反台晶体谐振器

1、反台晶体谐振器The Inverted Mesa Crystal Resonators一、概述提高石英谐振器基频的常规措施,一般有化学腐蚀法、机械研磨法、贴基底片法等。其中,化学腐蚀法仅能使基频提高数兆赫;后二者虽然也曾使基频提高到约100MHz，但加工困难，迄今，国内外用此二者制作的谐振器，具基频一般不超过 50MHz。 1972年日本有人用离子束刻蚀法将谐振器基频做到81.8MHz（Q=7000）。1977年、 1978 年 ,法国有人凭借此法先后将谐振器基频提高到271MHz（Q=14000,等效电阻 R= 168 欧）和 525MHz（Q=7800,R=137 欧）。为了得到高基频（H

2、igh frequency fundamental ,简称HFF晶体谐振器， 原有的设计不能满足要求，t=1670/f（ m）,因此就必须将晶片设计成反台结构 （Inverted Mesa ,目前这种结构的基频最高已经能够做到1200MHz美国XECO能够提供各种种类的Inverted Mesa Blank ，主要用于国防军事用途，未来随着5G的发展，这种结构HFF晶体谐振器将广泛应用于民用。二、产品设计反台晶体谐振器产品制造要经过以下加工工艺：Wafer选定（切割抛光）Inverted Mesa Blank 制作（等离子束刻蚀）电极设计 （镀膜和光刻工艺）调频 （ 激光粗调 ） 点胶精调封装

3、 （轮焊或金锡焊）选选老化测试1、 Wafer 选定HFF晶体谐振器需要用到超细微加工工艺（QMEMS,因此晶圆（Wafer）很 重要。目前我司用于制造音叉谐振器的 Wafer尺寸为67X70mnffi 70x 77mm国 外市场上用于AT-cut的wafer有方形和圆形两种。方形 wafer片尺寸为24X 22mm圆形尺寸有小25、650和675mm加工方面圆形 wafer片加工要难于方 形 wafer 片，且尺寸越大越难加工，研磨抛光的精度要求就越高。国外企业中NDKfg够提供（|）75mnH形wafer片，为业内第一；River、TXC TaiTer等公司能够提供小50 mm圆形wafe

4、r片；KDS公司能够提供小25 mm圆 形 wafer 片。高周波MESA WAFERft(Polish(S)a® ： MESA-WM31 2I原、仕梯i o 他 i a x i o'e2.Etch Channsl £1 Cipcs以内/cn?3.InclusiDne Total心以内Jm'1 D-*30ju. nirOpcE 3070 int<2pcs70CXjU m：/pcs -1 00父 tnJil±：<1 ocs4某理A辗22.6 ±0.1MXO+I9若。5.Mon Seed高周波MESA WAFERlt槎(工程规格)

5、EtcbMu 研磨 ft巾AGDET5斯用摩席右如格幅f,扑花Flat(ZS)E寸法厚度F樵良c由a&理稻中心25,0 (mm)7 (mm)114 (mm)”肮 mm)0.066B (mm)»5000(KH-r 6sj00J册公差± D.1 (mm)± 1 (mm)i 1 (mm)± JI (mm>+ 0 901 (mm)= 2OKHe=：g 3(r2 Mh 3Or=. 3O1图1 MESA Wafer片规格尺寸2、Inverted Mesa Blank 设计目前反台晶体谐振器主要封装尺寸有 7050、5032和3225,内部反台结构尺 寸

6、与封装尺寸对应，形状种类多样，有方形的，也有圆形的；有单面台阶，也有 双面台阶；内部台阶角度有直角也有斜角。反台刻蚀后晶片厚度与频率有关， t=1670/f ( Limj),具体结构如下图所示：Bl-ank. Diarvbeief乱 gEE'S mnwiiTOEEGinEExi?rngl FormExlefnal Form. CeramicBlank Dim自n W口n _ PackageFlatne&sSingle, DoubleF汇MM+7x”： zAkis Indluti 口 n图2反台晶体视图（圆形和方形单面台阶）Tw* -aPARAMETERSPECIFICATION

7、S7050 Tyu e5032 Type32国 TypeRouod TpeBlank Dimn£iiDri(ZwX)5,口口工2.50加第M50”.30mmiaoox L4anm*5.D3 Flai CL 254mm or specifyMe5a DiinensiiQntZX)2/9L伽皿K50*1.20nirTiL20 X tOQmmDr Si口白亡ikFrequency flange70,000MHz 10 SOO.OOOMHz Fundamental150.0(X1 to SCO.OiXNvlHz 3rd OrtonCut Angle i ToleranceCuslomer S

8、pecriied±a,03F» 7D ED 1DDMH2Frequency Toleranc e士口丽 loom 20QMHZ±0.05F> 200ta 300MHZMesa Ring Frequency22.0D0MHZ or 3CLM0MH2 (Our siandardjSurface AnishChemical PolishMatnaJLow Etch Channel Pure z Quart?图3圆形和方形、斜角双台结构Specifications and DatasheetsMesa SenesStyleirwerted me5ml crystal

9、 blariKs dimensionsApplkliani： conunon packages or mountFnecjuency Ra叫eRZ126'（I）<>（E£D3.2 mm 11.S3 mm5 mmx 7 mmSMD3.2 it 5.0 mm SMD UM-1 - HC-4570-1300 MHZRequest QuoteIX3.Z mm k 1 .S3 mm51nmi n 7 mm SMD3.2 X 5 .0 mm SMD UM-1 - HC-4570-7OTMHZQu。除I3.5 mm k 1.S3 mm3.2 x 5.0 mm 5D70-70AM

10、HZul代/RX15013 ®1 mm x 工83 mm3.5 X 5.0 mm SMD30-350 MHZRequest QuoteRM1964 Mmmi k 2.39 mm&x7 mtn SMD3O-550MHZReau«JlQua晅4 Mmmx2.39 nwn5X7 Mtn SMD100-7MMK2：Request QueteSM141I1卜J3.504nm x 3 5Bmm (5.08 acrMS diagonal)/ -1- - ,2-pomll of 4-poinl Clip mounts. UM-1. HC_45 o< 3sgM packages

11、3O-350MHZReguesl QualeCM2005 AS mm round0 200" or S2-poirrt, 3-point, or4-poinl clipiwunls UM-1. HC_J5, Large SMD ot larger因如骅s3Q-K)0MH£RecuesI QuoteSM156t.3 96 fTlrn 13 96 mn (S.&Bmm across degonal). wa.22OFor 5.5Bmni30-200MH2R&ouest Quote2-point er 4-point clip mountsUM-1.HC_45,

12、Large SMD or larger packagesCM及口QjF5.58 mm round0.220" or S.5Bmm 2-poirrt, 1 point, 口%point clip mounls UM-1. hc_ g Large SMD o( larger呼必脾30-200MHZRea 虞 st Quote图4美国XECO公司不同形状台阶(切割角度 between 35 ° 8' and 35 ° 29TYPEXZMXMZmambmemdmtIs&mRarcSGLMM4 8265 0803.CH83 0481 01607622 215

13、WNANANANA51期CM2OT4 B2SOBO2.M02.SJ01.2701.0162J215HAIMANANANA51 &813CM?加”345 566第MS1.01eQ.76S23弱NANANANANA4$24flRMm2 3884 9701.M02.S40NANANAMAHA也率1.2WNAHARM 11%3 ZOO1 82D1.54-91 4的d.4620£DO。其gHAMA01610.7423.620RNim3 5051频J .M'S1白配0械J6QO0 389NAHA97gJ 1JiiNANA4 S782 3配2.5401飒0.JB31.4190459

14、0 4321.0161.2%0 2541 067123,515RR19G4 STH2 3BB2X02.134NANANAMANA"190137NA,MAR51&03 B102 5401.6001 6MCM的a fa-yQ206口而1 0791.1K0 470NANAR519E4 S7B2 3BB1.600i 6000.45.9.聃3D-20B 2601.07§1.6OT0.394NARX1SJ |3n2 540£金晓管腕1*1F年06700 W0 335Q.7K0 127NA.*MARJh帆鼻酊日24M2.5402.134o.sai11.3670.559Q

15、.5M1.11gUIS0.1271.06711 J.227RZ13S1 B293却口1W51.575口口 177J6352 743NA0.127NAHRR21W2 MCI，YD2.2&&2维 '.：iQ 3350 6700.0470.335OJ270 762NASA5B1413,50135B1：.2 5d2.2Mi： i： 7：0.9470.3350.3351 t：.：c0.46190.469NAwSMI 413 5S13 5812.5402取。07441L>0S2S酊70 37317S00.5210 521NAfNA3.B62*鲂2Z.'-Vj2 540

16、在7M1 DM0.3720J72UfiD10.711KAmASS1413 5613 5811.W01 SW03QB晒0200口网lQ7f0.&210521nANA0.000OODQD.E50.0250.0010.003Q.0010 001C.Q020.013.cm435-0.W5-0.025-D.M1可由4gll-4.D01-0.002-0.0134j013WJfECO, Me.INVERTED MESA DIMENSIONS (mm)图5美国XECO公司各种型号尺寸MESA 31256MH水基本波）图6MESA 312.56MHz 尺寸图3、电极设计电极设计与晶体谐振器的电气特性密切

17、相关。对于反台晶体，电极结构有垂 直交叉和圆形叠合，如下图所示:图7垂直交叉结构Inverted Mb5a AT*Cut FundHrncntHl Mode / Filter ApplicationiCC6F-T1AFCC6FT1AF70 -2D0 MHz3.5x2.2 jc D.BDInrartEd Mesa AT-CufcFundBrncntal ModeInverted Mesa AT-Cuc Fundamental ModePicture s<ide图9 美国xeco电极测量尺寸美国XECO公司电极材料有以下几种：1、Chrome （铭）2、Gold Chrome3、Alumin

18、ium （铝） 4、Aluminium with Gold contacts4、国外相关型号介绍1）瑞士微晶Micro Crystal公司CC6F-T1A70 - 25D MHz3 5x2.3xQ.80CC1F-T1ARecommended Solder Pa di3D - 25D MHjS0x37xl ?5DIMENSIONS'All cfiEensjiyi. e ffie typical世而餐Operation ModeFrequency RangeFrequeicy Range3Rd:Frequency ToleranceMaterial and QSurface Finish

19、AngleAngle Tolerance Dimensions (mm) Dimensions (inches) Electrode SizeEl ectrode Style Electrode MaterialElectrode Freq. Td.: Contact Mateial:Ship Pack Method Spedfca tion NateFrequency RangeFl70-200MHzLoad capacitance'cL10.0/ sopFFrequency tolerance al+25 2)AF/F±20ppmFrequency vs temperat

20、ure 制TA: -40 to +85TB：-40tO+125flCTC: -55lo+125aCaf/f0±20±40±50PPmDrive level lyp./maxp50/100hWInsula bon resistance mln.R,500MOAging first year maxAF/F±3ppmSpunous suppression35dBFrequency spunous range51MHzStandard FrequenciesFl70.000124.782MHzSenes re&islance typ.，maxRa35/

21、4535/45QMotional capacitance typc133fFSialic capacilance typc。2A2.5pF2）美国XECO公司RM196I nverted Mesa Crystals Blanks 30- 180 MHz 5.0x 7.0 mmSMD packagesFindammtal or Overtone30 to 180 MHz 90 to 540 MHz+卜 0.010 F*2 (489KHZ at 156,25)Low Etch Charnel Rjre Z Quartz with a Q minimum of 1.8 MilticnPdishedS

22、tdATcut35Dffto35D29 EFG3D6 t+/2 or +卜14.98 x 239 x 0,080 mm0.196x 0.094x0,00315-0.125rrm to 1.27 mrn 5 mils to 50 misContacts at same endChrome Gold or Aluminum +卜 0,015 a 2 (Sane as Electrode or Chrome-Gold with AluminumVacuum sealed wafflepackCustom or specid requirements are avai lable三、QMEMS工工艺Q

23、MEMS是合并了 QUARTZ和MEMS （超细微加工工艺）这两个关键词构 成了一项独有的新技术。通过利用感光印刷技术（光刻）对晶体实施精细加工,QMEMS能提供高精度、高稳定、高附加值的石英晶体产品。与机械加工相比,MEMSQMEMS大幅提升精度和稳定性的同时实现了超小型。与以硅为材料的相对应，以石英为原料进行精微加工（光刻）并可以提供的小型化、高性能的品体元器件被称为QMEMS JorMachankcil p ro ca m I ng(conventional technique)Phioeolithographic processiimgQwrU water/ Oiong-(rnscha

24、hlCBl procfrss)CrywlJBi chipB够&0veltng 附白meal)】 CiytW 附i科 artby 1M THdlon bBhvean Eb« 8brn«ivt manui im “Av waIIi 布 rowing UrumFinal crytl*1 chips/ OuBfUPa&sjviticn y产 and phcKcimisI tsaywExpgun und 日施OMMlC Crys旬)DIHierenGes in crytul chip shape2.DK1.6mAT oyftial unl图10 传统机械加工与 QME

25、MS工艺对比1、等离子刻蚀等离子体刻蚀（也称干法刻蚀）是集成电路制造中的关键工艺之一,其目的是完整地将掩膜图形复制到晶片表面，其原理可以概括为以下几个步骤:在低压下，反应气体在射频功率的激发下，产生电离并形成等离子体, 等离子体是由带电的电子和离子组成， 反应腔体中的气体在电子的撞击下， 除了转变成离子外，还能吸收能量并形成大量的活性基团（Radicals）活性反应基团和被刻蚀物质表面形成化学反应并形成挥发性的反应生成反应生成物脱离被刻蚀物质表面，并被真空系统抽出腔体。:口出）光胶掩照曝坨上除被曝光掩膜（显影）E）等离广体刻蚀匕力上除光股灰化）化学腐蚀方法存在各向异性，被腐蚀部分表面光洁度下降

26、，等效电阻增大，为 了补偿这个缺点，就需要增大电极尺寸，增加电极厚度，这样等效电阻虽然减小了 ， 但寄生很多，只适宜作普通谐振器。采用离子束刻蚀，被刻蚀部分的表面光洁度高， 晶体的等效电阻较小，可以使用较小尺寸的电极，而且电极的厚度较薄，寄生可以 做得很小，甚至没有。湿法刻蚀干法刻蚀横向刻蚀长度<3 pm的工艺条件不可接受很小刻蚀轮廓等向性可控，从非等向性到等向性刻蚀速率高可接受，可控选择性高可接受,可控设备费用低高产量高（批）可接受.可控化学药品使用量高低图12基频155.52 MHz晶体的传输响应特性图（化学腐蚀）图13基频160 MHz晶体的传输响应特性图（等离子刻蚀）以上刻蚀能量

27、约430 eV,刻蚀速率平均约2仙m/h,装片150片（Y 5.5 mm片）。刻蚀过程中，使晶片旋转，以保证刻蚀的均匀性。2、电极镀膜溅射镀膜技术是用离子轰击靶材表面，把靶材的原子被击出的现象称为溅射。溅射产生的原子沉积在基体表面成膜称为溅射镀膜。通常是利用气体放电产生气体电离，其正离子在电场作用下高速轰击阴极靶体， 击出阴极靶体原子或分* 算子赚图11离子束刻蚀反台晶体示意图子，飞向被镀基体表面沉积成薄膜。目前人们开发出了溅射速率较高的射频溅射、 三极溅射和磁控溅射技术。真空蒸发镀膜是在真空条件下，用蒸发器加热蒸发物质，使之升华，蒸发粒 子流直接射向基片，并在基片上沉积形成固态薄膜，或加热蒸发镀膜材料的真空 镀膜方法。物理气相沉积（PVD）离子镀膜溅射镀膜真空蒸发皱膜真空蒸发镀膜原理及其基本过程 ,基片架和加热盖2蒸发料释出的气体3.蒸发源4.挡板5.返流气体足真空泵工解吸的气体8.基片9.钟罩蒸发成膜系统如右图 所示， 主要部分有： 真空容器（提供蒸发所需 的真空环境卜（为蒸镀材料的蒸 发提供热量） 基片（即被镀工