专利名称：谐振器的制作方法
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°c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 lOOOOOppm。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
根据本发明的第一方面，提供一种谐振器，包括由第一材料和第二材料形成的 梁，第一材料具有第一杨氏模量和第一杨氏模量的第一温度系数，第二材料具有第二杨 氏模量和第二杨氏模量的第二温度系数，至少在谐振器的工作条件之内第二温度系数的 符号与第一温度系数的符号相反，其中第二材料形成位于第一材料上面的层，并且第一 材料的截面积与第二材料的截面积的比值沿着梁的长度而改变，实质上垂直于梁测量截 面积。谐振器可以包括微机械谐振器，其中第一材料包括硅，并且第二材料包括氧化 物，例如二氧化硅。第二材料包括在第一材料上或围绕第一材料形成的层，例如形成围绕第一材料 的表皮。因为现在还不能预先准确控制第二材料的厚度，所以就不能完全补偿硅谐振器 的频率的温度相关性。因此，虽然应用在硅上的氧化层可以减小谐振器的温度系数，但是它还是引起 了谐振器的绝对频率的变化的增加。也就是说，因为谐振器的绝对频率是如此强烈地依赖氧化物的厚度，所以不可能预先准确控制谐振器的绝对频率。绝对频率的扩展是由于在测量以及控制氧化层的厚度中的5%的误差。另外，绝 对频率的变化也取决于作为氧化层厚度的函数的谐振器频率的梯度。虽然这很困难，但 是不是不可能，在氧化层厚度的控制中获得优于5%误差，发明者也认识到这就可能减小 绝对频率对温度的相关性。已知由第一材料硅形成的谐振器的频率相关性是-377ppm每纳米氧化层。发明 者认识到，通过确保可以是氧化层的第二材料具有按预定方式变化的厚度，而不是实质 上厚度均勻的层，这个值可以减小。尤其是，发明者认识到通过在梁上预先确定的位置 处改变第一材料的截面积与第二材料的截面积的比值，绝对频率对第二层的厚度的相关 性将会减小，如下文所说明。谐振器还包括一个锚状物，以及一个自由端或尖端。谐振运行的谐振器包括本体的一部分，该本体作为质量弹簧系统 (mass-spring-system)中的质量，任何机械振动的集中代表。最接近自由端或尖端的部分 对质量的贡献最大。谐振器本体的悬挂点被称为锚状物，受到很小的振动。鉴于集中质 量弹簧系统，锚状物附近的本体部分对“弹簧”项贡献最大。在本发明的一个实施例中，第二材料的厚度在锚状物处或附近较大。更特别的是，在谐振器的弹簧部分，即位于锚状物或锚状物附近的部分，第一 材料的截面积与第二材料的截面积的比值应该在21左右。在朝向梁的自由端的谐振 器的质量部分，该比值应该小大约五倍。这意味着，如果在锚状物或锚状物附近处第一 材料的截面积与第二材料的截面积的比值为2 1，那么在朝向自由端处应该为10 1。其中一个方法，可以通过沿着梁改变预定位置的第二材料的厚度来改变第一材 料的截面积与第二材料的截面积的比值。可替换的，也可以改变转化为第二材料的截面 积中第一材料的相对比例。当第一材料包括硅，并且第二材料包括二氧化硅时，热氧化的处理工艺发生在 谐振器暴露的表面。因此，很可能在谐振器的所有表面上得到的第二材料的厚度是均勻 相等的。注入特定原子到谐振器中可以或增强或抑制氧化的速率。因此局部注入导致氧 化层生长速率的局部改变。这样，可以改变沿着梁的氧化物的厚度。可替换的，一种方法是可以改变第一材料与第二材料的相对比例。当在谐振器 上的第二材料厚度相同时，但是，例如第一材料的厚度沿着梁的长度改变，那么在第二 材料厚度均勻的情况下，将改变沿着谐振器的两个材料的相对比例。当参考以下示例时，可以理解减弱的谐振频率作为氧化物厚度的函数的问题。纵向谐振的梁以角频率ω振动，沿其长度的位移函数U(X)是微分等式的解
d—
OX
EA(x)du(x)'
=-ω2pA(x)u(x)( ι )
dx其中E是材料的弹性模量，或者杨氏模量，A是截面积，以及P是质量密度。 对一个均勻的梁，面积A通常被除去。均勻截面积的单一材料的自由梁的绝对频率几何上只涉及该梁的长度L，并表示 为
权利要求
1.一种谐振器(10)，包括由第一材料和第二材料形成的梁(12)，第一材料具有第一 杨氏模量和第一杨氏模量的第一温度系数，第二材料具有第二杨氏模量和第二杨氏模量 的第二温度系数，至少在谐振器的工作条件之内第二温度系数的符号与第一温度系数的 符号相反，其中第二材料形成位于第一材料上面的层，并且第一材料的截面积与第二材 料的截面积的比值沿着梁的长度而改变，实质上垂直于梁测量截面积。
2.根据权利要求1所述的谐振器(10)，包括MEMS谐振器，其中第一材料包括硅。
3.根据权利要求1或2所述的谐振器(10)，其中第二材料包括二氧化硅。
4.根据前述权利要求中任一项所述的谐振器(10)，还包括锚状物(17)，梁具有与锚 状物分隔开的尖端(16)。
5.根据权利要求4所述的谐振器(10)，其中第二材料的厚度在锚状物处或附近较大。
6.根据前述权利要求中任一项所述的谐振器(10)，其中第一材料的厚度沿着梁的长 度实质上恒定，并且第二材料的厚度沿着梁的长度而改变。
7.根据前述权利要求中任一项所述的谐振器(10)，包括在梁中形成的多个狭缝，并 且所述多个狭缝沿着梁的长度的至少一部分纵向延伸。
8.根据前述权利要求中任一项所述的谐振器(10)，其中梁包括顶部表面(20)、相对 的底部表面(22)以及两个相对的侧壁(18)，并且第二材料形成围绕梁的顶部、底部和侧 壁的表皮，位于侧壁上的第二材料的厚度比位于梁的顶部和底部表面上的第二材料的厚 度更大。
9.根据前述权利要求中任一项所述的谐振器(10)，其中第一材料是掺杂的，并且掺 杂水平沿着梁的长度而改变。
10.一种制造MEMS谐振器的方法，包括以下步骤由第一材料形成梁(12)；采用第二材料包覆梁；使得第一材料的截面积与第二材料的截面积的比值沿着梁的长度而改变。
11.根据权利要求10所述的方法，其中通过改变第二材料在第一材料上包覆的比率， 改变第一材料的截面积与第二材料的截面积的比值。
12.根据权利要求11所述的方法，其中通过由具有沿着梁的长度而改变的截面积的第 一材料形成梁(12)，改变第一材料的截面积与第二材料的截面积的比值。
13.根据权利要求10至12中任一项所述的制造MEMS谐振器的方法，包括由硅衬底 形成梁(12)和采用氧化硅层包覆硅衬底的步骤。
14.根据权利要求13所述的方法，其中在采用二氧化硅包覆梁(12)的步骤之前，还 执行以下进一步的步骤对硅衬底注入杂质，使得杂质的浓度沿着梁的长度而变化。
全文摘要
一种谐振器，包括由第一材料和第二材料形成的梁，第一材料具有第一杨氏模量和第一杨氏模量的第一温度系数，第二材料具有第二杨氏模量和第二杨氏模量的第二温度系数，至少在谐振器的工作条件之内第二温度系数的符号与第一温度系数的符号相反，其中第一材料的截面积与第二材料的截面积的比值沿着梁的长度而改变，实质上垂直于梁测量截面积。
文档编号B81B3/00GK102025337SQ20101029446
公开日2011年4月20日 申请日期2010年9月21日 优先权日2009年9月22日
发明者卡斯·范·德·阿沃尔特, 约卜·邦当, 约瑟夫·托马斯·马丁内斯·范贝克, 约翰内斯·范·温格登, 罗伯特·詹姆斯·帕斯克·兰德 申请人:Nxp股份有限公司