專利名稱：球冠形異型晶體的生長(zhǎng)方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明涉及晶體生長(zhǎng)領(lǐng)域，特別涉及用垂直溫梯法(Vertical Gradient FreezeGrowth，VGF)生長(zhǎng)球冠形異型晶體。這種生長(zhǎng)方法也可以適用于熱交換法(HEM)和坩堝下降法(Bridgman)等方法生長(zhǎng)球冠形異型晶體。
背景技術(shù)：
用一般的方法生長(zhǎng)的普通形狀的晶體經(jīng)切割、機(jī)械加工等程序成為形狀較復(fù)雜的晶體會(huì)導(dǎo)致昂貴材料的損耗，同時(shí)在晶格中引入缺陷和改變晶體的物理機(jī)械性能，為了克服這些缺點(diǎn)，發(fā)展能滿足尺寸、形狀和性能要求的結(jié)晶方法就顯得非常重要，即直接生長(zhǎng)接近成型的異型晶體。成型晶體生長(zhǎng)提供了根據(jù)不同的預(yù)定截面參量生長(zhǎng)單晶的可能性，它可以生長(zhǎng)其它方法難以形成的幾何形狀。不同的晶體形狀如板狀，不同截面的棒狀、管狀、盤狀、球冠狀等異型晶體被應(yīng)用在科學(xué)與技術(shù)中的許多方面，如管狀應(yīng)用于激光泵浦燈、室外照明高壓鈉燈的包殼；具有通道的空心桿狀可應(yīng)用于高效激光裝置等。
球冠形異型晶體在軍事領(lǐng)域有重要的應(yīng)用，如導(dǎo)彈的頭部鐘罩就需要球冠形或者類似形狀。以前生長(zhǎng)球冠形異型晶體是用非毛細(xì)管成型技術(shù)(NoncapillaryShaping Technique)生長(zhǎng)(參見Journal of crystal growth，第179卷，1997年，第175頁(yè))，和導(dǎo)模法(Edge-defined Film-fed Growth)生長(zhǎng)(參見Window andDome Technologies and Materials II，SPIE Proc.1326，1990年，第2頁(yè))。
上述技術(shù)具有明顯的缺點(diǎn)模具設(shè)計(jì)非常復(fù)雜，生長(zhǎng)需要精密控制，不宜操作，而且原料利用率不高、生長(zhǎng)成本較高。

發(fā)明內(nèi)容
本發(fā)明的目的就在于克服上述已有技術(shù)的困難，提出一種球冠形異型晶體的生長(zhǎng)方法，以滿足球冠形異型晶體在光學(xué)、軍事等領(lǐng)域的應(yīng)用。
本發(fā)明提出一種垂直溫梯法生長(zhǎng)球冠形異型晶體，其關(guān)鍵技術(shù)是研制出一種用于生長(zhǎng)球冠形異型晶體的組合式坩堝，晶體從熔體的底部結(jié)晶，固液界面自下向上移動(dòng)，生長(zhǎng)晶體。
本發(fā)明所用的垂直溫梯法生長(zhǎng)球冠形異型晶體的裝置稱為溫梯爐。見圖1，為鐘罩式真空電阻爐，爐體內(nèi)部的結(jié)構(gòu)包括坩堝，發(fā)熱體，坩堝1置于爐體內(nèi)中心位置上，坩堝1的周圍是圓筒石墨發(fā)熱體2，發(fā)熱體2的外圍有側(cè)保溫屏9，發(fā)熱體2的頂部有與側(cè)保溫屏9密合的上保溫屏8，坩堝1的底下有堝托3，與發(fā)熱體2相連的電極板6由支撐環(huán)7支撐，在支撐環(huán)7內(nèi)有下保溫屏10，穿過下保溫屏10和電極板6的中心伸到堝托3內(nèi)有冷卻水支桿5，還有供測(cè)量溫度的熱電偶4伸到坩堝1底部。爐體之外另附真空系統(tǒng)、60KW索科曼A2S1047型UPS穩(wěn)壓電源和818P4歐路精密控溫系統(tǒng)，監(jiān)控和測(cè)溫用鎢錸(W/Re3-W/Re25)熱電偶4。堝托3用氧化鋯(ZrO2)材料制成，支撐環(huán)7用剛玉環(huán)。上、側(cè)、下保溫屏8、9、10用鉬片或鎢-鉬片所制。
本發(fā)明用于制備球冠形異型晶體的組合式坩堝1，由三部分組成外部坩堝11、內(nèi)部坩堝12及坩堝內(nèi)部錐體13，分別見圖2、圖3和圖4。外部坩堝11、內(nèi)部坩堝12及坩堝內(nèi)部錐體13為同一種材料，材料可以是石墨、鉬、鎢及鎢鉬合金等，外部坩堝內(nèi)表面拋光，內(nèi)部坩堝外表面拋光，錐體上表面拋光。
外部坩堝11見圖2，帶有籽晶槽111，籽晶槽111與半球形弧112以一定弧度平滑過渡，坩堝頂部開有一定寬度和深度的三個(gè)縱向槽113，三個(gè)槽相間120°。在縱向槽113的下部開有相同寬度的橫向槽114。
內(nèi)部坩堝12見圖3，外表面從頂部開始往下為三個(gè)相間120°與內(nèi)部和外部坩堝間隔距離相等且?guī)ж?fù)公差的橫向固定塊體121，內(nèi)部坩堝半球形弧上一定高度上，有與三個(gè)相間120°的斜向下的導(dǎo)流槽122。
坩堝內(nèi)部錐體13見圖4，置于內(nèi)部坩堝中，該坩堝內(nèi)部錐體13由三部分構(gòu)成錐體131下部有直徑與錐體底面直徑相等有一定厚度的圓柱體132，圓柱體132下面是直徑更小的與內(nèi)部坩堝底部接觸的小圓柱體133，高度取決于使上述錐體底部與前述導(dǎo)流槽122的內(nèi)開口底平齊。
形成球冠形異型形狀坩堝的設(shè)計(jì)如下生長(zhǎng)用球冠形異型坩堝的形成是由內(nèi)部和外部?jī)蓚€(gè)底部為半球形的異型坩堝共同構(gòu)成，內(nèi)部和外部坩堝分別見圖2和3。其中外部坩堝底部帶有籽晶槽111，籽晶槽與半球形弧112以一定弧度平滑過渡，半球形弧以上部分有一定錐度。內(nèi)部坩堝底部為半球形，其直徑由生長(zhǎng)晶體的厚度決定，半球形弧以上部分帶有與外部坩堝一樣的錐度。為了使內(nèi)部和外部坩堝裝配更容易，內(nèi)部坩堝從半球形弧以上部分高于外部坩堝半球形弧以上部分。
內(nèi)部和外部坩堝之間的固定方法是外部坩堝頂部開有一定寬度和深度的三個(gè)縱向槽113，三個(gè)槽相間120°。在縱向槽的下部開有相同寬度的橫向槽114，高度為縱向槽113的一半。內(nèi)部坩堝外表面從頂部開始往下為三個(gè)相間120°與內(nèi)部和外部坩堝間隔距離相等且?guī)ж?fù)公差的橫向固定塊體121，塊體寬度大于外部坩堝開槽的總寬度，高度大于外部坩堝所開縱向槽高度。在前所述的三個(gè)橫向塊體上，從塊體底端中間開始有寬度稍小于外部坩堝橫向槽的三個(gè)鉚合塊。鉚合塊的寬度稍小于外部坩堝縱向槽，高度稍小于外部坩堝橫向槽。外部坩堝縱向槽底部到半球形弧開始處的高度與內(nèi)部坩堝鉚合塊底部到半球形弧開始處的高度相同。將內(nèi)部坩堝的三個(gè)塊體放入外部坩堝所述槽中旋轉(zhuǎn)，使內(nèi)外兩個(gè)坩堝固定。
異型坩堝原料和熔體填充方法是原料為顆粒較大的料和生長(zhǎng)晶體厚度較大原料易于填充時(shí)，原料可以直接填充于內(nèi)部和外部坩堝之間。原料為粉末料時(shí)，要進(jìn)行壓料后填充入內(nèi)部坩堝中。這種情況下內(nèi)部坩堝在半球形弧上一定高度與三個(gè)相間120°斜向下的導(dǎo)流槽122。同時(shí)內(nèi)部坩堝中要放入一個(gè)錐體13，見圖4。錐體131下部有直徑與錐體底面直徑相等且有一定厚度的圓柱體132，圓柱體132下面是直徑更小的與內(nèi)部坩堝底部接觸的小圓柱體133，高度取決于使上述錐體底部與前述導(dǎo)流槽122底部開口處平齊。將原料加入到內(nèi)部坩堝錐體131上部，原料熔化后經(jīng)導(dǎo)流槽122流入內(nèi)外坩堝之間的半球形部分，這種設(shè)計(jì)可以使原料充分利用。
一次生長(zhǎng)多個(gè)球冠形異型晶體的坩堝設(shè)計(jì)如下一次生長(zhǎng)數(shù)量大于N(N＞2)個(gè)的晶體需要N+1個(gè)坩堝配合使用，坩堝之間的固定方法同前所述相同，不同之處在于除外部坩堝之外，所有坩堝側(cè)面沒有導(dǎo)流槽，而是在底部中心處都有相同直徑的小圓孔。原料直接填充于最內(nèi)部坩堝之內(nèi)，原料熔化后經(jīng)坩堝底部的圓孔填充于各個(gè)坩堝之間的半球形內(nèi)。
本發(fā)明的球冠形異型晶體生長(zhǎng)工藝流程如下<1>在外部坩堝的的籽晶槽111內(nèi)放入定向籽晶。
<2>將內(nèi)部坩堝放入外部坩堝內(nèi)，橫向固定塊體121密配于外部坩堝的縱向槽113和橫向槽114內(nèi)。將錐體置于內(nèi)部坩堝中。然后將該組合式坩堝置于溫梯爐堝托3中。
<3>抽真空、升溫到一定溫度(高于熔體的熔點(diǎn))，在無原料的情況下，空燒組合坩堝1，使外部坩堝11、內(nèi)部坩堝12和坩堝內(nèi)部錐體13三者在高低溫密配、不變形。
<4>降溫至室溫后，打開爐罩，將原料裝入內(nèi)部坩堝的錐體頂部131。
<5>邊抽真空邊升溫至一定溫度，充入保護(hù)氣體，如高純氬氣(Ar)。
<6>持續(xù)升溫至熔體溫度(熔點(diǎn))，恒溫1～3小時(shí)，以2-10℃/小時(shí)速率降溫，合適的降溫速率一方面有利于晶體結(jié)晶完整，另一方面可防止完整晶體炸裂。晶體生長(zhǎng)完畢，緩慢降溫至室溫后，打開爐罩，取出晶體。
與在先技術(shù)相比，本發(fā)明提出一種垂直溫梯法生長(zhǎng)球冠形異型晶體，其關(guān)鍵技術(shù)是研制出一種用于生長(zhǎng)球冠形異型晶體的組合式坩堝，晶體從熔體的底部結(jié)晶，固液界面自下向上移動(dòng)，生長(zhǎng)晶體。利用本發(fā)明的生長(zhǎng)技術(shù)，在坩堝內(nèi)直接形成需要的球冠形異型晶體，或根據(jù)設(shè)計(jì)需要的其他形狀的晶體，生長(zhǎng)過程操作簡(jiǎn)單，易于控制，而且與在先技術(shù)相比，原料的利用率更高，可以有效的降低成本。這種技術(shù)可推廣至熱交換法(HEM)和坩堝下降法(Bridgman)等方法中。


圖1是垂直溫梯法(VGF)所用的溫梯爐內(nèi)部結(jié)構(gòu)剖視2是外部坩堝結(jié)構(gòu)3是內(nèi)部坩堝結(jié)構(gòu)4是坩堝內(nèi)部錐體結(jié)構(gòu)5是坩堝組合示意圖
具體實(shí)施例方式
本實(shí)施例中所用的組合式坩堝材料采用高純石墨，外部坩堝外徑88mm、內(nèi)徑80mm，籽晶槽111高度25mm，縱向槽113高度20mm，橫向槽114寬度10mm，外部坩堝總體高度190mm。內(nèi)部坩堝外徑64mm、內(nèi)徑56mm，橫向固定塊121高度30mm，寬度24mm，導(dǎo)流槽122開口高度8mm，坩堝總體高度152mm。坩堝內(nèi)部錐體的上面錐體尺寸高度為15mm，直徑與內(nèi)部坩堝相配合的Φ56mm，小圓柱體133直徑16mm，高度為36.8mm。在外部坩堝的籽晶槽111內(nèi)放入定向(111)籽晶。將內(nèi)部坩堝放入外部坩堝內(nèi)，橫向固定塊體121密配于外部坩堝的縱向槽113和橫向槽114內(nèi)。將錐體置于內(nèi)部坩堝中。然后將該組合式坩堝置于溫梯爐堝托3中。抽真空、升溫到1500℃，在無原料的情況下，空燒組合坩堝，使外部坩堝、內(nèi)部坩堝和坩堝內(nèi)部錐體三者在高低溫密配、不變形。降溫至室溫后，打開爐罩，將原料裝入內(nèi)部坩堝的錐體頂部。邊抽真空邊升溫至600℃，充入高純氬(Ar)氣至一定壓力。持續(xù)升溫至熔體溫度1430℃，恒溫2小時(shí)，以2℃/hr速率降溫生長(zhǎng)晶體。結(jié)晶完成后以20℃/小時(shí)速率降至室溫，生長(zhǎng)全過程結(jié)束。從溫梯爐中取出組合式坩堝，將組合式內(nèi)部坩堝與外部坩堝、坩堝內(nèi)部錐體分開，將位于內(nèi)部坩堝與外部坩堝間的球冠形異型氟化鈣晶體取出。晶體透明、完整。
本實(shí)施例中所用的組合式坩堝材料采用高純鉬，外部坩堝外徑88mm、內(nèi)徑80mm，籽晶槽111高度25mm，縱向槽113高度20mm，橫向槽114寬度10mm，外部坩堝總體高度190mm。內(nèi)部坩堝外徑64mm、內(nèi)徑56mm，橫向固定塊121高度30mm，寬度24mm，導(dǎo)流槽122開口高度8mm，坩堝總體高度152mm。坩堝內(nèi)部錐體的上面錐體尺寸高度為15mm，直徑與內(nèi)部坩堝相配合的Φ56mm，小圓柱體133直徑16mm，高度為36.8mm。在外部坩堝的籽晶槽111內(nèi)放入定向(111)籽晶。將內(nèi)部坩堝放入外部坩堝內(nèi)，橫向固定塊體121密配于外部坩堝的縱向槽113和橫向槽114內(nèi)。將坩堝內(nèi)部錐體置于內(nèi)部坩堝中。然后將該組合式坩堝置于溫梯爐堝托3中。抽真空、升溫到2100℃，在無原料的情況下，空燒組合坩堝，使外部坩堝、內(nèi)部坩堝和坩堝內(nèi)部錐體三者在高低溫密配、不變形。降溫至室溫后，打開爐罩，將原料裝入內(nèi)部坩堝的錐體頂部。邊抽真空邊升溫至600℃，充入高純氬(Ar)氣至一定壓力。持續(xù)升溫至熔體溫度2050℃，恒溫3小時(shí)，以5℃/hr速率降溫生長(zhǎng)晶體。結(jié)晶完成后以20℃/小時(shí)速率降至室溫，生長(zhǎng)全過程結(jié)束。從溫梯爐中取出組合式坩堝，將組合式內(nèi)部坩堝與外部坩堝、坩堝內(nèi)部錐體分開，將位于內(nèi)部坩堝與外部坩堝間的球冠形異型藍(lán)寶石晶體取出。晶體透明、完整。
權(quán)利要求
1.一種球冠形異型晶體的生長(zhǎng)方法，采用垂直溫梯法在溫梯爐生長(zhǎng)，其特征在于它包括下列工藝步驟<1>在專用于制備球冠形異型晶體的組合式坩堝(1)的外部坩堝(11)的籽晶槽(111)內(nèi)放入定向籽晶；<2>將內(nèi)部坩堝(12)放入外部坩堝(11)內(nèi)，令橫向固定塊體(121)密配于外部坩堝的縱向槽(113)和橫向槽(114)內(nèi)，將錐體(13)置于內(nèi)部坩堝(12)中，然后將該組合式坩堝(1)置于溫梯爐堝托(3)中；<3>抽真空、升溫到高于熔體的熔點(diǎn)的一定溫度，在無原料的情況下，空燒組合式坩堝(1)，使外部坩堝(11)、內(nèi)部坩堝(12)和坩堝內(nèi)部錐體(13)三者在高低溫密配、不變形；<4>降溫至室溫后，打開爐罩，將原料裝入內(nèi)部坩堝(12)的錐體(131)頂部；<5>邊抽真空邊升溫至一定溫度，充入保護(hù)氣體，如高純氬氣(Ar)；<6>繼續(xù)升溫至熔體溫度(熔點(diǎn))，恒溫1～3小時(shí)，以2-10℃/小時(shí)速率降溫，合適的降溫速率一方面有利于晶體結(jié)晶完整，另一方面可防止完整晶體炸裂；<7>晶體生長(zhǎng)完畢，緩慢降溫至室溫后，打開爐罩，取出晶體。
2.根據(jù)權(quán)利要求1所述的球冠形異型晶體的生長(zhǎng)方法，其特征在于所述的定向籽晶可在空燒組合式坩堝(1)后放入外部坩堝(11)的籽晶槽(111)內(nèi)。
全文摘要
一種球冠形異型晶體的生長(zhǎng)方法，采用垂直溫梯法在溫梯爐生長(zhǎng)，其特征在于它包括下列工藝步驟在專用于制備球冠形異型晶體的組合式坩堝的外部坩堝的籽晶槽內(nèi)放入定向籽晶；組裝組合式坩堝并置于溫梯爐堝托中；抽真空、升溫到高于熔體的熔點(diǎn)的一定溫度，在無原料的情況下，空燒組合式坩堝，降溫至室溫后，打開爐罩，將原料裝入內(nèi)部坩堝的錐體頂部；邊抽真空邊升溫至一定溫度，充入保護(hù)氣體，繼續(xù)升溫至熔體溫度(熔點(diǎn))，恒溫1～3小時(shí)，以2－10℃/小時(shí)速率降溫生長(zhǎng)晶體，晶體生長(zhǎng)完畢，緩慢降溫至室溫后，打開爐罩，取出晶體，即可獲得透明、完整的球冠形異型晶體。
文檔編號(hào)C30B11/00GK1482288SQ0314190
公開日2004年3月17日 申請(qǐng)日期2003年7月29日 優(yōu)先權(quán)日2003年7月29日
發(fā)明者董永軍, 周國(guó)清, 徐軍, 蘇良碧, 司繼良, 楊衛(wèi)橋, 李紅軍 申請(qǐng)人:中國(guó)科學(xué)院上海光學(xué)精密機(jī)械研究所