專利名稱：增加鐵電材料體積電導(dǎo)率的方法與設(shè)備的制作方法
背景技術(shù)：
1.發(fā)明領(lǐng)域本發(fā)明一般地涉及材料加工，更具體地說但非限于，涉及加工鐵電材料的方法與設(shè)備。
2.背景技術(shù)描述鉭酸鋰(LiTaO3)和鈮酸鋰(LiNbO3)是廣泛用來制造非線性光學(xué)器件的材料，因?yàn)樗鼈冇休^大的電-光和非線性光學(xué)系數(shù)。這類非線性光學(xué)器件包括，例如，波長(zhǎng)轉(zhuǎn)換器、放大器、可調(diào)源、色散補(bǔ)償器和光學(xué)門控混合器。鉭酸鋰和鈮酸鋰也是著名的鐵電材料，因?yàn)樗鼈兊木w能自發(fā)電極化。
由于鉭酸鋰和鈮酸鋰材料的體積電導(dǎo)率較低，材料內(nèi)的電荷有積聚的傾向。當(dāng)材料受熱或受機(jī)械應(yīng)力作用時(shí)電荷會(huì)積聚起來。因電荷會(huì)引起短路并因此導(dǎo)致器件失效或變得不可靠，器件制造者不得不特別小心(且一般都昂貴)地盡量減少電荷積聚或設(shè)法使電荷耗散。
鈮酸鋰材料的體積電導(dǎo)率可以通過在一個(gè)包含還原性氣體的環(huán)境中加熱鈮酸鋰材料而得以提高。還原性氣體使氧離子從鈮酸鋰材料的表面散逸。因此留下的鈮酸鋰材料帶有過量的電子，導(dǎo)致其體積電導(dǎo)率的增加。提高的體積電導(dǎo)率防止電荷積聚起來.
雖然上述技術(shù)會(huì)增加鈮酸鋰材料在一定條件下的體積電導(dǎo)率，但該技術(shù)對(duì)鉭酸鋰并不特別有效。由于鉭酸鋰比鈮酸鋰更適合于，例如，某些高頻表面聲波(SAW)濾波器應(yīng)用，希望有一種能提高鉭酸鋰材料體積電導(dǎo)率的技術(shù)。
發(fā)明概述在一個(gè)實(shí)施方案中，鐵電材料的加工方法是將該材料置于包含金屬蒸氣的環(huán)境中并將該材料加熱到低于該材料居里溫度的溫度。這能使鐵電材料的體積電導(dǎo)率得以提高但基本上無損于其鐵電疇性能。在一個(gè)實(shí)施方案中，鐵電材料包含鉭酸鋰以及金屬蒸氣包含鋅。
本發(fā)明的上述和其它特點(diǎn)，對(duì)于本領(lǐng)域內(nèi)閱讀包括附圖和權(quán)利要求書在內(nèi)的本公開全文的普通技術(shù)人員來說，是顯而易見的。
附圖簡(jiǎn)述

圖1示意按照本發(fā)明一個(gè)實(shí)施方案的一個(gè)容器的示意圖。
圖2示意按照本發(fā)明一個(gè)實(shí)施方案的一個(gè)套的示意圖。
圖3示意按照本發(fā)明一個(gè)實(shí)施方案提高鐵電材料體積電導(dǎo)率的系統(tǒng)。
圖4示意按照本發(fā)明一個(gè)實(shí)施方案提高鐵電材料體積電導(dǎo)率的方法的流程圖。
在不同附圖中用相同的參考標(biāo)記表示相同或類似的部件，附圖不一定符合比例，除非特別說明。
發(fā)明詳述在本公開內(nèi)容中，給出了許多具體細(xì)節(jié)，如設(shè)備、加工參數(shù)、工藝步驟和材料，以便徹底理解本發(fā)明的實(shí)施方案。但是本領(lǐng)域的普通技術(shù)人員將認(rèn)識(shí)到，本發(fā)明能在沒有一項(xiàng)或多項(xiàng)具體細(xì)節(jié)的前提下實(shí)施。在其它情況下，為避免模糊本發(fā)明的要點(diǎn)，未給出或闡明周知的細(xì)節(jié)。
而且，應(yīng)理解，雖然本發(fā)明的實(shí)施方案始終以鉭酸鋰為例進(jìn)行描述，但本發(fā)明不受此限制。本領(lǐng)域內(nèi)的普通技術(shù)人員能采用本發(fā)明的教導(dǎo)來提高其它鐵電材料如鈮酸鋰的體積電導(dǎo)率。
按照本發(fā)明的一個(gè)實(shí)施方案，鐵電材料的體積電導(dǎo)率可以通過將該材料置于一個(gè)包含金屬蒸氣的環(huán)境內(nèi)并將該材料加熱到最高達(dá)該材料居里溫度的溫度下而得以提高。一般而言，鐵電材料的居里溫度是高于該溫度材料失去其鐵電性的溫度。將單疇鐵電材料在擴(kuò)散率較高的金屬蒸氣存在下加熱到低于其居里溫度的溫度不會(huì)明顯有損于該鐵電材料的鐵電疇狀態(tài)。
優(yōu)選地，要被轉(zhuǎn)換為蒸氣的金屬具有較高的擴(kuò)散率且具有還原鐵電材料氧化態(tài)的能力。本發(fā)明者相信，這些性能將允許金屬離子擴(kuò)散進(jìn)鐵電材料表面數(shù)微米，以填充晶格空位、降低氧化態(tài)并因此從鐵電材料中釋放出電子且開始填充整個(gè)材料體內(nèi)負(fù)離子空位的過程。相信填充這些負(fù)離子空位的電子要被束縛在點(diǎn)缺陷位上。這些束縛電子一般將具有一個(gè)使鐵電材料具有特征寬色(distinctive broad coloration)的能譜。隨著晶格空位的填充以及向點(diǎn)缺陷位置提供中性電子，過量電荷就能被迅速抵消或作為一個(gè)極化子被導(dǎo)走。當(dāng)過量電荷(電子)被引進(jìn)晶格時(shí)，它在能量上有利于電子作為晶格極化內(nèi)的一個(gè)實(shí)體進(jìn)行運(yùn)動(dòng)。這樣一個(gè)稱為“極化子”的實(shí)體會(huì)提高電子的活動(dòng)性。由于電子電荷受晶格屏蔽，極化子可沿晶格作不受靜電力作用的自由運(yùn)動(dòng)。
在一個(gè)實(shí)施方案中，要被轉(zhuǎn)換為蒸氣的金屬包含鋅以及鐵電材料包含晶片狀鉭酸鋰。產(chǎn)生鋅蒸氣的方法可以是將鋅加熱到一個(gè)略低于鉭酸鋰晶片居里溫度的溫度下。為了在低于居里溫度的溫度下獲得足以有效擴(kuò)散的高蒸氣壓，可以在一個(gè)具有預(yù)定體積的密封容器內(nèi)加熱金屬與鉭酸鋰晶片。本發(fā)明者相信，在鋅蒸氣內(nèi)加熱鉭酸鋰晶片使鋅擴(kuò)散進(jìn)鉭酸鋰晶片表面并填充鋰空位。據(jù)信這導(dǎo)致按方程1釋放出過量電子方程1據(jù)信過量電子被捕獲在鉭酸鋰晶片體內(nèi)的負(fù)離子空位內(nèi)。當(dāng)由于熱電或壓電效應(yīng)而積聚起來的電荷作為極化子被導(dǎo)走時(shí)，鉭酸鋰晶片體內(nèi)的電子活動(dòng)性就得到提高。也就是說，本發(fā)明者相信鉭酸鋰晶片電導(dǎo)率的增加在性質(zhì)上顯然是極化子。
現(xiàn)在參考圖1，它示意按照本發(fā)明一個(gè)實(shí)施方案的容器210的示意圖。容器210可用來容納一個(gè)或多個(gè)要加工的晶片201和要被轉(zhuǎn)換為蒸氣的金屬202。容器210包括一個(gè)容器體211和一個(gè)端帽212，兩者都用氧化鋁制成。端帽212可以用，例如，氧-氫焊槍焊接到容器體211上。
容器體211包括一根管段213和一根管段214。容器210可以通過在管段213與214上加帽并將端帽212焊到容器體211上而密封。管段214的加帽方法可以是將塞215插入管段214并將塞215的壁焊接到管段214上。管段213可以是一根密封毛細(xì)管。為了對(duì)容器210抽真空，可以將一個(gè)真空泵連接到管段214。在加工末期，可以將密封管段213破開以增加容器210中的壓力(例如，使容器210中的壓力等于大氣壓)。
仍然參考圖1，在晶片盒203內(nèi)可放置1個(gè)或多個(gè)晶片201，然后可將該籠插進(jìn)容器210。金屬202可與晶片201一起放在晶片盒內(nèi)。晶片盒203可以是一個(gè)商品晶片盒，如LP Glass，Inc.of Santa Clara，California出售的晶片盒。晶片盒203可用，例如，石英制造。
表1示意一個(gè)實(shí)施方案中容器210的尺寸。請(qǐng)注意容器210可定制以容納不同數(shù)量的晶片。
表1(參考圖1)
圖2示意按照本發(fā)明一個(gè)實(shí)施方案的套220的示意圖。套220可以是一個(gè)氧化鋁制成的圓柱狀容器。容器210可插在套220內(nèi)，如圖2所示，然后在一個(gè)加工管內(nèi)加熱，如圖3所示。套220環(huán)繞容器210以允許容器210均勻加熱。此外，套220還起保護(hù)容器210免遭破碎的物理阻擋層作用。
如圖2所示，套220可以有一個(gè)閉端224和一個(gè)開端221。容器210在套內(nèi)的放法優(yōu)選使端帽212朝向開端221。開端221可以使容器210便利地從套220中取出。開端221也有利于在逐漸降溫期間在容器210內(nèi)產(chǎn)生熱梯度。熱梯度導(dǎo)致端帽212內(nèi)有一個(gè)冷區(qū)，它吸引容器210內(nèi)沉積中的金屬蒸氣遠(yuǎn)離晶片。這就能盡量減少必須從晶片表面除去的沉積量。本發(fā)明的這一發(fā)明點(diǎn)將在下面進(jìn)一步闡述。
圖3示意按照本發(fā)明一個(gè)實(shí)施方案增加鐵電材料體積電導(dǎo)率的系統(tǒng)300。系統(tǒng)300包括一根內(nèi)含套220的加工管310。如前所述，套220容納容器210，后者又容納金屬202和晶片201。加工管310可以是一個(gè)半導(dǎo)體工業(yè)中常用的商品爐。加工管310包括用來加熱套220及其內(nèi)所有部件的加熱器303(即303A、303B、303C)。加工管310可以是72英寸長(zhǎng)并被分成3個(gè)各長(zhǎng)24英寸的加熱區(qū)，以中段加熱區(qū)為“熱區(qū)”。加工管310可包括一個(gè)由加熱器303A加熱的第一加熱區(qū)，一個(gè)由加熱器303B加熱的第二加熱區(qū)和一個(gè)由加熱器303C加熱的第三加熱區(qū)。加工管310還包括一根用來移動(dòng)套220的懸臂梁302和一個(gè)套220通過其進(jìn)出加工管的門301。套220可放在加工管310的中部，讓開端221面朝門301。
圖4示意按照本發(fā)明一個(gè)實(shí)施方案加工鐵電材料的一種方法400的流程圖。方法400將以容器210、套220和系統(tǒng)300為例進(jìn)行描述。但應(yīng)理解，本文的流程圖400、容器210、套220和系統(tǒng)300僅為說明而提供，且是非限定性的。
在圖4的步驟402中，將金屬202和一個(gè)或多個(gè)晶片201放在晶片盒203內(nèi)。然后將晶片盒203放在容器210內(nèi)。在一個(gè)實(shí)施方案中，晶片201是直徑為100mm的42度旋轉(zhuǎn)Y鉭酸鋰晶片，而金屬202包含純度為99.999％的鋅。在一個(gè)實(shí)施方案中，將5個(gè)晶片201與約8g鋅一起放在晶片盒203內(nèi)。鋅可以是粒狀的。純度為99.999％的鋅粒是源自Johnson Matthey，Inc.of Wayne，Pennsylvania的商品鋅。注意每個(gè)晶片的鋅用量可以改變以適合于特定的應(yīng)用。
在步驟404中，將容器210抽真空到約10-7乇，然后加熱到約200℃，保持約5小時(shí)。實(shí)施步驟404的方法可以是將端帽212焊到容器體211上，給管段213加帽，將真空泵連接到管段214上，并用包裹在容器210周圍的加熱帶加熱容器210。步驟404有助于在金屬202熔化之前從容器210中排出氧源、水和其它污染物。
在步驟406中，回充容器210，使容器210內(nèi)的壓力在略低于居里溫度下約為760乇。在一個(gè)實(shí)施方案中，要將容器210回充到約190乇。由此增加容器210內(nèi)的壓力，以便更安全地將容器210加熱到高溫且長(zhǎng)期保持在高溫下。容器210可以用惰性氣體如氬氣回充。任選地，容器210可以用包含95％氮?dú)夂?％氫氣的形成氣體(forminggas)回充。注意形成氣體本身不足以還原鉭酸鋰材料使之體積電導(dǎo)率增加。但是，在本實(shí)施例中，形成氣體有助于捕獲步驟404之后可能已留在容器210中的氧。在容器210已完全清掃了污染的應(yīng)用中，不需要用形成氣體回充容器210。回充容器210的方法可以是將塞215焊接到管段214上，破開管段213的帽，然后讓回充氣體流經(jīng)管段213。
在步驟408中，要密封容器210。關(guān)于這一點(diǎn)，密封容器210的方法可以是除去回充氣體源并對(duì)管段213加帽。(注意在前面的步驟中端帽212已經(jīng)焊到容器體211上以及管段214已經(jīng)加帽了。)在步驟410中，將容器210插入套220內(nèi)。
在步驟412中，將套220在加工管310內(nèi)加熱到低于晶片201居里溫度的溫度下。在低于晶片201居里溫度的溫度下加熱套使金屬202熔化而基本上無損于晶片201的鐵電性。熔化金屬202使晶片201周圍彌漫著金屬蒸氣。在該實(shí)施例中，金屬蒸氣包含鋅蒸氣以及晶片201是鉭酸鋰。本發(fā)明者相信造成晶片201體積電導(dǎo)率增加的鋅蒸氣與鉭酸鋰之間的相互作用已在前面闡述過。
在一個(gè)實(shí)施方案中，套220在72cm長(zhǎng)的加工管310的中段加熱。同時(shí)，如圖3所示，套220在加工管310內(nèi)的放置方法要使開端221面朝門301。優(yōu)選容器210在套220內(nèi)的放法要使端帽212面朝開端221(見圖2)。
在一個(gè)實(shí)施方案中，以約150℃/小時(shí)的升溫速率將套220在加工管310內(nèi)加熱到最高溫度約595℃，保溫約24小時(shí)。優(yōu)選要加熱到比晶片201居里溫度僅低數(shù)度的最高溫度。由于晶片的居里溫度隨它們的制造者而變，所以最高加熱溫度也須根據(jù)具體晶片進(jìn)行調(diào)節(jié)。套220在加工管310內(nèi)的加熱時(shí)間也可調(diào)節(jié)，以保證金屬蒸氣適當(dāng)?shù)叵騼?nèi)擴(kuò)散。注意因方法400是在裸露晶片201上進(jìn)行的(即在晶片201上制造器件之前)，所以方法400的總加工時(shí)間并未對(duì)制造器件所需的時(shí)間增加多少。
然后在步驟414中，逐漸降低加工管310內(nèi)的溫度以防止剛加工好的晶片201因受熱沖擊而受損。在一個(gè)實(shí)施方案中，通過將溫度設(shè)定在400℃使加工管310內(nèi)的溫度漸降。然后用程序操作懸臂梁302(見圖3)，以將套220以約3cm/min的速率朝門301移動(dòng)3分鐘，移動(dòng)之間的停留時(shí)間為1.5min(1分半鐘)。即套220可以3cm/min的速率移動(dòng)3min，然后停1.5min，然后再以3cm/min的速率移動(dòng)3min，然后再停1.5min，依次類推，總共進(jìn)行40min，直到套220到達(dá)門301。
當(dāng)套220朝門301移動(dòng)時(shí)，套220的開端221變得比閉端224更冷。這樣就在容器210內(nèi)形成一個(gè)熱梯度，端帽212(與開端221一起面朝門301)變得比容器210的其它部分更冷。在容器210內(nèi)產(chǎn)生熱梯度也可以通過把加工管310的加熱器調(diào)節(jié)到越靠近門溫度越低而實(shí)現(xiàn)。容器210內(nèi)的熱梯度使端帽212變成冷區(qū)，它吸引正在沉積的金屬蒸氣遠(yuǎn)離晶片201。
在步驟416中，從加工管310內(nèi)取出套220。然后從套220中取出容器210。
在步驟418中，從容器210中取出晶片201。步驟418的實(shí)施方法可以是先破開管段213(見圖1)使容器210慢慢暴露在大氣中。容器210也可用惰性氣體回充。然后用，例如，金剛石片鋸從容器體211上切割下端帽212。
在步驟420中，拋光晶片201以從它們表面除去沉積物，露出它們的本體。在一個(gè)實(shí)施方案中，晶片201的兩面都用化學(xué)-機(jī)械拋光法從每一面拋掉約50μm。
在一個(gè)實(shí)驗(yàn)中，按照上述方法400加工5個(gè)直徑為100mm的42度旋轉(zhuǎn)-Y鉭酸鋰晶片，后文稱之為“實(shí)驗(yàn)晶片”。將這些實(shí)驗(yàn)晶片與8g鋅一起放在一個(gè)容器210內(nèi)，然后在加工管310內(nèi)加熱到595℃，維持240小時(shí)。然后逐漸降低加工管310的溫度并從容器210內(nèi)取出實(shí)驗(yàn)晶片。然后拋光該實(shí)驗(yàn)晶片的兩面并目視檢驗(yàn)。這些實(shí)驗(yàn)晶片看上去均勻而帶灰色。然后試驗(yàn)這些實(shí)驗(yàn)晶片的體積電導(dǎo)率，方法如下將它們放在一塊熱板上，一次放一塊，以3℃/min的速率將熱板溫度從80℃升到120℃，測(cè)量晶片表面附近所形成的電場(chǎng)。電場(chǎng)用源自Keithley Instruments of Cleveland，Ohio的617型靜電計(jì)測(cè)量。這些實(shí)驗(yàn)晶片并未在它們表面附近產(chǎn)生任何可檢測(cè)得到的電場(chǎng)，說明它們的體積電導(dǎo)率已提高了。
為比較起見，將一個(gè)本文稱之為“對(duì)比晶片”的直徑為100mm的未加工42度旋轉(zhuǎn)-Y鉭酸鋰晶片放在一塊熱板上。然后以3℃/min的速率將熱板溫度從80℃升到120℃。測(cè)量對(duì)比晶片表面附近的電場(chǎng)，表明溫度每改變20℃就增加400V。由此表明，對(duì)比晶片的體積電導(dǎo)率較低。
雖然已提供了本發(fā)明的具體實(shí)施方案，但應(yīng)理解，這些實(shí)施方案不過是為了說明而非限定性的。對(duì)于閱讀本公開的本領(lǐng)域的技術(shù)人員來說，許多其它實(shí)施方案是顯而易見的。因此本發(fā)明僅受下述權(quán)利要求的限制。
權(quán)利要求
1.一種加工鐵電材料的方法，該方法包括將鐵電材料置于包含金屬蒸氣的環(huán)境中；和將該鐵電材料加熱到低于該鐵電材料居里溫度的溫度。
2.權(quán)利要求1的方法，其中該鐵電材料包含鉭酸鋰。
3.權(quán)利要求1的方法，其中該金屬蒸氣包含鋅。
4.權(quán)利要求1的方法，其中該溫度低于或等于約595℃。
5.權(quán)利要求1的方法，還包括在加熱鐵電材料之后，形成一個(gè)熱梯度從而使金屬蒸氣沉積在遠(yuǎn)離鐵電材料的位置。
6.權(quán)利要求1的方法，其中該鐵電材料在含金屬蒸氣的密封容器內(nèi)加熱。
7.權(quán)利要求6的方法，其中該密封容器含一種惰性氣體。
8.權(quán)利要求7的方法，其中該惰性氣體包含氬氣。
9.權(quán)利要求6的方法，其中該密封容器含一種形成氣體。
10.權(quán)利要求6的方法，其中該密封容器在加工管內(nèi)加熱。
11.權(quán)利要求6的方法，還包含在加熱鐵電材料之后，冷卻密封容器從而使密封容器的第一端冷于密封容器的第二端，以利于金屬蒸氣沉積在第一端附近。
12.一種加工鉭酸鋰材料的系統(tǒng)，該系統(tǒng)包含含鉭酸鋰材料和一種金屬的密封容器；以及加工管，其被設(shè)計(jì)成在低于該鉭酸鋰材料居里溫度的溫度下加熱該容器，從而使金屬蒸氣與鉭酸鋰反應(yīng)。
13.權(quán)利要求12的系統(tǒng)，其中該鉭酸鋰材料為晶片狀。
14.權(quán)利要求12的系統(tǒng)，其中該鉭酸鋰材料在密封容器內(nèi)的晶片盒內(nèi)。
15.權(quán)利要求12的系統(tǒng)，還包含包圍該密封容器的套。
16.權(quán)利要求12的系統(tǒng)，其中該金屬包含鋅。
17.一種加工鉭酸鋰材料的方法，該方法包括在低于鉭酸鋰材料居里溫度的溫度下和含金屬蒸氣的環(huán)境中加熱該鉭酸鋰材料。
18.權(quán)利要求17的方法，其中該金屬蒸氣包含鋅。
19.權(quán)利要求17的方法，其中該鉭酸鋰材料在密封容器內(nèi)加熱。
20.權(quán)利要求17的方法，其中該環(huán)境包含一種形成氣體。
全文摘要
在一個(gè)實(shí)施方案中，加工鐵電材料的方法是將該材料置于包含金屬蒸氣的環(huán)境中(步驟410)并將該材料加熱到低于該材料居里溫度的溫度下(步驟412)。這能使鐵電材料的體積電導(dǎo)率得以提高卻基本上無損于其鐵電疇性能。在一個(gè)實(shí)施方案中，鐵電材料包含鉭酸鋰，以及金屬蒸氣包含鋅。
文檔編號(hào)C01G35/00GK1678531SQ03820596
公開日2005年10月5日 申請(qǐng)日期2003年5月30日 優(yōu)先權(quán)日2002年6月28日
發(fā)明者R·O·邁爾斯, L·L·加拉姆波斯, J·J·拉扎, G·C·里斯克, A·L·亞歷山德羅夫斯基, G·D·米勒, D·考迪羅, J·M·麥克雷, G·L·福倫 申請(qǐng)人:硅光機(jī)器公司