微机电谐振器制造技术

本申请涉及一种微机电谐振器。在具有基板和可移动微机械构件的MEMS装置中，机械结构将可移动微机械构件固定到基板，将可移动微机械构件与基板热隔离，并提供传导路径以使得可移动微机械构件能够加热到至少300摄氏度的温度。度。度。

【技术实现步骤摘要】
微机电谐振器
[0001]本申请是2016年6月19日提交的201680036065.9号的专利技术专利申请(名称为“微机电谐振器”)的分案申请。


[0002]本文的公开涉及微机电系统(MEMS)领域，并且更具体地涉及谐振MEMS结构。
附图说明
[0003]在附图中通过示例而非限制的方式示出了在此公开的各种实施例，并且其中：
[0004]图1A
‑
图1C示出了具有至少两个简并掺杂硅层的示例性压电致动MEMS谐振器的各种物理、电和TCF工程方面；
[0005]图2A示出了频率(TCF)的正/负一阶和二阶温度系数(TCF) 的示例，并且还示出了正和负0阶TCF(即，与温度无关的频率偏移)。
[0006]图2B
‑
图2E示出了由允许控制频率的一阶和更高阶谐振器温度系数的一种或多种材料组成的谐振结构的实施例；
[0007]图2F示出了具有简并掺杂半导体层的谐振器的实施例，其中掺杂剂浓度和/或类型在谐振器本体两端是不均匀的；
[0008]图2G示出了具有期望特性的局部沉积或图案化材料的谐振器中或谐振器上具有区域的谐振器的实施例；
[0009]图2H示出了图2B
‑
图2G的共振器实施例和本文公开的其它实施例中的工程TCF的示例；
[0010]图2I示出了图2E的谐振器实施例，其中导电层被制造得足够薄以使其对复合结构的TCF的贡献可忽略不计；
[0011]图2J示出了MEMS谐振器的实施例，该谐振器具有与氮化铝层叠的简并掺杂的单晶硅以及夹置在顶部和底部电极之间的那两层；
[0012]图3示出了MEMS系统的一个实施例，其中谐振器共同制造在具有温度敏感元件和加热器的单个基板上(在备选实施例中，温度敏感元件和/或加热器可以可选地被排除)；
[0013]图4A
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图4I示出了MEMS系统的实施例，其中温度稳定的MEMS 谐振器与附加的主动温度补偿组合，以提高温度上的频率稳定性；
[0014]图5A示出了与主动温度补偿系统的一个或多个部件集成的简并掺杂硅MEMS谐振器的实施例；
[0015]图5B示出了图5A的实施例中的温度补偿操作的示例；
[0016]图6示出了用于将温度传感器集成在具有双硅谐振器的振荡器系统内的各种选项；
[0017]图7示出了用于在同一SOI基板的相邻区域内制造MEMS热敏电阻和双硅MEMS谐振器的示例性过程；
[0018]图8示出了具有作为谐振器结构的一部分的附加的轻掺杂(或未掺杂)单晶硅热敏
电阻层的双硅谐振器内的示例性互连布置；
[0019]图9A示出了具有结合图1A
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图5B描述的一个或多个特征的简并掺杂半导体(DDS)谐振器的实施例；
[0020]图9B示出了图9A的DDS谐振器的示例性有限元模型；
[0021]图10A
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图10I示出了双硅谐振器形状和设计的非穷尽性示例；
[0022]图11A和图11B示出了具有一个或多个金属层或硅化物的双硅谐振器实施例，以改善电极导电性和/或用作种子床，以改善内部压电层的材料结构化；
[0023]图12A和12B示出了具有图1A中所示的三层以及附加金属层的备选材料堆叠；
[0024]图13A和图13B示出了避免表面张力不平衡和所导致的结构翘曲的对称双硅材料堆叠的实施例；
[0025]图14示出了可使用本文公开的各种技术和电路配置来加热或过热的微机电系统(MEMS)内的示例性微机械构件(或结构)；
[0026]图15A示出了具有DDS谐振器以及允许产生时间焦耳加热的结构互连的示例性MEMS装置的轮廓图；
[0027]图15B示出封装后焦耳加热MEMS实施例，其中导电通孔延伸穿过气密封装盖布置，以与导电锚定结构电接触；
[0028]图15C示出了备选实施例，其中导电通孔延伸穿过器件基板(例如，本体半导体)以使得焦耳加热电流能够流过DDS谐振器；
[0029]图16A
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图16C示出了多功能系绳结构的实施例，分别示出了本体系绳(tether)、复合系绳和扩展路径系绳的示例；
[0030]图16D示出了通过经由锚定器和折叠系绳使DC或AC焦耳加热电流通过可移动的微机械元件而实现的示例性热曲线；
[0031]图17示出了另一焦耳加热MEMS实施例，其中提供相应对“柔性”系绳，以将焦耳加热电流传导到可移动微机械构件，每个这样的系绳对由此形成专用加热端口；
[0032]图18A和图18B示出了示例性电容耦合加热布置，其中充当驱动和/或感测电极的电极与在可移动微机械元件内驱动AC焦耳加热电流的射频(RF)能量输入一样；
[0033]图19A示出了焦耳加热实施例，其中能量被传导地或电容地供应到多层MEMS谐振器的相应层；
[0034]图19B示出了备选加热布置，其中焦耳加热主要源于双硅谐振器的图案化电极层内；
[0035]图20示出了另一实施例，其中RF能量源被耦合在如图19A所示的可移动微机械构件的外层两端；
[0036]图21示出了具有MEMS管芯(例如，其上形成有可移动微机械构件)和控制管芯的封装或芯片级MEMS封装；
[0037]图22示出了可用于实现图22的可编程加热控制电路的可编程加热控制器的实施例；
[0038]图23示出了其中外部加热控制器内的多个加热功率驱动器可以被耦合到相应的单个化或晶圆上的MEMS器件的布置；
[0039]图24A示出了可以在图22和图23的外部或原位加热控制器或任何其他可行的加热
源内产生的示例性加热功率曲线，以及在可移动的微机械构件内产生的示例性温度。
[0040]图24B示出了可以应用于实现受控MEMS结构冷却和/或加热的示例性功率脉冲波形整形。
[0041]图25示出封装的MEMS器件的示例性处理，其中执行烘箱回流操作以将形成加热端口的两个单独的端子合并到单个操作控制端子中；
[0042]图26示出了具有两个前侧端子以及一个后侧端子(为了实现焦耳加热/过热)的封装MEMS装置内的示例性加热端口布置；以及
[0043]图27A和图27B分别示出了分别在加热/过热和运行时操作期间对应于图26的封装MEMS装置的示例性电路模型。
[0044]图28A和图28B示出了封装级硅通孔(TSV)和压电致动谐振器电极之间的示例性电互连，其使得封装级端子互连(即，在随后的封装步骤期间)和封装后的MEMS谐振器的焦耳加热；
[0045]图29A和图29B示出了备选的端子减少方法，其中三个或更多个封装级端子在封装壳体内进行包围之前合并，以仅露出两个电独立的封装级端子；
[0046]图30示出了经由激光束加热MEMS谐振器，其优选地被DDS 相对于作为气密封装的一部分的盖和基板吸收；
[0047]图32本文档来自技高网...

【技术保护点】

【技术特征摘要】
1.一种制造微机电系统(MEMS)谐振器的方法，所述方法包括：处理半导体衬底上的单晶硅层，以由所述单晶硅层制成本体区、锚定区和系绳中的每一个，其中所述单晶硅层用N型掺杂剂进行简并掺杂，所述本体区还包括压电材料层，在施加到所述压电材料的电刺激的影响下，所述系绳允许所述本体区相对于所述锚定区振动，并且所述本体区具有长度尺寸，所述长度尺寸被定向成相对于所述单晶硅的晶轴具有预定的非零角度关系；测量所形成的所述本体区的谐振频率；以及处理所述本体区，以调整所述本体区的至少一个特性，进而调整所述谐振频率。2.根据权利要求1所述的方法，其中，所述微机电系统谐振器位于半导体管芯上，并且所述方法还包括封装所述半导体管芯；以及所述本体区的处理是在封装后进行的。3.根据权利要求1所述的方法，其中，所述微机电系统谐振器具有特征频率
‑
温度曲线，该特征频率
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温度曲线具有两个转折点，其中一个转折点为高温转折点；和所述方法还包括为所述微机电系统谐振器提供至少一个加热元件，所述加热元件在所述微机电系统谐振器的运行期间被控制，以便在所述微机电系统谐振器的运行期间将所述本体区的温度相对于所述高温转折点保持在预定的设定点。4.根据权利要求1所述的方法，其中，所述本体区具有每立方厘米至少1E20个原子的N型掺杂剂浓度；所述微机电系统谐振器具有特征频率
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温度曲线，该特征频率
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温度曲线具有两个转折点，其中一个转折点为高温转折点。所述方法还包括为所述微机电系统谐振器提供至少一个加热元件和加热控制器；以及所述加热控制器控制所述加热元件，以将所述本体区的至少一部分加热到高于所述高温转变点的温度。5.根据权利要求1所述的方法，其中，所述N型掺杂剂是磷。6.根据权利要求1所述的方法，其中，所述方法进一步包括以其中所述单晶硅层未被简并掺杂的形式接收半导体衬底，并用所述N型掺杂剂掺杂所述单晶硅层，以变成简并掺杂。7.根据权利要求1所述的方法，其中，所述系绳提供至少一个电气路径；所述谐振频率的测量包括在封装后通过所述电气路径提供所述电刺激，以运行所述微机电系统谐振器；以及为调整所述至少一个特性对所述本体区的处理在封装之后进行。8.根据权利要求1所述的方法，其中，所述方法还包括为所述微机电系统谐振器提供加热元件；所述系绳提供至少一个电气路径；以及
为调整所述至少一个特性对所述本体区的处理包括通过所述电气路径向所述加热元件提供信号并且通过所述加热元件施加热量来调整所述至少一个特性。9.根据权利要求8所述的方法，其中，所述方法还包括为所述微机电系统谐振器提供加热元件；所述电信号为交流信号；以及所述加热元件被所述交流信号激发，以将所述本体区的至少一部分加热到高于所述微机电系统振荡器的正常运行温度范围的温度，从而调整至少一个特性。10.根据权利要求9所述的方法，其中，所述微机电系统谐振器的特征在于单端口谐振器；以及所述电气路径还用于在所述微机电系统谐振器的正常运行模式期间提供所述电刺激。11.根据权利要求8所述的方法，其中，所述方法还包括以迭代的方式重新执行谐振频率的测量和所述本体区的处理；以及对于每个迭代，所述方法还...

【专利技术属性】
技术研发人员：C，
申请(专利权)人：芯时光公司，
类型：发明
国别省市：