熱交換法中氦氣循環(huán)利用的裝置和方法研究

秦 俊

（江蘇吉星新材料有限公司，江蘇 揚(yáng)中 212216）

0 引言

藍(lán)寶石的組成是氧化鋁（Al2O3），是由3 個(gè)氧原子和2 個(gè)鋁原子以共價(jià)鍵型式結(jié)合而成，其晶體結(jié)構(gòu)為六方晶格結(jié)構(gòu)；藍(lán)寶石的透光性很寬，從近紫外光到中紅外線都有很好的透光性，因此被大量用在光學(xué)元件、紅外裝置、高強(qiáng)度鐳射鏡片材料及光罩材料上，它具有高聲速、耐高溫、抗腐蝕、高硬度、高透光性、熔點(diǎn)高等特點(diǎn)；目前超高亮度白/藍(lán)光LED 的品質(zhì)取決于氮化鎵磊晶的材料品質(zhì)，而氮化鎵磊晶品質(zhì)則與所使用的藍(lán)寶石基板表面加工品質(zhì)息息相關(guān)，藍(lán)寶石C 面與Ⅲ-Ⅴ和Ⅱ-Ⅵ族沉積薄膜之間的晶格常數(shù)失配率小，同時(shí)復(fù)合氮化鎵磊晶制程中耐高溫的要求，使得藍(lán)寶石晶片成為制作白/藍(lán)/綠光LED 的關(guān)鍵材料。藍(lán)寶石主流的生長(zhǎng)方法主要有提拉法、泡生法、熱交換法。本文首先回顧了各主流藍(lán)寶石長(zhǎng)晶方法，并對(duì)其優(yōu)缺點(diǎn)進(jìn)行了分析；重點(diǎn)介紹了熱交換法對(duì)生長(zhǎng)大尺寸無(wú)缺陷晶體所具有的優(yōu)勢(shì)；針對(duì)熱交換法氦氣用量過(guò)大的缺點(diǎn)，在不影響熱交換法原理的前提下改進(jìn)了氦氣管道，為降低熱交換法生長(zhǎng)藍(lán)寶石成本提供了一種可行裝置和方法。

1 主流藍(lán)寶石生長(zhǎng)方法和其優(yōu)缺點(diǎn)

提拉法：將原料裝入坩堝中加熱熔化后，在合適的溫度下，將籽晶插入熔體中，只要溫度合適，籽晶既不熔化也不生長(zhǎng)，然后緩慢地向上提拉和轉(zhuǎn)動(dòng)晶桿。同時(shí)緩慢地降低加熱功率，籽晶就逐漸長(zhǎng)粗，調(diào)節(jié)加熱功率，得到所需晶體直徑。

該方法主要優(yōu)點(diǎn)：晶體生長(zhǎng)過(guò)程中不與坩堝接觸，晶體應(yīng)力?。坏捎诰w、坩堝轉(zhuǎn)動(dòng)引起的強(qiáng)制對(duì)流和重力引起的對(duì)流相互作用，在生長(zhǎng)大直徑晶體時(shí)易產(chǎn)生晶體缺陷。

泡生法：先將原料加熱至熔化，在合適的溫度下，將籽晶接觸溶液表面，在籽晶和溶液的固液界面上緩慢生長(zhǎng)出與籽晶結(jié)構(gòu)相同的單晶；籽晶以緩慢速度提拉，同時(shí)緩慢降低加熱功率，在放肩完成后，同時(shí)固液界面籽晶與溶液的凝固速率穩(wěn)定后，籽晶停止提拉。僅控制加熱功率使晶體從上方到下方逐漸凝固，最后形成一個(gè)單晶體。

該方法主要優(yōu)點(diǎn)：晶體生長(zhǎng)過(guò)程中，晶體不與坩堝接觸，晶體始終處于熱區(qū)，晶體內(nèi)熱應(yīng)力小，可獲得高質(zhì)量的大晶體；晶體生長(zhǎng)過(guò)程中，存在晶體移動(dòng)，生長(zhǎng)大尺寸晶體時(shí)容易收到機(jī)械振動(dòng)影響，并且泡生法采用的鎢鉬保溫材質(zhì)和加熱器，鎢鉬材料價(jià)格高，生長(zhǎng)過(guò)程中鎢鉬存在變形和揮發(fā)，生長(zhǎng)10 個(gè)晶體就得更換鎢鉬保溫材料和相應(yīng)鎢鉬配件，長(zhǎng)晶成本過(guò)高。

熱交換法：如圖1 所示,在坩堝的底部中心安裝一個(gè)鉬桿制成的熱交換器，裝有原料的坩堝和鉬桿同心，籽晶置于坩堝底部的中心處。當(dāng)坩堝內(nèi)原料被加熱熔化后，由于熱交換器中氦氣冷卻作用，置于坩堝底部的籽晶并未熔化，并使得晶體生長(zhǎng)區(qū)內(nèi)形成一個(gè)下冷上熱的縱向溫梯，長(zhǎng)晶過(guò)程中，氦氣流量逐漸加大，從熔體帶走的熱量也相應(yīng)增加，借此達(dá)成坩堝內(nèi)熔體由籽晶開(kāi)始緩慢向上凝固成晶體。該生長(zhǎng)系統(tǒng)擁有適合藍(lán)寶石晶體生長(zhǎng)的最佳溫度梯度。整個(gè)晶體生長(zhǎng)過(guò)程分兩個(gè)階段：熔化成核階段和晶體生長(zhǎng)階段，成核階段通過(guò)增加石墨加熱器的功率，讓坩堝內(nèi)原料充分熔化，同時(shí)通過(guò)熱交換器中氦氣的冷卻作用確保坩堝底部籽晶部分熔化。未熔化的籽晶即為晶體繼續(xù)生長(zhǎng)的核；生長(zhǎng)階段：通過(guò)緩慢增加熱交換器中的氦氣流量，使得生長(zhǎng)區(qū)縱向溫度加大，進(jìn)而溶液由晶核逐漸變大直至生長(zhǎng)成一個(gè)完整晶體。

圖1 熱交換結(jié)構(gòu)圖

該方法的優(yōu)點(diǎn)：晶體生長(zhǎng)過(guò)程中，坩堝、晶體、熱場(chǎng)都不移動(dòng)，只有熱交換器中氦氣流量變化，溫度梯度分布與重力場(chǎng)相反，外部干擾少，晶體生長(zhǎng)界面穩(wěn)定，消除了由于機(jī)械運(yùn)動(dòng)而造成的晶體缺陷。晶體生長(zhǎng)結(jié)束后仍保留在熱區(qū)，實(shí)現(xiàn)原位退火冷卻，減少了晶體的熱應(yīng)力及由此產(chǎn)生的晶體開(kāi)裂和位錯(cuò)等缺陷；特別適用于高品質(zhì)大尺寸晶體的生長(zhǎng)。

2 熱交換法氦氣回收裝置

圖1 是熱交換法結(jié)構(gòu)圖，可以看出，熱交換法整個(gè)晶體生長(zhǎng)中都需要使用氦氣，熱交換法周期長(zhǎng)，采用熱交換法生長(zhǎng)一顆85 kg 晶體的周期需要18 d 左右，如果熱交換法生長(zhǎng)所需的氦氣采用直排方式，生長(zhǎng)一顆晶體氦氣消耗量會(huì)很大。另外，氦氣是一種戰(zhàn)略氣體，其成本較高。本工作采用了一種氦氣閉環(huán)裝置，將熱交換出來(lái)的氦氣經(jīng)過(guò)冷卻，壓縮后繼續(xù)供熱交換器使用，降低了氦氣耗用量，同時(shí)又能保證熱交換器進(jìn)口處氦氣的流量和溫度的穩(wěn)定，從而保證熱交換器氦氣所帶走的熱量穩(wěn)定。具體如下：

1）熱交換器末端采用了三通，最底端為氦氣進(jìn)氣口，三通中間為氦氣出氣口，為了將出氣端氦氣的溫度降低和保證出氣端氦氣的純度，在氦氣出氣管路上增加了水冷環(huán)和過(guò)濾器。

2）熱交換法生長(zhǎng)晶體所需的下冷上熱溫梯是由MFC 來(lái)控制的。整個(gè)長(zhǎng)晶過(guò)程中，隨著流過(guò)MFC 的氦氣流量逐漸增加，長(zhǎng)晶爐內(nèi)的溫梯也逐漸變大，從而實(shí)現(xiàn)晶體的生長(zhǎng)。MFC 一般都需要將氣源壓力控制在0.3～0.9 MPa，壓力過(guò)小可能造成氣源不足，導(dǎo)致實(shí)際流量達(dá)不到設(shè)定值流量；壓力過(guò)大，易使MFC 處于過(guò)載狀態(tài)，可能造成MFC 內(nèi)傳感器精度受損或者造成傳感器損壞。為了保證MFC 進(jìn)氣端壓力控制在范圍內(nèi)，在熱交換器回氣管路到進(jìn)氣管路間增加氦氣壓縮機(jī)，并在氦氣壓縮機(jī)進(jìn)氣端增加了低壓補(bǔ)氣管道，通過(guò)運(yùn)行前調(diào)節(jié)氦氣補(bǔ)氣壓力，實(shí)現(xiàn)MFC 流量從低值到最大值間流過(guò)其的氦氣壓力在可控范圍內(nèi)。

3）考慮到長(zhǎng)晶運(yùn)行周期過(guò)長(zhǎng)，一般需要18 d 以上；而整個(gè)運(yùn)行期間氦氣不能停止，故為了防止氦氣壓縮機(jī)運(yùn)行中出現(xiàn)故障，在MFC 進(jìn)氣端增加了一路氦氣高壓備用管道。

4）為了保證熱交換器中氦氣純度，需要在運(yùn)行前將氦氣管道中空氣盡可能抽掉，為此在熱交換器出氣管道增加了一路抽氣管道至真空泵。可在運(yùn)行前，通過(guò)該管道可將熱交換器中的空氣抽空，從而保證了熱交換器中氦氣純度，進(jìn)而保證了熱交換器能穩(wěn)定的帶走熱量，形成有利于晶體生長(zhǎng)的穩(wěn)定溫場(chǎng)。

3 熱交換法氦氣回收方法

圖2 為氦氣回收方法原理圖：

圖2 氦氣循環(huán)利用原理圖

1）運(yùn)行前先打開(kāi)氣動(dòng)閥V5、V6、V7，將氦氣管道中的空氣抽空，觀察V6 上壓力表，讀數(shù)為零時(shí)，關(guān)閉V5 和V7。該步驟目的是為了保證熱交換器中氦氣的純度，避免長(zhǎng)晶過(guò)程中因?yàn)楣艿乐谢烊肓丝諝舛斐珊鈳ё叩臒崃坎环€(wěn)定；

2）打開(kāi)V1、V2 閥，同時(shí)開(kāi)啟氦氣壓縮機(jī)，開(kāi)V3閥，同時(shí)開(kāi)啟MFC，其設(shè)定值為75CFH；使熱交換器管道充滿氦氣；

3）開(kāi)啟MFC 后，需要給MFC 設(shè)定值從小到最大值來(lái)回切換，確保任何時(shí)候熱交換器中都有充足的氦氣；實(shí)驗(yàn)發(fā)現(xiàn)，要保證MFC 在任何設(shè)定值時(shí)氦氣管道內(nèi)都有充足氦氣，其MFC 設(shè)定值為75CFH 時(shí)，P2：0～20 kPa，P3≥950 kPa；設(shè)定值為600CFH 時(shí)，P2：50～150 kPa，P3≥800 kPa；

4 結(jié)語(yǔ)和展望

熱交換法長(zhǎng)晶過(guò)程中，只有熱交換器中氦氣的流量是唯一變量；相比其他的長(zhǎng)晶方法，工藝可控性、固液界面穩(wěn)定性、晶體生長(zhǎng)的驅(qū)動(dòng)力穩(wěn)定性最好，整個(gè)生長(zhǎng)過(guò)程不受任何外部機(jī)械振動(dòng)影響，故熱交換法可以生長(zhǎng)出大尺寸高品質(zhì)的藍(lán)寶石晶體。但熱交換法生長(zhǎng)超大尺寸還需要從以下幾個(gè)方面進(jìn)一步發(fā)展：

1）為了減少熱交換法生長(zhǎng)出的晶體氣泡缺陷，在生長(zhǎng)過(guò)程中還會(huì)向爐腔內(nèi)通氦氣，雖然爐內(nèi)通入了氣體，但爐內(nèi)壓力維持在3.9 kPa 以下，故通入爐腔內(nèi)的氦氣是直接排放，是否能將該部分氦氣回收利用還需要進(jìn)一步研究。

2）熱交換法生長(zhǎng)結(jié)束后晶體實(shí)現(xiàn)原位退火，但晶體和鉬坩堝熱碰撞系數(shù)不同，故在退火冷卻階段，晶體會(huì)受到來(lái)自鉬坩堝的形變壓力，可能會(huì)引入晶體部分缺陷。熱交換退火和冷卻工藝還需要進(jìn)一步優(yōu)化，降低整個(gè)工藝時(shí)長(zhǎng)的同時(shí)又能盡可能的避免因坩堝形變而引入的晶體缺陷。

雖然熱交換法目前還存在上述問(wèn)題，但相信在該領(lǐng)域研究工作者們的不斷努力下,隨著熱交換法生長(zhǎng)藍(lán)寶石單晶中核心科學(xué)問(wèn)題的不斷解決和生長(zhǎng)工藝中關(guān)鍵技術(shù)的持續(xù)突破,熱交換法成本將得到進(jìn)一步降低，該技術(shù)也將進(jìn)一步促進(jìn)和推動(dòng)藍(lán)寶石產(chǎn)業(yè)的快速發(fā)展。