石墨加熱生長藍(lán)寶石晶體的方法
【專利摘要】一種石墨加熱生長藍(lán)寶石晶體的方法，包括一臺藍(lán)寶石晶體生長裝置，其特點(diǎn)在于：采用石墨桶和碳?xì)植牧献鳛楸貙?，氬氣或氦氣作為保護(hù)氣體，石墨作為加熱器，通過輻射加熱的方式，使鎢或鎢鉬合金坩堝內(nèi)的原料熔化后，再經(jīng)過引晶、縮頸、放肩、等徑生長以及晶體與坩堝脫離過程，完成晶體生長，本發(fā)明方法能實(shí)現(xiàn)大尺寸藍(lán)寶石晶體生長的精密控制，具有低成本、晶體高質(zhì)量的特點(diǎn)。
【專利說明】石墨加熱生長藍(lán)寶石晶體的方法
【技術(shù)領(lǐng)域】
[0001]本發(fā)明涉及藍(lán)寶石晶體的生長方法，具體是一種石墨加熱生長藍(lán)寶石晶體的方法。
【背景技術(shù)】
[0002]藍(lán)寶石晶體具有穩(wěn)定的化學(xué)性能、良好的機(jī)械性能，優(yōu)良的熱傳導(dǎo)性和電氣絕緣性，具有獨(dú)特的力學(xué)、光學(xué)性能，并且耐化學(xué)腐蝕、耐高溫、導(dǎo)熱好、硬度高，可在惡劣條件下工作，是一種理想的光學(xué)原材料。藍(lán)寶石晶體具有從近紫外到中紅外很寬的透過范圍，廣泛應(yīng)用于高亮度LED的GaN襯底材料，大規(guī)模集成電路的襯底材料，特種光學(xué)元器件、高能探測和高功率激光的窗口材料。近年由于LED照明、LED電視等市場需求的迅速增長，其制備技術(shù)被廣泛研究，而目前大尺寸藍(lán)寶石晶體制備的主流方法是泡生法、熱交換法和坩堝下降法。
[0003]其中坩堝法因生長出的晶體與坩堝接觸，由于坩堝與晶體的熱膨脹系數(shù)不同，在降溫過程中坩堝會對生長出的晶體產(chǎn)生壓應(yīng)力而增加了晶體開裂的機(jī)率，成品率難以提高。熱交換法工藝相對成熟，一般能制備直徑300毫米以上的藍(lán)寶石晶體，但設(shè)備成本非常高。泡生法因其能夠生長尺寸相對較大的藍(lán)寶石晶體，合適的設(shè)備成本而逐漸被大量采用。但傳統(tǒng)泡生法加熱及保溫系統(tǒng)采用鎢鑰材料制作，鎢鑰材料在高溫下易變形，多次使用后會導(dǎo)致爐內(nèi)熱場分布不均，增加晶體生長工藝的難度，大大降低晶體生產(chǎn)的良率，從而大大增加晶體的生長成本。專利200510010116.4涉及一種“大尺寸藍(lán)寶石單晶的冷心放肩微量提拉制備法”，該方法 通過電阻加熱的方式，采用鎢鑰反射屏保溫，在真空條件下經(jīng)過加熱原料、引晶、放肩、等徑提拉、冷卻及退火工藝過程，但此方法工藝過程中溫度梯度非常小，工藝過程控制十分困難，需要很高的人員素質(zhì)，自動化程度很難提高。

【發(fā)明內(nèi)容】

[0004]本發(fā)明的目的是提供一種石墨加熱生長藍(lán)寶石晶體的方法，該方法優(yōu)化了傳統(tǒng)泡生法藍(lán)寶石晶體生長過程中固液界面溫度梯度過小，而導(dǎo)致晶體生長難于控制的問題；同時克服了傳統(tǒng)泡生法晶體生長爐溫場易變形、功耗高等缺點(diǎn)，可實(shí)現(xiàn)藍(lán)寶石晶體生長的精密控制，具有低成本、晶體高質(zhì)量的特點(diǎn)。
[0005]本發(fā)明的技術(shù)解決方案如下:
[0006]一種石墨加熱生長藍(lán)寶石晶體的方法，包括一臺藍(lán)寶石晶體生長裝置，其特點(diǎn)在于:采用石墨桶和碳?xì)植牧献鳛楸貙?，氬氣或氦氣作為保護(hù)氣體，石墨作為加熱器，通過輻射加熱的方式，使鎢或鎢鑰合金坩堝內(nèi)的原料熔化后，再經(jīng)過引晶、縮頸、放肩、等徑生長以及晶體與坩堝脫離過程，完成晶體生長，該方法包括下列步驟:
[0007]①采用純度為99.99%及以上的氧化鋁作為生長原料；
[0008]②裝爐結(jié)束后，抽真空至真空度高于6X10_2Pa，然后在爐膛內(nèi)緩慢通入氬或氦氣流動氣氛，生長過程中爐膛壓力控制在10~IOOtorr范圍內(nèi)，[0009]③將坩堝加熱到2050°C以上，降低籽晶桿，使籽晶的底面距離氧化鋁的液面I~3cm的位置，若籽晶底部發(fā)白變圓潤，則需搖起籽晶桿，降溫2~5°C，靜置I~2小時后再次下?lián)u籽晶桿，使籽晶的底面距離氧化鋁的液面I~3cm的位置并進(jìn)行觀察，當(dāng)籽晶底端無變化即可繼續(xù)下?lián)u籽晶桿，使籽晶與熔體接觸后再提起，當(dāng)所述的籽晶變粗，將溫度升高2~5°C，靜置I~2小時后繼續(xù)嘗試，直至籽晶不變，即完成引晶過程；
[0010]④將籽晶在熔體中靜置30分鐘后，以0.2mm/h的拉速向上提拉籽晶桿，保持溫度不變，當(dāng)提拉長度達(dá)到3~8mm后，即完成縮頸過程；
[0011]⑤以速率為0.250C /h降低體系溫度，使液面溫度低于熔點(diǎn)溫度0.5~2°C，拉速保持在0.2mm/h,實(shí)現(xiàn)寶石晶體的放肩生長，當(dāng)晶體每小時質(zhì)量的增加量達(dá)到300g時，即完成放肩過程；
[0012]⑥進(jìn)入等 徑生長階段，保證晶體的每小時質(zhì)量的增加量在300~500g之間，同時拉速保持在0.2mm/h ；
[0013]⑦當(dāng)顯示生長的晶體的總質(zhì)量與加入原料質(zhì)量相等時，再觀察30分鐘，若顯示質(zhì)量不再發(fā)生變化，則增加拉速至2mm/h，使晶體與坩堝脫離，然后以速率為4°C /h降低體系溫度，直至爐溫為1900°C，再以速率為8°C /h降低體系溫度直至爐溫為1700°C，最后以速率為25°C /h降低體系溫度至室溫。
[0014]本發(fā)明的技術(shù)效果:
[0015]該方法所述裝置采用石墨作為發(fā)熱體，優(yōu)化了傳統(tǒng)泡生法生長藍(lán)寶石晶體過程中“鳥籠式”電阻易變性和壽命短的問題，從而使晶體生長易于控制，利于實(shí)現(xiàn)晶體生長的自動化控制；石墨桶和碳?xì)植牧献鳛楸貙樱叵到y(tǒng)制作簡單、不易變形，保溫效果好、使用周期長、成本低，這使得整體成本得到降低，利于藍(lán)寶石晶體生長的產(chǎn)業(yè)化發(fā)展。
[0016]本發(fā)明方法能實(shí)現(xiàn)大尺寸藍(lán)寶石晶體生長的精密控制，具有低成本、晶體高質(zhì)量的特點(diǎn)。
【專利附圖】

【附圖說明】
[0017]圖1為本發(fā)明石墨加熱生長藍(lán)寶石晶體裝置示意圖，圖中:1 一籽晶桿，2—上保溫屏，3一碳-碳保溫材料,4一石墨發(fā)熱體，5一J甘禍蓋,6一石墨桶,7一J甘禍,8一籽晶,9一晶體，10一溶體，11一相'禍托盤，12一相'禍托桿，13一底部保溫材料。
【具體實(shí)施方式】
[0018]下面結(jié)合實(shí)施例和附圖對本發(fā)明作進(jìn)一步說明，但不應(yīng)以此限制本發(fā)明的保護(hù)范圍。
[0019]采用本發(fā)明所述的方法生長藍(lán)寶石晶體實(shí)施例1:
[0020]按圖1所示，在本發(fā)明石墨加熱生長藍(lán)寶石晶體的裝置上裝好晶體生長爐，將氧化鋁原料裝入鎢坩堝內(nèi)，抽真空至真空度高于6 X IO-2Pa時，通入氬氣使?fàn)t腔壓力保持在IOtorr左右，開始升溫將原料熔化，將坩堝加熱到2050°C以上，降低籽晶桿，使籽晶距離液面Icm的位置，若籽晶底部發(fā)白變圓潤，則需搖起籽晶桿，降溫2°C。靜置I小時后再次下?lián)u籽晶桿觀察，直至籽晶底端無變化即可繼續(xù)下?lián)u籽晶桿，使籽晶與熔體接后提起，如果帶料，將溫度升高2°C，靜置I小時后繼續(xù)嘗試，直至不帶料，即完成引晶過程；在實(shí)現(xiàn)引晶后，使籽晶在熔體中靜置30分鐘后，以0.2mm/h的拉速向上提拉籽晶桿，保持溫度不變，當(dāng)提拉長度達(dá)到3mm后，即完成縮頸過程；以斜率為0.250C /h降低體系溫度，使液面溫度低于熔點(diǎn)溫度0.5°C,拉速保持在0.2mm/h,從而實(shí)現(xiàn)寶石晶體的放肩生長，當(dāng)晶體每小時質(zhì)量的增加量達(dá)到300g時，即完成放肩過程；生長進(jìn)入等徑階段，保證晶體的每小時質(zhì)量的增加量在300g之間，同時拉速保持在0.2mm/h ;當(dāng)顯示生長的晶體的質(zhì)量與加入原料質(zhì)量相等時，再觀察30分鐘，若顯示質(zhì)量不再發(fā)生變化，則增加拉速至2_/h，使晶體與坩堝脫離，然后以斜率為4°C /h降低體系溫度直至爐溫為1900°C，再以斜率為8°C /h降低體系溫度直至爐溫為1700°C，最后以斜率為25°C /h降低體系溫度至室溫。
[0021]采用本發(fā)明所述的方法生長藍(lán)寶石晶體實(shí)施例2:
[0022]按圖1所示裝好晶體生長爐，將氧化鋁原料裝入鎢坩堝內(nèi)，抽真空至真空度高于6 X IO-2Pa時，通入氦氣使?fàn)t腔壓力保持在1OOtorr左右，開始升溫將原料熔化，將坩堝加熱到2050°C以上，降低籽晶桿，使籽晶距離液面3cm的位置，若籽晶底部發(fā)白變圓潤，則需搖起籽晶桿，降溫5°C。靜置2小時后再次下?lián)u籽晶桿觀察，直至籽晶底端無變化即可繼續(xù)下?lián)u籽晶桿，使籽晶與熔體接后提起，如果帶料，將溫度升高5°C，靜置2小時后繼續(xù)嘗試，直至不帶料，即完成引晶過程；在實(shí)現(xiàn)引晶后，使籽晶在熔體中靜置30分鐘后，以0.2mm/h的拉速向上提拉籽晶桿，保持溫度不變，當(dāng)提拉長度達(dá)到8mm后，即完成縮頸過程；緩慢的降低加熱功率，使液面溫度低于熔點(diǎn)溫度2°C，拉速保持在0.2mm/h，從而實(shí)現(xiàn)寶石晶體的放肩生長，當(dāng)晶體每小時質(zhì)量的增加量達(dá)到300g時，即完成放肩過程；生長進(jìn)入等徑階段，保證晶體的每小時質(zhì)量的增加量在500g之間，同時拉速保持在0.2mm/h ;當(dāng)顯示生長的晶體的質(zhì)量與加入原料質(zhì)量相等時，再觀察30分鐘，若顯示質(zhì)量不再發(fā)生變化，則增加拉速至2mm/h，使晶體與坩堝脫離，然后以斜率為4°C /h降低體系溫度直至爐溫為1900°C，再以斜率為8V /h降低體系溫度直至爐溫為1700°C，最后以斜率為25°C /h降低體系溫度至室溫。
[0023]采用本發(fā)明所述的方法生長藍(lán)寶石晶體實(shí)施例3:
[0024]按圖1所示裝好晶體生長爐，將氧化鋁原料裝入鎢坩堝內(nèi)，抽真空至真空度高于6 X 1O-2Pa時，通入氬氣使?fàn)t腔壓力保持在1OOtorr左右，開始升溫將原料熔化，將坩堝加熱到2050°C以上，降低籽晶桿，使籽晶距離液面2cm的位置，若籽晶底部發(fā)白變圓潤，則需搖起籽晶桿，降溫3°C。靜置2小時后再次下?lián)u籽晶桿觀察，直至籽晶底端無變化即可繼續(xù)下?lián)u籽晶桿，使籽晶與熔體接后提起，如果帶料，將溫度升高2~5°C，靜置2小時后繼續(xù)嘗試，直至不帶料，即完成引晶過程；在實(shí)現(xiàn)引晶后，使籽晶在熔體中靜置30分鐘后，以0.2mm/h的拉速向上提拉籽晶桿，保持溫度不變，當(dāng)提拉長度達(dá)到5_后，即完成縮頸過程；緩慢的降低加熱功率，使液面溫度低于熔點(diǎn)溫度1°C，拉速保持在0.2mm/h，從而實(shí)現(xiàn)寶石晶體的放肩生長，當(dāng)晶體每小時質(zhì)量的增加量達(dá)到300g時，即完成放肩過程；生長進(jìn)入等徑階段，保證晶體的每小時質(zhì)量的增加量在400g之間，同時拉速保持在0.2mm/h ;當(dāng)顯示生長的晶體的質(zhì)量與加入原料質(zhì)量相等時，再觀察30分鐘，若顯示質(zhì)量不再發(fā)生變化，則增加拉速至2mm/h，使晶體與坩堝脫離，然后以斜率為4°C /h降低體系溫度直至爐溫為1900°C，再以斜率為8°C /h降低體系溫度直至爐溫為1700°C，最后以斜率為25°C /h降低體系溫度至室溫。
[0025]采用本發(fā)明所述的方法生長藍(lán)寶石晶體實(shí)施例4:
[0026]按圖1所示裝好晶體生長爐，將氧化鋁原料裝入鎢坩堝內(nèi)，抽真空至真空度高于6X IO-2Pa時，通入氦氣使?fàn)t腔壓力保持在50torr左右，開始升溫將原料熔化，將坩堝加熱到2050°C以上，降低籽晶桿，使籽晶距離液面Icm的位置，若籽晶底部發(fā)白變圓潤，則需搖起籽晶桿，降溫2°C。靜置I小時后再次下?lián)u籽晶桿觀察，直至籽晶底端無變化即可繼續(xù)下?lián)u籽晶桿，使籽晶與熔體接后提起，如果帶料，將溫度升高2°C，靜置2小時后繼續(xù)嘗試，直至不帶料，即完成引晶過程；在實(shí)現(xiàn)引晶后，使籽晶在熔體中靜置30分鐘后，以0.2mm/h的拉速向上提拉籽晶桿，保持溫度不變，當(dāng)提拉長度達(dá)到8mm后，即完成縮頸過程；緩慢的降低加熱功率，使液面溫度低于熔點(diǎn)溫度2°C，拉速保持在0.2mm/h,從而實(shí)現(xiàn)寶石晶體的放肩生長，當(dāng)晶體每小時質(zhì)量的增加量達(dá)到300g時，即完成放肩過程；生長進(jìn)入等徑階段，保證晶體的每小時質(zhì)量的增加量在400g之間，同時拉速保持在0.2mm/h ;當(dāng)顯示生長的晶體的質(zhì)量與加入原料質(zhì)量相等時，再觀 察30分鐘，若顯示質(zhì)量不再發(fā)生變化，則增加拉速至2mm/h，使晶體與坩堝脫離，然后以斜率為4°C /h降低體系溫度直至爐溫為1900°C，再以斜率為8°C /h降低體系溫度直至爐溫為1700°C，最后以斜率為25°C /h降低體系溫度至室溫。
【權(quán)利要求】
1.一種石墨加熱生長藍(lán)寶石晶體的方法，包括一臺藍(lán)寶石晶體生長裝置，其特征在于:采用石墨桶和碳?xì)植牧献鳛楸貙?，氬氣或氦氣作為保護(hù)氣體，石墨作為加熱器，通過輻射加熱的方式，使鎢或鎢鑰合金坩堝內(nèi)的原料熔化后，再經(jīng)過引晶、縮頸、放肩、等徑生長以及晶體與坩堝脫離過程，完成晶體生長，該方法包括下列步驟: ①采用純度為99.99%及以上的氧化鋁作為生長原料； ②裝爐結(jié)束后，抽真空至真空度高于6X10_2Pa，然后在爐膛內(nèi)緩慢通入氬或氦氣流動氣氛,生長過程中爐膛壓力控制在10~IOOtorr范圍內(nèi)， ③將坩堝加熱到2050°C以上，降低籽晶桿，使籽晶的底面距離氧化鋁的液面I~3cm的位置，若籽晶底部發(fā)白變圓潤，則需搖起籽晶桿，降溫2~5°C，靜置I~2小時后再次下?lián)u籽晶桿，使籽晶的底面距離氧化鋁的液面I~3cm的位置并進(jìn)行觀察，當(dāng)籽晶底端無變化即可繼續(xù)下?lián)u籽晶桿，使籽晶與熔體接觸后再提起，當(dāng)所述的籽晶變粗，將溫度升高2~5°C，靜置I~2小時后繼續(xù)嘗試，直至籽晶不變，即完成引晶過程； ④將籽晶在熔體中靜置30分鐘后，以0.2mm/h的拉速向上提拉籽晶桿，保持溫度不變，當(dāng)提拉長度達(dá)到3~8mm后，即完成縮頸過程； ⑤以速率為0.250C /h降低體系溫度，使液面溫度低于熔點(diǎn)溫度0.5~2°C，拉速保持在0.2mm/h,實(shí)現(xiàn)寶石晶體的放肩生長，當(dāng)晶體每小時質(zhì)量的增加量達(dá)到300g時，即完成放肩過程； ⑥進(jìn)入等徑生長階段，保證晶體的每小時質(zhì)量的增加量在300~500g之間，同時拉速保持在0.2mm/h ； ⑦當(dāng)顯示生長的晶體的總質(zhì) 量與加入原料質(zhì)量相等時，再觀察30分鐘，若顯示質(zhì)量不再發(fā)生變化，則增加拉速至2mm/h，使晶體與坩堝脫離，然后以速率為4°C /h降低體系溫度，直至爐溫為1900°C，再以速率為8°C /h降低體系溫度直至爐溫為1700°C，最后以速率為250C /h降低體系溫度至室溫。
【文檔編號】C30B15/00GK103614765SQ201310533979
【公開日】2014年3月5日 申請日期:2013年10月31日 優(yōu)先權(quán)日:2013年10月31日
【發(fā)明者】尹繼剛, 杭寅, 劉有臣, 張連翰, 潘世烈, 張芳芳, 趙興儉 申請人:中國科學(xué)院上海光學(xué)精密機(jī)械研究所