原创替代石英晶振的硅MEMS振荡器（二）

 2011-6-13 15:48  1342 10 10 分类: 消费电子

MEMS-firstTM: 比石英更好
　　Figure 2 描述了一系列MEMS工艺剖面. 工艺起始于由10 m SOI 圆晶玻璃绝缘层向下刻蚀0.4 m 而形成谐振腔原型. 刻蚀层由硅氧化合物覆盖, 圆晶置入外延反应器表面生长硅和多晶硅薄层. 由这一层刻蚀通孔由通孔移除玻璃形成谐振器. 圆晶重新置入外延反应器并于1000 C 下清洁除去污染, 通孔密封关闭, 并生长厚单晶和多晶覆盖. 谐振通过高温退火, 移除微裂纹和缺陷, MEMS谐振器永密封于极其洁净的真空腔内. 厚多晶覆盖机械强度高能耐受封装注塑过程几百个大气压力. 经过抛光, 圆晶显得与未经处理一样崭新, 尽管表面以下可能隐藏着树十甚至数千个谐振器. 由覆盖单警开辟通孔形成到谐振器驱动和感应电极的电气接触. 圆晶的最后通过金属线和键合完成多芯片或片上系统封装的振荡器. MEMS谐振器顶层可以放置CMOS电路只是要小心不要在多晶覆盖放置晶体管.

图 3: SiTime 谐振器的SEM 显微照片: 谐振器从圆晶体断裂面边缘延伸出来. 优化的谐振器形状决定了频率和Q 值, 减少了准谐振模式, 对冲击和振动隔离, 减少了对应力的敏感性, 以及优化了其它各类性能参数.

EpiSealTM: 该到清洁的时候了
　　成功导入的技术通常必须建立性能标准, 在新功能得以完全实现之前. 起初的SiTime产品在功能上合适地替换石英振荡器, 之后全功能的MEMS振荡器将超越规范. 以下几个段落列出了一些MEMS-first 振荡器性能优越之处:

抗老化
　　MEMS谐振器和石英谐振器均含有三个频率误差项, 测量的总频率误差以ppm表示. 此三项误差是初始频率偏移, 温度系数和老化. 控制老化曾经是困难的问题, 但现在已经解决了.MEMS-first硅谐振器仅由退火的硅和硅二氧化物制造而成. 图 4展示在Stanford的测试结果证明了谐振器一年的漂移小于1 ppm, 还仅局限于仪器的精度. 在SiTime公司的测试展示两星期的升温下漂移小于0.05 ppm, 局限于我们的测试容限. 这些测量是未经过预退火或预老化情况下得到的. 优越的测试结果归功于极度清洁的谐振腔和稳定性极好的高温退火谐振器材料.
　　另一方面, 石英晶体不能进行高温退火, 因为晶体在573 C时晶格发生退化. 这限制了石英的最大退火温度使得不能进行象SiTime在硅片上进行的表面改造工艺. 作一个结论, 石英晶体与老化相关的频率漂移由晶体本身的机械特性变化引起. 如果把石英晶体块磨成合适的厚度, 研磨过程将造成晶体表面的裂纹和缺陷. 重复弯曲造成晶格异常松弛, 温度循环造成频率的细微变化. 石英晶体其它老化的源头包括弹性形变, 封装应力,裸片接触氧化, 以及各类材料的气化. 对于小型表面贴装的石英晶体第一年的老化典型值为+/- 5 ppm, 对于大型贴装的老化典型值为+/- 1 ppm, 大部份的漂移出现在第一周,特别在升温的情况下. 十年的老化效应通常在+/-10 至 +/-15 ppm. 精确的石英晶体产品减少了这类误差但这要求特殊工艺和长时间退火处理, 工艺成本很昻贵. 实验室级石英振荡器能做到老化效应每年小于0.1 ppm, 但每片要以数百美金为代价.

图 4: 归功于 SiTime 谐振器极其洁净的EpiSealTM 封装, 室温下长达一年的测试显示没有系统化的漂移. B. Kim 在Stanford 大学的实验室测试结果显示, 在1 ppm 测量精度下谐振器没有系统的频率漂移. 典型的小型石英晶体显示第一年的漂移在3 到 5ppm 范围.

低温迟滞
　　超洁净MEMS-first 谐振器已经过测试, 在超过300个由-50 至 +80C的温度循环下获得,图 5展示没有明显温度漂移和温度迟滞. 图 6展示精确的实验室测试结果, MEMS谐振器固有迟滞+/- 0.2 ppm以下.
　　石英晶体的情况是, 导致热迟滞的原因是真空腔的污染, 支撑应力, 和各种原因未明的效应. 污染材料使晶体在极端温度下浓缩蒸发, 使晶体在起振和关断时产生频率迟滞现象, 而且晶体本身对最近工作状态有记忆效应. 普通的石英切割晶体, 小型封装的典型迟滞是0.1 至 1.0 ppm .

图 5: 温度循环显示没有系统漂移或迟滞变化. 测试数据显示在室温下通过300 个-50至 +80C 间的上(蓝色线)下(绿色线)温度循环, 频率稳定在1 ppm 测量精度内. 数据来自B. Kim [4], Stanford 大学.

图 6: 精确的实验室测试显示在-40 to 至85C 工业温度范围内谐振器具备极好的补偿特性. 温度补偿特性测量展示两个温度循环内仅+/- 0.4 ppm 的变化, 迟滞仅+/- 0.2 ppm.

不可思议的EpiSeal magic
　　一种测试MEMS真空腔泄露的方法是直接测量谐振器的Q值. 如果空腔有泄露, Q值将下降因为谐振能量被转化到气体分子. 如果空腔保持密封, Q值将保持不变. 然而, 这不是问题所在! 在Stanford , Q值用于测试真空泄露但发现Q值随时间发生增长, 因而必须相应提高真空度. Q值的提高和真空度结果通过以下方式得以解释: EpiSeal 工艺过程中围绕谐振器的真空腔仅仅残留一定数量的氢气, 氢气与氮, 氧, 水蒸气相反直接通过硅扩散(氮, 氧, 水蒸气是大气主要成份, 不能通过硅扩散), 从而氢气扩散出谐振腔以达系统平衡但不被其它气体成份取代. 图 7描述了一种谐振腔的泄露测试, 带Q值提升.