TWI898551B

TWI898551B - 石英振盪器

Info

Publication number: TWI898551B
Application number: TW113114685A
Authority: TW
Inventors: 王文楷; 林承葦; 邱智宏
Original assignee: 台灣晶技股份有限公司
Priority date: 2024-04-19
Filing date: 2024-04-19
Publication date: 2025-09-21
Also published as: US20250330138A1; JP2025164639A

Abstract

一種石英振盪器其包括第一蓋體、第二蓋體以及石英振盪元件。石英振盪元件位於第一蓋體與第二蓋體之間。石英振盪元件包括石英片、第一導電層以及第二導電層。第一導電層位於石英片的第一表面上。第二導電層位於石英片的第二表面上。石英片具有貫穿於其的溝槽或開孔。溝槽或開孔的側壁與第一表面或第二表面之間具有60°~90°的夾角。

Description

石英振盪器

本發明是有關於一種石英振盪器，且特別是有關於一種其中的石英片的溝槽或開孔的側壁具有特定角度範圍的石英振盪元件。

石英振盪器是用來產生振盪頻率的電子元件，其製作方式一般是將對應的石英板進行適當的切割，以形成適當的溝槽或開孔圖案。然後，再予以封裝或切割，而成為對應的石英振盪元件或石英振盪器。

然而，隨著電子產品走向輕薄短小的趨勢，其中的石英振盪元件的尺寸也勢必要對應地縮小。然而，在形成石英振盪元件的溝槽或開孔的過程中，溝槽或開孔的形貌好壞常造成影響石英振盪元件或石英振盪器品質或良率的關鍵。因此，如何提升石英振盪元件的品質或可靠度，實為研究之課題。

本發明提供一種石英振盪器，其具有較佳的品質或可靠度。

本發明的石英振盪器包括第一蓋體、第二蓋體以及石英振盪元件。石英振盪元件位於第一蓋體與第二蓋體之間。石英振盪元件包括石英片、第一導電層以及第二導電層。第一導電層位於石英片的第一表面上。第二導電層位於石英片的第二表面上。石英片具有貫穿於其的溝槽或開孔。溝槽或開孔的側壁與第一表面或第二表面之間具有60°~90°的夾角。

基於上述，由於石英片的溝槽或開孔的側壁具有60°~90°的夾角，因此包括其的石英振盪器具有較佳的品質，且應用上具有較佳的可靠度。

10、20、30、40、50:石英振盪器

100、200、300、400、500:石英振盪元件

119:石英板

118:元件區

110:石英片

111:第一表面

112:第二表面

115、215:震盪區

116、216:周圍區

121:第一導電層

122:第二導電層

151、352:遮罩層

130、230、330、430、530d:溝槽或開孔

130d、230d、330d、430d、530d:側壁

331:第一部分

332:第二部分

141、241:第一蓋體

142、242:第二蓋體

191:第一板體

192:第二板體

W1:第一寬度

W2:第二寬度

W3:最窄處的寬度

θ:夾角

A:中間軸

T:厚度

圖1A是依照本發明的第一實施例的一種石英振盪器的部分製作方法的上視示意圖。

圖1B至圖1E是依照本發明的第一實施例的一種石英振盪器的部分製作方法的部分剖視示意圖。

圖2是依照本發明的第二實施例的一種石英振盪器的剖視示意圖。

圖3A至圖3C是依照本發明的第三實施例的一種石英振盪器的部分製作方法的部分剖視示意圖。

圖4是依照本發明的第四實施例的一種石英振盪器的剖視示意圖。

圖5是依照本發明的一實施例的一種石英振盪器的上視示意圖。

在附圖中，為了清楚起見，可能放大、縮小或誇示繪示了部分的元件或膜層的尺寸或態樣。舉例而言，於後續的圖式中可能對於溝槽或開孔的傾斜角度及/或寬度誇示性地繪示。並且，在說明書中所表示的數值，可以包括所述數值以及在本領域中具有通常知識者可接受的偏差範圍內的偏差值。上述偏差值可以是於製造過程或量測過程的一個或多個標準偏差(Standard Deviation)，或是於計算或換算過程因採用位數的多寡、四捨五入或經由誤差傳遞(Error Propagation)等其他因素所產生的計算誤差。

另外，在說明書中所提到的方向用語，例如：上或下，僅是參考附加圖式的方向。因此，除非有特別的說明，使用的方向用語是用來說明並非用來限制本發明。並且，為了清楚表示不同圖式之間的方向關係，於部份的圖示中示例性以卡氏座標系統(Cartesian coordinate system；即XYZ直角坐標系統)來表示對應的方向，但本發明不以此為限。

圖1A是依照本發明的第一實施例的一種石英振盪器的部分製作方法的上視示意圖。圖1B至圖1E是依照本發明的第一實施例的一種石英振盪器的部分製作方法的部分剖視示意圖。

請參照圖1A，提供石英板119。石英板119可以被區分為多個元件區118。在後續的製程中，可以分別對各個元件區118進行適當的製程，以使各個元件區118成為對應的石英振盪元件(如：標示於圖1D中的石英振盪元件100或其他類似的石英振盪元件)。另外，為求簡潔，於圖1A中並未一一地標示所有的元件區118。並且，於後續的剖視圖式(如：圖1B至圖1D)中為對應單一個元件區118進行繪示或描述。

在一實施例中，石英板119可以為石英晶圓(quartz wafer)。石英晶圓可以具有對應的尋邊(flat)或缺角(notch)，但本發明不限於此。

在一實施例中，石英板119的厚度可以依據後續石英振盪元件100的需求而進行調整。舉例而言，石英板119的厚度可以約為20微米(micrometer，μm)至50微米。另外，本發明並未限定石英板119各處的厚度為一致。

請參照圖1B，可以藉由適當的方式(如：鍍覆及微影蝕刻)，以於石英板119(標示於圖1A)上形成對應的圖案化導電層。舉例而言，石英板119的第一表面111上可以形成對應的第一導電層121，且石英板119的第二表面112上(於圖式中的下方)可以形成對應的第二導電層122。也就是說，石英板119可以夾於第一導電層121與第二導電層122之間。第一導電層121或第二導電層122的佈線設計(layout design)可以依據後續石英振盪元件100的需求而進行調整，於本發明並不加以限定。

請繼續參照圖1B，可以在石英板119的第一表面111上形成或配置對應的遮罩層151。遮罩層151可以暴露出部分的第一表面111，以適於進行後續的蝕刻製程。

在一實施例中，遮罩層151可以為形成於石英板119上的圖案化光阻層。圖案化光阻層可以覆蓋第一導電層121及被第一導電層121所暴露出的部分第一表面111。

在一實施例中，遮罩層151可以為預製的金屬遮罩(preformed metal mask)，且金屬遮罩的圖案可以藉由適當的方式(如：雷射雕刻)所形成。另外，金屬遮罩可以藉由適當的方式(如：黏著)配置於第一導電層121上及/或被第一導電層121所暴露出的部分第一表面111上。

請參照圖1C至圖1D，藉由對應的乾蝕刻製程移除部分的石英板119，以形成對應的溝槽或開孔130(標示於圖1D)。溝槽或開孔130可以是由從第一表面111向第二表面112移除部分石英板119的方式進行。如此一來，如圖1D所示，溝槽或開孔130於第一表面111上的最小寬度(可被稱為：第一寬度W1)可以大於或等於溝槽或開孔130於第二表面112上的最小寬度(可被稱為：第二寬度W2)。

相較於濕蝕刻製程，乾蝕刻製程較不會(但，不表示可以完全排除)有側蝕刻(side etching)或底切(undercut)的現象。並且，相較於濕蝕刻製程，乾蝕刻製程較容易藉由對應的蝕刻劑(etching agent)調整或控制乾蝕的方向或角度。如此一來，藉由對應的乾蝕刻製程可以較容易地控制對應的角度，而使不同蝕刻處的軸向角度(即，剖面上對應相對兩側面的虛擬中間軸的方向或角度)可以趨於一致。另外，也可以具有較佳的深寬比(aspect ratio)。如此一來，可以使所製成的石英振盪元件100具有較佳的品質及/或良率。值得注意的是，在一些乾蝕刻製程(如：雷射燒蝕或機械鑽孔)中，遮罩層151並不一定為必須。

在一實施例中，前述的乾蝕刻製程可以包括反應性離子蝕刻(Reactive Ion Etching，RIE)製程，例如，感應耦合電漿反應性離子蝕刻(Inductively Coupled Plasma-Reactive Ion Etching，ICP-RIE)製程。反應離子蝕刻製程所使用的蝕刻劑可以包括氟系蝕刻劑。前述的氟系蝕刻劑例如包括但不限於：三氟甲烷(trifluoromethane，CHF₃)、四氟化碳(carbon tetrafluoride，CF₄)、八氟環丁烷(octafluorocyclobutanec，C₄F₈)、六氟化硫(Sulfur hexafluoride，SF₆)、上述之混合、上述與其他反應性氣體或惰性氣體(noble gas)之混合(如：CF₄/O₂、SF₆/Ar或C₄F₈/He)。相較於機械鑽孔(mechanical drilling)製程或微研磨(powder blasting)製程，反應性離子蝕刻製程較不會因為應力或材質的影響而在蝕刻的過程中產生對應的剖損或裂痕。相較於雷射燒蝕(laser drilling)製程，反應性離子蝕刻製程較不會因為熱量集中(如：因對材質吸收雷射光而於局部區域產生熱)或材質的影響而在蝕刻的過程中產生對應的剖損或裂痕。

請參照圖1D，於形成對應的溝槽或開孔130之後，可以藉由適當的方式移除對應的遮罩層151(若有)。

請繼續圖1D，於形成對應的溝槽或開孔130之後，可以配置第一板體191與第二板體192，以使石英板119夾於其間。

在一實施例中，第一板體191或第二板體192上可以具有適當的電路(未繪示)，但本發明不限於此。前述的電路可以包括但不限於：位於板體單一表面上的電路、位於兩相對表面上的電路及/或貫穿板體的導電通孔(conductive via)。電路的佈線設計(layout design)可以需求而加以調整，於本發明並不加以限定。

在一實施例中，第一板體191或第二板體192可以直接地或間接地與石英板119相接。舉例而言，第一板體191的一部分或第二板體192的一部分可以直接接觸部分的石英板119。舉例而言，第一板體191與石英板119之間或第二板體192與石英板119之間可以具有對應的黏著材料(sealing material)(未繪示)或密封環(未繪示)。

在一實施例中，第一板體191或第二板體192的材質可以包括石英或其他適宜的材質，但本發明不限於此。在一實施例中，第一板體191或第二板體192的大小或形狀可以相同或相似於石英板119。

請參照圖1D至圖1E，可以藉由適當的方式對如圖1D所示的結構進行單一化製程，以構成對應的石英振盪器10。前述的單一化製程例如包括對應於石英板119的各個元件區及第一板體191/第二板體192進行適當的切割，以構成對應的石英振盪元件 100及第一蓋體141/第二蓋體142。

經過上述製程後即可大致上完成本實施例之石英振盪器10的製作。但值得注意的是，圖1E中的石英振盪器10的製作方式並非完全限於以上述的方式進行。

請參照圖1E，石英振盪器10包括第一蓋體141、第二蓋體142以及石英振盪元件100。石英振盪元件100位於第一蓋體141與第二蓋體142之間。石英振盪元件100包括石英片110、第一導電層121以及第二導電層122。第一導電層121位於石英片110的第一表面111上。第二導電層122位於石英片110的第二表面112上。石英片110具有貫穿於其的溝槽或開孔130。在一剖面上(如圖1E所示)，溝槽或開孔130的側壁130d與第一表面111或第二表面112之間具有60°~90°(但可能接近90°但不為90°)的夾角θ。值得注意的是，於角度量測上，前述的第一表面111或第二表面112可以泛指由其(第一表面111或第二表面112中的其中之一)延伸之虛擬面；或是，平行於其之虛擬面。另外，可以藉由直接量測的方式(如：切割後以光學顯微鏡或電子顯微鏡量測)或間接估算的方式(如：於確認溝槽或開孔130於第一表面111及第二表面112上的位置後，藉由三角函數回推估算)獲知對應的夾角θ的角度。

在一實施例中，夾角θ可以為約60°、65°、70°、75°、80°、85°、接近90°但不為90°、或為前述任兩數值之間的區間、或為前述任兩數值之間的區間中所對應的一數值。

在一實施例中，對於藉由反應性離子蝕刻所形成的溝槽或開孔130而言，其夾角θ更可以介於80°~90°(但可能接近90°但不為90°)。

在一實施例中，溝槽或開孔130於第一表面111上的最小寬度(可被稱為：第一寬度W1)可以大於或等於溝槽或開孔130於第二表面112上的最小寬度(可被稱為：第二寬度W2)。在一實施例中，第二寬度W2可以約為第一寬度W1的80%~100%。在一實施例中，對於藉由反應性離子蝕刻所形成的溝槽或開孔130而言，第二寬度W2可以約為第一寬度W1的99%~100%。

在一實施例中，溝槽或開孔130的中間軸A與第一表面111或第二表面112之間具有75°~90°的夾角。在一實施例中，對於藉由反應性離子蝕刻所形成的溝槽或開孔130而言，中間軸A與第一表面111或第二表面112之間的夾角更可以介於83°~90°。

在一實施例中，在一剖面上(如圖1D所示)，溝槽或開孔130的側壁130d基本上呈現對應的平整面。

在一實施例中，在一剖面上(如圖1D所示)，溝槽或開孔130的深度(可對應於形成溝槽或開孔130處的石英片110的厚度T)至少為溝槽或開孔130的最小寬度的約1.5倍或以上。在一實施例中，在一剖面上(如圖1D所示)，溝槽或開孔130的深度(可對應於形成溝槽或開孔130處的石英片110的厚度T)更可為溝槽或開孔130的最小寬度的約6倍或以上。在一實施例中，在一剖面上(如圖1D所示)，溝槽或開孔130的深度為溝槽或開孔130的最小寬度的6倍至10倍。在一實施例中，溝槽或開孔130的深度(可對應於形成溝槽或開孔130處的石英片110的厚度T)可以約為80微米。在一實施例中，溝槽或開孔130的最小寬度可以約為10微米至20微米。

在一實施例中，第一蓋體141及/或第二蓋體142可以具有對應的凹槽，且凹槽面向且對應於石英片110的震盪區115。

在一實施例中，第一蓋體141及/或第二蓋體142上可以具有適當的電路(未繪示)，且前述的電路可以對應地電性連接於第一導電層121及/或第二導電層122。

圖2是依照本發明的第二實施例的一種石英振盪器的剖視示意圖。在本實施例的石英振盪器20在結構或製造方法上可以相同或相似於前述的石英振盪器10，其類似的結構或元件以相同的標號表示，並省略描述。

請參照圖2，石英振盪器20包括第一蓋體241、第二蓋體242以及石英振盪元件200。石英振盪元件200位於第一蓋體與241第二蓋體242之間。石英振盪元件200包括石英片210、第一導電層121以及第二導電層122。第一導電層121位於石英片210的第一表面111上。第二導電層122位於石英片210的第二表面112上。石英片210具有貫穿於其的溝槽或開孔230。溝槽或開孔230的外觀或剖面的形狀可以相同或相似於前述的溝槽或開孔130(如：具有60°~90°的夾角)。

在本實施例中，第一蓋體241及/或第二蓋體242的材質、大小及/或對應的配置方式(如：電路關係)可以相同或相似於前述的第一蓋體141及/或第二蓋體142，故於此不加以贅述。

在本實施例中，石英片210的震盪區215的厚度小於石英片210的周圍區216的厚度。

在一實施例中，石英片210的震盪區215的厚度小於石英片210的周圍區216的厚度，且第一蓋體241及/或第二蓋體242可為類似於長方體的實心結構(即，非為倒U型、U型或其類似者)，因此可能可以降低接合的難易度；另外，由於可以省略形成凹槽的蝕刻製程，因此亦可能可以簡化或省略部分製程(如：凹槽對位)。

圖3A至圖3C是依照本發明的第三實施例的一種石英振盪器的部分製作方法的部分剖視示意圖。在本實施例的石英振盪器30在結構或製造方法上可以相同或相似於前述的石英振盪器10，其類似的結構或元件以相同的標號表示，並省略描述。舉例而言，本實施例的石英振盪器30的製作方法可以為接續圖1C所示所進行。

請參照圖1C及圖3A，於從第一表面111向第二表面112移除部分石英板119之後，可以將如圖1C中所示的結構上下翻轉；然後，如圖3A所示地從第二表面112向第一表面111移除部分石英板119。

舉例而言，可以於可以在石英板119的第二表面112上形成或配置對應的遮罩層352。遮罩層352可以暴露出部分的第二表面112，以適於進行後續的蝕刻製程。

值得注意的是，遮罩層351可以於適當的步驟中所形成。以圖1C及圖3A所繪示的實施例為例，可以於如圖1C所繪示的步驟之後形成遮罩層352。而在一未繪示的實施例中，可以在移除部分的石英板119之前(如圖1C所繪示的步驟)，在石英板119的第二表面112上形成或配置對應的遮罩層352。

請參照圖3A至圖3B，可以藉由相似於圖1C至圖1D所繪示的方式，以形成對應的溝槽或開孔130。

值得注意的是，遮罩層351可以於適當的步驟中被移除。以圖1C、圖3A至圖3B所繪示的實施例為例，可以先移除遮罩層151(標示於圖1C)，而後移除遮罩層352(標示於圖3A)。而在一未繪示的實施例中，可遮罩層151(標示於圖1C)與遮罩層352(標示於圖3A)可以於相同的步驟中一起被移除。

請參照圖3B至圖3C，於形成對應的溝槽或開孔330之後，可以藉由相似於圖1C至圖1D所繪示的方式，配置第一板體(未繪示；相同或相似於圖1D的第一板體191)與第二板體(未繪示；相同或相似於圖1D的第二板體192)，以使石英板119夾於其間。然後，可以藉由相似於圖1D至圖1E所繪示的方式，進行對應的單一化製程，以構成對應的石英振盪器30。

經過上述製程後即可大致上完成本實施例之石英振盪器30的製作。但值得注意的是，圖3B中的石英振盪器30的製作方式並非完全限於以上述的方式進行。

請參照圖3C，石英振盪器30包括第一蓋體141、第二蓋體142以及石英振盪元件300。石英振盪元件300位於第一蓋體141與第二蓋體142之間。石英振盪元件300包括石英片110、第一導電層121以及第二導電層122。第一導電層121位於石英片110的第一表面111上。第二導電層122位於石英片110的第二表面112上。石英片110具有貫穿於其的溝槽或開孔330。在一剖面上(如圖3C所示)，溝槽或開孔330的側壁330d與第一表面111或第二表面112之間具有60°~90°的夾角θ。

石英振盪元件300的製造方式與石英振盪元件100的製造方式相似，其一差別可以在於：溝槽或開孔330的形成不同。並且，就結構上而言，溝槽或開孔330於第一表面111上的最小寬度(可被稱為：第一寬度W1)與溝槽或開孔330於第二表面112上的最小寬度(可被稱為：第二寬度W2)可以更為接近。舉例而言，第一寬度W1與第二寬度W2的比值可以約為0.99至1.01。

在本實施例中，溝槽或開孔330的最窄處的水平位置位於第一表面111與第二表面112之間。在一實施例中，最窄處的寬度W3約為第一寬度W1或第二寬度W2的99.5%至100%。

在一實施例中，在一剖面上(如圖3C所示)，溝槽或開孔330的側壁330d具有接近第一表面111的第一部分331以及接近第二表面112的第二部分332。第一部分331及/或第二部分332基本上呈現對應的平整面。簡單來說，在一剖面上(如圖3B所示)，溝槽或開孔330可以略呈沙漏狀。

圖4是依照本發明的第四實施例的一種石英振盪器的剖視示意圖。在本實施例的石英振盪器40在結構或製造方法上可以相同或相似於前述的石英振盪器10，其類似的結構或元件以相同的標號表示，並省略描述。

請參照圖4，石英振盪器40包括第一蓋體141、第二蓋體142以及石英振盪元件400。石英振盪元件400位於第一蓋體141與第二蓋體142之間。石英振盪元件400包括石英片110、第一導電層121以及第二導電層122。第一導電層121位於石英片110的第一表面111上。第二導電層122位於石英片110的第二表面112上。石英片110具有貫穿於其的溝槽或開孔130。在一剖面上(如圖4所示)，溝槽或開孔430的側壁430d與第一表面111或第二表面112之間具有60°~90°的夾角θ。

石英振盪元件400的製造方式或對應結構可以與石英振盪元件100的製造方式或對應結構相似，其一差別可以在於：中間軸A與第一表面111或第二表面112之間的夾角θ可以小於90°。這可能(但，不限)是由於在溝槽或開孔430的形成過程中，被蝕刻物放置方向的偏斜所導致，但對於石英振盪元件400的結構及/或對應的使用上基本上不會有明顯的影響。

圖5是依照本發明的一實施例的一種石英振盪器的部分上視示意圖。具體而言，圖5為對應的石英振盪元件的上視示意圖。

石英振盪器50包括第一蓋體(未繪示，可以相同或相似於前述的第一蓋體141或第一蓋體241)、第二蓋體(未繪示，可以相同或相似於前述的第二蓋體142或第二蓋體242)以及石英振盪元件500。類似於前述的剖面圖，石英振盪元件500位於第一蓋體與第二蓋體之間。石英振盪元件500包括石英片110、第一導電層121以及第二導電層122。石英片110包括震盪區115及周圍區116。從一上是方向看(如：圖5所示)，溝槽或開孔530可以位於震盪區115及周圍區116之間。第一導電層121位於石英片110的第一表面111上。第二導電層122位於石英片110的第二表面112上。石英片110具有貫穿於其的溝槽或開孔530。並且，石英振盪元件500對應於A-A’剖線上的剖面可以如圖1D、圖2、圖3B或圖4所示。另外，石英振盪元件500對應於B-B’剖線上的剖面也可以對應地如圖1E、圖2、圖3C或圖4中一側的溝槽或開孔所示。換言之，溝槽或開孔530的側壁530d的輪廓在不同的方向(A-A’剖線上的方向與B-B’剖線上的方向)上基本上可以一致。也就是說，溝槽或開孔530側壁530d的表面基本上與石英片110的晶格面(lattice plane)基本上並無直接的關連。

綜上所述，在本發明的石英振盪器中，由於其中的石英片的溝槽或開孔的側壁具有60°~90°的夾角，因此石英振盪器具有較佳的品質，且應用上具有較佳的可靠度。

10:石英振盪器

100:石英振盪元件

110:石英片

111:第一表面

112:第二表面

115:震盪區

121:第一導電層

122:第二導電層

130:溝槽或開孔

130d:側壁

141:第一蓋體

142:第二蓋體

W1:第一寬度

W2:第二寬度

θ:夾角

A:中間軸

T:厚度

Claims

一種石英振盪器，包括：第一蓋體；第二蓋體；以及石英振盪元件，夾設於所述第一蓋體與所述第二蓋體之間，且所述石英振盪元件包括：石英片；第一導電層，位於所述石英片的第一表面上；以及第二導電層，位於所述石英片的第二表面上，其中所述石英片具有貫穿於其的溝槽或開孔，且所述溝槽或開孔的側壁與所述第一表面或所述第二表面之間具有60°~90°的夾角，以使所述溝槽或開孔的截面呈一自所述第一表面向所述第二表面漸縮之梯形。
如請求項1所述的石英振盪器，其中所述溝槽或開孔由乾蝕刻方式所形成。
如請求項1所述的石英振盪器，其中所述溝槽或開孔的中間軸與所述第一表面或所述第二表面之間具有75°~90°的夾角。
如請求項1所述的石英振盪器，其中所述溝槽或開孔的所述側壁的輪廓在不同的剖面上一致。
如請求項1所述的石英振盪器，其中所述溝槽或開孔的深度為所述溝槽或開孔的最小寬度的1.5倍或以上。
如請求項1所述的石英振盪器，其中於一剖面上，所述溝槽或開孔的寬度由所述第二表面向所述第一表面逐漸擴大。
如請求項1所述的石英振盪器，其中於一剖面上，所述溝槽或開孔的所述側壁為平整面。
如請求項1所述的石英振盪器，其中所述溝槽或開孔的最窄處的水平位置位於所述第一表面與所述第二表面之間。
如請求項1所述的石英振盪器，其中所述溝槽或開孔的所述側壁具有接近所述第一表面的第一部分以及接近所述第二表面的第二部分，且所述第一部分及所述第二部分呈現對應的平整面。
如請求項8或9所述的石英振盪器，其中所述溝槽或開孔由多次的乾蝕刻方式所形成。