尺寸被優(yōu)化以獲得所需晶片的高產(chǎn)量.生長高純度石英晶體時,鋁,堿金屬和其他雜質(zhì)含量特別低,缺陷最小;少量堿金屬增加了對電離輻射的抵抗力.用于切割音叉32.768K的手表晶體以非常低的蝕刻通道密度生長.
用于聲表面波器件的晶體生長成扁平的,具有大尺寸的籽晶和低蝕刻通道密度.
用于高度穩(wěn)定振蕩器的特殊高品質(zhì)晶體以恒定的低速生長,并且沿整個Z軸具有恒定的低紅外吸收.晶體可以生長為Y-棒,籽晶為棒形并沿Y軸伸長,或者生長為Z-板,由具有Y軸方向長度和X軸寬度的板籽晶生長而成.籽晶周圍的區(qū)域含有大量晶體缺陷,不應(yīng)用于晶片.
現(xiàn)代石英表中使用的音叉晶體簡單的石英晶體雜質(zhì).雜質(zhì)對晶體的輻射硬度,孿晶敏感性,過濾損失以及長期和短期穩(wěn)定性有負(fù)面影響.不同方向的不同切割種子可以提供其他種類的生長區(qū)域.由于水分子在晶體表面的吸附作用,X方向的生長速度最慢;鋁雜質(zhì)抑制了另外兩個方向的生長.鋁含量在Z區(qū)最低,在+X區(qū)較高,但在-X區(qū)較高,在S區(qū)最高;隨著鋁含量的增加,硫區(qū)域的尺寸也增大.氫含量在Z區(qū)最低,在+X區(qū)較高,但在S區(qū)較高,在X區(qū)最高.鋁夾雜物通過γ射線照射轉(zhuǎn)變成色心,導(dǎo)致晶體變暗,與雜質(zhì)的劑量和水平成正比;
不同黑暗區(qū)域的存在揭示了不同的生長區(qū)域.石英晶振中主要的缺陷是晶格中的鋁原子取代硅原子.鋁離子附近有一個相關(guān)的間隙電荷補(bǔ)償器,它可以是氫離子(附著在附近的氧上并形成羥基,稱為氫氧化鋁缺陷),鋰離子,鈉離子,鉀離子(不太常見),或捕獲在附近氧原子軌道上的電子空穴.生長溶液的組成決定了鋁缺陷的電荷補(bǔ)償離子,無論它是基于鋰還是鈉堿化合物.離子雜質(zhì)受到關(guān)注,因?yàn)樗鼈儧]有牢固結(jié)合,并且可以遷移通過晶體,改變晶體的局部晶格彈性和共振頻率.
關(guān)注的其他常見雜質(zhì)有例如鐵(ⅲ)(間隙),氟,硼(ⅲ),磷(ⅴ)(替代),鈦(ⅳ)(替代,普遍存在于巖漿石英中,在熱液石英中不太常見)和鍺(ⅳ)(替代).鈉離子和鐵離子會導(dǎo)致鈣鎂石和鈣鎂石晶體的夾雜物.水的內(nèi)含物可能存在于快速生長的晶體中;晶種附近有大量間隙水分子.另一個重要的缺陷是含氫生長缺陷,當(dāng)形成一對氧化硅基團(tuán)而不是氧化硅結(jié)構(gòu)時;
本質(zhì)上是水解鍵.快速生長的晶體比慢速生長的晶振含有更多的氫缺陷.這些生長缺陷來源于為輻射誘導(dǎo)過程提供氫離子和形成氫氧化鋁缺陷.鍺雜質(zhì)傾向于捕獲輻射過程中產(chǎn)生的電子;堿金屬陽離子然后向帶負(fù)電荷的中心遷移并形成穩(wěn)定絡(luò)合物.基體缺陷也可能存在;氧空位,硅空位(通常由4個氫或3個氫和一個空穴補(bǔ)償),過氧基團(tuán)等.一些缺陷在禁帶中產(chǎn)生局部能級,用作電荷陷阱;鋁(ⅲ)和硼(ⅲ)通常用作空穴陷阱,而電子空位,鈦,鍺和磷原子用作電子陷阱.俘獲的電荷載流子可以通過加熱釋放;它們的重組是熱釋光的原因.
間隙離子的遷移率強(qiáng)烈依賴于溫度.氫離子在10K以下是可移動的,但是堿金屬離子只有在200K左右和以上的溫度下才會移動.羥基缺陷可以通過近紅外光譜測量.俘獲的空穴可以通過電子自旋來測量共振.鋁鈉離子缺陷由于應(yīng)力誘發(fā)的運(yùn)動表現(xiàn)為聲損耗峰;鋁鋰+缺陷不會形成勢阱,因此無法通過這種方式檢測到.一些輻射誘發(fā)的缺陷在熱退火過程中產(chǎn)生熱釋光;可以區(qū)分與鋁,鈦和鍺相關(guān)的缺陷.
掃描晶體是經(jīng)過固態(tài)電擴(kuò)散純化過程的壓電晶體.清掃包括在無氫氣氛中加熱晶體至500℃以上,電壓梯度至少為1kV/厘米,持續(xù)數(shù)小時(通常超過12小時).雜質(zhì)的遷移和堿金屬離子逐漸被氫(當(dāng)在空氣中掃過時)或電子空穴(當(dāng)在真空中掃過時)取代,導(dǎo)致微弱的電流通過晶體;該電流衰減到恒定值表示該過程結(jié)束.然后讓晶體冷卻,同時保持電場.雜質(zhì)是集中在晶體的陰極區(qū)域,然后將其切斷并丟棄.掃描晶體具有增強(qiáng)的抗輻射能力,因?yàn)閯┝啃?yīng)取決于堿金屬雜質(zhì)的水平;它們適用于暴露于電離輻射的裝置,例如核技術(shù)和空間技術(shù).在更高的溫度和更高的場強(qiáng)下真空掃描產(chǎn)生更多抗輻射晶體.雜質(zhì)的含量和性質(zhì)可以通過紅外光譜測量.
石英可以在α相和β相掃描;β相掃描速度較快,但相變可能誘發(fā)孿晶.孿晶可以通過在晶體冷卻通過相變溫度區(qū)域的同時,使晶體經(jīng)受沿X方向的壓縮應(yīng)力或沿X軸的交流或DC電場來減輕.
掃描也可以用來將一種雜質(zhì)引入晶體.鋰,鈉和氫掃掠晶體用于例如研究石英行為.
用于高基模頻率的非常小的晶體可以通過光刻法制造.
晶體可以通過激光微調(diào)調(diào)整到精確的頻率.業(yè)余無線電世界中用于輕微降低晶體頻率的技術(shù)可以通過將具有銀電極的晶體暴露于碘蒸汽中來實(shí)現(xiàn),碘蒸汽通過形成銀薄層而導(dǎo)致表面質(zhì)量輕微增加碘化物;然而,這種晶體具有有問題的長期穩(wěn)定性.另一種常用的方法是電化學(xué)增加或減少銀電極的厚度,方法是將諧振器浸沒在溶于水的青金石,溶于水的檸檬酸或含鹽的水中,并將諧振器用作一個電極,將小銀電極用作另一個電極.
不建議通過刮除部分電極來提高頻率,因?yàn)檫@可能會損壞晶體并降低其品質(zhì)因數(shù).電容微調(diào)器也可用于振蕩器電路的頻率調(diào)整.
可以使用石英以外的一些其他壓電材料.這些包括鉭酸鋰,鈮酸鋰,硼酸鋰,硼化鋰,砷化鎵,四硼酸鋰,磷酸鋁,氧化鉍鍺,多晶鈦鋯陶瓷氧化鋁陶瓷,硅氧化鋅復(fù)合材料或酒石酸二鉀.有些材料可能更適合特定應(yīng)用.振蕩器晶體也可以通過在硅片表面沉積諧振器材料來制造.磷酸鎵,硅酸鎵,硅酸鎵和硅酸鎵的晶體比相應(yīng)的石英晶體具有大約10倍的可拉性,并用于一些VCXO振蕩器.
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