金红石单晶生长工艺制造技术

用ＥＦＧ晶体生长工艺制取没有大倾角晶界的金红石单晶。该工艺是将具有许多狭缝的缝模浸入熔体２中，使熔体通过各缝隙上升到达缝模的上表面，然后通过提拉生长制取结构与缝模一致的单晶。（*该技术在2012年保护过期，可自由使用*）

【技术实现步骤摘要】

本专利技术涉及一种没有(大倾角)晶界的金红石单晶，并涉及边缘限定的馈膜生长(EFG)法生长金红石单晶的一种工艺。金红石单晶，以偏振器材料而著称，目前是用例如(日本专利公报61-101495)的浮区(FZ)法或Verneuil(火焰熔融)法生产出来的。用这些方法得出的晶体，其直径约10至25毫米，晶体沿其C轴线生长。在大多数情况下，将这些(沿其C轴线生长的)单晶沿与其C轴线成一定角度的方向进行切割，再将得出的板状晶体进一步加工，即可制成各色各样的偏振器。从另一方面来说，本
中都知道，EFG法是一种晶体生长法，用这个方法可以将含有蓝宝石和β氧化铝的化合物提拉成与模具一致的可以取带状、圆条状、圆柱形或其它要求形式的单晶。附图说明图1中示出了这个单晶制作原理。如图所示，装有缝模3的坩埚1中装满熔体2。熔体2借助于毛细管作用通过并沿着缝模3上的狭缝(在某些情况下可能是一些小孔眼)上升，在这里从籽晶5上结晶。然后，边冷却边将熔料以恒定的速度提拉，以得出与模具的形状一致的单晶。这里编号6表示生长中的晶体。在偏振显微镜下可以观察到，用FZ或Verneuil法生长出来的晶体，其在晶体生长界面的温度梯度的增长达到这样的程度，以致晶体的周围或里面含有许多晶界。可用偏振显微镜检测出来的晶界都是那些大倾角的晶界(“应用物理”第48卷，第9期，第938-942)。晶体含有这类晶界的部分不能用作偏振器的材料。为将这类一般的晶体加工成偏振器等，需要经过将晶体切割、从晶体中除去大倾角部分的步骤，以获取优质的单晶。总的说来，一般的晶体并不是优质的单晶;就是说，单晶的生产率太低，不能降低材料成本。这些都是使一般晶体不能降低金红石偏振器成本、从而难以降低光隔离器成本的一些主要因素，而随着光通信空前地日益盛行，在这方面的需要大量增加。要制备出表面和形态实用的金红石偏振器，总希望所要求的形状能以与其C轴线成一定的角度生长，这样不但可以高效简化晶体以后的各加工工序，而且可以降低金红石偏振器的生产成本。因此总希望金红石单晶能沿着与其C轴线成一定角度的方向生长。然而，金红石单晶在其C轴方向上的导热性和各向异性都比其它方向的高，就是说，用本
目前通常使用的FZ法或Verneuil法在上述方向上生长晶体有困难。虽然一般都认为EFG晶体生长法能有效地达到这个目的，但迄今为止仍然还没有用EFG法能成功地制取金红石单晶的报道。EFG法的基本要求是模具的材料，熔体通过模具借助于毛细管作用往上送。此外，模具材料应不致为熔体所严重腐蚀。因此，本专利技术的一个目的是要提供一种能整个用作偏振器的材料并比过去更易加工成金红石偏振器的金红石单晶。本专利技术的另一个目的是提供一种EFG法生长金红石板状单晶的工艺。按照本专利技术的一个方案，本专利技术提供一种从主要由二氧化钛组成的熔体生长而成、里面没有大倾角晶界的金红石单晶。按照本专利技术的另一个方案，本专利技术提供这样一种EFG晶体生长工艺将缝模浸入盛在固定在高温熔炉的坩埚中的熔融馈料中，熔炉中的环境控制得使熔体通过并沿着缝模的狭缝上升到缝模的上表面，然后提拉成与缝模的形状一致的单晶，该工艺的特征在于熔融馈料主要由二氧化钛组成。所使用的缝模最好由铱制成。熔融馈料的成分最好为TiO2-x，其中X＝0-0.15。受控生长环境中的氧分压最好在2×10-6至5×10-2大气压的范围。晶体最好沿其C轴线或沿着与其C-轴线成10-90°的方向上提拉。晶体的提拉速度最好等于或低于30毫米/小时。缝模的狭缝最好占缝模上表面面积的80%或以下。缝模最好设计得使该上端部分控制生长晶体的形态，而其上端部分的宽度应小于模体的宽度。所使用的坩埚，其长径比(即长度直径比)最好为0.25至0.75。生长环境的氧分压最好在2×10-6至5×10-2大气压的范围，缝模整个上表面的温度梯度最好最大为5℃/厘米，缝模上表面上方和沿晶体提拉方向的温度梯度最好为20至300℃/厘米。现在参看附图更具体地但不是独一无二地说明本专利技术的内容。附图中，图1是EFG法的原理图;图2是本专利技术所使用的缝模的侧面剖视图;图3是最大提拉速度与凸出端高度的关系曲线图，采用缝模的厚度作为参数。要减少熔融中馈料在组成上的变化，需要减少或限制其温度的变化;要减少生长晶体中的热应变，需要减小或限制晶体在整个生长界面附近的温度梯度。为满足这些要求，本专利技术选用了叫做EFG的晶体生长工艺，即，将缝模浸入盛在固定在高温熔炉的坩埚中的熔融馈料中，熔炉中的环境控制得使熔体通过并沿着缝模的缝隙上升到缝模的上表面，然后提拉成与缝模的形状一致的单晶。EFG晶体生长工艺的优点主要如下结晶的生长是从熔体到达缝模的上表面起开始进行的，因而可以减少熔体在晶体生长界面附近具有自由表面的那一部分的量。熔体与导热性提高了的缝模接触，因而可以使籽晶与缝模上表面之间形成的新月形区的温度分布变窄;以及得出的晶体在断面形状方向能与缝模的上表面相一致，就是说，其断面形状足以提高热辐射效率，减少温度变化，例如，可制成薄板状。这些优点正是本专利技术选用EFG晶体生长工艺的主要原因。然而，一般EFG金红石生长工艺牵涉到这样的问题，即熔体的温度变化大，从而可能产生多晶体或结构变化的晶体。例如，由于得出的晶体其宽度变化增加，因而晶体中出现裂纹或大倾角晶界。另一方面，金红石单晶的提拉生长具有这样的特点热量从生长中的晶体逸出，受到的限定太大，以致使晶体的生长不可能不稳定下来，其理由如下。金红石晶体是从无氧的熔体生长出来的，因而很可能缺氧，而因氧缺陷的形成而可能吸收红外线。换而言之，金红石晶体限制了热量从自身中逸出，因而降低了实际的导热性。这就是说，要使晶体稳定生长，需要提高晶体生长界面附近生长环境的温度梯度。但即使那样的话，晶体生长界面处熔体的过冷却速度还是会增加，如果不增加的活，晶体生长的速度就会过快，虽然这是暂时现象。同样，生长界面上整个生长中的晶体，其温度梯度也会提高。因此，晶体中可能产生缺陷，这些缺陷可能导致裂纹或大倾角晶界的产生。目前，已经知道，影响EFG法生长金红石单晶的因素有缝模整个上表面生长环境的温度梯度，沿晶体提拉方向的生长环境的温度梯度，和生长环境中的氧分压;此外，通过使这些因素达到最佳状态可以获取没有大倾角晶界的金红石单晶，从而限制了熔体中温度的变化，降低了生长晶体中生长界面附近的温度梯度。减少整个缝模上表面生长环境的温度梯度可以减小晶体生长界面相对于缝模上表面的凸出程度和生长晶体的断面和上表面形状与缝模在各自位置上的差别，因而可以限制熔体的温度变化，从而限制晶体形状的变化。生长环境沿晶体提拉方向的温度梯度和生长环境中的氧分压系调节得形成这样的一个环境，该环境中的氧易从生长环境扩散入晶体生长界面附近的生长晶体中。这使所得出的单晶可能减小吸收红外线和使其导热性提高到以致热量容易从其中逸出。换句话说，可以降低熔体在晶体生长界面附近的温度梯度，因而降低熔体在晶体生长界面上的过冷却程度，从而防止晶体的生长速度过高。如本
中所周知的那样，氧在生长中的金红石晶体中的扩散随晶体所处的温度而变化，在大约1000度或更高的温度下，氧从生长中晶体内进入环境中的扩散占优势，在低于该温度的情况下，氧从环境进入生长晶体的扩散占优势。此外，由于氧本文档来自技高网...

【技术保护点】
一种金红石单晶，从主要由二氧化钛组成的熔体生长出来，该单晶中没有大倾角晶界。

【技术特征摘要】
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【专利技术属性】
技术研发人员：町田博，福田承生，千川圭吾，
申请(专利权)人：NEC东金株式会社，
类型：发明
国别省市：JP[日本]