精工愛普生公司音叉晶體尺寸進化歷史與QMEMS技術起源
　　很多人都知道日本精工愛普生株式會社生產的音叉晶體好,無論是封裝尺寸還是品質穩定性,均領先于業界,如FC-125晶振,MC-146晶振,FC-12M晶振,FC1610AN晶振等都是市場上的熱銷產品,而且它們的尺寸都非常小.尤其是最新推出的FC1610AN系列,尺寸只有1.6×1.0×0.5mm大小,對其工藝技術要求是非常高的,因為體積縮小的同時,還提升了精準度,穩定性和品質.愛普生晶振公司并不是得天獨厚,在最開始的時候,研發音叉晶體時經過許多困難和挫折,最后一個個突破這些技術問題,接下來一起來看看愛普生公司的成名史吧!
　　1974年是世界上第一只石英手表"精工石英Astron 35SQ"問世以來的第五年.正是在這個時候,石英表全面普及,并且為了滿足需求,不得不不斷增加音叉水晶的產量.長野縣伊那市的石英設備事業部(當時的松島工業株式會社)負責監督這些設備的批量生產(見圖1).隨著生產和其他因素的順利進行,似乎他們可以放心地依靠時鐘晶體單元來維持其核心業務.在伊那工廠工作的每個人都對滿足感充滿了渴望.
　　從表面上看,一切似乎都進行得很順利.但是,處于開發前沿的工程師們沒有時間休息.Suwa手表設計部門的工程師和Ina石英設備部門的工程師之間每天都在發生激烈的爭論.對于鐘表制造商而言,使設備更小,更實惠的能力至關重要,他們幾乎沒有時間停下來喘口氣.

圖1:位于長野縣伊那市的晶體器件事業部.

　　俯瞰1990年代精工愛普生(EIKO)的伊那工廠的鳥瞰圖.三層建筑后面的大型扁平結構是為了擴大照相處理而建造的.
　　石英設備部了解手表設計部的意愿.但是,根本不可能使音叉晶體裝置的體積比現有的小.另一方面,手表設計部需要使晶體單元更加緊湊,以便將其轉移到下一個女士手表的商業產品線.他們迫切希望工程師提出一些建議.Suwa手表設計部堅決拒絕退縮是有原因的.自他們首次推出世界上第一只石英表以來已有5年了,市場競爭日益激烈,尤其是隨著香港制造業的突然崛起.
　　因此,至關重要的是要繼續使手表更緊湊,價格更便宜,以便公司保持其主導地位.因此,他們開始考慮將比現有手表小得多的新系列女士手表推向市場.為了實現這一目標,至關重要的是,他們必須能夠制造音叉晶體單元.這些設備的心臟-再次縮小.但是,沒有沒有限制."當然,從理論上講,有可能使這些晶體單元變得更小.但這會導致成本飛漲.因此,事實仍然是,實際上,實際上不可能將它們做得更小.這是石英晶振事業部的真實位置.像往常一樣,部門間的爭論無濟于事.
　　石英設備部的工程師對手表設計部面臨的痛苦困境非常了解.盡管他們熱切希望能為他們提供幫助,但實際上他們無能為力,因為音叉晶體組件的制造工藝已經達到技術極限.讓我們停下來回顧一下1974年制造過程涵蓋的內容的簡單解釋.首先,從石英晶片上機械切出音叉(U形)石英碎片.這種方法意味著在此階段,U形片段的左右"臂"的長度之間存在很大的差異,因此很難確保兩個臂之間的平衡.這種變化可能是10μm或更大.為了解決這個問題,工作人員使用金剛石砂輪校正了每個石英碎片的臂長,從而將精度提高到20ppm.這個任務非常復雜,需要耐心.正是在這一點上,依靠人類工藝的任務正在達到極限.
　　但是,隨著音叉晶振單元的尺寸越來越緊湊,變化的影響逐漸變得越來越明顯.隨著所需的調整變得比以往更加詳細,對每個音叉晶體單元進行調整所需的時間也越來越長.當然,對于已經經驗豐富的伊那婦女來說,這仍然是一個相對較短的過程,但是培訓和培養這類工人并不是一件容易的事.不用說,如果必須在制造上花費更多的時間,成本也會上升.到目前為止,由于這些"伊娜女士"的努力,該公司已設法解決了所有問題,但隨著石英表的全面普及正開始全面發展,她們不再只能依靠這一點.

　　圖2:音叉晶體單元的頻率調節過程1970年代初期,音叉晶體單元的頻率調節過程.此圖顯示了工作中的婦女使用金剛石砂輪手工切割音叉晶體單元的前邊緣,以調節頻率.
　　"其他技術"是對"光刻"的引用,"光刻"是研究與開發部門自1970年左右以來一直致力于開發的技術.光刻是一種通過應用照相曝光技術創建微觀圖案的技術.當時,光刻已經成為集成電路(IC)必不可少的制造技術.
　　美國一家名為Statek Corporation的公司是世界上第一家成功將光刻技術應用于晶體單元制造的公司.得知這一消息后,服部一郎(當時的SuwaSeiko的公司董事)立即飛往美國.在那里,他被告知了該技術的實施情況,當他回到日本時,他立即命令研發部工作.將這種技術發展付諸實踐.
　　從理論上講,將光刻技術應用于晶體單元的加工應有助于顯著提高工藝精度.但是,即使他們成功地在硅晶片的薄膜處理中使用了該技術,他們仍擔心自己是否能夠將其應用于石英晶片.即使可以實現,他們也不知道他們是否能夠獲得他們真正追求的結果.事實是,有很多工程師對此表示懷疑.
　　但是,很顯然,如果繼續采用機械加工方法,它們很快就會達到極限.此外,根據高田春男說,"Su訪精工當時的企業精神是大膽應對新挑戰."因此,他們成立了一個項目小組,并開始開發用于石英水晶振子的光刻技術.新的項目團隊迅速行動.他們收到了從美國寄來的文件,并開始進行基本實驗,以實施光刻原型安裝.
　　光刻技術的確令人贊嘆(圖3).工程師們在開始基本實驗后就看到了驚人的潛力,這讓他們感到驚訝.石英設備工程師Mutsumi Negita表示:"即使在基礎實驗階段,我們也可以看到我們的過程精度至少比機械方法好10倍."看起來光刻技術將是其處理方法中非常有價值的后續技術.

　　圖3:當時的光刻技術的工藝流程,攝影曝光技術用于從石英晶片中提取所需形狀的石英碎片,并形成微觀圖案的電極.
　　盡管如此,新技術并非沒有局限性.Statek的原始設備設計不適合通過音叉晶體單元獲得高性能.較低的電場效率意味著晶體阻抗(CI值)*1非常高.當CI值高時,可能難以使晶體單元振蕩,并且振蕩電路的設計也變得更加復雜."盡管高加工精度非常出色,但該技術無法在當前狀態下使用."這是Ina石英設備事業部的工程師在評估第一批原型時給人的印象.盡管毫無疑問,該技術在未來具有巨大的潛力,但他們無法立即使用它.考慮到這一點,他們決定必須回到制圖板上進行光刻的進一步研究和開發.
　　*1晶體阻抗是指晶體單元的等效串聯電阻.一般而言,晶體單元是使用將電容器與電阻器組合在一起的電路來振蕩的.當晶體阻抗(CI值)較高時,很難使晶體單元振蕩.
　　在接下來的兩年中,他們在光刻技術上取得了巨大的突破:開發了用于音叉晶體單元*2的新電極結構.由Statek開發的原始電極結構只能獲得大約30％的電場效率,并且CI值太高.因此,項目團隊決定修改石英材料的切割角*3,并制定適合其的最佳結構.結果,他們成功地大大提高了電場效率.同時,盡管與使用機械加工方法制造的音叉晶體單元相比,CI值仍然很高,但它已經下降到足夠低的數字,無法使用."有了這樣的水平,我們應該能夠提出一些建議."這就是工程師先前在會議室發表評論的原因,該評論"即將準備使用其他技術……".
　　光刻技術的問題在于CI值太高.但是,只有消除這一障礙,才能獲得由高過程精度帶來的全部好處.許多工程師也有同樣的感覺.當天在會議室決定實施光刻技術的決定是一致的.在解決了所有最大的問題之后,光刻技術發現的潛力再次使他們感到驚訝.超過機械方法水平10倍以上的過程精度會產生各種有益的波紋效應.其中之一是安裝石英碎片的方法.常規機械加工方法在U形碎片的左臂和右臂之間的測量變化產生了一個稱為振蕩泄漏的分量.當該泄漏物從外部逸出時,會發生性能下降.
　　為了解決這個問題,采用了采用彈簧的復雜安裝結構,以防止晶體諧振器由于振蕩泄漏而導致的這種退化.但是,隨著光刻技術的實施帶來的加工精度的提高,并減少了左右臂之間的測量差異,因此不再需要彈簧.可以簡單地將石英碎片直接連接到用于氣密密封的引線端子上.這極大地降低了成本,并使尺寸更緊湊.
　　另一個有益的紋波效應是用于調節頻率的方法.以前,每個碎片都必須由工人使用金剛石砂輪進行調整.這需要大量的勞動時間.但是,現在由于采用了光刻技術,因此大大提高了工藝精度,只需要進行微調即可.現在,這可以簡單地通過采用激光修整膜的方法來實現,這也將使微調過程自動化.結果是可以極大地簡化生產力.
　　*2此技術發展為其贏得了1982年國家發明獎日本專利局局長.獲獎者是承擔最核心職責的項目團隊的4名成員,分別是大口菊夫,下井昭夫,柴田誠和緒方俊明.
　　*3人造石英的晶體結構為三角形.因此,根據切割每個薄石英晶片的角度,特性將不同.

　　圖4:使用光刻技術制造的第一款產品."C-002"于1975年首次商業化.其外部尺寸為2mm(半徑)x6mm(長度),正常頻率為32.768kHz.
　　同時,另一項新技術正在悄然開發,以支持光刻技術的實施.該公司的準備工作是水密的.終于在1975年開始量產"C-002",這是第一款應用光刻技術的音叉晶體裝置(圖4).其外部尺寸為2mm(半徑)x6mm(長度).它很小,僅為上一代晶體單元"Cal.57型"的1/7(圖5).他們成功地使晶體裝置更加緊湊.
　　至于成本,由于精簡的結構和制造工藝的創新,這些成本也應該大大降低.但是云總是跟隨著陽光.特別是有一個問題使他們在生產車間感到困擾.它們的制造成品率極低.根據當時負責使用光刻技術進行批量生產技術開發的項目組成員MutsumiNegita的說法,"開始批量生產時的制造良率約為10％."換句話說,每生產10個產品中就有9個是有缺陷的.但是,既然產品已經投放市場,我們就需要每月生產50,000個晶振."我們所有的工人都放棄了休假時間,以某種方式每月能夠生產50,000件優質產品."
　　他們認為,如果這種"緊急響應"計劃僅持續一個月左右,那么就可能能夠應對,但長期而言將無法持續.石英設備部門的工人一一疲憊不堪.觀察到這種情況后,公司中的其他人開始懷疑使用這項新技術是否真的可以以低成本實現,以及當他們仍然使用機械加工方法時,它們實際上是否比以前更好.石英設備事業部的工程師自己開始懷疑,事實上他們的判斷是否正確.

圖5:表明音叉晶體單元如何變得更緊湊的時間線

　　光刻技術的實施極大地減小了尺寸.盡管未在本文中提及,但"C-002"之后也有其他產品投放市場,其中包括1978年的"C-004"(尺寸為1.5mm(半徑)x5mm(長度))和"C-005',1981年[尺寸1.2毫米(半徑)x4.6毫米(長度).
　　他們必須找到一種擺脫困境的方法.組織了一個新的項目團隊,以提高制造良率,由負責生產技術的工程師領導.一支名為MutsumiNegita的年輕工程師加入了團隊.
　　項目團隊的第一個任務是找出導致產量降低的原因.他們使用顯微鏡檢查有缺陷的音叉晶體單元的表面,并驚訝地發現存在數量無法估量的針孔.這些是在石英材料的蝕刻過程中引起的.在調查了造成針孔不明原因的幾周后,他們能夠發現附著在石英晶片上的細小污垢.如果在無意中在該污垢頂部上形成的膜上進行蝕刻,則會導致在臟部分上的附著力變差,從而導致針孔.
　　因此,他們試圖通過回顧他們對石英晶片的處理并調整其清潔方法來徹底清除這種污垢.成功！他們能夠清除足夠的污垢,并且產量提高項目團隊中的每個人都感到一陣輕松.
　　然而,他們期望獲得出色的結果,但對制造車間的了解卻感到驚訝和失望,事實上,水晶振動子成品率幾乎沒有提高.似乎僅僅去除污垢不足以產生期望的結果.所以他們的解決方案是短暫的?也許他們仍然沒有找到最初問題的真正原因……?他們再次在顯微鏡下檢查了缺陷晶體單元的表面.針孔還在!?但為什么?這次,他們根本不知道問題的根源是什么.產量提高項目團隊研究了各種可能的想法,他們想到了一切.但是,產率沒有變差,并且時間是徒勞的.
　　然后,有一天,Negita先生發生了一件奇怪的事情,因為他在家中沉迷于木工愛好.在木工中,在用另一種物質(例如清漆)涂覆之前,將拋光粉施用于木板的粗糙表面.這使最終產品的表面具有更好的光潔度.這個概念給了他靈感."也許石英晶片的表面也很粗糙,就像這種木頭……"這肯定是有可能的.從大塊人造石英中機械切割出石英晶片,然后進行拋光(圖6).完全可以想象,表面層會因該過程的應力而變得粗糙.
　　因此,Negita先生決定嘗試通過蝕刻除去石英晶片的整個表面層,然后在頂部形成膜.有效！沒有形成一個針孔！以前,該過程涉及在粗糙表面層的頂部形成膜,這導致了許多針孔.收益率立即暴漲.他們終于能夠確保有足夠的優質產品供應,而不必在休息日工作.此外,隨著生產率的提高,公司內部一直在悶燒的光刻技術的負面印象被消除.

圖6:人造石英和石英晶片

　　薄石英晶片是通過機械切片人造石英片而制成的,這些人造石英片是使用稱為高壓釜的專業設備制成的.
　　他們的設備現已達到傳統音叉晶體單元的1/7,大大降低了制造成本.僅僅將這種突破性的設備局限于我們公司將是一種浪費.我們必須在外部銷售它,以便更多的手表制造商可以利用我們的技術."隨著公司內部共享不斷增長的技術的號召,"C-002"的外部銷售始于1976年.
　　他們確信,他們的新晶體裝置將在市場上引起真正的轟動,并且它們將被全球客戶的詢問所淹沒.Ina石英設備事業部在期待中興奮地等待著.他們分發了尺寸為2mm(半徑)x6mm(長度)的樣本產品,并且對新形狀的響應非常好.但是,他們發現很少有公司實際采用他們的新技術,原因是難以使用.
　　在此之前,許多客戶一直使用通過機械加工方法制造的大型音叉晶體.相比之下,"C-002"很難振蕩.盡管該公司一直將CI值保持在盡可能低的水平,但與傳統的音叉晶體單元相比,它仍然很高.盡管公司自己的手表設計部門高度贊揚更緊湊的外形尺寸,并采用了這些新的晶體裝置,但其他手表制造商卻以使用困難為由,不愿使用它們.
　　他們已經知道為什么CI值會更高.光刻技術使用光來形成電極圖案,因此雖然可以加工壓電石英晶體單元的頂面,但對于側面來說卻是不可能的,因為它們沒有暴露在光下.無法在晶體單元的側面創建電極圖案,從而導致較高的CI值.
　　他們將需要建立一種用于三維光刻的技術,以便在器件的側面也形成電極.即使是在光刻技術實施方面處于領先地位的IC行業,該技術也尚未實現.負田先生負責這項新技術的開發."首先,我們必須設計一種臨時方法,在晶體單元的側面上制作電極,以便獲得客戶可以使用的產品,并據此開始批量生產.此外,與此同時,我們花費了一年中,我們開發了一種永久性方法,將我們與該目標持久地聯系在一起,然后我們獲得了成功.我們的臨時方法受到產量和工作效率雙重問題的困擾,
　　那么,這種三維光刻技術又是什么呢?不幸的是,我們無法解釋本文范圍內的詳細信息,因為這是當前支持Epson Toyocom框架的相同技術.大約36年前,在長野縣伊那市開發了"利用光刻技術制造音叉晶體單元的技術".這就是"QMEMS"的起源.
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