2213蓝宝石晶体的生长

蓝宝石晶体的生长蓝宝石晶体简介蓝宝石〔Sapphire〕的主要成分是氧化铝〔A23，是由三个氧原子和两个有A-plane，C-plane及R-plane。由于蓝宝石的光学穿透带很宽，从近紫外光〔190nm〕到中红外线都具有很好的透光性，因此被大量用在光学元件、红外装磊晶〔GaN〕的材料品质，而氮化镓磊晶品质则于所使用的蓝宝石衬底基板外表加工品质息息相关，蓝宝石〔Al2O3〕C面与Ⅲ-Ⅴ和Ⅱ-Ⅵ族沉积膜之间的晶格常数失配率小，同时符合GaN磊晶制程中耐高温的要求，使得蓝宝石晶片/蓝/LED的关键材料。蓝宝石晶体生长方法〔熔体或溶液〕或气态生长而得。实际上人工熔体生长和溶液生长两大类。熔体生长法这类方法是最常用的，主要有焰熔法 Verneui〔flamefusion、泡生(Kyropoulos、提拉法Czochralski〔C、坩埚下降法、区熔法等。焰熔法〔维尔纳叶法〕最早是1885年由弗雷米〔E.Fremy、弗尔〔E.Feil〕和乌泽〔Wyse〕起，利用氢氧火焰熔化自然的红宝石粉末与重铬酸钾而制成了当时轰动一时的“日内瓦红宝石”。后来于 1902年弗雷米的助手法国的化学家维尔纳叶称为维尔纳叶法。根本原理焰熔法是从熔体中生长单晶体的方法。这个方法的原理是利用氢和氧燃烧其中小锤敲击料筒震惊粉料，经筛网及料斗而落下，氧氢各自经入口在喷口处，一高温水平而结晶。合成装置与条件、过程焰熔法的粗略的说是利用氢及氧气在燃烧过程中产生高温，使一种疏松的原料粉末通过氢氧焰撒下焰融，并落在一个冷却的结晶杆上结成单晶。以下图是焰熔生长原料及设备7频率敲打料筒，产生振动，使料筒中疏松的粉料不断通过筛网6，同时，由进气口送进的氧气，也帮助往下送粉料。248持晶体的结晶层在炉内先后维持同一水平，在生长较长晶体2合成过程是在维尔纳叶炉中进展的。供料系统2原料：成分因合成品的不同而变化。原料的粉末经过AlO231-3%。三氧化二铝可由铝铵矾置使粉末少量、等量、周期性地从筛孔漏出。出。燃烧系统氧气管：从料筒一侧释放，与原料粉末一同下降；O:H=1:3；2500℃，Al2O32050℃；2 2证火焰以上的氧管不被熔化生长系统落下的粉末经过氢氧火焰熔融，并落在旋转平台上的种晶棒上，渐渐长成一个晶棒〔梨晶。水套下为一耐火砖围砌的保温炉，保持燃烧温度及晶体生长温度，使之缓慢下降，以便结晶生长。旋转平台：安置种晶棒，边旋转、边下降；落下的熔滴与种晶棒接触称为台以均匀的速度边旋转边下降，使晶体得以等径生长。2500℃的晶体；缺点：生长的晶体内应力很大。泡生法Kyropoulos这种方法是将一根受冷的籽晶与熔体接触，假设界面的温度低于凝固点，就需要渐渐降低熔体的温度，同时旋转晶体，以改善熔体的温度分布。也可以缓慢的〔或分阶段的〕上提晶体，以扩大散热面。晶体在生长过程中或生长完毕时不与坩埚壁接触，这就大大削减了晶体的应力。不过，当晶体与剩余的熔体脱离时，通常会产生较大的热冲击。生长装置如以下图所示。可以认为目前常用的高温溶液顶部籽晶法是该方法的改进和进展。承受泡生法生长大直径、高质量、无色蓝宝石晶体的具体工艺如下：将纯洁的原料装入坩埚中。坩埚上方装有可旋转和升降的提拉杆，杆的下端有一个籽晶夹具，在其上装有一粒定向的无色蓝宝石籽晶(注：生长无色蓝宝石时不添加致色剂，籽晶也承受无色蓝宝石)；2050℃以上，降低提拉杆，使籽晶插入熔体中；在清洁的籽晶外表上生长；转动籽晶杆；掌握拉速和转速，籽晶渐渐长大；留神地调整加热功率，使液面温度等于熔点，实现宝石晶体生长的缩颈——扩肩——等径生长——收尾全过程。温度，保证生长过程正常进展。提拉法Czochralski〔CZ〕该方法的创始人是Czochralski，他的论文发表于1918年。这是熔体生长最常用的方法之一，很多重要的有用晶体是用这种方法制备的，速率以及熔体的流体效应等。这种方法的主要优点有：在生长的过程中可以便利地观看晶体的生长状况。应力。大大削减，这样可以使放大后生长出来的晶体，其位错密度降低。密度，较高的光学均匀性，也不存在锒嵌构造此外还有在提拉法根底上改进的连续加料提拉法以及在对泡生法和提拉法改进的根底上进展而来用于生长大尺寸蓝宝石晶体的 冷心放肩微量提拉法(Sapphiregrowthtechniquewithmicro-pullingandshoulderexpandingatcooledcenter，SAPMAC)。连续加料提拉法提拉法生长晶体中，另一重要的改进就是连续加料提拉法的应用。该法首先被Ya.Apilat和Yu.P.Belogurov通过坩埚内一个高灵敏度的熔体液面规来掌握熔体的温度和晶体直径。在坩埚m引入圆形槽1中，在那里熔融后，流入坩埚2内，坩埚被安放在可旋转的支撑环339可同步旋转，以保证在生长过程中熔体的轴向温场的对称性。由于晶体的直径很大，而晶体和埚壁之间的距离很小，因此，晶体直径的5的熔体液面规46而相应地晶体的尺寸可以长大。冷心放肩微量提拉法(SAPMAC)冷心放肩微量提拉法(SAPMAC)是在对泡生法和提拉法改进的根底上进展而来用于生长大尺寸蓝宝晶体生长系统主要包括掌握系统、真l0~20mm寸。籽晶被加工成劈形，利用籽晶夹固定在热交换器底部。热交换器可以完成籽晶的固定、晶体的转动和提拉，以及热交换器、晶体和熔体之间热量的交换作用。加热体、冷却系统和热屏蔽装置协同作用，为晶体生长供给一个均匀、稳定、可控的温场。依据晶体生长所处的引晶、放肩、等径和退火及冷却阶段的特点，通过调整热交换器中工作流体的温度、流量，加热温度(加热体所能供给的坩埚外壁环境温度)可以准确掌握晶体和熔体内温度梯度、热量传输、完成晶体生长。个掌握阶段，即。引晶与放肩阶段主要是利用调整热交换器散热力量，适当协作肯定的降低加热温度(加热系统所能供给的坩埚外壁温度)的方式来实现对晶体的缩颈和放肩掌握。此时晶体生长界面凸出定性。待晶体直径长到所需尺寸(冷心放肩微量提拉法晶体直径可以长到距坩埚1~3cm)后，晶体开头等径生长，进入等径阶段。随着晶体尺寸的长大，热过降低加热温度(加热系统所能供给的坩埚外壁温度)来实现晶体生长。该方法主要特点：材料品质优良。的热扰动，缺陷萌生的几率较其他方法明显降低。的成功率。它的冷却速度，削减热应力。适合生长大尺寸晶体，材料综合利用率是泡生法的1.2倍以上。试验周期短、本钱低。坩埚下降法VerticalGradientFreezeMethod(VGF)是尖锥形，或带有细颈,便于优选籽晶,也有半球外形的以便于籽晶生长。晶体的生长的。温度梯度法Temperaturegradienttechnique(TGT)“导向温梯法”是以定向籽晶诱导的熔体单结晶方法。包括放置在简洁钟罩式真空电阻炉内的坩埚、发热体和屏蔽装置，右图是装置简图。本装置承受镅坩埚、石墨发热体。坩埚底部中心有一籽晶槽，避开耔晶在化料时被熔化掉。为了增加坩埚稳定性，籽晶槽固定在定位棒的圆形凹槽内。温场由石墨发热体和冷却装置共同供给。发热体为被上下槽割成矩形波状的板条通电回路的圆筒，整个圆筒安装在与水冷电极相连的石墨电极板上。板条上半部按肯定规律打孔，以调整发热电阻使其通电后白上而下造成近乎线性温差。而发热体下半部温差通过石墨发热体与水冷电极板的传导来制造。籽晶附本方法与提拉法相比，有以下特点：动，这就避开了热对流和机械运动产生的熔体涡流。度，削减热应力。而热应力是产生晶体裂纹和位错的主要因素。晶体生长时，固—液界面处于熔体包围之中。这样熔体外表的温度扰动体起很重要的作用。区熔法技术有水平法和依靠外表张力的浮区熔炼两种。溶液生长法晶体的主要原理是使溶液到达过饱和的状态而结晶。最一般的有下述两个途径：,使溶液浓度增高。固然也还有其他一些途径,如利用某些物质的稳定相和亚稳相水溶液法〔5[水溶液法生长晶体示意图]。它包括一个既保证密封又能自转的掣晶杆使结晶界面四周的溶液成分能保的。前很多功能晶体如磷酸二氢钾、碘酸锂等均由水溶液法生长而得。水热法关键设备是高压釜，它是由耐高温、高压的钢材制成〔6[水热法生长晶体示意图]。200～1000C的高温及1000～10000区而溶解培育料。水热合成就是通过这样的循环往复而生长晶体。助熔剂法的BaTiO晶体及Y晶体的生长成功，题。气相生长法一般可用升华、化学气相输运等过程来生长晶体。升华