石英晶振儀原理

1、石英晶振簡介一：石英晶振的原理二：膜厚控制儀原理三：晶振片的選擇四：使用晶振片注意事項一一： 石英晶振的原理石英晶振的原理薄薄圓圓的晶振片，來源于多面體石英棒，先被切成閃閃發(fā)光的六面體棒，再經(jīng)過反復(fù)的切割和研磨，石英棒最終被做成一堆薄薄的（厚0.23mm，直徑13.98mm）圓片，每個圓片經(jīng)切邊，拋光和清洗，最后鍍上金屬電極（正面全鍍，背面鍍上鑰匙孔形），經(jīng)過檢測，包裝后就是我們常用的晶振片了。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。

2、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。n科學(xué)家最早發(fā)現(xiàn)一些晶體材料，如石英，經(jīng)擠壓就象電池可產(chǎn)生電流（俗稱壓電性），相反，如果一個電池接到壓電晶體上，晶體就會壓縮或伸展，如果將電流連續(xù)不斷的快速開關(guān)，晶體就會振動。n在1950年，德國科學(xué)家GEORGE SAUERBREY研究發(fā)現(xiàn)，如果在晶體的表面上鍍一層薄膜，則晶體的振動就會減弱，而且還發(fā)現(xiàn)這種振動或頻率的減少，是由薄膜的厚度和密度決定的，利用非常精密的電子設(shè)備，每秒鐘可能多次測試振動，從而實現(xiàn)對晶體鍍膜厚度和鄰近基體薄膜厚度的實時監(jiān)控。從此，膜厚控制儀就誕生了。 1.1晶振片是怎么來的晶振片是怎么來的石英晶體是離子型的

3、晶體，由于結(jié)晶點陣的有規(guī)則分布，當(dāng)發(fā)生機(jī)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。例石英晶體在9.8104Pa的壓強(qiáng)下，承受壓力的兩個表面上出現(xiàn)正負(fù)電荷，產(chǎn)生約0.5V的電位差。壓電現(xiàn)象有逆現(xiàn)象，即石英晶體在電場中晶體的大小會發(fā)生變化，伸長或縮短，這種現(xiàn)象稱為電致伸縮。 石英晶體壓電效應(yīng)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(dāng)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(fù)荷效應(yīng)。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壓電效

4、應(yīng)和質(zhì)量負(fù)荷效應(yīng)。 1.2晶振片的原理晶振片的原理石英晶體的固有頻率f不僅取決于幾何尺寸和切割類型，而且還取決于厚度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切割的石英晶體，N=f d=1670Kcmm。 石英晶體厚石英晶體厚度度增量產(chǎn)生的晶體頻率變化增量產(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,式中的負(fù)號表示晶體的頻率隨著膜厚的增加而降低.然而在實際鍍膜時,沉積的是各種膜料,而不都是石英晶體材料,所以需要把石英晶體厚度增量d通過質(zhì)量變換轉(zhuǎn)換成膜層厚度增量dM,即 A是受鍍面積，M為膜層密度，Q為石英密度等于2.

5、65g/cm3 。于是 d=（ M / Q ） dM，所以 鍍膜時膜厚增量產(chǎn)生的晶體頻率變化鍍膜時膜厚增量產(chǎn)生的晶體頻率變化:2ddNfMQMdNff2dAdAmQMM式中S稱為變換靈敏度. 對于一種確定的鍍膜材料,M為常數(shù),在膜層很薄,即沉積的膜層質(zhì)量遠(yuǎn)小于石英芯片質(zhì)量時,固有頻率變化不會很大.這樣我們可以近似的把S看成常數(shù),于是上式表達(dá)的石英晶體頻率的變化f與沉積薄膜厚度dM有了一個線性關(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。顯然這里有一個明顯的好處，隨著鍍膜時膜層厚度的增加，頻率單調(diào)地線性下降，不會出現(xiàn)光學(xué)監(jiān)控系統(tǒng)中控制信號的起伏，并且很容易進(jìn)行微分得到沉積速

6、率的信號。因此，在光學(xué)監(jiān)控膜厚時，還得用石英晶體法來監(jiān)控沉積速率，我們知道沉積速率穩(wěn)定隊膜材折射率的穩(wěn)定性、產(chǎn)品的均勻性重復(fù)性等是很有好處和有力的保證。 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。 此圖為膜系鍍制過程中部分頻率與厚度關(guān)系圖

7、。二：膜厚控制儀原理 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)

8、 （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。2.2石英晶振監(jiān)控的優(yōu)缺點石英晶振監(jiān)控的優(yōu)缺點u優(yōu)點：優(yōu)點：1. 1. 晶振法是目前唯一可以同時控制膜層厚度和成膜速率的方法。晶振法是目前唯一可以同時控制膜層厚度和成膜速率的方法。2. 2. 輸出為電訊號輸出為電訊號,很容易用來做制程的自動控制很容易用來做制程的自動控制3 3. . 對于厚度要求不嚴(yán)格的濾光片可以利用作為自動制程鍍膜機(jī)對于厚度要求不嚴(yán)格的濾光片可以利用作為自動制程鍍膜機(jī)4 4. . 鍍金屬時鍍金屬時,石英監(jiān)控較光學(xué)監(jiān)控來的方便精確石英監(jiān)控較光學(xué)監(jiān)控來的方便精確u缺點：1. 厚度顯示不穩(wěn)定厚度顯示不穩(wěn)定2. 只能顯示幾

9、何厚度只能顯示幾何厚度,不能顯示折射率不能顯示折射率3. 一般精密光學(xué)鍍膜厚度只用做參考一般精密光學(xué)鍍膜厚度只用做參考,一般用作鍍膜速率的控制一般用作鍍膜速率的控制u所以一臺鍍膜設(shè)備往往同時配有石英晶體振蕩監(jiān)控法和光學(xué)膜厚監(jiān)控法兩套監(jiān)控系統(tǒng)，兩者相互補(bǔ)充以實現(xiàn)薄膜生產(chǎn)過程中工藝參數(shù)的準(zhǔn)確性和重復(fù)性，提高產(chǎn)品的合格率。三 晶振片的選擇晶振片的電極對膜厚監(jiān)控、速率控制至關(guān)重要。目前，市場上提供三種標(biāo)準(zhǔn)電極材料：金、銀和合金。 金是最廣泛使用的傳統(tǒng)材料，它具有低接觸電阻，高化學(xué)溫定性，易于沉積。金最適合于低應(yīng)力材料，如金，銀，銅的膜厚控制。用鍍金晶振片監(jiān)控以上產(chǎn)品，即使頻率飄移1MHz，也沒有負(fù)作用

10、。然而，金電極不易彎曲，會將應(yīng)力從膜層轉(zhuǎn)移到石英基片上。轉(zhuǎn)移的壓力會使晶振片跳頻和嚴(yán)重影響質(zhì)量和穩(wěn)定性。 銀是接近完美的電極材料，有非常低的接觸電阻和優(yōu)良的塑變性。然而，銀容易硫化，硫化后的銀接觸電阻高，降低晶振片上膜層的牢固性。 銀鋁合金晶振片最近推出一種新型電極材料，適合高應(yīng)力膜料的鍍膜監(jiān)控，如SiO， SiO2，MgF2，TiO2。這些高應(yīng)力膜層，由于高張力或堆積的引力，經(jīng)常會使晶振片有不穩(wěn)定，高應(yīng)力會使基片變形而導(dǎo)致跳頻。這些高應(yīng)力膜層，由于高張力或堆積的引力，經(jīng)常會使晶振片有不穩(wěn)定，高應(yīng)力會使基片變形而導(dǎo)致跳頻。銀鋁合金通過塑變或流變分散應(yīng)力，在張力或應(yīng)力使基體變形前，銀鋁電極已經(jīng)釋

11、放了這些應(yīng)力。這使銀鋁合金晶振片具有更長時間，更穩(wěn)定的振動。有實驗表明鍍Si02用銀鋁合金晶振片比鍍金壽命長400%。鍍膜科技日新月異，對于鍍膜工程師來說，如何根據(jù)不同的鍍膜工藝選擇最佳的晶振片確實不易。下面建議供大家參考：1）鍍低應(yīng)力膜料時，選擇鍍金晶振片最常見的鍍膜是鍍Al、Au、Ag、Cu，這些膜層幾乎沒有應(yīng)力，在室溫下鍍膜即可。膜層較軟，易劃傷，但不會裂開或?qū)桩a(chǎn)生負(fù)作用。建議使用鍍金晶振片用于上述鍍膜，經(jīng)驗證明，可以在鍍金晶振片鍍60000埃金和50000埃銀的厚度。2）使用鍍銀或銀鋁合金鍍高應(yīng)力膜層Ni、Cr、Mo、Zr、Ni-Cr、Ti、不銹鋼這些材料容易產(chǎn)生高應(yīng)力，膜層容易從

12、晶體基片上剝落或裂開，以致出現(xiàn)速率的突然跳躍或一系列速率的突然不規(guī)則正負(fù)變動。有時，這些情況可以容忍，但在一些情況下，會對蒸發(fā)源的功率控制有不良作用。3）使用銀鋁合金晶振片鍍介質(zhì)光學(xué)膜MgF2、SiO2、Al2O3、TiO2膜料由于良好的光學(xué)透明區(qū)域或折射率特性，被廣泛用于光學(xué)鍍膜，但這些膜料也是最難監(jiān)控的，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)合力，所以當(dāng)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，容易使晶振片在1000埃以內(nèi)就回失效。四：使用晶振片的注意事項 毫無疑問，晶振片是比較敏感的電子組件。用作鍍膜的時候，晶振片可以測量到膜厚0.000000

13、000001克重的變化，這相當(dāng)于1原子（atom）膜厚，而且，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以感知已鍍膜的晶振片冷卻后膜層原子的變化。 例如對常用MgF2增透膜300度時膜硬度是平時的2倍，冷卻時會產(chǎn)生巨大的應(yīng)力， 隨著鍍膜規(guī)格指標(biāo)的需求日益嚴(yán)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。

14、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.維持探頭的冷卻水溫度在2040C之間。如果可以將溫度誤差保持在1-2范圍內(nèi)，效果更佳。 4.選擇晶振片時，要選擇表面光滑、顏色較為統(tǒng)一晶振片，表面有劃傷或贓物的不可以使用； 5.分離晶振傳感器時，注意上半部分的鍍金彈簧片不能弄臟、變形，更不可斷裂；保證每一個彈簧的三個腳的高度和彎曲度（60度）都相等；放置時應(yīng)將鍍金彈簧片朝上平放在工作臺上，嚴(yán)禁反放。取出晶振片時要小心，不可使其滑動或掉落，使之劃傷或破裂。（整個過程必須戴乳膠手套，避免手指上贓物接觸其上） 6.鍍膜時注意觀察蒸發(fā)速率的變化情況，速率曲線出現(xiàn)異常波動之后要能準(zhǔn)確判定是否晶振片出現(xiàn)故障，并決定是否切換； 晶振片要不要換主要看以下幾方面： 蒸發(fā)速率出現(xiàn)明顯異常，速率持續(xù)波動； 晶振片的表面明顯出現(xiàn)膜脫落或起皮的現(xiàn)象 n 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