專利名稱:一種處理鈮酸鋰或鉭酸鋰晶片的方法
技術(shù)領(lǐng)域:
本發(fā)明涉及一種處理鈮酸鋰或鉭酸鋰晶片的方法,屬于晶體材料技術(shù)領(lǐng)域。
(二)
背景技術(shù):
鈮酸鋰(LiNb03, LN)和鉭酸鋰(LiTa03, LT)晶體是典型的多功能材料,集壓 電、鐵電、熱釋電、聲光、電光、非線性及光折變等多種優(yōu)良性能于一身,'在聲表面波 (SAW)器件、光通訊、激光及光電子領(lǐng)域中得到廣泛應(yīng)用。鈮酸鋰和鉭酸鋰以其良好 的壓電效應(yīng)、機(jī)電耦合、溫度系數(shù)和低插入損耗等綜合性能而被用于制作聲表面波器件, 并應(yīng)用于手機(jī)、衛(wèi)星通訊、航空航天等許多高端通訊領(lǐng)域。工業(yè)上,LN、 LT晶體主要是 利用丘克拉斯基方法(Czochralskimethod)生長(zhǎng),加工得到的晶片幾乎無(wú)色透明,體積 電阻率約為1014 1015Q . cm量級(jí)。晶體如此高的電阻率使得表面因熱釋電效應(yīng)產(chǎn)生的 電荷不能被迅速中和,給器件制作和應(yīng)用帶來(lái)許多難以避免的困難。LN、 LT晶體具有 較高的熱釋電系數(shù),當(dāng)晶片經(jīng)歷溫度'變化(升溫或降溫)時(shí),內(nèi)電場(chǎng)的改變將會(huì)導(dǎo)致大 量靜電荷在晶片表面積累,這些電荷會(huì)在叉指電極間、晶片間、晶片與工裝間自發(fā)釋放。 當(dāng)靜電場(chǎng)達(dá)到一定程度時(shí),就會(huì)出現(xiàn)晶片開(kāi)裂、微疇反轉(zhuǎn)和叉指電極燒毀等諸多問(wèn)題, 大大降低了器件的成品率。而且,晶片高的透過(guò)率明顯影響了 SAW器件制作過(guò)程中光 刻工藝的精度。雖然常規(guī)工藝方法制備的LN、 LT晶體,因熱釋電效應(yīng)產(chǎn)生的表面電荷 也可以被周圍環(huán)境的游離電荷中和,但這需要長(zhǎng)達(dá)數(shù)小時(shí)甚至更長(zhǎng)的時(shí)間才能實(shí)現(xiàn)。很 顯然,這嚴(yán)重影響了工業(yè)化的效率與產(chǎn)量。目前,通過(guò)對(duì)SAW器件的優(yōu)化設(shè)計(jì)和器件 制作工藝上的改進(jìn)可以在一定程度上減弱熱釋電效應(yīng)的負(fù)面影響,但是大幅度增加了成 本,而且效果并不理想。
基于上述技術(shù)背景,針對(duì)SAW器件的用途,為了不影響其必需的壓電性能,同時(shí) 大幅度減弱甚至消除具有負(fù)面影響的熱釋電效應(yīng),必須制備經(jīng)歷溫度變化而不會(huì)在表面 積累電荷的LN、 LT晶體。研究表明,鈮酸鋰和鉭酸鋰晶體的電導(dǎo)率和顏色在經(jīng)歷熱處 理時(shí)隨著晶體內(nèi)存在的氧空位濃度而變化。在真空或者氮?dú)鈿夥罩校車h(huán)境氧濃度極 低,氧從晶體中向外擴(kuò)散,從而提高了晶體中氧空位的濃度,氧空位獲得一個(gè)電子形成 色心;色心在可見(jiàn)光區(qū)域吸收較強(qiáng),使晶片由無(wú)色透明變?yōu)橛猩煌该?。晶體中氧空位 濃度增加的同時(shí),為了維持電荷平衡, 一部分Nb (Ta)離子的化合價(jià)從+5變成+4,電 子載流子濃度隨之增加。因此,經(jīng)過(guò)這種熱處理,晶體內(nèi)載流子的濃度大量增加,電導(dǎo) 率大幅度提高。但是,氧空位濃度的變化需要在一定的溫度下保持一段時(shí)間來(lái)實(shí)現(xiàn)。因 此較高的溫度和較長(zhǎng)的熱處理時(shí)間有利于消除晶片經(jīng)歷溫度變化時(shí)的熱釋電效應(yīng)。
日本專利JP2003-394575提出了將LN晶片埋入到由C、 Si、 Mg、 Al、 Ca、 Ti等其 中至少一種還原劑構(gòu)成的粉末中或者置于至少一種上述還原劑制成的容器中,在真空或 惰性氣體中,在30(TC及其以上、不足于50(TC的溫度下,進(jìn)行熱處理的工藝。此種工 藝方法溫度較低,因此可能需要能力強(qiáng)的還原劑,使得還原程度不易控制,而還原程度 較深的晶片其加工性能必然受到影響。日本專利JP2004-061862提出了將坯料形式的LT晶片包埋在碳粉末中或者置于碳容器中,然后在惰性或者還原性氣體條件下,維持650 。C到1650'C的溫度至少4小時(shí)的熱處理過(guò)程。盡管此種方法制備的LT晶片電阻率較低, 熱釋電效應(yīng)基本消除,但晶片已經(jīng)退極化,需要重新極化,增加了工藝步驟與成本。美 國(guó)專利US6319430提出了在氮?dú)鈿錃饨M成的流動(dòng)性還原氣氛中高溫?zé)崽幚鞮N、 LT晶片 的方法,此種工藝效率較高,但還原工藝中使用的氫氣容易引起爆炸的危險(xiǎn),因此對(duì)設(shè) 備的要求較高,而且對(duì)LT來(lái)說(shuō)高溫?zé)崽幚硪踩菀壮霈F(xiàn)退極化的現(xiàn)象。日本專利 JP2004-002853和韓國(guó)專利KR20040034230均提出在流通的還原性氣體或者惰性氣體中 預(yù)先對(duì)LT晶片進(jìn)行高溫深度還原處理,然后將這些晶片與待處理的目標(biāo)晶片交替層迭 進(jìn)行熱處理的方法,此種工藝不夠簡(jiǎn)便,晶片還原程度可能存在一些差別。美國(guó)專利 US20050269516提出了一種在LN、 LT晶片表面涂覆碳酸鋰、碳酸鎂、碳酸鈣、氫化鋰、 氫化鈣等還原性物質(zhì),然后在真空或還原氣氛中,在高于25(TC低于居里點(diǎn)的溫度下進(jìn) 行熱處理的方法,此種方法工藝步驟較多,所選擇的還原性物質(zhì)碳酸鹽其還原能力較弱, 需要的熱處理溫度可能較高,而這些物質(zhì)可能分解并產(chǎn)生氣體,對(duì)于設(shè)備和晶片性能可 能有較大影響。
發(fā)明內(nèi)容
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針對(duì)上述方法的缺點(diǎn),本發(fā)明提出了一種處理和制備鈮酸鋰或鉭酸鋰晶片的工藝方 法,通過(guò)提高晶片的電導(dǎo)率,可以使由于溫度變化而產(chǎn)生的表面電荷迅速消除,不產(chǎn)生 電荷累積,從而減弱甚至消除熱釋電效應(yīng)的負(fù)面影響;同時(shí),能夠維持晶片原本的壓電 性能。
本發(fā)明所述處理鈮酸鋰或鉭酸鋰晶片的方法,其特征在于將待處理的鈮酸鋰或鉭 酸鋰晶片分別置于適合晶片尺寸的剛玉坩堝中,加入預(yù)先按質(zhì)量比例混合均勻的鐵粉和 碳酸鋰粉,完全覆蓋晶片,然后將此剛玉坩堝置于熱處理爐中,在流量為0. 5 1 L/min 的氮?dú)鈿夥障?,?50 55(TC溫度條袢進(jìn)行熱處理3 20小時(shí),之后降至室溫取出,即 得成品鈮酸鋰或鉭酸鋰晶片。
其中上述混合均勻的鐵粉和碳酸鋰粉中,鐵粉在混合體系中所占質(zhì)量比為5%
10%。
本發(fā)明進(jìn)一步優(yōu)選的處理鈮酸鋰或鉭酸鋰晶片的方法是將待處理的鈮酸鋰或鉭酸
鋰晶片分別置于適合晶片尺寸的剛玉坩堝中,加入預(yù)先按質(zhì)量比例混合均勻的鐵粉和碳
酸鋰粉,其中所述鐵粉在混合體系中所占質(zhì)量比為5% 10%,完全覆蓋晶片,然后將此 剛玉坩堝置于熱處理爐中,在流量為0.6 0.8 L/min的氮?dú)鈿夥障?,?80 52(TC溫 度條件進(jìn)行熱處理5 10小時(shí),之后降至室溫取出,即得成品鈮酸鋰或鉭酸鋰晶片。
本發(fā)明方法制備的晶片電阻率在109 1012Q . cm量級(jí),相比于常規(guī)未處理晶片, 電阻率大幅度降低,即電導(dǎo)率大幅度提高,因而熱釋電效應(yīng)明顯減弱甚至消失;并且晶 體在可見(jiàn)光波段的光吸收能力增強(qiáng),因此晶片從無(wú)色透明變成灰色至黑色甚至完全不透 明。如上所述,根據(jù)本發(fā)明,通過(guò)提高晶體的電導(dǎo)率,能夠制備經(jīng)歷溫度變化而不會(huì)在 表面累積電荷的鈮酸鋰和鉭酸鋰晶片,作為SAW器件所必需的壓電性能并沒(méi)有受到影響, 且晶片不會(huì)出現(xiàn)退極化的現(xiàn)象。本發(fā)明的工藝方法能夠以短時(shí)間的熱處理有效地制備 SAW器件所需要的晶片,增加了元件制造過(guò)程中的成品率,成為工業(yè)化的優(yōu)選方法。(四)
圖1是灰色晶片外觀圖。 圖2是深灰色晶片外觀圖。 圖3是黑色晶片外觀圖。 圖4是深黑色晶片外觀圖。
(五)
具體實(shí)施例方式
下面結(jié)合對(duì)實(shí)施例本發(fā)明進(jìn)行進(jìn)一步的詳細(xì)說(shuō)明,但不僅限于此。
本發(fā)明中所述待處理的鈮酸鋰或鉭酸鋰晶片可由中電科技德清華瑩電子有限公司、 德清華瑞光學(xué)元件有限公司、浙江金盛光電有限公司、德清微光元件有限公司或焦作市 科瑞斯達(dá)光電材料有限公司購(gòu)得。
實(shí)施例1
首先將待處理的鈮酸鋰晶片置于適合晶片尺寸的剛玉坩堝中,將預(yù)先按比例混合均 勻的鐵粉和碳酸鋰粉(鐵粉在混合體系中所占質(zhì)量比為5%,其中碳酸鋰粉純度為4N, 鐵粉規(guī)格為500目)埋入坩堝,完全覆蓋晶片,然后將此剛玉坩堝置于熱處理爐中,在 流量為0.5 L/min的氮?dú)鈿夥障?,升溫?5(TC的保持溫度下熱處理3小時(shí),之后降至 室溫取出晶片。所制備的鈮酸鋰晶片呈,現(xiàn)灰色,如圖l所示;體積電阻率在1012Q . cm 數(shù)量級(jí)。
實(shí)施例2
首先將待處理的鈮酸鋰晶片置于適合晶片尺寸的剛玉坩堝中,將預(yù)先按比例混合均 勻的鐵粉和碳酸鋰粉(鐵粉在混合體系中所占質(zhì)量比為6%,其中碳酸鋰粉純度為4N, 鐵粉規(guī)格為500目)埋入坩堝,完全覆蓋晶片,然后將此剛玉坩堝置于熱處理爐中,在 流量為0. 6 L/rnin的氮?dú)鈿夥障?,升溫?S0'C的保持溫度下熱處理5小時(shí),之后降至 室溫取出晶片。制備的鈮酸鋰晶片呈現(xiàn)深灰色,如圖2所示;體積電阻率在10110 . cm 數(shù)量級(jí)。
實(shí)施例3
首先將待處理的鈮酸鋰晶片置于適合晶片尺寸的剛玉坩堝中,將預(yù)先按比例混合均 勻的鐵粉和碳酸鋰粉(鐵粉在混合體系中所占質(zhì)量比為8%,其中碳酸鋰粉純度為4N, 鐵粉規(guī)格為500目)埋入坩堝,完全覆蓋晶片,然后將此剛玉坩堝置于熱處理爐中,在 流量為0.8 L/min的氮?dú)鈿夥障?,升溫?1(TC的保持溫度下熱處理8小時(shí),之后降至 室溫取出晶片。制備的鈮酸鋰晶片呈現(xiàn)黑色,如圖3所示;體積電阻率在101()Q . cm數(shù) 量級(jí)。
實(shí)施例4
首先將待處理的鈮酸鋰晶片置于適合晶片尺寸的剛玉坩堝中,將預(yù)先按比例混合均 勻的鐵粉和碳酸鋰粉(鐵粉在混合體系中所占質(zhì)量比為10%,其中碳酸鋰粉純度為4N, 鐵粉規(guī)格為500目)埋入坩堝,完全覆蓋晶片,然后將此剛玉坩堝置于熱處理爐中,在 流量為1 L/min的氮?dú)鈿夥障拢郎刂?50'C的保持溫度下熱處理20小時(shí),之后降至室 溫取出晶片。制備的鈮酸鋰晶片呈現(xiàn)深黑色,如圖4所示;晶片電阻率在10&.cm數(shù)量級(jí),。
實(shí)施例5
首先將待處理的鉭酸鋰晶片置于適合晶片尺寸的剛玉坩堝中,將預(yù)先按比例混合均 勻的鐵粉和碳酸鋰粉(鐵粉在混合體系中所占質(zhì)量比為5%,其中碳酸鋰粉純度為4N, 鐵粉規(guī)格為500目)埋入坩堝,完全覆蓋晶片,然后將此剛玉坩堝置于熱處理爐中,在 流量為0.5 L/min的氮?dú)鈿夥障?,升溫?5(TC的保持溫度下熱處理3小時(shí),之后降至 室溫取出晶片。制備的鉭酸鋰晶片呈現(xiàn)灰色,晶片電阻率在10^Q.cm數(shù)量級(jí)。
實(shí)施例6
首先將待處理的鉭酸鋰晶片置于適合晶片尺寸的剛玉坩堝中,將預(yù)先按比例混合均 勻的鐵粉和碳酸鋰粉(鐵粉在混合體系中所占質(zhì)量比為7%,其中碳酸鋰粉純度為4N, 鐵粉規(guī)格為500目)埋入坩堝,完全覆蓋晶片,然后將剛玉坩堝置于熱處理爐中,在流 量為0.7 L/min的氮?dú)鈿夥障?,升溫?0(TC的保持溫度下熱處理6小時(shí),之后降至室 溫取出晶片。制備的鉭酸鋰晶片呈現(xiàn)深灰色,晶片電阻率在10110 . cm數(shù)量級(jí)。
實(shí)施例7
首先將待處理的鉭酸鋰晶片置于適合晶片尺寸的剛玉坩堝中,將預(yù)先按比例混合均 勻的鐵粉和碳酸鋰粉(鐵粉在混合體系中所占質(zhì)量比為9%,其中碳酸鋰粉純度為4N, 鐵粉規(guī)格為500目)埋入坩堝,完全覆蓋晶片,然后將此剛玉坩堝置于熱處理爐中,在 流量為0.8L/min的氮?dú)鈿夥障?,升溫?2(TC的保持溫度下熱處理10小時(shí),之后降至 室溫取出晶片。制備的鉭酸鋰晶片呈現(xiàn)黑色,晶片電阻率在10^Q.cm數(shù)量級(jí)。
實(shí)施例8
首先將待處理的鉭酸鋰晶片置于適合晶片尺寸的剛玉坩堝中,將預(yù)先按比例混合均 勻的鐵粉和碳酸鋰粉(鐵粉在混合體系中所占質(zhì)量比為10°/。,其中碳酸鋰粉純度為4N, 鐵粉規(guī)格為500目)埋入坩堝,完全覆毒晶片,然后將此剛玉坩堝置于熱處理爐中,在 流量為1 L/min的氮?dú)鈿夥障拢郎刂?50。C的保持溫度下熱處理20小時(shí),之后降至室 溫取出晶片。制備的鉭酸鋰晶片呈現(xiàn)深黑色,晶片電阻率在109Q . cm數(shù)量級(jí)。
綜上所述,本發(fā)明方法制備的鈮酸鋰和鉭酸鋰晶片由于電阻率在109 1012Q.cm 范圍,電導(dǎo)率比常規(guī)晶片大幅度提高,晶片經(jīng)歷溫度變化時(shí)表面產(chǎn)生的電荷能夠迅速消 除,而不會(huì)像常規(guī)晶片那樣發(fā)生電荷累積現(xiàn)象,因此熱釋電效應(yīng)明顯減弱甚至消除,并 且晶片從無(wú)色透明變成灰色至黑色甚至完全不透明的同時(shí),壓電性能沒(méi)有受到影響。本 工藝制備的鈮酸鋰和鉭酸鋰晶片用于制造SAW器件時(shí),解決了元件制造工序中合格率因 熱釋電現(xiàn)象而降低的問(wèn)題;并且還原處理的晶片可見(jiàn)光透過(guò)率明顯降低很多,對(duì)光刻工 藝十分有利;并且本發(fā)明解決了聲表面波器件制作和應(yīng)用中的困難,適合于工業(yè)化。
權(quán)利要求
1.一種處理鈮酸鋰或鉭酸鋰晶片的方法,其特征在于將待處理的鈮酸鋰或鉭酸鋰晶片分別置于適合晶片尺寸的剛玉坩堝中,加入預(yù)先按質(zhì)量比例混合均勻的鐵粉和碳酸鋰粉,完全覆蓋晶片,然后將此剛玉坩堝置于熱處理爐中,在流量為0.5~1L/min的氮?dú)鈿夥障?,?50~550℃溫度條件進(jìn)行熱處理3~20小時(shí),之后降至室溫取出,即得成品鈮酸鋰或鉭酸鋰晶片。
2. 如權(quán)利要求1所述處理鈮酸鋰或鉭酸鋰晶片的方法,其特征在于所述混合均勻 的鐵粉和碳酸鋰粉中,鐵粉在混合體系中所占質(zhì)量比為5°/。 10%。
3. 如權(quán)利要求1所述處理鈮酸鋰或鉭酸鋰晶片的方法,其特征在于將待處理的鈮 酸鋰或鉭酸鋰晶片分別置于適合晶片尺寸的剛玉坩堝中,加入預(yù)先按質(zhì)量比例混合均勻 的鐵粉和碳酸鋰粉,其中所述鐵粉在混合體系中所占質(zhì)量比為5% 10%,完全覆蓋晶片, 然后將此剛玉坩堝置于熱處理爐中,在流量為0.6 0.8L/min的氮?dú)鈿夥障拢?80 52(TC溫度條件進(jìn)行熱處理5 10小時(shí),之后降至室溫取出,即得成品鈮酸鋰或鉭酸鋰曰
全文摘要
本發(fā)明公開(kāi)了一種處理鈮酸鋰或鉭酸鋰晶片的方法,是將待處理的鈮酸鋰或鉭酸鋰晶片分別置于坩堝中,加入預(yù)先按質(zhì)量比例混合均勻的鐵粉和碳酸鋰粉,完全覆蓋晶片,然后將此剛玉坩堝置于熱處理爐中,在流量為0.5~1L/min的氮?dú)鈿夥障?,?50~550℃溫度條件進(jìn)行熱處理3~20小時(shí),制得成品鈮酸鋰或鉭酸鋰晶片。本發(fā)明方法制備的晶片電阻率在10<sup>9</sup>~10<sup>12</sup>Ω·cm量級(jí),相比于常規(guī)未處理晶片,電阻率大幅度降低,并且本發(fā)明的方法能夠以短時(shí)間的熱處理有效地制備SAW器件所需要的晶片,增加了元件制造過(guò)程中的成品率,成為工業(yè)化的優(yōu)選方法。
文檔編號(hào)C30B33/00GK101608342SQ200910017339
公開(kāi)日2009年12月23日 申請(qǐng)日期2009年7月27日 優(yōu)先權(quán)日2009年7月27日
發(fā)明者宏 劉, 吳劍波, 夏宗仁, 坤 崔, 張明鳳, 朱懷烈, 王繼楊, 秦小勇, 濤 顏 申請(qǐng)人:中電科技德清華瑩電子有限公司;山東大學(xué)