凡是能夠產生週期性變化波形之電路，即可稱為振盪器(振盪器和驅動電路的組合)，是電路系統中用做週期、頻率、時間等之主要參考依據，也可用於廣播系統中做為載波產生器，或是應用於一般超外差接收機的機內振盪器，以和接收之高頻無線電波相扣抵，產生標準中頻信號。振盪器的振盪頻率，雖然會依電路設計及所用元件之不同而異，但如何將頻率維持固定不變，是對振盪器最基本的要求。其中，振盪器的質量至關重要。
SiTime公司：It’s about time！從“時間”出發
在過去30年中，石英因具有非凡的機械和壓電特性，一直是時脈元件的良好選項；然而由於其基材成本昂貴，可靠性不理想、無法整合到矽晶圓上；加上製造時間長、與CMOS不相容、一種封裝只能對應一種頻率(非工業標準的製造和封裝方法)，以及對熱、衝擊和振動敏感等缺點，使得矽MEMS(微機電系統)振盪器頓時成為人們希望之所繫。憑藉著相對簡單的諧振腔製造技術，高容量的市場和潛在的低成本優勢，MEMS振盪器可以100mm(4英吋)、150mm(6英吋)和200mm(8英吋)晶圓製程製造，比起使用小於100mm的矩形圓晶製造石英振盪器，吸引力顯然要大的多。
美中不足的是，MEMS的長時間穩定性不足、溫度遲滯現象，以及矽材料高達30ppm/ºC溫度係數的頻率，會導致多晶疲勞老化和封裝污染漂移等棘手的技術問題──因為諧振單元非常小，以至於對表面細小顆粒和污染非常敏感；一個單原子層的污染能使MEMS振盪器的頻率漂移超出典型石英振盪器的規格。此外，MEMS由於在封裝上並未有大幅突破，可觀的封裝成本多少也限制了取代石英振盪器的進程。
如今，隨著一家著力於時鐘解決方案提供商──SiTime的出現，這一切，似乎又有了曙光重臨的契機。掌理SiTime戰略聯盟事宜的Joe Brown和擔任市場銷售副總裁一職的John McDonald，日前自豪地展示這項劃時代的新技術。一開場，他便以一句“It’s about time”，簡捷扼要地為這家誕生僅有一年半歷史的年輕公司，做了令人印象深刻的開場白及明確的市場定位；一來點出他們的產品和“時間”有關，二來表明他們是“Help time to market”的一支專業技術團隊。
“人才”是SiTime得以不同凡響的一項有力生存後盾，SiTime表示，這項突破MEMS應用局限的關鍵性技術發明者──出身於Robert Bosch公司的科學家Markus Lutz和Aaron Partridge已加盟SiTime。憑藉獨家的MEMS-first和EpiSeal封裝技術橫空出世的利劍在手，不僅成功讓矽振盪器可以符合工業標準的低成本塑膠封裝，也解決了維持潔淨真空的問題，消除了空腔污染物和老化現象，同時減輕了溫度補償和漂移的複雜性，使得阻礙早期MEMS振盪器的成本問題和技術障礙均被順利清除。
圖1：SiTime所瞄準的目標市場
MEMS-first和EpiSeal magic技術 改善生產效益和封裝困局
MEMS-first技術奠基於200mm SOI(Silicon. on insulator)、0.18μm CMOS製程，每片晶圓可產出50,000k裸片！單就生產經濟效益就足讓人刮目相看。若進一步細剖其製造製程(如圖2所示)，它是以10μm SOI玻璃絕緣層為起始，向下蝕刻0.4μm形成諧振腔原型後，注入矽氧化合物將刻蝕層覆蓋，然後在晶圓上置入外延反應器，以在表面生成矽和多晶矽薄層；接著，移除通孔上玻璃形成的振盪器，再重新置入外延反應器，並於1000ºC下清潔除去污染。由於通孔呈密封關閉狀態，並覆有厚單晶和多晶聚合物，通過高溫加熱後，可移除微裂紋和缺陷，使MEMS振盪器密封于極其潔淨的真空腔內。
SiTime表示，厚多晶覆蓋機械強度極高，能承受封裝注塑過程的幾百個大氣壓力，並不會損傷晶片本身。經過拋光，晶圓依然像未經處理般嶄新。
圖2：MEMS-first技術的製程製作示意圖
最後，再通過金屬線和鍵合步驟，即完成多晶片或片上系統封裝的振盪器。順帶一提的是，只要避免在多晶覆蓋處放置電晶體，MEMS振盪器頂層是可以堆疊CMOS電路的。MEMS-first矽振盪器僅由經過高溫淬煉後的矽，以及矽二氧化物製造而成，歸結MEMS-first技術的優勢在於：
1. 抗老化：“初始頻率偏移、溫度係數和老化”，是評價振盪器的3個主要頻率誤差項指標，測量的總頻率誤差以ppm表示，其值越低越好。Stanford的測試結果證明，在特定儀器精度下，該振盪器一年的漂移小於1ppm；而根據SiTime公司內部的測試顯示，在限定測試容限下，MEMS-first矽振盪器經過兩星期的升溫，漂移小於0.05ppm。這歸功於極度清潔的諧振腔和穩定性極好的高溫退火(annealing)振盪器材料。這又是另一項石英晶振所望而興歎之處，由於石英晶體在573ºC時晶格將發生退化，因而限制了石英的最大退火溫度，無法在矽片上進行表面改造製程。縱使實驗室級石英振盪器能將老化效應降至小於0.1ppm，但這往往須以數百美金/片為代價。
2. 低溫遲滯：超潔淨MEMS-first振盪器經過測試，固有遲滯在+/-0.2ppm以下。對照石英晶體的情況，造成其熱遲滯的原因是緣於真空腔的污染、支撐應力和各種原因未明的效應，污染材料使晶體在極端溫度下濃縮蒸發，使晶體在起振和關斷時產生頻率遲滯現象；加上晶體本身對最近工作狀態有記憶效應，都是不利因素。
3. 生產效率：SiTime的MEMS共振器在低成本CMOS晶圓代工廠以0.18µm模組蝕刻在矽晶圓上，通過DRIE或Bosch製程等深度離子蝕刻技術，生產極細小且堅硬的機械結構，在電子信號引導下能自由振動，振動效率以Q作為單位。MEMS First共振器的Q值大約是80,000；機械共振器的測量結果為300µm，即每一200mm的晶圓的Q值超過50,000，才能製造一個高性能和具成本效益的共振器。在“效率”比拼這一回合，石英晶振似乎又有不敵之勢。
矽機械共振器被裝封在細小無塵的真空管內，真空管直接由SiTime的EpiSeal CMOS技術相容製造的晶圓上成形。EpiSeal容許SiTime共振器捨棄傳統石英晶體昂貴的陶瓷或金屬封裝，改用SOIC/SSOP/BGA/CSP或QFN等任一標準的IC封裝技術。SiTime第一個系列產品採用小幅改良的QFN技術，以符合石英振盪器及共振器的封裝需求。QFN封裝包括一個CMOS驅動IC和MEMS共振器，組成一個完整的振盪器，成品僅2.0 mm x 2.5 mm x 0.85 mm。
表1：石英vs.基於MEMS-first技術的振盪器之技術參數比較
Quartz Crystal MEMS-first Resonator
尺吋 2 mm～5 mm 400 μm
頻率 1 MHz～80 MHz 1 MHz～50 MHz
老化(第一年) 3 ppm～5ppm 3 ppm
補償溫度穩定性 1 ppm～10 ppm 1 ppm～10 ppm
Q值 150K +/- 50K 78K +/- 3K
對波動的免疫力 不好 好
CMOS整合 無 有
封裝 陶瓷或金屬 只要塑膠即可
相對成本 0dB -3dB
資料來源：SiTime公司提供
點燃MEMS振盪器商機
擁有體積極微小的共振器束及無塵真空管，以及製程穩定的CMOS晶圓代工技術，均為SiTime振盪器減少及解決很多石英穩定度帶來的問題，包括容易破裂、受熱敏感度高、過度驅動耗損、衝撞及振盪敏感性、定制封裝、面積以及不一致的啟動狀態、熱延遲作用、ESD損耗及老化。此外，MEMS-first振盪器是CMOS相容的，可以與PLL、邏輯電路和類比電路整合，減少EMI、佈線複雜度和減小時序電路面積和BOM成本(要適當操作石英共振器，需要兩顆負載電容器，以及一顆分流電阻器)；且MEMS-first振盪器以振盪器的形式焊裝，不需要外接任何電容或電阻，節省了PCB空間，也消弭了晶體起振和佈線干擾問題。
SiTime矽振盪器是以靜電驅動的機械裝置，擁有接近消費性石英產品等級的ppm性能，振動頻率比目前最好的矽計時振盪器表現更出色。此次發佈的最新SiRes SiT1xxx固定頻率振盪器及SiT8002可編程振盪器(SiRes為SiTime產品商標)，與目前的石英振盪器PCB相容，具備相同的規範和性能，客戶使用可編程版本進行設計和測試，並使用固定頻率的版本用於生產製造。MEMS振盪器和全新矽工業的誕生在溫度不穩定及多干擾環境下表現出色，可廣泛用於數位相機、攜帶型媒體播放器、筆記型電腦及其它訴求高精準的裝置。SiTime樂觀地估計，70%的表面黏著石英振盪器市場將會轉換到第一代MEMS振盪器，同時也透露，其下一代產品系列將是32.768 kHz的振盪器。
SiRes SiT1xxx振盪器提供超過173個頻率選擇；SiT8002可程式化石英振盪器是一個高價值的解決方案，可用於快速轉換的原型製作、客制化頻率及少量生產，而其規格、小大及功能與SG-8002相容，除了低耗電、更小封裝體積及售價較低的特點外，SiT8002與一般可編程石英振盪器類似。兩個系列振盪器都提供1MHz～125MHz的頻率以供選擇，不同頻率的限度為+50ppm～+100ppm，工業用可在-40℃～85℃下運作，商業用途則可用於0℃～70℃。此外，產品亦提供4種不同尺吋，從5mm x 7mm x 0.85mm到2mm x 2.5mm x 0.85mm，以因應不同需求。SiTime振盪器定價不到0.50美元，現已可提供樣品，預計今年9月正式出貨銷售。
【謹此特別感謝SiTime公司技術長Aaron Partridge博士和副總裁John McDonald所提供的詳細技術資訊】
SiTime公司：It’s about time！從“時間”出發
在過去30年中，石英因具有非凡的機械和壓電特性，一直是時脈元件的良好選項；然而由於其基材成本昂貴，可靠性不理想、無法整合到矽晶圓上；加上製造時間長、與CMOS不相容、一種封裝只能對應一種頻率(非工業標準的製造和封裝方法)，以及對熱、衝擊和振動敏感等缺點，使得矽MEMS(微機電系統)振盪器頓時成為人們希望之所繫。憑藉著相對簡單的諧振腔製造技術，高容量的市場和潛在的低成本優勢，MEMS振盪器可以100mm(4英吋)、150mm(6英吋)和200mm(8英吋)晶圓製程製造，比起使用小於100mm的矩形圓晶製造石英振盪器，吸引力顯然要大的多。
美中不足的是，MEMS的長時間穩定性不足、溫度遲滯現象，以及矽材料高達30ppm/ºC溫度係數的頻率，會導致多晶疲勞老化和封裝污染漂移等棘手的技術問題──因為諧振單元非常小，以至於對表面細小顆粒和污染非常敏感；一個單原子層的污染能使MEMS振盪器的頻率漂移超出典型石英振盪器的規格。此外，MEMS由於在封裝上並未有大幅突破，可觀的封裝成本多少也限制了取代石英振盪器的進程。
如今，隨著一家著力於時鐘解決方案提供商──SiTime的出現，這一切，似乎又有了曙光重臨的契機。掌理SiTime戰略聯盟事宜的Joe Brown和擔任市場銷售副總裁一職的John McDonald，日前自豪地展示這項劃時代的新技術。一開場，他便以一句“It’s about time”，簡捷扼要地為這家誕生僅有一年半歷史的年輕公司，做了令人印象深刻的開場白及明確的市場定位；一來點出他們的產品和“時間”有關，二來表明他們是“Help time to market”的一支專業技術團隊。
“人才”是SiTime得以不同凡響的一項有力生存後盾，SiTime表示，這項突破MEMS應用局限的關鍵性技術發明者──出身於Robert Bosch公司的科學家Markus Lutz和Aaron Partridge已加盟SiTime。憑藉獨家的MEMS-first和EpiSeal封裝技術橫空出世的利劍在手，不僅成功讓矽振盪器可以符合工業標準的低成本塑膠封裝，也解決了維持潔淨真空的問題，消除了空腔污染物和老化現象，同時減輕了溫度補償和漂移的複雜性，使得阻礙早期MEMS振盪器的成本問題和技術障礙均被順利清除。
圖1：SiTime所瞄準的目標市場
MEMS-first和EpiSeal magic技術 改善生產效益和封裝困局
MEMS-first技術奠基於200mm SOI(Silicon. on insulator)、0.18μm CMOS製程，每片晶圓可產出50,000k裸片！單就生產經濟效益就足讓人刮目相看。若進一步細剖其製造製程(如圖2所示)，它是以10μm SOI玻璃絕緣層為起始，向下蝕刻0.4μm形成諧振腔原型後，注入矽氧化合物將刻蝕層覆蓋，然後在晶圓上置入外延反應器，以在表面生成矽和多晶矽薄層；接著，移除通孔上玻璃形成的振盪器，再重新置入外延反應器，並於1000ºC下清潔除去污染。由於通孔呈密封關閉狀態，並覆有厚單晶和多晶聚合物，通過高溫加熱後，可移除微裂紋和缺陷，使MEMS振盪器密封于極其潔淨的真空腔內。
SiTime表示，厚多晶覆蓋機械強度極高，能承受封裝注塑過程的幾百個大氣壓力，並不會損傷晶片本身。經過拋光，晶圓依然像未經處理般嶄新。
圖2：MEMS-first技術的製程製作示意圖
最後，再通過金屬線和鍵合步驟，即完成多晶片或片上系統封裝的振盪器。順帶一提的是，只要避免在多晶覆蓋處放置電晶體，MEMS振盪器頂層是可以堆疊CMOS電路的。MEMS-first矽振盪器僅由經過高溫淬煉後的矽，以及矽二氧化物製造而成，歸結MEMS-first技術的優勢在於：
1. 抗老化：“初始頻率偏移、溫度係數和老化”，是評價振盪器的3個主要頻率誤差項指標，測量的總頻率誤差以ppm表示，其值越低越好。Stanford的測試結果證明，在特定儀器精度下，該振盪器一年的漂移小於1ppm；而根據SiTime公司內部的測試顯示，在限定測試容限下，MEMS-first矽振盪器經過兩星期的升溫，漂移小於0.05ppm。這歸功於極度清潔的諧振腔和穩定性極好的高溫退火(annealing)振盪器材料。這又是另一項石英晶振所望而興歎之處，由於石英晶體在573ºC時晶格將發生退化，因而限制了石英的最大退火溫度，無法在矽片上進行表面改造製程。縱使實驗室級石英振盪器能將老化效應降至小於0.1ppm，但這往往須以數百美金/片為代價。
2. 低溫遲滯：超潔淨MEMS-first振盪器經過測試，固有遲滯在+/-0.2ppm以下。對照石英晶體的情況，造成其熱遲滯的原因是緣於真空腔的污染、支撐應力和各種原因未明的效應，污染材料使晶體在極端溫度下濃縮蒸發，使晶體在起振和關斷時產生頻率遲滯現象；加上晶體本身對最近工作狀態有記憶效應，都是不利因素。
3. 生產效率：SiTime的MEMS共振器在低成本CMOS晶圓代工廠以0.18µm模組蝕刻在矽晶圓上，通過DRIE或Bosch製程等深度離子蝕刻技術，生產極細小且堅硬的機械結構，在電子信號引導下能自由振動，振動效率以Q作為單位。MEMS First共振器的Q值大約是80,000；機械共振器的測量結果為300µm，即每一200mm的晶圓的Q值超過50,000，才能製造一個高性能和具成本效益的共振器。在“效率”比拼這一回合，石英晶振似乎又有不敵之勢。
矽機械共振器被裝封在細小無塵的真空管內，真空管直接由SiTime的EpiSeal CMOS技術相容製造的晶圓上成形。EpiSeal容許SiTime共振器捨棄傳統石英晶體昂貴的陶瓷或金屬封裝，改用SOIC/SSOP/BGA/CSP或QFN等任一標準的IC封裝技術。SiTime第一個系列產品採用小幅改良的QFN技術，以符合石英振盪器及共振器的封裝需求。QFN封裝包括一個CMOS驅動IC和MEMS共振器，組成一個完整的振盪器，成品僅2.0 mm x 2.5 mm x 0.85 mm。
表1：石英vs.基於MEMS-first技術的振盪器之技術參數比較
Quartz Crystal MEMS-first Resonator
尺吋 2 mm～5 mm 400 μm
頻率 1 MHz～80 MHz 1 MHz～50 MHz
老化(第一年) 3 ppm～5ppm 3 ppm
補償溫度穩定性 1 ppm～10 ppm 1 ppm～10 ppm
Q值 150K +/- 50K 78K +/- 3K
對波動的免疫力 不好 好
CMOS整合 無 有
封裝 陶瓷或金屬 只要塑膠即可
相對成本 0dB -3dB
資料來源：SiTime公司提供
點燃MEMS振盪器商機
擁有體積極微小的共振器束及無塵真空管，以及製程穩定的CMOS晶圓代工技術，均為SiTime振盪器減少及解決很多石英穩定度帶來的問題，包括容易破裂、受熱敏感度高、過度驅動耗損、衝撞及振盪敏感性、定制封裝、面積以及不一致的啟動狀態、熱延遲作用、ESD損耗及老化。此外，MEMS-first振盪器是CMOS相容的，可以與PLL、邏輯電路和類比電路整合，減少EMI、佈線複雜度和減小時序電路面積和BOM成本(要適當操作石英共振器，需要兩顆負載電容器，以及一顆分流電阻器)；且MEMS-first振盪器以振盪器的形式焊裝，不需要外接任何電容或電阻，節省了PCB空間，也消弭了晶體起振和佈線干擾問題。
SiTime矽振盪器是以靜電驅動的機械裝置，擁有接近消費性石英產品等級的ppm性能，振動頻率比目前最好的矽計時振盪器表現更出色。此次發佈的最新SiRes SiT1xxx固定頻率振盪器及SiT8002可編程振盪器(SiRes為SiTime產品商標)，與目前的石英振盪器PCB相容，具備相同的規範和性能，客戶使用可編程版本進行設計和測試，並使用固定頻率的版本用於生產製造。MEMS振盪器和全新矽工業的誕生在溫度不穩定及多干擾環境下表現出色，可廣泛用於數位相機、攜帶型媒體播放器、筆記型電腦及其它訴求高精準的裝置。SiTime樂觀地估計，70%的表面黏著石英振盪器市場將會轉換到第一代MEMS振盪器，同時也透露，其下一代產品系列將是32.768 kHz的振盪器。
SiRes SiT1xxx振盪器提供超過173個頻率選擇；SiT8002可程式化石英振盪器是一個高價值的解決方案，可用於快速轉換的原型製作、客制化頻率及少量生產，而其規格、小大及功能與SG-8002相容，除了低耗電、更小封裝體積及售價較低的特點外，SiT8002與一般可編程石英振盪器類似。兩個系列振盪器都提供1MHz～125MHz的頻率以供選擇，不同頻率的限度為+50ppm～+100ppm，工業用可在-40℃～85℃下運作，商業用途則可用於0℃～70℃。此外，產品亦提供4種不同尺吋，從5mm x 7mm x 0.85mm到2mm x 2.5mm x 0.85mm，以因應不同需求。SiTime振盪器定價不到0.50美元，現已可提供樣品，預計今年9月正式出貨銷售。
【謹此特別感謝SiTime公司技術長Aaron Partridge博士和副總裁John McDonald所提供的詳細技術資訊】
