способ выращивания монокристаллов кварца

Формула изобретения

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.

Описание изобретения к патенту

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.