[发明专利]钨MEMS结构的制造

说明书

相关申请的交叉引用

本专利申请请求2014年4月4日提交的题为“钨MEMS结构的制造”的美国临时专利申请No.61/975061的优先权，其整体通过引用在此并入本文。

技术领域

本发明总体涉及MEMS器件，更具体地涉及钨MEMS结构的制造。

背景技术

包括诸如惯性传感器(例如，电容性、压电和对流加速度和振动和调谐音叉陀螺仪)、麦克风、压力传感器、RF器件和光器件(例如，光开关)之类的物体的微机电系统(MEMS)器件通常包括许多可释放以进行移动的结构。释放结构的示例包括传声器振膜、惯性传感器防护物和滑梭、以及覆盖传感结构的悬挂密封层。

MEMS器件通常通过诸如刻蚀至衬底和/或沉积/图案化各种材料之类的显微机械加工技术而形成在衬底(例如，硅或者绝缘体上硅晶圆)上。将被释放的结构通常形成在一个或多个“牺牲”层的顶部，“牺牲”层的材料后续被去除以释放该结构。针对MEMS晶圆制造的典型的牺牲层包括氧化层。通常采用湿法或干法刻蚀工艺来去除氧化层。湿法刻蚀工艺(例如，缓冲氧化物蚀刻)通常要求释放精心布置的孔，孔之间隔开以允许进行湿法刻蚀，这对产品设计和工艺加入了特定限制。干法刻蚀工艺(例如，蒸发HF)通常提供了孔的放置和间隔中的更大的自由度，这继而可导致传感器设计的更大灵活度。

发明人已经认识到，十年间，钨相对于一般用作用于制造显微机械加工惯性仪器的材料的硅具有显著的优势。具体地，如果钨机械结构以与Sherman等人在US专利5417111中指教的方式类似的方式并入电子设备，则能够做出成本和精度方面的实质改进。通过开发来自钨的更强的惯性信号，给定性能的成本可通过减小机械结构尺寸或给定尺寸中增强的精度而降低。

其理由在于钨金属的特性。首先，它和硅一样是常温下的脆性材料(即，从非塑性的意义)。也就是说，其在拉紧至小于破裂的程度时没有呈现永久变形。因此，其形成了具有稳定几何形状和硬度的移动结构。其次，其具密度是硅的8.3倍。由此，钨结构相对于小尺寸硅结构相比经受了大约八倍的惯性力，但是预期它们会得到来自诸如环境介质的布朗运动之类的非惯性源的更近似相同的扰动力(或者可替换地，为了经受相同的惯性力，钨结构可能大约是硅结构的八分之一，例如，4um厚的钨与33um厚的硅大致具有相同质量)。因此，预期钨得到极大改进的信噪比(SNR)。第三，钨的杨氏模量比硅大2.5倍。可从给定尺寸获取更大的结构硬度，使得其更不易受扰动的影响。第四，我们的测量结果表明钨微结构的绝对强度可以与硅相比。强度是设计移动结构的关键参数。第五，不同于硅，钨具有导电氧化物。硅天然地形成了绝缘表面氧化物，表面氧化物随着温度、时间和环境因素的变化程度，捕获电荷。这使得显微机械加工陀螺仪和加速计零偏压不稳定，通常是惯性仪器精度的最重要的测量。已经发现，在硅传感器的活性表面覆盖导体能极大地改进其稳定性，如O’Brien等人在美国专利5205171中指教的那样。虽然它可能像硅一样在表面吸附外来物，钨没有占主导地位的充电效应。

已经意识到在MEMS器件中使用钨，具有一些特定优势，尤其作为硅的替代品。例如，美国专利No.7367232和美国公开的专利申请US2011/0005319和US 2011/0096623提到了钨作为各种MEMS结构的可能材料。然而，仅仅公开钨作为MEMS结构的可能材料，并没有实际地公开或实现这种钨MEMS结构的可用方式的实施。发明人对钨MEMS结构进行实验(例如，作为硅结构的替代)并且已经发现，使用传统制造工艺制造具有高的内应力的钨MEMS结构使得钨MEMS结构易于在释放时蜷曲或弯曲，导致器件不可用或具有差的性能。

发明内容

在本发明的一个实施例中，一种用于制造MEMS器件的方法包括：在大约500C以下的温度利用晶粒生长抑制剂沉积基于钨的材料以在下面的氧化物层上形成至少2微米厚的低应力的基于钨的材料层，而不首先使得致密化氧化层。该方法还包括刻蚀基于钨的材料层以形成基于钨的MEMS结构。

在各种替换实施例中，基于钨的MEMS结构可以是可释放的基于钨的可移动体，在该情况下，所述方法可进一步包括以及去除可释放的基于钨的可移动体下面的氧化物以释放基于钨的可移动体。

在各种替换实施例中，MEMS器件可在沉积基于钨的材料之前就包括电子电路，在该情况下，沉积基于钨的材料不使得电子电路的温度上升至大约450C。