鉭酸鋰黑片的制備與性能研究

龍 勇，于明曉，李和新，石自彬，王 璐，丁雨憧，徐 揚，吳兆剛

(中國電子科技集團公司第二十六研究所，重慶 400060)

0 引言

自1965年第一根鉭酸鋰(LiTaO3,LT)晶體問世以來，由于其優秀的壓電、鐵電、熱釋電、聲光、電光和非線性光學性質，已在聲表面波(SAW)濾波器、電光調制器、二次諧波發生器、Q 開關及集成光學等方面得到了廣泛的應用。尤其因其卓越的壓電性質而大量用作SAW濾波器的襯底材料[1-4]。目前，在制作頻率3 GHz以下SAW器件襯底材料中，LT具有明顯的優勢，無其他材料可完全替代。因此，LT晶體也被稱為無線通訊中最重要的基礎材料之一。

LT晶片具有較高的熱釋電系數(2.3×10-4C/(m2·K))，在SAW濾波器制作程中會產生強烈的熱釋電效應[5]，易對叉指指條造成靜電損傷，而SAW器件頻率越高，指條越細，越易產生靜電損傷，嚴重影響高頻器件的開發。LT晶片經過還原處理，能有效降低熱釋電效應。還原程度主要取決于還原劑、溫度、時間等。這種處理會明顯增加晶體的光學吸收,使其表面變灰到棕黑甚至不透明,因此也稱為黑片[6]。

本文以SAW器件常用的42°Y-LT晶片作為研究對象，對不同工藝條件下得到的晶片的電學、光學、熱學等性質進行了表征，最后通過做成聲表器件進行流片實驗，對材料的抗靜電能力和一致性進行了驗證。

1 實驗

1.1 晶片黑化

實驗所用的LT晶體采用提拉法，在惰性氣氛或含少量氧氣的惰性氣氛環境下進行生長，然后對其進行退火、極化處理。最后經過定向、滾圓、切割、研磨、拋光等過程，制作成LT晶片。加工后的晶片視覺上呈現白色，俗稱白片。將加工好的LT晶片分別從頭至尾編號，用于黑化實驗。

黑化處理設備采用程控真空還原設備，爐體采用優質合金電阻絲，五段加熱方式；具有可編程的升、降溫和溫度梯度控制功能，整個過程均采用程序自動控制。將待處理的LT晶片依次放入坩堝容器中，加入預先按一定比例混合均勻的第Ⅳ族非金屬元素和碳酸鹽粉末所制的混合料，將晶片完全包埋其中，然后將此坩堝放置于熱處理爐中，在真空或惰性或還原性流動氣氛下，在400～600 ℃溫度條件下進行還原處理，5～40 h后降至室溫取出，即得到LT黑片。圖1為不同黑化處理工藝參數下獲得的LT晶片。

圖1 不同黑化處理的LT晶片照片

1.2 晶片性能測試

利用TH2683A/B型絕緣電阻測試儀采用三電極法[7]對黑化處理后的LT晶片體電阻進行測量，根據ρv=RxA/h(其中ρv為體積電阻率,Rx為體積電阻,A為被保護電極的有效面積,h為試樣的平均厚度)可計算出電阻率。

將LT晶片雙面拋光，在晶片上隨機選取4個點，對其進行透過率測試。在365 nm處取透過率最大值Tmax和最小值Tmin，透過率均勻性ΔT=(Tmax-Tmin)×100。ΔT值越小，代表晶片均勻性越好。測試儀器采用PE lambda900型紫外-紅外分光光度計，波長測量范圍為200～3 200 nm。

采用LFA型激光法導熱分析儀測試晶片的熱導率，NETZSCH DIL 402型熱膨脹儀測試晶體的熱膨脹系數，測試溫度為26.5～160 ℃，測試樣品為5 mm×5 mm×0.25 mm方片。

將還原處理后的LT晶片進行流片實驗，用來驗證晶片的抗靜電能力與一致性。

2 實驗結果與討論

2.1 電阻率測試

分別對不同還原工藝處理的LT晶片進行了電阻率測試，測試電壓為1 000 V，1 min后讀取電阻值，采用ρv=RxA/h計算出晶片的電阻率，測試結果如表1所示。

表1 不同還原處理工藝下LT晶片的電阻值率

由表1可知，處理時間越長，處理溫度越高，則晶片顏色越深，電阻率越小。

雖然LT黑片有效地減少了晶片的熱釋電效應，但過黑的LT晶片會對SAW濾波器的插入損耗造成影響，還易導致晶片的加工性差。根據SAW器件用基片采購規范(Q/UE 434—2014)，晶片電阻率在1010Ω·cm量級范圍內,可同時兼顧晶片可加工性和防靜電損傷的特點。

關于LT晶片導電機理目前還未有統一的觀點，普遍認為[8]：晶片黑化是利用還原原理，在還原環境中，氧從晶體中向外擴散，提高了氧空位的濃度，氧空位獲得一個電子形成F色心(F+)，增強了電導率；同時，色心在可見光區域吸收較強，使晶片顏色發黑。氧空位濃度增加的同時，一部分離子的化合價從+5變成+4，電子載流子濃度隨之增加。因此，經過還原處理，晶體內載流子的濃度增加，從而降低了晶片的電阻率。

2.2 透過率與透過率均勻性測試

對其中的1、3、5號LT晶片(白色、灰黑色、黑色)進行雙面拋光，并對其透過率及其均勻性進行了測試，透過率測試結果如圖2所示。

圖2 不同黑化程度LT晶片透過率對比

由圖2可知，不同黑化程度的LT晶片的吸收邊均在270 nm左右。在波長1 500 nm以下(包括可見光波段)，晶片顏色越深，透過率越低，說明還原處理改變了晶片的光學吸收，從而引起外觀顏色的變化；在波長1 500 nm以上，透過率約為80%。在365 nm處的透過率及其均勻性測試結果如表2所示。

表2 LT晶片在365 nm處透過率

由表2可知，在波長365 nm處，隨著黑化程度加深，黑片透過率由69.8%逐漸降至36.5%左右，這將有利于消除光刻時反射光造成的衍射，從而有助于提高光刻精度[9]。同時，5號工藝LT黑片的透過率均勻性ΔT指標(1.15)與國外對標產品(1.14)相近，有助于提高器件制作的一致性。

2.3 熱導率與熱膨脹系數測試

對其中的1號(白片)和5號(黑片)晶片進行了熱導率及熱膨脹系數測試，測試結果如表3所示。由表可知，經過黑化處理后，晶片的熱導率及熱膨脹系數均降低。

表3 晶片熱導率及熱膨脹系數

影響材料熱導率的因素主要在于材料的有序度，有序度越高，平均自由程越大，導致熱導率也越大。評價有序度的高低，主要從以下兩方面考慮[10]：

1)格點質量均勻程度。

2)材料中的缺陷多少。LT晶片經過還原處理后，晶格參數和晶胞體積輕微地減小，密度略微增加[8]，導致格點質量均勻程度降低，有序度下降；同時，還原處理氧空位的增加也會導致有序度降低,使黑化處理后的LT晶片熱導率降低。

由于還原處理后LT晶片的鍵長變短，導致原子間的鍵合力強，故熱膨脹系數降低。在濾波器制作過程中，晶片的熱膨脹系數的降低有利于光刻設備識別對位標記。

2.4 器件流片實驗

采用與5號還原處理工藝相同的同批次LT晶片進行了流片實驗，其SAW器件采用阻抗元結構，這種結構的濾波器對熱釋電特別敏感，即使采用階梯烘烤也會造成部分器件性能惡化。首先經過前道工序清洗、涂膠、曝光、顯影和鍍膜均無異常；在粘片后采用直接烘烤來驗證還原效果，未發現燒傷晶片，證明晶片抗靜電能力效果明顯；最后進行電性能一致性分析，測試結果如表4所示。SAW濾波器中心頻率分散圖如圖3所示。由表4和圖3可知，SAW器件成品率較高，一致性好。

表4 SAW濾波器測試結果

圖3 中心頻率分散情況圖

3 結束語

在不同溫度、保溫時間下，對42°Y-LT晶片進行了還原處理，得到不同顏色的晶片。經電阻率、透過率、透過率均勻性、熱導率、熱膨脹系數等性能測試，同時進行了聲表面波濾波器的流片實驗。結果表明，還原處理降低了晶片電阻率、透過率、熱導率和熱膨脹系數，晶片抗靜電能力效果明顯，器件一致性較好，成品率較高。