JP2018520348A - 直交同調ための傾斜電極を有するｍｅｍｓ慣性測定装置 - Google Patents
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Abstract
慣性測定装置は、二等辺台形の断面形状を有する、機械的に曲げ可能ビームを有する。この装置は、第１の角度値で傾斜した側壁によって少なくとも部分的に画定された外周を有する、共振部材と、側壁に対して隣接し、かつ平行に配置されて、容量性ギャップによりそれから離隔されている、少なくとも１つの電極とを有する。
Description
本開示は、モード整合されたＭＥＭＳ（Micro-Electro-Mechanical Systems）慣性測定装置に関する。
関係出願の相互参照
本出願は、２０１５年６月１１日付け出願の「Application Of Anisotropic Silicon Wet Etching In MEMS X/Y Gyroscopes for Thickness Variation Self-Compensation and Cross-Coupling (Quadrature) Correction」という名称の米国特許仮出願第６２/１７４２５５号、および２０１６年７月６日付け出願の「An Anisotropic-Wet-Etched Pitch or Roll Mode-Matched Gyroscope with Slanted Quadrature-Cancellation Electrodes」という名称の米国特許仮出願第６２／３４６８５５号の優先権を主張するものである。
本出願は、２０１５年６月１１日付け出願の「Application Of Anisotropic Silicon Wet Etching In MEMS X/Y Gyroscopes for Thickness Variation Self-Compensation and Cross-Coupling (Quadrature) Correction」という名称の米国特許仮出願第６２/１７４２５５号、および２０１６年７月６日付け出願の「An Anisotropic-Wet-Etched Pitch or Roll Mode-Matched Gyroscope with Slanted Quadrature-Cancellation Electrodes」という名称の米国特許仮出願第６２／３４６８５５号の優先権を主張するものである。
政府の権利
本発明は、米国海軍によって授与された契約番号Ｎ６６００１１−１１−Ｃ−４１７６の下での米国政府助成によってなされた。米国政府は、本発明において一定の権利を有する。
本発明は、米国海軍によって授与された契約番号Ｎ６６００１１−１１−Ｃ−４１７６の下での米国政府助成によってなされた。米国政府は、本発明において一定の権利を有する。
ＭＥＭＳベース加速度計の商業的な成功を考えると、ＭＥＭＳジャイロスコープは、ＭＥＭＳ業界における次に来る応用であると確信される。ＭＥＭＳジャイロスコープは、物体の自己完結式回転測定を提供する。しかしながら、何年にもわたる開発の後でも、ＭＥＭＳジャイロスコープ市場は、消費者、自動車およびローエンドの軍事の各用途の小さな部分に限定されている。ＭＥＭＳジャイロスコープを広範な消費者市場から遠ざけるものは、それらの高いコスト／パフォーマンス比であると信じられている。妥協した、または低レベルの性能を有する、低コストＭＥＭＳジャイロスコープが、一部の応用に対して成功しているが、同時に、低性能であることは、そのようなジャイロスコープを、例えば、パーソナルナビゲーション用途または推測航法（デッドレコニング）用途などの、はるかに有望な用途から遠ざけてきた。
パーソナルナビゲーション用の小型化された慣性航法システム（ＩＮＳ）を可能にする、ＭＥＭＳジャイロスコープの応用には、３軸回転センシングを必要とする。いろいろ異なるタイプのＭＥＭＳヨージャイロスコープが、有望な性能を実証してきたが、高性能の面外（out-of-plane）ピッチ・ロールジャイロスコープの開発は、非常に困難であることが知られている。
ジャイロスコープの性能は、その信号対雑音比（ＳＮＲ）を通して評価することができる。ジャイロスコープのＳＮＲは、雑音低減と速度（rate）感度の向上によって増大させることができる。感度の向上を達成する１つのアプローチは、ドライブモードおよびセンスモードが厳密に同じ共振周波数を有する、モード整合動作（mode-matched operation）によるものである。モード整合されているときには、コリオリ力（Coriolis force）が、その共振周波数においてセンスモードを加振して、Ｑ増幅されたセンス応答を生じる。しかしながら、完全なモード整合は、製作非理想性（fabrication non-idealities）による生ずる、共振モードのクロスカップリング、すなわち直交誤差のために不可能である場合がある。直交誤差は、運動方程式の固有値縮退（eigenvalue-degeneracy）を破壊し、結果として、ジャイロスコープのドライブモードとセンスモードの間の最小の取得可能な周波数スプリットとして現れる、歪曲現象（veering phenomenon）を生ずる。さらに、直交誤差は、ドライブループ雑音がセンスモードに運ばれて、センス出力信号における主要雑音誘因となる経路を与える。
両方の影響を考慮するとき、直交誤差は出力ＳＮＲを大幅に劣化させ、ＭＥＭＳジャイロスコープにおいてより良好な性能を達成するために、これを最小化する試みが行われてきた。１つの知られている方法は、モード整合ヨージャイロスコープにおける静電直交同調である。しかしながら、ピッチ・ロール検出に使用され、ウェハレベル加工とＤＲＩＥ技法とを用いて製作される、面外（out-of-plane）ジャイロスコープにおいて、モード整列電極または直交同調電極は、通常、利用することができず、このことにより、直交誤差は、高性能ピッチ・ロールジャイロスコープの実現において最大の障害になる。
さらに、高性能ＭＥＭＳジャイロスコープの相対的に高いコストは、その複雑さと制限された製造性の結果である。上述のように、高性能ジャイロスコープにおいては、大きいＳＮＲのためにモード整合動作が要求される。それらの動作周波数に基づいて、モード整合ジャイロスコープは、低周波ジャイロスコープと高周波ジャイロスコープに分類できる。低周波ジャイロスコープの感度と雑音性能は、大きいプルーフマス（proof-mass）と、大きい駆動振幅とに依拠している。その結果、低周波ジャイロスコープは、サイズが大きく、衝撃および直線加速度に対して敏感度である。他方、高周波ジャイロスコープは、高周波共振モードの高い品質係数を有するという利点を有している。高周波ジャイロスコープは、サイズが小さく、良好な耐衝撃性を有し、このことによって、それらは多種多様な応用に理想的になるが、しかしながら高周波ジャイロスコープは、しばしば複雑な製作工程を伴う。さらに、小さな製作欠陥が、周波数不整合やクロスカップリング（直交）のような問題を起こす可能性があり、それらの歩留まりや性能を大きく制限する。このことは、特に、面変動および厚さ変動の両方が重要な役割をはたす、ピッチ・ロールジャイロスコープに対して当てはまる。
したがって、既知のＭＥＭＳジャイロスコープに対して性能を向上させるとともに、大量消費電子製品に対してデバイスにコスト競争力をもたせるコストで、製造することのできる、ＭＥＭＳジャイロスコープ設計に対するニーズがある。
本開示の一観点によれば、共振構造は、複数の曲げ可能ビームによって互いに接続された複数のマスを備える。共振構造は、共振構造の中心に位置するアンカーによって基板に結合されている。共振構造はまた、２つの動作共振モード：面内および面外の各モードを有する。
本開示の別の観点においては、コリオリ（Coriolis）振動ピッチ／ロールジャイロスコープは、４つの曲げ可能ビームによって互いに結合された、４つのマスを有する、共振構造を備える。この共振構造は、２つの動作共振モード：面内および面外の各モードを有する。さらに、この共振構造は、４つのアンカーによって基板に固定され、それぞれのアンカーは、それぞれのマスの中心に設けられている。すなわち、マスは、アンカーを包囲するフレームの形態をとる。
開示の一観点によれば、慣性測定装置は、第１の面に対して第１の角度値で傾斜している側壁によって少なくとも部分的に画定された外周を有し、前記第１の面内に存在する、共振部材；および側壁に隣接して配置されて、容量性ギャップによってそれから離隔されている、少なくとも１つの電極であって、その少なくとも一部分が、前記共振部材がその中に存在する前記第１の面に対して、前記第１の角度値と実質的に同じ第２の角度値だけ傾斜している、少なくとも１つの電極を含む。一実施態様において、第１の角度値は、側壁の（１１１）および（１００）の結晶面によって、第１の面に対して、５４．７４°に画定される。
一実施態様において、複数の電極は、共振部材側壁に隣接して配置され、各電極は、それぞれの容量性ギャップによって、そこから離隔されてもよい。複数の電極のそれぞれの少なくとも一部分は、共振部材がその中に存在する第１面に対して、第１の角度値と実質的に同じ角度値だけ、傾斜している。
別の実施態様において、少なくとも１つの直交相殺電極が、共振部材の第１の面に隣接かつ、それに平行に、配置されるとともに、容量性ギャップが、少なくとも１つの直交電極と、共振部材の第１の面の間に画定される。
開示の別の観点によれば、慣性測定装置は、複数の機械的に変形可能なビームによって相互接続された、複数の長方形区域を画定する共振マス；および共振マスを基板に結合するアンカーを含み、変形可能なビームの少なくとも１つが、第１の角度に第１の面を有する、台形の断面形状を有する。
一実施態様においては、少なくとも１つの変形可能なビームは、単結晶シリコンの異方性ウェットエッチングによって形成することができる。少なくとも１つの変形可能なビームは、二等辺台形断面形状を有してもよい。
別の実施態様において、慣性測定装置は、慣性マスに隣接して配置され、それぞれが容量性変換（capacitive transduction）ギャップによってそれから離隔されている、複数の電極をさらに含み、少なくとも１つの電極は、共振マスの傾斜表面に沿って配置されている。
開示の別の観点において、製造品は、半導体材料で形成されて、複数の機械的に変形可能なビームによって相互接続され、複数のビームのうちの少なくとも１つの変形可能なビームは台形の断面形状を有した、複数の長方形区域を画定する、共振マスを含む。少なくとも１つの変形可能なビームは、別の実施態様において、二等辺台形の断面形状を有する。
開示の別の観点においては、慣性測定装置は、共振部材が面内に存在する第１の面に対して第１の角度値を有する側壁によって少なくとも部分的に画定される外周を有する、共振部材と、側壁に隣接して配置され、容量性ギャップによってそこから離隔された、少なくとも１つの電極であって、少なくとも一部分が、共振部材の側壁に平行である電極を含み、第１の面は、それぞれの０°の角度値を有し、第１の角度値は、第１の面に対して３０°よりも大きいが、６０°未満である。
一実施態様において、複数の電極は、共振部材の側壁に隣接して配置され、各電極は、それぞれの容量性ギャップによってそれから離隔されており、別の実施態様においては、複数の電極の各々の少なくとも一部分が、共振部材の側壁に平行である。
開示の一観点において、慣性測定ＭＥＭＳ半導体装置を製造する方法は、第１の窒化層を堆積させてパターン形成して、凸形隅部を有するトレンチパターンを画定すること、第２の窒化層を堆積させてパターン形成して、トレンチパターンを部分的に覆うとともに、凸形隅部を覆うこと、単結晶シリコン（ＳＣＳ）の第１の異方性ウェットエッチングを実行して、第１の窒化層に整列された縁辺を有する、覆われていない領域においてトレンチを形成すること、ＳＣＳの湿式酸化を実行して、厚い熱酸化層を形成すること、窒化物をブランクエッチング（blank etching）して、第２の窒化層を除去すること、ＳＣＳの第２の異方性ウェットエッチングを実行して、第１の窒化層に整列された異方性ウェットエッチングされたトレンチを形成すること、ブランクエッチングによって窒化物と酸化物を除去し、次いで、ＴＥＯＳを堆積させてパターン形成すること、ＳＣＳを湿式酸化させて、薄い犠牲酸化層を形成してパターン形成すること、ＬＰＣＶＤポリシリコンを堆積させてパターン形成して、水平電極および傾斜電極を形成すること、および酸化物を等方性ウェットエッチングして、共振部材を解放することを含む。
開示の別の観点において、慣性測定ＭＥＭＳ半導体装置を製造する方法は、第１のＬＰＣＶＤ窒化層を堆積させてパターン形成して、凸形隅部のないトレンチ形状を画定すること、単結晶シリコン（ＳＣＳ）の第１の異方性ウェットエッチングを実行して、第１のＬＰＣＶＤ窒化層のパターンによって画定される、トレンチを形成すること、第２のＬＰＣＶＤ窒化層を堆積させてパターン形成して、直交トレンチの交差点においてＳＣＳを露出させること、ＳＣＳの異方性ウェットエッチングを実行して、第２の窒化層の直交トレンチの交差点において、凸形隅部を形成すること、第２の窒化層をブランクエッチングすること、テトラエチルオルトシリケート（ＴＥＯＳ）を堆積させてパターン形成すること、ＳＣＳの湿式酸化を実行して、犠牲の薄い酸化層を形成すること、犠牲の薄い酸化層をパターン形成すること、ＬＰＣＶＤポリシリコンを堆積させてパターン形成して、水平電極および傾斜電極を形成すること、および酸化物を等方性ウェットエッチングして、共振部材を解放することを含む。
本発明の少なくとも１つの実施態様の様々な観点を、添付の図を参照して以下に考察する。図解を簡単かつ分かり易くするために、図面に示される要素は、必ずしも正確に、または縮尺通りに、描かれていない。例えば、要素の一部の寸法は、分かり易くするために他の要素に対して誇張されているか、またはいくつかの物理的要素は、１つの機能ブロックまたは機能要素に含められることがある。さらに、適当と思われる場合には、対応するか、または類似する、要素を指示するために、参照番号が図面間で繰り返されることがある。分かり易くするために、すべての図面におけるすべての要素にラベルが付けられているわけではない。図は、実証と説明のために与えられており、本発明の限界の定義として意図するものではない。
詳細な説明
本出願は、２０１５年６月１１日付け出願の「Application Of Anisotropic Silicon Wet Etching In MEMS X/Y Gyroscopes for Thickness Variation Self-Compensation and Cross-Coupling (Quadrature) Correction」という名称の米国特許仮出願第６２/１７４２５５号、および２０１６年７月６日付け出願の「An Anisotropic-Wet-Etched Pitch or Roll Mode-Matched Gyroscope with Slanted Quadrature-Cancellation Electrodes」という名称の米国特許仮出願第６２／３４６８５５号の優先権を主張するものであり、それぞれの全文が全目的のために参照により本明細書に組み入れられている。
本出願は、２０１５年６月１１日付け出願の「Application Of Anisotropic Silicon Wet Etching In MEMS X/Y Gyroscopes for Thickness Variation Self-Compensation and Cross-Coupling (Quadrature) Correction」という名称の米国特許仮出願第６２/１７４２５５号、および２０１６年７月６日付け出願の「An Anisotropic-Wet-Etched Pitch or Roll Mode-Matched Gyroscope with Slanted Quadrature-Cancellation Electrodes」という名称の米国特許仮出願第６２／３４６８５５号の優先権を主張するものであり、それぞれの全文が全目的のために参照により本明細書に組み入れられている。
以下の詳細な説明において、本発明の実施態様の完全な理解をもたらすために、多くの具体的な詳細が記載される。当業者によれば、本発明のこれらの実施態様は、これらの具体的な詳細のうちのいくつかはなくても実施できることが理解されるであろう。その他の場合には、周知の方法、手順、構成要素および構造については、本発明の実施態様を分かり難くしないように、詳細を記述していないことがある。
本発明の少なくとも１つの実施態様を詳細に説明する前に、本発明はその応用において、以下の説明において記載されるか、または図面に図示された、構造の詳細、および構成要素の配設に限定されるものでないことを理解すべきである。本発明はその他の実施態様が可能であるか、または様々な方法で実施もしくは実行することができる。また、本明細書において使用される語法および用語は、説明の目的だけのものであり、限定とみなすべきではない。
分かり易くするために、別個の実施態様の文脈で記載される、本発明の特定の特徴は、単一の実施態様に組み合わせて提示されることもあることを理解されたい。逆に、簡単にするために、単一の実施態様の文脈で記述される本発明の様々な特徴は、別個に、または任意好適な下位の組み合わせで提示されることもある。
以下でより詳細に考察するように、異方性シリコンウェットエッチングによる、モード整合ピッチ（ロール）ジャイロスコープに見られる厚さおよび工程変動問題に対するアプローチが提示される。この方法に基づく設計は、厚さ変動に対してはるかに強いものである。さらに、ピッチ／ロールジャイロスコープの直交誤差の静電補正について提示する。
さらに、面外のピッチ・ロールジャイロスコープにおける効率的な直交ナリング（quadrature nulling）用に使用される、ウェットエッチングされた（１１１）（ミラー指数）表面に沿った、傾斜電極について記述する。さらに、異方性ウェットエッチングを、振動体全体の製作に使用することができる。そうすることによって、駆動モードとセンスモードの間の周波数スプリットは、ＳＯＩデバイス層の厚さ変動には不感性となり、デバイス製作における高価なＤＲＩＥの使用を無くし、ジャイロスコープの工程変動依存性と製作コストの両方を低減する。
知られているように、（１００）シリコンウェハの異方性ウェットエッチング、例えば、ＫＯＨ（水酸化カリウム）またはＴＭＡＨ（水酸化テトラメチルアンモニウム）エッチングは、（１１１）面で定義される傾斜側壁を露出させる。そのような傾斜側壁は、機械的構造の面内自由度と面外自由度の間の明確に定義された関係をもたらす。有利には、この関係を利用することによって、厚さ変動問題とモードクロスカップリング問題の両方に、以下により詳細に記述するように、効果的に対処することができる。
デバイス層厚さ変動は、ＳＯＩ（シリコン・オン・インシュレータ）ウェハにおける一般的な欠陥の１つである。この変動は、標準的なＳＯＩウェハに対しては、±０．５μｍであり、大量にドーピングされたウェハが必要な状況では、この変動は、数マイクロメートルにもなり得る。厚さ変動の少ないウェハは入手可能であるが、それらはより高価であり、大量の商用目的に対しては適していない。
従来式設計においては、面内モード周波数は、通常、デバイス厚さとは独立であり、面外モード周波数は、厚さに対して線形依存性を有し、そのためにデバイス厚さ変動は、２つの共振モード間の周波数スプリットにつながる。このスプリットは、高周波設計に対して大きく、モードを整合不能にする可能性がある。
以下に記述する一実施態様によれば、モード整合ピッチ／ロールジャイロスコープにおいて、１対の非縮退性（non-degenerate）の面内モードおよび面外モードは、一実施態様においては、厚さ変動によって生じる大きい周波数スプリットを避けるために、異方性ウェットエッチングが使用される、厚さ不感性ジャイロスコープ（ＴＩＧ：thickness insensitive gyroscope）設計によって、同じ共振周波数を有するように設計される。
図１〜５を参照すると、本発明の一実施態様において、コリオリ振動ピッチ／ロールジャイロスコープは、この例では、４つの曲げ可能ビームによって互いに結合された４つのマスを有する共振構造２００を含む。共振構造２００は、２つの動作共振モード：面内および面外の各モードを有し、これらについて以下でより詳細に考察する。さらに、共振構造は、４つのアンカーによって基板（図示せず）に固定されており、それぞれのアンカーは、各々のマスそれぞれの中心に設けられている。すなわち、マスは、それぞれ図２および５の上面図に示されるように、アンカーを包囲するフレームの形態をとり、ここで、図５においては、アンカーは示されていない。
各アンカーは、テザー（tether）によってそれぞれのマスに結合されているが、それ以外では、図３（ａ）および３（ｂ）に示されるように、アンカーの周辺のまわりに延びる垂直トレンチによってマスと離隔されている。さらに、図３（ａ）および３（ｂ）におけるマスおよびアンカーは、互いに対称に、すなわち同形状として示されているが、この設計に対して様々な修正が考えられる。１つの非限定の例においては、マスおよびそれぞれのアンカーは同じでなくてもよく、例えば、正方形アンカーと長方形マスにするか、またはその逆でもよい。
一実施態様において、共振構造２００は、シリコン異方性ウェットエッチングとＤＲＩＥの組合せによって形成され、この場合に、台形ビームと傾斜側壁が、異方性ウェットエッチングステップ（複数を含む）の間に形成され、垂直トレンチがＤＲＩＥステップ（複数を含む）の間に形成される。このアプローチにおいては、垂直側壁を有する薄いテザーを形成して、共振構造をアンカー（複数を含む）に接続することができる。
図６（ａ）、６（ｂ）および７を参照すると、本発明の別の実施態様において、共振構造３００は、複数の曲げ可能ビーム（bendable beam）によって互いに接続された複数のマスを含む。共振構造３００は、共振構造の中心に位置するアンカーによって基板に結合されている。アンカーは、テザーによって共振フレームに結合されている。共振構造３００はまた、２つの動作共振モード：面内と面外の各モードを有する。
さらに、図６（ａ）、６（ｂ）および７に示されるように、共振構造３００のマスは、当業者には知られているように、デバイス解放目的の切欠きを含む、ブロックとしてもよい。使用される製作方法に応じて、切欠きは、（１）シリコン異方性ウェットエッチングによって画定される逆ピラミッド形、（２）シリコンＤＲＩＥにより画定される垂直解放穴／スリット、または（３）当業者には知られているようなその他のエッチング技術によって画定される他の形状を有することができる。代替的に、マスは、共振フレーム２００どおりに、「オープンフレーム」として構成してもよい。
一実施態様において、共振構造３００は、シリコン異方性ウェットエッチングのみによって形成される。ＤＲＩＥの省略は、製作コストを低減するが、デバイスは、傾斜した側壁だけを有する。このアプローチにおいては、台形断面を有するテザー構造が、共振構造をアンカー（複数を含む）に結合する。
共振構造２００、３００は、ジャイロスコープ設計に有利に適用される、類似のコリオリ振動ピッチ／ロール特徴を有する。各々が、４つの曲げ可能ビームによって接続された４つのマスと、２つの動作共振モード、すなわち面内および面外の各モードとからなる、共振構造を有する。
面内モードにおいて、ビームは、面内方向に曲がり、各マスを、１対のビームへの接続点のまわりに、面内で回転させる。図８および９に示されるように、面内モードにおいては、マスは、Ｘ−Ｙ面内で運動する。
面外モードにおいては、１対のビームが、面外方向に曲がり、他方の対のビームが捩りで変形し、マスを、捩りビームと一致する軸のまわりに面外で回転させる。すなわち、図１０および１１に示されるように、マスは、Ｚ軸に沿って変位する。
２つの共振モードは、互いにコリオリ結合される。一実施態様において、モードの１方は、ジャイロスコープのドライブモードとしての役割を果たすことができ、他方のモードは、ジャイロスコープのセンスモードとなる。
共振構造２００、３００のそれぞれにおいて、曲げ可能ビームは、台形断面を有し、マスは、傾斜側壁を有することができる。有利には、それぞれの設計は、２つの共振モード間の周波数スプリットの厚さ依存性が大幅に低減されるという利点を活用して、以下に記述するように、共振構造の傾斜側壁に沿った、傾斜電極を実装することによって直交同調を達成する。
剛性非理想性を有する、一般的なＭＥＭＳジャイロスコープは、運動方程式を次式で記述される、２自由度バネ・マス・ダンパーシステムによって表わすことができる。
ここで、ｑ１、ｑ２、ｋ１１、ｋ２２は、それぞれドライブモードおよびセンスモードの変位と、有効剛性であり；
ｋ１２およびｋ２１は、直交誤差を引き起こす、クロスカップリングバネ常数である。式（１）の固有周波数は次式で与えられる。
ｋ１２およびｋ２１は、直交誤差を引き起こす、クロスカップリングバネ常数である。式（１）の固有周波数は次式で与えられる。
理想的なモード整合ジャイロスコープに対して、剛性マトリックスＫｍは、ｋ１１＝ｋ２２＝ｋおよびｋ１２＝ｋ２１＝０である、スカラーマトリックスであり、これは縮約固有周波数ω１＝ω２＝（ｋ／ｍ）１／２を与える。実際には、ｋ１１≠ｋ２２およびｋ１２＝ｋ２１≠０であり、これは周波数の発散を生じる。この非理想性を補償するために、静電同調が通常、使用される。容量性変換において、振動構造と固定された電極の間のキャパシタに蓄積された電気エネルギーは、ｑ１および／またはｑ２の関数であり、これは静電剛性マトリックスを発生させる：
ジャイロスコープの全体剛性は、すべての電極からのＫｍとＫｅの重ね合わせである。異なる電極における同調電圧を変化させることによって、全体剛性を調節することができる。
しかしながら、面内モードおよび面外モードを使用するピッチ・ロールジャイロスコープにおける静電同調は、効率が限定されている。方向性エッチングによって製作された、従来式ジャイロスコープは、図１２に示されるように、垂直電極および水平電極だけを可能にする。垂直容量の変化は、面外変位の下では無視できるものであり、水平容量の変化は、面内変位の下では無視できる。結果として、任意の電極組合せは、面内変位と面外変位との分離可能な関数として、キャパシタンスを与え、すなわち、Ｃ（ｑ１，ｑ２）＝Ｃ１（ｑ１）＋Ｃ２（ｑ２）である。例えば、直角電極において、電気エネルギーは、漏れ磁場（fringing field）からの小さい寄与を無視すると、次式で与えられる：
効率的な同調を達成するために、電極に対して、小さいギャップサイズと大きい変換面積が、一般に使用される。ギャップサイズと比較して、面積は、共振変形下では無視できる変化しかしない。一般性を失うことなく、水平キャパシタおよび垂直キャパシタの両方が、同じ、静止ギャップサイズ（rest gap size）ｇ０を有すると仮定すると、電気エネルギーの級数展開により次式が得られる：
（３）によれば、対応するＫｅは、対角である：
これは、面内周波数または面外周波数を独立して同調できるが、直交同調は達成されないことを意味する。
対照的に、（１００）ＳＣＳの異方性ウェットエッチングは、（１１１）結晶面によって境界が決められた傾斜側壁を形成し、このことは、面内と面外の自由度の間の明確に定義された関係をもたらす。ウェットエッチングされた（１１１）表面に沿った傾斜電極は、図１３に示されるように、面内運動および面外運動の両方に影響を受ける容量性ギャップを有する。傾斜電極に蓄積されたエネルギーは次式である：
対応して、静電剛性マトリックスＫｅは：
示されるように、静電剛性は、直交相殺に適している、非ゼロの非対角項を有する。さらに、異方性ウェットエッチングによって、表面仕上げと最終幾何学形状の精密な制御が得られるので、それは自己有界（self-bounded）プロセスである。
本発明の一実施態様によれば、単結晶シリコン（ＳＣＳ）ピッチ／ロールジャイロスコープは、振動構造全体がＳＣＳの異方性ウェットエッチングによって形成される、傾斜直交電極を含む。傾斜直交電極は、直交相殺に使用することのできる信号を提供する。
異方性ウェットエッチングされたジャイロスコープは、図１４および１５に示されるように、二等辺台形断面を特徴とする。台形の上端幅は、リソグラフィによって定義され、これに対して下端幅は、デバイスの上端幅および厚さの両方によって決まり、このことは、このジャイロスコープの面内共振周波数に対して厚さ依存性を導入する。結果として、面内モードおよび面外モードは、デバイス厚さ変動に対して、互いに追従して、周波数スプリットを厚さ不感性にする。
図１４を参照すると、電極構成は、容量性変換に使用される、サブミクロンギャップサイズを有する、水平電極および傾斜電極を含む。ジャイロスコープの動作のドライブモードおよびセンスモードに対応する、共振マス３００のモード形状が、図１６に記載されている。
図１４に示される、１対の傾斜電極は、電極における反対のモード対称性による、面外センスモードの励起を避けながら、２００ｋＨｚで面内ドライブモードを作動させるのに使用される。別の２つの傾斜電極は、ドライブモード電流出力と、静電直交同調とに使用される。デバイスの上の水平電極は、差分センス出力と、センスモード周波数同調とに使用される。センスモードは、モード整合能力を確保するために、ドライブモードよりもわずかに高い周波数を有するように設計される。
図１７に示された、共振構造２００は、約３００ｋＨｚの動作周波数を有し、共振構造は、異方性ウェットエッチングとＤＲＩＥの組合せにより画定され、センス電極、ドライブ電極および同調電極は、ポリシリコンで形成されている。一般に、一実施態様において、アンカー（複数を含む）を備える、懸架された共振構造は、傾斜電極、上端電極、および場合によっては垂直電極によって包囲され、容量性変換ギャップが、共振構造と電極とを離隔している。各電極は容量性変換面の反対に配置されているが、ポリシリコン電極は、図１７には示されていない。変換ギャップの場所は、図１７にラベルが付けられており、当業者は、本明細書での考察に基づいて、それらのギャップとの関係で電極の設置を理解するであろう。
開示された厚さ不感性ジャイロスコープ設計において、異方性ウェットエッチングは、傾斜側壁を露出させる。電極を傾斜側壁に平行に設置することによって、共振構造と、両モードの変位による影響を受ける電極との間の容量性ギャップを、図１３に表わされるように、定義することができる。
非限定の例として、共振構造３００の１つの製作工程は、異方性ウェットエッチングが挙げられる。異方性ウェットエッチング中に、凸形隅部は保護される必要がある。したがって、知られている２マスクＬＯＣＯＳ法、例えば、その全内容が、すべての目的で参照により組み入れられており、シリコンの局所酸化が（１１１）面の１つを保護するために使用されており、また凸形隅部保護ももたらす、Ｐａｌらの「A Novel Process For Perfect Convex Corner Realization In Bulk Micromachining」, J. Micromech. Microeng. 14, (2004), pp. 1416-1420を、修正して使用して、調心不良の影響を除去してもよい。
自己調心された（self-aligned）工程において、図１８（ａ）〜１８（ｅ）を参照すると、ジャイロスコープパターン全体が、第１の厚い窒化物マスク層上に画定されている。第２の薄い窒化層は、そのパターンを部分的に覆い、第１のウェットエッチングにおける凸形隅部の露出を回避する。薄い窒化物マスクは、不規則形状開口を有し、ウェットエッチングによって、薄い窒化物がアンダーカットされ、厚い窒化物マスクと調心されたトレンチが形成される。結果として、２つの窒化物マスク間のいかなる小さい調心不良も、最終デバイス幾何学形状に影響を与えることがない。局所酸化および第２のウェットエッチングステップが、第１のウェットエッチングの後に実行されて、未処理の凸形隅部を備える、最終ＳＣＳ構造を形成する。デバイス幾何学形状が画定された後に、ポリシリコンおよび犠牲酸化物表面のマイクロマシニングステップを使用して、サブマイクロギャップを備える、水平電極および傾斜電極が形成される。
次に図１８（ａ）を参照すると、厚いＬＰＣＶＤ窒化層が堆積されパターン形成されてトレンチ形状を画定し、薄いＬＰＣＶＤ窒化層が堆積されパターン形成されて自己調心された開口を形成し、次いで、第１のＫＯＨウェットエッチングステップが実行される。次に、図１８（ｂ）では、（１１１）側壁保護のための厚い熱酸化物を形成するための、ＳＣＳの湿式酸化が実行されて、窒化層が、ＲＩＥを使用してブランクエッチングされて、薄い窒化層を除去し、次いで第２のＫＯＨウェットエッチングステップが実行される。図１８（ｃ）に示されるように、；窒化層および酸化層は除去され、テトラメチルオルトシリケート（ＴＥＯＳ）が堆積されパターン形成され、湿式酸化ステップが実行されて、犠牲薄酸化物を形成する。次いで、薄い酸化物は、パターン形成されて、次いで、図１８（ｄ）に示されるように、ＬＰＣＶＤポリシリコンが堆積されパターン形成される。最終的に、デバイスは、ＨＦ溶液内に解放されて、図１８（ｅ）を参照すると、超臨界ドライヤで乾燥される。
本明細書に記述された製造工程および製作工程は、装置に対して複数の回転軸のまわりの回転を検知することのできる、単一の共振マスを備える、慣性測定ＭＥＭＳ半導体装置を製造するのに使用することができ、そのような装置は、図１５に示されるような断面を有する、部分を有してもよい。
厚さ不感性ジャイロスコープの共振構造２００は、ＳＯＩウェハのデバイス層上での、ＫＯＨウェットエッチングとＤＲＩＥの組合せによって画定してもよい。アンカーテザーは、ウェットエッチングまたはＤＲＩＥのいずれかによって形成することができ、電極は、犠牲酸化層によって画定された容量性ギャップを備えて、ポリシリコンによって形成される。予備エッチングステップが、当該技術において知られているように、精密な結晶位置合わせのために使用される。ウェットエッチングマスクは、結晶方位に対して適正な位置合わせでパターン形成され、次いで異方性ウェットエッチングが実行される。１組のマスクを使用して、ＤＲＩＥとウェットエッチングパターンの自己調心を達成する。最初に、窒化物ハードマスクが、ＤＲＩＥパターンとウェットエッチングパターンの両方でパターン形成され、次いで、ウェットエッチングパターンが、ＰＥＣＶＤ酸化物で覆われて、ＤＲＩＥ工程が実行される。ＤＲＩＥ後に、トレンチが、ＴＥＯＳで再充填されて、窒化物の別の層で閉鎖される。次いで、ＰＥＣＶＤ酸化物は、除去されて、ウェットエッチングが実行される。
異方性ウェットエッチングにおいて、アンダーカットが、凸形隅部において行われる。凸形隅部アンダーカットを回避して、所望の幾何学形状を得るために、特定の凸形隅部保護が必要とされる。Ｊ．Ｗ．ＫｗｏｎおよびＥ．Ｓ．Ｋｉｍは、すべての目的でその全文が参照により組み入れられている、「Multi-Level Microfluidic Channel Routing With Protected Convex Corners」、Sensors and Actuators A: Physical, vol. 97-98, 1 April 2002, pp. 729-733において、追加の窒化層が、凸形隅部の形成前に凸形隅部において（１１１）面の１つを保護する、２ステップエッチング過程を使用する、凸形隅部保護方法を紹介した。Ｋｗｏｎらの方法によって、完全な凸形隅部が達成されている。
マスク調心不良の影響を最小化するために、修正された凸形隅部保護方法が開示されている。この方法においては、水平トレンチと垂直トレンチの両方が、同じウェットエッチングステップにおいてエッチングされる。しかしながら、交差場所において、シリコンの小部分が、凸形隅部の露出を回避するために保存される。窒化物の層は、第１のウェットエッチングの後に堆積されて、すべての露出された（１１１）面を保護する。次いで、窒化物は、凸形隅部が形成される必要のある開口を備えて、パターン形成される。最終寸法は、図１９（ａ）〜１９（ｄ）に示されるように、開口の上端幅によって決まる。この方法においては、２つのマスクの間の調心不良は、凸形隅部の近くで小さいずれを生じさせるだけであり、トレンチの主要部は、影響を受けることがない。
ウェットエッチングステップの後に、厚い酸化物マスク層が、容量性変換用に意図された表面に対して、堆積されパターン形成される。熱酸化層が、次いで、共振構造と電極の間の容量性ギャップサイズを画定する、犠牲層として成長させられる。ポリシリコン層が、堆積されパターン形成されて、実際の電極を形成する。最後に、デバイスがＨＦ内に解放される。
本明細書において開示された技法は、本明細書に含まれる開示を与えられれば、その他の半導体デバイスの設計、製造および製作に同様に応用できることは、当業者には明白であろう。
開示された実施態様を参照して、本開示を説明的に記述した。開示された実施態様に対して、様々な修正および変更を、添付の特許請求の範囲に定義された本開示の範囲から逸脱することなく、当業者によって行うことができる。
Claims (17)
- 共振部材が面内に存在する第１の面に対して、第１の角度値で傾斜している側壁によって少なくとも部分的に画定された外周を有する、共振部材；および
前記側壁に隣接して配置されて、容量性ギャップによってそれから離隔されている、少なくとも１つの電極であって、その少なくとも一部分が、前記共振部材が面内に存在する前記第１の面に対して、前記第１の角度値と実質的に同じ第２の角度値だけ傾斜している、少なくとも１つの電極
を含む、慣性測定装置。 - 第１の面が、それぞれ０°の角度値を有し、第１の角度値は、第１の面に対して０°よりも大きいが、９０°未満である、請求項１に記載の慣性測定装置。
- 第１の角度値は、第１の面に対して、３０°よりも大きく、６０°未満である、請求項２に記載の慣性測定装置。
- 第１の角度値が、側壁の（１１１）および（１１０）の結晶面によって、第１の面に対して、５４．７４°に画定される、請求項２に記載の慣性測定装置。
- 慣性マスに隣接して配置され、それぞれが容量性変換ギャップによってそれから離隔されている、複数の電極をさらに含み、複数の電極の各々の少なくとも一部分は、共振部材が面内に存在する第１の面に対して、第１の角度値と実質的に同じ角度値だけ傾斜している、請求項１に記載の慣性測定装置。
- 共振部材の第１の面に隣接かつ、それに平行に、配置されている、少なくとも１つの直交相殺電極をさらに含み、
容量性ギャップが、前記少なくとも１つの直交相殺電極と、前記共振部材の第１の面の間で画定される、請求項１に記載の慣性測定装置。 - 複数の機械的に変形可能なビームによって相互接続された、複数の長方形区域を画定する共振マス；および
前記共振マスを基板に結合するアンカー
を含み、前記変形可能なビームの少なくとも１つが、第１の角度に第１の面を有する台形の断面形状を有する、慣性測定装置。 - 少なくとも１つの変形可能なビームが、単結晶シリコンの異方性ウェットエッチングによって形成される、請求項７に記載の慣性測定装置。
- 少なくとも１つの変形可能なビームが、二等辺台形断面形状を含む、請求項７に記載の慣性測定装置。
- 慣性マスに隣接して配置され、容量性変換ギャップによってそれから離隔されている、複数の電極をさらに含み、少なくとも１つの電極が、共振マスの傾斜表面に沿って配置されている、請求項７に記載の慣性測定装置。
- それぞれのアンカーが、共振マスの複数の長方形区域のそれぞれ１つを基板に結合している、複数のアンカーをさらに含む、請求項７に記載の慣性測定装置。
- 半導体材料で形成されて、台形断面形状を有する、複数の機械的に変形可能なビームによって相互接続された、複数の長方形区域を画定する、共振マスを含み、前記変形可能なビームの少なくとも１つは、台形の断面形状を有する、製造品。
- 少なくとも１つの変形可能なビームが、二等辺台形の断面形状を有する、請求項１２に記載の製造品。
- 共振部材が面内に存在する第１の面に対して、第１の角度値を有する側壁によって少なくとも部分的に画定される外周を有する、共振部材、および
前記側壁に隣接して配置され、容量性ギャップによってそれから離隔された、少なくとも１つの電極であって、少なくとも一部分が、共振部材の側壁に平行である電極を含み、
前記第１の面は、それぞれ０°の角度値を有し、前記第１の角度値は、前記第１の面に対して３０°よりも大きいが、６０°未満である、慣性測定装置。 - 共振部材の側壁に隣接して配置された複数の電極であって、各電極は、それぞれの容量性ギャップによってそれから離隔されており、各々の少なくとも一部分が、共振部材の側壁に平行である、前記複数の電極をさらに含む、請求項１４に記載の慣性測定装置。
- Ａ）第１の窒化層を堆積させてパターン形成して、凸形隅部を有するトレンチパターンを画定すること、
Ｂ）第２の窒化層を堆積させてパターン形成して、前記トレンチパターンを部分的に覆うとともに、前記凸形隅部を覆うこと、
Ｃ）単結晶シリコン（ＳＣＳ）の第１の異方性ウェットエッチングを実行して、縁辺が前記第１の窒化層に整列された、覆われていない領域におけるトレンチを形成すること、
Ｄ）ＳＣＳの湿式酸化を実行して、厚い熱酸化層を形成すること、
Ｅ）窒化物をブランクエッチングして、前記第２の窒化層を除去すること、
Ｆ）ＳＣＳの第２の異方性ウェットエッチングを実行して、前記第１の窒化層に整列された、異方性ウェットエッチングされたトレンチを形成すること、
Ｇ）ブランクエッチングによって窒化物と酸化物を除去し、次いで、ＴＥＯＳを堆積させてパターン形成すること、
Ｈ）ＳＣＳを湿式酸化させて、薄い犠牲酸化層を形成してパターン形成すること、
Ｉ）ＬＰＣＶＤポリシリコンを堆積させてパターン形成して、水平電極および傾斜電極を形成すること、および
Ｊ）酸化物を等方性ウェットエッチングして、共振部材を解放すること
を含む、慣性測定ＭＥＭＳ半導体装置を製造する方法。 - Ａ）第１のＬＰＣＶＤ窒化層を堆積させてパターン形成して、凸形隅部のないトレンチ形状を画定すること、
Ｂ）単結晶シリコン（ＳＣＳ）の第１の異方性ウェットエッチングを実行して、前記第１のＬＰＣＶＤ窒化層のパターンによって画定される、トレンチを形成すること、
Ｃ）第２のＬＰＣＶＤ窒化層を堆積させてパターン形成して、直交トレンチの交差点においてＳＣＳを露出させること、
Ｄ）ＳＣＳの異方性ウェットエッチングを実行して、前記第２の窒化層の前記直交トレンチの交差点において、凸形隅部を形成すること、
Ｅ）前記第２の窒化層をブランクエッチングすること、
Ｆ）テトラエチルオルトシリケート（ＴＥＯＳ）を堆積させてパターン形成すること、
Ｇ）ＳＣＳの湿式酸化を実行して、犠牲の薄い酸化層を形成すること、
Ｈ）前記犠牲の薄い酸化層をパターン形成すること、
Ｉ）ＬＰＣＶＤポリシリコンを堆積させてパターン形成して、水平電極および傾斜電極を形成すること、および
Ｊ）酸化物を等方性ウェットエッチングして、共振部材を解放すること
を含む、慣性測定ＭＥＭＳ半導体装置を製造する方法。
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