《石英晶振儀原理》PPT課件.ppt

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1、石英晶振簡介一：石英晶振的原理二：膜厚控制儀原理三：晶振片的選擇四：使用晶振片注意事項(xiàng)一：石英晶振的原理薄薄圓圓的晶振片，來源于多面體石英棒，先被切成閃閃發(fā)光的六面體棒，再經(jīng)過反復(fù)的切割和研磨，石英棒最終被做成一堆薄薄的（厚0.23mm，直徑13.98mm）圓片，每個圓片經(jīng)切邊，拋光和清洗，最后鍍上金屬電極（正面全鍍，背面鍍上鑰匙孔形），經(jīng)過檢測，包裝后就是我們常用的晶振片了。用于石英膜厚監(jiān)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(zhì)量的變化極其靈敏，但卻不敏感于溫度的變化。這些特

2、性使AT切割的石英晶體片更適合于薄膜淀積中的膜厚監(jiān)控?？茖W(xué)家最早發(fā)現(xiàn)一些晶體材料，如石英，經(jīng)擠壓就象電池可產(chǎn)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(xù)不斷的快速開關(guān)，晶體就會振動。在1950年，德國科學(xué)家GEORGESAUERBREY研究發(fā)現(xiàn)，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(fā)現(xiàn)這種振動或頻率的減少，是由薄膜的厚度和密度決定的，利用非常精密的電子設(shè)備，每秒鐘可能多次測試振動，從而實(shí)現(xiàn)對晶體鍍膜厚度和鄰近基體薄膜厚度的實(shí)時監(jiān)控。從此，膜厚控制儀就誕生了。1.1晶振片是怎么來的石英晶體是離子型的晶體，由于結(jié)晶點(diǎn)陣

3、的有規(guī)則分布，當(dāng)發(fā)生機(jī)械變形時，例如拉伸或壓縮時能產(chǎn)生電極化現(xiàn)象，稱為壓電現(xiàn)象。例石英晶體在9.8×104Pa的壓強(qiáng)下，承受壓力的兩個表面上出現(xiàn)正負(fù)電荷，產(chǎn)生約0.5V的電位差。壓電現(xiàn)象有逆現(xiàn)象，即石英晶體在電場中晶體的大小會發(fā)生變化，伸長或縮短，這種現(xiàn)象稱為電致伸縮。石英晶體壓電效應(yīng)的固有頻率不僅取決于其幾何尺寸，切割類型而且還取決于芯片的厚度。當(dāng)芯片上鍍了某種膜層，使芯片的厚度增大，則芯片的固有頻率會相應(yīng)的衰減。石英晶體的這個效應(yīng)是質(zhì)量負(fù)荷效應(yīng)。石英晶體膜厚監(jiān)控儀就是通過測量頻率或與頻率有關(guān)的參量的變化而監(jiān)控淀積薄膜的厚度。石英晶體法監(jiān)控膜厚，主要是利用了石英晶體的壓電效應(yīng)和質(zhì)

4、量負(fù)荷效應(yīng)。1.2晶振片的原理石英晶體的固有頻率f不僅取決于幾何尺寸和切割類型，而且還取決于厚度d，即f=N/d，N是取決與石英晶體的幾何尺寸和切割類型的頻率常數(shù)。對于AT切割的石英晶體，N=f·d=1670Kc·mm。石英晶體厚度增量產(chǎn)生的晶體頻率變化:物理意義是：若厚度為d的石英晶體厚度改變△d，則晶振頻率變化△f,式中的負(fù)號表示晶體的頻率隨著膜厚的增加而降低.然而在實(shí)際鍍膜時,沉積的是各種膜料,而不都是石英晶體材料,所以需要把石英晶體厚度增量△d通過質(zhì)量變換轉(zhuǎn)換成膜層厚度增量△dM,即A是受鍍面積，ρM為膜層密度，ρQ為石英密度等于2.65g/cm3。于是△d=（ρM/ρQ）

5、△dM，所以鍍膜時膜厚增量產(chǎn)生的晶體頻率變化:式中S稱為變換靈敏度.對于一種確定的鍍膜材料,ρM為常數(shù),在膜層很薄,即沉積的膜層質(zhì)量遠(yuǎn)小于石英芯片質(zhì)量時,固有頻率變化不會很大.這樣我們可以近似的把S看成常數(shù),于是上式表達(dá)的石英晶體頻率的變化△f與沉積薄膜厚度△dM有了一個線性關(guān)系.因此我們可以借助檢測石英晶體固有頻率的變化，實(shí)現(xiàn)對膜厚的監(jiān)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(diào)地線性下降，不會出現(xiàn)光學(xué)監(jiān)控系統(tǒng)中控制信號的起伏，并且很容易進(jìn)行微分得到沉積速率的信號。因此，在光學(xué)監(jiān)控膜厚時，還得用石英晶體法來監(jiān)控沉積速率，我們知道沉積速率穩(wěn)定隊膜材折射率的穩(wěn)定性

6、、產(chǎn)品的均勻性重復(fù)性等是很有好處和有力的保證。石英晶體膜厚控制儀有非常高的靈敏度，可以做到埃數(shù)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，基頻最大下降允許2~3%，大約幾百千赫。基頻下降太多，振蕩器不能穩(wěn)定工作﹐產(chǎn)生跳頻現(xiàn)象。如果此時繼續(xù)淀積膜層，就會出現(xiàn)停振。為了保證振蕩穩(wěn)定和有高的靈敏度，晶體上膜層鍍到一定厚度后，就應(yīng)該更換新的晶振片。此圖為膜系鍍制過程中部分頻率與厚度關(guān)系圖。石英晶體振蕩測厚儀二：膜厚控制儀原理膜厚控制儀用電子組件引起晶振片的高速振動，約每秒6百萬次

7、（6MHz），鍍膜時，測試每秒鐘振動次數(shù)的改變，從所接受的數(shù)據(jù)中計算膜層的厚度。為了確保晶振片以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，振蕩器通過迅速改變給晶振片的電流使晶振片高速振動。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(jié)果顯示在晶控儀上：1）沉積速率(Rate)（埃/秒）2）已沉積的膜厚(Thickness)（埃）3）晶振片的壽命(Life)(%)4