专利名称：一种生长c向白宝石单晶体的方法
技术领域：
本发明涉及一种白宝石的制备方法，更具体地说，尤其涉及一种生长C向白宝石单晶体的方法。
背景技术：
白宝石(纯氧化铝单晶体，又为白宝石)由于具有高强度、高硬度，耐高温、耐磨擦、化学稳定性好，紫外-红外透过率高、电绝缘性能优良等一系列优良的物化性能，所以白宝石晶体不仅是光电子领域的重要基础材料如GaN外延生长的商业化衬底，占市场95%以上，大规模集成电路衬底、超导衬底、铁电衬底，而且是军事领域重要的光学材料如高速导弹整流罩、红外分析仪、夜视仪、侦察仪和制导仪多光谱宽波段窗口、飞机的光电吊舱、二代导航卫星用星载氢原子钟白宝石微波谐振腔材料、高能激光器输出窗口材料等。白宝石晶体属于六方晶系，具有明显的各向异性特点，即晶体的物化性能、光学性能等在不同方向上存在明显的差异，白宝石晶体为单轴晶体，晶体性能在C向上不存在双折射现象，该晶体具有唯一的光轴，因此与其他晶向白宝石相比，C向白宝石晶体具有最重要的应用如LED衬底片、光学尤其是激光窗口元件等，这些应用都需要C向白宝石晶体。综上所述，白宝石晶体已成为国防工业不可缺少的核心材料，尤其发展大尺寸C向优质白宝石材料更是现代国防建设的迫切需要，具有重要的战略意义和广阔的市场前
旦
-5^ O白宝石晶体的方法 生长几乎覆盖了所有的人工晶体生长方法如火焰法、水热法、坩埚下降法、导模法、水平区熔法、提拉法、温梯法、泡生法和热交换法等。上述白宝石晶体生长方法一般都采用A向生长技术，尤其是生长大尺寸的泡生法和热交换法技术也是采用A向生长技术。
热交换法是目前世界上稳定生长最大尺寸和最高光学质量的白宝石晶体的唯一方法，有以下优势:
I)晶体内不容易产生气泡和散射颗粒，气泡位置可以控制在晶体底部。2)晶体应力小,不开裂,故晶体成品率闻。3)目如能稳定并批量生广110公斤大尺寸白宝石晶体，晶体直径380mm。4)热交换法生长的白宝石晶体外形规则，晶体利用率高。5)热交换法生长周期比泡生法短，耗电小，成本低。6)热交换法生长白宝石晶体具有很好的可扩展性。由于白宝石特殊的晶面滑移结晶结构决定了 C向白宝石晶体生产非常困难，晶体缺陷多，内部应力大，晶体生长很难控制，很难生产出直径大的完整晶体。因此目前几乎所有白宝石晶体生长均采用直接生长A向晶锭，再经定向后加工出C向白宝石成品，晶体利用率很低，C向晶体产品尺寸受限制。普通热交换法也是直接生长A向白宝石晶锭，其最大直径375mm，可以加工出最大C向白宝石晶体产品为直径200mm。目前世界上能够生产的C向白宝石晶体最大直径为200mmo
发明内容
本发明的目的在于针对上述现有技术的不足，提供一种操作简便、节能且工作效率高的生长C向白宝石单晶体的方法。本发明的技术方案是这样实现的:一种生长C向白宝石单晶体的方法，其中该方法包括下述步骤:(1)在以石墨发热体为发热元件的生长炉内，将经过精确定向为(0001)方向的白宝石籽晶置于平底的坩埚底部中心区域，籽晶方向要求为c±0.5度方向，然后将纯度要求99.995%以上的三氧化二铝原料装入坩埚内；(2)调整坩埚、石墨发热体和生长炉内的热场三者之间的距离，使坩埚、发热体和生长炉内的热场的几何中心重合；(3 )封闭炉体，将炉内真空抽至真空度小于lOmtorr，然后从室温开始升温加热；同时启动热交换器内的氦气循环流动以冷却籽晶体；(4)升温至三氧化二铝原料和白宝石籽晶全部熔化后，恒温5 10小时；(5)增加热交换器内的氦气流量，建立C向白宝石晶体所需要的温度梯度；熔体和籽晶间的固液界面从籽晶部位自下向上缓慢推进，直至全部熔体结晶结束；(6)当熔体全部结晶成白宝石晶体后，将炉内温度缓慢降至室温后，关闭加热电源，打开生长炉，取出C向白宝石晶体。上述的一种生长C向白宝石单晶体的方法中，步骤(I)所述的坩埚为钥坩埚或钨坩埚或钨钥坩埚，所述钥坩埚或钨坩埚或钨钥坩埚纯度要求99.5%以上。上述的一种生长C向白宝石单晶体的方法中，步骤(I)所述的坩埚需处于稳定的垂直位置状态，在高温生长过程中不能倾斜，发热体和热场应保持20 40cm的距离。上述的一 种生长C向白宝石单晶体的方法中，步骤(2)所述的将坩埚、石墨发热体和生长炉内的热场的相对位置调整后，在坩埚上加盖钥质或钨质隔热板。上述的一种生长C向白宝石单晶体的方法中，步骤(3)所述的升温速率为50 2000C / 小时。上述的一种生长C向白宝石单晶体的方法中，步骤(3)所述的氦气流量为50立方英尺/小时，氦气流量波动小于0.1立方英尺/小时。上述的一种生长C向白宝石单晶体的方法中，步骤(5)所述的增加氦气流量具体为:氦气流量在200 260小时内从50立方英尺/小时增加到600立方英尺/小时。上述的一种生长C向白宝石单晶体的方法中，步骤(5)所述的氦气流量波动小于
0.1立方英尺/小时。氦气流量波动过大，会使生产的晶体缺陷多，存在很多位错，应力大，严重时晶体甚至会开裂。上述的一种生长C向白宝石单晶体的方法中，步骤(6)所述C向白宝石晶体重量为100公斤，直径为15英寸。本发明采用上述方法后，通过采用石墨发热体配合平底的坩埚对晶体进行熔化结晶，并且严格控制坩埚、石墨发热体和生长炉内的热场三者之间的位置关系，以保证晶体的正常生长。同时，通过严格控制氦气流量波动从而进一步保证晶体的形成。
通过本发明方法，已经成功生产出直径375mm C向白宝石晶体,重100公斤,最大可以加工出直径370_的C向白宝石晶体如各类衬底片、激光器窗口材料等，该技术突破了世界上生长C向白宝石晶体的难题，也是目前世界上最大尺寸、最大重量的C向白宝石晶体的生长技术。I)可以提供最大直径的C向白宝石衬底材料。如直径8英寸-15英寸。目前世界上主流的白宝石衬底为2英寸和4英寸。2)可以提供最大直径15英寸的C向白宝石强激光和光学窗口材料。3)可以提供特殊军事用途的C向白宝石晶体。4)与相同重量(IOOKg为例)的A向白宝石晶锭相比，同样是做衬底材料的情况下，C向白宝石晶锭，可以多加工出80%的产品，即晶体价值增加80%，具有非常高的经济效率。5)同样尺寸的白宝石晶体，C向价格一般闻于A向白宝石广品价格80%_100%。所以该发明技术不仅能够直接提升热交换法所生产白宝石晶体的价值，而且能够批量提供直接200mm以上的C向白宝石晶体制品，具有很强的创新性，具有战略价值和很好的经济效益。
具体实施例方式下面对合具体实 施例对本发明作进一步的说明，但并不构成对本发明的任何限制。实施例1
本发明的一种生长C向白宝石单晶体的方法，该方法包括下述步骤:
(1)在以石墨发热体为发热元件的生长炉内，将经过精确定向为(0001)方向的优质白宝石籽晶置于直径380 mm的平底的钥坩埚底部中心区域，然后将IOOkg高纯三氧化二铝原料装入钥坩埚内，三氧化二铝原料纯度为99.995%以上，钥坩埚纯度要求99.5%以上；
(2)调整坩埚、石墨发热体和生长炉内的热场三者之间的距离，保证坩埚、发热体和生长炉内的热场的几何中心重合，坩埚需处于稳定的垂直位置状态，在高温生长过程中不能倾斜，以免与石墨发热体接触，发热体和热场应保持20cm的距离，以免接触后产生电弧；
(3)将坩埚、石墨发热体和生长炉内的热场的相对位置调整后，为了减少三氧化二铝原料在高温熔体状态下的挥发，在坩埚上加盖钥质隔热板；封闭炉体，将炉内真空抽至真空度lmtorr，从室温开始升温加热，升温速率为50°C /小时，升温速率过快会造成晶体开裂；同时启动热交换器内的氦气循环流动以冷却籽晶体，流量设定50立方英尺/小时，防止籽晶在炉体升温过程中开裂和熔化；氦气流量波动小于0.1立方英尺/小时；氦气流量波动过大，会使生产的晶体缺陷多，存在很多位错，应力大，严重时晶体甚至会开裂；
(4)当炉内温度上升到2045度时，三氧化二铝原料和白宝石籽晶开始熔化，当三氧化二铝原料和白宝石籽晶全部熔化后，恒温10小时，然后增加热交换器内的氦气流量，在260小时内从50立方英尺/小时增加到600立方英尺/小时，开始建立C向白宝石晶体所需要的温度梯度，氦气流量波动小于0.1立方英尺/小时，随着氦气流量的增加，从籽晶体出带走的热量也增加，籽晶体处的温度也下降，熔体会产生下部温度低，上部温度高的现象，即熔体内不同区域的温度不相同，即温度梯度，这是生长晶体最基本的驱动力；熔体和籽晶间的固液界面从籽晶部位自下向上缓慢推进，直至全部熔体结晶结束；
(5)当熔体全部结晶成白宝石晶体后，将炉内温度缓慢降至室温后，关闭加热电源，打开生长炉，取出C向白宝石晶体。晶体很完整，透明高，采用X射线衍射仪测定所生产的白宝石晶体的衍射2q角度为41° 40'，确定为C向白宝石晶体。白宝石晶体重量为100公斤，直径为15英寸。实施例2
本发明的一种生长C向白宝石单晶体的方法，该方法包括下述步骤:
(1)在以石墨发热体为发热元件的生长炉内，将经过精确定向为(0001)方向的优质白宝石籽晶置于直径350mm的平底的钨坩埚底部中心区域，然后将IOOkg高纯三氧化二铝原料装入钨坩埚内，三氧化二铝原料纯度为99.995%以上，钨坩埚纯度要求99.5%以上；
(2)调整坩埚、石墨发热体和生长炉内的热场三者之间的距离，保证钨坩埚、发热体和生长炉内的热场的几何中心重合，坩埚需处于稳定的垂直位置状态，在高温生长过程中不能倾斜，以免与石墨发热体接触，发热体和热场应保持30cm的距离，以免接触后产生电弧；
(3)将坩埚、石墨发热体和生长炉内的热场的相对位置调整后，为了减少三氧化二铝原料在高温熔体状态下的挥发，在钨坩埚上加盖钨质隔热板；封闭炉体，将炉内真空抽至真空度Smtorr，从室温开始升温加热，升温速率为100°C /小时；同时启动热交换器内的氦气循环流动以冷却籽晶体，流量设定50立方英尺/小时，防止籽晶在炉体升温过程中开裂和熔化；氦气流量波动小于0.1立方英尺/小时；
(4)当炉内温度上升到2045度时，三氧化二铝原料和白宝石籽晶开始熔化，当三氧化二铝原料和白宝石籽晶全部熔化后，恒温8小时，然后增加热交换器内的氦气流量，在230小时内从50立方英尺/小时增加到600立方英尺/小时，开始建立C向白宝石晶体所需要的温度梯度，氦气流量波动小于0.1立方英尺/小时；熔体和籽晶间的固液界面从籽晶部位自下向上缓慢推进，直至全部熔体结晶结束；
(5)当熔体全部结晶成白宝石晶体后，将炉内温度缓慢降至室温后，关闭加热电源，打开生长炉，取出C向白宝石晶体。晶体很完整，透明高，采用X射线衍射仪测定所生产的白宝石晶体的衍射2q角度为41 ° 50'，确定为C向白宝石晶体。白宝石晶体重量为100公斤，直径为350mm。实施例3
本发明的一种生长C向白宝石单晶体的方法，该方法包括下述步骤:
(1)在以石墨发热体为发热元件的生长炉内，将经过精确定向为(0001)方向的优质白宝石籽晶置于直径375_的平底的钨钥坩埚底部中心区域，然后将IOOkg高纯三氧化二铝原料装入钥坩埚内，三氧化二铝原料纯度为99.995%以上，钨钥坩埚纯度要求99.5%以上；
(2)调整钨钥坩埚、石墨发热体和生长炉内的热场三者之间的距离，保证钨钥坩埚、发热体和热场的几何中心重合，钨钥坩埚需处于稳定的垂直位置状态，在高温生长过程中不能倾斜，以免与石墨发热体接触，发热体和热场应保持40cm的距离，以免接触后产生电弧；
(3)将钨钥坩埚、石墨发热体和生长炉内的热场的相对位置调整后，为了减少三氧化二铝原料在高温熔体状态下的挥发，在钨钥坩埚上加盖钥质隔热板；封闭炉体，将炉内真空抽至真空度lOmtorr，从室温开始升温加热，升温速率为200°C /小时；同时启动热交换器内的氦气循环流动以冷却籽晶体，流量设定50立方英尺/小时，防止籽晶在炉体升温过程中开裂和熔化；氦气流量波动小于0.1立方英尺/小时；
(4)当炉内温度上升到2045度时，三氧化二铝原料和白宝石籽晶开始熔化，当三氧化二铝原料和白宝石籽晶全部熔化后，恒温5小时，然后增加热交换器内的氦气流量，在200小时内从50立方英尺/小时增加到600立方英尺/小时，开始建立C向白宝石晶体所需要的温度梯度，氦气流量波动小于0.1立方英尺/小时；熔体和籽晶间的固液界面从籽晶部位自下向上缓慢推进，直至全部熔体结晶结束； (5)当熔体全部结晶成白宝石晶体后，将炉内温度缓慢降至室温后，关闭加热电源，打开生长炉，取出C向白宝石晶体。晶体很完整，透明高，采用X射线衍射仪测定所生产的白宝石晶体的衍射2q角度为41° 46'，确定为C向白宝石晶体。白宝石晶体重量为100公斤，直径为375mm。
权利要求
1.一种生长C向白宝石单晶体的方法，其特征在于，该方法包括下述步骤:(1)在以石墨发热体为发热元件的生长炉内，将经过精确定向为(OOOl)方向的白宝石籽晶置于平底的坩埚底部中心区域，籽晶方向要求为c±0.5度方向，然后将纯度要求99.995%以上的三氧化二铝原料装入坩埚内；(2)调整坩埚、石墨发热体和生长炉内的热场三者之间的距离，使坩埚、发热体和生长炉内的热场的几何中心重合；(3)封闭炉体，将炉内真空抽至I lOmtorr，然后从室温开始升温加热；同时启动热交换器内的氦气循环流动以冷却籽晶体；(4)升温至三氧化二铝原料和白宝石籽晶全部熔化后，恒温5 10小时；(5)增加热交换器内的氦气流量，建立C向白宝石晶体所需要的温度梯度；熔体和籽晶间的固液界面从籽晶部位自下向上缓慢推进，直至全部熔体结晶结束；(6)当熔体全部结晶成白宝石晶体后，将炉内温度缓慢降至室温后，关闭加热电源，打开生长炉，取出C向白宝石晶体。
2.根据权利要求1所述的一种生长C向白宝石单晶体的方法，其特征在于，步骤(I)所述的坩埚为钥坩埚或钨坩埚或钨钥坩埚，所述钥坩埚或钨坩埚或钨钥坩埚纯度要求99.5%以上。
3.根据权利要求1所述的一种生长C向白宝石单晶体的方法，其特征在于，步骤(I)所述的坩埚需处于稳定的垂直位置状态，在高温生长过程中不能倾斜，发热体和热场应保持20 40cm的距离。
4.根据权利要求1所述的一种生长C向白宝石单晶体的方法，其特征在于，步骤(2)所述的将坩埚、石墨发热体和生长炉内的热场的相对位置调整后，在坩埚上加盖钥质或钨质隔热板。
5.根据权利要求1所述的一种生长C向白宝石单晶体的方法，其特征在于，步骤(3)所述的升温速率为50 200°C /小时。
6.根据权利要求1所述 的一种生长C向白宝石单晶体的方法，其特征在于，步骤(3)所述的氦气流量为50立方英尺/小时,氦气流量波动小于0.1立方英尺/小时。
7.根据权利要求1所述的一种生长C向白宝石单晶体的方法，其特征在于，步骤(5)所述的增加氦气流量具体为:氦气流量在200 260小时内从50立方英尺/小时增加到600立方英尺/小时。
8.根据权利要求1或7所述的一种生长C向白宝石单晶体的方法，其特征在于，步骤(5)所述的氦气流量波动小于0.1立方英尺/小时。
9.根据权利要求1所述的一种生长C向白宝石单晶体的方法，其特征在于，步骤(6)所述C向白宝石晶体重量为100公斤，直径为15英寸。
全文摘要
本发明公开了一种生长C向白宝石单晶体的方法，属于白宝石生产技术领域，其技术要点包括下述步骤(1)在生长炉内，将经过精确定向为C向的白宝石籽晶和纯度99.995%以上的氧化铝原料置于平底的坩埚内，籽晶方向要求为C±0.5度方向；(2)调整坩埚、石墨发热体和生长炉内的热场三者之间的距离，使坩埚、发热体和生长炉内的热场的几何中心重合；(3)封闭炉体，从室温开始升温加热；同时启动热交换器冷却籽晶体；(4)升温至氧化铝原料和白宝石籽晶全部熔化后，恒温5～10小时，然后增加热交换器内的氦气流量开始建立C向白宝石晶体所需要的温度梯度；熔体和籽晶间的固液界面从籽晶部位自下向上缓慢推进，直至全部熔体结晶结束；(5)将炉内温度缓慢降至室温后，取出C向白宝石晶体。本发明旨在提供一种操作简便、节能且工作效率高的生长C向白宝石单晶体的方法；用于C向白宝石单晶的生产。
文档编号C30B11/00GK103205799SQ20131014112
公开日2013年7月17日 申请日期2013年4月23日 优先权日2013年4月23日
发明者周国清, 周林, 缪志峰 申请人:广东赛翡蓝宝石科技有限公司