采用适合工艺技术制造硅MEMS振荡器

2006-05-26 14:09:15来源: 电子系统设计

对MEMS振荡器的已超过四十个年头,然而最近才走向商用化,其中最大的一个障碍是开发一种经济并足够纯净的密闭封装系统。MEMS振荡器必须密封于非常洁净的环境,因为即使极小的表面污染物也会明显改变振荡频率。另外,由于封装对成本敏感,所以封装还必须低成本。

因此,MEMS振荡器的封装必须满足四大要求:(1)提供极其洁净的内部环境;(2)提供稳定的机械结构;(3)小型化,适合CMOS集成并能发挥MEMS的长处;(4)低成本。

SiTime公司的MEMS-First晶圆级密闭和封装技术可满足这些要求。SiTime公司的MEMS振荡器通过在晶圆表面下掩埋外延层密封多晶硅技术来实现密闭,并与驱动电路一起,经过划片,浇铸成标准塑料封装集成电路。这种密闭和封装技术并不昂贵且非常洁净,采用这种技术制造出来的硅MEMS振荡器具有与石英振荡器相似的性能,有望实现大规模商业应用。

要特别注意参考振荡器的封装清洁度,未封装的振荡器每天的漂移可达上百ppm数量级。主导时间参考源市场的石英振荡器通常采用金属封装或真空陶瓷封装,对MEMS振荡器也可采用类似的封装,但存在稳定性问题。阳极氧化绑定覆盖技术能为某些应用的振荡器类型提供洁净的环境,但仍达不到足够的洁净,而且不具备普遍性。

MEMS振荡器的封装应该利用MEMS的长处,即小尺寸、可与CMOS工艺集成,以及集成电路制造技术带来的成本降低。否则,MEMS振荡器很难与成熟的石英技术竞争。

当MEMS需要耐用的覆盖时,通常方案包括大型显微机械加工硅或由玻璃覆盖的晶圆的晶圆绑定。晶圆绑定技术已经量产,例如它们已用于Bosch公司的安全气袋和偏航传感器应用。晶圆绑定技术包括如玻璃熔化、焊接、压缩绑定等。

尽管这种覆盖需要提供机械保护,但只在一些特殊情况下能为时钟参IC提供足够洁净的环境。绑定覆盖导致系统成本明显上升,通常超过振荡器本身的成本。它们需要装配和晶圆到晶圆的覆盖对准,并使MEMS器件的厚度加倍,还需要很大的芯片面积用于放置密闭环和绑定焊盘。密闭环和绑定焊盘可能占用80%~90%的芯片面积,其成本占封装后MEMS振荡器成本的80%~90%以上。

薄膜封装技术是绑定覆盖的一种替代技术,通常基于薄膜层,如低压化学气相淀积(LPCVD)氮化物或多晶,或基于镀金金属。这种技术不存在大的密封环,且不受绑定布局的限制,但通常不能耐受注塑成型的压力,无法为频率参考源提供足够的洁净。SiTime的密封技术基于外延多晶,并由氧化物密封,它针对耐受加速环境应用而设计,而不是为洁净环境而优化。

对氧化物密封封装测试结果表明:当温度发生变化时,谐振器存在数十ppm的频率迟滞。外延密封的谐振器被成功地应用于谐振压力传感器,这种谐振器采用纯净的单晶工艺电化学结构的封装。

SiTime的密封不需要密封圈或严格的绑定焊盘,而且电气连接可以引到芯片表面的任意适当位置,以更有效地使用芯片面积(芯片面积只有采用绑定覆盖技术的十分之一)。这种密封的机械强度很高,在改变芯片封装注塑成形工艺情况下能承受几百个大气压。这种密封同时还能提供非常纯洁和稳定的真空环境,非常适合参考振荡器应用。这里给出的密封MEMS振荡器稳定性数据与石英晶体振荡器相似。最后值得一提的是,该产品工艺非常经济,可大大节约成本。

加工工艺

SiTime谐振器的制造过程如图1所示:(1)在10-20um厚SOI(绝缘体硅)衬底上通过反应离子刻蚀(DRIE)形成谐振器结构图案;(2) 淀积一层氧化物并形成图案,以覆盖被选择的谐振器部分,并提供到驱动和感应电极的电气接触;(3)淀积1.5um厚的外延层并形成至氧化物的焊盘;(4)由通孔挖除谐振器结构自由空间上下的氧化物;(5)谐振腔用SiTime的EpiSeal工艺密封于外延环境,形成洁净的密封空间;(6)晶圆通过化学机械抛光(CMP)形成平面,绝缘延伸形成接触图案,弯曲成10-20um厚的外延多晶密封层;(7)淀积形成绝缘氧化层、金属连接和掩膜,或者制作CMOS。

去除氧化物之后,第一次和第二次淀积在氧化层和单晶上淀积生长多晶硅,通过将CMP暴露在单晶体光滑区域使之能集成CMOS电路。环形空腔的真空度高达接近10mT,本质上能防止水污染和高气压污染。

图2是工艺在接触与金属化之前产生的完整的扫描隧道显微镜(SEM)结构图,从中可看到封装与谐振器的晶圆表面和剖面结构。

密封的谐振器经过划片,并以标准的注塑模具进行封装。图3给出了一种2.5×2.0×0.85mm塑料封装的设计原理,即将MEMS谐振器安装在CMOS驱动电路之上。这种封装方法经济有效,是QFN/MLF技术的折衷考虑。它是振荡器中的一种极小封装,并且将来尺寸会更小。

测量结果

测量结果显示,采用这种封装的MEMS振荡器在初始频率稳定性、长时间频率稳定性、长时间封装密封性能、耐温特性以及循环温度稳定性方面,与石英振荡器相当。

图4给出了一种温补密封MEMS振荡器的初始频率稳定度测试数据。这些数据在50℃温度下起振几分钟后开始收集,结果显示超过14天的振荡漂移小于50ppm。图5是振荡器在25℃温度下工作8,000小时的长时频率稳定度数据,测量到的总漂移2ppm在测量仪器定义的3ppm范围内。

图6显示了在进行温度循环试验时两个振荡器的频率稳定度。数据在-50℃到+80℃正温度循环和负温度循环中的30℃情况下获得,数据采集自600个温度循环,以3ppm为规范容许范围则没有频率漂移。

图7为补偿后的频率稳定性数据, 温度从-40℃到+85℃范围内扫描两次并返回到-40℃。整个温度范围的总频率误差小于100ppm (200ppm测量噪底,30ppm测量误差),迟滞大约小于50ppm。

这些结果与石英振荡器的性能具有可比性。由于仪器自身的限制,谐振和封装技术的潜能还没有被充分体现出来。测量由高性能的实验室仪器完成,这反映了该技术本身的潜能,而不是产品规范定义的范围。

总之,本文展示了一种适用于MEMS振荡器的制造工艺,以及一组可与传统的石英晶体技术相媲美的测量数据。这些测量数据是目前为止得到的最稳定的MEMS振荡器数据。此MEMS振荡器适合商业应用。

关键字:纯净  振荡  频率  稳定

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