[发明专利]谐振器

说明书

技术领域

本发明涉及一种谐振器结构，具体地涉及一种MEMS(微机电系统)谐振器，并且涉及制造这种谐振器的方法。

背景技术

电子设备中的定时基准已经以机械方式实现了很长时间。振荡器封装中的石英晶体谐振器出现在许多应用中。石英晶体谐振的高品质因子和低温度漂移意味着它们具有较高的稳定性，因此可以选择石英晶体谐振器作为电子设备中的定时基准。

另一方面，MEMS谐振器是利用可操作地设置在衬底上的微型部件构成的器件。MEMS谐振器典型地通过使用光刻和其他微制造技术来构建，以生产例如传感器和致动器。微机械谐振器通常形成于集成电路所使用类型的硅衬底上，并且可以使用CMOS技术来制造。

近来已经开发MEMS谐振器，目的在于代替定时市场中的石英。这些谐振器具有与极端形成因子相结合的高Q因子(是频率选择性的量度)。传统石英振荡器封装的典型尺寸以毫米为单位，而包括谐振器并驱动电子设备的MEMS振荡器可以利用薄膜技术来制造，使得其厚度小于100μm。然而，MEMS谐振器的有益形成因子单独地并不足以使其成为大多数定时基准应用的候选。这是因为MEMS谐振器的谐振频率是依赖于温度的。这意味着谐振频率在工作温度范围内不是恒定的。

尽管存在影响谐振器频率的温度依赖性的许多因素，硅(最常用于形成谐振器的材料)的温度依赖弹性模量(或者杨氏模量)极大地决定了谐振器的温度系数。当谐振器由硅形成时，沿<100>方向的杨氏模量的标称值连同硅的负温度依赖性一起是众所周知的。这意味着对于室温下给定的几何结构，可以精确地预测仅沿<100>方向振动的振荡器的频率。因为杨氏模量的负温度系数(TC)，谐振器的频率也具有负的TC。

为了克服具有负温度系数的MEMS谐振器的谐振频率的温度依赖性的问题，已知的是使用被动温度补偿技术。一种这样的被动温度补偿技术是向这种谐振器添加正温度系数的材料。通过向谐振器添加这种材料，总温度系数可以变得几乎不为负，并且在特定容限下可以将其减小为零。在这种情况下，谐振器的频率将变得与温度无关。

已知二氧化硅拥有正温度系数，并且已知用二氧化硅外皮(coat)来涂覆由硅形成的谐振器，以便补偿谐振频率的依赖性。

一种已知的方法包括在悬置的硅谐振器周围涂覆二氧化硅外皮的步骤。将这种方法称作全局氧化，因为将谐振器的整个表面(顶部区域、底部区域和侧壁)上的所有硅按照实质上相同的速率被转换为二氧化硅。

另一种已知的方法被称作局部氧化，其中只将一部分硅谐振器转换或者替换为二氧化硅。

已知仅由硅形成的谐振器表现出谐振频率的30ppm/K的负温度漂移。这意味着在100℃的范围上，频率将变化3000ppm。该-30ppm/K值称作谐振器的线性温度系数(TC)。

在由硅形成的谐振器已经涂覆了二氧化硅层之后，线性温度系数与生长的氧化层厚度具有近似的线性关系。

对于任一个这种谐振器，将存在导致线性TC为零的氧化层厚度。这引起谐振器的频率实质上不再随温度变化，因此总是温度无关的。

然而，谐振器的频率将依赖于其他因素和环境温度。这意味着如果将频率相对于温度的变化减小到较小的值，使得TC近似为零，那么仍然不能产生彼此之间具有正好相同谐振频率的谐振器的晶片，因为给定谐振器的绝对频率还依赖于氧化层的厚度。对于300nm的氧化物厚度，忽略温度引起的任何波动，相对于未氧化谐振器的频率的频率变化在100000ppm以上。因此可以看出，氧化物厚度变化引起的对频率的影响远大于100°温度范围上的频率变化。

因为频率高度依赖于氧化物厚度，在具有较厚氧化物的MEMS谐振器中存在较大的频率展开并不令人惊奇。

换句话说，尽管氧化层可以减小谐振器的TC，但是谐振器的频率仍然随着所述层厚度的变化而变化。

通常使用热氧化工艺涂覆二氧化硅。这种工艺具有百分之几的相对误差。例如，对于300nm的预期氧化层厚度，所述层实际上将具有293nm至308nm之间的厚度，意味着存在5％的相对误差。这意味着所得到的谐振器绝对频率可以具有落在每百万数千部分范围内的展开。这样的范围对于大多数应用来说太大。

谐振器的频率也依赖于已知是Δ的光刻/刻蚀变化，因为弹簧常数和质量块分别对于谐振器的弹簧和质量块区域的几何变化敏感。