導(dǎo)模法(EFG)生長大尺寸厚壁管狀藍(lán)寶石單晶

羅 平，王慶國，董建樹，王東海，吳 鋒，唐慧麗，徐 軍

(1.同濟(jì)大學(xué)物理科學(xué)與工程學(xué)院，上海 200092；2.南京同溧晶體材料研究院，南京 211212)

大尺寸藍(lán)寶石單晶的主流生長方法有泡生法(Kyropoulos method，KY)、熱交換法(Heat Exchanger Method，HEM)、導(dǎo)模法(Edge-defined Film-fed Growth，EFG)和提拉法(Czochralski method，CZ)等。其中導(dǎo)模法具有可直接定形/定向生長、周期短、成本低、后續(xù)加工簡便、可實(shí)現(xiàn)全自動化等優(yōu)勢。在LED產(chǎn)業(yè)和消費(fèi)類電子產(chǎn)品產(chǎn)業(yè)推動下，我國已經(jīng)成為世界上最大的藍(lán)寶石晶體生產(chǎn)和加工基地，并且藍(lán)寶石的應(yīng)用領(lǐng)域還在不斷拓展，對異形藍(lán)寶石產(chǎn)品的需求日益增長。其中：藍(lán)寶石單晶管具有寬波段透明、絕緣、耐高溫、抗酸蝕、高強(qiáng)度、抗輻射等特性，作為保護(hù)套管在高壓鈉燈管、環(huán)保化工、高壓輸電、高溫測量、太赫茲波傳輸?shù)阮I(lǐng)域具有重要應(yīng)用和廣闊市場。但是，傳統(tǒng)的藍(lán)寶石管制作方式是采用泡生法或熱交換法生長大尺寸的單晶，采用物理研磨加工手段進(jìn)行內(nèi)部掏空制作，這種方式加工周期長、成本高、良率低，且超長、超細(xì)的管材無法通過這種方式加工出來。因此，研發(fā)能夠直接進(jìn)行藍(lán)寶石管定形生長的工藝裝備技術(shù)刻不容緩。

近期，同濟(jì)大學(xué)徐軍教授團(tuán)隊(duì)繼導(dǎo)模法同步生長24片平片、弧形片、單晶光纖、內(nèi)孔徑160微米～1英寸管、封口熱耦管后，針對國家急需的航空發(fā)動機(jī)用藍(lán)寶石活塞保護(hù)套管，采用自主研發(fā)的藍(lán)寶石導(dǎo)模法長晶爐，成功生長內(nèi)/外徑分別為31/58 mm和50/65 mm、長度超過300 mm的大尺寸藍(lán)寶石單晶圓管(如圖1，2所示)。設(shè)備采用中頻感應(yīng)加熱，選用鉬制模具，熱場方面使用高純石墨硬氈作為保溫材料，著重加強(qiáng)保溫效果，減少熱應(yīng)力對晶體的沖擊。由于管壁厚度達(dá)到了8～13 mm，如何解決內(nèi)外壁較大的溫度差成為長晶成功的關(guān)鍵，通過科學(xué)合理的熱場設(shè)計(jì)使晶管內(nèi)外壁的溫度一致，避免了由于內(nèi)壁低溫造成晶體管外形扭曲、外壁高溫穿孔、里層低溫引入多晶缺陷等問題。為滿足模具供料充足，保證晶體成形飽滿管壁厚度均勻，設(shè)計(jì)了特殊的模具供料方案，模具上表面采用V型口設(shè)計(jì)，管壁厚度通過V型口的寬度限定，供料縫置于模具V型口底部；選用c向片狀籽晶生長，并采用雙頭引晶，減少放肩量，提高生長速率。

圖1 厚壁藍(lán)寶石單晶管，外徑58 mm、內(nèi)徑31 mm、長度300 mmFig.1 Thick-walled sapphire single crystal tube with outer diameter of 58 mm, inner diameter of 31 mm and length of 300 mm

圖2 藍(lán)寶石單晶管，外徑65 mm、內(nèi)徑50 mm、長度450 mmFig.2 Sapphire single crystal tube with outer diameter of 65 mm, inner diameter of 50 mm and length of 450 mm

生長模具采用懸掛方式，置于坩堝中心上方，坩堝采用鎢/鉬材質(zhì)，長晶過程分為裝爐投料、升溫化料、引晶放肩、等徑生長、降溫退火等過程。詳細(xì)過程如下：安裝熱場并投放5N級高純氧化鋁碎晶料，抽真空后充入高純氬氣作為保護(hù)氣氛，然后升溫化料；待原料熔化后，坩堝上升使模具浸入氧化鋁熔體中，通過虹吸作用氧化鋁熔體通過模具的供料縫上升至模具表面；下降籽晶桿使籽晶兩端接觸圓形模具的兩側(cè)供料縫，隨后開始提拉放肩，提拉速率為10 mm/h，直至晶體長成完整圓環(huán)放肩結(jié)束；隨后開始等徑生長過程，長晶過程全程可觀察，晶體生長提拉速度30 mm/h，晶體生長時，坩堝持續(xù)上升以滿足模具供料充足和管壁厚度均勻，坩堝生長速率根據(jù)生長過程中坩堝內(nèi)熔體液面下降速率和模具/坩堝距離綜合計(jì)算確定，一般為0.2～0.5 mm/h；晶體生長結(jié)束后籽晶桿快速提拉脫離模具表面，并下降坩堝使堝內(nèi)余料與模具分離，以保護(hù)模具減小變形延長其使用壽命，晶體原位退火，降溫時間保證大于5 h，以充分消除晶體內(nèi)的生長應(yīng)力，整個生長周期控制在30 h左右。

生長單晶管無色透明，無開裂和多晶鑲嵌結(jié)構(gòu)，無肉眼可見大氣泡，單晶性良好，為國內(nèi)首次采用導(dǎo)模法生長大尺寸藍(lán)寶石管材。