AT切型長條片外形有三種：平面片、平面倒邊片、平面倒邊倒角片。在寬厚比較大時(Wz/t/>20可不要修外形。直接采用平面片。當晶振頻率較低時，為了減小諧振電阻，減小邊緣效應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，但也對長度方向有影響。球形滾筒由于直徑較小，主要是將條片長度方向的端邊邊緣減薄。兩者配合起來對石英晶振片倒邊后成拋物線曲面。且曲面與平臺平面銜接要好。這就要求必須計算好石英片的倒邊曲率半徑。選擇好滾筒以及計算好滾筒的轉速。

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

如果主振動頻率與上述三種振動之一的高次泛音頻率接近時,就出現強耦合作用,引起活力突變或頻率跳躍等現象。這種現象在AT切型的低頻端及邊比Φ/t小的情況下容易出現。所以當Φ/<20時,就應該嚴格控制直徑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.

晶振晶片的兩個對應表面上涂敷銀層,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.

通過調節激光器的三個激光參數,來改變石英晶振頻率微調量,從而在不剝落晶振晶片表面電極層的前提下,達到最大頻率微調量。三個參數分別為:電流,頻率和Q脈沖寬度。

電流與石英晶振微調量之間的關系

固定頻率為5KIHz,Q脈沖寬度為50微秒,改變電流從10安到19安來測頻率微調量。

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,其優點首先在于頻率微調量大,大氣中即可達到2000pm以上的頻率微調量。

其次,刻蝕圖形的方法,可以對石英貼片晶振晶片一面進行加工,而實現兩面同時同剝落其次,刻蝕圖形的方法,可以對晶片一面進行加工,而實現兩面同時同剝落。

第三,由于在生產過程中,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, 在掩膜的過程中,邊緣處會產生散射,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象,同時也會影響晶振晶片的Q值。用激光刻蝕圖形的方法, 對晶片邊緣進行加工,便可以清除邊界殘留銀層,使得晶片表面銀層清晰于凈, 時提高晶片的Q值。

調節激光器的電流和激光掃描時間到適當的值,是可以實現對石英晶振,貼片晶振進行頻率微調的。雖然實驗中微調的量最小也是kHz數量級,但從兩組數據中可以看出只要電流和掃描時間調節的得當,進行幾Hz~幾百Hz數量級的頻率微調也是可行的,亦即實現晶振ppm級的頻率精度。

其次,從實現數據中可以看出頻率微調量在掃描時間固定的情況下,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,也不是與掃描時間完全成正比的。這一方面可能與表面銀層對于激光的反射作用有關,大量的激光束被銀層反射回去,沒能用于對表面電極層進行氣化,只有通過加大激光電流的辦法來加強對表面的轟擊。但這樣一來很容易造成頻率微調量過大,超出了想要的頻率微調數量級的現象。

另一方面可能與整個石英晶振激光頻率微調實驗進行的環境有關。整個激光頻率微調實驗完全在大氣環境下進行,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。這樣實際上晶振晶片的質量并沒有減小,由 Sauerbrey方程:

可知質量沒有改變就不會對石英晶振頻率產生微調,因而網絡分析儀就測量不出頻率的變化。這樣實驗時就會繼續加大激光電流或是增加激光照射或掃描時間。而這樣是不對的。因為實際上氣化過程在頻率真正得到改變前就已經發生了,只是石英晶振晶片總質量沒有改變從而不會對頻率產生影響。當增強后的激光照射在晶片表面時,有可能電流過大,穿透表面銀層,產生與圖3.5類似的情形,造成實驗失敗。

此外,從實現數據可以看出,激光掃描電流和激光掃描時間兩個參數并不是獨立作用的,并不是增加或減少其中的一個就可以直接影響晶振頻率微調量的。因而需要兩個參數相互配合,在實驗的基礎上達到一個最佳平衡點。

從實驗中可以推斷,除了激光掃描電流和激光掃描時間兩個參數外,還有其它的參數影響著實驗結果。如:氣壓,氣溫,甚至激光掃描路徑。因而需要大量、反復的實驗來找出這些關系,進而找到實現精確石英頻率微調的最佳方案。

石英晶體諧振器是利用石英晶體的壓電效應制成的一種諧振器件,其基本結構為:從一塊石英晶體上按一定方位角切下薄片(簡稱為晶片,它可以是正方形、矩形或圓形等),在它的兩個對應面上涂敷銀層作為電極,在每個電極上各焊根引線接到管腳上,再加上封裝外殼就構成了石英晶體振蕩器,簡稱為石英晶體或晶體、晶振。其產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是石英晶振結構圖。圖22是一種金屬外殼封裝的石英晶體結構示意圖。

石英晶振晶體的壓電效應

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

石英晶振晶體的符號和等效電路

石英晶體諧振器的符號和等效電路如圖23所示。當晶體不振動時,可把它看成一個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,一般約幾個pF到幾十pF。當石英晶體諧振時,機械振動的慣性可用電感L來等效。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來等效,C的很小,一般只有0.0002~0.lpF。

晶振晶片振動時因摩擦而造成的損耗用R來等效, 它的數值約為100g。由于晶片的等效電感很大,而C很小,R也小,因此回路的品質因數Q很大,可達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,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定度。

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

根據石英晶振的等效電路,可定性畫出它的電抗一頻率特性曲線如圖2.3所示。可見當頻率低于串聯諧振頻率fs或者頻率高于并聯揩振頻率fd時,石英晶體呈容性。僅在fs極窄的范圍內,石英晶體呈感性。石英晶體表面附著電極層后的膜系結構示意圖如圖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(此處為上、下兩面的銀電極層)之間的變化關系,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。

對于指定晶振晶片,fo、A、pμ、qμ均為常數,因而, △f與△m的絕對值成正比,負號表示表面銀電極層質量的增加,會引起石英晶振諧振頻率的減少;而表面銀電極層質量的減少,會引起石英晶振諧振頻率的增加。即:增加銀層質量和減少銀層質量兩種方法都可以改變石英晶振的諧振頻率。

可見,附加的銀電極層會對石英晶振器的諧振頻率產生影響。因而工業生產中,一般先制作出與目標頻率接近的石英晶片并附加表面電極,再通過改變表面電極厚度方法,來微調晶振頻率以達到目標頻率。

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

另外,石英晶振片對應力的敏感也很大,在一些特別的鍍膜過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度時膜硬度是平時的2倍,冷卻時產生巨大的應力, 隨著鍍膜規格指標的需求日益嚴格,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量的重點。所以為了使晶振片壽命最長,下面一些方法和技巧供您參考：

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

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粒或灰層將影響電子接觸,而且會產生應力點,從而改變石英晶體振動的模式。

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,效果更佳。

4選擇晶振片時,要選擇表面光滑、顏色較為統一晶振片, 表面有劃傷或贓物的不可以使用;

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

6.鍍膜時注意觀察蒸發速率的變化情況,速率曲線出現異常波動之后要能準確判定是否晶振片出現故障,并決定是否切換：

石英晶振片要不要換主要看以下幾方面：

蒸發速率出現明顯異常,速率持續波動;

晶振片的表面明顯出現膜脫落或起皮的現象

7.石英晶振片的回收利用用過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酸的特點,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注意以下事項

（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,必然對基底或外觀有一定影響,初始頻率也會改變,放入晶控儀中會發現初始讀數改變或顯示壽命降低,這些不會影響石英晶振片的基本功能,但晶振片的壽命會大大降低。

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

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采用離子刻蝕進行晶振頻率微調,在刻蝕后晶振的頻率會發生偏移。這會使頻率調整精度低于真空蒸著頻率調整法。如圖4-4所示,離子刻蝕后石英晶振頻率會產生偏移,縱軸表示與目標頻率的偏差,單位是pm。在刻蝕前,石英晶振的頻率相對于目標頻率是負的。在調整時,一邊用測頻系統測定石英晶振的頻率,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。當刻蝕停止后,會出現頻率下降的現象。刻蝕剛停止的幾秒內,頻率下降較快,隨后下降會漸漸變緩,最后趨于穩定,不再變化。這種離子刻蝕后頻率偏移的原因比較復雜,其原因之一是因為離子刻蝕時對晶振晶片產生的熱應力。其理論依據比較深奧,在此不做討論。本文主要通過實驗,找出頻率偏移的規律,對石英晶振進行離子刻蝕加工時設定合適的參數,使得這種偏移在實際應用中產生盡可能小的影響。

現在用AT方向切割的石英晶片做成的石英晶振進行實驗,用離子束對晶片進行刻蝕,統計出蝕刻速度與頻率偏移的聯系。

實驗對象:A品種的石英晶振使用的晶片是長方形,尺寸為長1996u±3u,寬1276u±2a,晶片厚度為62.04u。目標頻率為26.998380MHz。晶片先用昭和真空生產的磁控濺射鍍膜機SPH-2500進行鍍膜,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頻率的差為2000ppm~300ppm之間。

實驗設備:離子束刻蝕頻率微調機使用昭和真空生產的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,進行較大刻蝕速度對石英晶振,貼片晶振進行刻蝕的實驗,測得偏移量。如表4和圖4÷5所示當刻蝕速度在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。如當刻蝕量為2000ppm時,頻率偏移量山刻蝕速度為1000ppm/s的35.8ppm快速增長到刻蝕速度為2000ppm/s的89.8ppm。當刻蝕量為3000ppm時,頻率偏移量便會超過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隨刻蝕量的增加呈線性升高。

其次,進行較低刻蝕速度對石英晶體,石英晶體諧振器進行刻蝕的實驗,測得偏移量。如表4-2和圖4-6所示,與高速時的情況類似,刻蝕速度增加時,刻蝕后的偏移量也會隨之增加。并且,在同一刻蝕速度時,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減小很多。當刻蝕速度減小到80ppm/s時,刻蝕量為200pm時,刻蝕后偏移量僅為2.5pm。如果進一步控制刻蝕量,當刻蝕量降到100ppm時,刻蝕后偏移量僅為0.2ppm,基本接近于0。因此在實際生產時,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生的影響,提高產品的精度,可以采用3段加工模式,但是生產效率會有所降低)。

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,從加工前頻率開始加工,等加工到設定的中間目標頻率后停止刻蝕,一段時間后,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段加工前頻率開始加工,等加工到設定的最終目標頻率后停止刻蝕,一段時間后,出于離子刻蝕后頻率偏移的影響, 使頻率下降,回到實際最終頻率,當實際最終頻率在公差范圍內就為良品,加工就結束。如果實際最終頻率低于公差范圍可以作為F-不良重新加工一次。如果實際最終頻率大于公差范圍,則只能作為F+不良而報廢。

而在實際生產過程中,由于操作員缺乏相關理論知識,不能精確的對加工參數進行設定。使得加工的產品會因為刻蝕速度過快,產生較大的頻率偏移,或直接產生F+。而刻蝕速度太低不僅會降低加工的效率,當時間超過設備的監控時間后,就會直接出現F-不良。

例如,在實際應用中,因為操作員沒有系統的理解以上理論知識,當A品種的石英晶振在進行離子刻蝕微調時,發現頻率分布整體偏低,接近20ppm。因為擔心現F-不良,希望將整體頦率調鬲。此時應該確認是否是因為H段加工時的速度太慢, 導致L段加工前的頻率過低。使得在進行L段加工時,時間過長,超過了設備的監控時間,而強制停止L段加工。

而操作員沒有經過確認就主觀的將最終日標頻率調高, 發現頻率略有上升,但仍然偏低。就調高L段的刻蝕速度,剛開始有一定效果,但是沒有達到理想狀態,就繼續調高L段刻蝕速度,此時不但沒有效果,反而因為速度太高,刻蝕后的頻率偏移使得頻率有略微的下降。并且出現因刻蝕速度的太高而產生的F+不良(如圖4-8)。因為沒有專業技術繼續調整,并且認為不良品數量不多,為了趕快完成當日產量,就繼續加工制品。此時,因為H段的刻蝕速度低,影響加工效率, 并由于F+的出現,增加了產品的不良數。

圖4-8各參數設置不良時離子刻蝕后頻率偏移的頻率分布表

為了解決這一問題,本文通過前幾節的知識和實驗數據,制定標準的參數。首先將最終晶振頻率設定在0pm。然后為了將L段加工的頻率偏移盡可能減少,就將L段的刻蝕速度設定為80ppm/s。為了控制L段的刻蝕量在100pm左右,將中間目標頻率設定在-45pm,H段加工速度設定為1600ppm/s,這是H段加工后的結果在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。使得最終實際頻率以晶振頻率為中心分布。將上述方法設定的參數作成作業標準書如圖4-9所示,讓作業員遵照執行。圖4-10是按此作業標準操作,對制品加L后的頻率分布。山圖中可以看出頻率是以日標頻率為中心分布的,并且分布比以前集中,也沒有不良出現。因此,本論文提出的方法可以提高產品的合格率。

關于晶振的信息億金電子在前面的文章中已經提到過很多次了,大家有不懂的可以到億金新聞動態中了解.下面我們要說的是關于石英晶振晶片的由來以及石英晶振晶片的工作原理.

石英晶振晶片的由來

科學家最早發現一些晶體材料,如石英,經擠壓就象電池可產生電流(俗稱壓電性),相反,如果一個電池接到壓電晶體上,石英晶體就會壓縮或伸展,如果將電流連續不斷的快速開「關,晶體就會振動。

在1950年,德國科學家 GEORGE SAUERBREY研究發現,如果在石英晶體,石英晶體諧振器的表面上鍍一層薄膜,則石英晶體的振動就會減弱,而且還發現這種振動或頻率的減少,是由薄膜的厚度和密度決定的,利用非常精密的電子設備,每秒鐘可能多次測試振動, 從而實現對晶體鍍膜厚度和鄰近基體薄膜厚度的實時監控。從此,膜厚控制儀就誕生了。

薄薄圓圓的晶振片,來源于多面體石英棒,先被切成閃閃發光的六面體棒,再經過反復的切割和研磨,石英棒最終被做成一堆薄薄的(厚0.23mm,直徑1398mm)圓片,每個圓片經切邊,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),經過檢測,包裝后就是我們常用的晶振片了。

用于石英膜厚監控用的石英芯片采用AT切割,對于旋光率為右旋晶體,所謂AT切割即為切割面通過或平行于電軸且與光軸成順時針的特定夾角。AT切割的晶體片振動頻率對質量的變化極其靈敏,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,由于結晶點陣的有規則分布,當發生機械變形時,例如拉伸或壓縮時能產生電極化現象,稱為壓電現象。例石英晶振晶體在9.8×104Pa的壓強下承受壓力的兩個表面上出現正負電荷約0.5V的電位差。壓電現象有逆現象,即石英晶體在電場中晶體的大小會發生變化,伸長或縮短,這種現象稱為電致伸縮。

石英晶體壓電效應的固有頻率不僅取決于其幾何尺寸,切割類型而且還取決于芯片的厚度。當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相應的衰減。石英晶振,石英晶體的這個效應是質量負荷效應。石英晶體膜厚監控儀就是通過測量頻率或與頻率有關的參量的變化而監控淀積薄膜的厚度。

石英晶體法監控膜厚,主要是利用了石英晶體,石英晶體振蕩器的壓電效應和質量負荷效應。

石英晶體的固有頻率f不僅取決于幾何尺寸和切割類型,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型的頻率常數對于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, 式中的負號表示晶體的頻率隨著膜增加而降低然而在實際鍍膜時，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通過質量變換轉換成膜層厚度增量△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。

對于一種確定的鍍膜材料,為常數,在膜層很薄即沉積的膜層質量遠小于石英芯片質量時,固有頻率變化不會很大這樣我們可以近似的把S看成常數,于是上式表達的石英晶振晶體頻率的變化人行與沉積薄膜厚度△dM有個線性關系因此我們可以借助檢測石英晶體固有頻率的變化,實現對膜厚的監控。

顯然這里有一個明顯的好處,隨著鍍膜時膜層厚度的增加,晶振頻率單調地線性下降,不會出現光學監控系統中控制信號的起伏,并且很容易進行微分得到沉積速率的信號。因此,在光學監控膜厚時,還得用石英晶振,石英晶體法來監控沉積速率,我們知道沉積速率穩定隊膜材折射率的穩定性、產的均勻性重復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,可以做到埃數量級,顯然石英晶體的基頻越高,控制的靈敏度也越高,但基頻過高時晶體片會做得太薄,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。在淀積過程中,基頻最大下降允許2~3%,大約幾百千赫。基頻下降太多振蕩器不能穩定工作,產生跳頻現象。如果此時繼續淀積膜層,就會出現停振。為了保證振蕩穩定和有高的靈敏度體上膜層鍍到一定厚度后,就應該更換新的晶振片。

此圖為膜系鍍制過程中部分頻率與厚度關系圖。

晶振離子刻蝕頻率微調技術及生產工藝報告

1.頻率微調方法

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,當調整此厚度就可以調整石英晶振的頻率。石英晶振的制作過程是先將石英晶片從石英晶體上按一定角度切下,然后按一定尺寸進行研磨,接著在晶片兩面涂覆金屬電極層,此時與目標頻率相差2000ppm~3000p0m,每個電極層與管腳相連與周圍的電子元器件組成振蕩電路,隨后進行頻率微調,使其與目標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是對每個石英晶振邊測頻率,邊調整電極膜的厚度。使頻率改變,達到或接近目標頻率。電極膜厚的調整方法主要有兩種,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增加電極膜的厚度, 達到調整頻率的目的。這種方法結構簡單,易于控制。缺點是在石英晶振晶片表面產生多層電極膜,并且密著度會變差,當石英晶振小型化時,會使原來的電極膜和調整膜的位置發生偏移,使石英晶振的電氣性能降低。

離子刻蝕頻率微調法,是用離子束將電極膜打簿,調整石英晶振的頻率。因此,不會產生多層電極膜,也不會有電極膜和調整膜的位置偏移,石英晶振的電氣性能也不會降低。

2.離子刻蝕頻率微調方法

圖4-1是基于離子刻蝕技術的頻率微調示意圖,離子刻蝕頻率微調方法,當照射面積小于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可進行調節。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:圓筒狀的陽極周圍安裝永久磁石,使得在軸方向加上了磁場這樣的磁控管就變成了離子透鏡, 可以對離子束進行聚焦。

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1200V高壓后被引出。并且可以通過對熱陰極的控制調整等離子的速度。用離子束照射石英晶振,石英晶體的電極膜,通過濺射刻蝕使得頻率上升米進行頻率微調。在調整時,通過π回路使用網絡分析儀對石英貼片晶振的頻率進行監控,當達到目標頻率后就停止刻蝕,調整結束。

因為石英晶振與π回路之間用電容連接,離子束的正電荷無法流到GND而積聚在石英晶片上,使石英晶片帶正電荷。其結果不僅會使頻率微調速度降低,而且使石英晶片不發振,無法對石英晶振的頻率進行監控和調整。為此,必須采用中和器對石英晶片上的正電荷進行中和。

在進行離子刻蝕頻率調整時,離子束對一個制品進行刻蝕所需的時間為1~2秒, 而等待的時間約2秒,等待時間包括對制品的搬送和頻率的測量時間。在等待時間中, 是將擋板關閉的。如果在這段時間內,離子槍繼續有離子束引出,則0.5mm厚的不銹鋼擋板將很快被穿孔而報廢。為此,在等待時間內,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定)。這樣,在等待時間沒有離子束的刻蝕,使擋板的使用壽命大大增長。同是,出于高壓繼電器的動作速度很快,動作時間比機械式擋板的動作時間少很多,所以調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,簡化自動化過程中的參數設定,只對beam電壓和放電電流進行控制,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)所測得的電流密度。從圖中可以知道,對于不同的beam電壓,放電電流變化時,都有相對應的放電電流使得電流密度達到最大。本文說所的晶振離子刻蝕頻率微調就是采用了各不同beam電壓時的最大電流密度進行的。當設定好調整速度后,根據計算決定beam電壓,然后根據該電壓下最大的電流密度計算出放電電流。

4.離子刻蝕頻率微調加工工藝

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

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,當調整此厚度就可以調整石英晶振的頻率。石英晶振的制作過程是先將石英晶片從石英晶體上按一定角度切下,然后按一定尺寸進行研磨,接著在晶振晶片兩面涂覆金屬電極層,此時與目標頻率相差2000ppm~3000p0m,每個電極層與管腳相連與周圍的電子元器件組成振蕩電路,隨后進行頻率微調,使其與目標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是對每個石英晶振邊測頻率,邊調整電極膜的厚度。使頻率改變,達到或接近目標頻率。電極膜厚的調整方法主要有兩種,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增加電極膜的厚度, 達到調整頻率的目的。這種方法結構簡單,易于控制。缺點是在石英貼片晶振晶片表面產生多層電極膜,并且密著度會變差,當石英晶振小型化時,會使原來的電極膜和調整膜的位置發生偏移,使石英晶振的電氣性能降低.

離子刻蝕頻率微調法,是用離子束將電極膜打簿,調整石英晶振的頻率。因此,不會產生多層電極膜,也不會有電極膜和調整膜的位置偏移,石英晶振的電氣性能也不會降低。

石英晶體無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過程中受到種種條件的影響而產生,就是在已形成的晶體中和生長完成后,外界條件的變化(主要是溫度)產生的缺陷。這些缺陷會影響其可用程度和石英晶體元件的性能,以下簡要介紹幾種常見的缺陷。

一、雙晶

雙晶是指兩個以上的同種晶體,按一定規律相互連生在一起。即在同塊晶體中,同時存在兩個方位不同的左旋部分(或右旋部分)。其中一部分繞Z軸轉180°后方與另一部分連生在一起,這兩部分的z軸彼此平行,所以兩部分的光學性能相同,而電軸兩部分相差180°,故它們的極性相反(見圖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,同時存在左旋和右旋兩個部分,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(見圖1.4.2)。

(a)左旋石英晶體的極性;(b)繞光軸轉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(見圖1.4.3)。

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

(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,則對雙晶的位置和比例要嚴加限制,因此在石英晶片加工中,要力求避免雙晶的出現

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部的其它礦物質,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等產生化學反應而形成的。

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過程中,溫度發生波動時溶液中的二氧化碳達到超飽和狀態,來不及結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,實驗表明,如果晶片中含有大的針狀包裹體時,對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行檢查

三、藍針

石英晶體中藍色針狀的缺陷稱為藍針。

藍針形成的原因很多,有人認為藍針內部包含有鐵、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,當光線通過它們時,除藍色光線外,其它光都被吸收掉,因此在晶體內部呈現藍色針狀缺陷。還有人研究發現,存在藍針的地方有很細的裂縫,它與晶體原有宏觀裂隙平行生長,說明藍針是屬于晶體內部機械破壞的結果。

對一般應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針,但用于制造穩定度高的和頻率比較高的石英晶體元件時,不允許其石英晶片有藍針存在。

四、其它疵病

在一些晶體中,可隱隱看出數個晶體的影子,這叫幻影或稱魔幻。它是由于晶體生長中斷了一段時間,后來又在晶面上繼續結晶而形成的。幻影破壞了晶體格架的完整性,影響晶體的彈性,屬晶體內部深處的缺陷。

裂隙是存在于晶體內部的小裂縫。它的形成可能是由于生長區中二氧化硅供應不足,雜質分布不均勻,籽晶不完善,機械應力和溫度變化不均勻等緣故節瘤是由許多小晶塊構成的鑲嵌結構,其形狀像是很小的晶體鑲嵌到大晶體的表面。這種鑲嵌結構是受溫度、壓力、溶液飽和程度和混合物數量等生長條件影響而形成.

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