JP6419069B2

JP6419069B2 - 温度制御統合圧電性共振器

Info

Publication number: JP6419069B2
Application number: JP2015515251A
Authority: JP
Inventors: エヌバージェスバイロン; アールクレニックウィリアム; エムヤコブセンスチュアート
Original assignee: 日本テキサス・インスツルメンツ株式会社; テキサスインスツルメンツインコーポレイテッド
Priority date: 2012-05-31
Filing date: 2013-05-31
Publication date: 2018-11-07
Anticipated expiration: 2033-05-31
Also published as: WO2013181562A1; JP2015519848A; CN104321893A; CN104321893B; US20130321101A1; US9240767B2

Description

本願は、統合圧電性共振器のための装置及び方法に関する。

現代の電子機器においてタイミングソリューションは重要である。ほとんどの商用又は民生用機器で用いられるタイミングデバイスは、多くの用途向けの周波数制御及びタイミングを提供する。数十年間、水晶発振器が周波数生成器の主要なタイプであった。水晶発振器は、典型的に石英の小片を用いるため、水晶発振器が制御のために用いられ得る集積回路に比べ、かなり大きなデバイスとなる。また、温度変動が振動の周波数に影響を与え得る。

温度制御を提供する統合された圧電性ベースの共振器が開示される。

例えば、幾つかの実施形態が、圧電性共振器、圧電性共振器に結合される音響ブラッグリフレクタ、及び音響ブラッグリフレクタが配置される基板を含む、統合共振器装置に向けられる。また、この装置は圧電性共振器を覆うアクティブヒータ層を含む。アクティブヒータ層により生成される熱は、ヒータ層を介して提供される電流の量によって制御可能である。

他の実施形態が、統合共振器装置を含むシステムに向けられる。共振器装置は、圧電性共振器、圧電性共振器に結合された音響ブラッグリフレクタ、及び圧電性共振器を覆うアクティブヒータ層を含む。また、統合共振器装置は、温度センサ層と、温度センサ層から、温度を示す温度信号を受け取り、その温度信号に基づいてアクティブヒータ層の電流の量を制御する回路とを含む。

更に他の実施形態が、ブラッグリフレクタを備える圧電性共振器を形成する方法に向けられる。この方法は、基板の上に低音響インピーダンス材料と高音響インピーダンス材料の交互の誘電体層を堆積すること、及び交互の誘電体層の上に第１の共振器電極を堆積することを含む。この方法は、第１の共振器電極の上に圧電性層を、圧電性層の上に第２の共振器電極を、及び第２の共振器電極の上にアクティブヒータ層を、堆積することを更に含む。

別の実施形態が、統合圧電性共振器の温度センサ層から温度信号を受け取ることを含む方法に向けられる。また、この方法は、温度信号に基づいて、アクティブヒータ層を介して電流を調節することによって、統合圧電性共振器のアクティブヒータ層により生成される熱の量を制御することを含む。

本発明の種々の実施形態に従った温度制御統合圧電性共振器の断面を示す。

種々の実施形態に従った温度制御統合圧電性共振器を製造する方法を示す。

温度制御統合圧電性共振器の別の実施形態の断面を示す。

外部温度制御回路を備える、図２の温度制御統合圧電性共振器の使用の概要を示す。

種々の実施形態に従った温度制御統合圧電性共振器を動作させる方法を示す。

温度制御統合圧電性共振器の更に別の実施形態の断面を示す。

図１は、単結晶シリコンウエハ１０２等の適切な基板を含む温度制御統合圧電性共振器デバイス１００の断面を示す。基板上に、好ましくは音響リフレクタ１０４（音響ブラッグリフレクタ等）が形成される。音響ブラッグリフレクタ１０４は、高音響インピーダンス及び低音響インピーダンスの交互の層を含み得る。

図１の例において、高音響インピーダンス材料の第１の層１０６、続いて、低音響インピーダンス材料の後続の層１０８が堆積される。また、それぞれ、高音響インピーダンス材料及び低音響インピーダンス材料の、付加的な層１１０及び１１２が堆積される。このように、層１０６及び１１０は高音響インピーダンス材料であり、好ましくは同じ材料である。同様に、層１０８及び１１２は低音響インピーダンス材料であり、好ましくは同じ材料である。

１つの例では、低音響インピーダンス材料は、ナノ多孔性（nano-porous）ＨＳＱ（hydrogensilsesquioxane）、又はナノ多孔性ＭＳＱ（methyl silsequioxane）のナノ多孔性スピンオンガラス等の誘電体であり得、後続の硬化ステップを用いて、スピンコータ内で堆積され得る。

高音響インピーダンス材料は、炭化ケイ素（ＳｉＣ）を含むような誘電体であり得る。ＳｉＣが高インピーダンス材料として用いられる場合、１つの例では、ＳｉＣは、メタン（ＣＨ_４）及びシランの混合物等の原料ガスを用いて、プラズマ化学気相成長（ＣＶＤ）堆積チャンバにおいて堆積され得る。ＳｉＣの代わりにダイヤモンド状炭素（ＤＬＣ）又はＳｉ−ＤＬＣが用いられる場合は、改変された堆積チャンバが用いられる。例えば、上部プレートがガス分配源であり、下部プレートがその上に基板が載るカソードである、１５０ｍｍの平行プレートリアクタＲＦＣＶＤチャンバにおいてＤＬＣが堆積され得る。この構成では、上部プレートがポジティブであり、カソードがネガティブである（接地されている）。ＲＦ源（例えば、１３．５６ＭＨｚ）が、カソードを介して基板に直接結合され得る。チャンバを真空にした後、ＣＨ_４等の任意の炭化水素ガス、及び／又は、Ｓｉドーピングが必要とされる場合は、Ｓｉ含有炭化水素フォーミングガス（例えば、テトラメチルジシロキサン（４ＭＳ））が、所望の圧力が達成されフローが安定するまでチャンバ内に導入される。最終的なＤＬＣフィルムの化学組成を制御するために、炭化水素フォーミングガスに加えて、アルゴン（Ａｒ）及び水素（Ｈ_２）等の他のガスが用いられ得る。この時点で、プラズマを打つために電力がカソードに供給され、所望の厚みが達成されるまで、一定の時間、ＤＬＣが堆積される。次に、電力が遮断され、チャンバが、周囲圧力に達するまで不活性ガス（Ａｒ、Ｎ_２等）を用いて喚気され、ＤＬＣが堆積した基板が取り外される。ＤＬＣの物理的特性に影響を与える変数としては、ＲＦ電力、圧力、総ガスフロー、異なるガスの比率、及び上部プレート・カソードの間隔が含まれ得る。ＤＬＣ堆積の前に、堆積のために基板表面を予備調整するために、１〜２分間、アルゴンプラズマが用いられ得る。ＤＬＣ堆積は周囲温度で行なわれ得る。ＤＬＣ厚み、及び屈折率は、例えば較正済みの偏光解析器を用いて、直接測定され得る。

１つの例において、音響ブラッグリフレクタ１０４の個々の層の厚みは、デバイスの共振周波数の四分の一波長に等しくなるように選択される。音響ブラッグリフレクタ１０４が完成すると、次のステップは、第１の共振器電極１２０を堆積させることである。１つの実施形態において、共振器電極１２０はスパッタ堆積され、この共振器電極のための材料はモリブデン（Ｍｏ）であるが、チタン（Ｔｉ）、タングステン（Ｗ）、金（Ａｕ）、プラチナ（Ｐｔ）、又はアルミニウム（Ａｌ）等の他の材料も可能である。１つの例では、共振器電極のための材料は、低い熱弾性損を有し得、平滑な表面を維持するために、約１０００Ａ未満の厚みを有し得る。

第１の共振器電極１２０が堆積された後、圧電性層１２４が堆積される。圧電性層１２４のための適切な材料は、窒化アルミニウム（ＡｌＮ）であり得るが、酸化亜鉛（ＺｎＯ）及びジルコン酸チタン酸鉛（ＰＺＴ）等の他の材料も可能である。１つの例では、ｃ軸配向で低応力の緻密層を製造するために最適化されたプロセスを用い、窒素ガスを用いてＡlＮ層が反応性スパッタ堆積される。圧電性層１２４の厚みは、約０．１〜約１０ミクロンの範囲であり得る。

上部電極１２８が堆積されて共振器が完成される。この場合も、頂部電極はスパッタ堆積されたＭｏ層であり得る。また、頂部ブラッグリフレクタ１４９も含まれ、これは、構造上、下部ブラッグリフレクタ１０４と同じか又は類似する。デバイスへの外部接続のために、コンタクトポイント１６０及び１６２が提供される。コンタクトポイント１６０は、上部電極１２８への電気的コンタクトを提供し、コンタクトポイント１６２は下部電極１２０への電気的コンタクトを提供する。デバイス１００は、窒化ケイ素又は酸化ケイ素等の保護被覆１５４を有し得る。

図示されたデバイス１００は、基板１０２、音響ブラッグリフレクタ１０４、及び共振器（圧電性層１２４の相対する側の電極１２０及び１２８を含む）を含み得る。

また、図１の実施形態において、アクティブヒータ層１５０が温度制御態様の一部として提供される。アクティブヒータ層１５０は、好ましくは、タンタルアルミニウム合金薄膜、又は他の適切な材料を含む。アクティブヒータ層１５０は、約１０００の厚みを有し得る。この厚みでは、ヒータのシート抵抗は約３０Ω／スクエアである。ヒータ層中のタンタル対アルミニウムの比は、約５０：５０である。

アクティブヒータ層１５０は、デバイス１００に統合され、上部電極１２８、従って概して共振器、の一部又は全部の頂部にあり、それを囲む。コンタクト（図示せず）を介してアクティブヒータ層１５０に電流が提供され得る。アクティブヒータ層により生成される熱量は、ヒータ層に提供される電流の量によって制御可能である。即ち、電流レベルがより高いと、ヒータ層１５０は、より高いレベルの熱を生成する。このようなヒータ層は、デバイス１００の温度をデバイスの最高周囲温度仕様を上回って上昇させる全般的なオーブン制御共振器構造を提供する。温度を強制的に既知の安定したレベルにすることによって、温度変動が最小化され又はなくなり、従って、そのデバイスの周波数における温度誘導変動が回避されるか又は少なくとも低減される。

図２は、例えば、温度制御統合圧電性共振器デバイス１００、又は、全誘電体ブラッグリフレクタを備えるその他のタイプの圧電性ベースの共振器を製造するための、種々の実施形態に従った方法１３９を示す。方法１３９のステップは、示された順に又は場合によっては異なる順に実行され得る。更に、２つ又はそれ以上のステップが逐次的ではなく並列に実行され得る。

１４０で、この方法は、低音響インピーダンス及び高音響インピーダンスの交互の誘電体層を基板（例えば、基板１０２）上に堆積させることを含む。基板は、単一シリコンウエハ、ＧａＡｓ、ＡｌＡｓ等のシリコンから形成され得る。低音響インピーダンス層及び高音響インピーダンス層は、上述のような材料から形成され得る。

ブラッグリフレクタの種々の層を形成した後、１４２で、ブラッグリフレクタの上に下部共振器電極１２０が形成される。１つの例では、下部共振器電極のために選択される材料は、好ましくは、低い熱弾性損を有し、平滑な共振器電極表面を維持するために、好ましくは１０００Ａ未満の厚みを有する。上部電極は、モリブデン、チタン、タングステン、金、プラチナ、アルミニウム等の材料を用いて、スパッタ堆積され得る。

その後、１４４で、下部電極の上に圧電性層が堆積される。圧電性層は、窒化アルミニウム、酸化亜鉛、ジルコン酸チタン酸鉛、石英、チタン酸バリウム等の任意の適切な材料から形成され得る。窒化アルミニウム層は、ｃ軸配向を用いて低応力の緻密層を製造するために最適化されたプロセスを用いて、窒素ガスを用いて、反応性スパッタ堆積され得る。

その後、図２に示すように、上部電極が堆積される（１４６）。また、上部電極は、スパッタ堆積されたモリブデンの層であり得る。また、上部ブラッグリフレクタ１４９（図１）が含まれ得る。

１４８で示されるように、圧電性共振器の上にヒータ層が堆積される。ヒータ層は、タンタルアルミニウム合金薄膜を含み得、半導体堆積／フォト／ドライエッチングプロセスによって形成され得る。半導体堆積／フォト／ドライエッチングプロセスは、その後、その薄膜をパターニングし得る。

図３に、別の温度制御態様が図示される。図３は、温度制御統合圧電性共振器デバイス２００の別の実施形態を示す。図３のデバイス２００は、幾つかの点で、図１のデバイス１００に類似している。また、デバイス２００は、基板１０２、音響ブラッグリフレクタ１０４、及び、電極１２０、１２８と圧電性層１２４とを含む共振器を含む。また、デバイス２００は、アクティブヒータ層１５０を含む。

図３のデバイス２００は、図１に示されていない温度センサ層１７０を含む。温度センサ層１７０は、温度検知レジスタであり、音響ブラッグリフレクタ１０４と基板１０２との間に統合され得る。温度センサ層１７０は、ドープされたポリシリコン、又は相対的に高い、抵抗の温度係数を有する他の材料で製造され得る。

アクティブヒータ層１５０内に熱が生成されると、その熱は共振器及び音響ブラッグリフレクタ１０４を介して温度センサ層１７０に伝達される。図４は、外部温度制御回路２１０に接続された温度制御統合圧電性共振器デバイス２００の概略を示す。温度制御回路２１０は、温度センサ層（ＴＳＬ）１７０に、及びアクティブヒータ層１５０に接続する。温度検知信号２２０がＴＳＬ１７０から温度制御回路２１０に提供される。温度制御回路２１０は、温度検知信号２２０を監視し、温度が所定の閾値を下回るか否かを判定する。温度が所定の閾値（温度の降下の指標）を下回ると、温度制御回路２１０は、ヒータ層がより暖かくなるように、アクティブヒータ層１５０に対して温度制御信号２２２をアサートする。１つの実施形態において、温度制御信号２２２は、その振幅が温度制御回路２１０によって制御され得る電流である。より高い電流レベルは、より高い温度をアクティブヒータ層１５０に発生させる。同様に、ＴＳＬ１７０の温度が、同閾値の又はより高い閾値（ヒステリシス目的のためには、別個のより高い閾値が好ましい）を超えると、温度制御回路２１０は、デバイス２００の温度が高くなりすぎていると判定し、それに応答して、温度制御信号２２２の電流振幅を下げる。このように、ＴＳＬ１７０とアクティブヒータ層１５０の組み合わせは、デバイス２００のための、制御性の高い安定した温度を提供する。

図５は、デバイス２００の温度を制御するための方法２３０を図示する。２３２で、温度制御回路２１０は、温度センサ層１７０から温度信号を受け取る。２３４で、温度制御回路２１０は、受け取った温度信号に基づいてアクティブヒータ層により生成される熱の量を制御する。例えば、温度制御回路２１０は、アクティブヒータ層を介して電流を調整することによって、統合圧電性共振器デバイス２００内のアクティブヒータ層によって生成される熱の量を制御する。

図６は、温度制御統合圧電性共振器デバイス２５０の更に別の実施形態、及び別の温度制御態様を図示する。幾つかの点において、図６の実施形態は、図３の実施形態に類似している。図６は、図３の実施形態に示される構成要素及び層の全てを含むが、好ましくは、付加的な層１８０を含む。層１８０は温度補償層を含む。温度補償層１８０は、好ましくは、共振器内の、電極１２０、１２８の１つ（例えば、上部電極１２８）と圧電性層１２４との間に提供される。

温度補償層１８０は、デバイス２５０の残部（例えば、圧電性層１２４）の周波数温度係数を補償する。例えば、窒化アルミニウムからつくられた圧電性層１２４では、周波数温度係数は、約２０ｐｐｍ／℃であり得る。これは、温度が１度上昇する毎に、圧電性層１２４の周波数が２０ｐｐｍ増大することを意味する。ＡｌＮ等の幾つかの材料は、高い温度でより強固になる特性を有する。その場合、温度上昇を伴う上向きの周波数傾向を防止又は少なくとも軽減するために、そのような材料が温度補償層１８０として選択され得る。温度補償層１８０として機能するための１つの適切な材料は、二酸化ケイ素である。温度補償層１８０の周波数温度係数は、好ましくは、圧電性層１２４の周波数温度係数と、同じか又は同等の大きさであるが、逆の符号を有する。例えば、圧電性層１２４の周波数温度係数が２０ｐｐｍ／℃である場合、温度補償層１８０の周波数温度係数は、好ましくは、約−２０ｐｐｍ／℃である。幾つかの実施形態において、温度補償層１８０の厚みは、約１０ｎｍ〜約３００ｎｍの範囲であり得る。

当業者であれば、本発明の請求の範囲内で、記載された実施形態に変更が行なわれ得ること、及び他の多くの実施形態が可能であることが理解されるであろう。

Claims

統合共振器装置であって、
圧電性共振器と、
前記圧電性共振器に結合される第１の音響ブラッグリフレクタと、
その上に前記第１の音響ブラッグリフレクタが配置される基板と、
前記圧電性共振器を覆うアクティブヒータ層であって、前記アクティブヒータ層により生成された熱が前記アクティブヒータ層を介して提供される電流の量によって制御可能である、前記アクティブヒータ層と、
前記アクティブヒータ層と前記圧電性共振器との間に位置する第２の音響ブラッグリフレクタと、
を含む、統合共振器装置。
請求項１に記載の統合共振器装置であって、
前記アクティブヒータ層がタンタルアルミニウム合金薄膜を含む、統合共振器装置。
請求項１に記載の統合共振器装置であって、
前記第１の音響ブラッグリフレクタが、高音響インピーダンスと低音響インピーダンスとの交互の層を含む、統合共振器装置。
請求項３に記載の統合共振器装置であって、
高音響インピーダンスと低音響インピーダンスとの各層の厚さが、前記圧電性共振器の共振周波数の４分の１波長である、統合共振器装置。
請求項１に記載の統合共振器装置であって、
前記第１の音響ブラッグリフレクタと前記基板との間に温度センサ層を更に含む、統合共振器装置。
請求項５に記載の統合共振器装置であって、
前記温度センサ層がドープされたポリシリコンを含む、統合共振器装置。
請求項５に記載の統合共振器装置であって、
前記圧電性共振器の圧電性層の周波数温度係数と、ほぼ同じであるが、逆の符号の、周波数温度係数を有する温度補償層を更に含む、統合共振器装置。
請求項１に記載の統合共振器装置であって、
前記圧電性共振器の圧電性層の周波数温度係数と、ほぼ同じであるが、逆の符号の、周波数温度係数を有する温度補償層を更に含む、統合共振器装置。
請求項８に記載の統合共振器装置であって、
前記温度補償層が二酸化ケイ素を含む、統合共振器装置。
圧電性共振器と、前記圧電性共振器に結合される音響ブラッグリフレクタと、前記圧電性共振器を覆うアクティブヒータ層と、温度センサ層とを含む、統合共振器装置と、
前記温度センサ層から温度を示す温度信号を受け取り、前記温度信号に基づいて前記アクティブヒータ層の電流の量を制御する回路と、
を含む、システム。
請求項１０に記載のシステムであって、
前記圧電性共振器が２つの電極の間に配置される圧電性層を含み、
前記統合共振器装置が、前記圧電性共振器における前記圧電性層の周波数温度係数と、ほぼ同じであるが、逆の符号の、周波数温度係数を有する温度補償層を更に含み、
前記温度補償層が、前記２つの電極のうちの１つと前記圧電性層との間に提供される、システム。
請求項１１に記載のシステムであって、
前記温度補償層が二酸化ケイ素を含む、システム。
請求項１０に記載のシステムであって、
前記アクティブヒータ層がタンタルアルミニウム合金薄膜を含む、システム。
請求項１０に記載のシステムであって、
前記温度センサ層がドープされたポリシリコンを含む、システム。
請求項１０に記載のシステムであって、
前記圧電性共振器内に配置される温度補償層を更に含む、システム。
第１及び第２の音響ブラッグリフレクタの間に位置する圧電性共振器を覆うアクティブヒータ層を有する統合圧電性共振器を用いる方法であって、
前記統合圧電性共振器内の温度センサ層から温度信号を受信することと、
前記温度信号に基づいて、前記アクティブヒータ層を介する電流を調整することにより前記統合圧電性共振器内の前記アクティブヒータ層により発生される熱の量を制御することと、
を含む、方法。
ブラッグリフレクタを備える圧電性共振器を形成する方法であって、
ブラッグリフレクタを定義する基板の上に低音響インピーダンス材料と高音響インピーダンス材料との交互の誘電体層を堆積することと、
前記交互の誘電体層の上に第１の共振器電極を堆積することと、
前記第１の共振器電極の上に圧電性層を堆積することと、
前記圧電性層の上に第２の共振器電極を堆積することと、
前記第２の共振器電極の上にアクティブヒータ層を堆積することと、
前記基板と前記交互の誘電体層との間に温度センサ層を堆積することと、
を含む、方法。
請求項１７に記載の方法であって、
前記２つの電極の１つと前記圧電性層との間に温度補償層を堆積することを更に含む、方法。