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一種快速制備大尺寸藍(lán)寶石晶體改良泡生法

文檔序號:8376429閱讀:605來源:國知局
一種快速制備大尺寸藍(lán)寶石晶體改良泡生法
【技術(shù)領(lǐng)域】
[0001]本發(fā)明屬于晶體生長技術(shù)領(lǐng)域,涉及一種藍(lán)寶石晶體生長方法,尤其涉及一種通過對傳統(tǒng)泡生法工藝的改進(jìn),縮短長晶周期,降低能耗,使得80公斤級以上藍(lán)寶石晶體生長周期縮短到13-15天左右的快速制備大尺寸藍(lán)寶石晶體改良泡生法。
[0002]
【背景技術(shù)】
[0003]藍(lán)寶石具有熔點高(2050°C)、硬度大(莫氏硬度9級,僅次于金剛石)以及優(yōu)良的光學(xué)和物化特性,因而被廣泛的應(yīng)用于紅外軍事裝置、衛(wèi)星空間技術(shù)、高強(qiáng)度激光的窗口材料。其獨特的晶格結(jié)構(gòu)、優(yōu)異的力學(xué)性能、良好的熱學(xué)性能使藍(lán)寶石晶體成為實際應(yīng)用的半導(dǎo)GaN/A1203發(fā)光二極管(LED),大規(guī)模集成電路SOI和SOS及超導(dǎo)納米結(jié)構(gòu)薄膜等最為理想的襯底材料。藍(lán)寶石使用范圍較廣,可作為傳感器(溫度、壓力、流量、濕度、氣體成分等)敏感元件的襯底;可作為微電子、光電子器件的外延基片;藍(lán)寶石可以做成不同尺寸和型面的光電窗口和整流罩,用于航空、航天等各類裝備中;可應(yīng)用于高端手表表面、手機(jī)屏幕及便攜式電子設(shè)備屏幕等;還可以作為各種耐壓、耐磨件、軸承、密封件等用于各種精密裝備中。
[0004]目前國際上主流的藍(lán)寶石晶體生長工藝是泡生法、提拉法、導(dǎo)模法以及熱交換法,而泡生法工藝生長的藍(lán)寶石晶體約占目前市場的70%,是目前公認(rèn)的最適合大規(guī)模工業(yè)化生產(chǎn)的一種方法。但是,該方法目前生長80公斤級藍(lán)寶石晶體生長周期在20天以上,能耗成本極高,且工藝方法不穩(wěn)定,長晶過程對技術(shù)人員的技術(shù)依賴度很大,極大的限制了該方法的進(jìn)一步推廣應(yīng)用。
[0005]中國專利公布號CN 102212871 A,公布日2011年10月12日,名稱為藍(lán)寶石晶體的生長方法及藍(lán)寶石晶體生長用的長晶爐結(jié)構(gòu),該申請案公開了一種藍(lán)寶石晶體的生長方法及藍(lán)寶石晶體生長用的長晶爐結(jié)構(gòu),包括如下步驟:a、將40-60%的氧化鋁晶體、20-30%的氧化鋁晶塊及10-30%的氧化鋁晶粒按照重量百分比均勻混合后放入坩堝中;b、將具有氧化鋁晶體的坩堝放入長晶爐中并抽真空,將長晶爐的溫度加熱至2200°C ;c、坩堝中的氧化鋁晶體加熱至熔融狀態(tài)時,使坩堝的溫度降至2150-2200°C間;并當(dāng)坩堝中出現(xiàn)固-液界面時,開始引晶;d、使坩堝的溫度降至1900-2100°C,以便長晶;e、對長晶爐保溫;f、對長晶爐進(jìn)行退火,使長晶爐的溫度由2000°C逐漸將至1000°C ;g、長晶爐的溫度逐漸將至常溫;h、對長晶爐內(nèi)以氬氣破真空,開啟長晶爐并取出藍(lán)寶石晶體。其不足之處在于,制得的藍(lán)寶石晶體生長過程耗時長,能耗多。
[0006]

【發(fā)明內(nèi)容】

[0007]本發(fā)明的目的在于為了解決現(xiàn)有泡生法制備藍(lán)寶石晶體耗時長、能耗多的缺陷而提供一種通過對傳統(tǒng)泡生法工藝的改進(jìn),縮短長晶周期,降低能耗,使得80公斤級以上藍(lán)寶石晶體生長周期縮短到13-15天左右的快速制備大尺寸藍(lán)寶石晶體改良泡生法。
[0008]為了實現(xiàn)上述目地,本發(fā)明采用以下技術(shù)方案:
一種快速制備大尺寸藍(lán)寶石晶體改良泡生法,包括裝料,加熱升溫、恒溫化料、引晶、放肩、長晶、收尾、退火開爐,加熱升溫、恒溫化料、引晶、放肩、長晶、收尾階段,爐內(nèi)真空度保持IXlO-5Pa以下,其中,引晶時先將籽晶縮頸2-4_,設(shè)定加熱功率以100_300W/h的速率下降,完成長度在80-1OOmm的引晶晶結(jié)后開始放肩,引晶過程耗時6-1Oh ;放肩時控制晶體生長速度先慢后快,最快生長速度為350g/h ;放肩晶體重量達(dá)到8-lOKg時開始等徑生長,長晶速度逐漸增加到lKg/h,最后晶體生長速度為1.05-1.2Kg/h。在本技術(shù)方案中,
本發(fā)明工藝科學(xué)、穩(wěn)定,工藝步驟細(xì)化、量化,晶體生長過程可控性強(qiáng),降低了生產(chǎn)過程中對長晶師的技術(shù)依賴,易于推廣應(yīng)用實現(xiàn)產(chǎn)業(yè)化。長晶過程中保持真空度在I X 1-5Pa以下,爐內(nèi)持續(xù)穩(wěn)定的聞?wù)婵湛梢杂行崧劅釄鍪褂脡勖瑴p少晶體氣泡、晶界的廣生,提聞晶體質(zhì)量。自動收尾工藝可以有效避免晶體粘鍋造成晶體開裂,降低籽晶斷裂晶體掉落的風(fēng)險,保證晶體尾部的質(zhì)量,提高晶體利用率。
[0009]作為優(yōu)選,所述泡生法包括以下步驟:
a)裝料:將80-100公斤純度大于99.995%的高純氧化鋁料裝入長晶爐內(nèi),將長度為13-15mm的定向精度±0.1的籽晶連接好籽晶桿,籽晶位置調(diào)整到裝料面上5-8cm停留,關(guān)閉爐蓋;啟動真空系統(tǒng)抽真空,4-5h爐內(nèi)真空度降到I X 1-5Pa后,啟動加熱系統(tǒng),開始升溫;
b)加熱、化料:設(shè)定加熱功率,以200-250°C/h的升溫速率加熱,長晶爐在9-12h內(nèi)到達(dá)化料功率;待原料開始熔化,加熱功率達(dá)到化料功率后手動上升3-5KW功率,l-2h后調(diào)整加熱功率使液面對流穩(wěn)定后下籽晶,籽晶下降速度為10mm/min,接觸液面后開始引晶;
c)引晶、放肩、長晶:引晶時先將籽晶縮頸2-4mm,籽晶桿以0.5-0.7mm/h的速度自動提拉,設(shè)定加熱功率以100-300W/h的速率下降,晶體開始生長后每隔10-30min手動向上提拉2-3mm,完成長度在80_100mm的引晶晶結(jié)后開始放肩,引晶過程耗時6_10h ;放肩時籽晶桿自動拉速設(shè)為0.2-0.3mm/h,控制晶體生長速度先慢后快,最快生長速度為350g/h ;長晶:放肩晶體重量達(dá)到8-lOKg時開始等徑生長,長晶速度逐漸增加到lKg/h,最后晶體生長速度為 1.05-1.2Kg/h ;
d)收尾:晶體等徑生長130-150h后晶體重量接近裝料量,將籽晶桿拉速設(shè)為0.8-lmm/h,功率手動增加3-5KW,晶體脫離坩堝晶重穩(wěn)定后關(guān)閉拉速,將功率降到收尾前數(shù)值完成收尾;
e)退火、冷卻、開爐:步驟d)完成后進(jìn)行退火、冷卻、待爐內(nèi)氣壓、溫度與外界相同,關(guān)閉冷卻水,打開爐蓋吊出晶體。在本技術(shù)方案中,長晶過程中保持真空度在IX 10_5Pa以下,爐內(nèi)持續(xù)穩(wěn)定的聞?wù)婵湛梢杂行崧劅釄鍪褂脡勖?,減少晶體氣泡、晶界的廣生,提聞晶體質(zhì)量;自動收尾工藝可以有效避免晶體粘鍋造成晶體開裂,降低籽晶斷裂晶體掉落的風(fēng)險,保證晶體尾部的質(zhì)量,提高晶體利用率,
作為優(yōu)選,加熱過程中真空度高于lX10_5Pa時暫停升溫,恒溫使?fàn)t體內(nèi)真空度恢復(fù)到lX10_5Pa以下后再繼續(xù)升溫。
[0010]作為優(yōu)選,退火分高溫退火階段和低溫退火階段,加熱功率降到20KW為高位退火階段,高溫退火耗時40h,20KW后為低溫退火階段,低溫退火耗時40h。
[0011]作為優(yōu)選,退火結(jié)束后自然冷卻,冷卻48h后充入保護(hù)氣體,使?fàn)t內(nèi)壓力恢復(fù)到大氣壓的一半,12h后第二次充入保護(hù)氣體,使?fàn)t內(nèi)壓力恢復(fù)到正常大氣壓,再過12h開爐取晶體。在本技術(shù)方案中,冷卻過程中分兩次充入高純氮氣作保護(hù)氣體能有效保護(hù)熱場,使晶體均勻快速冷卻,減少晶體內(nèi)應(yīng)力。
[0012]作為優(yōu)選,所述保護(hù)氣體為氮氣或者氬氣。
[0013]作為優(yōu)選,恒溫0.5-3h待真空度達(dá)到IX 10_5Pa以下后繼續(xù)升溫。
[0014]作為優(yōu)選,高純度氧化招為塊狀或餅狀,直徑為2_5cm。
[0015]作為優(yōu)選,在降溫過程中所用的冷卻水為軟水。
[0016]本發(fā)明的有益效果是:
1)本發(fā)明縮短80公斤級以上藍(lán)寶石晶體生長周期,從傳統(tǒng)泡生法工藝20天以上長晶周期縮短到13-15天左右,降低能耗,提高設(shè)備使用率;
2)本發(fā)明工藝科學(xué)、穩(wěn)定,工藝步驟細(xì)化、量化,晶體生長過程可控性強(qiáng),降低了生產(chǎn)過程中對長晶師的技術(shù)依賴,易于推廣應(yīng)用實現(xiàn)產(chǎn)業(yè)化;
3)長晶過程中保持真空度在1X105Pa以下,爐內(nèi)持續(xù)穩(wěn)定的聞?wù)婵湛梢杂行崧劅釄鍪褂脡勖瑴p少晶體氣泡、晶界的廣生,提聞晶體質(zhì)量;
4)自動收尾工藝可以有效避免晶體粘鍋造成晶體開裂,降低籽晶斷裂晶體掉落的風(fēng)險,保證晶體尾部的質(zhì)量,提高晶體利用率;
5)冷卻過程中分兩次充入高純氮氣作保護(hù)氣體能有效保護(hù)熱場,使晶體均勻快速冷卻,減少晶體內(nèi)應(yīng)力;
6)本發(fā)明在傳統(tǒng)泡生法生長藍(lán)寶石工藝上有很大改進(jìn),具有長晶周期短、能耗少、晶體缺陷少、掏棒率高等優(yōu)點,適用于80公斤以上的大尺寸藍(lán)寶石晶體產(chǎn)業(yè)化應(yīng)用。
[0017]
【具體實施方式】
[0018]以下結(jié)合具體實施例,對本發(fā)明作進(jìn)一步的解釋:
原料為純度大于99.996%的高純度氧化鋁,高純度氧化鋁為塊狀或餅狀,直徑為2-5cm。在降溫過程中所用的冷卻水為軟水。
[0019]實施例1
將85公斤高純氧化鋁料裝入坩堝內(nèi),將長度為15mm的定向精度+0.1的籽晶連接好籽晶桿,籽晶位置調(diào)整到裝料面上5cm停留,關(guān)閉爐蓋;啟動真空系統(tǒng)抽真空,4h后爐內(nèi)真空度降到I X 10_5Pa以下,啟動加熱系統(tǒng),開始升溫,設(shè)定加熱功率,加熱功率以10KW/h的增速加熱,若功率在20KW時真空度>1X 10_5Pa,暫停功率增速,恒溫3h后爐體內(nèi)真空度恢復(fù)到IXlO-5Pa以下,繼續(xù)開啟功率增速升溫,9h后爐內(nèi)原料開始融化,加熱功率到達(dá)最高化料功率,加熱功率達(dá)到化料功率后手動上升3KW功率,使溶液過熱,Ih后降4KW加熱功率,液面對流穩(wěn)定后下籽晶,籽晶下降速度為10mm/min,接觸液面后開始引晶,引晶時先將籽晶縮頸4mm,籽晶桿以0.5mm/h的速度自動提拉,設(shè)定加熱功率以300W/h的速率下降,晶體開始生長后每隔30min手動向上提拉3 mm,完成長度在10mm的弓I晶晶結(jié)后開始放肩,將桿晶桿自動拉速改為0.2mm/h,晶體開始緩慢生長,最快生長速度350g/h,晶
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