直徑300mm氟化鈣單晶的生長
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(guān)注。這主要是由于作為光刻機關(guān)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(fā)生變化,從而降低光效及破壞產(chǎn)品。
（圖源網(wǎng)絡，侵刪）
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(wěn)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(nèi)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(guān)注，甚至在第一次世界大戰(zhàn)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(shù)的成熟和完善，大尺寸氟化鈣晶體成為可批量生產(chǎn)的產(chǎn)品。其應用范圍變得更加廣泛，如光譜分光系統(tǒng)、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(chǎn)業(yè)化水平上處于領先地位，肖特公司已經(jīng)成功地生長出直徑達到350mm 的氟化鈣單晶[1]。在國內(nèi)，從事氟化鈣研發(fā)、生產(chǎn)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(zhì)量和單晶獲得率還有待進一步提高。
針對紫外光學系統(tǒng)，特別是大功率準分子激光系統(tǒng)的特殊需求，研制大截面、高質(zhì)量氟化鈣單晶材料已成為當務之急。在研究過程中發(fā)現(xiàn)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(yōu)化三大關(guān)鍵難題。
在大尺寸氟化鈣單晶的生長研究中晶體生長參數(shù)的選擇尤其重要，晶體生長參數(shù)是指那些可以直接調(diào)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(zhuǎn)動速率、氣流、磁場等。這些參數(shù)的組合即形成晶體生長的外部環(huán)境。如何形成所期待的晶體生長環(huán)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(huán)境進行了數(shù)字模擬。可以準確地、定量地預測一定的晶體生長參數(shù)下，晶體生長過程的熱量甚至是物質(zhì)的連續(xù)輸運方程，建立合適大尺寸氟化鈣晶體生長的溫場環(huán)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(shù)，利用真空石墨坩堝下降爐作為主要生長設備，通過優(yōu)化生長工藝成功地實現(xiàn)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(guān)注。這主要是由于作為光刻機關(guān)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(fā)生變化,從而降低光效及破壞產(chǎn)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(wěn)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(nèi)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(guān)注，甚至在第一次世界大戰(zhàn)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(shù)的成熟和完善，大尺寸氟化鈣晶體成為可批量生產(chǎn)的產(chǎn)品。其應用范圍變得更加廣泛，如光譜分光系統(tǒng)、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(chǎn)業(yè)化水平上處于領先地位，肖特公司已經(jīng)成功地生長出直徑達到350mm 的氟化鈣單晶[1]。在國內(nèi)，從事氟化鈣研發(fā)、生產(chǎn)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(zhì)量和單晶獲得率還有待進一步提高。
針對紫外光學系統(tǒng)，特別是大功率準分子激光系統(tǒng)的特殊需求，研制大截面、高質(zhì)量氟化鈣單晶材料已成為當務之急。在研究過程中發(fā)現(xiàn)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(yōu)化三大關(guān)鍵難題。
在大尺寸氟化鈣單晶的生長研究中晶體生長參數(shù)的選擇尤其重要，晶體生長參數(shù)是指那些可以直接調(diào)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(zhuǎn)動速率、氣流、磁場等。這些參數(shù)的組合即形成晶體生長的外部環(huán)境。如何形成所期待的晶體生長環(huán)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(huán)境進行了數(shù)字模擬?？梢詼蚀_地、定量地預測一定的晶體生長參數(shù)下，晶體生長過程的熱量甚至是物質(zhì)的連續(xù)輸運方程，建立合適大尺寸氟化鈣晶體生長的溫場環(huán)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(shù)，利用真空石墨坩堝下降爐作為主要生長設備，通過優(yōu)化生長工藝成功地實現(xiàn)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。