[发明专利]生长晶体的方法和设备

说明书

本发明涉及人工晶体的生长，特别涉及产生特定形状晶体的受控水热晶体生长的方法和设备。

水热晶体生长就是在高温高压下从溶液中生长晶体。在典型的工业过程中，一个立式高压釜装着浸入水溶液中的培养物质原料。高压釜的上部含有一些悬挂的籽晶片。高压釜被加热提高温度和压力使得培养物质溶于水溶液中并由此形成培养溶液。一般说来，高压釜被加热到350℃左右，压力为10000p.s.i。高压釜内的温度梯度产生对流，使得培养溶液向上运动。然后冷却培养溶液并在籽晶片上沉积，从而引起晶体生长。

水热晶体生长法用于生长由培养物质在纯水中溶解度非常小的物质构成的晶体。部分这样的物质包括：石英(SiO₂)，氧化锌(ZnO)，方解石(CaCO₃)和氧化铝(Al₂O₃)。虽然这些物质在水热条件下更容易溶解，水溶液中一般包括矿化剂来达到合理的溶解度。在商业晶体生长中，几乎所有的矿化剂都是碱(一般选氢氧化钠和碳酸钠)，但是中性或酸性物质也可以使用。矿化剂的选择取决于要生长的物质及可接受的杂质。

水热生长的最商业化的晶体是石英晶体。石英晶体被广泛地用在电子工业中来生产石英振荡器片。石英晶体也可用于光学摄谱仪和其它光学仪器中。经过人工生长，石英晶体被制材并切成晶片。当前，大多数买主要求石英晶片是圆形，部分切掉以形成基准平面。晶片从基准平面垂直延伸到晶片外沿的长度被称为晶片的切片高度。买主一般要求圆形石英晶片的直径或者是3英寸(3”)或者是100毫米(100mm)。

在晶体学中，晶体的轴通常被命名为x,y，和z轴。每一个轴都与其它两个轴成一定角度。自然形成的石英晶体是伸长的并且一般具有六边形截面，六个小平面中每一个都有棱锥端。自然形成的石英晶体的z轴沿轴向延伸，有三个x轴和三个y轴垂直于z轴。x轴与晶体的边相交成一个角度，而y轴与这样的边垂直。

在商业生长工艺中，晶体在z-轴方向上的生长通常优于在y-轴或x-轴方向上的生长。在y-轴方向上的生长实际是不存在的。在x-轴方向上，生长很快递减到边缘。而在z-轴方向上的生长快且不会很快递减到边缘。此外，在z轴方向上的生长混入的杂质远远小于其它方向。

在z-轴方向上的优先生长的优点适合采用籽晶。引入本文作为参考文献的到期的美国专利3,291,575号(Sawyer)，描述了在y-轴方向上长度最长，在z-轴方向上长度最短的籽晶片。按此方式，晶片的长度在y-轴方向上，宽度在x-轴方向上，而厚度在z-轴方向上。这样的籽晶片经常被称为z-切。z-切籽晶片的主要面基本垂直于z-轴或基本平行于由x-轴和y-轴所决定的平面。这个主面及其z-切籽晶片反面的对应主面在z-切籽晶片上具有最大的面积。在这种情况下，z-切籽晶片促进了在优先的z-轴方向上的晶体生长。

在现有的许多商业生长的工艺中，晶片自由地悬挂在高压釜中。结果，晶体在不希望的方向上生长，例如，在x-轴方向上生长。在这些不希望的方向上的晶体生长会导致出现裂纹并且产生不利于在商业中有效应用的形状和大小的晶体。

为了避免不希望的晶体生长，某些现有技术工艺通过使用节流板或节流屏来抑制x-轴方向上的晶体生长。这些现有技术工艺的实例见那些被引入本文作为参考文献的美国专利中的描述，这些专利包括US5,069,744(Borodin等人)，US 3,607,108(Gehres),US 3,013,867(Sawyer),2,674,520(Sobek)和3,291,575(Sawyer)。

即使在工艺中采用节流屏来抑制晶体在不希望方向上的生长，这个工艺中生长出的晶体还会具有不利于在商业中应用的形状。节流屏将产生具有平面边和尖锐角度的晶体。为了生产所需的圆形晶片，必须大量切磨来去掉平面边和尖锐角度。

综上所述，需要一种方法和装置来形成有效应用形状的晶体。本发明就是有关这种方法和装置。

本发明所提供的能够形成具有有效应用形状的晶体的方法和装置正是所希望得到的，是一个方便的方法。本发明提供了一种由籽晶定形生长晶体的装置。该装置包括放置籽晶用的外罩，该外罩有多个伸出的通道。该装置还包括在外罩内固定籽晶的夹持结构。