Φ200mm蓝宝石晶体生长工艺研究

    摘要：采用单晶提拉炉成功生长出φ200×180mm大尺寸Al2O3晶体。探讨了晶体生长工艺参数和晶体开裂之间的关系，并讨论了晶体中的热应力、热应变、温度梯度、提拉速度之间的关系，分析了影响晶体质量主要是晶体开裂的原因，设计出生长大尺寸Al2O3晶体的最佳工艺条件。

关键词：大直径Al2O3晶体    温度梯度    晶体开裂

Study on Crystal Growth Parameters

For φ200mm Sapphire Single Crystal

YU Xudong, SUN Guangnian, ZhANG Huixuan, LV Jin

（ZheJiang JuXing Optical Materials Company，324004,China）

Abstract：A Large size Al2O3 single crystal was grown by using Kyropouls Method in monocrystal furnace. The relationship between crystal crack and growth parameter was investigated and the relationships among the thermal stress thermal strain, temperature gradient and pulling rate were also discussed.  The Crystal growth procedure was optimized .

Key words：Large size Al2O3 single crystal，temperature gradient，crystal cracking

1、引 言

蓝宝石晶体（α-Al2O3）具有硬度大（仅次于金刚石），物理化学性质稳定的特点，是一种耐高温、耐磨损、抗腐蚀和透光波段宽的优质光功能材料，还是使用最广泛的氧化物衬底（主要）用作半导体衬底和大规模集成电路衬底）材料之一，可用于微电子——光电子技术，军事、航空航天、通信、医学等领域，有着广阔的应用前景。

α-Al2O3晶体，X-ray衍射晶体结构为六方晶胞，物理化学性质表现为各向异性。本实验通过采用定向籽晶生长出高质量的蓝宝石单晶，并对晶体开裂等问题进行了相应的检测分析。

经过计量院测试2mm厚的晶片的透过率在250nm——5000nm可以达到约80%以上，300nm起超过83%。详细数据见下表。

2、实验过程

2.1原料

本实验原料为压制处理过后的Al2O3粉体块料，纯度≥99.996%。

2.2晶体生长

本实验采用自行设计的电阻单晶提拉炉[2]，隔热式后热器，在φ250mm（内径）坩埚内生长Al2O3晶体。用Euro-818P精密控制系统控制整个系统的功率。

将制备好的Al2O3粉体块料20.00Kg一次性装入坩埚中，8h升温，待料化后恒温6-12h。调节加热器功率，手动缓慢下放籽晶进行引晶。

晶体生长工艺主要分为引晶、缩颈，放肩，晶体生长，退火、冷却四个过程。晶体生长过程中均匀缓慢的提拉晶体，晶体不与坩埚壁接触，避免了晶体生长过程中的寄生成核。

2.3工艺参数及功率控制曲线

本实验通过对生长气氛以及温场温度梯度的合理设置，成功的生长出φ200×180mm的蓝宝石晶体（如图示）。

FIG：Sapphire  φ200×180mm

3、实验分析与讨论

实验发现晶体有开裂及线形的散射颗粒。晶体开裂取决于温度梯度、生长速率等生长工艺参数；线形散射颗粒则取决于温场、功率控制及炉膛的洁净度等工艺条件。

3.1生长速率对晶体开裂的影响

根据界面稳定条件

熔体和晶体中的温度梯度，和分别为熔体和晶体的热导率，L为结晶潜热，为晶体密度。

从（3）中可以看出晶体的最大生长速率取决于晶体中温度梯度的大小，要提高晶体的生长速率，必须加大晶体中的温度梯度，但是，晶体中温度梯度太大，将会增加热应力，引起位错密度增加，甚至导致晶体开裂。

考虑热效应对晶体开裂的影响，这时允许的最大热应力为

另一方面我们可以看出，实际上在保证晶体中温度梯度稳定的条件下，适当减少熔体中的轴向温度梯度也可以增大晶体生长速率。蓝宝石晶体具有较大的导热系数，在适当的较小的轴向温度梯度温场以及在保证径向温度合理的条件下，更有利于凸生长界面的形成，也就相对提高了晶体生长速率。

本实验，在生长Al2O3晶体的过程中，采取分段生长晶体，以保持恒定的结晶速率与晶体等径。生长速率为2.5-3.0mm/h，此速率对Al2O3晶体开裂基本上没有影响。

3.2热效应对晶体开裂的影响

在晶体生长过程中，由于温场不合理，温度梯度过大，冷却速率过快等都会使晶体产生热应力，产生相对形变，造成晶体开裂。

3.2.1生长无开裂晶体所允许的最大轴向温度梯度

当，由（4）式可求出生长无开裂晶体所允许的最大轴向温度梯度：

J.C.Brice曾提出[5]：晶体中可接受的最大轴向温度梯度：

为热膨胀系数,R为晶体半径,热交换系数，是晶体温度高于环境温度1℃时晶体单位面积的热损耗率。

（5）、（6）两式尽管有差别，但不妨碍我们得出如下结论：即为了防止晶体开裂，必须减少轴向温度梯度，而且晶体半径愈大，允许的梯度就愈小。

由此可见晶体热应力、热应变及表面上最大张应变基本上与液面附近晶体径向与轴向温度梯度近似的成正比关系。

因此为防止晶体开裂必须减少晶体中的温度梯度。

本实验中，采用隔热式后热器有效的减少了晶体中轴向与径向温度梯度，避免了晶体中因温度梯度过大而造成的晶体开裂。

3.2.2冷却速率对晶体开裂的影响

晶体冷却过程中，如果冷却速率过快，晶体将产生热应力，最后导致晶体开裂，J.C.Brice指出[3] ，半径为R的圆柱晶体在冷却过程中，最大冷却速率为：

K——热扩散系数，为对流热交换系数。

由（7）式可看出：晶体允许的最大冷却速率与成正比关系。实际情况也是如此，晶体半径愈大，生长每一薄层所需的恒温程度愈要高。晶体的热膨胀系数大，降温要使其充分恢复形状，这样就要求温度变化缓慢，即降温时间长。快速冷却会导致晶体炸裂。

实验中发现：平均降温速率在15℃/h范围内不会对晶体开裂产生影响。

3.3其他物质条件的影响

（1）生长设备的精密性

生长界面的移动（或转动）需要有特定的机械传动装置，如不能提供均匀的机械运动或使界面产生振动，那么将引起晶体生长率的不稳定。

晶体生长时需保持界面温度的稳定，如果控制系统的精度较差，那么由于加热功率和散热功率的波动，将使界面温度产生波动，从而引起晶体生长率的波动。

（2）籽晶

好的籽晶是生长优质晶体的关键。籽晶质量不好，那么籽晶中的继承性缺陷（如位错、晶界等），将极可能被引入晶体中。

采用优质定向籽晶，缩颈工艺，很大程度上能够减少晶体中的缺陷。

本实验中，我们采用精密的机械传动、功率控制系统，严格控制工艺过程中的每一个细小的环节，以尽量减少生长环境对熔体的污染，使用适当取向高度完整的籽晶以及合适的引晶工艺，以较快的生长率长出了高质量的Al2O3晶体。

4、结论

本实验中，我们讨论了晶体中的热应力、热应变与温度梯度、拉速，冷却速率间的关系。根据这些关系，我们分析了Al2O3晶体开裂主要与温度梯度、冷却速率及生长速率有关；另一方面，线形的散射颗粒则与功率控制、温度梯度、生长气氛等条件有关。

根据以上关系，我们设计出生长大直径Al2O3单晶体的最佳工艺条件：弱氧化性晶体生长气氛以及合理的温度梯度分布。

通过多次实验，我们解决了晶体开裂的问题，缩短了生长周期，成功的生长出了Φ200×180mm的优质Al2O3单晶体。经中国计量科学研究院光学处测试，透过率（σ=2mm）在250nm——5000nm之间可以达到80%以上，300nm起超过83%。