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未加银电极层的石英晶片表面放大图所对,可以看出上图中的晶片表面部分银电极层被完全剥落,暴露了石英晶振晶片表面。

这样大的频率调节量,不仅不附合频率微调的要求,而且会破坏晶振晶片的焊接性能,将来焊接在电路中时,露出的晶片表面与高温焊锡直接接触还会对晶片造成损伤。更为重要的是,经过网络分析仪的测量,表面电极层的完全剥落会影响到含有石英晶振电路的通带特性。使原来平滑的通带曲线,变成有很多杂散噪声的非平滑波形。且通带和抑制带之间的差值较原来有所减少。因而,这样的频率微调是失败的,应该减小激光扫描时间或激光电流强度, 以得到所需的频率微调量。

由于频率测定可以达到很高的精度,估计检测限可达10-12g,因此利用这一特性,振动的石英晶振晶体可以制成非常灵敏的质量检测器一石英晶体微天平( quartz crystal microbalance,QCM)。

对于指定石英晶振晶片,fo、A、pμ、Hμ均为常数,因而,△f与△m的绝对值成正比,负号表示表面银电极层质量的增加,会引起石英晶体谐振频率的减少;而表面银电极层质量的减少,会引起石英晶体谐振频率的增加。即:增加银层质量和减少银层质量两种方法都可以改变石英晶振的谐振频率。

在前面的文章中有介绍过石英晶体谐振器的基本结构、原理、应用,以及与石英晶振相关的一些电性能参数.也有讲到过多种石英晶振频率微调技术.但是现有的三种频率微调技术均有各自的缺陷,而采用激光频率微调技术就可以克服掉这些缺陷.

非直接接触式的激光频率微调并不会造成晶片表面温升过高,因而不会产生蒸发频率微调技术和溅射频率微调技术中的膜层易被氧化的问题.同时,非接触式加工方法,克服了溅射频率微调技术法中存在的晶振晶片表面电荷积累问题;并且,由于激光具有高度的方向性其光斑只有几平方毫米,最小可达微米数量级,因而移动方便,定位准确,可以用于多片同时频率微调,这就克服了离子束刻蚀频率微调的生产率低的问题。

此外,激光频率微调技术还具有许多其他方案不可代替的优点:结合成熟的激光加工工艺和频率检测工艺的新技术,拥有较高的频率微调精确度;并且生产效率高,经济效益好,有很大的实用价值.

激光加工的灵活性,允许加工成任意的图形,这就对其应用范围没有限制,可以应用于各种形状的石英晶振,贴片晶振。并且, 激光频率微调与计算机技术相结合,可实现自动控制,是现代化大生产的发展趋势。综合以上,本课题选用了代表未来发展趋势的激光频率微调技术来对石英晶振进行频率微调。

因而,论文的主要研究任务就在于:

(1)从理论和实验两个方面,证实激光用于石英晶振频率微调的可行性,并获取定量的刻蚀数据。

(2)从理论方面,研究激光刻蚀以及激光损伤的机理,从而尽可能的减小激光刻蚀对于石英晶振晶片可能存在的影响。

(3)通过反复实验,探索激光刻蚀工艺研究,寻找激光刻蚀参数、工艺与刻蚀结果之间的定性、定量关系,增强激光刻蚀的可操作性和可控制性。

(4)在以上研究的基础上,进行激光刻蚀系统的研究。包括采样系统、数据处理系统、控制系统等整个系统的设计。

 在前面的文章中我们有提到关于石英晶振磁控溅射技术原理磁控溅射是在真空条件下导入一定压力的惰性气体(Ar),阴阳极间形成一定强度的电场,并引入强磁场施加影响,使被阳离子轰击而溅射出的靶材金属粒子加速射向欲镀覆基片表面。那么接下来CEOB2B晶振平台将要说的是石英晶振磁控溅射频率微调技术应用及优缺点分析。

在真空等离子体气氛中,氩离子轰击银靶,溅射出高能银粒子射向晶振晶片表面,从而增加表面银电极的厚度,进而改变石英晶体谐振器的谐振频率。其装置示意图如图1.3所示。与蒸发频率微调法类似,磁控溅射频率微调在对石英晶体谐振器进行频率微调时,也分为粗调和细调两步进行。

石英晶振磁控溅射频率微调的优、缺点

优点:

(1)与蒸发频率微调法相比,溅射离子比蒸发原子或分子的平均能量大数十倍,提高了表面原子迁移率及体扩散,使膜层性能及附着力增强。

缺点:

(1)晶振磁控溅射镀覆设备价格昂贵,设备操作、维护复杂。

(2)对于靶材——银的利用率低,最高只能达到50%。

(3)与石英贴片晶振蒸发频率微调法类似,粗调后的膜面已暴露过大气,易被氧化,并且使得表面落上灰尘、杂质颗粒,而细调新镀膜层又较薄,导致膜层结合力差, 易产生脱焊、固熔断线问题。这同样也是磁控溅射频率微调技术的致命缺点。

(4)由于离子对阴极靶材的轰击,使靶材表面溅射出二次电子,这些电子经等离子体后,易堆积在阳极表面,使表面形成电荷积累,无法再继续沉积。

可见,以上两种方法都无法满足大规模工业生产和激烈的市场竞争的需要更能适应生产需求的新型工艺呼之欲出。

我们接着前面介绍到的石英晶振片的由来以及工作原理,我们接着说石英晶振晶片的电极对膜厚监控、速率控制至关重要。目前,市场上提供三种标准电极材料:金、银和合金。

金是最广泛使用的传统材料,它具有低接触电阻,高化学温定性,易于沉积。金最适合于低应力材料,如金,银,铜的膜厚控制。用镀金晶振片监控以上产品,即使频率飘移IMHz,也没有负作用。然而,金电极不易弯曲,会将应力从膜层转移到石英基片上。转移的压力会使晶振片跳频和严重影响质量和稳定性。

银是接近完美的电极材料,有非常低的接触电阻和优良的塑变性。然而,银容易硫化,硫化后的银接触电阻高,降低晶振片上膜层的牢固性。

银铝合金晶振片最近推出一种新型电极材料,适合高应力膜料的镀膜监控,如siO，SiO2,MgF2,TiO2。这些高应力膜层,由于高张力或堆积的引]力,经常会使晶振片有不稳定,高应力会使基片变形而导致跳频。这些高应力膜层,由于高张力或堆积的引力,经常会使贴片晶振,石英晶振片有不稳定,高应力会使基片变形而导致跳频。银铝合金通过塑变或流变分散应力,在张力或应力使基体变形前,银铝电极已经释放了这些应力。这使银铝合金晶振片具有更长时间,更稳定的振动。有实验表明镀Si02用银铝合金晶振片比镀金寿命长400%。

镀膜科技日新月异,对于镀膜工程师来说,如何根据不同的镀膜工艺选择最佳的晶振片确实不易。下面建议供大家参考

（1)镀低应力膜料时,选择镀金晶振片

最常见的镀膜是镀A、Au、Ag、Cu,这些膜层几乎没有应力,在室温下镀膜即可膜层较软,易划伤,但不会裂开或对基底产生负作用。建议使用镀金晶振片用于上述镀膜,经验证明,可以在镀金晶振片镀60000埃金和50000埃银的厚度。

（2)使用镀银或银铝合金镀高应力膜层

NiCr、Mo、Zr、Ni-Cr、Ti、不锈钢这些材料容易产生高应力,膜层容易从晶体基片上剥落或裂开,以致出现速率的突然跳跃或一系列速率的突然不规则正负变动。有时,这些情况可以容忍,但在一些情况下,会对蒸发源的功率控制有不良作用。

（3)使用银铝合金晶振片镀介质光学膜

MgF2、SiO2、A2O3、TiO2膜料由于良好的光学透明区域或折射率特性,被广泛用于光学镀膜,但这些膜料也是最难监控的,只有基底温度大于200度时,这些膜层才会与基底有非常良好的结合力,所以当这些膜料镀在水冷的基底晶振片上,在膜层凝结过程会产生巨大的应力,容易使晶振片在1000埃以内就回失效。

石英晶振在如今产品中的应用变得尤为重要,为了更好的使用晶振,我们除了要知道晶振的生产材料,晶振使用型号参数等一些条件之外,关于晶振的使用注意事项,以及石英晶振,贴片晶振晶片的一些关注点也应该知道.在前面的文章中CEOB2B晶振平台介绍了晶振晶片的由来以及其工作原理,下面我们要介绍的是膜厚控制仪用电子组件引起晶振片的高速振动和晶振监控的优缺点.

膜厚控制仪用电子组件引起晶振片的高速振动,约每秒6百万次(6MHz),镀膜时,测试每秒钟振动次数的改变,从所接受的数据中计算膜层的厚度。为了确保晶振片以6MHz的速度振动,在真空室外装有“振荡器”,与晶控仪和探头接口连接,振荡器通过迅速改变给晶振片的电流使晶振片高速振动。一个电子信号被送回晶控仪。晶控仪中的电路收到电子信号后,计算晶振片的每秒振速。这个信息接着传送到个微处理器,计算信息并将结果显示在晶控仪上：

（1)沉积速率(Rate)  (埃/秒)

（2)已沉积的膜厚( Thickness)  (埃)

（3)晶振片的寿命(Lie)   (%)

（4)总的镀膜时间(Time)    (秒)

更加精密的设备可显示沉积速率与时间的曲线和薄膜类型。

石英晶振监控的优缺点

◆优点:

1.晶振法是目前唯一可以同时控制膜层厚度和成膜速率的方法。

2.输出为电讯号,很容易用来做制程的自动控制。

3.对于厚度要求不严格的滤光片可以利用作为自动制程镀膜机。

4.镀金属时,石英监控较光学监控来的方便精确。

◆缺点

1.厚度显示不稳定。

2.只能显示几何厚度,不能显示折射率。

3.一般精密光学镀膜厚度只用做参考,一般用作镀膜速率的控制。

◆所以一台镀膜设备往往同时配有石英晶体振荡器监控法和光学膜厚监控法两套监控系统,两者相互补充以实现薄膜生产过程中工艺参数的准确性和重复性,提高产品的合格率。

石英晶振离子刻蚀频率微调方法

图4-1是基于石英晶振离子刻蚀技术的频率微调示意图,离子刻蚀频率微调方法,当照射面积小于2~3mm2,在beam电压低于100V以下就可获得接近10mA/cm2的高电流密度的离子束,离子束的刻蚀速度在宽范围內可进行调节。图中采用的是小型热阴极PIG型离子枪,放电气体使用Ar,流量很小只需035cc/min。在:圆筒状的阳极周围安装永久磁石,使得在轴方向加上了磁场这样的磁控管就变成了离子透镜,可以对离子束进行聚焦。热阴极磁控管放电后得到的高密度等离子,在遮蔽钼片和加速钼片之间加高达1200V高压后被引出。并且可以通过对热阴极的控制调整等离子的速度。

用离子束照射石英晶振的电极膜,通过溅射刻蚀使得频率上升米进行频率微调。

在调整时,通过π回路使用网络分析仪对石英晶振的频率进行监控,当达到目标频率后就停止刻蚀,调整结束。

因为石英晶振与π回路之间用电容连接,离子束的正电荷无法流到GND而积聚在石英晶片上,使石英晶振晶片带正电荷。其结果不仅会使频率微调速度降低,而且使石英晶片不发振,无法对石英晶振的频率进行监控和调整。为此,必须采用中和器对石英贴片晶振晶振片上的正电荷进行中和。

在进行离子刻蚀频率调整时,离子束对一个制品进行刻蚀所需的时间为1~2秒, 而等待的时间约2秒,等待时间包括对制品的搬送和频率的测量时间。在等待时间中, 是将挡板关闭的。如果在这段时间内,离子枪继续有离子束引|出,则0.5mm厚的不锈钢挡板将很快被穿孔而报废。为此,在等待时间内,必须停止离子枪的离子束引出。

可以用高压继电器切断离子枪的各电源,除保留离子枪的放电电源(可维持离子枪的放电稳定)。这样,在等待时间没有离子束的刻蚀,使挡板的使用寿命大大增长。同是,出于高压继电器的动作速度很快,动作时间比机械式挡板的动作时间少很多,所以调整精度也可得到提高。

    在使用石英晶振,贴片晶振时,应注意的是对于晶振的保养以及防止老化的措施.影响老化的因素很多,是晶体生产厂工艺水平的集中表现.老化的机理很复杂,许多人已进行了广泛深入的试验研究,普遍认为,它不但与水晶原料质量、晶片切型有关,而且受石英片加工和晶体装配工艺影响很大.

C、 确保晶片、电极膜、支架、绝缘衬套、外壳内部的清洁度.