CN114737253B - 生长大尺寸蓝宝石单晶板材的单晶炉热场结构及方法 - Google Patents

Abstract

本发明涉及蓝宝石单晶板材制备技术，具体涉及一种生长大尺寸蓝宝石单晶板材的单晶炉热场结构及方法，解决蓝宝石制备中最后形态为大尺寸板材状的问题。生长大尺寸蓝宝石单晶板材的单晶炉热场结构及方法，包括保温箱、坩埚组、坩埚托板、支撑杆、导热杆、导热杆电机、加热体、电极、电极连接杆、坩埚盖，保温箱内设有加热体，坩埚组位于加热体之间，坩埚组包含平板形坩埚，平板形坩埚的底部呈倒梯形状，坩埚上方设有坩埚盖，最下端水平放置籽晶，在保温箱底部穿设有导热杆，导热杆上端与平板形坩埚底部接触，加热体上连接有电极以及电极连接杆。该热场温度梯度合理、温场稳定、保温效果良好，能够生产大尺寸蓝宝石板材，确保晶体的高质量。

Description

生长大尺寸蓝宝石单晶板材的单晶炉热场结构及方法

技术领域

本发明涉及蓝宝石单晶板材制备技术，具体涉及一种生长大尺寸蓝宝石单晶板材的单晶炉热场结构及方法。

背景技术

蓝宝石单晶具有优异的力学、热学、光学等性能，被广泛应用于科学技术、国防与民用工业、半导体行业等诸多领域，是目前LED市场中蓝光GaN外延基板的首选材料。近年来，随着LED产业，新能源汽车，高端消费类电子产品等行业的发展。随着军民两用光电/红外系统的迅速发展，人们对大面积的具有良好透过性能的蓝宝石光电窗口材料提出了迫切的需求，同时在窗口材料的性能上对高硬度、高强度、宽波段、高透过率的需求越来越强烈。大尺寸蓝宝石窗口片具有良好的红外透光率指标和耐磨性能，在飞机、舰船和地面车辆的光电窗口、红外吊窗、测距和跟踪仪器窗口应用上具有巨大的应用前景。因此，市场对大尺寸蓝宝石板材的需求量极速增加。

蓝宝石的制造过程是首先原料熔融，引晶阶段将一根籽晶与熔体接触，如果界面的温度低于凝固点，则籽晶开始生长。逐渐降低熔体的温度，同时缓慢地上提晶体。放肩阶段停止或保持旋转，以调整各方向均匀生长，降低提拉速度使晶体长到预期的直径，然后保持或停止提拉，由于结晶过程的自身特点，在合适的温度梯度下，晶体能自行完成等径生长。

目前主流长晶设备热场所生长的蓝宝石晶锭均为梨形，主要原因单晶炉热场结构和长晶工艺决定晶锭形状，圆形热场结构生长圆形晶锭，长晶过程伴随直径增大，导致晶锭下部直径大于上部直径，形成梨形。而这种梨形晶锭用于加工方形板材利用率低，导致生产成本过高，且受限于晶锭尺寸无法加工大尺寸蓝宝石板材，而如果继续增大梨形蓝宝石晶锭长晶尺寸，将导致长晶难度大、晶体质量差、加工难度增加等问题。因此需要发明一种能够直接生长大尺寸蓝宝石单晶板材的热场结构及生长方法。

现有技术中，CN 112501690 A公开了一种蓝宝石单晶的生长方法，采用的蓝宝石单晶生长装置包括炉体、坩埚、石墨加热器、石墨保温层、热交换器、进气管道和出气管道；所述炉体内设有腔体，所述石墨加热器位于腔体内，所述坩埚位于石墨加热器内，所述石墨保温层围合在石墨加热器外部，所述热交换器位于坩埚底端；所述进气管道的一端依次穿过炉体底端和石墨保温层，所述出气管道的一端依次穿过炉体顶端和石墨保温层。在方案中指出，热交换器通入纯度为99.995％以上的高纯氦气，并没有说明其具体作用以及起到的技术效果。

CN 203096231 U公开了一种蓝宝石生长炉，包括蓝宝石生长炉本体及测温装置，蓝宝石生长炉本体底部中心设一探测孔，探测孔由隔热材料构成且呈空心圆柱结构，一端与坩埚连接且连接处设倒锥形连接口，另一端嵌在蓝宝石生长炉本体底内，蓝宝石生长炉本体底部设置降温装置，测温装置由传热部及测温部构成且传热部与测温部构成螺纹连接，传热部置于探测孔内并于坩埚紧密接触，传热部置于蓝宝石生长炉底部外侧，且测温部外侧与降温装置连接。所述的降温装置对测温机构进行冷却，避免了测温装置因长时间高温而造成老化或损坏。

CN 101857970 B公开了一种大尺寸片状蓝宝石晶体的生长方法，该方法通过工艺参数的合理配置，可生长出尺寸80-200mm宽，厚0.8-25mm、可见光和红外光透过率高、无多晶、缺陷密度低的光学级蓝宝石晶体。由于采用了导模生长法，尺寸的宽度和厚度可以预先制作，因此能生长出直接符合使用要求的且公差在+/-0.2mm的蓝宝石片状晶体。直接解除了繁重的、高硬度的、成本高昂的多次切割成型的后道加工工序。但是，该方案认为：由于片状蓝宝石晶体的尺寸越大，辐射表面积S 就越大，片状蓝宝石晶体厚度相对较薄，体积较小，辐射表面积S 与晶体体积V 之比e ＝S/V 晶体表面辐射能力值就越高，生长过程中容易产生较大的应力，当晶体宽度尺寸太大时晶体就容易产生大量的位错和多晶晶界导致晶体破裂，因此生长晶体的宽度受到了限制。

CN103556233B公开了一种生长大尺寸和方形蓝宝石单晶的方法，在该方案中，指出使用专用的坩埚，坩埚内部形状为长方梯形锥体或正方梯形锥体，通过坩埚的强制作用，限制晶体形状的演变，采用上部引晶定向结晶的工艺，保证蓝宝石晶面与坩埚内面的一致性，生长具有特定晶面取向的长方体或正方体形状的蓝宝石晶体，大幅提高晶体的利用率至60% 以上。该方案中，晶体的生长过程包括引晶、晶颈生长、放肩及等径生长等环节，该方案中，坩埚的内壁并没有直接约束结晶形成的晶体，仅仅是通过自身的形状去影响和适应长方体状的蓝宝石单晶籽的生长，使其也生长成正方体形晶体，最终的大尺寸蓝宝石质量也仅仅为2.5kg。类似的方案还有CN 105401215公开了一种用于制备大片状蓝宝石单晶体的装置及方法，该装置包括生长炉本体和设置在生长炉本体内的坩埚，所述坩埚呈楔形，且由楔形体和设置在楔形体底部的尖端组成，所述楔形体内可放置呈楔形的料饼，坩埚的两侧对称设有多个发热体，所述发热体设置在坩埚的两侧形成包围坩埚的多温区，多温区自上而下形成低温区、中温区和高温熔融区；方法中指出坩埚随晶体生长不断下降，保持晶体生长界面与加热体的相对位置不发生变化，即保持晶体生长的温度场稳定，晶体逐渐进入放肩、等宽生长阶段，直至料饼耗尽，晶体生长结束；将所得晶体退火后，从坩埚中取出，即得大片状蓝宝石单晶体；所述的大片状蓝宝石单晶体宽度200mm，长度250mm。

发明内容

本发明专利为了解决蓝宝石制备中最后形态为大尺寸板材状的技术问题，提供了一种适用于生长大尺寸蓝宝石单晶板材炉热场结构及方法。该热场温度梯度合理、温场稳定、保温效果良好，所生产大尺寸蓝宝石板材能避免晶体应力过大产生位错，开裂等缺陷，避免高温下由于熔体温度波动导致晶体产生气泡，确保晶体的高质量。

实现本发明的技术手段如下：一种适用于生长大尺寸蓝宝石单晶板材炉热场结构，包括保温箱、坩埚组、坩埚托板、支撑杆、导热杆、导热杆电机、加热体、电极、电极连接杆、坩埚盖，所述的保温箱内设有加热体，坩埚组位于加热体之间，所述的坩埚组包含若干平板形坩埚，平板形坩埚的底部呈倒梯形状，坩埚上方设有坩埚盖，倒梯形最下端水平放置籽晶，坩埚内部装有高纯氧化铝原料，在保温箱底部穿设有导热杆，导热杆上端与平板形坩埚底部接触，所述的加热体上连接有电极以及电极连接杆。

一种生长大尺寸蓝宝石单晶板材的生长方法，步骤为：

（1）原料装入坩埚，打开机械泵、真空泵；

（2）充入氩气，开启单晶炉电源升温至蓝宝石熔化；

（3）完全熔化后，调节辅加热体电压，控制坩埚组底部的温度避免籽晶熔化（不高于2050℃），此时坩埚内的温度自上至下呈由高到低的梯度分部，坩埚顶部处于上部热场约2300℃，坩埚底部处于下部热场约2050℃，底部中心与导热杆接触部位局部温度不高于2050℃，其余部位处于2050℃-2300℃之间；

（4）调节电流使整个热场按照0.05-0.5℃/h降温10-30h；

（5）控制导热杆脱离坩埚托板，以0.5-3℃/h降温5-20h、3-8℃/h降温10-30h；

（6）晶体完成生长完毕进行原位退火；

（7）降至室温取出晶体。

本发明中坩埚组包含多个平板形坩埚，坩埚底部呈倒梯形，各个坩埚底部均水平放置籽晶，坩埚内部装有高纯氧化铝原料。电极通电后使加热体升温，外侧的保温箱向内反射加热体的热量，热场整体温度不断升高，直至坩埚内原料熔化。加热体由多个加热体平板组成，加热体板互相垂直连接组成矩形空间框，加热体底部边缘高于坩埚底部，同时导热杆与坩埚底部接触，向外传导热量使坩埚底部温度为热场内最低温度；坩埚上方的坩埚盖持续向坩埚内反射热量，使坩埚顶部温度保持最高，坩埚内自下向上形成温度梯度，通过本装置可以使坩埚保持上部温度约2300℃，下部温度约2050℃，因此坩埚内原料熔化的同时能够保持底部籽晶完好。原料融化后小幅度微调降低电压，使热场温度缓慢降低，籽晶表面所接触的熔融态物料分子结构按照籽晶的结构方式重新排列并结晶。随着热场温度的持续降低，结晶体自下向上逐渐增大，直至坩埚内熔融态物料全部结晶，结晶体形态与坩埚形状相同，得到蓝宝石单晶板材。

本发明有益效果有：

1、根据产品需求可调整平板形坩埚的形状和尺寸，并且控制热场和结晶的参数以生长和坩埚结构一致的大尺寸蓝宝石单晶板材，该方法不受传统梨形晶锭的尺寸限制，可生长尺寸为宽度300-500mm，长度500-800mm，厚度40-130mm的蓝宝石板材。

2、生产的产品材料利用率高，直接生长得到立方体形状的蓝宝石板材，省略传统梨形晶锭的切割、磨削等加工流程，大幅度提升生产效率、降低制造成本。

附图说明

图1一种适用于生长大尺寸蓝宝石单晶板材的热场结构侧视图；

图2 一种适用于生长大尺寸蓝宝石单晶板材的热场结构俯视图；

图3导热杆结构示意图；

图4为图3的仰视图；

图5为产品检测报告之一；

图6为产品检测报告之二。

1-坩埚组、2-坩埚托板、3-支撑杆、4-导热杆、5-导热杆电机、6-加热体、7-电极、8-电极连接杆、9-坩埚盖、10-保温箱、11-籽晶、12-辅加热体、13-出水口、14-进水口。

具体实施方式

下面结合附图对本发明进行详细说明：

如图1和图2所示意，一种适用于生长大尺寸蓝宝石单晶板材的热场结构，包括保温箱10、坩埚组1、坩埚托板2、支撑杆3、导热杆4、导热杆电机5、加热体6、电极7、电极连接杆8、坩埚盖9，所述的保温箱10内设有加热体6，坩埚组1位于加热体6之间，保温箱10内下部设有坩埚托板2，所述的坩埚组1包含若干平板形坩埚，平板形坩埚的底部呈倒梯形状，且平板形坩埚底部放置在坩埚托板2上方，坩埚上方设有坩埚盖9，倒梯形最下端水平放置籽晶11，坩埚内部装有高纯氧化铝原料，在保温箱10底部穿设有导热杆4，导热杆4上端与平板形坩埚底部最下端位置接触，所述的加热体6通过电极连接杆8连接有电极7，在保温箱10下部设置有辅加热体12。

所述的坩埚组1由多个平板形坩埚组成，平板形坩埚，中、上部分为长方体形、底部呈倒梯形，内壁尺寸为宽度300-500mm，长度500-800mm，厚度40-130mm，因此可生长宽度300-500mm，长度500-800mm，厚度40-130mm的蓝宝石板材；

所述平板形坩埚在特殊气体保护的氛围下焊接，气体包括但不限于氩气、氦气。多个平板形坩埚平行放置于坩埚托板2表面，坩埚具体数量根据厚度尺寸而变化；

加热体6和辅加热体12为加热体板，通过互相垂直连接构成加热区域空间，其中加热体6分为上、下两段，位于坩埚组四周同时穿插于坩埚组内部，并且加热体6底部边缘高于坩埚组底部所在的平面，辅加热体12位于导热杆四周，作用是升温和退火过程中对导热杆4加热，升温过程中加速升温；退火过程中由于钼和石墨等材质导热系数远大于蓝宝石，为避免钼和石墨降温速度过快引起蓝宝石炸裂，控制设备使电压缓慢降低，热体保持热场温度使其阶梯性缓慢降温，加热体保持侧方温度，辅加热体通过加热导热杆保持坩埚底部温度；

如图3、4所示意，所述的导热杆4为双层套管状结构，内管为进水，外侧管出水，通过水流传递热，使坩埚低部温度略低于上部温度。

电极7位于热场底部两侧，电极连接杆8下端与电极7连接，上端与加热体6连接；保温箱10由下隔热屏、四周的侧隔热屏和上隔热屏组成；导热杆4穿过保温箱的下隔热屏和坩埚托板2，导热杆4顶端与坩埚组的各个平板形坩埚底部接触，导热杆4底端接有循环冷却水，导热杆电机5连接导热杆4底部，可以控制导热杆4脱离坩埚，用于控制局部温度。

该热场水平置于单晶炉的炉体内部，打开保温箱，将多个平板形坩埚平行放置于坩埚托板的表面，坩埚侧面各方向与加热体等距；在保温箱10的底部内安装支撑杆3，支撑杆3上端顶住坩埚，用于对坩埚组进行支撑和固定，将籽晶11水平放置于各个平板形坩埚底部梯形位置最低部，再将氧化铝原料装入各个坩埚内，使用坩埚盖对坩埚组进行覆盖，使保温箱封闭，封盖单晶炉盖。

其中所述的坩埚、坩埚盖、导热杆的材质为钨、钼或其他耐高温金属。所述的坩埚托板、支撑杆、加热体、电极连接杆的材质为石墨或其他导电、导热、耐高温性能良好的材料。所述的保温箱材质为石墨毡或其他耐高温隔热材料。

步骤方法：氧化铝原料装入坩埚，打开机械泵、真空泵；充入氩气，开启单晶炉电源和循环水，电极通电后使加热体和辅加热体升温，使热场整体温度不断升高，直至坩埚组内部原料完全熔化，同时增加导热杆的循环水流速、调节辅加热体电压，控制坩埚组底部的温度避免籽晶熔化，该处温度不高于2050℃以避免使其融化。最后坩埚内的温度形成自上至下呈由高到低的梯度分部，坩埚顶部处于上部热场约2300℃，坩埚底部处于下部热场约2050℃，底部中心与导热杆接触部位局部温度不高于2050℃（例如2040℃-2049℃），其余部位处于2050℃-2300℃之间。然后调节电流使整个热场按照0.05-0.5℃/h降温10-30h；(设备电压降低，热场整体温度随之降低，非某个部位温度)，然后控制导热杆电机5使导热杆4下降，导热杆4顶端脱离坩埚组底部，原因是整个热场降温10-30h后坩埚底部已低于熔点，底部原料已结晶，结晶速度正常情况下不需要继续降温，再以0.5-3℃/h降温5-20h、3-8℃/h降温10-30h，随着电压不断的降低，整个热场温度持续下降，结晶体自下向上逐渐增大，直至坩埚组内部熔融态物料全部结晶，结晶体形态和尺寸与平板形坩埚相同，得到蓝宝石单晶板材。

晶体完成生长后进行原位退火，退火是阶梯性缓慢降温过程，蓝宝石晶体生长完毕后温度仍然非常高需缓慢降温，如降温速度过快会导致晶体炸裂，降温过程中为避免热场降温幅度过大，设备系统阶梯性逐渐降低电压，使热场缓慢降温；不同的长晶工艺有不同的退火方式，相较于将晶锭提拉出坩埚退火的方式，在坩埚内完成退火的方式称为原位退火，最后降至室温取出坩埚组内的蓝宝石单晶板材。

图5、图6为本发明方法制备得到的蓝宝石产品检测报告。结论：依据上述EPD检测数据显示，平均值为478个/cm²、255个/cm²，均小于1000个/cm²，且没有形成条状插排沟，以上测试蓝宝石晶片EPD符合标准。

Claims (4)

1.一种适用于生长大尺寸蓝宝石单晶板材的热场结构，其特征在于：包括保温箱（10）、坩埚组（1）、坩埚托板（2）、支撑杆（3）、导热杆（4）、导热杆电机（5）、加热体（6）、电极（7）、电极连接杆（8）、坩埚盖（9），所述的保温箱（10）内设有加热体（6），坩埚组（1）位于加热体（6）之间，保温箱（10）内下部设有坩埚托板（2），所述的坩埚组（1）包含若干平板形坩埚，平板形坩埚的底部呈倒梯形状，且平板形坩埚底部放置在坩埚托板（2）上方，坩埚上方设有坩埚盖（9），倒梯形最下端水平放置籽晶（11），坩埚内部装有高纯氧化铝原料，在保温箱（10）底部穿设有导热杆（4），导热杆（4）上端与平板形坩埚底部最下端位置接触，所述的加热体（6）通过电极连接杆（8）连接有电极（7），在保温箱（10）下部设置有辅加热体（12），所述的坩埚组（1）由多个平板形坩埚组成，平板形坩埚，中、上部份为长方体形、底部呈倒梯形，所述的长方体形的内壁尺寸为宽度300-500mm，长度500-800mm，厚度40-130mm，加热体（6）和辅加热体（12）为加热体板，通过互相垂直连接构成加热区域空间，其中加热体（6）分为上、下两段，位于坩埚组四周同时穿插于坩埚组内部，并且加热体（6）底部边缘高于坩埚组底部所在的平面，辅加热体（12）位于导热杆四周，所述保温箱（10）由下隔热屏、四周的侧隔热屏和上隔热屏组成；导热杆（4）穿过保温箱的下隔热屏和坩埚托板（2），导热杆（4）顶端与坩埚组的各个平板形坩埚底部接触，导热杆（4）底端接有循环冷却水，导热杆电机（5）连接导热杆（4）底部，可以控制导热杆（4）脱离坩埚，用于控制局部温度，所述的导热杆（4）为双层套管状结构，内管为进水，外侧管出水。

2.根据权利要求1所述的适用于生长大尺寸蓝宝石单晶板材的热场结构，其特征在于：电极（7）位于热场底部两侧，电极连接杆（8）下端与电极（7）连接，上端与加热体（6）连接。

3.根据权利要求2所述的适用于生长大尺寸蓝宝石单晶板材的热场结构，其特征在于：其中所述的坩埚、坩埚盖、导热杆的材质为钨、钼，所述的坩埚托板、支撑杆、加热体、电极连接杆的材质为石墨，所述的保温箱材质为石墨毡。

4.一种生长大尺寸蓝宝石单晶板材的方法，该方法利用权利要求1所述的适用于生长大尺寸蓝宝石单晶板材的热场结构，其特征在于步骤为：

S001、原料装入坩埚，打开机械泵、真空泵；

S002、充入氩气，开启单晶炉电源升温至蓝宝石熔化；

S003、完全熔化后，调节辅加热体电压，控制坩埚组底部的温度避免籽晶熔化，不高于2050℃，此时坩埚内的温度自上至下呈由高到低的梯度分部，坩埚顶部处于上部热场2300℃，坩埚底部处于下部热场2050℃，底部中心与导热杆接触部位局部温度不高于2050℃，其余部位处于2050℃-2300℃之间；

S004、调节电流使整个热场按照0.05-0.5℃/h降温10-30h；

S005、控制导热杆脱离坩埚托板，以0.5-3℃/h降温5-20h、3-8℃/h降温10-30h；

S006、晶体完成生长完毕进行原位退火；

S007、降至室温取出晶体。

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