一种铌酸锂晶片/钽酸锂晶片局域快速黑化方法

1.本发明涉及晶片黑化技术领域，具体涉及一种铌酸锂晶片/钽酸锂晶片局域快速黑化方法。


背景技术：

2.铌酸锂、钽酸锂类晶体由于其优良的压电效应和光折变效应，被作为压电衬底广泛运用于高频宽带滤波器等器件中。在两种晶体中，钽酸锂类晶体在制作3ghz以下的声表面波(saw)器件中具有绝对的优势，铌酸锂类晶体在开发大功率大带宽滤波器方面也具有相当大的潜力。但是铌酸锂和钽酸锂类晶体具有高热释电和高光透过等性质，高热释电性质会导致大量静电荷的形成，静电荷积累到一定程度会产生放电现象，从而损伤晶片或者烧毁电极；高光透过性特点会导致光刻过程线宽失真等问题。国际上针对这些问题提出了一些化学还原工艺，利用了铌酸锂和钽酸锂类晶体中的氧原子较易在还原作用下逃离晶格形成氧空位的性质，氧空位会获得一个电子形成f色心(f+)，f色心对可见光吸收较强，这使得晶片在经过还原处理后由无色透明变为棕色或黑色，我们称经过还原处理的晶片为“黑片”。黑片具有更低的热释电效应和更高的电导率，这使得加工过程中成品率更高，同时黑片缓解了高光透过性而造成的线宽失真等问题。
3.目前制备铌酸锂、钽酸锂黑片的主要技术路线为将铌酸锂、钽酸锂晶片包埋在还原性粉末(如碳粉、铁粉)中，通入惰性或者还原性气体进行保护，升温制备黑片。传统的还原性粉末进行晶片黑化存在晶片“黑化”程度不均匀，操作繁琐、黑化时间长、效率较低等问题。近年来等离子体刻蚀、离子注入、熔融盐等方法逐渐兴起。等离子刻蚀技术将通入腔体的还原性气体解离为还原性非常强的等离子体进行晶片还原。离子注入可以在目标中注入化学反应物质，从而达到还原晶片的目的。虽然这两种方式都可以实现铌酸锂晶片黑化。但是这两种方式都是实现整个晶片的黑化，如果需要局域黑化，需要结合光刻工艺定义图形，这两种方式需要的设备价格昂贵，且不能一步实现局域黑化。所以需要一种简单的方法，可以快速地对铌酸锂、钽酸锂晶片进行局域黑化。


技术实现要素：

4.针对上述现有技术，本发明的目的是提供一种铌酸锂晶片/钽酸锂晶片局域快速黑化方法。本发明在还原性气体氛围内，采用激光照射铌酸锂晶片或钽酸锂晶片，能够快速实现铌酸锂晶片或钽酸锂晶片黑化，同时还可以对黑化的区域进行选择，达到局域化黑化的目的。
5.为实现上述目的，本发明采用如下技术方案：
6.本发明的第一方面，提供一种铌酸锂晶片/钽酸锂晶片局域快速黑化方法，包括以下步骤：
7.(1)将抛光后的铌酸锂晶片或钽酸锂晶片置于密闭装置中，然后充满还原性气体；
8.(2)按照设定好的图形，激光欠焦照射铌酸锂晶片或钽酸锂晶片，通入惰性气体排
出还原性气体，得到局域黑化的铌酸锂晶片或钽酸锂晶片。
9.通过调整激光的参数，使得激光以欠焦的方式照射到铌酸锂晶片或钽酸锂晶片上，通过激光欠焦产生的热效应使铌酸锂晶片或钽酸锂晶片升温，高温条件下晶片表层晶格中的氧原子在密闭装置中通入的还原性气体作用下逃离晶格，形成氧空位，氧空位会获得一个电子形成f色心(f+)，f色心对可见光吸收较强，这使得晶片在经过还原处理后由无色透明变为棕色或黑色，得到了黑化的铌酸锂晶片或钽酸锂晶片，根据激光照射图形的设计实现晶片局域黑化。
10.由于激光作用的局域性，因此热效应不会影响紧邻的未黑化部分。紧邻的未黑化部分可能被黑化区域影响的途径有两种：激光照射的过程中升温，被一定程度上黑化；未黑化部位中的氧原子移动到黑化部位的空穴中。但是这两种过程同样需要达到较高的温度。激光作用具有局域性，在设计图形的紧邻部位不会产生满足条件的温度，因此不会产生影响。
11.优选的，步骤(1)中，所述密闭装置为光热反应釜；所述光热反应釜上设有透光窗，所述透光窗的材质为石英玻璃或硒化锌玻璃。
12.光热反应釜具有耐高温、耐高压、密封性好的特点，避免空气进入反应釜与还原性气体反应引发的危险。使用机械真空泵抽取气体，保证气密性检测的准确度。
13.反应釜材质可以是不锈钢、玻璃、聚四氟乙烯中一种或具有相同功能的密封材质。
14.透光窗可以保证激光入射，反应釜的材质保证反应釜耐高温高压。
15.优选的，步骤(1)中，所述还原性气体为氢气、甲烷或氩氢混合气。
16.充入还原性气体时，将还原性气体按照充入-抽出的步骤重复两次后，再次充入还原性气体，以保证反应釜内还原性气体的纯度。
17.优选的，步骤(2)中，所述激光欠焦的参数为：激光的波长为1064nm，激光功率为4～10w，欠焦距离为0.50～2.50cm，扫速为100～600mm/s，以保证铌酸锂晶片/钽酸锂晶片能够在激光照射下快速升温。
18.本发明的第二方面，提供利用铌酸锂晶片/钽酸锂晶片局域快速黑化方法制备得到的局域黑化晶片。
19.优选的，局域黑化的图案为方框、线条、圆形、点阵或文字。
20.本发明的有益效果：
21.(1)本发明采取激光照射铌酸锂晶片/钽酸锂晶片，被激光照射到的区域快速升温，与反应釜中的还原性气体直接反应，实现铌酸锂晶片/钽酸锂晶片的黑化。激光照射可以实现瞬间升温，相比较传统方法中几个小时的升温，大大缩短了黑化时间，工艺周期短、方法简单高效。
22.(2)激光光斑直径取决于欠焦距离，在欠焦距离为0.5cm时，由于激光光斑直径为100μm，因此作用在晶片上的最小面积为直径100μm的圆形区域，还可以通过软件编辑激光扫描的路径，实现可控区域的黑化，进而实现晶片的局域黑化。
23.(3)本发明采用激光照射升温，还原气体还原铌酸锂晶片/钽酸锂晶片，避免了传统方式中还原粉末与晶片非均匀性接触而导致的黑化不均匀现象；可以保证晶片局域黑化的均匀性。同时本发明采用还原气体还原铌酸锂晶片/钽酸锂晶片，还原后的晶片避免了还原粉末黑化晶片难以清洗的问题。
附图说明
24.图1.激光还原黑化铌酸锂装置结构图。图中所示：1、激光器，2、激光光束，3、石英窗，4、上螺栓孔，5、压强表，6、下螺栓孔，7、进气口，8、出气口，9、反应腔。
25.图2为实施例1激光黑化铌酸锂晶片。
26.图3为实施例1激光黑化铌酸锂晶片前(a)后(b)以及激光聚焦处理后(c)样品的sem图
27.图4为实施例2激光图案化黑化铌酸锂晶片。
28.图5为实施例3激光叉指电极黑化钽酸锂晶片。
具体实施方式
29.应该指出，以下详细说明都是例示性的，旨在对本技术提供进一步的说明。除非另有指明，本文使用的所有技术和科学术语具有与本技术所属技术领域的普通技术人员通常理解的相同含义。
30.为了使得本领域技术人员能够更加清楚地了解本技术的技术方案，以下将结合具体的实施例详细说明本技术的技术方案。
31.本发明实施例中所用的试验材料均为本领域常规的试验材料，均可通过商业渠道购买得到。
32.实施例1
33.本实施例公开一种铌酸锂晶片局域快速“黑化”的方法，采用反应釜结构如图1所示，实施步骤如下：
34.(1)准备铌酸锂晶片进行抛光处理，在8psi压力下，用sio2磨料，麂皮抛光革，转速60r/min对铌酸锂晶片进行化学机械抛光处理；当铌酸锂晶片存在抛光不均匀的情况时，会导致激光吸收的差异，从而导致黑化程度有略微不同。因此在黑化前，需要采用显微镜对晶片的抛光程度进行检查，如果抛光不均匀，可以再次进行抛光后再黑化。
35.(2)密封晶片：将待处理的铌酸锂晶片放入反应腔内，通过旋紧上螺栓孔和下螺栓孔，密封好高压反应釜。
36.(3)检验气密性：采用真空泵抽出反应腔中的气体，在气阀处、金属高压反应釜开口处喷涂检漏剂检漏，观察5min后显示金属高压反应釜内气压的气压表读数没有上升以确定金属高压反应釜的气密性良好。
37.(4)反应腔内充入还原性气体：打开反应釜的进气口和出气口，以15sccm的流速持续通入氩气/氢气(体积比：85％：15％)，关闭进气口，出气口连接真空泵和尾气处理装置，抽出还原性气体，充气和抽气重复两次，以保证反应腔中的空气排干净，再次充入氩气/氢气(体积比：85％：15％)。
38.(5)设置激光参数：使用输出波长为1064nm的nd：yag激光器，激光器配备有偏振镜以调节激光出射方向，设置激光功率为4w，欠焦1.50cm，扫速150mm/s，在打标软件中绘制1cm
×
1cm黑化区域。
39.(6)激光还原黑化：激光器发射出的激光光束，透过反应釜的石英窗口欠焦照射到反应腔中的铌酸锂晶片上，激光光束按照设定的1cm
×
1cm区域逐点扫描。
40.(7)取片：出气口连接真空泵和尾气处理器，打开进气口以50sccm的流速通入氩气
五分钟，之后打开高压反应釜得到铌酸锂“黑片”，铌酸锂晶片1cm
×
1cm区域内有均匀的黑化。如图2所示。
41.为了验证激光铌酸锂黑化的原理，引入了相同条件下激光聚焦照射的铌酸锂样品作为对比样。可以看到，与未经处理晶片表面相比，激光欠焦照射的晶片表面光滑度无明显区别，如图3(a)(b)所示。而经过激光聚焦照射的铌酸锂晶片表面粗糙，如图3(c)所示。由此证明，在激光欠焦处理铌酸锂晶片时，产生的是热效应，热效应使铌酸锂晶片升温，铌酸锂晶片表层晶格中的氧原子在密闭装置中通入的还原性气体作用下逃离晶格，形成氧空位，氧空位会获得一个电子形成f色心(f+)，f色心对可见光吸收较强，这使得晶片在经过还原处理后由无色透明变为棕色或黑色。这与传统的激光聚焦照射基底，使基底粗化变黑是完全不同的。
42.实施例2
43.本发明与实施例1区别在于，步骤(5)中激光输出图案参数改为“lno”。获得的图案化“黑化”铌酸锂晶片如图4所示，可以看到在铌酸锂晶片形成了“lno”图形的均匀黑化。
44.实施例3
45.本发明与实施例1区别在于，采用步骤(1)的方法对钽酸锂晶片进行抛光处理；步骤(5)中激光输出图案参数改为叉指电极形状，获得的图案化“黑化”钽酸锂晶片如图5所示，可以看到在钽酸锂晶片形成了叉指电极的均匀黑化。
46.以上所述仅为本技术的优选实施例而已，并不用于限制本技术，对于本领域的技术人员来说，本技术可以有各种更改和变化。凡在本技术的精神和原则之内，所作的任何修改、等同替换、改进等，均应包含在本技术的保护范围之内。