JP6914856B2 - 微小電気機械共振器 - Google Patents

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Description

関連出願の相互参照
本出願は、２０１５年６月１９日付けで出願された米国仮特許出願第６２／１８１，７６７号及び２０１５年６月２３日付けで出願された米国仮特許出願第６２／１８３，６８９号に対する優先権を主張するものであり、且つ、引用により、これらを包含する。本出願は、引用により、２０１４年２月９日付けで出願された米国仮特許出願第６１／９３７，６０１号及び２０１５年２月９日付けで出願された米国特許出願第１４／６１７，７５３号のそれぞれを包含する。
技術分野
本明細書における開示は、微小電気機械システム（ＭＥＭＳ）の分野に関し、且つ、更に詳しくは、共振ＭＥＭＳ構造に関する。
図面の簡単な説明
本明細書において開示されている様々な実施形態は、限定としてではなく、例として、以下の添付図面に示されている。
少なくとも２つの縮退ドープシリコン層を有する例示用の圧電作動型ＭＥＭＳ共振器の様々な物理的な、電気的な、且つ、ＴＣＦ工業設計の、態様を示す。 少なくとも２つの縮退ドープシリコン層を有する例示用の圧電作動型ＭＥＭＳ共振器の様々な物理的な、電気的な、且つ、ＴＣＦ工業設計の、態様を示す。 少なくとも２つの縮退ドープシリコン層を有する例示用の圧電作動型ＭＥＭＳ共振器の様々な物理的な、電気的な、且つ、ＴＣＦ工業設計の、態様を示す。 正／負の１次及び２次周波数温度係数（ＴＣＦ）の例を示し、且つ、正及び負の０次ＴＣＦ（即ち、温度独立性周波数オフセット）をも示す。 １次及び２次共振器周波数温度係数の制御を許容する１つ又は複数の材料から構成された共振構造の実施形態を示す。 １次及び２次共振器周波数温度係数の制御を許容する１つ又は複数の材料から構成された共振構造の実施形態を示す。 １次及び２次共振器周波数温度係数の制御を許容する１つ又は複数の材料から構成された共振構造の実施形態を示す。 １次及び２次共振器周波数温度係数の制御を許容する１つ又は複数の材料から構成された共振構造の実施形態を示す。 ドーパント濃度及び／又はタイプが共振器本体に跨って不均一である縮退ドープ半導体層を有する共振器の一実施形態を示す。 望ましい特性を有する局所的に堆積された又はパターン化された材料の共振器内部の又は上部の領域を有する共振器の一実施形態を示す。 図２Ｂ〜図２Ｇの共振器実施形態及び本明細書において開示されているその他の実施形態における工学設計されたＴＣＦの例を示す。 導電性層が、複合構造のＴＣＦに対するその寄与を無視可能とするべく、十分に薄く製造された、図２Ｅの共振器実施形態を示す。 上部及び下部電極の間において挟持された、窒化アルミニウムと共に層化された縮退ドープ単結晶シリコンを有するＭＥＭＳ共振器の一実施形態を示す。 共振器が、温度感知要素及びヒーターと共に、単一基材上において一緒に製造された、ＭＥＭＳシステムの一実施形態を示す（温度感知要素及び／又はヒーターは、任意選択により、代替実施形態においては、排除することができる）。 温度安定型ＭＥＭＳ共振器が、温度に伴う改善された周波数安定性のために、更なる能動的温度補償と組み合わせられている、ＭＥＭＳシステムの実施形態を示す。 温度安定型ＭＥＭＳ共振器が、温度に伴う改善された周波数安定性のために、更なる能動的温度補償と組み合わせられている、ＭＥＭＳシステムの実施形態を示す。 温度安定型ＭＥＭＳ共振器が、温度に伴う改善された周波数安定性のために、更なる能動的温度補償と組み合わせられている、ＭＥＭＳシステムの実施形態を示す。 温度安定型ＭＥＭＳ共振器が、温度に伴う改善された周波数安定性のために、更なる能動的温度補償と組み合わせられている、ＭＥＭＳシステムの実施形態を示す。 温度安定型ＭＥＭＳ共振器が、温度に伴う改善された周波数安定性のために、更なる能動的温度補償と組み合わせられている、ＭＥＭＳシステムの実施形態を示す。 温度安定型ＭＥＭＳ共振器が、温度に伴う改善された周波数安定性のために、更なる能動的温度補償と組み合わせられている、ＭＥＭＳシステムの実施形態を示す。 温度安定型ＭＥＭＳ共振器が、温度に伴う改善された周波数安定性のために、更なる能動的温度補償と組み合わせられている、ＭＥＭＳシステムの実施形態を示す。 温度安定型ＭＥＭＳ共振器が、温度に伴う改善された周波数安定性のために、更なる能動的温度補償と組み合わせられている、ＭＥＭＳシステムの実施形態を示す。 温度安定型ＭＥＭＳ共振器が、温度に伴う改善された周波数安定性のために、更なる能動的温度補償と組み合わせられている、ＭＥＭＳシステムの実施形態を示す。 能動的温度補償システムの１つ又は複数のコンポーネントと一体化された縮退ドープシリコンＭＥＭＳ共振器の一実施形態を示す。 図５Ａの実施形態における温度補償動作の一例を示す。 デュアルシリコン共振器を有する発振器システムにおいて温度センサを一体化するための様々な選択肢を示す。 同一のＳＯＩ基材の隣接する領域内においてＭＥＭＳサーミスタ及びデュアルシリコンＭＥＭＳ共振器を製造するための例示用のプロセスを示す。 共振器構造の一部分として更なる低濃度ドープ（又は、未ドープ）単結晶シリコンサーミスタ層を有するデュアルシリコン共振器内における例示用の相互接続構成を示す。 図１Ａ〜図５Ｂとの関連において記述されている１つ又は複数の特徴を有する縮退ドープ半導体（ＤＤＳ）共振器の一実施形態を示す。 図９ＡのＤＤＳ共振器の例示用の有限要素モデルを示す。 デュアルシリコン共振器の形状及び設計の、すべてが網羅されてはいない例を示す。 デュアルシリコン共振器の形状及び設計の、すべてが網羅されてはいない例を示す。 デュアルシリコン共振器の形状及び設計の、すべてが網羅されてはいない例を示す。 デュアルシリコン共振器の形状及び設計の、すべてが網羅されてはいない例を示す。 デュアルシリコン共振器の形状及び設計の、すべてが網羅されてはいない例を示す。 デュアルシリコン共振器の形状及び設計の、すべてが網羅されてはいない例を示す。 デュアルシリコン共振器の形状及び設計の、すべてが網羅されてはいない例を示す。 デュアルシリコン共振器の形状及び設計の、すべてが網羅されてはいない例を示す。 デュアルシリコン共振器の形状及び設計の、すべてが網羅されてはいない例を示す。 電極の電導性を改善するべく、且つ／又は、内部圧電層の材料の構造化を改善するためのシードベッドとして機能するべく、１つ又は複数の金属層又はケイ化物を有するデュアルシリコン共振器の実施形態を示す。 電極の電導性を改善するべく、且つ／又は、内部圧電層の材料の構造化を改善するためのシードベッドとして機能するべく、１つ又は複数の金属層又はケイ化物を有するデュアルシリコン共振器の実施形態を示す。 更なる金属層と共に図１Ａに示されている３つの層を有する代替材料積層体を示す。 更なる金属層と共に図１Ａに示されている３つの層を有する代替材料積層体を示す。 表面張力の不均衡と、その結果もたらされる構造的な反りと、を回避する対称型デュアルシリコン材料積層体の実施形態を示す。 表面張力の不均衡と、その結果もたらされる構造的な反りと、を回避する対称型デュアルシリコン材料積層体の実施形態を示す。 本明細書において開示されている様々な技法及び回路構成を使用して加熱又は過熱されうる微小電気機械システム（ＭＥＭＳ）内の例示用の微細機械加工部材（又は、構造）を示す。 製造時ジュール加熱を許容する構造的相互接続と共にＤＤＳ共振器を有する例示用のＭＥＭＳ装置のプロファイル図を示す。 導電性係留構造との間において電気的接触を実施するべく、導電性ビアが密封カプセル化蓋構成を通じて延在するカプセル化後ジュール加熱ＭＥＭＳ実施形態を示す。 ＤＤＳ共振器を通じたジュール加熱電流の流れを可能にするべく、導電性ビアが装置基材（例えば、バルク半導体）を通じて延在している一代替実施形態を示す。 バルクテザーの例を示す、多機能テザー構造の実施形態を示す。 複合テザーの例を示す、多機能テザー構造の実施形態を示す。 延長経路テザーの例を示す、多機能テザー構造の実施形態を示す。 アンカー及び折り畳まれたテザーを介して、運動可能な微細機械加工部材を通じてＤＣ又はＡＣジュール加熱電流を伝導することにより、実現された例示用の熱プロファイルを示す。 運動可能な微細機械加工部材に対してジュール加熱電流を伝導するべく、「曲がりやすい」テザーの個々のペアが提供された別のジュール加熱ＭＥＭＳ実施形態を示しており、従って、それぞれのテザーペアは、専用の加熱ポートを形成している。 駆動及び／又は検知電極として機能する電極が、運動可能な微細機械加工部材内においてＡＣジュール加熱電流を駆動する高周波（ＲＦ）エネルギー入力として、二重の役目を果たしている例示用の容量結合型の加熱構成を示す。 駆動及び／又は検知電極として機能する電極が、運動可能な微細機械加工部材内においてＡＣジュール加熱電流を駆動する高周波（ＲＦ）エネルギー入力として、二重の役目を果たしている例示用の容量結合型の加熱構成を示す。 エネルギーが、伝導方式により、或いは、容量方式により、多層ＭＥＭＳ共振器の個々の層に対して供給されるジュール加熱実施形態を示す。 ジュール加熱が、主に、デュアルシリコン共振器のパターン化された電極層内において供給される代替加熱構成を示す。 ＲＦエネルギー供給源が、図１９Ａに示されている運動可能な微細機械加工部材の外側層に跨って結合された別の実施形態を示す。 （例えば、その上部において形成された運動可能な微細機械加工部材を有する）ＭＥＭＳダイと、制御ダイと、を有するカプセル化された又はチップスケールのＭＥＭＳパッケージを示す。 図２２のプログラム可能な加熱制御回路を実装するべく使用されうるプログラム可能な加熱コントローラの一実施形態を示す。 外部加熱コントローラ内の複数の加熱パワードライバが、個々のシンギュレートされた又はオンウエハのＭＥＭＳ装置に結合されうる構成を示す。 運動可能な微細機械加工部材内において生成された例示用の温度と共に、図２２及び図２３の外部又は原位置加熱コントローラ或いは任意のその他の実施可能な加熱供給源内において生成されうる例示用の加熱パワープロファイルを示す。 制御されたＭＥＭＳ構造の冷却及び／又は加熱を実現するべく印加されうる例示用のパワーパルスの波形整形を示す。 加熱ポートを形成する２つの別個の端子を単一の動作可能な制御端子にマージするべく、オーブンリフロー動作が実行されるパッケージ化ＭＥＭＳ装置の例示用の処理を示す。 ２つの前面端子と、ジュール加熱／過熱を可能にするための１つの背面端子と、を有するパッケージ化ＭＥＭＳ装置内の例示用の加熱ポート構成を示す。 加熱／過熱動作における図２６のパッケージ化ＭＥＭＳ装置に対応する例示用の回路モデルを示す。 実行時動作における図２６のパッケージ化ＭＥＭＳ装置に対応する例示用の回路モデルを示す。 ＭＥＭＳ共振器のパッケージレベル端子相互接続（即ち、後続のパッケージ化ステップにおけるもの）及びカプセル化後ジュール加熱の両方を可能にするカプセル化レベルスルーシリコンビア（ＴＳＶ）と圧電作動型の共振器電極の間における例示用の電気相互接続を示す。 ＭＥＭＳ共振器のパッケージレベル端子相互接続（即ち、後続のパッケージ化ステップにおけるもの）及びカプセル化後ジュール加熱の両方を可能にするカプセル化レベルスルーシリコンビア（ＴＳＶ）と圧電作動型の共振器電極の間における例示用の電気相互接続を示す。 ２つの電気的に独立したパッケージレベル端子のみを露出させるべく、３つ以上のカプセル化レベル端子がパッケージハウジング内においてエンクロージャにマージされた代替端子低減方式を示す。 ２つの電気的に独立したパッケージレベル端子のみを露出させるべく、３つ以上のカプセル化レベル端子がパッケージハウジング内においてエンクロージャにマージされた代替端子低減方式を示す。 密封カプセル化の一部分である蓋及び基材との関係においてＤＤＳによって選好的に吸収されるレーザービームを介したＭＥＭＳ共振器の加熱を示す。 加熱サイクルにおける温度の関数としてＤＤＳ内の電気活性ドーパント濃度の変動を示す。 電気活性ドーパント濃度の冷却レート依存性を示す。 電気活性ドーパント濃度の増大を伴う室温共振周波数の低減を示す。 共振器がその後に迅速に冷却される加熱サイクルの時間及び温度の両方に対するＤＤＳを収容したＭＥＭＳ共振器の室温共振周波数の依存性を示す。 ＭＥＭＳ共振器に対して印加された加熱パルスのシーケンスと、それぞれのサイクルにおけるＭＥＭＳ構造の対応する平均温度と、それぞれの加熱パルス後の室温における又はその近傍におけるＭＥＭＳ共振器固有モードのうちの１つの固有モードの結果的に得られる共振周波数と、を示す。 自動化された閉ループ方式により、１つ又は複数の温度においてＭＥＭＳ構造の１つ又は複数の共振モードの周波数をトリミングするためのアルゴリズムを示す。 室温周波数がターゲット周波数を中心とした受け入れ可能な許容範囲内に入る時点まで、熱パワー及び／又は時間が一連の加熱パルスの反復にわたって増大している例示用の周波数トリミング結果を示す。 温度起動型の周波数チューニングの反転可能な特性を利用して、最初に周波数トリムターゲットをオーバーシュートした後に共振周波数を増大させるべく、加熱パワーが、３回の反復の後に低減されている例示用の周波数トリミング結果を示す。 モード１及びモード２という対象の２つの振動モードと共に、この特定の例においては、ＭＥＭＳ構造である、ディスクリングジャイロスコープを示す。 潜在的な通常装置動作における使用に加えて、容量結合されたジュール加熱においても利用される、図３７ＡのＭＥＭＳ構造を取り囲む電極のアレイを示す。 図３７ＡのＭＥＭＳ構造のモード１の周波数を選好的にチューニングするべく、ＭＥＭＳ構造が不均一に加熱されるように、電極のサブセットに印加される高周波（ＲＦ）入力を示す。 図３７ＡのＭＥＭＳ構造のモード２の周波数を選好的に調節して、２つのモードの間において望ましい周波数関係を取得するべく、電極の異なるサブセットに印加されるＲＦ入力を示す。 ジュール加熱が、構造に直接的に結合された端子を通じて実現されることにより、ＤＣ加熱電流の可能性が許容されている点を除いて、加熱端子のサブセットの起動に基づいた類似のＭＥＭＳ構造の２つのモードの間における周波数関係の調節を示す。
詳細な説明
本明細書における様々な実施形態においては、１つ又は複数の縮退ドープシリコン層及び圧電材料層を有する材料積層体によって形成された温度安定型の、損耗耐性を有する共振器が開示されている。いくつかの実装形態においては、圧電材料層（「圧電層」）は、縮退ドープ単結晶シリコン「コア」層と縮退ドープ多結晶層の間において挟持されており、この場合に、外側シリコン層は、駆動／検知信号を圧電層との間において伝導するための電極として機能し、これにより、従来の金属電極層及びその望ましくないエージング特性（例えば、時間に伴う損耗―硬化）が未然に防止されている。更には、更に詳細に後述するように、層厚さの比率、（少なくとも）単結晶層の結晶方位、モード成形、及び／又は、縮退ドーパントの濃度／タイプは、全体として、材料積層体において、少なくとも１次（線形）及び２次（放物状）周波数温度係数（ＴＣＦ：Temperature Coefficient of Frequency）を実質的にゼロ化又はヌル化するように工学設計されてもよく、この場合に、圧電層の固有の放物状ＴＣＦは、例えば、縮退ドープ単結晶シリコン層内において工学設計された逆極性の放物状ＴＣＦにより、実質的に無効化されている。従って、検知／駆動電極及び共振器バルク層の両方として二重の目的に機能することに加えて、縮退ドープ単結晶シリコン層は、望ましい動作温度範囲（例えば、−４０℃〜＋８５℃）にわたって温度安定性共振周波数（例えば、ゼロ又はゼロ近傍の組み合わせられたＴＣＦ）を有する共振ＭＥＭＳ構造をもたらすための工学設計の「ノブ」を提供している。同様に、縮退ドープポリシリコン層は、損耗耐性を有する電極として機能し（且つ、従って、圧電層と共に、検知／駆動コンポーネントの一部分として見なすことができる）、且つ、複数のＴＣＦ工学設計の程度を可能にすることもできる。更にその他の実施形態においては、正味の共振器ＴＣＦ（即ち、１次、２次、．．．、ｎ次ＴＣＦの合計）をフラット化するべく、且つ／又は、エージングの影響について補償するべく、或いは、場合によっては、（例えば、０次ＴＣＦに影響を及ぼす望ましい動作温度への閉ループ加熱を可能にすることにより）実行時周波数調節を許容するべく、温度調節された周波数プル及び／又はポスト共振器出力周波数調節を可能にするために、（例えば、共振器パッケージ内において、カプセル化チャンバ内において、或いは、場合によっては、共振器構造自体内において、実装された）１つ又は複数の原位置温度検知要素が提供されている。これらの及びその他の特徴及び実施形態については、更に詳細に後述する。
図１Ａ〜図１Ｃは、本明細書において「デュアルシリコン」共振器と呼称されている、少なくとも２つの縮退ドープシリコン層を有する例示用の圧電作動型ＭＥＭＳ共振器１００の様々な物理的な、電気的な、及びＴＣＦ工学設計の、態様を示している。まず、図１Ａを参照すれば、断面Ａ−Ａ’において示されている材料の物理的積層体は、縮退ドープ（ＤＤ：Degenerately-Doped）単結晶シリコン（ＳＣ−Ｓｉ：Single-Crystal Silicon）コアと、圧電層（誘電体）と、縮退ドープ多結晶シリコン（ＤＤポリ）層と、を含む。外側シリコン層内のドーパント濃度は、低損失の導電性を実現するべく、且つ、その結果、シリコン層が、圧電層に跨って時変圧電作動電圧を確立するための電極として機能することを可能にし、これにより、時間に伴って硬化すると共に望ましくない方式によって共振器周波数をシフトさせる傾向を有する従来の金属層を回避するべく、（例えば、１Ｅ１８原子／ｃｍ３、１Ｅ１９原子／ｃｍ３、１Ｅ２０原子／ｃｍ３、２Ｅ２０原子／ｃｍ３超、或いは、恐らくは、これ以上などのように）十分に高い。図示の特定の実施形態においては、ポリ及び単結晶シリコン層によって実装された上部及び下部電極（構造は、配備や使用などの際に、反転されてもよく、或いは、その他の方式によって再方向付けされうることから、「上部」及び「下部」は、図面の向きを任意に参照している）は、それぞれ、圧電作動「駆動」信号（Ｖｓｕｓｔａｉｎ）の共振器受信を可能にするべく、且つ、共振構造の機械的な動きを通知する圧電出力信号（Ｖｓｅｎｓｅ）の外部検知を可能にするべく、機械的テザー及び係留構造を通じて外部パッケージ接点に電気的に結合されている。図示のように、共振器材料積層体は、低損失の導電性経路を介して駆動及び検知ノードに結合されたプレート静電容量（圧電層）により、電気的にモデル化することができる。
図１Ｂは、更に詳細なデュアルシリコン共振器のアンカー、テザー、及び本体を通じた例示用の断面を示している。図示のように、圧電層は、テザー及びアンカーを通じて、２つの縮退ドープシリコン層と共に、延在する窒化アルミニウム薄膜（ＡｌＮ）によって実装されている。結合解除された要素として示されているが、テザー、アンカー、及び共振器本体は、物理的に互いに結合されており、この場合に、テザーは、さもなければ、取り囲むフィールドエリア及び基礎をなす基材又は絶縁体層から解放されると共にこれらとの関係において吊り下げられる共振器（「運動可能な微細機械加工部材」）の機械的な動きを許容するためのスプリング様の構造として機能している（この代わりに、又はこれに加えて、アンカー及び１つ又は複数のテザリング構造が共振器本体の下方において配設されてもよい）。従って、窒化アルミニウム圧電層に跨って静電位を生成するべく、且つ、これにより、共振器を作動させ、これにより、（例えば、伸び、呼吸、ラーメ、撓み、バルク−音響、又は任意のその他の実施可能なＭＥＭＳ共振モード―面内又は面外などの）１つ又は複数の機械的共振モードにおいてその発振機械運動を生成するべく、導電性経路をアンカー及びテザーを通じて形成することができる。例えば、且つ、限定を伴うことなしに、酸化亜鉛（ＺｎＯ）、ジルコン酸チタン酸鉛（Ｐｂ［ＺｒｘＴｉ１−ｘ］Ｏ３、０≦ｘ≦１）、ニオブ酸リチウム（ＬｉＮｂＯ３）、窒化ガリウム（ＧａＮ）、窒化インジウム（ＩｎＮ）、スカンジウム窒化アルミニウム（ＳｃＡｌＮ）、石英（ＳｉＯ４）などを含む様々な代替材料が、図１Ｂの実施形態及び本明細書において開示されているすべてのその他の実施形態において、圧電層を実装するべく、使用されてもよい。
ＴＣＦの工学設計との関係において、縮退ドープ単結晶シリコンは、結晶方位及びドーパント濃度という、少なくとも２つのオソリティ（authority）／制御の程度を単一層内に内蔵している。高濃度ドープ単結晶シリコン上における圧電薄膜の堆積との関係において、更なるオソリティが利用可能である。具体的には、実質的に整合した、但し、反対符号の、２次ＴＣＦをこれら２つの層内においてもたらし、これにより、正味の共振器ＴＣＦに対するその組み合わせられた放物状の寄与を無効化するか又は実質的に減衰させ、且つ、３次共振ＴＣＦに対するある程度の制御（オソリティ）をも提供すべく、縮退ドープ単結晶シリコン層及び窒化アルミニウム圧電層の厚さの比率（「ｘ／ｙ」）を選択することができる。又、ポリシリコン薄膜内の好適な結晶方位も、１次及び２次ＴＣＦに対して影響を及ぼしうる。従って、図１Ｃに示されているように、特定のドーピング濃度における縮退ドープ単結晶シリコン層の結晶方位、ドーパントのタイプ及び層厚さ、窒化アルミニウム層の厚さ、及び／又は、特定のドーパント濃度における縮退ドープポリシリコン層の厚さを変化させることにより、図１Ａ及び図１Ｂのデュアルシリコン圧電作動型共振器の少なくとも１次及び２次ＴＣＦを工学設計（制御、操作）することができる。いくつかの実施形態においては、例えば、望ましい動作範囲（例えば、−４０℃〜８５℃）にわたって、実質的にゼロの正味ＴＣＦ（例えば、ターゲットの５０ｐｐｍ、２０ｐｐｍ、１０ｐｐｍ、又はこれら未満内の周波数）をもたらすべく、様々なＴＣＦレベルが工学設計されている。更に一般的には、このような複数次数における補償（即ち、１次ＴＣＦのみならず、２次、並びに、恐らくは、３次及び更に高次のＴＣＦ項のヌル化）が施された共振器は、
・１次、２次、３次、及び４次ＴＣＦ項又はこれらのうちの任意の２つをヌル化する、或いは、さもなければ、（例えば、ゼロに、実質的にゼロに、或いは、その他の無視可能なレベルに）減衰させる、
・３次ＴＣＦを部分的に又は全体的に補償し（或いは、無効化又は相殺し）、且つ、これにより、特定の温度範囲にわたって絶対周波数変動を低減するべく、特別に選択された線形ＴＣＦの非ゼロ値を示し、
・「ターンオーバー温度」とも呼称される、温度依存性の（即ち、局所的な最小又は最大周波数が発生する温度を有する）周波数において１つ又は複数の局所的極値を示し、
・公称動作温度においてターンオーバーを示す、
ように、工学設計されてもよい。
又、個々のＴＣＦ項を補償するべく、材料層（１次ＴＣＦについて補償するための１つ又は複数の材料層や２次ＴＣＦについて補償するための１つ又は複数のその他の材料層など）を累積的に適用するＴＣＦ補償方式からの逸脱として、本明細書において開示されている温度について工学設計された共振構造の実施形態は、線形ＴＣＦ及び１つ又は複数の更に高次のＴＣＦの両方について、それ自体で、補償し、且つ、これにより、層／ＴＣＦ実装との関係において低減された数の材料層から構成された「ショート積層体」ＭＥＭＳ共振器の構造を可能にするように工学設計された半導体層又は領域を含む。一例においては、基礎をなす結晶軸との関係において共振器形状の向きを回転させることにより、単結晶シリコンなどの、異方性縮退ドープ半導体（ＤＤＳ：Degenerately Doped Semiconductor）から製造された共振器の線形ＴＣＦが調節されている。異方性の縮退ドープ半導体を利用した第２の例として、共振器の形状及び／又はモード形状を変更することにより、共振器の線形ＴＣＦがチューニングされている。別の例として、いくつかの実施形態においては、半導体材料は、その材料から構築された共振器の２次ＴＣＦの極性（即ち、２次ＴＣＦの符号）が、その半導体の更に低濃度ドープバージョンから構築された共振器の２次ＴＣＦとの関係において反転される（例えば、相対的に低いドーパント濃度において示される負の２次ＴＣＦとは対照的に、正の２次ＴＣＦをもたらす）ほどの十分に高い濃度にドーピングされている。逆極性の２次ＴＣＦは、所与の温度範囲にわたって複合共振器実施形態において１つ又は複数のその他の材料（例えば、縮退ドープ半導体材料のものとは反対の２次ＴＣＦ極性を有する圧電材料）の２次ＴＣＦを部分的に又は全体的に無効化し、これにより、低減された２次ＴＣＦの大きさを有する共振器を製造するべく、活用されてもよい。説明したように、工学設計された線形及び更に高次のＴＣＦを有する共振構造は、縮退ドープ半導体からのみ製造することが可能であり、或いは、縮退ドープ半導体は、工学設計された温度安定性を可能にするべく、複合共振構造内において配備されうる。例えば、圧電微小機械共振器に適した複合構造が、以下において開示されており、且つ、これらは、温度に伴う周波数安定性及び線形及び更に高次のＴＣＦの工学設計の問題に対処している。記述されているように、このような複合構造は、高品質係数、温度に伴う低ヒステリシス、時間に伴う周波数の低エージング、バッチ微細製造方法との間における互換性、小さなフォームファクタ、衝撃及び振動に対する低感度、及びその他の望ましい特徴を提供する。
本明細書において記述されている共振構造は、（例えば、シリコン、ゲルマニウム、ダイアモンド、炭素、炭化ケイ素、シリコンゲルマニウムなどの化合物半導体などの）縮退ドープ単結晶又は多結晶半導体から、或いは、このような半導体の組合せを使用することにより、全体的に又は部分的に、製造することができる。純粋な且つ低濃度ドープの半導体は、低温においては、絶縁材料である。半導体が、なんらかのドーパント濃度を上回る特定の不純物原子によってドーピングされた際に、半導体は、（例えば、０ケルビン近傍の単結晶シリコンにおけるように）低温においても、金属的な又は高度に導電性の振る舞いを示すことになる。このような半導体は、「縮退ドープ」された、と表現される。例えば、単結晶シリコンにおいて、これは、４Ｅ１８原子／ｃｍ３以上のリンのドーピングレベルにおいて発生しうる。更に一般的には、縮退の開始は、半導体及びドーパントに伴って変化する。導電性の変化に加えて、半導体の様々な材料特性は、ドーピングレベルのみならず、様々な材料特性の温度依存性に伴って、変化する。特に、縮退ドープ半導体によって製造された共振器は、相対的に低濃度ドープの半導体材料のバージョンによって構築された類似の共振器とは格段に異なるＴＣＦを示しうる。いくつかのケースにおいては、共振器内において構造的材料として使用される半導体のドーピングレベルを変更することにより、１つ又は複数のＴＣＦの符号（又は、極性）を反転させることさえ可能である。これらの温度依存性の変化は、狙いを絞った温度係数の高度な工学設計を可能にするべく、いくつかの共振器実施形態において活用されている。
本明細書において開示されている共振器複合構造の特定の実施形態においては、構成材料のうちの２つが、縮退ドープ半導体（ＤＤＳ）及び圧電材料である。ＤＤＳ共振器の一例である、この複合構造は、特定の共振モードのＴＣＦのうちの２つ以上のＴＣＦのターゲット値又は値の範囲を同時に実現するべく、工学設計することができる。一実施形態においては、例えば、複合構造は、縮退ドープシリコン（半導体）及び窒化アルミニウム（圧電材料―上述のように、その他のものが使用されてもよい）から構築されており、且つ、全体としての構造の特定の共振モードの１次及び２次ＴＣＦ（即ち、それぞれ、線形及び２次ＴＣＦ）が、両方とも、規定されたゼロからの許容範囲内となり、これにより、温度不感型の共振器又は温度補償済みの共振器が得られるように、工学設計されている。
２つの主要構成材料に加えて、複合構造内には、更なる材料が存在していてもよい。又、特に、更なる電極として機能するように、金属又は別の半導体層などの別の導電性材料（これも縮退ドープされてもよい）を含むこともできる（後述するように、ＤＤＳ層は、複合構造内において別の電極として機能することができる）。適切な電極材料の例は、但し、限定を伴うことなしに、高濃度ドープシリコン、ケイ化物、タングステン、モリブデン、チタニウム、又はアルミニウムを含む。電極という用語は、本明細書においては、限定を伴うことなしに、電気エネルギーから機械エネルギーへの又は機械エネルギーから電気エネルギーへの変換のための電界を確立するべく使用される導電性材料を意味するべく使用されている。又、電極として適用される層は、例えば、且つ、限定を伴うことなしに、圧電機能や加熱機能などのような、その他の機能のためにも機能しうることに留意されたい。
本明細書において開示されている実施形態は、いくつかの構造用の圧電結合、高品質係数、低ヒステリシス、低エージング、バッチ微細製造との互換性、小さなフォームファクタ、衝撃及び振動に対する不感性などを提供しつつ、温度に対する低減された感度を有する構造の複数のパラメータ又は設計自由度の工学設計を通じて、共振器性能における上述の問題及び課題のうちの多くのもの又はすべてのものに対処している。
機械的な共振器の場合には、固有周波数は、主には、共振器が構築されている材料の質量密度及び剛性によって決定される。周辺温度の変化に起因した材料の剛性の変化が、共振器の設計及び製造における主要な懸念事項であり、その理由は、これにより、共振器の固有周波数が変化するからである。又、熱膨張又は収縮に起因した材料形状の変化も懸念事項であり、その理由は、これによっても、共振器の固有周波数が変化するからである。
教育を目的として、これは、単純なモデルを検査するためのＴＣＦ工学設計の原則を例示しうる。１つのこのようなモデルは、共振器構造が薄い層から構築されると共に、単一軸上の材料の動きのみが考慮されている場合である。この単純な例においては、材料の剛性は、単一の数値である、有効弾性率によって記述される。これは、すべての動きの次元を考慮する必要があり、且つ、材料の剛性がテンソルによって記述されうる物理的なケースの単純化である。この単純なモデルにおいては、異方性材料の弾性率は、材料の向きに依存している。
複合構造の場合には、ｎ次周波数温度係数の単純なモデルは、共振器のすべての構成部品の寄与の重み付けされた平均値である。この平均値は、材料の薄膜（又は、層）の積層体の場合には、以下のように記述することができる。
Figure 0006914856
この場合には、ｉにおける合計が積層体内のすべての薄膜にわたって取得されており、ｔｉは、ｉ番目の薄膜の厚さであり、Ｅｉは、ｉ番目の薄膜の弾性率であり、且つ、
Figure 0006914856
は、ｉ番目の薄膜におけるｎ番目の材料のＴＣＦである。係数
Figure 0006914856
は、その材料のみから構築された共振器の周波数温度係数を付与するべく、熱膨張及び弾性率の温度感度からの寄与を１つに纏めるｉ番目の薄膜の材料パラメータである。式（２）は、任意の形状であり、不均一であり、且つ、異方性を有する材料を有する複合構造について一般化することができる。このケースにおいては、係数
Figure 0006914856
は、テンソルでありうることに留意されたい。少なくとも１つの材料から構築された共振器のｎ次ＴＣＦは、λｎである。
式（２）は、複合材料を使用した共振器の周波数温度係数を工学設計するための第１要件が、望ましい値を一括して有する材料を使用する、というものであることを示している。例えば、λｎがゼロであることが望ましい場合には、少なくとも１つの
Figure 0006914856
が正であると共に、少なくとも１つのその他の
Figure 0006914856
が負である場合に、この結果を得ることができる。
又、式（２）は、
Figure 0006914856
であって、この場合に、
Figure 0006914856
は、ｎ次係数の望ましい値である、となるように、Ｎ個の温度係数を同時に工学設計するために、式（２）をＮ個の別個の式に分割可能であることをも、示している。通常、Ｎ個の式の解は、少なくともＮ個の変数の変動に伴って得られる。これらのＮ個の変数は、設計変数と呼称することが可能であり、且つ、これらは、これらのＮ個の式に対する解がアクセス可能な空間内に位置するように、十分な設計オソリティを有する必要がある。設計オソリティとは、所与の設計パラメータの変化が対象の測定基準に対して有する効果の大きさの記述である。アクセス可能な設計空間は、製造制約（例えば、材料の選択、薄膜厚さの範囲、及び制御の精度）及び動作制約（例えば、品質係数、周波数、運動抵抗）に依存している。
線形ＴＣＦ制御に対する従来の力点にも拘らず、分析は、複合共振器性能が、少なくとも最初の２つの温度係数に対する制御を通じて格段に増大されうることを示している。上述のように、少なくとも最初の２つの周波数温度係数に対する制御を有する共振器実装形態は、窒化アルミニウム及び縮退ドープ単結晶シリコンから構成することができる。このような共振器は、圧電変換との間において適合性を有することが可能であり、且つ、限定を伴うことなしに、高い品質係数（Ｑ）、温度に伴う低いヒステリシス、時間に伴う低い周波数エージング、バッチ微細製造との互換性、小さなフォームファクタ、及び衝撃及び振動に対する不感性を含む、その他の有利な特性を有することができる。
少なくとも１次及び２次ＴＣＦの制御に加えて、以下の、すべてを網羅してはいない基準のリストが、本明細書において開示されている選択された共振器実施形態を設計する際に適用される。
・全体構造のターゲット周波数温度係数は、個々の材料の温度係数を組み合わせることによって得られる。例えば、ターゲット１次ＴＣＦがゼロ又はゼロ近傍であり、且つ、少なくとも１つのコンポーネント材料の１次ＴＣＦが実質的に正である場合には、少なくとも１つのその他のコンポーネント材料の１次ＴＣＦが負になるように工業設計及び／又は選択される。
・Ｎ個の温度係数に対する制御を可能にするべく、Ｎ個の設計パラメータが存在している。
・設計パラメータの組合せは、製造制約及び設計制約によって定義された設計空間内の解を可能にするための十分な設計オソリティを有する。
窒化アルミニウム共振器は、通常、負の線形及び２次ＴＣＦを有する。薄膜多結晶窒化アルミニウムの温度係数の薄膜構造に対する依存性は、小さい。同様に、非縮退単結晶シリコンから構築された共振器は、負の線形及び２次ＴＣＦを有し、且つ、ＴＣＦは、結晶方位に対する依存性が小さくなる傾向を有する。
縮退ドープ単結晶シリコンから構築された共振器の線形ＴＣＦは、結晶方位、ドーピングレベル、及びモード形状に応じて、正又は負になりうる。従って、結晶方位は、線形ＴＣＦ項を制御するべく調節されうる設計パラメータ（或いは、設計自由度）を構成している。縮退ドープ単結晶シリコンから構築された共振器の２次ＴＣＦは、ドーパント濃度、結晶方位、ドーピングレベル、及びモード形状に応じて、正又は負になりうる。図２Ａは、このような正／負の１次及び２次ＴＣＦの例を示しており、且つ、正及び負の０次ＴＣＦ（即ち、温度独立性の周波数オフセット）をも示している。
例えば、結晶方位及びドーパント濃度などの直交設計パラメータの操作を通じて、縮退ドープ単結晶シリコン層の１次及び２次（線形及び２次）ＴＣＦ特性の両方を独立的にチューニングする（即ち、制御し、且つ、潜在的にヌル化する）ことが可能となる。又、多結晶シリコン共振器は、線形及び２次値の範囲を実現するべく、縮退ドープすることができるが、材料が主結晶方位を欠いている場合には、１つの設計自由度が失われうる。
図２Ｂ〜図２Ｅは、共振器構造内における且つこれに隣接した状態における任意選択の電極配設と共に、図１ａにおいて示されている共振器の平面図に伴うＤＤＳ共振器の例示用の実施形態を示している。
まず、図２Ｂを参照すれば、少なくとも１つの縮退ドープ半導体層（「ＤＤＳ共振器」）を含む共振構造は、（例えば、共振器を駆動及び検知するべく使用される）２つの電極構造の間において、且つ、１つ又は複数のアンカーポイントを有する状態において、配設されている。図示の実施形態においては、スプリング様の部材又は「テザー」が、デュアルアンカーポイントを確立するべく、包囲材料フィールド内において、共振器本体の反対側の側部からアンカーまで延在しているが、代替実施形態においては、更に多くの又は少ない数のアンカーポイントを実装することができる。又、長方形又は矩形の共振器形状が図示されているが、ＤＤＳ共振器は、任意の実施可能な形状及び／又はアスペクト比において製造することもできる。
ＤＤＳ共振器の両側の電極は、その任意選択的特性を強調するべく、破線のアウトラインにおいて示されている（本明細書におけるその他の図面にも適用される表記法であるが、破線の提示の欠如は、所与の要素又は構造が必須であることを意味するものと解釈してはならない）。又、１つ又は複数の電気絶縁された電極領域は、共振器本体内において輪郭が描かれたＴ形状の領域によって示されているように、所与の共振器層内において実装されてもよい。代替実施形態においては、１つ又は複数の交互に変化するように成形された（即ち、図示のものとは異なる形状を有する）電極領域が利用されてもよく、且つ、共振器本体自体を電極として利用することもできる。
単一層の縮退ドープシリコン共振器のケースにおいては、共振器の動きは、適切な電気接続により、静電方式又は圧電方式によって検知することができる。図２Ｃ〜図２Ｅは、図２Ｃにおけるモノリシック（単一層）積層体、図２Ｄにおける２層材料積層体、及び図２Ｅにおける３層材料積層体を含む、例示用の材料積層体の断面（即ち、図２ＢのラインＡ−Ａ’において共振構造を横断したもの）を示している。後述するように、代替実施形態においては、更なる材料積層体及び／又は図２Ｃ〜図２Ｅに示されているものとは異なる材料の積層体が存在していてもよい。上述のように、均一な縮退ドープシリコンの単一層は、少なくとも２つの設計パラメータ（結晶方位及びドーパント濃度）を有していることから、均一な縮退ドープ単結晶シリコンから構成された単一層共振器（図２Ｃ）は、製造プロセス及び設計の組合せを通じて、ゼロ又はゼロ近傍の１次及び２次ＴＣＦを有するように工業設計することができる。更には、ドーパント濃度は、均一である必要はない。この結果、任意の多数の設計パラメータ（即ち、設計を通じて共振器性能を操作するための「ノブ」又は自由度）が許容されている。又、例えば、図２Ｆにおいて異なる程度の陰影によって示されているように、異なるドーパント濃度及び／又は異なるドーパントを有する共振器の内部に又はその上部に１つ又は複数の領域を生成することも有利でありうる。又、図２Ｇに示されているように、共振器の内部の又はその上部の領域は、望ましい特性を有する材料の局所的に堆積された又はパターン化された層を有するように生成することもできよう。例えば、これらの領域を共振器の振動モード形状内の高応力のエリア内において配置することが有利であり、これにより、１次、２次、３次、又は更に高次のＴＣＦ値に対する制御が可能となる。
又、共振器は、特定の設計意図を実現するべく、非ゼロの、但し、制御可能な、１次及び２次ＴＣＦを有するように工業設計することもできる。例えば、１次ＴＣＦは、３次及びその他の奇数の更に高次のＴＣＦについて補償することによって温度に伴う合計周波数変動が極小化されるように、設計することができる。別の例として、１次ＴＣＦは、温度との関係における周波数の変化が変曲点、局所的最小値、又は局所的最大値に到達する温度を調節するべく、設計することができる。共振器が局所的最小又は最大周波数に到達する温度は、一般に、ターンオーバー温度と呼称されている。又、共振器ＴＣＦは、その維持回路（即ち、共振器の機械的な動きを維持する回路）又は発振器システムと関連したＴＣＦを無効化するように設計されてもよい。最後の例として、１次及び２次係数は、改善された製造可能性を目的として、角度及びドーパント濃度に対して相対的に不感性を有するように、選択することができる。図２Ｈは、このような工業設計されたＴＣＦの例を示している。
図２Ｄを再度参照すれば、縮退ドープシリコン及び更なる薄膜から構成された２層共振器を構築することができる。シリコン層が単結晶である場合には、この構造は、上述の結晶方位及びドーパント濃度、並びに、これに加えて、追加された薄膜の厚さに対するシリコン厚さの比率という、少なくとも３つの設計パラメータを有する。従って、縮退ドープシリコン及び更なる薄膜から構成された２層共振器は、３つのＴＣＦを制御する能力を有することができる。図１Ｃに示されているものを含む、いくつかの実施形態においては、更なる薄膜は、圧電材料（例えば、窒化アルミニウム）であるが、更なる薄膜（又は、その他の材料層）は、この代わりに、そのＴＣＦ係数又は別の望ましい機械的又は電気的特性について選択された任意の半導体、絶縁体、又は金属材料であってもよい。
これに加えて、図２Ｅにおいて示されているように（即ち、記述されている電気絶縁された電極領域を伴って又は伴うことなし）、３層共振器を形成することもできる。一実施形態においては、このような３層共振器は、（圧電層を形成するための）窒化アルミニウム内において被覆された縮退ドープ単結晶シリコン層と、更なる導電性層（例えば、金属層又は別の縮退ドープポリシリコン電極層）と、を含む。図２Ｃを参照して上述したように、１次及び２次ＴＣＦは、特定のドーピングレベル及び厚さにおける下部（単結晶）シリコンの結晶方位、窒化アルミニウムの厚さ、及び特定のドーパント濃度におけるポリシリコンの厚さを変化させることにより、制御することができる。又、ポリシリコン薄膜内の好適な結晶方位も、１次及び２次ＴＣＦに影響を及ぼしうる。薄膜積層体のＴＣＦを工業設計するべく、代替設計パラメータの組を選択することが可能であり、且つ、以前の例は、多くの可能性のうちの１つであるに過ぎない。これに加えて、図２１に示されているように、３層共振器内の層のうちの１つは、複合構造のＴＣＦに対するその寄与が最小限になる（例えば、無視可能又はさもなければ減衰される）と共に、補償問題が２層共振器のケースのものにまで低減されるように、十分に薄くすることができる。例えば、上部層は、縮退ドープポリシリコン電極層の代わりに、薄い導電性金属又は半導体層によって実装することができる。
更なる層を積層体に追加することができる。図２Ｊに示されている一例は、上部電極と下部電極の間に挟持された窒化アルミニウムを有する縮退ドープ単結晶シリコンを含む。電極は、例えば、ポリシリコン、アルミニウム、モリブデン、チタニウム、タングステン、或いは、金属及びシリコンを使用して形成されたケイ化物などの、任意の導電性金属又は半導体薄膜から製造することができる。
様々な実施形態においては、単一のＭＥＭＳシステム２００は、ＤＤＳ共振器と同一の基材上において一緒に製造された複数の要素を含むことができる。図３を参照すれば、例えば、ＭＥＭＳシステム２００は、ＤＤＳ共振要素２０１（即ち、ＭＥＭＳ共振器の一形態）、１つ又は複数の温度検知要素２０３（「温度センサ」）、及び１つ又は複数の加熱要素２０５（「ヒーター」）を含むことができる。温度感知要素は、能動的な温度補償システムの一部分として使用されてもよい。温度検知要素の一例は、サーミスタであり、これは、温度依存性の電気抵抗値を有する。共振器周波数の安定性の初期較正のために、或いは、周辺温度の変動にも拘らずほぼ一定の温度においてＭＥＭＳシステムを維持するべく、ヒーターが含まれていてもよい。任意選択により、温度センサ及び／又はヒーターは、ＭＥＭＳシステム２００から排除されてもよい。上述の（且つ、更に詳細に後述する）ように、共振器構造は、周波数基準の代わりに、センサとして使用されてもよい。代替共振器用途の例には、フィルタ、ジャイロスコープ、加速度計、圧力センサ、マイクロフォン、磁気計、及び質量センサが含まれる。
本明細書において記述されているＤＤＳ共振器は、補完的な温度補償を伴って又は伴うことなしに、配備されてもよく、これにより、純粋に受動的な温度補償方式が、或いは、例えば、受動的温度補償と能動的温度補償の組合せが、実現される。能動的電気補償回路は、定義により、システムの電力消費量を増大させるが、受動的補償と能動的補償の組合せ（例えば、能動的補償回路との組合せにおけるＤＤＳ共振器）は、能動的補償のみよりも小さな電力による安定性ターゲットの実現を、或いは、いずれかのみの方式によって実現可能なものよりも大きな安定性を、可能にし得る。受動的な機械的温度補償は、モノリシック及び複合共振器構造の両方における材料選択及び構造設計を通じて、可能である。
本明細書において開示されているＤＤＳ共振器は、改善された温度安定性及び／又はその他の有用な機能を有するシステムを形成するべく、更なる要素と組み合わせられてもよい。図４Ａにおいては、例えば、ＤＤＳ共振器３０１は、発振器を形成するべく、維持回路３０３と組み合わせられている。発振器の共振周波数は、温度依存方式（即ち、図４Ａに示されているように、センサ３０５からの温度信号が、周波数変更要素３０７内において受信され、次いで、周波数変更要素３０７が、温度依存性共振周波数制御信号をＤＤＳ共振器３０１及び／又は維持回路３０３に提供する）により、且つ、ＤＤＳ共振器のみによって実現可能なものとの比較において、改善された温度安定性を有する共振周波数をもたらすべく、変更されてもよい。例えば、共振器と一緒に製造された制御電極を使用することにより、温度依存性静電界が、ＤＤＳ共振器に対して直接的に印加されてもよい。図４Ｂには、この方式の一例が示されており、この場合に、電極は、上述の３層共振器実施形態の縮退ドープシリコン（ＤＤＳｉ）層（電極２）及び導電性層（電極１）によって形成されており（即ち、ＤＤＳｉ、ＡｌＮ、及び導電性層を有するが、代替実施形態においては、その他の共振器構造／材料が使用されてもよい）、且つ、温度依存性静電界が、２つの電極の電位の間における時変及び温度依存性の差分Ｖｅ１−Ｖｅ２により、形成されている。
別の例として、共振器の１つのコンポーネントが大きな圧電応答を有する場合には、共振器周波数を調節するべく、温度依存性の方式により、共振器上の機械的応力を変更することができる。図４Ｃは、この場合にも、上述の３層ＤＤＳｉ／ＡｌＮ／導電性材料共振器の環境において、このような構成の一例を示しているが、その他の共振器構造及び／又は材料が使用されてもよい。
例えば、図４Ｄにおいて示されている、別の実施形態においては、静電容量性要素が、共振器維持回路３２１内において含まれていてもよく、且つ、その静電容量は、温度依存性の方式により、変更することが可能であり、これにより、例えば、発振器システムの周波数をチューニングするべく使用されうる可変静電容量素子３２３（即ち、ＤＤＳ共振器３０１及び維持回路３２１を含むシステム）が実現される。
図４Ｅに示されている一代替実施形態においては、ＤＤＳ共振器３０１の共振周波数は、（図示のように、ＤＤＳ共振器３０１及び維持回路３０３によって少なくとも部分的に形成された）発振器から出力された後に、共振器システム内の周波数変更要素３３１によって変更されている。例えば、図４Ｆにおいて示されている更に特定の実装形態においては、（例えば、図４Ｅの３０５において示されている温度センサからの）温度依存性信号は、共振器のみのケースよりも温度に伴って格段に安定した出力周波数を生成するべく、フラクショナルＮ位相ロックループ（周波数変更要素の一例）に提供することができる。
図４Ｇに示されているように、図４Ａ〜図４Ｆに示されている発振器システムのいずれか（或いは、ＤＤＳ共振器を利用したその他の発振器システム）は、ＴＣＦ係数、制御設定、又はその他の情報がその内部において保存されうるプログラム可能な／ストレージ回路３５０を含むことができる。このような発振器システム内において記録又は保存されたＴＣＦ係数は、個々の共振器（３０１）又は共振器のグループの特性に基づいたものであってもよい。これに加えて、係数は、個々の維持回路（３０３）又は維持回路のグループの特性に基づいたものであってもよい。例えば、発振器又は共振器のＴＣＦの振る舞いは、３５５において示されているように、温度を掃引すると共に周波数を記録することにより、或いは、時間依存性の振る舞いを予示する室温特性（例えば、抵抗率や周波数など）を計測することにより、判定することができる。
ＴＣＦ係数又は温度依存性の振る舞いを通知するその他のパラメータを保存しうるプログラム可能な／ストレージ回路は、例えば、且つ、限定を伴うことなしに、レジスタ、或いは、限定を伴うことなしに、ワンタイムプログラマブル（ＯＴＰ：One-Time-Programmable）メモリ、電気的にプログラム可能な読み出し専用メモリ（ＥＰＲＯＭ：Electrically Programmable Read-Only-Memory）、フラッシュメモリなどを含むその他の揮発性又は不揮発性メモリ要素などの、任意の実施可能なオンチップ又はオフチップメモリ要素を含むことができる。
又、ＴＣＦ係数、或いは、温度依存性の振る舞いを通知するその他のパラメータは、抵抗値として保存されてもよい。図４Ｈに示されているように、例えば、ＭＥＭＳ共振器ダイは、温度に伴う装置の振る舞いに関係した値を記録するべく、レーザー（又は、熱溶解などのその他の方法）によって抵抗値がトリミングされうる少なくとも１つの抵抗器を含むことができる。又、サーミスタ及び／又はヒーターは、この方式によって情報を保存するべく使用されてもよい。例えば、これを目的として、サーミスタ又はヒーターを使用することにより、更なる接合パッド又は電気相互接続が回避される。
保存されている温度振る舞い情報は、その周波数安定性を改善するべく、発振器システムによって使用されてもよい。システムは、保存されている情報を読み出すことが可能であり、その情報を温度計測値と組み合わせることが可能であり、且つ、補正を共振器又は発振器システム周波数に対して適用することができる。この動作は、例えば、図４Ｉの実施形態において示されており、この場合に、周波数変更要素３７５は、温度信号をセンサ３０５から受信し、且つ、温度に基づいた補正データ（「データ」）をプログラム可能なストレージ３５０から読み出している。次いで、補正データに対応した周波数補正信号が、共振器、維持回路、及び／又は、出力コンディショニング回路（例えば、図４Ｆを参照して上述したＰＬＬ）に出力されている。
図５Ａは、能動的温度補償システムの１つ又は複数のコンポーネントと統合されたＤＤＳ共振器４０１を有するＭＥＭＳ構成の一実施形態を示している。ＤＤＳ共振器は、本明細書において記述されている共振器実施形態のいずれかに従って実装されてもよく、且つ、縮退ドープ半導体材料の１つ又は複数の層（或いは、その他の堆積又は構成）を含む。図示の実施形態においては、温度補償回路は、１つ又は複数の温度検知要素４０３（例えば、サーミスタ又はその他の温度センサ）と、１つ又は複数の加熱要素４０５と、加熱要素の動作を制御するための（例えば、既定の又はプログラムされた温度設定点又は温度範囲に到達するのに必要とされるように加熱要素に電力供給する）温度制御回路４０７と、を含む。図５Ｂは、この温度補償動作の一例を示しており、一定の又はほぼ一定の共振器温度を維持するべく、時変周辺温度に従って生成される時変ヒーター出力が示されている。
図５Ａが示しているように、ＤＤＳ共振器と温度補償システムのコンポーネントの統合は、実装ごとに変化しうる。例えば、陰影が施された領域４１１内において示されている一実施形態においては、ＤＤＳ共振器４０１は、温度センサ４０３（「統合されたＴ−Ｓｅｎｓｅ」）と統合されており（即ち、同一の基材又はダイ上において、一緒に製造されているか又はその他の方法で形成されている）、温度制御回路４０７及びヒーター４０５（即ち、１つ又は複数の加熱要素）は、ダイの外部において実装されている。領域４１５によって示されている別の実施形態においては、温度制御回路４０７及びヒーター４０５は、温度センサ４０３及びＤＤＳ共振器４０１と統合されており、これにより、十分に統合された能動的温度補償システムがＭＥＭＳ共振器ダイ内において確立されている。具体的には図示されていないが、この代わりに、１つ又は複数の温度センサ及び／又は温度制御回路がダイの外部に留まっている状態において、ＤＤＳ共振器４０１がヒーター４０５と統合されてもよい。
いくつかの実施形態においては、図４Ａ及び図４Ｅに示されている温度センサは、カプセル化されたデュアルシリコン共振器の１つ又は複数のコンポーネント部材内において、或いは、デュアルシリコン共振器（ＭＥＭＳ）ダイ及び論理ダイを含むマルチダイパッケージ内において、実装されてもよい。図６は、カプセル化されたデュアルシリコン共振器の蓋又は装置層内において、且つ／又は、デュアルシリコン共振器を１つ又は複数の共振発振モードに駆動すると共に共振器の共振機械運動を検知するための維持／検知回路を更に収容する一緒に配置された論理ダイ内において、温度センサ実装を含む、このような温度センサ統合のための様々な選択肢を示している。カプセル化された共振器構造の装置層内における原位置配設のケースにおいては、温度センサは、第２微細機械加工構造により―更に詳しくは、装置層基材から実質的に解放されると共に相対的に応力／歪を有していない熱膨張及び収縮を許容する任意の数の形状（並びに、従って、エンドツーエンドサーミスタ抵抗値の温度依存性の限定された機械誘発非線形性）を有する微細機械加工された（又は、ＭＥＭＳの）サーミスタ構造により―実装されてもよい。具体的には図示されていないが、ＭＥＭＳサーミスタのエンド端子は、温度検知出力信号を可能にするべく、カプセル化構造（蓋及び／又は基材）内のＴＳＶに、且つ、最終的には、パッケージレベル接点に、結合されていてもよい。蓋ウエハ又は論理ダイ内において実装される際には、温度センサは、シリコン、ポリシリコン、又は金属サーミスタ機能、ｐ−ｎ接合、並びに／或いは、その他の熱感度を有する機能により、実装されてもよい。以下において更に詳述する更にその他の実施形態においては、温度センサは、デュアルシリコン共振器自体の１つ又は複数の層内におけるパターン化されたトレース及び／又はｐ−ｎ接合により、実装されてもよい。
図７は、同一のＳＯＩ基材の隣接する領域内において（即ち、同一のカプセル化された装置層内において存在するように）、ＭＥＭＳサーミスタ及び（上述の２つの縮退ドープシリコン層及び圧電層を有する）デュアルシリコンＭＥＭＳ共振器を製造する例示用のプロセスを示している。図示のように、酸化物層が、ＳＯＩ基材上において堆積され、且つ、次いで、マスクキングされたサーミスタ領域をもたらすべく、エッチングされる（例えば、ウェットエッチングされる）。相対的に浅いドーパント拡散を実現するための（例えば、気相のＰＯＣＩ３を介した）ＰＳＧ堆積及びミニ駆動サイクル（相対的に短い持続時間の駆動）の後に、次いで、更に深い最終的なドーパント拡散プロファイルを実現するための長いアニーリング（相対的に長く且つ／又は高温の駆動）が実施される。この時点において、相対的に未ドープ状態において留まっている、酸化物マスクの下方のサーミスタ領域内を除いて、単結晶シリコン装置層が（プロセス依存性の勾配を有するように）縮退ドーピングされる。デュアルシリコン共振器の残りの層（例えば、ＡｌＮ及びＩＳＤＰ、或いは、上述の変形による任意のその他の材料）が堆積され、酸化物マスクが除去され、且つ、２つの一緒に配置されたＭＥＭＳ要素―デュアルシリコン共振器及び隣接するＭＥＭＳサーミスタ―を完成させるべく、トレンチング／エッチング及びリリースプロセスが実行される。ＭＥＭＳサーミスタ及びデュアルシリコン共振器を同一の装置層内において、且つ、同一の（最終的に）カプセル化されたチャンバ及びシンギュレートされたダイ内において並置させることにより、相対的に近接していない温度検知／共振器構成において問題となるサーミスタと共振器の間の温度勾配が除去され（或いは、無視可能となり）、これにより、図４Ａ及び図４Ｅに含まれている様々な温度補償方式の精度が向上する。
図８は、共振器構造の一部分として更なる低濃度ドープ（又は、未ドープ）単結晶シリコンサーミスタ層を有するデュアルシリコン共振器内における例示用の相互接続構成を示している。この構成は、層を共振器材料積層体に追加することになるが（このケースにおいては、サーミスタ層は、上述のデュアル縮退ドープシリコン層及び圧電層の下方において配設された状態であるが―任意のその他の積層体場所が実現可能でありうる）、共振器材料積層体の残りの部分へのサーミスタ層の熱結合が、これら２つの共振器領域の間におけるゼロ又はゼロ近傍の温度差を保証し、これにより、この場合にも、相対的に近接していない構成において問題となる誤りを誘発する温度勾配が回避されている。図示のように、検知端子の更なるペアが、サーミスタ層に跨って（例えば、テザリング／係留構造内の導電性構造を通じてサーミスタ層の反対側の横方向端部まで）結合されてもよく、且つ、カプセル化された材料積層体及び最終的な共振器／サーミスタパッケージの外部接点までルーティングされてもよい。
図９Ａは、上述の特徴のうちのいくつかを有するＤＤＳ共振器５００の一実施形態を示している。更に詳しくは、ＤＤＳ共振器５００は、単一層構造であってもよく（即ち、縮退ドープシリコンなどの単一の縮退ドープ半導体のみから構成されている）、或いは、例えば、図１Ａ〜図１Ｃに示されている縮退ドープシリコン層と導電性層の間において配設された窒化アルミニウム（ＡｌＮ）又はその他の圧電層を有する多層構造であってもよい。又、共振器５００のＤＤＳ層又は任意のその他の層内のドーパントタイプ又は濃度は、不均一であってもよく（例えば、濃度が、高応力エリア５０１又は共振器本体のその他のエリアにおいては、相対的に高い又は低い）、且つ、共振器は、共振器軸５０３が、結晶軸５０４との関係において、非ゼロの角度φ（即ち、「共振器角度」）において配設されるように、製造されてもよい。上述のように、それぞれ、１次及び少なくとも１つの更に高次の周波数温度係数をヌル化するべく、共振器角度、ＤＤＳドーパントの濃度、及びそのタイプ（任意の不均一性を含む）が特別に工業設計されてもよい。又、モード形状、相対的な層の厚さ、その他の層（例えば、縮退ドープポリシリコンから形成された導電性層）のドーパントタイプ／濃度も、温度通知動作や温度安定性（或いは、温度不感性）動作などのような望ましい温度依存性共振動作を１つ又は複数の望ましい動作温度範囲にわたってもたらすべく、バルクＤＤＳ層のドーパント濃度／タイプとの組合せにおいて、特別に選択されてもよい。図示の特定の例においては、ＤＤＳ共振器５００は、スプリングベアリングアンカー５０７ａ及び５０７ｂの間において狭くなった横断方向の（即ち、共振器軸５０３に直交する）寸法を有する楕円形状を有する。ＤＤＳ共振器及びアンカースプリング要素を基材フィールドエリア５１０から解放するべく（即ち、これとの関係において運動するように、これらの要素を自由にするべく）、共振器及びアンカースプリング要素の周りにおいて且つ／又はその下方において、トレンチ５１２が、エッチングされるか、或いは、その他の方法で形成されている。
ＤＤＳ共振器５００は、図１Ｂに概略的に示されているＡ−Ａ断面を―即ち、縮退ドープ（ＤＤ）単結晶シリコン層、窒化アルミニウム圧電層、及び縮退ドープポリシリコン電極層を有することができる。図９Ａの５０７ａ及び５０７ｂにおいて示されている個々のアンカーを形成するべく、スプリング要素（「スプリング」）及びフィールドエリアアンカーが共振器本体の両側において配設されている。単一アンカー構成又は２つを上回る数のアンカーの構成を含む代替実施形態においては、スプリングマウントを有する又は有していない様々なその他の係留構成を利用することができる。
図９Ｂは、図９ＡのＤＤＳ共振器の例示用の有限要素モデルを示しており、共振振動（或いは、発振）の際の変位及び応力分布が示されている。例えば、共振器本体のエッジから突出したベクトル（矢印）は、発振サイクルの膨張相における共振器の動きの方向を示している。図示の例においては、高応力エリアが、アンカーの間において発生しており、低応力エリアが、共振器軸（即ち、図９Ａに示されている軸）の反対側の端部において発生しており、且つ、応力等高線が、低応力及び高応力エリアの間において発生している。アンカー内の応力は、ほぼゼロである。
図１０Ａ〜図１０Ｉは、［１１０］結晶方位（即ち、単結晶シリコン層軸及び／又はポリシリコン層の主軸から４５度だけ外れた軸であるが、ＴＣＦ工業設計の目的に従って、様々なその他の角度方位を選択することもできる）において実装されたそれぞれの例示用の共振器を有する代替共振器形状／設計の、すべてを網羅してはいない例を示している。まず、図１０Ａに示されている共振器を参照すれば、中央に配設された両側のテザー（スプリング）が、さもなければ自由状態となる共振器本体をフィールドエリアアンカーに固定している。増大した共振器の端部質量は、対象の周波数範囲にわたって、望ましい共振周波数外におけるモードの相互作用を限定する（制限する）傾向を有する。
図１０Ａ〜図１０Ｉの共振器を全体的に参照すれば、共振運動は、面内異方性単結晶シリコンコアの観点において、特に、図示の［１１０］軸方向方位において、共振器本体に跨って、選択された方向の応力を生成する。応力の緩和を提供し、且つ、気相のＨＦ放出を促進し、且つ、更には、（例えば、図２Ｂ及び図３Ｉ〜図３Ｋを参照して上述したように）横方向のドーパント拡散を少なくともいくつかのプロセスにおいて可能にするべく、且つ／又は、ＴＣＦの工業設計を実現するべく、（例えば、約７ミクロンの幅の）スロット又はベントが共振本体内において提供される。例えば、図１０Ｂ及び図１０Ｃ（並びに、その他のもの）の共振器においては、スロットの場所及びサイズは、高応力の領域内においてドーパント濃度を強化するように、且つ、逆に、低応力領域内においては、ドーパント濃度を低下させるように、選択されている。図１０Ｄ、図１０Ｅ、図１０Ｆ、及び図１０Ｇの共振器設計においては、（共振器本体の外部の）フィールドエリア内のベントは、気相ＨＦエッチングの際にこれらの領域を解放し、これにより、共振動作に伴うフィールド−エリア干渉を抑制／回避するカンチレバー又はその他の構造を形成するべく、使用されてもよい。図１０Ｇにおける例示用の設計は、解放ベントが、それから延在すると共に、共振器バルクへの振動の伝達を制限するべくチューニングされている、単一の中心に配設されたアンカー／テザーを含んでいる。図１０Ｈ及び図１０Ｉの実施形態は、それから延在する２つを上回る数の解放された部材（又は、付加物）を有する、中心において係留された共振器を示している。図１０Ｈの共振器は、例えば、主には、伸びモードにおいて共振し（点質量のそれぞれが、アンカーとの間において、面内において運動する）、図１０Ｉの実施形態の中心アンカーから外向きに延在する４つの桁部材は、伸びモードにおいて共振する（実際には、両端が同形状のチューニングフォークのように動作する）。（例えば、後述するように、異なるＴＣＦ特性を有する）複数の同時共振モードを意図的に示す実施形態を含む代替実施形態においては、様々なその他の共振器コア形状、係留方式、付加物の数、角度方位などが実装されてもよい。
上述のいくつかのデュアルシリコン共振器実施形態においては省略されているが、電極導電性を改善するように、且つ／又は、圧電層の材料構造化を改善する（例えば、窒化アルミニウム圧電層の相対的に規則的な垂直方向粒子を成長させる）ためのシードベッドとして機能するように、このような構造内に、１つ又は複数の金属層又はケイ化物が導入されてもよい。図１１Ａは、圧電層形成の前に縮退ドープ単結晶シリコン上において形成された窒化チタニウムやモリブデンなどの層を伴う方式を示しており、この場合に、上部電極は、以前と同様に、高濃度ドープポリシリコンの層によって実装されている。図１１Ｂは、縮退ドープ単結晶シリコン層上における金属堆積（例えば、チタニウムやタングステンなど）が、改善された圧電層形成及び改善された下部電極導電性を目的として、ケイ化物シードベッド（例えば、ＴｉＳｉ２やＷＳｉなど）を形成するべく、熱的に駆動される、類似の方式を示している。具体的には図示されていないが、図１１Ａに示されている層積層体は、縮退ドープポリ層及び金属層の位置を逆転させることにより、再順序付けされてもよい。このような構成は、エージング／加工硬化の影響を受けやすくなりうるが、縮退ドープポリシリコン層によって提供される熱周波数トリムオソリティを犠牲にすることなしに、上部電極の導電性を改善することができる。
図１２Ａ及び図１２Ｂは、更なる金属層と共に、図１Ａに示されている３つの層（即ち、２つの縮退ドープシリコン層及び１つの圧電層）を有する代替共振器材料積層体を示している。更に詳しくは、図１２Ａにおいては、更なる金属層は、縮退ドープポリ層と圧電層の間に配設され、且つ、少なくとも部分的に上部電極の導電性を改善するべく機能している。一実施形態においては、例えば、金属層は、（例えば、埋め込まれた金属層への直接的な接触を介したフィールドエリアを有する）圧電層用の上部電極としてのみ機能しており、このケースにおいては、縮退ドープポリ層は、主には、熱周波数トリム用のオソリティとして機能することができる。図１２Ｂの実施形態においては、縮退ドープポリ層は、圧電層の反対側に配置替えされており（即ち、圧電層とコアＤＤ単結晶シリコン層の間において挟持されており）、これにより、下部電極の導電性が改善されると共にポリ層の熱トリムオソリティが維持されることになる。又、具体的には図示されていないが、縮退ドープ単結晶シリコンコア層によって提供されるＴＣＦ工業設計オソリティ又は縮退ドープポリ層によって提供される熱トリムオソリティを犠牲にすることなしに、導電性損失を極小化するべく、更なる金属層が圧電層の下部表面に隣接した状態において配設されてもよい（即ち、２つの金属層が圧電層を挟持する）。更には、デュアル縮退ドープシリコン層（単結晶及び多結晶シリコン）は、これまで記述されているすべての材料積層体の構成要素であるが、（後述する実施形態を含む）すべてのケースにおいて、これらの層のいずれか又は両方は、低濃度ドーピングされてもよく、未ドープ状態であってもよく、或いは、場合によっては、完全に省略されてもよく、例えば、この場合には、共振器バルク、ＴＣＦの工業設計、熱周波数トリム、並びに／或いは、その他の工業設計又は装置の仕上げオソリティに対するその寄与は、不要である。
上述のように、デュアルシリコン共振器内の層厚さは、一般には、不均一であり、且つ、例えば、望ましいＴＣＦ特性（例えば、コア単結晶シリコン層が窒化アルミニウム圧電層の幅の３０×である）、並びに、バルク共振器のサイズ、アスペクト比、又はその他の寸法をもたらすべく、選択されている。但し、その異なる表面張力に起因して、材料層は、複合積層体内にラミネートされた際に、反る傾向を有しており、これにより、下流の製造ステップが複雑化することになる（且つ、恐らくは、望ましくないモード特性が生成され、或いは、さもなければ、実行時性能が劣化する）。図１３Ａ及び図１３Ｂは、表面張力の不均衡（並びに、その結果としてもたらされる反り）を回避する対称的なデュアルシリコン材料積層体の実施形態を示している。図１３Ａの実施形態においては、例えば、全体的に図示のように２つのデュアルシリコン／圧電層材料積層体を製造した後に、接合表面において対称性のラインを有する６層（或いは、接合されたポリシリコン層を単一層として見なす場合には、５層）の積層体をもたらすべく、材料積層体のうちの一方が、反転され、且つ、他方に接合されている。従って、積層体の下部における相対的に厚い縮退ドープ単結晶シリコンコアは、積層体の上部における同一高さ（「ｈ１」）の縮退ドープ単結晶シリコンコアにより、均衡状態とされている。電気的には、積層体は、それぞれの電極の間において結合されると共に接合された縮退ドープポリシリコン層を通じて互いに結合された直列接続されたコンデンサ（２つの圧電材料層）―基本静電容量の２倍を有する単一の静電容量性要素に電気的に等価である直列結合されたコンデンサのペア―を有する（匹敵する縮退ドープ単結晶シリコン層によって形成された）上部及び下部電極を有するものと見なすことができる。この方式の１つの利点は、表面張力の均衡に加えて、２つの単結晶シリコン（コア共振器）層の結果として得られる相対的に高い材料積層体プロファイルであり、これは、過度のプロセススケーリング又は更なる材料層を必要とすることなしに、大きなプロファイル設計仕様（例えば、１２〜２０ミクロン以上の共振器高さ）を満足しうる構成である。
図１３Ｂは、代替対称型デュアルシリコン材料積層体を示しており、この場合には、接合可能な導電性材料の層が、コア単結晶シリコン層と圧電層の間において形成され、その後に、（接合可能な導電性材料の２つの薄膜の間において圧電層を挟持する）別のこの種の層が圧電層上において形成されている。表面の調製（例えば、化学的−機械的な平坦化）の後に、コアシリコン層の別のものが材料積層体に接合され、これにより、図１２Ａの材料積層体と同一の直列結合されたコンデンサ電気モデルを有する（下部絶縁体及びハンドルウエハが欠如した状態の）実質的に対称的な材料積層体が形成される。図１２Ｂの実施形態の一変形においては、圧電層は、非導電性接合層の間において挟持されてもよい。
以下は、以上において開示されている実施形態によって実現されうる利点のうちの少なくともいくつかのものである。
・縮退ドープシリコンは、これまでの圧電共振器内において使用されている２つの別個の材料を置換することが可能であり、即ち、温度補償材料（例えば、ＳｉＯ２）及び導電性材料（例えば、Ｍｏ）を、置換することができる。縮退ドープシリコンは、温度補償の能力を有しており、且つ、多数の用途用の電極材料として機能するべく、十分に小さな電気抵抗値（例えば、１〜５０オーム）を提供する。
・縮退ドープ単結晶シリコンは、１次及び２次ＴＣＦの両方の無効化を許容することにより、温度に伴う改善された周波数安定性を促進する。縮退ドープシリコン層のドーピング及び向きは、少なくとも２つの温度係数を無効化するための少なくとも２つの自由度を提供する。上述の例は、高濃度ドープシリコンを利用した複合圧電共振器の１次及び２次ＴＣＦ無効化が、可能であり、且つ、アクセス可能な設計空間内にあることを実証している。開示されている実施形態によって可能となる温度係数の改善は、−４０〜＋８５Ｃの産業的な温度範囲に跨る＋／−１０ｐｐｍ未満の周波数変動の可能性をもたらす。対照的に、１次ＴＣＦ補償のみを有する微細機械共振器は、通常、産業的な温度範囲にわたって＋／−５０〜２００ｐｐｍの変動を示している。
・酸化物及び金属境界面の除去は、潜在的に大きな音響損失を有する層の除去と、それぞれが共振器の機械的損失を大幅に増大させうる境界面の除去と、を通じて、共振器の機械的な品質係数を改善する。
・更には、半導体による構造内の金属及び酸化物層の置換は、温度に伴う周波数ヒステリシス及び時間に伴う周波数エージングに寄与する加工硬化、疲労効果、及び境界面効果を除去する。
・工業設計されたＴＣＦ特性を有する共振器は、材料の１つ又は複数の層から生成することができる。１つの層内において、材料が縮退ドープシリコンに類似した品質を有する場合には、設計及びドーピングにより、１次及び２次ＴＣＦ係数を無効化することができる。１つ又は複数の材料特性を有する層内において、１つ又は複数の領域が存在していてもよい。例えば、単一シリコン層は、少なくとも１つのドーピングレベル及び少なくとも１つのドーパントを含む少なくとも１つの領域を有することができる。単一材料層は、少なくとも１つの材料タイプを含む少なくとも１つの領域を有することができる。これらの領域のそれぞれが、共振器のＴＣＦ振る舞いにおける更なる自由度を追加しうる。これらの領域のサイズ及び特性を調節することにより、公称周波数と、１次、２次、３次、及び更に高次のＴＣＦ項と、に影響を及ぼすことができる。
微小電気機械システム（ＭＥＭＳ）内の微細機械加工構造は、様々な理由から、製造時又は製造後加熱の利益を享受しうる。オーブン又は炉内における従来の製造時加熱は、共通温度がＭＥＭＳウエハ又はウエハのバッチの全体に跨って実現されることを要する場合には、有効でありうるが、新しい製造及び製造後プロセスは、しばしば、正確なダイ固有の又はウエハ固有の温度における反復的な加熱を必要としている。これに加えて、いくつかのプロセス及び／又は製品は、ダイ全体又はウエハ全体のオーブン処理によっては容易に実現可能ではない、不均一な（或いは、領域的な又は局所的な）加熱の利益を享受しうる。
上述の様々な温度安定性を有する且つ損耗耐性を有する特性に加えて、上述の共振器構造の縮退ドープポリシリコン層及び／又は縮退ドープ単結晶シリコン層には、狙いを絞った共振器周波数のカプセル化後及び／又はパッケージ化後の調節―例えば、ウエハスケールの又はシンギュレートされた共振器の固有周波数のターゲット出力周波数の５０ｐｐｍ、２０ｐｐｍ、１０ｐｐｍ、又はこれら未満内への調節―を実現するべく、ジュール加熱又は放射加熱技法を通じた熱サイクル処理が施されてもよい）。更に一般的には、以下において、ＭＥＭＳ装置内における微細機械加工要素の加熱又は過熱を可能にする（即ち、限定を伴うことなしに、上述の共振器構造を含む）オンダイ構造が、様々な実施形態において開示される。「接触加熱」実施形態の第１グループにおいては、オーミック又は抵抗性加熱（「ジュール加熱」）を生成し、いくつかのケースにおいては、これにより、ターゲット要素が公称ＭＥＭＳ動作温度範囲を大幅に超過した温度に加熱されること（即ち、「過熱」）を可能にするべく、直流伝導経路がターゲット微細機械加工構造を通じて確立されている。いくつかの接触加熱実施形態においては、ＤＣ電流をソーシング及びシンキングするべく、且つ、任意選択により、アンカー及び装置基材との関係における断熱を提供するべく、ターゲット微細機械加工要素を個々のアンカーに相互接続する「テザー」構造が使用されている。その他の接触加熱実施形態においては、ＭＥＭＳ共振器の材料積層体（或いは、その他の運動可能な微細機械加工部材）内において形成された１つ又は複数の電極構造は、１つ又は複数の装置加熱ホットスポットを生成するべく、パターン化されている。
「静電容量によって結合された加熱」実施形態のグループにおいては、隣接する電極（即ち、運動可能な微細機械加工部材に静電容量によって結合されると共に、微細機械加工共振部材のケースにおいては、共振器駆動電極及び／又は共振器検知電極として装置動作において機能しうる非可動電極）に対する十分に高周波数の信号の印加を通じて、ターゲット微細機械加工要素内において交流（ＡＣ）の流れが生成されている。更にその他の実施形態においては、微細機械加工構造の個々の誘電体によって分離された層への直接的な又は静電容量性の結合が、高周波（ＲＦ）エネルギーを誘電性境界に跨って搬送し、且つ、これにより、分離された層を加熱するべく、利用されている。このようなすべての実施形態においては、ＭＥＭＳ共振器構造又はその一部分（例えば、多層化装置の１つ又は複数の層）は、ジュール加熱効果を改善するべく又は遅延させるべく、パターン化されてもよい。又、すべてのケースにおいて、微細機械加工部材の個々の領域及び／又は層の局所化された加熱を可能にするべく、複数のエネルギー供給ポートが提供されてもよい。自己加熱実施形態においては、（選択された１つのエネルギー供給ポート又はポートのグループに対してＡＣ又はＤＣ電流を操向するための）プログラム可能な操向回路及び／又は（望ましい加熱プロファイルを確立するための）プログラム可能な加熱制御回路が、ターゲット微細機械加工部材と同一のダイ上において、或いは、マルチダイパッケージ内の別のダイ上において、提供されてもよい。更にその他の実施形態においては、ＭＥＭＳ共振器構造又はその一部分を過熱するべく、（例えば、レーザー又は高周波加熱などの）放射加熱が使用されてもよく、これには、例えば、カプセル化された又はパッケージ化されたＭＥＭＳ共振器の透明な（即ち、関連する波長に対して透明な）蓋又はその他の構造を通じた放射エネルギーの伝達が含まれる。以下、これらの及びその他の実施形態及び特徴について更に詳細に開示する。
図１４は、本明細書において開示されている様々な技法及び回路構成を使用して加熱又は過熱されうる微小電気機械システム（ＭＥＭＳ）内の例示用の微細機械加工部材（或いは、構造）を示している。以下において示されている構成及び記述されている実施形態においては、微細機械加工部材は、ＭＥＭＳ装置内の運動可能な共振部材であり、且つ、上述の様々な実施形態に従って少なくとも１つの縮退ドープ半導体（ＤＤＳ）層を含んでいる。すべてのケースにおいて、微細機械加工部材は、この代わりに、加速度計、サーミスタ、又は任意のその他の有用なＭＥＭＳ構造内における運動可能な質量であってもよく、且つ、ＤＤＳ層を欠いていてもよい。又、ＤＤＳ層は、存在する場合には、例えば、１ｅ１８原子／ｃｍ３、１ｅ１９原子／ｃｍ３、１ｅ２０原子／ｃｍ３、又は２ｅ２０原子／ｃｍ３超などの、ドーパント（例えば、ヒ素、ボロン、リン、アンチモンなど）の相対的に高い濃度により、シリコンやゲルマニウムなどの単結晶、多結晶、及び／又は非晶質の形態をドーピングすることにより、実装されてもよい。従って、「ＤＤＳ」は、縮退ドープシリコンのみならず、例えば、且つ、限定を伴うことなしに、縮退ドープゲルマニウム、３−５化合物、シリコン−ゲルマニウムなどを含む様々なその他の縮退ドープ半導体を意味するものと理解されたい。本明細書においては、縮退ドープシリコンが、いくつかの例において参照されているが、その理由は、これが、産業的に最も一般的な半導体であるからに過ぎず、このような参照を限定として見なしてはならない。
図１４を更に参照すれば、共振部材は、個々のテザリング構造（「テザー」）により、１つ又は複数のアンカーに固定されており、且つ、個々の駆動／検知電極の間において配設されてもよく、且つ／又は、その上部又は中間層内においてパターン化された電極を有することもできる。詳細図６１５、６１７、及び６１９は、ＤＤＳ（例えば、縮退ドープシリコン）から全体的に形成された共振構造、その上部において配設された圧電材料の層を有するＤＤＳ層、及びＤＤＳ層と電極層の間において挟持された圧電層を含む、共振部材のいくつかの可能な実装形態を示している。後者の３層実装形態においては、電極層は、誘電体（図示）によって互いに隔離された、或いは、統合された電極又は電極層内にマージされた、１つ又は複数の導電性電極領域を含むことができる。
図１５Ａは、製造時ジュール加熱を許容する構造的な相互接続と共に、ＤＤＳ共振器（運動可能な微細機械加工部材又は微小電気機械部材の一例）を有する例示用のＭＥＭＳ装置のプロファイル図を示している。図示の接触加熱実施形態においては、ＤＤＳ共振器は、多機能テザーにより、アンカーの間において固定されている。即ち、テザーは、ＤＤＳ共振器をアンカーに（且つ、これにより、装置基材に）機械的に固定するのみならず、ジュール加熱電流（ＩＪＨ）用の導電体として、且つ、いくつかの実装形態においては、ＤＤＳ共振器とアンカーの間の断熱体として、機能している。
アンカー自体は、導電材料によって実装されるか又はこれと共に層化されていてもよく、且つ、従って、ウエハプローブ又はシンギュレートされたダイプローブからジュール加熱電流を伝導することができる。更に詳しくは、装置のカプセル化の前に、２つのプローブ（即ち、ｖ＋及びｖ−によって示されているいずれかのケースにおける電位）の間において確立された電圧供給源（又は、電流供給源）は、最も左側のアンカー及びテザーを通じて、ＤＤＳ共振器を通じて、且つ、次いで、最も右側のテザー及びアンカーを通じて、離脱する、図示の例においては、左から右へ流れるジュール加熱電流を生成し、これにより、テザー及びＤＤＳ共振器をジュール加熱する。又、図１５Ａ（並びに、その他の以下の図）においては、ＤＣ電流が示されているが、交流電流がＤＤＳ共振器を通じて伝導されてもよい。
図１５Ｂは、カプセル化後のジュール加熱ＭＥＭＳ実施形態を示しており、この場合には、導電性ビアが、導電性係留構造との間において電気的な接触を実施するべく、蓋構成の密封カプセル化を通じて延在している（即ち、アンカーは、図１５Ａと同様に、導電性材料から形成されているか又はこれと共に層化されている）。この構成により、ジュール加熱電流は、カプセル化後の仕上げ動作において、或いは、場合によっては、製造後においても、ＤＤＳ共振器を通じて駆動されてもよく、これには、ＭＥＭＳ装置がホストシステム内において配備される前又は後のフィールド内におけるジュール加熱が含まれる。図１５Ｃは、ＤＤＳ共振器を通じたジュール加熱電流の流れを可能にするべく、導電性ビアが装置基材（例えば、バルク半導体）を通じて延在している一代替実施形態を示している。図１５Ｂ及び図１５Ｃの両方の実施形態においては、密封カプセル化が、周囲封止リング又は類似の構造と共に、真空空洞又は不活性な断熱材料によって充填された空洞を封入し、これにより、ＤＤＳ共振器から基材及び蓋への熱放射を制限していることに留意されたい。
図１６Ａ〜図１６Ｃは、多機能テザー構造の実施形態を示しており、バルクテザー（図１６Ａ）、複合テザー（図１６Ｂ）、及び延長経路テザー（図１６Ｃ）の例が示されている。一般に、所与のテザー構造の熱及び電気抵抗値は、その断面積に逆比例しており、テザーによって付与される機械的剛性（即ち、運動可能な微細機械加工部材をアンカーとの関係において固定するためのもの）は、断面積に伴って増大する。図１６Ａのバルクテザー実施形態においては、テザーの幅（Ｗ−微細機械加工部材の深さに従って固定された深さ寸法を有する実施形態における断面積の代用物）は、望ましい電気及び熱抵抗値のみならず、望ましい機械的剛性をもたらすべく、テザー材料の熱伝導性及び導電性並びに延在する距離（Ｄ）に従って選択されている。例えば、テザーの電気及び熱抵抗値は、テザー自体内において望ましい温度範囲を実現し、これにより、加熱された又は過熱された運動可能な微細機械加工部材と周辺温度の（又は、ほぼ周辺温度の）アンカー及び基材の間に熱障壁（断熱）を提供するべく、工業設計されてもよい。
図１６Ｂの実施形態においては、「複合」テザーは、延在する距離の観点において、望ましい断面積をもたらすように、且つ、所定の程度の断熱及び機械的剛性を提供するように、それぞれがサイズ設定された、Ｎ個のコンポーネントテザーの集合体（Ｎ＞１）によって実装されている。運動可能な微細機械加工部材の意図された動き（例えば、共振部材内の異なる可能な振動モード）に応じて、図１６Ｂに示されている複数のコンポーネントテザーへのバルクテザーの分解は、機械的支持を過度に損なうことなしに、改善された運動の自由を提供しうる。バルクテザーと同一のフットプリントを集合的に占有する複数のコンポーネントテザーへのバルクテザーの分解は、（匹敵するバルクテザーとの比較において）複合テザーの断面積を低減し、これにより、同一のジュール加熱電流及び製造材料において、相対的に高いテザー温度が―ターゲット微細機械加工部材内における相対的に高い温度の実現を可能にし得る結果が―実現されうるように、電気及び熱抵抗値を上昇させる。
図１６Ｃの実施形態においては、テザー構造は、延在する距離に直交する（垂直の）方向において、横方向にルーティングされると共にそれ自体において折り返されており、その結果、格段に大きな温度及び潜在的に大きな断熱が実現されうるように、アンカーと運動可能な微細機械加工部材の間において電気及び熱経路を延在させている。図示の特定の実装形態においては、テザーは、対称的な横方向の延長部又は折り畳み部を含んでいる（即ち、延在軸との関係において両方の方向において横方向距離Ｌだけ延在している）。この構成により、且つ、運動可能な微細機械加工部材の幅（或いは、少なくともアンカーの幅）にほぼ整合するように集合的な横方向延長距離（２＊Ｌ、ここで、「＊」は、乗算を表記している）を選択することにより、テザーは、運動可能な微細機械加工部材とアンカーの間において効果的な熱障壁を提示している。折り畳まれたテザーの横方向延長寸法は、代替実施形態においては、運動可能部材の幅の一部分（例えば、運動可能部材の幅の１／４又は１／３であるが、更に小さな又は大きな部分を実装することができる）に過ぎないものであってもよく、この場合には、複数の複合折り畳みテザーを配備することができることに留意されたい。又、上述のように、テザーの幅（Ｗであり、これは、テザーの根本及び横方向延長部を通じて均一であってもよく、或いは、一方又は他方において相対的に狭くてもよい）は、望ましい熱及び電気抵抗値をもたらし、且つ、これにより、相対的に高い温度をテザー内において生成し、その結果、断熱体としてのテザーの効能を増大させるように、工業設計することができる（例えば、Ｗに対するＬの比率は、２、３、４、５、又はこれら超に、或いは、これらの整数比率の間の任意の小数値に、設定されてもよい）。更には、それぞれの横方向の（折り畳まれた）延長部のＵ形の形状は、所定の機械的コンプライアンスの程度を提供し（テザーによって実行される更に別の機能）、これにより、微細機械加工部材の動きに伴って圧縮すると共に膨張する。従って、図１６Ｃにおいて示されているテザーは、運動可能な微細機械加工部材をアンカーに機械的に固定し、ジュール加熱のための電気経路を提供し、運動可能な微細機械加工部材をアンカーから断熱し、且つ、微細機械加工部材とアンカーの間においてスプリング様の機械的コンプライアンスを提供するように、機能する。代替実施形態においては、横方向の延長寸法Ｌ（これは、延在距離Ｄよりも小さくてもよく、或いは、これにほぼ又は公称的に等しくてもよく、或いは、これよりも大きくてもよい）は、図示のものよりも大きくてもよく、或いは、小さくてもよく（例えば、運動可能な微細機械加工部材の輪郭を超えて延在していてもよく）、且つ、横方向延在部の形状が異なっていてもよい（例えば、Ｕ形状を形成するための曲がり／折り畳みの代わりに、半円又は半楕円において半径方向において湾曲していてもよい）。又、対称的な横方向延長部の代わりに、テザーは、単一の横方向延長部（即ち、延在軸との関係において１つの方向のみにおけるもの）を有することもできる。同様に、対称的な横方向延長部及び折り畳み部を有する単一のテザーの代わりに、ＭＥＭＳ装置は、反対に方向付けされた横方向延長部（即ち、あたかも、図示のテザーが延在軸に沿って２つに分割されたかのようなもの）を有する２つの単一折り畳みテザーを含んでいてもよく、或いは、場合によっては、所与のテザーの折り畳みが別のものの折り畳み内において含まれる状態において、このような折り畳みたテザーの複数のペアを含むこともできる。
図１６Ｄは、アンカー及び折り畳みテザーを介して運動可能な微細機械加工部材を通じてＤＣ又はＡＣジュール加熱電流を伝導させることによって実現される例示用の熱プロファイルを示している。アンカーとの、且つ、少なくともいくつかのケースにおいては、運動可能な微細機械加工部材との、関係における、テザーの相対的に大きな電気抵抗率に起因して、ジュール加熱は、主には、テザー自体内において発生し、これにより、運動可能な微細機械加工部材の伝導加熱と、恐らくは、放射加熱が結果的に得られる（この場合には、ジュール加熱も発生しうる）。又、テザーは、ジュール加熱の際に、運動可能な微細機械加工部材を周辺又はほぼ周辺温度（Ｔ０）のアンカーから断熱し、その結果、真空環境において、少なくとも、テザーの物理的な中間点における（即ち、アンカーと微細機械加工部材の間における）公称テザー温度がＴ０＋ＴＪＨ／２まで上昇し、且つ、運動可能な微細機械加工部材が温度Ｔ０＋ＴＪＨまで全体を通じて相対的に均一に加熱されることになる。代替実施形態においては、その他の温度プロファイル（非線形勾配を有するものを含む）が生成されてもよい。運動可能な微細機械加工部材は、放射損失又は気体伝導に起因してテザーの最も熱い部分よりもわずかに低温となりうるが、通常は、テザーの最高温度の近傍となる。温度プロファイルは、設計及びトリムプロセスにおいて考慮することができる。
図１７は、別のジュール加熱ＭＥＭＳ実施形態を示しており、この場合には、「曲がりやすい」テザーの個々のペアは、それぞれのこのようなテザーペアが、結果的に、専用の加熱ポートを形成している状態において、ジュール加熱電流を運動可能な微細機械加工部材に伝導するように、提供されている。この構成においては、機械的テザーは、微細機械加工部材をアンカー（２つのものが示されているが、単一アンカー構成も可能である）に接続すると共に望ましい機械的剛性を提供するべく機能しているが、曲がりやすいテザーは、微細機械加工部材の振動又は慣性運動の減衰を極小化するように、相対的に「ソフト」に、或いは、場合によっては、可能な限りソフトに、なるように、設計することもできる。又、複数の曲がりやすいテザーペアの提供は、微細機械加工部材の個々の領域の不均一な加熱又は過熱をも可能にし、これは、いくつかの用途において有用でありうる効果である。代替実施形態においては、更に多くの又は少ない数の加熱ポート（曲がりやすいテザーペア）が提供されてもよく、これには、微細機械加工部材のコーナー、個々の層、又は、その他の更に隔離された領域に跨って電流を駆動する加熱ポートが含まれる。
図１８Ａ及び図１８Ｂは、例示用の静電容量によって結合された状態で駆動される加熱構成を示しており、この場合には、（例えば、ＭＥＭＳ共振器又は加速度計内の）駆動及び／又は検知電極として機能する電極は、運動可能な微細機械加工部材内においてＡＣジュール加熱電流を駆動する高周波（ＲＦ）エネルギー入力としての役割をも果たしている。図１８Ａの実施形態においては、例えば、ＲＦエネルギー供給源が両方の電極に供給され、ＲＦ信号の補完的な位相（或いは、例えば、ＲＦ信号の上部及び下部ピークの間の中間点における安定状態中性電圧セット）が１つ又は複数の多機能テザーに結合され、これにより、多機能テザーを介した運動可能な微細機械加工部材との間における交流電流の流れが実現されている。即ち、エネルギーは、電荷キャリア（即ち、ＡＣ電流）が、交互に、多機能テザーを介して、微細機械加工部材との間において放出されると共に引き出される状態において、電極と微細機械加工部材の間の静電容量性結合を介してＲＦエネルギー供給源から微細機械加工部材に転送される。
図１８Ｂの実施形態においては、ＲＦエネルギー供給源の補完的位相（或いは、ＲＦ信号及び中性電圧）は、交互に変化する方式により、２つの電極に結合されており、その結果、電極は、その間においてＡＣ電流の流れを生成するように差動的に駆動されることになる（即ち、電荷キャリアが、交互に変化する方式により、一方の電極に向かって、且つ、次いで、他方に向かって、運動可能な微細機械加工部材に跨って強制搬送される）。このような一実施形態においては、１つの機械的テザー（又は、複数のテザー）は、非導電性を有していてもよく（導電性を有し、且つ、導電性アンカーを介して固定電位基材に結合されている場合には、ＡＣ電流は、図１８Ａと同様に流れることになる）、且つ、ダイ又はウエハを取り囲む周辺温度又はその近傍の温度を有する１つ又は複数のアンカー構造との関係において断熱を提供するように、上述のように全体的に工業設計されている。
図１９Ａは、更に別のジュール加熱実施形態を示しており、この場合には、エネルギーは、（例えば、上述の導電性テザーを介して）導電により、或いは、（例えば、図１８Ａ及び図１８Ｂを参照して説明した静電容量性電極を介して）静電容量により、多層装置の個々の層に供給されている。図示の特定の例においては、上部電極層及び下部ＤＤＳ層は、ＤＣ又はＡＣジュール加熱電流が通過する個々の抵抗値を外側層が形成していると見なされうるように、内部誘電体層（例えば、圧電材料）を挟持している。
図１９Ｂは、代替加熱構成を示しており、この場合には、ジュール加熱は、主には、デュアルシリコン共振器のパターン化された電極層（即ち、シリコン層の間において挟持された圧電層を有する縮退ドープポリ層及び縮退ドープ単結晶シリコン層）内において供給されている。テザーは、依然として、共振器と係留フィールドエリアの間において断熱を提供するように、構造化されていてもよいが、さもなければ、主なジュール加熱電圧降下（並びに、電力散逸）が、パターン化された電極層内において発生するように、十分な導電性を有している。図示の特定の例においては、パターン化された電極（例えば、縮退ドープシリコン層―単結晶シリコン及び／又はポリシリコン―のうちの一方又は両方において実装されたものであり、後者の構成が図示されている）は、相対的に大きなバルク相互接続ノードの間において延在する相対的に狭い導電性通路を含む。その相対的に小さな断面積（並びに、相応して相対的に大きな抵抗値）に起因して、狭い通路は、ジュール加熱電流と、従って、主なジュール加熱供給源と、によって横断される導電経路内においてオーミック（Ｉ２Ｒ）電力散逸の主な供給源を構成している。図１６Ｄのテザーに基づいた加熱構成と同様に、共振器は、共振器から基材及び蓋構造への限られた熱放射により、ターゲット温度（例えば、Ｔ０＋ＴＪＨ）まで、相対的に均一に加熱されうる。更に一般的には、パターン化された電極ジュール加熱は、単独で、或いは、その他のジュール加熱又は放射加熱供給源との組合せにおいて、局所的な又は不均一な温度分布の生成を含む、図１６Ｄの例とは異なる温度プロファイルを生成することができる。
図２０は、別の実施形態を示しており、この場合には、ＲＦエネルギー供給源は、図１９Ａに示されている運動可能な微細機械加工部材の外側の（少なくともそれなりの電導性を有する）層に跨って結合されている。この構成により、それらの層の加熱又は過熱を可能にするべく、ＡＣ電流が微細機械加工部材の電極及びＤＤＳ層内において生成される。
図２１は、（例えば、その上部において形成された運動可能な微細機械加工部材を有する）ＭＥＭＳダイと、制御ダイと、を有するカプセル化された又はチップスケールのＭＥＭＳパッケージを示している。図示のように、制御ダイは、相対的に低パワーの実行時制御信号及び出力信号を２つのダイの間において搬送するいくつかの低パワー制御信号相互接続のみならず、ＤＣ又はＡＣパワー信号の形成においてジュール加熱エネルギーの供給を可能にする相対的に高パワーの熱エネルギー相互接続をも含む。単一の熱エネルギー相互接続ペアが示されているが、複数の加熱ポートを有する実施形態においては、更に多くの相互接続を提供することができる。又、熱エネルギー相互接続が制御ダイとＭＥＭＳダイの間において延在するものとして示されているが、この代わりに、又はこれに加えて、熱エネルギー相互接続は、外部加熱コントローラからの電力供給を可能にするべく、パッケージの表面に露出していてもよい。更には、ＭＥＭＳダイと制御ダイの間の熱エネルギー相互接続は、上述のようにカプセル化前又はカプセル化後においてアクセスされるＭＥＭＳダイ上のエネルギー入力インターフェイスに起因し、省略されてもよい（この結果、ＭＥＭＳダイ加熱は、制御ダイを伴うパッケージ化の前に実行される）。過熱用にサイズ設定された電気ビア及び接点は、通常動作用に設計されたものよりも、横方向寸法において、大きくなりうる。例えば、通常動作用の電気ビアは、寄生静電容量を極小化するべく、直径が５〜１５ミクロンであってもよい。対照的に、過熱用にサイズ設定されたビアは、例えば、且つ、限定を伴うことなしに、ビア内の抵抗性加熱を極小化するべく、直径が、２０〜１００ミクロンの範囲を有することができる。ビアは、（アルミニウム又はチタニウムなどの）低融解温度材料との接触状態にあってもよく、且つ、従って、ビア温度の増大は、限定されることになろう。更には、ビア内の導電性材料は、低濃度ドープ半導体ではなく、ＤＤＳなどのように、さもなければ通常動作に必要とされるものよりも、小さな電気抵抗率を有しうる。
更に図２１を参照すれば、ＭＥＭＳダイ内における１つ又は複数の微細機械加工部材の原位置製造後加熱又は過熱を可能にするべく、プログラム可能な加熱制御回路が制御ダイ内において提供されてもよい。又、このような一実施形態においては、制御ダイは、ＭＥＭＳパッケージの外部接点を介してアクセス可能なプログラミングインターフェイス（即ち、シグナリングインターフェイス）を含むこともできる。従って、プログラミング加熱制御回路を構成し、且つ、これにより、ＭＥＭＳダイ内の１つ又は複数の微細機械加工部材の加熱／過熱を開始及び制御するのに必要とされるプログラミング命令及びオペランドを発行するべく、外部コントローラ（例えば、専用の、且つ、ホストシステム内においてＭＥＭＳパッケージと共に原位置において配設されたコントローラ、或いは、スタンドアロン製造又は製造後コントローラ）がプログラミングインターフェイスに結合されてもよい。
図２２は、図２１のプログラム可能な加熱制御回路を実装するべく使用されうるプログラム可能な加熱コントローラの一実施形態を示している。図示のように、加熱コントローラは、プログラムされたパラメータの個々の組をパワードライバ回路に供給するいくつか（Ｎ個）のプログラム可能なレジスタバンクを含む。その結果、パワードライバ回路は、対応するレジスタバンク内においてプログラムされているパラメータに従って、個々の加熱ポートに対するパワー信号（即ち、電圧又は電流供給源として機能するもの）を駆動する。図示の特定の例においては、それぞれのプログラム可能なレジスタバンクは、対応する加熱ポートを介してパワードライバによって出力される電圧又は電流パルスの振幅、持続時間、及び周波数を制御する個々のパラメータを保存するためのレジスタフィールドの組（これらのいずれか又はすべては、個々のレジスタによって実装されうる）のみならず、加熱ポートの選択的な有効化又は無効化を可能にするポートイネーブルフィールドをも含む。
図２３は、外部加熱コントローラ内の複数の加熱パワードライバが、個々のシンギュレートされた又はオンウエハのＭＥＭＳ装置に結合され、これにより、主題であるＭＥＭＳ装置との関係おいて上述した様々な加熱及び過熱動作の同時実行を可能にし得る構成を示している。外部加熱コントローラは、例えば、ＭＥＭＳ装置の加熱／過熱に関係した又はこれとは独立した多数のその他の機能を実行することができる製造又は試験装置内において（例えば、自動試験機器（ＡＴＥ：Automated Test Equipment）内において）、実装されてもよい。
図２４Ａは、運動可能な微細機械加工部材内において（即ち、ＭＥＭＳ装置又はパッケージ内において）生成される例示用の温度と共に、図２２及び図２３の外部又は原位置加熱コントローラ内において生成されうる例示用の加熱パワープロファイルを示している。図示の特定の実施形態においては、様々な幅（持続時間）及び振幅（パワー）のパルスは、正味のエネルギー供給が、パルス下のエリアにほぼ比例する状態において、生成されている。更に詳しくは、パルス持続時間は、少なくとも０．１ｍ秒から１００ｍ秒に変更されてもよく（代替実施形態においては、更に短い且つ／又は更に長いパルス持続時間が実装されてもよい）、且つ、パワーレベルは、少なくとも２０ｍＷから５００ｍＷの範囲を有することができる（更に高い且つ／又は更に低い限度がサポートされてよい）。加熱／過熱動作において、運動可能な微細機械加工要素内において生成される温度は、図示の例示用の熱プロファイルにおいては、３００〜１３００℃の範囲を有する公称ＭＥＭＳ実行時動作温度を大幅に超過しうるが、更に高い及び／又は更に低い温度（例えば、５００、６００、７００、又は８００℃の下限温度）が実現されてもよい。
又、図２４Ａには、詳しく示されていないが、パルス周波数が、（例えば、図２２を参照して説明したように）加熱制御パラメータに従って変更されてもよい。又、図２４Ｂに示されているように、例えば、様々なパワーダウンランプレートの間において選択することにより、制御された冷却プロファイルを実現するように、パワーパルス波形が成形されてもよい。従って、相対的に低速の冷却レートが望ましい場合には、相対的に長い（相対的にフラットなスロープの）パワーダウンランプが選択されてもよく、逆に、相対的に高速の冷却レートが望ましい場合には、相対的に短い（相対的に鋭いスロープの）パワーダウンランプを選択することができる。選択されたパワーダウンランプレートは、すべてのパワーパルスに適用されてもよく（このケースにおいては、異なるランプレートが個々のパルスに適用されてもよい）、或いは、加熱（パワーパルス）シーケンス内の最終的な１つのパルス又は最終的ないくつかのパルスにのみ適用されてもよい。更には、線形のパワーダウンランプが示されているが、ランプのいずれか又はすべては、非線形のプロファイル（例えば、指数又は双曲線プロファイル）を有することもできる。又、制御されたパワーダウンプロファイルが示されているが、パワーパルスの立ち上がりエッジが、同様に、制御された加熱レートを実現するように、相応して成形されてもよい。すべてのケースにおいて、例えば、且つ、限定を伴うことなしに、安定状態の又は非リターンツーゼロのパワープロファイルを含む装置加熱動作を実現するべく、図示のパルス化されたプロファイル以外の（或いは、これに加えて）パワープロファイルが使用されてもよい。
又、構造を加熱するべく使用される電気回路は、構造の温度を検知することもできる。構造の電気特性は、一般に、温度の関数となり、例えば、抵抗値は、温度に伴って増大しうる。これは、トリミングの前に又は後に、温度を計測するべく、使用されてもよい。又、これは、加熱パルスの間において、或いは、場合によっては、加熱パルスの最中において、構造の温度を計測するべく使用されてもよい。この結果、最適な結果を得るべく、パルス持続時間又は高さ或いはその他のパワープロファイル特性は、事前に、或いは、それが進捗している最中に、変更されてもよい。例えば、テザーが、低温状態にある際には、特定の抵抗値を有し、且つ、それが望ましい高温を有する際には、別の抵抗値を有する場合には、電流パルスは、望ましい高温に到達する時点まで、印加されてもよい。構造の抵抗値は、例えば、その抵抗値を判定するべく、構造に跨って電圧を計測しつつ、構造を加熱するための電流を印加することにより、或いは、この代わりに、ＡＣ試験信号によって抵抗値を計測しつつ、ＤＣ加熱駆動を印加することにより、様々な手段により、加熱に伴って同時に計測することができる。
図２５は、パッケージ化されたＭＥＭＳ装置の例示用の処理を示しており、この場合には、加熱ポートを単一動作端子に形成する２つの別個の端子をマージするべく、オーブンリフロー動作が実行されている。即ち、オーブンリフローの前において、パッケージ化されたＭＥＭＳ装置は、３つの電気的に絶縁された端子を含んでおり、これらのうちの２つは、上述のように、内部微細機械加工構造を加熱又は過熱するためのポートを形成し、その他のものは、第１動作端子を形成している。２つの加熱ポート端子の個々のはんだ層（或いは、その他の熱溶解性導電材料の層）が、オーブンリフローの際に流体となり、且つ、一緒に流れるのに伴って、２つの加熱ポート端子は、２つの動作端子のうちの第２のものを形成するべく、事実上、マージされる（即ち、ＭＥＭＳ装置は、３端子装置から２端子装置に変換される）。この同一の方式は、第１動作端子との関係において（即ち、第２加熱ポートを第１動作端子に構成しうる別個の端子をマージするためのリフロー）、或いは、図示されてはいないその他の端子との関係において、実行されてもよい。
図２６は、２つの前面端子（「端子１」及び「端子２」）を有するパッケージ化されたＭＥＭＳ装置内の例示用の加熱ポート構成を示している。図示の特定の実施形態においては、チップスケールパッケージ（ＣＳＰ：Chip-Scale Package）の背面は、テザリング構造を介して、運動可能な微細機械加工部材（例えば、図１の１１９において示されている共振部材）内の電極層に電気的に結合され、且つ、これにより、本明細書において「背面端子」（「端子３」）と呼称される、第３端子を形成している。前面端子のうちの１つは、テザーによって相互接続された前面端子及び背面端子が、ＡＣ又はＤＣジュール加熱電流が伝導される加熱ポートを形成するように、別のテザリング構造を介して背面端子と同一の電極層に電気的に結合されている。図２７Ａには、このジュール加熱動作の例示用の回路モデルが示されており、（それぞれ、Ｒｔｅｔｈｅｒとしてモデル化された）テザーのペアを通じて、且つ、更には、運動可能な微細機械加工部材の１つ又は複数の層を通じて、流れる電流ＩＪＨが示されている。又、端子１から微細機械加工部材の下部（ＤＤＳ）層への電流も、１つ又は複数のテザー構造を通過しており、これらのテザー構造は、ジュール加熱電流を伝導する同一のテザー構造であってもよい。すべての端子接続について、等しいテザー抵抗値（Ｒｔｅｔｈｅｒ）が示されているが、テザー抵抗値は、共有テザーが使用される場合にも、層ごとに変化しうることに留意されたい。例えば、テザーの断面積（幅及び／又は高さ）並びに／或いはテザーの電導性は、微細機械加工部材の異なる層に対するその接続との関係において不均一であってもよい。
依然として図２６を参照すれば、端子１と端子２／３の間のコンデンサは、この特定の例においては、運動可能な微細機械加工部材内の圧電又はその他の誘電体薄膜を表している。ＤＣ電流供給源は、図示の構成においては、（例えば、製造又は製造後処理の際に）ジュール加熱電流を生成するべく端子２及び３に跨って結合されているが、この代わりに、ＤＣ電圧供給源或いはＡＣ電圧又は電流供給源が使用されてもよい。又、ウエハ（即ち、図２６に示されている複数のこのようなＭＥＭＳ構造を収容するウエハ）を個々のダイにダイシングした後に、それぞれのダイの背面は、依然として、前面端子のうちの１つに（即ち、テザー及び運動可能な微細機械加工部材の抵抗値を通じて）電気的に結合されていてもよい。多くの用途においては、この残留する（即ち、背面及び前面端子の間の）電気結合は、装置動作には、まったく影響を及ぼさず（或いは、無視可能な影響しか及ぼさず）、従って、そのまま残されてもよい。装置動作の際に装置の背面及び前面端子の間の電気絶縁を必要としている又はこの利益を享受する用途においては、背面端子の製造後破棄を可能にするべく、背面端子に対する融解可能な又はその他の方式によって破断可能な接続が利用されてもよい。
図２６に示されている２つの前面端子は、通常の装置動作のために利用される。この例においては、コンデンサは、図１Ａに示されているデュアルシリコン圧電ＭＥＭＳ共振器のケースと同様に、圧電層を表している。通常の装置動作の際には、ＭＥＭＳ構造内のそれぞれの電極層（即ち、微細機械加工部材）に対して必要とされる接続は、１つのみであり、その結果、ＭＥＭＳダイの背面（端子３）は、使用されなくてもよい。図示の例示用のモデルにおいては、背面端子は、電気的に浮遊状態となることが許容されており、その結果、ジュール加熱電流は、運動可能な微細機械加工部材内において、まったく流れない（或いは、無視可能なジュール加熱電流しか流れない）。図２７Ｂには、この動作が示されている。代替実施形態においては、背面端子は、上述のように、廃止されてもよい。又、本明細書におけるすべての実施形態と同様に、微細機械加工部材は、図２６に示されている３つを上回る又は下回る数の層を有するように、実装／製造されてもよい。
図２８Ａ及び図２８Ｂは、カプセル化レベルのＴＳＶ（例えば、カプセル化蓋構造又は基材を通じて延在するスルー−シリコン−ビア）と、ＭＥＭＳ共振器のパッケージレベルの端子相互接続（即ち、後続のパッケージ化ステップにおけるもの）及びカプセル化後のジュール加熱の両方を可能にする圧電作動型の共振器電極と、の間の例示用の電気相互接続を示している。図２８Ａの実施形態においては、３つの端子は、カプセル化されたデュアルシリコン共振器の蓋及び／又は基材層を通じて、ＴＳＶにおいて露出しており、２つの端子は、上部電極の反対側の横方向端部に結合されており（ＩＳＤＰ層として示されているが、代替材料層構成の任意のものが使用されてもよい）、且つ、１つの端子は、下部電極（この例においては、縮退ドープ単結晶シリコン層である）に結合されている。この構成により、直流又は交流は、例えば、共振器のテザリング構造及び上部電極層を通過してもよく、共振器のテザリング構造及び上部電極層のいずれか又は両方は、共振器材料積層体を過熱するように（即ち、上述の共振器材料積層体をジュール加熱するように）、且つ、これにより、任意の数のカプセル化後アニーリング動作及び／又は熱周波数トリム動作を実行するように、設計されていてもよい。図２８Ｂの実施形態は、ジュール加熱端子ペアが、上部層テザー／電極要素の代わりに、過熱供給源として下部テザリング層及び／又は下部電極層を動作させるべく、下部電極層（例えば、縮退ドープ単結晶シリコン層）の反対側の横方向端部にテザー結合されていることを除いて、図２８Ａのものに類似している。更にその他の実施形態においては、それぞれが個々の縮退ドープシリコン層の反対側端部に結合された状態において、２つのジュール加熱端子ペアが提供されていてもよい。又、以下において更に詳述するように、図２８Ａ／図２８Ｂの実施形態のいずれかにおけるジュール加熱端子ペアは、第３カプセル化端子と共に、図１Ａを参照して説明した共振器検知／駆動端子を形成するべく、マージされてもよい。この代わりに、ジュール加熱端子ペアは、端子ペアの電気的結合をエミュレートするべく、等電位共振器駆動信号によって駆動されてもよい。即ち、関連する材料層（並びに、テザリング層）の横方向端部において等電位を確立するべく端子を１つに配線する代わりに、装着された論理ダイの駆動／検知回路により、端子が等電位に駆動されてもよい。
図２９Ａ及び図２９Ｂは、端子低減方式を示しており、この場合には、（例えば、図２８Ａ及び図２８Ｂを参照して説明した）３つ以上のカプセル化レベル端子が、２つの電気的に独立したパッケージレベル端子のみを露出させるべく、パッケージハウジング内における封入の前に、マージされている。図２９Ａの概念図においては、ジュール加熱端子（ジュール加熱ポート）は、デュアルシリコン共振器のＩＳＤＰ層に結合されているが（これにより、ウエハプローブ又はシンギュレートされたダイプローブを通じたジュール加熱電流の導入が許容される）、この代わりに、コア単結晶共振器層に結合されてもよく、或いは、コア共振器層に結合されている更なる加熱ポートによって（即ち、４端子カプセル化構造において）補完されてもよい。
図２９Ｂは、図２９Ａに示されているパッケージ内端子マージ（低減）をもたらすためのパッケージ化動作の例示用のシーケンスを示しており、シーケンス内のそれぞれの時点におけるカプセル化構造又はパッケージ化構造の断面及び平面図が示されている。例示用の３端子カプセル化構造によって始まり、統合された上部電極端子（或いは、下部電極端子）を形成するべく、２つのジュール加熱端子が金属堆積によってマージされている。その後に、パッケージレベル端子のうちの２つが、上部電極相互接続ノードを形成するべく（端子−マージ金属堆積ごとに）電気的に共通しており、且つ、４つの端子の第３のものが下部電極に結合されている（或いは、逆も又真である）４端子パッケージをもたらすべく、スルービア及びはんだボールソケットが図示のように形成された状態において、更なるパッケージ化層（例えば、ポリイミド又はその他の非導電性モールディング又は材料層）が、マージされた電極端子上において配設されている。第４パッケージレベル端子は、主には、機械的安定性を目的として提供されており、且つ、未接続状態において残されていてもよく（「接続なし」又は「ＮＣ」）、或いは、冗長的に下部又は上部共振器電極に結合されていてもよい。更にその他の実施形態においては、特に、長方形のパッケージ化構造が望ましい場合には、２つのパッケージレベル接点のみ―２つの共振器電極のそれぞれごとに１つずつ―を露出させることができる。
タイミング、検知、又はその他の用途用の共振器に基づいたシステムにおいては、共振器製造プロセスにおける可変性について補償するべく、共振周波数を室温又はその近傍において較正することが望ましい場合がある。例えば、未較正の共振器の室温共振周波数は、＋／−２０ｐｐｍ（パーツパーミリオン）以下のレベルである通常の用途要件との比較において、＋／−１０，０００ｐｐｍだけ、その望ましい周波数と異なりうる。
望ましい共振周波数と実際の共振周波数の間のオフセットは、能動的補償（即ち、連続的な補正）を通じて、或いは、受動的補償（即ち、１度だけの補正又は「トリム」）を通じて、除去することができる。能動的補正方法は、専用の電子回路を必要とし、電力を消費し、且つ、補償済みの周波数出力のノイズが、未補償の共振器周波数よりも多くなりうるという点において、望ましくない。
いくつかの理由から、共振器の密封パッケージ化が完了したら、周波数較正を実行することが有利である。第１に、これは、非クリーンルーム環境において実行することが可能であり、その結果、費用が低減される。第２に、パッケージ化プロセスは、共振器周波数をわずかにシフトさせる可能性があり、その結果、周波数トリミングプロセスの精度が劣化する。
例えば、レーザー照射又は表面の化学反応を介した質量の除去／追加を通じて、ＭＥＭＳ共振器の室温周波数をトリミングするべく、受動的補償技法が開発されているが、これらは、密封パッケージ化された共振器に適用される際には、いくつかの制限（例えば、パッケージの損傷、封止された空洞内における粒子状物質の生成、封止された空洞内における化学反応性材料の導入、空洞圧力の増大、プロセスの複雑性／費用の増大など）を有する。
本明細書において開示されているいくつかの実施形態においては、熱周波数トリム動作を実現するべく、上述の様々なジュール加熱構造／技法並びに／或いは（例えば、レーザー又はその他の電磁放射による過熱などの）代替加熱技法が適用されている。更に一般的には、過熱方法の適用は、材料特性の変更に基づいた１つ又は複数の共振周波数又はその他の共振装置特性の変更―上述の材料の除去、切除、寸法の変更、又は表面の改質とは別個の変更―を含んでいる。これらの変更は、材料特性を変更するための加熱の副作用として発生しうるが、これらは、周波数トリミングを実現する主要なメカニズムではない。シーケンスにおける１つ又は複数の過熱サイクルは、ＭＥＭＳ構造の共振周波数を操作するべく、利用されてもよい。これらの及びその他の熱トリム実施形態及び特徴については、以下において、更に詳細に開示する。
図３０は、レーザー（例えば、紫外〜赤外の範囲を有する波長を有する連続波又はパルス化レーザー）又はその他の電磁放射の供給源を介したＭＥＭＳ共振器の例示用の加熱を示している。ＭＥＭＳ共振器は、任意選択により、カプセル化によって誘発される周波数シフトが補償されるように、周波数変更の前に、密封カプセル化することができる。密封エンクロージャは、シリコン、ガラス、アルミナ、或いは、ＭＥＭＳ構造を収容するＤＤＳとの比較において特定の波長において最小限の光学吸収を有するその他の材料から、製造することができる。例えば、（例えば、１．１ミクロン波長の）ＩＲレーザーは、（例えば、上述のデュアルシリコン共振器又は変形によって実装された）ＭＥＭＳ共振器内のＤＤＳ層の吸収が、低濃度ドープシリコンエンクロージャよりも格段に大きくなるように、低濃度ドープシリコン密封エンクロージャ（例えば、１ｅ１７原子／ｃｍ３）と組み合わせることができる。レーザーは、密封カプセル化を相対的に損傷していない状態に残しつつ、共振器を加熱することができる。レーザービームのケースにおいては、スポットサイズは、実質的に丸くてもよく、或いは、光学操作を通じて代替形状を有することもできる。スポットサイズは、通常、ＭＥＭＳ構造よりも格段に小さくなるが、いくつかのケースにおいては、サイズにおいて構造に匹敵するレーザースポットを使用することが有益となりうる。レーザースポットは、構造上の１つ又は複数の別個の位置に印加されてもよく、或いは、特定のエリア、形状、或いは、パターンを加熱するべく、走査されてもよい。
電磁放射を介した加熱のケースにおいては、ＤＤＳ層は、剛性変更を通じた周波数チューニング及び光吸収をという、２つの機能を実行することができる。この代わりに、ＤＤＳ層を単一の機能（光吸収）のためにのみ利用することも可能であり、且つ、ＭＥＭＳ構造の周波数を、レーザー除去を通じて変更することも可能であり、この結果、除去の空間的分布に応じた剛性の減少又は質量の減少をもたらす形状の変化が得られる。光学パワーは、例えば、２つ以上のモードの室温周波数を独立的に工業設計するべく、或いは、２つ以上の周波数温度係数を独立的に制御するべく、ＭＥＭＳ構造に跨って空間的にパターン化されてもよい。
レーザーに基づいた加熱方法においては、テザーは、２つの機能（遮熱／断熱及び機械的コンプライアンス）を実行しており、且つ、相対的に大きな電気抵抗値を提供するというその第３の潜在的機能の重要性は、相対的に小さい。加熱電源は、ジュール加熱のケースのように、テザー又はパターン化された電極のホットスポット内ではなく、レーザー入射の地点において位置している。
図３１Ａ及び図３１Ｂは、ＭＥＭＳ共振器構造に適用される加熱及び冷却プロセスを通じた電気活性ドーパント濃度の操作を示している。半導体中の合計ドーパント濃度は、電気活性及び非電気活性ドーパント濃度の合計である。ＤＤＳ材料内において、ウエハスケール処理の完了時点における電気活性ドーパント濃度は、多数のドーパント不活性化のメカニズムを介して、合計ドーパント濃度を格段に下回りうる。
ＤＤＳの製造プロセスは、ウエハ製造プロセスの完了時点において、高濃度のドーパントが、電気的に不活性となるように、工業設計することができる。不活性ドーパント濃度は、ドーパント種の選択（例えば、ヒ素、ボロン、リン、又はアンチモン）、ドーパント投与量／単位面積、ドーパント濃度分布、又は共振器に適用される熱処理パラメータ（例えば、時間、温度、加熱レート、冷却レート）の選択を通じて、制御することができる。
図１６Ａは、このようなＤＤＳサンプル（例えば、縮退ドープ単結晶シリコン又は縮退ドープ多結晶シリコン）が加熱された後の電気活性ドーパント濃度を示している。電気活性ドーパント濃度は、低温（例えば、２００℃未満）においては大きく変化していないが、相対的に高い温度においては、予め非活性であるドーパントの大きな比率、又は潜在的に実質的にすべて、が熱によって活性化された状態となる時点まで、大幅に増大している。最大加熱温度は、６００℃〜１３００℃のうちのどこかの範囲をとりうる。
図３１Ｂは、ＤＤＳが冷却されるのに伴う電気活性ドーパント濃度の２つの潜在的シナリオを示している。（例えば、１℃／分などの）十分に低速の冷却レートの場合には、電気活性ドーパント濃度は、例えば、リンドーピングのケースにおいては、非活性クラスタの形成を通じてドーパントが不活性化するのに伴って、減少することになる。室温に至る低速冷却の後に、ドーパント原子のうちの大きな比率が不活性となりうる。対照的に、ＤＤＳが、１０４℃／秒のレベルのレートにおいて、急速冷却（「クエンチング」）される場合には（更に小さな又は大きな冷却レートが有効でありうる）、相対的に少ない数のドーパント原子が不活性化することになる。電気活性ドーパント濃度を減少させるべく、相対的に低い温度への後続の加熱又は相対的に低速の冷却レートが利用されてもよく、これにより、ドーパント濃度を増大又は減少させることができる。従って、ＤＤＳ内の電気活性ドーパント濃度を操作するべく、急速冷却によって後続される加熱のサイクル（「加熱サイクル」又は「過熱サイクル」或いは「加熱／クエンチングサイクル」）を利用することができる。
図３２Ａは、共振周波数とＤＤＳの電気活性ドーパント濃度の間の関係を示している。ＤＤＳ内のキャリアの電気活性濃度は、室温におけるその剛性（例えば、シリコン中のｃ１１、ｃ１２及びｃ１４係数）及びその１次、２次、及び更に高次の剛性温度係数の両方を変更することができる。従って、ＤＤＳの電気活性ドーパント濃度の変更は、周波数トリミングのために利用することができる。
図３２Ｂは、加熱時間及び加熱温度に伴う室温共振周波数の変動を示している。周波数の変化レートは、加熱時間に伴って指数的に変化し、且つ、通常は、十分に長い加熱時間において、安定状態周波数に飽和する。加熱温度の増大は、通常は、共振周波数の減少と関連している。但し、前述のように、ＭＥＭＳ装置を特定の温度に加熱した後に、装置を更に低い温度に後から加熱することにより、活性ドーパント濃度を潜在的に減少させる（共振周波数を増大させる）ことが可能であり、これは、本明細書において「バックチューニング」と呼称される技法である。
ＭＥＭＳ構造の、温度によって起動される材料変更は、特定の変換（transduction）技法に固有のものではない。例えば、これは、静電気的に、圧電的に、ピエゾ抵抗的に、又は磁気的に、変換される装置に対して容易に適用することができる。同様に、これは、ジュール加熱又はレーザーに基づいた加熱に固有のものでもない。十分に高い温度にＭＥＭＳ構造を制御可能に加熱しうる任意のその他の加熱方法が適用されてもよい。レーザービーム加熱の場合には、いくつかのケースにおいて、電極が共振器上に配置されている場合には、電極によってカバーされていない領域内においてレーザービームを配置することが有利でありうる。例えば、圧電共振器は、共振器上において電極を使用することができる。共振器は、レーザー照明に伴う電極表面の損傷を回避するべく、振動モードにおいて大きな歪又は大きな運動を経験する領域などの特定の対象の領域を電極から離れた場所に配置するように、工業設計されてもよい。
図３３は、その共振周波数を反復的に変更するべく、ＭＥＭＳ共振器に連続的に印加される加熱（パワー）パルスの例示用のシーケンスを示している。この特定の例においては、３つの類似の加熱パルスが構造に印加された後に、周波数は、飽和しており、且つ、もはや、減少してはいない。第４パルスの加熱パワー及び持続時間が増大され、且つ、共振周波数の更なる減少が実現されている。
熱プロセスにおけるＭＥＭＳ構造の温度は、印加されるパワー及び／又は印加されるパワーレベルの持続時間を変化させることにより、制御することができる。例えば、１ナノ秒（ｎｓｅｃ）の持続時間を有する熱パルスを１ミリ秒（ｍｓｅｃ）の特性熱時定数を有するＭＥＭＳ構造に印加することにより、１００ミリ秒パルスよりも、格段に低い最大温度が結果的に得られることになり、その理由は、前者のケースにおいては、構造が熱平衡状態に到達することにならないからである。ＭＥＭＳ構造の熱時定数は、構造が構成されている形状又は材料を通じて、工学設計することができる。
図３４は、例示用の周波数トリミング手順又はアルゴリズムを示すフローチャートである。このルーチンは、１つ又は複数の温度において共振器の共振周波数を計測することにより、始まっている。温度は、外部供給源を使用することにより、或いは、装置を通じて電流を流すこと（即ち、以上において開示されている放射加熱又はジュール加熱技法のいずれか、並びに、更に一般的には、ＭＥＭＳ構造を加熱するための任意の実施可能な技法）により、調節することができる。共振器が望ましい方式で動作していない場合には、共振器特性を変更するべく、加熱パワー、曝露の持続時間、及び熱プロセスの空間分布が演算される。熱プロセスは、例えば、ジュール加熱又はレーザー放射を通じて、ＭＥＭＳ構造に適用される。ＭＥＭＳ構造が、取り囲んでいる部屋の温度などの、望ましい温度に到達するまで、しばし待機した後に、望ましい動作が実現されたかどうかを判定するべく、共振周波数が再度計測されている。共振周波数は、共振器が高温状態にある際に計測されてもよいが、計測された周波数と室温周波数の間には、オフセットが結果的に存在することになる。従って、ターゲットの用途を表す温度において共振周波数を計測することが好ましい。
実際には、周波数トリミングは、１つ又は複数の温度における１つ又は複数の固有モードの共振周波数の計測と、次いで、１つ又は複数のモードの室温周波数又はＴＣＦの変化を付与するためのＭＥＭＳ構造に対する熱プロセスの適用と、からなる複数の繰り返されたサイクル（反復）から構成されている。熱プロセス特性（例えば、最大温度又は持続時間）又は熱プロセスの空間分布（例えば、レーザーの位置、交流周波数、又は有効電気端子）を変更することにより、複数のパラメータ（例えば、２つの異なる共振モードの周波数、或いは、室温周波数及び１次ＴＣＦなど）を独立的に変更することができる。それぞれの反復が構成されている熱計測サイクルにおいては、周波数を計測する前に、ＭＥＭＳ構造用の加熱サイクルが、周辺温度に、或いは、既知の温度に、冷却された後に、十分長時間にわたって待機することが有益であるが、これは、必須ではない。ＭＥＭＳ構造の温度は、温度に伴って変化するその電気抵抗値を計測するべく、相対的に小さな電流を構造に流すことにより、推定することができる。この代わりに、過熱温度を判定するべく、様々な光学的又はその他の非接触型の温度計測技法（例えば、パワーパルスの印加に伴って共振周波数を特定する振動計）が使用されてもよく、且つ／又は、過熱温度を判定するべく、原位置温度検知構造が使用されてもよい。但し、検知されたら、過熱温度は、ターゲット周波数へのＭＥＭＳ構造の閉ループ加熱を可能すると共に、加熱及び／又はクエンチングレート／プロファイルを制御するなどのために、加熱制御回路にフィードバックされてもよい。
それぞれの熱計測サイクルの後に、次のサイクル用のパラメータを演算することができる。このプロセスは、モデルに基づいた方式によって支援されてもよく、この場合には、熱プロセス用の予想周波数変化が、演算され、且つ、計測された周波数変化と比較される。特定の反復における周波数の変化の大きさが予想量よりも小さい場合には、補償するべく、次の反復の熱パワーを増大することができる。同様に、予想よりも大きな周波数の変化を使用することにより、次の反復の熱パワーを変更することもできる。このフィードバックプロセスは、反復の数と、従って、周波数トリミングの費用と、を低減することができる。
図３５は、例示用の周波数トリム手順を示している。それぞれの反復の開始時点において、共振周波数が計測され、且つ、適用するべき熱プロセスが演算される。当初、周波数は、ターゲット周波数を上回っている。当初は、熱パワーは、周波数の過大な調節を回避すると共にこの特定の共振器の特性に対して数学モデルを潜在的に較正するべく、小さい。合計で７回の反復にわたって、ターゲット周波数が実現される時点まで、熱パワーが徐々に増大され、且つ、周波数が徐々に低減される。周波数トリムプロセスは、共振周波数が、受け入れ可能な範囲内に入った場合に、終了されてもよく、或いは、この代わりに、反復の回数が、処方された限度を上回った場合に、或いは、周波数が、成功の確率が高いターゲット周波数から遠くなり過ぎた場合に、実行を中止することができる。
図３６は、周波数のバックチューニング技法を含む例示用の周波数トリム手順を示している。上述のように、ＤＤＳの熱周波数チューニングは、特定の状況においては、反転可能でありうる。チューニングプロセスを反転させる能力は、相対的に積極的な周波数トリミングアルゴリズムの使用を許容する。この例においては、熱パワーが迅速に増大されている。第３サイクルの後に、共振周波数は、ターゲット周波数を下回っている。残りの２回の反復サイクルは、ターゲット周波数が実現される時点まで、周波数を増大させるべく、熱パワーを低減している。
時間を節約すると共に製造費用を低減するべく、複数の構造を同時にトリミングすることができる。例えば、２個、又は４個、又は８個、又は様々なその他の数の装置を同時に計測及びトリミングするべく、電気プローブステーションを構築することができる。この代わりに、或いは、組合せにおいて、複数の構造を同時に電気的に接触させてもよく、且つ、連続的にトリミングすることもできる。
周波数チューニングプロセスは、複数のシステムパラメータを同時にトリミングするべく使用されてもよく、且つ、室温における単一の共振モードの共振周波数に限定されるものではない。例えば、複数の共振モードの室温、単一モードの複数の温度係数、或いは、これらのうちの任意の組合せを調節することができる。これは、熱変更プロセスにおいてＭＥＭＳ構造に跨って温度の空間分布を制御することにより、可能である。例えば、共振器上の２つの位置Ｐ１及びＰ２と、２つの振動モードＭ１及びＭ２と、を検討してみよう。特定の位置における剛性の変化に起因した個々の固有モードの周波数の変化は、その位置における機械的応力に比例している。例えば、Ｐ１における機械的応力は、Ｍ１の場合には、小さい場合があり、且つ、Ｍ２の場合には、大きい場合がある。Ｐ２の場合には、Ｍ１及びＭ２との関係において、これとは反対が真でありうる。従って、Ｐ１における剛性を変更することにより、Ｍ１の周波数を選好的に変更することになり、Ｐ２における剛性を変更することにより、Ｍ２の周波数を選好的に変更することになる。この別個の位置の概念は、ＭＥＭＳ構造に跨る連続的な温度及び応力分布に一般化することができる。
ＭＥＭＳ構造に跨って温度分布を制御及び変更する例示用の方法は、入射レーザービームの位置を変化させること、加熱に使用される有効及び無効電気端子の選択を変更すること、或いは、装置を通じて流れる電流の分布を変更するべく交流入力の周波数を変更し、これにより、分散した寄生静電容量を通過する電流との関係において温度の増大をもたらすこと、を含む。
図３７Ａ〜図３７Ｄは、すべての利用可能な加熱端子のサブセットによる加熱に基づいたＭＥＭＳ構造内の複数の共振周波数の例示用の操作を示している。図３７Ａには、モード１及びモード２という、対象の２つの振動モードと共に、単純化されたディスクリングジャイロスコープが示されている。図３７は、潜在的な通常の装置動作における使用に加えて、静電容量によって結合されたジュール加熱においても利用される、ＭＥＭＳ構造を取り囲む電極の例示用のアレイを示している。図３７Ｃは、モード１の周波数を選好的にチューニングするべく、ＭＥＭＳ構造が不均一に加熱されるように、電極のサブセットに印加されるＲＦ入力を示しており、且つ、図３７Ｄは、モード２の周波数を選好的に調節して２つのモードの間において望ましい周波数関係を得るべく、電極の異なるサブセットに印加されるＲＦ入力を示している。温度起動型の周波数トリムは、２つ以上の振動モードの合計又は積を操作するべく、利用することができる。例示用の用途には、限定を伴うことなしに、モード整合、２つのモードの間の周波数差の工業設計、及び２つのモードの周波数比率の制御が含まれる。
図３８は、ジュール加熱が、構造に直接的に結合された端子を通じて実現され、これにより、ＤＣ加熱電流の可能性が許容されていることを除いて、加熱端子のサブセットの起動に基づいた類似のＭＥＭＳ構造の２つのモードの間の周波数関係の調節を示している。
ＤＤＳ層又はＤＤＳ層内のドーパント濃度をＭＥＭＳ構造に跨って変更することができる。例えば、局所的なジュール加熱パワー密度を増大させるべく、高電気抵抗率を有する領域を構造内に導入することができる。別の用途として、構造に跨るドーパント濃度の変動は、温度が構造に跨って相対的に均一である場合にも、過熱によって誘発される機械的剛性の変化の局所的な変更を許容することができる。これは、構造の周波数の１つ又は複数の温度係数（ＴＣＦ）を工業設計するべく、利用することができる。例えば、ＭＥＭＳ共振器は、機械的に且つ熱的に結合された、但し、実質的に異なるＴＣＦを有する、２つ以上の領域から形成することができる。複合構造の室温周波数及びＴＣＦは、それぞれの領域からの重み付けされた寄与に依存することになる。従って、他方の領域との関係における一方の領域の機械的剛性の変化は、複合構造のＴＣＦの変化を結果的にもたらすことになる。
又、ＭＥＭＳ構造の剛性の非対称な変更を使用することにより、共振装置の品質係数（Ｑ）の変化を誘発することもできる。共振器の質量又は剛性の非対称な変更より、共振器が基材又はパッケージに接続されている地点において、エネルギー損失の増大が発生することになる。この結果、Ｑが低減されることになる。共振器が、非対称性を有するように設計されており、且つ、レーザーが、非対称性を除去するように共振器を変更している場合には、Ｑが増大しうる。システムのＱのレベルは、例えば、レーザー位置を通じて、或いは、有効電気端子を通じて、熱処理の際に温度の空間的分布を調節することにより、較正することができる。
本明細書において開示されている様々な回路及びＭＥＭＳ構造は、その動作、レジスタ転送、論理コンポーネント、トランジスタ、レイアウト形状、及び／又はその他の特性の観点において、コンピュータ支援型の設計ツールを使用して記述されてもよく、且つ、様々なコンピュータ可読媒体内において実施されたデータ及び／又は命令として、表現されてもよい（或いは、表されてもよい）。このような回路表現が実装されうるファイル及びその他のオブジェクトのフォーマットは、限定を伴うことなしに、Ｃ、Ｖｅｒｉｌｏｇ、及びＶＨＤＬなどの動作言語をサポートしたフォーマット、ＲＴＬのようなレジスタレベルの記述言語をサポートしたフォーマット、並びに、ＧＤＳＩＩ、ＧＤＳＩＩＩ、ＧＤＳＩＶ、ＣＩＦ、ＭＥＢＥＳ、及び任意のその他の適切なフォーマット及び言語などの、形状記述言語をサポートしたフォーマット、を含む。このようなフォーマッティングされたデータ及び／又は命令が実施されうるコンピュータ可読媒体は、限定を伴うことなしに、（例えば、その方式によって独立的に分散されているのか、或いは、オペレーティングシステム内において「原位置」に保存されているのかとは無関係に、光学的、磁気的、或いは、半導体のストレージ媒体などの）様々な形態のコンピュータストレージ媒体を含む。
１つ又は複数のコンピュータ可読媒体を介してコンピュータシステム内において受信された際に、上述の回路のこのようなデータ及び／又は命令に基づいた表現は、このような回路の物理的発現形態の表現又は画像を生成するべく、限定を伴うことなしに、ネットリスト生成プログラム、場所及びルートプログラム、並びに、これらに類似したものを含む、１つ又は複数のその他のコンピュータプログラムの実行との関連において、コンピュータシステム内の処理エンティティ（例えば、１つ又は複数のプロセッサ）によって処理することができる。このような表現又は画像は、その後に、例えば、装置製造プロセスにおいて回路の様々なコンポーネントを形成するべく使用される１つ又は複数のマスクの生成を可能にすることにより、装置製造において使用することができる。
以上の説明においては、且つ、添付の図面においては、開示されている実施形態の十分な理解を提供するべく、特定の用語法及び図面シンボルが記述されている。いくつかの例においては、用語法及びシンボルが、その実施形態を実施するために必要とはされない特定の詳細事項を意味している場合がある。例えば、特定の寸法、量、温度、期間、信号レベル、パワーレベル、シグナリング又は動作周波数、コンポーネント回路又は装置、並びに、これらに類似したもののうちのいずれかは、代替実施形態において、上述したものとは異なりうる。これに加えて、集積回路装置又は内部回路要素又はブロックの間におけるリンク又はその他の相互接続が、バスとして、或いは、単一の信号ラインとして、示されている場合がある。バスのそれぞれは、この代わりに、単一の信号ラインであってもよく、且つ、単一の信号ラインのそれぞれは、この代わりに、バスであってもよい。但し、図示及び記述されている信号及びシグナリングリンクは、シングルエンド型又は差動型であってもよい。信号駆動回路は、信号駆動回路が、信号駆動回路と信号受信回路の間において結合された信号ライン上において信号をアサートした（或いは、文脈によって明示的に表されているか又は示されている場合には、デアサートした）際に、信号受信回路に信号を「出力」するものと表現される。「結合された（coupled）」という用語は、本明細書においては、直接的な接続のみならず、１つ又は複数の介在する回路又は構造を通じた接続をも表現するべく、使用されている。装置「プログラミング」は、例えば、且つ、限定を伴うことなしに、ホスト命令（並びに、従って、装置の動作態様の制御及び／又は装置構成の確立）に応答して、或いは、ワンタイムプログラミング動作（例えば、装置製造の際に構成回路内のヒューズを飛ばすこと）を通じて、集積回路装置内のレジスタ又はその他のストレージ回路内に制御値を読み込むこと、並びに／或いは、特定の装置構成又は装置の動作態様を確立するべく、装置の１つ又は複数の選択されたピン又はその他の接触構造を基準電圧ライン（ストラッピングとも呼称される）に接続すること、を含むことができる。「例示用の（exemplary）」及び「実施形態（embodiment）」という用語は、選好又は要件ではなく、一例を表現するべく、使用されている。又、「〜してもよい（may）」及び「〜することができる（can）」という用語は、任意選択の（許容可能な）主題を表記するべく、相互交換可能に使用されている。いずれかの用語の欠如は、所与の特徴又は技法が必須であることを意味するものと解釈してはならない。
本開示の広範な精神及び範囲を逸脱することなしに、本明細書において提示されている実施形態に対して様々な変更及び変形を実施することができる。例えば、実施形態のうちの任意の実施形態の特徴又は態様は、実施形態のうちの任意のその他の実施形態との組合せにおいて、或いは、匹敵する特徴又はその態様の代わりに、適用することができる。従って、本明細書及び添付図面は、限定の意味においてではなく、例示の意味において見なすことを要する。

Claims (24)

  1. 微小電気機械システム（ＭＥＭＳ）装置であって、
    基材と、
    運動可能な微細機械加工部材と、
    前記運動可能な微細機械加工部材を前記基材に固定し、前記運動可能な微細機械加工部材を前記基材から断熱し、且つ、少なくとも３００℃の温度に前記運動可能な微細機械加工部材を加熱する伝導経路を提供する機械的構造と、を含み、
    前記運動可能な微細機械加工部材は縮退ドープ半導体を含み、
    前記ＭＥＭＳ装置は、製造中又は製造後、１以上のサイクルの反復において、前記運動可能な微細機械加工部材を加熱し、その後、少なくとも１０４℃／秒のレートで前記運動可能な微細機械加工部材を冷却し、前記縮退ドープ半導体中の電気活性ドーパント濃度及び非電気活性ドーパント濃度の合計である合計ドーパント濃度に対する前記電気活性ドーパント濃度の既定の比率を得る手段をさらに含む、ＭＥＭＳ装置。
  2. 前記運動可能な微細機械加工部材及び前記機械的構造の少なくとも一部分が配設される真空空洞を形成するカプセル化構造を更に含む、請求項１に記載のＭＥＭＳ装置。
  3. 前記機械的構造は、折り畳まれたテザーを含む、請求項１に記載のＭＥＭＳ装置。
  4. 前記運動可能な微細機械加工部材は、ＭＥＭＳ共振器を含む、請求項１に記載のＭＥＭＳ装置。
  5. 前記運動可能な微細機械加工部材を前記基材に固定する前記機械的構造は、ジュール加熱電流が前記伝導経路を介して伝導された際に、少なくとも７００℃の温度に前記運動可能な微細機械加工部材を加熱するための断熱及び電気抵抗率を提供する、請求項１に記載のＭＥＭＳ装置。
  6. 前記機械的構造は、前記伝導経路の一部分と直列状態において結合されると共に前記伝導経路の一部分を形成する電極を含み、前記電極は、電流が前記伝導経路を通じて伝導された際に、少なくとも３００℃の温度に前記運動可能な微細機械加工部材を加熱するための抵抗値を有する抵抗領域を含むように、パターン化されている、請求項１に記載のＭＥＭＳ装置。
  7. 前記電極は、縮退ドープ多結晶シリコンを含む、請求項６に記載のＭＥＭＳ装置。
  8. 前記電極は、縮退ドープ単結晶シリコンを含む、請求項６に記載のＭＥＭＳ装置。
  9. 前記抵抗領域は、前記電極の第１及び第２端子領域の間において延在すると共に前記第１及び第２端子領域を電気的に結合する前記電極の通路特徴を含み、前記通路特徴は、前記第１及び第２端子領域のいずれかよりも小さな断面積を有し、且つ、前記伝導経路内において前記第１及び第２端子領域と直列状態において結合されている、請求項６に記載のＭＥＭＳ装置。
  10. 前記ＭＥＭＳ装置は共振器を含み、前記運動可能な微細機械加工部材は、共振周波数で振動するように適合された本体を含む、請求項１に記載のＭＥＭＳ装置。
  11. 前記ＭＥＭＳ装置は加速度計を含み、前記運動可能な微細機械加工部材は、前記ＭＥＭＳ装置の動きに従って曲げられるように適合された本体を含む、請求項１に記載のＭＥＭＳ装置。
  12. 前記ＭＥＭＳ装置はセンサを備え、前記運動可能な微細機械加工部材は、前記センサによって検知される環境パラメータの値に従って曲げられるように適合された本体を備える、請求項１に記載のＭＥＭＳ装置。
  13. 微小電気機械システム（ＭＥＭＳ）装置を製造する方法であって、
    基材を提供することと、
    運動可能な微細機械加工部材と、前記運動可能な微細機械加工部材を前記基材に固定し、前記運動可能な微細機械加工部材を前記基材から断熱し、且つ、前記運動可能な微細機械加工部材を加熱する伝導経路を提供する機械的構造と、を形成することであって、前記運動可能な微細機械加工部材は縮退ドープ半導体を備える、形成することと、を含み、
    前記方法は、製造中又は製造後、１以上のサイクルの反復において、前記機械的構造を介して、少なくとも３００℃の温度に前記運動可能な微細機械加工部材を加熱し、その後、少なくとも１０４℃／秒のレートで前記運動可能な微細機械加工部材を冷却し、前記縮退ドープ半導体中の電気活性ドーパント濃度及び非電気活性ドーパント濃度の合計である合計ドーパント濃度に対する前記電気活性ドーパント濃度の既定の比率を得ることをさらに含む、微小電気機械システム（ＭＥＭＳ）装置を製造する方法。
  14. 前記方法は、前記伝導経路の一部分と直列状態において結合されると共に前記伝導経路の一部分を形成する電極を有するように前記機械的構造を形成することであって、前記電極は、電流が前記伝導経路を通じて伝導された際に、少なくとも３００℃の温度に前記運動可能な微細機械加工部材を加熱するための抵抗値を有する抵抗領域を含むように、パターン化されている、形成することをさらに含む、請求項１３に記載のＭＥＭＳ装置を製造する方法。
  15. 前記加熱及び前記冷却の各サイクルは、既定の温度プロファイルに従って実行される、請求項１３に記載のＭＥＭＳ装置を製造する方法。
  16. 前記方法は、複数のサイクルにおいて、前記運動可能な微細機械加工部材を加熱し、その後、前記運動可能な微細機械加工部材を冷却することをさらに含み、各サイクルは、０．１ミリ秒〜１００ミリ秒の持続時間に従って前記機械的構造を介して加熱パワーのパルスを印加して前記既定の比率を得ることによって得られる、請求項１３に記載のＭＥＭＳ装置を製造する方法。
  17. 前記ＭＥＭＳ装置は発信器回路の一部分として実施され、前記運動可能な微細機械加工部材はＭＥＭＳ共振器を含む、請求項１３に記載のＭＥＭＳ装置を製造する方法。
  18. 前記ＭＥＭＳ装置は、前記運動可能な微細機械加工部材及び前記機械的構造の少なくとも一部分が配設される真空空洞を形成するカプセル化構造を備える、請求項１３に記載のＭＥＭＳ装置を製造する方法。
  19. 前記機械的構造は、折り畳まれたテザーを含む、請求項１３に記載のＭＥＭＳ装置を製造する方法。
  20. 前記方法は、ジュール加熱電流が前記伝導経路を介して伝導された際に、少なくとも７００℃の温度に前記運動可能な微細機械加工部材を加熱するための断熱及び電気抵抗率を提供するように前記機械的構造を形成することをさらに含む、請求項１３に記載のＭＥＭＳ装置を製造する方法。
  21. 前記電極は、縮退ドープ多結晶シリコンを含む、請求項１４に記載のＭＥＭＳ装置を製造する方法。
  22. 前記電極は、縮退ドープ単結晶シリコンを含む、請求項１４に記載のＭＥＭＳ装置を製造する方法。
  23. 前記抵抗領域は、前記電極の第１及び第２端子領域の間において延在すると共に前記第１及び第２端子領域を電気的に結合する前記電極の通路特徴を含み、前記通路特徴は、前記第１及び第２端子領域のいずれかよりも小さな断面積を有し、且つ、前記伝導経路内において前記第１及び第２端子領域と直列状態において結合されている、請求項１４に記載のＭＥＭＳ装置を製造する方法。
  24. 前記縮退ドープ半導体は縮退ドープシリコンによって形成される、請求項１４に記載のＭＥＭＳ装置を製造する方法。
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