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蓝宝石晶体生长方法研究
摘 要 蓝宝石单晶由于其优良的综合性能而成为当前重要的技术晶体材料之一，在各个领域都具有广泛的应用。本文简述了蓝宝石单晶的主要性能，主要介绍了几种重要的蓝宝石单晶生长方法，并分析了各种方法的特点，最后概括了蓝宝石单晶目前及今后的主要发展方向，指出稳定工艺才是企业成熟的基础。目前使用热交换法生长蓝宝石，最有可能在不断地增加晶体直径的情况下保持甚至提高晶锭的利用率，从而降低生产成本，在未来赢得更多更大的市场。
关键词 大尺寸蓝宝石单晶；提拉法；泡生法；导模法；热交换法
中图分类号：TB321 文献标识码：A 文章编号：1671-7597（2013）18-0069-02
蓝宝石又称为刚玉，是一种氧化铝的单晶，这种晶体的机械、光学性能和抗化学稳定性都很稳定，而且可以在接近2000℃的温度下使用，并保持其优异的力学和热血性能，这些都源于蓝宝石独特的晶格结构。几年来，蓝宝石市场不断地被开发，已经覆盖了国防、科技和民用工业等很多新的领域，特别是作为现在最理想的衬底材料被应用在半导体二极管的生产中，成为一种重要的高新技术晶体。
目前国内已有多家生长蓝宝石晶体的公司，生长的蓝宝石最大可以重达130 kg，直径达400 mm以上（如图1）。但这些技术都不太成熟，随之科学技术的发展，蓝宝石市场对晶体材料的重量、形状等要求也日益苛刻。而且由于在实际生长和加工过程的难度很大，对设备、人员的要求也很大，所需要的蓝宝石晶坯的规格也越来越多，所以能够低成本、高质量地生长蓝宝石单晶成为目前蓝宝石上游商家的主要发展方向，如果技术成熟可以极大的满足当前对大尺寸蓝宝石晶体的需求。
1 蓝宝石生长方法
从最早的火焰法生长蓝宝石到如今的热交换法，已经有无数的生长方法被不断的研究及改进，但总体来说只有一个目的，能够得到低成本、高质量的大尺寸蓝宝石单晶。
整体看来，大部分的蓝宝石晶体都是采用熔体生长的方式。因为采用这种方式生长出来的晶体具有生长速度快、完整型好和晶体纯度高的特点，能够制备较大尺寸或者根据坩埚生长特定形状的晶体。目前国内使用熔体生长方式生产蓝宝石单晶的方法主要有导模法、提拉法、泡生法、温梯法和热交换法等几种，本文将介绍几种主要的长晶方法。
1.1 提拉法
提拉法又称CZ法，它的原理很简单，利用温场控制使原料熔化然后从溶液中提拉出单晶。原料熔化之后，控制长晶炉内的温度分布，使得溶液和籽晶之间有一定的温度梯度，当二者接触时，在固液界面上就会发生原子或分子的重新组合，并随着不断的提拉和转动籽晶杆，使原子重排的过程不断发生，逐渐凝固生长出单晶体。
提拉法晶体生长速度快，在生长过程中可以直接进行观察与测试，利用定向籽晶技术可以有效减少晶体缺陷。由于在生长过程中要求在固液界面处保持熔点温度，从而保证籽晶周围的熔体有一定的温度梯度，使生长界面不断地向原理凝固点等温面的方向移动，所以对熔体的温度控制很关键，需要很高的精度。另外，由于需要对籽晶杆不断地进行提拉和旋转，所造成的流体和装置的振动以及温度的波动都会影响晶体的质量，所以一定要有非常合适的提拉和旋转速度。总之，对提拉法而言，适当的温度控制和提拉旋转速度是长出高质量晶体的关键步骤。
1.2 泡生法
泡生法简称KY法，是从俄罗斯引进的生长蓝宝石晶体的高新技术，最早应用氢氧化物和碳酸盐等晶体的制备和研发，自上世纪六七十年代改进后才开始应用在蓝宝石生长中。泡生法生长的蓝宝石晶体形状如图2所示，一般为梨形，目前国内普遍生产45 kg的晶体，85 kg以及100 kg以上的晶体也有研发成功的，但是对设备要求高，而且良率太低，还没有得到大批量的生产。
泡生法的原理和提拉法类似，都是先将原料熔化，然后让籽晶和熔体接触，通过控制温场所产生的温度梯度，不断的提拉和旋转籽晶来使晶体长大。但泡生法只拉出晶颈，晶身部分仍处于熔体包围之内，减少了熔体表面温度波动和机械振动对晶体生长界面的影响，这是泡生法与提拉法最大的差异之处。在晶体生长过程中，晶体仍处于热区内部，通过精确控制冷却速度使生长界面不断下移，从而驱动晶体的生长，这样有利于减小晶体内部的热应力。但由于仍需要对籽晶的提拉和旋转速度精确的控制，而这些大部分都是靠人工控制操作，所以对技术人员的要求很高，而且受人为影响的因素将会很大。
1.3 导模法
导模法生长蓝宝石晶体生长速度快，而且由于模具的原因生长出定型的单晶材料，便于加工，成本低，是一种很有应用潜力的蓝宝石生长方法。导模法的原理是，首先将原料熔化，然后在坩埚中间放置一个具有毛细管狭缝的模具，让溶液通过毛细作用上升到模具的上表面，形成一层向四周扩散的薄膜，之后放下籽晶和薄膜接触，诱导其结晶，就在籽晶的断面上长成蓝宝石单晶，并随着籽晶的连续移动而长大。由于模具的边缘可以控制晶体以一定的几何形状产出，可以按照模具生长出各种各样的所需要的形状。
1.4 热交换法
热交换法（简称HEM 法）主要在美国得到应用和发展，该工艺为美国GT公司的专利技术，近几年才被引入国内，很快就被市场和同行认可，因为该方法是一种为了生长大尺寸蓝宝石而发明的晶体生长技术，代表了当前的最主要的需求对象和发展趋势。
其原理是利用热交换器来带走炉内的热量，由于热交换器处于炉体的底部，所以在炉体内部形成一个自上而下温度逐渐降低的纵向温度梯度，而且这个上热下冷的温场可以通过控制热交换器内He流量或者改变加热器功率的大小来调整，以达到最佳的效果，从而使熔料能够从底部缓慢生长成晶体。图3为该方法的设备原理示意图。由于结晶是从上而下，从中间到四周，所以使用热交换法生长的晶体一般为圆柱形，图1照片中的晶锭就是采用热交换法生产的。在晶体生长过程中，所有的部件均不能移动，所以消除了机械振动对晶体生长界面的影响，生长的晶体均匀性好，内部缺陷也较少。而且在长晶过程结束后，可以控制He流量是温场内温度逐渐降低，可以达到原位退火的目的，从而减少了晶体的热应力和内部的位错缺陷。但是，这种方法对设备的精度要求非常高，而且整个生长周期很长，工艺也比较复杂，还需要大量的He来冷却设备，再加上一次性的坩埚，生产成本很高。当前国内已经有不少公司在使用这种方法生产蓝宝石晶体，所生产的晶体重量和尺寸也随着技术水平的日益提高而不断增大，从而在一定程度上降低了生产成本，在蓝宝石市场上的影响力也不断提高。 2 总结
总体来看，高品质、低成本的蓝宝石晶体材料生长技术是世界各国关注的难点和重点，而大尺寸的蓝宝石则是未来晶体发展的主流方向。这里有两个关键的地方。
2.1 稳定工艺是提高质量和降低成本的基础
蓝宝石企业的建立往往需要大规模的投资，大量的新兴厂商刚刚加入这个行业就遇到市场的低谷期，基本上都要承受较大的亏损。在各种压力下，这些新兴的蓝宝石企业，往往采取盲目“改进”技术、拼命增加晶体尺寸等激流勇进的方法，希望能够在短时间内降低生产成本，早日盈利。虽然冒险精神值得鼓励，但是所走弯路造成的损失很难挽回。
蓝宝石晶体的生长是非常精密和敏感的，对环境、技术人员、操作工人的要求非常高。新兴的蓝宝石企业，不论是购买国外进口设备，还是国内生产的设备，普遍的都遇到过技术不稳定，工艺不稳定的问题。长晶是一个复杂的过程，需要和设备厂商保持紧密的合作，保证设备和环境的最佳状态，工艺中的每一个步骤和微小的细节都对晶体的生长有着关键性的影响。生长一炉好晶锭没有问题，但是如何长期持续大量的生长好晶锭，是我们所面对的挑战。企业应该把稳定工艺和技术作为第一要务，踏踏实实的把当前最合适重量晶锭的生长稳定下来，努力长好每一个晶锭，之后再去高重量大尺寸的晶体，走稳每一步。
2.2 增大晶体尺寸不是最终目的
增大晶体的尺寸并不是蓝宝石企业发展的最终目的。仅仅追求增大晶体的尺寸是非常简单的，只需要在长晶的坩埚中投入更多的氧化铝原料，或者是装满原料后继续填满缝隙。但是事实上，晶体尺寸增大并不一定带来成品率的提高。除了导模法以外，采用其他方法生长出来的晶体，都需要将晶锭剖开，按客户需求再做进一步的加工，最终制造成不同规格的产品。晶锭的大小、几何形状以及内部可用的符合客户要求的晶体区域面积最终决定了晶锭的利用率，这个也基本上决定了后续加工过程的成品率。不考虑其他因素，仅增大晶体的尺寸，对设备和工艺的要求就会提高，可用区域可能会减少。
但并不是说增加晶体的尺寸是不可取的。通过工艺的改进，结合预期生长出来的晶锭大小来计算晶体的利用率，在增大晶体尺寸的同时进一步增加成品率，实现更大尺寸晶锭生长的工艺和技术的稳定性。在这种情况下，就可以降低成品的成本，进而赢得未来大尺寸蓝宝石衬底的市场。综合这几种长晶方法来看，最有可能提早到达这一步的就是热交换法，但鉴于其成本太高，仍旧有很多值得改进和探索的地方。
参考文献
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