基于离子蚀刻技术实现石英晶振的频率微调

陈 强

(苏州大学 电子信息学院，江苏 苏州 215021)

离子束加工是在真空条件下，将惰性气体通过离子源产生离子束，经过加速、集束、聚焦后，照射到被加工表面上实现各种加工的方法[1].因为其具有加工精度和表面质量高、加工材料广泛、控制性能好等特点，被应用于各种工业加工中.

频率微调是石英晶振加工过程中涉及频率调整的最后一道工序，其加工方法有手工打磨的方法、蒸发频率调整法和离子蚀刻法[2].手工打磨的方法因其效率、合格率、精度低，目前很少使用.蒸发频率调整法会使石英晶片的镀膜产生偏移，镀膜强度不均匀.离子蚀刻法虽然没有镀膜偏移、镀膜强度不均匀的缺点，但是因为加工后数秒内会有一定的频率偏差，导致其精度、生产效率低于蒸发频率调整法，因此不能完全取代蒸发频率调整法.本文对离子蚀刻后产生频率偏差的现象进行分析，并提出可以降低此现象的加工工艺，使得离子蚀刻法的精度可以超过蒸发频率调整法.

1 石英晶振的原理

1.1 石英晶振的形成及等效电路

石英晶体是单晶体结构（SiO2)，其形状为六角形晶柱，两端呈六棱锥形状.石英晶振是按照特定的方位角从石英晶体上切下一片薄片，然后根据特定的尺寸（由目标频率决定)研磨出的石英晶片，在晶片的两面涂覆金属层（根据需要可以是银层或金层)，每个电级层与管脚相连，最后加上封装外壳.

石英晶振的表示符号和等效电路如图1所示.其中:L1为串联等效电感;C1为串联等效电容;R1为串联等效电阻;C0为静态电容.当石英晶振不振动时，就相当于一个平板电容.容量由石英晶片的几何尺寸、电极的面积等决定.当石英晶振振动时，石英晶片就等效成一个串联谐振回路，其中:L1相当于机械振动的惯性;C1相当于石英晶片的弹性;R1相当于石英晶片振动时由于摩擦而产生的损耗.因为L1很大，C1和R1很小，因此回路的品质因数极高，可达100 000～1 000 000.[3-4]

图1 石英晶振的表示符号和等效电路图

1.2 石英晶振的温度特性

温度特性是石英晶振的一个主要的特性.石英晶振的频率温度特性主要由石英晶片的密度、外形尺寸以及弹性率的温度特性决定的.将这三个特性合成后使之趋于0时，石英晶振的频率温度特性达到最优.因此，石英晶振设计的重点就是在指定温度范围内追求这种最优条件.

2 离子蚀刻的石英晶振频率微调技术

2.1 离子蚀刻方法

用高能离子束照射石英晶片表面，对石英晶片表面的金属层进行蚀刻，使其变薄，从而实现频率微调.对石英晶振进行频率调整时，可以在2～3 mm2以下的面积照射，可得到beam电压1 000 V以下，接近10 mA/cm2的高离子束电流密度，并且可以改变蚀刻速度.图2中有一小型热阴极PIG型离子枪[5]，使用氩气作为放电气体，流量很小（0.35 cc/min)，圆筒状的阳极周围使用永磁铁给轴方向加磁场.热阴极磁控管放电可以得到高效率、高密度的等离子.等离子可以通过加有1 200 V高压的screen grid和加速grid引出，并且可以通过对热阴极的控制调整等离子的密度.

频率调整时，离子束蚀刻时间为1～2 s，搬送时间及离子束蚀刻前后的测量时间渐近2 s.如果挡板关闭时继续有离子束引出，则0.5 mm厚的不锈钢挡板将在二十几个小时后穿孔而不能使用.为此，在挡板动作时就将离子束切断并只维持放电状态.用高压继电器切断离子束电源及加速电源，使得挡板的使用寿命大大增加，又因为高压继电器的动作时间小于2 ms，比机械式挡板的动作时间15 ms快很多，调整精度也可提高.

图2 基于离子蚀刻技术的频率调整简图

2.2 离子蚀刻后数秒内频率的偏移

离子蚀刻后石英晶振的频率发生偏移，这将影响石英晶振的调整精度.如图3所示，在蚀刻前，石英晶振的频率相对目标值是负的.随后边测定频率边用离子束照射晶振的电极，因电极被蚀刻使得频率变高.当离子束停止照射后，频率将有所下降，开始几秒变化较大，随后慢慢变小，数十秒后就不再变化.

2.3 离子蚀刻后数秒内频率偏移的处理方法

这种频率偏移的大小与石英晶振的频率、晶片的形状、离子束电压、离子束电流密度、离子束的照射时间及调整量有关.为此本文在测试离子束电压不同时频率偏移变化的基础上提出了基于离子蚀刻的频率微调工艺.

图3 蚀刻后频率偏移图

在图4中[6]，横坐标表示调整前与目标频率的偏差（也可以理解为调整量)，纵坐标表示调整后与目标频率的偏差（也就是离子蚀刻停止后产生的频率偏移).从图4可看出，当离子束电压越大，蚀刻速度越快，调整量越大则产生的频率偏移越大.并且频率偏移量与调整量接近线性关系.因此，可以通过预调整来获得调整量与频率偏移之间的关系，然后根据再次调整前所测的频率和预测可能产生的偏移，计算出控制挡板的开闭时间对挡板进行精确控制，从而可以将离子蚀刻后的频率偏移减得很小.

用AT方向切割角度的石英晶片300片进行试验.调整结束后目标频率为26.998 245 MHz，上下限为±20 ppm(频率与中心频率的偏差).这里采用两段式频率调整方法.第一段设定离子束电压为550 V，放电电流为220 mA，实现大电压、大电流的离子束对试验晶片逐个进行快速蚀刻调整.调整前平均频率为26.928 597 MHz（即-2 579.71 ppm)，调整速率平均为1 538.01 ppm/s，调整结束时的平均频率为26.994 700 MHz（即-131.28 ppm)，调整量平均为2 448.42 ppm，用时约20 min.在微调前测得平均频率为26.994 349 MHz（即-144.31 ppm)，可以看出离子蚀刻频率微调后平均有13 ppm的频率偏移（最大的是35 ppm，最小的是0.4 ppm).第二段设定离子束电压为310 V，放电电流为25 mA，实现小电压、小电流的离子束对试验晶片逐个进行精密蚀刻调整.调整速率平均为152.43 ppm/s，调整结束时的平均频率为26.998 431 MHz（即6.87 ppm)，调整量平均为151.19 ppm，用时约11 min.在10 min后测得平均频率为26.998 365 MHz（即4.45 ppm)，可以看出离子蚀刻频率微调后平均有2.42 ppm的频率偏移（最大的是6 ppm，最小的是0.2 ppm).由此可见，采用两段频率调整法完全可以满足对此石英晶片频率调整的要求.

图4 频率调整量与频率偏移的关系

3 结 论

通过实验证实了采用两段调整法可以极大地减少离子蚀刻后产生的频率偏移.在此实验中，最终的平均频率偏移达到了4.45 ppm，对于频率精度要求高的石英晶片可以采用三段频率调整法，可以进一步减少离子蚀刻的频率偏移，最终可以减少到2 ppm以内.该方法可以使频率微调精度接近甚至超过蒸发频率调整法，离子蚀刻法与蒸发频率调整法相比，有以下优点:①加工时不需要供给辅料，因此可以减少加工时间，提高效率，降低成本.也不会因添加辅料而使制品污染，影响制品的电气特性.②加工后不会产生多层电极膜，保证膜强度，提高频率稳定性.③不需要与电极膜尺寸一致的MASK，可以使制品小型化.由于离子蚀刻法具有诸多优点，因而可以替代蒸发频率调整法.

[1] 赵葛宵，李扬，郑莹娜.离子束去除加工原理探讨[J].电加工与模具，2001（1):26-28.

[2] STRATTON F P，HANG D T，KIRBY D J，et al.A MEMS-based quartz resonator technology for Ghz applications[C]// Frequency Control Symposium and Exposition, 2004, Proceedings of the 2004 IEEE International，2004:27-34.

[3] 吕玉名.模拟电子技术[M].大连:大连理工大学出版社，2008.

[4] 赵声衡，赵英.晶体振荡器[M].北京:科技出版社，2008.

[5] SHIONO Tadahisa，OSADA Yusuke，NAKAGAWA Yasuhiko.Theoretical analysis of frequency change of the quartz crystal resonator by ion beam irradiation[J].IEICE Transactions，2008，3（3):194-203.

[6] SHIONO Tadahisa，KUBO Shinichi，ITO Makoto，et al.The frequency adjustment method of the quartz crystal resonator using ion beam etching[J].IEICE Transactions，2007，2（2):159-165.