СПОСОБ ВЫРАЩИВАНИЯ МОНОКРИСТАЛЛОВ КВАРЦА Российский патент 2002 года по МПК C30B7/10 C30B29/18 

Изобретение относится к способам получения кристаллов, в частности к способам получения синтетических монокристаллов кварца из гидротермальных растворов методом температурного перепада. Предложенный способ может быть использован для получения высококачественного оптического кварца, используемого в оптико-механической и радиоэлектронной промышленности.

Известен способ получения синтетических монокристаллов кварца из водного щелочного раствора в гидротермальных условиях при температурном перепаде между камерами роста и растворения (пат. США 3291575; НКИ: 23 - 301R, 1965 г.) в вертикальном автоклаве, разделенном на камеру растворения, содержащую шихту, и камеру роста, с расположенными в ней кристаллическими затравочными пластинами, установленными таким образом, что основные растущие поверхности ориентированны вертикально, а торцевые стороны затравочной пластины блокированы экранами.

Однако вертикальное расположение затравочных пластин в камере роста автоклава является причиной формирования дефектов, ухудшающих оптические и механические свойства кристаллов и тем самым снижающих их качество, а также затрудняет проведение стабильного процесса выращивания, из-за невозможности поддержания в процессе всего цикла кристаллизации постоянного массообмена между камерой роста и растворения, приводит к понижению технических свойств выращиваемых кристаллов.

Наиболее близкими по техническому решению к предлагаемому изобретению является способ получения синтетических монокристаллов (з. Великобритании 1443835, B 01 J 17/04, 1974 г.), включающий синтез кварца из гидротермальных щелочных растворов в автоклаве путем перекристаллизации кварцевой шихты из моносекционного шихтового контейнера, находящегося в нижней части автоклава - камере растворения, на горизонтально расположенные в камере роста затравочные пластины с экранированием их верхних ростовых поверхностей, при наличии температурного перепада между камерой роста и растворения.

Недостатками данного способа являются: невозможность поддержания в течение всего цикла кристаллизации постоянного, интенсивного конвекционного массообмена, что приводит к дестабилизации параметров роста и снижению технических характеристик получаемых кристаллов; достаточно высокое содержание в получаемом кристалле примеси Аl отрицательно влияет на радиофизические параметры, однородность показателя преломления и оптическую радиационную устойчивость кристалла кварца.

Технической задачей предлагаемого изобретения является повышение качества выращиваемых монокристаллов кварца для использования их в современных оптоэлектронных устройствах.

Поставленная техническая задача решается за счет того, что в известном способе выращивания монокристаллов кварца гидротермальным методом из щелочных растворов перекристаллизацией кварцевой шихты из шихтового контейнера на горизонтально расположенные экранированные затравочные пластины при наличии температурного перепада между камерами роста и растворения, используют многосекционный шихтовой контейнер с перфорированными перегородками по высоте, каждая из которых является дном следующей секции, а рост осуществляется при экранировании верхней и торцевых поверхностей затравочной пластины с прокладкой из стальной фольги между экраном и затравочной пластиной, где в начале ростового цикла производят стравливание раствора на 25-40 МПа при неизменной температуре роста, а после завершения процесса выращивания, проводят охлаждение автоклава с темпом 8-10^oС/ч до температуры 270^oС и давления 10 МПа, после чего производят окончательное стравливание раствора при том же темпе охлаждения до температуры 120^oС, по достижению которой отключается электропитание нагревателей автоклава.

Сопоставительный анализ заявляемого технического решения с прототипом показывает, что заявляемый способ отличается от известного тем, что в способе используют многосекционный шихтовой контейнер с перфорированными перегородками по высоте, каждая из которых является дном следующей секции; проводят 3-стороннее экранирование затравочной пластины - верхней и торцевых поверхностей прокладкой из стальной фольги между экраном и затравочной пластиной; в начале ростового цикла осуществляют стравливание раствора на 25-40 МПа при неизменной температуре синтеза, а после завершения процесса выращивания проводят охлаждение автоклава с темпом 8-10^oС/ч до температуры 270^oС и давления 10 МПа, после чего производят окончательное стравливание раствора при том же темпе охлаждения до температуры 120^oС, по достижению которой отключается электропитание нагревателей автоклава. Таким образом, заявляемый способ соответствует критерию изобретения "новизна". В известных технических решениях получают монокристаллы синтетического кварца не достаточно высокого качества для использования в оптоэлектронике. Предлагаемый же способ синтеза кварца позволяет значительно повысить качество выращиваемого материала. Это дает возможность сделать вывод о его соответствии критерию "существенные отличия".

Использование при синтезе монокристаллов кварца многосекционного шихтового контейнера с перфорированными перегородками по высоте, причем, каждая из которых является дном следующей секции, так называемой "этажерочной" конструкции, обеспечивает эффективное постоянное растворение шихты в течение всего цикла выращивания по всей высоте контейнера, тем самым стимулирует массообмен и, соответственно, скорость роста кристаллов, что приводит к повышению качества получаемого материала.

Экранирование верхней и торцевых поверхностей затравочной пластины обеспечивает наращивание кристалла одним сектором роста, по нижней основной поверхности кристаллической пластины, что полностью исключает процесс формирования верхней, дефектной половины кристалла, и сохраняет постоянным свободный объем в автоклаве, обусловленный отсутствием разрастания торцевых граней затравки, где происходит движение конвекционных потоков, обеспечивающих постоянный массообмен между зонами роста и растворения, необходимый для выращивания бездефектных монокристаллов. Установка прокладки из стальной фольги между экраном и затравочной пластиной предотвращает образование трещин в растущих кристаллах.

Проведение стравливания раствора в начале ростового цикла на 25-40 МПа при неизменной температуре синтеза вызывает понижение концентрации примеси алюминия, попадаемого в кристалл из гидротермального раствора, который отрицательно влияет на радиофизические параметры, однородность показателя преломления и оптическую радиационную устойчивость выращенных кристаллов. Конкретные параметры стравливания выбраны опытным путем и обеспечивают максимальный эффект.

Данный режим охлаждения автоклава после проведения процесса выращивания, а именно, охлаждение автоклава с темпом 8-10^oС/ч до температуры 270^oС и давления 10 МПа, после чего окончательное стравливание раствора при том же темпе охлаждения до температуры 120^oС и отключение электропитания нагревателей автоклава, обеспечивает исключение выпадения на поверхность выросших кристаллов плотного несмываемого силикатного налета, препятствующего просмотру кристаллов при разбраковке и оценке их качества.

Предлагаемый способ выращивания монокристаллов кварца реализован следующим способом.

Пример. Выращивание кристаллов осуществляют в автоклаве емкостью 1500 л. В нижнюю зону - камеру растворения помещают предварительно загруженный многосекционный шихтовой контейнер, по высоте которого установлены перфорированные перегородки. Например, размер круглого отверстия 5 мм, а плотность отверстий в перегородке 20 штук на 1 дм. Каждая из перегородок является дном следующей секции. Таким образом, объем контейнера разделяется по высоте на секции. Зарядку шихтового контейнера обломками жильного кварца размером 2-5 мм проводят, начиная с нижней секции, в направлении снизу вверх. После загрузки очередной секции над шихтой устанавливают жестко закрепленную перфорированную перегородку, служащую дном следующей секции над загруженной. Следовательно, в каждой секции находится навеска шихтового материала. Общий вес загружаемой шихты составляет 500 кг. После установки в нижней части автоклава контейнера с шихтой, над ним помещают перфорированный диск - "диафрагму" с размером отверстий 16-25 мм и плотностью их 3% от всей площади диафрагмы, которая разделяет автоклав на камеру растворения и камеру роста и предназначенная для создания оптимального температурного перепада между камерами растворения и роста. Затем в камеру роста помещают в кристаллодержателях горизонтально расположенные затравочные пластины, вырезанные из монокристаллического кварца, верхняя растущая и торцевые поверхности которых экранированы. Между экранами и затравочными пластинами помещают тонкую прокладку из стальной фольги (толщиной 0,4 мм). После загрузки в камеру растворения шихты, установки диафрагмы и размещения в камере роста затравочных пластин, автоклав заполняют на 80% от свободного объема растворителем, например содовым раствором. Герметично закрывают его, включают электронагревательные элементы и разогревают до термобарических параметров, необходимых для проведения кристаллизации: температура кристаллизации 347^oС, температура растворения шихты 350^oС, давление 150 МПа. При достижении указанных параметров, в начале ростового цикла, производят частичное стравливание раствора через вентиль высокого давления в количестве, обеспечивающем снижение давления в автоклаве на 25-40 МПа при неизменной температуре синтеза. После этого ведут процесс выращивания кристаллов в течение 200 суток. Далее начинают вывод автоклава из режима охлаждением с темпом 8-10^oС/ч, который достигают постепенным снижением мощности тока, подаваемого на электронагреватели. В процессе охлаждения снижается так же и давление в автоклаве. При достижении температуры 270^oС и давления 10 МПа проводят окончательное стравливание раствора при том же темпе охлаждения. При температуре 120^oС и отсутствии давления в автоклаве стравливание раствора прекращают, автоклав отключают от электронагрева, и дальнейшее охлаждение его происходит с произвольным темпом. Когда автоклав остынет до температуры 60^oС, его вскрывают и извлекают выросшие кристаллы.

Результаты опытов при разных параметрах стравливания раствора в начале роста и при различных темпах охлаждения автоклава приведены в таблице.

Предложенный способ позволяет получить высококачественные монокристаллы пьезооптического кварца, практически не содержащих дислокаций, свободных от оптической неоднородности, которые широко используются в современных оптоэлектронных устройствах.

Изобретение относится к способам получения синтетических монокристаллов кварца и гидротермальных растворов методом температурного перепада и может быть использовано для получения высококачественного оптического кварца, используемого в оптико-механической и радиоэлектронной промышленности. Сущность изобретения: монокристаллы кварца выращивают гидротермальным методом из щелочных растворов перекристаллизацией кварцевой шихты из шихтового контейнера на горизонтально расположенные экранированные затравочные пластины при наличии температурного перепада между камерой роста и растворения, при этом используют многосекционный шихтовой контейнер с перфорированными перегородками по высоте, каждая из которых является дном следующей секции, а рост осуществляют при экранировании верхней и торцевых поверхностей затравочной пластины с прокладкой из стальной фольги между экраном и затравочной пластиной, где в начале ростового цикла проводят стравливание раствора на 25-40 МПа при неизменной температуре синтеза, а после завершения процесса выращивания проводят охлаждение автоклава с темпом 8-10^oС/ч до температуры 270^oС и давления 10 МПа, после чего производят окончательное стравливание раствора при том же темпе охлаждения до температуры 120^oС, по достижению которой отключают электропитание нагревателей автоклава. Техническим результатом изобретения является получение высококачественного оптического кварца. 1 табл.

Способ выращивания монокристаллов кварца методом гидротермального синтеза из щелочных растворов, перекристаллизацией кварцевой шихты из шихтового контейнера на горизонтально расположенные экранированные затравочные пластины при наличии температурного перепада между камерами роста и растворения, отличающийся тем, что используют многосекционный шихтовой контейнер с перфорированными перегородками по высоте, каждая из которых является дном следующей секции, а рост осуществляют при экранировании верхней и торцевых поверхностей затравочной пластины с прокладкой из стальной фольги между экраном и затравочной пластиной, где в начале ростового цикла проводят стравливание раствора на 25-40 МПа при неизменной температуре роста, а после завершения процесса выращивания охлаждают автоклав с темпом 8-10^oС/ч до температуры 270^oС и давления 10 МПа, после чего стравливают весь раствор при том же темпе охлаждения до температуры 120^oС, по достижению которой отключают электропитание нагревателей автоклава.