反向蚀刻( Inverted Mesa) ，AT-Cut石英晶体的概况与特性介绍

续前文，爱普生实现高频、兼顾高信号品质石英振荡器的技术与方法(上、中篇) ，我们已介绍过使用倍频电路和锁相环电路，或是搭载着表面声波SAW (Surface Acoustic Wave)谐振器实现高频高品质振荡器的解决方案。使用这些方法虽然可以获得高品质的高频元件，但其特性各有其优缺点。

  例如，锁相环电路能够提供灵活性的同时，其振荡电路设计却较复杂，从而导致相位噪音特性恶化；使用SAW的方法电路设计较为简单，并兼俱备非常优异的相位噪音特性，并可支援GHz频率宽带，但SAW元件因晶体特定切割角度完成后，其温度频率系数的偏差量，容易随着工作温度的变化让其频率变化误差值偏大的缺点。

  因此，各石英振荡器供应商多使用，搭载着AT-Cut石英晶体为其谐振器核心，其主因如下：

1.  在常温范围内温度曲线有反折点，频率误差在较广的工作温度范围，可保持稳定。

2.  透过生产制程中控制石英晶片厚度，便能实现所需特定频率，易实现小型化封装石英元件。

3.  只需旋转Z轴，就能进行石英片切割，便于生产。但是，若要从AT-Cut石英晶体直接达到特定高频，则需将石英片加工得很薄。这在加工方法和机械性强度等方面存在着许多限制。

  这次，我将介绍应用爱普生反向光蚀刻”Inverted Mesa”制程工艺下，仅将石英晶体特定振荡能量部位予以倒凹槽梯形蚀刻加工，控制AT-Cut石英晶体其梯形凹槽厚度，借此实现以基本波信号的高频谐振器。

【1 】什么是反向蚀刻”Inverted Mesa”工艺的高频石英晶体？

  英语” Mesa”源于西班牙语，本意为”周围是悬崖峭壁的台形地貌” ，通常把截面透过特定加工工艺成倒梯形凹槽结构。倒梯形凹槽AT-Cut石英晶体，指把AT切割石英片的一部分(特定振荡能量区) ，透过光蚀刻加工下，实现倒梯形凹槽和厚度石英晶体结构，如图一。

  AT-Cut石英晶体的石英晶片厚度越薄，其产生的基本波谐振频率越高。但是，通常采用传统机械研磨工艺下，多仅能生产基波起振谐振频率，约50MHz左右(石英晶片厚度控制约30μm) 。

  如使用AT-Cut石英晶体谐振器，需要实现高频频率时，常会透过其谐振频谱中的三次谐波模式(3 rd Over-Tone)来达到100MHz至156.25MHz 。但是使用三次谐波的高频振荡器，需要使用复杂的振荡电路来控制，相较于基本波(Fundamental) 。

  透过光蚀刻(Photolithography)技术工艺，爱普生制造仅将石英晶片中特定振荡能量区，予以倒梯形凹槽加工，厚度控制至几微米，其得以保证石英晶片抗振强度，并实现搭载着高品质的基本谐振波的时脉元件。

【2 】关于光蚀刻(Photolithography)加工技术

  “Photolithography Quartz Chip” ，以石英材料进行光蚀刻精密加工，它可以实现小型化、高精度、高准度和高度均一性的石英晶体谐振器，我们称为它”Photo-Chip” 。

  在爱普生产品线中，透过光蚀刻加工技术的晶体谐振器，除本次介绍的倒梯形凹槽加工石英晶体以外，它亦广范施用于微型化音叉式石英晶体谐振器，透过英叉的两端机构件上施予凹槽加工，来实现低等效电阻(Low ESR)特性等。本篇，我们以AT-Cut石英晶体的反梯形凹槽结构加工为范例，说明Photolithography Quartz Chip工艺和相关技术优点。

  AT-Cut石英晶体的振荡是典型的厚度形变振荡，其理想的振荡状态是只在其中央部分振荡，而周围部分不产生振荡。对于MHz频带中较低频带的AT型石英晶体，大多使用倒角加工(beveling) ，使石英晶片中央部分与周围的厚度不同，从而获得该机构外形。

  图二，表示原传统机械加工方式和使用了光蚀刻加工方式的比较。由于传统机械加工利用石英晶片本身质量进行倒角加工，所以石英晶片越小，加工难度将越大，其频率偏差控制也随之增加，并影响特性。与此相比，光蚀刻技术加工，不受石英晶片质量的影响，可使石英晶片形状保持高度均一性，即便是超小型的石英晶片，也能达到比机械加工更小的偏差，从而实现图三，优越的频率-温度(Frequency-Temperature)特性。

综合以上所述，在高频领域，也能够使用光蚀刻加工技术生产出(图一)所示的反梯形凹槽结构，既可保持石英晶片抗振强度，又能得到以基本振荡波为高频讯号源，提供具极高稳定性能的产品。

【3 】倒梯形凹槽加工(Inverted Mesa)AT-Cut石英晶体的产品线及特性说明

  爱普生产品线中，透过以光蚀刻技术，实现高频基本波和低抖动的石英晶体振荡品如下：

一.   SPXO (Simple Packaged Crystal Oscillator ，石英晶体振荡器)中，应用予高速通信界面专用的差动式石英振荡器，SG7050/SG5032/SG3225EEN(LVPECL) 、SG7050/SG5032/SG3225VEN(LVDS) ，或SG3225HBN(HCSL)，SG2520EFN、EHN(LVPECL)、SG2520VFN、VFN(LVDS)等。

二.   VCXO (Voltage Controlled Crystal Oscillator ，电压控制石英晶体振荡器) 中，VG7050/VG5032/VG3225E*N(LVPECL) 、VG7050/VG5032/VG3225V*N(LVDS)系列。VCXO输出的频率将随外部电路电压控制准位变化，调整其频率输出，主要应用于基地站和光通信传输设备。近年，由于有线或无线资料通信传送，不断趋向高速化及巨量化，市场对高频与稳定信号源的石英振荡器需求日益增加。因此，具有实现高频、低偏差温度频率误差特性，及优异相位噪声特性的高频基本波(High Frequency Fundamental)石英晶体，已成为关键之所在。

图四，表示使用HFF石英晶体的VCXO产品，和透过倍频型(PLL)产品的频谱比较