專利名稱：在采用導模法生長片狀藍寶石過程中抑制氣泡的方法
技術領域：
本發明涉及人造藍寶石技術領域，具體涉及利用導模法生長片狀藍寶石過程中氣泡的控制方法。
背景技術：
藍寶石是一種a -Al2O3的單晶，又稱剛玉。藍寶石晶體具有優異的導熱絕緣性、耐化學侵蝕性，其表面高度平滑，有高透過率，可在接近2000°C高溫的條件下工作，因而被廣泛應用于衛星空間技術、軍用紅外裝置、高強度激光器的窗口材料以及優質的光學材料等等。近年來，隨著半導體技術的迅猛發展，藍寶石以其獨特的晶格結構、優異的力學性能、良好的熱學性能成為實際應用的半導體GaNAl2O3發光二極管(LED)、大規模集成電路SOI和 SOS以及超導納米結構薄膜等最為理想的襯底材料。導模法又稱邊緣限定-薄膜法(edge-definedfilm-fed crystal growth method，縮寫為EFG)，主要用于生長特定形狀的晶體。導模法的特點是可以生長片狀、帶狀、 管狀、纖維狀等特定形狀且尺寸能精確控制的晶體，利用該方法晶體的生長速度快，后續加工簡單。因此，采用導模法生長具有特定方向的大尺寸、高光學質量的藍寶石片狀晶體成為本行業非常關注的技術之一。美國專利3591348公開了一種導模法生長藍寶石的方法，中國專利90105983. 8和200810153130. 3也公開了生長片狀藍寶石的方法。但是，采用上述方法生長晶體時，并不能有效抑制氣泡的產生，使產品的使用價值大打折扣。
發明內容
本發明的目的在于解決上述問題，提供一種在采用導模法生長片狀藍寶石過程中能有效抑制氣泡產生的方法，使生長的晶體無氣泡和應力條紋，在品質和使用效果上有顯著的進步。為實現上述目的，本發明采取的技術方案為
在采用導模法生長片狀藍寶石過程中抑制氣泡的方法，其特征是，包括以下步驟
(1)原料的選取和處理
原料采用高純焰熔法生長的藍寶石碎料，經500 800°C的高溫加熱處理后，用去離子水淬火粉碎，再經5 6次用去離子水清洗處理后烘干備用；
(2)模具的采用和處理
采用V型鍛壓鑰制模具，模具頂端內側表面采用機械拋光處理并達到鏡面效果；模具狹縫寬度為O. 5mm，坩堝用去離子水洗凈備用；
(3)原料裝爐
將步驟(I)處理過的藍寶石碎料放入步驟(2)處理過的鑰制模具的坩堝內，并將坩堝置于導模爐中，完成裝爐；
(4)采用導模法生長片狀藍寶石單晶
①將導模爐內抽真空lX10_4Pa，采用中頻感應加熱鑰發熱裝置，待爐內紅亮時，緩慢充入高純氬氣至表壓為O. 01，靜置20 30分鐘，然后每隔15 20分鐘升溫一次，直至原料完全化掉；在原料完全化掉之后靜置15 20分鐘，然后再升溫20°C (比熔點高20°C)并靜置2 3小時，使化料時原料引入的氣體從熔體中慢慢溢出；
②采用端面法線方向為m向的提拉法生長的藍寶石單晶作為籽晶，籽晶兩個側面方向為a向和c向,用a面作為主生長面；
③將熔體溫度下降至2050°C，下搖籽晶桿，將籽晶降到與熔體相隔O.5 Icm的位置， 觀察如果籽晶底端發白變圓滑，搖起籽晶桿，降溫5 10°C，靜置15 20分鐘后再搖下籽晶桿觀察，直至籽晶底端無變化即可繼續下搖籽晶桿，使籽晶與熔體接觸并迅速提起；如果帶料，將溫度升高I TC，靜置5 20分鐘后繼續下種，直至不帶料即可嘗試進行提拉；
④提拉過程包括引晶、縮頸、擴肩、等徑生長步驟，其中，引晶時使晶體直徑不變，長度提拉2 3cm ;再通過升溫2 5°C來實現縮頸的過程，有效縮頸后再進行擴肩生長；擴肩階段的拉速隨著晶體肩的長大由慢及快，每隔20分鐘增加2 4_/小時，直至等徑階段拉速15mm/小時；在等徑階段當看到生長晶體的內凹時，降低拉速為I 3mm/小時，降低溫度 I 2°C，每隔20分鐘觀察生長晶體的晶型并作相應處理；
⑤晶體生長完成后，以每小時20 30°C的降溫速率逐漸降至室溫，獲得幾乎沒有氣泡的片狀藍寶石晶體。進一步，步驟(4)②所述m向籽晶的方向誤差范圍為±5°。本發明的積極效果是
(1)提供了一種在采用導模法生長片狀藍寶石過程中有效抑制氣泡的方法；
(2)制備的片狀藍寶石晶體外形規整、表面平坦、無氣泡和應力條紋，為高質量的片狀監寶石晶體；
(3)為半導體GaNAl2O3發光二極管(LED)、大規模集成電路SOI和SOS以及超導納米結構薄膜等提供了理想的襯底材料。
附圖I為本發明在采用導模法生長片狀藍寶石過程中抑制氣泡的方法的流程框圖。
具體實施例方式以下結合附圖繼續解釋本發明在采用導模法生長片狀藍寶石過程中抑制氣泡的方法的具體實施情況，提供7個實施例。但是，本發明的實施不限于以下的實施方式。實施例I
在采用導模法生長片狀藍寶石過程中抑制氣泡的方法，包括以下步驟
(I)采用高純焰熔法生長的藍寶石碎料為原料，經500°c高溫加熱處理后，用去離子水淬火粉碎，再經5次用去離子水清洗處理后烘干備用。(2)采用V型鍛壓鑰制模具，模具頂端內側表面采用機械拋光處理并達到鏡面效果；模具狹縫寬度為O. 5mm，坩堝用去離子水洗凈備用。(3)將步驟(I)處理過的藍寶石碎料放入步驟(2)處理過的鑰制模具的坩堝內，將坩堝置于導模爐中，完成裝爐。
(4)采用導模法生長片狀藍寶石單晶
①將導模爐內抽真空lX10_4Pa，采用中頻感應加熱鑰發熱裝置，待爐內紅亮時，緩慢充入高純氬氣至表壓為O. 01，靜置20分鐘，然后每隔15分鐘升溫一次，直至原料完全化掉； 在原料完全化掉之后靜置15分鐘，然后升溫20°C (比熔點高20°C)并靜置2小時，使化料時原料引入的氣體從熔體中慢慢溢出。②采用端面法線方向為m向的提拉法生長的藍寶石單晶作為籽晶，籽晶兩個側面方向為a向和c向，用a面作為主生長面，要求籽晶方向的誤差范圍在±5°以內。③將熔體溫度下降至2050°C，下搖籽晶桿，將籽晶降到與熔體相隔O. 5cm的位置觀察幾分鐘如果籽晶底端發白變圓滑，搖起籽晶桿，降溫5°C，靜置15分鐘后再搖下籽晶桿觀察，直至籽晶底端無變化即可繼續下搖籽晶桿，使籽晶與熔體接觸并迅速提起；如果帶料，將溫度升高1°C，靜置5分鐘后繼續下種，直至不帶料即可嘗試進行提拉。④提拉過程包括引晶、縮頸、擴肩、等徑生長步驟，其中，引晶時使晶體直徑不變， 長度提拉2cm ;再通過升溫2°C來實現縮頸的過程，有效縮頸后再進行擴肩生長；擴肩階段的拉速隨著晶體肩的長大由慢及快，每隔20分鐘增加2_/小時，直至等徑階段拉速15_/ 小時；在等徑階段當看到生長晶體的內凹時，降低拉速為Imm/小時，降低溫度1°C，每隔20 分鐘觀察生長晶體的晶型并作相應處理。⑤晶體生長完成后，以每小時20°C的降溫速率逐漸降至室溫，獲得片狀藍寶石晶體。所述獲得的片狀藍寶石晶體為片狀藍寶石單晶，具有規整的外形，表面平坦，在 100 W白熾燈下觀察無氣泡；切出20X 20X 5mm薄片光學拋光后，在應力儀下觀察無應力。實施例2
在采用導模法生長片狀藍寶石過程中抑制氣泡的方法，包括以下步驟
(I)采用高純焰熔法生長的藍寶石碎料為原料，經800°C高溫加熱處理后，用去離子水淬火粉碎，再經6次用去離子水清洗處理后烘干備用。步驟(2)、(3)同實施例I。(4)采用導模法生長片狀藍寶石單晶
①將導模爐內抽真空lX10_4Pa，采用中頻感應加熱鑰發熱裝置，待爐內紅亮時，緩慢充入高純氬氣至表壓為O. 01，靜置30分鐘，然后每隔20分鐘升溫一次，直至原料完全化掉； 在原料完全化掉之后靜置20分鐘，然后升溫20°C (比熔點高20°C)并靜置3小時，使化料時原料引入的氣體從熔體中慢慢溢出。②同實施例I。③將熔體溫度下降至2050°C，下搖籽晶桿，將籽晶降到與熔體相隔Icm的位置， 觀察幾分鐘如果籽晶底端發白變圓滑，搖起籽晶桿，降溫10°C，靜置20分鐘后再搖下籽晶桿觀察，直至籽晶底端無變化即可繼續下搖籽晶桿，使籽晶與熔體接觸并迅速提起；如果帶料，將溫度升高3°C，靜置20分鐘后繼續下種，直至不帶料即可嘗試進行提拉。④提拉過程包括引晶、縮頸、擴肩、等徑生長步驟，其中，引晶時使晶體直徑不變， 長度提拉3cm ;再通過升溫5°C來實現縮頸的過程，有效縮頸后再進行擴肩生長；擴肩階段的拉速隨著晶體肩的長大由慢及快，每隔20分鐘增加4_/小時，直至等徑階段拉速15_/ 小時；在等徑階段當看到生長晶體的內凹時，降低拉速為3mm/小時，降低溫度2°C，每隔20分鐘觀察生長晶體的晶型并作相應處理。⑤晶體生長完成后，以每小時30°C的降溫速率逐漸降至室溫，獲得片狀藍寶石晶體。所述獲得的片狀藍寶石晶體為片狀藍寶石單晶，具有規整的外形，表面平坦，在 100 W白熾燈下觀察無氣泡；切出20X 20X 5mm薄片光學拋光后，在應力儀下觀察無應力。實施例3
實施目的，看原料對晶體質量的影響
與實施例I不同的是，選用粉末原料而不是焰熔法的多晶原料。選取一定質量的純度為99. 999%的氧化鋁(Al2O3)粉末，用有機玻璃模具盛裝，在液壓機上壓結，其后的整個生長過程同實施例I的過程。獲得的晶體表面平整，完整無開裂，在100W白熾燈下觀察，內部有隨機分布的大小不均的氣泡；切出20 X 20 X 5mm薄片光學拋光后，在應力儀下觀察有應力。實施例4
實施目的，看模具對晶體質量的影響
與實施例I不同的是，采用普通的V型鍛壓鑰制模具，模具頂端內側表面未進行拋光處理。其余生長過程同實施例I的過程。獲得的晶體完整，表面起伏較大，有明顯的縱向條紋；在100W白熾燈下觀察，內部有縱向線狀分布氣泡；切出20 X 20 X 5mm薄片光學拋光后，在應力儀下觀察有應力。實施例5
實施目的，看籽晶方向對晶體質量的影響
與實施例I不同的是，選用不同方向的籽晶提拉生長，籽晶方向及晶體質量如表I所示，其余生長過程同實施例I的過程。表I.籽晶方向對晶體質量的影響
權利要求
1.一種在采用導模法生長片狀藍寶石過程中抑制氣泡的方法，其特征在于，包括以下步驟(1)原料的選取和處理原料采用高純焰熔法生長的藍寶石碎料，經500 800°C的高溫加熱處理后，用去離子水淬火粉碎，再經5 6次用去離子水清洗處理后烘干備用；(2)模具的采用和處理采用V型鍛壓鑰制模具，模具頂端內側表面采用機械拋光處理并達到鏡面效果；模具狹縫寬度為O. 5mm，坩堝用去離子水洗凈備用；(3)原料裝爐將步驟(I)處理過的藍寶石碎料放入步驟(2)處理過的鑰制模具的坩堝內，并將坩堝置于導模爐中，完成裝爐；(4)采用導模法生長片狀藍寶石單晶①將導模爐內抽真空lX10_4Pa，采用中頻感應加熱鑰發熱裝置，待爐內紅亮時，緩慢充入高純氬氣至表壓為O. 01，靜置20 30分鐘，然后每隔15 20分鐘升溫一次，直至原料完全化掉；在原料完全化掉之后靜置15 20分鐘，然后升溫20°C并靜置2 3小時，使化料時原料引入的氣體從熔體中慢慢溢出；②采用端面法線方向為m向的提拉法生長的藍寶石單晶作為籽晶，籽晶兩個側面方向為a向和c向,用a面作為主生長面；③將熔體溫度下降至2050°C，下搖籽晶桿，將籽晶降到與熔體相隔O.5 Icm的位置， 觀察如果籽晶底端發白變圓滑，搖起籽晶桿，降溫5 10°C，靜置15 20分鐘后再搖下籽晶桿觀察，直至籽晶底端無變化即可繼續下搖籽晶桿，使籽晶與熔體接觸并迅速提起；如果帶料，將溫度升高I TC，靜置5 20分鐘后繼續下種，直至不帶料即可嘗試進行提拉；④提拉過程包括引晶、縮頸、擴肩、等徑生長步驟，其中，引晶時使晶體直徑不變，長度提拉2 3cm ;再通過升溫2 5°C來實現縮頸的過程，有效縮頸后再進行擴肩生長；擴肩階段的拉速隨著晶體肩的長大由慢及快，每隔20分鐘增加2 4_/小時，直至等徑階段拉速15mm/小時；在等徑階段當看到生長晶體的內凹時，降低拉速為I 3mm/小時，降低溫度 I 2°C，每隔20分鐘觀察生長晶體的晶型并作相應處理；⑤晶體生長完成后，以每小時20 30°C的降溫速率逐漸降至室溫，獲得沒有氣泡的片狀藍寶石晶體。
2.根據權利要求I所述的在采用導模法生長片狀藍寶石過程中抑制氣泡的方法，其特征在于，步驟(4)②所述m向籽晶的方向誤差范圍為±5°。
全文摘要
本發明在采用導模法生長片狀藍寶石過程中抑制氣泡的方法，采用高純度焰熔法生長的藍寶石碎塊作為原料，選用頂端表面光潔度達到鏡面效果的鉬制模具，在高純氬氣氣氛下化料生長，完全化料后升溫20℃靜置2～3小時；選用端面法線方向為m向的提拉法生長的藍寶石單晶作為籽晶，所述籽晶的兩個側面方向為a向和c向，用a面作為主生長面，下種時等徑提拉2～3cm，有效縮頸后擴肩生長，提拉速度為15mm/小時，然后視晶體生長情況實時改變功率和拉速，獲得片狀藍寶石晶體。本發明提供了一種在采用導模法生長片狀藍寶石制備過程中能有效抑制氣泡的方法，制備的片狀藍寶石晶體外形規整、表面平坦、無氣泡和應力條紋，為高質量的藍寶石晶體。
文檔編號C30B29/20GK102586866SQ20121002813
公開日2012年7月18日 申請日期2012年2月9日 優先權日2012年2月9日
發明者劉獻偉, 曹鳳凱 申請人:上海施科特光電材料有限公司