TWI234303B - Method and apparatus for increasing bulk conductivity of a ferroelectric material - Google Patents

Description

1234303 玖、發明說明： 【發明所屬之技術領域】 本發明大體上係關於材料處理，特別是（但非唯獨）係關於 處理鐵電材料之方法及裝置。 【先前技術】 纽化鋰（LiTa〇3)及鈮化鋰（LiNbCh)由於它們的相對大的 電光學及非線性光學係數，係用於製造非線性光學裝置之 廣泛使用的材料。這些非線性光學裝置包括_例如_波長轉換 器、放大器、可調諧來源、色散補償器及光學閘控混合器 鲁 。鈕化鋰及鈮化鋰也稱為鐵電材料，因為它們的晶體展現 自發性電極化。 因為la化鋰及鈮化鋰具有相當低的大導電性，所以電荷 傾向於累積在這些材料中。當材料加熱或受到機械應力時 ，電荷可能累積。因為電荷可能短路而使裝置失效或變成 不可罪，所以裝置製造者必須採取特殊（典型上係昂貴的） 預警’以使電荷的累積減至最小或使電荷消散。 藉由在包括一還原氣體的環境中加熱魏化鍾材料，可以 · 增加鈮化鋰材料的大導電性。還原氣體促使氧離子自鈮化 鋰材料的表面逃逸。鈮化鋰材料於是留有多餘的電子，導 致它的大導電性增加。增加的大導電性防止電荷累積。 雖然剛才說明的技術可以增加在某些狀況下之鈮化鋰材 料的大導電性’但是該技術對於包化趣材料而言不太有效 。需要一種用於增加妲化鋰材料的大導電性的技術，因為 赵化麵材料比鈮化經材料更適用於_例如-某些高頻表面聲 86045 1234303 波（SAW)濾波應用。 【發明内容】 在一實施例中，一鐵電材料的處理係藉由安置材料於包 括金屬蒸氣的環境中及加熱材料至低於材料的居里溫度之 溫度。此允許鐵電材料的大導電性增加，不會使它的鐵電 領域的性質實質上退化。在一實施例中，鐵電材料包含輕 化鋰，而金屬蒸氣包含鋅。 專精於此技術的人在全部閱讀此揭示時易於明白本發明 的這些及其他特性，該揭示包括附圖及申請專利範園。 【實施方式】 在本揭示中提供很多特定細節，諸如裝置、過程參數、 過程步驟及材料的例子，以供完整了解本發明的實施例。 然而，專精於此技術的人將認知，可以不需要一或更多特 定細節以實施本發明。在其他方面，未顯示或說明眾人皆 知的細郎’以避免混清本發明的特點。 此外，必須了解，雖然很本發明的實施例將在妲化鋰的 上下文中說明，但是本發明並非受限於此。專精於此技術 的人可以修改本發明的教導，以增加其他鐵電材料-例如’ 鈮化鋰-的大導電性。 依據本發明之一實施例，藉由安置鐵電材料於包括金屬 蒸氣的環境中及加熱鐵電材料至鐵電材料的居里溫度之溫 度，可以增加鐵電材料的大導電性。一般而言，鐵電材料 的居里溫度係-種溫度，材料在該溫度以上時損失它的鐵 電性。藉由在具有相當高擴散率的金屬蒸氣存在時加熱單 86045 1234303 一領域的鐵電材料至低於它的居里溫度之溫度，鐵電材料 的鐵電領域狀態未顯著退化。 車又佳地待轉換成為蒸氣的金屬具有相當高的擴散率， 且具有減少鐵電材料的氧化狀態之潛力。發明人相信，這 二性吳將允許金屬離子擴散若干微米而進入鐵電材料的表 面，以充填晶格處所的空位，減少氧化狀態，藉以自鐵電 材料釋放電子，㈤衫填大部分材料之貞離子處所的空位 之過程。充填這些負離子處所的空位之電子據信束縛在點 缺陷處所。這些束縛電子大體上將具有_能階的光譜，其 使鐵電材料具有特別廣大的染色。藉由充填晶格處所的空 及供;C中性化電子至點缺陷處所，多餘的電荷可以迅速 中隹化或引導離開，或許成為極化子。當多餘的電荷（電子） 曰曰格的時候，自能量的觀點而言，電子在晶格的極化 時如同一實體而移動較為有利。义匕實體稱4「極化子」，導 致私子的移動率增加。因為電荷由晶格篩豸，所以極化子 可以藉由靜電力沿著晶格不受阻礙地移動。 、在一實施例中，待轉換為蒸氣的金屬包含鋅，且鐵電材 料G。卵圓形式的姮化鋰。藉由加熱鋅至略低於妲化鋰晶 圓^居里度《溫度，可以產生鋅蒸氣。& 了獲得足夠高 =蒸乳壓力，以在低於居里溫度之溫度有效擴散，金屬與 鈕化鋰晶圓可以在具有預定體積的密封容器中加熱。發明 _ji|j , y- ^ 3，在鋅蒸氣中加熱姮化鋰晶圓促使鋅擴散進入鈕化 口圓的表面及充填經處所空位。據信此導致額外電子的 釋放，如方程式： 86045 1234303 方程式 1 Zn+VLi-=Zn+2Li+2e· 據#額外電子捕獲於大部分鈕化鋰晶圓·的負離子處所空位 。當多餘電荷的累積-由於熱電或壓電效應-如同極化子而引 導離開的時候，導致在大部分鈕化鋰晶圓中之增加的電子 移動率。即，發明人相信，钽化鋰晶圓之增加的導電性在 本質上似乎係極化子。 現在參考圖1，其顯示依據本發明之一實施例的容器210 的示意圖。容器210可以用於保存一或更多待處理的晶圓 201及待轉換為蒸氣的金屬202。容器210包括一本體211及 一端蓋212。端蓋212可以使用-例如-氧氫火炬焊接於本體 211 上。 本體211包括一管段213及一管段214。容器210可以藉由 覆盍管段213與214及焊接端蓋212於本體211上而密封。管 •k 214可以藉由插入插塞215於管段214及焊接插塞215的壁 至管段214而覆蓋。管段213可以係密封的毛細管。一真空 泵可以耦合至管段214，以清空容器21〇。一密封的管段213 可以在一過程的末尾破開，以增加容器21〇中的壓力（例如 ’使容器210中的壓力成為大氣壓力）。 仍參考圖1，一或更多晶圓2〇1可以放在晶圓籠2〇3中，其 則可以插入容器210。一金屬202可以與晶圓201 一起放在晶 圓籠203内部。晶圓籠203可以係市售的晶圓籠，諸如可得 自於加州Santa Clara的LP玻璃公司者。晶圓籠2〇3可以由_ 例如-石英製成。 表1顯示一實施例中之容器210的尺寸。注意，容器21〇可 86045 •10· 1234303 以定標’以容納不同數目的晶圓。 表1 (參t圖” 尺寸 值（公厘） D1 内徑120.00 D2 外徑125.00 D3 217.00 D4 279.24 D5 76.20 D6 80.00 尺寸 值（公厘） D7 40.00 D8 60.00 D9 25.4 D10 内徑4.00 外徑6.00 D11 内徑7.00 外徑9.00

圖2顯示依據本發明之一實施例的外殼220示意圖。外殼 220可以係銘製成的圓柱形容器。容器21〇可以插入外殼22〇 ，如圖2所不，然後在一處理管中加熱，如圖3所示。外殼 220環繞容器210 谷洛勻加熱。此外 充當物理屏障，以保護容器21〇，以防破裂 86045 -11 - !234303 '如圖2所示，外殼22〇可以具有—封閉端部224及—敞開端 邵如。容器210較佳為放在外殼22〇内部俾使端蓋叫朝 。向敞開端部22卜敞開端部221允許自外殼22〇方便地移除容 ρ器210。敞開端部221也便利於在溫度斜坡式下降期間於容 器210中產生熱梯度。熱梯度導致端蓋212中的冷點，其吸 引離開容器21〇内部之晶圓之凝結的金屬蒸氣。此使必須自 晶圓表面移除之凝結物的數量減至最小。本發明之此特點 進一步說明如下。 圖3顯示一依據本發明之實施例的系統3〇〇，其用於增加 鐵電材料的大導電性。系統鳩包括—含有外殼22g^理 管31〇。如上述，外殼220容納容器21〇，其則保存金屬搬 與晶圓201。壓力管310可以係通常使用於半導體工業之市 售熔爐。處理管310包括加熱器303(即，3〇3A、3〇3b、3〇3〇 ，用於加熱外殼220及其中的全部元件。處理管31〇可以係 72吋長，且分成三個24吋的加熱區’而中間加熱區係「熱 區」。處理管31〇可以包括-由加熱器3似加熱的第一加熱 區、一由加熱器303B加熱的第二加熱區、一由加熱器3〇3c 加熱的第三加熱區。處理管310也包括一用於移動外殼22〇 的懸臂302、以及一門301，外殼22〇經由門3〇1進入及離開 處理管。夕卜殼220可以放在處理管31〇的中μ，而敞開端部 221面向門301。 圖4顯示依據本發明之一實施例的用於處理鐵電材料之 方法400的流程圖。將使用容器21〇、外殼22〇及系統3〇〇為 例，說明方法400 '然而，必須了解，流程圖4〇〇、容器21〇 86045 -12- 1234303 、外殼220及系統300在此係為了解釋而提供，且無限制 性。 在圖4的步驟402中，金屬2〇2及一或更多晶圓2〇ι放在晶 圓籠203中。晶圓籠203則放在容器21〇内部。在一實施例中 ，晶圓201係轉動42度的γ鈕化鋰晶圓，其直徑係1〇〇公厘， 而金屬202包含純度99.999%的鋅。在一實施例中，五晶圓 201與約8公克的鋅一起放在晶圓籠2〇3中。鋅可以係顆粒的 形式。純度99.999%的鋅顆粒可購自於賓州Wayne&J〇hns〇n

Matthey公司。注意，每晶圓之鋅的數量可以改變，以適應鲁 特定的應用。 在步驟404，容器210抽降至約1〇-7托，然後加熱至約 2〇〇°C約五小時。步驟404的執行可以藉由焊接端蓋212於本 體211上、覆盍管段213、耦合真空泵至管段214及以加熱帶 包覆在容器210周圍而加熱容器210。步驟404幫助在金屬 202熔化以前自容器21〇移除氧來源、水及其他污物。 在步驟406，將容器210回填，以致於在略低於居里溫度 之容器210中的壓力約為76〇托。在一實施例中，容器21〇回 填至約190托。此增加容器21〇内部的壓力，於是在長時期 加熱容器210以升高溫度時更安全。容器21〇可以由諸如氬 的惰性氣體回填。選擇性地，容器21〇可以由包含95%氮及 5 /〇氫的形成氣體回填。注意，單獨形成氣體不足以還原妲 化鋰材料以致於它的大導電性增加。然而，在本例中，形 成氣體幫助捕捉在步驟404以後可能已留在容器21〇中的氧 。在已完全除去容器210的污物之應用中，可能不需要以形 86045 -13 - 1234303 成氣體回填容器210。容器210的回填可以藉由焊接插塞215 至管段214，打破管段213的蓋，然後使回填氣體流動通過 管段213。 在步驟408，密封容器210。這時候，容器210可以藉由移 除回填氣體的來源及覆蓋管段213而密封（注意，端蓋212已 焊接於本體211上，且管段214已在先前的步驟覆蓋）。 在步騾410，容器210插入外殼220。 在步驟412，外殼220在低於晶圓201的居里溫度之溫度於 處理管3 10中加熱。在低於晶圓201的居里溫度之溫度加熱 外殼220可使金屬202熔化，不會使晶圓201的鐵電性質實質 上退化。使金屬202熔化導致環繞晶圓201的金屬蒸氣。在 此例中，金屬蒸氣包含鋅蒸氣，且晶圓201係妲化鋰。發明 人相信的鋅蒸氣與纽化鋰之間的互相作用促使晶圓2〇1的 大導電性增加，此已說明如上。 在一貫施例中’外殼220在72公分長的處理管3 1〇中間加 熱。而且，如圖3所示，外殼220可以放在處理管310中，俾 使敞開端部221面向門301。容器210較佳為放在外殼220内 部，俾使端蓋212朝向敞開端部221(見圖2)。 在一實施例中，外殼220在處理管310中以約150°C /小時的 斜坡上升率加熱至約595°C的最大溫度約240小時。較佳地 ，外殼220加熱至只低於晶圓20丨的居里溫度若干度之最大 溫度。因為晶圓的居里溫度可以依它們的製造者而改變， 所以最大加熱溫度必須為了特定晶圓而調整。外殼220在處 理管3 10中的加熱時間也可以調整，以確保金屬蒸氣適當向 86045 -14- 1234303 :擴散。注意’因為方法彻係在裸晶圓2〇ι上執行（即，在 i，上裝1^裝置以前），所以方法400的總處理時間不會 顯著增加製造—裝置所需要的時間數量。 績步驟414，虛搜其q 1 a a、 處里g 3 1 〇内邵的溫度係斜坡式下降，以防 Ί處理過的晶圓201由於熱陡震而退化。在—實施例中 ’處理管310内部的溫度係藉由設定它的溫度設定點為 4〇〇C而斜坡式下降。其後，懸臂302(見圖3)可以規劃成為 、勺△刀/刀叙的速率朝向門3〇1移動外殼22〇達3分鐘，而 多力、門的ΐ B争間係L;5分鐘（一分半）。即，外殼no能夠 以3公分/分鐘的速率移動3分鐘，然後暫停15分鐘等等，總 共40分鐘，直到外殼220到達門3〇1。 、田外成220朝向門301移動時，外殼22〇的敞開端部221變 ^比封閉端部224冷。此導致容器21()内部的熱梯度，而端 盍212(其與敞開端部221一起面向門3〇1)變成比容器2丨〇的 剩餘部分冷。藉由調整處理管31〇的加熱器，俾使溫度朝向 門3〇1而降低，可以便利於在容器⑽中產生熱梯度。容器 210内#的熱梯度導致端蓋2丨2變成一冷點，其吸引離開晶 圓201之凝結的金屬蒸氣。 在步驟416’自處理管310移除外殼22〇。然後，自外殼22() 移除容器210。 在步驟418，自容器210移除晶圓2〇1。步驟418的執行可 以藉由首先打破管段213(見圖丨），以緩慢暴露容器21〇於大 乳。容器210也可以由惰性氣體回填。其後，可以使用-例 如-鑽石鋸條，自本體211切除端蓋212。 86045 -15- !234303 在步驟420,拋光晶圓201 ’以自它們的表面移除沈澱物 及暴露它們的大部分。在一實施例中，晶圓2〇1的二側藉由 化學機械拋光而拋光，以自各側移除約5〇微米。 在一實驗中，五個轉動42度的Y鈕化鋰晶圓_其直徑係1〇〇 么厘，此後稱為「實驗晶圓」_依據剛才說明的方法*⑼處 理。實驗晶圓與8公克的鋅一起放在容器21〇中，然後在處 理管3U)中加熱至595tit24()小時。其後，處理管31〇的溫 度斜坡式下降，且自容器21〇移除實驗晶圓。然後，拋光實 驗晶圓的二側及目視檢驗。實驗晶圓看起來係均質，且呈 灰色。然後，藉由將實驗晶圓一次一個放在熱板上，使熱 板的溫度以3。(：/分鐘的速率自8(rc上升至12〇t：，且測量晶 圓表面附近之所得的電場，以測試實驗晶圓的大導電性。 電場係使用來自俄亥俄州克里夫蘭的驗㈣儀器之型號 為617型的靜電計測量。實驗晶圓未在它們的表面附近產生 任何可測量的電場，此指示它們的大導電性增加。 為了比較，一未處理的轉動42度的γ鈕化鋰晶圓_其直徑 係100公厘，此處稱為「對照晶圓」-放在一熱板上。然後 熱板的恤度以3 c /分鐘的速率自80〇c上升至12〇〇c。測量 對照晶圓表面附近之電場指示溫度每改變2(rc，電場增加 400伏特。此指不對照晶圓的大導電性相當低。 =然已經k供本發明的特定實施例，但是應該了解，這 二實施例只是為了闡釋而非限制。專精於此技術的人閱讀 此揭π時可明白很多額外的實施例。於是，本發明只受限 於下列申請專利範圍。 【圖式簡單說明】 86045 -16 - 1234303 圖1顯示依擔士# 據本發明之一實施例的容器示意圖。 圖2顯示依攄太 像本發明之一實施例的外殼示音 圖3顯示依攄太欢 心、圖0 大導電性的系統。 鐵％材料之 圖4顯示依據本發 ^ 货疋一只犯例的用於拇； 大導電性的方法之流程圖。 、3 0鐵電材料之 不同圖式中之相同參考符號的使用 件。圖式不必然依照比例，除非 同或類似的部 :圖式代表符號 說明】 201 晶圓 202 金屬 203 晶圓籠 210 容器 211 本體 212 端蓋 213,214 管段 215 插塞 220 外殼 221 敞開端部 224 封閉端部 300 系統 301 門 302 懸臂 303A-303C 加熱器 310 處理管 86045 -17-

Claims (1)

1. Ϊ234303 t、申請專利範圍·· 1 · 一種處理鐵電材料之方法，該方法包含： 安置一鐵電材料於包括金屬蒸氣的環境中；及 加為該鐵電材料至低於該鐵電材料的居里溫度之溫 度。 2.如申請專利範•圍第1項之方法，其中該鐵電材剩包含艇化 •如申凊專利範圍第卜員之方法，其中該金屬蒸氣包含辞。 4·如申請專利範圍第丨項之方法，其中該溫度小於或等於約 595。。。 ' •如申請專利範圍第1項之方法，其中又包含： 在加熱該鐵電材料以後’產生一熱梯度，俾使該金屬 蒸氣在離開該鐵電材料的位置凝結。 •如申請專利範圍第1項之方法，其中該鐵電材料在一具有 該金屬蒸氣的密封容器内部加熱。 如申請專利範圍第6項之方法，其中該密封容器含有一惰 性氣體。 8·如申請專利範圍第7項之方法，其中該惰性氣體包含氬。 9 ·如申請專利範圍第6項之方法，其中該密封容器含有一形 成氣體。 10·如申請專利範圍第6項之方法，其中該密封容器在一處理 管中加熱。 11 ·如申請專利範圍第6項之方法，其中又包含： 在加熱該鐵電材料以後，冷卻該密封容器，俾使該密 86045 !2343〇3 封容器的第一端部比該密封容器的第二端部冷，以便利 於該第一端部附近的金屬蒸氣凝結。 12· —種用於處理纽化鋰材料之系統，該系統包含： 一含有一妲化鋰材料及一金屬的密封容器；及 一處理管，其構造係在低於該輕化經材料之居里溫度 的溫度加熱該容器，俾使該金屬的蒸氣與姮化鋰反應。 1 ^ •如申睛專利範圍第12項之系統，其中該輕化鐘材料係晶 圓的形式。 14·如申請專利範圍第12項之系統，其中該妲化鋰材料係在 該密封容器内部的晶圓籠中。 I5·如申請專利範圍第12項之系統，其中又包含一圍繞該密 封容器的外殼。 如申清專利範圍第12項之系統，其中該金屬包含鋅。 •種處理叙化麵材料之方法，該方法包含： 在低於該妲化鋰材料之居里溫度的溫度及在包括金 屬蒸氣的環境中加熱該Is化麵材料。 如申叫專利範圍第17項之方法，其中該金屬蒸氣包含鋅。 =申叫專利範圍第17項之方法，其中該釦化鋰材料在一 贫封容器内部加熱。 ，申清專利範圍第17項之方法，其中該環境包括一形成 氣體。 86045