中心議題：

• SiTime公司的MEMS-First晶圓級密閉和封裝技術可滿足小型化
  、低成本等要求
• 介紹適用於MEMS振蕩器的製造工藝以及一組可與傳統技術相媲美的測量數據

解決方案：

• 在晶圓表麵下掩埋外延層密封多晶矽技術來實現密閉
• 經濟有效的封裝方法是將MEMS諧振器安裝在CMOS驅動電路之上
  

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並足夠純淨的密閉封裝係統。MEMS振zhen蕩dang器qi必bi須xu密mi封feng於yu非fei常chang潔jie淨jing的de環huan境jing，因yin為wei即ji使shi極ji小xiao的de表biao麵mian汙wu染ran物wu也ye會hui明ming顯xian改gai變bian振zhen蕩dang頻pin率lv。另ling外wai，由you於yu封feng裝zhuang對dui成cheng本ben敏min感gan，所suo以yi封feng裝zhuang還hai必bi須xu低di成cheng本ben。
 
因此，MEMS振蕩器的封裝必須滿足四大要求：(1)提供極其潔淨的內部環境；(2)提供穩定的機械結構；(3)小型化
，適合CMOS集成並能發揮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MEMSzhendangqitongguozaijingyuanbiaomianxiayanmaiwaiyancengmifengduojingguijishulaishixianmibi
，bingyuqudongdianluyiqi，jingguohuapian
，jiaozhuchengbiaozhunsuliaofengzhuangjichengdianlu。zhezhongmibihefengzhuangjishubingbuangguiqiefeichangjiejing
，caiyongzhezhongjishuzhizaochulaideguiMEMS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MEMSzhendangqiyekecaiyongleisidefengzhuang，dancunzaiwendingxingwenti。yangjiyanghuabangdingfugaijishunengweimouxieyingyongdezhendangqileixingtigongjiejingdehuanjing
，danrengdabudaozugoudejiejing，erqiebujubeipubianxing。

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，以及集成電路製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矽或由玻璃覆蓋的晶圓的晶圓綁定。晶圓綁定技術已經量產，例如它們已用於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
，但隻在一些特殊情況下能為時鍾參IC提供足夠潔淨的環境。綁定覆蓋導致係統成本明顯上升，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
，並使MEMS器件的厚度加倍，還需要很大的芯片麵積用於放置密閉環和綁定焊盤。密閉環和綁定焊盤可能占用80%~90%的芯片麵積，其成本占封裝後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，通常基於薄膜層，如低壓化學氣相澱積(LPCVD)氮(dan)化(hua)物(wu)或(huo)多(duo)晶(jing)，或(huo)基(ji)於(yu)鍍(du)金(jin)金(jin)屬(shu)。這(zhe)種(zhong)技(ji)術(shu)不(bu)存(cun)在(zai)大(da)的(de)密(mi)封(feng)環(huan)，且(qie)不(bu)受(shou)綁(bang)定(ding)布(bu)局(ju)的(de)限(xian)製(zhi)，但(dan)通(tong)常(chang)不(bu)能(neng)耐(nai)受(shou)注(zhu)塑(su)成(cheng)型(xing)的(de)壓(ya)力(li)，無(wu)法(fa)為(wei)頻(pin)率(lv)參(can)考(kao)源(yuan)提(ti)供(gong)足(zu)夠(gou)的(de)潔(jie)淨(jing)。SiTime的密封技術基於外延多晶，並由氧化物密封，它針對耐受加速環境應用而設計，而不是為潔淨環境而優化。
 
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於諧振壓力傳感器，這種諧振器采用純淨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麵的任意適當位置，以更有效地使用芯片麵積(芯片麵積隻有采用綁定覆蓋技術的十分之一)。這(zhe)種(zhong)密(mi)封(feng)的(de)機(ji)械(xie)強(qiang)度(du)很(hen)高(gao)
，在(zai)改(gai)變(bian)芯(xin)片(pian)封(feng)裝(zhuang)注(zhu)塑(su)成(cheng)形(xing)工(gong)藝(yi)情(qing)況(kuang)下(xia)能(neng)承(cheng)受(shou)幾(ji)百(bai)個(ge)大(da)氣(qi)壓(ya)。這(zhe)種(zhong)密(mi)封(feng)同(tong)時(shi)還(hai)能(neng)提(ti)供(gong)非(fei)常(chang)純(chun)潔(jie)和(he)穩(wen)定(ding)的(de)真(zhen)空(kong)環(huan)境(jing)，非(fei)常(chang)適(shi)合(he)參(can)考(kao)振(zhen)蕩(dang)器(qi)應(ying)用(yong)。這(zhe)裏(li)給(gei)出(chu)的(de)密(mi)封(feng)MEMS振蕩器穩定性數據與石英晶體振蕩器相似。最後值得一提的是，該產品工藝非常經濟
，可大大節約成本。

加工工藝
SiTime諧振器的製造過程如圖1所示：(1)在10-20um厚SOI(絕緣體矽)襯底上通過反應離子刻蝕(DRIE)形成諧振器結構圖案；(2) 澱積一層氧化物並形成圖案，以覆蓋被選擇的諧振器部分
，並提供到驅動和感應電極的電氣接觸；(3)澱積1.5um厚的外延層並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工藝密封於外延環境，形成潔淨的密封空間；(6)晶圓通過化學機械拋光(CMP)形成平麵，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)澱積形成絕緣氧化層、金屬連接和掩膜
，或者製作CMOS。 
 

去除氧化物之後，第一次和第二次澱積在氧化層和單晶上澱積生長多晶矽，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
，本質上能防止水汙染和高氣壓汙染。
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麵和剖麵結構。 
 

密封的諧振器經過劃片，並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，並且將來尺寸會更小。 
 

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麵，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℃溫度下起振幾分鍾後開始收集，結果顯示超過14天的振蕩漂移小於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範圍內。 
 

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為規範容許範圍則沒有頻率漂移。 
 

圖7為補償後的頻率穩定性數據, 溫度從-40℃到+85℃範圍內掃描兩次並返回到-40℃。整個溫度範圍的總頻率誤差小於100ppm (200ppm測量噪底，30ppm測量誤差)，遲滯大約小於50ppm。 
 

zhexiejieguoyushiyingzhendangqidexingnengjuyoukebixing。youyuyiqizishendexianzhi，xiezhenhefengzhuangjishudeqiannenghaimeiyoubeichongfentixianchulai。celiangyougaoxingnengdeshiyanshiyiqiwancheng，zhefanyinglegaijishubenshendeqianneng
，erbushichanpinguifandingyidefanwei。
 
總之，本文展示了一種適用於MEMS振蕩器的製造工藝
，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。