基于离子蚀刻技术实现石英晶振的频率微调
石英晶体振荡器频率重现性和准确度计算公式的变换
石英晶体振荡器频率重现性和准确度计算公式的变换王耀升(福建省计量科学技术研究所福州350003)目前我国频率和时间标准传递的方法基本上有二种:其一是直接比对,即搬运法,就是把被校频率源送到计量部门与高一级的标准频的频率准确度和频率重视性的计算公式进行变换,使之适用,不发生错误。
5MH z + 500Hz率源进行直接比对;其二是电波传递(包括电视广播传递)。
由于各种原因第一种方法仍被广泛地采用。
在直接比对中,我国各级计量部门基本上是采用频差倍增的方法。
实现频差倍增5MHz 标准压控晶振X 2锁相10MH z+ 1KH z混频1kHz+ N f计数→L ED显示↑微计算机方法的仪器有不少,国营星华仪器厂生产的XH 3591频稳测试仪就是其中一种。
被测频标XN 器板↓微型打印机XH 3591频稳测试仪工作在“不锁相”测频状态时,其测频准确度即为机内石英晶体振荡器的频率准确度,一般在1×10- 7与1×10- 8之间,“锁相”时,其测频准确度受显示位数及±1计数误差的限制一般在1×10- 9 ,只能检定准确度为1×10- 8以下的石英晶体振荡器,而且XH 3591频稳测试仪在测频工作状态时不能定时自动测量与打印测量结果。
因此XH 3591频稳测试仪的这二种工作状态不能用在较高精度的石英晶体振荡器的检定。
要想获得高精度的测量,必须使用外频标锁相,让XH 3591频稳测试仪功能在“长稳”状态,并且与XH43001频标切换器接口,可实现对10台以内的石英晶体振荡器进行自动测量。
可以测量石英晶体振荡器的频率准确度、日波动、频率重现性等技术参数。
XH 3591频稳测试仪工作在“长稳”测量状态时,由于该机工作原理决定了测量石英晶体振荡器的频率时,所显示的数值不能直接用来计算被测对象的频率准确度和频率重现性;否则会出现计算出来的结果与被测石英晶体振荡器的实际频率准确度和频率重现性绝对值一样,符号相反的错误。
石英晶体离子刻蚀微调原理与应用
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。
一种新型石英晶体频率微调机测控系统设计
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键
词： 微调机 ； 石英 晶体 ； 网络；Ｓ Ｕ Ｂ接 口
文献 标识 码 ： Ａ
中图分 类号 ： Ｐ７ ４ Ｔ １
Ａ ｅ ｍｅ ｓ ｒ ｍｅ ｔａ ｄ ｃ ｎ ｒ ｌｓ ｓｅ ｆ ｒ ｆｎ ｌｆｅ ｕ ｎ ｙ ｎ ｗ ａ ｕ ｅ ｎ ｎ ｏ ｔｏ ｙ ｔ ｍ ｏ ａ ｒ ｑ ｅ ｃ ｉ
ｒ ｓ ｌ ｅ ｔ ｅ ｄ ｓ ｄ ａ ｔ ｇ ｓ ｏ ｙ ｔｍｓ ｍａ ｅ ｉ ｈ ｎ ． Ｔ ｅ ｓ ｓｅ ｃ ｎ ｉ ｓ ｏ ｏ ｔ ｌ ｕ ｉ ｗ ｔ ｄ ａ ｃ ｄ ｅ ｏｖ ｈ ｉ ｖ ｎ ａ ｅ ｆｓ ｓ ａ ｅ ｄ ｎ Ｃ ｉ ａ ｈ ｙ ｔ ｍ ｏ ｓｓ ｆｃ ｎ ｒ ｎ ｔ ｉ ａ ｖ ｎ ｅ ｔ ｏ ｈ ＭＣ ｎ Ｐ Ｄ ａ ｏ ｅ ｃ ｉ ｓ ｆ ｑ ｅ ｃ ａ ｕ ｎ ｎ ｔｂ ｓ ｄ ｏ ｅ ｏ ｐ ａ ｅ ｔｃ ｎ ｑ ｅ ｉ Ｕ ａ ｄ Ｃ Ｌ ｓｃ ｒ ｈ ｐ ， ｅ ｕ ｎ ｙ ｍｅ ｓ ｒ ｇ ｕ ｉ ａ ｅ ｎ ｚ ｒ ｈ ｓ ｅ ｈ ｉ ｕ ｎ ｒ ｉ ｎｔ ｒ ｅｗｏ ｋ，
文 章 编 号：０８— ６ ８ ２０ ）ｌ ０ ３ — ３ １０ １５ （０６ Ｏ 一 ０ １ ０
一
种 新 型石 英 晶体 频 率微 调 机 测 控 系统 设 计
艾 方 ， 李 东， 王艳 林 ， 刚 刘
（ 北京机械工业学院 电子信息工程系 ， 北京 １ ０ ５ ０ ８） ０
摘
Ａ ｓ ａｔＡ ｎ ｗ ｍ ａｕｅ ｅ ｔ ｎ ｏ ｔ ｌ ｙｔ ｒ ｎｌ ｒｑ ｅ ｃ ｄｕｔ ｅ ｔ ａ ｈｎ ｓ ｅｉｎｄ ｔ ｂ ｔ ｃ ： ｅ ｅ ｓｒｍ ｎ ｄｃｎｒ ｓ ｍ ｆ ａ ｆ ｕ ｎ ｙａｊｓ ｎ ｃ ｉｅｉ ｄ ｓ ｅ ｒ ａ ｏ ｓ ｅ ｏ ｆ ｅ ｉ ｍ ｍ ｇ ｏ
《苏州市职业大学学报》2011年第1-4期(第22卷
基于Ｆ ｅＢ Ｄ ｒｅ Ｓ 系统的云计算平 台搭建 ………………………… 陆 侃 ，傅颖丽 ，张 量 ，田立 炎 （２２ ０ ）３ 社保信息系统 中数据迁移的实现…………………………………………………… 陈 园园，陶 飞 （２２ ０ ）７
一
种改进 的动态 自适应 网络安全模型Ｐ Ｄ ２ ＷＲ ………………………沈 萍萍，张 ２
震 ，杨静波 （１３ ０ ）３ 零 （１３ ０ ）６ 寰 （ ）ｌ ｏ ｏ ２
硅芯 片封 装中改善芯片崩裂的划 片工艺 ………… ……………………………………………庞 单模光纤及链路偏振模色散 的实测研究 ………… ………………………………… 俞兴明，李
华 （３ １ ０） ４
钰 （３ ５ ０） ４
科技论文编校 中易混淆符 号的辨析 …………………………………………………………… 沈风英 （ ）ｌ ０ ５ ４
计 算 机 应 用技 术
分布式飞行仿真 中通信方案的设计和实现 …………………… 郭翠珍 ，郭 剑 ，梁颖 红，谭方 勇 （２１ ０ ）４
基 于ＡＶ 单片机 的步进 电机驱动设计与应用 ……………………………… ……………… 吴 震 （３３ Ｒ ０ ）７ 基于Ｍａ ａ 的单 闭环直流调速 系统仿真实验设计 ｌ ｆｂ ……………………………… 尚 丽 ，陈 杰 （ ）１ ０ ０ ４
电磁 式继 电器特性参数测试仪 的设计 …………… ………………………崔
双馈 式风力 发电机励磁系统的矢量控制研究 …… ………………………………… 张 丽 ，尚
一种用于晶体谐振器的离子刻蚀微调机的制作方法
一种用于晶体谐振器的离子刻蚀微调机的制作方法制作步骤：
一、准备材料：晶体谐振器、铝基板、磁芯、绝缘材料、电路元件、金属轴承等。
二、安装晶体谐振器和铝基板：在铝基板上安装好晶体谐振器，确保谐振器可以良好的固定在板上。
三、安装磁芯：磁芯主要用来调节晶体谐振器的频率，将磁芯安装在谐振器的相邻位置。
四、安装绝缘材料和电路元件：在磁芯和晶体谐振器之间垫上绝缘材料，并将电路元件安装在相应的位置。
五、安装金属轴承：金属轴承负责在晶体谐振器上提供一个空腔，安装到振器的调节端。
六、测试：连接好相应的电器、控制器，并用电子仪表进行测试，检查系统是否正常工作。
石英晶体频率校准方法电路图
石英晶体频率校准方法电路图
石英晶体频率校准方法
大家知道用石英晶体制成的振荡器其频率稳定性很高，然而如何确定晶体的频率或判断晶体是否合格、或从众多的晶体中挑选晶体已知频率是否合乎标称值等等确是一个难题。
这里介绍一种校准石英晶体频率的方法，其校频电路简单适用，无论用来挑选晶体或检查晶体的好坏、或校频等均可使用。
该校频电路由集成块CD4069组成，见下图。
使用时首先校准测试电路，先将频率计接于4脚，将一枚标准晶体接于A、B两点间，再调节微调C1和C2直到频率计读数为标准晶体的频率值，此时测试电路校准完毕。
然后从A、B两点取下标准晶体，接上待测晶体，此时频率计显示数即为待测晶体的标准频率值。
若频率计显示为零，说明晶体是坏的；若频率计显示不稳定，说明待测晶体为不合格品。
此种方法已被厂家用于检测晶体之用。
电感耦合等离子刻蚀法加工石英晶体谐振器工艺研究
第42卷第9期2023年9月硅㊀酸㊀盐㊀通㊀报BULLETIN OF THE CHINESE CERAMIC SOCIETY Vol.42㊀No.9September,2023电感耦合等离子刻蚀法加工石英晶体谐振器工艺研究陈静白1,张新海1,刘㊀峰2(1.南方科技大学电子与电气工程系,深圳㊀518055;2.广东惠伦晶体科技股份有限公司,东莞㊀523757)摘要:为了制备石英晶体谐振器,在石英衬底上采用光刻和电感耦合等离子刻蚀技术制备台阶形貌,研究了制备过程中激励电源功率㊁偏压电源功率以及导热物质等工艺参数对刻蚀效果的影响㊂并且利用扫描电子显微镜对刻蚀图形的表面形貌进行了观察,通过实验与分析得到了符合工业生产要求的工艺参数㊂最后在最优工艺参数条件下,制得了高约22μm 的整齐的台阶形貌,并将干法刻蚀的结果与湿法刻蚀对比,展现了干法刻蚀的特点以及干法刻蚀应用于工业化生产石英晶体谐振器的潜力㊂关键词:石英晶体;光刻;电感耦合等离子刻蚀;工艺参数;台阶刻蚀中图分类号:TH162㊀㊀文献标志码:A ㊀㊀文章编号:1001-1625(2023)09-3395-07Fabrication of Quartz Crystal Resonator by Inductively Coupled Plasma Etching MethodCHEN Jingbai 1,ZHANG Xinhai 1,LIU Feng 2(1.Department of Electrical and Electronic Engineering,Southern University of Science and Technology,Shenzhen 518055,China;2.Guangdong Faith Long Crystal Technology Co.,Ltd.,Dongguan 523757,China)Abstract :In order to fabricate quartz crystal resonators,the step morphology was prepared on the quartz substrate by photolithography and inductively coupled plasma etching.The influences of the process parameters such as the excitation power,the bias power and the heat-conducting substance on the etching effect were studied.The surface morphology of etched pattern was observed using scanning electron microscope,and the process parameters which meet the requirements of industrial production were obtained through experiment and analysis.Finally,the vertical step morphology with a height of about 22μm was obtained using optimized processing parameters.The characteristics of dry etching and the feasibility of dry etching for industrial production of quartz crystal resonators were demonstrated by comparing with wet etching.Key words :quartz crystal;photolithography;inductively coupled plasma etching;processing parameter;step etching收稿日期:2023-05-16;修订日期:2023-06-13基金项目:东莞市重点领域研发项目(20201200300112)作者简介:陈静白(1997 ),男,硕士研究生㊂主要从事石英晶体谐振器制备的研究㊂E-mail:12032216@通信作者:张新海,博士,教授㊂E-mail:zhangxh@ 0㊀引㊀言石英晶体谐振器(下文简称石英晶振)的主要作用是产生稳定的振荡信号,广泛应用于通信㊁计算机㊁医疗㊁汽车等领域㊂石英晶振可以自身产生特定频率的振荡信号,也可以作为电路中的谐振元件使用㊂随着通信和计算机设备的快速发展,对石英晶振的要求也越来越高,其中,高基频是石英晶振提升的方向之一㊂石英晶片的各种切型中,AT 切型的应用最为广泛㊂对于AT 切型石英晶片,在理想情况下它的振动频率与晶片的厚度近似成反比[1-2],因此生产高基频的石英晶振就需要更薄的石英晶片㊂石英的加工方式主要有机械加工㊁湿法刻蚀加工和干法刻蚀加工等㊂其中,机械加工可以提供足够高的减薄效率[3],但是加工过程中容易造成材料的损伤,且在加工尺寸较小的石英晶振时,平滑度与精度都难以保证[4]㊂湿法刻蚀加3396㊀新型功能材料硅酸盐通报㊀㊀㊀㊀㊀㊀第42卷工是目前高基频石英晶振生产的主要方案,使用主要成分为氟化氢的溶液,辅以氟化铵或其他缓冲液[5],但是容易受到石英的各向异性影响,同时较为合适的腐蚀液的配方也在研究之中[6]㊂除这些之外,干法刻蚀加工也是一条解决问题的途径㊂在石英表面使用金属代替光刻胶充当掩膜可以有效阻挡干法刻蚀的气体侵蚀,从而制备出清晰光滑的台阶结构[7]㊂电感耦合等离子(inductively coupled plasma,ICP)刻蚀是石英干法刻蚀的有效方式[8-11],对于垂直台阶结构的刻蚀效果,如垂直度㊁粗糙度等方面表现优秀,但是目前还未被用于实际生产㊂20世纪50年代起,美国科学家就意识到,通过传统机械研磨来提高石英晶振基频的方法陷入了瓶颈,因此需要尝试其他方法来减薄石英片㊂1972年,Guttwein 等[12]首先设计出包含台阶结构的石英晶振模型,并提出使用离子束刻蚀法来进行石英晶振制备㊂1978年,Berte 等[13]同样使用干法刻蚀技术制备出了基频高达271MHz 的石英晶振㊂我国科学家也利用离子束刻蚀法制备出了基频高达300MHz 的石英晶振,但却因为品质与加工难度等因素未能实现量产㊂近年来,考虑到湿法加工的便捷性,各大企业逐渐选择湿法加工作为石英晶振量产的主要手段㊂然而,近年来的许多研究都围绕着提高石英晶振的品质,在设计石英晶振时使用了较多的台阶结构[14],对于电极的外形也进行了非常多的优化[15-16]㊂而干法刻蚀在这些复杂结构的制备中具备很大优势[17]㊂除此之外,为了提高生产的精度,石英晶振在后续的微调工艺中也需要使用干法刻蚀工艺[18]㊂因此,干法刻蚀在未来高基频石英晶振的生产中具有很大潜力㊂尽管目前对于石英晶振的制备工艺已经有很多的研究,但是,一方面在不同的环境与设备操作下的制备效果不尽相同,因此每次产品制备都需要对配方进行研究和调试;另一方面,我国高基频石英晶振的产业化道路起步较晚,在国内诸多工厂工业生产中,光刻与刻蚀工艺刚初步引入,流程尚不成熟,亟须大量数据的积累㊂因此,对于石英晶振制备工艺的自主研发必不可少㊂本文将通过实验研究干法刻蚀的步骤与各个工艺参数对刻蚀效果的影响,对比干法刻蚀在实际石英晶振生产中的优势与不足,展示干法刻蚀加工在石英晶振工业生产中的可行性和应用前景㊂1㊀实㊀验主要实验环节包括光刻与刻蚀㊂在曝光流程中,选择了德国SUSS MA6/BA6曝光机作为此次实验的光刻设备,其分辨率可以达到1μm,并且具有上下两对摄像头,以保证正反面对位都可以进行㊂石英刻蚀选择在ICP 刻蚀系统中进行,该系统有两个高密度等离子体源㊂其中,ICP 源是一个平面电极在反应室顶部的螺旋线圈,能量由频率为13.56MHz 的射频电源提供,或称为激励电源㊂偏置电源(或偏压电源)的频率与之相同,放置在反应室底部㊂ICP 刻蚀过程中同时存在着物理和化学反应,对掩膜的刻蚀主要是离子进行物理溅射造成的㊂衬底的刻蚀主要是化学反应引起的,但也存在物理反应的增强作用[19]㊂刻蚀过程中各参数的选择对刻蚀后的形貌起着关键作用㊂图1㊀干法加工石英的实验流程示意图Fig.1㊀Experimental flow schematic diagram of dry processing quartz 石英刻蚀常常选用氟基气体作为刻蚀气体,常用的包括C 4F 8㊁CHF 3与SF 6等[20]㊂本次实验使用的气体为CHF 3㊂实验流程示意图如图1所示,详细步骤为:1)选取厚度大约为68μm 的二寸石英晶圆㊂考虑到相比电镀,磁控溅射的均匀性与附着力较好,因而使用磁控溅射设备对石英晶片镀铬,在两面分别生长5μm 左右的铬膜㊂2)将光刻胶RZJ-304-50旋涂在镀铬的晶圆上,转速为5000r /min,接着在100ħ的热板上烘烤180s,匀胶厚度在2μm 左右㊂3)将烘烤后的晶圆置于曝光机下曝光㊂本次实验晶圆质量较小,而光刻胶具有一定黏性,为了避免晶圆被吸附在光罩上,选择使用soft contact 模式,曝光时间6s,随后使用RZX-3038显影液进行显影,大约持续60s,最后置于120ħ的热板烘烤90s 坚膜,完成单面的软掩膜制备㊂4)使用硝酸铈铵铬刻蚀液对晶圆进行湿法刻蚀,大约15min 后即可将没有光刻胶保护的区域刻蚀干净㊂5)依次使用丙酮㊁异丙醇㊁无水乙醇和去离子水进行超声清洗,各清洗5min,将表面光刻胶去除,然后第9期陈静白等:电感耦合等离子刻蚀法加工石英晶体谐振器工艺研究3397㊀烘干,完成硬掩模上图案的制备㊂6)开始进行刻蚀工艺㊂7)取出后依次使用丙酮㊁异丙醇㊁无水乙醇和去离子水清洗㊂其中,干法刻蚀工艺的主要步骤如表1所示㊂表1㊀干法刻蚀的步骤Table 1㊀Steps of dry etchingParameterStep 1Step 2Step 3Step 4Step 5Time /s 30806040060Chamber pressure /(mTorr)88888Flow of Ar /(500cm 3㊃min -1)00202020Flow of O 2/(300cm 3㊃min -1)5050555Flow of CHF 3/(200cm 3㊃min -1)00100100100Excitation power /W 01000Undetermined 0Bias power /W 0400Undetermined 0㊀㊀Note:1Torr =133.3224Pa.在Step 1与Step 2中通过氧气预先进行表面的清洁,然后从Step 3开始通入刻蚀气体,刻蚀时间的增加主要是通过后续Step 4与Step 5交替进行来实现的㊂在完成刻蚀后,会继续使用氧气进行一次干法清洁,最后进行充气,随后将样品取出㊂2㊀结果与讨论2.1㊀金属掩模的选择常用的硬掩模包括Ni㊁Cr㊁Al 和Au 等金属,此外,Al 2O 3与AlN 作为掩膜有着很高的选择比,也是备选的掩膜方案[21]㊂在石英晶振生产过程中,制备电极时需要的金属包括Au㊁Ag 和Cr,因此,尽管其他成分与结构的掩膜具有很多优势,但是在实际生产过程中可操作性与效率较低㊂与Cr 相比,Au 与石英热膨胀系数差距过大,这可能导致在温度变化时附着效果变差,不仅会对石英晶振的后续刻蚀产生影响,还会对石英晶振性能有所影响,因此实际制备中通常先沉积一层较薄的Cr,再在其上面镀Au㊂但是,考虑到Au 作为掩膜的选择比并不高,并且使用两层金属做掩膜会增加工序,延长时间,提高成本㊂因此使用Cr 掩膜更加符合工业生产的要求,最终选择使用单一的Cr 掩膜作为刻蚀掩膜方案㊂2.2㊀激励电源功率探究图2㊀刻蚀速率和选择比与激励电源功率的关系Fig.2㊀Relationship between etching rate and selection ratio with excitation power 相比于反应离子刻蚀,ICP 刻蚀最大的优势是在系统上端增加了用于激发等离子的射频电源,因此激励电源的功率也是影响ICP 刻蚀过程的重要参数㊂根据设备功能,本次实验使用的激励电源功率最大可达600W,因此设定这一参数在200W 至600W 之间㊂通过改变激励电源功率,进行了大量实验,得到的刻蚀速率和选择比与激励电源功率的关系如图2所示㊂由图2可见,随着激励电源功率的增加,刻蚀速率明显增加,但是选择比的变化并不显著㊂这是因为在一定范围内,较大的等离子密度有利于化学和物理刻蚀㊂因此,在此次制备中,选取了最高的激励电源功率600W 作为后续的实验参数㊂但是过大的激励电源功率对于装置和腔体的散热提出了更高的要求㊂2.3㊀偏压电源功率探究干法刻蚀相较于湿法刻蚀,速率相对稳定,不易受外界因素影响㊂其中偏压电源功率决定了等离子加速冲击时的能量,对于刻蚀速率的影响很大㊂此外,增加偏压电源功率也强化了物理刻蚀效应,因此会削弱选3398㊀新型功能材料硅酸盐通报㊀㊀㊀㊀㊀㊀第42卷图3㊀刻蚀速率和选择比与偏压电源功率的关系Fig.3㊀Relationship between etching rate and selection ratio with bias power 择比,对掩膜提出更高要求㊂参考之前的实验数据,本实验中选择了厚度较大的5μm 的铬掩膜来进行刻蚀,在监控达到目标深度(20μm)时停止,改变偏压电源功率观察实验结果㊂将激励电源功率设置为600W,而将偏压电源功率作为待定参数进行实验㊂本设备可使用的最大偏压电源功率为100W,本次实验使用的偏压电源功率设定在30~80W㊂刻蚀速率和选择比与偏压电源功率的关系如图3所示,随着偏压电源功率的增加,刻蚀速率逐渐增加,但是选择比相应减小㊂在实际生产中,制备掩膜所需要的时间也会被计算在成本之中,而且过厚的掩膜会受到热应力而产生问题,对镀膜工艺要求更高㊂目前使用磁控溅射制备铬掩膜,需要分层制备,每层为1μm,当制备到4层以上时,晶圆受到应力作用,破损率超过10%,不利于后续制备㊂而掩膜厚度存在限制,所对应的选择比应当不低于5,所对应偏压电源功率大约为60W,若使用较低的50W 功率,在刻蚀时需要额外花费1~2h,降低了效率,因此选择了60W作为最终的偏压电源功率,在保证一定的选择比的情况下尽可能增加刻蚀速率㊂2.4㊀导热物质探究当偏压电源功率大于40W 时,石英表面因为受到等离子冲击形成了大量粗糙形貌,如图4(a)所示㊂这可能是由于在长时间高功率的等离子刻蚀中,热量不易快速均匀地传导给托盘,从而形成了粗糙的形貌㊂因此,导热物质的选择对刻蚀效果的影响很大㊂本实验设定了三种导热物质,包括光刻胶㊁泵油与真空硅脂,通过实验对三者进行了对比,如表2所示㊂考虑到本次的刻蚀是基于双面的深度刻蚀(40μm 以上),需要使用易于去除㊁可支持长时间实验的导热物质,因此最终决定使用泵油作为导热物质,使用效果对比如图4(a)和(b)所示㊂图4㊀是否使用泵油导热的刻蚀情况对比Fig.4㊀Comparison of etching conditions using pump oil for heat conduction or not表2㊀不同导热物质的对比Table 2㊀Comparison of different heat conducting substances导热物质优势不足光刻胶可以被均匀旋涂到晶圆上,因而消除了分布不均或者存在气泡的问题刻蚀环境中水分流失快,失去水分后导热能力下降很快,适用于短时间刻蚀泵油成本低,导热好,液态油渍可以使用有机溶剂去除在刻蚀中有泄漏和流动的风险,因而需要密封,操作复杂,可能造成许多衍生问题真空硅脂导热性好,而且实际操作时不用考虑流动和泄漏的问题,操作简易脂状物质的黏附不易去除,因而仅适合于单面加工的晶圆第9期陈静白等:电感耦合等离子刻蚀法加工石英晶体谐振器工艺研究3399㊀2.5㊀台阶形貌表征综合上述实验结果,基本确定了最佳的掩膜方案与刻蚀参数,如表3所示㊂在这一条件下获得了符合要求的刻蚀效果,如图5所示,刻蚀深度达到22μm 左右㊂表3㊀本实验得到的最佳的掩膜方案与刻蚀参数Table 3㊀Most suitable mask scheme and etching parameters in this testParameter Etching gas Hard mask Excitation power /W Bias power /W Heat conducting substance Result CHF 3Cr 60060Pumpoil图5㊀改进后的干法刻蚀结果Fig.5㊀Improved dry etching effect 2.6㊀干法与湿法刻蚀对比干法刻蚀加工的优势主要体现在以下几个方面:1)安全性湿法刻蚀设备不易在真空密闭环境下进行,氟化氢等液体均具有挥发性,因而在大规模生产时可能会对工作环境造成不利影响,操作者也会有一定风险㊂干法刻蚀腔体密闭真空,因此操作时风险较小㊂2)侧壁形貌干法刻蚀后的台阶垂直度较好,这有利于石英晶振的设计和误差控制㊂添加对照组1与对照组2,其中对照组1使用6ʒ1的BOE(buffered oxide etch,缓冲氧化物刻蚀液)的湿法刻蚀,对照组2为未添加导热物质的干法刻蚀,均进行了20μm 深度的刻蚀㊂对比情况如表4所示,粗糙度是在晶圆中心选取长度为500μm 的直线测量所得㊂表4㊀不同刻蚀方法下刻蚀效果对比Table 4㊀Comparison of etching effect by different etching methodsParameter Criterion group Control group 1Control group 2Etching rate /(nm㊃min -1)171.6113.2164.8Step angle /(ʎ)94.2999.7194.46Degree of anisotropy A0.920.840.92Bottom roughness Ra /nm 4.92 3.39324.50对比标准组与对照组1可以发现,二者的粗糙度都很低,并且十分相近(均小于10nm,已经接近测量仪器的分辨率)㊂同时干法刻蚀的标准组台阶垂直度明显好于湿法刻蚀制备的样品,刻蚀的各向异性也较好㊂接着对比标准组和对照组2,尽管刻蚀速率上相差不大,但是刻蚀效果要差很多㊂在长时间的刻蚀中,因为导热效果差,晶圆表面出现大量缺陷,因而表面粗糙情况要差很多㊂此外,湿法刻蚀因为具有一定程度的各向同性,对掩膜下的石英可能会产生侧面侵蚀,图6是湿法刻蚀了30μm 深度时出现的情况,掩膜下方石英被侧蚀后,其上的光刻胶出现了褶皱状,部分区域甚至脱落㊂在大规模生产时这一情况可能积累,从而影响边缘处掩膜和石英的接触,这也会对后续的工艺产生影响㊂3400㊀新型功能材料硅酸盐通报㊀㊀㊀㊀㊀㊀第42卷3)可控性湿法刻蚀中氢氟酸挥发性强,刻蚀速率受浓度影响,实际生产中需要对浓度进行实时监控和调整,费时费力㊂而干法腐蚀的速率相对固定,因而在操作时便于控制㊂本研究针对干法刻蚀与湿法刻蚀进行了多次实验,不同刻蚀手段与刻蚀速率的结果如图7所示,刻蚀速率的标准差见表5㊂图6㊀湿法刻蚀中光阻上出现的褶皱状样貌Fig.6㊀Wrinkled appearance on photoresistance in wetetching 图7㊀干法刻蚀与湿法刻蚀速率的多次重复实验结果Fig.7㊀Results of repeated experiments on dry etching and wet etching rate表5㊀不同刻蚀方法下刻蚀速率的标准差Table 5㊀Standard deviation of etching rate by different etching methodsExperiment Wet etching (65ħ)Dry etching (30W)Dry etching (50W)Dry etching (60W)Standard deviation 0.54380.05480.14330.0188在重复了数次实验后可以发现,湿法刻蚀的速率变化波动较大,可能是受到外界环境影响大,控制起来相对较难㊂而干法刻蚀较稳定,在控制刻蚀时比较容易,在一些要求较高的刻蚀时更加合适㊂当然,干法刻蚀也存在一定不足㊂在实际生产中,为了保证刻蚀速率,需要使用相对较大的功率进行刻蚀,因而最终选择比可能相对较小,因而需要更厚的掩膜方案㊂本实验中使用的单一铬掩膜厚度达到了5μm,文献报道中也有使用三明治夹层结构的掩膜方案以及使用氧化铝等其他材质的方案,但这些掩膜在实际制备时需要付出额外的时间成本,而且因为应力作用,晶圆破碎的风险增加㊂在磁控溅射沉积单层金属时,大约有5%~10%晶圆在这一步骤被损耗,多层溅镀会大大提高这一风险㊂同时,设备与耗材的成本都相对较高㊂3㊀结㊀论1)激励电源功率的提升有利于等离子密度的增加,从而对刻蚀速率有较为明显的提升,而对掩膜选择比的影响相对较小,因此选择600W 激励电源功率㊂2)偏压电源功率控制着等离子撞击石英材料的速度,因此偏压电源功率的提升也同样有助于加快刻蚀,但是对掩膜的刻蚀也会增强,因而会降低掩膜的选择比,因此选择了适中的60W 作为实验参数㊂相应地,考虑到掩膜的制备也需要时间成本,而且为了减少晶圆破裂的风险,可将偏压电源功率控制在一个适中的范围㊂3)导热物质泵油㊁光刻胶以及硅脂,三者各有优劣,最终选择流动性相对较强的泵油作为导热物质,在传热效果以及清洗手段方面有一定优势㊂4)按照优化参数与流程在68μm 厚度的石英晶圆上进行了台阶刻蚀实验,台阶高度基本达到了所需要的22μm,并且垂直度与形貌均达到了较好的效果㊂5)通过控制干法刻蚀参数可以保证在刻蚀速率㊁粗糙度与湿法刻蚀相近的情况下,得到垂直度优于湿㊀第9期陈静白等:电感耦合等离子刻蚀法加工石英晶体谐振器工艺研究3401法刻蚀的结果,掩膜的制备也具备可操作性㊂因此干法刻蚀可以在刻蚀石英晶振时取代湿法刻蚀,应用于工业化石英晶振的生产㊂参考文献[1]㊀HELLE J.VCXO theory and practice[C]//29th Annual Symposium on Frequency Control.Atlantic City,NJ,USA.IEEE,2005:300-307.[2]㊀TIERSTEN H F.Linear 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石英晶振器件的激光刻蚀频率微调研究的开题报告
石英晶振器件的激光刻蚀频率微调研究的开题报告1. 研究背景石英晶振器件是现代电路中常用的一种振荡器件，其应用广泛，包括通信、计算机、精密仪器等领域。
石英晶振器件的频率稳定性极高，然而在实际应用中，微小的频率偏差仍然会对电路的性能造成影响。
因此，对石英晶振器件的微调成为了一个研究热点，其中激光刻蚀频率微调技术是一种有效的手段。
2. 研究目的本研究旨在探究利用激光刻蚀技术进行石英晶振器件频率微调的方法和原理。
通过对激光刻蚀技术参数的优化调整，实现对石英晶振器件频率微调的效果优化，并通过实验证明该方法的实用性和有效性。
3. 研究内容和方法本研究将从以下几个方面展开：（1）激光刻蚀技术的基本原理和适用性；（2）石英晶振器件频率微调的实验方案设计，包括激光刻蚀参数的测定和优化；（3）石英晶振器件的性能测试和性能评价，包括频率稳定性和微调后的频率精度和稳定性等指标；（4）对实验结果进行数据分析和统计，并总结优化激光刻蚀技术对石英晶振器件频率微调的影响。
4. 研究意义本研究的成果将进一步促进石英晶振器件在电子领域的应用。
石英晶振器件的微调问题一直是电路设计中的难点和瓶颈之一，本研究的成果将有助于提高电路的稳定性和可靠性。
同时，本研究还将为激光刻蚀技术的发展提供有益借鉴。
5. 研究进度安排第一年：（1）文献综述和理论分析；（2）激光刻蚀和石英晶振器件的实验室制备；（3）激光刻蚀参数对石英晶振器件频率微调的影响实验；第二年：（1）石英晶振器件微调效果的实验验证；（2）石英晶振器件频率稳定性和微调后的频率精度和稳定性等指标的性能测试和性能评价；（3）数据分析和统计，总结研究成果并撰写论文。
石英晶振激光减薄调频技术的研究
书山有路勤为径，学海无涯苦作舟
石英晶振激光减薄调频技术的研究
石英晶振的谐振频率在出厂前需要进行微调，使之达到需要的标称值。
传统微调采用蒸发镀膜法，存在一致性和膜层可靠性差的问题。
本研究把
激光微加工技术应用于该领域，利用激光使电极膜层汽化减薄，从而使晶振的
频率升高到预期值。
本文重点研究了激光器的工作电流和Q 脉冲宽度对晶振频率微调的影响。
对标称频率为10MHz 的石英晶振进行激光调频实验，当激光器工作电流为11A，激光脉冲宽度为8μs 时，晶振的频率调节量与刻蚀次数的关系如类似地，分别固定激光器工作电流，调节激光Q 脉冲宽度或固定激光器Q 脉冲宽度，调节激光器工作电流进行调频实验后发（1）若工作电流比较小或Q 脉冲宽度比较大时（本研究中电流小于10A 或Q 脉冲宽度大于10μs），激光脉冲的峰值能量达不到银的刻蚀阈值，无法对晶振频率进行有效微调。
（2）增加工作电流或减小Q 脉冲宽度能提高激光脉冲的峰值能量，当激光脉冲能量达到一定值时（本研究中电流为11A、Q 脉冲宽度为4μs～8μs），频率微调量与刻蚀次数近似呈线性关系，微调量易于控制且刻蚀后晶振其它电性能参数变化不大。
在该条件下，总调频量分布在7.96ppm～
9.24ppm 之间，刻蚀参数的变化对频率调节量影响不大，而且刻蚀后电极膜完整无损，石英晶体也没有因为激光的热效应而发生相变。
（3）若工作电流过大或Q 脉宽过小时时，激光峰值功率密度过大，电极膜层很容易被损伤而导致晶振不能起振。
（4）相对于Q 脉宽，电流的变化对刻蚀效果影响更明显，这是因为Q。
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（ 州 大 学 电子 信 息 学 院 ， 江 苏 苏 州 ２ ５ ２ ） 苏 １０ １
摘 要 ：近 年 来 随着 机 器的 小型化 、 本 的降低 ， 石 英 晶振 生产 企 业不 断追 求 生产 效率 的提 高 成 各
以及精 度 的提 高 ． 在石 英 晶振 生 产过程 中 ， 目标 频率 的微 调 较 大程度 影响 着石 英 晶振 的精度 ． 用 应 石英 晶振 的原理 ， 于蚀刻技 术实现 石英 晶振 的频率微 调 ， 而提 高石 英 晶振 的精度 ． 基 从
ｒ ｐ ａ ｉ ＬＣ ｓ ｉｌ ｔｏ ｌ ｏ ｉ ｃ ｉ ｓ Ｗ ｉｈ ｈｅ ｒ ｎ ｆ ｍ ｉ ｉ ｔ ｒ ｚ 廿Ｏ ｆ ｍａ ｈｉ ｅ ｎｄ ｅ ｕ ｔ ｏ ｅ ｌ ｃ ｎｇ ｏ ｃ ｌａ ｉ ｎ ｏ ｐ ｃ ｒ ｕ ｔ ． ｔ ｔ ｔ ｅ ｄ ｏ ｎ ａ ｕ ｉ ａ ｎ ｏ ｃ ｎ ｓ ａ ｒ ｄ ｃ ｉ ｎ
关 键 词 ：石英 晶振 ； 离子蚀 刻 ；频率微 调
中 图 分类 号 ：Ｔ ２ 文 献标 志码 ：Ａ Ｂ１３
文 章 编 号 ： １０ —５ ７ （０ ）３ ０ ４ ０ ０ ８ ４ ５２ １ ０ ０ ３ — ３ １
Ｑｕ ｒｚ ｙｔｌ ｒｑ ｅ ｃ ｒ ａｔ ｓ ｅ ｕ ｎ ｙＴ ｉ Ｃｒ ａ Ｆ ｍｍｉｇ ｅｈ ｏｏ ｙＢ ｓｄｏ ｎＥ ｃ ｉｇ ｎ ｃ ｎ ｌｇ ａｅ ｎＩ ｔｈｎ Ｔ ｏ
整法 会 使 石 英 晶片 的镀 膜 产 生 偏 移 ， 膜 强 度 不 均 匀 ． 子 蚀 刻 法 虽 然 没 有 镀 膜 偏 移 、 膜 强 度 不 均 匀 镀 离 镀
被 加 工 表 面 上 实 现各 种 加 工 的方 法 【． 】 因为 其 具 有 加 工精 度 和 表 面 质 量 高 、 工 ቤተ መጻሕፍቲ ባይዱ 料 广 泛 、 制性 能 好 ］ 加 控 等特 点 ， 应 用于 各 种 工 业 加 工 中 ． 被 频 率 微 调 是石 英 晶 振 加工 过 程 中涉 及 频 率 调 整 的最 后 一 道 工 序 ， 加 工 方 法 有 手 工 打磨 的方 法 、 其 蒸 发 频 率 调 整 法 和 离 子 蚀 刻 法 Ｉ． 工 打磨 的 方法 因其 效 率 、 格 率 、 度 低 ， ２手 ］ 合 精 目前 很 少 使 用 ． 发 频 率 调 蒸
第２ 卷 第 ３ ２ 期 ２ １ 年９ ０１ 月
苏 州市 职 业 大 学 学 报
Ｊ ｕ ｎ ｌ ｆＳ ｚ ｕ Ｖ ｃ ｔｏ ｌ ｏ ｒ ａ ｕ ｈｏ ｏ ａｉ ｎａ ｉ ｅ ｓｔ ｏ Ｕｎ ｖ ｒ ｉ ｙ
Ｖ １ ２２．ＮＯ． ｏ ． ３ Ｓ ｐ．， ２ １ ｅ ０１
基于离子蚀刻技术实现石 英 晶振 的频 率微 调
Ｋ ｅ ｏ ｄｓ ｑｕ ｒｚ ｃ ｙｓａ ；ｉ ｎ ｅｃ ｎ ｙｗ ｒ ： ａ ｔ ｒ ｔ ｌ ｏ ｔｈｉ ｇ； ｆｅ ｕ ｎｃ ｒｍｍ ｉ ｇ ｒ ｑ ｅ ｙ ｔｉ ｎ
离 子 束 加 工 是 在 真 空条 件 下 ， 惰 性 气 体 通 过 离 子 源 产 生 离 子 束 ， 过 加 速 、 束 、 焦 后 ， 射 到 将 经 集 聚 照
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（ｃ ｏ ｌｏ ｌｃｒ ｎｃ ｎ ｎｏ ｍａｉｎ，Ｓ ｏ ｈ ｗ ｉｅｓｔ Ｓ ｈ ｏ ｆＥｅｔｏ ｉｓ ａ ｄ Ｉｆｒ ｔ ｏ ｏ ｃ ｏ Ｕｎｖ ｒｉ ｙ，Ｓ ｚ ｏ １ ０ １ ｕ ｈ ｕ ２ ５ ２ ，Ｃｈｎ ） ｉａ Ａ ｂｓ ｒ ｃ ：Ａｓ ｎ ｓ ｉｌｔ ｒ ｔａ ｔ ａ ｏ ｃｌ ｏ ｗｉｈ ａ ｔ ｈｉ ｈ ｖ ｌ ｅ ａ ｃ ｒ ｃ ａ ｓａ ｉ ｔ ｇ Ｑ ａ ｕ ， ｃ ｕ ａ ｙ ｎｄ ｔ ｂｌ ｙ， ｑ ａ ｔ ｃ ｙ ｔ ｌ ａ ｂ ｅ ｉ ｕ ｒｚ ｒ ｓａ ｈ ｓ ｅ ｎ
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