De productie van synthetische kwartsblokken is een belangrijk proces voor de moderne elektronica, met name voor de fabricage van oscillerende kristallen. De geschiedenis en het technische proces van hydrothermale synthese worden hieronder uitgelegd.
1. geschiedenis van de productie van synthetisch kwarts
Vroeg gebruik van natuurlijk kwarts
- Tot het midden van de 20e eeuw werd voornamelijk natuurlijk kwarts gebruikt, bijvoorbeeld uit afzettingen in Brazilië, Madagaskar of de VS.
- De vraag naar kwarts met een hoge zuiverheid, weinig defecten en een specifieke oriëntatie voor oscillerende kwartskristallen nam enorm toe, vooral tijdens de Tweede Wereldoorlog (radar, radiotechnologie).
- Natuurlijk kwarts vertoonde echter vaak insluitsels, rasterdefecten of twinning, wat leidde tot instabiele frequenties.
Ontwikkeling van synthetische kwartskristallen
- In de jaren 1940 begon de synthese van kwarts in zogenaamde hydrothermale fabrieken - een proces dat natuurlijke groeiomstandigheden nabootst.
- Vanaf de jaren 1950 werd hydrothermale synthese op industriële schaal toegepast.
- Later werd het proces geoptimaliseerd om hoogzuivere en defectvrije kwartsblokken te produceren, voornamelijk voor halfgeleider- en frequentietechnologie.
2. productie van synthetische kwartsblokken
Basisgrondstof
- Het basismateriaal is hoogzuiver siliciumdioxide (SiO₂) - bijvoorbeeld in de vorm van natuurlijk kwarts, amorf siliciumdioxide of gezuiverd siliciumdioxide uit chemische processen.
- Uiterst lage onzuiverheden zijn cruciaal voor elektronische toepassingen (ppb-bereik, vooral voor Al, Na, Fe).
Het hydrothermische proces
Het principe
- Simulatie van geologische omstandigheden: hoge druk, hoge temperatuur, oplossing op waterbasis.
- Vergelijkbaar met het autoclaafproces dat wordt gebruikt voor synthetische edelstenen.
Processtappen
- Voorbereiding in autoclaaf:
- Een drukbestendige reactor (autoclaaf) wordt gevuld met een minerale voedingsstof (bijv. verpulverd natuurlijk kwarts) en een alkalische oplossing (meestal NaOH of Na₂CO₃).
- Temperatuurgradiënt:
- In het onderste gedeelte: hogere temperatuur (ca. 350-400 °C) → waar het SiO₂ oplost.
- In het bovenste gedeelte: koeler (ongeveer 250-300 °C) → SiO₂ kristalliseert daar.
- Kieminzet:
- Zaadkristallen van kwarts met een gedefinieerde oriëntatie worden bovenaan de autoclaaf ingebracht, waarop het opgeloste siliciumdioxide groeit.
- Kristalgroei:
- Duur: enkele weken tot maanden.
- Resultaat: synthetisch monokristalkwarts met hoge structurele perfectie.
3. eigenschappen & kwaliteit
Voordelen van synthetisch kwarts:
- Hoge zuiverheid (weinig ppm/ppb onzuiverheden).
- Gecontroleerde kristaloriëntatie (bijv. AT- of BT-snede voor oscillerend kwarts).
- Geen tweelingen of insluitsels zoals bij natuurlijk kwarts.
- Reproduceerbaarheid van fysische eigenschappen.
Reinigen
- In sommige gevallen wordt het uitgangsmateriaal vóór de groei opnieuw gezuiverd door chemische reiniging of zonesmeltprocessen.
Gebruik
- Kwartsoscillatoren / kwartskristallen: Frequentiestabiele oscillatoren voor alle toepassingen in elektronica.
- Halfgeleiderindustrie: Kwartsglas gemaakt van synthetisch kwarts (bijv. voor reactorbuizen).
Optica: Lenzen, prisma's gemaakt van kristallijn kwarts.
We controleren elke kwartsstaaf 100% tijdens het proces van inkomende goederen. De zuiverheid en de bijbehorende kristallografische assen worden optisch gecontroleerd (röntgenproces). De kwartsstaaf krijgt vervolgens een prefixnummer zodat het kan worden geïntegreerd in de traceerbaarheid van de kwartsresonatorbatches. Dit betekent dat de beschikbaarheid van onze productiebatches kan worden herleid tot de inkomende inspectie van het ruwe kwartsblok. Dit alles in lijn met ons geavanceerde productieproces voor klokgeneratoren van de hoogste kwaliteit, prestatie en levensduur.
