熱交換法中氦氣循環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 揚中 212216）

0 引言

藍寶石的組成是氧化鋁（Al2O3），是由3 個氧原子和2 個鋁原子以共價鍵型式結合而成，其晶體結構為六方晶格結構；藍寶石的透光性很寬，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元件、紅外裝置、高強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、熔點高等特點；目前超高亮度白/藍光LED 的品質取決于氮化鎵磊晶的材料品質，而氮化鎵磊晶品質則與所使用的藍寶石基板表面加工品質息息相關，藍寶石C 面與Ⅲ-Ⅴ和Ⅱ-Ⅵ族沉積薄膜之間的晶格常數失配率小，同時復合氮化鎵磊晶制程中耐高溫的要求，使得藍寶石晶片成為制作白/藍/綠光LED 的關鍵材料。藍寶石主流的生長方法主要有提拉法、泡生法、熱交換法。本文首先回顧了各主流藍寶石長晶方法，并對其優缺點進行了分析；重點介紹了熱交換法對生長大尺寸無缺陷晶體所具有的優勢；針對熱交換法氦氣用量過大的缺點，在不影響熱交換法原理的前提下改進了氦氣管道，為降低熱交換法生長藍寶石成本提供了一種可行裝置和方法。

1 主流藍寶石生長方法和其優缺點

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，然后緩慢地向上提拉和轉動晶桿。同時緩慢地降低加熱功率，籽晶就逐漸長粗，調節加熱功率，得到所需晶體直徑。

該方法主要優點：晶體生長過程中不與坩堝接觸，晶體應力??；但由于晶體、坩堝轉動引起的強制對流和重力引起的對流相互作用，在生長大直徑晶體時易產生晶體缺陷。

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出與籽晶結構相同的單晶；籽晶以緩慢速度提拉，同時緩慢降低加熱功率，在放肩完成后，同時固液界面籽晶與溶液的凝固速率穩定后，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，最后形成一個單晶體。

該方法主要優點：晶體生長過程中，晶體不與坩堝接觸，晶體始終處于熱區，晶體內熱應力小，可獲得高質量的大晶體；晶體生長過程中，存在晶體移動，生長大尺寸晶體時容易收到機械振動影響，并且泡生法采用的鎢鉬保溫材質和加熱器，鎢鉬材料價格高，生長過程中鎢鉬存在變形和揮發，生長10 個晶體就得更換鎢鉬保溫材料和相應鎢鉬配件，長晶成本過高。

熱交換法：如圖1 所示,在坩堝的底部中心安裝一個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。當坩堝內原料被加熱熔化后，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，并使得晶體生長區內形成一個下冷上熱的縱向溫梯，長晶過程中，氦氣流量逐漸加大，從熔體帶走的熱量也相應增加，借此達成坩堝內熔體由籽晶開始緩慢向上凝固成晶體。該生長系統擁有適合藍寶石晶體生長的最佳溫度梯度。整個晶體生長過程分兩個階段：熔化成核階段和晶體生長階段，成核階段通過增加石墨加熱器的功率，讓坩堝內原料充分熔化，同時通過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生長的核；生長階段：通過緩慢增加熱交換器中的氦氣流量，使得生長區縱向溫度加大，進而溶液由晶核逐漸變大直至生長成一個完整晶體。

圖1 熱交換結構圖

該方法的優點：晶體生長過程中，坩堝、晶體、熱場都不移動，只有熱交換器中氦氣流量變化，溫度梯度分布與重力場相反，外部干擾少，晶體生長界面穩定，消除了由于機械運動而造成的晶體缺陷。晶體生長結束后仍保留在熱區，實現原位退火冷卻，減少了晶體的熱應力及由此產生的晶體開裂和位錯等缺陷；特別適用于高品質大尺寸晶體的生長。

2 熱交換法氦氣回收裝置

圖1 是熱交換法結構圖，可以看出，熱交換法整個晶體生長中都需要使用氦氣，熱交換法周期長，采用熱交換法生長一顆85 kg 晶體的周期需要18 d 左右，如果熱交換法生長所需的氦氣采用直排方式，生長一顆晶體氦氣消耗量會很大。另外，氦氣是一種戰略氣體，其成本較高。本工作采用了一種氦氣閉環裝置，將熱交換出來的氦氣經過冷卻，壓縮后繼續供熱交換器使用，降低了氦氣耗用量，同時又能保證熱交換器進口處氦氣的流量和溫度的穩定，從而保證熱交換器氦氣所帶走的熱量穩定。具體如下：

1）熱交換器末端采用了三通，最底端為氦氣進氣口，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和過濾器。

2）熱交換法生長晶體所需的下冷上熱溫梯是由MFC 來控制的。整個長晶過程中，隨著流過MFC 的氦氣流量逐漸增加，長晶爐內的溫梯也逐漸變大，從而實現晶體的生長。MFC 一般都需要將氣源壓力控制在0.3～0.9 MPa，壓力過小可能造成氣源不足，導致實際流量達不到設定值流量；壓力過大，易使MFC 處于過載狀態，可能造成MFC 內傳感器精度受損或者造成傳感器損壞。為了保證MFC 進氣端壓力控制在范圍內，在熱交換器回氣管路到進氣管路間增加氦氣壓縮機，并在氦氣壓縮機進氣端增加了低壓補氣管道，通過運行前調節氦氣補氣壓力，實現MFC 流量從低值到最大值間流過其的氦氣壓力在可控范圍內。

3）考慮到長晶運行周期過長，一般需要18 d 以上；而整個運行期間氦氣不能停止，故為了防止氦氣壓縮機運行中出現故障，在MFC 進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?？稍谶\行前，通過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，進而保證了熱交換器能穩定的帶走熱量，形成有利于晶體生長的穩定溫場。

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 氦氣循環利用原理圖

1）運行前先打開氣動閥V5、V6、V7，將氦氣管道中的空氣抽空，觀察V6 上壓力表，讀數為零時，關閉V5 和V7。該步驟目的是為了保證熱交換器中氦氣的純度，避免長晶過程中因為管道中混入了空氣而造成氦氣帶走的熱量不穩定；

2）打開V1、V2 閥，同時開啟氦氣壓縮機，開V3閥，同時開啟MFC，其設定值為75CFH；使熱交換器管道充滿氦氣；

3）開啟MFC 后，需要給MFC 設定值從小到最大值來回切換，確保任何時候熱交換器中都有充足的氦氣；實驗發現，要保證MFC 在任何設定值時氦氣管道內都有充足氦氣，其MFC 設定值為75CFH 時，P2：0～20 kPa，P3≥950 kPa；設定值為600CFH 時，P2：50～150 kPa，P3≥800 kPa；

4 結語和展望

熱交換法長晶過程中，只有熱交換器中氦氣的流量是唯一變量；相比其他的長晶方法，工藝可控性、固液界面穩定性、晶體生長的驅動力穩定性最好，整個生長過程不受任何外部機械振動影響，故熱交換法可以生長出大尺寸高品質的藍寶石晶體。但熱交換法生長超大尺寸還需要從以下幾個方面進一步發展：

1）為了減少熱交換法生長出的晶體氣泡缺陷，在生長過程中還會向爐腔內通氦氣，雖然爐內通入了氣體，但爐內壓力維持在3.9 kPa 以下，故通入爐腔內的氦氣是直接排放，是否能將該部分氦氣回收利用還需要進一步研究。

2）熱交換法生長結束后晶體實現原位退火，但晶體和鉬坩堝熱碰撞系數不同，故在退火冷卻階段，晶體會受到來自鉬坩堝的形變壓力，可能會引入晶體部分缺陷。熱交換退火和冷卻工藝還需要進一步優化，降低整個工藝時長的同時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題，但相信在該領域研究工作者們的不斷努力下,隨著熱交換法生長藍寶石單晶中核心科學問題的不斷解決和生長工藝中關鍵技術的持續突破,熱交換法成本將得到進一步降低，該技術也將進一步促進和推動藍寶石產業的快速發展。