腐蚀工艺在石英晶体谐振器生产过程中的应用

张会勇

摘 要：晶片腐蚀是石英晶体谐振器生产过程中不可缺少的工序。采用不同的腐蚀工艺参数，例如腐蚀量大小、腐蚀液的温度、不同的腐蚀方法，均会对晶体谐振器参数产生不同的影响。简要介绍了石英晶片的腐蚀工序作用、主要参数和腐蚀工艺的步骤对晶体谐振器参数的影响。

关键词：石英晶体谐振器；晶片腐蚀；谐振电阻；腐蚀方法

中图分类号：TN752.2 文献标识码：A DOI：10.15913/j.cnki.kjycx.2015.08.157

石英晶片在切割、研磨过程中会产生一定的破坏层，其会加大晶体谐振器振动能量的损耗，从而导致晶体谐振电阻增大。制成石英谐振器后，还会由于石英碎屑的脱落，导致频率漂移或电极不牢等问题，因此，石英晶片必须进行腐蚀，以清除破坏层，改善晶片表面状态，进而大大降低谐振器电阻和老化率，提高晶体谐振器生产的合格率。

1 腐蚀方法及其原理

晶片的腐蚀主要有两种方法，①化学腐蚀，即利用SiO2能溶于氢氟酸或氟化铵溶液的原理，使用氢氟酸或氟化铵配制成一定浓度的溶液进行腐蚀，从而达到去除表面破坏层的目的；②等离子体腐蚀，即在等离子体中氟原子与石英晶片表面反应，生成气态的氟化硅，从而起到消除晶片表面机械损伤的作用。

虽然等离子体腐蚀能够很好地控制腐蚀后的频率一致性，但是由于等离子体腐蚀速率非常低，因此在实际生产中多采用化学腐蚀的方法。氢氟酸对石英晶体腐蚀能力较强，浓度越高，腐蚀速度越快，腐蚀后的晶片表面越粗糙，氟化铵饱和溶液腐蚀速率较慢，所以在实际生产中一般需要加热到50 ℃左右，以提高腐蚀速率。

2 腐蚀量的计算

研磨过程中，产生的破坏层的厚度一般为几到几十微米，将破坏层去除后，晶片频率会随之上升，对于AT切晶片，可以近似利用下列公式进行腐蚀频率计算：

△f=600f2△t. （1）

式（1）中：△f为腐蚀后的频率变化，kHz；△t为腐蚀前后晶片厚度变化，mm；f为晶片基波频率，MHz。

一般来说，石英晶片两面的腐蚀量为最后一道研磨砂粒径的2倍，此时石英晶片表面的破坏层可以基本上消除。

3 影响腐蚀的主要因素

3.1 腐蚀时间

当腐蚀液浓度和温度一定时，腐蚀速率与腐蚀时间不是完全的线性关系。在腐蚀开始阶段，腐蚀速率与腐蚀时间基本上呈线性关系；当腐蚀到到一定程度时，即石英晶片表面的破坏层基本上消除后，腐蚀速率开始变慢；如果长时间腐蚀，反而会破坏晶格结构，产生云状白斑，使得晶片表面变得更加粗糙，进而会增大晶体谐振器的谐振电阻，并且晶片表面粗糙后还会影响晶体谐振器的老化率。因此，在实际的生产过程中，可以通过实验做出腐蚀时间与腐蚀速率的关系图。当腐蚀速率开始变慢时，就要停止腐蚀，此时的腐蚀时间即为最佳的腐蚀时间，此腐蚀时间既可以消除晶片表面破坏层，又不影响晶体谐振器的电阻等参数。

3.2 腐蚀温度

当腐蚀液浓度一定时，腐蚀液温度越高，则腐蚀速率越快。当采用氟化铵饱和溶液作为腐蚀液的时候，一般将腐蚀液加热到50 ℃左右，这样可以提高腐蚀速率。在实际生产中，为了保证大批量晶片腐蚀后频率的一致性，要将腐蚀液放入恒温槽中，用以保证腐蚀液温度的稳定性。

3.3 腐蚀液浓度

腐蚀液浓度的大小直接影响腐蚀速率，腐蚀液浓度越大，腐蚀速率越快。当采用氢氟酸进行腐蚀时，由于其对人身体具有一定的危害，因此浓度不宜过高。在实际生产中，一般使用的是质量分数为40%的氢氟酸试剂与去离子水按照1∶5的比例配制而成的腐蚀液。在实际的生产过程中，由于腐蚀液的有效浓度随着生产逐渐降低，因此，生产时要定期更换腐蚀液，以保证腐蚀的一致性。

4 腐蚀过程中的注意事项

在腐蚀前要将晶片清洗干净，一般使用铬酸进行清洗2遍，然后用去离子水放入超声波中进行超洗，最后使用无水乙醇进行脱水、烘干，清洗完毕后对晶片频率进行分选。分选后将同一档的晶片装入同一清洗夹具中，这样可以避免腐蚀时由于相互叠压导致晶片叠压面不能有效去除破坏层，而非叠压面腐蚀量过大，进而保证晶片两面均匀的腐蚀。晶片在腐蚀时，频率会随之发生变化，晶片频率越高，频率的变化率也越快，因此在晶片的腐蚀过程中，要时刻监视频率的变化，而且在腐蚀过程中要不断上下晃动腐蚀夹具，以保证腐蚀的均匀性。腐蚀后立即将去离子水放入超声波中超洗两遍，腐蚀频率达到要求后转入下道工序。

5 腐蚀对晶体参数的影响

晶片经过腐蚀工序后，大部分破坏层被去除，大大降低了晶体谐振器的谐振电阻率和老化率。表1为不同频率的晶体谐振器采用腐蚀和未进行腐蚀电阻率对比。

表1 不同频率的晶体谐振器采用腐蚀和未进行腐蚀的电阻率对比

工艺 122.88M（3rd） 38.88M（3rd） 10M（3rd）

腐蚀 12.3 Ω 11.9 Ω 50.9 Ω

未腐蚀 20.5 Ω 21.1 Ω 80.3 Ω

从上表可以看出，经过腐蚀后不同频率点的电阻均出现明显的下降，因此，腐蚀工序对于降低晶体谐振器电阻率是十分重要的。

同样，采用腐蚀后生产的晶体谐振器对晶体老化合格率也会有很大的提高，以恒温38.88M（3rd）晶体谐振器来说，采用腐蚀工艺后生产的晶体，老化合格率较未采用腐蚀工艺生产的晶体高5%～10%，因此，腐蚀工艺对于提高晶体谐振器的老化水平是十分必要的。

6 结束语

腐蚀工序是晶体谐振器生产的一道重要工序，其可以有效去除研磨导致的破坏层，因此对晶体谐振器的参数尤其是谐振电阻率和老化率有重要的影响。在实际生产过程中，可根据各种腐蚀试验确定最佳的腐蚀参数，以提高谐振器的参数性能指标。

参考文献

[1]史振华.石英晶体元器件的设计与制造[J].压电晶体技术，2001（11）.

〔编辑：王霞〕