在此一行動化、無線化的趨勢下，電子產品同時還要求提供更多、更強大的功能。這對於電子元件供應商來說，自然是很大的挑戰，必須要有能力提供更小、更省電的電子元件，同時維持應有的性能表現。在半導體領域，透過成熟的矽製程不斷開發出集積度更高的SoC晶片，未來更將進入3D IC的時代。另一個微機電（MEMS）的領域，也利用半導體製程技術打出了一片天，在感測及致動應用上開發出許多成功的產品。

對於歷史悠久、應用廣泛的石英晶體產業來說，同樣也面臨著微型化的發展壓力。今日的電子產品中往往需要採用多顆石英晶體單元來提供計時或參考時脈的功能，當這些產品希望在機殼中裝入更多的功能時，石英晶體單元也不能例外地必須提供小型化的解決方案。這對石英晶體產業是一個很大的衝擊，因為在過去數十年來，石英晶體的製造皆仰賴機械研磨製程。然而，以此傳統製程開發更小型的石英元件，卻遭遇到很大的瓶頸。

若要以機械研磨製程開發小型化石英晶體，除了物理性質上有其尺寸極限外，小型化帶來的阻抗增加或良率降低等因素，都將會是小型化的瓶頸。然而，今日市場上對於高精密度、高頻的小型化石英元件需求若渴，很顯然地，石英晶體業者必須另闢新的解決方案。QMEMS正是Epson Toyocom因應這個需求所提出的方案，它將石英的高穩定性和精準度與MEMS微製程（Microfabrication）技術結合，讓石英晶體能順利提升到新一代的微型化階段。

QMEMS挑戰傳統製程

先進的QMEMS製程技術引進半導體製程的光蝕刻（Photolithographic）技術，能夠實現更精密的元件成型設計。先來看看機械製程與光蝕刻製程的差異（圖一）：

《圖一　光蝕刻法與傳統機械製程之流程比較》

• ●機械研磨製程：此做法一開始即先將石英晶柱以機器切割成小方塊的單體晶片，再對這些單片進行研磨（Abrasive）、磨斜邊（Beveling）等加工，做成所需的形狀，再進行檢驗，最後再送去組裝和封裝。這種做法通常只能做到2D結構的設計，不易進行精密的加工。





• ●QMEMS光蝕刻製程：此一先進做法採類似於半導體的製程，先在石英晶圓的表面形成鈍化層（Passivation Layer）和光阻層（Photoresist Layer），再進行曝光程序，在晶圓上形成預定的圖樣；再經由蝕刻的步驟讓需要的結構成形，進而得到要求的晶片。這種做法能夠輕易地將石英晶體單元做到更小，並透過3D的精密結構設計，保有、甚至提升元件的表現特性。

雖然機械製程同樣要求很高的晶片表面平坦度，但使用光罩蝕刻製程時，對平坦度的要求更為嚴格。此外，QMEMS雖然利用半導體生產設備，但這些設備必須調整成適合處理石英原料，而非原先的矽晶圓，這需要長時間的測試與修正。

其實石英晶體本身即具有穩定的物理及化學特性，在溫度變化時的頻率也相當穩定，加上其硬度高，很適合進行精密加工製造。採用光蝕刻的QMEMS製程，則能更進一步地充分發揮石英晶體的優勢，達到微型化、省能源、高穩定性、高準確性等訴求。

• ●提高生產力：由於這類製程是採批次生產，因此具有更高的生產力；而當光蝕刻技術能將元件做得更小時，又意味著從單一晶圓中能獲得更多的元件。此外，相較於傳統生產方式，不同的元件種類都需要使用不同的機器工具，QMEMS製程能用同樣的廠房和設備，生產出多樣式的QMEMS產品。





• ●滿足微型化要求：同樣是2D結構的設計，光蝕刻製程就能做出比機械製程更小的元件；若採用3D結構設計，則能達到更小型化的元件設計。舉例來說，2D結構的QMEMS製程能讓音叉型晶體減少20%的尺寸；若運用3D QMEMS的技術，更能進一步將元件的大小減少為原來的一半，且不犧牲其穩定性和精密度。





• ●精密加工：光蝕刻製程讓設計人員能進行更複雜的設計，例如能對音叉型晶體單元或其他元件進行3D設計，也就是利用在三維空間中製造元件的電極，進而增加其整體面積。這有助於抑制晶體阻抗值（CI）的增加，因此能在滿足微型化的要求下，同時保有產品的效能。此外，藉由將刻槽（Groove）結合到元件的設計中，可進一步控制石英晶體的電阻值。不僅如此，更加精密的元件製程也有助於提升元件的穩定性，且與傳統的機械式製程相比，在形狀上的誤差更小。





• ●低功耗特性：QMEMS元件能達到低耗電量，因而更適合用於手機和其他可攜式設備上。

QMEMS元件與應用

石英元件的類型眾多，可以應用的領域很廣。目前Epson Toyocom已利用QMEMS技術來生產特別需要微型化及精密設計的石英元件，包括音叉型石英晶體（Tuning-fork Crystal Units）、HFF石英晶體及Photo AT等時序元件，以及角速度感測器/陀螺儀（Gyro Sensor）、加速度感測器、壓力感測器等感測元件。以下介紹這些元件利用QMEMS製程設計的優勢：

音叉型石英晶體

音叉型石英晶體為電子產品中常用的計時元件，自然也需因應微型化的需求。不過，傳統的機械製程在1998年時就已發展到了極限，繼續縮小尺寸時，因為會減少電極的範圍，進而增加石英晶體阻抗值（Crystal Impedance；CI），這會影響晶體振盪特性。

改採QMEMS光蝕刻製程後，因能做出H型刻槽（H-groove）結構，有助於加大電極範圍，以提升電解效率（Electrolytic Efficiency）。此設計讓小型化的石英晶體也能保有與原先晶體相同的CI阻抗值，也就是性能不會受到小型化的影響（圖二）。

《圖二　以QMEMS技術開發微型化的音叉型晶體》

目前QMEMS的音叉型石英晶體朝兩個方向發展，一是微型化的設計，已可做到2.0mm×1.2mm的極小尺寸，很適合行動設備的應用；一是薄型化的設計，已可做到厚度達0.48mm，甚至是0.38mm，這是專門針對有安全功能需求的智慧型晶片卡而設計的。

Photo AT

AT型晶體可提供MHz等級的參考頻率，這在電子產品中的應用很廣，例如手機、網路卡、處理器都用得到。和音叉型晶體一樣，AT型晶體也遇到傳統製程微型化上的困難。雖然機械製程也能做到2.6mm×2.0mm，甚至是2.0mm×1.6mm的微小尺寸AT型晶體，但其振盪特性卻不夠穩定，不同的晶片之間會有過大的偏移差異。

採用光蝕刻製程的精密加工技術，能夠做出檯面結構（Mesa Structure）的Photo AT晶體，而且這些微型化的晶片都能保有一致性的形狀，進而能達到穩定的溫度特性及最小的變異性，大幅提升應用上的可靠度。請參考圖三、圖四。

《圖三　傳統AT晶體與Photo AT結構比較》

《圖四　採光蝕刻精密加工技術生產的晶體能得到溫度特性更佳的表現》

HFF石英晶體

HFF石英晶體是一種能在基本波（Fundamental Wave）上實現高頻的晶體元件，主要應用在需要高純度（Good P/N）、穩定時脈的通訊設備、骨幹架構設備和基地台等。要提高石英晶體的頻率，石英晶片必須做得更薄才行，但傳統製程有其極限。利用光蝕刻技術，可以控制薄型化的部分僅位於晶片的激化電極（Excitation Electrode）區域，僅在此區域構成反向檯面結構（Reverse-mesa Structure）。此作法能做出100MHz以上的高頻振盪器，並保有晶片的強度（圖五）。

《圖五　HFF晶體的結構示意圖》

Gyro sensor：

Gyro陀螺儀/角速度感測器可以說是QMEMS製程的代表作品。這是一款結構相當複雜的產品，相較於市場其他音叉型感測器作法，Epson Toyocom進一步提出雙T（Double-T）的架構，結合石英晶體的特性，能夠提供高敏感性、高準確性、極低耗電量和不受溫度影響的絕佳穩定特性。

QMEMS充分利用光蝕刻製程技術，製造出鎚頭及H-groove結構，也就是在極小的尺寸中做出雙T型的感測臂和驅動臂（圖六）。當Gyro旋轉時，科氏力會對驅動臂產生受力，並形成垂直方向的振動，進而產生可偵測的電壓。相較於其他作法的陀螺儀，QMEMS的石英晶體陀螺儀能提供極高的準確度，而且不易受溫度變化影響而產生性能上的飄移（圖七）。

《圖六　QMEMS陀螺儀的雙T結構》

QMEMS技術發展史

Epson Toyocom在2005年發表XV-3500CB的單軸陀螺儀，其所採用的表面黏著元件（Surface Mount Device；SMD）封裝尺寸只有5.0mm× 3.5mm，小到足以放在您的指尖。目前已廣泛運用在需要高準確性、滯後效能、最低歸零偏移等特性的應用需求上，例如相機的影像穩定系統、遊戲機的手勢操控，以及行車的慣性導航等用途。

Epson Toyocom能及早掌握QMEMS技術，其實並非一蹴可及的。Epson Toyocom的前身為Epson和Toyocom兩家公司，其中Toyocom累積將近八十年的石英晶體生產經驗，為量產特殊規格高精度AT-Cut石英晶體元件的領導者；Epson在利用平版印刷製程生產音叉型石英晶體元件（eg. 32.768kHz），則有四十年以上的經驗。這些經驗及設備的整合，正是能開發出今日最新QMEMS生產製程的條件所在。

不過，如何善用QMEMS技術來開發更多樣的產品，仍需投入高度的研發心力。QMEMS元件開發的最大挑戰來自於3D結構的設計方法，這必須透過反覆的試驗，才能將晶體結構改善到要求的準確度。不過，這種參數的試驗若需藉由將一批一批的石英晶圓投入生產線來獲取，顯然是耗時、耗成本的不切實際作法。

為了有效掌握生產參數，Epson Toyocom工程師和Epson軟體設計工程師共同合作開發了一套電腦模擬程式，能以虛擬的方式達到設計所需的參數目標。這套技術讓專業工程師能更快速地實現自己的設計理念，也讓更小、更精密、更穩定的QMEMS新型元件能夠以每年10到20種的速度推出市場。

《圖七　相較於其他技術的陀螺儀，QMEMS石英式陀螺儀具有穩定溫度特性》

結語

為了達到微型化、精密加工的需求，石英晶體產業從傳統機械製程轉型到新技術上已是必然的趨勢。目前半導體與MEMS製程雖然已發展地相當成熟，但如何將其轉變運用到石英晶體的開發上，仍然充滿了許多挑戰，許多石英業者仍在摸索的階段。

在電子產品要求越來越小、越來越精細的現在，傳統製程已漸漸無法滿足消費者的需求。本文為讀者詳細介紹由QMEMS技術之起源、發展、優勢，以及其之所以能滿足產業界需求的理由。下篇文章將針對目前廣泛被使用於遊戲機、GPS定位系統、車用電子等熱門應用領域之感測器，做一詳細且深入的介紹，敬請期待！

---作者任職於台灣愛普生科技電子零件事業群---