石英晶体离子刻蚀微调原理与应用

摘要:SMD石英晶体谐振器与石英晶体振荡器在现代通讯领域尤其数字家电产品中广泛应用。用实际机型探讨石英晶体元器件生产中刻蚀微调方式的原理与实践应用,以提高成品率和生产效率展开论述。

关键词:石英晶体;离子刻蚀;离子枪工作原理;频率;放电

中图分类号:TN405文献标识码:A

文章编号:1009-2374 (2010)21-0074-02

SMD石英晶体谐振器与石英晶体振荡器作为时钟波源有着体积小、频率稳定的特点,因此在现代通讯领域尤其数字家电产品中广泛采用。由于应用领域要求的精度越来越高,这样对石英晶体谐振器与石英晶体振荡器生产中微调工序的精度要求更高。离子刻蚀式微调是将石英晶片在镀膜工序形成电极的金属膜刻蚀掉一层,因此不存在以前蒸镀式微调所存在的两层电极膜、与镀膜层结合牢固度低、频率漂移大等缺点,且设备作业精度高,作业易于控制,因此行业中广泛采用离子刻蚀方式微调,用离子刻蚀方式生产像调整频差±3ppm的小公差产品成品率大大提升,高温老化后晶体频率变化小,且有产品在长期使用中稳定性高的特点。其中比较常用设备有日本昭和公司生产的SFE-6230C/6430C微调机,下面就此机型探讨离子刻蚀原理及日常应用心得。

1离子刻蚀作业的基础是离子枪,离子枪工作原理

离子枪工作原理结构剖面图如图1所示:

从其结构图上可看出离子枪主要组成部分:放电部分、离子加速部分、中和器部分(其中放电部分、离子加速部分置于一圆柱体腔内)。各组成部分的作用如下:

1.1放电部分

在高真空状态下,将钨丝通入高电流使钨丝发热致使其发出游离电子;这些游离电子在放电电源(电压基本不变)形成的阳极电场作用下,受到电场作用力向阳极做加速运动;由于电子还处于磁柱形成的磁场作用下,磁场使运动的电子做圆周运动或螺旋运动;因此,离子枪内的电子在电磁场的作用下做螺旋加速运动。这时向离子枪内充入氩气,高速运动的电子撞击氩原子使氩原子释放出电子,变为氩离子。

1.2离子加速部分

电离出的氩离子聚集在离子枪内,当要进行微调释放离子束时,离子束电源开关闭合,加速电源开关闭合。由于遮蔽钼片与加速钼片之间的电势差很大且两者之间的间距很小(小于1mm),在两钼片之间形成一个由遮蔽钼片向加速钼片的强加速电场,电子被遮蔽钼片(带正电压)吸附。当带正电的氩离子通过遮蔽钼片进入该电场后,就会受到一个强大的作用力使氩离子急剧加速,高速射出离子枪。氩离子的速率与两钼片的电势差有关,根据实际工作时设定的速率与钼片电压的关系如下:

设定速率(ppm/s) 1000 800 600 500 300 100 50

遮蔽钼片电压(V) 997 895 779 714 560 338 300

加速电压(V) 214 184 154 139 109 80 72

从上表可总结出,速率与电压之间的大致关系如下:

遮蔽钼片电压≈ 0.75*设定速率 + 296

加速电压≈0.15*设定速率+64

故可根据设定速率计算出钼片上的电压,当作业时实际电压与所计算电压有较大的差别,则离子枪工作状态存在问题,需要对离子枪进行维护保养。

1.3中和器部分

因为离子束的电荷会引起工件带电,其结果会使微调速度降低,因此必须使离子与电子的中和状态保持不变,所以用收集器电流的大小反馈给离子枪中和器电源使其放出适量的电子来中和多余的氩离子。

根据离子枪工作原理,离子枪钨丝需要较大的工作电流才能使其释放出电子;要使电子的速度达到可将氩原子内的电子撞击出来,使氩原子变为氩离子,放电电源应有较高的电压;氩离子经过遮蔽钼片、加速钼片后,要想将晶体电极上的银刻蚀下来,必须达到一个较高的速度,因此,遮蔽钼片与加速钼片之间应有较强的电场才可以使氩离子达到要求值,即两个钼片间应有较大的电势差才可以形成较强的加速电场。通过收集器反馈给中和器的信号使中和器释放出电子,就要求中和器灯丝上有一个较大的电流才可放出电子。上述各部分的电流、电压值随着微调速率设定值的变化而变化。实际作业数值如下:

钨丝电流 放电电压 遮蔽钼片电压 加速钼片电压 中和器灯丝电流

9A 45V 850V 180V 5A

9A 45V 300 60V 5A

综上所述,在实际生产中,可以根据各部分的仪表显示值来判断离子枪是否出现故障,并能判定故障的原因所在,及时进行解决,同时也能通过仪表显示对微调参数修改,使设备达到良好的状态。

2通过合理调整微调参数使每个离子枪在各段微调一支石英晶体的时间都0.6～1s之间,只有这样才可以节约时间提高设备利用率

由于离子刻蚀微调后会有频率负向飘移现象,刻蚀后频率漂移量与微调速率成正比,即速率越大频率漂移量也较大,当速率为1000ppm/s时约漂移100~300ppm,速率为300ppm/s时约漂移10~30ppm ,速率小于80ppm/s时漂移量基本消失,因此晶体频率越接近最终目标频率时速率应低,微调作业时宜采用两遍或三遍微调。在进行第一遍微调时设定的目标值与速率直接决定了后段微调量,若目标值太低,给下次微调的预留量过多就需要较长的时间;若目标值太高,由于速率较大,测试准确度不高,会使晶体频率超出最终目标值,形成废品。SFE-6230C微调机参数设置举例见下表:

参数 H M L

TARGET(ppm) 每段微调的目标值 -100 -30 0

ADJ.UP-LMT(ppm) 每段微调的上限值 -100 -35 -1

ADJ.LO-LMT(ppm) 每段微调的下限值 -5000 -800 -300

ADJ.RATE(ppm/sec) 每段微调速率值 1000 300 50

通过H或H、M段微调主要是将晶体频率接近目标值使得L段微调量减少,在较低速率下花费较少的时间达到目标值。每段微调的目标值比微调上限值要高是因为在微调挡板关闭时仍有一定的离子刻蚀在电极上,较高的速率会使的频率继续上升超过目标值,即超出最终要求的频率(以上微调值的设定不是一成不变的要根据实际的要求进行相应的修改)。在实际工作过程中,参数设置还要根据实际的微调速率、时间及与标准机的比对进行相应的修改。

由于每台设备是两个离子枪同时微调,因此各离子枪间的实际速率的一致性显得尤为重要,应按照操作规程的要求对离子枪进行维护,安装离子枪时应用定位器进行安装且各微调孔中心应与钼片中心对齐,这样就保证了各离子枪之间在微调参数设定一致的情况下,实际的微调速率与设定值相差不大,两个枪微调速率基本相同,在参数修改方面也就较为容易控制,这样微调一支产品所用时间也大致相同,不会出现速率正常的离子枪等待速率慢的离子枪的现象,提高了作业效率。

由上可见,只要我们能够按照上述的经验维护好设备,合理设置微调作业参数,就能将设备能力发挥出来,在稳定成品率的前提下,与调整之前相比较提高产出量30%,大大增加工厂效益。

参考文献

[1]设备说明书与设备厂商提供的其他资料.

作者简介:段宗涛(1977-),男,河北玉田人,唐山晶源裕丰电子股份有限公司助理工程师,研究方向:石英晶体元器件的研发与生产工艺。