JP2012531097A - 受動温度補償を提供する高密度トレンチアレイを有するマイクロメカニカル共振器を形成する方法 - Google Patents
受動温度補償を提供する高密度トレンチアレイを有するマイクロメカニカル共振器を形成する方法 Download PDFInfo
- Publication number
- JP2012531097A JP2012531097A JP2012516114A JP2012516114A JP2012531097A JP 2012531097 A JP2012531097 A JP 2012531097A JP 2012516114 A JP2012516114 A JP 2012516114A JP 2012516114 A JP2012516114 A JP 2012516114A JP 2012531097 A JP2012531097 A JP 2012531097A
- Authority
- JP
- Japan
- Prior art keywords
- trenches
- resonator body
- resonator
- forming
- spaced
- Prior art date
- Legal status (The legal status is an assumption and is not a legal conclusion. Google has not performed a legal analysis and makes no representation as to the accuracy of the status listed.)
- Withdrawn
Links
- 238000000034 method Methods 0.000 title claims abstract description 46
- 239000000463 material Substances 0.000 claims abstract description 44
- 239000012777 electrically insulating material Substances 0.000 claims abstract description 21
- 239000000758 substrate Substances 0.000 claims abstract description 7
- 239000010410 layer Substances 0.000 claims description 32
- 229910052710 silicon Inorganic materials 0.000 claims description 13
- 239000010703 silicon Substances 0.000 claims description 13
- VYPSYNLAJGMNEJ-UHFFFAOYSA-N Silicium dioxide Chemical compound O=[Si]=O VYPSYNLAJGMNEJ-UHFFFAOYSA-N 0.000 claims description 12
- 238000001312 dry etching Methods 0.000 claims description 12
- 238000000151 deposition Methods 0.000 claims description 11
- 238000005530 etching Methods 0.000 claims description 11
- 235000012239 silicon dioxide Nutrition 0.000 claims description 6
- 239000000377 silicon dioxide Substances 0.000 claims description 6
- 230000008021 deposition Effects 0.000 claims description 4
- 238000004518 low pressure chemical vapour deposition Methods 0.000 claims description 4
- 238000001020 plasma etching Methods 0.000 claims description 3
- 230000008569 process Effects 0.000 claims description 3
- 239000011241 protective layer Substances 0.000 claims description 3
- 238000003491 array Methods 0.000 claims 1
- 239000004065 semiconductor Substances 0.000 abstract description 7
- XUIMIQQOPSSXEZ-UHFFFAOYSA-N Silicon Chemical compound [Si] XUIMIQQOPSSXEZ-UHFFFAOYSA-N 0.000 description 12
- 230000007246 mechanism Effects 0.000 description 7
- 238000004519 manufacturing process Methods 0.000 description 6
- 238000000206 photolithography Methods 0.000 description 2
- 230000004044 response Effects 0.000 description 2
- PIGFYZPCRLYGLF-UHFFFAOYSA-N Aluminum nitride Chemical compound [Al]#N PIGFYZPCRLYGLF-UHFFFAOYSA-N 0.000 description 1
- ZOKXTWBITQBERF-UHFFFAOYSA-N Molybdenum Chemical compound [Mo] ZOKXTWBITQBERF-UHFFFAOYSA-N 0.000 description 1
- 229910004298 SiO 2 Inorganic materials 0.000 description 1
- 230000001154 acute effect Effects 0.000 description 1
- 230000015572 biosynthetic process Effects 0.000 description 1
- 238000007796 conventional method Methods 0.000 description 1
- 238000010586 diagram Methods 0.000 description 1
- 230000000694 effects Effects 0.000 description 1
- 239000013013 elastic material Substances 0.000 description 1
- 239000011810 insulating material Substances 0.000 description 1
- 239000012212 insulator Substances 0.000 description 1
- 239000011159 matrix material Substances 0.000 description 1
- 230000004048 modification Effects 0.000 description 1
- 238000012986 modification Methods 0.000 description 1
- 229910052750 molybdenum Inorganic materials 0.000 description 1
- 239000011733 molybdenum Substances 0.000 description 1
- 238000004088 simulation Methods 0.000 description 1
Images
Classifications
-
- H—ELECTRICITY
- H03—ELECTRONIC CIRCUITRY
- H03H—IMPEDANCE NETWORKS, e.g. RESONANT CIRCUITS; RESONATORS
- H03H3/00—Apparatus or processes specially adapted for the manufacture of impedance networks, resonating circuits, resonators
- H03H3/007—Apparatus or processes specially adapted for the manufacture of impedance networks, resonating circuits, resonators for the manufacture of electromechanical resonators or networks
- H03H3/0072—Apparatus or processes specially adapted for the manufacture of impedance networks, resonating circuits, resonators for the manufacture of electromechanical resonators or networks of microelectro-mechanical resonators or networks
- H03H3/0076—Apparatus or processes specially adapted for the manufacture of impedance networks, resonating circuits, resonators for the manufacture of electromechanical resonators or networks of microelectro-mechanical resonators or networks for obtaining desired frequency or temperature coefficients
-
- H—ELECTRICITY
- H03—ELECTRONIC CIRCUITRY
- H03H—IMPEDANCE NETWORKS, e.g. RESONANT CIRCUITS; RESONATORS
- H03H9/00—Networks comprising electromechanical or electro-acoustic devices; Electromechanical resonators
- H03H9/02—Details
- H03H9/02244—Details of microelectro-mechanical resonators
- H03H9/02433—Means for compensation or elimination of undesired effects
- H03H9/02448—Means for compensation or elimination of undesired effects of temperature influence
-
- H—ELECTRICITY
- H03—ELECTRONIC CIRCUITRY
- H03H—IMPEDANCE NETWORKS, e.g. RESONANT CIRCUITS; RESONATORS
- H03H9/00—Networks comprising electromechanical or electro-acoustic devices; Electromechanical resonators
- H03H9/24—Constructional features of resonators of material which is not piezoelectric, electrostrictive, or magnetostrictive
- H03H9/2405—Constructional features of resonators of material which is not piezoelectric, electrostrictive, or magnetostrictive of microelectro-mechanical resonators
- H03H2009/2442—Square resonators
-
- Y—GENERAL TAGGING OF NEW TECHNOLOGICAL DEVELOPMENTS; GENERAL TAGGING OF CROSS-SECTIONAL TECHNOLOGIES SPANNING OVER SEVERAL SECTIONS OF THE IPC; TECHNICAL SUBJECTS COVERED BY FORMER USPC CROSS-REFERENCE ART COLLECTIONS [XRACs] AND DIGESTS
- Y10—TECHNICAL SUBJECTS COVERED BY FORMER USPC
- Y10T—TECHNICAL SUBJECTS COVERED BY FORMER US CLASSIFICATION
- Y10T29/00—Metal working
- Y10T29/42—Piezoelectric device making
-
- Y—GENERAL TAGGING OF NEW TECHNOLOGICAL DEVELOPMENTS; GENERAL TAGGING OF CROSS-SECTIONAL TECHNOLOGIES SPANNING OVER SEVERAL SECTIONS OF THE IPC; TECHNICAL SUBJECTS COVERED BY FORMER USPC CROSS-REFERENCE ART COLLECTIONS [XRACs] AND DIGESTS
- Y10—TECHNICAL SUBJECTS COVERED BY FORMER USPC
- Y10T—TECHNICAL SUBJECTS COVERED BY FORMER US CLASSIFICATION
- Y10T29/00—Metal working
- Y10T29/49—Method of mechanical manufacture
- Y10T29/49002—Electrical device making
- Y10T29/49005—Acoustic transducer
-
- Y—GENERAL TAGGING OF NEW TECHNOLOGICAL DEVELOPMENTS; GENERAL TAGGING OF CROSS-SECTIONAL TECHNOLOGIES SPANNING OVER SEVERAL SECTIONS OF THE IPC; TECHNICAL SUBJECTS COVERED BY FORMER USPC CROSS-REFERENCE ART COLLECTIONS [XRACs] AND DIGESTS
- Y10—TECHNICAL SUBJECTS COVERED BY FORMER USPC
- Y10T—TECHNICAL SUBJECTS COVERED BY FORMER US CLASSIFICATION
- Y10T29/00—Metal working
- Y10T29/49—Method of mechanical manufacture
- Y10T29/49002—Electrical device making
- Y10T29/49117—Conductor or circuit manufacturing
- Y10T29/49124—On flat or curved insulated base, e.g., printed circuit, etc.
- Y10T29/49155—Manufacturing circuit on or in base
Landscapes
- Physics & Mathematics (AREA)
- Acoustics & Sound (AREA)
- Engineering & Computer Science (AREA)
- Manufacturing & Machinery (AREA)
- Piezo-Electric Or Mechanical Vibrators, Or Delay Or Filter Circuits (AREA)
- Micromachines (AREA)
Abstract
マイクロメカニカル式共振器を形成する方法は、少なくとも第1のアンカー(12a、12b)によって基板(10)に係止される共振器本体(12)を形成するステップを含む。この共振器本体は、負の温度係数の弾性体(TCE)を有する半導体又は他の第1の材料を含むことができる。離間したトレンチの二次元アレイ(14)が、共振器本体内に設けられている。これらのトレンチは、正のTCEを有する電気的絶縁材料又は他の第2の材料(16a)で充填されることができる。トレンチのアレイは、共振器本体の全体にわたって均一に延在することができ、共振する間に比較的大きい及び小さい機械的ストレスがある領域を本体内に含んでいる。このトレンチの二次元アレイ(すなわち、ネットワーク)は、共振する間に共振器本体内の音波の移動方向に対して並列及び/又は直列にスプリングを有する質量−スプリングシステムのネットワークとしてモデル化されることができる。
【選択図】図1A
【選択図】図1A
Description
[優先出願の参照]
本願は、2009年6月19日に出願された米国特許仮出願第61/218,518号及び2010年2月16日に出願された米国特許仮出願第61/314,290号に対する優先権を主張し、それらの出願の開示内容を引用することにより、本明細書の一部を成すものとする。
本願は、2009年6月19日に出願された米国特許仮出願第61/218,518号及び2010年2月16日に出願された米国特許仮出願第61/314,290号に対する優先権を主張し、それらの出願の開示内容を引用することにより、本明細書の一部を成すものとする。
[関連出願の参照]
本願は、2009年8月4日に出願された米国特許出願第12/535,284号に関連し、その出願の開示内容を引用することにより、本明細書の一部を成すものとする。
本願は、2009年8月4日に出願された米国特許出願第12/535,284号に関連し、その出願の開示内容を引用することにより、本明細書の一部を成すものとする。
[発明の分野]
本発明は、集積回路装置及びその集積回路装置を形成する方法に関し、より詳細には、マイクロメカニカル装置及びそのマイクロメカニカル装置を形成する方法に関する。
本発明は、集積回路装置及びその集積回路装置を形成する方法に関し、より詳細には、マイクロメカニカル装置及びそのマイクロメカニカル装置を形成する方法に関する。
マイクロ電気機械式(MEM)共振器は、フォームファクタを小さくすることができ、従来の半導体製造技術を用いて容易に集積化することができ、また高いf−Q積を提供することができる。高周波及び高いQ幅拡張モード(high-Q width - extensional mode)のシリコンバルク式音響共振器(SiBAR)及びフィルムバルク式音波共振器(FBAR)は、適度な運動抵抗がある100MHz以上で10,000を超える大気Q係数(atmospheric Q factor)を実証した。そのような共振器は、S. Pourkamaliらによる、「Low-Impedance VHF and UHF Capacitive Silicon Bulk Acoustic Wave Resonators - Part I: Concept and Fabrication」と題する、IEEE Trans. On Electron Devices, Vol. 54, No.8, pp. 2017-2023, August (2007)、の文献の中で開示され、この開示内容を引用することにより、本明細書の一部を成すものとする。
シリコンマイクロ電気機械式共振器の共振周波数は、共振構造体の物理的寸法に依存する。このことは、これらの共振器の共振周波数が、フォトリソグラフィ、エッチング及びフィルムの厚さにおける変動に応じて設計された目標値から外れる原因になる。例えば、G. Casinoviらによる「Analytical Modeling and Numerical Simulation of Capacitive Silicon Bulk Acoustic Resonators」と題する、IEEE Intl. Conf. on Micromechanical Systems (2009)、の文献の中で説明されているように、100MHz幅拡張モードSiBARの厚さにおける2μmの変動は、その中心周波数において0.5%の変動をもたらすことがあり、また共振器の幅の中の±0.1μmのリソグラフィック変動は、周波数において追加の0.5%の変動を引き起こす可能性がある。
残念なことに、共振周波数上でフォトリソグラフィ、エッチング及びフィルムの厚さにおける変動による悪影響を減らす努力が成功しても、使用温度の変化を受けて共振周波数における追加の変化が発生する可能性がある。共振周波数におけるこれらの温度に基づく変化を、修正した製造工程及びアクティブな補償回路を用いて低減することができる。しかしながら、回路ベースの補償技術は、通常、共振器装置の複雑性及び電力に関する要求事項を増加させるため、共振器材料の固有特性に基づく受動的製造ベースの補償技術が一般に、回路ベースの補償技術よりも好ましい。従来の受動的補償技術は、Shoenらへの「Passive Temperature Compensation of Silicon MEMS Devices」という題名の米国特許公開第2010/0032789号及びHagelinらへの「Temperature Stable MEMS Resonator」という題名の米国特許公開第2009/0160581号において開示されている。
バルク音響モードにおいて動作可能なマイクロメカニカル式共振器を形成する方法には、少なくとも第1のアンカーによって基板に係止される共振器本体を形成するステップが含まれる。この共振器本体は、負の温度係数の弾性体(TCE)を有する半導体又は他の第1の材料を含むことができる。離間したトレンチの二次元アレイが、共振器本体内に設けられている。これらのトレンチは、正のTCEを有する電気的絶縁材料又は他の第2の材料で充填されることができる。トレンチのアレイは、共振器本体の全体にわたって均一に延在することができ、共振する間に比較的大きい及び小さい機械的ストレスがある領域を本体内に含んでいる。このトレンチの二次元アレイ(すなわち、ネットワーク)は、共振する間に共振器本体内の音波の進行方向に対して並列及び/又は直列にスプリングを有する質量−スプリングシステムのネットワークとしてモデル化することができる。
高度の温度補償を行うために、離間したトレンチのアレイは、下記の関係に適合するように共振器本体の中に十分な密度を有することができる。
ここで、Rv=(Vl/Vs)であり、TCEs、Es、ρs及びVsは、それぞれ、共振器本体内の第1の材料の弾性体の温度係数、ヤング率、密度及び体積を表し、かつTCEl、El、ρl及びVlは、それぞれ、離間したトレンチのアレイ内の第2の材料の弾性体の温度係数、ヤング率、密度及び体積を表している。このため、第1の材料がシリコンであり第2の材料が二酸化ケイ素である場合は、比率Rvは約0.14〜約0.42の範囲の値を有し、ここでシリコン用のTCEs、Es及びρsは、それぞれ、−52ppm/℃、169GPa及び2.33グラム/cm3として表され、また二酸化ケイ素用のTCEl、El及びρlは、それぞれ、180ppm/℃、73GPa及び2.63グラム/cm3として表される。
本発明の幾つかの実施形態によれば、離間したトレンチのアレイは、部分的に共振器本体を通って延在する、又はスルーボディホール(through-body hole)として共振器本体を全体的に通過して延在することができる。本発明の別の実施形態によれば、アレイ内の離間したトレンチを、チェッカーボード状パターンで配列することができる。本発明のさらなる実施形態では、アレイ内の離間したトレンチは、離間したトレンチの第1の複数の行と離間したトレンチの第2の複数の列とを有する離間したトレンチの二次元アレイとして配列される。本発明のこれらの実施形態によれば、離間したトレンチの第1の複数の行のそれぞれは、その内部に等価数量の離間したトレンチを有し、離間したトレンチの第2の複数の列のそれぞれは、その内部に等価数量の離間したトレンチを有している。
本発明のさらに別の実施形態によれば、共振器の下部電極が共振器本体上に形成され、圧電層がこの下部電極上に形成され、そして少なくとも1つの上部電極がこの圧電層上に形成されることができる。本発明のこれらの実施形態の追加の態様によれば、アレイ内の多数の離間したトレンチと第2の材料との組合せは、マイクロメカニカル式共振器を完全に温度補償するのに十分であり、この組合せは、共振器本体、下部電極、圧電層及び少なくとも1つの上部電極を備えている。完全に、又はほぼ完全に温度補償を達成するために、共振器本体の上面内の充填されたトレンチの密度は、少なくとも(5個のトレンチ)/(t2に等しい面積を有する共振器本体の上面上の各正方形領域の面積)の値に設定されることができる。ここで、tは、その上面と下面との間で測定された共振器本体の厚さであり、このtは約10ミクロンよりも大きい。代わりに、共振器本体の上面内の充填されたトレンチの密度は、少なくとも(1個のトレンチ)/(t2に等しい面積を有する共振器本体の上面上の各正方形領域の面積)の値に設定することができ、この場合、tは約2ミクロン〜約10ミクロンの範囲にある。
本発明の別の実施形態によれば、マイクロメカニカル式共振器を形成する方法は、その上に上面及び下面を有する共振器本体を形成するステップを含む。この共振器本体は、負の温度係数の弾性体(TCE)を有する第1の材料と、正のTCEを有する第2の材料で充填された離間したスルーボディホールの二次元アレイとを含む。このスルーボディホールは、約0.1tから約0.2tまでの範囲の最小の及び最大の横寸法を有することができる。ここで、tは共振器本体の厚さであり、このtは約10ミクロンよりも大きい。
共振器本体を形成するステップは、この共振器本体内の離間したトレンチの二次元アレイをエッチングするステップ、及び次に、電気的絶縁材料を共振器本体の表面と離間したトレンチの二次元アレイとに、例えば、低圧化学蒸着技術を用いて堆積させるステップを含むことができる。共振器本体内の離間したトレンチの二次元アレイをエッチングするステップは、共振器本体の等方性プラズマエッチングと共振器本体上に化学的に不活性な保護層の堆積との間を繰り返し交替するエッチング工程を使用するステップを含むことができる。
次に、ドライエッチングステップを行うことができる。このドライエッチングステップは、電気的絶縁材料をドライエッチングして、これにより電気的絶縁材料の部分を共振器本体の表面から、また離間したトレンチの二次元アレイ内から取り除くステップを含むことができる。堆積させるステップ及びドライエッチングするステップは、離間したスルーボディホールの二次元アレイが形成され、そして電気的絶縁材料で完全に充填されるまで少なくとも1回順々に繰り返し実行されることができる。
本発明は、ここで、本発明の好ましい実施形態が示されている添付された図面を参照して、より詳細に説明される。しかしながら、本発明は多くの異なった形態で具体化されることができ、また本願に記載された実施形態に限定されると解釈してはならない。むしろ、この開示内容が詳細で完全であり、そして発明の範囲を当業者に十分に伝えるように、これらの実施形態が提供される。同じ参照番号は全体を通して同じ要素を指す。
要素又は層が別の要素又は層(及びその変形体)の「上に」存在する、それらに「接続される」又は「結合される」と呼ばれる場合は、別の要素又は層の直ぐ上に存在する、それらに直接接続される又は結合されることができる、又は介在する要素又は層が存在することができることは理解されよう。対照的に、要素が他の要素又は層(及びその変形体)の「直ぐ上に」存在する、それらに「直接接続される」又は「直接結合される」と呼ばれる場合は、介在する要素又は層は存在しない。
第1、第2、第3などの用語が種々の要素、部品、領域、層及び/又は部分を記述するために本願で使用されるが、これらの要素、部品、領域、層及び/又は部分をこれらの用語で限定すべきではないことは理解されよう。これらの用語は、1つの要素、部品、領域、層又は部分を他の領域、層又は部分から区別するために限って使用される。従って、以下に説明される第1の要素、部品、領域、層又は部分は、本発明の教義から逸脱することなく、第2の要素、部品、領域、層又は部分と呼ぶことができる。
「の下に」、「下方に」、「下部の」、「の上に」、「より上の」などの空間的な相対語は、図面で例示されるように、別の要素又は機構に対する1つの要素又は機構を説明する場合に、説明を容易にするために本願で使用することができる。空間的な相対語は、図面の中で示された向きに加えて、使用中又は動作中の装置の種々の向きを含むことを意図されていることは理解されよう。例えば、図面の中で装置がひっくり返る場合、他の要素又は機構の「下方に」又は「下に」と表現される要素は、他の要素又は機構の「上に」向けられることになる。このため、「下方に」という用語は、上方及び下方の両方の向きを含むことができる。装置は、さもなければ90度回転した方向又は他の方向に向けられることができ、本願で使用される空間的に相対的な記述子は、それに応じて解釈される。
本願で使用される専門用語は、特定の実施形態を説明する目的にのみ使用されるものであり、本発明を限定することを意図するものではない。単数形の「一つの」、「単一の」及び「その」は、本願で使用される場合は、文脈が明白に別の考えを示す場合を除いて、複数形も含むものとする。「備える」、「含む」、「有する」及びそれらの変形体などの用語は、この明細書で使用される場合は、規定された機構、ステップ、動作、要素、及び/又は部品の存在を規定するが、1つ以上の他の機構、ステップ、動作、要素、部品、及び/又はそのグループの存在又は追加を排除しないことはさらに理解されたい。対照的に、「から成る」という用語は、この明細書で使用される場合は、規定された機構、ステップ、動作、要素、及び/又は部品を規定し、また付加的な機構、ステップ、動作、要素、及び/又は部品を排除する。
本発明の実施形態は、本発明の理想化された実施形態(及び中間構造体)の概略図である断面図及び斜視図を参照して説明される。このため、例えば、製造技術及び/又は許容値の結果を受けて、説明図の形状からの変形例が予想される。従って、本発明の実施形態は、本願で説明された領域の特定の形状に限定されると解釈されるべきではなく、例えば、製造する場合に結果として生じる形状の変形例を含むものとする。例えば、鋭角は、製造技術/許容値に基づいて、いくらか丸くすることができる。
他に特に指定がない限り、本願で使用される全ての用語(技術的用語及び科学的用語を含む)は、本発明が属する技術分野の当業者が一般に理解されるのと同じ意味を有する。一般的に使用される辞書の中で定義されるような用語は、該当する技術に関連する意味と一貫性がある意味を有し、また特に本願で明白に定義されない限り、理想的な又は過度に形式的な感覚で解釈されない意味を有することは、さらに理解されよう。
図1Aは、マイクロメカニカル式共振器の吊した共振器本体12の平面図を例示している。この共振器本体12は、両側で一対のアンカー12a、12bによって吊され、この一対のアンカーは、取り囲んでいる基板10に装着され、また共振器本体12の長手方向軸に位置合わせされている。前述された、2009年8月4日に出願された米国特許出願第12/535,284号によって強調されるように、共振器本体12は基板10の凹部に対向するように吊されることができる。この特許出願を引用することにより、本明細書の一部を成すものとする。
図1Aの共振器本体12は、離間した正方形のトレンチ14の二次元アレイをその中に有するように示されている。これらのトレンチ14は、電気的絶縁材料16a又は正の温度係数の弾性体(TCE)を有する他の材料で充填されている。これらのトレンチ14は部分的に延在するか又は、より好ましくは、スルーボディホールとして共振器本体12を完全に通って延在することができる。本発明の幾つかの実施形態によれば、共振器本体12は、シリコンボディなどの半導体ボディとして、又は負のTCEを有する他の材料として構成されることができ、また電気的絶縁材料16aを二酸化ケイ素とすることができる。同様に、図1Cの共振器本体12’は、離間したトレンチ14のチェッカーボード状パターンをその中に有するように示されている。離間したトレンチ14のチェッカーボード状パターンが、別の二次元アレイのトレンチ間の空間又はギャップ内に二次元アレイのトレンチを含むように処理することができるため、図1Cの実施形態は、図1Aの実施形態よりもより大きな温度補償を提供することができる。
図1Bは、バルク音響モードで動作可能なマイクロメカニカル式共振器100の斜視図である。この共振器100は、離間したトレンチ14の二次元アレイをその中に有する半導体共振器本体12を備えている。特に、図1A〜図1Bの共振器100は、取り囲んでいる基板10に一対のアンカー12a、12bによって係止されている。この共振器本体12は、半導体材料(例えば、シリコン)及び離間した正方形のスルーボディホール14の二次元アレイを有し、このスルーボディホール14は、正のTCEを有する電気的絶縁材料16aで完全に充填されている。高度の温度補償を実現するためには、離間したトレンチの密度は、下記の関係を十分に満足させる必要がある。
ここで、Rv=(Vl/Vs)であり、TCEs、Es、ρs及びVsは、それぞれ、共振器本体の第1の材料の弾性体の温度係数、ヤング率、密度及び体積を表し、かつTCEl、El、ρl及びVlは、それぞれ、離間したトレンチのアレイの弾性体の温度係数、ヤング率、密度及び第2の材料の全体積を表している。より好ましくは、離間したトレンチのアレイの密度は、下記の関係を十分に満足させる必要がある。
このため、第1の材料がシリコンであり第2の材料が二酸化ケイ素である場合は、比率Rvは約0.14〜約0.42の範囲の値を有し、ここでシリコン用のTCEs、Es及びρsは、それぞれ、−52ppm/℃、169GPa及び2.33グラム/cm3として表され、また二酸化ケイ素用のTCEl、El及びρlは、それぞれ、180ppm/℃、73GPa及び2.63グラム/cm3として表される。
スルーボディホール14の絶縁体充填アレイに加えて、ある程度の付加的な温度補償が、共振器本体12の上面に直接形成された薄い電気的絶縁層16b(例えば、SiO2)によって提供されることができる。この電気的絶縁層16bは、スルーボディホール14が充填された後で共振器本体12上に残留しているものであり、平坦な上面を有している。次に、従来の技術を実行して、平坦な上面に下部共振器電極18(例えば、モリブデン(Mo)電極)、下部電極18上に圧電層20(例えば、窒化アルミニウム(AlN))及び圧電層20上に一対の電極22a、22b(例えば、入力及び出力電極)を堆積させる。
さらに、半導体の共振器本体12が一般に比較的厚いため、ホールの寸法に関する幾つかの付加的な制約が加わる可能性がある。製造上の理由から、ホールの横方向の寸法が共振器本体の厚さの約10%以上であることが望ましい。このため、厚さが約20μmのシリコン共振器本体12に関しては、ホール14の横方向寸法は、2μm以上にする必要がある。さらに、ホール14を共振器本体12の全面にわたって均一に分布させるために、ホールの寸法を最小値の近くに維持する必要がある。この結論は、スルーボディホールの横方向寸法が約0.1t〜約0.2tの範囲に設定される本発明の幾つかの実施形態の要求事項に対応する。ここで、tは共振器本体の厚さであり、約10ミクロンよりも厚い。従って、幅が250μm、長さが143μm及び厚さが20μmの寸法のシリコン共振器本体12に関しては、等間隔の3.1μmx3.1μm正方形ホールの24x24のマトリックスから構成するホールパターンは、約0.37の体積比を満足させる。
本発明のさらに別の実施形態によれば、共振器の下部電極が共振器本体上に形成され、圧電層がこの下部電極上に形成され、そして少なくとも1つの上部電極がこの圧電層上に形成されることができる。本発明のこれらの実施形態とは別の態様によれば、アレイ内の多数の離間したトレンチと第2の材料との組合せは、マイクロメカニカル式共振器を完全に温度補償するのに十分である。このマイクロメカニカル式共振器は、共振器本体、下部電極、圧電層、及び少なくとも1つの上部電極を備えている。完全に又は少なくともほぼ完全に温度補償を達成するために、共振器本体の上面内の充填されたトレンチの密度は、少なくとも(5個のトレンチ)/(t2に等しい面積を有する共振器本体の上面上の各正方形領域の面積)の値に設定することができる。ここで、tは、その上面と下面との間で測定された共振器本体の厚さであり、このtは約10ミクロンよりも大きい。別の方法では、共振器本体の上面内の充填されたトレンチの密度は、少なくとも(1個のトレンチ)/(t2に等しい面積を有する共振器本体の上面上の各正方形領域の面積)の値に設定することができ、この場合、tは約2ミクロン〜約10ミクロンの範囲にある。
アスペクト比が比較的大きい深く絶縁体が充填されたホール14内に、ホール14が充填される間に絶縁材料で占められる可能性が少ない空隙が形成されるのを阻止するために、十分テーパが付いた側壁と十分広い上面開口とを有するトレンチを形成するステップを採用することができる。特に、共振器本体12の表面に及び均一に離間したトレンチの二次元アレイに低圧化学蒸着(LPCVD)などの技術を用いて、電気的絶縁材料を堆積させる前に、部分的に共振器本体を通って延在する離間したトレンチの二次元アレイをエッチングするステップを採用することができる。その後、この電気的絶縁材料がドライエッチングされて、この電気的絶縁材料の部分を共振器本体の表面から及び均一に離間したトレンチの二次元アレイ内から取り除く。このドライエッチングするステップは、共振器本体の表面を全体にわたって電気的絶縁材料をブランケットドライエッチングするステップを含むことができる。より詳細に述べると、ドライエッチング工程は、共振器本体の等方性プラズマエッチングと共振器本体上の化学的に不活性な保護層の堆積とを繰り返し交互に行うことができる。次に、堆積及びドライエッチングステップが、均一に離間したホールの二次元アレイが形成され、そして電気的絶縁材料で完全に充填されるまで、繰り返し順々に実行される。その後、一連のステップが実行されて、共振器本体上に下部電極が、この下部電極上に圧電層が、及びこの圧電層上に少なくとも1つの上部電極が形成される。さらに、選択的なエッチングステップが実行されて、共振器本体材料を通ってエッチングし、(例えば、凹部内の下側の犠牲材料を取り除くことによって)共振器本体を基板内の凹部の反対側に解放する。
図面及び明細書の中で、本発明の典型的な好ましい実施形態を開示してきた。特定の用語が使用されるが、それらの用語は一般的で説明のためのみに使用されたものであり、限定する目的で使用したのではない。本発明の範囲は、添付の特許請求の範囲において述べる。
Claims (23)
- バルク音響モード内で動作可能なマイクロメカニカル式共振器を形成する方法であって、
少なくとも第1のアンカーによって基板に係止される共振器本体を形成するステップであって、前記共振器本体は、負の温度係数の弾性体(TCE)を有する第1の材料と、正のTCEを有する第2の材料で充填された離間したトレンチのアレイとを備え、前記離間したトレンチのアレイが前記共振器本体内で下記の関係、すなわち、
方法。 - 前記離間したトレンチのアレイが、前記共振器本体を完全に通過して延在するスルーボディホールのアレイを含む、請求項1に記載の方法。
- 前記アレイ内の離間したトレンチが、チェッカーボード状パターンで配列される、請求項2に記載の方法。
- 前記アレイ内の離間したトレンチが、チェッカーボード状パターンで配列される、請求項1に記載の方法。
- 前記第1の材料がシリコンを含み、前記第2の材料が二酸化ケイ素を含み、かつRvが0.14〜0.42の範囲の値である、請求項1に記載の方法。
- 前記アレイ内の前記離間したトレンチが、前記離間したトレンチの第1の複数の行と前記離間したトレンチの第2の複数の列とを有する前記離間したトレンチの二次元アレイとして配列される、請求項1に記載の方法。
- 前記離間したトレンチの前記第1の複数の行のそれぞれが、その内部に等価数量の離間したトレンチを有する、請求項6に記載の方法。
- 前記離間したトレンチの前記第2の複数の列のそれぞれが、その内部に等価数量の離間したトレンチを有する、請求項7に記載の方法。
- 前記共振器本体上に下部電極を形成するステップと、
前記下部電極上に圧電層を形成するステップと、
少なくとも1つの上部電極を前記圧電層上に形成するステップと、
をさらに備える、請求項1に記載の方法。 - 前記アレイ内の多数の離間したトレンチと前記第2の材料との組合せは、前記マイクロメカニカル式共振器を完全に温度補償するのに十分であり、前記組合せが、前記共振器本体、下部電極、圧電層及び少なくとも1つの上部電極を備える、請求項9に記載の方法。
- 前記共振器本体がその上に上面と下面とを有し、前記共振器本体の前記上面内の充填されたトレンチの密度が、少なくとも(5個のトレンチ)/(t2に等しい面積を有する前記上面上の各正方形領域の面積)であり、ここで、tは、前記上面と下面との間で測定された前記共振器本体の厚さである、請求項1に記載の方法。
- 前記共振器本体がその上に上面と下面とを有し、前記共振器本体の前記上面内の充填されたトレンチの密度が、少なくとも(5個のトレンチ)/(t2に等しい面積を有する前記上面上の各正方形領域の面積)であり、ここで、tは、前記上面と下面との間で測定された前記共振器本体の厚さである、請求項4に記載の方法。
- バルク音響モード内で動作可能なマイクロメカニカル式共振器を形成する方法であって、
その上に上面及び下面を有する共振器本体を形成するステップであって、前記共振器本体は、負の温度係数の弾性体(TCE)を有する第1の材料と、正のTCEを有する第2の材料で充填された離間したトレンチの二次元アレイとを含み、前記離間したトレンチのアレイが前記共振器本体内で下記の関係、すなわち、
前記共振器本体の前記上面内の充填されたトレンチの密度が、少なくとも(5個のトレンチ)/(t2に等しい面積を有する前記上面上の各正方形領域の面積)であり、ここで、tは、前記上面と下面との間で測定された前記共振器本体の厚さである、
方法。 - 前記離間したトレンチのアレイが、前記共振器本体を完全に通過して延在するスルーボディホールのアレイを含む、請求項13に記載の方法。
- 前記アレイ内の前記離間したトレンチが、チェッカーボード状パターンで配列される、請求項13に記載の方法。
- 前記共振器本体上に下部電極を形成するステップと、
前記下部電極上に圧電層を形成するステップと、
少なくとも1つの上部電極を前記圧電層上に形成するステップと、
をさらに含む、請求項13に記載の方法。 - バルク音響モード内で動作可能なマイクロメカニカル式共振器を形成する方法であって、
その上に上面及び下面を有する共振器本体を形成するステップであって、前記共振器本体が、負の温度係数の弾性体(TCE)を有する第1の材料と、正のTCEを有する第2の材料で充填された離間したスルーボディホールの二次元アレイとを含み、前記スルーボディホールが約0.1t〜約0.2tの範囲の最小及び最大の横方向寸法を有し、ここで、tは前記共振器本体の厚さであり、約10ミクロンよりも厚い、共振器本体を形成するステップを備え、
前記充填されたスルーボディホールの密度が、少なくとも(5個のトレンチ)/(t2に等しい面積を有する前記上面上の各正方形領域の面積)であり、ここで、tは、前記上面と下面との間で測定された前記共振器本体の厚さである、
ことを特徴とする方法。 - 前記形成するステップが、
前記共振器本体内の離間したトレンチの二次元アレイをエッチングするステップと、
電気的絶縁材料を前記共振器本体の表面と前記離間したトレンチの前記二次元アレイとに堆積させるステップと、
前記電気的絶縁材料をドライエッチングして、これにより前記電気的絶縁材料の部分を前記共振器本体の表面から、かつ前記離間したトレンチの二次元アレイ内から取り除くステップと、
前記離間したスルーボディホールの二次元アレイが形成され、そして前記電気的絶縁材料で完全に充填されるまで、前記堆積させるステップ及び前記ドライエッチングするステップを少なくとも1回順々に繰り返し実行するステップと、
を備える、請求項17に記載の方法。 - 前記ドライエッチングするステップは、前記共振器本体の表面を全体にわたって前記電気的絶縁材料をブランケットドライエッチングするステップを含む、請求項18に記載の方法。
- 前記共振器本体上の前記電気的絶縁材料の層上に下部電極を形成するステップと、
前記下部電極上に圧電層を形成するステップと、
少なくとも1つの上部電極を前記圧電層上に形成するステップと、
をさらに含む、請求項18に記載の方法。 - 前記堆積させるステップが、低圧化学蒸着技術を用いて前記電気的絶縁材料を堆積させるステップを含む、請求項18に記載の方法。
- 前記エッチングするステップが、前記共振器本体の等方性プラズマエッチングと前記共振器本体上の化学的に不活性な保護層の堆積とを繰り返し交互に行うエッチング工程を用いて、前記共振器本体内の離間したトレンチの二次元アレイをエッチングするステップを含む、請求項18に記載の方法。
- バルク音響モード内で動作可能なマイクロメカニカル式共振器を形成する方法であって、
その上に上面及び下面を有する共振器本体を形成するステップであって、前記共振器本体は、負の温度係数の弾性体(TCE)を有する第1の材料と、正のTCEを有する第2の材料で充填された離間したトレンチの二次元アレイとを含み、前記離間したトレンチのアレイが前記共振器本体内で下記の関係、すなわち、
前記共振器本体の前記上面内の充填されたトレンチの密度が、少なくとも(1個のトレンチ)/(t2に等しい面積を有する前記上面上の各正方形領域の面積)であり、ここで、tは、前記上面と下面との間で測定された前記共振器本体の厚さであり、約2ミクロン〜約10ミクロンの範囲にある、
方法。
Applications Claiming Priority (5)
Application Number | Priority Date | Filing Date | Title |
---|---|---|---|
US21851809P | 2009-06-19 | 2009-06-19 | |
US61/218,518 | 2009-06-19 | ||
US31429010P | 2010-03-16 | 2010-03-16 | |
US61/314,290 | 2010-03-16 | ||
PCT/US2010/037429 WO2010147772A1 (en) | 2009-06-19 | 2010-06-04 | Methods of forming micromechanical resonators having high density trench arrays therein that provide passive temperature compensation |
Publications (1)
Publication Number | Publication Date |
---|---|
JP2012531097A true JP2012531097A (ja) | 2012-12-06 |
Family
ID=42557306
Family Applications (1)
Application Number | Title | Priority Date | Filing Date |
---|---|---|---|
JP2012516114A Withdrawn JP2012531097A (ja) | 2009-06-19 | 2010-06-04 | 受動温度補償を提供する高密度トレンチアレイを有するマイクロメカニカル共振器を形成する方法 |
Country Status (4)
Country | Link |
---|---|
US (1) | US8381378B2 (ja) |
EP (1) | EP2443745A1 (ja) |
JP (1) | JP2012531097A (ja) |
WO (1) | WO2010147772A1 (ja) |
Families Citing this family (15)
Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
---|---|---|---|---|
FR2933824B1 (fr) * | 2008-07-11 | 2010-08-13 | St Microelectronics Sa | Resonateur a ondes de volume |
US8689426B2 (en) | 2008-12-17 | 2014-04-08 | Sand 9, Inc. | Method of manufacturing a resonating structure |
WO2010077313A1 (en) | 2008-12-17 | 2010-07-08 | Sand9, Inc. | Mechanical resonating structures including a temperature compensation structure |
FR2946478A1 (fr) * | 2009-06-08 | 2010-12-10 | St Microelectronics Sa | Resonateur a ondes de volume. |
US8501515B1 (en) | 2011-02-25 | 2013-08-06 | Integrated Device Technology Inc. | Methods of forming micro-electromechanical resonators using passive compensation techniques |
FI123933B (fi) * | 2011-05-13 | 2013-12-31 | Teknologian Tutkimuskeskus Vtt | Mikromekaaninen laite ja menetelmä sen suunnittelemiseksi |
US9013088B1 (en) | 2011-07-07 | 2015-04-21 | Sand 9, Inc. | Field effect control of a microelectromechanical (MEMS) resonator |
US9590587B1 (en) | 2011-07-07 | 2017-03-07 | Analog Devices, Inc. | Compensation of second order temperature dependence of mechanical resonator frequency |
US8610336B1 (en) | 2011-09-30 | 2013-12-17 | Integrated Device Technology Inc | Microelectromechanical resonators having resistive heating elements therein configured to provide frequency tuning through convective heating of resonator bodies |
US9214623B1 (en) | 2012-01-18 | 2015-12-15 | Analog Devices, Inc. | Doped piezoelectric resonator |
TWI522307B (zh) | 2013-03-25 | 2016-02-21 | 財團法人工業技術研究院 | 複合材料的微機電裝置與其製作方法 |
JP6699927B2 (ja) * | 2016-03-03 | 2020-05-27 | 株式会社ディスコ | Bawデバイス及びbawデバイスの製造方法 |
FI127787B (en) * | 2016-07-01 | 2019-02-28 | Teknologian Tutkimuskeskus Vtt Oy | Micromechanical resonator |
US10800649B2 (en) | 2016-11-28 | 2020-10-13 | Analog Devices International Unlimited Company | Planar processing of suspended microelectromechanical systems (MEMS) devices |
US10843920B2 (en) | 2019-03-08 | 2020-11-24 | Analog Devices International Unlimited Company | Suspended microelectromechanical system (MEMS) devices |
Family Cites Families (33)
Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
---|---|---|---|---|
US5160901A (en) | 1990-09-13 | 1992-11-03 | Frequency Electronics, Inc. | Multimode crystal oscillator |
US5229735A (en) | 1992-03-30 | 1993-07-20 | Macrovision Corporation | Wide frequency deviation voltage controlled crystal oscillator having plural parallel crystals |
US5640133A (en) | 1995-06-23 | 1997-06-17 | Cornell Research Foundation, Inc. | Capacitance based tunable micromechanical resonators |
US6557419B1 (en) | 1996-12-31 | 2003-05-06 | Honeywell International Inc. | Zero TCF thin film resonator |
US6114795A (en) | 1997-06-24 | 2000-09-05 | Tdk Corporation | Piezoelectric component and manufacturing method thereof |
JP4326151B2 (ja) | 1998-05-08 | 2009-09-02 | アバゴ・テクノロジーズ・ワイヤレス・アイピー(シンガポール)プライベート・リミテッド | 薄膜圧電振動子 |
US6445106B1 (en) | 2000-02-18 | 2002-09-03 | Intel Corporation | Micro-electromechanical structure resonator, method of making, and method of using |
US6739190B2 (en) | 2000-08-24 | 2004-05-25 | The Regents Of The University Of Michigan | Micromechanical resonator device |
GB0029090D0 (en) | 2000-11-29 | 2001-01-10 | Univ Cranfield | Improvements in or relating to filters |
DE60037132T2 (de) | 2000-12-21 | 2008-09-11 | Eta Sa Manufacture Horlogère Suisse | Zeitbezug mit einem integrierten mikromechanischen Stimmgabelresonator |
US7312674B2 (en) | 2002-08-06 | 2007-12-25 | The Charles Stark Draper Laboratory, Inc. | Resonator system with a plurality of individual mechanically coupled resonators and method of making same |
US6987432B2 (en) | 2003-04-16 | 2006-01-17 | Robert Bosch Gmbh | Temperature compensation for silicon MEMS resonator |
KR100849155B1 (ko) | 2003-11-20 | 2008-07-30 | 바이킹 테크놀러지스, 엘.씨. | 전기-기계식 액추에이터를 위한 통합적 열 보상 장치 및방법 |
US7102467B2 (en) | 2004-04-28 | 2006-09-05 | Robert Bosch Gmbh | Method for adjusting the frequency of a MEMS resonator |
US7280007B2 (en) | 2004-11-15 | 2007-10-09 | Avago Technologies General Ip (Singapore) Pte. Ltd. | Thin film bulk acoustic resonator with a mass loaded perimeter |
US7511870B2 (en) | 2004-10-18 | 2009-03-31 | Georgia Tech Research Corp. | Highly tunable low-impedance capacitive micromechanical resonators, oscillators, and processes relating thereto |
US7605391B2 (en) | 2004-12-12 | 2009-10-20 | Burns David W | Optically coupled resonator |
US7360423B2 (en) | 2005-01-29 | 2008-04-22 | Georgia Tech Research Corp. | Resonating star gyroscope |
US7675389B2 (en) | 2005-06-29 | 2010-03-09 | Panasonic Corporation | Piezoelectric resonator, piezoelectric filter, and duplexer and communication device using the same |
JP2007064752A (ja) | 2005-08-30 | 2007-03-15 | Epson Toyocom Corp | 圧電振動子と調整方法 |
US7543496B2 (en) | 2006-03-27 | 2009-06-09 | Georgia Tech Research Corporation | Capacitive bulk acoustic wave disk gyroscopes |
US7806586B2 (en) | 2006-06-02 | 2010-10-05 | The Board Of Trustees Of The Leland Stanford Junior University | Composite mechanical transducers and approaches therefor |
US7446619B2 (en) | 2006-06-14 | 2008-11-04 | Sitime Corporation | Temperature measurement system having a plurality of microelectromechanical resonators and method of operating same |
JP2008035358A (ja) | 2006-07-31 | 2008-02-14 | Hitachi Media Electoronics Co Ltd | 薄膜圧電バルク波共振器及びそれを用いた高周波フィルタ |
JP5110833B2 (ja) | 2006-09-05 | 2012-12-26 | キヤノン株式会社 | 振動制御装置、及び振動制御方法 |
US7564162B2 (en) | 2006-12-13 | 2009-07-21 | Georgia Tech Research Corp. | Process compensated micromechanical resonators |
US7859365B2 (en) * | 2006-12-13 | 2010-12-28 | Georgia Tech Research Corporation | Low frequency process-variation-insensitive temperature-stable micromechanical resonators |
US7639104B1 (en) * | 2007-03-09 | 2009-12-29 | Silicon Clocks, Inc. | Method for temperature compensation in MEMS resonators with isolated regions of distinct material |
US7616077B1 (en) | 2007-03-22 | 2009-11-10 | Sandia Corporation | Microelectromechanical resonator and method for fabrication |
US7777596B2 (en) | 2007-12-18 | 2010-08-17 | Robert Bosch Gmbh | MEMS resonator structure and method |
US20090160581A1 (en) | 2007-12-21 | 2009-06-25 | Paul Merritt Hagelin | Temperature Stable MEMS Resonator |
FR2933824B1 (fr) | 2008-07-11 | 2010-08-13 | St Microelectronics Sa | Resonateur a ondes de volume |
US7889030B2 (en) | 2008-08-07 | 2011-02-15 | Infineon Technologies Ag | Passive temperature compensation of silicon MEMS devices |
-
2010
- 2010-06-04 US US12/794,361 patent/US8381378B2/en not_active Expired - Fee Related
- 2010-06-04 JP JP2012516114A patent/JP2012531097A/ja not_active Withdrawn
- 2010-06-04 WO PCT/US2010/037429 patent/WO2010147772A1/en active Application Filing
- 2010-06-04 EP EP10726747A patent/EP2443745A1/en not_active Withdrawn
Also Published As
Publication number | Publication date |
---|---|
US8381378B2 (en) | 2013-02-26 |
EP2443745A1 (en) | 2012-04-25 |
WO2010147772A1 (en) | 2010-12-23 |
US20100319185A1 (en) | 2010-12-23 |
Similar Documents
Publication | Publication Date | Title |
---|---|---|
US8381378B2 (en) | Methods of forming micromechanical resonators having high density trench arrays therein that provide passive temperature compensation | |
US9331264B1 (en) | Microelectromechanical resonators having degenerately-doped and/or eutectic alloy resonator bodies therein | |
JP5817673B2 (ja) | 圧電薄膜共振子及び圧電薄膜の製造方法 | |
US8704616B2 (en) | Contour-mode piezoelectric micromechanical resonators | |
KR101945723B1 (ko) | 박막 벌크 음향 공진기 및 박막 벌크 음향 공진기의 제조방법 | |
US7834524B2 (en) | Micro-electromechanical devices having variable capacitors therein that compensate for temperature-induced frequency drift in acoustic resonators | |
US20100019869A1 (en) | Bulk mode resonator | |
US6635519B2 (en) | Structurally supported thin film resonator and method of fabrication | |
US8061013B2 (en) | Micro-electromechanical resonators having electrically-trimmed resonator bodies therein and methods of fabricating same using joule heating | |
CN103684336B (zh) | 包含具有内埋式温度补偿层的电极的谐振器装置 | |
Pulskamp et al. | Electrode-shaping for the excitation and detection of permitted arbitrary modes in arbitrary geometries in piezoelectric resonators | |
US20040065940A1 (en) | Capacitive resonators and methods of fabrication | |
JP2007295280A (ja) | 電子素子 | |
WO2012020172A1 (en) | Micromechanical resonator and method for manufacturing thereof | |
WO2011146846A2 (en) | Micromechanical membranes and related structures and methods | |
CN110024284B (zh) | 角耦接谐振器阵列 | |
US10742191B2 (en) | Bulk mode microelectromechanical resonator devices and methods | |
US20160164458A1 (en) | Hollow supports and anchors for mechanical resonators | |
Hung et al. | Capacitive-piezo transducers for higher Q contour-mode AlN resonators at 1.2 GHz | |
WO2011053253A1 (en) | Surface acoustic wave resonator | |
US8896188B2 (en) | Resonator electrodes and related methods and apparatus | |
JP2008211396A (ja) | 圧電性薄膜の製造方法、共振装置およびそれを用いたuwb用フィルタ | |
US20100327993A1 (en) | Micro mechanical resonator | |
KR20140064005A (ko) | 멤브레인 진동 장치 및 그 제조 방법 | |
JP2007295310A (ja) | Baw共振器 |
Legal Events
Date | Code | Title | Description |
---|---|---|---|
A300 | Application deemed to be withdrawn because no request for examination was validly filed |
Free format text: JAPANESE INTERMEDIATE CODE: A300 Effective date: 20130806 |