CN102586866A - 在采用导模法生长片状蓝宝石过程中抑制气泡的方法 - Google Patents

Abstract

本发明在采用导模法生长片状蓝宝石过程中抑制气泡的方法，采用高纯度焰熔法生长的蓝宝石碎块作为原料，选用顶端表面光洁度达到镜面效果的钼制模具，在高纯氩气气氛下化料生长，完全化料后升温20℃静置2～3小时；选用端面法线方向为m向的提拉法生长的蓝宝石单晶作为籽晶，所述籽晶的两个侧面方向为a向和c向，用a面作为主生长面，下种时等径提拉2～3cm，有效缩颈后扩肩生长，提拉速度为15mm/小时，然后视晶体生长情况实时改变功率和拉速，获得片状蓝宝石晶体。本发明提供了一种在采用导模法生长片状蓝宝石制备过程中能有效抑制气泡的方法，制备的片状蓝宝石晶体外形规整、表面平坦、无气泡和应力条纹，为高质量的蓝宝石晶体。

Description

在采用导模法生长片状蓝宝石过程中抑制气泡的方法

技术领域

本发明涉及人造蓝宝石技术领域，具体涉及利用导模法生长片状蓝宝石过程中气泡的控制方法。

背景技术

蓝宝石是一种α-Al₂O₃的单晶，又称刚玉。蓝宝石晶体具有优异的导热绝缘性、耐化学侵蚀性，其表面高度平滑，有高透过率，可在接近2000℃高温的条件下工作，因而被广泛应用于卫星空间技术、军用红外装置、高强度激光器的窗口材料以及优质的光学材料等等。近年来，随着半导体技术的迅猛发展，蓝宝石以其独特的晶格结构、优异的力学性能、良好的热学性能成为实际应用的半导体GaN/Al₂O₃发光二极管 (LED)、大规模集成电路SOI和SOS以及超导纳米结构薄膜等最为理想的衬底材料。

导模法又称边缘限定-薄膜法(edge-defined film-fed crystal growth method，缩写为EFG)，主要用于生长特定形状的晶体。导模法的特点是可以生长片状、带状、管状、纤维状等特定形状且尺寸能精确控制的晶体，利用该方法晶体的生长速度快，后续加工简单。因此，采用导模法生长具有特定方向的大尺寸、高光学质量的蓝宝石片状晶体成为本行业非常关注的技术之一。美国专利3591348公开了一种导模法生长蓝宝石的方法，中国专利90105983.8和200810153130.3也公开了生长片状蓝宝石的方法。但是，采用上述方法生长晶体时，并不能有效抑制气泡的产生，使产品的使用价值大打折扣。

发明内容

本发明的目的在于解决上述问题，提供一种在采用导模法生长片状蓝宝石过程中能有效抑制气泡产生的方法，使生长的晶体无气泡和应力条纹，在品质和使用效果上有显著的进步。

为实现上述目的，本发明采取的技术方案为：

在采用导模法生长片状蓝宝石过程中抑制气泡的方法，其特征是，包括以下步骤：

（1）原料的选取和处理

原料采用高纯焰熔法生长的蓝宝石碎料，经500～800℃的高温加热处理后，用去离子水淬火粉碎，再经5～6次用去离子水清洗处理后烘干备用；

（2）模具的采用和处理

采用V型锻压钼制模具，模具顶端内侧表面采用机械抛光处理并达到镜面效果；模具狭缝宽度为0.5mm，坩埚用去离子水洗净备用；

（3）原料装炉

将步骤（1）处理过的蓝宝石碎料放入步骤（2）处理过的钼制模具的坩埚内，并将坩埚置于导模炉中，完成装炉；

（4）采用导模法生长片状蓝宝石单晶

① 将导模炉内抽真空1×10^-4Pa， 采用中频感应加热钼发热装置，待炉内红亮时，缓慢充入高纯氩气至表压为0.01，静置20～30分钟，然后每隔15～20分钟升温一次，直至原料完全化掉；在原料完全化掉之后静置15～20分钟，然后再升温20℃（比熔点高20℃）并静置2～3 小时，使化料时原料引入的气体从熔体中慢慢溢出；

② 采用端面法线方向为m向的提拉法生长的蓝宝石单晶作为籽晶，籽晶两个侧面方向为a向和c向，用a面作为主生长面；

③ 将熔体温度下降至2050℃，下摇籽晶杆，将籽晶降到与熔体相隔0.5～1cm的位置，观察：如果籽晶底端发白变圆滑，摇起籽晶杆，降温5～10℃，静置15～20分钟后再摇下籽晶杆观察，直至籽晶底端无变化即可继续下摇籽晶杆，使籽晶与熔体接触并迅速提起；如果带料，将温度升高1～3℃，静置5～20 分钟后继续下种，直至不带料即可尝试进行提拉；

④ 提拉过程包括引晶、缩颈、扩肩、等径生长步骤，其中，引晶时使晶体直径不变，长度提拉2～3cm；再通过升温2～5℃来实现缩颈的过程，有效缩颈后再进行扩肩生长；扩肩阶段的拉速随着晶体肩的长大由慢及快，每隔20分钟增加2～4mm/小时，直至等径阶段拉速15mm/小时；在等径阶段当看到生长晶体的内凹时，降低拉速为1～3mm/小时，降低温度1～2℃，每隔20分钟观察生长晶体的晶型并作相应处理；

⑤ 晶体生长完成后，以每小时20～30℃的降温速率逐渐降至室温，获得几乎没有气泡的片状蓝宝石晶体。

进一步，步骤（4）②所述m向籽晶的方向误差范围为±5°。

本发明的积极效果是：

（1）提供了一种在采用导模法生长片状蓝宝石过程中有效抑制气泡的方法；

（2）制备的片状蓝宝石晶体外形规整、表面平坦、无气泡和应力条纹，为高质量的片状蓝宝石晶体；

（3）为半导体GaN/Al₂O₃发光二极管 (LED)、大规模集成电路SOI和SOS以及超导纳米结构薄膜等提供了理想的衬底材料。

附图说明

附图1为本发明在采用导模法生长片状蓝宝石过程中抑制气泡的方法的流程框图。

具体实施方式

以下结合附图继续解释本发明在采用导模法生长片状蓝宝石过程中抑制气泡的方法的具体实施情况，提供7个实施例。但是，本发明的实施不限于以下的实施方式。

实施例1

在采用导模法生长片状蓝宝石过程中抑制气泡的方法，包括以下步骤：

（1）采用高纯焰熔法生长的蓝宝石碎料为原料，经500℃高温加热处理后，用去离子水淬火粉碎，再经5次用去离子水清洗处理后烘干备用。

（2）采用V型锻压钼制模具，模具顶端内侧表面采用机械抛光处理并达到镜面效果；模具狭缝宽度为0.5mm，坩埚用去离子水洗净备用。

（3）将步骤（1）处理过的蓝宝石碎料放入步骤（2）处理过的钼制模具的坩埚内，将坩埚置于导模炉中，完成装炉。

（4）采用导模法生长片状蓝宝石单晶

① 将导模炉内抽真空1×10^-4Pa， 采用中频感应加热钼发热装置，待炉内红亮时，缓慢充入高纯氩气至表压为0.01，静置20分钟，然后每隔15分钟升温一次，直至原料完全化掉；在原料完全化掉之后静置15分钟，然后升温20℃（比熔点高20℃）并静置2 小时，使化料时原料引入的气体从熔体中慢慢溢出。

② 采用端面法线方向为m向的提拉法生长的蓝宝石单晶作为籽晶，籽晶两个侧面方向为a向和c向，用a面作为主生长面，要求籽晶方向的误差范围在±5°以内。

③ 将熔体温度下降至2050℃，下摇籽晶杆，将籽晶降到与熔体相隔0.5cm的位置观察几分钟：如果籽晶底端发白变圆滑，摇起籽晶杆，降温5℃，静置15分钟后再摇下籽晶杆观察，直至籽晶底端无变化即可继续下摇籽晶杆，使籽晶与熔体接触并迅速提起；如果带料，将温度升高1℃，静置5 分钟后继续下种，直至不带料即可尝试进行提拉。

④ 提拉过程包括引晶、缩颈、扩肩、等径生长步骤，其中，引晶时使晶体直径不变，长度提拉2cm；再通过升温2℃来实现缩颈的过程，有效缩颈后再进行扩肩生长；扩肩阶段的拉速随着晶体肩的长大由慢及快，每隔20分钟增加2mm/小时，直至等径阶段拉速15mm/小时；在等径阶段当看到生长晶体的内凹时，降低拉速为1mm/小时，降低温度1℃，每隔20分钟观察生长晶体的晶型并作相应处理。

⑤ 晶体生长完成后，以每小时20℃的降温速率逐渐降至室温，获得片状蓝宝石晶体。

所述获得的片状蓝宝石晶体为片状蓝宝石单晶，具有规整的外形，表面平坦，在100 W白炽灯下观察无气泡；切出20×20×5mm薄片光学抛光后，在应力仪下观察无应力。

实施例2 

在采用导模法生长片状蓝宝石过程中抑制气泡的方法，包括以下步骤：

（1）采用高纯焰熔法生长的蓝宝石碎料为原料，经800℃高温加热处理后，用去离子水淬火粉碎，再经6次用去离子水清洗处理后烘干备用。

步骤（2）、（3）同实施例1。

（4）采用导模法生长片状蓝宝石单晶

① 将导模炉内抽真空1×10^-4Pa， 采用中频感应加热钼发热装置，待炉内红亮时，缓慢充入高纯氩气至表压为0.01，静置30分钟，然后每隔20分钟升温一次，直至原料完全化掉；在原料完全化掉之后静置20分钟，然后升温20℃（比熔点高20℃）并静置3 小时，使化料时原料引入的气体从熔体中慢慢溢出。

② 同实施例1。

③ 将熔体温度下降至2050℃，下摇籽晶杆，将籽晶降到与熔体相隔1cm的位置，观察几分钟：如果籽晶底端发白变圆滑，摇起籽晶杆，降温10℃，静置20分钟后再摇下籽晶杆观察，直至籽晶底端无变化即可继续下摇籽晶杆，使籽晶与熔体接触并迅速提起；如果带料，将温度升高3℃，静置20分钟后继续下种，直至不带料即可尝试进行提拉。

④提拉过程包括引晶、缩颈、扩肩、等径生长步骤，其中，引晶时使晶体直径不变，长度提拉3cm；再通过升温5℃来实现缩颈的过程，有效缩颈后再进行扩肩生长；扩肩阶段的拉速随着晶体肩的长大由慢及快，每隔20分钟增加4mm/小时，直至等径阶段拉速15mm/小时；在等径阶段当看到生长晶体的内凹时，降低拉速为3mm/小时，降低温度2℃，每隔20分钟观察生长晶体的晶型并作相应处理。

⑤ 晶体生长完成后，以每小时30℃的降温速率逐渐降至室温，获得片状蓝宝石晶体。

所述获得的片状蓝宝石晶体为片状蓝宝石单晶，具有规整的外形，表面平坦，在100 W白炽灯下观察无气泡；切出20×20×5mm薄片光学抛光后，在应力仪下观察无应力。

实施例3

实施目的，看原料对晶体质量的影响

与实施例1不同的是，选用粉末原料而不是焰熔法的多晶原料。

选取一定质量的纯度为99.999%的氧化铝（Al₂O₃）粉末，用有机玻璃模具盛装，在液压机上压结，其后的整个生长过程同实施例1的过程。

获得的晶体表面平整，完整无开裂，在100W白炽灯下观察，内部有随机分布的大小不均的气泡；切出20×20×5mm薄片光学抛光后，在应力仪下观察有应力。

实施例4

实施目的，看模具对晶体质量的影响

与实施例1不同的是，采用普通的V型锻压钼制模具，模具顶端内侧表面未进行抛光处理。其余生长过程同实施例1的过程。

获得的晶体完整，表面起伏较大，有明显的纵向条纹；在100W白炽灯下观察，内部有纵向线状分布气泡；切出20×20×5mm薄片光学抛光后，在应力仪下观察有应力。

实施例5

实施目的，看籽晶方向对晶体质量的影响

与实施例1不同的是，选用不同方向的籽晶提拉生长，籽晶方向及晶体质量如表1所示，其余生长过程同实施例1的过程。

表1. 籽晶方向对晶体质量的影响

。

 实施例6

实施目的，看料液静置对晶体质量的影响

与实施例1不同的是，化料后未静置2～3小时，直接下种提拉生长。其余生长过程同实施例1的过程。

获得的晶体完整，在100 W白炽灯下观察，内部有随机分布大小不均的气泡；切出20×20×5mm薄片光学抛光后，在应力仪下观察有应力。

实施例7

实施目的，看引晶和缩颈对晶体质量的影响

与实施例1不同的是，料液静置后，未进行引晶和缩颈的过程，直接扩肩生长。其余生长过程同实施例1的过程。

获得的晶体为有开裂的晶体，表面起伏较大，在100W白炽灯下观察，晶体表面有气泡分布；切出20×20×5mm薄片光学抛光后，在应力仪下观察有应力。

不同实施例的结果证明，本发明在采用导模法生长片状蓝宝石过程中抑制气泡的方法工艺合理，制备的片状蓝宝石晶体具有规整的外形，表面平坦，在100 W白炽灯下观察无气泡，在应力仪下观察无应力，完全达到了本发明的目的。

以上所述仅为本发明的优选实施方式，应当指出，对于本技术领域的普通技术人员而言，在不脱离本发明方法的前提下，还可以做出若干改进和润饰，这些改进和润饰也应该视为本发明的保护范围内。

Claims (2)

1.一种在采用导模法生长片状蓝宝石过程中抑制气泡的方法，其特征在于，包括以下步骤：

（1）原料的选取和处理

原料采用高纯焰熔法生长的蓝宝石碎料，经500～800℃的高温加热处理后，用去离子水淬火粉碎，再经5～6次用去离子水清洗处理后烘干备用；

（2）模具的采用和处理

采用V型锻压钼制模具，模具顶端内侧表面采用机械抛光处理并达到镜面效果；模具狭缝宽度为0.5mm，坩埚用去离子水洗净备用；

（3）原料装炉

将步骤（1）处理过的蓝宝石碎料放入步骤（2）处理过的钼制模具的坩埚内，并将坩埚置于导模炉中，完成装炉；

（4）采用导模法生长片状蓝宝石单晶

① 将导模炉内抽真空1×10^-4Pa，采用中频感应加热钼发热装置，待炉内红亮时，缓慢充入高纯氩气至表压为0.01，静置20～30分钟，然后每隔15～20分钟升温一次，直至原料完全化掉；在原料完全化掉之后静置15～20分钟，然后升温20℃并静置2～3 小时，使化料时原料引入的气体从熔体中慢慢溢出；

② 采用端面法线方向为m向的提拉法生长的蓝宝石单晶作为籽晶，籽晶两个侧面方向为a向和c向，用a面作为主生长面；

③ 将熔体温度下降至2050℃，下摇籽晶杆，将籽晶降到与熔体相隔0.5～1cm的位置，观察：如果籽晶底端发白变圆滑，摇起籽晶杆，降温5～10℃，静置15～20分钟后再摇下籽晶杆观察，直至籽晶底端无变化即可继续下摇籽晶杆，使籽晶与熔体接触并迅速提起；如果带料，将温度升高1～3℃，静置5～20 分钟后继续下种，直至不带料即可尝试进行提拉；

④ 提拉过程包括引晶、缩颈、扩肩、等径生长步骤，其中，引晶时使晶体直径不变，长度提拉2～3cm；再通过升温2～5℃来实现缩颈的过程，有效缩颈后再进行扩肩生长；扩肩阶段的拉速随着晶体肩的长大由慢及快，每隔20分钟增加2～4mm/小时，直至等径阶段拉速15mm/小时；在等径阶段当看到生长晶体的内凹时，降低拉速为1～3mm/小时，降低温度1～2℃，每隔20分钟观察生长晶体的晶型并作相应处理；

⑤ 晶体生长完成后，以每小时20～30℃的降温速率逐渐降至室温，获得没有气泡的片状蓝宝石晶体。

2.根据权利要求1所述的在采用导模法生长片状蓝宝石过程中抑制气泡的方法，其特征在于，步骤（4）②所述m向籽晶的方向误差范围为±5°。

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