在此一行动化、无线化的趋势下，电子产品同时还要求提供更多、更强大的功能。这对于电子元件供应商来说，自然是很大的挑战，必须要有能力提供更小、更省电的电子元件，同时维持应有的性能表现。在半导体领域，透过成熟的矽制程不断开发出集积度更高的SoC晶片，未来更将进入3D IC的时代。另一个微机电（MEMS）的领域，也利用半导体制程技术打出了一片天，在感测及致动应用上开发出许多成功的产品。

对于历史悠久、应用广泛的石英晶体产业来说，同样也面临着微型化的发展压力。今日的电子产品中往往需要采用多颗石英晶体单元来提供计时或参考时脉的功能，当这些产品希望在机壳中装入更多的功能时，石英晶体单元也不能例外地必须提供小型化的解决方案。这对石英晶体产业是一个很大的冲击，因为在过去数十年来，石英晶体的制造皆仰赖机械研磨制程。然而，以此传统制程开发更小型的石英元件，却遭遇到很大的瓶颈。

若要以机械研磨制程开发小型化石英晶体，除了物理性质上有其尺寸极限外，小型化带来的阻抗增加或良率降低等因素，都将会是小型化的瓶颈。然而，今日市场上对于高精密度、高频的小型化石英元件需求若渴，很显然地，石英晶体业者必须另辟新的解决方案。 QMEMS正是Epson Toyocom因应这个需求所提出的方案，它将石英的高稳定性和精准度与MEMS微制程（Microfabrication）技术结合，让石英晶体能顺利提升到新一代的微型化阶段。

QMEMS挑战传统制程

先进的QMEMS制程技术引进半导体制程的光蚀刻（Photolithographic）技术，能够实现更精密的元件成型设计。先来看看机械制程与光蚀刻制程的差异（图一）：

《图一　光蚀刻法与传统机械制程之流程比较》

• ●机械研磨制程：此做法一开始即先将石英晶柱以机器切割成小方块的单体晶片，再对这些单片进行研磨（Abrasive）、磨斜边（Beveling）等加工，做成所需的形状，再进行检验，最后再送去组装和封装。这种做法通常只能做到2D结构的设计，不易进行精密的加工。





• ●QMEMS光蚀刻制程：此一先进做法采类似于半导体的制程，先在石英晶圆的表面形成钝化层（Passivati​​on Layer）和光阻层（Photoresist Layer），再进行曝光程序，在晶圆上形成预定的图样；再经由蚀刻的步骤让需要的结构成形，进而得到要求的晶片。这种做法能够轻易地将石英晶体单元做到更小，并透过3D的精密结构设计，保有、甚至提升元件的表现特性。

虽然机械制程同样要求很高的晶片表面平坦度，但使用光罩蚀刻制程时，对平坦度的要求更为严格。此外，QMEMS虽然利用半导体生产设备，但这些设备必须调整成适合处理石英原料，而非原先的矽晶圆，这需要长时间的测试与修正。

其实石英晶体本身即具有稳定的物理及化学特性，在温度变化时的频率也相当稳定，加上其硬度高，很适合进行精密加工制造。采用光蚀刻的QMEMS制程，则能更进一步地充分发挥石英晶体的优势，达到微型化、省能源、高稳定性、高准确性等诉求。

• ●提高生产力：由于这类制程是采批次生产，因此具有更高的生产力；而当光蚀刻技术能将元件做得更小时，又意味着从单一晶圆中能获得更多的元件。此外，相较于传统生产方式，不同的元件种类都需要使用不同的机器工具，QMEMS制程能用同样的厂房和设备，生产出多样式的QMEMS产品。





• ●满足微型化要求：同样是2D结构的设计，光蚀刻制程就能做出比机械制程更小的元件；若采用3D结构设计，则能达到更小型化的元件设计。举例来说，2D结构的QMEMS制程能让音叉型晶体减少20%的尺寸；若运用3D QMEMS的技术，更能进一步将元件的大小减少为原来的一半，且不牺牲其稳定性和精密度。





• ●精密加工：光蚀刻制程让设计人员能进行更复杂的设计，例如能对音叉型晶体单元或其他元件进行3D设计，也就是利用在三维空间中制造元件的电极，进而增加其整体面积。这有助于抑制晶体阻抗值（CI）的增加，因此能在满足微型化的要求下，同时保有产品的效能。此外，藉由将刻槽（Groove）结合到元件的设计中，可进一步控制石英晶体的电阻值。不仅如此，更加精密的元件制程也有助于提升元件的稳定性，且与传统的机械式制程相比，在形状上的误差更小。





• ●低功耗特性：QMEMS元件能达到低耗电量，因而更适合用于手机和其他可携式设备上。

QMEMS元件与应用

石英元件的类型众多，可以应用的领域很广。目前Epson Toyocom已利用QMEMS技术来生产特别需要微型化及精密设计的石英元件，包括音叉型石英晶体（Tuning-fork Crystal Units）、HFF石英晶体及Photo AT等时序元件，以及角速度感测器/陀螺仪（Gyro Sensor）、加速度感测器、压力感测器等感测元件。以下介绍这些元件利用QMEMS制程设计的优势：

音叉型石英晶体

音叉型石英晶体为电子产品中常用的计时元件，自然也需因应微型化的需求。不过，传统的机械制程在1998年时就已发展到了极限，继续缩小尺寸时，因为会减少电极的范围，进而增加石英晶体阻抗值（Crystal Impedance；CI），这会影响晶体振荡特性。

改采QMEMS光蚀刻制程后，因能做出H型刻槽（H-groove）结构，有助于加大电极范围，以提升电解效率（Electrolytic Efficiency）。此设计让小型化的石英晶体也能保有与原先晶体相同的CI阻抗值，也就是性能不会受到小型化的影响（图二）。

《图二　以QMEMS技术开发微型化的音叉型晶体》

目前QMEMS的音叉型石英晶体朝两个方向发展，一是微型化的设计，已可做到2.0mm×1.2mm的极小尺寸，很适合行动设备的应用；一是薄型化的设计，已可做到厚度达0.48mm，甚至是0.38mm，这是专门针对有安全功能需求的智慧型晶片卡而设计的。

Photo AT

AT型晶体可提供MHz等级的参考频率，这在电子产品中的应用很广，例如手机、网路卡、处理器都用得到。和音叉型晶体一样，AT型晶体也遇到传统制程微型化上的困难。虽然机械制程也​​能做到2.6mm×2.0mm，甚至是2.0mm×1.6mm的微小尺寸AT型晶体，但其振荡特性却不够稳定，不同的晶片之间会有过大的偏移差异。

采用光蚀刻制程的精密加工技术，能够做出台面结构（Mesa Structure）的Photo AT晶体，而且这些微型化的晶片都能保有一致性的形状，进而能达到稳定的温度特性及最小的变异性，大幅提升应用上的可靠度。请参考图三、图四。

《图三　传统AT晶体与Photo AT结构比较》

《图四　采光蚀刻精密加工技术生产的晶体能得到温度特性更佳的表现》

HFF石英晶体

HFF石英晶体是一种能在基本波（Fundamental Wave）上实现高频的晶体元件，主要应用在需要高纯度（Good P/N）、稳定时脉的通讯设备、骨干架构设备和基地台等。要提高石英晶体的频率，石英晶片必须做得更薄才行，但传统制程有其极限。利用光蚀刻技术，可以控制薄型化的部分仅位于晶片的激化电极（Excitation Electrode）区域，仅在此区域构成反向台面结构（Reverse-mesa Structure）。此作法能做出100MHz以上的高频振荡器，并保有晶片的强度（图五）。

《图五　HFF晶体的结构示意图》

Gyro sensor：

Gyro陀螺仪/角速度感测器可以说是QMEMS制程的代表作品。这是一款结构相当复杂的产品，相较于市场其他音叉型感测器作法，Epson Toyocom进一步提出双T（Double-T）的架构，结合石英晶体的特性，能够提供高敏感性、高准确性、极低耗电量和不受温度影响的绝佳稳定特性。

QMEMS充分利用光蚀刻制程技术，制造出锤头及H-groove结构，也就是在极小的尺寸中做出双T型的感测臂和驱动臂（图六）。当Gyro旋转时，科氏力会对驱动臂产生受力，并形成垂直方向的振动，进而产生可侦测的电压。相较于其他作法的陀螺仪，QMEMS的石英晶体陀螺仪能提供极高的准确度，而且不易受温度变化影响而产生性能上的飘移（图七）。

《图六　QMEMS陀螺仪的双T结构》

QMEMS技术发展史

Epson Toyocom在2005年发表XV-3500CB的单轴陀螺仪，其所采用的表面黏着元件（Surface Mount Device；SMD）封装尺寸只有5.0mm× 3.5mm，小到足以放在您的指尖。目前已广泛运用在需要高准确性、滞后效能、最低归零偏移等特性的应用需求上，例如相机的影像稳定系统、游戏机的手势操控，以及行车的惯性导航等用途。

Epson Toyocom能及早掌握QMEMS技术，其实并非一蹴可及的。 Epson Toyocom的前身为Epson和Toyocom两家公司，其中Toyocom累积将近八十年的石英晶体生产经验，为量产特殊规格高精度AT-Cut石英晶体元件的领导者；Epson在利用平版印刷制程生产音叉型石英晶体元件（eg. 32.768kHz），则有四十年以上的经验。这些经验及设备的整合，正是能开发出今日最新QMEMS生产制程的条件所在。

不过，如何善用QMEMS技术来开发更多样的产品，仍需投入高度的研发心力。 QMEMS元件开发的最大挑战来自于3D结构的设计方法，这必须透过反覆的试验，才能将晶体结构改善到要求的准确度。不过，这种参数的试验若需藉由将一批一批的石英晶圆投入生产线来获取，显然是耗时、耗成本的不切实际作法。

为了有效掌握生产参数，Epson Toyocom工程师和Epson软体设计工程师共同合作开发了一套电脑模拟程式，能以虚拟的方式达到设计所需的参数目标。这套技术让专业工程师能更快速地实现自己的设计理念，也让更小、更精密、更稳定的QMEMS新型元件能够以每年10到20种的速度推出市场。

《图七　相较于其他技术的陀螺仪，QMEMS石英式陀螺仪具有稳定温度特性》

结语

为了达到微型化、精密加工的需求，石英晶体产业从传统机械制程转型到新技术上已是必然的趋势。目前半导体与MEMS制程虽然已发展地相当成熟，但如何将其转变运用到石英晶体的开发上，仍然充满了许多挑战，许多石英业者仍在摸索的阶段。

在电子产品要求越来越小、越来越精细的现在，传统制程已渐渐无法满足消费者的需求。本文为读者详细介绍由QMEMS技术之起源、发展、优势​​，以及其之所以能满足产业界需求的理由。下篇文章将针对目前广泛被使用于游戏机、GPS定位系统、车用电子等热门应用领域之感测器，做一详细且深入的介绍，敬请期待！

---作者任职于台湾爱普生科技 电子零件事业群---