Способ выращивания кристаллов синтетического кварца

 

Изобретение относится к области получения синтетических кристаллов, а именно монокристаллов кварца больших размеров и необходимого качества, используемых, преимущественно, для изготовления различных технических устройств в современной электронике. Сущность изобретения: в способе выращивания кристаллов синтетического кварца гидротермальным методом, включающем перекристаллизацию кварцевой шихты на стержневые затравки при наличии температурного перепада между камерой роста и растворения, используют стержневые затравки, ориентированные своей длиной вдоль кристаллографического направления причем боковые стороны стержневых затравок оконтурены либо четырьмя гранями основного отрицательного ромбоэдра либо двумя гранями положительной и отрицательной тригональной призмы и двумя гранями второго ромбоэдра или имеют цилиндрическую форму, а также стержневые затравки изготовлены из малодислокационных или бездислокационных областей предварительно выращенных r/r-кристаллов. Изобретение позволяет снизить плотность ростовых дислокаций или получить полностью бездислокациионные кристаллы синтетического кварца. 1 з. п. ф-лы, 8 ил.

Изобретение относится к области получения синтетических кристаллов, а именно монокристаллов кварца больших размеров и необходимого качества, используемых, преимущественно, для изготовления различных технических устройств в современной электронике.

Известен способ выращивания кристаллов кварца гидротермальным методом из щелочных растворов на протяженных монокристаллических затравках пластинчатой или стержневой формы заданной кристаллографической ориентации (Леммлейн Г.Г. , Цинобер Л. И. Некоторые особенности морфологии кристаллов искусственного кварца. Труды ВНИИП, т.6, Материалы по изучению искусственного кварца, 1962 г., стр.13-14, Москва, Госгеолтехиздат). Кристаллы, выращенные на таких затравках, обычно содержат линейные дефекты, так называемые ростовые дислокации (часто в весьма высокой концентрации), которые отрицательно влияют на технические характеристики кристаллов.

Наиболее близким решением к предлагаемому изобретению является способ выращивания монокристаллов кварца гидротермальным методом, при температурном перепаде из щелочных растворов на затравки стержневой формы, ориентированные своей длиной вдоль кристаллографического направления (ось Y) (фиг.1) и оконтуренные двумя гранями пинакоида (С)-(00.1) и и гранями тригональных призм: положительной и отрицательной (патент РФ 2057210, МПК: С 30 В 7/10, 29/18, 1993 г.). Однако, в процессе роста кристаллов на таких затравках, кроме указанных граней, имеющихся на затравке, в соответствии с механизмом "обратной конкуренции", формируются две грани положительной тригональной дипирамиды Под условным термином "обратная конкуренция" мы имеем в виду известное правило, согласно которому из комплекса потенциально возможных граней кристалла в процессе роста "выживают" грани с наименьшими скоростями нарастания. В результате образуются кристаллы, состоящие из шести пирамид роста: (фиг.2). Образующиеся на Y-стержнях кристаллы отличаются неоднородным секториальным строением, при котором пирамиды роста граней разных простых форм имеют различные физические свойства. Кроме того, кристаллы типа Y-стержней содержат ростовые дислокации, снижающие их качество.

Технической задачей предлагаемого изобретения является снижение плотности ростовых дислокаций или получение полностью бездислокационных кристаллов синтетического кварца с целью его использования в современных отраслях техники.

Поставленная техническая задача решается за счет того, что в известном способе выращивания кристаллов синтетического кварца гидротермальным методом, включающем перекристаллизацию кварцевой шихты на стержневые затравки при наличии температурного перепада между камерой роста и растворения, согласно изобретению, используют стержневые затравки, ориентированные своей длиной вдоль кристаллографического направления (Далее везде символы граней и направлений даны в четырехосной установке Бравэ). Третий индекс, как зависимый упускается. Во всех случаях его легко восстановить, так как он равен сумме первых двух индексов, взятых с обратным знаком. В некоторых случаях для граней дают буквенное обозначение. Как принято в кристаллографии, символы простых форм заключены в фигурные скобки, символы конкретных граней - в круглые, а символы направлений - в квадратные скобки и имеющие в сечении минимальные метрические размеры и площадь, причем, боковые стороны стержневых затравок оконтурены либо четырьмя гранями основного отрицательного ромбоэдра либо двумя гранями положительной и отрицательной тригональной призмы и двумя гранями второго ромбоэдра или имеют цилиндрическую форму с осью цилиндра, совпадающей с направлением а также стержневые затравки изготовлены из малодислокационных или бездислокационных областей предварительно выращенных r/r кристаллов.

Стержневые монокристаллические затравки нового типа ориентированы своей длиной вдоль кристаллографического направления или по-другому, расположенной под углом ~57,6^o к оси Z в плоскости YZ (фиг.1, 7), которому морфологически соответствует ребро между двумя смежными гранями основного отрицательного ромбоэдра, связанными осью третьего порядка (фиг.7). В процессе роста кристаллов кварца, в результате механизма "обратной конкуренции" между потенциальными гранями пояса в огранке кристалла остаются четыре грани основного отрицательного ромбоэдра r₁, r₂, r₄, r₆, и одна грань отрицательной тригональной призмы (-х) (фиг.1, 7). При этом образуется стержневой кристалл (так называемый r/r-кристал), сложенный, преимущественно, пирамидами роста четырех граней основного отрицательного ромбоэдра r (фиг.4), принадлежащих к одной простой кристаллографической форме, а потому являющийся более однородным и совершенным, чем кристаллы прототипа, а именно кристаллы типа Y-стержней (фиг.2).

Примечательной особенностью секториального строения стержневых кристаллов синтетического кварца, которая особенно ярко проявляется именно на кристаллах типа r/r-стержней, является нормальная ориентация слагающих их пирамид роста, вершины которых (вернее "коньки крыш", поскольку они имеют крышеобразную форму), располагаются на затравке, а основания на габитусных гранях роста, при этом наблюдается непрерывное расширение пирамид в процессе роста. В то же время, для кристаллов синтетического кварца, выращиваемого на пластинчатых затравках, наблюдается обратная картина: основные сектора роста имеют форму усеченных пирамид, большие основания которых располагаются на затравке, а меньшие на габитусных гранях, уменьшающихся по мере роста кристалла.

В процессе роста дислокации ориентируются в направлении, близком к нормалям фронта роста, т.е. к граням. В стержневых кристаллах ростовые дислокации локализуются в достаточно узких зонах над поверхностью затравки, а сектора между ними свободны от дислокаций. Поэтому использование стержневых затравок, имеющих в сечении минимальные метрические размеры и площадь, уменьшают участки, содержащие ростовые дислокации и тем больше свободные от дислокаций области наросшего кристалла (фиг.6).

При использовании стержневых затравок, боковые стороны которых оконтурены четырьмя гранями основного отрицательного ромбоэдра (фиг.4), возможные ростовые дислокации локализуются над стержневой затравкой, захватываются растущими гранями и не расходятся "веером" (фиг. 6), как это происходит при выращивании кристаллов кварца на стержневых затравках, ограненных не только указанными габитусными гранями (фиг. 5), где ростовые дислокации, преломляясь на границе неизбежно вырождающихся пирамид роста быстро растущих граней, расходятся "веером" (фиг. 5), захватывая все большие области в кристалле. В нашем же случае, ширина зоны, содержащей дислокации в растущем кристалле, имеет такое же послойное расположение, как и в затравке. Бездислокационная область по мере его роста прогрессивно увеличивается.

Использование стержневых затравок, боковая сторона которых оконтурена двумя гранями положительной и отрицательной тригональной призмы и двумя гранями второго ромбоэдра либо использование стержневых затравок, имеющих цилиндрическую форму с осью цилиндра, совпадающей с направлением оси позволяет выращивать высококачественные стержневые кристаллы синтетического кварца для конкретных технических целей: необходимой длины, определенной формы.

Из бездислокационных зон предварительно выращенного кристалла изготавливают указанные стержневые затравки и выращивают на них полностью бездислокационные кристаллы.

На графических материалах представлены: стереографическая проекция некоторых граней (точки) и кристаллографических поясов (дуги больших кругов) кристалла кварца (фиг. 1), пояса для стержневых кристаллов и для r/r-стержневых кристаллов выделены; схемы секториального строения кристаллов (сечение перпендикулярно длине стержневой затравки), выращенных на различных стержневых затравках: на Y-стержневых затравках (фиг.2), на стержневых затравках, оконтуренных двумя гранями положительной и отрицательной тригональной призмы и двумя гранями второго ромбоэдра (фиг.3), на стержневых затравках, оконтуренных гранями основного отрицательного ромбоэдра r (фиг.4); схемы вероятного распределения ростовых дислокаций (обозначенные пунктирными линиями) в r/r-кристаллах, выращенных указанным способом на стержневых затравках с различной исходной огранкой, представленных на фиг. 3 и 4 соответственно (фиг.5 и 6); проекции r/r-стержневых кристаллов на плоскость ZY - (фиг.7), на плоскость ХY (фиг. 8).

Примеры конкретного выполнения способа.

Пример 1. Выращивание осуществляют в автоклаве емкостью 1500 л. В зону растворения загружают 500 кг шихтового кварца. В зону роста помещают стержневые затравки, ориентированные своей длиной вдоль кристаллографического направления боковая сторона которых оконтурена четырьмя гранями основного отрицательного ромбоэдра Затравка имеет в сечении прямоугольную форму и метрические размеры 5х5 мм. Автоклав заполняют натрийсодержащим раствором на 80% от свободного объема. Вводят в режим: температура кристаллизации 355^oС, температура растворения 372^oС, давление в автоклаве 1350 атм. После проведения процесса выращивания автоклав охлаждают, вскрывают и извлекают выросшие кристаллы. Получаем кристаллы синтетического кварца с выходом бездислокационной области 50-70%.

Пример 2. То же, что и в примере 1, но выращивание осуществляют на стержневых затравках, боковая сторона которых оконтурена двумя гранями положительной и отрицательной тригональной призмы и двумя гранями второго ромбоэдра Затравка имеет прямоугольное сечение с размерами 4х4 мм. После проведения процесса синтеза извлекают кристаллы кварца с большим выходом деловой области.

Пример 3. То же, что и в примере 1, но кристаллы выращивают на стержневых затравках, имеющих цилиндрическую форму с осью цилиндра, совпадающей с направлением и с диаметром в поперечном сечении: 5 мм. На таких затравках выращивают синтетические кристаллы кварца с большим выходом деловой области для конкретного использования в областях техники.

Пример 4. То же, что и в примерах 1-3, однако, стержневые затравки изготавливают из малодислокационной или бездислокационной области предварительно выращенных стержневых r/r-кристаллов.

Получаемый в этом случае синтетический кварц содержит небольшие области дислокаций или полностью свободен от них.

Предлагаемый способ синтеза кристаллов кварца позволяет выращивать малодислокационные или полностью свободные от ростовых дислокаций крупные кристаллы синтетического кварца для использования в различных технических устройствах.

Формула изобретения

1. Способ выращивания кристаллов синтетического кварца гидротермальным методом перекристаллизацией кварцевой шихты на стержневые затравки при наличии температурного перепада между камерой роста и растворения, отличающийся тем, что стержневые затравки ориентированы своей длиной вдоль кристаллографического направления причем боковые стороны стержневых затравок оконтурены четырьмя гранями основного отрицательного ромбоэдра или двумя гранями положительной и отрицательной тригональной призмы и двумя гранями второго ромбоэдра или затравки имеют цилиндрическую форму.

2. Способ по п.1, отличающийся тем что стержневые затравки изготовлены из малодислокационных или бездислокационных областей предварительно выращенных r/r-кристаллов.

РИСУНКИ

Рисунок 1, Рисунок 2, Рисунок 3, Рисунок 4, Рисунок 5, Рисунок 6, Рисунок 7, Рисунок 8