[发明专利]还原性气氛泡生法生长晶体的方法

说明书

技术领域

本发明涉及晶体生长方法，具体是一种还原性气氛泡生法生长晶体的方法，可获得大尺寸高质量晶体。

背景技术

以较低的成本生长出大尺寸、高质量的晶体是从事晶体生长的科技人员不懈追求的目标。晶体生长的方法有多种，但最常用、最重要的是从熔体中生长晶体，具体主要包括提拉法、温梯法和泡生法等。

其中，提拉法是最常用的一种从熔体中提拉生长高质量单晶的方法，这种方法能够生长蓝宝石、红宝石、钇铝榴石、钆镓榴石和尖晶石等重要的宝石晶体。然而，提拉法生长化合物晶体通常需要昂贵的铂、铱等贵金属坩埚，特别是在生长高温晶体的过程中坩埚一般会有2～3‰的损耗，从而使晶体的生长成本比较高。专利ZL02134220.2涉及一种在“氢气氛中使用感应加热钼坩埚提拉法生长蓝宝石晶体”的装置及生长工艺，该发明可以使用低成本的钼坩埚生长直径为2～3英寸的蓝宝石晶体，但该装置需要流动性氢气氛、分子泵等，且在晶体生长过程中分子泵始终工作，以维持炉膛内一定的气压，设备比较复杂，成本相应也较高。

温度梯度法是一种通常使用钼坩埚、石墨发热体再加钨钼隔热屏生长晶体的技术，由于可以实现较高浓度掺杂且掺杂较均匀，该技术对生长钛宝石晶体尤其具有优势，但其耗电量较大，成本相应也较高。另外，温梯法生长晶体的方式为籽晶位于钼坩埚底部，使熔体缓慢降温结晶而得到晶体，由于晶体与钼坩埚之间的热膨胀差异常会使晶体在降温过程中受坩埚挤压而开裂。

近年来，泡生法由于可以生长大尺寸的蓝宝石晶体而倍受关注。专利200510010116.4涉及一种“大尺寸蓝宝石单晶的冷心放肩微量提拉制备法”，该方法加热方式为钨发热体电阻加热结合钨钼隔热屏，使用钨坩埚在特定的单晶炉及真空条件下加热原料，随后进行引晶、放肩、等径提拉、冷却及退火，可视其为温梯法与提拉法的结合，可生长Φ220mm×200mm的大尺寸蓝宝石晶体，但该方法在整个生长工艺过程中要求真空度优于6×10^-3Pa，对设备要求较高，维护费用也较高。

专利ZL200310112171.5涉及用“综合熔体法生长晶体”，该方法具有提拉法、泡生法和温梯法的优点，但该发明在非还原性气氛中使用氧化锆砂为钼坩埚保温，其结果是：一方面，钼坩埚会与残余氧气反应；另一方面，钼坩埚的外表面也会被氧化锆砂氧化。发明200710073268.8(申请号)在专利ZL200310112171.5基础上涉及“一种铝酸锂晶体的生长方法”，该发明除存在专利ZL200310112171.5所存在的缺陷外，其保温罩侧壁开有观察窗口，而该观察窗会导致温场和温度梯度分布的不对称，引起熔体上方保温罩内腔与罩外的强烈气体对流，大量实验结果证明上述观察窗口是致使铝酸锂晶体在生长过程中出现严重组分挥发的根本原因，因此该种保温罩的使用难以获得高质量的铝酸锂晶体。

发明内容

本发明的目的是提供一种还原性气氛泡生法生长晶体的方法，该方法具有低成本生长大尺寸、高质量晶体的特点。

本发明的技术解决方案如下：

一种还原性气氛泡生法生长晶体的方法，其特点是：在感应加热提拉法生长晶体的基础上，使用钨坩埚、钼坩埚或钨钼合金坩埚，坩埚外以石墨毡作保温材料并在高温下形成还原性气氛，硬石墨毡保温罩或氧化锆砖保温罩结合钨钼后热器置于坩埚上方为坩埚内的熔体和生长出的晶体保温，观察窗口设在保温罩上盖和炉壁上侧，以保证温场及温度梯度分布的均匀性和对称性，通过保温罩上盖和炉壁上侧的观察窗口观察熔体，按常规提拉法工艺下籽晶并放肩，其后以一定速率减小加热功率，同时微量提拉晶体或不提拉进行结晶，结晶结束后，继续降低加热功率对晶体进行降温直至室温，取出晶体。

所述的微量提拉晶体过程中的提拉速度为0～4毫米/小时，转速为0～30转/分钟。

所述的在晶体生长阶段，减小加热功率的速率为0.1～25瓦/小时；结晶结束后降温阶段加热功率降低速率为20～40瓦/小时。

本发明的技术效果：

该方法可以生长大尺寸的晶体。

该方法所述的保温罩侧壁是完整的，保温罩侧壁不设观察窗，可以有效改善晶体生长系统中的温场均匀性、对称性，保障了晶体生长质量。另外，该保温罩抑制了提拉法生长挥发类晶体过程中由于保温罩内外强烈气体对流引起的熔体组分挥发的问题，因此，对生长挥发类晶体尤其具有优势。