CN103051302B - 横向体声波谐振器、制备方法及应用该谐振器的振荡器 - Google Patents
横向体声波谐振器、制备方法及应用该谐振器的振荡器 Download PDFInfo
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Abstract
本发明涉及一种横向体声波谐振器、制备该横向体声波谐振器的方法以及应用该横向体声波谐振器的振荡器，属于微机电系统（MEMS）领域。本发明中所述的横向体声波谐振器通过固定端约束谐振体上下左右位移，通过将谐振体垂直设置，使谐振体与驱动电极组成的机-电耦合系统后，当该机-电耦合系统受到外力驱动时，谐振体仅在水平方向上收缩变形，从而使其振动模式单一稳定，故而通过应用此种结构的振荡器在工作时可以获得稳定的频率。而本发明中的谐振器的制备工艺则采用硅片正面刻蚀工艺结合淀积、键合工艺、湿法腐蚀等工艺形成悬浮谐振体，固定端，以及纳米级间距驱动电极，能够有效控制悬浮谐振体的高度，厚度，以及驱动电极间隙。
Description
技术领域
本发明涉及一种横向体声波谐振器、制备该横向体声波谐振器的方法以及应用该横向体声波谐振器的振荡器，属于微机电系统（MEMS）领域。
背景技术
振荡器是广泛运用于电子工业中的用来产生重复电子讯号（通常是正弦波或方波）的电子元件。按照其工作原理，振荡器可分为阻容振荡器，电容电感振荡器，石英晶体振荡器等，以及近年来出现的新型MEMS振荡器。
在过去相当长一段时间内，依靠出色的温度频率稳定性，较高的品质因素，传统的石英振荡器应用于几乎所有的电子产品之中，包括消费类产品，工业控制，军事产品等等。但是在进入移动多媒体时代后，手持设备对于器件的功耗，体积，成本提出了更高的要求。相对于传统的石英晶体振荡器，MEMS振荡器由于其体积小，与CMOS集成度高，造价成本低，频率范围广并可调节等优势越来越受到消费类电子产品以及通讯产品的青睐。美国Discera公司和Sitime公司分别发明了MEMS有源振荡器，并推出相关产品，运用于各类消费类电子产品之中。
一个MEMS振荡器包括MEMS谐振器，激励电路以及频率补偿电路。按照其性能和应用领域的不同，可以大致分为普通振荡器，压控振荡器，温控振荡器以及恒温振荡器等。按照其内部电容型谐振器结构不同，MEMS振荡器可分为梳齿型，固支梁型，碟型，环型等振荡器。按照其工作原理的不同又可分为声表面波型以及体声波型。相比较而言，体声波型振荡器有着较声表面波振荡器更高的品质因素，更低的谐振阻抗，成为目前研究和实用化产品的主流方向。
发明内容
为了解决上述技术问题，本发明提供了一种横向体声波谐振器、制备该横向体声波谐振器的方法以及应用该横向体声波谐振器的振荡器。
为解决上述技术问题，本发明采用如下技术方案：一种横向体声波谐振器，包括具有正面和背面的衬底、垂直悬浮于衬底正面的谐振体、若干个耦合于所述谐振体的垂直侧面并固定在衬底上的驱动电极、以及用于连接衬底和谐振体的固定端，所述谐振体在水平方向上呈正多边形，所述驱动电极与谐振体之间形成静电力-电容转换的机电耦合系统。
为解决上述技术问题，本发明采用如下技术方案：一种振荡器，包括谐振器、激励电路和信号处理电路，所述谐振器采用上述横向体声波谐振器。
为解决上述技术问题，本发明采用如下技术方案：一种横向体声波谐振器的制备方法，其制备方法包括如下步骤：
S1：采用淀积工艺在单晶硅片正面形成介质层；
S2：采用键合工艺在单晶硅片正面键合第二片单晶硅片；
S3：采用干法刻蚀工艺从第二片单晶硅片正面刻蚀若干个用于设置驱动电极的单晶硅槽，同时形成具有正多边形的谐振体和连接谐振体的固定端，所述单晶硅槽和固定端围绕在所述谐振体周围；
S4：采用淀积工艺与刻蚀工艺在单晶硅槽的侧壁形成厚度为驱动电极与谐振体间距的牺牲层；
S5：采用淀积工艺在上述步骤S4中形成的半成品的上表面形成多晶硅层，使其厚度为能填充步骤S4之后的单晶硅槽；
S6：采用刻蚀工艺刻蚀去除谐振体上方的多晶硅层，采用腐蚀工艺去除谐振体下方的介质层、牺牲层。
本发明中所述的谐振器通过固定端约束谐振体上下左右位移，通过将谐振体垂直设置，使谐振体与驱动电极组成的机-电耦合系统后，当该机-电耦合系统受到外力驱动时，谐振体仅在水平方向上收缩变形，从而使其振动模式单一稳定，故而通过应用此种结构的振荡器在工作时可以获得稳定的频率。而本发明中的谐振器的制备工艺则采用硅片正面刻蚀工艺结合淀积、键合工艺、湿法腐蚀等工艺形成悬浮谐振体，固定端，以及纳米级间距驱动电极，能够有效控制悬浮谐振体的高度，厚度，以及驱动电极间隙。
附图说明
图1为本发明的一种具体实施方式中横向体声波谐振器的俯视图。
图2为本发明中另一种具体实施方式中横向体声波谐振器的俯视图。
图3为图1中的部分透视图。
图4为图2中的部分透视图。
图5~11为本发明中的横向体声波谐振器的制造流程图。
具体实施方式
实施例（一）：
请参图1所示，本发明揭示了一种电容型横向扩展体声波硅振荡器，所示振荡器包括横向体声波谐振器、激励电路以及信号处理电路。所述激励电路和信号处理电路为本领域的公知技术，故在此不进行详细说明以及图示。在本附图中，所述横向体声波谐振器包括谐振体2、环绕在谐振体2周围的若干个驱动电极4和固定端3，所述谐振体2与驱动电极4之间形成静电-电容转换的机电耦合系统，在本发明实施例中，所述耦合面31与外侧面21采用纳米级间距距离，该间距5在100~300纳米，驱动电极4与谐振体2产生的斥力驱动谐振体2运动，驱动电极3与谐振体2的机电耦合与激励电路组成等效的负阻振荡电路，通过驱动电极3趋势谐振体2受迫振荡，达到谐振条件的谐振体2与驱动电极3之间的电容信号可以输出为稳定的频率信号，再经信号处理电路得到期望值范围内的频率信号。
请参图11所示，所述横向体声波谐振器包括具有正面11和背面12的衬底1、于衬底1正面11内凹形成的空腔17、垂直悬浮于衬底1正面11并位于空腔17上方的谐振体2、若干个耦合于所述谐振体2并固定在衬底1上的驱动电极3、以及用于连接衬底1和谐振体2的固定端4，该谐振体2和驱动电极3形成静电力-电容转换的机电耦合系统，形成一个平板电容的两个极板，当交变的电压施加在驱动电极4上，谐振体2的侧边会同时受到交变的指向谐振体1内切圆心的外力，此外力垂直于极板，从而迫使谐振体2尽在水平方向上形变。所述衬底1包括基底13、覆盖在基底13上的第一氧化层14、覆盖在第一氧化层14上的隔离层15和覆盖于隔离层15上的第二氧化层16，所述空腔17通过采用刻蚀工艺在衬底1上形成空腔17，其空腔17贯通第一氧化层14、隔离层15和第二氧化层16并内凹于基底13，采用此空腔17的目的是为了便于制作该横向体声波谐振器，当然也可以不采用设置空腔17。
再结合附图3所述，所述谐振体2在水平方向上呈正六边形，具有上表面22，与上表面22相对设置的下表面23以及垂直于衬底1的六个外侧面21，所述谐振体2通过外侧面21与驱动电极3耦合，使谐振体2和驱动电极3形成静电力-电容转换的机电耦合系统。在本发明中，所述谐振体2亦可采用其他正多边形形式。所述各驱动电极3之间采用间隔相同的夹角和距离，对称的围绕在谐振体2周围，所述固定端4与驱动电极3采用相同数量，并与驱动电极3间隔设置，固定端4连接在所述呈正六边形的谐振体2的顶角部分，通过该六个固定端4限制垂直方向的振动和水平方向的平移，扭转，除此以外，所述固定端4亦可采用其他数量，但经反复试验发现，采用大于两个固定端4的谐振体横向扩展模式的谐响应比两端固定谐振体的振动模式更加稳定。所述固定端4与谐振体2均为单晶硅材料，在制作过程中，如图5~11所示，所述固定端4与谐振体2为一体式结构，在衬底1上采用键合工艺在衬底1的正面11键合一片单晶硅片101，该单晶硅片101采用硅片减薄工艺将该单晶硅片101的厚度减薄为可悬浮设置的谐振体厚度，为了达到稳定的单一振动模式（即：谐振体2只进行横向收缩扩展运动），所述谐振体2的厚度采用不大于正六边形侧边的中点到正多边形中心的距离。然后采用干法刻蚀工艺从单晶硅片101正面刻蚀若干个用于设置驱动电极3的单晶硅槽102，同时形成具有正六边形的谐振体2和连接谐振体2的固定端4。
再结合图2所示，所述驱动电极3具有耦合面31，该耦合面31与外侧面21平行，垂直于衬底1，又由于各驱动电极3之间采用间隔相同的夹角和距离，对称的围绕在谐振体2周围，故耦合产生的力均在水平方向上，并且使谐振体2各个边在径向上运动方式相同，产生的横向扩展振动更加稳定。在本附图中，所述外侧面21与耦合面31均为曲面，两者采用相同的曲率半径，并且这些曲面均内凹朝向谐振体2内部，通过所述曲面，即使驱动电极与谐振体有少量的错位和不平行，其曲边可以将非理想的静电力分解到各个方向，使得指向谐振体2内切圆心的力最大而其他方向上的力经过各个方向的分离消减，从而将负面影响降到最低，继而能够有效的向谐振体2内切圆心方向集中能量，更好的稳定振动模式和频率，此结构能有效的提高器件的工艺容差。当然，除采用曲面外，外侧面21与耦合面31还可以采用其他形式，如直面。
结合图5~11所示，为上述横向体声波谐振器的制备方法，其剖面取自上述附图1中的虚线A-A处。
上述横向体声波谐振器的制备方法包括如下步骤：
请参图5，
S1：采用单晶硅片作为基底13，采用淀积工艺在基底13正面形成介质层，该介质层分别依次为：第一氧化层14、隔离层15和第二氧化层16；
S2：采用刻蚀工艺在衬底1的正面11上去除部分介质层并刻蚀基底13形成空腔17；
S3：采用键合工艺在衬底1的正面11键合第二片单晶硅片101，所述单晶硅片101采用硅片减薄工艺将该单晶硅片101的厚度减薄为可悬浮设置的谐振体厚度，为了达到最佳效果，其厚度不大于最后形成的谐振体的正六边形侧边中点到该正六边形中心的距离；
S4：请参图6，采用淀积工艺在单晶硅片101正面形成所需谐振体形状的氧化层103，将该氧化层103作为保护层，当然可以不采用本步骤直接进行下面的步骤；
S5：请参图7，采用干法刻蚀工艺从单晶硅片101正面刻蚀若干个用于设置驱动电极的单晶硅槽102，同时形成具有正六边形的谐振体2和连接谐振体2的固定端4，该谐振体2位于空腔17上方，且所述单晶硅槽102和固定端4间隔围绕在所述谐振体2的周围，该固定端4与谐振体2的正六边形的顶角相连；
S6：请参图8，采用淀积工艺与刻蚀工艺在单晶硅槽的侧壁形成厚度为驱动电极与谐振体的间距5的牺牲层104，该牺牲层104的厚度为100~300纳米；
S7：请参图9，在介质层104上采用干法刻蚀工艺，去除掉固定端4和氧化层103上方的牺牲层104；
S8：请参图10，采用淀积工艺在步骤S7后形成的半成品的上表面形成多晶硅层105，由于淀积工艺的保形性，所述多晶硅层105能填充步骤S6之后留下形成的单晶硅槽102’；
S8：采用刻蚀和腐蚀工艺，刻蚀去除谐振体2上方的多晶硅层105，腐蚀其下方的介质层，以及去除牺牲层104和氧化层103，最后形成如图11所示结构，在本步骤中，可采用缓冲氢氟酸（BOE）进行腐蚀。
在上述步骤中，所述淀积工艺为低压化学气相淀积，等离子体化学气相淀积或热氧化；所述刻蚀工艺包括光刻、干法刻蚀。
实施例（二）
请参图2、4所示，一种应用在电容型横向扩展体声波硅振荡器中的横向体声波谐振器，该横向体声波谐振器的结构、制备方法与实施例（一）中相同，只是在此处，其中的谐振体2采用的是正三角形，为正多边形最少边数方案，固定端4为三个，分别位于正三角形的三个顶角。其较之实施（一）中的双端固定的结构谐振体，三角形的谐振体，能够带来更交稳定的谐响应，在振荡器工作时获得更加稳定的频率。应用此种结构的振荡器与实施例（一）中的结构相同，同样还包括激励电路以及信号处理电路，故，在此对本实施例中的横向体声波谐振器的结构、制备方法不再进行详细阐述，同样对振荡器结构也不进行详细阐述。
最后需要说明，本发明中的所述的谐振器通过固定端约束谐振体2上下左右位移，通过将谐振体2垂直设置，通过谐振体2与驱动电极3组成的机-电耦合系统后，当该机-电耦合系统受到外力驱动时，谐振体2仅在水平方向上收缩变形，从而使其振动模式单一稳定，故而通过应用此种结构的振荡器在工作时可以获得较高的品质因素以及很低的谐振阻抗，更有利于振荡器工作在稳定的状态。而制备所述谐振器则采用特殊的MEMS工艺，该工艺采用硅片正面刻蚀工艺结合淀积、键合工艺、湿法腐蚀等工艺形成悬浮谐振体，固定端，以及纳米级间距驱动电极。能够有效控制悬浮谐振体的高度，厚度，以及驱动电极间隙。
尽管为示例目的，已经公开了本发明的优选实施方式，但是本领域的普通技术人员将意识到，在不脱离由所附的权利要求书公开的本发明的范围和精神的情况下，各种改进、增加以及取代是可能的。
Claims (19)
1.一种横向体声波谐振器，包括具有正面（11）和背面（12）的衬底（1），其特征是：所述横向体声波谐振器还包括垂直悬浮于衬底（1）正面（11）的谐振体（2）、若干个耦合于所述谐振体（2）的垂直侧面并固定在衬底（1）上的驱动电极（3）、以及用于连接衬底（1）和谐振体（2）的固定端（4），所述谐振体（2）在水平方向上呈正多边形，所述谐振体（2）具有上表面、与上表面相对的下表面以及垂直于所述衬底（1）的若干外侧面（21），所述驱动电极（3）与谐振体（2）的每个所述外侧面（21）之间形成静电力-电容转换的机电耦合系统。
2.根据权利要求1所述的横向体声波谐振器，其特征是：所述多边形为对称正六边形或正三角形。
3.根据权利要求1所述的横向体声波谐振器，其特征是：所述谐振体（2）的厚度不大于正多边形侧边的中点到正多边形中心的距离。
4.根据权利要求1所述的横向体声波谐振器，其特征是：所述驱动电极（3）与所述谐振体（2）之间具有间距（5），所述间距（5）在100~300纳米。
5.根据权利要求1所述的横向体声波谐振器，其特征是：所述若干个驱动电极（3）等间距围绕设置在所述谐振体（2）的周围。
6.根据权利要求5所述的横向体声波谐振器，其特征是：所述固定端（4）与所述驱动电极（3）数量相等。
7.根据权利要求1或6所述的横向体声波谐振器，其特征是：所述固定端（4）位于所述正多边形的谐振体（2）的顶角，并且与所述驱动电极（3）采用等间隔设置。
8.根据权利要求1所述的横向体声波谐振器，其特征是：所述谐振体（2）与驱动电极（3）耦合的垂直侧面为外侧面（21），所述驱动电极（3）与外侧面（21）的耦合部为耦合面（31），所述耦合面（31）平行外侧面（21），且垂直于衬底（1）。
9.根据权利要求8所述的横向体声波谐振器，其特征是：所述外侧面（21）和所述耦合面（31）均为平面。
10.根据权利要求1或8所述的横向体声波谐振器，其特征是：所述外侧面（21）和耦合面（31）为内凹朝向谐振体（2）内部的曲面。
11.根据权利要求1所述的横向体声波谐振器，其特征是：所述衬底（1）包括基底（13）、覆盖在基底（13）上的第一氧化层（14），覆盖在第一氧化层（14）上的隔离层（15），覆盖在隔离层（15）上的第二氧化层（16），所述衬底还设有通过贯通第一氧化层（14）、隔离层（15）和第二氧化层（16）并内凹于基底而形成的空腔（17）。
12.根据权利要求11所述的横向体声波谐振器，其特征是：所述空腔（17）于衬底（1）正面（11）内凹形成且位于谐振体（2）下方。
13.一种振荡器，包括谐振器、激励电路和信号处理电路，其特征是：所述谐振器采用如上述权利要求1~12中所述的任意一种横向体声波谐振器。
14.一种横向体声波谐振器的制备方法，其特征是：所述制备方法包括如下步骤：
S1：采用淀积工艺在单晶硅片正面形成介质层；
S2：采用刻蚀工艺在经过S1步骤的单晶硅片正面上去除部分介质层并继续刻蚀单晶硅片自身形成空腔；
S3：采用键合工艺在单晶硅片正面键合第二片单晶硅片；
S4：采用干法刻蚀工艺从第二片单晶硅片正面刻蚀若干个用于设置驱动电极的单晶硅槽，同时形成具有正多边形的谐振体和连接谐振体的固定端，所述单晶硅槽和固定端围绕在所述谐振体周围；
S5：采用淀积工艺与刻蚀工艺在单晶硅槽的侧壁形成厚度为驱动电极与谐振体间距的牺牲层；
S6：采用淀积工艺在上述步骤S4中形成的半成品的上表面形成多晶硅层，使其厚度为能填充步骤S4之后的单晶硅槽；
S7：采用刻蚀工艺刻蚀去除谐振体上方的多晶硅层，采用腐蚀工艺去除谐振体下方的介质层、牺牲层。
15.根据权利要求14所述的横向体声波谐振器的制备方法，其特征是：在所述步骤S3和S4之间还可增加如下步骤：
A1、采用淀积工艺在单晶硅片正面形成所需谐振体形状的保护层；
最后在所述步骤S7中，在采用腐蚀工艺去除谐振体下方的介质层、牺牲层时，同时去除所述保护层。
16.根据权利要求15所述的横向体声波谐振器的制备方法，其特征是：所述保护层为氧化层。
17.根据权利要求14所述的横向体声波谐振器的制备方法，其特征是：在所述步骤S7中，所述腐蚀工艺中采用缓冲氢氟酸腐蚀。
18.根据权利要求14所述的横向体声波谐振器的制备方法，其特征是：所述介质层包括第一氧化层、第二氧化层以及设置在所述第一氧化层和第二氧化层之间的隔离层。
19.根据权利要求14所述的横向体声波谐振器的制备方法，其特征是：在所述步骤S3中，采用硅片减薄工艺将第二片单晶硅片的厚度减薄为可悬浮设置的谐振体厚度。
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