[发明专利]一种大尺寸四硼酸锂压电晶体的制备方法

说明书

技术领域

本发明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。

背景技术

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α-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(Li2B4O7)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α-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发明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。

发明内容

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，本发明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950～1000℃，坩埚下降速率为0.1～0.6mm/h，固液界面温度梯度在20～35℃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。

本发明一种大尺寸四硼酸锂压电晶体的制备方法包括原料块的合成、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<110>、<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950～1000℃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20～35℃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℃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。