藍(lán)寶石晶體生長(zhǎng)設(shè)備

1、大規(guī)格藍(lán)寶石單晶體生長(zhǎng)爐技術(shù)說(shuō)明 一、項(xiàng)目市場(chǎng)背景 -Al2O3單晶又稱(chēng)藍(lán)寶石，俗稱(chēng)剛玉，是一種簡(jiǎn)單配位型氧化物晶體。藍(lán)寶石晶體具有優(yōu)異的光學(xué)性能、機(jī)械性能和化學(xué)穩(wěn)定性，強(qiáng)度高、硬度大、耐沖刷，可在接近2000高溫的惡劣條件下工作，因而被廣泛的應(yīng)用于紅外軍事裝置、衛(wèi)星空間技術(shù)、高強(qiáng)度激光的窗口材料。其獨(dú)特的晶格結(jié)構(gòu)、優(yōu)異的力學(xué)性能、良好的熱學(xué)性能使藍(lán)寶石晶體成為實(shí)際應(yīng)用的半導(dǎo)體GaN/Al2O3發(fā)光二極管(LED)，大規(guī)模集成電路SOI和SOS及超導(dǎo)納米結(jié)構(gòu)薄膜等最為理想的襯底材料。低成本、高質(zhì)量地生長(zhǎng)大尺寸藍(lán)寶石單晶已成為當(dāng)前面臨的迫切任務(wù)。藍(lán)寶石晶體生長(zhǎng)方式可劃分為溶液

2、生長(zhǎng)、熔體生長(zhǎng)、氣相生長(zhǎng)三種，其中熔體生長(zhǎng)方式因具有生長(zhǎng)速率快，純度高和晶體完整性好等特點(diǎn)，而成為是制備大尺寸和特定形狀晶體的最常用的晶體生長(zhǎng)方式。目前可用來(lái)以熔體生長(zhǎng)方式人工生長(zhǎng)藍(lán)寶石晶體的方法主要有熔焰法、提拉法、區(qū)熔法、坩堝移動(dòng)法、熱交換法、溫度梯度法和泡生法等。但是，上述方法都存在各自的缺點(diǎn)和局限性，較難滿足未來(lái)藍(lán)寶石晶體的大尺寸、高質(zhì)量、低成本發(fā)展需求。例如，熔焰法、提拉法、區(qū)熔法等方法生長(zhǎng)的晶體質(zhì)量和尺寸都受到限制，難以滿足光學(xué)器件的高性能要求；熱交換法、溫度梯度法和泡生法等方法生長(zhǎng)的藍(lán)寶石晶體尺寸大，質(zhì)量較好，但熱交換法需要大量氦氣作冷卻劑，溫度梯度法、泡生法生長(zhǎng)的藍(lán)寶石晶體坯料

3、需要進(jìn)行高溫退火處理，坯料的后續(xù)處理工藝比較復(fù)雜、成本高。 二、微提拉旋轉(zhuǎn)泡生法制備藍(lán)寶石晶體工藝技術(shù)說(shuō)明 微提拉旋轉(zhuǎn)泡生法制備藍(lán)寶石晶體方法在對(duì)泡生法和提拉法改進(jìn)的基礎(chǔ)上發(fā)展而來(lái)的用于生長(zhǎng)大尺寸藍(lán)寶石晶體的方法，主要在烏克蘭頓涅茨公司生產(chǎn)的Ikal-220型晶體生長(zhǎng)爐的基礎(chǔ)上改進(jìn)和開(kāi)發(fā)。晶體生長(zhǎng)系統(tǒng)主要包括控制系統(tǒng)、真空系統(tǒng)、加熱體、冷卻系統(tǒng)和熱防護(hù)系統(tǒng)等。微提拉旋轉(zhuǎn)泡生法大尺寸藍(lán)寶石晶體生長(zhǎng)技術(shù)主要是通過(guò)調(diào)控系統(tǒng)內(nèi)的熱量輸運(yùn)來(lái)控制整個(gè)晶體的生長(zhǎng)過(guò)程，因此加熱體與熱防護(hù)系統(tǒng)的設(shè)計(jì)，熱交換器工作流體的選擇、散熱能力的設(shè)計(jì)，晶體生長(zhǎng)速率、冷卻速率的控制等工藝問(wèn)題對(duì)能否生長(zhǎng)出品

4、質(zhì)優(yōu)良的藍(lán)寶石晶體都至關(guān)重要。微提拉旋轉(zhuǎn)泡生法制備藍(lán)寶石晶體，生長(zhǎng)設(shè)備集水、電、氣于一體，主要由能量供應(yīng)與控制系統(tǒng)、傳動(dòng)系統(tǒng)、晶體生長(zhǎng)室、真空系統(tǒng)、水冷系統(tǒng)及其它附屬設(shè)備等組成。傳動(dòng)系統(tǒng)作為籽晶桿(熱交換器)提拉和旋轉(zhuǎn)運(yùn)動(dòng)的導(dǎo)向和傳動(dòng)機(jī)構(gòu)，與立柱相連位于爐筒之上，其主要由籽晶桿(熱交換器)的升降、旋轉(zhuǎn)裝置組成。提拉傳動(dòng)裝置由籽晶桿(熱交換器)的快速及慢速升降系統(tǒng)兩部分組成。籽晶桿(熱交換器)的慢速升降系統(tǒng)由稀土永磁直流力矩電機(jī)，通過(guò)諧波減速器與精密滾珠絲杠相連，經(jīng)滾動(dòng)直線導(dǎo)軌導(dǎo)向，托動(dòng)滑塊實(shí)現(xiàn)籽晶桿(熱交換器)在拉晶過(guò)程中的慢速升降運(yùn)動(dòng)。籽晶桿(熱交換器)的快速升降系統(tǒng)由快速伺服電機(jī)經(jīng)由諧波減

5、速器上的蝸桿、蝸桿副與諧波的聯(lián)動(dòng)實(shí)現(xiàn)。籽晶桿的旋轉(zhuǎn)運(yùn)動(dòng)由稀土永磁式伺服電機(jī)通過(guò)楔形帶傳動(dòng)實(shí)現(xiàn)。該傳動(dòng)系統(tǒng)具有定位精度高、承載能力大，速度穩(wěn)定、可靠，無(wú)振動(dòng)、無(wú)爬行等特點(diǎn)。采用精密加熱，其具有操作方法簡(jiǎn)單，容易控制的特點(diǎn)。在熱防護(hù)系統(tǒng)方面，該設(shè)計(jì)保溫罩具有調(diào)節(jié)氣氛，防輻射性能好，保溫隔熱層熱導(dǎo)率小，材料熱穩(wěn)定性好，長(zhǎng)期工作不掉渣，不起皮，具有對(duì)晶體生長(zhǎng)環(huán)境污染小，便于清潔等優(yōu)點(diǎn)。選用金屬鉬坩堝，并依據(jù)設(shè)計(jì)的晶體生長(zhǎng)尺寸、質(zhì)量來(lái)設(shè)計(jì)坩堝的內(nèi)徑、凈深、壁厚等幾何尺寸，每爐最大可制備D200mmX200mm，重量25Kg藍(lán)寶石單晶體。Al2O3原料晶體生長(zhǎng)原料采用純度為5N的高純氧化鋁粉或熔焰法制備的藍(lán)寶石碎晶。從熔體中結(jié)晶合成寶石的基本過(guò)程是：粉末原料加熱熔化冷卻超過(guò)臨界過(guò)冷度結(jié)晶。以上純度氧化鋁粉末加有機(jī)黏結(jié)劑，在壓力機(jī)上形成坯體；先將該坯體預(yù)先燒成半熟狀態(tài)的氧化鋁塊，置入爐內(nèi)預(yù)燒，將爐抽真空排出雜質(zhì)氣體，先后啟動(dòng)機(jī)械泵、擴(kuò)散泵，抽真空至，當(dāng)爐溫達(dá)充入混合保護(hù)氣體，繼續(xù)升溫至設(shè)定溫度（）；（）爐溫達(dá)設(shè)定溫度后，保溫小時(shí)，調(diào)節(jié)