一种处理铌酸锂或钽酸锂晶片的方法.pdf

本发明公开了一种处理铌酸锂或钽酸锂晶片的方法，是将待处理的铌酸锂或钽酸锂晶片分别置于坩埚中，加入预先按质量比例混合均匀的铁粉和碳酸锂粉，完全覆盖晶片，然后将此刚玉坩埚置于热处理炉中，在流量为0.5～1L/min的氮气气氛下，以450～550℃温度条件进行热处理3～20小时，制得成品铌酸锂或钽酸锂晶片。本发明方法制备的晶片电阻率在109～1012Ω·cm量级，相比于常规未处理晶片，电阻率大幅度降低，并且本发明的方法能够以短时间的热处理有效地制备SAW器件所需要的晶片，增加了元件制造过程中的成品率，成为工业化的优选方法。

1.  一种处理铌酸锂或钽酸锂晶片的方法，其特征在于：将待处理的铌酸锂或钽酸锂晶片分别置于适合晶片尺寸的刚玉坩埚中，加入预先按质量比例混合均匀的铁粉和碳酸锂粉，完全覆盖晶片，然后将此刚玉坩埚置于热处理炉中，在流量为0.5～1L/min的氮气气氛下，以450～550℃温度条件进行热处理3～20小时，之后降至室温取出，即得成品铌酸锂或钽酸锂晶片。

2.  如权利要求1所述处理铌酸锂或钽酸锂晶片的方法，其特征在于：所述混合均匀的铁粉和碳酸锂粉中，铁粉在混合体系中所占质量比为5％～10％。

3.  如权利要求1所述处理铌酸锂或钽酸锂晶片的方法，其特征在于：将待处理的铌酸锂或钽酸锂晶片分别置于适合晶片尺寸的刚玉坩埚中，加入预先按质量比例混合均匀的铁粉和碳酸锂粉，其中所述铁粉在混合体系中所占质量比为5％～10％，完全覆盖晶片，然后将此刚玉坩埚置于热处理炉中，在流量为0.6～0.8L/min的氮气气氛下，以480～520℃温度条件进行热处理5～10小时，之后降至室温取出，即得成品铌酸锂或钽酸锂晶片。

一种处理铌酸锂或钽酸锂晶片的方法
(一)技术领域
本发明涉及一种处理铌酸锂或钽酸锂晶片的方法，属于晶体材料技术领域。
(二)背景技术
铌酸锂(LiNbO₃，LN)和钽酸锂(LiTaO₃，LT)晶体是典型的多功能材料，集压电、铁电、热释电、声光、电光、非线性及光折变等多种优良性能于一身，在声表面波(SAW)器件、光通讯、激光及光电子领域中得到广泛应用。铌酸锂和钽酸锂以其良好的压电效应、机电耦合、温度系数和低插入损耗等综合性能而被用于制作声表面波器件，并应用于手机、卫星通讯、航空航天等许多高端通讯领域。工业上，LN、LT晶体主要是利用丘克拉斯基方法(Czochralski method)生长，加工得到的晶片几乎无色透明，体积电阻率约为10¹⁴～10¹⁵Ω·cm量级。晶体如此高的电阻率使得表面因热释电效应产生的电荷不能被迅速中和，给器件制作和应用带来许多难以避免的困难。LN、LT晶体具有较高的热释电系数，当晶片经历温度变化(升温或降温)时，内电场的改变将会导致大量静电荷在晶片表面积累，这些电荷会在叉指电极间、晶片间、晶片与工装间自发释放。当静电场达到一定程度时，就会出现晶片开裂、微畴反转和叉指电极烧毁等诸多问题，大大降低了器件的成品率。而且，晶片高的透过率明显影响了SAW器件制作过程中光刻工艺的精度。虽然常规工艺方法制备的LN、LT晶体，因热释电效应产生的表面电荷也可以被周围环境的游离电荷中和，但这需要长达数小时甚至更长的时间才能实现。很显然，这严重影响了工业化的效率与产量。目前，通过对SAW器件的优化设计和器件制作工艺上的改进可以在一定程度上减弱热释电效应的负面影响，但是大幅度增加了成本，而且效果并不理想。
基于上述技术背景，针对SAW器件的用途，为了不影响其必需的压电性能，同时大幅度减弱甚至消除具有负面影响的热释电效应，必须制备经历温度变化而不会在表面积累电荷的LN、LT晶体。研究表明，铌酸锂和钽酸锂晶体的电导率和颜色在经历热处理时随着晶体内存在的氧空位浓度而变化。在真空或者氮气气氛中，周围环境氧浓度极低，氧从晶体中向外扩散，从而提高了晶体中氧空位的浓度，氧空位获得一个电子形成色心；色心在可见光区域吸收较强，使晶片由无色透明变为有色不透明。晶体中氧空位浓度增加的同时，为了维持电荷平衡，一部分Nb(Ta)离子的化合价从+5变成+4，电子载流子浓度随之增加。因此，经过这种热处理，晶体内载流子的浓度大量增加，电导率大幅度提高。但是，氧空位浓度的变化需要在一定的温度下保持一段时间来实现。因此较高的温度和较长的热处理时间有利于消除晶片经历温度变化时的热释电效应。
日本专利JP2003-394575提出了将LN晶片埋入到由C、Si、Mg、Al、Ca、Ti等其中至少一种还原剂构成的粉末中或者置于至少一种上述还原剂制成的容器中，在真空或惰性气体中，在300℃及其以上、不足于500℃的温度下，进行热处理的工艺。此种工艺方法温度较低，因此可能需要能力强的还原剂，使得还原程度不易控制，而还原程度较深的晶片其加工性能必然受到影响。日本专利JP2004-061862提出了将坯料形式的LT晶片包埋在碳粉末中或者置于碳容器中，然后在惰性或者还原性气体条件下，维持650℃到1650℃的温度至少4小时的热处理过程。尽管此种方法制备的LT晶片电阻率较低，热释电效应基本消除，但晶片已经退极化，需要重新极化，增加了工艺步骤与成本。美国专利US6319430提出了在氮气氢气组成的流动性还原气氛中高温热处理LN、LT晶片的方法，此种工艺效率较高，但还原工艺中使用的氢气容易引起爆炸的危险，因此对设备的要求较高，而且对LT来说高温热处理也容易出现退极化的现象。日本专利JP2004-002853和韩国专利KR20040034230均提出在流通的还原性气体或者惰性气体中预先对LT晶片进行高温深度还原处理，然后将这些晶片与待处理的目标晶片交替层迭进行热处理的方法，此种工艺不够简便，晶片还原程度可能存在一些差别。美国专利US20050269516提出了一种在LN、LT晶片表面涂覆碳酸锂、碳酸镁、碳酸钙、氢化锂、氢化钙等还原性物质，然后在真空或还原气氛中，在高于250℃低于居里点的温度下进行热处理的方法，此种方法工艺步骤较多，所选择的还原性物质碳酸盐其还原能力较弱，需要的热处理温度可能较高，而这些物质可能分解并产生气体，对于设备和晶片性能可能有较大影响。
(三)发明内容
针对上述方法的缺点，本发明提出了一种处理和制备铌酸锂或钽酸锂晶片的工艺方法，通过提高晶片的电导率，可以使由于温度变化而产生的表面电荷迅速消除，不产生电荷累积，从而减弱甚至消除热释电效应的负面影响；同时，能够维持晶片原本的压电性能。
本发明所述处理铌酸锂或钽酸锂晶片的方法，其特征在于：将待处理的铌酸锂或钽酸锂晶片分别置于适合晶片尺寸的刚玉坩埚中，加入预先按质量比例混合均匀的铁粉和碳酸锂粉，完全覆盖晶片，然后将此刚玉坩埚置于热处理炉中，在流量为0.5～1L/min的氮气气氛下，以450～550℃温度条件进行热处理3～20小时，之后降至室温取出，即得成品铌酸锂或钽酸锂晶片。
其中：上述混合均匀的铁粉和碳酸锂粉中，铁粉在混合体系中所占质量比为5％～10％。
本发明进一步优选的处理铌酸锂或钽酸锂晶片的方法是：将待处理的铌酸锂或钽酸锂晶片分别置于适合晶片尺寸的刚玉坩埚中，加入预先按质量比例混合均匀的铁粉和碳酸锂粉，其中所述铁粉在混合体系中所占质量比为5％～10％，完全覆盖晶片，然后将此刚玉坩埚置于热处理炉中，在流量为0.6～0.8L/min的氮气气氛下，以480～520℃温度条件进行热处理5～10小时，之后降至室温取出，即得成品铌酸锂或钽酸锂晶片。
本发明方法制备的晶片电阻率在10⁹～10¹²Ω·cm量级，相比于常规未处理晶片，电阻率大幅度降低，即电导率大幅度提高，因而热释电效应明显减弱甚至消失；并且晶体在可见光波段的光吸收能力增强，因此晶片从无色透明变成灰色至黑色甚至完全不透明。如上所述，根据本发明，通过提高晶体的电导率，能够制备经历温度变化而不会在表面累积电荷的铌酸锂和钽酸锂晶片，作为SAW器件所必需的压电性能并没有受到影响，且晶片不会出现退极化的现象。本发明的工艺方法能够以短时间的热处理有效地制备SAW器件所需要的晶片，增加了元件制造过程中的成品率，成为工业化的优选方法。
(四)附图说明
图1是灰色晶片外观图。
图2是深灰色晶片外观图。
图3是黑色晶片外观图。
图4是深黑色晶片外观图。
(五)具体实施方式
下面结合对实施例本发明进行进一步的详细说明，但不仅限于此。
本发明中所述待处理的铌酸锂或钽酸锂晶片可由中电科技德清华莹电子有限公司、德清华瑞光学元件有限公司、浙江金盛光电有限公司、德清微光元件有限公司或焦作市科瑞斯达光电材料有限公司购得。
实施例1
首先将待处理的铌酸锂晶片置于适合晶片尺寸的刚玉坩埚中，将预先按比例混合均匀的铁粉和碳酸锂粉(铁粉在混合体系中所占质量比为5％，其中碳酸锂粉纯度为4N，铁粉规格为500目)埋入坩埚，完全覆盖晶片，然后将此刚玉坩埚置于热处理炉中，在流量为0.5L/min的氮气气氛下，升温至450℃的保持温度下热处理3小时，之后降至室温取出晶片。所制备的铌酸锂晶片呈现灰色，如图1所示；体积电阻率在10¹²Ω·cm数量级。
实施例2
首先将待处理的铌酸锂晶片置于适合晶片尺寸的刚玉坩埚中，将预先按比例混合均匀的铁粉和碳酸锂粉(铁粉在混合体系中所占质量比为6％，其中碳酸锂粉纯度为4N，铁粉规格为500目)埋入坩埚，完全覆盖晶片，然后将此刚玉坩埚置于热处理炉中，在流量为0.6L/min的氮气气氛下，升温至480℃的保持温度下热处理5小时，之后降至室温取出晶片。制备的铌酸锂晶片呈现深灰色，如图2所示；体积电阻率在10¹¹Ω·cm数量级。
实施例3
首先将待处理的铌酸锂晶片置于适合晶片尺寸的刚玉坩埚中，将预先按比例混合均匀的铁粉和碳酸锂粉(铁粉在混合体系中所占质量比为8％，其中碳酸锂粉纯度为4N，铁粉规格为500目)埋入坩埚，完全覆盖晶片，然后将此刚玉坩埚置于热处理炉中，在流量为0.8L/min的氮气气氛下，升温至510℃的保持温度下热处理8小时，之后降至室温取出晶片。制备的铌酸锂晶片呈现黑色，如图3所示；体积电阻率在10¹⁰Ω·cm数量级。
实施例4
首先将待处理的铌酸锂晶片置于适合晶片尺寸的刚玉坩埚中，将预先按比例混合均匀的铁粉和碳酸锂粉(铁粉在混合体系中所占质量比为10％，其中碳酸锂粉纯度为4N，铁粉规格为500目)埋入坩埚，完全覆盖晶片，然后将此刚玉坩埚置于热处理炉中，在流量为1L/min的氮气气氛下，升温至550℃的保持温度下热处理20小时，之后降至室温取出晶片。制备的铌酸锂晶片呈现深黑色，如图4所示；晶片电阻率在10⁹Ω·cm数量级，。
实施例5
首先将待处理的钽酸锂晶片置于适合晶片尺寸的刚玉坩埚中，将预先按比例混合均匀的铁粉和碳酸锂粉(铁粉在混合体系中所占质量比为5％，其中碳酸锂粉纯度为4N，铁粉规格为500目)埋入坩埚，完全覆盖晶片，然后将此刚玉坩埚置于热处理炉中，在流量为0.5L/min的氮气气氛下，升温至450℃的保持温度下热处理3小时，之后降至室温取出晶片。制备的钽酸锂晶片呈现灰色，晶片电阻率在10¹²Ω·cm数量级。
实施例6
首先将待处理的钽酸锂晶片置于适合晶片尺寸的刚玉坩埚中，将预先按比例混合均匀的铁粉和碳酸锂粉(铁粉在混合体系中所占质量比为7％，其中碳酸锂粉纯度为4N，铁粉规格为500目)埋入坩埚，完全覆盖晶片，然后将刚玉坩埚置于热处理炉中，在流量为0.7L/min的氮气气氛下，升温至500℃的保持温度下热处理6小时，之后降至室温取出晶片。制备的钽酸锂晶片呈现深灰色，晶片电阻率在10¹¹Ω·cm数量级。
实施例7
首先将待处理的钽酸锂晶片置于适合晶片尺寸的刚玉坩埚中，将预先按比例混合均匀的铁粉和碳酸锂粉(铁粉在混合体系中所占质量比为9％，其中碳酸锂粉纯度为4N，铁粉规格为500目)埋入坩埚，完全覆盖晶片，然后将此刚玉坩埚置于热处理炉中，在流量为0.8L/min的氮气气氛下，升温至520℃的保持温度下热处理10小时，之后降至室温取出晶片。制备的钽酸锂晶片呈现黑色，晶片电阻率在10¹⁰Ω·cm数量级。
实施例8
首先将待处理的钽酸锂晶片置于适合晶片尺寸的刚玉坩埚中，将预先按比例混合均匀的铁粉和碳酸锂粉(铁粉在混合体系中所占质量比为10％，其中碳酸锂粉纯度为4N，铁粉规格为500目)埋入坩埚，完全覆盖晶片，然后将此刚玉坩埚置于热处理炉中，在流量为1L/min的氮气气氛下，升温至550℃的保持温度下热处理20小时，之后降至室温取出晶片。制备的钽酸锂晶片呈现深黑色，晶片电阻率在10⁹Ω·cm数量级。
综上所述，本发明方法制备的铌酸锂和钽酸锂晶片由于电阻率在10⁹～10¹²Ω·cm范围，电导率比常规晶片大幅度提高，晶片经历温度变化时表面产生的电荷能够迅速消除，而不会像常规晶片那样发生电荷累积现象，因此热释电效应明显减弱甚至消除，并且晶片从无色透明变成灰色至黑色甚至完全不透明的同时，压电性能没有受到影响。本工艺制备的铌酸锂和钽酸锂晶片用于制造SAW器件时，解决了元件制造工序中合格率因热释电现象而降低的问题；并且还原处理的晶片可见光透过率明显降低很多，对光刻工艺十分有利；并且本发明解决了声表面波器件制作和应用中的困难，适合于工业化。