一种生长蓝宝石晶体的方法
专利名称：一种生长蓝宝石晶体的方法
技术领域：
本发明涉及一种蓝宝石晶体的生长方法，具体说，是涉及一种大尺寸、高质量的蓝 宝石晶体的生长方法，属于晶体生长技术领域。
背景技术：
蓝宝石衬底，作为LED领域的关键材料，其大尺寸、高质量、低成本的生长已经成 为行业发展最大难点，世界发达国家相继投入大量资金来研发蓝宝石晶体的生长技术。由 于我国在该领域研究起步较晚，相对日美俄等国，技术相对落后，对于LED衬底用大尺寸和 高质量的蓝宝石晶体的生长，其技术仍然不够成熟、不够稳定，而我国市场对蓝宝石衬底， 尤其是大尺寸、高质量的蓝宝石衬底材料的需求正急剧膨胀，供不应求。目前，生产高质量LED衬底用蓝宝石晶体的主流技术主要有热交换法、温度梯度 法和下降法等。但是以上三种主要技术均存在明显的技术缺陷(1)热交换法-首先，由于 采用昂贵的氦气作为热交换气体，成本太高，不适合产业化生长；其次，热交换法生长蓝宝 石对设备的要求非常高；( 温度梯度法-首先，其所需的关键技术就是均勻温场梯度的设 计，而其设计非常困难，整个温场梯度只要在一个环节出现问题，其生长出的蓝宝石晶体质 量数量级下降；其次，温度梯度法，不能生长大尺寸的蓝宝石晶体，也是一个制约因素；第 三，温梯法中熔体最高温度甚至达到2300°C以上，对坩埚和保温屏的要求非常高，同时大大 缩短了坩埚和保温屏的使用寿命；(3)坩埚下降法-由于下降法在生长过程中，坩埚、熔体 和晶体都在不断的机械运动，其振动使得晶体在生长界面上产生涡流，引入缺陷，影响了晶 体的质量。
发明内容
本发明的目的是提供一种生长蓝宝石晶体的方法，以解决温梯法不能生长大尺寸 蓝宝石晶体和温场设计的难题，及避免下降法晶体生长所带来的内部缺陷，满足LED衬底 用蓝宝石晶体的性能要求。为实现上述发明目的，本发明采用的技术方案如下一种生长蓝宝石晶体的方法，为定向凝固下降法，S卩，在蓝宝石晶体生长初期，从 熔体底部以定向凝固法生长，温场均勻降温，生长固液界面自下而上移动，晶体逐渐生长； 在蓝宝石晶体生长中后期，启动下降机构，坩埚以一定速率均勻下降；晶体生长结束，缓慢 降温至室温，取出晶体。所述的生长蓝宝石晶体的方法，包括如下具体步骤a)将籽晶定向放入坩埚的籽晶槽内；b)将原料预处理后放入坩埚中，密封，抽真空至10_3 10_4Pa，升温至1600 1700 0C ；C)在惰性气氛下至压力为正压10 20kpa ；d)继续升温至坩埚底部温度为2060°C 2070°C，恒温3 5小时，待原料完全熔化以及籽晶完成接种后，按5 10°C /h的速率降温，晶体开始初期定向凝固法生长；e)当晶体降温生长到温度为2050°C 2055°C时，启动坩埚下降机构，下降速率为 0. 3 2. Omm/h，温梯为15 45°C /cm,晶体开始中后期下降法生长；f)晶体生长结束，以30 45°C /h的速率将炉温降至室温，取出晶体。所述籽晶以(1150)定向放入坩埚的籽晶槽内。所述坩埚为底部中心带有一籽晶槽的锥形钼质坩埚。所述原料的纯度推荐为99. 99% 99. 999%。所述原料预处理是指经过1800°C预烧后再在4t/cm2的等静压下锻压成块。所述惰性气氛推荐为氩气气氛；其中氩气的纯度推荐为99. 99%。本发明的定向凝固下降法生长技术，与当前蓝宝石生长的主流技术热交换法、温 梯法和下降法等技术相比，该技术结合了蓝宝石温梯法的高质量生长和下降法的大尺寸生 长的技术特点和优点，避免了温梯法温场梯度的设计难题和高温损伤缺陷，有效避免了下 降法生长技术由于坩埚的机械运动所引入的缺陷及热交换法的高成本缺陷，本发明的定向 凝固下降法技术生长的蓝宝石在尺寸和质量上明显高于已有方法生长的晶体，能满足LED 衬底用蓝宝石技术发展的需要，同时也提高了蓝宝石晶体的生长成品率及降低了蓝宝石晶 体的生长成本。
图1为本发明的温场梯度设计图；图2为温梯炉的温场梯度设计图；图3为下降炉的温场梯度设计图。
具体实施例方式下面结合附图和实施例对本发明做进一步详细地说明，但并不因此限制本发明的 内容。本发明所提供的蓝宝石晶体定向凝固下降法生长技术，其关键技术是设计出一种 下降炉的特殊温场，使得蓝宝石晶体初期从熔体底部以定向凝固法生长，温场均勻降温，生 长固液界面自下而上移动，晶体逐渐生长；中后期启动下降机构，坩埚以一定速率均勻下 降，直至晶体生长结束，缓慢降温至室温。所述的特殊温场是一个结合了温梯炉温场和下 降炉温场的特殊温场。如图1所示图中的纵坐标为设计的特殊温场高度，其中温场的BC 段为定向凝固法生长区域，该区域采用温场均勻下降法(温场箭头向左移动)，进行蓝宝石 晶体定向凝固法初期生长；CD段为下降法生长区域，该区域采用坩埚缓慢下降(坩埚箭头 向下移动)，进行蓝宝石晶体下降法的中后期生长；横坐标为特殊温场梯度的设计，其中， DE段为熔体区温场梯度，BD段为晶体生长区温场梯度，AB段为晶体生长结束的过渡温场梯 度。本发明的定向凝固下降法生长技术的特殊温场设计与图2的温梯炉温场设计及图3的 下降炉温场设计显然不同，图2中的温梯炉整个温场re都是生长区域，晶体只通过温场均 勻下降来生长；图3中的下降炉的晶体生长区域温场IJ很短，晶体只通过坩埚缓慢下降来 生长。因此，本发明的生长技术成功地结合了定向凝固法和下降法生长技术，有效继承了两 者的优点，却又显著改善了这两种生长技术的缺点，该生长技术不仅能生长出大尺寸、高质量的LED衬底用蓝宝石晶体材料，同时也提高了蓝宝石晶体的生长成品率及降低了蓝宝石 晶体的生长成本。实施例1用上述的定向凝固下降法生长技术和特殊温场进行蓝宝石晶体的生长底部中心 带有一籽晶槽的锥形钼制坩埚的尺寸为Φ160Χ200πιπι，石墨发热体为圆筒形，保温屏内层 衬有钨片的钼筒；籽晶定向(11 0)放入坩埚的籽晶槽内，将纯度为99. 99%的高纯氧化铝 经过1800°C预烧，再在4t/cm2的等静压下锻压成块后装入坩埚中，一起置于特殊温场的下 降炉中，系统密封，抽真空至IX 10_3Pa，开始升温至1600°C，充入高纯氩气作为保护气体至 系统正压12Kpa ；继续升温至坩埚底部(B点)温度为2060°C，恒温4小时，原料完全熔化， 籽晶完成接种，按9°C /h的速率缓慢降温，晶体开始初期定向凝固法生长；待晶体降温生长 至C点温度为2050°C时，启动坩埚下降机构，坩埚下降速率为0. 8mm/h，其中特殊温场在生 长区域(BD段)的温梯控制在35°C /cm,晶体开始中后期下降法生长；待晶体生长结束后， 以45°C /h速率降温至室温，取出晶体。实施例2用上述的定向凝固下降法生长技术和特殊温场进行蓝宝石晶体的生长底部中心 带有一籽晶槽的锥形钼制坩埚的尺寸为Φ180ΧΜ0πιπι，石墨发热体为圆筒形，保温屏内层 衬有钨片的钼筒；籽晶定向(ΙΙ Ο)放入坩埚的籽晶槽内，将纯度为99. 99%或以上的高纯 氧化铝经过1800°C预烧，再在4t/cm2的等静压下锻压成块后装入坩埚中，一起置于特殊温 场的下降炉中，系统密封，抽真空至0.8\10_^!，开始升温至17001，充入高纯氩气作为保 护气体至系统正压15Kpa ；继续升温至坩埚底部(B点)温度为2070°C，恒温4小时，原料完 全熔化，籽晶完成接种，按8°C /h的速率缓慢降温，晶体开始初期定向凝固法生长；待晶体 降温生长至C点温度为2055°C时，启动坩埚下降机构，坩埚下降速率为0. 6mm/h，其中特殊 温场在生长区域(BD段)的温梯控制在20°C /cm,晶体开始中后期下降法生长；待晶体生长 结束后，以30°C /h速率降温至室温，取出晶体。
权利要求
1.一种生长蓝宝石晶体的方法，其特征在于为定向凝固下降法，即，在蓝宝石晶体生 长初期，从熔体底部以定向凝固法生长，温场均勻降温，生长固液界面自下而上移动，晶体 逐渐生长；在蓝宝石晶体生长中后期，启动下降机构，坩埚以一定速率均勻下降；晶体生长 结束，缓慢降温至室温，取出晶体。
2.根据权利要求1所述的生长蓝宝石晶体的方法，其特征在于，包括如下具体步骤a)将籽晶定向放入坩埚的籽晶槽内；b)将原料预处理后放入坩埚中，密封，抽真空至10_3 ，升温至1600 1700°C；c)在惰性气氛下至压力为正压10 20kpa；d)继续升温至坩埚底部温度为2060°C 2070°C，恒温3 5小时，待原料完全熔化以 及籽晶完成接种后，按5 10°C /h的速率降温，晶体开始初期定向凝固法生长；e)当晶体降温生长到温度为2050°C 2055°C时，启动坩埚下降机构，下降速率为 0. 3 2. Omm/h，温梯为15 45°C /cm,晶体开始中后期下降法生长；f)晶体生长结束，以30 45°C/h的速率将炉温降至室温，取出晶体。
3.根据权利要求2所述的生长蓝宝石晶体的方法，其特征在于所述籽晶以(1150)定 向放入坩埚的籽晶槽内。
4.根据权利要求2所述的生长蓝宝石晶体的方法，其特征在于所述坩埚为底部中心 带有一籽晶槽的锥形钼质坩埚。
5.根据权利要求2所述的生长蓝宝石晶体的方法，其特征在于所述原料的纯度为 99. 99% 99. 999%。
6.根据权利要求2所述的生长蓝宝石晶体的方法，其特征在于所述原料预处理是指 经过1800°C预烧后再在4t/cm2的等静压下锻压成块。
7.根据权利要求2所述的生长蓝宝石晶体的方法，其特征在于所述惰性气氛为氩气气氛。
8.根据权利要求7所述的生长蓝宝石晶体的方法，其特征在于所述氩气的纯度为 99. 99%。
全文摘要
本发明公开了一种生长蓝宝石晶体的方法，为定向凝固下降法，即，在蓝宝石晶体生长初期，从熔体底部以定向凝固法生长，温场均匀降温，生长固液界面自下而上移动，晶体逐渐生长；在蓝宝石晶体生长中后期，启动下降机构，坩埚以一定速率均匀下降；晶体生长结束，缓慢降温至室温，取出晶体。本发明的定向凝固下降法生长技术成功地结合了定向凝固法和下降法生长技术，有效继承了两者的优点，却又显著改善了这两种生长技术的缺点，该生长技术不仅能生长出大尺寸、高质量的LED衬底用蓝宝石晶体材料，同时也提高了蓝宝石晶体的生长成品率、降低了蓝宝石晶体的生长成本。
文档编号C30B29/20GK102140689SQ20111005460
公开日2011年8月3日 申请日期2011年3月8日 优先权日2011年3月8日
发明者唐慧丽, 徐军, 李红军, 胡克艳, 苏良碧, 郭鑫, 钱小波, 陈伟超 申请人:中国科学院上海硅酸盐研究所
技术领域：
本发明涉及一种蓝宝石晶体的生长方法，具体说，是涉及一种大尺寸、高质量的蓝 宝石晶体的生长方法，属于晶体生长技术领域。
背景技术：
蓝宝石衬底，作为LED领域的关键材料，其大尺寸、高质量、低成本的生长已经成 为行业发展最大难点，世界发达国家相继投入大量资金来研发蓝宝石晶体的生长技术。由 于我国在该领域研究起步较晚，相对日美俄等国，技术相对落后，对于LED衬底用大尺寸和 高质量的蓝宝石晶体的生长，其技术仍然不够成熟、不够稳定，而我国市场对蓝宝石衬底， 尤其是大尺寸、高质量的蓝宝石衬底材料的需求正急剧膨胀，供不应求。目前，生产高质量LED衬底用蓝宝石晶体的主流技术主要有热交换法、温度梯度 法和下降法等。但是以上三种主要技术均存在明显的技术缺陷(1)热交换法-首先，由于 采用昂贵的氦气作为热交换气体，成本太高，不适合产业化生长；其次，热交换法生长蓝宝 石对设备的要求非常高；( 温度梯度法-首先，其所需的关键技术就是均勻温场梯度的设 计，而其设计非常困难，整个温场梯度只要在一个环节出现问题，其生长出的蓝宝石晶体质 量数量级下降；其次，温度梯度法，不能生长大尺寸的蓝宝石晶体，也是一个制约因素；第 三，温梯法中熔体最高温度甚至达到2300°C以上，对坩埚和保温屏的要求非常高，同时大大 缩短了坩埚和保温屏的使用寿命；(3)坩埚下降法-由于下降法在生长过程中，坩埚、熔体 和晶体都在不断的机械运动，其振动使得晶体在生长界面上产生涡流，引入缺陷，影响了晶 体的质量。
发明内容
本发明的目的是提供一种生长蓝宝石晶体的方法，以解决温梯法不能生长大尺寸 蓝宝石晶体和温场设计的难题，及避免下降法晶体生长所带来的内部缺陷，满足LED衬底 用蓝宝石晶体的性能要求。为实现上述发明目的，本发明采用的技术方案如下一种生长蓝宝石晶体的方法，为定向凝固下降法，S卩，在蓝宝石晶体生长初期，从 熔体底部以定向凝固法生长，温场均勻降温，生长固液界面自下而上移动，晶体逐渐生长； 在蓝宝石晶体生长中后期，启动下降机构，坩埚以一定速率均勻下降；晶体生长结束，缓慢 降温至室温，取出晶体。所述的生长蓝宝石晶体的方法，包括如下具体步骤a)将籽晶定向放入坩埚的籽晶槽内；b)将原料预处理后放入坩埚中，密封，抽真空至10_3 10_4Pa，升温至1600 1700 0C ；C)在惰性气氛下至压力为正压10 20kpa ；d)继续升温至坩埚底部温度为2060°C 2070°C，恒温3 5小时，待原料完全熔化以及籽晶完成接种后，按5 10°C /h的速率降温，晶体开始初期定向凝固法生长；e)当晶体降温生长到温度为2050°C 2055°C时，启动坩埚下降机构，下降速率为 0. 3 2. Omm/h，温梯为15 45°C /cm,晶体开始中后期下降法生长；f)晶体生长结束，以30 45°C /h的速率将炉温降至室温，取出晶体。所述籽晶以(1150)定向放入坩埚的籽晶槽内。所述坩埚为底部中心带有一籽晶槽的锥形钼质坩埚。所述原料的纯度推荐为99. 99% 99. 999%。所述原料预处理是指经过1800°C预烧后再在4t/cm2的等静压下锻压成块。所述惰性气氛推荐为氩气气氛；其中氩气的纯度推荐为99. 99%。本发明的定向凝固下降法生长技术，与当前蓝宝石生长的主流技术热交换法、温 梯法和下降法等技术相比，该技术结合了蓝宝石温梯法的高质量生长和下降法的大尺寸生 长的技术特点和优点，避免了温梯法温场梯度的设计难题和高温损伤缺陷，有效避免了下 降法生长技术由于坩埚的机械运动所引入的缺陷及热交换法的高成本缺陷，本发明的定向 凝固下降法技术生长的蓝宝石在尺寸和质量上明显高于已有方法生长的晶体，能满足LED 衬底用蓝宝石技术发展的需要，同时也提高了蓝宝石晶体的生长成品率及降低了蓝宝石晶 体的生长成本。
图1为本发明的温场梯度设计图；图2为温梯炉的温场梯度设计图；图3为下降炉的温场梯度设计图。
具体实施例方式下面结合附图和实施例对本发明做进一步详细地说明，但并不因此限制本发明的 内容。本发明所提供的蓝宝石晶体定向凝固下降法生长技术，其关键技术是设计出一种 下降炉的特殊温场，使得蓝宝石晶体初期从熔体底部以定向凝固法生长，温场均勻降温，生 长固液界面自下而上移动，晶体逐渐生长；中后期启动下降机构，坩埚以一定速率均勻下 降，直至晶体生长结束，缓慢降温至室温。所述的特殊温场是一个结合了温梯炉温场和下 降炉温场的特殊温场。如图1所示图中的纵坐标为设计的特殊温场高度，其中温场的BC 段为定向凝固法生长区域，该区域采用温场均勻下降法(温场箭头向左移动)，进行蓝宝石 晶体定向凝固法初期生长；CD段为下降法生长区域，该区域采用坩埚缓慢下降(坩埚箭头 向下移动)，进行蓝宝石晶体下降法的中后期生长；横坐标为特殊温场梯度的设计，其中， DE段为熔体区温场梯度，BD段为晶体生长区温场梯度，AB段为晶体生长结束的过渡温场梯 度。本发明的定向凝固下降法生长技术的特殊温场设计与图2的温梯炉温场设计及图3的 下降炉温场设计显然不同，图2中的温梯炉整个温场re都是生长区域，晶体只通过温场均 勻下降来生长；图3中的下降炉的晶体生长区域温场IJ很短，晶体只通过坩埚缓慢下降来 生长。因此，本发明的生长技术成功地结合了定向凝固法和下降法生长技术，有效继承了两 者的优点，却又显著改善了这两种生长技术的缺点，该生长技术不仅能生长出大尺寸、高质量的LED衬底用蓝宝石晶体材料，同时也提高了蓝宝石晶体的生长成品率及降低了蓝宝石 晶体的生长成本。实施例1用上述的定向凝固下降法生长技术和特殊温场进行蓝宝石晶体的生长底部中心 带有一籽晶槽的锥形钼制坩埚的尺寸为Φ160Χ200πιπι，石墨发热体为圆筒形，保温屏内层 衬有钨片的钼筒；籽晶定向(11 0)放入坩埚的籽晶槽内，将纯度为99. 99%的高纯氧化铝 经过1800°C预烧，再在4t/cm2的等静压下锻压成块后装入坩埚中，一起置于特殊温场的下 降炉中，系统密封，抽真空至IX 10_3Pa，开始升温至1600°C，充入高纯氩气作为保护气体至 系统正压12Kpa ；继续升温至坩埚底部(B点)温度为2060°C，恒温4小时，原料完全熔化， 籽晶完成接种，按9°C /h的速率缓慢降温，晶体开始初期定向凝固法生长；待晶体降温生长 至C点温度为2050°C时，启动坩埚下降机构，坩埚下降速率为0. 8mm/h，其中特殊温场在生 长区域(BD段)的温梯控制在35°C /cm,晶体开始中后期下降法生长；待晶体生长结束后， 以45°C /h速率降温至室温，取出晶体。实施例2用上述的定向凝固下降法生长技术和特殊温场进行蓝宝石晶体的生长底部中心 带有一籽晶槽的锥形钼制坩埚的尺寸为Φ180ΧΜ0πιπι，石墨发热体为圆筒形，保温屏内层 衬有钨片的钼筒；籽晶定向(ΙΙ Ο)放入坩埚的籽晶槽内，将纯度为99. 99%或以上的高纯 氧化铝经过1800°C预烧，再在4t/cm2的等静压下锻压成块后装入坩埚中，一起置于特殊温 场的下降炉中，系统密封，抽真空至0.8\10_^!，开始升温至17001，充入高纯氩气作为保 护气体至系统正压15Kpa ；继续升温至坩埚底部(B点)温度为2070°C，恒温4小时，原料完 全熔化，籽晶完成接种，按8°C /h的速率缓慢降温，晶体开始初期定向凝固法生长；待晶体 降温生长至C点温度为2055°C时，启动坩埚下降机构，坩埚下降速率为0. 6mm/h，其中特殊 温场在生长区域(BD段)的温梯控制在20°C /cm,晶体开始中后期下降法生长；待晶体生长 结束后，以30°C /h速率降温至室温，取出晶体。
权利要求
1.一种生长蓝宝石晶体的方法，其特征在于为定向凝固下降法，即，在蓝宝石晶体生 长初期，从熔体底部以定向凝固法生长，温场均勻降温，生长固液界面自下而上移动，晶体 逐渐生长；在蓝宝石晶体生长中后期，启动下降机构，坩埚以一定速率均勻下降；晶体生长 结束，缓慢降温至室温，取出晶体。
2.根据权利要求1所述的生长蓝宝石晶体的方法，其特征在于，包括如下具体步骤a)将籽晶定向放入坩埚的籽晶槽内；b)将原料预处理后放入坩埚中，密封，抽真空至10_3 ，升温至1600 1700°C；c)在惰性气氛下至压力为正压10 20kpa；d)继续升温至坩埚底部温度为2060°C 2070°C，恒温3 5小时，待原料完全熔化以 及籽晶完成接种后，按5 10°C /h的速率降温，晶体开始初期定向凝固法生长；e)当晶体降温生长到温度为2050°C 2055°C时，启动坩埚下降机构，下降速率为 0. 3 2. Omm/h，温梯为15 45°C /cm,晶体开始中后期下降法生长；f)晶体生长结束，以30 45°C/h的速率将炉温降至室温，取出晶体。
3.根据权利要求2所述的生长蓝宝石晶体的方法，其特征在于所述籽晶以(1150)定 向放入坩埚的籽晶槽内。
4.根据权利要求2所述的生长蓝宝石晶体的方法，其特征在于所述坩埚为底部中心 带有一籽晶槽的锥形钼质坩埚。
5.根据权利要求2所述的生长蓝宝石晶体的方法，其特征在于所述原料的纯度为 99. 99% 99. 999%。
6.根据权利要求2所述的生长蓝宝石晶体的方法，其特征在于所述原料预处理是指 经过1800°C预烧后再在4t/cm2的等静压下锻压成块。
7.根据权利要求2所述的生长蓝宝石晶体的方法，其特征在于所述惰性气氛为氩气气氛。
8.根据权利要求7所述的生长蓝宝石晶体的方法，其特征在于所述氩气的纯度为 99. 99%。
全文摘要
本发明公开了一种生长蓝宝石晶体的方法，为定向凝固下降法，即，在蓝宝石晶体生长初期，从熔体底部以定向凝固法生长，温场均匀降温，生长固液界面自下而上移动，晶体逐渐生长；在蓝宝石晶体生长中后期，启动下降机构，坩埚以一定速率均匀下降；晶体生长结束，缓慢降温至室温，取出晶体。本发明的定向凝固下降法生长技术成功地结合了定向凝固法和下降法生长技术，有效继承了两者的优点，却又显著改善了这两种生长技术的缺点，该生长技术不仅能生长出大尺寸、高质量的LED衬底用蓝宝石晶体材料，同时也提高了蓝宝石晶体的生长成品率、降低了蓝宝石晶体的生长成本。
文档编号C30B29/20GK102140689SQ20111005460
公开日2011年8月3日 申请日期2011年3月8日 优先权日2011年3月8日
发明者唐慧丽, 徐军, 李红军, 胡克艳, 苏良碧, 郭鑫, 钱小波, 陈伟超 申请人:中国科学院上海硅酸盐研究所
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