可控双球面锗单晶生长方法及模具.pdf

本发明涉及一种可控双球面锗单晶生长方法及模具，属半导体冶金晶体生长领域。
    目前国内外热象仪、夜视仪及二氧化碳激光装置等，使用光学锗透镜毛坯成型方法。方法一是采用上引提拉法生产锗单晶棒后，经切断、外园滚磨、曲率磨削制成球面锗单晶体透镜毛坯。该方法材料消耗大，加工复杂，成本高，伴有粉尘污染。方法二是采用铸造法，按设定的透镜毛坯几何形状加工模具，在单晶生长设备或真空炉的模具内铸造成型。该方法所得光学锗透镜毛坯为多晶体，光学质量降低。

    本发明的目的在于克服现有技术不足而提供一种可控双球面锗单晶生长方法及模具。

    本发明是这样实现的：将锗金属和锗单晶籽晶分别装入单晶生长设备中的模具的上模2与下模3之间和下模3下部的晶种室4内，上模2与下模3配合处均为具有任意设定曲率半径的球面，球面尺寸由所需锗透镜的形状进行设计，锗金属和锗单晶籽晶在单晶生长设备中冶炼，控制锗金属熔体的温度为937-987℃，锗金属熔体与籽晶界面温度为937℃，锗单晶籽晶的温度为787-937℃，在控制晶体生长过程中，下模3与加热器1的位置相对移动速度为每小时0-5厘米，模具旋转速度为每分钟0-10转，经1-4小时晶种导引，模块热固直接生长出任意曲率半径双球面单晶体。

    附图1为本发明工艺流程方框图;

    附图2为本发明模具装配示意图。图中1为加热器、5为保温层、6为锗金属熔体。

    本发明下面将结合附图（实施例）作进一步详述：将上模2与下模3配合处设计成直径为80.6mm，曲率半径分别为102.57mm及207mm的球面。用双氧水法对锗进行清洁处理，随后将165g的锗金属块装入上石墨模2与下石墨模3之间，将4×4×40mm的单晶籽晶模具放入下模3下部的晶种室4内。然后将装有锗金属块和单晶籽晶的模具放入公知的已装有石墨加热器1和保温层5的单晶生长设备（型号为TDK-36AZ）内。用公知的普通电偶测定温度场，调整温度场分布，使其满足晶体生长条件 (d2T)/(dr2) →0， (dT)/(dO) →0， (dT)/(dz) ≈常数。在起始生长时，控制锗金属熔体的温度与籽晶熔接处为937℃，另一表面温度为987℃，锗单晶籽晶一端的温度为937℃，另一端温度为790℃，生长过程中，石墨加热器1与石墨模具3相对移动为每小时4.0厘米，装于坩埚轴上的模具的旋转速度为每分钟2.5转。晶体生长过程中用公知地真空泵对晶体生长设备内进行抽真空，使其晶体生长设备内的真空度为8×10-3。经3小时的晶种导引、模块热固后随炉冷却，经脱模得到直接生长出的所需曲率半径的双球面单晶体透镜毛坯。用上述方法制作的昆明物理所一类热象仪需用的直径为80.6mm，曲率半径分别为102.57mm及207mm，重165g的双球面锗单晶体透镜毛坯，具有较高的光学质量。

    本发明与现有技术相比具有简化成型工序，材料消耗低，光学质量高，成本低，无污染等优点，适用于生长双球面锗单晶体透镜毛坯，同时也适用生长单球面锗单晶透镜毛坯。