專利名稱：鍺酸鎵鍶壓電晶體的坩堝下降法生長方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明涉及一種新型壓電晶體鍺酸鎵鍶的生長方法，更確切地說涉及用坩堝下降法生長鍺酸鎵鍶晶體。屬于單晶生長領(lǐng)域。
迄今為止，國內(nèi)外均采用提拉法(Czochralski)生長SGG單晶(Kochurikhin V V，Kumatoriya M，Shimamura K，Takagi H，F(xiàn)ukuda T，Czochralski growth of Sr3Ga2Ge4O14single crystals for piezoelectric applications，J.Crystal Growth，1997，181452-454)。該生長方法的基本特征是在提拉爐內(nèi)，通過高頻或電阻加熱，熔化坩堝內(nèi)的SGG原料，經(jīng)下種、縮頸、旋轉(zhuǎn)提拉等工藝操作，生長出一定方向和一定尺寸的SGG單晶。目前，提拉法生長SGG單晶還存在以下技術(shù)問題1.由于提拉爐內(nèi)固液界面附近溫度梯度較大，加上晶體本身熱膨脹的各向異性，生長的晶體很容易開裂；2.坩堝在提拉法生長過程中是敞開的，氧化鍺和氧化鎵極易從熔體中揮發(fā)，導(dǎo)致熔體組分嚴(yán)重偏離，容易引起包裹等缺陷，從而影響了晶體的產(chǎn)率和質(zhì)量；3.晶體多呈三角形或六邊形，在加工成圓片時(shí)造成不必要的浪費(fèi)；4.該方法單機(jī)單產(chǎn)，效率較低，難以實(shí)現(xiàn)SGG單晶的工業(yè)化生產(chǎn)。
本發(fā)明的目的是通過下述技術(shù)途徑實(shí)現(xiàn)的。首先將高純(至少3個(gè)9即99.9％，以下同)初始原料SrCO3(或SrO)、GeO2和Ga2O3按SGG晶體組成配料、混合并經(jīng)高溫合成，與一定取向的晶種一起放入鉑坩堝中，將鉑坩堝及其支撐系統(tǒng)置于下降爐中，熔化原料和晶種頂部，通過控制爐溫、調(diào)節(jié)固液界面溫度梯度以及選擇合適的坩堝下降速率等工藝參數(shù)來實(shí)現(xiàn)晶體的穩(wěn)定生長，可獲得完整透明的高質(zhì)量SGG單晶體。
本發(fā)明的詳細(xì)內(nèi)容如下1.原料的預(yù)處理將至少3個(gè)9即(99.9％)高純初始原料SrCO3(或SrO)、GeO2和Ga2O3按Sr3Ga2Ge4O14分子式稱量、混勻，在1130-1180℃預(yù)燒8-12小時(shí)，通過固相反應(yīng)以去除CO2，同時(shí)合成Sr3Ga2Ge4O14粉料；2.將上述合成料與所選定的某一方向的晶種一起放入鉑坩堝中，坩堝經(jīng)點(diǎn)焊氣密(在一定氣壓下無氣體逸出)，以防止組分從高溫熔體中揮發(fā)逸出；3.爐溫設(shè)定在1400-1500℃左右，生長界面溫梯維持在30～40℃/cm，通過調(diào)節(jié)坩堝位置實(shí)現(xiàn)原料熔化和接種，以≤3mm/h的速度下降坩堝，可獲得與鉑坩堝形狀相同的完整SGG單晶；4.應(yīng)根據(jù)應(yīng)用需求確定坩堝的形狀和尺寸，可生長不同形狀和尺寸要求的SGG晶體；根據(jù)生產(chǎn)規(guī)模決定設(shè)計(jì)單坩堝生長爐或多坩堝生長爐，可實(shí)現(xiàn)一爐內(nèi)安放多只鉑坩堝的規(guī)模生產(chǎn)，同時(shí)獲得不同形狀、不同尺寸的SGG單晶，亦即鉑坩堝形狀、數(shù)量按所需生長晶體的形狀、大小選定，如需生長圓柱形、長方柱形以及其它多邊形的晶體則在選定相應(yīng)晶種后可選擇相應(yīng)的坩堝。且可用不同壁厚的坩堝進(jìn)行生長；或在同一爐中生長不同方向、不同形狀的SGG晶體。
本發(fā)明與提拉法相比，其優(yōu)點(diǎn)是溫場穩(wěn)定，可有效控制組份揮發(fā)，晶體完整性好，成品率高，晶體尺寸和外形容易控制，固液界面溫度梯度小可減少晶體開裂等。另外，該方法工藝設(shè)備簡單，操作方便，能耗低，有利于實(shí)現(xiàn)工業(yè)化生產(chǎn)。本發(fā)明與提拉法生長SGG晶體的比較列于1。
表1 本發(fā)明與提拉法生長SGG單晶的比較



圖1是本發(fā)明提供的方法生長的SGG晶體，長度約40mm，基本透明。
實(shí)施例1將99.9％的高純原料SrCO3、GeO2和Ga2O3按Sr3Ga2Ge4O14分子式配料并均勻混合，在1150℃固相反應(yīng)12小時(shí)；然后與選定取向<001>的晶種一起置于圓柱形鉑坩堝中。坩堝點(diǎn)焊氣密。坩堝置于下降爐內(nèi)，在1420℃爐溫下熔化原料并通過調(diào)整入爐位置使晶種頂部熔融，生長界面溫梯維持在30℃/cm左右，以1mm/h的速率下降坩堝，生長圓柱形透明SGG完整晶體。圖1是該方法生長的直徑28mm、長度40mm的SGG晶體照片。為了顯示該晶體的完整性，我們將圓柱形晶體相對應(yīng)的兩側(cè)拋出了小平面，印在紙上的“SGG”清晰可見。
實(shí)施例2將純度99.9％的SrO、GeO2和Ga2O3原料按分子式配料，均勻混合后在1170℃預(yù)燒合成8小時(shí)，然后連同<110>方向的長方柱形晶種放入長方柱形鉑坩堝中，控制爐溫在1470℃，熔化原料并接種生長，生長界面溫梯為40℃/cm，以3mm/h的坩堝下降速率，生長出長方柱形SGG完整晶體。其余同實(shí)施例1。
實(shí)施例3按Sr3Ga2Ge4O14化學(xué)式將原料99.99％的SrCO3、GeO2和Ga2O3混勻后在1150℃預(yù)燒合成12小時(shí)，分別裝入5只鉑坩堝中，晶種方向分別為<001>或<110>且坩堝二只為圓柱形，三只為長方形。然后置于具有5只坩堝位置的下降爐中，分別調(diào)整5只坩堝的入爐位置使每只坩堝內(nèi)的籽晶都能夠很好地接種，坩堝下降速率2mm/h，可同時(shí)獲得2個(gè)圓柱狀3個(gè)長方形的SGG晶體。其余同實(shí)施例1。
權(quán)利要求
1.一種鍺酸鎵鍶壓電晶體的坩堝下降法生長方法，包括粉料的預(yù)燒合成、接種生長，其特征在于(1)初始原料SrCO3、GeO2和Ga2O3，按Sr3Ga2Ge4O14化學(xué)式配料混合均勻；(2)混合粉料在1130-1180℃經(jīng)8-12小時(shí)固相反應(yīng)；(3)將晶種和合成料先后放入鉑坩堝，并密封坩堝；(4)坩堝置于下降爐內(nèi)接種、生長，爐溫控制在1400-1500℃，生長界面溫度梯度為30～40℃/cm，坩堝下降速率≤3mm/h。
2.按權(quán)利要求1所述的鍺酸鎵鍶壓電晶體的坩堝下降法生長方法，其特征在于所述的SrCO3可用SrO取代。
3.按權(quán)利要求1所述的鍺酸鎵鍶壓電晶體的坩堝下降法生長方法，其特征在于可在單晶爐內(nèi)安放單只或多只鉑坩堝，同時(shí)生長不同形狀和尺寸的Sr3Ga2Ge4O14晶體。
4.按權(quán)利要求3所述的鍺酸鎵鍶壓電晶體的坩堝下降法生長方法，其特征在于所述生長用的坩堝的形狀是圓柱形、或長方柱形或?yàn)槠渌噙呅?；生長的晶體形狀取決于坩堝形狀。
5.按權(quán)利要求3或4所述的鍺酸鎵鍶壓電晶體的坩堝下降法生長方法，其特征在于可在同一爐內(nèi)生長不同方向、不同形狀的鍺酸鎵鍶單晶。
6.按權(quán)利要求1所述的鍺酸鎵鍶壓電晶體的坩堝下降法生長方法，其特征在于所用的原料純度至少為99.9％。
全文摘要
本發(fā)明涉及一種鍺酸鎵鍶晶體的坩堝下降法生長方法，屬于單晶生長領(lǐng)域。特征在于初始原料按Sr
文檔編號C30B15/00GK1434152SQ0311542
公開日2003年8月6日 申請日期2003年2月14日 優(yōu)先權(quán)日2003年2月14日
發(fā)明者徐家躍, 周娟, 武安華, 華王祥, 林雅芳, 陸寶亮, 童健, 范世 申請人:中國科學(xué)院上海硅酸鹽研究所