一種快速制備大尺寸藍(lán)寶石晶體改良泡生法
【技術(shù)領(lǐng)域】
[0001]本發(fā)明屬于晶體生長(zhǎng)技術(shù)領(lǐng)域，涉及一種藍(lán)寶石晶體生長(zhǎng)方法，尤其涉及一種通過對(duì)傳統(tǒng)泡生法工藝的改進(jìn)，縮短長(zhǎng)晶周期，降低能耗，使得80公斤級(jí)以上藍(lán)寶石晶體生長(zhǎng)周期縮短到13-15天左右的快速制備大尺寸藍(lán)寶石晶體改良泡生法。
[0002]
【背景技術(shù)】
[0003]藍(lán)寶石具有熔點(diǎn)高(2050°C)、硬度大(莫氏硬度9級(jí)，僅次于金剛石)以及優(yōu)良的光學(xué)和物化特性，因而被廣泛的應(yīng)用于紅外軍事裝置、衛(wèi)星空間技術(shù)、高強(qiáng)度激光的窗口材料。其獨(dú)特的晶格結(jié)構(gòu)、優(yōu)異的力學(xué)性能、良好的熱學(xué)性能使藍(lán)寶石晶體成為實(shí)際應(yīng)用的半導(dǎo)GaN/A1203發(fā)光二極管(LED)，大規(guī)模集成電路SOI和SOS及超導(dǎo)納米結(jié)構(gòu)薄膜等最為理想的襯底材料。藍(lán)寶石使用范圍較廣，可作為傳感器(溫度、壓力、流量、濕度、氣體成分等)敏感元件的襯底；可作為微電子、光電子器件的外延基片；藍(lán)寶石可以做成不同尺寸和型面的光電窗口和整流罩，用于航空、航天等各類裝備中；可應(yīng)用于高端手表表面、手機(jī)屏幕及便攜式電子設(shè)備屏幕等；還可以作為各種耐壓、耐磨件、軸承、密封件等用于各種精密裝備中。
[0004]目前國(guó)際上主流的藍(lán)寶石晶體生長(zhǎng)工藝是泡生法、提拉法、導(dǎo)模法以及熱交換法，而泡生法工藝生長(zhǎng)的藍(lán)寶石晶體約占目前市場(chǎng)的70%，是目前公認(rèn)的最適合大規(guī)模工業(yè)化生產(chǎn)的一種方法。但是，該方法目前生長(zhǎng)80公斤級(jí)藍(lán)寶石晶體生長(zhǎng)周期在20天以上，能耗成本極高，且工藝方法不穩(wěn)定，長(zhǎng)晶過程對(duì)技術(shù)人員的技術(shù)依賴度很大，極大的限制了該方法的進(jìn)一步推廣應(yīng)用。
[0005]中國(guó)專利公布號(hào)CN 102212871 A，公布日2011年10月12日，名稱為藍(lán)寶石晶體的生長(zhǎng)方法及藍(lán)寶石晶體生長(zhǎng)用的長(zhǎng)晶爐結(jié)構(gòu)，該申請(qǐng)案公開了一種藍(lán)寶石晶體的生長(zhǎng)方法及藍(lán)寶石晶體生長(zhǎng)用的長(zhǎng)晶爐結(jié)構(gòu)，包括如下步驟:a、將40-60%的氧化鋁晶體、20-30%的氧化鋁晶塊及10-30%的氧化鋁晶粒按照重量百分比均勻混合后放入坩堝中；b、將具有氧化鋁晶體的坩堝放入長(zhǎng)晶爐中并抽真空，將長(zhǎng)晶爐的溫度加熱至2200°C ;c、坩堝中的氧化鋁晶體加熱至熔融狀態(tài)時(shí)，使坩堝的溫度降至2150-2200°C間；并當(dāng)坩堝中出現(xiàn)固-液界面時(shí)，開始引晶；d、使坩堝的溫度降至1900-2100°C，以便長(zhǎng)晶；e、對(duì)長(zhǎng)晶爐保溫；f、對(duì)長(zhǎng)晶爐進(jìn)行退火，使長(zhǎng)晶爐的溫度由2000°C逐漸將至1000°C ;g、長(zhǎng)晶爐的溫度逐漸將至常溫；h、對(duì)長(zhǎng)晶爐內(nèi)以氬氣破真空，開啟長(zhǎng)晶爐并取出藍(lán)寶石晶體。其不足之處在于，制得的藍(lán)寶石晶體生長(zhǎng)過程耗時(shí)長(zhǎng)，能耗多。
[0006]

【發(fā)明內(nèi)容】

[0007]本發(fā)明的目的在于為了解決現(xiàn)有泡生法制備藍(lán)寶石晶體耗時(shí)長(zhǎng)、能耗多的缺陷而提供一種通過對(duì)傳統(tǒng)泡生法工藝的改進(jìn)，縮短長(zhǎng)晶周期，降低能耗，使得80公斤級(jí)以上藍(lán)寶石晶體生長(zhǎng)周期縮短到13-15天左右的快速制備大尺寸藍(lán)寶石晶體改良泡生法。
[0008]為了實(shí)現(xiàn)上述目地，本發(fā)明采用以下技術(shù)方案:
一種快速制備大尺寸藍(lán)寶石晶體改良泡生法，包括裝料，加熱升溫、恒溫化料、引晶、放肩、長(zhǎng)晶、收尾、退火開爐，加熱升溫、恒溫化料、引晶、放肩、長(zhǎng)晶、收尾階段，爐內(nèi)真空度保持IXlO-5Pa以下，其中，引晶時(shí)先將籽晶縮頸2-4_，設(shè)定加熱功率以100_300W/h的速率下降，完成長(zhǎng)度在80-1OOmm的引晶晶結(jié)后開始放肩，引晶過程耗時(shí)6-1Oh ;放肩時(shí)控制晶體生長(zhǎng)速度先慢后快，最快生長(zhǎng)速度為350g/h ;放肩晶體重量達(dá)到8-lOKg時(shí)開始等徑生長(zhǎng)，長(zhǎng)晶速度逐漸增加到lKg/h，最后晶體生長(zhǎng)速度為1.05-1.2Kg/h。在本技術(shù)方案中，
本發(fā)明工藝科學(xué)、穩(wěn)定，工藝步驟細(xì)化、量化，晶體生長(zhǎng)過程可控性強(qiáng)，降低了生產(chǎn)過程中對(duì)長(zhǎng)晶師的技術(shù)依賴，易于推廣應(yīng)用實(shí)現(xiàn)產(chǎn)業(yè)化。長(zhǎng)晶過程中保持真空度在I X 1-5Pa以下，爐內(nèi)持續(xù)穩(wěn)定的聞?wù)婵湛梢杂行崧劅釄?chǎng)使用壽命，減少晶體氣泡、晶界的廣生，提聞晶體質(zhì)量。自動(dòng)收尾工藝可以有效避免晶體粘鍋造成晶體開裂，降低籽晶斷裂晶體掉落的風(fēng)險(xiǎn)，保證晶體尾部的質(zhì)量，提高晶體利用率。
[0009]作為優(yōu)選，所述泡生法包括以下步驟:
a)裝料:將80-100公斤純度大于99.995%的高純氧化鋁料裝入長(zhǎng)晶爐內(nèi)，將長(zhǎng)度為13-15mm的定向精度±0.1的籽晶連接好籽晶桿，籽晶位置調(diào)整到裝料面上5-8cm停留，關(guān)閉爐蓋；啟動(dòng)真空系統(tǒng)抽真空，4-5h爐內(nèi)真空度降到I X 1-5Pa后，啟動(dòng)加熱系統(tǒng)，開始升溫；
b)加熱、化料:設(shè)定加熱功率，以200-250°C/h的升溫速率加熱，長(zhǎng)晶爐在9-12h內(nèi)到達(dá)化料功率；待原料開始熔化，加熱功率達(dá)到化料功率后手動(dòng)上升3-5KW功率，l-2h后調(diào)整加熱功率使液面對(duì)流穩(wěn)定后下籽晶，籽晶下降速度為10mm/min，接觸液面后開始引晶；
c)引晶、放肩、長(zhǎng)晶:引晶時(shí)先將籽晶縮頸2-4mm,籽晶桿以0.5-0.7mm/h的速度自動(dòng)提拉，設(shè)定加熱功率以100-300W/h的速率下降，晶體開始生長(zhǎng)后每隔10-30min手動(dòng)向上提拉2-3mm，完成長(zhǎng)度在80_100mm的引晶晶結(jié)后開始放肩，引晶過程耗時(shí)6_10h ;放肩時(shí)籽晶桿自動(dòng)拉速設(shè)為0.2-0.3mm/h，控制晶體生長(zhǎng)速度先慢后快，最快生長(zhǎng)速度為350g/h ;長(zhǎng)晶:放肩晶體重量達(dá)到8-lOKg時(shí)開始等徑生長(zhǎng)，長(zhǎng)晶速度逐漸增加到lKg/h，最后晶體生長(zhǎng)速度為 1.05-1.2Kg/h ；
d)收尾:晶體等徑生長(zhǎng)130-150h后晶體重量接近裝料量,將籽晶桿拉速設(shè)為0.8-lmm/h，功率手動(dòng)增加3-5KW，晶體脫離坩堝晶重穩(wěn)定后關(guān)閉拉速，將功率降到收尾前數(shù)值完成收尾；
e)退火、冷卻、開爐:步驟d)完成后進(jìn)行退火、冷卻、待爐內(nèi)氣壓、溫度與外界相同，關(guān)閉冷卻水，打開爐蓋吊出晶體。在本技術(shù)方案中，長(zhǎng)晶過程中保持真空度在IX 10_5Pa以下，爐內(nèi)持續(xù)穩(wěn)定的聞?wù)婵湛梢杂行崧劅釄?chǎng)使用壽命，減少晶體氣泡、晶界的廣生，提聞晶體質(zhì)量；自動(dòng)收尾工藝可以有效避免晶體粘鍋造成晶體開裂，降低籽晶斷裂晶體掉落的風(fēng)險(xiǎn)，保證晶體尾部的質(zhì)量，提高晶體利用率，
作為優(yōu)選，加熱過程中真空度高于lX10_5Pa時(shí)暫停升溫，恒溫使?fàn)t體內(nèi)真空度恢復(fù)到lX10_5Pa以下后再繼續(xù)升溫。
[0010]作為優(yōu)選，退火分高溫退火階段和低溫退火階段，加熱功率降到20KW為高位退火階段，高溫退火耗時(shí)40h，20KW后為低溫退火階段，低溫退火耗時(shí)40h。
[0011]作為優(yōu)選，退火結(jié)束后自然冷卻，冷卻48h后充入保護(hù)氣體，使?fàn)t內(nèi)壓力恢復(fù)到大氣壓的一半，12h后第二次充入保護(hù)氣體，使?fàn)t內(nèi)壓力恢復(fù)到正常大氣壓，再過12h開爐取晶體。在本技術(shù)方案中，冷卻過程中分兩次充入高純氮?dú)庾鞅Ｗo(hù)氣體能有效保護(hù)熱場(chǎng)，使晶體均勻快速冷卻，減少晶體內(nèi)應(yīng)力。
[0012]作為優(yōu)選，所述保護(hù)氣體為氮?dú)饣蛘邭鍤狻?br>[0013]作為優(yōu)選，恒溫0.5-3h待真空度達(dá)到IX 10_5Pa以下后繼續(xù)升溫。
[0014]作為優(yōu)選,高純度氧化招為塊狀或餅狀,直徑為2_5cm。
[0015]作為優(yōu)選，在降溫過程中所用的冷卻水為軟水。
[0016]本發(fā)明的有益效果是:
1)本發(fā)明縮短80公斤級(jí)以上藍(lán)寶石晶體生長(zhǎng)周期，從傳統(tǒng)泡生法工藝20天以上長(zhǎng)晶周期縮短到13-15天左右，降低能耗，提高設(shè)備使用率；
2)本發(fā)明工藝科學(xué)、穩(wěn)定，工藝步驟細(xì)化、量化，晶體生長(zhǎng)過程可控性強(qiáng)，降低了生產(chǎn)過程中對(duì)長(zhǎng)晶師的技術(shù)依賴，易于推廣應(yīng)用實(shí)現(xiàn)產(chǎn)業(yè)化；
3)長(zhǎng)晶過程中保持真空度在1X105Pa以下，爐內(nèi)持續(xù)穩(wěn)定的聞?wù)婵湛梢杂行崧劅釄?chǎng)使用壽命，減少晶體氣泡、晶界的廣生，提聞晶體質(zhì)量；
4)自動(dòng)收尾工藝可以有效避免晶體粘鍋造成晶體開裂，降低籽晶斷裂晶體掉落的風(fēng)險(xiǎn)，保證晶體尾部的質(zhì)量，提高晶體利用率；
5)冷卻過程中分兩次充入高純氮?dú)庾鞅Ｗo(hù)氣體能有效保護(hù)熱場(chǎng)，使晶體均勻快速冷卻，減少晶體內(nèi)應(yīng)力；
6)本發(fā)明在傳統(tǒng)泡生法生長(zhǎng)藍(lán)寶石工藝上有很大改進(jìn)，具有長(zhǎng)晶周期短、能耗少、晶體缺陷少、掏棒率高等優(yōu)點(diǎn)，適用于80公斤以上的大尺寸藍(lán)寶石晶體產(chǎn)業(yè)化應(yīng)用。
[0017]
【具體實(shí)施方式】
[0018]以下結(jié)合具體實(shí)施例，對(duì)本發(fā)明作進(jìn)一步的解釋:
原料為純度大于99.996%的高純度氧化鋁，高純度氧化鋁為塊狀或餅狀，直徑為2-5cm。在降溫過程中所用的冷卻水為軟水。
[0019]實(shí)施例1
將85公斤高純氧化鋁料裝入坩堝內(nèi)，將長(zhǎng)度為15mm的定向精度+0.1的籽晶連接好籽晶桿，籽晶位置調(diào)整到裝料面上5cm停留，關(guān)閉爐蓋；啟動(dòng)真空系統(tǒng)抽真空，4h后爐內(nèi)真空度降到I X 10_5Pa以下，啟動(dòng)加熱系統(tǒng)，開始升溫，設(shè)定加熱功率，加熱功率以10KW/h的增速加熱，若功率在20KW時(shí)真空度>1X 10_5Pa，暫停功率增速，恒溫3h后爐體內(nèi)真空度恢復(fù)到IXlO-5Pa以下，繼續(xù)開啟功率增速升溫，9h后爐內(nèi)原料開始融化，加熱功率到達(dá)最高化料功率，加熱功率達(dá)到化料功率后手動(dòng)上升3KW功率，使溶液過熱，Ih后降4KW加熱功率，液面對(duì)流穩(wěn)定后下籽晶，籽晶下降速度為10mm/min，接觸液面后開始引晶，引晶時(shí)先將籽晶縮頸4mm,籽晶桿以0.5mm/h的速度自動(dòng)提拉,設(shè)定加熱功率以300W/h的速率下降，晶體開始生長(zhǎng)后每隔30min手動(dòng)向上提拉3 mm,完成長(zhǎng)度在10mm的弓I晶晶結(jié)后開始放肩，將桿晶桿自動(dòng)拉速改為0.2mm/h,晶體開始緩慢生長(zhǎng)，最快生長(zhǎng)速度350g/h，晶