壳形激励器的制作方法

专利名称：壳形激励器的制作方法
政府资助在此描述的本发明在国家科学基金会授予的授权号DMR0079992的情况下得到美国政府的支持。美国政府对此发明具有某些权利。
相关申请本申请要求申请序列号为60/496,421(题为Shell-TypeMicromechnical Actuator and Resonator，2003年8月20日提交)美国临时申请的优先权，其在此被引入作为参考。本申请还要求申请序列号60/496,431(题为Method and Apparatus for Thermal-Mechanical Signal Processing，2003年8月20日提交)美国临时申请的优先权，其在此被引入作为参考。本申请还要求申请序列号60/496,430(题为Laser Annealing for MEMS Devices，2003年8月20日提交)美国临时申请的优先权，其在此被引入作为参考。
背景无线通信设备中的可能应用很大程度上推动射频微电子机械系统(RF MEMS)的发展。高质量、微型和CMOS技术兼容的MEMS谐振器被看作对现有RF无源元件的一种有吸引力的替换物。在现代RF设备中，以两种主要方法实现频率确定的元件。第一种方法需要片内(on-chip)电容器和电感器的微型制造。即使它们消耗较大部分IC“不动产”并且显示低品质因数Q～50，但是片内LC电路也被广泛地用于GHz范围的设备。
可替换地，石英晶体、表面声波(SAW)滤波器、陶瓷滤波器以及高Q的LC被实现为独立的元件并且对于RF设备的将来小型化产生瓶颈。它们的高品质因数(对于石英谐振器，品质因数为Q～106；对于陶瓷SAW滤波器，品质因数为Q～105)加上高温度稳定性(它们对于无线设备来说都是不可缺少的特性)迫使RF设计者接受这些片外(off-chip)元件。这个方法与无线系统的当前趋势发生冲突，特别是需要利用最小尺寸和最低价格执行的射频芯片(radio-on-chip)的那些系统。
作为频率确定元件的微机械谐振器被期望是用于射频芯片项目的关键。当前表面微机械加工工具允许利用RF范围内机械振动的基频f0制造悬浮的硅结构。MEMS谐振器品质因数Q～104优于LC电路品质因数一些数量级。基于MEMS的信号生成器和频率标准几乎被并入任何RF设备。
用于建立这种生成器的固有方法是将MEMS谐振器实现为放大器的反馈回路中的频率确定元件并且提供用于自持振荡的条件。存储在MEMS谐振器中的应变能kx2/2能够比得上常规电感器中的电能LI2/2。
然而，将电信号转换为谐振器(驱动器)的机械运动和反向(检测)的方法代表对RF MEMS设计的主要挑战。压电式换能器需要与CMOS技术不相容的压电材料。用于说明MEMS中最高谐振频率所使用的驱动和检测的磁势方法依赖于高磁场和低温度。
应该说明的是，使用静电驱动和检测能够操作微机械基准振荡器。然而，电容性方法难以实现需要相对高的电压并且用于驱动和检测的窄隙电容器对设计强加了重要的限制。两个振荡器利用类似光束的几何学，从而导致相对低的品质因数Q～103。与驱动和检测之间串扰相关的问题很严重。用于这些设备的任一个设备的相位噪声明显高于人们根据类似基于石英的振荡器所期望的相位噪声，并且二组把这个额外的相位噪声归因于电容性换能问题。这推动继续研究微机械谐振器的新设计以及新颖的驱动检测方法。
概述射频壳形多晶硅微机械谐振器(面外扩大(blowed up out-of-plane))可以使用在低压化学气相淀积(LPCVD)-沉积膜中引入的压缩应力来制造。例如由调制的激光或其他热调制诱导引入的热应力提供用于壳形或穹形谐振器的有效驱动机制。
在一个实施例中，可以通过使用用于驱动和检测的两个不同波长激光束来获得所有光操作。激光激励技术的局部特性诱导使用压电或电容性驱动而不容易看见的振动模式。可以通过监控在不同位置上驱动信号和检测运动之间的相移来实现模式识别。利用正反馈的频率生成器能够说明超过1ppm的较好频率稳定性。


图1是根据一个典型实施例的穹形激励器(actuator)的横截面框图；图2是图1的穹形激励器的俯视图；图3是根据一个典型实施例用于检测穹形激励器运动的设备的示意框图；图4是根据一个典型实施例由激光束加热的穹形激励器的热分布的图解；图5是根据一个典型实施例变形图4的穹形激励器的图解；图6是根据一个典型实施例示出在穹形激励器上驱动激光的矩形坐标位置的图；图7是示出用于图6的其中一个驱动激光位置的标准化信号幅度的图；图8是用于图6的另一个驱动激光位置的标准化信号幅度的图；图9是示出在图6的穹形激励器表面上的标准化信号幅度的极坐标图；图10A，10B，10C，10D，10E和10F是示出通过增加典型穹形谐振器的谐振频率而设置的各种变化模式的图；图11是根据一个典型实施例利用作为频率确定元件的穹形谐振器光学实现正反馈的示意框图。
具体实施例方式
在下面说明中，参考附图，这些附图形成其一部分，并且其中通过说明示出了可以被实践的特定实施例。足够详细地描述这些实施例以使本领域的技术人员能够实践本发明，并且应该理解的是可以利用其他实施例并且在不偏离本发明范围的情况下能够进行结构、逻辑和电学的变化。因此，下面说明不是限定性的，并且本发明的范围由附加权利要求来限定。
在图1的横截面中通常以100示出了微机械穹形激励器。图2提供了激励器100的俯视图。激励器包括多晶硅或其他柔性材料的膜片110，在其边缘115上是以由衬底120支持的部分球形壳的形状。术语“球形”的使用不是意味着需要完全球形的形状，而是仅仅表示在某些实施例中有点弯曲。作为制造的第一步骤，1μm的热氧化物125生成在a[100]硅晶片的表面上，例如衬底120。这个氧化物125随后用作牺牲层。也可以使用其他牺牲层。
在一个实施例中，例如通过大约590℃的低压化学汽相沉积(LPCVD)将多晶硅薄膜130沉积在氧化物125的表面上。也可以使用形成这种薄膜的其他方法，并且也可以由显示期望变化特征的不同材料形成该薄膜。在沉积薄膜130之后，衬底120大约在1050℃上被退火大约15分钟。通过顶部多晶硅层130使用E光束光刻再加上CF4干刻形成大约8μm的直径孔135。该孔的尺寸可以变化并且在一个实施例中大约4μm。可以较大地改变所使用的大小和工艺以产生振动的穹形结构。
微机械激励器的尺寸可以从微米大小变化到纳米大小。该尺寸直接与其谐振频率相关，在一些实施例中该谐振频率被期望在RF或较高范围。在一个实施例中，该薄膜大约200nm厚。牺牲层的深度或厚度可以变化，并且在一个实施例中大约1560nm厚。可以较大地改变这些厚度连同所使用的工艺参数以产生它们。在一个实施例中，工艺参数被选择以在最终的多晶硅层内提供有效的压缩应力。这些应力超过220MPa。
在剥去光刻工艺中所使用的抗蚀剂之后，激励器100被浸入浓的氢氟酸(HF49％)中。溶解牺牲的氧化硅(腐蚀速度～1μm/min)在中心产生具有一孔的悬浮膜片状(membrane-like)结构。该膜片状结构类似穹形或壳形。蚀刻时间确定了在多晶硅薄膜下面的空腔140的外径。其他蚀刻溶液也可以被使用，并且取决于为了获得期望的蚀刻特征所利用的牺牲层和薄膜的类型。
如果多晶硅层130是无应力的，则释放的膜片变得扁平。然而，作为沉积和退火参数结果在多晶硅膜130中引入有效压缩应力使得平面配置不稳定并且导致弯曲的膜片。最终的结构是在顶部具有一个孔135的穹形110。该穹从顶部倾斜向下指向其外径115。在一个实施例中，获得60μm的外径。也可以认为该穹是向上弯曲的，允许它响应力而自由地移动。通过使用临界点干燥(CPD)工艺以避免表面张力，可以获得高产品率。在一个实施例中，假定一个特定的薄膜嵌入应力和厚度，切槽(undercut)半径大约超过6μm时出现期望的弯曲。其他切槽可以在不同切槽半径上提供这种弯曲。
也可以使用其他方法制造壳形谐振器。可以使用预弯曲牺牲层上的壳形材料的沉积以增加穹形的曲率并且进一步增强谐振频率。在这个实施例中，不必给这种壳形材料预加应力。
可以利用诱导穹形110运动的许多不同方法。当显示这种运动时，该穹形称为穹形谐振器110。在一个实施例中，通过激光器加热穹形110的被选择部分。可以改变激光器的频率，并且当将激光器调到激光器的谐振频率时穹形发生大的偏转或共振。
诱导穹形110运动的另一方法涉及抗蚀剂加热器的使用，例如通过使用具有图像翻转和上升的光刻在穹的表面上微制造该抗蚀剂加热器。在一个实施例中，这种抗蚀剂加热器是由块150表示的大约6μm的宽曲径金属加热器。一个典型加热器具有Rheater＝60hm/square的电阻率，并且在10nm钛粘附层上包括20nm的金。使用电子束蒸发技术或其他合适技术沉积这些层。用于抗蚀剂加热器的其他可能材料包括铝。可替换地，其他设备可用于提供选择性加热穹。用于诱导穹运动的其他技术包括热膨胀、磁致伸缩、光诱导应力或压电效应。在一个实施例中加热器的总电阻是50欧姆，它可以提供具有先前RF级的匹配条件。
十分局部的、或空间上高度不均匀的面内应力被用于诱导面外容易检测的运动。除了导致穹形变形之外，这个加热感应的、时间可变的局部应力可用于发起表面声波。这种激励方法引起这样的变形，即使在扁平谐振器中也是如此。因此，谐振器不必成形为穹形，而在一些实施例中可以是扁平，例如圆盘。
谐振器通常为环形在某种意义上是有利的，即沿穹周围的有效部分扩展应力区域以形成窄环。相比于桥式谐振器，这可导致驱动更加有效。环形和热驱动是一种用于检测最终运动的电容性方法的良好匹配。环形提供足够的表面面积以形成电容器。不使用电容性驱动导致较小的边缘场并且因此在驱动和检测之间串扰很少。
检测的另一方法利用图3中通常以300说明的干涉技术。这种技术是用于检测穹形谐振器110运动的自然选择，因为薄多晶硅壳和晶片形成了Fabry-Perot干涉计。图310示出了630nm光波长的反射系数R是释放膜片110和衬底120之间间隙h的函数的曲线。强的周期相关性R(h)允许通过测量反射光强度的AC分量检测谐振器的振荡运动。
氦氖(HeNe)激光器315被用于提供光束320，该光束320通过物镜325被聚焦到穹形谐振器330表面的2m光点尺寸上。相同的透镜325被用于收集反射光。非极化分束器335被用于将反射的激光束指向宽带光电检测器340。另一分束器350和白光源在显微镜355上提供该结构的光图像。
通过监控显微镜355屏幕上的这个图像可以在任何感兴趣的光点上定位激光束。第二激光器(Ar+)360被用于提供蓝色激光束365。反射镜和分束器370的系统被用于引导蓝色激光束通过相同的物镜。该蓝色激光束被聚焦在2μm光点上并且不取决于红色(HeNe)激光束320而被定位。可以通过具有8MHz带宽的电光调制器(EOM)375控制Ar+激光器的强度。在光电检测器之前定位额外的色散棱镜345以避免蓝色激光器的饱和度。
在一个实施例，穹形谐振器330被安装在具有熔融石英窗口的基于离子泵的真空系统380(P＜10-7Torr)内，用于光学接入。双倍激光束配置允许壳形谐振器的所有光学操作。当由在谐振频率上调制的蓝色激光器加热穹形时，该穹形显示大幅度的面外振动(其是使用红色激光器检测的)。用于激光驱动的物理机制涉及由壳内的聚焦激光束引起的热机械应力。图4和图5说明了用于壳内的温度分布的有限元分析(FEA)的结果以及分别由局部热膨胀导致的壳变形的结果。50μW激光功率的吸收引起在光束光点上0.85K温度增加。对于扁平膜片情况，这种局部过热将建立面内应力，而该应力太小而不能产生面外的弯曲。与此相反，由于穹形振荡器的3D特性，热应力能够自由以由面外变形来释放。由50μW激光束导致的静态偏转被估计为0.3nm，如图4所示的。如果处于谐振振动的相应幅度不受限于非线性效应，则它通过谐振器的品质因数Q～104来增强到3μm。
应该强调的是，穹形上的光压效应是可以忽略的(比热应力驱动弱5个数量级)。微机械谐振器的全部光学操作大大简化了设备的设计，消除了对于金属喷镀、电容性信号电极、压电元件等等的需要。裸硅谐振器可以暴露于宽范围的温度或者腐蚀性空气，同时保护所有功能。
由两个独立定位的激光束实现的驱动-检测技术提供了一种工具以能够识别谐振器的模式。由于以类似点方式局部地提供驱动光束的激励，所以人们能够在该结构上光栅扫描(raster)检测(红色)激光的光点并且在用于每个特定位置的驱动信号和被检测的运动之间建立相移的映射。对于环形对称结构，像穹形或圆盘谐振器，假设被激励的模式在驱动激光束位置上将具有最大值是很自然的。在驱动光束上叠加检测光束应该产生同相信号。当从蓝色激光器光点的位置置换红色激光光点时，它可以横过波节直径或者圆形节点(取决于特定的激励模式)。在该点，驱动信号和检测运动之间的相移将改变180°，这能够容易地被网络分析器检测。在实际试验中，更加方便地移动驱动激光束并且保持与光电检测器的检测光束的对准。
图6示出了45°和225°上两个不同驱动激光的位置。图7和图8示出了对于相应角度来说，标准化信号幅度比以MHz为单位的频率。在矩形坐标中示出了谐振峰值。图9示出了极性坐标中的谐振峰值，说明了用于驱动光束的直径方面相反位置的180°相移。应用于穹形谐振器的这种模式识别技术允许识别四种低频模式γ11、γ01、γ21和γ02。在下表1中收集了用于谐振频率的试验值和用于这些模式和较高模式的品质因数。
表1

在图10A、10B、10C、10D、10E和10F中示出了由FEA获得的用于穹形谐振器的模式形状。谐振器被表示为具有外径60μm、内孔直径8μm、多晶硅薄膜厚度0.25μm、穹形高度1.3mm的部分球壳。壳体元素被用于模式分析。剩余的应力被忽略。
通过考虑用于穹形振动不同模式的整体运动中心，可以看出品质因数的观察差值是由于箝位损失引起。
在另一实施例中，在图11中通常由1100表示利用穹形谐振器或振荡器作为频率确定元件的频率生成器。He-Ne激光器1110被用于提供光束1115，该光束1115通过物镜1120被聚焦到穹形谐振器1125表面的2μm光点尺寸上。相同透镜1120被用于收集反射光。非极化分束器1130被用于将反射激光束引向宽带光电检测器1135。
第二激光器(Ar+)1140被用于提供蓝色激光束1145。使用反射镜或分束器1150引导蓝色激光束通过相同的物镜1120。该蓝色激光束被聚焦在2μm光点上并且不取决于红色(HeNe)激光束1115而被定位。可以通过具有80MHz带宽的电光调制器(EOM)1155控制Ar+激光器的强度。在光电检测器之前定位额外的色散棱镜1160以避免蓝色激光器的饱和。
通过在放大器1165上选择性地放大来自光电检测器的AC电压以及经由线路1170施加最终信号作为通过控制EOM1155的驱动光束强度的调制来提供闭合的正反馈。放大器1165是可调放大器MATEC615(增益120dB，Q＝20)。高电压放大器1175(ENI，宽带增益50dB)被串联耦合以提供足够的增益以确保访问自振荡状态。放大器1165的可调谐性允许激励从频率区域中穹形谐振器1125的频谱到27MHz的被选择的模式。由于Qamplifter《Qresonator，所以由MEMS元件单独地确定生成器的操作。
对于外径为60μm的穹，可以为表1所列的5种模式的任一模式获得自振荡状态。在一个实施例中，12位频率计数器1180(测量时间100ms)被用于监控可调放大器1165输出的频率稳定性。在一个实施例中，计数器读出的定时记录可以为在3分钟间隔所测量的频率值显示＜0.8ppm的标准偏差。向较高频率值的长时间漂移归因于在穹体上激光器光点的机械漂移。
在另一实施例中，通过使用与穹形谐振器1125耦合的压电元件1185获得正反馈。通过高压放大器1175的输出控制压电元件1185。这个反馈代替上述反馈以调制激光器1140的输出。
在使用MEMS谐振器作为传感器的装置中能够容易地实现光学上操作的MEMS生成器的高稳定性。频率输出容易地转换到数字形式，该频率输出携带关于增加质量的信息，周期性力或力梯度影响谐振器。
在RF无线设备中壳形MEMS谐振器的应用激励着继续进行研究，该研究将能够将穹振荡器集成到CMOS环境中。该工程包括实现上述具有激光束的热机械启动，该激光束被微瓦功率、微制造的局部焦耳加热器代替。作为该工程的结果，期望是具有电容性拾取和热驱动的MEMS频率生成器的全部CMOS集成版本。
结论使用在LPCVD-沉积薄膜中引入的压缩应力制造射频穹形或壳形多晶硅微机械谐振器(面外扩大)。由调制激光引入的热应力被显示为用于这些穹形谐振器的有效驱动机制。通过在壳体面内引入的机械应力激励有效面外偏转。通过聚焦激光束或微制造抗蚀剂加热器提供热机械应力。通过使用用于驱动和检测的两种不同波长激光束提供所有光操作。激光激励技术的局部特性可用于引起使用压电或电容性驱动不容易看到的振荡模式。通过监控在不同位置上驱动信号和检测运动之间的相移来实现模式识别。
利用嵌入多晶硅薄膜的机械应力制造在射频范围内操作的壳形微机械谐振器。谐振频率的显著增加(相比于相同尺寸的扁平、平板谐振器)以及振荡模式的广泛变化说明了用于“2.5维”MEMS结构的很大可能性。壳体的有限曲率还提供一种新颖机制，用于通过将面内应力与面外偏转耦合来驱动谐振器。通过调制聚焦在谐振器上低功率激光束的强度(P～10μW)，我们引入随时间变化的、面内、热机械应力。这个应力调制导致在试验中观察到用于穹形谐振器的大幅度、面外的振动。
权利要求
1.一种微机械谐振器，包括衬底；部分球形壳，其在该壳的外面部分上被箝位到所述衬底。
2.根据权利要求1的谐振器，其中所述壳是由多晶硅形成的。
3.根据权利要求1的谐振器，具有大约9000或高于9000的品质因数。
4.根据权利要求1的谐振器，其中响应局部加热，所述壳呈现出面外运动。
5.根据权利要求1的谐振器，其中所述壳具有至少大约9MHz的谐振频率。
6.根据权利要求1的谐振器具有大约0.3nm的静态形变。
7.根据权利要求1的谐振器，还包括最接近壳的检测激光器，该检测激光器响应热以检测壳的形变。
8.根据权利要求1的谐振器，其中响应热膨胀、磁致伸缩、光诱导应力或压电效应，所述壳变形。
9.一种形成球形微机械谐振器的方法，该方法包括在衬底上形成牺牲层；在牺牲层之上形成多晶硅薄膜；通过多晶硅薄膜形成孔；移除牺牲层的一部分以在中心形成具有孔的悬浮和弯曲膜片状微机械结构。
10.根据权利要求9的方法，其中膜片状结构的直径大约60μm或更少。
11.根据权利要求9的方法，其中牺牲层是热生成氧化物。
12.根据权利要求9的方法，其中使用低压化学气相淀积形成多晶硅薄膜。
13.根据权利要求12的方法，还包括退火多晶硅薄膜以产生薄膜的压缩。
14.根据权利要求9的方法，其中使用电子束光刻再加上CF4蚀刻形成孔。
15.根据权利要求14的方法，还包括剥去电子束光刻所使用的抗蚀剂并且浸入浓的氢氟酸中以移除牺牲层的一部分。
16.根据权利要求9的方法，其中使用临界点干燥工艺形成膜片。
17.一种微机械谐振器，包括衬底；部分球形壳，其在该壳的外面部分上被箝位到所述衬底；用于诱导该壳移动的装置。
18.根据权利要求17的谐振器，其中用于诱导壳移动的装置包括聚焦在壳的被选择部分的激光器。
19.根据权利要求18的谐振器，其中激光器包括最接近壳的谐振频率的AC分量。
19.根据权利要求17的谐振器，其中用于诱导壳移动的装置包括与壳的被选择部分耦合的抗蚀剂加热器。
20.一种微机械谐振器，包括衬底；圆盘，其在该圆盘的外面部分上被箝位到所述衬底；用于诱导圆盘移动的装置；以及用于检测圆盘移动的装置。
21.根据权利要求20的谐振器，其中用于诱导圆盘移动的装置包括聚焦在圆盘的所选择部分上的激光器，以及用于检测圆盘移动的装置包括接收来自圆盘的反射激光的光电检测器。
22.根据权利要求20的谐振器，其中用于诱导圆盘移动的装置包括聚焦在圆盘的所选择部分上的激光器，以及用于检测圆盘移动的装置包括干涉计。
23.根据权利要求20的谐振器，其中谐振器呈现振动的不同模式作为谐振器谐振频率的函数。
24.根据权利要求20的谐振器，还包括用于提供反馈的装置。
25.根据权利要求24的谐振器，其中谐振器作为频率生成器与充当频率确定元件的壳一起操作。
26.根据权利要求20的谐振器，其中用于诱导盘移动的装置使用面内应力以促成面外运动。
27.根据权利要求26的谐振器，其中用于诱导移动的装置影响沿圆盘圆周的有效部分的环。
28.根据权利要求20的谐振器，其中圆盘包括部分球形壳。
29.根据权利要求20的谐振器，其中圆盘基本上是圆形的。
全文摘要
在衬底上形成微机械谐振器。谐振器具有部分球形壳，其在该壳的外面部分上被箝位到所述衬底。在其他实施例中，可以使用扁平圆盘或其他形状。在圆盘的所选择部分中诱导运动，诱导可容易检测的面外运动。在一个实施例中，使用激光器加热圆盘的所选择部分并且诱导运动。通过电容性或干涉技术能够检测该运动。
文档编号H03H11/10GK1951007SQ200480030868
公开日2007年4月18日 申请日期2004年8月20日 优先权日2003年8月20日
发明者马克西姆·扎拉鲁丁诺夫, 罗伯特·B·赖克恩巴赫, 基思·奥宾, 布赖恩·H·休斯顿, 吉瓦克·M·帕皮亚, 哈罗德·G·克雷格黑德 申请人:康乃尔研究基金会有限公司, 美国政府海军部