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        氟化鈣單晶體的成長

        作者:時間:2019-08-28 10:52:081408 次瀏覽

        近年來,由于氟化鈣(CaF2)晶體在深紫外準分子激光(Deep Ultraviolet)光刻方面具有潛在的應用前景倍受人們的關注,這主要是由于作為光刻機關鍵光學元件的石英玻璃在波長小于200nm時透過率急劇下降,且在紫外光輻照下會形成色心及折射率發生變化,從而降低光效及破壞產品。

         氟化鈣晶體是一種重要的光學材料,具有立方對稱性晶格,熱機性能良好。物化性能穩定,不潮解,抗輻照損傷能力強,透光范圍寬,在130nm 到10μm 的波長范圍內透光性能良好,應力雙折射低(在200nm 以上無明顯本征雙折射),及折射率均勻高。

        在自然界氟化鈣以螢石礦形式存在,因此,氟化鈣早已引起人們的關注,甚至在第一次世界大戰前后,就被用于制造顯微鏡和照相機鏡頭。隨著真空坩堝下降法(Bridgman-Stockbarger)的采用,加之生長和加工技術的成熟和完善,大尺寸氟化鈣晶體成為可批量生產的產品。其應用范圍變得更加廣泛,如光譜分光系統、高級攝象機、望遠鏡及其他光學儀器中的棱鏡、透鏡和窗口等;摻雜的氟化鈣還可以用做γ射線閃爍體,應用于高能物理、核物理研究。 

         國際上,以肖特(SCHOTT)、康寧(CORNING)和貝克朗(BICRON)為代表的德國和美國公司在氟化鈣晶體研制和產業化水平上處于領先地位,肖特公司已經成功地生長出直徑達到350mm 的氟化鈣單晶。

        在國內,從事氟化鈣研發、生產的單位主要有北京玻璃研究院、北京人工晶體研究所、中科院長春精密光學機械研究所和上海硅酸鹽研究所等單位。所生長的氟化鈣晶體直徑可以達到200mm,但是晶體光學質量和單晶獲得率還有待進一步提高。 針對紫外光學系統,特別是大功率準分子激光系統的特殊需求,研制大截面、高質量氟化鈣單晶材料已成為當務之急。

        在研究過程中發現大尺寸氟化鈣單晶地生長需要重點解決生長爐及溫場設計、原料提純和生長工藝優化三大關鍵難題。 在大尺寸氟化鈣單晶的生長研究中晶體生長參數的選擇尤其重要,晶體生長參數是指那些可以直接調控的設置,例如加熱器功率、坩堝下降速率或降溫速率、坩堝幾何形狀、晶體/坩堝轉動速率、氣流、磁場等。這些參數的組合即形成晶體生長的外部環境。如何形成所期待的晶體生長環境是生長過程模型需要解決的問題。通過引進的計算機模擬軟件CrysVUN 對大尺寸氟化鈣晶體的生長環境進行了數字模擬??梢詼蚀_地、定量地預測一定的晶體生長參數下,晶體生長過程的熱量甚至是物質的連續輸運方程,建立合適大尺寸氟化鈣晶體生長的溫場環境。 

         通過原料提純和預處理工藝,提高了氟化鈣原料純度。并采用改進的布里奇曼生長技術,利用真空石墨坩堝下降爐作為主要生長設備,通過優化生長工藝成功地實現了直徑達到300mm 氟化鈣單晶的生長。所生長的氟化鈣單晶的透光范圍為0.13~10μm,且在248nm光學透過率不高于88%(2mm 厚晶體);應力雙折射低于10nm/cm;光學均勻性達到6×10-6以上。 

         近年來,由于氟化鈣(CaF2)晶體在深紫外準分子激光(Deep Ultraviolet)光刻方面具有潛在的應用前景而倍受人們的關注。這主要是由于作為光刻機關鍵光學元件的石英玻璃在波長小于200nm時透過率急劇下降,且在紫外光輻照下會形成色心及折射率發生變化,從而降低光效及破壞產品。 氟

        化鈣晶體是一種重要的光學材料,具有立方對稱性晶格,熱機性能良好。物化性能穩定,不潮解,抗輻照損傷能力強,透光范圍寬,在130nm 到10μm 的波長范圍內透光性能良好,應力雙折射低(在200nm 以上無明顯本征雙折射),及折射率均勻高。在自然界氟化鈣以螢石礦形式存在,因此,氟化鈣早已引起人們的關注,甚至在第一次世界大戰前后,就被用于制造顯微鏡和照相機鏡頭。隨著真空坩堝下降法(Bridgman-Stockbarger)的采用,加之生長和加工技術的成熟和完善,大尺寸氟化鈣晶體成為可批量生產的產品。其應用范圍變得更加廣泛,如光譜分光系統、高級攝象機、望遠鏡及其他光學儀器中的棱鏡、透鏡和窗口等;摻雜的氟化鈣還可以用做γ射線閃爍體,應用于高能物理、核物理研究。 

         國際上,以肖特(SCHOTT)、康寧(CORNING)和貝克朗(BICRON)為代表的德國和美國公司在氟化鈣晶體研制和產業化水平上處于領先地位,肖特公司已經成功地生長出直徑達到350mm 的氟化鈣單晶[1]。在國內,從事氟化鈣研發、生產的單位主要有北京玻璃研究院、北京人工晶體研究所、中科院長春精密光學機械研究所和上海硅酸鹽研究所等單位。所生長的氟化鈣晶體直徑可以達到200mm,但是晶體光學質量和單晶獲得率還有待進一步提高。 針對紫外光學系統,特別是大功率準分子激光系統的特殊需求,研制大截面、高質量氟化鈣單晶材料已成為當務之急。在研究過程中發現大尺寸氟化鈣單晶地生長需要重點解決生長爐及溫場設計、原料提純和生長工藝優化三大關鍵難題。 在大尺寸氟化鈣單晶的生長研究中晶體生長參數的選擇尤其重要,晶體生長參數是指那些可以直接調控的設置,例如加熱器功率、坩堝下降速率或降溫速率、坩堝幾何形狀、晶體/坩堝轉動速率、氣流、磁場等。這些參數的組合即形成晶體生長的外部環境。如何形成所期待的晶體生長環境是生長過程模型需要解決的問題。通過引進的計算機模擬軟件CrysVUN 對大尺寸氟化鈣晶體的生長環境進行了數字模擬??梢詼蚀_地、定量地預測一定的晶體生長參數下,晶體生長過程的熱量甚至是物質的連續輸運方程,建立合適大尺寸氟化鈣晶體生長的溫場環境。 通過原料提純和預處理工藝,提高了氟化鈣原料純度。并采用改進的布里奇曼生長技術,利用真空石墨坩堝下降爐作為主要生長設備,通過優化生長工藝成功地實現了直徑達到300mm 氟化鈣單晶的生長。所生長的氟化鈣單晶的透光范圍為0.13~10μm,且在248nm光學透過率不高于88%(2mm 厚晶體);應力雙折射低于10nm/cm;光學均勻性達到6×10-6以上。

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