CN113364423B - 压电mems谐振器及其形成方法、电子设备 - Google Patents
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Abstract
本发明涉及谐振器技术领域，具体涉及一种压电MEMS谐振器及其形成方法、电子设备。本发明的压电MEMS谐振器，具有一个或多个谐振结构，所述谐振结构包括沿平行于器件基底平面的方向堆叠的压电层、电极层和从动层。该压电MEMS谐振器中，谐振结构为在水平方向上振动而非在上下方向振动。由于不在需要垂直方向的振动空间，因而大幅缩减了对纵向空间的要求，可以直接用平面硅片键合封装，使成本降低。由于谐振结构可以在纵向延伸，因而器件可以在水平尺寸上进行压缩，实现小型化，高产率。这种谐振器通过在谐振结构的纵向侧壁附着压电薄膜实现。当在谐振体的两个对表面同时附着压电层时，可使谐振器的机电耦合系数翻倍，同时解决应力补偿问题。
Description
技术领域
本发明涉及谐振器技术领域，具体涉及一种压电MEMS谐振器及其形成方法、电子设备。
背景技术
微型谐振器目前已经被广泛的应用于各类小型化微型化的电子设备。压电MEMS谐振器具有高稳定性、高品质因数、低成本的优势。目前，谐振器的小型/微型化是业内的关注点之一，小型化有助于产率提高及成本降低。而如何在小尺寸/小空间下进行谐振器的优化设计是影响微型谐振器性能的关键要素。
通常压电MEMS谐振器采用平面结构，其工作是在垂直方向上振动，因而在垂直方向需要提供较大的空间用来提供自由振动，该空间实现起来较复杂，制造成本高；而且，由于谐振器设计需要一定的体积来实现，仅采用平面工艺或平面结构的谐振器很难进一步实现小型化。
发明内容
有鉴于此，本发明提出一种压电MEMS谐振器及其形成方法、电子设备，易于实现器件小型化。
本发明第一方面提出一种压电MEMS谐振器，具有一个或多个谐振结构，所述谐振结构包括沿平行于器件基底平面的方向堆叠的压电层、电极层和从动层。
可选地，所述压电MEMS谐振器工作在谐振频率附近，且谐振结构的谐振频率大于20kHz。
可选地，所述压电MEMS谐振器还包括：封装硅帽，其中，所述封装硅帽的封装形式为密封封装。
可选地，所述密封封装为真空封装，封装体内气压不大于10Pa。
可选地，所述从动层为硅材料。
可选地，所述从动层为单晶硅材料。
可选地，所述压电层的材料为如下材料为：氮化铝、氧化锌、PZT或者上述材料的稀土元素掺杂材料。
可选地，所述压电层的厚度为0.01微米至10微米，或者为0.1微米至1微米。
可选地，所述谐振结构为如下一种形式或多种形式的组合：悬臂梁、简支梁、环形、音叉形。
可选地，当谐振结构的数量为多个时，所述压电MEMS谐振器还包括耦合结构，多个所述谐振结构通过所述耦合结构连接到所述基底上。
可选地，单个所述谐振结构中，所述从动层的单侧具有所述压电层或者所述从动层的两侧具有所述压电层。
可选地，所述从动层的两侧具有压电层，并且从动层两侧的压电层晶向相反。
可选地，所述从动层的两侧具有压电层，并且两侧压电层的工作电场方向一致。
本发明第二方面提出一种压电MEMS谐振器的形成方法，所述压电MEMS谐振器具有一个或多个谐振结构，所述谐振结构包括沿平行于器件基底平面的方向堆叠的压电层、电极层和从动层，所述形成方法包括：在SOI硅片之上形成沉积掩膜材料并图形化，得到第一掩膜区域和第一暴露区域；刻蚀所述第一暴露区域至所述SOI硅片的埋氧层，保留所述第一掩膜区域下方的所述SOI硅片的顶硅层以形成所述谐振结构的从动层，然后去除第一图形化掩膜；在所述从动层侧表面依次形成所述压电层和所述电极层；去除所述从动层下方的所述埋氧层，以形成所述谐振结构。
可选地，所述压电MEMS谐振器工作在谐振频率附近，且谐振结构的谐振频率大于20kHz。
可选地，在所述形成所述谐振结构的步骤之后，还包括：在当前半导体结构的上方键合封装硅帽，其中，所述封装硅帽的封装形式为密封封装。
可选地，所述密封封装为真空封装，封装体内气压不大于10Pa。
可选地，所述从动层为硅材料。
可选地，所述从动层为单晶硅材料。
可选地，所述压电层的材料为如下材料为：氮化铝、氧化锌、PZT或者上述材料的稀土元素掺杂材料。
可选地，所述压电层的厚度为0.01微米至10微米，或者为0.1微米至1微米。
可选地，所述谐振结构为如下一种形式或多种形式的组合：悬臂梁、简支梁、环形、音叉形。
可选地，当谐振结构的数量为多个时，所述形成方法还包括：形成耦合结构，多个所述谐振结构通过所述耦合结构连接到所述基底上。
可选地，在所述从动层的侧面形成压电层和电极层的步骤包括：
在所述从动层的单侧形成压电层和电极层；或者，
在所述从动层的两侧分别形成压电层和电极层。
可选地，在所述从动层的两侧分别形成压电层和电极层的步骤中，所述从动层的两侧的所述压电层晶向相反。
可选地，所述从动层的两侧具有压电层，并且两侧压电层的工作电场方向一致。
本发明第三方面提出一种电子设备，包括本发明提出的压电MEMS谐振器。
根据本发明的技术方案，压电MEMS谐振器中，压电层、电极层和从动层的堆叠方向平行于器件基底平面，谐振结构为在水平方向上振动而非在上下方向振动。由于不在需要垂直方向的振动空间，因而大幅缩减了对纵向空间的要求，键合封装时不在需要带深空腔的硅帽而可以直接用平面硅片键合封装，使成本降低。由于谐振结构可以在纵向延伸，因而器件可以在水平尺寸上进行压缩，实现小型化，高产率，进一步降低成本。这种谐振器通过在谐振结构的纵向侧壁附着压电薄膜实现。当在谐振体的两个对表面同时附着压电层时，还可以使得谐振器的机电耦合系数翻倍，同时解决应力补偿问题。
附图说明
为了说明而非限制的目的，现在将根据本发明的优选实施例、特别是参考附图来描述本发明，其中：
图1至图9为本发明实施方式的压电MEMS谐振器形成方法的过程示意图；
图10A至图10E为本发明实施方式的具有悬臂梁的压电MEMS谐振器的俯视示意图；
图11A至图11B为本发明实施方式的具有固支梁的压电MEMS谐振器的俯视示意图；
图12为本发明实施方式的具有多个悬臂梁的压电MEMS谐振器的俯视示意图；
图13为本发明实施方式的具有环形谐振结构的压电MEMS谐振器的俯视示意图；
图14为本发明实施方式的具有音叉形谐振结构的压电MEMS谐振器的俯视示意图。
具体实施方式
下面结合实施例中的附图，对本发明实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例仅仅是本发明的一部分实施例，而并不是全部的实施例。基于本发明中的实施例，本领域普通技术人员所获得的所有其他实施例，都属于本发明保护的范围。
以下对附图中各部分结构及材料加以说明：
100：悬臂梁，包括：
101：从动层，材料可选单晶硅、多晶硅、碳化硅、石英、熔融石英、氮化铝、砷化镓、蓝宝石等等。在本实施例中从动层优选采用低声损耗材料，以提高谐振器Q值。
102：压电层，可选氮化铝、氧化锌、PZT等材料并包含上述材料的一定原子比的稀土元素掺杂材料。压电层的厚度在0.01微米至10微米之间，优选0.1微米至1微米之间。
103：电极层，具体材料可选钼、钌、金、铝、镁、钨、铜、钛、铱、锇、铬或以上金属的复合或其合金。另外，也可以采用非金属导电材料，如掺杂硅等。
200：空腔
300：空腔壁，材料一般与从动层101相同。
OX：埋氧层
B：下基底，材料可选单晶硅、多晶硅、碳化硅、石英、熔融石英、氮化铝、砷化镓、蓝宝石等。
600：封装硅帽，包括：
601：金属连接区，具体材料可选钼、钌、金、铝、镁、钨、铜、钛、铱、锇、铬或以上金属的复合或其合金。
602：上基底，材料可选单晶硅、多晶硅、氮化铝、砷化镓、蓝宝石、金属等。
603：绝缘层，具体材料可选氧化硅、氮化铝、氧化铝等。
700：键合层，一般为金，也可以是其他金属或二氧化硅、高聚物等常用的键合材料。
实施例1
图1至图9为本发明实施方式的压电MEMS谐振器形成方法的过程示意图。具体工艺流程如下述(本发明专利中各部分以其中可行的一种材料为例进行说明，但不限于此)。
步骤1：提供SOI硅片并在其表面沉积掩膜层
如图1，提供SOI硅片，包括顶硅层T、埋氧层OX和底硅层B。可选地，SOI的顶硅层T的厚度为1至200微米。在SOI硅片的表面依次沉积形成氧化硅层(即图1中的1a)和钼层(即图1中的1b)。在其他实施方式中，氧化硅层也可以是热氧化工艺形成。在其他实施方式中，若用干法刻蚀工艺，钼也可以改为氮化铝或光刻胶。在其他实施方式中，可以只有一种掩膜层，材料为氮化硅。
需要说明的是，当后续步骤中若采用干法刻蚀，只需要在SOI硅片的顶部沉积材料；当后续步骤中若采用湿法刻蚀，为了保护SOI硅片底部不受影响，还需要在SOI硅片底部也形成钝化层(例如也形成氧化硅层1a和钼层1b)。由于后续的步骤中SOI硅片的底部基本维持不变，为了示例的方便，后面图2a至图8中，SOI硅片的底部未完全绘出。
步骤2：掩膜层图形化
具体地，如图2A、2B，先以图形化的光刻胶作为掩膜用干法或湿法刻蚀钼层1b，使其图形化。随后以钼为掩膜用BOE刻蚀氧化硅层1a。最后将光刻胶洗掉。
步骤3：硅刻蚀
如图3，以图形化的钼层1b和氧化硅1a为掩膜，用高温KOH刻蚀至埋氧层OX。
可选地，SOI的顶硅层T为(110)晶向相。还可以选用特定掺杂浓度的SOI硅片，或对制作完成的从动层(由最初的SOI硅片的顶硅层加工得到)进行掺杂，使之达到一定掺杂浓度(大于1019cm-3)，实现温度补偿。
可选地，在其他实施方式中可改为采用干法刻蚀，如DSI、深硅刻蚀等，若采用干法刻蚀，顶硅T也可以是其他晶向或用其他材料。
步骤4：去除掩膜层
如图4，先用钼刻蚀液将钼层1b去掉，接着喷涂光刻胶并图形化用以保护埋氧层OX，最后用BOE去除顶部的氧化硅层1a。
步骤5：压电层生长及图形化
上步得到的结构已经加工得到了雏形状态的从动层101，如图5A、5B，本步骤的目的在雏形状态的从动层101的两侧形成雏形状态的压电层102。具体过程为：先在上步得到的结构表面沉积一层氮化铝压电层，在氮化铝上沉积氧化硅，随后喷涂光刻胶，以光刻胶为掩膜对氧化硅进行湿法刻蚀，然后以氧化硅作为硬掩模对氮化铝进行干法刻蚀使其图形化，使预设的谐振结构的上端面和槽的底部处的氮化铝被刻蚀干净，并形成从动层电极的连接窗口。最后仍采用步骤4的办法用光刻胶保护埋氧层，用BOE去除氧化硅硬掩膜。
步骤6：外电极生长及图形化
如图6A、6B，本步骤的目的在雏形状态的压电层102的两侧形成雏形状态的电极层103。本步骤与步骤5压电层的生长及图形化相同，只是生长氮化铝改为生长钼，相应的刻蚀改为钼刻蚀液湿法刻蚀。
步骤7：梁的自由端断开
如图7，可以采用深硅刻蚀Bosch工艺结合图形化掩模的方式,在图示的断开位置进行深程度的刻蚀，自直刻蚀到埋氧层OX为止。此外，还可以采用机械加工方式实现，较为常见的是采用圆盘硅晶圆划片刀，通过高速旋转从动层末端进行切割得到。
可选地，若步骤3为干法刻蚀，也可在进行步骤3时提前将梁的末端刻蚀断开。
步骤8：梁的释放
如图8，用HF刻蚀去除梁底部的埋氧层。此时形成了包括从动层101、压电层102和电极层103的梁结构100。
步骤9：键合封装
如图9，将事先制作好的硅帽600置于步骤8得到的结构上方进行键合封装，接触处形成键合层700。可以是Au-Au键合、也可以是Al-Ge键合、Cu-Au-Cu键合或其他聚合物键合等方式。其中，硅帽600存在通孔，通过在孔中沉积金属实现梁的电极与外电路的连通；在沉积金属前，通孔及封装层的表面被氧化，用于绝缘，防止电极之间短路。
该实施例方式的压电MEMS谐振器的形成方法，先将梁两侧的硅刻蚀掉形成空腔，以给梁水平提供振动空间；通过将梁自由端刻蚀断开及刻蚀梁底部的埋氧层使梁释放；以低阻的SOI顶硅层本身作为一个电极接地，在梁的从动层两侧分别依次生长压电层和电极层，两侧电极接相反电势。该实施例中的梁沿着水平方向振动，不需要垂直方向的振动空间，因此可以采用平面硅片进行键合封装。可选地，为了避免有些情况下梁的顶部较高，也可采用具有空腔的硅帽进行封装。为了保证谐振器的可靠性，该封装需要为密封封装，即封装结构使得谐振结构与外部不连通；另外，为了保证较高的品质因数，该封装需要为真空封装，封装体内气压不大于10Pa。
实施例2
梁的电极及压电层可以采用不同的组合形式。
如图10A，从动层101一侧存在压电层102和金属电极层103。
如图10B，从动层101的一侧存在压电层102和非金属导电材料的外电极103，如简并掺杂的单晶硅，此时外电极103同时还可以起到温补的作用。
如图10C，可在压电层102和从动层101之间再增加一层电极层103，不采用从动层101作为电极，以避免从动层存在一定的电阻使器件性能变差。
如图10D，可在从动层101两侧均设压电层102以及一对电极层103，然后将两个增加的电极并联作为内电极接地，两个外电极分别接相反电势。
如图10E，可在从动层101两侧均设压电层102以及一对电极层103，然后将两个内电极分开，但应保证两个压电层施加的电场方向一致。在这种电极连接中，为避免两个内电极之间导通可在内电极与从动层之间增加绝缘层。当谐振结构(在这里是梁)的纵向对侧均附着压电层时，这两层压电层的晶向相反。
实施例3
可以将梁的两端均固定，以实现固支梁谐振器。这种谐振器与实施例1相比其制作过程，省略了步骤7，且机械稳定度更高。如图11A，其电极连接可以使两个内电极并联或直接采用低阻从动层作为内电极，并接地；两个外电极分别接相反电势。如图11B，一侧的内电极与另一侧的外电极并联，并且两组电极分别接相反电势，这里也可在内电极与从动层之间增加绝缘层，防止两个内电极通过从动层导通。
实施例4
如图12，其中可以包含两个或多个以上实施例中各种形式的悬臂梁。其制作过程与实施例相比除了掩膜层的图形化不同外其余均相同。通过相应的电极电势排列，使两个梁振动方向相反，或使结构上相互对称的多个梁振动方向相反。有利于整个器件保持动量平衡，提供稳定性。
实施例5
如图13，可将谐振结构设计为环形，环形通过两个细梁固定在基底上，细梁可以起到支撑以及屏蔽外界热信号和振动信号的作用，防止频率漂移。其中内电极可以直接采用低阻的从动层，也可增加电极层。在这个结构的制作过程中，硅的纵向刻蚀可采用干法刻蚀。
实施例6
如图14，可将谐振结构设计为音叉形状，其中音叉的两个叉指相当于两个谐振结构，这两个谐振结构通过一根细梁(即耦合结构)固定在基底上。以低阻的硅基底作为内电极。细梁可以起到支撑以及屏蔽外界热信号和振动信号的作用，防止频率漂移。
本发明实施方式的电子设备，包括本发明公开的任一项压电MEMS谐振器。该谐振器工作在谐振频率附近，且谐振结构的谐振频率大于20kHz。
上述具体实施方式，并不构成对本发明保护范围的限制。本领域技术人员应该明白的是，取决于设计要求和其他因素，可以发生各种各样的修改、组合、子组合和替代。任何在本发明的精神和原则之内所作的修改、等同替换和改进等，均应包含在本发明保护范围之内。
Claims (23)
1.一种压电MEMS谐振器的形成方法，其特征在于，所述压电MEMS谐振器具有一个或多个谐振结构，所述谐振结构包括沿平行于器件基底平面的方向堆叠的压电层、电极层和从动层，所述从动层为低声损耗材料，所述从动层的材料选自单晶硅、多晶硅、碳化硅、石英、熔融石英、氮化铝、砷化镓或者蓝宝石，所述形成方法包括：
在SOI硅片之上形成沉积掩膜材料并图形化，得到第一掩膜区域和第一暴露区域；
刻蚀所述第一暴露区域至所述SOI硅片的埋氧层，保留所述第一掩膜区域下方的所述SOI硅片的顶硅层以形成所述谐振结构的从动层，然后去除第一图形化掩膜；
在所述从动层侧表面依次形成所述压电层和所述电极层；
去除所述从动层、压电层、电极层下方的所述埋氧层，以形成所述谐振结构。
2.根据权利要求1所述的压电MEMS谐振器的形成方法，其特征在于，所述压电MEMS谐振器工作在谐振频率附近，且谐振结构的谐振频率大于20 kHz。
3.根据权利要求1所述的压电MEMS谐振器的形成方法，其特征在于，在所述形成所述谐振结构的步骤之后，还包括：在当前半导体结构的上方键合封装硅帽，其中，所述封装硅帽的封装形式为密封封装。
4.根据权利要求3所述的压电MEMS谐振器的形成方法，其特征在于，所述密封封装为真空封装，封装体内气压不大于10 Pa。
5.根据权利要求1所述的压电MEMS谐振器的形成方法，其特征在于，所述压电层的材料为如下材料为：氮化铝、氧化锌、PZT或者上述材料的稀土元素掺杂材料。
6.根据权利要求1所述的压电MEMS谐振器的形成方法，其特征在于，所述压电层的厚度为0.01微米至10微米，或者为0.1微米至1微米。
7.根据权利要求1所述的压电MEMS谐振器的形成方法，其特征在于，所述谐振结构为如下一种形式或多种形式的组合：悬臂梁、简支梁、环形、音叉形。
8.根据权利要求7所述的压电MEMS谐振器的形成方法，其特征在于，当谐振结构的数量为多个时，所述形成方法还包括：形成耦合结构，多个所述谐振结构通过所述耦合结构连接到所述基底上。
9.根据权利要求1所述的压电MEMS谐振器的形成方法，其特征在于，在所述从动层的侧面形成压电层和电极层的步骤包括：在所述从动层的单侧形成压电层和电极层；或者，在所述从动层的两侧分别形成压电层和电极层。
10.根据权利要求9所述的压电MEMS谐振器的形成方法，其特征在于，在所述从动层的两侧分别形成压电层和电极层的步骤中，所述从动层的两侧的所述压电层晶向相反。
11.根据权利要求1所述的压电MEMS谐振器的形成方法，其特征在于，所述从动层的两侧具有压电层，并且两侧压电层的工作电场方向一致。
12.一种压电MEMS谐振器，其特征在于，具有一个或多个谐振结构，所述谐振结构包括沿平行于器件基底平面的方向堆叠的压电层、电极层和从动层，所述从动层为低声损耗材料，所述从动层的材料选自单晶硅、多晶硅、碳化硅、石英、熔融石英、氮化铝、砷化镓或者蓝宝石；并且所述压电MEMS谐振器采用权利要求1所述的方法形成。
13.根据权利要求12所述的压电MEMS谐振器，其特征在于，所述压电MEMS谐振器工作在谐振频率附近，且谐振结构的谐振频率大于20 kHz。
14.根据权利要求12所述的压电MEMS谐振器，其特征在于，所述压电MEMS谐振器还包括：封装硅帽，其中，所述封装硅帽的封装形式为密封封装。
15.根据权利要求14所述的压电MEMS谐振器，其特征在于，所述密封封装为真空封装，封装体内气压不大于10 Pa。
16.根据权利要求12所述的压电MEMS谐振器，其特征在于，所述压电层的材料为如下材料为：氮化铝、氧化锌、PZT或者上述材料的稀土元素掺杂材料。
17.根据权利要求12所述的压电MEMS谐振器，其特征在于，所述压电层的厚度为0.01微米至10微米，或者为0.1微米至1微米。
18.根据权利要求12所述的压电MEMS谐振器，其特征在于，所述谐振结构为如下一种形式或多种形式的组合：悬臂梁、简支梁、环形、音叉形。
19.根据权利要求18所述的压电MEMS谐振器，其特征在于，当谐振结构的数量为多个时，所述压电MEMS谐振器还包括耦合结构，多个所述谐振结构通过所述耦合结构连接到所述基底上。
20.根据权利要求12所述的压电MEMS谐振器，其特征在于，单个所述谐振结构中，所述从动层的单侧具有所述压电层或者所述从动层的两侧具有所述压电层。
21.根据权利要求20所述的压电MEMS谐振器，其特征在于，所述从动层的两侧具有压电层，并且从动层两侧的压电层晶向相反。
22.根据权利要求20所述的压电MEMS谐振器，其特征在于，所述从动层的两侧具有压电层，并且两侧压电层的工作电场方向一致。
23.一种电子设备，其特征在于，包括权利要求12至22中任一项所述的压电MEMS谐振器。
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