Способ выращивания монокристаллов лантангаллиевого силиката методом чохральского

Способ выращивания монокристаллов лантангаллиевого силиката методом чохральского

Реферат

 

Изобретение относится к выращиванию монокристаллов лантангаллиевого силиката, используемого для изготовления устройств на объемных и поверхностных акустических волнах. Шихту лангасита синтезируют твердофазным синтезом, помещают в иридиевый тигель, установленный в тепловой узел ростовой установки "Кристалл-3М". В контакт с поверхностью расплава вводится вращающийся затравочный кристалл, ориентированный в направлении 54^o у оси Y. Выращивание ведут в защитной атмосфере с частотой вращения кристаллодержателя 1-7 об/мин; осевой градиент - 1-15^oС/см. Послеростовой отжиг кристалла ведут со скоростью охлаждения 15°С/ч в течение 40 ч и со скоростью 25°С/ч в течение 24 ч. Способ позволяет получать качественные кристаллы, оптимально пригодные для последующего изготовления кристаллических элементов фильтров на поверхностных акустических волнах. Распиловка выращенных буль лангасита ведется перпендикулярно оси роста, что позволяет снизить себестоимость кристаллических дисков. 1 табл., 2 ил.

Изобретение относится к области выращивания монокристаллов из расплавов, в частности лантангаллиевого силиката (лангасита) методом Чохральского, используемого для изготовления устройств на объемных и поверхностно-акустических волнах (ПАВ).

Монокристалл лангасита La₃Ga₅SiO₁₄ имеет основные пирамиды роста в направлении <0001> - пинакоида (Z), положительной тригональной призмы <>, отрицательного <> и положительного <> ромбоэдров, дипирамиды <>.

Поэтому разработка способов выращивания монокристаллов лангасита по основным пирамидам роста имеет большое значение для изготовления кристаллических элементов заданного кристаллографического направления, так как только в этом случае осуществляется оптимальный подбор геометрических размеров и направления выращивания були.

В настоящее время наиболее хорошо освоенным является выращивание лангасита в направлении Z Патент РФ 2108417 "Способ выращивания монокристаллов лантангаллиевого силиката" Бузанов О.А. // C 30 B 15/00, 29/34, 27.06.96 г. Наиболее близким к заявляемому является патент РФ 2108418 "Способ выращивания монокристаллов лантангаллиевого силиката" Бузанов О. А. // C 30 B 15/00, 29/34, 12.03.97 г. Качественные кристаллы лангасита при использовании данного патента получаются при выращивании на ориентированную затравку в направлении Z. Из полученных буль вырезаются под углом к направлению к оси роста (фиг. 1) пластины (диски) термостабильного среза монокристалла лангасита 54 град к оси Y, которые используются для изготовления фильтров на ПАВ (Патент РФ 2099857 "Высокочастотное устройство на поверхностных акустических волнах". Н.Ф. Науменко, В.С. Орлов // H 30 H 9/00, 10.01.96 г.).

Выход пластин 1 данного среза из були лангасита (см. чертеж), выраженной в направлении Z диаметром 85 мм, высотой прямого конуса (2) 40 мм, высотой цилиндрической части (3) 110 мм, высотой обратного конуса (4) 25 мм, - порядка 46 шт.

Недостатком использования були, выращенной в направлении Z (фиг. 1), для изготовления дисков (1) среза 54 град к оси Y под углом к оси роста является большой расход материала, неэкономичное его использование и как следствие - высокая стоимость конечного изделия.

В этой связи наиболее рационально было бы изготовление пластин данного среза путем распиловки були перпендикулярно оси роста, так как, как было отмечено выше, только в этом случае осуществляется оптимальный подбор геометрических размеров и направления выращивания були. Выполнение данного условия возможно только при выращивании були в направлении 54 град к оси Y.

Скорости выращивания в разных кристаллографических направлениях разные, что требует подбора условий кристаллизации. В этой связи нельзя автоматически переносить условия роста лангасита в направлении Z на другие кристаллографические направления и, в частности, на условия роста 54 град к оси Y. Выращивание методом Чохральского монокристаллов лангасита в направлении 54 град к оси Y с использованием технологии роста в направлении Z, приводит к ярко выраженному гранному росту, который сопровождается образованием граней гексагональной призмы на боковой поверхности кристалла. Это приводит к отклонению формы кристалла от цилиндрической (кристалл "сжимается") и уменьшению диаметра эффективного сечения и, как следствие, невозможности изготовления дисков диаметром 76,2 мм из були диаметром 85 мм, а следовательно, к нерациональному использованию выращенного материала, возрастанию его себестоимости.

Задача данного изобретения - выращивание лангасита в направлении 54 град к оси Y диаметром були 85 мм, позволяющее изготовление дисков среза 54 град к оси Y путем распиловки выращенной були перпендикулярно оси роста, что позволит в 1,5 - 1,6 раза увеличить выход дисков и снизить их себестоимость.

Поставленная задача достигается тем, что в известном способе выращивания монокристаллов лантангаллиевого силиката методом Чохральского из иридиевого тигля, включающем загрузку в тигель предварительно синтезированной методом твердофазного синтеза компактной шихты, соответствующей составу La₃Ga₅SiO₁₄, создание защитной атмосферы, последующее расплавление материала, введение вращающегося затравочного ориентированного кристалла в контакт с поверхностью расплава, вытягивание ориентированного монокристалла из расплава, согласно предлагаемому изобретению, выращивание монокристалла лангасита ведут в направлении 54 град к оси Y, при скорости вращения кристаллодержателя 1-7 об/мин и осевом градиенте 1-15^oC/см, а послеростовой отжиг монокристалла ведут со скоростью охлаждения 15^oC/ч в течение 40 часов и со скоростью 25^oC/ч в течение 24 часов.

Сущность данного изобретения заключается в следующем. Синтезированная твердофазным синтезом компактная шихта лангасита направляется в иридиевый тигель, установленный в тепловой узел кристаллизатора ростовой установки "Кристалл-3М", после чего вводится в контакт с поверхностью расплава вращающийся затравочный, ориентированный в направлении 54 град к оси Y материал лангасита. Выращивание ориентированного монокристалла происходит в газовой смеси (99% аргона + 1% кислорода) с частотой вращения кристаллодержателя 1 - 7 об/мин и осевом градиенте 1 - 15^oC/см, что позволяет избежать искривления формы кристалла и получить в его сечении, перпендикулярном оси роста, площадь, позволяющую при распиловке перпендикулярно оси кристалла изготовить пластины диаметром 76,2 мм (3 дюйма). Кроме того, выращивание при заданных параметрах позволяет использовать расплав на 66% (степень перехода расплава в кристалл). Послеростовой отжиг кристалла ведут со скоростью охлаждения 15^oC/ч в течение 40 часов и со скоростью 25^oC/ч в течение 24 часов, что позволяет избежать растрескивания кристалла с поверхности и появление внутренних напряжений. При этом получается качественный кристалл (фиг. 2) диаметром 85 мм, высотой прямого конуса (2) - 40 мм, высотой цилиндрической части (3) - 110 мм, высотой обратного конуса (4) - 25 мм, массой 4 кг, из которого путем распиловки перпендикулярно оси роста возможно изготовить 70 дисков (1) среза 54 град к оси Y, массой по 25 г каждый. При этом прямой и обратный конусы кристалла общей массой 700 г могут быть использованы в качестве монокристаллической шихты при повторном выращивании монокристалла лангасита.

При выращивании монокристалла лангасита с частотой вращения кристаллодержателя, большей 7 об/мин, происходит ярко выраженный гранный рост с образованием граней гексагональной призмы на боковой поверхности кристалла. Это приводит к отклонению формы кристалла от цилиндрической и уменьшению диаметра эффективного сечения и, как следствие, невозможности изготовления пластин заданного диаметра.

При выращивании монокристалла с осевым градиентом, большим 15^oC/см, происходит растрескивание кристалла во время его роста.

Проведение послеростового отжига выращенного кристалла на первом этапе со скоростью более 15^oC/ч в течение 40 часов также вызывает растрескивание кристалла и невозможность его дальнейшего практического полезного использования для изготовления дисков.

Проведение послеростового отжига выращенного кристалла на первом этапе со скоростью менее 15^oC/ч позволяет также получать качественные кристаллы лангасита, но при этом происходит затягивание процесса во времени, увеличение расхода электроэнергии и увеличение стоимости конечной продукции.

Проведение ростового отжига выращенного кристалла на втором этапе со скоростью более 25^oC/ч вызывает его растрескивание или во время отжига или после его окончания, а также во время распиловки кристалла на диски.

Проведение ростового отжига выращенного кристалла на втором этапе со скоростью менее 25^oC/ч позволяет избежать появление трещин на кристалле и получить качественные кристаллы лангасита, но при этом также происходит затягивание процесса во времени, увеличение расхода электроэнергии и увеличение стоимости конечной продукции.

Пример Синтезированная твердофазным синтезом компактная шихта лангасита в соотношении: La₂O₃ - 2882,1 г; Ga₂O₃ - 2818,8 г; SiO₂ - 354,3 г наплавляется в иридиевый тигель, установленный в тепловой узел кристаллизатора ростовой установки "Кристалл-3М". В контакт с поверхностью расплава вводится вращающийся затравочный, ориентированный в направлении 54 град к оси Y, материал лангасита. Происходит вытягивание ориентированного монокристалла с частотой вращения кристаллодержателя 1-7 об/мин и осевым градиентом 1-15^oC/см. Послеростовой отжиг кристалла ведут со скоростью охлаждения 10^oC/ч в течение 40 часов и со скоростью 15^oC/ч в течение 24 часов.

При этом получается качественный кристалл диаметром 85 мм, высотой прямого конуса 40 мм, высотой цилиндрической части 110 мм, высотой обратного конуса 25 мм, массой 4 кг, из которого путем распиловки перпендикулярно оси роста возможно изготовление 70 дисков среза 54 град к оси Y диаметром 76,2 мм, массой 25 г. При этом прямой и обратный конусы монокристалла после распиловки общей массой 700 г могут быть использованы в качестве монокристальной шихты при повторном выращивании монокристалла лангасита.

Выращивание монокристаллов лангасита проводили аналогично описанному выше примеру, увеличивая при этом скорость вращения кристаллодержателя, меняя осевой градиент и условия послеростового отжига кристалла. Результаты опытов представлены в таблице. Как видно из данной таблицы, проведение выращивания монокристаллов лангасита с другими технологическими параметрами не позволяет получить качественный кристалл ориентации 54 град к оси Y.

Таким образом, заявленный способ позволяет получить качественные монокристаллы лангасита ориентации 54 град к оси Y, оптимально пригодные для изготовления кристаллических элементов, используемых в фильтрах на ПАВ. Распиловка выращенных заявленным способом буль лангасита ведется перпендикулярно оси роста. Такое рациональное использование выращенного материала позволяет в 1,5 - 1,6 раза увеличить выход дисков и снизить их себестоимость.

Формула изобретения

Способ выращивания монокристаллов лантангаллиевого силиката методом Чохральского из иридиевого тигля, включающий загрузку в тигель предварительно синтезированной методом твердофазного синтеза компактной шихты, соответствующей составу La₃Ga₅SiO₁₄, создание защитной атмосферы, последующее расплавление материала, введение вращающегося затравочного ориентированного кристалла в контакт с поверхностью расплава, вытягивание ориентированного монокристалла из расплава, отличающийся тем, что выращивание монокристалла ведут в направлении 54^o к оси У, при скорости вращения кристаллодержателя 1 - 7 об/мин, осевом градиенте 1 - 15^oC/см и затем проводят послеростовой отжиг выращенного кристалла в два этапа со скоростью охлаждения 15^oC/ч в течение 40 ч и скоростью 25^oC/ч в течение 24 ч.

РИСУНКИ

Рисунок 1, Рисунок 2, Рисунок 3, Рисунок 4