[发明专利]蓝宝石晶体生长装置及生长方法

说明书

技术领域

本发明涉及一种蓝宝石晶体生长装置及生长方法。

背景技术

蓝宝石(Sapphire)是一种氧化铝(α-Al₂O₃)的单晶，又称为刚玉，有着优异的机械性能、化学稳定性和光学性能。蓝宝石晶体硬度很高，仅次于金刚石，具有良好的耐磨性，同时机械强度高，能够承受很大的载荷；蓝宝石的化学性质十分稳定，一般不受酸碱的腐蚀，不易潮解，工作温度可达2000℃，能够长期在极其恶劣的环境下工作；蓝宝石的光学穿透带范围十分宽，从近紫外波段到中红外波段都有着很好的光透性，同时蓝宝石也是优良的激光基质材料，具有很宽的可协调范围和很高的增益，被广泛应用于LED照明行业与军用窗口材料。

近年来，随着智能手机，平板电脑等触屏式消费电子产品的广泛普及，蓝宝石可以作为电子产品的面板而被广泛使用。蓝宝石光学透过性好，耐磨性好，不易破碎，具有取代玻璃的可能性。

同时，随着现代科学技术的发展，对蓝宝石晶体材料的尺寸、质量及成本不断提出新的要求，同时蓝宝石基片也向着大尺寸，高质量，低成本的方向发展。由于手机，电脑等属于快速消费类电子产品，要求售价不高，但是需求量巨大，其所需要的面板也具有相同特性，因此需要蓝宝石作为面板加工材料，需要产量大，成本低。

蓝宝石的现有主要生长方法有提拉法（Cz）、泡生法（Ky）、热交换法（HEM）、倒模法（EFG）以及水平定向凝固法，其中泡生法和热交换法是目前生长大尺寸蓝宝石晶体的主要方法。

热交换法生长蓝宝石晶体的过程就是一个简单的熔体定向结晶的过程。现有方法是：在密封的炉体中，在坩埚的周围设置加热器，通过调节加热器功率将生产蓝宝石晶体的氧化铝原料融化；坩埚放置在基座上，基座底部通过冷却介质循环氦气的流量来控制籽晶不被熔化以及晶体的进一步生长，在生长过程中，坩埚、籽晶都保持静止。

传统的热交换法生长蓝宝石晶体过程中，为了控制籽晶不被熔化，采取的主要措施是，在基座底部通过冷却介质氦气来对籽晶进行降温，其中冷却介质氦气采用循环的散热方式，散热效果较差；其次，由于换热气体要求高流速，管路都比较细，内径在8毫米左右，通入的冷氦气的初始温度一般为室温，而出来的热氦气的温度为1000℃左右，换热量有限，仅有3～5KW，因此，对于生长进一步大尺寸的蓝宝石晶体而言，生长速率比较慢，生长周期较长，一般需要17～19天左右，成本较高。

同时，基座与放置籽晶的坩埚的接触面为平面，换热面积较小，不利于坩埚散热，由于该热量需要通过很小的换热面积来交换，该区域的热流密度很高，造成该换热面上方蓝宝石籽晶的局部温度梯度很大，热应力偏大，籽晶内部容易受压形成位错等缺陷，缺陷向晶体内部传播，进而影响晶体质量，其中蓝宝石晶体的有效利用率为35%左右。

发明内容

本发明所要解决的技术问题是，克服上述背景技术的不足，提供一种生产周期较短、蓝宝石晶体的有效利用率较高、成本较低的蓝宝石晶体生长装置及生长方法。

本发明解决其技术问题采用的技术方案是，一种蓝宝石晶体生长装置，包括炉体和抽真空装置，所述炉体为可开合式炉体，所述抽真空装置与炉体内部连通；所述炉体内部设有钢笼，钢笼呈上下开口的结构，钢笼的上开口处设有上保温层，下开口处设有底保温层，钢笼的内表面设有侧保温层；钢笼的内部设有基座，基座上放置有坩埚，所述炉体的顶部设有升降装置，所述升降装置通过连接杆与钢笼连接；所述基座的上表面设有锥形或圆弧形沉孔，所述坩埚的底面形状呈与锥形或圆弧形沉孔形状相适配的锥面或圆弧面，所述坩埚的侧面设有侧加热器和/或上方设有顶加热器。

进一步，所述锥形或圆弧形沉孔的表面设有导气槽，导气槽的数量优选≥2个，更优选6～20个，所述导气槽呈向锥形或圆弧形沉孔四周上沿发散状。

进一步，所述导气槽的宽度为3～20mm，深度为0.1～20mm。

进一步，所述导气槽的宽度为5～10mm，深度为0.5～5mm。

进一步，所述所述坩埚和基座间垫有一层导热石墨纸。

进一步，所述基座的中心和底保温层的中心均设有中心孔。

进一步，还设有外进气气冷装置，外进气气冷装置包括气源、阀门、外部进气管、底部进气管，气源与阀门通过第一连接管连接；阀门与外部进气管连接，阀门与外部进气管之间设置有流量计，流量计与阀门之间通过第二连接管连接；外部进气管与底部进气管连接，底部进气管与外部进气管的连接处设置有套管，底部进气管穿过底保温层的中心孔和基座的中心孔，伸入到坩埚底部下方。