一種適用于MEMS振蕩器的制造工藝介紹與分析

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一種經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）提供極其潔凈的內部環境；（2）提供穩定的機械結構；（3）小型化，適合CMOS集成并能發揮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來實現密閉，并與驅動電路一起，經過劃片，澆鑄成標準塑料封裝集成電路。這種密閉和封裝技術并不昂貴且非常潔凈，采用這種技術制造出來的硅MEMS振蕩器具有與石英振蕩器相似的性能，有望實現大規模商業應用。

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，但存在穩定性問題。陽極氧化綁定覆蓋技術能為某些應用的振蕩器類型提供潔凈的環境，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的長處，即小尺寸、可與CMOS工藝集成，以及集成電路制造技術帶來的成本降低。否則，MEMS振蕩器很難與成熟的石英技術競爭。

當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。晶圓綁定技術已經量產，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鐘參IC提供足夠潔凈的環境。綁定覆蓋導致系統成本明顯上升，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，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和綁定焊盤。密閉環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。

薄膜封裝技術是綁定覆蓋的一種替代技術，通?；诒∧?，如低壓化學氣相淀積（LPCVD）氮化物或多晶，或基于鍍金金屬。這種技術不存在大的密封環，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的密封技術基于外延多晶，并由氧化物密封，它針對耐受加速環境應用而設計，而不是為潔凈環境而優化。

對氧化物密封封裝測試結果表明：當溫度發生變化時，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結構的封裝。

SiTime的密封不需要密封圈或嚴格的綁定焊盤，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定的真空環境，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，該產品工藝非常經濟，可大大節約成本。

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；（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工藝密封于外延環境，形成潔凈的密封空間；（6）晶圓通過化學機械拋光（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域使之能集成CMOS電路。環形空腔的真空度高達接近10mT，本質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。

密封的諧振器經過劃片，并以標準的注塑模具進行封裝。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驅動電路之上。這種封裝方法經濟有效，是QFN/MLF技術的折衷考慮。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、長時間頻率穩定性、長時間封裝密封性能、耐溫特性以及循環溫度穩定性方面，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始收集，結果顯示超過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小時的長時頻率穩定度數據，測量到的總漂移2ppm在測量儀器定義的3ppm范圍內。

圖6顯示了在進行溫度循環試驗時兩個振蕩器的頻率穩定度。數據在-50℃到+80℃正溫度循環和負溫度循環中的30℃情況下獲得，數據采集自600個溫度循環，以3ppm為規范容許范圍則沒有頻率漂移。

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，諧振和封裝技術的潛能還沒有被充分體現出來。測量由高性能的實驗室儀器完成，這反映了該技術本身的潛能，而不是產品規范定義的范圍。

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振蕩器適合商業應用。