專利名稱：300mm以上藍(lán)寶石單晶的冷心放肩微量提拉制備法的制作方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明涉及一種單晶的制備方法，具體涉及一種300mm以上藍(lán)寶石單晶的冷心放肩微量 提拉制備方法。
(二)
背景技術(shù)：
藍(lán)寶石單晶首先是作為紅外窗口材料而提出，因其具有優(yōu)良的光學(xué)、機(jī)械、化學(xué)和電性 能，特別是具有中波紅外透過率高等特性，從0.190pm至5.5pm波段均具有很高的光學(xué)透過 率，因此被廣泛用作微波電子管介質(zhì)材料，超聲波傳導(dǎo)元件，延遲線，波導(dǎo)激光器腔體及精 密儀器軸承，天平刀口等光學(xué)元件以及紅外軍事裝置、空間飛行器、高強(qiáng)度激光器的窗口材 料。此外，由于藍(lán)寶石電絕緣、透明、易導(dǎo)熱、硬度高，因此可以用來作為集成電路的襯底 材料，可廣泛用于發(fā)光二極管(LED)及微電子電路，從而替代高價(jià)的碳化硅襯底，制作超 高速集成電路。
目前藍(lán)寶石單晶的制備技術(shù)包括提拉法、焰熔法、坩堝下降法、溫度梯度法、導(dǎo)模法、 熱交換法、水平定向凝固法、泡生法等，其中只有泡生法和熱交換法能夠成功地生長出直徑 大于300mm的光學(xué)級(jí)藍(lán)寶石晶體。
泡生法制備藍(lán)寶石，晶體質(zhì)量好，材料利用率高，成本低，適合于產(chǎn)業(yè)化生產(chǎn)，關(guān)鍵技 術(shù)在俄羅斯。熱交換法制備藍(lán)寶石，雖然晶體質(zhì)量很高，但制備成本極高，產(chǎn)業(yè)化應(yīng)用受到 限制，關(guān)鍵技術(shù)在美國。
由于藍(lán)寶石材料有著較強(qiáng)的軍工應(yīng)用背景需求，因此各國均將該項(xiàng)技術(shù)列為高度機(jī)密內(nèi) 容，相關(guān)研究報(bào)道僅僅局限在工藝角度，針對(duì)藍(lán)寶石的特點(diǎn)和用途開發(fā)的專用設(shè)備及與之相 配套的控制系統(tǒng)的報(bào)道僅僅限于原理角度。
(三)

發(fā)明內(nèi)容
本發(fā)明的目的在于提供一種具有制備晶體尺寸更大，品質(zhì)更高，尺寸更加合理，材料利 用率更高，單位生產(chǎn)成本更低等優(yōu)點(diǎn)的300mm以上藍(lán)寶石單晶的冷心放肩微量提拉制備法。
本發(fā)明的目的是這樣實(shí)現(xiàn)的在300 mm藍(lán)寶石單晶生長爐內(nèi)，完成裝爐、真空條件下 化料、引晶、放肩、等徑生長、拉脫、冷卻及退火及出爐工藝過程，具體工藝過程如下
(1)裝爐將65-70 kg經(jīng)過預(yù)處理的高純氧化鋁原料(純度>99.996%)裝入單晶爐的坩 堝內(nèi)，經(jīng)過精確定向的直徑為15-25mm的A向(或C向、M向、R向)籽晶先裝在籽晶夾 上，籽晶定向精度±0.05°，再將籽晶夾安裝在提拉桿上，關(guān)閉單晶爐蓋，啟動(dòng)冷卻水循環(huán)系統(tǒng)， 調(diào)節(jié)冷卻水流量，控制出水溫度在25士5'C范圍內(nèi)；(2) 真空條件下化料啟動(dòng)真空系統(tǒng)，待爐內(nèi)壓力達(dá)到l(^-10^Pa后，啟動(dòng)加熱系統(tǒng)，
調(diào)節(jié)加熱電壓，以150-300°C/h的升溫速率加熱，當(dāng)溫度達(dá)到210(TC時(shí)，停止加熱，此時(shí)原 料全部熔化；保溫2-4小時(shí)后，調(diào)節(jié)加熱電壓，以10-3(TC/h的降溫速率降溫至205(TC，觀 察熔體液面狀態(tài)，此時(shí)液面對(duì)流狀態(tài)穩(wěn)定，熔體內(nèi)冷心位置與坩堝幾何中心相對(duì)偏差小于 10-20 mm;
(3) 弓l晶緩慢調(diào)節(jié)籽晶高度使其下端位于液面以上5-10mm處，穩(wěn)定20-40分鐘后， 采用傳統(tǒng)提拉法工藝，在偏離冷心位置引晶，以2-20轉(zhuǎn)/分鐘速度旋轉(zhuǎn)籽晶，引晶5-20次后 使結(jié)晶中心位置移至冷心，同時(shí)需要將籽晶直徑熔化至6-10 mm;
(4) 放肩以0.2-4mm/h的速度向上提拉籽晶桿，同時(shí)調(diào)節(jié)加熱電壓，以2-l(TC/h的速 率降溫，部分熔體開始在籽晶周圍結(jié)晶；當(dāng)結(jié)晶直徑達(dá)到30-60 mm時(shí)，以0.25-5mm/h的速 度向上提拉籽晶桿，同時(shí)調(diào)節(jié)加熱電壓，以4-2(TC/h的速率降溫；當(dāng)結(jié)晶質(zhì)量達(dá)到0.3-0.6 kg 時(shí)，以0.3-6 mm/h的速度向上提拉籽晶桿，同時(shí)調(diào)節(jié)加熱電壓，以6-30°C/h的速率降溫，使 結(jié)晶體肩部外側(cè)接近坩堝壁，但不接觸； .
(5) 等徑生長當(dāng)結(jié)晶質(zhì)量達(dá)到1.8-3 kg時(shí)，以0.6-12mm/h的速度向上提拉籽晶桿， 同時(shí)調(diào)節(jié)加熱電壓，以10-5(TC/h的速率降溫。此時(shí)單晶開始等徑生長，質(zhì)量均勻增加，質(zhì)量 增加速率為50-500 g/h;
(6) 拉脫當(dāng)晶體質(zhì)量不再增加后，表明晶體已經(jīng)生長完畢，此時(shí)以2-10mm/h的速度 快速向上提拉籽晶桿，使晶體與坩堝壁完全脫離；
(7) 冷卻及退火調(diào)節(jié)加熱電壓，以10-50°C/h的速度降溫退火，直至加熱電壓降至零， 關(guān)閉真空系統(tǒng)，通入高純氬氣進(jìn)行快速冷卻，使單晶爐內(nèi)溫度降至8(TC，壓力達(dá)到10卞a;
(8) 出爐保持5-20小時(shí)后，開啟進(jìn)氣閥，使單晶爐內(nèi)壓力與外界相同，關(guān)閉冷卻水 循環(huán)系統(tǒng)，打開單晶爐蓋，靜置4-8小時(shí)后，取出藍(lán)寶石單晶，完成整個(gè)工藝過程。
本發(fā)明的有益效果在于
1. 能夠生長出尺寸大于0320x260 mm、純度高、缺陷密度低、光學(xué)性能好的藍(lán)寶石單晶， 能夠更好地滿足國防軍工及民用領(lǐng)域?qū)Υ蟪叽?、高品質(zhì)藍(lán)寶石晶體材料的需求。
2. 通過控制引晶形態(tài)，減少了缺陷發(fā)生的幾率；同時(shí)通過改變提拉速度和降溫速度，控 制晶體肩部形態(tài)，減小了肩部應(yīng)力，降低了晶體開裂的可能性。
3. 晶體生長結(jié)束后快速拉脫，避免晶體局部與坩堝壁發(fā)生粘連，否則，由于粘結(jié)部分應(yīng) 力過大會(huì)使晶體發(fā)生開裂。
4. 0220x200mm藍(lán)寶石單晶質(zhì)量為26.5 kg，生長周期為10天，0320x260 mm藍(lán)寶石單 晶質(zhì)量為68kg，生長周期為17天，后者生長周期為前者的1.7倍，但質(zhì)量卻是前者的2.57倍，單位生產(chǎn)成本更低；而且，與0220x200mm藍(lán)寶石單晶相比，0>320x260mm尺寸更加合 理，材料利用率更高。
綜上所述，本發(fā)明300mm以上藍(lán)寶石單晶的冷心放肩微量提拉制備方法在原有冷心放肩 微量提拉制備法基礎(chǔ)上進(jìn)行了很大改進(jìn)，具有晶體尺寸更大，品質(zhì)更高，尺寸更加合理，材 料利用率更高，單位生產(chǎn)成本更低等優(yōu)點(diǎn)。因而本發(fā)明具有廣闊的應(yīng)用前景，該技術(shù)的推廣 應(yīng)用能夠創(chuàng)造出明顯的社會(huì)效益和經(jīng)濟(jì)效益。 具體實(shí)施例方式
下面結(jié)合具體實(shí)施例對(duì)本發(fā)明作進(jìn)一步的說明-
實(shí)施例一本實(shí)施例具體工藝過程如下
(1) 裝爐將69kg經(jīng)過預(yù)處理的高純氧化鋁原料(純度>99.996%)裝入單晶爐的坩堝 內(nèi)，經(jīng)過精確定向的直徑為20mm的A向籽晶先裝在籽晶夾上，籽晶定向精度±0.05°，再將 籽晶夾安裝在提拉桿上，關(guān)閉單晶爐蓋，啟動(dòng)冷卻水循環(huán)系統(tǒng)，調(diào)節(jié)冷卻水流量，控制出水 溫度在25士5。C范圍內(nèi)。
(2) 真空條件下化料啟動(dòng)真空系統(tǒng)，待爐內(nèi)壓力達(dá)到2xl(T4Pa后，啟動(dòng)加熱系統(tǒng)， 調(diào)節(jié)加熱電壓，以20(TC/h的升溫速率加熱，當(dāng)溫度達(dá)到210(TC時(shí)，停止加熱，此時(shí)原料全 部熔化。保溫4小時(shí)后，調(diào)節(jié)加熱電壓，以2(TC/h的降溫速率降溫至205(TC，觀察熔體液面 狀態(tài)，此時(shí)液面對(duì)流狀態(tài)穩(wěn)定，瑢體內(nèi)冷心位置與坩堝幾何中心相對(duì)偏差小于10mm。
(3) 引晶緩慢調(diào)節(jié)籽晶高度使其下端位于液面以上10mm處，穩(wěn)定40分鐘后，采用 傳統(tǒng)提拉法工藝，在偏離冷心位置引晶，以5轉(zhuǎn)/分鐘的速度旋轉(zhuǎn)籽晶，引晶8次后使結(jié)晶中 心位置移至冷心，同時(shí)需要將籽晶直徑熔化至10mm。
(4) 放肩以0.3 mm/h的速度向上提拉籽晶桿，同時(shí)調(diào)節(jié)加熱電壓，以3 °C/h的速率 降溫，部分熔體開始在籽晶周圍結(jié)晶；當(dāng)結(jié)晶直徑達(dá)到30mm時(shí)，以0.4mm/h的速度向上提 拉籽晶桿，同時(shí)調(diào)節(jié)加熱電壓，以4'C/h的速率降溫；當(dāng)結(jié)晶質(zhì)量達(dá)到0.5kg時(shí)，以0.5mm/h 的速度向上提拉籽晶桿，同時(shí)調(diào)節(jié)加熱電壓，以7°C/h的速率降溫，使結(jié)晶體肩部外側(cè)接近 坩堝壁，但不接觸。
(5) 等徑生長當(dāng)結(jié)晶質(zhì)量達(dá)到2.5kg時(shí)，以0.8mm/h的速度向上提拉籽晶桿，同時(shí)調(diào) 節(jié)加熱電壓，以2(TC/h的速率降溫。此時(shí)單晶開始等徑生長，質(zhì)量均勻增加，質(zhì)量增加速率 為360-480 g/h。
(6) 拉脫當(dāng)晶體質(zhì)量不再增加后，表明晶體已經(jīng)生長完畢，此時(shí)以5mm/h的速度快 速向上提拉籽晶桿，使晶體與坩堝壁完全脫離。
(7) 冷卻及退火調(diào)節(jié)加熱電壓，以10-50'C/h的速率降溫退火，直至加熱電壓降至零，關(guān)閉真空系統(tǒng)，通入高純氬氣進(jìn)行快速冷卻，使單晶爐內(nèi)溫度降至8(TC，壓力達(dá)到10寸a。
(8)出爐保持18小時(shí)后，開啟進(jìn)氣閥，使單晶爐內(nèi)壓力與外界相同，關(guān)閉冷卻水循 環(huán)系統(tǒng)，打開單晶爐蓋，靜置8小時(shí)后，取出藍(lán)寶石單晶，完成整個(gè)工藝過程。
實(shí)施例二本實(shí)施例具體工藝過程如下
(1) 裝爐將66kg經(jīng)過預(yù)處理的高純氧化鋁原料(純度>99.996%)裝入單晶爐的坩堝 內(nèi)，經(jīng)過精確定向的直徑為16mm的C向籽晶先裝在籽晶夾上，籽晶定向精度±0.05°，再將 籽晶夾安裝在提拉桿上，關(guān)閉單晶爐蓋，啟動(dòng)冷卻水循環(huán)系統(tǒng)，調(diào)節(jié)冷卻水流量，控制出水 溫度在25士5'C范圍內(nèi)。
(2) 真空條件下化料啟動(dòng)真空系統(tǒng)，待爐內(nèi)壓力達(dá)到5xl(^Pa后，啟動(dòng)加熱系統(tǒng)，調(diào) 節(jié)加熱電壓，以240。C/h的升溫速率加熱，當(dāng)溫度達(dá)到2100'C時(shí)，停止加熱，此時(shí)原料全部 熔化。保溫2小時(shí)后，調(diào)節(jié)加熱電壓，以30'C/h的降溫速率降溫至2050 °C，觀察熔體液面 狀態(tài)，此時(shí)液面對(duì)流狀態(tài)穩(wěn)定，熔體內(nèi)冷心位置與坩堝幾何中心相對(duì)偏差小于15mm。
(3) 引晶緩慢調(diào)節(jié)籽晶高度使其下端位于液面以上5 mm處，穩(wěn)定30分鐘后，采用 傳統(tǒng)提拉法工藝，在偏離冷心位置引晶，以3轉(zhuǎn)/分鐘的速度旋轉(zhuǎn)籽晶，引晶12次后使結(jié)晶 中心位置移至冷心，同時(shí)需要將籽晶直徑熔化至6 mm。
(4) 放肩以0.2!11111/11的速度向上提拉籽晶桿，同時(shí)調(diào)節(jié)加熱電壓，以2'C/h的速率降 溫，部分熔體開始在籽晶周圍結(jié)晶；當(dāng)結(jié)晶直徑達(dá)到30mm時(shí)，以0,3mm/h的速度向上提拉 籽晶桿，同時(shí)調(diào)節(jié)加熱電壓，以3'C/h的速率降溫；當(dāng)結(jié)晶質(zhì)量達(dá)到0.4 kg時(shí)，以0.4mm/h 的速度向上提拉籽晶桿，同時(shí)調(diào)節(jié)加熱電壓，以6°C/h的速率降溫，使結(jié)晶體肩部外側(cè)接近 坩堝壁，但不接觸。
(5) 等徑生長當(dāng)結(jié)晶質(zhì)量達(dá)到2kg時(shí)，以0.7mm/h的速度向上提拉籽晶桿，同時(shí)調(diào) 節(jié)加熱電壓，以15"C/h的速率降溫。此時(shí)單晶開始等徑生長，質(zhì)量均勻增加，質(zhì)量增加速率 為340-460 g/h。
(6) 拉脫當(dāng)晶體質(zhì)量不再增加后，表明晶體已經(jīng)生長完畢，此時(shí)以6mm/h的速度快 速向上提拉籽晶桿，使晶體與坩堝壁完全脫離。
(7) 冷卻及退火調(diào)節(jié)加熱電壓，以10-50°C/h的速率降溫退火，直至加熱電壓降至零，
關(guān)閉真空系統(tǒng)，通入高純氬氣進(jìn)行快速冷卻，使單晶爐內(nèi)溫度降至8(TC，壓力達(dá)到l(^Pa。
(8) 出爐保持14小時(shí)后，開啟進(jìn)氣閥，使單晶爐內(nèi)壓力與外界相同，關(guān)閉冷卻水循
環(huán)系統(tǒng)，打開單晶爐蓋，靜置6小時(shí)后，取出藍(lán)寶石單晶，完成整個(gè)工藝過程。
權(quán)利要求
1、一種冷心放肩微量提拉法制備300mm以上藍(lán)寶石單晶的生長方法，在300mm藍(lán)寶石單晶生長爐內(nèi)，完成裝爐、真空條件下化料、引晶、放肩、等徑生長、拉脫、冷卻及退火及出爐工藝過程，其特征在于工藝過程具體步驟為(1)裝爐將高純氧化鋁原料裝入單晶爐內(nèi)，經(jīng)過精確定向的籽晶裝在籽晶夾上，調(diào)節(jié)冷卻水流量，控制出水溫度；(2)真空條件下化料抽真空、加熱，使原料全部熔化；(3)引晶采用傳統(tǒng)提拉法工藝，在偏離冷心位置引晶，使結(jié)晶中心位置移至冷心；(4)放肩以一定速率提拉籽晶桿并緩慢降溫，熔體開始在籽晶周圍結(jié)晶；(5)等徑生長當(dāng)結(jié)晶質(zhì)量達(dá)到一定數(shù)值時(shí)，增大提拉速度，同時(shí)加快降溫速率；(6)拉脫當(dāng)晶體質(zhì)量不再增加后，增大提拉速度，使晶體與坩堝壁完全脫離；(7)冷卻及退火調(diào)節(jié)加熱電壓，以一定速度降溫退火，直至加熱電壓降至零，關(guān)閉真空系統(tǒng)，通入高純氬氣進(jìn)行快速冷卻；(8)出爐打開單晶爐蓋，取出藍(lán)寶石單晶，完成整個(gè)工藝過程。
2、 根據(jù)權(quán)利要求l所述的冷心放肩微量提拉法制備300mm以上藍(lán)寶石單晶的生長方法，其特征在于裝爐步驟中使用的原料為高純氧化鋁，純度>99.996%;單晶爐為300 mm以上藍(lán)寶石單晶的專用生長設(shè)備；籽晶直徑為15-25mm，晶向?yàn)锳向、M向、C向、R向，定向精度為士0.05。；出水溫度控制在25±5°。范圍內(nèi)。
3、 根據(jù)權(quán)利要求2所述的冷心放肩微量提拉法制備300mm以上藍(lán)寶石單晶的生長方法，其特征在于真空條件下化料步驟中單晶爐內(nèi)壓力需要達(dá)到10—3-10—卞&后才能開始加熱，并且要求整個(gè)晶體生長過程中爐內(nèi)壓力〈0—Spa;以150-300°C/h的升溫速率加熱，當(dāng)溫度達(dá)到2100°C時(shí)，停止加熱；保溫2-4小時(shí)后，以10-30'C/h的降溫速率降溫至205(TC，觀察熔體液面狀態(tài)，此時(shí)液面對(duì)流狀態(tài)穩(wěn)定，熔體內(nèi)冷心位置與坩堝幾何中心相對(duì)偏差小于10-20 mm。
4、 根據(jù)權(quán)利要求3所述的冷心放肩微量提拉法制備300mm以上藍(lán)寶石單晶的生長方法，其特征在于引晶步驟中先緩慢調(diào)節(jié)籽晶高度使其下端位于液面以上5-10mm處，穩(wěn)定20-40分鐘后，再開始引晶，以2-20轉(zhuǎn)/分鐘速度旋轉(zhuǎn)籽晶，弓l晶5-20次，同時(shí)需要將籽晶直徑熔化至6-10 mm。
5、 根據(jù)權(quán)利要求4所述的冷心放肩微量提拉法制備300mm以上藍(lán)寶石單晶的生長方法，其特征在于放肩步驟中先以0.2-4 mm/h的速度向上提拉籽晶桿，同時(shí)調(diào)節(jié)加熱電壓，以2-10°C/h的速率降溫；當(dāng)結(jié)晶直徑達(dá)到30-60 mm時(shí)，以0.25-5mm/h的速度向上提拉籽晶桿，同時(shí)調(diào)節(jié)加熱電壓，以4-20°C/h的速率降溫；當(dāng)結(jié)晶質(zhì)量達(dá)到0.3-0.6kg時(shí)，以0.3-6mm/h的速度向上提拉籽晶桿，同時(shí)調(diào)節(jié)加熱電壓，以6-3(TC/h的速率降溫，使結(jié)晶體肩部外側(cè)接近坩堝壁，但不接觸。
6、 根據(jù)權(quán)利要求5所述的冷心放肩微量提拉法制備300mm以上藍(lán)寶石單晶的生長方法，其特征在于等徑生長步驟中當(dāng)結(jié)晶質(zhì)量達(dá)到1.8-3kg時(shí)，以0.6-12mm/h的速率向上提拉籽晶桿，同時(shí)調(diào)節(jié)加熱電壓，以10-50°C/h的速率降溫。
7、 根據(jù)權(quán)利要求6所述的冷心放肩微量提拉法制備300mm以上藍(lán)寶石單晶的生長方法，其特征在于拉脫步驟中提拉速度為2-10mm/h。
8、 根據(jù)權(quán)利要求7所述的冷心放肩微量提拉法制備300mm以上藍(lán)寶石單晶的生長方法，其特征在于冷卻及退火步驟中降溫速率為10-50°C/h;通入氬氣后要使單晶爐內(nèi)溫度降至80'C，壓力達(dá)到104Pa。
9、 根據(jù)權(quán)利要求8所述的冷心放肩微量提拉法制備300mm以上藍(lán)寶石單晶的生長方法，其特征在于出爐步驟中打開單晶爐蓋前先保持5-20小時(shí)，打開單晶爐蓋靜置4-8小時(shí)后取出藍(lán)寶石單晶。
全文摘要
本發(fā)明提供了一種300mm以上藍(lán)寶石單晶的冷心放肩微量提拉制備法。在300mm藍(lán)寶石單晶生長爐內(nèi)，完成裝爐、真空條件下化料、引晶、放肩、等徑生長、拉脫、冷卻及退火及出爐工藝過程，本發(fā)明在原有冷心放肩微量提拉制備法基礎(chǔ)上進(jìn)行了很大改進(jìn)，具有晶體尺寸更大，品質(zhì)更高，尺寸更加合理，材料利用率更高，單位生產(chǎn)成本更低等優(yōu)點(diǎn)，能夠生長出尺寸大于Φ320×260mm、純度高、缺陷密度低、光學(xué)性能好的藍(lán)寶石單晶，能夠更好地滿足國防軍工及民用領(lǐng)域?qū)Υ蟪叽?、高品質(zhì)藍(lán)寶石晶體材料的需求，通過控制引晶形態(tài)，減少了缺陷發(fā)生的幾率；同時(shí)通過改變提拉速度和降溫速度，控制晶體肩部形態(tài)，減小了肩部應(yīng)力，降低了晶體開裂的可能性。
文檔編號(hào)C30B15/20GK101580963SQ200910072378
公開日2009年11月18日 申請(qǐng)日期2009年6月26日 優(yōu)先權(quán)日2009年6月26日
發(fā)明者波 宋, 左洪波, 楊鑫宏, 王天成, 王玉平 申請(qǐng)人:哈爾濱工大奧瑞德光電技術(shù)有限公司