[实用新型]一种蓝宝石晶体生长装置

说明书

技术领域

本实用新型涉及一种晶体生长装置，属于晶体生长设备领域，特别涉及一种蓝宝石晶体生长装置，优选采用泡生法生长蓝宝石晶体。

背景技术

蓝宝石是人工合成晶体中的一种重要材料。蓝宝石晶体优异的机械和光学性能，广泛应用于电子元器件、窗口材料、耐磨元件等领域，特别是在半导体照明领域应用广泛。品质优异的蓝宝石晶体是纯净的三氧化二铝的单晶形态，蓝宝石晶体具有极高的莫氏硬度，蓝宝石晶体的莫氏硬度为9，仅次于金刚石。蓝宝石晶体具有优异的电气绝缘性，室温下电阻率可达1×10¹¹Ω·cm。蓝宝石晶体具有优异的透光性，透光率高于95％。

由于蓝宝石晶体优良的光学和机械性能，各种人工生长蓝宝石晶体的工艺方兴未艾。自1902年采用焰熔法结晶得到第一颗蓝宝石晶体至今，先后研究发展了焰熔法、泡生法、提拉法等十余种蓝宝石晶体生长工艺。其中，应用较为广泛的蓝宝石晶体生长工艺包括焰熔法、提拉法、热交换法以及泡生法。

焰熔法(Flame fusion)，又称Verneuil法。焰熔法是早期工业化生长蓝宝石晶体的生产工艺。焰熔法以纯净的三氧化二铝粉末为物料，以氢氧焰为加热源，三氧化二铝粉末不断洒向氢氧焰的高温区并逐渐进入熔融态，处于熔融态的物料落于晶种的顶端并逐渐结晶生长为蓝宝石晶体。焰熔法工艺所需的设备较为简单，蓝宝石晶体生长速度较快，但晶体结构完整性差、内部应力大，位错密度可达10⁵～10⁶cm²。

提拉法(Czochralski)，又称Cz法或柴氏法。三氧化二铝物料在坩埚中高温加热进入熔融态，在坩埚上方设有可旋转和升降的提拉杆，提拉杆的末端设有晶种，将提拉杆插入熔融态物料，并调整温度梯度，逐渐向上提拉提拉杆，即可在晶种周围生长蓝宝石晶体。采用提拉法生长的蓝宝石晶体不与坩埚接触，大大降低晶体应力。提拉法需要精确控制提拉杆升降和旋转，且需要精确调整温度梯度，生产工艺复杂，生产成本较高。

热交换法(Heat exchanger method)。热交换法的晶种设于坩埚底部，三氧化二铝物料加热进入熔融态，持续向坩埚通入惰性气体，优选采用氦气，确保晶种处于低温区，晶种仅与熔融态物料熔接而非完全融化，通过控制惰性气体通入量，向上扩大低温区范围，得到较大尺寸的蓝宝石晶体。采用热交换法生长的蓝宝石晶体应力较低，位错密度较低，但蓝宝石晶体生长周期较长，且需要持续通入惰性气体，需要精确控制惰性气体的通入量，生产工艺复杂，生产成本较高。

泡生法(Kyropoulos)，又称Ky法或凯式法。泡生法是应用最为广泛的蓝宝石晶体生长工艺。传统的泡生法工艺是将温度较低的晶种插入内置于坩埚的熔融态物料，如若生长界面的温度低于凝固温度，晶体围绕晶种生长。在旋转晶体的同时降低熔融态物料的温度，也可缓慢上提晶体，满足温度梯度要求。采用泡生法工艺生长的蓝宝石晶体在生长过程中和生长结束时不与坩埚接触，大大降低晶体应力。泡生法工艺较为成熟，适合大批量生产。

然而，传统的泡生法工艺对于内置于泡生法生长装置的熔融态物料的温度梯度分布和熔融态物料的流动性要求极为严格。精准的熔融态物料的温度梯度分布和熔融态物料的流速对于形成稳定且微凸的生长界面极为重要。一般的，熔融态物料的流速随坩埚内表面与竖直方向的倾角的增大而降低，从而控制熔融态物料的流速，进而控制蓝宝石晶体的晶体品质。常见的圆柱式蓝宝石泡生法生长装置的坩埚的内外表面均垂直于水平方向，坩埚内表面平行于竖直方向，不利于控制熔融态物料的流速，进而影响蓝宝石晶体的晶体品质。此外，常见的圆台式蓝宝石泡生法生长装置的坩埚的外表面垂直于水平方向，坩埚内表面与竖直方向形成倾角。坩埚内表面自坩埚的开放端至封闭端向内倾斜，一方面，在蓝宝石晶体结晶过程的放肩阶段容易形成肩部的反向漩涡，反向漩涡的出现概率和出现范围随倾角的增大而增大，产生的气泡不易从生长界面溢出，导致晶体重熔而影响晶体品质，另一方面，圆台式蓝宝石泡生法生长装置的坩埚的装填量随倾角的增大而减小，不利于装填尽可能多的物料，不利于生长大尺寸的蓝宝石晶体，提高了生产成本。