《晶振片知识》word版

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1、一﹑什么是晶振片？薄薄圆圆的晶振片，来源于多面体石英棒，先被切成闪闪发光的六面体棒，再经过反复的切割和研磨，石英棒最终被做成一堆薄薄的（厚0.23mm，直径13.98mm）圆片，每个圆片经切边，抛光和清洗，最后镀上金属电极（正面全镀，背面镀上钥匙孔形），经过检测，包装就可以出厂使用。Inficon晶振片及包装盒然而，这样的小薄片是如何工作的？科学家最早发现一些晶体材料，如石英，经挤压就象电池可产生电流（俗称压电性），相反，如果一个电池接到压电晶体上，晶体就会压缩或伸展，如果将电流连续不断的快速开关，晶体就会振动。在1950年，德国科学家GE

2、ORGESAUERBREY研究发现，如果在晶体的表面上镀一层薄膜，则晶体的振动就会减弱，而且还发现这种振动或频率的减少，是由薄膜的厚度和密度决定的，利用非常精密的电子设备，每秒钟可能多次测试振动，从而实现对晶体镀膜厚度和邻近基体薄膜厚度的实时监控。从此，膜厚控制仪就诞生了。Inficon膜厚控制仪(thinfilmdepositioncontroller)晶振片包装盒晶振片。二﹑膜厚控制仪是如何测试厚度的？一台镀膜设备往往同时配有石英晶体振荡监控法和光学膜厚监控法两套监控系统，两者相互补充以实现薄膜生产过程中工艺参数的准确性和重复性，提高产

3、品的合格率。原理和精度﹕石英晶体法监控膜厚，主要是利用了石英晶体的两个效应，即压电效应和质量负荷效应。石英晶体是离子型的晶体，由于结晶点阵的有规则分布，当发生机械变形时，例如拉伸或压缩时能产生电极化现象，称为压电现象。石英晶体在9.8×104Pa的压强下，承受压力的两个表面上出现正负电荷，产生约0.5V的电位差。压电现象有逆现象，即石英晶体在电场中晶体的大小会发生变化，伸长或缩短，这种现象称为电致伸缩。石英晶体压电效应的固有频率不仅取决于其几何尺寸，切割类型，而且还取决于芯片的厚度。当芯片上镀了某种膜层，使芯片的厚度增大，则芯片的固有频率会

4、相应的衰减。石英晶体的这个效应是质量负荷效应。石英晶体膜厚监控仪就是通过测量频率或与频率有关的参量的变化而监控淀积薄膜的厚度。用于石英膜厚监控用的石英芯片采用AT切割，对于旋光率为右旋晶体，所谓AT切割即为切割面通过或平行于电轴且与光轴成顺时针的特定夹角。AT切割的晶体片其振动频率对质量的变化极其灵敏，但却不敏感于温度的变化，在-40~90℃的整个温度范围内，温度系数大约是±10-6/℃数量级。这些特性使AT切割的石英晶体片更适合于薄膜淀积中的膜厚监控。AT切割的石英芯片压电效应的固有谐振频率f为﹕1/22Qncfdρ..=....(1)其

5、中，n﹕谐波数﹐n=1，3，5，……﹔dQ﹕石英晶体的厚度﹔c﹕切变弹性系数﹔ρ﹕石英晶体的密度(2.65×103kg/m3)显然谐振频率f与dQ、c、ρ等量有直接关系。由于很多的外界影响，比如晶体温度、温度梯度、激发电场等都会影响到谐振频率，这是因为上述的因素会影响到dQ、c、ρ等参量值。对于我们常用的基波(n=1)来说(1)式可以化为﹕f=N/dQ(2)其中，N=0.5(c/ρ)1/2=1670Hz．mm(AT切割)，称为晶体的频率常数，dQ为晶体的厚度。对(2)式微分得﹕2QQNfddΔ=.Δ(3)上式的物理意义是，若厚度为dQ的石英

6、晶体增加厚度⊿dQ，则晶体的振动频率变化了⊿f，式中的负号表示晶体的频率随着膜厚的增加而降低。然而在实际镀膜时，淀积的是各种膜料，而不都是石英晶体材料。所以我们需要把石英晶体厚度增量⊿dQ通过质量变换表示成为膜层厚度增量⊿dm。即﹕⊿dQ=(ρm/ρQ)．⊿dm(4)其中﹕ρm为膜层的密度﹔ρQ﹕石英晶体的密度(2.65×103kg/m3)把(4)式代入(3)式中，有﹕22mmmQQQNffddNρρρρΔ=.Δ=.Δiii(5)令2mQfsNρρ.=i﹐则mfsdΔ=Δi或()1/mdsΔ=(6)式中s称为变换灵敏度。对于某一种确定的镀膜

7、材料，ρm为常数，在膜层不很厚，即淀积的膜层质量远小于石英芯片质量时，固有频率变化不会很大。这样我们可以近似地把s看成为常数，于是由(6)式表达的石英晶体频率的变化⊿f与淀积薄膜厚度⊿dm就有了一个线性关系。因此我们可以借助检测石英晶体固有频率的变化，实现对膜厚的监控。显然这里有一个明显的好处，随着镀膜时膜层厚度的增加，频率单调地线性下降，不会出现光学监控系统中控制信号的起伏，并且很容易进行微分得到淀积速率的信号。因此，在光学监控膜厚时，还得用石英晶体法来监控淀积速率，我们知道淀积速率稳定对膜材折射率的稳定性、产品的均匀性重复性等是很有好处

8、和有力的保证。最早的石英晶体膜厚监控仪就是直接用频率来读数，用频差对应厚度的。后来在数字电路发展的基础上，人们采用了所谓周期法测厚原理。公式(5)中的f2，严格一点应该表示为f2