专利名称：体声波谐振器及其制造方法
技术领域：
本发明涉及微机械谐振器，特别涉及体声波(BAW)谐振器及类似物。
背景技术：
横向体声波模式MEMS谐振器(诸如板谐振器)的频率由该装置的(一个或多个)横向尺寸来限定。f=v/ (2L)以良好的精确度给出了按照其方形延伸(SE, squareextensional)模式操作的板谐振器的频率，其中分别地，V是声速并且L是板侧边的长度。由于制造工艺不理想，谐振器尺寸在晶片内变化并且从晶片到晶片也发生变化，这导致制造出的装置的谐振频率的变化。谐振器的横向尺寸通常用使用例如深反应离子蚀刻(DRIE)工艺步骤而产生的蚀刻沟槽(图Ia中所示)来限定。对于13MHz的板谐振器，L的典型变化可能超过lOOOppm， 这造成对于许多应用而言难以容忍的频率变化。作为示例，考虑侧边尺寸L 300 μ m且操作频率在13MHz的单晶硅SE板谐振器。制作10…11 μ m范围内的沟槽的工艺变化(process variation) (lym的变化)造成 Γ6000ρρπι的频率变化。所使用的I μ m的变化被用于说明目的，并且可能高估DRIE工艺的典型变化。以前，通过对各个组件进行修整(例如，聚焦离子束铣削)，通过预期系统工艺变化来设计处理掩模，并且通过由电子器件测量装置频率并对误差进行补偿，已克服了这个问题。先前的方法需要对制作的每个谐振器进行单独修整或测量，这需要大量的工作或者不适合于对随机变化进行补偿。因此，难以或者不可能将它们应用于大批量生产。此外，许多最近的应用需要比这些技术所能提供的精确度更好的频率精确度。US 7616077公开了一种包括多个开口的MEMS谐振器，所述多个开口有助于使谐振器对于制造中的变化稳健。US 7616077公开了权利要求I的前序的特征，并被认为是代表最接近于本发明的现有技术。
发明内容
本发明的一个目的在于提供一种新颖的体声波谐振器设计以对工艺变化的影响进行补偿。特别地，一个目的在于进一步降低由工艺变化引起的BAW谐振器的频率变化。另一目的在于实现一种比以前更简单的对工艺变化进行补偿的谐振器设计。通过独立权利要求中限定的谐振器和方法来实现所述目的。本发明是基于对平面谐振器结构制作至少一个空隙的构思。具体地，所述空隙设置在谐振器部分上，所述谐振器部分的尺寸限定所述谐振器的(一个或多个)谐振频率。根据本发明，所述空隙限定该谐振器部分的两个分离部分(通常是外部部分和所述外部部分横向包围的内部部分)之间的间隙(即，沟槽)。特别地，该沟槽可在谐振器上形成连续封闭路径。所述空隙由所述沟槽的壁限定。更具体地，在独立权利要求中限定本发明。有利的实施例是从属权利要求的主题。
根据一个实施例，所述空隙是圆形孔，特别地，是环形(环状)孔。根据一个实施例，所述空隙是矩形孔，特别地，是方形孔。在实践中，所述空隙通常是凹槽的形式，所述凹槽通过例如蚀刻被制作到谐振器基底。所述空隙还可穿过所述谐振器的装置层延伸。根据一个实施例，所述凹糟是如上所述的沟槽的形式，使得所述谐振器在其中具有中心隆起(内部部分)。所述谐振器可以是二维平面谐振器(例如，方形延伸(SE)板谐振器或Lame谐振器)或者是一维束或杆谐振器。
根据一个实施例，所述空隙关于所述谐振器部分的至少一个横向中心轴对称定位。优选地，所述空隙关于所有的中心轴对称定位(即，在所述谐振器部分的中心)。如稍后将讨论的，可提供多个分离的空隙，其中，这些原理可被应用于所述空隙的图案。优选地，在用于限定该谐振器部分的横向尺寸的相同处理步骤中制作该一个或多个空隙。该工艺中的变化导致同时的板横向尺寸的缩小/增大以及(一个或多个)中心空隙的增大/缩小。在两种情况下，所述影响彼此起反作用，并且谐振器频率变化在一阶上(inthe first order)独立于小工艺变化。所述空隙的大小和/或形状被优选地最优化,使得两种影响彼此抵消。因此，本发明还提供了一种方法，所述方法包括提供基底并对所述基底进行处理，从而在所述基底上制作具有外部尺寸的谐振器部分。根据本发明，对所述谐振器部分制作至少一个空隙发生在用于制作所述谐振器部分的外部尺寸的相同处理步骤中。因此，如稍后将更详细解释的，对谐振器的外部尺寸产生的任何处理误差按照补偿的方式被再现给所述空隙。优选地，所述处理步骤是蚀刻步骤，诸如深反应离子蚀刻(DRIE)步骤。本发明提供了显著的优点。如上所述，横向体模式MEMS谐振器的频率精确度受晶片级处理不均匀性的影响。通过本发明，从而通过在谐振体内包括空隙或多个空隙，频率变化可减小多于两个量级。在谐振器上形成连续封闭路径的沟槽已证明提供了工艺变化对谐振频率的特别低的影响。通过本设计，还避免了对谐振器制作放置为对称图案的多个分离的孔的需求。然而，通常而言，也不排除在谐振器中提供多个沟槽的实施例。更详细地，我们的研究已示出板谐振器和盘谐振器的频率变化可被降低至200分之一。处理中的变化导致同时的谐振器横向尺寸的缩小/增大以及(一个或多个)空隙的增大/缩小。利用按照本发明原理的最优设计，这些影响彼此抵消，并且谐振器频率被稳定。对于许多应用，稳定的谐振器的频率精确度可处于这样的水平，以使得可避免对组件的单独休整。在实践中，本被动频率补偿使得BAW谐振器的频率精确度从IOOOppm的级别改进至IOppm以及甚至更低的级别。总之，本发明的主要优点包括以下方面
-工艺变化对谐振器的表现的影响按照自组织方式被显著降低。_不需要昂贵的休整设备。-不必详细了解工艺变化。-避免了对所有处理后的组件的测量，并且简化了驱动集成电路。本发明可被用于所有的体声波谐振器设计。体声波(BAW)在谐振器的整个容积中传播。示例为薄膜体声波(FBAR或TFBAR)。所述结构可包括绝缘体上娃(SOI)结构。例如，所述谐振器可被用作振荡器或传感器。术语谐振器部分和谐振器板被用于表示谐振器结构的波导和谐振部分，其几何形状限定谐振器的谐振频率。通常，谐振器部分是平面的。在谐振器部分的横向侧边处可定位一个或多个换能器元件。除非另有指示，否则术语椭圆形覆盖术语圆形。类似地，术语矩形覆盖术语方形。术语空隙和孔表示穿过谐振器部分的基本材料的任意结构。所述空隙或孔可以是真空的，或者填充有气体(诸如空气)或被制作到该谐振器部分的不传导声波的任何其他物质。术语沟槽和间隙表示具有特定宽度的伸长的凹槽或孔。术语横向表示沿谐振器的表面的平面的方向。接下来，参照附图更详细地讨论本发明的实施例及其优点。
图Ia和图Ib示意性地示出当SE板的边长L随着围绕的沟槽增大了沟槽加宽参数D而减少时的情况。谐振器频率f是D的增函数。图2a和图2b示意性地示出当仅考虑板中心中的圆形空隙的影响时的情况，谐振器频率f是D的减函数。图3a和图3b示意性地示出当组合两种影响时的情况，可使得所述两种影响在一阶彼此抵消；发生自补偿。图4a至图4k示出本发明的不同几何实施例。图5a和图5b示出自补偿的a)板谐振器和b)盘谐振器的扩展模式的模式形状(modeshape)。颜色编码表示总位移(蓝色小位移,红色大位移)。图6a和图6b (示例I)示出a)沿〈100〉方向对齐的320-μ m的SE板谐振器的频率变化，b)与图a相同，但是尺寸缩小至二分之一。图7a和图7b (示例2)示出a)沿〈110〉方向对齐的320-μ m的SE板谐振器的频率变化，b)与图a相同，但是尺寸缩小至二分之一。图8 (示例3)示出沿〈100〉方向对齐的320-μ m的SE板谐振器的频率变化。中心空隙具有矩形形状。图9 (示例4)示出沿〈110〉方向对齐的320-μ m的SE板谐振器的频率变化。中心空隙具有矩形形状。图10 (示例5)示出80-μ m的盘多晶硅谐振器的频率变化。假设各向同性Young氏模数Y=170Gpa，并且泊松(Poisson)比v=0. 28。中心空隙具有圆形形状。
具体实施例方式如上所述，本发明可被用于对微机械谐振器的制造过程中的变化进行补偿。使用与谐振器板本身相同的工艺制作的空隙充当对所述结构的尺寸不精确进行补偿的反作用元件(counterelement)。因此,板横向尺寸据所期望的尺寸的任意偏差由与中心空隙符号相反的偏差来进行补偿。在这两种情况下，所述影响彼此抵消，并且谐振器频率变化在一阶上独立于小工艺变化。为给出一个示例，本发明可被应用于硅谐振器。
为了使空隙尺寸的改变与谐振器外部尺寸的改变类似，优选地使用与谐振器部分的外部尺寸相同的制造工艺以及特别地，在与之相同的步骤中制作所述空隙。限定所述空隙的沟槽优选地具有与限定谐振器的外部尺寸的沟槽相同的宽度。这保证了相同的处理不理想因素针对两个沟槽被重复并保证了高频率自补偿。然而，在一些设计中，所述沟槽还可具有不同的宽度。根据具体实施例的本被动频率补偿的工作原理在图I至图3中被示出。通过沟槽来限定谐振器横向尺寸，所述沟槽的设计宽度为Wtl，该沟槽将被称为“外部沟槽”。通过由沟槽加宽参数D捕获的工艺变化，将沟槽宽度变为W=W(I+D。该变化导致谐振器边长的变化=L=LtlID15由于通过/y/泛幻给出谐振器频率，因此谐振器频率是D的增函数。图Ia和图Ib示出这种情况。图2a和图2b示出谐振器中心中的圆环空隙的影响(现在仅关注所述空隙的影响，假设板侧边尺寸保持恒定)。我们假设使用具有与外部沟槽相似宽度的沟槽(在下文中，“内 部沟槽”)来产生所述空隙。因此内部沟槽按照与外部沟槽相似的方式被加宽,并且因此，圆形空隙的半径由R=RQ+D给出。谐振器频率是D的减函数；谐振器的有效弹簧(effectivespring )随着空隙变大而变松。使用最优大小的中心空隙，可使得两种影响在一阶彼此抵消。因此发生自补偿。图3a和图3b示出这种情况。通常，空隙直径必须是板侧边的 25%。参照图3a,使用参考标号12表不基底,使用参考标号16表不谐振器部分,使用参考标号14表不将基底12和谐振器部分16分开的外部沟槽，以及使用参考标号18表不空隙(内部沟槽)。例如，如果蚀刻的沟槽限定13-MHz方形延伸板硅谐振器的横向尺寸，并且处理不均匀性造成I U m的沟槽宽度变化，则这导致飞OOOppm的频率变化。通过在所述板的中心包括38 ii m半径的孔,所述频率变化被减小至小于30ppm。自补偿的SE板谐振器的模式形状可被表征为非穿通板的SE模式与曲型振动的混
八
口 o单个圆形空隙不是实现一阶补偿效果的唯一可能性。当然，存在无数的各种其他空隙几何形状。例如，为了所述目的，可使用方形空隙，或使用多个空隙。以下讨论一些可能性。根据由图4a (针对矩形板)和图4b (针对圆形板)示出的本发明的一个实施例，提供了与板同心的圆形孔。根据一个实施例(图4c和图4d)，提供了与板同心的正椭圆形(S卩，非圆形)孔。根据一个实施例(图4g至图4j)，提供了其他形状的孔，其中，所述一个或多个孔的重心与板同心。例如，所述孔可以是矩形或者是十字形并且在谐振器板内以任何期望的角度定向。根据一个实施例(图4k至图4m)，提供了阵列中的多个孔，其中，所述阵列的重心与板同心。例如，所述阵列可以是环形、椭圆形或矩形。各个孔的形状可变化。根据一个实施例，提供了多个孔，使得孔的密度在板的中间比在外围更高。外部沟槽和内部沟槽可具有相似的形状(例如，都是椭圆形/圆形或者都是矩形)，但它们不需要具有相似的形状。
如果以沟槽的形式提供空隙，则沟槽通常具有恒定的宽度。如图4e和4f中所示，谐振器部分可通过桥(bridge)锚固在谐振器边缘。锚固位置可与谐振模式的节点一致。尽管存在许多几何形状可能性，但在矩形谐振器中使用单个圆形空隙有某些优点。限定圆形空隙的内部沟槽-除了由其圆形形状所造成的它的弯曲之外-在其所有点处类似于外部沟槽的直线部分(例如，其不包含拐角点)。因此，当与外部沟槽比较时，它在处理期间应按照非常相似的方式进行表现，并且使用单个参数D描述沟槽加宽效果是实际的。对于更复杂的空隙几何形状，外部沟槽的沟槽变化可能不会同样精确地在内部沟槽中被再现。例如，变圆(rounding)发生在方形空隙的拐角处。这种情况对于建模来说是具有挑战性的，并且因此装置设计更加困难。此外，将I)来自用于实现自补偿的一组多个空隙的一个代表性空隙的尺寸rl与 2)作为用于自补偿的单个空隙的空隙的尺寸r2进行比较。rl必须小于r2。因此，相对空隙尺寸改变D/rl大于相应的相对改变D/r2。当图Ib和图2b示出的影响在一阶彼此抵消时，更高阶的项支配频率偏差。特别地，其是限定更高阶项的幅度的空隙尺寸的相对改变，并且因此，针对情况I)的频率偏差大于情况2)的频率偏差。从以上讨论清楚的是，谐振器几何形状不必是矩形板几何形状。例如，在GHz范围的多晶硅谐振器方面充分研究的盘几何形状(椭圆几何形状)可使用中心空隙进行自补偿。应该注意，特别地，盘几何形状不限于使用各向同性多晶材料(诸如硅);例如，切入(111)平面的晶体硅在所述平面内是各向同性的，以及因此可在(111)晶片上制造盘谐振器。除对称板和盘以外的其他几何形状可被设计为是自补偿的。谐振器的谐振模式优选地是延伸(extensional)的。然而,本发明还可被用于非延伸模式。例如，lame模式的板谐振器或酒杯模式的盘谐振器可使用中心空隙进行自补偿。更高阶的体声模式也可以被自补偿，可能通过在谐振器体内使用多个空隙进行。自补偿的谐振器几何形状可在大小上被放大或缩小，以改变谐振器频率。所述设计保持处于其最优操作点(即，在缩放操作之后其也保持自补偿)。这样的表现是声波等式的缩放属性的直接结果。以下示例示出缩放表现。谐振器的操作频率可以是任意的。特别地，所述频率可以是IMHz-lOGHz。然而，必须注意，为了达到相同级别的频率精确度，工艺变化参数将不得不按照与装置尺寸相同的方式被缩放。由于工艺变化通常是给定的，且不能与所述设计同时缩放，因此，更高频率的谐振器遭受更高的频率偏差。单个沟槽加宽参数D在上面已被用于捕获内部沟槽和外部沟槽两者的工艺变化。当内部沟槽和外部沟槽宽度相似并且沟槽几何形状简单(例如，没有拐角或z字形图案)时，该假设是合理的。如果沟槽宽度变化D已知为沟槽设计宽度的函数，则可使用不同设计宽度的内部沟槽宽度Wi和外部沟槽宽度《。。在例如一些设计边界条件需要特定中心空隙尺寸的情况下，这会是有利的。为使用示例澄清这一点，假设对于特定选择的Wi和w。，WDi=O. 5XD。。在这种情况下，最优空隙尺寸大于当Di=Dtj时的情况下的最优空隙尺寸。如果我们交换Di和D。的角色使得0. 5*Di=D。，则使得最优空隙尺寸更小-这从使其谐振质量更大的角度来看可能是有利的。示例
使用Comsol多物理有限元方法(FEM)软件来模拟不同的几何形状。使用3D模型，并且当需要时在所述模型中包括晶态各向异性。使用模态分析来求解谐振模式。板谐振器和盘谐振器的相关模式形状在图5a和图5b中被分别示出。示例I :沿<100>晶向定向的SE板，圆形空隙
在SE模式操作的单晶硅板谐振器被分析。所述板的侧边沿〈100〉晶向对齐，并且边长为L=320iim。最优圆形空隙半径为38 iim(图6a)。图6b示出尺寸缩减至二分之一的相似谐振器的频率变化。
示例2:沿〈110〉晶向定向的SE板，圆形空隙。在图7a和图7b中示出与图6a和图6b相应的结果(板尺寸320iim和160 iim)。示例3 :沿〈100〉晶向定向的SE板，矩形空隙。在图8中示出板尺寸320 iim的结果。示例4 :沿〈110〉晶向定向的SE板，矩形空隙。在图9中示出板尺寸320 iim的结果。示例5 :具有5. 75 iim中心圆形空隙的20 ii m的多晶硅盘谐振器。在图9中示出结果。
权利要求
1.一种体声波(BAW)谐振器，包括谐振器部分，其中，在所述谐振器部分内提供至少一个空隙，其特征在于，所述空隙具有在所述谐振器部分上形成连续封闭路径的沟槽的形式。
2.根据前述任意一项权利要求所述的谐振器，其特征在于，所述空隙是椭圆形，特别地，是圆形。
3.根据权利要求I或2所述的谐振器，其特征在于，所述空隙是矩形，特别地，是方形。
4.根据前述任意一项权利要求所述的谐振器，其特征在于，所述空隙关于所述谐振器部分的至少一个横向中心轴对称定位，优选地，所述空隙关于所述谐振器部分的两个横向中心轴对称定位。
5.根据前述任意一项权利要求所述的谐振器，其特征在于，所述空隙的尺寸是所述谐振器部分的对应尺寸的15-35%，特别地，是所述谐振器部分的对应尺寸的20-30%，优选地，是所述谐振器部分的对应尺寸的约25%。
6.根据前述任意一项权利要求所述的谐振器，其特征在于，按照预定义的图案在谐振器部分上提供多个这样的空隙，所述图案优选地关于所述谐振器部分的至少一个中心横向轴对称。
7.根据前述任意一项权利要求所述的谐振器，其特征在于，所述谐振器部分是矩形，特别地，是方形，或者所述谐振器部分是椭圆形，特别地，是圆形。
8.根据前述任意一项权利要求所述的谐振器，其特征在于，所述谐振器包括硅晶片和在所述硅晶片上制造的第一沟槽以及在所述硅晶片上制造的第二沟槽，其中，所述第一沟槽限定所述谐振器部分，所述第二沟槽限定所述空隙。
9.根据前述任意一项权利要求所述的谐振器，其特征在于，所述空隙的大小和/或形状被匹配为使处理变化对谐振器的谐振频率的影响最小化。
10.根据前述任意一项权利要求所述的谐振器，其特征在于，在相同的处理步骤中制造谐振器部分的外部边界和空隙，诸如在蚀刻步骤中来制造谐振器部分的外部边界和空隙。
11.一种制造体声波(BAW)谐振器的方法,包括 -提供基底， -对所述基底进行处理，从而在所述基底上制作具有外部尺寸的谐振器部分， 其特征在于 在被用于制作所述谐振器部分的外部尺寸的相同处理步骤中对所述谐振器部分制作至少一个空隙。
12.根据权利要求11所述的方法，其特征在于，所述处理步骤是蚀刻步骤，优选地，是深反应离子蚀刻(DRIE)步骤。
13.根据权利要求11或12所述的方法，其特征在于，制作根据权利要求1-10中的任意一项所述的谐振器。
全文摘要
本发明涉及一种新颖的体声波(BAW)谐振器设计及其制造方法。所述体声波谐振器包括谐振器部分，其设有至少一个空隙，所述空隙具有在所述谐振器部分上形成连续封闭路径的沟槽的形式。通过在与所述谐振器部分的外部尺寸相同的处理步骤中制造所述空隙，处理变化对谐振器的谐振频率的影响可被减小。通过本发明，BAW谐振器的精确度可被增加。
文档编号H03H3/007GK102742156SQ201080052314
公开日2012年10月17日 申请日期2010年11月19日 优先权日2009年11月19日
发明者A.贾科拉, H.库伊斯马 申请人:Vti 技术有限公司, Vtt科技研究中心