CN103255478B - 一种拉制白宝石单晶长晶炉结构改进及方法 - Google Patents

Abstract

本发明涉及一种拉制白宝石单晶长晶炉结构改进及方法，所述的结构改进在于在一个绝热体中有一个圆筒型腔体，在圆筒型腔体中放入坩埚，在绝热体外部是加热线圈，其特征在于在绝热体上侧方至少有一个开口，在绝热体正上方中间有开口，氧气和不活泼性气体从开口流入腔体，气体从开口流出，开口也是籽晶通过到达溶液的通口。生长过程使用氧气和不活泼气体组成的混合气体混合气体中氧气的浓度在不同的步骤有不同的浓度；并且增加纯化过程。本发明能有效抑制晶体中气泡的产生，不需要抽真空且坩埚的使用寿命长，不仅能拉制c面，也能拉制r面，m面，n面的白宝石单晶体。

Description

一种拉制白宝石单晶长晶炉结构改进及方法

技术领域

本发明涉及一种拉制白宝石单晶长晶炉结构改进及方法，更确切地说涉及用熔融的氧化铝拉制白宝石单晶的技术，属于人工晶体生长领域。

背景技术

用白宝石单晶体加工成的白宝石抛光片是外延GaN的衬底材料。外延GaN是用于LED的制造基础材料，LED可用于照明，也是LED电视的背光源。LED优点是发光效率高，可以节省大量能源。

白宝石片的加工方法一般是用白宝石晶锭切割成片，然后经过研磨、抛光等工序加工而成。白宝石晶锭的制造有各种方法，结晶较好的大直径的、且容易实现的基本上都是熔融固化的方法，尤其是其中的CZ法被广泛地使用。

CZ法制造白宝石晶体的方法，首先是将氧化铝原料装到坩锅中，用电阻或者中频感应来对原料进行加热融化。在原料熔化后，用与所要晶向相同的籽晶与熔融的液面接触，在一定的转速和拉升速度下进行白宝石单晶的生长。

在用CZ法制造白宝石的晶体过程中，容易在晶体内产生气泡，加工成的薄片由于含有气孔，白宝石片就是不良片，而且在后续的加工中，比如研磨时，由于气泡的存在，容易产生崩缺，甚至破片，从而导致研磨中出现大量的不良片，白宝石片中的气泡又是外延产生缺陷的一个原因。有气泡的衬底片加工出的器件，其特性也会恶化，从而导致器件特性差而且合格率低。

还有，制造LED一般使用C面(0001)作为表面，而获得C面晶棒的方法有直接拉制就是C面，也有先拉制a面，然后沿C轴掏出C面晶棒的方法，从合格率来考虑，显然直接长c面的方法要更好。不过c轴方向生长方法与其他方向生长方法比较，更容易产生气泡。

日本发明专利2008-321649提供了一种可以生长c面晶棒并抑制气泡产生的方法，具体是在气氛中掺入一定比例的氧气来抑制气泡的产生。这个专利有几个明显的缺点：1使用真空抽气装置，使装置结构复杂。2使用了较高浓度的氧气，会导致坩锅的恶化，降低坩锅的使用寿命，从而提高了成本。3专利中描述的对气泡的抑制效果还需要进一步提高。

发明内容

本发明的目的在于提供一种拉制白宝石单晶长晶炉结构改进及方法，由此可见本发明要解决的技术问题是提供一种结构更简单的用于白宝石单晶生长的长晶炉，使用中氧气浓度更低，不仅能保证晶体的质量，相对于日本发明专利2008-321649，对气泡的抑制效果更佳，而且能减少坩锅的恶化，从而降低成本的方法。

为了解决上述技术问题，本发明采用拉制白宝石单晶体的方法是：在绝热腔体内放入能耐高温且在氧气环境下不会快速恶化的坩埚，如铱坩埚，将氧化铝原料投入到坩埚内进行熔化，腔体中气氛由氧气和其它的不活泼性气体组成，在液体熔化后到晶体生长间有液体纯化工艺步骤，在这一步骤过程中采用氧浓度为0.2％～20％，在晶体拉制过程采用低的氧浓度，通常为0.1％～0.5％，可以减少高氧浓度对坩锅的恶化影响。所述的不活泼气体通常为氮气或氩气。

本发明方法不仅能拉制a面、r面的白宝石单晶体，也能拉制c面的白宝石单晶体。

由此可见，本发明混合气体中氧气的浓度在不同的步骤有不同的浓度，在纯化阶段采用较高浓度的氧气，其体积含量为0.2％以上到20％，在晶体生长工艺过程，氧含量浓度优先为0.1％到0.6％.在收尾阶段，氧含量浓度为0，也即仅通入不活泼气体。

本发明拉制中，晶体的转动速度为0.5rpm到3rpm，晶体的拉制速度为0.5～2mm/小时，以上转速和拉速是c面白宝石晶体的生长条件，如果长a面，r面，m面或n面，转速和拉速还可以提高，转速最高可以提高到10rpm，拉速最高可以提高到15mm/小时。

本发明实施的具体过程描述如下：

一、长晶炉结构的改进

长晶炉基本结构参见图2，在一个绝热体1中有一个圆筒型腔体，在圆筒型腔体中放入坩锅2，在坩锅2中加入氧化铝原料3，在绝热体上侧方至少有一个开口4，在绝热体正上方中间有开口5，氧气和不活泼性气体从开口4流入腔体，气体从开口5流出，开口5也是籽晶6通过到达溶液的通口。在绝热体外部是加热线圈7，在加热线圈7中通过电流给坩锅进行加热，通过控制电路8对线圈7中的电流进行控制调节，从而来调整液面温度；所述绝热体上侧方开口4为2个、3个或4个，理论上可以无数个，但实际以1-3个为宜。

二、利用上述改进后的长晶炉生长白宝石，在生长过程使用氧气和不活泼N₂或Ar组成混合气体，并且增加纯化步骤，具体工艺步骤包括：

a)、熔融

通过线圈7给坩锅2进行加热来使原料3熔融，混合气体中氧气的体积比为0～1％。

b)、浸籽晶

当氧化铝原料融化后将籽晶浸入到熔融的熔体中，混合气体中氧气的体积比为0～1％。

c)、纯化

熔融的原料需要将液体在一定的氧浓度下进行煮的过程，可以有效降低晶体中气泡的形成。通入混合气体中氧浓度的体积比为0.1～20％。

d)、拉晶步骤，包含长肩、等晶生长和收尾步骤；

长肩和等晶生长时混合气体中氧气的体积比为0.2～0.6％，收尾阶段的氧浓度为0，拉制速度为0.5～3mm/小时。

通过籽晶的旋转和上升，同时通过电路控制调整液体温度来达到放肩、等晶生长及收尾的过程。

e)、收晶及晶锭检查步骤；

收尾完成后进行降温、冷却及将晶锭从长晶炉上取下来的过程就是收晶，收晶后对晶锭进行检测的过程就是检查步骤。

在本发明中：

1、步骤1)：相对于原发明专利，本发明所述的拉制白宝石单晶长晶炉结构减少了真空抽气，而改在绝热体正上方开口，作为气体流出的开口；绝热体上侧方开口的进气口至少是一个，如图所示，也可以是多个进气口。

2、在生长过程，步骤a)中：氧气的体积比为优先选0.2到0.6％。

在步骤b)中，氧气的体积比优先选为0.1到0.6％，转速为优先选0.5～2rpm

在步骤c)中，氧气的体积比优先选为0.2％到20％；

在步骤d)中，放肩及等径生长时氧气的体积比优先选0.2％到0.6％，收尾阶段氧气浓度比优先选0。转速为优先选0.5～3rpm，提拉速度(拉制速度)优选为0.5～2mm/小时；

在步骤e)中，降温及冷却时混合气体中氧气的体积比为0，也即仅通入不活泼气体。

本发明具有以下优点：

1)能有效抑制晶体中气泡的产生，比日本专利2008-321649中的效果更优；

2)长晶炉的结构更简单；不需真空抽气装置。

3)坩锅的恶化更小，能实现坩锅的长寿命。

附图说明

图1原发明专利的长晶炉结构图；

图2本发明的长晶炉的结构图；

图3本发明生长的晶棒示意图；

图4本发明生长的工艺流程图。

具体实施方式

以下以实例对本发明进行说明，但不限于以下的实例。

本实施采用的铱坩锅尺寸为150mm直径，200mm高度，厚度为2mm.

本发明拉制出的晶棒结构示意图3

本发明拉制晶棒过程如图4所示

本实施对熔融过程、纯化过程、长晶过程中氧的浓度设定不同，然后讨论不同浓度下晶体的质量，主要观察晶体中气泡的有无、及气泡的多少，并与对比的原发明专利的实施例进行比较。

评价项目中，等径部分气泡的状态分A～D。等径部分透明、没有气泡，评价为A；少部分有气泡，评价为B；差不多全有气泡，只是少数区域没有气泡，评价为C；全部有气泡，评价为D。

坩锅的恶化也分A～D，A是指坩锅的恶化很小，质量损耗低于0.01％，B是指坩锅有恶化，质量损耗在0.01％～0.03％；C是指坩锅恶化较严重，质量损耗在0.03％～0.08％之间；D是指坩锅恶化非常严重，质量损耗在0.08％以上。

从表1可知，本发明增加了纯化步骤，当纯化时氧浓度较低时(实施例2)，即使较长的纯化时间，晶体中气泡也较多。当纯化时氧浓度高，时间长时，会导致坩锅恶化严重。(实施例7和8)

长晶过程中氧浓度对晶体中的气泡有影响，当浓度过低时，比如低于0.1％时，产生较多气泡。

旋转速度也会对晶锭质量产生影响，当转速和提拉速度过高时都会恶化晶体质量，本发明拉制c面白宝石最佳的转速为0.5～3rpm，拉速为0.5～2mm/小时.

最后，还需要注意的是，表1列举的仅是本发明的若干个具体实施例。显然，本发明不限于以上实施例，还可以有许多变形。本领域的普通技术人员能从本发明公开的内容直接导出或联想到的所有变形，均应认为是本发明的保护范围。

表1本发明与对比文件的生长晶体质量评价

A很好 B可以 C较差 D很差。

Claims (4)

1.一种白宝石单晶的生长方法，其特征在于：生长过程使用氧气和不活泼气体组成的混合气体，混合气体中氧气的浓度在不同的步骤有不同的浓度；并且在浸籽晶的工艺过程之后增加纯化过程，具体工艺步骤包括：

1)熔融

通过线圈(7)给坩埚(2)进行加热来使原料熔融；通入的混合气体中氧气的体积比为0～1％；

2)浸籽晶

当氧化铝原料融化后将籽晶浸入到熔融的液体中；通入的混合气体中氧气的体积比为0～1％，转速为0.5～3rpm；

3)纯化

熔融的原料需要将液体在一定的氧浓度下进行煮的过程，以有效降低晶体中气泡的形成；通入的混合气体中的氧浓度为体积比为0.6～20％；

4)拉晶，包含长肩、等晶生长和收尾步骤；长肩和等晶生长时通入的混合气体中氧气的体积比为0.2～0.6％；收尾阶段的氧浓度为0，拉制速度为0.5～3mm/小时；转速为0.5～4rpm；

5)收晶及晶锭检查

收尾完成后进行降温、冷却，冷却时混合气体中氧气的体积比为0；

所述白宝石单晶的生长是在以下结构的长晶炉中进行的：在一个绝热体(1)中有一个圆筒型腔体，在圆筒型腔体中放入坩埚(2)，在绝热体外部是加热线圈(7)，在绝热体上侧方至少有一个开口(4)，在绝热体正上方中间有开口(5)，氧气和不活泼性气体从开口(4)流入腔体，气体从开口(5)流出，开口(5)也是籽晶(6)通过到达溶液的通口。

2.按权利要求1所述的生长方法，其特征在于：

①步骤1)中通入的混合气体中氧气的体积比0.2～0.6％；

②步骤2)中通入的混合气体中氧气的体积比0.1～0.6％，转速为0.5～2rpm；

③步骤4)中拉制速度为0.5～2mm/小时；转速为0.5～3rpm。

3.按权利要求1所述的生长方法，其特征在于：混合气体中不活泼气体为N₂或Ar；使用的坩埚为铱坩埚。

4.按权利要求1所述的生长方法，其特征在于：不仅能拉制c面，也能拉制r面，m面，n面的白宝石单晶体，最高转速达10rpm，最高拉速达15mm/小时。