采用適合工藝技術(shù)制造硅MEMS振蕩器
對(duì)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)障礙是開發(fā)一種經(jīng)濟(jì)并足夠純凈的密閉封裝系統(tǒng)。MEMS振蕩器必須密封于非常潔凈的環(huán)境，因?yàn)榧词箻O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(duì)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足四大要求：(1)提供極其潔凈的內(nèi)部環(huán)境；(2)提供穩(wěn)定的機(jī)械結(jié)構(gòu)；(3)小型化，適合CMOS集成并能發(fā)揮MEMS的長(zhǎng)處；(4)低成本。
SiTime公司的MEMS-First晶圓級(jí)密閉和封裝技術(shù)可滿足這些要求。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(xiàn)密閉，并與驅(qū)動(dòng)電路一起，經(jīng)過(guò)劃片，澆鑄成標(biāo)準(zhǔn)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(xiàn)大規(guī)模商業(yè)應(yīng)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(dá)上百ppm數(shù)量級(jí)。主導(dǎo)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(duì)MEMS振蕩器也可采用類似的封裝，但存在穩(wěn)定性問(wèn)題。陽(yáng)極氧化綁定覆蓋技術(shù)能為某些應(yīng)用的振蕩器類型提供潔凈的環(huán)境，但仍達(dá)不到足夠的潔凈，而且不具備普遍性。
MEMS振蕩器的封裝應(yīng)該利用MEMS的長(zhǎng)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(jìng)爭(zhēng)。
當(dāng)MEMS需要耐用的覆蓋時(shí)，通常方案包括大型顯微機(jī)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(yīng)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(jī)械保護(hù)，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(dǎo)致系統(tǒng)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(duì)準(zhǔn)，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。密閉環(huán)和綁定焊盤可能占用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∧樱绲蛪夯瘜W(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(duì)耐受加速環(huán)境應(yīng)用而設(shè)計(jì)，而不是為潔凈環(huán)境而優(yōu)化。
對(duì)氧化物密封封裝測(cè)試結(jié)果表明：當(dāng)溫度發(fā)生變化時(shí)，諧振器存在數(shù)十ppm的頻率遲滯。外延密封的諧振器被成功地應(yīng)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(jié)構(gòu)的封裝。
SiTime的密封不需要密封圈或嚴(yán)格的綁定焊盤，而且電氣連接可以引到芯片表面的任意適當(dāng)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(jī)械強(qiáng)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(wěn)定的真空環(huán)境，非常適合參考振蕩器應(yīng)用。這里給出的密封MEMS振蕩器穩(wěn)定性數(shù)據(jù)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(jì)，可大大節(jié)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(yīng)離子刻蝕(DRIE)形成諧振器結(jié)構(gòu)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(qū)動(dòng)和感應(yīng)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；(4)由通孔
