Frequenzgenauigkeit von Silizium-basierten mikroelektromechanischen, passiv kompensierten Resonatoren für Kraftfahrzeug-Anwendung

Frequency accuracy of silicon based microelectromechanical passivley compensated resonators for automotive applications

  • Silizium-basierte mikroelektromechanische Resonatoren können aufgrund Ihrer hervorragenden elektrischen Eigenschaften, den kleinen Abmessungen und der Möglichkeit der Integration mit dem Anwendungsschaltkreis Quarz-Resonatoren als Frequenzreferenz ersetzen. Eine Herausforderung im Zusammenhang mit mikroelektromechanischen Resonatoren ist deren Frequenzgenauigkeit. Aufgrund von Prozessschwankungen kann die Resonanzfrequenz deutlich variieren. Zudem zeigt die Eigenfrequenz von unkompensierten Silizium-basierten Resonatoren eine ausgeprägte Abhängigkeit von der Temperatur. Im Rahmen der vorliegenden Arbeit werden die Quellen für Frequenzvariationen theoretisch und experimentell untersucht. ZudeSilizium-basierte mikroelektromechanische Resonatoren können aufgrund Ihrer hervorragenden elektrischen Eigenschaften, den kleinen Abmessungen und der Möglichkeit der Integration mit dem Anwendungsschaltkreis Quarz-Resonatoren als Frequenzreferenz ersetzen. Eine Herausforderung im Zusammenhang mit mikroelektromechanischen Resonatoren ist deren Frequenzgenauigkeit. Aufgrund von Prozessschwankungen kann die Resonanzfrequenz deutlich variieren. Zudem zeigt die Eigenfrequenz von unkompensierten Silizium-basierten Resonatoren eine ausgeprägte Abhängigkeit von der Temperatur. Im Rahmen der vorliegenden Arbeit werden die Quellen für Frequenzvariationen theoretisch und experimentell untersucht. Zudem werden Verfahren für die passive Kompensation der Auswirkungen von Prozessstreuungen auf die Frequenz und für die Reduktion der Temperaturabhängigkeit der Resonanzfrequenz diskutiert und evaluiert. Die theoretischen Überlegungen über die Auswirkungen von Prozessvariationen erfolgen für drei verschiedene beidseitig eingespannte Balken mittels analytischer Betrachtung und Finiter-Elemente-Methode Simulationen. Der Wheel-Resonator wird lediglich mittels Simulation untersucht. Die Ergebnisse zeigen, dass die beiden Hauptquellen für Frequenzvariationen aufgrund von Prozessvariationen die Definition der Resonatorgeometrie mittels Lithographie und anschließendem Ätzen, sowie das darauf folgende Polysiliziumspacer-Modul sind. Der Polysiliziumspacer reduziert den Anregespalt des Resonators von 800 nm und 400 nm. Die ermittelten Frequenzvariationen sind von der Grundgeometrie sowie von den Abmessungen der Resonatoren abhängig. Für die drei untersuchten beidseitig angespannten Balken werden Frequenzvariation zwischen 16000 ppm und 31000ppm gemessen. Die Frequenzabweichungen des Wheel-Resonator sind mit 5500 ppm bis 8800 ppm deutlich geringer. Anhand der experimentellen Untersuchungen zeigt sich zudem, dass ein interner Stress deutlichen Einfluss auf die Eigenfrequenz hat. Durch einen Ausheilschritt bei hohen Temperaturen und für lange Zeit können die Stressverteilung minimiert und somit die Frequenzvariation reduziert werden. Zur passiven Kompensation der Auswirkungen von Prozessstreuungen wird die lokale Dotierung mit Bor und Arsen untersucht. Mittels Bor lässt sich die Resonanzfrequenz in um bis zu 2348 ppm hin zu positiveren Werten verändern. Die Dotierung mit Arsen hat eine Reduktion der Eigenfrequenz von maximal 2595 ppm zur Folge. Die Größe der Frequenzveränderung ist in beiden Fällen von der Dotierlokation abhängig. Als weitere Quelle von Frequenzvariationen wird die Temperaturabhängigkeit der Resonanzfrequenz von Silizium-basierten Resonatoren untersucht. Die Untersuchungen erfolgen wiederum an drei beidseitig eingespannten Balken und am Wheel-Resonator. Theoretische Betrachtungen und experimentelle Ergebnisse zeigen, dass der Temperaturkoeffizient erster Ordnung der Resonanzfrequenz in Abhängigkeit der Geometrie und des thermischen Budgets während der Prozessierung zwischen -20 ppm/K und -31ppm/K liegt. Als Hauptquelle für das Sinken der Resonanzfrequenz mit steigender Temperatur wird das Erweichen des verwendeten monokristallinen Siliziums identifiziert. Aus den experimentellen Untersuchungen zeigt sich zudem, dass thermischer und interner Stress einen deutlichen Einfluss auf die Temperaturabhängigkeit von beidseitig angespannten Balken haben können. Das Embedded-Oxide Konzept wird als passive Kompensationmethode des Temperaturgangs diskutiert. Anhand von Simulationsergebnissen wird gezeigt, dass durch die Kombination des Resonatormaterials mit Siliziumdioxid der Temperaturkoeffizient erster Ordnung der Resonanzfrequenz auf Werte kleiner 1 ppm/K reduziert werden kann. Für einen stark kompensierten Resonator ergibt sich ein temperaturbedingter Restfehler von -137 ppm für einen Temperaturbereich von -40°C bis 125°C. Kompensierte Resonatoren werden mittels des Oxide-Fill-Prozess, der im Rahmen der Arbeit entwickelt wird, gefertigt. Rasterelektronenmikroskopaufnahmen des Querschnitts der gefertigten Resonatoren zeigen die Ausbildung von Voids innerhalb der Siliziumdioxidschicht. Die ermittelten Temperaturkoeffizienten erster Ordnung der Resonanzfrequenz der gefertigten Strukturen sind dennoch kleiner als aufgrund der Simulationen erwartet wird. Beide vorgestellten Kompensationskonzepte eignen sich für die Herstellung von Silizium-basierten mikroelektromechanischen Resonatoren mit einer Gesamtfrequenzvariation im Bereich einiger hundert ppm.show moreshow less
  • Silicon based MEMS-Resonators are seen as a perfect replacement for quartz crystals in timing and frequency reference applications due to their small size and the ability to integrate them with the application circuit. However one challenge is still the frequency accuracy of those resonators. This thesis deals with the two main contributors to frequency errors, namely the drift of the resonant frequency with temperature and the initial frequency variation due to process variations. The application focus for the investigated resonators is thereby the mobile automotive environment. In a first step the main sources of the initial frequency error due to process variations are identified to be thSilicon based MEMS-Resonators are seen as a perfect replacement for quartz crystals in timing and frequency reference applications due to their small size and the ability to integrate them with the application circuit. However one challenge is still the frequency accuracy of those resonators. This thesis deals with the two main contributors to frequency errors, namely the drift of the resonant frequency with temperature and the initial frequency variation due to process variations. The application focus for the investigated resonators is thereby the mobile automotive environment. In a first step the main sources of the initial frequency error due to process variations are identified to be the lithography and subsequent structuring to form the geometry of the resonator and the consecutive spacer-module. Those steps reduce the initial actuation gap width from 800 nm to 400 nm. Theoretical and experimental investigations are carried out with three different kinds of clamped-clamped-beams and with a 13 MHz wheel-resonator. The theoretical analysis of the clamped-clamped beams is thereby based on an analytical and a simulation approach. The analysis of the effect of process variations on the resonant frequency of a wheel-resonator is executed only by simulation. The simulations are carried out using ANSYS finite element software. In order to verify the theoretical model clamped-clamped-beams and wheel-resonators are characterized on five different wafers from the same processing lot. The processing of the five wafers differs only by an annealing step, which is performed prior to the geometry formation. The relative frequency variation of the clamped-clamped-beams is determined to be between 16000 ppm and 31000 ppm depending on the geometrical dimensions of the resonators. The measured values are slightly smaller than predicted by the theoretical model. The wheel-resonators show a smaller frequency variation in comparison with the clamped-clamped-beams. It has a minimum of 5500 ppm and a maximum 8800 ppm depending on the investigated wafer. It is observed that the internal stress distribution within the device layer can have a large impact on the frequency variations. A high temperature, long time annealing step leads to a more conformal stress distribution and therefore reduces the frequency variations. par Local doping of the resonators with arsenic and boron is investigated as a passive compensation technique for process variations. Depending on the location of doping the resonant frequency can be shifted by up to 2348 ppm in the positive direction using boron as doping species. In contrast to that local doping with arsenic reduces the resonant frequency of a wheel-resonator by up to 2595 ppm. Smaller steps in frequency shift can be achieved by changing the location of the doping. The proposed technique is therefore capable to dramatically reduce the initial frequency variations of the resonators. As a second source for frequency inaccuracy the thermal drift of the natural frequency is investigated. Theoretical and experimental investigations show that the temperature coefficient of the resonant frequency for an uncompensated silicon based resonator is within -20 ppm/K and -31 ppm/K depending on the resonator geometry and the temperature budget during processing. The main source of the frequency variation is found to be the softening of the resonator material with increasing temperature. In addition experimental observations show that thermal and internal stresses play an important role for the temperature dependence of the resonant frequency of clamped-clamped-beams.par A passive temperature compensation technique using embedded oxide is proposed. By simulation it is shown that the first order temperature coefficient of the resonant frequency can be reduced to values below 1 ppm/K, which leads to a remaining frequency variation of -137 ppm for a temperature range from -40°C to 125°C. To implement resonators with embedded oxide the oxide fill process is developed and verified experimentally. The fabricated resonators are characterized electrically and by means of a scanning electron microscope. From the scanning electron microscope pictures it can be seen that voids are formed within the silicon dioxide which serves as temperature compensation layer. However the extracted temperature coefficients of the resonant frequency are even lower than predicted by simulation. This reduces the amount of silicon dioxide needed to compensate the silicon softening. The results therefore show that resonators with an overall frequency variation of a few hundred ppm can be manufactured by using passive compensation techniques for both process variations and temperature drift.show moreshow less

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Metadaten
Author:Florian Schön
URN:urn:nbn:de:bvb:29-opus-17302
Advisor:Robert Weigel
Document Type:Doctoral Thesis
Language:German
Year of Completion:2009
Publishing Institution:Friedrich-Alexander-Universität Erlangen-Nürnberg (FAU)
Granting Institution:Friedrich-Alexander-Universität Erlangen-Nürnberg (FAU), Technische Fakultät
Date of final exam:2009/12/18
Release Date:2010/05/07
Tag:Frequentgenauigkeit
Frequency accuracy
SWD-Keyword:Kompensation; MEMS; Mikromechanik; Resonator; Silicium
Institutes:Technische Fakultät / Technische Fakultät -ohne weitere Spezifikation-
Dewey Decimal Classification:Technik, Medizin, angewandte Wissenschaften / Ingenieurwissenschaften / Ingenieurwissenschaften und zugeordnete Tätigkeiten
open_access (DINI-Set):open_access

$Rev: 13581 $