導(dǎo)模法生長無裂紋藍(lán)寶石晶體的制備方法
【專利摘要】本發(fā)明公開了一種導(dǎo)模法生長無裂紋藍(lán)寶石晶體的制備方法，包括以下步驟：(1)原料處理；(2)原料裝爐；(3)晶體爐充氣；(4)升溫化料；(5)引晶；(6)縮頸；(7)擴(kuò)肩；(8)等徑生長。本發(fā)明采用導(dǎo)模法，生長出厚度比較厚，無裂紋的藍(lán)寶石單晶，為了防止整根晶體的炸裂，引晶及擴(kuò)肩過程溫度不可過低。使生長的晶體無氣泡和生長條紋，取出晶體后無開裂現(xiàn)象，提高晶體的利用率，同時(shí)在質(zhì)量和使用性能上有顯著提升。
【專利說明】導(dǎo)模法生長無裂紋藍(lán)寶石晶體的制備方法

【技術(shù)領(lǐng)域】
[0001] 本發(fā)明涉及人工藍(lán)寶石晶體領(lǐng)域，具體涉及一種導(dǎo)模法生長無裂紋藍(lán)寶石晶體的 制備方法。

【背景技術(shù)】
[0002] 藍(lán)寶石晶體是一種簡單配位型氧化物晶體，晶型為α-Α1203，屬六方晶系，藍(lán)寶石 晶體的透光范圍為〇. 14?6. 0 μ m，覆蓋紫外、可見、近中紅外波段，且在3?5 μ m波段的透 過率達(dá)到85%以上；具有高硬度，莫氏硬度9級、高強(qiáng)度、高熱導(dǎo)率、低熱膨脹系數(shù)、高抗熱 沖擊品質(zhì)因子等力學(xué)及熱學(xué)性能；具有耐雨水、沙塵、鹽霧等腐蝕的化學(xué)穩(wěn)定性能，最高工 作溫度2170K;具有低介電常數(shù)、低介電損耗等電學(xué)性能；并且容易獲得超光滑表面，粗糙 度小于lnm。
[0003] 藍(lán)寶石晶體由于其特殊的晶體結(jié)構(gòu)，優(yōu)良的光學(xué)、力學(xué)、熱學(xué)及化學(xué)等性能，得到 了越來越廣泛的應(yīng)用。作為一種重要的結(jié)構(gòu)材料，被廣泛應(yīng)用于國防工業(yè)及民用領(lǐng)域，特別 是在軍事、航空航天、高檔日用品等領(lǐng)域有著不可替代的地位和作用。同時(shí)，藍(lán)寶石晶體又 因其獨(dú)特的晶格結(jié)構(gòu)、優(yōu)良的機(jī)械性能、介電性能、化學(xué)穩(wěn)定性以及高表面平滑度，作為一 種重要的功能材料，在襯底材料和激光技術(shù)等領(lǐng)域也發(fā)揮著重要作用。
[0004] 生長人工藍(lán)寶石晶體的眾多方法中，熔體法能夠做到生長較大尺寸寶石晶體，并 保證其具有較高的完整性和純度，成為了當(dāng)今生長寶石晶體最常見的方法，如提拉法、泡生 法、熱交換法等。但這些傳統(tǒng)方法得到的多為梨形或柱狀晶體，即要求晶體在使用前需要經(jīng) 過掏棒、切割等后續(xù)成型加工操作，既增加了晶體缺陷，如引入了加工應(yīng)力，影響晶體尺寸 精度，也降低了材料的利用率。若能直接生長超厚片狀藍(lán)寶石晶體，不僅在晶體質(zhì)量方面避 免了后續(xù)加工引入新的缺陷，同時(shí)大大提高了晶體利用率，降低了生產(chǎn)成本。因此，可近尺 寸成型、從少量熔體中生長晶體的導(dǎo)模法具有一定的技術(shù)優(yōu)勢。
[0005] 導(dǎo)模法是一種近尺寸成型技術(shù)，即直接從熔體中生長出所需形狀的晶體毛坯；也 是一種從少量熔體中生長晶體的方法，即只在導(dǎo)模上端、呈薄膜狀的熔體發(fā)生結(jié)晶。通常采 用具有生長縫的通孔的特制模具，A1 203熔體沿生長縫的通孔上升，并在模具頂部鋪展，形成 由模具上表面邊緣所限定的具有0. 1_厚度的熔體液膜，調(diào)節(jié)加熱功率控制導(dǎo)模頂部的溫 度，緩慢放下籽晶與模具上表面熔體接觸，待籽晶頂部微熔后開動提拉機(jī)構(gòu)，經(jīng)過縮頸、放 肩、等徑等過程，即可得到由模具表面形狀所決定的藍(lán)寶石晶體。
[0006] 導(dǎo)模法主要特點(diǎn)：①能直接從熔體中生長出片絲、管、棒、板等晶體，而且晶體生 長速度快，尺寸可精確控制，大大簡化了晶體加工程序，節(jié)省了材料、時(shí)間和能源。②采用提 拉法單晶爐，將特制模具放入熔體中，要求模具頂部截面與擬生長的晶體截面形狀相同。但 導(dǎo)模法存在的主要問題是技術(shù)難度大，不易推廣。
[0007] 如圖1和圖2所示，圖1為現(xiàn)有技術(shù)晶體的位錯(cuò)圖；位錯(cuò)密度表征晶體內(nèi)部位錯(cuò)數(shù) 量的多少，直觀的表現(xiàn)晶體質(zhì)量，位錯(cuò)密度往往能反應(yīng)晶體質(zhì)量的好壞，位錯(cuò)坑的多少反應(yīng) 了位錯(cuò)密度的數(shù)值。圖1是在測量方法為藍(lán)寶石晶體經(jīng)拋光后用熔融Κ0Η在390攝氏度下 腐蝕18分鐘，在光學(xué)顯微鏡下放大400倍得到的圖。由圖1可以看出，晶體內(nèi)部的位錯(cuò)數(shù) 量還是比較多的。圖2為現(xiàn)有技術(shù)的模具的示意圖；對于角度為90°的模具，由于端口直 徑與生長縫的通孔直徑相同，結(jié)晶現(xiàn)象嚴(yán)重，致使氣泡和雜質(zhì)易于在藍(lán)寶石晶體中留存；
[0008] 對模具的制備十分嚴(yán)格，生長過程中常由于固液界面處出現(xiàn)溫度過冷，形成氣孔、 晶粒間界等，很難得到大尺寸、光學(xué)級質(zhì)量的藍(lán)寶石。生長得到的晶體常常出現(xiàn)應(yīng)力開裂、 氣泡等質(zhì)量問題，尤其是在生長初端及生長結(jié)束、關(guān)火或冷卻過程中發(fā)生，從而降低了片狀 藍(lán)寶石晶體成品率。片狀藍(lán)寶石晶體生長過程中，若操作不當(dāng)，晶體生長溫場不合理，或固 液界面不穩(wěn)定，晶體內(nèi)部將產(chǎn)生位錯(cuò)，同時(shí)，生長的無位錯(cuò)晶體受到熱沖擊，其熱應(yīng)力往往 超過藍(lán)寶石的臨界應(yīng)力。宏觀形貌顯示晶體中存在橫向裂紋，貫穿整個(gè)晶體，表明生長環(huán)境 中存在沿生長方向的較大內(nèi)應(yīng)力；這往往會引起藍(lán)寶石晶體開裂。
[0009] 目前缺乏一種無裂紋現(xiàn)象的導(dǎo)模法生長無裂紋藍(lán)寶石晶體的制備方法。


【發(fā)明內(nèi)容】

[0010] 本發(fā)明所要解決的技術(shù)問題是提供一種無裂紋現(xiàn)象的導(dǎo)模法生長無裂紋藍(lán)寶石 晶體的制備方法。
[0011] 為了實(shí)現(xiàn)上述目的，本發(fā)明采用的技術(shù)方案是：一種導(dǎo)模法生長無裂紋藍(lán)寶石晶 體的制備方法，包括以下步驟：
[0012] ⑴原料處理
[0013] 將藍(lán)寶石碎料A1203用濃鹽酸浸泡24h以上，放入去離子水中將其沖至中性，然后 放至超聲清洗機(jī)里進(jìn)行清洗，烘干，封存好備用；
[0014] ⑵原料裝爐
[0015] 將處理過的藍(lán)寶石碎料放入帶有模具的坩堝內(nèi)，且坩堝置于晶體爐內(nèi)，完成裝 爐；
[0016] ⑶晶體爐充氣
[0017] 啟動真空泵，排出晶體爐內(nèi)空氣，真空度達(dá)到2_4Pa以下時(shí)，向晶體爐內(nèi)充入氬 氣，保持l〇_15min后將晶體爐再次抽真空，待晶體爐內(nèi)真空達(dá)到1 X l(T4Pa時(shí)，再次充入氬 氣至晶體爐內(nèi)氣壓為〇. 1-0. 12MPa ;
[0018] ⑷升溫化料
[0019] 將晶體爐內(nèi)溫度升高至晶體熔點(diǎn)以上10-20°C時(shí)開始化料，繼續(xù)升溫達(dá)到熔點(diǎn)以 上30-50°C保持溫度恒定，直至化料結(jié)束，化料完成后保溫4-5h ;
[0020] (5)引晶
[0021] 藍(lán)寶石單晶作為籽晶，搖下籽晶桿，距模具口 3-4mm處預(yù)熱籽晶；10-15min后開始 引晶，引晶過程升高溫度2-4°C，直到籽晶與模具頂部熔體互熔為一體后，停止引晶；
[0022] (6)縮頸
[0023] 晶體爐內(nèi)溫度升高3_7°C實(shí)現(xiàn)籽晶縮頸，逐步去除掉晶體非軸向的位錯(cuò)；
[0024] (7)擴(kuò)肩
[0025] 縮頸后進(jìn)行擴(kuò)肩生長，開始緩慢降溫過程，控制溫度降低至15_25°C，擴(kuò)肩角為 45-60。；
[0026] ⑶等徑生長
[0027] 等徑生長時(shí)，溫度提高3_8°C ;提拉速度由慢而快，晶體開始等徑生長時(shí)，控制晶體 生長速度為5-10mm/h，待晶體長度增長至70-80_時(shí)，將提拉速度提高為15-25mm/h ;
[0028] (9)退火冷卻
[0029] 晶體生長完成后，緩慢降低晶體爐內(nèi)溫度，在晶體爐內(nèi)溫度為1850-1900°C時(shí)，維 持3-6h進(jìn)行退火，控制降溫速度為70-80°C /h，溫度降至室溫，靜置3-5h后，獲得無裂紋的 厚度為30-33mm的藍(lán)寶石晶體。
[0030] 進(jìn)一步地，在步驟（2)中，所述模具和坩堝均為鑰制材料。
[0031] 進(jìn)一步地，在步驟（2)中，所述坩堝包括坩堝堝體和坩堝蓋，所述坩堝堝體為圓柱 形堝體，所述圓柱形堝體的內(nèi)徑為190_，高度為30_ ;所述坩堝蓋上設(shè)置有模具孔，所述 模具設(shè)置在模具孔中。
[0032] 更進(jìn)一步地，步驟（2)中，所述模具上設(shè)置有生長縫的通孔，所述模具的端口直徑 大于通孔直徑，所述模具上設(shè)置有喇叭形開口，所述模具的喇叭形開口的傾斜面與水平面 的夾角為40-50°。
[0033] 進(jìn)一步地，在步驟（3)中，所述氬氣的純度為99. 99%以上。
[0034] 進(jìn)一步地，在步驟（1)中，使用保鮮膜進(jìn)行封存。
[0035] 有益效果：本發(fā)明采用導(dǎo)模法，生長出厚度比一般現(xiàn)有技術(shù)更厚，厚度為30_33mm 的無裂紋的藍(lán)寶石晶體。為了防止整根晶體的炸裂，籽晶的引晶及擴(kuò)肩階段的溫度不可過 低。使生長的藍(lán)寶石晶體無氣泡和生長條紋，藍(lán)寶石晶體無開裂現(xiàn)象，提高了藍(lán)寶石晶體的 利用率，同時(shí)在質(zhì)量和使用性能上有顯著提升。本發(fā)明具有如下優(yōu)點(diǎn)：
[0036] (1)本發(fā)明所獲得的藍(lán)寶石晶體為超厚片狀藍(lán)寶石單晶，具有規(guī)整平坦的外觀，在 氦氖激光器的觀察下無氣泡，藍(lán)寶石晶體無宏觀裂紋，且藍(lán)寶石晶體透明度較高。
[0037] (2)藍(lán)寶石晶體內(nèi)部應(yīng)力較少，且分布均勻，生長質(zhì)量較好。

【專利附圖】

【附圖說明】
[0038] 為了易于說明，本發(fā)明由下述的具體實(shí)施例及附圖作以詳細(xì)描述；
[0039] 圖1為現(xiàn)有技術(shù)晶體的位錯(cuò)圖；
[0040] 圖2為現(xiàn)有技術(shù)的模具的示意圖；
[0041] 圖3為本發(fā)明的工藝流程圖；
[0042] 圖4為本發(fā)明的藍(lán)寶石晶體的衍射圖；
[0043] 圖5為本發(fā)明晶體的位錯(cuò)圖；
[0044] 圖6是本發(fā)明的模具的示意圖。

【具體實(shí)施方式】
[0045] 下面結(jié)合附圖下面將通過具體實(shí)施例對本發(fā)明做進(jìn)一步的具體描述，但不能理解 為是對本發(fā)明保護(hù)范圍的限定。
[0046] 如圖3至圖6所示，圖3為本發(fā)明的工藝流程圖；圖4為將藍(lán)寶石晶體切出 25mmX25mmX0. 7mm薄片經(jīng)機(jī)械化學(xué)拋光后，在應(yīng)力儀下觀察藍(lán)寶石晶體的衍射圖。若是 衍射花樣的中央亮斑不處于花樣中央，而是發(fā)生了偏離說明晶體中存在殘余應(yīng)力，導(dǎo)致晶 體中心光軸發(fā)生了扭曲。其次若衍射花樣的環(huán)形圖案不均勻分布，而是出現(xiàn)扭曲現(xiàn)象，那么 環(huán)形扭曲的位置即晶體中應(yīng)力分布位置。由圖4可以看出：藍(lán)寶石晶體的衍射花樣比較均 勻，中央亮斑幾乎無偏移，環(huán)形花樣畸變很少，說明晶體內(nèi)部應(yīng)力分布很均勻，生長質(zhì)量較 好，內(nèi)部存在微量應(yīng)力。
[0047] 圖5為本發(fā)明的位錯(cuò)圖，位錯(cuò)密度表征晶體內(nèi)部位錯(cuò)數(shù)量的多少，直觀的表現(xiàn)晶 體質(zhì)量，測量方法為本發(fā)明的藍(lán)寶石晶體經(jīng)拋光后用熔融Κ0Η在390攝氏度下腐蝕18分 鐘，在光學(xué)顯微鏡下放大400倍得到的圖。圖5中的位錯(cuò)密度比現(xiàn)有技術(shù)的位錯(cuò)數(shù)量要少， 可以看出相對于現(xiàn)有技術(shù)，本發(fā)明的藍(lán)寶石晶體的質(zhì)量更好。
[0048] 圖6為本發(fā)明的模具的示意圖；對于角度為45°的模具，喇叭狀開口穩(wěn)定了生長 縫的通孔，降低了生長縫的通孔被熔體填充的可能，易于氣泡的排除。由于模具頂端的應(yīng)力 小于前者，晶體出現(xiàn)裂紋的幾率降低。
[0049] 本發(fā)明的一種導(dǎo)模法生長無裂紋藍(lán)寶石晶體的制備方法，包括以下步驟：
[0050] (1)原料處理
[0051] 將藍(lán)寶石碎料A1203用濃鹽酸浸泡24h以上，放入去離子水中將其沖至中性，然后 放至超聲清洗機(jī)里進(jìn)行清洗，烘干，使用保鮮膜進(jìn)行封存好備用；
[0052] (2)原料裝爐
[0053] 檢查晶體爐內(nèi)有無雜質(zhì)或異物，用鹽酸擦拭晶體爐內(nèi)，保證晶體爐內(nèi)清潔；將處理 過的藍(lán)寶石碎料放入帶有模具的坩堝內(nèi)，且坩堝置于晶體爐內(nèi)，完成裝爐；所述模具和坩堝 均為鑰制材料。所述坩堝包括坩堝堝體和坩堝蓋，所述坩堝堝體為圓柱形堝體，所述坩堝蓋 上設(shè)置有模具孔，所述藍(lán)寶石晶片生長模具設(shè)置在模具孔中；所述模具上設(shè)置有生長縫的 通孔，所述模具的端口直徑大于通孔直徑，所述模具上設(shè)置有喇叭形開口，所述模具的喇叭 形開口的傾斜面與水平面的夾角為40-50° ;
[0054] ⑶晶體爐充氣
[0055] 啟動真空泵，排出晶體爐內(nèi)空氣，真空度達(dá)到2_4Pa以下時(shí)，向晶體爐內(nèi)充入氬 氣，保持l〇_15min后將晶體爐再次抽真空，待晶體爐內(nèi)真空達(dá)到1 X l(T4Pa時(shí)，再次充入氬 氣至晶體爐內(nèi)氣壓為0. 1-0. 12MPa ;充入氬氣是為了防止高溫環(huán)境下鑰制模具及坩堝發(fā)生 氧化作用，同時(shí)對晶體的生長起保護(hù)作用。所述氬氣的純度為99. 99%以上。
[0056] ⑷升溫化料
[0057] 將晶體爐內(nèi)溫度升高至晶體熔點(diǎn)以上10-20°C時(shí)開始化料，繼續(xù)升溫達(dá)到熔點(diǎn)以 上30-50°C保持溫度恒定，直至化料結(jié)束，化料完成后保溫4_5h ;藍(lán)寶石碎料完全熔化后， 需要保溫一段時(shí)間是為了使?fàn)t內(nèi)溫度達(dá)到均勻，同時(shí)盡可能的排出熔體中的氣孔。
[0058] (5)引晶
[0059] 藍(lán)寶石單晶作為籽晶，搖下籽晶桿，距模具口 3-4mm處預(yù)熱籽晶；10-15min后開始 引晶，引晶過程升高溫度2-4°C，直到籽晶與模具頂部熔體互熔為一體后，停止引晶；
[0060] (6)縮頸
[0061] 晶體爐內(nèi)溫度升高3_7°C實(shí)現(xiàn)籽晶縮頸，逐步去除掉晶體非軸向的位錯(cuò)；
[0062] (7)擴(kuò)肩
[0063] 縮頸后進(jìn)行擴(kuò)肩生長，開始緩慢降溫過程，控制溫度降低至15_25°C，擴(kuò)肩角為 45-60。；
[0064] (8)等徑生長
[0065] 等徑生長時(shí)，溫度提高3_8°C ;提拉速度由慢而快，晶體開始等徑生長時(shí)，控制晶體 生長速度為5-10mm/h，待晶體長度增長至70-80_時(shí)，將提拉速度提高為15-25mm/h ;
[0066] (9)退火冷卻
[0067] 晶體生長完成后，緩慢降低晶體爐內(nèi)溫度，在晶體爐內(nèi)溫度為1850-1900°C時(shí)，維 持3-6h進(jìn)行退火，控制降溫速度為70-80°C /h，溫度降至室溫，靜置3-5h后，獲得無裂紋的 厚度為30-33mm的藍(lán)寶石晶體。
[0068] 本發(fā)明采用導(dǎo)模法，生長出厚度比一般現(xiàn)有技術(shù)更厚，厚度為30_33mm的無裂紋 的藍(lán)寶石晶體。為了防止整根晶體的炸裂，籽晶的引晶及擴(kuò)肩階段的溫度不可過低。使生 長的藍(lán)寶石晶體無氣泡和生長條紋，藍(lán)寶石晶體無開裂現(xiàn)象，提高了藍(lán)寶石晶體的利用率， 同時(shí)在質(zhì)量和使用性能上有顯著提升。本發(fā)明具有如下優(yōu)點(diǎn)：
[0069] (1)本發(fā)明所獲得的藍(lán)寶石晶體為超厚片狀藍(lán)寶石單晶，具有規(guī)整平坦的外觀，在 氦氖激光器的觀察下無氣泡，藍(lán)寶石晶體無宏觀裂紋，且藍(lán)寶石晶體透明度較高。
[0070] (2)藍(lán)寶石晶體內(nèi)部應(yīng)力較少，且分布均勻，生長質(zhì)量較好。
[0071] 實(shí)施例1
[0072] 如圖3至圖6所示，本發(fā)明的導(dǎo)模法生長無裂紋藍(lán)寶石晶體的制備方法，具體包括 以下步驟：
[0073] (1)原料處理
[0074] 原料用濃鹽酸浸泡24h以上，放入去離子水中沖至中性，然后放至超聲清洗機(jī)里 清洗，烘干，用保鮮膜封存好備用；
[0075] (2)原料裝爐
[0076] 檢查晶體爐內(nèi)有無雜質(zhì)或異物，用鹽酸擦拭爐腔，保證晶體爐內(nèi)清潔。將處理過的 藍(lán)寶石原料放入帶有模具的坩堝內(nèi)，且坩堝置于晶體爐內(nèi)，完成裝爐；
[0077] ⑶晶體爐充氣
[0078] 啟動真空泵，排出晶體爐內(nèi)空氣，真空度達(dá)到3Pa以下時(shí)，向爐腔內(nèi)充入氬氣，保 持15min后將晶體爐再次抽真空，待晶體爐內(nèi)真空達(dá)到1 X l(T4Pa時(shí)，再次充入氬氣至晶體 爐內(nèi)氣壓為〇. IMPa ;
[0079] ⑷升溫化料
[0080] 將晶體爐內(nèi)溫度升高至晶體熔點(diǎn)以上15°c時(shí)開始化料，繼續(xù)升溫達(dá)到熔點(diǎn)以上 40°C保持溫恒定，直至化料結(jié)束，化料完成后保溫5h ;
[0081] (5)引晶
[0082] 藍(lán)寶石單晶作為籽晶，搖下籽晶桿，距模具口 4mm處預(yù)熱籽晶。15min后開始引晶， 引晶過程升高溫度：TC，保持15min，直到籽晶與模具頂部熔體互熔為一體后，停止引晶；
[0083] (6)縮頸
[0084] 晶體爐內(nèi)溫度升高5°C實(shí)現(xiàn)籽晶縮頸，逐步去除掉晶體非軸向的位錯(cuò)；
[0085] (7)擴(kuò)肩
[0086] 縮頸后進(jìn)行擴(kuò)肩生長，開始緩慢降溫過程，控制溫度降低為20°C，擴(kuò)肩角為50° ;
[0087] ⑶等徑生長
[0088] 等徑生長時(shí)，溫度稍微提高5°C。提拉速度由慢而快，晶體開始等徑生長時(shí)，控制晶 體生長速度為8mm/h，待晶體長度增長至80mm后，提高提拉速度為20mm/h ;
[0089] (9)退火冷卻
[0090] 晶體生長完成后，緩慢降低爐內(nèi)溫度，在爐內(nèi)溫度為1880°C時(shí)，維持5h進(jìn)行退火， 控制降溫速度為70°C /h，溫度降至室溫，靜置4h后取出藍(lán)寶石晶體。
[0091] 實(shí)施例2
[0092] 如圖3至圖6所示，本發(fā)明的導(dǎo)模法生長無裂紋藍(lán)寶石晶體的制備方法，具體包括 以下步驟：
[0093] (1)原料處理
[0094] 原料用濃鹽酸浸泡24h以上，放入去離子水中沖至中性，然后放至超聲清洗機(jī)里 清洗，烘干，用保鮮膜封存好備用。
[0095] (2)原料裝爐
[0096] 檢查晶體爐內(nèi)有無雜質(zhì)或異物，用鹽酸擦拭爐腔，保證晶體爐內(nèi)清潔。將處理過的 藍(lán)寶石原料放入帶有模具的坩堝內(nèi)，且坩堝置于晶體爐內(nèi)，完成裝爐。
[0097] (3)晶體爐充氣
[0098] 啟動真空泵，排出爐內(nèi)空氣，真空度達(dá)到2Pa以下時(shí)，向爐腔內(nèi)充入氬氣，保持 lOmin后將晶體爐再次抽真空，待晶體爐內(nèi)真空達(dá)到1 X l(T4Pa時(shí)，再次充入氬氣至晶體爐 內(nèi)氣壓為0. IMPa。
[0099] ⑷升溫化料
[0100] 將晶體爐內(nèi)溫度升高至晶體熔點(diǎn)以上10°C時(shí)開始化料，繼續(xù)升溫達(dá)到熔點(diǎn)以上 30°C保持溫恒定，直至化料結(jié)束，化料完成后保溫4h。
[0101] (5)引晶
[0102] 藍(lán)寶石單晶作為籽晶，搖下籽晶桿，距模具口 3mm處預(yù)熱籽晶。lOmin后開始引晶， 引晶過程升高溫度2°C，保持lOmin，直到籽晶與模具頂部熔體互熔為一體后，停止引晶。
[0103] (6)縮頸
[0104] 晶體爐內(nèi)溫度升高:TC實(shí)現(xiàn)籽晶縮頸，逐步去除掉晶體非軸向的位錯(cuò)。
[0105] ⑵擴(kuò)肩
[0106] 縮頸后進(jìn)行擴(kuò)肩生長，開始緩慢降溫過程，控制溫度降低為15°C，擴(kuò)肩角為45°。
[0107] (8)等徑生長
[0108] 等徑生長時(shí)，溫度稍微提高:TC。提拉速度由慢而快，晶體開始等徑生長時(shí)，控制晶 體生長速度為l〇mm/h，待晶體長度增長至70mm后，提高提拉速度為25mm/h。
[0109] (9)退火冷卻
[0110] 晶體生長完成后，緩慢降低晶體爐內(nèi)溫度，在晶體爐內(nèi)溫度為1850°C時(shí)，維持3h 進(jìn)行退火，控制降溫速度為80°C /h，溫度降至室溫，靜置3h后取出藍(lán)寶石晶體。
[0111] 實(shí)施例3
[0112] 如圖3至圖6所示，本發(fā)明的導(dǎo)模法生長無裂紋藍(lán)寶石晶體的制備方法，具體包括 以下步驟：
[0113] (1)原料處理
[0114] 原料用濃鹽酸浸泡24h以上，放入去離子水中沖至中性，然后放至超聲清洗機(jī)里 清洗，烘干，用保鮮膜封存好備用。
[0115] ⑵原料裝爐
[0116] 檢查晶體爐內(nèi)有無雜質(zhì)或異物，用鹽酸擦拭爐腔，保證晶體爐內(nèi)清潔。將處理過的 藍(lán)寶石原料放入帶有模具的坩堝內(nèi)，且坩堝置于晶體爐內(nèi)，完成裝爐；
[0117] ⑶晶體爐充氣
[0118] 啟動真空泵，排出爐內(nèi)空氣，真空度達(dá)到2Pa以下時(shí)，向爐腔內(nèi)充入氬氣，保持 15min后將晶體爐再次抽真空，待晶體爐內(nèi)真空達(dá)到1 X l(T4Pa時(shí)，再次充入氬氣至晶體爐 內(nèi)氣壓為0. 12MPa ;
[0119] (4)升溫化料
[0120] 將晶體爐內(nèi)溫度升高至晶體熔點(diǎn)以上20°C時(shí)開始化料，繼續(xù)升溫達(dá)到熔點(diǎn)以上 50°C保持溫恒定，直至化料結(jié)束，化料完成后保溫5h;目的除了要使晶體爐內(nèi)溫度達(dá)到均 勻以外，要盡可能的排出熔體中的氣孔；
[0121] (5)引晶
[0122] 藍(lán)寶石單晶作為籽晶，搖下籽晶桿，距模具口 3mm處預(yù)熱籽晶；12min后開始引晶， 引晶過程升高溫度4°C，保持15min，直到籽晶與模具頂部熔體互熔為一體后，停止引晶；
[0123] (6)縮頸
[0124] 晶體爐內(nèi)溫度升高7°C實(shí)現(xiàn)籽晶縮頸，逐步去除掉晶體非軸向的位錯(cuò)；
[0125] (7)擴(kuò)肩
[0126] 縮頸后進(jìn)行擴(kuò)肩生長，開始緩慢降溫過程，控制溫度降低為25°C，擴(kuò)肩角為60° ;
[0127] (8)等徑生長
[0128] 等徑生長時(shí)，溫度稍微提高3_8°C。提拉速度由慢而快，晶體開始等徑生長時(shí)，控制 晶體生長速度為l〇mm/h，待晶體長度增長至70mm后，提高提拉速度為25mm/h ;
[0129] (9)退火冷卻
[0130] 晶體生長完成后，緩慢降低晶體爐內(nèi)溫度，在晶體爐內(nèi)溫度為1900°C時(shí)，維持6h 進(jìn)行退火，控制降溫速度為75°C /h，溫度降至室溫，靜置3h后取出藍(lán)寶石晶體。
[0131] 以上顯示和描述了本發(fā)明的基本原理、主要特征和本發(fā)明的優(yōu)點(diǎn)。本行業(yè)的技術(shù) 人員應(yīng)該了解，本發(fā)明不受上述實(shí)施例的限制，上述實(shí)施例和說明書中描述的只是說明本 發(fā)明的原理，在不脫離本發(fā)明精神和范圍的前提下，本發(fā)明還會有各種變化和改進(jìn)，本發(fā)明 要求保護(hù)范圍由所附的權(quán)利要求書、說明書及其等效物界定。
【權(quán)利要求】
1. 一種導(dǎo)模法生長無裂紋藍(lán)寶石晶體的制備方法，其特征在于包括以下步驟： (1) 原料處理 將藍(lán)寶石碎料A1203用濃鹽酸浸泡24h以上，放入去離子水中將其沖至中性，然后放至 超聲清洗機(jī)里進(jìn)行清洗，烘干，封存好備用； (2) 原料裝爐 將處理過的藍(lán)寶石碎料放入帶有模具的坩堝內(nèi)，且坩堝置于晶體爐內(nèi)，完成裝爐； (3) 晶體爐充氣 啟動真空泵，排出晶體爐內(nèi)空氣，真空度達(dá)到2-4Pa以下時(shí)，向晶體爐內(nèi)充入氬氣，保 持10-15min后將晶體爐再次抽真空，待晶體爐內(nèi)真空達(dá)到1 X l(T4Pa時(shí)，再次充入氬氣至 晶體爐內(nèi)氣壓為〇. 1-0. 12MPa ; (4) 升溫化料 將晶體爐內(nèi)溫度升高至晶體熔點(diǎn)以上l〇_2〇°C時(shí)開始化料，繼續(xù)升溫達(dá)到熔點(diǎn)以上 30-50°C保持溫度恒定，直至化料結(jié)束，化料完成后保溫4-5h ; (5) 引晶 藍(lán)寶石單晶作為籽晶，搖下籽晶桿，距模具口 3-4_處預(yù)熱籽晶；10-15min后開始引 晶，引晶過程升高溫度2-4°C，直到籽晶與模具頂部熔體互熔為一體后，停止引晶； ￠)縮頸 晶體爐內(nèi)溫度升高3-7°C實(shí)現(xiàn)籽晶縮頸，逐步去除掉晶體非軸向的位錯(cuò)； (7) 擴(kuò)肩 縮頸后進(jìn)行擴(kuò)肩生長，開始緩慢降溫過程，控制溫度降低至15-25 °C，擴(kuò)肩角為 45-60。； (8) 等徑生長 等徑生長時(shí)，溫度提高3-8°C ;提拉速度由慢而快，晶體開始等徑生長時(shí)，控制晶體生長 速度為5-10mm/h，待晶體長度增長至70-80mm時(shí)，將提拉速度提高為15-25mm/h ; (9) 退火冷卻 晶體生長完成后，緩慢降低晶體爐內(nèi)溫度，在晶體爐內(nèi)溫度為1850-1900°C時(shí)，維持 3-6h進(jìn)行退火，控制降溫速度為70-80°C /h，溫度降至室溫，靜置3-5h后，獲得無裂紋的厚 度為30-33mm的藍(lán)寶石晶體。
2. 根據(jù)權(quán)利要求1所述的導(dǎo)模法生長無裂紋藍(lán)寶石晶體的制備方法，其特征在于：在 步驟（2)中，所述模具和坩堝均為鑰制材料。
3. 根據(jù)權(quán)利要求2所述的導(dǎo)模法生長無裂紋藍(lán)寶石晶體的制備方法，其特征在于：在 步驟（2)中，所述坩堝包括坩堝堝體和坩堝蓋，所述坩堝堝體為圓柱形堝體，所述圓柱形堝 體的內(nèi)徑為190_，高度為30_ ;所述坩堝蓋上設(shè)置有模具孔，所述模具設(shè)置在模具孔中。
4. 根據(jù)權(quán)利要求3所述的導(dǎo)模法生長無裂紋藍(lán)寶石晶體的制備方法，其特征在于：步 驟（2)中，所述模具上設(shè)置有生長縫的通孔，所述模具的端口直徑大于通孔直徑，所述模具 上設(shè)置有喇叭形開口，所述模具的喇叭形開口的傾斜面與水平面的夾角為40-50°。
5. 根據(jù)權(quán)利要求4所述的導(dǎo)模法生長無裂紋藍(lán)寶石晶體的制備方法，其特征在于：在 步驟（3)中，所述氬氣的純度為99. 99 %以上。
6. 根據(jù)權(quán)利要求5所述的導(dǎo)模法生長無裂紋藍(lán)寶石晶體的制備方法，其特征在于：在 步驟（1)中，使用保鮮膜進(jìn)行封存。
【文檔編號】C30B29/20GK104047049SQ201410307803
【公開日】2014年9月17日 申請日期:2014年6月30日 優(yōu)先權(quán)日:2014年6月30日
【發(fā)明者】姚正軍, 吳小鳳, 羅西希, 徐尚君, 楊紅勤, 林玉劃, 張澤磊 申請人:南京航空航天大學(xué)