[发明专利]钽酸锂单晶晶轴极性快速确定法

说明书

钽酸锂（LiTaO₃简写LT）晶体作为彩电中频滤波器的基底材料，在电视工业中已获大量应用。彩电声表面波滤波器的芯片是LT晶体x切旋转Y112°切型的薄片，加工这种芯片首先必须确定晶轴方向和极性，其中，+Z方方向已由极化时电场方向所决定，故关键在于+Y方向的确定。

确定+Y方向的传统方法是腐蚀法〔1〕。先要加工出晶体的Z面，然后置于HF+2HNO₃腐蚀液中煮沸，用金相显微镜观察，Z面上的三角形蚀丘，由三角形中心指向蚀丘顶角的方向便是+Y方向。此方法操作复杂，条件苛刻，控制稍有偏差就可能不出蚀丘;另外，显微镜下蚀丘与蚀坑有时易发生混淆，造成定向错误。

还有一种尝试法在某些厂家被试用，该法先任意假定Y轴的某一方向为+Y，以此为标准加工成器件，测其性能，若器件无声表面波信号，证明方向定反了，然后再以同块晶体Y轴的另一方向为+Y切片加工。这种方法仍然要造成人力，材料和工时的浪费。

为了满足批量生产钽酸锂滤波器的需要，弥补已有技术之不足，本发明将理论研究与生产实验相结合，设计出一种简便易行的快速定向方法。

根据多年生长LT单晶的实践以及对其生长形态、生长机制和生长分布规律的研究，发现LT晶体的平衡外形是菱面体，其六个面均与Z轴成大约33°角，与x轴和Y轴也有固定的位置关系。LT单晶提拉法生长时，其晶体表面生长棱是晶体沿菱面体晶面层向生长的反映，每条生长棱分别对应菱面体的一个晶面，因此，生长棱与晶轴之间也有一定的位置关系。常温下的LT晶体属无对称中心的C_3v-3m点群，呈铁电相。与顺电相结构相比，L⁺_i和T⁵⁺_a相对于O^2-发生一定位移。实验表明该位移在Z轴和Y轴上有分量，y轴极性随Z轴极性的改变而改变，但二者之间有固定的对应关系。

将沿Z轴生长的晶体极化，极化电场平行于Z轴，Z的极性由所接电极确定，接负电极的为正畴端（+Z），接正电极的为负畴端（-Z）。先用传统的腐蚀法确定+Y后，就可以完全确定+x、+Y和+Z与晶体表面生长棱的位置关系。利用这一关系，人们可由生长棱方位和极化电场方向来确定Z轴晶体的晶轴极性，而不必再用复杂的腐蚀法。基于同样道理，将这种关系应用到沿x轴提拉生长的LT晶体上，也能够同样迅速地确定晶轴极性。

根据以上的理论研究和大量的实验验证，我们将这种晶体表面生长棱与晶轴极性的位置关系，归纳为一套关系图。利用该图，可由已知的生长棱方位与极化电场方向准确无误地迅速得出所要判断的晶轴极性。

沿Z轴提拉生长的LT晶体横截面为一圆面，晶体顶端肩面生长棱分布有一定规律，在横截面上的投影示于图1;三条主棱A彼此夹角为120°，向外延续到晶体等径部分，并在其上形成三条凸棱C。三条副棱B与主棱以60°相间，但在晶体转等径后会消失。在Z轴LT晶体上加电场极化，会有两种情况，或电场负极加在肩面上，或电场正极加在肩面上，前者肩面为正畴端，+Y方向与主棱A在Z面上投影方向相反，图2（a）;后一种情况肩面为负畴端，+Y方向与主棱A在Z面上投影方向相同，图2（b）。+x方向可据+Y、+Z方向由右手定则确定。

沿x轴提拉生长的LT晶体横截面是一椭圆，其长轴为晶体Z轴，晶体肩面生长棱分布又分两种情况，在横截面上的投影示于图3（a）（b）。两条主棱A′夹角180°，延续到晶体等径部分而形成凸棱C′;在同一直线上的两条副棱B′以85°夹角与主棱A′相间。副棱延续到晶体等径部分而形成平行于x轴的小窄平面D′;A′与椭圆长轴即正轴夹角38°。图3（a）和图3（b）的不同之处在于，前者的主棱A′在长轴的左上和右下，而后者的主棱A′在长轴的右上和左下。极化时沿长轴即Z轴方向加电场，因为旋加电场方向又有两种可能，所以x轴晶体极轴方向关系共有四种情况，图4。它们的共同特点是，在投影图中+Y和+Z之间总夹着一条副棱。在极化电场方向已知时，可根据这一特点和关系图，迅速确定+Y方向，然后再按右手定则确定x轴的极性。

图1    Z轴LT晶体肩面生长棱分布投影图，其中，A.主棱，B.副棱，C.凸棱，A与A夹角120°，A与B夹角60°。

图2.Z轴LT晶体极化后各极轴方向关系图，其中，（a）是肩面加负电极的情况，（b）是肩面加正电极的情况。