本發(fā)明屬于晶體生長制備技術(shù)領(lǐng)域，尤其涉及一種泡生法生長大尺寸晶體的收尾脫堝工藝及其應(yīng)用。
背景技術(shù)：
近年來，隨著紅外技術(shù)、微電子技術(shù)、光電子技術(shù)的迅速發(fā)展，藍(lán)寶石晶體(α-Al2O3單晶)憑借其獨(dú)特的晶格結(jié)構(gòu)、穩(wěn)定的物化特性，優(yōu)異的光學(xué)、熱學(xué)、力學(xué)性能，可在接近2000℃高溫的惡劣條件下工作，逐漸成為新一代半導(dǎo)體發(fā)光二極管(LED)主流的襯底材料、重要的紅外窗口材料和當(dāng)下智能手機(jī)的面板和鏡頭、智能手表的表鏡首選材料。同時(shí)，市場需求呈現(xiàn)出的爆發(fā)式增長態(tài)勢，也牽引推動(dòng)了藍(lán)寶石生長技術(shù)的快速發(fā)展。
藍(lán)寶石晶體的制備方法很多，泡生法具有工藝穩(wěn)定性好、缺陷密度低、制備大尺寸晶體潛力大的特點(diǎn)，成為生產(chǎn)LED襯底級(jí)藍(lán)寶石單晶的首選方案(劉麗君等,泡生法藍(lán)寶石晶體生長工藝的探討,哈爾濱工業(yè)大學(xué)學(xué)報(bào),2011,43(3)：145-148)。目前，泡生法藍(lán)寶石單晶的產(chǎn)量約占市場份額的70％以上，處于主流優(yōu)勢地位。在泡生法藍(lán)寶石晶體生長技術(shù)中，隨著可穿戴設(shè)備對藍(lán)寶石材料需求的迅速增長，以及綜合考慮到良率、下游應(yīng)用和生產(chǎn)成本，單顆藍(lán)寶石晶體的尺寸和重量正逐年增大，許多藍(lán)寶石單晶的生產(chǎn)企業(yè)已開始研發(fā)100kg級(jí)以上大尺寸藍(lán)寶石晶體生長技術(shù)，如120kg、160kg甚至200kg級(jí)藍(lán)寶石晶體。然而，由于泡生法晶體生長的特性，凸出的固液界面形狀以及坩堝底部較大的溫度梯度，造成晶體生長后期生長速度過快，難以控制，大多數(shù)晶體生長后期容易出現(xiàn)大面積粘堝(晶體粘連坩堝壁)現(xiàn)象，導(dǎo)致泡生法生長的大尺寸藍(lán)寶石的熱應(yīng)力較大，極易造成開裂，大幅降低了晶體的成品率和良率，并延長生長周期，增加生產(chǎn)成本。因此，為了防止晶體的粘堝開裂，在晶體生長收尾結(jié)束期間，研發(fā)合適的對晶體進(jìn)行收尾脫堝處理工藝尤為重要。
技術(shù)實(shí)現(xiàn)要素：
本發(fā)明的目的是提供一種泡生法生長大尺寸晶體的收尾脫堝工藝及其應(yīng)用，可有效解決晶體生長后期底部大面積粘堝現(xiàn)象，使晶體與坩堝壁分離，處于懸空狀態(tài)，晶體直徑一致性好，明顯減小或消除晶體熱應(yīng)力，大幅降低晶體開裂的幾率，提高晶體成品率和良率，并可有效縮短生長周期，有利于降低生產(chǎn)成本。
為了實(shí)現(xiàn)上述目的，本發(fā)明所采取的技術(shù)方案如下：
1、一種泡生法生長大尺寸晶體的收尾脫堝工藝，其特征在于：該工藝包括如下步驟：
(1)在泡生法生長大尺寸晶體過程中，在晶體生長的收尾階段，將籽晶桿提拉速度增加50％-200％(在等徑生長階段提拉速度的基礎(chǔ)上增加)，并通過降低降溫速率(即坩堝加熱功率的下降速率)，放慢晶體生長速度，以防止晶體底部生長過快和底部直徑較大，凸出較多，降低粘鍋程度。該步驟中，將收尾階段的降溫速率控制為等徑生長階段降溫速率的50-90％，甚至?xí)和＝禍厮俣龋瑥亩刂剖瘴搽A段晶體生長速度為等徑時(shí)期最大生長速度的50％-90％；
(2)當(dāng)晶體重量生長至比投料量少3-15kg時(shí)，晶體實(shí)際已經(jīng)生長完畢，原因是當(dāng)時(shí)的提拉速度低于晶體的生長速度，晶體重量反應(yīng)滯后。此時(shí)進(jìn)行晶體的脫堝操作。
(3)晶體脫堝操作：進(jìn)行晶體脫堝時(shí)，保持收尾階段的提拉速度，根據(jù)粘鍋程度不同，升高坩堝加熱功率100W-10KW，并保持該功率5-30分鐘。
(4)保持步驟(3)的加熱功率不變，在步驟(3)的提拉速度基礎(chǔ)上，進(jìn)一步將提拉速度增大5-50倍，該條件下運(yùn)行20-60分鐘。
(5)手動(dòng)晃動(dòng)和搖動(dòng)提拉桿，采用手動(dòng)方式將提拉桿上提3-20mm，使晶體脫離坩堝底部，在坩堝內(nèi)處于懸空狀態(tài)。
(6)晶體懸空后，恢復(fù)坩堝加熱功率至長晶結(jié)束時(shí)的功率值，停留觀察20-60分鐘，確保晶體一直處于懸空狀態(tài)，沒有出現(xiàn)二次粘堝和剮蹭坩堝壁現(xiàn)象，之后進(jìn)入降溫退火階段。
本發(fā)明的收尾脫堝工藝在是泡生法生長大尺寸晶體的收尾階段進(jìn)行，常規(guī)的泡生法生長大尺寸晶體過程依次為引晶、擴(kuò)肩、等徑生長和收尾過程，其中：所述引晶過程為：將高純?chǔ)?Al2O3原料投入坩堝中，再將坩堝置于泡生爐內(nèi)，待坩 堝內(nèi)所投入的高純?chǔ)?Al2O3原料加熱熔化后，下降籽晶桿，使籽晶下端與熔體上表面中心接觸，并確保熔體能夠在合適的溫度下沿著籽晶結(jié)晶；所述擴(kuò)肩過程為：籽晶端部的熔體以籽晶為核心在軸向向下生長的同時(shí)在徑向向四周生長，擴(kuò)肩階段無需旋轉(zhuǎn)，但需要以一定的提拉速度緩慢上提籽晶桿；所述等徑生長過程為：晶體在熔體內(nèi)自上而下準(zhǔn)靜態(tài)生長，該過程中也需以一定的提拉速度緩慢向上提拉籽晶桿，無需旋轉(zhuǎn)。
在上述晶體生長過程中，所述擴(kuò)肩過程和等徑生長過程中，可根據(jù)晶體的類型及實(shí)際需要設(shè)定籽晶桿提拉速度和坩堝加熱功率的下降速率(即降溫速度)。
當(dāng)采用泡生法生長大尺寸藍(lán)寶石單晶時(shí)，在晶體生長過程中的擴(kuò)肩階段，提拉速度為0.2-1mm/h，坩堝加熱功率的下降速率，即降溫速度為10-60W/h。
本發(fā)明上述收尾脫堝工藝適用于泡生法生長大尺寸藍(lán)寶石晶體，還適合泡生法生長YAG系列晶體、鈦寶石或閃爍晶體等高熔點(diǎn)、大尺寸晶體。
本發(fā)明的優(yōu)點(diǎn)在于：采用本發(fā)明的技術(shù)方案，脫堝成功率可達(dá)80％以上，可有效解決晶體生長后期底部大面積粘堝現(xiàn)象，使晶體與坩堝壁分離，處于懸空狀態(tài)，晶體直徑一致性好，明顯減小或消除晶體熱應(yīng)力，大幅降低晶體開裂的幾率，提高晶體成品率和良率，并可有效縮短生長周期，有利于降低生產(chǎn)成本。
具體實(shí)施方式
下面結(jié)合具體實(shí)施例對本發(fā)明的技術(shù)方案作進(jìn)一步的說明。
本實(shí)施例為采用泡生法生長85kg藍(lán)寶石晶體的工藝，該工藝過程如下：
1)化料：將85kg高純?chǔ)?Al2O3原料裝入泡生爐坩堝內(nèi)，在籽晶桿上安裝好籽晶，抽真空至5×10-3pa以上，啟動(dòng)加熱程序，逐漸升高功率至70KW，使原料熔化。2)引晶：待原料完全熔化，下降籽晶桿，使籽晶下端與熔體上表面中心接觸，并確保熔體能夠在合適的溫度下沿著籽晶結(jié)晶。3)擴(kuò)肩：引晶完成后，籽晶端部的熔體以籽晶為核心在軸向向下生長的同時(shí)在徑向向四周生長。此階段，籽晶桿提拉速度為0.2-1mm/h和降溫速度為10-60W/h，無需旋轉(zhuǎn)籽晶桿。4)等徑：擴(kuò)肩完畢后，晶體在熔體內(nèi)自上而下準(zhǔn)靜態(tài)生長。在此階段，籽晶桿提拉速度為0.1-0.5mm/h和降溫速度為20-100W/h，無需旋轉(zhuǎn)籽晶桿。晶體等徑階段的最大生長速度控制在800-1200g/h。5)收尾：晶體重量達(dá)到投料量的70％以后，晶體進(jìn)入收尾階段生長，直至生長完畢。在此階段，一般地，保持等徑階段的籽晶桿提 拉速度和加熱功率的降溫速度。6)降溫：晶體生長完畢后，按設(shè)定程序進(jìn)行降溫，使?fàn)t內(nèi)及晶體溫度降至室溫。
為了提高脫堝成功率，在泡生法生長藍(lán)寶石晶體的收尾階段，采用本發(fā)明的收尾脫堝工藝，具體包括如下步驟：
1.在晶體等徑后期的收尾階段，晶體重量達(dá)到60kg之后，提拉速度增加至0.5mm/h，降溫速率降低至20W/h，放慢晶體生長速度，控制生長速度至等徑時(shí)期最大生長速度的50％-90％，一般控制在500-800g/h，以防止晶體底部生長過快和底部直徑較大，凸出較多，降低粘鍋程度。
2.當(dāng)晶體重量達(dá)到70-85kg時(shí)，由于此時(shí)的提拉速度低于晶體的生長速度，晶體重量反應(yīng)滯后，晶體實(shí)際已經(jīng)生長完畢。此時(shí)，可進(jìn)行晶體的脫堝操作。
3.進(jìn)行晶體脫堝時(shí)，保持收尾階段的提拉速度不變，根據(jù)粘鍋程度不同，升高功率100W-10KW不等，并保持功率5-30分鐘。
4.保持步驟3的加熱功率不變，在步驟3的提拉速度基礎(chǔ)上，進(jìn)一步增大提拉速度至8mm/h，運(yùn)行20-60分鐘。
5.手動(dòng)晃動(dòng)和搖動(dòng)提拉桿，采用手動(dòng)上提提拉桿3-20mm，使晶體脫離坩堝底部，在坩堝內(nèi)處于懸空狀態(tài)。
6.晶體懸空后，恢復(fù)功率至長晶結(jié)束時(shí)的坩堝加熱功率值，停留觀察20-60分鐘，確保晶體一直處于懸空狀態(tài)，沒有出現(xiàn)二次粘堝和剮蹭坩堝壁現(xiàn)象，之后進(jìn)入降溫退火階段。
本發(fā)明該實(shí)施例采用高度可靠的泡生法生長大尺寸晶體的收尾脫堝工藝，不僅適用于泡生法生長大尺寸藍(lán)寶石晶體，還適合泡生法生長YAG系列晶體、鈦寶石、閃爍晶體等高熔點(diǎn)、大尺寸晶體。采用本發(fā)明的技術(shù)方案，脫堝成功率可達(dá)80％以上，可有效解決晶體生長后期底部大面積粘堝現(xiàn)象，使晶體與坩堝壁分離，處于懸空狀態(tài)，晶體直徑一致性好，明顯減小或消除晶體熱應(yīng)力，大幅降低晶體開裂的幾率，提高晶體成品率和良率，并可有效縮短生長周期，有利于降低生產(chǎn)成本。
以上所述僅是本發(fā)明的優(yōu)選實(shí)施方式，應(yīng)當(dāng)指出，對于本技術(shù)領(lǐng)域的技術(shù)人員來說，在不脫離本發(fā)明的技術(shù)原理前提下，還可以做出若干改進(jìn)和潤飾，這些改進(jìn)和潤飾也應(yīng)視為本發(fā)明的保護(hù)范圍。