IT201900017552A1 - Dispositivo risonatore microelettromeccanico di tipo piezoelettrico e relativo procedimento di fabbricazione - Google Patents

Dispositivo risonatore microelettromeccanico di tipo piezoelettrico e relativo procedimento di fabbricazione Download PDF

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Lorenzo Corso
Giorgio Allegato
Gabriele Gattere
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Description

DESCRIZIONE
del brevetto per invenzione industriale dal titolo:
“DISPOSITIVO RISONATORE MICROELETTROMECCANICO DI TIPO PIEZOELETTRICO E RELATIVO PROCEDIMENTO DI FABBRICAZIONE”
La presente soluzione è relativa ad un dispositivo risonatore microelettromeccanico, cosiddetto MEMS (Micro-Electro-Mechanical Structure), di tipo piezoelettrico e ad un relativo procedimento di fabbricazione. Il dispositivo risonatore MEMS può ad esempio essere vantaggiosamente impiegato per applicazioni di orologio in tempo reale (RTC - Real Time Clock), a cui la trattazione seguente farà particolare riferimento senza per questo perdere in generalità.
In modo noto, dispositivi risonatori sono comunemente impiegati con funzione di orologio all’interno di apparecchi elettronici, portatili o non, quali ad esempio telefoni cellulari, videocamere o fotocamere, apparecchi automotive, elettrodomestici, terminali di raccolta dati, lettori di smart-card, ecc., al fine di conteggiare il passare del tempo reale (in termini di anni, mesi, giorni, ore, minuti e secondi), anche quando i relativi apparecchi elettronici sono spenti.
Un dispositivo risonatore per applicazioni RTC comprende generalmente: un oscillatore dotato di una opportuna struttura risonante, detta anche semplicemente “risonatore”, atta a generare una frequenza operativa (o di risonanza), ad esempio pari a, o multipla di, 32,768 kHz; un circuito di elaborazione, accoppiato all’oscillatore, per fornire opportuni segnali di polarizzazione e conteggiare il passaggio del tempo sulla base della suddetta frequenza operativa; ed un’opportuna sorgente di alimentazione per fornire l’alimentazione elettrica al dispositivo.
Sebbene la tecnologia al quarzo abbia dominato per decenni il campo della generazione di frequenze (anche per le suddette applicazioni di orologio in tempo reale), in tempi recenti sono stati proposti, con successo sempre maggiore, dispositivi risonatori MEMS basati sulla tecnologia dei semiconduttori, in particolare del silicio.
I vantaggi legati all’impiego di dispositivi risonatori MEMS sono rappresentati soprattutto da un forte contenimento delle dimensioni e dalla riduzione dei costi, grazie alla possibilità di utilizzare processi di fabbricazione standard dei semiconduttori e di integrare a basso costo in uno stesso package sia la struttura meccanica risonante che il relativo circuito elettronico (sotto forma di ASIC – Application Specific Integrated Circuit).
Inoltre, dispositivi risonatori MEMS risultano generalmente più resistenti agli urti e alle sollecitazioni meccaniche e presentano consumi elettrici inferiori rispetto a soluzioni tradizionali al quarzo (il contenimento dei consumi risultando una caratteristica particolarmente importante, specialmente per applicazioni di tipo portatile).
I dispositivi risonatori MEMS includono strutture realizzate mediante tecniche di microlavorazione (micromachining), che, in conseguenza di opportune sollecitazioni (tramite segnali di polarizzazione elettrica), sono indotte a vibrare alla loro frequenza di risonanza naturale; tali strutture micromeccaniche comprendono tipicamente almeno un elemento mobile, che viene posto in risonanza dai segnali di polarizzazione applicati.
Sono in particolare noti dispositivi risonatori MEMS di tipo capacitivo, in cui l’elemento mobile forma, con una struttura fissa di elettrodo ad esso accoppiato, un condensatore, ed in cui la vibrazione in risonanza dell’elemento mobile provoca una variazione della capacità di tale condensatore, che viene convertita in un segnale di uscita alla desiderata frequenza operativa.
A questo riguardo, la Figura 1 mostra schematicamente il modello della struttura di un risonatore MEMS di tipo capacitivo, indicato con 1.
Il risonatore MEMS 1 comprende una massa 2 a cui è accoppiato un braccio (o trave, “beam”) 3, con estensione principale longitudinale, estendentesi a sbalzo a partire dalla stessa massa 2 in maniera sospesa.
Il risonatore MEMS 1 comprende inoltre un primo ed un secondo elettrodo 4, 5, disposti affacciati e paralleli al braccio 3, da parti opposte ad esso.
In uso, l’applicazione di una opportuna tensione di polarizzazione tra il primo elettrodo 4 (agente da elettrodo di azionamento) ed il braccio 3 provoca un movimento in risonanza dello stesso braccio 3 alla frequenza meccanica di risonanza.
Il conseguente avvicinamento/allontanamento rispetto al secondo elettrodo 5 (agente da elettrodo di rilevamento) provoca una variazione dell’accoppiamento capacitivo per la generazione di un associato segnale elettrico, anch’esso alla frequenza di risonanza, da parte di un circuito elettronico associato al risonatore MEMS 1 (qui non illustrato).
La presente Richiedente ha verificato che il risonatore MEMS 1 descritto in precedenza, di tipo capacitivo, è affetto da alcuni problemi che non consentono di sfruttarne appieno i vantaggi.
In particolare, la distanza (gap, indicata con g in Figura 1) tra gli elettrodi 4, 5 ed il braccio 3 risulta critica ai fini delle prestazioni elettriche del dispositivo, occorrendo infatti un gap molto ridotto (ad esempio, dell’ordine di alcune centinaia di nm) per avere una ridotta dissipazione di potenza; di conseguenza, il procedimento di fabbricazione utilizzato deve consentire un controllo accurato delle dimensioni, in particolare del suddetto gap.
Inoltre, il dispositivo richiede un’attuazione di tipo non lineare e, conseguentemente, un circuito elettronico dedicato, non potendo dunque costituire un rimpiazzo diretto di risonatori tradizionali al quarzo (operanti sulla base dell’effetto piezoelettrico).
Per ovviare ad alcuni dei problemi suddetti, sono state proposte (si veda ad esempio Antti Jaakkola, “Piezoelectrically transduced temperature compensated silicon resonators for timing and frequency reference applications”, Aalto University publication series, Doctoral Dissertations 6/2016 VTT Science 122) soluzioni di dispositivo risonatore MEMS di tipo piezoelettrico, ovvero operanti sulla base dell’effetto piezoelettrico.
In tali soluzioni, un elemento mobile è attuato in risonanza mediante l’applicazione di una opportuna polarizzazione elettrica ad una regione di materiale piezoelettrico accoppiata allo stesso elemento mobile.
Tali soluzioni possono essere vantaggiose rispetto a soluzioni capacitive, dato che, essendo basate sull’effetto piezoelettrico (così come le soluzioni tradizionali al quarzo), possono essere associate a circuiti elettronici pre-esistenti (consentendo dunque di rimpiazzare direttamente risonatori tradizionali al quarzo).
Tuttavia, le soluzioni note prevedono costosi e complessi procedimenti di fabbricazione, ad esempio prevedendo l’utilizzo, come struttura di partenza, di un substrato SOI (Silicon-On-Insulator) di tipo C-SOI (Cavity Bonded SOI), in cui è cioè prevista internamente una cavità sepolta pre-formata.
Inoltre, soluzioni note non prevedono l’integrazione, a livello della struttura microelettromeccanica, di un package di copertura e protezione per l’elemento risonante, richiedendo dunque cappucci esterni, ad esempio di materiale metallico o ceramico; l’ingombro complessivo del dispositivo risonatore risulta dunque elevato e le prestazioni, ad esempio in termini di capacità parassite, non risultano ottimali.
Scopo della presente soluzione è quello di fornire una soluzione migliorata di un dispositivo risonatore microelettromeccanico di tipo piezoelettrico, che consenta di risolvere gli svantaggi precedentemente evidenziati associati alle soluzioni note.
Secondo la presente soluzione vengono quindi forniti un dispositivo risonatore microelettromeccanico di tipo piezoelettrico ed un relativo procedimento di fabbricazione, come definiti nelle rivendicazioni allegate.
Per una migliore comprensione della presente invenzione ne vengono ora descritte forme di realizzazione preferite, a puro titolo di esempio non limitativo, con riferimento ai disegni allegati, nei quali:
- la Figura 1 mostra una rappresentazione schematica di un modello di risonatore MEMS di tipo capacitivo;
- le Figure 2A-2I mostrano sezioni trasversali di un dispositivo risonatore microelettromeccanico di tipo piezoelettrico, in fasi successive di un procedimento di fabbricazione secondo una forma di realizzazione della presente soluzione; e
- la Figura 3 è uno schema a blocchi di massima di un dispositivo elettronico che incorpora il dispositivo risonatore microelettromeccanico, secondo un ulteriore aspetto della presente soluzione.
Con riferimento dapprima alla Figura 2A, viene ora descritta una forma di realizzazione di un procedimento per la fabbricazione di un dispositivo risonatore microelettromeccanico (MEMS) piezoelettrico, secondo un aspetto della presente soluzione.
Tale procedimento di fabbricazione prevede la predisposizione di una fetta (wafer) SOI 10, avente una superficie anteriore 10a ed una superficie posteriore 10b (estendentisi in un piano orizzontale xy definito da un primo e da un secondo asse orizzontale x, y e tra loro opposte lungo un asse verticale z) e comprendente: un substrato strutturale 11, definente la suddetta superficie anteriore 10a e realizzato di silicio monocristallino drogato in modo tale da risultare elettricamente conduttivo (come sarà descritto in seguito, in tale substrato strutturale 11 verrà realizzato l’elettrodo inferiore di una struttura di risonatore piezoelettrico); un substrato di supporto 12, definente la suddetta superficie posteriore 10b; ed uno strato dielettrico 13, ad esempio di ossido di silicio, interposto tra i suddetti substrato strutturale 11 e substrato di supporto 12.
Come mostrato nella suddetta Figura 2A, il substrato strutturale 11 viene inizialmente sottoposto ad attacco chimico (“etching”) a partire dalla superficie anteriore 10a (tramite una opportuna maschera fotolitografica, qui non illustrata), in modo da scavare trincee che attraversano l’intero spessore dello stesso strato strutturale 11, fino a raggiungere lo strato dielettrico 13, ed in particolare: trincee di definizione 14, atte a definire la disposizione, la geometria e le dimensioni di una porzione di risonatore 11a del suddetto substrato strutturale 11 (che, come sarà evidenziato in seguito, costituirà l’elemento mobile della struttura di risonatore piezoelettrico); ed inoltre trincee di isolamento 15, disposte lateralmente a distanza rispetto alle trincee di definizione 14 (lungo il primo asse orizzontale x) ed atte a definire, tra di loro, una prima ed una seconda porzione di interconnessione inferiore 11b, 11c, tra loro isolate, dello stesso strato strutturale 11 (che, come sarà evidenziato in seguito, contribuiranno a costituire elementi di interconnessione elettrica verso elettrodi inferiore e superiore della struttura di risonatore piezoelettrico).
Come illustrato in Figura 2B, la fetta SOI 10 viene quindi sottoposta ad un processo di ossidazione termica a partire dalla superficie anteriore 10a, che porta alla formazione di uno strato dielettrico superficiale 16, in particolare di ossido di silicio, che si estende al di sopra della stessa superficie anteriore 10a ed inoltre all’interno delle trincee precedentemente definite attraverso il substrato strutturale 11, riempiendo le suddette trincee di definizione 14 e trincee di isolamento 15 (e realizzando in tal modo l’isolamento elettrico tra le suddette prima e seconda porzione di interconnessione inferiore 11b, 11c del substrato strutturale 11).
Lo strato dielettrico superficiale 16 viene quindi sottoposto ad attacco chimico (tramite una opportuna maschera fotolitografica, qui non illustrata), in modo da definire: una porzione sacrificale 16a, disposta in corrispondenza superiormente della porzione di risonatore 11a del substrato strutturale 11 (ed avendo estensione laterale, nel piano orizzontale xy, maggiore della stessa porzione di risonatore 11a); e porzioni di isolamento 16b, disposte lateralmente rispetto alla porzione sacrificale 16a (lungo il suddetto primo asse orizzontale x) e definenti tra di loro aperture 17, verticalmente in corrispondenza delle suddette prima e seconda porzione di interconnessione inferiore 11b, 11c del substrato strutturale 11.
Come illustrato in Figura 2C, viene quindi eseguito un processo di crescita epitassiale a partire dalla superficie anteriore 10a, con successiva operazione di planarizzazione, che porta alla formazione di uno strato di silicio epitassiale 18, al di sopra della stessa superficie anteriore 10a ed a rivestimento del suddetto strato dielettrico superficiale 16 (tale strato di silicio epitassiale 18 riempiendo inoltre le suddette aperture 17).
Come mostrato nella stessa Figura 2C, vengono quindi formate una prima ed una seconda piazzola di contatto 19a, 19b al di sopra dello strato di silicio epitassiale 18, verticalmente in corrispondenza della prima e, rispettivamente, della seconda porzione di interconnessione inferiore 11b, 11c del substrato strutturale 11 (come sarà evidenziato in seguito, la prima e la seconda piazzola di contatto 19a, 19b sono atte a consentire il contatto elettrico verso l’elettrodo superiore, rispettivamente l’elettrodo inferiore della struttura di risonatore piezoelettrico). Le suddette prima e seconda piazzola di contatto 19a, 19b possono essere formate mediante deposizione ed attacco di uno strato di materiale conduttivo, ad esempio metallico.
Lo strato di silicio epitassiale 18 viene quindi sottoposto ad attacco a partire da una relativa superficie superiore 18a (non a contatto del substrato strutturale 11), per la formazione di aperture di isolamento 20, lateralmente rispetto alle suddette prima e seconda piazzola di contatto 19a, 19b e definenti tra loro una prima ed una seconda porzione di interconnessione superiore 21a, 21b dello strato di silicio epitassiale 18, costituenti un prolungamento lungo l’asse verticale z della prima e, rispettivamente, della seconda porzione di interconnessione inferiore 11b, 11c del substrato strutturale 11 (e destinate a formare, congiuntamente ad esse, gli elementi di interconnessione della struttura di risonatore piezoelettrico). Le suddette aperture di isolamento 20 realizzano quindi l’isolamento elettrico tra le suddette prima e seconda porzione di interconnessione superiore 21a, 21b dello strato di silicio epitassiale 18.
Come illustrato in Figura 2D, la fetta SOI 10 viene quindi accoppiata, tramite accoppiamento, cosiddetto “bonding”, temporaneo o permanente, ad una fetta di manipolazione 24 (cosiddetta “handling wafer”), ad esempio anch’essa di materiale semiconduttore, quale silicio. In particolare, uno strato di adesione 25, di un opportuno materiale di accoppiamento dielettrico (elettricamente non conduttivo), ad esempio vetroso, quale “glass-frit”, è interposto tra la superficie anteriore della fetta SOI 10 (ora definita dalla superficie superiore 18a del suddetto strato di silicio epitassiale 18) ed una affacciata superficie di accoppiamento 24a della fetta di manipolazione 24; tale strato di adesione 25 riempie inoltre, nell’esempio, le suddette aperture di isolamento 20 e ricopre le suddette prima e seconda piazzola di contatto 19a, 19b (si noti che, in alternativa, lo strato di adesione 25 può essere formato, per esempio tramite tecniche quali lo “screen printing”, in maniera localizzata solo in alcune zone della superficie superiore 18a; in tal caso, le aperture di isolamento 20 possono non essere riempite dallo stesso strato di adesione 25).
Come illustrato nella stessa Figura 2D, l’impilamento della fetta SOI 10 e della fetta di manipolazione 25 viene quindi capovolto (con operazione cosiddetta di “flip-chip”), in modo tale che la superficie posteriore 10b della fetta SOI 10 (definita dal relativo substrato di supporto 12) sia rivolta verso l’alto, disponibile quindi per le successive fasi di lavorazione.
Come mostrato in Figura 2E, il substrato di supporto 12 della fetta SOI 10 viene quindi totalmente rimosso, mediante asportazione di materiale superficiale (cosiddetta operazione di “grinding”); viene inoltre rimosso gran parte dello strato dielettrico 13 della stessa fetta SOI 10, ad eccezione di porzioni residuali 13a di tale strato dielettrico 13, disposte verticalmente in posizione laterale rispetto alla prima ed alla seconda piazzola di contatto 19a, 19b. In altre parole, tali porzioni residuali 13a dello strato dielettrico 13 definiscono tra loro una prima ed una seconda apertura 26a, 26b verticalmente in corrispondenza delle suddette piazzole di contatto 19a, 19b, della prima e della seconda porzione di interconnessione inferiore 11b, 11c del substrato strutturale 11 e della prima e della seconda porzione di interconnessione superiore 21a, 21b dello strato di silicio epitassiale 18).
Come illustrato nella stessa Figura 2E, viene quindi deposto al di sopra della superficie del substrato strutturale 11 (opposta rispetto allo strato di silicio epitassiale 18 lungo l’asse verticale z), ora scoperta ed accessibile, uno strato di materiale piezoelettrico, ad esempio nitruro di alluminio (AlN), che viene opportunamente definito mediante attacco fotolitografico, in modo da formare una regione di materiale piezoelettrico 28 direttamente al di sopra della porzione di risonatore 11a dello stesso substrato strutturale 11.
Al di sopra della suddetta regione di materiale piezoelettrico 28 viene quindi deposto e definito uno strato di materiale conduttivo, in particolare metallico, ad esempio di molibdeno, in modo da formare una regione di elettrodo superiore 30 di quella che risulterà essere la struttura di risonatore piezoelettrico.
Nella forma di realizzazione illustrata, la definizione del suddetto strato di materiale piezoelettrico porta inoltre alla formazione di una ulteriore regione piezoelettrica 31, disposta lateralmente alla suddetta regione di materiale piezoelettrico 28, al di sopra delle porzioni residuali 13a dello strato dielettrico 13. In particolare, tale ulteriore regione piezoelettrica 31 riempie la seconda apertura 26b disposta verticalmente in corrispondenza della seconda piazzola di contatto 19b, mentre lascia scoperta ed accessibile la prima apertura 26a disposta verticalmente in corrispondenza della prima piazzola di contatto 19a.
Inoltre, la definizione del suddetto strato di materiale conduttivo porta anche alla formazione di una pista conduttiva 32, che si estende al di sopra della suddetta ulteriore regione piezoelettrica 31 ed in particolare entra all’interno della suddetta prima apertura 26a, in modo da risultare direttamente a contatto del sottostante elemento di interconnessione di quella che sarà la struttura di risonatore piezoelettrico (formato congiuntamente dalla prima porzione di interconnessione inferiore 11b del substrato strutturale 11 e dalla prima porzione di interconnessione superiore 21a dello strato di silicio epitassiale 18), in contatto elettrico con la suddetta prima piazzola di contatto 19a.
In maniera non illustrata nella sezione di Figura 2E, tale pista conduttiva 32 è inoltre posta elettricamente a contatto con la regione di elettrodo superiore 30.
Come mostrato in Figura 2F, la fetta 10 viene quindi sottoposta ad un attacco (ad esempio un attacco in umido, “wet etch”, o un attacco con acido idrofluoridrico, HF, da fase vapore) per la rimozione completa del materiale dielettrico contenuto nelle trincee di definizione 14 e della porzione sacrificale 16a dello strato dielettrico superficiale 16 (che porta alla formazione di una cavità interna 39 nello strato epitassiale 18), così da ottenere il rilascio della porzione di risonatore 11a del suddetto substrato strutturale 11, che viene a formare dunque un elemento mobile, qui indicato con 40, della struttura di risonatore piezoelettrico.
Si noti che il suddetto attacco non porta invece alla rimozione delle restanti regioni dielettriche, che non risultano infatti accessibili a partire dalla superficie superiore in lavorazione (ovvero, la superficie del substrato strutturale 11 opposta rispetto allo strato di silicio epitassiale 18).
Come illustrato in Figura 2G, una fetta cappuccio (“cap wafer”) 42, ad esempio di materiale semiconduttore, in particolare silicio, viene quindi accoppiata alla fetta SOI 10, al di sopra dello strato di supporto 11 (da parte opposta rispetto al suddetto strato di silicio epitassiale 18), mediante l’interposizione di elementi di accoppiamento 43 di materiale opportuno, in particolare dielettrico, ad esempio vetroso, quale “glass-frit”; tali elementi di accoppiamento 43 sono disposti lateralmente rispetto alle strutture precedentemente descritte (in particolare rispetto all’elemento mobile 40 ed all’ulteriore regione piezoelettrica 31) e definiscono una distanza (gap) di separazione tra la fetta SOI 10 e la fetta cappuccio 42.
La stessa fetta cappuccio 42 presenta, in corrispondenza verticalmente dell’elemento mobile 40, una cavità di alloggiamento 44.
In particolare, un opportuno livello di vuoto può essere definito all’interno della suddetta cavità di alloggiamento 44, mediante la formazione, ad esempio per deposizione, di una regione di getter 45 all’interno della stessa cavità di alloggiamento 44, ad esempio su una relativa parete affacciata all’elemento mobile 40.
La superficie superiore della fetta cappuccio 42 (opposta alla superficie 42a affacciata alla fetta SOI 10), indicata con 42b, può essere vantaggiosamente sottoposta ad assottigliamento per asportazione di materiale e/o attacco chimico, in modo da ottenere un desiderato spessore risultante (lungo l’asse verticale z).
Come illustrato in Figura 2H, l’impilamento della fetta SOI 10, della fetta di manipolazione 25 e della fetta cappuccio 42 viene quindi capovolto (operazione di “flipchip”), in modo tale che la fetta di manipolazione 24 sia rivolta verso l’alto, disponibile per le successive fasi di lavorazione.
Tali successive fasi di lavorazione prevedono in particolare la rimozione totale della stessa fetta di manipolazione 24 ed inoltre la rimozione totale, o parziale, dello strato di adesione 25; ad esempio, come nell’esempio illustrato nella suddetta Figura 2H, una porzione di tale strato di adesione 25 può rimanere con funzioni di protezione e rivestimento all’interno delle aperture di isolamento 20 e/o al di sopra di parte della superficie esterna dello strato di silicio epitassiale 18 (senza coprire però le piazzole di contatto 19a, 19b).
Il procedimento di fabbricazione termina quindi con il taglio della fetta SOI 10 (e della fetta cappuccio 42), per la definizione del risultante dispositivo risonatore, che viene illustrato in Figura I, dove è indicato nel suo insieme con 50 (si noti che in tale Figura I si suppone che il suddetto strato di adesione 25 sia stato completamente rimosso nelle precedenti fasi di lavorazione).
Il dispositivo risonatore 50 comprende dunque un corpo principale 52 (risultante dal taglio della suddetta fetta SOI 10), avente una prima superficie 52a ed una seconda superficie 52b, opposte lungo l’asse verticale z, e costituito: dal substrato strutturale 11, di silicio monocristallino drogato, definente la suddetta prima superficie 52a; e dallo strato di silicio epitassiale 18, cresciuto sullo stesso substrato strutturale 11, e definente la seconda superficie 52b del suddetto corpo principale 52.
Il dispositivo risonatore 50 comprende inoltre un cappuccio 54 (risultante dal taglio della suddetta fetta cappuccio 42), avente una rispettiva prima superficie 54a ed una seconda superficie 54b, opposte lungo l’asse verticale z, ed accoppiato alla prima superficie 52a del corpo principale 52, mediante gli elementi di accoppiamento 43.
Il dispositivo risonatore 50 presenta dunque un package cosiddetto “a livello di fetta”, in cui la suddetta seconda superficie 52b del corpo principale 52 e la suddetta seconda superficie 54b del cappuccio 54 costituiscono superfici esterne ed a contatto con l’ambiente esterno (in maniera non illustrata, uno strato di rivestimento, ad esempio di resina epossidica, può essere formato al di sopra della seconda superficie 52b del corpo principale 52; in alternativa, al di sopra della stessa seconda superficie 52b può essere presente parte dello strato di adesione 25, qualora esso sia stato rimosso solamente in parte durante il procedimento di fabbricazione).
In particolare, il dispositivo risonatore 50 definisce internamente ed in maniera integrata una struttura di risonatore piezoelettrico 60, comprendente: l’elemento mobile 40, formato dalla porzione di risonatore 11a del substrato strutturale 11, accoppiato in maniera opportuna (qui non illustrata) al suddetto substrato strutturale 11, in modo da essere sospeso a sbalzo, affacciato alla cavità interna 39 formata nello strato epitassiale 18 ed inoltre, da parte opposta, alla cavità di alloggiamento 44, formata nel cappuccio 54; ed inoltre la regione di materiale piezoelettrico 28, disposta sullo stesso elemento mobile 40 in corrispondenza della prima superficie 52a del corpo principale 52, e l’elettrodo superiore 30, disposto sulla stessa regione di materiale piezoelettrico 28 (a formare il cosiddetto “stack piezoelettrico”).
La struttura di risonatore piezoelettrico 60 comprende inoltre l’elettrodo inferiore, formato dal materiale dello stesso elemento mobile 40 (silicio monocristallino) ed inoltre un primo ed un secondo elemento di interconnessione 62a, 62b, che collegano elettricamente i suddetti elettrodi superiore ed inferiore alla prima ed alla seconda piazzola di contatto 19a, 19b, disposte in corrispondenza della seconda superficie 52b del corpo principale 52 (essendo in tal modo accessibili dall’esterno).
Come indicato in precedenza, tali elementi di interconnessione 62a, 62b sono tra loro isolati elettricamente (per la presenza delle trincee di isolamento 15 riempite di materiale dielettrico e delle aperture di isolamento 20, eventualmente riempite del materiale dello strato di adesione 25, qualora non sia stato rimosso completamente o sia stato formato in maniera localizzata e non all’interno delle stesse aperture di isolamento 20) e sono formati dalla sovrapposizione della prima, rispettivamente seconda, porzione di interconnessione superiore 21a, 21b dello strato di silicio epitassiale 18 e della prima, rispettivamente, seconda porzione di interconnessione inferiore 11b, 11c del substrato strutturale 11.
In particolare, la suddetta prima piazzola di contatto 19a consente il collegamento elettrico (ai fini della polarizzazione della struttura di risonatore piezolettrico 60 e del rilevamento di un segnale elettrico ad una opportuna frequenza di oscillazione generato per effetto del corrispondente movimento alla frequenza di risonanza) verso l’elettrodo superiore 30, attraverso la pista conduttiva 32 formata sulla prima superficie 52a del corpo principale 52; e la suddetta seconda piazzola di contatto 19b consente il collegamento elettrico (nuovamente ai fini della polarizzazione della struttura di risonatore piezolettrico 60 e del rilevamento del corrispondente segnale elettrico alla frequenza di oscillazione) verso l’elettrodo inferiore (costituito, come indicato, dallo stesso elemento mobile 40).
I vantaggi della presente soluzione emergono in maniera evidente dalla descrizione precedente.
In particolare, si sottolinea che il dispositivo risonatore 50 presenta una ridotta dipendenza della relativa frequenza di oscillazione rispetto alla temperatura, grazie alla stabilità in temperatura del materiale utilizzato (silicio monocristallino drogato).
Inoltre, il dispositivo risonatore 50 presenta ridotte dimensioni ed in particolare un ridotto spessore dell’impilamento (stack) lungo l’asse verticale z, grazie all’impiego di un package a livello di fetta ed alla possibilità di riduzione dello spessore del cappuccio 54 (tramite l’operazione di assottigliamento della fetta cappuccio 42, che sfrutta la presenza temporanea della fetta di manipolazione 24).
Risulta inoltre vantaggiosa, nuovamente ai fini della riduzione delle dimensioni, la disposizione delle piazzole di contatto 19a, 19b sulla superficie esterna dello strato epitassiale 18, cresciuto direttamente al di sopra del substrato strutturale 11, con gli elementi di interconnessione 62a, 62b che collegano le stesse piazzole di contatto 19a, 19b agli elettrodi superiore ed inferiore della struttura di risonatore piezoelettrico 60, attraversando l’intero spessore degli stessi substrato strutturale 11 e strato di silicio epitassiale 18.
L’accoppiamento del cappuccio 54 al corpo principale 52, in particolare mediante “glass-frit bonding”, consente di ottenere un incapsulamento ermetico della struttura di risonatore piezoelettrico 60 (con il desiderato livello di vuoto ottenibile internamente mediante la regione di getter 45).
La realizzazione dello stack piezoelettrico (formato dalla sovrapposizione impilata della regione di materiale piezoelettrico 28 e della regione di elettrodo superiore 30) consente vantaggiosamente una regolazione e calibrazione delle proprietà elettriche (ad esempio in termini dell’offset in frequenza) della struttura di risonatore piezoelettrico 60, mediante la definizione precisa delle dimensioni delle regioni di materiale che vengono formate (operazione cosiddetta di “trimming”, che può coinvolgere, in alternativa o in aggiunta, anche la porzione di risonatore 11a costituente l’elemento mobile 40 della struttura di risonatore piezoelettrico).
Si evidenzia inoltre che, a differenza di soluzioni note che richiedono complesse e costose lavorazioni, ad esempio a partire da substrati C-SOI, la presente soluzione ricava la cavità interna 39 rispetto alla quale l’elemento mobile 40 è sospeso a sbalzo, in uno strato di materiale epitassiale, mediante l’attacco di un materiale sacrificale su cui lo stesso strato epitassiale è in precedenza cresciuto (ovvero, con tecniche standard dei semiconduttori, aventi ridotta complessità e costo).
Il dispositivo risonatore 50 può vantaggiosamente sostituire tradizionali strutture risonanti al quarzo in circuiti oscillatori pre-esistenti, ad esempio per applicazioni RTC, in particolare potendo costituire un rimpiazzo diretto (utilizzando gli stessi pin e contatti di pre-esistenti risonatori al quarzo, sfruttando infatti lo stesso principio piezoelettrico e dunque risultando del tutto compatibile con gli associati circuiti elettronici).
A questo riguardo, in Figura 3 viene mostrato schematicamente un dispositivo elettronico 70, che comprende un circuito applicativo 71, atto a svolgere una o più applicazioni che richiedono una temporizzazione da parte di un segnale di clock clk; ed un circuito di temporizzazione 72, atto a fornire il segnale di clock clk a tale circuito applicativo 71.
Il circuito di temporizzazione 72 comprende il dispositivo risonatore MEMS 50, descritto in precedenza, ed un associato circuito elettronico di lettura 73.
Risulta infine chiaro che a quanto descritto ed illustrato possono essere apportate modifiche e varianti senza per questo uscire dall’ambito di tutela della presente invenzione, come definito nelle rivendicazioni allegate.
In particolare, si evidenzia che la geometria, le dimensioni e l’accoppiamento rispetto al substrato strutturale 11 dell’elemento mobile 40 della struttura di risonatore piezoelettrico 60 potrebbero variare rispetto a quanto illustrato in precedenza.
Inoltre, si evidenzia che il dispositivo risonatore 50 può vantaggiosamente essere utilizzato in svariate ulteriori applicazioni, differenti rispetto all’applicazione di orologio in tempo reale a cui si è fatto particolare riferimento in precedenza, ad esempio in oscillatori di riferimento per alta frequenza (che vengono ad esempio utilizzati per fornire un opportuno riferimento di frequenza per operazioni di demodulazione in circuiti elettronici).

Claims (18)

  1. RIVENDICAZIONI 1. Dispositivo risonatore microelettromeccanico (50), comprendente: un corpo principale (52) avente una prima superficie (52a) ed una seconda superficie (52b), opposte lungo un asse verticale (z), e composto da un primo strato (11), definente detta prima superficie (52a) e da un secondo strato (18), sovrapposto a detto primo strato (52a) e definente detta seconda superficie (52b); un cappuccio (54), avente una rispettiva prima superficie (54a) ed una rispettiva seconda superficie (54b), opposte lungo l’asse verticale (z), accoppiato alla prima superficie (52a) del corpo principale (52), mediante elementi di accoppiamento (43); una struttura di risonatore piezoelettrico (60) includente: un elemento mobile (40), costituito da una porzione di risonatore (11a) di detto primo strato (11), sospesa a sbalzo rispetto ad una cavità interna (39) disposta in detto secondo strato (18) ed inoltre, da parte opposta rispetto all’asse verticale (z), rispetto ad una cavità di alloggiamento (44) disposta in detto cappuccio (54); una regione di materiale piezoelettrico (28), disposta su detto elemento mobile (40) in corrispondenza della prima superficie (52a) del corpo principale (52); ed un elettrodo superiore (30), disposto sulla regione di materiale piezoelettrico (28), detto elemento mobile (40) costituendo un elettrodo inferiore di detta struttura di risonatore piezoelettrico (60).
  2. 2. Dispositivo secondo la rivendicazione 1, in cui detto primo strato (11) è un substrato strutturale di silicio monocristallino drogato; ed in cui detto secondo strato (18) è uno strato epitassiale cresciuto a partire da detto substrato strutturale (11).
  3. 3. Dispositivo secondo la rivendicazione 1 o 2, comprendente inoltre: un primo (19a) ed un secondo (19b) elemento di contatto, disposti su detto secondo strato (18) in corrispondenza della seconda superficie (52b) del corpo principale (52); ed inoltre un primo (62a) ed un secondo (62b) elemento di interconnessione, che collegano elettricamente gli elettrodi superiore ed inferiore di detta struttura di risonatore piezoelettrico (60) a detti primo e secondo elemento di contatto (19a, 19b), detti primo (62a) e secondo (62b) elemento di interconnessione estendendosi attraverso un intero spessore di detto corpo principale (52) lungo detto asse verticale (z).
  4. 4. Dispositivo secondo la rivendicazione 3, in cui detti primo e secondo elemento di interconnessione (62a, 62b) sono formati dalla sovrapposizione di una prima, rispettivamente seconda, porzione di interconnessione superiore (21a, 21b) di detto secondo strato (18) e di una prima, rispettivamente, seconda porzione di interconnessione inferiore (11b, 11c) di detto primo strato (11); detti primo e secondo elemento di interconnessione (62a, 62b) essendo tra loro isolati elettricamente mediante regioni di isolamento (15, 20) estendentisi attraverso detto corpo principale (52).
  5. 5. Dispositivo secondo la rivendicazione 4, in cui dette regioni di isolamento (15, 20) comprendono trincee di isolamento (15) riempite di materiale dielettrico formate attraverso detto primo strato (11) ed aperture di isolamento (20) formate attraverso detto secondo strato (18) verticalmente sovrapposte a dette trincee di isolamento (15) lungo detto asse verticale (z).
  6. 6. Dispositivo secondo la rivendicazione 4 o 5, comprendente inoltre almeno una pista di materiale conduttivo (32) disposta al di sopra della prima superficie (52a) di detto corpo principale (52), configurata in modo da collegare elettricamente detto primo elemento di interconnessione (62a) a detto elettrodo superiore (40) della struttura di risonatore piezoelettrico (60).
  7. 7. Dispositivo secondo una qualsiasi delle rivendicazioni precedenti, in cui detti elementi di accoppiamento (43) sono realizzati di materiale dielettrico, sono disposti lateralmente rispetto all’elemento mobile (40) e definiscono una distanza di separazione tra la prima superficie (52a) di detto corpo principale (52) e la rispettiva prima superficie (54a) di detto cappuccio (54).
  8. 8. Dispositivo secondo una qualsiasi delle rivendicazioni precedenti, comprendente inoltre una regione di getter (45) all’interno di detta cavità di alloggiamento (44), disposta su una parete di detta cavità di alloggiamento (44) affacciata a detto elemento mobile (40).
  9. 9. Dispositivo secondo una qualsiasi delle rivendicazioni precedenti, in cui detto dispositivo risonatore microelettromeccanico (50) comprende un package a livello di fetta, in cui detta seconda superficie (52b) del corpo principale (52) e detta seconda superficie (54b) del cappuccio (54) costituiscono superfici esterne ed a contatto con l’ambiente esterno.
  10. 10. Procedimento di fabbricazione di un dispositivo risonatore microelettromeccanico (50), comprendente: formare un corpo principale (52) avente una prima superficie (52a) ed una seconda superficie (52b), opposte lungo un asse verticale (z), composto da un primo strato (11), definente detta prima superficie (52a) e da un secondo strato (18), sovrapposto a detto primo strato (11) e definente detta seconda superficie (52b); ed accoppiare un cappuccio (54), avente una rispettiva prima superficie (54a) ed una rispettiva seconda superficie (54b), opposte lungo l’asse verticale (z), alla prima superficie (52a) del corpo principale (52), mediante elementi di accoppiamento (43); in cui formare detto corpo principale (52) comprende formare una struttura di risonatore piezoelettrico (60) includente: un elemento mobile (40), costituito da una porzione di risonatore (11a) di detto primo strato (11), sospesa a sbalzo rispetto ad una cavità interna (39) realizzata in detto secondo strato (18) ed inoltre, da parte opposta rispetto all’asse verticale (z), rispetto ad una cavità di alloggiamento (44) realizzata in detto cappuccio (54); una regione di materiale piezoelettrico (28), formata su detto elemento mobile (40) in corrispondenza della prima superficie (52a) del corpo principale (52); ed un elettrodo superiore (30), formato sulla regione di materiale piezoelettrico (28), detto elemento mobile (40) costituendo un elettrodo inferiore di detta struttura di risonatore piezoelettrico (60).
  11. 11. Procedimento secondo la rivendicazione 10, in cui formare un corpo principale (52) comprende: predisporre una fetta SOI (10), comprendente detto primo strato (11), di silicio monocristallino drogato, un substrato di supporto (12) ed uno strato dielettrico (13) interposto tra detto primo strato (11) ed il substrato di supporto (12); realizzare trincee di definizione (14) attraverso un intero spessore del primo strato (11) lungo l’asse verticale (z), definenti tra di loro detta porzione di risonatore (11a) di detto primo strato (11); formare uno strato dielettrico superficiale (16) al di sopra del primo strato (11) ed all’interno di dette trincee di definizione (15) e definire detto strato dielettrico superficiale (16) in modo da formare una porzione sacrificale (16a), disposta in corrispondenza superiormente di detta porzione di risonatore (11a) ed avente estensione laterale maggiore di detta porzione di risonatore (11a); eseguire una crescita epitassiale per la formazione di detto secondo strato (18), di silicio epitassiale, al di sopra di detto primo strato (11) ed a rivestimento di detta porzione sacrificale (16a); rimuovere il materiale dielettrico contenuto in dette trincee di definizione (14) e di detta porzione sacrificale (16a), in modo da ottenere la formazione di detta cavità interna (39) in detto secondo strato (18) ed il rilascio della porzione di risonatore (11a) di detto primo strato (11), costituente detto elemento mobile (40) della struttura di risonatore piezoelettrico (50).
  12. 12. Procedimento secondo la rivendicazione 11, in cui formare un corpo principale (52) comprende inoltre: accoppiare alla fetta SOI (10) una fetta di manipolazione (24); capovolgere detta fetta SOI (10) mediante l’ausilio di detta fetta di manipolazione (24); rimuovere completamente detto substrato di supporto (12) e rimuovere detto strato dielettrico (13), in modo da rendere accessibile una superficie di lavoro di detto primo strato (11) non a contatto di detto secondo strato (18) e definente detta prima superficie (52a) di detto corpo principale (52).
  13. 13. Procedimento secondo la rivendicazione 12, comprendente inoltre formare uno strato di materiale piezoelettrico al di sopra di detta superficie di lavoro di detto primo strato (11) e definire detto strato di materiale piezoelettrico per la formazione di detta regione di materiale piezoelettrico (28) al di sopra di detto elemento mobile (40).
  14. 14. Procedimento secondo una qualsiasi delle rivendicazioni 11-13, comprendente inoltre: realizzare trincee di isolamento (15) attraverso un intero spessore di detto primo strato (11), lateralmente rispetto a dette trincee di definizione (14) e definenti tra di loro una prima ed una seconda porzione di interconnessione inferiore (11b, 11c) di detto primo strato (11), in cui detta fase di formare uno strato dielettrico superficiale (16) comprende inoltre riempire dette trincee di isolamento (15); formare un primo (19a) ed un secondo (19b) elemento di contatto su detto secondo strato (18) in corrispondenza verticalmente di dette prima e seconda porzione di interconnessione inferiore (11b, 11c) di detto primo strato (11); e formare aperture di isolamento (20) attraverso detto secondo strato (18) verticalmente sovrapposte a dette trincee di isolamento (15) lungo detto asse verticale (z), definenti tra loro una prima ed una seconda porzione di interconnessione superiore (21a, 21b) di detto secondo strato (18), in cui la sovrapposizione di detta prima, rispettivamente seconda, porzione di interconnessione superiore (21a, 21b) e di detta prima, rispettivamente, seconda porzione di interconnessione inferiore (11b, 11c) definiscono un primo e, rispettivamente, un secondo elemento di interconnessione (62a, 62b), atti a collegare elettricamente gli elettrodi superiore ed inferiore di detta struttura di risonatore piezoelettrico (60) a detti primo e secondo elemento di contatto (19a, 19b).
  15. 15. Procedimento secondo la rivendicazione 14, comprendente inoltre formare almeno una pista di materiale conduttivo (32) disposta al di sopra della prima superficie (52a) di detto corpo principale (52), configurata in modo da collegare detto primo elemento di interconnessione (62a) a detto elettrodo superiore (30) di detta struttura di risonatore piezoelettrico (60).
  16. 16. Procedimento secondo una qualsiasi delle rivendicazioni 10-15, in cui accoppiare un cappuccio (54) comprende: predisporre una fetta cappuccio (42); formare detta cavità di alloggiamento (44) all’interno di detta fetta cappuccio (42), a partire da una relativa superficie di accoppiamento (42a); accoppiare detta fetta cappuccio (42) al di sopra di detto primo strato (11), in modo tale che detto elemento mobile (40) di detta struttura di risonatore piezoelettrico (60) sia affacciato a detta cavità di alloggiamento (44), mediante detti elementi di accoppiamento (43), di materiale dielettrico, disposti lateralmente rispetto all’elemento mobile (40) e definenti una distanza di separazione tra detto primo strato (11) e detta fetta cappuccio (42).
  17. 17. Procedimento secondo la rivendicazione 16, comprendente inoltre definire un desiderato livello di vuoto all’interno di detta cavità di alloggiamento (44), mediante la formazione di una regione di getter (45) su una parete di detta cavità di alloggiamento (44) affacciata all’elemento mobile (40).
  18. 18. Procedimento secondo la rivendicazione 16 o 17, comprendente inoltre sottoporre ad assottigliamento una superficie superiore (42b) di detta fetta cappuccio (42), opposta a detta superficie di accoppiamento (42a), in modo da ottenere un desiderato spessore lungo l’asse verticale (z).
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