專利名稱：在采用導(dǎo)模法生長(zhǎng)片狀藍(lán)寶石過程中抑制氣泡的方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明涉及人造藍(lán)寶石技術(shù)領(lǐng)域，具體涉及利用導(dǎo)模法生長(zhǎng)片狀藍(lán)寶石過程中氣泡的控制方法。
背景技術(shù)：
藍(lán)寶石是一種a -Al2O3的單晶，又稱剛玉。藍(lán)寶石晶體具有優(yōu)異的導(dǎo)熱絕緣性、耐化學(xué)侵蝕性，其表面高度平滑，有高透過率，可在接近2000°C高溫的條件下工作，因而被廣泛應(yīng)用于衛(wèi)星空間技術(shù)、軍用紅外裝置、高強(qiáng)度激光器的窗口材料以及優(yōu)質(zhì)的光學(xué)材料等等。近年來，隨著半導(dǎo)體技術(shù)的迅猛發(fā)展，藍(lán)寶石以其獨(dú)特的晶格結(jié)構(gòu)、優(yōu)異的力學(xué)性能、良好的熱學(xué)性能成為實(shí)際應(yīng)用的半導(dǎo)體GaNAl2O3發(fā)光二極管(LED)、大規(guī)模集成電路SOI和 SOS以及超導(dǎo)納米結(jié)構(gòu)薄膜等最為理想的襯底材料。導(dǎo)模法又稱邊緣限定-薄膜法(edge-definedfilm-fed crystal growth method，縮寫為EFG)，主要用于生長(zhǎng)特定形狀的晶體。導(dǎo)模法的特點(diǎn)是可以生長(zhǎng)片狀、帶狀、 管狀、纖維狀等特定形狀且尺寸能精確控制的晶體，利用該方法晶體的生長(zhǎng)速度快，后續(xù)加工簡(jiǎn)單。因此，采用導(dǎo)模法生長(zhǎng)具有特定方向的大尺寸、高光學(xué)質(zhì)量的藍(lán)寶石片狀晶體成為本行業(yè)非常關(guān)注的技術(shù)之一。美國專利3591348公開了一種導(dǎo)模法生長(zhǎng)藍(lán)寶石的方法，中國專利90105983. 8和200810153130. 3也公開了生長(zhǎng)片狀藍(lán)寶石的方法。但是，采用上述方法生長(zhǎng)晶體時(shí)，并不能有效抑制氣泡的產(chǎn)生，使產(chǎn)品的使用價(jià)值大打折扣。

發(fā)明內(nèi)容
本發(fā)明的目的在于解決上述問題，提供一種在采用導(dǎo)模法生長(zhǎng)片狀藍(lán)寶石過程中能有效抑制氣泡產(chǎn)生的方法，使生長(zhǎng)的晶體無氣泡和應(yīng)力條紋，在品質(zhì)和使用效果上有顯著的進(jìn)步。為實(shí)現(xiàn)上述目的，本發(fā)明采取的技術(shù)方案為
在采用導(dǎo)模法生長(zhǎng)片狀藍(lán)寶石過程中抑制氣泡的方法，其特征是，包括以下步驟
(1)原料的選取和處理
原料采用高純焰熔法生長(zhǎng)的藍(lán)寶石碎料，經(jīng)500 800°C的高溫加熱處理后，用去離子水淬火粉碎，再經(jīng)5 6次用去離子水清洗處理后烘干備用；
(2)模具的采用和處理
采用V型鍛壓鑰制模具，模具頂端內(nèi)側(cè)表面采用機(jī)械拋光處理并達(dá)到鏡面效果；模具狹縫寬度為O. 5mm，坩堝用去離子水洗凈備用；
(3)原料裝爐
將步驟(I)處理過的藍(lán)寶石碎料放入步驟(2)處理過的鑰制模具的坩堝內(nèi)，并將坩堝置于導(dǎo)模爐中，完成裝爐；
(4)采用導(dǎo)模法生長(zhǎng)片狀藍(lán)寶石單晶
①將導(dǎo)模爐內(nèi)抽真空lX10_4Pa，采用中頻感應(yīng)加熱鑰發(fā)熱裝置，待爐內(nèi)紅亮?xí)r，緩慢充入高純氬氣至表壓為O. 01，靜置20 30分鐘，然后每隔15 20分鐘升溫一次，直至原料完全化掉；在原料完全化掉之后靜置15 20分鐘，然后再升溫20°C (比熔點(diǎn)高20°C)并靜置2 3小時(shí)，使化料時(shí)原料引入的氣體從熔體中慢慢溢出；
②采用端面法線方向?yàn)閙向的提拉法生長(zhǎng)的藍(lán)寶石單晶作為籽晶，籽晶兩個(gè)側(cè)面方向?yàn)閍向和c向,用a面作為主生長(zhǎng)面；
③將熔體溫度下降至2050°C，下?lián)u籽晶桿，將籽晶降到與熔體相隔O.5 Icm的位置， 觀察如果籽晶底端發(fā)白變圓滑，搖起籽晶桿，降溫5 10°C，靜置15 20分鐘后再搖下籽晶桿觀察，直至籽晶底端無變化即可繼續(xù)下?lián)u籽晶桿，使籽晶與熔體接觸并迅速提起；如果帶料，將溫度升高I TC，靜置5 20分鐘后繼續(xù)下種，直至不帶料即可嘗試進(jìn)行提拉；
④提拉過程包括引晶、縮頸、擴(kuò)肩、等徑生長(zhǎng)步驟，其中，引晶時(shí)使晶體直徑不變，長(zhǎng)度提拉2 3cm ;再通過升溫2 5°C來實(shí)現(xiàn)縮頸的過程，有效縮頸后再進(jìn)行擴(kuò)肩生長(zhǎng)；擴(kuò)肩階段的拉速隨著晶體肩的長(zhǎng)大由慢及快，每隔20分鐘增加2 4_/小時(shí)，直至等徑階段拉速15mm/小時(shí)；在等徑階段當(dāng)看到生長(zhǎng)晶體的內(nèi)凹時(shí)，降低拉速為I 3mm/小時(shí)，降低溫度 I 2°C，每隔20分鐘觀察生長(zhǎng)晶體的晶型并作相應(yīng)處理；
⑤晶體生長(zhǎng)完成后，以每小時(shí)20 30°C的降溫速率逐漸降至室溫，獲得幾乎沒有氣泡的片狀藍(lán)寶石晶體。進(jìn)一步，步驟(4)②所述m向籽晶的方向誤差范圍為±5°。本發(fā)明的積極效果是
(1)提供了一種在采用導(dǎo)模法生長(zhǎng)片狀藍(lán)寶石過程中有效抑制氣泡的方法；
(2)制備的片狀藍(lán)寶石晶體外形規(guī)整、表面平坦、無氣泡和應(yīng)力條紋，為高質(zhì)量的片狀監(jiān)寶石晶體；
(3)為半導(dǎo)體GaNAl2O3發(fā)光二極管(LED)、大規(guī)模集成電路SOI和SOS以及超導(dǎo)納米結(jié)構(gòu)薄膜等提供了理想的襯底材料。


附圖I為本發(fā)明在采用導(dǎo)模法生長(zhǎng)片狀藍(lán)寶石過程中抑制氣泡的方法的流程框圖。
具體實(shí)施例方式以下結(jié)合附圖繼續(xù)解釋本發(fā)明在采用導(dǎo)模法生長(zhǎng)片狀藍(lán)寶石過程中抑制氣泡的方法的具體實(shí)施情況，提供7個(gè)實(shí)施例。但是，本發(fā)明的實(shí)施不限于以下的實(shí)施方式。實(shí)施例I
在采用導(dǎo)模法生長(zhǎng)片狀藍(lán)寶石過程中抑制氣泡的方法，包括以下步驟
(I)采用高純焰熔法生長(zhǎng)的藍(lán)寶石碎料為原料，經(jīng)500°c高溫加熱處理后，用去離子水淬火粉碎，再經(jīng)5次用去離子水清洗處理后烘干備用。(2)采用V型鍛壓鑰制模具，模具頂端內(nèi)側(cè)表面采用機(jī)械拋光處理并達(dá)到鏡面效果；模具狹縫寬度為O. 5mm，坩堝用去離子水洗凈備用。(3)將步驟(I)處理過的藍(lán)寶石碎料放入步驟(2)處理過的鑰制模具的坩堝內(nèi)，將坩堝置于導(dǎo)模爐中，完成裝爐。
(4)采用導(dǎo)模法生長(zhǎng)片狀藍(lán)寶石單晶
①將導(dǎo)模爐內(nèi)抽真空lX10_4Pa，采用中頻感應(yīng)加熱鑰發(fā)熱裝置，待爐內(nèi)紅亮?xí)r，緩慢充入高純氬氣至表壓為O. 01，靜置20分鐘，然后每隔15分鐘升溫一次，直至原料完全化掉； 在原料完全化掉之后靜置15分鐘，然后升溫20°C (比熔點(diǎn)高20°C)并靜置2小時(shí)，使化料時(shí)原料引入的氣體從熔體中慢慢溢出。②采用端面法線方向?yàn)閙向的提拉法生長(zhǎng)的藍(lán)寶石單晶作為籽晶，籽晶兩個(gè)側(cè)面方向?yàn)閍向和c向，用a面作為主生長(zhǎng)面，要求籽晶方向的誤差范圍在±5°以內(nèi)。③將熔體溫度下降至2050°C，下?lián)u籽晶桿，將籽晶降到與熔體相隔O. 5cm的位置觀察幾分鐘如果籽晶底端發(fā)白變圓滑，搖起籽晶桿，降溫5°C，靜置15分鐘后再搖下籽晶桿觀察，直至籽晶底端無變化即可繼續(xù)下?lián)u籽晶桿，使籽晶與熔體接觸并迅速提起；如果帶料，將溫度升高1°C，靜置5分鐘后繼續(xù)下種，直至不帶料即可嘗試進(jìn)行提拉。④提拉過程包括引晶、縮頸、擴(kuò)肩、等徑生長(zhǎng)步驟，其中，引晶時(shí)使晶體直徑不變， 長(zhǎng)度提拉2cm ;再通過升溫2°C來實(shí)現(xiàn)縮頸的過程，有效縮頸后再進(jìn)行擴(kuò)肩生長(zhǎng)；擴(kuò)肩階段的拉速隨著晶體肩的長(zhǎng)大由慢及快，每隔20分鐘增加2_/小時(shí)，直至等徑階段拉速15_/ 小時(shí)；在等徑階段當(dāng)看到生長(zhǎng)晶體的內(nèi)凹時(shí)，降低拉速為Imm/小時(shí)，降低溫度1°C，每隔20 分鐘觀察生長(zhǎng)晶體的晶型并作相應(yīng)處理。⑤晶體生長(zhǎng)完成后，以每小時(shí)20°C的降溫速率逐漸降至室溫，獲得片狀藍(lán)寶石晶體。所述獲得的片狀藍(lán)寶石晶體為片狀藍(lán)寶石單晶，具有規(guī)整的外形，表面平坦，在 100 W白熾燈下觀察無氣泡；切出20X 20X 5mm薄片光學(xué)拋光后，在應(yīng)力儀下觀察無應(yīng)力。實(shí)施例2
在采用導(dǎo)模法生長(zhǎng)片狀藍(lán)寶石過程中抑制氣泡的方法，包括以下步驟
(I)采用高純焰熔法生長(zhǎng)的藍(lán)寶石碎料為原料，經(jīng)800°C高溫加熱處理后，用去離子水淬火粉碎，再經(jīng)6次用去離子水清洗處理后烘干備用。步驟(2)、(3)同實(shí)施例I。(4)采用導(dǎo)模法生長(zhǎng)片狀藍(lán)寶石單晶
①將導(dǎo)模爐內(nèi)抽真空lX10_4Pa，采用中頻感應(yīng)加熱鑰發(fā)熱裝置，待爐內(nèi)紅亮?xí)r，緩慢充入高純氬氣至表壓為O. 01，靜置30分鐘，然后每隔20分鐘升溫一次，直至原料完全化掉； 在原料完全化掉之后靜置20分鐘，然后升溫20°C (比熔點(diǎn)高20°C)并靜置3小時(shí)，使化料時(shí)原料引入的氣體從熔體中慢慢溢出。②同實(shí)施例I。③將熔體溫度下降至2050°C，下?lián)u籽晶桿，將籽晶降到與熔體相隔Icm的位置， 觀察幾分鐘如果籽晶底端發(fā)白變圓滑，搖起籽晶桿，降溫10°C，靜置20分鐘后再搖下籽晶桿觀察，直至籽晶底端無變化即可繼續(xù)下?lián)u籽晶桿，使籽晶與熔體接觸并迅速提起；如果帶料，將溫度升高3°C，靜置20分鐘后繼續(xù)下種，直至不帶料即可嘗試進(jìn)行提拉。④提拉過程包括引晶、縮頸、擴(kuò)肩、等徑生長(zhǎng)步驟，其中，引晶時(shí)使晶體直徑不變， 長(zhǎng)度提拉3cm ;再通過升溫5°C來實(shí)現(xiàn)縮頸的過程，有效縮頸后再進(jìn)行擴(kuò)肩生長(zhǎng)；擴(kuò)肩階段的拉速隨著晶體肩的長(zhǎng)大由慢及快，每隔20分鐘增加4_/小時(shí)，直至等徑階段拉速15_/ 小時(shí)；在等徑階段當(dāng)看到生長(zhǎng)晶體的內(nèi)凹時(shí)，降低拉速為3mm/小時(shí)，降低溫度2°C，每隔20分鐘觀察生長(zhǎng)晶體的晶型并作相應(yīng)處理。⑤晶體生長(zhǎng)完成后，以每小時(shí)30°C的降溫速率逐漸降至室溫，獲得片狀藍(lán)寶石晶體。所述獲得的片狀藍(lán)寶石晶體為片狀藍(lán)寶石單晶，具有規(guī)整的外形，表面平坦，在 100 W白熾燈下觀察無氣泡；切出20X 20X 5mm薄片光學(xué)拋光后，在應(yīng)力儀下觀察無應(yīng)力。實(shí)施例3
實(shí)施目的，看原料對(duì)晶體質(zhì)量的影響
與實(shí)施例I不同的是，選用粉末原料而不是焰熔法的多晶原料。選取一定質(zhì)量的純度為99. 999%的氧化鋁(Al2O3)粉末，用有機(jī)玻璃模具盛裝，在液壓機(jī)上壓結(jié)，其后的整個(gè)生長(zhǎng)過程同實(shí)施例I的過程。獲得的晶體表面平整，完整無開裂，在100W白熾燈下觀察，內(nèi)部有隨機(jī)分布的大小不均的氣泡；切出20 X 20 X 5mm薄片光學(xué)拋光后，在應(yīng)力儀下觀察有應(yīng)力。實(shí)施例4
實(shí)施目的，看模具對(duì)晶體質(zhì)量的影響
與實(shí)施例I不同的是，采用普通的V型鍛壓鑰制模具，模具頂端內(nèi)側(cè)表面未進(jìn)行拋光處理。其余生長(zhǎng)過程同實(shí)施例I的過程。獲得的晶體完整，表面起伏較大，有明顯的縱向條紋；在100W白熾燈下觀察，內(nèi)部有縱向線狀分布?xì)馀荩磺谐?0 X 20 X 5mm薄片光學(xué)拋光后，在應(yīng)力儀下觀察有應(yīng)力。實(shí)施例5
實(shí)施目的，看籽晶方向?qū)w質(zhì)量的影響
與實(shí)施例I不同的是，選用不同方向的籽晶提拉生長(zhǎng)，籽晶方向及晶體質(zhì)量如表I所示，其余生長(zhǎng)過程同實(shí)施例I的過程。表I.籽晶方向?qū)w質(zhì)量的影響
權(quán)利要求
1.一種在采用導(dǎo)模法生長(zhǎng)片狀藍(lán)寶石過程中抑制氣泡的方法，其特征在于，包括以下步驟(1)原料的選取和處理原料采用高純焰熔法生長(zhǎng)的藍(lán)寶石碎料，經(jīng)500 800°C的高溫加熱處理后，用去離子水淬火粉碎，再經(jīng)5 6次用去離子水清洗處理后烘干備用；(2)模具的采用和處理采用V型鍛壓鑰制模具，模具頂端內(nèi)側(cè)表面采用機(jī)械拋光處理并達(dá)到鏡面效果；模具狹縫寬度為O. 5mm，坩堝用去離子水洗凈備用；(3)原料裝爐將步驟(I)處理過的藍(lán)寶石碎料放入步驟(2)處理過的鑰制模具的坩堝內(nèi)，并將坩堝置于導(dǎo)模爐中，完成裝爐；(4)采用導(dǎo)模法生長(zhǎng)片狀藍(lán)寶石單晶①將導(dǎo)模爐內(nèi)抽真空lX10_4Pa，采用中頻感應(yīng)加熱鑰發(fā)熱裝置，待爐內(nèi)紅亮?xí)r，緩慢充入高純氬氣至表壓為O. 01，靜置20 30分鐘，然后每隔15 20分鐘升溫一次，直至原料完全化掉；在原料完全化掉之后靜置15 20分鐘，然后升溫20°C并靜置2 3小時(shí)，使化料時(shí)原料引入的氣體從熔體中慢慢溢出；②采用端面法線方向?yàn)閙向的提拉法生長(zhǎng)的藍(lán)寶石單晶作為籽晶，籽晶兩個(gè)側(cè)面方向?yàn)閍向和c向,用a面作為主生長(zhǎng)面；③將熔體溫度下降至2050°C，下?lián)u籽晶桿，將籽晶降到與熔體相隔O.5 Icm的位置， 觀察如果籽晶底端發(fā)白變圓滑，搖起籽晶桿，降溫5 10°C，靜置15 20分鐘后再搖下籽晶桿觀察，直至籽晶底端無變化即可繼續(xù)下?lián)u籽晶桿，使籽晶與熔體接觸并迅速提起；如果帶料，將溫度升高I TC，靜置5 20分鐘后繼續(xù)下種，直至不帶料即可嘗試進(jìn)行提拉；④提拉過程包括引晶、縮頸、擴(kuò)肩、等徑生長(zhǎng)步驟，其中，引晶時(shí)使晶體直徑不變，長(zhǎng)度提拉2 3cm ;再通過升溫2 5°C來實(shí)現(xiàn)縮頸的過程，有效縮頸后再進(jìn)行擴(kuò)肩生長(zhǎng)；擴(kuò)肩階段的拉速隨著晶體肩的長(zhǎng)大由慢及快，每隔20分鐘增加2 4_/小時(shí)，直至等徑階段拉速15mm/小時(shí)；在等徑階段當(dāng)看到生長(zhǎng)晶體的內(nèi)凹時(shí)，降低拉速為I 3mm/小時(shí)，降低溫度 I 2°C，每隔20分鐘觀察生長(zhǎng)晶體的晶型并作相應(yīng)處理；⑤晶體生長(zhǎng)完成后，以每小時(shí)20 30°C的降溫速率逐漸降至室溫，獲得沒有氣泡的片狀藍(lán)寶石晶體。
2.根據(jù)權(quán)利要求I所述的在采用導(dǎo)模法生長(zhǎng)片狀藍(lán)寶石過程中抑制氣泡的方法，其特征在于，步驟(4)②所述m向籽晶的方向誤差范圍為±5°。
全文摘要
本發(fā)明在采用導(dǎo)模法生長(zhǎng)片狀藍(lán)寶石過程中抑制氣泡的方法，采用高純度焰熔法生長(zhǎng)的藍(lán)寶石碎塊作為原料，選用頂端表面光潔度達(dá)到鏡面效果的鉬制模具，在高純氬氣氣氛下化料生長(zhǎng)，完全化料后升溫20℃靜置2～3小時(shí)；選用端面法線方向?yàn)閙向的提拉法生長(zhǎng)的藍(lán)寶石單晶作為籽晶，所述籽晶的兩個(gè)側(cè)面方向?yàn)閍向和c向，用a面作為主生長(zhǎng)面，下種時(shí)等徑提拉2～3cm，有效縮頸后擴(kuò)肩生長(zhǎng)，提拉速度為15mm/小時(shí)，然后視晶體生長(zhǎng)情況實(shí)時(shí)改變功率和拉速，獲得片狀藍(lán)寶石晶體。本發(fā)明提供了一種在采用導(dǎo)模法生長(zhǎng)片狀藍(lán)寶石制備過程中能有效抑制氣泡的方法，制備的片狀藍(lán)寶石晶體外形規(guī)整、表面平坦、無氣泡和應(yīng)力條紋，為高質(zhì)量的藍(lán)寶石晶體。
文檔編號(hào)C30B29/20GK102586866SQ20121002813
公開日2012年7月18日 申請(qǐng)日期2012年2月9日 優(yōu)先權(quán)日2012年2月9日
發(fā)明者劉獻(xiàn)偉, 曹鳳凱 申請(qǐng)人:上海施科特光電材料有限公司