CN105220222A - 多发热单元的晶体生长装置及方法 - Google Patents

Abstract

一种采用下降法在真空条件下生长氟化物晶体的方法和装置，该装置的热区是由三个独立的发热单元构成的，每个发热单元包括热电偶、单相功率调节器、温度控制器等。这三组发热单元同时工作，独立控温，共同构成晶体生长炉内的发热区。通过对这三组发热单元温度分别设定，可在晶体熔体内建立沿着坩埚轴向向上的温度梯度。这种温场结构有利于避免坩埚内熔体产生对流，减小晶体内部气泡和杂质在轴心聚集。该装置的冷区采用石墨保温筒，避免冷区的温场由于电极的存在而导致轴向温场不对称，可以有效地保证固液界面处温场的均匀与轴向旋转对称，有利于获得平滑的固液界面，从而使所生长的晶体具有较小的内应力和较小的应力双折射，提高晶体的质量。

Description

多发热单元的晶体生长装置及方法

技术领域

本发明属于晶体生长技术领域，涉及一种在真空条件下采用下降法生长氟化物晶体的装置及方法。

背景技术

氟化物晶体包括氟化钙、氟化钡、氟化镁、氟化锂等多种晶体材料，这类晶体材料通常在真空条件下采用下降法来生长，并且由于其特殊的用途而实现了工业化生产。这类晶体材料在光学上具有特殊的用途，是广泛应用于红外、紫外、可见波段的光学材料，用作窗口材料、成像材料等。氟化钡还是一种闪烁材料，用于高能物理探测，氟化镁是一种紫外透过优良的双折射晶体材料。随着应用范围的扩大，对晶体内部的质量和晶体的尺寸也提出了越来越高的要求。

当采用坩埚下降法生长氟化物晶体时，现有的技术为真空下降法，在该方法中，热区发热体均采用一个发热体构成，冷区采用位于电极外的保温材料构成。当晶体在坩埚中充分熔化后，由热区缓慢进入冷区，开始结晶，结晶的完美程度受炉内温场的制约，具体表现在：①在热区需要有一个轴向温度梯度向上的温场，可以使坩埚内熔体保持静止状态，不发生对流，是生长高品质晶体的必要条件；②在冷区和热区交界的地方，需要温场的结构沿轴向旋转任意角度都对称。

而在现有典型的方法中，由于热区发热体均采用一个发热体构成，通常为高纯石墨筒上开槽，利用石墨的电阻发热，该发热体产生的温场是由发热体上功率分布、保温材料的保温性能和加热到的实时温度来共同决定的。采用一个发热体形成的温场结构是不可调的，如果保温材料的性能有变化，或者所生长晶体需要加热到的温度不同，那么温场的结构也是变化的，无法完全实现设计者原先想要的温场结构。更无法满足同一台设备生长不同种类的晶体的需要。

鉴于对炉内温场结构可调性的关注，柳祝平等发明了名为“一种大尺寸紫外级氟化钙单晶的生长方法及装置”（公布号CN102677167A）的专利，用双加热体调节温度梯度和温场。其所述全金属发热体分为内外两套，可分别独立控温，但内外两层加热体对轴向温度梯度的调节能力较弱，很难达到预期的效果。

在采用提拉法生长晶体时，轴向温度梯度的可调节性同样重要，李红军等申请了名为“用于晶体生长的多温区发热体”实用新型专利（公告号：CN201043196Y），但其采用的发热体不是独立控温的，对温场的调节不是实时的，需要在设备停止运行期间，将发热体拿到炉外进行修整，改变其发热功率分布，是不能够在生长过程中随时调整温场的。

发明内容

本发明的目的是当采用坩埚下降法生长氟化物晶体时，可实时调整热区的温场结构，可在坩埚内的熔体中建立起沿轴向向上的温度梯度，避免了热区内单一发热体温场结构不可调的缺点，提供一种可根据不同种类晶体生长温度不同、外界环境变化而变化可调节的热区发热方式。同时在冷区采用石墨套筒来隔离下降下来的坩埚和石墨电极，由于石墨的导热性能非常好，可消除电极存在造成的温场不均匀，减小所生长晶体的内应力。

本发明的内容包括：

本发明晶体生长的热区是由三个独立的发热单元构成的，每个发热单元包括石墨发热体、热电偶、单相功率调节器、温度控制器等。三个独立的发热单元，分别由三项变压器的三个单相变压器供电，每个发热单元的功率控制采用单相功率调节器来完成，这三组发热单元同时工作，独立控温，共同构成晶体生长炉内的发热区。无论外界环境的变化、生长晶体所需要温度的变化、保温材料结构的变化，均可通过对这三组发热单元的温度测量和设定，在晶体熔体内建立沿着坩埚轴向向上的温度梯度，这种温场结构可避免坩埚内熔体产生对流，减小晶体内部气泡和杂质在中心聚集，生长出内应力小、缺陷少的晶体。

本发明装置的冷区由电极内侧的石墨保温筒和电极外侧的保温材料构成，为发热体供电的电极穿过冷区。利用石墨导热性良好的特点，使整个保温筒径向温度分布差异减小，避免了冷区的温场由于电极的存在而导致轴向温场的起伏，可以有效地保证固液界面处温场的均匀与轴向旋转任意角度都对称，有利于获得平滑的固液界面，使所生长的晶体具有较少的缺陷，提高晶体的质量。

采用本发明可以有效地调节晶体生长恒温过程中热区的温场结构，热区内达到预期的轴向温度梯度。在固液界面处获得沿坩埚轴向任意角度旋转对称的温场，提供了生长高品质晶体的必要条件。本发明具有动态、实时调整温场的功能，避免了当外部环境变化时，比如室温和保温材料保温性能的变化时，需要停止生长，取出发热体进行调整的复杂工艺。

本发明适用于多种晶体的生长，可在同一台设备上生长各种氟化物晶体而不需要调整发热体功率分布。可用同一台设备生长氟化钙、氟化钡、氟化镁等晶体，只需要每次更换坩埚就可以，发热体不用更换。

采用本发明的装置生长氟化钡晶体，所生长的氟化钡晶体直径50mm，长度250mm，晶体完整，无内部缺陷，在红外2-7微米的透过率高于91%，符合光学使用的要求。采用本发明的装置生长氟化钙晶体，所生长的氟化钡晶体直径100mm，长度350mm，晶体完整，无内部缺陷，应力双折射为2nm/cm,晶体在红外2-5微米的透过率高于92%，符合红外光学使用的要求，在200nm处透过率大于90%，可用于紫外波段的使用。

附图说明：

图1为本发明装置的结构简图

图2为本发明装置电极位置图

图3为本发明装置单个发热单元的组成图

具体实施方式

图1所示为当采用坩埚下降法在真空条件下生长氟化物晶体时，本发明装置的结构简图：图1中的三个发热体，发热体1、发热体2、发热体3分别位于炉内热区的上部、中部和下部，各自对应的测温热电偶为热电偶4、热电偶5、热电偶6，测温热电偶为钨铼热电偶。在晶体生长开始阶段，坩埚7位于热区中，坩埚内装有晶体原料8，坩埚上面盖有坩埚盖9，坩埚7安放于下面的坩埚座10上，坩埚座10安放在水冷下降杆11上，水冷下降杆11穿过位于底盘18中心的孔17连接于炉外，孔17与底盘18之间由密封圈密封。晶体生长的冷区由石墨保温筒12和位于电极外侧的保温层构成，发热体3的两个电极13和14位于石墨保温筒12的外侧，保温层的内侧，并通过孔15、16穿过底盘18连接到炉外。电极13和14分别通过位于底盘18上的孔15和16，电极通过处由橡胶圈密封。发热体1、发热体2、发热体3、坩埚7、坩埚盖9、坩埚座10、电极15、电极16均由高纯石墨制成，下降杆11为不锈钢制成，中间通冷却水。

图2所示为发热体2的一对电极和发热体3的一对电极穿过底盘18的位置图：发热体2的一对电极由石墨保温筒12的外侧分别通过孔19、20穿过底盘18连接于炉外，发热体3的一对电极由石墨保温筒12的外侧分别通过孔21、22穿过底盘18连接于炉外，孔15、16、19、20、21、22均匀分布。

图3所示为本发明装置涉及的三个独立发热单元的组成：第一个发热单元包括石墨发热体1、热电偶4、温度控制器23、单相功率调节器24、单变压器25等。发热体1位于热区的上部，由高纯石墨圆筒开槽制成，图3中所示为发热体的一半，另一半与此相同，两电阻并联；第二个发热单元包括石墨发热体2、热电偶5以及与第一个发热单元完全相同的单相功率调节器、温度控制器、单变压器等，发热体2位于热区的中部；第三个发热单元包括石墨发热体3、热电偶6、与第一个发热单元完全相同的单相功率调节器以及温度控制器、单变压器等，发热体3位于热区的下部。

发热体1、发热体2和发热体3制成发热功率分布完全一致的结构，即石墨条的宽度和厚度完全一致。三个独立的发热单元，分别由三个单项变压器供电，每个发热单元的功率控制采用单相功率调节器来完成，这三组发热单元同时工作，独立控温，共同构成晶体生长炉内的发热区。三个单项变压器分别连接于三相电的三相上，以保持三项功率大致平衡，不会对电网构成影响。无论外界环境的变化、不同种类晶体生长所需要的不同温度、保温材料结构和性能的变化，均可通过对这三组发热单元的温度测量和设定，在晶体熔体内建立沿着坩埚轴向向上的温度梯度。

本发明装置的冷区由电极内侧的石墨保温筒12和电极外侧的保温材料构成。利用石墨导热性良好的特点，使整个保温筒径向温度分布差异小，避免了冷区的温场由于电极的存在导致轴向温场的起伏，可以有效地保证固液界面处温场的均匀与轴向对称，获得在固液界面处沿坩埚轴向任意角度旋转对称的温场，有利于获得平滑的固液界面，使所生长的晶体具有较少的缺陷，减小所生长晶体的内应力，提高晶体的质量。采用本装置可实现动态、实时调整热区的温场结构，在晶体生长时，可根据晶体种类的不同在坩埚内的熔体中建立0.1-2℃/cm沿轴向向上的温度梯度，三个测温热电偶4、热电偶5、热电偶6对热区上中下三段实现温度测量，通过各自的温度控制器对三个热电偶所处位置的温度进行设定，热电偶分别位于发热体的中部，则当热电偶6温度设定值减去热电偶5温度设定值，所得温度差除以热电偶6与热电偶5在垂直方向上的距离，所得即为发热体2与发热体3所形成温场的平均温度梯度。同理，可设定发热体1与发热体2所形成温场的平均温度梯度。当上述2个温度梯度设定为同一数值时，我们称该热区具有同一个沿轴向向上的温度梯度。通常我们采用发热体1、发热体2所形成的平均温度梯度与发热体1、发热体2所形成的平均温度梯度相同的温度设定来生长晶体。

在热区具有沿轴向向上的温度梯度，可以使坩埚内具有沿轴向向上的温度梯度，这种温场结构可避免坩埚内熔体产生对流，减小晶体内部气泡和杂质在中心聚集，当坩埚7从热区以一定的速度下移到冷区时，开始结晶，当坩埚7内全部熔体已经移入冷区时，开始缓慢降温至室温，晶体生长过程结束。

本发明的装置采用3个独立的发热体加热形成热区，如果采用9个发热体加热会获得更精细的平均温度梯度，但会增加设备的复杂性，可用于晶体生长实验研究。

通常采用发热体1、发热体2所形成的平均温度梯度与发热体2、发热体3所形成的平均温度梯度相同的温度设定来生长晶体。如果所生长的晶体在熔点附近饱和蒸汽压高，易于挥发，可采用上下两段平均温度梯度不同的方式来设定三个热电偶处的温度，这种做法需要大量的实践来指导温度设定。

本发明不仅适用于真空条件下采用下降法生长氟化物晶体，本发明还同样适用于非真空条件下采用下降法生长的晶体，如在还原气氛下和密封坩埚下降法生长的晶体。采用提拉法生长晶体时，也可以采用本发明涉及的热区装置，同样会起到实时、动态控制热区温场的效果。

下面举例进一步说明本发明装置的应用。

实施例1：采用本发明的装置生长氟化钙晶体，热区沿轴向向上的平均温度梯度设定为1℃/cm，热电偶5设定的生长温度为1461℃，热电偶7设定的生长温度为1472℃，热电偶6设定的生长温度为1450℃，三个发热体以相同的速率50-100℃/hr缓慢升温，并先后达到设定值，全部达到设定值后开始进入恒温阶段，恒温2-10小时，开始下降，下降杆以1-5mm/hr的速度缓慢下降，下降总位移30cm后结束下降，开始以20-50℃/hr的速度缓慢降温，降温至室温，整个生长周期结束。检验证明：采用本发明方法生长的氟化钙单晶，位错密度为10-20/cm²，较传统的真空下降法所生长晶体具有的位错密度30-50/cm²要低，应力双折射小于2nm/cm，同时具有光学均匀性好等优点。

实施例2：采用本发明的装置生长氟化钡晶体，热区沿轴向向上的平均温度梯度设定为0.6℃/cm，热电偶6设定的生长温度为1280℃，其余生长过程与氟化钙晶体生长过程类似，检验证明：采用本发明方法生长的氟化钡单晶，晶体完好，位错密度小于30/cm²，热应力小，在2-8μm红外波段的透过率高于90%。

实施例3：采用本发明的装置生长氟化镁晶体，热区沿轴向向上的平均温度梯度设定为0.2℃/cm，热电偶6设定的生长温度为1350℃，其余生长过程与氟化钙晶体生长过程类似，检验证明：采用本发明方法生长的氟化镁单晶，晶体完好，位错密度小于30/cm²，在190nm紫外波段的透过率高于90%。

上述实施举例不应成为对本发明保护范围的限制。根据本发明的原理，还可以对以上所述具体实施方式进行适当的变更和修改，因此本发明并不局限于上面描述的具体实施方式，对本发明的一些修改和变更也应当落入本专利的权利要求的保护范围内。

Claims (7)

1.一种多发热单元的晶体生长装置及方法，其特征是：采用下降法在真空条件下生长氟化物晶体，晶体生长装置的发热区是由三个独立的发热单元构成的，每个发热单元包括热电偶、单相功率调节器、单相变压器、温度控制器等组件；这三组发热单元同时工作，独立控温，共同构成晶体生长炉内的发热区；通过对这三组发热单元温度分别设定，可在晶体熔体内建立沿着坩埚轴向向上的温度梯度；该装置的冷区由位于电极内侧的石墨保温筒和位于电极外侧的保温材料构成。

2.根据权利要求1所述的晶体生长装置，其特征是：采用下降法在真空条件下生长氟化物晶体，晶体生长装置的发热区是由三个独立的发热单元构成的。

3.根据权利要求1或者2所述的晶体生长装置，其特征是：构成晶体生长装置发热区的独立发热单元包括热电偶、单相功率调节器、单相变压器、温度控制器等。

4.根据权利要求1或者2或者3所述的晶体生长装置及方法，其特征是：三组独立的发热单元同时工作，独立控制温度，通过分别对3组发热体温度控制，形成具有轴向向上温度梯度的温场，该温场适合晶体生长。

5.根据权利要求1或者2或者3或者4所述的晶体生长装置及方法，其特征是：三个独立发热单元的温度控制，分别由各自的热电偶和独立的温度控制仪表来完成。

6.根据权利要求1或者2或者3或者4或者5所述的晶体生长装置及方法，其特征是：三个独立的发热单元，分别由单相变压器供电，每个发热单元的功率控制采用单相功率调节器与温控仪表来实现。

7.根据权利要求1所述的晶体生长装置，其特征是：冷区由位于电极内侧的石墨保温筒和位于电极外侧的保温材料构成。