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(fā)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(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。當刻蝕停止后,會出現(xiàn)頻率下降的現(xiàn)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(wěn)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(guī)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(xiàn)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(tǒng)計出蝕刻速度與頻率偏移的聯(lián)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(jiān)控時間后,就會直接出現(xiàn)F-不良。

例如,在實際應用中,因為操作員沒有系統(tǒng)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(fā)現(xiàn)頻率分布整體偏低,接近20ppm。因為擔心現(xiàn)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(jiān)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(fā)現(xiàn)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(tài),就繼續(xù)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(xiàn)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(yè)技術繼續(xù)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(xù)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(xiàn),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(jié)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(yè)標準書如圖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(xiàn)。因此,本論文提出的方法可以提高產品的合格率。

晶振頻率標準的發(fā)展對于一個國家的經濟、科學與技術、國防和社會安全有著非常重要的意義。由于制造、交通運輸、通訊與信息技術的不斷迅猛發(fā)展,對時間和頻率測量的準確度和精確度要求也越來越高。導航、定位、大地測量、天文觀測、網絡授時和同步以及電網故障檢測中都需要高穩(wěn)定度和準確度的晶振頻率標準。按照頻率標準的性能指標和應用領域來劃分,可以將其分為一級頻率標準(銫原子頻標)二級頻率標準(包括銣原子頻標和高穩(wěn)石英晶體振蕩器)和其它頻率標準(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列出了常用頻率標準的準確度.

在各種高精度的頻率標準中,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驗室,應用范圍非常有限。雖然銣鐘和高穩(wěn)定度石英晶體振蕩器等二級頻標的頻率穩(wěn)定度不如一級頻標,但價格低廉,體積較小,應用范圍非常廣泛。它們被廣泛用于通信、計量、應用電子技術、電子儀器、航空航天、雷達和因防軍工等各個領域,作為關鍵器件發(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準的需求也有了明顯的增長。

石英晶振頻率標準的三個基本技術指標是準確度、穩(wěn)定度和老化率。晶振頻率標準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)定度和準確度主要是溫度和老化,因此,國內外正在投入大量精力研究修正這些影響。下面詳細介紹這三種技術指標

1.晶振頻率準確度

用來描述頻率標準輸出的實際頻率值與其標稱頻率值的相對偏差。因為受頻率標準內在因素和外部環(huán)境(如溫度、濕度、壓力、震動等)的影響,實際石英晶振頻率值并不是固定不變的,而是在一定范圍內有起伏的值。計算表達式如下:

式中A為頻率準確度;fX為實際頻率值;fO后為標稱頻率為了得到準確的fX,至少應進行6次測量,采樣時間應該選擇相應的頻率穩(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,使得在該時間內被測頻標的短期頻率穩(wěn)定度比其準確度高出一個數量級。

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起伏。二者在數學上是一對傅氏變換,因而是等效的。

實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稱值, m為測量的次數。

3.晶振老化率的表征和測量

單位時間內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,而在原子頻標中一般稱為漂移率。大多數頻標經過足夠的時間預熱后連續(xù)工作,在一段不太長的時間內頻率的漂移呈現(xiàn)近似線性變化的特點。

老化率實用計算公式:

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

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老化規(guī)律或倒數老化規(guī)律,所以從理論上講,每天測量的點數n越多越好。但是從實際測量和計算的方便來講,又希望n取得越少越好。通過大量的實驗,表明每天測量的次數n取兩次就可以了。經簡化后,每天測量的次數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:

原子頻標的日漂移率遠遠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,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上乘以系數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。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,導熱系數比較小(見表1.3.1)

表1.3.1石英晶體的導熱系數

室溫附近,沿z軸方向的導熱系數是沿垂直于z軸方向導熱系數的二倍左右與z軸成q角的任一方向的導熱系數可由下式求得(1.3.1)Kφ=K3cos²φ+K1sin²φ,其中K1是垂直于Z軸的導熱系數,K3是平行于z軸的導熱系數石英晶體的膨脹系數也很小,且沿z軸方向的線膨脹系數a3約為沿垂直于z軸方向線膨脹系數a1的1/2(見表1.3.2)。

表1.3.2石英晶體的線膨脹系數值

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ar：ar=2a1+a3 (1.3.4)

由于石英晶體的熱膨脹系數較小,因此可用于精密儀器中。但當它被加熱時, 體膨脹系數會發(fā)生很大變化。在溫度達573℃時,石英晶體由a石英晶體轉變?yōu)?/span>B石英,體積急劇增大。石英晶體諧振器內部產生的較強的機械應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為自然對數的底,A等于1.15×104B為相應的常數。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值除與晶體結構有關外,還與沿z軸方向孔道中堿金屬雜質(K+、Na+)的存在有關。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(描述材料介電性質的量,是電位移D與電場強度E的一個比例系數)的各向異性不很明顯,平行于z軸的介電常數ε3=4.6,垂直于z軸的介電常數ε1=4.5。在電場作用下,電介質發(fā)熱而消耗的能量叫介質損耗,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,比如溫補晶振,壓控晶振,有源石英晶體的介質損耗較小,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。當然,石英晶體的形變更復雜些,描述更困難些,這將在第二章中進一步講述。

某些電介質由于外界的機械作用(如壓縮、拉伸等)而在其內部發(fā)生變化產生表面電荷,這種現(xiàn)象叫壓電效應。具有壓電效應的電介質也存在逆壓電效應,即如果將具有壓電效應的介質置于外電場中,由于電場的作用,會引起介質內部正負電荷中心位移,而這位移又導致介質發(fā)生形變,這種效應稱為逆壓電效應。

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。由于其結構的特殊性,不是任何方向都存在壓電效應的,只有在某些方向,某些力的作用下才產生壓電效應。

例如:當石英晶體受到沿x軸方向的力作用時,在x方向產生壓電效應,而y、z方向則不產生壓電效應,當石英晶體受到沿y軸方向的力作用時,在x方向產生壓電效應,而y、z方向也不產生壓電效應。若受到沿z軸方向的力作用時,是不產生壓電效應。因此又稱x軸為電軸,y軸為機械軸。利用石英晶體的壓電效應可制造多種高穩(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(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了一個角度。

圖1.3.1石英晶體的雙折射

石英晶體的光學性質被應用到制造各種光學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。

一般認為,石英晶體被γ射線和高能粒子轟擊后,會產生結構空穴和色心,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。

一方面選擇最佳籽晶和生長條件;另一方面可使用“電清除”的方法驅逐晶體中的雜質。有人做過這樣的實驗: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,這時在負極表面出現(xiàn)由堿金屬雜質形成的乳白色薄層。顯然,這是一種高溫、高壓排除晶體中金屬離子等雜質的工藝過程。經過這種“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。