2213藍寶石晶體的生長

藍寶石晶體的生長藍寶石晶體簡介藍寶石〔Sapphire〕的主要成分是氧化鋁〔A23，是由三個氧原子和兩個有A-plane，C-plane及R-plane。由于藍寶石的光學穿透帶很寬，從近紫外光〔190nm〕到中紅外線都具有很好的透光性，因此被大量用在光學元件、紅外裝磊晶〔GaN〕的材料品質，而氮化鎵磊晶品質則于所使用的藍寶石襯底基板外表加工品質息息相關，藍寶石〔Al2O3〕C面與Ⅲ-Ⅴ和Ⅱ-Ⅵ族沉積膜之間的晶格常數失配率小，同時符合GaN磊晶制程中耐高溫的要求，使得藍寶石晶片/藍/LED的關鍵材料。藍寶石晶體生長方法〔熔體或溶液〕或氣態(tài)生長而得。實際上人工熔體生長和溶液生長兩大類。熔體生長法這類方法是最常用的，主要有焰熔法 Verneui〔flamefusion、泡生(Kyropoulos、提拉法Czochralski〔C、坩堝下降法、區(qū)熔法等。焰熔法〔維爾納葉法〕最早是1885年由弗雷米〔E.Fremy、弗爾〔E.Feil〕和烏澤〔Wyse〕起，利用氫氧火焰熔化自然的紅寶石粉末與重鉻酸鉀而制成了當時轟動一時的“日內瓦紅寶石”。后來于 1902年弗雷米的助手法國的化學家維爾納葉稱為維爾納葉法。根本原理焰熔法是從熔體中生長單晶體的方法。這個方法的原理是利用氫和氧燃燒其中小錘敲擊料筒震驚粉料，經篩網及料斗而落下，氧氫各自經入口在噴口處，一高溫水平而結晶。合成裝置與條件、過程焰熔法的粗略的說是利用氫及氧氣在燃燒過程中產生高溫，使一種疏松的原料粉末通過氫氧焰撒下焰融，并落在一個冷卻的結晶桿上結成單晶。以下圖是焰熔生長原料及設備7頻率敲打料筒，產生振動，使料筒中疏松的粉料不斷通過篩網6，同時，由進氣口送進的氧氣，也幫助往下送粉料。248持晶體的結晶層在爐內先后維持同一水平，在生長較長晶體2合成過程是在維爾納葉爐中進展的。供料系統(tǒng)2原料：成分因合成品的不同而變化。原料的粉末經過AlO231-3%。三氧化二鋁可由鋁銨礬置使粉末少量、等量、周期性地從篩孔漏出。出。燃燒系統(tǒng)氧氣管：從料筒一側釋放，與原料粉末一同下降；O:H=1:3；2500℃，Al2O32050℃；2 2證火焰以上的氧管不被熔化生長系統(tǒng)落下的粉末經過氫氧火焰熔融，并落在旋轉平臺上的種晶棒上，漸漸長成一個晶棒〔梨晶。水套下為一耐火磚圍砌的保溫爐，保持燃燒溫度及晶體生長溫度，使之緩慢下降，以便結晶生長。旋轉平臺：安置種晶棒，邊旋轉、邊下降；落下的熔滴與種晶棒接觸稱為臺以均勻的速度邊旋轉邊下降，使晶體得以等徑生長。2500℃的晶體；缺點：生長的晶體內應力很大。泡生法Kyropoulos這種方法是將一根受冷的籽晶與熔體接觸，假設界面的溫度低于凝固點，就需要漸漸降低熔體的溫度，同時旋轉晶體，以改善熔體的溫度分布。也可以緩慢的〔或分階段的〕上提晶體，以擴大散熱面。晶體在生長過程中或生長完畢時不與坩堝壁接觸，這就大大削減了晶體的應力。不過，當晶體與剩余的熔體脫離時，通常會產生較大的熱沖擊。生長裝置如以下圖所示。可以認為目前常用的高溫溶液頂部籽晶法是該方法的改進和進展。承受泡生法生長大直徑、高質量、無色藍寶石晶體的具體工藝如下：將純潔的原料裝入坩堝中。坩堝上方裝有可旋轉和升降的提拉桿，桿的下端有一個籽晶夾具，在其上裝有一粒定向的無色藍寶石籽晶(注：生長無色藍寶石時不添加致色劑，籽晶也承受無色藍寶石)；2050℃以上，降低提拉桿，使籽晶插入熔體中；在清潔的籽晶外表上生長；轉動籽晶桿；掌握拉速和轉速，籽晶漸漸長大；留神地調整加熱功率，使液面溫度等于熔點，實現(xiàn)寶石晶體生長的縮頸——擴肩——等徑生長——收尾全過程。溫度，保證生長過程正常進展。提拉法Czochralski〔CZ〕該方法的創(chuàng)始人是Czochralski，他的論文發(fā)表于1918年。這是熔體生長最常用的方法之一，很多重要的有用晶體是用這種方法制備的，速率以及熔體的流體效應等。這種方法的主要優(yōu)點有：在生長的過程中可以便利地觀看晶體的生長狀況。應力。大大削減，這樣可以使放大后生長出來的晶體，其位錯密度降低。密度，較高的光學均勻性，也不存在鋃嵌構造此外還有在提拉法根底上改進的連續(xù)加料提拉法以及在對泡生法和提拉法改進的根底上進展而來用于生長大尺寸藍寶石晶體的 冷心放肩微量提拉法(Sapphiregrowthtechniquewithmicro-pullingandshoulderexpandingatcooledcenter，SAPMAC)。連續(xù)加料提拉法提拉法生長晶體中，另一重要的改進就是連續(xù)加料提拉法的應用。該法首先被Ya.Apilat和Yu.P.Belogurov通過坩堝內一個高靈敏度的熔體液面規(guī)來掌握熔體的溫度和晶體直徑。在坩堝m引入圓形槽1中，在那里熔融后，流入坩堝2內，坩堝被安放在可旋轉的支撐環(huán)339可同步旋轉，以保證在生長過程中熔體的軸向溫場的對稱性。由于晶體的直徑很大，而晶體和堝壁之間的距離很小，因此，晶體直徑的5的熔體液面規(guī)46而相應地晶體的尺寸可以長大。冷心放肩微量提拉法(SAPMAC)冷心放肩微量提拉法(SAPMAC)是在對泡生法和提拉法改進的根底上進展而來用于生長大尺寸藍寶晶體生長系統(tǒng)主要包括掌握系統(tǒng)、真l0~20mm寸。籽晶被加工成劈形，利用籽晶夾固定在熱交換器底部。熱交換器可以完成籽晶的固定、晶體的轉動和提拉，以及熱交換器、晶體和熔體之間熱量的交換作用。加熱體、冷卻系統(tǒng)和熱屏蔽裝置協(xié)同作用，為晶體生長供給一個均勻、穩(wěn)定、可控的溫場。依據晶體生長所處的引晶、放肩、等徑和退火及冷卻階段的特點，通過調整熱交換器中工作流體的溫度、流量，加熱溫度(加熱體所能供給的坩堝外壁環(huán)境溫度)可以準確掌握晶體和熔體內溫度梯度、熱量傳輸、完成晶體生長。個掌握階段，即。引晶與放肩階段主要是利用調整熱交換器散熱力量，適當協(xié)作肯定的降低加熱溫度(加熱系統(tǒng)所能供給的坩堝外壁溫度)的方式來實現(xiàn)對晶體的縮頸和放肩掌握。此時晶體生長界面凸出定性。待晶體直徑長到所需尺寸(冷心放肩微量提拉法晶體直徑可以長到距坩堝1~3cm)后，晶體開頭等徑生長，進入等徑階段。隨著晶體尺寸的長大，熱過降低加熱溫度(加熱系統(tǒng)所能供給的坩堝外壁溫度)來實現(xiàn)晶體生長。該方法主要特點：材料品質優(yōu)良。的熱擾動，缺陷萌生的幾率較其他方法明顯降低。的成功率。它的冷卻速度，削減熱應力。適合生長大尺寸晶體，材料綜合利用率是泡生法的1.2倍以上。試驗周期短、本錢低。坩堝下降法VerticalGradientFreezeMethod(VGF)是尖錐形，或帶有細頸,便于優(yōu)選籽晶,也有半球外形的以便于籽晶生長。晶體的生長的。溫度梯度法Temperaturegradienttechnique(TGT)“導向溫梯法”是以定向籽晶誘導的熔體單結晶方法。包括放置在簡潔鐘罩式真空電阻爐內的坩堝、發(fā)熱體和屏蔽裝置，右圖是裝置簡圖。本裝置承受镅坩堝、石墨發(fā)熱體。坩堝底部中心有一籽晶槽，避開耔晶在化料時被熔化掉。為了增加坩堝穩(wěn)定性，籽晶槽固定在定位棒的圓形凹槽內。溫場由石墨發(fā)熱體和冷卻裝置共同供給。發(fā)熱體為被上下槽割成矩形波狀的板條通電回路的圓筒，整個圓筒安裝在與水冷電極相連的石墨電極板上。板條上半部按肯定規(guī)律打孔，以調整發(fā)熱電阻使其通電后白上而下造成近乎線性溫差。而發(fā)熱體下半部溫差通過石墨發(fā)熱體與水冷電極板的傳導來制造。籽晶附本方法與提拉法相比，有以下特點：動，這就避開了熱對流和機械運動產生的熔體渦流。度，削減熱應力。而熱應力是產生晶體裂紋和位錯的主要因素。晶體生長時，固—液界面處于熔體包圍之中。這樣熔體外表的溫度擾動體起很重要的作用。區(qū)熔法技術有水平法和依靠外表張力的浮區(qū)熔煉兩種。溶液生長法晶體的主要原理是使溶液到達過飽和的狀態(tài)而結晶。最一般的有下述兩個途徑：,使溶液濃度增高。固然也還有其他一些途徑,如利用某些物質的穩(wěn)定相和亞穩(wěn)相水溶液法〔5[水溶液法生長晶體示意圖]。它包括一個既保證密封又能自轉的掣晶桿使結晶界面四周的溶液成分能保的。前很多功能晶體如磷酸二氫鉀、碘酸鋰等均由水溶液法生長而得。水熱法關鍵設備是高壓釜，它是由耐高溫、高壓的鋼材制成〔6[水熱法生長晶體示意圖]。200～1000C的高溫及1000～10000區(qū)而溶解培育料。水熱合成就是通過這樣的循環(huán)往復而生長晶體。助熔劑法的BaTiO晶體及Y晶體的生長成功，題。氣相生長法一般可用升華、化學氣相輸運等過程來生長晶體。升華