KR102671122B1 - 미세전기기계 공진기 - Google Patents
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Abstract
본 발명은 기판; 가동 미세가공 부재; 및 가동 미세가공 부재를 기판에 고정하고, 가동 미세가공 부재를 기판에서 단열하며, 가동 미세가공 부재를 300℃ 이상의 온도로 가열하기 위한 도전 경로를 제공하는 기계적 구조를 포함하는 MEMS(microelectromechanical system) 장치에 관한 것이다.
Description
본 발명은 MEMS(microelectromechanical systems)에 관한 것으로, 구체적으로는 공진 MEMS 구조에 관한 것이다.
도 1A~C는 변성도핑 실리콘층이 적어도 2개인 압전활성 MEMS 공진기의 물리적, 전기적, TCF 엔지니어링 특징들을 보여주는 도면;
도 2A는 양/음의 1차와 2차 TCF(temperature coefficients of frequency)와 양과 음의 0차 TCF를 보여주는 도면;
도 2B~E는 1차와 고차 공진기 TCF의 제어를 위한 한가지 이상의 재료들로 구성된 공진 구조를 보여주는 도면;
도 2F는 도펀트 농도 및/또는 타입이 공진기 몸체에서 불균일한 변성도핑 반도체층을 갖는 공진기를 보여주는 도면;
도 2G는 원하는 특성으로 국부적으로 증착되거나 패턴화된 재료의 영역들을 갖는 공진기의 일례를 보여주는 도면;
도 2H는 도 2B~G의 공진기 내부의 TCF들을 보여주는 도면;
도 2I는 도체층이 복합구조의 TCF를 무시하도록 할 정도로 얇은 도 2E의 공진기를 보여주는 도면;
도 2J는 질화알루미늄으로 변성도핑된 단결정 실리콘층이 상하단 전극들 사이에 배치된 MEMS 공진기를 보여주는 도면;
도 3은 온도감지 요소와 히터로 단일 기판상에 공진기가 제작된 MEMS 시스템을 보여주는 도면;
도 4A~I는 온도안정 MEMS 공진기가 다른 능동 온도보정과 결합해 온도에 따른 주파수안정성을 개선한 MEMS 시스템을 보여주는 도면;
도 5A는 능동 온도보정 시스템의 하나 이상의 요소들을 갖춘 변성도핑 실리콘 MEMS 공진기를 보여주는 도면;
도 5B는 도 5A의 실시예의 내부의 온도보정 동작의 일례를 보여주는 도면;
도 6은 듀얼실리콘 공진기를 갖춘 발진시스템 내부에 온도센서를 병합하는 각종 옵션들을 보여주는 도면;
도 7은 동일한 SOI 기판의 인접 구역들 내부에 MEMS 서미스터와 듀얼실리콘 MEMS 공진기를 제작하는 과정을 보여주는 도면;
도 8은 가볍게 도핑되거나 도핑되지 않은 단결정 실리콘 서미스터 층을 공진기의 일부로 갖춘 듀얼실리콘 공진기 내부의 연결구조를 보여주는 도면;
도 9A는 도 1A~5B와 관련해 설명된 특징들을 갖는 DDS(degenerately-doped semiconductor) 공진기를 보여주는 도면;
도 9B는 도 9A의 DDS 공진기의 유한요소 모델을 보여주는 도면;
도 10은 듀얼실리콘 공진기의 형상과 디자인들을 보여주는 도면;
도 11은 하나 이상의 금속층들을 갖는 듀얼실리콘 공진기를 보여주는 도면;
도 12는 다른 재료 스택을 보여주는 도면;
도 13은 대칭 듀얼실리콘 재료 스택을 보여주는 도면;
도 14는 MEMS 내부의 미세가공 부재를 보여주는 도면;
도 15A는 DDS 공진기를 갖춘 MEMS 장치의 프로파일 뷰;
도 15B는 도전 비아들이 밀봉 덮개를 관통하는 캡슐화후 주울가열 MEMS 실시예를 보여주는 도면;
도 15C는 도전 비아들이 기판을 관통하는 다른 예를 보여주는 도면;
도 16A~C는 다기능 테더 구조들을 보여주는 도면;
도 16D는 DC/AC 주울가열 전류들에 의해 달성된 열 프로파일을 보여주는 도면;
도 17은 다른 주울가열 MEMS 실시예의 도면;
도 18A~B는 용량결합 강려구조를 보여주는 도면;
도 19A는 에너지가 도전이나 용량에 의해 공급되는 주울가열 실시예를 보여주는 도면;
도 19B는 주울가열이 주로 전극층에서 유래하는 다른 가열구성을 보여주는 도면;
도 20은 RF 에너지원이 가동 미세가공 부재의 바깥층들에 연결된 다른 실시예를 보여주는 도면;
도 21은 캡슐형이나 칩형 MEMS 패키지를 보여주는 도면;
도 22는 프로그래머블 가열 컨트롤러를 보여주는 도면;
도 23은 외부 가열 컨트롤러 내부의 다수의 가열-파워 드라이버들이 각각의 MEMS 장치에 연결되는 구성을 보여주는 도면;
도 24A는 도 22~23의 컨트롤러 내부에서 생기는 가열 파워 프로파일을 보여주는 도면;
도 24B는 제어된 MEMS 구조 냉각이나 가열을 하는데 적용되는 파워펄스 파형을 보여주는 도면;
도 25는 오븐 리플로우 동작이 실행되는 패키지된 MEMS 장치의 프로세스를 보여주는 도면;
도 26은 2개의 정면 단자들을 갖춘 패키지된 MEMS 장치 내부의 가열포트 구성을 보여주는 도면;
도 27은 도 26A의 MEMS 장치에 대응하는 회로모델;
도 28A~B는 캡슐화 레벨 TSV(through-silicon vias)와 압전작동 공진기 전극들 사이의 연결을 보여주는 도면;
도 29는 3개 이상의 캡슐화 레벨 단자들을 통합하는 다른 단자 감소법을 보여주는 도면;
도 30은 레이저빔으로 MEMS 공진기를 가열하는 것을 보여주는 도면;
도 31A는 DDS 내부의 전기활성 도펀트 농도 변화를 보여주는 도면;
도 31B는 전기활성 도펀트 농도에 따른 냉각속도를 보여주는 도면;
도 32A는 전기활성 도펀트 농도의 증가를 수반하는 실온 공진주파수의 감소를 보여주는 도면;
도 32B는 시간과 온도에서의 DDS 함유 MEMS hdwlsrl의 실온 공진주파수 관계를 보여주는 도면;
도 33은 MEMS 공진기에 가한 가열 펄스와 대응 평균온도의 시퀀스를 보여주는 도면;
도 34는 MEMS 구조의 공진모드들의 주파수를 트리밍하는 알고리즘;
도 35는 화력 및/또는 시간과 주파수 트리밍의 관계를 보여주는 도면;
도 36은 화력이 3회 반복후 줄어드는 주파수 트리밍을 보여주는 도면;
도 37A는 2가지 진동모드에서의 MEMS 구조와 디스크링 자이로스코프를 보여주는 도면;
도 37B는 도 37A의 MEMS 구조를 둘러싼 전극 구조를 보여주는 도면;
도 37C는 전극들에 대한 RF 입력관계를 보여주는 도면;
도 37D는 다른 전극들에 대한 RF 입력 관계를 보여주는 도면;
도 38은 비슷한 MEMS 구조의 2가지 모드 사이의 주파수 관계의 조절을 보여주는 도면.
도 2A는 양/음의 1차와 2차 TCF(temperature coefficients of frequency)와 양과 음의 0차 TCF를 보여주는 도면;
도 2B~E는 1차와 고차 공진기 TCF의 제어를 위한 한가지 이상의 재료들로 구성된 공진 구조를 보여주는 도면;
도 2F는 도펀트 농도 및/또는 타입이 공진기 몸체에서 불균일한 변성도핑 반도체층을 갖는 공진기를 보여주는 도면;
도 2G는 원하는 특성으로 국부적으로 증착되거나 패턴화된 재료의 영역들을 갖는 공진기의 일례를 보여주는 도면;
도 2H는 도 2B~G의 공진기 내부의 TCF들을 보여주는 도면;
도 2I는 도체층이 복합구조의 TCF를 무시하도록 할 정도로 얇은 도 2E의 공진기를 보여주는 도면;
도 2J는 질화알루미늄으로 변성도핑된 단결정 실리콘층이 상하단 전극들 사이에 배치된 MEMS 공진기를 보여주는 도면;
도 3은 온도감지 요소와 히터로 단일 기판상에 공진기가 제작된 MEMS 시스템을 보여주는 도면;
도 4A~I는 온도안정 MEMS 공진기가 다른 능동 온도보정과 결합해 온도에 따른 주파수안정성을 개선한 MEMS 시스템을 보여주는 도면;
도 5A는 능동 온도보정 시스템의 하나 이상의 요소들을 갖춘 변성도핑 실리콘 MEMS 공진기를 보여주는 도면;
도 5B는 도 5A의 실시예의 내부의 온도보정 동작의 일례를 보여주는 도면;
도 6은 듀얼실리콘 공진기를 갖춘 발진시스템 내부에 온도센서를 병합하는 각종 옵션들을 보여주는 도면;
도 7은 동일한 SOI 기판의 인접 구역들 내부에 MEMS 서미스터와 듀얼실리콘 MEMS 공진기를 제작하는 과정을 보여주는 도면;
도 8은 가볍게 도핑되거나 도핑되지 않은 단결정 실리콘 서미스터 층을 공진기의 일부로 갖춘 듀얼실리콘 공진기 내부의 연결구조를 보여주는 도면;
도 9A는 도 1A~5B와 관련해 설명된 특징들을 갖는 DDS(degenerately-doped semiconductor) 공진기를 보여주는 도면;
도 9B는 도 9A의 DDS 공진기의 유한요소 모델을 보여주는 도면;
도 10은 듀얼실리콘 공진기의 형상과 디자인들을 보여주는 도면;
도 11은 하나 이상의 금속층들을 갖는 듀얼실리콘 공진기를 보여주는 도면;
도 12는 다른 재료 스택을 보여주는 도면;
도 13은 대칭 듀얼실리콘 재료 스택을 보여주는 도면;
도 14는 MEMS 내부의 미세가공 부재를 보여주는 도면;
도 15A는 DDS 공진기를 갖춘 MEMS 장치의 프로파일 뷰;
도 15B는 도전 비아들이 밀봉 덮개를 관통하는 캡슐화후 주울가열 MEMS 실시예를 보여주는 도면;
도 15C는 도전 비아들이 기판을 관통하는 다른 예를 보여주는 도면;
도 16A~C는 다기능 테더 구조들을 보여주는 도면;
도 16D는 DC/AC 주울가열 전류들에 의해 달성된 열 프로파일을 보여주는 도면;
도 17은 다른 주울가열 MEMS 실시예의 도면;
도 18A~B는 용량결합 강려구조를 보여주는 도면;
도 19A는 에너지가 도전이나 용량에 의해 공급되는 주울가열 실시예를 보여주는 도면;
도 19B는 주울가열이 주로 전극층에서 유래하는 다른 가열구성을 보여주는 도면;
도 20은 RF 에너지원이 가동 미세가공 부재의 바깥층들에 연결된 다른 실시예를 보여주는 도면;
도 21은 캡슐형이나 칩형 MEMS 패키지를 보여주는 도면;
도 22는 프로그래머블 가열 컨트롤러를 보여주는 도면;
도 23은 외부 가열 컨트롤러 내부의 다수의 가열-파워 드라이버들이 각각의 MEMS 장치에 연결되는 구성을 보여주는 도면;
도 24A는 도 22~23의 컨트롤러 내부에서 생기는 가열 파워 프로파일을 보여주는 도면;
도 24B는 제어된 MEMS 구조 냉각이나 가열을 하는데 적용되는 파워펄스 파형을 보여주는 도면;
도 25는 오븐 리플로우 동작이 실행되는 패키지된 MEMS 장치의 프로세스를 보여주는 도면;
도 26은 2개의 정면 단자들을 갖춘 패키지된 MEMS 장치 내부의 가열포트 구성을 보여주는 도면;
도 27은 도 26A의 MEMS 장치에 대응하는 회로모델;
도 28A~B는 캡슐화 레벨 TSV(through-silicon vias)와 압전작동 공진기 전극들 사이의 연결을 보여주는 도면;
도 29는 3개 이상의 캡슐화 레벨 단자들을 통합하는 다른 단자 감소법을 보여주는 도면;
도 30은 레이저빔으로 MEMS 공진기를 가열하는 것을 보여주는 도면;
도 31A는 DDS 내부의 전기활성 도펀트 농도 변화를 보여주는 도면;
도 31B는 전기활성 도펀트 농도에 따른 냉각속도를 보여주는 도면;
도 32A는 전기활성 도펀트 농도의 증가를 수반하는 실온 공진주파수의 감소를 보여주는 도면;
도 32B는 시간과 온도에서의 DDS 함유 MEMS hdwlsrl의 실온 공진주파수 관계를 보여주는 도면;
도 33은 MEMS 공진기에 가한 가열 펄스와 대응 평균온도의 시퀀스를 보여주는 도면;
도 34는 MEMS 구조의 공진모드들의 주파수를 트리밍하는 알고리즘;
도 35는 화력 및/또는 시간과 주파수 트리밍의 관계를 보여주는 도면;
도 36은 화력이 3회 반복후 줄어드는 주파수 트리밍을 보여주는 도면;
도 37A는 2가지 진동모드에서의 MEMS 구조와 디스크링 자이로스코프를 보여주는 도면;
도 37B는 도 37A의 MEMS 구조를 둘러싼 전극 구조를 보여주는 도면;
도 37C는 전극들에 대한 RF 입력관계를 보여주는 도면;
도 37D는 다른 전극들에 대한 RF 입력 관계를 보여주는 도면;
도 38은 비슷한 MEMS 구조의 2가지 모드 사이의 주파수 관계의 조절을 보여주는 도면.
변성도핑된(degenerately-doped) 실리콘층 1층 이상과 압전체 층 1층이 적층되어 형성된 온도안정 내마모성 공진기들의 여러 실시예들에 대해 설명한다. 압전체 층은 변성도핑된 단결정 실리콘 "코어"층과 변성도핑된 다결정층 사이에 배치되고, 이런 외측 실리콘층들은 압전체 층에 대해 구동/감지 신호들을 주고받기위한 전극 역할을 하여, 기존의 금속전극층들과 이들의 노화 특성(예; 시간에 따른 마모경화)을 배제한다. 또, 뒤에 자세히 설명하겠지만, 층 두께비, 단결정층의 결정배향, 모드형상 및/또는 변성 도펀트 농도/타입은 전체 적층재에 대해 적어도 1차(선형)와 2차(포물선) 주파수 온도계수(TCF; temperature coefficient of frequency)를 거의 0으로 제작될 수 있고, 예컨대 압전체 층의 고유 포물선 TCF는 변성도핑된 단결정 실리콘층 내에 형성된 역극성 포물선 TCF와 상쇄된다. 따라서, 감지/구동 전극과 공진기의 벌크층 양쪽으로의 이중 역할을 하는 외에, 변성도핑된 단결정 실리콘층은 원하는 작동 온도범위(예; -40℃ 내지 +85℃)에 걸쳐 온도안정 공진주파수(예; 0이나 0 부근의 TCF)를 갖는 공진 MEMS 구조를 산출하는 엔지니어링 노브(knob)를 제공한다. 마찬가지로, 변성도핑된 다결정층은 내마모 전극 역할을 하여 압전체 층과 함께 감지/구동 장치의 일부처럼 보이고, TCF 엔지니어링을 가능케 한다. 또, 하나 이상의 온도감지 요소(예; 공진기 포장 안에서 캡술화되거나 공진기 구조 자체의 내부에 구현)도 제공되어, 온도조절 주파수-풀(frequency-pull) 및/또는 포스트-공진기 출력주파수 조절을 하여 순수 공진기 TCF(즉, 1차, 2차,...n차 TCF의 합)를 더 납작하게 하고 및/또는 (예컨대 0차 TCF를 레버리지하는 원하는 작동온도까지 폐루프 가열을 하여) 노화효과를 보정하거나 실시간 주파수조절도 할 수 있다.
도 1A~C는 적어도 2개의 변성도핑된 실리콘층을 갖는 압전작동 MEM 공진기(100)(이하 "듀얼-실리콘" 공진기라고도 함)의 다양한 물리적, 전기적, TCF-엔지니어링 특징들을 보여준다. 도 1A에서 A-A' 단면으로 본 적층부는 변성도핑(DD)된 단결정 실리콘(SC Si) 코어, 압전체 층(유전층) 및 변성도핑된 다결정 실리콘(DD 폴리) 코어를 포함한다. 외측 실리콘 층들 내부의 도펀트 농도는 저손실 도전율에 영향을 줄 정도로 충분히 높고(예; 1E18 atoms/㎤, 1E19 atoms/㎤, 1E20 atoms/㎤, 2E20 atoms/㎤ 이상) 이때문에 실리콘 층들이 압전체 층에 시변 압전작동 전압을 걸어주는 전극 역할을 하여, 시간이 지나면서 경화되어 공진주파수를 변화시키는 기존의 금속층들이 불필요해진다. 특히, 다결정과 단결정 실리콘 층들로 구현된 상단과 하단 전극들이 기계적 고정구조물을 통해 외부 포장 접점들에 전기적으로 연결되어 압전-작동 "구동" 신호(Vsustain)를 공진수신하고 공진구조체의 기계적 동작을 나타내는 압전 출력신호(Vsense)를 외부감지할 수 있다. 도시된 것처럼, 공진재료 적층부는 저손실 도전로를 통해 구동감지 노드들에 연결된 판형 커패시터(압전체 층)으로 전기적으로 모델화된다.
도 1B는 듀얼-실리콘 공진기의 좀더 자세한 단면도이다. 압전체 층은 질화알루미늄막(AIN)으로 이루어지고, 2개의 변성도핑된 실리콘층들과 함께 테더(tether)와 앵커(anchor)를 통해 뻗는다. 테더와 앵커와 공진기 몸체는 도면에는 분리된 것으로 도시되었지만 서로 물리적으로 결합되어 있고, 테더는 스프링 역할을 하여 공진기의 기계적 동작을 허용하지만, 테더가 없으면 공진기는 주변 필드영역과 하부 기판이나 절연층에서 풀리고 현수될 것이다. 이때 앵커와 테더 구조를 대체품으로나 추가로 공진기 몸체 밑에 배치할 수도 있다. 따라서, 질화알루미늄 압전체 층에 정전 전위를 일으켜 공진기를 작동시키는 도전로들이 앵커와 테더를 통해 형성되어, 하나 이상의 기계적 공진모드(예; 평면에서나 평면을 벗어나서의 다양한 MEMS 공진모드)로 공진기의 진동 운동을 일으킨다. 산화아연(ZnO), 티탄산 지라콘산 납(Pb[ZrxTi1-x]O3 0≤x≤1), 니오브산리튬(LiNbO3), 질화갈륨(GaN), 질화인듐(InN), 스칸듐 질화알루미늄(ScAlN), 수정(SiO4) 등을 포함한 다른 재료를 도 1B의 압전체 층에 사용할 수도 있다.
TCF 엔지니어링에 관련해, 변성도핑된 단결정 실리콘은 적어도 2개의 권한/제어 정도를 한 층에 부여하는바: 결정 배향과 도펀트 농도이다. 다른 권한은 고도로 도핑된 단결정 실리콘에 대한 압전막의 증착에 관한 것이다. 특히, 변성도핑된 단결정 실리콘층과 질화알루미늄 압전체 층의 두께비(x/y)는 이런 2개 층에서의 2차 TCF들이 거의 일치하되 반대가 되도록 선택되어, 순 공진 TCF에 대한 합산 포물선 기여분을 상쇄하거나 상당히 감쇠하도록 하고; 3차 공진 TCF에 어느 정도의 제어(권한)를 부여하도록 한다. 다결정 막의 바람직한 결정 배향은 1차와 2차 TCF들에도 영향을 준다. 따라서,도 1C에 도시된 것처럼, 도 1A~B의 듀얼-실리콘 압전식 공진기의 1차와 2차 TCF들은 특정 도핑농도, 도펀트 타입 및 층두께, 질화알루미늄 층두께에서의 변성도핑된 단결정 실리콘층의 결정배향, 및/또는 특정 도펀트 농도에서의 변성도핑된 다결정 층두께를 변화시켜 조절되거나 조작된다. 여러 실시예들에서, 예컨대 다양한 TCF 차수들이 원하는 작동범위(예; -40℃ 내지 85℃)에서 제로 순 TCF(예; 50ppm, 20ppm, 10ppm 이하의 표적내의 주파수)를 생산하도록 고안된다. 일반적으로 이런 다차 보정 공진기(즉, 1차 TCF는 물론 2차와 3차와 그 이상 차수의 TCF 항을 무효화)는 아래 기능을 하도록 고안될 수 있다:
- 1차 내지 4차 TCF 항들이나 이들 중의 임의의 2개의 항을 무효화하거나 약화(예; 거의/모두 제로화하거나 무시할 정도의 레벨로).
- 입방 TCF를 일부나 전체 보정하도록 선택된 선형 TCF의 비제로 값을 드러내, 특정 온도범위에서 절대 주파수 변동을 감소.
- 반전온도라고도 하는 온도의존 주파수에서의 하나 이상의 로컬 극한값(예; 로컬 최저/최대 주파수가 일어나는 온도를 갖는) 값을 보임.
- 정상 작동온도에서의 반전을 보임.
또, 재료 층들을 점진적으로 적용해 각각의 TCF 항들을 보정하는 TCF 보정 체계(예; 1차 TCF를 보정하는데 하나 이상의 재료층들을 적용하고, 2차 TCF를 보정하는데하나 이상의 다른 재료층들을 적용하는 등)를 벗어나, 여기소개된 온도-엔지니어드 공진 구조의 실시예들은 선형 TCF와 고차 TCF 둘다를 자체적으로 보정하도록 엔지니어된 반도체층이나 구역을 포함하고, 따라서 TCF 층에 대한 재료층 수가 줄어든 "짧은 적층" MEMS를 구성할 수 있다. 예컨대, 단결정 실리콘처럼 비정질 변성도핑 반도체(DDS)로 제조된 공진기의 선형 TCF는 하부 결정축에 대한 공진기 형상의 방향을 회전시켜 조절된다. 비정질 변성도핑 반도체를 이용하는 두번째 예로, 공진기의 선형 TCF가 공진기의 형상 및/또는 모드 형상을 바꿔 조율된다. 다른 예로, 도핑이 좀더 가볍게 된 공진기의 2차 TCF에 대해 공진기의 2차 TCF의 극성(즉, 2차 TCF의 부호)을 반전시킬 정도로 충분히 높은 농도로 반도체재료를 도핑한다. 반전극성 2차 TCF는 주어진 온도범위에서 복합 공진기 내에서 (변성도핑된 반도체재료와는 반대되는 극성의 2차 TCF를 갖는 압전 재료와 같은) 하나 이상의 다른 재료로 된 2차 TCF를 부분적으로나 전체적으로 상쇄하여, 2차 TCF 크기가 작은 공진기를 생산하는데 이용된다. 이와 같이, 선형과 고차 TCF들을 갖는 공진구조를 변성도핑된 반도체로만 제조하거나, 변성도핑된 반도체들을 복합 공진 구조에 적용해 온도 안정을 도모할 수 있다. 예컨대, 압전 미세기계 공진기에 적합한 복합재료는 온도에 따른주파수 안정 문제와 선형과 고차 TCF의 엔지니어링을 해결한다. 이런 복합 구조들은 고품질 인자, 온도에 따른 낮은 히스테리시스, 시간에 따른 낮은 주파수 노화, 배치 마이크로-제조법과의 호환성, 작은 형상인자, 충격과 진동에 둔감, 기타 필요한 특징들을 제공한다.
이상 설명한 공진 구조는 전체나 일부가 변성도핑된 단결정이나 다결정 반도체(예; 실리콘, 게르마늄, 다이아몬드, 카본, 실리콘 카바이드, 실리콘 게르마늄과 같은 화합물 반도체 등)나 이런 반도체의 조합을 이용해 제조될 수 있다. 순수하거나 가볍게 도핑된 반도체는 저온에서 절연체 기능을 한다. 반도체가 소정의 불순물 원자로 도핑되면, 어느정도의 도펀트 농도 이상에서 반도체가 저온에서도 금속성 또는 고도전정 거동을 보인다(예; 단결정 실리콘의 경우 0K 부근에서). 이런 반도체를 "변성도핑"되었다고 한다. 예턴대, 단결정 실리콘에서는, 4E18 atoms/㎤ 이상의 인 도핑 레벨에서 변성도핑이 일어난다. 일반적으로는, 변성의 시작이 반도체와 도펀트에 따라 변한다. 도전율의 변화 외에, 반도체의 각종 물성이 도핑레벨은 물론 각종 물성의 온도 의존성에 따라 변한다. 특히, 변성도핑된 반도체로 제조된 공진기는 좀더 가볍게 도핑된 반도체 재료 버전으로 구성된 비슷한 공진기보다 크게 다른 TCF를 보일 수 있다. 어떤 경우에는, 공진기내 구조적 재료로 사용된 반도체의 도핑 레벨을 바꿔 하나 이상의 TCF의 부호(극성)을 반전시킬 수도 있다. 이런 온도의존 변화를 많은 공진기에 이용해 온도계수의 복잡한 표적 엔지니어링을 할 수 있다.
이상 설명한 공진 복합구조들의 특정 실시예들에서는 구성 물질들 중의 2개가 변성도핑된 반도체(DDS)와 압전체료이다. 이런 DDS 공진기의 복합 구조는 특정 공진모드의 TCF들 중의 2개 이상에 대해 동시에 달성된 표적값이나 값의 범위로 엔지니어링될 수 있다. 일례로, 변성도핑된 실리콘(반도체)와 질화알루미늄(압전체료 - 다른 재료를 사용할 수도 있음)으로 복합구조를 구성하고, 이 구조의 특정 공진모드의 1차와 2차 TCF들이 모두 전체적으로 0±허용오차 범위내에 있도록 엔지니어링하여, 온도-둔감 공진기나 온도-보정 공진기를 생산할 수 있다.
2가지 주요 구성물질 외에, 다른 재료를 사용할 수도 있다. 특히, 금속과 같은 다른 도체나 (역시 변성도핑된) 다른 반도체층을 추가 전극으로 사용할 수 있는데, 후술하는 바와 같이 DDS 층은 복합 구조체내의 다른 전극 역할을 할 수 있다. 적절한 전극재료로는 심하게 도핑된 실리콘, 실리사이드, 텅스텐, 몰르베테늄, 티타늄, 알루미늄 등이 있다. 전극이란 전기를 기계적 에너지로 또는 기계적 에너지를 전기에너지로 변환하기 위한 전기장을 일으키는데 사용되는 도체를 말한다. 전극으로 사용된 층들은 압전기능, 가열기능 등의 다른 기능도 할 수 있다.
기계식 공진기에 대해서는, 재료 강성과 질량밀도에 의해 고유주파수가 결정된다. 주변 온도의 변화로 인한 강성의 변화는 공진기의 고유주파수를 변화시키기 때문에 공진기의 디자인과 제조에 주로 관련되고, 열팽창이나 열수축으로 인한 재료의 형상 변화도 공진기의 고유주파수를 변화시킨다.
간단한 모델을 검사하는데 TCF 엔지니어링의 원리를 예로 들어 설명한다. 한가지 모델은 공진기 구조를 박막들로 구성하고 하나의 축에서의 재료의 움직임만을 고려한다. 이런 간단한 예에서는, 싱글넘버의 유효 탄성계수로 재료의 강성을 설명한다. 여기서는 모든 동작 차수를 고려하고 재료의 강성을 텐서(tensor)로 설명할 수 있다. 간단한 모델에서는, 이방성 재료의 탄성계수가 재료의 배향에 좌우된다.
복합 구조에 대해, 주파수의 n차 온도계수에 대한 간단한 모델이 공진기의 모든 구성부분들의 기여도의 가중평균이다. 이런 평균을 재료의 박막(층)들의 스택에 대해 아래와 같이 표현할 수 있다:
(2)
여기서 스택내 모든 층들에 대해 i의 합을 구하고, t i 는 i번째 막(층)의 두께, E i 는 i번째 막의 탄성계수, λ n ( i )는 i번째 막에 대한 n번째 재료의 TCF이다. 계수 λ n ( i )는 이 재료만으로 이루어진 공진기에 대한 주파수의 온도계수를 부여하기 위해 열팽창과 탄성계수의 온도감도로부터의 기여분들을 묶은 i번째 막의 재료인자이다. 임의의 형상과 불균일하고 이방성인 재료를 갖는 복합 구조들에 대해 위의 식 (2)를 일반화할 수 있다. 이 경우, 계수 λ n ( i )는 텐서일 수 있다. 적어도 한가지 재료로 구성된 공진기의 n번째 TCF가 λ n 이다.
식 (2)에 의하면, 복합재료들을 이용해 공진기의 주파수의 온도계수를 엔지니어링하기 위한 첫번째 조건이 원하는 값들을 제시하는 재료를 사용하는 것이다. 예컨대, λ n 이 0이길 원할 경우, 적어도 하나의 λ n ( i )가 양수이고 적어도 하나의 λ n ( i )가 음수이면 이 결과를 얻을 수 있다.
또, λ n =λ n *(λ n *는 nqjsWo 계수의 원하는 값)이 되도록 N개 온도계수들을 동시에 엔지니어링하기 위해, 식 (2)를 N개의 별도의 식들로 나눌 수 있다. 일반적으로, N개의 식의 해는 적어도 N개의 변수들의 변동으로 얻어진다. 이런 N 변수들을 디자인 변수라 하고 N개 식의 해가 접근가능 공간에 있도록 하기에 충분한 디자인 권한을 가져야 한다. 디자인 권한은 주어진 디자인 인자들의 변화가 관심 메트릭에서 갖는 효과의 크기에 대한 설명이다. 접근가능 디자인 공간은 제조조건(예; 재료의 선택, 필름 두께범위, 제어정확도)와 운용조건(예; 품질인자, 주파수, 동작저항)에 좌우된다.
기존에 강조하던 선형 TCF 제어에도 불구하고, 분석에 의하면, 복합공진기의 성능이 적어도 첫번째 2개의 온도계수들에 대한 제어를 통해 크게 증가된다. 전술한 바와 같이, 주파수의 적어도 첫번째 2개의 온도계수들에 대한 제어를 보이는 공진기가 질화알루미늄과 변성도핑된 단결정 실리콘으로 구성될 수 있다. 이런 공진기는 압전변환에도 적합하고 높은 품질인자(Q), 시간에 대한 낮은 히스테리시스, 시간에 따른 낮은 주파수노화, 일괄적 미세제조 호환성, 작은 형상인자 및 충격과 진동에 대한 둔감성을 포함한 다른 장점들도 보인다.
1차와 2차 TCF들을 제어하는 외에, 선택된 공진기를 디자인하는데 아래 기준 리스트를 적용한다:
- 각 재료의 온도계수들을 결합해 전체 구조에 대한 주파수의 표적 온도계수를 산출한다. 예컨대, 표적 1차 TCF가 0이나 0 부근에 있고 적어도 하나의 요소-재료의 1차 TCF가 양수이면, 적어도 하나의 다른 요소-재료의 1차 TCF를 음수로 엔지니어링하거나 선택한다.
- N개의 온도계수들에 대한 제어를 하는 Nro의 디자인 인자들이 있다.
- 디자인 인자들의 조합은 제조조건과 디자인 조건으로 정해진 디자인 공간내의 해를 구하기에 충분한 디자인 권한을 갖는다.
질화알루미늄 공진기는 일반적으로 음의 선형과 2차 TCF들을 갖는다. 박막 다결정 질화알루미늄의 온도계수들은 약간은 막구조에 좌우된다. 마찬가지로, 비변성 단결정 실리콘으로 구성된 공진기들도 음의 선형과 2차 TCF들을 갖고, 이런 TCF는 결정배향에 약간만 좌우된다.
변성도핑된 단결정 실리콘으로 구성된 공진기의 선형 TCF는 결정배향, 도핑레벨 및 모드형상에 따라 양이나 음일 수 있다. 따라서, 결정배향은 선형 TCF 항을 제어하도록 조절할 수 있는 디자인 인자나 디자인 자유도를 형성한다. 변성도핑된 단결정 실리콘으로 구성된 공진기의 2차 TCF는 도펀트 농도, 결정배향, 도핑레벨 및 모드형상에 따라 양이나 음일 수 있다. 도 2A는 이런 양/음 1차, 2차 TCF들의 예와 양과 음의 0차 TCF(즉, 온도의존 주파수 상쇄)를 보여준다.
결정배향과 도펀트 농도와 같은 직교 디자인 인자의 조작을 통해 변성도핑된 단결정 실리콘층의 1차와 2차(선형과 2차) TCF 특성들 둘다를 독립적으로 조율(즉, 제어 및 잠재적으로 무효화)할 수 있게 된다. 재료가 결정배향이 부족해 디자인 자유도를 잃는다 해도 다결정 공진기도 소정의 선형과 2차 TCF 값들을 얻도록 변성도핑될 수 있다.
도 2B~E는 공진구조 안이나 옆에 전극을 증착한 DDS 공진기들을 보여준다.
도 2B에서, 적어도 하나의 변성도핑된 반도체층을 포함한 공진구조(DDS 공진기)가 (예컨대 공진기를 구동하고 감지하는데 사용되는) 2개의 전극 구조들 사이에 배치되고 하나 이상의 앵커 포인트를 갖는다. 스프링과 같은 부재인 "테더)가 공진기 didWHr에서부터 주변 재료 필드의 앵커들까지 뻗어 듀얼 앵커 포인트를 설정하지만, 경우에 따라서는 앵커 포인트가 더 많거나 적을 수 있다. 또, 공진기가 장방형으로 도시되었지만, 다른 형상을 가질 수도 있다.
DDS 공진기 양쪽의 전극은 옵션 특성을 강조하기 위해 파단선으로 도시되었다(파단선으로 표시되지 않을 경우 구조적으로 필수인 것으로 오해할 여지가 있음). 또, 공진기 몸체 내주에 T형 구역으로 표시된 것은 절연 전극 구역이다. 물론 다른 형상도 가능하고, 공진기 몸체 자체가 전극으로 이용될 수도 있다.
단층 변성도핑 실리콘 공진기의 경우, 공진기의 움직임을 적절한 전기연결을 통해 정전기적으로나 압전저항으로 감지할 수 있다. 도 2C~E는 재료 스택에 대한 도 2B의 A-A'선 단면도로서 2C는 모노리딕(단층) 스택, 2D는 2층 재료 스택, 2E는 3층 재료 스택을 보여준다. 뒤에 설명하겠지만, 도 2C~E에 도시된 것과 다른 재료들을 사용할 수도 있다. 전술한 것처럼, 균일하게 변성도핑된 2층의 실리콘은 적어도 2가지 디자인 인자(결정배향과 도펀트 농도)를 가지므로, 균일하게 변성도핑된 단결정 실리콘으로 이루어진 단층 공진기(도 2C)는 제조공정과 디자인의 조합을 통해 서로 같거라 0에 가까운 1차와 2차 TCF들을 갖도록 설계될 수 있다. 또, 도펀트 농도가 균일할 필요도 없다. 이때문에, 임의의 많은 수의 디자인 인자들(즉, "노브"나 디자인을 통해 공진기 성능을 조작할 자유도)도 가능하다. 도 2F와 같이, 도펀트 농도 및/또는 도펀트가 서로 다른 하나 이상의 영역들을 공진기에 형성하는 것이 유리할 수 있다. 도 2G에 도시된 것처럼, 공진기의 이런 영역들은 원하는 성질을 갖는 재료의 층을 국부적으로 증착하거나 패턴화하여 형성될 수 있다. 이런 영역들을 예컨대 진동모드 형상의 공진기내의 고응력 부분에 배치하면 1차, 2차, 3차 또는 더 고차의 TCF 값들을 제어할 수 있어 유리하다.
- 변성도핑 단결정 실리콘은 1차와 2차 TCF들 둘다의 취소에 의해 시간에 대한 주파수 안정성을 개선한다. 변성도핑 실리콘 층의 도핑과 배향은 적어도 2개의 온도계수를 취소하기 위한 적어도 2가지 자유도를 제공한다. 전술한 실시예들은 고도로 도핑된 실리콘을 이용한 복합 압전 공진기의 1차와 2차 TCF 취소가 가능하고 접근할 수 있는 디자인 공간에 있음을 보여준다. 이런 실시예들에 의해 가능한 온도계수 개선들로 인해 -40~+85 ℃의 온도범위에 걸쳐 주파수변동이 ±10ppm 미만일 수 있다. 반면에 1차 TCF 보정만 하는 미세기계 공진기들은 동일 온도범위에서의 주파수변동이 ±10 내지 200 ppm임을 보여준다.
- 산화물과 금속 인터페이스를 없애면 음향손실 가능성이 높은 층들이 없어지고 공진기의 기계적 분산을 상당히 높일 수 있는 인터페이스가 없어져 공진기의 기계적 품질인자가 개선된다.
- 또, 구조내 금속과 산화물 층들을 반도체로 대체하면 온도에 대한 주파수 히스테리시스와 시간에 대한 주파수노화에 기여하는 가공경화 효과와 피로효과와 인터페이스 효과가 없어진다.
- TCF 특성들을 엔지니어한 공진기를 하나 이상의 재료층으로 만들 수 있다. 1 층에서는, 재료가 변성도핑 실리콘과 비슷한 품질을 가질 경우 디자인과 도핑에 의해 1차와 2차 TCF 계수들을 취소할 수 있다. 한가지 이상의 재료 특성들을 보이는 구역들이 이 층에 한군데 이상 있을 수 있다. 예를 들어, 하나의 실리콘 층이 하나 이상의 도핑레벨과 하나 이상의 도펀트를 갖는 하나 이상의 구역을 보유할 수 있다. 하나의 재료층이 한가지 이상의 재료 타입을 갖는 구역을 한군데 이상 보유할 수 있다. 구역마다 공진기의 TCF 거동에 추가 자유도를 더할 수 있다. 이런 구역들의 크기와 특성을 조절하면, 정상 주파수와 1~3차와 그 이상의 고차 Tcf 항들에 영향을 줄 수 있다.
MEMS(microelectromechanical systems) 내부의 미세가공 구조들은 여러 이유로 생산중/후반작업 히팅에서 이득을 볼 수 있다. 기존의 오븐이나 노 내부에서의 생산중 히팅은 전체 MEMS 웨이퍼 집합에 대해 공통의 온도를 이루어야할 경우 효과적이지만, 현재 부각되는 후반작업 과정에서는 정확한 다이-사양이나 웨이퍼-사양 온도들에서의 쌍방향 히팅이 필요하다. 또, 과정이나 제품에 따라서는 전체 다이나 전체 웨이퍼 오븐히팅을 통해 쉽게 얻기 힘든 불균일(국부적) 히팅을 요하기도 한다.
이상 설명된 각종 온도안정 및 내마모 특성들 외에, 공진기 구조의 변성도핑 폴리실리콘 층 및/또는 변성도핑 단결정 실리콘 층은 주울열이나 복사열 기법으로 열적 사이클을 거쳐 공진기 주파수의 표적 사후캡슐화 및/또는 사후패키징 조절을 달성할 수 있는데, 예를 들면 웨이퍼 규모나 개별 공진기의 고유주파수를 50ppm 이내, 20ppm 이내, 10ppm 이내 또는 표적 출력주파수 이하로 조절할 수 있다. 구체적으로, (전술한 공진기 구조와 같은) MEMS 장치의 미세가공된 요소들의 히팅이나 수퍼히팅을 가능케하는 온다이 구조들에 대해 설명한다. "접촉히팅" 실시예의 첫번째 그룹에서는, 표적 미세가공 구조들을 통해 직류 도전로를 형성해 저항가열(주울가열)을 하는데, 어떤 경우에는 최저 MEMS 작동온도범위를 크게 넘는 온도RK지 표적 요소를 가열할 수 있다(수퍼히팅). 여러 접촉가열 실시예에서, 표적 미세가공 요소를 각각의 앵커에 연결하는 "테더" 구조를 이용해 DC 전류를 사용하고, 앵커와 장치 기판에 대한 단열을 하기도 한다. 다른 접촉가열로, MEMS 공진기의 재료 스택 내부에 형성된 하나 이상의 전극 구조나 다른 가동 미세가공 부재를 패턴화하여 장치가열 열점을 형성한다.
"용량결합 가열"의 경우, 충분히 높은 주파수 신호들을 인접 전극들에 인가해 표적 미세가공 요소 내부에 AC 전류를 생성하는데, 이런 전극들은 가동 미세가공 부재에 용량결합되고 미세가공 공진부재의 경우 공진기 장치 전극 및/EH는 공진기 감지 전극 역할도 할 수 있다. 또는, 미세가공 구조의 유전적으로 분리된 각각의 층들에 직접이나 용량성 결합을 하여 유전경계를 가로질러 RF 에너지를 운반하여 분리된 층들을 가열한다. 어떤 경우에도, MEMS 공진기 구조나 그 부분들(예; 다층장치의 층들)이 주울가열효과를 지연시키도록 패턴화된다. 또, 어느 경우에도 미세가공 부재의 각 구역 및/또는 층들의 국부적 가열을 위해 다수의 에너지전달 포트들이 제공된다. 자체가열의 경우, (AC/DC 전류를 소정의 에너지 전달 포트에 보내는) 프로그래머블 스티어링 회로 및/또는 (원하는 가열 프로필을 설정하는) 프로그래머블 가열제어회로를 표적 미세가공 부재와 같은 다이에 또는 멀티다이 패키지 내부의 다른 다이에 제공할 수 있다. 또는, 복사가열(예; 레이저나 RF 가열)을 이용해 MEMS 공진기 구조나 그 일부분들을 과열시킬 수도 있는데, 예컨대 투명하거나 관련 파장을 투과시키는 덮개나 포장되거나 캡슐화된 MEMS 공진기의 다른 구조를 통해 복사에너지를 전달한다. 이들에 대해 뒤에 자세히 설명한다.
도 14는 여러 기술로 가열/과열될 수 있는 MEMS 내부의 미세가공 부재의 일례를 보여준다. 미세가공 부재는 MEMS 장치 내부에서 움직이는 공진부재이고, 적어도 하나의 DDS 층을 포함한다. 이런 미세가공 부재가 가속도계나 서미스터나 다른 MEMS 구조 내부에서 움직이는 질량일 수도 있고 DDS 층을 갖지 않을 수도 있다. 또, DDS 층이 단결정, 다결정 및/또는 비정질 형태의 실리콘이나 게르마늄 등을 1e18 atoms/㎤, 1e19 atoms/㎤, 1e20 atoms/㎤, 2e20 atoms/㎤와 같은 고농도의 도펀트(예; 비소, 붕소, 인, 안티몬 등)와 함께 도핑하여 구현될 수도 있다. 따라서, "DDS"는 변성도핑된 실리콘은 물론, 변성도핑된 게르마늄, 3~5 화학물, 실리콘-게르마늄 등을 포함한 다른 다양한 변성도핑된 반도체들을 의미하고, 이에 한정되지도 않는다.
도 14에서 공진부재가 각각의 테더링 구조(테더)에 의해 앵커에 고정되고, 각각의 구동/감지 전극들 사이에 배치되고 및/또는 상단층이나 중간층 내부에 패턴화된 전극을 갖는다. 도면의 615, 617, 619에서 보듯이, 완전히 DDS, 압전체 층이 배치된 DDS 층 및 DDS층과 전극층 사이에 배치된 압전체 층으로 이루어진 여러가지 공진 부재를 볼 수 있다. 3층 구조의 경우, 전극층이 하나 이상의 도전 전극 구역들을 가질 수 있고, 이런 구역들은 유전체에 의해 서로 절연되거나 전극층에 합쳐진다.
도 15A는 시간주울 가열을 허용하는 구조적 연결부와 함께 DDS 공진기를 갖는 MEMS 장치의 일례를 보여준다. 도시된 접촉가열법에서, DDS 공진기가 다기능 테더들에 의해 앵커들 사이에 고정된다. 즉, 테더는 DDS 공진기를 앵커와 장치기판에 기계적으로 고정하는 역할은 물론, 주울가열 전류(IJH)의 도체 역할도 하며, 경우에 따라서는 DDS 공진기와 앵커 사이의 단열체 역할을 한다.
앵커가 도체이므로, 웨이퍼나 다이의 프로브들로부터의 주울열 전류가 흐른다. 구체적으로, 장치를 캡슐화하기 전에, 2개의 프로브들 사이에 생기는 전압원이나 전류원이 주울열 전류를 일으키고, 이 전류는 도시된 실시예에서 좌측에서 우측으로 흘러 가장 좌측의 앵커와 테더로부터 DDS 공진기를 통과한 다음 가장 우측의 테더와 앵커를 통해 나간다. 도 15A에서는 DC 전류로 표시했지만, 교류를 사용할 수도 있다.
도 15B는 캡슐화 후 주울가열 MEMS의 일례로서, 도전 바이어스가 밀봉 덮개를 관통하여 도전 앵커 구조(즉, 도 15A에서 도체로 이루어진 앵커)와 전기접속을 한다. 이런 구성에서, 주울열 전류가 캡슐화후 마감동작 동안 DDS 공진기를 통해 구동되는데, 경우에 따라서는 MEMS 장치가 호스트 시스템에 전개되기 전이나 후의 전기장 내에서의 주울열을 포함할 수도 있다. 도 15C는 다른 예로서, 도전 바이어스가 장치 기판(예; 전체 반도체)를 관통하여 DDS공진기에 주울열 전류가 흐르도록 한다. 도 15B~C 양쪽 실시예 모두에서, 밀봉캡슐화가 밀봉링 등과 함께 진공 공간이나 불활성 단열재로 채워진 공간을 밀폐하여, DDS 공진기에서 기판과 덮개로의 열복사를 제한한다.
도 16A~C는 다기능 테더 구조의 일례로서, 도 16A는 벌크 테더, 도 16B는 복합 테더, 도 16C는 연장경로 테더를 보여준다. 일반적으로, 주어진 테더 구조의 열-전기 저항은 단면적에 반비례하지만, 테더에 의한 (가동 부재를 앵커에 대해 고정하는) 기계적 강도는 단면적에 비례한다. 도 16A의 테더의 폭(W; 미세가공 부재 깊이에 맞게 깊이가 고정된 경우 단면적)은 테더의 열과 전기 도전율과 간격(D)에 맞게 원하는 전기-열 저항과 기계적 강도에 맞게 선택된다. 예컨대, 테더의 전기적-열적 저항은 테더 자체 내부온도를 원하는대로 하도록 엔지니어되어, 가열/과열된 가동 미세가공 부재와 주변온도의 앵커와 기판 사이에 열장벽(단열)을 설정한다.
도 16B의 복합 테더는 N(>1)개의 장치 테더들이 집합된 것으로, 각각의 테더는 간격을 고려해 원하는 단면적을 얻고 단열도와 기계적 강도를 제공하는 크기를 갖는다. 가동 미세가공 부재의 의도된 동작(예; 공진부재내 여러가지 가능한 진동모드)에 따라, 벌크 테더를 여러개의 테더로 분리하면 운동자유도가 개선되면서도 기계적 지지도를 유지할 수 있다. 벌크 테더를 동일한 면적을 차지하는 다수의테더로 분리하면 (대응 벌크 테더에 비해) 복합 테더의 단면적이 줄어들어 전기-열 저항이 상승하여, 동일한 주울열 전류와 재료로도 테더 온도가 높아지고, 그 결과 표적 미세가공 부재 내부의 온도를 높일 수 있다.
도 16C의 테더는 간격부에 직교하는 측면 방향으로 뻗었다가 되돌아 접혀 앵커와 가동 부재 사이의 전기-열 경로의 길이를 늘여, 상당히 높은 온도와 잠재적인 더 큰 단열을 달성할 수 있다. 도시된 실시예의 테더는 간격부의 축선에 대해 측면 길이 L로 뻗으면서 대칭구조이다. 이런 구조에서 측면 연장 간격(2L)을 가동 부재의 폭이나 앵커의 폭에 거의 일치되게 선택하면, 가동 부재와 앵커 사이에 효과적인 열장벽을 설정할 수 있다. 접힌 테더의 측면 연장 길이가 가동 부재의 폭의 1/3이나 1/4 또는 그보다 더 크거나 작을 수 있고, 이 경우 다수의 복합 접힌 테더들을 이용할 수 있다. 또, 테더의 폭을 원하는 열과 전기 저항을 내어 테더 내부의 온도를 높이도록 설계하여, 테더의 단열기로서의 효율을 높일 수도 있다. 예컨대 L:W의 비를 2, 3, 4, 5 또는 그 이상으로 하고 이런 정수비들 사이의 임의의 분수값으로 할 수도 있다. 또, 각각의 측면 (접힌) 연장부의 U형 형태는 미세가공 부재의 움직임에 맞게 압축과 팽창을 하여 기계적으로 어울린다. 따라서, 도 16C의 테더는 가동 미세가공 부재를 앵커에 기계적으로 고정하는 역할을 하고, 앵커로부터가동 미세가공 부재를 단열하며 주울열에 대한 전기적 경로를 제공하고, 미세가공 부재와 앵커 사이에 스프링 역할도 한다. 한편, (간격 D보다 작거나 같거나 큰) 측면 연장부 길이 L이 도시된 것보다 작거나 클 수 있고, 그 형상도 반원이나 원호와 같은 곡선형일 수도 있다. 대칭이 아닌 구조를 취할 수도 있다.
도 16D는 앵커와 접힌 테더를 통해 가동 미세가공 부재를 거쳐 DC/AC 주울열 전류를 도전시켜 이루어진 열 프로파일의 일례이다. 앵커에 비해 테더의 전기저항이 높고 경우에 따라서는 가동 미세가공 부재 때문에 테더 자체 내부에서 주울열이 생겨, (주울열이 생길수도 있는) 가동 미세가공 부재의 전도와 복사 가열이 생긴다. 주울가열 동안 테더가 가동 미세가공 부재를 주변이나 주변온도(T0)의 앵커로부터 단열시켜, 적어도 진공환경에서 (앵커와 미세가공 부재 사이의) 테더의 물리적 중간점의 정상 테더 온도가 T0+TJH/2로 상승하고, 가동 미세가공 부재는 상대적으로 균일하게 T0+TJH 온도까지 가열된다. 경우에 따라서는 (비선형 구배를 포함해) 다른 온도 프로파일이 생길 수도 있다. 가동 미세가공 부재는 복사분산이나 기체전달 때문에 테더의 최고온도 부위보다 약간 냉각될 수 있지만, 테더의 최고온도에 가깝다. 온도 프로파일을 설계와 가공 과정에서 고려할 수 있다.
도 17은 "유연한" 테더 쌍 각각이 가동 미세가공 부재로 주울열 전류를 도전하고 이런 테더 쌍이 전용 가열포트를 형성한 다른 주울열 MEMS 실시예를 보여준다. 기계식 테더들은 미세가공 부재를 앵커에 연결하는 역할을 하면서 원하는 기계적 강도를 제공하지만, 유연한 테더들은 미세가공 부재의 진동이나 관성운동을 감쇄하도록 상대적으로 소프트하게 디자인된다. 또, 유연한 테더 쌍이 여러개 있어 미세가공 부재의 각 구역들을 불균일하게 가열하거나 과열하고, 그 영향은 몇몇 경우에 유용할 수 있다. 가열포트(유연한 테더 쌍)의 수가 많거나 적을 수 있고, 미세가공 부재의 코너나 각 층이나 다른 단열구역들에 전류를 흐르게 할 수도 있다.
도 18A~B는 (MEMS 공진기나 가속도계 내부에서) 구동 및/또는 감지 전극 역할을 하는 전극들이 가동 미세가공 부재 내부의 AC 주울열 전류를 일으키는 RF 에너지 입력의 두배인 용량결합 피동 가열 배열을 보여준다. 도 18A에서는 RF 에너지원이 양쪽 전극으로 공급되지만 RF 신호(또는 RF 신호의 상하 피크들 사이의 중간점에서의 안정상태 중립전압 세트)의 보완 위상이 하나 이상의 다기능 테더들에 결합되어, 다기능 테더를 통해 가동 미세가공 부재에 교류전류가 흐르게 한다. 즉, RF 에니지원에서 전극들과 미세가공 부재 사이의 용량결합을 통해 미세가공 부재에 에너지가 전달되고, 전하 캐리어들은 다기능 테더를 통해 미세가공 부재로 교호적으로 축출되거나 끌려간다.
도 18B에서는, RF 에너지원(또는 RF 신호와 중립전압)의 보완 위상이 2개의 전극에 교호적으로 결합되어 전극들이 효과적으로 구동되어 AC 전류가 흐르게 한다. 즉, 전하 캐리어가 가동 미세가공 부재를 교호적으로 가로질러 한쪽 전극과 다른쪽 전극을 향해 흐른다. 이 경우, 기계식 테더는 전기적 부도체이고 다이나 웨이퍼 주변의 온도를 갖는 앵커에 대해 단열을 하도록 전술한 바와 같이 엔지니어된다.
도 19A는 (예컨대 전술한 전기도전 테더를 통해) 도전적으로나 (도 18의 용량성 전극을 통해) 용량적으로 다층 장치의 각 층에 에너지가 공급되는 다른 주울열 실시예를 보여준다. 상부 전극층과 하단 DDS 층 사이에 내부 유전층(예; 압전체)가 배치되어, 바깥 층들은 DC/AC 주울열 전류가 흐르는 저항체를 이루는 것으로 보인다.
도 19B는 듀얼실리콘 공진기의 패턴화된 전극층(즉, 변성도핑된 폴리 층과 변성도핑된 단결정 실리콘층과 실리콘 층들 사이에 압전체 층이 배치된 것) 내부에서 주로 주울열이 발원하는 다른 가열 배열을 보여준다. 테더는 공진기와 앵커링 필드 영역들 사이에 단열을 하되 상당한 주울열 전압강하 (및 전력분산)이 패턴화된 전극층 내부에서 일어나도록 충분한 도전율을 갖는다. 여기서, 패턴화된 전극층(예; 변성도핑된 실리콘 층들인 단결정 실리콘 및/또는 폴리실리콘 둘다나 하나에 구현됨)은 상대적으로 좁은 도전경로를 갖고, 이 도전경로는 대형의 연결노드들 사이를 뻗는다. 상대적으로 낮은 단면적(높은 저항) 때문에, 좁은 경로는 주울열 전류가 가로지르는 도전경로 내부의 저항전력(I2R) 분산의 소스와 큰 주울열원을 구성한다. 도 16D의 테더 기반 가열 구성과 마찬가지로, 이 공진기는 공진기에서 기판과 덮개 구조로의 제한된 복사열로 표적 온도(예; T0+TJH)까지 비교적 균일하게 가열될 수 있다. 일반적으로, 패턴화된 전극 주울열은 다른 주울열이나 복사열원과 함께나 단독으로 국부적이거나 불균일한 온도 분포를 포함해 도 16D의 실시예와는 다른 온도 프로파일을 보일 수 있다.
도 20은 도 19A의 가동 미세가공 부재의 (최소한 어느정도 도체인) 바깥 층들에 RF 에너지원이 연결된 다른 실시예를 보여준다. 이 구성에서는, 미세가공 부재의 전극과 DDS 층들에 AC 전류가 생겨 이들 층을 가열하거나 과열한다.
도 21은 MEMS 다이(예; 가동 미세가공 부재가 형성되어 있는 다이)와 제어 다이를 갖는 캡슐형이나 칩형 MEMS 패키지를 보여준다. 제어 다이는 비교적 저전력의 런타임 제어신호와 출력신호들을 2개의 다이 사이로 전달하는 다수의 저전력 제어신호 연결부와, DC/AC 전력신호 형태로 주울열 에너지를 전달하는 비교적 고전력의 열에너지 연결부를 포함한다. 도면에는 열에너지 연결 쌍이 하나만 도시되었지만, 다수의 가열포트를 가질 경우 연결부가 더 많을 수 있다. 또, 열에너지 연결부가 제어 다이와 MEMS 다이 사이로 뻗는 것으로 도시되었지만, 외부 가열제어기로부터의 전력전달을 위해 패키지의 표면에 노출될 수도 있다. 또, MEMS 다이와 제어 다이 사이의 열에너지 연결부를 전술한 것처럼 사전/사후 접근되는 MEMS 다이에서의 에너지 입력 인터페이스를 위해 생략할 수도 있다. 즉, MEMS 다이 가열을 제어 다이로 패키지하기 전에 실행한다. 과열할 크기를 갖는 전기 비아와 접점들을 정상 작동하도록 설계된 대응부분보다 측면 치수를 더 크게 할 수도 있다. 예컨대, 정상작동을 위한 비아는 그 직경이 기생 커패시턴스를 최소화기 위해 5~15 ㎛ 정도이지만, 과열을 위한 비아는 이런 제한 없이 비아에서의 저항가열을 최소화하기 위해 그 직경이 20~100 ㎛정도일 수 있다. 이런 비아가 (알루미늄이나 티타늄과 같은) 저융점 재료와 접촉할 수 있으므로, 비아 온도는 제한되어야 한다. 또, 비아 내의 도체는 가볍게 도핑된 반도체보다는 DDS와 같이 정상작동에 필요한 것보다 더 낮은 전기저항을 가질 수 있다.
도 21에서, MEMS 다이 내부의 미세가공 부재의 원위치에서의 생산후 가열/과열을 위해 제어 다이 내부에 프로그래머블 가열제어회로를 배치할 수도 있다. 이 경우, 제어 다이가 MEMS 패키지의 외부 접점을 통해 접근할 수 있는 프로그래밍 인터페이스(즉, 시그널링 인터페이스)를 포함할 수도 있다. 따라서, 외부 컨트롤러(예; 호스트 시스템 내부에 MEMS 패키지와 같이 배치되고 전용인 것, 또는 독립 생산/후생산 컨트롤러)가 프로그래밍 인터페이스에 연결되어 프로그래밍 가열제어회로를 구성하는데 필요한 프로그래밍 명령어와 피연산함수를 출력하여 MEMS 다이 내부의 미세가공 부재들의 가열/과열을 개시하고 제어할 수 있다.
도 22는 도 21의 프로그래머블 가열제어회로를 구현하는데 사용되는 프로그래머블 가열 컨트롤러를 보여준다. 이 가열 컨트롤러는 파워드라이버 회로에 각각의 프로그램된 인자 집합들을 공급하는 Nro의 프로그래머블 레지스터 뱅크를 포함한다. 파워드라이버 회로는 해당 레지스터 뱅크 내부에 프로그램된 인자에 맞게 각각의 가열포트에 (전압이나 전류원 역할을 하는) 파워신호들을 공급한다. 도시된 실시예에서, 각각의 프로그래머블 레지스터 뱅크는 해당 가열포트를 통해 파워드라이버에 의해 출력된 전압이나 전류의 진폭, 지속시간 및 주파수를 제어하는 각각의 인자들을 저장하기 위해 (각개 레지스터에 의해 구현될 수 있는) 레지스터 필드 집합은 물론, 가열포트를 선택적으로 가동하거나 불능화시키는 포트 인에이블 필드를 포함한다.
도 23은 외부 가열 컨트롤러 내부의 다수의 가열-파워 드라이버들이 각각의 MEMS 장치에 연결되어 MEMS 장치에 대한 전술한 각종 가열과 과열을 동시에 실행하는 구성을 보여준다. 외부 가열 컨트롤러는 예컨대 생산이나 시험 장치(예; 자동시험장비) 내부에서 구현되고, 이런 장치는 MEMS 장치 가열/과열에 관련되거나 무관한 여러 다른 기능들을 수행할 수 있다.
도 24A는 가동 미세가공 부재(즉, MEMS 장치나 패키지) 내부에 생긴 온도와 함께, 도 22~23의 외부나 원위치의 가열 컨트롤러들 내부에 생길 수 있는 가열파워 프로파일을 보여준다. 여기서, 각종 폭(지속시간)과 진폭(파워)의 펄스들이 생성되고, 순 에너지전달은 펄스 밑의 면적에 비례한다. 구체적으로, 펄스 지속시간은 0.1 내지 100 ms 범위에서 변하고(경우에 따라서는 더 짧거나 긴 지속시간도 가능), 파워 레벨은 20~500 mW 범위에 있다(다를 수도 있음). 가열/과열 동작동안 가동 미세가공 요소들 내부에서 생긴 온도는 정상적인 MEMS 런타임 작동온도를 크게 초과하여 도시된 열 프로파일에서 300~1300 ℃ 범위에 있지만, 다른 온도도 가능하여 예컨대 하한가가 500℃, 600℃, 700℃ 또는 800℃일 수도 있다.
도시되지는 않았지만, 펄스 주파수도 (도 22에서 소개한) 가열제어 인자에 맞게 변할 수 있다. 또, 도 24B와 같이, 예컨대 다양한 파워-다운 램프 레이트들에서 선택을 하여 제어된 냉각 프로파일을 달성하는 파워펄스 파형을 형성할 수도 있다. 따라서, 쿨다운 속도를 늦추려면 더 긴(경사가 느린) 파워다운 램프를 선택하지만, 쿨다운 속도를 빠르게 하려면 더 짧은(경사가 급한) 파워다운 램프를 선택할 수 있다. 선택된 파워다운 램프 레이트들을 모든 파워펄스들에 적용하거나(어느 경우에도 펄스마다 램프-레이트가 다름) 가열(파워펄스) 순서로 최종 펄스나 최종 몇개 펄스에만 적용할 수 있다. 또, 도시된 것은 선형 파워다운 램프이지만, (지수함수나 포물선형 등의) 비선형도 가능하다. 또, 제어된 파워다운 프로파일들을 보여주고 있지만, 파워펄스들의 상승연부들이 제어된 가열 속도를 얻도록 비슷하게 형성될 수도 있다. 어떤 경우에도, 도시된 펄스 프로파일 이외의(또는 더하여) 다른 파워 프로파일들을 사용해 장치 가열작업을 할 수 있는데, 예를 들면 안정상태나 NRZ(non-return-to-zero) 파워 프로파일들이 있다.
구조를 가열하는데 사용된 전기회로가 구조의 온도를 감지할 수도 있다. 이 구조의 전기적 성질들은 대개 온도의 함수이고, 저항은 온도와 함께 증가할 수 있다. 이것을 이용해 트리밍 전후의 온도를 측정할 수 있다. 또, 가열 펄스들 사이나 가열펄스 동안의 구조 온도도 측정할 수 있다. 이 방식에서, 펄스 지속시간이나 높이 또는 다른 파워 프로파일 특성을 진행 전이나 중에 변조하여 최적의 결과를 얻을 수 있다. 예컨대, 테더가 냉각되었을 때 특정 저항을 갖고 원하는 고온에 달했을 때 다른 저항을 가지면, 원하는 고온에 도달할 때까지 전류펄스를 가할 수 있다. 여러가지 수단으로 구조의 저항을 가열과 같은 시간에 측정할 수 있는데, 예를 ㄷ들 이 구조에 걸린 전압을 측정하는 동안 전류를 가해 저항을 측정하거나, AC 테스트신호로 저항을 측정하는 동안 DC 가열 드라이브를 가해 저항을 측정할 수 있다.
도 25는 오븐 리플로우 동작으로 가열포트를 이루는 2개의 별도의 단자들을 하나의 작동단자로 합친 패키지된 MEMS 장치의 프로세스를 보여준다. 즉, 오븐 리플로우 전에, 패키지된 MEMS 장치는 2개의 전기적으로 분리된 단자들을 갖는데, 2개는 전술한대로 내부 미세가공 구조를 가열/과열시키는 포트를 이루고, 나머지는 첫번째 작동단자를 이룬다. 2개의 가열포트 단자들의 각각의 솔더층(또는 다른 열용융 도체 층들)은 오븐 리플로우중에 녹아 효과적으로 합쳐져 (MEMS 장치를 3-단자 장치에서 2단자 장치로 변환하는) 두번째 작동단자를 형성한다. 이와 같은 방식이 첫번째 작동단자와 함께 실행될 수도 있다.
도 26은 정면에 2개의 단자(단자 1, 단자 2)가 달린 패키지된 MEMS 장치 내부의 가열포트 구성을 보여준다. 칩형 패키지(CSP; chip-scale package)의 뒷면은 테더를 통해 가동 미세가공 부재(예; 도 1의 119와 같은 공진부재)내 전극층에 연결되어 세번째 단자인 배면단자(단자 3)를 형성한다. 정면단자들 중의 하나는 테더를 통해 배면단자와 같은 전극층에 전기적으로 연결되어, 테더로 연결된 정면단자와 배면단자가 가열포트를 형성하고, 이곳에 AC/DC 주울열 전류가 흐를 수 있다. 이런 주울열 작동 회로모델이 도 27A에 도시되었는데, 전류 IJH가 테더 쌍 Rtether와 가동 미세가공 부재의 층(들)에 흐른다. 단자 1에서 바닥 DDS 층으로 흐르는 전류도 테더 구조들을 통과하고, 이런 테더 구조들은 주울열 전류가 흐르는 테더와 같다. 도면에는 모든 단자 연결부에 동일한 테더 저항(Rtether)이 있지만, 이런 테더 저항이 층마다 다를 수도 있고, 심지어는 공유 테더 하나만 사용할 수도 있다. 예컨대, 테더의 단면적(폭 및/또는 높이) 및/또는 테더의 도전율이 미세가공 부재의 각각의 층의 연결부에 대해 불균일할 수 있다.
도 26에서, 단자 1과 단자 2/3 사이의 커패시터는 미세가공 부재내 압전체 층이나 다른 유전층을 나타낸다. 단자 2~3에 DC 전류원이 연결되어 주울열을 생산하는 것으로 도시되었지만, DC 전압원이나 AC 전압원이나 전류원을 사용할 수도 있다. 또, 각각의 다이의 배면을 정면단자들 중의 하나에 전기적으로 연결할 수도 있다. 많은 경우, (배면과 정면 단자 사이의) 이런 잔류 전기결합은 장치 동작에 미치는 충격이 거의(전혀) 없다. 장치 작동중에 장치의 배면과 정면단자들 사이의 절연이 필요한 경우, 배면단자에 용융되거나 파괴될 수 있는 연결을 채택하여 배면단자를 사후에 없앨 수 있다.
도 26에 도시된 2개의 정면단자들은 정상적인 장치동작에 이용된다. 커패시터는 도 1A의 듀얼실리콘 압전 MEMS 공진기처럼 압전체 층을 나타낸다. 정상적인 장치 동작중에, MEMS 구조내 각 전극층에 1개의 연결만이 필요하므로, MEMS 다이의 배면의 단자 3은 사용되지 않을 수 있다. 도시된 모델에서, 가동 미세가공 부재 내부에 주울열 전류가 전혀(거의) 흐르지 않도록 배면단자를 전기적으로 부유시킬 수 있다. 이런 동작이 도 27B에 도시되었다. 한편, 배면단자를 없앨 수도 있다. 또, 어떤 경우에도, 도 26에 도시된 3개 층보다 많거나 적은 층으로 미세가공 부재들을 구현/제작할 수도 있다.
도 28A~B는 캡슐화-레벨 TSV(캡슐 덮개구조나 기판을 관통하는 through-silicon-vias)와 압전전극 사이의 전기적 연결을 보여준다. 도 28A의 경우, 캡슐화된 듀얼실리콘 공진기의 덮개 및/또는 기판층을 통해 TSV에 3개의 단자들이 노출되는데, 2개 단자는 상단 전극(ISDP 층)의 양단부에 연결되고, 하나의 단자는 하단 전극(여기서는 변성도핑 단결정 실리콘층)에 연결된다. 이런 구조에서, 공진기 재료 스택을 과열(즉, 전술한대로 공진기 재료스택을 주울가열)하도록 설계된 공진기의 테더 구조와 상단전극층을 통해 직류나 교류 전류가 흐르게 하여, 모든 사후 캡슐화 어닐링 작업 및/또는 열주파수 트림 작업을 수행할 수 있다. 도 28B는 도 28A와 비슷하지만, 주울가열 단자쌍이 하단전극층의 양단부에 테더 결합되어 상단층 테더/전극 대신에 하단 테더층이나 전극층을 과열원으로 사용한다. 또, 주울열 단자쌍을 2개 제공하고, 각 쌍을 각각의 변성도핑 실리콘층의 양단부에 연결할 수도 있다. 또, 뒤에 자세히 설명하겠지만, 도 28A나 28B의 주울열 단자쌍을 합쳐 세번째 캡슐화 단자와 함께 도 1A에서 소개한 공진기 감지/구동 단자들을 형성할 수도 있다. 또는, 단자쌍의 전기연결을 모방하도록 동일전위의 공진기-구동 신호들로 주울열 단자쌍을 구동할 수도 있다. 즉, 단자들을 연결해 관련 재료층의 양단부에 동일전위를 설정하는 대신, 단자들이 첨부된 로직 다이의 구동/감지 회로에 의해 동일전위로 구동될 수도 있다.
도 29A~B는 3개 이상의 캡슐화-레벨 단자가 패키지 하우징 내부에 캡슐화되기 전에 합쳐져 2개의 전기적으로 독립된 패키지-레벨 단자만 노출시킨 단자 절감 방식을 보여준다. 도 29A의 개념도에서는 주울열 단자(주울열 포트)가 듀얼실리콘 공진기의 ISDP 층에 연결되지만(주울열 전류가 웨이퍼 프로브나 다이 프로프에 흐름), 코어 단결정 공진층에 연결되거나 코어 공진층에 연결된 다른 가열포트에 연결될 수도 있다.
도 29B는 도 29A의 단자를 만드는 과정을 보여주는 캡슐화된 구조의 각 단계에서의 단면도와 평면도이다. 3단자 구조에서 시작해, 2개의 주울열 단자들이 금속증착으로 합쳐저 하나의 상단전극 단자나 하단전극 단자를 형성한다. 이어서, 도시된 바와 같이 형성된 스루-비아와 솔더-볼을 갖춘 통합 전극단자 위에 추가 패키지 층이 배치되어 4단자 패키지가 형성되는데, 그중 2개의 패키지-레벨 단자들은 전기적으로 연결되어 상단전극 연결노드들을 형성하고, 세번째 단자는 하단전극에 또는 그 반대로 연결된다. 네번째 단자는 기계적 안정을 위한 것으로 상단이나 하단 전극에 연결되지 않는다. 또는, 길쭉한 패키지 구조가 필요할 경우, 2개의 패키지-레벨 단자만 각각 공진전극용으로 노출시킬 수도 있다.
타이밍이나 센싱 등의 작업을 위한 공진기 기반 시스템에서, 공진기 제작과정의 변수를 보정하려면 공진주파수를 실온이나 그 부근에 맞추는 것이 좋다. 예컨대, 미교정 공진기의 실온 공진주파수는 원하는 주파수에서 ±20ppm 정도의 조건을 요하는 종래에 비해 ±10,000ppm 정도 다를 수 있다.
원하는 주파수와 실제 공진주파수의 편차는 능동보정(연속수정)이나 수동보정(1회성 수정인 "트림")을 통해 없앨 수 있다. 능동보정법은 전용 전자회로가 필요해 전력을 소비하고 보정된 주파수 출력도 미보정 공진주파수보다 시끄러워 바람직하지 못하다.
여러 이유로 공진기를 밀봉 포장한 뒤에 주파수교정을 하는 것이 유리하다. 첫째, 비클린룸에서 교정을 할 수 있어 비용이 절감된다. 둘째, 포장과정중에 공진주파수가 약간이라도 움직이면 주파수 트리밍 공정의 정밀도를 악화시킨다.
예컨대 레이저조사나 표면화학반응을 통한 대량 제거/추가 방식으로 MEMS 공진기의 실온 주파수를 트림하는데 수동교정법을 사용했지만, 이런 교정법은 밀봉포장된 공진기에 적용할 때 여러가지 제한이 있다(예; 포장손상, 밀봉공간내 입자발생, 화학적 반응물의 밀봉공간 침투, 공간압력 증가, 공정 복잡도/비용 증가 등).
여기 설명된 많은 실시예에서, 이상 설명된 여러 주울열 구조/기법 및/또는 다른 가열법(예; 레이저나 다른 전자기복사에 의한 과열)을 적용해 열주파수 트림작업을 한다. 구체적으로, 과열법을 적용하는 예로는, (재료 제거, 마모, 치수변화, 표면변화와는 다른) 재료의 성질 변화에 기반한 하나 이상의 공진주파수나 다른 공진장치 특성의 변화가 있다. 가열로 재료의 성질이 바뀔 수도 있지만, 이런 변화가 주파수 트리밍을 실행하는 1차 메커니즘은 아니다. 시퀀스내에서의 하나 이상의 과열 사이클을 이용해 MEMS 구조의 공진주파수를 조작할 수 있다. 이런저런 열적 트림의 예와 특징들에 대해 뒤에 자세히 설명한다.
도 30은 레이저나 다른 전자기 복사원으로 MEMS 공진기를 가열하는 것을 보여준다. 주파수 변조 전에 MEMS 공진기를 밀봉하여 캡슐화-유도 주파수 천이를 보정한다. 밀봉구조는 실리콘, 유리, 알루미나, 기타 MEMS 구조가 들어있는 DDS와 비교해 특정 파장에서 최소로 빛을 흡수하는 다른 물질로 이루어진다. 예를 들어, 파장 1.1㎛의 IR 레이저를 1e17 atoms/㎤ 정도로 가볍게 도핑된 실리콘 밀봉구조물에 조합하면, (예컨대 전술한 듀얼실리콘 공진기 등으로 구현된) MEMS 공진기내의 Dds 층의 흡수력이 가볍게 도핑된 실리콘 구조보다 훨씬 더 커진다. 이런 레이저는 밀봉 캡슐을 손상시키지 않으면서 공진기를 가열한다. 레이저빔의 경우, 광학조작을 통해 스팟사이즈를 원형이나 다른 형상으로 할 수 있다. 스팟사이즈는 일반적으로 MEMS 구조보다 많이 작지만, 경우에 따라서는 비슷한 레이저스팟을 이용하는 것이 유리할 수 있다. 레이저스팟을 구조물의 하나 이상의 이산 위치에 가하거나, 특정 면적이나 형상이나 패턴을 가열하도록 스캔할 수 있다.
전자기복사로 가열할 경우, DDS 층이 2가지 기능: 강성보정을 통한 주파수튜닝과 광흡수를 수행할 수 있다. 한편, DDS 층을 한가지 기능(광흡수)에만 이용할 수도 있고, MEMS 구조의 주파수를 레이저절삭으로 바꿔 절삭분포에 따라 강성이나 질량을 줄이는 형상변화를 할 수도 있다. 광학파워를 MEMS 구조에 공간적으로 패턴화하여, 예컨대 2가지 이상의 모드의 실온 주파수를 독립적으로 엔지니어하거나 2개 이상의 주파수 온도계수를 독립적으로 제어할 수 있다.
레이저 가열법에서, 테더는 2가지 기능(단열/절연 및 기계적 보정)을 수행하고, 비교적 높은 전기저항을 제공하는 세번째 잠재적 기능은 중요성이 떨어진다. 가열 동력원은 주울열의 경우처럼 테더나 패턴화된 전극 고온점이 아닌 레이저 입사점에 있다.
도 31A~B는 MEMS 공진기 구조에 적용된 가열냉각 과정들을 통해 전기적으로 활성인 도펀트 농도를 조절하는 것을 보여준다. 반도체내의 총 도펀트 농도는 전기적으로 활성과 비활성 도펀트 농도들의 합이다. DDS 재료에서, 웨이퍼급 공정의 완료시의 전기적 활성 도펀트 농도는 여러 도펀트 비활성 메커니즘을 통한 총 도펀트 농도보다 크게 낮을 수 있다.
웨이퍼 제작 완료시 상당량의 도펀트 농도가 전기적으로 비활성되도록 DDS 제조과정을 엔지니어할 수 있다. 비활성 도펀트 농도는 도펀트 종(예; 비소, 붕소, 인, 안티몬)의 선택, 단위면적당 도펀트 용량, 도펀트 농도 분산도, 또는 공진기에 적용된 열처리 인자(예; 시간, 온도, 가열속도, 냉각속도)를 통해 조절될 수 있다.
도 16A는 이런 DDS 샘플(예; 변성도핑된 단결정 실리콘이나 다결정 실리콘)이 가열된 후의 전기활성 도펀트 농도를 보여준다. 전기활성 도펀트 농도는 저온(예; 200℃ 이하)에서는 크게 변하지 않지만, 고온에서는 이전에 비활성인 도펀트의 상당 부분이나 거의 전부가 열적으로 활성화될 때까지 크게 증가한다. 최대 가열욘도 범위는 600~1300 ℃ 정도이다.
도 31B는 DDS가 냉각됨에 따라 전기적으로 활성인 도펀트 농도에 대한 2가지 잠재적 시나리오를 보여준다. 1℃/min 정도로 냉각속도가 충분히 늦으면 도펀트가 비활성화되어 전기활성 도펀트 농도가 줄어드는데, 인을 도핑할 경우의 비활성 클러스터의 형성 때문에 그렇다. 실온까지 서시히 냉각된 뒤에는 도펀트 원자들의 상당 부분이 비활성화될 수 있다. 반면에, DDS가 104℃/sec 정도의 속도로 빠르게 냉각(담금질)되면(그보다 늦거나 빠른 냉각도 유효), 비교적 적은 도펀트 원자들이 비활성화된다. 저온이나 저속 냉각속도까지의 후속 가열은 전기활성 도펀트 농도를 낮춰, 도펀트 농도를 높이거나 낮추는데 이용된다. 따라서, 가열에 이은 급속 냉각 사이클(가열사이클, 과열사이클 또는 가열/담금질 사이클)을 이용해 DDS내의 전기활성 도펀트 농도를 조절할 수 있다.
도 32A는 DDS의 전기활성 도펀트 농도와 공진주파수 사이의 관계를 보여준다. DDS내 캐리어의 전기활성 농도는 실온에서의 강성(예; 실리콘의 c11, c12 및 c14 계수)과 이것의 1차, 2차 및 고차 온도계수를 바꿀 수 있다. 따라서, DDS의 전기활성 도펀트 농도의 변화를 주파수 트리밍에 활용할 수 있다.
도 32B는 가열 시간 및 온도와 실온 공진주파수의 관계를 보여준다. 주파수 변화율은 가열시간에 지수함수로 변하고, 충분히 긴 가열시간에 안정상태 주파수로 포화한다. 가열온도의 상승은 보통 공진주파수 감소와 관련된다. 그러나, 전술한 바와 같이, MEMS 장치를 특정 온도까지 가열한 뒤, 이 장치를 저온으로 가열하면 활성 도펀트 농도를 줄이고 공진주파수를 높일 수 있는데, 이런 기술을 여기서는 "백튜닝"이라 한다.
MEMS 구조의 온도-활성화 물질 변화는 특정 변환기술에 한정되지 않는다. 예컨대, 정전, 압전, 압전저항 또는 자기변환 장치에 쉽게 적용할 수 있다. 마찬가지로 주울 가열이나 레이저 가열에도 한정되지 않는다. MEMS 구조를 충분히 높은 온도로 가열하는 것을 조절할 수만 있으면 어떤 가열법도 이용할 수 있다. 레이저빔 가열의 경우, 전극이 공진기에 위치하기만 하면 전극으로 덮이지 않는 부분에 레이저빔위 위치하는 것이 좋다. 이런 공진기는 진동모드에서 높은 변형이나 큰 움직임을 겪는 특수한 관심 구역에 위치하되, 레이저 조사로 전극 표면을 손상시키지 않도록 전극에서 멀리 위치하도록 설계된다.
도 33은 공진주파수를 반복적으로 변화시키도록 MEMS 공진기에 차례대로 가해지는 가열 (파워) 펄스의 순서를 보여준다. 3개의 비슷한 펄스를 구조에 가한 뒤, 주파수가 포화되고 더이상 감소하지 않는다. 4번째 펄스의 가열 파워와 지속시간이 증가하고 공진주파수가 더 감소된다.
여러칠 동안의 MEMS 구조의 온도는 적용된 파워 및/또는 적용된 파워 레벨의 짓혹시간으로 조절된다. 예컨대, 1ms의 특성 열시정수를 갖는 MEMS 구조에 1ns 동안 열펄스를 가하면 최대온도가 100ms 펄스보다 훨씬더 낮아지는데, 이는 전자의 경우 구조가 열평형에 도달하지 않았기 때문이다. MEMS 구조의 열시정수는 이 구조를 이루는 재료나 형태를 통해 설계할 수 있다.
도 34는 주파수 트리밍 과정이나 알고리즘의 순서도이다. 이 루틴은 하나 이상의 온도에서 공진기의 공진주파수를 측정해 시작한다. 온도는 외부 소스를 이용해 조절하거나 장치에 전류를 흘려 조절할 수 있다. 즉, 전술한 복사가열이나 주울가열 기술 어느 것도 MEMS 구조의 가열에 이용할 수 있다. 공진기가 원하는 거동을 하지 않으면, 열처리의 가열 파워, 노출시간, 공간분포를 계산해 공진특성을 바꾼다. 예컨대 주울가열이나 레이저 조사를 MEMS 구조에 적용한다. MEMS 구조가 주변 실온 등의 원하는 온도에 이르길 기다린 뒤, 공진주파수를 재측정해 원하는 거동을 했는지 판단한다. 공진주파수는 공진기가 고온인 동안 측정할 수도 있지만, 측정주파수와 실온주파수 사이에 편차가 있다. 따라서, 목표로 하는 온도에서 공진주파수를 측정하는 것이 좋다.
실제로, 주파수 트리밍은 하나 이상의 온도에서 하나 이상의 고유모드의 공진주파수들을 측정한 다음 하나 이상의 모드의 실온 주파수나 TCF의 변화를 위해 MEMS 구조에 열처리를 하는 사이클을 여러번 반복하는 것으로 이루어진다. 열처리 특성(예; 최대 온도나 지속시간)이나 열처리의 공간적 분포(예; 레이저 위치, 교류전류 주파수 또는 활성 전기단자)를 변화시켜 하나 이상의 인자(예; 2가지 공진모드의 주파수, 실온 주파수 또는 1차 TCF 등)를 독립적으로 변화시킬 수 있다. 각 사이클이 반복되어 이루어지는 열측정 사이클에서, MEMS 구조의 가열사이클 뒤 다시 주변온도나 주파수를 측정하기 전의 공지의 온도까지 냉각할 정도로 충분히 대기하는 것이 유리하지만 필수적인 것은 아니다. MEMS 구조의 온도는 이 구조에 작은 전류를 통과시키고 (온도에 따라 변하는) 그 저항을 측정하여 추정할 수 있다. 한편, 다양한 광학 측정법이나 다른 비접촉 온도측정법을 이용해 과열온도(예; 파워펄스가 걸릴 때 공진주파수를 결정하는 진동계)를 측정하거나, 현장에서 온도감지기들을 이용해 과열온도를 판단할 수도 있다. 그러나, 감지된 과열온도를 가열제어회로에 피드백하여 MEMS 구조를 가열하는 폐루프를 통해 가열 및/또는 담금질 속도/프로파일 등을 조절할 수 있다.
각각의 가열-측정 사이클 뒤, 다음 사이클을 위한 인자들을 계산할 수 있다. 이 과정이 모델기반 방식의 도움을 받을 수 있는데, 이때는 열처리에 대한 예상 주파수변화를 계산해 측정된 주파수변화와 비교한다. 특정 반복을 위한 주파수 변화가 예상량보다 작으면, 다음 반복사이클의 화력을 높여 보상한다. 마찬가지로, 예상 주파수변화보다 큰 것을 이용해 다음 반복사이클의 화력을 바꿀 수 있다. 이런 피드백 과정은 반복횟수를 줄여 주파수 트리밍의 비용을 절감한다.
도 35는 주파수 트림과정을 보여준다. 반복사이클을 시작할 때, 공진주파수를 측정하고 열처리를 계산한다. 이 주파수는 초기에는 표적주파수보다 높다. 주파수의 과조절을 피하고 수학적 모델을 특정 공진기의 특성에 맞게 교정하기 위해 처음에는 화력이 작다. 총 7회의 반복에 걸쳐, 화력이 점점 증가하고 주파수는 점점 낮아져 표적주파수에 도달한다. 공진주파수가 허용범위에 있으면 주파수 트림과정을 종료하거나, 바복횟수가 한계를 넘거나 주파수가 표적주파수에서 너무 떨어지면 트림과정을 중단한다.
도 36은 주파수 백튜닝을 포함한 주파수 트림 과정을 보여준다. 전술한 것처럼, DDS의 열주파수 튜닝은 일정 환경에서 가역적이다. 튜닝과정을 반전시킬 수 있어 좀더 집합적인 주파수 트리밍 알고리즘을 이용할 수 있다. 여기서는 화력이 급격히 상승한다. 2개의 나머지 반복사이클은 화력을 낮춰 주파수를 표적주파수까지 높인다.
시간과 생산비 절감을 위해 다수의 구조들을 동시에 트림할 수도 있다. 예를 들어, 전기탐침부를 이용해 2개, 4개, 8개 또는 그 이상의 장치들을 동시에 측정하고 트리밍할 수 있다. 또는, 여러개의 구조들을 전기적으로 연결해 차례로 트리밍할 수도 있다.
주파수 튜닝 과정을 이용해 다수의 시스템 인자들을 동시에 트리밍할 수 있고, 이런 과정이 실온에서의 하나의 공진모드의 공진주파수에 한정되지 않는다. 예컨대, 다수의 공진모드의 실온을 조절할 수 있고, 단일 모드의 다수의 온도계수들도 조절할 수 있다. 이런 작업은 열변조 과정 동안 MEMS 구조의 온도분포를 조절해 가능하다. 예를 들면, 공진기의 2개 위치 P1과 P2 및 2개의 진동모드 M1과 M2를 고려하면, 특정 위치에서의 강성 변화로 인한 각개 모드의 주파수 변화는 이 위치에서의 기계적 응력에 비례한다. 예컨대, P1에서의 기계적 응력은 M1에서는 낮고 M2에서 높을 수 있다. P2에서는 그 반대일 수 있다. 따라서, P1에서의 강성을 바꾸면 M1의 주파수를 바꿀 수 있고, P2에서의 강성을 바꾸면 M2의 주파수도 바꿀 수 잇다. 이런 이산 위치 개념을 MEMS 구조에서의 연속적인 온도와 응력 분포에 일반화할 수 있다.
MEMS 구조에서의 온도분포를 조절하고 변화시키는 방법으로, 입사 레이저빔의 위치를 변화시키거나, 가열에 사용된 활성 비활성 전기단자들의 구간을 바꾸거나, 장치에 흐르는 전류분포를 바꾸도록 교류전류의 주파수를 변화시키거나, 분산된 기생 커패시턴스들에 흐르는 전류에 대해 온도상승을 유도할 수 있다.
도 37A~D는 모든 가능한 가열단자들로 가열하는 것에 의거하여 MEMS 구조내 여러 공진주파수들을 조절하는 예를 보여준다. 도 37A은 2개의 관심모드인 모드 1과 모드 2에서의 단순한 디스크링 자이로스코프를 보여준다. 도 37B는 정상적인 장치 작동중에 사용될 가능성 외에 용량결합된 주울가열에 활용하기 위해 MEMS 구조를 둘러싼 전극 구성을 보여준다. 도 37C는 MEMS 구조를 모드 1의 주파수를 우선 튜닝하기 위해 불균일하게 가열하기 위해 전극들에 인가되는 RF 입력을 보여준다. 도 37D는 2개 모드 사이에 원하는 주파수관계를 얻기 위해 모드 2의 주파수를 우선 조절하도록 다른 전극들에 인가된 RF 입력을 보여준다. 온도-활성 주파수 트림을 이용해 2개 이상의 진동모드의 합이나 곱을 조절한다. 그 예로는 모드 매칭, 2개 모드 사이의 주파수차 엔지니어링 및 2개 모드의 주파수비 조절이 있지만 이에 한정되지도 않는다.
도 38은 kdufeks들의 활성화에 의거하여 비슷한 MEMS 구조의 2개 모드 사이의 주파수 관계의 조절을 보여주되, 이 구조에 직접 연결된 단자들을 통해 주울 가열을 하여 DC 가열 전류를 이용할 수 있다.
DDS 층 또는 DDS 층 내부의 도펀트 농도는 MEMS 구조에서 변할 수 있다. 예컨대, 전기저항이 높은 구역들을 구조 안으로 유도하여 로컬 주울 가열 파워밀도를 높일 수 있다. 또는, 구조에서의 도펀트 농도의 변화가 구조에서 온도가 비교적 일정한 경우에도 국부적으로 과열을 변화시켜 유도되는 기계적강성의 변화를 유도할 수 있다. 이를 이용해 구조의 TCF를 엔지니어할 수 있다. 예컨대, 기계적으로나 열적으로 연결되지만 TCF는 다른 2개 이상의 구역들로 MEMS 공진기를 형성할 수 있다. 복합 구조의 실온 주파수와 TCF는 각 구역의 중량에 좌우된다. 한 구역이 다른 구역에 대한 기계적 강성이 변하면 복합 구조의 TCF도 변할 수 있다.
MEMS 구조의 강성을 비대칭으로 바꿔 공진장치의 품질인자(Q)의 변화를 유도할 수도 있다. 공진기의 질량이나 강성을 비대칭으로 바꾸면, 공진기가 기판이니 패키지에 연결된 지점에서 에너지손실이 증가하여, Q가 낮아진다. 공진기가 비대칭이고 레이저로 공진기의 비대칭을 제거하면, Q가 상승한다. 예컨대 레이저 위치나 활성 전기단자들을 통해 열처리 동안의 공간적 온도분포를 조절하여 Q의 레벨을 교정할 수 있다.
이상 설명한 다양한 회로와 MEMS 구조들은 컴퓨터보조 설계툴들을 이용해 설명할 수 있다. 이런 회로 vgus이 구현되는 파일이나 다른 오브젝트의 포맷들은 C, Verilog, VHDL과 같은 행동언어를 지원하는 포맷, RTL과 같은 레지스터 레벨 기술언어를 지원하는 포맷, GDSII, GDSIII, GDSIV, 챨 MEBES와 같은 기하학 기술언어를 지원하는 포맷 및 다른 적당한 포맷들과 언어를 포함하고, 이에 한정되지도 않는다. 이렇게 포맷된 데이터나 명령어들을 구현하는 컴퓨터-리더블 매체로는 각종 형태의 컴퓨터 저장매체(예; 광학, 자기, 반도체 저장매체 등)가 있다.
이상 설명한 회로들의 데이터 및/또는 명령어 기반 표현들을 컴퓨터-리더블 매체를 통해 컴퓨터 시스템에서 받아들이면 컴퓨터 시스템 내부의 프로세싱 엔티티(예; 프로세서)에 의해 처리되고, 이때 네트-리스트 생성 프로그램, 플레이스와 라우트 프로그램 등의 다른 컴퓨터 프로그램들의 실행으로 이런 회로들을 물리적으로 표현하거나 영상으로 나타낼 수 있다. 이런 표현이나 영상을 장치 제작에 이용할 수 있는데, 예를 들면 장치제작 과정중에 각종 회로 장치들을 구성하는데 하나 이상의 마스크를 이용한다.
Claims (30)
- 기판;
가동 미세가공 부재;
가동 미세가공 부재를 기판에 고정하고, 가동 미세가공 부재를 기판에서 단열하며, 가동 미세가공 부재를 가열하기 위한 도전 경로를 제공하는 기계적 구조; 및
펄스형 전기자극을 적용해 MEMS(microelectromechanical system) 장치를 가열해 300℃ 이상의 온도를 구하고 MEMS 장치를 104℃/sec 속도로 냉각하기 위한 가열 요소;를 포함하는 것을 특징으로 하는 MEMS(microelectromechanical system) 장치. - 제1항에 있어서, 상기 기계적 구조의 적어도 일부분과 가동 미세가공 부재가 배치되는 진공 공간을 형성하는 캡슐 구조를 더 포함하는 것을 특징으로 하는 MEMS 장치.
- 제1항에 있어서, 상기 기계적 구조가 접힌 테더를 포함하는 것을 특징으로 하는 MEMS 장치.
- 제1항에 있어서, 상기 가동 미세가공 부재가 MEMS 공진기를 포함하는 것을 특징으로 하는 MEMS 장치.
- 제1항에 있어서, 가동 미세가공 부재를 기판에 고정하는 상기 기계적 구조가 도전 경로를 통해 주울 가열 전류를 흘렸을 때 가동 미세가공 부재를 700℃ 이상의 온도로 가열할 수 있는 전기저항과 단열을 제공하는 것을 특징으로 하는 MEMS 장치.
- 제1항에 있어서, 상기 기계적 구조가 도전 경로와 직렬로 연결된 전극을 포함하고, 이 전극은 도전 경로에 전류가 흘렀을 때 가동 미세가공 부재를 300℃ 이상의 온도로 가열하는 저항을 갖는 저항구역을 갖도록 패턴화되는 것을 특징으로 하는 MEMS 장치.
- 제6항에 있어서, 상기 전극이 변성도핑 다결정 실리콘을 포함하는 것을 특징으로 하는 MEMS 장치.
- 제6항에 있어서, 상기 전극이 변성도핑 단결정 실리콘을 포함하는 것을 특징으로 하는 MEMS 장치.
- 제6항에 있어서, 상기 저항 구역이 전극의 제1 단자구역과 제2 단자구역 사이로 뻗으면서 제1 단자구역과 제2 단자구역을 전기적으로 연결하는 전극의 통로를 포함하고, 이 통로는 상기 제1 단자구역이나 제2 단자구역보다 작은 단면적을 갖고 도전 경로 내부에서 제1 단자구역과 제2 단자구역에 직렬로 연결되는 것을 특징으로 하는 MEMS 장치.
- 제1항에 있어서, 상기 가동 미세가공 부재가 변성도핑 반도체를 포함하는 것을 특징으로 하는 MEMS 장치.
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