CH711275A2 - A method for producing a spiral spring and a corresponding spiral spring. - Google Patents
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Abstract
Verfahren zur Herstellung einer Spiralfeder mit einem Substrat (200) und einer piezoelektrischen Beschichtung (207), wobei die benannte Beschichtung mittels Hochenergieimpulsmagnetronsputtern (HiPIMS) aufgebracht wird.A method of manufacturing a coil spring having a substrate (200) and a piezoelectric coating (207), wherein said coating is applied by high energy pulsed magnetron sputtering (HiPIMS).
Description
Technisches GebietTechnical area
[0001] Die Erfindung bezieht sich auf eine mechanische Uhr, deren Regelorgan, die Unruhe mit der Spiralfeder, durch ein Regelorgan mit einer besseren Ganggenauigkeit ersetzt wird. Erfindungsgemäss wird eine Unruhe mit einer Spiralfeder aus piezoelektrischem Material und einer kleinen, den Gang der Unruhe regelnden Elektronik verwendet. The invention relates to a mechanical watch whose control element, the restlessness with the coil spring is replaced by a control element with a better accuracy. According to the invention, a restlessness is used with a spiral spring made of piezoelectric material and a small, the course of the disturbance regulating electronics.
Stand der TechnikState of the art
[0002] Es wird eine Unruhe mit einer Spiralfeder aus piezoelektrischem Material und einer kleinen, den Gang der Unruhe regelnden Elektronik verwendet. Aus der JP 2002 228 774 A ist schon ein solches Uhrwerk mit einer piezoelektrischen Spiralfeder bekannt. It is used a restlessness with a coil spring of piezoelectric material and a small, the course of the disturbance regulating electronics. From JP 2002 228 774 A, such a movement with a piezoelectric coil spring is already known.
[0003] Aus der internationalen Anmeldung WO 2011 131 784 und aus CH 20 100 001 298, deren Inhalt hiermit per Referenz aufgenommen wird, ist ein Verfahren beschrieben, bei welchem eine piezoelektrische Spiralfeder hergestellt wird, indem eine Spiralfeder aus Silizium mit einer piezoelektrischen Beschichtung und den entsprechenden Elektroden versehen wird. Gemäss dieser Anmeldung wird die piezoelektrische Beschichtung mittels der metallorganischen chemischen Gasphasenabscheidung (engl, metal organic chemical vapor deposition, MOCVD) hergestellt. Nachdem die Spiralfeder mit der piezoelektrischen Beschichtung versehen worden ist, werden mittels Sputtern und anschliessendem Ätzen die Elektroden strukturiert. Der Nachteil dieses Verfahrens ist dass die gewünschte Qualität der piezoelektrischen Beschichtung, in diesem Falle Aluminiumnitrid AIN, nur bei hohen Temperaturen im Bereich von 1100–1300 Grad Celsius erreicht werden kann. Beim Abkühlen der Spiralfeder auf Raumtemperatur entstehen durch die unterschiedlichen Ausdehnungskoeffizienten von Silizium und AIN grosse Spannungen. From the international application WO 2011 131 784 and CH 20 100 001 298, the content of which is hereby incorporated by reference, a method is described in which a piezoelectric coil spring is produced by a spiral spring made of silicon with a piezoelectric coating and the corresponding electrodes is provided. According to this application, the piezoelectric coating is produced by means of organometallic chemical vapor deposition (MOCVD). After the spiral spring has been provided with the piezoelectric coating, the electrodes are patterned by means of sputtering and subsequent etching. The disadvantage of this method is that the desired quality of the piezoelectric coating, in this case aluminum nitride AIN, can only be achieved at high temperatures in the range of 1100-1300 degrees Celsius. When the coil spring cools down to room temperature, the different coefficients of expansion of silicon and AIN cause great stresses.
[0004] Diese Spannungen können teilweise reduziert werden, indem Zwischenschichten aus Aluminiumnitrid abwechselnd mit Schichten aus AlGaN oder GaN gewachsen werden. Durch die kleinere Gitterkonstante des Aluminiumnitrid wird das darauf wachsende AlGaN oder GaN leicht druckverspannt, was der Zugverspannung, die schon beim Wachstum und vor allen Dingen beim Abkühlen entsteht, entgegenwirkt. Somit kann man theoretisch ein fast verspannungsfreies Material erhalten. In der Praxis hat sich aber herausgestellt, dass dies nicht so einfach ist. Zudem hat GaN einen kleineren Piezokoeffizienten als AlN. Des Weiteren ist es kaum möglich, das AlN mit beispielsweise Scandium zu dotieren, was den Piezokoeffizienten wesentlich erhöhen würde. These stresses can be partially reduced by growing intermediate layers of aluminum nitride alternately with layers of AlGaN or GaN. Due to the smaller lattice constant of the aluminum nitride, the AlGaN or GaN growing on top of it is slightly pressure-stressed, which counteracts the tensile stress that already arises during growth and, above all, during cooling. Thus theoretically one can obtain a nearly stress-free material. In practice, however, it has turned out that this is not so easy. In addition, GaN has a smaller piezo coefficient than AlN. Furthermore, it is hardly possible to dope the AlN with, for example, scandium, which would significantly increase the piezo coefficient.
[0005] Wesentlich für eine erfindungsgemässe Funktion der Spiralfeder ist eine Orientierung der piezoelektrischen Beschichtung mit der piezoelektischen Achse senkrecht zur Oberfläche. Dies gelingt prinzipiell nur mit Verfahren die keine mit der Materialquelle in Verbindung stehende Vorzugsrichtung aufprägen, wie z.B. der MOCVD, nicht jedoch mit konventioneller DC- oder RF-Sputterdeposition. bei diesen Methoden ist beispielsweise die c-Achse von AlN immer senkrecht zur Sputterquelle hin ausgerichtet was man ausnutzen kann um durch schrägstellen der Probe eine schräge c-Achsenorientierung der gesputterten Schicht zu erzielen. Essential for an inventive function of the coil spring is an orientation of the piezoelectric coating with the piezoelectric axis perpendicular to the surface. In principle, this is possible only with methods which do not impose any preferred direction associated with the material source, such as e.g. the MOCVD, but not with conventional DC or RF sputter deposition. In these methods, for example, the c-axis of AlN is always oriented perpendicular to the sputtering source, which can be exploited to achieve an oblique c-axis orientation of the sputtered layer by tilting the sample.
Darstellung der ErfindungPresentation of the invention
[0006] Ziel der vorliegenden Erfindung ist es, eine piezoelektrische Spiralfeder vorzuschlagen, bei der sich die piezoelektrische Beschichtung bei tiefen Temperaturen herstellen lässt. The aim of the present invention is to propose a piezoelectric coil spring, wherein the piezoelectric coating can be produced at low temperatures.
[0007] Eine andere Aufgabe ist es, die Spiralfeder bruchresistenter zu machen. Another object is to make the coil spring more resistant to breakage.
[0008] Erfindungsgemäss werden diese Probleme gelöst indem das AlN nicht mittels MOCVD aufgebracht wird, sondern mittels eines gepulsten Beschichtungsverfahrens basierend auf einem Target und einer gepulsten Anregungsquelle. According to the invention, these problems are solved by the AlN is not applied by means of MOCVD, but by means of a pulsed coating method based on a target and a pulsed excitation source.
[0009] Dies hat unter anderem den Vorteil, dass die Beschichtung bei Raumtemperatur, oder zumindest bei einer Temperatur unter 80 °C, erfolgen kann. Dadurch werden unterm Spannungen an der Schnittstelle zwischen Substrat und Beschichtung vermieden, die durch unterschiedliche thermische Dilatationskoeffiziente sonst entstehen würden, wenn die Feder nach einer Hochtemperaturbeschichtung wieder erkältet. This has, inter alia, the advantage that the coating at room temperature, or at least at a temperature below 80 ° C, can be done. This avoids stresses at the interface between the substrate and the coating that would otherwise result from different thermal dilation coefficients when the spring recovers after a high-temperature coating.
[0010] Dies hat auch den Vorteil, dass die Beschichtung viel homogener wird. Die Kristallstruktur der piezoelektrischen Schicht wird weniger unterbrochen, so dass eine höhere piezoelektrische Spannung erzeugt wird. This also has the advantage that the coating is much more homogeneous. The crystal structure of the piezoelectric layer is interrupted less, so that a higher piezoelectric voltage is generated.
[0011] In einem Ausführungsbeispiel erfolgt die Beschichtung mittels Hochenergieimpulsmagnetronsputtern (HiPIMS) (englisch high power impulse magnetron sputtering, HiPIMS, oder high power pulsed magnetron sputtering, HPPMS). In one embodiment, the coating is carried out by means of high-energy pulse magnetron sputtering (HiPIMS) (English high power pulses magnetron sputtering, HiPIMS, or high power pulsed magnetron sputtering, HPPMS).
[0012] In einem Ausführungsbeispiel erfolgt die Beschichtung mittels einer gepulsten Laserdeposition aufgebracht wird. In one embodiment, the coating is applied by means of a pulsed laser deposition.
[0013] In einem Ausführungsbeispiel erfolgt die Beschichtung mittels einer gepulsten Laserepitaxie. In one embodiment, the coating is carried out by means of a pulsed laser epitaxy.
[0014] Weitere vorteilhafte Ausführungsformen sind in den Unteransprüchen angegeben. Further advantageous embodiments are specified in the subclaims.
Kurze Beschreibung der FigurenBrief description of the figures
[0015] Die Erfindung wird anhand der beigefügten Figur näher erläutert, wobei <tb>Fig. 1a<SEP>Einen Querschnitt durch eine einzelne Windung der Spiralfeder zeigt. <tb>Fig. 1b<SEP>Ein Detail aus dem Querschnitt durch eine einzelne Windung der Spiralfeder zeigt.The invention will be explained in more detail with reference to the accompanying figure, wherein <Tb> FIG. 1a <SEP> Shows a cross-section through a single turn of the coil spring. <Tb> FIG. 1b shows a detail of the cross section through a single turn of the coil spring.
Wege zur Ausführung der ErfindungWays to carry out the invention
[0016] Die Fig. 1a und 1b zeigen einen Querschnitt 200 durch eine einzelne Windung der Spiralfeder. Der Kern der Spiralfeder besteht aus einem Substrat 204 aus Silizium. Darauf ist eine amorphe Zwischenschicht 205 vorhanden, zum Beispiel aufgesputtert oder durch Oxydation realisiert. In einem Beispiel besteht die Schicht aus Siliziumoxid mit einer Dicke von beispielsweise 1000 nm angebracht, beispielsweise durch oxidieren des Siliziumwafers nach dem Ätzen / Strukturieren der Spiralfeder 20. Die dicke ist somit wesentlich höher als die Dicke der nativen SiO2-Schicht. 1a and 1b show a cross section 200 through a single turn of the coil spring. The core of the spiral spring consists of a substrate 204 made of silicon. An amorphous intermediate layer 205 is present thereon, for example sputtered on or realized by oxidation. In one example, the layer of silicon oxide has a thickness of, for example, 1000 nm, for example, by oxidizing the silicon wafer after etching / patterning the coil spring 20. The thickness is thus substantially higher than the thickness of the native SiO 2 layer.
[0017] Diese amorphe Schicht hat einerseits den Vorteil dass die Oberfläche der Spiralfeder geglättet wird, und andererseits eine Temperaturkompensation erreicht wird, so dass die Schwingfrequenz der Kombination Unruhe / Spiralfeder auch bei Temperaturänderungen im Wesentlichen stabil bleibt oder sich nur wenig ändert. This amorphous layer on the one hand has the advantage that the surface of the coil spring is smoothed, and on the other hand, a temperature compensation is achieved, so that the oscillation frequency of the combination rest / coil spring remains substantially stable even with temperature changes or changes only slightly.
[0018] Auf diese Schicht amorphes Siliziumdioxid wird mittels Sputtering eine leitende Schicht als Innenelektrode 206 aufgebracht, beispielsweise eine Schicht Titan, mit einer Dicke von 10–50 nm. Es kann aber auch ein anderes leitfähiges Material verwendet werden, beispielsweise Aluminium, oder aber auch eine leitfähige Schicht aus Titannidrid oder einem anderen geeigneten Material, beispielsweise Molybdän und allgemein ein leitfähiges Oxid wie z.B. Indium-Zinn-Oxid, Al dotiertes ZnO oder ein leitfähiges Nitrid wie z.B. hoch Ge dotiertes GaN wie in DE 102 015 108 875 beschrieben. Wenn auf die Schicht Siliziumoxid 205 verzichtet wird, kann sogar der Kern der Spiralfeder aus Silizium als Innenelektrode verwendet werden, in diesem Falle muss nur elektrisch leitfähiges Silizium verwendet werden. On this layer of amorphous silicon dioxide is applied by sputtering a conductive layer as the inner electrode 206, for example, a layer of titanium, with a thickness of 10-50 nm. But it can also be used another conductive material, such as aluminum, or else a conductive layer of titanium amide or other suitable material, such as molybdenum, and generally a conductive oxide, such as Indium-tin oxide, Al-doped ZnO or a conductive nitride, e.g. high Ge doped GaN as described in DE 102 015 108 875. If the layer of silicon dioxide 205 is dispensed with, even the core of the spiral spring made of silicon can be used as inner electrode, in this case only electrically conductive silicon must be used.
[0019] Auf die Innenelektrode 206 aus Titan wird eine piezoelektrisch aktive Schicht 207 aufgebracht, beispielswiese eine Schicht die mindestens 30% Aluminiumnitrid enthält. Die Schichtdicke ist vorzugsweise zwischen 500 und 3000 nm, zum Beispiel 1000nm. Noch besser ist die Verwendung von AluminiumScandiumNitrid, dieses hat gegenüber AIN 2–5x höhere Piezokoeffizienten. Auf die Schicht piezoelektrisch aktiven Materials wird abschliessend die Elektrode aufgebracht, beispielsweise 50–200 nm aus Chrom / Nickel /Gold. Die Elektroden sind auf beiden vertikalen Seitenflanken der Spiralfeder angeordnet, auf der Ober- und Unterseite der Spiralfeder 20 sind keine Elektroden vorhanden. Dies kann schon während der Beschichtung so geschehen oder durch ein anschliessende Prozessierung bei der die Beschichtung auf Ober- und gegebenenfalls auch der Unterseite entfernt wird. On the inner electrode 206 made of titanium, a piezoelectrically active layer 207 is applied, for example, a layer containing at least 30% aluminum nitride. The layer thickness is preferably between 500 and 3000 nm, for example 1000 nm. Even better is the use of aluminum scandium nitride, which has 2-5x higher piezo coefficients compared to AIN. Finally, the electrode is applied to the layer of piezoelectrically active material, for example 50-200 nm of chromium / nickel / gold. The electrodes are arranged on both vertical side edges of the coil spring, on the top and bottom of the coil spring 20, no electrodes are present. This can already be done during the coating or by a subsequent processing in which the coating on top and possibly also the bottom is removed.
[0020] Erfindungsgemäss erfolgt die Beschichtung mit einem gepulsten Beschichtungsverfahren, das mit einem Plasma vom Target zum Wafer arbeitet. According to the invention, the coating is carried out with a pulsed coating method, which works with a plasma from the target to the wafer.
[0021] In einer Ausführung wird die piezoelektrische piezoelektrische Beschichtung 207 aus AIN mittels Hochenergieimpulsmagnetronsputtern (englisch high power impulse magnetron sputtering, HiPIMS, oder high power pulsed magnetron sputtering, HPPMS) aufgebracht. In one embodiment, the piezoelectric piezoelectric coating 207 of AIN is deposited by means of high energy impulse magnetron sputtering (HiPIMS, or HPPMS) high power pulsed magnetron sputtering.
[0022] Alternativ erfolgt die Beschichtung mittels PLD (Pulsed Laser Deposition), oder mittels PLE (Pulsed Laser Epitaxie). Alternatively, the coating is carried out by means of PLD (Pulsed Laser Deposition), or by means of PLE (Pulsed Laser Epitaxy).
[0023] HiPIMS ist ein spezielles Magnetronsputterverfahren zur Abscheidung von Dünnschichten. HiPIMS verwendet sehr hohe Target-Leistungsdichten von einigen kW-cm-2 in kurzen Pulsen von einigen zehn Mikrosekunden bei geringem Tastverhältnis (Ein-Aus-Verhältnis) von kleiner als 10 %. Ein charakterisierendes Merkmal des HiPIMS ist der hohe Ionisationsgrad des gesputterten Spendermaterials und die hohe Rate der molekularen Gasdissoziation. Da die Pulse bei HiPIMS nur für eine sehr kurze Zeit auf das Targetmaterial wirken und sich daran eine relativ lange «Aus-Zeit» anschliesst, ergeben sich niedrige durchschnittliche Kathodenleistungen (1–10 kW). So kann das Targetmaterial in den Aus-Zeiten abkühlen und eine bessere Prozessstabilität ist gegeben. HiPIMS is a special magnetron sputtering process for the deposition of thin films. HiPIMS uses very high target power densities of a few kW-cm-2 in short pulses of tens of microseconds with a low duty cycle (on-off ratio) of less than 10%. A distinguishing feature of the HiPIMS is the high degree of ionization of the sputtered donor material and the high rate of molecular gas dissociation. Since the pulses in HiPIMS only act on the target material for a very short time and a relatively long "off-time" follows, low average cathode outputs (1-10 kW) result. This allows the target material to cool down in the off-times and provides better process stability.
[0024] Mittels HiPIMS ist es also möglich AIN praktisch bei Raumtemperatur aufzubringen. Deshalb gibt es im Gegensatz zu MOCVD bei HiPIMS das Problem der thermischen Verspannung nicht oder kaum. Deswegen sind Spiralfedern, die mittels HiPIMS beschichtet worden sind, wesentlich stabiler als Spiralfedern, die mittels MOCVD beschichtet worden sind. Vorteilhaft gegenüber konventionellen Sputtermethoden ist zudem bei gepulsten Plasmaverfahren die deutlich verringerte Neigung der Ausrichtung der aufgebrachten Schicht in Bezug zur Quelle. Mit den gepulsten verfahren lassen sich z.B. einfacher AIN Schichten realisieren, die mit ihrer piezoelektrischen c-Achse senkrecht zur Oberfläche aufwachsen. By means of HiPIMS it is thus possible to apply AIN practically at room temperature. Therefore, in contrast to MOCVD in HiPIMS, the problem of thermal stressing does not exist or hardly exists. Therefore, coil springs coated with HiPIMS are much more stable than coil springs coated with MOCVD. In contrast to conventional sputtering methods, in the case of pulsed plasma processes, the markedly reduced tendency of the orientation of the applied layer relative to the source is advantageous. With the pulsed methods, e.g. realize simple AlN layers that grow with their piezoelectric c-axis perpendicular to the surface.
[0025] Ein weiterer Vorteil von HiPIMS ist, dass eine Dotierung des AIN 207 durch beispielsweise Scandium einfach zu realisieren ist, durch Co-Sputtern mit einem zweiten Target aus Scandium, das erste Target ist aus Aluminium. Es müssen also im Gegensatz zu MOCVD keine teuren und exotischen Precursoren eingesetzt werden. A further advantage of HiPIMS is that a doping of the AIN 207 by, for example, scandium is easy to realize by co-sputtering with a second target of scandium, the first target is made of aluminum. In contrast to MOCVD, expensive and exotic precursors do not have to be used.
[0026] Ein weiterer Vorteil von HiPIMS ist, dass nur Stickstoff und Aluminium oder Scandium verwendet werden müssen für die Herstellung von AIN Schichten, im Gegensatz zur Herstellung von dünnen Schichten AIN mittels MOCVD und Trimethylaluminium C3H9AI, wo noch Ammoniak und Wasserstoff benötigt wird. Another advantage of HiPIMS is that only nitrogen and aluminum or scandium must be used for the production of AIN layers, in contrast to the production of thin layers AIN using MOCVD and trimethylaluminum C3H9AI, where ammonia and hydrogen are still needed.
[0027] Es gibt aber auch die Möglichkeit mit Gasen das Wachstum der Schicht zu beeinflussen. So kann beispielweise durch Zugabe von Sauerstoff die Polarität der Schicht eingestellt werden. Es ist also sehr wichtig das beim HiPIMS Verfahren die Zusammensetzung der Gase im Reaktor sehr genau eingestellt und kontrolliert wird. But there is also the possibility with gases to influence the growth of the layer. Thus, for example, by adding oxygen, the polarity of the layer can be adjusted. So it is very important that in the HiPIMS process the composition of the gases in the reactor is set and controlled very precisely.
[0028] Ein weiterer Vorteil von HiPIMS ist die Möglichkeit, mehrere unterschiedliche Schichten aufeinander «stapeln» zu können. So kann beispielsweise die Spiralfeder zuerst oxidiert werden, so dass auf der gesamten Oberfläche der Spiralfeder eine Schicht amorphes Siliziumdioxid vorhanden ist. Dies hat den Vorteil dass eine mit Siliziumdioxid beschichtete Spiralfeder bei Temperaturänderungen die Frequenz kaum ändert, da sich die Variationen des Young-Moduls von Silizium und Siliziumdioxid gegenseitig mehr oder weniger kompensieren. Another advantage of HiPIMS is the ability to "stack" several different layers on top of each other. For example, the coil spring may be first oxidized so that a layer of amorphous silica is present on the entire surface of the coil spring. This has the advantage that a coil coated with silica coil barely changes in frequency with temperature changes, since the variations of the Young's modulus of silicon and silicon dioxide compensate each other more or less.
[0029] Mit HiPIMS kann direkt auf das Siliziumdioxid 205 mit AlN 207 beschichtet werden. Bei MOCVD ist dies nicht möglich, da bei den hohen Temperaturen das Aluminium mit dem Siliziumdioxid reagiert und die Schicht aus Siliziumdioxid angreift oder sogar ganz auflöst, was in einer schlechten Qualität des darauf gewachsenen AlN resultiert. With HiPIMS can be coated directly on the silica 205 with AlN 207. For MOCVD, this is not possible because at high temperatures the aluminum reacts with the silica and attacks or even dissolves the silica layer, resulting in poor quality of the AlN grown on it.
[0030] Beim Beschichten mit HiPIMS kann also auch eine Spiralfeder 200 aus Silizium, deren Oberfläche oxidiert wurde, mit qualitativ hochwertigem AlN beschichtet werden, ohne dass das Siliziumdioxid 205 während des Beschichtungsprozesses angegriffen wird. Idealerweise wird auf das Siliziumdioxid 205 zuerst eine dünne Schicht 206 von beispielsweise 10–50nm Titan aufgebracht, es kann aber auch zuerst eine dünne Schicht von 10-50 nm reinem Aluminium aufgesputtert oder einem anderen geeigneten leitfähigem Material aufgebracht werden. Diese Schicht 206 aus elektrisch leitfähigem Material dient als Innenelektrode. Auf diese dünne leitfähige Schicht 206 wird dann eine 1–3 µm dicke Schicht 207 aus AlN gesputtert. Die piezoelektrischen Eigenschaften des Aluminiumnitrids AlN können noch verbessert werden wenn während dem Sputtern Scandium beigemischt wird, beispielsweise durch Co-Sputtern von Scandium. Auf diese Weise kann eine 1–3 µm dicke Schicht 207 von AluminiumScandiumnitrid AxSc1-xN realisiert werden. When coating with HiPIMS can therefore also be a coil spring 200 made of silicon whose surface has been oxidized, coated with high quality AlN, without the silica 205 is attacked during the coating process. Ideally, a thin layer 206 of, for example, 10-50 nm titanium is first applied to the silicon dioxide 205, but first a thin layer of 10-50 nm pure aluminum may be sputtered on or applied to another suitable conductive material. This layer 206 of electrically conductive material serves as an inner electrode. Onto this thin conductive layer 206, a 1-3 μm thick layer 207 of AlN is then sputtered. The piezoelectric properties of aluminum nitride AlN can be further improved if scandium is added during sputtering, for example by co-sputtering of scandium. In this way, a 1-3 micron thick layer 207 of aluminum scandium nitride AxSc1-xN can be realized.
[0031] Eine weitere Möglichkeit besteht darin einen Gradienten zu wachsen, d.h. zuerst nur AlN zu Sputtern, und dann im weiteren Verlauf des Beschichtungsprozesses ein Co-Sputtern mit Scandium oder Gallium zu machen und den Scandium oder Gallium Gehalt laufend erhöhen. Dadurch wächst das Material druckverspannt auf, da Al(x)Ga(1-x)N oder AI(x)Sc(1-x)N eine grössere Gitterkonstante aufweist als AlN. Dies kann hilfreich sein wenn für die Erhöhung der Qualität der Beschichtung die Temperatur in der Beschichtungskammer erhöht werden muss. Dann könnte es wieder zu Zugverspannungen kommen nach dem Abkühlen der Beschichtung auf Raumtemperatur, da die Ausdehnungskoeffizienten von Si und AIN nicht gleich gross sind. Durch angepasste Gradienten wird solch eine Verspannung verhindert. Another possibility is to grow a gradient, i. E. sputtering AlN first, and then co-sputtering with scandium or gallium later in the coating process, continually increasing the scandium or gallium content. As a result, the material grows under pressure, since Al (x) Ga (1-x) N or Al (x) Sc (1-x) N has a larger lattice constant than AlN. This can be helpful if the temperature in the coating chamber has to be increased to increase the quality of the coating. Then it could come back to tensile stresses after cooling the coating to room temperature, since the expansion coefficients of Si and AIN are not the same size. By adapted gradients such a strain is prevented.
[0032] Das mittels HiPIMS aufgesputterte AIN oder AxSc1-xN 207 hat eine kristalline Struktur, vorzugsweise ist das Wachstum c-Achsen orientiert, d.h. die Orientierung der gewachsenen Kristalle ist senkrecht zur Oberfläche auf die das AIN aufwächst. Da die Oberfläche der Spiralfeder 200 gekrümmt ist kann das AIN oder AxSc1-xN nicht als Monokristall gewachsen werden, sondern es entsteht kolumnares polykristallines AIN. Bei polykristallinen Materialien kann es aber an den Grenzen der Kristallite bei mechanischen Belastungen zu Rissen kommen. Dieses Risiko wird erfindungsgemäss reduziert indem auf die 1–3 µm dicke Schicht aus AIN oder AxSc1-xN durch einen Sputterprozess oder vorzugsweise mittels Atomic Layer Deposition ALD eine 10–100 nm dicke Schicht aus amorphem Siliziumnitrid oder einem ähnlichen geeigneten Material aufgebracht wird. Dies hat einerseits den Vorteil, dass das AIN oder AxSc1-xN gegen Umwelteinflüsse gut geschützt ist, und dass die Spiralfeder wesentlich bruchfester wird, da durch das amorphe Siliziumnitrid Spannungsspitzen im AIN reduziert oder gar ganz eliminiert werden können. Ein weiterer Vorteil ist dass beim anschliessenden Beschichten der Spiralfeder mit Elektroden mittels Sputtering keine Metallatome entlang der Korngrenzen des AIN in das AlN eindringen und die elektrischen Eigenschaften der Spiralfeder verschlechtern können. The AIN or AxSc1-xN 207 sputtered by HiPIMS has a crystalline structure, preferably the growth is oriented c-axis, i. E. the orientation of the grown crystals is perpendicular to the surface on which the AIN grows. Since the surface of the coil spring 200 is curved, the AIN or AxSc1-xN can not be grown as a monocrystal, but it produces columnar polycrystalline AIN. In the case of polycrystalline materials, however, cracks may occur at the boundaries of the crystallites under mechanical loads. This risk is reduced according to the invention by applying to the 1-3 μm thick layer of AIN or AxSc1-xN by a sputtering process or preferably by means of atomic layer deposition ALD a 10-100 nm thick layer of amorphous silicon nitride or a similar suitable material. On the one hand, this has the advantage that the AIN or AxSc1-xN is well protected against environmental influences, and that the spiral spring is significantly more resistant to breakage, since the amorphous silicon nitride can reduce or even completely eliminate voltage peaks in the AIN. Another advantage is that during the subsequent coating of the coil spring with electrodes by means of sputtering, no metal atoms can penetrate into the AlN along the grain boundaries of the AlN and can impair the electrical properties of the spiral spring.
[0033] Ein weiterer Vorteil von der Beschichtung der Spiralfedern mittels HiPIMS ist die Möglichkeit alle benötigten Schichten in demselben Arbeitsgang aufzubringen. So kann zuerst auf das Silizium eine amorphe Schicht aus beispielsweise Siliziumnitrid aufgebracht werden, anschliessend wird die Innenelektrode aufgebracht. Es kann ist aber auch Möglich auf die Innenelektrode zu verzichten wenn die amorphe Zwischenschicht nur sehr dünn ist, und das hochdotierte und somit Leitfähig Silizium der Spiralfeder als Innenelektrode zu verwenden. Another advantage of the coating of coil springs HiPIMS is the ability to apply all the required layers in the same operation. Thus, first an amorphous layer of, for example, silicon nitride can be applied to the silicon, and then the inner electrode is applied. But it is also possible to dispense with the inner electrode if the amorphous intermediate layer is only very thin, and to use the highly doped and thus conductive silicon of the coil spring as the inner electrode.
[0034] Auf die amorphe Zwischenschicht wird dann eine Seedschicht aus beispielsweise AlN aufgebracht, und danach wird die piezoelektrisch aktive Schicht aus AlN und AxSc1-xN aufgebracht. Nach dem Aufbringen der AlN / AxSc1-xN Schicht, die beispielsweise eine Gesamtschichtdicke von 2um aufweist, werden anschliessend in demselben Prozess auch noch die Elektroden aufgesputtert, beispielsweise mit einer Haftschicht aus Titan und einer leitfähigen Schicht aus Gold. So können alle funktionellen Schichten die notwendig sind in demselben Prozess aufgebracht werden. Es ist dann nur noch notwendig nach dem Beschichtungsprozess die leitfähige Schicht auf der Ober- und Unterseite des Wafers mittels einem geeigneten Verfahren zu entfernen, vorzugsweise durch ätzen Dadurch wird diese Schicht in zwei Teilen geteilt, die als Elektroden verwendet werden.. A seed layer of, for example, AlN is then applied to the amorphous intermediate layer, and then the piezoelectrically active layer of AlN and AxSc1-xN is deposited. After applying the AlN / AxSc1-xN layer, which has, for example, a total layer thickness of 2 μm, the electrodes are then sputtered on in the same process, for example with an adhesion layer of titanium and a conductive layer of gold. So all functional layers that are necessary can be applied in the same process. It is then only necessary after the coating process, the conductive layer on the top and bottom of the wafer by a suitable method to remove, preferably by etching, this layer is divided into two parts, which are used as electrodes.
[0035] Um eine möglichst uniforme Schichtdicke zu erreichen wird der Wafer idealerweise während dem Beschichtungsvorgang um mindestens eine Achse gedreht. Besser ist es den Wafer um 2 Achsen zu drehen. Dies kann beispielsweise so gemacht werden indem der Wafer im Reaktor vertikal gestellt wird. Als erstes wird jetzt der Wafer um die Horizontale Achse gedreht, so wie sich ein Rad um die eigene Achse dreht. Zusätzlich dazu wird der Wafer auch noch um eine vertikale Achse gedreht. So kann sichergestellt werden dass die Gravitation nur einen minimalen Einfluss auf die Geometrie der im Wafer beweglichen Spiralfedern hat, da sich die Verformungen in Folge der Gravitation während einer Umdrehung um die horizontale Achse im Durschnitt wieder aufheben. In order to achieve as uniform a layer thickness as possible, the wafer is ideally rotated during the coating process by at least one axis. It is better to turn the wafer around 2 axes. This can be done, for example, by placing the wafer vertically in the reactor. First, the wafer is now rotated about the horizontal axis, as a wheel rotates about its own axis. In addition, the wafer is also rotated about a vertical axis. This makes it possible to ensure that gravity has only a minimal influence on the geometry of the coil springs that are movable in the wafer, since the deformations as a result of gravity cancel each other out during a revolution about the horizontal axis on average.
[0036] Normalerweise ist Sputtern ein gerichteter Vorgang. Dies kann dazu führen dass die Schicht in der Richtung aufwächst aus der das Sputtern erfolgt. AlN wächst normalerweise immer senkrecht zur Oberfläche auf. Beim normalen Sputtern kann es aber durch den gerichteten Sputterprozess dazu führen dass die Kristalle nicht senkrecht (also C-Achsen Orientierung) zur Oberfläche des Wafers aufwachsen, sondern schräg zur Oberfläche. Normally, sputtering is a directed process. This may cause the layer to grow in the direction from which sputtering occurs. AlN usually grows perpendicular to the surface. During normal sputtering, however, the directed sputtering process can cause the crystals not to grow vertically (ie C-axis orientation) to the surface of the wafer, but obliquely to the surface.
[0037] Das Drehen des Wafers um mindestens eine Achse hat auch den Vorteil dass das Sputtern im Durschnitt nicht mehr ein gerichteter Vorgang ist. Das Beschichten erfolgt aus allen möglichen Richtungen. Wenn beispielsweise die Targets vertikal angeordnet sind, und das Sputtern horizontal gerichtet erfolgt ist es sinnvoll den Wafer um mindestens die vertikale Achse zu drehen. Das führt dann dazu dass der Wafer mit Atomen aus allen möglichen Richtungen beschossen wird, und nicht nur aus einer Richtung. Wenn der Wafer dann zugleich mit der Drehung um die vertikale Achse auch noch um eine horizontale Achse gedreht wird kann sichergestellt werden dass im Mittel die Schicht uniform aufwächst und die Orientierung der Kristalle nicht gestört wird. The rotation of the wafer about at least one axis also has the advantage that the sputtering on average is no longer a directed process. The coating takes place from all possible directions. If, for example, the targets are arranged vertically, and the sputtering is directed horizontally, it makes sense to rotate the wafer about at least the vertical axis. The result is that the wafer is bombarded with atoms from all directions, not just from one direction. If the wafer is then also rotated about a horizontal axis at the same time as the rotation about the vertical axis, it can be ensured that on average the layer grows up uniformly and the orientation of the crystals is not disturbed.
[0038] Um eine mögliche Verformung der Spiralfedern bei der Beschichtung durch die Auswirkungen der Gravitation entgegenzuwirken wird der Wafer ein oder mehrere Male während des Herstellungsprozesses in eine andere Position gebracht werden. Somit sollten sich die Auswirkungen der Gravitation während des Beschichtungsprozesses verringern oder ganz ausschliessen lassen. In order to counteract possible deformation of the coil springs during the coating by the effects of gravity, the wafer will be moved to a different position one or more times during the manufacturing process. Thus, the effects of gravity during the coating process should be reduced or eliminated altogether.
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