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SiTime 的 MEMS First 和 EpiSeal 工藝

來源：http://eitherspanlaw.com 作者：億金電子 2024年12月17

MEMS First™ 和 EpiSeal™ 是 SiTime晶振用于制造非常小的硅諧振器芯片的專有工藝，這些芯片完全封裝在硅中，非常穩(wěn)定且非常耐用。由于這些工藝使用標準的 CMOS 代工工具和材料，因此它們生產(chǎn)的產(chǎn)品具有高度可制造性、卓越的質(zhì)量和可靠性。此外，大硅片規(guī)格的生產(chǎn)可實現(xiàn)大批量和快速的產(chǎn)量增加。以下部分更詳細地探討了 MEMS First 和 EpiSeal 工藝的關(guān)鍵方面。

1.1 封裝

在開發(fā) MEMS First 工藝之前，封裝是制約 MEMS 諧振器商業(yè)化的首要問題。MEMS First 工藝通過生產(chǎn)帶有封閉在單個微真空室內(nèi)的諧振器的成品晶圓來消除這一限制。這些晶圓看起來像標準 CMOS 晶圓，可以使用行業(yè)標準的 IC 封裝工藝進行封裝，例如塑料成型、倒裝芯片、芯片堆棧和芯片級封裝。

1.2 穩(wěn)定性

MEMS First 工藝的氣密密封功能稱為 EpiSeal，是在非常高的溫度下在干凈的真空環(huán)境中完成的。這導致了諧振器的高穩(wěn)定性。傳統(tǒng)的低溫封裝使用陶瓷封裝或晶圓鍵合，會在封裝中留下?lián)]發(fā)性有機物和水殘留物，從而導致諧振器的質(zhì)量負載和頻率漂移。采用 EpiSeal 的 MEMS First 是唯一一種經(jīng)驗證的制造工藝，其生產(chǎn)的諧振器的穩(wěn)定性可與石英晶體相媲美或超過石英晶體。

1.3 耐用性

MEMS First 封裝堅固耐用。諧振器受到一層硅層保護，該硅層可以承受塑料成型中使用的高壓，最高可達 100 bar 或 1500 PSI。MEMS First 封裝在此壓力下保持完整。

1.4 規(guī)格

與晶圓鍵合等其他封裝方法相比，MEMS First 封裝不需要額外的芯片面積。成品 MEMS First 晶圓可以背接地至小于 100 um 的厚度。正因為如此，SiTime 諧振器是世界上最小、最薄的。此外，MEMS First 封裝支持使用先進的 IC 封裝技術(shù)，從而制造出世界上最小的振蕩器。

1.5 可制造性

SiTime 使用最先進的 200 毫米 CMOS 制造工具和設(shè)施，支持使用標準供應(yīng)鏈，具有調(diào)度可靠性、產(chǎn)量可擴展性和生產(chǎn)經(jīng)濟性等優(yōu)勢。

1.6 質(zhì)量

現(xiàn)代 CMOS 晶圓制造的一個突出特點是能夠以出色的控制方式，精確地重復晶圓與晶圓之間、批次與批次之間、年復一年的制造步驟。SiTime 利用這種高精度的可重復性來生產(chǎn)質(zhì)量優(yōu)化的諧振器。

2. 詳細的 MEMS First 工藝流程

2.1 Resonator 定義

起始材料是厚絕緣體上硅（SOI）晶圓。諧振器采用 Bosch 深反應(yīng)離子蝕刻（DRIE）工藝形成。

2.2 氧化物填充

通過用氧化物填充溝槽來平坦化晶片表面，并將氧化物圖案化以形成接觸孔。接觸孔經(jīng)過蝕刻，以便與諧振器和電極進行電氣連接。氧化物也從諧振器周圍的磁場區(qū)域去除。

2.3 通風口形成

薄硅層生長在氧化物的頂部，并在這些層中形成精細的通風口圖案。通風口可以去除諧振器周圍的氧化物，并位于諧振器上方，它們必須能夠自由振動。

2.4 Resonator 釋放

用氫氟酸（HF）蒸氣去除諧振結(jié)構(gòu)周圍的氧化物。此步驟定義了諧振器在其中工作的封閉真空腔的體積。在諧振器和電極錨定到襯底的地方，氧化物不會被去除。

2.5 EpiSeal 諧振器封裝

EpiSeal 密封工藝是形成穩(wěn)定諧振器的關(guān)鍵，當封裝部件焊接到印刷電路板（PCB）上時，其頻率不會隨時間漂移或偏移。SiTime 的 EpiSeal 工藝清潔諧振器和真空腔，然后密封高溫外延反應(yīng)器中關(guān)閉的通風口。熱氫氣和氯氣清潔諧振器，而含硅氣體將多晶硅沉積在通風口中以密封超潔凈腔。密封后，長出厚實耐用的封裝層。諧振器周圍的腔室保持超潔凈的真空。

2.6 過孔形成

對諧振器和電極進行電氣通孔。溝槽被蝕刻和填充，形成與電極和諧振器的接觸。

2.7 金屬化

電氣互連由鋁走線和焊盤制成，該過程在走線上涂上氧化硅和氮化物劃痕掩模。

3. MEMS First 工藝的特點和優(yōu)勢

特征

標準工藝和材料

行業(yè)標準的過程控制和 6 西格瑪理念

高溫在線封裝以保護 MEMS 結(jié)構(gòu)

標準 IC 后端（封裝和測試）

好處

利用現(xiàn)有供應(yīng)鏈降低成本