專利名稱：一種大尺寸四硼酸鋰壓電晶體的制備方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明涉及一種四硼酸鋰壓電晶體的制備方法，特別是涉及一 種大尺寸四硼酸鋰壓電晶體的制備方法。
背景技術(shù)：
壓電晶體廣泛用于制作諧振器、濾波器、換能器等電子元器件， 是現(xiàn)代通訊與電子技術(shù)產(chǎn)業(yè)不可或缺的基本材料。隨著現(xiàn)代通訊產(chǎn) 業(yè)的迅速發(fā)展，壓電晶體的需求量日益增大，對晶體質(zhì)量和性能要 求也越來越高。目前實(shí)現(xiàn)工業(yè)化應(yīng)用的壓電晶體主要有Ot-石英、鈮 酸鋰、鉭酸鋰、四硼酸鋰等少數(shù)幾種，新近發(fā)展的硅酸鎵鑭晶體僅 在高溫聲表面波傳感器和光電傳感器上有少量應(yīng)用。
四硼酸鋰(Li2B407)晶體是二十世紀(jì)后期發(fā)展起來的一種新型 溫度補(bǔ)償型聲表面波基片材料。四硼酸鋰晶體的機(jī)電偶合系數(shù)是a-石英的7倍，其溫度穩(wěn)定性好于鈮酸鋰，其原料成本只有鉭酸鋰的 十分之一而相同重量晶體材料可制作的器件數(shù)量是鉭酸鋰的2倍多， 因此四硼酸鋰晶體被認(rèn)為是綜合性能優(yōu)良的聲表面波(SAW)基片材 料，特別適合于高頻或超高頻、小型化SAW器件的設(shè)計(jì)和制作，在 現(xiàn)代移動(dòng)通訊、衛(wèi)星定位系統(tǒng)等方面有著廣泛的應(yīng)用。自1980年以 來，國內(nèi)外有很多大學(xué)、研究機(jī)構(gòu)和大公司先后開展了四硼酸鋰晶 體的生長與應(yīng)用研究。但是，由于該晶體熱導(dǎo)差，熔體粘度大，晶
體極易開裂，國際上普遍采用的提拉法生長工藝難以解決成芯、云
層、開裂等生長難題。1990年代初，中國科學(xué)院上海硅酸鹽研究所 發(fā)明了四硼酸鋰晶體坩堝下降法生長技術(shù)，率先生長出直徑82mm (三英寸)、無宏觀缺陷的四硼酸鋰晶體，經(jīng)過多年的攻關(guān)成功地實(shí) 現(xiàn)了三英寸四硼酸鋰晶體的工業(yè)化生產(chǎn)，使我國成為世界上第一個(gè) 能批量提供三英寸四硼酸鋰晶體的單位。我國生長的三英寸四硼酸 鋰晶體產(chǎn)品已被日本、韓國等國多家大公司采用，已開發(fā)出性能優(yōu) 越的SAW器件并投放市場。隨著現(xiàn)代通訊領(lǐng)域激烈的市場競爭，不 斷要求提高晶體尺寸和質(zhì)量。但是，傳統(tǒng)的下降法在生長四英寸四 硼酸鋰晶體時(shí)經(jīng)常遇到坩堝漏料、接種失敗、晶體開裂等問題，成 品率只有不到20%，低成功率和高成本成為制約四英寸四硼酸鋰晶 體大規(guī)模應(yīng)用的瓶頸。
傳統(tǒng)坩堝下降法只適合生長三英寸以下的LBO晶體，在用傳統(tǒng) 的下降法直接生長四英寸四硼酸鋰晶體時(shí)經(jīng)常遇到坩堝漏料、接種 失敗、晶體開裂等問題，成品率只有不到20%。為了解決上述問題， 本發(fā)明提出了一種生長大尺寸四硼酸鋰壓電晶體的制備方法，即改 進(jìn)型坩堝下降法。
改進(jìn)型坩堝下降法，其特征在于采用水法合成的四硼酸鋰多晶 料，壓成致密的形狀，其尺寸及形狀大小取決于坩堝大小和形狀； 形狀可為圓柱狀、長方形或正方形等，裝入與所需晶體相同尺寸的
Pt坩堝中，移入下降法生長爐的爐膛內(nèi)，并使原料處于高溫區(qū)，爐
溫控制在950 100(TC，坩堝下降速率為0.1 0.6mm/h，固液界面溫 度梯度在20 35。C之間，可生長出厚度30~80mm、寬度80~150mm 的優(yōu)質(zhì)大單晶。然后，通過轉(zhuǎn)向加工，即沿尺寸大的一側(cè)作為晶棒 軸向，小的一側(cè)作為晶棒厚度方向，獲得厚度30 80mm的大尺寸四 硼酸鋰晶體。
本發(fā)明一種大尺寸四硼酸鋰壓電晶體的制備方法包括原料塊的 合成、晶體生長、退火處理、側(cè)向加工等步驟。
1、 原料塊的合成高純硼酸與氫氧化鋰制成水溶液，進(jìn)行酸堿
中和反應(yīng)合成四硼酸鋰，然后加熱蒸發(fā)水氣，從水溶液中析出四硼 酸鋰多晶，加熱烘烤除去水分，即得四硼酸鋰多晶粉。將四硼酸鋰
多晶粉料壓成致密料塊，其尺寸及形狀大小取決于坩堝大小和形狀； 形狀可為圓柱狀、長方形或正方形等，適當(dāng)富硼原料更有利于四硼 酸鋰晶體的生長，原料塊合成所用氫氧化鋰可用碳酸鋰代替。
2、 晶體生長將原料塊裝入長方形的Pt坩堝中，密封，固定 在坩堝支架上，置于下降法晶體生長爐內(nèi)。坩堝底部事先放置有長 度60mm的〈UO、 <100>、 <001>,或沿其他任意方向的的籽晶， 籽晶截面形狀可以為圓形、長方形或正方形等。調(diào)節(jié)坩堝適當(dāng)位置， 使原料處于爐膛高溫區(qū)，開始升溫，爐溫設(shè)定在950 100(TC之間， 待籽晶頂端融化后開始下降、生長。坩堝下降速率為0.1 0.6mm/h， 固液界面溫度梯度在20 35t:之間。
3、 原位退火處理晶體生長結(jié)束后，坩堝回升到爐膛內(nèi)恒溫區(qū)
位置，在700 800。C溫度下退火8 12小時(shí)，緩慢降溫并取出坩堝。
4、轉(zhuǎn)向加工晶體沿尺寸大的一側(cè)作為晶棒軸向，小的一側(cè)作 為晶棒厚度方向定向后，采用機(jī)械加工方法，垂直于生長方向可掏 出大尺寸、高質(zhì)量的四硼酸鋰晶棒。
此外，還可根據(jù)需要，爐體內(nèi)可設(shè)置多個(gè)工位，同時(shí)生長多根 晶體，提高生長效率并降低成本。
本發(fā)明克服了傳統(tǒng)下降法生長大尺寸四硼酸鋰晶體時(shí)遇到的難 接種、易漏坩堝、晶體易開裂等技術(shù)瓶頸，采用側(cè)向生長和扁平狀 坩堝設(shè)計(jì)，降低了生長難度，通過增加晶體轉(zhuǎn)向加工工序，獲得大 尺寸的柱狀晶體，不僅顯著降低晶體生長難度，還提高了晶體生長 速率，徹底解決了四英寸和更大尺寸四硼酸鋰晶體接種困難、坩堝 漏料和成品率低的問題，也可提高三英寸晶體生長的成品率和生長 效率。另外，爐體內(nèi)可設(shè)置多個(gè)工位，同時(shí)生長多根晶體，從而降 低晶體成本，有利于實(shí)現(xiàn)大批量生產(chǎn)及其工業(yè)應(yīng)用。
圖l，是采用本發(fā)明所生長的板狀晶體及加工后獲得的四英寸四 硼酸鋰晶體照片。
具體實(shí)施例方式
下面通過實(shí)施例對本發(fā)明進(jìn)行具體的說明，但決非限制本發(fā)明。 實(shí)施例l
將5kg略微富硼的四硼酸鋰多晶料，壓成致密圓柱狀料塊，裝 入60mmxll0mmx300mm的Pt坩堝內(nèi)，坩堝底部事先放置有長度 60mm的<110>取向的籽晶，置于下降爐內(nèi)適當(dāng)位置使原料處于高溫 區(qū)，爐溫控制在950 1000。C，坩堝下降速率為0.2mm/h，可生長出 厚度60mm、寬度110mm、長度160mm的優(yōu)質(zhì)大單晶。生長結(jié)束后 將坩堝回升到爐膛內(nèi)恒溫區(qū)，在80(TC下退火10小時(shí)，降至室溫， 取出晶體。沿晶體側(cè)向大面準(zhǔn)確定向，垂直于該面機(jī)械掏取圓柱狀 晶體，可獲得直徑4英寸、厚度60mm的大尺寸四硼酸鋰晶棒。 實(shí)施例2
將48kg四硼酸鋰多晶料，壓成致密圓柱狀料塊，分別裝入6只 尺寸為80mmxl20mmx300mm的Pt柑堝內(nèi)，坩堝底部事先放置長 度60mm的<001>取向的籽晶，置于下降爐內(nèi)適當(dāng)位置使原料處于高 溫區(qū)，爐溫控制在950 100(TC，坩堝下降速率為0.4mm/h，可生長 出厚度80mm、寬度120mm、長度180mm的6只優(yōu)質(zhì)大單晶。生長 結(jié)束后將坩堝回升到爐膛內(nèi)恒溫區(qū)，在80(TC下退火12小時(shí)，降至 室溫，取出晶體。晶體側(cè)向大面準(zhǔn)確定向，垂直于該面機(jī)械掏取圓 柱狀晶體，可一次獲得直徑4英寸、厚度80mm的6根大尺寸四硼 酸鋰晶棒。 實(shí)施例3
將6kg四硼酸鋰多晶料，壓成致密圓柱狀料塊，裝入50mm xl60mm x300mm的Pt坩堝內(nèi)，坩堝底部事先放置有截面 30mmx40mm、長度60mm的<001>取向的籽晶，置于下降爐內(nèi)適當(dāng)
位置使原料處于高溫區(qū)，爐溫控制在950-1000°C，鉗堝下降速率為 0.6mm/h。生長結(jié)束后，坩堝回升到爐膛內(nèi)恒溫區(qū)位置，在70(TC溫 度下退火10小時(shí)，緩慢降溫并取出坩堝，可得厚度50mm、寬度 160mm、長度180mm的優(yōu)質(zhì)大單晶。將晶體側(cè)向大面準(zhǔn)確定向，垂 直于該面機(jī)械掏取圓柱狀晶體，可獲得直徑6英寸、厚度50mm的 大尺寸四硼酸鋰晶棒。
實(shí)施例4將24kg四硼酸鋰多晶料，壓成致密圓柱狀料塊，裝入8只50mm x80mmx280mm的Pt坩堝內(nèi)，坩堝底部事先放置有相同截面尺寸、 長度60mm的<001>取向籽晶，置于下降爐內(nèi)適當(dāng)位置使原料處于高 溫區(qū)，爐溫控制在950-1000°C，坩堝下降速率為0.6mm/h。生長結(jié) 束后，坩堝回升到爐膛內(nèi)恒溫區(qū)位置，在80(TC溫度下退火10小時(shí)， 緩慢降溫并取出坩堝，可得8塊厚度50mm、寬度80mm、長度120mm 的優(yōu)質(zhì)板狀大單晶。將晶體側(cè)向大面準(zhǔn)確定向，垂直于該面機(jī)械掏 取圓柱狀晶體，可獲得8根直徑3英寸、厚度50mm的大尺寸四硼 酸鋰晶棒。
權(quán)利要求
1、一種四硼酸鋰壓電晶體的制備方法，其特征在于具有如下步驟(1)原料塊的合成氫氧化鋰和高純硼酸制成水溶液，進(jìn)行酸堿中和反應(yīng)合成四硼酸鋰，然后加熱蒸發(fā)水氣，從水溶液中析出四酸鋰多晶，在烘箱內(nèi)高溫烘烤以去除水份，將粉料在水壓或靜壓機(jī)上壓成致密的圓柱狀，即得原料塊；(2)晶體生長采用同尺寸或小于所生長晶體的高質(zhì)量四硼酸鋰晶體作為籽晶，將籽晶裝入坩堝底部的種井部位，然后將原料塊裝入坩堝，調(diào)整到適當(dāng)位置使原料處于爐膛高溫區(qū)，爐溫控制在950～1000℃，坩堝下降速率為0.1～0.6mm/h，保持固液界面溫度梯度為20～30℃/cm；(3)退火處理待原料全部結(jié)晶后，將坩堝移至爐膛恒溫區(qū)內(nèi)，在700～800℃下保溫8～12h，然后按30～50℃/h速率緩慢降溫至室溫，取出晶體；(4)轉(zhuǎn)向加工將步驟(3)所得的晶體沿尺寸大的一側(cè)作為晶棒軸向，小的一側(cè)作為晶棒厚度方向機(jī)械加工，即垂直于生長方向上機(jī)械加工，可得大尺寸的四硼酸鋰壓電晶體。
2、 如權(quán)利要求l所述的四硼酸鋰壓電晶體的制備方法，其特征在于在制備步驟(1)原料塊的合成中的氫氧化鉀可用碳酸鉀。
3、 如權(quán)利要求l所述的四硼酸鋰壓電晶體的制備方法，其特征在于在制備步驟(1)原料塊的合成中原料塊的形狀可為圓柱形、長 方形或正方形。
4、 如權(quán)利要求l所述的四硼酸鋰壓電晶體的制備方法，其特征在于制備步驟(2)中所述籽晶取向?yàn)?lt;110>、 <100>、 <001>或沿其他 任意方向，籽晶截面形狀可以為圓形、長方形或正方形。
5、 如權(quán)利要求l所述的四硼酸鋰壓電晶體的制備方法，其特征在于制備步驟(4)側(cè)向加工中所獲得的四硼酸鋰壓電晶體尺寸為直徑 為3 6英寸，厚度為30 80mm。
6、 如權(quán)利要求l、 2、 3或4任一所述的四硼酸鋰壓電晶體的制備方法， 其特征在于爐體內(nèi)可設(shè)置多個(gè)工位，同時(shí)生長多根晶體。
全文摘要
本發(fā)明涉及一種四硼酸鋰壓電晶體的制備方法特別是涉及一種大尺寸四硼酸鋰壓電晶體的制備方法。包括將先合成的四硼酸鋰多晶料壓成致密圓柱狀料塊，將料塊裝入事先已放入籽晶的Pt坩堝并入爐，爐溫控制在950～1000℃，坩堝下降速率為0.1～0.6mm/h，可生長出厚度30～80mm、寬度大于120mm、長度150mm以上的優(yōu)質(zhì)大單晶，再通過側(cè)向加工即沿尺寸大的一側(cè)作為晶棒軸向，小的一側(cè)作為晶棒厚度方向加工，即可得大尺寸的四硼酸鋰壓電晶體型材。與傳統(tǒng)下降法相比，本發(fā)明克服了傳統(tǒng)下降法生長大尺寸四硼酸鋰晶體時(shí)遇到的難接種、易漏坩堝、晶體易開裂等技術(shù)瓶頸，采用側(cè)向生長和扁型坩堝設(shè)計(jì)，可提高晶體生長速率，從而降低晶體生長難度，有利于實(shí)現(xiàn)大尺寸四硼酸鋰晶體的工業(yè)化生長。
文檔編號C01B35/12GK101377014SQ200810200499
公開日2009年3月4日 申請日期2008年9月26日 優(yōu)先權(quán)日2008年9月26日
發(fā)明者徐家躍 申請人:上海應(yīng)用技術(shù)學(xué)院