資源描述：
《數(shù)種藍寶石晶體生長方法》由會員上傳分享，免費在線閱讀，更多相關內(nèi)容在行業(yè)資料-天天文庫。
1、藍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時轟動一時的“日內(nèi)瓦紅寶石”，迄今人工生長藍寶石的研究已有100多年的歷史。在此期間，為了適應科學技術的發(fā)展和工業(yè)生產(chǎn)對于藍寶石晶體質(zhì)量、尺寸、形狀的特殊要求，為了提高藍寶石晶體的成品率、利用率以及降低成本，對藍寶石的生長方法及其相關理論進行了大量的研究，成果顯著。至今已具有較高的技術水平和較大的生產(chǎn)能力，為之配套服務的晶體生長設備——單晶爐也隨之得到了飛速的發(fā)展。隨著藍寶石晶體應用市場的急劇膨脹，其設備和技術也在上
2、世紀末取得了迅速的發(fā)展。晶體尺寸從2吋擴大到目前的12吋。低成本、高質(zhì)量地生長大尺寸藍寶石單晶已成為當前面臨的迫切任務。總體說來，藍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，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寶石晶體的方法主要有焰熔法、提拉法、區(qū)熔法、導模法、坩堝移動法、熱交換法、溫度梯度法、泡生法等。而泡生法工藝生長的藍寶石晶體約為目前市場份額的70%。LED藍寶石襯底晶體技術正屬于一個處于正在
3、發(fā)展的極端，由于晶體生長技術的保密性，其多數(shù)晶體生長設備都是根據(jù)客戶要求按照工藝特點定做，或者采用其他晶體生長設備改造而成。下面介紹幾種國際上目前主流的藍寶石晶體生長方法。圖9藍寶石晶體的生長技術發(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，此后相當長的一段時間內(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。上世紀六七十年代，經(jīng)前蘇聯(lián)的Musatov改進，將此方法應用于藍寶石單晶的制備。該方法生長的單晶
4、，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。其原理與柴氏拉晶法(Czochralskimethod)類似，先將原料加熱至熔點后熔化形成熔湯，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，最后凝固成一整個單晶晶碇，圖10即為泡生法(Kyropoulosm
5、ethod)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，調(diào)整加熱器功率，使熔融的原料達到最合適的長晶溫度范圍，讓生長速度達到最理想化，因而長出品質(zhì)最理想的藍寶石單晶。該方法主要特點：1)在整個晶體生長過程中，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，減小熱應力；2)晶體生長時，固液界面處于熔體包圍之中。這樣熔體表面的溫度擾動和機械擾動在到達固液界面以前可被熔體減小以致消除；3)選用軟水
6、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驗成本；4)晶體生長過程中存在晶體的移動和轉(zhuǎn)動，容易受到機械振動影響。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Poladino和Rotter首先應用到藍寶石單晶的生長中，成功生長出質(zhì)量較高的藍寶石晶體，晶體生長示意圖如圖11所示。先將原料加熱至熔點后熔化形成熔湯，再利用一單晶晶種接觸到熔湯表面，在晶
7、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)，隨著晶種的向上拉升，熔湯逐漸凝固于晶種的液固界面上，進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。每個部份都有其用意，生長晶頸主要是用來消除差排。因為長晶過程復雜，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
8、大到所需的尺寸，此步驟為晶冠生長。當晶體直徑增大到所需尺寸時，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，需格外小心。當晶身長完時，就要使晶棒離開熔湯，此時拉升的速度會變快，使晶棒的直徑縮小，
