最近会关注VHGF方法生长蓝宝石是因为以下几件完全没有关联的事。第一件事是有人请我帮忙制定关于如何评判用于手机蓝宝石材料优劣的技术标准；第二件事是有人请我帮忙把35Kg的Ky炉升级为65Kg的Ky炉；第三件事是有人请我帮忙设计一台垂直水平温度梯度炉（VHGF）；第四件事是150Kg晶体的事弄的差不多了，顺便设计完成225Kg和300Kg，每年弄个晶体出来和洋人们的各类神炉比重量。

    这几件事做完之后，我不由想起了韩国的STC，号称拥有自己专利的VHGF。

    就如同韩国申请端午节是他们的节日、屈原是韩国人一样；VHGF绝对不是韩国人发明、绝对是前苏联晶体生长技术的产物；韩国人最多更换了点保温材料。

    这篇博文谈的是前苏联的VHGF技术，是不是和韩国人的一样我就不敢说了；但VHGF个人认为是批量生产手机面板蓝宝石是一条可以探讨的道路，绝对强于EFG、HEM、Cz和坩埚下降法；有兴趣的大家可以找我深入探讨。

    为什么讲VHGF还是值得去深入研究的方法？这事得从头说起！

  在其余条件都一致的情况下，以下两个规律在判断晶体生长方法优劣是适用的。

http://s3/small/81b62f7atd779b95956b2&690 方式1：籽晶位于坩埚顶部，点接触熔体，容易获得优质单晶，单晶性好； 典型方法：泡生法、提拉法、导模法； 缺点：引晶不能达到傻瓜化；

http://s13/small/81b62f7atd779c6ce4b3c&690 方式2：籽晶位于坩埚底部，并被熔体包围，异相（多点）成核容易，易形成多晶，单晶性差；   典型方法：热交换法、温度梯度法、垂直水平温度梯度法、布里基曼法、导膜法； 优点：引晶过程“傻瓜化”

影响蓝宝石材料单晶性能和应力的主要问题：生长过程晶体是否与坩埚壁接触？

 

http://s2/mw690/81b62f7atd77daad1ba31&690 方式1： 晶体不与坩埚壁接触，单晶性好，容易获得优质单晶；应力相对小；   典型方法：泡生法、提拉法、

http://s12/mw690/81b62f7atd77db0d213bb&690 方式2：晶体与坩埚壁接触，寄生异相成核容易、形成多晶，单晶性差；   典型方法：热交换法、温度梯度法、垂直水平温度梯度法、布里基曼法、导膜法

               温场材料的问题

   在上一篇博文中仔细分析了各个杂质引入的引起的颜色问题，现在就简单聊聊常见几款技术的温场会带入的主要污染离子；主要是钨、钼 和 碳。很遗憾，我没有找到在蓝宝石熔体中这几款离子的具体分凝系数是多少；不过基于材料学科的基础知识还是可以大致知道他们的规律。（在硅熔体中它们分凝系数大致也是这个规律，有兴趣大家可以去查查）

 

   依据原子半径、价态、配位键、原子重量等参数，杂质在氧化铝（固体或熔体）中的溶解度：Mo   >  W  ； MoO2 + MoO3   >  WO3  ；氧化物 > 单质；

    高温下还存在以下化学反应：1300-1400℃   C + Mo  → Mo3C 

                                                        1700 ℃       2Al2O3+3C → 4Al+3C

                                                         2000℃      2Al2O3+6C→Al4C3+3CO2

      氧化铝晶体生长，钨是最合适的坩埚材料；碳作为温场材料是极度不合适。在温场材料中和熔体直接接触的是坩埚；其次是发热体，它承受的温度最高；其次是保温材料。所以钨是最合适的坩埚材料和发热体材料。同样的材料，如果坩埚同时作为发热体的话（感应加热坩埚方式）会引入相对更多坩埚材料杂质；也就是说同样的方法，电阻加热的方式优于感应坩埚加热方式。

                                               各类晶体生长方法优劣点比较

Ky法：使用了钨材料的坩埚、电阻发热体和保温材料（在内壁使用钨桶）；能长出最高纯度的晶体材料；顶部引入籽晶并能控制不与坩埚壁接触、可以控制合适的应力；不过引晶需要人工干预、不能实现完全的傻瓜化。

Cz法：Cz各个公司都比较大的区别，主流是依坩埚感应加热的方式；存在热应力过大，铱漂浮物容易进入晶体的问题（铱坩埚既是坩埚材料也是发热体材料，温度过高，容易损耗）；引晶需要人工干预、不能实现完全的傻瓜化。

HEM法（GT）：使用钼坩埚、石墨发热体、石墨温场；除保温材料选择存在重大问题外；籽晶在坩埚底部、熔晶过程需要人为经验判断；晶体生长过程与坩埚壁接触；是否是单晶这个问题上靠天吃饭。并且使用钼坩埚也意味着HEM的晶体尺寸已经走到头了，晶体生长过程速率完全不可控。（具体原因见《HEM从GT到ARC》，《真假自动化》）

HEM（ARC）：使用钨坩埚、钨发热体、钨温场；籽晶在坩埚底部、熔晶过程钨探杆判断；晶体生长过程与坩埚壁接触；是否是单晶这个问题上靠天吃饭。（ARC改进了温场和熔籽晶控制方式；不过不能改变籽晶在坩埚底部和晶体生长与坩埚壁接触、晶体生长过程速率完全不可控等弊端）。

TGT：使用钼坩埚、石墨发热体、钼温场；除保温材料选择存在重大问题外；籽晶在坩埚底部、熔晶过程需要人为经验判断；晶体生长过程与坩埚壁接触；是否是单晶这个问题上靠天吃饭。（应该说在籽晶保护的部位采取了Bridgman的技术，TGT可以说是结合Bridgman和HEM的一款技术）。

Bridgman：目前使用较多的坩埚下降法使用钼坩埚、感应加热钼坩埚作为发热体、钼或氧化锆温场；籽晶在坩埚底部；晶体生长过程与坩埚壁接触；晶体生长过程速率基本可控。（重点注意问题是钼坩埚同时是发热体，所以钼进入坩埚的几率大大增加，这类晶体氧化气氛下退火容易发蓝）

                                                                   VHGF的技术特点分析

    谈了种种方法，那么到底有木有一种没有以上缺点的一种方法？我个人只能说有机会，  VHGF有机会。我就介绍一下为什么  VHGF能改善以上种种的缺陷，能得到一种各个方面性能折中的晶体生长方法。

http://s1/mw690/81b62f7atd77fb450ef30&690
                                    

http://s10/mw690/81b62f7agd78f19157899&690
籽晶位置：使用楔形籽晶，籽晶位于水平舟行坩埚的一边（T1＞T0；T2＞T0）；籽晶只有一面接触坩埚壁和熔体（相比比起HEM、TGT和Bridgman全部被熔体包围四周接触、大大降低了多晶几率）；而且下晶种的时候熔籽晶情况肉眼可见，熔籽晶晶难度不高，可控性也高。

与坩埚壁接触情况：结晶从坩埚的顶部一边开始， 在控制合适温场分布（T1＞T0；T2＞T0），可以让晶体很少接触坩埚壁；即使接触了也可以达到其他几款方法最低的一个水平。

温场材料：钼坩埚（考虑成本的因素可以用钨片）；钨棒发热体（坩埚壁不是发热体，电阻加热）；钨片+钼片的保温系统（绝对没有碳的高温化学反应）；相比HEM和TGT没有不良的碳反应情况、适合长更大更纯净的晶体；相比Bridgman坩埚使用温度更低、坩埚不是发热体、更少的钼进入晶体。

晶体生长速率可控性：设置合适的梯度后（同时有观察窗口可以看见固液界面）；生长界面的推进可控性高；可以获得较高的晶体生长速率。

晶体应力：设置合适的梯度后（ 可以设置一个低温区实现原位退火、晶体应力均匀）；可以获得较高的晶体生长速率而不需要整个大的温度梯度，只需要局部梯度。

自动化程度：整个过程的自动化程度都远远高于其他方法；而且基本算是可控。

材料利用率：方形晶体材料使用效率算是不错；不过还是需要线切割。

                                                                 后    续

       韩国的STC应该说把该技术应用的不错，所以说方向是不会错的。通过中国人的聪明智慧有机会更上一层楼，也许如何解决手机面板批量生产的答案就在这里。有兴趣交流的我们QQ（409150352）上继续讨论。