CN104328497B - 一种sc切或it切晶片的制备方法 - Google Patents

一种sc切或it切晶片的制备方法 Download PDF

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Abstract

本发明提供一种SC切或IT切晶片的制备方法，该方法包括以下步骤：(1)低位错种子片制作：从小籽晶片中挑选出低位错种籽片；(2)高Q值水晶小Z′块生长：利用水热温差法将挑选出的低位错种籽片培育成高Q值水晶小Z′块；(3)晶棒加工：将高Q值水晶小Z′块加工成晶棒；(4)晶片切割：采用多线切割的方式将晶棒切片；(5)频率片加工。本发明不仅解决了原有工艺因两次转角切割使材料利用率低、工序复杂、生产效率低、人工等综合成本高的难题，而且确保了晶片定向精度的高度一致性，使产品性能更加稳定可靠。

Description

一种SC切或IT切晶片的制备方法
技术领域
本发明涉及石英晶片的制备工艺，尤其是涉及一种SC切或IT切晶片的制备方法。
背景技术
SC或IT切型石英晶体是目前普通石英晶体的升级换代产品，是未来电子产品向高精尖发展的主要方向。其技术原理是选用优质Z0块经过二次转角切割，生产SC或IT切型石英晶体。与普通石英晶体相比，SC或IT切型石英晶体具有许多优点：在零温度系数附近，静态频率特性优于AT切一个数量级，快速加热频率稳定性比AT切改善了两倍，频率过冲现象改善了约一个数量级；SC切石英谐振器的应力灵敏低，与AT切相比，为1:830；辐射效应引起的频率变化比AT切低两个数量级，用其制成的石英晶体谐振器具有老化小，达到10-12/天量级(普通谐振器为10-6天量级)相位噪声低，短稳好，达到10-13秒量级(普通谐振器为10-6秒量级)耐温区域宽(-55～+85摄氏度)等优点。
传统制备SC或IT切型石英晶体工艺是：采用Z0°块加工成板材，利用Z0板材按一次转角21°系列设计的需要角度定向切割成小晶棒条，通过切割控制角度，后按二次转角34°系列设计的需要角度定向用线切割将小晶棒条切成长方片并用X射线定向仪全检角度，再采用频率片加工工艺对长方片进行粗、中、细研磨，整型或改圆，倒边，抛光，再利用专用EFG对加工好的晶片进行第二次定向角度全检，最后对符合要求的晶片进行频率分选、包装、检验、出货。该工艺不但两次转角精确的角度匹配难于控制，加工复杂，材料利用率低下，一次性合格率很低50％左右；而且设备投入高昻，特别是加工到最后对晶片的角度检测必须使用上百万元的国外进口专用EFG。因此，该产品综合成本高，连续批量生产难度大，门坎高，困扰着生产商、使用厂家。
发明内容
本发明的目的在于：针对现有技术存在的问题，提供一种SC切或IT切晶片的制备方法，解决现有SC或IT切型石英晶体制备工艺不但两次转角精确的角度匹配难于控制，加工复杂，材料利用率低下，而且设备投入高昻的问题。
本发明的目的通过以下技术方案来实现：一种SC切或IT切晶片的制备方法，其特征在于，该方法包括以下步骤：
(1)低位错种子片制作：从小籽晶片中挑选出低位错种籽片；
(2)高Q值水晶小Z′块生长：利用水热温差法将挑选出的低位错种籽片培育成高Q值水晶小Z′块；
(3)晶棒加工：将高Q值水晶小Z′块加工成晶棒；
(4)晶片切割：采用多线切割的方式将晶棒切片；
(5)频率片加工。
优选的，当从转角21°系列方向角的小籽晶片中挑选出低位错种籽片时，对晶棒进行SC切；从转角19°系列方向角的小籽晶片中挑选出低位错种籽片时，对晶棒进行IT切。
优选的，晶片切割时，依切割进度定量补充切割液、逐渐增加切割压力、以慢-快-慢来调整切割速度。
优选的，所述切割液为砂浆，按照0.5Kg砂浆/2h来补充；从刚切割晶棒表面到钢丝全部进入晶棒，所述切割压力按照0.5KG～2.0KG逐渐递增；切割速度慢时的速度为快时速度的2/3。
优选的，在频率片加工时，还需要对晶片进行倒边。
优选的，倒边的方法为：将晶片放置在旋转的桶状磨具中进行倒边，且控制磨具转速以使晶片的离心力略大于晶片与磨具之间的静摩擦力。
优选的，倒边时，当转速为80转/分钟～160转/分钟时，加入倒边研磨促进剂的量为50g～100g。
与现有技术相比，本发明具有以下优点：
1、通过大量试验研制出符合SC、IT切型一次转角标准的低位错种籽片，并利用种籽片培育出制作晶片的高Q值的小Z′块，这直接省去传统工艺Z0°块板材加工和拉小晶棒条两工序，减少人力、设备投入，大幅缩短生产周期，降低电能消耗，从而使晶片综合成本下降20％-30％；
2、通过改进的切割工艺和倒边工艺，既确保了晶片两次转角精度匹配偏差，又大大减小了加工过程对单一角度精度的影响，使晶片一次性合格率可达85％左右；
3、双转角SC、IT切型石英晶体具有独特的优势完全依赖于晶片的两次转角精度匹配和晶片内在品质，本发明在种子培育时选取低位错种子试验研究，在生长小Z′块时选用优质的矿石，采用高温高压低速率的结晶工艺(即水热温差法)，使其实现高Q值，高纯度、杂质含量很少，由此保障晶片内在品质满足高频、高稳定、高精度的频率器件设计需要。
具体实施方式
下面以具体实施例对本发明进行详细说明。
实施例
本方法的主要工艺流程是：低位错种子片制作(一次转角21°系列或19°系列)→高Q值水晶小Z′块生长(功率参数为主，五段式自动控制方式)→晶棒加工→晶片切割(切割液、切割压力、速度控制，二次转角)→频率片加工工艺(倒边加入研磨促进剂)→检验出厂。
本方法突破了惯用的两次转角切割、依靠进口设备定向挑选工艺，充分利用人工晶体结晶学原理、水热温差法原理，直接选取21°、19°方向籽晶片，并通过试验分别对应研制出SC、IT切种子片培育出Z′块，再利用Z′块加工成晶棒并按另一转角批量切割即成。该技术不但解决了原有工艺因两次转角切割使材料利用率低、工序复杂、生产效率低、人工等综合成本高的难题，而且确保了晶片定向精度的高度一致性，使产品性能更加稳定可靠。该产品外形尺寸、频率可根据用户需求生产，用此晶片制成的晶体元器件功耗比使用AT切晶片增加8-10dB，其频率精度可达±2ppm；年老化率可达±3ppm；低相噪小于-150dB。
本方法的具体工艺步骤如下：
1、低位错种子片制作：通过对传统工艺的分析研究，结合晶体结晶学原理，直接选取转角21°系列或19°系列方向角小籽晶片，挑选出低位错种籽片。其中转角21°系列用于制备SC切晶片，19°系列用于制备IT切晶片。
2、高Q值水晶小Z′块生长：利用选取好的籽晶片，用水热温差法培育出符合生产不同晶片尺寸所需的高Q值小Z′块。在生长小Z′块时选用优质的矿石，采用高温高压低速率的结晶工艺(即水热温差法)，使其实现高Q值，高纯度、杂质含量很少，由此保障晶片内在品质满足高频、高稳定、高精度的频率器件设计需要。
3、晶棒加工：将培育好的小Z′块按照传统工艺的一次转角的精度要求，直接加工成晶棒。
4、晶片切割：采用多线切割的方式将晶棒切片，切片时要求切出的晶片角度误差小、平行度好。根据长期对切割效果监测数据及切割液浓度随切割进度变化的定量分析分析发现：①晶片表面平行度既影响晶片角度精度，又制约频率的稳定性；②切割时间越长，所需切割液的浓度越高，且程现出有规律的二次曲线。对此，经过反复实验定型了以下精细化新工艺：依切割进度定量补充切割液(0.5Kg砂浆/2h)、逐渐增加切割压力(切割晶片表面时，0.5Kg压力—1.0Kg压力—钢丝完全进入晶片时，2.0Kg压力)、调整切割速度(慢—快—慢,切割速度慢时的速度为快时速度的2/3)。该步骤取得了非常理想的效果，使线切割机切割晶片角度精度满足±30″以内且平行度在0.005mm以内的产品合格率达98.5％以上，±60″内额产品合格率99.8％；多刀机切割晶片角度精度满足±30″以内的产品合格率达85％以上，平行度在0.02mm以的产品合格率内达95％左右，为后工序加工提供了强有力的保障。
5、频率片加工：根据客户对精片尺寸、频率、电器参数的要求，在传统频率片加工工艺基础上增加倒边。由于石英晶片因其SiO2材料的易碎，以及其小尺寸的振动困难而对其加工技术的要求变得非常复杂，倒边加工晶片外型越小，倒边难度越高。因此采用了在倒边的过程中根据万有引力定律与不同倒边速度相结合，即控制磨具转速以使晶片的离心力略大于晶片与磨具之间的静摩擦力。根据倒边过程中不同频率，加入不同定量的倒边研磨促进剂，确保晶片倒边均匀，本实施例为：当转速为80转/分钟～160转/分钟时，加入倒边研磨促进剂的量为50g～100g。晶片在电势差作用下能量被有效限制，很好的满足了能陷理论，频率精确可靠，实现了低相噪。
本方法相对于现有工艺，其创新内容如下：
1)种籽片的研究：通过对传统工艺的分析研究，结合晶体结晶学原理，探索直接选取转角21°系列或19°系列方向角小籽晶片，试验研制出符合SC、IT切型一次转角标准的低位错种籽片，利用种籽片培育出符合生产不同晶片尺寸所需的高Q值的小Z′块，利用原子面结晶角度确保一次转角精度。
2)节能降耗的研究：充分分析研究传统工艺和前述种籽片、小Z′块的研发，拿小Z′块按一次转角精度直接加工成晶棒，由此既确保了一次转角的一致性，又省去传统工艺用Z0°块板材加工和拉小晶棒条两工序，大幅降低拉小晶棒条因角度偏差造成的浪费材料风险，还减少人力、设备投入，大幅缩短生产周期，降低电能消耗，从而使晶片综合成本下降20％-30％。
3)工艺控制的研究：通过对切割精度、角度精度控制和倒边工艺的研究，既确保了晶片两次转角精度匹配偏差，又大大减小了加工过程对单一角度精度的影响，使晶片一次性合格率可达85％左右。
4)技术参数匹配探索：双转角SC、IT切型石英晶体具有独特的优势完全依赖于晶片的两次转角精度匹配和晶片内在品质，因此，我们在种子培育时选取低位错种子试验研究，在生长小Z′块时选用优质的矿石，采用高温高压低速率的结晶工艺设计，使其实现高Q值，高纯度、杂质含量很少，由此保障晶片内在品质满足高频、高稳定、高精度的频率器件设计需要。
以上所述仅为本发明的较佳实施例而已，并不用以限制本发明，应当指出的是，凡在本发明的精神和原则之内所作的任何修改、等同替换和改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。

Claims (6)

1.一种SC切或IT切晶片的制备方法，其特征在于，该方法包括以下步骤：
(1)低位错种子片制作：从小籽晶片中挑选出低位错种籽片；
(2)高Q值水晶小Z′块生长：利用水热温差法将挑选出的低位错种籽片培育成高Q值水晶小Z′块；
(3)晶棒加工：将高Q值水晶小Z′块加工成晶棒；
(4)晶片切割：采用多线切割的方式将晶棒切片；
当从转角21°系列方向角的小籽晶片中挑选出低位错种籽片时，对晶棒进行SC切；从转角19°系列方向角的小籽晶片中挑选出低位错种籽片时，对晶棒进行IT切；
(5)频率片加工。
2.根据权利要求1所述的一种SC切或IT切晶片的制备方法，其特征在于，晶片切割时，依切割进度定量补充切割液、逐渐增加切割压力、以慢-快-慢来调整切割速度。
3.根据权利要求2所述的一种SC切或IT切晶片的制备方法，其特征在于，所述切割液为砂浆，按照0.5Kg砂浆/2h来补充；从刚切割晶棒表面到钢丝全部进入晶棒，所述切割压力按照0.5Kg～2.0Kg逐渐递增；切割速度慢时的速度为快时速度的2/3。
4.根据权利要求1所述的一种SC切或IT切晶片的制备方法，其特征在于，在频率片加工时，还需要对晶片进行倒边。
5.根据权利要求4所述的一种SC切或IT切晶片的制备方法，其特征在于，倒边的方法为：将晶片放置在旋转的桶状磨具中进行倒边，且控制磨具转速以使晶片的离心力略大于晶片与磨具之间的静摩擦力。
6.根据权利要求5所述的一种SC切或IT切晶片的制备方法，其特征在于，倒边时，当转速为80转/分钟～160转/分钟时，加入倒边研磨促进剂的量为50g～100g。
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