一种氟化钙晶体生长原料的提纯处理设备及方法与流程

本申请涉及材料提纯，尤其是涉及一种氟化钙晶体生长原料的提纯处理设备及方法。

背景技术：

1、氟化钙是一种无机化合物，呈无色结晶状或白色粉末状，难溶于水，微溶于无机酸。不同纯度的氟化钙原料生产的晶体成品的功能不同，因此从综合效益的角度，再结合不同客户的需求，对氟化钙原料和产品进行对应分级是必要的。其中，紫外级氟化钙晶体具有极高的紫外透过率、高的激光损伤阈值、低的双折射率和高的折射率均匀性，可应用于157nm及193nm激光光刻系统，是目前光刻实现国产替代的必需材料。

2、由于生长紫外级氟化钙晶体的高纯原料价格昂贵，因此将购买的较低纯度的原料进行批量提纯后再投入紫外级氟化钙生产是最为合适的。现有技术中，氟化钙原料提纯方法主要是坩埚下降法（bs法），坩埚下降法（bs）的装置包括炉体、坩埚、升降杆、位移传感器、降速控制器、加热器和保温层，坩埚通过升降杆沿炉体向下滑动，位移传感器用于判断坩埚下降的位置，降速控制器用于控制坩埚下降的速度。该方法的工艺过程为：将原料放置在封闭的坩埚中，添加除氧剂—氟化铅（pbf2），抽高真空后熔料；然后设置好坩埚下降速率以及加热器功率曲线，原料熔体会从坩埚底部开始结晶，随着坩埚纵向持续移动，坩埚内熔体原料最终会全部结晶。

3、但是在上述提纯过程中，熔体会先在坩埚底部结晶，晶体直接与坩埚底部接触容易寄生成核，随着坩埚向下持续移动，晶坨内部会有大量的多晶和缺陷，导致单晶率较低；而且，坩埚中的熔体会处在复杂的对流环境中，析出的杂质离子需要反重力方向传输到熔体上部，受到对流的影响较为严重。总之，多晶的固-液界面状况各不相同，大量的缺陷也会包裹一部分杂质，再加上对流对溶质传输的影响，会造成各处排杂步调不一致，降低氟化钙原料的提纯效果。

技术实现思路

1、为解决氟化钙原料提纯单晶率低及效果差的问题，本申请提供一种氟化钙晶体生长原料的提纯处理设备及方法，使氟化钙原料处于开放的环境中，熔体结晶的过程沿水平方向均匀的从一侧向另一侧推进，使熔区内温度梯度很小且均匀，溶质传输在水平方向进行时，受到重力产生的影响较小，析出的杂质聚集于晶体一端的表面上，避免杂质零散的附着在晶体每个表面上，使排杂步调更一致，提高单晶率。同时，减少原料结晶时产生的可以包裹杂质的气泡等缺陷，有效提高氟化钙原料的提纯效果。

2、第一方面，本申请提供一种氟化钙晶体生长原料的提纯处理设备，其设备包括水冷炉体、用于调节炉体内部气氛的真空系统和充气管路，炉体内设置有坩埚、套筒、加热器和保温层，坩埚上端呈开口状，且与套筒为间隙配合，保温层位于套筒外，且与套筒的外壁之间留有通道，加热器水平滑动设置于通道中。

3、通过采用上述技术方案，在提纯氟化钙原料时，原料置于坩埚内，将坩埚的位置固定，使加热器沿水平方向滑动加热氟化钙原料，有助于减小坩埚处的机械振动。而宽度较小的加热器沿水平方向移动，可以保证相对较小的熔区内有足够小的温度梯度，使熔体传输基本依靠水平方向的浓度差，结晶过程也不再是自下而上，而是均匀的从一侧向另一侧推进，熔融至结晶后的均匀性更高，使氟化钙原料提纯的稳定性和效率更高。

4、进一步地，上述加热器为石墨电阻加热环或陶瓷加热环，加热器沿套筒的周向绕设一周，加热器水平方向上的宽度与套筒的长度之比为（0.5-1.5）:5。

5、通过采用上述技术方案，加热器优选为石墨电阻加热环，石墨电阻加热环环绕套筒一周且均匀分布，可使坩埚内熔化原料的位置处的温度相对均匀的分布，有助于晶体稳定析出。

6、进一步地，上述坩埚的两侧向外倾斜，坩埚的底壁呈水平状。

7、通过采用上述技术方案，坩埚为开放斜口结构，有利于充入炉体内的气体从原料四周的空隙进入原料中部，使气流能充分进入到原料各个位置，即气体与原料充分接触反应。原料中反应挥发出的各种杂质会被充入的气体流动带走，不会再度进入原料中。此外，斜埚口的设计相较于锥形圆筒状坩埚更有利于放取原料。

8、进一步地，上述加热器通过传动装置进行水平滑动，传动装置包括传动杆和驱动设备，传动杆固定于加热器上，驱动设备位于炉体外，驱动设备通过传动杆驱动加热器水平滑动。

9、通过采用上述技术，可实现在炉体外控制加热器沿水平方向滑动，操作更简便、效率更高。

10、进一步地，上述传动杆与炉体的连接处设有密封圈。

11、进一步地，上述坩埚和套筒的材质为石墨，石墨的灰分a＜20ppm。

12、第二方面，本申请还提供一种氟化钙晶体生长原料的提纯处理方法，其利用上述任一项设备，方法包括：

13、将原料置于坩埚内，加入除氧剂，抽真空后在炉体内依次充入惰性气体和含氟反应气；

14、将加热器移动至坩埚的第一端，加热坩埚内的原料，加热器对应的坩埚内的区域为熔区；

15、待熔区内的原料熔化后，将加热器向坩埚的第二端匀速移动，当加热器经过时，坩埚对应熔区内的原料加热呈熔体状，当加热器经过后，呈熔体状的原料重新凝固成结晶状，原料中平衡分凝系数k0＜1的杂质依次从坩埚内的结晶侧向熔体侧迁移，最终富集于坩埚的第二端，得到一端带有杂质表层的初纯原料；

16、去除初纯原料的杂质表层，得到用于氟化钙晶体生长的高纯原料。

17、进一步地，上述含氟反应气为四氟化碳或三氟甲烷。

18、进一步地，上述加热器向坩埚的第二端匀速移动的速率为0.5-2.5mm/hr。

19、进一步地，上述除氧剂为氟化锌，氟化锌占原料重量的0.02-0.07wt％。

20、氟化锌作为氟化钙单晶的除氧剂在透过波长不小于157nm时，其比氟化铅的效果更优异。

21、综上所述，本申请包括以下至少一种有益技术效果：

22、本申请将坩埚固定于套筒内，通过沿水平方向移动加热器，使氟化钙原料在水平区域内熔融，熔区截面窄且为扁平状，使原料受热更加均匀。没有复杂的熔体对流，溶质传输基本依靠水平方向的浓度差，结晶过程也不再是自下而上，而是均匀的从一侧向另一侧推进，有效避免晶坨内部出现大量的多晶和缺陷，提高单晶率。氟化钙原料熔融至结晶后的均匀性更高，这就使得提纯的稳定性和效率更高，提纯效果更佳；

23、本申请设计坩埚为开放结构，含氟反应气与原料能够充分接触反应，原料中反应挥发出来的各种杂质会被填充的气体流动带走，不会再度进入原料中，提高氟化钙原料的纯度。

技术特征：

1.一种氟化钙晶体生长原料的提纯处理设备，其特征在于：所述设备包括水冷炉体、用于调节所述炉体内部气氛的真空系统和充气管路，所述炉体内设置有坩埚、套筒、加热器和保温层，所述坩埚上端呈开口状，且与所述套筒为间隙配合，所述保温层位于所述套筒外，且与所述套筒的外壁之间留有通道，所述加热器水平滑动设置于所述通道中。

2.根据权利要求1所述的氟化钙晶体生长原料的提纯处理设备，其特征在于：所述加热器为石墨电阻加热环或陶瓷加热环，所述加热器沿所述套筒的周向绕设一周，所述加热器水平方向上的宽度与所述套筒的长度之比为（0.5-1.5）:5。

3.根据权利要求1所述的氟化钙晶体生长原料的提纯处理设备，其特征在于：所述坩埚的两侧向外倾斜，所述坩埚的底壁呈水平状。

4.根据权利要求2所述的氟化钙晶体生长原料的提纯处理设备，其特征在于：所述加热器通过传动装置进行水平滑动，所述传动装置包括传动杆和驱动设备，所述传动杆固定于所述加热器上，所述驱动设备位于所述炉体外，所述驱动设备通过所述传动杆驱动所述加热器水平滑动。

5.根据权利要求4所述的氟化钙晶体生长原料的提纯处理设备，其特征在于：所述传动杆与所述炉体的连接处设有密封圈。

6.根据权利要求1-5任一项所述的氟化钙晶体生长原料的提纯处理设备，其特征在于：所述坩埚和所述套筒的材质为石墨，所述石墨的灰分a＜20ppm。

7.一种氟化钙晶体生长原料的提纯处理方法，其特征在于：利用如权利要求1-6任一项所述设备，所述方法包括：

8.根据权利要求7所述的氟化钙晶体生长原料的提纯处理方法，其特征在于：所述含氟反应气为四氟化碳或三氟甲烷。

9.根据权利要求7所述的氟化钙晶体生长原料的提纯处理方法，其特征在于：所述加热器向所述坩埚的第二端匀速移动的速率为0.5-2.5mm/hr。

10.根据权利要求7所述的氟化钙晶体生长原料的提纯处理方法，其特征在于：所述除氧剂为氟化锌，所述氟化锌占所述原料重量的0.02-0.07wt％。

技术总结
本申请涉及一种氟化钙晶体生长原料的提纯处理设备及方法，涉及材料提纯技术领域，设备包括水冷炉体和用于调节炉体内部气氛的真空系统及充气管路，炉体内设置有坩埚、套筒、加热器和保温层，坩埚上端呈开口状，且与套筒为间隙配合，保温层位于套筒外，且与套筒的外壁之间留有通道，加热器水平滑动设置于通道中。本申请将坩埚固定于套筒内，通过沿水平方向移动加热器，使氟化钙原料在水平区域进行熔融，没有复杂的熔体对流，溶质传输基本依靠水平方向的浓度差，结晶过程是均匀的从一侧向另一侧推进，有效避免晶坨内部出现大量的多晶和缺陷，提高单晶率，增强提纯效果。

技术研发人员：洪冬梅,刘多,沈秀峰
受保护的技术使用者：北京奇峰蓝达光学科技发展有限公司
技术研发日：
技术公布日：2024/1/15