蓝宝石晶体生长工艺研究
蓝宝石晶体生长技术
掺杂蓝宝石单晶热(光)释光材料及其应用
α- Al2O3 :C晶体用于制造热释光探测器主要有以下特点： （1）热释光灵敏度高，为常用热释光晶体LiF:(Mg,Ti)的40—60 倍；187℃附近的发光峰型单一，有效原子序数相对较低(10.2)； （2）低本底剂量响应临界值(10-6Gy),辐射剂量响应为线性—亚线 性，线性响应范围宽(10-6—10Gy)；
（3）α- Al2O3 :C晶体420nm处的发射峰正好处于光电倍增管响应 的最佳峰值，在低剂量条件下， α- Al2O3 :C晶体探测器可重复使 用且无需退火处理。
蓝宝石单晶最早于20世纪50年代被美国Wisconsin大学的Daniels发 现具有优良的热释光(thermoluminescence，TL)性能，但它对γ射线的 热释光灵敏度很低。为改善蓝宝石单晶的热释光性能，相继研制了一 系列掺杂的蓝宝石单晶热释光材料，如α- Al2O3 :(Mg，Ti，Y)、 αAl2O3 :Cr和α- Al2O3 : (Si，Ti)。1990年，Akselrod等采用提拉法生长 了一种优良的新型热释光材料α- Al2O3 :C晶体。1995年，Markey等首 次研究了α- Al2O3 :C晶体的光释光(optical stimulated luminescence， OSL)性能。 目前，美国Landauer公司研制生产的α- Al2O3 :C热释光剂量计已被 欧美国家广泛使用。 国内关于α- Al2O3 :C晶体生长以及α- Al2O3 :C剂量计的研制起步较 晚。2008年，中国科学院上海硅酸盐研究所杨新波等采用导向温梯法 和导模法分别生长了可用于制造高灵敏度热释光探测器、热释光和光 释光探测器的α- Al2O3 :C晶体。
（4）热力学特性：2050℃左右的熔点，加之优越的化学、机械 及光学特性，使蓝宝石晶体广泛应用于许多苛刻的加工环境中。 （5）耐磨损性：由于具有很高的硬度和透明度，是蓝宝石晶体 常用于制作耐磨损窗口或其他精密机械零件。 （6）介电性能：有电介质绝缘、恒定的介电常数。 （7）蓝宝石还具有高拉伸强度、抗冲刷性、热导性、显著的抗 热冲击性等性能。
泡生法蓝宝石晶体生长工艺的探讨.
B、二组市场奖励设置：（附二组市场奖级设置及分析表）1、特等奖：1名，奖励品价值金额￥1800(礼品旅游2、一等奖：3名，奖励品价值金额￥800（礼品）3、二等奖：600人，奖励品价值金额￥30（手表化妆品礼品包）4、陈列奖：900份，奖励品价值金额￥18（礼品表其它）5、小礼品：8000份，价值金额￥0.8元费用合计：每省49600元，总计396800元。
全国活动费用总计：96.56万元奖品说明：（附“康必得健康乐园系列活动评分办法”）小礼品：在整个活动过程中（4个月）用于OTC人员在平时工作和店员的沟通上。
可以多样化和体现一定的价值差。
陈列奖：主要是用于在12月份提高产品陈列上，对药店的奖励面在91.6%，对药店店员的奖励面在25%左右。
奖品形式体现实用性。
二等奖：主要用于在活动完后综合评分发放，奖励面在17%左右，奖品形式体现要有特色和有价值。
一等奖：以抽奖的方式发放，入围条件是积分达到45分以上（指标不宜定得过高，以让更多的人看到希望）。
特等奖：以抽奖的方式发放，体现较大吸引力，以抽奖的方式发放，入围条件是积分达到60以上。
三、方案的执行和控制：1、活动通知到位的问题：关系到参与药店广度的问题具体规定：活动告知---临时协议---判定认可标准2第43卷第3期2011年3月哈尔滨工业大学学报JOURNAL OF HARBIN INSTITUTE OF TECHNOLOGYVol. 43No. 3Mar．2011泡生法蓝宝石晶体生长工艺的探讨121刘丽君，徐家庆，蔡兴民（1．深圳大学物理科学与技术学院，518060深圳，1186163401@qq．com ；2．深圳晶蓝德灯饰有限公司，518108深圳）摘要：为了研究工艺参数对泡生法蓝宝石晶体生长过程及其晶体质量的影响，在自行研制的泡生法蓝宝并在等径生长期间采用不同的维持功率石晶体生长炉上进行了试验．调整籽晶热交换器水流量及进水温度，下降速度，结果表明：热交换器冷却强度对引晶及放肩阶段晶体生长有显著影响，并逐步减弱；维持功率下降速度直接影响等径生长阶段的晶体生长速度和晶体质量，下降太快将导致晶体缺陷密度增加，严重时形成多晶．在晶体生长过程中，合理调节籽晶热交换器的冷却强度，谨慎操控维持功率下降速度是蓝宝石单晶生长成败的关键．关键词：泡生法；蓝宝石单晶；水冷热交换器；维持功率中图分类号：TB321文献标志码：A文章编号：0367－6234（2011）03－0145－043 、陈列比赛奖品发放的问题：参加活动的药店店员提供身份证具体规定：活动流程告知书。
蓝宝石晶体的制备方法及特点概述
Ａｂ ｔ ａ ｔ ｓｒ ｃ ：Ａｎ ｏ ｅ ｖｅ ｏ ｈ ｐ ｌｃ ｔ ｎ ａ ｅ ｓｏ ｒｉ ｃａ ａ ｐ ｉｅ ｃ ｙ ｔ ｌ ｓ ｉ ｕ ｔａ ｅ ｖ ｒ ｉｗ ｆｔ ｅ ａ ｐ ｉａ ｉ ｒ ａ ｆａ ｔ ｉ ｌｓ ｐ ｈ ｒ ｒ ｓａ ｓｗａ ｌ ｓｒ ｔｄ．Ｔｈ ｏ ｅ ｓ ｓ ａ ｅ ｔ ｒ ｓ ｏ ｉ ｆ ｌ ｅ ｐｒ ｃ ｓ ｅ ｎｄ ｆ ａｕ ｅ ｏ ｉｈ ｌ ｇ ｏ ｈ ｍｅｈ ｄ ｏ ｙ ｔ ｔｃ ｓ ｐ ｈ ｒ ｒ ｓａｓ ｗｅ ｅ ｄ ｓ ｕ ｓ ｄ．Ａｎ ｈ ｄ ａ ｔ ｇ ｎｄ ｄｉａ ｖ ｎ ａ ｅ ｏ ｉ－ ｆｅ ｇ ｔｍｅｔ ｒ ｗｔ ｔ ｏ ｓｆ ｒｓ ｎ ｈｅｉ ａ ｐ ｉｅ ｃｙ ｔｌ ｒ ｉｃ ｓ ｅ ｄ ｔ ｅ ａ ｖ ｎ ａ ｅ ａ ｓ ｄ ａ ｔ ｇ ｆｄ ｆ ｆ ｒ ｎ ｔ ｏ ｓ ｗｅ ｅ ｃ ｍｐ ｒ ｄ． ｅ ｅ ｔｍｅｈ ｄ ｒ ｏ ａ ｅ Ｋｅ ｙ ｗｏｒ ：ｓｎ ｌ — ｒ ｓａ ｌ ｎ ｕ ｏ ｉ ｅ；ｓ ｐｐ ｉｅ ｃ ｓａ ；ｐ ｅ ｒ ｔｏ ｔ ｄ；ｓ ｌ ｔｏ ｒ ｗｔ ｔ ｏ ｄｓ ｉｇ ｅ ｃ ｔｌａｕｍｉ ｉ ｍ ｘ ｄ ｙ ａ ｈｒ ｒ ｔ ｌ ｒ ｐａａ ｉｎ ｍｅｈｏ ｙ ｏｕ ｉ ｎ ｇ ｏ ｈ ｍｅｈ ｄ；ｍｅｔｇ ｏ ｈ ｌ ｒ ｗｔ
提 出并 用 于 晶体 的生 长 Ｊ 。其 生 长设 备 是 在 提 拉 设 备 基础 上改 造而 来 的。该 方 法 用 于大 尺 寸 卤族 晶体 、
氢 氧化 物 和碳酸 盐 等 晶体 的 制 备 与研 究 。２ ０世纪 ６ ０
～
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
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一、泡生法生长蓝宝石晶体
晶体生长过程 引晶-扩肩-等径生长-收尾
泡生法晶体炉炉体结构
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二、籽晶杆热交换器水流量及水温的影响
Company Logo源自水冷籽晶热交换器三、加热器功率的影响
晶体生长与坩埚轴线上温度随时间的变化
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发热体维持功率对晶体生长过程中液-固界面的影响 发热体维持功率对晶体生长过程中液
泡生法蓝宝石晶体的生长工艺
蓝宝石单晶体（ 蓝宝石单晶体 α-Al2O3）
蓝宝石的物理性质 晶系 晶格常数（Å） 熔点（℃） 密度（g/cm3）） 比热（cal/g℃） 莫氏硬度 热膨胀系数（/℃） 介电常数 六方晶系 a=4.748 c=12.97 2040 3.98 0.181 9 5.8x10-6 13.2 (⊥c方向) 11.4 (∥c方向)
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维持功率下降过快（冷轴心演变为热轴心 冷轴心演变为热轴心）示意图
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谢谢大家！ 谢谢大家！
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泡生法生长蓝宝石的原理和应用研究
泡生法生长蓝宝石的原理和应用研究摘要：蓝宝石以独特的晶体结构而具有许多优异的性能，比如硬度高、耐磨性化学也稳定和耐热性好等。
本文简要叙述了用于生长高质量蓝宝石晶体的生长技术。
详细介绍了泡生法生长高质量无色蓝宝石的原理、生长工艺和技术要点，讨论了高质量无色蓝宝石应用前景。
关键词：泡生法；蓝宝石；晶体生长；原理；应用1引言20世纪后半叶，单晶技术的发展推动材料科学其他分支的迅速发展--晶体材料，蓝宝石是一种多功能的材料，其原材料便宜、生长过程资源能耗低、无环境污染、生物兼容性较好，有越来越多的研究者去研究和发展[1]。
蓝宝石，α-Al2O3单晶，又称“刚玉”，其莫氏硬度为9；当晶体含有不同微量元素时，就会显示不同颜色。
例如，掺杂Ti4+或Fe2+显现蓝色，掺杂Cr3+显现红色，掺杂Ni3+显现黄色。
蓝宝石高强度、高硬度、高透过率(从0.195～5.5μm 波段均能透过)、耐冲刷、耐腐蚀、耐高温(在接近2000 ℃下仍可工作)，在红外军事装置、卫星空间技术、空间飞行器、高强度激光窗口材料、超声波传导元件、微波电子管介质材料及精密仪器轴承等行业得到广泛的应用；蓝宝石独特的晶格结构、优异的力学性能、良好的热力学性能使其成为最理想的发光二极管(LED)半导体，以及大规模集成电路SOI 和SOS及超导纳米结构薄膜的衬底材料[2]。
蓝宝石晶体最早被AugusteVerneuil人为生长出来，并将其扩大到商业化生产[3]。
到今天，蓝宝石的生长已有100多年的历史，市场对蓝宝石的需求量有增无减，这对蓝宝石生长方法也提出了更苛刻的要求。
目前主要的生长方法有：焰熔法、提拉法、泡生法、热交换法、垂直布里奇曼法(VB)等。
只有对这些方法的进一步探索研究，才能推动蓝宝石产业不断进步发展。
2泡生法的原理与工艺2.1原理泡生法(Kyropoulos method)于1926年由Kyropouls发明，经过科研工作者几十年的不断改造和完善，是目前解决晶体提拉法不能生产大晶体的好方法之一[4]。
蓝宝石晶片 生产工艺
蓝宝石晶片生产工艺蓝宝石晶片是一种具有广泛应用的宝石材料，其生产工艺十分关键。
本文将详细介绍蓝宝石晶片的生产工艺，并阐述其在各个环节的具体过程。
一、原料准备蓝宝石晶片的生产首先需要准备优质的蓝宝石原料。
这些原料通常来自于矿石，经过开采后进行初步筛选和清洗，去除其中的杂质和不纯物质。
然后，将原料进行粉碎，得到适合生产的颗粒状物料。
二、坯料制备将筛选好的原料颗粒与适量的助熔剂混合，然后将混合物放入高温炉中进行熔炼。
在熔炼的过程中，需要控制好温度和熔融时间，使得混合物充分熔融并达到均匀混合的状态。
熔融后的物料称为坯料。
三、晶体生长晶体生长是蓝宝石晶片生产的关键步骤。
将坯料放入生长炉中，通过控制温度和降温速率，使得坯料中的蓝宝石晶体逐渐生长。
晶体生长的过程需要十分精确的控制，以确保晶体的质量和尺寸符合要求。
四、切割和研磨晶体生长完成后，需要对晶体进行切割和研磨，以得到所需的蓝宝石晶片。
切割通常使用钻石刀具进行，将晶体切割成薄片。
然后，对薄片进行精细研磨，使其表面光滑平整。
五、抛光和清洗经过切割和研磨后的蓝宝石晶片需要进行抛光处理，以增加其光泽度和透明度。
抛光通常使用特殊的研磨工具和研磨材料进行，将晶片表面进行细致的抛光处理。
抛光完成后，还需要对晶片进行清洗，去除表面的残留物和污垢。
六、质量检验蓝宝石晶片生产的最后一步是进行质量检验。
通过目测、显微镜观察和专业仪器检测等方式，对晶片的外观、尺寸、透明度和杂质含量等进行检测。
只有通过了质量检验的蓝宝石晶片才能进入下一阶段的加工和应用。
蓝宝石晶片的生产工艺包括原料准备、坯料制备、晶体生长、切割和研磨、抛光和清洗以及质量检验等环节。
每个环节都需要严格的控制和操作，以确保蓝宝石晶片的质量和性能达到要求。
蓝宝石晶片的生产工艺的完善和创新，不仅可以提高生产效率和产品质量，还能推动蓝宝石晶片在各个领域的应用和发展。
一种200kg级蓝宝石晶体的生长设备及生长工艺[发明专利]
![一种200kg级蓝宝石晶体的生长设备及生长工艺[发明专利]](https://img.taocdn.com/s3/m/a4b03a316f1aff00bfd51e89.png)
专利名称：一种200kg级蓝宝石晶体的生长设备及生长工艺专利类型：发明专利
发明人：腾斌,康森,张吉,王勤峰,段斌斌,王国强,丁钰明,倪浩然,徐金鑫,程佳宝,常慧
申请号：CN201610716767.3
申请日：20160824
公开号：CN106435717A
公开日：
20170222
专利内容由知识产权出版社提供
摘要：本发明属于晶体生长技术领域，涉及一种晶体生长方法，尤其涉及一种200kg级大尺寸蓝宝石晶体的生长方法；同时，本发明还涉及一种200kg级蓝宝石晶体的生长设备，包括不锈钢桶，所述不锈钢桶内侧设置有保温层，所述保温层内设置有圆形钨笼发热体，所述圆形钨笼发热体内腔中设置有圆形坩埚。
本发明提供的用于200kg级蓝宝石晶体的生长设备，具有圆形坩埚，以及圆形钨笼发热体，其温场分布均匀稳定，制备出的晶体上部气泡群较少。
并且，这种圆形坩埚热场可根据晶体掏棒规格的实际需要设计不同的长、宽、高比例，晶体利用率高。
申请人：天通银厦新材料有限公司
地址：750021 宁夏回族自治区银川市西夏区银川经济技术开发区宏图南街296号
国籍：CN
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壳熔法生长蓝宝石单晶的进展
待深入研究。 关键 词 ：晶体生长； 壳熔法； 蓝宝石； 单晶 中图分 类号 ： Ｓ３ Ｔ ９ 文 献标 识码 ： Ａ 文章 编号 ： ０８２４ （０２０— １—５ １０—１Ｘ ２１）３ ０ ７ ０ ０
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热交换法生长蓝宝石
摘要蓝宝石具有一些列优异的光学、力学、热学性能，是理想的红外窗口材料之一。
也是氮化镓外延生长最常用的沉底材料之一。
但蓝宝石晶体生长实验成本高、周期长，只靠郑家实验频率获得理想的生长工艺，已不能满足蓝宝石向着更高质量、更大尺寸方向发展的需求。
引入晶体生长数值模拟技术，可以有效的减少试验次数。
节省成本。
采用热交换发生长老宝石晶体，一句晶体生长理论，对生长系统进行合理近似，建立晶体生长数值分析模型，并引入晶体生长模拟软件CryMas，通过优化网格划分精度及选择气体对流方程迭代次数等手段，最终使得模拟结果与实验结果一致。
本文通过多种介质的对比，结合热交换法生长蓝宝石的具体特点，确定氦气为优选的热交换介质；研究了进气温度对热交换效率的影响，发现热交换效率随进气温度身高而单调降低；控制点温度从2345K升高到2370K的过程中，热交换效率几乎不变；热交换效率随进气口与出气口面积比Sin/Sout及进气口距离热交换器顶端的距离D的变化关系是非常单调的，确定了优选的工艺参数。
模拟了热交换器中气流量增大引起温场的变化过程，晶体和熔体中温度降低，温度梯度增大固液界面以近弧面的形式向前推进；结合生长系统的具体特点喝本实验室条件，确定了优选的保温材料；模拟了坩埚在加热器中的位置，对坩埚中温场的影响，确定了优选的坩埚位置；坩埚长径比增大，干活中温度梯度喝固液界面凸度变小；圆筒形加热器的长径比对蓝宝石生长过程中温度梯度和固液界面凸度影响较大。
长径比的增大，有利于得到较小的温度梯度和固液界面凸度；圆筒形加热器小角度（≤4°）倾斜对坩埚中温场无明显影响；热交换法蓝宝石晶体生长过程中难以避免地因异质形核出现多晶，因蓝宝石晶体热膨胀系数不匹配而相互挤压，导致晶体开裂。
为此，将热交换器至于干过的上方，表面固液界面和生长的晶体与坩埚壁接触。
模拟了相应的晶体生长过程，发现随气流量增大，晶体自籽晶处开始生长，在扩肩、等径生长过程中，晶体与熔体中的温度降低，温度梯度增大；通过改变坩埚在加热器中的位置，有效地避免了锅边结晶和锅底结晶，获得了合适的温场；对比了热交换器在不同位置时的生长特点，发现热交换器在坩埚上方时，能有效避免开裂问题。
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。
蓝宝石晶体生长用钼薄壁坩埚研制成功
源高效开 发利用工程 技术研究 中心” ， 由赣 州 稀土 集 团有 限公司 、 江 西理 工
蓝宝 石 晶体生 长用钼薄 壁坩 埚一直 为 国外所垄 断 ， 严 重制 约了 国内相 关行业 的
快速 发展 。
国内首根核聚变用超导缆 ７ ５ 导体在长通公司下线
日前 ， 为 国 际 热 核 聚 变 实 验 堆
（ Ｉ ＴＥＲ） 组织制 作 的核 聚变装 置用超
金钼股份 技术人员 从原料选 择 、 板 材设计及 制备 、 压 力加工 及机加工 等各个 关键环 节进行 了多 次的试 验和探 索 ， 成功攻 克 了钼薄壁 坩埚制 备 中的关键 工艺 和技术 ， 制备 出了适合 蓝宝石 晶体 生长用 的钼坩埚 ， 掌握 了不 同规格钼薄 壁坩埚 的制备 方法 ， 各项指标 完全满足客 户要求 ， 为 国内相关市场 的开发奠 定了坚实基
度超导 缆Ｃ Ｉ ＣＣ 绞缆Ｐ Ｆ ５ 导体。
“ 国 际热 核 聚 变 实 验 堆 （ Ｉ ＴＥ Ｒ）
础， 也为金 钼股份大 型钼板材 线顺利投产创 造 了 良好 市场空 间 ， 更标 志着金钼股
导 缆 ＣＩ ＣＣ 绞缆 ７ ５ ０ ｍ ＰＦ ５ 导体， 在
Ｉ ＴＥＲ 组 织法 国总部 官员 与 中科 院合 肥物 质研 究 院等 中外专家 的见证下在
白银 有色长通 电线 电缆 公司 （ 简 称“ 长
据 了解 ， 该 项 目发展 了低 成本 晶须 增强 镁基 复合材 料制 备装 备 ； 发 现 了镁 基 复合 材料 在 ２ ０ ０～３ ５ ０ ￣ Ｃ温度 范 围 内的变 形机 制为 晶格扩 散控 制 的位错攀 移 蠕变 机制 ； 通 过在 变形 过程 中外加 拉应 力和 热循环 场 ， 诱 发 了复 合材 料 的超塑 性 ； 确定 了氧化锌 对 晶须表面处理 的工 艺 ， 优 化 了复 合材料 的制备 技术 ， 制备 出 强度 高塑性 好的氧化 锌涂覆硼 酸镁 晶须增 强镁基复 合材料 ； 引进 了高成 型性镁 合 金制备 技术 ， 获得 了在 镁基复 合材料 表征 方面 的技术 支持 。 目前 ， 该 项 目已建
蓝宝石的生长方法
2010年7月7日，元鸿(山东)光电材料有限公司成功生产出第一炉89.5 kg的蓝宝石单晶，其尺寸属国内最大[21]。
2005年，韩杰才等[22]在对泡生法和提拉法改进的基础上发明了用于生长大尺寸蓝宝石单晶的方法：冷心放肩微量提拉(sapphire growth technique withmicro-pulling and shoulder-expanding at cooled center，SAPMAC)法。SAPMAC法的原理示意图及其生长的蓝宝石单晶见图6[23–24]。
热交换法
热交换法(heat exchanger method，HEM)[8]最早于1967年由美国陆军原料研究实验室的FredSchmid和Dennis Viechnicki发明，其原理示意图及其生长的蓝宝石单晶，见图7[26]。
热交换法是生长大尺寸、高质量蓝宝石最成熟的方法之一，其晶体生长方向有a轴、m轴或r轴，通常采用a轴方向[17]。梯度单晶炉是一种改装的真空石墨电阻炉(见图7a)，即在真空石墨电阻炉底部插入钨钼制成的热交换器，并保证整个炉内真空密封[27]。热交换法的实质在于控制温度让熔体直接在坩埚内凝固生长单晶，其特点是依靠氦气在热交换器内的循环带走热量而使蓝宝石单晶生长[26–28]。氦气循环带热过程为：氦气从热交换器低端的中心管内向上流进，到达热交换器顶端(即坩埚底部与热交换器接触的部分)吸收坩埚底部的热量，然后在中心管外且热交换器内(热交换器是由2个同心管相套而成)区域向下从热交换器的低端流出。所用坩埚的材料是根据生长单晶材料性质决定，热交换法生 长蓝宝石单晶一般选用钼坩埚。其操作和生长过程
我国蓝宝石晶体生长技术的现状与发展趋势
作者简介： 李留臣（ 1963-） ，男，河南省人，博士，高级工程师。E-mail： llctl@ sina． com
222
人工晶体学报
第 41 卷
明了焰熔法、提拉法、下降法、导模法、泡生法和热交换法等多种生长方法。目前我国主流的蓝宝石晶体生长 工艺是焰熔法、提拉法、泡生法、导模法、下降法及热交换法，每种方法都有各自的特点，对各种方法的进一步 研究，能够更好地推动我国蓝宝石晶体的规模化生产。
垂直水平温度梯度法是在垂直温度梯度法的基础 上发展起来的。如图 7 所示。该方法采用电阻加热，使 长方形坩埚的原料熔化，通过底部的热量传导板使热场
形成自下而上的温度梯度的同时也形成由中间至两端
的温度梯度，使得晶体从坩埚底部不断向上、向两端同
时生长从而形成完整单晶体，该技术的热场设计及温度
梯度控制应十分精确。由于该技术在晶体生长过程中
2． 2 提拉法 Czochralski（ CZ）
该方法的创始人是 Czochralski，于 1918 年发表该技术的学术论文，简称 CZ 法。 该方法是熔体生长最常用的方法之一，也是较早发明的晶体生长方法。很多重要的实用晶体是用这种 方法制备的，早期的蓝宝石晶体生长主要以提拉法进行生长。 提拉法的基本情形如图 2 所示。将多晶原料装在坩埚中，并被加热到原料的熔点以上将坩埚内的原料 熔化，在坩埚的上方有一根可以旋转和升降的提拉杆，杆的下端装有籽晶［2］。降低提拉杆，使籽晶插入熔体
1引 言
蓝宝石晶体作为一种具有优异光学性能、机械性能和化学稳定性的功能材料，具有强度高、硬度大、耐高 温、抗腐蚀等诸多优点，被广泛的应用于军事、航空航天、激光技术、高档日用品等领域。另外、蓝宝石又作为 一种重要的技术晶体，以其独特的晶格结构，良好的物理化学性质成为 LED 发光二极管半导体照明、大规模 集成电路 SOI 、SOS 及超导纳米结构薄膜等最理想衬底材料［1］。特别是近几年，随着世界各国特别是我国政 府对 LED 照明技术推广应用的重视，有力地推动了蓝宝石生长技大，也使得蓝宝石晶体的研究与生产成为目前最具发展活力的产业之一。
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蓝宝石晶体生长工艺研究
【摘要】蓝宝石晶体具有硬度大、熔点高、物理化学性质稳定的特点,是优质光功能材料和氧化物衬底材料,广泛用于电子技术,军事、通信、医学等国防民用, 科学技术等领域。
自19 世纪末, 法国化学家维尔纳叶采用焰熔法获得了蓝宝石晶体后,人工生长蓝宝石工艺不断发展, 除了焰熔法外还有冷坩埚法、泡生法、温度梯度法、提拉法、热交换法、水平结晶法、弧熔法、升华法、导模法、坩埚下降法等。
本文主要对应用较为广泛的焰熔法、提拉法、泡生法、热交换法、导模法、下降法、等生长工艺进行论述。
【关键词】蓝宝石晶体晶体生长工艺研究蓝宝石晶体的化学成分是氧化铝(a -AI2O3 ),熔点高达2050C,沸点3500C,硬度仅次于金刚石为莫氏硬度9，是一种重要的技术晶体。
蓝宝石晶体在光学性能、机械性能和物理化学性质方面表现出了优异性能,因此被各行业广泛应用,同时随着现代科学技术的发展,对蓝宝石晶体的质量要求也不断提升,这就对蓝宝石晶体生长工艺提出了新的挑战。
焰熔法。
确切来讲焰熔法是由弗雷米、弗尔、乌泽在
1885 年发明的，后来法国化学家维尔纳叶改进、发
展并投入生产使用。
焰熔法是以Al2O3 粉末为原
料，置于设备上部，原料在撒落过程中通过氢及氧气
在燃烧过程中产生的高温火焰，熔化，继续下落，落
在设备下方的籽晶顶端，逐渐生长成晶体。
焰熔法生
产设备主要有料筒、锤打机构、筛网、混合室、氢气
管、氧气管、炉体、结晶杆、下降机构、旋转平台等
组成。
锤打机构使料筒振动，与筛网合作使粉料少
量、等量或周期性的下落；氧气与粉末一同下降、氢气与氧气混合燃烧；在炉体设有观察窗口可通过望远镜查看结晶状况，下降机构控制结晶杆的移动，旋转平台为晶体生长平台，下方置以保温炉。
焰熔法具有生长速度快、设备简单、产量大的优点，但是生产出的晶体缺陷较多，适用于对蓝宝石质量要求不高的晶体生产。
提拉法。
提拉法能够顺利地生长某些易挥发的化合物，应用较为广泛。
提拉法工艺：将原料装入坩埚中熔化为熔体，籽晶放入坩埚上方的提拉杆籽晶夹具中，降低提拉杆使籽晶插入熔体中，在合适的温度下籽晶不会熔掉也不会长大，然后转动和提升晶体，当加热功率降低时籽晶就会生长，通过对加热功率的调节和提升杠杆的转动即可使籽晶生长成所需的晶体。
相较于焰熔法，提拉法生长的晶体错密度较低，完整性高，因为整个生长装置是安放在封闭的外罩里，所以可以随时观察到生长的情况。
提拉法的改进方法有两种：连续加料提拉法、冷心放肩微量提拉法。
连续加料提拉法的在生长过程中可以不断补充原料，晶体尺寸可以不受坩埚内物料的限制长大。
连续加料提拉法与改进前相比，多出了一个圆形槽，原料由导管进入槽内，待原料熔化为液体后再进入坩埚。
而坩埚是放置在了一个可以旋转的支撑环上，保证坩埚与晶体同步旋转，使晶体生长环境温度轴向对称。
此工艺一般采用自动控制方式控制晶体直径。
冷心放肩微量提拉法主要用于生长大尺寸晶体。
冷心放肩微量提拉法的系统有控制系统、真空系统、加热体、冷却系统、热蔽装置等，通过引晶、放肩、等径、退火、冷却五个阶段完成晶体生长。
冷心放肩微量提拉法除了可生长大尺寸晶体的特点外，还具有晶体品质优良、缺陷少、成功率高、材料利用率高、成本低的特点。
泡生法。
泡生法于1926 年提出应用以来不断改进
发展，是目前蓝宝石生长工艺中最常用的方法。
泡生法适合于生长同成分熔化的化合物或用于生长含某种过量组份的晶体。
它与提拉法有很多的相似性，所用装置也有相似之处，具体工艺是：将原料装入坩埚中，籽晶放入坩埚上方的提拉杆籽晶夹具中，对坩埚进行加热至2050C以
上，降低提拉杆使籽晶插入熔体中。
籽晶刚插入熔体中使要使熔体温度略高于熔点来清洁籽晶的表面，待籽晶与熔体充分沾润后使熔体温度处于熔点，使籽晶在匀速转动中缓慢提升，因为界面温度低于凝固点时籽晶开始生长，因此需要逐渐降低熔体温度。
泡生法与提拉法的不同处：泡生法的晶体生长和退火过程都是在坩锅中进行的，等径生长时不再使用提拉技术，泡生法晶体生长直径有限制，晶体生长是通过外部温场降低温度的热损耗实现的。
热交换法。
将原料放入坩埚内，籽晶放置在坩埚底部中心，坩埚放到热交换器中、坩埚中心与热交换器的顶端接触，并将两者固定。
以氦气为热交换介质，加热使原料熔化，控制氦气通向坩埚底部的流量，以免籽晶熔化。
温场稳定之后，将氦气流量逐渐增大，带走的热量也随之增加，在此过程中熔体延籽晶逐渐凝固并长大。
逐渐降低加热温度到坩埚内的熔体全都凝固。
生长过程中尤其需要控制氦气流量，氦气流量决定着熔体温度，熔体中保持基本不变的温度梯度，才好控制晶体的生长速率。
热交换法与其他方法相比更能精确控制温场，由于坩埚、晶体、热交换器都没有机械运动，温场也处于比较稳定的状态。
生产出的晶体质量较高，只是这种方法国外运用的较多，美国一直掌握着其核心技术。
导模法。
导模法是提拉法的一种变形，设备采用提拉
法单晶炉，坩埚中放入原料加热使之熔化，把与拟生长晶体形状相同的模具放入熔体中，使导模顶端的温度略高于拟生长晶体的熔点，然后使籽晶与模具顶部的薄膜接触，薄膜将覆盖模具。
然后运用提拉杆慢慢拉升晶种，晶体逐渐生长。
导模法可直接从熔体中生长出丝、棒、片等形状的晶体，生产程序简化、生长速度快、尺寸形状可精确控制，成本低效益高。
蓝宝石在众行业的广泛应用促使晶体生长技术不断改进发展，如上所述，蓝宝石晶体生长有多种方法，也各具特点。
随着蓝宝石晶体生长行业的竞争日益剧烈，要求生产方必须不断完善生产技术，能够提供高质量、多种类的晶体，同时降低生产成本、提高效益，形成良性循环。
参考文献：
[1]李留臣，冯金生.我国蓝宝石晶体生长技术的现状与发展趋势[J],人工晶体学报，2012年S1期
[2]刘丽君，徐家庆，蔡兴民.泡生法蓝宝石晶体生长工艺的探讨[J],哈尔滨工业大学学报，2011年03。