尺寸被优化以获得所需晶片的高产量.生长高纯度石英晶体时,铝,碱金属和其他杂质含量特别低,缺陷最小;少量碱金属增加了对电离辐射的抵抗力.用于切割音叉32.768K的手表晶体以非常低的蚀刻通道密度生长.
用于声表面波器件的晶体生长成扁平的,具有大尺寸的籽晶和低蚀刻通道密度.
用于高度稳定振荡器的特殊高品质晶体以恒定的低速生长,并且沿整个Z轴具有恒定的低红外吸收.晶体可以生长为Y-棒,籽晶为棒形并沿Y轴伸长,或者生长为Z-板,由具有Y轴方向长度和X轴宽度的板籽晶生长而成.籽晶周围的区域含有大量晶体缺陷,不应用于晶片.
现代石英表中使用的音叉晶体简单的石英晶体杂质.杂质对晶体的辐射硬度,孪晶敏感性,过滤损失以及长期和短期稳定性有负面影响.不同方向的不同切割种子可以提供其他种类的生长区域.由于水分子在晶体表面的吸附作用,X方向的生长速度最慢;铝杂质抑制了另外两个方向的生长.铝含量在Z区最低,在+X区较高,但在-X区较高,在S区最高;随着铝含量的增加,硫区域的尺寸也增大.氢含量在Z区最低,在+X区较高,但在S区较高,在X区最高.铝夹杂物通过γ射线照射转变成色心,导致晶体变暗,与杂质的剂量和水平成正比;
不同黑暗区域的存在揭示了不同的生长区域.石英晶振中主要的缺陷是晶格中的铝原子取代硅原子.铝离子附近有一个相关的间隙电荷补偿器,它可以是氢离子(附着在附近的氧上并形成羟基,称为氢氧化铝缺陷),锂离子,钠离子,钾离子(不太常见),或捕获在附近氧原子轨道上的电子空穴.生长溶液的组成决定了铝缺陷的电荷补偿离子,无论它是基于锂还是钠碱化合物.离子杂质受到关注,因为它们没有牢固结合,并且可以迁移通过晶体,改变晶体的局部晶格弹性和共振频率.
关注的其他常见杂质有例如铁(ⅲ)(间隙),氟,硼(ⅲ),磷(ⅴ)(替代),钛(ⅳ)(替代,普遍存在于岩浆石英中,在热液石英中不太常见)和锗(ⅳ)(替代).钠离子和铁离子会导致钙镁石和钙镁石晶体的夹杂物.水的内含物可能存在于快速生长的晶体中;晶种附近有大量间隙水分子.另一个重要的缺陷是含氢生长缺陷,当形成一对氧化硅基团而不是氧化硅结构时;
本质上是水解键.快速生长的晶体比慢速生长的晶振含有更多的氢缺陷.这些生长缺陷来源于为辐射诱导过程提供氢离子和形成氢氧化铝缺陷.锗杂质倾向于捕获辐射过程中产生的电子;碱金属阳离子然后向带负电荷的中心迁移并形成稳定络合物.基体缺陷也可能存在;氧空位,硅空位(通常由4个氢或3个氢和一个空穴补偿),过氧基团等.一些缺陷在禁带中产生局部能级,用作电荷陷阱;铝(ⅲ)和硼(ⅲ)通常用作空穴陷阱,而电子空位,钛,锗和磷原子用作电子陷阱.俘获的电荷载流子可以通过加热释放;它们的重组是热释光的原因.
间隙离子的迁移率强烈依赖于温度.氢离子在10K以下是可移动的,但是碱金属离子只有在200K左右和以上的温度下才会移动.羟基缺陷可以通过近红外光谱测量.俘获的空穴可以通过电子自旋来测量共振.铝钠离子缺陷由于应力诱发的运动表现为声损耗峰;铝锂+缺陷不会形成势阱,因此无法通过这种方式检测到.一些辐射诱发的缺陷在热退火过程中产生热释光;可以区分与铝,钛和锗相关的缺陷.
扫描晶体是经过固态电扩散纯化过程的压电晶体.清扫包括在无氢气氛中加热晶体至500℃以上,电压梯度至少为1kV/厘米,持续数小时(通常超过12小时).杂质的迁移和碱金属离子逐渐被氢(当在空气中扫过时)或电子空穴(当在真空中扫过时)取代,导致微弱的电流通过晶体;该电流衰减到恒定值表示该过程结束.然后让晶体冷却,同时保持电场.杂质是集中在晶体的阴极区域,然后将其切断并丢弃.扫描晶体具有增强的抗辐射能力,因为剂量效应取决于碱金属杂质的水平;它们适用于暴露于电离辐射的装置,例如核技术和空间技术.在更高的温度和更高的场强下真空扫描产生更多抗辐射晶体.杂质的含量和性质可以通过红外光谱测量.
石英可以在α相和β相扫描;β相扫描速度较快,但相变可能诱发孪晶.孪晶可以通过在晶体冷却通过相变温度区域的同时,使晶体经受沿X方向的压缩应力或沿X轴的交流或DC电场来减轻.
扫描也可以用来将一种杂质引入晶体.锂,钠和氢扫掠晶体用于例如研究石英行为.
用于高基模频率的非常小的晶体可以通过光刻法制造.
晶体可以通过激光微调调整到精确的频率.业余无线电世界中用于轻微降低晶体频率的技术可以通过将具有银电极的晶体暴露于碘蒸汽中来实现,碘蒸汽通过形成银薄层而导致表面质量轻微增加碘化物;然而,这种晶体具有有问题的长期稳定性.另一种常用的方法是电化学增加或减少银电极的厚度,方法是将谐振器浸没在溶于水的青金石,溶于水的柠檬酸或含盐的水中,并将谐振器用作一个电极,将小银电极用作另一个电极.
不建议通过刮除部分电极来提高频率,因为这可能会损坏晶体并降低其品质因数.电容微调器也可用于振荡器电路的频率调整.
可以使用石英以外的一些其他压电材料.这些包括钽酸锂,铌酸锂,硼酸锂,硼化锂,砷化镓,四硼酸锂,磷酸铝,氧化铋锗,多晶钛锆陶瓷氧化铝陶瓷,硅氧化锌复合材料或酒石酸二钾.有些材料可能更适合特定应用.振荡器晶体也可以通过在硅片表面沉积谐振器材料来制造.磷酸镓,硅酸镓,硅酸镓和硅酸镓的晶体比相应的石英晶体具有大约10倍的可拉性,并用于一些VCXO振荡器.
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