CN103849928A - 一种多片式导模法蓝宝石晶片生长工艺 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种多片式导模法蓝宝石晶片生长工艺，包括以下步骤，S01，蓝宝石原料处理；S02，装炉；S03，抽真空及充氩气；S04，升温；S05，引晶及缩颈；S06，扩肩；S07，等径生长；S08，降温。本发明采用EFG法（Edge-DefinedFilm-FedGrowth，EFG），通过设计最佳的模具分布与装炉工艺，结合科学的晶体生长控制程序，运用合理的周向及轴向温度梯度，同步生长出多片的优质片状蓝宝石单晶。

Description

一种多片式导模法蓝宝石晶片生长工艺

技术领域

本发明涉及蓝宝石晶体生长领域，特别是一种多片式导模法蓝宝石晶片生长工艺。

背景技术

蓝宝石单晶(α-Al₂O₃单晶)是一种简单配位型氧化物晶体，属六方晶系，空间群D63d2R3 mc ，具有良好的力学、机械、热学和电学性能及稳定的物理化学性能，是一种耐高温、耐磨损、抗腐蚀性和具有较宽透光波段的优质光功能材料。在激光、红外、半导体、LED衬底、新能源技术、高档奢侈品等领域有广泛的应用。

与其它性质类似的功能材料相比，蓝宝石产率低、生长速度慢、生产可重复性差，导致价格过于昂贵，大大限制了蓝宝石晶体的应用。人类对蓝宝石的认识较早，生长技术多样，各种生长方法互有利弊，其中EFG法是利用液态蓝宝石熔体的毛细现象，通过模具细缝引导Al₂O₃熔体上爬，并在模具口结晶的过程。在这一过程中对蓝宝石结晶外形进行精确控制，得到理想外形的产品。这样的生长方法简化了晶体的加工程序，降低了晶体加工难度，减少了蓝宝石晶体材料在加工过程中的浪费并节省了晶体生长时间，可以显著提高经济效益，是当前人工蓝宝石晶体最具潜力的生长方法。

目前的导模法工艺水平普遍只能一次生长几片晶片，例如少于10片，且宽度也较小，例如宽度＜50mm。在一次生长多片（例如≥10片）晶片时，由于同步性差，周向温度梯度不均匀等因素，造成晶片位错密度大，散射颗粒多，杂质分布不均匀等，导致晶体质量不理想，大大限制了其在多领域中的应用。

因此迫切需要在EFG法中同步生长更多片数的蓝宝石单晶片，并保证晶体质量。

应该增加一些对已有的类似专利技术的介绍，特别指出已有专利技术的特色和不足，从而衬托你的发明的特色和重要性！！！

例如：发明专利（申请号201310045422）提出导模法生长多条蓝宝石晶体的制备工艺，能够实现对多颗晶体生长的同时及独立的控制，但是，该专利对Al₂O₃料块没有进行处理，步骤1中控制单晶生长炉内的真空度为1.0×10^-3~1.0×10^-4Pa ，为高真空，需要使用分子泵，且分子泵和真空泵连续工作，成本高，操作不方便，同时真空泵振动大，容易造成晶体生长裂纹。 

发明内容

本发明提供了一种可同步生长出多片优质片状蓝宝石单晶体的工艺，对原有的生长工艺原料处理、装炉、抽真空及充氩气、升温步骤进行改进，生长出多片高纯度、无裂纹的蓝宝石晶片。

本发明的技术方案为：一种多片式导模法蓝宝石晶片生长工艺，包括以下步骤，

S01，蓝宝石原料处理：将高纯（99.999%）Al₂O₃料块经过800℃~1000℃保温5小时~20小时氧化气氛烘干，装入钼制坩埚中并盖好坩埚盖。Al₂O₃料块经过高温氧化，不仅能够烘干Al₂O₃料块，同时有利于挥发料块中的杂质，有利于提高晶片的纯度。

S02，装炉，将籽晶块和蓝宝石晶片生长模具装入钼制坩埚中固定，将钼制坩埚放入钨发热体中，将石墨硬毡保温罩空烧除尘后，套设在钨发热体外，绑好籽晶块，校正籽晶杆，使籽晶杆垂直于蓝宝石晶片模具，并且籽晶杆位于蓝宝石晶片生长模具正中间；蓝宝石晶片生长模具为新式间夹并排式模具，包括若干片状夹片，所述片状夹片之间设置有缝隙，所述缝隙为蓝宝石晶片生长区，这种模具摆放方式保证了各模具口处温度的一致性，同时避免由于晶片散热过快而导致的热应力问题，为得到优质蓝宝石单晶片奠定了基础。根据晶片形状及模具摆放位置，设计了一种新式长方形钼制坩埚，钼制坩埚包括钼坩埚埚体、坩埚盖，所述钼坩埚埚体为长方形埚体，所述坩埚盖设置有模具孔，所述蓝宝石晶片生长模具设置在模具孔中，将晶片的周向温度梯度均匀合理的分布在每一片晶片上，保证了每片晶片在宽度方向和厚度方向上温度梯度的一致性，便于多片晶片同步控制。

在该步骤中，籽晶块包括籽晶杆连接端、籽晶本体和模具接触端，籽晶杆连接端垂直设置在籽晶本体上表面，模具接触端设置在籽晶本体下表面，模具接触端背离籽晶本体的一端为楔形，模具接触端的尖端用于与蓝宝石晶片生长模具接触，这样，在引晶及放肩的过程中保证各片晶片的高度可以保持同步性和一致性；同时，籽晶块的生长面C面朝向籽晶本体的一个侧面设置，确定了晶片的生长方向，大大提高了晶片的晶向精度。

相应新式长方形钼制坩埚，设计了一种新式长方形筒式钨发热体，钨发热体为与钼制坩埚相适应的长方形筒式钨发热体，保证在晶体生长过程中沿着晶片宽度方向和厚度方向的温场对称性。

根据晶片形状及模具摆放位置，晶片在生长过程中温度梯度对其的影响，将石墨硬毡保温罩空烧除尘后，套设在钨发热体外，宽度方向和厚度方向上温度对称性好，保证晶片两端温度对称；同时石墨硬毡不掉渣，不开裂，重复性好，纯度高，具有比金属隔热屏更高的保温性能等优点。

石墨硬毡保温罩包括石墨保温毡，所述石墨保温毡为与所述钼坩埚锅体相适应的壳体，所述石墨保温毡的高度高于钼坩埚埚体，所述石墨保温毡的侧面设置有观察口，所述观察口与籽晶块、蓝宝石晶片生长模具的接触处相对且水平位置一致。

S03，抽真空及充氩气：关上放气阀和炉门，打开总电源，开启真空泵进行抽真空，真空度达到3Pa ～10Pa时关闭真空设备，缓慢充氩气至标准大气压；然后再次抽真空至3Pa ～10Pa，再次缓慢冲入氩气至标准大气压。本申请该步骤为低真空下，充入惰性气体，保证晶体在惰性气体低真空状态下生长，不需要分子泵抽高真空，成本低，操作方便，同时，本步骤当真空度达到3Pa ～10Pa时关闭真空设备，真空泵断续工作，振动小，减少晶体生长裂纹。 

S04，升温：首先检查晶体生长炉阀门是否在阀门相应的位置，然后打开加热电源开始分阶段升温；较优地，步骤S04中分阶段升温包括五个步骤进行，每个步骤间隔10至20分钟，第一步骤加热功率范围为0 kW~8kW、第二步骤加热功率范围为8 kW~16 kW、第三步骤加热功率范围为16 kW~20 kW、第四步骤加热功率范围为20 kW~24 kW、第五步骤加热功率范围为24 kW~26 kW，后续手动缓慢升温至料化。本步骤分阶段升温能够较好的平衡热滞后现象，使每次升温的热量能够充分释放，保证热平衡，提高晶片生长效率。

S05，引晶及缩颈：待模具口的籽晶料粒熔化以后，到达过热限定功率，将籽晶摇下，对籽晶进行烤晶，烤晶持续烤晶限定时长后，开始引晶，使籽晶与熔体充分熔接；然后升高熔体的温度实现籽晶缩颈；一般具体包括，待模具口的籽晶料粒熔化以后，过热功率2kw~4kw，将籽晶摇下，对籽晶进行烤晶，烤晶持续5min~30min后开始引晶，使籽晶块与熔体充分熔接，并以5mm/h~10mm/h的速率向上提拉籽晶块；待籽晶块被提拉3mm~5mm高度时开始将加热功率升高2 kW ~4kW，使已拉出的晶体缓慢变细实现籽晶缩颈。

S06，扩肩：步骤S05后，将籽晶杆提拉速率调至扩肩限定速度，通过扩肩降温，使晶体沿着籽晶从蓝宝石晶片生长模具中间向上缓慢生长。

S07，等径生长：扩肩结束后，进行等径生长，提高拉速； 

在温度稳定的情况下，等径生长时的温度和提拉不变，温度低于晶粒熔点时，调高温度，并降低拉速，温度高于晶粒熔点时，降低温度，减小拉速。一般晶粒熔化表明温度达到2050℃，一般温度调整在30℃～50℃。

当晶片生长长度露出上保温屏时，对加热功率进行补偿。

S08，降温：等晶体完全脱离模具口时停止提拉，开始降温，待加热功率降到降温功率限定范围时，关闭加热电源，完全降温后，开炉。

较优地，步骤S06扩肩限定速度为5 mm/h ~10mm/h，所述步骤S07等径生长的长晶过程中拉速的最大拉速为Vmax<45mm/h，所述S08中降温功率限定范围为小于10W。

较优地，扩肩降温包括以下步骤，扩肩是一个降温过程，以每10分钟~20分钟降低100W~200W的速率降温，使晶体沿着籽晶从模具中间向两边缓慢生长，扩肩时的角度范围为90°~120°。

本发明有益效果包括，采用EFG法（Edge-Defined Film-Fed Growth，EFG），通过设计最佳的模具分布与装炉工艺，结合科学的晶体生长控制程序，运用合理的宽度方向和厚度方向及轴向温度梯度，同步生长出多片优质片状蓝宝石单晶。

进一步地，籽晶块和蓝宝石晶片生长模具的结构，引晶及放肩的过程中保证各片晶片的高度可以保持同步性和一致性，同时片状籽晶的设计确定了晶片的生长方向，大大提高了晶片的晶向精度。

进一步地，钨发热体为与所述钼制坩埚相适应的长方形筒式钨发热体，保证在晶体生长过程中沿着晶片宽度方向和厚度方向的温场对称性。。

进一步地，石墨硬毡保温罩径向温度对称性好，保证晶片两端温度对称；同时石墨硬毡不掉渣，不开裂，重复性好，纯度高，具有比金属隔热屏更高的保温性能。

附图说明

图1为本发明多片式导模法蓝宝石晶片生长方法的步骤示意图；

图2为本发明籽晶块的示意图；

图3为本发明籽晶块与蓝宝石晶片生长模具放置示意图；

图4 为钼制坩埚的结构示意图；

图5为钨发热体的结构示意图；

图6为石墨硬毡保温罩结构示意图。

具体实施方式

下面结合附图和具体的实施例对本发明技术方案作进一步的详细描述，以使本领域的技术人员可以更好的理解本发明并能予以实施，但所举实施例不作为对本发明的限定。

本实施例，提供了一种可同步生长出12片（尺寸为70mm宽×4mm厚×400mm长）优质片状蓝宝石单晶体工艺，如图1所示，一种多片式导模法蓝宝石晶片生长工艺，包括以下步骤，

S01，蓝宝石晶片原料处理

选用99.999%的高纯Al₂O₃料块，密度在3.8 g/cm3—3.9g/cm3，原料在使用前经过高温800℃~1000℃保温5~20小时氧化气氛下烘干处理。

S02，装炉

如图2所示，籽晶块1包括籽晶杆连接端1-1、籽晶本体1-2和模具接触端1-3，所述籽晶杆连接端1-1垂直设置在籽晶本体1-2上表面，所述模具接触端1-3设置在籽晶本体下表面，所述模具接触端1-3背离籽晶本体1-2的一端为楔形，这样，在引晶及放肩的过程中保证各片晶片的高度可以保持同步性和一致性，便于12片晶片同步控制；同时，籽晶块的生长面C面朝向籽晶本体的一个侧面设置。

如图3、图4所示，将籽晶块1上端固定在籽晶夹上，同时在坩埚内固定好蓝宝石晶片生长模具2，装入原料后盖好坩埚盖4。

如图4、5、6所示，用分析纯（酒精）将单晶炉内擦拭干净，将钼制坩埚放入钨发热体中，将石墨硬毡保温罩空烧除尘后，套设在钨发热体6外，校正籽晶杆，连接籽晶块1，使籽晶杆垂直于蓝宝石晶片生长模具2，并且籽晶杆位于蓝宝石晶片生长模具正中间。

钼制坩埚包括钼坩埚锅体3、坩埚盖4，钼坩埚锅体3为长方形锅体，坩埚盖4设置有模具孔5，蓝宝石晶片生长模具2设置在模具孔5中；

石墨硬毡保温罩包括石墨保温毡7，石墨保温毡7为与钼坩埚锅体3相适应的壳体，石墨保温毡7的高度高于钼坩埚锅体3，石墨保温毡7的侧面设置有观察口8，观察口7与籽晶块1、蓝宝石晶片生长模具2的接触处相对，且与晶料块1、蓝宝石晶片生长模具2的接触处水平位置一致。

S03，抽真空及充氩气

关上放气阀，关好炉门，打开总电源，开启真空泵进行抽真空，真空度达到3Pa ～10Pa时关闭真空设备，缓慢充氩至标准大气压；然后再次抽真空至3Pa ～10Pa，再次缓慢冲入氩气至标准大气压。

S04，升温

首先检查晶体生长炉各个阀门，包括冷却水进、出水阀，氩气流量阀、手动放气阀、安全泄压阀等是否在正确的位置，冷却水是否正常流动，氩气瓶中的压强是否符合晶体生长过程中的要求。打开加热电源开始升温。升温按五个步骤进行，每个步骤间隔10分钟至20分钟，加热电源的功率分别调至0 kW～8kW、8 kW～16 kW、16 kW～20 kW、20 kW～24 kW、24 kW～26 kW、后续手动缓慢升温至料化。

S05，引晶及缩颈

1）待模具口的料粒熔化以后，过热2kW～4kW，此时模具口温度大约在2200℃左右，将籽晶块摇下，使籽晶头据模具口的位置有4mm～6mm的位置进行“烤晶”。烤晶持续5min~30min后开始引晶，本实施例“烤晶”10分钟后开始引晶，使籽晶块与熔体充分熔接，并以5mm/h~10mm/h的速率向上提拉籽晶块，使其成为一体即完成了引晶过程。

2）缩颈方法：可以稍微升高熔体的温度来达到，待籽晶块被提拉3mm~5mm高度时开始将加热功率升高2 kW ~4kW，即一般升温40℃～60℃。缩颈的作用:减少籽晶中遗传缺陷。在缩颈过程中，任何非轴向的位错都可以被逐步排除掉。

S06，扩肩

缩颈后，将籽晶杆提拉速率调至5 mm/h ~10mm/h。扩肩其实是一个降温过程（温度调整幅度要缓慢、低速），以10分钟~20分钟降低100瓦~200瓦的速率降温，本实施例使用15分钟的时间间隔频率，使晶体沿着籽晶从模具中间向两边缓慢生长，扩肩时的角度一般以90°～120°左右为佳，扩肩时晶片中部温度不能太低，否则会引起多晶或衍生出晶体的其它缺陷，甚至导致晶体炸裂。如果晶体长势较容易控制，应尽量做低速扩肩，低速扩肩有利于消除位错和晶体间界。扩肩一直到扩满为止，观察标准是12片晶片的宽度和模具口宽度一样即可。

S07，等径生长

1）扩肩结束后，进行等径生长，防止低温现象的产生；拉速由慢而快，长晶试验结果表明，V=30mm/h左右时，有利于拉出质量较好的蓝宝石晶体，在长晶过程中应尽量控制拉速Vmax<45mm/h。拉速太快，易形成泡状界面，在波谷之处，易夹生气体，造成在晶片中产生气泡。

2） 在温场稳定的情况下，等径生长时的温度和提拉可以不变，但实际生产中，由于各方面的原因，经常出现温度过低或过高的现象。 温度过低时，晶片出现碎片状的片纹，严重时，在晶体长到一定长度后，会在低温处断裂。这就是需要调高温度，并降低拉速，以减少片纹的延伸。温度过高时晶片向内收缩，直径减少。这时要降低温度，减小拉速。温度过高或过低产生的原因，可以用固液界面处的能量守恒方程式来解释。所以在生产过程中，要不时地调节加热功率以升高或降低温度，并使温度的升降调节与拉速的调节相匹配。

3） 需要注意的是在晶片长度达到一定高度时，已长出晶体的上部会逐渐露出上保温屏，使晶体向外散热增加，此时一定要及时对加热功率进行补偿，否则出现晶体生长温度过低。补偿的热功率一般根据所生长的晶片尺寸而定，12片尺寸为70mm宽×4mm厚的晶片生长工艺一般需补偿100Ｗ～300Ｗ。

S08，降温

等晶体完全脱离模具口3mm～5mm时停止提拉，开始降温。

降温要按先慢后快的原则进行，根据各长晶设备的情况做不同调整，正常情况下降温为2小时~3小时。

待加热功率降到＜10W时，关闭加热电源。

在原料几乎完全生长完毕的情况下关掉电源后5小时左右即可开炉；如果原料没有完全拉完，则关闭加热电源后需要冷却6小时~8小时。

以上仅是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来说，在不脱离本发明原理的前提下，还可以做出若干改进和润饰，这些改进和润饰也应视为本发明的保护范围。

Claims (10)

1.一种多片式导模法蓝宝石晶片生长工艺，其特征在于，包括以下步骤，

S01，蓝宝石原料处理：将Al₂O₃料块在800℃~1000℃保温5小时~20小时氧化气氛条件下烘干处理，将烘干后的Al₂O₃料块装入钼制坩埚中并盖好坩埚盖； 

S02，装炉：将籽晶块和蓝宝石晶片生长模具装入钼制坩埚中固定，将籽晶块固定在籽晶夹上，随后将钼制坩埚放入钨发热体中，将石墨硬毡保温罩空烧除尘后，套放在钨发热体外，籽晶固定后校正籽晶杆，使籽晶杆垂直于蓝宝石晶片生长模具，并且籽晶杆位于蓝宝石晶片生长模具正中间；

S03，抽真空及充氩气：关上放气阀和炉门，打开总电源，开启真空泵进行抽真空，真空度达到3Pa ～10Pa时关闭真空设备，缓慢充氩气至标准大气压；然后再次抽真空至3Pa ～10Pa，再次缓慢冲入氩气至标准大气压；

S04，升温：首先检查晶体生长炉的控制阀门是否在阀门相应的位置，然后打开加热电源开始分阶段升温；

S05，引晶及缩颈：待模具口的籽晶料粒熔化，过热后将籽晶摇下，对籽晶进行烤晶后开始引晶，使籽晶块与熔体充分熔接并向上提拉籽晶，籽晶被提拉到一定高度后，升高加热功率，使已拉出的晶体缓慢变细实现籽晶缩颈；

S06，扩肩：步骤S05后，将籽晶杆提拉速率调至扩肩限定速度，通过扩肩降温使晶体沿着籽晶从模具中间向上缓慢生长；

S07，等径生长：扩肩结束后，进行等径生长，提高拉速，在温场稳定的情况下，等径生长时的加热功率和提拉速率保持不变；

S08，降温：等晶体完全脱离模具口时停止提拉，开始降温，待加热功率降到降温功率限定范围时，关闭加热电源。

2.根据权利要求1所述的一种多片式导模法蓝宝石晶片生长工艺，其特征在于，所述籽晶块包括籽晶杆连接端、籽晶本体和模具接触端，所述籽晶杆连接端垂直设置在籽晶本体上表面，所述模具接触端设置在籽晶本体下表面，所述模具接触端背离籽晶本体的一端为楔形。

3.根据权利要求1所述的一种多片式导模法蓝宝石晶片生长工艺，其特征在于，所述钼制坩埚包括钼坩埚埚体、坩埚盖，所述钼坩埚埚体为长方形埚体，所述坩埚盖设置有模具孔，所述蓝宝石晶片生长模具设置在模具孔中；

所述石墨硬毡保温罩包括石墨保温毡，所述石墨保温毡为与所述钼坩埚锅体相适应的壳体，所述石墨保温毡的高度高于钼坩埚锅体，所述石墨保温毡的侧面设置有观察口，所述观察口与籽晶块、蓝宝石晶片生长模具口的接触处相对且水平位置一致；

所述钨发热体为与所述钼制坩埚相适应的长方形筒式钨发热体。

4.根据权利要求1所述的一种多片式导模法蓝宝石晶片生长工艺，其特征在于，所述蓝宝石晶片生长模具为新式间夹并排式模具，包括若干片状夹片，所述片状夹片之间设置有缝隙。

5.根据权利要求1所述的一种多片式导模法蓝宝石晶片生长工艺，其特征在于，所述步骤S04晶体生长炉阀门包括冷却水进水阀、冷却水出水阀、氩气流量阀、手动放气阀和安全泄压阀。

6.根据权利要求1所述的一种多片式导模法蓝宝石晶片生长工艺，其特征在于，所述步骤S04中分阶段升温包括五个步骤进行，每个步骤间隔10分钟至20分钟，第一步骤加热功率范围为0 kW~8kW、第二步骤加热功率范围为8 kW~16 kW、第三步骤加热功率范围为16 kW~20 kW、第四步骤加热功率范围为20 kW~24 kW、第五步骤加热功率范围为24 kW~26 kW，后续手动缓慢升温至料化。

7.根据权利要求1所述的一种多片式导模法蓝宝石晶片生长工艺，其特征在于，所述步骤S06扩肩限定速度为5 mm/h ~10mm/h，所述步骤S07等径生长的长晶过程中拉速的最大拉速为Vmax<45mm/h，所述S08中降温功率限定范围为小于10W。

8.根据权利要求1所述的一种多片式导模法蓝宝石晶片生长工艺，其特征在于，所述扩肩降温包括以下步骤，扩肩是一个降温过程，以每10分钟~20分钟降低100W~200W的速率降温，使晶体沿着籽晶从模具中间向两边缓慢生长，扩肩时的角度范围为90°~120°。

9.根据权利要求1所述的一种多片式导模法蓝宝石晶片生长工艺，其特征在于，所述步骤S05具体包括以下步骤，待模具口的晶粒熔化以后，过热功率2kw~4kw，，将籽晶摇下，对籽晶进行烤晶，烤晶持续5min~30min后开始引晶，使籽晶块与熔体充分熔接，并以5mm/h~10mm/h的速率向上提拉籽晶块；待籽晶块被提拉3mm~5mm高度时开始将加热功率升高2 kW ~4kW，使已拉出的晶体缓慢变细实现籽晶缩颈。

10.根据权利要求1所述的一种多片式导模法蓝宝石晶片生长工艺，其特征在于，所述籽晶块的生长面C面朝向籽晶本体的一个侧面设置。

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