CN102021655A - 人造石英晶片电清洗方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种人造石英晶片电清洗方法，先对晶体材料蒸镀电极，再通过电极对晶体材料沿Z轴加载电场；蒸镀电极时，先蒸镀金属电极Al，金属电极Al厚度为200～300?，再在电极Al表面蒸镀金属电极Au，金属电极Au的厚度为1000±100?。加载的电场强度为1600～1800V/cm，将晶体所在的环境温度以20～30℃/小时的速度上升到560±10℃，维持该温度不变，待电流密度降至某一恒定值时，再以20～30℃/小时的速度降至室温，最后关闭电源，取出晶片，磨去电极即可。本发明可以提高石英晶体谐振器的抗辐射性能，减少石英晶体的腐蚀隧道密度到≤2条/cm²。

Description

人造石英晶片电清洗方法

技术领域

本发明涉及人造石英晶片，具体指人造石英晶片电清洗方法，从而提供更稳定的石英晶体谐振器、振荡器，属于人造石英晶片技术领域。

背景技术

人造石英晶体由于具有优越的频率稳定性和宽的透射光谱范围，物理和化学性能稳定，使用石英晶体制造的频率控制元件有优良的频率稳定性，被广泛地应用于工业领域、军用和民用电子设备中。

人造石英晶体是用水热法生长的，其生长条件决定了几乎所有的石英晶体都含有替代Si⁴⁺的Al³⁺离子，附近间隙的碱金属离子或质子为Al³⁺离子提供了必要的电荷补偿或者从氧阴离子无键结合的轨道上移去一电子而形成空穴。这些缺陷可以用Al-OH^-, Al-M⁺（Li⁺，Na⁺）及Al-h⁺(Al-空穴)表示。石英晶体谐振器的频率由晶体的弹性、压电性及介电常数来决定，而谐振器的质量又受这类缺陷Al-M⁺及OH^-中心的数量影响。室温下的电离辐照能分解Al-M⁺并形成两个新的中心Al-OH^-和Al-h⁺。当电离辐照产生电子-空穴时，而补偿的阳离子（Na⁺,Li⁺）被释放，它松散的被捕获在沿光轴的位置上。这样，Al附近的晶格变了，弹性常数变了，其频率也要发生变化，从而引起石英晶体谐振器频率发生改变，影响石英晶体谐振器的频率稳定度。

由于大气层的保护，地球上的生物才免于宇宙射线的伤害。大气层之外的宇宙空间，由于太阳的热核反应产生的α、β、γ和中子等宇宙射线十分强烈。随着卫星、导弹和其它空间技术的迅速发展，对于外空间和暴露于大气中使用的石英晶体元器件的耐辐射性能，提出了新的更高的要求。石英晶体元器件作为电子线路的标准频率源，在通信、导航、测控、应答和中心处理器中，发挥着核心作用。如果它们在辐照环境下性能退化或短时失效，将会产生严重后果，造成无可挽回的损失。另外，卫星、飞船、长期储存备用的导弹和其它电子设备，都希望尽量长的使用寿命和保持良好的性能状态，这对于大量使用且不可缺少的石英晶体的耐辐射性能显得至关重要。

作为频率源的压电石英晶体元件，既要适应高稳定性和高可靠性的要求，又要能制造出更高频率特性和更小型化的石英晶体元件，这样对石英晶体的机械性能、Q值和晶格完整性提出了新的更高的要求。尤其是晶体的刃型位错和螺旋位错，在晶片刻蚀工艺中容易形成腐蚀隧道，在蒸镀或者涂镀电极过程中，造成短路或性能下降，严重影响产品的质量和成品率。所以，现代石英晶体器件对石英晶体提出了很高纯度和极低腐蚀隧道密度的要求。

为了提高石英晶体材料耐辐射性能，降低石英晶体腐蚀隧道密度，目前国内外通常采用电清洗技术对之进行处理。电清洗（或电扩散）技术是近年来发展的能够有选择的改变人造石英晶体中电荷补偿状态以提高石英晶体材料耐辐射性能的方法。电清洗过程是将晶体放入高温炉中沿Z轴加直流电场进行的，其工作原理见图1。石英晶体在电场的传导机理为离子传导，载体由Na⁺、Li⁺离子支配。电传导的产生是由于Al³⁺俘获的Na⁺、Li⁺等离子被激活，成为可移动的离子，并向负电极移动。由于氢离子的激活能在1.5-1.9ev之间，而碱金属离子的激活能在0.76-1.24ev之间，氢离子的激活能远大于碱金属离子的激活能，所以经电清洗后人造石英晶体中缺陷的形态由Al-Na⁺、Al-Li⁺转变成Al-OH^-，后者很稳定，不因辐照而变化，从而可以提高石英晶体谐振器的抗辐射性能。当流过晶体的电流密度逐渐减小到恒定值时，表明Na⁺、Li⁺离子的迁移基本完成。

电清洗过程中不但排除了Na⁺、Li⁺，H⁺进入生长通道以及与位错结合的空穴，与原来不与亚结构相连的一个或更多的氧原子结合使其不与腐蚀剂反应，从而减少腐蚀隧道密度。

虽然电清洗过程能够提高石英晶体材料耐辐射性能，同时降低石英晶体腐蚀隧道密度，但现有的电清洗存在以下缺陷：1、为了能够在石英晶体上加载电场，目前电极蒸镀方案有直接在晶体表面蒸镀金属Au，易造成电极扩散入晶体，使晶块成为无用的晶体；或者直接压薄铂片，易造成电场不均匀，难以达到实验效果。2、通过电清洗后，石英晶体腐蚀隧道密度虽然能够降低，但通常只能达到≤10条/cm²，对于一些要求苛严的场合，这样的结果还不能满足使用需求。虽然本领域技术人员对此进行深入研究，但仍然难以下降。

发明内容

针对现有技术存在的上述不足，本发明的目的在于提供一种可显著提高石英晶体材料耐辐射性能、大大降低石英晶体腐蚀隧道密度的人造石英晶片电清洗方法。

本发明的技术方案是这样实现的：人造石英晶片电清洗方法，先对晶体材料蒸镀电极，再通过电极对晶体材料沿Z轴加载电场；蒸镀电极时，先蒸镀金属电极Al，金属电极Al厚度为200～300Å，再在电极Al表面蒸镀金属电极Au，金属电极Au的厚度为1000±100Å。

本方法加载的电场强度为1600～1800V/cm，将晶体所在的环境温度以20～30℃/小时的速度上升到560±10℃，维持该温度不变，待电流密度降至某一恒定值时，再以20～30℃/小时的速度降至室温，最后关闭电源，取出晶片，磨去电极即可。

为了实现对晶体所在环境温度的控制，本方法加载电场前，将晶体置于高温炉内，该温度的控制是通过控制高温炉实现的。

本发明通过电清洗技术，清除石英晶体的杂质离子Na⁺、Li⁺，电清洗后人造石英晶体中缺陷的形态由Al-Na⁺、Al-Li⁺转变成Al-OH^-，后者很稳定，不因辐照而变化，从而可以提高石英晶体谐振器的抗辐射性能，能够显著提高石英晶体材料耐辐射性能，减少石英晶体的腐蚀隧道密度，满足器件所需。通过电清洗技术，石英晶体的腐蚀隧道密度可以降低到≤2条/cm²，而目前国内最好水平的石英晶体腐蚀隧道密度仅为≤10条/cm²，国外也仅为≤6条/cm²。

附图说明

图1-电清洗工作原理图。

具体实施方式

本发明人造石英晶片电清洗方法，其基本思路与现有方法相同，也是先对晶体材料蒸镀电极，再通过电极对晶体材料沿Z轴加载直流电场。

其改进主要有两方面：一、蒸镀电极时，先蒸镀金属电极Al，金属电极Al厚度为200～300Å，再在电极Al表面蒸镀金属电极Au，金属电极Au的厚度为1000±100Å，由此解决了直接蒸镀金属Au易造成电极扩散入晶体的问题。

二、本方法加载的电场强度为1600～1800V/cm，然后将晶体所在的环境温度以20～30℃/小时的速度上升到560±10℃，再维持该温度不变，待流过晶体的电流密度降至某一恒定值时，表明Na⁺、Li⁺离子的迁移基本完成，再以20～30℃/小时的速度降至室温，最后关闭电源，取出晶片，磨去电极即完成晶片的电清洗过程。

为了便于对晶体所在环境温度的控制，本方法加载电场前，将晶体置于高温炉内，该温度的控制是通过控制高温炉实现的。

由于电流密度乘以面积即得电流，而在本方法中，面积为不变的量，因此电流密度和电流成正比，故可以通过测量电流的变化来判断电流密度的变化，当电流降至某一恒定值时，即可确定电流密度也降至某一恒定值。

本发明一个具体实施例：

蒸镀电极：先蒸镀金属电极300ÅAl，后蒸镀金属电极1000ÅAu。

将蒸镀好电极的石英晶块置于高温炉中，晶块上下两面压薄铂片电极，铂片与蒸镀电极接触，铂片通过铂金丝与电源线相接，加电场，电场强度为1800V/cm。将高温炉温度以20℃每小时的速度上升到560℃，恒温直至电流密度降至某一恒定值，再以20℃每小时的速度降至室温，最后关闭电源，取出晶块，磨去电极即可。

Claims (3)

1.人造石英晶片电清洗方法，先对晶体材料蒸镀电极，再通过电极对晶体材料沿Z轴加载电场，其特征在于：蒸镀电极时，先蒸镀金属电极Al，金属电极Al厚度为200～300Å，再在电极Al表面蒸镀金属电极Au，金属电极Au的厚度为1000±100Å。

2.根据权利要求1所述的人造石英晶片电清洗方法，其特征在于：本方法加载的电场强度为1600～1800V/cm，将晶体所在的环境温度以20～30℃/小时的速度上升到560±10℃，维持该温度不变，待电流密度降至某一恒定值时，再以20～30℃/小时的速度降至室温，最后关闭电源，取出晶片，磨去电极即可。

3.根据权利要求2所述的人造石英晶片电清洗方法，其特征在于：加载电场前，将晶体置于高温炉内，晶体所在环境温度的控制是通过控制高温炉实现的。