CN109280971B - 一种制备大尺寸蓝宝石单晶的方法 - Google Patents

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Abstract

本申请提供一种制备大尺寸蓝宝石单晶的方法，所述方法所使用的加热器为鸟笼形加热器，所述加热器包括相对设置的正电极和负电极，所述正电极和负电极均为半环形，所述正电极和负电极组成完整的环形，在正电极和负电极相接处形成有间隙，籽晶在所述加热器中的安装方向为所述籽晶横截面上导热系数较大的一个晶向与两块所述铜电极相接处的间隙平行或者近似平行，本申请提供的方法能够制得椭圆柱形的蓝宝石晶体。

Description

一种制备大尺寸蓝宝石单晶的方法
技术领域
本申请属于蓝宝石单晶生长的技术领域，特别涉及一种制备大尺寸蓝宝石单晶的方法。
背景技术
蓝宝石(α-Al2O3)具有熔点高(2045℃)、导热好、硬度高、电绝缘性好、耐强酸强碱腐蚀、透光波段宽等特点，被广泛用于手机屏幕、镜面等民用设备，并被应用于导弹整流罩、直升机轴等军工企业。随着蓝宝石衬底的LED技术的迅猛发展，蓝宝石占据LED衬底市场中90％以上的份额，LED衬底市场对6英寸及以上蓝宝石衬底材料的需求越来越大。由于蓝宝石衬底材料是LED技术发展的基石，衬底材料的发展必然会影响整个LED产业的发展。
蓝宝石晶体生长有多种方法，目前为商家普遍采用的方法主要为泡生法。泡生法简称KY法，其原理是先将原料加热至熔点后熔化形成熔体，再以单晶的籽晶接触到熔体表面，在籽晶与熔体的固液界面上开始生长和籽晶相同单晶体结构的单晶，以缓慢的速度往上提升籽晶，在籽晶向上提拉一段时间后形成晶颈，待熔体与籽晶界面的凝固速率稳定后，不再提拉籽晶，以降低加热功率的方式使蓝宝石单晶从上方逐渐往下凝固，最后形成一个完整的蓝宝石单晶晶锭。
传统泡生法长晶炉内使用的加热器通常为鸟笼型加热器，由多根粗细相同的U型钨钼棒组成，U型钨钼棒的横截面一致，单位长度内其电阻相同，因此，加热器各个钨钼棒的发热量基本一致，促使长晶炉内同一水平面的横向温度梯度与径向温度梯度一致，从而生长出的蓝宝石晶体多为圆柱形。由于A向长晶位错可在长晶过程中中断，从而可获得晶体缺陷少、位错密度低的高质量蓝宝石。
由于只有C面蓝宝石晶体与Ⅲ/Ⅴ及Ⅱ/Ⅵ族化合物薄膜(如GaN薄膜)之间有很小的晶格失配率，例如，C面蓝宝石与GaN薄膜之间的晶格失配率仅为17％，而A面蓝宝石晶体与Ⅲ/Ⅴ及Ⅱ/Ⅵ族化合物薄膜的晶格失配率明显增加，因此，LED领域常以C面蓝宝石作为GaN薄膜外延生长层。为解决生长和使用中的矛盾，目前，用于LED的蓝宝石长晶普遍采用A向生长，再沿C向掏棒而获得的，然而，这种制取方法存在取材率低，成本高等问题。
因此，亟需开发一种取材率高、制备成本低的蓝宝石制备方法。
发明内容
本申请提供一种制备大尺寸蓝宝石单晶的方法，所述方法利用蓝宝石晶体不同晶面导热系数的各向异性，采用籽晶异向温度梯度法使蓝宝石晶体生长成椭圆柱，从而提高蓝宝石晶体的利用率。
本申请提供的方法所使用的加热器为鸟笼形加热器，所述加热器包括相对设置的正电极和负电极，所述正电极和负电极均为半环形，所述正电极和负电极组成完整的环形，在正电极和负电极相接处形成有间隙，所述方法包括以下步骤：
步骤1，选取籽晶，判断籽晶横截面上的两个晶向；
步骤2，将步骤1选取的籽晶安装于所述加热器中，其中，所述籽晶横截面上导热系数较大的一个晶向与两块所述铜电极相接处的间隙平行或者近似平行。
在一种可实现的方式中，在步骤1中，所横截面为与蓝宝石长晶方向垂直的截面；所述晶向包括晶体的A向、晶体的C向和晶体的M向。
在一种可实现的方式中，所述方法还包括：
步骤3，将氧化铝原料装入坩埚中，使用所述加热器熔融坩埚中的氧化铝原料形成氧化铝溶汤，将所述籽晶竖直插入所述氧化铝溶汤中；
步骤4，提升所述籽晶，当所述蓝宝石晶体的直径大于60mm(例如，约为80mm)时，停止提升；
步骤5，逐渐降低所述加热器的加热功率至0。
在一种可实现的方式中，所述加热器包括多根发热元件，所述发热元件的一端与正电极连接，另一端与负电极连接，所述发热元件包括石墨棒、钨棒、钼棒、钨钼混合棒。
在一种可实现的方式中，所述发热元件的横截面积相同或者不同。
在一种可实现的方式中，所述发热元件的横截面积按照在所述电极上的设置位置依次增大，依次减小，或者呈周期性变化。
与传统方法相比，本申请提供的方法充分利用了籽晶导热系数的各向异性，在蓝宝石晶体生长过程中，在同一水平层面上，使导热系数大的晶向受热小于导热系数小的晶向的受热，从而使蓝宝石晶体生长为椭圆形，从而，提高晶体的利用率，降低晶圆棒的生产成本。
本申请提供方法特别适用于采用泡生法生长400kg以上的蓝宝石晶体，本申请提供的方法不仅适用于石墨热场还适用于传统的钨钼热场。
附图说明
图1为本申请实施例所用的加热器的结构示意图。
附图标记说明
1-正电极，2-负电极，3-发热元件，4-间隙。
具体实施方式
这里将详细地对示例性实施例进行说明，其示例表示在附图中。下面的描述涉及附图时，除非另有表示，不同附图中的相同数字表示相同或相似的要素。以下示例性实施例中所描述的实施方式并不代表与本发明相一致的所有实施方式。相反，它们仅是与如所附权利要求书中所详述的、本发明的一些方面相一致的装置和方法的例子。
以下详述本发明。
适用于泡生法蓝宝石单晶生长的新方法和新工艺，尤其涉及一种适用于400kg级以上的石墨热场生长蓝宝石晶体的生长方法。本申请人发现，在泡生法蓝宝石单晶生长中，单晶炉内的热场结构决定晶体生长的热量、质量传输条件和晶体生长环境等因素，对蓝宝石晶体的质量至关重要。进一步地，本申请人发现，使用下述加热器，结合本申请提供的方法，能够简便地制备出椭圆形蓝宝石晶体。
本申请提供的方法所使用的加热器为如图1所示的鸟笼形加热器，所述加热器包括相对设置的正电极1和负电极2，所述正电极1和负电极2均为半环形，所述正电极1和负电极2组成完整的环形，在正电极1和负电极2相接处形成有间隙4，使得在同一水平面上加热器内部具有温度梯度，具体地，在所述间隙处的温度低于其它位置处的温度。
在一种可实现的方式中，所述加热器包括多根发热元件3，所述发热元件3的一端与正电极连接，另一端与负电极连接，所述发热元件可以为现有技术中任意一种能用于通电发热的元件，例如石墨棒、钨棒、钼棒或者钨钼混合棒等，优选使用石墨棒，石墨棒的保温性较好，而且在高温下不易变形，有利于反复利用，从而降低制备成本。
在一种可实现的方式中，所述发热元件的横截面积相同或者不同，可选地，所述发热元件的横截面积按照在所述电极上的设置位置依次增大，依次减小，或者呈周期性变化，从而，使所述加热器在等电位下加热器各区域发热量不同，通过辐射传热至坩埚各个方位，晶体生长过程中同一水平面上各个点的受热在同一水平面上形成的温度梯度更为明显，从而有利于晶体实现椭圆形生长。
进一步地，各所述发热元件的横截面积由第一个间隙至第二个间隙依次先增大后减少，在与两个间隙垂直的两个极端处最大，从而，使所述加热器内的温度梯度呈现为靠近间隙温度低，远离间隙温度高。
本申请提供的方法包括以下步骤：
步骤1，选取籽晶，判断籽晶横截面上的两个晶向。
在本实施例中，所述选取籽晶包括检验籽晶是否存在缺陷，所述缺陷包括：气泡、孪晶和裂纹。具体地，可以使用偏光镜和强光电检查，观测籽晶内部是否存在气泡、孪晶及裂纹等，若发现籽晶不合格及时更换合格籽晶，以避免籽晶内存在过多缺陷遗传到所生长晶体中，影响晶体质量。
选取籽晶后，判断籽晶横截面上的两个晶向，以便在步骤2中正确安装籽晶。本领域技术人员熟知，蓝宝石的晶向晶体的A向、晶体的C向和晶体的M向。
在本实施例中，所横截面为与蓝宝石长晶方向垂直的截面，例如，蓝宝石生长的方向为A向，则M向和C向形成的平面为横截面；再如，蓝宝石生长的方向为C向，则A向和M向形成的平面为横截面。
步骤2，将步骤1选取的籽晶安装于所述加热器中，其中，所述籽晶横截面上导热系数较大的一个晶向与两块所述铜电极相接处的间隙平行或者近似平行。
本申请人发现，在蓝宝石晶体中，A向、M向和C向导热系数的大小关系如下：λA>λM>λC，进一步地，本申请人发现，在本实施例所述的加热器中，籽晶的安装方向能够影响蓝宝石晶体的形状，具体地，导热系数小的晶向与所述间隙平行时，生长而得的蓝宝石晶体为椭圆形，进一步地，导热系数小的方向为椭圆的长轴方向，导热系数大的方向为椭圆的短轴方向。例如，所述蓝宝石晶体为A向生长，则在横截面上的晶向为M向和C向，其中，λM>λC，将籽晶安装于所述加热器后，使C向与所述间隙平行。
在本实施例中，所述方法还包括长晶的步骤，本申请对生晶步骤不做特别限定，将所述籽晶按照前述方法安装于所述加热器后，可以使用现有技术中任意一种长晶的方法。
在一种可实现的方式中，所述方法包括：
步骤3，将氧化铝原料装入坩埚中，使用所述加热器熔融坩埚中的氧化铝原料形成氧化铝溶汤，将所述籽晶竖直插入所述氧化铝溶汤中。
其中，所述氧化铝原料的纯度为5N(即99.999％)以上，采用此种高纯度氧化铝原料能够从源头上减少制得的蓝宝石晶体的缺陷，将装有氧化铝原料的坩埚放入炉腔内，对炉腔抽真空后化料，得到氧化铝溶汤。
步骤4，提升所述籽晶，当所述蓝宝石晶体的直径大于60mm，例如，约为80mm时，停止提升，扩肩完成。
步骤5，逐渐降低所述加热器的加热功率至0，扩肩完成后控制加热功率以预设降幅逐渐降低，使蓝宝石晶体自然生长，至所加氧化铝原料全部生成蓝宝石晶体。
实施例
实施例1
向坩埚中加入400kg氧化铝原料，选取A向生长籽晶，将所籽晶安装于所述加热器中，并使C向与所述间隙平行，按照本申请提供的方法生长蓝宝石晶体，所述蓝宝石晶体为椭圆柱体，其中，长轴为510mm，短轴为480mm，高度为600mm，在所述蓝宝石晶体上掏取4英寸晶圆棒，同一水平面可掏取4根晶圆棒，晶圆棒长度和可达1381mm，所述蓝宝石晶体总掏取晶圆棒的长度为5000mm。
对比例
对比例1
本对比例与实施例1所用原料相同，区别仅在于使用的加热器为传统加热器，所述籽晶以任意角度安装在所述加热器中，按照传统方法生长蓝宝石晶体，所述蓝宝石晶体为圆柱体，其半径为490mm，掏取4英寸晶圆棒，同一水平面可掏取4根晶圆棒，4根晶圆棒长度之和为1176mm，所述蓝宝石晶体总掏取晶圆棒的长度为4200mm。
由实施例1和对比例1可知，采用本申请提供的方法，对于400kg蓝宝石晶体，晶圆棒的掏棒量至少增加19.05％，可多掏4英寸晶圆棒800mm以上。
以上结合具体实施方式和范例性实例对本申请进行了详细说明，不过这些说明并不能理解为对本申请的限制。本领域技术人员理解，在不偏离本申请精神和范围的情况下，可以对本申请技术方案及其实施方式进行多种等价替换、修饰或改进，这些均落入本申请的范围内。本申请的保护范围以所附权利要求为准。

Claims (5)

1.一种制备大尺寸蓝宝石单晶的方法，其特征在于，所述方法使用的加热器为鸟笼形加热器，所述加热器包括相对设置的正电极和负电极，所述正电极和负电极均为半环形，所述正电极和负电极组成完整的环形，在正电极和负电极相接处形成有间隙，所述方法包括以下步骤：
步骤1，选取籽晶，判断籽晶横截面上的两个晶向；
步骤2，将步骤1选取的籽晶安装于所述加热器中，其中，所述籽晶横截面上导热系数较大的一个晶向与两块所述铜电极相接处的间隙平行或者近似平行；
其中，所述加热器包括多根发热元件，所述发热元件的横截面积按照在所述电极上的设置位置依次增大，依次减小，或者呈周期性变化；所述加热器内的温度梯度呈现为靠近间隙温度低，远离间隙温度高。
2.根据权利要求1所述的方法，其特征在于，在步骤1中，
所横截面为与蓝宝石长晶方向垂直的截面；
所述晶向包括晶体的A向、晶体的C向和晶体的M向。
3.根据权利要求1或2所述的方法，其特征在于，所述方法还包括：
步骤3，将氧化铝原料装入坩埚中，使用所述加热器熔融坩埚中的氧化铝原料形成氧化铝溶汤，将所述籽晶竖直插入所述氧化铝溶汤中；
步骤4，提升所述籽晶，当所述蓝宝石晶体的直径大于60mm时，停止提升；
步骤5，逐渐降低所述加热器的加热功率至0。
4.根据权利要求1或2所述的方法，其特征在于，所述发热元件的一端与正电极连接，另一端与负电极连接，所述发热元件包括石墨棒、钨棒、钼棒、钨钼混合棒。
5.根据权利要求1或2所述的方法，其特征在于，所述发热元件的横截面积相同或者不同。
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