CN108588832B - 制备蓝宝石晶体的改进的泡生法及晶体生长炉 - Google Patents

Abstract

本发明实施例提供一种制备蓝宝石晶体的改进的泡生法及实施该方法的晶体生长炉，该方法包括以下步骤：(a)将晶体生长炉内抽真空，加热使所述晶体生长炉内坩埚中的氧化铝原料熔化，得到熔体；(b)往所述晶体生长炉内充入惰性气体，维持炉内压力为0.1‑100Pa；(c)在压力为0.1‑100Pa的所述惰性气体氛围下，将蓝宝石籽晶放置于所述熔体的液面以下，进行引晶、扩肩生长、等径生长和收尾生长；(d)晶体生长完成后进行退火处理，得到蓝宝石晶体。采用上述技术方案中的改进的泡生法，可以减少热场中钨/钼材料的零部件的升华损耗，减少氧化铝熔体的蒸发，从而延长热场中钨/钼材料的零部件的使用寿命。

Description

制备蓝宝石晶体的改进的泡生法及晶体生长炉

技术领域

本发明属于泡生法制备蓝宝石晶体领域，具体涉及一种制备蓝宝石晶体的改进的泡生法。此外，本申请还涉及一种晶体生长炉。

背景技术

蓝宝石晶体的化学成分为氧化铝(Al₂0₃)，它具有优异的光学性能、机械性能和化学性能，因而被广泛应用于整流罩、窗口材料等军工领域，以及LED衬底材料、手机屏等民用领域。

蓝宝石晶体生长方法主要有泡生法、提拉法、热交换法、温度梯度法、导模法等，其中泡生法是较为常用的制备方法之一。请参考图1，泡生法(Kyropoulos)制备蓝宝石晶体的过程如下：首先将晶体生长炉内抽真空，加热至高于氧化铝熔点50K左右，使炉内的坩埚中的氧化铝原料熔化，形成熔体。然后将一根安装在受冷提拉杆上的籽晶(Seed Crystal)插入熔体10-70mm进行引晶。控制熔体液面温度处于氧化铝熔点，将提拉杆连同籽晶一起，以极缓慢的速度向上提拉和转动，使籽晶逐渐长大。待结晶速率稳定后，提拉杆及籽晶便不再拉升，也不作旋转，仅以控制冷却速率的方式来使晶体从上往下逐渐凝固，实现蓝宝石晶体生长的扩肩、等径生长以及收尾生长的过程。晶体生长完成后进行分离和退火，得到蓝宝石晶体。

在采用泡生法制备蓝宝石晶体的过程中，晶体生长炉炉内温度非常高，炉内承受高温的部分，统称为热场。热场是晶体生长炉的核心部分，通常使用高温性能好的钨/钼材料来制备，主要包括了坩埚、坩埚盖、发热体、底座、籽晶夹等。这些热场零部件往往使用寿命不够长，导致设备成本增加。

发明内容

本申请在现有的泡生法的基础上进行改进，提供了一种制备蓝宝石晶体的改进的泡生法，以减少热场中钨/钼材料的零部件的升华损耗，减少氧化铝熔体的蒸发，从而延长热场中钨/钼材料的零部件的使用寿命。

第一方面，本申请提供一种制备蓝宝石晶体的改进的泡生法，包括以下步骤：

(a)将晶体生长炉内抽真空，加热使所述晶体生长炉内坩埚中的氧化铝原料熔化，得到熔体；

(b)往所述晶体生长炉内充入惰性气体，维持炉内压力为0.1-100Pa；

(c)在压力为0.1-100Pa的所述惰性气体氛围下，将蓝宝石籽晶放置于所述熔体的液面以下，进行引晶、扩肩生长、等径生长和收尾生长；

(d)晶体生长完成后进行退火处理，得到蓝宝石晶体。

结合第一方面，在第一方面第一种可能的实现方式中，在步骤(b)中，往所述晶体生长炉内充入惰性气体的步骤，具体包括：

往所述晶体生长炉内坩埚的底部中心处充惰性气体。

结合第一方面及上述可能的实现方式，在第一方面第二种可能的实现方式中，在步骤(c)中，所述将蓝宝石籽晶放置于所述熔体的液面以下，进行引晶的步骤包括：

将所述蓝宝石籽晶放置于所述熔体的液面以下20-50mm处，清洗所述蓝宝石籽晶；

将清洗后的所述蓝宝石籽晶放置于所述熔体的液面以下10-40mm处，使所述蓝宝石籽晶生长成晶结，直到晶结的有效高度大于50mm。

结合第一方面及上述可能的实现方式，在第一方面第三种可能的实现方式中，在步骤(c)中，还包括判断熔体温度是否适合引晶的步骤，包括：

将清洗后的所述蓝宝石籽晶插入熔体液面以下10-40mm处，恒定10-30min；如果所述蓝宝石籽晶在固液界面处长粗2-5mm，则判断熔体温度适合引晶。

结合第一方面及上述可能的实现方式，在第一方面第四种可能的实现方式中，在步骤(c)中，所述扩肩生长的步骤包括：

将晶结以3-5转/min的转速转动，以0-100w/h的降幅降低所述晶体生长炉的加热功率，进行扩肩生长；直到生长的晶体重量达到预期制得的蓝宝石晶体重量的0.2-0.4％时，停止转动晶体；继续扩肩生长，直到晶体的重量达到预期制得的蓝宝石晶体重量的11.5-14％。

结合第一方面及上述可能的实现方式，在第一方面第五种可能的实现方式中，在步骤(c)中，所述等径生长的步骤包括：

将晶体以0-0.2mm/h的速度向上提拉，以0-60w/h的降幅降低所述晶体生长炉的加热功率，进行等径生长，直到晶体的重量达到预期制得的蓝宝石晶体重量的85-90％。

结合第一方面及上述可能的实现方式，在第一方面第六种可能的实现方式中，在步骤(c)中，所述收尾生长的步骤包括：

将晶体以0-0.2mm/h的速度向上提拉，以0-30w/h的降幅降低所述晶体生长炉的加热功率，进行收尾生长。

结合第一方面及上述可能的实现方式，在第一方面第七种可能的实现方式中，在步骤(d)中，所述进行退火处理的步骤包括：

在晶体与坩埚分离以后，以200-600w/h的降幅降低所述晶体生长炉的加热功率，以0.1-0.5L/min的流速向所述晶体生长炉内通入惰性气体至一个大气压，所述晶体生长炉的总降温时间为100-200h。

结合第一方面及上述可能的实现方式，在第一方面第八种可能的实现方式中，在步骤(b)中，所述惰性气体包括氦气、氖气、氩气、氪气和氙气中的任一种。

第二方面，本申请还提供一种晶体生长炉，包括炉体、坩埚和坩埚轴，所述坩埚架设于所述炉体内，所述坩埚轴设置于所述坩埚底部，所述坩埚轴中空形成第一通道，所述第一通道的一端与所述炉体外部的惰性气体充气管道连通，所述第一通道的另一端与所述炉体内的空间连通。

在上述的改进的泡生法中，蓝宝石的整个生长阶段都处于0.1-100Pa的惰性气体氛围下进行，一方面使得钨/钼材料的挥发减少，延长了钨/钼材料的热场零部件的使用寿命。另一方面0.1-100Pa的惰性气体能够有效地抑制氧化铝熔体的蒸发，由于熔体挥发急剧减少，热场零部件上基本不会附着氧化铝蒸发后的沉积物，故而无需清理这些零部件，从而避免了清理过程中对钨/钼材料的热场零部件造成的损伤，进而也延长了热场零部件的使用寿命。

附图说明

为了更清楚地说明本申请的技术方案，下面将对实施例中所需要使用的附图作简单地介绍，显而易见地，对于本领域普通技术人员而言，在不付出创造性劳动性的前提下，还可以根据这些附图获得其他的附图。

图1为泡生法制备蓝宝石晶体的示意图；

图2为本申请的改进的泡生法所使用的晶体生长炉的结构示意图。

附图标记说明：

图1：坩埚11；提拉杆12；籽晶13；晶体14；熔体15；

图2：炉体2；坩埚3；坩埚轴4；第一通道41；坩埚支撑块5；惰性气体充气管道6；流量阀61；加热器7；侧壁保温件81；底部保温件82；顶部保温件83；氧化锆砖9。

具体实施方式

下面对本申请的实施例作详细说明。

针对现有的热场零部件往往使用寿命不长的现象，发明人经过分析认为，这主要是因为，在制备蓝宝石晶体的过程中，一方面钨/钼材料的零部件在高度真空和高温条件下升华损耗，另一方面氧化铝熔体蒸发后沉积在热场中的零部件上，只能采用打磨或者敲击等方法来清理，但钨/钼材料的零部件本身脆性大，在清理过程中很容易被损坏。

为此，本申请提出一种制备蓝宝石晶体的改进的泡生法，以减少热场中钨/钼材料的零部件的升华损耗，减少氧化铝熔体的蒸发，从而延长热场中钨/钼材料的零部件的使用寿命。该方法包括以下步骤：

(a)将晶体生长炉内抽真空，加热使晶体生长炉内坩埚中的氧化铝原料熔化，得到熔体；

(b)往晶体生长炉内充入惰性气体，维持炉内压力为0.1-100Pa；

(c)在压力为0.1-100Pa的惰性气体氛围下，将蓝宝石籽晶放置于熔体的液面以下，进行引晶、扩肩生长、等径生长和收尾生长；

(d)晶体生长完成后进行退火处理，得到蓝宝石晶体。

需要说明的是，上述步骤(a)、(b)、(c)、(d)的标号不用于限定制备方法中各个步骤的顺序，方法中的各个步骤，只要逻辑上合理，各步骤的顺序可以变化。例如，步骤(b)可以在步骤(a)完成以后进行，也可以在步骤(a)融化氧化铝原料的过程中进行，本申请对此不做限定。

在步骤(a)中，晶体生长炉抽真空，通常不要求抽至绝对真空，只需要达到一定的真空度即可，例如，可以抽至1×10^-3Pa。

可以根据热场和原料来确定化料的具体工艺参数，例如，对于制备200kg规格的蓝宝石晶体而言，在10-15小时内将加热器功率升高至75-90kw来加热使得氧化铝原料融化，然后保持熔体在高温条件(例如2100-2120℃)下恒定3-7小时。

可选地，在步骤(b)中，往晶体生长炉内充入惰性气体，可以往晶体生长炉内坩埚底部的侧面充入惰性气体，也可以往坩埚底部中心处充入惰性气体。

在现有的蓝宝石晶体生长方法中，晶体径向温度梯度一般较小，在晶体生长到后期时，晶体界面的锥形界面就比较平缓甚至造成凹界面，从而产生界面翻转，晶体底部就会产生馒头状云雾气泡。而在本申请中，通过往晶体生长炉内坩埚底部的中心处充入惰性气体，使惰性气体从坩埚底部中心向外侧扩散，可以降低坩埚底部中心处的温度，从而提高径向温度梯度，防止晶体界面翻转，进而减少晶体底部出现的馒头状云雾气泡，提高制备出的蓝宝石晶体的良品率。

另外，现有的蓝宝石晶体生长方法中，引晶工程师在引晶过程中的操作难度往往很高。这其中一个可能的原因是晶结的径向温度梯度较小，在提拉的时候容易与熔体液面脱离。而通过往坩埚底部中心处充入惰性气体，提高了晶结的径向温度梯度，能够有效防止晶结与熔体液面脱离，从而降低了引晶工程师在引晶过程中的操作难度。

可选地，在步骤(b)中，惰性气体包括氦气、氖气、氩气、氪气和氙气中的任一种。其中，使用氩气的生产成本最低，而使用其他几种惰性气体的成本相对较高。

本申请对于惰性气体的抽入速度不做限定，由于晶体生长炉内原本就具有抽气的装置，故而只要抽气与充气的速度大致相当，维持晶体生长炉内惰性气体的压力在0.1-100Pa即可。

可选地，在步骤(c)中，将蓝宝石籽晶放置于熔体的液面以下，进行引晶的步骤包括：

将蓝宝石籽晶放置于熔体的液面以下20-50mm处，清洗蓝宝石籽晶；

将清洗后的蓝宝石籽晶放置于熔体的液面以下10-40mm处，使蓝宝石籽晶生长成晶结，直到晶结的有效高度大于50mm。

在进行引晶之前，先清洗蓝宝石籽晶，确保籽晶末端由方形熔为圆弧面，籽晶透亮、无黑色沉积物附着，以免沉积物等影响生长出的晶体的质量。然后再判断熔体温度是否适合引晶，如果适合引晶，则将清洗后的蓝宝石籽晶放置到熔体液面以下10-40mm处，使蓝宝石籽晶生长成晶结，直到晶结的有效高度大于50mm，引晶完成。

更具体地，在判断熔体温度是否适合引晶的时候，可以通过以下的方法来判断：

(1)将清洗后的透亮的蓝宝石籽晶插入熔体液面以下10-40mm处，将晶体计重的重量清零，恒定10-30min。如果籽晶在固液界面处慢慢长粗2-5mm，则判断熔体温度适合引晶。

(2)如果籽晶在1-5min内快速长粗，则可以将加热功率提高200-500瓦，恒定2-3小时，再重新清洗籽晶，重复前述步骤(1)。

(3)如果30min内籽晶不长粗或者籽晶熔化，则可以将加热功率降低300-500瓦，恒定2-3小时，再重新清洗籽晶，重复前述步骤(1)。

可选地，在步骤(c)中，扩肩生长的步骤包括：

将晶结以3-5转/min的转速转动，以0-100w/h的降幅降低晶体生长炉的加热功率，进行扩肩生长；直到晶体重量达到预期制得的蓝宝石晶体重量的0.2-0.4％时，停止转动晶结；继续扩肩生长，直到晶体的重量达到预期制得的蓝宝石晶体重量的11.5-14％。

在扩肩生长阶段，通过控制转速和加热功率的降幅，以控制晶体的生长速度。将扩肩生长的转速和加热功率降幅控制在这样的范围中，这一阶段晶体出现缺陷的概率会大幅降低，缺陷率从原本的50％左右下降到10％左右。

可选地，在步骤(c)中，等径生长的步骤包括：

将晶体以0-0.2mm/h的速度向上提拉，以0-60w/h的降幅降低晶体生长炉的加热功率，进行等径生长，直到晶体的重量达到预期制得的蓝宝石晶体重量的85-90％。

在等径生长阶段，通过控制提拉速度和加热功率的降幅，以控制晶体在这一阶段的生长速度。在这样的条件下，生长出的晶体的质量不会有明显的差异，但是可以缩短生长时间，在工业化生产中提高了生产效率。

可选地，在步骤(c)中，收尾生长的步骤包括：

将晶体以0-0.2mm/h的速度向上提拉，以0-30w/h的降幅降低晶体生长炉的加热功率，进行收尾生长，直至晶体重量趋于平稳。

需要说明的是，无论是扩肩生长阶段、等径生长阶段还是收尾生长阶段，加热功率的降幅都会随着晶体的生长而在一定范围为进行调整，故而在具体的实施例中，即便是一个实施例中，加热功率的降幅也是在一个范围值内变化调整。与此类似的，无论是等径生长阶段还是收尾生长阶段，晶体的提拉速度也会围着晶体的生长而在一定范围内进行调整，故而在具体的实施例中，即便是一个实施例中，提拉速度也是在一个范围值内变化调整。

可选地，在步骤(d)中，进行退火处理的步骤包括：

在晶体与坩埚分离以后，以200-600w/h的降幅降低晶体生长炉的加热功率，以0.1-0.5L/min的流速向晶体生长炉内通入惰性气体至一个大气压，晶体生长炉的总降温时间为100-200h。

在步骤(d)中，惰性气体包括氦气、氖气、氩气、氪气和氙气中的任一种。

在退火处理时，往晶体生长炉中缓慢通入惰性气体，可以加速晶体生长炉内的冷却速度，缩短冷却时间。同时，由于整个生长到退火的过程中，晶体都处于惰性气体中，与现有的仅在退火阶段通入氩气的方法相比，本申请的方法所制备出的蓝宝石晶体内部的应力相对更小。

在上述的改进的泡生法中，蓝宝石的整个生长阶段都处于0.1-100Pa的惰性气体氛围下进行，一方面使得钨/钼材料的挥发减少，延长了钨/钼材料的热场零部件的使用寿命。另一方面0.1-100Pa的惰性气体能够有效地抑制氧化铝熔体的蒸发，由于熔体挥发急剧减少，热场零部件上基本不会附着氧化铝蒸发后的沉积物，故而无需清理这些零部件，从而避免了清理过程中对钨/钼材料的热场零部件造成的损伤，进而也延长了热场零部件的使用寿命。

下面通过实施例进一步说明本申请的技术方案，但并不因此将本申请限制在所述的实施例范围之中。

下列实施例中的氧化铝原料购自东莞精研科技股份有限公司，蓝宝石定向籽晶购自苏州恒嘉晶体材料有限公司。此外，实施例中其他未做特别说明的试剂、原料和仪器设备均可通过商业途径直接购得。未注明具体条件的实验方法，按照常规方法和条件，或按照商品说明书选择。

实施例一 制备200kg级蓝宝石晶体

1、将200公斤纯度5N的氧化铝原料装入坩埚内，然后将装满原料的坩埚装入晶体生长炉的炉膛内。将定向籽晶安装在籽晶夹头上，并将籽晶夹头固定于籽晶杆上。关上晶体生长炉的炉盖，将晶体生长炉内抽真空至1×10^-3Pa，检漏。

2、在10-15小时内将加热器功率升高至75-90kw，加热晶体生长炉，使坩埚内的氧化铝原料融化得到熔体。保持熔体在2100-2120℃下恒定3-7小时。从晶体生长炉内坩埚的底部中心处往炉内充入氩气，使氩气不断从坩埚底部的中心向外周扩散，维持炉内压力为70-100Pa。

3、引晶：在压力为70-100Pa的氩气氛围下，通过籽晶杆将蓝宝石籽晶放置于熔体的液面以下20-50mm处，反复清洗蓝宝石籽晶，直到籽晶透亮且无沉积物附着。判断熔体温度是否适合引晶。如果适合引晶，则将清洗后的籽晶插入到熔体的液面以下35-40mm处，使蓝宝石籽晶生长成晶结，直到晶结的有效高度大于50mm，则引晶完成。

4、扩肩生长：将晶结以3-5转/min的转速转动，以60-100w/h的降幅降低晶体生长炉的加热功率，进行扩肩生长，使得晶体生长的速度控制在10-50g/h。直到晶体重量达到400g时，停止转动晶体。继续扩肩生长，直到晶体的重量达到28kg时，扩肩生长的过程完成。

5、等径生长：将晶体以0-0.2mm/h的速度向上提拉，以0-60w/h的降幅降低晶体生长炉的加热功率，进行等径生长，使晶体的生长速度为1-2kg/h，直到晶体的重量达到180kg。

6、收尾生长：将晶体以0-0.2mm/h的速度向上提拉，以0-30w/h的降幅降低晶体生长炉的加热功率，进行收尾生长，直到晶结重量维持在200kg左右，趋于平稳，此时晶体已经生长完成。

7、退火处理：将晶体与坩埚分离以后，以200w/h的降幅降低晶体生长炉的加热功率，以0.5L/min的速度向晶体生长炉内通入氩气，直至炉内气压达到一个大气压，晶体生长炉总降温时间为200h。然后开炉取出制得的蓝宝石晶体。

实施例二 制备200kg级蓝宝石晶体

1、同实施例一步骤1。

2、在10-15小时内将加热器功率升高至75-90kw，加热晶体生长炉，使坩埚内的氧化铝原料融化得到熔体。保持熔体在2100-2120℃下恒定3-7小时。从晶体生长炉内坩埚的底部中心处往炉内充入氩气，使氩气不断从坩埚底部的中心向外周扩散，维持炉内压力为50-70Pa。

3、引晶：在压力为50-70Pa的氩气氛围下，通过籽晶杆将蓝宝石籽晶放置于熔体的液面以下20-50mm处，反复清洗蓝宝石籽晶，直到籽晶透亮且无沉积物附着。判断熔体温度是否适合引晶。如果适合引晶，则将清洗后的籽晶插入到熔体的液面以下30-35mm处，使蓝宝石籽晶生长成晶结，直到晶结的有效高度大于50mm，则引晶完成。

4、扩肩生长：将晶结以3-5转/min的转速转动，以25-50w/h的降幅降低晶体生长炉的加热功率，进行扩肩生长，使得晶体生长的速度控制在10-50g/h。直到晶体重量达到800g时，停止转动晶体。继续扩肩生长，直到晶体的重量达到23kg时，扩肩生长的过程完成。

5、等径生长：将晶体以0-0.2mm/h的速度向上提拉，以0-50w/h的降幅降低晶体生长炉的加热功率，进行等径生长，使晶体的生长速度为1-2kg/h，直到晶体的重量达到170kg。

6、收尾生长：同实施例一步骤6。

7、退火处理：将晶体与坩埚分离以后，以600w/h的降幅降低晶体生长炉的加热功率，以0.1L/min的速度向晶体生长炉内通入氩气，直至炉内气压达到一个大气压，晶体生长炉总降温时间为160h。然后开炉取出制得的蓝宝石晶体。

实施例三 制备200kg级蓝宝石晶体

1、同实施例一步骤1。

2、在10-15小时内将加热器功率升高至75-90kw，加热晶体生长炉，使坩埚内的氧化铝原料融化得到熔体。保持熔体在2100-2120℃下恒定3-7小时。从晶体生长炉内坩埚的底部中心处往炉内充入氩气，使氩气不断从坩埚底部的中心向外周扩散，维持炉内压力为30-50Pa。

3、引晶：在压力为30-50Pa的氩气氛围下，通过籽晶杆将蓝宝石籽晶放置于熔体的液面以下20-50mm处，反复清洗蓝宝石籽晶，直到籽晶透亮且无沉积物附着。判断熔体温度是否适合引晶。如果适合引晶，则将清洗后的籽晶插入到熔体的液面以下20-25mm处，使蓝宝石籽晶生长成晶结，直到晶结的有效高度大于50mm，则引晶完成。

4、扩肩生长：将晶结以3-5转/min的转速转动，以0-30w/h的降幅降低晶体生长炉的加热功率，进行扩肩生长，使得晶体生长的速度控制在10-50g/h。直到晶体重量达到600g时，停止转动晶体。继续扩肩生长，直到晶体的重量达到25kg时，扩肩生长的过程完成。

5、等径生长：将晶体以0-0.2mm/h的速度向上提拉，以0-40w/h的降幅降低晶体生长炉的加热功率，进行等径生长，使晶体的生长速度为1-2kg/h，直到晶体的重量达到170kg。

6、收尾生长：同实施例一步骤6。

7、退火处理：将晶体与坩埚分离以后，以400w/h的降幅降低晶体生长炉的加热功率，以0.3L/min的速度向晶体生长炉内通入氩气，直至炉内气压达到一个大气压，晶体生长炉总降温时间为170h。然后开炉取出制得的蓝宝石晶体。

实施例四 制备200kg级蓝宝石晶体

1、同实施例一步骤1。

2、在10-15小时内将加热器功率升高至75-90kw，加热晶体生长炉，使坩埚内的氧化铝原料融化得到熔体。保持熔体在2100-2120℃下恒定3-7小时。从晶体生长炉内坩埚的底部中心处往炉内充入氩气，使氩气不断从坩埚底部的中心向外周扩散，维持炉内压力为0.1-20Pa。

3、引晶：在压力为0.1-20Pa的氩气氛围下，通过籽晶杆将蓝宝石籽晶放置于熔体的液面以下20-50mm处，反复清洗蓝宝石籽晶，直到籽晶透亮且无沉积物附着。判断熔体温度是否适合引晶。如果适合引晶，则将清洗后的籽晶插入到熔体的液面以下10-15mm处，使蓝宝石籽晶生长成晶结，直到晶结的有效高度大于50mm，则引晶完成。

4、扩肩生长：将晶结以3-5转/min的转速转动，以30-70w/h的降幅降低晶体生长炉的加热功率，进行扩肩生长，使得晶体生长的速度控制在10-50g/h。直到晶体重量达到600g时，停止转动晶体。继续扩肩生长，直到晶体的重量达到25kg时，扩肩生长的过程完成。

5、等径生长：将晶体以0-0.2mm/h的速度向上提拉，以0-30w/h的降幅降低晶体生长炉的加热功率，进行等径生长，使晶体的生长速度为1-2kg/h，直到晶体的重量达到170kg。

6、收尾生长：同实施例一步骤6。

7、退火处理：同实施例三步骤7。

实施例五 制备200kg级蓝宝石晶体

1、同实施例一步骤1。

2、在10-15小时内将加热器功率升高至75-90kw，加热晶体生长炉，使坩埚内的氧化铝原料融化得到熔体。保持熔体在2100-2120℃下恒定3-7小时。从晶体生长炉内坩埚的底部外侧往炉内充入氩气，使氩气不断从坩埚底部逐渐扩散，维持炉内压力为0.1-20Pa。

步骤3-7同实施例四的步骤3-7。

比较例一 制备200kg级蓝宝石晶体

1、同实施例一步骤1。

2、在10-15小时内将加热器功率升高至75-90kw，加热晶体生长炉，使坩埚内的氧化铝原料融化得到熔体。保持熔体在2100-2120℃下恒定3-7小时。

3、引晶：通过籽晶杆将蓝宝石籽晶放置于熔体的液面以下20-50mm处，反复清洗蓝宝石籽晶，直到籽晶透亮且无沉积物附着。判断熔体温度是否适合引晶。如果适合引晶，则将清洗后的籽晶插入到熔体的液面以下10-15mm处，使蓝宝石籽晶生长成晶结，直到晶结的有效高度大于50mm，则引晶完成。

步骤4-7同实施例四的步骤4-7。

比较例二 制备200kg级蓝宝石晶体

1、同实施例一步骤1。

2、在10-15小时内将加热器功率升高至75-90kw，加热晶体生长炉，使坩埚内的氧化铝原料融化得到熔体。保持熔体在2100-2120℃下恒定3-7小时。从晶体生长炉内坩埚的底部中心处往炉内充入氩气，使氩气不断从坩埚底部的中心向外周扩散，维持炉内压力为300Pa左右。

3、引晶：在压力为300Pa左右的氩气氛围下，通过籽晶杆将蓝宝石籽晶放置于熔体的液面以下20-50mm处，反复清洗蓝宝石籽晶，直到籽晶透亮且无沉积物附着。判断熔体温度是否适合引晶。如果适合引晶，则将清洗后的籽晶插入到熔体的液面以下10-15mm处，使蓝宝石籽晶生长成晶结，直到晶结的有效高度大于50mm，则引晶完成。

步骤4-7同实施例四的步骤4-7。

下表1列出了五个实施例以及两个比较例的存在区别的部分参数。

表1实施例及比较例中的工艺条件

效果实施例一

采用五个实施例和两个比较例的方法来制备200kg的蓝宝石晶体。分别记录各组中钨/钼材料的零部件的使用寿命情况。分别观测记录各组中制得的蓝宝石晶体底部馒头状云雾气泡的情况。分别计算各组制得的蓝宝石晶体的良品率。分别记录各组中蓝宝石晶体在生长阶段花费的总时间。具体入表2所示。

表2实施例和比较例的效果实验数据

请参考图2，本申请还提供了实施前述任一种改进的泡生法的设备，即一种晶体生长炉，包括炉体2、坩埚3和坩埚轴4，所述坩埚3架设于所述炉体2内，所述坩埚轴4设置于所述坩埚3底部，所述坩埚轴4中空形成第一通道41，所述第一通道41的一端与所述炉体2外部的惰性气体充气管道6连通，所述第一通道41的另一端与所述炉体2内的空间连通。

上述晶体生长炉在使用时，可以向炉体内通入惰性气体，维持炉体内气压在0.1-100Pa，使得晶体在惰性气体的氛围中生长，一方面使得钨/钼材料的挥发减少，延长了钨/钼材料的热场零部件的使用寿命。另一方面0.1-100Pa的惰性气体能够有效地抑制氧化铝熔体的蒸发，由于熔体挥发急剧减少，热场零部件上基本不会附着氧化铝蒸发后的沉积物，故而无需清理这些零部件，从而避免了清理过程中对钨/钼材料的热场零部件造成的损伤，进而也延长了热场零部件的使用寿命。

可选地，第一通道41的另一端正对坩埚3底部的中心，使通过第一通道41的惰性气体可以从坩埚3底部正中心处充入，然后向四周扩散。从而降低使用时坩埚底部中心处的温度，提高晶体的径向温度梯度，防止晶体界面翻转，进而减少晶体底部出现的馒头状云雾气泡，提高制备出的蓝宝石晶体的良品率。另外，通过往坩埚3底部中心处充入惰性气体，提高晶结的径向温度梯度，还能够有效防止晶结与熔体液面脱离，降低了引晶工程师在引晶过程中的操作难度。

可选地，惰性气体充气管道6上还可以设置流量阀61，以控制充入炉体内的惰性气体的流量，从而准确地控制炉体内惰性气体的压力。此外，坩埚轴4可以通过坩埚支撑块5与所述坩埚3底部连接，以便支撑坩埚3，将坩埚3架设在炉体2内。在炉体2内，坩埚的3外周还可以设置有加热器7，用于加热晶体生长炉。在加热器7的外周还可以设置保温件，包括侧壁保温件81、底部保温件82等，在坩埚3的顶部上方也可以设置顶部保温件83。在炉体2底部与底部保温件82之间还可以铺设隔热耐火的氧化锆砖9。

本说明书中各个实施例之间相同相似的部分互相参见即可。以上所述的本发明实施方式并不构成对本发明保护范围的限定。

Claims (9)

1.一种制备蓝宝石晶体的改进的泡生法，其特征在于，包括以下步骤：

（a）将晶体生长炉内抽真空，加热使所述晶体生长炉内坩埚中的氧化铝原料熔化，得到熔体；

（b）往所述晶体生长炉内充入惰性气体，维持炉内压力为0.1-100Pa；

（c）在压力为0.1-100Pa的所述惰性气体氛围下，将蓝宝石籽晶放置于所述熔体的液面以下，进行引晶、扩肩生长、等径生长和收尾生长；

（d）晶体生长完成后进行退火处理，得到蓝宝石晶体；

其中，在步骤（b）中，往所述晶体生长炉内充入惰性气体的步骤，具体包括：

往所述晶体生长炉内坩埚的底部中心处充惰性气体。

2.根据权利要求1所述的改进的泡生法，其特征在于，在步骤（c）中，所述将蓝宝石籽晶放置于所述熔体的液面以下，进行引晶的步骤包括：

将所述蓝宝石籽晶放置于所述熔体的液面以下20-50mm处，清洗所述蓝宝石籽晶；

将清洗后的所述蓝宝石籽晶放置于所述熔体的液面以下10-40mm处，使所述蓝宝石籽晶生长成晶结，直到晶结的有效高度大于50mm。

3.根据权利要求2所述的改进的泡生法，其特征在于，在步骤（c）中，还包括判断熔体温度是否适合引晶的步骤，包括：

将清洗后的所述蓝宝石籽晶插入熔体液面以下10-40mm处，恒定10-30min；如果所述蓝宝石籽晶在固液界面处长粗2-5mm，则判断熔体温度适合引晶。

4.根据权利要求1-3任一项所述的改进的泡生法，其特征在于，在步骤（c）中，所述扩肩生长的步骤包括：

将晶结以3-5转/min的转速转动，以0-100w/h的降幅降低所述晶体生长炉的加热功率，进行扩肩生长；直到生长的晶体重量达到预期制得的蓝宝石晶体重量的0.2-0.4% 时，停止转动晶体；继续扩肩生长，直到晶体的重量达到预期制得的蓝宝石晶体重量的11.5-14%。

5.根据权利要求1-3任一项所述的改进的泡生法，其特征在于，在步骤（c）中，所述等径生长的步骤包括：

将晶体以0-0.2mm/h的速度向上提拉，以0-60w/h的降幅降低所述晶体生长炉的加热功率，进行等径生长，直到晶体的重量达到预期制得的蓝宝石晶体重量的85-90%。

6.根据权利要求1-3任一项所述的改进的泡生法，其特征在于，在步骤（c）中，所述收尾生长的步骤包括：

将晶体以0-0.2mm/h的速度向上提拉，以0-30w/h的降幅降低所述晶体生长炉的加热功率，进行收尾生长。

7.根据权利要求1-3任一项所述的改进的泡生法，其特征在于，在步骤（d）中，所述进行退火处理的步骤包括：

在晶体与坩埚分离以后，以200-600w/h的降幅降低所述晶体生长炉的加热功率，以0.1-0.5L/min的流速向所述晶体生长炉内通入惰性气体至一个大气压，所述晶体生长炉的总降温时间为100-200h。

8.根据权利要求1-3任一项所述的改进的泡生法，其特征在于，在步骤（b）中，所述惰性气体包括氦气、氖气、氩气、氪气和氙气中的任一种。

9.根据权利要求1-3任一项所述的改进的泡生法，其特征在于，所用晶体生长炉包括炉体（2）、坩埚（3）和坩埚轴（4），所述坩埚（3）架设于所述炉体（2）内，所述坩埚轴（4）设置于所述坩埚（3）底部，所述坩埚轴（4）中空形成第一通道（41），所述第一通道（41）的一端与所述炉体（2）外部的惰性气体充气管道（6）连通，所述第一通道（41）的另一端与所述炉体（2）内的空间连通。

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