CN117220633A - 一种具有中心锚点结构的微机械谐振器及其制备方法 - Google Patents
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Abstract
本发明公开了一种具有中心锚点结构的微机械谐振器及其制备方法，包括衬底、谐振振子结构、真空封装结构、引出电极；所述衬底的顶部有凹槽，或所述衬底的顶部有凹槽且凹槽内有平齐衬底的顶部的凸起；所述谐振振子结构包括内侧的带有中心锚点的谐振振子和外侧的支撑部，所述谐振振子与所述支撑部彼此分离，所述带有中心锚点的谐振振子是谐振振子的中心由所述凸起支撑或谐振振子的中心由引出电极支撑，所述谐振振子或所述支撑部上设置有接触电极；所述引出电极设置于所述真空封装结构内部，所述引出电极与所述接触电极连接；所述真空封装结构的顶部有凹槽。本发明将锚点设置于谐振振子的中心，相比于寻常微机械谐振器，能够有效减少锚点损耗，提高Q值。
Description
技术领域
本发明涉及谐振器技术领域，特别涉及一种具有中心锚点结构的微机械谐振器。
背景技术
谐振器是用来产生谐振频率的器件。谐振器与外部振荡电路、放大电路以及滤波电路等可以构成振荡器。振荡器可以产生一个固定的频率信号。近年来，基于微电子机械系统技术(Microelectromechanical systems，MEMS)的微机械谐振器以其体积小、重量轻、与集成电路制造工艺兼容、可靠性稳定性好等优点，已成为取代传统石英晶体振荡器的最佳选择，并已经开始实现了商业化量产。随着各种电子设备和系统小型化的发展趋势，MEMS器件已经被广泛应用于诸如传感器、电子设备、无线通信系统和可穿戴电子产品等多个领域。
MEMS谐振器是一种基于谐振效应的部件，其是构成MEMS振荡器和时钟发生器的最基本部件，广泛的应用于各种涉及频率发射和接收的电子产品中。MEMS谐振器主要的性能参数包括谐振频率、品质因数(Q)、动态阻抗以及频率温度系数等。其中Q值是MEMS谐振器最主要的性能参数。高的Q值可与降低谐振器的动态阻抗，减小系统的相位噪声以及提高振荡器的频率稳定性。MEMS谐振器Q值的能量损耗机制主要有五部分：空气阻尼损耗(Qair)，热弹性损耗(QTED)，材料损耗(Qmaterial)，锚点损耗(Qanchor)和电学负载损耗(Qload)，即：
锚点损耗是指微机械谐振器的机械振动能量在谐振器边界处没有被完全反射回来，而是通过支撑锚点结构传输到了支撑衬底，从而引起能量的损耗。锚点损耗的基本物理机制是:当弹性体振动时，其固支端产生振动剪切力和弯矩，它们作为激励源在锚点上激发出弹性波，并通过衬底传播到无穷远处耗散掉。造成锚点损耗的关键是锚点的非固支性，理想的锚点模型是假定其位移为零，因此能量不会传导到基底上。而非理想的锚点模型，谐振器的能量可以通过锚点耦合到支撑结构和衬底，引起“软弹簧”振动，支撑结构吸收了谐振器的部分振动能量，造成了谐振器的能量损耗。一般来讲，通过优化设计将锚点位置恰好设计在微机械谐振器振动的节点处，就可以减小锚点损耗。当前降低锚点损耗的主要技术方案可通过四分之一波长尺寸设计、材料复合设计、声波反射器和声子晶体的设计等来实现。
影响MEMS谐振器性能的另一个重要因素是寄生电容。寄生电容是指在谐振器结构中，由于电场的存在而形成的电容效应。这种电容是非本意产生的，通常是由于谐振器的不同部分之间的电介质分布引起的。具体来说，谐振器的机械结构和电极之间的物理隔离并不完全，导致机械运动产生电场变化，从而引发电容效应。这一现象可在谐振器的运行过程中，使得电荷在机械振动中积累和重新分布，进而引起电势变化，最终导致谐振器的振动能量逐渐耗散，影响其性能的稳定性和精确性。
寄生电容可能导致频率的偏移、谐振幅度的减小以及相位噪声的增加，从而限制了谐振器在精密频率控制和信号处理等应用中的可靠性和准确性。因此，在设计MEMS谐振器时，需要充分考虑和抑制寄生电容效应，采取一系列手段来减少电场的影响，例如优化电极结构屏蔽层、采用特定的材料和几何结构等。
发明内容
为了解决现有技术存在的问题，本发明提供了一种具有中心锚点结构的微机械谐振器，包括衬底、谐振振子结构、真空封装结构、引出电极；所述衬底的顶部有凹槽，或所述衬底的顶部有凹槽且凹槽内有平齐衬底的顶部的凸起；
所述谐振振子结构包括内侧的带有中心锚点的谐振振子和外侧的支撑部，所述谐振振子与所述支撑部彼此分离，所述带有中心锚点的谐振振子是谐振振子的中心由所述凸起支撑或谐振振子的中心由引出电极支撑，所述谐振振子或所述支撑部上设置有接触电极；
所述引出电极设置于所述真空封装结构内部，所述引出电极与所述接触电极连接；所述凸点可以为圆柱体、立方体等结构，凸点的个数可以设置一个或多个。
所述真空封装结构的顶部有凹槽，所述真空封装结构与所述衬底将所述谐振振子结构封装时形成真空腔室，所述谐振振子被封装在所述真空腔室中。
进一步地，衬底顶部的凹槽可以为长方体、圆柱体、棱柱体，也可以是棱锥体等结构。
进一步地，谐振振子可以为矩形板、圆形板、矩形与圆形耦合板，且不限于上述结构。
进一步地，所述引出电极周围还设置有电学屏蔽结构。
进一步地，所述衬底包括底层硅和顶层的氧化硅。
进一步地，所述谐振振子为单层或多层结构，每层材料包括单晶硅、多晶硅、锗化硅、氧化硅、金属、压电材料中的一种。
所述压电材料包括氮化铝、氧化锌和锆钛酸铅等。根据谐振振子的材料的不同，可以被构建为电容式谐振器、压阻式谐振器或者电容-压电式谐振器。
进一步地，引出电极的截面可以为同心圆柱体、也可以是方槽结构，还可以是其它可选结构，引出电极的数目不做限定，可以设置一个或多个。
进一步地，所述引出电极远离所述衬底一端还设置有金属焊盘。
本发明也提供了上述的具有中心锚点结构的微机械谐振器的制备方法，其特征在于，包括以下步骤，
S1、提供顶部有凹槽且凹槽内有平齐衬底的顶部的凸起的衬底；
S2、在衬底顶部制备谐振振子材料层，并刻蚀得到电极接触孔，随后制备电极层；
S3、刻蚀得到内侧的带有中心锚点的谐振振子和外侧的支撑部的谐振振子结构，所述谐振振子与所述支撑部彼此分离，所述谐振振子被所述凸起支撑，电极层被刻蚀后在谐振振子或支撑部顶部形成接触电极；
S4、在带有引出电极孔和电学屏蔽孔的硅片上依次制备绝缘层、多晶硅层和锗层；
S5、将所述锗层和所述多晶硅层进行刻蚀，刻蚀得到凹槽、引出电极和电学屏蔽结构，得到真空封装结构；
S6、将所述真空封装结构倒装后与带有谐振振子结构的衬底进行封装，所述真空封装结构与所述衬底将所述谐振振子结构封装时形成真空腔室，谐振振子被封装在所述真空腔室中，引出电极与所述接触电极连接，随后刻蚀真空封装结构使得引出电极与外部环境相通；
S7、在倒装后的真空封装结构顶端制备绝缘层，并将引出电极孔和电学屏蔽结构处的绝缘层去除，随后在电极孔和电学屏蔽结构处制备金属焊盘。
本发明也提供了上述的具有中心锚点结构的微机械谐振器的制备方法，其特征在于，包括以下步骤，
T1、在绝缘体上硅制备谐振振子材料层，并刻蚀所述谐振振子层得到达到顶层硅的通孔，随后制备电极层；
T2、对电极层进行刻蚀，得到接触电极；
T3、在带有引出电极孔和电学屏蔽孔的硅片上依次制备绝缘层、多晶硅层和锗层；
T4、将所述锗层和所述多晶硅层进行刻蚀，刻蚀得到凹槽、引出电极和电学屏蔽结构，得到真空封装结构；
T5、将T4中的真空封装结构倒装后与T2中的制备的产品进行键合，使得引出电极与接触电极固定；
T6、去掉绝缘体上硅的底层硅和氧化层，刻蚀顶层硅使得真空封装结构的凹槽与外界环境相通，得到内侧的带有中心锚点的谐振振子和外侧的支撑部的谐振振子结构，所述谐振振子与所述支撑部彼此分离，所述谐振振子被引出电极支撑；
T7、将T6所得产品与顶部有凹槽的衬底进行封装，真空封装结构的凹槽与衬底的凹槽相通，形成真空腔室，谐振振子被封装在所述真空腔室中，引出电极与所述接触电极连接，随后刻蚀真空封装结构使得引出电极与外部环境相通；
T8、在远离衬底的顶端制备绝缘层，并将引出电极孔处的绝缘层去除，随后在电极孔和电学屏蔽结构处制备金属焊盘。
相对于现有技术，本发明具有以下的有益效果：
(1)相比于石英晶振，本发明的谐振器体积小，工艺可以与成熟的半导体芯片技术相兼容，更有利于大规模工业化生产；
(2)本发明将锚点设置于谐振振子的中心，相比于锚点结构与谐振器的器件层结构在同一层中的微型谐振器，能够有效减少锚点损耗，提高Q值；
(3)本发明通过设置引出电极简化了器件的电学布线，减小了微机械谐振器的寄生电容，可以更好的实现器件与集成电路的集成。
附图说明
为了更清楚地说明本发明实施例或现有技术中的技术方案，下面将对实施例或现有技术描述中所需要使用的附图作简单地介绍，显而易见地，下面描述中的附图是本发明的一些实施例，对于本领域普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动的前提下，还可以根据这些附图获得其他的附图。
图1示出了本发明实施例1的具有中心锚点结构的微机械谐振器的结构示意图；
图2示出了图1的A-A’截面显示的引出电极的结构示意图；
图3示出了本发明实施例2的具有中心锚点结构的微机械谐振器的结构示意图；
图4示出了本发明实施例3的具有中心锚点结构的微机械谐振器的结构示意图。
具体实施方式
下面将结合本发明具体实施例和说明书附图，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一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本发明中的实施例，本领域普通技术人员在没有做出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都属于本发明保护的范围。
实施例1
如图1所示，一种具有中心锚点结构的微机械谐振器，由下至上包括衬底、谐振振子结构、真空封装结构、引出电极；衬底的底层为硅、顶层为氧化硅，且其顶部有凹槽且凹槽内有平齐衬底的顶部的凸起；谐振振子结构包括内侧的带有中心锚点的谐振振子和外侧的支撑部，谐振振子与支撑部彼此分离，带有中心锚点的谐振振子是谐振振子的中心由凸起支撑得到，谐振振子的上部设置有接触电极；引出电极设置于真空封装结构内部；真空封装结构的顶部有凹槽，真空封装结构的凹槽与的衬底的凹槽以及谐振振子与支撑部的空隙形成真空腔室，谐振振子被封装在真空腔室中，引出电极与接触电极连接，引出电极周围设置有电学屏蔽结构，引出电极远离衬底一端还设置有金属焊盘。
本实施例的具有中心锚点结构的微机械谐振器的制备方法，步骤如下：
(1)采用深反应离子刻蚀的方法在硅片正面刻蚀出顶部有凹槽且凹槽内有一个或多个平齐衬底的顶部的凸起，并采用热氧化或是化学气相沉积的方法在衬底硅片正面沉积一层氧化层得到衬底；
(2)将器件层硅片背面与衬底的凸起一面对准键合，再减薄、抛光到器件层所需的厚度；
(3)在器件层上表面沉积氮化铝压电层，并刻蚀氮化铝压电层得到底电极的接触孔；
(4)在刻蚀后的氮化铝压电层上沉积铝电极层，并通过光刻和刻蚀，制备顶电极层和底电极层得到接触电极；
(5)将步骤(4)所得产品进行刻蚀使得衬底的凹槽与外部环境相通，得到内侧的带有中心锚点的谐振振子和外侧的支撑部的谐振振子结构，谐振振子与所述支撑部彼此分离，所述谐振振子被所述凸起支撑，接触电极在谐振振子的上部；
(6)采用深反应离子刻蚀的方法在盖板硅片正面刻蚀硅深孔，采用低压化学气相沉积在盖板硅片正面沉积氧化物下绝缘层；然后采用低压化学气相沉积的方法在下绝缘层上沉积重掺杂多晶硅薄膜，沉积的多晶硅需要将硅通孔完全填充满，最后采用化学机械抛光的方法将多晶硅薄膜减薄并抛光至合适厚度；
(7)采用物理气相沉积的方法在多晶硅薄膜表面沉积一层金属锗层；图案化光刻和刻蚀的方法刻蚀金属锗层以及部分重掺杂多晶硅薄膜；
(8)采用图案化光刻和刻蚀的方法刻蚀剩余多晶硅，得到带有凹槽、引出电极和电学屏蔽结构的真空封装结构；
(9)采用铝-锗共晶键合的方式将带有谐振振子结构的衬底与倒装后的真空封装结构进行圆片级真空键合，真空封装结构与所述衬底将所述谐振振子结构封装时形成真空腔室，谐振振子被封装在所述真空腔室中，引出电极与所述接触电极连接；
(10)用化学机械抛光的方法使得引出电极与外部环境相通，在倒装后的真空封装结构顶端制备绝缘层，随后采用图案化光刻和刻蚀的方式将引出电极孔和电学屏蔽结构处的绝缘层去除；
(11)在引出电极孔和电学屏蔽结构处沉积一层金属层，并将金属层进行图案化光刻和刻蚀，完成电学布线，并制作金属焊盘。
图2示出了图1的A-A’截面图，可以看出引出电极的截面可以为同心圆柱体、也可以是方槽结构，当然也可以为其它的结构。
本实施例为压电式谐振器，在其顶电极和底电极(器件层)之间施加交流电信号，利用逆压电效应使压电层产生振动，从而激励谐振器振动。当交流电信号的频率与压电谐振器的固有谐振频率一样时，谐振器的机械振幅达到最大值，即激励谐振器工作在机械谐振模态。
实施例2
如图3所示，一种具有中心锚点结构的微机械谐振器，其结构与实施例1类似，区别之处在于：1、没有在器件层硅片的表面沉积氮化铝压电层；2、接触电极设置在支撑部的上部，因此引出电极的设置方式也不同。具体的制备方法可以参照实施例1，此处不再赘述。
与实施例1的不同之处也在于：实施例1为压电式微机械谐振器，真空封装结构上的引出电极为同轴电极，且设置一个，从中心进行电极引出与电学连接作用；实施例2为电容式微机械谐振器，真空封装结构上的同轴电极引出结构为2个，引出电极周围设置有电学屏蔽结构，从支撑部的上部使用金属焊盘进行引出与电学连接作用。
实施例3
如图4所示，一种具有中心锚点结构的微机械谐振器，其结构与实施例1最大的不同在于：具有中心锚点的谐振振子被引出电极支撑，引出电极同时提供中心锚点支撑作用和引出作用，其制备方法步骤如下：
(1)提供一绝缘体上硅，在绝缘体上沉积氮化铝压电层，并刻蚀氮化铝压电层得到达到顶层硅的通孔；
(2)在氮化铝压电层沉积铝电极层，并通过光刻和刻蚀，制备顶电极层和底电极，得到接触电极；
(3)采用深反应离子刻蚀的方法在盖板硅片正面刻蚀硅深孔，采用低压化学气相沉积在盖板硅片正面沉积氧化物下绝缘层；然后采用低压化学气相沉积的方法在下绝缘层上沉积重掺杂多晶硅薄膜，沉积的多晶硅需要将硅通孔完全填充满，最后采用化学机械抛光的方法将多晶硅薄膜减薄并抛光至合适厚度；
(4)采用物理气相沉积的方法在多晶硅薄膜表面沉积一层金属锗层；采用图案化光刻和刻蚀的方法刻蚀金属锗层以及部分重掺杂多晶硅薄膜；
(5)采用图案化光刻和刻蚀的方法刻蚀剩余多晶硅，得到带有凹槽、引出电极和电学屏蔽结构的真空封装结构；
(6)将真空封装结构倒装后与步骤(2)的产品进行圆片级真空键合；
(7)采用化学机械抛光的方法去掉绝缘体上硅的底层硅和氧化层，刻蚀顶层硅使得真空封装结构的凹槽与外界环境相通，得到内侧的带有中心锚点的谐振振子和外侧的支撑部的谐振振子结构，所述谐振振子与所述支撑部彼此分离，所述谐振振子被引出电极支撑；
(8)将步骤(7)的产品与顶部有凹槽的衬底进行封装，真空封装结构的凹槽与衬底的凹槽相通，形成真空腔室，谐振振子被封装在所述真空腔室中，引出电极与所述接触电极连接；
(9)用化学机械抛光的方法使得引出电极与外部环境相通，在倒装后的真空封装结构顶端制备绝缘层，随后采用图案化光刻和刻蚀的方法将引出电极孔和电学屏蔽结构处的绝缘层去除；
(10)在引出电极孔和电学屏蔽结构处沉积一层金属层，并将金属层进行图案化光刻和刻蚀，完成电学布线，并制作金属焊盘。
最后应说明的是：以上所述仅为本发明的优选实施例而已，并不用于限制本发明，尽管参照前述实施例对本发明进行了详细的说明，对于本领域的技术人员来说，其依然可以对前述各实施例所记载的技术方案进行修改，或者对其中部分技术特征进行等同替换，凡在本发明的精神和原则之内，所作的任何修改、等同替换、改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。
Claims (8)
1.一种具有中心锚点结构的微机械谐振器，其特征在于，包括衬底、谐振振子结构、真空封装结构、引出电极；所述衬底的顶部有凹槽，或所述衬底的顶部有凹槽且凹槽内有平齐衬底的顶部的凸起；
所述谐振振子结构包括内侧的带有中心锚点的谐振振子和外侧的支撑部，所述谐振振子与所述支撑部彼此分离，所述带有中心锚点的谐振振子是谐振振子的中心由所述凸起支撑或谐振振子的中心由引出电极支撑，所述谐振振子或所述支撑部上设置有接触电极；
所述引出电极设置于所述真空封装结构内部，所述引出电极与所述接触电极连接；
所述真空封装结构的顶部有凹槽，所述真空封装结构与所述衬底将所述谐振振子结构封装时形成真空腔室，所述谐振振子被封装在所述真空腔室中。
2.根据权利要求1所述的具有中心锚点结构的微机械谐振器，其特征在于，所述引出电极周围还设置有电学屏蔽结构。
3.根据权利要求1所述的具有中心锚点结构的微机械谐振器，其特征在于，所述衬底包括底层硅和顶层的氧化硅。
4.根据权利要求1所述的具有中心锚点结构的微机械谐振器，其特征在于，所述谐振振子的为单层或多层结构，每层材料包括单晶硅、多晶硅、锗化硅、氧化硅、金属、压电材料中的一种。
5.根据权利要求4所述的具有中心锚点结构的微机械谐振器，其特征在于，所述压电材料包括氮化铝、氧化锌和锆钛酸铅。
6.根据权利要求1所述的具有中心锚点结构的微机械谐振器，其特征在于，所述引出电极远离所述衬底一端还设置有金属焊盘。
7.一种如权利要求1～6任一项所述的具有中心锚点结构的微机械谐振器的制备方法，其特征在于，包括以下步骤，
S1、提供顶部有凹槽且凹槽内有平齐衬底的顶部的凸起的衬底；
S2、在衬底顶部制备谐振振子材料层，并刻蚀得到电极接触孔，随后制备电极层；
S3、刻蚀得到内侧的带有中心锚点的谐振振子和外侧的支撑部的谐振振子结构，所述谐振振子与所述支撑部彼此分离，所述谐振振子被所述凸起支撑，电极层被刻蚀后在谐振振子或支撑部顶部形成接触电极；
S4、在带有引出电极孔和电学屏蔽孔的硅片上依次制备绝缘层、多晶硅层和锗层；
S5、将所述锗层和所述多晶硅层进行刻蚀，刻蚀得到凹槽、引出电极和电学屏蔽结构，得到真空封装结构；
S6、将所述真空封装结构倒装后与带有谐振振子结构的衬底进行封装，所述真空封装结构与所述衬底将所述谐振振子结构封装时形成真空腔室，谐振振子被封装在所述真空腔室中，引出电极与所述接触电极连接，随后刻蚀真空封装结构使得引出电极与外部环境相通；
S7、在倒装后的真空封装结构顶端制备绝缘层，并将引出电极孔和电学屏蔽结构处的绝缘层去除，随后在电极孔和电学屏蔽结构处制备金属焊盘。
8.一种如权利要求1～6任一项所述的具有中心锚点结构的微机械谐振器的制备方法，其特征在于，包括以下步骤，
T1、在绝缘体上硅制备谐振振子材料层，并刻蚀所述谐振振子层得到达到顶层硅的通孔，随后制备电极层；
T2、对电极层进行刻蚀，得到接触电极；
T3、在带有引出电极孔和电学屏蔽孔的硅片上依次制备绝缘层、多晶硅层和锗层；
T4、将所述锗层和所述多晶硅层进行刻蚀，刻蚀得到凹槽、引出电极和电学屏蔽结构，得到真空封装结构；
T5、将T4中的真空封装结构倒装后与T2中的制备的产品进行键合，使得引出电极与接触电极固定；
T6、去掉绝缘体上硅的底层硅和氧化层，刻蚀顶层硅使得真空封装结构的凹槽与外界环境相通，得到内侧的带有中心锚点的谐振振子和外侧的支撑部的谐振振子结构，所述谐振振子与所述支撑部彼此分离，所述谐振振子被引出电极支撑；
T7、将T6所得产品与顶部有凹槽的衬底进行封装，真空封装结构的凹槽与衬底的凹槽相通，形成真空腔室，谐振振子被封装在所述真空腔室中，引出电极与所述接触电极连接，随后刻蚀真空封装结构使得引出电极与外部环境相通；
T8、在远离衬底的顶端制备绝缘层，并将引出电极孔处的绝缘层去除，随后在电极孔和电学屏蔽结构处制备金属焊盘。
Priority Applications (1)
| Application Number | Priority Date | Filing Date | Title |
|---|---|---|---|
| CN202311288573.4A CN117220633A (zh) | 2023-09-28 | 2023-09-28 | 一种具有中心锚点结构的微机械谐振器及其制备方法 |
Applications Claiming Priority (1)
| Application Number | Priority Date | Filing Date | Title |
|---|---|---|---|
| CN202311288573.4A CN117220633A (zh) | 2023-09-28 | 2023-09-28 | 一种具有中心锚点结构的微机械谐振器及其制备方法 |
Publications (1)
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| CN117220633A true CN117220633A (zh) | 2023-12-12 |
Family
ID=89042433
Family Applications (1)
| Application Number | Title | Priority Date | Filing Date |
|---|---|---|---|
| CN202311288573.4A Pending CN117220633A (zh) | 2023-09-28 | 2023-09-28 | 一种具有中心锚点结构的微机械谐振器及其制备方法 |
Country Status (1)
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|---|---|
| CN (1) | CN117220633A (zh) |
-
2023
- 2023-09-28 CN CN202311288573.4A patent/CN117220633A/zh active Pending
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