Syntetický křemen pro oscilační křemenné krystaly

Rané použití přírodního křemene

• Až do poloviny 20. století se používal převážně přírodní křemen - např. z nalezišť v Brazílii, na Madagaskaru nebo v USA.
• Poptávka po vysoce čistém, málo defektním a specificky orientovaném křemeni pro oscilační křemenné krystaly masivně vzrostla zejména během druhé světové války (radar, radiotechnika).
• Přírodní křemen však často vykazoval inkluze, mřížkové vady nebo dvojčata, což vedlo k nestabilním frekvencím.

Vývoj syntetických krystalů křemene

• Ve 40. letech 20. století se začalo se syntézou křemene v tzv. hydrotermálních zařízeních - procesem, který napodobuje přírodní podmínky růstu.
• Od 50. let 20. století se hydrotermální syntéza prosadila v průmyslovém měřítku.
• Později byl proces optimalizován pro výrobu křemenných bloků svysokou čistotou a bez vad, především pro polovodičovou a frekvenční techniku.

Základní surovina

• Základní surovinou je vysoce čistý oxid křemičitý (SiO₂ ) - např. ve formě přírodního křemene, amorfního oxidu křemičitého nebo čištěného oxidu křemičitého z chemických procesů.
• Pro elektronické aplikace je rozhodující extrémně nízký obsah nečistot (v rozmezí ppb, zejména pro Al, Na, Fe).

Hydrotermální proces

Princip

• Simulace geologických podmínek: vysoký tlak, vysoká teplota, roztok na bázi vody.
• Podobný autoklávovému procesu používanému pro syntetické drahé kameny.

Kroky procesu

1. Příprava v autoklávu:
   • Tlakově odolný reaktor (autokláv) se naplní minerální živinou (např. rozemletým přírodním křemenem) a alkalickým roztokem (obvykle NaOH nebo Na₂CO₃).
2. Teplotní gradient:
   • V dolní části: vyšší teplota (přibližně 350-400 °C) → kde se SiO₂ rozpouští.
   • V horní části: chladnější (přibližně 250-300 °C) → SiO₂ zde krystalizuje.
3. Klíčící vložka:
   • V horní části autoklávu jsou vloženy semenné krystaly křemene s definovanou orientací, na kterých roste rozpuštěný oxid křemičitý.
4. Růst krystalů:
   • Doba trvání: několik týdnů až měsíců.
   • Výsledek: syntetický monokrystal křemene s vysokou strukturní dokonalostí.

Výhody syntetického křemene:

• Vysoká čistota (málo ppm/ppb nečistot).
• Řízená orientace krystalů (např. AT nebo BT řez pro oscilační křemen).
• Žádné dvojčata nebo inkluze jako u přírodního křemene.
• Reprodukovatelnost fyzikálních vlastností.

Čištění

• V některých případech se výchozí materiál před růstem znovu čistí chemickým čištěním nebo procesem zónového tavení.

Využití

• Křemenné oscilátory / křemenné krystaly: Frekvenčně stabilní oscilátory pro všechny aplikace v elektronice.
• Polovodičový průmysl: Křemenné sklo vyrobené ze syntetického křemene (např. pro reaktorové trubice).

• Optika: Čočky, hranoly z krystalického křemene.

Každý křemenný ingot během procesu příjmu zboží 100% kontrolujeme. Čistota a příslušné krystalografické osy se kontrolují opticky (rentgenový proces). Křemennému ingotu je poté přiděleno předčíslí, aby mohl být začleněn do sledovatelnosti šarží křemenných rezonátorů. To znamená, že dostupnost našich výrobních šarží lze vysledovat až ke vstupní kontrole křemenného surového bloku. To vše v souladu s naším sofistikovaným výrobním procesem hodinových generátorů nejvyšší kvality, výkonu a životnosti.