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SiTime 的 MEMS First 和 EpiSeal 工藝

來源：http://www.lbfp.com.cn 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，因此它們生產的產品具有高度可制造性、卓越的質量和可靠性。此外，大硅片規格的生產可實現大批量和快速的產量增加。以下部分更詳細地探討了 MEMS First 和 EpiSeal 工藝的關鍵方面。

1.1 封裝

在開發 MEMS First 工藝之前，封裝是制約 MEMS 諧振器商業化的首要問題。MEMS First 工藝通過生產帶有封閉在單個微真空室內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境中完成的。這導致了諧振器的高穩定性。傳統的低溫封裝使用陶瓷封裝或晶圓鍵合，會在封裝中留下揮發性有機物和水殘留物，從而導致諧振器的質量負載和頻率漂移。采用 EpiSeal 的 MEMS First 是唯一一種經驗證的制造工藝，其生產的諧振器的穩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，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 制造工具和設施，支持使用標準供應鏈，具有調度可靠性、產量可擴展性和生產經濟性等優勢。

1.6 質量

現代 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質量優化的諧振器。

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）蒸氣去除諧振結構周圍的氧化物。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 密封工藝是形成穩定諧振器的關鍵，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器中關閉的通風口。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 工藝的特點和優勢

特征

標準工藝和材料

行業標準的過程控制和 6 西格瑪理念

高溫在線封裝以保護 MEMS 結構

標準 IC 后端（封裝和測試）

好處

利用現有供應鏈降低成本