一種大尺寸鈦寶石晶體生長方法
【專利摘要】本發(fā)明涉及一種大尺寸鈦寶石晶體生長方法，包括（1）稱料、（2）裝爐、（3）熔料、（4）核晶生長、（5）包層生長、（6）退火、（7）降溫這七個步驟，利用可以實現(xiàn)該晶體生長的裝置，可以實現(xiàn)優(yōu)質(zhì)大尺寸鈦寶石晶體生長，該方可以生長直徑200-250mm的優(yōu)質(zhì)大尺寸鈦寶石晶體，經(jīng)切、磨、拋工藝加工后，可以直接應用于可調(diào)諧激光、超快激光和超強激光系統(tǒng)。
【專利說明】 一種大尺寸鈦寶石晶體生長方法

【技術(shù)領(lǐng)域】
[0001]本發(fā)明涉及一種大尺寸鈦寶石晶體生長方法，屬于晶體生長領(lǐng)域。

【背景技術(shù)】
[0002]大尺寸鈦寶石晶體是超快超強激光重要放大介質(zhì)，能否生長出優(yōu)質(zhì)大尺寸鈦寶石晶體，成為新一代超強激光發(fā)展的瓶頸之一。因而，大尺寸鈦寶石生長是國內(nèi)外研究的熱點領(lǐng)域。
[0003]大尺寸鈦寶石晶體生長方法主要有提拉法、泡生法、定向凝固法等。提拉法(Cz)生長鈦寶石晶體，采用中頻感應加熱，晶體生長速度快且晶體不與坩堝接觸，晶體外形容易靈活控制，晶體沿c向生長，位錯密度比較高。但提拉法生長鈦寶石晶體過程在弱氧化氣氛下進行，鈦寶石晶體的紅外殘余吸收較大。泡生法(KY)生長大尺寸鈦寶石晶體，晶體不與坩堝接觸，位錯密度低，熱應力比較小，但晶體生長接種過程對人工經(jīng)驗依靠性很大，技術(shù)難度很高，且生長晶體的外形不易控制，晶體的一致性差，目前能生長直徑10mm的鈦寶石晶體。定向凝固法通過構(gòu)建合適的溫場使鈦寶石晶體定向凝固生長，如熱交換法(HEM)、溫度梯度法(TGT)、水平定向凝固法(HDS)，都屬于定向凝固法的范疇。熱交換法有固-液界面穩(wěn)定、易于排雜、熔體對流微弱、原位退火等優(yōu)勢，能夠?qū)崿F(xiàn)直徑200nm鈦寶石晶體生長。水平定向凝固法(HDS)通過調(diào)節(jié)固液界面角度和生長氣氛飽和蒸汽壓調(diào)節(jié)摻雜離子濃度的均勻性，從而獲得優(yōu)質(zhì)鈦寶石晶體，但晶體尺寸僅達到10mmX 150mmX 40mm。導向溫度梯度法(TGT)具有低位錯、低散射和結(jié)構(gòu)完整性高等特點，能夠生長出直徑120_鈦寶石晶體。但定向凝固法生長鈦寶石晶體與坩堝直接接觸，晶體邊緣的熱應力非常大，使生長晶體容易開裂，成品率大大降低。


【發(fā)明內(nèi)容】

[0004]本發(fā)明所要解決的技術(shù)問題是提供一種大尺寸鈦寶石晶體生長方法，利用可以實現(xiàn)該晶體生長的裝置，可以實現(xiàn)優(yōu)質(zhì)大尺寸鈦寶石晶體生長，該方可以生長直徑200-250mm的優(yōu)質(zhì)大尺寸鈦寶石晶體，經(jīng)切、磨、拋工藝加工后，可以直接應用于可調(diào)諧激光、超快激光和超強激光系統(tǒng)。
[0005]為解決上述技術(shù)問題，本發(fā)明的技術(shù)方案是:
一種大尺寸鈦寶石晶體生長方法，其中，所述生長方法為:
(I)稱料:按質(zhì)量百分比分別稱取裝填原料，包含裝填晶料和裝填粉料，并將裝填粉料壓制成填裝餅料；所述的裝填晶料的組成成分為a-氧化鋁晶料，所述的裝填粉料的組成成分包括a-氧化鋁粉料和摻雜劑氧化鈦粉料；其中，裝填晶料的質(zhì)量與裝填原料的質(zhì)量之間的比例為15_30wt.%，裝填粉料中的摻雜劑氧化鈦粉料的質(zhì)量與裝填原料的質(zhì)量之間的比例為0.0lwt.%-10wt.% ;摻雜劑氧化鈦粉料為三氧化鈦粉料或者二氧化鈦粉料中的一種，所述a-氧化鋁晶料和a-氧化鋁粉料的純度大于等于99.99%，摻雜劑氧化鈦粉料的純度不大于等于99.99% ； (2)裝爐:采用鑰坩堝或鎢坩堝，其直徑大于等于8英寸，小于等于18英寸，坩堝放置于帶有加熱器的還原氣氛熱場中，先在坩堝底部中心放置籽晶，再依次放入裝填晶料和裝填餅料，蓋上鎢金屬或鑰金屬坩堝蓋并關(guān)閉爐腔，運行真空系統(tǒng)，使爐腔內(nèi)真空度達到10_3-10_4后，充入保護氣體，所述籽晶的直徑為d，2英寸彡d彡4英寸；
(3)熔料:通過坩堝底部籽晶溫度的控制，保證籽晶在熔料時不被完全熔化，同時升高加熱器的溫度，使坩堝中裝填原料逐漸熔化后得到熔體，然后在高于熔點溫度10-50°C的條件下進行10-80小時過熱；
(4)核晶生長:通過對加熱器功率控制，降低溫度，使熔體溫度降至熔點，并維持在熔點溫度20-50小時，直到熔體溫度穩(wěn)定，通過對坩堝底部籽晶溫度和加熱器功率的控制，使熔體從坩堝底部的籽晶上結(jié)晶生長，使晶體生長速率控制在0.2-2mm/h，直到完成梨形核心晶體生長；
(5)包層生長:通過對坩堝底部籽晶溫度和加熱器功率的控制，將多晶包層生長速率控制在4-10mm/h之間，完成包層區(qū)生長；
(6)退火:控制加熱器功率，將溫度降至于熔點30-150°C的溫度，并維持30-200小時，進行原位退火；
(7)降溫:控制加熱器功率，以10-30°C/h的速率將溫度降至室溫，即可得大尺寸鈦寶石晶體。
[0006]上述一種大尺寸鈦寶石晶體生長方法，其中，所述籽晶方向為a向或者c向。
[0007]上述一種大尺寸鈦寶石晶體生長方法,其中，所述保護氣體為氦氣、氬氣、氮氣中的一種。
[0008]上述一種大尺寸鈦寶石晶體生長方法，其中，所述籽晶為藍寶石籽晶或鈦寶石籽晶中的一種。
[0009]本發(fā)明的包層的鈦寶石晶體生長方法，利用可以實現(xiàn)該方法的晶體生長裝置，獲得梨形核心單晶的鈦寶石，并在核心單晶周圍獲得多晶過渡包層，避免核心單晶體與坩堝直接接觸，大大減少晶體邊緣的熱應力，能實現(xiàn)直徑200-250mm的優(yōu)質(zhì)大尺寸鈦寶石晶體，鈦寶石晶體沒有開裂、沒有散射光路、沒有微氣泡，沒有雙晶，品質(zhì)因子高，位錯密度小，經(jīng)切、磨、拋工藝加工后，可以直接應用于可調(diào)諧激光、超快激光和超強激光系統(tǒng)。

【專利附圖】

【附圖說明】
[0010]圖1為本發(fā)明所得的大尺寸鈦寶石晶體的品質(zhì)因子FOM檢測圖譜。
[0011]圖2為本發(fā)明所得的大尺寸鈦寶石晶體的單晶性FWHM檢測圖譜。

【具體實施方式】
[0012]實施例一
一種200_大尺寸鈦寶石晶體生長方法，其生長方法為:
(1)稱料:分別稱取a-氧化鋁晶料8.25kg，a-氧化鋁粉料50kg，二氧化鈦粉料
0.025kg，a-藍寶石籽晶0.75kg作為裝填原料，并將a-氧化鋁粉料與二氧化鈦粉料壓制成填裝餅料；所述a_氧化招晶料、a-氧化招粉料以及二氧化欽粉料的純度大于99.99% ；
(2)裝爐:將15英寸鑰坩堝放置還原氣氛熱場中，先在坩堝中心放置a向直徑2.5英寸a-藍寶石籽晶，再依次放入a-氧化鋁晶料和裝填餅料，蓋上鑰坩堝蓋并關(guān)閉爐腔，運行真空系統(tǒng)，使爐腔內(nèi)真空度達到KT4Pa后關(guān)閉，再充入氦氣作為保護氣體；
(3)熔料:通過坩堝底部籽晶溫度的控制，保證藍寶石籽晶在熔料時不被熔化，同時升高爐內(nèi)溫度，升溫速率為100°C /h，使坩堝中裝填原料逐漸熔化得熔體，然后繼續(xù)升高爐內(nèi)溫度，使熔體在2065°C溫度下過熱30小時；
(4)核晶生長:通過對加熱器功率控制，降低溫度，使熔體溫度降至熔點，并維持在熔點溫度30小時，直到熔體溫度穩(wěn)定，通過對坩堝底部籽晶溫度和加熱器功率的控制，使熔體從坩堝底部的籽晶上結(jié)晶生長，使晶體生長速率控制在0.5mm/h，直到完成梨形核心晶體生長;
(5)包層生長:通過對坩堝底部籽晶溫度和加熱器功率的控制，將多晶包層生長速率控制為6mm/h,完成包層區(qū)生長；
(6)退火:通過對加熱器功率控制，在1900°C的溫度進行原位退火，維持時間為80小時；
(7)降溫:通過對加熱器功率控制，以10°C/h的速率將溫度降至室溫，即可得大尺寸鈦寶石晶體。
[0013]實施例二
一種220_大尺寸鈦寶石晶體生長方法，其生長方法為:
(1)稱料:分別稱取a_氧化招晶料18.2kg , a_氧化招粉料55kg, 二氧化欽粉料
0.75kg，a-藍寶石籽晶1.8kg作為裝填原料，并將a-氧化鋁粉料與三氧化鈦粉料壓制成填裝餅料；所述a_氧化招晶料，a-氧化招粉料以及二氧化欽粉料的純度大于99.99% ；
(2)裝爐:將15英寸鎢坩堝放置還原氣氛熱場中，先在坩堝中心放置a向直徑3.3英寸a-藍寶石籽晶，再依次放入a-氧化鋁晶料和裝填餅料，蓋上鎢坩堝蓋并關(guān)閉爐腔，運行真空系統(tǒng)，使爐腔內(nèi)真空度達到KT4Pa后關(guān)閉，再充入氦氣作為保護氣體；
(3)熔料:通過坩堝底部籽晶溫度的控制，保證藍寶石籽晶在熔料時不被熔化，同時升高爐內(nèi)溫度，升溫速率為150°C /h，使坩堝中裝填原料逐漸熔化得熔體，然后繼續(xù)升高爐內(nèi)溫度，使熔體在2075°C溫度下過熱50小時；
(4)通過對加熱器功率控制，降低溫度，使熔體溫度降至熔點，并維持在熔點溫度40小時，直到熔體溫度穩(wěn)定，通過對坩堝底部籽晶溫度和加熱器功率的控制，使熔體從坩堝底部的籽晶上結(jié)晶生長，使晶體生長速率控制在0.8mm/h，直到完成梨形核心晶體生長；
(5)包層生長:通過對坩堝底部籽晶溫度和加熱器功率的控制，將多晶包層生長速率控制為8mm/h，完成包層區(qū)生長；
(6)退火:通過對加熱器功率控制，在1950°C的溫度進行原位退火，維持時間為150小時；
(7)降溫:通過對加熱器功率控制，以15°C/h的速率將溫度降至室溫，即可得大尺寸鈦寶石晶體。
[0014]實施例三
一種240_大尺寸鈦寶石晶體生長方法，其生長方法為:
(O稱料:分別稱取a-氧化鋁晶料19.7kg，a-氧化鋁粉料50.5kg，二氧化鈦粉料
1.5kg，a-藍寶石籽晶3.3kg作為裝填原料，并將a-氧化鋁粉料與二氧化鈦粉料壓制成填裝餅料；所述a-氧化鋁晶料、a-氧化鋁粉料以及二氧化鈦粉料的純度大于99.99% ；
(2)裝爐:將15英寸鎢坩堝放置還原氣氛熱場中，先在坩堝中心放置a向直徑4英寸a-藍寶石籽晶，再依次放入a-氧化鋁晶料和裝填餅料，蓋上鎢坩堝蓋并關(guān)閉爐腔，運行真空系統(tǒng)，使爐腔內(nèi)真空度達到KT4Pa后關(guān)閉，再充入氦氣作為保護氣體；
(3)熔料:通過坩堝底部籽晶溫度的控制，保證藍寶石籽晶在熔料時不被熔化，同時升高爐內(nèi)溫度，升溫速率為180°C /h，使坩堝中裝填原料逐漸熔化得熔體，然后繼續(xù)升高爐內(nèi)溫度，使熔體在2085°C溫度下過熱80小時；
(4)核晶生長:通過對加熱器功率控制，降低溫度，使熔體溫度降至熔點，并維持在熔點溫度50小時，直到熔體溫度穩(wěn)定，通過對坩堝底部籽晶溫度和加熱器功率的控制，使熔體從坩堝底部的籽晶上結(jié)晶生長，使晶體生長速率控制在lmm/h，直到完成梨形核心晶體生長;
(5)包層生長:通過對坩堝底部籽晶溫度和加熱器功率的控制，將多晶包層生長速率控制為8mm/h，完成包層區(qū)生長；
(6)退火:通過對加熱器功率控制，在2000°C的溫度進行原位退火，維持時間為200小時；
(7)降溫:通過對加熱器功率控制，以25°C/h的速率將溫度降至室溫，即可得大尺寸鈦寶石晶體。
[0015]本發(fā)明利用可以實現(xiàn)該方法的晶體生長裝置，獲得梨形核心單晶的鈦寶石，并在核心單晶周圍獲得多晶過渡包層，避免核心單晶體與坩堝直接接觸，大大減少晶體邊緣的熱應力，能實現(xiàn)直徑200-250mm的優(yōu)質(zhì)大尺寸鈦寶石晶體，鈦寶石晶體沒有開裂、沒有散射光路、沒有微氣泡，沒有雙晶，品質(zhì)因子高，位錯密度小，經(jīng)加工后可以應用到可調(diào)諧激光、超快和超強激光系統(tǒng)。
[0016]如圖1所示,能夠說明鈦寶石晶體優(yōu)劣的重要參數(shù)之一是品質(zhì)因子FOM, FOM越大品質(zhì)因子越高，我們從吸收光譜對實施例一、實施例二、實施例三得到的鈦寶石晶體進行檢測和評估，得到的F0M=183，而提拉法生長的鈦寶石FOM可能只能40-50或者更低。
[0017]如圖2所示，能夠說明鈦寶石晶體優(yōu)劣的另一個重要參數(shù)之一是單晶性，測試得到的X射線雙晶搖擺曲線的半高寬FWHM值越小，其單晶性越好，而本發(fā)明所得的鈦寶石晶體的FWHM值僅為38.16，充分說明本方法得到的鈦寶石的優(yōu)異性能。
[0018]這里本發(fā)明的描述和應用是說明性的，并非想將本發(fā)明的范圍限制在上述實施例中，因此，本發(fā)明不受本實施例的限制，任何采用等效替換取得的技術(shù)方案均在本發(fā)明保護的范圍內(nèi)。
【權(quán)利要求】
1.一種大尺寸鈦寶石晶體生長方法，其特征為，所述生長方法為: (1)稱料:按質(zhì)量百分比分別稱取裝填原料，包含裝填晶料和裝填粉料，并將裝填粉料壓制成填裝餅料；所述的裝填晶料的組成成分為a-氧化鋁晶料，所述的裝填粉料的組成成分包括a-氧化鋁粉料和摻雜劑氧化鈦粉料；其中，裝填晶料的質(zhì)量與裝填原料的質(zhì)量之間的比例為15_30wt.%，裝填粉料中的摻雜劑氧化鈦粉料的質(zhì)量與裝填原料的質(zhì)量之間的比例為0.0lwt.%-10wt.% ;摻雜劑氧化鈦粉料為三氧化鈦粉料或者二氧化鈦粉料中的一種，所述a-氧化鋁晶料和a-氧化鋁粉料的純度大于等于99.99%，摻雜劑氧化鈦粉料的純度不大于等于99.99% ； (2)裝爐:采用鑰坩堝或鎢坩堝，其直徑大于等于8英寸，小于等于18英寸，坩堝放置于帶有加熱器的還原氣氛熱場中，先在坩堝底部中心放置籽晶，再依次放入裝填晶料和裝填餅料，蓋上鎢金屬或鑰金屬坩堝蓋并關(guān)閉爐腔，運行真空系統(tǒng)，使爐腔內(nèi)真空度達到10_3-10_4后，充入保護氣體，所述籽晶的直徑為d，2英寸彡d彡4英寸； (3)熔料:通過對坩堝底部籽晶溫度的控制，保證籽晶在熔料時不被完全熔化，同時升高加熱器的溫度，使坩堝中裝填原料逐漸熔化后得到熔體，然后在高于熔點溫度10_50°C的條件下進行10-80小時過熱； (4)核晶生長:通過對加熱器功率控制，降低溫度，使熔體溫度降至熔點，并維持在熔點溫度20-50小時，直到熔體溫度穩(wěn)定，通過對坩堝底部籽晶溫度和加熱器功率的控制，使熔體從坩堝底部的籽晶上結(jié)晶生長，使晶體生長速率控制在0.2-2mm/h，直到完成梨形核心晶體生長； (5)包層生長:通過對坩堝底部籽晶溫度和加熱器功率的控制，將多晶包層生長速率控制在4-10mm/h之間，完成包層區(qū)生長； (6)退火:控制加熱器功率，將溫度降至于熔點30-150°C的溫度，并維持30-200小時，進行原位退火； (7)降溫:控制加熱器功率，以10-30°C/h的速率將溫度降至室溫，即可得大尺寸鈦寶石晶體。
2.如權(quán)利要求1所述的一種大尺寸鈦寶石晶體生長方法，其特征為，所述籽晶方向為a向或者c向。
3.如權(quán)利要求1所述的一種大尺寸鈦寶石晶體生長方法，其特征為，所述保護氣體為氦氣、氬氣、氮氣中的一種。
4.如權(quán)利要求1所述的一種大尺寸鈦寶石晶體生長方法，其特征為，所述籽晶為藍寶石籽晶或鈦寶石籽晶中的一種。
【文檔編號】C30B33/02GK104357904SQ201410626429
【公開日】2015年2月18日 申請日期:2014年11月10日 優(yōu)先權(quán)日:2014年11月10日
【發(fā)明者】寧凱杰, 吳明山, 王祿寶 申請人:江蘇吉星新材料有限公司