专利名称：一种c取向蓝宝石单晶的新型生产方法
技术领域：
本发明涉及蓝宝石单晶生长技术领域，尤其涉及一种c取向蓝宝石单晶的新型生产方法。
背景技术：
蓝宝石(Sapphire)是一种氧化铝(a -Al2O3)的单晶，又称为刚玉，晶体具有优异的光学性能、机械性能和化学稳定性，强度高、硬度大、耐冲刷，可在接近2000°C高温的恶劣条件下工作，因而被广泛的应用于红外军事装置、卫星空间技术、高强度激光的窗口材料。其独特的晶格结构、优异的力学性能、良好的热学性能使蓝宝石晶体成为实际应用的半导体GaNAl2O3发光二极管(LED)，大规模集成电路SOI和SOS及超导纳米结构薄膜等最为理想的衬底材料。近年来，随着现代科学技术的发展，对蓝宝石晶体材料的尺寸、质量不断提出新的要求。例如，美国国家自然科学基金委员会作为LIGO (Laser InterferometerGravitational Wave Observatory)计划中分光透镜用的蓝宝石晶体，晶体尺寸:
350 X 120mm，光学均匀性:Λ n〈2 X 10'弱光吸收系数(1064nm):10_6/cm ;红外成像探测设备的窗口材料，最小口径为0 150mm，工作波段透过率>80%。另外，基于实际加工过程中加工余量和透波方向的考虑，蓝宝石单晶坯体必须具有一定的外形尺寸方可满足上述要求，所以低成本、高质量地生长大尺寸蓝宝石单晶已成为当前面临的迫切任务。c面蓝宝石衬底在制作GaN基LED方面有着广泛的应用。目前多采用泡生法生长a轴圆柱状蓝宝石晶锭，沿侧面掏棒可以获得c向晶棒，切片加工后获得c面蓝宝石衬底，但该法蓝宝石利用率较低；生长c取向蓝宝石可以从晶锭顶端掏棒，这大大提高了出棒率，但由于蓝宝石沿c向生长时固液界面处塑性区易发生滑移而产生大量位错，位错积聚还会形成晶界，因此c向生长较a向生长速度慢且缺陷密度高。目前c向蓝宝石晶锭多采用提拉法进行c向生长，日本的Kyocera公司、台湾地区的中美硅晶制品股份有限公司、重庆四联蓝宝石有限公司均实现了 4英寸蓝宝石的提拉法生长，但位错密度高达104/cm_2，而且进一步增大尺寸较为困难。韩国STC公司采用VHGF法，a向生长长方体蓝宝石然后进行c向掏棒，目前只能做到6英寸，由于该方法对热场要求较为特殊，热场设计是生长更大尺寸蓝宝石的瓶颈。云南蓝晶科技有限公司采用坩埚下降法已实现了 6英寸c向蓝宝石的生长，但该法无法克服c向生长蓝宝石存在的困难。美国ARC Energy公司也采用了类似的方法，其坩埚底部采用氦气冷却，这样可以防止坩埚底部的籽晶熔化，同时改变熔体内的温场，使晶体生长时的固液界面凸向熔体，此时固液界面处的塑性区所受的是沿固液界面的切应力，而此时固液界面已不再是c面，因此不易发生滑移，此方法较单纯的坩埚下降法可以获得更高的晶体质量。但生长速度缓慢，且对固液界面与c面所成角度的可调范围较小。因此，针对上述技术问题， 有必要提供一种能够高质量c取向生长蓝宝石单晶的方法，以克服上述缺陷。
发明内容
有鉴于此，本发明的目的在于提供一种c取向蓝宝石单晶的新型生产方法，消除c取向蓝宝石单晶生长过程中易出现的晶界、晶格畸变等缺陷，从而实现高质量c取向蓝宝石单晶的生长。为实现上述目的，本发明提供如下技术方案:本发明的核心设计思想在于，通过改变固液界面与c轴的夹角，从而避免长晶过程中晶体滑移，进而获得高品质的目标产物。本发明的c取向蓝宝石单晶的新型生产方法，具体包括以下步骤:在坩埚的籽晶槽内放置c取向蓝宝石籽晶，填充高纯氧化铝原料，抽真空后加热，使氧化铝原料全部熔化，籽晶部分熔化，以0.0re /h io°c /h的速率缓慢降温，将固液界面控制为与C面呈一定角度的平面，待晶体生长结束后以2V /h 50°C /h的降温速率退火，冷却至室温后取出晶体。具体的，通过坩埚、加热器、侧反射屏的三条对称轴不重合使固液界面倾斜，从而将固液界面控制为与C面呈一定角度的平面。进一步的，通过在坩埚顶端放置一圆台形的反射屏以减小晶体和熔体的径向温度梯度，使固液界面为一平面；和/或使加热器为上端开口小下端开口大的圆台形状以增加轴向温度梯度；和/或使侧反射屏为上端开口小下端开口大的圆台形状以增加轴向温度梯度，从而将固液界面控制为与c面呈一定角度的平面。优选的，所述真空是指5Pa以下的封闭环境。优选的，所 述加热采用的加热器为鸟笼状、网状的筒形钨加热器或筒形石墨加热器。进一步的,所述的加热器直径为100_ 2000mm,高度为100_ 3000mm。优选的，所述固液界面法线与坩埚对称轴之间的角度为O 80°。优选的，所述的坩埚为钨坩埚、钥坩埚、钨钥合金坩埚或铱坩埚。进一步的，所述的坩埚底部形态为于直角、圆角或倒角形式。优选的，所述的c取向蓝宝石籽晶直径为IOmm 60mm,高度为IOmm 100mm,所述的杆晶槽直径为IOmm 60mm,深度为2mm 20mm。优选的，所述高纯氧化铝原料优选自Al2O3粉料、Al2O3饼料、粒状Al2O3及蓝宝石碎晶中的任意一种或两种以上的组合。从上述技术方案可以看出，本发明采用了使坩埚对称轴、加热器对称轴、侧反射屏对称轴偏离的方法，使得蓝宝石单晶生长过程中固液界面为一平面且与c面呈一定角度，生长的c向晶淀较a向晶淀可以大大提闻晶淀的材料利用率；较传统的c向晶淀生长方法可以提闻晶淀的晶体质量即减少生长c向晶淀常出现的晶界和晶格崎变。
为了更清楚地说明本发明实施例中的技术方案，下面将对实施例描述中所需要使用的附图作简单地介绍，显而易见地，下面描述中的有关本发明的附图仅仅是本发明的一些实施例，对于本领域普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动的前提下，还可以根据这些附图获得其他的附图。
图1是采用本发明方法生长c取向蓝宝石单晶的示意图，其中，图1a为剖面图，图1b为俯视图；图2是本发明采用上端开口小下端开口大的圆台形状加热器生长c取向蓝宝石单晶的不意图；图3是本发明采用端开口小下端开口大的圆台形状侧反射屏生长c取向蓝宝石单晶的不意图；以上各图中的组件及其附图标记分别为:加热器1、坩埚2、氧化铝熔体3、固液界面4、蓝宝石晶体5、籽晶槽21、氦气管6。
具体实施例方式如前所述，针对现有技术的诸多缺陷，本案发明人旨在提出一种c取向蓝宝石单晶的新型生产方法，该方法主要包括放置籽晶(将籽晶放入坩埚底部)、装料、抽真空、启动氦气、加热化料、晶体生长、降温退火及出炉等工序。更具体的讲，前述工艺过程如下:( I)放置籽晶:将c取向籽晶放置在坩埚的籽晶槽内；(2)装料:将高纯氧化铝原料放入坩埚内，关闭炉盖；(3)抽真空:启动真空系统，优选将炉腔压力抽至5Pa以下；(4)启动氦气:启动氦气冷却系统,调节氦气流量；(5)加热化料: 启动加热系统升温，直至高纯氧化铝开始熔化，用钨探针探测固液界面的位置，控制升温速率使籽晶部分熔化；(6)晶体生长:缓慢降温配合改变氦气流量控制固液界面为一法线与坩埚对称轴方向呈一定角度的平面，直至所有熔体全部结晶；(7)降温退火:逐步提高降温速率使晶体冷却至室温；(8)出炉:待温度降至室温后打开炉盖取出晶体。具体而言，所述坩埚可选自但不限于钨坩埚、钥坩埚、钨钥合金坩埚、铱坩埚等，坩埚底部形态可选自但不限于直角、圆角、倒角形式。所述高纯氧化铝原料可选自但不限于Al2O3粉料、Al2O3饼料、粒状Al2O3及蓝宝石碎晶等。所述c取向蓝宝石籽晶直径为10_ 60mm,高度为10_ 100mm。所述氦气冷却系统优选采用氦气压缩机为循环动力，氦气采用冷却水进行冷却。当然，本领域技术人员亦可根据实际应用之需要而采用其它习见的各种冷却装置或冷却结构，其只要能达成对籽晶的温度进行控制的目的即可。所述加热器的材料可以选自但不限于石墨、钨，形式可选自但不限于片状、棒状和网状。下面将结合本发明实施例中的附图，对本发明实施例中的技术方案进行详细的描述，显然，所描述的实施例仅仅是本发明一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本发明中的实施例，本领域普通技术人员在没有做出创造性劳动的前提下所获得的所有其他实施例，都属于本发明保护的范围。实施例1
采用附图1所示的热场进行c取向蓝宝石单晶的生长。通过坩埚、加热器、侧反射屏的三条对称轴不重合使固液界面倾斜，从而将固液界面控制为与c面呈一定角度的平面，其工艺过程具体如下:( I)放置籽晶:将c取向籽晶放置在坩埚的籽晶槽内；(2)装料:将20 IOOkg闻纯氧化招原料放入樹祸内，关闭炉盖，启动冷却水循环系统；(3)抽真空:启动真空系统，将炉腔压力抽至4Pa ；(4)启动氦气:启动氦气冷却系统，调节氦气流量为40 lOOslm，防止化料过程中杆晶完全溶化；(5)加热化料:启动加热系统升温，直至高纯氧化铝开始熔化，用钨探针探测固液界面的位置，控制升温速率(0.5°C /h 500°C /h)使籽晶部分熔化；(6)晶体生长:缓慢降温，降温速率0.0re /h 10°C /h，配合改变氦气流量控制固液界面为一法线与坩埚对称轴方向呈一定角度(固液界面法线与坩埚对称轴之间的角度为O 80° )的平面，直至所有熔体全部结晶；(7 )降温退火:逐步提高降温速率(2 °C /h 50 V /h )使晶体冷却至室温；(8)出炉:待温度降至室温后打开炉盖取出晶体。实施例2
采用附图2所示的热场进行c取向蓝宝石单晶的生长。通过坩埚、加热器、侧反射屏的三条对称轴不重合使固液界面倾斜，通过在坩埚顶端放置一圆台形的反射屏以减小晶体和熔体的径向温度梯度，使固液界面为一平面，使加热器为上端开口小下端开口大的圆台形状以增加轴向温度梯度，从而将固液界面控制为与c面呈一定角度的平面，其工艺过程具体如下:( I)放置籽晶:将c取向籽晶放置在坩埚的籽晶槽内；(2)装料:将20 IOOkg高纯氧化铝原料放入坩埚内，关闭炉盖，启动冷却水循环系统；(3)抽真空:启动真空系统，将炉腔压力抽至4Pa ；(4)启动氦气:启动氦气冷却系统，调节氦气流量为40 lOOslm，防止化料过程中杆晶完全溶化；(5)加热化料:启动加热系统升温，直至高纯氧化铝开始熔化，用钨探针探测固液界面的位置，控制升温速率(0.5°C /h 500°C /h)使籽晶部分熔化；(6)晶体生长:缓慢降温，降温速率0.0re /h 10°C /h，配合改变氦气流量控制固液界面为一法线与坩埚对称轴方向呈一定角度(固液界面法线与坩埚对称轴之间的角度为O 80° )的平面，直至所有熔体全部结晶；(7 )降温退火:逐步提高降温速率(2 °C /h 50 V /h )使晶体冷却至室温；(8)出炉:待温度降至室温后打开炉盖取出晶体。实施例3采用附图3所示的热场进行c取向蓝宝石单晶的生长。通过坩埚、加热器、侧反射屏的三条对称轴不重合使固液界面倾斜，通过在坩埚顶端放置一圆台形的反射屏以减小晶体和熔体的径向温度梯度，使固液界面为一平面，使侧反射屏为上端开口小下端开口大的圆台形状以增加轴向温度梯度，从而将固液界面控制为与C面呈一定角度的平面，其工艺过程具体如下:( I)放置籽晶:将c取向籽晶放置在坩埚的籽晶槽内；(2)装料:将20 IOOkg高纯氧化铝原料放入坩埚内，关闭炉盖，启动冷却水循环系统；(3)抽真空:启动真空系统，将炉腔压力抽至4Pa ；(4)启动氦气:启动氦气冷却系统，调节氦气流量为40 lOOslm，防止化料过程中杆晶完全溶化；(5)加热化料:启动加热系统升温，直至高纯氧化铝开始熔化，用钨探针探测固液界面的位置，控制升温速率(0.5°C /h 500°C /h)使籽晶部分熔化；(6)晶体生长:缓慢降温，降温速率0.0re /h 10°C /h，配合改变氦气流量控制固液界面为一法线与坩埚对称轴方向呈一定角度(固液界面法线与坩埚对称轴之间的角度为O 80° )的平面，直至所有熔体全部结晶；(7 )降温退火:逐步提高降温速率(2 °C /h 50 V /h )使晶体冷却至室温；(8)出炉:待温 度降至室温后打开炉盖取出晶体。综上所述，本发明通过改变固液界面与c轴的夹角，从而避免长晶过程中晶体滑移，进而获得高品质的目标产物，本发明采用了使坩埚对称轴、加热器对称轴、侧反射屏对称轴偏离的方法，使得c取向蓝宝石单晶生长过程中固液界面为一平面且与c面呈一定角度，这样可以有效避免C轴蓝宝石生长过程中的滑移，从而降低长晶过程中位错、晶界等缺陷的产生。对于本领域技术人员而言，显然本发明不限于上述示范性实施例的细节，而且在不背离本发明的精神或基本特征的情况下，能够以其他的具体形式实现本发明。因此，无论从哪一点来看，均应将实施例看作是示范性的，而且是非限制性的，本发明的范围由所附权利要求而不是上述说明限定，因此旨在将落在权利要求的等同要件的含义和范围内的所有变化囊括在本发明内。不应将权利要求中的任何附图标记视为限制所涉及的权利要求。此外，应当理解，虽然本说明书按照实施方式加以描述，但并非每个实施方式仅包含一个独立的技术方案，说明书的这种叙述方式仅仅是为清楚起见，本领域技术人员应当将说明书作为一个整体，各实施例中的技术方案也可以经适当组合，形成本领域技术人员可以理解的其他实施方式。
权利要求
1.一种C取向蓝宝石单晶的新型生产方法，其特征在于，包括下述步骤: 在坩埚的籽晶槽内放置C取向蓝宝石籽晶，填充高纯氧化铝原料，抽真空后加热，使氧化铝原料全部熔化，籽晶部分熔化，以0.0re /h io°c /h的速率缓慢降温，将固液界面控制为与C面呈一定角度的平面，待晶体生长结束后以2V /h 50°C /h的降温速率退火，冷却至室温后取出晶体。
2.根据权利要求1所述的生产方法，其特征在于:通过坩埚、加热器、侧反射屏的三条对称轴不重合使固液界面倾斜，从而将固液界面控制为与C面呈一定角度的平面。
3.根据权利要求2所述的生产方法，其特征在于:通过在坩埚顶端放置一圆台形的反射屏以减小晶体和熔体的径向温度梯度，使固液界面为一平面；和/或使加热器为上端开口小下端开口大的圆台形状以增加轴向温度梯度；和/或使侧反射屏为上端开口小下端开口大的圆台形状以增加轴向温度梯度，从而将固液界面控制为与c面呈一定角度的平面。
4.根据权利要求1所述的生产方法，其特征在于:所述真空是指5Pa以下的封闭环境。
5.根据权利要求1所述的生产方法，其特征在于:所述加热采用的加热器为鸟笼状、网状的筒形钨加热器或筒形石墨加热器。
6.根据权利要求5所述的生产方法，其特征在于:所述的加热器直径为IOOmm 2000mm,高度为 IOOmm 3000mm。
7.根据权利要求1所述的生产方法，其特征在于:所述固液界面法线与坩埚对称轴之间的角度为O 80°。
8.根据权利要求5所述的生产方法，其特征在于:所述的坩埚为钨坩埚、钥坩埚、钨钥合金坩埚或铱坩埚，所述的坩埚底部形态为于直角、圆角或倒角形式。
9.根据权利要求5所述的生产方法，其特征在于:所述的c取向蓝宝石籽晶直径为IOmm 60mm,高度为10mm 100mm,所述的杆晶槽直径为10mm 60mm,深度为2mm 20mm。
10.根据权利要求5所述的生产方法，其特征在于:所述高纯氧化铝原料优选自Al2O3粉料、Al2O3饼料、粒状Al2O3及蓝宝石碎晶中的任意一种或两种以上的组合。
全文摘要
本发明公开了一种c取向蓝宝石单晶的新型生产方法，在坩埚的籽晶槽内放置c取向蓝宝石籽晶，填充高纯氧化铝原料，抽真空后加热，使氧化铝原料全部熔化，籽晶部分熔化，以0.01℃/h～10℃/h的速率缓慢降温，将固液界面控制为与c面呈一定角度的平面，待晶体生长结束后以2℃/h～50℃/h的降温速率退火，冷却至室温后取出晶体；本发明采用了使坩埚对称轴、加热器对称轴、侧反射屏对称轴偏离的方法，使得蓝宝石单晶生长过程中固液界面为一平面且与c面呈一定角度，生长的c向晶锭较a向晶锭可以大大提高晶锭的材料利用率；较传统的c向晶锭生长方法可以提高晶锭的晶体质量即减少生长c向晶锭常出现的晶界和晶格畸变。
文档编号C30B29/20GK103215646SQ20131011292
公开日2013年7月24日 申请日期2013年4月2日 优先权日2013年4月2日
发明者刘海滨 申请人:苏州海铂晶体有限公司