用於藍寶石單晶的高純高密氧化鋁塊體原料的生產方法

2023-06-15 18:46:41

專利名稱：用於藍寶石單晶的高純高密氧化鋁塊體原料的生產方法
技術領域：
本發明是用於藍寶石單晶的高純高密氧化鋁塊體原料的生產方法，特別是作為大 尺寸藍寶石單晶生長用原料的高純度高密度氧化鋁塊體的生產方法。
背景技術：
藍寶石晶體具有優異的光學性能、機械性能和化學穩定性，強度高、硬度大、耐衝 刷，可在接近2000°C高溫的惡劣條件下工作，因而被廣泛地應用於紅外軍事裝置、衛星空間 技術、高強度雷射的窗口材料。其獨特的晶格結構、優異的力學性能、良好的熱學性能，使藍 寶石晶體成為實際應用的半導體GaN/A1203發光二極體(LED)，大規模集成電路及超導納 米結構薄膜等元器件最為理想的襯底材料。用於生長大尺寸藍寶石晶體的原料一般為純度99. 995%以上的高純氧化鋁微粉 或高密度塊體料。製備大尺寸藍寶石單晶料時，由於其原料一一微粉狀氧化鋁的體積密度 一般小於lg/cm3，單爐裝填量太小，不利於單晶生產成本的降低。為提高單爐藍寶石晶體的 產量，必須使氧化鋁具有更大的堆積密度，目前廣泛採用的方法有兩種其一是將高純氧化 鋁微粉壓成高密度坯體，再燒結收縮，使其進一步緻密化；其二是先用熔焰法將氧化鋁微粉 製成藍寶石碎晶後再裝填。以上兩種方法都存在不足在壓坯燒結法中，其坯料密度仍然不 夠高，並且在壓坯和燒結過程中容易使氧化鋁微粉受到二次汙染；而熔焰法製備藍寶石碎 晶的方法卻存在成本較高，生產效率低下的缺陷。採用熔焰法製備藍寶石碎晶時，生長一隻 藍寶石梨晶棒需要花費數小時，且每個爐頭每次只能生長出一隻數百克重的梨晶棒。

發明內容
針對上述現有氧化鋁單晶料製備技術中存在的純度較低和效率低下的問題，本發 明目的在於提供一種高效、低成本的用於藍寶石單晶的高純高密氧化鋁塊體原料的生產方 法。為達至上述發明目的，本發明開發出一種用於藍寶石單晶的高純高密氧化鋁塊體 原料的生產方法，它包括以下順序工藝步驟
①在銅管制成的冷坩堝內裝入厚度80 IOOmm的氧化鋁碎晶塊，再於該碎晶塊上鋪 蓋一層厚度90 IlOmm的氧化鋁微粉。之後，
②將數量為4 18根的石墨電極條以相互平行的狀態固定並水平地擺放於步驟①得 到的氧化鋁微粉層上，然後再用厚度為20 30mm的氧化鋁微粉覆蓋該石墨電極條。隨即，
③接通冷坩堝的循環冷卻水系統，使其中的循環冷卻水保持在循環流動狀態。跟著，
④接通冷坩堝外環繞的感應線圈的高頻感應電源，調整電壓，直至石墨電極條之間產 生高溫電弧放電產生3000°C的高溫，熔化石墨電極條附近的氧化鋁微粉使其逐漸形成一個 小熔池。接著，
⑤將後續氧化鋁微粉投入到步驟④產生的小熔池中，直至後續投入的氧化鋁微粉全 部熔化。隨後，
4⑥待所有原料熔化後，啟動冷坩堝的下降裝置，直至感應線圈沿鉛垂向最下端的一圈 脫離冷坩堝內的小熔池液面。其後，
⑦保持步驟③使用的循環冷卻水繼續處於循環流動狀態，直至冷坩堝內的熔體完全 凝固並冷卻至接近室溫。最後，
⑧卸出冷坩堝內的熔體，將其打碎後剔除石墨電極條，即可得到用於生長大尺寸藍寶 石單晶的高純高密氧化鋁塊體原料。該氧化鋁塊體原料為柱狀或針狀小單晶簇。前述氧化鋁塊體原料的生產方法，在其步驟②中，相鄰兩根石墨電極條之間的距 離為10 100mm。前述氧化鋁塊體原料的生產方法，其步驟⑥中使用的下降裝置的下降速度為5 20mm/小時。前述氧化鋁塊體原料的生產方法，其步驟④中使用的高頻感應電源的頻率為 600 1200KHz。前述氧化鋁塊體原料的生產方法，在其步驟②中，石墨電極條被整體埋沒於覆蓋 於其上的氧化鋁微粉中。本發明開發出的另一種用於藍寶石單晶的高純高密氧化鋁塊體原料的生產方法 也適用於上述發明目的，它包括以下順序工藝步驟
①在銅管制成的冷坩堝內裝入厚度80 IOOmm的氧化鋁碎晶塊，再於該碎晶塊上鋪 蓋一層厚度90 IlOmm的氧化鋁微粉。其後，
②將數量為4 18根的石墨電極條以相互平行的狀態固定並水平地擺放於步驟①得 到的氧化鋁微粉層上。相鄰兩根石墨電極條之間的距離保持在10 100mm。然後再用厚度 為20 30mm的氧化鋁微粉覆蓋石墨電極條。這些石墨電極條被整體埋沒於覆蓋於其上的 氧化鋁微粉中。之後，
③接通冷坩堝的循環冷卻水系統，使其中的循環冷卻水保持在循環流動狀態。跟著，
④接通冷坩堝外環繞的感應線圈的高頻感應電源，該高頻感應電源的頻率為600 1200KHZ。再後，調整高頻感應電源的電壓，直至石墨電極條之間產生高溫電弧放電產生 3000°C的高溫，熔化石墨電極條附近的氧化鋁微粉使其逐漸形成一個小熔池。隨即，
⑤將後續氧化鋁微粉投入到步驟④產生的小熔池中，直至後續投入的氧化鋁微粉全 部熔化。接著，
⑥待所有原料熔化後，啟動感應線圈的上升裝置，直至感應線圈沿鉛垂向最下端的一 圈脫離冷坩堝內的小熔池液面。上升裝置的上升速度保持在5 20mm/小時。隨後，
⑦保持步驟③使用的循環冷卻水處於循環流動狀態，直至冷坩堝內的熔體完全凝固 並冷卻至接近室溫。最後，
⑧卸出冷坩堝內的熔體，將其打碎後剔除石墨電極條，即可得到用於生長大尺寸藍寶 石單晶的高純高密氧化鋁塊體原料。該氧化鋁塊體原料為柱狀或針狀小單晶簇。針對現有氧化鋁單晶料製備技術中存在的純度較低和效率低下問題，本發明提出 的高純高密氧化鋁塊體原料生產方法，利用高頻感應電源作為加熱電源，使冷坩堝內的氧 化鋁微粉原料熔融後形成一個熔池，再結合使冷坩堝同感應線圈相互緩慢分離的升降法拉 單晶工藝，使熔池內的氧化鋁發生多晶核結晶，最終獲得細小的柱狀或針狀氧化鋁小晶體。 該方法用於生產高純高密氧化鋁塊體料，單位電耗低，易實現大批量生產，單爐產量可設計為0. 1 5噸。與用焰融法生產的高純高密氧化鋁碎晶體料方法相比，生產成本低，產率高， 適於大規模生產，可以滿足高速增長的藍寶石單晶原料需求。另一方面，該方法中，氧化鋁 晶體料的結晶過程同時也是一個排除原料微粉中所含雜質元素的「純化」過程由於晶體的 結晶是從冷坩堝底部及周邊開始的，隨著結晶過程的進行，原料中的雜質元素逐漸富集在 體積越來越小的中心熔池內，結晶完成後，高雜質區結晶成一個以苞狀晶為主的「核芯區」， 與周圍以柱狀晶為主的高純度區有明顯邊界，出料後只須敲去這部分雜質含量較高的「核 芯區」，就可得到柱狀晶或針狀晶形態的高純高密氧化鋁塊體料。這些結晶態塊體料比起結 晶之前的微粉狀態，除了堆積密度大幅提高外，其純度品質也更佳。
具體實施例方式下面，通過實施例更為詳細的描述本發明。然而，下面實施例僅用於理解本發明， 它們不構成對本發明權利要求保護範圍的限制。實施例一
首先，在銅管制成的冷坩堝內裝入厚度80mm純度為4N的氧化鋁碎晶塊，再於該碎晶塊 上鋪蓋一層厚度90mm純度為4N的氧化鋁微粉。接著，將數量為4根，預設計並固定呈相互平行排布狀態的石墨電極條以水平狀 態擺放於氧化鋁微粉層上。然後再用厚度為20mm純度為4N的氧化鋁微粉覆蓋該石墨電極 條。氧化鋁微粉覆蓋該石墨電極條後，石墨電極條整體被埋沒於覆蓋於其上的氧化鋁微粉 中。隨即，接通冷坩堝的循環冷卻水，使冷卻水保持循環流動狀態。跟著，將環繞冷坩堝的感應線圈同高頻感應電源接通，設定高頻感應電源的頻 率數值為600KHZ，調整電壓數值至380V，直至石墨電極條之間產生高溫電弧放電，產生 3000°C左右的高溫，熔化其附近的氧化鋁微粉，熔融的氧化鋁逐漸形成一個小熔池。接下來，將500kg的氧化鋁微粉分十二次緩慢地投入到上一步驟得到的熔池中， 直至這些投入的氧化鋁微粉全部熔化。再後，待所有氧化鋁微粉原料熔化後，啟動冷坩堝的下降裝置，使冷坩堝以5mm/ 小時的速率勻速下降，直至感應線圈沿鉛垂方向最下端的一圈離開冷坩堝內的小熔池液 面，此時熔體已基本完成定向結晶。之後，繼續保持前幾個步驟中所使用的循環冷卻水處於循環流動狀態，直至水冷 坩堝內的熔體完全凝固並冷卻至接近室溫。最後，卸出冷坩堝內的熔體，將其打碎後剔除石墨電極條，即可得到用於生長大尺 寸藍寶石單晶的高純高密氧化鋁塊體料。所得高純高密氧化鋁塊體原料呈柱狀小單晶簇結構，其體密度為3. 7/cm3,堆積密 度為 2. 0/cm3，純度 >99. 997%。實施例二
首先，在銅管制成的水冷坩堝內裝入厚度IOOmm純度為4N的氧化鋁碎晶塊，再於該碎 晶塊上鋪蓋一層厚度80mm純度為4N的氧化鋁微粉。接著，將數量為18根，預設計並固定呈相互平行排布狀態的石墨電極條以水平狀 態擺放於氧化鋁微粉層上。然後再用厚度為30mm純度為4N的氧化鋁微粉覆蓋該石墨電極條。氧化鋁微粉覆蓋該石墨電極條後，石墨電極條整體被埋沒於覆蓋於其上的氧化鋁微粉 中。隨即，接通冷坩堝的循環冷卻水，使冷卻水保持循環流動狀態。跟著，將環繞冷坩堝的感應線圈的高頻感應電源接通，設定高頻感應電源的頻 率數值為1200KHZ，調整電壓數值至360V，直至石墨電極條之間產生高溫電弧放電，產生 3000°C左右的高溫，熔化其附近的氧化鋁微粉，熔融的氧化鋁逐漸形成一個小熔池。接下來，將5000kg的氧化鋁微粉分四十次緩慢地投入到上一步驟得到的熔池中， 直至這些投入的氧化鋁微粉全部熔化。加料過程中熔池不斷擴大。加料時，若發現熔池頂 部產生了封閉的熔殼，則使用一根氧化鋁陶瓷棒將頂端熔殼層敲破，露出中心的熔體後方 可繼續加料。再後，待所有氧化鋁微粉原料熔化後，啟動冷坩堝的下降裝置，使其以20mm/小時 的速率勻速下降，直至感應線圈沿鉛垂方向最下端的一圈離開冷坩堝內的熔池液面，此時 熔體已基本完成定向結晶。之後，繼續保持前幾個步驟中所使用的循環冷卻水處於循環流動狀態，直至水冷 坩堝內凝固的熔體冷卻至接近室溫。最後，卸出水冷坩堝內的熔體，將其打碎後剔除石墨電極條，即可得到用於生長大 尺寸藍寶石單晶的高純高密氧化鋁塊體原料。所得高純高密氧化鋁塊體原料呈柱狀小單晶簇結構，其體密度為3. 9/cm3,堆積密 度為 2. 2/cm3，純度 >99.998%。實施例三
在實施例一的基礎上，將啟動冷坩堝下降裝置的步驟替換成啟動感應線圈上升裝置的 操作方式即可。所得高純高密氧化鋁塊體原料呈柱狀小單晶簇結構，其體密度為3. 7/cm3, 堆積密度為2. 1/cm3，純度>99. 997%。
權利要求
用於藍寶石單晶的高純高密氧化鋁塊體原料的生產方法，包括以下順序工藝步驟① 在銅管制成的冷坩堝內裝入厚度80～100mm的氧化鋁碎晶塊，再於該碎晶塊上鋪蓋一層厚度90～110mm的氧化鋁微粉， ② 將數量為4～18根的石墨電極條以相互平行的狀態固定並水平地擺放於步驟①所述氧化鋁微粉層上，然後再用厚度為20～30mm的氧化鋁微粉覆蓋所述石墨電極條，③ 接通所述冷坩堝的循環冷卻水系統，使其中的循環冷卻水保持循環流動狀態，④ 接通所述冷坩堝外環繞的感應線圈的高頻感應電源，調整電壓，直至所述石墨電極條之間產生高溫電弧放電產生3000℃的高溫，熔化所述石墨電極條附近的氧化鋁微粉使其逐漸形成一個小熔池，⑤ 將後續氧化鋁微粉投入到步驟④所述小熔池中，直至其全部熔化，⑥ 待所有原料熔化後，啟動所述冷坩堝的下降裝置，直至所述感應線圈沿鉛垂向最下端的一圈脫離所述冷坩堝內的所述小熔池液面，⑦ 保持步驟③所述循環冷卻水處於循環流動狀態，直至所述冷坩堝內的熔體完全凝固並冷卻至接近室溫，⑧ 卸出所述冷坩堝內的熔體，將其打碎後剔除所述石墨電極條，即可得到用於生長大尺寸藍寶石單晶的高純高密氧化鋁塊體原料，該塊體原料為柱狀或針狀小單晶簇。
2.根據權利要求1所述氧化鋁塊體原料的生產方法，其特徵在於，在步驟②中，相鄰兩 根所述石墨電極條之間的距離為10 100mm。
3.根據權利要求1或2所述氧化鋁塊體原料的生產方法，其特徵在於，步驟⑥所述下降 裝置的下降速度為5 20mm/小時。
4.根據權利要求3所述氧化鋁塊體原料的生產方法，其特徵在於，步驟④所述高頻感 應電源的頻率為600 1200KHz。
5.根據權利要求4所述氧化鋁塊體原料的生產方法，其特徵在於，在步驟②中，所述石 墨電極條整體埋沒於覆蓋於其上的所述氧化鋁微粉中。
6.用於藍寶石單晶的高純高密氧化鋁塊體原料的生產方法，包括以下順序工藝步驟①在銅管制成的冷坩堝內裝入厚度80 IOOmm的氧化鋁碎晶塊，再於該碎晶塊上鋪 蓋一層厚度90 IlOmm的氧化鋁微粉，②將數量為4 18根的石墨電極條以相互平行的狀態固定並水平地擺放於步驟①所 述氧化鋁微粉層上，相鄰兩根所述石墨電極條之間的距離為10 100mm，然後再用厚度為 20 30mm的氧化鋁微粉覆蓋所述石墨電極條，所述石墨電極條整體埋沒於覆蓋於其上的 所述氧化鋁微粉中，③接通所述冷坩堝的循環冷卻水系統，使其中的循環冷卻水保持循環流動狀態，④接通所述冷坩堝外環繞的感應線圈的高頻感應電源，所述高頻感應電源的頻率為 600 1200KHZ，調整電壓，直至所述石墨電極條之間產生高溫電弧放電產生3000°C的高 溫，熔化所述石墨電極條附近的氧化鋁微粉使其逐漸形成一個小熔池，⑤將後續氧化鋁微粉投入到步驟④所述小熔池中，直至其全部熔化，⑥待所有原料熔化後，啟動所述感應線圈的上升裝置，直至所述感應線圈沿鉛垂向最 下端的一圈脫離所述冷坩堝內的所述小熔池液面，所述上升裝置的上升速度為5 20mm/ 小時，⑦保持步驟③所述循環冷卻水處於循環流動狀態，直至所述冷坩堝內的熔體完全凝 固並冷卻至接近室溫，⑧卸出所述冷坩堝內的熔體，將其打碎後剔除所述石墨電極條，即可得到用於生長大 尺寸藍寶石單晶的高純高密氧化鋁塊體原料，該塊體原料為柱狀或針狀小單晶簇。
全文摘要
本發明是用於藍寶石單晶的高純高密氧化鋁塊體原料的生產方法，利用高頻感應電源作為加熱電源，使冷坩堝內的氧化鋁微粉原料熔融後形成一個熔池，再結合使冷坩堝緩慢下降的升降法拉單晶工藝，使熔池內的氧化鋁發生多晶核定向結晶，最終獲得細小的柱狀或針狀氧化鋁小晶體簇。該方法用於生產高純度高密度氧化鋁塊體料，單位電耗低，易實現大批量生產，所得氧化鋁小晶體純度高於99.997%，體密度不小於3.7g/cm3，堆積密度不小於2.0g/cm3。
文檔編號C30B29/20GK101913636SQ20101025880
公開日2010年12月15日 申請日期2010年8月20日 優先權日2010年8月20日
發明者李振亞 申請人:李振亞;東莞市精研粉體科技有限公司