42°Y钽酸锂晶体生长及性能研究_于明晓.pdf

第4 5卷第1期压 电 与 声 光V o l.4 5N o.12 0 2 3年2月P I E Z O E L E C T R I C S&A C OU S T O O P T I C SF e b.2 0 2 3 收稿日期:2 0 2 2-0 6-1 5 基金项目:总装备部材料支撑项目 作者简介:于明晓(1 9 6 4-),男,重庆市人,工程师,主要从事晶体生长与后处理的研究。文章编号:1 0 0 4-2 4 7 4(2 0 2 3)0 1-0 0 2 6-0 3D O I:1 0.1 1 9 7 7/j.i s s n.1 0 0 4-2 4 7 4.2 0 2 3.0 1.0 0 64 2 Y钽酸锂晶体生长及性能研究于明晓,龙 勇,石自彬,陈哲明,邹少红,丁雨憧(中国电子科技集团公司第二十六研究所,重庆4 0 0 0 6 0)摘 要:钽酸锂晶体具有优异的压电性能,是声表面波(S AW)滤波器广泛使用的衬底材料。该文采用自主研制的提拉单晶炉,成功生长出4英寸、4 2 Y方向、外观完整的钽酸锂晶体。经可见及近红外分光光度计测试,晶体透过率接近8 0%;经X线摇摆测试,其半高全峰宽(FWHM)为2 8.4,单晶性较好;采用差热分析仪对生长的晶体头尾进行居里温度测试,居里温度偏差为4.4。声表面波性能测试结果表明,钽酸锂晶体的声表面波速度、机电耦合系数和频率温度系数等指标均满足S AW滤波器的使用要求。关键词:钽酸锂;晶体;提拉法;声表面波滤波器中图分类号:T N 3 8 4;TM 2 2 文献标志码:A S t u d yo nG r o w t ha n dP r o p e r t i e so f 4 2 R o t a t e dYC u tL i t h i u mT a n t a l a t eS i n g l eC r y s t a l sY U M i n g x i a o,L O N GY o n g,S H IZ i b i n g,C H E NZ h e m i n g,Z O US h a o h o n g,D I N GY u c h o n g(T h e2 6 t hI n s t i t u t eo fC h i n aE l e c t r o n i c sT e c h n o l o g yG r o u pC o r p o r a t i o n,C h o n g q i n g4 0 0 0 6 0,C h i n a)A b s t r a c t:T h e l i t h i u mt a n t a l a t e(L i T a O3)s i n g l ec r y s t a l sh a v ee x c e l l e n tp i e z o e l e c t r i cp r o p e r t i e sa n da r ew i d e l yu s e da ss u b s t r a t em a t e r i a l f o rS AWf i l t e r s.I nt h i sw o r k,a n4i n c h,4 2 r o t a t e dYc u t,i n t e g r a l,c r a c k-f r e eL i T a O3s i n g l ec r y s t a lw a ss u c c e s s f u l l yg r o w nu s i n gt h e i n-h o u s ed e v e l o p e dC z o c h r a l s k i(C Z)f u r n a c e.T h et r a n s m i t t a n c e i sc l o s e t o8 0%b yt h ev i s i b l ea n dn e a r i n f r a r e ds p e c t r o p h o t o m e t e rt e s t,i t sf u l lw i d t ha th a l fm a x i m u m(FWHM)i s2 8.4 b yX-r a yr o c k i n g t e s t,w h i c hs h o wt h a t t h eg r o w nc r y s t a l h a sg o o ds i n g l e c r y s t a l p r o p e r t y.T h eC u r i e t e m p e r-a t u r eo f t h eh e a da n dt a i l o f t h eg r o w nc r y s t a l i sm e a s u r e db yt h ed i f f e r e n t i a l t h e r m a l a n a l y z e r,a n dt h eC u r i et e m-p e r a t u r ed e v i a t i o n i s4.4.T h er e s u l t so fS AWp e r f o r m a n c et e s t s h o wt h a t t h eS AWv e l o c i t y,e l e c t r o m e c h a n i c a lc o u p l i n gc o e f f i c i e n t a n d f r e q u e n c y t e m p e r a t u r e c o e f f i c i e n t o fL i T a O3s i n g l e c r y s t a lm e e t t h e r e q u i r e m e n t s o f S AWf i l-t e r.K e yw o r d s:l i t h i u mt a n t a l a t e;c r y s t a l;C z o c h r a l s k im e t h o d;S AWf i l t e r 0 引言移动终端用射频滤波器是指用于手机、汽车等移动终端设备,具有频率选择和噪声抑制作用的元器件,它是保证通讯质量的关键器件之一1。声表面波(S AW)滤波器具有体积小、性能好和成本低的特点,广泛应用于各种移动通信领域中2-3。钽酸锂(L i T a O3,简称L T)是一种优良的压电晶体材料,其具有压电系数大、小频率温度系数小和机电耦合系数高的优点,且制作的器件损耗小、矩形度高、温漂小及带宽大,是S AW滤波器广泛使用的衬底材料。由于钽酸锂晶体的各向异性,不同切型方向具有不同的性能特征,相比其他切型,4 2 Y方向L T晶体制作 的S AW滤 波 器 综 合 性 能 更 好,因 而 备 受关注4-6。本文采用4 2 Y方向、8mm8mm3 0mm的L T方棒作为籽晶,对直径4英寸(1英寸=2.5 4c m)的L T晶体进行生长,并对晶体的结晶质量及部分声表面波性能指标进行了测试分析。1 实验1.1 晶体生长实验采用的初始原料为高纯T a2O5(9 9.9 9%)和L i2C O3(9 9.9 9%)。将所有原料置于烘箱中,并在一定温度下烘干去除水分,然后按同成分比(摩尔比r(L i)/r(T a)=4 8.7 5/5 1.2 5)进行配料;经充分混合后,采用等静压机将混合料压制成柱状,再置于自制的烧结炉中,采用分段升温程序进行高温烧结。固相反应过程如下:L i2C O3+T a2O5=2 L i T a O3+C O2(1)将上述烧结料用于晶体生长,生长设备使用的中电集团第二十六研究所自主研发的中频感应加热J G D-8 0 0型提拉单晶炉,生长容器为铱坩埚,炉内充高纯氮气和微量氧气作为保护气体。采用质量较好的4 2 Y方向L T晶体作为籽晶,提拉速度为12mm/h,转速为41 0r/m i n。晶体生长经过引晶、缩径、放肩、等径、提脱、降温等过程,当晶体温度与室温接近时出炉。生长的晶体如图1所示,晶体等径部分尺寸为1 0 8mm8 0mm,外观完整,直径波动小。图1 4 2 Y钽酸锂原生晶体1.2 晶体性能测试为了表征生长的晶体质量,将4 2 YL T晶体沿径向加工成1 0 0mm0.2 5mm的晶圆,取头尾晶圆,双面抛光后采用P El a m b d a 9 0 0型紫外-红外分光光度计进行透过率测量。采用德国布鲁克D 8 X线衍射仪,选用C u靶K辐射(=0.1 5 41 8n m),扫面 速 度 为4()/m i n,步 长 为0.0 2,电 压 为1 5k V、电流为5mA,对晶圆进行摇摆曲线测试分析。采用N E T Z S CH S T A 4 4 9型差热分析仪对晶体头尾 的 居 里 温 度 进 行 分 析。样 品 质 量 为52 0 0m g,坩埚为A l2O3陶瓷,气氛为氩气,升温速率为1 0/m i n。将晶圆黑化处理后,通过光刻等工序将其制备成叉指换能器。利用E 5 0 7 1 B型网络分析仪测出延迟时间等参数,从而计算出L T晶圆的声表面波速度及其机电耦合系数。利用N 5 2 4 4 A型网络分析仪和S A 8型微波半自动探针测试系统测试2 5、5 0、7 5 下的频率fm 1、fm 2、fm 3。L T晶圆的声表面波频率温度系数为f=1fm 2fm 3-fm 1T3-T1(2)式中T1、T3为对应fm 1、fm 3频率下的温度。2 实验结果与讨论2.1 透过率L T晶体的光学透过谱如图2所示。由图可见,L T晶体的透过范围较宽,覆盖了紫外、可见和近红外 波 段,透 过 率 在5 0 025 0 0n m时 接 近8 0%。晶体头尾部分的透过率几乎重叠,这表明晶体质量一致性较好。同时,在28 6 6n m附近处有明显的吸收峰,其原因可能是空气中的水分进入L T晶格并以OHO的形式形成化学键,OH振动在28 6 6n m附近形成了吸收带7。图2 晶体头尾透过率图谱2.2 单晶摇摆曲线图3为4 2 YL T晶体的X线衍射摇摆曲线。由图可见,曲线的峰形尖锐,对称性好,半高全峰宽(F HWM)为2 8.4,这说明生长出的晶体结构完整,晶体内部应力较小,结晶性能良好。图3 4 2 Y钽酸锂晶体摇摆曲线2.3 居里温度对生长的晶体头尾进行了居里温度测试,测试结果如图4所示。由图可见,晶体头部、尾部的居里温度分别为6 0 9.1 8、6 0 4.7 8,头尾居里温度偏72 第1期于明晓等:4 2 Y钽酸锂晶体生长及性能研究差为4.4。图4 L T晶体头部、尾部居里温度测试图日本国立无机材料研究所拟合得到钽酸锂晶体组分与居里温度关系8为TC=1 1 3 1 0-4 9 2.7 3C+5.6 0 6 2C2(3)式中:TC为L T晶体材料的居里温度;C为晶体中L i的摩尔分数。由式(3)可见,L T晶体中的居里温度与晶体中L i含量的比例相关。在L T晶体实际生长过程中,由于熔体中L i存在分凝现象,且有少量挥发,故造成晶体头尾居里温度存在偏差。2.4 声表面波速度及其机电耦合系数通过设计叉指换能器的孔径、指条数、波长、指条宽度、相对膜厚等参数,采用网络分析仪测出声表面波传播的距离和延迟时间等参数,计算得到自由表面的声表面波速度(v0)为41 8 7.6m/s及金属化表面的声表面波速度(vm)为40 3 5.3m/s。其中,v0为4 2 YL T晶体的声表面波速度。声表面波机电耦合系数(k2)为k2=2(v0-vm)/v0(4)经计算,k27.2 7%。测试结果表明,4 2 Y方向L T晶体具有较大的声速和机电耦合系数,可提高S AW滤波器的使用频率和带宽。2.5 声表面波频率温度系数将换能器放入微波半自动探针测试系统中,通过网络分析仪测出2 5、5 0、7 5 下的频率如表1所示。表1 不同温度下的频率2 5时频率/MH z5 0时频率/MH z7 5时频率/MH z9 4 8.1 09 4 7.2 49 4 6.3 9 通过式(2)计算得到声表面波频率温度系数为-3 6.1 01 0-6K-1,与文献9 的结果相符。3 结束语通过自主研发的J G D-8 0 0型上称重自动提拉炉,成功生长出4英寸、4 2 Y方向、外观完整的L T晶体。对透过率、摇摆曲线、居里温度、S AW速度及其机电耦合系数、S AW频率温度系数等性能进行测试,结果表明,生长的晶体质量较好,S AW性能满足S AW滤波器使 用要求,具有 广泛的应用前景。参考文献:1 何朝峰.手机用B AN D 1 3(R X)声表面波滤波器的研制D.江苏:东南大学,2 0 1 9.2 张华,齐梦珂,潘虹芝,等.基于L i T a O3基片宽带声表面波滤波器设计方法J.压电与声光,2 0 2 2,4 4(5):7 2 6-7 3 0.Z HAN G H u a,Q IM e n g k e,P AN H o n g z h i,e t a l.D e s i g nm e t h o d o f w i d e b a n d w i d t h S AW f i l t e r b a s e d o nL i T a O3J.P i e z o e l e c t r i c s&A c o u s t o o p t i c s,2 0 2 2,4 4(5):7 2 6-7 3 0.3 彭胜春,阳皓,周哲,等.高可靠性、高基频及小延时晶体滤波器J.压电与声光,2 0 1 5,3 7(3):3 6 5-3 6 7.4 N I S H I MUR AE,OKANO K,T E R A S H I MA A,e ta l.V e r t i c a lb r i d g m a ng r o w t ho f4 2 R Y-o r i e n t e dL i T a O3s i n g l ec r y s t a lJ.C r y s t a lR e s e a r c h&T e c h n o l o g y,2 0 1 9,5 4(1 0):1 9 0 0 0 2 3.5 NAKAMUR A H,KOMA T S U T,NAKAN I S H IH,e ta l.R e d u c t i o no f t r a n s v e r s e l e a k a g e f o rS AWr e s o n a t o r so nL i T a O3s u b s t r a t eJ.I E E E,2 0 1 2:1 2 4 8-1 2 5 1.6 Y OU QY,KA IH,HONGYZ,e t a l.W a f e r-s c a l e f a b-r i c a t i o n o f 4 2 r o t a t e dY-C u t L i T a O3-o n-i n s u l a t o r(L T O I)s u b s t r a t e f o r aS AWr e s o n a t o rJ.A p p l i e dE-l e c t r o n i cM a t e r i a l s,2 0 1 9,8(1):1 6 6 0-1 6 6 6.7 颜涛.高品质铌酸锂、L T晶体的生长、结构与性质研究D.济南:山东大学,2 0 1 1.8 孙德辉,刘宏,颜涛,等.近化学计量比钽酸锂晶体-生长技术和成分测试方法J.人工晶体学报,2 0 1 1,4 0(3):5 7 2-5 7 8.9 NAUME NK ONF.O p t i m a lo r i e n t a t i o no fL i T a O3f o ra p p l i c a t i o ni np l a t em o d e r e s o n a t o r sJ.J o u r n a l o fA p-p l i e dP h y s i c s,2 0 1 5,1 1 8:0 3 4 5 0 5.82压 电 与 声 光2 0 2 3年