KR102456999B1 - 마이크로기계식 공진기 및 마이크로기계식 공진기의 트리밍 방법 - Google Patents
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Abstract
본 개시는 마이크로기계식 공진기, 그 공진기를 위한 공진기 소자, 및 그 공진기를 트리밍 하기 위한 방법을 기술한다. 상기 공진기는 소정의 길이, 폭 및 두께를 갖는 공진기 소자를 포함하고, 상기 길이와 폭은 공진기 소자의 일 평면을 정의한다. 상기 공진기 소자는 그 공진기 소자의 평면에 적어도 2개의 영역들(52, 53)을 가지며, 상기 적어도 2개의 영역들은 서로 다른 두께를 갖는다.
Description
본 발명은 마이크로기계식 공진기 및 발진기(micromechanical resonators and oscillators)에 관한 것으로, 더 상세하게는, 공진기 및 발진기의 주파수 및 주파수 온도 계수의 제어에 관한 것이다.
제조 과정에서의 비정상적인 요인들(예를 들어, 재료 층의 두께의 변화 및 패터닝 및 에칭 공정의 불균일성)로 인하여, 공진기의 주파수 및 주파수 온도 계수(temperature coefficient of frequency: TCF)는 그의 목표 값으로부터 벗어날 수도 있다. 높은 정밀도의 타이밍을 요하는 응용 분야일 경우, 이러한 속성들은 그 응용 분야에 따른 정확성을 갖도록 어떤 방식으로 수정될 필요가 있을 수도 있다. 그러나 이러한 목표를 경제성 있게 달성하기는 어려울지도 모른다.
수정 공진기(Quartz resonators)는 주파수를 측정하고, 주파수를 모니터링 하면서 레이저로 금 전극 부품을 에칭(etching) 및/또는 트리밍(trimming)함으로써 정확한 주파수로 개별적으로 트리밍 될 수 있다. 실리콘에 기초한 마이크로기계식 공진기의 경우, 공진기의 주파수 및 온도 특성은 메모리에 기록될 수 있으며, 비-정밀 공진기 주파수가 동일하게 유지된다고 가정하면 주문형 반도체(ASIC) 상의 주파수 합성기가 원하는 발진 주파수를 생성하기 위해 사용될 수 있다. 그러나 이 방법의 단점은 전력 소비가 증가하고 또한 위상 잡음 성능이 저하된다는 것이다.
본 발명의 목적은 전술한 단점을 완화하기 위하여 마이크로기계식 공진기 소자(resonator element), 및 공진기의 트리밍(trimming) 방법을 제공하는 것이다. 본 발명의 목적은 후술하는 독립 청구항에 기술된 것을 특징으로 하는 공진기 및 그 방법에 의해 달성된다. 본 발명의 바람직한 실시 예들은 종속 청구항에 개시되어 있다.
공진기의 주파수 및 주파수 온도계수(TCF)는, 패턴화 방식으로 공진기의 상부로부터 재료를 제거함으로써, 즉 그 공진기의 상부에서의 상이한 부위들로부터 재료가 제거되도록 함으로써, 서로 독립적으로 조절될 수 있다. TCF는 공진기 중심에서 가운데의 최적의 크기의 영역(들)에서 재료를 제거함으로써 조절될 수 있다. 상기 크기를 최적화함으로써 공진기 주파수에 영향을 미치지 않고 TCF를 변경할 수 있다. 다른 한편으로, 공진기 주파수는 공진기 모서리 부근의 주변 영역에서 재료를 제거함으로써 조절될 수도 있으며, 이 경우 TCF는 전혀 영향을 받지 않을 수도 있다. 패턴화된 물질의 제거는, 예를 들어, 레이저 절제술(laser ablation) 또는 마스크 이온 빔 에칭(masked ion beam etching)에 기초하여 수행될 수 있다.
본 개시에 따른 공진기 소자는 공진 주파수 및 TCF가, 예컨대, 2개의 연속적인 트리밍 과정들로써 서로 독립적으로 조절되도록 한다. 이것은 조절 과정을 현저하게 단순화할 수 있다. 본 개시에 따른 공진기 소자는 능동형 PLL-기반의 주파수 합성이 필요 없는 완전한 수동 요소로서 마이크로기계식 공진기를 제조하는 것을 가능하게 한다. 그 결과, 마이크로기계식 공진기는 수정 공진기에 대해 핀-대-핀 호환(pin-to-pin compatible)이 가능하게 형성될 수도 있다.
이하, 본 발명은 첨부한 도면들을 참조하여 바람직한 실시 예에 의해 더 상세히 기술될 것이다.
도 1은 평면내 확장 모드(in-plane extensional mode)의 공진기 스택의 예시적인 단면을 도시한다.
도 2a는 본 개시에 따른 길이-확장 플레이트 공진기에서의 주파수 조절 영역의 예시적인 길이 방향 단면을 도시한다.
도 2b는 도 2a의 공진기 소자의 단순화 된 스프링-질량 유추(spring-mass anology) 관계를 도시한다.
도 3a 내지 3d는 공진기 주파수에 대한 적어도 2개의 영역들의 표면적 간의 비율의 예시적인 효과를 도시한다.
도 4a 내지 4e는 공진기 소자에서 상이한 두께를 갖는 영역들의 형상 및 위치를 선택하기 위한 또 다른 접근 방법을 예시한다.
도 5a 및 5b는 본 개시에 따른 예시적인 LE 모드 빔 공진기를 예시한다.
도 6a 내지 6c는 본 개시에 따른 예시적인 플레이트 공진기를 도시한다.
도 7은 도 5a에 도시된 패턴에 대해 상보적인 패턴을 사용하는 예시적인 공진기 구성을 도시한다.
도 8은 베이스 층만을 포함하는 공진기 소자의 예시적인 단면을 도시한다.
도 9는 본 개시에 따른 공진기의 예시적인 실시 예의 단면을 도시한다.
도 10a 내지 10d는 본 개시에 따른 공진기 소자들의 다수의 예시적인 단면들을 도시한다.
도 11a 내지 11d는 본 개시에 따른 공진기 소자들의 다수의 예시적인 평면도를 도시한다.
도 1은 평면내 확장 모드(in-plane extensional mode)의 공진기 스택의 예시적인 단면을 도시한다.
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도 5a 및 5b는 본 개시에 따른 예시적인 LE 모드 빔 공진기를 예시한다.
도 6a 내지 6c는 본 개시에 따른 예시적인 플레이트 공진기를 도시한다.
도 7은 도 5a에 도시된 패턴에 대해 상보적인 패턴을 사용하는 예시적인 공진기 구성을 도시한다.
도 8은 베이스 층만을 포함하는 공진기 소자의 예시적인 단면을 도시한다.
도 9는 본 개시에 따른 공진기의 예시적인 실시 예의 단면을 도시한다.
도 10a 내지 10d는 본 개시에 따른 공진기 소자들의 다수의 예시적인 단면들을 도시한다.
도 11a 내지 11d는 본 개시에 따른 공진기 소자들의 다수의 예시적인 평면도를 도시한다.
본 개시는 마이크로기계식 공진기I(micromechanical resonator) 및 이러한 공진기를 트리밍하는 방법을 기술한다. 본 개시는 또한 마이크로기계식 공진기를 위한 공진기 소자를 기술한다.
본 개시에 따른 마이크로기계식 공진기는 지지 구조체 및 상기 지지 구조체에 매달린 공진기 소자(resonator element)를 포함한다. 공진기 소자는 소정의 길이, 너비 및 두께(즉, 높이)를 갖는다. 이들 치수 각각은 서로 수직을 이루도록 정의될 수 있다. 상기한 길이 및 폭은 공진기의 일 평면을 정의하는 것으로 간주 될 수 있다. 공진기의 평면은 일반적으로 공진기 디바이스가 제조되는 웨이퍼와 동일 평면에 있다. 상기 두께는 공진기의 평면에 수직으로 연장될 수도 있다. 상기 길이와 너비가 같지 않을 경우, 길이가 더 긴 치수를 나타낼 수도 있다. 상기 길이 및 폭은, 예를 들면, 수백 마이크로미터(μm)의 범위일 수 있다. 상기 두께는, 예를 들면, 수(> 3) 마이크로미터 내지 수십 마이크로미터의 범위일 수 있다.
공진기 소자는, 예를 들어, 빔 또는 플레이트의 형태일 수도 있다. 여기서, "빔(beam)"이라는 용어는 평면내 종횡비(in-plane aspect ratio)(길이 대 폭)가 적어도 5인 공진기 소자를 지칭하는 것으로 간주 될 수 있다. 종횡비는 전형적으로는 적어도 10이다. "종횡비(aspect ratio)"라는 용어는 공진기의 제1 평면내 치수(즉, 공진기의 평면에서 연장되는 제1 치수) 대 제1 평면내 치수에 수직인 공진기의 제2 평면내 치수의 최대로 획득 가능한 비(largest obtainable ration)를 의미한다. 대안으로, 공진기 소자는 공진기의 평면에서 공진기 소자의 주축 방향으로 연장되는 플레이트일 수도 있다. 본 개시와 관련하여, 어느 한 소자의 "주축(main axis)"이라는 용어는 소자의 신장 및/또는 대칭의 축을 의미한다. 예를 들어, 직사각형 또는 정사각형의 주축은 공진기의 평면에 그 방향이 배열되고 그의 대칭 축과 일치한다. 빔의 주축은 빔의 긴 방향을 따른다. 공진기 소자의 주축은 공진기 디바이스가 제조되는 웨이퍼의 [100] 결정 방향과 정렬되거나, 아니면 그 [100] 결정 방향으로부터 25도 미만으로 벗어날 수도 있다.
상기 플레이트는 공진기의 평면에서 직사각형 형상을 가질 수 있다. 예를 들어, 이것은 사각형의 플레이트일 수 있다. 상기 플레이트는 또한 다각형, 원형 또는 타원형일 수도 있다. 이러한 플레이트의 종횡비(길이 대 폭)는 5 미만이다. 상기 플레이트는 공진기의 평면에 평행하게 연장되는 상부 표면(즉, "상부")과 하부 표면(즉, "바닥")을 가질 수 있다.
공진기는 적어도 하나의 앵커(anchor)에 의해 지지 구조체에 매달릴 수도 있다. 본 개시와 관련하여, 공진기를 "매달리게 하는 것(suspending)"은 공진기의 적어도 일부가 원하는 공진 모드에서 지지 구조체에 대해 이동 가능한 방식으로 공진기를 고정하는 것을 의미한다. 이러한 매달리게(서스펜딩) 하는 구조는 그 공진기의 일부를 하나 또는 다수의 앵커 요소들을 통해 지지 구조체에 직접 연결함으로써 이루어질 수 있는데, 이 앵커 요소들은 전형적으로 지지 구조체와 공진기 사이의 폭이 좁은 브리지(bridge)들이다. 이러한 공진기의 서스펜딩 방식의 구조는 원하는 공진 모드가 공진기 소자에 발현될 수 있게 해주는 임의의 적절한 위치에서 수행될 수 있다.
공진기 요소는, 예컨대, 확장 모드(extensional mode), 굴곡 모드(flexural mode) 또는 비틀림 모드(torsional mode)에서 (지배적으로) 공진하도록 구성될 수 있다. 플레이트 공진기 소자에서, 공진 모드는, 예를 들어, 정사각형 확장(square extensional: SE) 모드, 길이 확장(length extensional: LE) 모드, 폭 확장(width extensional WE) 모드 또는 굴곡 모드일 수 있다. 빔 공진기 소자에서, 공진기 모드는, 예를 들어, 신장 모드, 굴곡 모드 또는 비틀림 모드일 수 있다.
공진기 요소는 모노리식(monolithic)(즉, 단일 물질로 이루어진)일 수 있다. 공진기 소자는, 예를 들어, 반도체 물질로 제조될 수도 있다. 상기 반도체 물질은, 예를 들어, 실리콘일 수도 있다. 공진기는, 예를 들어, 정전기적 공진기(실리콘만으로 이루어진 공진기)일 수도 있다. 상기 반도체 물질은 도핑 되지 않거나(non-doped), 균일하게 도핑 되거나(homogenously doped), 또는 상이한 도핑을 갖는 층들을 포함할 수도 있다.
대안적으로, 공진기 소자는 모노리식 구조 대신 복합적 구조일 수도 있다. 예를 들어, 공진기 소자는 하나 또는 다수의 상이한 재료의 하나 또는 다수의 추가적인 층들이 그 위에 적층 되는(예컨대, 도금 또는 성장에 의해) 베이스 빔 또는 플레이트를 포함할 수도 있다. 공진기는, 예를 들어, 그 추가적 층들이 피에조-활성화 여기 수단(piezo-active excitation means)으로 작용하는 압전 구동형(piezoelectrically actuated) 공진기일 수 있다. 공진기 소자는, 예를 들어, 질화알루미늄(aluminium nitride: AlN) 층, 및 실리콘베이스 층의 상부에 적층 된 몰리브덴(Mo) 층을 포함할 수도 있다. 질화알루미늄(AlN) 층은 압전 층으로 작용할 수 있고, 몰리브덴(Mo) 층은 전극 층으로 작용할 수 있다.
제조 시의 비-이상적 요인들로 인하여 공진기의 주파수와 TCF는 그의 목표 값에서 벗어날 수도 있다. 전형적인 주파수 변동(표준편차)은 그의 원하는 값에서 500-1000ppm(parts per million)일 수 있으며, TCF의 전형적인 변화는 그것의 원하는 값에서 ±0.5ppm/℃일 수 있다. 고정밀을 요하는 타이밍 응용분야일 경우, 이러한 특성은 해당 애플리케이션에 따른 정확성으로 어떤 방식으로든 수정될 필요가 있을 수도 있다. 예를 들어, 어떤 애플리케이션들에서는, 바람직한 주파수 편차는 +/-100 또는 바람직하게는, +/-20ppm 범위 내일 수도 있고, 바람직한 TCF 편차는 적어도 0.1ppm/℃ 이내일 수도 있다.
본 개시의 관점에서, 온도 계수는 특정 온도(예를 들어, 25℃)에서 정의되는 선형 TCF, 즉 주파수-대-온도 특성 곡선의 1차 도함수를 나타낸다. 이차 TCF(즉, 2차 TCF)는 특정 온도(예컨대, 25℃)에서 정의된 주파수-대-온도 특성 곡선의 2차 도함수이다. 상기한 선형 및 이차 TCF 항은 특정 온도, 전형적으로 실온 (25℃)에서 정의될 수 있다. 이차 온도 계수로부터의 효과는 선형 TCF로부터의 효과와 비교하여 무시할 만한 것으로 간주 될 수도 있으며, 본 개시에서는 더 이상은 논의되지 않는다. 이상적으로는, 선형 TCF는 0이다. 현재의 관점에서 선형 TCF의 "제로화(zeroing)"라는 용어는 선형 TCF의 절대치를 미리 정의된 수준 아래로 감소시키는 것을 의미한다.
공진기 주파수와 그의 TCF를 트리밍 하기 위한 하나의 접근 방법은 비-패턴화 트리밍(non-patterned trimming), 즉, 공진기 상단에서 재료를 균일하게 제거하는 기법을 사용하는 것이다. 그러나 이 방법에서는 주파수의 변화가 TCF의 변화와 결부된다. 도 1은 예시적인 평면내 확장 모드 공진기 스택의 단면을 도시한다. 상기 스택은 실리콘(Si) 베이스 층 (10), 질화알루미늄(AlN) 층(11), 및 몰리브덴(Mo) 층으로 이루어진 3개의 층을 포함한다. Si, AlN 및 Mo 층의 두께는 각각 15/0.8/0.3μm이다. 도 1에서 100nm까지의 상부 몰리브덴의 제거는 공진기의 전기적 성능을 떨어뜨리지 않는다(초기 두께의 30%). 공진기에 대하여 평행 스프링-질량 근사법(parallel spring-mass approximation)을 사용함으로써 개별적 층 특성 f i , TCF i 및 m i 의 함수로서 주파수(f)와 TCF에 대한 다음과 같은 질량 가중치 평균이 사용될 수 있다.
예를 들어, +/-3000ppm 범위에서 공진기 주파수의 편차(deviation)를 보정할 수 있는 것이 바람직할 수도 있다. TCF에 대한 유사한 편차 범위는 +/- 0.5ppm/℃ 정도일 수 있다. 아래의 표 1은 도 1의 몰리브덴(Mo) 층으로부터의 재료의 제거에 의해 야기된 예시적인 효과를 도시한다. 표 1에서, 주파수의 변화 df 및 TCF의 변화 dTCF는 제거된 몰리브덴의 함수로서 나타나 있다.
표 1에서 최대 100nm의 상부 몰리브덴 제거로써 원하는 수준의 주파수 또는 TCF의 변화가 달성될 수 있다. 그러나 주파수 변화와 TCF 변화 사이의 결합 관계는 명백하다. 예를 들어, 약 3000ppm의 주파수 편이가 요구된다면, 대략 50nm의 몰리브덴이 제거되어야 할 것이다. 그러나 이것은 TCF의 0.4ppm/℃의 변화로 이어진다.
주파수 변화를 TCF 변화로부터 분리시키기 위해, 본 개시에 따른 패턴화 트리밍(patterned trimming) 방법이 사용될 수 있다. 본 개시에 따른 방법은 공진기의 평면에서 공진기 소자에 적어도 2개의 영역을 형성함으로써 패턴화 트리밍을 구현할 수 있다. 상기한 적어도 두 개의 영역들은 상이한 두께를 가질 수도 있다. 상기 두께는 목표 값에 대한 공진기 주파수의 편차 및/또는 목표 값에 대한 공진기 주파수의 선형 온도 계수의 편차에 응답하여 선택될 수 있다.
상기 적어도 2개의 영역은, 예를 들어, 하나 또는 다수의 중심 영역 및 하나 또는 다수의 주변 영역의 형태일 수 있다. 상기 중앙 영역(들)은 주변 영역(들)보다 공진기 소자의 질량 중심(길이 방향 및 폭 방향의 대칭축과 일치할 수도 있음)에 더 근접하도록 고려될 수 있다. 상기 중심 영역은 공진기 소자의 질량 중심에 중심이 맞춰질 수도 있다. 공진기의 평면에서, 중앙 영역은 직사각형 형상을 가질 수 있다. 대안적으로, 중앙 영역은 상이한 대칭 형태를 가질 수도 있다.
대조적으로, 주변 영역(들)은 중심 영역보다 빔 구조물의 질량 중심으로부터 더 멀리, 공진기 모서리들 근처에 위치하는 것으로 고려될 수도 있다. 본 개시에 따른 공진기 소자는 다수의 주변 영역들을 포함할 수 있다. 예를 들어, 2개의 주변 영역들이 중앙 영역의 2개의 마주하는 측면에 배치될 수 있다. 대안적으로, 주변 영역은 중앙 영역 주위에 균일한 루프 형상의 영역을 형성할 수도 있다. 주변 영역(들)은 공진기 소자의 길이 방향의 대칭축 및 폭 방향의 대칭축에 대해 대칭일 수도 있다.
본 개시에 따른 공진기의 제1 양태 및 그 방법에 있어, 공진기는 공진기 소자의 적어도 하나의 주변 영역 내에 주파수 조절(frequency-adjusting) 영역을 형성하는 것을 포함하는 패턴화 주파수 조절 트리밍(patterned frequency adjustment trim)으로 조정될 수도 있다.
도 2a는 본 개시에 따른 길이-확장형 플레이트 공진기에서의 주파수 조절 영역의 예시적인 길이 방향의 단면을 도시한다. 도 2a에는 도 1의 구조와 유사한 공진기 소자가 도시되어있다. 그러나 상기한 구조의 모서리 근방의 물질이 제거되었고, 이렇게 함으로써 별개의 주파수 조절 영역(20)을 형성한다.
도 2b는 도 2a의 공진기 소자의 단순화 된 스프링-질량 유추(spring-mass analogy)를 도시한다. 도 2b에서, 2개의 스프링들(21)은 직렬로 연결된다. 2개의 질량들(22)은 그 스프링들(21)의 자유단에 연결된다. 상기 유추 관계에 따르면, 플레이트 공진기 소자의 중심 영역은 늘어나지만 현저히 이동하지는 않는 반면, 플레이트 공진기의 주변 영역은 이동하지만 현저하게 늘어나지는 않는다. 공진기의 가장자리에 있는 물질은 대부분 질량 요소로 작용하며 그것의 스프링에 대한 기여는 무시해도 될 정도로 간주 될 수 있다.
온도 의존성은 스프링 부분으로부터 오는 것으로 간주 될 수 있다. 따라서, 플레이트 공진기의 두께가 공진기의 주변 근방의 영역에서만 조절된다면, TCF와 독립적으로 공진기의 주파수가 조절될 수도 있다. 상기 주파수 조절 영역의 표면적은 상기 주파수 조절 영역의 두께를 조절함으로써 설정된 편차 범위 내에서 상기 공진기 주파수의 임의의 편차에 도달하기에 충분히 크도록 선택되고, 또한 상기 주파수 조절 영역의 두께는 공진기 주파수의 편차에 응답하여 조절될 수 있다.
동시에, 그 표면적은 주파수-조절 영역이 공진기 소자의 선형 TCF에 단지 무시해도 될 정도의 효과를 갖도록 충분히 작게 선택될 수 있다. 주파수-조절 영역의 표면적은, 예를 들면, 공진기의 평면에서 공진기의 단면의 총 표면적의 20% 또는 그 아래(바람직하게는 10% 이하)일 수 있다. 도 2에서, 주파수-조절 영역(20)의 길이(l2)의 합은 플레이트 공진기의 전체 길이(l1)의 10% 일 수 있다. 표 2는 도 2의 공진기 주파수에서의 변화 df의 예시적인 값을 상기 제거된 몰리브덴의 기능으로서 나타낸다. 표 2는 100nm의 물질 제거로 약 3000ppm의 변화를 실현할 수 있다는 것을 나타낸다(TCF에 대한 단지 무시해도 될 정도의 영향을 가짐).
본 개시에 따른 공진기 및 방법의 제2 양태에 있어, 중앙 영역(들) 및 주변 영역(들)의 두께는 공진기 주파수의 온도 계수의 목표 값에 대한 편차에 응답하여 선택될 수 있다.
공진기의 공진기 소자는 제1층을 포함하는 베이스 층 구조를 포함할 수 있다. 공진기 소자는 베이스 층 구조의 상부에 제2층을 더 포함할 수 있다. 제1층 및 상기 제1층 상부의 제2층의 재료는 상기 제1층 및 제2층의 선형 온도 계수가 반대 부호를 갖도록 선택될 수 있다. 대안으로, 반대 부호의 선형 TCF 값을 갖는 제1층 및 제2층은 모노리식(monolithic) 공진기 구조로 형성될 수 있다. 선형 TCF 값은 제1층과 제2층 사이에서 급격하게 변하거나 그 TCF 값이 점진적으로 변할 수도 있다. 이러한 관점에서, 공진기 소자의 층(또는 영역)의 "선형 TCF 값"(즉, "선형 온도 계수")이라는 용어는, 그것이 완전히 상기 층으로만 이루어진다면 갖게 될 공진기 소자의 선형 TCF를 지칭한다. 달리 말하면, "선형 TCF 값"은 유사한 공진 모드에서 공진하지만 상기 층의 재료로만 이루어진 유사 치수의 공진기 소자의 선형 TCF를 지칭한다. 본 개시에서, "선형 TCF 값" 및 "선형 온도 계수"라는 용어들은 상호 교환 가능하게 사용될 수도 있을 것이다.
공진기 소자가 반대 부호의 선형 TCF 값을 갖는 제1층 및 제2층을 갖는 경우, 그 두 층의 TCF 값은 서로 보상한다. 제1층은, 예를 들어, 실리콘 또는 다른 반도체 물질로 제조될 수 있다. 그의 선형 TCF는, 예를 들어, 약 +10ppm/℃일 수 있다. 제2층은 몰리브덴과 같은 금속으로 제조된 전극 층일 수 있다. 몰리브덴 층의 선형 TCF는, 예를 들어, 약 -30ppm/℃일 수 있다. 그러나 제1 및 제2층은 다른 물질로 제조될 수도 있다. 예를 들어, 제1 및 제2층은 둘 다 가능하면 상이한 도핑을 갖는 동일하거나 상이한 반도체 물질료일 수 있다.
제2층은 공진기 소자의 평면에 적어도 2개의 영역을 포함할 수 있다. 상기 적어도 2개의 영역은 상이한 두께를 가질 수 있다. 상기 적어도 2개의 영역은, 예를 들어, 적어도 하나의 제2층의 적어도 일부의 두께를 변화시킴으로써 형성될 수 있다.
상기 적어도 2개의 영역들의 두께 간의 차이는 영과 같은 원하는 값으로부터의 선형 온도 계수의 편차에 응답하여 조절될 수 있다. 상기 TCF 조절은 공진기 주파수에 영향을 주지 않고 이루어질 수 있다. 상기 적어도 2개의 영역의 형상 및 위치는 공진기 주파수에 대하여 상기 적어도 2개의 영역의 두께 간의 차이의 효과가 최소화되도록 선택될 수 있다.
도 3a 내지 3d는 본 개시에 따른 방법의 제2 양태의 예시적인 실시 예들을 도시한다. 도 3a는 본 개시에 따른 공진기 소자의 예시적인 단면을 도시한다. 공진기 소자는 대칭축(A)에 대해 대칭이므로 그 단면의 단지 절반만 도시하고 있다. 도 3a는 반도체 물질로 제조된 제1층을 포함하는 베이스 층 구조(30), 및 상기 베이스 층 구조(30)의 상부의 제2층(31)을 도시한다. 도 3a의 제1 치수(l1)는 공진기의 빔 길이(그것의 절반)를 나타내고, 제2 치수(l2)는 제거된 제2층(31)의 일부분, 즉 홀 크기(hole size)를 나타낸다. 도 3a의 공진기는, 예를 들어, 베이스 층 구조(30)로서 15um 두께의 실리콘 빔과, 제2층(31)으로서 0.3um 두께의 몰리브덴층을 갖는 LE 모드 공진기일 수 있다. 선택적으로, 상기 베이스 층 구조(30)는 Si+AlN(또는 임의의 더 복합적인 복합형 공진기)의 스택일 수 있다.
도 3b는 도 3a의 공진기의 표면적(또는 길이 l2) 변화의 함수로서 공진기 주파수가 어떻게 변화하는지를 보여준다. 이 예시는 수치 유한요소 시뮬레이션(numerical finite element simulation)에 입각한다. 도 3b에서, 처음에는 제2층(31)은 존재하지 않는다. 공진기는 초기의 제1 주파수(f1)에서 공진한다. 제2층(31)이 추가될 때, 공진기는 초기 주파수 f1보다 낮은 새로운 제2 주파수 f2에서 공진한다. 이것은 도 3b의 점 a에 의해 시각화된다. 공진기의 중심으로부터 재료가 제거될 때(즉, l2가 0으로부터 증가하기 시작할 때), 주파수는 제2층(31)의 나머지 부분이 질량으로서 더 많이 작용함에 따라 더욱 감소한다. 이것은 도 3b의 점 b로 시각화된다. 그렇지만, 만일 더 많은 물질이 제2층(31)으로부터 제거되면(즉, l2가 더욱 증가하면), 더 작은 질량 부하(mass loading)가 존재하므로, 공진기의 주파수는 상승하기 시작한다. 궁극적으로, 제2층 전체가 제거되고 나면, 주파수는 초기 주파수(f1)로 되돌아간다. 이것은 도 3b의 점 c에 의해 시각화된다. 따라서, 점 b와 c 사이의 특정 값에서 상기 홀 크기(hall size)는 공진기가 제2 주파수(f2)에서 공진하는 값을 갖는다. 이것은 도 3b의 점 S로 시각화된다. 도 3a의 공진기에 있어 최적 홀 크기(l2 = S)는 빔 길이의 75%이었다.
도 3a에서, 제2층(31)의 전체 두께가 홀 영역(12)으로부터 제거되었다. 그러나 대칭성 때문에 제2층의 부분적 제거(300nm의 전체 두께에서 100nm와 같은)가 유사한 방식으로 작용한다. 도 3c는 제2층(31)의 두께의 일부만이 제거되는 공진기 소자의 예시적인 단면을 도시한다. 도 3c에서, 두께 h1의 홀이 제2층(31)에 형성되었다. 길이 방향으로, 상기 홀은 도 3a 및 3b에 도시된 것과 유사한 방식으로 공진기의 주파수를 유지하는 크기 l2를 갖는다. 시뮬레이션에서, 홀 크기 l2가 빔 길이의 최적으로 75%라고 가정하면, 제2층(31)의 100nm 제거에 대해 0.6ppm/℃의 변화가 얻어졌다. 이것은 TCF를 조절하기에 충분한 능력을 제공한다. 이 결과는 제2층 모두가 제거된 유사한 경우(홀 크기 l2는 빔 길이 l1의 100%임)와 비교되었다. TCF 변화는 5% 미만으로 증가했다.
대칭성 때문에 공진 주파수를 일정하게 유지하면서 TCF를 변경하기 위해 상보적인 패턴들(complementary patterns)을 형성할 수도 있다. 예를 들면, 도 3a 및 3c의 구성에 대해 상보적이고, 공진기 주파수를 유지하면서 TCF에만 영향을 미치는 패턴들을 형성하는 것이 가능하다. 이러한 관점에서 두 개의 TCF 보정 패턴들은 그의 중앙 영역과 주변 영역 사이에 동일한 경계를 가질 때 상보적이다. 그렇지만, 중심 영역과 주변 영역의 두께 사이의 관계가 역전된다. 달리 말하면, 어느 패턴이 주변 영역의 두께보다 큰 중앙 영역의 두께를 가질 경우, 상보적 패턴의 해당하는 중심 영역의 두께는 그 상보적 패턴의 해당 주변 영역의 두께보다 작다. 도 3d는 두 개의 상보적 패턴을 보여준다. 이들 패턴들은 경계 B에 의해 정의되는 중심 영역 및 주변 영역을 한정한다. 그렇지만, 도 4d의 상부 패턴에서 중앙 영역은 더 낮은 두께를 갖는 반면, 도 4d의 하부 패턴에서는 주변 영역이 더 얇다.
도 4a 내지도 4e는 적어도 2개의 TCF 변경 영역들의 형상 및 위치를 선택하기 위한 다소 다른 접근법을 도시한다. 형상 및 위치는 공진기 주파수에 대하여 상기 적어도 2개의 영역의 두께 간의 차이의 효과가 최소화되도록 선택될 수 있다. 도 4a는 도 3a와 유사한 예시적인 단면을 도시한다. 그 기본 구조 및 층 재료는, 예를 들어, 도 3a 및 3b에서와 동일할 수도 있다. 도 4a는 제1의 베이스 층 구조(40)와, 상기 제1의 베이스 층 구조(40)의 상부의 제2층(41)을 도시하고 있다. 도 3a 내지 3d와 유사하게, 제2층(31)이 균일할 경우, 공진기는 새로운 제2 주파수(f2)에서 공진한다.
그렇지만, 도 3a와는 대조적으로, 제2층(41)의 일부는 도 4a의 공진기 소자의 중심 영역 및 주변 영역 모두에서 제거될 수 있다. 도 4a의 제1 치수(l1)는 공진기의 빔 길이(그것의 절반)를 나타낸다. 제2 치수(l2)는 중심 영역으로부터 제거된 제2층(41)의 제1부분을 도시한다. 제3 치수(l3)는 주변 영역으로부터 제거된 제2층(41)의 제2부분을 도시한다.
상기한 제3 치수(l3)가 영일 경우, 도 4a의 구성은 도 3a의 구성과 일치할 것이다. 따라서, 도 3b와 관련하여 논의된 바와 같이, 초기 주파수(f1) 미만의 공진기 주파수를 생성하는 제2 치수(l2)에 대한 값을 구하는 것이 가능할 것이다. 한편, 상기 제3 치수(l3)가 영으로부터 증가하기 시작하면(12를 일정하게 유지하면서), 제2층(41)의 나머지 부분이 더욱 작아짐에 따라 공진기의 주파수는 어떤 지점에서 제1 주파수(f1)에 근접하기 시작한다. 궁극적으로, 제2층(41) 전체가 제거되면, 결과적인 공진기 주파수는 제1 주파수(f1)이다. 결과적으로, 결과적인 공진기 주파수가 제2 주파수(f2)와 일치하면서 제2 치수(l2)와 제3 치수(l3)가 모두 0이 아닌 구성을 찾을 수 있다.
도 3d와 마찬가지로, 도 4a의 구성에 대해 상보적인 패턴을 이용할 수도 있다. 도 4b는 본 개시에 따른 공진기 소자의 이러한 상보적인 패턴의 예시적인 단면을 나타내고 있다. 제2층(41)은 도 4b에서 두 부분으로 되어 있다. 도 4b의 제1 치수(l1)는 공진기의 빔 길이(그것의 절반)를 나타낸다. 제2 치수(l2)는 제거된 제2층(31)의 일부분, 즉 홀 크기를 나타낸다. 제3 치수(l3)는 단면의 평면에서의 대칭축(A)으로부터 홀의 거리, 즉 홀 거리(hole distance)를 나타낸다. 도 4c는 도 4b의 제2 치수(즉, 홀 크기) 및 제3 치수(l3)(즉, 홀 거리)를 변경하는 효과에 대한 수치 유한요소 시뮬레이션에 기초한 단순화 된 도표를 예시한다. 도 4c는 제3 차원(l3)의 함수로서 5개의 상이한 구멍 크기(l2 = 10, 15, 20, 25 및 30μm)에 대한 곡선들을 도시한다(동일 도표상에 이들을 명료하게 나타내기 위하여 l3에 대한 임의의 오프셋이 상이한 곡선들에 추가되었음을 유념하여야 한다). 도 4c는 결과적인 공진기 주파수가 제2 주파수(f2)인 다수의 구성들(상이한 홀 크기 및 홀 거리를 갖는)을 찾는 것이 가능하다는 것을 보여준다.
또한, 도 4a 및 도 4b는 제2층(41)의 전체 두께를 제거하는 것을 도시하고 있지만, 도 3c 및 도 3d와 유사하게 제2층의 두께의 일부만을 제거하는 것도 가능하다. 도 4d 및 도 4e는 제2층(41)의 부분적인 제거의 예를 도시한다. 도 4d는 도 4a에 대응하고, 도 4e는 도 4b에 대응한다. 도 4d는 제2층(41)의 전체 두께의 일부분(h1 및 h2)만 제거된 것을 도시한다. 상기한 부분들(h1, h2)은 동일하거나 또는 서로 다를 수도 있다. 도 4e는 제2층(41)의 전체 두께의 일부분(h1)만이 제거된 것을 도시한다.
전술한 원리에 기초하여, 서로 독립적으로 마이크로기계식 공진기의 TCF 및 주파수를 제어하는 것이 가능하다. 그 트리밍 과정은 TCF만 트리밍하거나 아니면 주파수만 트리밍 하는 것을 포함할 수도 있다. 대안으로, TCF와 주파수 모두를 트리밍 할 수도 있다. 이하, 본 개시에 따른 마이크로기계식 공진기의 몇몇 실시 예들이 더 상세히 논의될 것이다.
도 5a 및 도 5b는 본 개시에 따른 예시적인 LE 모드 빔 공진기를 도시한다. 도 5a에는 상기 빔 공진기의 단면이 도시되어 있다. 도 5b는 빔 공진기의 평면도를 도시한다. 상기 빔은 길이 축(L)(도 5b에 도시됨)을 따라 연장되고, 중앙 영역(52) 및 빔의 마주하는 단부들 상에 형성된 주변 영역들(53)을 포함한다. 빔의 길이는 도 5a에서 l1이다. 중앙 영역(52)은 제2층(51)의 두께의 일부분으로 연장되는 홀을 형성한다. 그 홀의 크기는 12이다. 전술한 원리에 기초하여, 중심 영역(52)의 두께 변화(아니면, 대안적으로, 주변 영역(53)에 대한 변화)가 상기 빔의 선형 TCF를 변화하게 하지만, 그의 주파수에 대해 단지 무시해도 좋을 정도의(또는 존재하지 않은) 영향을 미치는, 중앙 영역(52)과 주변 영역(53) 사이의 비율을 구하는 것이 가능하다.
도 5a 및 도 5b는 상기 주변 영역이 주파수-조절 영역(54)을 더 포함하는 것을 도시하고 있다. 상기 주파수 조절 영역(54)은 빔의 단부들에 위치한 최외측 영역들이다. 주파수 조절 영역(54)의 표면적은 그 표면적이 주파수 조절 영역의 두께를 조절함으로써 원하는 편차 범위 내의 공진기 주파수의 임의의 편차에 도달하기에 충분히 크도록 선택된다. 그렇지만, 그와 동시에, 상기 주파수 조절 영역(54)은 충분히 작아서 주파수 조절 영역(54)의 두께 변화는 TCF에 대해서는 단지 무시할 수 있는 정도의 영향을 갖는다(이것이 검출된다 하더라도).
도 5a 및 도 5b는 일차원적 특성을 갖는 것으로 간주 될 수 있는 LE 모드 빔 공진기를 도시한다. 그러나 전술한 원리는 2차원적 특성을 갖는 마이크로기계식 공진기에도 적용 가능하다. 상기 공진기는, 예를 들어, LE, SE 또는 WE 모드에서 동작하도록 구성된 플레이트 공진기일 수 있다. 도 6a 내지 6c는 본 개시에 따른 몇몇 예시적인 플레이트 공진기들을 도시한다.
도 6a는 예시적인 WE 모드 플레이트 공진기를 도시한다. 공진기의 폭의 축(W)을 따르는 도 6a의 플레이트 공진기의 단면은, 예를 들어, 도 5a에 도시된 단면과 유사할 수도 있다.
도 6b는 예시적인 SE 모드 플레이트 공진기를 도시한다. 상기 공진기는 직사각형의 중앙 영역(62b)과, 그 중앙 영역 주위에 직사각형의 루프를 형성하는 주변 영역(63b)을 갖는다. 상기 주변 영역(63b)은 주파수 조절 영역(64b)을 포함한다. 그의 폭의 축(W) 및/또는 그의 길이 축 선을 따르는 도 6b의 플레이트 공진기의 단면은, 예를 들어, 도 5a에 도시된 단면과 유사할 수도 있다.
도 6b는 예시적인 SE 모드 플레이트 공진기를 도시한다. 상기 공진기는 타원형의 중앙 영역(62c)과, 그 중심 영역 주위에 하나의 루프를 형성하는 주변 영역(63c)을 갖는다. 상기 주변 영역(63c)은 주파수 조절 영역(64c)을 포함한다. 그의 폭의 축(W) 및/또는 길이 축을 따르는 도 6c의 플레이트 공진기의 단면은, 예를 들어, 도 5a에 도시된 단면과 유사할 수도 있다.
TCF 트리밍을 위한 상보적인 패턴과 관련하여, 상보적인 패턴을 이용하는 공진기 구성의 예시적인 실시 예가 다음에 설명된다. 도 7은 도 5a에 도시된 패턴에 상보적인 패턴을 사용하는 예시적인 공진기 구성을 도시한다. 도 7에서, 공진기 소자는 제1의 베이스 층 구조(71)와, 상기 베이스 층 구조(71)의 상부에 형성된 제2층(72)을 포함한다. 본 개시에 따른 패턴은 공진기 소자의 제2층(72)의 두께를 국부적으로 변경함으로써 형성되었다. 공진기 소자는 중앙 영역(72) 및 주변 영역(73)을 포함한다. 도 5a와 대조적으로 중앙 영역(72)은 주변 영역(73)보다 더 두껍다.
언뜻 보기에, 도 5a에 도시된 패턴에 상보적인 패턴을 사용하는 것이 유익하게 보이지 않을지도 모른다. 중앙 영역(72)과 주변 영역(73)의 크기 사이의 비율의 변화는 도 5a의 비-상보적 패턴을 사용하는 경우보다 TCF에 대한 영향이 더 작은데, 이는 가장 큰 스프링 기여를 하는 영역(중앙 영역)은 전혀 영향을 받지 않기 때문이다. 그러나 어떤 물질 조합들(예컨대, 더 단단한 제2층 재료가 트리밍 되는)의 경우, 그 최적 홀 크기는 상당히 더 작아서 상보적인 프로파일이 TCF를 수정하기 위한 더 좋은 방식이 될 수도 있다.
전술한 실시 예들은 대부분 확장 모드들(LE, WE, SE)의 경우를 기술하고 있지만, 본 개시에 따른 공진기는 또한 확장 모드가 아닌 다른 모드(들)에서 공진하도록 구성될 수도 있다. 예를 들어, 굴곡 및 비틀림 모드는 유사한 최적의 상부 층 트리밍 기하학적 구조(top layer trimming geometry)를 갖는데, 이때 TCF 조절은 주파수 조절과 분리될 수 있다. 동일한 개념이 더 높은 차수(배진동: overtone)의 모드에도 관련된다. 또한, 전술한 예들은 대부분 공진기 소자에서의 상이한 영역들의 두께를 제어함으로써 선형 TCF 및 주파수를 조절하는 것을 설명하고 있지만, 주파수(및 TCF)는 영역들의 크기를 제어함으로써 조절될 수도 있다. 예를 들면, 공진기 소자의 공진 주파수는 주파수-조절 영역의 면적을 변화시킴으로써(주파수-조절 영역의 두께를 일정하게 유지함과 동시에) 조절될 수도 있다.
본 개시에 따른 마이크로기계식 공진기 소자는 다양한 방법으로 제조될 수 있다. 본 개시에 따른 방법은, 공진기 소자의 베이스 층 구조의 표면 상부에 제2층 물질을 부가하는 과정과, 공진기 소자의 적어도 2개의 영역을 형성하기 위해 추가 층으로부터 물질을 제거하는 과정을 포함할 수 있다. 예를 들어, 레이저 절삭(laser ablation)이 트리밍 공정에 사용될 수 있다. 레이저 절삭에서 소량의 물질은 패턴 방식으로 제거될 수 있다. 공진기의 전형적인 횡 방향의 크기는 200x200 um 일 수 있고, 반면에 레이저 스폿은 직경이 약 1um 일 수 있으므로 그 공진기 상에 서로 다른 패턴의 "페인팅(painting)"이 실현 가능하다.
본 개시에 따른 레이저 절삭 기반의 트리밍은, 예를 들어, 두 단계를 포함할 수 있다. 제1단계에서, 공진기의 초기 주파수는 먼저 제1 온도에서 측정될 수 있다. 상기 제1 온도는 실온(25℃)일 수 있다. 이어서, 공진기의 온도는 제2 온도로 상승될 수 있다. 상기 제2 온도는, 예를 들어, 산업적 범위(-40... +85℃)에서 최대 온도(+85℃)일 수 있다. 공진기의 선형 TCF를 트리밍 하기 위해, 레이저 펄스가 발사되어 공진기의 특정 영역에서 공진기 소자의 두께의 일부를 증발시키도록 할 수도 있다. 그와 동시에, 공진기의 현재 주파수가 모니터 될 수 있다. 일단 초기 주파수와 현재 주파수 간의 차이가 소정의 허용 가능한 편차 범위 내에 존재하면, 제1단계가 완료되고 제2단계가 개시된다.
제2단계에서는 주파수-보정 트리밍이 수행된다. 주파수-조절 영역은 레이저 펄스에 의해 공진기 소자의 주변 영역에 형성될 수 있다. 예를 들어, 주변 영역의 두께를 변경하기 위해 중공(hollow)의 레이저 빔이 사용될 수 있다. 그와 동시에, 공진기의 주파수가 모니터 될 수 있다. 일단 주파수가 소정의 허용 편차 범위 내에 있으면, 제2단계가 완료된다.
본 개시에서 앞서 개시된 바와 같이, 중앙 및 주변 영역들의 형상 및 위치는 TCF가 본질적으로 주파수로부터 분리되도록 선택될 수 있다. 따라서, 상기한 2단계 트리밍 방법은 단일-패스 과정으로 수행될 수도 있다. 그러나 주파수와 TCF 모두를 원하는 값들로 바로 얻기 위하여 서로 분리된 두 개의 개별적인 트리밍 단계가 존재할 필요는 없다. TCF를 원하는 값으로 조절하기 위해 (공진기 주파수도 수정하면서) 비-패턴화 트리밍을 사용할 수도 있다. 따라서, 본 개시에 따른 패턴화 주파수 조절 트리밍은 주파수를 그 목표 값으로 조절하기 위해 TCF에 영향을 미치지 않고 수행될 수 있다. 그러나 제1단계(TCF 트리밍)가 주파수 조절에서 분리되면, 제2단계의 주파수 조절 필요성은 훨씬 낮아질 수도 있다. 또한, TCF 및 주파수 조절이 서로 분리되지 않을지라도, 제1단계 및/또는 제2단계의 하나 또는 다수의 반복을 수행하는 것이 가능하다.
이온 빔 트리밍(ion beam trimming)으로 레이저 절삭과 비슷한 결과를 얻는 것이 가능하다. 전술한 것과 유사한 2단계 접근법을 사용할 수 있다. 트리밍 단계 후에 제거될 수 있는 마스크로써 패턴화 트리밍이 구현될 수도 있다. 제거될 물질을 선호하는 매우 양호한 선택도 차이가 존재한다면, (이온 빔 트리머로써) 패턴화 트리밍 결과를 달성하는 것은 표준 레지스트로써 이전의 공정 단계에서 상부 물질의 패턴화에 기초할 수도 있다.
방출된 디바이스(released device)의 패터닝을 위해 건식 레지스트(dry resist)가 사용될 수도 있다. 이것은, 예를 들어, 두 개의 연속적인 이온 빔 트리밍 단계가 실현되어야 하는 경우 유용할 수 있다.
패턴화 트리밍에는 희생 하드 마스크(sacrificial hard mask)가 사용될 수 있다. 상기 마스크는, 예를 들어, 트리밍 단계 후에 HF(불화수소) 증기로 제거될 수 있는 산화막일 수도 있다. 상기 희생 마스크가 TCF 및 주파수에 미치는 영향은 마스크 제거 후 공진기 특성이 그의 목표 값에 도달하도록 정확하게 모델링 되는 것이 필요할 수도 있다. 이러한 요건을 충족시키기 위해 ALD(Atomic Layer Deposition) 기반의 매우 동질의 코팅(homogeneous coatings)이 사용될 수도 있다.
이온 빔 트리밍 공정 중 상이한 선택성을 갖는 다수의 상부 전극 물질들의 조합이 마스크에 대한 필요성이 감소 된 패턴화 트리밍을 실현하는데 사용될 수 있다. 트리밍 선택성에 영향을 주는 주변 가스는 연속적인 트리밍 과정들에 대해 변경될 수 있으며, 이것은 패턴화 트리밍을 구현하는 것에 도움될 수 있다.
트리밍을 위해 반응성 이온 빔 트리밍(reactive ion beam trimming), 즉 불소(fluorine) 또는 산소와 같은 반응성 가스를 활용하는 트리밍 기법이 사용될 수도 있다. 이러한 가스는 마스크 층에 대해 매우 높은 선택성으로 금속 전극을 트리밍 할 수 있다. 이것은 매우 얇은 마스크 층을 사용할 수 있게 한다. 그 마스크 층은, 예를 들어, ALD 또는 PECVD(Plasma-Enhanced Chemical Vapor Deposition) 층일 수 있다. 마스크가 충분히 얇을(수 ㎚) 경우, 그것은 제자리에 유지되는 것조차도 가능하다.
이온 빔 트리밍을 사용하여 트리밍 공정이 레이저 절삭보다 (소자당) 더 신속하게 이루어질 수 있다. 하나의 웨이퍼 상의 공진기 디바이스들은 개별적으로 조절 가능하지는 않을 것이며, 그 공진 주파수의 현장 측정이 어려울 수도 있다. 그러나 상기 디바이스들은 공간적 상관관계를 갖는 것으로 간주 될 수 있다. 달리 말하면, 상기한 디바이스들의 속성은 웨이퍼 상의 주변 디바이스들의 특성을 상관시키는 것으로 간주 될 수 있다. 따라서 각 디바이스를 개별적으로 트리밍 할 필요는 없을 수 있다.
상기 실시 예들은 본 개시에 따른 공진기 소자를 구현하기 위한 레이저 제거 또는 이온 빔 트리밍의 사용에 대해 기술하지만, 다른 방법들이 또한 사용될 수도 있다. 임의의 제어형 물질 제거 방식이 잠재적으로 활용될 수 있다.
어떤 실시 예들에서, TCF 트리밍은 요구되지 않을 수도 있고(또는 가능하지 않을 수도 있다), 공진기 주파수만이 최종 제조 단계로서 수정될 필요가 있다. 예를 들어, 공진기는 정전식 공진기(실리콘만으로 구성된 공진기)일 수도 있다. 그 경우, 공진기 소자의 주변 영역의 주파수-조절 영역은 공진기 소자의 베이스 층 구조에 직접 형성될 수도 있다. 도 8은 베이스 층만을 포함하는 공진기 소자의 예시적인 단면을 도시한다. 도 8에서, 주파수-조절 영역(82)은 공진기 소자의 베이스 층 구조(81)에 형성되어 있다.
주파수는 공진기 둘레 가까이에서만 유지되도록 무거운 금속(금과 같은)을 성장 및 패터닝하여 트리밍 할 수도 있다. 도 9는 본 개시에 따른 공진기의 예시적인 실시 예의 단면을 도시한다. 도 9에서, 공진기 소자의 베이스 층 구조(91)는 공진기 소자의 주변 영역에서 금(92)으로 패턴화된다. 이온 빔 트리머로써 물질 제거가 이루어지는 경우, 공진기 주변에서의 무거운 재료의 선택성은 다른 물질의 그것보다 훨씬 클 수 있기 때문에, 공진기의 TCF는 그다지 많이 영향을 받지 않으며 원하는 주파수 변화의 효과가 획득된다. 이 접근 방법의 이점은 트리밍 단계의 "효과적인 패터닝"이 트리밍 공정 그 자체 이전의 초기 공정 단계에서 최상층(금)을 패터닝함으로써 달성된다는 것이다. 이것은 표준 리소그래피 기법(lithography)으로 수행될 수 있다. 이러한 접근법은 방출된 디바이스들의 패터닝에 관련될 수 있는 복합한 문제들을 피할 수 있도록 한다.
또한, 물질의 제거와 상보적으로, 물질의 제어형 첨가가 본 개시에 따른 트리밍을 구현하는데 사용될 수도 있다. 예를 들어, 패턴 된 패시베이션 마스크 층은 선택적인 재료 첨가의 가능성을 제공한다. 예를 들어, 주파수-조절 트리밍 마스크 층으로 패턴 된 몰리브덴 전극은 소자 가장자리에서 금속이 노출되도록 한다. 온화한 산화(oxidation) 또는 질화(nitridation) 조건에 노출되면 그 노출 된 영역에 있는 층들을 성장시켜 매스-로딩(mass-loading)을 증가시킬 것이다.
전술한 예들에서, 적어도 2개의 영역들 사이의 모서리들은 날카로운 형태이고 변별적이다. 이것은 필수적인 것은 아니며, 그 모서리들은 유연할 수도 있고, 그 결과적인 단면 프로파일은 연속적일 수 있다.
또한, 상기 예들의 대부분에서, 최상층 재료는 Si(또는 Si/AlN 화합물)보다 더 부드러운 몰리브덴으로 간주 되었다. 그러나 상층부 재료는 더 부드러울 필요는 없고, 그것은 더 단단할 수도 있다.
정전기 결합형(Si만의) 공진기일 경우, 공진기 소자의 베이스 층 구조 상부에 (약하게 도핑 된) 폴리실리콘의 제2층을 성장시켜 TCF 동조성(폴리실리콘이 약하게 도핑 될 수 있음)을 획득하는 것이 유리할 수 있으며, 따라서 TCF는 -30ppm/℃에 가까울 수 있다. 상기 베이스 층 구조는 고농도로 도핑 된 실리콘으로 제조된 제1층의 형태일 수 있고, 그것의 TCF는 예를 들어, +5 내지 +20ppm/℃일 수 있다. 본 개시에 따른 공진기 소자의 제1층 및 제2층은 모노리식 구조를 형성할 수도 있다. 제1층 및 제2층은 반대 부호의 선형 TCF 값을 갖는 구별 가능한, 상이하게 도핑 된 단결정 층의 형태일 수도 있다.
본 개시에 따른 방법은 마이크로기계식 공진기의 주파수 및 선형 TCF의 광범위한 조절을 가능하게 한다. 예를 들어, +/- 3000ppm의 범위에서 공진기 주파수의 편차, 및/또는 +/- 0.5ppm 정도에서 선형 TCF의 편차를 보정하는 것이 가능하다. 본 개시에 따른 방법으로, 예를 들어, 다수의 마이크로기계식 공진기들(또는 마이크로기계식 공진기를 위한 공진기 소자들)을 포함하는 웨이퍼를 형성하는 것이 가능하다. 상기한 마이크로기계식 공진기는 본 개시에 따른 적어도 하나의 마이크로기계식 공진기를 포함할 수 있다. 마이크로기계식 공진기의 적어도 하나의 공진기 소자에서의 영역들 중 적어도 하나의 두께는 또 다른 마이크로기계식 공진기에서의 해당 영역의 두께와 다를 수 있고, 이로써 그 영역의 두께는 본질적으로 동일한 주파수 및/또는 본질적으로 동일한 선형 TCF를 생성한다. 결과적인 마이크로기계식 공진기의 주파수는 +/- 100ppm 범위 내에 있고, 그리고/또는 그 마이크로기계식 공진기의 선형 TCF는, 예를 들어, 0.1ppm/℃ 이내일 수도 있다.
제조시의 비-정상적 조건들에 의해 야기된 편차가 본 개시에 따른 방법의 하나 또는 다수의 측면들을 사용함으로써 교정될 때, 그 결과적인 공진기(또는 공진기 소자)는 상이한 치수의 패턴화 된 영역들을 가질 수 있다. 도 10a 내지 10d는 본 개시에 따른 공진기 소자들의 다수의 예시적인 단면들을 도시한다. 도 10a 및 도 10b는 공진기 소자의 선형 TCF 및 공진 주파수 모두 트리밍 된 것을 도시한다. 도 10a 및 도 10b의 공진기 소자들은 중앙 영역(102) 및 상이한 두께를 갖는 주변 영역들(103)을 갖는다. 또한, 주변 영역들(103)은 공진기 소자의 최외측 외주에 더 작은 주파수-조절 영역들(104)을 포함한다. 도 10c는 그의 TCF만 트리밍 된 공진기 소자를 도시한다. 상기 주변 영역(103)은 주파수-조절 영역을 도시하지 않는다. 도 10d는 그의 주파수만 트리밍 된 공진기 소자를 도시하고 있다. 중앙 영역(102)과 주변 영역들(103)은 동일한 두께를 가지며, 주변 영역들(103)에는 작은 주파수-조절 영역들(104)만 존재한다. 그 단면은 상이하지만, 공진기 소자는 모두 동일한 특성을 갖는바, 이는 본 개시에 따른 TCF 및/또는 주파수의 트리밍이 사용되었기 때문이다.
본 개시에 따른 방법으로 트리밍 된 공진기는 상부에서 볼 때 명백하게 구별 가능한 외관을 가질 수 있다. 도 11a 내지 11d는 본 개시에 따른 공진기의 예시적인 단순화된 평면도를 도시한다. 도 11a 내지 11d에 도시된 바와 같이, 공진기의 공진기 소자는 상이한 크기(예컨대, 상이한 형상/면적/두께)의 주변 영역들(113)을 포함할 수 있다. 상기 주변 영역들(113)은 주파수-조절 영역(114)을 가질 수도 있고, 그렇지 않을 수도 있다. 만일 그것이 존재한다면, 주파수-조절 영역(113)의 크기는 변할 수도 있다. 또한, 공진기 요소의 중앙 영역(14)의 크기가 또한 달라질 수도 있다(예를 들어, 상이한 형상/면적/두께).
본 발명의 개념이 다양한 방식으로 구현될 수 있음은 당해 기술분야의 전문가에게 자명할 것이다. 본 발명 및 그 실시 예들은 상술한 예들에만 한정되지 않고, 후술하는 청구범위 내에서 변경될 수도 있을 것이다.
Claims (14)
- 소정의 길이, 폭 및 두께를 갖는 공진기 소자를 포함하고, 상기 길이와 폭은 상기 공진기 소자의 일 평면을 정의하는 것인 마이크로기계식 공진기에 있어서,
상기 공진기 소자는,
반도체 물질로 제조된 제1층을 포함하는 베이스 층 구조와,
상기 베이스 층 구조의 상부의 제2층을 포함하고,
상기 제1층과 제2층의 주파수 온도 계수(temperature coefficient of frequency: TCF)는 서로 반대의 부호를 가지며,
상기 제2층은 상기 공진기 소자의 평면에 적어도 하나의 주파수-조절(frequency-adjusting) 영역 및 적어도 하나의 TCF-조절 영역을 포함하고, 상기 제2층의 적어도 하나의 주파수-조절 영역 및 적어도 하나의 TCF-조절 영역은 서로 다른 두께를 가지며, 여기서 적어도 하나의 주파수-조절 영역 및 적어도 하나의 TCF-조절 영역의 두께는 목표 값에 대한 공진기 주파수의 편차 및 목표 값에 대한 TCF 편차에 응답하여 조정되도록 구성되는 것인 마이크로기계식 공진기.
- 제1항에 있어서, 상기 제2층은 몰리브덴으로 제조되거나, 또는 상기 제2층은 상기 제1층의 상부에 적층된 폴리실리콘의 형태인 것인 마이크로기계식 공진기.
- 소정의 길이, 폭 및 두께를 갖는 공진기 소자를 포함하고, 상기 길이와 폭은 상기 공진기 소자의 일 평면을 정의하는 것인 마이크로기계식 공진기에 있어서, 상기 공진기 소자는 모노리식 실리콘 구조 내에 상이한 도핑 레벨을 갖는 층들의 형태인 제1층 및 제2층을 갖는 모노리식 실리콘 구조이고, 상기 제2층은 상기 공진기 소자의 평면에 적어도 하나의 주파수-조절 영역 및 적어도 하나의 TCF-조절 영역을 포함하고, 상기 제2층의 적어도 하나의 주파수-조절 영역 및 적어도 하나의 TCF-조절 영역은 서로 다른 두께를 가지며, 여기서 적어도 하나의 주파수-조절 영역 및 적어도 하나의 TCF-조절 영역의 두께는 목표 값에 대한 공진기 주파수의 편차 및 목표 값에 대한 TCF 편차에 응답하여 조정되도록 구성되는 것인 마이크로기계식 공진기.
- 제1항에 있어서,
상기 적어도 하나의 주파수-조절 영역은 상기 공진기의 평면의 공진기 소자의 주변 영역에서 주파수-조절 영역을 포함하는 것인 마이크로기계식 공진기.
- 제4항에 있어서, 상기 주파수-조절 영역의 표면 영역은 상기 공진기의 평면상에서의 상기 공진기의 단면의 전체 표면적의 20% 또는 그 미만인 것인 마이크로기계식 공진기.
- 다수의 마이크로기계식 공진기들을 포함하는 웨이퍼로서,
상기 마이크로기계식 공진기들은 제1항 내지 제5항 중의 어느 한 항에 따른 적어도 하나의 마이크로기계식 공진기를 포함하고, 또한 상기 공진기들의 적어도 하나의 공진기 소자에서의 상기 영역들의 적어도 하나의 두께는 또 다른 공진기에서의 해당 영역의 두께와 상이하도록 함으로써, 상기 공진기들의 주파수가 서로 미리 결정된 범위 내에 있고, 그리고/또는 공진기들의 선형 TCF가 서로 미리 결정된 범위 내에 있도록 하는 것인 웨이퍼.
- 제6항에 있어서, 주파수-조절 영역의 조절된 두께는 상기 공진기들의 주파수가 서로 +/- 100ppm 범위 내이고, 그리고/또는 상기 공진기들의 선형 TCF가 서로 0.1ppm/℃ 내에 있도록 설정하도록 조정되는 것인 웨이퍼.
- 소정의 길이, 폭 및 두께를 갖는 공진기 소자를 포함하고, 상기 길이와 폭은 상기 공진기의 일 평면을 정의하는 것인 마이크로기계식 공진기의 트리밍 방법에 있어서, 상기 공진기 소자는 반도체 물질로 이루어진 제1층 및 베이스 층 구조의 상부의 제2층을 포함하는 베이스 층 구조를 포함하는 화합물이고, 여기서 제1층 및 제2층의 선형 TCF는 반대 부호를 가지며, 상기 방법은,
제2층의 적어도 한 부분의 두께를 변경함으로써, 상기 공진기 소자의 평면에 적어도 하나의 주파수-조절 영역 및 적어도 하나의 TCF-조절 영역을 형성하는 단계로서, 상기 적어도 하나의 주파수-조절 영역 및 적어도 하나의 TCF-조절 영역은 서로 다른 두께를 가지며, 여기서 적어도 하나의 주파수-조절 영역 및 적어도 하나의 TCF-조절 영역의 두께는 목표 값에 대한 공진기 주파수의 편차 및 목표 값에 대한 TCF 편차에 응답하여 조정되는 단계를 포함하는 것인 마이크로기계식 공진기의 트리밍 방법.
- 제8항에 있어서, 상기 적어도 하나의 주파수-조절 영역 및 적어도 하나의 TCF-조절 영역의 두께 사이의 차이는 원하는 값으로부터의 상기 공진기 소자의 선형 온도 계수의 편차에 응답하여 조절되는 것인, 마이크로기계식 공진기의 트리밍 방법.
- 제9항에 있어서, 상기 적어도 하나의 주파수-조절 영역 및 적어도 하나의 TCF-조절 영역의 형상 및 위치들은 공진기 주파수에 대한 상기 적어도 하나의 주파수-조절 영역 및 적어도 하나의 TCF-조절 영역의 두께 사이의 차이의 효과가 최소화되도록 선택되는 것인, 마이크로기계식 공진기의 트리밍 방법.
- 제8항 내지 제10항 중의 어느 한 항에 있어서,
상기 적어도 하나의 주파수-조절 영역을 형성하는 단계는,
상기 공진기의 평면에서 상기 공진기 소자의 주변 영역에 주파수-조절 영역을 형성하는 단계로서, 상기 주파수-조절 영역의 표면적은 상기 주파수-조절 영역의 두께를 조절함으로써 소정의 편차 범위 내에서 공진기 주파수의 임의의 편차에 도달하기에 충분히 크도록 선택되는 단계, 및
상기 공진기 주파수의 편차에 응답하여 상기 주파수-조절 영역의 두께를 조절하는 단계를 포함하는 것인, 마이크로기계식 공진기의 트리밍 방법.
- 제9항에 있어서, 상기 방법은,
상기 공진기 소자의 상기 적어도 하나의 주파수-조절 영역 및 적어도 하나의 TCF-조절 영역을 형성하기 위하여 상기 제2층으로부터 물질을 제거하는 단계를 더 포함하는 것인, 마이크로기계식 공진기의 트리밍 방법.
- 제12항에 있어서, 상기한 물질의 제거는 레이저 제거(laser ablation) 또는 이온 빔 트리밍(ion beam trimming)을 이용하여 수행되는 것인, 마이크로기계식 공진기의 트리밍 방법.
- 삭제
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