 加工技術(shù)而形成在襯底（例如，硅或者絕緣體上硅晶圓）上。將被釋放的結(jié)構(gòu)通常形成在 一個(gè)或多個(gè)"犧牲"層的頂部，"犧牲"層的材料后續(xù)被去除以釋放該結(jié)構(gòu)。針對(duì)MEMS晶圓 制造的典型的犧牲層包括氧化層。通常采用濕法或干法刻蝕工藝來去除氧化層。濕法刻蝕 工藝（例如，緩沖氧化物蝕刻）通常要求釋放精心布置的孔，孔之間隔開以允許進(jìn)行濕法刻 蝕，這對(duì)產(chǎn)品設(shè)計(jì)和工藝加入了特定限制。干法刻蝕工藝（例如，蒸發(fā)HF)通常提供了孔的 放置和間隔中的更大的自由度，這繼而可導(dǎo)致傳感器設(shè)計(jì)的更大靈活度。
[0006] 發(fā)明人已經(jīng)認(rèn)識(shí)到，十年間，鎢相對(duì)于一般用作用于制造顯微機(jī)械加工慣性儀器 的材料的硅具有顯著的優(yōu)勢(shì)。具體地，如果鎢機(jī)械結(jié)構(gòu)以與Sherman等人在US專利5417111 中指教的方式類似的方式并入電子設(shè)備，則能夠做出成本和精度方面的實(shí)質(zhì)改進(jìn)。通過開 發(fā)來自鎢的更強(qiáng)的慣性信號(hào)，給定性能的成本可通過減小機(jī)械結(jié)構(gòu)尺寸或給定尺寸中增強(qiáng) 的精度而降低。
[0007] 其理由在于鎢金屬的特性。首先，它和硅一樣是常溫下的脆性材料（即，從非塑性 的意義）。也就是說，其在拉緊至小于破裂的程度時(shí)沒有呈現(xiàn)永久變形。因此，其形成了具 有穩(wěn)定幾何形狀和硬度的移動(dòng)結(jié)構(gòu)。其次，其具密度是硅的8.3倍。由此，鎢結(jié)構(gòu)相對(duì)于小 尺寸硅結(jié)構(gòu)相比經(jīng)受了大約八倍的慣性力，但是預(yù)期它們會(huì)得到來自諸如環(huán)境介質(zhì)的布朗 運(yùn)動(dòng)之類的非慣性源的更近似相同的擾動(dòng)力（或者可替換地，為了經(jīng)受相同的慣性力，鎢 結(jié)構(gòu)可能大約是硅結(jié)構(gòu)的八分之一，例如，4um厚的鎢與33um厚的硅大致具有相同質(zhì)量）。 因此，預(yù)期鎢得到極大改進(jìn)的信噪比（SNR)。第三，鎢的楊氏模量比硅大2. 5倍?？蓮慕o定 尺寸獲取更大的結(jié)構(gòu)硬度，使得其更不易受擾動(dòng)的影響。第四，我們的測(cè)量結(jié)果表明鎢微結(jié) 構(gòu)的絕對(duì)強(qiáng)度可以與硅相比。強(qiáng)度是設(shè)計(jì)移動(dòng)結(jié)構(gòu)的關(guān)鍵參數(shù)。第五，不同于硅，鎢具有導(dǎo) 電氧化物。硅天然地形成了絕緣表面氧化物，表面氧化物隨著溫度、時(shí)間和環(huán)境因素的變化 程度，捕獲電荷。這使得顯微機(jī)械加工陀螺儀和加速計(jì)零偏壓不穩(wěn)定，通常是慣性儀器精 度的最重要的測(cè)量。已經(jīng)發(fā)現(xiàn)，在硅傳感器的活性表面覆蓋導(dǎo)體能極大地改進(jìn)其穩(wěn)定性，如 O'Brien等人在美國(guó)專利5205171中指教的那樣。雖然它可能像娃一樣在表面吸附外來物， 鎢沒有占主導(dǎo)地位的充電效應(yīng)。
[0008] 已經(jīng)意識(shí)到在MEMS器件中使用鎢，具有一些特定優(yōu)勢(shì)，尤其作為硅的替代品。例 如，美國(guó)專利No. 7367232和美國(guó)公開的專利申請(qǐng)US2011/0005319和US 2011/0096623提 到了鎢作為各種MEMS結(jié)構(gòu)的可能材料。然而，僅僅公開鎢作為MEMS結(jié)構(gòu)的可能材料，并沒 有實(shí)際地公開或?qū)崿F(xiàn)這種鎢MEMS結(jié)構(gòu)的可用方式的實(shí)施。發(fā)明人對(duì)鎢MEMS結(jié)構(gòu)進(jìn)行實(shí) 驗(yàn)（例如，作為硅結(jié)構(gòu)的替代）并且已經(jīng)發(fā)現(xiàn)，使用傳統(tǒng)制造工藝制造具有高的內(nèi)應(yīng)力的鎢 MEMS結(jié)構(gòu)使得鎢MEMS結(jié)構(gòu)易于在釋放時(shí)蜷曲或彎曲，導(dǎo)致器件不可用或具有差的性能。

【發(fā)明內(nèi)容】

[0009] 在本發(fā)明的一個(gè)實(shí)施例中，一種用于制造 MEMS器件的方法包括：在大約500C以下 的溫度利用晶粒生長(zhǎng)抑制劑沉積基于鎢的材料以在下面的氧化物層上形成至少2微米厚 的低應(yīng)力的基于鎢的材料層，而不首先使得致密化氧化層。該方法還包括刻蝕基于鎢的材 料層以形成基于鶴的MEMS結(jié)構(gòu)。
[0010] 在各種替換實(shí)施例中，基于鎢的MEMS結(jié)構(gòu)可以是可釋放的基于鎢的可移動(dòng)體，在 該情況下，所述方法可進(jìn)一步包括以及去除可釋放的基于鎢的可移動(dòng)體下面的氧化物以釋 放基于鎢的可移動(dòng)體。
[0011] 在各種替換實(shí)施例中，MEMS器件可在沉積基于鎢的材料之前就包括電子電路，在 該情況下，沉積基于鎢的材料不使得電子電路的溫度上升至大約450C。
[0012] 在各種替換實(shí)施例中，沉積基于鎢的材料層可包括在摻雜有諸如硼或稀土金屬之 類的晶粒生長(zhǎng)抑制劑的對(duì)象上沉積基于鎢的材料?？商鎿Q地，沉積基于鎢的材料層可包括 交替地（1)沉積基于鎢的材料層以及（2)引入諸如硼或稀土金屬之類的晶粒生長(zhǎng)抑制劑以 防止垂直晶粒生長(zhǎng)至后續(xù)沉積的基于鎢的材料層。
[0013] 在其它替換實(shí)施例中，刻蝕基于鎢的材料層可包括：
[0014] 利用基本上是從六氟化硫（SF6)氣體產(chǎn)生的氟的蝕刻劑刻蝕基于鎢的材料層，而 且使得從三氟甲烷產(chǎn)生的聚四氟乙烯類聚合物的層鈍化以形成精確的強(qiáng)各向異性刻蝕。在 利用氧等離子體進(jìn)行刻蝕之后可去除殘留的保護(hù)性聚合物。沉積基于鎢的材料可包括：在 沉積基于鎢的材料期間控制氧水平?？涛g基于鎢的材料層以形成至少一個(gè)可釋放的基于鎢 的可移動(dòng)體還可包括：刻蝕基于鎢的材料層以形成與可移動(dòng)體鄰接的至少一個(gè)電極。
[0015] 所述方法可進(jìn)一步包括：在沉積基于鎢的材料之前，形成通過氧化層到達(dá)下面的 襯底的至少一個(gè)基于鎢的錨，以形成低應(yīng)力的基于鎢的材料層，其中MEMS結(jié)構(gòu)被至少一個(gè) 基于鎢的錨而錨定至下面的襯底。在具體實(shí)施例中，至少一個(gè)基于鎢的錨可以是包括小的 基于鎢的錨的矩陣的合成錨，每個(gè)小的基于鎢的錨的直徑大約為1微米，在該情況下形成 小的基于鎢的錨的矩陣可包括：圖案化氧化層以形成圖案化的氧化物層，圖案化的氧化物 層包括通過氧化層到達(dá)下面的襯底的直徑大約為1微米的小孔的矩陣；以及利用基于鎢的 塞子填充孔以形成小的基于鎢的錨的矩陣?？商鎿Q地，至少一個(gè)基于鎢的錨可以是大的基 于鎢的錨，在該情況下形成大的基于鎢的錨包括：通過利用多個(gè)刻蝕步驟在氧化層中刻蝕 腔體來圖案化氧化層，多個(gè)刻蝕步驟逐漸地增大腔體的寬度和深度以使得腔體延伸通過氧 化層至下面的襯底并且基本上在頂部寬于底部；以及利用基于鎢的材料均勻地填充腔體以 形成大的基于鎢的錨。下面的襯底可以是MEMS器件的平板結(jié)構(gòu)，在該情況下至少一個(gè)基于 鎢的錨基本上由純鎢形成，而且平板結(jié)構(gòu)由鈦-鎢形成。在任意情況下，至少一個(gè)基于鎢的 錨可被均勻填充而沒有空隙或裂縫。至少一個(gè)基于鎢的錨和基于鎢的材料層可由相同基于 鎢的材料形成。
[0016] 在本發(fā)明的另一實(shí)施例中，MEMS器件包括：通過如下處理形成的至少2微米厚的 低應(yīng)力的基于鎢的MEMS結(jié)構(gòu)：在不首先使得氧化層致密化的情況下，在大約500C以下的溫 度利用晶粒生長(zhǎng)抑制劑沉積基于鎢的材料，以在下層的氧化物層上形成至少2微米厚的低 應(yīng)力的基于鶴的材料層；以及刻蝕基于鶴的材料層以形成基于鶴的MEMS結(jié)構(gòu)。
[0017] 在各種替換實(shí)施例中，MEMS結(jié)構(gòu)可被從MEMS結(jié)構(gòu)延伸通過氧化層至下面的襯底 的至少一個(gè)基于鎢的錨錨定至下面的襯底。在具體實(shí)施例中，至少一個(gè)基于鎢的錨可以是 包括小的基于鎢的錨的矩陣的合成銷，每個(gè)小的基于鎢的錨的直徑大約是1微米。在替換 實(shí)施例中，至少一個(gè)基于鎢的錨可包括大的基于鎢的錨，其基本上在頂部寬于底部。下面的 襯底可以是MEMS器件的平板結(jié)構(gòu)，在該情況下至少一個(gè)基于鎢的錨基本上由純鎢形成，而 且平板結(jié)構(gòu)由鈦-鎢形成。至少一個(gè)基于鎢的錨和低應(yīng)力的基于鎢的MEMS結(jié)構(gòu)可由相同 基于鎢的材料形成
[0018] 可能公開并請(qǐng)求保護(hù)其它實(shí)施例。
【附圖說明】
[0019] 通過參考下述詳細(xì)說明并參考附圖，實(shí)施例的前述特征將變得更容易理解，其 中：
[0020] 圖1-12描繪了根據(jù)一個(gè)示例性實(shí)施例的利用基于鎢的MEMS結(jié)構(gòu)和電互連來基本 上替換基于硅的MEMS結(jié)構(gòu)和電互連的示例性制造處理的各種制造處理步驟；
[0021] 圖13-18描繪了根據(jù)一個(gè)示例性實(shí)施例的使用基座的各種制造處理；
[0022] 圖19描繪了根據(jù)一個(gè)具體示例性實(shí)施例的小的基于鎢的錨的矩陣（例如，大約每 個(gè)1微米），用于替換單個(gè)大的基于鎢的錨；
[0023] 圖20-23描繪了用于形成用于錨定圖19所示的可釋放MEMS結(jié)構(gòu)的基于鎢的錨的 各種制造處理；
[0024] 圖24描繪了現(xiàn)有技術(shù)中已知的濺射金屬層的"面包條"現(xiàn)象；
[0025] 圖25-28描繪了根據(jù)一個(gè)具體示例性實(shí)施例的用于形成用于錨定可釋放的MEMS 結(jié)構(gòu)的基于鶴的銷的各種制造處理；以及
[0026] 圖29是示出了基于鎢的陀螺儀以及基于硅的陀螺儀的艾倫偏差圖的示圖，其示 出了基于鎢的陀螺儀的改進(jìn)的分辨率。
【具體實(shí)施方式】
[0027] 定義。在用于本說明書和所附權(quán)利要求中時(shí)，下述術(shù)語應(yīng)該具有所示意思，除非上 下文相反地要求：
[0028] 術(shù)語"基于鎢"指的是基本上是固體鎢的材料，可選地具有少量的一種或多種物 質(zhì)，被添加用來控制低溫（即，低于大約500C)沉積處理期間的晶粒間界。
[0029] 術(shù)語相對(duì)于MEMS器件的主體的"可移動(dòng)"指的是MEMS結(jié)構(gòu)被配置成以預(yù)定模式運(yùn) 動(dòng)。在一些類型的MEMS器件中，主體的移