FI118401B - High frequency semiconductor resonator - Google Patents
High frequency semiconductor resonator Download PDFInfo
- Publication number
- FI118401B FI118401B FI20012532A FI20012532A FI118401B FI 118401 B FI118401 B FI 118401B FI 20012532 A FI20012532 A FI 20012532A FI 20012532 A FI20012532 A FI 20012532A FI 118401 B FI118401 B FI 118401B
- Authority
- FI
- Finland
- Prior art keywords
- semiconductor
- resonator
- layer
- soi
- films
- Prior art date
Links
- 239000004065 semiconductor Substances 0.000 title claims description 54
- 239000012528 membrane Substances 0.000 claims description 43
- 239000010408 film Substances 0.000 claims description 28
- 238000004519 manufacturing process Methods 0.000 claims description 19
- 238000005530 etching Methods 0.000 claims description 11
- 238000000034 method Methods 0.000 claims description 10
- 239000000758 substrate Substances 0.000 claims description 9
- 239000010409 thin film Substances 0.000 claims description 6
- 229910021421 monocrystalline silicon Inorganic materials 0.000 claims description 4
- KRHYYFGTRYWZRS-UHFFFAOYSA-N Fluorane Chemical compound F KRHYYFGTRYWZRS-UHFFFAOYSA-N 0.000 claims description 3
- 230000004044 response Effects 0.000 claims description 3
- 229910000577 Silicon-germanium Inorganic materials 0.000 claims description 2
- LEVVHYCKPQWKOP-UHFFFAOYSA-N [Si].[Ge] Chemical compound [Si].[Ge] LEVVHYCKPQWKOP-UHFFFAOYSA-N 0.000 claims description 2
- 239000002253 acid Substances 0.000 claims 1
- 229910000040 hydrogen fluoride Inorganic materials 0.000 claims 1
- XUIMIQQOPSSXEZ-UHFFFAOYSA-N Silicon Chemical compound [Si] XUIMIQQOPSSXEZ-UHFFFAOYSA-N 0.000 description 24
- 229910052710 silicon Inorganic materials 0.000 description 24
- 239000010703 silicon Substances 0.000 description 24
- 235000012431 wafers Nutrition 0.000 description 16
- 230000008878 coupling Effects 0.000 description 11
- 238000010168 coupling process Methods 0.000 description 11
- 238000005859 coupling reaction Methods 0.000 description 11
- 230000010355 oscillation Effects 0.000 description 8
- 238000001914 filtration Methods 0.000 description 7
- 230000008901 benefit Effects 0.000 description 6
- 238000004891 communication Methods 0.000 description 6
- 229910052751 metal Inorganic materials 0.000 description 5
- 239000002184 metal Substances 0.000 description 5
- XKRFYHLGVUSROY-UHFFFAOYSA-N Argon Chemical compound [Ar] XKRFYHLGVUSROY-UHFFFAOYSA-N 0.000 description 4
- IJGRMHOSHXDMSA-UHFFFAOYSA-N Atomic nitrogen Chemical compound N#N IJGRMHOSHXDMSA-UHFFFAOYSA-N 0.000 description 4
- 239000000463 material Substances 0.000 description 4
- 239000011347 resin Substances 0.000 description 4
- 229920005989 resin Polymers 0.000 description 4
- 238000005516 engineering process Methods 0.000 description 3
- 238000001465 metallisation Methods 0.000 description 3
- 239000000126 substance Substances 0.000 description 3
- 239000003570 air Substances 0.000 description 2
- 229910052786 argon Inorganic materials 0.000 description 2
- 230000001419 dependent effect Effects 0.000 description 2
- 239000007789 gas Substances 0.000 description 2
- 239000012212 insulator Substances 0.000 description 2
- 150000002739 metals Chemical class 0.000 description 2
- 229910052757 nitrogen Inorganic materials 0.000 description 2
- 229910021420 polycrystalline silicon Inorganic materials 0.000 description 2
- 239000007787 solid Substances 0.000 description 2
- 241000282326 Felis catus Species 0.000 description 1
- 229910020750 SixGey Inorganic materials 0.000 description 1
- XSTXAVWGXDQKEL-UHFFFAOYSA-N Trichloroethylene Chemical group ClC=C(Cl)Cl XSTXAVWGXDQKEL-UHFFFAOYSA-N 0.000 description 1
- 230000004913 activation Effects 0.000 description 1
- 230000002411 adverse Effects 0.000 description 1
- 229910045601 alloy Inorganic materials 0.000 description 1
- 239000000956 alloy Substances 0.000 description 1
- 229910052782 aluminium Inorganic materials 0.000 description 1
- XAGFODPZIPBFFR-UHFFFAOYSA-N aluminium Chemical compound [Al] XAGFODPZIPBFFR-UHFFFAOYSA-N 0.000 description 1
- 238000004458 analytical method Methods 0.000 description 1
- 238000005452 bending Methods 0.000 description 1
- 239000011248 coating agent Substances 0.000 description 1
- 238000000576 coating method Methods 0.000 description 1
- 239000004020 conductor Substances 0.000 description 1
- 238000010276 construction Methods 0.000 description 1
- 239000013078 crystal Substances 0.000 description 1
- 238000013016 damping Methods 0.000 description 1
- 238000010438 heat treatment Methods 0.000 description 1
- 238000003384 imaging method Methods 0.000 description 1
- 238000002513 implantation Methods 0.000 description 1
- 239000012535 impurity Substances 0.000 description 1
- 238000009413 insulation Methods 0.000 description 1
- 238000005468 ion implantation Methods 0.000 description 1
- 230000003287 optical effect Effects 0.000 description 1
- 230000003534 oscillatory effect Effects 0.000 description 1
- 230000000704 physical effect Effects 0.000 description 1
- 238000005381 potential energy Methods 0.000 description 1
- 230000008569 process Effects 0.000 description 1
- 239000002994 raw material Substances 0.000 description 1
- 239000002904 solvent Substances 0.000 description 1
- 230000003068 static effect Effects 0.000 description 1
Landscapes
- Micromachines (AREA)
- Piezo-Electric Or Mechanical Vibrators, Or Delay Or Filter Circuits (AREA)
Description
. \ 1 118401. \ 1 118401
Suuritaajuinen puolijohderesonaattori Keksinnön alaFIELD OF THE INVENTION
Keksintö liittyy mikromekaanisiin komponentteihin ja erityisesti suuri-taajuisen resonaattorin toteuttamiseen.The invention relates to micromechanical components and in particular to the implementation of a high frequency resonator.
5 Keksinnön taustaBackground of the Invention
Mikromekaanisia komponentteja käsittävät mikrosysteemit ovat viime vuosina kehittyneet ja yleistyneet nopeasti. Erilaisia mikrotekniikoita ja niiden yhdistelmiä voidaan kutsua yleisnimityksellä mikrosysteemitekniikka (MST), joka voidaan määritellä esimerkiksi tekniikaksi, jolla valmistetaan ja 10 kootaan erilaisia miniatyyrisia mekaanisia, elektronisia, optisia ja muita komponentteja toimivaksi kokonaisuudeksi. Mikrosysteemi käsittää tyypillisesti ainakin yhden osan, jonka dimensiot ovat mikrometriluokkaa, sekä komponentin, jonka valmistuksessa on käytetty mikromekaniikkaa. Mikrosysteemit voidaan edelleen jakaa esimerkiksi mikroelektromekaanisiin järjestelmiin (MEMS), mik-15 ro-optoelektromekaanisiin järjestelmiin (MOEMS) ja mikrofluidistiikkaan.Micro-mechanical systems comprising micromechanical components have rapidly evolved and become more common in recent years. The various microstructures and combinations thereof may be referred to as the generic microsystem technology (MST), which may be defined as, for example, the technique of manufacturing and assembling various miniature mechanical, electronic, optical and other components into a functional assembly. The microsystem typically comprises at least one part having a micrometer class dimension and a component manufactured using micromechanics. Micro-systems can be further subdivided into, for example, microelectromechanical systems (MEMS), mik-15 ro-optoelectromechanical systems (MOEMS) and microfluidics.
Mikroelektromekaaniset järjestelmät perustuvat tyypillisesti ohutkal-vopohjaiseen pintamikromekaniikkaan. Yleensä piikiekon päälle kasvatetaan fysikaalisilla tai kemiallisilla pinnoitusmenetelmillä amorfisia tai monikiteisiä ohutkalvoja, joihin sitten muodostetaan mikromekaaniset rakenteet käyttämällä 20 tyypillisesti integroitujen piirien valmistukseen kehitettyjä etsaustekniikoita. Mik- • · : ·. *. romekaanisten komponenttien liikkuvat kalvot tehdään tyypillisesti joko yksi- tai ' .·. monikiteisestä piistä. Kalvosta saadaan liikkuva siten, että kalvon alla on tyypil- · lisesti ohut eristekerros (oksidikerros), joka voidaan syövyttää pois piikalvossa • ·· | J olevien reikien läpi.Microelectromechanical systems are typically based on thin-film based surface micromechanics. Generally, amorphous or polycrystalline thin films are deposited on a silicon wafer by physical or chemical coating techniques, and then micromechanical structures are formed using etching techniques typically developed to make integrated circuits. Mik- • ·: ·. *. moving films of romechanical components are typically made either single or '. polycrystalline silicon. The film is made movable so that there is typically a thin · layer of insulation (oxide) beneath the film that can be etched off the silicon film • ·· | J through the holes.
!..* 25 Tällä hetkellä yleisimmin käytetty pintamikromekaniikan tekniikka on • # *·♦·* ns. SOI-mikromekaniikka (Silicon-on-lnsulator), jossa alustana toimivan piikie kon pintaan on valmistettu ohut yksikiteinen piikerros siten, että näiden väliin jää hyvin ohut eristävä oksidikerros. Tällöin piialustan paksuus voi olla noin 300 - 500 pm, oksidikerroksen paksuus noin 1 pm ja päällimmäisen piikerrok-30 sen paksuus esimerkiksi 5-25 pm. Tällainen piikiekkorakenne sopii tyypitti-sesti erittäin hyvin erilaisten mikromekaanisten komponenttien raaka-aineeksi, koska siihen on tehty valmiiksi edellä kuvattu syövytettävä oksidikerros, jonka ta· päällä on yksikiteinen piikerros, jonka mekaaniset ominaisuudet ovat laaduk-kaampia kuin monikiteisellä piillä.! .. * 25 Currently the most widely used surface micromechanics technology is • # * · ♦ · * so-called. SOI micromechanics (Silicon-on-Insulator) in which a thin monocrystalline silicon layer is formed on the substrate's silicon substrate with a very thin insulating oxide layer between them. In this case, the thickness of the silicon substrate may be about 300 to 500 µm, the thickness of the oxide layer is about 1 µm, and the thickness of the upper silicon layer, for example, 5 to 25 µm. Such a silicon wafer structure is typically very well suited as a raw material for a variety of micromechanical components because it has a pre-etched oxide layer as described above with a monocrystalline silicon layer having higher mechanical properties than polycrystalline silicon.
2 1184012 118401
Eräs tärkeimpiä mikromekaniikan sovelluskohteita tulee lähitulevaisuudessa olemaan langattomat tietoliikennelaitteet ja -järjestelmät. Erityisesti langattomassa tietoliikenteessä olisi tarvetta erilaisille laadukkaille resonaattoreille ja tarkoille kaistanpäästösuodattimille, jotka pystyvät toimimaan hyvin 5 suurilla taajuuksilla, sekä erilaisille reletyyppisille kytkimille. Lisäksi mikromekaanisten komponenttien avulla mukana kannettavien tietoliikennelaitteiden tehonkulutusta voidaan merkittävästi pienentää.One of the most important applications of micromechanics in the near future will be wireless communication devices and systems. Particularly in wireless communications, there would be a need for various high quality resonators and accurate bandpass filters capable of operating well at high frequencies as well as various relay type switches. In addition, micromechanical components can significantly reduce the power consumption of portable communication devices.
Nykyisen tekniikan mukaisissa mikromekaanisissa resonaattorirat-kaisuissa on useita ongelmia. Eräs ongelma on resonaattoreiden liian alhai-10 seksi rajoittuva värähtelytaajuus. Tunnetut mikromekaaniset resonaattorit ovat tyypillisesti rakenteeltaan pitkänomaisia, kapeita puolijohdejousia, jotka saatetaan värähtelevään liikkeeseen. Nykyiset resonaattorit pystyvät parhaimmillaan värähtelemään n. 300 - 400 MHz:n taajuudella, kun esimerkiksi langattomassa tietoliikenteessä käytetään nykyään tyypillisesti n. 1 - 2 GHz:n taajuuksia.The prior art micromechanical resonator circuitry has several problems. One problem is the oscillation frequency of the resonators, which is too low-sex. Known micromechanical resonators are typically elongated, narrow semiconductor springs which are subjected to oscillatory motion. Current resonators are at their best capable of oscillating at frequencies of about 300 to 400 MHz, whereas for example wireless communications nowadays typically use frequencies of about 1 to 2 GHz.
15 Edelleen ongelmana on tällaisten resonaattoreiden suuri koko, pin ta-alaltaan n. 20-100 pm2. Esimerkiksi matkaviestimissä käytettävien mikropiirien valmistuksen kannalta tämä on liian suuri pinta-ala, jotta komponenttien miniatyrisointi voitaisiin optimoida.A further problem is the large size of such resonators, with a surface area of about 20-100 pm2. For example, in the manufacture of microcircuits used in mobile stations, this is too large an area to optimize the miniaturization of the components.
Lisäksi ongelmana on valmistusprosessien hyötysuhteen optimointi. 20 Komponentteja valmistetaan edellä kuvatun kaltaisista piikiekoista, jolloin . komponenttien saanto pyritään maksimoimaan. Saanto muodostuu yleensä / hyväksi, jos resonaattorit valmistetaan erilliskomponentteina, mutta tällöin eril- • · · ; ·* liskomponentit tulee kuitenkin liittää joko ns. kääntöliitoksella (flip-chip) mikro- *: : piiriin tai erilliseen alustaan yhdessä mikropiirin kanssa. Tämä kytketty ratkaisu 25 liitetään edelleen laitteen muuhun elektroniikkaan, mikä tekee toteutuksesta monimutkaisen ja epävarmemman johtuen useista liitoksista. Lisäksi liitoksissa käytetään nastaliitäntöjä, mikä tyypillisesti nostaa tarvittavaa käyttöjännitettä liian suureksi (jopa 20 - 30 V), jotta tällaista MEMS-komponenttia voitaisiin hyödyntää langattomissa tietoliikennelaitteissa.Another problem is optimizing the efficiency of manufacturing processes. Components are manufactured from silicon wafers as described above, wherein:. component yields are maximized. The yield is usually / good if the resonators are made as separate components, but then different • · ·; · * However, non-standard components must be connected with either so-called. flip-chip micro- *: in a circuit or on a separate substrate together with an integrated circuit. This coupled solution 25 is further connected to other electronics of the device, which makes implementation complicated and uncertain due to multiple connections. In addition, the terminals use pin connectors, which typically raises the required operating voltage too high (up to 20-30 V) to utilize such a MEMS component in wireless communication devices.
30 Keksinnön lyhyt selostus30 Brief Description of the Invention
Keksinnön tavoitteena on siten kehittää resonaattoriratkaisu ja me-:·*: netelmä resonaattorin valmistamiseksi siten, että yllä mainittujen ongelmien .·!·. haittoja voidaan välttää. Keksinnön tavoitteet saavutetaan resonaattorilla ja menetelmällä, joille on tunnusomaista se, mitä sanotaan itsenäisissä patentti-*· " 35 vaatimuksissa.It is therefore an object of the invention to provide a resonator solution and a method for manufacturing a resonator such that the above-mentioned problems. disadvantages can be avoided. The objects of the invention are achieved by a resonator and a method characterized by what is stated in the independent claims.
3 1184013, 118401
Keksinnön edulliset suoritusmuodot ovat epäitsenäisten patenttivaatimusten kohteena.Preferred embodiments of the invention are claimed in the dependent claims.
Keksintö perustuu siihen, että muodostetaan edullisesti SOI-raken-teeseen mikromekaaninen resonaattori, joka käsittää samassa SOI-kerrok-5 sessa ensimmäisen ja toisen itsekantavan puolijohdekalvon, jotka on yhdistetty puolijohde-elementillä mekaanisesti olennaisen vahvasti ja sähköisesti olennaisen heikosti. Kun resonaattoriin syötetään vaihtojännitettä, puolijohdekaivot alkavat värähtelemään vastakkaisvaiheessa toisiinsa nähden. Keksinnön erään edullisen suoritusmuodon mukaisesti puolijohdekaivot ovat muodoltaan 10 olennaisesti pyöreitä ja pinta-alaltaan ainakin osittain päällekkäisiä, jolloin tämä pinta-alaltaan ainakin osittain päällekkäinen alue muodostaa mainitun yhdistävän puolijohde-elementin.The invention is based on the advantage of forming a micromechanical resonator in the SOI structure, comprising in the same SOI layer a first and a second self-supporting semiconductor film, which are mechanically substantially bonded to the semiconductor element and substantially electrically weak. When ac voltage is applied to the resonator, the semiconductor wells begin to oscillate in opposite phase to each other. According to a preferred embodiment of the invention, the semiconductor wells are of substantially circular shape and at least partially overlapping in area, wherein said at least partially overlapping area forms said connecting semiconductor element.
Resonaattorin sähköiset ominaisuudet saadaan halutuiksi siten, että puolijohdekaivot ovat seostettua puolijohdetta, puolijohdekalvoja ympäröivä 15 puolijohdekerros on itseispuolijohdetta, ja puolijohdekalvojen välissä oleva pinta-alaltaan päällekkäinen alue (yhdistävä puolijohde-elementti) on ainakin osittain itseispuolijohdetta siten, että puolijohdekalvojen välinen sähköinen kytkentä toimii olennaisesti eristeenä. Keksinnön mukainen resonaattori voidaan valmistaa samaan puolijohdekerrokseen kuin SOI-mikropiirit.The electrical properties of the resonator are desirable such that the semiconductor wells are doped semiconductor, the semiconductor layer 15 surrounding the semiconductor films is a semiconductor, and the area overlapping the semiconductor films (the interconnecting semiconductor element) is at least partially semiconducting The resonator of the invention can be fabricated on the same semiconductor layer as the SOI integrated circuits.
20 Keksinnön mukaisen resonaattorin etuna on, että sen ominaistaa- ·. . juudeksi voidaan määrittää useita gigahertsejä, mikä laajentaa resonaattorin sovellusalueita huomattavasti. Edelleen etuna on, että resonaattori voidaan in- • · · ; f tegroida samaan puolijohdekerrokseen kuin SOI-mikropiirit, jolloin valmistus- *’·* j prosessin hyötysuhdetta pystytään nostamaan ja liitoksista muihin komponent- \*·: 25 teihin nähden tulee luotettavampia. Lisäksi etuna on, että resonaattoria voi- daan käyttää hyvin alhaisella, edullisesti mikropiirin käyttöjännitteellä. Vielä etuna on, että resonaattori on pinta-alaltaan erittäin pieni, vain muutamia ne-liömikrometrejä.An advantage of the resonator according to the invention is that it is characterized by a · ·. . Several gigahertz can be defined as hair, which greatly expands the application areas of the resonator. A further advantage is that the resonator can be • · ·; f integrate into the same semiconductor layer as the SOI microcircuits, thereby improving the efficiency of the manufacturing process and making the connections more reliable with other components. A further advantage is that the resonator can be operated at a very low, preferably integrated circuit operating voltage. A further advantage is that the resonator has a very small surface area, only a few micrometers.
Kuvioiden lyhyt selostus * * "* 30 Keksintöä selostetaan nyt lähemmin edullisten suoritusmuotojen yh- V i teydessä, viitaten oheisiin piirroksiin, joista *ί*" kuviot 1a ja 1b esittävät keksinnön mukaisen resonaattorin raken- netta; kuviot 2a, 2b ja 2c esittävät keksinnön mukaisen resonaattorin vai- • · * *· *: 35 mistusmenetelmässä käytettäviä maskeja; 4 118401 kuvio 3 esittää erään suoritusmuodon mukaista yksinkertaistettua resonaattoria; kuviot 4a ja 4b esittävät kolmen resonaattorin muodostaa suodatinta ja signaalin kulkua suodattimen läpi; ja 5 kuviot 5a, 5b ja 5c esittävät erilaisia keksinnön mukaisen resonaat torin käsittäviä suodatinrakenteita.BRIEF DESCRIPTION OF THE DRAWINGS * * "* 30 The invention will now be described in more detail with reference to the preferred embodiments, with reference to the accompanying drawings, in which: Figures 1a and 1b illustrate the structure of a resonator according to the invention; Figures 2a, 2b and 2c show masks used in the resonator actuator of the invention; 118401 Figure 3 shows a simplified resonator according to an embodiment; Figures 4a and 4b show three resonators forming a filter and signal passage through the filter; and Figures 5a, 5b and 5c show different filter structures comprising a resonator according to the invention.
Keksinnön yksityiskohtainen selostusDETAILED DESCRIPTION OF THE INVENTION
Viitaten kuvioihin 1a ja 1b selostetaan seuraavassa keksinnön mukaisen resonaattorin rakennetta. Kuviossa 1a on kuvattu resonaattori kaavani o maisesti päältä ja kuviossa 1b on esitetty kaavamaisesti resonaattorin poikki-leikkauskuva leikkauksesta A - A. Kuvioissa 1a ja 1b käytetään yhteistä viite-numerointia. Kuvioissa 1a ja 1b esitettyjen rakenteiden mittasuhteet on esitetty siten, että keksintöä voidaan edullisesti havainnollistaa, joten mittasuhteet eivät vastaa todellisen resonaattorin mittasuhteita.With reference to Figures 1a and 1b, the structure of a resonator according to the invention will be described below. Fig. 1a is a schematic top view of the resonator and Fig. 1b is a schematic cross-sectional view of the resonator taken along section A-A. Figures 1a and 1b use a common reference numbering. The dimensions of the structures shown in Figures 1a and 1b are shown so that the invention can advantageously be illustrated, so that the dimensions do not correspond to those of the actual resonator.
15 Resonaattorin 100 valmistusmateriaalina käytetään edullisesti pii- kiekkoa, joka käsittää substraatin 102, oksidikerroksen 104 ja päällimmäisen ohuen piikerroksen eli ns. SOI-kerroksen 106. Substraatin 102 paksuus on edullisesti luokkaa 50 - 500 pm, oksidikerroksen 104 paksuus n. 50 - 200 nm ja SOI-kerroksen 106 paksuus myös n. 50 - 200 nm, mikä vastaa olennaisesti ^ . 20 mikropiirien ohutkalvotransistoreissa käytettävän päällimmäisen kerroksen .I paksuutta. SOI-kerroksen materiaalina käytetään itseispuolijohdetta, edulli- ♦ · · f l simmin seostamatonta, yksikiteistä piitä. SOI-kerroksen materiaalina voidaan *·: · käyttää myös esimerkiksi piigermaniumia (SixGey) tai jotakin muuta ohutkalvo- * * *.*·: transistoreissa käytettävää puolijohdetta, jolloin resonaattorin valmistus on 25 helpompi integroida osaksi mikropiirien valmistusta, mitä selostetaan tarkem-min myöhemmin. Koska SOI-kerroksen materiaalina voidaan käyttää myös muita puolijohteita kuin piitä, voidaan termi SOI laajentaa merkitykseen "Semi-conductor-On-Insulator". Oksidikerroksen 104 paksuus korreloi eksponentiaa-.···. lisesti resonaattorin käyttämiseksi tarvittavan jännitteen suhteen, joten käyttö- 30 jännitteen minimoimiseksi tulee oksidikerros pitää edullisesti mahdollisimman ohuena. Näin saadaan aikaiseksi edullisesti matalajännitteinen resonaattori, jonka käyttöjännitteenä voidaan käyttää tyypillistä mikropiirin käyttöjännitettä, .*··. tällä hetkellä esimerkiksi n. 3 V, mutta tulevaisuudessa ehkä 1,8 V, jopa 0,6 V.Preferably, a silicon wafer comprising a substrate 102, an oxide layer 104 and an upper thin layer of silicon, or so-called "silicon", is used as the material for making the resonator 100. The thickness of the substrate 102 is preferably in the order of 50 to 500 µm, the thickness of the oxide layer 104 is about 50 to 200 nm and the thickness of the SOI layer 106 is also approximately 50 to 200 nm, which corresponds substantially to λ. 20 thickness of the top layer used in thin-film transistors of integrated circuits. The material used for the SOI layer is a solid state semiconductor, preferably ♦ · · f l most non-doped, single crystal silicon. The material of the SOI layer may also be * ·: · used, for example, in silicon germanium (SixGey) or other thin-film * * *. * ·: Transistors, making it easier to integrate resonator fabrication into microcircuit fabrication, which will be described in more detail below. Since semiconductors other than silicon may be used as the material of the SOI layer, the term SOI may be extended to mean "Semi-conductor-On-Insulator". The thickness of the oxide layer 104 correlates with the exponential ···. The oxide layer should preferably be kept as thin as possible to minimize the operating voltage. Thus, a low-voltage resonator is preferably provided, the operating voltage of which can be used with the typical operating voltage of the integrated circuit, *. for example, about 3V today, but maybe 1.8V in the future, up to 0.6V.
.·!*: Substraatti 102 on edullisesti seostettu siten, että sen johtavuus on olennaisen 35 suuri, tyypillisesti luokkaa 0,01 - 0,1 (Qcm)'1, jolloin resonaattoriin johdettavan vaihtojännitteen vastetta vaimentava RC-aikavakio pysyy edullisesti pienenä.The substrate 102 is preferably doped with a substantially high conductivity, typically of the order of 0.01 to 0.1 (Qcm) -1, whereby the RC time constant damping the response of the ac voltage applied to the resonator is preferably kept low.
5 118401 Päältä katsottuna resonaattorin 100 päällimmäinen kerros eli SOI-kerros 106 voidaan sähköisiltä ominaisuuksiltaan jakaa kahteen alueeseen: kahdesta olennaisesti pyöreästä, osittain päällekkäisestä kalvovärähtelijästä 108, 110 koostuvaan seostettuun kalvoalueeseen ja näitä ympäröivään seos-5 tamattomaan kalvoalueeseen 112. Kalvovärähtelijöiden 108, 110 käsittämä alue on vahvasti seostettua SOI-kalvoa, kun taas ympäröivä alue 112 on seos-tamatonta itseispuolijohdetta. Lisäksi kalvovärähtelijöiden 108, 110 päällekkäiselle alueelle jätetään ohut kannas 114, joka on vastaavaa seostamatonta itseispuolijohdetta kuin ympäröivä alue 112. Kannaksen leveys voi edullisesti olio la noin neljännes kalvovärähtelijöiden 108, 110 halkaisijasta. Voidaankin määritellä, että rakenteellisesti ja sähköisesti kannas 114 muodostaa puolijohde-elementin, joka yhdistää kalvovärähtelijät 108, 110 siten, että niiden välinen mekaaninen kytkentä on olennaisesti vahva ja vastaavasti sähköinen kytkentä olennaisesti heikko.118401 From the top, the top layer of the resonator 100, i.e. the SOI layer 106, can be divided into two regions by electrical properties: an alloyed membrane region 108 consisting of two substantially circular, partially overlapped membrane vibrators 108, 110, and an alloyed membrane region 10 thereof. a highly doped SOI film, while the surrounding region 112 is an unalloyed solid state semiconductor. In addition, a thin base 114 is provided in the overlapping region of the membrane vibrators 108, 110, which is similar to the unalloyed semiconductor region surrounding the region 112. The width of the base may advantageously be about a quarter of the diameter of the membrane vibrators 108, 110. Thus, it can be defined that structurally and electrically, the base 114 forms a semiconductor element which interconnects the membrane oscillators 108, 110 such that the mechanical coupling therebetween is substantially strong and the electrical coupling substantially weak.
15 Kalvovärähtelijöiden 108, 110 alapuolella oleva oksidikerros 104 on etsattu pois kalvossa olevien reikien 116 kautta, jolloin etsausprosessista aiheutuu kalvovärähtelijöiden olennaisesti pyöreä muoto, kun etsaus etenee rei-istä 116 tasaisesti säteittäisesti laajentuen. Kalvovärähtelijöiden 108,110 päällekkäisen alueen kokoa voidaan edullisesti säätää reikien 116 välisellä etäi-20 syydellä sekä etsattavien kalvojen koolla. Reikien 116 halkaisija voi olla huomattavasti alle 1 pm. Kalvovärähtelijöiden muoto voi myös poiketa pyöreästä, / mutta pienten mekaanisten häviöiden ansiosta pyöreä muoto on kuitenkin * * · \ \ edullisin kalvovärähtelijän muoto. Oksidikerroksen 104 aiemmin käsittämään ·*·: : tilaan 118 kalvovärähtelijöiden alle voidaan luoda tyhjiö tai se voidaan täyttää * · V·: 25 kaasulla, kuten kuivalla ilmalla, typellä tai argonilla. Täten kalvovärähtelijät 108, 110 muodostavat mekaanisesti vahvasti kytketyn, itsekantavan alueen.The oxide layer 104 below the membrane vibrators 108, 110 is etched away through the holes 116 in the membrane, whereby the etching process results in a substantially circular shape of the membrane vibrators as the etching proceeds uniformly radially from the holes 116. The size of the overlapping area of the membrane vibrators 108,110 can advantageously be adjusted by the distance between the holes 116 and the size of the etched films. The diameter of the holes 116 may be considerably less than 1 µm. The shape of the diaphragm vibrators may also be different from the circular one, but due to the small mechanical losses, the circular shape is * * · \ \ the most advantageous form of the diaphragm vibrator. In the previously formed · * ·:: space 118 under the membrane oscillators, a vacuum may be created or filled with a gas such as dry air, nitrogen or argon. Thus, the membrane vibrators 108, 110 form a mechanically strongly coupled, self-supporting region.
Kuitenkin johtuen kalvovärähtelijöiden päällekkäisen alueen käsittämästä seostamattomasta kannaksesta 114, kalvovärähtelijät 108, 110 ovat edullises- ti sähköisesti mahdollisimman heikosti toisiinsa kytkettyjä. Resonaattorin pin- ,···. 30 taan voidaan vielä järjestää kontaktimetallointi 120.However, due to the unalloyed base 114 comprising the overlapping region of the membrane vibrators, the membrane vibrators 108, 110 are preferably electrically weakly interconnected. Resonator pin, ···. Further, contact metalization 120 may be provided.
* ‘•*t Keksinnön mukaisen resonaattorin värähtelyominaisuuksiin vaikut- \*·: tavat olennaisilta osin toisaalta SOI-kalvon paksuus, toisaalta kalvovärähteli- jöiden 108, 110 yhteispituus. Koska keksinnön eräänä etuna on se, että reso-.***. naattori voidaan valmistaa samaan puolijohdekerrokseen muun mikropiirin 35 kanssa ja koska SOI-kaivon paksuus vaikuttaa muun RF-piirin toimintaan, ei * ' SOI-kalvon paksuutta yleensä pyritä säätämään, vaan se on tyypillisesti annet- 6 118401 tu arvo, jonka suhteen kalvovärähtelijöiden 108, 110 yhteispituus määritetään haluttujen värähtelyominaisuuksien saavuttamiseksi.The vibration characteristics of the resonator according to the invention are substantially affected by the thickness of the SOI film, on the one hand, and by the combined length of the film vibrators 108, 110, on the other. Because an advantage of the invention is that reso -. ***. the observator can be fabricated on the same semiconductor layer with the other integrated circuit 35, and since the thickness of the SOI membrane affects the operation of the other RF circuit, it is not generally sought to adjust the thickness of the SOI membrane, but is typically a given value for which membrane vibrators 108, 110. the overall length is determined to achieve the desired vibration characteristics.
Resonaattorin toiminta perustuu siihen, että resonaattorille 100, ts. sen kalvovärähtelijöille 108, 110 johdetaan vaihtojännite, jolloin kalvovärähteli-5 joiden välinen kannas 114 suodattaa vaihtojännitteestä DC-komponentin pois, mutta päästää biasjännitteen kulkemaan läpi. Käytettävät jännitteiden suuruudet voivat tyypillisesti olla DC-komponentin osalta luokkaa 0,5 -100 V, jolloin AC-komponentti voi olla esimerkiksi 0 -1 V. Käytettävän vaihtojännitteen taajuus riippuu resonaattorin halutusta värähtelytaajuudesta, jolloin voi olla tyypil-10 lisesti n. 2 GHz, mutta se voi edullisesti vaihdella esimerkiksi välillä 1-15 GHz.The operation of the resonator is based on applying an alternating voltage to the resonator 100, i.e., its diaphragm oscillators 108, 110, whereby the diaphragm oscillator-5 whose base 114 filters out the DC component from the alternating voltage but allows the bias voltage to pass through. The magnitudes of the voltages used can typically be in the range of 0.5-100 V for the DC component, for example, the AC component may be 0-1 V. The frequency of the AC voltage used will depend on the desired oscillation frequency of the resonator, typically about 2 GHz. but it can advantageously vary, for example, between 1 and 15 GHz.
DC-jännite esijännittää molemmat kalvovärähtelijät 108, 110 siten, että sen aiheuttama elektrostaattinen voima taivuttaa molempia kalvovärähteli-jöitä alaspäin. Taivutuksen suuruutta voidaan säädellä DC-jännitteen arvolla siten, että suurempi DC-jännite aiheuttaa suuremman taipuman. Molemmat 15 kalvovärähtelijät 108,110 siis biasoidaan DC-jännitteellä, minkä lisäksi toiseen kalvovärähtelijään tuodaan AC-komponentti, jolloin kyseiseen kalvovärähteli-jään vaikuttaa jännitteiden summajännite kaavan 1 mukaisesti: U s DC + AC · sin cat (1.) 20 . Kalvovärähtelijään vaikuttava sähköinen voima eli värähtelyteho on li / verrannollinen summajännitteen neliöön, jolle saadaan kaavan 2 mukaisesti: * · · • · • ♦ « ♦ | U2 = DC2 + 2DC · AC · sin urt + AC2 · sin2 urt (2.) 4 · · _ ·. *: 25 Tällöin kalvovärähtelijään vaikuttaa staattinen biaksen aiheuttama voima (DC2) ja sen lisäksi vaihtuvan suuruinen voima, jolla on perustaajuinen komponentti (2DC · AC · sin urt) sekä toinen harmoninen komponentti (AC2 · sin2 urt). Tällöin kalvovärähtelijät 108, 110, jotka ovat mekaanisesti vahvasti .·**. 30 toisiinsa kytkettyjä keinulaudan tapaan, alkavat värähtelemään kytkennän vai- kutuksesta vuorotahtiin siten, että kun ensimmäinen kalvo 108 liikkuu ylöspäin **/·: kannakseen 114 nähden, samalla toinen kalvo 110 joutuu värähtelyn vastak- kaisvaiheeseen ja liikkuu alaspäin kannakseen 114 nähden, jolloin molemmat .·**. kalvovärähtelijät yhdessä muodostavat tavallaan keinulaudan, joka värähtelee ,·*/: 35 resonanssissa perustaajuudella ja jonka tukipiste on kannaksella 114.The DC voltage biases both diaphragm oscillators 108, 110 so that the electrostatic force it exerts bends both diaphragm oscillators down. The amount of bending can be controlled by the value of the DC voltage so that a higher DC voltage causes greater deflection. Thus, both diaphragm oscillators 108,110 are biased with a DC voltage, in addition to which an AC component is introduced to the second diaphragm oscillator, wherein said diaphragm oscillator is affected by the sum of the voltages according to formula 1: U s DC + AC · sin cat (1.) 20. The electric force acting on the diaphragm oscillator, i.e. the oscillation power, is li / proportional to the sum of the square of the voltage obtained by formula 2: * · · • · • ♦ «♦ | U2 = DC2 + 2DC · AC · sin urt + AC2 · sin2 urt (2.) 4 · · _ ·. *: 25 In this case, the membrane oscillator is affected by a static bias force (DC2), in addition to a variable force having a fundamental frequency component (2DC · AC · sin urt) and a second harmonic component (AC2 · sin2 urt). In this case, the membrane vibrators 108, 110 are mechanically strong. **. 30, coupled to each other like a rocking board, begin to oscillate as a result of the coupling in alternation such that as the first diaphragm 108 moves upward ** / ·: toward the base 114, the second diaphragm 110 is subjected to an oscillation opposing phase and moves downwardly to the base 114. · **. the membrane oscillators together form, in a way, a rocking board which oscillates at a resonance of · * /: 35 at the fundamental frequency and having a support point at the base 114.
♦ %· 7 118401♦% · 7 118401
Kuten edellä todettiin, resonaattorin värähtelyominaisuuksia säädellään ennen kaikkea kalvovärähtelijöiden 108, 110 yhteispituuden avulla. SOI-kerroksen paksuus oletetaan tyypillisesti annetuksi arvoksi, joka määräytyy käytettävän piikiekon mukaan, mutta sinänsä resonaattorin valmistuksen voi-5 daan käyttää erilaisia piikiekkoja, joissa SOI-kerroksen paksuus voi vaihdella esimerkiksi 50 - 200 nm. Seuraavassa kuvataan sekä laskennallisesti että si-muloidusti määriteltyjä tuloksia värähtelytaajuudelle, kun käytetään erilaisia arvoja kalvovärähtelijöiden pituudelle ja SOI-kerroksen paksuudelle.As stated above, the vibration characteristics of the resonator are primarily controlled by the combined length of the diaphragm vibrators 108, 110. The thickness of the SOI layer is typically assumed to be a given value, which is determined by the silicon wafer used, but as such, various silicon wafer types may be used in the manufacture of the resonator, for example the thickness of the SOI layer may vary from 50 to 200 nm. The following describes both computationally and simulatively determined results for the oscillation frequency using different values for the length of the membrane oscillators and the thickness of the SOI layer.
On tunnettua, että pystysuuntaisen palkkivärähtelijän, jollaiseksi 10 myös nyt esillä oleva kalvovärähtelijä fysikaalisilta ominaisuuksiltaan lasketaan, jousivakio k määräytyy kaavan 3 mukaisesti: k = 16 · E · w 1 (h/L)3 (3.) 15 jossa E on Youngin moduli (tässä yhteydessä 200 GPa), w on pal kin leveys, h palkin korkeus ja L palkin pituus. Palkkiin tai tässä tapauksessa kalvoon kohdistuva voima F, joka aiheuttaa edellä kuvatulla tavalla DC-jännitteestä riippuvan kalvovärähtelijöiden taipuman, lasketaan kaavan 4 mukaisesti: 20 F = 1/2 · V2 · ε0ε · (A/d2) (4.) φ 1 • # jossa V on DC-jännite, εοε on (tyhjiön) permittiivisyys, A on kalvojen : V pinta-ala ja d on tasojen välinen etäisyys (pois etsatun oksidikerroksen pak- * » · suus). Edelleen tällaisen jousi-massa-systeemin värähtelytaajuus f voidaan 25 laskea kaavalla 5: • · · :1·1: f = (1/2tt) · (k/m)% (5.) jossa m on efektiivinen massa. Käyttämällä erilaisia arvoja kalvovä- • · ... 30 rähtelijöiden pituudelle ja SOI-kerroksen paksuudelle on sekä näiden kaavojen ”2 avulla laskennallisesti että Ansys 5.6 FEM-analyysilla simuloidusti määritetty ·/·: vastaavia värähtelytaajuuden arvoja, joita esitetään oheisessa taulukossa 1.It is known that the spring constant k of a vertical beam oscillator, such as the present membrane oscillator, by its physical properties, is determined by the formula 3: k = 16 · E · w 1 (h / L) 3 (3.) 15 where E is Young's modulus ( in this context 200 GPa), w is the width of the beam, h is the height of the beam and L is the length of the beam. The force F on the beam or, in this case, the diaphragm, which causes the DC voltage-dependent diaphragm vibration deflection, as described above, to be calculated is given by formula: 20 F = 1/2 · V2 · ε0ε · (A / d2) (4.) φ 1 • # where V is the DC voltage, εοε is the permittivity of the (vacuum), A is the surface area of the films: V, and d is the distance between the planes (thickness of the etched oxide layer). Further, the oscillation frequency f of such a spring-mass system can be calculated by the formula 5: • · ·: 1 · 1: f = (1 / 2ht) · (w / w)% (5) where m is the effective mass. Using different values for membrane vibration • length and SOI layer thickness, both these formulas ”2 and simulated by Ansys 5.6 FEM analysis have determined · / ·: the corresponding vibration frequency values shown in Table 1 below.
9 · *«· • · « · ··· · « » · 2 • M * · 8 118401 h (nm) L (nm) k__m (kg) f (GHz) 100 800 51000 1.624E-23 6.9 200 800 122000 6.790E-24 10.6 100 10000 I 45 1.841E-20 0.0089 · * «· • ·« · ··· · «» · 2 • M * · 8 118401 h (nm) L (nm) k__m (kg) f (GHz) 100 800 51000 1.624E-23 6.9 200 800 122000 6.790E-24 10.6 100 10000 I 45 1.841E-20 0.008
Taulukko 1.Table 1.
5 Oheisesta taulukosta 1 nähdään, että kun käytetään piikiekkoa, jon ka SOI-kerroksen paksuus on 100 nm ja johon muodostetaan keksinnön mukainen kalvovärähtelijäpari, jonka pituus on 800 nm, päästään erittäin korkeisiin, lähes 7 GHz:n värähtelytaajuuksiin. Kalvopaksuuden kasvattaminen kaksinkertaiseksi 200 nrrr.iin jäykistää kaivorakennetta ja nostaa värähtelytaajuu-10 den jo yli 10 GHz:n, mutta vastaavasti myös resonaattorin käyttämiseksi tarvittavat jännitteet kasvavat huomattavasti, jolloin käyttöjännite saattaa olla huomattavasti suurempi kuin esimerkiksi matkaviestimissä käytetty käyttöjännite. Edelleen kalvopaksuuden kasvattaminen saattaa vaikuttaa haitallisesti muun RF-piirin toimintaan, joten säätöä ei tyypillisesti pyritä tekemään kalvopaksuut-15 ta säätämällä. Jos taas kalvovärähtelijän pituutta L kasvatetaan huomattavasti (L=10 pm, h=100 nm), voidaan keksinnön mukaista resonaattoria käyttää niin-.>,· kin alhaisilla taajuuksilla kuin muutamia MHz:jä. Tällöin resonaattorin koko, eri- tyisesti pinta-ala kasvaa huomattavasti. Kuten edellä kuvatusta käy ilmi, on • keksinnön mukaisen GHz-taajuuksilla toimivan resonaattorin pinta-ala edulli- T | 20 sesti hyvin pieni, vain muutamia (n. 1-5) pm2. Voidaankin todeta, että keksin- *’ *\ nön mukainen resonaattori toimii parhaiten silloin, kun SOI-kerroksen paksuus on olennaisesti 50-150 nm, erityisesti arvoilla 70-100 nm.Table 1 appended shows that when using a silicon wafer having a 100 nm SOI layer to form a pair of 800 nm membrane vibrators according to the invention, very high oscillation frequencies of nearly 7 GHz are achieved. Doubling the film thickness to 200 microns will stiffen the well structure and raise the oscillation frequencies above 10 GHz, but also the voltages required to operate the resonator will increase significantly, whereby the operating voltage may be considerably higher than the operating voltage used in mobile stations. Further, increasing the film thickness may adversely affect the operation of the other RF circuit, so typically no adjustment is made by adjusting the film thickness. On the other hand, if the length L of the membrane oscillator is significantly increased (L = 10 µm, h = 100 nm), the resonator according to the invention can be used at frequencies as low as a few MHz. The size, especially the surface area, of the resonator is then considerably increased. As described above, the surface area of the GHz resonator according to the invention is preferably T | 20 very small, only a few (about 1-5) pm2. Thus, it can be stated that the resonator according to the invention works best when the SOI layer has a thickness of substantially 50-150 nm, especially at 70-100 nm.
Seuraavaksi havainnollistetaan keksinnön mukaisen resonaattorin valmistusmenetelmää viitaten kuvioihin 2a, 2b ja 2c, joissa esitetään valmisti 25 tusprosessissa käytettävien maskien rakennetta. Itse valmistusprosessi käsit-tää alan ammattimiehelle sinänsä mikropiirien valmistuksesta tunnettuja vaihei-..>* · ta. Valmistusprosessin lähtökohtana pidetään edellä kuvattua piikiekkoa, joka ; J käsittää substraatin 102, oksldikerroksen 104 ja päällimmäisen SOI-kerroksen 106. Aluksi piikiekko resistoidaan positiivisella resistillä eli sen pintaan luodaan 30 ohut resistikalvo paistamalla valoherkkää liuosta hetken aikaa uunissa. Seu-raavaksi resistin päälle asetetaan ensimmäinen maski M1, joka käsittää kalvo- • · värähtelijöiden 108, 110 sekä näihin liitettävien kontaktimetallien muotoisen 118401 g kuvion. Piikiekko valoitetaan UV-aallonpituisella valolla, jolloin valottuvat kohdat resististä polymeroituvat. Seuraavaksi maski M1 poistetaan resistin pinnalta ja resisti kehitetään eli käsitellään sopivalla kemikaalilla, kuten triklooriety-leenillä, jolloin ei-polymeroituneet kohdat resististä liuotetaan pois ja resistiin 5 jää maskin M1 muotoinen kuvio. Tämän jälkeen suoritetaan ioni-istutus koko SOI-pinnalle, mikä ei kuitenkaan vaikuta resistin suojaamiin piikerroksen kohtiin. Seuraavaksi resisti poistetaan kemiallisella liuottimena.Referring now to Figures 2a, 2b and 2c, the construction of the resonator of the invention is illustrated, showing the structure of the masks used in the manufacturing process. The manufacturing process itself comprises the steps known to the person skilled in the art in the manufacture of integrated circuits. The starting point for the manufacturing process is the silicon wafer described above, which; J comprises a substrate 102, an oxide layer 104, and a top SOI layer 106. Initially, the silicon wafer is resisted with a positive resist, i.e., a thin film of resist is formed on its surface by frying the photosensitive solution briefly in an oven. Next, a first mask M1 is placed on the resistor, comprising a pattern of • diaphragm vibrators 108, 110 and contact metals of 118401 g to be attached thereto. The silicon wafer is exposed to UV wavelength, whereby the exposed areas of the resin are polymerized. Next, the mask M1 is removed from the surface of the resin and the resin is developed, i.e. treated with a suitable chemical such as trichlorethylene, whereupon the non-polymerized areas of the resin are dissolved and the pattern of the mask M1 remains. Ion implantation is then performed on the entire SOI surface, but this does not affect the protected silicon layer sites. Next, the resistor is removed as a chemical solvent.
Sen jälkeen SOI-kerrokselle suoritetaan seostuksen aktivaatioläm-pökäsittely, jossa kiderakenteeseen lisätään halutut epäpuhtaudet ioni-10 istutuksella. Tämän jälkeen piikiekko metalloidaan koko pinnaltaan kontaktime-tallilla, kuten alumiinilla, jonka paksuus voi esimerkiksi 100 nm. Seuraavaksi piikiekolle suoritetaan uusi resistointi positiivisella resistillä ja suoritetaan normaali resistin paisto. Paistetun resistin päälle asetetaan toinen maski M2, joka käsittää kontaktimetallien muotoisen kuvion. Piikiekko valoitetaan jälleen ultra-15 violettivalolla, jonka jälkeen maski M2 poistetaan resistin pinnalta ja resisti kehitetään. Tällöin resistiin jää maskin M2 muotoinen kuvio, jossa metallointi paljastuu muualta paitsi kontaktimetallointien alueelta. Tämän jälkeen kiekko etsataan sopivalla metallietsillä, jotta kontaktimetalli saadaan poistettua ei-toivo-tuilta alueilta. Resisti liuotetaan pois ja lopuksi kiekko lämpökäsitellään kontak-20 tivastuksen minimoiseksi.The SOI layer is then subjected to an alloy activation heat treatment whereby the desired impurities are added to the crystal structure by ion-10 implantation. The silicon wafer is then metallised over its entire surface with a contact metal, such as aluminum, for example, having a thickness of 100 nm. Next, the silicon wafer is subjected to a new resistance with positive resistance and normal resist frying is performed. A second mask M2 is placed over the baked resistor, comprising a pattern of contact metals. The silicon wafer is again exposed to ultra-15 violet light, after which the mask M2 is removed from the surface of the resistor and the resistor is developed. In this case, the pattern M2 in the form of a mask, in which the metallization is revealed except in the area of contact metallization, remains in the resistance. The disc is then etched with a suitable metal etcher to remove the contact metal from unwanted areas. The resistor is dissolved and finally the disk is heat treated to minimize contact-20 resistance.
, . Piikiekolle suoritetaan vielä kolmas resistointi, jonka jälkeen resistin • · ** päälle asetetaan kolmas maski M3, joka käsittää etsausreikien 116 kohdat ok- : V sidikerroksen etsaamiseksi kalvovärähtelijöiden 108,110 alta. Piikiekko valote- • * : taan jälleen maskilla M3 ja maski M3 poistetaan. Tämän jälkeen etsausreiät V·! 25 avataan SOI-kerrokseen esimerkiksi plasmaetserillä, minkä jälkeen SOI- ·:*·: kerroksen alla oleva oksidikerros etsataan esimerkiksi vetyfluoridilla HF. Etsa- ukseen käytetään edullisesti niin laimeaa vetyfluoridihappoa, että oksidikerrok- ·»* seen muodostuvan aukon dimensioita voidaan kontrolloida etsausaikaa sää-tämällä. Oksidikerros poistetaan edullisesti vain kalvovärähtelijöiden 108, 110 * 9 ... 30 alta, jolloin muodostetaan kalvovärähtelijöiden muotoinen itsekantava kalvo.,. The silicon wafer is further subjected to a third resistor, after which a third mask M3 is applied over the resistor, comprising the locations of etching holes 116 to etch the ox-V bond layer under the membrane oscillators 108,110. The silicon wafer is exposed again with mask M3 and mask M3 removed. After that, etching holes V ·! After opening the SOI layer with, for example, a plasma detector, the oxide layer underneath the SOI-: * ·: layer is etched, for example, with HF. Hydrofluoric acid, which is so dilute, is preferably etched that the dimensions of the opening formed in the oxide layer can be controlled by adjusting the etching time. Preferably, the oxide layer is removed only under the membrane vibrators 108, 110 * 9 ... 30, whereby a self-supporting film in the form of the membrane vibrators is formed.
*:*’ Oksldikerrokseen muodostettu aukko voidaan jättää tyhjiöksi tai se voidaan :/·· täyttää kaasulla, kuten kuivalla ilmalla, typellä tai argonilla. Etsausreiät sulje- *:**: taan, jonka jälkeen piikiekko pestään ja resisti poistetaan.*: * 'The opening formed in the oxide layer can be left vacant or: / ·· filled with a gas such as dry air, nitrogen or argon. The etching holes are closed to *: **, after which the silicon wafer is washed and the resistor is removed.
Edellä kuvattu valmistusprosessi käsittää siten alan ammattimiehel-!**. 35 le sinänsä tunnettuja vaiheita, mutta olennaista valmistusprosessissa on kek- ** *! sinnön mukaisen resonaattorirakenteen aikaansaaminen.The manufacturing process described above thus comprises a person skilled in the art -! **. 35 steps known per se, but essential in the manufacturing process is kek- ** *! providing a resonator structure according to the invention.
1 1 8401 101 1 8401 10
Keksinnön mukainen resonaattori voidaan periaatteessa toteuttaa myös yhtenä pyöreänä kalvovärähtelijänä, jollainen ratkaisu on esitetty kuviossa 3. Tällainen erään suoritusmuodon mukainen yksinkertaistettu resonaattori-ratkaisu käsittää vain yhden pyöreän kalvovärähtelijän 300, joka on valmistettu 5 edellä kuvatun menetelmän tavoin kuitenkin siten, että itsekantava kalvo muodostetaan ainoan etsausrelän 302 kautta oksidikerros etsaamalla. Kalvovärähtelijän 300 keskellä on vastaavalla tavalla seostamaton kalvoalue 304, joka erottaa kalvovärähtelijän 300 puolikkaat 306 ja 308 sähköisesti toisistaan. Kalvovärähtelijän 300 puolikkaat 306 ja 308 ovat kuitenkin mekaanisesti vahvasti 10 toisiinsa kytkettyjä, eikä tätä kytkentää voida valmistusvaiheessa säätää. Tällaisella resonaattorilla on vain yksi ominaistaajuus ja se on yksinkertaisempi valmistaa kuin kuvioissa 1a ja 1b esitetty resonaattori. Molempien resonaattori-ratkaisujen toimintaperiaate on kuitenkin sama siten, että kalvovärähtelijän 300 puolikkaat 306 ja 308 vastaavat toiminnaltaan resonaattorin 100 kalvovärähte-15 lijöitä 108 ja 110.The resonator according to the invention can in principle also be implemented as one round membrane oscillator, such a solution as shown in Fig. 3. Such a simplified resonator solution according to one embodiment comprises only one circular membrane oscillator 300 made in the same manner as described above 302 through oxide layer etching. Similarly, in the center of the diaphragm vibrator 300 is an unalloyed diaphragm region 304 which electrically separates the halves 306 and 308 of the diaphragm vibrator 300. However, the halves 306 and 308 of the diaphragm oscillator 300 are mechanically strongly coupled to each other and this coupling cannot be adjusted during manufacture. Such a resonator has only one specific frequency and is simpler to manufacture than the resonator shown in Figures 1a and 1b. However, the operation of both resonator solutions is the same so that the halves 306 and 308 of the diaphragm vibrator 300 function in the same manner as the diaphragm sources 15 and 108 of the resonator 100.
Keksinnön mukainen resonaattori on hyödynnettävissä esimerkiksi suuritaajuisissa langattomissa päätelaitteissa, kuten matkaviestimissä. Erityisesti resonaattoria voidaan hyödyntää signaalin vastaanotossa antennin jälkeisessä kaistanpäästösuodatuksessa. Edelleen resonaattoria voidaan käyttää 20 välitaajuussuodatuksessa ja vaihelukko-takaisinkytkennässä (PLL, Phase Lock .a. Loop). Seuraavassa selostetaan eräänä esimerkkinä erilaisia kaistanpääs- h / tösuodattimen toteutusmuotoja.The resonator of the invention can be utilized, for example, in high frequency wireless terminals, such as mobile stations. In particular, the resonator can be utilized in signal reception for post-antenna band pass filtering. Further, the resonator can be used for intermediate frequency filtering and phase lock feedback (PLL, Phase Lock .a. Loop). The following describes, by way of example, various embodiments of the bandpass / filter.
• # · l ;1 Keksinnön mukainen resonaattori toimii luonnostaan kaistanpääs- !·ί i tösuodattimena, jonka taajuuden määrittelee kalvon mekaaninen värähtelytaa- 25 juus. Esimerkiksi kuvion 3 mukaisessa yksinkertaistetussa resonaattorissa si- "2: sääntulosignaali S1 ja ulostulosignaali S0 on eristetty seostamattomalla puoli- i1": johteella. Mikäli resonaattorin ominaistaajuutta merkitään ωο ja resonaattorin sähköisiä ja akustisia häviöitä t0, voidaan resonaattorin energiatilaa kuvata kompleksisella muuttujalla eo, jossa reaaliosa vastaa potentiaalienergiaa ja , 30 imaginääriosa kineettistä energiaa. Hetkellinen energiatila voidaan määritellä *·1 differentiaaliyhtälöstä 6: • · • 1 « I «· * 1 "1"· deo/dt - i ωοβο - βο / το+ Sj (6.) «·· • · * · « « · 2 • M * · 11 118401 jossa i on Imaginääriyksikkö ja t on aika. Jos sisääntulosignaali Si on sinimuotoinen signaali taajuudella toi, saadaan yhtälöstä 6 resonaattorin energiaa kuvaava yhtälö 7: 5 eo2 - (SjTo )2 / [( ca>i - ωο)2Το2 + 1] (7.)The resonator according to the invention acts as a bandpass filter, the frequency of which is determined by the mechanical vibration frequency of the diaphragm. For example, in the simplified resonator of Fig. 3, the si- "2: input signal S1 and the output signal S0 are isolated by an unalloyed half-i1" conductor. If the specific frequency of the resonator is denoted by ωο and the electrical and acoustic losses t0 of the resonator, the energy state of the resonator can be described by a complex variable eo, where the real part corresponds to potential energy and, 30 imaginary part kinetic energy. The instantaneous energy state can be defined by * · 1 in the differential equation 6: • · • 1 «I« · * 1 "1" · deo / dt - i ωοβο - βο / το + Sj (6.) «·· • · * ·« «· 2 • M * · 11 118401 where i is the Imaging Unit and t is the time. If the input signal Si is a sinusoidal signal at frequency thi, equation 7 gives the energy of the resonator 7: 5 eo2 - (SjTo) 2 / [(ca> i - ωο) 2Το2 + 1] (7.)
Kuten yhtälöstä 7 nähdään, on resonaattorin energia suhteessa taajuuksien erotukseen ainoastaan neliöllistä. Toisin sanoen, suodatuskaistaksi muodostuu paraabellmainen kuvaaja, jolla on yksi huippukohta ja jonka kulma-10 kertoimet eivät ole suuria. Tällainen suodatuskaista, jonka reunat eivät ole jyrkkiä ja jonka kaista muodostuu varsin leveäksi, ei ole erityisen käyttökelpoinen useimmissa kaistanpäästösovelluksissa, joissa suodatusikkunan tarkka muoto (taajuuskaista) on tärkeä kriteeri. Suodatusikkunan muotoon voidaan kuitenkin helposti vaikuttaa kytkemällä useita resonaattoreita peräkkäin.As can be seen from Equation 7, the energy of the resonator relative to the frequency difference is only quadratic. In other words, the filtering band becomes a parabell graph having a single peak and not having large angle-10 coefficients. Such a filtering band, whose edges are not steep and whose bandwidth is quite wide, is not very useful in most bandpass applications where the exact form of the filtering window (frequency band) is an important criterion. However, the shape of the filter window can be easily influenced by connecting several resonators in series.
15 Selostuksessa on jo aiemmin kuvattu kuvioiden 1a ja 1b yhteydes sä, kuinka kaksi kalvovärähtelijää voidaan yhdistää mekaanisesti ja samalla eristää sähköisesti. Kuviossa 4a esitetään, kuinka vastaavalla tavalla voidaan yhdistää kolme kalvovärähtelijää yhdeksi suodattimeksi. Kalvovärähtelijät 400, 402 ja 404 on mekaanisesti kytketty toisiinsa ja sähköisesti erotettu toisistaan 20 seostamattomilla puolijohdekannaksilla 406 ja 408.1a and 1b have already described how two diaphragm vibrators can be mechanically connected and simultaneously electrically isolated. Fig. 4a shows how similarly three membrane vibrators can be combined into a single filter. The diaphragm oscillators 400, 402 and 404 are mechanically coupled to each other and electrically separated from each other by non-doped semiconductor bases 406 and 408.
. Kuviossa 4b esitetään periaatekuva signaalin etenemisestä kalvovä- / rähtelijöiden 400, 402 ja 404 läpi. Ensimmäisen kalvovärähtelijän 400 ominais- • # t [ ·* taajuutta merkitään ja sähköisiä ja akustisia häviöitä tv Toisen kalvoväräh- : telijän 402 ominaistaajuus on vastaavasti u>2 ja häviöt T2 sekä kolmannen kai- ♦ · 25 vovärähtelijän 404 ominaistaajuus on ω3 ja häviöt t3. Mekaanisen kytkennän voimakkuutta ensimmäisen ja toisen kalvovärähtelijän 400 ja 402 välillä kuvata*: taan kytkentävakioila ki ja toisen ja kolmannen kalvovärähtelijän 402 ja 404 välillä kytkentävakioila k2.. Figure 4b shows a principle view of signal propagation through membrane vibrators 400, 402 and 404. The frequency of the first diaphragm vibrator 400 is denoted by • # t [· * and the electrical and acoustic losses of the television The second diaphragm vibrator 402 has a characteristic frequency u> 2 and the losses T2 and the third λ · 25 vibrator 404 have a characteristic frequency ω3 and loss. The intensity of the mechanical coupling between the first and second diaphragm vibrators 400 and 402 is described by the coupling constant Ki and the coupling constant k2 between the second and third diaphragm vibrators 402 and 404.
Jos kalvovärähtelijöiden ominaistaajuudet ovat tällaisessa suodatin-, .···. 30 rakenteessa olennaisesti yhtä suuret, jyrkkenee suodatusikkunan reuna huo- “·* mattavasti. Jos taas ominaistaajuudet poikkeavat hieman toisistaan, levenee suodatusikkunan kaista. Alan ammattimiehelle on selvää, että lähelle haluttua ***** suodatusikkunan muotoa päästään esimerkiksi hyödyntämällä valmiiksi taulu- ,···. koituja suodatinsynteesitietoja, jos kalvovärähtelijöiden kytkentävakiot ja hy- .***: 35 vyysluvut tiedetään. Tällaisen suodatinrakenteen valmistusvaiheessa voidaan • ·· * * kytkentävakioiden arvoja eli mekaanisen kytkennän voimakkuutta säätää hei- 12 118401 posti säätämällä kalvovärähtelijölden yhteisen alueen pinta-alaa, joka puolestaan voidaan säätää etsausreikien keskinäisellä etäisyydellä ja etsattavien kalvojen koolla. Mitä suurempi yhteisen alueen pinta-ala on, sitä voimakkaampi on kalvovärähtelijölden välinen mekaaninen kytkentä. Jos taas yhteistä aluetta 5 ei ole, on kytkentä heikko tai sitä ole lainkaan. Kalvovärähtelijölden hyvyysluvut puolestaan saadaan luotettavimmin määritettyä mittaamalla arvot prototyypeistä.If the characteristic frequencies of the membrane vibrators are in such a filter, ···. If the structure is substantially the same, the edge of the filter window will steepen considerably. On the other hand, if the specific frequencies differ slightly, the bandwidth of the filtering window becomes wider. It will be obvious to one skilled in the art that the desired ***** filtering window format can be achieved, for example, by utilizing a whiteboard, ···. *** if 35 coupling constants and membrane switching constants are known. In the manufacture of such a filter structure, the values of the coupling constants, i.e. mechanical coupling strength, can be adjusted by adjusting the area of the common area of the film vibrator, which in turn can be adjusted by the distance of etching holes and the size of the etched films. The larger the area of the common area, the stronger the mechanical coupling between the membrane oscillators. Conversely, if there is no common area 5, the connection is poor or non-existent. In turn, the membrane oscillator quality indexes are most reliably determined by measuring values from prototypes.
Kuviossa 4a on esitetty eräs tapa kytkeä useita kalvovärähtelijöitä yhteen suodatinrakenteen muodostamiseksi. Kuviot 5a, 5b ja 5c esittävät esi-10 merkkejä muista vaihtoehtoisista suodatinrakenteista. Kuviossa 5a on kolme kalvovärähtelijää sijoitettu kolmion muotoisesti siten, että signaalin reitti sisään-tulevan signaalin Si ja ulostulevan signaalin S0 välillä on havainnollistettu nuolella. Vastaavasti kuviossa 5b on neljä kalvovärähtelijää sijoitettu neliön muotoon. Kuviossa 5c on kuviota 4a vastaava suodatinrakenne, johon on lisätty 15 keskimmäisen kalvovärähtelijän yhteyteen neljäs kalvovärähtelijä, joka toimii imupiirinä. Neljäs kalvovärähtelijä mahdollistaa samalle sisääntulevalle signaalille Sj kaksi erilaista suodatusta ja siten kaksi erilaista ulostulosignaalia S0i ja S02. Alan ammattimiehelle on selvää, että edellä esitetyt suodatinrakenteet ovat vain eräitä esimerkkejä siitä, miten kalvovärähtelijöitä voidaan yhdistellä 20 halutun suodatinrakenteen aikaansaamiseksi.Figure 4a shows one way of connecting a plurality of membrane vibrators to form a filter structure. Figures 5a, 5b and 5c show exemplary examples of other alternative filter structures. In Fig. 5a, three diaphragm oscillators are arranged in a triangle such that the signal path between the incoming signal S1 and the outgoing signal S0 is illustrated by an arrow. Similarly, in Fig. 5b, four diaphragm vibrators are arranged in a square shape. Fig. 5c is a filter structure similar to Fig. 4a with a fourth diaphragm vibrator attached to the middle diaphragm vibrator acting as a suction circuit. The fourth diaphragm oscillator allows two different filters for the same incoming signal Sj and thus two different output signals S0i and SO2. It will be apparent to one skilled in the art that the filter structures described above are only some examples of how membrane vibrators can be combined to provide the desired filter structure.
. Keksinnön mukaista resonaattoria voidaan käyttää myös kytkimenä *.* / siten, että syötetään sisääntulona ensimmäiseen kalvovärähtelijään pelkästään l ·* vaihtojännite (AC · sin wt), mutta jätetään DC-komponentti pois. Tällöin vaihto- : jännite yrittää saada toisen kalvovärähtelijän värähtelemään toisen harmonisen V'i 25 komponentin taajuudella, mutta tämä ei kuitenkaan onnistu, koska resonanssi *:**: on perustaajuudella. Tällöin resonaattorin ulostulojännite on optimitilanteessa olennaisesti nolla. Täten resonaattorina käytettävää kytkintä voidaan ohjata biasjännitteen syötöllä.. The resonator according to the invention can also be used as a switch *. * / So as to supply only 1 · * alternating voltage (AC · sin wt) to the first diaphragm oscillator, but omitting the DC component. In this case, the alternating: voltage tries to cause the second diaphragm vibrator to oscillate at the frequency of the second harmonic V'i 25 component, but this fails because the resonance *: ** is at the fundamental frequency. The output voltage of the resonator is then substantially zero at optimum. Thus, the switch used as the resonator can be controlled by bias voltage supply.
Keksinnön mukaiset resonaattorirakenteet ovat erityisesti suodatti- .···. 30 minä hyödynnettävissä erilaisissa langattomissa tietoliikennelaitteissa, kuten *1* esimerkiksi GSM/GPRS- ja UMTS-matkaviestimissä sekä tulevissa laajakais- V·! taverkoissa, kuten Bluetooth, WLAN IEEE 802.11 ja HIPERLAN (High Perfor- ***** mance Radio Local Area Network). Näissä järjestelmissä toimivat päätelaitteet .···. käyttävät taajuuksia, jotka vaihtelevat n. 900 MHz - 5,8 GHz välillä.The resonator structures according to the invention are particularly filter. 30 I can utilize a variety of wireless communication devices, such as * 1 * such as GSM / GPRS and UMTS mobile stations, as well as upcoming V ·! networks such as Bluetooth, WLAN IEEE 802.11, and HIPERLAN (High Perfor- mance Radio Local Area Network). The terminals running on these systems are ···. use frequencies that range from about 900 MHz to 5.8 GHz.
• » 35 Alan ammattilaiselle on ilmeistä, että tekniikan kehittyessä keksin- * * nön perusajatus voidaan toteuttaa monin eri tavoin. Keksintö ja sen suoritus- 13 118401 muodot eivät siten rajoitu yllä kuvattuihin esimerkkeihin vaan ne voivat vaihdella patenttivaatimusten puitteissa.It is obvious to a person skilled in the art that as technology advances, the basic idea of the invention can be implemented in many different ways. The invention and its embodiments are thus not limited to the examples described above, but may vary within the scope of the claims.
• · • · * 1 ·· • · ·· « • 1 1 « 1 * · • · • · · ··· » • ♦ • 1 ·• · • · * 1 ·· • · ··· • 1 1 «1 * · • • • · · · · · · · · · · · · · ·
• «I• «I
* · * · « · • 1 « • « ·· • 1 M· « • · • · » * ·· * · • · * ··« • · • · ·«· · • · · • 1« • 1* · * · «· • 1« • «· · • 1 M ·« • · • • * * · · * · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · ›
Claims (11)
Priority Applications (1)
| Application Number | Priority Date | Filing Date | Title |
|---|---|---|---|
| FI20012532A FI118401B (en) | 2001-12-20 | 2001-12-20 | High frequency semiconductor resonator |
Applications Claiming Priority (2)
| Application Number | Priority Date | Filing Date | Title |
|---|---|---|---|
| FI20012532A FI118401B (en) | 2001-12-20 | 2001-12-20 | High frequency semiconductor resonator |
| FI20012532 | 2001-12-20 |
Publications (3)
| Publication Number | Publication Date |
|---|---|
| FI20012532A0 FI20012532A0 (en) | 2001-12-20 |
| FI20012532L FI20012532L (en) | 2003-06-21 |
| FI118401B true FI118401B (en) | 2007-10-31 |
Family
ID=8562539
Family Applications (1)
| Application Number | Title | Priority Date | Filing Date |
|---|---|---|---|
| FI20012532A FI118401B (en) | 2001-12-20 | 2001-12-20 | High frequency semiconductor resonator |
Country Status (1)
| Country | Link |
|---|---|
| FI (1) | FI118401B (en) |
-
2001
- 2001-12-20 FI FI20012532A patent/FI118401B/en active IP Right Grant
Also Published As
| Publication number | Publication date |
|---|---|
| FI20012532L (en) | 2003-06-21 |
| FI20012532A0 (en) | 2001-12-20 |
Similar Documents
| Publication | Publication Date | Title |
|---|---|---|
| US6808954B2 (en) | Vacuum-cavity MEMS resonator | |
| US8975104B2 (en) | Low temperature ceramic Microelectromechanical structures | |
| US7372346B2 (en) | Acoustic resonator | |
| US6630871B2 (en) | Center-mass-reduced microbridge structures for ultra-high frequency MEM resonator | |
| US6232847B1 (en) | Trimmable singleband and tunable multiband integrated oscillator using micro-electromechanical system (MEMS) technology | |
| US6707351B2 (en) | Tunable MEMS resonator and method for tuning | |
| US7005314B2 (en) | Sacrificial layer technique to make gaps in MEMS applications | |
| US6734762B2 (en) | MEMS resonators and method for manufacturing MEMS resonators | |
| JP3651671B2 (en) | Micromechanical switch and manufacturing method thereof | |
| Hsu et al. | A sub-micron capacitive gap process for multiple-metal-electrode lateral micromechanical resonators | |
| JP2002535865A (en) | Device including a micromechanical resonator having an operating frequency and method for extending the operating frequency | |
| KR20080002933A (en) | Electronic oscillation signal generating electronic device and method | |
| WO2007102130A2 (en) | Mems resonator having at least one resonator mode shape | |
| Elsayed et al. | Piezoelectric bulk mode disk resonator post-processed for enhanced quality factor performance | |
| Stratton et al. | A MEMS-based quartz resonator technology for GHz applications | |
| US6846691B2 (en) | Method for making micromechanical structures having at least one lateral, small gap therebetween and micromechanical device produced thereby | |
| EP1548935A1 (en) | Micromachined film bulk acoustic resonator | |
| FI118401B (en) | High frequency semiconductor resonator | |
| Young et al. | A micromachined RF low phase noise voltage‐controlled oscillator for wireless communications | |
| Li et al. | Micromachined high-performance RF passives in CMOS substrate | |
| US6600644B1 (en) | Microelectronic tunable capacitor and method for fabrication | |
| Hsu et al. | Design and fabrication procedure for high Q RF MEMS resonators | |
| Quevy et al. | IF MEMS filters for mobile communication | |
| FI116378B (en) | Micromechanical combined component and high frequency filter | |
| FRITSChI | Above-IC RF MEMS devices for communication applications |
Legal Events
| Date | Code | Title | Description |
|---|---|---|---|
| PC | Transfer of assignment of patent |
Owner name: ZIPIC OY Free format text: ZIPIC OY |
|
| FG | Patent granted |
Ref document number: 118401 Country of ref document: FI |