2213藍(lán)寶石晶體的生長(zhǎng)

藍(lán)寶石晶體的生長(zhǎng)藍(lán)寶石晶體簡(jiǎn)介藍(lán)寶石〔Sapphire〕的主要成分是氧化鋁〔A23，是由三個(gè)氧原子和兩個(gè)有A-plane，C-plane及R-plane。由于藍(lán)寶石的光學(xué)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(xué)元件、紅外裝磊晶〔GaN〕的材料品質(zhì)，而氮化鎵磊晶品質(zhì)則于所使用的藍(lán)寶石襯底基板外表加工品質(zhì)息息相關(guān)，藍(lán)寶石〔Al2O3〕C面與Ⅲ-Ⅴ和Ⅱ-Ⅵ族沉積膜之間的晶格常數(shù)失配率小，同時(shí)符合GaN磊晶制程中耐高溫的要求，使得藍(lán)寶石晶片/藍(lán)/LED的關(guān)鍵材料。藍(lán)寶石晶體生長(zhǎng)方法〔熔體或溶液〕或氣態(tài)生長(zhǎng)而得。實(shí)際上人工熔體生長(zhǎng)和溶液生長(zhǎng)兩大類。熔體生長(zhǎng)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(dāng)時(shí)轟動(dòng)一時(shí)的“日內(nèi)瓦紅寶石”。后來(lái)于 1902年弗雷米的助手法國(guó)的化學(xué)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(zhǎng)單晶體的方法。這個(gè)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(jīng)篩網(wǎng)及料斗而落下，氧氫各自經(jīng)入口在噴口處，一高溫水平而結(jié)晶。合成裝置與條件、過(guò)程焰熔法的粗略的說(shuō)是利用氫及氧氣在燃燒過(guò)程中產(chǎn)生高溫，使一種疏松的原料粉末通過(guò)氫氧焰撒下焰融，并落在一個(gè)冷卻的結(jié)晶桿上結(jié)成單晶。以下圖是焰熔生長(zhǎng)原料及設(shè)備7頻率敲打料筒，產(chǎn)生振動(dòng)，使料筒中疏松的粉料不斷通過(guò)篩網(wǎng)6，同時(shí)，由進(jìn)氣口送進(jìn)的氧氣，也幫助往下送粉料。248持晶體的結(jié)晶層在爐內(nèi)先后維持同一水平，在生長(zhǎng)較長(zhǎng)晶體2合成過(guò)程是在維爾納葉爐中進(jìn)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(jīng)過(guò)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(cè)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(zhǎng)系統(tǒng)落下的粉末經(jīng)過(guò)氫氧火焰熔融，并落在旋轉(zhuǎn)平臺(tái)上的種晶棒上，漸漸長(zhǎng)成一個(gè)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(zhǎng)溫度，使之緩慢下降，以便結(jié)晶生長(zhǎng)。旋轉(zhuǎn)平臺(tái)：安置種晶棒，邊旋轉(zhuǎn)、邊下降；落下的熔滴與種晶棒接觸稱為臺(tái)以均勻的速度邊旋轉(zhuǎn)邊下降，使晶體得以等徑生長(zhǎng)。2500℃的晶體；缺點(diǎn)：生長(zhǎng)的晶體內(nèi)應(yīng)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(shè)界面的溫度低于凝固點(diǎn)，就需要漸漸降低熔體的溫度，同時(shí)旋轉(zhuǎn)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(kuò)大散熱面。晶體在生長(zhǎng)過(guò)程中或生長(zhǎng)完畢時(shí)不與坩堝壁接觸，這就大大削減了晶體的應(yīng)力。不過(guò)，當(dāng)晶體與剩余的熔體脫離時(shí)，通常會(huì)產(chǎn)生較大的熱沖擊。生長(zhǎng)裝置如以下圖所示?？梢哉J(rèn)為目前常用的高溫溶液頂部籽晶法是該方法的改進(jìn)和進(jìn)展。承受泡生法生長(zhǎng)大直徑、高質(zhì)量、無(wú)色藍(lán)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(zhuǎn)和升降的提拉桿，桿的下端有一個(gè)籽晶夾具，在其上裝有一粒定向的無(wú)色藍(lán)寶石籽晶(注：生長(zhǎng)無(wú)色藍(lán)寶石時(shí)不添加致色劑，籽晶也承受無(wú)色藍(lán)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(zhǎng)；轉(zhuǎn)動(dòng)籽晶桿；掌握拉速和轉(zhuǎn)速，籽晶漸漸長(zhǎng)大；留神地調(diào)整加熱功率，使液面溫度等于熔點(diǎn)，實(shí)現(xiàn)寶石晶體生長(zhǎng)的縮頸——擴(kuò)肩——等徑生長(zhǎng)——收尾全過(guò)程。溫度，保證生長(zhǎng)過(guò)程正常進(jìn)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(zhǎng)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(yīng)等。這種方法的主要優(yōu)點(diǎn)有：在生長(zhǎng)的過(guò)程中可以便利地觀看晶體的生長(zhǎng)狀況。應(yīng)力。大大削減，這樣可以使放大后生長(zhǎng)出來(lái)的晶體，其位錯(cuò)密度降低。密度，較高的光學(xué)均勻性，也不存在鋃嵌構(gòu)造此外還有在提拉法根底上改進(jìn)的連續(xù)加料提拉法以及在對(duì)泡生法和提拉法改進(jìn)的根底上進(jìn)展而來(lái)用于生長(zhǎng)大尺寸藍(lán)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(zhǎng)晶體中，另一重要的改進(jìn)就是連續(xù)加料提拉法的應(yīng)用。該法首先被Ya.Apilat和Yu.P.Belogurov通過(guò)坩堝內(nèi)一個(gè)高靈敏度的熔體液面規(guī)來(lái)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(nèi)，坩堝被安放在可旋轉(zhuǎn)的支撐環(huán)339可同步旋轉(zhuǎn)，以保證在生長(zhǎng)過(guò)程中熔體的軸向溫場(chǎng)的對(duì)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(yīng)地晶體的尺寸可以長(zhǎng)大。冷心放肩微量提拉法(SAPMAC)冷心放肩微量提拉法(SAPMAC)是在對(duì)泡生法和提拉法改進(jìn)的根底上進(jìn)展而來(lái)用于生長(zhǎng)大尺寸藍(lán)寶晶體生長(zhǎng)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(zhuǎn)動(dòng)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(zhǎng)供給一個(gè)均勻、穩(wěn)定、可控的溫場(chǎng)。依據(jù)晶體生長(zhǎng)所處的引晶、放肩、等徑和退火及冷卻階段的特點(diǎn)，通過(guò)調(diào)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(zhǔn)確掌握晶體和熔體內(nèi)溫度梯度、熱量傳輸、完成晶體生長(zhǎng)。個(gè)掌握階段，即。引晶與放肩階段主要是利用調(diào)整熱交換器散熱力量，適當(dāng)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(lái)實(shí)現(xiàn)對(duì)晶體的縮頸和放肩掌握。此時(shí)晶體生長(zhǎng)界面凸出定性。待晶體直徑長(zhǎng)到所需尺寸(冷心放肩微量提拉法晶體直徑可以長(zhǎng)到距坩堝1~3cm)后，晶體開(kāi)頭等徑生長(zhǎng)，進(jìn)入等徑階段。隨著晶體尺寸的長(zhǎng)大，熱過(guò)降低加熱溫度(加熱系統(tǒng)所能供給的坩堝外壁溫度)來(lái)實(shí)現(xiàn)晶體生長(zhǎng)。該方法主要特點(diǎn)：材料品質(zhì)優(yōu)良。的熱擾動(dòng)，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(yīng)力。適合生長(zhǎng)大尺寸晶體，材料綜合利用率是泡生法的1.2倍以上。試驗(yàn)周期短、本錢低。坩堝下降法VerticalGradientFreezeMethod(VGF)是尖錐形，或帶有細(xì)頸,便于優(yōu)選籽晶,也有半球外形的以便于籽晶生長(zhǎng)。晶體的生長(zhǎng)的。溫度梯度法Temperaturegradienttechnique(TGT)“導(dǎo)向溫梯法”是以定向籽晶誘導(dǎo)的熔體單結(jié)晶方法。包括放置在簡(jiǎn)潔鐘罩式真空電阻爐內(nèi)的坩堝、發(fā)熱體和屏蔽裝置，右圖是裝置簡(jiǎn)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(kāi)耔晶在化料時(shí)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(nèi)。溫場(chǎng)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(gè)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(diào)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(guò)石墨發(fā)熱體與水冷電極板的傳導(dǎo)來(lái)制造。籽晶附本方法與提拉法相比，有以下特點(diǎn)：動(dòng)，這就避開(kāi)了熱對(duì)流和機(jī)械運(yùn)動(dòng)產(chǎn)生的熔體渦流。度，削減熱應(yīng)力。而熱應(yīng)力是產(chǎn)生晶體裂紋和位錯(cuò)的主要因素。晶體生長(zhǎng)時(shí)，固—液界面處于熔體包圍之中。這樣熔體外表的溫度擾動(dòng)體起很重要的作用。區(qū)熔法技術(shù)有水平法和依靠外表張力的浮區(qū)熔煉兩種。溶液生長(zhǎng)法晶體的主要原理是使溶液到達(dá)過(guò)飽和的狀態(tài)而結(jié)晶。最一般的有下述兩個(gè)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(zhì)的穩(wěn)定相和亞穩(wěn)相水溶液法〔5[水溶液法生長(zhǎng)晶體示意圖]。它包括一個(gè)既保證密封又能自轉(zhuǎn)的掣晶桿使結(jié)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(zhǎng)而得。水熱法關(guān)鍵設(shè)備是高壓釜，它是由耐高溫、高壓的鋼材制成〔6[水熱法生長(zhǎng)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(guò)這樣的循環(huán)往復(fù)而生長(zhǎng)晶體。助熔劑法的BaTiO晶體及Y晶體的生長(zhǎng)成功，題。氣相生長(zhǎng)法一般可用升華、化學(xué)氣相輸運(yùn)等過(guò)程來(lái)生長(zhǎng)晶體。升華