[发明专利]一种无色刚玉单晶的制备方法

说明书

技术领域

本发明涉及一种无色刚玉单晶的制备方法，具体涉及工业用刚玉单晶的生长方法，属于晶体生长技术领域。

背景技术

刚玉主要成分是氧化铝（Al₂O₃）。是自然界硬度仅次于金刚石的晶体材料。其结构中的氧原子以接近HCP（hexagonal closed packed）的方式排列，其中氧原子间的八面体配位约有2/3的空隙是由铝原子所填充，由此使它具有强度、硬度高(莫氏硬度9)，耐高温(熔点达2050℃)、耐磨擦、耐腐蚀能力强，化学性质稳定，一般不溶于水，不受酸腐蚀，只有在高温下(3000℃以上)才能为氢氟酸(HF)、磷酸(H₂PO₄)以及熔化的苛性钾(KOH)所侵蚀；且具有同氮化镓等半导体材料结合匹配性好、光透性能、电绝缘性能优良等一系列特性。

无色刚玉单晶首先是作为红外窗口材料而提出。因其具有优良的光学、机械、化学和电性能，特别是具有中波红外透过率高等特性，从0.190μm至5.5μm波段均具有很高的光学透过率，因此被广泛用作微波电子管介质材料，超声波传导元件，延迟线，波导激光器腔体及精密仪器轴承，天平刀口等光学元件以及红外军事装置、空间飞行器、高强度激光器的窗口材料。以刚玉单晶片为绝缘衬底材料的SOS器件则具有高集成度、高速度、低功耗和抗辐射能力强等优点。

目前无色刚玉单晶的制备方法主要有以下几种：

温度梯度法Temperature gradient technique(TGT)：是以定向籽晶诱导的熔体单结晶方法。包括放置在简单钟罩式真空电阻炉内的坩埚、采用坩埚、石墨发热体。坩埚底部中心有一籽晶槽，籽晶槽固定在定位棒的圆形凹槽内。其优点是生长晶体质量较好，尺寸大；缺点是成品率较低，热场不易均衡，需要大量氦气作为冷却剂，晶体碳污染呈粉红色，虽然可以使用退火工艺，但成本巨高。目前美国GT公司技术较成熟，但其晶体产品主要用于美国军事工业。

提拉法Czochralski（CZ）：该方法的创始人是Czochralski，是熔体生长最常用的方法之一。将预先合成好的多晶原料装在坩埚中，并被加热到原料的熔点以上，此时，坩埚内的原料就熔化为熔体，在坩埚的上方有一根可以旋转和升降的提拉杆，并通过拉晶杆散热。降低提拉杆，使籽晶插入熔体中，与熔体接触首先获得一定过冷度，而发生结晶。只要温度合适，籽晶既不熔掉也不长大，然后慢慢地向上提拉和转动晶杆。同时，缓慢地降低加热功率，籽晶就逐渐长粗，小心地调节加热功率，就能得到所需直径的晶体。其优点在于生长情况便于观察，晶体尺寸可以控制，外形规整，缺点是晶体位错较大（万级）。

泡生法(Kyropoulos)是Kyropoulos于1926年首先提出并用于晶体的生长。上世纪六七十年代，经前苏联的Musatov改进，将此方法应用于蓝宝石单晶的制备。其原理与提拉法类似。首先加热到过热一定程度使其化料，然后对熔体降温，待冷却到一定温度时，将籽晶侵入熔体中进行生长，其晶体在生长过程中不不利用旋转、不利于向上提拉控制直径，晶体在坩埚内固化、冷却及收缩。其优点是生长晶体质量较好，成本低，缺点是顶部引晶使得晶体产生大量气泡（空腔），严重影响晶体质量，操作复杂，一致性不高，成品率只有60%左右。目前全球蓝宝石基板70%以上为该方法生长。

坩埚移动法（Bridgman-Stockbarger)：又称布里奇曼晶体生长法。一种常用的晶体生长方法。用于晶体生长用的材料装在圆柱型的坩埚中，缓慢地下降，并通过一个具有一定温度梯度的加热炉，炉温控制在略高于材料的熔点附近。根据材料的性质加热器件可以选用电阻炉或高频炉。在通过加热区域时，坩埚中的材料被熔融，当坩埚持续下降时，坩埚底部的温度先下降到熔点以下，并开始结晶，晶体随坩埚下降而持续长大。其优点在于设备要求简单，成品率高，缺点是晶体大小受到限制，晶体单晶品质不稳定，位错密度较高。

但这些制备方法在工业化批量生产时，存在晶体杂质污染，晶体单晶品质不稳定、晶体大小受到限制，难以满足军事领域、光学及半导体等组件高性能的要求，其制备成本高，所需时间长。所以高品质、低成本及快速的刚玉晶体材料生长工艺是世界各国关注的难点和重点。

发明内容

本发明的目的是提供一种结合传统提拉法与泡生法的新生长工艺，以提高刚玉单晶体的成品率。

本发明的另一目的是提供一种无色刚玉单晶体的晶体生长炉，使生长方法操作简单，易于实施，安全可靠。

为了实现以上目的，本发明无色刚玉单晶体所采用的制备方法包括如下步骤：