中心議題：
- SiTime公司的MEMS-First晶圓級密閉和封裝技術(shù)可滿(mǎn)足小型化、低成本等要求
- 介紹適用于MEMS振蕩器的制造工藝以及一組可與傳統技術(shù)相媲美的測量數據
解決方案：
- 在晶圓表面下掩埋外延層密封多晶硅技術(shù)來(lái)實(shí)現密閉
- 經(jīng)濟有效的封裝方法是將MEMS諧振器安裝在CMOS驅動(dòng)電路之上
對MEMS振蕩器的已超過(guò)四十個(gè)年頭，然而最近才走向商用化，其中最大的一個(gè)障礙是開(kāi)發(fā)一種經(jīng)濟并足夠純凈的密閉封裝系統。MEMS振蕩器必須密封于非常潔凈的環(huán)境，因為即使極小的表面污染物也會(huì )明顯改變振蕩頻率。另外，由于封裝對成本敏感，所以封裝還必須低成本。
因此，MEMS振蕩器的封裝必須滿(mǎn)足四大要求：(1)提供極其潔凈的內部環(huán)境；(2)提供穩定的機械結構；(3)小型化，適合CMOS集成并能發(fā)揮MEMS的長(cháng)處；(4)低成本。
SiTime公司的MEMS-First晶圓級密閉和封裝技術(shù)可滿(mǎn)足這些要求。SiTime公司的MEMS振蕩器通過(guò)在晶圓表面下掩埋外延層密封多晶硅技術(shù)來(lái)實(shí)現密閉，并與驅動(dòng)電路一起，經(jīng)過(guò)劃片，澆鑄成標準塑料封裝集成電路。這種密閉和封裝技術(shù)并不昂貴且非常潔凈，采用這種技術(shù)制造出來(lái)的硅MEMS振蕩器具有與石英振蕩器相似的性能，有望實(shí)現大規模商業(yè)應用。
要特別注意參考振蕩器的封裝清潔度，未封裝的振蕩器每天的漂移可達上百ppm數量級。主導時(shí)間參考源市場(chǎng)的石英振蕩器通常采用金屬封裝或真空陶瓷封裝，對MEMS振蕩器也可采用類(lèi)似的封裝，但存在穩定性問(wèn)題。陽(yáng)極氧化綁定覆蓋技術(shù)能為某些應用的振蕩器類(lèi)型提供潔凈的環(huán)境，但仍達不到足夠的潔凈，而且不具備普遍性。
MEMS振蕩器的封裝應該利用MEMS的長(cháng)處，即小尺寸、可與CMOS工藝集成，以及集成電路制造技術(shù)帶來(lái)的成本降低。否則，MEMS振蕩器很難與成熟的石英技術(shù)競爭。
當MEMS需要耐用的覆蓋時(shí)，通常方案包括大型顯微機械加工硅或由玻璃覆蓋的晶圓的晶圓綁定。晶圓綁定技術(shù)已經(jīng)量產(chǎn)，例如它們已用于Bosch公司的安全氣袋和偏航傳感器應用。晶圓綁定技術(shù)包括如玻璃熔化、焊接、壓縮綁定等。
盡管這種覆蓋需要提供機械保護，但只在一些特殊情況下能為時(shí)鐘參IC提供足夠潔凈的環(huán)境。綁定覆蓋導致系統成本明顯上升，通常超過(guò)振蕩器本身的成本。它們需要裝配和晶圓到晶圓的覆蓋對準，并使MEMS器件的厚度加倍，還需要很大的芯片面積用于放置密閉環(huán)和綁定焊盤(pán)。密閉環(huán)和綁定焊盤(pán)可能占用80%~90%的芯片面積，其成本占封裝后MEMS振蕩器成本的80%~90%以上。
薄膜封裝技術(shù)是綁定覆蓋的一種替代技術(shù)，通?；诒∧?，如低壓化學(xué)氣相淀積(LPCVD)氮化物或多晶，或基于鍍金金屬。這種技術(shù)不存在大的密封環(huán)，且不受綁定布局的限制，但通常不能耐受注塑成型的壓力，無(wú)法為頻率參考源提供足夠的潔凈。SiTime的密封技術(shù)基于外延多晶，并由氧化物密封，它針對耐受加速環(huán)境應用而設計，而不是為潔凈環(huán)境而優(yōu)化。
對氧化物密封封裝測試結果表明：當溫度發(fā)生變化時(shí)，諧振器存在數十ppm的頻率遲滯。外延密封的諧振器被成功地應用于諧振壓力傳感器，這種諧振器采用純凈的單晶工藝電化學(xué)結構的封裝。
SiTime的密封不需要密封圈或嚴格的綁定焊盤(pán)，而且電氣連接可以引到芯片表面的任意適當位置，以更有效地使用芯片面積(芯片面積只有采用綁定覆蓋技術(shù)的十分之一)。這種密封的機械強度很高，在改變芯片封裝注塑成形工藝情況下能承受幾百個(gè)大氣壓。這種密封同時(shí)還能提供非常純潔和穩定的真空環(huán)境，非常適合參考振蕩器應用。這里給出的密封MEMS振蕩器穩定性數據與石英晶體振蕩器相似。最后值得一提的是，該產(chǎn)品工藝非常經(jīng)濟，可大大節約成本。
加工工藝
SiTime諧振器的制造過(guò)程如圖1所示：(1)在10-20um厚SOI(絕緣體硅)襯底上通過(guò)反應離子刻蝕(DRIE)形成諧振器結構圖案；(2) 淀積一層氧化物并形成圖案，以覆蓋被選擇的諧振器部分，并提供到驅動(dòng)和感應電極的電氣接觸；(3)淀積1.5um厚的外延層并形成至氧化物的焊盤(pán)；(4)由通孔挖除諧振器結構自由空間上下的氧化物；(5)諧振腔用SiTime的EpiSeal工藝密封于外延環(huán)境，形成潔凈的密封空間；(6)晶圓通過(guò)化學(xué)機械拋光(CMP)形成平面，絕緣延伸形成接觸圖案，彎曲成10-20um厚的外延多晶密封層；(7)淀積形成絕緣氧化層、金屬連接和掩膜，或者制作CMOS。
去除氧化物之后，第一次和第二次淀積在氧化層和單晶上淀積生長(cháng)多晶硅，通過(guò)將CMP暴露在單晶體光滑區域使之能集成CMOS電路。環(huán)形空腔的真空度高達接近10mT，本質(zhì)上能防止水污染和高氣壓污染。
圖2是工藝在接觸與金屬化之前產(chǎn)生的完整的掃描隧道顯微鏡(SEM)結構圖，從中可看到封裝與諧振器的晶圓表面和剖面結構。
密封的諧振器經(jīng)過(guò)劃片，并以標準的注塑模具進(jìn)行封裝。圖3給出了一種2.5×2.0×0.85mm塑料封裝的設計原理，即將MEMS諧振器安裝在CMOS驅動(dòng)電路之上。這種封裝方法經(jīng)濟有效，是QFN/MLF技術(shù)的折衷考慮。它是振蕩器中的一種極小封裝，并且將來(lái)尺寸會(huì )更小。
測量結果
測量結果顯示，采用這種封裝的MEMS振蕩器在初始頻率穩定性、長(cháng)時(shí)間頻率穩定性、長(cháng)時(shí)間封裝密封性能、耐溫特性以及循環(huán)溫度穩定性方面，與石英振蕩器相當。
圖4給出了一種溫補密封MEMS振蕩器的初始頻率穩定度測試數據。這些數據在50℃溫度下起振幾分鐘后開(kāi)始收集，結果顯示超過(guò)14天的振蕩漂移小于50ppm。圖5是振蕩器在25℃溫度下工作8,000小時(shí)的長(cháng)時(shí)頻率穩定度數據，測量到的總漂移2ppm在測量?jì)x器定義的3ppm范圍內。
圖6顯示了在進(jìn)行溫度循環(huán)試驗時(shí)兩個(gè)振蕩器的頻率穩定度。數據在-50℃到+80℃正溫度循環(huán)和負溫度循環(huán)中的30℃情況下獲得，數據采集自600個(gè)溫度循環(huán)，以3ppm為規范容許范圍則沒(méi)有頻率漂移。
圖7為補償后的頻率穩定性數據, 溫度從-40℃到+85℃范圍內掃描兩次并返回到-40℃。整個(gè)溫度范圍的總頻率誤差小于100ppm (200ppm測量噪底，30ppm測量誤差)，遲滯大約小于50ppm。
這些結果與石英振蕩器的性能具有可比性。由于儀器自身的限制，諧振和封裝技術(shù)的潛能還沒(méi)有被充分體現出來(lái)。測量由高性能的實(shí)驗室儀器完成，這反映了該技術(shù)本身的潛能，而不是產(chǎn)品規范定義的范圍。
總之，本文展示了一種適用于MEMS振蕩器的制造工藝，以及一組可與傳統的石英晶體技術(shù)相媲美的測量數據。這些測量數據是目前為止得到的最穩定的MEMS振蕩器數據。此MEMS振蕩器適合商業(yè)應用。
