マイクロ電気機械システム発振器

MEMS共振器は、高周波で振動する小型の電気機械構造物です。これらは、タイミング基準、信号フィルタリング、質量センシング、バイオセンシング、モーションセンシングなど、さまざまな用途に使用されます。

周波数およびタイミング基準として、MEMS共振器は、持続増幅器と呼ばれる電子回路に接続され、連続的に駆動されます。ほとんどの場合、これらの回路は共振器の近くに、同じパッケージ内に配置されています。これらの回路は、共振器を駆動するだけでなく、下流の電子回路に出力信号を生成します。

慣例として、発振器という用語は通常、単一の出力周波数を供給する集積回路（IC）を指します。MEMS発振器には、MEMS共振器、サステイニングアンプ、および出力周波数を設定または調整するための追加の電子回路が含まれます。これらの回路には、上流のMEMS基準周波数から選択可能またはプログラム可能な出力周波数を生成する位相同期ループ（PLL）が含まれていることがよくあります。^{[ 2 ]}

MEMS発振器は一般的に4ピンまたは6ピンのICとして入手可能で、これは水晶発振器用に以前標準化されたプリント基板（PCB）のはんだ付けフットプリントに準拠している。

クロックジェネレータという用語は通常、複数の出力を持つタイミングICを指します。この慣例に従い、MEMSクロックジェネレータはマルチ出力MEMSタイミングデバイスです。これらは、複数の周波数またはクロック位相を必要とする複雑な電子システムにタイミング信号を供給するために使用されます。たとえば、ほとんどのコンピュータは、プロセッサのタイミング、ディスクI/O、シリアルI/O、ビデオ生成、イーサネットI/O、オーディオ変換、およびその他の機能に独立したクロックを必要とします。^{[ 3 ]}

クロックジェネレータは通常、周波数の数や選択、各種補助機能、パッケージ構成など、用途に合わせて特化されています。多くの場合、複数の出力周波数や位相を生成するために、複数のPLL（位相同期ループ）が搭載されています。

MEMSリアルタイムクロック（RTC）は、時刻と日付を追跡するICです。MEMS共振器、サステインアンプ、および時間とともに増加するレジスタ（例えば、日、時、分、秒をカウントするレジスタ）を備えています。また、アラーム出力やバッテリー管理などの補助機能も備えています。

RTC（リアルタイムクロック）は経過時間を記録するため、継続的に動作する必要があります。そのため、小型バッテリーで駆動する場合もあり、非常に低い電力レベルで動作しなければなりません。一般的に、電源、バッテリーバックアップ、デジタルインターフェース、その他様々な機能のために最大20ピンを備えた中型ICです。

水晶発振器の欠点に着目し、研究者たちは1965年以来、MEMS構造の共振特性の開発に取り組んできた。^{[ 4 ] [ 5 ]}しかし、最近まで、共振器素子の封止、パッケージング、調整に関連する精度、安定性、製造性に関する様々な問題が、費用対効果の高い商業生産を妨げていた。克服すべき5つの技術的課題があった。

• 最初のデモンストレーション
• 安定していて予測可能な共振器材料を見つけること、
• 十分に清潔な密閉包装技術を開発し、
• 出力周波数のトリミングと補償、共振器素子の品質係数の向上、
• 様々なアプリケーション要件を満たすために、信号の完全性を向上させる。

最初のMEMS共振器は金属製の共振素子で作られました。^{[ 4 ]}これらの共振器はオーディオフィルタとして構想され、500という中程度の品質係数（Q値）と 1kHzから100kHzの周波数を持っていました。現在では高周波 無線向けのフィルタリング用途は依然として重要であり、MEMSの研究と商用製品にとって活発な分野となっています。

しかし、初期のMEMS共振器は、タイミング基準やクロック生成に使用できるほど周波数が安定していませんでした。金属製の共振素子は、時間経過（経年劣化）や使用（疲労）によって周波数が変化する傾向がありました。また、温度変化に対しては、大きく予測不可能な周波数シフト（温度感度が高い）を示す傾向があり、温度サイクルを繰り返すと、異なる周波数に戻る傾向がありました（ヒステリシス特性）。

1970年代^{[ 6 ] [ 7 ] [ 8 ]}から 1990年代^{[ 9 ]}にかけての研究により、十分に安定した共振器材料と関連する製造技術が特定されました。特に、単結晶シリコンと多結晶シリコンは、実質的に経年劣化、疲労、ヒステリシスがなく、温度感度も中程度であるため、周波数基準に適していることがわかりました。^{[ 10 ] [ 11 ]}

MEMS共振器の研究において、材料開発は依然として進行中である。低温製造のためのシリコンゲルマニウム（SiGe） ^{[ 12 ]}と圧電変換のための窒化アルミニウム（AlN） ^{[ 13} ]に多大な努力が注がれてきた。マイクロマシニングされた水晶の研究は継続されており^{[ 14 ] 、多結晶ダイヤモンドは、}その優れた剛性対質量比のため、高周波共振器に使用されている^{[ 15 ]。}

MEMS共振器は自由に動くことができる空洞を必要とし、周波数基準のためにこれらの空洞は真空でなければならない。初期の共振器はシリコンウェハ上に構築され、真空チャンバーでテストされたが、^{[ 9 ]}個々の共振器のカプセル化が明らかに必要であった。

MEMSコミュニティは、圧力センサー、加速度計、ジャイロスコープなどの他のMEMSコンポーネントを囲むためにボンディングカバー技術を採用しており、これらの技術は共振器にも適用されました。^{[ 16 ] [ 17 ]}このアプローチでは、カバーウェハに小さな空洞をマイクロマシニングし、共振器ウェハにボンディングして、共振器を小さな真空空洞に囲みます。当初、これらのウェハはガラスフリットと呼ばれる低融点ガラスでボンディングされていましたが、^{[ 18 ]}最近では、金属圧縮や金属アマルガムなどの他のボンディング技術がガラスフリットに取って代わりました。^{[ 19 ] [ 20 ]}

薄膜封止技術は、共振器にカバーを接着するのではなく、製造プロセスで共振器の上に直接カバーを形成することで密閉された空洞を形成するために開発されました。^{[ 21 ] [ 22 ] [ 23 ] [ 24 ] [ 25 ] [ 26 ]}これらの技術には、封止構造にダイ面積をあまり使用せず、カバーを形成するために2枚目のウェーハを準備する必要がなく、結果としてデバイスウェーハが薄くなるという利点がありました。

周波数基準では一般的に、100 ppm 以上の周波数安定性が求められます。しかし、初期のカバーおよびカプセル化技術では、キャビティ内にかなりの量の汚染物質が残っていました。MEMS共振器は小型であり、特に体積対表面積比が小さいため、質量負荷に対して非常に敏感です。水や炭化水素などの汚染物質の単原子層でさえ、共振器の周波数を仕様外にシフトさせる可能性があります。^{[ 27 ] [ 28 ]}

共振器が経年劣化したり温度サイクルを受けたりすると、汚染物質がチャンバー内を移動し、共振器に付着したり、共振器から移動したりすることがあります。^{[ 10 ] [ 29 ]}共振器の質量の変化により、数千ppmのヒステリシスが発生する可能性があり、これは事実上すべての周波数基準アプリケーションでは許容できません。

初期のガラスフリットシールを用いたカバー付き共振器は、シール材からガスが放出されるため不安定でした。この問題を解決するため、キャビティ内にゲッターが組み込まれました。ゲッターは、キャビティがシールされた後にガスや汚染物質を吸収する材料です。しかし、ゲッターも汚染物質を放出する可能性があり、コストも高いため、よりクリーンなカバー接合プロセスが採用されるようになり、この用途での使用は中止されつつあります。

同様に、薄膜封止では、製造副産物がキャビティ内に閉じ込められる可能性があります。これを排除するために、エピタキシャルシリコン堆積に基づく高温薄膜封止が開発されました。このエピタキシャル封止（EpiSeal）プロセス^{[ 30 ]}は、非常にクリーンで、最高の安定性を持つ共振器を生成することがわかっています。^{[ 31 ] [ 32 ] [ 33 ] [ 34 ] [ 35 ]}

MEMS共振器の初期開発では、研究者たちは目標とするアプリケーション周波数で共振器を構築し、温度変化に対してその周波数を維持することを試みました。この問題を解決するためのアプローチには、水晶発振器に使用される方法と同様の方法でMEMS共振器をトリミングおよび温度補償することが含まれていました。^{[ 36 ] [ 37 ] [ 38 ]}

しかし、これらの技術は技術的に制約があり、コストも高いことがわかった。より効果的な解決策は、共振器の周波数を発振器の出力周波数に電子的にシフトすることであった。^{[ 39 ] [ 40 ]}この方法の利点は、共振器を個別に調整する必要がなく、代わりに共振器の周波数を測定して、適切なスケーリング係数を発振器ICに記録できることである。さらに、共振器の温度を電子的に測定し、周波数スケーリングを調整して、温度による共振器の周波数変動を補償することができる。

様々な用途において、あらかじめ定義された信号特性と性能仕様を持つクロックが求められる。中でも重要な仕様は、位相ノイズと周波数安定性である。

位相ノイズは、共振器の固有振動数 (f) と品質係数 (Q) を上げることで最適化されています。Q は、駆動が停止された後も共振器が鳴り続ける時間、またはフィルタとして見た場合、通過帯域がどれだけ狭いかを示します。特に、Q と f の積、つまり Qf は、搬送波近傍の位相ノイズを決定します。^{[ 41 ]}初期の MEMS 共振器は、基準として許容できないほど低い Qf 積を示しました。重要な理論的研究により、基礎となる物理が明らかにされました^{[ 42 ] [ 43 ]}一方、実験的研究により、高 Qf 共振器が開発されました。^{[ 44 ]}現在利用可能な MEMS の Qf 性能は、事実上すべてのアプリケーションに適しています。

共振器の構造設計、特にモード制御^{[ 45 ]}、固定方法^{[ 15 ] [ 46 ]} 、狭ギャップ変換器^{[ 47 ]} 、線形性^{[ 48 ]}、アレイ構造^{[ 49 ]}は、多大な研究努力を要した。

必要な周波数精度は、プロセッサのクロックでは比較的緩い（通常50～100 ppm）から、高速データクロックでは高精度（多くの場合2.5 ppm以下）まで様々です。研究により、MEMS共振器と発振器はこれらのレベルを十分に満たすように構築できることが実証されています。^{[ 50 ] [ 51 ]}現在では、0.5 ppmの商用製品が入手可能であり、^{[ 52 ]}これはほとんどのアプリケーション要件をカバーしています。

最後に、周波数制御エレクトロニクスと関連するサポート回路の開発と最適化が必要でした。重要な分野は温度センサー^{[ 53 ]}とPLL設計^{[ 54 ]}でした。最近の回路開発により、サブピコ秒の積分ジッタ^{[ 56 ]}を備えた高速シリアルアプリケーションに適したMEMS発振器が開発されました^{[ 55 ] 。}

米国国防高等研究計画局（DARPA）は、上記で説明した開発の基盤技術を提供する幅広いMEMS研究に資金を提供しました。2001年と2002年に、DARPAは、MEMS高安定共振器およびパッケージング技術を具体的に開発するために、ナノメカニカルアレイ信号プロセッサ（NMASP）および過酷環境耐性マイクロメカニカル技術（HERMIT）プログラムを開始しました。この研究は実り多く、ベンチャーキャピタルが出資するスタートアップが商用製品を開発できるレベルまで技術を進歩させました。これらのスタートアップには、2001年のDiscera ^{[ 57 ]}、 2004年のSiTime、2006年のSilicon Clocks、および2006年のHarmonic Devicesが含まれます。

SiTimeは2006年に最初の量産型MEMS発振器を発表し、2007年にはDisceraがそれに続いた。Harmonic Devicesはセンサー製品に重点を移し、2010年にQualcommに買収された。Silicon Clocksは商用製品を発売することなく、2010年にSilicon Labsに買収された。Sand 9 ^{[ 58 ]やVTI Technologies [ 59 ]}など、MEMS発振器の製造意向を発表した企業も他にもある。

販売量で見ると、MEMS発振器サプライヤーはSiTimeとDisceraの順でランクインしています。多くの水晶発振器サプライヤーがMEMS発振器を再販しています。SiTimeは2011年半ばまでに累計5000万台を出荷したと発表しました。^{[ 60 ]}他のサプライヤーは販売量を公表していません。

共振器の種類に応じて、製造プロセスは専門のMEMS製造工場またはCMOSファウンドリで行われる。

製造プロセスは共振器と封止設計によって異なりますが、一般的に、共振器構造はシリコンウェハ上にリソグラフィでパターン形成され、プラズマエッチングされます。市販のMEMS発振器はすべて多結晶シリコンまたは単結晶シリコンから作られています。

静電変換共振器においては、狭く、かつ適切に制御された駆動用および検出用コンデンサギャップを形成することが重要です。これらのギャップは、例えば共振器の下側など横方向に設けることも、共振器の横側など垂直方向に設けることもできます。どちらの方法にもそれぞれ利点があり、どちらも商業的に利用されています。

共振器は、カバーウェハを共振器ウェハに接着するか、共振器上に薄膜封止層を成膜することによって封止される。ここでも、両方の方法が商業的に用いられている。

接着カバーウェーハは接着剤で固定する必要があります。2つのオプションが使用されます。ガラスフリットボンディングリングまたは金属ボンディングリングです。ガラスフリットは汚染が多すぎてドリフトが発生することがわかっているため、現在では一般的に使用されていません。^{[ 62 ]}

薄膜封止の場合、共振器の構造は酸化物とシリコンの層で覆われ、周囲の酸化物を取り除いて自立型共振器を形成し、最後に追加の堆積で封止されます。^{[ 31 ]}

サステイニングアンプ、PLL、および補助回路は、CMOSファウンドリで製造された標準的なミックスドシグナルCMOSプロセスを用いて構築されています。

同一ICダイ上にCMOS回路を組み込んだMEMS発振器が実証されている^{[ 9 ] [ 63 ]}が、現在までのところ、この同種集積は商業的に実現可能ではない。その代わりに、MEMS共振器とCMOS回路を別々のダイ上に製造し、パッケージング段階でそれらを組み合わせる方が有利である。このように複数のダイを単一のパッケージに組み合わせることを異種集積、または単にダイスタッキングと呼ぶ。

完成したMEMSデバイスは、小型のチップレベル真空チャンバーに封入され、シリコンウェハからダイシングされ、共振器ダイがCMOSダイ上に積層され、プラスチックパッケージに成形されて発振器が形成される。

MEMS発振器は、標準的なICパッケージングに使用されるのと同じ工場で、同じ設備と材料を用いてパッケージングされます。これは、専用工場で特殊なセラミックパッケージを用いて組み立てられる水晶発振器と比較して、コスト効率と信頼性の面で大きな利点となります。

パッケージの寸法とパッドの形状は標準的な水晶発振器パッケージのものと一致しているため、MEMS発振器は基板の改造や再設計を必要とせずに、水晶発振器用に設計されたプリント基板に直接はんだ付けできます。

製造テストでは、MEMS共振器とCMOS ICをチェックおよび校正し、仕様どおりに動作していることを確認し、周波数を調整します。さらに、多くのMEMS発振器は、テスト時に設定可能なプログラム可能な出力周波数を備えています。もちろん、さまざまな種類の発振器は、専用のCMOSおよびMEMSダイから構成されます。たとえば、低消費電力発振器と高性能発振器は同じダイで製造されるわけではありません。また、高精度発振器は、低精度発振器よりもより慎重な校正が必要となる場合が多いです。

MEMS発振器のテストは、標準的なICとほぼ同じように行われます。パッケージングと同様に、標準的なIC工場で標準的なICテスト装置を使用して実施されます。

標準的な IC パッケージングおよびテスト設備 (IC 業界ではサブコンと呼ばれる) を使用することで、MEMS 発振器の生産規模を拡大できます。^{[ 46 ]}これらの設備は、1 日あたり数億個の IC という大規模な生産能力を備えています。この能力は多くの IC 企業で共有されているため、特定の IC、この場合は特定の MEMS 発振器の生産量を増やすには、標準的な生産設備を割り当てる必要があります。一方、水晶発振器工場は単一機能であるため、生産量を増やすにはカスタム設備を導入する必要があり、これは標準設備を割り当てるよりもコストと時間がかかります。