RU2169986C2 - Способ изготовления кварцевых резонаторов бт-среза - Google Patents
Способ изготовления кварцевых резонаторов бт-среза Download PDFInfo
- Publication number
- RU2169986C2 RU2169986C2 RU99114946A RU99114946A RU2169986C2 RU 2169986 C2 RU2169986 C2 RU 2169986C2 RU 99114946 A RU99114946 A RU 99114946A RU 99114946 A RU99114946 A RU 99114946A RU 2169986 C2 RU2169986 C2 RU 2169986C2
- Authority
- RU
- Russia
- Prior art keywords
- resonators
- axis
- crystal
- quartz
- cut
- Prior art date
Links
Images
Classifications
-
- H—ELECTRICITY
- H03—ELECTRONIC CIRCUITRY
- H03H—IMPEDANCE NETWORKS, e.g. RESONANT CIRCUITS; RESONATORS
- H03H9/00—Networks comprising electromechanical or electro-acoustic devices; Electromechanical resonators
- H03H9/02—Details
- H03H9/02535—Details of surface acoustic wave devices
- H03H9/02543—Characteristics of substrate, e.g. cutting angles
- H03H9/02551—Characteristics of substrate, e.g. cutting angles of quartz substrates
Landscapes
- Physics & Mathematics (AREA)
- Acoustics & Sound (AREA)
- Piezo-Electric Or Mechanical Vibrators, Or Delay Or Filter Circuits (AREA)
Abstract
Изобретение относится к пьезоэлектронике и может быть использовано для изготовления высокочастотных резонаторов и монолитных фильтров. Способ изготовления кварцевых резонаторов БТ-среза, включающий распиловку кристалла кварца на плоские заготовки, механическую шлифовку заготовок, формирование кристаллических элементов преимущественно в форме обратной мезаструктуры глубоким химическим травлением, нанесение электродов и монтаж, плоскую заготовку при распиловке кристалла кварца ориентируют под углом 0o00' ± 30' к оси X и -49o ± 30' к оси Z, формируют кристаллический элемент с шероховатостью поверхности не более 5 • 10-8 м химическим травлением и осуществляют инверсию структуры кристаллического элемента к углу -49o ± 30' к оси Z путем термической обработки при температуре α-β-α-фазового перехода (846 К). Техническим результатом является расширение области использования технологии изготовления БТ-резонаторов до ВЧ- и СВЧ-диапазона в серийном производстве с одновременным упрощением технологии. 3 ил., 1 табл.
Description
Изобретение относится к пьезозлектронике и может быть использовано для изготовления высокочастотных резонаторов и монолитных фильтров.
Известны способы изготовления кварцевых резонаторов и монолитных фильтров БТ-среза, включающие распиловку кристалла кварца на плоские заготовки с ориентацией под углом 0o00'±30' к оси X и -49o±30' к оси Z, механическую шлифовку или полировку заготовок, нанесение электродов и монтаж пьезоэлементов в держатель [1]. Способы позволяют изготавливать резонаторы с хорошей добротностью до частоты 50 МГц, при толщине кристаллического элемента (КЭ) 50 мкм. Серийное производство БТ-резонаторов на более высокие частоты не производительно из-за ограниченных возможностей механической обработки тонких КЭ.
Известны способы изготовления кварцевых резонаторов АТ-среза [2], включающие распиловку кварца на плоские заготовки с ориентацией +35o±30' к оси Z, механическую шлифовку, формирование КЭ в форме обратной мезаструктуры химическим травлением, нанесение электродов и монтаж в держатель. Такие способы используются в серийном производстве высокочастотных резонаторов до 100 МГц и для экспериментальных изделий на частоты 400 МГц и более. При этом химическим полирующим травлением получают кварцевые мембраны с толщиной в рабочей области 4-17 мкм. Резонаторы БТ-среза с высокой добротностью на указанные частоты таким способом получить не удается - отсутствуют подходящие методы и растворы химического полирования мембран БТ-кварца.
Ближайшим аналогом является способ получения акустического устройства на основе искусственно сдвойникованных пластин кварца [3, 4]. Способ включает распиловку кварца на плоские заготовки с ориентацией +35o15' к оси Z, механическую обработку КЭ, нанесение пленок Cr, NiCr или Ni на участки КЭ, прилежащие к электродной области, термическую инверсию кристаллической структуры кварца к углу -35o15' на участках под пленками при 550-560oC, нанесение электродов и монтаж.
Способ позволяет изготовить резонаторы АТ-среза с улучшенной температурно-частотной характеристикой. Однако, он не пригоден для производства резонаторов БТ-среза с частотами выше 50 МГц, т.к. не обеспечивает высокого качества обработки рабочих поверхностей КЭ и полную контролируемую инверсию кварцевой пластины. Кроме того, технология изготовления усложняется операциями нанесения и снятия металлизации для проведения термической инверсии.
Задачей предлагаемого технического решения является расширение области использования технологии изготовления БТ-резонаторов до высокочастотного и сверхвысокочастотного диапазона в серийном производстве с одновременным упрощением технологии.
Поставленная задача решается тем, что в способе изготовления кварцевых резонаторов БТ-среза, включающем распиловку кристалла кварца на плоские заготовки, механическую шлифовку заготовок, формирование кристаллических элементов преимущественно в форме обратной мезаструктуры глубоким химическим травлением, нанесение электродов и монтаж, плоскую заготовку при распиловке кристалла кварца ориентируют под углом 0o00'±30' к оси X и +49o±30' к оси Z, формируют КЭ с шероховатостью поверхности не более 5 • 10-8 м химическим травлением и осуществляют инверсию структуры КЭ к углу -49o±30' к оси Z путем термической обработки при температуре α-β-α- фазового перехода (846 К).
На фиг. 1 показана гистограмма инверсии тонких пластин со срезом +49o от температуры.
На фиг. 2 представлена зависимость шероховатости поверхности Rz кварцевых пластин от глубины травления.
На фиг. 3 показана ТЧХ резонатора 60,56 МГц с кристаллическим элементом, полученным инверсией к углу -49o.
Последовательность операций изготовления кварцевых резонаторов БТ-среза по предлагаемому способу следующая.
Вначале осуществляют распиловку кристалла кварца на плоские заготовки с ориентацией под углом 0o00'±30' к оси X и +49o±30' к оси Z. Затем шлифуют поверхности плоских заготовок, заканчивая механическую обработку на корунде М5, и проводят тщательную очистку полученных КЭ ультразвуковым методом, химической промывкой и вакуумным отжигом. Если КЭ на конечном этапе требуется придать форму обратной мезаструктуры, то дополнительно по периферии КЭ наносят защитное покрытие любым известным способом.
После механической обработки и очистки кристаллические элементы подвергают химическому травлению до необходимой толщины, например, в полирующих растворах плавиковой кислоты (HF), бифторида аммония (NH4F•HF), изоамилового спирта, диметилформамида, обеспечивая при этом шероховатость рабочих поверхностей не более 5 • 10-8 м. Затем КЭ помещают в муфельную печь и проводят термическую обработку при температуре α-β-α-фазового перехода кварца, осуществляя при этом инверсию кристаллической структуры к углу -49o±30' относительно оси Z, что соответствует срезу БТ.
Далее на КЭ наносят электроды и полученные пьезоэлементы монтируют в держатели, например, для корпусов "ММ".
Возможность осуществления изобретения показана на этапах отработки технологических операций при изготовлении БТ-резонаторов на частоту до 70 МГц. Опыты по глубокому химическому травлению проводились с кварцевыми пластинами срезов +49o и -49o к оси Z. Диаметр пластин 5 мм, а начальная толщина от 50 до 80 мкм. Травление осуществлялось на промышленной установке ЦЛ 1080-4421 при температуре растворов (353 ± 0,5)К. Пластинам, помещенным в кассеты, задавалось реверсивное круговое движение в горизонтальной плоскости и возвратно-поступательное движение в вертикальной плоскости с частотой 24 качания в минуту. В ряде случаев для формирования КЭ с обратной мезаструктурой травление проводилось с использованием масок Y-Cu, напыленных с двух сторон пластины магнетронным способом.
Опыты по инверсии структуры кварца проводились на пластинах со срезом +49o к оси Z толщиной 30, 40 и 70 мкм, а также на пластинах АТ-среза размерами: 17х17 мм и толщиной 0,4 мм, диаметром 10 мм и толщиной 0,2 мм, диаметром 5 мм и толщинами 20, 40 и 60 мкм.
Полная инверсия кварца АТ-среза к углу -35o после химической обработки поверхности пластин в полирующих растворах обнаружена авторами при нагреве пластин с указанными размерами до 960oC при скорости нагрева 3 град/мин и последующем охлаждении до комнатной температуры. Пластины были изготовлены из кристалла искусственного электроочищенного кварца марки СКО. В дальнейшем аналогичные опыты по инверсии структуры кварца проведены с пластинами различных срезов +41o, +49o, +53o (ЖТ-срез) - при температурах 560, 570, 600, 650, 800 и 960oC. Результаты однозначны. Типичная гистограмма для пластин со срезом +49o показана на фиг. 1. В каждом случае обработке при указанных температурах в течение 1 ч подвергались не менее 10 пластин. Точность установления температуры в муфельной печи ±10 градусов, поэтому инверсия наблюдается не у всех пластин при 560 и 570oC (10 и 30% соответственно). Кроме того, градиент температуры по объему печи может достигать 20 градусов. Поскольку кварц имеет различную величину внутреннего напряжения и примесность, которые влияют на температуру инверсии его структуры, то целесообразно технологическую температуру установить через обобщенный параметр - температуру фазового перехода. Для искусственного электроочищенного кварца это, как правило, 846 К.
Аномальные изменения кристаллической структуры в пластинах кварца, обнаруженные в наших опытах при фазовых превращениях, можно объяснить, согласно с автором [5], "сверхпластичностью" кристаллической решетки, пронизанной дефектами в результате механических напряжений на различных этапах обработки.
На фиг. 2 представлены данные по химической полировке кварцевых пластин БТ-среза (-49o к оси Z), а также пластин, ориентированных под углом +49o к оси Z. График 1 соответствует травлению в растворе 45% HF и бифторида аммония со скоростью 0,6 мкм/мин. Верхний график 2 получен с добавкой равных частей изоамилового спирта и диметилформамида в указанный раствор при скорости травления 0,21 мкм/мин. Следует заметить, что подобный уровень шероховатости Rz=0,l мкм получен для БТ-среза в работе [6]. Однако, полировка на таком уровне недостаточна для изготовления резонаторов на частоту выше 50 МГц по основной моде. Динамическое сопротивление резонаторов при этом 60-100 Ом. Кроме того, на рабочих поверхностях кристаллических элементов присутствуют каналы травления глубиной 1 - 10 мкм, что резко сокращает выход годных резонаторов.
Химическая полировка среза +49o (нижний график 2) значительно выигрывает, т. к. Rz ≅ 0,05 мкм при скорости травления 1,05 мкм/мин. На поверхности кристаллических элементов отсутствуют каналы травления. Уместно упомянуть, что инверсия кристаллической структуры кварца к углу -49o при α-β-α-фазовом переходе происходит без видимого нарушения поверхностной текстуры пластин. Перестройка решетки идет на атомарном уровне при изменении линейных размеров в пределах 1
На основе технического решения, разработанного в настоящей заявке, изготовлены экспериментальные резонаторы БТ-среза. В таблице указаны основные параметры этих резонаторов, а также параметры резонаторов АТ-среза, изготовленные по аналоговой технологии [2]:
f - основная частота, МГц;
Rq - динамическое сопротивление, Ом;
Uн - уровень нелинейных искажений, Дб;
Rz - шероховатость поверхности кристаллических элементов, измеренная по средней линии;
θ - угол ориентации кристаллического элемента к оси Z.
На основе технического решения, разработанного в настоящей заявке, изготовлены экспериментальные резонаторы БТ-среза. В таблице указаны основные параметры этих резонаторов, а также параметры резонаторов АТ-среза, изготовленные по аналоговой технологии [2]:
f - основная частота, МГц;
Rq - динамическое сопротивление, Ом;
Uн - уровень нелинейных искажений, Дб;
Rz - шероховатость поверхности кристаллических элементов, измеренная по средней линии;
θ - угол ориентации кристаллического элемента к оси Z.
Анализ данных таблицы и графиков на фиг. 2 позволяет выбрать граничное значение шероховатости поверхности КЭ, до которого следует проводить химическое полирующее травление в предлагаемом способе. В данном случае это величина Rz ≅ 0,05, при которой уровень нелинейных искажений БТ-резонаторов больше 50 Дб с выходом 90%. Rq таких резонаторов выше, чем для аналоговых резонаторов АТ-среза при сравнимых частотах. Тем не менее, добротность резонаторов БТ-среза на частоту 65 МГц в 1,5-2 раза выше, чем у резонаторов АТ-среза.
Кристаллические элементы резонаторов АТ-среза и среза -35o15' изготовлены в форме обратной мезаструктуры. Срез -35o15' не имеет технического применения в производстве изделий пьезотехники и выбран в качестве экспериментального подтверждения полной инверсии химически полированных КЭ с положительной ориентацией при α-β-α-фазовом переходе.
Резонаторы, указанные в таблице, имеют серебряное электродное покрытие с подслоем нихрома. ТЧХ резонаторов с инверсией к углу -49o (см. фиг. 3) имеет вид, типичный для классических резонаторов БТ-среза.
Таким образом, введение в техпроцесс операций химического полирования кварцевых пластин со срезом +49o±30' до Rz ≅ 0,05 мкм и термической инверсии их структуры к углу -49o±30' позволяет создать технологию для серийного производства высокочастотных резонаторов БТ-среза.
Claims (1)
- Способ изготовления кварцевых резонаторов БТ-среза, включающий распиловку кристалла кварца на плоские заготовки, механическую шлифовку заготовок, формирование кристаллических элементов преимущественно в форме обратной мезаструктуры глубоким химическим травлением, нанесение электродов и монтаж, отличающийся тем, что плоскую заготовку при распиловке кристалла кварца ориентируют под углом 0o00' ± 30' к оси X и + 49o ± 30' к оси Z, формируют кристаллический элемент с шероховатостью поверхности не более 5 x 10-8 м глубоким химическим травлением и осуществляют инверсию структуры кристаллического элемента к углу -49o ± 30' к оси Z путем термической обработки при температуре α-β-α фазового перехода, равной 846 К, после чего осуществляют нанесение электродов и монтаж.
Priority Applications (1)
Application Number | Priority Date | Filing Date | Title |
---|---|---|---|
RU99114946A RU2169986C2 (ru) | 1999-07-07 | 1999-07-07 | Способ изготовления кварцевых резонаторов бт-среза |
Applications Claiming Priority (1)
Application Number | Priority Date | Filing Date | Title |
---|---|---|---|
RU99114946A RU2169986C2 (ru) | 1999-07-07 | 1999-07-07 | Способ изготовления кварцевых резонаторов бт-среза |
Publications (2)
Publication Number | Publication Date |
---|---|
RU2169986C2 true RU2169986C2 (ru) | 2001-06-27 |
RU99114946A RU99114946A (ru) | 2001-07-10 |
Family
ID=20222477
Family Applications (1)
Application Number | Title | Priority Date | Filing Date |
---|---|---|---|
RU99114946A RU2169986C2 (ru) | 1999-07-07 | 1999-07-07 | Способ изготовления кварцевых резонаторов бт-среза |
Country Status (1)
Country | Link |
---|---|
RU (1) | RU2169986C2 (ru) |
Cited By (2)
Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
---|---|---|---|---|
RU2475950C1 (ru) * | 2012-01-30 | 2013-02-20 | Российская Федерация, от имени которой выступает Государственная корпорация по атомной энергии "Росатом" - Госкорпорация "Росатом" | Способ изготовления кварцевых кристаллических элементов z-среза |
RU2786419C2 (ru) * | 2014-09-25 | 2022-12-21 | Арк Кристал, Ллс | Высокоэнергетические кристаллы, полученные прецизионной резкой |
-
1999
- 1999-07-07 RU RU99114946A patent/RU2169986C2/ru not_active IP Right Cessation
Non-Patent Citations (1)
Title |
---|
JEEE Jnternational Frequency Control Symposium. - 1996, June 5 - 7, p.145. J. Appl. Phys. - 1996, vol. 35, part 1, № 58, may 1966, pp.2975 - 2979. * |
Cited By (2)
Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
---|---|---|---|---|
RU2475950C1 (ru) * | 2012-01-30 | 2013-02-20 | Российская Федерация, от имени которой выступает Государственная корпорация по атомной энергии "Росатом" - Госкорпорация "Росатом" | Способ изготовления кварцевых кристаллических элементов z-среза |
RU2786419C2 (ru) * | 2014-09-25 | 2022-12-21 | Арк Кристал, Ллс | Высокоэнергетические кристаллы, полученные прецизионной резкой |
Similar Documents
Publication | Publication Date | Title |
---|---|---|
KR102519924B1 (ko) | 탄탈산리튬 단결정 기판 및 이것의 접합 기판과 이 제조법 및 이 기판을 사용한 탄성 표면파 디바이스 | |
CN1601402A (zh) | 温控的游丝摆轮谐振器 | |
US4412886A (en) | Method for the preparation of a ferroelectric substrate plate | |
RU2169986C2 (ru) | Способ изготовления кварцевых резонаторов бт-среза | |
CN102084590A (zh) | 具有高集成度的hbar共振器 | |
CN210444234U (zh) | 一种射频声表面波滤波器芯片 | |
CN111883646B (zh) | 一种硅基钽酸锂压电单晶薄膜衬底的制备方法 | |
JPS61134111A (ja) | タンタル酸リチウム単結晶ウエ−ハ | |
CN110247639A (zh) | 一种射频声表面波滤波器芯片及制作工艺 | |
US4224547A (en) | Adjusting the frequency of piezoelectric crystal devices via fracturing the crystal surface | |
RU2117382C1 (ru) | Способ изготовления кварцевых кристаллических элементов ат-среза | |
KR100413345B1 (ko) | 란가사이트 단결정 기판의 제조방법, 란가사이트 단결정기판 및 압전 장치 | |
JP3722638B2 (ja) | 人工水晶に発生するエッチチャンネルの抑止方法及び人工水晶の加工方法並びにこれらによる高品位人工水晶、水晶ウェハ及び水晶片 | |
JPH07237998A (ja) | 窒化アルミニウム薄膜基板および製造法 | |
JP2003168941A (ja) | 小型圧電素板のコンベックス加工法 | |
CN209299229U (zh) | 一种谐振结构声表面波滤波器 | |
JP2000264786A (ja) | 人工水晶の製造方法及びこれによる人工水晶並びに水晶ウェハ | |
Ward | Design of high performance SC resonators | |
Cheng et al. | Frequency modulation and device repaired by laser surface treatment in film bulk acoustic filters | |
JP4303221B2 (ja) | 高品位人工水晶、水晶ウェハ及び水晶片 | |
RU2712426C1 (ru) | Способ изготовления тонких кристаллических пластин и тонких кристаллических элементов | |
CN117758368A (zh) | 非极性面氮化铝单晶复合衬底的制备方法、声表面波器件及其制备方法 | |
SU587601A1 (ru) | Способ изготовлени кварцевых резонаторов | |
Fachberger et al. | Homogeneity of langasite and langatate wafers | |
JPH09139650A (ja) | 水晶振動子及びその製造方法 |
Legal Events
Date | Code | Title | Description |
---|---|---|---|
MM4A | The patent is invalid due to non-payment of fees |
Effective date: 20110708 |