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 

在开发出 MEMS First TM 工艺之前，封装是阻碍 MEMS 谐振器实现商业化的最大问题。MEMS First TM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。 

1.2、稳定性 

MEMS FirstTM 工艺的气密封装特性称为 Epi-SealTM，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-SealTM 的 MEMS FirstTM 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。

2、MEMS First TM 工艺流程详解 

2.1、谐振器定义 

原始材料是一块厚厚的绝缘衬底的硅 (SOI) 晶圆。谐振器通过博世工艺制成，即深反应离子蚀刻 (DRIE) 工艺。 

2.2 氧化物填充 

使晶圆表面平滑的方法是：使用氧化层覆盖晶圆表面和填充沟槽，氧化层经过图案化和蚀刻形成接触孔，为谐振器和电极实现电气连接作准备。此外，该氧化物还被从谐振器周围的区域去掉。  

2.3 通气孔的形成 

在氧化层之上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。

2.4 谐振器结构释放  

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。 

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 Epi-SealTM 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。 

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。 

3、 MEMS FirstTM 工艺的特性与优势 

表 1: MEMS FirstTM 工艺的特性与优势 

4、结论 

SiTime的 MEMS FirstTM 以及Epi-SealTM工艺是让 SiTime 能够生产出世界最先进、最稳定以及最可靠 MEMS 谐振器的关键技术。这是SiTime 独有的、已获专利的工艺技术。