[发明专利]一种高质量晶体生长方法

说明书

 

技术领域

本发明涉及晶体制备领域，更具体地说，涉及一种高质量晶体生长方法。

背景技术

物质在一定温度、压力、浓度、介质、pH等条件下由气相、液相、固相转化，形成特定线度尺寸晶体的过程称为晶体生长。

晶体生长方法主要有火焰法、提拉法、导模法、坩埚下降法、泡生法、定向凝固法等。火焰法晶体生长具有操作方便，晶体生长速度快，但是晶体质量差，有气泡和孪晶，位错密度大，一般只达到机械级的应用标准。提拉法晶体生长一般采用中频感应加热，晶体生长速度快且晶体不与坩埚接触，容易控制晶体外形，但生长晶体尺寸比较小，应力比较大，位错密度比较高，另外晶体生长多采用贵金属坩埚，成本比较高。导模法可以通过设计特定的模具实现片状、管状等不同形状的晶体生长，但晶体生长装置实现难度大。坩埚下降法晶体生长过程中由于坩埚移动容易造成晶体固液界面震动，会使生长晶体出现孪晶，增大位错密度。泡生法通过顶部籽晶引晶后，并不向上提拉而是泡在熔体中长晶，生长的晶体不与坩埚接触，位错密度低，单晶性好，但晶体生长强烈依靠人工经验的积累，晶体的一致性和成品率较差。定向凝固法通过构建合适晶体定向凝固生长温场，熔体在坩埚中实现定向凝固结晶，该方法的最大特征是可以实现大尺寸晶体生长。

 

发明内容

有鉴于此，本发明提供一种质量高、一致性好，稳定性高的晶体生长方法。

为了解决上述技术问题，本发明提供了一种晶体生长方法，包括：

a）提供籽晶原料；

b）将所述籽晶原料在第一条件下熔融；得到熔融料；所述第一条件为抽真空或抽真空后再置于保护气氛；

c）将所述熔融料在第二条件下进行长晶；所述第二条件为抽真空或抽真空后再置于保护气氛；

d）将步骤c）长晶后得到的粗晶进行退火并降温降至室温，得到晶体。

优选的，在所述步骤b）之后步骤c）之前还包括：加热所述熔融料至所述籽料原料熔点以上。

优选的，所述提供籽晶原料具体为将未经烧结的原料进行混合原料或将原料进行经烧结后得到多晶原料。

优选的，所述籽晶原料为有部分定向的晶料、饼料和粉料中的一种或多种。

优选的，所述保护气氛为惰性气体或还原性气体。

优选的，所述籽晶原料为氧化物或氟化物。

优选的，步骤c）具体为：

c1）将所述熔融料在第二条件下维持晶体熔点1~20h；

c2）使用流体冷却法对步骤c1）所述熔融料进行冷却，流体的流量从10线性均匀增长至300L/min，完成长晶过程。

优选的，该流程是在籽晶没有完全熔化的情况下进行。

优选的，步骤d）中的退火具体为将所述粗晶在1000~3000℃下保持30~100h。

优选的，步骤d）中的降温至室温具体为：退火结束后，以5~30℃/h的速度降温至室温。

本发明提出一种晶体生长方法，称为底部籽晶冷却定向生长法（Bottom-seed-refrigeration Directional-growth Method, BDM）。其对应的晶体生长装置由炉腔系统、高真空系统、流体冷却系统、热场系统、控制系统、报警系统等系统组成，利用该装置，通过（1）装料、（2）抽真空、（3）充气、（4）熔料、（5）过热、（6）长晶、（7）退火、（8）降温等流程，可以实现高质量氧化物、氟化物等晶体生长以及掺杂晶体生长。用该方可以生长重量达100公斤的大尺寸高质量蓝宝石晶体，且生长的蓝宝石晶体满足LED半导体照明、军事、航空、航天等领域对蓝宝石晶体的应用要求标准。

本发明的底部籽晶冷却定向法生长高质量晶体，利用可以实现该方法的晶体生长装置，可以实现近平固液界面晶体生长，用来生长高质量氧化物和氟化物等晶体以及掺质晶体。生长的蓝宝石晶体可以突破超百公斤大尺寸，晶体质量高，一致性好，稳定性高，具有效率极高的自动化和批量生产能力。大尺寸蓝宝石晶体重量可达100公斤，没有散射光路，没有气泡和孪晶，透过率达85%，位错密度小于1000Pits/cm²，单晶性小于25弧度秒，满足LED半导体照明、军事、航空、航天等领域对蓝宝石晶体的应用要求标准。

附图说明