用于人造石英晶体的ST切型和AT切型 定向籽晶体及其制造方法
本发明一般涉及人造单晶，特别涉及用于人造石英晶体的ST切型和AT切型定向的籽晶体及其制造方法。
压电晶片已用作无线电通信装置的频率控制元件数十年了。一般来说分立的压电晶片由较大的单晶压电棒制造，这种单晶棒是在高压釜中人工生长的。生长压电棒的一般方法已为人熟知，一般有在高温和高压下将籽晶暴露于含一定量如氯化钠、碳酸钠、碳酸氢钠或氢氧化钠等可溶碱性化合物的溶液中的方法。该溶液保持与硅石供应料接触，以使含硅石的溶液变得过饱和。硅石通过溶液或液体从供应料中转移到石英籽晶上，从而生长晶体。另外，人们还成功地利用了其它方法生长晶体，这些方法中，籽晶暴露于其它合适的促使晶体在籽晶上生长的预定化学和物理的环境中，以生产压电晶体材料棒，进而由该压电晶体棒制造分立的晶体元件。
本领域的普通技术人员皆了解，石英是一种初次生长沿一个方向延伸的晶体之一，对于石英来说该方向为Z晶轴。充分生长的石英晶体其端点之间一般是由六个面边界限定的长棱柱，这一组六个面称为主面(primaryfaces)，它们在晶体的自然延长方向或Z轴方向延伸。通常，晶体的每个端部终止于三个相交的面，这三个面称为大菱面(major rhombohedralfaces)，它们在晶体端部构成锥形的端帽。另外，大菱面和主面之间还分布有小菱面(minor rhombohedral faces)。它们是面积较小的附加面，对于理解本发明来说它们并不重要。
在石英棒上各个面的生长速率极为不同。通常，人工生长棒时，Z方向生长最快，然后是X方向，再就是小菱面、大菱面，最后是主面。该生长速率的差异成为石英晶体棒生长应首先考虑的问题。现有技术的方法由垂直于Z轴或平行于小菱面地籽晶生长晶棒，期望较快的生长可获得较廉价产品。然而，这其中未考虑到如废料和工厂的生产能力等其它有关因素。关于普通晶片的角度，如用于体声波器件的AT切型晶片和用于表面声波器件的ST切型晶片，应着重注意的是处理时的废料量。
制造石英棒的一个重要目标是从工厂获得最大产量。这可以通过增加产量和增大现有生产能力的利用率来实现。解决该问题的一个方法是尽可能快地生长晶体棒。然而，这就无法考虑废料和生产能力的问题。另一方法是增大所生产晶片的尺寸，从而增加每根晶棒能用于器件的量。然而，这会导致高压釜较长时期地运行，更废料，而且需要在高压釜有更大的生长空间。再一方法是增加工厂中高压釜的数量，但这会导致严重的成本问题。
对于生产ST切型和AT切型石英晶体有一种要求，即在现有条件下通过更有效地利用材料和设备并减少废料更快地生产晶棒。关于此，还要求提供有效地再生用于连续处理的籽晶体且不降低生产能力的技术。另外，希望由单晶提供尽可能大的晶片，这些晶片中不能含浪费的中间籽晶部分。
图1是理想的天然左旋石英单晶的透视图；
图2a是根据本发明的ST切型晶体定向籽晶体和随后由该籽晶体生产的石英晶棒的剖面图；
图2b和2c分别是根据本发明的ST切型籽晶体和随后由之生产的石英晶棒的顶视图；
图3a是根据本发明的AT切型晶体定向籽晶体和随后由该籽晶体生产的石英晶棒的剖面图；
图3b和3c分别是根据本发明的AT切型籽晶体和随后由之生产的石英晶棒的顶视图；
图4a、4b、和4c分别是根据本发明按纯Z型、ST切型和R面型构形生长的石英晶棒，每个晶棒皆示出了由之生产的数片晶片的位置。
图5是根据本发明由ST切型和AT切型籽晶体生产石英晶棒的方法的框图。
本发明对生产ST切型和AT切型石英晶片的方法做了极大的改进，能够在不存在废料的中间籽晶部分的条件下生产大晶片。所用技术产生了令人吃惊和预料不到的效果，即，使可用于压电元件的石英材料的产量获得了极大地提高，有关一个石英晶体生产周期所需时间及生长这种晶体的高压釜生产能力的利用率也有了极大进展。而且，由于每根所生产的晶棒皆可以回收高达三根用于随后生产中的可用籽晶体，所以本发明不再需要生产用于制造新籽晶体的单独晶棒。
当由Z向生长的晶体(由Y棒型籽晶体)或由小菱面晶体(r面型籽晶体)制造如ST切型和AT切型等定向晶片时，尽管晶棒生长较快，但由于这些种类的晶体占据高压釜的空间较大，且只能生产少量可用晶片，所以致使生产较废料且产量较低。用这种晶体的另一局限是由r面和Y棒型籽晶体生长的晶体上大菱面的生长速率很快。这使得晶体两端部形成锥形，减小了总的晶体生长速率。另外，锥形导致了晶棒的很大部分不能用于制造令人满意尺寸的晶片。
按本发明，极大提高了高压釜运转生产石英晶片的产量，不仅在晶棒的废料量方面，而且在晶体生长时间和生长这种晶体的可利用高压釜的空间方面有极大的改进。
根据本发明，利用其大面积与主面和大菱面所成的一定角度倾斜的大面积籽晶体，很大程度上避免了由主面和大菱面造成的生长局限。籽晶体的宽度最好选为使在籽晶体任何边缘方向生长的整个晶体远小于最初籽晶面积，以便控制锥体。
参见图1，该图示出了已众所周知的理想天然左旋石英晶体10。这种晶体10在Z晶轴方向延伸。晶体10是由其结晶学上密勒指数为{10 10}的六个主面12包围其中心的边界限定的。这些主面12平行于Z晶轴延伸，该轴是石英自然延伸的方向，有时称作光轴。每个主面12与一对邻近的主面12相交，每个倾斜60°。在石英晶体10的每一端，Z晶轴方向上有三个相交的大菱面14，其结晶学上密勒指数为{01 11}。密勒指数为{10 11}的小菱面16位于大菱面14和主面12之间。图1示出了某些附加面，它们被称作三方双锥和三方偏方面体(trigonal bipyramid and trigonaltrapezohedron)，这些面有时在天然石英晶体10中出现，但它们对理解本发明并不重要。
如图2a所示，根据本发明，石英晶棒绕X轴20从+Z轴22向-Y轴24的旋转角约39°至50°倾斜(如图1中所示)可获得用于制造表面声波(SAW)器件的籽晶体18。这对于左旋和右旋石英皆适用。在优选实施例中，籽晶体18旋转约42.75°，确定ST切型晶片，如图2b所示，晶片的长度28基本上沿Z′初始轴26延伸，宽度30基本上沿X晶轴20延伸。更具体地，选定沿X轴20的宽度30使之等于或大于所要求的最终晶片直径。
如图2a和2b，籽晶体延伸，并具有足够的预定长度28、宽度30和厚度以促进石英晶体棒的生长，同时提供耐恶劣生长环境的合适的完整性。在优选实施例中，籽晶体18的厚度小于较小的籽晶体长度28和宽度30的约三分之二。具体地，籽晶体18的厚度约为0.1至6毫米。
图2a是由图2b的籽晶体18生长的ST切型石英晶棒32的剖面图。图2c是由示于图2b的籽晶体18随后生长的石英晶棒32的顶视图，该石英晶棒主面为34、大菱面为36、小菱面为38，它们分别相应于图1中天然石英棒10的主面12、大菱面14、小菱面16。
如图3a所示，根据本发明，石英晶棒绕X轴20从+Z轴22向-Y轴24的旋转角约22°至38°倾斜(如图1中所示)可获得用于制造体声波(BAW)器件的籽晶体40。这对于左旋和右旋石英皆适用。在优选实施例中，籽晶体40旋转约35.25°，确定AT切型晶片，如图3b所示，晶片的长度44基本上沿Z′初始轴42延伸，宽度46基本上沿X晶轴20延伸。更具体地，选定沿X轴20的宽度46使之等于或大于所要求的最终晶片直径。
如图3a和3b所示，籽晶体40延伸，并具有足够的预定长度44、宽度46和厚度以促进石英晶体棒48的生长，同时提供耐恶劣生长环境的合适的完些性。在优选实施例中，籽晶体40的厚度小于较小的籽晶体长度44和宽度46的约三分之二。具体地，籽晶体40的厚度约为0.1至6毫米。
图3a是由图3b的籽晶体40生长的AT切型石英晶棒48的剖面图。图3是由示于图3b的籽晶体40随后生长的石英晶棒48的顶视图，该石英晶棒主面为50、大菱面为52、小菱面为54，它们分别相应于图1中天然石英棒10的主面12、大菱面14、小菱面16。
从图2a和3a可以看出，石英棒32、48有相对的端面56、锥面58和平面60，它们分别相应于图1所示的天然石英棒10的主面12、大菱面14、小菱面16。由于过饱和的介质中石英在籽晶体上固有的生长惯态，在Z晶轴22方向上生长很快，在锥形主面58上生长不足。在面60的相反侧Z轴方向的生长基本上是相同的。由于在主面58上生长不足，所以面58的面积会在Z方向延伸，并确定棒32、48的Y方向尺寸。这种生长的结果是，端面56的面积变得较大，平面60的面积变得较小，进一步限定了棒的外部尺寸。
如图2c和3c所示，从棒32、48的左端可看见彼此倾斜60°的三个主面34、50。从最左的主面向下延伸的是大菱面36、52。小菱面38、54确定了棒表面的最大中心部分。在棒的右端，两个小菱面38、54确定了棒的每个角。在棒32、48上还有其它小晶面，但它们对于理解本发明并不重要。然而，应该认识到，由于石英的极化特性，石英棒的生长在-X和+X方向上是对称的，这取决于所用的是左旋还是右旋石英。对此在高压釜中选择晶籽的最佳位置时应予以注意。通常，棒32、48的底视图(未示出)呈现的是与上述类似的面和几何形状。主面34、50，上右和下右方的小菱面38、54在棒生长期间向中心收敛，并收敛到右边，从而稍微减小了小菱面38、54的面积。
图4a、4b和4c分别是纯Z型62、ST切型64和r面型66构形的石英晶棒沿-X轴的剖面图。从图4a可看出，纯Z型晶棒62产生了大量废料68，由纯Z型晶棒62制得的全宽度ST切型晶片70在其中间部分76内含一些原始籽晶体72。应该认识到，中间部分76内籽晶体界面处的杂质和不连续最终会产生不合格器件。因此，中间部分76被认为是废料68。另外，应该认识到，在切晶片期间原始籽晶体72遭到的破坏是不能复原的。为了避免籽晶体72，可以生产半宽度ST切型晶片。然而，这需要额外的处理工艺，对最终的用户来说是不希望的。
从图4c可以看出，r面型晶棒66可以生产没有中间籽晶部分的ST切型晶片70，但r面型棒66含三部分废料68。另外，因由于主面的缘故存在一定量的锥体78，所以为了获得最终所要求直径的晶片，需要生长较大晶体66。另外，原始籽晶体74的复原需要单独的切割工艺，或特殊的高压釜生产工艺以生产新籽晶体74。
如图4b所示，ST切型晶棒64有产生的废料68比纯Z型62或r面型晶棒66少的优点。而且，在切晶片期间原始籽晶体18可自动复原，由于主面产生较小的锥体78，所以，只要较小的总晶棒尺寸便可以生产所要求直径的最终ST切型晶片70。有益的是，这样可以较好地利用现有的高压釜生产能力，并在不增加任何花费的情况下提高工厂的产量。
图5是由AT切型和ST切型籽晶体生长石英晶棒的方法100的框图。该方法包括提供由母晶制取的延伸AT或ST切型籽晶体的步骤102，和将籽晶体暴露于预定的化学和物理的环境中的步骤104，其中所述化学和物理的环境可以促进晶体通过从转移介质淀积石英在籽晶体上的生长，介质中硅石保持过饱和，以便晶体在籽晶体上生长。转移介质最好是与一定量的硅石(最好为结晶石英)接触的碱性溶液，在升高的温度和压力条件下，石英籽晶体暴露于这种溶液中，以便晶体在籽晶体上生长，所述条件应保持围绕籽晶体的硅石过饱和。这种在过饱和硅石溶液中生长石英晶体的工艺已为人熟知。这种工艺中，籽晶体靠高压釜中合适的悬挂装置(未示出)支撑，所以并不限制随后晶棒的生长。
比较例A
下面的实验结果可以证明本发明的实际效果，但并不能以任何方式限制本发明。
进行实验以确定制造用于表面声波(SAW)晶片的石英的最有效和最实用的方法。尽管已成功地制造出2″、3″和4″直径的SAW晶片，但根据本发明，该实验致力于绕X轴从+Z轴向-Y轴旋转约42.75°、厚约0.023″的3″直径ST切型SAW晶片。这对于左旋和右旋石英皆适用。首先利用已知的工艺在10″×15′的高压釜容器中进行该实验。
通过常规方法提供三组籽晶体，其中将每组籽晶体绕X轴从+Z轴向-Y轴的旋转角选为约38.22°(平行于小菱面r)、42.75°(ST切型)和90.00°(垂直于Z轴的Y棒型籽晶)。应该注意的是，籽晶体的X向尺寸应等于或大于最终晶片要求的直径。为了生产3″晶片，要使用X向尺寸约3″到高达3.3″和Z’向尺寸约3.75″到4″的籽晶体。在几次高压釜运转中利用三组籽晶体，对每组籽晶体进行生产。
众所周知，绕X轴的旋转更垂直于Z轴时，垂直于籽晶体的一般平均生长速率增加，晶材的锥度减小。然而，意外地发现，关于制造所要求平面的生长速率，用ST切型籽晶体的速率显著地大于r面型籽晶体。这表明在高压釜中ST切型籽晶体完成晶体生长所需的时间少于由r面型籽晶体完成晶体生长所需的时间。ST切型生长的第二个重要特点是锥度小于r面型生长。这表明由ST切型籽晶体生长晶材产生的废料少于r面型籽晶体生长晶材产生的废料。
还发现，除了用作籽晶体的至少两个以上同样大小的邻近晶片以外，原始籽晶体可由晶材复原。于是不再需要为满足生产需要而进行另外的籽晶生产。
表1示出了用三种所示角度的籽晶体进行的几个实验的结果。由于以上讨论的锥度的缘故，必需用尺寸大于所要求生产晶片的尺寸的ST切型和r面型籽晶体。由于有效生长形状的缘故，由ST切型籽晶体生产的晶材可以更紧密地填装在高压釜中(180根晶材/负荷)，与纯Z型晶材或r面晶材相比，完成其生长需要较少时间(50天)。
如表2所示，尽管ST切型晶材的产量为每根晶材仅出13片晶片，但较紧密地填装最终可以产生比r面型或纯Z型生长晶材更高的总晶片产量。然而，另外的有益效果是ST切型晶材提供没有中间籽晶的晶片，而纯Z型晶材生产的晶片含有部分原始籽晶体。应该注意的是，对r面型生长晶材的晶片产量也做了评估。
表1 由10″×15′的高压釜负荷生产3″晶材的实际结果。 晶材 旋转角 生产能力 时间 r面型 38.22° 135根/负荷60天/负荷 ST切型 42.75° 180根/负荷50天/负荷 纯Z型 90.00° 32根/负荷89天/负荷
表2
由上述晶材制备3″晶片的数量和速率。 晶材 旋转角 利用率 速率 r面型 38.22° 13片/根29片/天(估 计) ST切型 42.75° 13片/根47片/天 纯Z型 90.00° 47片/根17片/天
从表2中可看出，由ST切型籽晶体生长的石英晶材的ST切型3″的产量明显高于使用r面型或纯Z型石英棒方法的现有技术，达到每天47根。这可减少ST切型晶片的最终成本。
比较例B
除对ST切型晶片进行上述实验外，还进行由AT切型籽晶体生产AT切型晶材的实验。如图3a-3c所示，这些晶材已成功地生长出。AT切型石英晶片用作体声波(BAW)晶片，并且这种晶片一般是由Y棒型籽晶体生长的纯Z型晶材制备的。根据本发明，该实验致力于用于生长石英的2″AT切型籽晶体。通常，提供的是厚约0.008″、绕X轴从+Z轴向-Y轴的旋转角约为35.25°的2″AT切型晶片。这对于左旋和右旋石英皆适用。由于厚0.008″，所以每根晶材可提供比0.023″厚的ST切型晶片多的可用AT切型晶片。因此，提高了总产量和利用率。利用已知工艺，可以在10″×15′的高压釜容器中生长AT切型晶材。
所得AT切型晶材其几何形状与上述ST切型晶材类似，由这些晶材生长的AT切型晶片具有类似的优点。实际上，从第一次实验的晶材上没切出晶片。然而，从晶材生长可以得出几个与晶材自身有关的观察结果，由于晶材是由AT切型籽晶体生长的，所以在切晶片期间，可以复原籽晶，从而不再需要生产满足再生产的另外一些籽晶，比纯Z型生长晶材的废料更少。由于废料更少，所以可以在较短生长周期内获得较小尺寸的AT切型晶材，提高了高压釜的利用率。这表明完成生长晶体的高压釜生产中AT切型籽晶体比由纯Z型籽晶体生长晶体需更少的时间。
表3示出了对用于AT切型晶材的晶材生长与生产纯Z型晶材的实际生长比较的评估。由于有效生长形状的缘故，由AT切型籽晶体生产的晶材可以更紧密地填装在高压釜内(135根/负荷)，完成其生长所需时间(60天)比纯Z型晶材所需时间(一般为44根/负荷，时间为97天)更少。
如表4所示，较紧密地填装最终可以产生比纯Z型生长晶材更高的总晶片产量。另外，另外的有益效果是AT切型晶材可提供没有中间籽晶的晶片，而所有由纯Z型晶材生产的晶片皆含有部分原始籽晶体。应该注意的是，对比实际的纯Z型晶材的晶片生产数据对AT切型生长晶材的晶片产量做了评估。
表3
由10″×15″的高压釜负荷生产2″晶材的实际结果。 晶材 旋转角 生产能力 时间 AT切型 35.25° 135根/负荷 60天/负荷(估计) 纯Z型 90.00° 44根/负荷 97天/负荷(实际)
表4
由上述晶材制备0.008″晶片的数量和速率。 晶材 旋转角 利用率 速率 ST切型 35.25° 35片/根 79片/天(估计) 纯Z型 90.00° 140片/根 64片/天(实际)
从表4可以看出，据评估，由从AT切型籽晶生长的石英晶材来生产的AT切型2″晶片的产量高于利用纯Z型石英棒的现有技术方法的产量。这最终会降低晶片的生产成本。
尽管这里展示和说明了本发明的各实施例，但应该明白，在不脱离本发明的新颖精神和范围的情况下，本领域的普通技术人员可以对上述实施例做出改型、替换及调整和组合。