[发明专利]一种导模法生长封口蓝宝石管的装置和方法

说明书

本发明涉及一种导模法生长封口蓝宝石管的装置及方法，包括熔炉、籽晶(1)、坩埚(5)，以及装在坩埚(5)内的氧化铝熔体原料(6)和模具，其特征在于，所述的模具为组合式的带环形供料缝的钼质模具，包括外筒(2)和内芯(3)，外筒(2)和内芯(3)之间为环形供料缝。方法包括：热场安装、投料、抽真空、充保护气、升温化料、升坩埚供料、引晶、提拉生长、同时保持坩埚上升、生长结束降坩埚停止供料并提拉晶体脱离模具、降温退火等过程，与现有技术相比，本发明能够有效控制整个晶体管上下及壁厚的均匀性，坩埚升高高度控制可通过长晶长度所需原料重量体积和模具高度位置等计算得到，生长过程可见可控，晶体质量高。

技术领域

本发明属于晶体材料制备技术领域，涉及一种导模法生长封口蓝宝石管的模具及生长工艺技术。

背景技术

蓝宝石(Sapphire)是一种氧化铝(α-Al₂O₃)的单晶，又称刚玉，是一种具有集优良光学、物理和化学性能的独特结合体。作为最硬的氧化物晶体，人造蓝宝石由于其光学和物理特性而被运用于各种要求苛刻的领域，可在高温下保持其高强度、优良的热属性和透过率，有着很好的热特性，极好的电气特性和介电特性，且防化学腐蚀。随着科学技术的迅猛发展，人造蓝宝石晶体已成为现代工业，尤其是微电子及光电子产业极为重要的基础材料，被广泛的应用于红外军事装置、卫星空间技术、高强度激光的窗口材料，在航天、军工、衬底、医疗器械、精密机械、奢侈品等领域应用十分广泛，其市场正在迅速爆发。

人造蓝宝石晶体生长方法主要采用KY法(Kyropoulos method,泡生法)、HEM法(Heat Exchanger Method，热交换法)、EFG法(Edge-defined Film-fed Growth，导模法)、CZ法(Czochralski method，提拉法)等，技术均有数十年历史较为成熟。其中导模法是从熔体人工制取单晶材料的方法之一，即“边缘限定薄膜供料生长”技术，简称EFG法，主要用于生长特定形状的晶体，实际上它是提拉法的一种变形。导模法的工作原理是将原料放入坩埚中加热融化，熔体沿一模具在毛细作用下上升至模具顶端，在模具顶部液面上接籽晶提拉熔体，使籽晶和熔体的交界面上不断进行原子或分子的重新排列，随降温逐渐凝固而生长出与模具边缘形状相同的单晶体。

导模法具有生长时间短、耗电量低、可定向/定形生长、晶体加工简单等优势，将逐渐成为异形蓝宝石晶体的主流生长方式。

针对蓝宝石异形产品，特别是封口管子，传统方法是生长大尺寸晶锭通过外形加工和内部掏孔技术制作，或是通过管子和封盖采用激光焊接技术实现，由于蓝宝石的高硬度耐磨性机械加工成本高周期长，激光加工成本高，加工良率低，且缺少针对性的异形加工装备，大大限制了蓝宝石的应用和推广。

发明内容

本发明的目的就是为了克服上述现有技术存在的缺陷而提供一种操作简单、有效可控、籽晶接种及整个生长过程可见，能够有效实现高品质蓝宝石管的生产的导模法生长封口蓝宝石管的装置和方法。

本发明的目的可以通过以下技术方案来实现：一种导模法生长封口蓝宝石管的装置，包括熔炉、籽晶、坩埚，以及装在坩埚内的氧化铝熔体原料和模具，其特征在于，所述的模具为组合式的带环形供料缝的钼质模具，包括外筒和内芯，外筒和内芯之间为环形供料缝。

所述的模具的材质为高纯钼，总高度50-55mm，外筒和内芯之间环形供料缝的缝宽0.3-0.5mm，外筒和内芯之间通过销钉连接固定。

所述的外筒顶端为外仰角120°的斜坡口，使外筒顶端呈V型口结构，V型口沿外圈直径为所生长蓝宝石管的外径尺寸。V型口的宽度根据产品管壁厚设定。

所述的内芯的高度与外筒相同，内芯顶端水平，且中心处设有凹槽，该凹槽深度为5-10mm。凹槽壁顶端为水平设计，高度和外筒斜坡底部齐平。

所述的内芯上部凹槽的直径为所生长蓝宝石管的内径尺寸，内芯内沿到外筒外沿口水平尺寸为所生长蓝宝石管的壁厚尺寸。