專利名稱：微機(jī)械諧振器的制作方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明涉及根據(jù)權(quán)利要求1的前序部分的微機(jī)械諧振器。
背景技術(shù)：
熱漂移仍然是阻礙硅MEMS諧振器進(jìn)入石英晶體振蕩器的市場的主要障礙?？梢酝ㄟ^使用顯示出與硅相反的諧振頻率的熱漂移的符號的材料如無定形SiO2來替換諧振體積的部分來實(shí)現(xiàn)漂移的補(bǔ)償。相比純粹的單晶諧振器而言，這會損害諧振性能。傳統(tǒng)地，通過在基本的硅材料周圍使用溫度補(bǔ)償環(huán)繞結(jié)構(gòu)(典型地為SiO2)，或可替代地，通過使用SiOdt為在完整結(jié)構(gòu)中基本上均勻地分布的結(jié)構(gòu)的一部分，解決了與微機(jī)械諧振器的溫度漂移相關(guān)的問題。例如，在出版物“Temperature compensation in silicon-based microelectromechanical resonators (娃基微機(jī)電諧振器中的溫度補(bǔ)償)”，F(xiàn). Schoen等人(ISBN :978-1-4244-2978-3/09)中對這項(xiàng)技術(shù)做了更加詳細(xì)的描述。

發(fā)明內(nèi)容
本發(fā)明的目的在于克服上述技術(shù)的至少一些缺點(diǎn)，并且提供一種全新類型的微機(jī)械諧振器和一種用于制造微機(jī)械諧振器的方法。本發(fā)明的目的通過設(shè)置集中在諧振器的特定位置的熱補(bǔ)償?shù)牡诙牧蟻韺?shí)現(xiàn)。在本發(fā)明的一種優(yōu)選的實(shí)施例中，通過使用集中在諧振器的最大應(yīng)力處的補(bǔ)償材料，以最佳方式使用了諧振頻率的熱漂移的無源補(bǔ)償。當(dāng)實(shí)現(xiàn)時，通過提供一種用于制造可以與傳統(tǒng)石英諧振器技術(shù)潛在地競爭的MEMS諧振器的方法，商業(yè)意義是巨大的。本發(fā)明陳述了如何通過在最有效的位置即在應(yīng)力最大處(位移節(jié)點(diǎn))布置補(bǔ)償材料來最小化補(bǔ)償材料的數(shù)量。本發(fā)明的另一種優(yōu)選實(shí)施例基于在振動結(jié)構(gòu)的中間使用SiA或化仏。本發(fā)明的進(jìn)一步優(yōu)選實(shí)施例基于將諧振器的第二材料的部分的尺寸形成為橫向大于10 μ m。更具體地，根據(jù)本發(fā)明的微機(jī)械諧振器由權(quán)利要求1的特征部分中所陳述的特征來表征。本發(fā)明提供了顯著的益處。使用具有相反符號的諧振頻率的熱漂移的材料替換諧振體積的一部分減小了熱漂移。如果將補(bǔ)償材料布置在正在使用的諧振模式的最大應(yīng)力位置處，則關(guān)于給定的減少水平所需的部分為最少?？紤]到在長度伸縮模式振動的梁，在梁的端部處(即在應(yīng)力最小處/位移最大處)布置少量的補(bǔ)償材料將具有很小的影響，這是由于補(bǔ)償材料主要地僅用作無源質(zhì)量負(fù)載，但是其余梁材料用作彈簧。如果，替代地，將補(bǔ)償材料布置在梁的中間，則補(bǔ)償材料主要地用作在其自身內(nèi)具有很高的應(yīng)力和應(yīng)變的彈簧，并且更加有效地補(bǔ)償熱漂移。本申請描述的一些結(jié)構(gòu)實(shí)施例(如全部氧化的彈簧區(qū)域)具有減小諧振頻率的制造公差和諧振頻率的熱系數(shù)的制造公差的重要優(yōu)點(diǎn)。制造公差影響器件的測試和調(diào)諧的要求，并且顯著地影響諧振器的成本。在具有全部氧化的彈簧區(qū)域的諧振器中，只有一個界面，即，諧振器中間的橫向地較大的氧化物區(qū)域的周圍，該界面的精確位置影響制造公差?；诓牧系臒嵫a(bǔ)償方法相比各種有源的電補(bǔ)償方案具有多個優(yōu)點(diǎn)沒有功耗、不受伺服系統(tǒng)緩慢的影響、不降低頻譜純度。


以下，將借助于附圖所示的示例性實(shí)施例更加詳細(xì)地分析本發(fā)明，在附圖中圖1示出了使用壓電薄膜作為部件的一部分的可以應(yīng)用本發(fā)明的諧振器的俯視圖；圖加示為圖1的諧振器的側(cè)視圖；圖2b示為圖1的諧振器的實(shí)際部件的照片的俯視圖；圖3示出了使用壓電薄膜作為部件的一部分的可以應(yīng)用本發(fā)明的另一種諧振器的俯視圖；圖4示為圖3的諧振器的側(cè)視圖；圖6示為可以應(yīng)用本發(fā)明的靜電驅(qū)動板諧振器的示意性俯視圖；圖7a示為可以應(yīng)用本發(fā)明的長度伸縮(LE)的梁諧振器的示意性俯視圖；圖7b示為圖7a的長度伸縮(LE)的梁諧振器的示意性側(cè)視圖；圖7c示為根據(jù)本發(fā)明的長度伸縮(LE)的梁諧振器的示意性俯視圖；圖7d示為圖7c的長度伸縮(LE)的梁諧振器的示意性側(cè)視圖；圖7e示為根據(jù)本發(fā)明的一種可替代的解決方案的長度伸縮(LE)的梁諧振器的示意性側(cè)視圖；圖8a示為根據(jù)本發(fā)明的具有完全填充的補(bǔ)償區(qū)域的長度伸縮(LE)的梁諧振器的示意性俯視圖；圖8b示為圖8a的長度伸縮(LE)的梁諧振器的示意性側(cè)視圖；圖8c示為根據(jù)本發(fā)明的具有部分填充的補(bǔ)償區(qū)域(溝槽)的長度伸縮(LE)的梁諧振器的示意性俯視圖；圖8d示為圖8c的長度伸縮(LE)的梁諧振器的示意性側(cè)視圖；圖8e示為根據(jù)本發(fā)明的具有部分填充的補(bǔ)償區(qū)域(塞子)的長度伸縮(LE)的梁諧振器的示意性俯視圖；圖8f示為圖Se的長度伸縮(LE)的梁諧振器的示意性側(cè)視圖；圖9a至圖9c示意性地示出了根據(jù)本發(fā)明的一種用于制造補(bǔ)償區(qū)域結(jié)構(gòu)的可能的方法；圖IOa至圖IOb示意性地示出了根據(jù)本發(fā)明的用于制造補(bǔ)償區(qū)域結(jié)構(gòu)的另一種可能的方法；圖Ila示為根據(jù)本發(fā)明的具有完全填充的補(bǔ)償區(qū)域(溝槽)的方形伸縮(SE)的板諧振器的示意性俯視圖；圖1 Ib示為圖1 Ia的諧振器的示意性側(cè)視圖；圖Ilc示為圖Ila的諧振器元件的透視圖12a至圖12d圖示了當(dāng)補(bǔ)償區(qū)域位于諧振器的邊緣時的補(bǔ)償區(qū)域的影響；圖13a_13d圖示了當(dāng)補(bǔ)償區(qū)域位于根據(jù)本發(fā)明的諧振器的最大應(yīng)力處時的補(bǔ)償區(qū)域的影響；圖14a示為根據(jù)本發(fā)明的具有完全填充的補(bǔ)償區(qū)域的豎直BAW SOI (Bulk Acoustic Wave Silicon-On-Insulator，體聲波絕緣體上硅)諧振器的示意性俯視圖；圖14b示為圖8a的諧振器的示意性側(cè)視圖；圖1 至圖15e圖示了在根據(jù)本發(fā)明的諧振器的應(yīng)力最大處在中間具有2. 075 μ m 的SiA彈簧的豎直ID諧振器中的補(bǔ)償區(qū)域的影響；圖16a至圖16d圖示了在諧振器的頂部和底部具有SW2層的豎直的ID諧振器中的補(bǔ)償區(qū)域的影響；圖17a至圖17d圖示了在諧振器的端部處具有1 μ m SiO2層的豎直的ID諧振器中的補(bǔ)償區(qū)域的影響；
具體實(shí)施例方式根據(jù)圖1至圖4，本發(fā)明涉及微機(jī)械結(jié)構(gòu)，其中，諧振器3通過錨10懸掛至支承結(jié)構(gòu)1。在本發(fā)明的一個典型實(shí)施例中，支承結(jié)構(gòu)1是一種SOI(絕緣體上硅)晶片的硅器件層。諧振器3的尺寸和懸掛使得當(dāng)諧振器3被相應(yīng)的電信號激勵時，諧振器3會以特定的頻率fo振動。梁諧振器的典型長度為320 μ m并且其典型高度為20 μ m。激勵可以由形成在諧振器3上和基底1上的電極5來電容性地完成，或可替代地，由圖加或圖4的壓電結(jié)構(gòu)完成。電信號可以通過電極或通過使全部結(jié)構(gòu)對電信號可導(dǎo)來傳導(dǎo)至結(jié)構(gòu)。諧振器中的典型材料是用于導(dǎo)電結(jié)構(gòu)的Si和用于絕緣體的無定形Si02。無定形TeA也是用于絕緣的可替代性材料。此外，SOI (絕緣體上硅)晶片可以用作用于諧振器的預(yù)制件。圖5示出了一種板諧振器。板諧振器應(yīng)用了相同的主要布置，錨定方案更加復(fù)雜并且錨不是必須地處在結(jié)點(diǎn)處。在本圖中，Si用作底/接地電極。SiO2絕緣體應(yīng)用在除了關(guān)于Si的接地觸點(diǎn)下方的開口區(qū)域的任何地方。圖6示出了靜電驅(qū)動的器件，其中，沒有對諧振器自身施加金屬化。在Si中的豎直縫隙上施加電壓。外部電路6負(fù)責(zé)激勵和維持諧振。圖7a和圖7b更加詳細(xì)地示出了諧振器元件3并且還表示了對于諧振器的應(yīng)力分布在梁3的中間具有最大值7。在7a和圖7b中示出了本發(fā)明的基本的解決方案，其中溫度補(bǔ)償材料4如SiO2或 TeO2 (氧化碲)的區(qū)域布置在梁3的應(yīng)力最大處。區(qū)域4的寬度大約是梁3的長度的10%， 但是取決于梁的基本材料和梁的幾何結(jié)構(gòu)，區(qū)域4的寬度可以在從5%到30 %的范圍內(nèi)變化。除了 SiO2或TeO2，還可以使用具有相似的熱性質(zhì)的玻璃材料。根據(jù)圖7e，第二材料4可以布置在諧振器3的端部處。在本發(fā)明的一種有益的解決方案中，第二材料的區(qū)域橫向尺寸定為大于ΙΟμπι。這里的橫向尺寸表示在諧振器3的上表面30的平面中的尺寸。諧振器3的上表面30例如是如圖7c中的可見表面，或可替代地，是圖Ila和圖lib中的可見表面。通過這樣定尺寸，可以最小化關(guān)于生產(chǎn)公差的問題。 如果滿足如對于f；的其他定尺寸的規(guī)則，這種定尺寸方式還可以應(yīng)用于圖7a和圖7b的解決方案。圖8a和圖8b對應(yīng)于圖7a至圖7d的解決方案。圖8c至圖8d示出了由橫向溝槽形成的、部分地填充的補(bǔ)償區(qū)域4。圖9a至圖9c中更加詳細(xì)地描述了用于制造諧振器的過程。根據(jù)圖9a，洞20被蝕刻成穿過硅器件層(如非等向性干法蝕刻)。這是本領(lǐng)域普通技術(shù)人員已知的標(biāo)準(zhǔn)蝕刻過程。在圖9b中，由沉積相來填充洞，或可替代地進(jìn)行局部氧化。在圖9c的階段中，氧化擴(kuò)展成填充整個體積。換言之，本發(fā)明的典型實(shí)施例是1)在方形伸縮的諧振器3的中間、貫穿諧振器器件層4的深度設(shè)置氧化物或部分氧化物(或其他補(bǔ)償材料)區(qū)域4。2)在長度伸縮的梁諧振器3的中間設(shè)置氧化物或部分氧化物(或其他補(bǔ)償材料) 的區(qū)域4。3)通過在應(yīng)力最大處/位移節(jié)點(diǎn)位置中放置補(bǔ)償材料來相似地設(shè)置用于其它諧振器幾何結(jié)構(gòu)和諧振模式的補(bǔ)償區(qū)域。4)與在應(yīng)力最大處而不是極限表面相似地在豎直堆疊的薄膜絕緣體上硅諧振器中布置補(bǔ)償層4。以上，已結(jié)合附圖描述了實(shí)施例的示例和相關(guān)仿真結(jié)果。本發(fā)明關(guān)注尋找如下的熱補(bǔ)償諧振結(jié)構(gòu)該熱補(bǔ)償諧振結(jié)構(gòu)通過在對熱系數(shù)具有最大影響的位置中放置氧化物來最小化氧化物材料的數(shù)量。對I-D長度伸縮的諧振器的仿真示出通過在伸縮桿的端部處放置氧化物，需要38%的氧化物的容積比。(實(shí)際數(shù)量當(dāng)然對具有某些不確定性的材料參數(shù)敏感)。應(yīng)當(dāng)注意到如果大量的氧化物沒有任何顯著的負(fù)面效果，本解決方案還是一種好的解決方案。再假設(shè)氧化物區(qū)域被“全部氧化”(見上述描述)，在氧化硅界面的精確位置的制造公差不具有對熱系數(shù)的值的諧振頻率的值的很大影響。從光刻的角度來看，事實(shí)上有利的是硅的體積與氧化物的體積將盡可能地相等。將這樣的結(jié)構(gòu)與上述解決方案區(qū)別開的再次是氧化物形成了很大的體積(所有的尺寸都遠(yuǎn)大于1微米)。在本申請中，諧振器3表示實(shí)際的機(jī)械地振動的元件并且支承結(jié)構(gòu)1表示在其上懸掛諧振器的構(gòu)造。在這里也稱作補(bǔ)償材料4的第二材料4具有不同于支承結(jié)構(gòu)1的第一材料2的熱性質(zhì)。在本發(fā)明的優(yōu)選實(shí)施例中，材料中的聲速的熱相關(guān)性在這兩種結(jié)構(gòu)中是彼此相反的。 例如，以下對滿足這種條件第一材料Si第二材料無定形SiO2、或無定形TeO2、或具有適合的熱性質(zhì)的玻璃。對于本領(lǐng)域的普通技術(shù)人員很明顯的是諧振器在特定頻率&處可以具有若干張力最大值，并且本方法將應(yīng)用于所有的這些情況。
權(quán)利要求
1.一種微機(jī)械諧振器，包括 第一材料O)的支承結(jié)構(gòu)(1)，諧振器(3)，所述諧振器(3)懸掛至所述支承結(jié)構(gòu)(1)，所述諧振器(3)至少部分地具有與所述支承結(jié)構(gòu)的材料相同的材料(2)并且形成用于以特定頻率&諧振的尺寸，耦接裝置(5)，所述耦接裝置( 用于啟動、維持所述諧振器C3)的諧振，并且將所述諧振器(3)的諧振耦接至外部電路(6)，以及所述諧振器( 包括有第二材料，所述第二材料(4)的熱性質(zhì)不同于所述第一材料(2)的熱性質(zhì)， 其特征在于，所述諧振器C3)包括集中位于所述諧振器(3)的特定位置的所述第二材料，以及所述諧振器(3)的所述第二材料的部分形成橫向大于10 μ m的尺寸。
2.根據(jù)權(quán)利要求1所述的諧振器，其特征在于，所述諧振器C3)的所述第二材料(4)的部分至少主要地位于所述諧振器C3)在所述特定頻率&處具有張力最大值(7)的區(qū)域中。
3.根據(jù)權(quán)利要求1所述的諧振器，其特征在于，所述諧振器C3)的所述第二材料(4)的部分至少主要地位于所述諧振器(3)的橫向端部處。
4.根據(jù)上述權(quán)利要求中任一項(xiàng)所述的諧振器，其特征在于，所述第一材料( 是硅 (Si)，第二材料(4)是氧化硅(SiO2)、氧化碲(TeO2)或玻璃。
5.根據(jù)上述權(quán)利要求中任一項(xiàng)所述的諧振器，其特征在于，所述諧振器C3)是在所述結(jié)構(gòu)的中間懸掛至所述基底(1)的梁。
6.根據(jù)上述權(quán)利要求中任一項(xiàng)所述的諧振器，其特征在于，所述諧振器C3)是從板(3) 的拐角懸掛至所述基底(1)的所述板。
7.根據(jù)上述權(quán)利要求中任一項(xiàng)或它們的組合所述的諧振器，其特征在于，所述第二材料的部分是均勻的。
8.根據(jù)上述權(quán)利要求中任一項(xiàng)或它們的組合所述的諧振器，其特征在于，布置至應(yīng)力最大處的所述第二材料的部分僅部分地填充了所述第一材料作為溝槽或塞子。
9.根據(jù)上述權(quán)利要求中任一項(xiàng)或它們的組合所述的諧振器，其特征在于，所述諧振器(3)是長度伸縮(LE)的梁諧振器。
10.根據(jù)權(quán)利要求1至9中任一項(xiàng)或它們的組合所述的諧振器，其特征在于，所述諧振器( 是方形伸縮(SE)的板諧振器。
11.根據(jù)權(quán)利要求1至9中任一項(xiàng)或它們的組合所述的諧振器，其特征在于，所述諧振器⑶是豎直的BAW SOI諧振器。
12.根據(jù)上述權(quán)利要求中任一項(xiàng)或它們的組合所述的諧振器，其特征在于，所述第一材料(3)的聲速的熱相關(guān)性與所述第二材料(4)相反。
全文摘要
本發(fā)明涉及微機(jī)械諧振器，包括第一材料(2)的基底(1)；懸掛至支承結(jié)構(gòu)(1)的諧振器(3)，諧振器(3)至少部分地具有與支承結(jié)構(gòu)的材料相同的材料(2)，并且形成用于以特定頻率f0諧振的尺寸；用于啟動、維持諧振器(3)的諧振并且將諧振器(3)的諧振耦接至外部電路(6)的耦接裝置(5)；以及所述諧振器(3)包括有第二材料(4)，第二材料(4)的熱性質(zhì)不同于第一材料(2)的熱性質(zhì)。根據(jù)本發(fā)明，諧振器(3)包括集中位于所述諧振器(3)的特定位置的第二材料(4)。
文檔編號H03H3/013GK102577118SQ201080043268
公開日2012年7月11日 申請日期2010年9月27日 優(yōu)先權(quán)日2009年9月28日
發(fā)明者圖奧馬斯·彭薩拉, 約翰納·梅爾塔烏什, 阿爾內(nèi)·奧亞 申請人:Vtt技術(shù)研究中心