我們使用的手機(jī)，電腦，辦公設(shè)備，家用電器等產(chǎn)品都是由幾十件，幾百件零零雜雜的電子元器件組成的。石英晶體諧振器是眾多產(chǎn)品的靈魂，擁有神奇的壓電效應(yīng)，和頻率振蕩功能，帶動(dòng)其他的電子零部件工作，才能使產(chǎn)品正常運(yùn)轉(zhuǎn)。而且體積大部分都小巧輕薄，占用空間小，小小的一顆就體現(xiàn)出現(xiàn)代人精湛的工藝。制造一顆石英晶振并不是一件簡(jiǎn)單的事，首先光是生產(chǎn)步驟就有好幾十道，需要用到的加工技術(shù)也非常多，離子束加工是比較重要的環(huán)節(jié)。
離子束加工原理
當(dāng)離子束加工時(shí),使用帶正電荷的離子,并且離子的質(zhì)量比電子的質(zhì)量大的多, 因此當(dāng)對(duì)離子加速使其成為高速離子束時(shí),所具有的動(dòng)能就比高能電子束高許多。為此,當(dāng)離子束加工時(shí),不會(huì)像電子束加工一樣,采用動(dòng)能轉(zhuǎn)換為熱能對(duì)材料進(jìn)行加工, 而是通過(guò)撞擊石英晶振的材料表面,使得材料表面產(chǎn)生變形、分離、破壞,達(dá)到加工的目的。其特點(diǎn)有:(1)因?yàn)檫\(yùn)用離子束撞擊石英晶體諧振器的表面,使得加工分辨率很高,并且通過(guò)控制離子束的電流密度,可以方便精確的控制加工量。(2)由于離子束加工是通過(guò)微觀物理撞擊進(jìn)行加工,所以可以應(yīng)用于各種材料,包括金屬材料、介質(zhì)材料。(3) 離子束加工不像電子束加工,將動(dòng)能轉(zhuǎn)換為熱能,因此,不會(huì)在晶振表面產(chǎn)生很多熱量,避免了晶體表面的熱變形,提高了加工精度。(4)由于切削量小,不會(huì)引起機(jī)械應(yīng)力和損傷,可以保證石英水晶諧振器表面的加工質(zhì)量。(5)由于離子束加工需要在高真空環(huán)境下進(jìn)行加工,因此對(duì)環(huán)境的污染小,并且對(duì)高純度的半導(dǎo)體材料和易氧化的金屬材料加工效果較好。(6)易于控制,容易實(shí)現(xiàn)自動(dòng)化。因?yàn)殡x子束加工具有以上特點(diǎn),所以被認(rèn)為是最有前途的超精密加工和微細(xì)加工方法,是納米加工技術(shù)的基礎(chǔ)[4][11l。
離子束加工的基礎(chǔ)是高能量的離子束射到材料或石英晶體諧振器表面時(shí)所產(chǎn)生的撞擊效應(yīng)、濺射效應(yīng)和注入效應(yīng)。離子束加工時(shí),在貼片晶振表面出現(xiàn)的物理過(guò)程大致是:當(dāng)入射離子碰到貼片晶振表面時(shí),因?yàn)殡x子與晶振表面的原子、分子發(fā)生碰撞而產(chǎn)生能量交換,這就是離子的撞擊效應(yīng)。碰撞后,離子將一部分動(dòng)能傳給石英晶體表面的一些原子、分子。
當(dāng)這些原子、分子積聚的能量達(dá)到一定值后就會(huì)從無(wú)源晶振表面分離逸出而產(chǎn)生濺射,其余的能量則轉(zhuǎn)換為材料晶格的振動(dòng),這就是離子的濺射效應(yīng)。注入效應(yīng)是指當(dāng)轟擊石英水晶諧振器表面的離子具有很強(qiáng)的能量時(shí),離子直接進(jìn)入石英晶體諧振器表面層。從而改變石英晶體表面層的微觀結(jié)構(gòu)和化學(xué)成分。使得石英晶體表面的機(jī)械物理性能發(fā)生變化。
離子束加工分類
根據(jù)離子束加工時(shí)所利用的物理效應(yīng)以及加工所達(dá)到的目的不同,可以將離子束加工分為四類:離子刻蝕、離子濺射沉積、離子鍍和離子注入。其中,前三項(xiàng)加工是利用了離子束的撞擊效應(yīng)和濺射效應(yīng),而最后一項(xiàng)是利用了離子的注入效應(yīng)。
如圖3-1所示,離子刻蝕加工是由離子源產(chǎn)生的離子經(jīng)過(guò)加速極加速,使其具有很高的能量,然后用其轟擊無(wú)源晶振表面。當(dāng)高速離子與晶體的原子、分子發(fā)生碰撞后, 將能量傳給原子、分子,原子、分子獲得足夠的動(dòng)能后逸出壓電石英晶體表面。從而達(dá)到加工目的。

如圖3-2所示,離子濺射沉積加工與離子刻蝕加工類似,也是出離子源產(chǎn)生的離子經(jīng)過(guò)加速極加速,使其具有很高的能量。不同點(diǎn)是用高速離子去轟擊靶材表面。靶材的原子、分子逸出后沉積在附近的晶振上,在晶振的表面鍍上一層靶材薄膜。

如圖3-3所示,離子鍍加工與離子濺射沉積加工相比,除了用高速離子轟擊靶材表面,使靶材的原子、分子逸出后沉積在附近的壓電石英晶體上,還用高速離子打擊晶振表面。這可以提高靶材薄膜與石英貼片晶振表面的結(jié)合力。因此離子鍍也稱離子濺射輔助沉積。與離子濺射沉積加工相比,具有附著力強(qiáng),膜層不容易脫落的特點(diǎn)。

如圖3-4所示,離子注入加工就是出離子源產(chǎn)生的離子經(jīng)過(guò)加速極加速, 使其具有相當(dāng)高的能量,然后用其垂直轟擊SMD晶振表面。離子直接注入晶振,并成為晶振材料的一部分。

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