專利名稱：：異型加熱片區(qū)熔生長(zhǎng)晶體的方法
技術(shù)領(lǐng)域：
：本發(fā)明涉及一種晶體生長(zhǎng)的方法，特別是一種異型加熱片區(qū)熔生長(zhǎng)晶體的方法。從熔體中生長(zhǎng)晶體的方法大致可以分為正常凝固法(以提拉法為代表，還包括泡生法、坩堝下降法、冷坩鍋法等)和逐區(qū)熔化法(以區(qū)熔法為代表，還包括基座法、焰熔法等)兩大類。正常凝固法對(duì)于生長(zhǎng)固液同成份的晶體(即所謂“純材料”)來說是很有效、也很成功的；但是對(duì)于摻雜晶體、固溶體系以及其它的非固液同成份的晶體生長(zhǎng)來說，正常凝固時(shí)由于溶質(zhì)分凝作用，使晶體的成份沿生長(zhǎng)軸向不斷變化。因?yàn)榫w的很多物理性能是隨成份而變化的，所以，成份分布不均將使晶體的性能和可用性受到損害。與正常凝固法相比，區(qū)熔法生長(zhǎng)單晶的主要優(yōu)點(diǎn)之一就是可以較好地利用溶質(zhì)分凝效應(yīng)，獲得成份分布均勻的晶體。傳統(tǒng)的區(qū)熔法獲得熔區(qū)的方式主要有感應(yīng)加熱和電子轟擊等。由于氧化物、鹵化物等材料的電導(dǎo)率及熱導(dǎo)率大都比較小，因此無法象生長(zhǎng)金屬及半導(dǎo)體單晶那樣用電子轟擊或高頻耦合感應(yīng)加熱等方法來獲得高溫熔區(qū)。后來，人們發(fā)明了光聚焦和激光加熱等區(qū)熔生長(zhǎng)方法，長(zhǎng)出了如YIG之類用提拉法難以生長(zhǎng)的晶體以及一些熔點(diǎn)超過2000℃的難熔氧化物晶體。由于這些方法是利用光能聚焦加熱，焦點(diǎn)不可能很大，難以生長(zhǎng)大直徑單晶(一般僅限于φ5～8mm)；所形成高溫區(qū)的溫度分布對(duì)晶體生長(zhǎng)來說很不理想光斑內(nèi)外溫差太大，高溫區(qū)橫一縱向比值太小，不利于熔區(qū)穩(wěn)定；而且缺乏根據(jù)需要調(diào)節(jié)溫場(chǎng)分布的有效手段。因此，嚴(yán)重地限制了設(shè)備的使用范圍，只能生長(zhǎng)供研究用的小樣品。1970年前后，法國(guó)電子與應(yīng)用物理實(shí)驗(yàn)室的C.Belin和J.Brissot等人發(fā)明了鉑片加熱熔劑區(qū)熔法，用于生長(zhǎng)方解石(CaCO3)晶體。[參考文獻(xiàn)1.J.Brissotetal.,J.Cryst.Growth,8,213(1971)；2．C.Belinetal.,J.Cryst.Growth,13/14,597(1972)；3．C.Belin,J.Cryst.Growth,34,341(1976)；4．J.Brissot,法國(guó)專利2,067,923(1969年11月21日)；5．C.Belin，法國(guó)專利2,251,368(1973年11月15日)]他們所用的實(shí)驗(yàn)裝置如附圖1所示晶體生長(zhǎng)在一個(gè)充滿CO2的密閉容器[12]中進(jìn)行，以防止原料在高溫下分解；長(zhǎng)方形的鉑加熱片中心在與料棒直徑D1相當(dāng)?shù)膱@內(nèi)打有多個(gè)小孔，在上述中心打孔區(qū)的左右、相距為“L”、寬度為“d”的范圍內(nèi)各打幾排小孔，以使中間工作區(qū)溫度均勻(其中L=D2+A,D2為熔區(qū)直徑；A為安全余量，至少為4mm)，在左右打孔區(qū)與夾持區(qū)之間各有一個(gè)折彎，整個(gè)加熱片呈“_”形；加熱片[8]水平地固定在電極[9]上；在加熱片[8]的中心，預(yù)先放置一塊CaCO3-Li2CO3低共熔混合物作熔劑層[3]；在其正下方，方解石籽晶[1]垂直地固定在可繞軸旋轉(zhuǎn)的籽晶架[2]上；CaCO3燒結(jié)料棒[4]固定在可上下移動(dòng)的料棒座[5]上，并與籽晶[1]同軸；在加熱片的上下兩側(cè)，分別安裝一個(gè)與料棒[4]和籽晶[1]同軸的筒狀后熱器[10]和[11]；料棒座[5]和籽晶架[2]分別安裝在箍[6]的上下兩臂上，由絲桿[7]帶動(dòng)、以相同的速度向下運(yùn)動(dòng)。這樣，料棒[4]逐漸通過熔劑層(熔區(qū))[3]，長(zhǎng)成晶體[1]。上述有關(guān)參考文獻(xiàn)，本文結(jié)合參照。鉑片加熱區(qū)熔法的提出，克服了光聚焦加熱區(qū)熔法的上述不足，有利于穩(wěn)定熔區(qū)、并能生長(zhǎng)大尺寸的晶體。但是，在J.Brissot等人的方法中，還有以下不足之處1．料棒和籽晶由同一個(gè)絲桿帶動(dòng)，二者在晶體生長(zhǎng)過程中的運(yùn)動(dòng)速度相同。因此，晶體的直徑只能由料棒的線密度來決定，無法自由調(diào)整；而且，如果籽晶的直徑比料棒小很多的話(通常如此)，生長(zhǎng)開始的時(shí)候很容易出現(xiàn)熔體“供大于需”，從而導(dǎo)致垮料。2．加熱片的發(fā)熱區(qū)左右垂直于電流方向各打幾排孔固然可以彌補(bǔ)兩端的熱損失，但是打孔率、打孔的疏密均勻性以及左右對(duì)稱性不易掌握。打孔密的地方發(fā)熱量大，容易被熔蝕，然后正反饋地?zé)龜嗉訜崞?．平行于電流方向的發(fā)熱區(qū)前后邊緣散熱沒有補(bǔ)償，必然導(dǎo)致發(fā)熱區(qū)前后方向上溫度不均勻，不利于形成平的或微凸的晶體生長(zhǎng)界面。4．加熱片左右各有一個(gè)“Z”字形折彎，其目的是釋放發(fā)熱之后的膨脹量。實(shí)際上，由于折彎處比發(fā)熱區(qū)更靠近水冷電極，溫度更低，加之沒有打孔，因此強(qiáng)度比發(fā)熱區(qū)高得多。所以，加熱片升溫之后的膨脹量并不能在折彎處釋放，而是造成發(fā)熱區(qū)本身的凸起或凹陷，從而使熔區(qū)失穩(wěn)。本發(fā)明的目的在于提供一種異型加熱片區(qū)熔晶體生長(zhǎng)的方法，以克服現(xiàn)有技術(shù)的不足，使之便于操作和控制，并大大擴(kuò)展其應(yīng)用范圍。本發(fā)明是這樣實(shí)現(xiàn)的把一個(gè)異型加熱片水平地夾持在水冷電極上，通電產(chǎn)生高溫，熔化同軸、垂直地分列在加熱片上下兩側(cè)的料棒和籽晶的端部，形成熔區(qū)，分別控制料棒和籽晶一邊旋轉(zhuǎn)一邊向籽晶一側(cè)運(yùn)動(dòng)，從而使料棒逐漸熔化，并使籽晶長(zhǎng)成晶體。上述異型加熱片的材質(zhì)選自鉑、銥、銠、鎢、鉬、鈮、鉭及其合金或石墨等熔點(diǎn)高、與原料熔體不起化學(xué)反應(yīng)的材料。它是一塊中心對(duì)稱的長(zhǎng)條狀薄片，其發(fā)熱區(qū)的厚度在0.1～10mm之間對(duì)于金屬加熱片，這一厚度最好取1～2mm，以便加工；而石墨加熱片則要厚一些，以保證必要的強(qiáng)度。加熱片的中心區(qū)域有一個(gè)或多個(gè)小孔，以供熔化的原料通過。中間發(fā)熱區(qū)的截面積小于左右兩端的夾持區(qū)。在左右夾持區(qū)與中間發(fā)熱區(qū)之間，各有一個(gè)截面積明顯小于發(fā)熱區(qū)的縮頸。縮頸的方式可以是挖邊、開槽或打孔。發(fā)熱區(qū)的前后邊緣通過回折、加焊等方式加厚。這樣，可以保證加熱片通電工作時(shí)發(fā)熱區(qū)外圍的溫度不低于其中心溫度，從而獲得理想的平或微凸的生長(zhǎng)界面。上述水冷電極至少一端或者設(shè)計(jì)成彈性的(可以左右移動(dòng)幾個(gè)毫米)，或者與加熱片夾持區(qū)之間保持可滑動(dòng)的導(dǎo)電接觸，以便使加熱片的膨脹量能夠在水平方向釋放。根據(jù)所生長(zhǎng)晶體的具體情況，晶體生長(zhǎng)的氣氛可以是大氣，也可以是真空或某種氣體(如氬氣)。為了避免高溫下生長(zhǎng)出來的晶體因溫度梯度太大而開裂，并為長(zhǎng)成的晶體退火，需要在晶體生長(zhǎng)的環(huán)境中設(shè)置附加熱源，具體的方式可以在籽晶或/和料棒外圍同軸罩以后熱器，還可以在整體預(yù)熱到不超過原料熔點(diǎn)的環(huán)境中進(jìn)行生長(zhǎng)；對(duì)于某些需要大溫度梯度生長(zhǎng)的晶體(如亞穩(wěn)體系晶體)，還可以在籽晶外圍同軸罩以后冷器(水冷環(huán))。如有必要，還可以在加熱片的中心預(yù)加少量助熔劑或含有待生長(zhǎng)晶體成份之一的添加物。晶體生長(zhǎng)時(shí)，料棒既可以位于加熱片的上方(籽晶在下面)，也可以位于其下方(籽晶在上面)。本方法可以用于生長(zhǎng)氧化物、鹵化物等晶體。用本方法除了可以生長(zhǎng)提拉法所能生長(zhǎng)的一切晶體之外，特別適合于生長(zhǎng)含有高溫下?lián)]發(fā)、變價(jià)組份的晶體、摻雜晶體、固熔體系、亞穩(wěn)體系、高熔點(diǎn)體系等的純材料及其摻雜晶體。分別說明如下有些晶體，如LiNbO3、YVO4、TiO2等，含有在高溫下易揮發(fā)、變價(jià)的組份。用提拉法生長(zhǎng)時(shí)，所有的原料在整個(gè)生長(zhǎng)過程中都處于高溫熔融狀態(tài)，揮發(fā)、變價(jià)等問題會(huì)很嚴(yán)重，甚至無法生長(zhǎng)。利用本方法生長(zhǎng)時(shí)，大部分原料大多數(shù)時(shí)間均處于溫度較低的固態(tài)；由于熔層可以很薄、拉速可以較快(因?yàn)闇囟忍荻热菀渍{(diào)節(jié)得較大)，原料從熔化到結(jié)晶，處于高溫熔融狀態(tài)的時(shí)間很短，因此，原料的揮發(fā)、變價(jià)問題相應(yīng)要小得多，有利于長(zhǎng)出成份準(zhǔn)確的高質(zhì)量晶體。某些摻雜晶體，如摻Nd3+的激光晶體YAG，在應(yīng)用中對(duì)雜質(zhì)分布的均勻性要求很高。用提拉法生長(zhǎng)時(shí)，由于溶質(zhì)分凝效應(yīng)，晶體中的摻雜濃度隨晶體的生長(zhǎng)而不斷變化。為了獲得雜質(zhì)分布均勻性符合要求的晶體，只好用大坩堝長(zhǎng)小晶體，很不經(jīng)濟(jì)。本方法繼承了區(qū)熔法容易控制摻雜的優(yōu)點(diǎn)，很容易生長(zhǎng)出雜質(zhì)分布均勻的晶體。對(duì)于固溶體系晶體(如鈮酸鉀鋰、化學(xué)計(jì)量比鈮酸鋰等)的生長(zhǎng)，由于液相線與固相線分離，溶質(zhì)分凝的問題更加嚴(yán)重，很難用提拉法生長(zhǎng)。利用本方法，可以使料棒成份與晶體相同，再預(yù)加相應(yīng)液相成份的熔劑層，這樣就可以在整個(gè)晶體生長(zhǎng)的過程中保持固、液相成份穩(wěn)定不變，從而長(zhǎng)出成份準(zhǔn)確、均勻的晶體來。有些晶體，如偏硼酸鋇(BaB2O4，簡(jiǎn)稱BBO)，人們希望生長(zhǎng)的是低溫相的晶體(β-BBO)，但是從熔體緩冷結(jié)晶得到的往往是高溫相(α-BBO)的晶體。不過，人們發(fā)現(xiàn)如果使用β相的原料，在過熱不多的熔化狀態(tài)所處的時(shí)間很短，隨即以很大的溫度梯度快速生長(zhǎng)，就有可能亞穩(wěn)結(jié)晶形成β-BBO。本方法非常適合生長(zhǎng)象β-BBO這樣的亞穩(wěn)體系晶體，因?yàn)樯鲜錾L(zhǎng)條件都很容易滿足由于加熱片與熔區(qū)全面接觸，加熱效率很高，因此加熱片溫度不必比原料熔點(diǎn)過熱很多即可熔化料棒端部；熔區(qū)厚度可以控制得很薄，使盡可能少的原料處在高溫熔融狀態(tài)；晶體生長(zhǎng)的溫度梯度也容易調(diào)節(jié)得很大，再加上比較快的晶體提拉速度，就可以使熔體盡快過冷、并亞穩(wěn)結(jié)晶，生長(zhǎng)出β-BBO晶體。很多高熔點(diǎn)的晶體，如白寶石(即Al2O3，熔點(diǎn)2050℃)、LaAlO3(2100℃)、SrTiO3(2080℃)等等，用銥坩堝提拉法生長(zhǎng)時(shí)，為確保結(jié)晶界面的溫度(即材料的熔點(diǎn))以及結(jié)晶所必需的溫度梯度，坩堝本身的溫度必須比結(jié)晶點(diǎn)高很多(對(duì)于感應(yīng)加熱，通常為150～250℃)。因此，坩堝的溫度將高于2300℃，而銥金的熔點(diǎn)僅為2454℃，晶體生長(zhǎng)時(shí)銥坩堝已處于極限工作狀態(tài)，稍有不慎，就會(huì)將貴重的銥堝熔掉。為此，只好犧牲生長(zhǎng)條件，采用小梯度生長(zhǎng)，這又難以提高晶體質(zhì)量。而且，生長(zhǎng)大尺寸的晶體需要更大的坩堝，過熱的問題會(huì)更加嚴(yán)重。利用本方法生長(zhǎng)高熔點(diǎn)晶體時(shí)，因?yàn)榧訜崞谌蹍^(qū)內(nèi)部直接加熱，效率很高，所以，加熱片的工作溫度僅需略高于原料的熔點(diǎn)，不必過熱很多。這樣就提高了加熱片材料的適用溫度上限，而且所能生長(zhǎng)的晶體尺寸沒有原則上的限制。由上述分析和說明可以看出本發(fā)明在現(xiàn)有技術(shù)的基礎(chǔ)上作了如下改進(jìn)1．將料棒和籽晶的旋轉(zhuǎn)/進(jìn)退分別獨(dú)立地控制。這樣，晶體的直徑φ晶(mm)就不光是由料棒的線密度ρ料(g/cm)唯一決定，還可以通過送料/拉晶的速度比V料/V晶來控制式中，d晶為晶體的比重(g/cm3)；2．加熱片形狀的改進(jìn)不但使之便于加工，更重要的是可以確保晶體生長(zhǎng)界面為理想的平或微凸界面，有利于提高晶體質(zhì)量；3．彈性電極或可滑動(dòng)電極的設(shè)計(jì)簡(jiǎn)化了加熱片的形狀，巧妙地解決了加熱片的熱脹冷縮量水平釋放的問題，避免了加熱片的尺寸變化對(duì)熔區(qū)穩(wěn)定性的影響；4．加熱片選材范圍的擴(kuò)大、晶體生長(zhǎng)的熱環(huán)境和氣氛條件的拓寬大大擴(kuò)展了本方法的適用范圍。下面結(jié)合附圖及實(shí)施例對(duì)本發(fā)明作進(jìn)一步的說明圖1是J.Brissot等人發(fā)明的裝置示意圖；圖2是本發(fā)明的裝置示意圖；圖3是本發(fā)明中加熱片的一個(gè)實(shí)施方案示意圖。圖中同樣的數(shù)字代表同一部件。實(shí)施例1取一塊160×54×2(單位mm，下同)的矩形鉑金片(參見附圖3)，在中心打一個(gè)φ1的通孔[24]，在中心孔外圍φ6的園跡線上對(duì)稱地再打4個(gè)φ1通孔[24]；在距左右兩端各40mm處以前后邊緣20mm為底邊分別剪出一個(gè)(共四個(gè))“V”字形缺口作縮頸[23]，縮頸之后，加熱片最窄處的寬度為30mm；左右兩個(gè)縮頸之間為發(fā)熱區(qū)[22]；縮頸之外到左右兩端是兩個(gè)夾持區(qū)[21]，夾持區(qū)的前后寬度是54mm；發(fā)熱區(qū)的寬度前后對(duì)稱地裁減為46mm，其前后邊緣的上下兩面各加焊一條3mm寬、2mm厚的鉑金條[25]。把上述加熱片[14](參見附圖2)水平地固定在間距為112mm的“7”字形紫銅水冷電極[13]的水平面上。兩個(gè)水冷電極的垂直部分(起導(dǎo)電和支撐作用)截面積盡可能小一些，以通電工作時(shí)不燙手為限，使加熱片的熱脹冷縮量得以水平釋放。在加熱片的中心預(yù)加一塊7g重、含Li58％mol的LiNbO3壓實(shí)塊；把φ25×200、含Li50.5％mol的LiNbO3料棒[15]垂直安裝在加熱片上方可旋轉(zhuǎn)/進(jìn)退的送料裝置[20]上，其軸心線通過加熱片的中心；料棒外圍同軸罩以φ100-90×60的Al2O3陶瓷筒，筒底開2mm深的槽跨放在加熱片上，筒頂蓋以φ100-30×5的Al2O3陶瓷環(huán)，料棒穿過環(huán)心，下端靠近但不接觸壓實(shí)塊。把4×4×20的化學(xué)計(jì)量比LiNbO3籽晶[16]固定在可旋轉(zhuǎn)/進(jìn)退的籽晶桿[19]上，籽晶從下方靠近、但不接觸加熱片，其旋轉(zhuǎn)軸同于料棒。在籽晶桿外圍同軸安放一個(gè)內(nèi)腔為φ30×150的后熱器[18]。后熱器同軸頂著一片φ100-30×5并開有一個(gè)“X”形觀察口的Al2O3陶瓷環(huán)與加熱片接觸；后熱器下口用中心打孔(孔徑略大于籽晶桿直徑)的Al2O3陶瓷片蓋住。全部安裝完畢之后，以15rpm分別旋轉(zhuǎn)料棒和籽晶，以100℃/hr分別將加熱片和后熱器升溫到1300℃和1200℃(LiNbO3的熔點(diǎn)為1245℃)。預(yù)先放置在加熱片中心的富鋰壓實(shí)塊熔化之后，降低料棒的位置，使其下端接觸加熱片并熔化；然后升高籽晶的位置，使其上端接觸加熱片并回熔2mm。形成穩(wěn)定的熔區(qū)[17]之后，分別獨(dú)立地控制料棒和籽晶一邊旋轉(zhuǎn)一邊同時(shí)向下運(yùn)動(dòng)。在剛開始生長(zhǎng)時(shí)，送料速度為0.1mm/hr，拉晶速度為10mm/hr，隨著晶體放肩、等徑，送料和拉晶的速度逐漸分別調(diào)整為2mm/hr和3mm/hr，并一直保持這個(gè)速度生長(zhǎng)。生長(zhǎng)快要結(jié)束時(shí)，先停止送料，以30mm/min的速度向下拉晶體，使之與熔區(qū)脫離，并拉到后熱器的中段等溫區(qū)；然后以20mm/hr的速度向上提拉料棒，使其下端脫離加熱片后停止。后熱器和加熱片恒溫12個(gè)小時(shí)之后，以30℃/hr的速度降至室溫。最后得到φ18×60的化學(xué)計(jì)量比LiNbO3晶體。實(shí)施例2取一塊240×120×20的矩形石墨片，只在中心打一個(gè)φ8通孔；在長(zhǎng)度方向距左右兩端50-70mm的上下兩面各開7mm深的槽，造成左右兩個(gè)6mm厚、20mm寬的縮頸；左右縮頸之間為100mm長(zhǎng)(左右方向)、120mm寬(前后方向)的發(fā)熱區(qū)。發(fā)熱區(qū)除前后邊緣10mm寬仍保持20mm厚度之外，中間100×100范圍內(nèi)在上下兩面各減薄5mm(剩余厚度10mm)。最后使所有表面光潔平整。LiF晶體生長(zhǎng)在可充保護(hù)氣氛的真空腔內(nèi)進(jìn)行。把上述石墨加熱片通過壓片、彈簧、螺栓等等松緊適度地貼放在間距為180mm、表面平整光潔的紫銅水冷電極的水平面上，以保證加熱片熱脹冷縮左右滑動(dòng)時(shí)能夠與電極之間保持良好的導(dǎo)電接觸。把φ50×300的LiF料棒垂直安裝在加熱片上方可旋轉(zhuǎn)/進(jìn)退的送料裝置上，其軸心線通過加熱片的中心，下端靠近但不接觸加熱片。把8×8×40的LiF籽晶固定在可旋轉(zhuǎn)/進(jìn)退的籽晶桿上，從下方靠近、但不接觸加熱片，其旋轉(zhuǎn)軸同于料棒。在籽晶桿外圍同軸安放一個(gè)內(nèi)腔為φ90×400的后熱器。后熱器與加熱片之間是一片φ160-90×6并開有觀察口的Al2O3陶瓷環(huán)；后熱器下口用中心打孔(孔徑略大于籽晶桿直徑)的Al2O3陶瓷片蓋住。全部安裝完畢之后，關(guān)上真空腔門，通冷卻水，以20rpm分別旋轉(zhuǎn)料棒和籽晶，抽真空至10-1-10-2Pa，以100℃/hr分別將加熱片和后熱器升溫到870℃和780℃(LiF的熔點(diǎn)為840)。溫度穩(wěn)定之后再將真空度提高到10-3Pa，然后充氬氣至1atm。降低料棒的位置，使其下端接觸加熱片并熔化；然后升高籽晶的位置，使其上端接觸加熱片并回熔2mm。形成穩(wěn)定的熔區(qū)之后，分別獨(dú)立地控制料棒和籽晶一邊旋轉(zhuǎn)一邊同時(shí)向下運(yùn)動(dòng)。在剛開始生長(zhǎng)時(shí)，由于料棒粗而籽晶細(xì)，因此送料速度較慢而拉晶速度較快，隨著晶體放肩、等徑，送料和拉晶的速度逐漸分別調(diào)整并最終穩(wěn)定在1.3mm/hr和1mm/hr。生長(zhǎng)快要結(jié)束時(shí)，先停止送料，以30mm/min的速度向下拉晶體，使之與熔區(qū)脫離，并拉到后熱器的中段等溫區(qū)；然后以20mm/hr的速度向上提拉料棒，使其下端脫離加熱片后停止。后熱器和加熱片恒溫12個(gè)小時(shí)之后，以50℃/hr的速度降至室溫。最后得到φ50×150的LiF晶體。實(shí)施例3取一塊160×54×0.1的矩形鉑銠合金片，在中心打一個(gè)φ1通孔，在中心孔外圍φ6的園跡線上對(duì)稱地再打4個(gè)φ1通孔；在距左右兩端各40mm處以前后邊緣20mm為底邊分別剪出一個(gè)(共四個(gè))“V”字形缺口作縮頸，縮頸之后加熱片最窄處的寬度為30mm；左右兩個(gè)縮頸區(qū)之間為發(fā)熱區(qū)；發(fā)熱區(qū)前后對(duì)稱，其寬度為46mm，在發(fā)熱區(qū)前后邊緣的上下兩面各加焊一條3mm寬、0.1mm厚的鉑銠合金條。把上述加熱片固定在水平的彈性水冷電極上，電極間距為112mm。φ30×150的β-BaB2O4料棒垂直安裝在加熱片上方可旋轉(zhuǎn)/進(jìn)退的送料裝置上，其軸心線通過加熱片的中心；把8×8×20的β-BaB2O4籽晶固定在加熱片下方可旋轉(zhuǎn)/進(jìn)退的籽晶桿上，其旋轉(zhuǎn)軸同于料棒。在籽晶桿外圍靠近加熱片同軸安裝一個(gè)φ40×50的水冷環(huán)，水冷環(huán)下面是內(nèi)腔為φ40×200的后熱器。后熱器下口用中心打孔(孔徑略大于籽晶桿直徑)的Al2O3陶瓷片蓋住。料棒和籽晶的自由端均靠近、但不接觸加熱片。全部安裝完畢之后，對(duì)水冷電極和水冷環(huán)通水，分別以20rpm旋轉(zhuǎn)料棒、10rpm旋轉(zhuǎn)籽晶，以100℃/hr分別將加熱片和后熱器升溫到1120℃和850℃(β-BaB2O4的熔點(diǎn)為1099℃，相變點(diǎn)920℃)。降低料棒的位置，使其下端接觸加熱片并熔化；然后升高籽晶的位置，使其上端接觸加熱片并回熔2mm。形成穩(wěn)定的熔區(qū)之后，分別獨(dú)立地控制料棒和籽晶一邊旋轉(zhuǎn)一邊同時(shí)向下運(yùn)動(dòng)。在剛開始生長(zhǎng)時(shí)，送料速度慢些而拉晶快些，隨著晶體放肩、等徑，逐漸把送料和拉晶的速度都調(diào)整為3mm/hr，并一直保持這個(gè)速度生長(zhǎng)。生長(zhǎng)快要結(jié)束時(shí)，先停止送料，以30mm/min的速度向下拉晶體，使之與熔區(qū)脫離，并拉到后熱器的中段等溫區(qū)；然后以20mm/hr的速度向上提拉料棒，使其下端脫離加熱片后停止。后熱器和加熱片恒溫12個(gè)小時(shí)之后，以30℃/hr的速度降至室溫。最后得到φ28×60的β-BaB2O4晶體。實(shí)施例4取一塊120×54×1的矩形鉬片，在中心φ30的范圍內(nèi)均勻地打13個(gè)φ1通孔；在距左右兩端各20mm處以前后邊緣20mm為底邊分別剪出一個(gè)(共四個(gè))“V”字形缺口作縮頸，縮頸之后加熱片最窄處的寬度為30mm；左右兩個(gè)縮頸之間的發(fā)熱區(qū)寬度前后對(duì)稱地裁減為46mm，其前后邊緣的上下兩面各加焊一條3mm寬、1mm厚的鉬條。把上述加熱片左右兩端分別焊接在兩個(gè)“T”字形鉬電極的橫桿(φ6)上，該鉬電極的豎直部分上半段為φ6×200，下半段為φ10×50，以便水平釋放加熱片的熱脹冷縮量。鋁電極下端固定在水冷真空腔內(nèi)的水冷銅電極座上，并使加熱片保持水平狀態(tài)。在加熱片外圍，垂直罩以φ150×300的鉬絲“U”形電熱圈作環(huán)境預(yù)熱之用，鉬絲電熱圈在加熱片水平面以上的高度為200mm，以下為100mm。上述電熱圈外圍罩以φ237-180×500的側(cè)屏蔽(加熱片以上300mm，以下為200mm)。側(cè)屏蔽系由0.3mm鉬片制成，共10層，層間距6mm，在側(cè)屏蔽上開有測(cè)(控)溫孔、觀察孔以及電熱圈進(jìn)/出線孔等。側(cè)屏蔽上下分別是上屏蔽和下屏蔽，它們的中心均開有φ40的料棒/晶體通過孔，其中，下屏蔽還開有電極孔，下屏蔽內(nèi)表面預(yù)先放置一些鋁箔，以便消除晶體生長(zhǎng)環(huán)境中殘余的氧。把φ30×200的Al2O3料棒垂直安裝在加熱片下方可旋轉(zhuǎn)/進(jìn)退的送料裝置上，其軸心線通過加熱片的中心；把5×5×20的Al2O3籽晶固定在加熱片上方可旋轉(zhuǎn)/進(jìn)退的籽晶桿上，其旋轉(zhuǎn)軸同于料棒。料棒與籽晶均靠近、但不接觸加熱片。全部安裝完畢之后，關(guān)閉真空腔門，對(duì)腔體和電極通冷卻水，以20rpm分別旋轉(zhuǎn)料棒和籽晶，抽真空至10-3pa，以100℃/hr分別將加熱片和周圍環(huán)境升溫到2100℃和1900℃(Al2O3的熔點(diǎn)為2050℃)。真空度和溫度穩(wěn)定之后，升高料棒的位置，使其上端接觸加熱片并熔化；然后降低籽晶的位置，使其下端接觸加熱片并回熔2mm。形成穩(wěn)定的熔區(qū)之后，分別獨(dú)立地控制料棒和籽晶一邊旋轉(zhuǎn)一邊同時(shí)向上運(yùn)動(dòng)。在剛開始生長(zhǎng)時(shí)，送料慢而拉晶快，隨著晶體放肩、等徑，逐漸把送料速度調(diào)整為4mm/hr，拉晶速度3mm/hr，并一直保持這個(gè)速度生長(zhǎng)。生長(zhǎng)過程快要結(jié)束時(shí)，先停止送料，以30mm/min的速度向上拉晶體，使之與熔區(qū)脫離，直到其下端距加熱片50mm為止；然后以20mm/hr的速度向下提拉料棒，使其下端脫離加熱片后停止。先以50℃/hr的速度使加熱片降至環(huán)境溫度以后停止給加熱片供電，再以30℃/hr的速度使屏蔽空間內(nèi)的溫度降至室溫。最后得到φ30×150的Al2O3晶體。實(shí)施例5裝置與操作基本上同與實(shí)施例4，差異部分如下加熱片及其電極材質(zhì)為鎢；料棒為摻Nd2O31％mol的Y3Al5O12(即Nd3+:YAG)多晶棒，尺寸為φ25×200，籽晶為同樣成份的Nd3+:YAG單晶棒，尺寸為4×4×20；晶體生長(zhǎng)時(shí)加熱片的溫度為2000℃(YAG熔點(diǎn)為1950℃)，環(huán)境溫度為1800℃；放肩之后等徑生長(zhǎng)時(shí)送料和拉晶速度均為1mm/hr。最后得到φ20×120的Nd3+:YAG晶體。實(shí)施例6取一塊160×54×1的矩形銥金片，在中心打一個(gè)φ1通孔，在中心孔外圍φ6的園跡線上對(duì)稱地再打4個(gè)φ1通孔；在距左右兩端各40mm處以前后邊緣20mm為底邊分別剪出一個(gè)(共四個(gè))“V”字形缺口作縮頸，縮頸之后加熱片最窄處的寬度為30mm；左右兩個(gè)縮頸區(qū)之間的發(fā)熱區(qū)寬度前后對(duì)稱地裁減為46mm，在發(fā)熱區(qū)前后邊緣的上下兩面各加焊一條3mm寬、1mm厚的銥金條。把上述加熱片水平地固定在真空爐內(nèi)間距為112mm的彈性水冷電極上。φ30×150的TiO2料棒垂直安裝在加熱片上方可旋轉(zhuǎn)/進(jìn)退的送料裝置上，其軸心線通過加熱片的中心；料棒外圍同軸罩以φ110-40×80的ZrO2陶瓷筒，筒底開2mm深的槽跨放在加熱片上；把5×5×20的TiO2籽晶固定在加熱片下方可旋轉(zhuǎn)/進(jìn)退的籽晶桿上，其旋轉(zhuǎn)軸同于料棒。在籽晶桿外圍靠近加熱片同軸安裝一個(gè)φ40×70×1的銥金筒狀后熱器，后熱器外面圍以φ110-44×80的ZrO2陶瓷筒保溫。料棒和籽晶的自由端均靠近、但不接觸加熱片。安裝完畢之后，關(guān)上真空腔門，對(duì)腔壁和水冷電極通冷卻水，抽真空至10-3Pa，以15rpm分別旋轉(zhuǎn)料棒和籽晶，以100℃/hr分別將加熱片和后熱器升溫到1850℃和1750℃(TiO2的熔點(diǎn)為1830℃)。降低料棒的位置，使其下端接觸加熱片并熔化；然后升高籽晶的位置，使其上端接觸加熱片并回熔2mm。形成穩(wěn)定的熔區(qū)之后，分別獨(dú)立地控制料棒和籽晶一邊旋轉(zhuǎn)一邊同時(shí)向下運(yùn)動(dòng)在剛開始生長(zhǎng)時(shí)，送料速度慢些而拉晶快些，隨著晶體放肩、等徑，逐漸把送料和拉晶的速度分別調(diào)整為2mm/hr和1.5mm/hr，并一直保持這個(gè)速度生長(zhǎng)。生長(zhǎng)快要結(jié)束時(shí)，先停止送料，以30mm/min的速度向下拉晶體，使之與熔區(qū)脫離后停止然后以20mm/hr的速度向上提拉料棒，使其下端脫離加熱片后停止。以30℃/hr的速度將加熱片和后熱器降至室溫。最后得到φ30×60的TiO2晶體。為簡(jiǎn)明起見，現(xiàn)將上述實(shí)施例列表統(tǒng)計(jì)如表1表1．實(shí)施例統(tǒng)計(jì)表<tablesid="table1"num="001"><table>實(shí)例生長(zhǎng)的晶體加熱片電極氣氛熱環(huán)境熔劑層提拉方向晶體類型晶體尺寸材質(zhì)厚度縮頸孔11∶1LiNbO3鉑2mmV形5個(gè)彈性空氣后熱器有下拉揮發(fā)，固溶，16×602LiF石墨10mm開槽1個(gè)滑動(dòng)Ar后冷/熱器無下拉鹵化物50×1503β-BBO鉑銠合金0.1mmV形5個(gè)彈性空氣后熱器無下拉亞穩(wěn)體系28×604Al2O3鉬1mmV形13個(gè)彈性真空整體加熱無上拉難熔30×15051％Nd3+YAG鎢1mmV形13個(gè)彈性真空整體加熱無上拉摻雜20×1206TiO2銥1mmV形5個(gè)彈性真空后熱器無下拉變價(jià)30×60</table></tables>最后需要指出的是以上只是用六個(gè)具體的例子來說明本發(fā)明，它們并不是對(duì)本發(fā)明的限制。對(duì)本發(fā)明可以進(jìn)行以上未盡的各種改進(jìn)，而這些改進(jìn)都不會(huì)偏離本發(fā)明的精神和范圍。權(quán)利要求1．一種采用異型加熱片區(qū)熔生長(zhǎng)晶體的方法，包括由水平地夾持在水冷電極[13]上的加熱片[14]通電產(chǎn)生高溫，熔化同軸、垂直地分列在加熱片[14]上下兩側(cè)的料棒[15]和籽晶[16]的端部，形成熔區(qū)[17]，料棒[15]和籽晶[16]一起向籽晶[16]一側(cè)運(yùn)動(dòng)，從而使料棒[15]逐漸熔化，并使籽晶[16]長(zhǎng)成晶體，其特征在于加熱片[14]是異型的，料棒[15]和籽晶[16]的旋轉(zhuǎn)/拉送是分別控制的。2．根據(jù)權(quán)利要求1所述的方法，其特征在于所述加熱片[14]材質(zhì)選自鉑、銥、銠、鎢、鉬、鈮、鉭及其合金或石墨等熔點(diǎn)高、與原料熔體[17]不起化學(xué)反應(yīng)的材料。3．根據(jù)權(quán)利要求1所述的方法，其特征在于所述加熱片[14]是中心對(duì)稱的長(zhǎng)條狀薄片；其發(fā)熱區(qū)[22]的厚度在0.1-10mm之間；4．根據(jù)權(quán)利要求1所述的方法，其特征在于所述加熱片[14]的中心區(qū)域有一個(gè)或多個(gè)小孔[25]，以供熔化的原料通過。5．根據(jù)權(quán)利要求1所述的方法，其特征在于設(shè)計(jì)加熱片[14]的形狀使其在工作時(shí)保證發(fā)熱區(qū)[22]外圍的溫度不低于其中心溫度。6．根據(jù)權(quán)利要求5所述的方法，其特征在于所述加熱片[14]的中間發(fā)熱區(qū)[22]截面積小于兩端夾持區(qū)[21]。7．根據(jù)權(quán)利要求5所述的方法，其特征在于所述加熱片[14]的左右兩端夾持區(qū)[21]與中間的發(fā)熱區(qū)[22]之間各有一個(gè)截面積明顯小于發(fā)熱區(qū)[22]的縮頸[23]。8．根據(jù)權(quán)利要求5所述的方法，其特征在于所述加熱片[14]的發(fā)熱區(qū)[22]前后邊緣加厚[24]。9．根據(jù)權(quán)利要求1所述的方法，其特征在于所述水冷電極[13]至少一端具有彈性。10．根據(jù)權(quán)利要求1所述的方法，其特征在于所述水冷電極[13]至少一端與所述加熱片[14]的夾持區(qū)[21]之間保持滑動(dòng)接觸。11．根據(jù)權(quán)利要求1所述的方法，進(jìn)一步包括晶體生長(zhǎng)的氣氛既可以是大氣，也可以是真空或某種氣體。12．根據(jù)權(quán)利要求1所述的方法，進(jìn)一步包括晶體生長(zhǎng)的環(huán)境有附加熱源或冷源。13．根據(jù)權(quán)利要求12所述的方法，其特征在于所述附加熱源可以是同軸罩在籽晶[16]或/和料棒[15]外圍的后熱器，還可以對(duì)晶體生長(zhǎng)的空間整體預(yù)熱。14．根據(jù)權(quán)利要求12所述的方法，其特征在于所述附加冷源可以是同軸罩在籽晶[16]外圍的水冷環(huán)。15．根據(jù)權(quán)利要求1所述的方法，其特征在于晶體生長(zhǎng)開始之前，在所述加熱片[14]的中心預(yù)加助熔劑或含有待生長(zhǎng)晶體成份之一的添加物。16．根據(jù)權(quán)利要求1所述的方法，其特征在于晶體生長(zhǎng)時(shí)，所述料棒[15]既可以位于加熱片[14]的上方(籽晶[16]在下面)，也可以位于其下方(籽晶[16]在上面)。17．根據(jù)權(quán)利要求1所述的方法，其特征在于所述料棒[15]長(zhǎng)成的晶體是氧化物或鹵化物晶體。18．根據(jù)權(quán)利要求1所述的方法，其特征在于所述料棒[15]長(zhǎng)成的晶體可以是含有揮發(fā)、變價(jià)組份的晶體、摻雜晶體、固溶體系、亞穩(wěn)體系和熔點(diǎn)在1600℃～2200℃之間的難熔體系等晶體。19．根據(jù)權(quán)利要求18所述的方法，其特征在于所述晶體可以是鈮酸鉀鋰和化學(xué)計(jì)量比的鈮酸鋰等固溶體系的晶體。20．根據(jù)權(quán)利要求18所述的方法，其特征在于所述晶體可以是從純?nèi)垠w中亞穩(wěn)生長(zhǎng)的β-BaB2O4晶體。21．根據(jù)權(quán)利要求18所述的方法，其特征在于所述晶體可以是TiO2、SrTiO3、LaAlO3、Al2O3、YVO4等等高熔點(diǎn)的純材料或其摻雜晶體。22．根據(jù)權(quán)利要求18所述的方法，其特征在于所述晶體可以是LiF、BaF2、CsI、LiCaAlF6、SrAlF5等鹵化物純材料或其摻雜晶體。全文摘要本發(fā)明公開了一種用異型加熱片區(qū)熔生長(zhǎng)晶體的方法。由夾持在水冷電極上的異型加熱片通電產(chǎn)生高溫,熔化料棒和籽晶的端部,形成熔區(qū);分別控制其旋轉(zhuǎn)/拉送的料棒和籽晶一起向籽晶一側(cè)運(yùn)動(dòng),從而熔化料棒,長(zhǎng)成晶體。本方法繼承了區(qū)熔法容易控制晶體成份均勻性的特點(diǎn),又克服了傳統(tǒng)區(qū)熔法難以生長(zhǎng)氧化物等晶體和大尺寸晶體的缺點(diǎn),特別適用于生長(zhǎng)摻雜晶體、固溶體系、亞穩(wěn)體系或難熔體系等晶體。文檔編號(hào)C30B13/00GK1300884SQ9912379公開日2001年6月27日申請(qǐng)日期1999年11月24日優(yōu)先權(quán)日1999年11月24日發(fā)明者倪代秦,吳星,宋有庭申請(qǐng)人:中國(guó)科學(xué)院物理研究所