小梯度温场上升定向生长氟化物单晶的装置及方法

摘要

小梯度温场上升定向生长氟化物单晶的装置及方法属于晶体生长技术领域。现有技术成功率低、晶体质量差。本发明之装置其特征在于，坩埚经坩埚座安置在保温套底部上面；每个连接梁将两两相对的电极座连接起来，各个连接梁的中点相交于一点，各个连接梁在该点彼此连接成一体，提拉杆的下端在该点与各个连接梁相连；电极杆与密封圈动配合。本发明之方法其特征在于，由提拉杆通过连接梁、电极座、电极杆向上提拉加热体，温场随之上升，坩埚、仔晶筒、坩埚座、仔晶静止。依本发明生长氟化镁晶体成功率为95%以上，位错密度降低到10~30/cm2，在0.2~7.5μm波段的吸收系数小于2×10E-4/cm，晶体质量全面提高。

说明书

技术领域

本发明涉及一种小梯度温场上升定向生长氟化物单晶的装置及方法，在真空条件下生长特定方向氟化物如氟化镁单晶，属于晶体生长技术领域。

背景技术

氟化物单晶是一种具有各向异性和双折射特性的晶体材料，主要用于紫外波段偏光元件中。由于双折射特性方面的要求，晶体的切取必须按照特定方向进行，如果晶体未能按照预定方向生长，则切取损耗大，利用率低。为了提高利用率，必须定向生长晶体。现有定向生长氟化物单晶的方法是一种仔晶下降法。该方法在真空条件下生长晶体，以氟化镁单晶为例，将氟化镁籽晶安放在坩埚底部，坩埚连接在水冷下降杆上。在晶体生长初期，精确控制籽晶所在位置的温度以及温场，使籽晶融化掉约一半，然后水冷下降杆缓慢向下移动，坩埚随之从炉内热区向冷区缓慢移动，使晶体按照籽晶固有的方向缓慢生长。

所述仔晶下降法对晶体生长设备和环境条件的要求很苛刻，尤其是在晶体生长初期，也就是将氟化镁籽晶融化掉约一半的关键阶段，该阶段要求非常精确地控制温度。籽晶所处温场由发热体、坩埚、水冷下降杆等共同构成，籽晶中部所处温场的温度必须控制在仔晶熔点以上5~10度，使籽晶上半部完全融化，籽晶下半部不融化，这样晶体才能正常生长。采用现有仔晶下降法生长氟化镁单晶，由于籽晶在坩埚底部通过坩埚座连接于水冷下降杆上，冷却水水温与流量的波动会导致籽晶所处温场偏离预设温场，导致籽晶要么完全融化掉要么融化不充分，这两种情况都将导致晶体生长失败。

现有仔晶下降法的另一个缺点是，由于冷却水的存在，水冷下降杆的温度始终小于100℃，而晶体的熔点远高于该温度，如氟化镁晶体的熔点为1255℃，这就使得籽晶所在位置的温场梯度很陡，要使当籽晶中部所处温场达到晶体熔点以上5~10度时，坩埚中、上部的温度将远高于晶体熔点，导致晶体原料的挥发，甚至导致原料大量外溢，晶体生长失败。

总之，采用现有仔晶下降法定向生长氟化物单晶的成功率只有50~60%。由于在晶体生长过程中无法实时观察到籽晶融化情况，无法及时察知籽晶是否按照预定的要求融化，直到晶体生长过程完全结束才能知道晶体生长结果，如果失败，势必造成原材料和电能的严重浪费。如此低的成功率及如此严重的浪费，致使市场上的具有特定方向的氟化镁单晶毛坯价格高达10000元/公斤以上，影响了该材料的在更广泛的领域应用。

尽管现有仔晶下降法定向生长氟化物晶体尚有50~60%的成功率，但是，在晶体质量方面还存在问题。由于水冷下降杆的存在，出现温度波动、温场不稳和温度梯度过大等现象，这些现象的负面结果是导致固液界面的形状不是理想的平整微凸界面，进而导致晶体内部缺陷大量形成，位错密度达到60~100/cm²，吸收系数达到5×10E-4/cm，这样的质量很难满足高端偏光棱镜的要求。

发明内容

本方发明的目的在于，提高氟化物单晶定向生长的成功率，提高晶体质量，为此，我们发明了一种小梯度温场上升定向生长氟化物单晶的装置及方法。其技术方案的核心是取消水冷下降杆，控制发热体上升，仔晶变相下降，温场稳定，温度梯度减小，全面克服现有技术存在的问题。

在本发明之小梯度温场上升定向生长氟化物单晶的装置中，在真空室1内部外围是保温套2，坩埚3位于保温套2内部中央，如图1所示；在坩埚3底部中心有仔晶筒4，仔晶筒4下面是坩埚座5；若干个加热体6等高悬挂在坩埚3侧壁周围，加热体6上端连接水冷电极杆7，电极杆7先穿过保温套2顶部再穿过真空室2顶部的密封圈8与电极座9连接；控温热电偶10位于仔晶筒4侧面1/2~2/3仔晶筒高度处；其特征在于，坩埚3经坩埚座5安置在保温套2底部上面，见图2所示；每个连接梁11将两两相对的电极座9连接起来，各个连接梁11的中点相交于一点，各个连接梁11在该点彼此连接成一体，提拉杆12的下端在该点与各个连接梁11相连；电极杆7与密封圈8动配合。

按照本发明之小梯度温场上升定向生长氟化物单晶的方法，见图3所示，将仔晶13插入仔晶筒4，仔晶13的上端探入坩埚3，将生长料14装入坩埚3，由加热体6产生生长温场，由控温热电偶10控制仔晶13上半部所处温场温度为高于所生长的氟化物单晶熔点5~10℃的温度，当仔晶13上半部融化后，仔晶13与温场上下相对运动，固液界面从温场的热区移向冷区，直至晶体生长完毕；其特征在于，由提拉杆12通过连接梁11、电极座9、电极杆7向上提拉加热体6，温场随之上升，坩埚3、仔晶筒4、坩埚座5、仔晶13静止。

本发明其技术效果在于，由于坩埚3经坩埚座5安置在保温套2底部上面，取消了现有技术中的坩埚座5下面的水冷下降杆，在晶体生长过程中坩埚3、仔晶筒4、坩埚座5、仔晶13保持静止，仔晶13与温场之间的上下相对运动，或者说固液界面从温场的热区移向冷区是通过温场上升实现，这些技术措施能够带来多方面的技术效果。例如，仔晶13周围的温场的梯度变小，仔晶13上半部所处温度易于控制，在很大程度上避免出现仔晶13上半部没融化或者仔晶13全融化的情况；能够正常保持仔晶13上半部所处温场温度为高于所生长的氟化物单晶熔点5~10℃的温度，无需将生长料熔体温度提高到氟化物单晶熔点以上很多，因而能够减轻晶体原料的挥发，避免原料大量外溢。最终晶体生长的成功率能够因此提高到95%以上。再如，生长温度平稳、温场梯度几近恒定，固液界面的形状基本呈现理想的平整微凸界面，大幅减少晶体内部缺陷，采用X射线定向仪定向，定向精度为30″，方向精度为达到2°，在C方向生长的氟化镁单晶晶锭直径最大100mm、长度200mm，C方向的可利用率大于90%，位错密度降低到10~30/cm²，在0.2~7.5μm波段的吸收系数小于2×10E-4/cm，晶体质量全面提高。本发明还具有一个附带效果，随着原有的水冷下降杆的取消，冷却结构得到简化。

附图说明

图1为本发明之小梯度温场上升定向生长氟化物单晶的装置整体结构示意图。图2为本发明之小梯度温场上升定向生长氟化物单晶的装置下半部分结构放大示意图。图3为本发明之小梯度温场上升定向生长氟化物单晶的方法示意图，该图同时作为摘要附图。

具体实施方式

在本发明之小梯度温场上升定向生长氟化物单晶的装置中，在真空室1内部外围是保温套2，保温套2材质为复合碳纤维，坩埚3位于保温套2内部中央，坩埚3上加石墨材质坩埚盖15，防止生长料熔体热量散失和阻止生长料挥发，如图1所示；在坩埚3底部中心有仔晶筒4，仔晶筒4下面是坩埚座5，坩埚座5为石墨材质；若干个加热体6等高悬挂在坩埚3侧壁周围，加热体6上端连接水冷电极杆7，电极杆7先穿过保温套2顶部再穿过真空室2顶部的密封圈8与电极座9连接；控温热电偶10位于仔晶筒4侧面1/2~2/3仔晶筒高度处；坩埚3经坩埚座5安置在保温套2底部上面，见图2所示；每个连接梁11将两两相对的电极座9连接起来，连接梁11与电极座9绝缘，电源线接电极座9；各个连接梁11的中点相交于一点，各个连接梁11在该点彼此连接成一体，提拉杆12的下端在该点与各个连接梁11相连；电极杆7与密封圈8动配合，电极杆7为紫铜材质，中空通水冷却，由密封圈8保持真空室1内的真空度。电极杆7通过螺栓螺母与加热体6的石墨端子连接。

按照本发明之小梯度温场上升定向生长氟化物单晶的方法，见图3所示，将小块氟化镁单晶加工成圆柱状作为仔晶13，籽晶13直径15mm、长度65mm，圆柱的轴向为单晶C向，沿这一方向生长的氟化物单晶晶锭的利用率最高；将仔晶13插入仔晶筒4，籽晶筒13内径与籽晶13外径相配合，保持籽晶13的竖直状态；仔晶13的上端探入坩埚3。将氟化镁颗粒生长料14装入坩埚3。依次开启旋片式真空泵和油扩散泵，将真空室1抽至2×10E-3乇的真空。由加热体6产生生长温场，炉温由室温按升温速率25℃/小时升至氟化镁晶体熔点以上5~10℃即1260~1265℃之间的某个温度，如1263℃，生长料14慢慢熔化成熔体，之后控制恒温，在恒温时段内，熔体充分排除气体和其他杂质。由控温热电偶10控制仔晶13上半部所处温场温度在该温度值上。恒温5小时后，仔晶13上半部融化，由提拉杆12通过连接梁11、电极座9、电极杆7以1~3mm/h的速度如1mm/h向上提拉加热体6，温场随之上升，坩埚3、仔晶筒4、坩埚座5、仔晶13静止，仔晶13与温场上下相对运动，坩埚3的底部、仔晶筒4上口处率先远离加热体6而成为温场冷区，同时固液界面也以1mm/h的速度从温场的热区移向冷区，通过熔体内的质量输运，在坩埚3内生长的晶体将完全按照籽晶13固有的方向不断生长下去，200小时后晶体生长完毕，由控温热电偶10控制自动降温，降温速度为30℃/h，温度降至150℃时停止为加热体6供电，自然冷却到室温，获得与籽晶13方向一致的完整氟化镁单晶，晶锭直径58mm、长度160mm，晶锭圆柱体轴线与晶体C向平行。所述的氟化物单晶还包括CaF₂、BaF₂、LiF晶体。