我們使用的手機，電腦，辦公設備，家用電器等產品都是由幾十件，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品的靈魂，擁有神奇的壓電效應，和頻率振蕩功能，帶動其他的電子零部件工作，才能使產品正常運轉。而且體積大部分都小巧輕薄，占用空間小，小小的一顆就體現出現代人精湛的工藝。制造一顆石英晶振并不是一件簡單的事，首先光是生產步驟就有好幾十道，需要用到的加工技術也非常多，離子束加工是比較重要的環節。
離子束加工原理
當離子束加工時,使用帶正電荷的離子,并且離子的質量比電子的質量大的多, 因此當對離子加速使其成為高速離子束時,所具有的動能就比高能電子束高許多。為此,當離子束加工時,不會像電子束加工一樣,采用動能轉換為熱能對材料進行加工, 而是通過撞擊石英晶振的材料表面,使得材料表面產生變形、分離、破壞,達到加工的目的。其特點有:(1)因為運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微觀物理撞擊進行加工,所以可以應用于各種材料,包括金屬材料、介質材料。(3) 離子束加工不像電子束加工,將動能轉換為熱能,因此,不會在晶振表面產生很多熱量,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,不會引起機械應力和損傷,可以保證石英水晶諧振器表面的加工質量。(5)由于離子束加工需要在高真空環境下進行加工,因此對環境的污染小,并且對高純度的半導體材料和易氧化的金屬材料加工效果較好。(6)易于控制,容易實現自動化。因為離子束加工具有以上特點,所以被認為是最有前途的超精密加工和微細加工方法,是納米加工技術的基礎[4][11l。
離子束加工的基礎是高能量的離子束射到材料或石英晶體諧振器表面時所產生的撞擊效應、濺射效應和注入效應。離子束加工時,在貼片晶振表面出現的物理過程大致是:當入射離子碰到貼片晶振表面時,因為離子與晶振表面的原子、分子發生碰撞而產生能量交換,這就是離子的撞擊效應。碰撞后,離子將一部分動能傳給石英晶體表面的一些原子、分子。
當這些原子、分子積聚的能量達到一定值后就會從無源晶振表面分離逸出而產生濺射,其余的能量則轉換為材料晶格的振動,這就是離子的濺射效應。注入效應是指當轟擊石英水晶諧振器表面的離子具有很強的能量時,離子直接進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構和化學成分。使得石英晶體表面的機械物理性能發生變化。
離子束加工分類
根據離子束加工時所利用的物理效應以及加工所達到的目的不同,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,前三項加工是利用了離子束的撞擊效應和濺射效應,而最后一項是利用了離子的注入效應。
如圖3-1所示,離子刻蝕加工是由離子源產生的離子經過加速極加速,使其具有很高的能量,然后用其轟擊無源晶振表面。當高速離子與晶體的原子、分子發生碰撞后, 將能量傳給原子、分子,原子、分子獲得足夠的動能后逸出壓電石英晶體表面。從而達到加工目的。

如圖3-2所示,離子濺射沉積加工與離子刻蝕加工類似,也是出離子源產生的離子經過加速極加速,使其具有很高的能量。不同點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,膜層不容易脫落的特點。

如圖3-4所示,離子注入加工就是出離子源產生的離子經過加速極加速, 使其具有相當高的能量,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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應用到石英晶體諧振器的離子束加工原理和技術分類

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