CN102191535B - 蓝宝石单晶体的制造装置 - Google Patents

Abstract

本发明提供一种能防止产生由晶体取向错位引起的晶体缺陷的蓝宝石单晶体的制造装置。本发明的蓝宝石单晶体的制造装置(1)将晶种和原料收纳在被支承构件(3)支承的坩埚(20)内，将该坩埚(20)配置在生长炉(10)内的筒状加热器(14)内，利用筒状加热器(14)对该坩埚进行加热而使原料和一部分晶种熔化而结晶化，该蓝宝石单晶体的制造装置包括用于以圆环状冷却形成为杯状的上述坩埚(20)的规定的外周位置的冷却部件。

Description

蓝宝石单晶体的制造装置

技术领域

本发明涉及蓝宝石单晶体的制造装置，更具体而言，涉及利用单向凝固法制造蓝宝石单晶体的制造装置。

背景技术

蓝宝石有各种各样的用途，其中最重要的用途是作为LED制造用的蓝宝石衬底。即，通过使缓冲层和氮化镓系覆膜在蓝宝石衬底上外延而获得LED发光基板越来越成为主流。

因此，寻求一种能够高效率且稳定地生产蓝宝石的蓝宝石单晶体制造装置。

LED制造用的蓝宝石衬底大多是c面取向(0001)衬底。以往，工业上采用的蓝宝石单晶体的制造方法有导模法(EFG，edge-defined film-fed growth)、泡生法(KP，Kyropoulosmethod)、柴氏拉晶法(CZ，Czochralski method)等，但在想要获得直径3英寸以上的晶体时，会产生各种晶体缺陷(crystal defect)，因此，取而代之生产a轴取向生长的单晶体。为了将a轴生长蓝宝石晶体加工成c轴生长蓝宝石晶锭(boule)，需要从横向挖通晶体，除了不容易加工之外，还存在不能利用的部分较多、材料利用率较差这样的问题。

在氧化物单晶体的制造方法中，公知所谓的垂直布里奇曼法(vertical Bridgman method)(垂直温度梯度凝固法)。为了容易取出生成的单晶体，该垂直布里奇曼法使用薄壁的坩埚。为了获得像蓝宝石那样的由高熔点熔液形成的单晶体，需要薄壁且在高温下强度较高、耐化学性较高的坩埚，关于该坩埚的技术以往就公开了(参照专利文献1)。

专利文献1：日本特开2007-119297号公报

特别是，为了利用由垂直布里奇曼法制造单晶体的单晶体制造装置获得没有晶体缺陷的蓝宝石单晶体，防止晶种(SeedCrystals)的轴(c轴)倾斜、避免晶种熔融、再结晶时发生晶体取向错位是很重要的。

在此，以本申请申请人进行了试做、研究的蓝宝石单晶体的制造装置101(参照图6)为例，说明利用单向凝固法的垂直布里奇曼法制造蓝宝石单晶体的制造工序(参照图7的(a)～(f))。

该蓝宝石单晶体的制造装置101具有生长炉110，该生长炉110通过在有冷却水流通的由筒状的外筒112和基座113密闭的空间内配置圆筒加热器114和隔热构件116而形成有热区118。另外，用于盛装晶种124和原料126的坩埚120是利用驱动轴104上下移动的结构。

作为蓝宝石单晶体的制造工序，首先，在坩埚120内装入蓝宝石晶种124和原料126(图7的(a))。

由生长炉110的圆筒加热器114包围的热区的温度被控制为以蓝宝石的融点为界，其上部侧为熔点的温度以上的温度，下部侧为熔点的温度以下的温度(图7的(f))。

使装入有蓝宝石的晶种124和原料126的坩埚120在热区从下部向上部侧上升，在原料126熔化、晶种124的上部熔化时停止上升(图7的(b))，接着使坩埚120慢慢地以需要的下降速度下降(图7的(c))。由此，沿晶种124的结晶面逐渐结晶、析出熔液(图7的(c)、(d))。

晶种124以c面水平的方式配置于坩埚120中，熔液沿该c面生长，即向c轴方向生长。

优选结晶化后在同一生长炉110内实施退火处理。更具体而言，降低向圆筒加热器114的输出而使圆筒加热器114内降低到需要温度(例如1800℃)，并且使坩埚120上升(图7的(e)至圆筒加热器114中间部的比其他部位的温度梯度小的均热区域128(图7的(f))，使坩埚120在该均热区域128停留需要时间(例如1小时)，在该状态下在坩埚120内实施蓝宝石单晶体的退火处理。但是，在残余应力较少的生长晶体的情况下，并不一定需要退火处理。

另外，通过特别使用钨作为坩埚120的形成材料，在结晶化工序及后述的退火工序、冷却工序中，能够获得坩埚120的内壁面与蓝宝石单晶体的外壁面处于非接触状态的效果。由此，能不对蓝宝石施加外部应力，从而能防止在蓝宝石上产生裂纹。另外，取出晶体时在晶体和坩埚120的内壁面之间也不会施加有应力，因此，能够无阻碍地取出晶体，且坩埚120不会发生变形而能反复使用。

另外，通过结晶化后在同一生长炉110内直接在坩埚120内进行退火处理，能够迅速且高效率地进行退火处理，从而能去掉晶体内部的热应力而获得晶体缺陷较少的高品质的蓝宝石单晶体。

作为一例，将由蓝宝石单晶体的制造装置101制造成的蓝宝石单晶体的照片(X射线拓扑图照片)示于图8的(a)和(b)中。另外，图8的(a)是俯视看的照片，图8的(b)是主视剖视的照片。根据该照片可知：采用蓝宝石单晶体的制造装置101，能够制造出晶体缺陷比由以往的制造装置制造成的蓝宝石单晶体少的蓝宝石单晶体。

但是，在该图8的(a)和图8的(b)所示的蓝宝石单晶体中，在其外周部附近能看到稍稍变成白色的部分(图中A部)。该白色部分是被称作小倾角边界的晶体边界，是与中心部的取向不同的晶体生长的部分。即，小倾角边界相当于所谓的晶体缺陷，是在获得作为产品的蓝宝石单晶体时必须去掉的部分，因此，需要防止产生该小倾角边界。

本发明人仔细调查了在使用蓝宝石单晶体的制造装置制造成的蓝宝石单晶体中产生小倾角边界的原因，在完成该调查后研究出了能防止产生小倾角边界那样的晶体缺陷的蓝宝石单晶体的制造装置。

发明内容

本发明是鉴于上述情况而做成的，其目的在于提供能够防止产生因晶体取向错位引起的晶体缺陷的蓝宝石单晶体的制造装置。

作为一技术方案，利用以下公开的解决手段解决上述问题。

公开的蓝宝石单晶体的制造装置将晶种和原料收纳在被支承构件支承的坩埚内，将该坩埚配置在生长炉内的筒状加热器内，利用筒状加热器对该坩埚进行加热而使原料和一部分晶种熔化而结晶化，该蓝宝石单晶体的制造装置包括冷却部件，该冷却部件用于以圆环状冷却形成为杯状的上述坩埚的规定的外周位置。

采用本发明公开的蓝宝石单晶体的制造装置，能防止产生由晶体取向错位引起的晶体缺陷。

附图说明

图1是表示本发明实施方式的蓝宝石单晶体的制造装置的例子的概略图(主视剖视图)。

图2的(a)和(b)是表示图1的蓝宝石单晶体的制造装置的坩埚的例子的概略图。

图3的(a)和(b)是表示图1的蓝宝石单晶体的制造装置的支承构件的例子的概略图。

图4的(a)和(b)是由图1的蓝宝石单晶体的制造装置制造成的蓝宝石单晶体的X射线拓扑图照片。

图5是表示图1的蓝宝石单晶体的制造装置的坩埚部分的温度分布的等温线图。

图6是表示本申请申请人进行了试做、研究的蓝宝石单晶体的制造装置的结构的概略图(主视剖视图)。

图7的(a)～(f)是用于说明由垂直布里奇曼法制造蓝宝石单晶体的制造工序的说明图。

图8的(a)和(b)是由图6的蓝宝石单晶体的制造装置制造成的蓝宝石单晶体的X射线拓扑图照片。

图9是表示图6的蓝宝石单晶体的制造装置的坩埚部分的温度分布的等温线图。

具体实施方式

下面，基于附图详细说明本发明优选的实施方式。

图1表示蓝宝石单晶体的制造装置1的主视剖视图(概略图)。本实施方式的蓝宝石单晶体的制造装置1包括利用公知的垂直布里奇曼法制造蓝宝石单晶体的生长炉10。简单地说明该生长炉10的结构，生长炉10在有冷却水流通的由筒状的外套12和基座13密闭的空间内配设有1个或多个上下方向长的筒状加热器。在本实施方式中，使用1个圆筒加热器14。另外，生长炉10的尺寸根据所制造的单晶体的大小而不同，作为一例，直径为0.5m、高度为1m左右。

在生长炉10内设有两个未图示的开口部，通过供给排出非活性气体、优选氩气，使晶体发育时在生长炉10内充满非活性气体。

另外，虽然未图示，但在生长炉10内的多处配设有用于测量炉内温度的温度计。

在本实施方式中，圆筒加热器14由石墨加热器形成，通过控制部(未图示)进行通电控制来进行温度调节。另外，在圆筒加热器14的周围配置有隔热构件16，利用隔热构件16包围形成热区18。通过控制对圆筒加热器14的通电量，能够使热区18内的上下方向存在温度梯度。

作为一例，使用石墨毡形成隔热构件16。通过使用石墨毡，能解决以往使用陶瓷、氧化锆作为隔热构件的材料时在高温下产生裂纹的问题。

图中的附图标记20是形成为杯状的坩埚，利用被固定在驱动轴4的前端的支承构件3支承。坩埚20能随着驱动轴4的上下移动而在圆筒加热器14内上下移动。另外，通过使驱动轴4绕轴线旋转，能使坩埚20在圆筒加热器14内旋转。

另一方面，驱动轴4与后述的冷却杆5相连结，利用未图示的滚珠丝杠上下移动。由此，坩埚20能被精确地控制上升速度、下降速度地进行上下移动。另外，在生长炉10及底部的隔热构件16等上设有用于供驱动轴4贯穿的结构(通孔等)。

采用上述结构，将晶种和原料收纳在坩埚20内，将坩埚20配置在生长炉10内的圆筒加热器14内而利用圆筒加热器14对该坩埚20进行加热，从而使原料6和一部分晶种熔化，并且，通过在圆筒加热器14内形成上高、下低的温度梯度并使驱动轴4上下移动，能使坩埚20内的熔液依次结晶化，能制造出蓝宝石单晶体。

另外，使用本实施方式的蓝宝石单晶体的制造装置1，利用垂直布里奇曼法制造蓝宝石单晶体的工序与图7的(a)～(f)所示的上述工序基本相同，省略说明。

在此，蓝宝石单晶体的制造装置1的特征性结构在于，坩埚20由热传导性材料构成，且在外周面的规定位置具有以放射状突出的突周部21。

如图1、图2(图2的(a)是主视剖视图，图2的(b)是仰视图)所示，本实施方式的突周部21是沿坩埚20的外周面形成为环状、且截面形成为梯形的结构。另外，截面形状并不限定于梯形，也可以是矩形、三角形等。但是，优选具有能与后述的支承构件3面接触的一面(在本实施方式中是下表面21a)。

另外，作为上述坩埚20的形成材料，优选使用具有下述线膨胀系数的材料：在坩埚20和蓝宝石单晶体之间完全不会产生因坩埚20的线膨胀系数与制造成的蓝宝石单晶体的和生长轴垂直的方向的线膨胀系数的差异引起的相互应力；或者，在蓝宝石单晶体上不会产生由上述相互应力引起的晶体缺陷，坩埚也不会产生由上述相互应力引起的变形。

或者，作为坩埚20的形成材料，优选使用这样的材料：蓝宝石熔点与常温这两点之间的平均线膨胀系数小于制造成的蓝宝石单晶体的和生长轴垂直的方向的、蓝宝石熔点与常温这两点之间的平均线膨胀系数。

或者，作为坩埚20的形成材料，优选使用这样的材料：从蓝宝石熔点(2050℃)到常温之间的平均线膨胀系数总是小于制造成的蓝宝石单晶体的和生长轴垂直的方向的、蓝宝石的平均线膨胀系数。

作为上述那样的各坩埚材料，可以举出钨、钨-钼合金、钼等。

特别是，钨在各温度下的线膨胀系数都小于蓝宝石，因此，通过使用由上述材料构成的坩埚，能使后述的结晶化过程、退火处理过程、冷却过程中的收缩率小于蓝宝石的收缩率，使坩埚20的内壁面与蓝宝石单晶体的外壁面处于非接触状态，能不对蓝宝石施加应力，能防止蓝宝石产生裂纹。

另一方面，支承构件3由热传导性材料构成，具有呈圆环状与坩埚20的突周部21面接触而支承坩埚20的支承面。如图1、图3(图3的(a)是俯视图，图3的(b)是主视剖视图)所示，在本实施方式中，支承构件3形成为杯状，上端面3a为与坩埚20的突周部21的下表面21a面接触而支承该坩埚20的支承面。

作为一例，支承构件3使用与坩埚20相同的材料形成。即，优选使用钨、钨-钼合金、钼等作为支承构件3的材料。

在此，本实施方式的蓝宝石单晶体的制造装置1的特征性的结构是包括用于以圆环状冷却坩埚20的规定的外周位置的冷却部件。

作为一实施方式，该冷却部件包括坩埚20的突周部21和呈圆环状与该突周部21面接触而支承该坩埚20的支承构件3。此时，坩埚20的下表面20a和支承构件3配设为彼此分开(参照图1)。

采用该结构，热从突周部21向支承构件3移动(由支承构件3产生的吸热作用)。由此，产生以圆环状冷却坩埚20的规定的外周位置(在本实施方式中为突周部21的形成位置)的作用。

另外，从突周部21向支承构件3移动的热再从支承构件3向驱动轴4移动。能获得上述热的移动作用是由于：利用由圆筒加热器14在热区18内产生的温度梯度使坩埚20的温度相对较高，使支承构件3的温度低于该坩埚20的温度，并且使驱动轴4的温度低于该支承构件3的温度。

另外，本实施方式的蓝宝石单晶体的制造装置1包括用于冷却驱动轴4的冷却构件。

作为一实施方式，冷却构件是冷却杆5，该冷却杆5是在内部具有循环管路51的杆状构件，通过使制冷剂(例如冷却水)在该管路内流通而进行冷却。在冷却杆5的上端部固定有驱动轴4。

利用作为冷却构件的冷却杆5，能对驱动轴4产生吸热作用，从而能降低驱动轴4的温度。由此，能促进热从支承构件3向驱动轴4移动作用。即，能促进支承构件3的冷却，结果能促进热从突周部21向支承构件3移动，因此，能获得增大上述冷却部件的冷却作用的效果。

除此之外，通过控制在循环管路51内流通的制冷剂的温度，也能获得容易控制该冷却作用的效果。

另外，用于以圆环状冷却坩埚20的规定的外周位置的冷却部件并不限定于上述实施例，例如，即使坩埚20是不具有突周部21的杯状，利用以圆环状冷却坩埚20的外周位置或底面20a的周缘部的结构，也能获得同样的效果。作为具体的结构例，可以考虑使支承构件3与该部位相抵接的结构(未图示)等。

如上所述，采用本实施方式的蓝宝石单晶体的制造装置1，能冷却坩埚20的规定的外周位置，由此，能防止在晶体的外周部产生小倾角边界等缺陷，能获得高品质的蓝宝石单晶体。关于该点以下详细说明。

在说明上述效果时，首先说明本申请发明人研究的产生小倾角边界的原因。作为一例，观察利用蓝宝石单晶体的制造装置101(参照图6)制造成的蓝宝石单晶体的照片(图8的(a)和(b))，在中央部有白色化的凸状的圆弧曲线。该圆弧曲线是晶种和发育成的晶体的边界。并且，该凸状的圆弧曲线向外周延伸时，在该曲线的终点部分即晶体的下端部且周缘部的位置有白色化的部分(图8的(a)和(b)中的B部)。即，在该B部产生与晶种的取向不同的晶体，由于以该不同取向晶体为基础在其上方进行晶体发育，因此产生小倾角边界(图8的(a)和(b)中的A部)。特别是，在使晶种熔化的工序(参照图7的(b))中，在晶体的下端部且周缘部的位置产生的白色化部分(图8的(a)和(b)中的B部)的外周部会熔化而浸入该晶种的下端部，从而导致晶种产生倾斜。同时，在晶种和发育成的晶体的界面(凸状的圆弧曲线)到达晶种的下端部及其附近时，会产生该浸入现象。由该晶种的倾斜产生的取向错位导致育成晶体产生裂纹。

因此，在使晶种熔化的工序中，为了防止外周部熔化而浸入该晶种的下端部，防止晶种和发育成的晶体的界面(凸状的圆弧曲线)到达晶种的下端部及其附近即可。作为具体的方法，首先考虑的是通过增大晶种(沿c轴方向加长)而减小坩埚在加热器内上升的量的方法。

但是，该方法需要较大的晶种，因此，存在成本变高、相反发育成的晶体量变小这样的问题。

另一方面，用等温线图(深色的上方为高温)表示蓝宝石单晶体的制造装置101(坩埚120附近)的温度分布，如图9所示具有凸状形状，这限定了晶种和发育成的晶体的界面(凸状的圆弧曲线)形状。

即，作为防止晶种和发育成的晶体的界面(凸状的圆弧曲线)到达晶种的下端部及其附近的方法，只要实现使晶种和发育成的晶体的界面(凸状的圆弧曲线)形状不是凸状而是更平坦的形状的方法，不采用增大晶种来减小坩埚在加热器内上升的量的方法就能防止晶种和发育成的晶体的界面(凸状的圆弧曲线)到达晶种的下端部及其附近。

采用本实施方式的蓝宝石单晶体的制造装置1，能冷却坩埚20的规定的外周位置(在此是突周部21的形成位置)。即，能使该外周位置(突周部21的形成位置)的坩埚20内的温度分布不是凸状而是更平坦的形状。将实际进行模拟算出的蓝宝石单晶体的制造装置1(坩埚20附近)的温度分布(等温线图)示于图5中(深色的上方是高温)。

因此，通过将突周部21的形成位置设定为在圆筒加热器14内上升的坩埚20的温度为蓝宝石的熔点温度以上的区域(轴向)的最下部位置，即通过使晶种的熔化位置(轴向)和突周部21的形成位置(轴向)大致一致，能使晶种和发育成的晶体的界面(凸状的圆弧曲线)的形状不是凸状而是更平坦的形状。

由此，在使晶种熔化的工序中，能防止外周部熔化而浸入该晶种的下端部，从而能防止该晶种倾斜，结果，能防止在晶体的下端部且周缘部的位置产生白色化部分、即与晶种的取向不同的晶体，最终能防止以在晶体的下端部且周缘部的位置产生的白色化部分为基础在周缘部产生向上方生长的小倾角边界。而且，也能防止产生由晶种倾斜引起的裂纹。

作为一例，将由蓝宝石单晶体的制造装置1制造成的蓝宝石单晶体的照片(X射线拓扑图照片)示于图4的(a)和(b)中。从该照片可知：与图8的(a)和(b)的照片所示的蓝宝石单晶体相比，能显著地抑制产生小倾角边界。

如以上说明，采用本发明公开的蓝宝石单晶体的制造装置，能防止产生由晶体取向错位引起的晶体缺陷(小倾角边界、裂纹等)，从而能制造高品质的蓝宝石单晶体。

另外，本发明并不限定于以上说明的实施例，能在不脱离本发明的范围内进行各种变更。特别是，上述说明了采用垂直布里奇曼法的情况，但利用与垂直布里奇曼方法相同的单向凝固法的垂直温度梯度凝固法(VGF法)进行结晶化、退火处理也能获得蓝宝石晶体。在该情况下，通过使坩埚在圆筒加热器内上升位于圆筒加热器的均热区域内来进行退火处理。

另外，在上述实施方式中，晶体的生长轴为c轴，但也可以将a轴作为生长轴或者将与r面垂直的方向作为生长轴。

另外，本制造装置适于制造蓝宝石单晶体，但当然也能应用于制造其他单晶体。

Claims (6)

1.一种蓝宝石单晶体的制造装置，其将晶种和原料收纳在被支承构件支承的坩埚内，将该坩埚配置在生长炉内的筒状加热器内，利用筒状加热器对该坩埚进行加热而使原料和一部分晶种熔化而结晶化，其特征在于，

该蓝宝石单晶体的制造装置包括冷却部件，该冷却部件用于以圆环状冷却形成为杯状的上述坩埚的规定的外周位置，

上述坩埚由热传导性材料构成，具有呈放射状在外周面的规定位置突出的突周部，

上述支承构件由热传导性材料构成，具有以圆环状与上述坩埚的突周部面接触而支承该坩埚的支承面，

上述冷却部件包括上述突周部和上述支承构件。

2.根据权利要求1所述的蓝宝石单晶体的制造装置，其特征在于，

上述制造装置利用通过使筒状加热器形成上高、下低的温度梯度而使熔液依次结晶化的单向凝固法，

上述坩埚的设有上述突周部的位置是该坩埚的温度为蓝宝石的熔点温度以上的区域的最下部位置。

3.根据权利要求1或2所述的蓝宝石单晶体的制造装置，其特征在于，

上述支承构件为杯状，其上端面与上述突周部的下表面面接触。

4.根据权利要求1所述的蓝宝石单晶体的制造装置，其特征在于，

上述坩埚的下表面和上述支承构件分开。

5.根据权利要求1所述的蓝宝石单晶体的制造装置，其特征在于，

该蓝宝石单晶体的制造装置包括在前端固定上述支承构件 的驱动轴和用于冷却上述驱动轴的冷却构件。

6.根据权利要求5所述的蓝宝石单晶体的制造装置，其特征在于，

上述冷却构件是冷却杆，该冷却杆是在内部具有循环管路的杆状构件，通过使制冷剂在该循环管路内流通来进行冷却。