溫度受控的集成壓電諧振器的制造方法
【專(zhuān)利摘要】一種集成諧振器設(shè)備(100)，包括壓電諧振器(120、124、128)；耦合到壓電諧振器的聲學(xué)布拉格反射器(104)；以及襯底(102)，所述聲學(xué)布拉格反射器設(shè)置在襯底(102)上。該設(shè)備還包括覆蓋壓電諧振器的有源加熱器層。有源加熱器層(150)產(chǎn)生的熱量由通過(guò)加熱器層提供的電流量可控制。
【專(zhuān)利說(shuō)明】 溫度受控的集成壓電諧振器

【技術(shù)領(lǐng)域】
[0001 ] 本發(fā)明涉及用于集成壓電諧振器的設(shè)備和方法。

【背景技術(shù)】
[0002]時(shí)序解決方案在現(xiàn)代電子裝置中很重要。在幾乎所有的商業(yè)和消費(fèi)設(shè)備中使用的計(jì)時(shí)裝置提供頻率控制和用于許多應(yīng)用的時(shí)序。晶體振蕩器作為主要類(lèi)型的頻率發(fā)生器已經(jīng)持續(xù)了幾十年。與晶體振蕩器可用于控制的集成電路相比，晶體振蕩器通常使用造成相當(dāng)大的裝置的石英。此外，溫度變化能夠影響振蕩頻率。


【發(fā)明內(nèi)容】

[0003]公開(kāi)了一種提供溫度控制的集成基于壓電的諧振器。
[0004]例如，一些實(shí)施例涉及集成諧振器設(shè)備，該設(shè)備包括壓電諧振器；聲學(xué)布拉格反射器，其耦合到壓電諧振器；以及襯底，所述聲學(xué)布拉格反射器設(shè)置在襯底上。該設(shè)備還包括覆蓋壓電諧振器的有源加熱器層。有源加熱器層產(chǎn)生的熱量由通過(guò)加熱器層提供的電流量可控制。
[0005]其它實(shí)施例涉及包括集成諧振器設(shè)備的系統(tǒng)。諧振器設(shè)備包括:壓電諧振器；聲學(xué)布拉格反射器，其耦合到壓電諧振器；以及有源加熱器層，其覆蓋壓電諧振器。集成諧振器設(shè)備也包括溫度傳感器層和電路，所述電路從溫度傳感器層接收指示溫度的溫度信號(hào)，并基于溫度信號(hào)控制到有源加熱器層的電流量。
[0006]又一些實(shí)施例涉及形成具有布拉格反射器的壓電諧振器的方法。該方法包括在襯底上方沉積較低和較高聲學(xué)阻抗材料的交替介電層，以及在交替介電層上方沉積第一諧振器電極。該方法進(jìn)一步包括在第一諧振器電極上方沉積壓電層；在壓電層上方沉積第二諧振器電極；以及在第二諧振器電極上方沉積有源加熱器層。
[0007]另一個(gè)實(shí)施例針對(duì)一種方法，其包括從集成壓電諧振器中的溫度傳感器層接收溫度信號(hào)的方法。此外，基于溫度信號(hào)，該方法包括通過(guò)調(diào)節(jié)通過(guò)有源加熱器層的電流來(lái)控制集成壓電諧振器中的有源加熱器層生成的熱量。

【專(zhuān)利附圖】

【附圖說(shuō)明】
[0008]圖1示出根據(jù)本發(fā)明各種實(shí)施例的溫度受控集成壓電諧振器的橫截面圖；
[0009]圖2示出根據(jù)各種實(shí)施例的溫度受控集成壓電諧振器的制造方法；
[0010]圖3示出溫度受控集成壓電諧振器的另一個(gè)實(shí)施例的橫截面圖；
[0011]圖4示出具有外部溫度控制電路的圖2的溫度受控集成壓電諧振器的使用的示意圖；
[0012]圖5示出根據(jù)各種實(shí)施例的溫度受控集成壓電諧振器的操作方法；以及
[0013]圖6示出溫度受控集成壓電諧振器的又一個(gè)實(shí)施例的橫截面圖。

【具體實(shí)施方式】
[0014]圖1示出包括合適襯底(諸如，單晶硅晶片102)的溫度受控集成壓電諧振器裝置100的橫截面圖。在襯底上,聲學(xué)反射器104(諸如聲學(xué)布拉格反射器)優(yōu)選形成。聲學(xué)布拉格反射器104可包括較高聲學(xué)阻抗和較低聲學(xué)阻抗的交替層。
[0015]在圖1的示例中，在低聲學(xué)阻抗材料的后續(xù)層108之后，高聲學(xué)阻抗材料的第一層106被沉積。高和低聲學(xué)阻抗材料的附加層110和112也被分別沉積。因此，層106和110是高聲學(xué)阻抗材料，并且優(yōu)選是相同的材料。類(lèi)似地，層108和112是低聲學(xué)阻抗材料，并且優(yōu)選是相同的材料。
[0016]在其中一個(gè)示例中，較低聲學(xué)阻抗材料可以是電介質(zhì)，諸如納米多孔氫倍半硅氧燒(HSQ)或納米多孔甲基倍半娃氧燒(MSQ)的納米多孔旋涂玻璃(spin-on-glasses),所述電介質(zhì)可以利用后續(xù)的固化步驟沉積在旋涂機(jī)中。
[0017]較高聲學(xué)阻抗材料可以是如包括碳化硅(SiC)的電介質(zhì)。如果SiC用作較高阻抗材料，在一個(gè)實(shí)例中，可使用諸如甲烷(CH4)和硅烷的混合物的源氣體將SiC沉積在離子化學(xué)蒸汽沉積(CVD)的沉積室中。如果使用金剛類(lèi)碳(DLC)或S1-DLC代替SiC，則利用修改的沉積室。DLC沉積在，例如，150mm平行板反應(yīng)器RFCVD室中，其中上部板是氣體分布源，而下部板是襯底位于其上的陰極。在該結(jié)構(gòu)中，上部板是正的而陰極是負(fù)的(接地)。RF源(例如13.56MHz)可通過(guò)陰極直接耦合到襯底。在腔室抽真空之后，如果需要摻雜硅(例如四甲基二硅氧烷(4MS))，則任何烴類(lèi)氣體(諸如CH4和/或形成氣體的硅包含烴)被引入到腔室中，直到實(shí)現(xiàn)所需壓力并且流量穩(wěn)定。除了形成氣體的烴類(lèi)之外，能夠使用諸如氬氣(Ar)和氫氣(H2)的其它氣體控制最終DLC膜的化學(xué)組合物。在該點(diǎn)處，電力被傳遞給陰極以擊發(fā)等離子體，并且DLC沉積固定時(shí)間量，直到達(dá)到所需厚度。接著電力關(guān)閉并且腔室使用惰性氣體(Ar、N2等)通風(fēng)，直到達(dá)到環(huán)境壓力，并去除DLC沉積的襯底。影響DLC物理性質(zhì)的變量可包括:RF功率、壓力、總氣體流量、不同氣體比率和陰極到上部板間距。在DLC沉積之前，氬等離子體可用于預(yù)調(diào)節(jié)襯底表面以沉積1-2分鐘。DLC沉積可在環(huán)境溫度下進(jìn)行。DLC厚度和折射率能夠使用例如預(yù)校準(zhǔn)橢偏儀直接測(cè)量。
[0018]在其中一個(gè)示例中，聲學(xué)布拉格反射器104的各層厚度被選擇等于裝置諧振頻率的四分之一波長(zhǎng)。一旦聲學(xué)布拉格反射器104完成,則下一個(gè)步驟沉積第一諧振器電極120。在其中一個(gè)實(shí)施例中，諧振器電極120被濺射沉積，并且用于電極的材料是鑰(Mo)，盡管諸如鈦(Ti)、鎢(W)、金(Au)、鉬(Pt)或鋁(Al)的其它材料也是可能的。在其中一個(gè)示例中，用于諧振器電極的材料可具有低的熱彈性損失，并且可具有小于約1000A的厚度，以便保持光滑表面。
[0019]在第一諧振器電極120已經(jīng)沉積之后，沉積壓電層124。用于壓電層124的合適材料能夠是氮化鋁(AlN)，盡管諸如氧化鋅(ZnO)和鋯鈦酸鉛的其它材料也是可能的。在其中一個(gè)示例中，使用產(chǎn)生低應(yīng)力、具有c軸線(xiàn)取向的致密層的優(yōu)化工藝，利用氮?dú)夥磻?yīng)性濺射沉積AlN層。壓電層124的厚度可以處于約0.1到約10微米的范圍中。
[0020]上部電極128被沉積以完成諧振器。此外頂部電極可以是Mo的濺射沉積層。頂部布拉格反射器149也被包括并且在結(jié)構(gòu)上與下部布拉格反射器104相同或類(lèi)似。觸點(diǎn)160和162被提供用于到裝置的外部連接。觸點(diǎn)160提供到上部電極128的電氣觸點(diǎn)，而觸點(diǎn)162提供到下部電極128的電氣觸點(diǎn)。裝置100可具有諸如氮化硅或氧化硅的保護(hù)性罩層
154。
[0021 ] 所示出的裝置100包括襯底102、聲學(xué)布拉格反射器104和諧振器(包括在壓電層124的相對(duì)兩側(cè)上的電極120和128)。
[0022]在圖1的實(shí)施例中，有源加熱器層150也被提供作為溫度控制方面的部分。有源加熱器層150優(yōu)選包括鉭鋁合金薄膜或其它合適材料。層150可具有約1000的厚度。在該厚度處，加熱器的薄層電阻大約是30歐姆/平方。加熱器層中鉭與鋁的比率可以大約是50:50。
[0023]有源加熱器層150集成到裝置100中，并處于上部電極128的頂部上且圍繞一些或全部上部電極128，因此一般在諧振器的頂部上并圍繞一些或全部諧振器。經(jīng)由觸點(diǎn)(未示出)能夠?qū)㈦娏魈峁┙o有源加熱器層150。有源加熱器層產(chǎn)生的熱量通過(guò)提供給加熱器層的電流量可控制-更高的電流水平使加熱器層150生成更高的熱量水平。這種加熱器層提供一種整體加熱(oven)受控的諧振器，其將裝置100的溫度升高到裝置的最高環(huán)境溫度規(guī)格以上。通過(guò)迫使溫度達(dá)到已知和穩(wěn)定水平，溫度變化被最小化或消除，并且因此裝置的頻率的溫度引起的變化被避免或至少減小。
[0024]圖2示出根據(jù)各種實(shí)施例的制造例如溫度受控集成壓電諧振器裝置100或具有所有介電布拉格反應(yīng)器的其它類(lèi)型基于壓電的諧振器的方法。方法139的步驟可以以示出的順序執(zhí)行或以不同的順序執(zhí)行。此外，兩個(gè)或更多步驟可并行而不是順序執(zhí)行。
[0025]在140處，該方法包括在襯底(例如襯底102)上方沉積較低和較高聲學(xué)阻抗的交替介電層。襯底可由硅(諸如單晶硅晶片)、GaAs、AlAs等形成。較低和較高聲學(xué)阻抗層可由諸如上述材料的材料形成。
[0026]在布拉格反射器的各層形成之后，在142處，下部諧振器電極120在布拉格反射器上方形成。在一個(gè)示例中，選擇用于下部諧振器電極的材料具有低的熱彈性損耗，并且優(yōu)選具有小于1000A的厚度，從而保持光滑的諧振器電極表面。上部電極可以使用諸如鑰、鈦、鶴、金、鉬、招等的材料灘射沉積。
[0027]在144處，壓電層接著沉積在下部電極上方。壓電層可由諸如氮化鋁、氧化鋅、鋯鈦酸鉛、石英、鈦酸鋇等的任何合適材料形成。使用產(chǎn)生低應(yīng)力、采用c軸線(xiàn)取向的致密層的優(yōu)化工藝，利用氮?dú)饽軌蚍磻?yīng)性濺射沉積氮化鋁層。
[0028]然后沉積上部電極(146)，如圖2中所示。上部電極也能夠是鑰的濺射沉積層。上部布拉格反射器149 (圖1)也可被包括。
[0029]加熱器層沉積在壓電諧振器上方，如在148處所示。加熱器層可包括鉭鋁合金薄膜并且通過(guò)后續(xù)將薄膜圖案化的半導(dǎo)體沉積/光刻/干蝕刻工藝形成。
[0030]另一個(gè)溫度受控方面在圖3中示出。圖3示出溫度受控集成壓電諧振器裝置200的另一個(gè)實(shí)施例。圖3的裝置200在一些方面與圖1的裝置100相似。裝置200也包括襯底102、聲學(xué)布拉格反射器104和包括電極120、128和壓電層124的諧振器。裝置200也包括有源加熱器層150。
[0031]圖3的裝置200包括在圖1中未示出的溫度傳感器層170。溫度傳感器層170是溫度感測(cè)電阻器并且可集成在聲學(xué)布拉格反射器104和襯底102之間。溫度傳感器層170可以由摻雜多晶硅或具有相對(duì)高的電阻溫度系數(shù)的其它材料制造。
[0032]當(dāng)熱量在有源加熱器層150中產(chǎn)生時(shí)，熱量通過(guò)諧振器和聲學(xué)布拉格反射器104傳導(dǎo)到溫度傳感器層170。圖4示意性示出連接到外部溫度控制電路210的溫度受控集成壓電諧振器裝置200。溫度控制電路210連接到溫度傳感器層(TSL) 170并連接到有源加熱器層150。溫度感測(cè)信號(hào)220從TSL 170提供到溫度控制電路210。溫度控制電路210監(jiān)測(cè)溫度感測(cè)信號(hào)220并確定溫度是否落在預(yù)定閾值之下。當(dāng)溫度落在預(yù)定閾值之下(指示溫度下降)時(shí)，溫度控制電路210斷言溫度控制信號(hào)222給有源加熱器層150從而使加熱器變得更溫暖。在一個(gè)實(shí)施例中，溫度控制信號(hào)222是其幅度能夠由溫度控制電路210控制的電流。更高電流水平使有源加熱器層150產(chǎn)生更高的溫度。類(lèi)似地，如果TSL 170的溫度超過(guò)同一或更高閾值(出于滯后目的，單獨(dú)的更高閾值可以是優(yōu)選的)，則溫度控制電路210確定裝置200的溫度正在變得太溫暖，并做出響應(yīng)，降低溫度控制信號(hào)222的電流幅度。因此，TSL 170和有源加熱器層150的組合為裝置200提供高度可控并且穩(wěn)定的溫度。
[0033]圖5示出用于控制裝置200的溫度的方法230。在232處，溫度控制電路210從溫度傳感器層170接收溫度信號(hào)。在234處，溫度控制電路210基于所接收的溫度信號(hào)，控制有源加熱器層生成的熱量。例如，溫度控制電路210通過(guò)調(diào)節(jié)通過(guò)有源加熱器層的電流，控制集成壓電諧振器裝置200中的有源加熱器層生成的熱量。
[0034]圖6示出溫度受控集成壓電諧振器裝置250和另一個(gè)溫度控制方面的另一個(gè)實(shí)施例。在一些方面，圖6的實(shí)施例與圖3的實(shí)施例類(lèi)似。圖6包括圖3的實(shí)施例中示出的所有組件和層，但是優(yōu)選包括附加層180。層180包括溫度補(bǔ)償層。溫度補(bǔ)償層180優(yōu)選提供在電極120、128(例如上部電極128)中的一個(gè)和壓電層124之間的諧振器內(nèi)。
[0035]溫度補(bǔ)償層180補(bǔ)償裝置250的其余部分(例如壓電層124)的頻率的溫度系數(shù)。例如，在由氮化鋁制成的壓電層124中，頻率的溫度系數(shù)可以約是20ppm/°C。這意味著壓電層124的頻率在溫度每上升一度時(shí)增加20ppm。一些材料，諸如A1N，具有它們溫度升高時(shí)變得更硬的性質(zhì)。在這種情況下，這種材料能夠被選擇為溫度補(bǔ)償層180以防止或至少減少隨著溫度增加的頻率向上趨勢(shì)。適于作為溫度補(bǔ)償層180的一種材料是二氧化硅。溫度補(bǔ)償層180的頻率的溫度系數(shù)優(yōu)選具有與壓電層124的頻率的溫度系數(shù)相同或相似的幅度(絕對(duì)值)，但是它們的符號(hào)相反。例如，如果壓電層124的頻率的溫度系數(shù)是20ppm/°C，則溫度補(bǔ)償層180的頻率的溫度系數(shù)優(yōu)選約是-20ppm/°C。在一些實(shí)施例中，溫度補(bǔ)償層180的厚度可以處于從約1nm到約300nm的范圍中。
[0036]本領(lǐng)域的技術(shù)人員將理解，在所要求保護(hù)的本發(fā)明的范圍內(nèi)，可對(duì)所述實(shí)施例進(jìn)行修改，并且許多其他實(shí)施例也是可能的。
【權(quán)利要求】
1.一種集成諧振器設(shè)備，其包括: 壓電諧振器； 聲學(xué)布拉格反射器，其耦合到所述壓電諧振器； 襯底，所述聲學(xué)布拉格反射器設(shè)置在襯底上；和 有源加熱器層，其覆蓋所述壓電諧振器，由所述有源加熱器層產(chǎn)生的熱量由通過(guò)所述加熱器層提供的電流量而可控制。
2.根據(jù)權(quán)利要求1所述的諧振器設(shè)備，其中所述加熱器層包括鉭鋁合金薄膜。
3.根據(jù)權(quán)利要求1所述的諧振器設(shè)備，其中所述布拉格反射器包括較高聲學(xué)阻抗和較低聲學(xué)阻抗的交替層。
4.根據(jù)權(quán)利要求3所述的諧振器設(shè)備，其中較高和較低聲學(xué)阻抗的每層是所述壓電諧振器的諧振頻率的四分之一波長(zhǎng)。
5.根據(jù)權(quán)利要求1所述的諧振器設(shè)備，進(jìn)一步包括在所述聲學(xué)布拉格反射器和所述襯底之間的溫度傳感器層。
6.根據(jù)權(quán)利要求5所述的諧振器設(shè)備，其中所述溫度傳感器層包括摻雜的多晶硅。
7.根據(jù)權(quán)利要求5所述的諧振器設(shè)備，進(jìn)一步包括溫度補(bǔ)償層，其具有與所述壓電諧振器的壓電層的頻率的溫度系數(shù)大約相同、但符號(hào)相反的頻率的溫度系數(shù)。
8.根據(jù)權(quán)利要求1所述的諧振器設(shè)備，進(jìn)一步包括溫度補(bǔ)償層，其具有與所述壓電諧振器的壓電層的頻率的溫度系數(shù)大約相同、但符號(hào)相反的頻率的溫度系數(shù)。
9.根據(jù)權(quán)利要求8所述的諧振器設(shè)備，其中所述溫度補(bǔ)償層包括氮化鋁。
10.一種系統(tǒng),其包括: 集成諧振器設(shè)備，其包括:壓電諧振器；耦合到所述壓電諧振器的聲學(xué)布拉格反射器；覆蓋所述壓電諧振器的有源加熱器層； 所述集成諧振器設(shè)備也包括溫度傳感器層；和 電路，其從所述溫度傳感器層接收指示溫度的溫度信號(hào)，并基于所述溫度信號(hào)控制到所述有源加熱器層的電流量。
11.根據(jù)權(quán)利要求10所述的系統(tǒng)，其中所述壓電諧振器包括在兩個(gè)電極之間的壓電層，并且所述諧振器設(shè)備進(jìn)一步包括溫度補(bǔ)償層，其具有與所述諧振器中的所述壓電層的頻率的溫度系數(shù)大約相同、但符號(hào)相反的頻率的溫度系數(shù)，其中所述溫度補(bǔ)償層被提供在所述電極中的一個(gè)和所述壓電層之間。
12.根據(jù)權(quán)利要求10所述的系統(tǒng)，其中所述溫度傳感器層包括摻雜的多晶硅。
13.根據(jù)權(quán)利要求10所述的系統(tǒng)，其中所述有源加熱器層包括鉭鋁合金薄膜。
14.根據(jù)權(quán)利要求10所述的系統(tǒng)，其中所述溫度補(bǔ)償層包括二氧化硅。
15.根據(jù)權(quán)利要求10所述的系統(tǒng)，進(jìn)一步包括設(shè)置在襯底和所述聲學(xué)布拉格反射器之間的溫度補(bǔ)償層。
16.—種形成具有布拉格反射器的壓電諧振器的方法,其包括: 在襯底上方沉積較低和較高聲學(xué)阻抗材料的交替介電層； 在所述交替介電層上方沉積第一諧振器電極； 在所述第一諧振器電極上方沉積壓電層； 在所述壓電層上方沉積第二諧振器電極；以及 在所述第二諧振器電極上方沉積有源加熱器層。
17.根據(jù)權(quán)利要求16所述的方法，進(jìn)一步包括在所述襯底和所述交替介電層之間沉積溫度傳感器層。
18.根據(jù)權(quán)利要求16所述的方法，進(jìn)一步包括在所述襯底和所述交替介電層之間沉積溫度補(bǔ)償層。
【文檔編號(hào)】H01L41/08GK104321893SQ201380025923
【公開(kāi)日】2015年1月28日 申請(qǐng)日期:2013年5月31日 優(yōu)先權(quán)日:2012年5月31日
【發(fā)明者】B·N·伯吉斯, W·R·克萊尼克, S·M·雅各布森 申請(qǐng)人:德克薩斯儀器股份有限公司