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假设在石英晶振中,对应于能态E2的集居数为N2对应于能态E1的集居数为N1,一个平面波对应的光子通量正沿着物质的轴向Z传播。由于受激吸收和受激辐射而产生的光子通冕的改变为:dF=oF(N2-N1)dZ

它表示:如果N2>N1,则dF/dZ>0。石英晶振起放大作用。如果N2<N1, 则dF/dz<0,石英晶振起衰减作用。在热平衡条件下,各能态的集居数是按玻尔兹曼分布,N2<N1所以,晶振总是以吸收为主。如果在特定情况下N2>N1。该石头晶体的受激辐射作用大于受激吸收作用,该物质就可以产生更多的光子通量而作为光放大器。这种特殊状态称之集居数反转,指与通常状态的集居数分布不同。

晶振制造行业的发展水平的因素不仅是自身的发展，同事与整个电子信息产业链中的地位与作用有着密切关系。就石英晶振制造业在整个电子信息产业链中所占据的地位和作用而言，在整个产业链中居于重要的地位，起到带动整个产业发展的作用

电子科技发展快速的今天，不仅国产晶振厂家品牌如雨后春笋不断涌出，在我国晶振市场活跃的进口晶振厂家品牌也数不胜数，就那些叫得上号的晶振品牌就有：日本的KDS晶振、爱普生晶振、精工晶振、西铁城晶振、京瓷晶振、NDK晶振、村田晶振，美国的西迪斯CTS晶振、宝岛台产晶振中的晶技TXC晶振、鸿星晶振、泰艺晶振等，这些晶振品牌中没有谁家不生产温补晶振的，并且一些进口晶振生产厂家还是主要以事业晶体振荡器出名的。

 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。

在国内外针对石英晶振生产工艺和理论研究做出了很多验证,主要有三种技术,最早出现的是蒸发沉积和磁控溅射沉积表面电极以增加晶振质量,进而微调晶振的谐振频率。随着研究的不断进展,自20世纪80年代中期开始出现关于离子束刻蚀石英晶振频率微调技术的研究.下面CEOB2B晶振平台所要讲的是有关石英晶振蒸发频率微调技术的优缺点对比.

优点:

(1)设备简单,操作容易;(2)不会造成频率漂移,对实时测量影响较小。

缺点:

(1)镀层与基片的结合力差(2)坩埚容积小,不可能长时间、连续工作;(3)材料浪费,由于银的价格昂贵,而每次蒸发到基片表面上的材料不足30%,因而造成很大的浪费.

(4)初次镀银电极后的石英贴片晶振膜面已暴露过大气,使得表面落上灰尘、杂质颗粒,再加上银在高温时易被氧化,而微调新镀膜层又较溥,导致膜层结合力差, 易产生脱焊、固熔断线问题。这是蒸发沉积法进行频率微调的致命缺点,也是在实际生产中生产率低下的主要因素。膜层示意图如图1.2所示。

磁控溅射频率微调技术:溅射技术包括磁控溅射、直流溅射、射频溅射等多种,目前广泛应用于石英晶振频率微调的溅射技术是磁控溅射技术。

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。

在前面的文章中我们知道激光具有高亮度、高单色性、高相干性、高方向性等四大优点,尤其是它具有极高的功率密度,可达1010-12w/CM2,因而是一种性能优异的加工光源。因此我们通过将激光微加工工艺应用于石英晶振频率微调,并通过理论与实验证明。

激光微加工”和其它微加工方法相比具有明显的优越性,表现为以下几方面:

(1)加工制作条件较易得到满足:

尽管“电子束”、“X射线”、“离子束”具有更短的波长,在提高分辨率方面有更多的好处,但它们在“曝光源”、“掩膜”、“抗蚀剂”、“成像光学系统”等方面都存在极大的困难,与此相比,激光有着明显的经济性和现实性。随着新型激光器的发展,它可将加工波长扩展至DUV和VUV,分辨率达到亚微米。

(2)功率密度高:

激光加工的功率密度可达108~109W/cm2,大大缩短了晶振产品加工时间。

(3)加工对象广泛

“激光微加工”可用于多种材料的精密加工,如金属、有机物、无机物、陶瓷等,在加工的过程中可控制激光的切削尝试,这使得利用激光进行高精密切削成为可能。

目前,“激光微加工”的应用领域比较广泛,主要包括以下几方面:

(1)精密打孔:

激光精密打孔可对各种材料进行打微孔的加工。目前,激光打孔已广泛应用于金刚石模具、钟表石英，贴片晶振，轴承小孔的加工,它也可用于对陶瓷、橡胶、塑料等非金属材料的精密打孔。

(2)精密切割:

激光精密切割的切缝窄,切缝边缘质量高,切割速度快,几乎没有残渣。在切割金属时可采用吹氧工艺使金属表面氧化而增强对激光的吸收能力;在切割非金属时采用吹惰性气体的方法排除熔融物。

(3)电阻电容的微调:

激光微调就是用激光束按一定的轨迹在膜片上照射,使膜层达到气化温度而迅速蒸发,减少了电阻膜的导电面积从而达到改变膜片电阻值的目的。电阻微调分薄膜电阻微调和厚膜电阻微调两种。薄膜电阻膜厚为几百埃至几微米,常用镍铬等合金材料,厚膜电阻膜厚为几微米至几十微米。它还可以用于电子线路或石英晶振等电子器件的功能微调,如有源滤波器的中心频率、带宽和增益的微调,运算放大器失调电压的微调等。电阻电容的微调一般采用YAG固体激光器。

(4)精密焊接

精密焊接加热速度快、焊点小、焊缝窄、热影响区小,因而焊接变形小、精度高且无需真空设备。它能对绝缘体直接焊接、能焊接有色金属及异种金属,它还可进行薄片间的焊接、丝与丝间的对焊及缝焊。激光精密焊接特別适用于微型、精密、排列紧密和热敏焊件。广泛应用于微电子元件如集成电路内外引线的焊接、电子器件管壳封焊、热电偶的焊接、仪表微丝焊接等领域.

如果将石英晶体置于交变电场中,则在电场的作用下,晶体的体积会发生周期性的压缩或拉伸的变化,这样就形成了晶体的机械振动,晶体的振动频率应等于交变电场的频率,在电路中也就是驱动电源的频率。当石英晶振晶体振动时,在它的两表面产生交变电荷,结果在电路中出现了交变电流,这样压电效应使得晶体具有了导电性,可以视之为一个电路元件。

石英晶体本身还具有固有振动频率,此振动频率决定于石英晶振晶体的几何尺寸、密度、弹性和泛音次数,当晶体的固有振动频率和加于其上的交变电场的频率相同时,晶体就会发生谐振,此时振动的幅值最大,同时压电效应在石英晶体表面产生的电荷数量和压电电导性也达最大,这样晶体的机械振动与外面的电场形成电压谐振,这就是石英晶体作为振荡器的理论基础。

石英晶振晶体的电气特性可用图中所示的等效电路图来表示,由等效电阻R1、等效电感L1和等效电容C1组成的串联谐振回路和静态电容Co并联组成,静态电容C0主要由贴片晶振,石英晶体的尺寸与电极确定,再加上支架电容组成。等效电感L1和等效电容C1由切型、石英晶体片和电极的尺寸形状来确定。等效电阻R1是决定石英晶振Q的主要因素,是直接影响石英谐振器工作效果的一个重要参数。R1不仅由切型、石英晶体片形状、尺寸、电极决定,而且加工条件、装架方法等对其影响也很大。因此,同一型号,同一频率的若干产品其Q值也相差很大。

在等效电路中,L1和C1组成串联谐振电路,谐振频率为:

通常石英晶体谐振器的阻抗频率特性可用图2.3表示。此处忽略了等效电阻R1的影响,由图可见,当工作频率f时,晶体呈容性;当工作频率在f0与f之间时,晶体呈感性;当工作频率f>f时,晶体又呈容性。石英晶体在晶体振荡器主振荡级的振荡电路呈现感性,即工作频率在f于f之间。

晶振在产品中的作用是千变万化的,根据不同产品的需求选择各式各样的石英晶振产品.CEOB2B晶振平台在前面的文章中讲到过,关于晶振作为微力传感器的发展等研究.

从上述可知,现有的基于微悬臂的扫描磁力显微镜存在种种不足。鉴于此,本文想研制出一种采用新型传感器的结构紧凑的扫描磁力显微装置,以达到高的测量稳定性、准确性和具有纳米尺度的测量分辨率。由此,该仪器的研究成功,可在下面几个方面起到促进作用。

首先它可用于磁记录工业中的质量检验控制中。例如对光盘制造进行超微观检测。另外对磁记录位的大小及分布等进行高分辨率的检测。再次,可用于对生物样品磁触觉细菌内亚微米磁畴颗粒进行直接观察及对单个细菌细胞内磁矩的定量研究。而这一点正是传统的悬臂式MFM所无法达到的。因此,本课题的完成,将对磁记录体系、铁及铁磁矿和其他材料的微结构研究和生物领域带来巨大的经济效益和社会效益。

本课题来源于国家教育部博士点专项基金项目“计量型多功能扫描探针显微镜的研究”。本人自进入实验室以来,一直从事基于石英晶振的MFM及其腐针技术的研究,具体研制内容如下:

(1)晶振作为测量元件的物理特性试验研究,晶振一表面系统的动力学模型研究及机理试验,使用晶振的微力传感器的构成、设计和测量。

(2)磁力显微镜测量机理的研究。

(3)探针电化学腐蚀技术的研究。

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1.MFM的应用14.5.6

磁记录介质材料是MFM研究最多的物质之一。事实上,在MFM发展初期,MFM首先用于各种磁记录介质和磁头,在很小的尺度上仔细研究写入的磁斑、记录的轨道、磁头磁场分布等,以分析和判断磁盘和磁头的性能。现在, MFM业已成为高密度磁盘常规测试的工具。超高密度磁存储技术的发展要求在纳米尺度研究磁性晶体的微结构及探测磁性晶体的单畴性,因而必须采用MFM。

Martin等人第一次利用MFM对Tb1 ofer薄膜(一种重要的磁光材料)中写入的磁畴结构(静磁场)作了研究,空间分辨率达到100nm。MFM也可对软磁膜的磁畴进行结构研究。MFM具有足够的灵敏度和分辨率来观察图像中波动结构等磁信息。针尖样品,石英晶振元件间距少于100nm时,还可清晰看到针尖诱导畴壁运动的证据。

再次,MFM能够用来观察磁粒子的微磁学性质和一些物质的磁壁结构近年来,利用MFM对有机铁磁体以及生物分子磁性的研究也已经引起科学工作者的广泛重视。

2.MFM研究中的一些问题

各种磁性材料磁力(梯度)图的准确测量。实际上这就要使磁针尖和样品匹配起来,尽可能减少磁针尖和样品的相互影响。

MFM的定量测量和磁畴结构的计算机模拟。MFM的定量测量,在很大的程度上是测定磁针尖的性质,如磁矩、弹性系数、品质因数等。但这是相当困难的,何况小小的磁针尖上还可能存在磁性微结构。这就要用校准的方法,并对针尖作合理的近似,才能开展对所测磁力图的解释、分析和计算机模拟工作。

MFM在1987年发明后的很短期间内,分辨率已达到50nm。但至今其现实的横向分辨率仍停留在50-20nm,表明在MFM现有的构架内分辨率已难以突破,要获得实质性的提高,需要有新的思想.