石英晶体 

石英具有非凡的机械和压电特性, 使得从19 世纪40 年代中期以来一直作为基本的时钟器件. 尽管在陶瓷, 硅晶和RLC电路方面有60多年的研究, 在此之前没有哪种材料或技术能替代石英振荡器, 鉴于其异常的温度稳定性和相位噪声特性. 估计将有 100 亿颗石英振荡器被制造出来并放置到汽车, 数码相机, 工业设备, 游戏设备, 宽带设备,  蜂窝电话, 以及事实上每一种数字产品当中. 石英振荡器的制造数量比地球上的人口还要多.  

然而, 石英振荡器有许多缺点, 包括不能集成到硅圆晶上, 缩小尺寸相应提高了成本,  非工业标准的制造和封装方法, 对热, 冲击和振动敏感. 因此, 电子工业界习惯于使用 石英振荡器, 任何在不牺牲性能的情况下克服这些缺点的努力都是徒劳无功的.  

MEMS 谐振器: 没能实现承诺的历史 

最具潜力的石英振荡器替代技术始终是MEMS振荡器. 这种硅机械技术, 现在成为几百万美金 MEMS 工业的基础, 先进的 MEMS 振荡器使用一种可替代石英晶体的材料设计. MEMS 振荡器和石英振荡器具有完全不同的特性, 依赖于不同的机械特性, 不同的电特性, 不同的制造工艺, 以及不同的驱动电路, 甚至对于相同振荡幅度在尺寸上小了几个数量级. 由于相对简单的谐振腔制造工艺, 高容量的市场和潜在的低成本优势, MEMS 振荡器可以制造于 100mm (4”), 150mm (6”), 和现在的 200mm 圆晶上, 相比于使用小于 100mm 的矩形圆晶制造石英振荡器是非常有吸引力的.  

不幸的是, 对于便宜, 高质量和全集成谐振器的承诺遭遇严酷的现实. 这些困难的问题包括硅材料的30 ppm/ºC 温度系数, 多晶疲劳所导致的老化, 封装污染导致的漂移. 漂移 是最难处理的问题, 因为谐振单元非常小以至于对表面细小颗粒和污染非常地敏感. 一个单原子层的污染能使 MEMS 谐振器的频率漂移到超出典型石英振荡器的规格. 另外,  这种技术还存在成本问题—可用的封装技术与石英振荡器相类似, 而封装主导了器件的最终成本. 这些技术和成本限制阻碍了MEMS 振荡器作为石英振荡器替代产品的市场化进程.  

尽管硅基 MEMS 技术没有应用在振荡器中, 但其广泛应用于喷墨打印机, 蜂窝电话, 压力传感器, 汽车安全气囊加速度计, 以及陀螺仪检测装置.  越来越多的MEMS 应用变得技术上可行和成本上有效. 硅晶工业的一个公理是, 只要能实现, 就能赢得市场.  

MEMS 振荡器时代的黎明 

现在, MEMS 振荡器技术已经成为现实, 极其有效的成本以及非常小的尺寸. 2006 年的第一季度, 批量 MEMS 振荡器市场提供样片, 直接与石英振荡器竞争.  是硅封装上的创造而非硅谐振器的进步冲破了MEMS 振荡器技术应用的大门. MEMS-first 和 EpiSeal 封装的发明允许硅谐振器封装于工业标准的低成本塑壳封装, 并解决了维持洁净真空的问题,  实际上消除了空腔污染物和老化现象, 减轻了温度补偿和漂移的复杂性. 阻碍早期MEMS 谐振器的成本问题和技术障碍均被顺利清除.  

MEMS-first: 比石英更好 

Figure 2 描述了一系列MEMS工艺剖面. 工艺起始于由10µm SOI 圆晶玻璃绝缘层向下刻蚀0.4µm 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 1000ºC 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.  

EpiSeal: 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. 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. 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 573ºC 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.  

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. 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 .  

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! 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.   

仅仅一个词:” 塑料”  根据以上描述, MEMS-first 可以使用任意标准封装: SOIC, SSOP, BGA, CSP 或 QFN.  选择 QFN 类型的塑料注塑封装, 为实现高可靠性, 低引线等效电感, 良好的温度特性, 灵活的管脚布局和低成本. 相比之下石英晶体昂贵的特殊材料: 陶瓷或金属封装. QFN 类型的封装和引线框架结构, 与目前的 3.2x5.0 mm 石英振荡器布局兼容.  振荡器提供有 2.0x2.5mm, 2.5x3.2mm 和 3.2x5.0mm 尺寸 及 0.85 mm 高度的封装, 与目前的石英振荡器 PCB 兼容.  

产品的频率范围 1 至 125 MHz, 各种 温度变化, 电压变化和老化效应下的频率误差范围是+/- 100 至 +/-10 ppm. 这些规范与普通消费类, 工业和计算机应用的石英产品相类似. 基于性能和成本考虑,.  

MEMS 振荡器和全新硅工业的诞生 

电子工业的新技术, 使得集成非常小的高 Q 值低 ppm 的单个或多个谐振器成为现实,  并且成本低于石英晶体产品. 一些颇有价值的应用包括: 

消费类和计算机产品 

笔记本计算机, 数码相机, 游戏机, VCD, 便携式媒体播放器, 机顶盒, 高清电视和打印 机等几乎所有消费类电子产品目前均需消耗石英产品. 例如, PC 主板需要数颗石英晶体,  石英振荡器, VCXO 和 CMOS PLL 芯片.  

MEMS-first 谐振器是 CMOS 兼容的, 可以与 PLL, 逻辑电路和模拟电路集成, 减少 EMI,  布线复杂度和减小时序电路面积达 70%. MEMS-first 谐振器以振荡器的形式焊装, 不需要外接任何电容或电阻, 节省了额外的 PCB 空间, 不存在晶体起振的问题和布线干扰问 题. 图 10 展示了振荡器于石英振荡器外接器件的比较.  

汽车应用 

汽车工业以TS16949:2002质量和可靠性强硬政策著称, IATF 和 JAMA开发了更广泛的 质量标准. 关注共同的环境性能问题诸如温度, 湿度, 冲击和振动. 对于汽车应用, 新的 MEMS-first 谐振器在物理特性上, 在设计上, 在制造工艺上比石英晶体更加优越.  

如前所述, 硅谐振器在 1000°C 温度下退火. 因此, 正常操作温度本质上对它无任何影响. 器件的其它部份是标准的, 温度和可靠性限制被很好地符合. 实际上, 最终的振荡器操作温度不是被谐振器所限制, 而是被标准 CMOS 电路和封装所限制.  

相比于石英晶体, 硅谐振器对冲击和振不敏感, 因为硅谐振器具有更多的基本谐振模式.  封装失效发生在谐振器之前本质上不能使谐振停止.  

MEMS-first 振荡器建立在 6- sigma 标准的基础上, 无论是 MEMS 裸片和驱动 IC, 并使用符合汽车质量标准的封装. 使用0.18µm标准CMOS半导体设备生产的0.4µm 最小尺寸谐振器, 正常的结果是对于初始频率分布, 品质因素和插入损耗具有高成品率 和极紧密的特性分布. 

无线应用

这项技术早期的应用目标之一是紧凑型无线节点, 它需要集成一个或多个谐振器. 工作 在 315, 433, 868, 以及 915 MHz 频段的无线节点受益于抖动<20 ps RMS 和+/-50 ppm 特性的第一代振荡器, 节约超过 50%的节点空间. 一颗, 两颗或者更多的 MEMS-first 谐 振器可能集成到单一的裸片上, 对于无线应用要求 32.768 kHz 的振荡器用于实现低功耗 唤醒和实时时钟, 而高频率振荡器用于实现发送, 接收和处理功能.  

Moore 定理应用于 MEMS-first 谐振器 

新谐振器更激动人心的特性之一是它随着工艺尺寸的缩减而缩减. 所有常规 MEMS 产品由旧的生产线移植. 然而谐振器技术, 缩减 CMOS 尺寸的优越之处还提高了谐振器的性能. 减少电极间距将增加振荡器感应信号数量, 提高信噪比, 提供更好的相位噪声和抖动性能. 下一步的 MEMS-first 性能更高成本更低.  这趋势与石英晶体恰恰相反, 对于石英晶体, 更小的尺寸意味着更差的性能和更高的成本.  

下一代 MEMS 振荡器 

技术继续往前, 引入到市场的MEMS振荡器将具备更高频率和更低的相位噪声, 并且保持与 MEMS-first 封装技术同样的尺寸和成本的好处. 

附加说明: 谐振器和振荡器 谐振器是振荡于谐振频率的小型机电单元, 必须通过驱动电路产生电输出. 振荡器是谐 振器和驱动电路的组合. MEMS 谐振器和石英晶体完全不同: 不同的机械特性, 不同的电气特性, 不同的工艺技术和不同的驱动电路, 甚至于尺寸也不同, MEMS 谐振器比石英晶体具有更小的尺寸. 晶体与石英晶体通常是同义词

图 1: MEMS-first 谐振器使用 0.18µm 工艺节点在 200mm SOI 圆晶上形成, 比较于高 频和音叉石英圆晶

图 2 加工序列: (a) MEMS-first 谐振器使用 Bosch 的工艺进行 DRIE(反应离子刻蚀)  (b) 生长初始多晶覆盖 (c) 形成谐振器, 退火, 被厚多晶覆盖保护 (d) 形成谐振器接 触, 铝接触和邦定, 连接到 CMOS 驱动电路