专利名称：铝酸镁尖晶石晶体的生长方法
技术领域：
本发明涉及铝酸镁尖晶石，特别是一种铝酸镁尖晶石晶体的生长方法，采用密封坩埚内含CO2和O2的局部氧化气氛、垂直温梯法(Vertical Gradient FreezeGrowth，VGF)生长大面积铝酸镁尖晶石(MgAl2O4)晶体。铝酸镁尖晶石晶体主要用作InN-GaN基蓝光半导体外延生长用的衬底。
以上在先技术三种方法均存在明显的技术缺陷。熔体表面存在严重的不同比例挥发，即MgO和Al2O3非比例挥发，在晶体中容易产生包裹物、晶体内部核芯和其它缺陷，晶体质量差。且由于MgAl2O4晶体熔点高达2130℃，晶体生长成本高。难以满足InN-GaN基蓝光发光体外延生长的需要。
本发明的技术解决方案是一种铝酸镁尖晶石晶体的生长方法，其特征是在温梯炉中采用垂直温梯法生长MgAl2O4晶体，工艺流程如下<1>在温梯炉坩埚的籽晶槽内放入定向籽晶；<2>按(1+x)∶1配比将高纯MgCO3和Al2O3粉料在混料机中机械混合；<3>用压料机压块成形，直接装入坩埚中，加上坩埚盖将坩埚密封，置于温梯炉中；<4>边抽真空边升温至600℃，充入高纯氩气；<5>持续升温至熔体温度2130℃左右，恒温1～3小时，以5-10℃/小时速率降温，直至晶体生长完毕，缓慢降温至室温后，打开炉罩，取出晶体。
所述的x＝0～0.05。
所述的温梯炉为钟罩式真空电阻炉，该炉体内部的结构包括坩埚，发热体，坩埚是置于炉体内中心位置上，坩埚的周围是园筒石墨发热体，发热体的外围有侧保温屏，发热体的顶部有与侧保温屏密合的上保温屏，坩埚的底下有埚托，与发热体相连的电极板有支撑环支撑，在支撑环内有下保温屏，穿过下保温屏和电极板的中心伸到埚托内有冷却水支杆，还有供测量温度的热电偶伸到坩埚底部，炉体之外另附真空系统，60KW索科曼A2S1047型UPS稳压电源和818P4欧路精密控温系统，监控和测温用钨铼(W/Re3-W/Re25)热电偶，坩埚为钼(Mo)材料加工制成。
与在先技术MgAl2O4晶体生长方法(如熔盐法，提拉法和火焰法)相比，本发明的垂直温梯法从坩埚底部结晶生长，且原料中采用碳酸镁(MgCO3)，使得密封坩埚内是含CO2和O2的局部氧化气氛，这样既避免了炉内氧化气氛对发热体和保温材料的氧化污染，又有效克服了熔体组分因为还原性气氛而挥发的问题，可以生长大尺寸(≥Ф3英寸)MgAl2O4晶体基片，且晶体质量明显高于已有方法生长的晶体，从而可以满足GaN-InN基蓝光半导体器件制造的市场需求。
图1是垂直温梯法(VGF)所用的温梯炉内部结构剖视2是坩埚1的剖视图
具体实施例方式本发明所用的垂直温梯法生长MgAl2O4晶体的装置称为温梯炉见图1，为钟罩式真空电阻炉，炉体内部的结构包括坩埚1，发热体2，坩埚1是置于炉体内中心位置上，坩埚1的周围是园筒石墨发热体2，发热体2的外围有侧保温屏9，发热体2的顶部有与侧保温屏9密合的上保温屏8，坩埚1的底下有埚托3，与发热体2相连的电极板6由支撑环7支撑，在支撑环7内有下保温屏10，穿过下保温屏10和电极板6的中心伸到埚托3内有冷却水支杆5，还有供测量温度的热电偶4伸到坩埚1底部。炉体之外另附真空系统，60KW索科曼A2S1047型UPS稳压电源和818P4欧路精密控温系统，监控和测温用钨铼(W/Re3-W/Re25)热电偶4。坩埚为钼(Mo)材料加工制成。埚托3用氧化锆(ZrO2)材料制成，支撑环7用刚玉环。上、侧、下保温屏8、9、10用钼片或钨-钼片所制。坩埚底部14中心有一籽晶槽15，使结晶料充分熔解又保证籽晶不被熔化，坩埚底部14为锥形，阻止晶体生长时产生孪晶或多晶，坩埚壁12为有锥度13的园锥筒形，以易于晶体结晶后取出而不需毁坏坩埚。坩埚顶端由一钼片所做成的坩埚盖11密封(见图2)，有效抑制MgAl2O4熔体挥发。坩埚1通过籽晶槽15置于钼质的坩埚定位棒的园形凹槽内。
本发明提出在MgAl2O4晶体生长原料配方中使用采用碳酸镁(MgCO3)和氧化铝(Al2O3)为原料，按照(1+x)∶1(x＝0～0.05)比例配料，压制成块，直接装人坩埚，坩埚密封。而不是象在先技术中那样，预先烧结、使MgCO3分解、脱CO2。这样，就使得密封坩埚内是含CO2和O2的局部氧化气氛，这样既避免了炉内氧化气氛对发热体和保温材料的氧化污染，又有效克服了熔体组分因为还原气氛而挥发的问题。
本发明的原料配方为
其中x＝0～0.05，即MgCO3在反应式中的量过量0～5％。
本发明的MgAl2O4晶体生长工艺流程如下<1>在温梯炉坩埚1的的籽晶槽15内放入定向籽晶。
<2>按(1+x)∶1其中x＝0～0.05配比的高纯MgCO3和Al2O3粉料在混料机中机械混合。
<3>用压料机压块成形，直接装入坩埚中，加上坩埚盖，将坩埚密封，置于温梯炉中。
<4>边抽真空边升温至600℃，充入高纯氩(Ar)。
<5>持续升温至熔体温度约2130℃左右，恒温1～3小时，以5-10℃/小时速率降温，合适的降温速率一方面有利于晶体结晶完整，另一方面可防止完整晶体炸裂。晶体生长完毕，缓慢降温至室温后，打开炉罩，取出晶体。
实施例1用上述的垂直温梯法、温梯炉和工艺流程进行MgAl2O4晶体生长钼(Mo)制坩埚1尺寸为Ф76×80mm，坩埚底14锥度为100°，坩埚壁12的锥度13为1∶40。石墨发热体2为圆桶形，保温屏内层衬有钨片的钼筒。[111]定向籽晶。1.05∶1(即x＝0.05)非化学配比称量的MgCO3和Al2O3粉料在混料机中混合24小时后，用2t/cm2的等静压力锻压成块，直接装入坩埚1中，加上坩埚盖11密封，置于温梯炉中，边抽真空边升温至600℃，充入高纯氩气保护气氛至1个大气压，继续升温至熔体温度～2130℃，恒温1小时，以6.6℃/hr速率降温48小时。结晶完成后以1℃/min速率降至室温，生长全过程结束。取出MgAl2O4晶体，晶体结晶完整性和透明度均明显高于其他方法。晶体内在质量达到低位错密度，无包裹物和气泡。
权利要求
1.一种铝酸镁尖晶石晶体的生长方法，其特征是在温梯炉中采用垂直温梯法生长MgAl2O4晶体，工艺流程如下<1>在温梯炉坩埚(1)的籽晶槽(15)内放入定向籽晶；<2>按(1+x)∶1配比将高纯MgCO3和Al2O3粉料在混料机中机械混合；<3>用压料机压块成形，直接装入坩埚(1)中，加上坩埚盖(11)将坩埚密封，置于温梯炉中；<4>边抽真空边升温至600℃，充入高纯氩气；<5>持续升温至熔体温度2130℃左右，恒温1～3小时，以5-10℃/小时速率降温，直至晶体生长完毕，缓慢降温至室温后，打开炉罩，取出晶体。
2.根据权利要求1所述的铝酸镁尖晶石晶体的生长方法，其特征在于所述的x＝0～0.05。
3.根据权利要求1所述的铝酸镁尖晶石晶体的生长方法，其特征在于所述的温梯炉为钟罩式真空电阻炉，该炉体内部的结构包括坩埚，发热体，坩埚(1)是置于炉体内中心位置上，坩埚(1)的周围是园筒石墨发热体(2)，发热体(2)的外围有侧保温屏(9)，发热体(2)的顶部有与侧保温屏(9)密合的上保温屏(8)，坩埚(1)的底下有埚托(3)，与发热体(2)相连的电极板(6)有支撑环(7)支撑，在支撑环(7)内有下保温屏(10)，穿过下保温屏(10)和电极板(6)的中心伸到埚托(3)内有冷却水支杆(5)，还有供测量温度的热电偶(4)伸到坩埚(1)底部，炉体之外另附真空系统，60KW索科曼A2S1047型UPS稳压电源和818P4欧路精密控温系统，监控和测温用钨铼(W/Re3-W/Re25)热电偶(4)，坩埚为钼(Mo)材料加工制成。
全文摘要
一种铝酸镁尖晶石晶体的生长方法，其特征是在温梯炉中采用垂直温梯法生长MgAl
文档编号C30B29/22GK1477241SQ0314152
公开日2004年2月25日 申请日期2003年7月11日 优先权日2003年7月11日
发明者周圣明, 徐军, 司继良, 彭观良, 蒋成勇, 周国清, 杨卫桥, 赵广军, 杭寅 申请人:中国科学院上海光学精密机械研究所