專利名稱：提拉法生長鋱鎵石榴石(tgg)晶體的裝置及其方法
技術(shù)領(lǐng)域：
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本發(fā)明涉及晶體生長領(lǐng)域，具體是一種制備大尺寸、高質(zhì)量TGG晶體的 裝置和方法。
背景技術(shù)：
目前，半導(dǎo)體激光器及光放大器等對來自連接器、熔接點(diǎn)、濾波器等的 反射光非常敏感，并導(dǎo)致性能惡化。因此需要用光隔離器阻止反射光。光隔 離器是一種只允許光沿一個(gè)方向通過而在相反方向阻擋光通過的光無源器 件。它通過光纖回波反射的光能夠被光隔離器很好的隔離，隔離度代表了光 隔離器對回波隔離(阻擋)能力。在相干光長距離光纖通信系統(tǒng)中，每隔一 段距離安裝一個(gè)光隔離器，可以減少受激布里淵散射引起的功率損失。光隔 離器在光纖通信、光信息處理系統(tǒng)、光纖傳感以及精密光學(xué)測量系統(tǒng)中具有 重要的作用。
常用的YIG (釔鐵石榴石)是一種優(yōu)良的光隔離材料。但是，在可見光區(qū) 域低的透過率和激光損傷閾值限制了其更廣泛的應(yīng)用。與之相比，TGG (鋱鎵 石榴石)具有更寬的透過區(qū)域，更高的激光損傷閾值，是實(shí)現(xiàn)寬波段、可調(diào) (波長)、高功率激光光隔離器的關(guān)鍵元件。
磁旋光玻璃是一種具有磁光效應(yīng)的特種光學(xué)玻璃，可實(shí)現(xiàn)寬波段激光輸 出控制，是高性能大口徑法拉第旋轉(zhuǎn)元件不可替代的材料。然而，與旋光玻 璃相比，TGG玻璃具有明顯優(yōu)勢1、介電常數(shù)是鋱玻璃的2倍。2、熱導(dǎo)率比 玻璃大一個(gè)數(shù)量級。3、光損耗低于玻璃。4光學(xué)畸變小，適合平均功率更高 的應(yīng)用。開發(fā)大尺寸TGG晶體，對于進(jìn)一步提高大口徑法拉第旋轉(zhuǎn)元件的性 能、進(jìn)而提高高功率激光性能具有重要意義。
TGG晶體在生長過程中，面臨著嚴(yán)重的組分揮發(fā)問題，由于組成偏離化學(xué)-計(jì)量得不到及時(shí)修正，使得制備大尺寸、高質(zhì)量單晶材料難以實(shí)現(xiàn)。
周圣明等(中國專利申請?zhí)?00610025643.7)采用在坩堝上加蓋保溫
3罩，讓晶體在一個(gè)近封閉的系統(tǒng)中生長。本專利作者在這類高溫易揮發(fā)性晶 體的生長過程中發(fā)現(xiàn)，高溫熔體中揮發(fā)出來的成分很快就沉積在保溫罩上， 而不是以氣態(tài)形式被封閉在保溫罩內(nèi)。所以采用封閉系統(tǒng)，并不能得到類似 水溶液達(dá)到飽和蒸氣壓后能阻止組分揮發(fā)的效果。
曰本的朝日聰明等(中國專利申請?zhí)?00380100243.2)采用了雙層坩 堝。內(nèi)層作為生長坩堝，底部開口與外層坩堝熔液相貫通，外層坩堝熔液采 用密封劑來阻止揮發(fā)。該方式主要用于制備低熔點(diǎn)易揮發(fā)的ZnTe系化合物半 導(dǎo)體單晶，對于高熔點(diǎn)氧化物組成的高溫溶液，難以找到合適的液封材料。
美國專利(US Patent 6,464,777)也采用了雙坩堝，基本原理是通過向 外坩堝中不斷加入重量相當(dāng)于內(nèi)坩堝生長出的晶體重量的原料，從而保持熔 體成分不變。晶體生長過程中，對溫度梯度有著嚴(yán)格的要求。當(dāng)加入常溫的 粉體原料后，必然從會從內(nèi)坩堝吸熱，引起晶體生長溫度出現(xiàn)大的波動，從 而影響晶體的正常生長。
鄭燕青等(中國專利申請?zhí)?00410089075.8)進(jìn)行了改進(jìn)，采用外層 坩堝上升法來補(bǔ)充內(nèi)層坩堝因生長而減少的料，可以有效防止因料熔化引起 的溫度波動，但是外層坩堝本身的揮發(fā)，使得補(bǔ)充的料本身難以保證化學(xué)計(jì)

發(fā)明內(nèi)容
本發(fā)明所要解決的技術(shù)問題是提供一種避免上述問題，采用三坩堝法， 即采用熔液可以相互貫通的三層坩堝，在晶體生長過程中，連續(xù)的補(bǔ)充晶體 原料，避免對晶體正常生長引起大的溫度波動，從而制備高質(zhì)量、大尺寸的 TGG晶體。
本發(fā)明為解決技術(shù)問題采用的技術(shù)方案是
生產(chǎn)提拉法生長鋱鎵石榴石(TGG)晶體的裝置包括 一稱量裝置、 一旋
轉(zhuǎn)裝置、 一加熱裝置和一開孔三坩堝，其特征在于它是由加熱元件、耐火 材料外殼、陶瓷保溫材料、加料管、原料補(bǔ)給坩堝、原料補(bǔ)給過度坩堝、生 長坩堝、原料補(bǔ)給過度坩堝、晶體、耐火材料底座或設(shè)置生長坩堝上的開孔 構(gòu)成，然后通過上、下提拉桿進(jìn)行提拉旋轉(zhuǎn)。所述稱量裝置根據(jù)晶體生長的重量的增加速度，以調(diào)整相應(yīng)加料速度。
所述旋轉(zhuǎn)裝置根據(jù)籽晶軸帶動籽晶旋轉(zhuǎn)生長，以提高晶體質(zhì)量；在所述 底部帶動三坩堝一起旋轉(zhuǎn)，這樣加入在補(bǔ)給坩堝中的分料會更均勻地分布于 坩堝四周，坩堝內(nèi)的溫場更加均勻，且降低了加入料對過度坩堝溫場的影響。 上下部的旋轉(zhuǎn)方向相反。
所述加熱裝置采用銅線圈感應(yīng)加熱。
所述開孔三坩堝在過度坩堝的下端開有一排小孔，用于晶體生長時(shí)坩堝 采取不露出液面。
本發(fā)明中開孔三坩堝進(jìn)一步的技術(shù)方案是在過度坩堝的下端開有一排小 孔，這樣晶體生長坩堝露出液面，但是在該坩堝壁的上部、液面以下部分也 開出一排小孔。
制備提拉法生長鋱鎵石榴石(TGG)晶體的方法，具體步驟包括.-
1、 原料準(zhǔn)備使用商業(yè)用高純原料，按摩爾比(料A) Tb203:Ga203二3: (5.05 5. 15)和(料B) Tb203:Ga203二3: (5. 15 5.30)。稱取高純度(大
于99. 99%) Tb203和Ga203兩種混合料各1000g，在混料機(jī)上充分混合24小 時(shí)，然后壓實(shí)為料塊，再將料塊在(100(TC 140(TC)鍛燒10小時(shí)成鎵酸鋱 料。將部分料塊研磨為粉料作為補(bǔ)給料。燒結(jié)后的料，部分采用高壓制備成 塊狀作為鍋底料，部分^:磨成粉末作為補(bǔ)給料。
2、 第一次加料將料B加入銥金坩堝中，作為鍋底料，抽高真空后充入 氬氣、氮?dú)饣蛘叨趸嫉亩栊詺怏w中的一種或幾種，到常壓后升高中頻功 率，熔化原料，上f軸同時(shí)反方向旋轉(zhuǎn)，開始晶體生長。
3、 補(bǔ)給料生長當(dāng)晶體開始平穩(wěn)生長以后，根據(jù)稱量系統(tǒng)反饋的數(shù)據(jù)開 始補(bǔ)給原料。如圖1所示，原料在A區(qū)上端熔化后，經(jīng)過度坩堝下端的小孔 進(jìn)入B區(qū)，混合均勻后在B區(qū)上部與C區(qū)貫通。美國專利(美國專利號-6,464,777)采用雙坩堝系統(tǒng)，補(bǔ)給的料直接經(jīng)A區(qū)下部的小孔與晶體生長區(qū) 下部的料混合。
本發(fā)明產(chǎn)生的有益效果是補(bǔ)給料的熔化吸熱過程對晶體生長區(qū)溫場影響 小。補(bǔ)給料的熔化過程主要集中在A區(qū)上部，熔化所需要的熱量相當(dāng)部分來
5源于與其相鄰的B區(qū)，如美國專利所述結(jié)構(gòu)，晶體生長區(qū)的溫度必然表現(xiàn)出 大的波動；而根據(jù)當(dāng)前發(fā)明所述結(jié)構(gòu)，B區(qū)作為過程區(qū)，這樣對晶體生長區(qū)溫 度的影響被減弱。降低揮發(fā)對晶體生長區(qū)域熔液成分的影響。其中補(bǔ)給料經(jīng) 由B區(qū)過度，在B區(qū)成分充分混合均勻，溫度更接近C區(qū)，然后直接進(jìn)入C 區(qū)的上部，也就是直接進(jìn)入晶體生長區(qū)域。有效降低了熔液長時(shí)間處于高溫 而引起的揮發(fā)對組分的影響。


圖1為本發(fā)明提拉法生長TGG晶體的結(jié)構(gòu)示意圖； 圖2是本發(fā)明的另一種晶體生長設(shè)備示意圖中l(wèi)一加熱元件、2 —耐火材料外殼、3 —陶瓷保溫材料、4一加料管、 5 —原料補(bǔ)給坩堝、6 —原料補(bǔ)給過度坩堝、7 —生長坩堝、 8 —原料補(bǔ)給過度坩堝、9一晶體、IO—耐火材料底座、 ll一生長坩堝上的開孔、12—提拉桿。
具體實(shí)施方式
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以下結(jié)合附圖及具體實(shí)施例對本發(fā)明做進(jìn)一步介紹
如圖l、圖2所示， 一種生產(chǎn)提拉法生長鋱鎵石榴石(TGG)晶體的裝置
包括 一稱量裝置、 一旋轉(zhuǎn)裝置、 一加熱裝置和一開孔三坩堝。其中主要由
加熱元件l、耐火材料外殼2、陶瓷保溫材料3、加料管4、原料補(bǔ)給坩堝5、 原料補(bǔ)給過度坩堝6、生長坩堝7、原料補(bǔ)給過度坩堝8、晶體9、耐火材料 底座lO和生長坩堝上的開孔ll構(gòu)成，然后通過上、下提拉桿12進(jìn)行提拉旋 轉(zhuǎn)。
制備提拉法生長鋱鎵石榴石(TGG)晶體的具體實(shí)施例如下 實(shí)施例1:使用商業(yè)用高純原料，按摩爾比Tb203:Ga203-3: 5.05和 Tb203:Ga203-3: 5. 15稱取高純度(大于99. 99%) Tb203和Ga203兩種混合料， 在混料機(jī)上充分混合24小時(shí)，然后壓實(shí)為料塊，再將料塊在IOO(TC鍛燒10 小時(shí)成鎵酸鋱料。將部分料塊研磨為粉料作為補(bǔ)給料。采用圖1所示的生長裝置進(jìn)行生長，將3: 5.05料塊放于直徑為140鵬三坩堝系統(tǒng)的原料補(bǔ)給塒
堝內(nèi)，將3: 5.15料塊放于直徑為IOOIMI的生長坩堝內(nèi)，用提拉法按拉脖、
放肩等徑、收尾等過程生長鎵酸鋱晶體。補(bǔ)給料先放入過度倉，經(jīng)過抽真空， 充氬后，緩慢的加入到補(bǔ)給坩堝。熔化的原料經(jīng)過直徑為120mm的過度坩堝 進(jìn)入生長區(qū)。生長過程中坩堝旋轉(zhuǎn)系統(tǒng)以一定速度使籽晶和坩堝作反向運(yùn)動， 從而使晶體順利生長。生長后的晶體在1400°C退火，容易得直徑為50mm、 長度為60腿、完全透明的TGG (Tb3Ga5012)晶體。
實(shí)施例2:使用商業(yè)用高純原料，按摩爾比Tb203:Ga203二3: 5,15和 Tb203:Ga203:3: 5. 30稱取高純度(大于99. 99%) Tb203和Ga203兩種混合料， 在混料機(jī)上充分混合24小時(shí)，然后壓實(shí)為料塊，再將料塊在120(TC鋃燒10 小時(shí)成鎵酸鋱料。將部分料塊研磨為粉料作為補(bǔ)給料。采用圖1所示的生長 裝置進(jìn)行生長，將3: 5.05料塊放于直徑為140nm三坩堝系統(tǒng)的原料補(bǔ)給坩 堝內(nèi)，將3: 5. 15料塊放于直徑為lOOmm的生長坩堝內(nèi)，用提拉法按拉脖、 放肩等徑、收尾等過程生長鎵酸鋱晶體。補(bǔ)給料先放入過度倉，經(jīng)過抽真空， 充氬后，緩慢的加入到補(bǔ)給坩堝。熔解的原料經(jīng)過直徑為120mm的過度坩堝 進(jìn)入生長區(qū)。生長過程中坩堝旋轉(zhuǎn)系統(tǒng)以一定速度使籽晶和坩堝作反向運(yùn)動， 從而使晶體順利生長。(3)生長后的晶體在1400°C退火，容易得直徑為50mm、 長度為60mm、完全透明的TGG (Tb3Ga5012)晶體。
實(shí)施例3:使用商業(yè)用高純原料，按摩爾比Tb203:Ga203二3: 5.05和 Tb203:Ga203二3: 5. 30稱取髙純度(大于99. 99%) Tb203和Ga203兩種混合料， 在混料機(jī)上充分混合24小時(shí)，然后壓實(shí)為料塊，再將料塊在140(TC鍛燒10 小時(shí)成鎵酸鋱料。將部分料塊研磨為粉料作為補(bǔ)給料。采用圖2所示的生長 裝置進(jìn)行生長，將3: 5.05料塊放于直徑為140mm三坩堝系統(tǒng)的原料補(bǔ)給坩 堝內(nèi)，將3: 5.15料塊放于直徑為lOOmm的生長坩堝內(nèi)，用提拉法按拉脖、 放肩等徑、收尾等過程生長鎵酸鋱晶體。補(bǔ)給料先放入過度倉，經(jīng)過抽真空， 充氬后，緩慢的加入到補(bǔ)給坩堝。熔解的原料經(jīng)過直徑為120mm的過度坩堝 進(jìn)入生長區(qū)。生長過程中坩堝旋轉(zhuǎn)系統(tǒng)以一定速度使籽晶和坩堝作反向運(yùn)動， 從而使晶體順利生長。生長后的晶體在140CTC退火，容易得直徑為50mm、 長度為60mm、完全透明的TGG (Tb3Ga5012)晶體。以上顯示和描述了本發(fā)明的基本原理和技術(shù)特征和主要優(yōu)點(diǎn)。本行業(yè)的 技術(shù)人員能夠了解，本發(fā)明不受上述實(shí)施例的限制，上述實(shí)施例和說明書中 描述的只是說明本發(fā)明的原理，在不脫離本發(fā)明精神和范圍的前提下，本發(fā) 明還會有各種變化和改進(jìn)，這些變化和改進(jìn)都應(yīng)落入要求保護(hù)的本發(fā)明的范 圍內(nèi)。本發(fā)明要求保護(hù)的范圍由所附的權(quán)利要求書及其等效物界定。
權(quán)利要求
1、一種生產(chǎn)提拉法生長鋱鎵石榴石(TGG)晶體的裝置包括一稱量裝置、一旋轉(zhuǎn)裝置、一加熱裝置和一開孔三坩堝，其特征在于它是由加熱元件、耐火材料外殼、陶瓷保溫材料、加料管、原料補(bǔ)給坩堝、原料補(bǔ)給過度坩堝、生長坩堝、原料補(bǔ)給過度坩堝、晶體、耐火材料底座或設(shè)置生長坩堝上的開孔構(gòu)成，然后通過上、下提拉桿進(jìn)行提拉旋轉(zhuǎn)。
2、 根據(jù)權(quán)利要求1所述生產(chǎn)提拉法生長鋱鎵石榴石(TGG)晶體的裝置，其特征在于所述稱量裝置根據(jù)晶體生長的重量的增加速度，以調(diào)整相應(yīng)加料速度。
3、 根據(jù)權(quán)利要求1所述生產(chǎn)提拉法生長鋱鎵石榴石(TGG)晶體的裝置，其特征在于所述旋轉(zhuǎn)裝置根據(jù)籽晶軸帶動籽晶旋轉(zhuǎn)生長，以提高晶體質(zhì)量。
4、 根據(jù)權(quán)利要求1所述生產(chǎn)提拉法生長鋱鎵石榴石(TGG)晶體的裝置，其特征在于所述加熱裝置采用銅線圈感應(yīng)加熱。
5、 根據(jù)權(quán)利要求1所述生產(chǎn)提拉法生長鋱鎵石榴石(TGG)晶體的裝置，其特征在于所述開孔三坩堝在過度坩堝的下端開有一排小孔。
6、 根據(jù)權(quán)利要求5所述生產(chǎn)提拉法生長鋱鎵石榴石(TGG)晶體的裝置，其特征在于所述在該坩堝壁的上部、液面以下部分也開出一排小孔。
7、 一種生產(chǎn)提拉法生長鋱鎵石榴石(TGG)晶體的方法，具體步驟為a. 原料準(zhǔn)備使用商業(yè)用高純原料，按摩爾比(料A)Tb203:Ga203二3: (5. 05 5.15)和(料B) Tb203:Ga203二3: (5. 15 5. 30)，稱取高純度(大于99.99%) Tb203和Ga203兩種混合料各1000g，在混料機(jī)上充分混合24小時(shí)，然后壓實(shí) 為料塊，再將料塊在(1000°C 1400°C)鍛燒10小時(shí)成鎵酸鋱料，將部分料塊 研磨為粉料作為補(bǔ)給料，燒結(jié)后的料，部分采用高壓制備成塊狀作為鍋底料， 部分研磨成粉末作為補(bǔ)給料。b. 第一次加料將料B加入銥金坩堝中，作為鍋底料，抽高真空后充入氬 氣、氮?dú)饣蛘叨趸嫉亩栊詺怏w中的一種或幾種，到常壓后升高中頻功率， 熔化原料，上下軸同時(shí)反方向旋轉(zhuǎn)，開始晶體生長。c. 補(bǔ)給料生長當(dāng)晶體開始平穩(wěn)生長以后，根據(jù)稱量系統(tǒng)反饋的數(shù)據(jù)開始 補(bǔ)給原料，原料在A區(qū)上端熔化后，經(jīng)過度坩堝下端的小孔進(jìn)入B區(qū)，混合均 勻后在B區(qū)上部與C區(qū)貫通。
全文摘要
一種生產(chǎn)提拉法生長鋱鎵石榴石(TGG)晶體的裝置及其方法，涉及晶體生長領(lǐng)域，主要包括一稱量裝置、一旋轉(zhuǎn)裝置、一加熱裝置和一開孔三坩堝。通過在制備裝置上經(jīng)過原料準(zhǔn)備、第一次加料、補(bǔ)給料生長后生成。有益效果是補(bǔ)給料的熔化吸熱過程對晶體生長區(qū)溫場影響小，有效降低了熔液長時(shí)間處于高溫而引起的揮發(fā)對組分的影響。
文檔編號C30B15/00GK101649486SQ20081004154
公開日2010年2月17日 申請日期2008年8月11日 優(yōu)先權(quán)日2008年8月11日
發(fā)明者柳祝平, 袁新強(qiáng), 黃小衛(wèi) 申請人:上海元亮光電科技有限公司