JP5704614B2 - マイクロメカニカル共振器 - Google Patents

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Description

本発明は、請求項１の前文にしたがうマイクロメカニカル共振器に関する。
水晶発振器の市場に参入するシリコンMEMS共振器について、依然として熱ドリフトが主な障害のままである。ドリフト補償は、アモルファスSiO2のような、シリコンの共振周波数の熱ドリフトと反対の兆候を示す材料で、共振体積の一部を置き換えることにより実現される。このようにすると、共振性能は、純粋な単結晶共振器に比べて落ちてしまう。
従来、マイクロメカニカル共振器の温度ドリフトに関する問題は、基本的なシリコン材料の周りの温度補償周囲構造（典型的にSiO2）を使用して、もう一つの方法としては、全部の構造に対して基本的に均一に分配される構造の一部としてSiO2を使用することで解決されてきた。この技術は、例えば出版物「シリコンベースマイクロメカニカル共振器の温度補償」、エフ．スコーエン他（ISBN：978-1-4244-2978-3/09）に、より詳細に記載されている。
上記技術の少なくともいくつかのデメリットを克服すること、および、完全に新規タイプのマイクロメカニカル共振器とマイクロメカニカル共振器の製造方法とを提供することが本発明の目的である。
発明の目標は、共振器の特定の場所に集中される第２熱補償材料を配置することで達成される。
発明の１つの好ましい実施形態において、共振周波数の熱ドリフトの受動的な補償が、共振器の応力最大位置に集中される補償材料を使用することにより最適化された方法で使用される。物になるとき、潜在的に従来の水晶振動子技術と競争することができるMEMS共振器の製造方法を提供することによって商業的意味が膨大となる。本発明は、補償材料を最も効果的な位置に、すなわち、応力最大位置（変位点）に配置することによって、補償材料の量を最小限にする方法を提示する。
別の好適な発明の実施形態は、振動構造の中央でのSiO2またはTeO2の使用に基づいている。
さらに好適な発明の実施形態は、共振器の第２材料の部品を横方向に10μmよりも大きい寸法とすることに基づいている。
すなわち、発明に係るマイクロメカニカル共振器は、請求項１の特徴部分に記載されたものを特徴とする。
発明は大きな利益を提供する。
共振体積のほんの一部を、反対の共振周波数の熱ドリフトの兆候を示す材料に置き換えることで、熱ドリフトが減少される。一定レベルの減少に必要となる一部の部分は、補償材料が使用される共振モードに対する応力最大位置に配置されたとき最少となる。長さ伸長モードで振動する梁を考慮すると、補償材料を少量、梁の端部、すなわち応力最小位置／移動量最大位置に配置することで、補償材料がほとんど受動的な質量負荷としてだけ作用するが、梁材料の残りがばねとして作用するので、効果がとても小さくなる。代わりに、補償材料が梁の中央に配置されると、補償材料は、高い応力と歪とを有するばねとして主に作用し、より効果的に熱ドリフトを補償する。
本願で述べる実施形態の構造（完全に酸化されたばね領域など）のいくつかは、共振周波数および共振周波数の熱係数の製作公差を減少させるという重要な利点を有する。製作公差は装置検査およびチューニングの必要性に影響を及ぼし、共振器のコストに重大な影響を及ぼす。完全に酸化されたばね領域を有する共振器においては、横方向に相対的に大きな酸化物領域の周囲に、その正確な位置が製作公差に影響を及ぼす唯一の接合部分がある。
材料ベースの熱補償方法は、様々な活性の電気的補償方法に勝るいくつかの利点を有する：電力消費がなく、サーボシステムの遅さに苦しむことなく、スペクトル純度の低下もない。
以下に、添付の図面で説明する良い例となる実施形態を用いて、より詳細に発明を分析する。
部品の一部として圧電フィルムを使用した、発明に適用できる共振器の上面図である。 （図2a）図１の共振器の側面図である。（図2b）図１の共振器の実際の部品の上面写真である。 部品の一部として圧電フィルムを使用した発明に適用できる別な共振器の上面図である。 図３の共振器の側面図である。 発明に適用できる静電駆動平板共振器の上面概略図である。 （図7a）発明に適用できる長さ伸長（LE : Length Extensional）梁共振器の上面概略図である。（図7b）図7aの長さ伸長（LE）梁共振器の側面概略図である。（図7c）発明に係る長さ伸長（LE）梁共振器の上面概略図である。（図7d）図7cの長さ伸長（LE）梁共振器の側面概略図である。（図7e）発明の別な解決策に係る長さ伸長（LE）梁共振器の側面概略図である。 （図8a）発明に係る完全に充填された補償領域を有する長さ伸長（LE）梁共振器の上面概略図である。（図8b）図8aの長さ伸長（LE）梁共振器の側面概略図である。（図8c）発明に係る部分的に充填された補償領域（溝）を有する長さ伸長（LE）梁共振器の上面概略図である。（図8d）図8cの長さ伸長（LE）梁共振器の側面概略図である。（図8e）発明に係る部分的に充填された補償領域（プラグ）を有する長さ伸長（LE）梁共振器の上面概略図である。（図8f）図8eの長さ伸長（LE）梁共振器の側面概略図である。 （図9a〜9c）発明に係る補償領域構造を形成可能な方法を概略的に示す図である。 （図10a〜10b）発明に係る補償領域構造を形成可能な別の方法を概略的に示す図である。 （図11a）本発明に係る完全に充填された補償領域（溝）を有する四角形伸長（SE : Square Extensional）平板共振器の上面概略図である。（図11b）図11aの共振器の側面概略図である。（図11c）図11aの共振器素子の斜視図である。 （図12a〜12d）共振器の端部に位置するときの補償領域の影響をグラフを使って示す図である。 （図13a〜13d）発明に係る応力最大位置に位置するときの補償領域の影響をグラフを使って示す図である。 （図14a）発明に係る完全に充填された補償領域を有する垂直BAW SOI共振器の上面概略図である。（図14b）図8aの共振器の側面概略図である。 （図15a〜15e）発明に係る応力最大位置である共振器の中央に2.075μmのSiO2のばねを有する垂直１D共振器での補償領域の影響をグラフを使って示す図である。 （図16a〜16d）共振器の上部および底部にSiO2層を有する垂直１D共振器での補償領域の影響をグラフを使って示す図である。 （図17a〜17d）共振器の端部にμmのSiO2層を有する垂直１D共振器での補償領域の影響をグラフを使って示す図である。
図１〜４にしたがって、本発明はマイクロメカニカル構造に関するものであり、共振器３はアンカー１０によって支持構造１につるされている。支持構造１は、発明の１つの典型的な実施形態において、SOI（Silicon On Insulator）ウェハのシリコン素子層である。共振器３の大きさおよび懸架装置は、対応する電気信号によって励起されたときに特定の周波数f0で振動するようになっている。典型的な梁共振器の長さは320μmであり、高さは20μmである。励振は、共振器３および基板１上に形成された電極５によって容量的になされることができ、またはその代わりに図２ａまたは図４の圧電構造によってなされることができる。
電気信号は、電極によって、または全部の構造を電気信号に導電性とすることにより、構造物に伝導される。共振器での典型的な材料は、導電性構造としてのSiであり、絶縁体としてのアモルファスSiO2である。アモルファスTeO2もまた、絶縁体としての代わりの材料である。また、SOI（Silicon On Insulator）ウェハが共振器の母材として使用されてもよい。
図５は平板共振器を示す。同様の主な配置が平板共振器に当てはまるが、固定方法がより複雑で、必ずしも節点で固定されない。この写真では、Siは底面／接地電極として機能する。SiO2絶縁体はどこにでも適用されるが、Siへの接地接点の下方に開放される。
図６は静電駆動の素子を示し、共振器自身にはメタライゼーションは適用されない。電圧はSi中の垂直ギャップを介して印加される。外部電気回路６は共振器の励起および管理を処理する。
図７ａおよび７ｂは、共振器素子３をより詳細に示し、また共振器の応力プロファイルが梁３の中央で最大値７を有することが示されている。
図７ａおよび７ｂにおいて、例えばSiO2またはTeO2（酸化テルル）の温度補償材料４の領域が梁３の応力最大位置に位置される発明の基本解決法が示されている。領域４の幅は、梁３の長さの約10%であるが、基本的材料および梁の形状に依存して、5〜30%の範囲で変化する。SiO2またはTeO2の代わりに、同様の熱的特性を持つガラス物質が使用されてもよい。
図７ｅによれば、第２材料４は共振器３の端部に配置されてもよい。発明の１つの有利な解決法では、第２材料の領域が横方向に10μmよりも大きい寸法である。ここで横寸法は、共振器３の上部表面３０の平面での寸法を意味する。この共振器３の上部表面３０は、例えば図７ｃに見られる表面であり、あるいは図１１ａおよび図１１ｂに見られる表面である。このように寸法をとることにより、製造ばらつきが最小化される。このように、例えばf0に対してなど他の寸法決定ルールが満たされれば、寸法決定はまた図７ａおよび図７ｂの解決法にも適用される。
図８ａおよび図８ｂは、図７ａ〜図７ｄの解決法に対応する。図８ｃ〜図８ｄは、横の溝によって形成された部分的に充填された補償領域４を示す。
図９ａ〜図９ｃでは、共振器を製造するプロセスがより詳細に記載されている。図９ａによれば、穴２０がシリコン素子層を貫通してエッチングされる（例えば異方性ドライエッチング）。これは、当業者に周知の標準のエッチングプロセスである。図９ｂでは、穴が堆積相によって満たされ、またはその代わりに部分的な酸化が行われる。図９ｃの段階では、酸化が広げられて全部の容積を満たしている。
つまり、発明の典型的な実施形態は以下のようである。
１）四角形伸長共振器３の中央に、共振器素子層４の深さ方向に酸化物または部分的な酸化物（または他の補償材料）領域４を形成する。
２）長さ伸長梁共振器３の中央に、酸化物または部分的な酸化物領域（または他の補償材料）４を形成する。
３）他の共振器形状および共振モードに対して、応力最大／変位点位置に補償材料を置くことで、同様の補償領域を形成する。
４）垂直積層薄膜シリコンオンインシュレータ共振器で同様に、全表面ではなく応力最大位置に補償層４を置く。実施形態の説明および関連したシミュレーション結果が図とともに上述されている。
本発明は、熱係数に最も大きく影響する位置に酸化物を置くことで酸化物材料の量を最小限にする熱補償共振器構造を見出すことに焦点を合わせた。1-D長さ伸長共振器のシミュレーションは、伸長棒の端部に酸化物を置くことで、38%の体積比の酸化物が必要であることを示す。（もちろん実際の数はいくらかの不確実性を有する材料パラメータに敏感である。）注目すべきは、この解決法は、大量の酸化物が重大な悪影響を全く有さなければ、良い解決法である。再び酸化物領域が「完全に酸化」されていると仮定すれば（上記記載を参照）、酸化物‐シリコン界面の正確な位置での製作公差は、熱係数値の共振周波数値への大きな影響を有さない。リソグラフィの観点から、シリコンおよび酸化物の体積が可能な限り等しいことが実際に有利である。このような構造を既に述べた解決法と差別化することは、再び酸化物が１つの大きな容積を形成することである（すべての寸法が1μmよりも大きい）。
本願では、共振器３は実際の機械的に振動する素子を意味し、支持構造１によってとは共振器がつるされる構造を意味する。
ここで補償材料４とも呼ばれる、第２材料４は、支持構造１の第１材料２とは異なる熱的特性を有する。発明の好ましい実施形態では、材料での音速の熱依存はこれらの２つの構造物で互いに反対である。この条件は例えば次の１対に対して満たされる：
第１材料：Si
第２材料：アモルファスSiO2またはアモルファスTeO2または適切な熱的特性を有するガラス。
共振器が、特定の周波数f0において、いくつかの張力最大位置を有し、本方法がそれらのすべてに適用できることは当業者にとって明らかである。

Claims (11)

  1. 第１材料（２）からなる支持構造（１）と、
    前記支持構造（１）につるされ、少なくとも部分的に前記支持構造（１）と同じ前記第１材料（２）で、特定の周波数f0で共振するよう寸法が決められた共振器（３）と、
    前記共振器（３）の共振を開始し、維持し、結合するための、外部回路（６）への結合手段（５）と、
    熱的特性が前記第１材料（２）と異なる第２材料（４）でその一部を置き換えられた前記共振器（３）とを備え、
    前記共振器（３）の前記第２材料（４）からなる部分は、前記共振器（３）が特定の前記周波数f0で応力最大値（７）を有する領域に集中して配置され、
    前記共振器（３）の前記第２材料（４）からなる部分は、横方向に10μmよりも大きい寸法であることを特徴とするマイクロメカニカル共振器。
  2. 第１材料（２）からなる支持構造（１）と、
    前記支持構造（１）につるされ、少なくとも部分的に前記支持構造（１）と同じ前記第１材料（２）で、特定の周波数f0で共振するよう寸法が決められた共振器（３）と、
    前記共振器（３）の共振を開始し、維持し、結合するための、外部回路（６）への結合手段（５）と、
    熱的特性が前記第１材料（２）と異なる第２材料（４）でその一部を置き換えられた前記共振器（３）とを備え、
    前記共振器（３）の前記第２材料（４）からなる部分は、前記共振器（３）の中央部を除く横方向端部のみにあり、
    前記共振器（３）の前記第２材料（４）からなる部分は、横方向に10μmよりも大きい寸法であることを特徴とするマイクロメカニカル共振器。
  3. 前記第１材料がシリコン（Si）であり、前記第２材料（４）が酸化ケイ素（SiO2）または酸化テルル（TeO2）またはガラスであることを特徴とする請求項１または２に記載のマイクロメカニカル共振器。
  4. 前記共振器（３）は前記支持構造（１）の中央につるされた梁であることを特徴とする請求項１〜３のいずれか１項に記載のマイクロメカニカル共振器。
  5. 前記共振器（３）は平板の角から前記支持構造（１）につるされた平板であることを特徴とする請求項１〜４のいずれか１項に記載のマイクロメカニカル共振器。
  6. 前記第２材料（４）の部分が均一であることを特徴とする請求項１〜５のいずれか１項またはそれらの組み合わせに記載のマイクロメカニカル共振器。
  7. 前記第２材料（４）の部分は、溝またはプラグとして部分的にのみ前記第１材料に対して充填されたものであることを特徴とする請求項１〜６のいずれか１項またはそれらの組み合わせに記載のマイクロメカニカル共振器。
  8. 前記共振器（３）は長さ伸長（LE : Length Extensional）梁共振器であることを特徴とする請求項１〜７のいずれか１項またはそれらの組み合わせに記載のマイクロメカニカル共振器。
  9. 前記共振器（３）は四角形伸長（SE : Square Extensional）平板共振器であることを特徴とする請求項１〜７のいずれか１項またはそれらの組み合わせに記載のマイクロメカニカル共振器。
  10. 前記共振器（３）は垂直BAW SOI共振器であることを特徴とする請求項１〜７のいずれか１項またはそれらの組み合わせに記載のマイクロメカニカル共振器。
  11. 前記第１材料（２）の音速の熱依存が前記第２材料（４）と反対であることを特徴とする請求項１〜１０のいずれか１項またはそれらの組み合わせに記載のマイクロメカニカル共振器。
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