藍(lán)寶石晶體生長(zhǎng)工藝研究

【摘 要】藍(lán)寶石晶體具有硬度大、熔點(diǎn)高、物理化學(xué)性質(zhì)穩(wěn)定的特點(diǎn)，是優(yōu)質(zhì)光功能材料和氧化物襯底材料，廣泛用于電子技術(shù)，軍事、通信、醫(yī)學(xué)等國(guó)防民用，科學(xué)技術(shù)等領(lǐng)域。自19世紀(jì)末，法國(guó)化學(xué)家維爾納葉采用焰熔法獲得了藍(lán)寶石晶體后，人工生長(zhǎng)藍(lán)寶石工藝不斷發(fā)展，除了焰熔法外還有冷坩堝法、泡生法、溫度梯度法、提拉法、熱交換法、水平結(jié)晶法、弧熔法、升華法、導(dǎo)模法、坩堝下降法等。本文主要對(duì)應(yīng)用較為廣泛的焰熔法、提拉法、泡生法、熱交換法、導(dǎo)模法、下降法、等生長(zhǎng)工藝進(jìn)行論述。

【關(guān)鍵詞】藍(lán)寶石晶體 晶體生長(zhǎng) 工藝研究

藍(lán)寶石晶體的化學(xué)成分是氧化鋁（α-Al2O3），熔點(diǎn)高達(dá)2050℃，沸點(diǎn)3500℃，硬度僅次于金剛石為莫氏硬度9，是一種重要的技術(shù)晶體。藍(lán)寶石晶體在光學(xué)性能、機(jī)械性能和物理化學(xué)性質(zhì)方面表現(xiàn)出了優(yōu)異性能，因此被各行業(yè)廣泛應(yīng)用，同時(shí)隨著現(xiàn)代科學(xué)技術(shù)的發(fā)展，對(duì)藍(lán)寶石晶體的質(zhì)量要求也不斷提升，這就對(duì)藍(lán)寶石晶體生長(zhǎng)工藝提出了新的挑戰(zhàn)。

焰熔法。確切來(lái)講焰熔法是由弗雷米、弗爾、烏澤在1885年發(fā)明的，后來(lái)法國(guó)化學(xué)家維爾納葉改進(jìn)、發(fā)展并投入生產(chǎn)使用。焰熔法是以Al2O3 粉末為原料，置于設(shè)備上部，原料在撒落過(guò)程中通過(guò)氫及氧氣在燃燒過(guò)程中產(chǎn)生的高溫火焰，熔化，繼續(xù)下落，落在設(shè)備下方的籽晶頂端，逐漸生長(zhǎng)成晶體。焰熔法生產(chǎn)設(shè)備主要有料筒、錘打機(jī)構(gòu)、篩網(wǎng)、混合室、氫氣管、氧氣管、爐體、結(jié)晶桿、下降機(jī)構(gòu)、旋轉(zhuǎn)平臺(tái)等組成。錘打機(jī)構(gòu)使料筒振動(dòng)，與篩網(wǎng)合作使粉料少量、等量或周期性的下落；氧氣與粉末一同下降、氫氣與氧氣混合燃燒；在爐體設(shè)有觀察窗口可通過(guò)望遠(yuǎn)鏡查看結(jié)晶狀況，下降機(jī)構(gòu)控制結(jié)晶桿的移動(dòng)，旋轉(zhuǎn)平臺(tái)為晶體生長(zhǎng)平臺(tái)，下方置以保溫爐。焰熔法具有生長(zhǎng)速度快、設(shè)備簡(jiǎn)單、產(chǎn)量大的優(yōu)點(diǎn)，但是生產(chǎn)出的晶體缺陷較多，適用于對(duì)藍(lán)寶石質(zhì)量要求不高的晶體生產(chǎn)。

提拉法。提拉法能夠順利地生長(zhǎng)某些易揮發(fā)的化合物，應(yīng)用較為廣泛。提拉法工藝：將原料裝入坩堝中熔化為熔體，籽晶放入坩堝上方的提拉桿籽晶夾具中，降低提拉桿使籽晶插入熔體中，在合適的溫度下籽晶不會(huì)熔掉也不會(huì)長(zhǎng)大，然后轉(zhuǎn)動(dòng)和提升晶體，當(dāng)加熱功率降低時(shí)籽晶就會(huì)生長(zhǎng)，通過(guò)對(duì)加熱功率的調(diào)節(jié)和提升杠桿的轉(zhuǎn)動(dòng)即可使籽晶生長(zhǎng)成所需的晶體。相較于焰熔法，提拉法生長(zhǎng)的晶體錯(cuò)密度較低，完整性高，因?yàn)檎麄€(gè)生長(zhǎng)裝置是安放在封閉的外罩里，所以可以隨時(shí)觀察到生長(zhǎng)的情況。

提拉法的改進(jìn)方法有兩種：連續(xù)加料提拉法、冷心放肩微量提拉法。連續(xù)加料提拉法的在生長(zhǎng)過(guò)程中可以不斷補(bǔ)充原料，晶體尺寸可以不受坩堝內(nèi)物料的限制長(zhǎng)大。連續(xù)加料提拉法與改進(jìn)前相比，多出了一個(gè)圓形槽，原料由導(dǎo)管進(jìn)入槽內(nèi)，待原料熔化為液體后再進(jìn)入坩堝。而坩堝是放置在了一個(gè)可以旋轉(zhuǎn)的支撐環(huán)上，保證坩堝與晶體同步旋轉(zhuǎn)，使晶體生長(zhǎng)環(huán)境溫度軸向?qū)ΨQ。此工藝一般采用自動(dòng)控制方式控制晶體直徑。冷心放肩微量提拉法主要用于生長(zhǎng)大尺寸晶體。冷心放肩微量提拉法的系統(tǒng)有控制系統(tǒng)、真空系統(tǒng)、加熱體、冷卻系統(tǒng)、熱蔽裝置等，通過(guò)引晶、放肩、等徑、退火、冷卻五個(gè)階段完成晶體生長(zhǎng)。冷心放肩微量提拉法除了可生長(zhǎng)大尺寸晶體的特點(diǎn)外，還具有晶體品質(zhì)優(yōu)良、缺陷少、成功率高、材料利用率高、成本低的特點(diǎn)。

泡生法。泡生法于1926年提出應(yīng)用以來(lái)不斷改進(jìn)發(fā)展，是目前藍(lán)寶石生長(zhǎng)工藝中最常用的方法。泡生法適合于生長(zhǎng)同成分熔化的化合物或用于生長(zhǎng)含某種過(guò)量組份的晶體。它與提拉法有很多的相似性，所用裝置也有相似之處，具體工藝是：將原料裝入坩堝中，籽晶放入坩堝上方的提拉桿籽晶夾具中，對(duì)坩堝進(jìn)行加熱至2050℃以上，降低提拉桿使籽晶插入熔體中。籽晶剛插入熔體中使要使熔體溫度略高于熔點(diǎn)來(lái)清潔籽晶的表面，待籽晶與熔體充分沾潤(rùn)后使熔體溫度處于熔點(diǎn)，使籽晶在勻速轉(zhuǎn)動(dòng)中緩慢提升，因?yàn)榻缑鏈囟鹊陀谀厅c(diǎn)時(shí)籽晶開(kāi)始生長(zhǎng)，因此需要逐漸降低熔體溫度。泡生法與提拉法的不同處：泡生法的晶體生長(zhǎng)和退火過(guò)程都是在坩鍋中進(jìn)行的，等徑生長(zhǎng)時(shí)不再使用提拉技術(shù)，泡生法晶體生長(zhǎng)直徑有限制，晶體生長(zhǎng)是通過(guò)外部溫場(chǎng)降低溫度的熱損耗實(shí)現(xiàn)的。

熱交換法。將原料放入坩堝內(nèi)，籽晶放置在坩堝底部中心，坩堝放到熱交換器中、坩堝中心與熱交換器的頂端接觸，并將兩者固定。以氦氣為熱交換介質(zhì)，加熱使原料熔化，控制氦氣通向坩堝底部的流量，以免籽晶熔化。溫場(chǎng)穩(wěn)定之后，將氦氣流量逐漸增大，帶走的熱量也隨之增加，在此過(guò)程中熔體延籽晶逐漸凝固并長(zhǎng)大。逐漸降低加熱溫度到坩堝內(nèi)的熔體全都凝固。生長(zhǎng)過(guò)程中尤其需要控制氦氣流量，氦氣流量決定著熔體溫度，熔體中保持基本不變的溫度梯度，才好控制晶體的生長(zhǎng)速率。熱交換法與其他方法相比更能精確控制溫場(chǎng)，由于坩堝、晶體、熱交換器都沒(méi)有機(jī)械運(yùn)動(dòng)，溫場(chǎng)也處于比較穩(wěn)定的狀態(tài)。生產(chǎn)出的晶體質(zhì)量較高，只是這種方法國(guó)外運(yùn)用的較多，美國(guó)一直掌握著其核心技術(shù)。

導(dǎo)模法。導(dǎo)模法是提拉法的一種變形，設(shè)備采用提拉法單晶爐，坩堝中放入原料加熱使之熔化，把與擬生長(zhǎng)晶體形狀相同的模具放入熔體中，使導(dǎo)模頂端的溫度略高于擬生長(zhǎng)晶體的熔點(diǎn)，然后使籽晶與模具頂部的薄膜接觸，薄膜將覆蓋模具。然后運(yùn)用提拉桿慢慢拉升晶種，晶體逐漸生長(zhǎng)。導(dǎo)模法可直接從熔體中生長(zhǎng)出絲、棒、片等形狀的晶體，生產(chǎn)程序簡(jiǎn)化、生長(zhǎng)速度快、尺寸形狀可精確控制，成本低效益高。

藍(lán)寶石在眾行業(yè)的廣泛應(yīng)用促使晶體生長(zhǎng)技術(shù)不斷改進(jìn)發(fā)展，如上所述，藍(lán)寶石晶體生長(zhǎng)有多種方法，也各具特點(diǎn)。隨著藍(lán)寶石晶體生長(zhǎng)行業(yè)的競(jìng)爭(zhēng)日益劇烈，要求生產(chǎn)方必須不斷完善生產(chǎn)技術(shù)，能夠提供高質(zhì)量、多種類的晶體，同時(shí)降低生產(chǎn)成本、提高效益，形成良性循環(huán)。

參考文獻(xiàn)：

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