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發(fā)生偏移。這會使頻率調(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,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子刻蝕時對晶振晶片產(chǎn)生的熱應(yīng)力。其理論依據(jù)比較深奧,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,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,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(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(dāng)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(jìn)一步控制刻蝕量,當(dāng)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(shí)際生產(chǎn)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(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,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降低加工的效率,當(dāng)時間超過設(shè)備的監(jiān)控時間后,就會直接出現(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,當(dāng)A品種的石英晶振在進(jìn)行離子刻蝕微調(diào)時,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。此時應(yīng)該確認(rèn)是否是因?yàn)?/span>H段加工時的速度太慢, 導(dǎo)致L段加工前的頻率過低。使得在進(jìn)行L段加工時,時間過長,超過了設(shè)備的監(jiān)控時間,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,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。

晶振頻率標(biāo)準(zhǔn)的發(fā)展對于一個國家的經(jīng)濟(jì)、科學(xué)與技術(shù)、國防和社會安全有著非常重要的意義。由于制造、交通運(yùn)輸、通訊與信息技術(shù)的不斷迅猛發(fā)展,對時間和頻率測量的準(zhǔn)確度和精確度要求也越來越高。導(dǎo)航、定位、大地測量、天文觀測、網(wǎng)絡(luò)授時和同步以及電網(wǎng)故障檢測中都需要高穩(wěn)定度和準(zhǔn)確度的晶振頻率標(biāo)準(zhǔn)。按照頻率標(biāo)準(zhǔn)的性能指標(biāo)和應(yīng)用領(lǐng)域來劃分,可以將其分為一級頻率標(biāo)準(zhǔn)(銫原子頻標(biāo))二級頻率標(biāo)準(zhǔn)(包括銣原子頻標(biāo)和高穩(wěn)石英晶體振蕩器)和其它頻率標(biāo)準(zhǔn)(包括除高穩(wěn)石英晶體振蕩器以外的其他石英晶體振蕩器)。表11列出了常用頻率標(biāo)準(zhǔn)的準(zhǔn)確度.

在各種高精度的頻率標(biāo)準(zhǔn)中,氫钅鐘中、銫鐘等都具有很好的長期和短期穩(wěn)定度,但價格非常昂貴,一般用于國家授時實(shí)驗(yàn)室,應(yīng)用范圍非常有限。雖然銣鐘和高穩(wěn)定度石英晶體振蕩器等二級頻標(biāo)的頻率穩(wěn)定度不如一級頻標(biāo),但價格低廉,體積較小,應(yīng)用范圍非常廣泛。它們被廣泛用于通信、計量、應(yīng)用電子技術(shù)、電子儀器、航空航天、雷達(dá)和因防軍工等各個領(lǐng)域,作為關(guān)鍵器件發(fā)揮著重要的作用。近年來由于通信業(yè)和軍工方面的發(fā)展和需求,我國精密石英晶體和原子頻率標(biāo)準(zhǔn)的需求也有了明顯的增長。

石英晶振頻率標(biāo)準(zhǔn)的三個基本技術(shù)指標(biāo)是準(zhǔn)確度、穩(wěn)定度和老化率。晶振頻率標(biāo)準(zhǔn)和計時的精確度會受到科技發(fā)展水平的限制。影響頻率穩(wěn)定度和準(zhǔn)確度主要是溫度和老化,因此,國內(nèi)外正在投入大量精力研究修正這些影響。下面詳細(xì)介紹這三種技術(shù)指標(biāo)

1.晶振頻率準(zhǔn)確度

用來描述頻率標(biāo)準(zhǔn)輸出的實(shí)際頻率值與其標(biāo)稱頻率值的相對偏差。因?yàn)槭茴l率標(biāo)準(zhǔn)內(nèi)在因素和外部環(huán)境(如溫度、濕度、壓力、震動等)的影響,實(shí)際石英晶振頻率值并不是固定不變的,而是在一定范圍內(nèi)有起伏的值。計算表達(dá)式如下:

式中A為頻率準(zhǔn)確度;fX為實(shí)際頻率值;fO后為標(biāo)稱頻率為了得到準(zhǔn)確的fX,至少應(yīng)進(jìn)行6次測量,采樣時間應(yīng)該選擇相應(yīng)的頻率穩(wěn)定度影響可以忽略時的時間間隔。一般選擇的采樣時間為10s,使得在該時間內(nèi)被測頻標(biāo)的短期頻率穩(wěn)定度比其準(zhǔn)確度高出一個數(shù)量級。

2.晶振頻率穩(wěn)定度

由于各種外界干擾,例如電子線路的熱噪聲,石英晶體諧振器內(nèi)固有噪聲,器件的老化,環(huán)境條件的變化等,都會使石英晶體振蕩器的輸出頻率相對于標(biāo)稱值發(fā)生波動,這種波動代表了輸出頻率的不穩(wěn)定度。目前使用的頻率穩(wěn)定度表征有兩種。即:頻域表征一相對頻率起伏的功率譜密度,它表現(xiàn)為信號的頻譜不純;時域表征一阿侖方差,它表現(xiàn)為頻率平均值的隨機(jī)起伏。二者在數(shù)學(xué)上是一對傅氏變換,因而是等效的。

實(shí)際的阿侖方差計算公式為:

式中f和f,分別為第i和第i+1次測量的頻率值;后為被測頻率源的頻率標(biāo)稱值, m為測量的次數(shù)。

3.晶振老化率的表征和測量

單位時間內(nèi)平均頻率的相對漂移量叫做漂移率。在石英晶體振蕩器中一般稱為老化率,而在原子頻標(biāo)中一般稱為漂移率。大多數(shù)頻標(biāo)經(jīng)過足夠的時間預(yù)熱后連續(xù)工作,在一段不太長的時間內(nèi)頻率的漂移呈現(xiàn)近似線性變化的特點(diǎn)。

老化率實(shí)用計算公式:

值;t為測量時序,i取1,2,3,…,N;fO為頻率源的標(biāo)稱頻率;n為一天的取樣次數(shù)。

由于石英晶振頻率值隨時間的變化并不僅僅是線性的,石英晶體振蕩器往往是對數(shù)老化規(guī)律或倒數(shù)老化規(guī)律,所以從理論上講,每天測量的點(diǎn)數(shù)n越多越好。但是從實(shí)際測量和計算的方便來講,又希望n取得越少越好。通過大量的實(shí)驗(yàn),表明每天測量的次數(shù)n取兩次就可以了。經(jīng)簡化后,每天測量的次數(shù)n取兩次,測量H天的日老化率KDH的基本簡化公式可以寫為:

原子頻標(biāo)的日漂移率遠(yuǎn)遠(yuǎn)小于石英晶體振蕩器,因此一般按月漂移率給出。由于漂移率呈線性規(guī)律,所以月漂移率可以用日漂移率來推算。也就是:

由于高穩(wěn)定度石英晶體振蕩器的老化率從更長的時間刻度來觀察呈現(xiàn)了隨著加熱時間的延續(xù)越來越小的特點(diǎn),所以國外在考察高穩(wěn)定度石英晶體振蕩器的年老化率時常常是在日老化率的基礎(chǔ)上乘以系數(shù)100。

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, 體膨脹系數(shù)會發(fā)生很大變化。在溫度達(dá)573℃時,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,振動日時能看到明顯地形變,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,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,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,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,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,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,但其振動面卻較之原振動面旋轉(zhuǎn)了一個角度。

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)放射線照射后會變?yōu)闊熒?/span>,石英晶體元件被輻照后,會使頻率發(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。