工艺上的“近?”优势将使MEMS振荡器渐成市场主流

上网时间: 2006年06月01日? 作者:蒋克霖? 我来评论 【字号: ? ?小】

关键字:SiTime? MEMS振荡器? Discera?

随着微机电系统(MEMS)器件在许多应用领域获得成功,更多的厂商开始进入这一市场。但是无论如何,似乎没有哪一家厂商能够象SiTime那样胸怀如此广阔的目标领域。该公司MEMS振荡器的目标是全面取代传统的石英晶体振荡器,而后者几乎无处不在。由于石英晶体振荡器的固有缺陷,如价格昂贵、体积过大、制造时间长、与CMOS不兼容以及频率单一等,在过去30多年间,业界一直在探索石英晶体振荡器的替代产品,如今这一探索取得了重大突破。“我们计划推出一种与标准CMOS工艺完全兼容的可以替代石英晶体的硅MEMS器件,对石英晶体产业进行一场革命。”SiTime公司的策略联盟经理Joe Brown表示,“真空管被晶体管所代替,石英晶体现在也可能被硅片所取代。”

MEMS器件渐入佳境

MEMS产业进入大批量应用始于汽车安全气囊传感器,如模拟器件公司推出的iMEMS加速计。后来德州仪器推出的数字光源处理(DLP)芯片,也促进了该产业的发展。而最近Akustica的硅传感器——MEMS麦克风也开始受到关注。现在SiTime公司正在努力成为影响更为广泛的MEMS厂商,因为当前几乎所有的电子设备都需要采用振荡器作为时基。市场调研公司Gartner预期,模拟石英晶体振荡器市场规模保持相对稳定,每年销售额超过10亿美元,平均销售价格为0.15美元,每年出货量以10亿计。尽管SiTime公司的产品仍处于样品阶段,但它已开始开拓这一市场,目前已与客户签订了100万颗的订单,将于2006年第四季度开始交货。

工艺上的“近?”优势将使MEMS振荡器渐成市场主流_ESMCOL_1

MEMS麦克风日渐受到市场关注。

市场调研公司In-Stat的分析师Stephen Cullen表示:“人们普遍认为,在许多应用中MEMS振荡器的性能似乎都可与传统的石英产品媲美,但我预计其初期应用领域将只是那些因看重尺寸而不计较成本的领域。”从长远来看,SiTime以及其竞争对手Discera和Innovative Biotechnologies International可能避开这个问题,因为它们不会与低成本石英晶体振荡器展开竞争,而是会通过把MEMS时钟基准集成到CMOS芯片上来消灭石英晶体振荡器。Cullen说:“他们的长期优势是它能够把MEMS和CMOS硅片集成在同一个芯片上,这将进一步缩小尺寸和总体成本。最终结果可能是MEMS时钟集成到需要时钟的每个芯片之中,而不是从一个单独的器件中引出多个时钟信号。”

SiTime公司打算通过向消费芯片厂商提供其MEMS振荡器授权来实现这一点,使MEMS时基可以被集成到CMOS芯片之中。“我们的技术是如此简单,因此所有大型半导体制造商,包括LSI Logic、Actel和赛普拉斯半导体都接受了它,因为这与它们的需求不谋而合。”SiTime公司的营销副总裁John McDonald表示。这种单芯片解决方案将要求CMOS芯片厂商改变其现有的裸片,使其可以使用集成式的MEMS时基,这可能需要多年的时间。作为过渡方案,SiTime公司计划下一步推出一种特殊的双芯片解决方案,把 MEMS裸片堆叠在标准的CMOS裸片上面,提供全部时钟信号。

对于主要消费芯片厂商来说,不论是采用单芯片还是双芯片方案,相对于石英产品都具有潜在优势:能够为一个芯片上的多个锁相环(PLL)提供多个时钟频率。因此,整个芯片所需的全部时钟信号都可以挤进双芯片方案中位于上面的MEMS裸片之中,从而降低目前多数消费芯片的复杂性,并可能抵消MEMS相对于单频率石英晶体的较高成本。Brown说:“实现这些,仅仅需要通过改变音叉的几何形状,来自多个振荡器的多个频率可以嵌入到CMOS晶圆的最上面四层之中,因此可以使每个芯片获得所需要的多个不同的时钟信号。”这将使每个电子器件只需要一个时基芯片,因为它们可以全部内置到单一芯片之中。例如,可以把一个32kHz的实时时钟,加上一个几百兆赫的通讯频率振荡器,你能够把任何数量的其它千赫级或兆赫级振荡器及所有的锁相环放置在一个硅片上。利用石英是绝对做不到这点的。

MEMS振荡器的内部结构

SiTime公司的振荡器基于一个内部MEMS谐振器——取代了石英晶体谐振器。其它公司已为RF和IF应用开发出石英晶体的固体替代品,如表面声波(SAW)滤波器、陶瓷滤波器和薄膜腔声谐振器(FBAR)。SiTime公司表示,它的MEMS谐振器不仅覆盖了所有这些应用,而且把它们加入到系统中所需的成本也较低、更加可靠、尺寸更小,而且不需要定制。例如,据SiTime公司表示,它的初期产品SiT8002与爱普生(Epson)的SG-8002管脚兼容,但相比之下,前者抖动较低、相噪声较低、功耗较低而且封装尺寸更小。

为了生产MEMS振荡器,SiTime最初采用绝缘体硅晶圆,然后只需要增加四个掩模层来加工出一个机械的“音叉”或“横梁”,它的一侧附着在基板上,其余部分则利用深沟道蚀刻工艺将其分开。然后通过在这个10微米高的梁上开一个400纳米的缺口,利用处于梁的一侧的电极来驱动梁,它就能自由振荡。所需产生的频率由上述缺口的宽度决定。而梁的另一侧则放置一个电容性电感,以检测振荡频率并驱动PLL电路,该电路调整信号以模仿传统的石英晶体时基。

为了保证长期可靠性,SiTime公司在其整个晶圆的多晶硅层上面生长出一个外延硅帽,这样可以安全地把MEMS振荡器盖住,并提供一个从原子水平看非常平坦的表面,上面可以生长出CMOS电路。这个加帽工序是在1,100℃温度下进行的,以避开潮湿等致污因素,把该结构与环境隔离开来而不至于影响其性能,从而解决MEMS过去通常广受诟病的长期稳定性。

除了长期稳定性,SiTime还解决了另一个长期困扰MEMS谐振器设计人员的问题,即糟糕的温度滞后和30ppm/℃的温度系数。该公司声称已通过在其双芯片解决方案中的CMOS部分增加附加电路解决了这些问题。Brown解释说:“在晶圆的表面上,我们发现频率有大约0.8%的偏差。因此我们把谐振器连接到一个CMOS裸片上,可使频率稳定性达到5ppm。该电路还可以执行温度补偿和A/D转换,并利用PLL锁定需要的频率。”

Brown还声称,SiTime公司的MEMS-First振荡器可以“即时启动”并提供正确的频率。而石英晶体则需要一定的预热阶段,电路的其它部分需要等待时钟能够确定下来。他还表示,缩小MEMS谐振器以获得更高的频率,将变得非常容易。据称,MEMS-First技术最不平常的特点之一是在缩小其尺寸以获得更高的频率时,它的性能实际上增强了——这与石英相反,后者的尺寸缩小时性能会下降。SiTime公司表示已利用标准CMOS光刻工艺,为其音叉类谐振器制造了许多几何尺寸。成功的几何尺寸包括一种只在中间附着的四梁结构,一种单梁结构和一种圆盘结构,这些结构都在频率与性能之间进行了不同的平衡。

除了SiTime外, Discera和Innovative Biotechnologies International等竞争对手也在从事MEMS振荡器的开发。例如,Discera公司于2003年6月推出的MRO-100就是一个功能齐备的MEMS振荡器,它包括一个MEMS谐振器和一个振荡IC,采用3×3mm的陶瓷封装。该器件的初步目标是针对手机应用,可以取代手机中的电压控制温度补偿晶体振荡器(VCTCXO),其初期产品的振荡频率为19.2MHz,用于CDMA手机。

对于该款产品,SiTime的John McDonald评价说:“与同类厂商相比,SiTime产品的关键区别在于成本。”他介绍说,SiTime的谐振是集成在硅片内,因此所需要的硅片面积小,封装和总体成本更低;而Discera采用的两个裸片堆栈,所需要的硅片面积较大,封装成本和整体成本都很高,因此只能够面向手机等成本不敏感的领域。但由于要进入手机市场非常艰难,而且Discera的产品还没有解决热滞后和长期稳定性等问题,所以一直没有实现量产。他笑道:“我们不把Discera视为竞争对手,事实上,我们希望它取得成功,让人们更多了解MEMS技术,我们的竞争对手是石英振荡器。”

作者:蒋克霖


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