Способ выращивания монокристаллов лантангаллиевого силиката

 

Изобретение относится к способам выращивания монокристаллов галлийсодержащих оксидных соединений, а именно лантангаллиевого силиката, обладающего пьезоэлектрическим эффектом и используемого для изготовления устройств на объемных и поверхностных акустических волнах. Сущность способа состоит в выборе ориентации затравочного кристалла, обеспечивающей выращивание методом Чохральского монокристаллов лангангаллиевого силиката вдоль направления <01.1>. Эта ориентация позволяет вырезать пластины под углом 90° от оси роста, обеспечивая минимальные потери материала и близкий к нулю температурный коэффициент частоты.

Предлагаемый способ относится к способам выращивания монокристаллов галлийсодержащих оксидных соединений, а именно лантангаллиевого силиката (ЛГС), обладающего пьезоэлектрическим эффектом и используемого для изготовления устройств на объемных и поверхностных акустических волнах.

Известен способ выращивания монокристаллов лантангаллиевого силиката методом Чохральского, включающий загрузку в тигель предварительно синтезированного материала, последующее его расплавление, введение вращающегося затравочного ориентированного кристалла в контакт с поверхностью расплава. (K.Shimamura et.al. "Growth and characterization of lanthanum gallium silicate La₃Ga₅SiO₁₄ single crystals for piezoelectric applications". J. of Crystal Growth, 1996, v. 163, p.388-392). В известном способе в качестве затравочного кристалла используют алюмоитриевый гранат Y₃Al₅O₁₂, имеющий ориентацию <111>, при этом выращенные кристаллы ЛГС имеют ориентацию <001>.

Наиболее близким по технической сущности и достигаемому результату к заявленному способу является способ выращивания лантангаллиевого силиката методом Чохральского, включающий загрузку в тигель предварительно синтезированного материала, соответствующего составу La₃Ga₅SiO₁₄, создание защитной атмосферы, последующее расплавление материала, введение вращающегося затравочного ориентированного кристалла в контакт с поверхностью расплава, вытягивание ориентированного кристалла из расплава (С.А.Сахаров и др. Монолитные фильтры на основе кристаллов лангасита, работающие на основных колебаниях сдвига. - Зарубежная электроника, М., 1986 г.). В известном способе в качестве затравочного ориентированного кристалла используют кристаллы ЛГС, ориентированные вдоль направления <0001>. Выращенные известным способом кристаллы имеют ориентацию <0001>.

Недостатком известных способов является тот факт, что данная ориентация затравочного кристалла не позволяет в дальнейшем эффективно использовать выращенные кристаллы для получения пластин ЛГС, ориентированных с близким к нулю значением температурного коэффициента частоты (ТКЧ). Кроме того, использование выращенных известным способом кристаллов связано с большими потерями материала при изготовлении пластин ввиду того, что пластины вырезают под большим углом от оси роста.

В рамках данной заявки решается задача выращивания кристаллов ЛГС такой ориентации, чтобы полученные из них пластины были ориентированы с близким к нулю значением ТКЧ, при этом потери материала были минимальными.

Поставленная задача решается тем, что в известном способе выращивания монокристаллов лантангаллиевого силиката методом Чохральского, включающим загрузку в тигель (предварительно синтезированного материала), соответствующего составу La₃Ga₅SiO₁₄, создание защитной атмосферы, последующее расплавление материала, введение вращающегося затравочного ориентированного кристалла в контакт с поверхностью расплава, вытягивание ориентированного кристалла из расплава, в качестве затравочного ориентированного кристалла используют кристалл лантангаллиевого силиката, ориентированного в направлении <01.1>±3^o.

Авторами экспериментально было установлено, что при ориентации затравочного кристалла ЛГС вдоль направления <01.1> кристаллы растут в направлении <01.1>, что позволяет вырезать из выращенных кристаллов пластины под углом 90^o от оси роста, обеспечивая при этом минимальные потери материала и близкий к нулю температурный коэффициент частоты. Данная ориентация затравочного кристалла ЛГС позволяет выращивать кристаллы, ориентированные вдоль направления <01.1>.

Пример. В данном способе выращивания монокристаллов лантангаллиевого силиката предварительно приготавливают исходный материал (шихту) методом самораспространяющегося высокотемпературного синтеза (СВС), при этом в качестве исходных компонентов берут оксид лантана чистотой 99.99% , оксид кремния чистотой 99,99%, оксид галлия чистотой 99,99% и галлий металлический чистотой 99,999%. Исходная шихта, полученная этим методом, соответствует составу La₃Ga₅SiO₁₄. Шихту загружают в тигель диаметром 120 мм в количестве 6,5 кг. Тигель выполнен из иридия чистотой 99,99%. Затем тигель с шихтой помещают в камеру установки выращивания кристаллов. Камеру откачивают до давления 10^-4 мм рт.ст. и напускают смесь аргона с воздухом до давления 1,2 атм. Воздух предварительно подвергают осушке жидким азотом в азотной ловушке. Концентрация воздуха в смеси с аргоном составляет 10 об.%. Чистота аргона 99,998%. Нагрев тигля осуществляют токами высокой частоты до полного расплавления шихты. Контролируемое масс-спектрометрическим анализом суммарное содержание примесей в расплаве не превышает 5·10^-4 мас.%. Полученный расплав выдерживают в течение 8 часов перед контактированием затравочного ориентированного кристалла вдоль направления <01.1> кристалла ЛГС с поверхностью расплава, давление смеси аргона с воздухом в камере роста снижают до давления 1,05 атм. Затем устанавливают частоту вращения затравочного кристалла равной 28 об/мин, приводят затравочный кристалл в контакт с поверхностью расплава и осуществляют вытягивание ориентированного кристалла ЛГС из расплава со скоростью, изменяющейся в процессе роста от 2,5 до 1,5 мм в час. Полученный кристалл имеет ориентацию <01.1>, массу 3,65 кг и диаметр по вписанной окружности на цилиндрической части 82 мм. Контроль в луче He-Ne лазера не показал наличия рассеивающих центров.

Данный способ позволяет получить ориентированные вдоль направления <01.1> монокристаллы лантангаллиевого силиката. Эта ориентация позволяет вырезать пластины ЛГС под углом 90^o к оси роста, обеспечивая минимальные потери материала и близкий к нулю температурный коэффициент частоты.

Формула изобретения

Способ выращивания монокристаллов лантангаллиевого силиката методом Чохральского, включающий загрузку в тигель материала, соответствующего составу La₃Ga₅SiO₁₄, создание защитной атмосферы, последующее расплавление материала, введение вращающегося затравочного ориентированного кристалла в контакт с поверхностью расплава, вытягивание ориентированного кристалла из расплава, отличающийся тем, что в качестве затравочного ориентированного кристалла используют кристалл лантангаллиевого силиката, ориентированного в направлении < 01.1>± 3^o.

PC4A - Регистрация договора об уступке патента Российской Федерации на изобретение

Номер и год публикации бюллетеня: 32-2001

(73) Патентообладатель:ОАО "ФОМОС-МАТЕРИАЛС" (RU)

Договор № 13048 зарегистрирован 10.09.2001

Извещение опубликовано: 20.11.2001