希華晶體科技成立于1988年，專精于石英頻率控制元件之研發(fā)、設(shè)計(jì)、生產(chǎn)與銷售。從人工晶棒長成到最終產(chǎn)品，透過最佳團(tuán)隊(duì)組合及先進(jìn)之生產(chǎn)技術(shù)，建立完整產(chǎn)品線，包含人工水晶、石英晶片、SAW WAFER，以及石英晶體、晶體振蕩器、晶體濾波器、溫度補(bǔ)償型及電壓控制型產(chǎn)品等，以健全的供應(yīng)鏈系統(tǒng)，為客戶提供全方位的服務(wù)。

產(chǎn)品應(yīng)用范圍包含行動(dòng)電話、平板電腦、衛(wèi)星通訊、車載系統(tǒng)、全球定位系統(tǒng)、個(gè)人電腦、無線通信及家用產(chǎn)品等，扮演基本信號(hào)源產(chǎn)生、傳遞、濾波等功能。持續(xù)致力于技術(shù)研究開發(fā)及品質(zhì)落實(shí)扎根，營運(yùn)據(jù)點(diǎn)遍布臺(tái)灣、中國大陸、日本、新加坡、美國及歐洲等世界各地，使希華得以提供服務(wù)予世界電子大廠。

高頻低功耗晶振晶體的使用需求量在不斷增加,特別是對于物聯(lián)網(wǎng)行業(yè)的無線應(yīng)用.我們越來越多地發(fā)現(xiàn)設(shè)備彼此通信并通過無線電交換數(shù)據(jù),例如通過藍(lán)牙,ZigBee或ISM.所有這些無線電標(biāo)準(zhǔn)都使用三位數(shù)兆赫茲或千兆赫茲范圍內(nèi)的頻段.為了產(chǎn)生這些RF頻率,器件需要非常精確的參考石英晶振晶體,其頻率范圍從大約20到52兆赫茲.

無線應(yīng)用對于晶振的要求不僅超薄小并且具備高精度.具有如此高諧振頻率的石英晶體必須是超薄的.石英越厚,其頻率越低,不太適合無線應(yīng)用.

需要一系列生產(chǎn)步驟來生產(chǎn)足夠薄的石英晶片.原始晶體塊逐漸分成更小的單元.最小的單元最終是“空白”,鋸切,研磨,蝕刻和拋光,以產(chǎn)生正確的厚度和特別光滑的表面.例如,為了制造共振頻率為40MHZ的石英坯料,石英晶片的厚度必須僅為41.5微米.

晶振晶體幾乎應(yīng)用于現(xiàn)代通信設(shè)備中,如收發(fā)器,電話,傳真,數(shù)據(jù)傳輸數(shù)字設(shè)備,無線電和電視發(fā)射機(jī),雷達(dá)和聲納設(shè)備,以及數(shù)據(jù)處理設(shè)備和時(shí)間片,尤其是微處理器的精確時(shí)序.對于所有這些應(yīng)用,利用晶振在某些條件下以極其恒定的頻率振蕩的固有特性.例如,手表中的石英晶體可以精確地以32.768K（每秒周期）振蕩.借助于電子電路,這些振蕩在手表的情況下非常精確地控制顯示機(jī)構(gòu).

那么晶振制造最為關(guān)鍵的四個(gè)步驟須知是哪些呢？億金電子下面給大家介紹下晶振晶體制造步驟概要.晶振制造最為關(guān)鍵的四個(gè)步驟可分為：切割, 研磨, 整理和 質(zhì)量控制.

A.切割

切割操作是在石英晶棒上進(jìn)行的第一個(gè)過程.用特殊的切片機(jī)將棒切成尺寸為1.27mmx1.27mmx0.04mm的小方形晶棒.切割晶棒的角度對于成品晶體的整體性能非常重要.特殊的X射線單元用于確保相對于原子平面的適當(dāng)切割角度.

B.研磨

從“母石”切下的石英晶片,稱為“空白”,現(xiàn)在經(jīng)過研磨精密研磨機(jī).當(dāng)石英晶體被研磨時(shí),首先在一臺(tái)機(jī)器上,然后在另一臺(tái)機(jī)器上,實(shí)現(xiàn)在坯料主表面上逐漸更精細(xì)的光潔度.由于研磨操作減小了坯料的厚度,晶體的頻率增加.對研磨機(jī)的適當(dāng)控制將導(dǎo)致產(chǎn)生具有極其精確頻率的晶體.

C.整理

在將石英坯料研磨至將產(chǎn)生所需頻率的厚度之后,將它們徹底清潔并將金屬電極真空沉積在它們的兩個(gè)主面上.電極拾取存在于石英晶振晶體表面上的電脈沖并將它們引導(dǎo)至彈簧.反過來,彈簧拾取電脈沖,此外,還有助于將晶體支撐在其安裝基座上.

安裝晶體后進(jìn)行最終頻率調(diào)整.在每個(gè)晶體上真空沉積附加金屬.最后一步是通過將金屬罐焊接到其底部來密封晶體,以保護(hù)易碎的坯料免受濕氣,空氣,處理等的損害.

D.質(zhì)量控制

在過程質(zhì)量控制中,在各種制造步驟中,確定有利的晶振產(chǎn)量.在完成的裝置之前,它們在質(zhì)量控制站進(jìn)行徹底測試,在最低-55攝氏度到125攝氏度的溫度范圍內(nèi),最重要的是注意穩(wěn)定的晶體頻率.檢查晶體的“活性”,因?yàn)樗砻骶w振動(dòng)的強(qiáng)度,并且進(jìn)行“泄漏測試”以確保晶體與其環(huán)境密封,以防止單元的劣化.

運(yùn)用不同的工藝方法,對石英晶振進(jìn)行頻率微調(diào),以不同參數(shù)的激光產(chǎn)生不同的微調(diào)量和微調(diào)效果。通過拍攝SEM照片,來研究在不同的激光參數(shù)和條件下,激光對于石英晶振表面及內(nèi)部的改變和損傷情況。共分五種情況對激光刻蝕損傷進(jìn)行研究。

1.直接刻蝕石英晶振片表面。

2.以大電流刻蝕石英晶振表面銀電極層,使其產(chǎn)生肉眼可見的大面積刻蝕痕跡,至使頻率計(jì)無法讀出刻蝕后的頻率值。

3.以適當(dāng)?shù)募す鈪?shù)刻蝕石英晶振表面銀電極層,并無明顯的刻蝕痕跡,頻率微調(diào)量在50ppm,其他電性能參數(shù)改變量均小。

4.以刻蝕圖形的方法對石英晶振表面銀電極層進(jìn)行刻蝕,刻蝕圖形為銀電極層外層圓環(huán),頻率微調(diào)量達(dá)l000pm。

5.以刻蝕圖形的方法對石英晶振表面銀電極層進(jìn)行刻蝕,刻蝕圖形為銀電極層半邊圓,頻率微調(diào)量達(dá)2300ppm。

以下為石英晶振實(shí)驗(yàn)結(jié)果分析

1.直接刻蝕石英晶振片表面

在電流為11A,激光頻率為10KHLz,Q脈沖寬度為10s的條件下,直接對石英晶振片進(jìn)行環(huán)狀刻蝕?？涛g示意圖如圖4.7所示。

圖中虛線所示為激光刻蝕的軌跡,可見激光全部作用在石英晶振片本身,而不是其表面的銀電極層上。經(jīng)刻蝕,貼片晶振,石英晶振片的頻率從10.0268376MHz,上升為10.0268780MHz,頻率微調(diào)量為404pm。這樣做的目的,是為了觀察當(dāng)激光直接作用于晶片本身的時(shí)候,會(huì)對晶片產(chǎn)生怎樣的影響。

通過電鏡觀察,刻蝕后的石英晶振片斷面如圖4.8所示。

從圖中可見,被激光刻蝕后的區(qū)域,石英片表面平整,形貌良好,并未對下面石英晶體產(chǎn)生損傷。部分晶體被激光刻蝕掉后由于大氣中分子的散射作用,重新落回到晶片表面,覆蓋在原晶片上。

2.以大電流刻蝕貼片晶振,石英晶振表面銀電極層,使其產(chǎn)生肉眼可見的大面積刻蝕痕跡,至使頻率計(jì)無法讀出刻蝕后的頻率值。

在電流為14A,激光頻率為10KHz,Q脈沖寬度為10ys的條件下,對石英晶振片表面銀電極層進(jìn)行刻蝕?？涛g圖形及示意圖分別如圖4.9、4.10所示。

在14A的激光電流刻蝕下,晶片表面刻蝕區(qū)域的電極層被損壞,出現(xiàn)了肉眼可見的較大范圍內(nèi)明顯剝落痕跡。至使頻率計(jì)無法讀出其諧振頻率,石英晶片停振。

通過電鏡觀察,刻蝕后的石英晶振片斷面如圖4.11所示。

如圖所示,圖中左半邊銀電極層清晰可見,均勻的覆蓋在石英表面。而右半邊銀電極層被激光刻蝕剝落,被剝落處銀電極層與貼片晶振,石英晶振混在一起,界線模糊。并且剝落已經(jīng)損傷到石英晶振本身。損傷延伸至2000m深度。

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,可定性畫出它的電抗一頻率特性曲線如圖2.3所示?？梢姰?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。

對于指定晶振晶片,fo、A、pμ、qμ均為常數(shù),因而, △f與△m的絕對值成正比,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(huì)對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,再通過改變表面電極厚度方法,來微調(diào)晶振頻率以達(dá)到目標(biāo)頻率。

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于目標(biāo)頻率是負(fù)的。在調(diào)整時(shí),一邊用測頻系統(tǒng)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(dāng)刻蝕停止后,會(huì)出現(xiàn)頻率下降的現(xiàn)象。刻蝕剛停止的幾秒內(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。本文主要通過實(shí)驗(yàn),找出頻率偏移的規(guī)律,對石英晶振進(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(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)行較大刻蝕速度對石英晶振,貼片晶振進(jìn)行刻蝕的實(shí)驗(yàn),測得偏移量。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)行較低刻蝕速度對石英晶體,石英晶體諧振器進(jìn)行刻蝕的實(shí)驗(yàn),測得偏移量。如表4-2和圖4-6所示,與高速時(shí)的情況類似,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),刻蝕后偏移量僅為2.5pm。如果進(jìn)一步控制刻蝕量,當(dāng)刻蝕量降到100ppm時(shí),刻蝕后偏移量僅為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)過程中,由于操作員缺乏相關(guān)理論知識(shí),不能精確的對加工參數(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段加工前的頻率過低。使得在進(jìn)行L段加工時(shí),時(shí)間過長,超過了設(shè)備的監(jiān)控時(shí)間,而強(qiáng)制停止L段加工。

而操作員沒有經(jīng)過確認(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,剛開始有一定效果,但是沒有達(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]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

為了解決這一問題,本文通過前幾節(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)書如圖4-9所示,讓作業(yè)員遵照執(zhí)行。圖4-10是按此作業(yè)標(biāo)準(zhǔn)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(biāo)頻率為中心分布的,并且分布比以前集中,也沒有不良出現(xiàn)。因此,本論文提出的方法可以提高產(chǎn)品的合格率。

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圍的電子元器件組成振蕩電路,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)是對每個(gè)石英晶振邊測頻率,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(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。并且可以通過對熱陰極的控制調(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π回路使用網(wǎng)絡(luò)分析儀對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,無法對石英晶振的頻率進(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)間包括對制品的搬送和頻率的測量時(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(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,簡化自動(dòng)化過程中的參數(shù)設(shè)定,只對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(shí),都有相對應(yīng)的放電電流使得電流密度達(dá)到最大。本文說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(huán)境最好是5000級以下的凈化空間。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)頻率的偏移問題,這個(gè)問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圍的電子元器件組成振蕩電路,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)是對每個(gè)石英晶振邊測頻率,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(chǎn)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(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,以下簡要介紹幾種常見的缺陷。

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(見圖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573℃,或雖然不超過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過程中,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,說明藍(lán)針是屬于晶體內(nèi)部機(jī)械破壞的結(jié)果。

對一般應(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。它是由于晶體生長中斷了一段時(shí)間,后來又在晶面上繼續(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。

石英晶體的密度為265g/cm3,莫氏硬度為7,透明晶瑩。在常溫常壓下,石英晶體不溶于水和三酸(鹽酸HCl、硫酸H2SO4、硝酸HNO3)屬于溶解度極小的物質(zhì)。但在高溫高壓下,再加入適量助溶劑,如碳酸鈉(Na2CO3)或氫氧化鈉(NaOH)等,就可大大提高其溶解度。這個(gè)特點(diǎn)被用于石英晶體的人工培育。

氫氟酸(HF)、氟化銨(NH4F)與氟化氫銨(NH4HF2)是石英貼片晶振,石英晶體良好的溶解液,這在石英晶片加工中是很有用的。石英晶體是一種良好的絕熱材料,導(dǎo)熱系數(shù)比較小(見表1.3.1)

表1.3.1石英晶體的導(dǎo)熱系數(shù)

室溫附近,沿z軸方向的導(dǎo)熱系數(shù)是沿垂直于z軸方向?qū)嵯禂?shù)的二倍左右與z軸成q角的任一方向的導(dǎo)熱系數(shù)可由下式求得(1.3.1)Kφ=K3cos²φ+K1sin²φ,其中K1是垂直于Z軸的導(dǎo)熱系數(shù),K3是平行于z軸的導(dǎo)熱系數(shù)石英晶體的膨脹系數(shù)也很小,且沿z軸方向的線膨脹系數(shù)a3約為沿垂直于z軸方向線膨脹系數(shù)a1的1/2(見表1.3.2)。

表1.3.2石英晶體的線膨脹系數(shù)值

若已知a1和a3,由下式可求出與Z軸成φ角的任一方向的線膨脹系數(shù)aL：al=a3+(a1-a3)sin²φ (1.32)

在室溫附近:aL=(7.48+623sin²φ)×10-6 (1.33)

并可由a1和a3求得體膨脹系數(shù)ar：ar=2a1+a3 (1.3.4)

由于石英晶體的熱膨脹系數(shù)較小,因此可用于精密儀器中。但當(dāng)它被加熱時(shí), 體膨脹系數(shù)會(huì)發(fā)生很大變化。在溫度達(dá)573℃時(shí),石英晶體由a石英晶體轉(zhuǎn)變?yōu)?/span>B石英,體積急劇增大。石英晶體諧振器內(nèi)部產(chǎn)生的較強(qiáng)的機(jī)械應(yīng)力可能會(huì)造成裂隙和雙晶,這是在石英晶體元件的加工中要注意避免的。

石英晶體還是一種良好的絕緣體,其電阻率可由下式求得：p=Be-AT;式中,p為電阻率,T為絕對溫度,e為自然對數(shù)的底,A等于1.15×104B為相應(yīng)的常數(shù)。平行于z軸方向的B=3000,垂直于z軸方向的B為平行于z軸方向的1/80。B值除與晶體結(jié)構(gòu)有關(guān)外,還與沿z軸方向孔道中堿金屬雜質(zhì)(K+、Na+)的存在有關(guān)。表1.3.3列出了晶振,有源晶振,石英晶體振蕩器,石英晶體在不同溫度下的電阻率,單位為ohm. cn。

表1.3.3石英晶體在不同溫度下的p(ohm.cm)

石英晶體介電常數(shù)(描述材料介電性質(zhì)的量,是電位移D與電場強(qiáng)度E的一個(gè)比例系數(shù))的各向異性不很明顯,平行于z軸的介電常數(shù)ε3=4.6,垂直于z軸的介電常數(shù)ε1=4.5。在電場作用下,電介質(zhì)發(fā)熱而消耗的能量叫介質(zhì)損耗,通常以損耗角的正切值(tg6)來表示其損耗的大小。有源晶體振蕩器,比如溫補(bǔ)晶振,壓控晶振,有源石英晶體的介質(zhì)損耗較小,tg6<2×10-4因此用它作電氣材料具有高穩(wěn)定性。

石英晶體雖不像諸如彈簧、橡皮筋那樣的物體,振動(dòng)日時(shí)能看到明顯地形變,但是它仍然服從彈性定律(胡克定律),并且可以通過全息照相看到它形變的情況。當(dāng)然,石英晶體的形變更復(fù)雜些,描述更困難些,這將在第二章中進(jìn)一步講述。

某些電介質(zhì)由于外界的機(jī)械作用(如壓縮、拉伸等)而在其內(nèi)部發(fā)生變化產(chǎn)生表面電荷,這種現(xiàn)象叫壓電效應(yīng)。具有壓電效應(yīng)的電介質(zhì)也存在逆壓電效應(yīng),即如果將具有壓電效應(yīng)的介質(zhì)置于外電場中,由于電場的作用,會(huì)引起介質(zhì)內(nèi)部正負(fù)電荷中心位移,而這位移又導(dǎo)致介質(zhì)發(fā)生形變,這種效應(yīng)稱為逆壓電效應(yīng)。

正像某些其它晶體(如酒石酸鉀鈉KNaC4H4O6.4H2O、鈦酸鋇 BaTio3等等)那樣,貼片有源晶振,石英晶體也具有壓電效應(yīng)。由于其結(jié)構(gòu)的特殊性,不是任何方向都存在壓電效應(yīng)的,只有在某些方向,某些力的作用下才產(chǎn)生壓電效應(yīng)。

例如:當(dāng)石英晶體受到沿x軸方向的力作用時(shí),在x方向產(chǎn)生壓電效應(yīng),而y、z方向則不產(chǎn)生壓電效應(yīng),當(dāng)石英晶體受到沿y軸方向的力作用時(shí),在x方向產(chǎn)生壓電效應(yīng),而y、z方向也不產(chǎn)生壓電效應(yīng)。若受到沿z軸方向的力作用時(shí),是不產(chǎn)生壓電效應(yīng)。因此又稱x軸為電軸,y軸為機(jī)械軸。利用石英晶體的壓電效應(yīng)可制造多種高穩(wěn)定性的頻率選擇和控制元件,這將在以后各章逐步講述。

石英晶體也與其它一些物質(zhì)(如方解石CaCO3、硝酸鈉NaNO3晶體等)那樣具有雙折射現(xiàn)象,即一束光射入石英晶體時(shí),分裂成兩束沿不同方向傳拓的光其中一束光遵循折射定律,叫做尋常光或稱“0”光,另一束光不遵循折射定律,叫做非尋常光,又稱“e”光,如圖1.3.1所示,尋常光在石英晶體內(nèi)部各個(gè)方向上的折射率mo是相等的,而非尋常光在石英晶振,石英晶體的內(nèi)部各個(gè)方向的折射率n0卻是不相等的。

例如:對于波長為5893A的光,石英晶體的n0=1.54425,最大的ne=1.5536。石英晶體雖然具有雙折射現(xiàn)象,但當(dāng)光沿z軸方向入射時(shí),不發(fā)生雙折射現(xiàn)象,所以又稱z軸為光軸石英晶體還具有旋光性。即平面偏振光(光振動(dòng)限于某一固定方向的光)沿z軸方向通過石英晶體后,仍然是平面偏振光,但其振動(dòng)面卻較之原振動(dòng)面旋轉(zhuǎn)了一個(gè)角度。

圖1.3.1石英晶體的雙折射

石英晶體的光學(xué)性質(zhì)被應(yīng)用到制造各種光學(xué)儀器和石英片加工工藝中。

從六十年代起開展了石英晶體,SMD晶振元件輻射效應(yīng)的研究工作,在此做一些簡單的介紹。

由于宇宙射線的輻照和核武器爆炸,地球周圍存在高能粒子和y射線、X射線等輻射。這些輻射對石英晶體及其器件都有很大的影響,無色透明的石英晶體經(jīng)放射線照射后會(huì)變?yōu)闊熒?/span>,石英晶體元件被輻照后,會(huì)使頻率發(fā)生變化,穩(wěn)定性下降,等效電阻升高。

一般認(rèn)為,石英晶體被γ射線和高能粒子轟擊后,會(huì)產(chǎn)生結(jié)構(gòu)空穴和色心,這是由于堿金屬離子(A1+3和Na+)的存在所引起的。因此,要提高石英晶體抗輻射的能力,首先要減少和消除有源恒溫晶振,差分晶振,石英晶體中的上述雜質(zhì)。

一方面選擇最佳籽晶和生長條件;另一方面可使用“電清除”的方法驅(qū)逐晶體中的雜質(zhì)。有人做過這樣的實(shí)驗(yàn):用z向厚度為1cm的樣片,加溫到450~470℃,加電壓1500-1700V/cm,通過晶體的電流為250μA,20分鐘后則降為20μA,這時(shí)在負(fù)極表面出現(xiàn)由堿金屬雜質(zhì)形成的乳白色薄層。顯然,這是一種高溫、高壓排除晶體中金屬離子等雜質(zhì)的工藝過程。經(jīng)過這種“電清除”的人造石英晶體制成的石英晶體元件就具有良好的抗輻射性能。