数种蓝宝石晶体生长方法

蓝宝石晶体的生长方法自1885年由Fremy、Feil和Wyse利用氢氧火焰熔化天然红宝石粉末与重铬酸钾而制成了当时轰动一时的“日内瓦红宝石”，迄今人工生长蓝宝石的研究已有100多年的历史。

在此期间，为了适应科学技术的发展和工业生产对于蓝宝石晶体质量、尺寸、形状的特殊要求，为了提高蓝宝石晶体的成品率、利用率以及降低成本，对蓝宝石的生长方法及其相关理论进行了大量的研究，成果显著。

至今已具有较高的技术水平和较大的生产能力，为之配套服务的晶体生长设备——单晶炉也随之得到了飞速的发展。

随着蓝宝石晶体应用市场的急剧膨胀，其设备和技术也在上世纪末取得了迅速的发展。

晶体尺寸从2吋扩大到目前的12吋。

低成本、高质量地生长大尺寸蓝宝石单晶已成为当前面临的迫切任务。

总体说来，蓝宝石晶体生长方式可划分为溶液生长、熔体生长、气相生长三种，其中熔体生长方式因具有生长速率快，纯度高和晶体完整性好等特点，而成为是制备大尺寸和特定形状晶体的最常用的晶体生长方式。

目前可用来以熔体生长方式人工生长蓝宝石晶体的方法主要有焰熔法、提拉法、区熔法、导模法、坩埚移动法、热交换法、温度梯度法、泡生法等。

而泡生法工艺生长的蓝宝石晶体约为目前市场份额的70%。

LED蓝宝石衬底晶体技术正属于一个处于正在发展的极端，由于晶体生长技术的保密性，其多数晶体生长设备都是根据客户要求按照工艺特点定做，或者采用其他晶体生长设备改造而成。

下面介绍几种国际上目前主流的蓝宝石晶体生长方法。

图9 蓝宝石晶体的生长技术发展1 凯氏长晶法(Kyropoulos method)简称KY法，中国大陆称之为泡生法。

泡生法是Kyropoulos于1926年首先提出并用于晶体的生长，此后相当长的一段时间内，该方法都是用于大尺寸卤族晶体、氢氧化物和碳酸盐等晶体的制备与研究。

上世纪六七十年代，经前苏联的Musatov改进，将此方法应用于蓝宝石单晶的制备。

该方法生长的单晶，外型通常为梨形，晶体直径可以生长到比坩锅内径小10～30mm的尺寸。

其原理与柴氏拉晶法(Czochralski method)类似，先将原料加热至熔点后熔化形成熔汤，再以单晶之晶种（Seed Crystal，又称籽晶棒）接触到熔汤表面，在晶种与熔汤的固液界面上开始生长和晶种相同晶体结构的单晶，晶种以极缓慢的速度往上拉升，但在晶种往上拉晶一段时间以形成晶颈，待熔汤与晶种界面的凝固速率稳定后，晶种便不再拉升，也没有作旋转，仅以控制冷却速率方式来使单晶从上方逐渐往下凝固，最后凝固成一整个单晶晶碇，图10即为泡生法(Kyropoulos method)的原理示意图。

泡生法是利用温度控制来生长晶体，它与柴氏拉晶法最大的差异是只拉出晶颈，晶身部分是靠着温度变化来生长，少了拉升及旋转的干扰，比较好控制制程，并在拉晶颈的同时，调整加热器功率，使熔融的原料达到最合适的长晶温度范围，让生长速度达到最理想化，因而长出品质最理想的蓝宝石单晶。

该方法主要特点：1) 在整个晶体生长过程中，晶体不被提出坩埚，仍处于热区。

这样就可以精确控制它的冷却速度，减小热应力；2) 晶体生长时，固液界面处于熔体包围之中。

这样熔体表面的温度扰动和机械扰动在到达固液界面以前可被熔体减小以致消除；3) 选用软水作为热交换器内的工作流体，相对于利用氦气作冷却剂的热交换法可以有效降低实验成本；4) 晶体生长过程中存在晶体的移动和转动，容易受到机械振动影响。

图10 泡生法(Kyropoulos method)之原理示意图2 柴氏拉晶法(Czochralski method)简称CZ法。

从熔体中提拉生长晶体的方法为Czochralski于1918年首创，自1964年Poladino和Rotter首先应用到蓝宝石单晶的生长中，成功生长出质量较高的蓝宝石晶体，晶体生长示意图如图11所示。

先将原料加热至熔点后熔化形成熔汤，再利用一单晶晶种接触到熔汤表面，在晶种与熔汤的固液界面上因温度差而形成过冷。

于是熔汤开始在晶种表面凝固并生长和晶种相同晶体结构的单晶。

晶种同时以极缓慢的速度往上拉升，并伴随以一定的转速旋转，随着晶种的向上拉升，熔汤逐渐凝固于晶种的液固界面上，进而形成一轴对称的单晶晶棒。

在拉升的过程中，透过控制拉升速度的快慢的调配，分别生长晶颈(Neck)，晶冠(Shoulder)，晶身(Body)以及晶尾。

每个部份都有其用意，生长晶颈主要是用来消除差排。

因为长晶过程复杂，差排产生量不易支配，所以大部分的晶体生长过程，都以消除差排为主要选择。

长完晶颈后，需放慢拉升速度，使晶体直径增大到所需的尺寸，此步骤为晶冠生长。

当晶体直径增大到所需尺寸时，就以等速的速度来拉升，此部分的晶体直径是固定的，也就是晶身部分。

此部分就是要作为工业用基板材料的部份，所以生长时，需格外小心。

当晶身长完时，就要使晶棒离开熔汤，此时拉升的速度会变快，使晶棒的直径缩小，直到变成点状时，再从熔汤中分开。

此步骤为晶尾生长，其目的是要避免晶棒与熔汤快速分离时，所产生的热应力，若在分离时产生热应力，此热应力将使晶棒产生差排及滑移线等缺陷。

在现在的半导体产业中，CZ法是最常见到的晶体生长法，由于能生长出较大直径之晶体，所以大约85％的半导体产业都使用CZ法来生长单晶棒。

该方法主要特点：1) 在晶体生长过程中，可以方便的观察晶体的生长情况；2) 晶体在自由液面生长，不受坩埚的强制作用，可降低晶体的应力；3) 可以方便的使用所需取向籽晶和“缩颈”工艺，有助于以比较快的速率生长较高质量的晶体，晶体完整性较好；4) 晶体、坩埚转动引起的强制对流和重力作用引起的自然对流相互作用，使复杂液流作用不可克服，易产生晶体缺陷；5) 机械扰动在生长大直径晶体时容易使晶体产生缺陷。

图11 柴氏拉晶法(Czochralski method)之原理示意图3 定边膜喂法(Edge-defined Film-fed Growth, EFG)亦称导模法，其生长晶体的原理如图12所示。

将原料置于铱坩埚中，由射频感应加热线圈加热原料使之熔化，于坩埚中间放置一铱制模具，利用毛细作用让熔汤摊平于铱制模具的上方表面，形成一薄膜，放下晶种使之碰触到薄膜，于是薄膜在晶种的端面上结晶成与晶种相同结构的单晶。

晶种再缓慢往上拉升，逐渐生长单晶。

同时由坩埚中供应熔汤补充薄膜，由于此薄膜之边缘受到铱模所限定，并扮演持续喂料以供晶体生长之用，所以称为限定边缘膜喂法，简称导膜法。

图12 导模法之原理示意图4 热交换法(Heat Exchanger Method)简称HEM 法。

热交换法是一种为了生长大尺寸蓝宝石而发明的晶体生长技术。

1970年Schmid和Viechnicki首先运用热交换法生长出大块的蓝宝石晶体。

其原理是利用热交换器来带走热量，使得晶体生长区内形成一下冷上热的纵向温度梯度，同时再藉由控制热交换器内气体流量(He冷却源)的大小以及改变加热功率的高低来控制此温度梯度，借此达成坩埚内熔汤由下慢慢向上凝固成晶体之目的，图13 a所示为热交换器法之原理示意图。

该方法主要特点：1) 温度梯度分布与重力场相反，坩埚、晶体和热交换器皆不移动，晶体生长界面稳定、无机械扰动、浮力对流小，消除了由于机械运动而造成的晶体缺陷；2) 晶体生长后仍保持在热区，控制氦气流量可使温度由结晶温度缓慢均匀降低，实现原位退火，减少晶体的热应力及由此产生的晶体开裂和位错等缺陷；3) 固液界面处在熔体包裹中，热扰动在到达固液界面之前可以被减小乃至排除，界面上可获得均匀的温度梯度；4) 热交换法最适合生长各种形状和尺寸的蓝宝石晶体；5) 设备条件要求高，整个工艺复杂，晶体生长周期长、需要大量氦气作冷却剂，成本高。

热交换法主要在美国得到应用和发展，该工艺为美国Crystal Systems 公司的专利技术。

Crystal Systems公司用热交换法生长蓝宝石晶体已有30多年的历史，代表了国际最高水平。

Chandra等人利用热交换先后生长出了直径为￠200mm、￠340mm和￠380mm径高比为2:1的高质量晶体，如图13b、c所示，并希望最终能够生长出直径为￠750mm的光学级蓝宝石晶体。

图13 热交换法(a) 单晶炉示意图；(b) 蓝宝石晶体￠380mm；(c) 蓝宝石晶体￠340mm5 温度梯度法、坩埚下降法以及垂直水平温度梯度冷却法5.1 温度梯度法(Temperature gradient technique, TGT)温度梯度法是由我国中国科学院上海光学精密机械研究所周永宗等人于1980年首先实现的一种以定向籽晶诱导单晶生长的垂直温度梯度法。

温度梯度法是以定向籽晶诱导的熔体单结晶方法。

包括放置在简单钟罩式真空电阻炉内的坩埚、发热体和屏蔽装置，图14是装置简图。

本装置采用镅坩埚、石墨发热体。

坩埚底部中心有一籽晶槽，避免耔晶在化料时被熔化掉。

为了增加坩埚稳定性，籽晶槽固定在定位棒的圆形凹槽内。

温场由石墨发热体和冷却装置共同提供。

发热体为被上下槽割成矩形波状的板条通电回路的圆筒，整个圆筒安装在与水冷电极相连的石墨电极板上。

板条上半部按一定规律打孔，以调节发热电阻使其通电后自上而下造成近乎线性温差。

而发热体下半部温差通过石墨发热体与水冷电极板的传导来创造。

籽晶附近的温场还要依靠与水冷坩埚杆的热传导共同提供。

图14 温度梯度法装置示意图1. Heat shields；2. Heat element；3. Crucible；4. Graphite electrodes；5. Water cooling tubes该方法主要特点：1)晶体生长时温度梯度与重力方向相反，并且坩埚、晶体和加热体都不移动，晶体生长界面稳定、无机械扰动、浮力对流小；2)晶体生长以后，由熔体包围，仍处于热区，可精确控制其冷却速率，减小热应力；3)晶体生长时，固液界面处于熔体包围之中，热扰动在到达固液界面之前可以被减小乃至排除，界面上可获得均匀的温度梯度；4)生长更大尺寸的晶体时，难于创造良好的温场环境，晶体易炸裂；5)晶体坯料需要分别进行高温氧化、还原气氛的退火处理，坯料的后续处理工艺比较复杂。

周永宗等用该方法先后生长出了直径为￠100mm、￠110mm、￠120mm的高品质蓝宝石晶体。

温度梯度法生长的蓝宝石晶体，晶体在不同部位呈现不同颜色，一般上部为浅红色，尾部为浅黄绿色。

将晶体依次经过氧化气氛、还原气氛高温退火之后，晶体变成无色、透明，晶体的完整性、光学透过率和光学均匀性显著提高。

晶体生长设备及退火前与退火后的晶体如图15所示。

图15 温度梯度法单晶炉和蓝宝石单晶5.2 坩埚下降法(Vertical Gradient Freeze method, VGF)坩埚下降法，此方法与水平区熔法类似，主要是以移动坩埚的方式，使熔汤内产生温度梯度，进而开始生长晶体。