1. 凱氏長晶法,簡稱KY法,在中國大陸亦稱之為泡生法。這種方法是將原料加熱至熔點後熔化成熔體,再以一根受冷的單晶晶種(Seed Crystal,又稱為籽晶)接觸到熔液表麵,如果界麵的溫度低於凝固點,在晶種與熔液的固液界麵上就會開始生長和晶種相同晶體結構的單晶。
其生產工藝為:首先,將原料裝入坩堝中,坩堝上方裝有可旋轉和升降的提拉桿,桿的下端有一個籽晶夾具,在其上裝有一粒定向的無色藍寶石籽晶;其次,將坩堝加熱到2050℃以上,降低提拉桿,使籽晶插入熔體中;再次,控製熔體的溫度,使液麵溫度略高於熔點,熔去少量籽晶以保證晶體能夠在清潔的籽晶表麵上生長;最後,在實現籽晶與熔體充分沾潤後,使熔液表麵溫度等於熔點,實現藍寶石晶體生長的縮頸-擴肩-等徑生長-收尾全過程。整個晶體生長裝置安放在一個外罩內,以便抽真空後充入惰性氣體,保持生長環境中需要的氣體和壓強。通過外罩上的窗口觀察晶體的生長情況,隨時調節溫度,保證生長過程正常進行。此種方法可以生產出雜質含量低,均勻性好的藍寶石晶體,生長速度大約為0.15千克每小時,一般的商業用晶體為31KG到200KG,此法的長晶過程為二周以上。
2. 熱交換法,簡稱HEM法,其原理是利用熱交換器來帶走熱量,使晶體生長區內形成上熱下冷的縱向溫度梯度,同時通過控製熱交換器內氣流大小並改變加熱功率的高低來控製溫度梯度,以達到坩堝內熔體至下而上凝固成晶體的目的,其實質是熔體在坩堝內的直接凝固。其設備原理及結構圖如下:
熱交換法的生產工藝主要為:首先,將裝有原料的坩堝放在熱交換器中心,籽晶置於坩堝底部中心處並固定於熱交換器一端,加熱坩堝內的原料至完全熔化,由於氦氣流過熱交換器冷卻,籽晶並不熔化。然後,待溫場穩定後,逐漸加大氦氣流量,從熔體中帶走的熱量隨之加劇,使熔體延籽晶逐漸凝固並長大,同時逐漸降低加熱溫度,直至整個坩堝內的熔體全部凝固。
對於熱交換法,生長過程中應嚴格控製降溫的速率,其值要小於15K/h,而當爐內環境溫度接近熔點(Tm)+5K時,降溫速率最好控製在5K/h以下,否則,單晶體內極易產生氣泡,而且晶體內的位錯密度也會迅速增加。由此可見,愈小的降溫速率愈有助於獲得良好的晶體。熱交換法的主要優點(數據來源:中金公司《兩個世界的藍寶石觀》)在於:其一,固液界麵位於坩堝內,坩堝不做任何移動,受外力作用乾擾少;其二,通過改變坩堝形狀可以改變晶體生長的形狀,減少對流的影響,因此該工藝較適於製造大尺寸的藍寶石單晶。
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