采用適合工藝技術(shù)制造硅MEMS振蕩器

對MEMS振蕩器的已超過四十個年頭，然而最近才走向商用化，其中最大的一個障礙是開發(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，因為即使極小的表面污染物也會明顯改變振蕩頻率。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)定的機械結(jié)構(gòu)；(3)小型化，適合CMOS集成并能發(fā)揮MEMS的長處；(4)低成本。

SiTime公司的MEMS-First晶圓級密閉和封裝技術(shù)可滿足這些要求。SiTime公司的MEMS振蕩器通過在晶圓表面下掩埋外延層密封多晶硅技術(shù)來實現(xiàn)密閉，并與驅(qū)動電路一起，經(jīng)過劃片，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)制造出來的硅MEMS振蕩器具有與石英振蕩器相似的性能，有望實現(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。主導(dǎo)時間參考源市場的石英振蕩器通常采用金屬封裝或真空陶瓷封裝，對MEMS振蕩器也可采用類似的封裝，但存在穩(wěn)定性問題。陽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(dāng)MEMS需要耐用的覆蓋時，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(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械保護(hù)，但只在一些特殊情況下能為時鐘參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(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)，通常基于薄膜層，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(yīng)用而設(shè)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(jié)果表明：當(dāng)溫度發(fā)生變化時，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大氣壓。這種密封同時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諧振器的制造過程如圖1所示：(1)在10-20um厚SOI(絕緣體硅)襯底上通過反應(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)由通孔挖除諧振器結(jié)構(gòu)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多晶硅，通過將CMP暴露在單晶體光滑區(qū)域使之能集成CMOS電路。環(huán)形空腔的真空度高達(dá)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(jié)構(gòu)圖，從中可看到封裝與諧振器的晶圓表面和剖面結(jié)構(gòu)。

密封的諧振器經(jīng)過劃片，并以標(biāo)準(zhǔn)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(shè)計原理，即將MEMS諧振器安裝在CMOS驅(qū)動電路之上。這種封裝方法經(jīng)濟(jì)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，并且將來尺寸會更小。

測量結(jié)果

測量結(jié)果顯示，采用這種封裝的MEMS振蕩器在初始頻率穩(wěn)定性、長時間頻率穩(wěn)定性、長時間封裝密封性能、耐溫特性以及循環(huán)溫度穩(wěn)定性方面，與石英振蕩器相當(dāng)。

圖4給出了一種溫補密封MEMS振蕩器的初始頻率穩(wěn)定度測試數(shù)據(jù)。這些數(shù)據(jù)在50℃溫度下起振幾分鐘后開始收集，結(jié)果顯示超過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小時的長時頻率穩(wěn)定度數(shù)據(jù)，測量到的總漂移2ppm在測量儀器定義的3ppm范圍內(nèi)。

圖6顯示了在進(jìn)行溫度循環(huán)試驗時兩個振蕩器的頻率穩(wěn)定度。數(shù)據(jù)在-50℃到+80℃正溫度循環(huán)和負(fù)溫度循環(huán)中的30℃情況下獲得，數(shù)據(jù)采集自600個溫度循環(huán)，以3ppm為規(guī)范容許范圍則沒有頻率漂移。

圖7為補償后的頻率穩(wěn)定性數(shù)據(jù), 溫度從-40℃到+85℃范圍內(nèi)掃描兩次并返回到-40℃。整個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(jié)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)的潛能還沒有被充分體現(xiàn)出來。測量由高性能的實驗室儀器完成，這反映了該技術(shù)本身的潛能，而不是產(chǎn)品規(guī)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(tǒng)的石英晶體技術(shù)相媲美的測量數(shù)據(jù)。這些測量數(shù)據(jù)是目前為止得到的最穩(wěn)定的MEMS振蕩器數(shù)據(jù)。此MEMS振蕩器適合商業(yè)應(yīng)用。