СПОСОБ ВЫРАЩИВАНИЯ СЛОЖНЫХ РЕДКОЗЕМЕЛЬНЫХ ГАЛЛИЙСОДЕРЖАЩИХ ОКСИДОВ Российский патент 2000 года по МПК C30B15/00 C30B29/22 

Предлагаемый способ относится к способам выращивания монокристаллов галлийсодержащих оксидных соединений, а именно редкоземельных галлийсодержащих оксидов, обладающих пьезоэлектрическим эффектом и используемых для изготовления устройств на объемных и поверхностных акустических волнах.

Известен способ получения кристаллов модифицированных редкоземельных галлатов со структурой La₃Ga_5,5Nb_0,5O₁₄ и La₃Ga_5,5Ta_0,5O₁₄ методом спекания на воздухе спрессованных смесей окислов при температуре 1450^oC на протяжении 3-5 часов.

(Б. В. Милль и др. Модифицированные редкоземельные галлаты со структурой Ca₃Ga₂Ge₄O₁₄. Доклады АН СССР, 1982, т. 264, N 6, с. 1385-1386).

Недостатком известного способа является тот факт, что он не позволяет получить указанные выше редкоземельные галлаты однофазными.

Известен способ выращивания монокристаллов граната на основе редкоземельного металла и галлия методом Чохральского, в котором предварительно расплавляют смесь оксида редкоземельного металла и алюминия, вводят затравочный кристалл в контакт с расплавом и вытягивают ориентированный кристалл (US, 4534821, кл. C 30 B 15/14, 1985). Способ позволяет выращивать гранаты диаметром 50 мм.

Недостаток вышеупомянутого способа состоит в том, что выращивание кристаллов типа La₃Ga_5,5Me_0,5O₁₄, где Me-Nb или Ta, с использованием известного метода Чохральского связано с рядом технологических трудностей, в частности с проблемой двойникования, однородности свойств по объему.

Наиболее близким по технической сущности и достигаемому результату к заявленному способу является способ выращивания кристаллов сложного редкоземельного галлийсодержащего оксида методом Чохральского, включающий вытягивание кристалла из расплава на ориентированную затравку. (См. Kiyoshi Shimamura et al. "Growth and characterization of lanthanum gallium silicate La₃Ga₅SiO₁₄ single srystals for piesoelectric applications". J of Crystal Growth, 1996, v. 163, pp. 388-392).

В известном способе выращивают кристаллы лантангаллиевого силиката со структурой La₃Ga₅SiO₁₄ с использованием в качестве затравочного кристалла алюминиевого граната Y₃Al₅O₁₂ с ориентацией <111>.

Недостатком известного способа является ограниченный спектр состава выращиваемых кристаллов и большие потери материала при вырезании пластин из объемного кристалла.

В рамках данной заявки решается задача разработки промышленного способа выращивания кристаллов типа La₃Ga_5,5Me_0,5O₁₄, где Me - ниобий или тантал, пригодных для использования в пьезоэлектрических приборах.

Поставленная задача решается тем, что в способе выращивания кристаллов сложных редкоземельных галлийсодержащих оксидов методом Чохральского, включающем вытягивание кристалла из расплава на вращающуюся ориентированную затравку в защитной атмосфере, в качестве расплава используют материал состава La₃Ga_5,5Me_0,5O₁₄, где Me - тантал или ниобий, а затравка имеет ориентацию <0001> либо <01.1>±3^o.

При этом защитную атмосферу создают с использованием смеси аргона или азота с добавлением кислорода.

Экспериментально найденные ориентации затравочного кристалла позволяют вырезать из выращенных кристаллов пластины, обеспечивая при этом минимальные потери материала.

Пример. В данном способе выращивания монокристаллов приготавливают исходный материал (шихту) методом самораспространяющегося высокотемпературную синтеза (СВС), при этом в качестве исходных компонентов берут оксид лантана чистотой 99,99%, оксид тантала чистотой 99,99%, оксид галлия 99,99% и галлий металлический чистотой 99,99%. Исходная шихта, полученная этим методом, соответствует составу La₃Ga_5,5Ta_0,5O₁₄. Шихту загружают в тигель диаметром 120 мм в количестве 6,5 кг. Тигель выполнен из иридия чистотой 99,99%. Затем тигель с шихтой помещают в камеру установки выращивания кристаллов. Камеру откачивают до давления 10^-4 мм рт.ст. и напускают смесь аргона с кислородом до давления 1,2 атм. Воздух предварительно подвергают осушке жидким азотом в азотной ловушке. Концентрация кислорода в смеси с аргоном составляет 2 об.%. Нагрев тигля осуществляют токами высокой частоты до полного расплавления шихты.

Контролируемое масс-спектрометрическим анализом суммарное содержание примесей в расплаве не превышает 5•10^-4 мас. %. Полученный расплав выдерживают в течение 8 часов перед контактированием затравочного кристалла, ориентированного вдоль направления <01.1>, с поверхностью расплава. Затем устанавливают частоту вращения затравочного кристалла равной 28 об/мин., приводят затравочный кристалл в контакт с поверхностью расплава и осуществляют вытягивание ориентированного кристалла из расплава со скоростью, изменяющейся в процессе контакта от 2 до 1 мм в час.

Полученный кристалл La₃Ga_5,5Ta_0,5O₁₄ имеет ориентацию <01.1>, массу 3,6 кг и диаметр по вписанной окружности на цилиндрический части 75 мм. Контроль в луче He-Ne лазера не показал наличие рассеивающих центров.

Аналогично выращивают кристаллы La₃Ga_5,5Nb_0,5O₁₄.

Способ предназначен для выращивания монокристаллов галлийсодержащих оксидных соединений, обладающих пьезоэлектрическим эффектом. Техническим результатом изобретения является получение кристаллов, из которых впоследствии вырезают пластины с минимальными потерями материала. Сущность способа состоит в использовании в качестве материала расплава соединения La₃Ga_5,5Me_0,5O₁₄, Ме-тантал либо ниобий. Выращивание кристаллов проводят методом Чохральского на ориентированную затравку. 1 з.п. ф-лы.

1. Способ выращивания кристаллов сложных редкоземельных галлийсодержащих оксидов методом Чохральского, включающий вытягивание кристалла из расплава на вращающуюся ориентированную затравку в защитной атмосфере, отличающийся тем, что в качестве расплава используют материал состава La₃Ga_5,5Me_0,5O₁₄, где Me - тантал либо ниобий, а затравка имеет ориентацию <0001> либо <01,1>± 3^o. 2. Способ по п.1, отличающийся тем, что защитную атмосферу создают с использованием смеси аргона или азота с добавлением кислорода в количестве 0,5 - 5 об.%.