CN101913636B - 用于蓝宝石单晶的高纯高密氧化铝块体原料的生产方法 - Google Patents

Abstract

本发明是用于蓝宝石单晶的高纯高密氧化铝块体原料的生产方法，利用高频感应电源作为加热电源，使冷坩埚内的氧化铝微粉原料熔融后形成一个熔池，再结合使冷坩埚缓慢下降的升降法拉单晶工艺，使熔池内的氧化铝发生多晶核定向结晶，最终获得细小的柱状或针状氧化铝小晶体簇。该方法用于生产高纯度高密度氧化铝块体料，单位电耗低，易实现大批量生产，所得氧化铝小晶体纯度高于99.997%，体密度不小于3.7g/cm³，堆积密度不小于2.0g/cm³。

Description

用于蓝宝石单晶的高纯高密氧化铝块体原料的生产方法

技术领域

本发明是用于蓝宝石单晶的高纯高密氧化铝块体原料的生产方法，特别是作为大尺寸蓝宝石单晶生长用原料的高纯度高密度氧化铝块体的生产方法。

背景技术

蓝宝石晶体具有优异的光学性能、机械性能和化学稳定性，强度高、硬度大、耐冲刷，可在接近2000℃高温的恶劣条件下工作，因而被广泛地应用于红外军事装置、卫星空间技术、高强度激光的窗口材料。其独特的晶格结构、优异的力学性能、良好的热学性能，使蓝宝石晶体成为实际应用的半导体GaN/Al2O3发光二极管(LED)，大规模集成电路及超导纳米结构薄膜等元器件最为理想的衬底材料。

用于生长大尺寸蓝宝石晶体的原料一般为纯度99.995%以上的高纯氧化铝微粉或高密度块体料。制备大尺寸蓝宝石单晶料时，由于其原料――微粉状氧化铝的体积密度一般小于1g/cm³，单炉装填量太小，不利于单晶生产成本的降低。为提高单炉蓝宝石晶体的产量，必须使氧化铝具有更大的堆积密度，目前广泛采用的方法有两种：其一是将高纯氧化铝微粉压成高密度坯体，再烧结收缩，使其进一步致密化；其二是先用熔焰法将氧化铝微粉制成蓝宝石碎晶后再装填。以上两种方法都存在不足：在压坯烧结法中，其坯料密度仍然不够高，并且在压坯和烧结过程中容易使氧化铝微粉受到二次污染；而熔焰法制备蓝宝石碎晶的方法却存在成本较高，生产效率低下的缺陷。采用熔焰法制备蓝宝石碎晶时，生长一只蓝宝石梨晶棒需要花费数小时，且每个炉头每次只能生长出一只数百克重的梨晶棒。

发明内容

针对上述现有氧化铝单晶料制备技术中存在的纯度较低和效率低下的问题，本发明目的在于提供一种高效、低成本的用于蓝宝石单晶的高纯高密氧化铝块体原料的生产方法。

为达至上述发明目的，本发明开发出一种用于蓝宝石单晶的高纯高密氧化铝块体原料的生产方法，它包括以下顺序工艺步骤：

① 在铜管制成的冷坩埚内装入厚度80～100mm的氧化铝碎晶块，再于该碎晶块上铺盖一层厚度90～110mm的氧化铝微粉。之后， 

② 将数量为4～18根的石墨电极条以相互平行的状态固定并水平地摆放于步骤①得到的氧化铝微粉层上，然后再用厚度为20～30mm的氧化铝微粉覆盖该石墨电极条。随即，

③ 接通冷坩埚的循环冷却水系统，使其中的循环冷却水保持在循环流动状态。跟着，

④ 接通冷坩埚外环绕的感应线圈的高频感应电源，调整电压，直至石墨电极条之间产生高温电弧放电产生3000℃的高温，熔化石墨电极条附近的氧化铝微粉使其逐渐形成一个小熔池。接着，

⑤ 将后续氧化铝微粉投入到步骤④产生的小熔池中，直至后续投入的氧化铝微粉全部熔化。随后，

⑥ 待所有原料熔化后，启动冷坩埚的下降装置，直至感应线圈沿铅垂向最下端的一圈脱离冷坩埚内的小熔池液面。其后，

⑦ 保持步骤③使用的循环冷却水继续处于循环流动状态，直至冷坩埚内的熔体完全凝固并冷却至接近室温。最后，

⑧ 卸出冷坩埚内的熔体，将其打碎后剔除石墨电极条，即可得到用于生长大尺寸蓝宝石单晶的高纯高密氧化铝块体原料。该氧化铝块体原料为柱状或针状小单晶簇。

前述氧化铝块体原料的生产方法，在其步骤②中，相邻两根石墨电极条之间的距离为10～100mm。 

前述氧化铝块体原料的生产方法，其步骤⑥中使用的下降装置的下降速度为5～20mm/小时。

前述氧化铝块体原料的生产方法，其步骤④中使用的高频感应电源的频率为600～1200KHz。

前述氧化铝块体原料的生产方法，在其步骤②中，石墨电极条被整体埋没于覆盖于其上的氧化铝微粉中。

本发明开发出的另一种用于蓝宝石单晶的高纯高密氧化铝块体原料的生产方法也适用于上述发明目的，它包括以下顺序工艺步骤：

① 在铜管制成的冷坩埚内装入厚度80～100mm的氧化铝碎晶块，再于该碎晶块上铺盖一层厚度90～110mm的氧化铝微粉。其后， 

② 将数量为4～18根的石墨电极条以相互平行的状态固定并水平地摆放于步骤①得到的氧化铝微粉层上。相邻两根石墨电极条之间的距离保持在10～100mm。然后再用厚度为20～30mm的氧化铝微粉覆盖石墨电极条。这些石墨电极条被整体埋没于覆盖于其上的氧化铝微粉中。之后，

③ 接通冷坩埚的循环冷却水系统，使其中的循环冷却水保持在循环流动状态。跟着，

④ 接通冷坩埚外环绕的感应线圈的高频感应电源，该高频感应电源的频率为600～1200KHz。再后，调整高频感应电源的电压，直至石墨电极条之间产生高温电弧放电产生3000℃的高温，熔化石墨电极条附近的氧化铝微粉使其逐渐形成一个小熔池。随即，

⑤ 将后续氧化铝微粉投入到步骤④产生的小熔池中，直至后续投入的氧化铝微粉全部熔化。接着，

⑥ 待所有原料熔化后，启动感应线圈的上升装置，直至感应线圈沿铅垂向最下端的一圈脱离冷坩埚内的小熔池液面。上升装置的上升速度保持在5～20mm/小时。随后，

⑦ 保持步骤③使用的循环冷却水处于循环流动状态，直至冷坩埚内的熔体完全凝固并冷却至接近室温。最后，

⑧ 卸出冷坩埚内的熔体，将其打碎后剔除石墨电极条，即可得到用于生长大尺寸蓝宝石单晶的高纯高密氧化铝块体原料。该氧化铝块体原料为柱状或针状小单晶簇。

针对现有氧化铝单晶料制备技术中存在的纯度较低和效率低下问题，本发明提出的高纯高密氧化铝块体原料生产方法，利用高频感应电源作为加热电源，使冷坩埚内的氧化铝微粉原料熔融后形成一个熔池，再结合使冷坩埚同感应线圈相互缓慢分离的升降法拉单晶工艺，使熔池内的氧化铝发生多晶核结晶，最终获得细小的柱状或针状氧化铝小晶体。该方法用于生产高纯高密氧化铝块体料，单位电耗低，易实现大批量生产，单炉产量可设计为0.1～5吨。与用焰融法生产的高纯高密氧化铝碎晶体料方法相比，生产成本低，产率高，适于大规模生产，可以满足高速增长的蓝宝石单晶原料需求。另一方面，该方法中，氧化铝晶体料的结晶过程同时也是一个排除原料微粉中所含杂质元素的“纯化”过程：由于晶体的结晶是从冷坩埚底部及周边开始的，随着结晶过程的进行，原料中的杂质元素逐渐富集在体积越来越小的中心熔池内，结晶完成后，高杂质区结晶成一个以苞状晶为主的“核芯区”，与周围以柱状晶为主的高纯度区有明显边界，出料后只须敲去这部分杂质含量较高的“核芯区”，就可得到柱状晶或针状晶形态的高纯高密氧化铝块体料。这些结晶态块体料比起结晶之前的微粉状态，除了堆积密度大幅提高外，其纯度品质也更佳。

具体实施方式

下面，通过实施例更为详细的描述本发明。然而，下面实施例仅用于理解本发明，它们不构成对本发明权利要求保护范围的限制。

实施例一

首先，在铜管制成的冷坩埚内装入厚度80mm纯度为4N的氧化铝碎晶块，再于该碎晶块上铺盖一层厚度90mm纯度为4N的氧化铝微粉。

接着，将数量为4根，预设计并固定呈相互平行排布状态的石墨电极条以水平状态摆放于氧化铝微粉层上。然后再用厚度为20mm纯度为4N的氧化铝微粉覆盖该石墨电极条。氧化铝微粉覆盖该石墨电极条后，石墨电极条整体被埋没于覆盖于其上的氧化铝微粉中。

随即，接通冷坩埚的循环冷却水，使冷却水保持循环流动状态。

跟着，将环绕冷坩埚的感应线圈同高频感应电源接通，设定高频感应电源的频率数值为600KHz，调整电压数值至380V，直至石墨电极条之间产生高温电弧放电，产生3000℃左右的高温，熔化其附近的氧化铝微粉，熔融的氧化铝逐渐形成一个小熔池。

接下来，将500kg的氧化铝微粉分十二次缓慢地投入到上一步骤得到的熔池中，直至这些投入的氧化铝微粉全部熔化。

再后，待所有氧化铝微粉原料熔化后，启动冷坩埚的下降装置，使冷坩埚以5mm/小时的速率匀速下降，直至感应线圈沿铅垂方向最下端的一圈离开冷坩埚内的小熔池液面，此时熔体已基本完成定向结晶。

之后，继续保持前几个步骤中所使用的循环冷却水处于循环流动状态，直至水冷坩埚内的熔体完全凝固并冷却至接近室温。

最后，卸出冷坩埚内的熔体，将其打碎后剔除石墨电极条，即可得到用于生长大尺寸蓝宝石单晶的高纯高密氧化铝块体料。

所得高纯高密氧化铝块体原料呈柱状小单晶簇结构，其体密度为3.7/cm³，堆积密度为2.0/cm³，纯度 >99.997%。

实施例二

首先，在铜管制成的水冷坩埚内装入厚度100mm纯度为4N的氧化铝碎晶块，再于该碎晶块上铺盖一层厚度80mm纯度为4N的氧化铝微粉。

接着，将数量为18根，预设计并固定呈相互平行排布状态的石墨电极条以水平状态摆放于氧化铝微粉层上。然后再用厚度为30mm纯度为4N的氧化铝微粉覆盖该石墨电极条。氧化铝微粉覆盖该石墨电极条后，石墨电极条整体被埋没于覆盖于其上的氧化铝微粉中。

随即，接通冷坩埚的循环冷却水，使冷却水保持循环流动状态。

跟着，将环绕冷坩埚的感应线圈的高频感应电源接通，设定高频感应电源的频率数值为1200KHz，调整电压数值至360V，直至石墨电极条之间产生高温电弧放电，产生3000℃左右的高温，熔化其附近的氧化铝微粉，熔融的氧化铝逐渐形成一个小熔池。

接下来，将5000kg的氧化铝微粉分四十次缓慢地投入到上一步骤得到的熔池中，直至这些投入的氧化铝微粉全部熔化。加料过程中熔池不断扩大。加料时，若发现熔池顶部产生了封闭的熔壳，则使用一根氧化铝陶瓷棒将顶端熔壳层敲破，露出中心的熔体后方可继续加料。

再后，待所有氧化铝微粉原料熔化后，启动冷坩埚的下降装置，使其以20mm/小时的速率匀速下降，直至感应线圈沿铅垂方向最下端的一圈离开冷坩埚内的熔池液面，此时熔体已基本完成定向结晶。

之后，继续保持前几个步骤中所使用的循环冷却水处于循环流动状态，直至水冷坩埚内凝固的熔体冷却至接近室温。

最后，卸出水冷坩埚内的熔体，将其打碎后剔除石墨电极条，即可得到用于生长大尺寸蓝宝石单晶的高纯高密氧化铝块体原料。

所得高纯高密氧化铝块体原料呈柱状小单晶簇结构，其体密度为3.9/cm³，堆积密度为2.2/cm³，纯度 >99.998%。

实施例三

在实施例一的基础上，将启动冷坩埚下降装置的步骤替换成启动感应线圈上升装置的操作方式即可。所得高纯高密氧化铝块体原料呈柱状小单晶簇结构，其体密度为3.7/cm³，堆积密度为2.1/cm³，纯度 >99.997%。

Claims (6)

1.用于蓝宝石单晶的高纯高密氧化铝块体原料的生产方法，包括以下顺序工艺步骤：

① 在铜管制成的冷坩埚内装入厚度80～100mm的氧化铝碎晶块，再于该碎晶块上铺盖一层厚度90～110mm的氧化铝微粉， 

② 将数量为4～18根的石墨电极条以相互平行的状态固定并水平地摆放于步骤①所述氧化铝微粉层上，然后再用厚度为20～30mm的氧化铝微粉覆盖所述石墨电极条，

③ 接通所述冷坩埚的循环冷却水系统，使其中的循环冷却水保持循环流动状态，

④ 接通所述冷坩埚外环绕的感应线圈的高频感应电源，调整电压，直至所述石墨电极条之间产生高温电弧放电产生3000℃的高温，熔化所述石墨电极条附近的氧化铝微粉使其逐渐形成一个小熔池，

⑤ 将后续氧化铝微粉投入到步骤④所述小熔池中，直至其全部熔化，

⑥ 待所有原料熔化后，启动所述冷坩埚的下降装置，直至所述感应线圈沿铅垂向最下端的一圈脱离所述冷坩埚内的所述小熔池液面，

⑦ 保持步骤③所述循环冷却水处于循环流动状态，直至所述冷坩埚内的熔体完全凝固并冷却至接近室温，

⑧ 卸出所述冷坩埚内的熔体，将其打碎后剔除所述石墨电极条，即可得到用于生长大尺寸蓝宝石单晶的高纯高密氧化铝块体原料，该块体原料为柱状或针状小单晶簇。

2.根据权利要求1所述氧化铝块体原料的生产方法，其特征在于，在步骤②中，相邻两根所述石墨电极条之间的距离为10～100mm。

3.根据权利要求1或2所述氧化铝块体原料的生产方法，其特征在于，步骤⑥所述下降装置的下降速度为5～20mm/小时。

4.根据权利要求3所述氧化铝块体原料的生产方法，其特征在于，步骤④所述高频感应电源的频率为600～1200kHz。

5.根据权利要求4所述氧化铝块体原料的生产方法，其特征在于，在步骤②中，所述石墨电极条整体埋没于覆盖于其上的所述氧化铝微粉中。

6.用于蓝宝石单晶的高纯高密氧化铝块体原料的生产方法，包括以下顺序工艺步骤：

① 在铜管制成的冷坩埚内装入厚度80～100mm的氧化铝碎晶块，再于该碎晶块上铺盖一层厚度90～110mm的氧化铝微粉， 

② 将数量为4～18根的石墨电极条以相互平行的状态固定并水平地摆放于步骤①所述氧化铝微粉层上，相邻两根所述石墨电极条之间的距离为10～100mm，然后再用厚度为20～30mm的氧化铝微粉覆盖所述石墨电极条，所述石墨电极条整体埋没于覆盖于其上的所述氧化铝微粉中，

③ 接通所述冷坩埚的循环冷却水系统，使其中的循环冷却水保持循环流动状态，

④ 接通所述冷坩埚外环绕的感应线圈的高频感应电源，所述高频感应电源的频率为600～1200kHz，调整电压，直至所述石墨电极条之间产生高温电弧放电产生3000℃的高温，熔化所述石墨电极条附近的氧化铝微粉使其逐渐形成一个小熔池，

⑤ 将后续氧化铝微粉投入到步骤④所述小熔池中，直至其全部熔化，

⑥ 待所有原料熔化后，启动所述感应线圈的上升装置，直至所述感应线圈沿铅垂向最下端的一圈脱离所述冷坩埚内的所述小熔池液面，所述上升装置的上升速度为5～20mm/小时，

⑦ 保持步骤③所述循环冷却水处于循环流动状态，直至所述冷坩埚内的熔体完全凝固并冷却至接近室温，

⑧ 卸出所述冷坩埚内的熔体，将其打碎后剔除所述石墨电极条，即可得到用于生长大尺寸蓝宝石单晶的高纯高密氧化铝块体原料，该块体原料为柱状或针状小单晶簇。