CC BY
131Пьезоэлектрические монокристаллы,
используемые в резонаторах, генераторах, фильтрах и датчиках, на объемных акустических волнах
Павел МИЛЕНИН Андрей МЕДВЕДЕВ Валерий ГРУЗИНЕНКО
Пьезоэлектрические резонаторы, фильтры, генераторы и датчики на объемных акустических волнах разрабатываются и изготавливаются на основе применения различных монокристаллов кварца ^Ю2), танталата лития (LiTaOз), ниобата лития (LiNbOз), цинкита ^пО), лангасита (LaзGa5SiO14), берлинита (AlPO4), тетрабората лития ^2В407).
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 1х10-6. 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 А1, Бе, Ыа, Си, Ы и уменьшения плотности дислокаций до 10 на 1 см2 и менее.
При добротности используемого кварца более 5 млн (основная частота 1 МГц) наличие твердых включений не более 10 на 1 см3 обеспечивает 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 А1 (>5х10-6).
Достигнутый в настоящее время уровень химической чистоты и структурного совершенства выращиваемых высококачественных монокристаллов кварца обеспечивает высокую добротность Югг>2,5х106), 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 предъ-
являются 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)х106.
Традиционно применяемые при разработках и производстве монокристаллы а-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
КОМПОНЕНТЫ И ТЕХНОЛОГИИ • № 1 '2009
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 (Ыа30а^Ю14), 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 (Тпл = 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 меза-структур (ОМС) для высокочастотных акус-тоэлектронных 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 БС) 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 мезаструкту-ры (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 (Ккрут = 6х10-8), у кварца Ккрут = 2-3х10-8;
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-резонато-ров от 400 до 1500 МГц перспективно использование пленок сильных пьезоэлектриков 2п0, CdS, А1Ы, Та203 (1-4). Добротность в таких резонаторах на объемных акустических волнах достигает 5000-15 000.
Ниобат и танталат лития наряду с пьезоэлектрическими свойствами обладают сегне-тоэлектрическими свойствами (танталат лития обладает и пироэлектрическими свойствами). Оба кристалла применяются при изготовлении пьезорезонаторов, используемых в гене-
раторах, которые управляются по частоте, и широкополосных фильтрах. Ниобатлитие-вые резонаторы имеют высокую чувствительность частоты к изменению температуры окружающей среды по сравнению с танталато-литиевыми. 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 AlPO4 выращиваются 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.
КОМПОНЕНТЫ И ТЕХНОЛОГИИ • № 1 ’2009
www.kit-e.ru
