腐蝕工藝在石英晶體諧振器生產(chǎn)過程中的應(yīng)用

張會勇

摘 要：晶片腐蝕是石英晶體諧振器生產(chǎn)過程中不可缺少的工序。采用不同的腐蝕工藝參數(shù)，例如腐蝕量大小、腐蝕液的溫度、不同的腐蝕方法，均會對晶體諧振器參數(shù)產(chǎn)生不同的影響。簡要介紹了石英晶片的腐蝕工序作用、主要參數(shù)和腐蝕工藝的步驟對晶體諧振器參數(shù)的影響。

關(guān)鍵詞：石英晶體諧振器；晶片腐蝕；諧振電阻；腐蝕方法

中圖分類號：TN752.2 文獻(xiàn)標(biāo)識碼：A DOI：10.15913/j.cnki.kjycx.2015.08.157

石英晶片在切割、研磨過程中會產(chǎn)生一定的破壞層，其會加大晶體諧振器振動能量的損耗，從而導(dǎo)致晶體諧振電阻增大。制成石英諧振器后，還會由于石英碎屑的脫落，導(dǎo)致頻率漂移或電極不牢等問題，因此，石英晶片必須進(jìn)行腐蝕，以清除破壞層，改善晶片表面狀態(tài)，進(jìn)而大大降低諧振器電阻和老化率，提高晶體諧振器生產(chǎn)的合格率。

1 腐蝕方法及其原理

晶片的腐蝕主要有兩種方法，①化學(xué)腐蝕，即利用SiO2能溶于氫氟酸或氟化銨溶液的原理，使用氫氟酸或氟化銨配制成一定濃度的溶液進(jìn)行腐蝕，從而達(dá)到去除表面破壞層的目的；②等離子體腐蝕，即在等離子體中氟原子與石英晶片表面反應(yīng)，生成氣態(tài)的氟化硅，從而起到消除晶片表面機(jī)械損傷的作用。

雖然等離子體腐蝕能夠很好地控制腐蝕后的頻率一致性，但是由于等離子體腐蝕速率非常低，因此在實(shí)際生產(chǎn)中多采用化學(xué)腐蝕的方法。氫氟酸對石英晶體腐蝕能力較強(qiáng)，濃度越高，腐蝕速度越快，腐蝕后的晶片表面越粗糙，氟化銨飽和溶液腐蝕速率較慢，所以在實(shí)際生產(chǎn)中一般需要加熱到50 ℃左右，以提高腐蝕速率。

2 腐蝕量的計(jì)算

研磨過程中，產(chǎn)生的破壞層的厚度一般為幾到幾十微米，將破壞層去除后，晶片頻率會隨之上升，對于AT切晶片，可以近似利用下列公式進(jìn)行腐蝕頻率計(jì)算：

△f=600f2△t. （1）

式（1）中：△f為腐蝕后的頻率變化，kHz；△t為腐蝕前后晶片厚度變化，mm；f為晶片基波頻率，MHz。

一般來說，石英晶片兩面的腐蝕量為最后一道研磨砂粒徑的2倍，此時(shí)石英晶片表面的破壞層可以基本上消除。

3 影響腐蝕的主要因素

3.1 腐蝕時(shí)間

當(dāng)腐蝕液濃度和溫度一定時(shí)，腐蝕速率與腐蝕時(shí)間不是完全的線性關(guān)系。在腐蝕開始階段，腐蝕速率與腐蝕時(shí)間基本上呈線性關(guān)系；當(dāng)腐蝕到到一定程度時(shí)，即石英晶片表面的破壞層基本上消除后，腐蝕速率開始變慢；如果長時(shí)間腐蝕，反而會破壞晶格結(jié)構(gòu)，產(chǎn)生云狀白斑，使得晶片表面變得更加粗糙，進(jìn)而會增大晶體諧振器的諧振電阻，并且晶片表面粗糙后還會影響晶體諧振器的老化率。因此，在實(shí)際的生產(chǎn)過程中，可以通過實(shí)驗(yàn)做出腐蝕時(shí)間與腐蝕速率的關(guān)系圖。當(dāng)腐蝕速率開始變慢時(shí)，就要停止腐蝕，此時(shí)的腐蝕時(shí)間即為最佳的腐蝕時(shí)間，此腐蝕時(shí)間既可以消除晶片表面破壞層，又不影響晶體諧振器的電阻等參數(shù)。

3.2 腐蝕溫度

當(dāng)腐蝕液濃度一定時(shí)，腐蝕液溫度越高，則腐蝕速率越快。當(dāng)采用氟化銨飽和溶液作為腐蝕液的時(shí)候，一般將腐蝕液加熱到50 ℃左右，這樣可以提高腐蝕速率。在實(shí)際生產(chǎn)中，為了保證大批量晶片腐蝕后頻率的一致性，要將腐蝕液放入恒溫槽中，用以保證腐蝕液溫度的穩(wěn)定性。

3.3 腐蝕液濃度

腐蝕液濃度的大小直接影響腐蝕速率，腐蝕液濃度越大，腐蝕速率越快。當(dāng)采用氫氟酸進(jìn)行腐蝕時(shí)，由于其對人身體具有一定的危害，因此濃度不宜過高。在實(shí)際生產(chǎn)中，一般使用的是質(zhì)量分?jǐn)?shù)為40%的氫氟酸試劑與去離子水按照1∶5的比例配制而成的腐蝕液。在實(shí)際的生產(chǎn)過程中，由于腐蝕液的有效濃度隨著生產(chǎn)逐漸降低，因此，生產(chǎn)時(shí)要定期更換腐蝕液，以保證腐蝕的一致性。

4 腐蝕過程中的注意事項(xiàng)

在腐蝕前要將晶片清洗干凈，一般使用鉻酸進(jìn)行清洗2遍，然后用去離子水放入超聲波中進(jìn)行超洗，最后使用無水乙醇進(jìn)行脫水、烘干，清洗完畢后對晶片頻率進(jìn)行分選。分選后將同一檔的晶片裝入同一清洗夾具中，這樣可以避免腐蝕時(shí)由于相互疊壓導(dǎo)致晶片疊壓面不能有效去除破壞層，而非疊壓面腐蝕量過大，進(jìn)而保證晶片兩面均勻的腐蝕。晶片在腐蝕時(shí)，頻率會隨之發(fā)生變化，晶片頻率越高，頻率的變化率也越快，因此在晶片的腐蝕過程中，要時(shí)刻監(jiān)視頻率的變化，而且在腐蝕過程中要不斷上下晃動腐蝕夾具，以保證腐蝕的均勻性。腐蝕后立即將去離子水放入超聲波中超洗兩遍，腐蝕頻率達(dá)到要求后轉(zhuǎn)入下道工序。

5 腐蝕對晶體參數(shù)的影響

晶片經(jīng)過腐蝕工序后，大部分破壞層被去除，大大降低了晶體諧振器的諧振電阻率和老化率。表1為不同頻率的晶體諧振器采用腐蝕和未進(jìn)行腐蝕電阻率對比。

表1 不同頻率的晶體諧振器采用腐蝕和未進(jìn)行腐蝕的電阻率對比

工藝 122.88M（3rd） 38.88M（3rd） 10M（3rd）

腐蝕 12.3 Ω 11.9 Ω 50.9 Ω

未腐蝕 20.5 Ω 21.1 Ω 80.3 Ω

從上表可以看出，經(jīng)過腐蝕后不同頻率點(diǎn)的電阻均出現(xiàn)明顯的下降，因此，腐蝕工序?qū)τ诮档途w諧振器電阻率是十分重要的。

同樣，采用腐蝕后生產(chǎn)的晶體諧振器對晶體老化合格率也會有很大的提高，以恒溫38.88M（3rd）晶體諧振器來說，采用腐蝕工藝后生產(chǎn)的晶體，老化合格率較未采用腐蝕工藝生產(chǎn)的晶體高5%～10%，因此，腐蝕工藝對于提高晶體諧振器的老化水平是十分必要的。

6 結(jié)束語

腐蝕工序是晶體諧振器生產(chǎn)的一道重要工序，其可以有效去除研磨導(dǎo)致的破壞層，因此對晶體諧振器的參數(shù)尤其是諧振電阻率和老化率有重要的影響。在實(shí)際生產(chǎn)過程中，可根據(jù)各種腐蝕試驗(yàn)確定最佳的腐蝕參數(shù)，以提高諧振器的參數(shù)性能指標(biāo)。

參考文獻(xiàn)

[1]史振華.石英晶體元器件的設(shè)計(jì)與制造[J].壓電晶體技術(shù)，2001（11）.

〔編輯：王霞〕