前言：本次章节主要是讨论石英晶振在进行激光刻蚀频率微调时可能出现的一些损伤，为了防止这样的这样的情况发生，需要做这样的实验，看看有哪些方面的原因和技术错误，容易导致激光损伤，以及损伤时的形态。当激光损伤出现我们叫做缺陷，意味着会让石英贴片晶振不能合格的交到用户手上。

激光损伤阈值：

激光引发的损伤阈值( Laser Induced Damage Threshold,LIDT)与表面膜层的沉积技术有关,对于离子束沉积,阈值为12J/cm2,对于DBS和IAD来说为35J/cm2。为对比,对于没有膜层的样本来说是70J/cm2。结果列于表4.1。

在略高于LDT时的激光损伤形态：

尽管在LIDT上存在着不同大小,当激光能流大小略微超过LIDT时,在各种沉积技术上还是出现了同样的激光损伤形态。在表层上一或几个深坑,一般情况下是一个,但有时是两到三个。如图4.1(细节A)所示。在深坑的周围,出现一个似激光斑点的浅痕。如图4.1(细节B)所示。当能流比LIDT高出50%的时候,分层情况就会出现。

图4.1 1064nm激光损伤形态图(a)EBD技术在LIDT下的损伤bDBS技术在LIDT下损伤(c)P技术在LIDT下的损伤(d)IAD技术在LmDT下的损伤    。
   经研究发现,在镀膜样本上的激光损伤机理最可能是纳米级的缺陷引起的,而观察到的深坑是与这些缺陷在被照射前的位置相对应的。把缺陷处或其排泄物周围剥离一小部分,也可以引发深坑。在损伤产生后出现的等离子体,可以使激光斑点下的浅痕剥离。深坑直径的大小取决于制造工艺:IAD和P技术的深坑直径为1-2m,EBD样本为1m,而DIBS样本则小于几百纳米。深坑的大小与缺陷的大小有着复杂的关系,同时也取决于温度和机械性能,以及不同薄膜的拉力和粘性。
   这些造成激光损伤的缺陷与镀膜沉积过程有关,而与抛光工艺无关,因为随着沉积技术的不同LDT有所不同,但都比衬底要低。镀膜室的杂质以及贴片晶振材料缺陷可能是吸收激光损伤的原因。

在略低于LDT时的激光微调形：

如图4.2所示,在EBD和DBS样本上,可以观察到的一些微调。这种情况的点在每一个样本上可以出现1到2个。而在IP和IAD样本上没有出

图4.3所示为光热显微镜下这种微调斑点的照片,图4.4所示为244mm光激发下发光图。

在这些损伤前的点上,膜层表面5m直径的面积上被改变了。图4.2所示的显微镜测量出一个15mm高的峰值,这表明膜层已经被完全剥离了基底。通过图4.3和图4.4所示的吸收和发光测量可以看出,材料本身已经发生了很明显的变化:薄膜在1064nm已经变得吸光,而且一个很强的光信号被检测到,这意味着在这个地方出现了集中的结构缺陷。这种情况下,石英晶体材料已经发生的改变而在表面上却没有明显的损伤。可以借用纳米吸收的原理来解释这个微调的现象,即:
   纳米材料被强烈的加热,能量被传递到周围的矩阵,这使得这片区域成为了吸收材料。由于在略小于LDT的情况下照射缺少足够的激光脉冲能量,这个过程在大范围损伤之前就停止了。在更高的激光脉冲能量下,在吸收区域中更多的能量沉积,等离子体和弹坑形成了。
   为进一步研究“损伤前”,分析了微调区域的发光光谱。如图4.5所示。在这个区域的发光光谱中,可以看到由于硅中不同的缺陷而引发的不同的发光带。

以3eV为中心的发光带可以由中心氧气不足来解释。而这个发光带由分别以3.04eV和3.15ev为中心的两个带组成。在25eV处也有一个发光带,这个光带不能用缺陷来解释。在19eV处还有一个非常低密度的发光带,这与Non- Bridging Oxygen Hole Centers( NBOHC)有关。