蓝宝石晶体生长工艺研究

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