傳統製程面臨加工瓶頸

石英晶體所具備的壓電效應，讓它可以透過晶體變形和振動來控制發生頻率的快慢，並可產生循環的晶體振盪，對外提供電子系統所需的參考頻率。做為頻率參考的基準，石英晶體被要求提供高度的穩定性，而這個穩定性主要由切割角度、厚度及晶體Q值等參數決定。

在傳統製程上是靠切割、研磨等方式的來製作石英晶體，這種機械加工的方式，即使再精密也有其限制，因此出廠前的石英晶片往往還得運用雷射來切削最關鍵的電極形狀，透過精微調校來控制控制品質。除了一致性不易達到外，面對薄型化和小型化的需求，機械加工製程也顯得力有未逮。

針對行動寬頻的蓬勃發展，石英晶體的薄型化可提供更高的振盪頻率，而小型化則能滿足行動裝置要求輕巧的設計目標。不過，傳統製程方式已到達薄型切割的極限，雖可做得到小型化要求，但卻又遭遇到晶體阻抗（Crystal Impedance, CI值）增大而造成的振盪穩定性下降。

我們發現，半導體業的製程技術及微機電（MEMS）的技術，都足以引進石英製程中，為上述的問題提出解決途徑。透過對石英晶體進行光微影蝕刻製程，可以實現晶片形狀的均一性，從而解決過去個別石英晶體CI值、頻率精準度不一致的問題。此外，QMEMS製程也能做出薄型化及更複雜的晶體成形結構，以達到高頻振盪或增加電極面積來降低CI值的目標。

AT型石英晶體的微型化挑戰

目前我們運用QMEMS製程來生產的石英晶體元件包括音叉型晶體（Tuning-fork crystal）、Photo AT、TCXO/SPXO、基本波振盪（High Frequency Fundamental, HFF）晶體及陀螺儀感測元件（Gyro sensor）。

所謂AT型（AT-Cut）石英晶體即是採用AT角度切割（對石英晶棒Z軸向旋轉約35度）的石英晶片，當施與電壓時，其振盪片的上下平面會產生相反方向的振盪（屬於厚度變形振盪），能產生數MHz到數百MHz的頻率，而這個頻率範圍的應用領域相當廣。

《圖一 AT型晶體即是對石英晶棒Z軸向旋轉約35度 》

目前AT型晶體的應用主要是介於12 MHz到80 MHz之間。此頻率範圍主要由晶片的厚度來決定：晶片愈薄、頻率愈高；晶片愈厚、頻率愈低。對AT型晶體來說，薄型化的高頻晶片還比較容易實現，加厚的低頻晶片反而不易達成。主要的限制是當晶片厚度變大時，阻抗會升高，不易控制低頻的輸出。

隨著小型化的發展，傳統磨斜邊（Beveling）的加工製程面臨橢圓形晶片形狀控制不易的問題，這也嚴重影響到晶體的穩定性。相較之下，採用QMEMS製程生產MESA結構的Photo AT，則可在微型條件下將振盪部（vibration part）和承接部（holding part）明顯地分開，以降低因依附造成的應力影響。光蝕刻製程能對晶片尺寸精確掌控，使得每個石英晶片的特性都能達到非常穩定的一致性，而且對材料的損耗也低。此外，透過光蝕刻來形成電極，也可避免傳統濺鍍製程造成的銅污染問題。

《圖二 採用QMEMS製程生產MESA結構的Photo AT石英晶片 》

打造高品質Photo AT

怎麼才能生產出高品質的AT型石英晶體呢？影響AT型石英晶體特性有兩大主要因素，一是頻率對溫度特性，一是等效電路參數。所謂頻率對溫度特性，就是石英晶體會隨溫度變化會出現頻率偏差的現象。石英頻率會隨溫度變化而改變，這是因為石英材料在各個座標軸向的熱膨脹係數不同，當溫度改變時，各軸向晶格距會產生些許變化，造成頻率的偏移。

雖然不同型態的晶態會有不同的頻率對溫度特性，但在定義上會以室溫25℃為相對零點。相較於其他為二次曲線（即拋物線）的切割方式，AT Cut的頻率對溫度特性為三次曲線，能夠在人類環境的溫度範圍內（25℃上下）具有較佳的溫度特性，溫度特性的管理也比較容易。

會影響AT型晶體溫度特性的原因很多，包括：(1)切割角度；(2)石英晶片厚度；(3)電極的配置一致性；(4)電極的厚度；(5)晶片大小；(6)支撐應力。影響等效電路參數的原因，則包括：(1)電極的配置一致性；(2)石英晶片厚度；(3)電極尺寸的變異。透過QMEMS的光蝕刻製程，則有助於改善電極配置一致性和變異的問題，如此一來，溫度特性能夠更為穩定；透過精準的控制電極尺寸，等效電路參數的變異也會降低。

整體來看，影響石英晶體特性變異的因素，包括頻率的穩定性和溫度特性、電極配置、等效電路參數和敏感度等，透過QMEMS製程生產的Photo AT產品，不論在晶片尺寸與形狀，或電極的尺寸與配置上，都能獲得更精準的控制，進而改善這些變異情況的發生。此外，也能設計更大的電極面積，這對敏感度（sensitivity）的提升很有幫助。

石英振盪器的最佳選擇

AT型晶體在今日的通訊設備中運用極廣，使用它來為特定系統提供穩定的參考頻率，有兩種作法，一是配置振盪電路，一是選用主動式的石英振盪器。多數技術成熟或產量大的系統會採用石英晶體加振盪電路的作法；一些設計初期、少量上市或技術規格未成熟的產品，則會採用石英振盪器。

採用振盪電路的設計，必須在石英晶體與振盪電路之間取得最佳的設計匹配，才能得到可靠的參考頻率輸出。如果兩者之間的匹配度不佳，可能造成各種問題，例如無法起振、頻率誤差太大而不符需求，或是頻率不穩定的現象；此外，輸出頻率也可能因電源電壓或溫度的變化改變誤差範圍，或造成振盪動作的停止。

至於石英振盪器的作法，因只需供電即可提供穩定的頻率，不需再做迴路分析或最佳化的調整，因此可以有效縮短開發時間。這類的振盪器有多種類型，包括SPXO、VCXO、TCXO、OCXO等，分別可以滿足產品對高精度、彈性、低EMI或高頻的個別需求。

所謂石英振盪器，即是將石英晶體與負責驅動的振盪電路或IC晶片整合安裝在同一個陶瓷基材的封裝內，再透過焊接方式，在上方以金屬製外蓋（Lid）密封而成。此類振盪器具備待機功能，可透過控制端子來停止內部的迴路動作及振盪輸出。在對石英振盪器內部的石英晶體的選擇上，新式的Photo AT擁有比傳統AT型晶體更多的優勢。

首先，AT型晶體有兩個重要參數，一是動態電容C1，一是並聯電容C0，由於Photo AT能降低這兩者的變異狀況，因此不需對頻率做太大的調整，而且頻率調整的速度加快；加上頻率對溫度特性更穩定，這意味著更佳的頻率穩定性，以及更高的準確性；相較於同尺寸的傳統晶片，Photo AT能獲得較大的C1、較小的L1，這有助於改善起振時間，更廣的頻率調整能力則能獲得更大的敏感度。

這些特性對於IC晶片的設計來說，可以降低內部的電容陣列、記憶體及DAC的需求，設計上也更為容易。此外，石英振盪器內IC晶片，可以運用DAC元件來對石英晶體的溫度特性進行補償，也就是高/低於25℃的偏高及偏低的頻率向中間拉。這就是TCXO的工作原理，而這樣做時，石英元件的溫度特性曲線、溫度參數和調整敏感度會是影響溫度補償功能的重要因素。如果這些因素的變異性能夠降低，振盪電路之頻率穩定性對溫度的變異也會獲得改善。

《圖三 採用Photo AT的石英振盪器，其內部電容陣列需求可以降低》

《圖四 石英振盪器內IC晶片，可以運用DAC元件來對石英晶體的溫度特性進行補償》

結論

從本文的分析中可以得知，透過QMEMS的光蝕刻製程，可以獲得性能一致性更佳、更精細的結構設計，以及實現微型化及薄型化的要求等優勢。以Photo AT來說，因其晶片尺寸、形狀及電極的設計都比傳統AT型晶體更為精準，使得其頻率對溫度特性更為穩定，等效電路參數的變異也縮小。這些優勢也讓Photo AT成為石英振盪器內部的石英晶體振盪源的最佳選擇。