資源描述：
《數(shù)種藍(lán)寶石晶體生長方法》由會員上傳分享，免費(fèi)在線閱讀，更多相關(guān)內(nèi)容在教育資源-天天文庫。
1、藍(lán)寶石晶體的生長方法自1885年由Fremy、Feil和Wyse利用氫氧火焰熔化天然紅寶石粉末與重鉻酸鉀而制成了當(dāng)時(shí)轟動(dòng)一時(shí)的“日內(nèi)瓦紅寶石”，迄今人工生長藍(lán)寶石的研究已有100多年的歷史。在此期間，為了適應(yīng)科學(xué)技術(shù)的發(fā)展和工業(yè)生產(chǎn)對于藍(lán)寶石晶體質(zhì)量、尺寸、形狀的特殊要求，為了提高藍(lán)寶石晶體的成品率、利用率以及降低成本，對藍(lán)寶石的生長方法及其相關(guān)理論進(jìn)行了大量的研究，成果顯著。至今已具有較高的技術(shù)水平和較大的生產(chǎn)能力，為之配套服務(wù)的晶體生長設(shè)備——單晶爐也隨之得到了飛速的發(fā)展。隨著藍(lán)寶石晶體應(yīng)用市場的急劇膨脹，其設(shè)備和技術(shù)也在上世紀(jì)末取得了迅速的發(fā)展。晶體
2、尺寸從2吋擴(kuò)大到目前的12吋。低成本、高質(zhì)量地生長大尺寸藍(lán)寶石單晶已成為當(dāng)前面臨的迫切任務(wù)?？傮w說來，藍(lán)寶石晶體生長方式可劃分為溶液生長、熔體生長、氣相生長三種，其中熔體生長方式因具有生長速率快，純度高和晶體完整性好等特點(diǎn)，而成為是制備大尺寸和特定形狀晶體的最常用的晶體生長方式。目前可用來以熔體生長方式人工生長藍(lán)寶石晶體的方法主要有焰熔法、提拉法、區(qū)熔法、導(dǎo)模法、坩堝移動(dòng)法、熱交換法、溫度梯度法、泡生法等。而泡生法工藝生長的藍(lán)寶石晶體約為目前市場份額的70%。LED藍(lán)寶石襯底晶體技術(shù)正屬于一個(gè)處于正在發(fā)展的極端，由于晶體生長技術(shù)的保密性，其多數(shù)晶體生長設(shè)備
3、都是根據(jù)客戶要求按照工藝特點(diǎn)定做，或者采用其他晶體生長設(shè)備改造而成。下面介紹幾種國際上目前主流的藍(lán)寶石晶體生長方法。圖9藍(lán)寶石晶體的生長技術(shù)發(fā)展1凱氏長晶法(Kyropoulosmethod)簡稱KY法，中國大陸稱之為泡生法。泡生法是Kyropoulos于1926年首先提出并用于晶體的生長，此后相當(dāng)長的一段時(shí)間內(nèi)，該方法都是用于大尺寸鹵族晶體、氫氧化物和碳酸鹽等晶體的制備與研究。上世紀(jì)六七十年代，經(jīng)前蘇聯(lián)的Musatov改進(jìn)，將此方法應(yīng)用于藍(lán)寶石單晶的制備。該方法生長的單晶，外型通常為梨形，晶體直徑可以生長到比坩鍋內(nèi)徑小10～30mm的尺寸。其原理與柴氏拉
4、晶法(Czochralskimethod)類似，先將原料加熱至熔點(diǎn)后熔化形成熔湯，再以單晶之晶種（SeedCrystal，又稱籽晶棒）接觸到熔湯表面，在晶種與熔湯的固液界面上開始生長和晶種相同晶體結(jié)構(gòu)的單晶，晶種以極緩慢的速度往上拉升，但在晶種往上拉晶一段時(shí)間以形成晶頸，待熔湯與晶種界面的凝固速率穩(wěn)定后，晶種便不再拉升，也沒有作旋轉(zhuǎn)，僅以控制冷卻速率方式來使單晶從上方逐漸往下凝固，最后凝固成一整個(gè)單晶晶碇，圖10即為泡生法(Kyropoulosmethod)的原理示意圖。泡生法是利用溫度控制來生長晶體，它與柴氏拉晶法最大的差異是只拉出晶頸，晶身部分是靠著溫
5、度變化來生長，少了拉升及旋轉(zhuǎn)的干擾，比較好控制制程，并在拉晶頸的同時(shí)，調(diào)整加熱器功率，使熔融的原料達(dá)到最合適的長晶溫度范圍，讓生長速度達(dá)到最理想化，因而長出品質(zhì)最理想的藍(lán)寶石單晶。該方法主要特點(diǎn)：1)在整個(gè)晶體生長過程中，晶體不被提出坩堝，仍處于熱區(qū)。這樣就可以精確控制它的冷卻速度，減小熱應(yīng)力；2)晶體生長時(shí)，固液界面處于熔體包圍之中。這樣熔體表面的溫度擾動(dòng)和機(jī)械擾動(dòng)在到達(dá)固液界面以前可被熔體減小以致消除；3)選用軟水作為熱交換器內(nèi)的工作流體，相對于利用氦氣作冷卻劑的熱交換法可以有效降低實(shí)驗(yàn)成本；4)晶體生長過程中存在晶體的移動(dòng)和轉(zhuǎn)動(dòng)，容易受到機(jī)械振動(dòng)影響
6、。圖10泡生法(Kyropoulosmethod)之原理示意圖2柴氏拉晶法(Czochralskimethod)簡稱CZ法。從熔體中提拉生長晶體的方法為Czochralski于1918年首創(chuàng)，自1964年P(guān)oladino和Rotter首先應(yīng)用到藍(lán)寶石單晶的生長中，成功生長出質(zhì)量較高的藍(lán)寶石晶體，晶體生長示意圖如圖11所示。先將原料加熱至熔點(diǎn)后熔化形成熔湯，再利用一單晶晶種接觸到熔湯表面，在晶種與熔湯的固液界面上因溫度差而形成過冷。于是熔湯開始在晶種表面凝固并生長和晶種相同晶體結(jié)構(gòu)的單晶。晶種同時(shí)以極緩慢的速度往上拉升，并伴隨以一定的轉(zhuǎn)速旋轉(zhuǎn)，隨著晶種的向上
7、拉升，熔湯逐漸凝固于晶種的液固界面上，進(jìn)而形成一軸對稱的單晶晶棒。在拉升的過程中，透過控制拉升速度的快慢的調(diào)配，分別生長晶頸(Neck)，晶冠(Shoulder)，晶身(Body)以及晶尾。每個(gè)部份都有其用意，生長晶頸主要是用來消除差排。因?yàn)殚L晶過程復(fù)雜，差排產(chǎn)生量不易支配，所以大部分的晶體生長過程，都以消除差排為主要選擇。長完晶頸后，需放慢拉升速度，使晶體直徑增大到所需的尺寸，此步驟為晶冠生長。當(dāng)晶體直徑增大到所需尺寸時(shí)，就以等速的速度來拉升，此部分的晶體直徑是固定的，也就是晶身部分。此部分就是要作為工業(yè)用基板材料的部份，所以生長時(shí)，需格外小心。當(dāng)晶身長
8、完時(shí)，就要使晶棒離開熔湯，此時(shí)拉升的速度會變快，使晶棒的直徑縮小，
