大直径铌酸锂单晶生长设备及工艺.pdf

本发明属于铌酸锂单晶生长方法
    自60年代初用提拉法生长铌酸锂单晶以来，一般采用二种方法，一种是用高频炉提拉生长，另一种是用电阻炉提拉生长。以美国贝尔电话实验室（BELL TELEPHONE LABORATORIES）和斯坦福大学材料研究中心为代表的所有国外同行生产铌酸锂单晶是采用高频炉。高频炉的优点是操作方便，工作场所清洁，但结构复杂，造价高，高频对人体有危害。由于高频炉是通过铂金坩埚感应加热，因而在拉晶时铂金坩埚液面上部晶体所处的空间温度梯度较大， (dT)/(dZ) |，宜生长直径在φ20-30m/m之间的小直径铌酸锂光学晶体，生长大直径晶体比较困难。与高频炉相比，电阻炉具有造价低，结构简单，对人体健康无影响等优点，但是在用直筒保温罩的情况下，铂金坩埚液面以上炉膛空间的温度仍然比较大，也只适于生长直径较小的光学晶体。

    要生长大直径铌酸锂单晶，特别是φ100m/m以上的大单晶，就必须降低温度梯度，並使晶体所处的空间温度保持在居里点之上。为了达到这个目的，本发明采用电阻炉，在其炉膛上部装置一锥面热辐射罩，使炉膛上部空间成锥体空间，並形成锥面热辐射以降低铂坩埚上部空间温度梯度，获得符合大直径铌酸锂单晶生长的小温度梯度。

    由于大直径晶体的重量是小直径晶体重量的几倍至十几倍，因而拉制大直径单晶的关键之二是结扎籽晶的籽晶杆要具有好的高温强度，以使晶体在提拉过程中，籽晶杆不产生住何扭曲变形。目前使用的铂籽晶杆不能满足这种要求，为此本发明采用高温强度高的铂铑合金籽晶杆代替铂籽晶杆。

    生长大直径铌酸锂晶体的拉晶炉，其外形呈园柱形，炉壳用薄钢板制成，炉芯用耐火材料制成，在壳体和炉芯之间充填保温材料，电炉的发热元件为硅碳棒，其具体结构如附图（一）单晶生长炉所示，其中：

    〔1〕为铂铑籽晶杆，

    〔2〕耐火材料锥面温度辐射罩，

    〔3〕硅碳棒发热元件，

    〔4〕耐火材料炉芯盖圈，

    〔5〕耐火材料炉芯园筒，

    〔6〕耐火材料炉芯底座，

    〔7〕保温材料，

    〔8〕控温热电偶，

    〔9〕铂坩埚，

    〔10〕耐火材料坩埚托，

    附图（一）中示出的耐火材料锥面热辐射罩，其外形成等直径的园柱，上部有一法兰边，热辐射罩的上孔直径小于下孔直径，两孔贯穿，热辐射罩内部成一锥体空间。由于锥面热辐射罩使炉膛上部成为一锥体空间，並形成锥面热辐射，可有效的使铂金坩埚液面上的温度梯度降低到 (dT)/(dZ) |，使晶体所在的空间温度保持在居里温度之上。

    附图（二）是铂铑籽晶杆，由直杆〔1〕和直角槽〔2〕焊接而成。直角槽两侧成锯齿状，使籽晶能用铂铑丝牢固地结扎在直角槽内。

    本发明生长大直径铌酸锂单晶地工艺如下：原料为Nb2O5和Li2CO3，其纯度均为99.99%，Li2O和Nb2O5的配比为同成分配比，即Li2O∶Nb2O5＝48.6∶51.4。将该配比的混合料先进行固相反应制备成铌酸锂多晶块，然后将多晶块置于拉晶炉中的铂金坩埚内，装料量一般在10-15kg，料块熔化均匀后开始拉晶，拉晶温度一般在1270-1280℃，铂金坩埚液面上温度梯度 (dT)/(dZ) |，提拉速度2-1mm/hr，转速为每分钟5-3转（5-3rpm）生长时间48小时左右，长晶结束后将炉温缓慢降至室温，晶体出炉后直接进极化处理，极化温度为1160℃，极化电压1-2V/cm，极化电流4-5mA/cm2，极化时间约72小时。

    上述工艺制度可以生长φ120～200m/m，重量5-10kg，轴向为C轴、A轴和〔10.4〕等多种轴向的铌酸锂晶体。

    本发明与现有技术相比，大大提高了晶体生长的效率，並相应地节省了人力和能源，特别是为电子工业提供了尺寸大，质地优良的单晶材料。