專利名稱：硅酸鑭鎵晶片及其制備方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明涉及無(wú)線電電子學(xué)并能夠應(yīng)用于運(yùn)行聲表面波(SAW)和體聲波(VAW)的電聲學(xué)頻率選擇器中。
背景技術(shù)：
聲表面波和體聲波器件具有很好的前景，其實(shí)際應(yīng)用包括開發(fā)新材料和廉價(jià)技術(shù)，用于生長(zhǎng)具有預(yù)定特性與尺度的壓電晶體。
硅酸鑭鎵(Langasite La3Ga5SiO14)單晶證明是一種可為當(dāng)代無(wú)線電電子設(shè)備裝備小尺度選擇性器件的很有希望的壓電材料，因?yàn)槠渚哂幸幌盗忻鞔_的特性，比如硅酸鑭鎵晶體介電常數(shù)優(yōu)于決磷鋁礦(berlinite)，Q因子優(yōu)于石英。它們的三斜對(duì)稱性使其存在這樣的切片，具有很低或甚至為零的頻率溫度系數(shù)，并伴隨有很大的機(jī)電耦合系數(shù)。
新材料的采用，比如硅酸鑭鎵將降低晶體的成本、發(fā)展其工業(yè)生產(chǎn)的技術(shù)并增加生長(zhǎng)晶體的尺度。
就技術(shù)實(shí)質(zhì)和可得到的結(jié)果而言，與所提出的晶片及其生產(chǎn)方法最相近的是一用于聲表面波器件的圓盤狀硅酸鑭鎵晶片。(參照K.Shimamura等人發(fā)表于J.of Crystal Growth，1996，第163卷，388-392頁(yè)的題目為“壓電應(yīng)用的硅酸鑭鎵La3Ga5SiO14單晶的生長(zhǎng)與表征”的論文)。硅酸鑭鎵晶片的直徑不超過(guò)50mm，因?yàn)楝F(xiàn)有的生長(zhǎng)硅酸鑭鎵晶體的技術(shù)不能制備更大直徑的優(yōu)質(zhì)晶體。然而，大多數(shù)國(guó)內(nèi)外企業(yè)所采用的生產(chǎn)工藝設(shè)備最小的圓盤直徑設(shè)計(jì)為76mm(3英寸)，因?yàn)樵摮叨仁沟镁推骷倲?shù)而言，在圓盤的整個(gè)表面上沿著盤的周邊，器件的損耗最低。
一種現(xiàn)有的采用切可勞斯基方法生長(zhǎng)硅酸鑭鎵單晶的現(xiàn)有技術(shù)包括在鉑坩堝中高頻感應(yīng)熔融一爐料，該爐料是采用固相合成法將鑭、鎵和硅的氧化物混合合成得到的，隨后沿著取向籽晶從熔體中進(jìn)行空氣拉晶(M.F.Dubovik等人發(fā)表于1994，IEEE International frequencycontrol symposium，43-47頁(yè)的題目為“硅酸鑭鎵(La3Ga5SiO14)，光學(xué)壓電生長(zhǎng)與特性”的論文)。這種方法生長(zhǎng)的硅酸鑭鎵晶體可以有60-70mm的直徑及1kg的重量，所用圓柱狀坩堝直徑為100mm，該尺寸近似等于它的高度。由此生長(zhǎng)的晶體再經(jīng)1623K溫度下的退火處理。
另一種采用切可勞斯基方法生長(zhǎng)硅酸鑭鎵單晶的現(xiàn)有技術(shù)包括在鉑坩堝中高頻感應(yīng)熔融預(yù)合成的爐料，再沿著取向籽晶從熔體中，在摻雜氧(3體積％)的氮?dú)夥障逻M(jìn)行拉晶(A.A.Kaminski等人發(fā)表于Phy.Stat.Sol.(a)，1983，第80卷，387-398頁(yè)的題目為“(La1-xNax)3Ga3SiO14三斜晶體的研究”的論文)。然而，純氮?dú)夥罩械木w生長(zhǎng)伴隨有顯著的氧化鎵的揮發(fā)，而添加氧則增加了熔體中的鉑含量。
另一種已知的生長(zhǎng)硅酸鑭鎵晶體的技術(shù)發(fā)明者為了解決這個(gè)問(wèn)題，進(jìn)而發(fā)展生長(zhǎng)硅酸鑭鎵晶體的工業(yè)級(jí)的技術(shù)，是通過(guò)改善結(jié)晶室熱單元的構(gòu)造排列而實(shí)現(xiàn)的(A.N.Gotalskaya等人發(fā)表于Journal de physiqueIV，1994，第4卷，201-210頁(yè)的題目為“生長(zhǎng)硅酸鑭鎵晶體的特點(diǎn)及其性能”的論文)。結(jié)果得到的晶體直徑為62mm，重量達(dá)2kg。晶體是從采用固相合成法制備的爐料中生長(zhǎng)得到的。
關(guān)于技術(shù)實(shí)質(zhì)和可得到的結(jié)果，與該提出的方法最相近的是一種包含切可勞斯基方法生長(zhǎng)硅酸鑭鎵晶體的方法，包括將組成對(duì)應(yīng)為L(zhǎng)a3Ga5SiO14的預(yù)合成材料裝入坩堝，制造保護(hù)氣氛，隨后將送入的材料熔融，引入旋轉(zhuǎn)取向的籽晶，使其接觸熔體表面，再?gòu)娜垠w中拉出取向晶體。(參照K.Shimamura等人發(fā)表于J.of Crystal Growth，1996，第163卷，388-392頁(yè)的題目為“壓電應(yīng)用的硅酸鑭鎵La3Ga5SiO14單晶的生長(zhǎng)與表征”的論文)。根據(jù)該已知方法，晶體是在一感應(yīng)加熱的生長(zhǎng)裝置中生長(zhǎng)出來(lái)的，在送入材料裝入鉑坩堝或銥坩堝以后，晶體將會(huì)在包含氬和氧(1-2體積％)氣體混合物的氣流中生長(zhǎng)。
然而，通過(guò)已知工藝方法生長(zhǎng)的晶體包含有第二相，不同工藝間晶體性能不可重復(fù)且出現(xiàn)了大量視力上可見的散射中心。這種情況在試圖生長(zhǎng)直徑超過(guò)70mm的晶體時(shí)變得更為嚴(yán)重。另外，使用該已知工藝方法生長(zhǎng)晶體在晶片的制造過(guò)程中會(huì)有大的材料損失，因?yàn)楹笳呤窃谂c晶體生長(zhǎng)軸成大角度的情況下被切割掉的。
與制備生長(zhǎng)硅酸鑭鎵單晶用合成材料(爐料)的建議方法最相近的是一種通過(guò)固相合成燒結(jié)鑭、鎵和硅的起始氧化物來(lái)制備爐料的方法。(B.V.Mil等人，“具有Ca3Ga2GeO14結(jié)構(gòu)的改性稀土鎵酸鹽”，Transactionsof the USSR Academy of Sciences，1982，V.264，#6，pp.1385-1389)。
根據(jù)這種已知方法，首先將各種氧化物按化學(xué)計(jì)量比混合，然后在含氧氣氛下1300℃溫度燒成。然而，這樣制備的爐料不能用于生長(zhǎng)化學(xué)計(jì)量比的硅酸鑭鎵單晶，因?yàn)榻饘傺趸锏臒Y(jié)伴隨有其中易揮發(fā)組分的損失。將燒結(jié)溫度降至低于1300℃會(huì)使得易揮發(fā)組分的損失減少，但是，由于相對(duì)體積而言的反應(yīng)的不完全進(jìn)行會(huì)導(dǎo)致硅酸鑭鎵的生成量降低。為了使合成過(guò)程進(jìn)行得更完全，必需反復(fù)進(jìn)行合成產(chǎn)物的精磨并在混合氧化物后進(jìn)行加熱。這將導(dǎo)致弄臟最終產(chǎn)物即硅酸鑭鎵爐料并使其制造成本升高。
發(fā)明內(nèi)容
本發(fā)明的主要目的在于提供一種生態(tài)學(xué)純的工業(yè)規(guī)模的生長(zhǎng)化學(xué)計(jì)量組成的硅酸鑭鎵單晶的方法，其單晶最小直徑為76mm(3英寸)(內(nèi)切圓)，重量超過(guò)3.5kg，因?yàn)樵摮叽缡沟孟鄬?duì)圓盤的整個(gè)表面沿著盤的邊緣，器件的損耗最低。所得晶體應(yīng)無(wú)視力上可見的散射中心并且具有這樣的取向，使得從其中制備的晶片取向使頻率溫度系數(shù)的值近似為零且材料損耗最小。
由于可用于運(yùn)行聲表面波的器件的盤狀硅酸鑭鎵晶片具有75-80mm的直徑，并且這種盤具有基底切片，上述目標(biāo)可以實(shí)現(xiàn)。
另外，由于生長(zhǎng)硅酸鑭鎵單晶的已知方法采用了切可勞斯基方法，并包括以下過(guò)程，進(jìn)而上述目標(biāo)可以實(shí)現(xiàn)，所述過(guò)程包括在坩堝中裝入與組成La3Ga5SiO14的相應(yīng)的預(yù)合成材料(爐料)，制造保護(hù)氣氛，隨后將送入的材料熔融，引入旋轉(zhuǎn)的取向籽晶，使其接觸熔體表面，再?gòu)娜垠w中拉出取向晶體。所述的引入旋轉(zhuǎn)籽晶接觸熔體表面是在熔體保持2-15小時(shí)以后進(jìn)行的，保護(hù)氣氛是通過(guò)采用氬氣或氮?dú)馀c空氣的混合物而形成的，其中空氣所占比例為2-15體積％，總壓力為1.10-1.80atm，在籽晶與熔體接觸之前，總壓力降低至1.00-1.09atm的范圍。
取向籽晶以29-35rpm的速度旋轉(zhuǎn)。
另外，作為取向籽晶的是一在<01.1>±3°方向取向的硅酸鑭鎵晶體。
根據(jù)本發(fā)明，在晶體生長(zhǎng)以后，它們將在氬氣氛下、1300-1673K的溫度下、1.1-1.8atm的壓力下保持20-36小時(shí)。
上述目標(biāo)可以實(shí)現(xiàn)，同時(shí)也是由于采用了一種制備用于生長(zhǎng)硅酸鑭鎵晶體的爐料的方法，該方法包括將鑭、鎵和硅的氧化物混合，隨后將所得混合物加熱。按照下列比例往氧化物的混合物中添加金屬鎵La2O3∶Ga∶Ga2O3∶SiO2＝1∶(0.2-0.3)∶(0.68-0.55)∶0.12，在存在氧化劑條件下，加熱是局部、瞬態(tài)地，在自發(fā)高溫合成開始之前進(jìn)行的。
在加熱之前，摻雜鎵的氧化物混合物先制成塊。
局域的瞬態(tài)加熱是在一電弧中進(jìn)行的。
本方法的實(shí)質(zhì)包括通過(guò)在實(shí)驗(yàn)發(fā)現(xiàn)的時(shí)間間隔內(nèi)，并結(jié)合在給定范圍內(nèi)變化保護(hù)氣氛壓力條件下使熔體保溫，以使其完全熔融均勻化，并且揮發(fā)性組分的損失最少(如低價(jià)氧化鎵)。
為了達(dá)到本發(fā)明的上述目標(biāo)，發(fā)明者已根據(jù)實(shí)驗(yàn)發(fā)現(xiàn)了保護(hù)氣氛壓力值變化范圍、熔體保持時(shí)間、籽晶的旋轉(zhuǎn)速度及其取向、熱處理?xiàng)l件、所有這些操作的最優(yōu)范圍、并結(jié)合了本方法其它實(shí)質(zhì)特征。硅酸鑭鎵籽晶在<01.1>方向取向，晶體沿該方向生長(zhǎng)，進(jìn)而晶片可從長(zhǎng)大的晶體上與生長(zhǎng)軸成直角切下，從而使得材料損失最小并且具有近似為零的頻率溫度系數(shù)。所以，建議的硅酸鑭鎵籽晶的取向可使晶體沿<01.1>方向生長(zhǎng)。
在建議條件下進(jìn)行的長(zhǎng)大晶體的熱處理使得制造無(wú)任何機(jī)械應(yīng)力和視力上可見的散射中心的硅酸鑭鎵晶體成為可能。同時(shí)值得注意的是該建議的硅酸鑭鎵單晶的熱處理改變了晶體樣品的著色。這種晶體的光學(xué)透射光譜在
圖1中示出。試驗(yàn)樣品為熱處理前后的2mm厚的硅酸鑭鎵晶片。(分別參考特征曲線1和2)。
為了制備生長(zhǎng)化學(xué)計(jì)量組成的硅酸鑭鎵單晶用的爐料，按照本文建議的濃度范圍將金屬鎵添加到鑭、鎵和硅的氧化物的混合物中。接著將混合物局部加熱，直至自發(fā)高溫合成開始進(jìn)行，如電弧加熱中。采用這種加熱，鎵發(fā)生氧化并放出熱量，這些熱量又促進(jìn)了該反應(yīng)進(jìn)入自發(fā)高溫合成過(guò)程，其中金屬氧化物及金屬鎵具有預(yù)選的濃度。燃燒工藝得到的氧化鎵與氧化鑭反應(yīng)，形成了一種中間相，該中間相在復(fù)燒達(dá)到1673K溫度時(shí)，與鎵和硅的氧化物反應(yīng)直至形成La3Ga5SiO14相。氧化鎵的選擇濃度的具體值如下表所列。<
>所得爐料材料具有化學(xué)計(jì)量組成并且適于生長(zhǎng)具有預(yù)置性能的硅酸鑭鎵單晶。
附圖簡(jiǎn)述下面將參照附圖通過(guò)描述性實(shí)施方案來(lái)詳細(xì)公開本發(fā)明，其中圖1示出了晶體的光學(xué)透射光譜。
圖2示出了硅酸鑭鎵晶片的構(gòu)造排列，其直徑為D、厚度為H、基底切片長(zhǎng)度為L(zhǎng)。
實(shí)施本發(fā)明的最佳方式為了生產(chǎn)最小直徑為75mm的硅酸鑭鎵晶片，在預(yù)先制備了起始材料(爐料)后，采用自發(fā)高溫合成方法生長(zhǎng)起始晶體。為了制備100g爐料，需采用III℃一級(jí)氧化鑭(根據(jù)Branch標(biāo)準(zhǔn)C
b48-194-8)、4級(jí)氧化鎵(根據(jù)標(biāo)準(zhǔn)說(shuō)明b‰6-09-5729-80)、氧化硅(根據(jù)標(biāo)準(zhǔn)說(shuō)明b‰48-4-360-75)和99.99％的金屬鎵(根據(jù)標(biāo)準(zhǔn)說(shuō)明b‰48-4-360-75)。并將48.04g純度為99.99％的氧化鑭、28.83g純度為99.99％的氧化鎵、5.86g空氣級(jí)純度99.99％的氧化硅以及12.49g熔融金屬鎵進(jìn)行混合。為了使反應(yīng)進(jìn)行得更完全，得到的混合物壓成片狀，并將其放置于一水平反應(yīng)容器中，其中氧以5升/小時(shí)的速率送入。再將混合物進(jìn)行局域加熱直至自發(fā)高溫合成反應(yīng)在電弧中開始進(jìn)行。合成時(shí)間從5至15分鐘，復(fù)燒中氧的送入速率為5升/小時(shí)，冷卻至室溫的時(shí)間為40至60分鐘。采用建議方法制備的起始爐料，其對(duì)應(yīng)組成為L(zhǎng)a3Ga6SiO14。將6.5千克爐料裝入由99.99％純度的銥制造的坩堝中，該坩堝直徑為120mm。接著將裝滿爐料的坩堝放置于一晶體生長(zhǎng)裝置的腔體中，該腔體排空至10-4Hg，再在其中充入氬氣-空氣的混合物直至得到1.2atm的壓力?？諝忸A(yù)先在一氮?dú)夥蛛x器(trap)中采用液氮進(jìn)行干燥。氬氣-空氣的混合物中空氣的濃度為10體積％，氬氣的純度為99.998％。將坩堝感應(yīng)加熱至爐料完全熔融。通過(guò)質(zhì)量能譜分析測(cè)定雜質(zhì)的總含量不超過(guò)5×10-4wt％。在熔體表面與沿<01.>±15｀方向取向的籽晶接觸之前，先將熔體保持15小時(shí)，后將生長(zhǎng)室中氬氣-空氣的混合物的壓力降至1.05atm。接著將籽晶的旋轉(zhuǎn)速度設(shè)定為28rpm，使籽晶與熔體表面接觸，取向的硅酸鑭鎵晶體即以一定速率從熔體中拉出，該速率在生長(zhǎng)過(guò)程中從2.5變化至1.5毫米/小時(shí)。所得晶體重量為3.65kg，圓柱部分內(nèi)切圓的直徑等于80mm。在晶體生長(zhǎng)完成以后，在生長(zhǎng)室中冷卻至室溫需至少24小時(shí)。接著晶體在1423K溫度、氬氣氛壓力為1.6atm的條件下保持24小時(shí)。通過(guò)在氦-氖激光束中檢測(cè)晶體中散射中心的存在，表明晶體中沒(méi)有這種中心。另外，上面提到的熱處理步驟避免了所得硅酸鑭鎵晶體中任何機(jī)械應(yīng)力的存在，并且改善了樣品晶體的著色。這樣生長(zhǎng)的晶體具有<01.1>取向，在垂直于晶軸從晶體中切出得到晶片。
工業(yè)應(yīng)用本發(fā)明的直徑為75-80mm的盤狀硅酸鑭鎵晶片可在聲表面波器件中得到廣泛應(yīng)用。本發(fā)明的生長(zhǎng)硅酸鑭鎵晶體及制備生長(zhǎng)晶體用爐料的方法可以生產(chǎn)出化學(xué)計(jì)量組成的、最小直徑為75mm、最小重量為3.5kg的單晶。該生長(zhǎng)硅酸鑭鎵晶體的方法是純生態(tài)型的并且得到的晶體無(wú)視力上可見的散射中心。
權(quán)利要求
1.一種應(yīng)用于運(yùn)行聲表面波的器件中的硅酸鑭鎵盤狀晶片，其特征在于該圓盤的直徑位于75至80mm的范圍，并且該盤具有基底切片。
2.一種采用切可勞斯基法生長(zhǎng)硅酸鑭鎵單晶的方法，包括將組成相應(yīng)于La3Ga5SiO14的爐料裝入坩堝，制造保護(hù)氣氛，隨后將爐料熔融，引入旋轉(zhuǎn)的取向籽晶，使其接觸熔體表面，再?gòu)娜垠w中拉出取向晶體，該方法的特征在于使籽晶與熔融爐料接觸之前，熔融爐料保持2至15小時(shí)，保護(hù)氣氛是通過(guò)采用氬氣或氮?dú)馀c空氣的混合物而形成的，其中空氣所占比例為2-15體積％，其總壓力為1.10-1.80atm，在籽晶與熔體接觸之前，該總壓力降低至1.00-1.09atm的范圍。
3.根據(jù)權(quán)利要求2的方法，其特征在于取向籽晶以20-35rpm的速度旋轉(zhuǎn)。
4.根據(jù)權(quán)利要求2的方法，其特征在于作為取向籽晶的是一在<01.1>±3°方向取向的硅酸鑭鎵晶體。
5.根據(jù)權(quán)利要求2的方法，其特征在于在晶體生長(zhǎng)以后，它們將在氬氣氛下、1300-1673K的溫度下、1.1-1.8atm的壓力下保持20-36小時(shí)。
6.一種制備生長(zhǎng)硅酸鑭鎵單晶用爐料的方法，包括混合鑭、鎵和硅的氧化物，隨后加熱得到的混合物，該方法的特征在于按照下列比例往所述氧化物的混合物中添加金屬鎵La2O3∶Ga∶Ga2O3∶SiO2＝1∶(0.2-0.3)∶(0.68-0.55)∶0.12，加熱是氧化劑的存在下局部、瞬態(tài)地在自發(fā)高溫合成反應(yīng)開始之前進(jìn)行的。
7.根據(jù)權(quán)利要求6的方法，其特征在于鑭、鎵和硅的氧化物的混合物在被加熱之前，先制成塊體。
8.根據(jù)權(quán)利要求6的方法，其特征在于局部、瞬態(tài)地加熱是在電弧中進(jìn)行的。
全文摘要
本發(fā)明涉及電子學(xué)領(lǐng)域并且可應(yīng)用于聲表面波和體聲波的電聲學(xué)頻率選擇器中。本發(fā)明的目的是闡述一種生產(chǎn)化學(xué)計(jì)量結(jié)構(gòu)的硅酸鑭鎵單晶的工業(yè)方法,其直徑不低于75mm且重量大于3.5kg,沿<01.1>±3°方向取向。圓盤是沿與縱向軸成90°的角度切下的,進(jìn)而確保頻率溫度系數(shù)的值為零。
文檔編號(hào)C30B15/00GK1251625SQ97182076
公開日2000年4月26日 申請(qǐng)日期1997年12月30日 優(yōu)先權(quán)日1997年3月12日
發(fā)明者V·V·阿列科夫, O·A·布扎諾夫, A·B·格里岑科, G·G·科茲諾夫 申請(qǐng)人:拉菲達(dá)發(fā)展公司