SiTime硅晶振MEMS谐振子制作工艺详解
概述
目前绝大多数的电子产品都需要用到时钟器件来工作，就是我们所熟知的晶振。
但是，晶振有哪些？又是如何工作的？这可能就不太清楚了。或许您会说，我会用就成了，又何必花时间去了解呢？此言差矣，了解这些有助于我们在电路设计时对时钟器件的正确选择。
目前市场上应用比较多的晶振主要有石英晶振和硅晶振。
石英晶振的频率大小取决于晶片的厚薄。首先，从制作工艺来讲，晶片大小以及晶片厚薄与晶振的频率密切相关，一般来讲，石英晶振的频率越高，需要的石英晶片越薄。比如40MHZ的石英晶体所需的晶片厚度是41.75毫米，这样的厚度还算可以做到，但100MHz的石英晶体，所需的晶片厚度则是16.7毫米。即使厚度可做到但损耗非常高，制成成品后轻轻一跌晶片就碎裂。所以，石英晶振的使用不良率是一个非常重要的指标。除此之外，由于制作工艺的限制，石英晶振在小体积、高精度、高可靠性方面，也越来越无法适应当下电子产品的发展需求。
我们所讲的硅晶振，主要是指MEMS硅晶振。是一种采用标准的半导体硅晶圆为原材料、利用MEMS谐振器（MEMS First）技术生产的晶振。MEMS谐振器工艺流程大概经过硅晶圆刻蚀、氧化物填充、真空谐振腔释放、谐振腔密封、电气导线链接等过程。
一、MEMS谐振器工艺流程
1、MEMS谐振器的原始材料是一块厚厚的绝缘衬底的硅晶圆。谐振器是通过BOSCH工艺制成，也就是MEMS工艺常用的深反应离子刻蚀（Drie）工艺。
2、氧化物填充：晶圆表面及刻蚀孔用氧化物（SiO2）进行填充。
3、在氧化层上面再生成一薄层的硅材料，并且在薄层上形成精细的通气孔。通气孔位于谐振器结构最终能够自由振动的部分区域之上，可帮助去除谐振器周围的氧化物。
4、真空谐振腔释放：使用氢氟酸蒸汽去除谐振结构周围的氧化物。经过该步骤可形成谐振器工作的密封真空腔。谐振器和电极与基片固定部位的氧化层保留。
5、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漂移，也不会在器件焊接在印刷电路板（PCB）上时发生变化。SiTime的特殊工艺会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，而含硅气体的休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。
6、电气导线链接：谐振器和电极的连接需要电气通孔。先刻蚀沟槽再填充导体材料，让电极和谐振器之间形成电气连接。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研膜层。
二、MEMS谐振器工艺特征与优势
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工艺特性 |
产品优势 |
用户好处 |
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标准流程与材料（MEMS） |
利用现有的供应链，提高交付能力，降低成本。 |
灵活的交付能力与成本优势 |
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业界标准工艺控制与六西格玛理念 |
更高的良率、质量及可靠性 |
提升整机产品的可靠性，降低因晶振问题的维修风险与成本。 |
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高温工艺过程中完成封装保护的MEMS结构 |
更小的尺寸、更高的稳定性、可靠性和质量 |
对PCB要求苛刻的应用，如可穿戴 |
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标准的IC后端工艺（封装与测试） |
利用现有的供应链，提高交付能力，降低成本 |
灵活的交付能力与成本优势 |
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标准的MEMS与CMOS半导体工艺相结合 |
OTP可编程实现各电压、频率、精度参数 |
按用户设计需求，24小时样品交付。 |
三、结论
SiTime专利的MEMS谐振器（MEMS FirstTM）工艺可以让SiTime能够生产出世界最先进、最稳定以及最可靠MEMS谐振器产品，大大丰富了SiTime MEMS硅晶振产品线产品，可提供全系列优于石英晶振的产品。
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