晶振片知識

一﹑什么是晶振片？薄薄圓圓的晶振片，來源于多面體石英棒，先被切成閃閃發光的六面體棒，再經過反復的切割和研磨，石英棒終被做成一堆薄薄的（厚0.23mm，直徑13.98mm）圓片，每個圓片經切邊，拋光和清洗，后鍍上金屬電（正面全鍍，背面鍍上鑰匙孔形），經過檢測，包裝就可以出廠使用。 Inficon晶振片及包裝盒然而，這樣的小薄片是如何工作的？科學家早發現一些晶體材料，如石英，經擠壓就象電池可產生電流（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，如果將電流連續不斷的快速開關，晶體就會振動。在1950年，德國科學家GEORGE SAUERBREY研究發現，如果在晶體的表面上鍍一層薄膜，則晶體的振動就會減弱，而且還發現這種振動或頻率的減少，是由薄膜的厚度和密度決定的，利用精密的電子設備，每秒鐘可能多次測試振動，從而實現對晶體鍍膜厚度和鄰近基體薄膜厚度的實時監控。，膜厚控制儀就誕生了。 Inficon膜厚控制儀(thin film deposition controller) 晶振片包裝盒晶振片.

二﹑膜厚控制儀是如何測試厚度的？一臺鍍膜設備往往同時配有石英晶體振蕩監控法和光學膜厚監控法兩套監控系統，兩者相互補充以實現薄膜生產過程中工藝參數的準確性和重復性，產品的合格率。原理和﹕石英晶體法監控膜厚，主要是利用了石英晶體的兩個效應，即壓電效應和質量負荷效應。石英晶體是離子型的晶體，由于結晶點陣的有規則分布，當發生機械變形時，例如拉伸或壓縮時能產生電化現象，稱為壓電現象。石英晶體在9.8&tim;104Pa的壓強下，承受壓力的兩個表面上出現正負電荷，產生約0.5V的電位差。壓電現象有逆現象，即石英晶體在電場中晶體的大小會發生變化，伸長或縮短，這種現象稱為電致伸縮。石英晶體壓電效應的固有頻率不取決于其幾何尺寸，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，則芯片的固有頻率會相應的衰減。石英晶體的這個效應是質量負荷效應。石英晶體膜厚監控儀就是通過測量頻率或與頻率有關的參量的變化而監控淀積薄膜的厚度。用于石英膜厚監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量的變化其靈敏，但卻不敏感于溫度的變化，在-40~90℃的整個溫度范圍內，溫度系數大約是 &plun;10-6/℃數量級。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控。 AT切割的石英芯片壓電效應的固有諧振頻率f為﹕ 1/22Qncfdρ.. =.. .. (1) 其中，n﹕諧波數﹐n=1，3，5，… …﹔ dQ﹕石英晶體的厚度﹔ c﹕切變彈性系數﹔ ρ﹕石英晶體的密度(2.65&tim;103kg/m3) 顯然諧振頻率f 與dQ、c、ρ等量有直接關系。由于很多的外界影響，比如晶體溫度、溫度梯度、激發電場等都會影響到諧振頻率，這是因為上述的因素會影響到dQ、c、ρ等參量值。對于我們常用的基波(n=1)來說(1)式可以化為﹕ f=N/dQ (2) 其中，N=0.5(c/ρ)1/2=1670Hz．mm(AT切割) ，稱為晶體的頻率常數，dQ為晶體的厚度。對(2)式微分得﹕ 2QQNfddΔ=.Δ (3) 上式的物理意義是，若厚度為dQ的石英晶體增加厚度⊿dQ，則晶體的振動頻率變化了⊿f，式中的負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，淀積的是各種膜料，而不都是石英晶體材料。所以我們需要把石英晶體厚度增量⊿dQ通過質量變換表示成為膜層厚度增量⊿dm。即﹕ ⊿dQ=(ρm/ρQ) ．⊿dm (4) 其中﹕ρm為膜層的密度﹔ ρQ﹕石英晶體的密度(2.65&tim;103kg/m3) 把(4)式代入(3)式中，有﹕ 22mmmQQQNffddNρρρρΔ=.Δ=.Δiii (5) 令 2mQfsNρρ.=i﹐則 mfsdΔ=Δi 或 ()1/mdsΔ= (6) 式中s稱為變換靈敏度。對于某一種確定的鍍膜材料，ρm為常數，在膜層不很厚，即淀積的膜層質量遠小于石英芯片質量時，固有頻率變化不會很大。這樣我們可以近似地把s看成為常數，于是由(6)式表達的石英晶體頻率的變化⊿f與淀積薄膜厚度⊿dm就有了一個線性關系。因此我們可以借助檢測石英晶體固有頻率的變化，實現對膜厚的監控。顯然這里有一個明顯的好處，隨著鍍膜時膜層厚度的增加，頻率單調地線性下降，不會出現光學監控系統中控制信號的起伏，并且很容易進行微分得到淀積速率的信號。因此，在光學監控膜厚時，還得用石英晶體法來監控淀積速率，我們知道淀積速率穩定對膜材折射率的穩定性、產品的均勻性重復性等是很有好處和有力的。早的石英晶體膜厚監控儀就是直接用頻率來讀數，用頻差對應厚度的。后來在數字電路發展的基礎上，人們采用了所謂周期法測厚原理。公式(5)中的f2，嚴格一點應該表示為 f2=fQ．fm，這樣(6)經過簡單變換可以寫為﹕ ()1mQQQTTTdNρρΔ=.=.Δi (7) 其中，T﹕有載石英晶體振蕩周期﹔ TQ﹕空載石英晶體振蕩周期。如果儀器可以地測量石英晶體振蕩周期的變化，那幺便能準確地得到膜厚。無論是頻率法惻厚，還是周期法測厚，遵循的公式都是在假定淀積的膜層沒有改變石英晶體振蕩模式條件下推導出來的，而實際上膜層的淀積已經改變了石英本身的振動模式，由單一材料的振動模式，變為兩種材料的混合振動模式。考慮到石英晶體被膜層淀積后變成混合振動模式，推導了如下計算膜厚的公式﹕ ()()()()1///1mQmQmQQmQdNTZZtgZZtgρρππ.Δ=...... (8) 其中，Zm﹕淀積膜層的聲阻(單位 g/cm3．S)﹔ ZQ﹕石英晶體的聲阻(單位 g/cm3．S)。這個公式比較完整和比較地體現了膜層厚度與石英晶體振蕩周期變化之間的關系。根據這個公式設計的石英晶體膜厚控制儀常稱為聲阻法測厚儀。石英晶體膜厚控制儀有高的靈敏度，可以做到埃()數量級，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5~10MHz。在淀積過程中，基頻下降允許2~3%，大約幾百千赫。基頻下降太多，振蕩器不能穩定工作﹐產生跳頻現象。如果此時繼續淀積膜層，就會出現停振。為了振蕩穩定和有高的靈敏度，晶體上膜層鍍到厚度以后，就應該更換新的晶振片。舊的晶振片在清洗后復新可以再用。另外由(6)式可知，頻率和膜厚之間的變換靈敏度取決于 fAo2，但是f在膜層淀積過程中是隨膜厚的增加而降低的，所以在鍍膜的過程中s不是一個嚴格的常數，⊿f與⊿dm在理論上也不是一個嚴格的線性關系，隨著膜層累積頻率變化的增加，⊿f 與⊿dm的線性也在變壞，這就需要我們應用石英晶體膜厚控制儀時要考慮修正。預先計算好修正值再鍍制。如果膜層比較厚，可以分幾次做，或預先計算修正值，這種情況一般只有在紅外光譜區才會遇到。石英晶體監控膜厚的檢測誤差由誤差和相對誤差相加而成。誤差決定于監控儀的頻率穩定度和檢測，而相對誤差決定于監控儀靈敏度和準確性。一臺石英晶體膜厚控制儀在使用中真正獲得的監控還和使用的條件有密切聯系。蒸發的薄膜的密度與固體材料的密度是不同的，薄膜的密度又與蒸發條件有關﹐實際膜層的密度可以用填充密度修正。同時淀積在芯片上膜層的密度、膜層的折射率與鍍件上膜層的密度和折射率是不同的﹐這些數據都需要通過實驗進行修正，而修正后的數據只有在相同的淀積條件下應用才是有確實依據的。這就是如果只采用石英晶體法監控膜厚進行鍍膜時要在Tooling系數修正上花費較多時間與精力，并且不同產品的Tooling系數亦不相同。關于采用石英晶體法監控膜厚進行鍍膜﹐本人總結出以下三個步驟﹐供參考﹕ a.理論膜系設計滿足Spec.要求，同時設計要有之余量及合理性以可行性﹔ b.波長定位準確，并初具曲線形狀﹔ c. Matching鍍制曲線和設計曲線，修改Tooling系數Spec.要求。 膜厚控制儀原理﹕把晶振片放入真空室內的探頭中，顯示晶振片正在工作的是膜厚控制儀。膜厚控制儀是如何工作的呢？膜厚控制儀用電子組件引起晶振片的振動，約每秒6次（6MHz），鍍膜時，測試每秒鐘振動次數的改變，從所接受的數據中計算膜層的厚度。大數晶振片一秒鐘可以完成多次這樣的計算，實時告知操作人員晶振片上和真空室內基體膜層沉積速度。為了晶振片以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，振蕩器通過改變給晶振片的電流使晶振片振動。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，計算信息并將結果顯示在晶控儀上： 1）沉積速率(Rate)（埃/秒） 2）已沉積的膜厚 (Thickns) （埃） 3）晶振片的壽命 (Life) (%) 4）總的鍍膜時間(Time) （秒）更加精密的設備可能顯示沉積速率與時間的曲線和薄膜的類型。我們可以將許多參數輸入晶振儀以測量和鍍膜過程的控制： 1）薄膜序號，用于輸入膜層或定義材料參數 2）目標膜厚或沉積速率 3）鍍膜時間 4）薄膜密度(DENS) 5）校正系數(Tooling)，用于校正晶振片或基片位置產生的誤差 6）Z-Faor值（只有當膜厚>10000A時才需要Z值，以校正膜層太厚對晶振片振動的影響，在大多數光學鍍膜中，“Z”值輸入值為1）。頻率變化與質量增加薄膜厚度關系式﹕ () ()() ffNqDqFqFcAaranZTanFqDZFcππ......=........... iiiiiii Af---薄膜厚度，單位埃() oA Nq---At切割晶體頻率常數，1.668&tim;1013赫茲．埃(Hz．) oA Dq---石英密度，2.648gm/cm3 π---常數，3. Df---膜材密度，單位gm/cm3 Z---材料Z系數 Fq---欲鍍膜的石英晶體的頻率，該值可由制造控制 Fc---已鍍的晶體頻率靠量測接近1.2循環的振蕩信號周期和穩定的頻率的參考時鐘，獲得一個其的頻率值fc，每秒四次產生一個新值并且更新上面的公式。密度測定: 使用塊狀材料的密度值通常可以提供的薄膜厚度，如果需要額外的，則使用下面的步驟得之。使用一個新的晶振片(目的是消除Z系數誤差)放在基底附近，此舉是獲得同樣的蒸鍍束流，將儀器密度設為材料的塊狀值，設置Z系數為1，Tooling系數為100%.鍍5000埃膜材在晶振片和基底上，蒸鍍完成后取下基底用剖面儀(臺階儀)或多束干涉儀量測厚度。則正確的密度由下式得之﹕密度D(gm/cc)=密度參數(塊狀密度)&tim;晶控讀數÷基底量測厚度 Z系數測定: Z系數由下式計算﹕ Z-Faor(Z系數)= DqUqDfUfi Dq---石英密度 Uq---石英模數 Df---薄膜密度 Uf---薄膜模數 Tooling測定: 放一基底(測試片)在傘具的通常位置然后用塊狀或已校正過的密度和Z系數值蒸鍍接近 5000埃的厚度，確認當做Tooling校正時Tooling被設置為100%.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%&tim;基底厚度(測試片膜厚)/顯示厚度(石英顯示膜厚) 探頭Sensor高于傘具Tooling>100%﹐低于傘具Tooling<100%

三﹑使用晶振片的注意事項疑問，晶振片是所發明的敏感的電子組件。用作鍍膜的時候，晶振片可以測量到膜厚0.克重的變化，這相當于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，晶振片對應力的敏感也很大，在一些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。對于這種對應力如此敏感的芯片，而且大規模用于光學鏡片的鍍膜，我們肯定要問“那他們如何工作”。對常用MgF2增透膜﹐300度時膜硬度是平時的2倍，冷卻時會產生大的應力，我們會常常遇到

                          　　　　　晶振片知識（二）

四﹑探頭的設計和常見問題為了使晶振片在真空室內工作，須用一種器件來激活振蕩真空室內的晶振片，并只使晶振片一部分被鍍膜，而且能使晶振片被方便的更換。另外，這個器件須屏蔽晶振片，免受鍍膜中高溫破壞，這個器件就是探頭。現在市場上的探頭設計，是將晶振片放入夾具中（一種中間有孔的金屬帽）。夾具作為半個電路使晶振片振動。這個孔可使鍍在晶振片上膜層直徑約7.6mm圓形，晶振片用一個彈簧固定在夾具內，或者彈簧被固定在夾具內四周，壓住晶振片的邊。另外一種設計，用一個“陶瓷穩定器（Ceramic retainer）”，和鍍金的彈簧在中間，壓住晶振片的邊。在上述兩種設計中，晶振片夾具放入探頭中（一個小的金屬塊），另一個鍍金彈簧壓住晶振片或穩定器背面，以形成完整的電路。通常，探頭中還有一個彈簧以穩定夾具，使夾具和探頭成通路。探頭的外面是擰入式微點式接頭（Mircondot conneor），一個電纜（Microcoaxial，內有雙線）聯結探頭和接口（Feedthrough），接口再與振蕩器相連，終聯結顯示儀。探頭有兩個細金屬管向晶振片提供冷卻水。冷卻水管可能與探頭內的管道相通或者與探頭背面彎管相通。但后總是要與接口連接。新的探頭，裝入晶振片容易，大小合適，電接觸好，冷卻水正常。然而，反復使用以后，系統會損壞，不能或不正常顯示數據，常見原因如下： 1）夾具內或探頭的接觸彈簧斷了或過分折彎，造成斷路。 2）探頭中與電纜的連線斷了，造成斷路。 3）探頭與接頭間的電纜斷裂或松動，造成斷路。 4）冷卻水內礦物太多，使水流不暢，探頭過熱。

五﹑電對晶振片質量的影響晶振片的電對膜厚監控，目前，市場上提供三種標準電材料：金、銀和合金。金是廣泛使用的傳統材料，它具有低接觸電阻，高化學溫定性，易于沉積。金適合于低應力材料，如金，銀，銅的膜厚控制。用鍍金晶振片監控以上產品，即使頻率飄移1MHz，也沒有負作用。然而，金電不易彎曲，會將應力從膜層轉移到石英基片上。轉移的壓力會使晶振片跳頻和嚴重影響質量和穩定性。銀是接近的電材料，有低的接觸電阻和優良的塑變性。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。銀鋁合金晶振片近推出一種新型電材料，適合高應力膜料的鍍膜監控，如Si0，Si02， MgF2，Ti02。這些高應力膜層，由于高張力或堆積的引力，經常會使晶振片有不穩定，高應力會使基片變形而導致跳頻。銀鋁合金通過塑變或流變分散應力，在張力或應力使基體變形前，銀鋁電已經釋放了這些應力。這使銀鋁合金晶振片具有更長時間，更穩定的振動。實驗室的鍍Si02用銀鋁合金晶振片比鍍金壽命長400%。晶振片的電根據其外觀形狀分為單錨﹑雙錨﹑全雙錨，目前使用較多的為雙錨電晶振片。

六﹑如何選用合適的晶振片？鍍膜科技日新月異，對于鍍膜工程師來說，如何根據不同的鍍膜工藝選擇的晶振片確實不易。下面建議供大家參考： 1）鍍低應力膜料時，選擇鍍金晶振片常見的鍍膜是鍍Al、Au、Ag、Cu，這些膜層幾乎沒有應力，在室溫下鍍膜即可。膜層較軟，易劃傷，但不會裂開或對基底產生負作用。建議使用鍍金晶振片用于上述鍍膜，經驗證明，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力膜層 Ni、Cr、Mo、Zr、Ni-Cr、Ti、不銹鋼這些材料容易產生高應力，膜層容易從晶體基片上剝落或裂開，以致出現速率的突然跳躍或一系列速率的突然不規則正負變動。有時，這些情況可以容忍，但在一些情況下，會對蒸發源的功率控制有不良作用。 3）使用銀鋁合金晶振片鍍介質光學膜 MgF2、SiO2、Al2O3、TiO2膜料由于良好的光學透明區域或折射率特性，被廣泛用于光學鍍膜，但這些膜料也是難監控的，只有基底溫度大于200度時，這些膜層才會與基底有良好的結合力，所以當這些膜料鍍在水冷的基底晶振片上，在膜層凝結過程會產生大的應力，容易使晶振片在1000埃以內就回失效。這時候，選用合金晶振片將是的選擇，將大大減少調頻機會。實驗室顯示，使用合金晶振片氟化鎂，壽命比鍍金的長100%。如果把冷卻水的溫度從20度到50 度，晶振片的壽命更可以再延長一倍。

七﹑晶振片的安裝及注意事項與技巧隨著鍍膜規格指標的需求日益嚴格，單靠光控已經要求，晶振控制成為鍍膜備的輔助或控制方法﹐如何正確地使用晶振片成為鍍膜質量的重點。所以為了使晶振片壽命長，下面一些方法和技巧供您參考： 1.總是用攝子來挾住晶振片的邊緣，不要碰晶振片中心，因為晶振片振動的活躍中心，任何灰層，油污都會降低晶振片的振動能力。新的晶振片使用之前應在酒精(分析純即可)中浸泡1分鐘左右，之后用塑料鑷子夾取并用紙或潔凈的綢布將酒精擦拭干凈，同時用蘸有酒精的紙或綢布將晶振座擦拭干凈，組裝晶振片之前用將晶振片、晶振座及探頭的接觸彈簧上可能殘留的灰塵、紙屑等吹掉﹐晶振片裝好后再用吹晶振片的表面，去除散落的灰塵。(有人建議用低壓過濾的氮氣或油的空氣吹晶振片的表面，去除散落的灰塵﹐本人認為即可﹐方便經濟又快捷。)切記不要用手指直接接觸晶振片以免留下油漬。 2.保持晶振片的清潔。不要讓鍍膜材料的粉末接觸晶振片的前后中心位置。任何晶體和夾具之間的顆粒或灰層將影響電子接觸，而且會產生應力點，從而改變晶體振動的模式。 3.晶振座經過多次鍍膜后其表面會沉積較厚的膜，如果不將其除去，由于離子轟擊產生的反濺射會影響晶振片的測試。可以先用噴砂或用打砂紙方法將膜層除去，之后用酒精浸泡5分鐘左右，如果能用聲波振蕩清洗一下，效果會更好，后再將其放入110℃烤箱中烘烤15分鐘，即可使用。 4.保持的冷卻水使晶振頭溫度在20-50度。 如果可以將溫度誤差保持在1-2度范圍內，效果更佳。

八﹑晶振片使用維護 晶振片要不要換主要看以下方面： 1.A大小，一般以大于400為標準﹔ 2.Life大小，分增加與減小情況且與所鍍產品有關，使用壽命是否到了，一般的使用壽命從99%左右用到90-92%就該換了； 3.Rate DEV大于10%左右就要換，蒸發速率出現明顯異常，此時也該換； 4.表面質量，晶振片的表面明顯出現膜脫落或起皮的現象也要換。 5.晶振片的靈敏度隨著質量的增加而降低，這樣在使用石英晶體監控法（晶控法）進行鍍膜控制時會導致隨著晶振片的Life降低而出現鍍膜曲線向長波偏移之現象。原因如以下公式得之﹕ ()()1tantanqqqcfcqNDFFdZDZFFππ. ...... ....Δ=.. ........... iiiiiii Δd﹕Film thickns，In angstroms (1=10oA-10m)[薄膜厚度,單位埃()] oA Nq﹕Frequency constant for at cut crystal，1.668&tim;1013Hz-Ang.[At切割晶體頻率常數， 1.668&tim;1013赫茲．埃(Hz．)] oA Dq﹕Density of quartz 2.648 g/cm3[石英密度，2.648gm/cm3] π:﹕the constant Pi，3.[π---常數，3.] Df﹕Density of film material in g/cm3[膜材密度，單位gm/cm3] Z﹕Z-faor of material， is the square root of the ratio[(dq * uq)/ (df * uf)] dq and df are the density and uq and uf are the shear mo of quartz and the film， rpeively。The valu are available in several materials handbooks。[材料Z系數] Fq﹕Frequency of sensor crystal prior to depositing film material on it。This value is a manufauring controlled constant。[欲鍍膜的石英晶體的頻率，該值可由制造控制] Fc﹕Frequency of loaded sensor crystal[已鍍的晶體頻率]

九﹑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，重新郵回廠家鍍上電。 2）利用金電不溶于等強酸的特點，客戶自行處理，將晶振片上的膜層除去部分，重新利用。目前，國內大部分的客戶對用完的晶振片自己處理，以節省成本。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，然對基底或外觀有影響，初始頻率也會改變，放入晶控儀中會發現初始讀數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。這樣的情況，當鍍氟化鎂一會兒，沉積速率或膜厚會顯示不規則的跳躍，鍍鋯或鉻時我們也常常會遇到類似的問題。