SAW器件用压电晶片的技术要求

lczhy00001

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一．引言
自于1977年利用在固体表面传播的弹性表面波制作彩色中频SAW滤波器实用化以来，SAW器件在众多领域的应用取得了惊人的发展。而各种SAW器件中使用的已实用化基片有：LiTaO3(LT)；LiNbO3(LN)；SiO2；LiB4O7（ＬＢＯ）等压电单晶；ZnO等压电薄膜以及PZT系压电陶瓷。近年来一些新材料也引起人们的注意，如 KNbO3(KN)；La3Ga5SiO14 (Langasite)，前者有相当高的机电耦合系数，而后者被誉为未来宽带器件的关键材料。
性能优良的基片材料可以为SAW器件设计师带来设计上的灵活性和简便性；另外所用材料一经设计师确定后，工艺师又希望它的一致性较好，以重现设计者的思想。实际上这就是SAW器件对晶片的总体要求。

二．晶片的制备过程
12）一般晶片冷加工工艺流程
  ．几种常用压电材料性能比较

表2.具有代表性的SAW压电单晶材料的基本特性
LiTaO3LiNbO3·-SiO2Li2B4O7Bi12GeO20
结晶系三方晶系四方晶系立方晶系
晶格常数量(A)a=5.15428c=13.78351a=5.1483c=13.863a=4.9131c=5.4046a=9.475c=10.283a=7.51
点群高温相-3m-3m6224mm23
低温相3m3m32
解理面{01.2}{01.2}{01.1}
熔点(0C)165012531470917930
居里温度(0C)~605~1140573.5
结晶密度(kg/m3)7.4564*1034.464*1032.65*1032.45*1039.232*103
比热cal/k.cm30.790.760.0670.68
热导率w/cm.k0.0280.0290.0950.015
相对介电常数ä11=53.6ä33=43.4ä11=85.2ä33=28.7ä11=4.4ä33=4.6ä11=8.5ä33=8.2ä11=37.9
莫氏硬度~5.5~57~64.5
热膨胀系数(10-6/0C在250C)α11=16.1α33=4.1α11=15.4α33=7.5α11=13.71α7.48=7.48α11=13α4=4α11=13.5
化学特性不溶于除HF和HNO3以外的酸溶于酸,微溶于水

表3 具有代表性的SAW用压电单晶材料各种切向的声表特性
LiTaO3LiNbO3α-SiO2BGOLBO
切割面X面Y面Y360Y127.80Y00Y42.750Y00ZX450
传输方向112.20Y Z X X Z X X [110]Z
机电耦合系数(%)0.750.667.65.54.80.160.221.31.0
延迟时间温度系数(ppm/c)-18-35-36-74-850-24-120~0
声表面波速度(m/s)329632304178396034853158315916813401
其它备注批量偏差小L-SAW批量偏差小二次TCD小批量偏差小


四．声表面波用晶片常用指标的释义及各指标对器件性能的影响
l晶片外形尺寸图                    
         CF
                    
                 
                             D



OF            T
图1
Axis--------晶片主面切向(Orientation)
OF----------第一基准面(First reference flat)
CF-----------第二基准面(second reference flat)
D-------------晶片直径(Diameter)
T--------------厚度(Thickness)
Θ-------------CF方位
l晶片抛光面表面质量
晶片表面如存在较粗划痕\麻点会造成线条断条,另一方面加工面如存在较厚的非晶质层会影响机电转换效率.
表面质量可用粗糙度或划痕\麻点的大小多少来描述.前者可用粗糙度仪测量,后者可参照美国军用标准MIL-O-13830A对晶片质量评价 .SAW用晶片典型的粗糙度为0.3-1.0nm.。
另外晶片表面有较高的洁净度也很重要,干涸的加工液会给清洗带来困难,SAW用户需要开盒即用的晶片.
l平面度
TTV(total thickness varation)-------总厚度变化，晶片底面处于吸附状态，晶片上表面最高点与最低点高度差
                 TTV

            
Warp---------晶片处于自由状态时，测量面的最高点与最低点高度差




                  Warp

Bow----------晶片处于自由状态下，焦平面到晶片中心的距离

          Bow


                  
Zone FPD(Focal plane deviation)-------局部焦平面变化
平面度指标的制定要根据使用者的具体情况，增加或减少一些限定。上述指标有专用仪器来测量如探针扫描式的Tencor P系列轮廓仪，ADE电容感应非接触式的6033，6034测试仪。
l居里温度
铁电体具有一个临界温度TC，当温度高于TC时，晶体发生结构相变，自发极化消失，没有铁电性，TC称为居里温度。改变LN、LT晶体中的Nb(Ta)i会改变其居里点的大小，同时也影响着晶片的电、声、光性能，因此居里温度能较好地反映晶片组份一致性。如图3，图4示出了居里温度与声速关系。
1)X-Y1120LT晶体居里温度与SAW速度的关系









2) 1280yLiNbO3SAW晶片

上述是由芦田等人所作工作。LT\LN居里点采用DTA和介电法测得,SAW[速度用超声波显微镜测得。
l小角度晶界
小角度晶界属于镶嵌结构间界。晶体中不在同滑移面上的位错受到超过势垒的激发，排成一列而形成小角度晶界。小角度晶界影响晶体的完整性。日本京都大学曾对有晶界的X-1120Y LiTaO3晶片进行了X射线形貌分析，然后在晶界附近进行SAW速度测定（用ＬFB Acoustic microscopy），发现传输的SAW在晶界附近速度发生变化。如图５\图６所示。另外晶界还会衰弱波束能量，使波矢部份反射，造成通带波动增加。因此小角度晶界也成为晶片的一项重要指标。


(b)  
         
小角度晶界与ＳＡＷ速度变化关系

l单畴化
LN／LT晶体属于铁电晶体，单畴化后才能显示出压电性。相对来讲LT晶体的矫顽力较LN大很多，所以单畴化较为艰难。单畴化不良的晶体内存在大量微畴，会严重影响SAW传输状况。
五．部分公司三英寸压电晶片技术指标
美国CTI公司EPCOSRMI华莹
LiNbO3LiTaO3LiNbO3QuratzLiNbO3LiTaO3Quratz
居里温度1142.3±1.9C0603±3C01142±2C01142±3C0605±3C0
杂质含量30.ppm无色
定向精度±18’±12’±12’±30±30±30±30
TTV10μm10μm10μm10μm30μm30μm30μm
BOW30μm30μm30μm40μm40μm40μm40μm
Warp15μm15μm15μm8μm
FPD2μm/12.7mm
晶界18’18’18’18’
倒角倒角，无裂纹
洁净度无手印400＊下无脏．杂点
正面粗糙度CMP抛光CMP抛光Ra10埃镜面抛光镜面抛光镜面抛光镜面抛光

李伟华

现在石英基片的用量如何？

lczhy00001

SAW器件跟LN比还差一点！！
现在以LN为主，但有些器件一定要用石英

李伟华

哪些器件必须用石英？

xyqy

一些高频器件需要用石英晶片。

lczhy00001

现在的石英片以四英寸为多.加工质量比较高.

李伟华

4inch的水晶原石国内很少，主要是进口的。国内很难批量供应。

我手上有些SAW的石英晶片样品，是3INCH的，

有些特别：不含籽晶，全纯Z区。

现在的晶片大多有籽晶，SAW器件生产时必须去除这一部分籽晶及籽晶边缘1MM的部分

无籽晶的晶片出现看来可以解决这个问题

lczhy00001

3英寸石英磨砂片AT/ST切什么价位,如果可以的话我们合作以下.

我月需求在1000片左右.

你把价位发到我信箱里好了!

lczhy00001

以下是引用李伟华在2004-7-26 8:52:18的发言：

4inch的水晶原石国内很少，主要是进口的。国内很难批量供应。

我手上有些SAW的石英晶片样品，是3INCH的，

有些特别：不含籽晶，全纯Z区。

现在的晶片大多有籽晶，SAW器件生产时必须去除这一部分籽晶及籽晶边缘1MM的部分

无籽晶的晶片出现看来可以解决这个问题

好材料！

lczhy00001