CN101323978B

CN101323978B - 大尺寸蓝宝石晶体制备工艺及其生长装置

Info

Publication number: CN101323978B
Application number: CN2008100456663A
Authority: CN
Inventors: 王国强; 周世斌; 邱一豇; 肖兵
Original assignee: Chengdu Dongjun Laser Co Ltd
Current assignee: Chengdu Dongjun Laser Co Ltd
Priority date: 2008-07-29
Filing date: 2008-07-29
Publication date: 2011-03-23
Anticipated expiration: 2028-07-29
Also published as: CN101323978A

Abstract

本发明涉及一种大尺寸蓝宝石晶体制备技术及其生长装置，所述制备技术包括如下步骤：(1)将称量好的高纯三氧化二铝装入钼坩埚中，抽真空至炉内气压小于10 ^-3Pa时，充保护气氛，炉压为-90～+20kPa；(2)加热至原料充分熔化，恒温3～5h；(3)籽晶下保温下降15-120mm，然后钼坩埚下降，下降距离为坩埚的高度；(4)炉内温度降至1600～1750℃；(5)钼坩埚回升至加热区，恒温100-150h；缓慢降温至室温。采用本发明技术，具有装置结构简单、制造成本低，制备技术稳定性好、过程可靠、气泡易排除、成品率高的特点，可生长出大尺寸、位错密度小的高质量的蓝宝石单晶体。

Description

大尺寸蓝宝石晶体制备工艺及其生长装置

技术领域

本发明涉及一种晶体结晶工艺学领域。

背景技术

蓝宝石广泛应用于高亮度LED的GaN衬底材料、精密仪器轴承、大规模集成电路SOI和SOS的衬底材料、特种光学元器件、高能探测和高功率强激光的窗口材料、高压材料。目前可生长大尺寸光学级蓝宝石晶体的生长方法主要有：热交换法、泡生法、电阻加热温梯法、坩埚下降法。但热交换法采用氦气作冷却气体，代价昂贵，并且不能直接生长C轴方向的晶体；泡生法工艺重复性差、能耗高；电阻加热温梯法工艺重复性差、成品率低。感应加热铱坩埚提拉法，投入大、成本高。传统的坩埚下降法，温度梯度调整范围有限，很难提供生长大尺寸蓝宝石晶体所需的温度梯度，同时导致晶体排杂质和气泡的能力低，晶体内部缺陷较多，晶体成品率仅50％左右。

发明内容

本发明的目的在于克服现有技术的缺点，提供一种制造成本低、工艺控制简单、成品率高、晶体质量好的大尺寸蓝宝石晶体制备工艺。

本发明的再一目的是提供一种实现大尺寸蓝宝石晶体制备工艺的生长装置。

本发明的目的是通过实施下述技术方案来实现的：

一种大尺寸蓝宝石晶体制备工艺，其特征在于：包括如下步骤：

(1)将称量好的纯度≥99.995％的三氧化二铝装入钼坩埚中，抽真空至炉内气压小于10^-3Pa，充保护气氛至炉压为-90～+20KPa；

(2)加热升温，升温速率500W～1000W/h，至原料充分熔化后，恒温3～5h，在原料融化阶段，籽晶下保温封堵坩埚下保温托的通孔，确保钼坩埚籽晶处的保温效果使籽晶融化；

(3)炉膛内的籽晶下保温下降15-120mm，然后钼坩埚下降，下降距离为坩埚的高度，下降速率0.5～3.0mm/h，使坩埚下保温托的通孔打开，下部的较冷空气进入孔内，给籽晶管内的籽晶起到一个降温的作用，为晶体生长提供足够的温度梯度；

(4)降温，炉内温度降至1600～1750℃，降温速率为100W～300W/h；

(5)钼坩埚回升至加热区，原位退火，1600～1750℃恒温100-150h；

(6)缓慢降温至室温，降温速率50W～100W/h，继续通循环冷却水24～36h，取出晶体。

一种实现大尺寸蓝宝石晶体制备工艺的生长装置，其底部为氧化铝下保温托，氧化铝下保温托上部设氧化锆保温砖，氧化锆保温砖外部设侧保温，侧保温的外侧设感应线圈，侧保温和氧化锆保温砖的上部设置上保护罩，下保温托和保温砖围成中空内腔，所述内腔下部设有与升降机构相连的坩埚杆，其特征在于，保温砖的内侧设加热管；钼坩埚通过坩埚下保温托与坩埚杆连接，钼坩埚上方设有坩埚上罩。

所述氧化铝下保温托从下至上分为第一氧化铝下保温托和第二氧化铝下保温托，所述氧化锆保温砖从下至上分为第一氧化锆保温砖和第二氧化锆保温砖，所述加热管设置在第一氧化锆保温砖的上部及第二氧化锆保温砖的内侧处。

所述钼坩埚籽晶管下部对应的坩埚下保温托开有通孔，通孔内设置的籽晶下保温其下部固连副升降杆，副升降杆下部从坩埚杆底部穿出与副升降机构相连。

所述大尺寸蓝宝石晶体制备工艺的生长装置还包括一个气氛控制***，所述气氛控制***包括PID控制器、变频器、压力传感器、变送器及真空泵，压力传感器通过变送器与PID控制器相连，PID控制器输出端通过变频器与真空泵相连所述加热管为石墨加热管或钨加热管或钼加热管。

采用本发明的技术方案，感应线圈和钼坩埚之间设置加热管，加热管受热后达到晶体熔化温度，将钼坩埚内的晶体原材料熔化，解决了常规感应加热时普通钼坩埚在高温下挥发严重和坩埚变形的问题。通过原位退火，可很好消除热应力，避免晶体开裂，因此可直接生长C向蓝宝石单晶。在晶体生长过程的原料融化阶段，副升降机构相连的副升降杆固连的籽晶下保温封堵下保温托的贯通孔，确保钼坩埚籽晶处的保温效果使籽晶融化，在晶体生长开始时，副升降机构与升降机构下降，使相连的籽晶下保温和钼坩埚也下降，下保温托的贯通孔打开，下部的较冷空气进入孔内，给籽晶管内的籽晶起到一个降温的作用，为晶体生长提供足够的温度梯度，提高晶体排杂作用，减少晶体内部的缺陷和杂质，从而提高晶体的完整性和质量。在晶体制备的过程中，炉内注入的保护气氛由于不断发生反应压力下降，在高温状态下，容易造成坩埚氧化挥发，挥发物进入晶体后形成杂质，造成晶体品质下降，导致晶体内部杂质较多。采用气氛控制***后，当炉内气压高于设定值时，真空泵就开始工作，将炉内多余的气体抽出；当炉内气压低于设定值时，真空泵就停止工作，从充气孔进入的保护气体可以确保炉内保护气氛符合要求，避免了钼坩埚挥发后杂质的产生。

附图说明

图1为本发明的生长装置的结构示意图。

图2为本发明的气氛控制***框图。

图中标记：1上保温罩，2坩埚上罩，3第二氧化锆保温砖，4加热管，5侧保温，6感应线圈、7钼坩埚，8第一氧化锆保温砖，9籽晶管，10坩埚下保温托，11第二氧化铝下保温托，12坩埚杆，13第一氧化铝下保温托，14籽晶下保温，15副升降杆

具体实施方式

实施例1

采用如下步骤制备大尺寸蓝宝石晶体：

(1)将称量好的高纯三氧化二铝(Al₂O₃)纯度≥99.995％装入钼坩埚中，抽真空至炉内气压小于10^-3Pa时，充保护气氛Ar或N₂或He或H₂或Ar+2％H₂，至炉压为-90～+20KPa(相对大气压为0)，保护气氛采取不流动的方式。

(2)感应加热，升温速率500W～1000W/h，至原料充分熔化后，恒温3～5h，在原料融化阶段，籽晶下保温封堵坩埚下保温托的通孔，确保钼坩埚籽晶处的保温效果使籽晶融化；

(4)降温，炉内温度降至1600～1750℃，降温速率为100W～300W/h；

(5)钼坩埚回升至加热区原位退火，1600～1750℃恒温100-150h；

制备上述大尺寸蓝宝石晶体的生长装置如图1所示，依次包括炉底部的第一氧化铝下保温托13和第二氧化铝下保温托11，第二氧化铝下保温托上部依次设第一氧化锆保温砖8和第二氧化锆保温砖3，第一氧化锆保温砖8的上部及第二氧化锆保温砖3的内侧处设石墨加热管4，加热管也可以为钨加热管或钼加热管。第一、第二氧化锆保温砖的的外部设侧保温5，侧保温5的外侧设感应线圈6；侧保温5和第二保温砖3的上部设置上保护罩1；第一、第二氧化铝下保温托和第一、第二氧化锆保温砖围成中空内腔底部设有坩埚杆7，钼坩埚7通过坩埚下保温托10与坩埚杆12连接，钼坩埚上方设有坩埚上罩2；坩埚杆下部与升降机构相连，钼坩埚的籽晶管9内设有籽晶，钼坩埚籽晶管下部对应的坩埚下保温托开有通孔，通孔内设置的籽晶下保温14其下部固连副升降杆15，副升降杆下部从坩埚杆底部穿出与副升降机构相连。控制钼坩埚上下移动的升降机构和控制籽晶下保温上下移动的副升降机构彼此可以相对独立运动。

本发明在感应线圈和钼坩埚之间设置加热管所形成的热场，以及在籽晶管下部对应的坩埚下保温托内设置可上下移动的籽晶下保温，并采用适宜的工艺步骤，为晶体生长提供足够的温度和温度梯度，提高晶体排杂作用，减少晶体内部的缺陷和杂质，从而提高晶体的完整性和质量。

实施例2

采用如下步骤制备大尺寸蓝宝石晶体：

(1)将称量好的高纯三氧化二铝(Al₂O₃)纯度≥99.995％装入钼坩埚中，抽真空至炉内气压小于10^-3Pa时，充保护气氛Ar至炉压为-90～+20KPa(相对大气压为0)，气氛采取不流动方式；

(2)感应加热，升温速率1000W/h，至原料充分熔化后，恒温3～5h，在原料融化阶段，籽晶下保温封堵坩埚下保温托的通孔，确保钼坩埚籽晶处的保温效果使籽晶融化；

(3)炉膛内的籽晶下保温下降15-120mm，然后钼坩埚下降，下降距离为坩埚的高度，下降速率3.0mm/h，使坩埚下保温托的通孔打开，下部的较冷空气进入孔内，给籽晶管内的籽晶起到一个降温的作用，为晶体生长提供足够的温度梯度；

(4)降温，炉内温度降至1600℃，降温速率为100WW/h；

(5)钼坩埚回升至加热区，原位退火，1600℃恒温150h；

(6)缓慢降温至室温，降温速率100W/h，继续通循环冷却水24～36h，取出晶体。

本发明采用的生长装置同实施例1。

实施例3

采用如下步骤制备大尺寸蓝宝石晶体：

(1)将称量好的高纯三氧化二铝(Al₂O₃)纯度≥99.995％装入钼坩埚中，抽真空至炉内气压小于10^-3Pa时，充保护气氛为Ar加2％H₂至炉压为-90～+20KPa(相对大气压为0)，气氛采取流动的方式，确保炉内气压符合工艺要求。

(2)感应加热，升温速率500W/h，至原料充分熔化后，恒温3～5h，在原料融化阶段，籽晶下保温封堵坩埚下保温托的通孔，确保钼坩埚籽晶处的保温效果使籽晶融化；

(3)炉膛内的籽晶下保温下降15-120mm，然后钼坩埚下降，下降距离为坩埚的高度，下降速率0.5mm/h，使坩埚下保温托的通孔打开，下部的较冷空气进入孔内，给籽晶管内的籽晶起到一个降温的作用，为晶体生长提供足够的温度梯度；

(4)降温，炉内温度降至1750℃，降温速率为300W/h；

(5)钼坩埚回升至加热区，原位退火，1750℃恒温100h；

(6)缓慢降温至室温，降温速率50W/h，继续通循环冷却水24～36h，取出晶体。

本实施例采用的生长装置除了和实施例1相同的部分，还包括由PID控制器、变频器、压力传感器及变送器组成的气氛控制***，如图2所示，压力传感器将监测到的炉内气压值产生的压力信号经变送器送入PID控制器，并与控制器内设定值进行比较，其差值经运算后经控制器输出至与真空泵相接的变频器。保护气氛充气***始终开启，当炉内气压高于设定值时，真空泵就开始工作，将炉内多余的气体抽出；当炉内气压低于设定值时，真空泵停止工作，保护气体从充气孔进入炉内。气氛控制***确保炉内气氛始终为保护气氛，从而避免了坩埚的氧化和杂质的产生。

本发明充分发挥了传统感应加热铱坩埚提拉法和电阻加热钼坩埚下降法的优点，克服了感应加热铱坩埚的投入大、成本高的缺点和传统的坩埚下降法温度梯度调整范围有限的不足。可生长出尺寸大于Φ170X130mm、位错密度小于10^-3/cm²的高质量的蓝宝石单晶体。可生长蓝宝石(α-Al₂O₃)、Nd:YAG、(Nd、Ce):YAG、(Nd、Ce、Tb):YAG、Ce:YAG、Yb:YAG等高熔点的晶体。本发明生长装置结构简单、制造成本低，制备技术稳定性好、过程可靠、气泡易排除，有效提高了晶体生长质量，生长出规则圆柱形的大尺寸优良晶体，其晶体的成品率大于80％。

需要说明的是：虽然上述实施例已经详细描述了本发明的结构，但本发明并不限于上述实施例，凡是本领域技术人员从上述实施例中不经过创造性劳动就可以想到的替换结构，均属于本发明的保护范围。

Claims

1.一种大尺寸蓝宝石晶体制备工艺，其特征在于：包括如下步骤：

(4)降温，炉内温度降至1600～1750℃，降温速率为100W～300W/h；

(5)钼坩埚回升至加热区，原位退火，1600～1750℃恒温100-150h；

2.一种实现权利要求1所述的大尺寸蓝宝石晶体制备工艺的生长装置，其底部为氧化铝下保温托，氧化铝下保温托上部设氧化锆保温砖，氧化锆保温砖外部设侧保温(5)，侧保温的外侧设感应线圈(6)，侧保温和氧化锆保温砖的上部设置上保护罩(1)，氧化铝下保温托和保温砖围成中空内腔，所述内腔下部设有与升降机构相连的坩埚杆(12)，其特征在于，保温砖的内侧设加热管(4)；钼坩埚(7)通过坩埚下保温托(10)与坩埚杆(12)连接，钼坩埚上方设有坩埚上罩(2)。

3.如权利要求2所述的大尺寸蓝宝石晶体制备工艺的生长装置，所述氧化铝下保温托从下至上分为第一氧化铝下保温托(13)和第二氧化铝下保温托(11)，所述氧化锆保温砖从下至上分为第一氧化锆保温砖(8)和第二氧化锆保温砖(3)，所述加热管(4)设置在第一氧化锆保温砖的上部及第二氧化锆保温砖的内侧处。

4.如权利要求2或3所述的大尺寸蓝宝石晶体制备工艺的生长装置，其特征在于：钼坩埚(7)的籽晶管(9)下部对应的坩埚下保温托开有通孔，通孔内设置的籽晶下保温(14)其下部固连副升降杆(15)，副升降杆下部从坩埚杆底部穿出与副升降机构相连。

5.如权利要求4所述的大尺寸蓝宝石晶体制备工艺的生长装置，其特征在于：还包括一个气氛控制***，所述气氛控制***包括PID控制器、变频器、压力传感器、变送器及真空泵，压力传感器通过变送器与PID控制器相连，PID控制器输出端通过变频器与真空泵相连。

6.如权利要求5所述的大尺寸蓝宝石晶体制备工艺的生长装置，其特征在于：所述加热管为石墨加热管或钨加热管或钼加热管。