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SiTime 的 MEMS First 和 EpiSeal 工艺

来源：http://www.hneyq.com 作者：亿金电子 2024年12月17

MEMS First™ 和 EpiSeal™ 是 SiTime晶振用于制造非常小的硅谐振器芯片的专有工艺，这些芯片完全封装在硅中，非常稳定且非常耐用。由于这些工艺使用标准的 CMOS 代工工具和材料，因此它们生产的产品具有高度可制造性、卓越的质量和可靠性。此外，大硅片规格的生产可实现大批量和快速的产量增加。以下部分更详细地探讨了 MEMS First 和 EpiSeal 工艺的关键方面。

1.1 封装

在开发 MEMS First 工艺之前，封装是制约 MEMS 谐振器商业化的首要问题。MEMS First 工艺通过生产带有封闭在单个微真空室内的谐振器的成品晶圆来消除这一限制。这些晶圆看起来像标准 CMOS 晶圆，可以使用行业标准的 IC 封装工艺进行封装，例如塑料成型、倒装芯片、芯片堆栈和芯片级封装。

1.2 稳定性

MEMS First 工艺的气密密封功能称为 EpiSeal，是在非常高的温度下在干净的真空环境中完成的。这导致了谐振器的高稳定性。传统的低温封装使用陶瓷封装或晶圆键合，会在封装中留下挥发性有机物和水残留物，从而导致谐振器的质量负载和频率漂移。采用 EpiSeal 的 MEMS First 是唯一一种经验证的制造工艺，其生产的谐振器的稳定性可与石英晶体相媲美或超过石英晶体。

1.3 耐用性

MEMS First 封装坚固耐用。谐振器受到一层硅层保护，该硅层可以承受塑料成型中使用的高压，最高可达 100 bar 或 1500 PSI。MEMS First 封装在此压力下保持完整。

1.4 规格

与晶圆键合等其他封装方法相比，MEMS First 封装不需要额外的芯片面积。成品 MEMS First 晶圆可以背接地至小于 100 um 的厚度。正因为如此，SiTime 谐振器是世界上最小、最薄的。此外，MEMS First 封装支持使用先进的 IC 封装技术，从而制造出世界上最小的振荡器。

1.5 可制造性

SiTime 使用最先进的 200 毫米 CMOS 制造工具和设施，支持使用标准供应链，具有调度可靠性、产量可扩展性和生产经济性等优势。

1.6 质量

现代 CMOS 晶圆制造的一个突出特点是能够以出色的控制方式，精确地重复晶圆与晶圆之间、批次与批次之间、年复一年的制造步骤。SiTime 利用这种高精度的可重复性来生产质量优化的谐振器。

2. 详细的 MEMS First 工艺流程

2.1 Resonator 定义

起始材料是厚绝缘体上硅（SOI）晶圆。谐振器采用 Bosch 深反应离子蚀刻（DRIE）工艺形成。

2.2 氧化物填充

通过用氧化物填充沟槽来平坦化晶片表面，并将氧化物图案化以形成接触孔。接触孔经过蚀刻，以便与谐振器和电极进行电气连接。氧化物也从谐振器周围的磁场区域去除。

2.3 通风口形成

薄硅层生长在氧化物的顶部，并在这些层中形成精细的通风口图案。通风口可以去除谐振器周围的氧化物，并位于谐振器上方，它们必须能够自由振动。

2.4 Resonator 释放

用氢氟酸（HF）蒸气去除谐振结构周围的氧化物。此步骤定义了谐振器在其中工作的封闭真空腔的体积。在谐振器和电极锚定到衬底的地方，氧化物不会被去除。

2.5 EpiSeal 谐振器封装

EpiSeal 密封工艺是形成稳定谐振器的关键，当封装部件焊接到印刷电路板（PCB）上时，其频率不会随时间漂移或偏移。SiTime 的 EpiSeal 工艺清洁谐振器和真空腔，然后密封高温外延反应器中关闭的通风口。热氢气和氯气清洁谐振器，而含硅气体将多晶硅沉积在通风口中以密封超洁净腔。密封后，长出厚实耐用的封装层。谐振器周围的腔室保持超洁净的真空。

2.6 过孔形成

对谐振器和电极进行电气通孔。沟槽被蚀刻和填充，形成与电极和谐振器的接触。

2.7 金属化

电气互连由铝走线和焊盘制成，该过程在走线上涂上氧化硅和氮化物划痕掩模。

3. MEMS First 工艺的特点和优势

特征

标准工艺和材料

行业标准的过程控制和 6 西格玛理念

高温在线封装以保护 MEMS 结构

标准 IC 后端（封装和测试）

好处

利用现有供应链降低成本