一种6-8英寸掺铁铌酸锂晶体的生长方法与流程

本发明涉及压电晶体和晶体生长领域，具体是一种6-8英寸、电阻率可调的掺铁铌酸锂晶体的制备方法。

背景技术：

铌酸锂晶体是制作声表面波器件的重要基片材料之一，但是铌酸锂晶体具有较高的光透过率，光透过衬底后在衬底背面产生较强的反射，容易影响光刻图案分辨率，降低光刻精度。另外铌酸锂晶体具有较高的热释电效应，如果晶片的电阻率太高，其表面因受热产生的电荷不能被迅速中和，当电荷积累到一定程度会在叉指电极间、晶片间、晶片与工装间自发释放，使得晶片开裂、微畴反转，最终烧毁叉指电极，此现象在制作高频器件时效果更加明显。基于上述技术背景，为了在不影响压电性能的条件下，必须采取有效的手段降低晶片的透光率及热释电效应。目前解决此种现象最常见的方法就是将铌酸锂晶片进行黑化，降低晶体的透过率和电阻率，从而降低热释电效应。

天通控股股份有限公司开发了一种用丝网印刷方法，将还原剂涂覆在晶片的表面，通入氮气，高温热还原的方法制备铌酸锂黑片(申请号：cn201610660753.4)。中电科技德清华莹电子有限公司采用在一种无氧富锂浓度气氛条件下，高温(居里温度以下)处理铌酸锂晶片的工艺方法，通过此工艺方法可提高晶片的电导率，迅速消除由于温度变化而产生的表面电荷，不产生电荷累积，达到减弱热释电效应的目的(申请号：cn201710915937.5)。中国电子科技集团第四十六研究所开发了一种使用铁粉和碳酸锂的混合粉末作为还原剂，将铌酸锂晶片埋入还原剂中，通入氩气，在高温炉中进行反应，得到铌酸锂黑片。通过调整混合物比例、反应时间和反应温度等条件可得到不同黑化程度的铌酸锂基片(申请号：cn201810171421.9)。

上述技术方案具有一定的可行性，也是目前商业化黑片产品最常见的方法，但是这种晶片后处理工艺复杂，耗时较长，成品率和晶片黑化均匀性较低，使用的黑化还原剂可能对环境产生污染。针对以上问题，本发明在晶体生长过程中掺入铁离子直接生长掺铁铌酸锂晶体，通过调节铁离子的掺杂量，可控调节铌酸锂晶体的电阻率，铁离子的掺入一方面可以有效的降低晶体电阻率，另一方面通过掺入铁离子，铌酸锂晶体的颜色由无色逐渐加深转变成茶色，降低了晶体的透光性，另外此方法无晶片的后处理工艺，大大降低了成本，提高了成品率，同时为声表面滤波器的制作提供了可行方案。

技术实现要素：

发明目的：本发明所要解决的技术问题是针对目前大尺寸铌酸锂晶体的电阻率偏高，黑化工艺复杂，成本高，不能满足于声表面波器件应用要求的问题，提供一种6-8英寸电阻率可调掺铁铌酸锂晶体的制备方法。

为了实现上述目的，本发明采取的技术方案如下：

一种6-8英寸掺铁铌酸锂晶体的生长方法，包括如下步骤：

(1)掺铁铌酸锂多晶料的制备：选用高纯4n的li2co3、nb2o5、fe2o3粉体为原料，按照li2co3：nb2o5：fe2o3＝263：1000：(0.1-0.8)质量比进行配料，将其充分混合均匀，将充分混合的原料压成块饼，在1140℃下煅烧12小时发生固相反应后，得到晶体生长所需的掺铁铌酸锂多晶料；

(2)采用提拉法，通过优化生长工艺制备高成品率、大尺寸掺铁铌酸锂晶体。提拉法晶体生长炉主要有保温系统、称量系统、旋转提拉系统和控制系统组成。将制备好的多晶料放入铂金坩埚，将坩埚放入特定的温场中，通过感应加热或电阻加热充分熔化，得到晶体生长熔体，再通过接种、放肩、提拉等长晶工艺生长出掺铁铌酸体，将得到的掺铁铌酸锂晶体进行退火、极化；

(3)将极化后的不同掺铁浓度的铌酸锂晶体通过定向、切割、研磨加工成晶片，并测试晶片的电阻率。

进一步地，所述li2co3、nb2o5、fe2o3的质量比范围为263：1000：(0.1-0.8)。

进一步地，所述的熔体法晶体生长，包括不采用籽晶生长和采用籽晶定向生长；对于采用籽晶定向生长的，籽晶方向为[100]、[010]、[001]或[10·4]方向。

进一步地，所述铂金坩埚的尺寸为直径：210-310mm，高：75-125mm，壁厚：0.8-1.5mm。

进一步地，所述保温系统的轴向温度梯度为10-30℃/cm。

进一步地，所述晶体生长的参数为：提拉速度为1.5～2.5mm/h，旋转速度为6-9rpm。

进一步地，所述晶体退火、极化过程：以2℃/min升温至1150-1175℃，并恒温15h后，通电进行极化，极化电流为40～50ma/cm²，半小时后以2℃/min冷却至室温。

进一步地，所述掺铁铌酸锂晶体的直径为6-8英寸。

有益效果：

本发明采用晶体生长炉生长出大尺寸、高成品率的掺铁铌酸锂晶体，通过掺杂不同质量的铁离子，有效降低了晶体的电阻率。当质量比为li2co3：nb2o5：fe2o3＝263：1000：0.1时，晶片为淡茶色，经测试晶片的电阻率为9.5*10¹⁰ω·cm；当质量比为li2co3：nb2o5：fe2o3＝263：1000：0.38时，晶片为茶色，经测试晶片的电阻率为7.5*10⁹ω·cm；当质量比为li2co3：nb2o5：fe2o3＝263：1000：0.8时，晶片为茶色，经测试晶片的电阻率为9.8*10⁷ω·cm。经过本发明实施，铌酸锂晶体的电阻率随着铁掺杂量的增加而降低，晶体由无色透明逐渐加深变成茶色，此方法工艺简便、晶体成品率高，大大降低的生产加工成本，可替代现有的铌酸锂晶片黑化工艺。

附图说明

下面结合附图和具体实施方式对本发明做更进一步的具体说明。

图1是实施例1中生长出的6英寸掺铁铌酸锂晶体的照片。

具体实施方式

下面结合具体实施方式对本发明作进一步详细描述。

实施例1

(1)选用高纯4n的li2co3、nb2o5、fe2o3粉体为原料，将上述原料按照质量比li2co3：nb2o5：fe2o3＝263：1000：0.8进行配料，将充分混合的原料压成块饼，在1140℃下煅烧12小时发生固相反应后，得到晶体生长所需的掺铁铌酸锂多晶料。

(2)将制备好的多晶料放入直径210mm，高75mm，壁厚0.8mm的铂金坩埚中，控制提拉速度为2.5mm/h，旋转速度为9rpm，成功生长出6英寸掺铁铌酸锂晶体，将得到的掺铁铌酸锂晶体进行退火、极化。晶体退火、极化过程：以2℃/min升温至1150℃，并恒温15h后，通电进行极化，极化电流为40ma/cm²，半小时后以2℃/min冷却至室温。

(3)将极化后的掺铁铌酸锂晶体通过定向、切割、研磨加工成晶片，并测试晶片的电阻率。当掺铁质量比为0.8时，得到的晶片为茶色，经测试晶片的电阻率为9.5*10¹⁰ω·cm。

实施例2

(1)选用高纯4n的li2co3、nb2o5、fe2o3粉体为原料，将上述原料按照质量比li2co3：nb2o5：fe2o3＝263：1000：0.38进行配料，将充分混合的原料压成块饼，在1140℃下煅烧12小时发生固相反应后，得到晶体生长所需的掺铁铌酸锂多晶料。

(2)将制备好的多晶料放入直径310mm，高125mm，壁厚1.5mm的铂金坩埚中，控制提拉速度为1.5mm/h，旋转速度为6rpm，成功生长出8英寸掺铁铌酸锂晶体，将得到的掺铁铌酸锂晶体进行退火、极化。晶体退火、极化过程：以2℃/min升温至1175℃，并恒温15h后，通电进行极化，极化电流为50ma/cm²，半小时后以2℃/min冷却至室温。

(3)将极化后的掺铁铌酸锂晶体通过定向、切割、研磨加工成晶片，并测试晶片的电阻率。当掺铁质量比为0.38时，得到的晶片为茶色，经测试晶片的电阻率为9.8*10⁷ω·cm。

实施例3

(1)选用高纯4n的li2co3、nb2o5、fe2o3粉体为原料，将上述原料按照质量比li2co3：nb2o5：fe2o3＝263：1000：0.1进行配料，将充分混合的原料压成块饼，在1140℃下煅烧12小时发生固相反应后，得到晶体生长所需的掺铁铌酸锂多晶料。

(2)将制备好的多晶料放入直径260mm，高100mm，壁厚1.1mm的铂金坩埚中，控制提拉速度为2mm/h，旋转速度为7.5rpm，成功生长出6英寸掺铁铌酸锂晶体，将得到的掺铁铌酸锂晶体进行退火、极化。晶体退火、极化过程：以2℃/min升温至1160℃，并恒温15h后，通电进行极化，极化电流为45ma/cm²，半小时后以2℃/min冷却至室温。

(3)将极化后的掺铁铌酸锂晶体通过定向、切割、研磨加工成晶片，并测试晶片的电阻率。当掺铁质量比为0.1时，得到的晶片为淡茶色，经测试晶片的电阻率为7.5*10⁹ω·cm。