晶振原理及匹配系數(shù)

1、石英晶振的原理及系數(shù)匹配 一：石英晶振的原理 二：膜厚控制儀原理 三：使用晶振片的注意事項 四：匹配系數(shù)的調(diào)節(jié) 一:石英晶振的原理 一臺鍍膜設(shè)備往往同時配有石英晶體振蕩監(jiān)控法和光學膜厚 監(jiān)控法兩套監(jiān)控系統(tǒng)，兩者相互補充以實現(xiàn)薄膜生產(chǎn)過程中 工藝參數(shù)的準確性和重復性，提高產(chǎn)品的合格率。 石英晶體膜厚監(jiān)控儀就是通過測量頻率或與頻率有關(guān)的參量 的變化而監(jiān)控淀積薄膜的厚度。石英晶體法監(jiān)控膜厚，主要 是利用了石英晶體的兩個效應(yīng)，即壓電效應(yīng)和質(zhì)量負荷效應(yīng)。 石英晶體是離子型的晶體，由于結(jié)晶點陣的有規(guī)則分布，當 發(fā)生機械變形時，例如拉伸或壓縮時能產(chǎn)生電極化現(xiàn)象，稱 為壓電現(xiàn)象 ，反之一樣。 石英晶體壓電效應(yīng)

2、的固有頻率不僅取決于其幾何尺寸，切割 類型，而且還取決于芯片的厚度。當芯片上鍍了某種膜層， 使芯片的厚度增大，則芯片的固有頻率會相應(yīng)的衰減。石英 晶體的這個效應(yīng)是質(zhì)量負荷效應(yīng)。 用于石英膜厚監(jiān)控用的石英芯片采用AT切割，對于旋光 率為右旋晶體，所謂AT切割即為切割面通過或平行于電 軸且與光軸成順時針的特定夾角。AT切割的晶體片其振 動頻率對質(zhì)量的變化極其靈敏，但卻不敏感于溫度的變 化。這些特性使AT切割的石英晶體片更適合于薄膜淀積 中的膜厚監(jiān)控。 石英晶體的固有頻率f不僅取決于幾何尺寸和切割類型， 而且還取決與厚度d，即 f=N/d N是取決與石英晶體的幾何尺寸和切割類型的頻率常數(shù)。 對于AT

3、切割的石英晶體，N=f d=1670Kcmm。 鍍膜時質(zhì)量增量產(chǎn)生的晶體頻率變化 物理意義是：若厚度為d的石英晶體厚度改變 d，則晶 振頻率變化 f。 2 d dN f 為了把石英晶體厚度增量d變成厚度增量dM,可利用關(guān)系 式 A是受鍍面積，M為膜層密度，Q為石英密度等于2.65g/cm3 。 于是 d=（ M / Q ） dM，所以 從而建立了f與dM之間的線性關(guān)系因此我們可以借助檢測 石英晶體固有頻率的變化，實現(xiàn)對膜厚的監(jiān)控。 石英晶體膜厚控制儀有非常高的靈敏度，可以做到埃()數(shù)量級， 顯然晶體的基頻越高，控制的靈敏度也越高，但基頻過高時， 晶體片會做得太薄，太薄的芯片易碎。 所以一般選用

4、的晶體片的頻率范圍為510MHz。在淀積過程 中，基頻最大下降允許23%，大約幾百千赫?；l下降太多， 振蕩器不能穩(wěn)定工作產(chǎn)生跳頻現(xiàn)象。如果此時繼續(xù)淀積膜 層，就會出現(xiàn)停振。為了保證振蕩穩(wěn)定和有高的靈敏度，晶 體上膜層鍍到一定厚度后，就應(yīng)該更換新的晶振片。 dAdAm QMM M Q M d N f f 2 此圖為膜系鍍制過程中部分頻率與厚度關(guān)系圖。 膜厚控制儀用電子組件引起晶振片的高速振動，約每秒6百 萬次（6MHz），鍍膜時，測試每秒鐘振動次數(shù)的改變，從 所接受的數(shù)據(jù)中計算膜層的厚度。為了確保晶振片以6MHz 的速度振動，在真空室外裝有“振蕩器”，與晶控儀和探頭 接口連接，振蕩器通過迅速改

5、變給晶振片的電流使晶振片高 速振動。一個電子信號被送回晶控儀。 晶控儀中的電路收到 電子信號后，計算晶振片的每秒振速。這個信息接著傳送到 一個微處理器，計算信息并將結(jié)果顯示在晶控儀上： 1）沉積速率 (Rate) （埃/秒） 2）已沉積的膜厚 (Thickness) （埃） 3）晶振片的壽命 (Life) (%) 4）總的鍍膜時間 (Time) （秒） 更加精密的設(shè)備可顯示沉積速率與時間的曲線和薄膜類型。 二：膜厚控制儀原理 我們可以將許多參數(shù)輸入晶振儀以保證測量和鍍膜過程的精 確控制： 1）薄膜序號，用于輸入膜層或定義材料參數(shù) 2）目標膜厚或 最大沉積速率 3）鍍膜時間 4）薄膜密度(DEN

6、S) 5）校正系數(shù)(Tooling)用于校正晶振片或基片位置產(chǎn)生的誤差 Tooling測定：放基片（測試片）在球罩的通常位置，確認當 做Tooling校正時Tooling被設(shè)置為100%或以前確定的Tooling 值。在密度校正方式量測基底薄膜厚度，則用下面的公式得 到正確的Tooling值。 Tooling=100%基底厚度(測試片膜 厚)/顯示厚度(石英顯示膜厚) 。探頭Sensor高于球罩 Tooling100%低于球罩Tooling100%。 三：使用晶振片的注意事項 晶振片對溫度也很敏感，對1/100攝氏溫度的 變化也能感知。另外，晶振片對應(yīng)力的敏感 也很大，在一些特別的鍍膜過程中可

7、以感知 已鍍膜的晶振片冷卻后膜層原子的變化。 隨著鍍膜規(guī)格指標的需求日益嚴格，晶振控 制成為鍍膜必備的輔助或控制方法如何正 確有效地使用晶振片成為保證鍍膜質(zhì)量的重 點。所以為了使晶振片壽命最長，下面一些 方法和技巧供您參考： 1.安裝鏡片時，用塑料攝子來挾住晶振片的 邊緣，不要碰晶振片中心，任何灰層，油污 都會降低晶振片的振動能力。 2.保持探頭的清潔。不要讓鍍膜材料的粉末 和碎片接觸探頭的前后中心位置。任何晶體 和夾具之間的顆?；蚧覍訉⒂绊戨娮咏佑|， 而且會產(chǎn)生應(yīng)力點，從而改變晶體振動的模 式 3 .使用壽命。其與所鍍產(chǎn)品及晶振作用有關(guān) 。一般的使用 壽命（healthy）從99%左右用到9

8、0-92%就該換了 （對應(yīng)于 900和國產(chǎn)1100機器）；Rate DEV大于10%左右就要換，蒸 發(fā)速率出現(xiàn)明顯異常，此時也該換 （對應(yīng)于進口1300機 器）；表面質(zhì)量，晶振片的表面明顯出現(xiàn)膜脫落或起皮的現(xiàn) 象也要換。 4.維持探頭的冷卻水溫度在2040C之間。 5. 晶振電極材料的選取市場提供一般有金、銀和合金 。 金電極最適合于低應(yīng)力材料，如金，銀，銅。 銀和銀鋁合金電極適合高應(yīng)力膜料的鍍膜監(jiān)控 ， 如 Ni、Cr、Mo、Zr、Ni-Cr、Ti、不銹鋼等 。 合金電極適合介質(zhì)材料，MgF2、SiO2、Al2O3、TIO2。只 有基底溫度大于200度時，這些膜層才會與基底有非常良好 的結(jié)合

9、力，所以當這些膜料鍍在水冷的基底晶振片上，在膜 層凝結(jié)過程會產(chǎn)生巨大的應(yīng)力， 7.晶振片的回收利用 用過的晶振片可以重新利用， 主要方法有兩種： 1）徹底除去晶振片上的膜層和電極，重新郵回廠家 鍍上電極。 2）利用金電極不溶于硫酸等強酸的特點，客戶自行 處理，將晶振片上的膜層除去，重新利用。目前， 國內(nèi)大部分的客戶對用完的晶振片自己處理，以節(jié) 省成本。 但使用再處理晶振片時注意以下事項： 1）銀鋁合金溶于各種酸，不適合再處理。 2）酸祛除晶振片膜層時，必然對基底或外觀有一定 影響，初始頻率也會改變，放入晶控 儀中會發(fā)現(xiàn)初 始讀數(shù)改變或顯示壽命降低，這些不會影響晶振片 的基本功能，但晶振片的壽命

10、會大大降低。 晶振片 清洗配方: 20%氟化氫銨水溶液，浸泡6小時以上， 浸泡后投入酒精擦拭，去水即可 四：匹配系數(shù)的調(diào)節(jié) 匹配系數(shù)即使膜厚控制儀上測量的物理厚度，與實 際鍍制到基片上厚度相一致。通過鍍制設(shè)定膜系然 后通過測試實驗片光譜和理論光譜相比較修改鍍制 過程中材料的系數(shù)來實現(xiàn)匹配。 一般其中分為一種材料和兩種材料的匹配系數(shù)調(diào)節(jié) 試驗。 一種材料試驗一般鍍制膜層厚度為500nm左右，這 樣才能在特定光譜范圍有足夠多的峰值（35個） 來幫助判斷。 兩種材料的系數(shù)匹配試驗一般為固定的7層匹配膜系 H2L2H2L2H2LH。通過峰值波長和峰谷透過率比較 來調(diào)節(jié)系數(shù) 一種材料的匹配只有兩種變化就是實際鍍制的膜層 厚度比膜厚控制儀顯示的厚度厚了還是薄了。具體 表現(xiàn)就是波長是變長或者變短。 而兩種材料的變化形式簡單來說就是H、L兩 材料分別厚了或者薄了的四種組合。 1.H厚、L厚或者H薄L薄 2.H厚而L薄 3.H薄而L厚 4.當H、L同樣變厚或變薄的情況下一般他們不是同 比例的厚或者薄，例如H+L+、H+L+、H-L或 者HL-。如圖： 5.做系數(shù)匹配試驗一定要注意保證工藝條件和正式 生產(chǎn)保持高度一致，