AT切型長(zhǎng)條片外形有三種：平面片、平面倒邊片、平面倒邊倒角片。在寬厚比較大時(shí)(Wz/t/>20可不要修外形。直接采用平面片。當(dāng)晶振頻率較低時(shí)，為了減小諧振電阻，減小邊緣效應(yīng)和寄生耦合要修外形。將石英片的邊緣減薄。

修外形用滾筒進(jìn)行，滾筒有兩種，直筒和球筒。直筒的作用主要倒寬度方向，但也對(duì)長(zhǎng)度方向有影響。球形滾筒由于直徑較小，主要是將條片長(zhǎng)度方向的端邊邊緣減薄。兩者配合起來(lái)對(duì)石英晶振片倒邊后成拋物線曲面。且曲面與平臺(tái)平面銜接要好。這就要求必須計(jì)算好石英片的倒邊曲率半徑。選擇好滾筒以及計(jì)算好滾筒的轉(zhuǎn)速。

石英晶振晶片直徑的設(shè)計(jì),選擇,確定,首先要考慮所規(guī)定的石英晶體盒能容納石英片的最大尺寸,再設(shè)計(jì)滿足此條件的石英片直徑。石英片的直徑大小對(duì)石英晶振元件的活力和寄生振動(dòng)有很大影響。AT切型的寄生振動(dòng)主要包括xy’彎曲、y’面切變和xy’伸縮等三種振動(dòng)。

如果主振動(dòng)頻率與上述三種振動(dòng)之一的高次泛音頻率接近時(shí),就出現(xiàn)強(qiáng)耦合作用,引起活力突變或頻率跳躍等現(xiàn)象。這種現(xiàn)象在AT切型的低頻端及邊比Φ/t小的情況下容易出現(xiàn)。所以當(dāng)Φ/<20時(shí),就應(yīng)該嚴(yán)格控制直徑Φ的尺寸。

石英晶振晶片是從一塊晶體上按一定的方位角切下的薄片,可以是圓形或正方形,矩形等.按切割晶片的方位不同,可將晶片分為AT、BT、CT、DT、X、Y等多種切型.不同切型的晶振晶片其特性也不盡相同,尤其是頻率溫度特性相差較大.

晶振晶片的兩個(gè)對(duì)應(yīng)表面上涂敷銀層,由晶振晶片支架固定并引出電極.晶振晶片支架分為焊線式和夾緊式兩種.通常,中、低頻石英晶體振蕩器采用焊線式晶片支架,而高頻石英晶體振蕩器采用夾緊式晶片支架.

通過(guò)調(diào)節(jié)激光器的三個(gè)激光參數(shù),來(lái)改變石英晶振頻率微調(diào)量,從而在不剝落晶振晶片表面電極層的前提下,達(dá)到最大頻率微調(diào)量。三個(gè)參數(shù)分別為:電流,頻率和Q脈沖寬度。

電流與石英晶振微調(diào)量之間的關(guān)系

固定頻率為5KIHz,Q脈沖寬度為50微秒,改變電流從10安到19安來(lái)測(cè)頻率微調(diào)量。

用激光刻蝕圖形,把石英晶振晶片表面電極層部分完全剝落的方法,其優(yōu)點(diǎn)首先在于頻率微調(diào)量大,大氣中即可達(dá)到2000pm以上的頻率微調(diào)量。

其次,刻蝕圖形的方法,可以對(duì)石英貼片晶振晶片一面進(jìn)行加工,而實(shí)現(xiàn)兩面同時(shí)同剝落其次,刻蝕圖形的方法,可以對(duì)晶片一面進(jìn)行加工,而實(shí)現(xiàn)兩面同時(shí)同剝落。

第三,由于在生產(chǎn)過(guò)程中,石英貼片晶振晶片表面的電極層是靠掩膜鍍敷到晶片表面上的, 在掩膜的過(guò)程中,邊緣處會(huì)產(chǎn)生散射,使得沉積在晶振晶片上的銀層邊界線不夠清晰有部分散射銀殘留的現(xiàn)象,同時(shí)也會(huì)影響晶振晶片的Q值。用激光刻蝕圖形的方法, 對(duì)晶片邊緣進(jìn)行加工,便可以清除邊界殘留銀層,使得晶片表面銀層清晰于凈, 時(shí)提高晶片的Q值。

調(diào)節(jié)激光器的電流和激光掃描時(shí)間到適當(dāng)?shù)闹?/span>,是可以實(shí)現(xiàn)對(duì)石英晶振,貼片晶振進(jìn)行頻率微調(diào)的。雖然實(shí)驗(yàn)中微調(diào)的量最小也是kHz數(shù)量級(jí),但從兩組數(shù)據(jù)中可以看出只要電流和掃描時(shí)間調(diào)節(jié)的得當(dāng),進(jìn)行幾Hz~幾百Hz數(shù)量級(jí)的頻率微調(diào)也是可行的,亦即實(shí)現(xiàn)晶振ppm級(jí)的頻率精度。

其次,從實(shí)現(xiàn)數(shù)據(jù)中可以看出頻率微調(diào)量在掃描時(shí)間固定的情況下,并不是與激光電流完全成正比;而在激光電流固定的情況下,也不是與掃描時(shí)間完全成正比的。這一方面可能與表面銀層對(duì)于激光的反射作用有關(guān),大量的激光束被銀層反射回去,沒(méi)能用于對(duì)表面電極層進(jìn)行氣化,只有通過(guò)加大激光電流的辦法來(lái)加強(qiáng)對(duì)表面的轟擊。但這樣一來(lái)很容易造成頻率微調(diào)量過(guò)大,超出了想要的頻率微調(diào)數(shù)量級(jí)的現(xiàn)象。

另一方面可能與整個(gè)石英晶振激光頻率微調(diào)實(shí)驗(yàn)進(jìn)行的環(huán)境有關(guān)。整個(gè)激光頻率微調(diào)實(shí)驗(yàn)完全在大氣環(huán)境下進(jìn)行,受激光掃描而氣化的分子受大氣中的分子顆粒的散射作用,重新返回晶振晶片表面,堆積在表面其他地方。這樣實(shí)際上晶振晶片的質(zhì)量并沒(méi)有減小,由 Sauerbrey方程:

可知質(zhì)量沒(méi)有改變就不會(huì)對(duì)石英晶振頻率產(chǎn)生微調(diào),因而網(wǎng)絡(luò)分析儀就測(cè)量不出頻率的變化。這樣實(shí)驗(yàn)時(shí)就會(huì)繼續(xù)加大激光電流或是增加激光照射或掃描時(shí)間。而這樣是不對(duì)的。因?yàn)閷?shí)際上氣化過(guò)程在頻率真正得到改變前就已經(jīng)發(fā)生了,只是石英晶振晶片總質(zhì)量沒(méi)有改變從而不會(huì)對(duì)頻率產(chǎn)生影響。當(dāng)增強(qiáng)后的激光照射在晶片表面時(shí),有可能電流過(guò)大,穿透表面銀層,產(chǎn)生與圖3.5類(lèi)似的情形,造成實(shí)驗(yàn)失敗。

此外,從實(shí)現(xiàn)數(shù)據(jù)可以看出,激光掃描電流和激光掃描時(shí)間兩個(gè)參數(shù)并不是獨(dú)立作用的,并不是增加或減少其中的一個(gè)就可以直接影響晶振頻率微調(diào)量的。因而需要兩個(gè)參數(shù)相互配合,在實(shí)驗(yàn)的基礎(chǔ)上達(dá)到一個(gè)最佳平衡點(diǎn)。

從實(shí)驗(yàn)中可以推斷,除了激光掃描電流和激光掃描時(shí)間兩個(gè)參數(shù)外,還有其它的參數(shù)影響著實(shí)驗(yàn)結(jié)果。如:氣壓,氣溫,甚至激光掃描路徑。因而需要大量、反復(fù)的實(shí)驗(yàn)來(lái)找出這些關(guān)系,進(jìn)而找到實(shí)現(xiàn)精確石英頻率微調(diào)的最佳方案。

石英晶體諧振器是利用石英晶體的壓電效應(yīng)制成的一種諧振器件,其基本結(jié)構(gòu)為:從一塊石英晶體上按一定方位角切下薄片(簡(jiǎn)稱為晶片,它可以是正方形、矩形或圓形等),在它的兩個(gè)對(duì)應(yīng)面上涂敷銀層作為電極,在每個(gè)電極上各焊根引線接到管腳上,再加上封裝外殼就構(gòu)成了石英晶體振蕩器,簡(jiǎn)稱為石英晶體或晶體、晶振。其產(chǎn)品一般用金屬外殼封裝,也有用玻璃殼、陶瓷或塑料封裝的。圖2.1是石英晶振結(jié)構(gòu)圖。圖22是一種金屬外殼封裝的石英晶體結(jié)構(gòu)示意圖。

石英晶振晶體的壓電效應(yīng)

若在石英晶體的兩個(gè)電極上加一電場(chǎng),晶片就會(huì)產(chǎn)生機(jī)械變形。反之,若在晶振晶片的兩側(cè)施加機(jī)械壓力,則在晶片相應(yīng)的方向上將產(chǎn)生電場(chǎng),這種物理現(xiàn)象稱為壓電效應(yīng)。如果在晶片的兩極上加交變電壓,晶片就會(huì)產(chǎn)生機(jī)械振動(dòng),同時(shí)石英晶振晶片的機(jī)械振動(dòng)又會(huì)產(chǎn)生交變電場(chǎng)。在一般情況下,晶振晶片機(jī)械振動(dòng)的振幅和交變電場(chǎng)的振幅非常微小,但當(dāng)外加交變電壓的頻率為某一特定值時(shí),振幅明顯加大,比其他頻率下的振幅大得多,這種現(xiàn)象稱為壓電諧振,它與LC回路的諧振現(xiàn)象十分相似。它的諧振頻率與晶片的切割方向、幾何形狀、尺寸等有關(guān)。

石英晶振晶體的符號(hào)和等效電路

石英晶體諧振器的符號(hào)和等效電路如圖23所示。當(dāng)晶體不振動(dòng)時(shí),可把它看成一個(gè)平板電容器稱為靜電電容C,它的大小與晶片的幾何尺寸、電極面積有關(guān),一般約幾個(gè)pF到幾十pF。當(dāng)石英晶體諧振時(shí),機(jī)械振動(dòng)的慣性可用電感L來(lái)等效。一般L的值為幾十mH到幾百mH.晶振晶片的彈性可用電容C來(lái)等效,C的很小,一般只有0.0002~0.lpF。

晶振晶片振動(dòng)時(shí)因摩擦而造成的損耗用R來(lái)等效, 它的數(shù)值約為100g。由于晶片的等效電感很大,而C很小,R也小,因此回路的品質(zhì)因數(shù)Q很大,可達(dá)1000~10000。加上晶振晶片本身的諧振頻率基本上只與晶片的切割方向、幾何形狀、尺寸有關(guān),而且可以做得精確,因此利用石英晶體諧振器組成的諧振電路可獲得很高的頻率穩(wěn)定度。

從石英晶體諧振器的等效電路可知,它有兩個(gè)諧振頻率,即(1)當(dāng)L、C R支路發(fā)生串聯(lián)諧振時(shí),石英晶體諧振器的等效阻抗最小(等于R)。串聯(lián)揩振頻率用fs表示,石英晶體對(duì)于串聯(lián)揩振頻率fs呈純阻性;(2)當(dāng)頻率高于fs時(shí),L、C、R支路呈感性,可與電容C0發(fā)生并聯(lián)諧振,其并聯(lián)頻率用fd表示。工程技術(shù)中石英諧振器就工作在fs到fd范圍內(nèi)或這兩個(gè)頻率的奇次諧頻上。

根據(jù)石英晶振的等效電路,可定性畫(huà)出它的電抗一頻率特性曲線如圖2.3所示?？梢?jiàn)當(dāng)頻率低于串聯(lián)諧振頻率fs或者頻率高于并聯(lián)揩振頻率fd時(shí),石英晶體呈容性。僅在fs極窄的范圍內(nèi),石英晶體呈感性。石英晶體表面附著電極層后的膜系結(jié)構(gòu)示意圖如圖24所示。

Sauerbrey方程用于描述石英晶體諧振頻率與晶體表面附著物質(zhì)(此處為上、下兩面的銀電極層)之間的變化關(guān)系,該方程如下:

其中f0為石英晶振原始諧振頻率(單位為Hz),△f為晶振的頻率變化量(單位為Hz),△m為晶體變化的質(zhì)量(單位為gcm-2),A是晶體有效面積(即電極面積,單位為cm2),pμ是石英晶體的密度,μφ為晶體剪切彈性模量。

對(duì)于指定晶振晶片,fo、A、pμ、qμ均為常數(shù),因而, △f與△m的絕對(duì)值成正比,負(fù)號(hào)表示表面銀電極層質(zhì)量的增加,會(huì)引起石英晶振諧振頻率的減少;而表面銀電極層質(zhì)量的減少,會(huì)引起石英晶振諧振頻率的增加。即:增加銀層質(zhì)量和減少銀層質(zhì)量?jī)煞N方法都可以改變石英晶振的諧振頻率。

可見(jiàn),附加的銀電極層會(huì)對(duì)石英晶振器的諧振頻率產(chǎn)生影響。因而工業(yè)生產(chǎn)中,一般先制作出與目標(biāo)頻率接近的石英晶片并附加表面電極,再通過(guò)改變表面電極厚度方法,來(lái)微調(diào)晶振頻率以達(dá)到目標(biāo)頻率。

根據(jù)前面介紹的關(guān)于晶振片的由來(lái)以及晶振原理,毫無(wú)疑問(wèn),石英晶振片是比較敏感的電子組件。用作鍍膜的時(shí)候晶振片可以測(cè)量到膜厚0.000000000001克重的變化,這相當(dāng)于1原子(atom)膜厚,而且,晶振片對(duì)溫度也很敏感, 對(duì)1/100攝氏溫度的變化也能感知。

另外,石英晶振片對(duì)應(yīng)力的敏感也很大,在一些特別的鍍膜過(guò)程中可以感知已鍍膜的石英晶振片冷卻后膜層原子的變化。例如常用MgF2增透膜,300度時(shí)膜硬度是平時(shí)的2倍,冷卻時(shí)產(chǎn)生巨大的應(yīng)力, 隨著鍍膜規(guī)格指標(biāo)的需求日益嚴(yán)格,石英晶振控制成為鍍膜必備的輔助或控制方法,如何正確有效地使用晶振片成為保證鍍膜質(zhì)量的重點(diǎn)。所以為了使晶振片壽命最長(zhǎng),下面一些方法和技巧供您參考：

1.安裝鏡片時(shí),用塑料攝子來(lái)挾住晶振片的邊緣,不要碰晶振片中心,任何灰層,油污都會(huì)降低晶振片的振動(dòng)能力。

2.保持探頭的清潔。不要讓鍍膜材料的粉末和碎片接觸探頭的前后中心位置。任何石英晶體和夾具之間的顆?；蚧覍訉⒂绊戨娮咏佑|,而且會(huì)產(chǎn)生應(yīng)力點(diǎn),從而改變石英晶體振動(dòng)的模式。

3.維持探頭的冷卻水溫度在20~40°C之間。如果可以將溫度誤差保持在1-2℃范圍內(nèi),效果更佳。

4選擇晶振片時(shí),要選擇表面光滑、顏色較為統(tǒng)一晶振片, 表面有劃傷或贓物的不可以使用;

5.分離晶振傳感器時(shí),注意上半部分的鍍金彈簧片不能弄臟變形,更不可斷裂;保證每一個(gè)彈簧的三個(gè)腳的高度和彎曲度(60度)都相等;放置時(shí)應(yīng)將鍍金彈簧片朝上平放在工作臺(tái)上,嚴(yán)禁反放。取出石英晶振片時(shí)要小心,不可使其滑動(dòng)或掉落,使之劃傷或破裂。(整個(gè)過(guò)程必須戴乳膠手套,避免手指上贓物接觸其上)。

6.鍍膜時(shí)注意觀察蒸發(fā)速率的變化情況,速率曲線出現(xiàn)異常波動(dòng)之后要能準(zhǔn)確判定是否晶振片出現(xiàn)故障,并決定是否切換：

石英晶振片要不要換主要看以下幾方面：

蒸發(fā)速率出現(xiàn)明顯異常,速率持續(xù)波動(dòng);

晶振片的表面明顯出現(xiàn)膜脫落或起皮的現(xiàn)象

7.石英晶振片的回收利用用過(guò)的晶振片可以重新利用,主要方法有兩種：

（1)徹底除去石英晶體諧振器,貼片晶振,石英晶振片上的膜層和電極,重新郵回廠家鍍上電極。

（2)利用金電極不溶于硫酸等強(qiáng)酸的特點(diǎn),客戶自行處理,將晶振片上的膜層除去,重新利用。

但使用再處理石英晶振片時(shí)注意以下事項(xiàng)

（1)銀鋁合金溶于各種酸,不適合再處理。

（2)酸祛除晶振片膜層時(shí),必然對(duì)基底或外觀有一定影響,初始頻率也會(huì)改變,放入晶控儀中會(huì)發(fā)現(xiàn)初始讀數(shù)改變或顯示壽命降低,這些不會(huì)影響石英晶振片的基本功能,但晶振片的壽命會(huì)大大降低。

振片清洗配方:20%氟化氫銨水溶液,浸泡6小時(shí)以上,浸泡后投入酒精擦拭,去水即可。

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采用離子刻蝕進(jìn)行晶振頻率微調(diào),在刻蝕后晶振的頻率會(huì)發(fā)生偏移。這會(huì)使頻率調(diào)整精度低于真空蒸著頻率調(diào)整法。如圖4-4所示,離子刻蝕后石英晶振頻率會(huì)產(chǎn)生偏移,縱軸表示與目標(biāo)頻率的偏差,單位是pm。在刻蝕前,石英晶振的頻率相對(duì)于目標(biāo)頻率是負(fù)的。在調(diào)整時(shí),一邊用測(cè)頻系統(tǒng)測(cè)定石英晶振的頻率,一邊用離子束照射石英晶振的電極膜, 電極膜被刻蝕,頻率隨之升高。當(dāng)刻蝕停止后,會(huì)出現(xiàn)頻率下降的現(xiàn)象?？涛g剛停止的幾秒內(nèi),頻率下降較快,隨后下降會(huì)漸漸變緩,最后趨于穩(wěn)定,不再變化。這種離子刻蝕后頻率偏移的原因比較復(fù)雜,其原因之一是因?yàn)殡x子刻蝕時(shí)對(duì)晶振晶片產(chǎn)生的熱應(yīng)力。其理論依據(jù)比較深?yuàn)W,在此不做討論。本文主要通過(guò)實(shí)驗(yàn),找出頻率偏移的規(guī)律,對(duì)石英晶振進(jìn)行離子刻蝕加工時(shí)設(shè)定合適的參數(shù),使得這種偏移在實(shí)際應(yīng)用中產(chǎn)生盡可能小的影響。

現(xiàn)在用AT方向切割的石英晶片做成的石英晶振進(jìn)行實(shí)驗(yàn),用離子束對(duì)晶片進(jìn)行刻蝕,統(tǒng)計(jì)出蝕刻速度與頻率偏移的聯(lián)系。

實(shí)驗(yàn)對(duì)象:A品種的石英晶振使用的晶片是長(zhǎng)方形,尺寸為長(zhǎng)1996u±3u,寬1276u±2a,晶片厚度為62.04u。目標(biāo)頻率為26.998380MHz。晶片先用昭和真空生產(chǎn)的磁控濺射鍍膜機(jī)SPH-2500進(jìn)行鍍膜,為了提高鍍層密著性,先鍍少量的鉻膜, 然后按頻率要求鍍銀膜,總膜厚約為1.73u。使得在離子束刻蝕加工前的頻率與目標(biāo)頻率的差為2000ppm~300ppm之間。

實(shí)驗(yàn)設(shè)備:離子束刻蝕頻率微調(diào)機(jī)使用昭和真空生產(chǎn)的SFE-6430T。離子槍的加速鉬片到晶片表面的距離為25mm,氬氣流量為0.35SCCM。

首先,進(jìn)行較大刻蝕速度對(duì)石英晶振,貼片晶振進(jìn)行刻蝕的實(shí)驗(yàn),測(cè)得偏移量。如表4和圖4÷5所示當(dāng)刻蝕速度在1000ppm/s到2000ppm/s的范圍,離子刻蝕后的偏移量隨著刻蝕速度的增加而有很大的升高。如當(dāng)刻蝕量為2000ppm時(shí),頻率偏移量山刻蝕速度為1000ppm/s的35.8ppm快速增長(zhǎng)到刻蝕速度為2000ppm/s的89.8ppm。當(dāng)刻蝕量為3000ppm時(shí),頻率偏移量便會(huì)超過(guò)100pm。此外,從圖4-5中可以看出,在同一刻蝕速度下,刻蝕后的頻率偏移量還會(huì)隨刻蝕量的增加呈線性升高。

其次,進(jìn)行較低刻蝕速度對(duì)石英晶體,石英晶體諧振器進(jìn)行刻蝕的實(shí)驗(yàn),測(cè)得偏移量。如表4-2和圖4-6所示,與高速時(shí)的情況類(lèi)似,刻蝕速度增加時(shí),刻蝕后的偏移量也會(huì)隨之增加。并且,在同一刻蝕速度時(shí),刻蝕后的偏移量也隨刻蝕量的增加而線性增大。從圖表中可以看出,刻蝕速度減小后,刻蝕后的偏移量也會(huì)減小很多。當(dāng)刻蝕速度減小到80ppm/s時(shí),刻蝕量為200pm時(shí),刻蝕后偏移量?jī)H為2.5pm。如果進(jìn)一步控制刻蝕量,當(dāng)刻蝕量降到100ppm時(shí),刻蝕后偏移量?jī)H為0.2ppm,基本接近于0。因此在實(shí)際生產(chǎn)時(shí),如果能將刻蝕速度控制到80pm/s,刻蝕量控制在100pm以下, 晶振的離子束刻蝕后的頻率偏差較大,且公差范圍較小,為了減少離子束刻蝕后頻率偏移產(chǎn)生的影響,提高產(chǎn)品的精度,可以采用3段加工模式,但是生產(chǎn)效率會(huì)有所降低)。

晶振離子刻蝕兩段加工模式如圖4-7所示,首先進(jìn)行H段加工,用高的刻蝕速度和大的刻蝕量,從加工前頻率開(kāi)始加工,等加工到設(shè)定的中間目標(biāo)頻率后停止刻蝕,一段時(shí)間后,由于離子刻蝕后的晶振頻率偏移的影響,使頻率下降,回到L段加工前頻率。接著進(jìn)行L段加工,用低刻蝕速度和小刻蝕量,從L段加工前頻率開(kāi)始加工,等加工到設(shè)定的最終目標(biāo)頻率后停止刻蝕,一段時(shí)間后,出于離子刻蝕后頻率偏移的影響, 使頻率下降,回到實(shí)際最終頻率,當(dāng)實(shí)際最終頻率在公差范圍內(nèi)就為良品,加工就結(jié)束。如果實(shí)際最終頻率低于公差范圍可以作為F-不良重新加工一次。如果實(shí)際最終頻率大于公差范圍,則只能作為F+不良而報(bào)廢。

而在實(shí)際生產(chǎn)過(guò)程中,由于操作員缺乏相關(guān)理論知識(shí),不能精確的對(duì)加工參數(shù)進(jìn)行設(shè)定。使得加工的產(chǎn)品會(huì)因?yàn)榭涛g速度過(guò)快,產(chǎn)生較大的頻率偏移,或直接產(chǎn)生F+。而刻蝕速度太低不僅會(huì)降低加工的效率,當(dāng)時(shí)間超過(guò)設(shè)備的監(jiān)控時(shí)間后,就會(huì)直接出現(xiàn)F-不良。

例如,在實(shí)際應(yīng)用中,因?yàn)椴僮鲉T沒(méi)有系統(tǒng)的理解以上理論知識(shí),當(dāng)A品種的石英晶振在進(jìn)行離子刻蝕微調(diào)時(shí),發(fā)現(xiàn)頻率分布整體偏低,接近20ppm。因?yàn)閾?dān)心現(xiàn)F-不良,希望將整體頦率調(diào)鬲。此時(shí)應(yīng)該確認(rèn)是否是因?yàn)?/span>H段加工時(shí)的速度太慢, 導(dǎo)致L段加工前的頻率過(guò)低。使得在進(jìn)行L段加工時(shí),時(shí)間過(guò)長(zhǎng),超過(guò)了設(shè)備的監(jiān)控時(shí)間,而強(qiáng)制停止L段加工。

而操作員沒(méi)有經(jīng)過(guò)確認(rèn)就主觀的將最終日標(biāo)頻率調(diào)高, 發(fā)現(xiàn)頻率略有上升,但仍然偏低。就調(diào)高L段的刻蝕速度,剛開(kāi)始有一定效果,但是沒(méi)有達(dá)到理想狀態(tài),就繼續(xù)調(diào)高L段刻蝕速度,此時(shí)不但沒(méi)有效果,反而因?yàn)樗俣忍?/span>,刻蝕后的頻率偏移使得頻率有略微的下降。并且出現(xiàn)因刻蝕速度的太高而產(chǎn)生的F+不良(如圖4-8)。因?yàn)闆](méi)有專業(yè)技術(shù)繼續(xù)調(diào)整,并且認(rèn)為不良品數(shù)量不多,為了趕快完成當(dāng)日產(chǎn)量,就繼續(xù)加工制品。此時(shí),因?yàn)?/span>H段的刻蝕速度低,影響加工效率, 并由于F+的出現(xiàn),增加了產(chǎn)品的不良數(shù)。

圖4-8各參數(shù)設(shè)置不良時(shí)離子刻蝕后頻率偏移的頻率分布表

為了解決這一問(wèn)題,本文通過(guò)前幾節(jié)的知識(shí)和實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù),制定標(biāo)準(zhǔn)的參數(shù)。首先將最終晶振頻率設(shè)定在0pm。然后為了將L段加工的頻率偏移盡可能減少,就將L段的刻蝕速度設(shè)定為80ppm/s。為了控制L段的刻蝕量在100pm左右,將中間目標(biāo)頻率設(shè)定在-45pm,H段加工速度設(shè)定為1600ppm/s,這是H段加工后的結(jié)果在50ppm~-0ppm之間,加上刻蝕后的頻率偏移使得L段加工的刻蝕量在-100pm120ppm之間。

按這樣的設(shè)定既可以保證L段加工的效率,也可以控制L段加工后的頻率偏移。使得最終實(shí)際頻率以晶振頻率為中心分布。將上述方法設(shè)定的參數(shù)作成作業(yè)標(biāo)準(zhǔn)書(shū)如圖4-9所示,讓作業(yè)員遵照?qǐng)?zhí)行。圖4-10是按此作業(yè)標(biāo)準(zhǔn)操作,對(duì)制品加L后的頻率分布。山圖中可以看出頻率是以日標(biāo)頻率為中心分布的,并且分布比以前集中,也沒(méi)有不良出現(xiàn)。因此,本論文提出的方法可以提高產(chǎn)品的合格率。

關(guān)于晶振的信息億金電子在前面的文章中已經(jīng)提到過(guò)很多次了,大家有不懂的可以到億金新聞動(dòng)態(tài)中了解.下面我們要說(shuō)的是關(guān)于石英晶振晶片的由來(lái)以及石英晶振晶片的工作原理.

石英晶振晶片的由來(lái)

科學(xué)家最早發(fā)現(xiàn)一些晶體材料,如石英,經(jīng)擠壓就象電池可產(chǎn)生電流(俗稱壓電性),相反,如果一個(gè)電池接到壓電晶體上,石英晶體就會(huì)壓縮或伸展,如果將電流連續(xù)不斷的快速開(kāi)「關(guān),晶體就會(huì)振動(dòng)。

在1950年,德國(guó)科學(xué)家 GEORGE SAUERBREY研究發(fā)現(xiàn),如果在石英晶體,石英晶體諧振器的表面上鍍一層薄膜,則石英晶體的振動(dòng)就會(huì)減弱,而且還發(fā)現(xiàn)這種振動(dòng)或頻率的減少,是由薄膜的厚度和密度決定的,利用非常精密的電子設(shè)備,每秒鐘可能多次測(cè)試振動(dòng), 從而實(shí)現(xiàn)對(duì)晶體鍍膜厚度和鄰近基體薄膜厚度的實(shí)時(shí)監(jiān)控。從此,膜厚控制儀就誕生了。

薄薄圓圓的晶振片,來(lái)源于多面體石英棒,先被切成閃閃發(fā)光的六面體棒,再經(jīng)過(guò)反復(fù)的切割和研磨,石英棒最終被做成一堆薄薄的(厚0.23mm,直徑1398mm)圓片,每個(gè)圓片經(jīng)切邊,拋光和清洗,最后鍍上金屬電極(正面全鍍,背面鍍上鑰匙孔形),經(jīng)過(guò)檢測(cè),包裝后就是我們常用的晶振片了。

用于石英膜厚監(jiān)控用的石英芯片采用AT切割,對(duì)于旋光率為右旋晶體,所謂AT切割即為切割面通過(guò)或平行于電軸且與光軸成順時(shí)針的特定夾角。AT切割的晶體片振動(dòng)頻率對(duì)質(zhì)量的變化極其靈敏,但卻不敏感干溫度的變化。這些特性使AT切的石英晶體片更適合于薄膜淀積中的膜厚監(jiān)控。

石英晶振晶片的原理

石英晶體是離子型的石英晶體,由于結(jié)晶點(diǎn)陣的有規(guī)則分布,當(dāng)發(fā)生機(jī)械變形時(shí),例如拉伸或壓縮時(shí)能產(chǎn)生電極化現(xiàn)象,稱為壓電現(xiàn)象。例石英晶振晶體在9.8×104Pa的壓強(qiáng)下承受壓力的兩個(gè)表面上出現(xiàn)正負(fù)電荷約0.5V的電位差。壓電現(xiàn)象有逆現(xiàn)象,即石英晶體在電場(chǎng)中晶體的大小會(huì)發(fā)生變化,伸長(zhǎng)或縮短,這種現(xiàn)象稱為電致伸縮。

石英晶體壓電效應(yīng)的固有頻率不僅取決于其幾何尺寸,切割類(lèi)型而且還取決于芯片的厚度。當(dāng)芯片上鍍了某種膜層,使芯片的厚度增大,則芯片的固有頻率會(huì)相應(yīng)的衰減。石英晶振,石英晶體的這個(gè)效應(yīng)是質(zhì)量負(fù)荷效應(yīng)。石英晶體膜厚監(jiān)控儀就是通過(guò)測(cè)量頻率或與頻率有關(guān)的參量的變化而監(jiān)控淀積薄膜的厚度。

石英晶體法監(jiān)控膜厚,主要是利用了石英晶體,石英晶體振蕩器的壓電效應(yīng)和質(zhì)量負(fù)荷效應(yīng)。

石英晶體的固有頻率f不僅取決于幾何尺寸和切割類(lèi)型,而且還取決于厚度d,即f=N/d,N是取決與石英晶振晶體的幾何尺寸和切割類(lèi)型的頻率常數(shù)對(duì)于AT切割的石英晶體,N=f·d=1670Kcmm。

物理意義是:若厚度為d的石英晶體厚度改變△d,則石英貼片晶振頻率變化△f, 式中的負(fù)號(hào)表示晶體的頻率隨著膜增加而降低然而在實(shí)際鍍膜時(shí)，沉積的是各種膜料,而不都是石英晶體材料,所以需要把石英晶振厚度增量△d通過(guò)質(zhì)量變換轉(zhuǎn)換成膜層厚度增量△dM,即

A是受鍍面積,pM為膜層密度,p。為石英密度等于265g/cm3。于是△d=(pM/pa)"△dM,所以

式中S稱為變換靈敏度。

對(duì)于一種確定的鍍膜材料,為常數(shù),在膜層很薄即沉積的膜層質(zhì)量遠(yuǎn)小于石英芯片質(zhì)量時(shí),固有頻率變化不會(huì)很大這樣我們可以近似的把S看成常數(shù),于是上式表達(dá)的石英晶振晶體頻率的變化人行與沉積薄膜厚度△dM有個(gè)線性關(guān)系因此我們可以借助檢測(cè)石英晶體固有頻率的變化,實(shí)現(xiàn)對(duì)膜厚的監(jiān)控。

顯然這里有一個(gè)明顯的好處,隨著鍍膜時(shí)膜層厚度的增加,晶振頻率單調(diào)地線性下降,不會(huì)出現(xiàn)光學(xué)監(jiān)控系統(tǒng)中控制信號(hào)的起伏,并且很容易進(jìn)行微分得到沉積速率的信號(hào)。因此,在光學(xué)監(jiān)控膜厚時(shí),還得用石英晶振,石英晶體法來(lái)監(jiān)控沉積速率,我們知道沉積速率穩(wěn)定隊(duì)膜材折射率的穩(wěn)定性、產(chǎn)的均勻性重復(fù)性等是很有好處和有力的保證。

石英晶體膜厚控制儀有非常高的靈敏度,可以做到埃數(shù)量級(jí),顯然石英晶體的基頻越高,控制的靈敏度也越高,但基頻過(guò)高時(shí)晶體片會(huì)做得太薄,太薄的芯片易碎。

所以一般選用的石英晶振,貼片晶振片的頻率范圍為5~10MHz。在淀積過(guò)程中,基頻最大下降允許2~3%,大約幾百千赫?；l下降太多振蕩器不能穩(wěn)定工作,產(chǎn)生跳頻現(xiàn)象。如果此時(shí)繼續(xù)淀積膜層,就會(huì)出現(xiàn)停振。為了保證振蕩穩(wěn)定和有高的靈敏度體上膜層鍍到一定厚度后,就應(yīng)該更換新的晶振片。

此圖為膜系鍍制過(guò)程中部分頻率與厚度關(guān)系圖。

晶振離子刻蝕頻率微調(diào)技術(shù)及生產(chǎn)工藝報(bào)告

1.頻率微調(diào)方法

石英晶振的頻率是由石英晶振晶片的厚度以及電極膜的厚度決定的,為此,當(dāng)調(diào)整此厚度就可以調(diào)整石英晶振的頻率。石英晶振的制作過(guò)程是先將石英晶片從石英晶體上按一定角度切下,然后按一定尺寸進(jìn)行研磨,接著在晶片兩面涂覆金屬電極層,此時(shí)與目標(biāo)頻率相差2000ppm~3000p0m,每個(gè)電極層與管腳相連與周?chē)碾娮釉骷M成振蕩電路,隨后進(jìn)行頻率微調(diào),使其與目標(biāo)頻率的差可以減少到2ppm以下。最后加上封裝外殼就完成了。

石英晶振的頻率微調(diào)是對(duì)每個(gè)石英晶振邊測(cè)頻率,邊調(diào)整電極膜的厚度。使頻率改變,達(dá)到或接近目標(biāo)頻率。電極膜厚的調(diào)整方法主要有兩種,真空蒸著法和離子束刻蝕法。

真空蒸著法是在石英晶振晶片的電極膜上用加熱蒸著的辦法繼續(xù)增加電極膜的厚度, 達(dá)到調(diào)整頻率的目的。這種方法結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單,易于控制。缺點(diǎn)是在石英晶振晶片表面產(chǎn)生多層電極膜,并且密著度會(huì)變差,當(dāng)石英晶振小型化時(shí),會(huì)使原來(lái)的電極膜和調(diào)整膜的位置發(fā)生偏移,使石英晶振的電氣性能降低。

離子刻蝕頻率微調(diào)法,是用離子束將電極膜打簿,調(diào)整石英晶振的頻率。因此,不會(huì)產(chǎn)生多層電極膜,也不會(huì)有電極膜和調(diào)整膜的位置偏移,石英晶振的電氣性能也不會(huì)降低。

2.離子刻蝕頻率微調(diào)方法

圖4-1是基于離子刻蝕技術(shù)的頻率微調(diào)示意圖,離子刻蝕頻率微調(diào)方法,當(dāng)照射面積小于2~3mm2,在beam電壓低于100V以下就可獲得接近10mA/cm2的高電流密度的離子束,離子束的刻蝕速度在寬范圍內(nèi)可進(jìn)行調(diào)節(jié)。圖中采用的是小型熱陰極PIG型離子槍,放電氣體使用Ar,流量很小只需035cc/min。在:圓筒狀的陽(yáng)極周?chē)惭b永久磁石,使得在軸方向加上了磁場(chǎng)這樣的磁控管就變成了離子透鏡, 可以對(duì)離子束進(jìn)行聚焦。

熱陰極磁控管放電后得到的高密度等離子,在遮蔽鉬片和加速鉬片之間加高達(dá)1200V高壓后被引出。并且可以通過(guò)對(duì)熱陰極的控制調(diào)整等離子的速度。用離子束照射石英晶振,石英晶體的電極膜,通過(guò)濺射刻蝕使得頻率上升米進(jìn)行頻率微調(diào)。在調(diào)整時(shí),通過(guò)π回路使用網(wǎng)絡(luò)分析儀對(duì)石英貼片晶振的頻率進(jìn)行監(jiān)控,當(dāng)達(dá)到目標(biāo)頻率后就停止刻蝕,調(diào)整結(jié)束。

因?yàn)槭⒕д衽cπ回路之間用電容連接,離子束的正電荷無(wú)法流到GND而積聚在石英晶片上,使石英晶片帶正電荷。其結(jié)果不僅會(huì)使頻率微調(diào)速度降低,而且使石英晶片不發(fā)振,無(wú)法對(duì)石英晶振的頻率進(jìn)行監(jiān)控和調(diào)整。為此,必須采用中和器對(duì)石英晶片上的正電荷進(jìn)行中和。

在進(jìn)行離子刻蝕頻率調(diào)整時(shí),離子束對(duì)一個(gè)制品進(jìn)行刻蝕所需的時(shí)間為1~2秒, 而等待的時(shí)間約2秒,等待時(shí)間包括對(duì)制品的搬送和頻率的測(cè)量時(shí)間。在等待時(shí)間中, 是將擋板關(guān)閉的。如果在這段時(shí)間內(nèi),離子槍繼續(xù)有離子束引出,則0.5mm厚的不銹鋼擋板將很快被穿孔而報(bào)廢。為此,在等待時(shí)間內(nèi),必須停止離子槍的離子束引出。

可以用高壓繼電器切斷離子槍的各電源,除保留離子槍的放電電源(可維持離子槍的放電穩(wěn)定)。這樣,在等待時(shí)間沒(méi)有離子束的刻蝕,使擋板的使用壽命大大增長(zhǎng)。同是,出于高壓繼電器的動(dòng)作速度很快,動(dòng)作時(shí)間比機(jī)械式擋板的動(dòng)作時(shí)間少很多,所以調(diào)整精度也可得到提高。

3.離子束電流密度

在圖4-1中,為了提高操作性,簡(jiǎn)化自動(dòng)化過(guò)程中的參數(shù)設(shè)定,只對(duì)beam電壓和放電電流進(jìn)行控制,而放電電壓和Ar流量保持不變,加速電壓取beam電壓的20%。

圖4-2表示的是在不同的beam電壓下,隨著放電電流的變化,石英晶振的電極膜處(與離子槍加速鉬片的距離為25mm)所測(cè)得的電流密度。從圖中可以知道,對(duì)于不同的beam電壓,放電電流變化時(shí),都有相對(duì)應(yīng)的放電電流使得電流密度達(dá)到最大。本文說(shuō)所的晶振離子刻蝕頻率微調(diào)就是采用了各不同beam電壓時(shí)的最大電流密度進(jìn)行的。當(dāng)設(shè)定好調(diào)整速度后,根據(jù)計(jì)算決定beam電壓,然后根據(jù)該電壓下最大的電流密度計(jì)算出放電電流。

4.離子刻蝕頻率微調(diào)加工工藝

晶振離子刻蝕頻率微調(diào)加工工藝與真空蒸著頻率微調(diào)有相似處也有不同處。首先,兩種頻率微調(diào)方法都必須在高真空環(huán)境下進(jìn)行,因此在加工前都必須確認(rèn)真空腔的真空度是否達(dá)到要求,一般都要求在1×103Pa以上。其次還必須確認(rèn)真空腔的水冷設(shè)備沒(méi)有漏水現(xiàn)象,使用的真空泵需要用真空油時(shí)還要確認(rèn)真空腔內(nèi)沒(méi)有被油污染。接著還要保證石英晶振,石英晶體諧振器上沒(méi)有灰塵或臟污等異物附著,為了有效的控制異物,加工環(huán)境最好是5000級(jí)以下的凈化空間。離子刻蝕頻率微調(diào)加工除了要注意以上要求外,還必須注意到離子刻蝕后數(shù)秒內(nèi)頻率的偏移問(wèn)題,這個(gè)問(wèn)題將直接影響到生產(chǎn)效率和合格率。

石英晶振的頻率是出石英品片的厚度以及電極膜的厚度決定的,為此,當(dāng)調(diào)整此厚度就可以調(diào)整石英晶振的頻率。石英晶振的制作過(guò)程是先將石英晶片從石英晶體上按一定角度切下,然后按一定尺寸進(jìn)行研磨,接著在晶振晶片兩面涂覆金屬電極層,此時(shí)與目標(biāo)頻率相差2000ppm~3000p0m,每個(gè)電極層與管腳相連與周?chē)碾娮釉骷M成振蕩電路,隨后進(jìn)行頻率微調(diào),使其與目標(biāo)頻率的差可以減少到2ppm以下。最后加上封裝外殼就完成了。

石英晶振的頻率微調(diào)是對(duì)每個(gè)石英晶振邊測(cè)頻率,邊調(diào)整電極膜的厚度。使頻率改變,達(dá)到或接近目標(biāo)頻率。電極膜厚的調(diào)整方法主要有兩種,真空蒸著法和離子束刻蝕法。

真空蒸著法是在石英晶片的電極膜上用加熱蒸著的辦法繼續(xù)增加電極膜的厚度, 達(dá)到調(diào)整頻率的目的。這種方法結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單,易于控制。缺點(diǎn)是在石英貼片晶振晶片表面產(chǎn)生多層電極膜,并且密著度會(huì)變差,當(dāng)石英晶振小型化時(shí),會(huì)使原來(lái)的電極膜和調(diào)整膜的位置發(fā)生偏移,使石英晶振的電氣性能降低.

離子刻蝕頻率微調(diào)法,是用離子束將電極膜打簿,調(diào)整石英晶振的頻率。因此,不會(huì)產(chǎn)生多層電極膜,也不會(huì)有電極膜和調(diào)整膜的位置偏移,石英晶振的電氣性能也不會(huì)降低。

石英晶體無(wú)論是天然的還是人造的,都不同程度地存在一些疵病(缺陷)。它們不僅是由于在石英晶體生長(zhǎng)過(guò)程中受到種種條件的影響而產(chǎn)生,就是在已形成的晶體中和生長(zhǎng)完成后,外界條件的變化(主要是溫度)產(chǎn)生的缺陷。這些缺陷會(huì)影響其可用程度和石英晶體元件的性能,以下簡(jiǎn)要介紹幾種常見(jiàn)的缺陷。

一、雙晶

雙晶是指兩個(gè)以上的同種晶體,按一定規(guī)律相互連生在一起。即在同塊晶體中,同時(shí)存在兩個(gè)方位不同的左旋部分(或右旋部分)。其中一部分繞Z軸轉(zhuǎn)180°后方與另一部分連生在一起,這兩部分的z軸彼此平行,所以兩部分的光學(xué)性能相同,而電軸兩部分相差180°,故它們的極性相反(見(jiàn)圖1.4.1)。

光雙晶是異旋晶體的連生,即在一塊貼片晶振晶體中,同時(shí)存在左旋和右旋兩個(gè)部分,它們連生在一起,左旋和右旋的光軸彼此平行,但旋光性相反,此外電軸極性也相反(見(jiàn)圖1.4.2)。

(a)左旋石英晶體的極性;(b)繞光軸轉(zhuǎn)180°°后左旋石英晶體的極性C)電雙晶的極性;

圖1.4.1電雙晶極性示意圖

(a)左旋石英晶體的極性;(b)右旋石英晶體的極性;(c)光雙晶的極性;

圖1.4.2光雙晶極性示意圖

電雙晶又稱道芬雙晶;光雙晶又稱巴西雙晶。雙晶的邊界可用氫氟酸腐蝕顯示出來(lái)(見(jiàn)圖1.4.3)。

雙晶多出現(xiàn)在天然石英晶體中,但在石英晶體諧振器晶片加工中也會(huì)誘發(fā)出雙晶。例如：石英晶片加熱溫度超過(guò)573℃,或雖然不超過(guò)573°C,但石英片內(nèi)部溫度梯度太大,都可能產(chǎn)生電雙晶;又如:晶片研磨時(shí),由于機(jī)械應(yīng)力的作用,可能產(chǎn)生微小的道芬雙晶。

(a)電雙晶腐蝕圖像(b)光雙晶腐蝕圖像

圖1.4.3電雙晶、光雙晶在z平面上的腐蝕圖像

在壓電石英晶體元件中,一般不允許含有雙晶,若要利用含有雙晶的石英晶片時(shí),則對(duì)雙晶的位置和比例要嚴(yán)加限制,因此在石英晶片加工中,要力求避免雙晶的出現(xiàn)

二、包裹體

石英晶體中往往含有固體、膠體和氣—一液體三種包裹體。

固體包裹體是混雜在晶體內(nèi)部的其它礦物質(zhì),天然石英晶振,石英晶體中固體包裹體大部分是圍巖碎屑和黃鐵礦、金紅石等。人造石英晶體的固體包裹體主要是硅酸鐵鈉( NaFesi2O6.2H2O),它是由高壓釜內(nèi)壁被腐蝕脫落的亞鐵離子和其它離子,與NaOH或Na2CO3溶液和SiO2等產(chǎn)生化學(xué)反應(yīng)而形成的。

膠體包裹體是含鉀(K)、鈉(Na)硅酸鹽膠體所組成。它是由于石英晶體生長(zhǎng)過(guò)程中,溫度發(fā)生波動(dòng)時(shí)溶液中的二氧化碳達(dá)到超飽和狀態(tài),來(lái)不及結(jié)晶而形成膠體包裹體。

氣一液包裹體中的液體主要是水溶液、碳酸和其它混合液,氣體是二氧化碳及揮發(fā)性化合物等,氣一液包裹體多集中在晶體底部包裹體是石英晶體的一種主要缺陷,實(shí)驗(yàn)表明,如果晶片中含有大的針狀包裹體時(shí),對(duì)石英晶體元件的電性能影響很大。

石英晶體的包裹體可用顯微鏡觀察法或油槽觀察法等進(jìn)行檢查

三、藍(lán)針

石英晶體中藍(lán)色針狀的缺陷稱為藍(lán)針。

藍(lán)針形成的原因很多,有人認(rèn)為藍(lán)針內(nèi)部包含有鐵、錳、銅、鋅等金屬氧化物,在這些氧化物外部還有密集的小氣泡或小水珠,當(dāng)光線通過(guò)它們時(shí),除藍(lán)色光線外,其它光都被吸收掉,因此在晶體內(nèi)部呈現(xiàn)藍(lán)色針狀缺陷。還有人研究發(fā)現(xiàn),存在藍(lán)針的地方有很細(xì)的裂縫,它與晶體原有宏觀裂隙平行生長(zhǎng),說(shuō)明藍(lán)針是屬于晶體內(nèi)部機(jī)械破壞的結(jié)果。

對(duì)一般應(yīng)用的壓電石英水晶振蕩子,石英晶振,貼片晶振晶片可以存在藍(lán)針,但用于制造穩(wěn)定度高的和頻率比較高的石英晶體元件時(shí),不允許其石英晶片有藍(lán)針存在。

四、其它疵病

在一些晶體中,可隱隱看出數(shù)個(gè)晶體的影子,這叫幻影或稱魔幻。它是由于晶體生長(zhǎng)中斷了一段時(shí)間,后來(lái)又在晶面上繼續(xù)結(jié)晶而形成的?；糜捌茐牧司w格架的完整性,影響晶體的彈性,屬晶體內(nèi)部深處的缺陷。

裂隙是存在于晶體內(nèi)部的小裂縫。它的形成可能是由于生長(zhǎng)區(qū)中二氧化硅供應(yīng)不足,雜質(zhì)分布不均勻,籽晶不完善,機(jī)械應(yīng)力和溫度變化不均勻等緣故節(jié)瘤是由許多小晶塊構(gòu)成的鑲嵌結(jié)構(gòu),其形狀像是很小的晶體鑲嵌到大晶體的表面。這種鑲嵌結(jié)構(gòu)是受溫度、壓力、溶液飽和程度和混合物數(shù)量等生長(zhǎng)條件影響而形成.

石英晶體振蕩器,有源晶振,石英晶振晶體內(nèi)部某處有集中的許多微小氣泡和小裂隙,呈現(xiàn)白色如棉花狀,這種缺陷俗稱為棉。