一种大尺寸四硼酸锂压电晶体的制备方法技术

本发明专利技术涉及一种四硼酸锂压电晶体的制备方法特别是涉及一种大尺寸四硼酸锂压电晶体的制备方法。包括将先合成的四硼酸锂多晶料压成致密圆柱状料块，将料块装入事先已放入籽晶的Ｐｔ坩埚并入炉，炉温控制在９５０～１０００℃，坩埚下降速率为０．１～０．６ｍｍ／ｈ，可生长出厚度３０～８０ｍｍ、宽度大于１２０ｍｍ、长度１５０ｍｍ以上的优质大单晶，再通过侧向加工即沿尺寸大的一侧作为晶棒轴向，小的一侧作为晶棒厚度方向加工，即可得大尺寸的四硼酸锂压电晶体型材。与传统下降法相比，本发明专利技术克服了传统下降法生长大尺寸四硼酸锂晶体时遇到的难接种、易漏坩埚、晶体易开裂等技术瓶颈，采用侧向生长和扁型坩埚设计，可提高晶体生长速率，从而降低晶体生长难度，有利于实现大尺寸四硼酸锂晶体的工业化生长。

【技术实现步骤摘要】

本专利技术涉及一种四硼酸锂压电晶体的制备方法，特别是涉及一 种大尺寸四硼酸锂压电晶体的制备方法。
技术介绍
压电晶体广泛用于制作谐振器、滤波器、换能器等电子元器件， 是现代通讯与电子技术产业不可或缺的基本材料。随着现代通讯产 业的迅速发展，压电晶体的需求量日益增大，对晶体质量和性能要 求也越来越高。目前实现工业化应用的压电晶体主要有Ot-石英、铌 酸锂、钽酸锂、四硼酸锂等少数几种，新近发展的硅酸镓镧晶体仅 在高温声表面波传感器和光电传感器上有少量应用。四硼酸锂(Li2B407)晶体是二十世纪后期发展起来的一种新型 温度补偿型声表面波基片材料。四硼酸锂晶体的机电偶合系数是a-石英的7倍，其温度稳定性好于铌酸锂，其原料成本只有钽酸锂的 十分之一而相同重量晶体材料可制作的器件数量是钽酸锂的2倍多， 因此四硼酸锂晶体被认为是综合性能优良的声表面波(SAW)基片材 料，特别适合于高频或超高频、小型化SAW器件的设计和制作，在 现代移动通讯、卫星定位系统等方面有着广泛的应用。自1980年以 来，国内外有很多大学、研究机构和大公司先后开展了四硼酸锂晶 体的生长与应用研究。但是，由于该晶体热导差，熔体粘度大，晶体极易开裂，国际上普遍采用的提拉法生长工艺难以解决成芯、云层、开裂等生长难题。1990年代初，中国科学院上海硅酸盐研究所 专利技术了四硼酸锂晶体坩埚下降法生长技术，率先生长出直径82mm (三英寸)、无宏观缺陷的四硼酸锂晶体，经过多年的攻关成功地实 现了三英寸四硼酸锂晶体的工业化生产，使我国成为世界上第一个 能批量提供三英寸四硼酸锂晶体的单位。我国生长的三英寸四硼酸 锂晶体产品已被日本、韩国等国多家大公司采用，已开发出性能优 越的SAW器件并投放市场。随着现代通讯领域激烈的市场竞争，不 断要求提高晶体尺寸和质量。但是，传统的下降法在生长四英寸四 硼酸锂晶体时经常遇到坩埚漏料、接种失败、晶体开裂等问题，成 品率只有不到20%，低成功率和高成本成为制约四英寸四硼酸锂晶 体大规模应用的瓶颈。传统坩埚下降法只适合生长三英寸以下的LBO晶体，在用传统 的下降法直接生长四英寸四硼酸锂晶体时经常遇到坩埚漏料、接种 失败、晶体开裂等问题，成品率只有不到20%。为了解决上述问题， 本专利技术提出了一种生长大尺寸四硼酸锂压电晶体的制备方法，即改 进型坩埚下降法。改进型坩埚下降法，其特征在于采用水法合成的四硼酸锂多晶 料，压成致密的形状，其尺寸及形状大小取决于坩埚大小和形状； 形状可为圆柱状、长方形或正方形等，装入与所需晶体相同尺寸的Pt坩埚中，移入下降法生长炉的炉膛内，并使原料处于高温区，炉温控制在950 100(TC，坩埚下降速率为0.1 0.6mm/h，固液界面温 度梯度在20 35。C之间，可生长出厚度30~80mm、宽度80~150mm 的优质大单晶。然后，通过转向加工，即沿尺寸大的一侧作为晶棒 轴向，小的一侧作为晶棒厚度方向，获得厚度30 80mm的大尺寸四 硼酸锂晶体。本专利技术包括原料块的 合成、晶体生长、退火处理、侧向加工等步骤。1、 原料块的合成高纯硼酸与氢氧化锂制成水溶液，进行酸碱中和反应合成四硼酸锂，然后加热蒸发水气，从水溶液中析出四硼 酸锂多晶，加热烘烤除去水分，即得四硼酸锂多晶粉。将四硼酸锂多晶粉料压成致密料块，其尺寸及形状大小取决于坩埚大小和形状； 形状可为圆柱状、长方形或正方形等，适当富硼原料更有利于四硼 酸锂晶体的生长，原料块合成所用氢氧化锂可用碳酸锂代替。2、 晶体生长将原料块装入长方形的Pt坩埚中，密封，固定 在坩埚支架上，置于下降法晶体生长炉内。坩埚底部事先放置有长 度60mm的〈UO、 <100>、 <001>,或沿其他任意方向的的籽晶， 籽晶截面形状可以为圆形、长方形或正方形等。调节坩埚适当位置， 使原料处于炉膛高温区，开始升温，炉温设定在950 100(TC之间， 待籽晶顶端融化后开始下降、生长。坩埚下降速率为0.1 0.6mm/h， 固液界面温度梯度在20 35t:之间。3、 原位退火处理晶体生长结束后，坩埚回升到炉膛内恒温区位置，在700 800。C温度下退火8 12小时，缓慢降温并取出坩埚。4、转向加工晶体沿尺寸大的一侧作为晶棒轴向，小的一侧作 为晶棒厚度方向定向后，采用机械加工方法，垂直于生长方向可掏 出大尺寸、高质量的四硼酸锂晶棒。此外，还可根据需要，炉体内可设置多个工位，同时生长多根 晶体，提高生长效率并降低成本。本专利技术克服了传统下降法生长大尺寸四硼酸锂晶体时遇到的难 接种、易漏坩埚、晶体易开裂等技术瓶颈，采用侧向生长和扁平状 坩埚设计，降低了生长难度，通过增加晶体转向加工工序，获得大 尺寸的柱状晶体，不仅显著降低晶体生长难度，还提高了晶体生长 速率，彻底解决了四英寸和更大尺寸四硼酸锂晶体接种困难、坩埚 漏料和成品率低的问题，也可提高三英寸晶体生长的成品率和生长 效率。另外，炉体内可设置多个工位，同时生长多根晶体，从而降 低晶体成本，有利于实现大批量生产及其工业应用。附图说明图l，是采用本专利技术所生长的板状晶体及加工后获得的四英寸四 硼酸锂晶体照片。具体实施例方式下面通过实施例对本专利技术进行具体的说明，但决非限制本专利技术。 实施例l将5kg略微富硼的四硼酸锂多晶料，压成致密圆柱状料块，装 入60mmxll0mmx300mm的Pt坩埚内，坩埚底部事先放置有长度 60mm的<110>取向的籽晶，置于下降炉内适当位置使原料处于高温 区，炉温控制在950 1000。C，坩埚下降速率为0.2mm/h，可生长出 厚度60mm、宽度110mm、长度160mm的优质大单晶。生长结束后 将坩埚回升到炉膛内恒温区，在80(TC下退火10小时，降至室温， 取出晶体。沿晶体侧向大面准确定向，垂直于该面机械掏取圆柱状 晶体，可获得直径4英寸、厚度60mm的大尺寸四硼酸锂晶棒。 实施例2将48kg四硼酸锂多晶料，压成致密圆柱状料块，分别装入6只 尺寸为80mmxl20mmx300mm的Pt柑埚内，坩埚底部事先放置长 度60mm的<001>取向的籽晶，置于下降炉内适当位置使原料处于高 温区，炉温控制在950 100(TC，坩埚下降速率为0.4mm/h，可生长 出厚度80mm、宽度120mm、长度180mm的6只优质大单晶。生长 结束后将坩埚回升到炉膛内恒温区，在80(TC下退火12小时，降至 室温，取出晶体。晶体侧向大面准确定向，垂直于该面机械掏取圆 柱状晶体，可一次获得直径4英寸、厚度80mm的6根大尺寸四硼 酸锂晶棒。 实施例3将6kg四硼酸锂多晶料，压成致密圆柱状料块，装入50mm xl60mm x300mm的Pt坩埚内，坩埚底部事先放置有截面 30mmx40mm、长度60mm的<001>取向的籽晶，置于下降炉内适当位置使原料处于高温区，炉温控制在950-1000°C，钳埚下降速率为 0.6mm/h。生长结束后，坩埚回升到炉膛内恒温区位置，在70(TC温 度下退火10小时，缓慢降温并取出坩埚，可得厚度50mm、宽度 160mm、长度180mm的优质大单晶。将晶体侧向大面准确定向，垂 直于该面机械掏取圆柱状晶体，可获得直径6英寸、厚度50mm本文档来自技高网...

【技术保护点】
一种四硼酸锂压电晶体的制备方法，其特征在于具有如下步骤：　（１）原料块的合成：氢氧化锂和高纯硼酸制成水溶液，进行酸碱中和反应合成四硼酸锂，然后加热蒸发水气，从水溶液中析出四硼酸锂多晶，在烘箱内高温烘烤以去除水份，将粉料在水压或静压机上压成致密的圆柱状，即得原料块；　（２）晶体生长：采用同尺寸或小于所生长晶体的高质量四硼酸锂晶体作为籽晶，将籽晶装入坩埚底部的种井部位，然后将原料块装入坩埚，调整到适当位置使原料处于炉膛高温区，炉温控制在９５０～１０００℃，坩埚下降速率为０．１～０．６ｍｍ／ｈ，保持固液界面温度梯度为２０～３０℃／ｃｍ；　（３）退火处理：待原料全部结晶后，将坩埚移至炉膛恒温区内，在７００～８００℃下保温８～１２ｈ，然后按３０～５０℃／ｈ速率缓慢降温至室温，取出晶体；　（４）转向加工：将步骤（３）所得的晶体沿尺寸大的一侧作为晶棒轴向，小的一侧作为晶棒厚度方向机械加工，即垂直于生长方向上机械加工，可得大尺寸的四硼酸锂压电晶体。

【技术特征摘要】

【专利技术属性】
技术研发人员：徐家跃，
申请(专利权)人：上海应用技术学院，
类型：发明
国别省市：31[中国|上海]