CN104120488A - 一种大尺寸c轴蓝宝石晶体动态温度场制备方法 - Google Patents

Abstract

本发明涉及一种大尺寸C轴蓝宝石晶体动态温度场制备方法，所用的晶体生长炉发热体包括位于坩埚外侧上部辅助发热体和外侧辅助发热体以及底下部主发热体主发热体组成。位于坩埚外侧上部的辅助发热体钨丝采用左右两个部分并联方式连接。辅助发热体和以及主发热体分别由相应的温度控制系统独立控制功率。通过对这三个发热体的功率进行独立调控，在晶体生长过程之中利用动态温度场方法，在晶体生长时的炉膛中形成与晶体驱赶气泡、放肩和等径生长需要相适应的温度场。在等径生长阶段采用水平生长界面，坩埚壁温度与熔体温度接近，不会有因为坩埚壁温度高熔体由坩埚壁向中间对流而对晶体生长固液界面产生冲击导致缺陷产生的情况；晶体散热均匀，不会因为散热集中到中心轴导致中心轴缺陷较多的情况发生。因此晶体中缺陷少，能够生长获得高质量C轴蓝宝石晶体。

Description

一种大尺寸C轴蓝宝石晶体动态温度场制备方法

技术领域

本发明涉及一种大尺寸C轴蓝宝石晶体制备方法，特别是一种大尺寸C轴蓝宝石晶体动态温度场制备方法。 

背景技术

大尺寸蓝宝石晶体具有优异的光学和机械性能，物化稳定性好，强度高，硬度大，可在1800℃高温下工作，是LED、大规模集成电路SOI和SOS及超导纳米结构薄膜等的衬底材料，并且可用于红外军事装置、空间卫星和高强度激光的窗口材料。LED镀膜时通常采用C面的蓝宝石晶片作为衬底材料。沿着C轴生长获得的蓝宝石晶体能够直接切割出C面的蓝宝石晶片，晶体利用率高。发展C生长的蓝宝石晶体生长技术对提高蓝宝石晶体利用率重要。由于通常高温生长获得的a－蓝宝石晶体属于六方晶体结构，晶体的位错线与C面相交，并在C面上投影成EPD，沿C生长时，位错在沿C面垂直（C向生长）方向延伸时，所受的应力基本是平衡的，它会一直延伸到露出晶体的C面，例如在泡生法晶体生长过程中，由于坩埚壁的温度很高，熔体自然对流花样为由坩埚壁向熔体中心冲刷，导致生长获得的晶体表面经常出现回熔槽沟，这些冲刷向熔体中心的熔体会与生长的固液界面边缘相碰撞，导致固液界面边缘不稳定，容易产生位错，在生长a-轴蓝宝石晶体时，这些晶体表面处不停产生的位错线会向晶体表面延伸而被消除。如果生长C-轴晶体时，生长过程中新的位错线产生并累加向中心轴集中，晶体的位错会越来越高，在中心轴形成大量的缺陷，严重时会导致出现孪晶，晶体生长方向偏移，也就是晶体会长歪了，导致晶体生长失败。因此，通常泡生法不能生长C轴蓝宝石，只有提拉法能够直接生长C方向的蓝宝石晶体。提拉法生长晶体时晶体直径通常不会超过坩埚直径1／2，坩埚壁高温引起的自然对流流到生长晶体的固液界面处已经很弱，不会对固液界面的稳定性造成明显影响，因此不会产生新的位错，能够生长C轴晶体。发明专利一种蓝宝石单晶生长方法（公开号CN102383187A）发明了一种提拉法蓝宝石晶体生长方法，认为自原料熔化始至晶体生长完成收尾阶段启动坩埚旋转，或者自原料熔化始至晶体生长完成收尾阶段启动坩埚旋转，并且，自晶体生长肩部始至晶体生长完成收尾阶段 启动加热线圈下降。本发明可以大幅降低蓝宝石单晶的位错密度、空位、气泡等缺陷。蓝宝石单晶生长过程中采取坩埚旋转及线圈下降具有以下有益效果。发明专利一种4英寸C向蓝宝石晶体的制造方法（公开号CN102418144A）公开了一种C轴蓝宝石提拉法生长方法，该发明通过有效的保温层设计实现蓝宝石晶体的C向生长，采用坩埚下降的方法切离晶体和熔液，保持晶体和保温层的相对位置固定有效降低热应力影响，并且采用感应加热铱筒的方式实现原位退火，减少了生产工序和成本。但是一般提拉法生长蓝宝石晶体时晶体直径不能超过坩埚直径的1／2，而且提拉法生长虽然晶体中位错密度较少，但是会出现生长条纹，这种生长条纹不能通过生长后的退火技术消除，导致晶体质量降低，获得的晶片在作为LED衬底使用时会出现成品率较低的问题。因此目前还没有一种能够直接生长质量完好能够符合为LED衬底使用的C方向的蓝宝石晶体的生长方法。 

生长质量完好能够符合为LED衬底使用的［0001］方向的蓝宝石晶体需要解决三个问题：首先要解决晶体位错密度问题，在保证使用高质量的籽晶，籽晶不会引入位错线时，要求晶体生长过程中不能或者尽可能少出现新的位错线；其次晶体生长的尺寸要尽可能大，与生长坩埚接近，以获得较好的生长效率；另外，不能引入位错线之外的导致晶体质量降低的新缺陷如生长条纹等。 

发明内容

本发明的目的是为了提供一种大尺寸C轴蓝宝石晶体动态温度场制备方法。 

为了实现本发明的目的，本说明书提供的晶体生长炉发热体包括位于坩埚（1）外侧上部辅助发热体（2）和外侧辅助发热体（3）以及底下部主发热体主发热体（4）组成。位于坩埚（1）外侧上部的辅助发热体（2）中钨丝采用左右两个部分并联方式连接。辅助发热体（2）和（3）以及主发热体（4）分别由相应的温度控制系统独立控制功率。通过对这三个发热体的功率进行独立调控，在晶体生长过程之中利用动态温度场技术，在晶体生长时的炉膛中形成独特的温度场，晶体生长主要步骤包括: 

I   在原料熔化时，利用如下步骤驱赶熔体中的气泡：（A）由底下主发热体（4）独立加热，将坩埚中原料熔化，整个坩埚（1）内温度高于熔点2050^OC，并恒温10分钟以初步驱赶熔体中的气泡；（B）逐步降低底下主发热体（4），开启辅助发热体（2），使上部熔体熔化，下部熔体凝固，并恒温10分钟，驱除上部熔体中的气泡;（C）降低辅助发热体（2）功率，升高主发热体（4）功率，再次驱赶下部熔体中的气泡;（D）重复步骤（B）和（C）直到气泡驱赶完成；

II   逐步降低主发热体(4)加热功率，并升高辅助发热体（2）功率，至熔体表面温度为熔点，恒温半小时；

III  将［0001］轴方向籽晶下将接触熔体表面，开始下种，调节辅助发热体（2），使籽晶不大也不小，恒温10分钟后，逐步降低调节辅助发热体（2）功率，并以0.1-5mm/h提拉速度提拉籽晶，开始放肩生长；

IV  当生长的晶体将熔体表面覆盖后，停止晶体的提拉，开启辅助发热体（3），并逐步降低辅助发热体（2）加热功率到完全停止。调节两个辅助发热体功率时要注意使晶体不长大也不缩小。当辅助发热体（2）加热功率到完全停止后，恒温10分钟；

V   以0.1-5mm/h速度提拉晶体，并逐步降低主发热体（4）的加热功率，实现晶体的等径生长；

VI  当晶体生长完成后，逐步降低主发热体（4）和辅助发热体（3）的加热功率，晶体原位退火至室温，开炉获得晶体。

所述温度场调控特征分别为： 

I  在原料化料阶段，位于坩埚（1）底下部的主发热体（4）发热将原料熔化，实现坩埚（1）中轴向温度由下到上由高到低梯度分布，整个坩埚（1）内温度高于熔点2050^OC，以利于熔体（5）中气泡的排除；

II  晶体放肩生长阶段，位于坩埚（1）底下部的主发热体（4）功率降低，辅助发热体（2）功率升高，在坩埚（1）上部熔体（5）处形成以坩埚（1）中熔体（5）表面几何中心为对称中心的大径向温度梯度，梯度分布特征是熔体（5）表面几何中心温度低，坩埚（1）壁温度高；

III  在晶体等径生长过程中，逐步降低辅助发热体（2）功率到完全关闭，同时逐步降低位于坩埚（1）底下部的主发热体（4）功率，并相应调节壁外辅助发热体（3）发热功率，以保证坩埚（1）中熔体（5）在固液界面处为生长温度2050^OC，并且使固液界面处径向温度梯度逐步向小梯度变化，使生长界面呈接近水平界面特征。

本方法的有益效果是： 

1）在晶体化料时利用动态温度场在熔体中实施气泡的驱除技术，能够解决因为原料增加产生的微小气泡出现几率增加问题。在驱赶气泡过程中，采用底下热上面较冷的温度场和上部辅助加热系统局部加热交替出现的方法，驱赶熔体中的气泡，使熔体中在随后进行的晶体生长过程中没有气泡，能够生长出无气泡缺陷密度低质量好的大尺寸蓝宝石晶体；

2）在晶体放肩过程中利用动态温度场，用辅助发热体（2）加热，在熔体表面产生一个较大的径向温度长，使晶体放肩能够有效控制，不会出现因过快放肩导致产生位错甚至包裹体等缺陷的情况发生，为随后进行的晶体等径生长奠定良好基础；

3）晶体等径生长过程中，生长炉发热主要由位于坩埚底部的主发热体提供，能够使晶体等径生长时获得接近水平的生长界面，水平生长界使晶体生长最理想的生长界面，这种界面生长的晶体各部分散热均匀，生长速率相同，生长界面稳定，生长获得的晶体质量最好。虽然在晶体放肩过程采用较大径向温度场，使放肩容易控制，但是放肩完成后，有一个停止提拉过程，在这个阶段，通过调整辅助发热体（2）（3）和主发热体（4），让辅助发热体（2）停止加热，辅助发热体（3）低功率加热，保持坩埚壁温度高于熔点1－2^oC，使生长中的晶体不会碰到坩埚壁，主要加热有位于坩埚底部的主发热体进行，在熔体中能够形成接近水平的晶体生长界面。由于坩埚壁温度与熔体温度接近，熔体不会因为坩埚壁温度高产生剧烈的对流，没有由坩埚壁向坩埚中心的强烈对流冲击生长中的固液界面。因此在等径生长过程中基本不会有新的位错产生，能够生长C轴蓝宝石晶体；

4） 由于晶体半自由生长，生长中的与坩埚不接触，不会出现热交换法等晶体生长方法在晶体由于坩埚壁挤压问题。利用热交换法或导模法等方法生长蓝宝石晶体时，由于坩埚壁与晶体紧密接触，坩埚和晶体热胀冷缩系数不同，晶体容易收坩埚壁挤压，晶体中应力等微观缺陷严重，经常带色甚至容易开裂，在生长对晶体完整性要求高的LED衬底使用晶片时，晶体加工获得的晶片合格率低等。动态温度场法生长晶体不会出现这种问题；

5）辅助发热体（2）通能够通过调节发热体中每段缠绕的密度来调节相应部位的发热情况，这能够调节坩埚中熔体表面的最低温度的位置，使其位于熔体表面几何中心。具体做法是，当只有主发热体加热，熔体表面的最低温度的位置不在其几何中心，例如偏左方时，加长位于右方一边的钨丝长度，右方钨丝电阻加大，这样位于左方一边的电流加大，钨丝获得的功率高于右方一边，补偿左方的温度，让熔体最低温度的位置移到中心位置。生长炉结构固定后，在没有加辅助发热体时，化料后其坩埚中熔体表面水平面的最低温度的位置是固定的，通过调节固定辅助发热体的方位，达到调节坩埚中熔体表面的最低温度的位置位于熔体表面几何中心的目的。通过辅助发热体调节坩埚中熔体的冷心，使冷心位于熔体的中心，在冷心位置放肩，保证了大尺寸晶体生长整个接近过程晶向遗传特性良好，材料品质优良。这种冷心调节过程在同一生长炉中生长相同尺寸的晶体时基本上是固定的，只需要调节一次，随后的晶体生长都可以使用第一次调节使用的参数，有利于晶体生长程序化，适合于工业批量生产；

6）通过高精度的能量控制配合微量提拉，使得在整个晶体生长过程中无明显的热扰动，缺陷产生的几率低，生长获得的晶体质量高；

7）采用不同的晶体生长速率，在炉膛温度场调整过程中晶体停止生长，并且加热功率的调整逐步进行，使生长过程中温度场没有抖动，熔体对流花样没有突变。由于只是微量提拉，减少了温场扰动，使温场更均匀，保证了单晶生长的成功率；

8）在晶体生长过程中，可以方便的观察晶体的生长情况。生长获得的晶体作为LED衬底使用时，切片利用率70％以上，远高于A轴生长的晶体30％左右的切片利用率；

8）所生长的晶体直径接近坩埚内壁，可以生长大尺寸蓝宝石晶体。

附图说明

附图1 是一种大尺寸C轴蓝宝石晶体动态温度场制备方法制备装置示意图。 

附图2是实施例所用的晶体生长炉截面图，包括位于炉膛中的坩埚（1），位于坩埚（1）外侧上部辅助发热体（2），位于辅助发热体（2）下的支架（3），位于坩埚（1）壁外辅助发热体（4），底下部主发热体（5），位于坩埚（1）中的熔体（6），位于熔体（6）上的籽晶（7），位于籽晶（7）上固定籽晶的籽晶夹头（8），位于籽晶夹头（8）上固定籽晶夹头的籽晶杆（9），位于炉膛上方的炉膛上盖（10），位于坩埚（1）上方的保温层（11），位于保温层（11）上的固件（12），位于坩埚（1）下方的坩埚支架（13），位于辅助热体（4）外和主发热体（5）下的绝热体（14），位于绝热体（14）下的保温层（15），炉壁（16），位于辅助热体（4）外侧的侧保温层（17）。所用的坩埚（1）是钨坩埚。炉壁（16）在晶体生长中用氮气气体保护。发热体由位于坩埚（1）外侧上部辅助发热体（2）和壁外辅助发热体（4）以及位于坩埚（1）底下部主发热体（5）组成，这些发热体材质为钨丝。辅助发热体（2）（4）和主发热体（5）分别由相应的温度控制系统独立控制功率。 

附图3是实施例中原料熔化驱赶气泡，主发热体发热，辅助发热体关闭时，熔体中采用的轴向温度梯度分布图，图中坐标原点位于熔体表面处，横坐标为熔体从表面到底部的高度，单位为mm，纵坐标为温度，单位为^oC。 

附图4是实施例中放肩时熔体表面的径向温度梯度分布图，图中横坐标是熔体表面几何中心到坩埚壁的距离，单位为mm，纵坐标为温度，单位为^oC。 

附图5是实施例中等径生长时熔体中采用径向温度梯度分布图，图中坐标原点是固液界面中心位置，横坐标是中心到同水平面坩埚壁的距离，单位为mm，纵坐标为温度，单位为^oC。 

具体实施方式

本发明的具体实施方式通过下面实施例来说明 

实施例： F264mm C轴蓝宝石晶体的动态温度场法制备

本实施例的大尺寸C轴蓝宝石晶体的制备在如附图2所示的高温炉中进行。将纯度99.9995% 的Al₂O₃原料装入φ270mm的钨坩埚中，将坩埚放入炉膛中，将炉膛密闭，整个系统通入冷却水，调节冷却水流速，使出口冷却水温度为室温±2^oC范围，抽真空到6′10^-3Pa后，以4kw/h的速度开始将侧壁主发热体发热，同时以5.6kw/h的速度将底部主发热体发热。到达目标功率后恒温直到原料完全熔化，驱赶熔体中的气泡，恒温1小时，使炉膛中温度稳定，这时的坩埚熔体中纵向温度梯度如附图3所示，由图可以看出，从熔体表面到熔体底部，温度逐步上升，开始阶段上升幅度比较小，是因为熔体表面散热引起的，在熔体中部，温度呈线性上升，到熔体底部，温度呈指数快速上升，原因是位于坩埚底部的底部主发热体加热功率明显高于侧壁主发热体。这种温度梯度对驱赶熔体中的气泡有利；

熔体中气泡驱赶完成后，将位于籽晶杆下的［0001］方向的籽晶下降到接近熔体表面，开启辅助发热体（2），并降低底部主发热体的功率，调节加热功率，将液面温度调节到凝固点2050^oC，并且使熔体的冷心位于熔体表面几何中心，恒温半小时使温度重新平衡。这时熔体表面的径向温度梯度如附图4所示。由图可以看出，温度沿熔体表面中心冷心位置到坩埚壁逐渐升高，温度升高速度较快，特别是接近坩埚壁后，温度快速升高，表明此时熔体中径向温度梯度较大，这种径向温度分布对晶体放肩生长有利；

缓慢降低籽晶杆，使籽晶接触液面，籽晶头部稍微收缩后，调节辅助发热体功率，使籽晶不长大也不缩小，恒温10分钟，以60w/h的降温功率缓慢降低辅助发热体（2），观察籽晶到开始长大后，以2mm/h的速度提拉籽晶，晶体放肩生长，直到晶体熔体表面几乎被晶体覆盖，停止晶体提拉，晶体放肩过程结束；

以逐步降低辅助发热体功率（2）至完全关闭，同时逐步升高底部主发热体（5）功率，并调节侧壁辅助发热体（4）功率，使熔体上部结晶的晶体不回熔也不长大。当辅助发热体功率至完全关闭，体上部结晶的晶体不回熔也不长大后，恒温半小时，使熔体温度场稳定下来，然后以5mm/h速度提拉，开始晶体等径生长。这时熔体中的径向温度梯度如附图5 所示。由图可以看出，在坐标起始阶段，温度升高很缓慢，几乎为一条直线，到接近坩埚壁，温度才显著升高。说明此时固液界面接近为水平界面，这种接近水平的生长界面对晶体等径生长有利；

等径生长时得晶体重量均匀增加，待晶体质量不再增加后，完成晶体生长过程；等重量计显示晶体质量不再增加后，停止提拉。调节主加热功率下降的速度为60w/h，当炉内温度降至1500^oC之后，恒温10小时，对晶体进行原位退火。再次调节主加热功率下降速度为110w/h，降至温度为室温，获得F264mm的C轴蓝宝石晶体。开炉后取出晶体，经检测晶体中没有气泡，质量完好。

Claims (3)

1.一种大尺寸C轴蓝宝石晶体动态温度场制备方法，其特征是晶体生长炉的发热体包括位于坩埚（1）外侧上部辅助发热体（2）及其支架（3）和外侧辅助发热体（4）以及底下部主发热体主发热体（5）组成；辅助发热体（2）和（4）以及主发热体（5）分别由相应的温度控制系统独立控制功率；通过对这三个发热体的功率进行独立调控，在晶体生长过程之中利用动态温度场技术，在晶体生长时的炉膛中形成独特的温度场，晶体生长主要步骤包括：

I   在原料熔化时，利用如下步骤驱赶熔体中的气泡：（A）由底下主发热体（5）独立加热，将坩埚中原料熔化，整个坩埚（1）内温度高于熔点2050^OC，并恒温10分钟以初步驱赶熔体中的气泡；（B）逐步降低底下主发热体（5），开启辅助发热体（2），使上部熔体熔化，下部熔体凝固，并恒温10分钟，驱除上部熔体中的气泡;（C）降低辅助发热体(2)功率，升高主发热体(4)功率，再次驱赶下部熔体中的气泡;（D）重复步骤（B）和（C）直到气泡驱赶完成；

II   逐步降低主发热体(4)加热功率，并升高辅助发热体（2）功率，至熔体表面温度为熔点，恒温半小时；

III  将［0001］轴方向籽晶下将接触熔体表面，开始下种，调节辅助发热体（2），使籽晶不大也不小，恒温10分钟后，逐步降低调节辅助发热体（2）功率，并以0.1-5mm/h提拉速度提拉籽晶，开始放肩生长；

IV  当生长的晶体将熔体表面覆盖后，停止晶体的提拉，开启辅助发热体（4），并逐步降低辅助发热体（2）加热功率到完全停止，调节两个辅助发热体功率时要注意使晶体不长大也不缩小，当辅助发热体（2）加热功率到完全停止后，恒温10分钟；

V   以0.1-5mm/h速度提拉晶体，并逐步降低主发热体（5）的加热功率，实现晶体的等径生长；

VI  当晶体生长完成后，逐步降低主发热体（5）和辅助发热体（4）的加热功率，晶体原位退火至室温，开炉获得晶体。

2.如权利要求1所述的一种大尺寸C轴蓝宝石晶体动态温度场制备方法，其特征是所述温度场调控特征分别为：

I  在原料化料阶段，位于坩埚（1）底下部的主发热体（5）发热将原料熔化，实现坩埚（1）中轴向温度由下到上由高到低梯度分布，整个坩埚（1）内温度高于熔点2050^OC，以利于熔体（6）中气泡的排除；

II  晶体放肩生长阶段，位于坩埚（1）底下部的主发热体（4）功率降低，辅助发热体（2）功率升高，在坩埚（1）上部熔体（6）处形成以坩埚（1）中熔体（6）表面几何中心为对称中心的大径向温度梯度，梯度分布特征是熔体（6）表面几何中心温度低，坩埚（1）壁温度高；

III  在晶体等径生长过程中，逐步降低辅助发热体（2）功率到完全关闭，同时逐步降低位于坩埚（1）底下部的主发热体（5）功率，并相应调节壁外辅助发热体（4）发热功率，以保证坩埚（1）中熔体（6）在固液界面处为生长温度2050^OC，并且使固液界面处径向温度梯度逐步向小梯度变化，使生长界面呈接近水平界面特征。

3.如权利要求1所述的一种大尺寸C轴蓝宝石晶体动态温度场制备方法，其特征是位于坩埚（1）外侧上部的辅助发热体（2）中钨丝采用左右两个部分并联方式连接。