[发明专利]谐振器

说明书

技术领域

本发明涉及一种谐振器结构，具体地涉及MEMS(微电子机械系统)谐振器，以及制造这种谐振器的方法。

背景技术

在电子装置中的定时参考已经机械实现很长时间。在很多应用中存在着振荡器封装的石英晶体谐振器。石英晶体谐振器的高品质因数和低温度漂移意味着它具有高稳定性，并且因此被选作电子装置中的定时参考。

另一方面MEMS谐振器也是由微型元件可操作地设置在衬底上形成的器件。MEMS谐振器通常通过利用光刻以及其他微加工技术以制造例如传感器和驱动器而构建。微机械谐振器一般在用于集成电路类型的硅衬底上形成，并且可以采用CMOS技术制造。

近来开发出MEMS谐振器，期望取代定时市场中的石英。这些谐振器具有与极限形成因数(form factors)结合的高Q因数(这是对频率选择性的量度)。传统的石英振荡器封装的一般尺寸在几毫米内，然而包括谐振器和驱动电路的MEMS振荡器可以用薄膜技术制造，导致其厚度小于100微米。然而仅仅MEMS谐振器的有利的形成因数不足以使它成为大部分定时参考应用的候选。这是因为与MEMS谐振器相关的一个问题是MEMS谐振器的谐振频率呈温度依赖关系。这意味着谐振频率在整个工作温度范围内将不会恒定。

虽然有许多因素影响谐振器的频率的温度相关性，但是，最常用于形成谐振器的材料硅的弹性模量(或者杨氏模量)的温度相关性，很大程度上决定了谐振器的温度系数。当由硅形成谐振器时，杨氏模量的标称值(nominal value)在<100>方向上，而且硅的负的温度相关性也是已知的。这意味着在室温中，对给定的几何形状，可以准确预测谐振器仅仅在<100>方向上振动的频率。由于杨氏模量的负的温度系数(TC)，谐振器的频率也具有负的TC。

为了克服具有负的温度系数的MEMS谐振器的谐振频率的温度相关性的问题，已知的方法是增加一个正的温度系数的材料的谐振器。通过增加这样的材料到谐振器，总体温度系数可以变为较小负向，并且在一定的容差内可以减小到零。在这样的环境下，谐振器的频率将变为与温度无关的。

已知二氧化硅具有正的温度系数，并且已知采用二氧化硅表皮包覆由硅形成的谐振器以便补偿谐振频率的相关性。

一种已知的方法包括在悬挂的硅谐振器周围应用二氧化硅表皮(skin)的步骤。这种方法被称为全面氧化，因为覆盖在谐振器的整个表面(顶部区域、底部区域以及侧壁)上的所有硅将按实质上相同的比率转化为二氧化硅。

另一已知的方法被称作局部氧化，其中仅硅谐振器的一部分或者转化为二氧化硅，或者被二氧化硅替代。

已知单独由硅形成的谐振器在其谐振频率上呈现30ppm/K的负温度漂移。这意味着在100℃以上的范围时，该频率将改变3000ppm。数值-30ppm/K被称为谐振器的线性温度系数(TC)。

在由硅形成的谐振器被二氧化硅层包覆之后，线性温度系数与生长的氧化层的厚度接近线性关系。

已经证实对大约300nm的氧化层，线性TC为零。这个值取决于谐振器的厚度，因为该厚度比定义谐振体的几何形状的其他尺寸中任何一个都小得多。这意味着谐振器的频率将不再随温度而实质上变化，并且因此几乎与温度无关。

谐振器的频率取决于其他因素以及环境温度。这意味着，如果相对于温度的频率变化减小到一个小值使得TC接近于零，则仍不可能产生具有完全相同谐振频率的大量谐振器，因为该频率将将取决于其他因素。特别是，谐振器的频率与形成围绕在形成谐振器的材料(典型地，硅)周围的表皮的氧化层的厚度接近线性关系。对300nm氧化物厚度，忽略由温度引起的其他变化，相对于非氧化谐振器的频率，频率的变化超过100000ppm。因此，可以看出氧化物厚度的变化造成对频率的影响远远大于超过100°温度范围时频率的变化。

由于频率很大程度上取决于氧化物的厚度，在具有厚氧化物的MEMS谐振器中出现大的频率扩展就不足为奇了。

也就是说，当氧化层减小谐振器的TC时，谐振器的频率将随该氧化层的厚度的变化而变化。

二氧化硅通常采用热氧化处理工艺应用。这个处理工艺具有几个百分点的相对误差。例如，对预定300nm厚度的氧化层，实际上层的厚度在293nm和308nm之间，这意味着存在5％的相对误差。这意味着谐振器的最终绝对频率有每百万之数千部分的范围内的扩展。这个范围对大部分应用来说太大了。

发明内容