CN103215632A

CN103215632A - 一种大尺寸c取向蓝宝石单晶的生长方法

Info

Publication number: CN103215632A
Application number: CN2013101135497A
Authority: CN
Inventors: 许海波; 刘海滨; 娄中士; 姚亮
Original assignee: SUZHOU HYPERION CRYSTAL CO Ltd
Current assignee: SUZHOU HYPERION CRYSTAL CO Ltd
Priority date: 2013-04-02
Filing date: 2013-04-02
Publication date: 2013-07-24
Anticipated expiration: 2033-04-02
Also published as: CN103215632B

Abstract

本发明公开了一种大尺寸c取向蓝宝石单晶的生长方法，包括放置籽晶、装料、抽真空、启动氦气、加热化料、晶体生长、降温退火、检测及处理等步骤；本发明将目前使用的直径260mm坩埚增大至直径285mm坩埚，无需变动原热场，对长晶参数进行优化，投料量从37kg增加至60kg，从而提高了生产效率，降低了成本。

Description

一种大尺寸c取向蓝宝石单晶的生长方法

技术领域

本发明属于蓝宝石技术领域，涉及一种c取向蓝宝石单晶的生长方法，尤其涉及一种大尺寸的使用直径285mm的坩埚进行c取向蓝宝石单晶生长的方法。

背景技术

蓝宝石（Sapphire）是一种氧化铝（α-Al₂O₃）的单晶，又称为刚玉，晶体具有优异的光学性能、机械性能和化学稳定性，强度高、硬度大、耐冲刷，可在接近2000℃高温的恶劣条件下工作，因而被广泛的应用于红外军事装置、卫星空间技术、高强度激光的窗口材料。其独特的晶格结构、优异的力学性能、良好的热学性能使蓝宝石晶体成为实际应用的半导体GaN/Al₂O₃发光二极管（LED），大规模集成电路SOI和SOS及超导纳米结构薄膜等最为理想的衬底材料。近年来，随着现代科学技术的发展，对蓝宝石晶体材料的尺寸、质量不断提出新的要求。例如，美国国家自然科学基金委员会作为LIGO（LaserInterferometer Gravitational Wave Observatory）计划中分光透镜用的蓝宝石晶体，晶体尺寸：￠350×120mm，光学均匀性：△n<2×10^-7，弱光吸收系数（1064nm）：10^-6/cm；红外成像探测设备的窗口材料，最小口径为￠150mm，工作波段透过率>80%。特别是高亮度白光LED作为下一代通用照明器件，具有绿色节能等优点。蓝宝石衬底是氮化镓基白光LED的最主要衬底，市场的需求量巨大。

自1885年由Fremy、Feil和Wyse利用氢氧火焰熔化天然红宝石粉末与重铬酸钾而制成了当时轰动一时的“日内瓦红宝石”，迄今人工生长蓝宝石的研究已有100多年的历史。在此期间，为了适应科学技术的发展和工业生产对于蓝宝石晶体质量、尺寸、形状的特殊要求，为了提高蓝宝石晶体的成品率、利用率以及降低成本，对蓝宝石的生长方法及其相关理论进行了大量的研究，成果显著。至今已具有较高的技术水平和较大的生产能力，为之配套服务的晶体生长设备单晶炉也随之得到了飞速的发展。随着蓝宝石晶体应用市场的急剧膨胀，其设备和技术也在上世纪末取得了迅速的发展，晶体尺寸从2英寸扩大到目前的12英寸。

低成本、高质量地生长大尺寸蓝宝石单晶已成为当前面临的迫切任务。总体说来，蓝宝石晶体生长方式可划分为溶液生长、熔体生长、气相生长三种，其中熔体生长方式因具有生长速率快，纯度高和晶体完整性好等特点，而成为制备大尺寸和特定形状晶体的最常用的晶体生长方式。目前可用来以熔体生长方式人工生长蓝宝石晶体的方法主要有焰熔法、提拉法、区熔法、导模法、坩埚移动法、热交换法、温度梯度法、泡生法等。

目前我公司使用直径260mm坩埚进行c取向蓝宝石晶体生长，投料量在37kg左右，由于投料量小，无法实现增加产能和存在加工成本较高等问题。

因此，针对上述技术问题，有必要提供一种更大尺寸的坩埚进行c取向的蓝宝石单晶的生长，以克服上述缺陷。

发明内容

有鉴于此，本发明的目的在于提供一种大尺寸的使用直径285mm的坩埚进行c取向蓝宝石单晶生长的方法，从而增加投料量，提高生产效率，降低成本。

为实现上述目的，本发明提供如下技术方案：

本发明的大尺寸c取向蓝宝石单晶的生长方法，具体包括下述步骤：

（1）放置籽晶：将c取向籽晶放置在坩埚的籽晶槽内；

（2）装料：将高纯氧化铝原料放入坩埚内，关闭炉盖，启动冷却水循环系统；

（3）抽真空：启动真空系统，将炉腔压力抽至0.015Torr以下；

（4）启动氦气：启动氦气冷却系统，调节氦气流量为40～100slm，防止化料过程中籽晶完全熔化；

（5）加热化料：启动加热系统升温，以3.33KW/h进行升温，升温至11.55KW后，以11.55KW/h升温至61KW，以3℃/h升温，当探测融化位置达到目标值上方120mm时，以1.25℃/h进行升温，直至高纯氧化铝开始熔化，控制使籽晶部分熔化；

（6）晶体生长：先以1℃/h降温，氦气流量以1SLPM/h增加，再以降温速率分别为0.3℃/h和0.12℃/h降温，每12h进行探测，计算晶体生长速率，如生长速率超过1.8mm/h，将降温速率根据实际测量数值降低，直至连续探测3次探针位置相同时，确认晶体已完成生长，再进行24h的降温；

（7）降温退火：坩埚位置以2mm/h上升，降温速率以0.6KW/h、0.3kw/h、0.2kw/h、0.2kw/h分别降低至30KW、8KW、2KW直至0KW，在退火阶段开始时，并以20SLPM/h充入氩气，直至达到500Torr，冷却24小时后进行卸载；

（8）检测及处理：对出炉晶锭进行检测，是否有晶界、气泡、开裂，然后切除头尾，画图进行掏棒。

优选的，所述加热采用的加热器为鸟笼状、网状的筒形钨加热器或筒形石墨加热器。

优选的，所述的坩埚为钨坩埚、钼坩埚、钨钼合金坩埚或铱坩埚，所述的坩埚底部形态为于直角、圆角或倒角形式。

优选的，所述高纯氧化铝原料优选自Al₂O₃粉料、Al₂O₃饼料、粒状Al₂O₃及蓝宝石碎晶中的任意一种或两种以上的组合。

本发明将目前使用的直径260mm坩埚增大至直径285mm坩埚，无需变动原热场，对长晶参数进行优化，投料量从37kg增加至60kg，从而提高了生产效率，降低了成本。

附图说明

为了更清楚地说明本发明实施例中的技术方案，下面将对实施例描述中所需要使用的附图作简单地介绍，显而易见地，下面描述中的有关本发明的附图仅仅是本发明的一些实施例，对于本领域普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动的前提下，还可以根据这些附图获得其他的附图。

图1是现有技术中所用的直径260mm坩埚的结构示意图；

图2是本发明所用的直径285mm坩埚的结构示意图。

具体实施方式

下面将结合实施例对发明的大尺寸c取向蓝宝石单晶的生长方法进行进一步的详细说明。

1、长晶炉准备

检查热场，注意不正常的现象，尤其是热场发生弯曲、损耗、变色或破碎的部分。清理炉内热场的碎片。检查坩埚和GCD的位置并确定它们在正确的位置。检查探针的使用情况，如果出现下列状况，更换探针：A、探针已经用过三炉；B、探针弯曲、破裂或不能与保温的探针孔对中；C、探针上有过度的沉积物或变得很脆。

对高温计孔进行对中。用IPA和无尘纸彻底清理坩埚的内外、坩埚杆槽、坩埚杆的顶部，然后对坩埚杆槽和坩埚杆顶部涂抹一层离型剂。离型剂要凝固30～60分钟后才能安装，用真空夹具将坩埚安装在炉内。在坩埚槽内放入模型籽晶，下降探针，看是否对中并测量引晶目标值。确认初始氦气流量是否为70SLPM。

2、原料装载

将坩埚和GCD位置分别放在50和20的位置，将检查好的籽晶放入籽晶槽中，旋转确认是在籽晶槽的正中。将A面对高温计方向。将一块较大的蓝宝石原料块垂直放到籽晶的上面，压住籽晶，防止籽晶倾斜。接着在籽晶周围堆一层粉料，然后用块料和粉料交替堆叠直至原料全部装完。然后下降探针测量原料高度和坩埚盖高度，并对坩埚盖孔进行对中。完成后将探针位置升至原料和坩埚盖中间，盖上炉盖，启动。

3、抽空和检漏

真空抽至0.015Torr以下，进行检漏，泄漏率在0.015Torr以下。

4、熔化

进行加热化料，H1阶段，以每小时3.33KW进行升温，升温至11.55KW后soak2小时，进入H2阶段，以每小时11.55KW升温至61KW后soak2小时，系统进入Melt1，此程序运行完成后，将当前PYROMETER数值根据recipe公式算出数值输入至Melt2TEMPERATURE END中，进入Melt2阶段。系统进入MELT3阶段，以3摄氏度/小时升温，打开“TREND SCREENS”界面，如果POWER BOW出现，在其过后2小时开始探测融化位置。在Melt3过程中，当探测融化位置达到目标值上方120mm（目标值+120mm）时，手动将当前PYROMETER温度值输入Melt3的终止温度中（即Melt4起始温度），进入Melt4运行，以1.25摄氏度/小时进行升温，每小时进行探测，直至达到目标值。

5、长晶阶段（长晶阶段为温度控制模式）

在GROWTH1阶段，以1摄氏度/小时降温，氦气流量以1SLPM/小时增加，此阶段无需探测probe位置。

当长晶过程进行到“Growth2-3”阶段，降温速率分别为0.3摄氏度/小时和0.12摄氏度/小时，每12小时进行探测，计算晶体生长速率，如生长速率超过1.8mm/小时，将降温速率根据实际测量数值降低。直至连续探测3次探针位置相同时，确认晶体已完成生长，再进行24小时的降温，进入下一阶段。

6、退火阶段（退火阶段为功率控制模式）

坩埚位置以2mm/小时由50升至125位置，降温速率以0.6KW/小时、0.3kw/小时、0.2kw/小时、0.2kw/小时分别降低至30KW、8KW、2KW直至0KW，在退火阶段开始时，并以20SLPM/小时充入氩气，直至达到500Torr，冷却24小时后进行卸载。

7、检测及处理

对出炉晶锭进行检测，是否有晶界、气泡、开裂，然后切除头尾，画图进行掏棒。

综上所述，本发明将目前使用的直径260mm坩埚增大至直径285mm坩埚，无需变动原热场，对长晶参数进行优化，投料量从37kg增加至60kg，从而提高了生产效率，降低了成本。

对于本领域技术人员而言，显然本发明不限于上述示范性实施例的细节，而且在不背离本发明的精神或基本特征的情况下，能够以其他的具体形式实现本发明。因此，无论从哪一点来看，均应将实施例看作是示范性的，而且是非限制性的，本发明的范围由所附权利要求而不是上述说明限定，因此旨在将落在权利要求的等同要件的含义和范围内的所有变化囊括在本发明内。不应将权利要求中的任何附图标记视为限制所涉及的权利要求。

此外，应当理解，虽然本说明书按照实施方式加以描述，但并非每个实施方式仅包含一个独立的技术方案，说明书的这种叙述方式仅仅是为清楚起见，本领域技术人员应当将说明书作为一个整体，各实施例中的技术方案也可以经适当组合，形成本领域技术人员可以理解的其他实施方式。

Claims

1.一种大尺寸c取向蓝宝石单晶的生长方法，其特征在于，包括下述步骤：

（1）放置籽晶：将c取向籽晶放置在坩埚的籽晶槽内；

（3）抽真空：启动真空系统，将炉腔压力抽至0.015Torr以下；

2.根据权利要求1所述的生长方法，其特征在于：所述加热采用的加热器为鸟笼状、网状的筒形钨加热器或筒形石墨加热器。

3.根据权利要求1所述的生长方法，其特征在于：所述的坩埚为钨坩埚、钼坩埚、钨钼合金坩埚或铱坩埚，所述的坩埚底部形态为于直角、圆角或倒角形式。

4.根据权利要求1所述的生长方法，其特征在于：所述高纯氧化铝原料优选自Al₂O₃粉料、Al₂O₃饼料、粒状Al₂O₃及蓝宝石碎晶中的任意一种或两种以上的组合。