一種泡生法生長大尺寸藍寶石過程中減少晶界的方法
【技術領域】
[0001] 本發(fā)明屬于晶體生長技術領域，涉及一種藍寶石晶體生長方法，尤其涉及一種外 形規(guī)整、表面平坦、無氣泡和無晶界高質量的泡生法生長大尺寸藍寶石過程中減少晶界的 方法。
[0002]
【背景技術】
[0003] 藍寶石是世界上硬度僅次于金剛石的晶體材料，由于具有優(yōu)良的物理、機械、化 學及紅外透光性能，一直是微電子、航空航天、軍工等領域急需的材料，尤其是光學級大 尺寸藍寶石材料，由于其具有性能穩(wěn)定、市場需求量大、綜合利用率及產(chǎn)品附加值高等特 點，成為近年國內外研究開發(fā)和產(chǎn)業(yè)化熱點。我國自2003年開始提出"國家半導體照明 工程"計劃，并在近年內已初步形成LED產(chǎn)品的規(guī)?；a(chǎn)能力，但位于LED產(chǎn)業(yè)鏈最上 游的襯底材料，尤其是大尺寸藍寶石材料，由于技術門檻極高，一直是該產(chǎn)業(yè)進一步發(fā)展 的瓶頸。
[0004] 藍寶石單晶的制備技術包括提拉法、焰熔法、坩堝下降法、溫度梯度法、導模法、熱 交換法、水平定向凝固法、泡生法等，其中泡生法是目前世界上公認的最適合大規(guī)模工業(yè)化 生產(chǎn)的一種方法。泡生法雖然可以制備重量大于31kg，甚至是大于85kg的光學級大尺寸藍 寶石晶體，但是目前該方法晶體生長成品率較低，一般只有65%左右，同時由于普通泡生法 制得的藍寶石晶體頂部晶頸部分缺陷較大而使得藍寶石晶體前端的熱應力較大。
[0005] 國內目前原料廠家很難提供達到生產(chǎn)要求純度為5個9的原料，使得原料中必然 含有雜質的存在。在高真空、高溫度的情況下鎢鑰必然存在揮發(fā)，爐膛內很難清理干凈，這 些客觀因素的存在必然導致藍寶石晶體生長過程中有可能會出現(xiàn)晶界，使得晶體的利用率 遠遠降低?，F(xiàn)有的藍寶石生長過程中減少晶界的方法主要是通過挑選無雜質純度較高的氧 化鋁原料，以及設備內揮發(fā)物清理。
[0006] 中國專利公布號CN102212871A，公布日2011年10月12日，名稱為藍寶石晶體 的生長方法及藍寶石晶體生長用的長晶爐結構，該申請案公開了一種藍寶石晶體的生長方 法及藍寶石晶體生長用的長晶爐結構，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1900-2KKTC，以便長晶；e、對長晶爐保溫；f、對長晶 爐進行退火，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、對長晶爐內以氬氣破真空，開啟長晶爐并取出藍寶石晶體。其不足之處在于，制得的藍寶 石晶體生長過程中有可能會出現(xiàn)晶界，使得晶體的利用率遠遠降低。
[0007]

【發(fā)明內容】

[0008] 本發(fā)明的目的在于為了解決現(xiàn)有泡生法制備的藍寶石晶體生長過程中有可能會 出現(xiàn)晶界，使得晶體的利用率遠遠降低的缺陷而提供一種外形規(guī)整、表面平坦、無氣泡和無 晶界高質量的泡生法生長大尺寸藍寶石過程中減少晶界的方法。
[0009] 為了實現(xiàn)上述目的，本發(fā)明采用以下技術方案： 一種泡生法生長大尺寸藍寶石過程中減少晶界的方法，所述方法采用焰熔法生長的藍 寶石碎塊作為原料，在高真空條件下化料生長，化料完全后升溫至高于熔點溫度20-KKTC 靜置4-8小時，挑選優(yōu)良的無缺陷的籽晶，采用縮頸引晶對籽晶的晶格進行優(yōu)選，縮頸后放 肩生長，提拉速度為0. 05-0. 35mm/h，同時根據(jù)晶體生長情況實時改變電壓和拉速，平穩(wěn)生 長得到藍寶石晶體。在本技術方案中，本發(fā)明旨在采用泡生法生長藍寶石過程中減少晶界 的方法，采用高純度焰熔法生長的藍寶石碎塊作為原料，在高真空條件下化料生長，完全 化料后升溫高于熔點溫度20度靜置4小時；挑選優(yōu)良的無缺陷的籽晶，采用縮頸引晶的特 殊手段進一步對籽晶的晶格進行優(yōu)選，以便優(yōu)良的晶格發(fā)育遺傳下去。有效的縮頸后放肩 生長，提拉速度為〇. 3mm/h，同時根據(jù)晶體生長情況實時改變電壓和拉速。待放肩結束時，調 整工作電壓，做升電壓處理，不同尺寸的晶體調整電壓的幅度也不一樣，以便獲得藍寶石晶 體。本發(fā)明提供了一種在泡生法生長藍寶石制備過程中有效抑制晶界的方法，制備的藍寶 石晶體外形規(guī)整、表面平坦、無氣泡和無晶界，為高質量的藍寶石晶體。
[0010] 隨著晶體的重量增加，晶體的結晶動力不僅僅是靠降電壓來維持，最主要是結晶 表面的散熱面積增大使得生長速度變快，隨著晶體肩的長大由慢及快，整個擴肩的拉速基 本保持在0. 3mm/h，同時也根據(jù)晶體實際生長情況來調整 作為優(yōu)選，所述方法包括以下步驟： 步驟a):原料采用焰熔法生長的藍寶石碎塊，經(jīng)500-800°C加熱處理，時間2-4h，然后 用去離子水淬火粉碎，再經(jīng)5-10次去離子水清洗處理后烘干備用； 步驟b):將步驟a)處理后的原料放入鎢坩堝并置于泡生爐內裝爐，將泡生爐抽真空，開 始加熱，加熱至2160-2230°C，恒溫3-6h;待原料完全融化，升溫20-40°C并靜置2-3小時； 步驟c)選用a向或m向的定向籽晶，下籽晶，進行引晶，待引晶結束后進入擴肩生長， 當晶體擴肩完成后根據(jù)晶體實際生長情況調整電壓，進入等徑階段，直至晶體生長完成； 步驟d)晶體生長完成后以10-15mm/h的速度提拉晶種桿，使得晶體與坩堝分離；在 1500-1800°C下開始退火，以20-30°C/h的速率降溫至加熱電壓降為零后，通入惰性氣體， 直至晶體生長爐內壓強為8X104~1X105pa，保溫5_8h，然后開爐取晶。
[0011] 在本技術方案中，步驟a)中加熱處理是為了去除藍寶石碎塊含有的雜質；在原料 在熔化的過程中存在很多空穴，這些空穴就是氣體所產(chǎn)生，如果熔化的溫度不夠高，使得原 料不能充分熔化，這些空穴就會伴隨在原料中，后期會使生長出來的晶體存在很多氣泡，不 能夠應用到產(chǎn)品中。
[0012] 作為優(yōu)選，步驟a)的藍寶石碎塊在加熱處理前先用熔融態(tài)苯磺酸或三氯乙酸處理 1. 5-2h，溫度85-125°C，冷卻后用去離子水清洗至中性。在本技術方案中，在藍寶石生長過 程中位錯主要產(chǎn)生在相互鍵合較弱的分子或原子間，而這里采用苯磺酸或三氯乙酸處理的 作用就是破壞藍寶石內部分子或原子間相互作用鍵，并且首先破壞鍵合力較小的，藍寶石 缺陷是處于能量較高的不穩(wěn)定的非平衡狀態(tài)，因此在苯磺酸或三氯乙酸的作用下，缺陷出 晶格原子首先與苯磺酸或三氯乙酸發(fā)生作用，從而防止在泡生法生長藍寶石晶體時產(chǎn)生晶 界。
[0013] 作為優(yōu)選，步驟b)中若原料融化不完全，則升高溫度15-25°c至完全融化。
[0014] 作為優(yōu)選，縮頸引晶晶結長度為15-25_。
[0015] 作為優(yōu)選，擴肩時提拉速度為0? 06-0. 22mm/h。
[0016] 作為優(yōu)選，擴肩結束后調整電壓為25-50mv。
[0017] 作為優(yōu)選，等徑階段提拉速度為0. 12-0. 31mm/h。
[0018] 作為優(yōu)選，泡生爐的真空度為l_5X10_4Pa。
[0019] 作為優(yōu)選，引晶時籽晶下端部在原料液面上端面1. 5-3. 5mm處預熱45-75min;弓丨 晶時每10_20min提拉籽晶一次，每次提拉高度為2-2. 2mm。
[0020] 本發(fā)明的有益效果是：本發(fā)明挑選純度較高清洗過的氧化鋁原料，采用縮頸引晶 工藝，使優(yōu)良的晶種發(fā)育遺傳給晶錠，采用后期生長工藝的處理方法，在較大程度上能夠減 少因原料和生長環(huán)境不良使晶體出現(xiàn)晶界的情況，獲得商質量的監(jiān)寶石晶體，提商晶體的 良品率與得率；本發(fā)明制備的藍寶石晶體外形規(guī)整、表面平坦、無氣泡和無晶界，為高質 量的藍寶石晶體。
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【具體實施方式】
[0022] 以下結合具體實施例，對本發(fā)明作進一步的解釋： 單晶晶種購自俄羅斯monocrystal公司。
[0023] 實施例1 一種泡生法生長大尺寸藍寶石過程中減少晶界的方法，所述方法包括以下步驟： 步驟a):原料采用焰熔法生長的藍寶石碎塊，藍寶石碎塊先用熔融態(tài)苯磺酸處理1. 5h， 溫度125°C，冷卻后用去離子水清洗至中性，然后經(jīng)500°C加熱處理，時間4h，然后用去離子 水淬火粉碎，再經(jīng)10次去離子水清洗處理后烘干備用； 步驟b):將步驟a)處理后的原料放入鎢坩堝并置于泡生爐內裝