АЛЬФА-ОКСИД АЛЮМИНИЯ ДЛЯ ПОЛУЧЕНИЯ МОНОКРИСТАЛЛИЧЕСКОГО САПФИРА
ALPHA-ALUMINIUM OXIDE FOR PRODUCING MONOCRYSTALLINE SAPPHIRE

Область техники, к которой относится изобретение
Настоящее изобретении относится к α-оксиду алюминия для получения монокристаллического сапфира.
Предпосылки создания изобретения
α-Оксид алюминия используется в качестве исходного материала для получения монокристаллического сапфира. Монокристаллический сапфир может быть получен при выливании α-оксида алюминия в тигель, выполненный из металлического молибдена, нагревании α-оксида алюминия до его расплавления с последующим выращиванием кристалла вытягиванием из расплава (JP-А-5-97569).
Еще желательно создать α-оксид алюминия, который может легко дать монокристаллический сапфир, не имеющий введенного в него загрязнения, и имеет высокую текучесть, чтобы обеспечить рост кристалла без закупорки устройства благодаря плавлению связанных α-оксид алюминиевых частиц в случае, когда оно используется при непрерывной подаче исходных материалов в устройство, которое поддерживается в высокотемпературной атмосфере, например, в способе выращивания профильного кристалла с ограничением края и подпиткой расплава (далее называется способом EFG).″
Сферические частицы α-оксида алюминия, такие как AKQ-10 (выпускаемые фирмой Sumitomo Chemical Co., Ltd.), являются хорошо известными как частицы, которые выполнены из α-оксида алюминия, не имеющего введенного в него загрязнения, и имеют такую высокую текучесть.
Краткое описание изобретения
Однако, поскольку такие частицы из α-оксида алюминия имеют низкую объемную плотность, имеется проблема в том, что эффективность получения монокристаллического сапфира является недостаточной.
Поэтому задачей настоящего изобретения является получение α-оксида алюминия, который может эффективно давать монокристаллический сапфир.
Авторами настоящего изобретения проведено кропотливое исследование для того, чтобы разработать частицы α-оксида алюминия, которые могут позволить эффективно получать монокристаллический сапфир, с осуществлением, таким образом, настоящего изобретения.
3
3
Настоящее изобретение обеспечивает α-оксид алюминия для получения монокристаллического сапфира, где его объем на одну частицу α-оксида алюминия составляет не менее 0,01 см, и его относительная плотность составляет не менее 80%, и его объемная плотность агрегата находится в интервале 1,5-2,3 г/см.
3
3
Поскольку в α-оксиде алюминия для получения монокристаллического сапфира согласно настоящему изобретению его объем на одну частицу α-оксида алюминия составляет не менее 0,01 см, и его относительная плотность составляет не менее 80%, и его объемная плотность агрегата находится в интервале 1,5-2,3 г/см, становится возможным эффективное получение монокристаллического сапфира при нагревании α-оксида алюминия в тигле до его расплавления с последующим выращиванием кристалла вытягиванием из расплава.
Поэтому настоящее изобретение может обеспечить α-оксид алюминия, который может позволить эффективно получать монокристаллический сапфир.
Подробное описание предпочтительных вариантов
3
3
α-Оксид алюминия для получения монокристаллического сапфира согласно настоящему изобретению отличается тем, что его объем на одну частицу α-оксида алюминия составляет не менее 0,01 см, и его относительная плотность составляет не менее 80%, и его объемная плотность агрегата находится в интервале 1,5-2,3 г/см. α-Оксид алюминия для получения монокристаллического сапфира может быть получен, например, формованием смеси предшественника α-оксида алюминия и частиц затравочного кристалла α-оксида алюминия и затем прокаливанием смеси.
Предшественник α-оксида алюминия, используемый в вышеуказанном способе, представляет собой соединение, которое может быть превращено в α-оксид алюминия при прокаливании. Примеры такого соединения включают гидроксид алюминия, алкоголяты алюминия, такие как изопропилат алюминия, этоксилат алюминия, втор-бутилат алюминия и трет-бутилат алюминия, переходный оксид алюминия, такой как γ-оксид алюминия, δ-оксид алюминия и θ-оксид алюминия и т.п. Обычно используется гидроксид алюминия.
Гидроксид алюминия может быть получен гидролизом гидролизующегося соединения алюминия. Примеры гидролизующегося соединения алюминия включают в себя алкоголяты алюминия и хлорид алюминия. Среди них алкоголяты алюминия являются предпочтительными с точки зрения чистоты.
Кристаллическая форма гидроксида алюминия может быть аморфной структурой или гиббситной структурой. Хотя это специально не ограничивается, предпочтительной является бемитная структура.
Далее будет описан пример использования гидроксида алюминия в качестве предшественника α-оксида алюминия.
Частицы затравочного кристалла α-оксида алюминия, используемые в вышеуказанном способе, получают размалыванием частиц α-оксида алюминия высокой чистоты, имеющих чистоту не менее 99,99% масс., и они имеют средний диаметр частиц предпочтительно от 0,1 до 1,0 мкм, более предпочтительно, от 0,1 до 0,4 мкм. Трудно получить α-оксид алюминия, имеющий относительную плотность и объемную плотность, как определено настоящим изобретением, если частицы затравочного кристалла α-оксида алюминия будут иметь диаметр частиц, превышающий 1,0 мкм. Кроме того, даже если частицы затравочного кристалла α-оксида алюминия будут измельчены так, что их размеры станут менее 0,1 мкм, много энергии может потребоваться для измельчения, несмотря на то, что относительная плотность и объемная плотность полученного α-оксида алюминия для получения монокристаллического сапфира могут быть не изменены.
Примеры способа размалывания частиц α-оксида алюминия высокой чистоты включают способ сухого размалывания, включающий размалывание частиц α-оксида алюминия высокой чистоты в сухом состоянии, и может использоваться способ мокрого размалывания, включающий размалывание частиц α-оксида алюминия высокой чистоты в состоянии суспензии с растворителем, введенным в нее. Из них обычно используется способ мокрого размалывания.
Для мокрого размалывания α-оксида алюминия высокой чистоты может использоваться размалывающее устройство, такое как шаровая мельница и мельница с перемешиванием среды. В качестве растворителя обычно используется вода. В среду для выполнения размалывания может быть введен диспергатор для улучшения диспергируемости. Вводимым диспергатором является предпочтительно полимерный диспергатор, такой как поли(аммонийакрилат), который может разлагаться и выпариваться при прокаливании, поскольку меньше загрязненный вводится в получаемый α-оксид алюминия для получения монокристаллического сапфира.
Размалывающее устройство представляет собой предпочтительно устройство, в котором поверхность, которая контактирует с α-оксидом алюминия, выполнена из α-оксида алюминия высокой чистоты, или облицовка смолы выполнена из полученных частиц затравочного кристалла α-оксида алюминия, имеющих меньшее загрязнение. В случае размалывания с использованием мельницы с перемешиванием среды среда размалывания предпочтительно выполнена из α-оксида алюминия высокой чистоты.
Количество частиц затравочного кристалла α-оксида алюминия составляет обычно от 0,1 до 10 масс.ч., предпочтительно от 0,3 до 7 масс.ч. на 100 масс.ч. частиц α-оксида алюминия после  прокаливания. Если количество частиц затравочного кристалла α-оксида алюминия составляет менее 0,1 масс.ч., то невозможно получить α-оксид алюминия, имеющий относительную плотность и объемную плотность, как определено настоящим изобретением. Если количество частиц затравочного кристалла α-оксида алюминия превышает 10 масс.ч., относительная плотность и объемная плотность полученного α-оксида алюминия для получения однокристаллического сапфира не могут быть изменены и не может быть получено преимущество, ожидаемое в ответ на используемое количество частиц затравочного кристалла α-оксида алюминия.
Частицы затравочного кристалла α-оксида алюминия обычно смешивают с гидроксидом алюминия в форме суспензии, полученной мокрым размалыванием. Количество суспензии, содержащей частицы затравочного кристалла α-оксида алюминия, составляет обычно от 100 до 200 масс.ч., предпочтительно от 120 до 160 масс.ч., в плане воды в суспензии на 100 масс.ч. гидроксида алюминия. Если количество воды превышает 200 масс.ч., смесь может образовать суспензию, и, таким образом, большое количество энергии может непредпочтительно требоваться для сушки. Если количество воды составляет менее 100 масс.ч., текучесть смеси может стать такой низкой, что частицы затравочного кристалла α-оксида алюминия и гидроксид алюминия могут недостаточно смешиваться.
Частицы затравочного кристалла α-оксида алюминия и гидроксид алюминия могут смешиваться с хорошим диспергированием при использовании шаровой мельницы или смесителя или приложении ультразвука к смеси. Предпочтительно используют смеситель лопастного типа, т.к. он может смешивать материалы с приложением к ним усилия сдвига, таким образом получая в результате более однородное смешение частиц затравочного кристалла α-оксида алюминия и гидроксида алюминия.
Примеры формования смеси, полученной смешением частиц затравочного кристалла α-оксида алюминия и гидроксида алюминия, могут включать в себя прессование, таблетирование и экструзионное формование. Получаемое формованное тело обычно имеет цилиндрическую форму или брикетоподобную форму, но может быть формовано в сферическую форму Marumerizer-установкой или барабанным гранулятором. Если форма получаемого формованного тела представляет собой сферическую форму, цилиндрическую форму или брикетоподобную форму, будет получена хорошая текучесть. Поэтому можно получить выращивание кристалла без закупоривания устройства, даже если оно используется при непрерывной подаче исходных материалов в устройство, которое может поддерживаться в высокотемпературной атмосфере. Соответственно, может быть улучшена эффективность получения монокристаллического сапфира, получаемого из α-оксида алюминия.
3
3
3
3
Что касается размера формованного тела, объем на одну частицу, которые прокаливаются, составляет не менее 0,1 см, предпочтительно в интервале 0,01-10 см, более предпочтительно в интервале 0,01-2 см. Это не является предпочтительным, т.к. если объем на одну частицу, которые прокаливаются, составляет менее 0,1 см, более вероятно, что формованные тела будут прилипать друг к другу на стадии сушки или стадии прокаливания.
Вода может быть удалена из формованного тела при его сушке, или оно может не сушиться. Формованное тело может сушиться в  печи или в высокочастотной сушилке. Температура сушки обычно составляет от 60°C до 180°C.
Смесь, содержащую гидроксид алюминия и частицы затравочного кристалла α-оксида алюминия, прокаливают. Температура прокаливания составляет обычно от 1200 до 1450°C, предпочтительно от 1250 до 1400°C, с точки зрения легкого получения α-оксида алюминия, имеющего чистоту, удельную площадь поверхности, относительную плотность и объемную плотность, определяемые настоящим изобретением. Если температура прокаливания превышает 1450°C, может быть легко вызвано загрязнение α-оксида алюминия загрязнениями из печи прокаливания. Если температура прокаливания является ниже 1200°C, гидроксид алюминия может недостаточно превращаться в α-структуру, или в некоторых случаях относительная плотность имеет тенденцию к снижению.
Смесь нагревают до указанной температуры прокаливания при скорости нагревания, например, от 30°C/ч до 500°C/ч. Время прокаливания может составлять период времени, достаточный для того, чтобы вызвать достаточную альфатизацию гидроксида алюминия. Время обычно составляет от 30 мин до 24 ч, предпочтительно от 1 до 10 ч, хотя оно варьируется в зависимости от соотношения гидроксида алюминия с частицами затравочного кристалла α-оксида алюминия, типа печи прокаливания, температуры прокаливания, атмосферы прокаливания и т.п.
Смесь предпочтительно прокаливают в воздушной атмосфере или в инертном газе, таком как газообразный азот или аргон. Альтернативно, прокаливание может выполняться в атмосфере высокой влажности с высоким парциальным давлением водяного пара.
Для прокаливания смеси может использоваться обычно используемая печь прокаливания, такая как трубчатая электрическая печь, камерная электрическая печь, туннельная печь, микроволновая печь, шахтная печь, отражательная печь, печь с вращающимся подом и печь с роликовым подом. Смесь может прокаливаться периодическим способом или непрерывным способом. Прокаливание может выполняться в стационарном состоянии или в псевдоожиженном состоянии.
3
3
3
α-Оксид алюминия для получения монокристаллического сапфира согласно настоящему изобретению может быть получен прокаливанием смеси. При получении α-оксида алюминия для получения монокристаллического сапфира его объем на одну частицу α-оксида алюминия составляет не менее 0,01 см, и его относительная плотность составляет не менее 80%, более предпочтительно не менее 85%, и его объемная плотность агрегата находится в интервале 1,5-2,3 г/см. Когда относительная плотность составляет не менее 80%, более предпочтительно не менее 85%, может быть улучшена эффективность теплопередачи в случае нагревания и плавления α-оксида алюминия в тигле и в результате может быть улучшена эффективность получения монокристаллического сапфира. Когда объемная плотность агрегата находится в интервале 1,5-2,3 г/см, может быть увеличенная объемная эффективность тигля, и в результате может быть улучшена эффективность получения монокристаллического сапфира.
Монокристаллический сапфир может быть легко получен нагреванием α-оксида алюминия для получения монокристаллического сапфира до его расплавления с последующим его охлаждением для того, чтобы имела место кристаллизация одного кристалла из смеси.
2
2
2
У α-оксида алюминия для получения монокристаллического сапфира согласно настоящему изобретению его удельная площадь поверхности составляет предпочтительно не более 1 м/г, более предпочтительно не более 0,1 м/г. Поскольку удельная площадь поверхности составляет не более 1 м/г, количество воды, уловленной на поверхности частиц α-оксида алюминия из атмосферы, является небольшим. Поэтому, когда α-оксид алюминия нагревается и плавится, вода почти не окисляет тигель и в результате снижаются пустоты, образованные в монокристаллическом сапфире.
Предпочтительно α-оксид алюминия для получения монокристаллического сапфира согласно настоящему изобретению имеет чистоту не менее 99, 99% и каждый содержит Si, Na, Са, Fe, Cu и Mg в количестве не более 10 ч./млн. Использование α-оксида алюминия для получения монокристаллического сапфира согласно настоящему изобретению в качестве исходных материалов оксида алюминия для получения монокристаллического сапфира может обеспечить высококачественный субстрат сапфира, не имеющий окрашивания и имеющий меньшее растрескивание.
α-Оксид алюминия настоящего изобретения может быть использован в качестве исходных материалов в способе выращивания монокристаллического сапфира, таком как EFG-способ, Czochralski-способ и Kyropulos-способ. Предпочтительно он может быть использован в EFG-способе, в котором требуется, чтобы исходные материалы подавались непрерывно.
Примеры
Далее настоящее изобретение будет описано более подробно путем следующих примеров. Однако объем настоящего изобретения не ограничивается указанными примерами никаким образом.
В примерах используются следующие методы испытаний.
(1) Относительная плотность
Плотность в спеченном состоянии определяют по методу Архимеда, и относительную плотность рассчитывают при использовании определенного значения плотности в спеченном состоянии и следующего уравнения.
3
3
Относительная плотность (%)=(плотность в спеченном состоянии [г/см])/3,98 [г/см; теоретическая плотность в спеченном состоянии α-оксида алюминия]×100
(2) Объем
Объем рассчитывают по плотности в спеченном состоянии α-оксида алюминия для получения монокристаллического сапфира, как определено по методу Архимеда, и массе на одну частицу α-оксида алюминия для получения монокристаллического сапфира при использовании следующего уравнения.
3
3
Объем (см/одна частица)=(масса (г/одна частица))/(плотность в спеченном состоянии [г/см])
(3) Плотность загрязнения, чистота
2
2
2
Содержание Si, Na, Mg, Cu, Fe и Са определяют методом атомной эмиссионной спектрометрии. Общее количество (%) по массе SiO, NaO, MgO, CuO, FeO и CaO, содержащихся в α-оксиде алюминия для получения монокристаллического сапфира, рассчитывают по результатам вышеуказанного определения, и чистоту рассчитывают вычитанием вышеуказанного значения из 100. Расчетное уравнение является следующим:
Чистота (%)=100 - (общее количество по массе примеси (%))
(4) Объемная плотность
Объемную плотность рассчитывают при выливании образца в цилиндр, имеющий внутренний диаметр 37 мм и высоту 185 мм, с последующим делением массы образца на объем измерительного контейнера.
(5) Удельная площадь поверхности
Удельную площадь поверхности определяют методом азотной адсорбции с использованием устройства определения удельной поверхности по методу БЭТ (2300-РС-1А, изготовитель - Shimadzu Corporation).
Пример 1
α-Оксид алюминия высокой чистоты (торговая марка - АКР-53, выпускаемая фирмой Sumitomo Chemical Co., Ltd.) используют в качестве частиц затравочного кристалла α-оксида алюминия. К α-оксиду алюминия добавляют воду и затем смесь перемалывают в мокрой шаровой мельнице с получением суспензии частиц затравочного кристалла α-оксида алюминия, которая содержит 20% масс. частиц затравочного кристалла оксида алюминия. Частицы затравочного кристалла α-оксида алюминия имеют средний диаметр частиц 0,25 мкм.
Гидроксид алюминия высокой чистоты, полученный гидролизом алкоголята алюминия, используют в качестве предшественника α-оксида алюминия. Суспензию частиц затравочного кристалла α-оксида алюминия и гидроксид алюминия смешивают с помощью смесителя, имеющего на его внутренней поверхности перемешивающие лопасти с многоступенчатой крестообразной структурой разложения, вращающиеся с высокой скоростью. Количество частиц затравочного кристалла α-оксида алюминия, используемое на стадии смешения, составляет 2,3 масс.ч. на 100 масс.ч. α-оксида алюминия, полученного после прокаливания. Количество воды составляет 14 9 масс.ч. на 100 масс.ч. гидроксида алюминия. После того как количество воды становится 192 масс.ч. на 100 масс.ч. гидроксида алюминия, суспензию формуют экструзионным формованием в цилиндрическую форму с диаметром 5 мм × длиной 5 мм. α-Оксид алюминия для получения монокристаллического сапфира получают сушкой смеси при 60°C в печи с выпариванием воды с последующим нагреванием ее при скорости нагревания 100°C/ч и прокаливанием при температуре 1350°C в течение 4 ч.
3
3
2
α-Оксид алюминия имеет относительную плотность 98%, объем 0,014 см, объемную плотность 2,3 г/см, удельную площадь поверхности не более 0,1 м/г. Содержание Si, Na, Mg, Cu, Fe и Са, содержащихся в порошке, составляет 4 ч./млн, не более 5 ч./млн, не более 1 ч./млн, не более 1 ч./млн, 9 ч./млн и не более 1 ч./млн соответственно, и чистота оксида алюминия составляет 99,99%.
Пример 2
α-Оксид алюминия для получения монокристаллического сапфира получают таким же образом, как в примере 1, за тем исключением, что смесь гидроксида алюминия и частиц затравочного кристалла формуют экструзионным формованием в цилиндрическую форму с диаметром 20 мм × длиной 40 мм.
3
3
2
α-Оксид алюминия имеет относительную плотность 94%, объем 1,1 см, объемную плотность 1,8 г/см, удельную площадь поверхности не более 0,1 м/г. Содержание Si, Na, Mg, Cu, Fe и Са, содержащихся в порошке, составляет 4 ч./млн, не более 5 ч./млн, не более 1 ч./млн, не более 1 ч./млн, 5 ч./млн и не более 1 ч./млн соответственно, и чистота оксида алюминия составляет 99,99%.
Сравнительный пример 1
3
3
2
Материал AKQ-10, полученный фирмой Sumitomo Chemical Co., Ltd., имеет относительную плотность 49%, объем 0,004 см, объемную плотность 1,2 г/см, удельную площадь поверхности не более 2,8 м/г. Содержание Si, Na, Mg, Cu, Fe и Са, содержащихся в порошке, составляет 6 ч./млн, не более 5 ч./млн, 1 ч./млн, не более 1 ч./млн, 5 ч./млн и не более 1 ч./млн соответственно, и чистота оксида алюминия составляет 99,99%.
Применение α-оксида алюминия примеров 1 и 2 обеспечивает улучшенную эффективность теплопередачи, полученную в случае нагревания и плавления в тигле, например, методом EFG, улучшенную объемную эффективность тигля и улучшенную эффективность получения монокристаллического сапфира.