諧振器的製作方法
2023-05-29 16:19:21 1
專利名稱：諧振器的製作方法
技術領域：
本發明涉及一種諧振器結構，具體地涉及MEMS (微電子機械系統)諧振器，以 及製造這種諧振器的方法。
背景技術：
在電子裝置中的定時參考已經機械實現很長時間。在很多應用中存在著振蕩器 封裝的石英晶體諧振器。石英晶體諧振器的高品質因數和低溫度漂移意味著它具有高穩 定性，並且因此被選作電子裝置中的定時參考。另一方面MEMS諧振器也是由微型元件可操作地設置在襯底上形成的器件。 MEMS諧振器通常通過利用光刻以及其他微加工技術以製造例如傳感器和驅動器而構 建。微機械諧振器一般在用於集成電路類型的矽襯底上形成，並且可以採用CMOS技術 製造。近來開發出MEMS諧振器，期望取代定時市場中的石英。這些諧振器具有與極 限形成因數(form factors)結合的高Q因數(這是對頻率選擇性的量度)。傳統的石英振 蕩器封裝的一般尺寸在幾毫米內，然而包括諧振器和驅動電路的MEMS振蕩器可以用薄 膜技術製造，導致其厚度小於100微米。然而僅僅MEMS諧振器的有利的形成因數不足 以使它成為大部分定時參考應用的候選。這是因為與MEMS諧振器相關的一個問題是 MEMS諧振器的諧振頻率呈溫度依賴關係。這意味著諧振頻率在整個工作溫度範圍內將 不會恆定。雖然有許多因素影響諧振器的頻率的溫度相關性，但是，最常用於形成諧振器 的材料矽的彈性模量(或者楊氏模量)的溫度相關性，很大程度上決定了諧振器的溫度系 數。當由矽形成諧振器時，楊氏模量的標稱值(nominal value)在方向上，而且矽 的負的溫度相關性也是已知的。這意味著在室溫中，對給定的幾何形狀，可以準確預測 諧振器僅僅在方向上振動的頻率。由於楊氏模量的負的溫度係數(TC)，諧振器的 頻率也具有負的TC。為了克服具有負的溫度係數的MEMS諧振器的諧振頻率的溫度相關性的問題， 已知的方法是增加一個正的溫度係數的材料的諧振器。通過增加這樣的材料到諧振器， 總體溫度係數可以變為較小負向，並且在一定的容差內可以減小到零。在這樣的環境 下，諧振器的頻率將變為與溫度無關的。已知二氧化矽具有正的溫度係數，並且已知採用二氧化矽表皮包覆由矽形成的 諧振器以便補償諧振頻率的相關性。一種已知的方法包括在懸掛的矽諧振器周圍應用二氧化矽表皮(skin)的步驟。 這種方法被稱為全面氧化，因為覆蓋在諧振器的整個表面(頂部區域、底部區域以及側 壁)上的所有矽將按實質上相同的比率轉化為二氧化矽。另一已知的方法被稱作局部氧化，其中僅矽諧振器的一部分或者轉化為二氧化 矽，或者被二氧化矽替代。
已知單獨由矽形成的諧振器在其諧振頻率上呈現30ppm/K的負溫度漂移。這意 味著在100°c以上的範圍時，該頻率將改變3000ppm。數值_30ppm/K被稱為諧振器的線 性溫度係數(TC)。在由矽形成的諧振器被二氧化矽層包覆之後，線性溫度係數與生長的氧化層的 厚度接近線性關係。已經證實對大約300nm的氧化層，線性TC為零。這個值取決於諧振器的厚度， 因為該厚度比定義諧振體的幾何形狀的其他尺寸中任何一個都小得多。這意味著諧振器 的頻率將不再隨溫度而實質上變化，並且因此幾乎與溫度無關。諧振器的頻率取決於其他因素以及環境溫度。這意味著，如果相對於溫度的頻 率變化減小到一個小值使得TC接近於零，則仍不可能產生具有完全相同諧振頻率的大 量諧振器，因為該頻率將將取決於其他因素。特別是，諧振器的頻率與形成圍繞在形成 諧振器的材料(典型地，矽)周圍的表皮的氧化層的厚度接近線性關係。對300nm氧 化物厚度，忽略由溫度引起的其他變化，相對於非氧化諧振器的頻率，頻率的變化超過 lOOOOOppm。因此，可以看出氧化物厚度的變化造成對頻率的影響遠遠大於超過100°溫 度範圍時頻率的變化。由於頻率很大程度上取決於氧化物的厚度，在具有厚氧化物的MEMS諧振器中 出現大的頻率擴展就不足為奇了。也就是說，當氧化層減小諧振器的TC時，諧振器的頻率將隨該氧化層的厚度的 變化而變化。二氧化矽通常採用熱氧化處理工藝應用。這個處理工藝具有幾個百分點的相對 誤差。例如，對預定300nm厚度的氧化層，實際上層的厚度在293nm和308nm之間， 這意味著存在5%的相對誤差。這意味著諧振器的最終絕對頻率有每百萬之數千部分的範 圍內的擴展。這個範圍對大部分應用來說太大了。
發明內容
根據本發明的第一方面，提供一種諧振器，包括由第一材料和第二材料形成的 梁，第一材料具有第一楊氏模量和第一楊氏模量的第一溫度係數，第二材料具有第二楊 氏模量和第二楊氏模量的第二溫度係數，至少在諧振器的工作條件之內第二溫度係數的 符號與第一溫度係數的符號相反，其中第二材料形成位於第一材料上面的層，並且第一 材料的截面積與第二材料的截面積的比值沿著梁的長度而改變，實質上垂直於梁測量截 面積。諧振器可以包括微機械諧振器，其中第一材料包括矽，並且第二材料包括氧化 物，例如二氧化矽。第二材料包括在第一材料上或圍繞第一材料形成的層，例如形成圍繞第一材料 的表皮。因為現在還不能預先準確控制第二材料的厚度，所以就不能完全補償矽諧振器 的頻率的溫度相關性。因此，雖然應用在矽上的氧化層可以減小諧振器的溫度係數，但是它還是引起 了諧振器的絕對頻率的變化的增加。也就是說，因為諧振器的絕對頻率是如此強烈地依賴氧化物的厚度，所以不可能預先準確控制諧振器的絕對頻率。絕對頻率的擴展是由於在測量以及控制氧化層的厚度中的5%的誤差。另外，絕 對頻率的變化也取決於作為氧化層厚度的函數的諧振器頻率的梯度。雖然這很困難，但 是不是不可能，在氧化層厚度的控制中獲得優於5%誤差，發明者也認識到這就可能減小 絕對頻率對溫度的相關性。已知由第一材料矽形成的諧振器的頻率相關性是-377ppm每納米氧化層。發明 者認識到，通過確保可以是氧化層的第二材料具有按預定方式變化的厚度，而不是實質 上厚度均勻的層，這個值可以減小。尤其是，發明者認識到通過在梁上預先確定的位置 處改變第一材料的截面積與第二材料的截面積的比值，絕對頻率對第二層的厚度的相關 性將會減小，如下文所說明。諧振器還包括一個錨狀物，以及一個自由端或尖端。諧振運行的諧振器包括本體的一部分，該本體作為質量彈簧系統 (mass-spring-system)中的質量，任何機械振動的集中代表。最接近自由端或尖端的部分 對質量的貢獻最大。諧振器本體的懸掛點被稱為錨狀物，受到很小的振動。鑑於集中質 量彈簧系統，錨狀物附近的本體部分對「彈簧」項貢獻最大。在本發明的一個實施例中，第二材料的厚度在錨狀物處或附近較大。更特別的是，在諧振器的彈簧部分，即位於錨狀物或錨狀物附近的部分，第一 材料的截面積與第二材料的截面積的比值應該在21左右。在朝向梁的自由端的諧振 器的質量部分，該比值應該小大約五倍。這意味著，如果在錨狀物或錨狀物附近處第一 材料的截面積與第二材料的截面積的比值為2 1，那麼在朝向自由端處應該為10 1。其中一個方法，可以通過沿著梁改變預定位置的第二材料的厚度來改變第一材 料的截面積與第二材料的截面積的比值。可替換的，也可以改變轉化為第二材料的截面 積中第一材料的相對比例。當第一材料包括矽，並且第二材料包括二氧化矽時，熱氧化的處理工藝發生在 諧振器暴露的表面。因此，很可能在諧振器的所有表面上得到的第二材料的厚度是均勻 相等的。注入特定原子到諧振器中可以或增強或抑制氧化的速率。因此局部注入導致氧 化層生長速率的局部改變。這樣，可以改變沿著梁的氧化物的厚度。可替換的，一種方法是可以改變第一材料與第二材料的相對比例。當在諧振器 上的第二材料厚度相同時，但是，例如第一材料的厚度沿著梁的長度改變，那麼在第二 材料厚度均勻的情況下，將改變沿著諧振器的兩個材料的相對比例。當參考以下示例時，可以理解減弱的諧振頻率作為氧化物厚度的函數的問題。縱向諧振的梁以角頻率ω振動，沿其長度的位移函數U(X)是微分等式的解
d—
OX
EA(x)du(x)'
=-ω2pA(x)u(x)( ι )
dx其中E是材料的彈性模量，或者楊氏模量，A是截面積，以及P是質量密度。 對一個均勻的梁，面積A通常被除去。均勻截面積的單一材料的自由梁的絕對頻率幾何上只涉及該梁的長度L，並表示 為
權利要求
1.一種諧振器(10)，包括由第一材料和第二材料形成的梁(12)，第一材料具有第一 楊氏模量和第一楊氏模量的第一溫度係數，第二材料具有第二楊氏模量和第二楊氏模量 的第二溫度係數，至少在諧振器的工作條件之內第二溫度係數的符號與第一溫度係數的 符號相反，其中第二材料形成位於第一材料上面的層，並且第一材料的截面積與第二材 料的截面積的比值沿著梁的長度而改變，實質上垂直於梁測量截面積。
2.根據權利要求1所述的諧振器(10)，包括MEMS諧振器，其中第一材料包括矽。
3.根據權利要求1或2所述的諧振器(10)，其中第二材料包括二氧化矽。
4.根據前述權利要求中任一項所述的諧振器(10)，還包括錨狀物(17)，梁具有與錨 狀物分隔開的尖端(16)。
5.根據權利要求4所述的諧振器(10)，其中第二材料的厚度在錨狀物處或附近較大。
6.根據前述權利要求中任一項所述的諧振器(10)，其中第一材料的厚度沿著梁的長 度實質上恆定，並且第二材料的厚度沿著梁的長度而改變。
7.根據前述權利要求中任一項所述的諧振器(10)，包括在梁中形成的多個狹縫，並 且所述多個狹縫沿著梁的長度的至少一部分縱向延伸。
8.根據前述權利要求中任一項所述的諧振器(10)，其中梁包括頂部表面(20)、相對 的底部表面(22)以及兩個相對的側壁(18)，並且第二材料形成圍繞梁的頂部、底部和側 壁的表皮，位於側壁上的第二材料的厚度比位於梁的頂部和底部表面上的第二材料的厚 度更大。
9.根據前述權利要求中任一項所述的諧振器(10)，其中第一材料是摻雜的，並且摻 雜水平沿著梁的長度而改變。
10.一種製造MEMS諧振器的方法，包括以下步驟由第一材料形成梁(12)；採用第二材料包覆梁；使得第一材料的截面積與第二材料的截面積的比值沿著梁的長度而改變。
11.根據權利要求10所述的方法，其中通過改變第二材料在第一材料上包覆的比率， 改變第一材料的截面積與第二材料的截面積的比值。
12.根據權利要求11所述的方法，其中通過由具有沿著梁的長度而改變的截面積的第 一材料形成梁(12)，改變第一材料的截面積與第二材料的截面積的比值。
13.根據權利要求10至12中任一項所述的製造MEMS諧振器的方法，包括由矽襯底 形成梁(12)和採用氧化矽層包覆矽襯底的步驟。
14.根據權利要求13所述的方法，其中在採用二氧化矽包覆梁(12)的步驟之前，還 執行以下進一步的步驟對矽襯底注入雜質，使得雜質的濃度沿著梁的長度而變化。
全文摘要
一種諧振器，包括由第一材料和第二材料形成的梁，第一材料具有第一楊氏模量和第一楊氏模量的第一溫度係數，第二材料具有第二楊氏模量和第二楊氏模量的第二溫度係數，至少在諧振器的工作條件之內第二溫度係數的符號與第一溫度係數的符號相反，其中第一材料的截面積與第二材料的截面積的比值沿著梁的長度而改變，實質上垂直於梁測量截面積。
文檔編號B81B3/00GK102025337SQ20101029446
公開日2011年4月20日 申請日期2010年9月21日 優先權日2009年9月22日
發明者卡斯·范·德·阿沃爾特, 約卜·邦當, 約瑟夫·託馬斯·馬丁內斯·范貝克, 約翰內斯·范·溫格登, 羅伯特·詹姆斯·帕斯克·蘭德 申請人:Nxp股份有限公司