一種藍(lán)寶石晶體生長裝置的制造方法
【技術(shù)領(lǐng)域】
[0001]本實(shí)用新型涉及一種晶體生長裝置，屬于晶體生長設(shè)備領(lǐng)域，特別涉及一種藍(lán)寶石晶體生長裝置，優(yōu)選采用泡生法生長藍(lán)寶石晶體。
【背景技術(shù)】
[0002]藍(lán)寶石是人工合成晶體中的一種重要材料。藍(lán)寶石晶體優(yōu)異的機(jī)械和光學(xué)性能，廣泛應(yīng)用于電子元器件、窗口材料、耐磨元件等領(lǐng)域，特別是在半導(dǎo)體照明領(lǐng)域應(yīng)用廣泛。品質(zhì)優(yōu)異的藍(lán)寶石晶體是純凈的三氧化二鋁的單晶形態(tài)，藍(lán)寶石晶體具有極高的莫氏硬度，藍(lán)寶石晶體的莫氏硬度為9，僅次于金剛石。藍(lán)寶石晶體具有優(yōu)異的電氣絕緣性，室溫下電阻率可達(dá)1Χ10ηΩ - cmo藍(lán)寶石晶體具有優(yōu)異的透光性，透光率高于95%。
[0003]由于藍(lán)寶石晶體優(yōu)良的光學(xué)和機(jī)械性能，各種人工生長藍(lán)寶石晶體的工藝方興未艾。自1902年采用焰熔法結(jié)晶得到第一顆藍(lán)寶石晶體至今，先后研宄發(fā)展了焰熔法、泡生法、提拉法等十余種藍(lán)寶石晶體生長工藝。其中，應(yīng)用較為廣泛的藍(lán)寶石晶體生長工藝包括焰熔法、提拉法、熱交換法以及泡生法。
[0004]焰恪法(Flame fus1n)，又稱Verneuil法。焰恪法是早期工業(yè)化生長藍(lán)寶石晶體的生產(chǎn)工藝。焰熔法以純凈的三氧化二鋁粉末為物料，以氫氧焰為加熱源，三氧化二鋁粉末不斷灑向氫氧焰的高溫區(qū)并逐漸進(jìn)入熔融態(tài)，處于熔融態(tài)的物料落于晶種的頂端并逐漸結(jié)晶生長為藍(lán)寶石晶體。焰熔法工藝所需的設(shè)備較為簡單，藍(lán)寶石晶體生長速度較快，但晶體結(jié)構(gòu)完整性差、內(nèi)部應(yīng)力大，位錯密度可達(dá)15?106cm2。
[0005]提拉法(Czochralski)，又稱Cz法或柴氏法。三氧化二鋁物料在坩禍中高溫加熱進(jìn)入熔融態(tài)，在坩禍上方設(shè)有可旋轉(zhuǎn)和升降的提拉桿，提拉桿的末端設(shè)有晶種，將提拉桿插入熔融態(tài)物料，并調(diào)整溫度梯度，逐漸向上提拉提拉桿，即可在晶種周圍生長藍(lán)寶石晶體。采用提拉法生長的藍(lán)寶石晶體不與坩禍接觸，大大降低晶體應(yīng)力。提拉法需要精確控制提拉桿升降和旋轉(zhuǎn)，且需要精確調(diào)整溫度梯度，生產(chǎn)工藝復(fù)雜，生產(chǎn)成本較高。
[0006]熱交換法(Heat exchanger method)。熱交換法的晶種設(shè)于i甘禍底部，三氧化二銷物料加熱進(jìn)入熔融態(tài)，持續(xù)向坩禍通入惰性氣體，優(yōu)選采用氦氣，確保晶種處于低溫區(qū)，晶種僅與熔融態(tài)物料熔接而非完全融化，通過控制惰性氣體通入量，向上擴(kuò)大低溫區(qū)范圍，得到較大尺寸的藍(lán)寶石晶體。采用熱交換法生長的藍(lán)寶石晶體應(yīng)力較低，位錯密度較低，但藍(lán)寶石晶體生長周期較長，且需要持續(xù)通入惰性氣體，需要精確控制惰性氣體的通入量，生產(chǎn)工藝復(fù)雜，生產(chǎn)成本較高。
[0007]泡生法(Kyropoulos)，又稱Ky法或凱式法。泡生法是應(yīng)用最為廣泛的藍(lán)寶石晶體生長工藝。傳統(tǒng)的泡生法工藝是將溫度較低的晶種插入內(nèi)置于坩禍的熔融態(tài)物料，如若生長界面的溫度低于凝固溫度，晶體圍繞晶種生長。在旋轉(zhuǎn)晶體的同時降低熔融態(tài)物料的溫度，也可緩慢上提晶體，滿足溫度梯度要求。采用泡生法工藝生長的藍(lán)寶石晶體在生長過程中和生長結(jié)束時不與坩禍接觸，大大降低晶體應(yīng)力。泡生法工藝較為成熟，適合大批量生產(chǎn)。
[0008]然而，傳統(tǒng)的泡生法工藝對于內(nèi)置于泡生法生長裝置的熔融態(tài)物料的溫度梯度分布和熔融態(tài)物料的流動性要求極為嚴(yán)格。精準(zhǔn)的熔融態(tài)物料的溫度梯度分布和熔融態(tài)物料的流速對于形成穩(wěn)定且微凸的生長界面極為重要。一般的，熔融態(tài)物料的流速隨坩禍內(nèi)表面與豎直方向的傾角的增大而降低，從而控制熔融態(tài)物料的流速，進(jìn)而控制藍(lán)寶石晶體的晶體品質(zhì)。常見的圓柱式藍(lán)寶石泡生法生長裝置的坩禍的內(nèi)外表面均垂直于水平方向，坩禍內(nèi)表面平行于豎直方向，不利于控制熔融態(tài)物料的流速，進(jìn)而影響藍(lán)寶石晶體的晶體品質(zhì)。此外，常見的圓臺式藍(lán)寶石泡生法生長裝置的坩禍的外表面垂直于水平方向，坩禍內(nèi)表面與豎直方向形成傾角。坩禍內(nèi)表面自坩禍的開放端至封閉端向內(nèi)傾斜，一方面，在藍(lán)寶石晶體結(jié)晶過程的放肩階段容易形成肩部的反向漩渦，反向漩渦的出現(xiàn)概率和出現(xiàn)范圍隨傾角的增大而增大，產(chǎn)生的氣泡不易從生長界面溢出，導(dǎo)致晶體重熔而影響晶體品質(zhì)，另一方面，圓臺式藍(lán)寶石泡生法生長裝置的坩禍的裝填量隨傾角的增大而減小，不利于裝填盡可能多的物料，不利于生長大尺寸的藍(lán)寶石晶體，提高了生產(chǎn)成本。
[0009]傳統(tǒng)的圓柱式藍(lán)寶石泡生法生長裝置，如圖1所示，圓柱式藍(lán)寶石泡生法生長裝置包括一本體10A、一基座20A以及一對連接部13A，連接部13A分別對稱連接于本體1A和基座20A。圓柱式藍(lán)寶石泡生法生長裝置的本體1A和基座20A分別通過連接部13A圓角連接過渡。本體1A具有一筒體11A，筒體IIA的筒體內(nèi)表面11IA和筒體外表面112A分別垂直于水平方向，筒體IlA的厚度自開放端至封閉端一致。具體的，筒體內(nèi)表面IllA —體延伸連接于連接部13A的連接部內(nèi)表面131A，筒體外表面112A —體延伸連接于連接部13A的連接部外表面132A，其中，連接部13A的連接部內(nèi)表面131A的半徑小于連接部外表面132A的半徑。
[0010]傳統(tǒng)的圓柱式藍(lán)寶石泡生法生長裝置設(shè)有一收容腔30A，筒體IlA的筒體內(nèi)表面IllA平行于筒體外表面112A，內(nèi)置于收容腔30A的物料加熱至熔融態(tài)，不易控制熔融態(tài)物料的流速。如圖4所示，根據(jù)實(shí)物檢測及測算，圓柱式藍(lán)寶石泡生法生長裝置的溫度梯度差達(dá)到24.3°C，圓柱式藍(lán)寶石泡生法生長裝置在引晶階段的最大流動速度為0.0190m/s,收容腔30A內(nèi)熔融態(tài)物料循環(huán)量達(dá)到0.0848kg/s，如圖4所示，收容腔30A內(nèi)靠近筒體內(nèi)表面IllA處存在一個小范圍的方向與熔融態(tài)物料主體流向相反的反向漩渦，容易造成晶體重熔，影響藍(lán)寶石晶體的晶體品質(zhì)。圓柱式藍(lán)寶石泡生法生長裝置的理論裝填量為95.9kg。
[0011]傳統(tǒng)的圓臺式藍(lán)寶石泡生法生長裝置，如圖2所示，圓臺式藍(lán)寶石泡生法生長裝置包括一本體10B、一基座20B以及一對連接部13B，連接部13B分別對稱連接于本體1B和基座20B。圓臺式藍(lán)寶石泡生法生長裝置的本體1B和基座20B分別通過連接部13B圓角連接過渡。本體1B具有一筒體11B，筒體IlB的筒體外表面112B垂直于水平方向，筒體IlB的筒體內(nèi)表面IllB與筒體外表面112B形成一傾角，筒體IlB的厚度自開放端至封閉端逐漸增大。筒體內(nèi)表面IllB —體延伸連接于連接部13B的連接部內(nèi)表面131B，筒體外表面112B —體延伸連接于連接部13B的連接部外表面132B，其中，連接部13B的連接部內(nèi)表面131B的半徑小于連接部外表面132B的半徑。
[0012]傳統(tǒng)的圓臺式藍(lán)寶石泡生法生長裝置設(shè)有一收容腔30B，筒體IlB的筒體內(nèi)表面IllB平行于筒體外表面112B，內(nèi)置于收容腔30B的物料加熱至熔融態(tài)，如圖5所示，根據(jù)實(shí)物檢測及測算，筒體內(nèi)表面IllB與筒體外表面112B的傾角為3°，圓臺式藍(lán)寶石泡生法生長裝置的溫度梯度差達(dá)到21.9°C，圓臺式藍(lán)寶石泡生法生長裝置在引晶階段的最大流動速度為0.0181m/s，收容腔30B內(nèi)熔融態(tài)物料循環(huán)量達(dá)到0.0700kg/s。如圖5所示，圓臺式藍(lán)寶石泡生法生長裝置的收容腔30B的溫度梯度差減小，最大流動速度降低，理論裝填量為84.8kg，但在圓臺式藍(lán)寶石泡生法生長裝置靠近筒體內(nèi)表面IllB處存在一個方向與熔融態(tài)物料主體流向相反的反向漩渦，圓臺式藍(lán)寶石泡生法生長裝置相比于圓臺式藍(lán)寶石泡生法生長裝置，反向漩渦的覆蓋范圍增大，不利于氣泡溢出熔融態(tài)物料，進(jìn)而降低藍(lán)寶石晶體的晶體品質(zhì)。
【實(shí)用新型內(nèi)容】
[0013]本實(shí)用新型的目的在于提供一種藍(lán)寶石晶體生長裝置，優(yōu)選采用泡生法工藝，物料在藍(lán)寶石晶體生長裝置受熱生長結(jié)晶形成藍(lán)寶石晶體。
[0014]本實(shí)用新型的另一目的在于提供一種藍(lán)寶石晶體生長裝置，藍(lán)寶石晶體生長裝置相比于圓柱式藍(lán)寶石泡生法生長裝置，降低熔融態(tài)物料流速，提高藍(lán)寶石晶體的晶體品質(zhì)。
[0015]本實(shí)用新型的另一目的在于提供一種藍(lán)寶石晶體生長裝置，藍(lán)寶石晶體生長裝置相比于圓臺式藍(lán)寶石泡生法生長裝置，提高熔融態(tài)物料的裝填量，便于生長大尺寸的藍(lán)寶石晶體，降低生產(chǎn)成本。
[0016]本實(shí)用新型的另一目的在于提供一種藍(lán)寶石晶體生長裝置，藍(lán)寶石晶體生長裝置相比于圓臺式藍(lán)寶石泡生法生長裝置，降低藍(lán)寶石晶體在放肩階段出現(xiàn)反向漩渦的概率，縮小反向漩渦的范圍，避免晶體重熔，提高藍(lán)寶石晶體的晶體品質(zhì)。
[0017]本實(shí)用新型的另一目的在于提供一種藍(lán)寶石晶體生長裝置，藍(lán)寶石晶體生長裝置的第一筒體部的內(nèi)表面平行于豎直方向，便于控制熔融態(tài)物料的溫度梯度，提高藍(lán)寶石晶體的晶體品質(zhì)。
[0018]本實(shí)用新型的另一目的在于提供一種藍(lán)寶石晶體生長裝置，藍(lán)寶石晶體生長裝置的第二筒體部的內(nèi)表面與豎直方向形成角度較小的傾角，