[发明专利]人工晶体生长的温场调控装置和温场动态调控方法

说明书

本发明涉及一种人工晶体生长的温场调控装置。所述人工晶体生长的温场调控装置包括温场调节单元、控制单元以及电磁屏蔽结构。所述温场调节单元包括盖设在晶体溶液容器上方的保温盖，所述保温盖的侧壁上设置有垂直距离不同的散热窗，每个散热窗上都设有可改变散热窗孔洞大小的调节板；所述控制单元根据当前温度信息、电源功率信息以及晶体直径信息，实时调整各调节板的开合方向及速度，实现晶体生长温场的动态调整；所述电磁屏蔽结构消除电磁场对装置的负面影响。本发明保证了高品质大尺寸人工光电单晶的稳定生长，并显著降低单晶生长的电能消耗，具有很强的应用价值。

技术领域

本发明涉及人工晶体生长技术领域，特别是涉及一种用于优化晶体生长各个阶段的温场的温场调控装置和方法。

背景技术

人工光电晶体具有极高的科研和商业价值，是高功率激光器、光电通讯、激光医疗、遥感等多个领域的基础材料。垂直提拉法(Czochralski法)是当前制备大尺寸光电单晶，包括石榴石(GGG、YAG、LuAG等)、钙钛矿(YAP、LiNbO₃、LiTaO₃等)、蓝宝石等晶体的最主要的方法之一。制备晶体时，首先需要用加热线圈把坩埚中多晶料熔化，然后将籽晶缓慢下降至其末端浸润在熔体中，接着一定的旋转速度和提拉速度向上提拉，经由缩颈、放肩、等径、收尾、拉脱几个步骤使熔体重新凝固为单晶。晶体制备过程中，有两个重要的难点：(1)电能消耗高：光电晶体的熔点普遍极高，维持高温熔体状态需使用高功率电源作为输入；足够的温度梯度是晶体顺利生长的前提，常用的增大散热孔增加温度梯度的方案进一步提高电能消耗，提高了晶体的制备成本。(2)温场控制难：温场分布随着晶体生长自行发生变化，该变化不利于晶体持续稳定生长。晶体生长的不同阶段需要分别提供不同的合适的温度梯度，保证高品质单晶顺利持续生长。

当前，绝大部分情况下，使用密封在炉膛内部的固定保温结构进行晶体制备。在整个晶体生长过程中，保温结构无法调整改变；只能被动接受随着晶体生长和液面下降带来的温场改变；逐渐恶化的温场导致晶体生长界面发生显著变化，降低晶棒两端光学性质的一致性，甚至导致晶体生长中断或晶体开裂。

发明专利《一种动态调整温场中温度梯度的装置》(CN201822068289.7)公开了一种动态调整温度梯度的方法，通过设置和调整保温结构顶部的温场上盖，改变位于保温结构顶部的籽晶杆经过的散热孔的大小，实现温度梯度的逐渐减小，提高晶体完整率，降低晶体成本。该发明专利调节保温结构顶部的籽晶杆经过的垂直方向的散热孔，对温场调节的幅度较小；本发明专利调节保温盖的侧壁上不同高度的多个侧向的散热孔，从气流方式散热与辐射方式散热两种途径大幅度调控温场；两种发明专利在原理和设计上存在本质区别。

发明专利《一种利用温度梯度可调节的温场装置生长近化学计量比铌酸锂晶体的方法》(CN201510400519.3)公开了一种用于近化学计量比铌酸锂晶体生长的温度梯度可调节的温场装置，通过升降保温结构顶部的可移动保温帽，增加或减小温度梯度，实现高品质化学计量比铌酸锂晶体的生长。该发明专利基于保温帽与固定保温套之间的相对位置的变化，并不涉及散热孔面积或数量的增加，与本发明专利在原理和设计上存在本质区别。

现有的固定保温结构由于可调整的范围非常有限，因此不能为晶体生长各个阶段提供合适的温场分布。随着晶体生长和液面下降而持续恶化的温场不利于高品质晶体的持续稳定生长。同时，使用强散热效果的固定保温结构也不利于节能和降低成本。

此外，应用于晶体生长装置的保温材料具有高反射率，液面和晶体以辐射光方式散射的热量会被保温材料反射回来，从而实现保温；但在晶体生长需要较大温度梯度时，被反射的辐射光的热量不利于温度梯度的形成。

如何同时对保温系统中部侧面和顶部的散热效果同时进行大幅度的调整，即同时运用辐射方式散热与气流方式散热，实现一种可以大幅度、平稳且自动地调节温场的温场控制装置，仍然是大尺寸高品质光电单晶生长中极为重要、亟需解决的一个问题。

发明内容