Producing the Ultimate Synthetic Quartz Crystals

人工水晶是以天然水晶为原料,通过再结晶工艺制成杂质极少的高纯度水晶。
作为水晶器件和光学产品等的材料使用,而这种材料本身会对产品的特性有很大影响。
下面介绍NDK对原料、种晶、培育、技术人员与工匠技艺等方面的最高级追求。

原料

对原料的严格要求

天然水晶碎片

天然水晶碎片"拉斯卡"

作为人工水晶原料的天然水晶碎片称为"拉斯卡",按透明度大致分为五个等级。2~3等级最适合用于人工水晶的培育。透明度低的拉斯卡往往含有裂纹或成长时的母液,铁、钠、钙、钾、氯、氟等杂质含量高,不适合使用。而透明度过高的拉斯卡则含铝量过多。因为天然优质水晶在生长过程中会吸收铝元素。

拉斯卡的等级

1等级(透明)

1等级(透明)

2等级(半透明)

2等级(半透明)

3等级(白色不透明)

3等级(白色不透明)

NDK使用的是杂质较少的巴西和马达加斯出产的2~3等级拉斯卡。出货前,由分析机构进行拉斯卡中的杂质浓度分析。分析的结果,确认满足浓度规格后,才从巴西出货。

种晶

种晶是NDK的DNA

所谓种晶,是将人工水晶切割成厚度约1mm的薄片。将拉斯卡与种晶放入高压釜中加热,以种晶为基础再结晶,生成人工水晶。人工水晶的制成取决于这种种晶,说种晶决定了人工水晶质量的90%也不为过。
种晶是NDK的DNA

本公司自己生产专用种晶

NDK为确保品质的一致性,从种晶开始就自己生产。近年来,随着利用光刻技术的水晶的小型化、高精细化需求的提升,人工水晶的"蚀刻通道"品质受到重视。由于蚀刻通道依赖于种晶质量,因此NDK为了获得高品质的种晶,正在培育专用的种晶。
本公司自己生产专用种晶

设定间隔依赖于技术人员的经验和技术。

设定间隔依赖于技术人员的经验和技术。
将种晶置于高压釜中。 从稳定供给和生产效率的角度考虑,我们希望尽可能多得放置种晶来提高供给力和生产效率,但如果间隔太紧,随着生长,种晶就会和周围的人工水晶粘在一起。种晶的间隔设定多少宽度,要凭借技术人员多年的经验,利用他们长年积累的独有技术预测生产的速度和结晶的尺寸。

培育

世界最大级别的高压釜

大型培育炉示意图(内径650mmφ×14m)

大型培育炉示意图(内径650mmφ×14m)

NDK狭山事业所配备了世界最大级别的高压釜。
其深度14米、总重118吨、内径65厘米、壁厚29厘米。
1天的成长速率约0.5mm。
用这个高压釜花数个月到半年时间来培育人工水晶。1台高压釜可生产约2吨人工水晶,都是一样的尺寸和品质,一块人工水晶可生产数百万个水晶元件。

由一块人造水晶可制造的水晶器件数量

约 2,000,000 个以上

约 2,000,000 个以上

一次能生产出这么多的量,在世界上也是首屈一指的。

高压釜内部的情况

培育人工水晶的原理,是在地壳内部人工再现与天然水晶生长过程相似的环境。将拉斯卡与种晶置入高压釜中,使上部温度低于下部,高温高压下溶解的原料拉斯卡溶液通过自然对流向上部移动,溶化的水晶附着在种晶上,以种晶为基础进行再结晶。此时高压釜内部压力为1,300至1,400气压。

高压釜内部的情况

工匠技术

洞察不可见的成长的可视化技术

高压釜一旦盖上盖子,3~6个月的培育期内无法打开看。NDK凭借多年经验与工匠技艺,能在看不见内部的情况下准确判断培育状态,切实地生产出符合要求的品质。
结晶的生长是由溶解原料溶液的温度差产生的。一旦加热器劣化,溶液的温度差就无法精确控制,因此NDK在2017年的改建工程中改善了这一问题。另外溶液的温度测定,从高压釜表面的温度差来推测的这个方法不够充分。因此在同年,NDK发明了一种预测结晶生长速度的新方法。
这个方法可间接地使高压釜内的结晶生长情况变得可视化。生产速度是影响人工水晶的【红外吸收系数α】的质量与频率温度特性的重要过程。

洞察不可见的成长的可视化技术
洞察不可见的成长的可视化技术
洞察不可见的成长的可视化技术

决定质量的溶液对流稳定化

除种晶外,决定质量的另一个因素是稳定高压釜内部的溶液的对流。NDK根据不同的培育规格,使用独立开发的"构造的对流控制板(挡板)",根据所要求的人工水晶的品质来控制溶液的对流。

在背后支撑NDK人工水晶品质的工匠技术

光靠传感器和控制系统,并不能培育出优秀的人工水晶。
每台高压釜都有其绝妙的个性,掌握这些个性,调整温度与对流需依靠工匠的经验和技巧。仅盖子固定一项,内部压力可达1500个大气压,固定精度对成品质量影响极大。需以0.01毫米单位的精度拧紧,这一操作必须依靠人工微妙的操作,无法机械化。

在背后支撑NDK人工水晶品质的工匠技术
在背后支撑NDK人工水晶品质的工匠技术
在背后支撑NDK人工水晶品质的工匠技术

完成度出现差异的微米单位的维护

高压釜甚至可以在高温高压下使用,也就是所谓的"压力釜"。因此,若维护的精度不好,将难以承受高压状态,从密封部位发生泄漏,充填的溶液会泄漏到外面。一旦溶液泄露,内部压力下降,培育会被中止。最坏的情况是泄漏会导致密封部位出现裂缝。NDK仅由掌握了熟练的维修技术的工作人员进行高压釜的维修,多年来密封部位从未出现泄漏事故。

完成度出现差异的微米单位的维护
完成度出现差异的微米单位的维护
完成度出现差异的微米单位的维护

人工水晶的品质评估

完成的人工水晶由本公司依据JIS所规定的品质标准进行检测。
将原石浸入水中并照射光线,目视水晶内部,检查包裹体及蚀刻通道等。此外,关于 α值(Q值),会从指定的对象原石中切出测定样品,使用测定仪器在公司内进行测定。对于部分需要进行杂质分析的必要规格(如高纯度等),也会委托外部机构进行检测。

人工水晶的品质评估
人工水晶的品质评估
正是通过这些多方面的努力,NDK的高品质人工水晶才得以诞生。
人工水晶不仅是NDK的DNA,同时也是NDK技术与人力的结晶。
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