Способ термообработки монокристаллов лантангаллиевого силиката

Изобретение относится к технологии получения кристаллов с триклинной сингонией. Сущность изобретения: монокристаллы лантангаллиевого силиката, выращенные методом Чохральского из иридиевого тигля, подвергают двухстадийной термообработке. Монокристаллы предварительно подвергают вакуумному отжигу при давлении 1·10^-2-1·10^-4 Па и температуре 600-1200°С в течение 0,5-10 часов, а затем проводят их изотермическую выдержку на воздухе при температуре 300-350°С в течение 0,5-48 часов. Изобретение позволяет воспроизводимо получать обесцвеченные монокристаллы лантангаллиевого силиката, а также увеличить скорость распространения поверхностно-акустических волн (ПАВ) на 1-1,5 м/с при одновременном уменьшении дисперсии скорости распространения волн на 20-30 ppm.

 

Изобретение относится к способам получения кристаллов с триклинной сингонией, в частности касается лантангаллиевого силиката, обладающего пьезоэлектрическим эффектом и пригодного для изготовления устройств на объемных и поверхностных акустических волнах (ПАВ).

Анализ литературных данных показывает, что монокристаллы лантангаллиевого силиката (лангасита) La₃Ga₅SiO₁₄ являются перспективным материалом в целях обеспечения потребностей радиоэлектронной промышленности. Одним из основных требований, предъявляемых к монокристаллам лантангаллиевого силиката, являются наряду с электрофизическими свойствами достаточно большие размеры монокристаллов, что обеспечивает экономию кристаллов при их резке и как следствие снижает себестоимость изготавливаемых на их основе устройств. Размер слитков лантангаллиевого силиката должен быть не менее 60 мм, при этом кристаллы лангасита должны быть свободны от кристаллических дефектов, таких как рассеивающие центры, контролируемые в луче He-Ne лазера.

Были предприняты различные попытки в данной области техники улучшить структурные свойства лангасита, но большинство из них принесло лишь незначительные улучшения качества (см., например, S.Uda, О.Buzanov. J. of Crystal Growth, 2000, v.211, pp.318-324).

Одним из путей улучшения качества выращиваемых монокристаллов является их термообработка. Из документа M.F.Dubovik et.al. "On some electrophysical parameters of langasite crystals", 1996 IEEE International frequency control symposium, p.84-89) известен способ термообработки монокристаллов лантангаллиевого силиката, включающий выдержку пластины лангасита толщиной 2-3 мм при температуре 1227К в течение времени не менее 6 часов. В известном способе термообработке подвергают пластины, вырезанные из кристаллов лангасита, выращенных методом Чохральского. Известный способ термообработки не позволяет в достаточной степени снизить уровень механических напряжений в кристаллах лангасита диаметром более 50 мм.

В патенте RU, 2143015 раскрыта технология послеростового отжига кристаллов лангасита, выращенных методом Чохральского из иридиевого тигля. В известном способе отжиг монокристаллов осуществляют в процессе их охлаждения со скоростью 15 град/ч в течение 40 часов и 25 град/ч в течение 24 часов. Известная технология послеростового отжига позволяет избежать искривления формы кристалла.

Длительное время использует способ термообработки, включающий выдержку пластин при температуре выше 1000 К (К.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). Раскрытый в указанном документе способ предусматривает термообработку пластин лангасита толщиной 1-3 мм, вырезанных из объемных кристаллов, выращенных методом Чохральского из платинового тигля. Термообработку проводят на воздухе при температуре 1673 К в течение 12 часов. К сожалению, в кристаллах лангасита, подвергнутых термообработке согласно известной технологии, отмечается присутствие рассеивающих центров, видимых в луче He-Ne лазера. Кроме того, с увеличением диаметра слитка монокристалла количество рассеивающих центров также увеличивается.

В патенте RU, 2126853 раскрыт способ термообработки монокристаллов лантангаллиевого силиката, включающий выдержку объемного кристалла при температуре из диапазона 1300-1673 К в течение 20-36 часов в среде аргона при давлении 1,1-1,8 атм. Известный способ термообработки позволяет уменьшить величину механических напряжений в кристаллах лангасита, однако он не обеспечивает воспроизводимое качество кристаллов, связанное с величиной скорости распространения поверхностных акустических волн и степенью дисперсии этой скорости.

В рамках данной заявки решается задача разработки промышленного способа термообработки монокристаллов лангасита, выращенных методом Чохральского, позволяющего воспроизводимо получать обесцвеченные кристаллы лангасита, а также увеличить скорость распространения поверхностных акустических волн в этих кристаллах. Имеется потребность в воспроизводимом получении однородных кристаллов лангасита за счет уменьшения дисперсии скорости распространения ПАВ волн.

Поставленная задача решается тем, что в способе термообработки монокристаллов лантангаллиевого силиката, выращенных методом Чохральского из иридиевого тигля, проводят предварительный вакуумный отжиг монокристаллов лантангаллиевого силиката при давлении 1·10^-2-1·10^-4 Па и температуре 600-1200°С в течение 0,5-10 часов, а затем осуществляют изотермический отжиг путем выдерживания монокристаллов на воздухе при температуре из диапазона 300-350°С в течение 0,5-48 часов.

В отсутствие установленных закономерностей между структурными свойствами кристаллов лангасита и термодинамическими режимами их обработки авторами были экспериментально установлены параметры двухстадийной термообработки объемных монокристаллов лангасита, выращенных методом Чохральского.

Сущность данного изобретения поясняется неограничивающим примером его реализации.

Пример

Проводят двухстадийную термообработку кристалла лантангаллиевого силиката, выращенного методом Чохральского из иридиевого тигля. Кристалл выращивают из шихты, полученной так называемым методом самораспространяющегося высокотемпературного синтеза, при этом в качестве исходных ингредиентов используют оксид лантана чистотой 99,99%; оксид кремния чистотой 99,999%; оксид галлия чистотой 99,99% и галлий металлический чистотой 99,999%. Исходная шихта, полученная методом самораспространяющегося высокотемпературного синтеза, соответствует конгруэнтному составу на диаграмме состояния указанных ингредиентов. Выращенный кристалл имеет диаметр 85 мм по вписанной окружности на цилиндрической части объемного кристалла. После завершения процесса выращивания монокристалл охлаждают в ростовой камере до температуры окружающей среды не менее 20 часов. Выращенный в иридиевом тигле методом Чохральского монокристалл лантангаллиевого силиката подвергают предварительному вакуумному отжигу при давлении 2·10^-3 Па и температуре 1000°С в течение 8 часов. После завершения вакуумного отжига проводят изотермический отжиг на воздухе, для чего монокристалл лангасита выдерживают при постоянной температуре 320°С в течение 28 часов.

Данный способ термообработки позволяет воспроизводимо получать обесцвеченные кристаллы лангасита. При таком двухстадийном способе термообработки скорость ПАВ волн возрастает на 1-1,5 м/с, а дисперсия скорости распространения волн уменьшается на 20-30 ppm.

Способ термообработки монокристаллов лантангаллиевого силиката выращенных методом Чохральского, включающий предварительный вакуумный отжиг монокристаллов лантангаллиевого силиката при давлении 1·10^-2-1·10^-4 Па и температуре 600-1200°С в течение 0,5-10 ч и последующую изотермическую выдержку монокристаллов на воздухе при температуре из диапазона 300-350°С в течение 0,5-48 ч.