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希华晶体科技成立于1988年，专精于石英频率控制元件之研发、设计、生产与销售。从人工晶棒长成到最终产品，透过最佳团队组合及先进之生产技术，建立完整产品线，包含人工水晶、石英晶片、SAW WAFER，以及石英晶体、晶体振荡器、晶体滤波器、温度补偿型及电压控制型产品等，以健全的供应链系统，为客户提供全方位的服务。

产品应用范围包含行动电话、平板电脑、卫星通讯、车载系统、全球定位系统、个人电脑、无线通信及家用产品等，扮演基本信号源产生、传递、滤波等功能。持续致力于技术研究开发及品质落实扎根，营运据点遍布台湾、中国大陆、日本、新加坡、美国及欧洲等世界各地，使希华得以提供服务予世界电子大厂。

高频低功耗晶振晶体的使用需求量在不断增加,特别是对于物联网行业的无线应用.我们越来越多地发现设备彼此通信并通过无线电交换数据,例如通过蓝牙,ZigBee或ISM.所有这些无线电标准都使用三位数兆赫兹或千兆赫兹范围内的频段.为了产生这些RF频率,器件需要非常精确的参考石英晶振晶体,其频率范围从大约20到52兆赫兹.

无线应用对于晶振的要求不仅超薄小并且具备高精度.具有如此高谐振频率的石英晶体必须是超薄的.石英越厚,其频率越低,不太适合无线应用.

需要一系列生产步骤来生产足够薄的石英晶片.原始晶体块逐渐分成更小的单元.最小的单元最终是“空白”,锯切,研磨,蚀刻和抛光,以产生正确的厚度和特别光滑的表面.例如,为了制造共振频率为40MHZ的石英坯料,石英晶片的厚度必须仅为41.5微米.

晶振晶体几乎应用于现代通信设备中,如收发器,电话,传真,数据传输数字设备,无线电和电视发射机,雷达和声纳设备,以及数据处理设备和时间片,尤其是微处理器的精确时序.对于所有这些应用,利用晶振在某些条件下以极其恒定的频率振荡的固有特性.例如,手表中的石英晶体可以精确地以32.768K（每秒周期）振荡.借助于电子电路,这些振荡在手表的情况下非常精确地控制显示机构.

那么晶振制造最为关键的四个步骤须知是哪些呢？亿金电子下面给大家介绍下晶振晶体制造步骤概要.晶振制造最为关键的四个步骤可分为：切割, 研磨, 整理和 质量控制.

A.切割

切割操作是在石英晶棒上进行的第一个过程.用特殊的切片机将棒切成尺寸为1.27mmx1.27mmx0.04mm的小方形晶棒.切割晶棒的角度对于成品晶体的整体性能非常重要.特殊的X射线单元用于确保相对于原子平面的适当切割角度.

B.研磨

从“母石”切下的石英晶片,称为“空白”,现在经过研磨精密研磨机.当石英晶体被研磨时,首先在一台机器上,然后在另一台机器上,实现在坯料主表面上逐渐更精细的光洁度.由于研磨操作减小了坯料的厚度,晶体的频率增加.对研磨机的适当控制将导致产生具有极其精确频率的晶体.

C.整理

在将石英坯料研磨至将产生所需频率的厚度之后,将它们彻底清洁并将金属电极真空沉积在它们的两个主面上.电极拾取存在于石英晶振晶体表面上的电脉冲并将它们引导至弹簧.反过来,弹簧拾取电脉冲,此外,还有助于将晶体支撑在其安装基座上.

安装晶体后进行最终频率调整.在每个晶体上真空沉积附加金属.最后一步是通过将金属罐焊接到其底部来密封晶体,以保护易碎的坯料免受湿气,空气,处理等的损害.

D.质量控制

在过程质量控制中,在各种制造步骤中,确定有利的晶振产量.在完成的装置之前,它们在质量控制站进行彻底测试,在最低-55摄氏度到125摄氏度的温度范围内,最重要的是注意稳定的晶体频率.检查晶体的“活性”,因为它表明晶体振动的强度,并且进行“泄漏测试”以确保晶体与其环境密封,以防止单元的劣化.

运用不同的工艺方法,对石英晶振进行频率微调,以不同参数的激光产生不同的微调量和微调效果。通过拍摄SEM照片,来研究在不同的激光参数和条件下,激光对于石英晶振表面及内部的改变和损伤情况。共分五种情况对激光刻蚀损伤进行研究。

1.直接刻蚀石英晶振片表面。

2.以大电流刻蚀石英晶振表面银电极层,使其产生肉眼可见的大面积刻蚀痕迹,至使频率计无法读出刻蚀后的频率值。

3.以适当的激光参数刻蚀石英晶振表面银电极层,并无明显的刻蚀痕迹,频率微调量在50ppm,其他电性能参数改变量均小。

4.以刻蚀图形的方法对石英晶振表面银电极层进行刻蚀,刻蚀图形为银电极层外层圆环,频率微调量达l000pm。

5.以刻蚀图形的方法对石英晶振表面银电极层进行刻蚀,刻蚀图形为银电极层半边圆,频率微调量达2300ppm。

以下为石英晶振实验结果分析

1.直接刻蚀石英晶振片表面

在电流为11A,激光频率为10KHLz,Q脉冲宽度为10s的条件下,直接对石英晶振片进行环状刻蚀。刻蚀示意图如图4.7所示。

图中虚线所示为激光刻蚀的轨迹,可见激光全部作用在石英晶振片本身,而不是其表面的银电极层上。经刻蚀,贴片晶振,石英晶振片的频率从10.0268376MHz,上升为10.0268780MHz,频率微调量为404pm。这样做的目的,是为了观察当激光直接作用于晶片本身的时候,会对晶片产生怎样的影响。

通过电镜观察,刻蚀后的石英晶振片断面如图4.8所示。

从图中可见,被激光刻蚀后的区域,石英片表面平整,形貌良好,并未对下面石英晶体产生损伤。部分晶体被激光刻蚀掉后由于大气中分子的散射作用,重新落回到晶片表面,覆盖在原晶片上。

2.以大电流刻蚀贴片晶振,石英晶振表面银电极层,使其产生肉眼可见的大面积刻蚀痕迹,至使频率计无法读出刻蚀后的频率值。

在电流为14A,激光频率为10KHz,Q脉冲宽度为10ys的条件下,对石英晶振片表面银电极层进行刻蚀。刻蚀图形及示意图分别如图4.9、4.10所示。

在14A的激光电流刻蚀下,晶片表面刻蚀区域的电极层被损坏,出现了肉眼可见的较大范围内明显剥落痕迹。至使频率计无法读出其谐振频率,石英晶片停振。

通过电镜观察,刻蚀后的石英晶振片断面如图4.11所示。

如图所示,图中左半边银电极层清晰可见,均匀的覆盖在石英表面。而右半边银电极层被激光刻蚀剥落,被剥落处银电极层与贴片晶振,石英晶振混在一起,界线模糊。并且剥落已经损伤到石英晶振本身。损伤延伸至2000m深度。

从石英晶体谐振器的等效电路可知,它有两个谐振频率,即(1)当L、C R支路发生串联谐振时,石英晶体谐振器的等效阻抗最小(等于R)。串联揩振频率用fs表示,石英晶体对于串联揩振频率fs呈纯阻性;(2)当频率高于fs时,L、C、R支路呈感性,可与电容C0发生并联谐振,其并联频率用fd表示。工程技术中石英谐振器就工作在fs到fd范围内或这两个频率的奇次谐频上。

根据石英晶振的等效电路,可定性画出它的电抗一频率特性曲线如图2.3所示。可见当频率低于串联谐振频率fs或者频率高于并联揩振频率fd时,石英晶体呈容性。仅在fs极窄的范围内,石英晶体呈感性。石英晶体表面附着电极层后的膜系结构示意图如图24所示。

Sauerbrey方程用于描述石英晶体谐振频率与晶体表面附着物质(此处为上、下两面的银电极层)之间的变化关系,该方程如下:

其中f0为石英晶振原始谐振频率(单位为Hz),△f为晶振的频率变化量(单位为Hz),△m为晶体变化的质量(单位为gcm-2),A是晶体有效面积(即电极面积,单位为cm2),pμ是石英晶体的密度,μφ为晶体剪切弹性模量。

对于指定晶振晶片,fo、A、pμ、qμ均为常数,因而, △f与△m的绝对值成正比,负号表示表面银电极层质量的增加,会引起石英晶振谐振频率的减少;而表面银电极层质量的减少,会引起石英晶振谐振频率的增加。即:增加银层质量和减少银层质量两种方法都可以改变石英晶振的谐振频率。

可见,附加的银电极层会对石英晶振器的谐振频率产生影响。因而工业生产中,一般先制作出与目标频率接近的石英晶片并附加表面电极,再通过改变表面电极厚度方法,来微调晶振频率以达到目标频率。

采用离子刻蚀进行晶振频率微调,在刻蚀后晶振的频率会发生偏移。这会使频率调整精度低于真空蒸着频率调整法。如图4-4所示,离子刻蚀后石英晶振频率会产生偏移,纵轴表示与目标频率的偏差,单位是pm。在刻蚀前,石英晶振的频率相对于目标频率是负的。在调整时,一边用测频系统测定石英晶振的频率,一边用离子束照射石英晶振的电极膜, 电极膜被刻蚀,频率随之升高。当刻蚀停止后,会出现频率下降的现象。刻蚀刚停止的几秒内,频率下降较快,随后下降会渐渐变缓,最后趋于稳定,不再变化。这种离子刻蚀后频率偏移的原因比较复杂,其原因之一是因为离子刻蚀时对晶振晶片产生的热应力。其理论依据比较深奥,在此不做讨论。本文主要通过实验,找出频率偏移的规律,对石英晶振进行离子刻蚀加工时设定合适的参数,使得这种偏移在实际应用中产生尽可能小的影响。

现在用AT方向切割的石英晶片做成的石英晶振进行实验,用离子束对晶片进行刻蚀,统计出蚀刻速度与频率偏移的联系。

实验对象:A品种的石英晶振使用的晶片是长方形,尺寸为长1996u±3u,宽1276u±2a,晶片厚度为62.04u。目标频率为26.998380MHz。晶片先用昭和真空生产的磁控溅射镀膜机SPH-2500进行镀膜,为了提高镀层密着性,先镀少量的铬膜, 然后按频率要求镀银膜,总膜厚约为1.73u。使得在离子束刻蚀加工前的频率与目标频率的差为2000ppm~300ppm之间。

实验设备:离子束刻蚀频率微调机使用昭和真空生产的SFE-6430T。离子枪的加速钼片到晶片表面的距离为25mm,氩气流量为0.35SCCM。

首先,进行较大刻蚀速度对石英晶振,贴片晶振进行刻蚀的实验,测得偏移量。如表4和图4÷5所示当刻蚀速度在1000ppm/s到2000ppm/s的范围,离子刻蚀后的偏移量随着刻蚀速度的增加而有很大的升高。如当刻蚀量为2000ppm时,频率偏移量山刻蚀速度为1000ppm/s的35.8ppm快速增长到刻蚀速度为2000ppm/s的89.8ppm。当刻蚀量为3000ppm时,频率偏移量便会超过100pm。此外,从图4-5中可以看出,在同一刻蚀速度下,刻蚀后的频率偏移量还会随刻蚀量的增加呈线性升高。

其次,进行较低刻蚀速度对石英晶体,石英晶体谐振器进行刻蚀的实验,测得偏移量。如表4-2和图4-6所示,与高速时的情况类似,刻蚀速度增加时,刻蚀后的偏移量也会随之增加。并且,在同一刻蚀速度时,刻蚀后的偏移量也随刻蚀量的增加而线性增大。从图表中可以看出,刻蚀速度减小后,刻蚀后的偏移量也会减小很多。当刻蚀速度减小到80ppm/s时,刻蚀量为200pm时,刻蚀后偏移量仅为2.5pm。如果进一步控制刻蚀量,当刻蚀量降到100ppm时,刻蚀后偏移量仅为0.2ppm,基本接近于0。因此在实际生产时,如果能将刻蚀速度控制到80pm/s,刻蚀量控制在100pm以下, 晶振的离子束刻蚀后的频率偏差较大,且公差范围较小,为了减少离子束刻蚀后频率偏移产生的影响,提高产品的精度,可以采用3段加工模式,但是生产效率会有所降低)。

晶振离子刻蚀两段加工模式如图4-7所示,首先进行H段加工,用高的刻蚀速度和大的刻蚀量,从加工前频率开始加工,等加工到设定的中间目标频率后停止刻蚀,一段时间后,由于离子刻蚀后的晶振频率偏移的影响,使频率下降,回到L段加工前频率。接着进行L段加工,用低刻蚀速度和小刻蚀量,从L段加工前频率开始加工,等加工到设定的最终目标频率后停止刻蚀,一段时间后,出于离子刻蚀后频率偏移的影响, 使频率下降,回到实际最终频率,当实际最终频率在公差范围内就为良品,加工就结束。如果实际最终频率低于公差范围可以作为F-不良重新加工一次。如果实际最终频率大于公差范围,则只能作为F+不良而报废。

而在实际生产过程中,由于操作员缺乏相关理论知识,不能精确的对加工参数进行设定。使得加工的产品会因为刻蚀速度过快,产生较大的频率偏移,或直接产生F+。而刻蚀速度太低不仅会降低加工的效率,当时间超过设备的监控时间后,就会直接出现F-不良。

例如,在实际应用中,因为操作员没有系统的理解以上理论知识,当A品种的石英晶振在进行离子刻蚀微调时,发现频率分布整体偏低,接近20ppm。因为担心现F-不良,希望将整体颏率调鬲。此时应该确认是否是因为H段加工时的速度太慢, 导致L段加工前的频率过低。使得在进行L段加工时,时间过长,超过了设备的监控时间,而强制停止L段加工。

而操作员没有经过确认就主观的将最终日标频率调高, 发现频率略有上升,但仍然偏低。就调高L段的刻蚀速度,刚开始有一定效果,但是没有达到理想状态,就继续调高L段刻蚀速度,此时不但没有效果,反而因为速度太高,刻蚀后的频率偏移使得频率有略微的下降。并且出现因刻蚀速度的太高而产生的F+不良(如图4-8)。因为没有专业技术继续调整,并且认为不良品数量不多,为了赶快完成当日产量,就继续加工制品。此时,因为H段的刻蚀速度低,影响加工效率, 并由于F+的出现,增加了产品的不良数。

图4-8各参数设置不良时离子刻蚀后频率偏移的频率分布表

为了解决这一问题,本文通过前几节的知识和实验数据,制定标准的参数。首先将最终晶振频率设定在0pm。然后为了将L段加工的频率偏移尽可能减少,就将L段的刻蚀速度设定为80ppm/s。为了控制L段的刻蚀量在100pm左右,将中间目标频率设定在-45pm,H段加工速度设定为1600ppm/s,这是H段加工后的结果在50ppm~-0ppm之间,加上刻蚀后的频率偏移使得L段加工的刻蚀量在-100pm120ppm之间。

按这样的设定既可以保证L段加工的效率,也可以控制L段加工后的频率偏移。使得最终实际频率以晶振频率为中心分布。将上述方法设定的参数作成作业标准书如图4-9所示,让作业员遵照执行。图4-10是按此作业标准操作,对制品加L后的频率分布。山图中可以看出频率是以日标频率为中心分布的,并且分布比以前集中,也没有不良出现。因此,本论文提出的方法可以提高产品的合格率。

晶振离子刻蚀频率微调技术及生产工艺报告

1.频率微调方法

石英晶振的频率是由石英晶振晶片的厚度以及电极膜的厚度决定的,为此,当调整此厚度就可以调整石英晶振的频率。石英晶振的制作过程是先将石英晶片从石英晶体上按一定角度切下,然后按一定尺寸进行研磨,接着在晶片两面涂覆金属电极层,此时与目标频率相差2000ppm~3000p0m,每个电极层与管脚相连与周围的电子元器件组成振荡电路,随后进行频率微调,使其与目标频率的差可以减少到2ppm以下。最后加上封装外壳就完成了。

石英晶振的频率微调是对每个石英晶振边测频率,边调整电极膜的厚度。使频率改变,达到或接近目标频率。电极膜厚的调整方法主要有两种,真空蒸着法和离子束刻蚀法。

真空蒸着法是在石英晶振晶片的电极膜上用加热蒸着的办法继续增加电极膜的厚度, 达到调整频率的目的。这种方法结构简单,易于控制。缺点是在石英晶振晶片表面产生多层电极膜,并且密着度会变差,当石英晶振小型化时,会使原来的电极膜和调整膜的位置发生偏移,使石英晶振的电气性能降低。

离子刻蚀频率微调法,是用离子束将电极膜打簿,调整石英晶振的频率。因此,不会产生多层电极膜,也不会有电极膜和调整膜的位置偏移,石英晶振的电气性能也不会降低。

2.离子刻蚀频率微调方法

图4-1是基于离子刻蚀技术的频率微调示意图,离子刻蚀频率微调方法,当照射面积小于2~3mm2,在beam电压低于100V以下就可获得接近10mA/cm2的高电流密度的离子束,离子束的刻蚀速度在宽范围內可进行调节。图中采用的是小型热阴极PIG型离子枪,放电气体使用Ar,流量很小只需035cc/min。在:圆筒状的阳极周围安装永久磁石,使得在轴方向加上了磁场这样的磁控管就变成了离子透镜, 可以对离子束进行聚焦。

热阴极磁控管放电后得到的高密度等离子,在遮蔽钼片和加速钼片之间加高达1200V高压后被引出。并且可以通过对热阴极的控制调整等离子的速度。用离子束照射石英晶振,石英晶体的电极膜,通过溅射刻蚀使得频率上升米进行频率微调。在调整时,通过π回路使用网络分析仪对石英贴片晶振的频率进行监控,当达到目标频率后就停止刻蚀,调整结束。

因为石英晶振与π回路之间用电容连接,离子束的正电荷无法流到GND而积聚在石英晶片上,使石英晶片带正电荷。其结果不仅会使频率微调速度降低,而且使石英晶片不发振,无法对石英晶振的频率进行监控和调整。为此,必须采用中和器对石英晶片上的正电荷进行中和。

在进行离子刻蚀频率调整时,离子束对一个制品进行刻蚀所需的时间为1~2秒, 而等待的时间约2秒,等待时间包括对制品的搬送和频率的测量时间。在等待时间中, 是将挡板关闭的。如果在这段时间内,离子枪继续有离子束引出,则0.5mm厚的不锈钢挡板将很快被穿孔而报废。为此,在等待时间内,必须停止离子枪的离子束引出。

可以用高压继电器切断离子枪的各电源,除保留离子枪的放电电源(可维持离子枪的放电稳定)。这样,在等待时间没有离子束的刻蚀,使挡板的使用寿命大大增长。同是,出于高压继电器的动作速度很快,动作时间比机械式挡板的动作时间少很多,所以调整精度也可得到提高。

3.离子束电流密度

在图4-1中,为了提高操作性,简化自动化过程中的参数设定,只对beam电压和放电电流进行控制,而放电电压和Ar流量保持不变,加速电压取beam电压的20%。

图4-2表示的是在不同的beam电压下,随着放电电流的变化,石英晶振的电极膜处(与离子枪加速钼片的距离为25mm)所测得的电流密度。从图中可以知道,对于不同的beam电压,放电电流变化时,都有相对应的放电电流使得电流密度达到最大。本文说所的晶振离子刻蚀频率微调就是采用了各不同beam电压时的最大电流密度进行的。当设定好调整速度后,根据计算决定beam电压,然后根据该电压下最大的电流密度计算出放电电流。

4.离子刻蚀频率微调加工工艺

晶振离子刻蚀频率微调加工工艺与真空蒸着频率微调有相似处也有不同处。首先,两种频率微调方法都必须在高真空环境下进行,因此在加工前都必须确认真空腔的真空度是否达到要求,一般都要求在1×103Pa以上。其次还必须确认真空腔的水冷设备没有漏水现象,使用的真空泵需要用真空油时还要确认真空腔内没有被油污染。接着还要保证石英晶振,石英晶体谐振器上没有灰尘或脏污等异物附着,为了有效的控制异物,加工环境最好是5000级以下的净化空间。离子刻蚀频率微调加工除了要注意以上要求外,还必须注意到离子刻蚀后数秒内频率的偏移问题,这个问题将直接影响到生产效率和合格率。

石英晶振的频率是出石英品片的厚度以及电极膜的厚度决定的,为此,当调整此厚度就可以调整石英晶振的频率。石英晶振的制作过程是先将石英晶片从石英晶体上按一定角度切下,然后按一定尺寸进行研磨,接着在晶振晶片两面涂覆金属电极层,此时与目标频率相差2000ppm~3000p0m,每个电极层与管脚相连与周围的电子元器件组成振荡电路,随后进行频率微调,使其与目标频率的差可以减少到2ppm以下。最后加上封装外壳就完成了。

石英晶振的频率微调是对每个石英晶振边测频率,边调整电极膜的厚度。使频率改变,达到或接近目标频率。电极膜厚的调整方法主要有两种,真空蒸着法和离子束刻蚀法。

真空蒸着法是在石英晶片的电极膜上用加热蒸着的办法继续增加电极膜的厚度, 达到调整频率的目的。这种方法结构简单,易于控制。缺点是在石英贴片晶振晶片表面产生多层电极膜,并且密着度会变差,当石英晶振小型化时,会使原来的电极膜和调整膜的位置发生偏移,使石英晶振的电气性能降低.

离子刻蚀频率微调法,是用离子束将电极膜打簿,调整石英晶振的频率。因此,不会产生多层电极膜,也不会有电极膜和调整膜的位置偏移,石英晶振的电气性能也不会降低。

石英晶体无论是天然的还是人造的,都不同程度地存在一些疵病(缺陷)。它们不仅是由于在石英晶体生长过程中受到种种条件的影响而产生,就是在已形成的晶体中和生长完成后,外界条件的变化(主要是温度)产生的缺陷。这些缺陷会影响其可用程度和石英晶体元件的性能,以下简要介绍几种常见的缺陷。

一、双晶

双晶是指两个以上的同种晶体,按一定规律相互连生在一起。即在同块晶体中,同时存在两个方位不同的左旋部分(或右旋部分)。其中一部分绕Z轴转180°后方与另一部分连生在一起,这两部分的z轴彼此平行,所以两部分的光学性能相同,而电轴两部分相差180°,故它们的极性相反(见图1.4.1)。

光双晶是异旋晶体的连生,即在一块贴片晶振晶体中,同时存在左旋和右旋两个部分,它们连生在一起,左旋和右旋的光轴彼此平行,但旋光性相反,此外电轴极性也相反(见图1.4.2)。

(a)左旋石英晶体的极性;(b)绕光轴转180°°后左旋石英晶体的极性C)电双晶的极性;

图1.4.1电双晶极性示意图

(a)左旋石英晶体的极性;(b)右旋石英晶体的极性;(c)光双晶的极性;

图1.4.2光双晶极性示意图

电双晶又称道芬双晶;光双晶又称巴西双晶。双晶的边界可用氢氟酸腐蚀显示出来(见图1.4.3)。

双晶多出现在天然石英晶体中,但在石英晶体谐振器晶片加工中也会诱发出双晶。例如：石英晶片加热温度超过573℃,或虽然不超过573°C,但石英片内部温度梯度太大,都可能产生电双晶;又如:晶片研磨时,由于机械应力的作用,可能产生微小的道芬双晶。

(a)电双晶腐蚀图像(b)光双晶腐蚀图像

图1.4.3电双晶、光双晶在z平面上的腐蚀图像

在压电石英晶体元件中,一般不允许含有双晶,若要利用含有双晶的石英晶片时,则对双晶的位置和比例要严加限制,因此在石英晶片加工中,要力求避免双晶的出现

二、包裹体

石英晶体中往往含有固体、胶体和气—一液体三种包裹体。

固体包裹体是混杂在晶体内部的其它矿物质,天然石英晶振,石英晶体中固体包裹体大部分是围岩碎屑和黄铁矿、金红石等。人造石英晶体的固体包裹体主要是硅酸铁钠( NaFesi2O6.2H2O),它是由高压釜内壁被腐蚀脱落的亚铁离子和其它离子,与NaOH或Na2CO3溶液和SiO2等产生化学反应而形成的。

胶体包裹体是含钾(K)、钠(Na)硅酸盐胶体所组成。它是由于石英晶体生长过程中,温度发生波动时溶液中的二氧化碳达到超饱和状态,来不及结晶而形成胶体包裹体。

气一液包裹体中的液体主要是水溶液、碳酸和其它混合液,气体是二氧化碳及挥发性化合物等,气一液包裹体多集中在晶体底部包裹体是石英晶体的一种主要缺陷,实验表明,如果晶片中含有大的针状包裹体时,对石英晶体元件的电性能影响很大。

石英晶体的包裹体可用显微镜观察法或油槽观察法等进行检查

三、蓝针

石英晶体中蓝色针状的缺陷称为蓝针。

蓝针形成的原因很多,有人认为蓝针内部包含有铁、锰、铜、锌等金属氧化物,在这些氧化物外部还有密集的小气泡或小水珠,当光线通过它们时,除蓝色光线外,其它光都被吸收掉,因此在晶体内部呈现蓝色针状缺陷。还有人研究发现,存在蓝针的地方有很细的裂缝,它与晶体原有宏观裂隙平行生长,说明蓝针是属于晶体内部机械破坏的结果。

对一般应用的压电石英水晶振荡子,石英晶振,贴片晶振晶片可以存在蓝针,但用于制造稳定度高的和频率比较高的石英晶体元件时,不允许其石英晶片有蓝针存在。

四、其它疵病

在一些晶体中,可隐隐看出数个晶体的影子,这叫幻影或称魔幻。它是由于晶体生长中断了一段时间,后来又在晶面上继续结晶而形成的。幻影破坏了晶体格架的完整性,影响晶体的弹性,属晶体内部深处的缺陷。

裂隙是存在于晶体内部的小裂缝。它的形成可能是由于生长区中二氧化硅供应不足,杂质分布不均匀,籽晶不完善,机械应力和温度变化不均匀等缘故节瘤是由许多小晶块构成的镶嵌结构,其形状像是很小的晶体镶嵌到大晶体的表面。这种镶嵌结构是受温度、压力、溶液饱和程度和混合物数量等生长条件影响而形成.

石英晶体振荡器,有源晶振,石英晶振晶体内部某处有集中的许多微小气泡和小裂隙,呈现白色如棉花状,这种缺陷俗称为棉。

石英晶体的密度为265g/cm3,莫氏硬度为7,透明晶莹。在常温常压下,石英晶体不溶于水和三酸(盐酸HCl、硫酸H2SO4、硝酸HNO3)属于溶解度极小的物质。但在高温高压下,再加入适量助溶剂,如碳酸钠(Na2CO3)或氢氧化钠(NaOH)等,就可大大提高其溶解度。这个特点被用于石英晶体的人工培育。

氢氟酸(HF)、氟化铵(NH4F)与氟化氢铵(NH4HF2)是石英贴片晶振,石英晶体良好的溶解液,这在石英晶片加工中是很有用的。石英晶体是一种良好的绝热材料,导热系数比较小(见表1.3.1)

表1.3.1石英晶体的导热系数

室温附近,沿z轴方向的导热系数是沿垂直于z轴方向导热系数的二倍左右与z轴成q角的任一方向的导热系数可由下式求得(1.3.1)Kφ=K3cos²φ+K1sin²φ,其中K1是垂直于Z轴的导热系数,K3是平行于z轴的导热系数石英晶体的膨胀系数也很小,且沿z轴方向的线膨胀系数a3约为沿垂直于z轴方向线膨胀系数a1的1/2(见表1.3.2)。

表1.3.2石英晶体的线膨胀系数值

若已知a1和a3,由下式可求出与Z轴成φ角的任一方向的线膨胀系数aL：al=a3+(a1-a3)sin²φ (1.32)

在室温附近:aL=(7.48+623sin²φ)×10-6 (1.33)

并可由a1和a3求得体膨胀系数ar：ar=2a1+a3 (1.3.4)

由于石英晶体的热膨胀系数较小,因此可用于精密仪器中。但当它被加热时, 体膨胀系数会发生很大变化。在温度达573℃时,石英晶体由a石英晶体转变为B石英,体积急剧增大。石英晶体谐振器内部产生的较强的机械应力可能会造成裂隙和双晶,这是在石英晶体元件的加工中要注意避免的。

石英晶体还是一种良好的绝缘体,其电阻率可由下式求得：p=Be-AT;式中,p为电阻率,T为绝对温度,e为自然对数的底,A等于1.15×104B为相应的常数。平行于z轴方向的B=3000,垂直于z轴方向的B为平行于z轴方向的1/80。B值除与晶体结构有关外,还与沿z轴方向孔道中碱金属杂质(K+、Na+)的存在有关。表1.3.3列出了晶振,有源晶振,石英晶体振荡器,石英晶体在不同温度下的电阻率,单位为ohm. cn。

表1.3.3石英晶体在不同温度下的p(ohm.cm)

石英晶体介电常数(描述材料介电性质的量,是电位移D与电场强度E的一个比例系数)的各向异性不很明显,平行于z轴的介电常数ε3=4.6,垂直于z轴的介电常数ε1=4.5。在电场作用下,电介质发热而消耗的能量叫介质损耗,通常以损耗角的正切值(tg6)来表示其损耗的大小。有源晶体振荡器,比如温补晶振,压控晶振,有源石英晶体的介质损耗较小,tg6<2×10-4因此用它作电气材料具有高稳定性。

石英晶体虽不像诸如弹簧、橡皮筋那样的物体,振动日时能看到明显地形变,但是它仍然服从弹性定律(胡克定律),并且可以通过全息照相看到它形变的情况。当然,石英晶体的形变更复杂些,描述更困难些,这将在第二章中进一步讲述。

某些电介质由于外界的机械作用(如压缩、拉伸等)而在其内部发生变化产生表面电荷,这种现象叫压电效应。具有压电效应的电介质也存在逆压电效应,即如果将具有压电效应的介质置于外电场中,由于电场的作用,会引起介质内部正负电荷中心位移,而这位移又导致介质发生形变,这种效应称为逆压电效应。

正像某些其它晶体(如酒石酸钾钠KNaC4H4O6.4H2O、钛酸钡 BaTio3等等)那样,贴片有源晶振,石英晶体也具有压电效应。由于其结构的特殊性,不是任何方向都存在压电效应的,只有在某些方向,某些力的作用下才产生压电效应。

例如:当石英晶体受到沿x轴方向的力作用时,在x方向产生压电效应,而y、z方向则不产生压电效应,当石英晶体受到沿y轴方向的力作用时,在x方向产生压电效应,而y、z方向也不产生压电效应。若受到沿z轴方向的力作用时,是不产生压电效应。因此又称x轴为电轴,y轴为机械轴。利用石英晶体的压电效应可制造多种高稳定性的频率选择和控制元件,这将在以后各章逐步讲述。

石英晶体也与其它一些物质(如方解石CaCO3、硝酸钠NaNO3晶体等)那样具有双折射现象,即一束光射入石英晶体时,分裂成两束沿不同方向传拓的光其中一束光遵循折射定律,叫做寻常光或称“0”光,另一束光不遵循折射定律,叫做非寻常光,又称“e”光,如图1.3.1所示,寻常光在石英晶体内部各个方向上的折射率mo是相等的,而非寻常光在石英晶振,石英晶体的内部各个方向的折射率n0却是不相等的。

例如:对于波长为5893A的光,石英晶体的n0=1.54425,最大的ne=1.5536。石英晶体虽然具有双折射现象,但当光沿z轴方向入射时,不发生双折射现象,所以又称z轴为光轴石英晶体还具有旋光性。即平面偏振光(光振动限于某一固定方向的光)沿z轴方向通过石英晶体后,仍然是平面偏振光,但其振动面却较之原振动面旋转了一个角度。

图1.3.1石英晶体的双折射

石英晶体的光学性质被应用到制造各种光学仪器和石英片加工工艺中。

从六十年代起开展了石英晶体,SMD晶振元件辐射效应的研究工作,在此做一些简单的介绍。

由于宇宙射线的辐照和核武器爆炸,地球周围存在高能粒子和y射线、X射线等辐射。这些辐射对石英晶体及其器件都有很大的影响,无色透明的石英晶体经放射线照射后会变为烟色,石英晶体元件被辐照后,会使频率发生变化,稳定性下降,等效电阻升高。

一般认为,石英晶体被γ射线和高能粒子轰击后,会产生结构空穴和色心,这是由于碱金属离子(A1+3和Na+)的存在所引起的。因此,要提高石英晶体抗辐射的能力,首先要减少和消除有源恒温晶振,差分晶振,石英晶体中的上述杂质。

一方面选择最佳籽晶和生长条件;另一方面可使用“电清除”的方法驱逐晶体中的杂质。有人做过这样的实验:用z向厚度为1cm的样片,加温到450~470℃,加电压1500-1700V/cm,通过晶体的电流为250μA,20分钟后则降为20μA,这时在负极表面出现由碱金属杂质形成的乳白色薄层。显然,这是一种高温、高压排除晶体中金属离子等杂质的工艺过程。经过这种“电清除”的人造石英晶体制成的石英晶体元件就具有良好的抗辐射性能。