СПОСОБ ПОЛУЧЕНИЯ СИНТЕТИЧЕСКИХ МОНОКРИСТАЛЛОВ КВАРЦА Российский патент 1998 года по МПК C30B7/10 C30B29/18 

Изобретение относится к области выращивания монокристаллов, в частности к способам получения синтетических монокристаллов кварца гидротермальным методом на затравку. Предложенный способ может быть применен для получения высокакачественного кварца, используемого в пьезотехнике.

Известен способ получения синтетических монокристаллов кварца (пат. США N 3291575, НКИ: 23-30IR, 1965 г), предусматривающий гидротермальный метод выращивания монокристаллов в вертикально установленном автоклаве из кварцевой шихты на затравочные пластины ZY-среза, длина которых соответствует оси Y, а ширина - оси X, расположенные в камере роста кристаллографической осью Y вдоль вертикальной оси сосуда вверх гранью нерастущей гексагональной призмы. Большие плоскости затравочных пластин, являющиеся основными растущими поверхностями, перпендикулярны оси Z.

При таком расположении затравочных пластин микроскопические частицы, которые в условиях выращивания кристаллов всегда присутствуют в растворе во взвешенном состоянии и зависят от места нахождения кристаллов в сосуде, конвекционных потоков пересыщенной кремнеземом гомогенной среды, качества шихты и используемых реактивов, подхватываются конвекционным потоком в процессе кристаллизации, причем в нисходящем конвекционном потоке их значительно больше, чем в восходящем, захватываются основными растущими поверхностями в кристалле, имеющими неровности, задерживаются на них и зарастают в виде включений в кристалле. Ростовые дислокации, обусловленные многочисленными включениями твердых частиц, затрудняют использование кварцевых кристаллов в пьезотехнике.

Наиболее близким техническим решением является способ получения синтетических монокристаллов кварца (заявка Великобритании N 1443835, МКИ: B 01 J 17/04, 1976 г.), заключающийся в перекристаллизации кварцевой шихты в гидротермальных условиях на затравочные пластины ZY-среза, расположенные горизонтально. Основные растущие поверхности ориентированы кристаллографическими осями X и Y поперек сосуда, а осью Z вдоль вертикальной оси сосуда. Обращенная вверх сторона затравочной пластины закрыта металлическим экраном.

Однако прототип имеет следующие недостатки:
- наращивание кристаллов происходит только на обращенной вниз плоскости затравочной пластины, таким образом, в два раза уменьшается величина нарастающего слоя и объем кристалла;
- для получения кристаллов больших размеров необходимо увеличивать длительность процесса кристаллизации, что приводит к значительному повышению затрат электроэнергии;
- изготовление и установка металлических экранов требует дополнительных материальных затрат;
- металлические экраны, расположенные горизонтально по всему объему автоклава, ухудшают массообмен, что вызывает "прокольный" рост кристаллов;
- при снятии выросших кристаллов с экранов образуются большие сколы.

Таким образом, значительно увеличиваются затраты на получение бесприсыпочного пьезокварца, необходимого в пьезотехнике.

Целью предлагаемого изобретения является получение бесприсыпочных кристаллов кварца с максимальным выходом деловой области для пьезотехники без дополнительных затрат на осуществление способа.

Поставленная цель достигается тем, что в заявленном способе получения синтетических монокристаллов кварца, включающем гидротермальное выращивание путем перекристаллизации кварцевой шихты на затравочные пластины ZY-среза в вертикальном автоклаве, затравочные пластины располагают в камере кристаллизации кристаллографической осью X вдоль вертикальной оси сосуда вверх гранями положительной или отрицательной тригональной призмы.

Сопоставительный анализ заявленного способа с прототипом показывает, что заявляемый способ отличается тем, что затравочные пластины ZY-среза в камере роста располагают кристаллографической осью X вдоль вертикальной оси сосуда вверх гранью отрицательной или положительной тригональной призмы. Таким образом, заявляемый способ соответствует критерию изобретения "новизна".

В прототипе монокристаллы кварца получают на горизонтально расположенных затравочных пластинах. Для получения бездислокационных или с незначительной плотностью дислокаций монокристаллов верхнюю поверхность затравочной пластины экранируют металлическим экраном. Однако для получения крупноразмерных монокристаллов, используемых в пьезотехнике, например, для изготовления дисков больших размеров, требуются большие дополнительные затраты, т.к. кристалл растет в одну сторону. Этот недостаток устраняется при синтезе монокристаллов кварца по предлагаемому способу, что позволяет сделать вывод о его соответствии критерию "существенные отличия".

Затравочные пластины ZY-среза в камере роста автоклава располагают кристаллографической осью X вдоль вертикальной оси сосуда, вверх гранями отрицательной или положительной тригональной призмы. Это основано на факторе использования для пьезоизделий только Z-области роста. При таком расположении затравочных пластин положительная или отрицательная тригональные призмы используются как "ловушки" для макроскопических включений, которые всегда присутствуют в растворе и обусловлены пересыщенной кремнеземом гомогенной средой, качеством шихты и используемых реактивов, захватываются конвекционным потоком раствора и переносятся в верхнюю часть камеры роста, где под действием силы тяжести оседают на верхнюю растущую неделовую грань тригональной призмы как на экран, и являющуюся как бы "ловушкой", зарастают и создают естественный экран для деловой Z-области.

В дальнейшем процесс поясняется описанием конкретных примеров его выполнения со ссылками на прилагаемые чертежи, на которых: фиг. 1 - автоклав гидротермального синтеза с кольцевой вертикальной завеской кварцевых затравочных пластин; фиг. 2 - стальной контейнер с кольцевой вертикальной завеской кварцевых затравочных пластин; фиг. 3 - ориентация кристаллографических осей кварцевой затравочной пластины.

Пример конкретного выполнения 1.

В верхнюю часть автоклава гидротермального синтеза 1 (фиг. 1), являющуюся камерой роста 2, помещают стальной контейнер с кольцевой вертикальной завеской затравочных пластин 5 (фиг. 2). В качестве затравок используют пластины ZY-среза, выпиленные из кварцевых монокристаллов прямоугольной формы Y•X-208•67 соответственно, где торцевые стороны затравочных пластин, перпендикулярные X-оси, параллельны грани отрицательной тригональной призмы. В камере роста автоклава 1 (фиг. 1) затравочные пластины располагают кристаллографической осью X вдоль оси сосуда вверх растущей гранью отрицательной тригональной призмы 4 (фиг. 3). В камеру растворения автоклава 3 (фиг. 1) загружают шихту, являющуюся исходным материалом для процесса кристаллизации. После размещения в камере роста автоклава 2 (фиг. 1) стального контейнера 5 (фиг. 2) с затравочными пластинами 4 (фиг. 2, 3) автоклав заливают рабочим раствором, в качестве которого используют 66%Na₂CO₃+0,5%NaOH+2%LiNO₃•3H₂O, коэффициент заполнения свободного объема заливки 0,8. После чего автоклав герметично закрывают, разогревают и выводят в нужный режим, необходимый для проведения кристаллизации. При этом в автоклаве между камерой роста и растворения обеспечивают температурный перепад, благодаря которому в сосуде устанавливается конверсия-циркуляция рабочего раствора между камерой роста и растворения. Твердые макрочастицы, всегда присутствующие в растворе, под действием силы тяжести оседают на горизонтальную растущую грань отрицательной тригональной призмы 6 (фиг. 3) и зарастают на ней. Выросшая грань отрицательной тригональной призмы в кристалле 6 (фиг. 3) занимает примерно 6% и является "ловушкой" для макроскопических включений, а также экраном для делового Z-сектора роста.

Продолжительность цикла выращивания определяется необходимыми размерами получаемых монокристаллов по оси Z. После окончания цикла автоклав выводят из режима, охлаждают и вскрывают, извлекая выросшие кристаллы кварца 6 (фиг. 3). Все кристаллы в экспериментальном цикле в Z-секторе роста, используемом для изготовления пьезоизделий, не имели макроскопических включений, которые отрицательно сказывается на качестве пьезокварца.

Пример конкретного выполнения 2.

Технология получения синтетических кварцевых кристаллов та же, что и в примере 1, но затравочные пластины в камере роста автоклава располагают кристаллографической осью X вдоль оси сосуда вверх гранью положительной тригональной призмы 4' (фиг. 3). После окончания извлекают выросшие кристаллы кварца 6' (фиг. 3), в которых грань положительной тригональной призмы занимает примерно 15% от общего объема кристаллов.

Использование предлагаемого способа получения синтетических монокристаллов кварца обеспечивает получение монокристаллов кварца без макроскопических включений в деловом Z-секторе роста, используемого в пьезотехнике, при минимальных затратах на его осуществление: выращивание кристаллов ведут на обе стороны больших поверхностей Z-областей, что делает процесс более экономичным.

Способ может быть использован в области выращивания монокристаллов. Сущность изобретения: способ включает гидротермальное выращивание путем перекристаллизации кварцевой шихты на затравочные пластины ZY-среза в вертикальном автоклаве. Новым в способе является то, что затравочные пластины в камере кристаллизации располагают кристаллографической осью X вдоль вертикальной оси сосуда вверх гранями положительной или отрицательной тригональной призмы. Изобретение позволяет получать беcприсыпочные кристаллы кварца с максимальным выходом деловой области для пьезотехники без дополнительных затрат. 3 ил.

1. Способ получения синтетических монокристаллов кварца гидротермальным методом путем перекристаллизации кварцевой шихты на затравочные пластины ZY-среза в вертикальном автоклаве, отличающийся тем, что затравочные пластины располагают в камере кристаллизации кристаллографической осью X вдоль вертикальной оси сосуда вверх гранями положительной или отрицательной тригональных призм.