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浅析蓝宝石晶体生长工艺及设备蓝宝石是贵重材料，作为人工合成晶体中的一种，其机械以及光学层面的性能极优，所以应用极广。
近年半导体照明行业规模急剧膨胀，使得对蓝宝石衬底材料需求越来越大，尤其是MOCVD外延衬底方面，超过整体产量的80%。
半导体照明产业规模不断的扩张，使得其对蓝宝石的需求与日俱增，此种情况下，相关行业面临极大的发展机遇，产品具有极高的效益，市场空间比较大，使得资金源源不断的进入该行业。
本文对蓝宝石单晶所具有的性质和使用进行充分说明，尤其是单晶生长工艺方面，一种为泡生法，另一种为VHGF 法，同时分析了其制备设备，探求相关发展大势。
标签：蓝宝石；单晶；生长；工艺；设备1 蓝宝石的性质及用途蓝宝石本质是纯净氧化铝所存在的单晶形态，由Al2O3组成。
其莫氏硬度可以达到9，排名在金刚石其后。
在25℃温度的时候，其电阻率具体为1×1011Ω·cm，同时其具有极好的电绝缘性能。
其光透性极好，在机械层面的性能极好，同时具有极好的热传导性。
应用广泛，在耐磨元件以及窗口材料方面用处极大，同时在电子器件方面应用价值极高。
从电子层面来看，主要在GaN基蓝绿光LED有着极大的应用，除此之外就是射频器件，后者面向手机智造产业（主要涉及技术为蓝宝石上硅SOS）。
在2009年的时候，蓝宝石衬底约为900万片，一年后达到惊人的2700万片。
2 蓝宝石单晶生长工艺及设备2.1 焰熔法维尔纳叶（Verneuil）作为法国闻名遐迩的研究人员，在1902年提出改法，向世人展示，可以视其为蓝宝石单晶工业生长的开端。
原料选用纯净度极高的Al2O3粉末，加热使用氢氧焰，将Al2O3粉末由上到下散落，经过氢氧焰处理，被熔融，然后掉在籽晶顶部，形成蓝宝石晶体。
改法对设备的要求不高，生长极快，不过在完整性方面存在比较大的问题，应力比较大，晶体通常位错密度范围从105一直到106cm2。
适用于制造价格便宜的仪表轴承或者耐磨元件。
蓝宝石晶体的生长1蓝宝石晶体简介蓝宝石（Sapphire）的主要成分是氧化铝（Al2O3），是由三个氧原子和两个铝原子以共价键形式结合而成，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、高耐温、抗腐蚀、高硬度、高透光性、熔点高（2045℃）等特点，虽然它是一种相当难加工的材料，但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于所使用的蓝宝石衬底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。
2蓝宝石晶体生长方法晶体原则上可以由固态、液态（熔体或溶液）或气态生长而得。
实际上人工晶体多半由熔体达到一定的过冷或溶液达到一定的过饱和而得。
晶体生长是用一定的方法和技术，使单晶体由液态或气态结晶成长。
由液态结晶又可以分成熔体生长和溶液生长两大类。
2.1 熔体生长法这类方法是最常用的，主要有焰熔法Verneuil（flame fusion）、泡生法(Kyropoulos)、提拉法Czochralski（CZ）、坩埚下降法、区熔法等。
2.1.1 焰熔法（维尔纳叶法）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。
人工晶体学报第４０卷管理想的衬底材料¨。
从熔体中生长蓝宝石单晶的方法主要有提拉法、导模法、坩埚下降法、泡生法等，其中泡生法是生长大尺寸蓝宝石单晶最常用的方法。
其主要特点是晶体向熔体内生长，可以一直长到距坩埚壁１０—３０ｉＴｉｍ的位置，在整个生长过程中晶体不被提拉出坩埚。
晶体内温差小，从而有效地减小了残余应力，防止晶体开裂，并降低了位错密度旧Ｊ。
由于蓝宝石生长过程不可视，无法对生长过程进行实时观测，给晶体质量控制带来了障碍。
利用计算机数值模拟可以方便、快捷地对晶体生长过程进行优化仿真，并提供无法通过观察和测量得到的信息，大大降低了实验成本和周期。
本文采用数值模拟和对比分析的方法，对泡生法生长蓝宝石单晶的热场进行改进和优化。
目的是通过优化泡生炉内的热场，减小结晶前沿的温度梯度，降低晶体内部由于温度梯度过大而产生的缺陷，并减小加热器功耗，从而获得更高的产率和更好的晶体质量。
２模型简化与边界设定２．１物理模型和数学描述本文采用常用的坩埚外径为２５０ｌｌｌｍ的泡生法单晶炉［４】。
物理模型采用简化的二维轴对称模型，如图１。
数值模拟采用俄罗斯ＳＴＲ公司开发的晶体生长专业模拟软件ＣＧＳｉｍ，该软件用于泡生法蓝宝石单晶的生长模拟和实验验证已被大量文献所报道＂引。
模拟过程考虑了晶体、熔体和坩埚内的能量守恒，高温熔体内的湍流流动，以及半透明晶体内的镜面辐射热交换。
由于长晶过程十分缓慢，故模拟过程设为稳态。
长晶过程由以下守恒方程决定：熔体内的连续性方程：Ｘ７·ＰⅡ＝０图１炉体结构简图Ｆｉｇ．１Ｓｔｒｕｃｔｕｒｅｏｆｆｕｒｎａｃｅ（１）熔体内的动量守恒方程：‘ｐ面ｄｕ＝一Ｖｐ＋Ｖ·（２９。
行专）＋ｐ归（ｒｏ—ｒ＞ｇ（２）晶体和熔体内的能量守恒方程：ｐｑｉｄＴ＝Ｖ·（Ａ甜Ｖｒ）一Ｖ·’ｑ。
其它固体区域的热平衡方程：Ｖ·（ＡＶＴ）一ｑ＝０固体表面问的辐射换热：ｇ≯‘＝Ｅｋ盯Ｚ＋（１一占。
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。
蓝宝石晶体生长技术回顾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。
第35卷第5期人工晶体学报V o.l35N o.5 2006年10月J OURNAL O F S YNTH ET IC CRYSTALS O ctober,2006冷心放肩微量提拉法大尺寸蓝宝石单晶生长过程的模拟分析许承海,左洪波,孟松鹤,姚泰,汪桂根,李长青,张明福(哈尔滨工业大学复合材料研究与结构所,哈尔滨150001)摘要:利用数值模拟方法计算了冷心放肩微量提拉法(SAP M AC)蓝宝石晶体生长过程。
结合晶体直径变化、裂纹出现位置与延续方向、晶体透明性等实验现象,通过与提拉法、温梯法、坩埚移动法等相对比,分析了冷心放肩微量提拉法晶体生长各阶段的工艺特点,并根据模拟计算结果对晶体生长系统和晶体生长控制工艺进行了改进。
分别利用增大热交换器的散热参数、降低加热温度、改进降温曲线、调节外加轴向和径向温度梯度的方式来实现对晶体生长的引晶、放肩、等径和收尾控制。
通过实验比较证明了改进后的晶体生长系统和晶体生长控制工艺能够生长出性能较好的大尺寸蓝宝石晶体。
关键词:晶体生长;数值模拟;蓝宝石;冷心放肩微量提拉法中图分类号:O78文献标识码:A文章编号:1000-985X(2006)05-0976-08 Si m ul ati on Analysis on the S APMAC C rystal G row th Processof Large Size SapphireXU Cheng-hai,ZUO H ong-bo,ME NG Song-he,Y AO Tai,WANG Gui-gen,LI Chang-qing,Z HANG M ing-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 n150001,Ch i na)(Receive d15M ay2006)Abst ract:The SAP MAC(sapphire gro w th techn i q ue w ith m icro-pu lli n g and shoulder at coo led center) process has i n vesti g ated by num erical si m ulati o n m ethod.The characteristics o f severa l different crysta l gro w th stages have been analyzed and co m pared w ith C zochra lsk im et h od,te m perature grad ient technique and bridg m an techn i q ue etc.Base on the resu lts o f si m ulation and techniques of different crystal gro w th stages,the syste m and contr o l techn iques of crysta l gro w th w ere i m proved;the conventi o na l SAP MACf u rnace w as m od ified w ith the heat d issipati o n para m eters i n creased,the heati ng te m perature decreased,the te m perature fa lling curve i m proved,the additional ax ial and rad i a l te m perature gradient adj u sted,so the neck i n g-do w n,shou l d er-ex tending,iso-d i a m eter and ta ili n g pr ocess of the crysta l g ro w th can be contro lled.The experi m ent resu lts testified that the gro w n crysta l has better qua lity and larger size by thei m pr oved syste m of crystal g r ow th and contro l techn i q ues.K ey w ords:crystal gro w th;num erical si m u lation;sapph ire;SAP MAC m ethod收稿日期:2006-05-15基金项目:国防科研基金作者简介:许承海(1978-),男,黑龙江省人,博士研究生。
晶体生长方法1. 底部籽晶法 (2)2. 冷坩埚法 (2)3. 高温高压法 (4)4. 弧熔法 (9)5. 提拉法 (9)6. 焰熔法 (12)7. 熔剂法 (14)8. 水平区熔 (16)9. 升华法 (17)10. 水热法生长晶体 (19)11. 水溶液法生长晶体 (21)12. 导向温梯法（TGT）生长蓝宝石简介 (22)1. 底部籽晶法图1 底部籽晶水冷实验装置示意图与提拉法相反，这种生长方法中坩埚上部温度高，下部温度低。
将一管子处在坩埚底部，通入水或液氮使下面冷却，晶体围绕着籽晶从坩埚底部生长2. 冷坩埚法图2 冷坩埚生长示意图人工合成氧化锆即采用冷坩埚法，因为氧化锆的熔点高（～2700℃），找不到合适的坩埚材料。
此时，用原料本身作为"坩埚"进行生长，装置如图2所示。
原料中加有引燃剂（如生长氧化锆时用的锆片），在感应线圈加热下熔融。
氧化锆在低温时不导电，到达一定温度后开始导热，因此锆片附近的原料逐渐被熔化。
同时最外层的原料不断被水冷套冷却保持较低温度，而处于凝固状态形成一层硬壳,起到坩埚的作用，硬壳内部的原料被熔化后随着装置往下降入低温区而冷却结晶。
3. 高温高压法图3 四面顶高压机(左)及六面顶高压机(右)的示意图图4 两面顶高温高压设备结构图图5 两面顶高温高压设备结构图图6 人工晶体研究院研制的6000吨压机图7 人造金刚石车间图8 六面顶高压腔及其试验件图9 钢丝缠绕高压模具图10 CVD生长金刚石薄膜的不同设计图11 南非德·拜尔公司合成的金刚石薄膜窗口图12 德·拜尔公司在1991年合成的14克拉单晶钻石温高压法可以得到几万大气压，1500℃左右的压力和温度，是生长金刚石，立方氮化硼的方法。
目前，高温高压法不但可以生长磨料级的金刚石，还可以生长克拉级的装饰性宝石金刚石。
金刚石底膜可用化学气相沉积方法在常压下生长。
4. 弧熔法图13 弧熔法示意图料堆中插入电极，在一定的电压下点火，发出电弧。
蓝宝石晶体生长方法研究作者：周林来源：《硅谷》2013年第18期摘要蓝宝石单晶由于其优良的综合性能而成为当前重要的技术晶体材料之一，在各个领域都具有广泛的应用。
本文简述了蓝宝石单晶的主要性能，主要介绍了几种重要的蓝宝石单晶生长方法，并分析了各种方法的特点，最后概括了蓝宝石单晶目前及今后的主要发展方向，指出稳定工艺才是企业成熟的基础。
目前使用热交换法生长蓝宝石，最有可能在不断地增加晶体直径的情况下保持甚至提高晶锭的利用率，从而降低生产成本，在未来赢得更多更大的市场。
关键词大尺寸蓝宝石单晶；提拉法；泡生法；导模法；热交换法中图分类号：TB321 文献标识码：A 文章编号：1671-7597（2013）18-0069-02蓝宝石又称为刚玉，是一种氧化铝的单晶，这种晶体的机械、光学性能和抗化学稳定性都很稳定，而且可以在接近2000℃的温度下使用，并保持其优异的力学和热血性能，这些都源于蓝宝石独特的晶格结构。
几年来，蓝宝石市场不断地被开发，已经覆盖了国防、科技和民用工业等很多新的领域，特别是作为现在最理想的衬底材料被应用在半导体二极管的生产中，成为一种重要的高新技术晶体。
目前国内已有多家生长蓝宝石晶体的公司，生长的蓝宝石最大可以重达130 kg，直径达400 mm以上（如图1）。
但这些技术都不太成熟，随之科学技术的发展，蓝宝石市场对晶体材料的重量、形状等要求也日益苛刻。
而且由于在实际生长和加工过程的难度很大，对设备、人员的要求也很大，所需要的蓝宝石晶坯的规格也越来越多，所以能够低成本、高质量地生长蓝宝石单晶成为目前蓝宝石上游商家的主要发展方向，如果技术成熟可以极大的满足当前对大尺寸蓝宝石晶体的需求。
1 蓝宝石生长方法从最早的火焰法生长蓝宝石到如今的热交换法，已经有无数的生长方法被不断的研究及改进，但总体来说只有一个目的，能够得到低成本、高质量的大尺寸蓝宝石单晶。
整体看来，大部分的蓝宝石晶体都是采用熔体生长的方式。
第４８卷第７期２０１９年７月人㊀工㊀晶㊀体㊀学㊀报ＪＯＵＲＮＡＬＯＦＳＹＮＴＨＥＴＩＣＣＲＹＳＴＡＬＳＶｏｌ.４８㊀Ｎｏ.７Ｊｕｌｙꎬ２０１９研究快报导模法(ＥＦＧ)生长大尺寸厚壁管状蓝宝石单晶罗㊀平１ꎬ２ꎬ王庆国１ꎬ董建树１ꎬ王东海１ꎬ２ꎬ吴㊀锋１ꎬ唐慧丽１ꎬ徐㊀军１(１.同济大学物理科学与工程学院ꎬ上海㊀２０００９２ꎻ２.南京同溧晶体材料研究院ꎬ南京㊀２１１２１２)摘要:采用自行设计的导模法蓝宝石长晶装备ꎬ通过优化模具设计和长晶工艺ꎬ成功生长了内/外径分别为３１/５８ｍｍ和５０/６５ｍｍꎬ长度超过３００ｍｍ的大尺寸厚壁蓝宝石单晶圆管ꎬ无开裂多晶ꎬ无肉眼可见气泡ꎬ晶体质量优良ꎮ关键词:蓝宝石晶体ꎻ圆管ꎻ导模法中图分类号:Ｏ７８２㊀㊀文献标识码:Ａ㊀㊀文章编号:１０００￣９８５Ｘ(２０１９)０７￣１２１４￣０２ＧｒｏｗｔｈｏｆＳａｐｐｈｉｒｅＴｕｂｅｗｉｔｈＬａｒｇｅＳｉｚｅｂｙＥＦＧＭｅｔｈｏｄＬＵＯＰｉｎｇ１ꎬ２ꎬＷＡＮＧＱｉｎｇ￣ｇｕｏ１ꎬＤＯＮＧＪｉａｎ￣ｓｈｕ１ꎬＷＡＮＧＤｏｎｇ￣ｈａｉ１ꎬ２ꎬＷＵＦｅｎｇ１ꎬＴＡＮＧＨｕｉ￣ｌｉ１ꎬＸＵＪｕｎ１(１.ＳｃｈｏｏｌｏｆＰｈｙｓｉｃｓａｎｄＥｎｇｉｎｅｅｒｉｎｇꎬＴｏｎｇｊｉＵｎｉｖｅｒｓｉｔｙꎬＳｈａｎｇｈａｉ２０００９２ꎬＣｈｉｎａꎻ２.ＮａｎｊｉｎｇＴｏｎｇｌｉＣｒｙｓｔａｌＭａｔｅｒｉａｌｓＲｅｓｅａｒｃｈＩｎｓｔｉｔｕｔｅꎬＮａｎｊｉｎｇ２１１２１２ꎬＣｈｉｎａ)Ａｂｓｔｒａｃｔ:Ｈｉｇｈｑｕａｌｉｔｙｌａｒｇｅｓａｐｐｈｉｒｅｔｕｂｅｓｗｅｒｅｓｕｃｃｅｓｓｆｕｌｌｙｆｏｒｍｅｄｖｉａｓｅｌｆ￣ｄｅｓｉｇｎｅｄｃｒｙｓｔａｌ￣ｇｒｏｗｔｈｅｑｕｉｐｍｅｎｔｕｓｉｎｇＥｄｇｅ￣ｄｅｆｉｎｅｄＦｉｌｍ￣ｆｅｄＧｒｏｗｔｈ(ＥＦＧ)Ｍｅｔｈｏｄ.Ｔｈｅｉｎｎｅｒ/ｏｕｔｅｒｄｉａｍｅｔｅｒｓｏｆｔｈｅｔｕｂｅｓｗｅｒｅ３１/５８ｍｍａｎｄ５０/６５ｍｍｒｅｓｐｅｃｔｉｖｅｌｙꎬａｎｄｔｈｅｌｅｎｇｔｈｏｆｔｈｅｔｕｂｅｅｘｃｅｅｄｅｄ３００ｍｍ.Ｎｏｃｒａｃｋꎬｐｏｌｙｃｒｙｓｔａｌｌｉｎｅｓｔｒｕｃｔｕｒｅｏｒｖｉｓｉｂｌｅｂｕｂｂｌｅｗａｓｏｂｓｅｒｖｅｄｉｎｔｈｅｔｕｂｅ.Ｋｅｙｗｏｒｄｓ:ｓａｐｐｈｉｒｅｃｒｙｓｔａｌꎻｔｕｂｅꎻＥｄｇｅ￣ｄｅｆｉｎｅｄＦｉｌｍ￣ｆｅｄＧｒｏｗｔｈ(ＥＦＧ)ｍｅｔｈｏｄ㊀㊀基金项目:上海蓝宝石单晶工程技术研究中心(１４ＤＺ２２５２５００)ꎻ国家重点研发计划项目(２０１６ＹＦＢ１１０２２０２)㊀㊀作者简介:罗㊀平(１９８１￣)ꎬ男ꎬ吉林省人ꎬ硕士ꎬ工程师ꎮＥ￣ｍａｉｌ:ｌｕｏｐｉｎｇ１２１４＠１６３.ｃｏｍ㊀㊀通讯作者:王庆国ꎬ讲师ꎮＥ￣ｍａｉｌ:ｑｇｗａｎｇ＠ｔｏｎｇｊｉ.ｅｄｕ.ｃｎꎻ徐㊀军ꎬ教授ꎮＥ￣ｍａｉｌ:ｘｕｊｕｎ＠ｍａｉｌ.ｓｈｃｎｃ.ａｃ.ｃｎ㊀㊀大尺寸蓝宝石单晶的主流生长方法有泡生法(ＫｙｒｏｐｏｕｌｏｓｍｅｔｈｏｄꎬＫＹ)㊁热交换法(ＨｅａｔＥｘｃｈａｎｇｅｒＭｅｔｈｏｄꎬＨＥＭ)㊁导模法(Ｅｄｇｅ￣ｄｅｆｉｎｅｄＦｉｌｍ￣ｆｅｄＧｒｏｗｔｈꎬＥＦＧ)和提拉法(ＣｚｏｃｈｒａｌｓｋｉｍｅｔｈｏｄꎬＣＺ)等ꎮ其中导模法具有可直接定形/定向生长㊁周期短㊁成本低㊁后续加工简便㊁可实现全自动化等优势ꎮ在ＬＥＤ产业和消费类电子产品产业推动下ꎬ我国已经成为世界上最大的蓝宝石晶体生产和加工基地ꎬ并且蓝宝石的应用领域还在不断拓展ꎬ对异形蓝宝石产品的需求日益增长ꎮ其中:蓝宝石单晶管具有宽波段透明㊁绝缘㊁耐高温㊁抗酸蚀㊁高强度㊁抗辐射等特性ꎬ作为保护套管在高压钠灯管㊁环保化工㊁高压输电㊁高温测量㊁太赫兹波传输等领域具有重要应用和广阔市场ꎮ但是ꎬ传统的蓝宝石管制作方式是采用泡生法或热交换法生长大尺寸的单晶ꎬ采用物理研磨加工手段进行内部掏空制作ꎬ这种方式加工周期长㊁成本高㊁良率低ꎬ且超长㊁超细的管材无法通过这种方式加工出来ꎮ因此ꎬ研发能够直接进行蓝宝石管定形生长的工艺装备技术刻不容缓ꎮ近期ꎬ同济大学徐军教授团队继导模法同步生长２４片平片㊁弧形片㊁单晶光纤㊁内孔径１６０微米~１英寸管㊁封口热耦管后ꎬ针对国家急需的航空发动机用蓝宝石活塞保护套管ꎬ采用自主研发的蓝宝石导模法长晶炉ꎬ成功生长内/外径分别为３１/５８ｍｍ和５０/６５ｍｍ㊁长度超过３００ｍｍ的大尺寸蓝宝石单晶圆管(如图１ꎬ２所示)ꎮ设备采用中频感应加热ꎬ选用钼制模具ꎬ热场方面使用高纯石墨硬毡作为保温材料ꎬ着重加强保温效果ꎬ减少热应力对晶体的冲击ꎮ由于管壁厚度达到了８~１３ｍｍꎬ如何解决内外壁较大的温度差成为长晶成功的关键ꎬ通过科学合理的热场设计使晶管内外壁的温度一致ꎬ避免了由于内壁低温造成晶体管外形扭曲㊁外壁高温穿孔㊁里层低温引入多晶缺陷等问题ꎮ为满足模具供料充足ꎬ保证晶体成形饱满管壁厚度均匀ꎬ㊀第７期罗㊀平等:导模法(ＥＦＧ)生长大尺寸厚壁管状蓝宝石单晶１２１５㊀设计了特殊的模具供料方案ꎬ模具上表面采用Ｖ型口设计ꎬ管壁厚度通过Ｖ型口的宽度限定ꎬ供料缝置于模具Ｖ型口底部ꎻ选用ｃ向片状籽晶生长ꎬ并采用双头引晶ꎬ减少放肩量ꎬ提高生长速率ꎮ图１㊀厚壁蓝宝石单晶管ꎬ外径５８ｍｍ㊁内径３１ｍｍ㊁长度３００ｍｍＦｉｇ.１㊀Ｔｈｉｃｋ￣ｗａｌｌｅｄｓａｐｐｈｉｒｅｓｉｎｇｌｅｃｒｙｓｔａｌｔｕｂｅｗｉｔｈｏｕｔｅｒｄｉａｍｅｔｅｒｏｆ５８ｍｍꎬｉｎｎｅｒｄｉａｍｅｔｅｒｏｆ３１ｍｍａｎｄｌｅｎｇｔｈｏｆ３００ｍｍ图２㊀蓝宝石单晶管ꎬ外径６５ｍｍ㊁内径５０ｍｍ㊁长度４５０ｍｍＦｉｇ.２㊀Ｓａｐｐｈｉｒｅｓｉｎｇｌｅｃｒｙｓｔａｌｔｕｂｅｗｉｔｈｏｕｔｅｒｄｉａｍｅｔｅｒｏｆ６５ｍｍꎬｉｎｎｅｒｄｉａｍｅｔｅｒｏｆ５０ｍｍａｎｄｌｅｎｇｔｈｏｆ４５０ｍｍ㊀㊀生长模具采用悬挂方式ꎬ置于坩埚中心上方ꎬ坩埚采用钨/钼材质ꎬ长晶过程分为装炉投料㊁升温化料㊁引晶放肩㊁等径生长㊁降温退火等过程ꎮ详细过程如下:安装热场并投放５Ｎ级高纯氧化铝碎晶料ꎬ抽真空后充入高纯氩气作为保护气氛ꎬ然后升温化料ꎻ待原料熔化后ꎬ坩埚上升使模具浸入氧化铝熔体中ꎬ通过虹吸作用氧化铝熔体通过模具的供料缝上升至模具表面ꎻ下降籽晶杆使籽晶两端接触圆形模具的两侧供料缝ꎬ随后开始提拉放肩ꎬ提拉速率为１０ｍｍ/ｈꎬ直至晶体长成完整圆环放肩结束ꎻ随后开始等径生长过程ꎬ长晶过程全程可观察ꎬ晶体生长提拉速度３０ｍｍ/ｈꎬ晶体生长时ꎬ坩埚持续上升以满足模具供料充足和管壁厚度均匀ꎬ坩埚生长速率根据生长过程中坩埚内熔体液面下降速率和模具/坩埚距离综合计算确定ꎬ一般为０.２~０.５ｍｍ/ｈꎻ晶体生长结束后籽晶杆快速提拉脱离模具表面ꎬ并下降坩埚使埚内余料与模具分离ꎬ以保护模具减小变形延长其使用寿命ꎬ晶体原位退火ꎬ降温时间保证大于５ｈꎬ以充分消除晶体内的生长应力ꎬ整个生长周期控制在３０ｈ左右ꎮ生长单晶管无色透明ꎬ无开裂和多晶镶嵌结构ꎬ无肉眼可见大气泡ꎬ单晶性良好ꎬ为国内首次采用导模法生长大尺寸蓝宝石管材ꎮ。
