蓝宝石晶体的生长方向研究

　第35卷第2期 人　工　晶　体　学　报 Vol.35　No.2　2006年4月 JOURNAL OF SY NTHETI C CRYST ALS Ap ril,2006　蓝宝石晶体的生长方向研究

于旭东,孙广年

(浙江巨兴光学材料有限公司,衢州324004)

摘要:本实验采用提拉法,在中频感应加热单晶炉内,进行了不同生长方向蓝宝石晶体的生长工作,分别取[11220]

和[0001]生长的晶体c面(0001)的晶片。通过应力仪、显微观测和X射线衍射等方式对晶片的位错密度等微观缺

陷以及晶体结构进行了检测。实验表明:不同的生长方向生长得到的蓝宝石晶体的质量存在一定的差别,一般情

况下,[11220]方向生长的蓝宝石晶体质量优于[0001]方向生长的晶体。

关键词:提拉法;生长方向;位错密度;衍射;晶体结构

中图分类号:O78 文献标识码:A 文章编号:10002985X(2006)022******* Study on the Growth D i recti on of Sapph i re S i n gle Crysta l

YU X u2dong,SUN Guang2nian

(Zhejiang Juxing Op ticalMaterials Company,Quzhou324004,China)

(Received15June2005)

Abstract:A high quality sapphire with directi ons of[11220][a2axis]and[0001][c2axis]was gr own by

CZ method.The disl ocati on density on the sliced c2p lane(0001)f or both gr owth directi ons was studied

with X2ray diffracti on.A ll tests indicate that the quality of a s2gr own crystal is better than that of c2gr own

crystal.

Key words:CZ method;gr owth directi on;disl ocati on density;diffracti on;crystal structure

1　引　言

蓝宝石晶体(α2A l

O3)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

2

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2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。

X射线衍射晶体结构为六方晶胞。物理化学性质稳定,表现为各向异性。因此,不同方向所生长的晶体的质量可能会存在一定的差别。本实验正是从这一点出发,进行蓝宝石晶体生长方向的讨论。

通过采用不同方向的籽晶生长出高质量的蓝宝石单晶,并对晶体形貌及结构进行了相应的检测分析与讨论。

2　实验过程

2.1　原料

本实验采用高纯α2A l

O3料粉,纯度≥99.999%。

2

2.2　晶体生长

采用DJL2600单晶炉,在Ir坩埚内生长蓝宝石晶体,采用818P精密控制系统控制整个工艺过程。

收稿日期:2005206215

作者简介:于旭东(19762),男,山东省人,学士,助工。E2mail:daniel yuee@hot m

分别采用[0001]籽晶和[11220]籽晶进行蓝宝石晶体生长。

将备好的α2A l 2O 3料粉4.0kg 一次性装入坩埚,于中性气氛下,升温熔料后、适当调节功率,寻找合适的引晶温度,进行晶体生长工作,生长晶体规格<(54～52)mm ×150mm (等径部分),生长速度3.0mm /h,生长周期4d 。

工艺过程:引晶缩颈→放肩、收肩→晶体等径生长→降温退火→定向、切片→研磨、抛光→分析、检测。

2.3　化学腐蚀及显微观察

分别切取二颗晶体(0001)面0.60mm 厚的晶片,对其进行抛光。将抛光后的晶片置于化学试剂中进行腐蚀后,用去离子水冲洗干净,得到样片。样片置于KH 22700H i 2Scope 三维视频显微镜下观察,计算分析晶体中位错密度分布情况。

2.4　晶体结构检测

采用应力仪及Phili p s X Pert 2Pr o 晶体射线仪对晶体进行衍射测试试验。

3　结果分析与讨论

3.1　晶体位错形貌分析[1]

由于位错所携带的过剩能量,或由于细位错露头处永不消逝的台阶,当晶体表面被腐蚀时会形成位错坑。我们用浓度为3∶1的溶液H 3P O 4∶H 2S O 4腐蚀晶片200℃、10m in 其露出的位错坑如图1、图2所示。

图1、图2分别为[11220]方向生长晶体和[0001]方向生长晶体的(0001)面的光学显微形貌图

。图中可看出三棱锥形的位错坑。

经测试计算[11220]生长晶体的(0001)面晶片,中央位错密度约1.5×103个/c m 2,边缘平均1.0×10

3个/c m 2,整片平均约1.3×103个/c m 2

,比较均匀;

[0001]生长的(0001)面晶片中央位错密度约7.3×103个/c m 2,边缘平均约为2.2×104个/c m 2,整片平均约为:1.5×104个/c m 2

,均匀性比较差。

通过上面两组数据的对比,可以看出不同的生长方向对晶体质量的影响是较大的,[11220]的生长方向较[0001]方向的位错密度约低一个数量级,且均匀性比较好。

3.2　晶体结构完整性分析

3.2.1　嵌镶结构实际晶体内具有一定的晶体学取向差异的微细结构区域,当这些区域直径很小,约为500～5000个单胞,且取向差小于10°时,则说这些晶体具有镶嵌结构,这时两区域间的间界称为镶嵌结构间界[2]。

234人工晶体学报 第35卷