[发明专利]钽酸锂晶体基片的黑化处理方法

说明书

技术领域

本发明涉及晶体材料，特别是一种钽酸锂晶体基片的黑化处理方法。

背景技术

钽酸锂晶体(分子式LiTaO₃，简称LT晶体)，具有无对称中心三方晶系结构(3m)，晶体熔点1650℃，居里温度约600℃，具有优良的压电、铁电、热释电、声光、电光、非线性以及光折变等性能，在声表面波(SAW)滤波器、热释电探测器、光学调制器以及频率转换等通讯和光电领域具有重要的应用前景。作为声表面波滤波器的衬底材料，LT晶体具有机电耦合系数大、频率温度系数小和插入损耗低等突出的优点，广泛应用于高频(2GHz附近)频域SAW滤波器件中，在智能手机以及其它高端智能便携式通讯电子终端产品中具有巨大的市场前景。

LT晶体一般采用感应铱坩埚提拉法(Czochralski法)在通氮气与氧气混合气氛下生长，生长降温结束后LT晶体从炉膛取出(参见AlbertA.Ballman:JournalofAmericanCeramicSociety,Vol.48(1965))。LT晶体经过退火、极化，一般为无色透明或者略带浅黄色，之后对LT毛坯晶体进行定向、切割、滚圆、做基准面工序使其成为LT晶棒(ingot)。LT晶棒经过多线切割、研磨、抛光、检验等工序最后完成LT晶体衬底片的制作，所制作的LT衬底片具有优良的压电性能，可在镜面抛光好的LT衬底片上制作SAW滤波器件。

在制作2GHz以上高频SAW滤波器时，需要在LT衬底晶片上制作间距小(约0.3-0.4um)、厚度薄(约200nm以下)的梳状叉指金属CuAl电极，一般需要经历金属薄膜沉积、涂胶、光刻、曝光显影、蚀刻等典型的半导体制作工序。钽酸锂晶体不仅具有压电性质，同时也具有热释电性质，其热释电系数约为1x10^-8库仑/cm²K,传统未经处理的LT晶体基片电阻率高(10¹³～10¹⁵Ωcm)，在SAW器件制作工序中温度变化使得LT衬底表面产生大量电荷而无法快速释放导走，容易造成SAW器件梳状电极之间打火，导致器件的优良率降低，严重的会造成衬底片开裂；另外，LT衬底的高透过率，使光透过衬底后在衬底背面产生较强反射到前面，导致在光刻过程中降低梳状电极图案的分辨率。虽然由LT晶体的热释电导致的表面电荷积累可以被周围游离的电荷中和，但是往往需要数小时到十几小时；也可通过SAW器件设计或者在器件制作过程中减少温度波动，但会增加器件成本并降低生产效率，不符合批量工业化生产的需求。

为解决LT晶体热释电性以及在曝光波长高透过率导致的SAW滤波器件叉指间打火烧坏、梳状电极分辨率不高、器件制作优良率低、成本高等突出的问题，目前业界主要通过还原热处理、电还原处理、化学处理等各种预处理方法，在不影响LT晶体压电性质情况下，设法降低钽酸锂(LT)晶体或者LT衬底片的电阻率以减弱或者消除其热释电性质，制备无热释电性质的LT晶体基片。经过预处理的LT晶体基片一般为黑色，因此也将这种预处理方法称作“黑化”。在无热释电性质黑化的LT晶体基片上制作的SAW滤波器件优良率高成本低。

实验研究表明，不同还原方法处理LT晶体的目的主要是增加晶体中的氧空位浓度，以提高晶体的电导率；同时LT晶体中由于存在较高的氧空位浓度，为了保持电中性LT晶体中必然存在相当多的本征色心，从而常常使得还原处理的LT晶体或者衬底片呈棕色或者黑色，黑色的LT衬底片在SAW器件曝光波段透过率低(在300nm和450nm波段透过率一般小于50％)，减少了后表面反射，从而提高了SAW器件梳状电极的分辨率。因此，业界常常将还原处理的失去热释电性质LT衬底片称作“LT黑片”，并将此还原处理过程称作“黑化”。未经黑化处理的LT晶体的电导率约10^-15S/cm(电阻率约10⁺¹⁵Ωcm)，热电效应明显，做为SAW滤波器衬底，器件优良率低；但是经过黑化处理的LT晶体的电导率会增加到约10^-10S/cm(电阻率10⁺¹⁰Ωcm),热电效应不明显，作为SAW滤波器衬底，器件优良率高。

现有钽酸锂晶体基片的黑化处理方法主要有：