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熔体泡生法生长高质量蓝宝石的原理和应用
2011-09-06
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孙广年  于旭东   沈才卿
 一、 引言
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并且是它的发展前沿,业已证明,一些高新科学技术的发展,无一不和晶体材料密切相关;军事工业的发展,例如导弹、无人驾驶飞机、潜艇、人造卫星及宇宙飞船等的窗口材料都需要晶体生长的优质材料,这些材料的好坏决定着技术水平的高低,而且只有在材料方面有所突破,才能希望技术本身有所突破。高质量的无色蓝宝石由于它的特殊优良性能,有着非常广泛的用途,例如蓝宝石单晶具有独特而优良的物理化学性质,特别是在0.2~5.0μm波段有良好的透光性,可广泛用于红外军事装备、卫星和空间技术等领域。由于蓝宝石晶体的电介质绝缘、有恒定的介电常数等特性,使其成为应用最广泛的衬底材料之一。为此,世界各国都在想方设法、千方百计地进行研究和生产。浙江省巨化集团公司晶体材料厂经过多年的努力,用熔体泡生法和熔体提拉法相融合的技术生产出了高质量的无色蓝宝石,已生产出直径达到220mm以上,重28Kg以上,不仅可以用于军事工业的窗口材料,也可以用于衬底材料和发光二极管(LED)节能环保行业上,具有无限的潜力和发展前景。

二、 高质量蓝宝石晶体生长技术简要
蓝宝石是刚玉宝石的一种,除了红色的红宝石以外,其它刚玉宝石都叫蓝宝石。无色蓝宝石是蓝宝石中的一种,化学成分为三氧化铝(Al2O3),三方晶系,抛光表面具亮玻璃光泽至亚金刚光泽,一轴晶负光性,折射率值为1.762~1.770,双折射率值为0.008~0.010,摩氏硬度为9,密度为4.00(+0.10~-0.05)g/cm3。
蓝宝石的人工合成方法主要有焰熔法、助熔剂法和熔体法,其中熔体法又包括好几种方法。但是,焰熔法和助熔剂法都不能生长出高质量的蓝宝石大晶体来,原因是:焰熔法生长的宝石晶体除单个晶体比较小外,晶体还具有大量的镶嵌结构,质量欠佳;助熔剂法生长的宝石晶体也很小,并且包含有助熔剂阳离子,质量也不太好。只有熔体法生长的宝石晶体具有纯度和完整性都高的特点,并且单个晶体大,能成为现代高科技及国防工业急需的高质量宝石晶体。熔体法生长宝石的原理是:将构成宝石成分的原料放在耐高温坩埚中加热熔化,然后在受控条件下,通过降温使熔体出现过冷却,从而使晶体生长出来的方法。由于降温的受控条件不同,因此从熔体中生长出高质量宝石晶体的方法也稍有不同。目前,世界上主要的熔体法高质量蓝宝石晶体生长技术有以下4种:
1、 Czochalski熔体晶体提拉法;
2、EFG(edge-defined film-fed growth)熔体导模法;
3、HEM(Heat Exchanger Method)熔体热交换法;
4、Kyropoulos Method熔体泡生法。
以上4种从熔体中生长宝石晶体的方法,其技术特点和优缺点简要介绍如下:

  1. 熔体晶体提拉法

 熔体晶体提拉法(简称熔体提拉法)是利用籽晶从熔体中提拉生长出晶体的方法。该方法能在短期内生长出大而无位错的高质量单晶,是由J.丘克拉斯基(J.Czochalski)在1917年首先发明的,所以又称丘克拉斯基法,简称Cz提拉法,这是从熔体中生长晶体最常用的方法之一。其主要技术特点是所有使用提拉法生长晶体的共同基础,简述如下:将宝石组分的原料装在坩埚中,并被加热到原料的熔点以上,此时,坩埚内的原料被熔化成熔体;在坩埚的上方有一根可以旋转和升降的提拉杆,杆的下端带有一个夹头,其上装有籽晶,降低提拉杆,使籽晶插入熔体中,调好温度,使籽晶既不熔掉也不长大,然后缓慢地向上提拉和转动籽晶杆。同时,缓慢地降低加热功率,经过缩颈—扩肩—等径生长—收尾的生长全过程,就能得到所需直径的晶体。整个生长装置安放在一个可以封闭的外套里,以便使生长环境中有所需要的气氛和压强;通过外罩的窗口,可以观察到生长的情况。其生长原理图见图1。此方法的主要优点是:(1)在生长过程中可方便地观察晶体生长的状况;(2)晶体在熔体表面处生长,不与坩埚相接触,这样能显著减小晶体的应力,并防止坩埚壁的寄生成核;(3)可以方便地使用定向籽晶和“缩颈”工艺。“缩颈”后的籽晶,其位错可大大减少,这样可使扩肩后生长的晶体,其位错密度降低,得到完整性很高的晶体。此方法的主要缺点是晶体比较小,最多能达到直径2~3英寸,不能适应现代高科技和国防工业对大尺寸晶体的要求。在生长大尺寸晶体上,其它三种方法都优于Czochalski熔体晶体提拉法。
20世纪70年代,由于激光材料研究的需要,我国开始研制人造钇铝榴石(YAG)和人造钆镓榴石(GGG)晶体的熔体提拉法生长技术,由于军事工业发展的需要和尖端科技研究及应用的需要,熔体提拉法生长宝石晶体技术后来得到了进一步的发展和完善,现在已能够顺利生长出许多有实用价值的宝石晶体(见图2、3),如合成无色蓝宝石、合成红宝石、人造钇铝榴石(YAG)、人造钆镓榴石(GGG)、合成变石等。

  
图1熔体提拉法晶体生长示意图                图2熔体提拉法生长的蓝宝石晶体

图3  熔体提拉法生长的激光晶体

  1. 熔体导模法

熔体导模法是改进型的熔体晶体提拉法,是控制晶体形状的熔体晶体提拉法。其主要工艺技术特点是:将一个高熔点的惰性模具放于熔体之中,模具的上表面具有所需形状的“图案”,下部带有细的管道直通模具顶端,熔体由于毛细作用被吸引到模具的上表面,与一个籽晶接触后,熔体随籽晶的提拉而高于模具表面时,能自动拓展到“图案”的边缘,在随后的提拉中生长出模具顶端形状的晶体 。它的主要优点是可以按我们的要求生长出多种形状的晶体,Saint-Gobain公司用此技术能够生长直径450mm到500mm的蓝宝石光学用晶片,而日本京瓷公司则可以用改良的技术生长LED衬底使用的C面晶片,并拥有该项技术的专利。其原理示意图如图4。此方法生长晶体的设备和工艺技术难度较大,不易推广。

    
图4:熔体导模法晶体生长示意图     图5:熔体热交换法生长的350mm蓝宝石晶体

  1. 熔体热交换法

熔体热交换法的实质是控制温度,让熔体在坩埚内直接凝固结晶。其主要技术特点是:要有一个温度梯度炉,这个温度梯度炉是在真空石墨电阻炉的底部装上一个钨钼制成的热交换器,内有冷却氦气流过。把装有原料的坩埚放在热交换器的顶端,两者中心相互重合,而籽晶置于坩埚底部的中心处,当坩埚内的原料被加热熔化以后,氦气流经热交换器进行冷却,使籽晶不被熔化。随后,加大氦气的流量,带走更多的熔体热量,使籽晶逐渐长大,最后使 整个坩埚内的熔体全部凝固。此方法的主要优点是:晶体生长时,坩埚、晶体 、加热区都不动,消除了由于机械运动而造成晶体的缺陷;同时,可以控制冷却速率,减少晶体的热应力及由此产生的晶体开裂和位错等缺陷,是生长优质大晶体的好方法。但这个方法的设备条件高,整个工艺复杂,运行成本高,因此并没有被广泛应用。该工艺为CrystalSystem公司专利技术,主要为美国军方提供整流罩,目前已经生长出直径350mm的蓝宝石晶体(如图5)。

  1. 熔体泡生法

    熔体泡生法是1926年由Kyropouls发明的,经过几十年来科研工作者的不断改造和完善,目前是解决熔体晶体提拉法不能拉大直径晶体的好方法之一。其生长晶体原理示意图如图6所示,其主要技术特点是:将待生长的晶体原料放在耐高温的坩埚中加热熔化,然后调整炉内温度场,使熔体上部处于稍高于熔点状态;籽晶杆上安放一颗籽晶,让籽晶接触熔融液面,待籽晶表面稍熔后,降低表面温度至熔点,提拉并转动籽晶杆,使熔体顶部处于过冷状态而结晶于籽晶上,在不断提拉的过程中,生长出圆柱状晶体。晶体在生长过程中或生长结束时不与坩埚接触,这就大大减少了晶体的应力,可以获得高质量的大直径晶体 。它与熔体晶体提拉法不同之处在于扩肩时晶体直径比较大,几乎与坩埚直径相同(比较图1和图6就可见它们的差别),加上晶体不与坩埚接触,这些就是熔体泡生法的工艺特点和难度所在。浙江巨化集团公司晶体材料厂通过将熔体泡生法与熔体提拉法技术相融合,开发了这种高质量的蓝宝石生长技术,并以生长无色优质蓝宝石晶体为主要产品,有人也把此方法称为“熔体泡生提拉法”。目前已能生长出直径220mm以上,重28Kg以上的高质量无色蓝宝石晶体,产品参看图6。

      
图6 熔体泡生法生长晶体的原理示意图及其产品

三、 熔体泡生法生长高质量无色蓝宝石晶体的工艺
1.将纯净的α-Al2O3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,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加致色剂,籽晶也要用无色蓝宝石,无色蓝宝石晶体比有色蓝宝石晶体用处更大)。
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能在籽晶的清洁表面上开始生长。
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。控制好拉速和转速,籽晶就逐渐长大。
5.小心地调节加热功率,使液面温度等于熔点,实现宝石晶体的缩颈—扩肩—等径生长—收尾的生长全过程。
整个生长装置安放在一个外罩里,以便抽真空后充入惰性气体,使生长环境中保持所需要的气体和压强。通过外罩上的窗口可观察晶体生长情况,以便随时调节温度,使晶体生长过程正常进行,用这种方法可以生长出大直径高质量的无色蓝宝石晶体。
四、 熔体泡生法生长优质蓝宝石的技术要点
蓝宝石属三方晶系,晶体结构存在着两个主要的滑移体系(底面滑移系和柱面滑移系),因此在采用提拉法生长蓝宝石单晶工艺中,温场的温度梯度和晶体生长方向的合理选择将对蓝宝石单晶的质量产生关键的影响。
1.建立合理的温度梯度是生长优质晶体的首要条件
热系统是温度梯度的决定因素,是生长优质晶体的基本条件。当晶体恒温生长时,根据界面稳定条件:
                   (1)
而                         (2)
所以有                                 (3)
因此界面保持稳定的最大生长速率为
其中分别为界面附近熔体和晶体中的温度梯度,KlKs分别为熔体和晶体的热导率,L为结晶潜热,为晶体密度。
从(3)中可以看出晶体的最大生长速率取决于晶体中温度梯度的大小,要提高晶体的生长速率,必须加大温度梯度。但是,晶体中温度梯度过大,将会增加晶体的热应力,引起位错密度增加,甚至导致晶体开裂。
因此,根据无色蓝宝石单晶的热导率等性质,建立合理的温度梯度是生长完整单晶的前提。
2.晶体的生长方向选择很重要
无色蓝宝石属于三方晶系,存在有两个主要的滑移系:(0001)面沿<120>方向的底面滑移系和(120)面沿<100>方向的柱面滑移系。滑移最易沿原子密度大的晶向发生,因此晶体生长界面与(0001)面交角大时,由于底面滑移,易于产生大量晶界;当滑移比较严重时,则可能产生滑移带,形成孪晶;相反,则不易产生滑移,晶界不易生成。
沿0°取向即(0001)生长时,晶体外型的对称截面虽易呈六角形,但是缺陷会优先在光轴方向增殖,容易形成镶嵌结构,破坏晶体结构的完整性。
由此可见,选择合适的晶体生长方向是必要的,我们根据多次试验找到了生长优质无色蓝宝石的晶体生长方向。我们认为,根据所建立的温度梯度,选择合适的晶体生长方向是生长高质量无色蓝宝石单晶的关键。 
五、 熔体泡生法生长优质无色蓝宝石的应用
熔体泡生法生长的优质蓝宝石通常应用于国防工业、军工科技和尖端科学技术研究领域,其边角料或不合格原料可以用于珠宝首饰行业。熔体泡生法生长的优质蓝宝石之所以在国防工业、军工科技和尖端科学技术研究领域中有广泛的应用,是由无色蓝宝石晶体本身的优良性能决定的。无色蓝宝石单晶的部分性能参数如下:


化学式

α—Al2O3

晶体结构

三方晶系

晶格常数(Å)

a=4.759,c=12.992

热导率(W/m/K) at 50 °C

25.12

透过率 (2mm)

0.25 – 5.0 microns大于80%

介电常数

11.5(平行C轴)
9.4 (垂直C轴)

  1. 优质无色蓝宝石晶体在基底中的应用

优质无色蓝宝石晶体由于其卓越的性能,在一些基底应用中成为首选材料。主要表现在以下几个领域内:
1. 蓝光LED发光二极管基底材料(BLED's)——在无色蓝宝石基底上生长III-V族和II-VI族化合物;
2. 红外探测器——无色蓝宝石晶体可以作为生长碲镉汞晶体(HgCdTe)的基底;
3. 砷化镓晶片(GaAs)的基底;
4. 微波集成电路材料。
在微电子集成电路应用方面,R面的无色蓝宝石衬底是异质外延硅的首选材料:由于无色蓝宝石单晶具有高且稳定的介电常数,使其特别适合作微波和高速集成电路以及压力传感的异质衬底。另一方面,在无色蓝宝石单晶上可以外延铊等混合超导化合物,制作高电阻器件,也可以用来生长GaAs或者用它做其他一些材料的载片。
另外,A面无色蓝宝石单晶衬底:由于无色蓝宝石单晶具有稳定的介电常数和高绝缘性,可用作高温超导材料的载体。
再有,C面的无色蓝宝石单晶衬底有单面或者双面抛光的,被广泛应用于外延生长III-V和II-VI族化合物,如蓝光LED用的GaN衬底(白光LED是在蓝光LED的基础上,经过荧光粉效应而产生的)。其次,也被用于制作红外探测用的汞镉锑化合物器件的载体。   (2)优质无色蓝宝石在发光二极管(LED)领域中的应用
LED的应用领域非常广,包括通讯、消费性电子、汽车、照明、信号灯等。我们可大体把它们区分为背光源、照明、电子设备、显示屏、汽车等五大领域。在地球资源日渐衰竭的今日,环保和节能是当今各产业发展的重心,尤其是需要消耗大量电力的照明产业,在光源的研发上,更趋向于环保和节能。发光二极管(LED)的出现,是对人类照明世界的一次革命,对人类的未来有着重大影响与改变。LED除了耗能低、寿命长之外,还有以下优点:
1. 应用非常灵活:可以做成点、线、面各种形状的轻、薄、短小产品;
2. 环保效益佳:由于光谱中没有紫外线和红外线,也没有热量和辐射,属于典型的绿色照明光源,而且废弃物可回收,无污染;
3. 控制极为方便:只要调整电流,就可以随意调光,不同光色的组合变化多端,利用时序控制电路,更能达到丰富多彩的动态变化效果。
LED不仅可用于大型广告显示屏,还可以用于建筑和交通照明。白光LED的出现,是LED从标识功能向照明功能跨出的实质性一步。白光LED最接近日光,能较好地反映照射物体的真实颜色,所以,从技术角度看,白光LED无疑是LED最尖端的技术。
白光LED的市场应用将非常广泛,也是白炽钨丝灯泡及荧光灯的“杀手”。目前,白色LED已开始进入一些实际应用领域,如应急灯、手电筒、闪光灯等产品已相继问世。
据美国能源部预测,2010年前后,美国约有55%的白炽灯和荧光灯将被白光LED替代,每年节电价值可达350亿美元,可形成一个500亿美元的大产业。日本提出,白光LED将在2008年左右大规模替代传统白炽灯。为了抢占未来市场的制高点,通用电气、飞利浦、奥斯拉姆等世界三大照明工业巨头纷纷行动,与半导体公司合作成立LED照明企业,目标是在2010年前把LED发光效率再提高8倍,价格降低99%,前景多么诱人!
(3)优质无色蓝宝石晶体是目前唯一商用的GaN外延衬底材料,而半导体发光技术的新成就,为优质无色蓝宝石晶体的应用开创了新的前景。通过在无色蓝宝石晶体基片上外延GaN,可以制作蓝光发光二极管(LED),
目前LED的重要用途和前景正逐渐被人们所认识,随着LED产业化的飞速发展,大尺寸、高品质的蓝宝石晶体将成为市场的新宠。
六、 结语
我们用熔体泡生法与熔体提拉法相融合的技术生长出了优质的大直径无色蓝宝石。为了获得高质量的无色蓝宝石单晶,我们在晶体生长过程中,根据晶体本身的特性出发,建立了合理的温度梯度和合理选择晶体生长方向相融合的生长工艺。熔体泡生法生长的高质量无色蓝宝石单晶的应用领域非常广泛,可以应用于国防工业、军工科技和尖端科学技术研究领域,尤其是在衬底领域和发光二极管(LED)方面的应用,表现出其优异的发展前景。

 

 

参考文献

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  2. 张玉龙等《人工晶体——生长技术、性能与应用》北京,化学工业出版社,20058
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  6. 张蓓莉主编 《系统宝石学》(第二版) 地质出版社 2006年5月
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  9. FSchmid,et al.,J.Amer. Cerma. Soc..53,528,(1970)
  10. H.J.Scheel and T.Fukuda, “The Developlment of Crystal Growth Technology”, Crystal Growth Technology, pp.3-14, 2003
  11. 专利文献,日本亚木精密宝石株式会社P2003313092A
  12. Pub.No.:US2005/0227117A1,United States ,Patent Application Publication

注:文章第四部分第2中晶面负值无法表示,请编辑给予帮助――作者
第一作者介绍:
孙广年――中宝协人工宝石委员会第一、二届委员,第三届副主任委员
          浙江省巨化集团晶体材料厂厂长、高级工程师



前一条消息仿祖母绿宝石的呈色原理与生长
后一条消息合成人造夜光宝石(庆隆夜光宝石)的晶体结构研究及发光机理探讨
 



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