热交换法中氦气循环利用的装置和方法研究

秦 俊

（江苏吉星新材料有限公司，江苏 扬中 212216）

0 引言

蓝宝石的组成是氧化铝（Al2O3），是由3 个氧原子和2 个铝原子以共价键型式结合而成，其晶体结构为六方晶格结构；蓝宝石的透光性很宽，从近紫外光到中红外线都有很好的透光性，因此被大量用在光学元件、红外装置、高强度镭射镜片材料及光罩材料上，它具有高声速、耐高温、抗腐蚀、高硬度、高透光性、熔点高等特点；目前超高亮度白/蓝光LED 的品质取决于氮化镓磊晶的材料品质，而氮化镓磊晶品质则与所使用的蓝宝石基板表面加工品质息息相关，蓝宝石C 面与Ⅲ-Ⅴ和Ⅱ-Ⅵ族沉积薄膜之间的晶格常数失配率小，同时复合氮化镓磊晶制程中耐高温的要求，使得蓝宝石晶片成为制作白/蓝/绿光LED 的关键材料。蓝宝石主流的生长方法主要有提拉法、泡生法、热交换法。本文首先回顾了各主流蓝宝石长晶方法，并对其优缺点进行了分析；重点介绍了热交换法对生长大尺寸无缺陷晶体所具有的优势；针对热交换法氦气用量过大的缺点，在不影响热交换法原理的前提下改进了氦气管道，为降低热交换法生长蓝宝石成本提供了一种可行装置和方法。

1 主流蓝宝石生长方法和其优缺点

提拉法：将原料装入坩埚中加热熔化后，在合适的温度下，将籽晶插入熔体中，只要温度合适，籽晶既不熔化也不生长，然后缓慢地向上提拉和转动晶杆。同时缓慢地降低加热功率，籽晶就逐渐长粗，调节加热功率，得到所需晶体直径。

该方法主要优点：晶体生长过程中不与坩埚接触，晶体应力小；但由于晶体、坩埚转动引起的强制对流和重力引起的对流相互作用，在生长大直径晶体时易产生晶体缺陷。

泡生法：先将原料加热至熔化，在合适的温度下，将籽晶接触溶液表面，在籽晶和溶液的固液界面上缓慢生长出与籽晶结构相同的单晶；籽晶以缓慢速度提拉，同时缓慢降低加热功率，在放肩完成后，同时固液界面籽晶与溶液的凝固速率稳定后，籽晶停止提拉。仅控制加热功率使晶体从上方到下方逐渐凝固，最后形成一个单晶体。

该方法主要优点：晶体生长过程中，晶体不与坩埚接触，晶体始终处于热区，晶体内热应力小，可获得高质量的大晶体；晶体生长过程中，存在晶体移动，生长大尺寸晶体时容易收到机械振动影响，并且泡生法采用的钨钼保温材质和加热器，钨钼材料价格高，生长过程中钨钼存在变形和挥发，生长10 个晶体就得更换钨钼保温材料和相应钨钼配件，长晶成本过高。

热交换法：如图1 所示,在坩埚的底部中心安装一个钼杆制成的热交换器，装有原料的坩埚和钼杆同心，籽晶置于坩埚底部的中心处。当坩埚内原料被加热熔化后，由于热交换器中氦气冷却作用，置于坩埚底部的籽晶并未熔化，并使得晶体生长区内形成一个下冷上热的纵向温梯，长晶过程中，氦气流量逐渐加大，从熔体带走的热量也相应增加，借此达成坩埚内熔体由籽晶开始缓慢向上凝固成晶体。该生长系统拥有适合蓝宝石晶体生长的最佳温度梯度。整个晶体生长过程分两个阶段：熔化成核阶段和晶体生长阶段，成核阶段通过增加石墨加热器的功率，让坩埚内原料充分熔化，同时通过热交换器中氦气的冷却作用确保坩埚底部籽晶部分熔化。未熔化的籽晶即为晶体继续生长的核；生长阶段：通过缓慢增加热交换器中的氦气流量，使得生长区纵向温度加大，进而溶液由晶核逐渐变大直至生长成一个完整晶体。

图1 热交换结构图

该方法的优点：晶体生长过程中，坩埚、晶体、热场都不移动，只有热交换器中氦气流量变化，温度梯度分布与重力场相反，外部干扰少，晶体生长界面稳定，消除了由于机械运动而造成的晶体缺陷。晶体生长结束后仍保留在热区，实现原位退火冷却，减少了晶体的热应力及由此产生的晶体开裂和位错等缺陷；特别适用于高品质大尺寸晶体的生长。

2 热交换法氦气回收装置

图1 是热交换法结构图，可以看出，热交换法整个晶体生长中都需要使用氦气，热交换法周期长，采用热交换法生长一颗85 kg 晶体的周期需要18 d 左右，如果热交换法生长所需的氦气采用直排方式，生长一颗晶体氦气消耗量会很大。另外，氦气是一种战略气体，其成本较高。本工作采用了一种氦气闭环装置，将热交换出来的氦气经过冷却，压缩后继续供热交换器使用，降低了氦气耗用量，同时又能保证热交换器进口处氦气的流量和温度的稳定，从而保证热交换器氦气所带走的热量稳定。具体如下：

1）热交换器末端采用了三通，最底端为氦气进气口，三通中间为氦气出气口，为了将出气端氦气的温度降低和保证出气端氦气的纯度，在氦气出气管路上增加了水冷环和过滤器。

2）热交换法生长晶体所需的下冷上热温梯是由MFC 来控制的。整个长晶过程中，随着流过MFC 的氦气流量逐渐增加，长晶炉内的温梯也逐渐变大，从而实现晶体的生长。MFC 一般都需要将气源压力控制在0.3～0.9 MPa，压力过小可能造成气源不足，导致实际流量达不到设定值流量；压力过大，易使MFC 处于过载状态，可能造成MFC 内传感器精度受损或者造成传感器损坏。为了保证MFC 进气端压力控制在范围内，在热交换器回气管路到进气管路间增加氦气压缩机，并在氦气压缩机进气端增加了低压补气管道，通过运行前调节氦气补气压力，实现MFC 流量从低值到最大值间流过其的氦气压力在可控范围内。

3）考虑到长晶运行周期过长，一般需要18 d 以上；而整个运行期间氦气不能停止，故为了防止氦气压缩机运行中出现故障，在MFC 进气端增加了一路氦气高压备用管道。

4）为了保证热交换器中氦气纯度，需要在运行前将氦气管道中空气尽可能抽掉，为此在热交换器出气管道增加了一路抽气管道至真空泵。可在运行前，通过该管道可将热交换器中的空气抽空，从而保证了热交换器中氦气纯度，进而保证了热交换器能稳定的带走热量，形成有利于晶体生长的稳定温场。

3 热交换法氦气回收方法

图2 为氦气回收方法原理图：

图2 氦气循环利用原理图

1）运行前先打开气动阀V5、V6、V7，将氦气管道中的空气抽空，观察V6 上压力表，读数为零时，关闭V5 和V7。该步骤目的是为了保证热交换器中氦气的纯度，避免长晶过程中因为管道中混入了空气而造成氦气带走的热量不稳定；

2）打开V1、V2 阀，同时开启氦气压缩机，开V3阀，同时开启MFC，其设定值为75CFH；使热交换器管道充满氦气；

3）开启MFC 后，需要给MFC 设定值从小到最大值来回切换，确保任何时候热交换器中都有充足的氦气；实验发现，要保证MFC 在任何设定值时氦气管道内都有充足氦气，其MFC 设定值为75CFH 时，P2：0～20 kPa，P3≥950 kPa；设定值为600CFH 时，P2：50～150 kPa，P3≥800 kPa；

4 结语和展望

热交换法长晶过程中，只有热交换器中氦气的流量是唯一变量；相比其他的长晶方法，工艺可控性、固液界面稳定性、晶体生长的驱动力稳定性最好，整个生长过程不受任何外部机械振动影响，故热交换法可以生长出大尺寸高品质的蓝宝石晶体。但热交换法生长超大尺寸还需要从以下几个方面进一步发展：

1）为了减少热交换法生长出的晶体气泡缺陷，在生长过程中还会向炉腔内通氦气，虽然炉内通入了气体，但炉内压力维持在3.9 kPa 以下，故通入炉腔内的氦气是直接排放，是否能将该部分氦气回收利用还需要进一步研究。

2）热交换法生长结束后晶体实现原位退火，但晶体和钼坩埚热碰撞系数不同，故在退火冷却阶段，晶体会受到来自钼坩埚的形变压力，可能会引入晶体部分缺陷。热交换退火和冷却工艺还需要进一步优化，降低整个工艺时长的同时又能尽可能的避免因坩埚形变而引入的晶体缺陷。

虽然热交换法目前还存在上述问题，但相信在该领域研究工作者们的不断努力下,随着热交换法生长蓝宝石单晶中核心科学问题的不断解决和生长工艺中关键技术的持续突破,热交换法成本将得到进一步降低，该技术也将进一步促进和推动蓝宝石产业的快速发展。