一種坩堝上升法制備高品質藍寶石晶體的方法
【技術領域】
[0001]本發明涉及到藍寶石晶體的制備領域，具體的說是一種坩堝上升法制備高品質藍寶石晶體的方法。
【背景技術】
[0002]藍寶石的組成為氧化鋁(Al2O3),是由三個氧原子和兩個鋁原子以共價鍵型式結合而成的六方晶格結構。由于藍寶石具有高聲速、耐高溫、抗腐蝕、高硬度、高透光性、高熔點(2045°C)等特點。由于其獨特的晶格結構、優良的機械和光學性能，藍寶石晶體被廣泛應用于大規模集成電路、LED襯底材料、紅外裝置、高強度鐳射鏡片等眾多領域。近年來半導體照明產業的快速發展，推動了藍寶石需求的快速增長和晶體生長技術的不斷發展。
[0003]目前，世界上應用和研究最廣泛的藍寶石晶體生長技術為熔體法，包括焰熔法、提拉法、熱交換法、泡生法、導模法、坩堝下降法和垂直水平溫度梯度冷卻法等。焰熔法是以純凈的Al2O3粉末為原料，以氫氧焰為熱源，位于裝置上部的Al2O3粉末在向下撒落的過程中通過氫氧焰產生的高溫區并被加熱熔融，熔融的原料落在下方的籽晶頂端并逐漸結晶長成藍寶石晶體，焰熔法設備簡單，晶體生長速度快，但是所生長的晶體結構完整性差、應力大，因此，用這種方法生產的藍寶石晶體主要用于制造廉價的儀表軸承以及耐磨損元件等；提拉法是將構成晶體的原料放在坩堝中加熱熔化，在熔體表面接籽晶，在受控條件下，使籽晶和熔體在交界面上不斷進行原子或分子的重新排列，隨降溫逐漸凝固而張出單晶體，其主要優點是:在生長的過程中可以方便地觀察晶體的生長情況；晶體在熔體表面處生長，而不與坩堝相接觸，這樣能顯著地減小晶體的應力，并防止坩堝壁的寄生成核；可以方便地使用定向籽晶和“縮頸”工藝，其位錯密度大大降低；晶體具有較低的位錯密度，較高的光學均勻性。缺點是成本較高，晶體直徑受到一定限制；熱交換法是一種低溫度梯度晶體生長方法，坩堝、熱場和晶體均無需任何物理移動，晶體的生長完全依靠爐體結構所形成的溫度梯度，籽晶置于坩堝底部，通過控制坩堝底部的氦氣流量保證籽晶處于低溫區，坩堝中的原料全部熔化后，確保籽晶只與熔體較好地熔接而不被全部熔化，通過加大氦氣的流量，使低溫區逐漸向上擴大，從而使固液界面向上移動，熱交換法除了通過控制加熱功率來調節熱場溫度外，還可以通過控制氦氣流量來控制晶體的冷卻速率，此方法優點是:具有準確的溫度控制，可以得到高質量的大尺寸晶體，晶體的缺陷和殘留應力較低。熱交換法的不足之處是需要消耗大量的氦氣，成本較高，生長周期較長；泡生法是將一根受冷的籽晶與熔體接觸，如果界面的溫度低于凝固點，則籽晶開始生長，為了使晶體不斷長大，就需要逐漸降低熔體的溫度，同時旋轉晶體，以改善熔體的溫度分布。也可以緩慢的(或分階段的)上提晶體，以擴大散熱面。晶體在生長過程中或生長結束時不與坩堝壁接觸，這就大大減少了晶體的應力。不過，當晶體與剩余的熔體脫離時，通常會產生較大的熱沖擊。泡生法是目前應用最多的藍寶石生長方法，為提高晶體生長效率和改進晶體質量，人們對泡生法提出了多種改良方案，如冷心放肩微量提拉工藝以及Rubicon公司的ES2工藝等。Rubicon于2009年用此方法生長出重達200kg的藍寶石晶體。這種方法技術成熟，成本較低，適合大批量生產。主要缺點是需要對生長出的晶體進行掏割，帶來了一定的加工工作量，并且晶體利用率較低；導模法，是將有狹縫的模具放入到熔體中，熔體通過毛細管現象由狹縫上升到模具頂端，在此模具頂端的熔體部位下入籽晶，然后按照導模狹縫所限定的形狀連續生長晶體。通過改變導模的形狀，可以生長片、棒、管、絲等各種特殊形狀的藍寶石晶體，從而免除了對于藍寶石晶體繁重的切割、成型等加工程序，大大減少了物料的損耗，節省了加工時間，從而使得藍寶石的成本顯著降低。導模法的突出優點是節省材料，可以生長各種特殊形狀的材料，但降低缺陷水平是其難點，并且設備構造復雜；坩堝下降法由中國云南藍晶科技有限公司提出。該方法類似垂直布里奇曼工藝，采用鑰坩堝和感應加熱方式，籽晶置于坩堝底部。原料全部熔化后，將籽晶與熔體良好熔接，然后通過驅動坩堝從高溫區向低溫區移動來獲得溫度梯度，使固液界面向上移動完成晶體生長。通過加入熔體攪拌裝置可以提高晶體的均勻性。此方法的主要優點是晶體完整性好，同時，由于坩堝直徑就是得到的晶體直徑，因此，在生產大直徑晶體時工藝較為復雜；垂直水平溫度梯度冷卻法，此方法由韓國STC(SapphireTechnology Com)公司提出。VHGF法是將VGF工藝應用于藍寶石單晶生長的一種工藝方法，類似于VGF工藝，通過計算機控制垂直和水平兩個方向的溫度梯度來實現晶體生長界面的移動，不需要機械傳動裝置。這種方法使設備結構更加簡單，提高了晶體生長的穩定性，可以得到高完整性低應力的藍寶石晶體。目前該方法生長的晶體直徑為50?100mm(2~4英寸)，長度達250mm (10英寸)。STC公司自2000年開始供應藍寶石晶體，VHGF法是其獨家專利技術，缺陷密度小，材料純度高，而且晶體尺寸及形狀相對不受限制，綜合優勢較明顯。
[0004]目前，國內外晶體生長爐的加熱系統的發熱體為感應加熱型石墨發熱體、電阻式加熱型棒狀或者網狀石墨發熱體、電阻式加熱鎢絲或者鎢板發熱體，這些發熱體沒有冷端和熱端之分，通電特點是低電壓、強電流、功率變化范圍大、通電時間長、耗電量大和最大負荷忽高忽低。此外，上述制作的晶體燒結爐都無法準確控制晶體生長中固液界面溫度，晶體生長過程完全靠經驗控制，晶體生長的快慢無法實現自動化精確控制。
[0005]隨著科學技術的發展，市場對更高品質和更大尺寸的藍寶石晶體的需求更為迫切，因此，如何生產高品質、大尺寸藍寶石晶體同時，降低原材料成本、縮短工藝時間、節約電力成本成為當前長晶企業面臨的迫切任務。
【發明內容】
[0006]為解決現有技術中藍寶石生產工藝存在的能耗高、晶體生長溫度無法精確調控導致的晶體生長緩慢、質量差等問題，本發明提供了一種坩堝上升法制備高品質藍寶石晶體的方法，本方法是結合現有藍寶石晶體生長方法之提拉法、泡生法及坩堝下降法等的優缺點進行改進得到的，依據在晶體生長體系中起著支配作用的溫場分布與熱量輸送原理，通過準確地實時監控不同溫區溫度變化、精確控制坩堝上升速度、籽晶棒上升與旋轉速度及晶體生長過程的監測，從而實現高速高成品率獲取晶體之目的。
[0007]本發明為解決上述技術問題采用的技術方案為:一種坩堝上升法制備高品質藍寶石晶體的方法，根據溫度由高到低的梯次變化將晶體生長爐內部分為四個溫度區，分別為由加熱體加熱的高溫區、坩堝內氧化鋁熔體的熔體溫區、籽晶棒上所生長晶體與熔體接觸的界面溫區和用冷氣降溫的低溫區，所述高溫區和低溫區之間通過鑰制或鎢制分隔板隔開，可提升的坩堝穿過分隔板并介于高溫區和低溫區之間，以使籽晶棒和氧化鋁熔體分別處于分隔板的上部和下部；晶體生長過程中，通過控制坩堝的上升速度以及籽晶棒的上升速度以使坩堝中氧化鋁熔體的液面與高溫區和低溫區的分隔板高度始終保持一致。
[0008]本發明在晶體生長過程中，通過對所述四個溫度區的溫度控制，使溫度最高的高溫區和溫度最低的低溫區之間溫度相差1-10°C ；
通過對所述冷氣場中氬氣或氦氣氣氛的控制，使其內壓力保持在1-1OkPa ；
籽晶棒在晶體生長過程中在自身提升的同時保持勻速的自轉，根據晶體的生長速度來進行調整坩堝的提升速度、籽晶棒的提升速度和轉動速度，優選的，籽晶棒的提升速度為0.01-20mm/h,自轉速度為 5_30rpm。
[0009]本發明中，分隔板將爐內分隔成高溫區和低溫區，此時，爐內具有四個溫度區，第一個溫度區為上部的低溫區，第二個溫度區為籽晶棒上所生長晶體與熔體接觸的界面溫區，第三個溫度區為下部的高溫區，第四個溫度區為坩堝內的氧化鋁熔體溫區，四個溫度區的溫度均不相同。為了測定四個溫度區的溫度，在低溫區設置超高溫特種合金熱電偶(測溫范圍0-1800°C)，在高溫區內設置超高溫復合陶瓷熱電偶(測溫范圍0-2200°C)，在分隔板的上平面設置一支高溫復合陶瓷熱電偶(測溫范圍0-2200°C)，在坩堝液態部分外壁貼近坩堝(離坩堝l_3mm)處設置一個凹式扇型腔體，凹式扇型腔體連接一個金屬管，金屬管固定在爐壁上，凹式扇型腔體內設置一支高溫復合陶瓷熱電偶(測溫范圍0-2200°C)