Пьезоэлектрические монокристаллы, используемые в резонаторах, генераторах, фильтрах и датчиках, на объемных акустических волнах

Высококачественный кварц, обладающий безупречной чистотой и кристаллическим совершенством, необходим для изготовления современных и перспективных типов резонаторов (миниатюрных и микроминиатюрных), которые используются в высокостабильных и прецизионных генераторах, СВЧ и перестраиваемых генераторах, широкополосных высокочастотных фильтрах. Общее содержание примесей в используемых для этих целей монокристаллах не должно превышать 1×10^–6. Больших успехов в решении этой важнейшей задачи добились ученые и инженеры ОКБ ИС. Сегодня многие потребители искусственного кварца в российских и зарубежных фирмах высоко оценивают качество продукции этого предприятия, добившегося минимальной концентрации примесей ионов Al, Fe, Na, Cu, Li и уменьшения плотности дислокаций до 10 на 1 см²и менее.

При добротности используемого кварца более 5 млн (основная частота 1 МГц) наличие твердых включений не более 10 на 1 см³обеспечивает минимальное влияние на параметры и характеристики резонаторов, особенно на сравнительно невысоких частотах (ниже 25 МГц).

Снижение параметров и искажения характеристик резонаторов наблюдаются в тех случаях, когда включения находятся в активной области при возбуждении на рабочей частоте.

Наличие примесей в кварцевых монокристаллах может явиться причиной повышенного старения и нестабильной частоты и параметров кварцевых резонаторов (и устройств, в которых они используются), особенно при воздействии облучения. Особенно эти эффекты проявляются при использовании кварцевых монокристаллов с большим содержанием Al (>5×10^–6).

Достигнутый в настоящее время уровень химической чистоты и структурного совершенства выращиваемых высококачественных монокристаллов кварца обеспечивает высокую добротность ( Qir >2,5×10⁶), низкое сопротивление, воспроизводимость параметров и характеристик, возможность миниатюризации с сохранением высокой стабильности частоты и параметров кварцевых резонаторов и устройств на их основе, отвечающих высоким эксплуатационным требованиям к механическим, климатическим и радиационным воздействиям.

Высокое качество современных монокристаллов позволяет существенно увеличить скорость процессов формообразования кристаллических элементов за счет уменьшения влияния границ зон роста на ТКЧ, динамическое сопротивление и добротность резонаторов.

Низкий уровень дислокаций обеспечивает повышение механической прочности при процессах распиловки и формообразования кристаллических элементов, особенно при изготовлении высокочастотных резонаторов с мезаструктурными кристаллическими элементами.

Концентрация различных дефектов в кварцевых монокристаллах определяет добротность, другие параметры и характеристики резонаторов, а также стабильность и воспроизводимость основных технологических процессов и выход годных изделий.

В зависимости от требований к изготовляемым резонаторам и используемым технологиям их изготовления устанавливаются требования к качеству монокристаллов, состав их приемочных испытаний. Для изготовления массовых тиражей резонаторов, к параметрам и характеристикам которых предъявляются сравнительно невысокие требования, при входном контроле кварца состав приемочных испытаний сравнительно простой и дешевый: визуальный контроль и выборочная проверка стойкости к тепловому удару.

Для обеспечения высокого процента выхода годных резонаторов с качественными параметрами и стабильными характеристиками (низкое сопротивление, высокая частота, воспроизводимые и регулярные температурно-частотные характеристики, минимальное значение емкостного отношения С₀/ С₁, высокая радиационная стойкость, добротность и т. д.) необходимы кварцевые монокристаллы высокого качества: с низкой плотностью дислокаций и примесей, хорошей добротностью Qir > (2,5…3,5)×10⁶.

Традиционно применяемые при разработках и производстве монокристаллы α -кварца не всегда позволяют создать новые типы резонаторов и фильтров на объемных акустических волнах. Например, диапазон перестройки кварцевых резонаторов на АТ-срезе для управляемых напряжением генераторов не превышает 0,25% от частоты, а относительная ширина полосы пропускания классического монолитного фильтра на том же срезе не превышает 0,3% от номинальной частоты. Эти параметры резонаторов и фильтров обусловлены физическими свойствами применяемого пьезоэлектрика: его диэлектрической проницаемостью, величиной пьезоэлектрических модулей, упругими свойствами и их температурными коэффициентами.

Применение в качестве подложек монокристаллов танталата лития позволяет реализовать широкие полосы пропускания фильтров (до 4% от номинальной частоты) и обеспечивает большой диапазон перестройки резонаторов. Однако низкое значение добротности и неудовлетворительное значение температурной стабильности не позволяют реализовать монолитные фильтры с высокими требованиями к крутизне частотной характеристики затухания.

Уникальные свойства пьезоэлектрического монокристалла лантангаллиевого силиката (La₃Ga₅SiO₁₄), впервые синтезированного в России в начале 1980-х годов, позволяют создать новые типы пьезоэлектронных устройств, расширить области их использования в новейших устройствах радиоэлектронной техники.

Наличие у монокристалла лангасита температурных коэффициентов материальных констант с противоположными знаками, обусловливает существование срезов с нулевыми значениями температурных коэффициентов частоты первого порядка. Занимая промежуточное положение по величине пьезоэлектрических коэффициентов между кварцем и танталатом лития, колебательные структуры на монокристаллах лангасита имеют высокую добротность и промежуточное значение коэффициента электромеханической связи, позволяющего реализовать «среднеполосные» фильтры в монолитном исполнении.

Отсутствие фазовых переходов вплоть до температуры плавления ( Т_пл= 1470 °С), пироэлектрических и сегнетоэлектрических эффектов (точечная группа симметрии 32) открывает широкие возможности для высокотемпературных применений монокристаллов лангасита.

Лангасит обладает рядом свойств, делающих его достаточно технологичным материалом в условиях промышленного производства.

У монокристаллов лангасита отсутствуют энантиоморфные модификации (пространственная группа симметрии Р321), что особенно важно при первоначальной ориентировке кристалла. Являясь достаточно мягким материалом (твердость по Моосу 5,0–5,5), ЛГС легко подвергается химическому и ионно-плазменному травлению. Это особенно важно при формировании обратных мезаструктур (ОМС) для высокочастотных акустоэлектронных устройств.

Преимущества резонаторов на монокристаллах ЛГС (лантангаллиевый силикат) и ЛГТ (лантангаллиевый танталат) по сравнению с кварцем:

1. меньшее значение величины сопротивления R (в 2–3 раза), требуется меньше затрат электроэнергии могут работать при слабом токе;
2. емкостное соотношение 50–120 (в 4–6 раза меньше), возможно увеличить диапазон перестройки генераторов и расширение полосы пропускания фильтров;
3. работоспособность в более широких интервалах температур (до 700–900 °С), работоспособность кварца в диапазоне до 400–500 °С;
4. высокая механическая устойчивость;
5. меньшие габаритные размеры при аналогичных сопротивлениях R;
6. в 2–3 раза лучшая долговременная стабильность;
7. высокая воспроизводимость температуры экстремума (при изменении угла среза на 1 ′ у ЛГС температура экстремума меняется на 0,25 °С, у кварца ( АТ и SC ) на 5,5°С);
8. меньшее время выхода на режим (меньше габаритные размеры);
9. меньше токовая чувствительность;
10. меньше фликер-шум;
11. обработка в менее агрессивных кислотах (экологическая безопасность);
12. более быстрое образование мезаструктуры (скорость травления);
13. меньше размер электродов (6–8 толщин КЭ вместо 20 у кварца);
14. низкая чувствительность к вакууму;
15. лучшая адгезия пленок;
16. меньшая чувствительность к ориентации крепления;
17. простота управления температурой экстремума;
18. возможность применения высокоточных способов формирования кристаллических элементов с использованием лазерных технологий.

Недостатки:

1. более высокая стоимость монокристалла;
2. крутизна ТХЧ выше ( К_крут= 6×10^–8), у кварца К_крут= 2–3×10^–8;
3. сложная регенерация (снятие электродов);
4. меньшая величина добротности.

Резонаторы на основе монокристаллов ЛГС изготавливаются на частоты от 25 кГц до 70 МГц.

Для создания производства СВЧ-резонаторов от 400 до 1500 МГц перспективно использование пленок сильных пьезоэлектриков ZnO, CdS, AlN, Ta₂O₃(1–4). Добротность в таких резонаторах на объемных акустических волнах достигает 5000–15 000.

Ниобат и танталат лития наряду с пьезоэлектрическими свойствами обладают сегнетоэлектрическими свойствами (танталат лития обладает и пироэлектрическими свойствами). Оба кристалла применяются при изготовлении пьезорезонаторов, используемых в генераторах, которые управляются по частоте, и широкополосных фильтрах. Ниобатлитиевые резонаторы имеют высокую чувствительность частоты к изменению температуры окружающей среды по сравнению с танталатолитиевыми. Оба типа резонаторов значительно уступают кварцевым, поэтому их использование в пьезотехнике многократно меньше.

Тетраборат лития (Li₂B₄O₇) выращивается методом Чехральского. Пьезоэффект в кристаллах тетрабората лития значительно выше, чем у кварца (примерно в 3–4 раза большая величина коэффициента электромеханической связи). Их производство достаточно дорого, поэтому и использование в пьезотехнике весьма ограниченно.

Перспективны (особенно в диапазоне частот 500–1500 МГц) для использования в пьезорезонаторах и фильтрах с применением технологий МЭМС и НЭМС монокристаллы оксида цинка (ZnO).

Эти кристаллы используются для изготовления тонкопленочных преобразователей для возбуждения высокочастотных волн.

В природе кристаллический берлинит не встречается. Используемые в пьезотехнике монокристаллы AlPO₄выращиваются как монокристаллы кварца, при высоких давлениях и температурах в автоклавах на затравках, изготовленных из искусственно выращенных монокристаллов.

В заключение следует отметить, что в ближайшие годы доминирующее потребление в пьезотехнике останется за кварцевыми монокристаллами (более 90% мировых объемов производства).

Литература

1. Миленин П., Грузиненко В. Некоторые аспекты производства высокостабильных пьезоэлектрических резонаторов // Наноиндустрия. 2007. № 1.
2. Стандарт IEC 758-2004. Синтетические кварцевые кристаллы.
3. Brice J. Crystals for Quartz Resonators // Reviews of Modem Physics. Vol. 57 (1). 1985.
4. Hannon J., Loid P., Smith P. Litium Tantalate and Litium Niobate Piezoelectric Resonators // JEEE Sonic and Ultrasonics. 1970. Vol sn-17, N 4.