Tìm hiểu về cảm biến thạch anh Crystal Sensor – INFICON

Quartz Crystal Sensor – Cảm biến tinh thể thạch anh

Đây là loại vật tư tiêu hao dùng để đo sự tích lũy khối lượng, đo độ dày và tốc độ tại chỗ trong các ứng dụng liên quan đến phủ mạ chân không.

Quartz Crystal có vai trò rất quan trọng để theo dõi tỷ lệ lắng đọng  tại chỗ, thu thập dữ liệu đo chính xác, tối ưu hóa các ứng dụng trọng mạ PVD và tự động hóa quy trình khi kết hợp với bộ điều khiển màng mỏng như với dòng XTC/3S rất phổ biến dưới đây:

Phân loại Quartz Crystal

Tinh thể thạch anh có thể được phân loại theo 4 nhóm sau:

  • Theo 2 loại đường kính (sizes): 14 mm (0.55 inch) và 12.4 mm (0.489 inch)
  • Theo 2 loại tần số(frequency): 5 Mhz và 6 Mhz
  • Theo 3 loại vật liệu: Gold, Silver và Alloy
  • Theo 3 mẫu điện cực (electrode patterns):
  • Theo dạng đóng gói

CÁCH CHỌN QUARTZ CRYSTAL-INFICON

Chọn được Quartz Crystal phù hợp nhất cho ứng dụng là yêu cầu rất quan trọng.

Các tinh thể thạch anh của INFICON không chỉ tương thích với thiết bị đo của chính hãng mà còn với mọi thiết bị tương ứng của hãng khác kể cả về đường kính cũng như tần số.

Tùy vào từng ứng dụng cụ thể, tinh thể INFICON dùng cho quy trình này sẽ tốt hơn khi dùng cho ứng dụng khác.

Khi tinh thể cảm biến được sử dụng tối ưu cho quy trình, nó sẽ có tuổi thọ lắng đọng lâu hơn, ít ồn hơn, tốc độ và độ dày nhỏ hơn (khi màn trập được mở) hoặc sẽ có tuổi đời sử dụng lâu nhất.

Lưu ý: cảm biến có thương hiệu Maxtek do INFICON sản xuất , thường có hiệu suất thấp hơn một chút so với loại chính của INFICON nhưng bù lại được cung cấp với giá mềm hơn.

Dựa vào phần phân loại tinh thể thạch anh, ta có thể dễ chọn được loại thạch anh phù hợp với ứng dụng cụ thể qua 4 bước sau:

BƯỚC 1: Chọn cảm biến theo Đường kính

Có 2 loại kích thước phổ biến là 14 mm (0.55 inch) và 12.4 mm (0.489 inch)

BƯỚC 2: Chọn theo Tần số

Tùy vào thiết bị đo, ta có thể chọn loại có tần số là 5 Mhz hoặc 6 Mhz cho phù hợp.

Lưu ý: Cần đảm bảo rằng phần cài đặt tần số trong thiết bị phải khớp với tần số khởi động của cảm biến.

Tinh thể INFICON 6Mhz dùng được cho mọi thiết bị và cảm biến của INFICON cũng như hầu hết thiết bị của nhà sản xuất khác.

Tần số khởi động

Trong nhiều trường hợp, một tinh thể thạch anh hoàn toàn mới sẽ không có tần số chính xác là 5 Mhz hoặc 6 Mhz.

Điều này là bình thường do tinh thể đó thường phải dành từ 0-5% tuổi thọ (tiêu hao) do bị hao hụt trong quá trình sản xuất.

Nếu một tinh thể mới hiển thị 5% tuổi thọ đã bị tiêu hao, điều đó có nghĩa là tinh thể đó có thạch anh trống (blank crystals) hơi dày hơn bình thường (độ bền cơ học cao hơn) hay tấm điện cực dày hơn chút so với tiêu chuẩn (tính chất nhiệt và điện tốt hơn) hoặc là cả 2 trường hợp trên.

Độ dày dôi ra này khiến cho tần số khởi động thấp hơn giá trị định mức 5 Mhz hoặc 6 Mhz.

Những tinh thể mà tần số khởi động thấp hơn này đã được kiểm tra và kết quả hiển thị cho thấy rằng, các tinh thể của các thương hiệu mới thường bị tiêu hao 3-5% giá trị tần số, trong khi đó loại tinh thể tốt chỉ mất khoảng 0-2% cho tiêu hao.

BƯỚC 3: Chọn theo vật liệu điện cực

Sau khi chọn được đường kính và tần sốthì ta chọn tiếp loại vật liệu điện cực phù hợp.

Gồm có 3 loại: Vàng (Gold), Bạc (Silver) và Hợp kim (Alloy)

Vàng

  • Vàng là vật liệu điện cực được sử dụng rộng rãi nhất, thể hiện hiệu suất tốt trong rất nhiều ứng dụng.
  • Vàng cung cấp độ bám dính tốt, tuổi thọ tốt và tỷ lệ ồn thấp.
  • Tinh thể vàng có thời hạn sử dụng không xác định

Bạc

  • Các điện cực bạc có độ dẫn nhiệt cao, cho phép chúng truyền nhiệt từ  nguồn nóng bay hơi đến thân cảm biến làm mát bằng nước để giữ cho tinh thể không bị quá nóng
  • Tinh thể bạc cung cấp độ bám dính tốt cho vật liệu được sử dụng trong lớp phủ quang học, mang lại tuổi thọ tinh thể tốt và tỷ lệ ồn thấp.
  • Vì bạc bị xỉn màu do hydro sunfua hiện diện trong không khí, thời hạn sử dụng của tinh thể bạc thường giới hạn trong  vòng sáu tháng sau khi mở gói.

Lưu ý: Đối với tinh thể bạc thì sẽ luôn được INFICON đóng gói trong bao niêm phong chịu nhiệt, và được bảo vệ bởi khí trơ bên trong, giúp bảo quản chất lượng tinh thể tốt nhất trong quá trình vận chuyển và lưu trữ.

Hợp kim

  • Điện cực hợp kim cung cấp độ bám dính tuyệt vời cho lớp phủ được sử dụng trong quang học và cũng có tác dụng hấp thụ ứng suất kéo và nén phổ biến ở một sốphim, từ đó tối đa hóa tuổi thọ tinh thể và giảm tỷ lệ
  • tiếng ồn.
  • Giá trị hoạt động có xu hướng cao hơn đối với tinh thể hợp kim so với tinh thể vàng.
  • Thời hạn sử dụng của tinh thể hợp kim INFICON thường là sáu tháng.
Bảng vật liệu điện cực
Vật liệu điện cực Ưu điểm Nhược điểm
Vàng

(Standard type)

  • Không oxy hóa
  • Thời hạn sử dụng không xác định
  • Được sử dụng rộng rãi nhất, tốt cho số lượng lớn các ứng dụng
  • Tuổi thọ tinh thể có thể thấp hơn so với bạc và hợp kim trong một số ứng dụng mà vật liệu được sử dụng trong phủ quang học (optical coatings)
Bạc

(Sputtering type)

 

  • Truyền nhiệt tốt nhất đến tinh thể để làm mát thân cảm biến
  • Thời hạn sử dụng phụ thuộc vào quá trình oxy hóa và tiếp xúc hàm lượng lưu huỳnh trong không khí (hiệu ứng xỉn màu)
  • Không được sử dụng rộng rãi
Hợp kim

(High stress coatings)

  • Tuổi thọ dài nhất (2x) đối với vật liệu được sử dụng trong Optical film hoặc cho vật liệu bán dẫn ứng suất cao
  • Giá trị hoạt động cao hơn so với Vàng và Bạc
  • Điện cực hợp kim sẽ bị oxy hóa, thời gian sử dụng ngắn hơn so với vàng
  • Không có lợi khi dùng cho vật liệu có ứng suất thông thường (kim loại không ứng suất cao)

BƯỚC 4: Chọn Mẫu điện cực

Mẫu điện cực có thể chia làm 2 dạng là có hình mỏ neo (Full pad/anchor pad) và không có mỏ neo (Full pad/both sides)

1. Dạng mỏ neo

Dạng mỏ neo sẽ có 2 loại là dạng mỏ neo đơn (single anchor) và dạng mỏ neo đôi (double anchor)

Tinh thể có dạng mỏ neo đôi cung cấp kết nối điện đáng tin cậy hơn và được khuyên dùng.

Các tinh thể này phải được đặt đúng hướng khi cho vào giá đỡ (holder) sao cho bề mặt được phủ của nó phải đối diện với nguồn lắng đọng (deposition source).

Các mẫu điện cực neo tập trung kích thích năng lượng vào khu vực trung tâm của tinh thể để giúp tránh chế độ rung không mong muốn làm giảm tuổi thọ tinh thể và tăng tỷ lệ ồn. 
Thiết kế này tối đa hóa tính ổn định và tuổi thọ của tinh thể bằng cách giảm thiểu cơ hội tạo ra các phương thức dao động không mong muốn.
Vùng kích thích trên mẫu điện cực neo có kích thước để tập trung năng lượng ở trung tâm của tinh thể.
Điều này đảm bảo các kết nối vật lý được thực hiện tại chu vi của tinh thể không có tác động bất lợi đến hoạt động của nó.
Mẫu điện cực Full Pad / Anchor Pad sẽ cung cấp hiệu suất tốt nhất cho tinh thể  và được khuyến nghị là loại tiêu chuẩn.
LƯU Ý: Tinh thể Full Pad / Anchor Pad yêu cầu lắp đặt  sao cho mặt được phủ phải đối mặt với nguồn lắng đọng
2. Dạng không mỏ neo
Đây là dạng mà cả hai mặt tinh thể đều được phủ đầy đủ điện cực ở mỗi bên. Những tinh thể này không cần định hướng cụ thể khi lắp đặt.
Loại này rất phù hợp cho sản xuất khối lượng lớn cho  các ứng dụng mà tuổi thọ tinh thể  không quá quan trọng.
Kết quả của thiết kế này khiến cho thời gian sử dụng tinh thể ngắn hơn và có thể gây ra các chế độ dao động không mong muốn.
Những chế độ không mong muốn này có thể gây ra mức ồn xuất hiện sớm hơn trong vòng đời tinh thể.

Bảng so sánh mẫu điện cực

Mẫu điện cực Ưu điểm Nhược điểm
Dạng mỏ neo đơn (Single Anchor)
  • Bẫy năng lượng ở trung tâm của tinh thể
  • Tối đa hóa sự ổn định và tuổi thọ tinh thể bằng cách giảm thiểu cơ hội tạo cặp không mong muốn của dao động
  • Tinh thể có thể bị đặt ngược khi đặt vào giá đỡ (holder)
Dạng mỏ neo đôi (Double Anchor)
  • Bẫy năng lượng ở trung tâm của tinh thể
  • Tối đa hóa sự ổn định và tuổi thọ tinh thể bằng cách giảm thiểu cơ hội tạo cặp không mong muốn của dao động
  • Tinh thể có thể bị đặt ngược khi đặt vào giá đỡ (holder)
  • Có thể không tương thích với mọi dạng đầu cảm biến (phụ thộc vào sự thay thế mặt tiếp xúc điện của cảm biến)
Nguyên cả 2 mặt (Không neo)
  • Không phụ thuộc vào hướng đặt tinh thể
  • Tuổi thọ ngắn hơn

ỨNG DỤNG

PHỦ QUANG HỌC (OPTICAL COATINGS)

1.Standard optical coatings

Áp dụng cho các ứng dụng mà: Lớp phủ quang học tiêu chuẩn thường ít hơn tám lớp.
Dùng cho: ống kính máy ảnh đơn giản và các mắt kính có yêu cầu chống phản chiếu dạng cơ bản
–> Ứng dụng này thường sử dụng tinh thể GOLD
2. Precision optical coatings
Các ứng dụng lớp phủ quang chính xác thường yêu cầu  nhiều lớp vật liệu điện môi (dielectric) xếp chồng lên nhau.
Các ứng dụng liên quan bao gồm:
  • Các bộ lọc quang học thông dải (bandpass optical filter), truyền thông sợi quang khác cần chất lượng cao
  • Phủ chống phản xạ cho camera
  • Kính viễn vọng, ống nhòm, ống nhòm cho súng trường, thiết bị nhìn đêm, kính hiển vi
  • Công nghệ quang khắc trong lĩnh vực bán dẫn (semiconductor photolithography)
Vật liệu điện môi bao gồm oxit nhôm (Al 2 O 3 ), canxi florua (CaF 2 ), magiê florua (MgF 2 ), tantalum pentoxide (Ta 2 O 5 ), titan dioxide (TiO 2 ), thorium fluoride (ThF 4 ), silicon monoxide (SiO), silicon điôxít (SiO 2 ), zirconi đioxit (ZrO 2 ) và nhiều hơn. Những vật liệu này gây ra ứng suất cao hơn lên tinh thể.
–> Tinh thể ALLOY được khuyên dùng trong trường hợp này
Đối với một số ứng dụng, khi nguồn hoặc cảm biến màn trập được mở ra, có sự gia tăng lượng nhiệt lớn trên tinh thể, dẫn đến nhiệt độ nhảy đột ngột trong tinh thể và làm căng film.
Cả 2 điều này sẽ gây ra sự tăng đọt biến vềtỷ lệ và độ dày.
–> Tinh thể Low thermal shock Gold được khuyên dùng trong trường hợp này.
3. Very thin optical coating (< 50 nm)
Những ứng dụng này dễ bị ảnh hưởng bởi tỷ lệ ban đầu và độ dày tăng đột biến khi màn trập được mở, do sự gia tăng nhiệt độ lớn lên tinh thể. Điều này có thể gây ra kết quả đo độ dày không chính xác và mất ổn định vòng điều khiển.
–> Tinh thể Low thermal shock Gold được khuyên dùng trong trường hợp này.
LƯU Ý: Tinh thể vàng sốc nhiệt thấp được thiết kế để giảm tỷ lệ và  giảm nguy cơ độ dày tăng đột biến gây ra bởi sốc nhiệt được tạo ra khi nguồn hoặc màn trập cảm biến mở ra.
So với tinh thể vàng tiêu chuẩn thì tinh thể vàng này có tuổi thọ thấp hơn.
PHỦ KIM LOẠI (METAL COATINGS)
1. HIGH HEAT LOAD
Tải nhiệt cao thường xuất hiện trong phún xạ diode từ nguồn lớn khi bay hơi các vật liệu có điểm nóng chảy rất cao như molypden (Mo), tantalum (Ta), và vonfram (W), hoặc khi các chất nền được làm nóng trên 300 ° C.
Tinh thể cho các ứng dụng này phải có khả năng dẫn nhiệt cao, để truyền nhiệt đến từ nguồn nóng bốc bay đến thân cảm biến được làm mát bằng nước để duy trì nhiệt độ của tinh thể.
Đối với tinh thể có tuổi thọ dài và tiếng ồn thấp, tinh thể được sử dụng trong ứng dụng tải nhiệt cao phải có độ bám dính tốt cho các vật liệu được sử dụng trong lớp phủ quang học.
Tinh thể SILVER của INFICON (được gọi là Loại phún xạ) rất phù hợp cho ứng dụng này.
LƯU Ý: Các ứng dụng tải nhiệt cao đề cập đến các ứng dụng như phún xạ (sử dụng nước để làm mát tinh thể)
2. LOW STRESS COATING 
Lớp phủ ứng suất thấp thường được sử dụng cho các tiếp điểm điện và trong “Cold Mirrors” để phản xạ nhiệt và ánh sáng từ các nguồn sáng được sử dụng trong thiết bị chiếu và các ứng dụng chiếu sáng khác như hệ thống hiển thị ánh sáng cửa hàng, đèn ô tô, đèn phản quang và đèn LED.
–> Các ứng dụng này thường sử dụng tinh thể Gold
3. HIGH STRESS MATERIAL COATING
Vật liệu có ứng suất cao bao gồm những vật liệu được sử dụng trong các quá trình bán dẫn như: crom (Cr), gecmani (Ge), molypden (Mo), nichrom, niken (Ni), tantalum (Ta), titan (Ti), silicon oxycarbide (SiOC), zirconi (Zr), cũng như các vật liệu điện môi được liệt kê trước đó.
Đối với những ứng dụng này, tinh thể ALLOY thường là lựa chọn tốt nhất, kế đến là tinh thể loại SILVER
OLED
Vật liệu OLED có cấu trúc vô định hình dạng hạt mà không liên kết chắc chắn với điện cực tinh thể.
Cấu trúc này gây tiêu tán năng lượng chuyển động, kết quả tuổi thọ tinh thể ngắn lại.
–>Tinh thể Low thermal shock Gold được khuyên dùng trong trường hợp này.
Một số vật liệu OLED được lắng đọng ở mức cực thấp. Do đó tối đa hóa tỷ lệ ổn định và tối thiểu hóa tỷ lệ ồn  là rất quan trọng.
–>Tinh thể ALLOY sẽ thỏa mãn được yêu cầu này.
ALD
ALD sử dụng hai tiền chất phản ứng với vật liệu lắng đọng (kim loại hoặc oxit kim loại) đơn nguyên tử đơn lớp tại một thời điểm. Hầu hết các phản ứng ALD đều phụ thuộc vào nhiệt độ, và tinh thể phải được duy trì tại nhiệt độ phản ứng.
Không thể sử dụng nước làm mát trong quá trình ALD để làm mát tinh thể và duy trì tối ưu nhiệt độ cho tinh thể INFICON tiêu chuẩn.
Tinh thể ALD nhiệt độ cao được khuyến nghị cho các ứng dụng liên quan tới ALD vì lý do này.
Tinh thể nhiệt độ cao là 6 MHz, phủ vàng các tinh thể được tối ưu hóa ở 120, 240 hoặc 285 ° C.
Những tinh thể này có phạm vi nhiệt độ nhỏ hơn cung cấp bài đọc độ dày ổn định và chính xác.
LƯU Ý: Tinh thể được tối ưu hóa đến nhiệt độ bổ sung có sẵn theo yêu cầu.
Biểu đồ dưới đây biểu thị sự thay đổi nhiệt độ từ nhiệt độ tinh thể tối ưu và tần số kết quả lỗi do nhiệt độ.
LƯU Ý: Nhiệt độ tối ưu hóa của Tinh thể nhiệt độ cao (120, 240 hoặc 285 ° C) là cũng như các tinh thể INFICON tiêu chuẩn (70 ° C) có được chuẩn hóa thành 0 để có thể so sánh phạm vi nhiệt độ của tất cả các dịch vụ trên một
đồ thị.
  • Tinh thể 70 ° C hiển thị tần số hoạt động ổn định trong phạm vi nhiệt độ từ 59 đến 81 ° C.
  • Tinh thể 120 ° C hiển thị tần số ổn định hoạt động trong phạm vi nhiệt độ từ 112 đến 128 ° C.
  • Tinh thể 240 ° C hiển thị tần số ổn định hoạt động trong phạm vi nhiệt độ từ 235 đến 245 ° C.
  • Tinh thể 285 ° C hiển thị tần số ổn định hoạt động trong phạm vi nhiệt độ từ 281 đến 289 ° C
Hiện các dòng Crystal Sensor (INFICON) đang được phân phối bởi DBM, đại diện ủy quyền của hãng tại VN.
Vui lòng liện hệ DBM để được tư vấn dòng sản phẩm phù hợp với ứng dụng của bạn.