反向蝕刻( Inverted Mesa)，AT-Cut石英晶體的概况與特性介绍

續前文，愛普生實現高頻、兼顧高信號品質石英振盪器的技術與方法(上、中篇)，我們已介绍過使用倍頻電路和鎖相環電路，或是搭載著表面聲波SAW (Surface Acoustic Wave)諧振器實現高頻高品質振盪器的解決方案。使用這些方法雖然可以獲得高品質的高頻元件，但其特性各有其優缺點。

  例如，鎖相環電路能夠提供靈活性的同時，其振盪電路設計卻較複雜，從而導致相位噪音特性惡化；使用SAW的方法電路設計較為簡單，並兼俱備非常優異的相位噪音特性，並可支援GHz頻率寬帶，但SAW元件因晶體特定切割角度完成後，其溫度頻率係數的偏差量，容易隨著工作溫度的變化讓其頻率變化誤差值偏大的缺點。

  因此，各石英振盪器供應商多使用，搭載著AT-Cut石英晶體為其諧振器核心，其主因如下：

1.  在常溫範圍内溫度曲線有反折點，頻率誤差在較廣的工作溫度範圍，可保持穩定。

2.  透過生產製程中控制石英晶片厚度，便能實現所需特定頻率，易實現小型化封裝石英元件。

3.  只需旋轉Z軸，就能進行石英片切割，便於生產。但是，若要從AT-Cut石英晶體直接達到特定高頻，則需將石英片加工得很薄。這在加工方法和機械性强度等方面存在著許多限制。

  這次，我將介紹應用愛普生反向光蝕刻 ”Inverted Mesa” 製程工藝下，僅將石英晶體特定振盪能量部位予以倒凹槽梯形蝕刻加工，控制AT-Cut石英晶體其梯形凹槽厚度，藉此實現以基本波信號的高頻諧振器。

【1】什麼是反向蝕刻 ”Inverted Mesa” 工藝的高頻石英晶體？

  英語” Mesa”源於西班牙語，本意為”周圍是懸崖峭壁的台形地貌”，通常把截面透過特定加工工藝成倒梯形凹槽結構。倒梯形凹槽AT-Cut石英晶體，指把AT切割石英片的一部分(特定振盪能量區)，透過光蝕刻加工下，實現倒梯形凹槽和厚度石英晶體結構，如圖一。

  AT-Cut石英晶體的石英晶片厚度越薄，其產生的基本波諧振頻率越高。但是，通常採用傳統機械研磨工藝下，多僅能生產基波起振諧振頻率，約50MHz左右(石英晶片厚度控制約30μm)。

  如使用AT-Cut石英晶體諧振器，需要實現高頻頻率時，常會透過其諧振頻譜中的三次諧波模式(3^rd Over-Tone)來達到100MHz至156.25MHz。但是使用三次諧波的高頻振盪器，需要使用複雜的振盪電路來控制，相較於基本波(Fundamental)。

  透過光蝕刻(Photolithography)技術工藝，愛普生製造僅將石英晶片中特定振盪能量區，予以倒梯形凹槽加工，厚度控制至幾微米，其得以保證石英晶片抗振强度，並實現搭載著高品質的基本諧振波的時脈元件。

【2】關於光蝕刻(Photolithography)加工技術

  “Photolithography Quartz Chip”，以石英材料進行光蝕刻精密加工，它可以實現小型化、高精度、高準度和高度均一性的石英晶體諧振器，我們稱為它”Photo-Chip”。

  在愛普生產品線中，透過光蝕刻加工技術的晶體諧振器，除本次介绍的倒梯形凹槽加工石英晶體以外，它亦廣範施用於微型化音叉式石英晶體諧振器，透過英叉的兩端機構件上施予凹槽加工，來實現低等效電阻(Low ESR)特性等。本篇，我們以AT-Cut石英晶體的反梯形凹槽結構加工為範例，說明Photolithography Quartz Chip工藝和相關技術優點。

  AT-Cut石英晶體的振盪是典型的厚度形變振盪，其理想的振盪狀態是只在其中央部分振盪，而周圍部分不產生振盪。對於MHz頻帶中較低頻帶的AT型石英晶體，大多使用倒角加工(beveling)，使石英晶片中央部分與周圍的厚度不同，從而獲得該機構外形。

  圖二，表示原傳統機械加工方式和使用了光蝕刻加工方式的比較。由於傳統機械加工利用石英晶片本身質量進行倒角加工，所以石英晶片越小，加工難度將越大，其頻率偏差控制也隨之增加，並影響特性。與此相比，光蝕刻技術加工，不受石英晶片質量的影響，可使石英晶片形狀保持高度均一性，即便是超小型的石英晶片，也能達到比機械加工更小的偏差，從而實現圖三，優越的頻率-溫度(Frequency-Temperature)特性。

綜合以上所述，在高頻領域，也能夠使用光蝕刻加工技術生產出(圖一)所示的反梯形凹槽結構，既可保持石英晶片抗振强度，又能得到以基本振盪波為高頻訊號源，提供具極高穩定性能的產品。

【3】倒梯形凹槽加工(Inverted Mesa)AT-Cut石英晶體的產品線及特性說明

  愛普生產品線中，透過以光蝕刻技術，實現高頻基本波和低抖動的石英晶體振盪品如下：

一.  SPXO (Simple Packaged Crystal Oscillator，石英晶體振盪器)中，應用予高速通信界面專用的差動式石英振盪器，SG7050/SG5032/SG3225EEN(LVPECL)、SG7050/SG5032/SG3225VEN(LVDS)，或SG3225HBN(HCSL)，SG2520EFN、EHN(LVPECL)、SG2520VFN、VFN(LVDS)等。

二.  VCXO (Voltage Controlled Crystal Oscillator，電壓控制石英晶體振盪器) 中，VG7050/VG5032/VG3225E*N(LVPECL)、VG7050/VG5032/VG3225V*N(LVDS)系列。VCXO輸出的頻率將隨外部電路電壓控制準位變化，調整其頻率輸出，主要應用於基地站和光通信傳輸設備。近年，由於有線或無線資料通信傳送，不斷趨向高速化及巨量化，市場對高頻與穩定信號源的石英振盪器需求日益增加。因此，具有實現高頻、低偏差溫度頻率誤差特性，及優異相位噪聲特性的高頻基本波(High Frequency Fundamental)石英晶體，已成為關鍵之所在。

圖四，表示使用HFF石英晶體的VCXO產品，和透過倍頻型(PLL)產品的頻譜比較