[發(fā)明專利]一種坩堝上升法制備高品質(zhì)藍(lán)寶石晶體的方法

有效

• 申請?zhí)枺?/td>: 201510043662.1
• 申請日: 2015-01-29
• 公開（公告）號: CN104651935B
• 公開（公告）日: 2017-06-13
• 發(fā)明（設(shè)計）人: 周森安;郭進(jìn)武;李建國;鄭傳濤;王可
• 申請（專利權(quán)）人: 洛陽西格馬爐業(yè)股份有限公司
• 主分類號: C30B29/20
• 分類號: C30B29/20;C30B11/00
• 代理公司: 洛陽公信知識產(chǎn)權(quán)事務(wù)所(普通合伙)41120
• 代理人: 苗強

技術(shù)領(lǐng)域

本發(fā)明涉及到藍(lán)寶石晶體的制備領(lǐng)域，具體的說是一種坩堝上升法制備高品質(zhì)藍(lán)寶石晶體的方法

背景技術(shù)

藍(lán)寶石的組成為氧化鋁（Al₂O₃），是由三個氧原子和兩個鋁原子以共價鍵型式結(jié)合而成的六方晶格結(jié)構(gòu)。由于藍(lán)寶石具有高聲速、耐高溫、抗腐蝕、高硬度、高透光性、高熔點（2045℃）等特點。由于其獨特的晶格結(jié)構(gòu)、優(yōu)良的機械和光學(xué)性能，藍(lán)寶石晶體被廣泛應(yīng)用于大規(guī)模集成電路、LED襯底材料、紅外裝置、高強度鐳射鏡片等眾多領(lǐng)域。近年來半導(dǎo)體照明產(chǎn)業(yè)的快速發(fā)展，推動了藍(lán)寶石需求的快速增長和晶體生長技術(shù)的不斷發(fā)展。

目前，世界上應(yīng)用和研究最廣泛的藍(lán)寶石晶體生長技術(shù)為熔體法，包括焰熔法、提拉法、熱交換法、泡生法、導(dǎo)模法、坩堝下降法和垂直水平溫度梯度冷卻法等。焰熔法是以純凈的Al₂O₃粉末為原料，以氫氧焰為熱源，位于裝置上部的Al₂O₃粉末在向下撒落的過程中通過氫氧焰產(chǎn)生的高溫區(qū)并被加熱熔融，熔融的原料落在下方的籽晶頂端并逐漸結(jié)晶長成藍(lán)寶石晶體，焰熔法設(shè)備簡單，晶體生長速度快，但是所生長的晶體結(jié)構(gòu)完整性差、應(yīng)力大，因此，用這種方法生產(chǎn)的藍(lán)寶石晶體主要用于制造廉價的儀表軸承以及耐磨損元件等；提拉法是將構(gòu)成晶體的原料放在坩堝中加熱熔化，在熔體表面接籽晶，在受控條件下，使籽晶和熔體在交界面上不斷進(jìn)行原子或分子的重新排列，隨降溫逐漸凝固而張出單晶體，其主要優(yōu)點是：在生長的過程中可以方便地觀察晶體的生長情況；晶體在熔體表面處生長，而不與坩堝相接觸，這樣能顯著地減小晶體的應(yīng)力，并防止坩堝壁的寄生成核；可以方便地使用定向籽晶和“縮頸”工藝，其位錯密度大大降低；晶體具有較低的位錯密度，較高的光學(xué)均勻性。缺點是成本較高，晶體直徑受到一定限制；熱交換法是一種低溫度梯度晶體生長方法，坩堝、熱場和晶體均無需任何物理移動，晶體的生長完全依靠爐體結(jié)構(gòu)所形成的溫度梯度，籽晶置于坩堝底部，通過控制坩堝底部的氦氣流量保證籽晶處于低溫區(qū)，坩堝中的原料全部熔化后，確保籽晶只與熔體較好地熔接而不被全部熔化，通過加大氦氣的流量，使低溫區(qū)逐漸向上擴大，從而使固液界面向上移動，熱交換法除了通過控制加熱功率來調(diào)節(jié)熱場溫度外，還可以通過控制氦氣流量來控制晶體的冷卻速率，此方法優(yōu)點是：具有準(zhǔn)確的溫度控制，可以得到高質(zhì)量的大尺寸晶體，晶體的缺陷和殘留應(yīng)力較低。熱交換法的不足之處是需要消耗大量的氦氣，成本較高，生長周期較長；泡生法是將一根受冷的籽晶與熔體接觸，如果界面的溫度低于凝固點，則籽晶開始生長，為了使晶體不斷長大，就需要逐漸降低熔體的溫度，同時旋轉(zhuǎn)晶體，以改善熔體的溫度分布。也可以緩慢的(或分階段的)上提晶體，以擴大散熱面。晶體在生長過程中或生長結(jié)束時不與坩堝壁接觸，這就大大減少了晶體的應(yīng)力。不過，當(dāng)晶體與剩余的熔體脫離時，通常會產(chǎn)生較大的熱沖擊。泡生法是目前應(yīng)用最多的藍(lán)寶石生長方法，為提高晶體生長效率和改進(jìn)晶體質(zhì)量，人們對泡生法提出了多種改良方案，如冷心放肩微量提拉工藝以及 Rubicon公司的ES2工藝等。Rubicon于2009年用此方法生長出重達(dá)200kg的藍(lán)寶石晶體。這種方法技術(shù)成熟，成本較低，適合大批量生產(chǎn)。主要缺點是需要對生長出的晶體進(jìn)行掏割，帶來了一定的加工工作量，并且晶體利用率較低；導(dǎo)模法，是將有狹縫的模具放入到熔體中，熔體通過毛細(xì)管現(xiàn)象由狹縫上升到模具頂端，在此模具頂端的熔體部位下入籽晶，然后按照導(dǎo)模狹縫所限定的形狀連續(xù)生長晶體。通過改變導(dǎo)模的形狀，可以生長片、棒、管、絲等各種特殊形狀的藍(lán)寶石晶體，從而免除了對于藍(lán)寶石晶體繁重的切割、成型等加工程序，大大減少了物料的損耗，節(jié)省了加工時間，從而使得藍(lán)寶石的成本顯著降低。導(dǎo)模法的突出優(yōu)點是節(jié)省材料，可以生長各種特殊形狀的材料，但降低缺陷水平是其難點，并且設(shè)備構(gòu)造復(fù)雜；坩堝下降法由中國云南藍(lán)晶科技有限公司提出。該方法類似垂直布里奇曼工藝，采用鉬坩堝和感應(yīng)加熱方式，籽晶置于坩堝底部。原料全部熔化后，將籽晶與熔體良好熔接，然后通過驅(qū)動坩堝從高溫區(qū)向低溫區(qū)移動來獲得溫度梯度，使固液界面向上移動完成晶體生長。通過加入熔體攪拌裝置可以提高晶體的均勻性。此方法的主要優(yōu)點是晶體完整性好，同時，由于坩堝直徑就是得到的晶體直徑，因此，在生產(chǎn)大直徑晶體時工藝較為復(fù)雜；垂直水平溫度梯度冷卻法，此方法由韓國STC(Sapphire Technology Com)公司提出。VHGF法是將VGF工藝應(yīng)用于藍(lán)寶石單晶生長的一種工藝方法，類似于VGF工藝，通過計算機控制垂直和水平兩個方向的溫度梯度來實現(xiàn)晶體生長界面的移動，不需要機械傳動裝置。這種方法使設(shè)備結(jié)構(gòu)更加簡單，提高了晶體生長的穩(wěn)定性，可以得到高完整性低應(yīng)力的藍(lán)寶石晶體。目前該方法生長的晶體直徑為50～100mm(2~4英寸)，長度達(dá)250mm(10英寸)。STC公司自2000年開始供應(yīng)藍(lán)寶石晶體，VHGF法是其獨家專利技術(shù)，缺陷密度小，材料純度高，而且晶體尺寸及形狀相對不受限制，綜合優(yōu)勢較明顯。