TM
SiTime MEMS First 工艺
目录
1
引言........................................................................................................................................................................1
1.1 封装...............................................................................................................................................................1
1.2 稳定性...........................................................................................................................................................2
1.3 耐久性...........................................................................................................................................................2
1.4 尺寸...............................................................................................................................................................2
1.5 可制造性......................................................................................................................................................2
1.6 质量...............................................................................................................................................................2
2
MEMS FirstTM 工艺流程详解........................................................................................................................3
.1 谐振器定义..................................................................................................................................................3
.2 氧化物填充..................................................................................................................................................3
.3 通气孔的形成 .............................................................................................................................................4
.4 谐振器结构释放.........................................................................................................................................4
.5 谐振器密封..................................................................................................................................................5
.6 电气通孔的形成.........................................................................................................................................5
.7 金属导线层..................................................................................................................................................6
3
MEMS First 工艺的特性与优势 .................................................................................................................6
结论........................................................................................................................................................................6
1
引言
MEMS FirstTM 是 SiTime 用于制造硅谐振器晶片的工艺。它可生产完全封装在硅材料中的、极
其稳定且高持久性的超小型谐振器。由于该工艺采用标准 CMOS 晶圆代工厂工具及材料,因而其
产品不仅很容易制造,而且还具有优异的质量和可靠性。此外,以大型晶圆形式生产,还可实现
大批量快速量产。以下章节将更加详细地介绍 MEMS FirstTM 工艺的各个重要方面。
1
.1 封装
TM
在开发出 MEMS First
工艺之前,封装是阻碍 MEMS 谐振器实现商业化的最大问题。
TM
MEMS First 工艺能生产出在单独超净真空腔中密封的谐振器的成品晶圆,从而消除这一制约。
这些晶圆不仅看上去很像标准 CMOS 晶圆,而且还可采用塑封铸模 (plastic molding)、倒装芯
片(Flip Chip)以及芯片堆叠等业界标准 IC 封装工艺进行封装。
SiT-AN20001 修订版 1.8
1
www.sitime.com/cn
TM
SiTime MEMS First 工艺
1
.2 稳定性
TM
TM
MEMS First 工艺的气密封装特性称为 Epi-Seal ,该特性是在清洁真空环境中以极高温度实现
的。这有利于谐振器的高稳定性。使用陶瓷封装或晶圆键合 (wafer bonding) 的常规低温封装会
TM
在封装中残留挥发性有机物和水,导致谐振器的质量负载和频率漂移。支持
Epi-Seal
的
TM
MEMS First 是唯一经过验证的制造工艺,能生产出稳定性达到甚至超过石英晶振的谐振器。
1
.3 耐久性
MEMS First 封装包络强度高且高度经久耐用。谐振器在外一层硅材料的保护下,能承受高达 100
bar 或 1500 PSI 的塑封铸模高压。MEMS First 封装可在这种压力下保持完好无损。
1
.4 尺寸
与晶圆片键合等其它封装方法相比,MEMS First 封装无需额外的芯片面积。MEMS First 成品晶
圆底衬厚度不足 100 um。因此 SiTime 谐振器和振荡器堪称是世界上最纤小、最薄的产品。
1
.5 可制造性
SiTime 使用业界一流的 200 毫米 CMOS 制造工具及设施,从而可采用标准供应链获得调度稳定
性、产量可扩展性以及生产经济性的所有优势。
1
.6 质量
现代 CMOS 晶圆厂的显著特点是:他们能够在最佳控制情况下,精确地重复晶圆之间、批次之间
以及年与年之间的各个制造步骤。SiTime 利用这种高度精确的重复性生产出具备优异质量的谐振
器。
SiT-AN20001 修订版 1.8
2
www.sitime.com/cn
TM
SiTime MEMS First 工艺
2
.5 谐振器密封
谐振器真空腔体密封的工艺是形成稳
定谐振器的关键,使其频率不会随时
间飘移,也不会在器件焊接在印刷电
路板 (PCB) 上时发生变化。SiTime 的
TM
Epi-Seal
工艺先清洁谐振器和真空
腔,然后在高温外延晶体生长反应炉中
封闭先前的通气孔。热氢气和氯气可清
洁谐振器,而含硅气体的化学反应可在
通气孔中沉淀多晶硅,封闭超级纯净的
微型空腔。在薄层密闭之后,继续用
外延生长方式形成厚的耐久硅封装层。谐振器周围的腔体可保持超净真空。
2
.6 电气通孔的形成
谐振器和电极的连接需要电气通孔。
先蚀刻沟槽再填充导体材料,让电极
和谐振器之间形成电气连接。
SiT-AN20001 修订版 1.8
5
www.sitime.com/cn
TM
SiTime MEMS First 工艺
2
.7 金属导线层
谐振器与外界的电气互联是通过铝金
属层导线和接合焊盘实现的,该工艺
最后还在金属导线层上覆盖氧化硅及
氮化硅的防刮硬膜层。
TM
3
MEMS First 工艺的特性与优势
TM
表 1: MEMS First 工艺的特性与优势
特性
优势
标准流程与材料
利用现有供应链来降低成本
业界标准工艺控制与 6 西格玛理念
高温工艺过程中完成封装保护的 MEMS 结构
标准的 IC 后端工艺(封装与测试)
更高的良率、质量及可靠性
更小的尺寸、更高的稳定性、可靠性和质量
利用现有供应链降低成本
4
结论
SiT-AN20001 修订版 1.8
6
www.sitime.com/cn
TM
SiTime MEMS First 工艺
表 2: 修订记录
Version
Release Date
03/15/2018
09/14/2018
Change Summary
1
.0
.8
Original doc
Document was re-structured
1
SiTime Corporation, 5451 Patrick Henry Drive, Santa Clara, CA 95054, USA | 电话: +1-408-328-4400 | 传真: +1-408-328-4439
©
SiTime 公司 2008 年 - 2018 年版权所有。SiTime 对本文所含信息保留随时更改的权力,恕不另行通知。对于因如下情形而给产
品造成任何部分或全部损失、损坏或缺陷的情况,SiTime 概不承担任何责任或义务:(i) 使用非 SiTime 产品所包含的任何电路系统
(ii) 对产品的误用或滥用,其中包括静电放电、疏忽或事故;(iii) 对产品在装配时已经焊接或变更的部位进行未经授权的修改或修
;
理,而且 SiTime 无法在正常测试条件下对相关修改或修理进行测试;或 (iv) 错误的安装、存储、处理、仓储或运输,或 (v) 将产品
置于非正常的物理、热力或电气应力环境下。
免责声明:SiTime 不做与本材料相关的任何明示或暗示的保证。具体而言,SiTime 对本材料、任何 SiTime 产品及任何产品文档概
不做实际或法律、法规或其它方面任何明示或暗示的保证,其中包括对使用或特定目的的适销性及适用性的暗示性保证,以及因任
何交易过程或商业惯例所产生的,以及任何与准确性或忽略过失相关的普通法律义务而产生的暗示性担保。SiTime 出售的产品既不
适用于也无意应用于如下方面:生命支持应用或作为生命支持组件、核设施运行,或其他可能涉及或危及人类生命安全的任务关键
型应用领域。
SiT-AN20001 修订版 1.8
7
www.sitime.com/cn