晶体退火装置的制造方法
【专利说明】
[0001]本发明属于晶体生长技术领域，涉及一种在真空条件下CaF2晶体退火的装置，特别适用于直径较大或对晶体应力双折射要求较高的CaF2晶体进行精密退火处理。
【背景技术】
[0002]CaF2晶体是一种综合性能优异的光学材料，在紫外波段和红外波段具有不可替代的应用。由于科研、产业需求的增多，CaF2晶体材料的尺寸越做越大；北玻璃研究院报道了直径300mm的CaF2晶体的研制工作(《人工晶体学报》，第39卷，2010年第4期，第1087-1088页)。
[0003]在晶体生长的过程中，结晶过程是复杂的热力学和质量输运过程；由于径向温度梯度的存在，将导致在结晶过程中残余热应力的存在，具体表现为熔体由液态结晶为固态，率先结晶的部分对随后结晶部分产生拉应力，导致晶体的位错缺陷、晶体晶格畸变，以及宏观变形。当晶体生长完成后，在温度降至室温的过程中，这种残余应力导致的变形过程和缺陷形成过程一直在继续，直至达到热力学的平衡。当平衡后，残余应力的弹性能就贮存在晶格畸变、晶体缺陷、宏观变形当中。
[0004]随着晶体直径的加大，径向温度梯度的不均匀性越大，产生的残余热应力越大。通常在CaF2晶体生长而言，直径50mm以下的晶体生长界面的径向温度梯度比较小，所生长的晶体内部应力较小，可以直接加工使用。当直径大于50mm时，残余热应力将增大。
[0005]热应力的存在将导致晶体的光学性能降低，热应力的存在将导致晶格畸变等缺陷产生，导致晶体的应力双折射变大，影响晶体的光学均匀性，使用中将导致光束畸变，降低镜头的分辨率。
[0006]热应力的存在将导致晶体的机械性能变差。热应力将使晶体抗热冲击性能变差，在遇到外界偶然的热冲击时，将会开裂。
[0007]热应力将使晶体加工特性变差，当平衡后，残余应力的弹性能就贮存在晶格畸变、晶体缺陷、宏观变形当中，当外界条件变化，有释放的需求，切割中晶体内应力的释放会导致晶体开裂，抛光过程中晶体内应力的释放会导致表面会变形。必须通过精密退火的方法来去除晶体内部残余的热应力，以满足使用的需要。
[0008]针对CaF2晶体精密退火方法的创新很多，美国康宁股份有限公司申请的名为“晶体生长和退火方法以及装置”专利(中国专利，公开号:1373820A)提出了在坩埚下面增设辅助发热体的方法来进行精密退火。该方法的核心技术是在晶体退火过程中保持晶体内部具有最小的温度梯度，但是由于该方法采用的是未切割的晶体，由于CaF2晶体导热系数小，如果要保持晶体内最小的温度梯度，那么升温和降温的速率将极为缓慢，效率会非常低；同时由于晶体晶锭的体积很大，CaF2晶体导热系数小，中心和边缘的温度梯度很难控制在理想的范围内，该方法的效果不是很理想。
[0009]美国康宁股份有限公司又在3年后提出了改进的方法，(美国专利，US20050139152A1, US20050109270A1)，该方法对切割后的晶体进行精密退火，其装置的技术特点为通过特定加热方向，使传热方向为晶体最薄的面，但由于其晶体裸露于真空室中，坩埚内的热惰性不好，抗热冲击的性能差；并且由于该方法每一块晶体都需要配有发热体，增加了设备的复杂性，降低了真空室内空间的使用效率，提高了成本。
【发明内容】
[0010]本发明的目的在于克服上述专利技术退火效率低和退火装置抗热冲击差的问题，提出一种大直径CaF2晶体精密退火的装置，该装置采用双发热体，坩埚内填充有热惰性物质，在对CaF2晶体进行精密退火的过程中，不仅可去除晶体内部残余的热应力，而且可以大幅提高退火的效率，主要表现在:①内发热体热量的传递方向为晶体圆盘的法线方向，温度梯度存在于晶体最薄的方向，这样在较高的升温速率下晶体不炸裂，可实现以相对快的速度升温，节省了电能。②一次装炉量比康宁公司申请的美国专利(美国专利，US20050139152A1, US20050109270A1)涉及的方法大得多，一个坩埚内可以退火多块晶体，有效地提高了晶体退火加工总量。
[0011]本发明还可以改善晶体退火的质量:①本方法的装置在坩埚中填充有热惰性材料，保证了在晶体降温过程中有效地抵御热冲击；②本方法的装置在坩埚中晶体上下两侧有导热材料，使降温过程中晶体上、下两个大面的温度保持一致，保证了晶体内温场的均匀性；这两点有效地提高了晶体退火的质量；③由于ZnF2的加入，不仅能够起到退火晶体防止氧化的作用，而且较美国康宁公司申请的美国专利(美国专利，US20050139152A1，US20050109270A1)涉及的气体氟化剂相比，具有对发热体、设备最小的侵蚀作用，延长了发热体和设备的使用寿命。
[0012]本发明装置的工作原理与技术方案:
为了提高晶体退火的效率，改善退火质量，本发明采用了一种可同时退火多块CaF2圆盘状毛坯的装置。该装置采用圆筒状平底石墨坩埚，在圆柱状石墨坩埚内装有数块圆盘状CaF2晶体，CaF2晶体上下两侧用钥丝固定有石墨圆板，石墨圆板的导热性能好，相当于等温面，使退火的晶体直径方向上具有最小的温度差，轴向具有均匀的温度梯度，可有效地提高退火的效果，减小退火晶体的应力双折射，提高晶体的质量。坩埚、晶体和石墨圆板之间填充CaF2多晶颗粒和导热颗粒，两者按照一定的配比混合，CaF2多晶颗粒导热性差，但比热容较大，填充可提高坩埚内的热惰性，提高对可能的热冲击的抵御能力，导热颗粒的导热性好，可获得坩埚内较小的温度梯度，这两者的比例取决于所退火晶体的直径和厚度。填充料中混合有1-4%重量比的ZnF2粉，主要是用来防止退火晶体被氧化，ZnF2粉在退火温度附近可分解成F2和Zn蒸汽，F2可防止所退火晶体被氧化。
[0013]在真空退火炉内设计了双加热系统，内加热系统的发热体位于坩埚上、下两侧，用来升温，温度梯度的方向垂直于晶体圆盘，温度差存在于晶体的轴向，是晶体内导热路径最短的方向，这种设计可提高升温速率，减少电能的消耗；外加热系统的发热体位于内保温层圆柱面的外侧，用来缓慢降温，内保温层、坩埚、坩埚内晶体、填料具有很大的热惰性，在缓慢降温的过程中可抵御外部环境的热冲击。在升温结束后的恒温时间内，逐步完成内、外发热体的切换，内发热体逐渐降低功率，外发热体逐渐加大功率。
[0014]本发明的效果: