一种用于泡生法生长蓝宝石单晶的异形籽晶结构及其生长方法与流程

本发明涉及蓝宝石生长领域，具体涉及一种用于泡生法生长蓝宝石单晶的异形籽晶结构。

背景技术：

蓝宝石为氧化铝(al2o3)单晶，晶体构形为六方晶格结构，常用的晶向有a向、c向、m向及r向。由于蓝宝石晶体绝缘、介电常数稳定等特性，同时具有优异的光学性能、物理性能和稳定的化学性能，广泛应用于衬底材料和各种光学元器件、窗口材料等领域。

蓝宝石晶体有多种生长方法，如提拉法、泡生法、热交换法、倒模法、坩埚下降法和温度梯度法。尽管蓝宝石生长方法各种各样，但目前泡生法是缺陷最小，尺寸最易大化的工艺方法。窗口材料和衬底材料对蓝宝石晶体质量的需求是不同的，衬底材料对蓝宝石晶体缺陷的要求较严格，泡生法生长蓝宝石晶体会遗传籽晶的晶格结构和缺陷，同时籽晶与熔体的接触面积影响结晶效率。传统泡生法晶体生长过程中，采用方形或圆柱形籽晶进行引晶操作，引晶完成后通过籽晶热交换器为晶体生长提供结晶驱动力，结晶效率低，熔体中气泡和其他杂质不易排出，从而影响晶体质量。

技术实现要素：

本发明的目的在于针对窗口材料和衬底材料对蓝宝石晶体质量的不同需求，提供一种用于泡生法生长蓝宝石单晶的异形籽晶结构。

本发明的目的是这样实现的：它包括底部异形结构、竖直方向籽晶条结构和籽晶夹结构，底部异形结构异形籽晶结构底部做倒圆角处理，端面与熔体液面接触；竖直方向籽晶条结构为方形或圆柱形，上端安装在籽晶夹结构内，下端与底部异形结构连接；籽晶夹结构连接籽晶和热交换器，底部异形结构与竖直方向籽晶条结构连接。

本发明还有这样一些特征：

1、所述的底部异形结构包括圆锥形、正梯形棱台、倒梯形棱台、三角锥、圆柱、圆管形或方管形形状的底部结构。

2、所述的底部轴向剖面图的角度为α角，其中α角的范围是5°≤α≤175°。

3、所述的异形籽晶结构表面经粗磨、精磨和抛光加工。

4、所述的异形籽晶结构，圆柱形籽晶干的轴向是c向、m向、a向、r向及其它晶向。

5、所述的异形籽晶结构，其直径范围（或梯形结构对角线）为0~400mm，异形籽晶结构整体高度为0~300mm。

6、所述的异形籽晶结构，可针对不同需求的蓝宝石产品，通过调节异形籽晶的高度和圆角角度，提高生长速度，异形籽晶结构，适合于泡生法生长不同尺寸的窗口材料及衬底材料。

本发明的另一目的在于提供一种异形籽晶结构用于泡生法生长蓝宝石的生长方法。该方法包括以下步骤：

a、加工异形籽晶结构：异形籽晶结构包括底部异形结构、竖直方向籽晶条结构和籽晶夹结构，底部异形结构底部做倒圆角处理，底部轴向剖面图的角度α角，其中α角的范围是5°≤α≤175°，竖直方向籽晶条结构为方形或圆柱形，上端安装在籽晶夹结构内，下端与底部异形结构连接；籽晶夹结构连接籽晶和热交换器，底部异形结构与竖直方向籽晶条结构连接；剖面图中看籽晶与熔体接触的面积是ab+bc，ab+bc=2h/cos(α/2)，2.5°≤α/2≤87.5°，cos(α/2)随着角度增加而减小，所以a1b1+b1c1≥ab+bc；即通过调节异形籽晶结构的高度h和圆角α角度对应不同需求的蓝宝石产品；

b、加工异形籽晶表面：利用单线将籽晶切割成所需要的形状，然后用100~150目的砂轮进行粗磨，300~600目的砂轮进行精磨，精磨后手动抛光。

c、结晶阶段：将异形籽晶结构的底部异形结构整体刚好浸入熔体中，使锥面完全与熔体液面接触；同时以-5~-15mv/h的速度降温，0.1~0.5mm/h的速度提拉，直接进入等径生长阶段。

本发明圆锥形、正梯形棱台、倒梯形棱台、三角锥、圆柱、圆管形或方管形等形状的底部结构以及异形结构底部的倒圆角处理，可降低引晶环节的工艺时长，提升引晶效率和结晶效率。通过调节异形籽晶结构的形状、高度（0-300mm）及底部圆角角度（0°-180°），改变晶体生长界面的接触面积，从而提了高晶体的生长速率，降低晶体中缺陷密度。异形籽晶可制作成任意晶向，适于生长不同晶向的晶体。本发明的有益效果有：

1.本发明籽晶底部异形的设计，有利于熔体内杂质排出，减少晶体内部缺陷，降低位错密度。

2.本发明籽晶底部异形的设计，可以增加熔体与籽晶的接触面积，遗传特性好，提高结晶效率。

3.本发明籽晶底部异形的设计，可以增加引晶成功率，降低长晶工艺时长，工艺时长减少2~5天，提高运转效率。

本发明工艺方法可与晶体生长自动控制软件结合，实现长晶自动化控制。

附图说明

图1为本发明结构示意图；

图2为本发明结构底部轴向剖面图。

具体实施方式

下面结合附图对本发明进行详细说明：

结合图1，本实施例以圆锥形为例，该结构整体由底部异形结构1、竖直方向籽晶条结构2和籽晶夹结构3组成。底部异形结构与竖直方向籽晶条可通过拼接或焊接连接，底部端面与熔体液面接触；竖直方向籽晶条结构为方形（或圆柱形），上端安装在籽晶夹结构内，下端与底部异形结构连接；籽晶夹结构连接籽晶和热交换器。在结晶时，由于底部异形结构与熔体接触截面积增加，促使结晶速度增加，从而缩短晶体肩部生长时的工艺时长，提高运转效率，同时也解决了肩部生长时熔体中杂质不易排出的难题。底部异形结构底部α角度4可根据不同规格晶体的重量进行调节、改变，以满足生长不同规格的蓝宝石单晶。

结合图2，底部轴向剖面图的角度为α角，其中α角的范围是5°≤α≤175°，圆柱形籽晶干的轴向是c向、m向、a向、r向及其它晶向。本实施例异形籽晶结构其直径范围（或梯形结构对角线）为200mm，异形籽晶整体高度为150mm。

本实施例异形籽晶结构用于泡生法生长蓝宝石的生长方法包括以下步骤：

a、加工异形籽晶结构：异形籽晶结构包括底部异形结构、竖直方向籽晶条结构和籽晶夹结构，底部异形结构底部做倒圆角处理，底部轴向剖面图的角度α角，其中α角的范围是5°≤α≤175°，竖直方向籽晶条结构为方形或圆柱形，上端安装在籽晶夹结构内，下端与底部异形结构连接；籽晶夹结构连接籽晶和热交换器，底部异形结构与竖直方向籽晶条结构连接；剖面图中看籽晶与熔体接触的面积是ab+bc，ab+bc=2h/cos(α/2)，2.5°≤α/2≤87.5°，cos(α/2)随着角度增加而减小，所以a1b1+b1c1≥ab+bc；即通过调节异形籽晶的高度和圆角角度对应不同需求的蓝宝石产品；

b、加工异形籽晶表面：异形籽晶结构表面经粗磨、精磨和抛光加工，首先利用单线将籽晶切割成所需要的形状，然后用120目的砂轮进行粗磨，400目的砂轮进行精磨，精磨后手动抛光。

c、结晶阶段：将异形籽晶结构的底部异形结构整体刚好浸入熔体中，使锥面完全与熔体液面接触；同时以-10mv/h的速度降温，0.3mm/h的速度提拉，直接进入等径生长阶段。

本实施例中异型籽晶底部轴向剖面图的角度α角，其中α角的范围是5°≤α≤175°。在异型籽晶的底部高度h固定的前提下，α角的角度越小，籽晶与熔体的接触面积越小，晶体生长速度慢，适合生长小尺寸的蓝宝石晶体；α角的角度越大，籽晶与熔体的接触面积越大，晶体生长速度快，适合生长大尺寸的蓝宝石晶体。因此针对不同需求的蓝宝石产品，可以通过调节异形籽晶的高度和圆角角度实现。如图2所示，当α角度增大时，籽晶表面与熔体接触面积增大，晶体生长速度变大，适合生长大尺寸的蓝宝石晶体。同样，当α角度减小时，籽晶面与熔体的接触面积减少，更适合控制生长小尺寸的蓝宝石晶体。

本实施例中异形籽晶结构在结晶时将籽晶的异形结构整体刚好浸入熔体中，使锥面完全与熔体接触；同时以-10mv/h的速度降温，0.3mm/h的速度提拉，直接进入等径生长阶段，工艺时长减少2~5天。

以上内容是结合具体的优选实施方式对本发明所做的进一步详细说明，不能认定本发明的具体实施只限于这些说明。对于具有本发明所属领域基础知识的人员来讲，可以很容易对本发明进行变更和修改，这些变更和修改都应当视为属于本发明所提交的权利要求书确定的专利保护范围。