四硼酸鋰(lbo)單晶的坩堝下降法生長的製作方法

2024-04-08 02:56:05 2

專利名稱：四硼酸鋰(lbo)單晶的坩堝下降法生長的製作方法
技術領域：
本發明屬於單晶生長領域。
迄今為止，四硼酸鋰(Li2B4O7∶LBO或LTB)單晶生長，國內外均採用提拉法(Czochralski)。該生長方法的基本特徵是在提拉法單晶爐內，通過高頻或電阻加熱熔化在鉑坩堝內的四硼酸鋰原料，再經過下種、縮頸、旋轉提拉等操作，生長出一定方向和一定尺寸的LBO單晶。該單晶具有高聲表面波(SAW)有效機電耦合係數(k2≈1%)，零延遲溫度係數(TCD＝0)的切向，高聲速，比重輕，不需極化，冷加工性能好的優點。因此，LBO單晶壓電材料是一種有前途的SAW和BAW(體聲波)器件的溫度補償基片材料。由於LBO熔體粘度大，晶體熱膨脹的各向異性，用提拉法生長LBO單晶時，易於出現白色絲狀包裹物、氣泡、生長裂紋，組份過冷條紋等宏觀缺陷和開裂破碎。該方法單機單產，加上因LBO熔體粘度大而不可能實現快速完整生長。因此，該工藝效率低。國際上尚未實現LBO單晶的工業化生產。(日本公開特許公報(A)，昭和62-108800;昭和62-162693;昭和62-36098;昭和62-96398.
Jpn.J.Appl.Phys.1985，24(Suppl.24-3)72-75;J.MaterialSoci.17(1982)1729-1738;
J.CrystalGrowth41(1977)225-227;
《人工晶體》14(1985)92.
本發明的目的是提供一種穩定可靠的高質量LBO單晶的生長方法，以實現LBO新型壓電單晶的工業化生產。即生長LBO壓電單晶的Bridgman法。
本發明的主要技術內容是將高純(99.9%，以下同)LBO原料壓塊置入下部安放一定尺寸和方向晶種的坩堝中;鉑坩堝置於Bridgman單晶爐中，熔化原料和晶種頂部，在一定爐溫下控制坩堝下降速度，即可生長出無宏觀和顯微缺陷的高質量LBO單晶體。
本發明的詳細內容如下1.原料壓塊成型將高純LBO粉末按鉑坩堝的尺寸和形狀要求，作靜水壓或模壓成型。LBO壓塊的密度為0.9～1.4克/釐米3。
2.容納LBO熔體和安放晶種的鉑金坩堝壁厚為0.08～0.15毫米，並接近氣密，以防止LBO熔體組份的揮發。
3.LBO晶種方向為100、001、110、210等，垂直於生長方向的晶種橫截面積(S晶種)與生長晶體的橫截面積(S晶體)之比 P(＝ (S晶種)/(S晶體) )≥15%。
4.在Bridgman單晶爐內熔化LBO原料壓塊和晶種頂部，在爐溫為950～1100℃範圍內，以≤0.3毫米/小時的速度下降，即可獲得與鉑坩堝形狀相同的完整LBO單晶。
5.可在Bridgman單晶爐內安放多隻鉑金坩堝，同時生長不同形狀、不同尺寸的LBO單晶。(即鉑坩堝形狀、數量可控)。
本發明與提拉法相比，其優點是溫場穩定，生長的LBO晶體完整性好，無宏觀及顯微缺陷;成品率高;晶體尺寸和外形容易控制，不易開裂。工藝設備簡單，操作方便，能耗明顯降低，有利於實現工業化生產(見表1)。
表1 本發明與提拉法生長LBO的比較
與現代工業上廣泛使用的高熔點壓電晶體LN(LiNbO3，1250℃)和LT(LiTaO3，1670℃)相比，LBO單晶熔點低(917℃)，一致熔融生長，且不需極化處理。其密度僅約為LN的 1/2 ，LT的 1/3 。同樣重量的LBO晶體出片率將約為LN的2倍，LT的3倍，這將大大降低基片的成本。LBO具有高的SAW k2和TCD＝0的切向，這對SAW和BAW器件性能的改進和窄帶帶通SAW濾波器、諧振器或甚高頻器件的設計非常重要。
從表2可見，LBO能夠取代LT、LN在SAW和BAW器件的應用，有利於這類器件的更新換代。
目前，世界上LT、LN廣泛用於彩色、黑白電視機，磁帶錄像機中頻濾波器，磁帶錄像機的射頻諧振器，衛星廣播，特種電話，移動式無線電臺等。1985年其產值已為78億日元。我國國內LT、LN的生產以噸計，年產值約數百萬元(以87年產LN5噸為例，產值
為600萬元)以此材料製成的濾波器產值則為數千萬元(見表2)LBO單晶工業生產後，將可取得更為可觀的經濟效益。
由於該晶體在國際上尚未實現工業化生產，使用本發明的方法實現工業化生產，不僅可獲得經濟效益，也將產生積極的社會效益。
本發明實施例如下1.將高純(99.9%)LBO粉料經靜水壓或模壓成密度為0.9克/釐米3的壓塊，並放入壁厚為0.08毫米的鉑坩堝中。100長方柱形晶種，其橫截面積S晶種/S晶體(即P)為15%置於壓塊下部。在Bridgman單晶爐內，於950℃溫度下熔化壓塊和晶種上部，保溫4小時後，以0.3毫米/小時的速度下降坩堝，生長無色透明的LBO完整晶體。
2.將密度1.2克/釐米3的壓塊，P為25%001園形晶種，放入壁厚為0.1毫米的鉑坩堝中，在1050℃下熔化壓塊和晶種上部，然後以0.2毫米/小時的速度下降坩堝，生長園形LBO完整晶體。
3.將密度為1.4克/釐米3的壓塊，P為30%的110多邊形晶种放入壁厚為0.15毫米的鉑坩堝中，在1100℃溫度下，熔化原料和熔接晶種，以0.15毫米/小時的速度下降坩堝，生長LBO完整晶體。
4.按實例1，2，3所述的工藝條件，將001，100，110，210等不同取向的晶种放入10隻鉑坩堝中同時生長10根LBO晶體。
權利要求
1.一種生長四硼酸鋰單晶(Li2B4O7∶LBO)的坩堝下降法(Bridgman)，包括(1)晶種沿001，100，110，210等取向；(2)粉料經靜水壓或模壓成型；(3)壓塊置鉑金坩堝內在950～1100℃下熔化；其特徵在於①壓塊密度為0.9-1.4克/釐米3；②所用鉑金坩堝壁厚為0.08-0.15毫米；③垂直於生長方向的晶種橫截面積與生長晶體，橫截面積之比為≥15%；④以≤0.3毫米/小時的速度作坩堝下降。
2.根據權利要求1的LBO單晶生長方法，其特徵在於所述的鉑金坩堝形狀和數量可控。
全文摘要
四硼酸鋰單晶(Li
文檔編號C30B11/14GK1042575SQ88105599
公開日1990年5月30日 申請日期1988年11月5日 優先權日1988年11月5日
發明者範世愷 申請人:中國科學院上海矽酸鹽研究所