EPSON倒置臺(tái)面原子吸收石英晶體技術(shù)和特性綜述
來源：http://www.techzozo.com 作者：金洛鑫電子 2019年06月10
電子電路是產(chǎn)品在開發(fā)制造過程中,重要的組成部分,雖然說現(xiàn)在是智能化時(shí)代,但智能的前身是電子,前提也是電子電路.在電子電路中,石英晶體是非常重要的’角色’,而EPSON晶振公司是研發(fā)和制造晶體的主要制造商,幾十年來EPSON公司的技術(shù)不斷升級(jí),并且創(chuàng)新了屬于自己的工藝技術(shù),晶體的切割方式通常都是采用AT切割.今天金洛鑫電子帶大家了解一下,EPSON Crystal公司其中一種晶體制造工藝—倒置臺(tái)面.
之前的文章解釋了如何使用倍頻電路,PLL電路和表面聲波(SAW)諧振器來獲得高頻輸出.這些方法中的每一種都產(chǎn)生穩(wěn)定的高頻,但它們各自都有其優(yōu)點(diǎn)和缺點(diǎn).例如,雖然PLL電路提供了靈活性,但它們使振蕩電路設(shè)計(jì)復(fù)雜化并對(duì)相位噪聲特性產(chǎn)生不利影響.同時(shí),SAW諧振器具有電路設(shè)計(jì)簡(jiǎn)單,相位噪聲特性好的優(yōu)點(diǎn),但隨著溫度的變化,其輸出頻率會(huì)發(fā)生顯著波動(dòng).
一般而言,晶振廠家比上述選擇更經(jīng)常使用AT切割晶體.原因是(a)它們?cè)谑覝馗浇哂泄拯c(diǎn)并且在很寬的溫度范圍內(nèi)具有頻率穩(wěn)定性;(b)它們涵蓋范圍廣泛的高頻;(c)它們可以比其他晶體產(chǎn)品小,因?yàn)檩敵鲱l率不依賴于晶體芯片的垂直和水平尺寸(也稱為“空白”),但可以僅由芯片厚度控制;(d)晶體芯片制造容易,因?yàn)榭梢院?jiǎn)單地通過從Z軸旋轉(zhuǎn)來獲得切割.如果AT切割的晶體可以在高頻下直接振蕩,那將是很好的,但是獲得高頻率需要使晶體芯片更薄.此外,由于加工中的問題以及薄晶體的機(jī)械弱點(diǎn),可以獲得有多高的基頻.
本技術(shù)說明描述了一種從具有反向臺(tái)面設(shè)計(jì)的AT切割晶體獲得穩(wěn)定的高頻參考信號(hào)的方法,其中僅使用Epson的QMEMS技術(shù)減薄晶體的振蕩部分.
1.倒置臺(tái)面AT晶體
臺(tái)面是一塊土地,有陡峭的墻壁和平頂.諸如晶體管的半導(dǎo)體產(chǎn)品通常被稱為“臺(tái)面結(jié)構(gòu)”,其被處理成當(dāng)在橫截面中觀察時(shí)它們具有梯形形狀.倒置臺(tái)面AT晶體同樣是一種晶體,其中通過形成梯形空洞使板的振蕩部分變薄(圖1).
晶體芯片越薄,頻率越高.然而,通常認(rèn)為約50MHz的基頻是在使用機(jī)械研磨(芯片厚度約為30微米)的穩(wěn)定的大規(guī)模生產(chǎn)過程中可獲得的最高頻率.為了獲得比AT石英晶振更高的頻率,通常使用更高階振動(dòng)模式(通常是第三泛音)(以獲得50MHz至150MHz的頻率).
然而,需要復(fù)雜的電路來控制第三泛音或其他振動(dòng)模式以獲得高頻.然而,愛普生通過使用QMEMS光刻工藝在基模中獲得高頻振動(dòng),以將芯片的振蕩部分的厚度減小到幾微米,同時(shí)使周圍更厚以保持機(jī)械強(qiáng)度.
2.QMEMS技術(shù)
“QMEMS”是“石英”的組合,“石英”是一種具有優(yōu)異特性的晶體材料,包括高頻穩(wěn)定性和高精度,以及“MEMS”(微機(jī)電系統(tǒng)).QMEMS器件通過微加工工藝在石英材料上而不是像MEMS這樣的半導(dǎo)體材料上生產(chǎn),在緊湊的封裝中提供高性能.除倒置臺(tái)面AT晶體單元外,QMEMS技術(shù)還用于幾種晶體單元.例如,它用于微調(diào)諧時(shí)鐘晶體單元上的凹槽結(jié)構(gòu).它還用于制造具有臺(tái)面結(jié)構(gòu)的AT晶體單元.下面,我以制作以臺(tái)面結(jié)構(gòu)為例的AT晶體單元作為例子來解釋QMEMS處理技術(shù).
理想情況下,表現(xiàn)出厚度剪切振動(dòng)的晶體如AT晶體應(yīng)僅在芯片的中心振蕩;周圍區(qū)域不應(yīng)振蕩.對(duì)于某些MHzAT切割晶體單元,尤其是那些以低頻振蕩的晶體單元,通過斜切晶體芯片的邊緣使得邊緣和中心具有不同的厚度,可以獲得這種效果.圖2示意性地總結(jié)了傳統(tǒng)的機(jī)械加工和QMEMS光刻加工.在機(jī)械加工中,晶體芯片通過它們自身的重量進(jìn)行加工,因此當(dāng)晶振芯片變小時(shí),加工變得更加困難并且變化增加,從而影響特性.相比之下,無論芯片尺寸如何,QMEMS光刻處理都能夠?qū)崿F(xiàn)尺寸和形狀均勻的芯片.即使對(duì)于極小的芯片也可以使變化最小化,此外,可以獲得優(yōu)異的溫度特性(圖3).
QMEMS技術(shù)同樣可以用于創(chuàng)建反向臺(tái)面結(jié)構(gòu),如圖1所示.這種結(jié)構(gòu)可以在基模中實(shí)現(xiàn)高頻振蕩,同時(shí)保持芯片的機(jī)械強(qiáng)度,從而產(chǎn)生具有穩(wěn)定性能的產(chǎn)品.
圖2.雜散特性的比較(頻譜分析儀測(cè)量)
基模中直接高頻振蕩的優(yōu)勢(shì)非常明顯,反向臺(tái)面AT晶體很可能成為即將建成的基礎(chǔ)設(shè)施的重要組成部分.高頻參考信號(hào)源對(duì)于當(dāng)今的通信設(shè)備和網(wǎng)絡(luò)設(shè)備至關(guān)重要,但是有多種電子元件可以產(chǎn)生高頻輸出,以滿足客戶的應(yīng)用或所需的規(guī)格.
在這個(gè)由三部分組成的系列文章中,以下方法討論了電子元件如何提供高頻輸出:
(1)方便的可編程晶振,可編程輸出所需頻率;
(2)低相位抖動(dòng)SAW振蕩器;
(3)AT切割石英晶體振蕩器具有良好的溫度特性,可直接在基模上振動(dòng).每種產(chǎn)品都有不同的特性,但所有產(chǎn)品都是相同的,因?yàn)樗鼈兝昧耸⒕w的穩(wěn)定性和準(zhǔn)確性.愛普生提供多種水晶產(chǎn)品,幾乎可滿足任何應(yīng)用需求.這些技術(shù)說明的目的是充分解釋石英晶體元件的高穩(wěn)定性,并希望在試圖為一個(gè)應(yīng)用選擇最佳電子元件時(shí)使用.
使用PLL電路或乘法器電路來獲得高頻率的缺點(diǎn)之一是由于來自除主信號(hào)之外的其他源(雜散)的噪聲導(dǎo)致的抖動(dòng)特性的惡化.如果使用反向臺(tái)面AT晶振(圖2,右圖),可以實(shí)現(xiàn)低抖動(dòng),因?yàn)樵缙诋a(chǎn)品中不存在雜散元件,因?yàn)楦哳l振蕩處于基模.
之前的文章解釋了如何使用倍頻電路,PLL電路和表面聲波(SAW)諧振器來獲得高頻輸出.這些方法中的每一種都產(chǎn)生穩(wěn)定的高頻,但它們各自都有其優(yōu)點(diǎn)和缺點(diǎn).例如,雖然PLL電路提供了靈活性,但它們使振蕩電路設(shè)計(jì)復(fù)雜化并對(duì)相位噪聲特性產(chǎn)生不利影響.同時(shí),SAW諧振器具有電路設(shè)計(jì)簡(jiǎn)單,相位噪聲特性好的優(yōu)點(diǎn),但隨著溫度的變化,其輸出頻率會(huì)發(fā)生顯著波動(dòng).
一般而言,晶振廠家比上述選擇更經(jīng)常使用AT切割晶體.原因是(a)它們?cè)谑覝馗浇哂泄拯c(diǎn)并且在很寬的溫度范圍內(nèi)具有頻率穩(wěn)定性;(b)它們涵蓋范圍廣泛的高頻;(c)它們可以比其他晶體產(chǎn)品小,因?yàn)檩敵鲱l率不依賴于晶體芯片的垂直和水平尺寸(也稱為“空白”),但可以僅由芯片厚度控制;(d)晶體芯片制造容易,因?yàn)榭梢院?jiǎn)單地通過從Z軸旋轉(zhuǎn)來獲得切割.如果AT切割的晶體可以在高頻下直接振蕩,那將是很好的,但是獲得高頻率需要使晶體芯片更薄.此外,由于加工中的問題以及薄晶體的機(jī)械弱點(diǎn),可以獲得有多高的基頻.
本技術(shù)說明描述了一種從具有反向臺(tái)面設(shè)計(jì)的AT切割晶體獲得穩(wěn)定的高頻參考信號(hào)的方法,其中僅使用Epson的QMEMS技術(shù)減薄晶體的振蕩部分.
1.倒置臺(tái)面AT晶體
臺(tái)面是一塊土地,有陡峭的墻壁和平頂.諸如晶體管的半導(dǎo)體產(chǎn)品通常被稱為“臺(tái)面結(jié)構(gòu)”,其被處理成當(dāng)在橫截面中觀察時(shí)它們具有梯形形狀.倒置臺(tái)面AT晶體同樣是一種晶體,其中通過形成梯形空洞使板的振蕩部分變薄(圖1).
晶體芯片越薄,頻率越高.然而,通常認(rèn)為約50MHz的基頻是在使用機(jī)械研磨(芯片厚度約為30微米)的穩(wěn)定的大規(guī)模生產(chǎn)過程中可獲得的最高頻率.為了獲得比AT石英晶振更高的頻率,通常使用更高階振動(dòng)模式(通常是第三泛音)(以獲得50MHz至150MHz的頻率).
然而,需要復(fù)雜的電路來控制第三泛音或其他振動(dòng)模式以獲得高頻.然而,愛普生通過使用QMEMS光刻工藝在基模中獲得高頻振動(dòng),以將芯片的振蕩部分的厚度減小到幾微米,同時(shí)使周圍更厚以保持機(jī)械強(qiáng)度.
“QMEMS”是“石英”的組合,“石英”是一種具有優(yōu)異特性的晶體材料,包括高頻穩(wěn)定性和高精度,以及“MEMS”(微機(jī)電系統(tǒng)).QMEMS器件通過微加工工藝在石英材料上而不是像MEMS這樣的半導(dǎo)體材料上生產(chǎn),在緊湊的封裝中提供高性能.除倒置臺(tái)面AT晶體單元外,QMEMS技術(shù)還用于幾種晶體單元.例如,它用于微調(diào)諧時(shí)鐘晶體單元上的凹槽結(jié)構(gòu).它還用于制造具有臺(tái)面結(jié)構(gòu)的AT晶體單元.下面,我以制作以臺(tái)面結(jié)構(gòu)為例的AT晶體單元作為例子來解釋QMEMS處理技術(shù).
理想情況下,表現(xiàn)出厚度剪切振動(dòng)的晶體如AT晶體應(yīng)僅在芯片的中心振蕩;周圍區(qū)域不應(yīng)振蕩.對(duì)于某些MHzAT切割晶體單元,尤其是那些以低頻振蕩的晶體單元,通過斜切晶體芯片的邊緣使得邊緣和中心具有不同的厚度,可以獲得這種效果.圖2示意性地總結(jié)了傳統(tǒng)的機(jī)械加工和QMEMS光刻加工.在機(jī)械加工中,晶體芯片通過它們自身的重量進(jìn)行加工,因此當(dāng)晶振芯片變小時(shí),加工變得更加困難并且變化增加,從而影響特性.相比之下,無論芯片尺寸如何,QMEMS光刻處理都能夠?qū)崿F(xiàn)尺寸和形狀均勻的芯片.即使對(duì)于極小的芯片也可以使變化最小化,此外,可以獲得優(yōu)異的溫度特性(圖3).
QMEMS技術(shù)同樣可以用于創(chuàng)建反向臺(tái)面結(jié)構(gòu),如圖1所示.這種結(jié)構(gòu)可以在基模中實(shí)現(xiàn)高頻振蕩,同時(shí)保持芯片的機(jī)械強(qiáng)度,從而產(chǎn)生具有穩(wěn)定性能的產(chǎn)品.
基模中直接高頻振蕩的優(yōu)勢(shì)非常明顯,反向臺(tái)面AT晶體很可能成為即將建成的基礎(chǔ)設(shè)施的重要組成部分.高頻參考信號(hào)源對(duì)于當(dāng)今的通信設(shè)備和網(wǎng)絡(luò)設(shè)備至關(guān)重要,但是有多種電子元件可以產(chǎn)生高頻輸出,以滿足客戶的應(yīng)用或所需的規(guī)格.
在這個(gè)由三部分組成的系列文章中,以下方法討論了電子元件如何提供高頻輸出:
(1)方便的可編程晶振,可編程輸出所需頻率;
(2)低相位抖動(dòng)SAW振蕩器;
(3)AT切割石英晶體振蕩器具有良好的溫度特性,可直接在基模上振動(dòng).每種產(chǎn)品都有不同的特性,但所有產(chǎn)品都是相同的,因?yàn)樗鼈兝昧耸⒕w的穩(wěn)定性和準(zhǔn)確性.愛普生提供多種水晶產(chǎn)品,幾乎可滿足任何應(yīng)用需求.這些技術(shù)說明的目的是充分解釋石英晶體元件的高穩(wěn)定性,并希望在試圖為一個(gè)應(yīng)用選擇最佳電子元件時(shí)使用.
使用PLL電路或乘法器電路來獲得高頻率的缺點(diǎn)之一是由于來自除主信號(hào)之外的其他源(雜散)的噪聲導(dǎo)致的抖動(dòng)特性的惡化.如果使用反向臺(tái)面AT晶振(圖2,右圖),可以實(shí)現(xiàn)低抖動(dòng),因?yàn)樵缙诋a(chǎn)品中不存在雜散元件,因?yàn)楦哳l振蕩處于基模.
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