精工愛普生公司音叉晶體尺寸進(jìn)化歷史與QMEMS技術(shù)起源
來源：http://m.cnhxbh.com 作者：金洛鑫電子 2020年01月17
精工愛普生公司音叉晶體尺寸進(jìn)化歷史與QMEMS技術(shù)起源
很多人都知道日本精工愛普生株式會(huì)社生產(chǎn)的音叉晶體好,無論是封裝尺寸還是品質(zhì)穩(wěn)定性,均領(lǐng)先于業(yè)界,如FC-125晶振,MC-146晶振,FC-12M晶振,FC1610AN晶振等都是市場(chǎng)上的熱銷產(chǎn)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(duì)其工藝技術(shù)要求是非常高的,因?yàn)轶w積縮小的同時(shí),還提升了精準(zhǔn)度,穩(wěn)定性和品質(zhì).愛普生晶振公司并不是得天獨(dú)厚,在最開始的時(shí)候,研發(fā)音叉晶體時(shí)經(jīng)過許多困難和挫折,最后一個(gè)個(gè)突破這些技術(shù)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(gè)時(shí)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(chǎn)量.長(zhǎng)野縣伊那市的石英設(shè)備事業(yè)部(當(dāng)時(shí)的松島工業(yè)株式會(huì)社)負(fù)責(zé)監(jiān)督這些設(shè)備的批量生產(chǎn)(見圖1).隨著生產(chǎn)和其他因素的順利進(jìn)行,似乎他們可以放心地依靠時(shí)鐘晶體單元來維持其核心業(yè)務(wù).在伊那工廠工作的每個(gè)人都對(duì)滿足感充滿了渴望.
從表面上看,一切似乎都進(jìn)行得很順利.但是,處于開發(fā)前沿的工程師們沒有時(shí)間休息.Suwa手表設(shè)計(jì)部門的工程師和Ina石英設(shè)備部門的工程師之間每天都在發(fā)生激烈的爭(zhēng)論.對(duì)于鐘表制造商而言,使設(shè)備更小,更實(shí)惠的能力至關(guān)重要,他們幾乎沒有時(shí)間停下來喘口氣.
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圖1:位于長(zhǎng)野縣伊那市的晶體器件事業(yè)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(jié)構(gòu)是為了擴(kuò)大照相處理而建造的.
石英設(shè)備部了解手表設(shè)計(jì)部的意愿.但是,根本不可能使音叉晶體裝置的體積比現(xiàn)有的小.另一方面,手表設(shè)計(jì)部需要使晶體單元更加緊湊,以便將其轉(zhuǎn)移到下一個(gè)女士手表的商業(yè)產(chǎn)品線.他們迫切希望工程師提出一些建議.Suwa手表設(shè)計(jì)部堅(jiān)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(chǎng)競(jìng)爭(zhēng)日益激烈,尤其是隨著香港制造業(yè)的突然崛起.
因此,至關(guān)重要的是要繼續(xù)使手表更緊湊,價(jià)格更便宜,以便公司保持其主導(dǎo)地位.因此,他們開始考慮將比現(xiàn)有手表小得多的新系列女士手表推向市場(chǎng).為了實(shí)現(xiàn)這一目標(biāo),至關(guān)重要的是,他們必須能夠制造音叉晶體單元.這些設(shè)備的心臟-再次縮小.但是,沒有沒有限制."當(dāng)然,從理論上講,有可能使這些晶體單元變得更小.但這會(huì)導(dǎo)致成本飛漲.因此,事實(shí)仍然是,實(shí)際上,實(shí)際上不可能將它們做得更小.這是石英晶振事業(yè)部的真實(shí)位置.像往常一樣,部門間的爭(zhēng)論無濟(jì)于事.
石英設(shè)備部的工程師對(duì)手表設(shè)計(jì)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(shí)際上他們無能為力,因?yàn)橐舨婢w組件的制造工藝已經(jīng)達(dá)到技術(shù)極限.讓我們停下來回顧一下1974年制造過程涵蓋的內(nèi)容的簡(jiǎn)單解釋.首先,從石英晶片上機(jī)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(zhǎng)度之間存在很大的差異,因此很難確保兩個(gè)臂之間的平衡.這種變化可能是10μm或更大.為了解決這個(gè)問題,工作人員使用金剛石砂輪校正了每個(gè)石英碎片的臂長(zhǎng),從而將精度提高到20ppm.這個(gè)任務(wù)非常復(fù)雜,需要耐心.正是在這一點(diǎn)上,依靠人類工藝的任務(wù)正在達(dá)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(diào)整變得比以往更加詳細(xì),對(duì)每個(gè)音叉晶體單元進(jìn)行調(diào)整所需的時(shí)間也越來越長(zhǎng).當(dāng)然,對(duì)于已經(jīng)經(jīng)驗(yàn)豐富的伊那婦女來說,這仍然是一個(gè)相對(duì)較短的過程,但是培訓(xùn)和培養(yǎng)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(fèi)更多的時(shí)間,成本也會(huì)上升.到目前為止,由于這些"伊娜女士"的努力,該公司已設(shè)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(fā)展,她們不再只能依靠這一點(diǎn).
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圖2:音叉晶體單元的頻率調(diào)節(jié)過程1970年代初期,音叉晶體單元的頻率調(diào)節(jié)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(diào)節(jié)頻率.
"其他技術(shù)"是對(duì)"光刻"的引用,"光刻"是研究與開發(fā)部門自1970年左右以來一直致力于開發(fā)的技術(shù).光刻是一種通過應(yīng)用照相曝光技術(shù)創(chuàng)建微觀圖案的技術(shù).當(dāng)時(shí),光刻已經(jīng)成為集成電路(IC)必不可少的制造技術(shù).
美國(guó)一家名為Statek Corporation的公司是世界上第一家成功將光刻技術(shù)應(yīng)用于晶體單元制造的公司.得知這一消息后,服部一郎(當(dāng)時(shí)的SuwaSeiko的公司董事)立即飛往美國(guó).在那里,他被告知了該技術(shù)的實(shí)施情況,當(dāng)他回到日本時(shí),他立即命令研發(fā)部工作.將這種技術(shù)發(fā)展付諸實(shí)踐.
從理論上講,將光刻技術(shù)應(yīng)用于晶體單元的加工應(yīng)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(shù),他們?nèi)該?dān)心自己是否能夠?qū)⑵鋺?yīng)用于石英晶片.即使可以實(shí)現(xiàn),他們也不知道他們是否能夠獲得他們真正追求的結(jié)果.事實(shí)是,有很多工程師對(duì)此表示懷疑.
但是,很顯然,如果繼續(xù)采用機(jī)械加工方法,它們很快就會(huì)達(dá)到極限.此外,根據(jù)高田春男說,"Su訪精工當(dāng)時(shí)的企業(yè)精神是大膽應(yīng)對(duì)新挑戰(zhàn)."因此,他們成立了一個(gè)項(xiàng)目小組,并開始開發(fā)用于石英水晶振子的光刻技術(shù).新的項(xiàng)目團(tuán)隊(duì)迅速行動(dòng).他們收到了從美國(guó)寄來的文件,并開始進(jìn)行基本實(shí)驗(yàn),以實(shí)施光刻原型安裝.
光刻技術(shù)的確令人贊嘆(圖3).工程師們?cè)陂_始基本實(shí)驗(yàn)后就看到了驚人的潛力,這讓他們感到驚訝.石英設(shè)備工程師Mutsumi Negita表示:"即使在基礎(chǔ)實(shí)驗(yàn)階段,我們也可以看到我們的過程精度至少比機(jī)械方法好10倍."看起來光刻技術(shù)將是其處理方法中非常有價(jià)值的后續(xù)技術(shù).
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圖3:當(dāng)時(shí)的光刻技術(shù)的工藝流程,攝影曝光技術(shù)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(shù)并非沒有局限性.Statek的原始設(shè)備設(shè)計(jì)不適合通過音叉晶體單元獲得高性能.較低的電場(chǎng)效率意味著晶體阻抗(CI值)*1非常高.當(dāng)CI值高時(shí),可能難以使晶體單元振蕩,并且振蕩電路的設(shè)計(jì)也變得更加復(fù)雜."盡管高加工精度非常出色,但該技術(shù)無法在當(dāng)前狀態(tài)下使用."這是Ina石英設(shè)備事業(yè)部的工程師在評(píng)估第一批原型時(shí)給人的印象.盡管毫無疑問,該技術(shù)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(diǎn),他們決定必須回到制圖板上進(jìn)行光刻的進(jìn)一步研究和開發(fā).
*1晶體阻抗是指晶體單元的等效串聯(lián)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(dāng)晶體阻抗(CI值)較高時(shí),很難使晶體單元振蕩.
在接下來的兩年中,他們?cè)诠饪碳夹g(shù)上取得了巨大的突破:開發(fā)了用于音叉晶體單元*2的新電極結(jié)構(gòu).由Statek開發(fā)的原始電極結(jié)構(gòu)只能獲得大約30％的電場(chǎng)效率,并且CI值太高.因此,項(xiàng)目團(tuán)隊(duì)決定修改石英材料的切割角*3,并制定適合其的最佳結(jié)構(gòu).結(jié)果,他們成功地大大提高了電場(chǎng)效率.同時(shí),盡管與使用機(jī)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(jīng)下降到足夠低的數(shù)字,無法使用."有了這樣的水平,我們應(yīng)該能夠提出一些建議."這就是工程師先前在會(huì)議室發(fā)表評(píng)論的原因,該評(píng)論"即將準(zhǔn)備使用其他技術(shù)……".
光刻技術(shù)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(dāng)天在會(huì)議室決定實(shí)施光刻技術(shù)的決定是一致的.在解決了所有最大的問題之后,光刻技術(shù)發(fā)現(xiàn)的潛力再次使他們感到驚訝.超過機(jī)械方法水平10倍以上的過程精度會(huì)產(chǎn)生各種有益的波紋效應(yīng).其中之一是安裝石英碎片的方法.常規(guī)機(jī)械加工方法在U形碎片的左臂和右臂之間的測(cè)量變化產(chǎn)生了一個(gè)稱為振蕩泄漏的分量.當(dāng)該泄漏物從外部逸出時(shí),會(huì)發(fā)生性能下降.
為了解決這個(gè)問題,采用了采用彈簧的復(fù)雜安裝結(jié)構(gòu),以防止晶體諧振器由于振蕩泄漏而導(dǎo)致的這種退化.但是,隨著光刻技術(shù)的實(shí)施帶來的加工精度的提高,并減少了左右臂之間的測(cè)量差異,因此不再需要彈簧.可以簡(jiǎn)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(gè)有益的紋波效應(yīng)是用于調(diào)節(jié)頻率的方法.以前,每個(gè)碎片都必須由工人使用金剛石砂輪進(jìn)行調(diào)整.這需要大量的勞動(dòng)時(shí)間.但是,現(xiàn)在由于采用了光刻技術(shù),因此大大提高了工藝精度,只需要進(jìn)行微調(diào)即可.現(xiàn)在,這可以簡(jiǎn)單地通過采用激光修整膜的方法來實(shí)現(xiàn),這也將使微調(diào)過程自動(dòng)化.結(jié)果是可以極大地簡(jiǎn)化生產(chǎn)力.
*2此技術(shù)發(fā)展為其贏得了1982年國(guó)家發(fā)明獎(jiǎng)日本專利局局長(zhǎng).獲獎(jiǎng)?wù)呤浅袚?dān)最核心職責(zé)的項(xiàng)目團(tuán)隊(duì)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(jié)構(gòu)為三角形.因此,根據(jù)切割每個(gè)薄石英晶片的角度,特性將不同.
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圖4:使用光刻技術(shù)制造的第一款產(chǎn)品."C-002"于1975年首次商業(yè)化.其外部尺寸為2mm(半徑)x6mm(長(zhǎng)度),正常頻率為32.768kHz.
同時(shí),另一項(xiàng)新技術(shù)正在悄然開發(fā),以支持光刻技術(shù)的實(shí)施.該公司的準(zhǔn)備工作是水密的.終于在1975年開始量產(chǎn)"C-002",這是第一款應(yīng)用光刻技術(shù)的音叉晶體裝置(圖4).其外部尺寸為2mm(半徑)x6mm(長(zhǎng)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(jiǎn)的結(jié)構(gòu)和制造工藝的創(chuàng)新,這些成本也應(yīng)該大大降低.但是云總是跟隨著陽光.特別是有一個(gè)問題使他們?cè)谏a(chǎn)車間感到困擾.它們的制造成品率極低.根據(jù)當(dāng)時(shí)負(fù)責(zé)使用光刻技術(shù)進(jìn)行批量生產(chǎn)技術(shù)開發(fā)的項(xiàng)目組成員MutsumiNegita的說法,"開始批量生產(chǎn)時(shí)的制造良率約為10％."換句話說,每生產(chǎn)10個(gè)產(chǎn)品中就有9個(gè)是有缺陷的.但是,既然產(chǎn)品已經(jīng)投放市場(chǎng),我們就需要每月生產(chǎn)50,000個(gè)晶振."我們所有的工人都放棄了休假時(shí)間,以某種方式每月能夠生產(chǎn)50,000件優(yōu)質(zhì)產(chǎn)品."
他們認(rèn)為,如果這種"緊急響應(yīng)"計(jì)劃僅持續(xù)一個(gè)月左右,那么就可能能夠應(yīng)對(duì),但長(zhǎng)期而言將無法持續(xù).石英設(shè)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(xiàng)新技術(shù)是否真的可以以低成本實(shí)現(xiàn),以及當(dāng)他們?nèi)匀皇褂脵C(jī)械加工方法時(shí),它們實(shí)際上是否比以前更好.石英設(shè)備事業(yè)部的工程師自己開始懷疑,事實(shí)上他們的判斷是否正確.
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圖5:表明音叉晶體單元如何變得更緊湊的時(shí)間線
光刻技術(shù)的實(shí)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(chǎn)品投放市場(chǎng),其中包括1978年的"C-004"(尺寸為1.5mm(半徑)x5mm(長(zhǎng)度))和"C-005',1981年[尺寸1.2毫米(半徑)x4.6毫米(長(zhǎng)度).
他們必須找到一種擺脫困境的方法.組織了一個(gè)新的項(xiàng)目團(tuán)隊(duì),以提高制造良率,由負(fù)責(zé)生產(chǎn)技術(shù)的工程師領(lǐng)導(dǎo).一支名為MutsumiNegita的年輕工程師加入了團(tuán)隊(duì).
項(xiàng)目團(tuán)隊(duì)的第一個(gè)任務(wù)是找出導(dǎo)致產(chǎn)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(fā)現(xiàn)存在數(shù)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(diào)查了造成針孔不明原因的幾周后,他們能夠發(fā)現(xiàn)附著在石英晶片上的細(xì)小污垢.如果在無意中在該污垢頂部上形成的膜上進(jìn)行蝕刻,則會(huì)導(dǎo)致在臟部分上的附著力變差,從而導(dǎo)致針孔.
因此,他們?cè)噲D通過回顧他們對(duì)石英晶片的處理并調(diào)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(chǎn)量提高項(xiàng)目團(tuán)隊(duì)中的每個(gè)人都感到一陣輕松.
然而,他們期望獲得出色的結(jié)果,但對(duì)制造車間的了解卻感到驚訝和失望,事實(shí)上,水晶振動(dòng)子成品率幾乎沒有提高.似乎僅僅去除污垢不足以產(chǎn)生期望的結(jié)果.所以他們的解決方案是短暫的?也許他們?nèi)匀粵]有找到最初問題的真正原因……?他們?cè)俅卧陲@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(chǎn)量提高項(xiàng)目團(tuán)隊(duì)研究了各種可能的想法,他們想到了一切.但是,產(chǎn)率沒有變差,并且時(shí)間是徒勞的.
然后,有一天,Negita先生發(fā)生了一件奇怪的事情,因?yàn)樗诩抑谐撩杂谀竟酆?在木工中,在用另一種物質(zhì)(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(chǎn)品的表面具有更好的光潔度.這個(gè)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(jī)械切割出石英晶片,然后進(jìn)行拋光(圖6).完全可以想象,表面層會(huì)因該過程的應(yīng)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(gè)表面層,然后在頂部形成膜.有效！沒有形成一個(gè)針孔！以前,該過程涉及在粗糙表面層的頂部形成膜,這導(dǎo)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(yōu)質(zhì)產(chǎn)品供應(yīng),而不必在休息日工作.此外,隨著生產(chǎn)率的提高,公司內(nèi)部一直在悶燒的光刻技術(shù)的負(fù)面印象被消除.
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圖6:人造石英和石英晶片
薄石英晶片是通過機(jī)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(yè)設(shè)備制成的.
他們的設(shè)備現(xiàn)已達(dá)到傳統(tǒng)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(shè)備局限于我們公司將是一種浪費(fèi).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(shù)."隨著公司內(nèi)部共享不斷增長(zhǎng)的技術(shù)的號(hào)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(chǎng)上引起真正的轟動(dòng),并且它們將被全球客戶的詢問所淹沒.Ina石英設(shè)備事業(yè)部在期待中興奮地等待著.他們分發(fā)了尺寸為2mm(半徑)x6mm(長(zhǎng)度)的樣本產(chǎn)品,并且對(duì)新形狀的響應(yīng)非常好.但是,他們發(fā)現(xiàn)很少有公司實(shí)際采用他們的新技術(shù),原因是難以使用.
在此之前,許多客戶一直使用通過機(jī)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(tǒng)的音叉晶體單元相比,它仍然很高.盡管公司自己的手表設(shè)計(jì)部門高度贊揚(yáng)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(jīng)知道為什么CI值會(huì)更高.光刻技術(shù)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(duì)于側(cè)面來說卻是不可能的,因?yàn)樗鼈儧]有暴露在光下.無法在晶體單元的側(cè)面創(chuàng)建電極圖案,從而導(dǎo)致較高的CI值.
他們將需要建立一種用于三維光刻的技術(shù),以便在器件的側(cè)面也形成電極.即使是在光刻技術(shù)實(shí)施方面處于領(lǐng)先地位的IC行業(yè),該技術(shù)也尚未實(shí)現(xiàn).負(fù)田先生負(fù)責(zé)這項(xiàng)新技術(shù)的開發(fā)."首先,我們必須設(shè)計(jì)一種臨時(shí)方法,在晶體單元的側(cè)面上制作電極,以便獲得客戶可以使用的產(chǎn)品,并據(jù)此開始批量生產(chǎn).此外,與此同時(shí),我們花費(fèi)了一年中,我們開發(fā)了一種永久性方法,將我們與該目標(biāo)持久地聯(lián)系在一起,然后我們獲得了成功.我們的臨時(shí)方法受到產(chǎn)量和工作效率雙重問題的困擾,
那么,這種三維光刻技術(shù)又是什么呢?不幸的是,我們無法解釋本文范圍內(nèi)的詳細(xì)信息,因?yàn)檫@是當(dāng)前支持Epson Toyocom框架的相同技術(shù).大約36年前,在長(zhǎng)野縣伊那市開發(fā)了"利用光刻技術(shù)制造音叉晶體單元的技術(shù)".這就是"QMEMS"的起源.
精工愛普生公司音叉晶體尺寸進(jìn)化歷史與QMEMS技術(shù)起源
很多人都知道日本精工愛普生株式會(huì)社生產(chǎn)的音叉晶體好,無論是封裝尺寸還是品質(zhì)穩(wěn)定性,均領(lǐng)先于業(yè)界,如FC-125晶振,MC-146晶振,FC-12M晶振,FC1610AN晶振等都是市場(chǎng)上的熱銷產(chǎn)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(duì)其工藝技術(shù)要求是非常高的,因?yàn)轶w積縮小的同時(shí),還提升了精準(zhǔn)度,穩(wěn)定性和品質(zhì).愛普生晶振公司并不是得天獨(dú)厚,在最開始的時(shí)候,研發(fā)音叉晶體時(shí)經(jīng)過許多困難和挫折,最后一個(gè)個(gè)突破這些技術(shù)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(gè)時(shí)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(chǎn)量.長(zhǎng)野縣伊那市的石英設(shè)備事業(yè)部(當(dāng)時(shí)的松島工業(yè)株式會(huì)社)負(fù)責(zé)監(jiān)督這些設(shè)備的批量生產(chǎn)(見圖1).隨著生產(chǎn)和其他因素的順利進(jìn)行,似乎他們可以放心地依靠時(shí)鐘晶體單元來維持其核心業(yè)務(wù).在伊那工廠工作的每個(gè)人都對(duì)滿足感充滿了渴望.
從表面上看,一切似乎都進(jìn)行得很順利.但是,處于開發(fā)前沿的工程師們沒有時(shí)間休息.Suwa手表設(shè)計(jì)部門的工程師和Ina石英設(shè)備部門的工程師之間每天都在發(fā)生激烈的爭(zhēng)論.對(duì)于鐘表制造商而言,使設(shè)備更小,更實(shí)惠的能力至關(guān)重要,他們幾乎沒有時(shí)間停下來喘口氣.
圖1:位于長(zhǎng)野縣伊那市的晶體器件事業(yè)部.
石英設(shè)備部了解手表設(shè)計(jì)部的意愿.但是,根本不可能使音叉晶體裝置的體積比現(xiàn)有的小.另一方面,手表設(shè)計(jì)部需要使晶體單元更加緊湊,以便將其轉(zhuǎn)移到下一個(gè)女士手表的商業(yè)產(chǎn)品線.他們迫切希望工程師提出一些建議.Suwa手表設(shè)計(jì)部堅(jiān)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(chǎng)競(jìng)爭(zhēng)日益激烈,尤其是隨著香港制造業(yè)的突然崛起.
因此,至關(guān)重要的是要繼續(xù)使手表更緊湊,價(jià)格更便宜,以便公司保持其主導(dǎo)地位.因此,他們開始考慮將比現(xiàn)有手表小得多的新系列女士手表推向市場(chǎng).為了實(shí)現(xiàn)這一目標(biāo),至關(guān)重要的是,他們必須能夠制造音叉晶體單元.這些設(shè)備的心臟-再次縮小.但是,沒有沒有限制."當(dāng)然,從理論上講,有可能使這些晶體單元變得更小.但這會(huì)導(dǎo)致成本飛漲.因此,事實(shí)仍然是,實(shí)際上,實(shí)際上不可能將它們做得更小.這是石英晶振事業(yè)部的真實(shí)位置.像往常一樣,部門間的爭(zhēng)論無濟(jì)于事.
石英設(shè)備部的工程師對(duì)手表設(shè)計(jì)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(shí)際上他們無能為力,因?yàn)橐舨婢w組件的制造工藝已經(jīng)達(dá)到技術(shù)極限.讓我們停下來回顧一下1974年制造過程涵蓋的內(nèi)容的簡(jiǎn)單解釋.首先,從石英晶片上機(jī)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(zhǎng)度之間存在很大的差異,因此很難確保兩個(gè)臂之間的平衡.這種變化可能是10μm或更大.為了解決這個(gè)問題,工作人員使用金剛石砂輪校正了每個(gè)石英碎片的臂長(zhǎng),從而將精度提高到20ppm.這個(gè)任務(wù)非常復(fù)雜,需要耐心.正是在這一點(diǎn)上,依靠人類工藝的任務(wù)正在達(dá)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(diào)整變得比以往更加詳細(xì),對(duì)每個(gè)音叉晶體單元進(jìn)行調(diào)整所需的時(shí)間也越來越長(zhǎng).當(dāng)然,對(duì)于已經(jīng)經(jīng)驗(yàn)豐富的伊那婦女來說,這仍然是一個(gè)相對(duì)較短的過程,但是培訓(xùn)和培養(yǎng)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(fèi)更多的時(shí)間,成本也會(huì)上升.到目前為止,由于這些"伊娜女士"的努力,該公司已設(shè)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(fā)展,她們不再只能依靠這一點(diǎn).
"其他技術(shù)"是對(duì)"光刻"的引用,"光刻"是研究與開發(fā)部門自1970年左右以來一直致力于開發(fā)的技術(shù).光刻是一種通過應(yīng)用照相曝光技術(shù)創(chuàng)建微觀圖案的技術(shù).當(dāng)時(shí),光刻已經(jīng)成為集成電路(IC)必不可少的制造技術(shù).
美國(guó)一家名為Statek Corporation的公司是世界上第一家成功將光刻技術(shù)應(yīng)用于晶體單元制造的公司.得知這一消息后,服部一郎(當(dāng)時(shí)的SuwaSeiko的公司董事)立即飛往美國(guó).在那里,他被告知了該技術(shù)的實(shí)施情況,當(dāng)他回到日本時(shí),他立即命令研發(fā)部工作.將這種技術(shù)發(fā)展付諸實(shí)踐.
從理論上講,將光刻技術(shù)應(yīng)用于晶體單元的加工應(yīng)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(shù),他們?nèi)該?dān)心自己是否能夠?qū)⑵鋺?yīng)用于石英晶片.即使可以實(shí)現(xiàn),他們也不知道他們是否能夠獲得他們真正追求的結(jié)果.事實(shí)是,有很多工程師對(duì)此表示懷疑.
但是,很顯然,如果繼續(xù)采用機(jī)械加工方法,它們很快就會(huì)達(dá)到極限.此外,根據(jù)高田春男說,"Su訪精工當(dāng)時(shí)的企業(yè)精神是大膽應(yīng)對(duì)新挑戰(zhàn)."因此,他們成立了一個(gè)項(xiàng)目小組,并開始開發(fā)用于石英水晶振子的光刻技術(shù).新的項(xiàng)目團(tuán)隊(duì)迅速行動(dòng).他們收到了從美國(guó)寄來的文件,并開始進(jìn)行基本實(shí)驗(yàn),以實(shí)施光刻原型安裝.
光刻技術(shù)的確令人贊嘆(圖3).工程師們?cè)陂_始基本實(shí)驗(yàn)后就看到了驚人的潛力,這讓他們感到驚訝.石英設(shè)備工程師Mutsumi Negita表示:"即使在基礎(chǔ)實(shí)驗(yàn)階段,我們也可以看到我們的過程精度至少比機(jī)械方法好10倍."看起來光刻技術(shù)將是其處理方法中非常有價(jià)值的后續(xù)技術(shù).
盡管如此,新技術(shù)并非沒有局限性.Statek的原始設(shè)備設(shè)計(jì)不適合通過音叉晶體單元獲得高性能.較低的電場(chǎng)效率意味著晶體阻抗(CI值)*1非常高.當(dāng)CI值高時(shí),可能難以使晶體單元振蕩,并且振蕩電路的設(shè)計(jì)也變得更加復(fù)雜."盡管高加工精度非常出色,但該技術(shù)無法在當(dāng)前狀態(tài)下使用."這是Ina石英設(shè)備事業(yè)部的工程師在評(píng)估第一批原型時(shí)給人的印象.盡管毫無疑問,該技術(shù)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(diǎn),他們決定必須回到制圖板上進(jìn)行光刻的進(jìn)一步研究和開發(fā).
*1晶體阻抗是指晶體單元的等效串聯(lián)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(dāng)晶體阻抗(CI值)較高時(shí),很難使晶體單元振蕩.
在接下來的兩年中,他們?cè)诠饪碳夹g(shù)上取得了巨大的突破:開發(fā)了用于音叉晶體單元*2的新電極結(jié)構(gòu).由Statek開發(fā)的原始電極結(jié)構(gòu)只能獲得大約30％的電場(chǎng)效率,并且CI值太高.因此,項(xiàng)目團(tuán)隊(duì)決定修改石英材料的切割角*3,并制定適合其的最佳結(jié)構(gòu).結(jié)果,他們成功地大大提高了電場(chǎng)效率.同時(shí),盡管與使用機(jī)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(jīng)下降到足夠低的數(shù)字,無法使用."有了這樣的水平,我們應(yīng)該能夠提出一些建議."這就是工程師先前在會(huì)議室發(fā)表評(píng)論的原因,該評(píng)論"即將準(zhǔn)備使用其他技術(shù)……".
光刻技術(shù)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(dāng)天在會(huì)議室決定實(shí)施光刻技術(shù)的決定是一致的.在解決了所有最大的問題之后,光刻技術(shù)發(fā)現(xiàn)的潛力再次使他們感到驚訝.超過機(jī)械方法水平10倍以上的過程精度會(huì)產(chǎn)生各種有益的波紋效應(yīng).其中之一是安裝石英碎片的方法.常規(guī)機(jī)械加工方法在U形碎片的左臂和右臂之間的測(cè)量變化產(chǎn)生了一個(gè)稱為振蕩泄漏的分量.當(dāng)該泄漏物從外部逸出時(shí),會(huì)發(fā)生性能下降.
為了解決這個(gè)問題,采用了采用彈簧的復(fù)雜安裝結(jié)構(gòu),以防止晶體諧振器由于振蕩泄漏而導(dǎo)致的這種退化.但是,隨著光刻技術(shù)的實(shí)施帶來的加工精度的提高,并減少了左右臂之間的測(cè)量差異,因此不再需要彈簧.可以簡(jiǎn)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(gè)有益的紋波效應(yīng)是用于調(diào)節(jié)頻率的方法.以前,每個(gè)碎片都必須由工人使用金剛石砂輪進(jìn)行調(diào)整.這需要大量的勞動(dòng)時(shí)間.但是,現(xiàn)在由于采用了光刻技術(shù),因此大大提高了工藝精度,只需要進(jìn)行微調(diào)即可.現(xiàn)在,這可以簡(jiǎn)單地通過采用激光修整膜的方法來實(shí)現(xiàn),這也將使微調(diào)過程自動(dòng)化.結(jié)果是可以極大地簡(jiǎn)化生產(chǎn)力.
*2此技術(shù)發(fā)展為其贏得了1982年國(guó)家發(fā)明獎(jiǎng)日本專利局局長(zhǎng).獲獎(jiǎng)?wù)呤浅袚?dān)最核心職責(zé)的項(xiàng)目團(tuán)隊(duì)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(jié)構(gòu)為三角形.因此,根據(jù)切割每個(gè)薄石英晶片的角度,特性將不同.
同時(shí),另一項(xiàng)新技術(shù)正在悄然開發(fā),以支持光刻技術(shù)的實(shí)施.該公司的準(zhǔn)備工作是水密的.終于在1975年開始量產(chǎn)"C-002",這是第一款應(yīng)用光刻技術(shù)的音叉晶體裝置(圖4).其外部尺寸為2mm(半徑)x6mm(長(zhǎng)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(jiǎn)的結(jié)構(gòu)和制造工藝的創(chuàng)新,這些成本也應(yīng)該大大降低.但是云總是跟隨著陽光.特別是有一個(gè)問題使他們?cè)谏a(chǎn)車間感到困擾.它們的制造成品率極低.根據(jù)當(dāng)時(shí)負(fù)責(zé)使用光刻技術(shù)進(jìn)行批量生產(chǎn)技術(shù)開發(fā)的項(xiàng)目組成員MutsumiNegita的說法,"開始批量生產(chǎn)時(shí)的制造良率約為10％."換句話說,每生產(chǎn)10個(gè)產(chǎn)品中就有9個(gè)是有缺陷的.但是,既然產(chǎn)品已經(jīng)投放市場(chǎng),我們就需要每月生產(chǎn)50,000個(gè)晶振."我們所有的工人都放棄了休假時(shí)間,以某種方式每月能夠生產(chǎn)50,000件優(yōu)質(zhì)產(chǎn)品."
他們認(rèn)為,如果這種"緊急響應(yīng)"計(jì)劃僅持續(xù)一個(gè)月左右,那么就可能能夠應(yīng)對(duì),但長(zhǎng)期而言將無法持續(xù).石英設(shè)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(xiàng)新技術(shù)是否真的可以以低成本實(shí)現(xiàn),以及當(dāng)他們?nèi)匀皇褂脵C(jī)械加工方法時(shí),它們實(shí)際上是否比以前更好.石英設(shè)備事業(yè)部的工程師自己開始懷疑,事實(shí)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(shí)間線
他們必須找到一種擺脫困境的方法.組織了一個(gè)新的項(xiàng)目團(tuán)隊(duì),以提高制造良率,由負(fù)責(zé)生產(chǎn)技術(shù)的工程師領(lǐng)導(dǎo).一支名為MutsumiNegita的年輕工程師加入了團(tuán)隊(duì).
項(xiàng)目團(tuán)隊(duì)的第一個(gè)任務(wù)是找出導(dǎo)致產(chǎn)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(fā)現(xiàn)存在數(shù)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(diào)查了造成針孔不明原因的幾周后,他們能夠發(fā)現(xiàn)附著在石英晶片上的細(xì)小污垢.如果在無意中在該污垢頂部上形成的膜上進(jìn)行蝕刻,則會(huì)導(dǎo)致在臟部分上的附著力變差,從而導(dǎo)致針孔.
因此,他們?cè)噲D通過回顧他們對(duì)石英晶片的處理并調(diào)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(chǎn)量提高項(xiàng)目團(tuán)隊(duì)中的每個(gè)人都感到一陣輕松.
然而,他們期望獲得出色的結(jié)果,但對(duì)制造車間的了解卻感到驚訝和失望,事實(shí)上,水晶振動(dòng)子成品率幾乎沒有提高.似乎僅僅去除污垢不足以產(chǎn)生期望的結(jié)果.所以他們的解決方案是短暫的?也許他們?nèi)匀粵]有找到最初問題的真正原因……?他們?cè)俅卧陲@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(chǎn)量提高項(xiàng)目團(tuán)隊(duì)研究了各種可能的想法,他們想到了一切.但是,產(chǎn)率沒有變差,并且時(shí)間是徒勞的.
然后,有一天,Negita先生發(fā)生了一件奇怪的事情,因?yàn)樗诩抑谐撩杂谀竟酆?在木工中,在用另一種物質(zhì)(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(chǎn)品的表面具有更好的光潔度.這個(gè)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(jī)械切割出石英晶片,然后進(jìn)行拋光(圖6).完全可以想象,表面層會(huì)因該過程的應(yīng)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(gè)表面層,然后在頂部形成膜.有效！沒有形成一個(gè)針孔！以前,該過程涉及在粗糙表面層的頂部形成膜,這導(dǎo)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(yōu)質(zhì)產(chǎn)品供應(yīng),而不必在休息日工作.此外,隨著生產(chǎn)率的提高,公司內(nèi)部一直在悶燒的光刻技術(shù)的負(fù)面印象被消除.
圖6:人造石英和石英晶片
他們的設(shè)備現(xiàn)已達(dá)到傳統(tǒng)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(shè)備局限于我們公司將是一種浪費(fèi).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(shù)."隨著公司內(nèi)部共享不斷增長(zhǎng)的技術(shù)的號(hào)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(chǎng)上引起真正的轟動(dòng),并且它們將被全球客戶的詢問所淹沒.Ina石英設(shè)備事業(yè)部在期待中興奮地等待著.他們分發(fā)了尺寸為2mm(半徑)x6mm(長(zhǎng)度)的樣本產(chǎn)品,并且對(duì)新形狀的響應(yīng)非常好.但是,他們發(fā)現(xiàn)很少有公司實(shí)際采用他們的新技術(shù),原因是難以使用.
在此之前,許多客戶一直使用通過機(jī)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(tǒng)的音叉晶體單元相比,它仍然很高.盡管公司自己的手表設(shè)計(jì)部門高度贊揚(yáng)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(jīng)知道為什么CI值會(huì)更高.光刻技術(shù)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(duì)于側(cè)面來說卻是不可能的,因?yàn)樗鼈儧]有暴露在光下.無法在晶體單元的側(cè)面創(chuàng)建電極圖案,從而導(dǎo)致較高的CI值.
他們將需要建立一種用于三維光刻的技術(shù),以便在器件的側(cè)面也形成電極.即使是在光刻技術(shù)實(shí)施方面處于領(lǐng)先地位的IC行業(yè),該技術(shù)也尚未實(shí)現(xiàn).負(fù)田先生負(fù)責(zé)這項(xiàng)新技術(shù)的開發(fā)."首先,我們必須設(shè)計(jì)一種臨時(shí)方法,在晶體單元的側(cè)面上制作電極,以便獲得客戶可以使用的產(chǎn)品,并據(jù)此開始批量生產(chǎn).此外,與此同時(shí),我們花費(fèi)了一年中,我們開發(fā)了一種永久性方法,將我們與該目標(biāo)持久地聯(lián)系在一起,然后我們獲得了成功.我們的臨時(shí)方法受到產(chǎn)量和工作效率雙重問題的困擾,
那么,這種三維光刻技術(shù)又是什么呢?不幸的是,我們無法解釋本文范圍內(nèi)的詳細(xì)信息,因?yàn)檫@是當(dāng)前支持Epson Toyocom框架的相同技術(shù).大約36年前,在長(zhǎng)野縣伊那市開發(fā)了"利用光刻技術(shù)制造音叉晶體單元的技術(shù)".這就是"QMEMS"的起源.
精工愛普生公司音叉晶體尺寸進(jìn)化歷史與QMEMS技術(shù)起源
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