一种导模法生长3"×9"大尺寸薄片状氧化铝单晶体的工艺方法
【专利摘要】本发明提供一种采用导模法晶体生长技术生长3″×9″片状氧化铝单晶材料的工艺方法。采用双层感应线圈、双层钼筒及发热体的加热系统，双层石墨化高纯碳纤维毡夹氧化锆砂的复合高效保温系统，高温梯度区的温度气氛调节组件、次高温梯度区的温度调节屏共同作用的温场调节控制系统，三系统协同作用，为晶体生长提供一个均匀、稳定、可控的温度场环境，形成导模法生长大尺寸晶体的纵横两个方向适宜的温场条件，原料熔化高温熔融区温度均匀，没有局部过热现象，晶体生长大区间的热环境(温场)适宜导膜法晶体生长。控制晶体生长工艺参数，实现3″×9″大尺寸薄片状氧化铝单晶体过程，得到高品质一次成型的大尺寸片状氧化铝单晶体。
【专利说明】—种导模法生长3" X9"大尺寸薄片状氧化铝单晶体的
工艺方法
【技术领域】
[0001]本发明涉及采用导模法晶体生长技术生长3" X9"大尺寸薄片状氧化铝单晶体的工艺方法。属晶体生长【技术领域】。
【背景技术】
[0002]高性能氧化铝单晶体具有高熔点(2050°C )、高硬度(莫氏9级)，高摩擦系数，高透光性，高绝缘性等一系列优良的物理性能和耐高温、耐腐蚀等最稳定的化学性能，可作为特殊环境中应用的窗口材料，特殊功能应用的衬底材料、外延基片及超导基片等，是国防工业及尖端科学不可缺少的功能晶体材料之一，是现代工业、尤其是微电子及光电子产业极为重要的基础材料；特别是对于大尺寸薄片状高质量的氧化铝单晶体的应用需求尤为明显。
[0003]对于大尺寸氧化铝单晶体其生长方法主要有泡生法、温梯法和热交换法，这几种方法生长的晶体呈柱状晶坨。对于大尺寸薄片状氧化铝单晶体，其柱状晶砣需通过各种专用加工设备、通过各种加工工艺过程才可得以实现，工艺过程繁琐，设备投入高昂。
[0004]而对于导膜法生长技术而言，一般尺寸较小的片状氧化铝单晶体(<2")的生长已不成问题，但对于大尺寸的片状晶体来说，它不是简单的按比例放大生长，晶体生长环境的建立、温场及晶体生长工艺的控制非常困难，主要体现在:一方面高温熔融区温度的不均衡，温度的局部过热会造成晶体生长原料的严重污染，另一方面大尺寸晶面生长区间的热对流、热传导、热辐射等 热区间环境(温度场)的不合理使晶体无法成型，这是导膜法大尺寸晶体生长的瓶颈点，目前国内还没有利用导膜法生长技术一次成型生长出3" X9"大尺寸片状氧化铝单晶体的事例。
【发明内容】
[0005]本发明专利提供一种利用导模法晶体生长技术生长3" X9"大尺寸薄片状氧化铝单晶体的工艺方法，大尺寸薄片状晶体直接成型，简化后期加工工序过程。
[0006]本发明采用的工艺方案包括:晶体生长三系统的建立——采用双层感应线圈、双层钥筒及发热体的加热系统，双层石墨化高纯碳纤维毡夹氧化锆砂的复合高效保温系统，高温梯度区的温度气氛调节组件、次高温梯度区的温度调节屏共同作用的温场调节控制系统，三系统协同作用，为晶体生长提供一个均匀、稳定、可控的温度场环境，形成导模法生长大尺寸晶体的纵横两个方向适宜的温场条件，使原料熔化高温熔融区的温度均匀，没有局部过热现象，晶体生长大区间的热环境(温场)适宜导膜法晶体生长。控制导膜法晶体生长工艺参数，实现3" X9"大尺寸片状氧化铝单晶体生长过程，得到高品质一次成型的大尺寸薄片状氧化铝单晶体。
[0007]根据晶体生长动力学模型的界面平衡结构理论，大区间均匀的高温环境其热分布及热传导是关键，晶体生长合理的温度环境(温场)受热传导、相变潜热、热辐射等因素影响，固液界面的热平衡、晶体的热辐射等的控制是关键，这两个关键的控制需要通过建立晶体生长三系统来实现，三系统相互协调作用统一，实现大尺寸晶体生长的高温熔融区A、高温梯度区B、次高温梯度区C的热场分布，实现良好的相变界面状态，实现高品质大尺寸晶体生长。具体内容如下:
[0008]大尺寸高效均匀感应加热系统:以生长3" X9"大尺寸片状氧化铝单晶体添加量推算坩埚、发热体、双层钥筒、双层感应线圈的参数值，根据实验效果的综合评价确定各项参数的数值，形成大尺寸高效均匀感应加热系统。其中双层钥筒在系统中起到部分发热及热辐射的作用，调节高温梯度区和次高温梯度区温度梯度分布；钥质发热体的高度应高于坩埚、坩埚盖及高温梯度区温度气氛调节组件的整体高度，而低于双层钥筒的高度，保证大尺寸坩埚高温熔融区的大的发热电阻带来的高热量的集中且均匀(> 2050°C )。[0009]大尺寸高效保温系统:为增加高温区的整体保温效果，在选用传统氧化锆砂(导热系数2.09w/m.k-100°C )进行保温的条件下，特别选用两层具有极低导热系数的石墨化高纯碳纤维毡(导热系数0.4w/m.k-1400°C )来增强保温效果(毡子厚度为IOmm)，这种夹层式复合保温系统具有极好的高温保温效果，配合加热系统实现高温熔融区的温度聚集及高温梯度区的温度均匀分布。且石墨化高纯碳纤维毡高温无挥发，利于高品质晶体的生长。同时这套保温系统也能起到总体降耗节能的作用。
[0010]大尺寸温场调节系统:它包括高温梯度区和次高温梯度区两个区域两个系统:
[0011]高温梯度区的温度气氛调节组件由分离式双半圆双层钥片组件及双半圆三高石墨件组成。从轴向看高温熔融区的高电阻与高温梯度区的低电阻之间形成一个自下而上的温度差，这个温度差过高或过低对晶体的生长都是不利的，通过分离式高温梯度区温度气氛调节组件进行调整补充，双半圆双层钥片组件及双半圆三高石墨件沿片状模具端面放置，且尺寸要小于模具端面尺寸，调整高温梯度区熔体传导热、结晶潜热与固液界面传导热的热量传输，调整模具中心与模具侧面径向温度的平衡，实现在高温梯度区轴向温度温梯5-60C /mm，径向温场轴向对称且温差范围在±3°C以内，达到晶体生长界面及晶体生长区间的热平衡。
[0012]次高温梯度区的温度调节屏由椭圆环多层钥片组成，钥片层间由相同高度的多组钥条支撑隔离。晶体生长到达次高温梯度区，沿晶体表面的热量通过对流和辐射的形式快速向周边环境耗散，过大的热量耗散一方面影响晶体生长高温梯度区的温度场及温度稳定性，另一方面过大的热量耗散极易使晶体产生热应力等缺陷，影响晶体质量。利用带支撑反射条的椭圆环型多层钥屏蔽，大直径方向沿模具端面放置，协同具有低阻值发热的双层钥筒的共同的热辐射的作用，调节次高温梯度区温度梯度分布(< 12°C /mm)，保证晶体生长条件。
[0013]大尺寸晶体生长模具的设计:模具的构型和质量对晶体的形状和质量起着关键性的作用，特别针对大面型薄片模具在高温条件下易变形的特点设计加工模具。模具由双钥板组成，双钥板通过6个均布的钥铆钉固定在一起，毛细缝尺寸0.6-1.2_，均布钥铆钉可很好防止大面型模具在高温条件下的变形，同时模具不再固定在坩埚底部，而是坐于坩埚盖之上，可自由拆卸组装模具，即方便模具清理保证模具质量，又可提高模具利用效率延长模具使用寿命。沿袭模具端面倾角设计、端面抛光处理，确保晶体生长的基础硬件条件。
[0014]整体温场建立成型，选用高纯度宝石碎料(99.99% )，选用结构完整、晶向准确的〈1120>方'向的籽晶，依据温.场数据实验确定采用40mm/h-50mm/h的晶体提拉速度生长:晶体。【专利附图】
【附图说明】
[0015]图1:晶体生长系统不意图
[0016]图2:模具侧视图
[0017]图中数字及字母表示:1双层感应线圈、2石墨化高纯碳纤维毡、3氧化锆砂、4双层钥筒、5发热体、6坩埚、7坩埚垫、8模具、9坩埚盖、10高温梯度区温度气氛调节组件、11发热体盖、12次高温梯度区的温度调节屏、13石英管、14大钥盖、15钥铆钉、16分离式双半圆双层钥片组件、17双半圆三高石墨件。A高温熔融区、B高温梯度区、C次高温梯度区。
【具体实施方式】
[0018]系统:感应线圈(Φ180mm-Φ 200mm)、发热体(Φ 120mm-C> 150mm)、?甘祸(Φ 100mm-Φ 120mm)、模具(3")、复合保温层(40mm)、钥盖若干、高温梯度区温度气氛调节组件(20mm)、次高温梯度温度调节屏(35mm)。
[0019]晶体生长:经处理的宝石碎料放入坩埚，<1120〉向籽晶安装在籽晶杆上，按顺依次序放入系统中。系统抽高真空(5X10-5托)，充入高纯氩气(0.15kgf/cm2)。升温至原料熔化(> 2050°C ),通过引晶、收颈、扩肩、等径生长(40mm/h-50mm/h),至晶体生长结束。按程序降温、断电、停水，晶体出炉。
[0020]晶体检验:
[0021]晶体外观:3" X9"晶体外观规整，透明度好。
[0022]应力:应力仪显示晶体无干涉条纹、无应力。
[0023]气泡:150倍显微镜观察，晶体内气泡尺寸小于0.1mm。
[0024]硬度:莫氏硬度仪测试，晶体的硬度达到莫氏9级。
[0025]晶体完整性:X射线劳厄相检测，晶体衍射斑点完整，晶体完整性好。
[0026] 红外透过率:1mm厚的双抛晶片测定，3-5 μ波段时，红外透过率≥85%。
【权利要求】
1.本发明涉及提供一种采用导模法晶体生长技术生长3"X9"薄片状氧化铝单晶材料的工艺方法。采用双层感应线圈、双层钥筒及发热体的加热系统，双层石墨化高纯碳纤维毡夹氧化锆砂的复合高效保温系统，高温梯度区的温度气氛调节组件、次高温梯度区的温度调节屏共同作用的温场调节控制系统，三系统协同作用，为晶体生长提供一个均匀、稳定、可控的温度场环境，形成导模法生长大尺寸晶体的纵横两个方向适宜的温场条件，使原料熔化高温熔融区的温度均匀，没有局部过热现象，晶体生长大区间的热环境(温场)适宜导膜法晶体生长。
2.根据权利要求1设计和建立的大尺寸高效均匀感应加热系统由发热体、双层钥筒、双层感应线圈组成，其中双层钥筒在系统中起到部分发热及热辐射的作用，调节高温梯度区和次高温梯度区温度梯度分布；钥质发热体的高度应高于坩埚、坩埚盖及高温梯度区温度气氛调节组件的整体高度，而低于双层钥筒的高度，保证大尺寸坩埚高温熔融区的大的发热电阻带来的高温能量的集中且均匀(> 2050°C )。
3.根据权利要求1设计和建立大尺寸高效保温系统由两层石墨化高纯碳纤维毡夹氧化锆砂复合保温系统组成，高温条件下的热保温效果好且无高温挥发污染。
4.根据权利要求1设计和建立大尺寸温场调节系统由高温梯度区和次高温梯度区两个区域两个系统组成。高温梯度区的温度气氛调节组件由分离式双半圆双层钥片组件及双半圆三高石墨件组成，沿片状模具端面放置，尺寸要小于模具端面尺寸，调整高温梯度区熔体传导热、结晶潜热与固液界面传导热的热量传输，调整模具中心与模具侧面径向温度的平衡，实现在高温梯度区轴向温梯5-6°C /mm，径向温场轴向对称且温差范围在±3°C以内，达到晶体生长界面及晶体生长区间的热平衡。次高温梯度区的温度调节屏由椭圆环多层钥片组成，钥片层间由相同高度的多组反射条支撑隔离，大直径方向沿模具端面放置，协同具有低阻值发热的双层 钥筒的共同的热辐射的作用，调节次高温梯度区温度梯度分布(< 12°C /mm),保证晶体生长条件。
5.根据权利要求1设计和建立的大尺寸晶体生长模具由双钥板组成，双钥板通过6个均布的钥铆钉固定在一起，毛细缝尺寸0.6-1.2_，均布钥铆钉可很好防止大面型模具在高温条件下的变形，同时模具不再固定在坩埚底部，而是坐于坩埚盖之上，可自由拆卸组装模具，即方便模具清理保证模具质量，又可提高模具利用效率延长模具使用寿命。
【文档编号】C30B29/20GK103898597SQ201210567914
【公开日】2014年7月2日 申请日期:2012年12月25日 优先权日:2012年12月25日
【发明者】滑芬, 秦承安, 赵岩, 张克华 申请人:天津市硅酸盐研究所有限公司