CN104264214A - 一种导模法生长铽镓石榴石晶体的生长装置及其生长工艺 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种导模法生长铽镓石榴石晶体的生长装置及其生长工艺，采用在生长炉体内设有下保温套，在下保温套的上端面设有中保温套，在中保温套的上端面设有上保温套，在上保温套的上端面设有保温顶盖，在下保温套的外部套接有感应线圈，在下保温套轴孔内滑动安装有托座，在托座的上端面设有坩埚，在托座的下端面连接有升降托杆，在坩埚内设有结晶模具，在上保温套和保温顶盖之间设有后加热片；在上保温套轴孔内设有籽晶夹具，在籽晶夹具上安装籽晶，在籽晶夹具上连接有籽晶杆，籽晶杆的上端部与籽晶实时可调机构连接。本发明可根据要求生长不同形状的晶体，可大大简化晶体的加工程序，降低加工损耗，节省成本。

Description

一种导模法生长铽镓石榴石晶体的生长装置及其生长工艺

技术领域

本发明涉及涉及晶体生长领域，本发明公开了一种导模法生长铽镓石榴石晶体的生长装置，本发明还公开了一种导模法生长铽镓石榴石晶体的生长工艺。

背景技术

铽镓石榴石（Tb₃Ga₅O₁₂）晶体因具有大的费尔德常数、低的光学损耗、高的热导率和高的光损伤阈值，是一种优异的磁光材料，适用波长400~1100nm（不包括470~500nm），可用于法拉第旋光器、光隔离器，尤其适合于YAG激光、掺钛蓝宝石可调谐激光、环形激光和种子注入的激光器。现有技术是采用提拉法（Czochralski法）生长大尺寸TGG晶体的。

配制铽镓石榴石的原料之一Tb₄O₇价格较高，在使用提拉法生长TGG晶体的过程中，在仅生长一炉的原料消耗的成本就会在万元以上。铽元素是稀土元素，少量存在于磷铈钍砂和硅铍钇矿中，铽与其他稀土元素共存于独居石砂中，其中铽的含量一般为0.03%。独居石的生产近几年呈下降趋势，主要原因是由于矿石中钍元素具有放射性，对环境有害，其中巴西、印度等国已禁采。受此影响，TGG晶体的原料成本将会更高。

TGG晶体在生长过程中，会遇到Ga₂O₃ 组分的挥发，使得在生长的过程中组分慢慢偏离，而提拉法生长TGG晶体的过程中，由于生长周期较长，会进一步加剧这种情况。针对这一现象，目前也没有比较好的补给偏离组分的方法，使得在生长过程中导致原料的利用率不高，往往在生长了3~4炉后便不得不将料废弃。而且提拉法经常会出现强烈的液流效应和界面翻转，螺旋生长和晶体开裂等突出的问题，从而使得在提拉法生长出的TGG晶体往往散点较多，也由于组分的影响，使得生长出的TGG晶体的费尔德常数和吸收系数达不到预期的要求。同时，提拉法长出的TGG晶体在后期加工中晶体损耗较大，不利于成本节约。

发明内容

本发明的目的之一是克服现有技术中存在的不足，提供一种导模法生长铽镓石榴石晶体的生长装置。

本发明的另一目的是提供一种导模法生长铽镓石榴石晶体的生长工艺。

按照本发明提供的技术方案，所述导模法生长铽镓石榴石晶体的生长装置，在生长炉体内设有下保温套，在下保温套内沿着其轴向设有呈圆柱形的下保温套轴孔，在下保温套的上端面设有中保温套，在中保温套内沿着其轴向设有呈圆台形的中保温套轴孔，中保温套轴孔的小口朝上，中保温套轴孔的大口朝下，在中保温套的上端面设有上保温套，在上保温套内沿着其轴向设有呈圆柱形的上保温套轴孔，且下保温套轴孔、中保温套轴孔与上保温套轴孔呈同轴相接，在上保温套的上端面设有保温顶盖，保温顶盖内沿着其轴向设有呈圆柱形的保温顶盖轴孔，在下保温套的外部套接有感应线圈，在下保温套轴孔内滑动安装有托座，在托座的上端面设有坩埚，在托座的下端面连接有升降托杆，在坩埚内设有结晶模具，在上保温套和保温顶盖之间设有后加热片，在后加热片的上端面设置有后加热片上凸环，后加热片上凸环的外径与保温顶盖轴孔的直径一致，在后加热片的下端面设置有后加热片下凸环，后加热片下凸环的外径与上保温套轴孔的直径一致；在所述上保温套轴孔内设有籽晶夹具，在籽晶夹具上安装籽晶，在籽晶夹具上连接有籽晶杆，籽晶杆穿过保温顶盖轴孔，籽晶杆的上端部与籽晶实时可调机构连接。

所述下保温套、中保温套、上保温套与保温顶盖为氧化锆材质或者氧化铝材质。

所述保温顶盖为左右对称的两块半球形或是半圆柱型，且左右两块中心开有半圆形通孔，配合时形成完整圆形通孔。

所述后加热片的材质为铱金或为铂金。

a、采用沾有酒精的无尘布将生长炉体的炉膛、感应线圈与后加热片擦拭干净，在籽晶夹具上装籽晶，将籽晶夹具和带有结晶模具的坩埚经过盐酸浸泡5~10分钟，然后将籽晶夹具和带有结晶模具的坩埚经过无水乙醇浸泡5~10分钟，最后将带有结晶模具的坩埚空烧到800~1000℃后冷却待用；

b、将纯度为99.999%以上的铽镓石榴石多晶粉料装入坩埚，在籽晶夹具上安装籽晶杆，使籽晶与坩埚内的结晶模具的顶端对齐，关上生长炉体的炉门，将生长炉体的炉膛内抽真空至5×10^-3Pa以下，充入氩气和二氧化碳的混合气体至生长炉体的炉膛内气压为0.09~0.12MPa，在所充入的氩气和二氧化碳的混合气体中二氧化碳所占的体积比例为20%~50%；

c、开启感应线圈的中频电源，第一阶段，升温15~25分钟，使感应线圈输出功率匀速升至8~10千瓦；第二阶段，升温10~20分钟，使感应线圈输出功率匀速升至14~18千瓦；第三阶段，升温10~20分钟，使感应线圈输出功率匀速升至20~22千瓦；第四阶段，升温15~25分钟，使感应线圈输出功率匀速升至24~26千瓦，第四阶段结束后保持输出功率不变至料化完，然后恒温2~4小时；

d、通过籽晶杆使籽晶缓慢摇下直至靠近坩埚内的液面5mm处并将籽晶预热30~40分钟，通过籽晶实时可调机构调节籽晶的水平位置，使摇下籽晶接触液面的位置位于结晶模具外部的液面上；

e、快速的摇下籽晶，使籽晶下端浸泡在料中3~6mm，然后迅速提起，如此2~3次后完成洗籽晶；

f、将籽晶调回预热时的位置，通过籽晶实时可调机构将籽晶慢慢摇下，至籽晶均与液膜接触，开动籽晶实时可调机构，缓慢的提拉籽晶，开始引晶生长，生长开始后，将感应线圈的输出功率升高50~300瓦进行缩颈，缩颈长度控制在1~3mm；

g、缩颈完成后，使感应线圈的输出功率以300~500瓦/小时的速度降低以控制晶体进行扩肩生长，直至所有的晶体的肩均覆盖住各自的模具端面为止；

h、使感应线圈的输出功率以200~600W瓦/小时的速度升高以控制晶体由扩肩状态转为等径状态，升温时间控制在0.4~0.7小时，然后感应线圈的输出功率以50~100瓦/小时的速度降低以控制晶体进行等径生长，生长速度为20~40mm/h，直至晶体生长结束，将晶体提离液膜，距结晶模具为2~5mm时关闭籽晶实时可调机构；

i、晶体提离后，感应线圈的输出功率以0.5~0.8千瓦/小时的速度降低以进行第一阶段降温，第一阶段降温时间为5~8小时，然后感应线圈的输出功率以0.8~1.2千瓦/小时的速度降低以进行第二阶段降温，第二阶段降温时间为4~6小时，接着感应线圈的输出功率以1.3~1.6千瓦/小时的速度降低以进行第三阶段降温，第三阶段降温时间为3~5小时，最后感应线圈的输出功率以1.7~2.0千瓦/小时的速度降低以进行第四阶段降温，直至无功率输出，关闭电源，5~10小时后开炉取晶。

采用本发明导模法生长装置及工艺生长TGG晶体，生长速度快，能极大的缩短晶体生长周期，同时通过向炉膛中充入适量二氧化碳抑制Ga₂O₃的挥发，可有效减少Ga₂O₃的挥发程度，从而改善熔体组分偏离现象，提高原料利用率和晶体品质。而且本发明生长装置结构简单易产业化，并可根据要求生长不同形状的晶体，可大大简化晶体的加工程序，降低加工损耗，节省成本。

附图说明

图1是本发明的结构示意图。

具体实施方式

下面结合具体实施例对本发明作进一步说明。

导模法生长铽镓石榴石晶体的生长装置，在生长炉体1内设有下保温套2，在下保温套2内沿着其轴向设有呈圆柱形的下保温套轴孔2.1，在下保温套2的上端面设有中保温套3，在中保温套3内沿着其轴向设有呈圆台形的中保温套轴孔3.1，中保温套轴孔3.1的小口朝上，中保温套轴孔3.1的大口朝下，在中保温套3的上端面设有上保温套4，在上保温套4内沿着其轴向设有呈圆柱形的上保温套轴孔4.1，且下保温套轴孔2.1、中保温套轴孔3.1与上保温套轴孔4.1呈同轴相接，在上保温套4的上端面设有保温顶盖5，保温顶盖5内沿着其轴向设有呈圆柱形的保温顶盖轴孔5.1，在下保温套2的外部套接有感应线圈6，在下保温套轴孔2.1内滑动安装有托座7，在托座7的上端面设有坩埚8，在托座7的下端面连接有升降托杆9，在坩埚8内设有结晶模具10，在上保温套4和保温顶盖5之间设有后加热片11，在后加热片11的上端面设置有后加热片上凸环11.1，后加热片上凸环11.1的外径与保温顶盖轴孔5.1的直径一致，在后加热片11的下端面设置有后加热片下凸环11.2，后加热片下凸环11.2的外径与上保温套轴孔4.1的直径一致；在所述上保温套轴孔4.1内设有籽晶夹具12，在籽晶夹具12上安装籽晶，在籽晶夹具12上连接有籽晶杆13，籽晶杆13穿过保温顶盖轴孔5.1，籽晶杆13的上端部与籽晶实时可调机构连接，该籽晶实时可调机构能驱使籽晶杆13作平移和升降运动。

所述下保温套2、中保温套3、上保温套4与保温顶盖5为氧化锆材质或者氧化铝材质。

所述保温顶盖5为左右对称的两块半球形或是半圆柱型，且左右两块中心开有半圆形通孔，配合时形成完整圆形通孔。

所述后加热片11的材质为铱金或为铂金。

使用导模法生长铽镓石榴石晶体的生长装置进行导模法生长铽镓石榴石晶体的生长工艺，该工艺包括以下步骤：

a、采用沾有酒精的无尘布将生长炉体1的炉膛、感应线圈6与后加热片11擦拭干净，在籽晶夹具12上装籽晶，将籽晶夹具12和带有结晶模具10的坩埚8经过盐酸浸泡5~10分钟，然后将籽晶夹具12和带有结晶模具10的坩埚8经过无水乙醇浸泡5~10分钟，最后将带有结晶模具10的坩埚8空烧到800~1000℃后冷却待用；

b、将纯度为99.999%以上的铽镓石榴石多晶粉料装入坩埚8，在籽晶夹具12上安装籽晶杆13，使籽晶与坩埚8内的结晶模具10的顶端对齐，关上生长炉体1的炉门，将生长炉体1的炉膛内抽真空至5×10^-3Pa以下，充入氩气和二氧化碳的混合气体至生长炉体1的炉膛内气压为0.09~0.12MPa，在所充入的氩气和二氧化碳的混合气体中二氧化碳所占的体积比例为20%~50%；

c、开启感应线圈6的中频电源，第一阶段，升温15~25分钟，使感应线圈6输出功率匀速升至8~10千瓦；第二阶段，升温10~20分钟，使感应线圈6输出功率匀速升至14~18千瓦；第三阶段，升温10~20分钟，使感应线圈6输出功率匀速升至20~22千瓦；第四阶段，升温15~25分钟，使感应线圈6输出功率匀速升至24~26千瓦；第四阶段结束后保持感应线圈6的输出功率不变至料化完，然后恒温2~4小时；

d、通过籽晶杆13使籽晶缓慢摇下直至靠近坩埚8内的液面5mm处并将籽晶预热30~40分钟，通过籽晶实时可调机构调节籽晶的水平位置，使摇下籽晶接触液面的位置位于结晶模具10外部的液面上；

e、快速的摇下籽晶，使籽晶下端浸泡在料中3~6mm，然后迅速提起，如此2~3次后完成洗籽晶；

f、将籽晶调回预热时的位置，通过籽晶实时可调机构将籽晶慢慢摇下，至籽晶均与液膜接触，开动籽晶实时可调机构，缓慢的提拉籽晶，开始引晶生长，生长开始后，将感应线圈6的输出功率升高50~300瓦进行缩颈，缩颈长度控制在1~3mm；

g、缩颈完成后，使感应线圈6的输出功率以300~500瓦/小时的速度降低以控制晶体进行扩肩生长，直至所有的晶体的肩均覆盖住各自的模具端面为止；

h、使感应线圈6的输出功率以200~600W瓦/小时的速度升高以控制晶体由扩肩状态转为等径状态，升温时间控制在0.4~0.7小时，然后感应线圈6的输出功率以50~100瓦/小时的速度降低以控制晶体进行等径生长，生长速度为20~40mm/h，直至晶体生长结束，将晶体提离液膜，距结晶模具10为2~5mm时关闭籽晶实时可调机构；

i、晶体提离后，感应线圈6的输出功率以0.5~0.8千瓦/小时的速度降低以进行第一阶段降温，第一阶段降温时间为5~8小时，然后感应线圈6的输出功率以0.8~1.2千瓦/小时的速度降低以进行第二阶段降温，第二阶段降温时间为4~6小时，接着感应线圈6的输出功率以1.3~1.6千瓦/小时的速度降低以进行第三阶段降温，第三阶段降温时间为3~5小时，最后感应线圈6的输出功率以1.7~2.0千瓦/小时的速度降低以进行第四阶段降温，直至无功率输出，关闭电源，5~10小时后开炉取晶。

采用本发明导模法生长装置及工艺生长TGG晶体，生长速度快，能极大的缩短晶体生长周期，同时通过向炉膛中充入适量二氧化碳抑制Ga₂O₃的挥发，可有效减少Ga₂O₃的挥发程度，从而改善熔体组分偏离现象，提高原料利用率和晶体品质。而且本发明生长装置结构简单易产业化，并可根据要求生长不同形状的晶体，可大大简化晶体的加工程序，降低加工损耗，节省成本。

Claims (5)

1.一种导模法生长铽镓石榴石晶体的生长装置，其特征是：在生长炉体（1）内设有下保温套（2），在下保温套（2）内沿着其轴向设有呈圆柱形的下保温套轴孔（2.1），在下保温套（2）的上端面设有中保温套（3），在中保温套（3）内沿着其轴向设有呈圆台形的中保温套轴孔（3.1），中保温套轴孔（3.1）的小口朝上，中保温套轴孔（3.1）的大口朝下，在中保温套（3）的上端面设有上保温套（4），在上保温套（4）内沿着其轴向设有呈圆柱形的上保温套轴孔（4.1），且下保温套轴孔（2.1）、中保温套轴孔（3.1）与上保温套轴孔（4.1）呈同轴相接，在上保温套（4）的上端面设有保温顶盖（5），保温顶盖（5）内沿着其轴向设有呈圆柱形的保温顶盖轴孔（5.1），在下保温套（2）的外部套接有感应线圈（6），在下保温套轴孔（2.1）内滑动安装有托座（7），在托座（7）的上端面设有坩埚（8），在托座（7）的下端面连接有升降托杆（9），在坩埚（8）内设有结晶模具（10），在上保温套（4）和保温顶盖（5）之间设有后加热片（11），在后加热片（11）的上端面设置有后加热片上凸环（11.1），后加热片上凸环（11.1）的外径与保温顶盖轴孔（5.1）的直径一致，在后加热片（11）的下端面设置有后加热片下凸环（11.2），后加热片下凸环（11.2）的外径与上保温套轴孔（4.1）的直径一致；在所述上保温套轴孔（4.1）内设有籽晶夹具（12），在籽晶夹具（12）上安装籽晶，在籽晶夹具（12）上连接有籽晶杆（13），籽晶杆（13）穿过保温顶盖轴孔（5.1），籽晶杆（13）的上端部与籽晶实时可调机构连接。

2.如权利要求1所述的导模法生长铽镓石榴石晶体的生长装置，其特征是：所述下保温套（2）、中保温套（3）、上保温套（4）与保温顶盖（5）为氧化锆材质或者氧化铝材质。

3.如权利要求1所述的导模法生长铽镓石榴石晶体的生长装置，其特征是：所述保温顶盖（5）为左右对称的两块半球形或是半圆柱型，且左右两块中心开有半圆形通孔，配合时形成完整圆形通孔。

4.如权利要求1所述的导模法生长铽镓石榴石晶体的生长装置，其特征是：所述后加热片（11）的材质为铱金或为铂金。

5.使用权利要求1~4任意一条所述的导模法生长铽镓石榴石晶体的生长装置进行导模法生长铽镓石榴石晶体的生长工艺，其特征是该工艺包括以下步骤：

a、采用沾有酒精的无尘布将生长炉体（1）的炉膛、感应线圈（6）与后加热片（11）擦拭干净，在籽晶夹具（12）上装籽晶，将籽晶夹具（12）和带有结晶模具（10）的坩埚（8）经过盐酸浸泡5~10分钟，然后将籽晶夹具（12）和带有结晶模具（10）的坩埚（8）经过无水乙醇浸泡5~10分钟，最后将带有结晶模具（10）的坩埚（8）空烧到800~1000℃后冷却待用；

b、将纯度为99.999%以上的铽镓石榴石多晶粉料装入坩埚（8），在籽晶夹具（12）上安装籽晶杆（13），使籽晶与坩埚（8）内的结晶模具（10）的顶端对齐，关上生长炉体（1）的炉门，将生长炉体（1）的炉膛内抽真空至5×10^-3Pa以下，充入氩气和二氧化碳的混合气体至生长炉体（1）的炉膛内气压为0.09~0.12MPa，在所充入的氩气和二氧化碳的混合气体中二氧化碳所占的体积比例为20%~50%；

c、开启感应线圈（6）的中频电源，第一阶段，升温15~25分钟，使感应线圈（6）输出功率匀速升至8~10千瓦；第二阶段，升温10~20分钟，使感应线圈（6）输出功率匀速升至14~18千瓦；第三阶段，升温10~20分钟，使感应线圈（6）输出功率匀速升至20~22千瓦；第四阶段，升温15~25分钟，使感应线圈（6）输出功率匀速升至24~26千瓦；第四阶段结束后保持感应线圈（6）的输出功率不变至料化完，然后恒温2~4小时；

d、通过籽晶杆（13）使籽晶缓慢摇下直至靠近坩埚（8）内的液面5mm处并将籽晶预热30~40分钟，通过籽晶实时可调机构调节籽晶的水平位置，使摇下籽晶接触液面的位置位于结晶模具（10）外部的液面上；

e、快速的摇下籽晶，使籽晶下端浸泡在料中3~6mm，然后迅速提起，如此2~3次后完成洗籽晶；

f、将籽晶调回预热时的位置，通过籽晶实时可调机构将籽晶慢慢摇下，至籽晶均与液膜接触，开动籽晶实时可调机构，缓慢的提拉籽晶，开始引晶生长，生长开始后，将感应线圈（6）的输出功率升高50~300瓦进行缩颈，缩颈长度控制在1~3mm；

g、缩颈完成后，使感应线圈（6）的输出功率以300~500瓦/小时的速度降低以控制晶体进行扩肩生长，直至所有的晶体的肩均覆盖住各自的模具端面为止；

h、使感应线圈（6）的输出功率以200~600W瓦/小时的速度升高以控制晶体由扩肩状态转为等径状态，升温时间控制在0.4~0.7小时，然后感应线圈（6）的输出功率以50~100瓦/小时的速度降低以控制晶体进行等径生长，生长速度为20~40mm/h，直至晶体生长结束，将晶体提离液膜，距结晶模具（10）为2~5mm时关闭籽晶实时可调机构；

i、晶体提离后，感应线圈（6）的输出功率以0.5~0.8千瓦/小时的速度降低以进行第一阶段降温，第一阶段降温时间为5~8小时，然后感应线圈（6）的输出功率以0.8~1.2千瓦/小时的速度降低以进行第二阶段降温，第二阶段降温时间为4~6小时，接着感应线圈（6）的输出功率以1.3~1.6千瓦/小时的速度降低以进行第三阶段降温，第三阶段降温时间为3~5小时，最后感应线圈（6）的输出功率以1.7~2.0千瓦/小时的速度降低以进行第四阶段降温，直至无功率输出，关闭电源，5~10小时后开炉取晶。