CN104911708B - 泡生法制备方形蓝宝石晶体的生长方法 - Google Patents

Abstract

本发明提供了一种泡生法制备方形蓝宝石晶体的生长方法。该蓝宝石单晶生长工艺主要由：引晶、放肩、等径、收尾拉脱和降温与退火阶段五部分构成。装炉时须保证方形坩埚与方形加热体同心，且其侧壁与方形加热体侧面平行，籽晶为端面与侧面都经过精定向的方形籽晶。等径生长阶段，加快降温速度，减慢提拉速度。收尾拉脱阶段，适当升温以实现对晶体收尾部分棱角的烘烤，同时增大提拉速度，使晶体与坩埚自动分离。降温与退火阶段初期和末期，以相对较快的降温速度进行冷却，中间阶段停止降温，并保温一段时间。该生长工艺有利于生长大尺寸高品质的方形蓝宝石单晶，采用该工艺生长方形蓝宝石单晶晶体质量好，可大幅度提高加工效率及方形块料的出材率。

Description

泡生法制备方形蓝宝石晶体的生长方法

（一）技术领域

本发明涉及一种蓝宝石单晶生长的生长工艺，具体涉及一种泡生法制备高品质方形蓝宝石晶体的生长工艺。

（二）背景技术

蓝宝石即为氧化铝单晶，具有优异的光学、机械、化学和电性能，在0.19~5.5μm内具有较高的光学透过率，强度高、耐冲刷、耐腐蚀、耐高温，可在接近2000℃高温的恶劣条件下工作，因此被广泛应用于科学技术、空间飞行器，高强度激光器的窗口，国防与民用工业、等电子技术的诸多领域，同时也成为了当下手机屏市场的首选材料。

冷心放肩微量提拉法（SAPMAC）是在传统泡生法基础上，结合提拉法的优势开发而来的一种适于生长高品质蓝宝石单晶的方法。虽然该工艺在晶体质量与成本方面有较大的提高，但也继承了传统泡生法的一些基本特点，即生长出的蓝宝石单晶为梨形，在加工方形材料方面，出材率明显降低。因此，为了满足手机屏及其它潜在大尺寸方形产品市场的大量需求，在原有SAPMAC的基础上进行改进，生长出方形蓝宝石单晶有利于缩短研发周期，减少研发投入，提高材料利用率，降低成本。进一步，可针对市场需求量大的不同尺寸产品，对热场进行调整，生长出各种规格蓝宝石晶锭，使材料利用率达到最大化。

另外，通过籽晶控制，不但可以得到理想的端面晶向，也可以实现特定的侧面晶向。对于有多面晶向要求的产品来说加工更加容易，所需操作步骤少。因此，可有效提高加工效率，降低加工成本。然而，采用泡生法生长蓝宝石在热场设计与工艺方面需要面对更多的问题，工艺方面控制不当，则方形蓝宝石单晶因为在棱角处容易产生应力集中，晶体应力较大，这种问题在大尺寸方形蓝宝石单晶上表现得更加突出。另外，方形热场还存在引晶困难的问题，这也成为泡生法生长方形蓝宝石单晶产业化的一个障碍。因此，要想提升方形蓝宝石单晶的成品率，除了需要设计合理的温场，还须更加注重对引晶形态的控制，通过工艺控制，最大限度地降低晶体内部的应力，减少晶体缺陷。

（三）发明内容

本发明利用前期专利ZL201420050091.5中涉及的方形蓝宝石单晶炉，针对方形蓝宝石单晶生长时引晶困难，晶体应力较大的问题进行综合分析，在保留原有SAPMAC法生长梨形蓝宝石单晶优势的同时，对晶体生长过程的关键环节进行重点设计，提出一种可以生长出高品质方形蓝宝石单晶的泡生法制备方形蓝宝石单晶的生长方法。

本发明的目的是这样实现的：SAPMAC法制备方形蓝宝石单晶的生长工艺，该蓝宝石单晶生长工艺主要分为引晶、放肩、等径、收尾拉脱、降温与退火五部分，具体过程为：1）装炉：将高纯氧化铝粉料、方形预制块或碎晶装入方形坩埚内，保证方形坩埚与方形加热体同心，坩埚的侧壁与加热体侧面平行，将端面和侧面都经过精定向的方形籽晶装在籽晶夹上；2）抽真空，升温化料；3）预热籽晶：将籽晶下落到距离液面一定的位置充分预热籽晶；4）引晶：采用匀速旋转的方式将引晶形态控制成圆形，引晶结束后，缓慢停止旋转籽晶，使籽晶的一个侧面与坩埚侧面相平行的位置；5）放肩：初期缓慢降温，并采用较小提拉速度进行一次放肩，继续降温，并采用较大提拉速度，减小放肩角；加快降温速率，并采用中等提拉速度进行二次放肩；6）等径生长：加快降温速率，减慢提拉速度；7）收尾拉脱：当晶体生长完毕，适当升温以实现对晶体收尾部分棱角的烘烤，同时增大提拉速度，使晶体与坩埚自动分离；8）降温与退火：最初以相对较快的降温速度进行冷却，中间关键温度段停止降温，保温一段时间，随后再以较快的速度降温。

本发明还有这样一些特征：

1、所述的引晶阶段初期，将籽晶杆旋转速度设为1~10rpm，每层的生长时间控制在3~5min。缩颈阶段，增大旋转速度，并延长每层的生长时间，将籽晶杆旋转速度调节为5~20rpm，每层的生长时间控制在6~10min。

2、所述的放肩阶段初期，晶体生长速度控制在0.1~0.3kg/h，提拉速度0.2~2mm/h，使其缓慢生长。放肩后期，为减小放肩角，将提拉速度设为0.6~6mm/h。

3、所述的等径生长阶段，放慢晶体的生长速度，将其生长速度控制在0.2~0.6kg/h，提拉速度为0.1~1mm/h。

4、所述的收尾拉脱阶段，适当升温，使晶体底部处于稍熔化状态，保温3~5h。随后加快提拉，提拉速度设为4~10mm/h，使晶体与坩埚底部分离。

5、所述的退火阶段初期和末期以40~60℃/h的降温速度进行冷却，在1800~1400℃温度段，以5~20℃/h的降温速度进行冷却。

本发明的有益效果有：

1.通过引晶过程中不断旋转并多层引晶，可降低位错密度，并减小晶体生长初期出现缺陷的可能。

2.放肩初期缓慢生长，避免不同方向生长速度不一致引起双晶等缺陷。后期加快提拉，减小放肩角，可降低晶体内部的应力，同时也可有效避免方形晶体的粘埚问题。

3.收尾拉脱阶段，通过对单晶底部的烘烤，使晶体四周的棱角变得圆滑，避免了晶体底部应力集中问题，同时也利于形成拉脱的自动控制。

4.降温与退火阶段初期和末期，冷却速度较快，有效降低了此环节的工艺时长，进而降低生产成本，中间关键温度段缓慢降温，使晶体内部应力大部分得以消除。

5.采用该方法生长出的方形蓝宝石单晶应力小、内部缺陷少，可较大幅度提高方形蓝宝石产品的出材率，提高晶体利用率。

（四）附图说明

图1为方形蓝宝石单晶生长籽晶、坩埚及加热体相对位置示意图。

（五）具体实施方式

下面结合附图及具体实施方式对本发明作进一步说明：

装炉时，尽量使方形坩埚2与方形加热体3同心，坩埚的四个侧面到方形加热体距离相等。籽晶1为端面为正方形的长方体，且端面及侧面都经过精确定向。引晶结束后，将籽晶旋转到某一侧面AB正好与坩埚侧壁A’B’或B’C’相平行的位置。

实施例一：

将高纯氧化铝粉料与方形预制块紧密状态放在坩埚内，将端面为A向，侧面为M向与C向的籽晶装在籽晶夹上，抽真空并升温化料。将籽晶下落到距离液面8mm的位置预热30分钟。将熔体表面温度调节到略低于氧化铝的结晶温度，并逐渐降低籽晶高度，使其与熔体表面接触，此时将自动旋转参数设定为3rpm，保证每层的生长时间控制在3min，提出5层后，将自动旋转参数设定为8rpm，进入缩颈阶段。缩颈阶段共5层，每层的生长时间控制在6min。引晶结束后，缓慢将籽晶旋转到侧壁与坩埚壁相平行的位置，进入放肩阶段。放肩初期下调低电压，将单晶的生长速度控制在0.1kg/h，提拉参数设定为0.4mm/h，待放肩25h后，提拉速度改为1.2mm/h。等径生长阶段将单晶生长速度控制在0.2kg/h，提拉速度设定为0.3mm/h。收尾拉脱阶段，调节电压适当升温，并持续保温3h，待单晶底部稍融化后，将提拉速度加快为5mm/h，使晶体与坩埚底部分离。退火初期和末期，通过电压调节，使晶体以-60℃/h的降温速度进行冷却，在1800~1400℃温度段，以12℃/h的速度进行冷却。

实施例二

将高纯氧化铝球料与圆形预制块紧密状态放在坩埚内，将端面为M向，侧面为A向与C向的籽晶装在籽晶夹上，抽真空并升温化料。将籽晶匀速缓慢下落，直到距离液面5mm的位置预热20分钟。调节熔体表面温度，使其略低于氧化铝熔点，并逐渐降低籽晶高度，使其与熔体表面接触，此时将自动旋转参数设定为5rpm，保证每层的生长时间控制在5min，提出3层后，将自动旋转参数设定为10rpm，进入缩颈阶段。缩颈阶段共3层，每层的生长时间控制在8min。引晶结束后，缓慢将籽晶旋转到侧壁与坩埚壁相平行的位置，进入放肩阶段。放肩初期缓慢降压，将单晶的生长速度控制在0.15kg/h，提拉参数设定为0.6mm/h，待放肩20h后，提拉速度改为1.5mm/h。等径生长阶段将单晶生长速度控制在0.3kg/h，提拉速度设定为0.5mm/h。适当加快单晶的生长速度同时加大提拉量防止其直径过大与埚壁接触。收尾拉脱阶段，升高电压1000mv，并持续保温2h，待单晶底部稍融化后，将提拉速度加快为8mm/h，使晶体与坩埚底部分离。退火初期和末期，调节电压，使单晶体以-50mv/h的降温速度进行冷却，在1800~1400℃温度段，以10℃/h的速度进行冷却。

Claims (1)

1.一种泡生法制备方形蓝宝石晶体的生长方法，其特征在于该蓝宝石单晶生长工艺主要分为引晶、放肩、等径、收尾拉脱、降温与退火五部分，具体过程为：（1）装炉：将高纯氧化铝粉料、方形预制块或碎晶装入方形坩埚内，保证方形坩埚与方形加热体同心，方形坩埚的侧壁与方形加热体侧面平行，将三面精定向的籽晶装在籽晶夹上；（2）抽真空，升温化料；（3）预热籽晶：将籽晶下落到距离液面一定的位置充分预热籽晶；（4）引晶：采用匀速旋转的方式将引晶形态控制成圆形，且引晶结束后将籽晶转到侧面与坩埚侧壁平行的位置；引晶阶段初期，将籽晶杆旋转速度设为1~10rpm，每层的生长时间控制在3~5min，缩颈阶段，将籽晶杆旋转速度调节为5~20rpm，每层的生长时间控制在6~10min，引晶层数共5~15层；（5）放肩：分两次放肩，一次放肩采用较小的提拉与降温速度，二次放肩增大提拉与降温速度，减小放肩角；放肩阶段初期，晶体生长速度控制在0.1~0.3kg/h，提拉速度0.2~2mm/h，使其缓慢生长；放肩后期，为减小放肩角，将提拉速度设为0.6~6mm/h；（6）等径生长：加快降温速率，减慢提拉速度；等径生长阶段，晶体生长速度控制在0.2~0.6kg/h，提拉速度为0.1~1mm/h；（7）收尾拉脱：当晶体生长完毕，适当升温以实现对晶体收尾部分棱角的烘烤，同时增大提拉速度，使晶体与坩埚自动分离；收尾拉脱阶段，适当升温，使晶体底部处于稍熔化状态，保温3~5h；随后加快提拉，提拉速度设为4~10mm/h，使晶体与坩埚底部分离；（8）降温与退火：最初以相对较快的降温速度进行冷却，中间关键温度段停止降温，保温一段时间，随后再以较快的速度降温；降温与退火阶段的初期和末期以30~60℃/h的降温速度进行冷却，在1800~1400℃温度段，以5~20℃/h的降温速度进行冷却。