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三談氧化碲(TeO2)晶體生長工藝
作者:jzkegd  來源:本站  發表時間:2018-2-6 10:02:42  點擊:912

二氧化碲(TeO2)晶體是一種重要的聲光晶體材料,也是制備優良聲光器件的重要材料,在聲光器件領域有著廣泛的應用。用TeO2晶體制作的聲光器件,在相同通光孔徑下,分辨率可有數量級的提高,同時具有響應速度快,驅動功率小、衍射效率高、性能穩定可靠等優點。雖然提拉法氧化碲晶體存在生長技術工藝復雜、生長成本很高的缺點,但其具有很高價值的聲光質量和品質,尤其是近年來對TeO2晶體在軍事、通信、激光、聲光器件等方面研究的不斷深入,TeO2晶體的需求量越來越大,質量要求越來越高,因此深入開展提拉法TeO2晶體生長研究,是我公司近十年來一直研發的重點工作。現把我所生長高質量TeO2晶體的工藝技術,總結如下:

如何提高晶體的質量,涉及晶體生長過程的方方面面,單單靠某個技術環節的改進是不夠的,應當對晶體的整個生長工藝進行全方位的提高。如:晶體易裂、晶體缺陷、晶體散射的成因與消除,晶體生長工藝參數之間的內在聯系、溫度梯度的設計等等。

 

 

 

一、原料:

原料是保證晶體質量的首要因素,我們生長晶體選用真空包裝的高純5N(99.999%)料粉為原料,并對原料進行壓餅、燒結處理。如果原料純度不夠,不僅晶體質量毫無保障可談,還會腐蝕鉑金坩堝,減少坩堝的使用壽命,嚴重時甚至雜質及碲元素與鉑金發生化學反應導致鉑金坩堝 “中毒”,必須對鉑金進行提純、再處理后,才能加工成坩堝使用,但提純損耗在5%—10%,代價相當昂貴。對原料壓制成料餅并燒結處理,主要有三個目的:一是有效降低熔體中氣體的含量;二是去除低溫雜質;三是適度補氧,減少晶體生長時的氧空位,避免云霧狀云層的生長,可以大大的提高晶體質量。

 

二、晶體生長溫場梯度:

穩定而又合理的溫場梯度分布是生長優質TeO2晶體的重要保障。溫度梯度太小,易形成組分過冷,且會引起晶體外觀形貌的變化,使得晶體沒有足夠的生長推動力,無法繼續生長;晶體梯度過大時,晶體中的熱應力就大,易造成晶體的開裂、位錯密度增加。我所根據不同的爐膛傳熱、坩堝直徑及鍋位高低、加熱裝置、保溫材料等的特點,通過多次試驗和改進,摸索出合理的晶體生長溫場分布。建立合適的軸向梯度和較均勻的徑向梯度的溫場,有效解決晶體生長、降溫過程中開裂的問題,并且有利于減少晶體中存在的熱應力、云層、散射、生長條紋等缺陷,生長高質量TeO2晶體技術工藝穩定、成熟。

 

三、 晶體生長工藝參數:

在晶體生長過程中,固液界面的形狀主要受兩種對流形式的影響:一種是由溫度不均勻形成的自然對流,靠近坩堝壁處的溫度最高,熔體向上運動,而對稱軸處的溫度最低,熔體向下運動,因此形成自然對流,這樣易形成凸界面。另外一種則是由于晶體旋轉帶動熔體隨之一起旋轉形成的強迫對流,此時易形成凹界面,固液界面的形狀直接影響到晶體的質量。拉速快時,氣泡在固液放出,氣體來不及擴散而成核進入到晶體;拉速慢時,氣體向熔體中擴散,在界面附件不易達到飽和狀態。晶體的旋轉對熔體起攪拌作用,并產生強制對流,能夠減小擴散層的厚度,增加溫場的對稱性。通過晶體旋轉來控制固液界面的形狀,當轉速、拉速合適時,使強迫對流占主導,晶體微凸界面生長,氣體便由固液界面的中心向熔體邊緣擴散,此時生長出的晶體質量最好;還因為氧化碲熔體本身的黏度較大,且有大量的氧化碲蒸汽揮發物,使得氣泡匯集在生長界面上,不容易排出,通過適當增加轉速,依靠離心力的作用把氣泡甩出生長界面,可以有效得提高了晶體質量。

晶體生長工藝參數對晶體質量的相當明顯,轉速或拉速不適合時,會引起晶體的開裂、組分過冷、晶體中有氣泡、散射、生長條紋等缺陷。晶體的生長參數相互關聯,找出最佳生長條件,才能生長出高質量的晶體。

 

四、籽晶的選擇:

籽晶的選擇相當重要。不僅要保證選擇最佳取向,還要保證籽晶的質量。我們選用(110)方向生長,且籽晶定向偏差小于5分,如果籽晶偏差太大,會導致晶體結構失配而產生缺陷。我們主要研究了(001)和(110)兩個方向生長晶體并做了詳細比較:(001)方向生長的晶體呈方形,晶體易開裂,對晶體進行檢測分析發現晶體光學性不均勻,由于(001)為粗糙界面,易產生小角晶界、生長條紋等缺陷,晶體光學質量明顯惡化。(110)方向生長的晶體呈橢圓形,晶體完整性好、且(110)為光滑界面,不易產生晶界、生長條紋。氧化碲晶體(100)面是解理面,所以選擇(110)方向生長晶體,可以避開晶體開裂的宏觀缺陷。不管哪個方向生長的晶體,合適的溫度梯度才能控制不同晶面的生長速度,尤其是控制生長速度快的(110)面,使晶體外形不至于因溫度梯度太小,引起晶體嚴重變形,無法繼續生長或因溫度梯度過大,造成晶體開裂。如果籽晶質量不好,那么籽晶中的各種缺陷都會遺傳給晶體,我們選用最好的晶體來加工籽晶,并通過縮頸技術來優化籽晶接種質量。

 

五、氧化碲晶體的生長工藝:

將燒制好的氧化碲料餅裝入單晶爐內的鉑金坩堝中,升溫至750°C,恒溫4小時,使原料充分熔化。在籽晶桿的底部裝有(110)方向的籽晶,當原料熔化并達到平衡溫度后,逐漸下降并預熱籽晶。將預熱好的籽晶下降至液面5mm,不但可以消除籽晶自身的缺陷,還可消除籽晶受到熱應力產生的缺陷。之后接種采用“縮頸”技術,根據籽晶周圍的光圈觀察、調整溫度,保證縮頸部分細長透明,有利于生長出高質量的晶體。開始放肩、等徑、收尾、降溫程序控制,采用計算機程序自動控制,晶體的等徑度好;還有利于消除放肩、生長時溫度波動引起的晶體缺陷,使晶體內部質量的一致性、均勻性較好;還可以避免人為操作而影響晶體質量。

 

 

 

六、晶體的退火工藝:

TeO2晶體是一種優良的聲光晶體,晶體自身的熱導率較低,熱膨脹系數又各向異性,且相差較大,所以在晶體生長和降溫過程中,容易積累熱應力。熱應力的存在會導致位錯的產生,而缺陷的存在會極大的影響晶體的聲光性能。我所自主研發的退火爐,采用818程序控制,溫場溫度分布均勻,爐溫度梯度較低,使晶體退火充分,既有效的消除晶體中原有的熱應力,又避免因退火工藝而產生新的熱應力,大大的提高了晶體性能,使晶體在后期加工過程中不易碎裂。

 

七、晶體的加工工藝:

氧化碲晶體是四方晶系,畸變的金紅石結構,422點群,晶體的對稱要素為L44L2,晶胞是四方柱的形狀,參數有a=b≠c,α=β=γ=90°的關系。這種結構決定了TeO2晶體結構和性質上的各向異性,而作為聲光晶體,各向異性的特點增加了其聲光性能優化的自由度。

晶體加工包括晶體的定向、切割、研磨,拋光、清洗等流程。近年來,隨著對TeO2晶體高性能聲光器件、軍工等方面研究的不斷深入,對TeO2晶體生長及加工質量都提出了很高的標準,我所可按照客戶的加工需求加工晶體,還可以為客戶提供優化的晶體加工技術服務,使其得到最優質的產品及提高晶體的出材率。

 

        

 

    

 

 

 

氧化碲(TeO2)晶體常用衍射角及晶面符號

 

晶面符號hkl

2⊙

(101)

10°55′

21°50′

(110)

13°05′

26°10′

(111)

14°22′

28°44′

(004)

23°52′

47°44′

(200)

18°41′

37°22′

 

   

 

提拉法110方向生長晶體

 

 

 

 

-110)方向拋光檢測        110)方向拋光檢測  

 

   

 

400毫瓦綠光激光器檢測

 

 

 

 

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