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第二十四章 晶振片使用技巧

  • 分类:工艺讲堂
  • 作者:工艺部
  • 来源:成都国泰真空设备有限公司
  • 发布时间:2022-05-10
  • 访问量:645

【概要描述】成都国泰真空设备有限公司工艺讲堂,本文介绍了什么是材料参数里的密度和Z因子、晶振片类型选择及膜层中切换使用技巧、晶振控制延时控制意义及设定。

第二十四章 晶振片使用技巧

【概要描述】成都国泰真空设备有限公司工艺讲堂,本文介绍了什么是材料参数里的密度和Z因子、晶振片类型选择及膜层中切换使用技巧、晶振控制延时控制意义及设定。

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  全文共分四部分

  (一) 什么是材料参数里的密度和Z因子

  (二) 晶振片类型选择及膜层中切换使用技巧

  (三) 晶振控制延时控制意义及设定

  (四) 小结

(一) 什么是材料参数里的密度和Z因子

  密度,单位体积内物体的质量,在晶控仪中它的单位为 g/cm^3。声波波振面某一面积上的声压与通过这个面积的质点速度之比,称为声阻抗 ,即 Zs=p/v ,单位为 Pa * s/m 式中,p 为声场中某点声压,v 为该位置媒质质点振动速度。 在 AT 切割晶振片的基本振动模式属于平面声波,平面声波的声阻抗可以表示为 Zs = d * v 其中d 是材料密度。所以声阻抗的单位也可有表示为 g/cm^3 * m/s。然而,在晶控仪材料的参数中,出现的并不是声阻抗,而是声阻抗率,它的定义为声阻抗率=石英声阻抗/材料声阻抗。声阻抗率(Z因子)作为一种比率,是无量纲的。对于在两种不同介质中传播的声学波,谐振方程中用声阻抗表达。由于原始声学谐振方程中声阻抗是每项的乘积参数,同时除以石英声阻抗值,可仅用材料声阻抗率参数来表达。

  式(1)中 Nat 为 AT 切割石英频率常数,dq 为石英密度,df 为附着介质密度,Z 为附着介质声阻抗率,Fq 为石英晶体片的初始频率,Fc 为附着介质时刻的频率,Tf 为附着层厚度。

  从(1)式可以看到,若 Fq ≈ Fc,根据泰勒近似,式中三角函数及反三角函数都 可以拿掉,Z-ratio 值恰好抵消!所以,很小频率偏移下 Z-ration值的设定对膜厚计算的影响并不大,对于 Z-ration值不详的材料,可以直接设定为 1.0。

(二) 晶振片类型选择及膜层中切换使用技巧

  镀膜速率的稳定性除了和PID的参数设定有关之外,与晶控系统的硬件稳定性的关系也很大。不同的材料应该选择合适的晶振片,各类晶振片优缺点的如下表1所示:

 

  金是最常用的电极材料,有着较低的接触阻力,很高的灵敏度且容易沉积。通常用于低应力金属膜料的蒸镀,如金、银、铜等。金可在晶振片1MHz频率范围内无粘附效应。但金电极膜层相对不是很牢固,容易造成晶振片跳频或不稳的现象。

  银是出色且全面的电极材料,有着很低的接触阻力和一定程度的形变能力,但在空气中容易氧化,氧化会增加阻抗并降低晶振片的使用寿命。

  铝合金是用于高应力材料蒸镀的最好电极材料,包括一氧化物、二氧化物、氧化镁、二氧化钛等。蒸镀高应力材料对晶体会产生很大的压力和拉力,使镜片产生形变,合金介质可使形变分散,并使之逐渐减小,这样晶体趋于更加稳定。实验证明,蒸镀二氧化硅时使用合金电极,晶体使用寿命会明显提高(最多可达400%)。

  低应力金属材料推荐金电极晶振片——最常用的蒸镀的材料有铝、金、铜、银等。这些材料容易压缩和拉长,柔软并易被蒸镀,不易剥离且不会损伤基片。

  银或合金晶振片更适合用于高应力材料——蒸镀镍、铬、钼或钛时会对晶体产生很大的压力。在膜层超过100nm后,膜层会产生剥落和膜裂,有时晶振片上的介质层也会产生裂缝,这种压力会迅速传给晶体,使晶体产生跳频。

  对于可见光多层膜系时一般情况下,一个晶振片是可以检测稳定的厚度是在3.5um左右的,此项设置对于膜层较厚且膜系较为规整的结构适用,一般厚膜系的晶振片是在高折射率材料层和膜堆切换层进行切换;对于一般的AR膜系建议晶控频率降低到5930MHZ以下之前就进行晶振片的切换。红外镀膜的经验与此略有不同。

(三) 晶振控制延时控制意义及设定

  电子枪挡板打开后的前三秒时间里会出现负速率的情况,如下图1所示。这是实际镀膜时实时记录下来的镀膜速率和时间对应的关系图。此种情况的出现会影响镀膜的控制精度,引起光谱的异常变化。

  此种现象的产生可能有两个诱因。

  首先,挡板打开瞬间,膜料蒸发时的热量释放,造成了热冲击波。其次,离子辅助镀膜时,挡板打开瞬间,离子对晶振片会施加一个正入射的施加力。晶振本身具有压电效应,同时对温度很敏感,所以会出现挡板打开后前几秒出现负速率的情况。

  晶振片本身的频率对温度相当敏感。图2给出了频率与温度之间的关系。图2中所示灰色区域为晶振片的正常工作范围,可以看出在35-70℃之间,温度对晶振片的频率影响是比较小的,我们推荐晶振片最好可以在这个温度区间之间工作。晶振片工作稳定的条件是温度稳定,温度的高低影响不是很大,维持探头温度的冷却水温度在20-45℃比较合适,一般由于机台冷却的需要,水温都设定在24℃,水温变化在1-2℃内变化为宜。

  为了避免出现挡板打开之后前几秒出现负速率的情况,一般情况下在Inficom晶控仪中会设定以下这组Control Delay Time参数,在process文件是如下图3所示的形式。

(四)小结

  对晶振监控当中的材料的密度和Z因子进行了介绍。

  晶振片选择类型及层间切换使用:不同的材料应该选择合适的晶振片,各类晶振片有各种不同的优缺点,晶振切换时尽量保证不影响光谱调试,保证机台的稳定性。

  晶振控制延时控制意义及设定:晶振片的温度变化也会影响镀膜过程中速率的稳定性,控制延时是为了消除挡板打开之后前几秒内的材料蒸发对晶振片温度升高的影响。

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