一種藍(lán)寶石單晶的生長(zhǎng)方法
【技術(shù)領(lǐng)域】
[0001]本發(fā)明涉及一種藍(lán)寶石單晶的生長(zhǎng)方法，屬于晶體生長(zhǎng)技術(shù)領(lǐng)域。
【背景技術(shù)】
[0002]藍(lán)寶石又稱白寶石，是一種簡(jiǎn)單配位型氧化物晶體，它具有強(qiáng)度、硬度高，耐高溫、耐磨擦、耐腐蝕能力強(qiáng)，化學(xué)性質(zhì)穩(wěn)定等特點(diǎn)，一般不溶于水，不受酸堿腐蝕，因此藍(lán)寶石通常用于制作耐磨軸承等需要強(qiáng)度以及耐磨性能的部件。另外藍(lán)寶石在可見(jiàn)光和紅外波段具有優(yōu)良的透過(guò)性能，而且其透過(guò)性能雖溫度變化不大，因此藍(lán)寶石單晶可被廣泛的應(yīng)用于飛機(jī)窗口，導(dǎo)彈窗口，高溫觀察窗口等一些需要可見(jiàn)以及紅外透過(guò)性，同時(shí)兼具高溫機(jī)械強(qiáng)度的場(chǎng)合。藍(lán)寶石具有六方的晶體結(jié)構(gòu)，與GaN的晶型結(jié)構(gòu)類似，可以作為L(zhǎng)ED行業(yè)制備GaN外延層的襯底材料。目前，藍(lán)寶石單晶生長(zhǎng)過(guò)程中，很容易出現(xiàn)氣泡和色心等缺陷設(shè)計(jì)，而且容易出現(xiàn)偏心生長(zhǎng)，導(dǎo)致晶體質(zhì)量較差。

【發(fā)明內(nèi)容】

[0003]針對(duì)上述問(wèn)題，本發(fā)明提出了一種藍(lán)寶石單晶生產(chǎn)方法，采用本發(fā)明有效減少了晶體中可能出現(xiàn)的氣泡和色心等缺陷，并且有效避免了晶體的偏心生長(zhǎng)。
[0004]本發(fā)明所述的藍(lán)寶石單晶的生長(zhǎng)方法，通過(guò)如下生長(zhǎng)藍(lán)寶石的裝置實(shí)現(xiàn):
[0005]該裝置包括爐體，爐體從外至內(nèi)依次設(shè)有爐壁、鎢鉬保溫層、氧化鋯保溫層和坩禍；爐體上部設(shè)有上蓋，上蓋上設(shè)有觀察孔；爐壁上設(shè)有進(jìn)水口和出水口 ；
[0006]生長(zhǎng)藍(lán)寶石單晶的具體步驟為:
[0007](I)預(yù)熔化將目標(biāo)重量的高純氧化鋁原料置于冷坩禍中，采用石墨電極棒打火引熔，然后取出石墨電極棒，開(kāi)啟自動(dòng)行進(jìn)電機(jī)，使冷坩禍中的高純氧化鋁原料順序通過(guò)感應(yīng)線圈，依次實(shí)現(xiàn)熔化和凝固的過(guò)程，待所有高純氧化鋁原料都熔化凝固以后取出，得到預(yù)熔化料，備用；
[0008](2)裝料將制得的預(yù)熔化料中加入高純氧化鋁原料至目標(biāo)重量，一起放入生長(zhǎng)爐內(nèi)的坩禍中備用；
[0009](3)抽真空化料將生長(zhǎng)爐內(nèi)的坩禍抽真空，加熱將原料熔化，保溫，并調(diào)節(jié)原料液流從四周流向坩禍的中心；
[0010](4)引晶緩慢降下籽晶，直到與溶液接觸，開(kāi)啟籽晶旋轉(zhuǎn)，采用提拉法的拉晶工藝進(jìn)行引晶操作，使結(jié)晶中心與熔體中心重合，晶體開(kāi)始均勻外擴(kuò)生長(zhǎng)；
[0011](5)放肩將引晶后的晶體進(jìn)彳丁放肩；
[0012](6)等徑生長(zhǎng)晶體放肩至預(yù)定重量之后，進(jìn)行等徑生長(zhǎng)；
[0013](7)降溫待晶體生長(zhǎng)至目標(biāo)重量后，逐步調(diào)節(jié)電壓至0V，通氬氣冷卻晶體。
[0014]首先，為了避免單晶生長(zhǎng)過(guò)程中原料純度不高等問(wèn)題，本發(fā)明對(duì)原料進(jìn)行預(yù)熔化。原料原來(lái)呈顆粒狀，粒徑大約為2-5mm左右，在裝料過(guò)程中由于空隙，導(dǎo)致其裝填的量比理論值小很多。本發(fā)明采用預(yù)熔化的方法，將氧化鋁原料熔化以后再凝固，比采用加壓或者燒結(jié)的方法得到的原料密度會(huì)更高，減小了原料的比表面積，而且預(yù)熔化的過(guò)程也是一個(gè)對(duì)原料純化的過(guò)程，有些雜質(zhì)在預(yù)熔化的過(guò)程中揮發(fā)跑掉，從而有效減少了原料中吸附的氣體和雜質(zhì)等物質(zhì)。預(yù)熔化電壓為lOkv，冷坩禍通過(guò)感應(yīng)線圈的移動(dòng)速度恒定在20mm/h，熔體溫度為2050-2300 °C。
[0015]在氧化鋁的預(yù)熔化過(guò)程中，由于操作的不精確性以及部分雜質(zhì)氣體揮發(fā)，會(huì)有部分質(zhì)量損耗，從而與產(chǎn)物的目標(biāo)重量有所差別，因此，將預(yù)熔化料放入生長(zhǎng)爐內(nèi)的坩禍中時(shí)，需要補(bǔ)加高純氧化鋁原料至目標(biāo)重量。
[0016]將制得的預(yù)熔化料和高純氧化鋁粉料一起放入生長(zhǎng)爐內(nèi)的坩禍中后，抽真空，由于真空度過(guò)大將會(huì)導(dǎo)致溫場(chǎng)的不穩(wěn)定，生長(zhǎng)出來(lái)的晶體中會(huì)出現(xiàn)缺陷，而且會(huì)導(dǎo)致溫場(chǎng)組件的壽命縮短，因此要控制真空度小于10_2Pa。加熱至2050-2100°C將所有原料熔化后，保溫4-6h，并調(diào)節(jié)原料液流從四周流向坩禍的中心。具體的調(diào)節(jié)過(guò)程為:從爐體上蓋的觀察孔觀察液流的方向，通過(guò)控制爐壁進(jìn)水口的冷卻水進(jìn)水流量以及監(jiān)控出水口的出水溫度，使從觀察孔觀察到的液流都流向中心。經(jīng)過(guò)多次的實(shí)驗(yàn)，工藝過(guò)程中冷卻水進(jìn)水溫度穩(wěn)定在25±1°C，出水溫度控制在30-35°C，才能產(chǎn)生符合晶體生長(zhǎng)的最佳的溫度場(chǎng)，水溫過(guò)大或者過(guò)小都會(huì)導(dǎo)致生長(zhǎng)出的晶體中產(chǎn)生各種各樣的缺陷。
[0017]待所有的液流從四周流向坩禍的中心后，使籽晶以l-5mm/min的速度緩慢下降到液面與溶液接觸，消除熱應(yīng)力，下降速度太大會(huì)導(dǎo)致籽晶由于熱應(yīng)力破裂或者籽晶積存熱應(yīng)力，太小將會(huì)導(dǎo)致晶體生長(zhǎng)時(shí)間的延長(zhǎng)，成本提高。引晶過(guò)程中，采用提拉法拉晶工藝，籽晶旋轉(zhuǎn)速度I轉(zhuǎn)/分鐘，旋轉(zhuǎn)速度過(guò)大會(huì)導(dǎo)致晶體生長(zhǎng)太慢或者停止生長(zhǎng)甚至生長(zhǎng)出來(lái)的晶體熔化，太小會(huì)導(dǎo)致晶體生長(zhǎng)時(shí)間延長(zhǎng)。
[0018]放肩過(guò)程中籽晶旋轉(zhuǎn)速度0.5-2轉(zhuǎn)/分鐘，提拉速度0.l-2mm/h，電壓下降速度為l-15mVo提拉速度和電壓下降速度兩者是匹配的，提拉速度大的時(shí)候電壓下降速度也要大。太大的提拉速度和電壓下降速度會(huì)導(dǎo)致晶體產(chǎn)生大量的缺陷，嚴(yán)重的情況甚至出現(xiàn)晶體的破裂。而太小的速度將會(huì)導(dǎo)致生長(zhǎng)過(guò)程過(guò)于緩慢，是不經(jīng)濟(jì)的。
[0019]當(dāng)晶體放肩至預(yù)定重量之后，進(jìn)行等徑生長(zhǎng)。等徑生長(zhǎng)過(guò)程中，控制晶體旋轉(zhuǎn)速度0.1-1轉(zhuǎn)/分鐘，提拉籽晶桿速度0.l-2mm/h，以l_5mV/min的速度降低加熱功率，使單晶體逐步生長(zhǎng)。待晶體生長(zhǎng)至目標(biāo)重量后，逐步調(diào)節(jié)電壓至0V，通氬氣冷卻晶體。逐步調(diào)節(jié)電壓的過(guò)程為首先設(shè)定電壓下降速率為50-80mV/h，運(yùn)行24h后，再次調(diào)節(jié)電壓下降的速度為200-300mV/h至電壓降到0V。待電壓下降至0V48h后，再通氬氣冷卻晶體。為了保證最終得到的晶體符合預(yù)期目標(biāo)重量，晶體放肩后的預(yù)定重量與目標(biāo)重量的重量比為1:5-8。
[0020]另外，藍(lán)寶石晶體生長(zhǎng)容易發(fā)生偏心的另外一個(gè)重要原因是溫場(chǎng)組件在使用過(guò)程中容易造成變形，而本發(fā)明采用的生長(zhǎng)藍(lán)寶石的裝置中設(shè)有氧化鋯的保溫層，所述的氧化鋯的保溫層純度很高，而且具有相當(dāng)高的高溫強(qiáng)度，在高溫下燒蝕也不容易產(chǎn)生變形，從而保證了溫場(chǎng)形狀的穩(wěn)定性，從溫場(chǎng)的硬件條件上保證了晶體生長(zhǎng)的均勻性。
[0021]綜上所述，本發(fā)明在原料在使用之前經(jīng)過(guò)預(yù)熔化過(guò)程，提高了原料的純度和密度，減少了晶體中可能出現(xiàn)的氣泡和色心等缺陷，并且通過(guò)對(duì)不同部位冷卻水的調(diào)整以及對(duì)引晶過(guò)程中的調(diào)整，將冷心位置與晶體結(jié)晶位置重合，從而生長(zhǎng)出均勻，缺陷較低的晶體。另夕卜，本發(fā)明所述的晶體生長(zhǎng)過(guò)程在特定的裝置中進(jìn)行，從硬件條件上保證了晶體生長(zhǎng)的均勻性。
【附圖說(shuō)明】
[0022]圖1為本發(fā)明所述裝置的主視圖；
[0023]圖中:1為爐壁，2為鎢鉬保溫層，3為氧化鋯保溫層，4為坩禍，5為上蓋，6為觀察孔，7為加熱器，8為進(jìn)水口，9為出水口，10為樹禍底托。
【具體實(shí)施方式】
[0024]實(shí)施例1
[0025]一種藍(lán)寶石單晶的生長(zhǎng)方法，通過(guò)如下生長(zhǎng)藍(lán)寶石的裝置實(shí)現(xiàn):
[0026]該裝置包括爐體，爐體從外至內(nèi)依次設(shè)有爐壁、鎢鉬保溫層、氧化鋯保溫層和坩禍；爐體上部設(shè)有上蓋，上蓋上設(shè)有觀察孔；爐壁上設(shè)有進(jìn)水口和出水口 ；
[0027]生長(zhǎng)藍(lán)寶石單晶的具體步驟為:
[0028](I)預(yù)熔化將目標(biāo)重量的高純氧化鋁原料置于冷坩禍中，采用石墨電極棒打火引熔，然后取出石墨電極棒，開(kāi)啟自動(dòng)行進(jìn)電機(jī)，使冷坩禍中的高純氧化鋁原料順序通過(guò)感應(yīng)線圈，依次實(shí)現(xiàn)熔化和凝固的過(guò)程，待所有高純氧化鋁原料都熔化凝固以后取出，得到預(yù)熔化料，備用；預(yù)熔化電壓為10kv，冷坩禍通過(guò)感應(yīng)線圈的移動(dòng)速度恒定在20mm/h，熔體溫度為 2050 0C ；