专利名称：大尺寸蓝宝石单晶的冷心放肩微量提拉制备法的制作方法
技术领域：
本发明涉及蓝宝石单晶生长方法，具体为一种大尺寸蓝宝石单晶的冷心放肩微量提拉制备法。
背景技术：
蓝宝石(α-Al2O3)又称白宝石，是世界上硬度仅次于金刚石的晶体材料。它具有强度、硬度高(莫氏硬度9)，耐高温(熔点达2050℃)、耐磨擦、耐腐蚀能力强，化学性质稳定，一般不溶于水，不受酸腐蚀，光透性能、电绝缘性能优良等一系列特性。蓝宝石单晶可被应用于微波电子管介质，超声波传导元件，延迟线，波导激光器腔体及精密仪器轴承，天平刀口等光学元件以及红外军事装置、卫星空间技术、高强度激光的窗口材料和高温高压或真空容器的观察窗、液晶显示投影仪的散热板、有害气体检测仪和火灾监测仪的窗口、光纤通讯接头盒等。以白宝石单晶片为绝缘衬底材料的SOS器件则具有高集成度、高速度、低功耗和抗辐射能力强等优点。此外，由于蓝宝石电绝缘，透明、易导热、硬度高，因此可以用来作为集成电路的衬底材料，可广泛用于发光二极管(LED)及微电子电路，从而替代高价的镓衬底，制作超高速集成电路；可以做成光学传感器以及其它一些光学通信和光波导器件。无应力存留、缺陷少、大尺寸的蓝宝石单晶是光电技术领域很多行业所急需的材料。目前，蓝宝石单晶生长的主要方法有火焰法、提拉法、区熔法、倒模法、热交换法、导向温梯法和GOI法等。上述方法中，火焰法生长的单晶由于单晶的温度梯度很大，缺陷和应力值都很高，很难低成本、批量地生产高质量的蓝宝石制品；提拉法虽然可以制备高质量的单晶材料，但由于生长过程中籽晶要求有一定速度的旋转，导致单晶的直径较小，并且单晶使用的结晶学方向与单晶提拉方向有一定的夹角，所以利用率很低；区熔法随可以降低单晶生长的能耗，但会大大增加单晶位错密度，降低其使用效能；倒模法在制造中空的小型的的蓝宝石单晶构件是具有独特的优势，但作为生产微电子用衬底基片蓝宝石的方法却因为单位面积上的缺陷密度过高而不被采纳；热交换法和导向温梯法的共同特点是能够生长尺寸较大的蓝宝石单晶，晶体质量很高，但坩埚的利用率很低，使此法的成本居高不下。
发明内容
本发明的目的在于提供一种大尺寸蓝宝石单晶的冷心放肩微量提拉制备法。本发明的目的是这样实现的在特定的单晶炉内，在真空条件下加热原料，引晶、放肩、等径提拉、冷却及退火工艺过程。具体为1.真空条件下加热原料将一定量预处理的高纯三氧化二铝原料填入纯钨制坩埚内，关闭生长炉盖，整个系统通入何冷却水，通过调节冷却水流速，使出口水温稳定在25±10℃范围，抽真空6×10-3pa后，开始以150-500w/h的速度加热；加热至原料熔化后，通过观察液面表面形态，调节炉内加热体发热量100-2500w/h，使液面对流形态稳定；并缓慢调节籽晶使其下端至熔体激面以上5-20mm处；熔体内冷心位置与坩埚几何中心相对偏差不大于Φ20.0mm.
2.引晶利用传统提拉法工艺，沿冷心偏离方向经5-15次引晶后使结晶中心转移至冷心，配合选转，控制结晶端部形状使其沿籽晶中心轴对称，从而完成引晶过程，旋转速度2-16转/分钟。
3.冷心放肩控制提拉速度为0.3-6mm/h，调节功率下降速度为0.1-25.5w/h，使单晶体肩部外侧接近坩埚壁，但不接触；4.等径提拉以0.5-6.8mm/h的速度提拉籽晶杆，以12-25w/h的速度降低加热功率，使单晶体肩部外侧接近坩埚壁，但不接触；单晶质量均匀增加；增加速度20-170g/h.待晶体重量不再增加后，完成晶体生长过程。
5.冷却及退火待称重计显示单晶质量不再增加后，调节加热功率下降的速度30-60w/h，当炉内温度降至1700℃后，再次调节功率下降的速度为10-18w/h，使生长炉内的温度缓慢下降，对单晶进行退火处理；当炉内温度下降至500℃以下，将加热功率下降速度再次调节为30-60w/h。直至温度降至100℃。
6.待加热功率为零时，还需持续通循环水冷却系统10-25小时；停止抽真空，放气，开盖取出单晶；完成整个工艺过程。
冷心放肩微量提拉法生长蓝宝石单晶技术的主要针对的是已有单晶生长方法中单晶极易长成犁形发生偏心生长，在单晶放肩后无法实现等径生长，导致单晶与坩埚接触，破坏单晶体的温度梯度的均匀性，导致单晶破裂，另外单晶的偏心生长还会导致固液界面形状的紊乱，不利于挥发性物质的排出和缺陷的减少。
理想状态下，坩埚的几何中心与籽晶杆的中心应该重合。实际工作中，由于籽晶杆很难对准坩埚的几何中心，这就造成单晶生长的固液界面最前端不是籽晶杆的中心位置。这种情况在提拉法的实践中一直存在，为了避免单晶向一侧过量生长，就要求籽晶杆要连续旋转。这就造成提拉法生长的单晶的半径受到限制，其大小与坩埚半径相差很大。
另外，坩埚中填料后在加热体的作用下，在一定温度下(约为2050℃)熔融，除去坩埚材料过在各处的密度不同外，加热体的分布并不如设计的非常理想，还有隔热屏与坩埚的距离以及隔热屏内部多层结构的不均匀性，都在最后导致坩埚内部熔体的温度分布呈均匀的几何分布，即坩埚内部熔体的“冷点”一定不在中心。为了使生长的单晶尺寸尽量接近坩埚的内径(但不接触)，则要求在引晶的过程中逐步将“冷心位置”逐步调节至坩埚的几何中心处，采取的措施是在熔体的“冷心”处放肩。
本发明的积极效果1.生长出尺寸大于Φ220×200mm、缺陷密度低、指定波段范围内透光率高、衬底基片加工余量少的蓝宝石单晶体。冷心放肩微量提拉法的技术特点是工艺成本低、晶体物理化学性能优异。2.在“冷心位置”处引晶放肩，避免了晶体过早接触坩埚，极大的的提高了原料的利用率，降低了单晶体的废品率。3.结合微量提拉和在“冷心位置”处放肩，减小了放肩时可能进入到晶体内的缺陷。大大提高了单晶的质量。4.冷心放肩结合微量提拉过程，可使单晶的直径合理的最大化，使单晶炉内坩埚的填料比增加、使单晶材料的后续利用率增加。5.单晶在降温过程中，可以实现原位退火，降低晶体内生长过程中形成的氧缺位，与其他生长方法比简化了程序，节省了大量能源。综上，采用冷心放肩微量提拉法生长蓝宝石单晶，具有尺寸大、品质高、成本低、生产效率极材料利用率高、耗能少等突出优点，因而该技术应用前景广阔，该技术的推广和应用将具有明显的经济效益和社会效益。
下面利用实施例进一步阐述本发明技术方案。
以下实施例中，单晶炉采用电阻方式加热，功率控制采用恒压源模式，系统总功率60kw。功率变化同电源输出电压变化成正比。在实施例中描述功率指标常用电源输出电压值来代替。
实施例1本发明采用电阻式加热，将预处理后的三氧化二铝25.5kg装入纯钨制坩埚。开通冷却水，流速为6m3/h。以每小时2.5w的速率将功率升至55kw，其间真空度一度下降到1.0×10-2pa，为炉内有机物挥发所致，40分钟后恢复至6.0×10-3pa。到达目标电压时，观察液面发现有少量气泡从液面逸出，判断坩埚内温度过高，以每小时250w的速度调节功率，使液面上刚好出现有序对流的固液转化图像。在此条件下稳定4小时后，开始在“冷心位置”引晶8次，，籽晶杆提拉速度5mm/h，功率下降调节的速率为2.5w/h。待上述过程完成后开始放肩，籽晶杆提拉速度为1.5mm/h，调节功率下降的速率为3w/h。等径阶段籽晶杆提拉速度为5mm/h，调节功率下降的速率为5w/h。结晶过程完毕后，以22w/h的速率调节功率下降至1700℃，后以11w/h的速率调节功率下降至500℃，再以22w/h的速率调节功率下降至100℃，停止电源功率，继续保持真空和冷却水24小时。后开炉，取出晶体，经检测本工艺生长的蓝宝石晶体在结晶最后阶段部分存在少量气泡，其余部分良好，单晶体尺寸为Φ225×205mm。
实施例2将预处理后的三氧化二铝27.5kg装入纯钨制坩埚。开通冷却水，流速为6.2m3/h。以每小时70mV的速率将电压升至9700mV，其间真空度一度下降，35分钟后恢复至6.0×10-3pa。到达目标电压时，观察液面发现有大量气泡从液面逸出，判断坩埚内温度高出结晶温度很高，以每小时75mV的速度调节电压，使液面上刚好出现有序对流的固液转化图像。在此条件下稳定8小时后，开始在“冷心位置”引晶，，籽晶杆提拉速度4.5mm/h，电压下降调节的速率为7mV/h。待上述过程完成后开始放肩，籽晶杆提拉速度为3mm/h，电压下降调节的速率为10mV/h。等径阶段籽晶杆提拉速度为4.5mm/h，电压下降调节的速率为10mV/h。结晶过程完毕后，以15mV/h的速率调节电压下降17小时，然后以6mV/h的速率调节电压下降24小时，最后在电路电压为0.2.878V时，通入高纯氩气，使单晶炉内的真空度下降到10-2pa，保持到电路电压为0.158V时停止通气，真空度随之上升。当电路电压下降至0V时，继续保持真空和冷却水24小时。经检测本工艺生长的蓝宝石晶体仅在结晶最后阶段部分存在组成坩埚的金属碎屑，其余部分良好，单晶体尺寸为Φ245×218mm。
实施例3将预处理后的三氧化二铝26kg装入坩埚。开通冷却水，流速为5m3/h。以每小时100mV的速率将电压升至9600mV，到达目标电压时，以每小时75mV的速度调节电压，使液面上刚好出现有序对流的固液转化图像。在此条件下稳定10小时后，开始在“冷心位置”处放肩，籽晶杆提拉速度6mm/h，电压下降调节的速率为10mV/h。待上述过程完成后开始扩径，籽晶杆提拉速度为4mm/h，电压下降调节的速率为8mV/h。等径阶段籽晶杆提拉速度为5.5mm/h，电压下降调节的速率为8mV/h。结晶过程完毕后，以12mV/h的速率调节电压下降12小时，然后以5mV/h的速率调节电压下降，最后在电路电压为0.2575V时，通入高纯氩气，使单晶炉内的真空度下降到10-2pa，保持到电路电压为0.160V时停止通气，真空度随之上升。当电路电压下降至0V时，继续保持真空和冷却水24小时。经检测本工艺生长的蓝宝石晶体膘光良好，无肉眼可见气泡和裂纹存在，单晶体尺寸为Φ230×210mm。
权利要求
1.一种大尺寸蓝宝石单晶的冷心放肩微量提拉制备法，它包含在真空条件下加热三氧化二铝原料，待其熔化后，通过引晶、放肩、等径提拉、冷却、退火工艺过程制备蓝宝石晶体，其特征是工艺过程中冷却水出口温度稳定在25±10℃范围内，整个工艺过程中真空压力不大于6×10-3Pa。
2.根据权利要求1所述的一种大尺寸蓝宝石单晶的冷心放肩微量提拉制备法，其特征是利用钨发热体及坩埚，钨钼隔热屏及高温结构件，在专用单晶炉内制备蓝宝石晶体。
3.根据权力要求1、2所述的一种大尺寸蓝宝石单晶的冷心放肩微量提拉制备法，其特征是将坩埚内的原料加热至熔化后，通过观察液面表面形态，调节炉内加热体发热量，使液面对流形态稳定；加热量调节范围100-2500W/h；熔体内冷心位置与坩埚几何中心相对偏差不大于Φ20.0mm。
4.根据利用权力要求1、2、3所述的一种大尺寸蓝宝石单晶的冷心放肩微量提拉制备法，其特征是在引晶工艺过程中，缓慢调节籽晶使其下端至熔体液面以上5-20mm处预热，消除热应力；利用传统提拉法工艺，沿冷心偏离的方向5-15次引晶后使结晶中心转移至冷心，配合旋转，控制结晶端部形状使其沿籽晶中心轴对称并开始自冷心放肩，其中旋转速度2-16转/分钟；放肩过程提拉速度为0.3-6mm/h，放肩阶段功率下降速度0.1-25.5w/h。
5.根据利用权力要求1、2、3、4所诉的一种大尺寸蓝宝石单晶的冷心放肩微量提拉制备法，其特征是1、2、3在等径提拉过程中以0.5-6.8mm/h的速度提拉籽晶杆，以12-25w/h的速度降低加热功率，使单晶体肩部外侧接近坩埚壁，但不接触；单晶质量均匀增加；增加速度20-170g/h。
6.根据权力要求1、2、3、4、5所述的一种大尺寸蓝宝石单晶的冷心放肩微量提拉制备法，其特征是1、2、3待称重计显示单晶质量不再增加后，调节加热功率下降的速度20-40w/h，当炉内温度降至1700℃后，再次调节功率下降的速度为10-18w/h，使生长炉内的温度缓慢下降，对单晶进行退火处理；当炉内温度下降至500℃以下，将加热功率下降速度再次调节为30-60w/h。直至温度降至100℃。
全文摘要
本发明涉及蓝宝石单晶生长方法，具体为一种冷心放肩微量提拉法生长蓝宝石单晶生长方法。其特点是工艺过程中冷却水出口温度稳定在25±10℃范围内，整个工艺过程中真空压力不大于6×10
文档编号C30B29/10GK1724722SQ20051001011
公开日2006年1月25日 申请日期2005年6月24日 优先权日2005年6月24日
发明者韩杰才, 孟松鹤, 左洪波, 张明福 申请人:哈尔滨工业大学