博碩士論文 106553010 詳細資訊




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姓名 鍾政勳(Bennett Chung)  查詢紙本館藏   畢業系所 通訊工程學系在職專班
論文名稱 AT-CUT石英振盪元件外型微結構 雙面蝕刻製程研究
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摘要(中) 近年來物聯網(Internet of Things, IoT)與5G無線通訊的興起更帶動了高頻與小型化石英振盪器的需求,傳統以機械式切割及研磨加工的製程方式已無法符合逐步小型化的石英晶體材料型貌控制需求,使其石英振盪器能量閉鎖效應不佳,導致頻率穩定性也受到影響,為了滿足石英振盪器電性規格日益嚴苛的需求,石英振盪晶片製作技術將面臨轉型。
本研究將探討AT-CUT石英振盪元件的石英外型微結構雙面蝕刻製程研究,在考量石英非等向性材料複雜的特性下,規劃先進行石英蝕刻機理研究,其目的是為了觀察影響石英蝕刻速率及石英表面型貌的關鍵因子,並確認穩定蝕刻的製程條件。
完成石英蝕刻機理研究後,以最佳的製程條件,再透過不同的光罩尺寸設計,以黃光微影製程結合濕式蝕刻製程,對石英X軸向與Z軸向進行單面石英蝕刻後,再對剖面輪廓觀察與分析,並依據單面石英蝕刻後的結構特徵的定義,來觀察及分析不同軸向於單面石英的蝕刻後的各結構特徵對應光罩尺寸的關係,接續再針對X軸向與Z軸向進行雙面石英蝕刻後的剖面輪廓觀察與分析,此階段研究重點為X軸向與Z軸向蝕刻後的邊界結構特徵,並與單面蝕刻研究觀察的結果進行比對分析,可觀察到雙面石英蝕刻後於Z軸向的邊界結構特徵是不穩定的,且呈現反對稱的現象,X軸向的邊界結構特徵則是穩定的。
由雙面石英蝕刻後的研究結果,再對Z軸向展開實驗規劃,以雙面石英蝕刻未貫穿及光罩錯位的方法,逐步分析與探討影響Z軸向外型結構特徵的成因及控制結構的方法,使石英振盪晶片的振盪特性不會受到外型結構不穩定的影響,並讓石英振盪石器的電性特性獲得穩定的輸出。
關鍵字:石英、AT-CUT、濕式蝕刻、石英非等向性材料
摘要(英) In recent years, the rise of the internet of things(IoT) and 5G wireless communication has driven the demand for high-frequency and miniaturized resonator. The traditional mechanical cutting and lapping process has been unable to meet the needs of the gradually miniaturized resonator material. The resonator energy trapping effect is also poor, resulting in frequency stability is also affected, in order to meet the increasingly stringent requirements of the resonator electrical specifications, the wafer fabrication technology will face a transformation.
In this study, we will discuss the double-sided etching process of quartz microstructure of AT-CUT quartz oscillator. Under the consideration of the complex characteristics of quartz anisotropic materials, we plan to study the mechanism of quartz etching first, in order to observe the influence of the etching rate of quartz and the key factors of the quartz surface morphology, and confirm the process conditions for stable etching.
After completing the study of the quartz etching mechanism, the optimal conditions are used to design through different mask sizes. The photolithography process is combined with the wet etching process, and the single-sided quartz etching is performed on the X-axis and the Z-axis of the quartz, and then the profile of the section is observed and analyzed. According to the definition of the structural features after single-sided quartz etching, the relationship between the etched structural features of different axial directions on single-sided quartz and the size of the reticle is observed and analyzed, and then the X-axis and the Z-axis are doubled observation and analysis of the profile of the quartz after etching. At this stage, the research focuses on the edge structure characteristics after X-axis and Z-axis etching, and compares the results with the single-sided etching research. The edge structure characteristics of the Z-axis after sided etching can be observed. It is unstable and present antisymmetry, and the edge structure of the X axis is stable.
Based on the research results after double-sided quartz etching, the Z-axis development experiment plan is mask shift with the double-sided quartz etching is not penetrated, and the causes and control structures affecting the Z-axis external structural features are analyzed and discussed step by step. The method makes the vibration characteristics of the resonator wafer not affected by the instability of the external structure, and the electrical characteristics of the resonator obtain a stable output.
Keywords:quartz、AT-CUT、wet etching、quartz anisotropic materials
關鍵字(中) ★ 石英
★ AT-CUT
★ 濕式蝕刻
★ 石英非等向性材料
關鍵字(英)
論文目次 摘要 i
誌謝 iv
第 一 章 緒論 1
1.1 研究背景 1
1.2文獻回顧 3
1.3 研究動機與目的 4
第 二 章 理論基礎 8
2.1 石英晶體振盪器的應用與特性優勢 8
2.2 石英晶體振盪器的工作原理 9
2.3 石英晶片的蝕刻加工製程 11
2.4 石英振盪器結構模擬 12
第 三 章 研究方法 13
3.1 研究架構 13
3.2 實驗規劃 14
3.3 實驗方法與流程 16
3.4石英晶體蝕刻特性分析 22
第 四 章 實驗結果與討論 26
4.1石英蝕刻機理探討 26
4.2外型蝕刻結構研究結果 30
4.3外型光罩錯位雙面石英外型蝕刻研究結果 56
第 五 章 結論及未來展望 59
5.1 結論 59
5.2 未來展望 60

圖目錄
圖1.1 機械加工與化學加工比較圖[23] 2
圖1.2 Z-CUT石英晶體剖面輪廓結構特徵圖[6] [9] 3
圖1.3 Z-CUT石英晶體不同特殊面剖面輪廓結構特徵圖[25] 4
圖1.4 Z-CUT石英晶體模擬及實驗比較圖[20] 5
圖1.5 石英晶棒切割型示意圖[1] 6
圖1.6 石英晶棒特殊面示意圖[8] [10] [12] 7
圖2.1 石英晶體振盪器結構與補償型態[4] 9
圖2.2 晶體振盪模態示意圖[4] [5] [12] 10
圖2.3 傳統晶片加工流程圖[13] 11
圖2.4 Q值對應尺寸模擬關係圖[14] [24] 12
圖3.1 整體研究架構圖 14
圖3.2 晶圓尺寸定義圖 17
圖3.3 (A) 晶圓方向定義圖 (B)光罩設計圖 17
圖3.4 雙面金屬鍍膜示意圖[22] 19
圖3.5 不同去金秒數之金屬殘留狀況[22] 21
圖3.6 濕式蝕刻反應機制示意圖[11] 22
圖4.1 石英蝕刻速率與溫度變化關係圖 26
圖4.2 蝕刻液配比與溫度的石英表面型貌比較圖 27
圖4.3 白光干涉儀及掃描電子顯微鏡量測圖 28
圖4.4 表面粗造度與溫度變化關係圖 29
圖4.5 蝕刻後石英晶圓晶格排列分析圖 30
圖4.6 X軸向蝕刻後剖面輪廓圖 31
圖4.7 Z軸向蝕刻後剖面輪廓圖 31
圖4.8 X軸向剖面輪廓定義分析圖 32
圖4.9 光罩尺寸對應X軸向A上開口結構及B下開口結構尺寸關係圖 33
圖4.10 光罩尺寸對應X軸向底切關係圖 34
圖4.11 光罩尺寸對應X軸向上開口A結構及下開口B結構尺寸關係圖 35
圖4.12 光罩尺寸對應X軸向C結構為尺寸關係圖 36
圖4.13 光罩尺寸對應X軸向結構角度關係圖 37
圖4.14 Z軸向剖面輪廓定義分析圖 39
圖4.15 光罩尺寸對應Z軸向A上開口結構及B下開口結構尺寸關係圖 40
圖4.16 光罩尺寸對應Z軸向底切關係圖 41
圖4.17 光罩尺寸對應Z軸向上開口A結構及下開口B結構尺寸關係圖 42
圖4.18 光罩尺寸對應Z軸向C1與C2結構尺寸關係圖 43
圖4.19 光罩尺寸對應Z軸向結構角度關係圖 44
圖4.20 雙面蝕刻外型微結構聚焦離子束分析位置圖 46
圖4.21 雙面外型蝕刻+X位置型貌圖 47
圖4.22 雙面外型蝕刻-X位置型貌圖 48
圖4.23 雙面外型蝕刻Z1位置型貌圖 49
圖4.24 雙面外型蝕刻Z2位置型貌圖 50
圖4.25 +X量測樣品及量測位置定義圖 50
圖4.26 -X量測樣品及量測位置定義圖 51
圖4.27 Z1量測樣品及量測位置定義圖 52
圖4.28 Z2量測樣品及量測位置定義圖 52
圖4.29 雙面石英蝕刻在未貫穿切面位置圖 54
圖4.30 雙面石英蝕刻後未貫穿下的Z1位置與Z2位置圖 54
圖4.31 蝕刻未貫穿Z2位置結構特徵圖 55
圖4.32 蝕刻未貫穿Z1位置結構特徵圖 55
圖4.33 Z軸向正反面光罩錯位評估示意圖 57
圖4.34 外型錯位石英蝕刻結構分析圖 58

表目錄
表1 1 石英元件主要產國技術競爭優勢比較[2] [21] 2
表3 1 石英蝕刻機理實驗規劃表 14
表3 2 單面石英蝕刻結構研究實驗規劃表 15
表3 3 雙面石英蝕刻結構研究實驗規劃表 16
表3 4 光罩偏移量對石英蝕刻結構的研究實驗規劃表 16
表3 5 金屬薄膜鍍膜參數表[22] 19
表3 6 實驗藥品名稱 24
表3 7 實驗儀器名稱 25
表4 1 X軸向剖面結構尺寸量測表 33
表4 2 X軸向C結構的尺寸的標準差統計表 36
表4 3 X軸向結構角度的標準差統計表 37
表4 4 Z軸向剖面結構尺寸量測表 39
表4 5 Z軸向C1與C2結構的尺寸的標準差統計表 43
表4 6 Z軸向結構角度的標準差統計表 45
表4 7 +X量測資料彙整表 51
表4 8 -X量測資料彙整表 51
表4 9 Z1量測資料彙整表 52
表4 10 Z2量測資料彙整表 53
參考文獻 參考文獻
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指導教授 陳永芳/洪銘聰 審核日期 2019-7-23
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