陳 強(qiáng)

(蘇州大學(xué) 電子信息學(xué)院，江蘇 蘇州 215021)

離子束加工是在真空條件下，將惰性氣體通過離子源產(chǎn)生離子束，經(jīng)過加速、集束、聚焦后，照射到被加工表面上實現(xiàn)各種加工的方法[1].因為其具有加工精度和表面質(zhì)量高、加工材料廣泛、控制性能好等特點，被應(yīng)用于各種工業(yè)加工中.

頻率微調(diào)是石英晶振加工過程中涉及頻率調(diào)整的最后一道工序，其加工方法有手工打磨的方法、蒸發(fā)頻率調(diào)整法和離子蝕刻法[2].手工打磨的方法因其效率、合格率、精度低，目前很少使用.蒸發(fā)頻率調(diào)整法會使石英晶片的鍍膜產(chǎn)生偏移，鍍膜強(qiáng)度不均勻.離子蝕刻法雖然沒有鍍膜偏移、鍍膜強(qiáng)度不均勻的缺點，但是因為加工后數(shù)秒內(nèi)會有一定的頻率偏差，導(dǎo)致其精度、生產(chǎn)效率低于蒸發(fā)頻率調(diào)整法，因此不能完全取代蒸發(fā)頻率調(diào)整法.本文對離子蝕刻后產(chǎn)生頻率偏差的現(xiàn)象進(jìn)行分析，并提出可以降低此現(xiàn)象的加工工藝，使得離子蝕刻法的精度可以超過蒸發(fā)頻率調(diào)整法.

1 石英晶振的原理

1.1 石英晶振的形成及等效電路

石英晶體是單晶體結(jié)構(gòu)（SiO2)，其形狀為六角形晶柱，兩端呈六棱錐形狀.石英晶振是按照特定的方位角從石英晶體上切下一片薄片，然后根據(jù)特定的尺寸（由目標(biāo)頻率決定)研磨出的石英晶片，在晶片的兩面涂覆金屬層（根據(jù)需要可以是銀層或金層)，每個電級層與管腳相連，最后加上封裝外殼.

石英晶振的表示符號和等效電路如圖1所示.其中:L1為串聯(lián)等效電感;C1為串聯(lián)等效電容;R1為串聯(lián)等效電阻;C0為靜態(tài)電容.當(dāng)石英晶振不振動時，就相當(dāng)于一個平板電容.容量由石英晶片的幾何尺寸、電極的面積等決定.當(dāng)石英晶振振動時，石英晶片就等效成一個串聯(lián)諧振回路，其中:L1相當(dāng)于機(jī)械振動的慣性;C1相當(dāng)于石英晶片的彈性;R1相當(dāng)于石英晶片振動時由于摩擦而產(chǎn)生的損耗.因為L1很大，C1和R1很小，因此回路的品質(zhì)因數(shù)極高，可達(dá)100 000～1 000 000.[3-4]

圖1 石英晶振的表示符號和等效電路圖

1.2 石英晶振的溫度特性

溫度特性是石英晶振的一個主要的特性.石英晶振的頻率溫度特性主要由石英晶片的密度、外形尺寸以及彈性率的溫度特性決定的.將這三個特性合成后使之趨于0時，石英晶振的頻率溫度特性達(dá)到最優(yōu).因此，石英晶振設(shè)計的重點就是在指定溫度范圍內(nèi)追求這種最優(yōu)條件.

2 離子蝕刻的石英晶振頻率微調(diào)技術(shù)

2.1 離子蝕刻方法

用高能離子束照射石英晶片表面，對石英晶片表面的金屬層進(jìn)行蝕刻，使其變薄，從而實現(xiàn)頻率微調(diào).對石英晶振進(jìn)行頻率調(diào)整時，可以在2～3 mm2以下的面積照射，可得到beam電壓1 000 V以下，接近10 mA/cm2的高離子束電流密度，并且可以改變蝕刻速度.圖2中有一小型熱陰極PIG型離子槍[5]，使用氬氣作為放電氣體，流量很小（0.35 cc/min)，圓筒狀的陽極周圍使用永磁鐵給軸方向加磁場.熱陰極磁控管放電可以得到高效率、高密度的等離子.等離子可以通過加有1 200 V高壓的screen grid和加速grid引出，并且可以通過對熱陰極的控制調(diào)整等離子的密度.

頻率調(diào)整時，離子束蝕刻時間為1～2 s，搬送時間及離子束蝕刻前后的測量時間漸近2 s.如果擋板關(guān)閉時繼續(xù)有離子束引出，則0.5 mm厚的不銹鋼擋板將在二十幾個小時后穿孔而不能使用.為此，在擋板動作時就將離子束切斷并只維持放電狀態(tài).用高壓繼電器切斷離子束電源及加速電源，使得擋板的使用壽命大大增加，又因為高壓繼電器的動作時間小于2 ms，比機(jī)械式擋板的動作時間15 ms快很多，調(diào)整精度也可提高.

圖2 基于離子蝕刻技術(shù)的頻率調(diào)整簡圖

2.2 離子蝕刻后數(shù)秒內(nèi)頻率的偏移

離子蝕刻后石英晶振的頻率發(fā)生偏移，這將影響石英晶振的調(diào)整精度.如圖3所示，在蝕刻前，石英晶振的頻率相對目標(biāo)值是負(fù)的.隨后邊測定頻率邊用離子束照射晶振的電極，因電極被蝕刻使得頻率變高.當(dāng)離子束停止照射后，頻率將有所下降，開始幾秒變化較大，隨后慢慢變小，數(shù)十秒后就不再變化.

2.3 離子蝕刻后數(shù)秒內(nèi)頻率偏移的處理方法

這種頻率偏移的大小與石英晶振的頻率、晶片的形狀、離子束電壓、離子束電流密度、離子束的照射時間及調(diào)整量有關(guān).為此本文在測試離子束電壓不同時頻率偏移變化的基礎(chǔ)上提出了基于離子蝕刻的頻率微調(diào)工藝.

圖3 蝕刻后頻率偏移圖

在圖4中[6]，橫坐標(biāo)表示調(diào)整前與目標(biāo)頻率的偏差（也可以理解為調(diào)整量)，縱坐標(biāo)表示調(diào)整后與目標(biāo)頻率的偏差（也就是離子蝕刻停止后產(chǎn)生的頻率偏移).從圖4可看出，當(dāng)離子束電壓越大，蝕刻速度越快，調(diào)整量越大則產(chǎn)生的頻率偏移越大.并且頻率偏移量與調(diào)整量接近線性關(guān)系.因此，可以通過預(yù)調(diào)整來獲得調(diào)整量與頻率偏移之間的關(guān)系，然后根據(jù)再次調(diào)整前所測的頻率和預(yù)測可能產(chǎn)生的偏移，計算出控制擋板的開閉時間對擋板進(jìn)行精確控制，從而可以將離子蝕刻后的頻率偏移減得很小.

用AT方向切割角度的石英晶片300片進(jìn)行試驗.調(diào)整結(jié)束后目標(biāo)頻率為26.998 245 MHz，上下限為±20 ppm(頻率與中心頻率的偏差).這里采用兩段式頻率調(diào)整方法.第一段設(shè)定離子束電壓為550 V，放電電流為220 mA，實現(xiàn)大電壓、大電流的離子束對試驗晶片逐個進(jìn)行快速蝕刻調(diào)整.調(diào)整前平均頻率為26.928 597 MHz（即-2 579.71 ppm)，調(diào)整速率平均為1 538.01 ppm/s，調(diào)整結(jié)束時的平均頻率為26.994 700 MHz（即-131.28 ppm)，調(diào)整量平均為2 448.42 ppm，用時約20 min.在微調(diào)前測得平均頻率為26.994 349 MHz（即-144.31 ppm)，可以看出離子蝕刻頻率微調(diào)后平均有13 ppm的頻率偏移（最大的是35 ppm，最小的是0.4 ppm).第二段設(shè)定離子束電壓為310 V，放電電流為25 mA，實現(xiàn)小電壓、小電流的離子束對試驗晶片逐個進(jìn)行精密蝕刻調(diào)整.調(diào)整速率平均為152.43 ppm/s，調(diào)整結(jié)束時的平均頻率為26.998 431 MHz（即6.87 ppm)，調(diào)整量平均為151.19 ppm，用時約11 min.在10 min后測得平均頻率為26.998 365 MHz（即4.45 ppm)，可以看出離子蝕刻頻率微調(diào)后平均有2.42 ppm的頻率偏移（最大的是6 ppm，最小的是0.2 ppm).由此可見，采用兩段頻率調(diào)整法完全可以滿足對此石英晶片頻率調(diào)整的要求.

圖4 頻率調(diào)整量與頻率偏移的關(guān)系

3 結(jié) 論

通過實驗證實了采用兩段調(diào)整法可以極大地減少離子蝕刻后產(chǎn)生的頻率偏移.在此實驗中，最終的平均頻率偏移達(dá)到了4.45 ppm，對于頻率精度要求高的石英晶片可以采用三段頻率調(diào)整法，可以進(jìn)一步減少離子蝕刻的頻率偏移，最終可以減少到2 ppm以內(nèi).該方法可以使頻率微調(diào)精度接近甚至超過蒸發(fā)頻率調(diào)整法，離子蝕刻法與蒸發(fā)頻率調(diào)整法相比，有以下優(yōu)點:①加工時不需要供給輔料，因此可以減少加工時間，提高效率，降低成本.也不會因添加輔料而使制品污染，影響制品的電氣特性.②加工后不會產(chǎn)生多層電極膜，保證膜強(qiáng)度，提高頻率穩(wěn)定性.③不需要與電極膜尺寸一致的MASK，可以使制品小型化.由于離子蝕刻法具有諸多優(yōu)點，因而可以替代蒸發(fā)頻率調(diào)整法.

[1] 趙葛宵，李揚，鄭瑩娜.離子束去除加工原理探討[J].電加工與模具，2001（1):26-28.

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[3] 呂玉名.模擬電子技術(shù)[M].大連:大連理工大學(xué)出版社，2008.

[4] 趙聲衡，趙英.晶體振蕩器[M].北京:科技出版社，2008.

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