芯科专利CMEMS技术 提供真正的MEMS+CMOS协同设计

由于在产品尺寸交付时间、供应稳定性、产品可靠性、器件尺寸和性价比等多方面存在优势，近几年来，微机电系统(MEMS)解决方案正在逐步打破石英晶体解决方案在频率控制和定时产品领域的完全垄断局面。随着Silicon Labs (芯科实验室有限公司)专利的CMEMS技术的采用，公司在一体化频率控制产品上获得巨大突破，通过在先进的混合信号IC之上直接加工谐振器，来获得完整的单片解决方案，这是真正的MEMS+CMOS协同设计。CMEMS技术为频率控制工业带来显著的优势，包括更小尺寸、更高性能、更低成本和更好的可扩展性。

日前，Silicon Labs宣布推出高集成度基于MEMS的Si50x振荡器，旨在替代需要低成本、低功耗和批量生产的工业、嵌入式和消费类电子应用中的通用型晶体振荡器(XO)，这些应用包括数码相机、存储和内存、ATM机、POS机和多功能打印机等。新型Si50x振荡器基于CMEMS技术，此为首个在大批量生产中把MEMS架构直接构建于标准CMOS晶圆(Wafer)上，从而获得完全集成的高可靠“CMOS+MEMS”单芯片解决方案。

与现有的频率控制解决方案相比，Silicon Labs Si50x CMEMS振荡器系列产品具有更小尺寸、更高可靠性、更佳抗老化性以及更高集成度，它采用专利技术的单体架构，在单晶片(Single-die)上集成MEMS谐振器和CMOS振荡器电路。首创的CMOS+MEMS集成架构与Silicon Labs经过市场验证的混合信号专业经验相结合，将大幅改写频率控制产业：

• CMEMS振荡器在CMOS工厂大批量生产制造，此工厂具有标准生产线，支持完整振荡器系统的晶圆探测，从而获得最高级的质量和工艺控制。

• CMEMS技术确保数据手册中的性能具有10年的频率稳定性，包括焊接偏移、负载牵引、VDD变化、运行温度范围、振动和冲击，并保证操作寿命性能是其他公司XO和MEMS振荡器的10倍。

• CMEMS振荡器紧密耦合MEMS谐振器、CMOS温度传感器和补偿电路，从而在热力瞬变时以及整个工业温度范围内提供高稳定的频率输出，在工业和嵌入式应用的长期运行期间提供可预知的可靠频率参考。

• CMEMS谐振器采用被动补偿，在设计中使用可抵消温度变动的材料。因此Silicon Labs可通过其创新的混合信号电路设计专业知识，来创建更小、更低功耗、更符合成本效益的振荡器，同时确保优异的频率和温度稳定性以及抗老化性能。

• Si50x CMEMS振荡器支持32kHz~100MHz之间的任意频率。频率稳定性选项包括±20ppm、±30ppm和±50ppm，运行温度范围支持商业应用(-20℃至+70℃)和工业应用(-40℃至+85℃)。CMEMS振荡器还提供丰富的现场和工厂可编程特性，包括低功耗和低周期抖动模式、可编程的上升/下降时间，以及可配置高/低输出使能功能。

Si50x CMEMS振荡器系列产品为客户解决传统方案中常见的供应链问题。Si50x振荡器由中芯国际(SMIC)生产制造。通过规模效应和质量控制，这一战略性合作关系可大大增加制造和供应的可预见性。由于CMEMS振荡器是集成的单片IC，采用广泛生产的模塑复合物4引脚封装，再次确保可预见和可靠的供应链。

IHS MEMS和传感器总监及资深首席分析师Jeremie Bouchaud表示：“时序产品市场已迎来转折点，最新一代基于MEMS的振荡器极具成本效益，能可靠替代传统晶体振荡器。Silicon Labs CMEMS技术把MEMS谐振器和频率控制电路集成到单晶片器件中，为批量电子系统设计提供最完整的晶体振荡器替代解决方案。”

与Silicon Labs所有其他振荡器产品一样，Si50x振荡器可提供网络定制的2周样品交付周期，也可通过Silicon Labs销售合作伙伴在客户现场即刻编程。此外，Si50x振荡器与现有的石英或MEMS振荡器引脚和封装兼容，可实现快速便捷的替换解决方案。

Si50x系列产品包括四类产品，具有数千种灵活的定时配置：

• Si501是具有输出使能(OE)功能的单频率振荡器

• Si502是具有OE和频率选择(FS)功能的双频率振荡器

• Si503是具有FS技术的四频率振荡器

• Si504是完全可编程的振荡器，支持所有配置特性，采用单脚接口，以十亿分率的精度进行精确频率调整。

Silicon Labs公司副总裁暨时序产品总经理Mike Petrowski表示：“Si50x CMEMS振荡器系列产品是频率控制市场的重要技术进步，它结合基于MEMS单晶片解决方案的所有优点，同时具备通用型晶体振荡器的最好特性，并提高可靠性以及缩短交货周期。通过Silicon Labs专业的MEMS设计、器件、工艺集成和混合信号设计技术，Si50x系列产品为成本和功耗受限的嵌入式、工业和消费类电子应用提供最佳的通用型振荡器解决方案。”

Silicon Labs Si501/2/3/4 CMEMS振荡器现已量产，具有三种工业标准的4引脚DFN封装尺寸：2mm×2.5mm、2.5mm×3.2mm和3.2mm×5mm。在一万颗采购量，Si50x振荡器单价为0.44美元起。为了方便CMEMS振荡器评估和应用开发，Silicon Labs还提供Si501-2-3-4-EVB评估套件，价格为99美元，包括预编程的Si504器件和适合各封装尺寸的开放插座，以方便客户评估。

CMEMS：CMOS和MEMS的单片集成

术语CMEMS是CMOS和MEMS的字母缩写。CMEMS技术可以在CMOS电路上直接进行MEMS器件的模块化后处理。CMEMS是可以在先进的RF/混合信号CMOS技术(≤0.18µm)上直接进行高质量MEMS层后处理的技术，充分利用经典CMOS制造工艺的可扩展性，作为模块化的后段制程选项附加到以前用于制造先进CMOS晶片的生产线(图2)。

如图3所示，(a)起始材料以钝化和平面化CMOS晶片形式存在，接着(b)多晶SiGe采用表面微机械形式生成集成的MEMS器件，(c)他们在真空中通过晶圆级绑定。整个完成的晶圆继续探测，(d)裸片成型和标准化小尺寸打包装配，像一个标准的CMOS产品。

图1 Si501/2/3功能框图

 

 

图2 Si504功能框图

 

图3 CMEMS制造基本流程

CMEMS技术通过使用多晶硅-锗(poly-SiGe)作为MEMS构建材料。由于其热特性兼容CMOS后端处理工艺，因此这种材料被认为是对CMOS有益的。Poly-SiGe能够在400℃左右沉积。换句话说，当直接在主流CMOS技术上进行沉积时，他不会熔化现有的CMOS和后端材料，也允许使用纯锗(Ge)，Ge溶解在过氧化氢(H2O2)中，其中H2O2作为蚀刻剂。H2O2常用于CMOS后端处理，他比氢氟酸或其他常用于MEMS工艺的蚀刻剂更好。这两种主要特性使MEMS表面微机械工艺一体化兼容先进的CMOS技术。

工艺兼容性仅是问题的一部分。材料质量也至关重要。一般来说，材料的质量和沉积温度对于MEMS应用往往呈现相反方向。虽然像铝和铜一样的金属材料兼容CMOS工艺，但是方向性使得他们不适合作为结构材料。而SiGe在这个关键的方向性上却非常适合。在400℃以上和特定条件，SiGe是用于沉积的多晶材料。他有与多晶硅类似的属性，广泛用于MEMS材料。这些属性包括高断裂强度和低热弹性亏损(即高Q值)，并且当周期性通过压力时，SiGe不会出现滞后。这些属性对于制造高性能MEMS器件是绝对关键的，特别是频率控制所需的长期稳定性。

除了SiGe材料优势之外，CMEMS技术还提供以下几个关键特性，因此对于系统集成来说是最可靠和最优选择：

• 填充和镶嵌相结合，以及特定隔离层相关联的模块，确保在顶层金属和SiGe MEMS层之间具有低的接触阻抗。这种技术最大限度的减少接触尺寸和寄生危害;

• 间隔模块允许采用高纵横比的电极间隙，可高效的定义平面内静电传感器;

• 结构厚度具有灵活性(2µm ~4µm)，允许采用薄而小的表面微机械结构，实现平面内外的操作模式;

• 嵌入到结构中的二氧化硅狭缝模块，实现热漂移的微机械补偿和电气隔离;

• 共熔密封的晶圆到晶圆绑定允许MEMS器件进行超洁净真空封装。