【转】神坛上的美国蓝宝石晶体生长设备

原文地址：神坛上的美国蓝宝石晶体生长设备作者：小盗

引 言
华裔背景的美国科学家朱棣文博士因激光冷却和俘获原子的实验而分享了1997年的诺贝尔物理学奖。获奖后朱棣文博士访问中国的第一站选择了中国科学院上海光学精密机械研究所拜访王育竹院士。因为王育竹院士比获得1997年诺贝尔物理学奖的朱棣文博士早了近10年就提了关于激光冷却的实验方法和理论设想，但是实验必需器材的购置费120万元迟迟未申请到，以致拖了14年才出成果，结果当然他不可能拿诺贝尔奖。
向王育竹院士表示致敬！
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话说世界500强联合利华新换了一批自动香皂包装机以后，经常出现香皂盒子是空的没有香皂情况，而在装配线一头用人工检查因为效率问题不太可能而且不保险，这不，一个由自动化，机械，机电一体化等专业的博士组成的Solution队伍来解决这个问题，没多久他们在装配线的头上开发了全自动的X光透射检查线，透射检查所有的装配线尽头等待装箱的香皂盒，如果由空的就用机械臂取走。
同样，中国一乡镇企业生产香皂也遇到类似问题，老板吩咐线上小工务必想出对策解决之，小工拿了一个电风扇放在产线上吹风。
一堆最先进的零部件的堆积物，未必是最合适的机器。
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事关中国人面子的诺贝尔奖，我们纠结了很多很多年…………..其实大可不必，诺贝尔奖已经带有了浓厚的政治色彩…………..
如果我们老百姓能安居乐业、如果有一个让我们的科技工作者心无旁鹫安心工作的环境、如果我们的百姓人人从心底就淡定…………….不要说我们从未拿过诺贝尔，即使从未有奥运奖牌又能如何？
不能为官员的面子而活，要为百姓的尊严而活！
中国从来不缺乏优秀的人才，只是缺乏合适的制度和尊重知识的土壤。在急功近利的环境中，我们缺乏的是自信和心态;喜欢神话，能为有钱人服务的神话……………..尤其是外来的神话。

     神坛上美国蓝宝石晶体生长设备本博主学习和研究晶体生长技术十五年以上，也跑过不少国家和地区，对晶体生长技术和设备的发展水平自认为略知一二。十多年前开始跟踪蓝宝石晶体生长的技术和设备，应该讲前苏联地区的水平在世界上是处于领先水平的。跟踪Crystal System 也是在十年前的事了；在本人的学识范围内，晶体生长的技术和设备绝对是一个需要理论和经验相结合的一个技术活。

以本人的愚钝，对一瞬间冒出的美国三大神炉公司GT、TT和ARC是无法理解的；呵呵………….完全超出本人知识范畴和对晶体生长方法的认识。
那么三大神炉真的是神明天降？他们的本质是什么？

三大神炉的技术本源

在本人的另一篇博文《从各个版本的Ky反映出的民族特性 》已经概括性的总结了Ky法在美国的发展；其中TT公司的炉子绝对是美国人把 俄罗斯的Ky炉进行好莱坞化。TT公司并没有掌握Ky法的精髓，只是按美国人的理解进行所谓的改进，在成本上和性能上完败于俄罗斯的Ky法。本质上TT的设备是一个Ky在美国失败的改装版本，Ky近四十年的经验和技术积累不是一年两年就能超越的。

在分析ARC的设备的时候，一定要把它和GT的ASF（实际上就是HEM）放在一起，因为ARC的设备是GT的改良升级版。
我们先谈谈他们的历史渊源，GT的多晶定向铸锭炉技术买的是Crystal System的技术专利，这是本来是一个用HEM长Si单晶失败的产品，是典型的瞎猫碰死耗子。中国的LDK是他全球第一个商业用户，第一个吃螃蟹的人。后来GT收购CS，有一票CS的人跳槽出来成立ARC，ARC的人的确熟知HEM的种种毛病，改进后推出自己的HEM设备。GT由于收购了CS的全部知识产权，所以在告ARC侵权。
那么GT和ARC的HEM是一个新技术吗？它的原理是什么？
所谓万变不离其宗，本博主认为他们的真正技术的本源是Bridgman-Stockbarger Method坩锅下降法。为说明这个问题，我还会带上国内的上海光机所TGT、云南玉溪和成都东骏在一起做分析比较；它们都是坩锅下降法的变种。

云南玉溪、成都东骏、TGT、GT和ARC的技术分析
Bridgman-stockbarger method 坩埚下降法是将一个垂直放置的坩埚逐渐下降，使其通过一个温度梯度区(温度上高下低)，熔体自下而上凝固。通过坩埚和熔体之间的相对移动，形成一定的温度场，使晶体生长。温度梯度形成的结晶前沿过冷是维持晶体生长的驱动力。使用尖底坩埚可以成功得到单晶，也可以在坩埚底部放置籽晶。对于挥发性材料要使用密闭坩埚。
坩埚下降法优点：1：坩埚封闭，可生产挥发性物质的晶体；2：成分易控制；3：可生长大尺寸单晶；4：常用于培养籽晶。
坩埚下降法缺点：1：不宜用于负膨胀系数的材料，以及液体密度大约固体密度的材料；2：由于坩埚作用，容易形成应力，寄生成核和污染；3：不易于观察。4：下降机构存在机械扰动。
以上为各个版本晶体生长技术文献对坩锅下降法的总结。
大家仔细看看坩锅下降法的技术特点 ，总结一下上海光机所TGT、云南玉溪、成都东骏、HEM和ARC的共同性：通过一个温度梯度区(温度上高下低)，熔体自下而上凝固；通过坩埚和熔体之间的相对移动，形成一定的温度场，使晶体生长；坩埚底部放置籽晶。
这几种方法都希望利用坩锅下降法可生长大尺寸单晶；同时都通过一些技术改进，来避免一些坩埚下降法缺点；但是有些缺点是不可避免，以上的改进和缺点在下面的进行一一分析。
原料污染问题是TGT、云南玉溪、成都东骏、HEM和ARC都不可避免的问题，其中ACR解决的最好，云南玉溪和成都东骏处于中间水平，HEM和TGT最差。

HEM采用钼坩锅，石墨发热体，石墨保温系统；存在污染污染源有三个，钼、碳、碳化钼。由于钼坩锅的特性，以及钼在蓝宝石熔液中的分凝系数问题，该方法长出的晶体会发蓝，蓝宝石材料中钼含量偏高。使用石墨发热体和石墨保温材料，必然会使得材料中的碳含量偏高，晶体发黑发红。碳会影响电光效率，同时会加快衰减。具体还看看博文《笑看美国的又一个技术神话的破灭 》。坩锅一次性使用。
TGT采用钼坩锅，石墨发热体，金属屏保温系统；存在污染污染源有三个，钼、碳、碳化钼；和HEM相差无几。坩锅一次性使用。
云南玉溪和成都东骏采用钼坩锅，线圈感应；金属加无机非金属保温材料，由于钼坩锅的特性，以及钼在蓝宝石熔液中的分凝系数问题，该方法长出的晶体会发蓝，蓝宝石材料中钼含量偏高，但不会有碳和碳化钼的问题。坩锅一次性使用。
ACR采用钨坩锅，钨丝网发热体，金属屏保温系统；仅仅在钨坩锅存在一点点氧化钨和钨，应该说材料解决不错和Ky是一个水平。
坩锅可以多次使用。
不过ACR的原理设计和温场设计绝对存在知识产权问题，不仅仅是GT告他们在保护籽晶和梯度控制方面侵权，在国内绝对侵犯了一家国内企业的专利设计（目前暂不透露），是温场和原理的发明专利和实用新型各一项。

寄生成核和不易于观察是TGT、云南玉溪、成都东骏、HEM和ARC都不能很好解决的问题。籽晶在底部以及晶体和坩埚壁接触，会产生应力或寄生成核，容易多晶，单晶性一定不好。而单晶性是衬底级蓝宝石的第一关键参数。不易于观察容易造成晶体生长速率的不可控性，所以GT设备要加电源稳压器。见《笑看美国的又一个技术神话的破灭 》
下降机构存在机械扰动问题云南玉溪和成都东骏没有加于考虑；但博主认为这不是什么大问题。因为要解决这个问题会带来负面的影响，本身以目前的机械电子水平机械扰动已经不是大问题。TGT、HEM和ARC都在这个问题上加以解决，成为他们的所谓技术亮点。
TGT在石墨发热体上做文章，通过调节电阻，使发热体的发热量从上到下递减，随着发热功率的递减，生长界面至下而上上升，完成晶体生长。由于无机械可动部分，的确没有机械扰动问题。带来的负面影响是，坩锅顶部的温度需要更高，而且晶体自上而下存在一个较大梯度，会加大晶体的应力。

云南玉溪和成都东骏都是把坩锅从高温区拉到低温区；但是成都东骏加入了自己的专利设计，在完成晶体生长后把坩锅和下保温罩上升，用来进一步减少温度梯度达到更好的退火效果，很不错的设计。赞一个。云南玉溪在产业化方面，在国内是最具有经验的；目前也是国内规模做的最大的，赞一个。以目前的机械加工水平，机械扰动已经不是大问题，所以云南玉溪和成都东骏并没有绝对的劣势。
坩锅寿命、晶体应力和生长方向 三个问题是分不开的，相互影响。其中晶体应力的部分起因在下降机构存在机械扰动中已经做了详细分析；其中还有一部分是由于和坩锅接触引起的，也是不可避免的，相比晶体和坩锅壁不接触的方法，坩锅下降法的应力相对偏大，晶体容易炸裂。
大家注意到一个规律了吗？TGT、云南玉溪、成都东骏、HEM坩锅基本上是一次性使用，A向生长。ARC坩锅可以多次使用，C向生长。至于A向、C向的选择在《从缺陷的角度谈谈蓝宝石生长方向的选择》详细分析，不加多言；这里重点分析一下坩锅一次性使用的问题。
TGT和HEM采用钼坩锅，由于使用碳发热体，由于碳和钼的反应会使得坩锅材料变脆；同时晶体和坩锅接触，为减少晶体的压应力，采用薄壁钼坩锅，利用了薄壁钼坩锅的延展性较钨坩锅好；综合以上坩锅只能一次性使用。A向生长。

云南玉溪、成都东骏采用钼坩锅，由于使用感应加热，由于坩锅直接作为发热体使得坩锅材料变脆；同时晶体和坩锅接触，为减少晶体的压应力，采用薄壁钼坩锅，利用了薄壁钼坩锅的延展性较钨坩锅好；综合以上坩锅只能一次性使用。A向生长。
ARC采用钨坩锅，采用金属发热体，钨坩锅可以多次使用，而且神奇的采用C向生长。博主要发表一个与大家完全不同看法，ARC采用C向生长能够偶尔成功和他材料纯度较好有一定的关系，更关键的是为了使用钨坩锅，且能多次使用，必须使用C向生长。由于A向晶体膨胀系数各向异性，晶体不宜脱锅；而C向生长的晶体膨胀系数各向基本同性，晶体较容易脱锅，而且压应力相对小，能使用延展性较差但不易污染晶体的钨坩锅。
所以说ARC使用C向生长绝对不是它吹嘘的技术先进，可以进行C向生长 ；而是要使用钨坩锅且多次使用不得已的选择！
至于ARC所吹嘘的原料预处理技术，即使是绝招也是“葵花宝典”；“若要成功，必先自宫”

任何一种晶体生长方法、任何一种技术没有高低之分；只有最合适它生长的材料。ACR的技术的确是坩锅下降技术改进版本的巅峰之作之一；但不意味着它是最适合生长蓝宝石晶体的技术方法。        谈笑间，灰飞烟灭...............