CN101736396A - 导模法生长3″×9″片状氧化铝单晶体 - Google Patents

Abstract

本发明涉及采用一次成型的导模法晶体生长技术生长3″×9″片状氧化铝单晶材料的工艺及方法。确立使用Φ100-Φ120mm大尺寸钼质坩埚，设计和建立高效加热系统、高效保温系统、温场调节系统，确立晶体生长高温区横向温度场的温差范围在±3℃以内、在模具端面之上15mm范围之内纵向温度梯度5-6℃/mm的工艺条件；解决大尺寸氧化铝单晶生长过程中的均匀化料难、温度场控制难、晶体生长工艺复杂等难点问题，生长出高质量大尺寸3″×9″片状氧化铝单晶材料。

Description

导模法生长3″×9″片状氧化铝单晶体

技术领域

本发明涉及采用导模法一即导模法晶体生长技术生长3″×9″大尺寸片状氧化铝单晶体材料的工艺及方法；该晶体材料是具有一系列优良的物理、化学性能，电学、光学性能，机械、热力学性能的功能晶体材料，在许多高科技领域有着非常广泛的应用。

背景技术

高性能氧化铝单晶体具有：高熔点(2050℃)、高硬度(莫氏9级)，高摩擦系数，高透光性，高绝缘性等一系列优良的物理性能和耐高温、耐腐蚀等最稳定的化学性能，可作为特殊环境中应用的窗口材料，特殊功能应用的衬底材料、外延基片及超导基片等，是国防工业及尖端科学不可缺少的功能晶体材料之一，是现代工业、尤其是微电子及光电子产业极为重要的基础材料；特别是对于3″×9″大尺寸高质量的氧化铝单晶材料的应用需求尤为明显。

但由于大尺寸氧化铝晶体材料的生长工艺难度大，具体体现在大尺寸高效加热系统、高效保温系统、温场调节系统、晶体生长的坩埚与模具、晶体生长过程工艺等因素的建立与控制非常困难，因此要实现大尺寸高质量的氧化铝单晶材料的稳定生长还需解决大量要的难点问题。

目前世界上仅美国和俄罗斯等少数几个国掌握此项技术，并已应用于军事领域和航空航天等领域。但由于其用途的特殊性，晶体生长工艺严格保密，产品限制出口，且价格昂贵；国内尚无利用导模法生长如此尺寸单晶材料的厂家。

采用导模法晶体生长技术，从能被熔融氧化铝熔体润湿的定型模具上，直接生长出高质量大尺寸的3″×9″片状氧化铝单晶体材料，解决大尺寸氧化铝单晶体生长过程中的均匀化料难、温场控制难、晶体生长工艺复杂等加热系统、保温系统、温场调节系统的难点问题，实现导模法大尺寸氧化铝晶体生长技术的重大突破，从而为我国的高科技领域提供用作窗口、衬底、基片等大尺寸尖端功能晶体材料，使DMF法晶体生长技术的研究又迈上一个新台阶。

发明内容

导模法晶体生长技术又称“边缘限定薄膜供料生长技术”，其生长机理是在合理的温场条件下氧化铝熔体通过特制定型模具从其毛细通道在液体表面张力的作用下润湿至模具生长端面，通过温度控制、提拉生长使其在籽晶的作用下实现结晶生长成为氧化铝单晶体。晶体截面尺寸由模具顶端表面尺寸确定，通过工艺参数的优选，使气泡、杂质等缺陷排于晶体体外或在晶体表面富集，从而保证了晶体内部的高质量。

工艺流程如下图：

加热、保温、调温系统建立

模具设计、加工、装配→装炉、抽真空、保护气氛→升温熔料籽晶、原料制备

→引晶→收颈→扩肩→等径生长→退火→氧化铝晶体→检验→晶体成品

采用一次成型的导模法晶体生长技术生长3″×9″片状氧化铝单晶材料，确立使用Φ100-Φ120mm大尺寸钼坩埚，设计和建立高效加热系统--由高效加热感线圈及钼发热装置组成；高效保温系统-由氧化锆材料制作保温套筒；温场调节系统--定型钼板及钼质温度调节屏；确立晶体生长高温区横向均匀温度场温差在±3℃以内、距模具端面15mm内纵向温梯5-6℃/mm的工艺条件；解决大尺寸氧化铝单晶生长过程中的均匀化料难、温场控制难、晶体生长工艺复杂等难点问题，通过实验、测试进行各项工艺参数的优选，摸索出大尺寸晶体生长工艺条件，生长出高质量大尺寸(3″×9″)片状氧化铝单晶材料。具体内容如下：

高效感应加热系统的建立：以生长3″×9″片状氧化铝单晶材料所用原料重量设计使用Φ100-Φ120mm大尺寸钼质坩埚，依据坩埚尺寸设计加工感应线圈及发热体的感应发热体系，在确立二者之间的最佳匹配关系的条件下，确保体系具有均匀高效的加热功能，既做到Φ100mm大尺寸钼质坩埚内的晶体生长原料均匀熔化，又达到在高温区内不出现熔体过热现象，避免造成生长晶体原料的污染或其他更严重的后果，影响晶体质量。高效加热感线圈尺寸在Φ180-Φ200mm、钼质发热装置尺寸在Φ120-Φ150mm。

高效保温系统的建立：相对于高效感应加热系统，应建立与之相匹配的高效温场的保证体系，力争做到高效感应加热体系温度最大限度的保证，确保Φ100-Φ120mm大尺寸钼质坩埚内的晶体生长原料熔化均匀且无过热的现象；选择Φ3-5mm氧化锆砂粒，砂层厚度在30-50mm，达到最佳的温度场的保温效果。

温度调节系统的建立：合理温度调节系统的建立，是氧化铝晶体稳定生长、获得无缺陷优质晶体的关键技术。采用块状结构的钼质材料进行高温区的温度调节、采用钼片制作次高温区的温度调节屏，确保大尺寸晶体生长温场条件--轴向和横向两个方向的温场，即建立大面积的均匀的横向温场：Φ100mm范围内温差不超过±3℃，在模具端面之上15mm范围内轴向温度梯度为5-6℃/mm，保证大尺寸晶体材料均匀稳定生长。

高质量的晶体生长模具的设计、加工、装配：模具的构型和质量对晶体的形状和质量起着关键性的作用。模具端面的形状设计，决定着晶体的结晶端面的固液界面的形状，决定着晶体生长过程中的排杂效果；同时与晶体结晶面相接触的各个端面均应经过高质量的抛光处理，最大限度的减少晶体生长过程中因模具原因产生的各种缺陷，从而提高晶体质量。采用高质量锻压钼材加工特定构型的晶体生长模具：毛细缝尺寸0.6-1.2mm、模具高度70-100mm、模具端面凹形结构，严格模具加工质量、组装质量，确保晶体生长过程中的最佳结晶液膜状态。

晶体生长原料和籽晶的选择：99.99％的高纯度原料和无位错、无镶嵌结构、晶向准确的籽晶是生长优质晶体的基础和先决条件。

晶体生长稳定工艺条件的确定：通过对晶体生长过程中的升温、引晶、收颈、扩肩、等径生长、降温等温度条件及速度条件的实验摸索，确定最佳大尺寸晶体生长工艺方案，稳定生长高质量。

具体实施方式

一、装炉：

1、保温装置按顺序组装好：感应线圈、保温套、发热体。

2、称取足量晶体生长原料，放入装好模具的坩埚中进入炉体。

3、选取规定方向的籽晶，与籽晶杆连接好。

二、抽真空：

1、抽前级--真空度抽达2×10^-2毫米汞柱。

2、抽炉体低真空--热偶管电流值达130mA。

3、抽高真空至5×10^-5托。

4、充入高纯氩气，气压达：0.15kgf/cm²。

三、升温化料

启动中频感应电源，分五步逐渐升高中频电压，至化料温度2050℃。

四、晶体生长：

1、引晶

摇下籽晶杆，使籽晶与模具液膜熔融，10分钟后，开动提拉装置进行引晶生长。

2、收颈

晶体生长开始后，升温5℃左右，实现晶体收颈生长。

3、扩肩

收颈生长完成后降低温度，实现晶体扩肩生长，直至生长的晶体覆盖膜具端面。

4、等径生长

晶体覆盖膜具端面后，调节温度，使晶体保持等径生长状态，晶体生长速度：30-50mm/h，直至晶体生长结束，关闭晶体生长提拉机构。

5、降温，断电、停水、拆炉

晶体生长结束后，按18-22℃/min的速度实施降温操作，最后降至较低温度(电压控制在100-50V)，并在此电压下保持半1-2时之后断电。断电后3小时左右停水，停水3小时以后拆炉，从炉体中取出3″×9″片状氧化铝单晶材料。

五、检验

晶体外观：氧化铝单晶体具有规整的外形，较平坦的表面和较好的透明度，用游标卡尺进行检测晶体外形尺寸为：3″×9″。

应力：借助于应力仪检查，无干涉条纹出现，晶体没有应力。

气泡：目测检查：在60-100W白炽灯下目视透射检查无亮点，即无气泡。

仪器检查：使用聚光手电将照射光线沿白宝石的侧面移动，观察无亮点，即无气泡。

用150倍显微镜观察，晶体内气泡尺寸小于0.1mm。

硬度：莫氏硬度仪测试，晶体的硬度达到莫氏9级。

晶体完整性：X射线劳厄相，对片状氧化铝单晶体进行检测，具有衍射斑点完整，晶体完整性好。

红外透过率：用1mm厚的双面抛光晶片测定，在3-5μ波段时，其红外透过率≥85％。

Claims (6)

1.本发明涉及Ф100-Ф120mm大尺寸钼质坩埚；高质量锻压钼材加工特定构型的晶体生长模具。

2.根据权利要求1设计和建立高效加热系统--由高效加热感线圈及钼质发热装置组成。

3.根据权利要求1设计和建立高效保温系统-由氧化锆材料制作保温套筒。

4.根据权利要求1设计和建立温场调节系统--定型钼板及钼质温度调节屏。

5.根据权利要求1确立晶体生长高温区横向温度场的温差范围在±3℃以内、在模具端面之上15mm范围之内纵向温度梯度5-6℃/mm的工艺条件。

6.一次成型的导模法晶体生长技术生长3″×9″晶体材料的工艺条件：原料、籽晶、晶体生长参数。