石英晶振俗稱水晶,成份是SiO2,它不但是較好的光學材料,而且是重要的壓電材料。在常壓下不同溫度時,石英晶體的結(jié)構(gòu)是不同的。溫度低于573℃時,是a石英晶體;溫度在573℃~870℃時,是B石英晶體;溫度在870℃~1470℃時,是磷石英,溫度達1470℃時,就轉(zhuǎn)變成方石英,它的熔點是1750℃。用于制造壓電晶體元件的為a石英晶體
晶振片的原理
石英晶體是離子型的晶體,由于結(jié)晶點陣的有規(guī)則分布,當發(fā)生機械變形時,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的壓強下承受壓力的兩個表面上出現(xiàn)正負電荷約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的衰減。石英晶體的這個效應是質(zhì)量負荷效應。石英晶體膜厚監(jiān)控儀就是通過測量頻率或與頻率有關的參量的變化而監(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和質(zhì)量負荷效應。
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=1670Kcmm。

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, 式中的負號表示貼片晶振的頻率隨著膜增加而降低然而在實際鍍膜時，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△d_M,即

A是受鍍面積,pM為膜層密度,p。為石英密度等于265g/cm³。于是△d=(pM/pa)"△dM,所以

式中S稱為變換靈敏度。
對于一種確定的鍍膜材料,為常數(shù),在膜層很薄即沉積的膜層質(zhì)量遠小于石英芯片質(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),于是上式表達的石英晶體頻率的變化人行與沉積薄膜厚度△dM有個線性關系因此我們可以借助檢測石英晶體諧振器固有頻率的變化,實現(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)光學監(jiān)控系統(tǒng)中控制信號的起伏,并且很容易進行微分得到沉積速率的信號。因此,在光學監(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、產(chǎn)的均勻性重復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?；l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)定和有高的靈敏度體上膜層鍍到一定厚度后,就應該更換新的晶振片。
此圖為膜系鍍制過程中部分頻率與厚度關系圖。

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晶振片的原理及厚度增重頻率變化

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