泡生法生长高质量蓝宝石的原理和应用

张玉亮

山东新升实业发展有限责任公司

摘要：材料科学是现代文明的三大支柱之一和人类文明的物质基础。晶体生长是材料科学领域的一部分，处于领先地位，是其发展的监护者。一些高科技的发展与晶体材料密切相关。蓝宝石晶体具有独特的物理化学特性，特别是在0.2-0.5um波段，可广泛用于红外军事设备、卫星和空间技术。它还具有诸如介质隔热层和恒定电气常数等特性，已成为最广泛使用的基本材料之一。本文在此基础上，详细阐述了泡生法生长优质无色蓝宝石的原理、生长过程和技术方面，并探讨了优质蓝宝石的广阔应用前景。

关键词：泡生法；蓝宝石；晶体生长；原理；应用分析

前言

随着市场对蓝宝石晶体的需求不断增加，蓝宝石作为一种具有卓越化学和物理特性的高质量多功能化合物在国际军事、工业、农业和生物医学领域得到广泛应用。蓝宝石晶体具有优良的机械、物理和光学特性。广泛应用于半导体照明、红外、微电子窗材料等民用领域，需求量大、质量高的单晶蓝宝石。人造蓝宝石晶体最常用的制备方法是泡生法、热交换法等。目前泡生法是培育大型蓝宝石晶体的最佳方法。

一、泡生法的原理与工艺

1.原理

泡生法最早于1926年提出，并于20世纪70年代由前苏联穆萨托夫进行了改进，以获得蓝宝石单晶。运气法，又称果阿法、上籽冷却法和煅烧法。以晶闸管设备为基础，对GOI法蓝宝石单晶生长设备进行了改进，晶体生长方向为a轴或m轴。泡生法生长蓝宝石单晶的过程如下:(1)种子夹具夹持在金属晶闸管底部的蓝宝石种子浸入钼坩埚中温度高达2340K的熔融表面；(2)严格控制熔体温度，使其表面温度略高于籽晶熔点，即熔化少量籽晶，使蓝宝石单晶生长在籽晶表面；(3)籽晶熔体充分浸润后，熔体表面温度达到籽晶熔点，从熔体中缓慢拉出籽晶，生长蓝宝石单晶；(4)严格调节加热器功率，使熔体表面温度等于种子熔点，从而逐步实现蓝宝石单晶的收缩、扩肩、等径生长和修整过程。与直拉法相比，虽然晶体生长初期存在局部拉低肩过程，但泡生法不再使用拉低法，外部温度场保持冷却形成结晶动力学。

2.工艺

采用泡生法生长大直径高质量无色蓝宝石晶体的具体方法如下:首先将纯原料α-Al2O3放入坩埚中。坩埚顶部设有旋转提升杆，杆底部设有种子结晶袋，定向无色蓝宝石种子结晶袋设有无色蓝宝石种子晶体(注:无无色蓝宝石生长剂，及蓝宝石晶体；其次，加热坩埚至2050℃以上，降低拉杆，将晶粒插入熔融材料；第三，控制熔解材料温度，使液面温度略高于熔点，熔解少量结晶，保证晶体能在清洁结晶表面生长；第四，在细菌和熔融物质完全受潮后，液面温度达到熔点，晶棒缓慢向上拉转；通过控制升降速度和转速，晶粒逐渐发育；最后，仔细调节加热功率，使液面温度等于熔点，实现宝石晶体的收缩、扩肩、等速生长和生长清洁的全过程。

3.泡生法的方案

（1）晶体生长室

晶体生长室是晶体生长系统的一个非常重要的组成部分，在晶体生长正常运行中发挥着关键作用。炉体由双层不锈钢制成。该材料导热系数较高，没有生锈，使循环系统能够长期正常运行。烤箱的主体通常由空洞和盖子组成。炉腔又大又漂亮，保证了良好的散热。此零件的表面已抛光。在炉腔内壁和外壁之间，采用螺旋水流结构，以确保炉体周围的稳定性和效率。小炉盖安装在大炉盖上，炉盖上有一扇窗，便于观察炉内的情况。它由两层耐高温玻璃组成当水晶需要拆除时，可以打开烤箱盖连接起重设备。

(2)加热系统

对于高温晶体生长来说，这与炉内不同加热站的合理热量分布没有很大区别，因此炉内加热控制系统在高温晶体炉的整个过程中非常重要。晶体炉煤气加热控制系统的主要组成部分主要包括整流、绝缘和一套坩埚。再流器主要由钨棒和一对类似于半圆或铜棒的电极组成。钨棒沿两个不同的方向均匀分布在坩埚周围，如笼。连接整个晶体加热温度系统的加热温度系统的结构特点，适合企业采用加热泡生法直接生产新型大中型蓝宝石晶体的技术要求。

（3）温控系统

对蓝宝石泡沫法制造工艺的深入研究表明，准确的锅炉温度管理对高质量蓝宝石晶体的生长和生产至关重要，良好的锅炉温度管理系统不仅是确保蓝宝石晶体炉正常运转的关键技术模块因此，各种蓝宝石晶体通常根据系统定义的生长直径控制参数进行扩展。根据对以往研究结果的分析，需要对加热器涂层分布的结构和形状以及热处理屏蔽涂层的厚度进行多次微调和模拟，以便准确确定。为了正确设计最佳加热温度场，温度调节必须准确稳定。

(4)真空冷却系统

真空检测装置采用电阻式真空计和由两根电离管组成的真空计进行真空测量。真空保持装置包括各种换向阀、风箱和气体反应器。密封材料由耐油、耐高温和稳定的氟橡胶组成。基于水循环的复杂循环不仅能防止晶体因高温而损坏生长设备，实现长期稳定运行，而且还能去除加热热量，确保晶体生长过程中的恒温环境。冷却系统包括变频泵、配水器、软水箱和水管。压缩机通常在恒定温度30 c下冷却，并在满负荷下连续工作很长时间。

二、应用

1.在基底中的应用

无色蓝宝石晶体因其优异的性能而成为某些衬底材料的首选，主要表现在以下领域:(1)在无色蓝宝石衬底上生长二-六-五和二-六化合物的蓝色发光二极管衬底材料(bleds)；2)红外探测器，无色蓝宝石晶体可用作碲镉汞晶体生长基板；(3)晶片衬底3)GaAs；(4)微波集成电路材料。在微电子集成电路应用中，表面为r的无色蓝宝石衬底是异质外延硅的首选材料。由于其高而稳定的介电常数，它特别适合用作微波和高速集成电路以及压力传感器的异质衬底。另一方面，混合超导化合物。无色蓝宝石晶体衬底可以作为高温超导材料的载体。

2.在发光二极管领域中的应用

发光二极管(led)的出现是人类照明界的一场革命，它对人类的未来有着巨大的影响和改变。排雷基板主要用于制造亮蓝色发光二极管，除了能耗低、使用寿命长外，还具有以下优点:(1)应用非常灵活。轻、薄、短产品，可制成各种形状的点、线、面；(2)良好的环境效益。由于光谱中没有紫外线和红外线，热量和辐射，是典型的绿色照明源，废料可以循环使用，无污染。(3)控制极其方便。只要调节电流，就可以自由调节光线，各种浅色的组合可以是多种多样的。利用时序控制电路，可以达到丰富多彩的动态变化效果。蓝宝石衬底灯不仅可以用于大型广告显示器，还可以用于建筑和交通照明。它的白色led市场也将非常广阔。目前，白色发光二极管已经开始进入一些实际应用领域，如应急灯、手电筒、手电筒等产品相继推出。

3.目前唯一商用的GaN外延衬底材料

半导体发光技术的新成就为优质无色蓝宝石晶体的应用开辟了新的前景。蓝光LED可以通过将GaN延伸到无色蓝宝石晶体基底来创建。目前人们越来越认识到蓝宝石衬底LED的用途和重要前景。随着le d产业化的迅速发展，大型、优质水晶蓝宝石将成为新市场。

结束语

蓝宝石广泛应用于各种行业，促进晶体生长技术的不断改进和发展。如上所述，蓝宝石晶体的生长方法多种多样，具有不同的特征。蓝宝石晶体增长行业的竞争日益激烈，要求生产商继续改进生产工艺，提供高质量和多样化的晶体，同时降低生产成本，提高效率，形成良性循环。

参考文献：

[1]刘丽君,徐家庆,蔡兴民.泡生法蓝宝石晶体生长工艺的探讨[J],哈尔滨工业大学学报,2011，03.

[2]刘方方,左然,韩江山.泡生法蓝宝石晶体生长中固液界面形状的数值模拟研究[C]//第十六届全国晶体生长与材料学术会议论文集-01晶体生长基础与数值模拟.2012.

[3]陈洪建,刘维娜,李日,等.钨钼复合热屏对泡生法生长蓝宝石晶体质量的影响[J].硅酸盐学报,2016,v.44；No.325(04):52-59.

[4]欧阳鹏根,张俊,宋建军,等.450kg泡生法蓝宝石晶体成功生长[J].人工晶体学报,2019(6):990-991.

[5]陈晨,陈洪建,于海群,等.引晶直径对泡生法蓝宝石晶体位错及小角度晶界影响的研究[J].人工晶体学报,2013,42(12):2556-2561.