專利名稱：殼形激勵器的制作方法
政府資助在此描述的本發明在國家科學基金會授予的授權號DMR0079992的情況下得到美國政府的支持。美國政府對此發明具有某些權利。
相關申請本申請要求申請序列號為60/496,421(題為Shell-TypeMicromechnical Actuator and Resonator，2003年8月20日提交)美國臨時申請的優先權，其在此被引入作為參考。本申請還要求申請序列號60/496,431(題為Method and Apparatus for Thermal-Mechanical Signal Processing，2003年8月20日提交)美國臨時申請的優先權，其在此被引入作為參考。本申請還要求申請序列號60/496,430(題為Laser Annealing for MEMS Devices，2003年8月20日提交)美國臨時申請的優先權，其在此被引入作為參考。
背景無線通信設備中的可能應用很大程度上推動射頻微電子機械系統(RF MEMS)的發展。高質量、微型和CMOS技術兼容的MEMS諧振器被看作對現有RF無源元件的一種有吸引力的替換物。在現代RF設備中，以兩種主要方法實現頻率確定的元件。第一種方法需要片內(on-chip)電容器和電感器的微型制造。即使它們消耗較大部分IC“不動產”并且顯示低品質因數Q～50，但是片內LC電路也被廣泛地用于GHz范圍的設備。
可替換地，石英晶體、表面聲波(SAW)濾波器、陶瓷濾波器以及高Q的LC被實現為獨立的元件并且對于RF設備的將來小型化產生瓶頸。它們的高品質因數(對于石英諧振器，品質因數為Q～106；對于陶瓷SAW濾波器，品質因數為Q～105)加上高溫度穩定性(它們對于無線設備來說都是不可缺少的特性)迫使RF設計者接受這些片外(off-chip)元件。這個方法與無線系統的當前趨勢發生沖突，特別是需要利用最小尺寸和最低價格執行的射頻芯片(radio-on-chip)的那些系統。
作為頻率確定元件的微機械諧振器被期望是用于射頻芯片項目的關鍵。當前表面微機械加工工具允許利用RF范圍內機械振動的基頻f0制造懸浮的硅結構。MEMS諧振器品質因數Q～104優于LC電路品質因數一些數量級。基于MEMS的信號生成器和頻率標準幾乎被并入任何RF設備。
用于建立這種生成器的固有方法是將MEMS諧振器實現為放大器的反饋回路中的頻率確定元件并且提供用于自持振蕩的條件。存儲在MEMS諧振器中的應變能kx2/2能夠比得上常規電感器中的電能LI2/2。
然而，將電信號轉換為諧振器(驅動器)的機械運動和反向(檢測)的方法代表對RF MEMS設計的主要挑戰。壓電式換能器需要與CMOS技術不相容的壓電材料。用于說明MEMS中最高諧振頻率所使用的驅動和檢測的磁勢方法依賴于高磁場和低溫度。
應該說明的是，使用靜電驅動和檢測能夠操作微機械基準振蕩器。然而，電容性方法難以實現需要相對高的電壓并且用于驅動和檢測的窄隙電容器對設計強加了重要的限制。兩個振蕩器利用類似光束的幾何學，從而導致相對低的品質因數Q～103。與驅動和檢測之間串擾相關的問題很嚴重。用于這些設備的任一個設備的相位噪聲明顯高于人們根據類似基于石英的振蕩器所期望的相位噪聲，并且二組把這個額外的相位噪聲歸因于電容性換能問題。這推動繼續研究微機械諧振器的新設計以及新穎的驅動檢測方法。
概述射頻殼形多晶硅微機械諧振器(面外擴大(blowed up out-of-plane))可以使用在低壓化學氣相淀積(LPCVD)-沉積膜中引入的壓縮應力來制造。例如由調制的激光或其他熱調制誘導引入的熱應力提供用于殼形或穹形諧振器的有效驅動機制。
在一個實施例中，可以通過使用用于驅動和檢測的兩個不同波長激光束來獲得所有光操作。激光激勵技術的局部特性誘導使用壓電或電容性驅動而不容易看見的振動模式。可以通過監控在不同位置上驅動信號和檢測運動之間的相移來實現模式識別。利用正反饋的頻率生成器能夠說明超過1ppm的較好頻率穩定性。


圖1是根據一個典型實施例的穹形激勵器(actuator)的橫截面框圖；圖2是圖1的穹形激勵器的俯視圖；圖3是根據一個典型實施例用于檢測穹形激勵器運動的設備的示意框圖；圖4是根據一個典型實施例由激光束加熱的穹形激勵器的熱分布的圖解；圖5是根據一個典型實施例變形圖4的穹形激勵器的圖解；圖6是根據一個典型實施例示出在穹形激勵器上驅動激光的矩形坐標位置的圖；圖7是示出用于圖6的其中一個驅動激光位置的標準化信號幅度的圖；圖8是用于圖6的另一個驅動激光位置的標準化信號幅度的圖；圖9是示出在圖6的穹形激勵器表面上的標準化信號幅度的極坐標圖；圖10A，10B，10C，10D，10E和10F是示出通過增加典型穹形諧振器的諧振頻率而設置的各種變化模式的圖；圖11是根據一個典型實施例利用作為頻率確定元件的穹形諧振器光學實現正反饋的示意框圖。
具體實施例方式
在下面說明中，參考附圖，這些附圖形成其一部分，并且其中通過說明示出了可以被實踐的特定實施例。足夠詳細地描述這些實施例以使本領域的技術人員能夠實踐本發明，并且應該理解的是可以利用其他實施例并且在不偏離本發明范圍的情況下能夠進行結構、邏輯和電學的變化。因此，下面說明不是限定性的，并且本發明的范圍由附加權利要求來限定。
在圖1的橫截面中通常以100示出了微機械穹形激勵器。圖2提供了激勵器100的俯視圖。激勵器包括多晶硅或其他柔性材料的膜片110，在其邊緣115上是以由襯底120支持的部分球形殼的形狀。術語“球形”的使用不是意味著需要完全球形的形狀，而是僅僅表示在某些實施例中有點彎曲。作為制造的第一步驟，1μm的熱氧化物125生成在a[100]硅晶片的表面上，例如襯底120。這個氧化物125隨后用作犧牲層。也可以使用其他犧牲層。
在一個實施例中，例如通過大約590℃的低壓化學汽相沉積(LPCVD)將多晶硅薄膜130沉積在氧化物125的表面上。也可以使用形成這種薄膜的其他方法，并且也可以由顯示期望變化特征的不同材料形成該薄膜。在沉積薄膜130之后，襯底120大約在1050℃上被退火大約15分鐘。通過頂部多晶硅層130使用E光束光刻再加上CF4干刻形成大約8μm的直徑孔135。該孔的尺寸可以變化并且在一個實施例中大約4μm。可以較大地改變所使用的大小和工藝以產生振動的穹形結構。
微機械激勵器的尺寸可以從微米大小變化到納米大小。該尺寸直接與其諧振頻率相關，在一些實施例中該諧振頻率被期望在RF或較高范圍。在一個實施例中，該薄膜大約200nm厚。犧牲層的深度或厚度可以變化，并且在一個實施例中大約1560nm厚。可以較大地改變這些厚度連同所使用的工藝參數以產生它們。在一個實施例中，工藝參數被選擇以在最終的多晶硅層內提供有效的壓縮應力。這些應力超過220MPa。
在剝去光刻工藝中所使用的抗蝕劑之后，激勵器100被浸入濃的氫氟酸(HF49％)中。溶解犧牲的氧化硅(腐蝕速度～1μm/min)在中心產生具有一孔的懸浮膜片狀(membrane-like)結構。該膜片狀結構類似穹形或殼形。蝕刻時間確定了在多晶硅薄膜下面的空腔140的外徑。其他蝕刻溶液也可以被使用，并且取決于為了獲得期望的蝕刻特征所利用的犧牲層和薄膜的類型。
如果多晶硅層130是無應力的，則釋放的膜片變得扁平。然而，作為沉積和退火參數結果在多晶硅膜130中引入有效壓縮應力使得平面配置不穩定并且導致彎曲的膜片。最終的結構是在頂部具有一個孔135的穹形110。該穹從頂部傾斜向下指向其外徑115。在一個實施例中，獲得60μm的外徑。也可以認為該穹是向上彎曲的，允許它響應力而自由地移動。通過使用臨界點干燥(CPD)工藝以避免表面張力，可以獲得高產品率。在一個實施例中，假定一個特定的薄膜嵌入應力和厚度，切槽(undercut)半徑大約超過6μm時出現期望的彎曲。其他切槽可以在不同切槽半徑上提供這種彎曲。
也可以使用其他方法制造殼形諧振器。可以使用預彎曲犧牲層上的殼形材料的沉積以增加穹形的曲率并且進一步增強諧振頻率。在這個實施例中，不必給這種殼形材料預加應力。
可以利用誘導穹形110運動的許多不同方法。當顯示這種運動時，該穹形稱為穹形諧振器110。在一個實施例中，通過激光器加熱穹形110的被選擇部分。可以改變激光器的頻率，并且當將激光器調到激光器的諧振頻率時穹形發生大的偏轉或共振。
誘導穹形110運動的另一方法涉及抗蝕劑加熱器的使用，例如通過使用具有圖像翻轉和上升的光刻在穹的表面上微制造該抗蝕劑加熱器。在一個實施例中，這種抗蝕劑加熱器是由塊150表示的大約6μm的寬曲徑金屬加熱器。一個典型加熱器具有Rheater＝60hm/square的電阻率，并且在10nm鈦粘附層上包括20nm的金。使用電子束蒸發技術或其他合適技術沉積這些層。用于抗蝕劑加熱器的其他可能材料包括鋁。可替換地，其他設備可用于提供選擇性加熱穹。用于誘導穹運動的其他技術包括熱膨脹、磁致伸縮、光誘導應力或壓電效應。在一個實施例中加熱器的總電阻是50歐姆，它可以提供具有先前RF級的匹配條件。
十分局部的、或空間上高度不均勻的面內應力被用于誘導面外容易檢測的運動。除了導致穹形變形之外，這個加熱感應的、時間可變的局部應力可用于發起表面聲波。這種激勵方法引起這樣的變形，即使在扁平諧振器中也是如此。因此，諧振器不必成形為穹形，而在一些實施例中可以是扁平，例如圓盤。
諧振器通常為環形在某種意義上是有利的，即沿穹周圍的有效部分擴展應力區域以形成窄環。相比于橋式諧振器，這可導致驅動更加有效。環形和熱驅動是一種用于檢測最終運動的電容性方法的良好匹配。環形提供足夠的表面面積以形成電容器。不使用電容性驅動導致較小的邊緣場并且因此在驅動和檢測之間串擾很少。
檢測的另一方法利用圖3中通常以300說明的干涉技術。這種技術是用于檢測穹形諧振器110運動的自然選擇，因為薄多晶硅殼和晶片形成了Fabry-Perot干涉計。圖310示出了630nm光波長的反射系數R是釋放膜片110和襯底120之間間隙h的函數的曲線。強的周期相關性R(h)允許通過測量反射光強度的AC分量檢測諧振器的振蕩運動。
氦氖(HeNe)激光器315被用于提供光束320，該光束320通過物鏡325被聚焦到穹形諧振器330表面的2m光點尺寸上。相同的透鏡325被用于收集反射光。非極化分束器335被用于將反射的激光束指向寬帶光電檢測器340。另一分束器350和白光源在顯微鏡355上提供該結構的光圖像。
通過監控顯微鏡355屏幕上的這個圖像可以在任何感興趣的光點上定位激光束。第二激光器(Ar+)360被用于提供藍色激光束365。反射鏡和分束器370的系統被用于引導藍色激光束通過相同的物鏡。該藍色激光束被聚焦在2μm光點上并且不取決于紅色(HeNe)激光束320而被定位。可以通過具有8MHz帶寬的電光調制器(EOM)375控制Ar+激光器的強度。在光電檢測器之前定位額外的色散棱鏡345以避免藍色激光器的飽和度。
在一個實施例，穹形諧振器330被安裝在具有熔融石英窗口的基于離子泵的真空系統380(P＜10-7Torr)內，用于光學接入。雙倍激光束配置允許殼形諧振器的所有光學操作。當由在諧振頻率上調制的藍色激光器加熱穹形時，該穹形顯示大幅度的面外振動(其是使用紅色激光器檢測的)。用于激光驅動的物理機制涉及由殼內的聚焦激光束引起的熱機械應力。圖4和圖5說明了用于殼內的溫度分布的有限元分析(FEA)的結果以及分別由局部熱膨脹導致的殼變形的結果。50μW激光功率的吸收引起在光束光點上0.85K溫度增加。對于扁平膜片情況，這種局部過熱將建立面內應力，而該應力太小而不能產生面外的彎曲。與此相反，由于穹形振蕩器的3D特性，熱應力能夠自由以由面外變形來釋放。由50μW激光束導致的靜態偏轉被估計為0.3nm，如圖4所示的。如果處于諧振振動的相應幅度不受限于非線性效應，則它通過諧振器的品質因數Q～104來增強到3μm。
應該強調的是，穹形上的光壓效應是可以忽略的(比熱應力驅動弱5個數量級)。微機械諧振器的全部光學操作大大簡化了設備的設計，消除了對于金屬噴鍍、電容性信號電極、壓電元件等等的需要。裸硅諧振器可以暴露于寬范圍的溫度或者腐蝕性空氣，同時保護所有功能。
由兩個獨立定位的激光束實現的驅動-檢測技術提供了一種工具以能夠識別諧振器的模式。由于以類似點方式局部地提供驅動光束的激勵，所以人們能夠在該結構上光柵掃描(raster)檢測(紅色)激光的光點并且在用于每個特定位置的驅動信號和被檢測的運動之間建立相移的映射。對于環形對稱結構，像穹形或圓盤諧振器，假設被激勵的模式在驅動激光束位置上將具有最大值是很自然的。在驅動光束上疊加檢測光束應該產生同相信號。當從藍色激光器光點的位置置換紅色激光光點時，它可以橫過波節直徑或者圓形節點(取決于特定的激勵模式)。在該點，驅動信號和檢測運動之間的相移將改變180°，這能夠容易地被網絡分析器檢測。在實際試驗中，更加方便地移動驅動激光束并且保持與光電檢測器的檢測光束的對準。
圖6示出了45°和225°上兩個不同驅動激光的位置。圖7和圖8示出了對于相應角度來說，標準化信號幅度比以MHz為單位的頻率。在矩形坐標中示出了諧振峰值。圖9示出了極性坐標中的諧振峰值，說明了用于驅動光束的直徑方面相反位置的180°相移。應用于穹形諧振器的這種模式識別技術允許識別四種低頻模式γ11、γ01、γ21和γ02。在下表1中收集了用于諧振頻率的試驗值和用于這些模式和較高模式的品質因數。
表1

在圖10A、10B、10C、10D、10E和10F中示出了由FEA獲得的用于穹形諧振器的模式形狀。諧振器被表示為具有外徑60μm、內孔直徑8μm、多晶硅薄膜厚度0.25μm、穹形高度1.3mm的部分球殼。殼體元素被用于模式分析。剩余的應力被忽略。
通過考慮用于穹形振動不同模式的整體運動中心，可以看出品質因數的觀察差值是由于箝位損失引起。
在另一實施例中，在圖11中通常由1100表示利用穹形諧振器或振蕩器作為頻率確定元件的頻率生成器。He-Ne激光器1110被用于提供光束1115，該光束1115通過物鏡1120被聚焦到穹形諧振器1125表面的2μm光點尺寸上。相同透鏡1120被用于收集反射光。非極化分束器1130被用于將反射激光束引向寬帶光電檢測器1135。
第二激光器(Ar+)1140被用于提供藍色激光束1145。使用反射鏡或分束器1150引導藍色激光束通過相同的物鏡1120。該藍色激光束被聚焦在2μm光點上并且不取決于紅色(HeNe)激光束1115而被定位。可以通過具有80MHz帶寬的電光調制器(EOM)1155控制Ar+激光器的強度。在光電檢測器之前定位額外的色散棱鏡1160以避免藍色激光器的飽和。
通過在放大器1165上選擇性地放大來自光電檢測器的AC電壓以及經由線路1170施加最終信號作為通過控制EOM1155的驅動光束強度的調制來提供閉合的正反饋。放大器1165是可調放大器MATEC615(增益120dB，Q＝20)。高電壓放大器1175(ENI，寬帶增益50dB)被串聯耦合以提供足夠的增益以確保訪問自振蕩狀態。放大器1165的可調諧性允許激勵從頻率區域中穹形諧振器1125的頻譜到27MHz的被選擇的模式。由于Qamplifter《Qresonator，所以由MEMS元件單獨地確定生成器的操作。
對于外徑為60μm的穹，可以為表1所列的5種模式的任一模式獲得自振蕩狀態。在一個實施例中，12位頻率計數器1180(測量時間100ms)被用于監控可調放大器1165輸出的頻率穩定性。在一個實施例中，計數器讀出的定時記錄可以為在3分鐘間隔所測量的頻率值顯示＜0.8ppm的標準偏差。向較高頻率值的長時間漂移歸因于在穹體上激光器光點的機械漂移。
在另一實施例中，通過使用與穹形諧振器1125耦合的壓電元件1185獲得正反饋。通過高壓放大器1175的輸出控制壓電元件1185。這個反饋代替上述反饋以調制激光器1140的輸出。
在使用MEMS諧振器作為傳感器的裝置中能夠容易地實現光學上操作的MEMS生成器的高穩定性。頻率輸出容易地轉換到數字形式，該頻率輸出攜帶關于增加質量的信息，周期性力或力梯度影響諧振器。
在RF無線設備中殼形MEMS諧振器的應用激勵著繼續進行研究，該研究將能夠將穹振蕩器集成到CMOS環境中。該工程包括實現上述具有激光束的熱機械啟動，該激光束被微瓦功率、微制造的局部焦耳加熱器代替。作為該工程的結果，期望是具有電容性拾取和熱驅動的MEMS頻率生成器的全部CMOS集成版本。
結論使用在LPCVD-沉積薄膜中引入的壓縮應力制造射頻穹形或殼形多晶硅微機械諧振器(面外擴大)。由調制激光引入的熱應力被顯示為用于這些穹形諧振器的有效驅動機制。通過在殼體面內引入的機械應力激勵有效面外偏轉。通過聚焦激光束或微制造抗蝕劑加熱器提供熱機械應力。通過使用用于驅動和檢測的兩種不同波長激光束提供所有光操作。激光激勵技術的局部特性可用于引起使用壓電或電容性驅動不容易看到的振蕩模式。通過監控在不同位置上驅動信號和檢測運動之間的相移來實現模式識別。
利用嵌入多晶硅薄膜的機械應力制造在射頻范圍內操作的殼形微機械諧振器。諧振頻率的顯著增加(相比于相同尺寸的扁平、平板諧振器)以及振蕩模式的廣泛變化說明了用于“2.5維”MEMS結構的很大可能性。殼體的有限曲率還提供一種新穎機制，用于通過將面內應力與面外偏轉耦合來驅動諧振器。通過調制聚焦在諧振器上低功率激光束的強度(P～10μW)，我們引入隨時間變化的、面內、熱機械應力。這個應力調制導致在試驗中觀察到用于穹形諧振器的大幅度、面外的振動。
權利要求
1.一種微機械諧振器，包括襯底；部分球形殼，其在該殼的外面部分上被箝位到所述襯底。
2.根據權利要求1的諧振器，其中所述殼是由多晶硅形成的。
3.根據權利要求1的諧振器，具有大約9000或高于9000的品質因數。
4.根據權利要求1的諧振器，其中響應局部加熱，所述殼呈現出面外運動。
5.根據權利要求1的諧振器，其中所述殼具有至少大約9MHz的諧振頻率。
6.根據權利要求1的諧振器具有大約0.3nm的靜態形變。
7.根據權利要求1的諧振器，還包括最接近殼的檢測激光器，該檢測激光器響應熱以檢測殼的形變。
8.根據權利要求1的諧振器，其中響應熱膨脹、磁致伸縮、光誘導應力或壓電效應，所述殼變形。
9.一種形成球形微機械諧振器的方法，該方法包括在襯底上形成犧牲層；在犧牲層之上形成多晶硅薄膜；通過多晶硅薄膜形成孔；移除犧牲層的一部分以在中心形成具有孔的懸浮和彎曲膜片狀微機械結構。
10.根據權利要求9的方法，其中膜片狀結構的直徑大約60μm或更少。
11.根據權利要求9的方法，其中犧牲層是熱生成氧化物。
12.根據權利要求9的方法，其中使用低壓化學氣相淀積形成多晶硅薄膜。
13.根據權利要求12的方法，還包括退火多晶硅薄膜以產生薄膜的壓縮。
14.根據權利要求9的方法，其中使用電子束光刻再加上CF4蝕刻形成孔。
15.根據權利要求14的方法，還包括剝去電子束光刻所使用的抗蝕劑并且浸入濃的氫氟酸中以移除犧牲層的一部分。
16.根據權利要求9的方法，其中使用臨界點干燥工藝形成膜片。
17.一種微機械諧振器，包括襯底；部分球形殼，其在該殼的外面部分上被箝位到所述襯底；用于誘導該殼移動的裝置。
18.根據權利要求17的諧振器，其中用于誘導殼移動的裝置包括聚焦在殼的被選擇部分的激光器。
19.根據權利要求18的諧振器，其中激光器包括最接近殼的諧振頻率的AC分量。
19.根據權利要求17的諧振器，其中用于誘導殼移動的裝置包括與殼的被選擇部分耦合的抗蝕劑加熱器。
20.一種微機械諧振器，包括襯底；圓盤，其在該圓盤的外面部分上被箝位到所述襯底；用于誘導圓盤移動的裝置；以及用于檢測圓盤移動的裝置。
21.根據權利要求20的諧振器，其中用于誘導圓盤移動的裝置包括聚焦在圓盤的所選擇部分上的激光器，以及用于檢測圓盤移動的裝置包括接收來自圓盤的反射激光的光電檢測器。
22.根據權利要求20的諧振器，其中用于誘導圓盤移動的裝置包括聚焦在圓盤的所選擇部分上的激光器，以及用于檢測圓盤移動的裝置包括干涉計。
23.根據權利要求20的諧振器，其中諧振器呈現振動的不同模式作為諧振器諧振頻率的函數。
24.根據權利要求20的諧振器，還包括用于提供反饋的裝置。
25.根據權利要求24的諧振器，其中諧振器作為頻率生成器與充當頻率確定元件的殼一起操作。
26.根據權利要求20的諧振器，其中用于誘導盤移動的裝置使用面內應力以促成面外運動。
27.根據權利要求26的諧振器，其中用于誘導移動的裝置影響沿圓盤圓周的有效部分的環。
28.根據權利要求20的諧振器，其中圓盤包括部分球形殼。
29.根據權利要求20的諧振器，其中圓盤基本上是圓形的。
全文摘要
在襯底上形成微機械諧振器。諧振器具有部分球形殼，其在該殼的外面部分上被箝位到所述襯底。在其他實施例中，可以使用扁平圓盤或其他形狀。在圓盤的所選擇部分中誘導運動，誘導可容易檢測的面外運動。在一個實施例中，使用激光器加熱圓盤的所選擇部分并且誘導運動。通過電容性或干涉技術能夠檢測該運動。
文檔編號H03H11/10GK1951007SQ200480030868
公開日2007年4月18日 申請日期2004年8月20日 優先權日2003年8月20日
發明者馬克西姆·扎拉魯丁諾夫, 羅伯特·B·賴克恩巴赫, 基思·奧賓, 布賴恩·H·休斯頓, 吉瓦克·M·帕皮亞, 哈羅德·G·克雷格黑德 申請人:康乃爾研究基金會有限公司, 美國政府海軍部