泡生法生长高质量蓝宝石的原理和应用

第9卷 第4期2007年 12月

宝石和宝石学杂志

Jour nal of G ems and G emmolog y Vo l 9 N o 4

Dec 2007

泡生法生长高质量蓝宝石的原理和应用

孙广年1

,于旭东1

,沈才卿

2

(1.浙江省巨化集团公司晶体材料厂,浙江衢州324004;2.核工业北京地质研究院,北京100029)

收稿日期:2007 10 10

作者简介:孙广年(1959-),男,经济师,企业管理专业,主要从事Al 2O 3晶体、YAG 晶体生长的开发和生产管理工作。

摘 要:简要叙述了世界上主要用于生长高质量蓝宝石晶体的生长技术如晶体提拉法、导模法和热交换法。

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于衬底材料和发光二极管(L ED)中的广泛前景。

关键词:泡生法;蓝宝石;晶体生长;原理;应用

中图分类号:T S93 文献标识码:A 文章编号:1008 214X(2007)04 0011 04

Principle and Application of Kyropoulos Method

for Growth of High Quality Sapphire

SU N Guang nian 1

,YU Xu do ng 1

,SH EN Cai qing

2

(1.Cry stal M ater ials Factory ,J H Gr oup Co.,Quz hou 324004,China;

2.Beij ing Research I nstitute of Geosciences ,N uclear I nd ustr y ,Beij ing 100029,China)Abstract:T he main g row th techniques of hig h quality crystal all ar ound the w orld are briefly introduced,such as cr ystal pulling m ethod (the Czochr alski m ethod),edg e defined film fed grow th method and heat ex chang er m ethod.The grow th principle,technics and points of Ky r opo ulo s m ethod for pro ducing the high quality colourless sapphire crystal are introduced in detail.Further more,the w ide and potential fo reg round o f the high quality colourless sap phire applied in the field of substrates and LED is discussed.

Key words:Kyr opo ulo s m ethod;sapphire;cry stal g row th;principle;applicatio n 材料科学是现代文明的三大支柱(能源、信息、材料)之一,是人类文明的物质基础。晶体生长属于材料科学领域,是其发展的前沿,一些高新科学技术的发展,无一不和晶体材料密切相关。蓝宝石晶体具有独特、优良的物理化学性质,特别是在0.2~5.0 m 波段内具有良好的透光性,可广泛应用于红外军事装备、卫星和空间技术等领域;还具有电介质绝缘、恒定的介电常数等,成为应用最广泛的衬底材料之一[1~3]。为此,世界各国都在想方设法地进行研究和生产。浙江省巨化集团公司晶体材料厂经过多年的努力,运用泡生法和提拉法相融

合的技术生产出了高质量、直径可达220mm 以上、重28kg 以上的无色蓝宝石晶体,可用于军事工业的窗口材料、衬底材料和发光二极管(LED)节能环保行业上,还可用于珠宝首饰行业中,具有无

限的潜力和发展前景。

1 蓝宝石晶体的生长技术

蓝宝石晶体的合成方法[4]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[5~8]:晶体提拉法、导模法、热交换法和泡生法。1.1 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。其优点是:(1)在生长的过程中,可方便地观察晶体生长的状况;(2)晶体在熔体表面处生长,不与坩埚接触,能显著地减小晶体的应力,防止坩埚壁的寄生成核;(3)可以方便地运用定向籽晶和 缩颈 工艺,使 缩颈 后籽晶的位错大大减少,降低扩肩后生长晶体的位错密度,从而提高晶体的完整性(图1)。其主要缺点是晶体较小,直径最多达约51~76m m

。

图1 提拉法生长的蓝宝石晶体F ig 1 Sapphire cr ystal pr oduced by cr ystal pulling method (fr om JH G ro up Co.)

1.2 导模法

导模法(edg e defined film fed g row th,

EFG)是改进型且可控制晶体形状的晶体提拉法。其工艺特点是:在提拉的过程中生长出模具顶端形状的晶体,可按要求生长出多种形状。如Saint Gobain 公司采用该技术生长出直径达450~500mm 的光学晶片,日本京瓷公司改良该技术后生长出LED 衬底使用的C 面晶片并获得专利。但该方法的设备和工艺技术难度较大,不易

推广。

1.3 热交换法

热交换法(heat ex chang er m ethod,H EM )的实质是控制温度,让熔体直接在坩埚内凝固结晶,其主要技术特点是以H e 为冷却源,依靠H e 的循环带走热量而使晶体生长。主要优点是:晶体生长时,坩埚、晶体、加热区都不动,消除了由于机械运动而造成的晶体缺陷;同时,可以控制冷却速率,减少晶体的热应力及由此产生的晶体开裂和位错等缺陷,是生长优质大晶体的好方法。但设备条件要求高,整个工艺复杂,运行成本高,因此未被广泛应用。该工艺为Cry stalSystem 公司的专利技术,目前已经生长出直径达350m m 的蓝宝石晶体(图2)。

图2 热交换法生长的蓝宝石晶体

[7]

Fig 2 Sapphir e cr ystal pr oduced by HEM (fro m Cr ystalSystem Co.)

2 泡生法的原理与工艺

2.1 原理

泡生法(Kyro poulos 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,目前是解决晶体提拉法不能生产大

晶体的好方法之一。其晶体生长的原理(图3a)和技术特点是:将晶体原料放入耐高温的坩埚中加热熔化,调整炉内温度场,使熔体上部处于稍高于熔点的状态;使籽晶杆上的籽晶接触熔融液面,待其表面稍熔后,降低表面温度至熔点,提拉并转动籽晶杆,使熔体顶部处于过冷状态而结晶于籽晶上,在不断提拉的过程中,生长出圆柱状晶体。

泡生法与提拉法生长晶体在技术上的区别是:(1)晶体直径 在扩肩时前者的晶体直径较大,可生长出100m m 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

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宝石和宝石学杂志 2007年