具有高品质因数的MEMS谐振器的制作方法

相关申请的交叉引用

本申请要求于2015年5月27日提交的题为“memsresonatorwithhighqualityfactor”的美国非临时专利申请第14/722,323号的权益，其全部内容通过引用明确地并入本文中。

本发明涉及mems谐振器，更具体地，涉及具有高品质因数的mems谐振器。

背景技术：

微机电系统(“mems”)谐振器是以高频率振动的小型机电结构，并且通常用于定时参考、信号滤波、质量感测、生物感测、运动感测及其他应用。mems谐振器被认为是石英定时装置的常见替代物。通常，石英谐振器具有优良的品质因数和压电耦合，但是关于石英谐振器的一个限制是很难以较小的尺寸设计它们。

通常，使用基于光刻的制造工艺和晶圆级加工技术来用硅制成mems谐振器。例如，如非专利文献1中所述，设计者已经发现，纯硅谐振器经常展示与石英晶体相当的非常高的品质因数。然而，裸硅不是压电的并且纯硅谐振器具有高的动态阻抗，从而使得它们在许多应用中不适合替代石英谐振器。

为了降低mems谐振器的动态阻抗，例如，如非专利文献2中所述，一些设计添加了压电材料，诸如氮化铝(aln)薄膜层。在典型的压电mems谐振器中，可以在硅上溅镀钼的薄膜，随后是一层aln和另外一层钼。在薄膜沉积之后，对金属层、aln层以及硅进行蚀刻以形成谐振器形状。关于所得到的设计，上部钼层和下部钼层用作电极以激励并检测谐振器的机械振动。

图1示出了常规的微机械体声波谐振器。如所示，体声波谐振器10包括硅层11和硅层13，其中绝缘体12布置在硅层11和硅层13之间。此外，两个金属层14和16布置在硅衬底13之上，其中压电膜15布置在金属层14和金属层16之间。该设计的一个限制在于，在硅13之上添加压电膜15以及金属层14和金属层16破坏了谐振器10的对称性。换言之，硅的顶部与硅的底部是不同的。该非对称设计引起了谐振器的厚度方向上的振动，其导致能量从谐振器泄露。

图2a和图2b示出了纯硅谐振器与具有沉积在硅层的上表面上的薄膜的硅谐振器之间的振动的比较。在图2a和图2b两者中，虚线轮廓代表无振动的处于初始位置的器件，图2a示出了具有锚中心点120的纯硅谐振器110。在振动模式下，如图2a的两个图像所示，器件110扩张和收缩，但是不存在沿z方向的移动，即，锚中心点120在振动时不向上或向下移动。图2b示出了包括布置在硅衬底之上的薄膜(例如，压电层和金属层)112的谐振器设计。压电膜和金属膜具有不同于硅的弹性模量和密度。由于对称性被破坏，所以谐振器弯曲并且在z方向上将会有振动移动，即，锚中心点120在振动时将向上或向下移动。因此，在相同频率处，压电mems谐振器设计(诸如，图1和图2b所示的那些压电mems谐振器设计)通常将具有比诸如图2a所示的器件的裸硅谐振器低大约一个数量级的品质因数。压电mems谐振器设计的低品质因数增加了振荡器应用中的噪声并且增加了动态阻抗。

例如，如专利文献1中所述，试图克服压电mems谐振器的低品质因数的一个设计是通过使用较高阶谐波(overtone)设计来增大谐振器的尺寸。虽然较高阶谐波设计直接减小了动态阻抗，但是它也增大了谐振器的尺寸。此外，由于谐振器的制造成本与尺寸成比例，因此较大的谐振器尺寸不是优选的。此外，即使对于较大的谐振器，低的动态阻抗仍然不足以用于低噪声振荡器应用，并且需要更高的品质因数。

非专利文献1：v.kaajakari，t.mattila，a.oja，j.andh."square-extensionalmodesingle-crystalsiliconmicromechanicalresonatorforlowphasenoiseoscillatorapplications"，ieee电子器件快报，第25卷，第4期，第173-175页，2004年4月。

非专利文献2：g.piazza，p.j.stephanou，a.p.pisano，″piezoelectricaluminumnitridevibratingcontour-modememsresonators"，微机电系统杂志，第15卷，第6期，第1406-1418页，2006年12月。

专利文献1：美国专利第7,924,119号。

技术实现要素：

因此，根据本公开内容的mems谐振器在不增大谐振器尺寸的情况下增加了引起较低动态阻抗的谐振器的品质因数。

根据本发明的一种mems谐振器包括：具有第一表面和与第一表面相对的第二表面的硅层；布置在硅层的第一表面上方的至少一个金属层和布置在硅层的第二表面下方的至少一个对应的金属层；以及布置在硅层的第一表面上方的压电层和布置在硅层的第二表面下方的对应的压电层。

采用mems谐振器沿厚度方向的对称或基本上对称的设计，由于mems谐振器在振动模式期间不沿z方向移动，因此与常规mems谐振器相比，该mems谐振器提供了高品质因数。

根据一个实施例，至少一个金属层和至少一个对应的金属层相对于彼此、关于硅层对称地布置，并且压电层和对应的压电层相对于彼此、关于硅层对称地布置。

根据另一实施例，至少一个金属层包括一对第一金属层，其中压电层布置在该一对第一金属层之间，并且至少一个对应的金属层包括一对第二金属层，其中对应的压电层布置在该一对第二金属层之间。

根据另一实施例，一对第一金属层和压电层相对于一对第二金属层和对应的压电层关于硅层对称地布置。

根据另一实施例，一对第一金属层电耦合至电压源以致动mems谐振器，并且一对第二金属层与电压源电绝缘。

根据又一实施例，一对第二金属层电耦合至电压源。

根据另一实施例，压电层的厚度与对应的压电层的厚度基本上相等，并且一对第一金属层中的每个第一金属层的厚度与所述一对第二金属层的相应厚度基本上相等。

根据一个实施例，硅层的厚度在5微米与30微米之间。

根据本发明的另一实施例的一种mems谐振器包括：硅层，其具有第一表面和与第一表面相对的第二表面；一对第一金属层，其布置在硅层的第一表面上方；第一压电层，其布置在该一对第一金属层之间；一对第二金属层，其相对于该一对第一金属层对称地布置在硅层的第二表面下方；以及第二压电层，其布置在一对第二金属层之间。

根据本发明的另一实施例的一种mems谐振器包括：硅层，其具有第一表面和与第一表面相对的第二表面；一对第一金属层，其布置在硅层的第一表面上方；第一压电层，其布置在一对第一金属层之间并具有第一厚度；以及第二压电层，其布置在硅层的第二表面下方，其中，第二压电层具有大于第一压电层的第一厚度的第二厚度，以在一对第一金属层被电压源激励时抑制mems谐振器的沿厚度方向的振动。

根据另一实施例，一对第一金属层和第一压电层具有与第二压电层的机械刚度基本上相等的组合机械刚度。

根据又一实施例，一对第一金属层和第一压电层的组合机械刚度在第二压电层的机械刚度的10％mpa*m以内。

示例性实施例的上述简要概述用于提供对本公开内容的基本理解。该概述不是对考虑的所有方面的广泛综述，并且既不意在识别所有方面的重要或关键要素，也不意在描述本公开内容的任何或所有方面的范围。该概述的唯一目的是以简化的形式呈现一个或更多个方面作为以下的本公开内容的更详细描述的序言。为了实现上述内容，本公开内容的一个或更多个方面包括在权利要求书中描述且特别指出的特征。

附图说明

并入本说明书并且构成本说明的一部分的附图示出了本公开内容的一个或更多个示例性实施例，并且连同详细描述一起用于解释它们的原理和实现方式。所提供的附图仅用于说明性目的，因此未按比例绘制。

图1示出常规的微机械体声波谐振器。

图2a和图2b示出纯硅谐振器与具有布置在硅层的上表面上的薄膜的硅谐振器之间的振动的比较。

图3a示出根据第一示例性实施例的mems谐振器的顶视图。

图3b示出如图2a所示的根据第一示例性实施例的mems谐振器的截面图。

图4示出根据另一示例性实施例的示例性mems谐振器的截面图。

图5示出根据另一示例性实施例的示例性mems谐振器的截面图。

具体实施方式

本文中，在mems谐振器的背景下描述了各示例方面。本领域的普通技术人员将认识到，以下描述仅是说明性的，并且并不旨在以任何方式进行限制。其他方面将容易地向受益于本公开内容的本领域普通技术人员表明它们自身。现在将详细参考如附图所示的示例方面的实现方式。贯穿附图和以下描述，尽可能使用相同的附图标记来指代相同或相似的项目。

图3a示出根据第一示例性实施例的mems谐振器的顶视图。根据该示例性实施例，公开了mems谐振器200，其通过保持谐振器沿厚度方向的对称性来提供硅的高品质因数。在图3b中可以容易地看到对称设计并且将在下面更详细地讨论该对称设计。

如图3a所示，mems谐振器200包括硅层210，该硅层210具有布置在硅层210上方的顶部或第一压电层212。此外，顶部金属层214a布置在第一压电层212上，顶部金属层214a在根据示例性实施例的mems谐振器200进行操作时用作一对电极中的一个电极。由于下述的图3b所示的对称设计，mems谐振器200将在操作期间在x和y平面内振动，但将具有减小的或最小的动态阻抗。也就是说，mems谐振器200的对称设计阻止或减少在z平面内的振动。

图3b示出图3a所示的根据第一示例性实施例的mems谐振器200的对称设计的截面图。应该显而易见的是，该截面图是沿着图3a所示的虚线而得到的。

如上所述，mems谐振器200包括硅层210、顶部压电层212以及顶部金属层214a。此外，底部金属层214b布置在硅层210上，底部金属层214b连同顶部金属层214a共同形成用作激励并检测谐振器200的机械振动的电极的第一对电极。因此，根据示例性实施例，一对金属层214a和214b布置在硅层210上方，其中顶部或第一压电层212布置在金属层214a与金属层214b之间。尽管可以在mems器件200的各层之间布置另外的二氧化硅(sio2)膜(未示出)，但是优选地，金属层214直接布置在硅层210上。

为了形成mems谐振器200的对称设计，与压电层212和一对金属层214a和214b相对应的另外的层布置在硅层210的相对侧。更具体地，与硅层210的第一表面上的压电层和金属层相对地布置第二对金属层218a和218b，其中如所示，第二压电层216布置在第二对金属层218a和218b之间。如从图3b所示的截面图中显而易见的，mems谐振器200包括沿厚度方向的对称设计或者基本上对称的设计，其在与常规的mems谐振器相比时提供了高品质因数，因为mems谐振器200在振动模式期间没有沿z方向移动(或者相比于常规设计具有最小的移动)。因此，根据示例性实施例，金属层218a对应于金属层214a，压电层216对应于压电层212，并且金属层218b对应于金属层214b。

根据示例性实施例，金属层214a、金属层214b、金属层218a和金属层218b由钼形成，但是如本领域技术人员应理解的，可以沉积诸如铂、铝等其他金属层。此外，根据示例性实施例，压电层212和压电层216均由氮化铝(aln)薄层形成，但是可以使用其他压电材料。应该理解的是，可以使用常规的溅镀和沉积技术来制造mems谐振器200，其中，将不对常规的溅镀和沉积技术的细节进行详细描述以免不必要地使本发明的各方面难以理解。

图3a和图3b所示的对称mems谐振器设计提供了引起较低动态阻抗的增大的品质因数。此外，根据示例性实施例，硅层具有在5微米(μm)至30微米(μm)之间的厚度，并且根据实施例的改进，优选地在5微米至10微米之间。相比之下，常规的mems谐振器设计必须将硅层的厚度增大至例如50微米或更多，以便获得用于某些应用的具有足够高的品质因数的谐振器。如本领域技术人员将理解的，这样增大硅层的尺寸会显著地增加制造成本。

例如，具有顶部压电膜和厚度为10微米的硅的非对称谐振器在24mhz处具有仅10,000的品质因数。相比之下，纯硅谐振器具有超过100,000的品质因数。对于具有较厚硅层和顶部压电膜(例如，30微米的硅层)的非对称谐振器，例如，品质因数会增大至大约20,000，但是该品质因数对于许多应用而言仍然太低。采用在本文的公开内容中描述的对称设计，mems谐振器可以在24mhz处实现100,000或更高的品质因数，同时保持厚度例如在5微米至30微米之间的硅层。

此外，根据示例性实施例，压电层212和压电层216(例如，aln层)可以具有根据示例性实施例的在0.5微米与1.0微米之间的厚度，但也可以具有在200纳米至300纳米之间的厚度。优选地，压电层212和压电层216各自的厚度基本上是相同的。

根据示例性实施例，金属层214a、金属层214b、金属层218a以及金属层218b(例如，钼层)可以具有根据示例性实施例的大约200纳米的厚度，但是也可以具有在50纳米至300纳米之间的范围内的厚度。优选地，金属层214a和金属层218a各自的厚度基本上是相同的，并且金属层214b和金属层218b各自的厚度基本上是相同的。此外，可以预期的是，为了mems谐振器200的均匀对称，所有的四个金属层可以具有基本上相同的厚度。

虽然没有这样限制在硅层210的顶部和底部的匹配层或对应层(即，压电层212和压电层216、以及金属层214a、金属层214b、金属层218a和金属层218b)的厚度，但是对称设计降低了动态阻抗并且提高了品质因数，这是因为谐振器200在振动模式期间沿z方向(即，厚度方向)没有移动或者受限制地移动。因此，本文中公开的mems谐振器200可以用于某些应用，例如定时装置、陀螺仪、辐射热测量计等，同时仍然具有非常薄的硅层(例如，5微米至30微米)。此外，应当理解的是，提供图3b所示的实施例是为了说明为器件提供高品质因数的对称分层。因此，在进行薄膜沉积以形成mems谐振器200的对称分层之后，应该理解的是，可以对包括金属层、压电层和硅层的器件层进行蚀刻以形成期望的器件所需的特定谐振器形状。

此外，应该预期的是，词语“基本上”如其在本文中所使用的那样考虑到在制造过程期间可能出现的对应层的厚度的较小变化。例如，根据一个实施例，mems谐振器200被设计成在硅层210的相对侧具有厚度相同的两个压电层212和压电层216。然而，用来沉积各层的机器可能会导致对应层的厚度的轻微差异。使用词语“基本上”来描述对应层的厚度考虑到由于制造设备的变化而引起的厚度的最终差异。

此外，根据一个实施例，一对金属层214a和214b与一对金属层218a和218b均用作根据一个实施例的电极对。然而，制造电接点在其下面的mems谐振器可能相对困难，因为制造过程需要制造穿过硅层210的电连接。更具体地，为了制造这样的设计，需要蚀刻穿过硅层210的孔(即过孔)，然后用诸如二氧化硅的绝缘材料做该孔的内衬。接下来，需要用导电材料填充孔，这形成了从谐振器200的顶部至底部的电过孔。由于硅层210具有例如在5微米至30微米之间的厚度，优选地，在5微米至10微米之间，因此相比于在mems谐振器200的顶面制造与电极的接点，形成过孔明显是更困难的过程。

因此，图4示出根据另一示例性实施例的示例性mems谐振器300的截面图。如所示，根据该实施例的mems谐振器300包括与以上关于图3a和图3b所讨论的对称设计相同的对称设计。将仅具体描述与第一实施例的mems谐振器200不同的点。

具体地，如图4所示，提供了电压源220，该电压源220在操作期间向金属层214a和金属层214b施加电压以驱动谐振器300连续运动。具体操作对于本领域技术人员是已知的，在这里将不进行描述。应当理解的是，提供电压源的电子电路可以与mems谐振器300处于同一物理封装(未示出)中。

如上所述，由于制造难题，创建与底部薄膜(例如，金属层218a和金属层218b)的电连接是困难的。因此，根据图4的示例性实施例，在mems谐振器300的底部的薄膜218a和薄膜218b未电连接至电压源220或另一源。而是，仅顶部电极(即，金属层214a和金属层214b)被电连接。因此，底部薄膜(即，金属层218a和金属层218b)是被设置成如以上关于图3b所描述的那样保持谐振器沿厚度方向的对称性的“伪”(dummy)驱动器。

根据可替选的实施例，应该理解的是，可以通过如上所述的延伸穿过硅层210的一个或更多个过孔或者通过如本领域技术人员了解的其他手段来将一对第二金属层218a和218b连接至电压源。

根据又一实施例，由于薄膜218a和薄膜218b在图4的mems谐振器300中不是电活跃的，所以在制造期间可以从谐振器200的底面省略一个或多个薄金属电极，如本领域技术人员将理解的那样，这将节省一个或多个制造过程步骤，同时仍改善了mems谐振器的对称性。图5示出根据该另外的示例性实施例的示例性mems谐振器400的截面图。

如所示，图5所示的根据实施例的mems谐振器400包括与以上关于图3a和图3b所讨论的对称设计相同的对称设计。将仅具体描述与第一实施例的mems谐振器200不同的点。也就是说，mems谐振器400包括在硅层210的底部的压电层416，但不包括在压电层416的每一面上的金属膜。

即使在底部没有金属膜，通过选择在硅层210上方和下方的膜厚度以使得组合的底部膜和组合的顶部膜具有基本上相等的机械刚度，mems谐振器400的结构提供了具有对称特征的设计。换言之，选择沉积在硅层的顶部和底部上的层/膜，使得组合的膜具有相等或基本上相等的机械刚度以创建对称设计。因此，可以在制造过程期间选择顶部层和底部层的机械刚度，使得所得到的mems谐振器400在其如上所述那样被电压源激励时将不会沿z方向振动(或具有最小振动)。

根据示例性实施例，可以将组合的机械刚度计算为k＝el*hl+e2*h2...en*hn，其中，ei是每个膜i＝1至n(在示例性实施例中，其可以是金属膜或者压电层)的弹性模量，并且hi是每个膜的相应膜厚度。例如，在硅层210的顶部，可以存在具有值e1＝e3＝329gpa和h1＝h3＝200nm的两个金属膜#1和金属膜#3、以及布置在金属膜#1和金属膜#3之间的具有值e2＝308gpa和h2＝800nm的压电膜。因此，根据该示例，在硅层210的顶部的组合膜的总刚度将具有k＝0.378mpa*m的值。此外，在制造过程期间，可以在硅层210的底部选择相似的机械膜刚度：e1＝308gpa且h1＝1227nm的单个膜(例如，压电膜)。换言之，在硅下方的组合层(在该例子中为单个层)的总刚度也是k＝0.378mpa*m，并且可以相应地选择弹性模量和/或厚度。

在该示例性实施例中，由于将相同的材料用于压电层212和压电层416(例如，aln)，因此两个层212和416的弹性模量将是相同的。因此，将仅需要增大压电层416的厚度以获得引起基本上相等的机械刚度的总厚度，从而实现mems谐振器400的对称设计。换言之，第二压电层416将具有比第一压电层212的厚度更大的厚度，以当一对第一金属层214a和214b被电压源激励时抑制(即，消除或减少)mems谐振器400沿厚度方向(即，z方向)的振动。最后，本领域技术人员应该理解的是，存在顶部膜和底部膜的许多组合，所述组合通过在硅层210顶部和底部具有相似的组合膜特征来实现本发明的使z轴移动最小化的目的。

此外，如上所述地再次重申，当使用词语“基本上”来描述组合的顶部膜和底部膜的相似的机械刚度时，其考虑到在沉积过程等期间对应层的厚度可能发生的较小变化。在示例性实施例中，可以预期的是，顶部和底部组合层的机械刚度“基本上”相等意味着刚度在彼此的10％mpa*m以内。

为了清楚起见，在本文中未公开实施例的所有常规特征。应理解的是，在发展本公开内容的任何实际实现方式时，必须做出大量实现方式特定的决定以便实现设计者的特定目标，并且对于不同的实现方式和不同的设计者而言，这些特定目标将不同。应当理解的是，虽然这样的设计工作可能是复杂和耗时的，但是对于受益于本公开内容的本领域普通技术人员而言，将不过是例行承担的工作。

此外，应理解的是，本文中使用的措辞或术语是为了描述而非为了限制，以使得本说明书的术语或措辞应由本领域技术人员结合相关领域技术人员的知识、根据本文中提出的教导和指导来解释。此外，除非本身明确陈述，否则无意将本说明书或权利要求中的任何术语归于不常见的或特殊的含义。

虽然已结合示例性实施例来描述了上述内容，但是应该理解的是，词语“示例性的”仅意在作为示例。因此，本申请旨在涵盖可以包括在本文中公开的mems谐振器的精神和范围内的替选、变型以及等同物。

附图标记列表

200、300、400：mems谐振器

210：硅层

212、216、416：压电层

214a、214b：第一金属层

218a、218b：第二金属层

220：电压源