CN105019023B

CN105019023B - 一种泡生法生长蓝宝石晶体的引晶方法

Info

Publication number: CN105019023B
Application number: CN201510529154.4A
Authority: CN
Inventors: 李东振; 马远; 邱豇; 邱一豇; 吴勇; 周健杰
Original assignee: JIANGSU CEC ZHENHUA CRYSTAL TECHNOLOGY Co Ltd
Current assignee: Jiangsu CEC Zhenhua Crystal Technology Co., Ltd.
Priority date: 2015-08-26
Filing date: 2015-08-26
Publication date: 2017-08-11
Anticipated expiration: 2035-08-26
Also published as: CN105019023A

Abstract

本发明涉及一种泡生法生长蓝宝石晶体的引晶方法，利用籽晶辐射散热开口的非旋转对称结构，引晶时包括如下步骤：（1）籽晶下浸熔体液面3—5mm；（2）通过等待非旋转对称结构的散热口散热，使籽晶向一侧优先生长出晶盘；（3）以3—12mm/h的平均提拉速度对籽晶进行提拉，提拉过程中采用间隔式瞬间提升，并旋转给定角度，间隔式瞬间提升后等待散热口方向再次生长出晶盘，以便进行下一次瞬间提升；（4）重复步骤（3）至晶节长度为60—80mm，形成螺旋状结构晶节，且固液相界面当量横截面直径为40—60mm时，结束引晶。本发明的优点在于：可获螺旋形状引晶结构，使籽晶缺陷和位错可最大程度上得到消除；不易出现断裂，能提高晶体成品率、易于产业化。

Description

一种泡生法生长蓝宝石晶体的引晶方法

技术领域

本发明属于晶体生长技术领域，涉及一种晶体生长引晶方法，特别涉及一种泡生法生长蓝宝石晶体的引晶方法。

背景技术

蓝宝石的组成为氧化铝(Al₂O₃)，是由三个氧原子和两个铝原子以共价键型式结合而成，其晶体结构为六方晶格结构。由于蓝宝石具有高声速、耐高温、抗腐蚀、高硬度、高透光性、熔点高（2045℃）等特点，因此常被用来作为光电元件的材料。目前超高亮度白/蓝光LED的品质取决于氮化镓外延层(GaN)的材料品质，而氮化镓外延层品质则与所使用的蓝宝石衬底表面加工品质息息相关。由于蓝宝石(单晶Al₂O₃) c面与Ⅲ-Ⅴ和Ⅱ-Ⅵ族沉积薄膜之间的晶格常数失配率小，同时符合GaN外延制程中耐高温的要求，使得蓝宝石晶片成为制作白/蓝/绿光LED的关键材料。

蓝宝石晶体材料的生长方法目前已有很多种，主要有：泡生法（即Kyropolos法，简称KY法）、导模法（即edge defined film-fed growth techniques法，简称EFG法）、热交换法（即heat exchange method 法，简称HEM法）、提拉法（即Czochralski，简称Cz法）、布里奇曼法（即Bridgman法，或坩埚下降法）等。

泡生法, 亦称凯氏长晶法(Kyropoulos method),简称KY法。KY法设备的热场结构主要包括:坩埚、加热器、支撑杆、上部热反射结构、下部热反射结构及侧部热反射结构，以上均以钨或钼材料加工，其中坩埚用于盛放晶体原料，加热器提供热量，上、下、侧热反射结构用于保温并提供长晶合适的轴向、径向梯度。并且，上部热反射结构距离熔体液面较近，结构内含籽晶下降通道，同时又是实现坩埚上部挡热辐射的关键部件，对引晶时熔体中心辐射散热及熔体纵向梯度有直接影响，因此，优化该部件的结构，可以通过控制引晶工艺而实现合适的晶节结构，从而获得高质量、低缺陷的晶锭。技改的方向是通过改变上部热反射结构来提高晶体生长时纵向温度梯度，从而改变固液生长界面的曲率，提升晶体的排杂和排气泡的效果。

泡生法长晶工艺原理如下：先将原料加热至熔点后熔化形成熔体，再以单晶的籽晶(Seed-Crystal)接触到熔体表面，在籽晶与熔体的固液界面上开始生长和籽晶相同晶体结构的单晶，籽晶以极缓慢的速度往上拉升，提拉一段时间以形成晶颈，待熔体与籽晶界面的凝固速率稳定后，完成引晶，籽晶便不再拉升，也没有作旋转，仅以控制冷却速率方式来使单晶从上方逐渐往下凝固，最后凝固成一整个单晶晶锭。引晶是凭借液面附近，向上的从高到低的温度梯度来实现的。熔体变为晶体实为液固相变过程，温度梯度提供此过程的相变驱动力，使得熔体在生长界面上不断形核、长大，实现生长界面的推移。此温度梯度是借上部热反射结构中央开口的辐射散热作用实现的，因此，不同的开口结构会造成液面中心附近不同的温度分布，从而影响引晶时的晶节结构。以往的泡生法晶体生长过程，设计成对称结构的上部热反射结构中央开口，使引晶时固液界面温度梯度在各个方向均匀一致。

现有泡生法技术的引晶难题依然存在，这主要表现为引晶没有彻底排除位错，导致晶体质量较差。在极端情况下，会出现晶界、开裂。

发明内容

本发明要解决的技术问题是提供一种能够有效提高引晶品质以及晶体成品率，降低生产成本的泡生法生长蓝宝石晶体的引晶方法。

为解决上述技术问题，本发明的技术方案为：一种泡生法生长蓝宝石晶体的引晶方法，其创新点在于：利用籽晶辐射散热开口的非旋转对称结构，引晶时包括如下步骤：

（1）籽晶下浸熔体液面3—5mm；

（2）通过等待非旋转对称结构的散热口散热，使籽晶向一侧优先生长出晶盘，待晶盘长至3mm以上，进行下一步；

（3）以3—12mm/h的平均提拉速度对籽晶进行提拉，提拉过程中采用间隔式瞬间提升，并旋转给定角度，间隔式瞬间提升后等待散热口方向再次生长出晶盘，以便进行下一次瞬间提升；

（4）重复步骤（3）至晶节长度为60—80mm，形成螺旋状结构晶节，且固液相界面当量横截面直径为40—60mm时，结束引晶。

进一步地，所述步骤（2）中的非旋转对称结构的开口结构为逆时针旋转90度的“T”字形。

进一步地，所述步骤（2）中的非旋转对称结构的开口结构为非旋转对称夹角结构，夹角为70—80度角。

进一步地，所述步骤（2）中的非旋转对称结构的开口结构为“L”形。

进一步地，所述的非旋转对称结构的非旋转对称夹角结构，夹角为70—80度角或开口结构为“L”形，给定角度旋转操作时，旋转方向为逆时针方向。

进一步地，所述步骤（3）中的瞬间提升为每次手动提拉1—2mm。

进一步地，所述步骤（3）中的旋转给定角度为手动旋转5—15度角。

本发明的优点在于：

（1）采用本发明的引晶方法，可以获得螺旋形状的引晶结构，使得籽晶的缺陷和位错能够在最大程度上得到消除；解决了“缩颈工艺”带来的晶体容易断裂的问题；使用螺旋引晶工艺可以提高晶体成品率、易于产业化；结束引晶之前，提拉高度为60—80mm，可以达到消除位错的目的，也不会延长引晶时间，增加不必要的能耗；在结束引晶之前，固液相界面当量横截面直径为40—60mm，不会超出视野，进而可判断晶体生长初期晶体质量；也不会造成导热不畅，放肩速度难以控制，引入缺陷，影响晶体质量。

（2）开口非旋转对称结构采用逆时针旋转90度的“T”字形，在这种开口下，使得水平向右方向上的温度梯度为6-10K/mm；这样，在合适的温度下，当籽晶与熔体接触时，籽晶优先向水平向右方向生长，配合瞬间提升及给定角度旋转操作，并且缓慢向上提拉，使得引出段呈螺旋上升生长。

（3）开口非旋转对称结构采用非旋转对称夹角结构，夹角为70-80度，近似直角，角度如若太小，会导致温度分布畸变严重；这种开口使得夹角方向上的温度梯度为6-10K/mm，实现非对称的温度分布，在合适的引晶温度下，当籽晶与熔体接触时，籽晶优先向夹角方向生长，配合瞬间提升及逆时针给定角度旋转操作，并且缓慢向上提拉，使得引出段呈螺旋上升生长。

（4）开口非旋转对称结构采用“L”形，在这种开口下，使得“L”形的底部向右方向上的温度梯度为6-10K/mm，实现非对称的温度分布，在合适的引晶温度下，当籽晶与熔体接触时，籽晶优先向“L”形的底部向右方向生长，配合瞬间提升及逆时针给定角度旋转操作，并且缓慢向上提拉，使得引出段呈螺旋上升生长。

（5）提拉操作时速度为3-12mm/h，避免了提拉太快或太慢，晶节直径扩大速度太慢或太快，易造成晶节过细，强度太弱，或晶节过粗，很快超出视野，无法完成整个螺旋引晶过程，位错消除效果无法达到最佳。

（6）瞬间提升操作为每次瞬间提升1—2mm，可以有效控制台阶坡度及直径扩张速度；不易将籽晶与熔体拉脱，导致引晶失败。

（7）给定角度旋转操作为每次旋转5—15度角，可使得螺旋形状明显，获得螺旋状引晶晶节；不会使得螺旋形状长出的角偏大偏尖，产生枝晶结构。

（8）当开口非旋转对称结构为夹角结构或 “L”形时，给定角度旋转方向为逆时针，有效避免了螺旋结构长出段处于高温区造成回熔，不易引入其它缺陷，进而不会影响引晶质量。

附图说明

下面结合附图和具体实施方式对本发明作进一步详细的说明。

图1和图2为传统上部热反射结构的开口常见结构俯视图；

图3为开口为非旋转对称夹角结构的上部热反射结构俯视图；

图4为开口为逆时针旋转90度的“T”字形结构的上部热反射结构俯视图；

图5为开口为“L”形结构的上部热反射结构俯视图。

具体实施方式

下面的实施例可以使本专业的技术人员更全面地理解本发明，但并不因此将本发明限制在所述的实施例范围之中。

实施例1

本发明是一种泡生法生长蓝宝石晶体的引晶方法，所述方法包括如下步骤：

步骤1：将如图3所示的开口非旋转对称结构采用非旋转对称夹角结构，夹角为75度角的上部热反射结构安装于泡生法蓝宝石生长设备中；

步骤2：将装好原料的晶体生长炉抽真空，真空度为~10^-3Pa；

步骤3：通过加热器控制晶体生长炉升温至2000-2100°C，待蓝宝石原料熔化成熔体。

步骤4：下籽晶，试温，调节功率或电压，使得籽晶与熔体接触时不熔化并且不生长，将籽晶下浸熔体液面3mm；采用3mm/h的提拉速度、1mm的瞬间提升高度以及10度角的逆时针给定角度旋转进行提拉旋转籽晶，引出螺旋结构；3小时后，采用8mm/h的提拉速度、2mm的瞬间提升高度以及12度角的逆时针给定角度旋转进行提拉旋转籽晶；6小时后，待晶节长度达到65mm左右，固液相界面当量横截面直径为40mm时，引晶结束。

下表为本发明引晶方法生长出的晶体与传统工艺生长出的晶体各性能的对比：

晶体性能	传统工艺	本发明
			质量	衬底级、肩部气泡多	衬底级、肩部气泡少
应力	应力双折射光程差约200nm/cm	应力双折射光程差约100nm/cm
			位错密度	约1000/cm²	约200/cm²
完整性	易出现小角晶界、无开裂	无晶界、无开裂
			光学性	良好	优异
成品率	60%左右	85%以上

结论：本发明提出的泡生法生长蓝宝石晶体的引晶方法,生长出的晶体质量优异、应力小、位错密度低、晶体完整性和光学均匀性好、成品率高，可以降低成本，易于产业化。

实施例2

步骤1：将如图4所示的开口非旋转对称结构采用逆时针旋转90度的“T”字形的上部热反射结构安装于泡生法蓝宝石生长设备中；

步骤2：将装好原料的晶体生长炉抽真空，真空度为~10^-3Pa；

步骤4：下籽晶，试温，调节功率或电压，使得籽晶与熔体接触时不熔化并且不生长，将籽晶下浸熔体液面3mm；采用6mm/h的提拉速度、1mm的瞬间提升高度以及6度角的顺时针给定角度旋转进行提拉旋转籽晶，引出螺旋结构；3小时后，采用10mm/h的提拉速度、2mm的瞬间提升高度以及10度角的顺时针给定角度旋转进行提拉旋转籽晶；5小时后，待晶节长度达到70mm左右，固液相界面当量横截面直径为50mm时，引晶结束。

实施例3

步骤1：将如图5所示的开口非旋转对称结构采用“L”形的上部热反射结构安装于泡生法蓝宝石生长设备中；

步骤2：将装好原料的晶体生长炉抽真空，真空度为~10^-3Pa；

步骤4：下籽晶，试温，调节功率或电压，使得籽晶与熔体接触时不熔化并且不生长，将籽晶下浸熔体液面5mm；采用8mm/h的提拉速度、1mm的瞬间提升高度以及15度角的逆时针给定角度旋转进行提拉旋转籽晶，引出螺旋结构；2小时后，采用12mm/h的提拉速度、2mm的瞬间提升高度以及10度角的逆时针给定角度旋转进行提拉旋转籽晶；5小时后，待晶节长度达到75mm左右，固液相界面当量横截面直径为60mm时，引晶结束。

以上显示和描述了本发明的基本原理和主要特征以及本发明的优点。本行业的技术人员应该了解，本发明不受上述实施例的限制，上述实施例和说明书中描述的只是说明本发明的原理，在不脱离本发明精神和范围的前提下，本发明还会有各种变化和改进，这些变化和改进都落入要求保护的本发明范围内。本发明要求保护范围由所附的权利要求书及其等效物界定。

Claims

1.一种泡生法生长蓝宝石晶体的引晶方法，其特征在于:利用籽晶辐射散热开口的非旋转对称结构，引晶时包括如下步骤：

（1）籽晶下浸熔体液面3—5mm；

（4）重复步骤（3）至晶节长度为60—80mm，形成螺旋状结构晶节，且固液相界面当量横截面直径为40—60mm时，结束引晶；

所述步骤（2）中的非旋转对称结构的开口结构为逆时针旋转90度的“T”字形。

2.一种泡生法生长蓝宝石晶体的引晶方法，其特征在于:利用籽晶辐射散热开口的非旋转对称结构，引晶时包括如下步骤：

（1）籽晶下浸熔体液面3—5mm；

所述步骤（2）中的非旋转对称结构的开口结构为非旋转对称夹角结构，夹角为70—80度角。

3.一种泡生法生长蓝宝石晶体的引晶方法，其特征在于:利用籽晶辐射散热开口的非旋转对称结构，引晶时包括如下步骤：

（1）籽晶下浸熔体液面3—5mm；

所述步骤（2）中的非旋转对称结构的开口结构为“L”形。

4.根据权利要求1、2或3所述的泡生法生长蓝宝石晶体的引晶方法，其特征在于:所述的非旋转对称结构，给定角度旋转操作时，旋转方向为逆时针方向。

5.根据权利要求1、2或3所述的泡生法生长蓝宝石晶体的引晶方法，其特征在于:所述步骤（3）中的瞬间提升为每次手动提拉1—2mm。

6.根据权利要求1、2或3所述的泡生法生长蓝宝石晶体的引晶方法，其特征在于:所述步骤（3）中的旋转给定角度为手动旋转5—15度角。