專利名稱：光學(xué)級單面長石英晶體生長工藝的制作方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明涉及石英晶體的生長工藝，特別是涉及用水熱溫差結(jié)晶 法在高壓釜內(nèi)生長光學(xué)級石英晶體的工藝。
背景技術(shù)：
人造石英晶體生長工藝是釆用水熱溫差法在立式密封的高壓 釜內(nèi)實現(xiàn)的。由于水熱溫差法生長石英晶體是在堿性溶液中生長又是在比 較復(fù)雜的物理化學(xué)條件下進行的，且其生長又是在密封的高壓釜內(nèi)完成， 因此，不能直接觀察到生長的全過程。而不同堿性溶液的配比，釜內(nèi)填充 度參數(shù)的選取，高壓釜加熱時溫度、時間、壓力參數(shù)的控制等又都會對生 長出的石英晶體的等級產(chǎn)生重要影響。這在很大程度上就增加了該類課題 研究試驗的難度。當前，我國用水熱溫差結(jié)晶法在高壓釜內(nèi)生長的石英晶 體大多為較低等級的石英晶體，通常應(yīng)用于壓電行業(yè)。而光學(xué)級石英晶體 是一種應(yīng)用于數(shù)碼照相機、監(jiān)控器、可視電話等高精度光學(xué)濾波器元件的 石英晶體材料，而目前國內(nèi)企業(yè)生產(chǎn)的人造石英晶體即使某些指標符合要 求，還很難完全達到光學(xué)級標準。美國、日本、加拿大等國家雖然能夠生 產(chǎn)出光學(xué)級的石英晶體材料，但合格率都還很低。由本專利申請的申請人
子2002年7月17日申請的、授權(quán)公告號為CN1207447C的發(fā)明專利就公開 了一種光學(xué)級低腐蝕隧道密度石英晶體的生長工藝，用該工藝生產(chǎn)的石英 晶體雖然也能達到光學(xué)級石英晶體材料的要求，但隨著近年來數(shù)碼產(chǎn)品的 快速發(fā)展，特別是隨著千萬像素光電產(chǎn)品、光機電產(chǎn)品的出現(xiàn)，又對光學(xué) 級石英晶體材料提出了新的要求，除了在晶體中對包裹體指標要求嚴格外， 還對石英晶體提出了脈理指標。現(xiàn)有生產(chǎn)工藝難于生產(chǎn)出脈理指標為A級、 其它指標也要求嚴格的光學(xué)級石英晶體產(chǎn)品，國內(nèi)外不少企業(yè)也呈試圖用 單面長石英晶體生長工藝解決這一問題，但未能奏效。 發(fā)明內(nèi)容本發(fā)明的目的就是要提供一種改進的光學(xué)級單面長石英晶體 生長工藝，它能有效地解決采用現(xiàn)有工藝難以滿足光學(xué)級石英晶體對脈理 指標、包裹體指標、腐蝕隧道密度指標、Q值指標、光學(xué)均勻性指標、光 譜透射比指標高性能要求的問題，同時也能進一步解決現(xiàn)有光學(xué)級石英晶 體難以符合數(shù)碼照相機、監(jiān)控器、可視電話等高科技產(chǎn)品對高像素要求的 問題。本發(fā)明的目的是這樣實現(xiàn)的光學(xué)級單面長石英晶體生長工藝，首先
清洗籽晶、石英石原料，配制去離子水及生長液，用離子水清洗高壓釜并 用隔膜泵抽干，然后在清洗好的釜內(nèi)放入裝有石英石的原料筐，注入已配 制好的生長液和掛有籽晶的籽晶架，量好液面，將釜口密封，再啟動控溫 系統(tǒng)，加熱高壓釜，對密封的高壓釜調(diào)整溫度、壓力、時間參數(shù)，使石英 晶體生長成型，i特征在于
a、 籽晶選光學(xué)級石英晶體脈理為A級；
b、 籽晶片Z方向一邊用鐵片阻擋，并將籽晶片和鐵片粘連橫放在籽 晶架上；
c、 生長液由當量濃度為1. 3±0. 05mol/L的Na0H和當量濃度為0.07 ±0. 01mol/L的Li0H.H20、 NaN02組成；
d、 釜內(nèi)填充度滿足Vf(V 釜內(nèi)總體積— 原料筐體積— 籽晶架# 一V原s^ 一V籽晶體積)x (83.5 - 84.5 ) %;
e、 高壓釜加熱
在生長區(qū)自上而下設(shè)置測溫點l和T2，在溶解區(qū)自上而下設(shè)置測溫點
t3、l和t5,升溫階段的溫度與時間參數(shù)控制，其中溫度范圍控制在士rc,
時間參數(shù)范圍控制在±1小時，在選擇的每一具體工藝中，每一測溫點溫
度精度控制在士o.rc:
T1:生長區(qū)第一點溫度開始為室溫，在6小時內(nèi)升至100°C，在14小 時內(nèi)升至250'C,此時恒溫6小時，在IO小時內(nèi)升至320°C, 6小時內(nèi)升 至33(TC,10小時內(nèi)升至335。C，最后緩緩升溫20小時達到恒溫溫度340°C;
T2:生長區(qū)第二點溫度開始為室溫，在6小時內(nèi)升至105°C，在14小 時內(nèi)升至255'C,此時恒溫6小時，在10小時內(nèi)升至325°C， 6小時內(nèi)升 至335。C，10小時內(nèi)升至337。C，最后緩緩升溫20小時達到恒溫溫度340°C;
T3:溶解區(qū)第一點溫度開始為室溫，在6小時內(nèi)升至12(TC,在14小 時內(nèi)升至270。C,此時恒溫6小時，在IO小時內(nèi)升至340°C, 6小時內(nèi)升 至35(TC，10小時內(nèi)升至36(TC,最后緩緩升溫20小時達到恒溫溫度375°C;
T"溶解區(qū)第二點溫度開始為室溫，在6小時內(nèi)升至120°C，在14小 時內(nèi)升至270。C，此時恒溫6小時，在IO小時內(nèi)升至34(TC, 6小時內(nèi)升 至35(TC，10小時內(nèi)升至36(TC,最后緩緩升溫20小時達到恒溫溫度375°C;T5;溶解區(qū)第三點溫度開始為室溫，在6小時內(nèi)升至120°C，在14小 時內(nèi)升至275r,此時恒溫6小時，在IO小時內(nèi)升至345°C, 6小時內(nèi)升 至355r，10小時內(nèi)升至365匸，最后緩緩升溫20小時達到恒溫溫度380°C;
f、高壓釜內(nèi)壓力在恒溫階段控制在160±10MPa。
作為本發(fā)明的進一步方案是將籽晶片Z方向一邊用鐵片阻擋并將籽 晶片和鐵片粘連橫放在籽晶架上的同時，還將籽晶片正X方向用鐵片阻擋。
本發(fā)明由于選擇了脈理為A級的光學(xué)級石英晶體作為籽晶，因而保證 了石英晶體產(chǎn)品的脈理指標；本發(fā)明由于將籽晶片Z方向 一邊用鐵片阻擋， 并將籽晶片和鐵片粘連橫放在籽晶架上，因而保證了石英晶體產(chǎn)品的包裹
體指標；本發(fā)明還由于確定了合適的生長液的組分和當量濃度，從而保證 了產(chǎn)品的Q值、晶體透明度質(zhì)量指標；本發(fā)明亦由于確定了合適的釜內(nèi)填
充度，高壓釜加熱的溫度、時間與壓力參數(shù)，因而保證了光學(xué)級石英晶體 產(chǎn)品的整體質(zhì)量，特別是在工藝中釆用緩慢變溫升溫措施后，籽晶表面在 升溫時有了足夠的溶解時間，因而進一步消除了籽晶表面的機械應(yīng)力、消 除了籽晶表面缺陷且無位錯延伸、防止了包裹體的進入并形成新位錯。釆
用本發(fā)明的工藝生產(chǎn)的光學(xué)級石英晶體產(chǎn)品合格率達到98.8%。
產(chǎn)品各項技術(shù)指標均達到或優(yōu)于GB7895—87的規(guī)定值，其指標包裹 體無包裹體；脈理A級以上；腐蝕隧道密度< 30條/cm2 ; Q值》2.8 xlO6;光學(xué)均勻性An<5xl(T6; 波長為800—2500nm時光譜透射比 > 95%。利用該光學(xué)級單面長石英晶體材料制成的低腐濾波器元件用在數(shù)碼 照相機、個人電腦用CCD相機、監(jiān)視系統(tǒng)用CCD相機和可視電話機上時各 項技術(shù)指標穩(wěn)定。


附圖是本發(fā)明光學(xué)級單面長石英晶體生長工藝的工藝流程 圖，下面結(jié)合附圖對本發(fā)明作進一步說明。
具體實施方式
附圖示出了本發(fā)明光學(xué)級單面長石英晶體生長工藝的工 藝流程。
一、準備階段
籽晶是人造石英晶體的晶種，首先要按照晶體生長的大小加工籽晶。種子 本身篩選脈理為A級、包裹體為Ia類以上的晶體加工而成，加工方法上釆用 了高精度多刀切割機，輔助材料金剛砂為600-800目，轉(zhuǎn)速為80-100次/分鐘。籽晶取向Y塊籽晶片Z方向厚度為1.8士0.2mm，表面平行度達到0.05mm，腐 蝕隧道密度小于30條/cm2。
籽晶清洗將切割定向好的籽晶放入盆中先用洗衣粉浸泡清洗去油，再用 超聲波清洗機清洗去油，再清水沖凈，將沖凈的籽晶放入塑料盆中，將此漏盆 置于38-42%的氫氟酸溶液中腐蝕2-3小時，在籽晶表面微小的凹凸部露出新鮮 面。從氫氟酸溶液中取出漏盆置于清水中清洗，再用堿溶液中和，最后用離子 水清洗，然后取出籽晶烘干備用。
原料制備培育石英晶體的天然石英碎塊即熔煉石英，釆用透明度大于 95%、 Si02不小于99.80/。、顆粒度徑長為2 ± 0. 5cm的天然石英石原料，挑出表 面及內(nèi)部含有雜質(zhì)包體的料塊，水洗原料，漂去表面雜質(zhì)，再將清洗后的熔煉 石英放在超聲波清洗機中清洗，加少量堿，30±5分鐘即可從超聲波清洗機中取 出原料，用流水清洗后再用去離子水過2次，將過了的去離子水的原料置入烘 干箱中烘干備用。
去離子水制備對天然水進行純化處理，制成去離子水，其導(dǎo)電率<3.0>< 10勺歐姆厘米。
生長液配制主液釆用NaOH當量濃度為1.3 ± 0.05mol / L,添加劑釆用 LiOH H20和NaN02當量濃度均為0.07 ±0.01 mol /L。 原料筐、鐵片、籽晶架、檔板的清洗 原料筐、鐵片先用砂布打磨后用清水及去離子水清洗干凈。 籽晶架每次均用砂布打磨后用純水及去離子水清洗干凈。 檔板與籽晶架是一體，在檔板上有開孔。 高壓釜、籽晶架、檔板的清洗
用清水、鋼絲刷清洗釜內(nèi)壁三次或用高壓水沖刷釜內(nèi)壁，除去殘余晶芽及 不同之釜壁附著物，之后用去離子水沖洗二遍，抽干釜內(nèi)殘水待用。 籽晶懸掛
籽晶片和鐵片粘連橫放在籽晶架上，每片四周留有足夠空間以達到橫放鐵 片之間距為10mm以上，籽晶和鐵片前、后用細鐵絲纏繞。將籽晶片Z方向一 邊用鐵片阻擋并將籽晶片和鐵片粘連橫放在籽晶架上的同時，籽晶片正X方向 亦優(yōu)先采用鐵片阻擋。'
密封系統(tǒng)檢查密封圏是否可靠能用及密封面是否有劃痕，然后對高壓釜各部件螺絲部分涂上二硫化鉬。
二、 裝釜階段
將洗凈、烘干的熔煉石英原料稱取重量倒入原料筐中，將料筐吊入高壓釜內(nèi)。
將配制好的溶液倒入釜內(nèi)。
用純水清洗籽晶架及架上籽晶，然后放入釜中。
測量液面到釜口的高度，使其釜內(nèi)填充度滿足Vf(V 釜內(nèi)總M"、— 原料篋儲— 籽晶 架M!一V原ii4ft^—V籽晶ft^) x (83.5— 84.5)%。 將密封塞吊入釜口，檢查其平整度。
將大壓蓋旋入釜體，手推至緊后，再用大錘或重物撞擊大搬手另端用勁拉 緊，以免回彈，撞擊大搬手旋轉(zhuǎn)壓蓋角度約為60-90°即可。達到使密封環(huán)外圏 與釜體密封。
在密封塞上旋入提塞法蘭盤，提起密封塞至內(nèi)密封位置。 旋轉(zhuǎn)提塞法蘭盤上8個提塞螺絲，提起密封塞約提高2-3mm即可達到使密 封環(huán)與密封塞間相密封的效果，即密封環(huán)達到內(nèi)密封。 安裝測壓系統(tǒng)裝置。
安裝釜上端保溫簡。在簡內(nèi)壁與釜體一瓣螺帽間用石棉布遮蓋，以防熱空 氣由此空間外對流。
在生長區(qū)自上而下設(shè)置測溫點L和T2,在溶解區(qū)自上而下設(shè)置測溫點 T3、 L和T5。
三、 升溫階段
T1:生長區(qū)第一點開始溫度為室溫， 一般為30'C,在6小時內(nèi)升至100°C， 在14小時內(nèi)升至250。C，此時恒溫6小時，在10小時內(nèi)升至32(TC， 6小時內(nèi) 升至330。C, 10小時內(nèi)升至335。C,最后緩緩升溫20小時達到恒溫溫度340°C。
T2:生長區(qū)第二點開始溫度為室溫， 一般為32-C,在6小時內(nèi)升至105°C， 在14小時內(nèi)升至255。C，此時恒溫6小時，在10小時內(nèi)升至325。C， 6小時內(nèi) 升至335。C, 10小時內(nèi)升至337。C，最后緩緩升溫20小時達到恒溫溫度340°C。
T3:溶解區(qū)第一點開始溫度為室溫， 一般為37t:，在6小時內(nèi)升至120°C， 在14小時內(nèi)升至270。C，此時恒溫6小時，在IO小時內(nèi)升至340°C, 6小時內(nèi) 升至350。C, 10小時內(nèi)升至36(TC，最后緩緩升溫20小時達到恒溫溫度375°C。T4:溶解區(qū)第二點開始溫度為室溫， 一般為4(TC，在6小時內(nèi)升至120°C， 在14小時內(nèi)升至270°C，此時恒溫6小時，在IO小時內(nèi)升至340°C, 6小時內(nèi) 升至350'C， 10小時內(nèi)升至36(TC,最后緩緩升溫20小時達到恒溫溫度375°C。
T5:溶解區(qū)第三點開始溫度為室溫， 一般為42。C,在6小時內(nèi)升至120°C， 在14小時內(nèi)升至275""C，此時恒溫6小時，在IO小時內(nèi)升至345°C, 6小時內(nèi) 升至355-C, 10小時內(nèi)升至365。C,最后緩緩升溫20小時達到恒溫溫度380°C。
升溫階段溫度范圍控制在土3。C,時間參數(shù)范圍控制在土l小時，在選擇的 每一具體工藝中，每一測溫點溫度精度控制在± 0. rc 。
四、 培育、結(jié)晶、恒溫階段
在上部生長區(qū)即高壓釜上部懸掛籽晶區(qū)T,點和丁2點溫度為340°C、下部溶 解區(qū)即高壓釜內(nèi)下部放置石英石原料作為營養(yǎng)料區(qū)T3點和丁4點溫度為375°C、 高壓釜底部即T5點溫度為380。C和壓力P^60土10MPa的條件下恒溫80-120天， 具體天數(shù)根據(jù)要制取的石英晶體規(guī)格確定，每一測溫點溫度范圍控制在士3。C， 時間參數(shù)范圍控制在±1小時，在選擇的每一具體工藝中，每一測溫點溫度
精度控制在土o.rc。
五、 降溫階段
晶體生長周期結(jié)束后，釆用緩慢降溫，在長達160-170小時降至室溫。
六、 卸釜取晶
待到達設(shè)計的晶體生長周期后停電，自然降溫。
釜體上的溫度降至70-80'C時，在釜體上端各螺紋口處加潤滑油，、以便于開 啟高壓釜。
釜體上的溫度降至40-5(TC時最適合開釜，取下測壓裝置。 開釜時，先松開8個提塞螺絲，取出提塞盤。
將密封塞打入釜體內(nèi)，使密封塞與密封環(huán)脫離，讓環(huán)收縮消除徑向壓力。 大壓蓋上放上大搬手，用大錘或重物擊開大壓蓋，然后旋出2-3扣。 旋上提塞盤提上密封塞，再用8個提塞螺釘旋緊用以提出密封環(huán)，使環(huán)與 釜體密封線脫離，環(huán)外密封消失。
旋轉(zhuǎn)大壓蓋取出密封塞、大壓塞、密封蓋、提塞盤等一套系統(tǒng)裝置。 取出晶體置于50-6(TC,溫水中清洗晶體。 將清洗后的晶體分別檢驗質(zhì)量、分級、分規(guī)格檢驗入庫。
權(quán)利要求
1、一種光學(xué)級單面長石英晶體生長工藝，首先清洗籽晶、石英石原料，配制去離子水及生長液，用離子水清洗高壓釜并用隔膜泵抽干，然后在清洗好的釜內(nèi)放入裝有石英石的原料筐，注入已配制好的生長液和掛有籽晶的籽晶架，量好液面，將釜口密封，再啟動控溫系統(tǒng)，加熱高壓釜，對密封的高壓釜調(diào)整溫度、壓力、時間參數(shù)，使石英晶體生長成型，其特征在于a、籽晶選光學(xué)級石英晶體脈理為A級；b、籽晶片Z方向一邊用鐵片阻擋，并將籽晶片和鐵片粘連橫放在籽晶架上；c、生長液由當量濃度為1.3±0.05mol/L的NaOH和當量濃度為0.07±0.01mol/L的LiOH·H2O、NaNO2組成；d、釜內(nèi)填充度滿足V液＝(V釜內(nèi)總體積-V原料筐體積-V籽晶架體積-V原料體積-V籽晶體積)×(83.5-84.5)％；e、高壓釜加熱在生長區(qū)自上而下設(shè)置測溫點T1和T2，在溶解區(qū)自上而下設(shè)置測溫點T3、T4和T5，升溫階段的溫度與時間參數(shù)，每個測溫點溫度范圍控制在±3℃，時間參數(shù)范圍控制在±1小時，在選擇的每一具體工藝中，每一測溫點溫度精度控制在±0.1℃T1生長區(qū)第一點溫度開始為室溫，在6小時內(nèi)升至100℃，在14小時內(nèi)升至250℃，此時恒溫6小時，在10小時內(nèi)升至320℃，6小時內(nèi)升至330℃，10小時內(nèi)升至335℃，最后緩緩升溫20小時達到恒溫溫度340℃；T2生長區(qū)第二點溫度開始為室溫，在6小時內(nèi)升至105℃，在14小時內(nèi)升至255℃，此時恒溫6小時，在10小時內(nèi)升至325℃，6小時內(nèi)升至335℃，10小時內(nèi)升至337℃，最后緩緩升溫20小時達到恒溫溫度340℃；T3溶解區(qū)第一點溫度開始為室溫，在6小時內(nèi)升至120℃，在14小時內(nèi)升至270℃，此時恒溫6小時，在10小時內(nèi)升至340℃，6小時內(nèi)升至350℃，10小時內(nèi)升至360℃，最后緩緩升溫20小時達到恒溫溫度375℃；T4溶解區(qū)第二點溫度開始為室溫，在6小時內(nèi)升至120℃，在14小時內(nèi)升至270℃，此時恒溫6小時，在10小時內(nèi)升至340℃，6小時內(nèi)升至350℃，10小時內(nèi)升至360℃，最后緩緩升溫20小時達到恒溫溫度375℃；T5；溶解區(qū)第三點溫度開始為室溫，在6小時內(nèi)升至120℃，在14小時內(nèi)升至275℃，此時恒溫6小時，在10小時內(nèi)升至345℃，6小時內(nèi)升至355℃，10小時內(nèi)升至365℃，最后緩緩升溫20小時達到恒溫溫度380℃；f、高壓釜內(nèi)壓力在恒溫階段控制在160±10MPa。
2、根據(jù)權(quán)利要求l所述的光學(xué)級單面長石英晶體生長工藝，其特征是: 將籽晶片Z方向一邊用鐵片阻擋并將籽晶片和鐵片粘連橫放在籽晶架上的 同時，還將籽晶片正X方向用鐵片阻擋。
全文摘要
本發(fā)明公開了一種光學(xué)級單面長石英晶體生長工藝，首先清洗籽晶、石英石原料，配制去離子水及生長液，用離子水清洗高壓釜并用隔膜泵抽干，然后在清洗好的釜內(nèi)放入裝有石英石的原料筐，注入已配制好的生長液和掛有籽晶的籽晶架，量好液面，將釜口密封，再啟動控溫系統(tǒng)，加熱高壓釜，對密封的高壓釜調(diào)整溫度、壓力、時間參數(shù)，使石英晶體生長成型，其特征是確定了籽晶的脈理等級、籽晶片的阻擋和擺放方式、生長液的當量濃度、釜內(nèi)填充度參數(shù)、高壓釜加熱的溫度參數(shù)和壓力參數(shù)。依據(jù)本發(fā)明生產(chǎn)的石英晶體無包裹體、脈理在A級以上、腐蝕隧道密度＜30條/cm²、Q值≥2.8×10⁶、光學(xué)均勻性Δn≤5×10^-6、波長為800-2500nm時光譜透射比＞95％。
文檔編號C30B7/00GK101319374SQ200810016018
公開日2008年12月10日 申請日期2008年5月8日 優(yōu)先權(quán)日2008年5月8日
發(fā)明者劉盛浦 申請人:劉盛浦