способ выращивания монокристаллов лантангаллиевого силиката методом чохральского

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.

Описание изобретения к патенту

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.