專利名稱：一種藍(lán)寶石晶體生長(zhǎng)的改良泡生法的制作方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明涉及一種藍(lán)寶石工業(yè)化生產(chǎn)技術(shù)，具體涉及一種藍(lán)寶石晶體生長(zhǎng)的改良泡生法。
技術(shù)背景
藍(lán)寶石是世界上硬度僅次于金剛石的晶體材料，由于具有優(yōu)良的物理、機(jī)械、化學(xué)及紅外透光性能，一直是微電子、航空航天、軍工等領(lǐng)域急需的材料，尤其是光學(xué)級(jí)大尺寸藍(lán)寶石材料，由于其具有性能穩(wěn)定、市場(chǎng)需求量大、綜合利用率及產(chǎn)品附加值高等特點(diǎn)，成為近年國(guó)內(nèi)外研究開(kāi)發(fā)和產(chǎn)業(yè)化熱點(diǎn)。我國(guó)自2003年開(kāi)始提出“國(guó)家半導(dǎo)體照明工程”計(jì)劃，并在近年內(nèi)已初步形成LED產(chǎn)品的規(guī)模化生產(chǎn)能力，但位于LED產(chǎn)業(yè)鏈最上游的襯底材料，尤其是大尺寸藍(lán)寶石材料，由于技術(shù)門檻極高，一直是該產(chǎn)業(yè)進(jìn)一步發(fā)展的瓶頸。
藍(lán)寶石單晶的制備技術(shù)包括提拉法、焰熔法、坩堝下降法、溫度梯度法、導(dǎo)模法、熱交換法、水平定向凝固法、泡生法等，其中泡生法是目前世界上公認(rèn)的最適合大規(guī)模工業(yè)化生產(chǎn)的一種方法。泡生法雖然可以制備重量大于31kg，甚至是大于85kg的光學(xué)級(jí)大尺寸藍(lán)寶石晶體，但是目前該方法晶體生長(zhǎng)成品率較低，一般只有65%左右，同時(shí)由于普通泡生法制得的藍(lán)寶石晶體頂部晶頸部分缺陷較大而使得藍(lán)寶石晶體前端的熱應(yīng)力較大。
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(kāi)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山、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(kāi)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(kāi)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)寶石晶體頂部晶頸部分缺陷較大而使得藍(lán)寶石晶體前端的熱應(yīng)力較大且原料氧化鋁的利用率不高
發(fā)明內(nèi)容
本發(fā)明的目的在于為了解決現(xiàn)有制得的藍(lán)寶石晶體頂部晶頸部分缺陷較大而使得藍(lán)寶石晶體前端的熱應(yīng)力較大的缺陷且原料氧化鋁的利用率不高而提供一種藍(lán)寶石晶體前端熱應(yīng)力較小、氧化鋁利用率較高的藍(lán)寶石生長(zhǎng)的改良泡生法。
為了實(shí)現(xiàn)上述目的，本發(fā)明采用以下技術(shù)方案一種藍(lán)寶石晶體生長(zhǎng)的改良泡生法，所述改良泡生法包括以下步驟a)準(zhǔn)備原料將堆積態(tài)或塊狀高純度氧化鋁裝入坩堝，將坩堝置于晶體生長(zhǎng)爐內(nèi)；b)爐體抽真空將晶體生長(zhǎng)爐抽真空，真空度IX 10_3pa ；c)爐體加熱采用電加熱，將溫度加熱至2100-2150°C；d)熔接晶種待堆積態(tài)或塊狀高純度氧化鋁熔化成熔液，選用A向或C向或R向的單晶晶種接觸到熔液表面，進(jìn)行引晶；e)晶頸生長(zhǎng)當(dāng)步驟d)的單晶晶種直徑縮小至4-8mm時(shí)，以O(shè).05-4mm/h的速度向上提拉晶種桿并以O(shè). l-2rpm的速度旋轉(zhuǎn)，同時(shí)以O(shè). 5_15°C/h的速率降溫，直至單晶晶種上結(jié)晶的質(zhì)量達(dá)到2-4. 5kg ；f)晶體生長(zhǎng)步驟e)完成后，停止提拉晶種桿與停止旋轉(zhuǎn)，以2-15°C/h的速率降溫， 直至晶體質(zhì)量不再增加；g)分離與退火待步驟f)晶體生長(zhǎng)完成后，以10-15mm/h的速度提拉晶種桿，使得晶體與坩堝分離；在1500-1800°C下開(kāi)始退火，以50-200°C /h的速率降溫至加熱電壓降為零后，通入惰性氣體，直至晶體生長(zhǎng)爐內(nèi)壓強(qiáng)為8\104-1\105 &，然后保溫5-81!；h)取晶步驟g)完成后，打開(kāi)進(jìn)氣閥，等到晶體生長(zhǎng)爐內(nèi)氣壓與大氣壓一樣時(shí)，開(kāi)爐取晶。
在本技術(shù)方案中，泡生法是利用溫度控制來(lái)生長(zhǎng)晶體，它與柴氏拉晶法最大的差異是只拉出晶頸，晶身部分是靠著溫度變化來(lái)生長(zhǎng)，少了拉升及旋轉(zhuǎn)的干擾，比較好控制晶體生長(zhǎng)，并在拉晶頸的同時(shí)，調(diào)整加熱器功率，使熔融的原料達(dá)到最合適的長(zhǎng)晶溫度范圍， 讓生長(zhǎng)速度達(dá)到理想化，因而長(zhǎng)出品質(zhì)理想的藍(lán)寶石單晶。在整個(gè)晶體生長(zhǎng)過(guò)程中，晶體不被提出坩堝，仍處于熱區(qū)。這樣就可以精確控制它的冷卻速度，減小熱應(yīng)力；晶體生長(zhǎng)時(shí)，固液界面處于熔體包圍之中。這樣熔體表面的溫度擾動(dòng)和機(jī)械擾動(dòng)在到達(dá)固液界面以前可被熔體減小以致消除；晶體生長(zhǎng)過(guò)程中若存在晶體的移動(dòng)和轉(zhuǎn)動(dòng)，容易受到機(jī)械振動(dòng)影響，本發(fā)明在晶頸形成后停止與旋轉(zhuǎn)提拉晶種桿，有效的避免了晶體受到機(jī)械振動(dòng)的影響；氧化鋁的利用率更高。
作為優(yōu)選,步驟e)晶頸生長(zhǎng)中，單晶晶種直徑縮小至4-8mm以O(shè). 05-lmm/h的速度向上提拉晶種桿并伴有O. l-2rpm的速度旋轉(zhuǎn)，同時(shí)以O(shè). 5-5°C /h的速度降溫；當(dāng)單晶晶種上結(jié)晶的質(zhì)量達(dá)到O. 1-0. 2kg時(shí)，以O(shè). 5-2mm/h的速度向上提拉晶種桿，以1_10°C /h的速率降溫；當(dāng)單晶晶種上結(jié)晶的質(zhì)量達(dá)到O. 4-0. 8kg時(shí)，以O(shè). 15-3mm/h的速度向上提拉晶種桿，以2-15°C /h的速率降溫；當(dāng)單晶晶種上結(jié)晶的質(zhì)量達(dá)到I. 5-1. 9kg時(shí)，以O(shè). 25-4mm/h 的速度向上提拉晶種桿，以i-io°c /h的速率降溫。
在本技術(shù)方案中，在晶頸生長(zhǎng)中使用不同的提拉速度，使得晶頸部分缺陷減小，減小監(jiān)寶石晶體如端的熱應(yīng)力。
作為優(yōu)選，步驟e)與步驟f)中降溫用的冷卻水的出水溫度為24_26°C。
作為優(yōu)選，步驟g)中使用的惰性氣體為氬氣。在本技術(shù)方案中，使用氬氣較其他惰性氣體成本更低。
作為優(yōu)選，氧化鋁的純度大于等于99. 996%。
作為優(yōu)選，堆積態(tài)的氧化鋁顆粒體密度為3_4g/cm3，堆積密度為2_4g/cm3 ;塊狀的氧化鋁直徑為2-5cm。
本發(fā)明的有益效果是，晶體不被提出坩堝，仍處于熱區(qū)，可以精確控制晶體的冷卻速度，減小熱應(yīng)力；2)晶體生長(zhǎng)時(shí)，固液界面處于熔體包圍之中，這樣熔體表面的溫度擾動(dòng)和機(jī)械擾動(dòng)在到達(dá)固液界面以前可被熔體減小以致消除；3)晶體生長(zhǎng)過(guò)程中若存在晶體的移動(dòng)和轉(zhuǎn)動(dòng)，容易受到機(jī)械振動(dòng)影響，本發(fā)明在晶頸形成后停止與旋轉(zhuǎn)提拉晶種桿，有效的避免了晶體受到機(jī)械振動(dòng)的影響；4)使用相同的氧化鋁原料利用率較高。


圖I是本發(fā)明實(shí)施例I所制備的藍(lán)寶石晶體與對(duì)比例I的晶頸的示意圖。
具體實(shí)施方式
以下結(jié)合具體實(shí)施例對(duì)本發(fā)明做進(jìn)一步的解釋單晶晶種購(gòu)自俄羅斯monocrystal公司。
實(shí)施例I一種藍(lán)寶石晶體生長(zhǎng)的改良泡生法，所述改良泡生法包括以下步驟a)準(zhǔn)備原料將質(zhì)量為20kg、純度為99.996%的堆積態(tài)氧化鋁裝入坩堝，將坩堝置于晶體生長(zhǎng)爐內(nèi)；其中，堆積態(tài)的顆粒體密度為3g/cm3，堆積密度為2g/cm3 ；b)爐體抽真空將晶體生長(zhǎng)爐抽真空，真空度IX10_3pa ；c)爐體加熱采用電加熱，將溫度加熱至2100°C；d)熔接晶種待氧化鋁熔化成熔體，選用A向的單晶晶種接觸到熔液表面，進(jìn)行引晶；e)晶頸生長(zhǎng)當(dāng)單晶晶種的直徑縮小至4_以O(shè).05mm/h的速度向上提拉晶種桿并伴有O. Irpm的速度旋轉(zhuǎn)，同時(shí)以O(shè). 5°C /h的速度降溫；當(dāng)單晶晶種上結(jié)晶的質(zhì)量達(dá)到O. IKg 時(shí)，以O(shè). 5mm/h的速度向上提拉晶種桿，以1°C /h的速率降溫；當(dāng)單晶晶種上結(jié)晶的質(zhì)量達(dá)到O. 4Kg時(shí)，以O(shè). 15mm/h的速度向上提拉晶種桿，以2°C /h的速率降溫；當(dāng)單晶晶種上結(jié)晶的質(zhì)量達(dá)到I. 5Kg時(shí)，以O(shè). 25mm/h的速度向上提拉晶種桿，以1°C /h的速率降溫；直至單晶晶種上結(jié)晶的質(zhì)量達(dá)到2Kg ；f)晶體生長(zhǎng)步驟e)完成后，停止提拉晶種桿與停止旋轉(zhuǎn)，以2V/h的速率降溫，直至晶體質(zhì)量不再增加，表示晶體生長(zhǎng)完成；g)分離與退火待步驟f)晶體生長(zhǎng)完成后，以10mm/h的速度提拉晶種桿，使得晶體與坩堝分離；在1500°C下開(kāi)始退火，以30°C /h的速率降溫至加熱電壓降為零后，通入惰性氣體，直至晶體生長(zhǎng)爐內(nèi)壓強(qiáng)為外界大氣壓的8X104pa，然后保溫5h ；h)取晶步驟g)完成后，打開(kāi)進(jìn)氣閥，等到晶體生長(zhǎng)爐內(nèi)氣壓與大氣壓一樣時(shí)，開(kāi)爐取晶，得到18. 5kg的監(jiān)寶石晶體。
其中，步驟e)與步驟f)中降溫用的冷卻水的出水溫度為24°C。
實(shí)施例2一種藍(lán)寶石晶體生長(zhǎng)的改良泡生法，所述改良泡生法包括以下步驟a)準(zhǔn)備原料將質(zhì)量為36kg、純度為99.999%的堆積態(tài)氧化鋁裝入坩堝，將坩堝置于晶體生長(zhǎng)爐內(nèi)；其中，堆積態(tài)的顆粒體密度為3. 5g/cm3，堆積密度為3g/cm3 ；b)爐體抽真空將晶體生長(zhǎng)爐抽真空，真空度IX10_3pa ；c)爐體加熱采用電加熱，將溫度加熱至2120°C；d)熔接晶種待氧化鋁熔化成熔體，選用C向的單晶晶種接觸到熔液表面，進(jìn)行引晶；e)晶頸生長(zhǎng)當(dāng)步驟d)的單晶晶種直徑縮小至6_以O(shè).5mm/h的速度向上提拉晶種桿并伴有O. Srpm的速度旋轉(zhuǎn)，同時(shí)以2°C /h的速度降溫；當(dāng)單晶晶種上結(jié)晶的質(zhì)量達(dá)到 O. 2kg時(shí)，以lmm/h的速度向上提拉晶種桿，以5°C /h的速率降溫；當(dāng)單晶晶種上結(jié)晶的質(zhì)量達(dá)到O. 6kg時(shí)，以I. 5mm/h的速度向上提拉晶種桿，以5°C /h的速率降溫；當(dāng)單晶晶種上結(jié)晶的質(zhì)量達(dá)到I. 7kg時(shí)，以2mm/h的速度向上提拉晶種桿，以5°C /h的速率降溫，直至單晶晶種上結(jié)晶的質(zhì)量達(dá)到2. 5kg ；f)晶體生長(zhǎng)步驟e)完成后，停止提拉晶種桿與停止旋轉(zhuǎn)，以7V/h的速率降溫，直至晶體質(zhì)量不再增加，表示晶體生長(zhǎng)完成；g)分離與退火待步驟f)晶體生長(zhǎng)完成后，以12mm/h的速度提拉晶種桿，使得晶體與坩堝分離；在1600°C下開(kāi)始退火，以100°C /h的速率降溫至加熱電壓降為零后，通入惰性氣體，直至晶體生長(zhǎng)爐內(nèi)壓強(qiáng)為9\104 &，然后保溫61!；h)取晶步驟g)完成后，打開(kāi)進(jìn)氣閥，等到晶體生長(zhǎng)爐內(nèi)氣壓與大氣壓一樣時(shí)，開(kāi)爐取晶，得到34kg的監(jiān)寶石晶體。
其中，步驟e)與步驟f)中降溫用的冷卻水的出水溫度為25°C。
實(shí)施例3一種藍(lán)寶石晶體生長(zhǎng)的改良泡生法，所述改良泡生法包括以下步驟a)準(zhǔn)備原料將質(zhì)量為80kg、純度為99.997%的塊狀氧化鋁裝入坩堝，將坩堝置于晶體生長(zhǎng)爐內(nèi)；其中，塊狀氧化鋁的直徑為2cm ；b)爐體抽真空將晶體生長(zhǎng)爐抽真空，真空度IX10_3pa ；c)爐體加熱采用電加熱，將溫度加熱至2150°C；d)熔接晶種待氧化鋁熔化成熔體，選用R向的單晶晶種接觸到熔液表面，進(jìn)行引晶；e)晶頸生長(zhǎng)當(dāng)步驟d)的單晶晶種直徑縮小至8mm以lmm/h的速度向上提拉晶種桿并伴有2rpm的速度旋轉(zhuǎn)，同時(shí)以5°C /h的速度降溫；當(dāng)單晶晶種上結(jié)晶的質(zhì)量達(dá)到O. 2kg 時(shí)，以2mm/h的速度向上提拉晶種桿，以10°C /h的速率降溫；當(dāng)單晶晶種上結(jié)晶的質(zhì)量達(dá)到O. 8kg時(shí)，以3mm/h的速度向上提拉晶種桿，以15°C /h的速率降溫；當(dāng)單晶晶種上結(jié)晶的質(zhì)量達(dá)到I. 9kg時(shí)，以4mm/h的速度向上提拉晶種桿，以10°C /h的速率降溫,直至單晶晶種上結(jié)晶的質(zhì)量達(dá)到4. 5kg ；f)晶體生長(zhǎng)步驟e)完成后，停止提拉晶種桿與停止旋轉(zhuǎn)，以15°C/h的速率降溫，直至晶體質(zhì)量不再增加，表示晶體生長(zhǎng)完成；g)分離與退火待步驟f)晶體生長(zhǎng)完成后，以15mm/h的速度提拉晶種桿，使得晶體與坩堝分離；在1800°C下開(kāi)始退火，以200°C /h的速率降溫至加熱電壓降為零后，通入惰性氣體，直至晶體生長(zhǎng)爐內(nèi)壓強(qiáng)為I X 105pa,然后保溫8h ；h)取晶步驟g)完成后，打開(kāi)進(jìn)氣閥，等到晶體生長(zhǎng)爐內(nèi)氣壓與大氣壓一樣時(shí)，開(kāi)爐取晶，得到78kg監(jiān)寶石晶體。
其中，步驟e)與步驟f)中降溫用的冷卻水的出水溫度為26V。
對(duì)比例1，采用常規(guī)泡生法制得的藍(lán)寶石晶體，所用原料與實(shí)施例I相同。
對(duì)比例2，采用常規(guī)泡生法制得的藍(lán)寶石晶體，所用原料與實(shí)施例2相同。
對(duì)比例3，采用常規(guī)泡生法制得的藍(lán)寶石晶體，所用原料與實(shí)施例3相同。
表I、實(shí)施例1-3與對(duì)比例1-3制備的藍(lán)寶石晶體的得率
權(quán)利要求
1.一種藍(lán)寶石晶體生長(zhǎng)的改良泡生法，其特征在于，所述改良泡生法包括以下步驟 a)準(zhǔn)備原料將堆積態(tài)或塊狀高純度氧化鋁裝入坩堝，將坩堝置于晶體生長(zhǎng)爐內(nèi)； b)爐體抽真空將晶體生長(zhǎng)爐抽真空，真空度IX 10_3pa ； c)爐體加熱采用電加熱，將溫度加熱至2100-2150°C； d)熔接晶種待堆積態(tài)或塊狀高純度氧化鋁熔化成熔液，選用A向或C向或R向的單晶晶種接觸到熔液表面，進(jìn)行引晶； e)晶頸生長(zhǎng)當(dāng)步驟d)的單晶晶種直徑縮小至4-8mm時(shí)，以0.05-4mm/h的速度向上提拉晶種桿并以0. l-2rpm的速度旋轉(zhuǎn)，同時(shí)以0. 5_15°C/h的速率降溫，直至單晶晶種上結(jié)晶的質(zhì)量達(dá)到2-4. 5kg ； f)晶體生長(zhǎng)步驟e)完成后，停止提拉晶種桿與停止旋轉(zhuǎn)，以2-15°C/h的速率降溫，直至晶體質(zhì)量不再增加； g)分離與退火待步驟f)晶體生長(zhǎng)完成后，以10-15mm/h的速度提拉晶種桿，使得晶體與坩堝分離；在1500-1800°C下開(kāi)始退火，以50-200°C /h的速率降溫至加熱電壓降為零后，通入惰性氣體，直至晶體生長(zhǎng)爐內(nèi)壓強(qiáng)為8\104-1\105 &，然后保溫5-81!； h)取晶步驟g)完成后，打開(kāi)進(jìn)氣閥，等到晶體生長(zhǎng)爐內(nèi)氣壓與大氣壓一樣時(shí)，開(kāi)爐取晶。
2.根據(jù)權(quán)利要求I所述的一種藍(lán)寶石晶體生長(zhǎng)的改良泡生法，其特征在于，步驟e)晶頸生長(zhǎng)中，單晶晶種直徑縮小至4-8mm以0. 05-lmm/h的速度向上提拉晶種桿并伴有0.l-2rpm的速度順時(shí)針或逆時(shí)針旋轉(zhuǎn)，同時(shí)以0. 5-5°C /h的速度降溫；當(dāng)單晶晶種上結(jié)晶的質(zhì)量達(dá)到0. 1-0. 2kg時(shí)，以0. 5-2mm/h的速度向上提拉晶種桿，以1_10°C /h的速率降溫；當(dāng)單晶晶種上結(jié)晶的質(zhì)量達(dá)到0. 4-0. 8kg時(shí)，以0. 15-3mm/h的速度向上提拉晶種桿，以2-15°C /h的速率降溫；當(dāng)單晶晶種上結(jié)晶的質(zhì)量達(dá)到I. 5-1. 9kg時(shí)，以0. 25-4mm/h的速度向上提拉晶種桿，以i-io°c /h的速率降溫。
3.根據(jù)權(quán)利要求I或2所述的一種藍(lán)寶石晶體生長(zhǎng)的改良泡生法，其特征在于，步驟e)與步驟f)中降溫用的冷卻水的出水溫度為24-26°C。
4.根據(jù)權(quán)利要求I所述的一種藍(lán)寶石晶體生長(zhǎng)的改良泡生法，其特征在于，步驟g)中使用的惰性氣體為氬氣。
5.根據(jù)權(quán)利要求I所述的一種藍(lán)寶石晶體生長(zhǎng)的改良泡生法，其特征在于，氧化鋁的純度大于等于99. 996%。
6.根據(jù)權(quán)利要求I或2或4或5所述的一種藍(lán)寶石晶體生長(zhǎng)的改良泡生法，其特征在于，堆積態(tài)的氧化鋁顆粒體密度為3-4g/cm3，堆積密度為2-4g/cm3 ;塊狀的氧化鋁直徑為2_5cm0
全文摘要
本發(fā)明涉及一種藍(lán)寶石晶體生長(zhǎng)的改良泡生法，包括準(zhǔn)備原料、爐體抽真空、爐體加熱、熔接晶種、晶頸生長(zhǎng)、晶體生長(zhǎng)、分離與退火、取晶步驟。在整個(gè)晶體生長(zhǎng)過(guò)程中，晶體不被提出坩堝，仍處于熱區(qū)，可以精確控制晶體的冷卻速度，減小熱應(yīng)力；晶體生長(zhǎng)時(shí)，固液界面處于熔體包圍之中，這樣熔體表面的溫度擾動(dòng)和機(jī)械擾動(dòng)在到達(dá)固液界面以前可被熔體減小以致消除；晶體生長(zhǎng)過(guò)程中若存在晶體的移動(dòng)和轉(zhuǎn)動(dòng)，容易受到機(jī)械振動(dòng)影響，本發(fā)明在晶頸形成后停止與旋轉(zhuǎn)提拉晶種桿，有效的避免了晶體受到機(jī)械振動(dòng)的影響；使用相同的氧化鋁原料利用率較高。
文檔編號(hào)C30B29/20GK102978694SQ20121043535
公開(kāi)日2013年3月20日 申請(qǐng)日期2012年11月5日 優(yōu)先權(quán)日2012年11月5日
發(fā)明者范世煒, 許友生, 丁革建, 曾錫強(qiáng) 申請(qǐng)人:浙江東海藍(lán)玉光電科技有限公司