冷心放肩微量提拉法生长蓝宝石位错分析

冷心放肩微量提拉法生长蓝宝石位错分析

1、简介

蓝宝石（Al2O3）是一种很重要的单晶，因其出众的物理和化学特性，有很广泛的应用。大尺寸、高质量蓝宝石在军事窗口材料领域占有优势。然而，众所周知，位错是蓝宝石中非常重要且很常见的一种缺陷，会对蓝宝石的生长，特性和塑性形变产生重要的影响。迄今为止，只有少数几种方法如热交换法（HEM），温度梯度法（TGT）等能够生产出大尺寸的蓝宝石。然而，这些方法都因其生长方式而具有固有的位错特性，在本文中，我们基于直拉法和泡生法，发明出一种新的长晶方法：冷心放肩微量提拉法（SAPMAC），并通过化学蚀刻，电子显微镜扫描和伯格- 巴雷特X射线形貌探测等方法来研究蓝宝石的位错。

2、实验

2.1 SAPMAC法生长蓝宝石单晶

SAPMAC法是基于直拉法和泡生法而发明的一种生长大尺寸蓝宝石单晶的方法，通过使用一种Ikal-200改进型单晶生长炉，其中包含钼制坩锅，钨发热体和钼制隔热屏等。钨发热体设计成鸟笼状，顶端焊接在具有水冷的铜电极上，通过调整发热体的电阻和水冷系统来建立合适的温度梯度。

在长晶开始前，需要先把钼坩埚空烧至1800°数个小时，用以排除坩埚表面杂质，从而减少污染。把准备好的氧化铝颗粒块（纯度至少99.995％）装入坩埚中，把具有一定晶相的籽晶通过籽晶夹安装在热交换器底部。把炉内抽真空至小于

1.0×10-4Pa。加热至熔化氧化铝原料并保持恒温数个小时。缓慢降低溶液温度，旋转并下降籽晶至其几何中心接触溶液的冷心位置，进行引晶。引晶结束后，通过微量提拉籽晶和降温来完成晶体生长过程中的扩肩、等径、退火等过程。一些技术参数参见Table1。

2.2 样品制备

蓝宝石单晶通过SAPMAC法生长，从晶锭不同的方位垂直的截取（0001）晶相的蓝宝石样品（10mm×10mm×2mm），所有的样品表面都经机械化学抛光（CMP）处理过。

2.3化学蚀刻和位错坑观察

在熔化的KOH（320°）中进行化学蚀刻，蚀刻坑的数量通过光学显微镜来计算，位错坑通过SEM（S-3400N, Hitachi)来计算。

2.4 X射线形貌拓扑结构

X射线形貌实验通过实验室高分辨率X射线衍射仪来完成，衍射形貌法用于具有对称反射结构的平面上（00012），样片至镜头的距离设为44mm，入射光的尺寸为14mm×2mm。大面积的布拉格形貌布局通过一个配有CCD镜头，帧捕捉器和相应的软件组成的设备来生成。

3、结果和讨论

3.1 SAPMAC法生长的大尺寸蓝宝石

通过SAPMAC法A相生长的大尺寸蓝宝石(Ø230×210 mm, 27.5 kg) 如下图：

晶锭没有明显的缺陷可裂痕，可判定为该晶锭品质优良。

3.2在（0001）基面上的位错密度

位错坑蚀刻技术是一种可靠的用来检验单晶中位错的一种新兴方法。在此，我们主要研究单晶的C面（0001）位错。下图显示的是单晶在不同位置的蚀刻坑布局。位错密度可以用晶片上每平方厘米的蚀刻坑数量来显示出来。

(a) 顶部, (b) 中部, (c) 底部

蓝宝石单晶中的位错密度经计算为7.6×101~8.0×102cm-2，顶部区域最多，中部最少。相比于其它长晶方法（Verneuil:105~108 cm-2, Czochralski:102~

104 cm-2, HEM:103~105 cm-2, TGT: 102~103 cm-2），SAPMAC法生长的蓝宝石晶锭位错密度很低。

3.3在（0001）基面上的位错蚀刻形态

下图很清晰的显示出（0001）面蓝宝石片的蚀刻坑形态，大部分蚀刻坑都是三角形态的，它们的边角尺寸一般为15至40微米。此外，在晶锭中心区域所切的标本显示，位错坑分布很均匀，且大小也很相近，大概在26至35微米之间。

三角形的蚀刻坑反映出蓝宝石单晶的结构对称性，同时也反映出蓝宝石样本片的晶体取相的精确性。

3.4 C（0001）面蓝宝石基片位错线形态

X射线形貌是公认的可以直接显示出蓝宝石单晶中缺陷的工具。对于蓝宝石晶体中完美的晶格，持续强烈的X射线，会从蓝宝石晶片上衍射出来。有位错的单晶会引起衍射强度的变化。下面是通过CCD采集到的两幅图片的对比。图中是通过伯格- 巴雷特X射线在蓝宝石晶锭中心位置采集到的蓝宝石衍射图像。从图中可以看出，在地位错密度下，两张图片差异并不明显。D处的线为位错图片，位错线几乎都是直线，没有弯曲。当晶体生长速度缓慢，有稳定的固液界面和紧密控制的冷却工艺的时候，就会形成很直的位错线。这些优势都在SAPMAC法中有所体现。

晶体的位错密度值可以通过测量位错现的总长度来粗略计算得到。

N：晶体位错密度（cm-2），L：位错线的总长度（cm），S：晶片横截面积（cm2）T：晶片中X射线关键光距离（cm），θB：布拉格衍射角。下图为通过X射线形貌计算得到的位错各参数值。

从上图的各数值可以得出蓝宝石晶片的位错密度值约为6.4×101 cm-2。这个数值与上述提到的光学显微镜观察的实验结果相符合。

3.5 C（0001）面蓝宝石的位错来源分析

针对上述所提到的蓝宝石位错，提出了几种相关猜测。其中，在生长过程中的塑性形变和退火被认为是位错产生的主要影响因素。

为了研究SAPMAC法生长的蓝宝石中低位错密度和其分布特性，我们通过有限元数学模拟方法来分析蓝宝石的生长工艺。下图显示的是长晶收尾阶段蓝宝石晶锭的温度梯度分布和热应力级别。