精工爱普生公司音叉晶体尺寸进化历史与QMEMS技术起源
　　很多人都知道日本精工爱普生株式会社生产的音叉晶体好,无论是封装尺寸还是品质稳定性,均领先于业界,如FC-125晶振,MC-146晶振,FC-12M晶振,FC1610AN晶振等都是市场上的热销产品,而且它们的尺寸都非常小.尤其是最新推出的FC1610AN系列,尺寸只有1.6×1.0×0.5mm大小,对其工艺技术要求是非常高的,因为体积缩小的同时,还提升了精准度,稳定性和品质.爱普生晶振公司并不是得天独厚,在最开始的时候,研发音叉晶体时经过许多困难和挫折,最后一个个突破这些技术问题,接下来一起来看看爱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"问世以来的第五年.正是在这个时候,石英表全面普及,并且为了满足需求,不得不不断增加音叉水晶的产量.长野县伊那市的石英设备事业部(当时的松岛工业株式会社)负责监督这些设备的批量生产(见图1).随着生产和其他因素的顺利进行,似乎他们可以放心地依靠时钟晶体单元来维持其核心业务.在伊那工厂工作的每个人都对满足感充满了渴望.
　　从表面上看,一切似乎都进行得很顺利.但是,处于开发前沿的工程师们没有时间休息.Suwa手表设计部门的工程师和Ina石英设备部门的工程师之间每天都在发生激烈的争论.对于钟表制造商而言,使设备更小,更实惠的能力至关重要,他们几乎没有时间停下来喘口气.

图1:位于长野县伊那市的晶体器件事业部.

　　俯瞰1990年代精工爱普生(EIKO)的伊那工厂的鸟瞰图.三层建筑后面的大型扁平结构是为了扩大照相处理而建造的.
　　石英设备部了解手表设计部的意愿.但是,根本不可能使音叉晶体装置的体积比现有的小.另一方面,手表设计部需要使晶体单元更加紧凑,以便将其转移到下一个女士手表的商业产品线.他们迫切希望工程师提出一些建议.Suwa手表设计部坚决拒绝退缩是有原因的.自他们首次推出世界上第一只石英表以来已有5年了,市场竞争日益激烈,尤其是随着香港制造业的突然崛起.
　　因此,至关重要的是要继续使手表更紧凑,价格更便宜,以便公司保持其主导地位.因此,他们开始考虑将比现有手表小得多的新系列女士手表推向市场.为了实现这一目标,至关重要的是,他们必须能够制造音叉晶体单元.这些设备的心脏-再次缩小.但是,没有没有限制."当然,从理论上讲,有可能使这些晶体单元变得更小.但这会导致成本飞涨.因此,事实仍然是,实际上,实际上不可能将它们做得更小.这是石英晶振事业部的真实位置.像往常一样,部门间的争论无济于事.
　　石英设备部的工程师对手表设计部面临的痛苦困境非常了解.尽管他们热切希望能为他们提供帮助,但实际上他们无能为力,因为音叉晶体组件的制造工艺已经达到技术极限.让我们停下来回顾一下1974年制造过程涵盖的内容的简单解释.首先,从石英晶片上机械切出音叉(U形)石英碎片.这种方法意味着在此阶段,U形片段的左右"臂"的长度之间存在很大的差异,因此很难确保两个臂之间的平衡.这种变化可能是10μm或更大.为了解决这个问题,工作人员使用金刚石砂轮校正了每个石英碎片的臂长,从而将精度提高到20ppm.这个任务非常复杂,需要耐心.正是在这一点上,依靠人类工艺的任务正在达到极限.
　　但是,随着音叉晶振单元的尺寸越来越紧凑,变化的影响逐渐变得越来越明显.随着所需的调整变得比以往更加详细,对每个音叉晶体单元进行调整所需的时间也越来越长.当然,对于已经经验丰富的伊那妇女来说,这仍然是一个相对较短的过程,但是培训和培养这类工人并不是一件容易的事.不用说,如果必须在制造上花费更多的时间,成本也会上升.到目前为止,由于这些"伊娜女士"的努力,该公司已设法解决了所有问题,但随着石英表的全面普及正开始全面发展,她们不再只能依靠这一点.

　　图2:音叉晶体单元的频率调节过程1970年代初期,音叉晶体单元的频率调节过程.此图显示了工作中的妇女使用金刚石砂轮手工切割音叉晶体单元的前边缘,以调节频率.
　　"其他技术"是对"光刻"的引用,"光刻"是研究与开发部门自1970年左右以来一直致力于开发的技术.光刻是一种通过应用照相曝光技术创建微观图案的技术.当时,光刻已经成为集成电路(IC)必不可少的制造技术.
　　美国一家名为Statek Corporation的公司是世界上第一家成功将光刻技术应用于晶体单元制造的公司.得知这一消息后,服部一郎(当时的SuwaSeiko的公司董事)立即飞往美国.在那里,他被告知了该技术的实施情况,当他回到日本时,他立即命令研发部工作.将这种技术发展付诸实践.
　　从理论上讲,将光刻技术应用于晶体单元的加工应有助于显着提高工艺精度.但是,即使他们成功地在硅晶片的薄膜处理中使用了该技术,他们仍担心自己是否能够将其应用于石英晶片.即使可以实现,他们也不知道他们是否能够获得他们真正追求的结果.事实是,有很多工程师对此表示怀疑.
　　但是,很显然,如果继续采用机械加工方法,它们很快就会达到极限.此外,根据高田春男说,"Su访精工当时的企业精神是大胆应对新挑战."因此,他们成立了一个项目小组,并开始开发用于石英水晶振子的光刻技术.新的项目团队迅速行动.他们收到了从美国寄来的文件,并开始进行基本实验,以实施光刻原型安装.
　　光刻技术的确令人赞叹(图3).工程师们在开始基本实验后就看到了惊人的潜力,这让他们感到惊讶.石英设备工程师Mutsumi Negita表示:"即使在基础实验阶段,我们也可以看到我们的过程精度至少比机械方法好10倍."看起来光刻技术将是其处理方法中非常有价值的后续技术.

　　图3:当时的光刻技术的工艺流程,摄影曝光技术用于从石英晶片中提取所需形状的石英碎片,并形成微观图案的电极.
　　尽管如此,新技术并非没有局限性.Statek的原始设备设计不适合通过音叉晶体单元获得高性能.较低的电场效率意味着晶体阻抗(CI值)*1非常高.当CI值高时,可能难以使晶体单元振荡,并且振荡电路的设计也变得更加复杂."尽管高加工精度非常出色,但该技术无法在当前状态下使用."这是Ina石英设备事业部的工程师在评估第一批原型时给人的印象.尽管毫无疑问,该技术在未来具有巨大的潜力,但他们无法立即使用它.考虑到这一点,他们决定必须回到制图板上进行光刻的进一步研究和开发.
　　*1晶体阻抗是指晶体单元的等效串联电阻.一般而言,晶体单元是使用将电容器与电阻器组合在一起的电路来振荡的.当晶体阻抗(CI值)较高时,很难使晶体单元振荡.
　　在接下来的两年中,他们在光刻技术上取得了巨大的突破:开发了用于音叉晶体单元*2的新电极结构.由Statek开发的原始电极结构只能获得大约30％的电场效率,并且CI值太高.因此,项目团队决定修改石英材料的切割角*3,并制定适合其的最佳结构.结果,他们成功地大大提高了电场效率.同时,尽管与使用机械加工方法制造的音叉晶体单元相比,CI值仍然很高,但它已经下降到足够低的数字,无法使用."有了这样的水平,我们应该能够提出一些建议."这就是工程师先前在会议室发表评论的原因,该评论"即将准备使用其他技术……".
　　光刻技术的问题在于CI值太高.但是,只有消除这一障碍,才能获得由高过程精度带来的全部好处.许多工程师也有同样的感觉.当天在会议室决定实施光刻技术的决定是一致的.在解决了所有最大的问题之后,光刻技术发现的潜力再次使他们感到惊讶.超过机械方法水平10倍以上的过程精度会产生各种有益的波纹效应.其中之一是安装石英碎片的方法.常规机械加工方法在U形碎片的左臂和右臂之间的测量变化产生了一个称为振荡泄漏的分量.当该泄漏物从外部逸出时,会发生性能下降.
　　为了解决这个问题,采用了采用弹簧的复杂安装结构,以防止晶体谐振器由于振荡泄漏而导致的这种退化.但是,随着光刻技术的实施带来的加工精度的提高,并减少了左右臂之间的测量差异,因此不再需要弹簧.可以简单地将石英碎片直接连接到用于气密密封的引线端子上.这极大地降低了成本,并使尺寸更紧凑.
　　另一个有益的纹波效应是用于调节频率的方法.以前,每个碎片都必须由工人使用金刚石砂轮进行调整.这需要大量的劳动时间.但是,现在由于采用了光刻技术,因此大大提高了工艺精度,只需要进行微调即可.现在,这可以简单地通过采用激光修整膜的方法来实现,这也将使微调过程自动化.结果是可以极大地简化生产力.
　　*2此技术发展为其赢得了1982年国家发明奖日本专利局局长.获奖者是承担最核心职责的项目团队的4名成员,分别是大口菊夫,下井昭夫,柴田诚和绪方俊明.
　　*3人造石英的晶体结构为三角形.因此,根据切割每个薄石英晶片的角度,特性将不同.

　　图4:使用光刻技术制造的第一款产品."C-002"于1975年首次商业化.其外部尺寸为2mm(半径)x6mm(长度),正常频率为32.768kHz.
　　同时,另一项新技术正在悄然开发,以支持光刻技术的实施.该公司的准备工作是水密的.终于在1975年开始量产"C-002",这是第一款应用光刻技术的音叉晶体装置(图4).其外部尺寸为2mm(半径)x6mm(长度).它很小,仅为上一代晶体单元"Cal.57型"的1/7(图5).他们成功地使晶体装置更加紧凑.
　　至于成本,由于精简的结构和制造工艺的创新,这些成本也应该大大降低.但是云总是跟随着阳光.特别是有一个问题使他们在生产车间感到困扰.它们的制造成品率极低.根据当时负责使用光刻技术进行批量生产技术开发的项目组成员MutsumiNegita的说法,"开始批量生产时的制造良率约为10％."换句话说,每生产10个产品中就有9个是有缺陷的.但是,既然产品已经投放市场,我们就需要每月生产50,000个晶振."我们所有的工人都放弃了休假时间,以某种方式每月能够生产50,000件优质产品."
　　他们认为,如果这种"紧急响应"计划仅持续一个月左右,那么就可能能够应对,但长期而言将无法持续.石英设备部门的工人一一疲惫不堪.观察到这种情况后,公司中的其他人开始怀疑使用这项新技术是否真的可以以低成本实现,以及当他们仍然使用机械加工方法时,它们实际上是否比以前更好.石英设备事业部的工程师自己开始怀疑,事实上他们的判断是否正确.

图5:表明音叉晶体单元如何变得更紧凑的时间线

　　光刻技术的实施极大地减小了尺寸.尽管未在本文中提及,但"C-002"之后也有其他产品投放市场,其中包括1978年的"C-004"(尺寸为1.5mm(半径)x5mm(长度))和"C-005',1981年[尺寸1.2毫米(半径)x4.6毫米(长度).
　　他们必须找到一种摆脱困境的方法.组织了一个新的项目团队,以提高制造良率,由负责生产技术的工程师领导.一支名为MutsumiNegita的年轻工程师加入了团队.
　　项目团队的第一个任务是找出导致产量降低的原因.他们使用显微镜检查有缺陷的音叉晶体单元的表面,并惊讶地发现存在数量无法估量的针孔.这些是在石英材料的蚀刻过程中引起的.在调查了造成针孔不明原因的几周后,他们能够发现附着在石英晶片上的细小污垢.如果在无意中在该污垢顶部上形成的膜上进行蚀刻,则会导致在脏部分上的附着力变差,从而导致针孔.
　　因此,他们试图通过回顾他们对石英晶片的处理并调整其清洁方法来彻底清除这种污垢.成功！他们能够清除足够的污垢,并且产量提高项目团队中的每个人都感到一阵轻松.
　　然而,他们期望获得出色的结果,但对制造车间的了解却感到惊讶和失望,事实上,水晶振动子成品率几乎没有提高.似乎仅仅去除污垢不足以产生期望的结果.所以他们的解决方案是短暂的?也许他们仍然没有找到最初问题的真正原因……?他们再次在显微镜下检查了缺陷晶体单元的表面.针孔还在!?但为什么?这次,他们根本不知道问题的根源是什么.产量提高项目团队研究了各种可能的想法,他们想到了一切.但是,产率没有变差,并且时间是徒劳的.
　　然后,有一天,Negita先生发生了一件奇怪的事情,因为他在家中沉迷于木工爱好.在木工中,在用另一种物质(例如清漆)涂覆之前,将抛光粉施用于木板的粗糙表面.这使最终产品的表面具有更好的光洁度.这个概念给了他灵感."也许石英晶片的表面也很粗糙,就像这种木头……"这肯定是有可能的.从大块人造石英中机械切割出石英晶片,然后进行抛光(图6).完全可以想象,表面层会因该过程的应力而变得粗糙.
　　因此,Negita先生决定尝试通过蚀刻除去石英晶片的整个表面层,然后在顶部形成膜.有效！没有形成一个针孔！以前,该过程涉及在粗糙表面层的顶部形成膜,这导致了许多针孔.收益率立即暴涨.他们终于能够确保有足够的优质产品供应,而不必在休息日工作.此外,随着生产率的提高,公司内部一直在闷烧的光刻技术的负面印象被消除.

图6:人造石英和石英晶片

　　薄石英晶片是通过机械切片人造石英片而制成的,这些人造石英片是使用称为高压釜的专业设备制成的.
　　他们的设备现已达到传统音叉晶体单元的1/7,大大降低了制造成本.仅仅将这种突破性的设备局限于我们公司将是一种浪费.我们必须在外部销售它,以便更多的手表制造商可以利用我们的技术."随着公司内部共享不断增长的技术的号召,"C-002"的外部销售始于1976年.
　　他们确信,他们的新晶体装置将在市场上引起真正的轰动,并且它们将被全球客户的询问所淹没.Ina石英设备事业部在期待中兴奋地等待着.他们分发了尺寸为2mm(半径)x6mm(长度)的样本产品,并且对新形状的响应非常好.但是,他们发现很少有公司实际采用他们的新技术,原因是难以使用.
　　在此之前,许多客户一直使用通过机械加工方法制造的大型音叉晶体.相比之下,"C-002"很难振荡.尽管该公司一直将CI值保持在尽可能低的水平,但与传统的音叉晶体单元相比,它仍然很高.尽管公司自己的手表设计部门高度赞扬更紧凑的外形尺寸,并采用了这些新的晶体装置,但其他手表制造商却以使用困难为由,不愿使用它们.
　　他们已经知道为什么CI值会更高.光刻技术使用光来形成电极图案,因此虽然可以加工压电石英晶体单元的顶面,但对于侧面来说却是不可能的,因为它们没有暴露在光下.无法在晶体单元的侧面创建电极图案,从而导致较高的CI值.
　　他们将需要建立一种用于三维光刻的技术,以便在器件的侧面也形成电极.即使是在光刻技术实施方面处于领先地位的IC行业,该技术也尚未实现.负田先生负责这项新技术的开发."首先,我们必须设计一种临时方法,在晶体单元的侧面上制作电极,以便获得客户可以使用的产品,并据此开始批量生产.此外,与此同时,我们花费了一年中,我们开发了一种永久性方法,将我们与该目标持久地联系在一起,然后我们获得了成功.我们的临时方法受到产量和工作效率双重问题的困扰,
　　那么,这种三维光刻技术又是什么呢?不幸的是,我们无法解释本文范围内的详细信息,因为这是当前支持Epson Toyocom框架的相同技术.大约36年前,在长野县伊那市开发了"利用光刻技术制造音叉晶体单元的技术".这就是"QMEMS"的起源.
精工爱普生公司音叉晶体尺寸进化历史与QMEMS技术起源

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