蓝宝石各种生长方法
一、蓝宝石生长
1.1 蓝宝石生长方法
1.1.1 焰熔法Verneuil (flame fusion)
最早是1885年由弗雷米（E. Fremy）、弗尔（E. Feil）
和乌泽（Wyse）一起，利用氢氧火焰熔化天然的红宝石粉末
与重铬酸钾而制成了当时轰动一时的“ 日内瓦红宝石”。后
来于1902年弗雷米的助手法国的化学家维尔纳叶（Verneuil）
改进并发展这一技术使之能进行商业化生产。因此，这种方
法又被称为维尔纳叶法。
1）基本原理
焰熔法是从熔体中生长单晶体的方法。其原料的粉末在
通过高温的氢氧火焰后熔化，熔滴在下落过程中冷却并在种
晶上固结逐渐生长形成晶体。
2）合成装置与条件、过程
焰熔法的粗略的说是利用氢及氧气在燃烧过程中产生
高温，使一种疏松的原料粉末通过氢氧焰撒下焰融，并落在
一个冷却的结晶杆上结成单晶。下图是焰熔生长原料及设备
简图。这个方法可以简述如下。图中锤打机构的小锤7按一
定频率敲打料筒，产生振动，使料筒中疏松的粉料不断通过
筛网6，同时，由进气口送进的氧气，也帮助往下送粉料。
氢经入口流进，在喷口和氧气一起混合燃烧。粉料在经过高温火焰被熔融而落在一个温度较低的结晶杆2上结成晶体了。炉体4设有观察窗。可由望远镜8观看结晶状况。为保持晶体的结晶层在炉内先后维持同一水平，在生长较长晶体的结晶过程中，同时设置下降机构1，把结晶杆2缓缓下移。
焰熔法合成装置由供料系统、燃烧系统和生长系统组成，合成过程是在维尔纳叶炉中进行的。
A.供料系统
原料：成分因合成品的不同而变化。原料的粉末经过充分拌匀，放入料筒。如果合成红宝石，则需要Al2O
粉末和少量的 Cr2O3参杂，Cr2O3用作致色剂，添加量为 1-3%。三氧化
3
二铝可由铝铵矾加热获得。料筒：圆筒，用来装原料，底部有筛孔。料筒中部贯通有
一根震动装置使粉末少量、等量、周期性地从筛孔漏出。
震荡器：驱动震动棒震动，使料筒不断抖动，以便原料的粉末能从筛孔漏出。
B.燃烧系统
氧气管：从料筒一侧释放，与原料粉末一同下降；
氢气管：在火焰上方喷嘴处与氧气混合燃烧。通过控制管内流量来控制氢氧比例，
O
2:H
2
=1:3；氢氧燃烧温度为2500℃，Al2O3粉末的熔点为2050℃；
冷却套：吹管至喷嘴处有一冷却水套，使氢气和氧气处于正常供气状态，保证火焰以上
的氧管不被熔化
C.生长系统
落下的粉末经过氢氧火焰熔融，并落在旋转平台上的种晶棒上，逐渐长成一个晶棒（梨晶）。水套下为一耐火砖围砌的保温炉，保持燃烧温度及晶体生长温度，近上部有一个观察孔，可了解晶体生长情况。耐火砖的作用是保持炉腔的温度，使之缓慢下降，以便结晶生长。
旋转平台：安置种晶棒，边旋转、边下降；落下的熔滴与种晶棒接触称为接晶；接晶后通过控制旋转平台扩大晶种的生长直径，称为扩肩；然后，旋转平台以均匀的速度边旋转边下降，使晶体得以等径生长。
1.1.2泡生法Kyropoulos
这种方法是将一根受冷的籽晶与熔
体接触，如果界面的温度低于凝固点，
则籽晶开始生长，为了使晶体不断长大，
就需要逐渐降低熔体的温度，同时旋转
晶体，以改善熔体的温度分布。也可以
缓慢的（或分阶段的）上提晶体，以扩
大散热面。晶体在生长过程中或生长结
束时不与坩埚壁接触，这就大大减少了
晶体的应力。不过，当晶体与剩余的熔
体脱离时，通常会产生较大的热冲击。
生长装置如下图所示。可以认为目前常
用的高温溶液顶部籽晶法是该方法的改良和发展。
采用泡生法生长大直径、高质量、无色蓝宝石晶体的具体工艺如下：
1．将纯净的G-A1 O。原料装入坩埚中。坩埚上方装有可旋转和升降的提拉杆，杆的下端有一个籽晶夹具，在其上装有一粒定向的无色蓝宝石籽晶(注：生长无色蓝宝石时不添加致
色剂，籽晶也采用无色蓝宝石)；
2．将坩埚加热到2050℃以上，降低提拉杆，使籽晶插入熔体中；
3．控制熔体的温度，使液面温度略高于熔点，熔去少量籽晶以保证晶体能在清洁的籽晶表面上生长；
4．在实现籽晶与熔体充分沾润后，使液面温度处于熔点，缓慢向上提拉和转动籽晶杆；控制拉速和转速，籽晶逐渐长大；
5．小心地调节加热功率，使液面温度等于熔点，实现宝石晶体生长的缩颈——扩肩——等径生长——收尾全过程。
整个晶体生长装置安放在一个外罩内，以便抽真空后充入惰性气体，保持生长环境中需要的气体和压强。通过外罩上的窗口观察晶体的生长情况，随时调节温度，保证生长过程正常进行。
1.1.3温度梯度法Temperature gradient technique (TGT)
“导向温梯法”是以定向籽晶诱导的熔体单结
晶方法。包括放置在简单钟罩式真空电阻炉内的坩
埚、发热体和屏蔽装置，右图是装置简图。本装置
采用镅坩埚、石墨发热体。坩埚底部中心有一籽晶
槽，避免耔晶在化料时被熔化掉。为了增加坩埚稳
定性，籽晶槽固定在定位棒的圆形凹槽内。温场由
石墨发热体和冷却装置共同提供。发热体为被上下
槽割成矩形波状的板条通电回路的圆筒，整个圆筒
安装在与水冷电极相连的石墨电极板上。板条上半
部按一定规律打孔，以调节发热电阻使其通电后白
上而下造成近乎线性温差。而发热体下半部温差通
过石墨发热体与水冷电极板的传导来创造。籽晶附
近的温场还要依靠与水冷坩埚杆的热传导共同提供。
本方法与提拉法相比，有以下特点：
(1)晶体生长时温度梯度与重力方向相反，并且坩埚、晶体和发热体都不移动，这就避免了热对流和机械运动产生的熔体涡流。
(2)晶体生长以后，由熔体包围，仍处于热区。这样就可以控制它的冷却速度，减少热应力。而热应力是产生晶体裂纹和位错的主要因素。
(3)晶体生长时，固—液界面处于熔体包围之中。这样熔体表面的温度扰动和机械扰动在
蓝宝石生长方法
一、蓝宝石生长 1.1 蓝宝石生长方法 1.1.1 焰熔法Verneuil (flame fusion) 最早是1885年由弗雷米（E. Fremy）、弗尔（E. Feil） 和乌泽（Wyse）一起，利用氢氧火焰熔化天然的红宝石粉末 与重铬酸钾而制成了当时轰动一时的“ 日内瓦红宝石”。后 来于1902年弗雷米的助手法国的化学家维尔纳叶（Verneuil） 改进并发展这一技术使之能进行商业化生产。因此，这种方 法又被称为维尔纳叶法。 1）基本原理 焰熔法是从熔体中生长单晶体的方法。其原料的粉末在 通过高温的氢氧火焰后熔化，熔滴在下落过程中冷却并在种 晶上固结逐渐生长形成晶体。 2）合成装置与条件、过程 焰熔法的粗略的说是利用氢及氧气在燃烧过程中产生 高温，使一种疏松的原料粉末通过氢氧焰撒下焰融，并落在 一个冷却的结晶杆上结成单晶。下图是焰熔生长原料及设备 简图。这个方法可以简述如下。图中锤打机构的小锤7按一 定频率敲打料筒，产生振动，使料筒中疏松的粉料不断通过 筛网6，同时，由进气口送进的氧气，也帮助往下送粉料。 氢经入口流进，在喷口和氧气一起混合燃烧。粉料在经过高温火焰被熔融而落在一个温度较低的结晶杆2上结成晶体了。炉体4设有观察窗。可由望远镜8观看结晶状况。为保持晶体的结晶层在炉内先后维持同一水平，在生长较长晶体的结晶过程中，同时设置下降机构1，把结晶杆2缓缓下移。 焰熔法合成装置由供料系统、燃烧系统和生长系统组成，合成过程是在维尔纳叶炉中进行的。 A.供料系统 原料：成分因合成品的不同而变化。原料的粉末经过充分拌匀，放入料筒。如果合成红宝石，则需要Al2O 粉末和少量的 Cr2O3参杂，Cr2O3用作致色剂，添加量为 1-3%。三氧化 3 二铝可由铝铵矾加热获得。料筒：圆筒，用来装原料，底部有筛孔。料筒中部贯通有
不同生长方法的蓝宝石颜色问题浅析
不同生长方法的蓝宝石颜色问题浅析 (2013-03-06 18:24:26) 转载▼ 标签： 分类：蓝宝石晶体 蓝宝石晶体 颜色问题 掺杂问题 杂谈 蓝宝石晶体生长 前言 恭祝大家在新的一年里有新的气象；好久不发表文章了，在这就说说为何停顿这么久时间吧！首先肯定不会是因为接到某些官员的恐吓电话而不写博文了，是因为有很多更值得忙的事；这些就在最近的博文里慢慢论述吧！ 在我的《笑话连篇——真假自动化》（2012-09-15 10:25:34）的评论中有这么一段留言“............HEM 的创始人Fred Schmid差不多80岁了，天才的人物还奋战在第一线搞技术，国人惭愧啊！”。 不管是洋人还是国人，Fred Schmid作为一个晶体生长的老工程师是值得尊敬。不过这么舔洋人屁眼的话语我实在看不过去。说这话的人实在是没有什么专业知识，也没见过什么世面。如果Fred Schmid能称上天才人物的话，中国晶体生长界有太多人需要用“宇宙无敌”来形容了。 为了防止有人再发表“碳是黑色的，掺入蓝宝石晶体，晶体应该也是黑色.........”的笑话，就给大家分析一下不同方法生长出来的蓝宝石的颜色问题。 我讲的未必都对，听不听是你的事，怎么讲是我的事。 宝石材料的显色机理 众所周知，白光是一种混合光，由各种波长（各种颜色）混合显色的结果。当白光入射的时候，如所有的光都通过的时候，则蓝宝石为无色；全部反射，则呈现白色；部分吸收，则呈现剩余光的颜色。例如：吸收红光蓝宝石呈现青色；吸收黄光蓝宝石呈现紫色色；吸收绿光呈现蓝色；反之则反。
杂质离子的引入方式 蓝宝石材料呈现颜色的时候，一定是引入了杂质离子。杂质离子的引入途径只有两个：途径化铝原料中的杂质；途径2是热场包括保温、发热体和坩埚引入的杂质。
蓝宝石晶体生长技术回顾
蓝宝石晶体生长技术回顾 (2011-07-12 15:21:18) 转载 分类：蓝宝石晶体 标签： 蓝宝石 晶体生长 技术 历史 杂文 杂谈 引言 不少群众提出意见，博主说了这多不行的，能不能告诉广大投身蓝宝石长晶事业的什么设备行？说实话，这真的是为难我了！怎么讲？举个例子吧，Ky技术设备在Mono手里还真的是Ky，但到了你手里可能就是YY了。 可能你觉得受打击了，可是没有办法啊，事实如此啊，实话听 起来往往比较刺耳！本博主前面发表的《从缺陷的角度谈谈蓝宝石生长方向的选择》博文，迄今为止只有寥寥无几群众真正看出精髓所在..................................不服气群众可以留言谈谈自己了解了什么？ 古人云“博古通今”、“温故知新”，我觉得很有道理，技术之道也是如此。如果没有对以往技术的熟练掌握、熟知精髓所在，没有
对以往技术的总结提炼，你就不可能对一个新技术真正的掌握。任何新技术新设备到你手里，充其量你只是一个熟练操作工而已。 还觉得不信的话，我就在这篇博文里用大家认为最古老的火焰法宝石生长的经验理论总结来给大家进行目前流行的衬底级蓝宝石晶体生长进行理论指导。 蓝宝石晶体生长技术简介
焰熔法（flame fusion technique）&维尔纳叶法（Verneuil technique） 1885年由弗雷米（E. Fremy）、弗尔（E. Feil）和乌泽（Wyse）一起，利用氢氧火焰熔化天然的红宝石粉末与重铬酸钾而制成了当时轰动一时的“日内瓦红宝石”。后来于1902年弗雷米的助手法国的化学家维尔纳叶（Verneuil）改进并发展这一技术使之能进行商业化生产。因此，这种方法又被称为维尔纳叶法。 弗雷米（E. Fremy）、弗尔（E. Feil）和乌泽（Wyse）这几个哥们实际上就是做假珠宝的，一群有创新精神的专业人士。 博主对两类造假者比较佩服，一类是以人造珠宝以假乱真的，一类是造假文物的。首先、他们具有很高的专业素养；其次、他们也无关民生大计；还有利于社会财富的再分配。 至于火焰法简单的描述我就不啰嗦了，我讲讲一些你所不知道的火焰法长宝石的一些前人总结；这些总结和经验对今天的任何一种新方法长蓝宝石单晶都是有借鉴意义的。 100多年来火焰法工作者在气泡、微散射，晶体应力和晶体生长方向的关系，晶体生长方向与缺陷、成品率之间的关系做了大量的数据总结，可以讲在各个宝石生长方法中研究数据是最完备的。在这篇博文里我只讲讲个人认为对其他方法有借鉴意义的一些总结。
数种蓝宝石晶体生长方法
蓝宝石晶体的生长方法 自1885年由Fremy、Feil和Wyse利用氢氧火焰熔化天然红宝石粉末与重铬酸钾而制成了当时轰动一时的“日内瓦红宝石”，迄今人工生长蓝宝石的研究已有100多年的历史。在此期间，为了适应科学技术的发展和工业生产对于蓝宝石晶体质量、尺寸、形状的特殊要求，为了提高蓝宝石晶体的成品率、利用率以及降低成本，对蓝宝石的生长方法及其相关理论进行了大量的研究，成果显著。至今已具有较高的技术水平和较大的生产能力，为之配套服务的晶体生长设备——单晶炉也随之得到了飞速的发展。随着蓝宝石晶体应用市场的急剧膨胀，其设备和技术也在上世纪末取得了迅速的发展。晶体尺寸从2吋扩大到目前的12吋。 低成本、高质量地生长大尺寸蓝宝石单晶已成为当前面临的迫切任务。总体说来，蓝宝石晶体生长方式可划分为溶液生长、熔体生长、气相生长三种，其中熔体生长方式因具有生长速率快，纯度高和晶体完整性好等特点，而成为是制备大尺寸和特定形状晶体的最常用的晶体生长方式。目前可用来以熔体生长方式人工生长蓝宝石晶体的方法主要有焰熔法、提拉法、区熔法、导模法、坩埚移动法、热交换法、温度梯度法、泡生法等。而泡生法工艺生长的蓝宝石晶体约为目前市场份额的70%。LED蓝宝石衬底晶体技术正属于一个处于正在发展的极端，由于晶体生长技术的保密性，其多数晶体生长设备都是根据客户要求按照工艺特点定做，或者采用其他晶体生长设备改造而成。下面介绍几种国际上目前主流的蓝宝石晶体生长方法。
图9 蓝宝石晶体的生长技术发展 1 凯氏长晶法(Kyropoulos method) 简称KY法，中国大陆称之为泡生法。泡生法是Kyropoulos于1926年首先提出并用于晶体的生长，此后相当长的一段时间内，该方法都是用于大尺寸卤族晶体、氢氧化物和碳酸盐等晶体的制备与研究。上世纪六七十年代，经前苏联的Musatov改进，将此方法应用于蓝宝石单晶的制备。该方法生长的单晶，外型通常为梨形，晶体直径可以生长到比坩锅内径小10～30mm的尺寸。其原理与柴氏拉晶法(Czochralski method)类似，先将原料加热至熔点后熔化形成熔汤，再以单晶之晶种（Seed Crystal，又称籽晶棒）接触到熔汤表面，在晶种与熔汤的固液界面上开始生长和晶种相同晶体结构的单晶，晶种以极缓慢的速度往上拉升，但在晶种往上拉晶一段时间以形成晶颈，待熔汤与晶种界面的凝固速率稳定后，晶种便不再拉升，也没有作旋转，仅以控制冷却速率方式来使单晶从上方逐渐往下凝固，最后凝固成一整个单晶晶碇，图10即为泡生法(Kyropoulos method)的原理示意图。泡生法是利用温度控制来生长晶体，它与柴氏拉晶法最大的差异是只拉出晶颈，晶身部分是靠着温度变化来生长，少了拉升及旋转的干扰，比较好控制制程，并在拉晶颈的同时，调整加热器功率，使熔融的原料达到最合适的
蓝宝石应力
蓝宝石应力 1. 概述 在晶体生长过程中晶体内存在的应力将引起应变，当应变超过了晶体材料本身塑性形变的屈服极限时，晶体将发生开裂。一般来说，根据晶体内应力的形成原因，可将其分为三类：热应力，化学应力和结构应力。 1.1热应力 蓝宝石晶体在从结晶温度冷却至室温过程中并不发生相结构的转变，因此，晶体内应力主要是由温度梯度引起的热应力。晶体热应力正比于晶体内的温度梯度、晶体热膨胀系数及晶体直径。最大热应力总是出现在籽晶与新生晶体的界面区域，较大热应力一般出现在结晶界面、放肩、收尾及直径发生突变的部位，在等径部位热应力相对较小。 1.2结构应力 由特定材料构建成的一个功能性物体叫做结构，在结构的材料内部纤维受到结构自身重力或者外界作用力下，纤维会产生变形，这种变形的能量来自于材料所受的应力，这种应力就叫结构应力。 2. 产生因素 晶体全开裂主要与晶体的生长速率和冷却速率有关，生长速率或冷却速率过快，必将使晶体整体的热应力过大。当热应力值超过屈服应力时，裂纹大量萌生，不断扩展，相互交织造成晶体整体碎裂，具有此种裂纹的晶体已失去使用价值，应当严格避免。通过相关理论分析和多次实验证明，采用匀速的降温程序，降温速率控制在1.5～3.0 K／h的范围
内，晶体生长速率为1.0～5.0 mm／h；依据蓝宝石晶体退火工艺，晶体强度与温度的变化关系，在10～30 K／h范围内设计晶体的冷却程序，完成晶体的退火和冷却。此晶体生长速率及冷却程序，可使晶体的整体碎裂得到有效控制。 在晶体生长中时常发现在晶体的引晶、放肩及晶体直径突变等部位发生裂纹萌生，并沿特定的晶面扩展。具有该种裂纹的晶体虽然仍可利用，但会使器件的尺寸受到一定的限制，降低晶体坯料的利用率，故应尽力避免。 此种裂纹的形成与泡生法晶体生长控制工艺密切相关。在晶体生长的引晶和放肩阶段主要是通过调节热交换器的散热能力来控制晶体生长，在籽晶和新生晶体的界面区域，受热交换器工作流体温度的影响较显著，温度梯度较大。同时，在此阶段需不断的调整晶体的生长 状态，造成此位置晶体外形不规则以及较高的缺陷浓度等都极易引起应力集中，裂纹萌生的机率也相对较大。在后续实验中，本实验室采用加长籽晶杆长度，增加温度梯度过渡区长度和恒定热交换器工作流体温度等措施来控制该区域的裂纹萌生，并取得了较好的效果。 3. 检测方法 检测工具为应力仪。 台式应力仪：S-18应力测试仪应用范围广泛。该仪器可以从水平或垂直角度，对玻璃和塑料配件进行检测，大多运用于品控。S-18有足够大的使用空间供各种产品进行测量。测量过程中，主要通过手持被测物体在偏光下进行观察测量。 标准配置的S-18包括一个光源，一个装有四分之一波盘的分析器和另一个装有四分之一波盘的偏光装置。S-18应力仪中已经置入了一块全波盘。 S-18应力测试仪使用时要垂直放置。机身上有2对橡胶脚垫减震器，便于从水平或垂直方向操作。 应力仪功能的优越点 应力仪是一种无损检测应力情况的机器，便于人们在生产国产中更直观的判别样品的应力情况。做好分析应力的情况，更好的改进生产工艺，做出更好的产品。 应力仪的操作简便易学，机器性能一般可以稳定维持3-5年。
蓝宝石晶体生长工艺研究
蓝宝石晶体生长工艺研究 【摘要】蓝宝石晶体具有硬度大、熔点高、物理化学性质稳定的特点,是优质光功能材料和氧化物衬底材料,广泛用于电子技术,军事、通信、医学等国防民用, 科学技术等领域。自19 世纪末, 法国化学家维尔纳叶采用焰熔法获得了蓝宝石晶体后,人工生长蓝宝石工艺不断发展, 除了焰熔法外还有冷坩埚法、泡生法、温度梯度法、提拉法、热交换法、水平结晶法、弧熔法、升华法、导模法、坩埚下降法等。本文主要对应用较为广泛的焰熔法、提拉法、泡生法、热交换法、导模法、下降法、等生长工艺进行论述。 【关键词】蓝宝石晶体晶体生长工艺研究蓝宝石晶体的化学成分是氧化铝(a -AI2O3 ),熔点高达2050C,沸点3500C,硬度仅次于金刚石为莫氏硬度9，是一种重要的技术晶体。蓝宝石晶体在光学性能、机械性能和物理化学性质方面表现出了优异性能,因此被各行业广泛应用,同时随着现代科学技术的发展,对蓝宝石晶体的质量要求也不断提升,这就对蓝宝石晶体生长工艺提出了新的挑战。 焰熔法。确切来讲焰熔法是由弗雷米、弗尔、乌泽在
1885 年发明的，后来法国化学家维尔纳叶改进、发 展并投入生产使用。焰熔法是以Al2O3 粉末为原 料，置于设备上部，原料在撒落过程中通过氢及氧气 在燃烧过程中产生的高温火焰，熔化，继续下落，落 在设备下方的籽晶顶端，逐渐生长成晶体。焰熔法生 产设备主要有料筒、锤打机构、筛网、混合室、氢气 管、氧气管、炉体、结晶杆、下降机构、旋转平台等 组成。锤打机构使料筒振动，与筛网合作使粉料少 量、等量或周期性的下落；氧气与粉末一同下降、氢气与氧气混合燃烧；在炉体设有观察窗口可通过望远镜查看结晶状况，下降机构控制结晶杆的移动，旋转平台为晶体生长平台，下方置以保温炉。焰熔法具有生长速度快、设备简单、产量大的优点，但是生产出的晶体缺陷较多，适用于对蓝宝石质量要求不高的晶体生产。 提拉法。提拉法能够顺利地生长某些易挥发的化合物，应用较为广泛。提拉法工艺：将原料装入坩埚中熔化为熔体，籽晶放入坩埚上方的提拉杆籽晶夹具中，降低提拉杆使籽晶插入熔体中，在合适的温度下籽晶不会熔掉也不会长大，然后转动和提升晶体，当加热功率降低时籽晶就会生长，通过对加热功率的调节和提升杠杆的转动即可使籽晶生长成所需的晶体。
蓝宝石晶体生长设备
大规格蓝宝石单晶体生长炉技术说明 一、项目市场背景 α-Al2O3单晶又称蓝宝石，俗称刚玉，是一种简单配位型氧化物晶体。蓝宝石晶体具有优异的光学性能、机械性能和化学稳定性，强度高、硬度大、耐冲刷，可在接近2000℃高温的恶劣条件下工作，因而被广泛的应用于红外军事装置、卫星空间技术、高强度激光的窗口材料。其独特的晶格结构、优异的力学性能、良好的热学性能使蓝宝石晶体成为实际应用的半导体GaN/Al2O3发光二极管(LED)，大规模集成电路SOI和SOS及超导纳米结构薄膜等最为理想的衬底材料。低成本、高质量地生长大尺寸蓝宝石单晶已成为当前面临的迫切任务。 蓝宝石晶体生长方式可划分为溶液生长、熔体生长、气相生长三种，其中熔体生长方式因具有生长速率快，纯度高和晶体完整性好等特点，而成为是制备大尺寸和特定形状晶体的最常用的晶体生长方式。目前可用来以熔体生长方式人工生长蓝宝石晶体的方法主要有熔焰法、提拉法、区熔法、坩埚移动法、热交换法、温度梯度法和泡生法等。但是，上述方法都存在各自的缺点和局限性，较难满足未来蓝宝石晶体的大尺寸、高质量、低成本发展需求。例如，熔焰法、提拉法、区熔法等方法生长的晶体质量和尺寸都受到限制，难以满足光学器件的高性能要
求；热交换法、温度梯度法和泡生法等方法生长的蓝宝石晶体尺寸大，质量较好，但热交换法需要大量氦气作冷却剂，温度梯度法、泡生法生长的蓝宝石晶体坯料需要进行高温退火处理，坯料的后续处理工艺比较复杂、成本高。 二、微提拉旋转泡生法制备蓝宝石晶体工艺技术说明 微提拉旋转泡生法制备蓝宝石晶体方法在对泡生法和提拉法改进的基础上发展而来的用于生长大尺寸蓝宝石晶体的方法，主要在乌克兰顿涅茨公司生产的 Ikal-220型晶体生长炉的基础上改进和开发。晶体生长系统主要包括控制系统、真空系统、加热体、冷却系统和热防护系统等。微提拉旋转泡生法大尺寸蓝宝石晶体生长技术主要是通过调控系统内的热量输运来控制整个晶体的生长过程，因此加热体与热防护系统的设计，热交换器工作流体的选择、散热能力的设计，晶体生长速率、冷却速率的控制等工艺问题对能否生长出品质优良的蓝宝石晶体都至关重要。 微提拉旋转泡生法制备蓝宝石晶体，生长设备集水、电、气于一体，主要由能量供应与控制系统、传动系统、晶体生长室、真空系统、水冷系统及其它附属设备等组成。传动系统作为籽晶杆(热交换器)提拉和旋转运动的导向和传动机构，与立柱相连位于炉筒之上，其主要由籽晶杆(热交换器)的升降、旋转装置组成。提拉传动装置由籽晶杆(热交换器)的快速及慢速升降系统两部分组成。籽晶杆(热交换器)的慢速升降系统由稀土永磁直流力矩电机，通过谐波减速器与精密滚珠丝杠相连，经滚动直线导轨导向，托动滑块实现籽晶杆(热交换器)在拉晶过程中的慢速升降运动。籽晶杆(热交换器)的快速升降系统由快速伺服电机经由谐波减速器上的蜗杆、蜗杆副与谐波的联动实现。籽晶杆的旋转运动由稀土永磁式伺服电机通过楔形带传动实现。该传动系统具有定位精度高、承载能力大，速度稳定、可靠，无振动、无爬行等特点。采用精密加热，其具有操作方法简单，容易控制的特点。在热防护系统方面，该设计保温罩具有调节气氛，防辐射性能好，保温隔热层热导率小，材料热稳定性好，长期工作不掉渣，不起皮，具有对晶体生长环境污染小，便于清洁等优点。选用金属钼坩埚，并依据设计的晶体生长尺寸、质量来设计坩埚的内径、净深、壁厚等几何尺寸，每炉最大可制备D200mmX200mm，重量25Kg蓝宝石单晶体。Al2O3原料晶体生长原料采用纯度为5N的高纯氧化铝粉或熔焰法制备的蓝宝石碎晶。 从熔体中结晶合成宝石的基本过程是：粉末原料→加热→熔化→冷却→超过临界过冷度→结晶。 ９９．９９％以上纯度氧化铝粉末加有机黏结剂，在压力机上形成坯体；先将该坯体预先烧成半熟状态的氧化铝块，置入炉内预烧，将炉抽真空排出杂质气体，先后启动机械泵、扩散泵，抽真空至１０↑［－３］－１０↑［－４］Ｐａ，当炉温达１５００－１８００℃充入混合保护气体，继续升温至设定温度（２１００－２２５０℃）；（３）炉温达设定温度后，保温４－８小时，调节炉膛温度
蓝宝石晶体热性能的各向异性对SAPMAC法晶体生长的影响
第36卷第6期 人 工 晶 体 学 报 V o.l 36 N o .6 2007年12月 J OURNAL O F S YNTHET I C CRY STA LS D ece m ber ,2007 蓝宝石晶体热性能的各向异性对S APMAC 法晶体生长的影响 许承海,杜善义,孟松鹤,韩杰才,汪桂根,左洪波,张明福 (哈尔滨工业大学复合材料与结构研究所,哈尔滨150001) 摘要:采用有限元法对冷心放肩微量提拉法蓝宝石晶体生长过程中晶体内的温度、应力分布进行了模拟计算,结合实验结果讨论了蓝宝石晶体热性能的各向异性对晶体生长的影响。研究结果表明,对于冷心放肩微量提拉蓝宝石晶体生长系统,较大的轴向热导率有利于提高晶体的生长速率和界面稳定性,而稍大的径向热导率则有利于保持微凸的生长界面。晶体内的热应力受径向热膨胀系数的影响显著,随着径向热膨胀系数的增大而增大,最大热应力总是出现在籽晶与新生晶体的界面区域。在实验中选a 轴为结晶取向,成功生长出了直径达230mm 、高质量蓝宝石晶体。 关键词:各向异性;热性能;蓝宝石;冷心放肩微量提拉法中图分类号:O 782 文献标识码:A 文章编号:1000 985X (2007)06 1261 05 E ffect of Sapphire Thermal Performance Anisotropy on Crystal Gro w th by S APMAC M ethod XU Cheng hai ,DU Shan y i ,ME NG Song he ,HAN J ie cai ,WANG G ui gen, ZUO H ong bo ,Z HANG M i n g fu (C enter for Co m positeM at eri a l s ,H arb i n Ins tit u te ofTechnol ogy ,H arb i n 150001,Ch i na) (R e ce i ved 17M arc h 2007) 收稿日期:2007 03 17 作者简介:许承海(1978 ),男,黑龙江省人,博士生。E m ai:l h i txu c h engha@i s i na .co m 通讯作者:张明福,副教授。E m ai:l m f zhang1@h it .edu .cn Abst ract :Finite ele m entm ethod w as adopted to si m ulate t h e te m perature and stress distri b ution i n si d e the sapph ire si n g le crysta l duri n g its gro w th w ith SAP MAC m et h od .The effect o f anisotropic ther m a l perfor m ance o f sapphire on crystal gro w th w as d iscussed w ith t h e exper i m enta l results .R esearching resu lts sho w ed that b i g ger ax ial ther m al conducti v ity w as prop itious to i m prove the crystal gro w th ve l o c ity and stab ilizati o n of t h e i n terface and larger radial ther m al conducti v ity w as prop iti o us to keep the sligh t convex ity gro w i n g i n terface for the sapph ire crystal g r ow th syste m w ith SAP MAC m et h od .Ther m a l stress i n si d e the crystalw as influenced notab l y by radia l t h er m a l expansion coe ffi c ient and increased along w ith i.t The largest t h er m a l stress al w ays occurred at the i n terface of the seed and the ne w born crysta.l I n the experi m en,t a sapph ire crystal w ith h i g h quality w hose dia m eter is up to 230mm w as pr oduced successfully by choosi n g a ax is as the crysta llization o ri e ntation .K ey w ords :anisotr opy ;ther m o physica l perfor m ance ;sapph ire ;SAP MAC m ethod
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(?230×210 mm, 27.5 kg) 如下图：
几种蓝宝石的生长方法比较
几种蓝宝石的生长方法比较 文摘：本文针对目前光学窗口、光电子、集成电路等领域对大尺寸蓝宝石单晶的迫切需求，综述了大尺寸蓝宝石单晶材料制备的研究进展，总结介绍了当今几种Φ150mm以上蓝宝石单晶制备方法，分析了各种方法的优缺点，指出了蓝宝石晶体发展中需要解决的问题。 关键词：整流罩蓝宝石晶体生长 1前言 蓝宝石单晶具有熔点高(2050℃)，硬度高(莫氏硬度9)，化学性能稳定，电绝缘性好，特别是优良的红外透过率等特性[1]，可用于近红外窗口，微波电子管介质材料，超声波传导元件，延迟线，波导激光器腔体及精密仪器轴承，天平刀口，半导体衬底基片等领域。美国雷声公司最新研制的“AIM-9X”短程空-空导弹采用蓝宝石单晶整流罩，从而大大提高导弹高速飞行时承受高温高冲刷的恶劣环境及制导精度。随着科技的发展，对蓝宝石单晶的质量与尺寸提出了更高的要求。目前制备蓝宝石单晶的方法很多，但制备直径大于Φ100mm的高质量、大尺寸蓝宝石单晶技术主要掌握在美、俄、以色列等极少数国家手中。 2 蓝宝石单晶制备技术及其发展 蓝宝石单晶的制备研究开始于19世纪末。1904年，法国人Verneuil 用自行设计的焰熔法最先获得了较大尺寸的刚玉晶体[3-4]；此后又不断诞生了一系列单晶生长方法，按工艺特点可分细为熔焰法、泡生法（GOI法）、导模法（EFG）、水热法、提拉法、坩埚移动法、热交换法和温度梯度法等[5-10]，这些方法都有各自的工艺特性，所制得的
晶体在形状、尺寸、质量上各有不同。 20世纪中叶，对于晶体生长的适合方法存在两种不同的观点，一种观点认为溶剂法由于结晶过程中所需温度低、温度梯度小，因此比熔体法更适合单晶生长；但反对者则认为上述观点仅考虑到温度梯度是影响晶体结构完整性的主要因素，而忽视了由于异相溶剂的存在造成晶体局部含有大量杂质[11]，引起晶体点阵发生畸变，产生应力，例如在含有溶剂或铬杂质的刚玉试样中可以发现位错密度急剧上升；随着科学技术水平的发展，目前已经可以使熔体法向溶剂法一样在结晶和退火过程中具有很低的温度梯度。因此熔体法逐渐获得了较大发展，人们在生长高纯度高质量，特别是高熔点晶体时常常采用熔体法。 在上述众多方法当中，适于生长Φ100mm以上大尺寸蓝宝石单晶的技术却仅有热交换法、定向凝固法、提拉法、GOI法等少数几种。下面本文将对这几种方法进行逐一介绍。 2.1坩埚移动法[12-13] 坩埚移动法方法的特点是可以在垂直或水平放置的坩锅中生长晶体，在垂直放置的坩锅中生长单晶时，籽晶通常位于坩锅的底端；生长过程一般在圆筒型的炉体中进行，炉体分为加热区和冷却区两部分。在实际生长过程中，将装满原料的坩锅在加热区加热至原料完全熔化，然后将装有熔体的坩埚缓慢通过预先设定的温度梯度区，使熔体在坩埚中冷却，凝固过程从籽晶一端开始，通过固-液界面的移动逐渐扩展到整个熔体，最终完成结晶。此外，加热的方式也可以采用高频感应加热，用类似区域熔炼的方法来实现晶体的生长。在多数情况下，
泡生法生长蓝宝石的原理和应用研究
泡生法生长蓝宝石的原理和应用研究 摘要：蓝宝石以独特的晶体结构而具有许多优异的性能，比如硬度高、耐磨性化学也稳定和耐热性好等。本文简要叙述了用于生长高质量蓝宝石晶体的生长技术。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前景。 关键词：泡生法；蓝宝石；晶体生长；原理；应用 1引言 20世纪后半叶，单晶技术的发展推动材料科学其他分支的迅速发展--晶体材料，蓝宝石是一种多功能的材料，其原材料便宜、生长过程资源能耗低、无环境污染、生物兼容性较好，有越来越多的研究者去研究和发展[1]。 蓝宝石，α-Al2O3单晶，又称“刚玉”，其莫氏硬度为9；当晶体含有不同微量元素时，就会显示不同颜色。例如，掺杂Ti4+或Fe2+显现蓝色，掺杂Cr3+显现红色，掺杂Ni3+显现黄色。蓝宝石高强度、高硬度、高透过率(从0.195～5.5μm 波段均能透过)、耐冲刷、耐腐蚀、耐高温(在接近2000 ℃下仍可工作)，在红外军事装置、卫星空间技术、空间飞行器、高强度激光窗口材料、超声波传导元件、微波电子管介质材料及精密仪器轴承等行业得到广泛的应用；蓝宝石独特的晶格结构、优异的力学性能、良好的热力学性能使其成为最理想的发光二极管(LED)半导体，以及大规模集成电路SOI 和SOS及超导纳米结构薄膜的衬底材料[2]。蓝宝石晶体最早被AugusteVerneuil人为生长出来，并将其扩大到商业化生产[3]。到今天，蓝宝石的生长已有100多年的历史，市场对蓝宝石的需求量有增无减，这对蓝宝石生长方法也提出了更苛刻的要求。目前主要的生长方法有：焰熔法、提拉法、泡生法、热交换法、垂直布里奇曼法(VB)等。只有对这些方法的进一步探索研究，才能推动蓝宝石产业不断进步发展。 2泡生法的原理与工艺 2.1原理 泡生法(Kyropoulos 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，是目前解决晶体提拉法不能生产大晶体的好方法之一[4]。其晶体生长的原理(图1)和技术特点是：将晶体原料放入耐高温的坩埚中加
国内外蓝宝石市场现状及生长方法介绍
国内外蓝宝石市场现状及生长方法介绍 发布日期:2011-04-08来源:统计整理作者:网络阅读: 1032[ 字体选择：大中小 ] 蓝宝石市场前景广阔,但目前生产大尺寸蓝宝石晶体技术主要被俄罗斯和欧美企业垄断。据统计,目前全球70%的蓝宝石衬底由俄罗斯企业提供,另外30%由美国和欧洲掌控。国内尚未形成产业化生产的蓝宝石衬底片生产厂家。 蓝宝石是制作芯片的重要原料,占LED芯片原料费的10%。2010年第三季度后,全球蓝宝石产量居前两名的公司纷纷涨价,直接影响了LED芯片及封装价格上涨。 蓝宝石是指非红色的氧化铝（Al2O3）。含有杂质的蓝宝石很早以前就被作为宝石，由于其具有多种光学、机械、电气、热以及化学特性，因此还被广泛应用于工业等多种领域，而且应用范围仍在不断扩大之中。其中，能够合成制造出蓝宝石更是意义重大。蓝宝石的主要用途包括LED和LED底板。 LED市场在2010年经历了史无前例的发展。随着市场的发展，制造蓝色和白色GaN类LED时使用的蓝宝石底板的需求也大幅增长。对底板成品的需求由每月按2英寸换算（TIE)为100万（2009年12月）增加到了200万（2010年第四季度）。 2009年第四季度，蓝宝石的加工能力满足需求还有余力。也就是说，加工蓝宝石的企业还能应对当时的需求。但是，材料的供应能力在2009年年底就逐步达到了极限。生产蓝宝石材料的企业大部分都因为2009年的金融危机和一直持续到09年的巨大物价压力而陷入苦于资金周转的困境。另外，由于新设备的导入和运转通常需要半到一年的时间，2010年产能缓慢上升，因而无法适应需求的急剧增加。由此产生了严重的材料短缺，导致价格暴涨。 蓝宝石芯材（Core）和坯料（Blank）由商品变身为“战略性材料”，大量的蓝宝石生产商时隔数年又重新掌握了定价的主导权。而且，他们可以将价格设定为能够最大限度获取利润的水平。其结果是，蓝宝石晶圆的美国国内售价超出我们的预想，上涨到了30美元，现金交易市场上的价格更是超过了30美元。很多加工蓝宝石的企业和LED厂商为确保产能已经预付了货款，目的是防止生产线停工。 生产蓝宝石晶棒的工艺主要有泡生法(KY法、凯氏长晶法)、提拉法(C Z法、柴氏拉晶法)、温度梯度法(TGT法)等，其中泡生法为主流工艺，生产的蓝宝石晶体约占70%，钻取率约30%。 蓝宝石晶体原材料为氧化铝碎晶，生产利用率大于97%，已经完全国产化。蓝宝石单晶产品即为蓝宝石坯料，可直接出售，不合格品可直接作为原材料再次加工。其他消耗材料如钨钼材料、金刚石刀具、传感器、仪表等均国产化。预计由蓝宝石生产蓝宝石晶棒的原材料、耗材均可由国内充分供应，此环节的短板主要在于长晶炉依赖进口。 国内主要的蓝宝石晶体炉厂家都是高校研究机构，包括西安理工大学、哈尔滨工业大学以及重庆第二十六研究所等。但国内目前的生产技术只能生产2英寸以下的蓝宝石晶棒，长成的晶体与氮化镓(GaN)的晶格错位较大，无法用于LED的蓝宝石衬底领域，大多用于手表表面外壳等。 蓝宝石晶棒的供应商有美国的Rubicon、Honeywell，俄罗斯的Monocrystal、ATLAS，韩国STC 及国内合晶光电、越峰(台聚转投资)、尚志(大同转投资)及鑫晶钻(奇美、鸿海转投资)。
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 4Dec 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
热交换法生长蓝宝石
摘要 蓝宝石具有一些列优异的光学、力学、热学性能，是理想的红外窗口材料之一。也是氮化镓外延生长最常用的沉底材料之一。但蓝宝石晶体生长实验成本高、周期长，只靠郑家实验频率获得理想的生长工艺，已不能满足蓝宝石向着更高质量、更大尺寸方向发展的需求。引入晶体生长数值模拟技术，可以有效的减少试验次数。节省成本。 采用热交换发生长老宝石晶体，一句晶体生长理论，对生长系统进行合理近似，建立晶体生长数值分析模型，并引入晶体生长模拟软件CryMas，通过优化网格划分精度及选择气体对流方程迭代次数等手段，最终使得模拟结果与实验结果一致。 本文通过多种介质的对比，结合热交换法生长蓝宝石的具体特点，确定氦气为优选的热交换介质；研究了进气温度对热交换效率的影响，发现热交换效率随进气温度身高而单调降低；控制点温度从2345K升高到2370K的过程中，热交换效率几乎不变；热交换效率随进气口与出气口面积比Sin/Sout及进气口距离热交换器顶端的距离D的变化关系是非常单调的，确定了优选的工艺参数。 模拟了热交换器中气流量增大引起温场的变化过程，晶体和熔体中温度降低，温度梯度增大固液界面以近弧面的形式向前推进；结合生长系统的具体特点喝本实验室条件，确定了优选的保温材料；模拟了坩埚在加热器中的位置，对坩埚中温场的影响，确定了优选的坩埚位置；坩埚长径比增大，干活中温度梯度喝固液界面凸度变小；圆筒形加热器的长径比对蓝宝石生长过程中温度梯度和固液界面凸度影响较大。长径比的增大，有利于得到较小的温度梯度和固液界面凸度；圆筒形加热器小角度（≤4°）倾斜对坩埚中温场无明显影响；热交换法蓝宝石晶体生长过程中难以避免地因异质形核出现多晶，因蓝宝石晶体热膨胀系数不匹配而相互挤压，导致晶体开裂。为此，将热交换器至于干过的上方，表面固液界面和生长的晶体与坩埚壁接触。模拟了相应的晶体生长过程，发现随气流量增大，晶体自籽晶处开始生长，在扩肩、等径生长过程中，晶体与熔体中的温度降低，温度梯度增大；通过改变坩埚在加热器中的位置，有效地避免了锅边结晶和锅底结晶，获得了合适的温场；对比了热交换器在不同位置时的生长特点，发现热交换器在坩埚上方时，能有效避免开裂问题。 对比试验结果与模拟结果发现，控制点的实测温度与模拟温度相差很小，生长晶体的固液面和生长条纹与模拟结果吻合良好，证明模拟结果的精度比较高，建立的数值分析模型是可靠的。 引言 研究目的和意义 蓝宝石具有一系列优良的光学、力学、热学性质，在很多方面得到了重要应用。 民用方面，由于蓝宝石硬度高、耐磨性好，是制备仪表轴承和高级表蒙德理想材料，在珠宝装饰、医疗设备、环保产业等方面也有广泛应用。其中，最重要的是用作半导体外延生长的衬底材料。氮化镓材料本身很难生长出单晶，必须生长在与其结构相类似的沉底材料上。可以作为氮化镓衬底的的候选材料有蓝宝石、Si、AIN、ZnO等。尽管蓝宝石衬底片与氮化镓之间存在较大的晶格失配，但与其它衬底材料相比，具有高温下（1000摄氏度）化学稳定，容易获得大尺
蓝宝石晶体介绍
蓝宝石晶体介绍 1、蓝宝石晶体介绍 ' N- Q* y+ R5 P* C 蓝宝石的组成为氧化铝(Al2O3)，是由三个氧原子和两个铝原子以共价键型式结合而成,其晶体结构为六方晶格结构.它常被应用的切面有A-Plane,C-Plane及R-Plane.由于蓝宝石的光学穿透带很宽,从近紫外光(190nm)到中红外线都具有很好的透光性.因此被大量用在光学元件、红外装置、高强度镭射镜片材料及光罩材料上，它具有高声速、耐高温、抗腐蚀、高硬度、高透光性、熔点高（2045℃）等特点，它是一种相当难加工的材料，因此常被用来作为光电元件的材料。目前超高亮度白/蓝光LED的品质取决于氮化镓磊晶(GaN)的材料品质，而氮化镓磊晶品质则与所使用的蓝宝石基板表面加工品质息息相关，蓝宝石(单晶Al2O3 )C面与Ⅲ-Ⅴ和Ⅱ-Ⅵ族沉积薄膜之间的晶格常数失配率小，同时符合GaN 磊晶制程中耐高温的要求，使得蓝宝石晶片成为制作白/蓝/绿光LED的关键材料.4 C% ?) j9 V0 |. W2 B% y5 w2 [ 0 H1 f' f9 h. z7 s 2、蓝宝石晶体的生长方法常用的有两种: 2 c: c7 }" N: x0 H 3 ~ 1:柴氏拉晶法(Czochralski method),简称CZ法.先将原料加热至熔点后熔化形成熔汤，再利用一单晶晶种接触到熔汤表面，在晶种与熔汤的固液界面上因温度差而形成过冷。于是熔汤开始在晶种表面凝固并生长和晶种相同晶体结构的单晶。晶种同时以极缓慢的速度往上拉升，并伴随以一定的转速旋转，随着晶种的向上拉升，熔汤逐渐凝固于晶种的液固界面上，进而形成一轴对称的单晶晶锭. 2 p/ f1 ?8 x5 J0 {9 T3 @' k 2:凯氏长晶法(Kyropoulos method),简称KY法,大陆称之为泡生法.其原理与柴氏拉晶法(Czochralskime thod)类似，先将原料加热至熔点后熔化形成熔汤，再以单晶之晶种(SeedCrystal，又称籽晶棒)接触到熔汤表面，在晶种与熔汤的固液界面上开始生长和晶种相同晶体结构的单晶，晶种以极缓慢的速度往上拉升，但在晶种往上拉晶一段时间以形成晶颈，待熔汤与晶种界面的凝固速率稳定后，晶种便不再拉升，也没有作旋转，仅以控制冷却速率方式来使单晶从上方逐渐往下凝固，最后凝固成一整个单晶晶碇. . J+ K6 Y% m$ ~0 m 0 f4 c5 v, k. h- U2 O: ` c ; h- h6 w# N0 U+ l , N2 h5 J6 E# l' G7 k 蓝宝石基片的原材料是晶棒,晶棒由蓝宝石晶体加工而成# h5 `% W5 a! _1 I7 a( H [淘股吧] C7 _7 b( @+ f( C7 W n 广大外延片厂家使用的蓝宝石基片分为三种:, p, O, N* ^2 K# N2 M - O5 I2 h S2 q2 h6 ?: x 1:C-Plane蓝宝石基板5 c, H( p6 J0 @3 T 这是广大厂家普遍使用的供GaN生长的蓝宝石基板面.这主要是因为蓝宝石晶体沿C轴生长的工艺成熟、成本相对较低、物化性能稳定,在C面进行磊晶的技术成熟稳定. 3 i) D2 I) m6 C) [ " e0 m9 N, D) D5 a 2:R-Plane或M-Plane蓝宝石基板 3 q0 P8 l! W7 U$ ~2 B1 ~2 s 主要用来生长非极性/半极性面GaN外延薄膜,以提高发光效率.通常在蓝宝石基板上制备的GaN外延膜是沿c轴生长的，而c轴是GaN的极性轴，导致GaN基器件有源层量子阱中出现很强的内建电场，发光效率会因此降低，发展非极性面GaN外延，克服这一物理现象，使发光效率提高。 F. @. Y' u$ B. m+ K5 U+ E # }! k/ S- t$ v- O: e. B" V6 a 3:图案化蓝宝石基板(Pattern Sapphire Substrate简称PSS). E6 N: Y6