采用離子刻蝕進行晶振頻率微調,在刻蝕后晶振的頻率會發生偏移。這會使頻率調整精度低于真空蒸著頻率調整法。如圖4-4所示,離子刻蝕后石英晶振頻率會產生偏移,縱軸表示與目標頻率的偏差,單位是pm。在刻蝕前,石英晶振的頻率相對于目標頻率是負的。在調整時,一邊用測頻系統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。當刻蝕停止后,會出現頻率下降的現象。刻蝕剛停止的幾秒內,頻率下降較快,隨后下降會漸漸變緩,最后趨于穩定,不再變化。這種離子刻蝕后頻率偏移的原因比較復雜,其原因之一是因為離子刻蝕時對晶振晶片產生的熱應力。其理論依據比較深奧,在此不做討論。本文主要通過實驗,找出頻率偏移的規律,對石英晶振進行離子刻蝕加工時設定合適的參數,使得這種偏移在實際應用中產生盡可能小的影響。

現在用AT方向切割的石英晶片做成的石英晶振進行實驗,用離子束對晶片進行刻蝕,統計出蝕刻速度與頻率偏移的聯系。

實驗對象: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。目標頻率為26.998380MHz。晶片先用昭和真空生產的磁控濺射鍍膜機SPH-2500進行鍍膜,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頻率的差為2000ppm~300ppm之間。

實驗設備:離子束刻蝕頻率微調機使用昭和真空生產的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,進行較大刻蝕速度對石英晶振,貼片晶振進行刻蝕的實驗,測得偏移量。如表4和圖4÷5所示當刻蝕速度在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,進行較低刻蝕速度對石英晶體,石英晶體諧振器進行刻蝕的實驗,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。如果進一步控制刻蝕量,當刻蝕量降到100ppm時,刻蝕后偏移量僅為0.2ppm,基本接近于0。因此在實際生產時,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生的影響,提高產品的精度,可以采用3段加工模式,但是生產效率會有所降低)。

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,等加工到設定的中間目標頻率后停止刻蝕,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,等加工到設定的最終目標頻率后停止刻蝕,一段時間后,出于離子刻蝕后頻率偏移的影響, 使頻率下降,回到實際最終頻率,當實際最終頻率在公差范圍內就為良品,加工就結束。如果實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。

而在實際生產過程中,由于操作員缺乏相關理論知識,不能精確的對加工參數進行設定。使得加工的產品會因為刻蝕速度過快,產生較大的頻率偏移,或直接產生F+。而刻蝕速度太低不僅會降低加工的效率,當時間超過設備的監控時間后,就會直接出現F-不良。

例如,在實際應用中,因為操作員沒有系統的理解以上理論知識,當A品種的石英晶振在進行離子刻蝕微調時,發現頻率分布整體偏低,接近20ppm。因為擔心現F-不良,希望將整體頦率調鬲。此時應該確認是否是因為H段加工時的速度太慢, 導致L段加工前的頻率過低。使得在進行L段加工時,時間過長,超過了設備的監控時間,而強制停止L段加工。

而操作員沒有經過確認就主觀的將最終日標頻率調高, 發現頻率略有上升,但仍然偏低。就調高L段的刻蝕速度,剛開始有一定效果,但是沒有達到理想狀態,就繼續調高L段刻蝕速度,此時不但沒有效果,反而因為速度太高,刻蝕后的頻率偏移使得頻率有略微的下降。并且出現因刻蝕速度的太高而產生的F+不良(如圖4-8)。因為沒有專業技術繼續調整,并且認為不良品數量不多,為了趕快完成當日產量,就繼續加工制品。此時,因為H段的刻蝕速度低,影響加工效率, 并由于F+的出現,增加了產品的不良數。

圖4-8各參數設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,本文通過前幾節的知識和實驗數據,制定標準的參數。首先將最終晶振頻率設定在0pm。然后為了將L段加工的頻率偏移盡可能減少,就將L段的刻蝕速度設定為80ppm/s。為了控制L段的刻蝕量在100pm左右,將中間目標頻率設定在-45pm,H段加工速度設定為1600ppm/s,這是H段加工后的結果在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。使得最終實際頻率以晶振頻率為中心分布。將上述方法設定的參數作成作業標準書如圖4-9所示,讓作業員遵照執行。圖4-10是按此作業標準操作,對制品加L后的頻率分布。山圖中可以看出頻率是以日標頻率為中心分布的,并且分布比以前集中,也沒有不良出現。因此,本論文提出的方法可以提高產品的合格率。