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基于晶振離子刻蝕技術(shù)的頻率微調(diào)方法解析

來源：http://sanctuaryinlakeelmo.com 作者：億金電子 2018年02月28
基于晶振離子刻蝕技術(shù)的頻率微調(diào)方法解析
        1.頻率微調(diào)方法
         石英晶振的頻率是由石英晶振晶片的厚度以及電極膜的厚度決定的,為此,當(dāng)調(diào)整此厚度就可以調(diào)整石英晶振的頻率。石英晶振的制作過程是先將石英晶片從石英晶體上按一定角度切下,然后按一定尺寸進(jìn)行研磨,接著在晶片兩面涂覆金屬電極層,此時(shí)與目標(biāo)頻率相差2000ppm~3000p0m,每個電極層與管腳相連與周圍的電子元器件組成振蕩電路,隨后進(jìn)行頻率微調(diào),使其與目標(biāo)頻率的差可以減少到2ppm以下。最后加上封裝外殼就完成了。
        石英晶振的頻率微調(diào)是對每個石英晶振邊測頻率,邊調(diào)整電極膜的厚度。使頻率改變,達(dá)到或接近目標(biāo)頻率。電極膜厚的調(diào)整方法主要有兩種,真空蒸著法和離子束刻蝕法。
        真空蒸著法是在石英晶振晶片的電極膜上用加熱蒸著的辦法繼續(xù)增加電極膜的厚度, 達(dá)到調(diào)整頻率的目的。這種方法結(jié)構(gòu)簡單,易于控制。缺點(diǎn)是在石英晶振晶片表面產(chǎn)生多層電極膜,并且密著度會變差,當(dāng)石英晶振小型化時(shí),會使原來的電極膜和調(diào)整膜的位置發(fā)生偏移,使石英晶振的電氣性能降低。
離子刻蝕頻率微調(diào)法,是用離子束將電極膜打簿,調(diào)整石英晶振的頻率。因此,不會產(chǎn)生多層電極膜,也不會有電極膜和調(diào)整膜的位置偏移,石英晶振的電氣性能也不會降低。
       2.離子刻蝕頻率微調(diào)方法
       圖4-1是基于離子刻蝕技術(shù)的頻率微調(diào)示意圖,離子刻蝕頻率微調(diào)方法,當(dāng)照射面積小于2~3mm2,在beam電壓低于100V以下就可獲得接近10mA/cm2的高電流密度的離子束,離子束的刻蝕速度在寬范圍內(nèi)可進(jìn)行調(diào)節(jié)。圖中采用的是小型熱陰極PIG型離子槍,放電氣體使用Ar,流量很小只需035cc/min。在:圓筒狀的陽極周圍安裝永久磁石,使得在軸方向加上了磁場這樣的磁控管就變成了離子透鏡, 可以對離子束進(jìn)行聚焦。
       熱陰極磁控管放電后得到的高密度等離子,在遮蔽鉬片和加速鉬片之間加高達(dá)1200V高壓后被引出。并且可以通過對熱陰極的控制調(diào)整等離子的速度。用離子束照射石英晶振,石英晶體的電極膜,通過濺射刻蝕使得頻率上升米進(jìn)行頻率微調(diào)。在調(diào)整時(shí),通過π回路使用網(wǎng)絡(luò)分析儀對石英貼片晶振的頻率進(jìn)行監(jiān)控,當(dāng)達(dá)到目標(biāo)頻率后就停止刻蝕,調(diào)整結(jié)束。
       因?yàn)槭⒕д衽cπ回路之間用電容連接,離子束的正電荷無法流到GND而積聚在石英晶片上,使石英晶片帶正電荷。其結(jié)果不僅會使頻率微調(diào)速度降低,而且使石英晶片不發(fā)振,無法對石英晶振的頻率進(jìn)行監(jiān)控和調(diào)整。為此,必須采用中和器對石英晶片上的正電荷進(jìn)行中和。
4-1基于離子刻蝕技術(shù)的頻率微調(diào)示意圖
        在進(jìn)行離子刻蝕頻率調(diào)整時(shí),離子束對一個制品進(jìn)行刻蝕所需的時(shí)間為1~2秒, 而等待的時(shí)間約2秒,等待時(shí)間包括對制品的搬送和頻率的測量時(shí)間。在等待時(shí)間中, 是將擋板關(guān)閉的。如果在這段時(shí)間內(nèi),離子槍繼續(xù)有離子束引出,則0.5mm厚的不銹鋼擋板將很快被穿孔而報(bào)廢。為此,在等待時(shí)間內(nèi),必須停止離子槍的離子束引出。
        可以用高壓繼電器切斷離子槍的各電源,除保留離子槍的放電電源(可維持離子槍的放電穩(wěn)定)。這樣,在等待時(shí)間沒有離子束的刻蝕,使擋板的使用壽命大大增長。同是,出于高壓繼電器的動作速度很快,動作時(shí)間比機(jī)械式擋板的動作時(shí)間少很多,所以調(diào)整精度也可得到提高。
       3.離子束電流密度
        在圖4-1中,為了提高操作性,簡化自動化過程中的參數(shù)設(shè)定,只對beam電壓和放電電流進(jìn)行控制,而放電電壓和Ar流量保持不變,加速電壓取beam電壓的20%。
4-2不同beam電壓時(shí)放電電流與電流密度
        圖4-2表示的是在不同的beam電壓下,隨著放電電流的變化,石英晶振的電極膜處(與離子槍加速鉬片的距離為25mm)所測得的電流密度。從圖中可以知道,對于不同的beam電壓,放電電流變化時(shí),都有相對應(yīng)的放電電流使得電流密度達(dá)到最大。本文說所的晶振離子刻蝕頻率微調(diào)就是采用了各不同beam電壓時(shí)的最大電流密度進(jìn)行的。當(dāng)設(shè)定好調(diào)整速度后,根據(jù)計(jì)算決定beam電壓,然后根據(jù)該電壓下最大的電流密度計(jì)算出放電電流。
       4.離子刻蝕頻率微調(diào)加工工藝
       晶振離子刻蝕頻率微調(diào)加工工藝與真空蒸著頻率微調(diào)有相似處也有不同處。首先,兩種頻率微調(diào)方法都必須在高真空環(huán)境下進(jìn)行,因此在加工前都必須確認(rèn)真空腔的真空度是否達(dá)到要求,一般都要求在1×103Pa以上。其次還必須確認(rèn)真空腔的水冷設(shè)備沒有漏水現(xiàn)象,使用的真空泵需要用真空油時(shí)還要確認(rèn)真空腔內(nèi)沒有被油污染。接著還要保證石英晶振,石英晶體諧振器上沒有灰塵或臟污等異物附著,為了有效的控制異物,加工環(huán)境最好是5000級以下的凈化空間。離子刻蝕頻率微調(diào)加工除了要注意以上要求外,還必須注意到離子刻蝕后數(shù)秒內(nèi)頻率的偏移問題,這個問題將直接影響到生產(chǎn)效率和合格率。
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