第二步细频率微调率:根据第一步粗调结束后的分类结果,把晶片分类细调。把第一步粗调后频率相同或在满足一定误差允许范围内较接近的晶片放在一起, 放入真空室中进行第二步细调。用网络分析仪对晶片谐振频率进行实时检测,当到达目标频率时立刻采取措施停止蒸发。

蒸发频率微调技术的优、缺点

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体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。

磁控溅射频率微调在本课题中的应用

对于本课题而言,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谐振器进行频率微调时,也分为粗调和细调两步进行。

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)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。

离子束刻蚀频率微调

离子束刻蚀频率微调,与在国内工业生产中现在普遍应用的两种频率微调方法:蒸发频率微调技术和溅射频率微调技术,完全不同。蒸发频率微调技术和溅射频率微调技术是以增加膜层厚度的方法来改变晶片的总厚度,进而改变晶片总质量,最终改变晶片谐振频率,即所谓的“加”的方法;而离子束刻蚀频率微调采用的是减薄银层的方法来改变晶片的总厚度,进而改变晶片总质量,最终改变晶片谐振频率,即所谓的“减”的方法。

离子束刻蚀频率微调的机理

离子束刻蚀的机理是通过气体放电产生的等离子体,在一定电场的作用下可以产生高能量的离子,利用高能离子(原子)轰击靶材表面,使靶材的原子从靶表面被溅射出来,从而对靶表面形成刻蚀[26]。其原理图如下。

离子束刻蚀频率微调技术在本课题中的应用

对于本课题石英晶体振荡器的频率微调而言,离子源产生高密度、能量离子在引出系统的作用下,引出离子经电子中和后,轰击在晶片表面的银电极上,把银原子从电极层溅射出来,从而改变了晶片的总质量,进而对石英谐振器的谐振频率起到了微调的作用。

刻蚀过程分为粗调和细调两步。粗调达到一定频率值后,可以通过改变离子源引出系统的加速电压来方便地调小离子束流强度,这样便降低了刻蚀速率,方便第二步细调。如果刻蚀系统中引入实时频率检测系统和相应人机接口控制,整个微调频率过程中,不需要将晶片从真空环境中取出暴露在大气中;且通过人机个微调频率过程中,不需要将晶片从真空环境中取出暴露在大气中;且通过人机可以通过调节离子源的离子能量、离子束流、入射角和工作气压,来控制工艺参数和均匀性、重复性等问题。可见,离子束刻蚀频率微调相比蒸发频率微调技术和溅射频率微调技术有着很高的优越性。

目前国内釆用此种方法进行石英谐振器频率微调,仍处于研究阶段,只是在实验室做到了基频700~1000MHz,而生产中尚未采用该项技术。国际上,日本最先研制出了这种离子刻蚀系统并投入生产。继日本之后,美国的生产线上也出现了这种刻蚀系统。图1.5所示为日本昭和真空研制生产的热阴极离子枪结构图

图1.6所示为美国S&A,INC.公司研制生产的W-5920型晶片刻蚀系统[13]。该系统可一次刻蚀16片100mm厚的晶片,并可连续装片,刻蚀,卸片。刻蚀性能可达到lppm。