TW201311950A - 用來生長單晶藍寶石的裝置 - Google Patents

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Abstract

本發明提供一種用來生長單晶藍寶石的裝置，係藉由將晶種和熔融氧化鋁接觸，並接著升起該晶種，該裝置包含：第一腔室，係用於熔融配置於其中之氧化鋁，該第一腔室具有於第一腔室上方部分之進料口；第二腔室，係配置於第一腔室之上方部分，以連接該進料口；晶種棒，係經由該第二腔室向下移動入該第一腔室或自該第一腔室向上移動，該晶種棒具有位於晶種棒末端之晶種；以及腔室閘，係位於該第二腔室較低部分以開啟或該關閉進料口，其中當晶種棒之末端向上移動並位於該第二腔室以置換晶種時，該腔室閘關閉該進料口。根據本發明之裝置可顯著地減少用於置換晶種之時間，防止單晶藍寶石生產率之降低，並防止裝置之變形及壽命之減少。

Description

用來生長單晶藍寶石的裝置
本發明係關於一種用來生長單晶藍寶石的裝置，尤其是關於一種可減少置換晶種所費時間之用來生長單晶藍寶石之裝置。
藍寶石為具有六角晶系結晶結構之氧化鋁(Al2O3)之單晶。單晶藍寶石係用於製造LED時之基板。用於製作單晶藍寶石之方法包括：丘克拉斯基(Czochralski)方法(以下，稱為"CZ方法")、維氏焰熔(Verneuil)方法、凱氏長晶法(Kyropoulos)方法、EFG方法、HEM方法等。該CZ方法可製作大尺寸單晶並促進調控溫度梯度，藉此製作高品質的單晶。尤其是因為不會浪費原料，所以CZ方法用於製作C-平面基板非常有效率。目前，該LED基板之直徑變得較大，以增加生產率並降低單位成本，並且CZ方法尚具有許多用於製作較大基板之優點。
第1圖係表示藉由使用CZ方法之用來生長單晶藍寶石的習知裝置。如第1圖所示，將氧化鋁填充於配置於由絕緣材料所製造之坩堝外殼11中之坩堝12，以及高頻線圈14加熱該坩堝12。該坩堝12之熱將該氧化鋁熔融成熔融氧化鋁13。晶種16附著於晶種棒15之末端。在將晶種16和熔融氧化鋁13接觸後，緩慢地旋轉該晶種16，並將其升起以生長成單晶藍寶石17。對於該晶種16之生長，該熔融氧化鋁13必須藉由對流而循環，因此使用CCD相機 (未顯示)以觀察該熔融氧化鋁13之對流狀態。
然而，根據CCD相機之位置、濾鏡、調焦狀態等，可能無法準確地關注熔融氧化鋁之對流。因此，在此種情況時，由於高頻線圈14之輸出持續增加，並且因此裝置10之內部溫度亦持續增加，使得晶種熔融變小或完全消失於晶種棒15之末端。因為該熔融的晶種無法生長成單晶藍寶石，必須將新晶種16置換於晶種棒15之末端。對於此種晶種之置換，高頻線圈10之輸出必須為0，並且該高頻線圈10必須自然冷卻。接著，晶種16重新置於晶種棒15之末端。藉由增加高頻線圈14之輸出而再加熱坩堝12。亦即，為了置換並生長晶種，高頻線圈之輸出必須針對某些期間而改變，且過多時間花費於置換晶種。再者，由於坩堝及坩堝外殼重複冷卻及再加熱使該等變形，因而減少坩堝及坩堝外殼之壽命。
本發明之目的係提供一種用來生長單晶藍寶石的裝置，係藉由促進位於晶種棒之晶種之置換，可減少用於置換晶種之時間。
再者，本發明之目的係提供一種用來生長單晶藍寶石的裝置，可減少由重複冷卻及再加熱所造成之坩堝及坩堝外殼之變化，並延長坩堝及坩堝外殼之壽命。
本發明關於一種用來生長單晶藍寶石的裝置，係藉由 將晶種和熔融氧化鋁接觸，並接著升起該晶種，該裝置包含：第一腔室，係用於熔融置於其中之氧化鋁，該第一腔室具有於第一腔室上方部分之進料口；第二腔室，係配置於第一腔室之上方部分，以連接該進料口；晶種棒，係經由第二腔室向下移動入第一腔室或自第一腔室向上移動，該晶種棒具有位於晶種棒末端之晶種；以及腔室閘，係配置於第二腔室之較低部分，以開啟或關閉該進料口，其中當晶種棒之末端向上移動並位於該第二腔室內以置換晶種時，該腔室閘關閉該進料口。
該第一腔室包含：位於第一腔室之坩堝外殼；位於該坩堝外殼內之坩堝，氧化鋁係置於該坩堝中；以及圍繞該坩堝外殼並將氧化鋁熔融成熔融氧化鋁之加熱元件。
該第二腔室包含：從第二腔室之外表面延伸，以將環境氣體導入至該第二腔室之氣體管線。
該坩堝外殼係由絕緣材料製造。
該加熱元件為高頻線圈。
根據本發明之用來生長單晶藍寶石的裝置包含：第一腔室、第二腔室、晶種棒以及腔室閘。該第二腔室配置於第一腔室之上方部分，以連接第一腔室之進料口，經由該進料口可使晶種棒通過並且使環境氣體導入至第二腔室。若配置在第二腔室較低部分之腔室閘關閉該進料口，則第二腔室變成與第一腔室隔離。在將晶種置於與第一腔室隔離之第二腔室後，環境氣體冷卻該晶種，並且將經冷卻之 晶種以其他晶種置換。
習知的裝置必須使加熱手段冷卻及再加熱一段長時間，以在單一腔室中置換晶種，但本發明可排除冷卻及再加熱之步驟。因此，根據本發明之裝置可顯著地減少用來置換晶種之時間。
藉由將坩堝及坩堝外殼維持在固定的溫度，根據本發明之用來生長單晶藍寶石的裝置可防止由為了置換晶種之加熱手段重複地冷卻及再加熱之過程所造成之坩堝及坩堝外殼之變化及壽命的減少。
以下，參照所附之圖式更詳細解釋本發明較佳實施例之用來生長單晶藍寶石的裝置。然而，在此對於瞭解本發明之要旨並非必須時，則未對相關公知的功能或結構詳細解釋。
第2圖表示根據本發明較佳實施例之用來生長單晶藍寶石之裝置100。第3圖表示如第2圖所示之裝置100中第二腔室105之腔室閘107。如第2圖及第3圖所示，根據本發明較佳實施例之用來生長單晶藍寶石之裝置100包含：第一腔室101、坩堝外殼102、坩堝103、加熱元件104、第二腔室105、晶種棒106以及腔室閘107。該裝置100使位於該晶種棒106末端之晶種110和熔融氧化鋁接觸，並接著升起該晶種棒106以生長單晶藍寶石120。
該第一腔室101圍繞該坩堝外殼102、該坩堝103及該加熱元件104以保護該等，並阻擋熱從該等傳送至第一 腔室101之外部。
上蓋101a配置於第一腔室101之上方部分，並且與第一腔室101係可分離式，如同鍋蓋。
該上蓋101a具有進料口111。第一腔室101之內部係經由進料口111開通至第一腔室101之外部。該晶種棒106經由進料口111向下移動至第一腔室101之內部。
該坩堝外殼102係位於該第一腔室101並且由絕緣材料所製造。
該坩堝103位於該坩堝外殼102，並含有固體氧化鋁。該坩堝103係由銥材料所製造。該坩堝103之尺寸可根據欲製造之單晶藍寶石120之尺寸而決定。
該坩堝103之上方部分開口並面向第一腔室101之進料口。
該加熱元件104圍繞該坩堝外殼102並加熱該坩堝103以將置於坩堝103中之氧化鋁熔融成熔融氧化鋁。
該加熱元件104之輸出可經調控並藉由對流持續增加直到熔融氧化鋁開始循環。加熱元件104較佳為圍繞坩堝外殼102之高頻線圈。
為了注意坩堝103中熔融氧化鋁之對流，將第一觀測口113配置於第一腔室101之上蓋101a。熔融氧化鋁之狀態可經由第一觀測口113觀察。若熔融氧化鋁藉由對流開始循環，則停止加熱元件104輸出之增加，以及開始由晶種110生長成單晶藍寶石120之過程。由於第一腔室101之內部太亮而無法藉由肉眼觀察熔融氧化鋁之狀態，攝影 (filming)裝置(未顯示)，諸如CCD相機可經由第一觀測口113記錄熔融氧化鋁之狀態。
該第二腔室105配置於第一腔室101之上方部分並連接到第一腔室101之進料口111。
雖然使用該攝影裝置觀察熔融氧化鋁之狀態，然而，根據攝影裝置之位置、濾鏡、調焦狀態等可能無法準確關注熔融氧化鋁之對流。因此，在熔融氧化鋁藉由對流開始循環後，可能不停止加熱元件104輸出之增加。在此情況下，第一腔室101之內部溫度持續增加，並且因此在單晶藍寶石120生長前，晶種110可能變小或熔化。使用第二腔室105以置換位於晶種棒106末端之失效的晶種110。
該第二腔室105之內側直徑較佳決定為使晶種110幾乎與第二腔室105之內表面接觸。在此情況下，晶種110可經由第二腔室105而不妨礙第二腔室105，並且由第一腔室101內部傳送至第二腔室105內部之熱可最少化。
氣體管線151係配置於第二腔室105之外表面。該氣體管線151將環境氣體導入至第二腔室105。環境氣體使從第一腔室101內部傳送第二腔室105內部之熱最少化，並冷卻於第二腔室105置換之晶種棒106。
該第二觀測口153配置於第二腔室105之外表面。可經由第二觀測口153觀測第二腔室105之內部。因此，無論是安置於晶種棒106末端之晶種110位於第二腔室105中時，或是位於第二腔室105中之晶種110是否足夠冷卻以置換時皆可經由第二觀測口153關注。
該晶種棒106經由第二腔室105向下移動至第一腔室101或從第一腔室101向上移動。在將晶種110安置於晶種棒106之末端後，晶種棒106向下移動至使晶種110和熔融氧化鋁接觸，以及接著向上移動以使晶種110生長成單晶藍寶石120。該晶種棒106係由如坩堝103之銥材料所製造。
該腔室閘107配置於第二腔室105之較低部分以開啟或關閉該進料口111。腔室閘107開啟進料口111使得晶種棒106正常地向上及向下移動，使晶種110生長成單晶藍寶石120。
若晶種110在生長成單晶藍寶石120前變小或熔化，必須將其以新晶種置換。晶種棒106之末端移動至第二腔室105，並且晶種棒106之移動可經由第二觀測口153觀察。接著，該腔室閘107關閉該進料口111，使該第二腔室105與第一腔室101隔離。因為該腔室閘107，於晶種棒106末端之替代晶種110可藉由經氣體管線151所導入之環境氣體集中地冷卻，而不會被來自第一腔室101內部之熱所影響。在晶種110完全冷卻至適合置換晶種110之溫度後，將其置換。接著，腔室閘107打開進料口111使晶種棒106移動新晶種進入至第一腔室101以生長成單晶藍寶石120。
雖然第3圖之腔室閘107繪示成藉由在位於第二腔室105之較低部分之軸上往右方向或往左方向旋轉的方式開啟及關閉進料口111，腔室閘107並不限於第3圖之結構 並且可修改成各種結構，諸如腔室閘相對於第二腔室105線性移動，以及腔室閘在位於第二腔室105之內表面之軸而朝上或朝下旋轉。
為了證明根據本發明較佳實施例之裝置100之效果，測量實例1、實例2及比較例1中熔化晶種以新晶種置換期間及接著將新晶種向下移動至裝置100之時間。
實例1係包含第二腔室105及腔室閘107之裝置，且未導入環境氣體至第二腔室105。晶種棒106升起在第一腔室101熔化之晶種100，並且將晶種110置於第二腔室105。接著，腔室閘107關閉進料口111，以及第二腔室105使晶種110自然冷卻。在允許失效晶種以新晶種置換之溫度將晶種110以新晶種置換。接著，腔室閘開啟進料口，以及晶種棒106移動新晶種向下進入到第一腔室101。測量上述各步驟之時間。
實例2係包含第二腔室105及腔室閘107之裝置，且導入環境氣體至第二腔室105。晶種棒106升起在第一腔室101熔化之晶種100，並將晶種110置於第二腔室105。接著，腔室閘107關閉進料口111，並且藉由第二腔室105中的環境氣體冷卻晶種110。在允許失效晶種以新晶種置換之溫度將晶種110以新晶種置換。接著，腔室閘開啟進料口，以及晶種棒106移動新晶種向下進入到第一腔室101。測量上述各步驟之時間。
比較例1係不包含第二腔室105及腔室閘107之裝置。因此，在加熱元件104之輸出成為0時執行冷卻過程，並 且在第一腔室101熔化之晶種110置於第一腔室101之外部自然冷卻。從允許失效晶種置換之溫度，加熱元件104之輸出再度開始增加使藉由對流循環熔融氧化鋁，以及接著將晶種110向下移動至第一腔室101。測量上述各步驟之時間。
試驗結果列示於表1。表1表示置換晶種之各步驟所費時間。
值得注意的是由於根據本發明較佳實施例之裝置100包含第二腔室105及腔室閘107，並且不具有冷卻及加熱之步驟，用於冷卻晶種之時間顯著地減少。又，注意到由於將環境氣體導入至第二腔室105，用於冷卻晶種之時間進一步減少。因此，由於根據本發明之用來生長單晶藍寶石之裝置使用第二腔室以置換晶種，移除調控加熱元件之輸出之步驟，並且藉由將環境氣體導入至與第一腔室隔離之第二腔室，可立即地冷卻及置換晶種。根據本發明之裝置可顯著地減少用於置換晶種之時間，並防止單晶藍寶石 生產率之降低。再者，由於該加熱元件並未重複地冷卻及再加熱坩堝及坩堝外殼，而減少由冷卻及再加熱之各步驟所造成之坩堝及坩堝外殼之變形，因此不會減少坩堝及坩堝外殼之壽命。
雖然於以上解釋本發明之具體實施例，應注意的是所屬技術領域具有通常知識者可在本發明之主旨及精神範圍內加以修改及變化。
10、100‧‧‧用來生長單晶藍寶石的裝置
11、102‧‧‧坩堝外殼
12、103‧‧‧坩堝
13‧‧‧熔融氧化鋁
14‧‧‧高頻線圈
15、106‧‧‧晶種棒
16、110‧‧‧晶種
17‧‧‧單晶藍寶石
101‧‧‧第一腔室
101a‧‧‧上蓋
104‧‧‧加熱手段
105‧‧‧第二腔室
107‧‧‧腔室閘
111‧‧‧進料口
113‧‧‧第一觀測口
151‧‧‧氣體管線
153‧‧‧第二觀測口
第1圖表示藉由使用CZ方法之用來生長單晶藍寶石的習知裝置。
第2圖係表示根據本發明較佳實施例之用來生長單晶藍寶石的裝置。
第3圖係表示如第2圖所示之裝置中第二腔室之腔室閘。
100‧‧‧用來生長單晶藍寶石的裝置
101‧‧‧第一腔室
101a‧‧‧上蓋
102‧‧‧坩堝外殼
103‧‧‧坩堝
104‧‧‧加熱手段
105‧‧‧第二腔室
106‧‧‧晶種棒
107‧‧‧腔室閘
110‧‧‧晶種
111‧‧‧進料口
113‧‧‧第一觀測口
151‧‧‧氣體管線
153‧‧‧第二觀測口

Claims (5)

  1. 一種用來生長單晶藍寶石的裝置，係藉由將晶種和熔融氧化鋁接觸，並接著升起該晶種，該裝置包含：第一腔室，係用於熔融配置於其中之氧化鋁，該第一腔室具有於第一腔室之上方部分之進料口；第二腔室，係配置於第一腔室之上方部分以連接該進料口；晶種棒，係經由該第二腔室向下移動入該第一腔室或自第一腔室向上移動，該晶種棒具有位於晶種棒末端之晶種；以及腔室閘，係配置於該第二腔室之較低部分以開啟或關閉該進料口，其中，當晶種棒之末端向上移動並位於第二腔室內以置換晶種時，該腔室閘關閉該進料口。
  2. 如申請專利範圍第1項所述之裝置，其中，該第一腔室包含：坩堝外殼，係位於該第一腔室；坩堝，係位於該坩堝外殼內，氧化鋁位於該坩堝中；以及加熱元件，係圍繞該坩堝外殼並將氧化鋁熔融成熔融氧化鋁。
  3. 如申請專利範圍第1項所述之裝置，其中，該第二腔室包含：氣體管線，係從第二腔室之外表面延伸，以將環境 氣體導入至該第二腔室。
  4. 如申請專利範圍第2項所述之裝置，其中，該坩堝外殼係由絕緣材料所製造。
  5. 如申請專利範圍第2項所述之裝置，其中，該加熱元件為高頻線圈。
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