CN104451862B - 一种蓝宝石单晶炉和蓝宝石引晶方法 - Google Patents
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Abstract
本发明公开了一种蓝宝石单晶炉，包括：炉体，所述炉体中设置有加热部件、温度测量装置和坩埚，炉体盖，所述炉体盖设置在所述炉体上，所述炉体盖上开设有观察窗口，籽晶轴，所述籽晶轴设置在所述炉体盖上，并通过籽晶轴升降装置控制升降，控制装置，所述控制装置控制所述籽晶轴升降装置，影像装置，所述影像装置包括图像处理装置和摄像装置，所述摄像装置对准所述观察窗口，所述图像处理装置与所述摄像装置连接，所述控制装置与所述影像装置连接，温度控制装置，所述温度测量装置与所述温度控制装置连接，可以实现自动引晶，提高生产效率。本发明还提供一种蓝宝石引晶方法。
Description
技术领域
本发明涉及蓝宝石制造技术领域，特别涉及一种蓝宝石单晶炉和蓝宝石引晶方法。
背景技术
随着全球半导体照明产业的迅猛发展，特别是LED在LCE-TV背光、通用照明等应用领域的迅速扩展，LED芯片的需求也随之大幅增加，直接带动了衬底材料市场需求的大发展。目前规模化用于LED外延生长的衬底材料主要有两种，即蓝宝石和碳化硅。
蓝宝石单晶炉是针对半导体照明市场所需的LED衬底材料而开发的高性能晶体生长炉。主要是通过调控系统内的热量输运来控制整个晶体的生长过程，因此实时功率调控、生长速率与冷却速率的控制等工艺问题，对能否生长出品质优良的蓝宝石晶体都至关重要。
泡生法蓝宝石单晶生长过程中，引晶是非常重要的一个环节，它需要长时间的观察，确定引晶是否良好，若出现孪晶必须熔掉，重新引晶。温度的高低是否合理，引晶状态是否合理，是否能长出良好的晶体，都需要很好的温度控制。
目前大多数厂家蓝宝石单晶炉未设置籽晶保护装置，容易造成籽晶污染而影响蓝宝石晶体的品质。同时，可长时间连续观察的窗口，有少数厂家设置了，采用手动控制的可连续观察的窗口，完全依靠工艺人员操作水平，有时容易造成不完全关闭状态，而造成挥发物在腔体上石英观察窗上沉积。
目前大尺寸的泡生法蓝宝石晶体，普遍自动化程度不高，其工业化生产需要大量的工艺技术人员在现场完成，而且晶体生产过程漫长，人的劳动强度大，单位人员的生产效率底下，而且晶体的品质难以保证，完全依赖于人。
发明内容
本发明的目的是提供一种蓝宝石单晶炉，以实现自动引晶，提高生产效率；本发明的另一目的是提供一种蓝宝石引晶方法，以提高生产效率。
为解决上述技术问题，本发明提供如下方案：
一种蓝宝石单晶炉，包括：炉体，所述炉体中设置有加热部件、温度测量装置和坩埚，炉体盖，所述炉体盖设置在所述炉体上，所述炉体盖上开设有观察窗口，籽晶轴，所述籽晶轴设置在所述炉体盖上，并通过籽晶轴升降装置控制升降，控制装置，所述控制装置控制所述籽晶轴升降装置，影像装置，所述影像装置包括图像处理装置和摄像装置，所述摄像装置对准所述观察窗口，所述图像处理装置与所述摄像装置连接，所述控制装置与所述影像装置连接，温度控制装置，所述温度测量装置与所述温度控制装置连接。
优选的，上述的蓝宝石单晶炉还包括第一驱动装置，所述观察窗口包括第一盖板和开设在所述炉体盖上的观察窗体，所述第一盖板与所述观察窗体配合使用所述第一驱动装置驱动所述第一盖板旋转。
优选的，上述第一驱动装置包括电机和转轴，所述电机驱动所述转轴旋转，所述第一盖板固定在所述转轴上。
优选的，上述炉体盖上还开设有通孔，所述籽晶轴从所述通孔中插入所述炉体，所述通孔处设置有第二盖板。
优选的，上述的蓝宝石单晶炉还包括第二驱动装置，所述第二驱动装置包括电机和转轴，所述电机驱动所述转轴旋转，所述第二盖板固定在所述转轴上。
优选的，上述炉体盖上还设置有用于检测所述第二盖板是否盖住所述通孔的检测装置。
本发明还提供一种蓝宝石引晶方法，包括：步骤1)将原料装入坩埚，并将经过定向的蓝宝石籽晶装到单晶炉的籽晶轴上；步骤2)合上炉体盖，进行抽真空检漏；步骤3)加热所述原料，使得所述原料形成熔体，下降籽晶轴；步骤4)温度控制装置通过温度测量装置判断是否达到最佳引晶温度；当所述温度测量装置测取的温度与标准引晶温度有差异时，温度控制装置通过控制加热部件来调整温度；步骤5)开始洗晶结，使得籽晶外表面熔去部分晶体；步骤6)将干净的籽晶埋入所述熔体，开始自动引晶，影像装置采集蓝宝石籽晶接触所述熔体的液面时，晶结生长的状态图像，同时控制装置控制籽晶轴提拉速度；步骤7)所述温度控制装置逐步降低所述加热部件的功率；步骤8)自然冷却后，开炉取出晶体。
优选的，上述炉体盖上设置有通孔，在所述籽晶轴插入所述通孔进入炉体之前，打开遮盖所述通孔的第二盖板。
优选的，上述步骤6)具体为将所述籽晶埋入所述熔体5-40mm。
优选的，上述步骤6)具体为所述影像装置采集所述晶结生长的状态图像时，第一盖板转动，避开开设在所述炉体盖上的观察窗体，所述影像装置通过所述观察窗体采集所述晶结生长的状态图像。
上述本发明所提供的蓝宝石单晶炉，包括：炉体，所述炉体中设置有加热部件、温度测量装置和坩埚，炉体盖，所述炉体盖设置在所述炉体上，所述炉体盖上开设有观察窗口，籽晶轴，所述籽晶轴设置在所述炉体盖上，并通过籽晶轴升降装置控制升降，控制装置，所述控制装置控制所述籽晶轴升降装置，影像装置，所述影像装置包括图像处理装置和摄像装置，所述摄像装置对准所述观察窗口，所述图像处理装置与所述摄像装置连接，所述控制装置与所述影像装置连接，温度控制装置，所述温度测量装置、所述加热部件均与所述温度控制装置连接。
使用时，首先将原料装入坩埚，并将经过定向的蓝宝石籽晶装到单晶炉的籽晶轴上；然后合上炉体盖，进行抽真空检漏；之后加热所述原料，使得所述原料形成熔体，下降籽晶轴；然后温度控制装置通过温度测量装置判断是否达到最佳引晶温度；当所述温度测量装置测取的温度与标准引晶温度有差异时，温度控制装置通过控制加热部件来调整温度；之后开始洗晶结，使得籽晶外表面熔去部分晶体；然后将干净的籽晶埋入所述熔体，开始自动引晶，影像装置采集蓝宝石籽晶接触所述熔体的液面时，晶结生长的状态图像，同时控制装置控制籽晶轴提拉速度，保证晶结在每3～5分钟内，长出1～2mm；然后所述温度控制装置逐步降低所述加热部件的功率；最后自然冷却后，开炉取出晶体。
相对于现有技术中，完全依靠引晶工艺人员的经验，完成引晶过程，不能保证晶体质量，而且批量生产时，需要大量的工艺人员跟踪单晶炉整个生长过程来说，本发明提供的蓝宝石单晶炉提高了工作效率，降低了生产成本。
附图说明
图1为本发明实施例所提供的蓝宝石单晶炉的结构示意图；
图2为本发明实施例所提供的第一盖板与观察窗体配合使用的结构示意图；
图3为本发明实施例所提供的第二盖板与通孔配合使用的结构示意图；
图4为本发明实施例所提供的蓝宝石引晶方法的流程示意图。
上图1-4中：
炉体1、坩埚2、加热部件3、籽晶轴4、籽晶5、第二盖板6、炉体盖7、摄像装置8、温度测量装置9、图像处理装置10、控制装置11、电机12、第一盖板13、电机14。
具体实施方式
为了使本技术领域的技术人员更好地理解本发明方案，下面结合附图和具体实施方式对本发明作进一步的详细说明。
请参考图1-图4，图1为本发明实施例所提供的蓝宝石单晶炉的结构示意图；图2为本发明实施例所提供的第一盖板与观察窗体配合使用的结构示意图；图3为本发明实施例所提供的第二盖板与通孔配合使用的结构示意图；图4为本发明实施例所提供的蓝宝石引晶方法的流程示意图。
本发明实施例所提供的蓝宝石单晶炉，包括：炉体1，炉体1中设置有加热部件3、温度测量装置9和坩埚2，炉体盖7，炉体盖7设置在炉体1上，炉体盖7上开设有观察窗口，籽晶轴4，籽晶轴4设置在炉体盖1上，并通过籽晶轴4升降装置控制升降，控制装置11，控制装置11控制籽晶轴升降装置，影像装置，影像装置包括图像处理装置10和摄像装置8，摄像装置8对准观察窗口，图像处理装置10与摄像装置8连接，控制装置11与影像装置连接，温度控制装置，温度测量装置9与温度控制装置连接。
使用时，首先将原料装入坩埚2，并将经过定向的蓝宝石籽晶5装到单晶炉的籽晶轴4上；然后合上炉体盖7，进行抽真空检漏；之后加热原料，使得原料形成熔体，下降籽晶轴4；然后温度控制装置通过温度测量装置9判断是否达到最佳引晶温度；当温度测量装置9测取的温度与标准引晶温度有差异时，温度控制装置通过控制加热部件3来调整温度；之后开始洗晶结，使得籽晶5外表面熔去部分晶体；然后将干净的籽晶5埋入熔体，开始自动引晶，影像装置采集蓝宝石籽晶5接触熔体的液面时，晶结生长的状态图像，同时控制装置控制籽晶轴4提拉速度，保证晶结在每3～5分钟内，长出1～2mm；然后温度控制装置逐步降低加热部件的功率；最后自然冷却后，开炉取出晶体。
相对于现有技术中，完全依靠引晶工艺人员的经验，完成引晶过程，不能保证晶体质量，而且批量生产时，需要大量的工艺人员跟踪单晶炉整个生长过程来说，本发明提供的蓝宝石单晶炉提高了工作效率，降低了生产成本。
为了进一步优化上述方案，影像装置为CCD影像装置。CCD的英文全称为ChargeCoupled Device，中文名称为电荷耦合装置使用效果更佳。
其中，引入加热部件3、温度测量装置9和温度控制装置，具体温度测量装置9可以为红外测温装置，用于测取溶液中心的表面温度，再根据通过引晶时工艺需求的温度来调整功率大小，从而改变炉内溶液的温度，在最短时间内，把溶液温度控制在最佳的引晶温度；引入CCD影像装置用于采集蓝宝石籽晶接触液面时，晶结生长的状态图像，确认晶结是否在3～5分钟内，长出1～2mm，CCD影像装置还可以用于采集液面液流的快慢流速影像以及液流网格的细密度图像，可以更加直观的观看液流的流动状态，降低引晶对人的需求，同时，可将图像采集后集中传输到一起，进行图像处理和分析，便于生产工艺人员实时监控多台设备，从而决定下降籽晶的最佳时刻，使籽晶接触溶液，可以快速准确的实现自动引晶，既节约引晶时间，减少能耗，又降低对工艺人员的需求。
为了进一步优化上述方案，上述的蓝宝石单晶炉还包括第一驱动装置，观察窗口包括第一盖板13和开设在炉体盖7上的观察窗体，第一盖板13与观察窗体配合使用，第一驱动装置驱动第一盖板13旋转。在现有技术中，蓝宝石晶体泡生法生长过程中，高温熔体离解产生的挥发物容易在石英观察窗上沉积，此处的石英观察窗即为观察窗体，容易造成观察窗可见光与红外光透过率下降的问题，为此本发明提供的蓝宝石单晶炉采用自动开闭的方式来解决高温熔体离解产生的挥发物容易在石英观察窗上沉积的问题，避免造成观察窗可见光与红外光透过率下降。使用时，如果需要观察，那么第一驱动装置驱动第一盖板13旋转，避让开观察窗体，不需要观察时，第一驱动装置驱动第一盖板13旋转，遮盖观察窗体，保护观察窗体。
为了进一步优化上述方案，第一驱动装置包括电机12和转轴，电机12驱动转轴旋转，第一盖板13固定在转轴上。结构简单，使用方便。
为了进一步优化上述方案，第一盖板13为钨盖板或者钼盖板，保护效果更好。
为了进一步优化上述方案，炉体盖7上还设置有限制第一盖板11转动位置的第一限位装置，当第一盖板11旋转避开观察窗体，触发第一限位装置后，停止转动。
为了进一步优化上述方案，炉体盖7上还开设有通孔，籽晶轴4从通孔中插入炉体1，通孔处设置有第二盖板6。在现有技术中，蓝宝石晶体泡生法引晶过程中，籽晶5在坩埚3的上方，在未开始引晶之前，由于籽晶5的温度低于溶液，而此时高温熔体离解产生的挥发物容易遇冷沉积在籽晶5上，污染籽晶5，使籽晶5发生变黑现象，从而降低晶体品质。为此，在未开始引晶之前，第二盖板6盖住通孔，避免籽晶5被污染，当需要籽晶轴4插入时，再打开第二盖板6。第二盖板6可以采用钨或钼材料加工而成。
为了进一步优化上述方案，上述的蓝宝石单晶炉还包括第二驱动装置，第二驱动装置包括电机14和转轴，电机14驱动转轴旋转，第二盖板6固定在转轴上，结构简单，使用方便。
为了进一步优化上述方案，炉体盖7上还设置有用于检测第二盖板6是否盖住通孔的检测装置。因为籽晶轴4插入通孔之前，第二盖板6必须打开，设置一个检测装置，使用方便。
为了进一步优化上述方案，炉体盖7上还设置有限制第二盖板6转动位置的第二限位装置，当第二盖板6旋转避开通孔触发第二限位装置时，停止转动。
本发明实施例还提供一种蓝宝石引晶方法，包括：步骤1)将原料装入坩埚2，并将经过定向的蓝宝石籽晶5装到单晶炉的籽晶轴4上；步骤2)合上炉体盖7，进行抽真空检漏；步骤3)加热原料，使得原料形成熔体，下降籽晶轴4；步骤4)温度控制装置通过温度测量装置9判断是否达到最佳引晶温度；当温度测量装置9测取的温度与标准引晶温度有差异时，温度控制装置通过控制加热部件3来调整温度；步骤5)开始洗晶结，使得籽晶5外表面熔去部分晶体；步骤6)将干净的籽晶5埋入熔体，开始自动引晶，影像装置采集蓝宝石籽晶5接触熔体的液面时，晶结生长的状态图像，同时控制装置控制籽晶轴4提拉速度；步骤7)温度控制装置逐步降低加热部件3的功率；步骤8)自然冷却后，开炉取出晶体。通过控制装置与影像装置的结合，自动控制引晶，提高了生产效率。
为了进一步优化上述方案，炉体盖7上设置有通孔，在籽晶轴4插入通孔进入炉体1之前，打开遮盖通孔的第二盖板6。避免籽晶5被污染。
为了进一步优化上述方案，步骤6)具体为影像装置采集晶结生长的状态图像时，第一盖板13转动，避开开设在炉体盖7上的观察窗体，影像装置通过观察窗体采集晶结生长的状态图像。避免观察窗体被污染。
本文中应用了具体个例对本发明的原理及实施方式进行了阐述，以上实施例的说明只是用于帮助理解本发明的方法及其核心思想。应当指出，对于本技术领域的普通技术人员来说，在不脱离本发明原理的前提下，还可以对本发明进行若干改进和修饰，这些改进和修饰也落入本发明权利要求的保护范围内。
Claims (4)
1.一种蓝宝石单晶炉，其特征在于，包括：
炉体，所述炉体中设置有加热部件、温度测量装置和坩埚，
炉体盖，所述炉体盖设置在所述炉体上，所述炉体盖上开设有观察窗口，
籽晶轴，所述籽晶轴设置在所述炉体盖上，并通过籽晶轴升降装置控制升降，
控制装置，所述控制装置控制所述籽晶轴升降装置，
影像装置，所述影像装置包括图像处理装置和摄像装置，所述摄像装置对准所述观察窗口，所述图像处理装置与所述摄像装置连接，所述控制装置与所述影像装置连接，
温度控制装置，所述温度测量装置与所述温度控制装置连接，
还包括第一驱动装置，
所述观察窗口包括第一盖板和开设在所述炉体盖上的观察窗体，所述第一盖板与所述观察窗体配合使用，
所述第一驱动装置驱动所述第一盖板旋转，
所述第一驱动装置包括电机和转轴，所述电机驱动所述转轴旋转，所述第一盖板固定在所述转轴上，
所述炉体盖上还开设有通孔，所述籽晶轴从所述通孔中插入所述炉体，所述通孔处设置有第二盖板，
还包括第二驱动装置，所述第二驱动装置包括电机和转轴，所述电机驱动所述转轴旋转，所述第二盖板固定在所述转轴上，
石英观察窗即为观察窗体。
2.根据权利要求1所述的蓝宝石单晶炉，其特征在于，所述炉体盖上还设置有用于检测所述第二盖板是否盖住所述通孔的检测装置。
3.一种蓝宝石引晶方法，其特征在于，包括：
步骤1)将原料装入坩埚，并将经过定向的蓝宝石籽晶装到单晶炉的籽晶轴上；
步骤2)合上炉体盖，进行抽真空检漏；
步骤3)加热所述原料，使得所述原料形成熔体，下降籽晶轴；
步骤4)温度控制装置通过温度测量装置判断是否达到最佳引晶温度；当所述温度测量装置测取的温度与标准引晶温度有差异时，温度控制装置通过控制加热部件来调整温度；
步骤5)开始洗晶结，使得籽晶外表面熔去部分晶体；
步骤6)将干净的籽晶埋入所述熔体，开始自动引晶，影像装置采集蓝宝石籽晶接触所述熔体的液面时，晶结生长的状态图像，同时控制装置控制籽晶轴提拉速度；
步骤7)所述温度控制装置逐步降低所述加热部件的功率；
步骤8)自然冷却后，开炉取出晶体，
所述炉体盖上设置有通孔，在所述籽晶轴插入所述通孔进入炉体之前，打开遮盖所述通孔的第二盖板，
所述步骤6)具体为所述影像装置采集所述晶结生长的状态图像时，第一盖板转动，避开开设在所述炉体盖上的观察窗体，所述影像装置通过所述观察窗体采集所述晶结生长的状态图像，
石英观察窗即为观察窗体。
4.根据权利要求3所述的蓝宝石引晶方法，其特征在于，所述步骤6)具体为将所述籽晶埋入所述熔体5-40mm。
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