ЗАТРАВКА ДЛЯ ВЫРАЩИВАНИЯ МОНОКРИСТАЛЛА КВАРЦА (ВАРИАНТЫ) Российский патент 2002 года по МПК C30B7/10 C30B29/18 

Изобретение относится к средствам выращивания монокристаллов из растворов с применением давления, в частности гидротермальным способом, и может использоваться при изготовлении затравочных пластин для выращивания кристаллов большого размера.

Проблема состоит в получении затравки прямоугольной формы большого размера. Кристалл кварца наиболее быстро растет в направлении осей Z и +Х, вдвое-втрое медленнее - в направлении оси -X и почти не растет в направлении оси Y; выращенный кристалл имеет вид гексагональной призмы, грани которой наклонены под углом 30^o к оси Y. Чтобы получить прямоугольную плоскую затравку необходимой длины по оси Y, для выращивания монокристалла приходится использовать редко встречающиеся природные кристаллы с необходимыми размерами.

Известна затравка для выращивания монокристалла кварца, описанная в статье авторов Yutaka Mikawa и др. "New technique to decrease dislocations in synthetic quartz crystal" в "Proceed of the 1999 IEEE International Fr. Contr. Sump. 1999, Micropolis Besanson. France, p. 773-776, фиг.1.

Известная затравка вырезана из области +Х синтетического кварца и имеет ZY срез.

Недостатком известной затравки является укорочение Y-размера из-за наличия скошенных m-поверхностей при росте сектора +Х кристалла кварца. Поскольку в направлении оси Y кристалл практически не растет, а образующиеся при росте сектора +Х грани гексагональной призмы m наклонены под углом 30^o к оси Y, то приходится для сохранения прямоугольной формы укорачивать затравку по оси Y.

Наиболее близкой по технической сущности к первым двум вариантам выполнения заявляемой затравки является затравка, описанная в одноименном свидетельстве 17043 на полезную модель с приоритетом от 26.09.2000 г. по кл. С 30 В 7/10 и выбранная в качестве прототипа.

Известная затравка, выполненная в форме трехсторонней незамкнутой в направлении области +Х рамки из кристаллического кварца, основание которой имеет ZY или XY срез, является составной из базовой затравки-основания и дополнительных элементов-боковых сторон, механически прикрепленных под углом 90≤α≤180^o к краям базовой затравки, причем направления осей Y и Z базовой затравки и дополнительных элементов совпадают.

Наиболее близкой по технической сущности к заявляемой в третьем варианте ее выполнения является затравка для выращивания монокристалла кварца, описанная в вышеупомянутой статье авторов Yutaka Mikawa и др., фиг.2 и выбранная в качестве прототипа.

Известная затравка выполнена в форме трехсторонней незамкнутой в направлении области +Х рамки, вырезанной цельной из пластины кристаллического кварца ZY среза таким образом, что сторона основания -X параллельна оси Y, а боковые стороны параллельны оси X.

Недостатком известных затравок является то, что их размеры по оси Y недостаточно велики по указанным выше причинам.

Целью заявляемого изобретения во всех трех вариантах выполнения является увеличение размеров затравки по оси Y.

Поставленная цель достигается тем, что:
- в первом варианте выполнения в затравке для выращивания монокристалла кварца, выполненной в форме составной трехсторонней незамкнутой в направлении области +Х рамки из кристаллического кварца, состоящей из базовой затравки-основания и дополнительных элементов - боковых сторон, механически прикрепленных под углом 90^o к краям базовой затравки, имеющей срез ZY или XY, причем направления осей Y и Z базовой затравки и дополнительных элементов совпадают, согласно изобретению длина l базовой затравки-основания связана с длиной L дополнительных элементов - боковых сторон соотношением L= l•tg60^o-h, где h - размер базовой затравки по оси X;
- во втором варианте выполнения в затравке для выращивания монокристалла кварца, выполненной в форме составной трехсторонней незамкнутой в направлении области +Х рамки из кристаллического кварца, состоящей из базовой затравки- основания и дополнительных элементов - боковых сторон, механически прикрепленных под углом 90^o к краям базовой затравки, имеющей срез ZY или XY, причем направления осей Y и Z базовой затравки и дополнительных элементов совпадают, cогласно изобретению дополнительные элементы - боковые стороны продлены в направлении области -X, образуя с базовой затравкой вторую трехстороннюю незамкнутую в направлении области -X рамку, при этом длина дополнительных элементов в направлении области +Х составляет в зависимости от физических свойств кварца от 1/4 до 1/2 L, в направлении области -X - от 1/2 до 3/4 L, а длина l базовой затравки связана с общей длиной L дополнительных элементов - боковых сторон в направлении областей +Х и -X соотношением L=l•tg60^o-h, где h - размер базовой затравки по оси X; причем базовая затравка может быть выполнена составной из двух частей длиной 2l.

При этом часть затравки, включающая базовую затравку-основание и дополнительные элементы - боковые стороны в направлении области -X, может быть выполнена монолитной;
- в третьем варианте выполнения в затравке для выращивания монокристалла кварца, выполненной в форме трехсторонней незамкнутой в направлении области +Х рамки, вырезанной цельной из пластины кристаллического кварца ZY среза в виде базовой затравки-основания и перпендикулярных к ней дополнительных элементов - боковых сторон, согласно изобретению один из дополнительных элементов - боковых сторон продлен в направлении области -Х и выполнен как одно целое с рамкой, при этом длина дополнительных элементов - боковых сторон в направлении области +Х составляет от 1/4 до 1/2 L, в направлении области -X - от 1/2 до 3/4 L, а длина l базовой затравки связана с общей длиной L дополнительных элементов - боковых сторон в направлении +Х и -X соотношением L= l•tg60^o-h, где h - размер базовой затравки по оси X.

Поскольку при выращивании монокристалла из затравки, выполненной по первому варианту, область +Х растет до заполнения рамки на всю длину дополнительных элементов - боковых сторон, то сделав срез кристалла по диагонали образовавшегося при росте кристалла, получают удлиненную по оси Y затравку в виде тонкой пластинки Х среза, из которой потом выращивают известным способом кристалл необходимой ширины.

При выращивании монокристалла на затравке, выполненной по второму варианту, аналогичным образом затравка, вырезанная по диагонали образовавшегося при росте прямоугольника-кристалла, заполнившего обе рамки, за счет выбранного соотношения размеров при сохранении прямоугольной формы имеет значительную длину по оси Y.

В третьем варианте затравка, вырезанная по линии, соединяющей концы противолежащих дополнительного элемента в области +Х и дополнительного элемента в области -X, также имеет значительную длину по оси Y.

Заявляемая затравка для выращивания монокристалла кварца во всех вариантах ее выполнения обладает новизной в сравнении с прототипом, отличаясь от него в первом варианте соотношением размеров базовой затравки-основания и дополнительных элементов - боковых сторон, а во втором и третьем вариантах - продлением соответственно обоих или одного из дополнительных элементов - боковых сторон в область -X, соотношением размеров дополнительных элементов в областях +Х и -X между собой и с размером базовой затравки, обеспечивающими достижение заданного результата.

Заявителю неизвестны технические решения, обладающие совокупностью указанных в каждом из трех вариантов признаков, обеспечивающих достижение заданного результата, поэтому он считает, что указанное техническое решение соответствует критерию "изобретательский уровень".

Заявляемая затравка во всех вариантах ее выполнения может широко использоваться для получения затравок, имеющих большую длину по оси Y, поэтому соответствует критерию "промышленная применимость".

Изобретение иллюстрируется чертежами, где показаны:
на фиг.1 - выполнение затравки по первому варианту;
на фиг.2 - выполнение затравки по второму вариантам (с базовой затравкой длиной l);
на фиг.3 - выполнение затравки по второму варианту (с базовой затравкой длиной 2l);
на фиг.4 - выполнение затравки по третьему варианту.

Заявляемая затравка для выращивания монокристалла кварца в первом варианте выполнения содержит базовую затравку-основание 1 ZY или XY среза, механически прикрепленные перпендикулярно к ее краям дополнительные элементы - боковые стороны 2' и 2", длина которых L связана с длиной l базовой затравки - основания l соотношением L=l•tg60^o-h, где h - размер базовой затравки по оси Х (фиг.1).

Заявляемая затравка во втором варианте выполнения содержит базовую затравку - основание 1 ZY или XY среза и механически прикрепленные к ее краям под прямым углом дополнительные элементы - боковые стороны 2, направленные в область +Х, и дополнительные элементы - боковые стороны 3, направленные в область -X. Соотношение размеров следующее: длина дополнительных элементов 2 в направлении области +Х составляет от 1/4 до 1/2 L, в направлении области -X - от 1/2 до 3/4 L, а длина l базовой затравки-основания связана с суммарной длиной L дополнительных элементов - боковых сторон соотношением L= l•tg 60^o-h, где h - размер базовой затравки по оси Х (фиг.2).

Базовая затравка может быть выполнена составной из двух частей 1' и 1", каждая из которых имеет длину l (фиг.3).

При этом в обоих случаях во втором варианте дополнительные элементы - боковые стороны 3 в направлении области -X могут быть выполнены как одно целое с базовой затравкой-основанием 1 или как составные с элементами 2.

В третьем варианте затравка выполнена монолитной из базовой затравки 1, дополнительных элементов 2 в области +Х и дополнительного элемента 3, являющимся продолжением одного из дополнительных элементов 2 в область -X.

Механическое крепление дополнительных элементов - боковых сторон к базовой затравке-основанию и частей базовой затравки друг к другу производится, например, с помощью проволоки, струбцин или другими способами (не показано).

При помещении затравки в автоклав в обычную гидротермальную среду под давлением при росте затравки происходит заполнение рамки в направлении области +Х (I вариант) и в областях +Х и -X (II и III варианты). При этом в области -X рост монокристалла происходит за счет секторов +Х.

Условиями роста могут быть, в частности, давление 400-1200 атм и перепад температур между зоной роста и растворения от 5 до 30^oС при температуре кристаллизации 300-400^oС в щелочном или содовом растворах.

За счет выбранного соотношения размеров дополнительных элементов и базовой затравки при их взаимно перпендикулярном креплении образующиеся при росте грани гексагональной призмы m наклонены под углом 30^o к оси Y, но при большом размере выросшего кристалла, заполнившего рамку на высоту дополнительных элементов - боковых сторон, для получения прямоугольной пластины делают срез по диагонали получившегося кристалла и получают затравку большой длины по оси Y (примерно в 2 раза больше длины базовой затравки по оси Y).

В сравнении с прототипами заявляемая затравка во всех вариантах ее выполнения позволяет получить затравку большой длины по оси Y.

Изобретение относится к средствам выращивания монокристаллов из растворов с применением давления, в частности гидротермальным способом, и может использоваться при изготовлении затравочных пластин большого размера. Сущность изобретения: затравка в первом варианте выполнения содержит базовую затравку-основание ZY или XY среза, механически прикрепленные перпендикулярно к ее краям дополнительные элементы - боковые стороны, длина которых L связана с длиной l базовой затравки-основания соотношением L=l•tg60^o-h, где h - размер базовой затравки-основания по оси X. Затравка во втором варианте выполнения содержит базовую затравку-основание ZY или XY среза и механически прикрепленные к ее краям под прямым углом дополнительные элементы - боковые стороны, направленные в область +Х, и дополнительные элементы - боковые стороны, направленные в область -X. Соотношение размеров следующее: длина дополнительных элементов - боковых сторон в направлении области +Х составляет от 1/4 до 1/2 L, в направлении области -X - от 1/2 до 3/4 L, а длина l базовой затравки-основания связана с суммарной длиной L дополнительных элементов - боковых сторон в направлении +Х и -X соотношением L=l•tg60^o-h, где h - размер базовой затравки по оси X. В третьем варианте затравка выполнена монолитной из базовой затравки, дополнительных элементов в области +Х и дополнительного элемента, являющегося продолжением одного из дополнительных элементов в область -X. Изобретение позволяет увеличить размеры затравки по оси Y. 3 с. и 2 з.п. ф-лы, 4 ил.

1. Затравка для выращивания монокристалла кварца, выполненная в форме составной трехсторонней незамкнутой в направлении области +Х рамки из кристаллического кварца, состоящей из базовой затравки-основания и дополнительных элементов - боковых сторон, механически прикрепленных под углом 90^o к краям базовой затравки, имеющей срез ZY или XY, причем направления осей Y и Z базовой затравки и дополнительных элементов совпадают, отличающаяся тем, что длина l базовой затравки-основания связана с длиной L дополнительных элементов соотношением L= l•tg60^o-h, где h - размер базовой затравки по оси X. 2. Затравка для выращивания монокристалла кварца, выполненная в форме составной трехсторонней незамкнутой в направлении области +Х рамки из кристаллического кварца, состоящей из базовой затравки-основания и дополнительных элементов - боковых сторон, механически прикрепленных под углом 90^o к краям базовой затравки, имеющей срез ZY или XY, причем направления осей Y и Z базовой затравки и дополнительных элементов совпадают, отличающаяся тем, что дополнительные элементы - боковые стороны продлены в направлении области -X, образуя с базовой затравкой-основанием вторую трехстороннюю незамкнутую в направлении области -X рамку, при этом длина дополнительных элементов в направлении области +Х составляет от 1/4 до 1/2 L, в направлении области -X - от 1/2 до 3/4 L, а длина 1 базовой затравки связана с общей длиной L дополнительных элементов - боковых сторон в направлении областей +Х и -X соотношением L= l•tg60^o-h, где h - размер базовой затравки по оси X. 3. Затравка для выращивания монокристалла кварца по п. 2, отличающаяся тем, что часть ее, включающая базовую затравку-основание и дополнительные элементы - боковые стороны в направлении области -X, выполнена монолитной. 4. Затравка для выращивания монокристалла кварца по п. 2 или 3, отличающаяся тем, что базовая затравка выполнена составной из двух частей и имеет длину 2l. 5. Затравка для выращивания монокристалла кварца, выполненная в форме трехсторонней незамкнутой в направлении области +Х рамки, вырезанной цельной из пластины кристаллического кварца ZY среза в виде базовой затравки-основания и перпендикулярных к ней дополнительных элементов - боковых сторон, отличающаяся тем, что один из дополнительных элементов продлен в направлении области -X и выполнен как одно целое с рамкой, при этом длина дополнительных элементов - боковых сторон в направлении области +Х составляет от 1/4 до 1/2L, в направлении области -Х - от 1/2 до 3/4L, а длина 1 базовой затравки-основания связана с общей длиной L дополнительных элементов - боковых сторон в направлении +Х и -X соотношением L= l•tg60^o-h, где h - размер базовой затравки по оси X.