3109
.pdfфильтра после металлизации и фотолитографии. Оба эти недостатка связаны с зернистостью структуры. Однако, несмотря на эти недостатки, фильтры на пьезокерамике получили широкое применение в датчиках для автомобильной электроники в виду из малой стоимости.
Технологический процесс изготовления звукопроводов фильтров ПАВ в случае использования монокристаллических материалов состоит из следующих основных операций: ориентировки кристаллов и распиловки, предварительной шлифовки заготовок по контуру и по плоскости, точной шлифовки по плоскости, полировки рабочей плоскости. Звукопроводы из пьезокерамики перед распиловкой или шлифовкой поляризуются.
При необходимости на нерабочей плоскости звукопроводов выполняются скосы, насечки, канавки и т.д., а торцевые ребра звукопроводов закругляются по радиусу или на них также наносятся насечки. Пазы, прорези, насечки выполняются алмазными дисками с внешней режущей кромкой, ультразвуком или лучом лазера. После ориентировки монокристаллы распиливаются сначала на параллельные секции, положения главных плоскостей которых относительно кристаллографических осей определяются необходимым направлением среза. Затем секции разрезаются на заготовки по габаритам, соответствующим отдельным звукопроводам.
К качеству обработки рабочей поверхности звукопровода предъявляются высокие требования. Например, на ней должны отсутствовать царапины, сколы, раковины; чистота рабочей поверхности должна соответствовать Rа =0,05 мкм при неплоскостности не более 0,1…0,5 мкм. Эти требования объясняются рядом причин.
Хорошая плоскостность поверхности обеспечивает плотное прилегание фотошаблона в процессе фотолитографии. Это, в свою очередь, позволяет повысить воспроизводимость мелких деталей структур фильтров. Качество поверхности звукопровода не только определяет разрешающую способность при формировании структур фильтров посредством
71
фотолитографии, но и существенно влияет на затухания ПАВ, особенно в пьезокерамических материалах, имеющих пористую структуру. Толщина звукопровода выбирается около 20 ПАВ для уменьшения влияния объемных волн. Рассмотрим процесс изготовления ПАВ резонатора для генераторов на ПАВ или для резонаторных фильтров, которые в принципе можно разделить на три этапа: производство кристаллических заготовок, монтаж и контроль параметров. Первый этап включает оптические технологические процессы, сходные с процессами при производстве оптических элементов. Этот этап производства одинаков для пьезоэлектрических элементов, использующих как объемные, так и поверхностные волны. Второй этап –монтаж--подразумевает создание системы электродов. На данном этапе производство пьезоэлектрических элементов на объемных волнах и ПАВ различается. Технологический процесс можно разделить на девять операций : выбор и подготовка монокристаллов, определение ориентации кристаллических блоков, разрезка кристаллических блоков, грубая шлифовка пластин, вырезание пластин по размеру, тонкая шлифовка, контроль ориентации и сортировка, полирование и травление.
Для изготовления ПАВ резонатора будем использовать монокристаллы, изготовленные гидротермальным синтезом. Для производства подходят кристаллы без повреждений кристаллической структуры и инородных вкраплений, таких, как микроскопические рассеянные частицы других веществ. Кристаллы кварца, изготовленные по технологии гидротермального синтеза, как правило, имеют более совершенную структуру. Тем не менее, в определенной части такого «кристалла» содержится, как правило, значительное количество примесей. Эти части кристалла необходимо исключить из дальнейшего процесса обработки.
На следующем этапе проводится контроль количества и величины оптических и электрических «двойников» и других дефектов. Кристаллы кварца, отобранные для дальнейшей обработки, приклеивают на подложку и затем разрезают. При
72
приклеивании кристалл должен быть соответствующим образом ориентирован на подложке. В качестве клея будем использовать фенолформальдегидный смоляной клей LOCTITE Output 315, позволяющий надежно фиксировать кристалл при резке. Кристаллы располагают на подложке в соответствии с направлением одного из ребер.
Для резонаторов на основе ST – среза, в настоящее время отдают предпочтение монокристаллам в форме стержня; при этом размеры в направлении осей X и Z выбирают в соответствии с размерами резонатора так, чтобы отходы были минимальными.
При приклеивании такого кристалла на выбранную подложку одну из плоскостей, перпендикулярных оси Z, необходимо отшлифовать, поддерживая при этом ориентацию с точностью не хуже ±30'.
Отшлифованная поверхность после разрезки представляет собой точно ориентированную грань, которая используется, затем при контроле ориентации бруска на рентгеновском гониометре и является одной из ограничивающих поверхностей будущей пластины.
Разрезка монокристаллов кварца осуществляется либо на режущих устройствах с алмазными кругами с внешним или внутренним лезвием, либо (особенно в последнее время) с помощью стальных лент, смоченных жидкостью, в которой взвешен абразивный материал.
Резание с помощью пил с алмазным резцом, как правило, требует меньше времени, однако ширина разреза получается больше, а качество ниже. Алмазный круг с внешним лезвием применяется для менее точной разрезки кристаллов, а при использовании внутреннего лезвия можно резать монокристаллы меньших размеров и с более высокой точностью. С помощью стальных лент, как правило, можно осуществить одновременно больше разрезов, причем получаемая поверхность разреза является более гладкой и кварц в области разреза разрушается меньше.
73
Для производства ПАВ резонатора можно использовать станок проволочной резки MWS-23N с верхним расположением режущего механизма, производства Японской фирмы TAKATORI. Внешний вид станка представлен на рис. 29
Рис. 29. Внешний вид станка проволочной резки
MWS-23N
Станок проволочной резки MWS-23N разработан для резки кристаллов кварца и придания им нужной формы. Для работы использует ультра тонкую проволоку (диаметр 50-100 микрон). Обладает долгим сроком службы за счет использования системы прямого привода. Так же он может придать вырезанным пластинам соответствующую форму, с помощью алмазного резца фирмы TAKATORI. Схема резки представлена на рис. 30.
74
Рис. 30. Схема проволочной резки кристалла
В процессе разрезки необходимо точно контролировать ориентацию полученных пластин. Для контроля ориентации кристаллических пластин при производстве ПАВ резонаторов будем использовать установку контроля отклонений плоскостности кристаллических пластин ЭМ – 6419, производства России приведенную на рис. 31. Данная установка предназначена для контроля интерферометрическим методом отклонений плоскостности рабочей поверхности кристаллических пластин. Установка работает в автоматическом режиме,в режиме сплошной сортировки на три сорта и в исследовательском режиме с выводом на монитор или принтер информации о форме поверхности пластины (карта высот в модулях, карта сортности модулей, поперечное сечение рельефа поверхности пластины в любом заданном направлении и 3D изображение рельефа поверхности и т.п.).
75
Рис. 31. Установка контроля отклонений плоскостности кристаллических пластин ЭМ – 6419
При этом предполагается, что ориентация пластины приблизительно известна, и в процессе измерений требуется определить лишь отклонение фактической ориентации от заданной.
Отклонение, как правило, не превышает нескольких десятков угловых минут.
Контроль ориентации пластины проводят в двух взаимно перпендикулярных направлениях, в соответствии с требованиями на данную установку, там же указаны для основных ориентаций кварцевых пластин плоскости решетки, используемые при их контроле.
Для шлифовки пластин можно использовать высокопроизводительный станок двухсторонней шлифовки и полировки AC470 немецкой фирмы Peter Wolters GmbH. Для автоматической загрузки и выгрузки деталей (пластин) верхний диск выполнен как поворотно-откидной.
На данном станке можно обрабатывать образцы различной формы, т.е. круглые, прямоугольные или
76
нестандартной формы и обрабатывать как всю поверхность образца, так и отдельный сегмент или участок поверхности. В зависимости от геометрии образца, возможно, достичь допусков в микрометры и даже ниже.
В процессе обработки (шлифовки или полировки) образцы легко закрепляются в держателях образцов и поэтому свободны от внутренних напряжений.
Его внешний вид представлен на рис. 32. Пластины размещаются в соответствующих отверстиях на планшайбе, при движении которой они перемещаются по эпициклоидным траекториям, выбранным таким образом, чтобы последние замыкались после возможно большего числа оборотов. Для достижения максимальной плоскопараллельности пластины дополнительно перемещаются по планшайбе.
Пластины шлифуются абразивными порошками с последовательно уменьшающейся величиной зерен. В процессе шлифовки необходимо снять слой кварца, нарушенный предыдущей обработкой. Для шлифовки можно использовать отечественые порошки марок М 32, М 15 и М 5.
Рис. 32. Шлифовально – полировочная машина AC470
В процессе шлифовки у некоторых пластин осуществляется корректировка их ориентации, что достигается
77
индивидуальным способом с помощью установки контроля отклонений плоскостности кристаллических пластин ЭМ –
6419.
У пластин, предназначенных для высокостабильных генераторов и для высокочастотных ПАВ резонаторов, шлифованная поверхность не является в достаточной мере качественной, поскольку трение, которое появляется в нарушенной шлифовкой поверхности, снижает добротность резонаторов. При этом у высокочастотных ПАВ резонаторов нарушенный шлифовкой поверхностный слой, может быть, сравним с половиной длины акустической стоячей волны. В этих случаях поверхность пластины необходимо полировать.
Достаточно качественную поверхность пластины можно получить, используя технологию полировки станка AC470 называемую тонкой полировкой, которая предназначена для получения высококачественных оптических деталей. Кварцевые пластины, подлежащие обработке этим методом, после шлифовки подвергают полировке с использованием современных фирменных полировочных абразивов. В качестве полировочного абразива можно использовать полировочную пасту BCD-10/1, которая обеспечивает наилучший результат полировки пластин кварца. По окончании полировки одной стороны пластины осуществляют оптический контакт между полированной поверхностью и пластиной из кварцевого стекла. Для хорошего контакта пластины должны иметь минимальную толщину, которая существенно больше конечной толщины. Прежде чем приступить к полировке второй стороны ее предварительно шлифуют.
Полировка представляет собой относительно длительный, трудоемкий процесс и должна проводиться в чистом помещении без пыли.
В конечной стадии одну из поверхностей — рабочую — полируют для достижения наивысшей плоскостности н чистоты поверхности. Шероховатость поверхности, характеризующаяся средним арифметическим отклонением, не должна превышать 10 нм при шаге 0,08 нм и высоте неровностей 50
78
нм. Кроме того, отдельные неровности не должны быть более 100 нм. Высокая плоскостность подложки необходима также для обеспечения наиболее надежного контакта и для достижения максимальной резкости при оптической проекции матрицы системы электродов на рабочую поверхность. Причем требования, предъявляемые к качеству поверхности, зависят от величины затухания и длины волны ПАВ. Шероховатость поверхности и остаточные загрязнения являются одной из причин возрастания затухания. Выемки и выпуклости величиной порядка четверти длины волны могут вдвое увеличить затухание даже без учета отражений, которые также ухудшают свойства элемента.
При шлифовке или полировке на поверхности пластины остаются загрязнения от различных шлифовальных или полирующих средств. Эти загрязнения, а также нарушенный поверхностный слой, должны быть тщательным образом удалены с поверхности пластины. Процесс очистки и травления, а также используемые для этого средства зависят от материала, из которого вырезаны пластины. Если в качестве пластины выбрать кварц ST – среза, то процесс обработки включает следующие основные операции:
обезжиривание пластины и удаление загрязнений в растворе очистительного средства КМ – 1, которое подходит для очистки и удаление загрязнений с поверхности кристаллов, эта операция длится 10 минут;
промывка в растворе ацетона, по ГОСТ 2768 – 44, с применением ультразвука, а затем в щелочной ванне с использованием перманганата калия; данная операция так же проводится в специализированной ультразвуковой ванне KS300 Mk3 и занимает около 15 минут;
промывка в ванне с деионизованной водой с помощью ультразвука;
травление пластины в соответствующем растворе (для кварца в насыщенном растворе кислого фторида аммония), операция занимает порядка 15 минут;
79
удаление остатков травящих растворов химическими средствами;
промывка в проточной воде с удельным сопротивлением 30 Мом, в течении 20 минут;
сушка в потоке горячего чистого воздуха или с помощью ванн (спиртовых, ацетоновых либо содержащих трихлортрифторэтан);
повторная промывка в проточной воде и сушка. Промывка может осуществляться в специализированной
ультразвуковой ванне KS300 Mk3, немецкой фирмы GUYSON. Она обеспечивает переменное регулирование мощности, и запись в памяти множества программ для автоматического управления очисткой. Она позволяет задавать широкий температурный диапазон промывочной жидкости, а процесс полностью автоматизирован.
Процесс промывки производится последовательно в три стадии: промывка, ополаскивание, сушка. Модуль сушки оснащён высокопроизводительным вентилятором, тремя низкотемпературными нагревателями, программируемым таймером и датчиком. Модули промывки и ополаскивания могут оснащаться системой слива с многоступенчатым насосом и фильтром в пять микрон. Внешний вид изображен на рис. 33.
При очистке происходит нарушение связей между молекулами самих загрязнений, а также между молекулами загрязнений и подложки.
Процедуру очистки можно разделить на этапы предварительной и окончательной очистки. Способ предварительной очистки зависит от характера загрязнений и химических свойств подложки.
80