[发明专利]四硼酸锂(LBO)单晶的坩埚下降法生长

说明书

本发明属于单晶生长领域。

迄今为止，四硼酸锂（Li₁₂B₄O₇∶LBO或LTB）单晶生长，国内外均采用提拉法（Czochralski）。该生长方法的基本特征是在提拉法单晶炉内，通过高频或电阻加热熔化在铂坩埚内的四硼酸锂原料，再经过下种、缩颈、旋转提拉等操作，生长出一定方向和一定尺寸的LBO单晶。该单晶具有高声表面波（SAW）、有效机电耦合系数（K²≈1%），零延迟温度系数（TCD＝0）的切向，高声速，比重轻，不需极化，冷加工性能好的优点。因此，LBO单晶压电材料是一种有前途的SAW和BAW（体声波）器件的温度补偿基片材料。由于LBO熔体粘度大，晶体热膨胀的各向异性，用提拉法生长LBO单晶时，易于出现白色丝状包裹物、气泡、生长裂纹，组份过冷条纹等宏观缺陷和开裂破碎。该方法单机单产，加上因LBO熔体粘度大而不可能实现快速完整生长。因此，该工艺效率低。国际上尚未实现LBO单晶的工业化生产。（日本公开特许公报（A），昭和62-108800;昭和62-162693;昭和62-36098;昭和62-96398。

Jpn.J.Appl.Phys.1985，24（Supp1.24-3）

72-75;J.Material    Soci.17（1982）1729-1738;

J.Crystal    Growth    41（1977）225-227;

《人工晶体》14（1985）92。

本发明的目的是提供一种稳定可靠的高质量LBO单晶的生长方法，以实现LBO新型压电单晶的工业化生产。即生长LBO压电单晶的Bridgman法。

本发明的主要技术内容是：将高纯（99.9%，以下同）LBO原料压块置入下部安放一定尺寸和方向晶种的坩埚中;铂坩埚置于Bridgman单晶炉中，熔化原料和晶种顶部，在一定炉温下控制坩埚下降速度，即可生长出无宏观和显微缺陷的高质量LBO单晶体。

本发明的详细内容如下：

1.原料压块成型

将高纯LBO粉末按铂坩埚的尺寸和形状要求，作静水压或模压成型。LBO压块的密度为0.9～1.4克/厘米³。

2.容纳LBO熔体和安放晶种的铂金坩埚壁厚为0.08～0.15毫米，并接近气密，以防止LBO熔体组份的挥发。

3.LBO晶种方向为<100>、<001>、<110>、<210>等，垂直于生长方向的晶种横截面积（S_晶种）与生长晶体的横截面积（S_晶体）之比 P（＝ (S_晶种)/(S_晶体) ）≥15%。

4.在Bridgman单晶炉内熔化LBO原料压块和晶种顶部，在炉温为950～1100℃范围内，以≤0.3毫米/小时的速度下降，即可获得与铂坩埚形状相同的完整LBO单晶。

5.可在Bridgman单晶炉内安放多只铂金坩埚，同时生长不同形状、不同尺寸的LBO单晶（即铂坩埚形状、数量可控）。

本发明与提拉法相比，其优点是：温场稳定，生长的LBO晶体完整性好，无宏观及显微缺陷;成品率高;晶体尺寸和外形容易控制，不易开裂。工艺设备简单，操作方便，能耗明显降低，有利于实现工业化生产（见表1）。

表1    本发明与提拉法生长LBO的比较

方法    工艺条件    晶体质量    生产水平

提拉法    生长参数复杂，    白色丝状包裹物、组    单机单产，效率低，

晶形单一，设    分过冷条纹、气泡，    能耗高，未工业化

备昂贵    易开裂破碎

本发明    温场稳定，晶    无宏观和显微缺陷，    单机多产，成品率

形可变，设备    完整性好，不易开裂    高，能耗及成本低，

简单，操作方便    可实现工业化批量

生产。