蓝宝石泡生法(KY法)晶体生长流程图
泡生法生长蓝宝石
泡生法生长蓝宝石晶体1 引言无色蓝宝石(α- Al2O3)属六方晶系,最高工作温度可以达到1900 ℃。
目前以其特殊的物理化学性质、价格优势和晶体尺寸而成为光电子和微电子产业中用量最大的无机氧化物晶体材料,尤其是在本世纪的固体光源革命中,以蓝宝石为衬底的GaN基蓝绿光LED产业的大力发展,不断推动着对蓝宝石生长技术和晶体质量的研究。
此外,由于蓝宝石晶体易于获得大尺寸单晶,而且其热噪音仅为石英玻璃的1.9倍,模式因子Q比石英玻璃高两个数量级,故以蓝宝石晶体作为干涉仪光学介质将极大地提高光学灵敏度。
蓝宝石晶体已经被美国国家自然科学基金委员会作为L IGO (Laser Interferometer Gravitational Wave Observatory)计划中首选的光学材料。
因此高光学质量和大尺寸蓝宝石晶体生长技术仍然是产业界探索和研究的热点内容之一。
2 蓝宝石晶体的生长技术蓝宝石晶体的合成方法主要有焰熔法、助熔剂法和熔体法, 其中熔体法又可分为几种。
焰熔法生长的宝石晶体尺寸较小, 具有大量的镶嵌结构, 质量欠佳；助熔剂法生长的宝石晶体也很小, 且含有助熔剂阳离子, 质量也不太好；而熔体法生长的宝石晶体具有较高的纯度和完整性, 尺寸较大。
其基本原理是将晶体原料放入耐高温坩埚中加热熔化, 然后在受控条件下通过降温使熔体过冷却, 从而生长晶体。
由于降温的受控条件不同, 因此, 从熔体中生长宝石晶体的方法也稍有不同。
目前, 世界上主要的熔体法生长技术有4种晶体提拉法、导模法、热交换法和泡生法。
本文着重报道的是利用泡生法生长无色蓝宝石晶体。
2.1 晶体提拉法晶体提拉法( cr ystal pulling metho d) 由J.Czochralski 于1918 年发明, 故又称 丘克拉斯基法 , 简称Cz 提拉法, 是利用籽晶从熔体中提拉生长出晶体的方法, 能在短期内生长出高质量的单晶。
这是从熔体中生长晶体最常用的方法之一。
晶体生长方法(新)
晶体生长方法1) 提拉法（Czochralski,Cz ）晶体提拉法的创始人是J. Czochralski ，他的论文发表于1918年。
提拉法是熔体生长中最常用的一种方法，许多重要的实用晶体就是用这种方法制备的。
近年来，这种方法又得到了几项重大改进，如采用液封的方式（液封提拉法，LEC ），如图1，能够顺利地生长某些易挥发的化合物（GaP 等）；采用导模的方式（导模提拉法）生长特定形状的晶体（如管状宝石和带状硅单晶等）。
所谓提拉法，是指在合理的温场下，将装在籽晶杆上的籽晶下端，下到熔体的原料中，籽晶杆在旋转马达及提升机构的作用下，一边旋转一边缓慢地向上提拉，经过缩颈、扩肩、转肩、等径、收尾、拉脱等几个工艺阶段，生长出几何形状及内在质量都合格单晶的过程。
这种方法的主要优点是：(a) 在生长过程中，可以方便地观察晶体的生长情况；(b) 晶体在熔体的自由表面处生长，而不与坩埚相接触，这样能显著减小晶体的应力并防止坩埚壁上的寄生成核；(c) 可以方便地使用定向籽晶与“缩颈”工艺，得到完整的籽晶和所需取向的晶体。
提拉法的最大优点在于能够以较快的速率生长较高质量的晶体。
提拉法中通常采用高温难熔氧化物，如氧化锆、氧化铝等作保温材料，使炉体内呈弱氧化气氛，对坩埚有氧化作用，并容易对熔体造成污杂，在晶体中形成包裹物等缺陷；对于那些反应性较强或熔点极高的材料，难以找到合适的坩埚来盛装它们，就不得不改用其它生长方法。
图1 提拉法晶体生长装置结构示意图2)热交换法（Heat Exchange Method, HEM）热交换法是由D. Viechnicki和F.Schmid于1974年发明的一种长晶方法。
其原理是：定向凝固结晶法，晶体生长驱动力来自固液界面上的温度梯度。
特点：(1) 热交换法晶体生长中，采用钼坩埚，石墨加热体，氩气为保护气体，熔体中的温度梯度和晶体中的温度梯度分别由发热体和热交换器（靠He作为热交换介质）来控制，因此可独立地控制固体和熔体中的温度梯度；(2) 固液界面浸没于熔体表面，整个晶体生长过程中，坩埚、晶体、热交换器都处于静止状态，处于稳定温度场中，而且熔体中的温度梯度与重力场方向相反，熔体既不产生自然对流也没有强迫对流；(3) HEM法最大优点是在晶体生长结束后，通过调节氦气流量与炉子加热功率，实现原位退火，避免了因冷却速度而产生的热应力；(4) HEM可用于生长具有图2HEM晶体生长装置结构示意图特定形状要求的晶体。
人工蓝宝石加工介绍
蓝宝石晶体 晶棒
晶棒
基片
蓝宝石晶棒制造工艺流程
蓝晶棒
长晶: 利用长晶炉生长尺寸大且高品质的单晶蓝宝石晶体
定向: 确保蓝宝石晶体在掏棒机台上的正确位置,便于掏棒加工
掏棒: 以特定方式从蓝宝石晶体中掏取出蓝宝石晶棒
除红宝石以外的所有刚玉宝石的通称
主要化学成分:Al2O3 晶体结构：六方晶格结构 掺杂不同的金属离子而呈现不同颜色 硬度：莫氏硬度9 熔点高 化学稳定性好 电绝缘性 透明度高（对近紫外到中红外的光都不吸收）
蓝宝石晶体生长方法
• 溶液生长
• 熔体生长 • 气相生长
紫氏拉晶法 即:提拉法(CZ)
凯氏长晶法 即:泡生法(KY) 热交换法(HEM)
滚磨: 用外圆磨床进行晶棒的外圆磨削,得到精确的外圆尺寸精度
品检: 确保晶棒品质以及以及掏取后的晶棒尺寸与方位是否合客户规格
蓝宝石基片制造工艺流程 晶棒
机械加工
基片
定向:在切片机上准确定位蓝宝石晶棒的位置,以便于精准切片加工 切片:将蓝宝石晶棒切成薄薄的晶片 研磨:去除切片时造成的晶片切割损伤层及改善晶片的平坦度 倒角:将晶片边缘修整成圆弧状,改善薄片边缘的机械强度,避免应力集中造成缺陷 抛光:改善晶片粗糙度,使其表面达到外延片磊晶级的精度 清洗:清除晶片表面的污染物(如:微尘颗粒,金属,有机玷污物等) 品检:以高精密检测仪器检验晶片品质(平坦度,表面微尘颗粒等),以合乎客户要求
提拉法加工工艺： （1）将原料加热熔融至熔汤 (2)利用一籽晶(单晶晶种）插入到 熔汤中（温度适宜籽晶不会融化） (3）慢慢向上提拉和转动晶杆，同 时缓慢降低加热功率，籽晶就会不 断长粗。控制好加热功率就能够得 到所需直径的晶体。
2.2.14 蓝宝石晶体生长工艺及设备
了说明，对蓝宝石单晶生长工艺及设备的国内外发展趋势进行了探讨。
关键词： 蓝宝石；单晶；生长；工艺；设备
中图分类号： TN304.053
文献标识码： B
文 章 编 号 ：1004-4507(2011)07-0007-05
Sapphire Crystal Growth Technology and Equipment
材料 名称
应用领域
主要用途
蓝 耐磨元件 仪表轴承、钟表轴承、天平刀口、陀螺
宝 可见光窗口 表镜、手机、条码机、投影仪窗口
石 红外窗口 红外分析仪、探测器、夜视仪、整流罩
晶 电真空器件 行波管夹持件、无磁支撑件、高温绝缘件 体
外延衬底 SOS 衬底、ZnO 衬底、GaN 衬底
2.1 焰 熔 法 （Flame fusion，或 称 Verneuil 法 ） 由法国人维尔纳叶（Verneuil）于 1902 年正式
wwwwenkuxiazaicom晶体品质好可生长大尺寸晶体材料利用率高工艺稳定可生长大尺寸晶体晶体利用率较高生长周期短晶体生长情况可观察缺点代表公司需要掏棒晶体利用率较低rubicon美monocrystal俄stc独有专利stc韩设备构造复杂大直径晶体工艺复杂京瓷日并木日蓝晶科技中国晶体生长周期长成本较高gtsolar美位错控制困难晶体尺寸受honywell美限制成本较高saintgobain法晶体品质差100000工艺简单成本低国内外蓝宝石单晶发展现状蓝宝石是目前市场上使用最广泛的蓝绿光led衬底材料由于2009年下半年以来led行业的超常规发展导致蓝宝石晶棒短缺致使50mm晶片价格由2009年上半年的7美元上涨到2010年底的30美元左右
具顶端，在此模具顶端的熔体部位下入籽晶，然后 按照导模狭缝所限定的形状连续生长晶体。通过 改变导模的形状，可以生长片、棒、管、丝等各种特 殊形状的蓝宝石晶体，从而免除了对于蓝宝石晶 体繁重的切割、成型等加工程序，大大减少了物料 的损耗，节省了加工时间，从而使得蓝宝石的成本 显著降低。
蓝宝石长晶技术简介
藍寶石單晶生長方法介紹藍寶石單晶的長晶方法有很多種，其中最常用的主要有九種，介紹如下：1凱氏長晶法(Kyropoulos method)簡稱 KY 法，中國大陸稱之為泡生法。
其原理與柴氏拉晶法(Czochralski method)類似，先將原料加熱至熔點後熔化形成熔湯，再以單晶之晶種(Seed Crystal，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構的單晶，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定後，晶種便不再拉升，也沒有作旋轉，僅以控制冷卻速率方式來使單晶從上方逐漸往下凝固，最後凝固成一整個單晶晶碇，凱氏長晶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，並在拉晶頸的同時，調整加熱電壓，使熔融的原料達到最合適的長晶溫度範圍，讓生長速度達到最理想化，因而長出品質最理想的藍寶石單晶。
國外許多生長藍寶石的廠商，也是採用此方法以生長藍寶石單晶，凱氏長晶法在生長過程中，除了晶頸需拉升外，其餘只需控制溫度的變化，就可使晶體成型，少了拉升及旋轉的干擾，比較好控制製程，因而可得到較佳的品質。
所以生長的藍寶石單晶具有以下的優點： 1.高品質(光學等級)。
2.低缺陷密度。
3.大尺寸。
4.較快的生長率。
5.高產能。
6.較佳的成本效益。
凱氏長晶法原理示意圖2柴氏拉晶法(Czochralski method)簡稱 CZ 法。
柴氏拉晶法之原理，先將原料加熱至熔點後熔化形成熔湯，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。
於是熔湯開始在晶種表面凝固並生長和晶種相同晶體結構的單晶。
晶種同時以極緩慢的速度往上拉升，並伴隨以一定的轉速旋轉，隨著晶種的向上拉升，熔湯逐漸凝固於晶種的液固界面上，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配，分別生長晶頸(Neck)、晶冠(Shoulder)、晶身(Body)以及晶尾。
蓝宝石晶体生长方法
一、蓝宝石生长1.1 蓝宝石生长方法1.1.1 焰熔法V erneuil (flame fusion)最早是1885年由弗雷米（E. Fremy）、弗尔（E. Feil）和乌泽（Wyse）一起，利用氢氧火焰熔化天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（Verneuil）改进并发展这一技术使之能进行商业化生产。
因此，这种方法又被称为维尔纳叶法。
1）基本原理焰熔法是从熔体中生长单晶体的方法。
其原料的粉末在通过高温的氢氧火焰后熔化，熔滴在下落过程中冷却并在种晶上固结逐渐生长形成晶体。
2）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。
下图是焰熔生长原料及设备简图。
这个方法可以简述如下。
图中锤打机构的小锤7按一定频率敲打料筒，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。
氢经入口流进，在喷口和氧气一起混合燃烧。
粉料在经过高温火焰被熔融而落在一个温度较低的结晶杆2上结成晶体了。
炉体4设有观察窗。
可由望远镜8观看结晶状况。
为保持晶体的结晶层在炉内先后维持同一水平，在生长较长晶体的结晶过程中，同时设置下降机构1，把结晶杆2缓缓下移。
焰熔法合成装置由供料系统、燃烧系统和生长系统组成，合成过程是在维尔纳叶炉中进行的。
A.供料系统原料：成分因合成品的不同而变化。
原料的粉末经过充分拌匀，放入料筒。
如果合成红宝石，则需要Al2O3粉末和少量的 Cr2O3参杂，Cr2O3用作致色剂，添加量为 1-3%。
三氧化二铝可由铝铵矾加热获得。
料筒：圆筒，用来装原料，底部有筛孔。
料筒中部贯通有一根震动装置使粉末少量、等量、周期性地从筛孔漏出。
震荡器：驱动震动棒震动，使料筒不断抖动，以便原料的粉末能从筛孔漏出。
B.燃烧系统氧气管：从料筒一侧释放，与原料粉末一同下降；氢气管：在火焰上方喷嘴处与氧气混合燃烧。
晶体生长方法(新)
晶体生长方法(新)晶体生长方法1) 提拉法（Czochralski,Cz）晶体提拉法的创始人是J. Czochralski，他的论文发表于1918年。
提拉法是熔体生长中最常用的一种方法，许多重要的实用晶体就是用这种方法制备的。
近年来，这种方法又得到了几项重大改进，如采用液封的方式（液封提拉法，LEC），如图1，能够顺利地生长某些易挥发的化合物（GaP等）；采用导模的方式（导模提拉法）生长特定形状的晶体（如管状宝石和带状硅单晶等）。
所谓提拉法，是指在合理的温场下，将装在籽晶杆上的籽晶下端，下到熔体的原料中，籽晶杆在旋转马达及提升机构的作用下，一边旋转一边缓慢地向上提拉，经过缩颈、扩肩、转肩、等径、收尾、拉脱等几个工艺阶段，生图1 提拉法晶体生长装置结构示意图长出几何形状及内在质量都合格单晶的过程。
这种方法的主要优点是：(a) 在生长过程中，可以方便地观察晶体的生长情况；(b) 晶体在熔体的自由表面处生长，而不与坩埚相接触，这样能显著减小晶体的应力并防止坩埚壁上的寄生成核；(c) 可以方便地使用定向籽晶与“缩颈”工艺，得到完整的籽晶和所需取向的晶体。
提拉法的最大优点在于能够以较快的速率生长较高质量的晶体。
提拉法中通常采用高温难熔氧化物，如氧化锆、氧化铝等作保温材料，使炉体内呈弱氧化气氛，对坩埚有氧化作用，并容易对熔体造成污杂，在晶体中形成包裹物等缺陷；对于那些反应性较强或熔点极高的材料，难以找到合适的坩埚来盛装它们，就不得不改用其它生长方法。
2) 热交换法（Heat Exchange Method, HEM）热交换法是由D. Viechnicki和F.Schmid于1974年发明的一种长晶方法。
其原理是：定向凝固结晶法，晶体生长驱动力来自固液界面上的温度梯度。
特点：(1) 热交换法晶体生长中，采用钼坩埚，石墨加热体，氩气为保护气体，熔体中的温度梯度和晶体中的温度梯度分别由发热体和热交换器（靠He作为热交换介质）来控制，因此可独立地控制固体和熔体中的温度梯度；(2) 固液界面浸没于熔体表面，整个晶体生长过程中，坩埚、晶体、热交换器都处于静止状态，处于稳定温度场中，而且熔体中的温度梯度与重力场方向相反，熔体既不产生自然对流也没有强迫对流；(3) HEM法最大优点是在晶体生长结束后，通过调节氦气流量与炉子加热功率，实现原位退火，避免了因冷却速度而产生的热应力；(4) HEM可用于生长具有特定形状要求的晶体。
蓝宝石晶体生长技术详解
三、蓝宝石衬底片的加工工艺
机械 加工
机械 加工
晶体
晶棒
基片
晶体
晶棒
晶棒
基片
thanks
熔体表面有凝固浮岛的照片 （a）多边形（b）长条形
下籽晶照片
6、缩颈生长
当籽晶接触到熔体时，此时将产生一固液接口，晶颈便从籽晶接触到熔 体的固液接口处开始生长。 Kyropoulos方法生长蓝宝石单晶，需使用拉晶装置来拉晶颈部分，这个阶 段主要是判断并微调生长晶体之熔体温度。若晶颈生长速度太快，表示温 度过低，必须调高温度。若晶体生长速度太慢，或是籽晶有熔化现象，表 示温度过高，必须调降温度。由缩颈的速度来调整温度，使晶体生长温度 达到最适化。
晶生长（a）示意图，（b）实际情形照片颈
7、等径生长
当温度调整到最适化时，就停止 缩颈程序，开始生长晶身，不需要 靠拉晶装置往上提拉，只需使温度 慢慢下降，熔体就在坩埚内从籽晶 所延伸出来的单晶接口上，从上往 下慢慢凝固成一整个单晶晶碇。
8、晶体脱离坩埚 9、退火 10、冷却 11、晶体检测
晶体开始生长时期照片
泡生法(Kyropoulos method)原理示意图
泡生法的主要优点是：
1.较快的生长率（0.1—25mm/h） 2.高质量(光学等级) 3.大尺寸，无污染 4.低缺陷密度 5.高产能 6.较佳的成本效益
泡生法主要缺点是：
对生长设备的要求比较高
泡生法生长晶体的一般步骤：
1、填充原料及架设籽晶
首先称取一定重量的原料装到坩 埚内，以达到充填致密之效果。之 后，将坩埚放进炉体内加热器中央。 用耐高温钨钼合金线籽晶固定在 拉晶杆上，以利下籽晶或取出晶体 时可用拉晶装置来控制高度。
2、炉体抽真空
蓝宝石晶体生长方法（全）
晶体生长方法1. 底部籽晶法 (2)2. 冷坩埚法 (2)3. 高温高压法 (4)4. 弧熔法 (9)5. 提拉法 (9)6. 焰熔法 (12)7. 熔剂法 (14)8. 水平区熔 (16)9. 升华法 (17)10. 水热法生长晶体 (19)11. 水溶液法生长晶体 (21)12. 导向温梯法（TGT）生长蓝宝石简介 (22)1. 底部籽晶法图1 底部籽晶水冷实验装置示意图与提拉法相反，这种生长方法中坩埚上部温度高，下部温度低。
将一管子处在坩埚底部，通入水或液氮使下面冷却，晶体围绕着籽晶从坩埚底部生长2. 冷坩埚法图2 冷坩埚生长示意图人工合成氧化锆即采用冷坩埚法，因为氧化锆的熔点高（～2700℃），找不到合适的坩埚材料。
此时，用原料本身作为"坩埚"进行生长，装置如图2所示。
原料中加有引燃剂（如生长氧化锆时用的锆片），在感应线圈加热下熔融。
氧化锆在低温时不导电，到达一定温度后开始导热，因此锆片附近的原料逐渐被熔化。
同时最外层的原料不断被水冷套冷却保持较低温度，而处于凝固状态形成一层硬壳,起到坩埚的作用，硬壳内部的原料被熔化后随着装置往下降入低温区而冷却结晶。
3. 高温高压法图3 四面顶高压机(左)及六面顶高压机(右)的示意图图4 两面顶高温高压设备结构图图5 两面顶高温高压设备结构图图6 人工晶体研究院研制的6000吨压机图7 人造金刚石车间图8 六面顶高压腔及其试验件图9 钢丝缠绕高压模具图10 CVD生长金刚石薄膜的不同设计图11 南非德·拜尔公司合成的金刚石薄膜窗口图12 德·拜尔公司在1991年合成的14克拉单晶钻石温高压法可以得到几万大气压，1500℃左右的压力和温度，是生长金刚石，立方氮化硼的方法。
目前，高温高压法不但可以生长磨料级的金刚石，还可以生长克拉级的装饰性宝石金刚石。
金刚石底膜可用化学气相沉积方法在常压下生长。
4. 弧熔法图13 弧熔法示意图料堆中插入电极，在一定的电压下点火，发出电弧。
泡生法生长蓝宝石
❖ 晶体的生长过程是一个不断的变温过程， 晶体内的每一个部分都将随着温度的升高或 降低而趋于膨胀或收缩。但由于晶体内温度 梯度的存在，热膨胀系数的各向异性，使得 晶体内各个部分的膨胀或收缩相匀制约，不 能自由的发生，导致热应力的产生，由经典 弹性理论，对柱状晶体可推导出径向，轴向 的位移分量为:
❖ 因此，根据无色蓝宝石单晶的热导率等 性质，建立合理的温度梯度是生长完整单晶 的前提。
❖ 由此可见，选择合适的晶体生长方向是必要 ❖ 的。无色蓝宝石晶体的生长方向，结合建立的温度
梯度，生长出了高质量、大直径的单晶。
泡生法生长的高质量无色蓝宝石晶体通常可 ❖ 应用于国防工业、军工科技和尖端科学技术研究 ❖ 领域，还可用于珠宝首饰行业。
❖ 泡生法与提拉法生长晶体在技术上的区别
是: (l)晶体直径在扩肩时前者的晶体直径较
大，可生长出200 mm以上直径的蓝宝石晶体， 而后者则有些难度; （2）晶体方向前者对生长大尺寸、有方向 性的蓝宝石晶体拥有更大的优势;
❖ ( 3)晶体质量泡生法生长系统拥有适合蓝宝石 晶体生长的最佳温度梯度。在生长的过程中 或结束时，晶体不与坩埚接触，大大减少了 其应力，可获得高质量的大晶体，其缺陷密 度低于提拉法生长的晶体，
❖ 5.小心地调节加热功率，使液面温度等于熔
❖ 点，实现宝石晶体生长的缩颈一扩肩一等径生长
❖ 一收尾全过程。 整个晶体生长装置安放在一个外罩 内，以便抽真空后充入惰性气体，保持生长环境中 需要的气体和压强。通过外罩上的窗日观察晶体的 生长情况，随时调节温度，保证生长过程正常进行。
❖ 体中的温度梯度K，和K分别为熔体和晶体的 热导率;z为结晶潜热;P为晶体密度。晶体最 大生长速率取决于晶体中温度梯度的大小要 提高晶体的生长速率，必须加大温度梯度。 但温度梯度过大，又会增加晶体的热应力， 增大位错密度，甚至导致晶体开裂。
泡生法蓝宝石晶体生长热场
泡生法蓝宝石晶体生长热场建立起合适的温场是泡生法生长大尺寸、高质量蓝宝石晶体的关键。
泡生法蓝宝石晶体生长系统的温场在轴向应该存在三个区域，即低温区、梯度区、高温区。
低温区：主要用于控制热量在晶体中输运的方向和快慢，同时对生长出的晶体进行退火以消除热应力，要求低温区的温度不能太低；对于大尺寸的蓝宝石晶体一般选择在对消除晶体应力、散射、缺陷最敏感的温度附近（一般选择在1700度以上）。
梯度区：是晶体生长的前沿，即固液界面所在的位置，晶体生长的驱动力就来源于该区的温度梯度造成的局部过冷，因而也是晶体生长最重要的区域。
温度梯度决定晶体的生长速度和生长界面形状，温度梯度大，热量输运速度快，晶体生长的速度快，界面稳定性好，抗扰动能力强。
高温区：主要用于原料的融化，为了保证原料的全部融化，高温区必须高于原料的熔点温度，且为了防止较大温度引起的强大对流，高温区内温差一般不大于20度，为了得到一定程度的凸界面生长，对于高温区的径向温度分布，既要有一定的径向温度梯度，又要求径向温度分布中心对称。
在生长大直径单晶时，加强低温区的保温，控制梯度区的温度梯度和高温区的过热温度，对保证晶体不开裂，生长界面温度与熔体不局部成核结晶极为重要。
热场设计是将加热体做成一定形状，隔热屏设计成一定结构，使下部发热电阻比上部发热电阻大，下部保温性能好，上部保温性能差，从而产生一个比较均匀，下高上低的轴向温度差；同时用过特殊装置控制坩埚底部散热，产生一个中间低，两侧高的径向温度差。
从35kg蓝宝石生长到50kg蓝宝石生长，投料量的增加，必然会使用直径大的热系统，以及大坩埚。
而热系统越大，其温度梯度越难控制。
所以建立新的能生长出高品质50kg蓝宝石的热场是关键。
蓝宝石生长更大程度依赖于生长炉和技术管控，当前各大长晶方式比拼的重点也在成本。
泡生法被一度卡在80kg级，并不是更大的晶体无法量产而是良率很难保证。
投入量产必将进一步降低蓝宝石厂家生产成本。
温度梯度法示意图温度梯度法特点1晶体生长时温度梯度与重力方向
用此方法生长的晶体可长达1m。由于
生长速度较快，利用该法生长的红宝 石晶体应力较大, 只适合做手表轴承
等机械性能方面
导模法(EFG)
导模法生长晶体的原理如左 图所示。将原料置于铱坩埚 中，借由高调波感应加热器 加热原料使之熔化，于坩埚 中间放置一铱制模具，利用 毛细作用让熔汤摊平于铱制 模具的上方表面，形成一薄 膜，放下晶种使之碰触到薄 膜，于是薄膜在晶种的端面 上结晶成与晶种相同结构的 单晶。晶种再緩慢往上拉升， 逐渐生长单晶。同时由坩埚 中供应熔汤补充薄膜
晶体生长程序
1)先加熱熔化坩堝內的原料,使熔 體溫度保持略高於熔點5~10℃
2)堝底的晶種部分被熔化,爐溫緩
慢下降
3)開通He氣冷卻
4)熔體就被未熔化晶種為核心,逐
漸生長出充滿整個坩堝的大塊單晶
热交换法炉体示意图
热交换法的优点
1) 固/液界面位於坩堝內，且沒有拉伸的動作，不易 受到外力干擾 2) 藉由改變坩堝的外形就能改變晶體的形狀 3) 能夠分別控制熔區及固化區之溫度梯度 4) 可減少浮力對流之影響 5) 可直接在爐內進行退火減少晶體內之熱應力 6) 易於生長大尺寸晶體
热交换法的缺点
1) 2) 3) 4) 不適於生長強烈腐蝕坩堝的材料 生產過程會引入較大內應力 氦氣價格昂貴 氣流的流量難以精確控制
泡生法(KY)
泡生法 Kyropoulos method 由美国Kyropouls 发明 , 这种方法是将一根受冷的籽晶与熔体接触，如果界面的 温度低于凝固点，则籽晶开始生长，为了使晶体不断长 大，就需要逐渐降低熔体的温度，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结束时 不与坩埚壁接触，这就大大减少了 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， 其产出晶体缺陷密度远低于提拉法生长的晶体
蓝宝石晶体生长技术共104页PPT
谢谢！
ቤተ መጻሕፍቲ ባይዱ
61、奢侈是舒适的，否则就不是奢侈 。——CocoCha nel 62、少而好学，如日出之阳；壮而好学 ，如日 中之光 ；志而 好学， 如炳烛 之光。 ——刘 向 63、三军可夺帅也，匹夫不可夺志也。 ——孔 丘 64、人生就是学校。在那里，与其说好 的教师 是幸福 ，不如 说好的 教师是 不幸。 ——海 贝尔 65、接受挑战，就可以享受胜利的喜悦 。——杰纳勒 尔·乔治·S·巴顿
蓝宝石晶体生长技术
11、获得的成功越大，就越令人高兴 。野心 是使人 勤奋的 原因， 节制使 人枯萎 。 12、不问收获，只问耕耘。如同种树 ，先有 根茎， 再有枝 叶，尔 后花实 ，好好 劳动， 不要想 太多， 那样只 会使人 胆孝懒 惰，因 为不实 践，甚 至不接 触社会 ，难道 你是野 人。(名 言网) 13、不怕，不悔(虽然只有四个字，但 常看常 新。 14、我在心里默默地为每一个人祝福 。我爱 自己， 我用清 洁与节 制来珍 惜我的 身体， 我用智 慧和知 识充实 我的头 脑。 15、这世上的一切都借希望而完成。 农夫不 会播下 一粒玉 米，如 果他不 曾希望 它长成 种籽； 单身汉 不会娶 妻，如 果他不 曾希望 有小孩 ；商人 或手艺 人不会 工作， 如果他 不曾希 望因此 而有收 益。-- 马钉路 德。
《各种长晶方法》PPT课件
为何使用蓝宝石当 LED衬底材料
• 可用于LED衬底的材料主要有硅、碳化硅、蓝宝石、氮 化镓等。由于硅单晶和氮化镓晶格匹配太差无无法商业 化应用；碳化硅单晶成本价格较高，目前市价约是蓝宝 石晶体的5倍以上，且只有美国科瑞公司掌握成熟技术， 目前占市场应用不到10%；氮化镓单晶制备更是困难， 虽然同质外延质量最好，但价格是蓝宝石晶体的数百倍。 综上所述，预计在未来10到30年范围，蓝宝石单晶是 LED衬底材料的理想选择
节温度梯度。
泡生法(KY)
• 泡生法 Kyropoulos method 由美国Kyropouls 发明 , 这种方法是将一根受冷的籽晶与熔体接触，如果界面的 温度低于凝固点，则籽晶开始生长，为了使晶体不断长 大，就需要逐渐降低熔体的温度，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结束时 不与坩埚壁接触，这就大大减少了 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， 其产出晶体缺陷密度远低于提拉法生长的晶体
• 1) 由于可以把原料密封在坩埚里，减少了挥发造成的 泄漏和污染，使晶体的成分容易控制
• 2) 操作简单，可以生长大尺寸的晶体。可生长的晶体 品种也很多，且易实现程序化生长
坩埚下降法的缺点
• 1) 不适宜生长在冷却时体积增大的晶体 • 2) 由于晶体在整个生长过程中直接与坩埚接触，往往会在
晶体中引入较大的内应力和较多的杂质 • 3) 在晶体生长过程中难于直接观察，生长周期也比较长 • 4) 若在下降法中采用籽晶法生长，如何使籽晶在高温区既
坩埚下降法示意图
坩埚下降法原理
• 下降法一般采用自发成核生长晶体，其获得单晶体的 依据就是晶体生长中的几何淘汰规律，原理如下图所 示。在一根管状容器底部有三个方位不同的晶核A、B、 C，其生长速度因方位不同而不同。假设晶核B的最大 生长速度方向与管壁平行，晶核A和C则与管壁斜交。 由图中可以看到，在生长过程中，A核和C核的成长空 间因受到B核的排挤而不断缩小，在成长一段时间以后 终于完全被B核所湮没，最终只剩下取向良好的B核占 据整个熔体而发展成单晶体，这一现象即为几何淘汰 规律