常見的冰箱，空調(diào)，電腦，電視機(jī)，洗衣機(jī)，電風(fēng)扇，和更高端的科技產(chǎn)品如智能手機(jī)，導(dǎo)航定位系統(tǒng)，人造衛(wèi)星，飛機(jī)，機(jī)器人，人工智能和智能軍工用品等產(chǎn)品，都是由或大或小，或高或低，看似不起眼的電子零件組合而成的，當(dāng)你拆開這些智能、電子產(chǎn)品里，你會(huì)看到密密麻麻嵌入在電路板上的電子元件。幾十年來(lái)成百上千的電子數(shù)碼產(chǎn)品被淘汰，消失在市場(chǎng)當(dāng)中，一些零件也隨之被替代，但是也有不少電子元器件歷經(jīng)多年仍然被生產(chǎn)廠家和工程師們愛不釋手，并且緊跟時(shí)代需求發(fā)展。

石英晶振作為一種震蕩器經(jīng)過(guò)了幾十年的發(fā)展。由于它具有成本低、高Q值、高精度和高穩(wěn)定度的特點(diǎn),因此在電子領(lǐng)域中的作用一直不能被其它振蕩器所替代。

近幾年來(lái),對(duì)石英晶體元件的需求量逐年上升,每年約增長(zhǎng)10%。到2018年, 約為205.04億只。隨著產(chǎn)品不斷向小型化和片式化發(fā)展,石英晶體元件也不斷向這個(gè)方向發(fā)展。我國(guó)晶體行業(yè)近年來(lái)不斷引進(jìn)先進(jìn)技術(shù),促使該行業(yè)不斷發(fā)展。生產(chǎn)設(shè)備及生產(chǎn)工藝不斷提高,使中國(guó)成為晶體行業(yè)的主要生產(chǎn)基地。2018年壓電晶體出口值達(dá)到20.25億美元。但由于市場(chǎng)競(jìng)爭(zhēng)的激烈,晶振價(jià)格不斷下降,同時(shí)各種生產(chǎn)成本(包括產(chǎn)品的原材料、水、電和勞動(dòng)力價(jià)格等)不斷上升,使得該行業(yè)利潤(rùn)空間不斷被壓縮,造成了該行業(yè)的競(jìng)爭(zhēng)異常激烈。為此,各生產(chǎn)企業(yè)都不斷的追求生產(chǎn)效率的提高、成本的降低以及制品精度的提高。

在石英晶振生產(chǎn)過(guò)程中,離子刻蝕頻率微調(diào)較大程度的影響著貼片石英晶振的生產(chǎn)效率和制品的精度。為此,本文的課題是通過(guò)實(shí)驗(yàn),研究離子刻蝕頻率微調(diào)的工藝,確定合適的加工參數(shù),使石英晶振的加工效率和制品的精度都得到提高,從而降低石英晶振的生產(chǎn)成本。

1.2石英晶振頻率微調(diào)國(guó)內(nèi)外研究現(xiàn)狀

石英晶體元器件的生產(chǎn)從晶片的切割到成品包裝。在整個(gè)工藝流程中,以下幾個(gè)工序主要影響著產(chǎn)品的頻率。

1.晶片的制作,根據(jù)目標(biāo)頻率制作出相應(yīng)切割方位、尺寸的晶片。

2在晶片表面鍍敷導(dǎo)電電極層(根據(jù)要求可以鍍銀或金)。

3.通過(guò)微量增厚或減薄鍍層的厚度,進(jìn)行頻率的微調(diào)。

國(guó)內(nèi)外在石英晶體諧振器元器件生產(chǎn)過(guò)程中使用的頻率微調(diào)方法主要有蒸發(fā)頻率微調(diào)技術(shù),噴射頻率微調(diào)技術(shù),激光刻蝕頻率微調(diào)技術(shù),離子刻蝕頻率微調(diào)技術(shù)。

如圖1-1所示,蒸發(fā)頻率微調(diào)技術(shù)是石英晶體元器件加工中出現(xiàn)最早的微調(diào)技術(shù)。是在真空狀態(tài)下,對(duì)裝有蒸發(fā)材料(銀)的鎢制料舟進(jìn)行加熱,使銀氣化沉積在SMD晶體表面而達(dá)到頻率微調(diào)的目的。因?yàn)榇思夹g(shù)頻率偏差大,效率低,原料消耗大,國(guó)內(nèi)外的使用在逐漸減少。

如圖1-2所示,噴射頻率微調(diào)技術(shù)是蒸發(fā)頻率微調(diào)技術(shù)的改進(jìn)型。是在真空狀態(tài)下,對(duì)裝有蒸發(fā)材料(銀)鉬盒進(jìn)行加熱,使銀氣化后從鉬盒的孔中噴出,沉積在石英貼片晶振表面而達(dá)到頻率微調(diào)的目的。因?yàn)榇思夹g(shù)易于實(shí)現(xiàn),相應(yīng)的設(shè)備簡(jiǎn)單,成本低,頻率偏移不是很大。因此目前國(guó)內(nèi)外使用較多。

如圖1-3所示,激光刻蝕頻率微調(diào)技術(shù)是將激光發(fā)生器產(chǎn)生的激光照射石英晶體表面的電極層,使其氣化而達(dá)到減薄電極層的膜厚度,從而達(dá)到調(diào)整頻率的目的。因其精度高,速度快而被廣泛的應(yīng)用于進(jìn)口晶振的生產(chǎn)中。

雖然激光刻蝕頻率微調(diào)技術(shù)精度高,加工質(zhì)量穩(wěn)定,生產(chǎn)效率高,但是激光頻率微調(diào)后晶片表面并不是均勻一致的,而是凸凹不平的。因此,并不適用于所有的石英水晶振子的頻率調(diào)整,特別是AT系列產(chǎn)品。為此20世紀(jì)80年代末期開始,出現(xiàn)了關(guān)于離子?xùn)|刻蝕頻率微調(diào)技術(shù)的研究,經(jīng)過(guò)多年的發(fā)展,國(guó)內(nèi)外有些廠商已開始應(yīng)用。如圖1-4所示,離子束刻蝕頻率微調(diào)技術(shù)是將離子發(fā)生器產(chǎn)生的離子加速后轟擊晶片表面,使晶片表面的電極層脫落,減薄電極層膜厚,從而達(dá)到調(diào)整頻率的目的。

1.3離子束刻蝕加工

離子束刻蝕是利用撞擊和濺射效應(yīng)進(jìn)行加工的,在上世紀(jì)中葉開始出現(xiàn)和發(fā)展的種離子束加工方法。其基本過(guò)程是先將Ar等惰性氣體充入離子源放電室,然后通過(guò)鎢絲放電等方法使惰性氣體電離形成等離子體,接著對(duì)等離子進(jìn)行聚焦和加速使其成為具有高能量的離子束,最后通過(guò)柵極將高能離子束引出。使其射向并撞擊工件的表面,產(chǎn)生彈性碰撞,將能量傳遞給工件表面材料的原子或分子,其中一部分能量使原子或分子產(chǎn)生濺射拋出工件表面。離子束刻蝕就是利用上述過(guò)程,通過(guò)離子束將工件表面的原子或分子拋出工件表面,因此其分辨率很高,可達(dá)到幾個(gè)微米。另外, 對(duì)離子束的能量、方向和均勻性控制比較簡(jiǎn)單,為此,加工后的圖形具有邊緣整齊、陡直性好、無(wú)鉆蝕等優(yōu)點(diǎn)。使得加工質(zhì)量很高,被使用于各種半導(dǎo)體材料和微電子器件的加工中。

離子束刻蝕頻率微調(diào)技術(shù)就是將離子發(fā)生器產(chǎn)生的離子加速后轟擊石英晶片表面的電極層,使電極膜的厚度減薄,從而進(jìn)行石英晶片頻率的微調(diào)。離子束刻蝕技術(shù),只減薄表面電極層,并不傷及晶片本身。同時(shí)由于不改變電極的有效面積,因而對(duì)晶片本身的電性能參數(shù)影響不大。另外,離子束刻蝕將石英晶片的電極層刻蝕成潔凈的單層膜,可以提高頻率特性。為此,離子束刻蝕技術(shù)有助于更新貼片晶振的生產(chǎn)設(shè)備,改進(jìn)生產(chǎn)工藝,提高我國(guó)石英晶體產(chǎn)品的性能和品質(zhì)。

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