JP7241817B2 - 微小電気機械共振器 - Google Patents
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Description
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。
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。
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。
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。
・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。
・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。
・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。
Claims (15)
- 集積回路であって、
基材と、
運動可能な本体を有する微小電気機械システム(MEMS)共振器と、
前記集積回路の外部の大気に対して前記運動可能な本体を密封するようにMEMS本体をカプセル化する1つ以上の材料と、
前記集積回路の外部にある電気端子とを備え、前記集積回路は、
圧電材料層と、第1の縮退ドープシリコン層と、第2の縮退ドープシリコン層とを有し、あらゆる金属層を有さない前記運動可能な本体と、
前記運動可能な本体を前記基材に結合するテザーとを含み、
前記電気端子は、前記MEMS共振器の共振周波数を調節するように前記テザーを介して前記運動可能な本体の少なくとも1つの層の構造特性のカプセル化後ジュール加熱に基づいた変更を提供し、
前記第1の縮退ドープシリコン層及び前記第2の縮退ドープシリコン層は、共振器電極として機能する、
集積回路。 - 前記共振周波数の調節に続く前記電気端子の使用を阻止するための手段をさらに含み、それによって、前記電気端子は、前記集積回路の設置の後に前記MEMS共振器の前記共振周波数をさらに調節するために使用できず、前記手段は、(a)前記集積回路の設置後の使用中の前記電気端子のオープン接続と、(b)前記集積回路の設置後の使用中の第2の電気端子との前記電気端子の接続の短絡であって、前記第2の端子は、前記MEMS共振器の共振運動を駆動するための駆動信号又は前記MEMS共振器の感知運動を示す感知信号のうちの少なくとも1つを提供する、短絡とのうちの少なくとも1つを含む、請求項1に記載の集積回路。
- 前記集積回路は、周波数チューニング及び周波数バックチューニングプロセスの選択的使用を含み、それにより、前記共振周波数を上向き又は下向きのいずれかに選択的に調節する、請求項1又は2に記載の集積回路。
- 前記圧電材料層は、負の1次周波数温度係数(TCF)を有し、前記第1の縮退ドープシリコン層又は前記第2の縮退ドープシリコン層のうちの少なくとも1つは、正のTCFを有する、請求項1~3のいずれか一項に記載の集積回路。
- 前記第1の縮退ドープシリコン層又は前記第2の縮退ドープシリコン層のうちの少なくとも1つは、N型ドーパントで縮退ドープされる、請求項1~4のいずれか一項に記載の集積回路。
- 前記圧電材料層は、窒化アルミニウムを含む、請求項1~5のいずれか一項に記載の集積回路。
- 熱処理値のカプセル化後プログラミングを受け取るための回路及びプログラミングされた熱処理値に依存する形でジュールに基づいた加熱を生成するための回路の存在をさらに含む、請求項1~6のいずれか一項に記載の集積回路。
- 前記熱処理値は、(a)前記ジュールに基づいた加熱を生成するために使用される電圧又は電流に加えられる振幅値、持続時間値又は周波数値、又は(b)前記ジュールに基づいた加熱の印加と関連して提供される加熱又は冷却のうちの1つの対する比率値のうちの少なくとも1つを表す、請求項7に記載の集積回路。
- 前記電気端子は第1の電気端子であり、前記集積回路は、前記集積回路の外部にある第2の電気端子をさらに含み、
前記テザーは第1のテザーであり、前記集積回路は、前記第1のテザーを含む1つ以上のテザーを含み、
前記第1の電気端子は、前記第1の縮退ドープシリコン層の構造特性のカプセル化後ジュール加熱に基づいた変更を提供し、前記第2の電気端子は、前記第2の縮退ドープシリコン層の構造特性のカプセル化後ジュール加熱に基づいた変更を提供し、
前記第1の電気端子及び前記第2の電気端子のうちの少なくとも1つは、互いに独立して制御可能であり、それによって、前記第1の縮退ドープシリコン層及び前記第2の縮退ドープシリコン層のうちの少なくとも1つを、前記第1の縮退ドープシリコン層及び前記第2の縮退ドープシリコン層の互いに対してその構造特性を選択的に変更することができる、請求項1~8のいずれか一項に記載の集積回路。 - 前記電気端子は第1の電気端子であり、前記集積回路は、前記集積回路の外部にある第2の電気端子をさらに含み、
前記第1の電気端子は、前記第1の縮退ドープシリコン層に電気的に結合され、前記第2の電気端子は、前記第2の縮退ドープシリコン層に電気的に結合され、前記第1の縮退ドープシリコン層は、第1の電極として作用し、前記第2の縮退ドープシリコン層は、第2の電極として作用し、
前記第1の電気端子及び前記第2の電気端子は、前記第1の電極及び前記第2の電極を介して及び前記第1の電極と前記第2の電極との間の静電容量性結合を介して、前記ジュール加熱に基づいた変更の高周波(RF)制御を提供する、請求項1~8のいずれか一項に記載の集積回路。 - 前記テザーは第1のテザーであり、前記集積回路は、
前記運動可能な本体を前記基材に結合する第2のテザーと、
幅Wを有する前記運動可能な本体と、
前記第1のテザー及び前記第2のテザーが前記運動可能な本体の前記幅を前記基材に結合する寸法に沿った前記第1のテザー及び前記第2のテザーのそれぞれの最短の長さLであって、2*LはW以上である、最短の長さLとを含む、請求項1~10のいずれか一項に記載の集積回路。 - 前記第1の縮退ドープシリコン層は、ドープ単結晶シリコン層であり、前記2の縮退ドープシリコン層は、ドープポリシリコン層である、請求項1~11のいずれか一項に記載の集積回路。
- 基材と、運動可能な本体を有する微小電気機械システム(MEMS)共振器と、前記集積回路の外部の大気に対して前記運動可能な本体を密封するようにMEMS本体をカプセル化する1つ以上の材料と、前記集積回路の外部にある電気端子とを有する集積回路を製造する方法であって、前記方法は、
圧電材料層と、第1の縮退ドープシリコン層と、第2の縮退ドープシリコン層とを有し、あらゆる金属層を有さないように前記運動可能な本体を形成し、それによって、テザーが前記運動可能な本体を前記基材に結合することと、
前記MEMS共振器の共振周波数を調節するように、カプセル化後ベースで、前記電気端子を介して、前記運動可能な本体の少なくとも1つの層の構造特性を変更するように基づいたジュール加熱を提供することとを含み、
前記第1の縮退ドープシリコン層及び前記第2の縮退ドープシリコン層は、共振器電極として機能する、
方法。 - 前記共振周波数の調節に続く前記電気端子の使用を阻止することをさらに含み、それによって、前記電気端子は、前記集積回路の設置の後に前記MEMS共振器の前記共振周波数をさらに調節するために使用できず、前記阻止することは、(a)前記集積回路の設置後の使用中の前記電気端子のオープン接続を提供することと、(b)前記集積回路の設置後の使用中の第2の電気端子との前記電気端子の接続を短絡させることであって、前記第2の端子は、前記MEMS共振器の共振運動を駆動するための駆動信号又は前記MEMS共振器の感知運動を示す感知信号のうちの少なくとも1つを提供する、短絡することとのうちの少なくとも1つによって達成させる、請求項13に記載の方法。
- 前記提供することは、周波数チューニング及び周波数バックチューニングプロセスの選択的使用を含み、それにより、前記共振周波数を上向き又は下向きのいずれかに選択的に調節する、請求項13又は14に記載の方法。
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