熔体注入法生长近化学比铌酸锂晶体系统及其工艺

摘要

本发明涉及一种近化学比铌酸锂晶体的生长，特别是用熔体注入法生长的系统及其工艺。由于铌酸锂晶体不是同成分共熔，结晶出来的固体成分与熔体成分不一致，难以得到成分均匀的晶体。本发明提供一种采用熔体注入法，系统包括晶体生长炉、供料炉、回路调节器、中频电源、工控计算机和配套软件等7大部分：在晶体生长中，判断晶体生长量和供料炉注入熔融原料量之间的平衡，使注入生长坩埚的熔融原料量与晶体的生长量保持平衡，从而使晶体生长坩埚中原料的成分保持恒定；本发明的有益效果：具有加料连续性好、晶体成分波动小，光学均匀性好以及自动化程度高等优点，设备比较简单，有利于产业化生产，也可以用来进行其它类似非同成分共熔晶体的生长。

说明书

技术领域

本发明涉及一种近化学比铌酸锂晶体的生长，特别是用熔体注入法生长的系统及其工艺，属于晶体生长技术领域。

背景技术

由于铌酸锂晶体不是同成分共熔，即摩尔配比Nb∶Li＝1的熔融铌酸锂熔体，结晶出来的固体成分与熔体成分不一致，其Nb∶Li＞1，从而使熔体的成分不断发生变化，结晶的固体成分也不断发生变化。因此难以得到成分均匀的铌酸锂晶体。从摩尔配比Nb∶Li＝51.2∶46.8的熔融铌酸锂熔体中结晶出来的固体成分与熔体成分一致，可以比较容易地得到成分均匀的铌酸锂晶体，但是晶体成分偏离化学配比。

为了得到成分均匀的近化学比铌酸锂晶体，现在采用的技术有以下几种：

1、助熔剂法。在铌酸锂原料中添加氧化钾作为助熔剂，是铌酸锂的同成分共熔点接近化学配比。

2、双坩埚技术。在晶体生长时，采用坩埚套坩埚的方法，里面的坩埚加入Nb∶Li＝44∶56的熔体，这样可以生长出Nb∶Li＝1的晶体。同时，随着晶体的生长，在外面的坩埚加入Nb∶Li＝1的固体原料颗粒。由于两个坩埚是连通的，所以可以一直维持熔体的成分在Nb∶Li＝44∶56，这样得到了成分均匀的近化学比铌酸锂晶体。

3、气相平衡法。把同成分配比的铌酸锂晶体，放入富Li的气氛中，通过扩散，是铌酸锂晶体中Li的含量增加，从而得到成分均匀的近化学比铌酸锂晶体。

4、区熔法。在微区内熔化并结晶，使得铌酸锂中熔体的扩散被限制，这样得到近化学比的铌酸锂晶体。

这些方法的优缺点列表如下：

    技术方案优点缺点    助熔剂法1、方法简单。2、不需要专门设备。1、同成分共熔点配比不易掌握；2、生长速度慢；3、晶体成分均匀性差；4、难以生长大晶体；5、缺陷密度高；    双坩埚技术1、可以生长大晶体；2、晶体成分均匀性好；1、设备复杂；2、固体加料控制不易；3、生长速度慢；    气相平衡法1、成份均匀性好；1、难以制备厚晶体；2、光学均匀性好；2、周期长；    区熔法1、方法比较简单；2、可以生长大晶体；1、晶体成分波动大；2、缺陷密度高；

发明内容

本发明目的在于克服4种现有技术的不足，提供一种熔体注入方法，利用计算机配合回路调节器构成控制硬件系统核心，实现近化学比铌酸锂晶体的生长。

本发明的技术方案：这种熔体注入法生长近化学比铌酸锂晶体系统，包括晶体生长炉、供料炉、2个可控硅控制器、3个回路调节器、中频电源(31)、工控计算机(32)和配套软件7大部分：

晶体生长炉部分包括有电机、带动下面的丝杠和籽晶杆构成晶体生长的提拉系统，籽晶杆从坩埚中的熔体中拉制晶体，坩埚下面是热电偶，它在坩埚外的保温材料中，坩埚外围是加热用的感应线圈，感应线圈与中频电源连接，保温材料下面是力传感器。

供料炉部分包括有电机、带动下面的丝杠和拉杆构成供料的提拉系统，拉杆从坩埚中的熔体中向下推动模拟体，坩埚外围是加热用的硅钼棒感应线圈，坩埚下面是热电偶，它们均置于坩埚外的保温材料中。

回路调节器通过热电偶和力传感器采集温度和重量偏差信号，输出信号连接中频电源，工控计算机与其通过串行通讯连接，并控制其运行，从而控制晶体生长；与可控硅单元、热电偶连接，采集并控制供料炉的温度；与可控硅单元、热电偶连接，采集并控制导管的温度。电源供电给可控硅单元、可控硅单元和中频电源。

工控计算机内置运动控制卡和步进电机驱动器，分别与电机和电机连接，通过工控计算机可以控制晶体提拉速度和模拟体下降速度。工控计算机采用自动控制软件，控制软件对整个晶体生长过程进行自动控制。其特点是：

晶体生长炉和供料炉之间，用导管连接，导管的一端连在供料坩埚上，另一端和晶体生长坩埚相连，供料坩埚中的熔体可以通过导管流入到晶体生长坩埚中。

这种熔体注入法生长近化学比铌酸锂晶体工艺，包括下述步骤：

1)原料准备；

2)装料；

3)升温熔料；

4)选温下种；

5)晶体生长：选择自动控制软件“晶体生长控制”，启动晶体生长炉提拉电机，慢慢提拉籽晶杆，籽晶按照籽晶的结晶方向从熔融原料中拉出晶体。同时，控制系统根据力传感器的信号，判断晶体生长量和供料炉注入熔融原料B的量之间的平衡，并通过控制模拟体的下降速度，使注入生长坩埚的熔融原料B的量与晶体的生长量保持平衡，从而使晶体生长坩埚中原料的成分保持恒定。

6)提起降温：晶体达到一定的生长量后，停止模拟体的下降，提起晶体，降温；

7)出炉：温度降到接近室温时，出炉；

本发明的有益效果：具有加料连续性好、晶体成分波动小，光学均匀性好以及自动化程度高等优点，设备比较简单，有利于产业化生产。本发明可以用来进行近化学铌酸锂晶体及掺杂铌酸锂生长，以及其它类似非同成分共熔晶体的生长。

附图说明

图1：熔体注入法生长近化学比铌酸锂晶体系统构成示意图

图2：本发明的供料系统毛细导管示意图

图3：晶体生长自动控制系统的控制流程框图

图中：1.电机  2.丝杠  3.籽晶杆  4.晶体  5.熔体  6.保温材料  7.感应线圈  8.热电偶  9.力传感器  10.电机  11.丝杠  12.拉杆  13.模拟体  14.熔体  15.17.保温材料  16.硅钼棒感应线圈  18.热电偶  19.导管  20.加热体  21.保温材料  22.热电偶  23.坩埚24.坩埚  25.电源  26.可控硅单元  27.回路调节器  28.可控硅单元  29.回路调节器  30.回路调节器  31.中频电源  32.工控计算机  33.毛细导管

具体实施方式

下面结合附图对本发明的具体实施方式作详细说明：

如附图1所示：这种熔体注入法生长近化学比铌酸锂晶体系统，系统包括晶体生长炉、供料炉、2个可控硅控制器、3个回路调节器、中频电源31、工控计算机(32)和配套软件7大部分：

晶体生长炉部分包括有电机1、带动下面的丝杠2和籽晶杆3构成晶体生长的提拉系统，籽晶杆从坩埚23中的熔体5中拉制晶体4，坩埚下面是热电偶8，它在坩埚外的保温材料6中，坩埚外围是加热用的感应线圈7，感应线圈7)与中频电源连接，保温材料下面是力传感器9；

供料炉部分包括有电机10、带动下面的丝杠11和拉杆12构成供料的提拉系统，拉杆从坩埚24中的熔体14中向下推动模拟体13，坩埚外围是加热用的硅钼棒感应线圈16，坩埚下面是热电偶18，它们均置于坩埚外的保温材料17中；

回路调节器30通过热电偶8和力传感器9采集温度和重量偏差信号，输出信号连接中频电源31，工控计算机32与其通过串行通讯连接，并控制其运行，从而控制晶体生长；

回路调节器27与可控硅单元26、热电偶18连接，采集并控制供料炉的温度，工控计算机32通过串行通讯与回路调节器27相连，并控制回路调节器27；

回路调节器29与可控硅单元28、热电偶22连接，采集并控制导管19的温度，工控计算机通过串行通讯与回路调节器29相连，并控制回路调节器29；

电源25供电给可控硅单元26、可控硅单元28和中频电源31；

工控计算机32内置运动控制卡和步进电机驱动器，分别与电机1和电机2连接，通过工控计算机32可以控制晶体4提拉速度和模拟体13下降速度；

工控计算机32采用自动控制软件，控制软件对整个晶体生长过程进行自动控制；

其特点是：晶体生长炉和供料炉之间，用导管19连接，导管的一端连在供料坩埚24上，另一端和晶体生长坩埚23相连，供料坩埚中的熔体可以通过导管流入到晶体生长坩埚中，导管的外面有加热体20和保温材料21；

导管19与坩埚壁上一个毛细导管33相连，熔体由于毛细现象在导管内上升一定高度，当熔体上升到供料导管口的高度时，熔体将进入供料导管，沿供料导管进入晶体生长坩埚23。

这种熔体注入法生长近化学比铌酸锂晶体工艺，包括下述步骤：

1)原料准备：A：Li摩尔含量58％，B：Li摩尔含量50％；

2)装料：晶体生长炉坩埚装入A原料，供料炉装入B原料；

3)升温熔料：启动自动控制软件，选择“熔料控制”，使A原料和B原料都达到熔融状态，熔料亦可在手动控制下进行；

4)选温下种：选择自动控制软件“选温下种控制”，控制系统将调节生长炉坩埚温度，略高于原料A的结晶温度，并调节供料炉温度，使之保持在1300℃，调节导管温度，使之维持在1300℃，然后，再经过操作人员确认后，降下籽晶杆，打开旋转电机，把籽晶浸入熔体中；

5)晶体生长：选择自动控制软件“晶体生长控制”，控制软系统将启动晶体生长炉提拉电机，慢慢提拉籽晶杆，Li摩尔含量50％晶体将在籽晶上按照籽晶的结晶方向从熔融原料A中结晶出来。同时，控制系统根据力传感器的信号，判断晶体生长量和供料炉注入熔融原料B的量之间的平衡，并通过控制模拟体的下降速度，使注入生长坩埚的熔融原料B的量与晶体的生长量保持平衡，从而使晶体生长坩埚中原料的成分保持恒定；自动控制系统根据进入熔体5的熔体14的量，计算出晶体生长速度、直径、重量等，并通过回路调节器30和提拉电机10，使晶体4按照设定的工艺生长；

6)提起降温：晶体达到一定的生长量后，停止模拟体的下降，提起晶体，降温；

7)出炉：温度降到接近室温时，出炉；

其特点是：在晶体生长时，启动晶体生长炉提拉电机，慢慢提拉籽晶杆的同时，供电机带动模拟体向下运动，供料炉中的熔融的原料B被模拟体挤出，通过毛细管爬行到供料导管，并通过供料导管注入生长坩埚；同时，控制系统根据力传感器的信号，判断晶体生长量和供料炉注入熔融原料B的量之间的平衡，并通过控制模拟体的下降速度，使注入生长坩埚的熔融原料B的量与晶体的生长量保持平衡，从而使晶体生长坩埚中原料的成分保持恒定。自动控制系统根据进入熔体5的熔体14的量，计算出晶体生长速度、直径、重量等，并通过回路调节器30和提拉电机10，使晶体4按照设定的工艺生长；

本发明的操作过程：

1)首先将原料A和原料B分别装入坩埚23和坩埚24；

2)接通电源25，启动自动控制系统程序；

3)通过工控计算机32与回路调节器27、29、30连接，使供料坩埚24、导管19和生长坩埚23分别达到合适的温度，使得原料A、原料B熔化，并使得导管19的温度略高于坩埚24的温度；

4)经过充分熔化后，选择合适的温度下种，并通过提拉电机1、丝杠2和籽晶杆3向上提拉，使锂含量为58mol％的熔体5在籽晶上结晶出锂含量为50mol％左右的铌酸锂晶体4；

5)自动控制系统通过力传感器9，判断晶体4的生长量和熔体14通过导管19进入熔体5的量之间的平衡，通过改变提拉电机10的速度，控制模拟体13的下降速度，从而控制进入熔体5的熔体14的量，使得熔体5锂含量维持在58mol％。同时，自动控制系统根据进入熔体5的熔体14的量，计算出晶体生长速度、直径、重量等，并通过回路调节器30和提拉电机10，使晶体4按照设定的工艺生长；

6)晶体4生长到合适的重量后，提起晶体4，使之和熔体5脱离，同时提起模拟体13，并降温，将到接近室温时，晶体4就可以出炉；

7)补充坩埚24中的原料B，就可以重复上述过程，进行第二次生长。