способ выращивания монокристаллов кварца

Формула изобретения

Способ выращивания монокристаллов кварца в гидротермальных условиях в автоклаве путем перекристаллизации кварца из шихты на экранированные затравочные пластины, расположенные под углом к горизонтальной плоскости, при наличии температурного перепада между камерами роста и растворения, отличающийся тем, что перекристаллизацию ведут на затравочные пластины ZY ориентации, установленные радиально относительно вертикальной оси автоклава и под углом от 15 до менее 45° к горизонтальной плоскости, сторона затравочных пластин, направленная к камере роста, расположена выше чем сторона пластин, направленная к оси автоклава, при этом экранируют верхние Z-поверхности и торцевые поверхности затравочных пластин.

Описание изобретения к патенту

Изобретение относится к способам выращивания кристаллов, в частности к способам выращивания монокристаллов кварца из гидротермальных растворов методом температурного перепада, и может быть использовано для выращивания монокристаллов высококачественного оптического кварца, используемого в радиоэлектронике, оптоэлектронике и оптике.

Известен способ выращивания в автоклаве монокристаллов кварца в гидротермальных условиях при температурном перепаде между камерами роста и растворения, включающий синтез кварца из гидротермальных щелочных растворов путем перекристаллизации кварцевой шихты из шихтового контейнера, размещенного в нижней части автоклава - камере растворения, на горизонтально расположенные в камере роста затравочные пластины, верхние ростовые поверхности которых экранированы (см. заявку Великобритании №1443835, МПК В01J 17/04, 1974).

Этот известный способ выращивания монокристаллов кварца является наиболее близким к предлагаемому по технической сущности и достигаемому результату.

Однако при выращивании монокристаллов известным способом невозможно поддержать на протяжении всего цикла кристаллизации постоянный, интенсивный и равномерный по всей камере кристаллизации конвекционный тепломассообмен, вследствие чего скорость роста монокристалла в центре камеры кристаллизации меньше, чем на периферии. Кроме того, при перекристаллизации скорость тепломассобмена растущей поверхности ниже, чем при вертикальной установке затравочных пластин, из-за увеличения толщины «кристаллизационного дворика», в результате чего скорость выращивания монокристаллов поддерживается низкой из-за риска ухудшения технических характеристик выращиваемых монокристаллов.

Технической задачей предлагаемого способа выращивания монокристаллов кварца является создание такого способа, при реализации которого обеспечивалась бы повышенная скорость выращивания монокристаллов и при этом выращенные монокристаллы были бы однородными и имели стабильное качество, что позволило бы использовать их в современных оптоэлектронных устройствах.

Поставленная задача в предлагаемом способе выращивания монокристаллов кварца в автоклаве в гидротермальных условиях путем перекристаллизации кварца из шихты на экранированные затравочные пластины при наличии температурного перепада между камерами роста и растворения решается за счет того, что перекристаллизацию ведут на затравочные пластины ZY-ориентации, установленные радиально относительно вертикальной оси автоклава и под углом от 15 до менее 45° к горизонтальной оси последнего, при этом сторона пластин, направленная к стенке камеры роста автоклава, выше, чем сторона пластин, направленных к центру автоклава, а экранируют верхние Z-поверхности и торцевые Х-поверхности.

Экранирование верхней и торцевых Х-поверхностей затравочных пластин обеспечивает наращивание монокристаллов одним сектором роста по нижней основной Z-поверхности затравочных пластин, что полностью исключает процесс формирования дефектной половины монокристалла и сохраняет постоянным свободный объем в автоклаве, обусловленный отсутствием разрастания торцевых граней затравочных пластин.

Наклонное расположение затравочных пластин обеспечивает равномерный тепломассообмен между минералообразующей средой и растущей поверхностью монокристалла, необходимый для синтеза высококачественных монокристаллов. Для предотвращения трещин между экраном и затравочной пластиной устанавливают прокладку из стальной ленты.

Предлагаемый способ выращивания монокристаллов осуществляется следующим образом.

Пример 1. Выращивание монокристаллов осуществляют на затравочных пластинах ZY-ориентации (см. Фиг.1) из монокристаллического кварца, верхняя Z-поверхность и торцевые Х-поверхности которых экранированы стальным экраном (см. Фиг.2). В нижнюю часть автоклава 1 емкостью 1500 л (см. Фиг.3) - камеру растворения 2 - помещают шихту - жильный кварц 3 с размером кусков 10-50 мм, предварительно загруженную в перфорированную шихтовую корзину 4. Общий вес загружаемого жильного кварца составляет около 500 кг. После установки в камере растворения корзины с жильным кварцем над ней помещают перфорированный диск - «диафрагму» 5 с размером отверстий 16-25 мм, которая разделяет автоклав на камеру растворения и камеру роста 6 и предназначенную для создания оптимального температурного перепада между камерами растворения и роста. В верхнюю зону автоклава - камеру роста - помещают контейнер 7 с затравочными пластинами ZY ориентации, установленными радиально относительно вертикальной оси автоклава и наклонно под углом 15° к горизонтальной плоскости, верхняя растущая и торцевые поверхности которых экранированы 8.

После загрузки в камеру растворения шихты, установки диафрагмы и размещения в камере роста затравочных пластин автоклав заполняют на 80% от свободного объема растворителем, например водным раствором Na ₂СО₃, герметично закрывают его, включают электронагревательные элементы и разогревают до термобарических параметров, необходимых для проведения кристаллизации: температура кристаллизации 347°С, температура растворения шихты 350°С, давление 120 МПа. При достижении указанных параметров ведут процесс выращивания монокристаллов в течение 100-300 суток. Далее начинают вывод автоклава из режима кристаллизации путем постепенного снижения мощности электрического тока, подаваемого на электронагреватели. Скорость охлаждения 8-10°С/час. В процессе охлаждения снижается также и давление в автоклаве. При достижении температуры 270°С и давления 10 МПа проводят окончательное стравливание раствора при той же скорости охлаждения. При достижении температуры 60°С автоклав вскрывают и извлекают выросшие монокристаллы.

Пример 2. Выращивание монокристаллов осуществляют на затравочных пластинах ZY-ориентации (см. Фиг.1) из монокристаллического кварца, верхняя Z-поверхность и торцевые Х-поверхности которых экранированы стальным экраном (см. Фиг.2). В нижнюю часть автоклава 1 емкостью 1500 л (см. Фиг.3) - камеру растворения 2 - помещают шихту - жильный кварц 3 с размером кусков 10-50 мм, предварительно загруженную в перфорированную шихтовую корзину 4. Общий вес загружаемого жильного кварца составляет около 500 кг. После установки в камере растворения корзины с жильным кварцем над ней помещают перфорированный диск - «диафрагму» 5 с размером отверстий 16-25 мм, которая разделяет автоклав на камеру растворения и камеру роста 6 и предназначенную для создания оптимального температурного перепада между камерами растворения и роста. В верхнюю зону автоклава - камеру роста - помещают контейнер 7 с затравочными пластинами ZY ориентации, установленными радиально относительно вертикальной оси автоклава и наклонно под углом 44,5° к горизонтальной плоскости, верхняя растущая и торцевые поверхности которых экранированы 8. После загрузки в камеру растворения шихты, установки диафрагмы и размещения в камере роста затравочных пластин автоклав заполняют на 80% от свободного объема растворителем, например водным раствором Na₂СО₃, герметично закрывают его, включают электронагревательные элементы и разогревают до термобарических параметров, необходимых для проведения кристаллизации: температура кристаллизации 347°С, температура растворения шихты 350°С, давление 120 МПа. При достижении указанных параметров ведут процесс выращивания монокристаллов в течение 100-300 суток. Далее начинают вывод автоклава из режима кристаллизации путем постепенного снижения мощности электрического тока, подаваемого на электронагреватели. Скорость охлаждения 8-10 С/час. В процессе охлаждения снижается также и давление в автоклаве. При достижении температуры 270°С и давления 10 МПа проводят окончательное стравливание раствора при той же скорости охлаждения. При достижении температуры 60°С автоклав вскрывают и извлекают выросшие монокристаллы.

Проведенные испытания показали, что при выращивании монокристаллов предлагаемым способом на 8-15% повышается скорость выращивания монокристаллов, кристаллы имеют повышенную однородность по толщине и стабильное качество.