石英/微機電系統兩強攜手　QMEMS另類出擊

過去數年，許多業者開始對壓電啟動式矽微機電系統共振器及振盪器(圖1)進行研究。這類共振器的主要振動皆來自矽，但動作是透過沈積在矽上的壓電薄膜如氮化鋁(AlN)、ZnO等而產生。其配置就像是石英晶體(壓電效應)及全矽微機電系統(MEMS)共振器(矽振動)的混合版本。

圖1　單埠AlN輪廓模式矩形電鍍共振器的結構表示圖

相較於全矽微機電系統共振器必須以高真空密封，部分研究宣稱毋需高真空密封，即可維持這類混合矽微機電系統共振器的適度Q值。壓電啟動式矽微機電系統共振器在某些方面與薄膜體聲波共振器(FBAR)相似，而FBAR因為其小尺寸、光微影製程、矽蝕刻製程及犧牲層移除步驟，被視為一種微機電系統元件。

FBAR的主要振動皆來自氮化鋁薄膜，其濾波器及雙工器是近幾年來唯一能成功攻占手機應用領域的新壓電頻率控制元件。因為FBAR濾波器及雙工器的成功發展，部分人士亦樂觀看待推動壓電啟動式矽微機電系統共振器發展的前景，但某些人則認為壓電啟動式矽微機電系統共振器的混合版本可能更有成功的機會。

QMEMS兼具石英/微機電系統特長

許多石英晶體及SAW元件皆是以部分微機電系統製程所製造，包括雙面光微影製程、非平面金屬化、蝕刻穿透、犧牲層沈積及移除、金蝕刻保護等。這些產品包括石英音叉、石英陀螺儀感應器、雙面蝕刻石英晶體(圖2)、Lame式石英晶體等。石英音叉的非平面金屬化沈積、石英晶體硬度對蝕刻的高抵抗性、高異方性石英晶體的不同蝕刻率等，都使得在處理這些微型化石英晶體產品時，與許多以矽為基礎的微機電系統製程相比更具技術挑戰性。而QMEM則強調在下一代的石英晶體裝置中，連結石英及微機電系統技術的重要性。

圖2　(a) 圓邊化石英晶體及(b)雙面蝕刻石英晶體

全矽振盪器成晶體振盪器最佳替身  

全矽振盪器亦即互補式金屬氧化物半導體(CMOS)振盪器、矽時脈是不使用陶瓷共振器、石英晶體或其他晶片外元件進行操作的積體電路，其頻率穩定性通常介於5,000～15,000ppm(0.5～1.5%)，因此應用上也有一些限制。全矽振盪器具有RLC共振器元件，可整合至許多以矽為基礎的IC平台，在許多重視尺寸及成本、但不需要絕對頻率精確性的應用中，是晶體振盪器的良好替代品。此類產品之其中一項關鍵優點，是因為它沒有分離的機械共振器元件，因此不但相當堅固，並且也特別適合高撞擊和振動的應用。不過，全矽振盪器最大的缺點則是其頻率穩定性較差。  

2005年，全矽振盪器技術的支持者Mobius Microsystems宣布供應具有2,500ppm(0.25%)之製程、電壓及溫度相對頻率穩定性的全矽Copernicus時脈。

Mobius Microsystems近期更藉由使用晶片溫度補償，宣稱其CMOS諧波振盪器(CHO)可達到接近±100ppm的穩定性(僅CMOS輸出)，以供應某些消費性、儲存裝置、電腦周邊產品及汽車市場的應用(圖3a)。

圖3 (a) Mobius Microsystems的3x3mm2 CHO；(b) Silabs的4x3.2mm2 Si500S矽振盪器

芯科實驗室(Silicon Labs)近來亦宣布供應其具有100～150ppm穩定性(圖3b)的全矽振盪器CMOS及差動輸出，可能亦具有溫度補償。這些新一代的全矽振盪器比微機電系統解決方案更具整合能力，但現在斷言客戶是否能接受，仍為時過早。  

在某一方面來說，業界對於石英晶體及石英振盪器在高階市場的地位相當有把握，如高穩定性電信網路用石英、XO、VCXO/VCSO、TCXO、OCXO等，因為非石英解決方案包括全矽微機電系統振盪器、全矽振盪器等，在可預見的未來，似乎不會構成太大的威脅。

石英晶體/振盪器產業快速升溫

包括低階及中階晶體、XO、PCXO、VCXO及TCXO的創新、微型化、降低成本、效能改進、方便使用度、可靠性改良及開發新應用等，以維持相關供應商在電子業界的「時脈解決方案」地位。其努力目標是提供最佳及成本低廉的石英解決方案，讓客戶不會考慮使用其他產品。當然，因為在過去兩年市場積極推出全矽微機電系統振盪器，以及在近來推出溫度補償的全矽振盪器，因此對於所有投入頻率控制產品產業的廠商而言，仍有許多須要學習的地方。

另一方面，許多應用方案設計師在產品開發及產品生命週期的早期階段，通常偏好使用石英振盪器。當一產品為市場廣泛接受時，設計師則會傾向轉換為使用石英晶體，以設法降低成本。這解釋了為何每年推出的石英晶體產品數目通常約是石英振盪器的五至六倍。  

目前所有的微機電系統振盪器及全矽振盪器發展(若被證明可行)，亦僅能在石英振盪器市場中稍具競爭力。石英晶體及石英振盪器技術已被公認為相當成熟，亦花費數10年才達到此等成就，且製造商仍須微調因驅動能量依存性(DLD)、負性阻抗特性、頻率跳動等問題。  

需求端門檻提高  

早在2003年，業界即出現一種聲音，認為要說服客戶放棄一種受肯定的已知技術如石英晶體技術，而投入微機電系統等新技術將極為困難。  

確實，客戶對於石英晶體及石英振盪器較為熟悉，也更有信心。石英晶體及石英振盪器供應商在過去10年中，在價格、性能、品質、可靠性及交貨等方面皆能滿足客戶的期望。若一項新技術要能成功取代石英晶體及石英振盪器技術，必須不只是提供「成本更低廉的解決方案」之前景。即使該技術可行，最好也必須由客戶所信賴的晶體振盪器供應商推動，這些供應商可能就是先前所提到的「於2004年開始提供石英振盪器(內含石英晶體)的計時產品供應商」。因為客戶若需要石英振盪器，會傾向尋求他們所熟悉的石英振盪器供應商。這正是為何多數計時元件供應商都難以直接向客戶銷售石英振盪器的原因。  

整合解決方案受歡迎  

當然，一般客戶皆對整合式解決方案表示歡迎。整合是FBAR早年的關鍵發展重點，因為它能夠整合至以矽為基礎的手機收發器IC平台中。大約20～25年前，曾被熱烈討論及研究的薄膜共振器，後來沈寂了約有5年左右的時間。直至1994年惠普(HP)首開薄膜體聲波共振器(FBAR)先例，而安捷倫(Agilent)則在2001年宣布生產FBAR雙工器。  

正如前述，FBAR濾波器及雙工器是在近幾年來唯一能成功打入手機應用領域的「新」壓電式頻率控制元件。有趣的是，今天它們仍像射頻SAW裝置般個別封裝。設計師可透過使用石英晶體降低成本，也就是說若某低成本的石英晶體無法正常運作(通常不會)，設計師只要將它替換成另一個即可。  

但若是像微機電系統共振器整合的晶片共振器元件無法正常運作，設計師就必須放棄整片IC晶片。此情況亦適用於FBAR。而客戶可能對高度成熟與價格低廉之解決方案較有興趣。

FBAR非無所不能

首次推出之FBAR產品的成功有兩項因素：正確的產品及規格相容產品。以安捷倫為例，該公司挑中一項當時SAW技術無法達成的產品：具有窄傳送及接收區分頻帶的PCS雙工器。它比當時的介電共振器雙工器解決方案小得多。其次，安捷倫成功克服技術難題，進而確立客戶對FBAR技術的信心，並讓競爭對手的SAW產品供應商刮目相看。  

但這並不足以成為客戶採購的原因，畢竟，客戶並不是真的在乎振盪器的成分是什麼--不管是石英晶體、微機電系統或其他共振器元件，而是最終產品的價格、性能、品質、可靠性及交貨多重來源。  

石英晶體/振盪器產業未來無可限量  

石英晶體及石英振盪器產業必須持續關注微機電系統振盪器及全矽振盪器的發展，很明顯的是，以鎖相迴路(PLL)為基礎的振盪器電路必定會隨著時間而越來越進步。對石英晶體及石英振盪器產業未來的影響，將不會只來自共振元件等的變體，也會來自振盪器電路的改良。  

在未來，電路的改善說不定能夠完全補償非石英共振器元件的缺點。而令人欣慰的是，石英還能讓石英晶體及石英振盪器產業擁有更多發揮空間，進而推動新技術與新產品的問世。  

不少業界人士認為，石英將繼續成為穩定溫度SAW應用的首選材質。從早期廣義表面聲波、STW及LSAW的研究，到近來HVPSAW的開發，SAW研究者仍繼續探索到本材質所能提供的許多新見解。在早期開發SAW濾波器時，即發現其能抑制IDT電極反射，以降低通帶漣波，因此IDT電極反射目前反而成為實現低損耗SAW濾波器的基石。  

從石英振盪器的歷史發展可以看出，只要持續研究本材質，業界應該還能在未來發現更多驚奇。也希望石英晶體及石英振盪器產業能帶來更多驚喜。  

(本文作者為愛普生產品與市場發展部主管)