微機械裝置及其設(shè)計方法
【專利摘要】本發(fā)明涉及一種微機械裝置，包括：半導(dǎo)體元件，所述半導(dǎo)體元件能夠產(chǎn)生偏轉(zhuǎn)或諧振，并且包括具有不同材料性質(zhì)的至少兩個區(qū)域；以及功能性連接到所述半導(dǎo)體元件的驅(qū)動或傳感機構(gòu)。根據(jù)本發(fā)明，所述區(qū)域中的至少一個包括一種或多種n型摻雜劑，并且所述區(qū)域的相對體積、摻雜濃度、摻雜劑和/或晶體定向構(gòu)造成使得所述區(qū)域的廣義剛度的溫度敏感度至少在一個溫度下符號相反，并且在100℃的溫度范圍內(nèi)，所述半導(dǎo)體元件的廣義剛度的總體溫度漂移為50ppm或更少。所述裝置可以為諧振器。還公開了一種設(shè)計所述裝置的方法。
【專利說明】微機械裝置及其設(shè)計方法
【技術(shù)領(lǐng)域】
[0001]本發(fā)明涉及微機械裝置、尤其是諧振器的溫度補償。根據(jù)本發(fā)明的裝置和方法包括獨立權(quán)利要求的前序部分的特征。
【背景技術(shù)】
[0002]廣泛使用的基于石英晶體的諧振器在很多應(yīng)用中有可能由微機械的典型地為硅基的諧振器來取代?？梢詫⒐柚C振器制造成小于石英諧振器，并且對于硅諧振器而言有多種標(biāo)準(zhǔn)的制造方法。然而，與基于硅的諧振器相關(guān)的一個問題是，它們具有高的諧振頻率的溫度漂移。該漂移主要是由于硅的楊氏模量對溫度依賴所引起，這導(dǎo)致大約_30ppm/°C的頻率溫度系數(shù)(TCF)。這導(dǎo)致諧振頻率由于環(huán)境溫度的變化而起伏。由普通的硅所制造的微電子機械系統(tǒng)(MEMS)諧振器在100°C寬的溫度范圍內(nèi)具有大約3000ppm的溫度漂移。
[0003]固有的大的溫度漂移阻止了基于硅的諧振器進入石英晶體占主導(dǎo)的振蕩器市場。然而，已知可以通過多種方式補償對溫度的依賴?，F(xiàn)有技術(shù)中的解決方案包括:
[0004]一具有溫度傳感器和相關(guān)的電子控制電路的有源補償，但是尚不能夠以低成本的技術(shù)來提供適用于大規(guī)模生產(chǎn)應(yīng)用的并且可與石英在質(zhì)量上競爭的具有足夠低的溫度漂移的諧振器。另外，溫度補償電路的使用增加了能量消耗，這在電池操作的裝置中是尤其顯著的劣勢。另外，補償電路會在諧振器電路中增加電子噪音。
[0005]一通過以溫度絕緣來穩(wěn)定諧振器的溫度和諧振器的受控的加熱/冷卻來進行的有源補償。然而，該方案也增加了裝置的能量消耗，并且使得裝置的制造復(fù)雜。溫度補償電路在控制中是緩慢的，并且因此無法足夠好地補償環(huán)境溫度中的迅速的或大的變化。
[0006]—通過在結(jié)構(gòu)中添加展現(xiàn)出符號相反的溫度漂移的非晶SiO2來進行的無源補償。例如在公開文獻“Temperature compensation in silicon-basedmicroelectro-mechanical resonators”，F(xiàn).Schoen et al(ISBN:978-l-4244-2978_3/09)中和國際專利申請PCT/FI2010/050744中更詳細地描述了該技術(shù)。然而，SiO2的補償導(dǎo)致更復(fù)雜的制造工藝和諧振器性能的讓步。
[0007]一由P型重?fù)诫s、例如硼摻雜進行的無源補償，其對于特征為C44的剪切模式(例如Lam6模式下)具有強烈補償，但是在一些其它的模式下具有很少的補償或完全沒有，這限制了其對于非常特殊的模式的適應(yīng)性和在壓電驅(qū)動情況中的激發(fā)幾何形狀。尤其是，拉伸模式不能由P型摻雜來很好地補償。均勻摻雜的P型硅諧振器在100°C的范圍上具有大約300ppm的溫度漂移。
[0008]在同一 申請人:的尚未公開的芬蘭專利申請20105849、20105851和20115151中，以及在此處所引用的參考文獻(尤其是A.K.Samarao et al, “Passive TCF Compensationin High Q Silicon Micromechanical Resonators，，，IEEE International Conference onMicro Electro Mechanical Systems (MEMS2010)，2010，pp.116-119)，還有在美國專利文獻US2010/0127596和US4719383中均討論了無源補償方法，。
[0009]文 獻 A.K.Samarao et al., “Intrinsic Temperature Compensationof Highly Resistive High-Q Silicon Microresonators via Charge CarrierDepletion”，F(xiàn)requency Control Symposium(FCS)，2010IEEE International， l_4June2010，pages:334-339公開了包括硼摻雜(p摻雜)的硅諧振器元件的體聲波諧振器，用于減少諧振器的溫度漂移。硼摻雜(P摻雜)的諧振器元件還包括一層或多層擴散的磷(η摻雜)，目的是為諧振器元件創(chuàng)建一個或更多Pn結(jié)。形成了具有低載流子濃度的耗盡區(qū)的ρη結(jié)具有如下效果，即能夠達到_3ppm/°C的局部頻率溫度系數(shù)(TCF)。
[0010]在文獻Hajjam et al.^Sub-1OOppb/°C Temperature Stability in ThermallyActuated High Frequency Si I icon Resonators via Degenerate PhosphorousDoping and Bias Current Optimization，，，IEEE International Electron DeviceMeeting, Dec.2010中還公開了娃的n型磷摻雜以進一步改善TCF的可能性。其報告了熱擴散式摻雜的硅諧振器中0.05ppm/°C的局部溫度漂移。然而，擴散摻雜導(dǎo)致諧振器中載流子的高濃度梯度，并且僅能夠在從裝置表面穿透大約2微米厚度的區(qū)域中創(chuàng)造大約l*1019cm_3或更高的η型摻雜物濃度，下面將顯示出，需要所述濃度進行有效的溫度補償。所實現(xiàn)的濃度水平也可能依賴于裝置的精確幾`何形狀，這帶來了對設(shè)計的限制。因此，對于諧振器的設(shè)計來說，例如關(guān)于其體積、厚度和諧振模式的可用性等具有嚴(yán)格的限制。例如，在擴散式摻雜的諧振器中，不能夠有效地對體聲波模式進行溫度補償。
[0011]已知的補償技術(shù)僅能在通常例如對于消費電子產(chǎn)品而言太過狹窄的溫度范圍中提供低的溫度漂移。
[0012]因此，需要具有改善的溫度補償?shù)陌雽?dǎo)體諧振器和其它裝置。

【發(fā)明內(nèi)容】

[0013]本發(fā)明的目的是提供一種新穎的溫度補償?shù)陌雽?dǎo)體結(jié)構(gòu)，其溫度敏感度特性能不是僅僅在局部(即在單個的溫度下)、而是在很寬的溫度范圍內(nèi)都能得到良好的控制，本發(fā)明還提供了用于制造其的方法。
[0014]該目的通過獨立權(quán)利要求中所限定的本發(fā)明來實現(xiàn)。
[0015]根據(jù)一個實施例，微機械裝置包括半導(dǎo)體元件，所述半導(dǎo)體元件被固定到支撐結(jié)構(gòu)上以使其能夠產(chǎn)生偏轉(zhuǎn)或產(chǎn)生諧振，所述元件包括具有不同材料性質(zhì)的至少兩種類型的區(qū)域。所述材料的材料性質(zhì)和相對體積限定了具有所期望的溫度補償特性的有效材料。更具體地，所述區(qū)域中的每一個包括一種或多種η型摻雜劑，所述區(qū)域的摻雜濃度、摻雜劑和/或晶體定向構(gòu)造成使得不同區(qū)域的廣義剛度的溫度敏感度至少在一個溫度下符號相反。優(yōu)選地，這種構(gòu)造還使得在100°C的溫度范圍內(nèi)，半導(dǎo)體元件的廣義剛度的總體溫度漂移為50ppm或更少。該溫度范圍典型地集中在25°C左右。
[0016]已經(jīng)發(fā)現(xiàn)，甚至可以提供這樣的裝置，其中在300°C的溫度范圍內(nèi)或甚至更寬的范圍內(nèi)，半導(dǎo)體元件的廣義剛度的總體溫度漂移為50ppm或更少。
[0017]另外，提供了驅(qū)動或傳感機構(gòu)，其功能性連接到所述半導(dǎo)體元件，用于驅(qū)動或傳感所述諧振或偏轉(zhuǎn)。還可以同時設(shè)置驅(qū)動和傳感機構(gòu)。
[0018]用語(半導(dǎo)體元件的廣義剛度在某溫度范圍上/內(nèi))的“溫度漂移”用來與僅在一個溫度下的溫度敏感度的局部測量(通常表示為TCF，單位為ppm/°C)區(qū)分開。在諧振器的情況中，廣義剛度的溫度漂移等于諧振器的頻率的溫度漂移的二倍。[0019]用語“廣義剛度”為半導(dǎo)體材料的彈性參數(shù)(即在例如硅晶體的立方晶體的情況中已知為cn、ci2、c44的參數(shù))的函數(shù)，并且例如在諧振器的情況中其代表所述裝置適合于進行諧振的諧振模式的有效彈簧常數(shù)。
[0020]根據(jù)一個實施方案，具有不同材料性質(zhì)的區(qū)域為不同的區(qū)域，這意味著，在區(qū)域之間材料性質(zhì)具有明顯的分界面。根據(jù)另一個實施方案，區(qū)域由一個或多個材料性質(zhì)的連續(xù)梯度所形成。
[0021]根據(jù)一個實施方案，大致在整個所述溫度范圍或至少在其主要部分中，不同區(qū)域的廣義剛度的溫度敏感度是相反的。也就是說，在一個區(qū)域中或多個區(qū)域中，一個區(qū)域具有正的溫度系數(shù)，而另一個區(qū)域具有負(fù)的系數(shù)。
[0022]在所述溫度范圍中，溫度敏感度可以在大小和符號上有所變化。例如，可以使得第一區(qū)域在不同于第一溫度的第二溫度下具有廣義剛度的負(fù)的溫度敏感度，而所述第二區(qū)域在第二溫度下具有廣義剛度的正的溫度敏感度。
[0023]根據(jù)一個優(yōu)選的實施例，至少一個第一區(qū)域和至少一個第二區(qū)域包括所述一種或多種η型摻雜劑的不同的摻雜濃度。不同的η型摻雜濃度促進或完全導(dǎo)致溫度敏感度的不同。
[0024]根據(jù)一個實施例，至少一個第一區(qū)域和至少一個第二區(qū)域包括不同的η型摻雜齊U。所述不同的η型摻雜劑促成或完全導(dǎo)致溫度敏感度的不同。
[0025]根據(jù)一個實施例，至少一個第一區(qū)域和至少一個第二區(qū)域包括不同的晶體定向。所述晶體定向促成或完全導(dǎo)致溫度敏感度的不同。
[0026]根據(jù)一個實施例，溫度敏感度的不同是由于兩個或更多上述構(gòu)造所引起的。
[0027]根據(jù)一個實施例，所述區(qū)域構(gòu)造成使得在100°C的溫度范圍內(nèi)，半導(dǎo)體元件的廣義剛度的總體溫度漂移為IOppm或更少。
[0028]具有不同材料性質(zhì)的區(qū)域為機械式連接的，使得它們形成了諧振器元件，例如其總體溫度漂移不同于不同區(qū)域中的每一個的溫度漂移。根據(jù)一個實施例，所述區(qū)域沿半導(dǎo)體元件的厚度方向一個堆疊于另一個之上。根據(jù)一個實施例，所述區(qū)域在半導(dǎo)體元件中相對于彼此沿橫向、即沿寬度方向布置。如果有超過兩個的區(qū)域，也可以使用這些手段的組
口 ο
[0029]根據(jù)一個實施例，所述至少兩個區(qū)域類型周期性重復(fù)，使得形成了超點陣結(jié)構(gòu)。這意味著所述區(qū)域具有順序，其大致以相同的形式存在于所述諧振器的兩個位置中。例如，在兩種不同類型的區(qū)域A和區(qū)域B的情況中，可以有堆疊ABAB。在三種不同類型的區(qū)域A、區(qū)域B和區(qū)域C的情況中，可以有堆疊ABCABC。
[0030]根據(jù)一個實施例，摻雜濃度在一個區(qū)域類型中為5el9cnT3，或者在一個區(qū)域類型中比之更小，而在另一個區(qū)域類型中大于5el9cnT3 (=5*1019cnT3)。
[0031]根據(jù)一個實施例，摻雜濃度在一個區(qū)域類型中為2el9cnT3，或者在一個區(qū)域類型中比之更小，而在另一個區(qū)域類型中大于2el9Cm_3。
[0032]根據(jù)一個實施例，相比于(所有類型中)其它類型的所述區(qū)域具有更大(最大)η型摻雜濃度的區(qū)域的類型設(shè)置為相比于其它類型的區(qū)域具有更大的體積。
[0033]根據(jù)一個實施例，相比于(所有類型中)其它類型的所述區(qū)域具有更大(最大的)η型摻雜濃度的區(qū)域類型的摻雜濃度形成了至少35%的半導(dǎo)體元件的總體積。[0034]在一個特殊的實施例中，所述裝置包括一個具有5el9-2e20cm_3的摻雜濃度的區(qū)域類型，所述區(qū)域類型共占據(jù)所述諧振元件的總體積的35%-75%，并且另一個區(qū)域類型為無摻雜的或具有小于2el8Cnr3的摻雜濃度，所述區(qū)域類型共占據(jù)所述諧振元件的總體積的25%-65%。
[0035]根據(jù)一個實施例，每個所述區(qū)域中的η型摻雜濃度大致為均勻的。
[0036]根據(jù)一個實施例，所述半導(dǎo)體元件為與半導(dǎo)體材料的晶體矩陣相對齊的諧振器元件，使得所述諧振器展現(xiàn)一種諧振模式，其模式頻率由諧振元件的半導(dǎo)體材料的彈性項(C11-C12)主導(dǎo)。該表述意味著不超過20%的頻率貢獻來自于其它項(例如項c44)。
[0037]所述區(qū)域可以例如為磊晶生長的硅層(豎直堆疊)。根據(jù)一個實施例，所述區(qū)域為由溝槽再填充過程(水平堆疊)所制造的溝槽。根據(jù)一個實施例，使用注入和退火工藝。仍然根據(jù)另一個實施例，使用晶片粘合技術(shù)。這些技術(shù)也可以適合的方式相結(jié)合，以達到半導(dǎo)體元件的所期望的結(jié)構(gòu)。
[0038]根據(jù)一個實施例，所述裝置為諧振器，其中所述半導(dǎo)體元件為固定到支撐結(jié)構(gòu)上的諧振元件，并且所述裝置包括用于激勵諧振元件的諧振模式的電驅(qū)動機構(gòu)。所述諧振器可以用于多種應(yīng)用中，例如目前使用石英諧振器或其它類型的硅諧振器的那些應(yīng)用。
[0039]所述驅(qū)動或傳感機構(gòu)可以包括例如布置成與半導(dǎo)體元件機械式接觸的壓電式驅(qū)動或傳感機構(gòu)。也可以使用電驅(qū)動。
[0040]如果驅(qū)動和/或傳感機構(gòu)對所述裝置的溫度敏感度具有顯著的影響，則區(qū)域類型的摻雜濃度或相對體積可調(diào)整成能夠補償驅(qū)動和/或傳感機構(gòu)對溫度敏感度的影響。
[0041]根據(jù)一個實施例，所述用于設(shè)計微機械裝置的方法包括:
[0042]一為半導(dǎo)體元件選擇半導(dǎo)體基材；
[0043]一選擇待添加到半導(dǎo)體材料中的η型摻雜劑；
[0044]一設(shè)計半導(dǎo)體材料的內(nèi)部結(jié)構(gòu)，
[0045]其中，內(nèi)部結(jié)構(gòu)的設(shè)計包括確定至少兩個η型摻雜劑濃度、η型摻雜層的類型和/或晶體定向，以及它們在半導(dǎo)體元件的不同區(qū)域中的相對體積，使得在100°c的溫度范圍內(nèi)，半導(dǎo)體元件的廣義剛度的溫度敏感度漂移小于50ppm，尤其小于lOppm。
[0046]根據(jù)一個實施例，諧振器元件包括通過丘克拉斯基法生長的晶體，其中所述一種或多種η型摻雜劑已經(jīng)存在于晶體生長階段。根據(jù)另一個實施例，諧振器元件包括這樣的晶體，所述晶體在有于生長階段中已經(jīng)存在的一種或多種η型摻雜劑的情況下磊晶式生長。在每個不同的區(qū)域中，這些方法均可以用來產(chǎn)生晶體的均質(zhì)摻雜。例如通過改變沉積在每個不同的區(qū)域中的η型摻雜劑的量來推進制造。
[0047]本發(fā)明提供了顯著的優(yōu)勢。權(quán)利要求所限定的結(jié)構(gòu)在寬溫度范圍內(nèi)的被動溫度補償中已經(jīng)顯示出很大的潛力。不僅僅一階溫度系數(shù)，還有較高階的溫度系數(shù)(尤其是二階和可選的三階溫度系數(shù))可得到有效補償。
[0048]尤其地，所述有效材料的構(gòu)造可以設(shè)計成使得半導(dǎo)體元件的不同材料的溫度系數(shù)的第一和第二階項彼此抵消到所要求的水平。如下面的實施例和理論所顯示的，相比于僅僅有效材料的成分，這能導(dǎo)致寬的溫度范圍內(nèi)的總體溫度漂移的顯著的相對下降。
[0049]整個諧振結(jié)構(gòu)可以由η型摻雜材料制造，而不需要使用氧化物，其例如會導(dǎo)致性能損失。[0050]本發(fā)明可以至少應(yīng)用于所有的多谷型半導(dǎo)體材料，其中η型摻雜的硅僅僅是一個例子。
[0051]另外，所述結(jié)構(gòu)可以沒有P摻雜劑而來實施。結(jié)果是，在諧振器中避免了 ρη結(jié)的存在。
[0052]接下來，將參照附圖更詳細地描述本發(fā)明的實施方案。
【專利附圖】

【附圖說明】
[0053]圖1顯示了如果均質(zhì)摻雜的諧振器由超晶格來替換則溫度漂移將如何變化；
[0054]圖2a_c通過兩個不同的η型摻雜劑濃度(η)及其超晶格構(gòu)造的頻率-溫度圖更詳細地描述了溫度補償原理；
[0055]圖3顯示了在均質(zhì)摻雜的諧振器的情況中:(a)諧振頻率關(guān)于摻雜劑濃度的變化(ppm)的等值線圖；(b)關(guān)于摻雜劑濃度的100°C的溫度范圍內(nèi)的總頻率變化；以及(c)最佳摻雜密度下作為溫度的函數(shù)的頻率變化；
[0056]圖4-9 (a)-(c)顯示了根據(jù)本發(fā)明的實施例的多種構(gòu)造的與圖3a_c相一致的圖；
[0057]圖7d和圖8d顯示了根據(jù)本發(fā)明的一些實施例的區(qū)域和超晶格的頻率-溫度圖；
[0058]圖10-14以ppm為單位顯示了本發(fā)明的進一步的實施方案和實施例的作為溫度的函數(shù)的頻率差；
[0059]圖15-17顯示了支持為本發(fā)明所進行的理論研究的圖表。
【具體實施方式】
[0060]在下面的說明中描述了一個實施方案，其中半導(dǎo)體諧振器元件的不同的區(qū)域包括不同的η型摻雜劑濃度，還包括一些變體。
[0061]在一個簡化的圖中，諧振器頻率關(guān)于溫度的斜率在每個溫度點處是正的或負(fù)的斜率，這取決于摻雜劑濃度。如果諧振器由最佳的有效材料形成，其中所述最佳的有效材料包括具有不同的摻雜水平的任意的橫向和/或豎向的區(qū)域，那么不僅僅是在一些點上，而是在寬的溫度區(qū)域中，這些影響可以結(jié)合起來，以彼此抵消。
[0062]所述區(qū)域不必為離散的:諧振器主體內(nèi)的濃度也可以在諧振器體積內(nèi)連續(xù)變化，并且能夠達到相同的抵消效果。
[0063]根據(jù)一個實施例，半導(dǎo)體元件為柱體。用語“柱體”大致指代這樣的元件,其面內(nèi)縱橫比(寬度比長度)至少為5。典型地，縱橫比為至少10。
[0064]根據(jù)一個實施例，半導(dǎo)體元件為板體。板體可以為矩形。例如，其可以為方形板。板體也可以為多邊形、圓形或橢圓形。板體的縱橫比(任何橫向尺寸比厚度)小于5。
[0065]根據(jù)一個方面，根據(jù)本發(fā)明的裝置包括至少局部η型摻雜的諧振器元件，并且包括用于激活諧振器元件的諧振模式的換能器機構(gòu)。該諧振模式可以為下述模式中的一種:
[0066]一板體諧振器元件中的剪切模式；
[0067]一板體諧振器元件中的方形拉伸(SE)模式；
[0068]—板體諧振器元件中的寬度拉伸(WE)模式；
[0069]一板體諧振器元件中的彎曲模式；
[0070]一柱體諧振器元件中的拉伸模式；[0071]一柱體諧振器元件中的彎曲模式；或
[0072]-柱體諧振器元件中的扭轉(zhuǎn)模式。
[0073]根據(jù)一個實施例，諧振元件適合于被驅(qū)動機構(gòu)激勵至Lam6模式，成為矩形板體的剪切模式中的一個特殊的例子。
[0074]如果諧振器元件為板體，其可以在(100)晶片上制造，使得板體的側(cè)部與諧振器元件的半導(dǎo)體材料的晶體的[100]方向相一致。
[0075]如果諧振器元件為適合于以扭轉(zhuǎn)模式諧振的柱體，其可以:
[0076]—在(100)晶片上或在(110)晶片上制造，并且所述柱體的主軸沿著半導(dǎo)體材料的[110]方向定向，或
[0077]一在(110)晶片上制造，使得所述柱體的主軸沿著如下方向，所述方向通過將柱體從半導(dǎo)體材料的[110]方向朝著[100]方向在平面內(nèi)旋轉(zhuǎn)20-50度來獲得。
[0078]如果諧振元件為適合于以拉伸或彎曲模式諧振的柱體，則所述柱體的主軸可以沿著半導(dǎo)體材料的[100]方向定向。
[0079]在同一 申請人:的在先申請FI20115151中更詳細地討論了這些模式、用于它們的適合的幾何形狀和晶體定向以及它們的局部溫度補償，該申請的相關(guān)部分通過引用結(jié)合于本文中。
[0080]根據(jù)一個實施例，有效材料包括垂直超晶格，其中具有不同η型摻雜濃度的硅層交替設(shè)置。已經(jīng)顯示了，通過這種構(gòu)造可以達到在100°c寬的溫度范圍內(nèi)的小于IOppm的漂移。圖1和圖2c中顯示了具有交替的摻雜水平Ii1和112的硅層的示例性超晶格堆疊。能夠通過該形式的布置來補償?shù)闹C振模式的例子有板體諧振器的Lam6模式，以及柱體諧振器的特定的彎曲/拉伸和扭轉(zhuǎn)模式。一種用于制造豎直硅超晶格的實用方式是在基板上磊晶生長式生長硅。在生長中可以控制η型摻雜劑的濃度，其產(chǎn)生依賴于濃度曲線的厚度。
[0081]形成硅超晶格的另一個實用方式是晶片鍵合具有不同的η型摻雜劑濃度的兩個硅晶片。鍵合的晶片的厚度應(yīng)當(dāng)以這樣的方式控制，使得它們的比例對于由于溫度的頻率漂移的最小化而言是恰當(dāng)?shù)摹?br> [0082]除了磊晶式生長，可以通過注入和隨后的退火來創(chuàng)造不同的摻雜水平。在該方法中，對半導(dǎo)體的頂面注入高劑量的η型摻雜劑。退火步驟激發(fā)所述劑量，并且同時驅(qū)動摻雜劑更深入到半導(dǎo)體中。因此，創(chuàng)建了豎直的摻雜曲線。通過在注入之前遮掩不同的區(qū)域，該方法也可以提供橫向的摻雜曲線。該方法可以與晶片鍵合相結(jié)合，這使得例如絕緣體上硅(SOI)晶片中的有源Si層的底面能夠相比于頂面具有較高的摻雜濃度。當(dāng)Si層的底部和頂部具有較高的摻雜而中部具有較低的摻雜時，這種結(jié)構(gòu)還可以從頂部注入(和退火)。
[0083]根據(jù)本發(fā)明的裝置可以通過驅(qū)動器、例如已知的換能器機構(gòu)來驅(qū)動。根據(jù)一個實施例，所述換能器機構(gòu)包括壓電驅(qū)動器元件。根據(jù)另一個實施例，換能器機構(gòu)包括靜電驅(qū)動器機構(gòu)。在FI20115151及其參考文獻中更具體地討論了這些技術(shù)。
[0084]下面是Lam6模式中的板體諧振器的一些示例性設(shè)計，并且更詳細地討論了柱體式諧振器的一個實施例。
[0085]均質(zhì)摻雜(Lam6諧振器)
[0086]首先探討均質(zhì)摻雜的Lam6諧振器的頻率作為η型摻雜密度(cnT3)和溫度(K)的函數(shù)如何表現(xiàn)。圖3a顯示了作為等值線圖的諧振頻率的ppm變化(T=300K處的頻率已經(jīng)作為PPm變化計算的參考，并且作為η的函數(shù)的斜率已經(jīng)從圖表中移除)。
[0087]可以觀察到有兩個穩(wěn)定區(qū)域:一個在大約1glO (η) =19處，而另一個1glO (η) =20.2處。然而，這些穩(wěn)定區(qū)域均不是“水平的”，這是因為頻率作為所有η型摻雜劑密度η的溫度的函數(shù)而變化。
[0088]圖3b中顯示了在每個η型摻雜劑密度下，整個溫度范圍Τ=250…350Κ中的總頻率變化。
[0089]相應(yīng)于上述穩(wěn)定區(qū)域，有兩個極小值。在n=l.55e20Cm_3下達到了 100°C的范圍中的IOOppm的最小總頻率變化。圖3c顯示了在當(dāng)出現(xiàn)最小化時的η型摻雜劑密度下作為溫度的函數(shù)的頻率變化。
[0090]超晶格構(gòu)造例子I (Lam6模式的板體諧振器)
[0091]圖4a_4c顯示了與圖3a_3c相一致的圖，但是使用了具有下列設(shè)計參數(shù)的超晶格:
[0092]na=l.44e20cnT3，pa=0.656 (大約 66%)；
[0093]nb=lel9cnT3，pb=0.344 (大約 34%),
[0094]其中ni指代η型摻雜劑濃度，而Pi指代材料i的相對體積。所述構(gòu)造將100°C范圍內(nèi)的總頻率變化從IOOppm減少到3ppm。
[0095]超晶格構(gòu)造例子2 (Lam6跛腳模式的板體諧振器)
[0096]有利的是，較低的η型摻雜劑密度也可以用于超晶格。圖5a_5c顯示了與圖4a_4c和圖3a_3c相一致的圖，但是使用了具有如下設(shè)計參數(shù)的超晶格:
[0097]na=7.87el9`cnT3，pa=0.639 (大約 64%)；
[0098]nb=lel8cnT3，pb=0.361 (大約 36%)。
[0099]所述構(gòu)造將100°C的范圍內(nèi)的總頻率變化從IOOppm減少到9ppm,這不像上述例子那樣好，但仍實現(xiàn)了明顯更低的濃度水平。
[0100]超晶格構(gòu)造例子3 (拉伸或彎曲模式的柱狀諧振器)
[0101]上面的例子顯示了，可以通過使用η型摻雜的硅超晶格來減少Lam6模式諧振器的溫度漂移。在類似的方式中，可以對拉伸或彎曲諧振模式的柱狀諧振器實施本發(fā)明。
[0102]這種諧振模式的溫度漂移可以最小化，例如通過如下的超晶格的堆疊:
[0103]na=l.03e20cnT3，pa=0.733 (大約 73%)
[0104]nb=9el8cm-3, pb=0.267 (大約 27%)
[0105]圖6a_圖6c顯示了與圖3_5中相一致的圖。所計算的總頻率漂移為100°C的范圍內(nèi) 6ppm0
[0106]類似地，可以為扭轉(zhuǎn)諧振模式的柱狀諧振器找到適合的頻率漂移最小化的設(shè)計參數(shù)。
[0107]超晶格構(gòu)造例子4 (Lam6模式的板體諧振器)
[0108]該例子展示了能夠應(yīng)用于超晶格的效果，其中具有較低η型摻雜劑濃度的區(qū)域(材料“b”)為“未摻雜”或相對弱地?fù)诫s硅，使得單單材料“b”的諧振器具有-30ppm/°C量級的一階溫度系數(shù)。已經(jīng)使用來自C.Bourgeois et al., “Design of resonatorsfor the determination of the temperature coefficients of elastic constants ofmonocrystalline silicon, ” in Frequency Control Symposium, 1997., Proceedings ofthel997IEEE International, 1997，791 - 799的數(shù)據(jù)計算出了作為溫度的函數(shù)的材料“b”彈性矩陣元素的Cu值。假設(shè)材料b為電阻率為0.05 Ω /cm的η型磷摻雜硅，其對應(yīng)于小于3*1017cm_3的磷濃度。通過下面理論部分中所呈現(xiàn)的理論來計算材料“a”的性質(zhì)。
[0109]在最佳構(gòu)造中，材料“a”的η型摻雜劑濃度為na=7.50el9cm_3,而材料“a”和材料“b” 的相對含量分別為 Pa=0.68 (68%)，pb=0.32 (32%)。
[0110]圖7a-7c顯示了與圖3_6相一致的圖。總的頻率漂移為100°C的范圍內(nèi)的8ppm。
[0111]圖7d顯示了材料“a”和材料“b”的單獨貢獻，并且詳細顯示了超晶格的溫度依賴性。附圖中的標(biāo)題包括到三階的溫度系數(shù)。
[0112]由于該例子的結(jié)果的支持，除了例子中所計算的模擬的弱n/p摻雜的單晶硅材料，材料“b”也可以為多晶娃，其已知具有大約_30ppm/°C的線性TCF。
[0113]超晶格構(gòu)造例子5 (Lam6模式的板體諧振器)
[0114]該例子類似于上述例子4，不同之處為材料b為相對弱P型摻雜而不是弱η型摻雜。同樣，材料“b”的溫度系數(shù)大約為-30ppm/°C。已經(jīng)使用來自C.Bourgeois等人的數(shù)據(jù)計算出了作為溫度的函數(shù)的材料b的彈性矩陣元素的值。材料b采取P型硼摻雜硅，其電阻率為4 Ω/cm，這對應(yīng)于小于l*1016cm_13的硼濃度。材料“a”的性質(zhì)通過理論部分中所呈現(xiàn)的理論來計算。
[0115]在最佳構(gòu)造中，材料“a”的最佳η型摻雜濃度為na=7.15el9cnT3,并且材料“a”和材料“b”的相對含量分別為Pa=0.68 (68%)，pb=0.32 (32%)。
[0116]圖8a_圖8c顯示了與圖3-7中相對應(yīng)的圖?？偟念l率漂移為100°C的范圍內(nèi)的8ppm0
[0117]圖8d顯示了材料“a”和材料“b”的單獨的貢獻，并且詳細顯示了超晶格的溫度依賴。附圖中的標(biāo)題包括直至三階的溫度系數(shù)。
[0118]超晶格構(gòu)造例子6 (具有熱膨脹效應(yīng)的Lam6模式的板體諧振器)
[0119]在先前所有例子中均忽略了熱膨脹效應(yīng)。如在“諧振器的線性TCF的理論模型”的部分中所討論的，對諧振器TCF的貢獻來自熱膨脹。本例顯示了當(dāng)考慮熱膨脹效應(yīng)時對最佳超晶格構(gòu)造所發(fā)生的情況。文獻C.Bourgeois等人中介紹的直至二階的熱膨脹系數(shù)已經(jīng)用在計算中。
[0120]圖9a_c顯示了類似于圖7a_c (例子4)的例子的結(jié)果，不同之處在于考慮到了熱膨脹系數(shù)。
[0121]值得注意的是，最佳超晶格構(gòu)造從(na=7.50el9Cm_3，pa=0.68，pb=0.32)改變?yōu)?na=5.94el9cm_3，pa=0.48，pb=0.52)，這導(dǎo)致100°C的溫度范圍中的5ppm的總頻率漂移。
[0122]該例子表明，盡管存在熱膨脹效應(yīng)，然而通過找到參數(shù)可能變化的適合的超晶格，本發(fā)明也可以用來將諧振器的總頻率漂移顯著減少至所稱的范圍。大致而言，在兩種材料的超晶格中，如果相比于另一種材料類型而言具有較大的η型摻雜濃度的材料類型形成了半導(dǎo)體元件的總體積的至少35%，則可以滿足該條件。
[0123]超晶格構(gòu)造例子7 (Lam6模式的板體諧振器，有限元方法模擬)
[0124]對320X320X 15 μ m的硅板體進行了有限元方法模型分析，以確認(rèn)例子2的有效性。所述板體模型化為包括兩個區(qū)域的豎直堆疊，區(qū)域A為厚度pa*15 μ m并且具有摻雜劑濃度na的底層，區(qū)域B為厚度pb*15 μ m并且具有摻雜劑濃度nb的頂層。板體的側(cè)部沿著[100]的晶體方向?qū)R。
[0125]使用Comsol multiphysics軟件來進行模擬。對不同的溫度(T=250...350K)執(zhí)行分析，根據(jù)下面在理論部分中所描述的理論來計算材料A和材料B在每個溫度下的剛度
矩陣元素Cij。
[0126]使用與例子2中精確相同的參數(shù)，即na=7.87el9cm_3, pa=0.639, nb=lel8cm_3以及Pb=0.361，產(chǎn)生作為溫度的函數(shù)的頻率變化，其與例子2中所計算的頻率變化良好地一致。
[0127]圖10顯示了以ppm為單位的作為溫度的函數(shù)的頻率差。藍色的點(B)顯示了模擬數(shù)據(jù)。紅色曲線(R)顯示了適合于模擬數(shù)據(jù)的三階多項式。綠色曲線(G)顯示了例子2中所計算的數(shù)據(jù)。由于數(shù)值性的不準(zhǔn)確度(最大有限元建模(FEM)網(wǎng)格尺度為50Χ50Χ5μπι)，并且也由于如下事實，即諧振模式可能由于由材料A和材料B所形成的(沿厚度方向的)非對稱堆疊而被輕微擾亂，或許已經(jīng)出現(xiàn)了非常微小的差。
[0128]超晶格構(gòu)造例子8 (長度拉伸模式下的柱體諧振器，有限元法模擬)
[0129]以與例子7類似的方`式，模擬了 320*20*15μπι的尺寸的柱體諧振器(其側(cè)部與[100]晶體方向?qū)R)的長度拉伸諧振模式。圖11以ppm為單位顯示了頻率變化，其與例子2的結(jié)果相一致。超晶格參數(shù)為:
[0130]na=l.03e20cm_3, pa=0.733, nb=9el8cm_3, pb=0.267 (如例子 2)。
[0131]超晶格構(gòu)造例子9 (面內(nèi)彎曲模式的柱體諧振器，有限元方法模擬)
[0132]模擬了例子8的柱體諧振器的面內(nèi)彎曲(變彎)諧振模式。由于諧振頻率對Cij參數(shù)的依賴與例子8的長度拉伸諧振模式略微不同(在FI20115151中討論過)，當(dāng)超晶格參數(shù)類似于例子8中的參數(shù)時(圖12a)，觀測到了較大的頻率漂移(100°C的范圍內(nèi)的25ppm)。
[0133]然而，通過輕微增加材料A的相對量，得到了更優(yōu)化的超晶格構(gòu)造:當(dāng)超晶格參數(shù)為 na=l.03e20cm_3, pa=0.75, nb=9el8cnT3, pb=0.25 時，達到了 100°C 的范圍內(nèi) 5ppm 的總頻率漂移(參見圖12b)。
[0134]超晶格構(gòu)造例子10 (面外彎曲模式的柱體諧振器，有限元法模擬)
[0135]在本例子中研究了例子8和例子9中的柱體的面外彎曲(變彎)諧振模式。在此情況中，如在“平均效果”部分中所討論的，計算有效材料諧振頻率的分析方法不再適用。當(dāng)使用例子9的超晶格參數(shù)時，頻率漂移保持在超過200ppm的水平。(圖13a)
[0136]更優(yōu)化的超晶格構(gòu)造為，na=l.03e20cnT3, pa=0.89, nb=9el8cnT3, pb=0.11。通過這些參數(shù)，達到了 100°c的范圍內(nèi)6ppm的頻率漂移。(圖13b)
[0137]超晶格構(gòu)造例子11 (扭轉(zhuǎn)模式的柱體諧振器，有限元法模擬)
[0138]以和先前的例子相同的方式來模擬扭轉(zhuǎn)諧振模式的柱體諧振器。柱體的橫向尺寸為320X20 μ m，并且其厚度為10 μ m。側(cè)部沿著[110]方向定向；限定厚度方向的法線為
[100]。
[0139]通過如下超晶格構(gòu)造]^=]^03e20cnT3,pa=0.90,nb=9el8cnT3,pb=0.10,達到了 10CTC的范圍內(nèi)5ppm的頻率漂移。
[0140]本發(fā)明的變體
[0141]變體
[0142]上述例子用來證明本發(fā)明的適用性。在本發(fā)明的范圍中具有多種用于不同的諧振器設(shè)計和諧振模式的不同類型的溫度漂移最小化的超晶格的層組合。例如:[0143]一可以對層使用多于兩個的η型摻雜濃度；
[0144]一可以自由地選擇層的厚度和順序；
[0145]一超晶格不必須為離散的堆疊(例如，η型濃度可以作為厚度的函數(shù)連續(xù)變化)；
[0146]一超晶格可以在兩個維度上具有周期性(例如，可以在晶片平面上在另一種材料類型中具有一種材料類型的局部區(qū)域的陣列)；
[0147]--個或一些區(qū)域可以為非摻雜的或P型摻雜的，尤其是P型摻雜的(η
< IO16Cm 3)。
[0148]諧振器的頻率-溫度響應(yīng)也可以針對與溫度漂移最小化不同的優(yōu)化目標(biāo)來進行修改。例如，在壓電驅(qū)動的諧振器的情況中，目標(biāo)可以為過補償非硅(壓電材料+相關(guān)金屬)`部分對頻率漂移的影響。在這樣的情況中，非硅部分也屬于術(shù)語“諧振器元件”的范圍內(nèi)，這是它們影響諧振頻率并且與元件諧振。
[0149]本發(fā)明的原理不僅可以應(yīng)用于諧振器，也可以應(yīng)用于任何包含一個或多個彈簧的諧振器以外的微機械裝置(例如加速計、陀螺儀)，其中所述彈簧對于裝置的功能性而言為`一個整體部分，并且在裝置的操作模式下經(jīng)歷彎曲、拉伸和扭轉(zhuǎn)。這是因為任何經(jīng)歷拉伸、彎曲或扭轉(zhuǎn)的彈簧的剛度k的溫度漂移可以使用η型摻雜的超晶格來減少。因此，本發(fā)明可以應(yīng)用于性能依賴于這種彈簧的任何MEMS裝置。
[0150]另外，有效材料不必須為超晶格，即不必為重復(fù)結(jié)構(gòu)。相反地，一些其它的層構(gòu)造也可以使用，假設(shè)它們可形成相連的彈簧系統(tǒng)，并且溫度敏感度的斜率在所期望的溫度范圍的每個點處適合地匹配。
[0151]理論
[0152]理論研究為本發(fā)明提供另外的支持。下面簡單介紹可以用來解釋上述例子的一些模型。
[0153]平均效果
[0154]首先考慮由垂直堆疊超晶格所制造的諧振器。假設(shè)諧振器以其頻率不依賴厚度的諧振模式進行諧振。該假設(shè)適用于例如板體諧振器的Lam6諧振模式，并且大體上適用于板體諧振器的方形拉伸模式以及柱體諧振器的寬度拉伸/長度拉伸諧振模式。
[0155]大致上講，諧振器可以描述為彈簧質(zhì)量系統(tǒng)(k，m)。結(jié)果是，由硅超晶格Ii1Ai2所制造的諧振器可以模型化為兩個剛性連接的彈簧質(zhì)量系統(tǒng)和(k2，m2)，參照圖17。在該方案中，集中的模型參數(shù)Lmi代表來自超晶格堆疊的類型i的所有層的影響。
[0156]由于平行的彈簧疊加到一起，其導(dǎo)致復(fù)合諧振器頻率為“實際”諧振器頻率的加權(quán)均方根:
【權(quán)利要求】
1.一種微機械裝置，包括: 一半導(dǎo)體元件，所述半導(dǎo)體元件能夠產(chǎn)生偏轉(zhuǎn)或諧振，并且包括具有不同材料性質(zhì)的至少兩個區(qū)域； 一功能性連接到所述半導(dǎo)體元件的驅(qū)動或傳感機構(gòu)， 其特征在于， 一所述區(qū)域中的至少一個包括一種或多種η型摻雜劑， 一所述區(qū)域的相對體積、摻雜濃度、摻雜劑和/或晶體定向構(gòu)造成使得: 所述區(qū)域的廣義剛度的溫度敏感度至少在一個溫度下符號相反； 在100°C的溫度范圍內(nèi)，所述半導(dǎo)體元件的廣義剛度的總體溫度漂移為50ppm或更少。
2.根據(jù)權(quán)利要求1所述的裝置，其特征在于，至少一個第一區(qū)域和至少一個第二區(qū)域為包含不同摻雜濃度的所述一種或多種η型摻雜劑的不同區(qū)域。
3.根據(jù)權(quán)利要求1或2所述的裝置，其特征在于，所述至少一個第一區(qū)域和至少一個第二區(qū)域包括不同的η型摻雜劑。
4.根據(jù)權(quán)利要求1到3中任一項所述的裝置，其特征在于，所述至少一個第一區(qū)域和至少一個第二區(qū)域包括不同的晶體定向。
5.根據(jù)權(quán)利要求1到4中任一項所述的裝置，其特征在于，在所述溫度范圍的大部分中，優(yōu)選地在大致整個所述溫度范圍中，所述區(qū)域的廣義剛度的溫度敏感度是符號相反的。
6.根據(jù)權(quán)利要求1到5中任一項所述的裝置，其特征在于，所述區(qū)域構(gòu)造成使得在100°C的溫度范圍內(nèi)產(chǎn)生了半導(dǎo)體元件的廣義剛度的IOppm或更少的溫度漂移。
7.根據(jù)權(quán)利要求1到6中任一項所述的裝置，其特征在于，所述區(qū)域沿半導(dǎo)體元件的厚度方向一個堆疊于另一個之上。
8.根據(jù)權(quán)利要求1到6中任一項所述的裝置，其特征在于，所述區(qū)域在半導(dǎo)體元件中相對于彼此沿橫向布置。
9.根據(jù)權(quán)利要求1到8中任一項所述的裝置，其特征在于，所述區(qū)域在所述半導(dǎo)體元件中以在至少一個維度上周期性重復(fù)的構(gòu)造來布置，以形成超晶格結(jié)構(gòu)。
10.根據(jù)權(quán)利要求1到9中任一項所述的裝置，其特征在于，所述區(qū)域在所述半導(dǎo)體元件中布置成橫向的二維陣列。
11.根據(jù)權(quán)利要求1到10中任一項所述的裝置，其特征在于，所有的所述區(qū)域摻雜有不同濃度的同種η型摻雜劑。
12.根據(jù)權(quán)利要求11所述的裝置，其特征在于，一個區(qū)域中的摻雜濃度為5el9CnT3或更小，并且另一個區(qū)域中的摻雜濃度大于5el9Cm_3。
13.根據(jù)權(quán)利要求11所述的裝置，其特征在于，一個區(qū)域中的摻雜濃度為2el9cnT3或更小，并且另一個區(qū)域中的摻雜濃度大于2el9cm_3。
14.根據(jù)權(quán)利要求1到13中任一項所述的裝置，其特征在于，相比于其它類型的所述區(qū)域具有更大的η型摻雜濃度的類型的區(qū)域形成所述半導(dǎo)體元件的總體積的至少35%。
15.根據(jù)權(quán)利要求1到14中任一項所述的裝置，其特征在于，每個所述區(qū)域的摻雜濃度為大致均勻的。
16.根據(jù)權(quán)利要求1到15中任一項所述的裝置，其特征在于，所述區(qū)域中的至少一個為嘉晶娃層。
17.根據(jù)權(quán)利要求1到16中任一項所述的裝置，其特征在于，所述區(qū)域中的至少一個包括由溝槽再填充法制造的溝槽。
18.根據(jù)權(quán)利要求1到17中任一項所述的裝置，其特征在于，所述區(qū)域中的至少一個由注入和退火法制造。
19.根據(jù)權(quán)利要求1到18中任一項所述的裝置，其特征在于，所述區(qū)域中的至少一些已由晶片鍵合技術(shù)連接到一起。
20.根據(jù)權(quán)利要求1到19中任一項所述的裝置，其特征在于，所述半導(dǎo)體元件為固定到支撐結(jié)構(gòu)上的諧振元件，并且所述裝置包括用于激勵諧振元件到諧振模式的電驅(qū)動機構(gòu)。
21.根據(jù)權(quán)利要求20所述的裝置，其特征在于，所述諧振元件為板體，并且適合于通過所述電驅(qū)動機構(gòu)來被激勵到從下組中所選擇的模式: 一剪切模式，例如Lam6模式； 一方形拉伸(SE)模式； 一寬度拉伸(WE)模式； 一彎曲模式。
22.根據(jù)權(quán)利要求20所述的裝置，其特征在于，所述諧振元件為柱體，并且適合于通過所述電驅(qū)動機構(gòu)來被激勵到從下組中所選擇的模式: 一拉伸模式； 一彎曲模式； 一扭轉(zhuǎn)模式。
23.根據(jù)權(quán)利要求1到22中任一項所述的裝置，其特征在于，包括: 一一個具有5el9-2e20Cnr3的摻雜濃度的區(qū)域類型，所述區(qū)域類型占據(jù)所述諧振元件的總體積的35%-75% ； 一另一個區(qū)域類型，其為不摻雜的或具有小于2el8Cnr3的摻雜濃度，所述另一個區(qū)域類型占據(jù)所述諧振元件的總體積的25%-65%。
24.根據(jù)權(quán)利要求1到23中任一項所述的裝置，其特征在于，所述驅(qū)動或傳感機構(gòu)包括布置成與半導(dǎo)體元件機械式接觸的壓電驅(qū)動和/或傳感機構(gòu)。
25.根據(jù)權(quán)利要求24所述的裝置，其特征在于，所述區(qū)域類型的摻雜濃度和/或相對體積適合于過補償所述壓電機構(gòu)和/或傳感機構(gòu)對溫度系數(shù)的影響。
26.根據(jù)權(quán)利要求1到25中任一項所述的裝置，其特征在于， 一所述第一區(qū)域在不同于第一溫度的第二溫度下具有廣義剛度的負(fù)的溫度敏感度； 一所述第二區(qū)域在第二溫度下具有廣義剛度的正的溫度敏感度。
27.根據(jù)權(quán)利要求1到26中任一項所述的裝置，其特征在于，所述溫度區(qū)域以25V為中心。
28.根據(jù)權(quán)利要求1到27中任一項所述的裝置，其特征在于，所述半導(dǎo)體元件為與半導(dǎo)體材料的晶體矩陣相對齊的諧振器元件，使得所述諧振器展現(xiàn)一種模式頻率由諧振器元件的半導(dǎo)體材料的彈性項(C11-C12)決定的諧振模式。
29.一種用于設(shè)計根據(jù)權(quán)利要求1到28中任一項所述的微機械裝置的方法，包括: 一為半導(dǎo)體元件選擇半導(dǎo)體基材； 一選擇待添加到半導(dǎo)體材料中的至少一種η型摻雜劑；一設(shè)計半導(dǎo)體材料的內(nèi)部結(jié)構(gòu)， 其特征在于，所述內(nèi)部結(jié)構(gòu)的設(shè)計包括確定至少兩種η型摻雜劑、η型摻雜劑濃度和/或η型摻雜的材料的晶體 定向，以及它們在半導(dǎo)體元件的不同區(qū)域中的相對體積，使得在100°C的溫度范圍內(nèi)，所述半導(dǎo)體元件的廣義剛度的總體溫度漂移小于50ppm，尤其小于IOppm0
【文檔編號】B81B3/00GK103650343SQ201280023350
【公開日】2014年3月19日 申請日期:2012年5月11日 優(yōu)先權(quán)日:2011年5月13日
【發(fā)明者】米卡·普倫尼拉, 安特爾·亞科拉, 托馬斯·彭薩拉 申請人:芬蘭國家技術(shù)研究中心