TWI534309B

TWI534309B - 用於製作藍寶石晶碇的方法

Info

Publication number: TWI534309B
Application number: TW102130317A
Authority: TW
Inventors: 劉哲銘; 林聖偉; 劉建成; 莊履中; 羅秋梅; 徐文慶
Original assignee: 中美矽晶製品股份有限公司; 兆遠科技股份有限公司
Priority date: 2013-08-23
Filing date: 2013-08-23
Publication date: 2016-05-21
Also published as: TW201508103A

Description

用於製作藍寶石晶碇的方法

本發明與晶碇製作有關，特別是關於一種用於製作藍寶石晶碇的方法。

隨著科技的進步，發光二極體的製造技術也越趨成熟，其應用也越趨廣泛。目前製作高亮度的白光或藍光發光二極體之基板(或稱晶圓)多採用藍寶石基板，特別是c-平面(c-plane)藍寶石基板，其特性優於其它平面(如a-平面、r-平面)，所製成的LED之特性也優於較其它平面製作的LED。

c-平面基板係由c軸藍寶石晶碇經加工切割而成。由於藍寶石晶碇在c軸成長時因其附著能(attachment energy)較低，因此晶體的生長速度緩慢，且容易產生晶界或形成多晶結構，使得藍寶石晶碇身部的缺陷(defect)增多。為了可以較快地製作c軸藍寶石晶碇，目前常用的方法是使用a軸晶種進行長晶。a軸藍寶石晶碇在長晶時，因其附著能高於c軸，因此製作成藍寶石晶碇的時間較短。a軸藍寶石晶碇製作完成後，再由晶碇的側面掏取c軸晶體進行切割，以取得c平面藍寶石基板。

然，以a軸長晶再掏取c軸晶體的方法，其a軸藍寶石晶碇的可利用率較約只有33%，且只能製作出小尺寸(如2英寸)的c平面藍寶石基板，無法製作出大尺寸的c-平面藍寶石基板。

本發明之主要發明目的在於提供一種用於製作藍寶石晶碇的方法，可有效提升c軸藍寶石晶碇的可利用率，且可減少c軸藍寶石晶碇身部的缺陷密度。

為達成前述之發明目的，本發明所提供之用於製作藍寶石晶碇的方法，包含有下列步驟：提供氧化鋁熔液；提供一單晶晶種，該單晶晶種為c軸方向延伸的藍寶石晶種，且該單晶晶種的缺陷密度(Etched Pits Density,EPD)每平方公分少於5×10⁵個；將該單晶晶種的底部接觸該氧化鋁熔液；旋轉及拉升該單晶晶種，使該單晶晶種所接觸的該氧化鋁熔液逐漸凝固結晶，而依序連接有一頸部、一肩部與一身部；其中，該頸部的直徑小於或等於該單晶晶種的最大寬度；該單晶晶種、該頸部、該肩部與該身部共同形成該藍寶石晶碇。

藉此，透過本發明用於製作藍寶石晶碇的方法，直接以c軸單晶晶種成長晶碇，可提高在後續製作基板時晶碇的可利用率，且採用高品質的單晶晶種可有效地減少晶碇身部的缺陷密度。

10‧‧‧拉晶桿

12‧‧‧驅動器

14‧‧‧坩堝

16‧‧‧隔熱材

18‧‧‧加熱器

20‧‧‧藍寶石碎料

22‧‧‧單晶晶種

24‧‧‧氧化鋁熔液

30‧‧‧藍寶石晶碇

32‧‧‧頸部

34‧‧‧肩部

36‧‧‧身部

40‧‧‧藍寶石晶碇

42‧‧‧頸部

44‧‧‧身部

50‧‧‧藍寶石晶碇

52‧‧‧頸部

52a‧‧‧錐段

52b‧‧‧窄徑段

54‧‧‧身部

D‧‧‧直徑

D1‧‧‧最小直徑

L‧‧‧長度

W‧‧‧最大寬度

圖1為應用於本發明第一較佳實施例之製作藍寶石晶碇的方法所使用的長晶裝置示意圖。

圖2為本發明第一較佳實施例之製作藍寶石晶碇的方法流程圖。

圖3A為一示意圖，揭示本發明第一較佳實施例之單晶晶種接觸氧化鋁熔液。

圖3B為一示意圖，揭示本發明第一較佳實施例之晶碇形成頸部及肩部。

圖3C為一示意圖，揭示本發明第一較佳實施例之晶碇形成身部。

圖4為本發明第一較佳實施例製作之藍寶石晶碇示意圖。

圖5為本發明第二較佳實施例製作之藍寶石晶碇示意圖。

圖6為本發明第三較佳實施例製作之藍寶石晶碇示意圖。

為能更清楚地說明本發明，茲舉較佳實施例並配合圖示詳細說明如后。圖1所示者為本發明較佳實施例用於製作藍寶石晶碇的方法所使用的長晶裝置，該長晶裝置包含有一拉晶桿10、一驅動器12、一坩堝14、一隔熱材16與複數個加熱器18。該驅動器12用以驅動該拉晶桿10轉動及上、下移動。該坩堝14供容裝藍寶石碎料20，該隔熱材16設於該坩堝頂部，用以避免該坩堝14內的熱能由該坩堝14頂部逸散。該些加熱器18用以加熱該坩堝。

利用上述之長晶裝置，即可進行本發明第一較佳實施例用於製作藍寶石晶碇的方法，該方法包含圖2所示之下列步驟：將一高品質的單晶晶種22，種固定於該拉晶桿10底端。該單晶晶種22為c軸之藍寶石晶種。該單晶晶種22的缺陷密度(Etched Pits Density,EPD)少於5×10⁵個/cm²，最佳的缺陷密度為1×10²個/cm²，單晶晶種22的缺陷密度愈少，所製作的藍寶石晶碇品質愈佳。

將固態的藍寶石碎料20放置於該坩堝14中，並控制該些加熱器18加熱該坩堝14。請配合圖3A至3C所示，該坩堝14內部的藍寶石碎料20全部熔化，形成氧化鋁熔液24。

在氧化鋁熔液24的表面溫度穩定後，該驅動器12控制該拉晶桿10下移，使該單晶晶種22的底部接觸氧化鋁熔液24(圖3A參照)。

該驅動器12控制該拉晶桿10以第一轉動速度轉動，並以第一拉升速度逐漸上移，隨著單晶晶種22的上移，與該單晶晶種22接觸的部分之氧化鋁熔液24逐漸凝固結晶，而在單晶晶種22的下方形成藍寶石晶碇30的一頸部32。該頸部32的直徑以不超過該單晶晶種22的最大寬度為佳，在本實施例中，當該頸部32直徑與該單晶晶種22的最大寬度相當後，控制該拉晶桿10以第二轉動速度轉動及第二拉升速度上移，使藍寶石晶碇30的直徑往下逐漸擴展增大，形成錐狀的肩部34(圖3B參照)。

在肩部34的直徑達到一預定直徑後，控制該拉晶桿10以一第三轉動速度轉動，以及以第三拉升速度上移，使藍寶石晶碇30的直徑維持在與該預定直徑相近的範圍內，以形成柱狀的身部36，持續上移該拉晶桿，直到該身部的長度達到預定長度，控制該些加熱器18使所有的氧化鋁熔液24皆凝固結晶(圖3C參照)，即完成身部36的製作。

該單晶晶種22、該頸部32、該肩部34與該身部36共同形成圖4所示之藍寶石晶碇30，該頸部32的直徑D約等於該單晶晶種22的最大寬度W。整個藍寶石晶碇30的可利用率可達到70%，約為習用的a軸長晶再挖取c軸的製作方法之可利用率的2倍以上。由於在開始形成身部36前的該預定直徑愈大，則該身部36的直徑愈大，藉此，藍寶石晶碇30的身部36進行後續的加工切割後，可製做出大尺寸的c-平面藍寶石基板。

此外，本發明係採用高品質的c軸單晶晶種22，具有低缺陷密度之特性，即單晶晶種22的原生缺陷(native defect)低，即使在長晶過程中產生生長缺陷(growth defect)而累積差排(dislocation)，其累積程度亦不足以產生晶界，因此，以本實施例之方法製作出的藍寶石晶碇30的缺陷密度將較習用的藍寶石晶碇缺陷密度低。在本實施例中，在該單晶晶種22的缺陷密度少於5×10⁵個/cm²時，身部36的缺陷密度約為5×10⁵~5×10⁷個/cm²；而在該單晶晶種22的缺陷密度少於1×10²個/cm²時，身部36的缺陷密度約為1×102~2×10⁴個/cm²。

圖5所示為本發明第二實施例之藍寶石晶碇40，該藍寶石晶碇40的製作方法與第一實施例大致相同，不同的是，本實施例在拉出頸部42時，除了讓該頸部42的直徑D不超過該單晶晶種22的最大寬度W之外，更延長形成頸部42的時間，以增加該頸部42的長度L，使該頸部42的長度L至少為其直徑D的2倍。如此，利用增加頸部42的長度L，減少長晶過程中的生長缺陷所累積的差排(dislocation)向下延伸至身部中，藉以減少身部44的缺陷密度。

單晶晶種22的缺陷密度為5×10⁴個/cm²時，頸部42的長度L為其直徑D的2倍時，身部44的缺陷密度約為5×10⁴個/cm²。為了更減少該身部44的缺陷密度，可使該頸部42最佳的長度L為其直徑D的20倍以上，此時，身部44的缺陷密度約可減少至5×10²個/cm²。

圖6所示為本發明第三實施例之藍寶石晶碇50，該藍寶石晶碇50的製作方法與第二實施例大致相同，不同的是，在拉出頸部52時，係改變該拉晶桿10的轉動速度及拉升速度，使該頸部52形成由上往下漸縮的錐段52a，在該錐段52a的直徑縮小到一最小直徑D1後，再使該拉晶桿10以固定的轉動速度及拉升速度拉晶，以形成具有該最小直徑D1的窄徑段52b，藉此，利用形成該窄徑段52b，可在不增加頸部52長度L的前提下，增加頸部52長度L與直徑的比例，以減少差排向下延伸至身部54中。同樣地，該頸部52的長度L至少為該最小直徑D1的二倍，最佳地為達到20倍以上。

在上述中，利用低缺陷密度的c軸單晶晶種可直接製作出低缺陷密度的c軸藍寶石晶碇，且無需由藍寶石晶碇的側邊掏取c軸晶體，藉以增加藍寶石晶碇的可利用率。此外，直接以c軸單晶晶種進行晶碇之製作可以依需求調整增大身部的直徑，而製作出大尺寸的藍寶石基板。

更值得一提的是，配合增加藍寶石晶碇的頸部的長度與直徑之比例，可以讓減少差排往下延伸到身部的數量，可讓身部的缺陷密度更低於單晶晶種的缺陷密度，如此，在身部被加工切割為基板後成為高品質的c-平面藍寶石基板。

必須說明的是，本發明之重點為製作藍寶石晶碇的方法，所使的長晶裝置僅是用以說明本發明。又，以上所述僅為本發明較佳可行實施例而已，舉凡應用本發明說明書及申請專利範圍所為之等效方法變化，理應包含在本發明之專利範圍內。

Claims

一種用於製作藍寶石晶碇的方法，包含有下列步驟：提供氧化鋁熔液；提供一單晶晶種，該單晶晶種為c軸方向延伸的藍寶石晶種，且該單晶晶種的缺陷密度(Etched Pits Density,EPD)每平方公分少於5×10⁵個；將該單晶晶種的底部接觸該氧化鋁熔液；以及旋轉及拉升該單晶晶種，使該單晶晶種所接觸的該氧化鋁熔液逐漸凝固結晶，而依序連接有一頸部、一肩部與一身部；其中，該頸部的直徑小於或等於該單晶晶種的最大寬度，且該頸部具有相連接的一錐段與一窄徑段，該錐段連接該單晶晶種，該窄徑段連接該肩部，該窄徑段具有一最小直徑，該頸部長度至少為該最小直徑的二倍；該單晶晶種、該頸部、該肩部與該身部共同形成該藍寶石晶碇。
如請求項1所述之用於製作藍寶石晶碇的方法，其中該單晶晶種最佳的缺陷密度為每平方公分少於1×10²個。
如請求項1所述之用於製作藍寶石晶碇的方法，其中該頸部最佳的長度為該窄徑段之最小直徑的20倍以上。