TWI555886B - 藍寶石單結晶之製造裝置 - Google Patents

Description

藍寶石單結晶之製造裝置

本發明係關於藍寶石單結晶之製造裝置，更詳細的說，乃關於一種利用單方向凝固法之藍寶石單結晶之製造裝置者。

藍寶石可應用於種種用途，其中做為LED製造用之藍寶石基板的用途者，漸趨重要。亦即在藍寶石基板上生長一層緩衝層和一氮化鉀系覆膜之磊晶，而得到LED發光基板，成為主流。

為此，希望有能以良好效率穩定生產藍寶石單結晶之製造裝置。

LED製造用的藍寶石基板，大多數是，c面方位(0001)基板。向來工業上所採用的藍寶石單結晶之製造方法，有緣端限定成長(EFG)法、開羅多孔(KP)法、卻克拉爾斯基(CZ)法等，但如想獲得直徑3吋以上之結晶，就發生種種結晶上的缺陷，因而就以生產a軸方位成長的單結晶來代替。為了從a軸成長藍寶石結晶加工成為c軸藍寶石結晶坑，必須從橫方向挖取結晶，加工不易，又因不能利用的部分太多，以致發生生產良率不佳的問題。

氧化物單結晶之製造方法中，有所謂垂直布力茲曼法(垂直溫度傾斜凝固法)較為著名。此垂直布力茲曼法，為了能輕易取出其所生成的單結晶，乃使用厚度較薄的坩堝。為了從像藍寶石那樣高熔點的熔液中獲得單結晶，就需要厚度薄而且高溫下能維持強度及化學性的坩堝，故先前技術中曾揭示有關於這種坩堝的資料(參照專利文獻1)。

[先行技術文獻]：

專利文獻1：特開2007-119297號公報

尤其，為了以垂直布力茲曼法之單結晶製造裝置獲得沒有結晶缺陷的藍寶石單結晶，重要的是防止種子結晶軸(c軸)的傾斜，不致於使種子結晶熔融、再結晶時發生其結晶方位的偏差。

於此，本案申請人舉例說明經試作及檢討後之藍寶石單結晶之製造裝置101(參照第6圖)，另一方面就屬於凝固法的垂直布力茲曼法藍寶石單結晶之製造過程(參照第7(a)圖～第7(f)圖)加以說明。

該藍寶石單結晶之製造裝置101中，具備有流通冷卻水用的筒狀被套112，及在為基座113所密閉的空間內形成的配置有圓筒加熱器114與斷熱部材116之熱區118的育成爐110。又，容納種子結晶124及原料126的坩堝120，係成為由驅動軸104做上下移動的構造。

藍寶石單結晶之製造過程，首先加入藍寶石種子結晶124與原料126於坩堝120內(第7(a)圖)。

為育成爐110的圓筒加熱器114所包圍之熱區，其溫度被控制在跨過藍寶石熔點，其上側在熔點溫度以上，下側在熔點溫度以下之溫度(第7(f)圖)。

裝有藍寶石種子結晶124與原料126的坩堝120，其熱區被從下部提昇到上部側，使原料126熔解，在種子結晶124上部熔解之際停止上昇(第7(b)圖)，其次緩慢以所需速度下降(第7(c)圖)。於是沿著種子結晶124之結晶面，有熔液徐徐結晶析出(第7(C)、(d)圖)。

種子結晶124配置於坩堝120中，其C面成水平狀，熔液沿此C面，亦即C軸方向成長。

結晶化後，最好在同樣的育成爐110內，實施退火處理過程。更具體的說，減低對圓筒加熱器114的輸出使其溫度降下至所需溫度(例如1800℃)，同時提高坩堝120之溫度，使其溫度上昇(請參第7(e)圖)至較圓筒加熱器114中間部之其他部位溫度傾度為小的均熱區128(請參第7(f)圖)，而使其在此均熱區128經歷所需時間(例如1小時)，保持此狀態在坩堝120內實施藍寶石單結晶之退火處理。但如於殘留應力較小之成長結晶之場合，並不一定須退火處理。

此外，做為坩堝120的形成材料者，特別使用鎢時，於結晶化過程、後述之退火過程及冷卻過程時，可得坩堝120之內壁面與藍寶石單結晶之外壁面成為非接觸狀態。由是藍寶石不受外部應力而可防止藍寶石發生龜裂。又因在取出結晶之際，結晶與坩堝120內壁面之間未加有應力，結晶之取出不受障礙，同時坩堝120也不致於變形而可反覆使用。

又，結晶化後，在同一育成爐110內保持其狀態在坩堝120內逕行做退火處理，因而可迅速高效率實施退火處理，可得以除去結晶內部熱應力而獲得結晶缺陷較少的高品質藍寶石單結晶。

做為一例者，利用藍寶石單結晶之製造裝置101所製造的藍寶石單結晶照片(X光形貌照片)如第8(a)圖及第8(b)圖所示。此外，第8(a)圖為平面圖照片，第8(b)圖為正面斷面圖照片。由這照片可明瞭，如利用藍寶石單結晶之製造裝置101，就可能製造出較藉傳統製造裝置所製造的藍寶石單結晶之結晶缺陷較少的成品。

然而，第8(a)圖及第8(b)圖所示之藍寶石單結晶中，在其外周部近傍，可看出有稍呈白色的部分(圖中A部)，該白色部分，被稱呼為小傾角境界的結晶境界，可想像是在與中心部方位不同的結晶所成長的部分。亦即小傾角境界乃相當於所謂結晶缺陷，想要獲得成為製品的藍寶石單結晶的場合，應屬於勢必削除的部分，故須防止其發生。

本案的發明者們，於利用藍寶石單結晶之製造裝置製造藍寶石之單結晶時，從事追究小傾角境界發生的原因，完成追究結果同時，終於發展出可防止像小傾角境界般的結晶缺陷之藍寶石單結晶之製造裝置。

鑑於上述情形，本發明之目的在提供一種藍寶石單結晶之製造裝置，其能防止起因於結晶方位偏差的結晶缺陷之發生者。

[問題解決之手段]

本發明之一實施形態中，以下文中所揭示之解決手段來解決上揭課題。

本發明所揭示之藍寶石單結晶之製造裝置，乃一種收容種子結晶與原料於以支持部材所支持的坩堝內，而配置該坩堝於育成爐內之筒狀加熱器內，藉筒狀加熱器加熱而熔解原料及種子結晶之一部分使其結晶化，在如此之藍寶石單結晶之製造裝置中，備有以圓環狀冷卻該杯狀坩堝所定外周位置的冷卻機構。

[本發明之效果]

依照所揭示之藍寶石單結晶之製造裝置，可以防止起因於結晶方位偏差的結晶缺陷。

下文中參照附圖詳細說明本發明的較佳實施例。

第1圖為藍寶石單結晶之製造裝置1之正面斷面圖(概略圖)。本實施例的藍寶石單結晶之製造裝置1具備有眾所知悉的以垂直布力茲曼法製造藍寶石單結晶之育成爐10。茲簡單說明其構造如下：育成爐10係由流通冷卻水用筒狀被套12及為底座13所密閉的空間內，配設一個或複數個上下延伸的筒狀加熱器所構成者。在本實施例的形態中，使用一個圓筒加熱器14。此外，育成爐10的尺寸，當然因所製造單結晶大小而異，其中一例為直徑0.5m，高1m左右。

育成爐10內，設有未圖示的開口部二處，有惰性氣體，較宜者為氬氣供應其中，育成結晶時，育成爐10內充滿惰性氣體。

此外，育成爐10內於複數處所配設有未圖示的溫度計，用以計測爐內各處溫度。

在本實施例中，圓筒加熱器14係以碳加熱器所形成，經控制部(未圖示)控制通電而調節溫度。又，圓筒加熱器14周圍配置有斷熱部材16，由斷熱部材16包圍而形成熱區18。藉控制圓筒加熱器14的通電量，而可形成熱區18內上下方向的溫度傾斜。

做為一例者，斷熱部材16係以碳氈製成。由於可利用碳氈，解決了先前所使用斷熱部材材料，如陶瓷、氧化鋯會在高溫下龜裂的問題。

圖中符號20為形成杯狀的坩堝，而被固定於驅動軸4的先端之支持部材3所支持。坩堝20隨驅動軸4之上下移動而可在圓筒加熱器14內上下移動。又，可隨驅動軸4在軸線周圍之回轉，而在圓筒加熱器14內回轉。

另一方面，驅動軸4連接於後述之冷卻軸5，而藉未圖示之球形螺絲做上下移動。由是坩堝20被精密地控制其上昇及下降速度而做上下移動。此外，育成爐10及底部的斷熱部材16等，設有插通驅動軸4用的構造(貫通孔等)。

依照上揭構成，在坩堝20內收容種子結晶及原料，配置坩堝20於育成爐10內之圓筒加熱器14內，以圓筒加熱器14加熱，熔解原料6及種子結晶的一部分，同時形成上高下低的溫度傾斜於圓筒加熱器14內，透過驅動軸4的上下移動，順次將坩堝20內之熔液結晶化，即可實施藍寶石單結晶之製造。

此外，使用本實施形態的藍寶石單結晶之製造裝置1，以垂直布力茲曼法製造藍寶石單結晶的過程，與前述第7(a)圖～第7(b)圖所述過程基本上相同，故省略說明。

於是，做為藍寶石單結晶之製造裝置1的特徵構成者，坩堝20係由熱傳導性材料作成，其外周面上所定位置具有放射狀突出之凸周部21。

本實施形態中的凸周部21，如第2(a)圖之正面斷面圖及第2(b)圖之底面圖所示，沿著坩堝20之外周面以環狀形成，同時其斷面形成台形狀。此外，斷面形狀並非只限定於台形，亦可成為矩形、三角形等。但是最好具備有可與後述之支持部材3做面接觸之一面(本實施形態中為下面21a)。

此外，做為上揭坩堝20之形成材料者，最好選擇一種材料，其能完全不發生起因於坩堝20之線膨脹係數與所製造之藍寶石單結晶成長軸成垂直方向的線膨脹係數之差異引起的相互應力於坩堝20及藍寶石單結晶中。或者其線膨脹係數能避免藍寶石單結晶發生起因於相互應力引起的結晶缺陷，坩堝也不因相互應力而生變形者。

或者最好選擇一種材料做為坩堝20的形成材料，其在藍寶石熔點與常溫兩點間的平均線膨脹係數，小於所製造藍寶石單結晶成長軸成垂直方向的藍寶石熔點與常溫兩點間的平均線膨脹係數者。

或者最好選擇一種材料做為坩堝20的形成材料，其在藍寶石熔點(2050℃)至常溫間之平均線膨脹係數，經常小於所製造藍寶石單結晶成長軸成垂直方向的藍寶石平均線膨脹係數者。

上揭各種坩堝材料者，有鎢、鎢鉬合金、鉬等。

尤其鎢在各溫度下，其線膨脹係數小於藍寶石，因此如使用以這些材料做成的坩堝，則在後述的結晶化過程、退火處理過程、冷卻過程時，就成為收縮率小於藍寶石，坩堝20的內壁面與藍寶石單結晶外壁面成為非接觸狀態，藍寶石不受壓力，因而可防止藍寶石的龜裂。

另一方面，支持部材3以熱傳導性材料形成，具有對坩堝20之凸周部21成圓環狀面接觸以支持坩堝20的支持面。第1圖、第3(a)圖為平面圖，第3(b)圖為正面斷面圖，如各圖所示，在本實施形態中，支持部材3形成杯狀，上端面3a對坩堝20之凸周部21之下面21a成面接觸，而成支持坩堝20的支持面。

做為一例者，支持部材3以與坩堝20同樣材料形成。亦即最好選用鎢、鎢鉬合金、鉬等材料。

於此，本實施形態中的藍寶石單結晶之製造裝置，其構成上的特徵為具有以圓環狀冷卻坩堝20所定外周位置的冷卻機構。

在一實施形態中，該冷卻機構的構成具有坩堝20之凸周部21，及以圓環狀對該凸周部21面接觸而支持坩堝20的支持部材3。此時坩堝20之下面20a與支持部材3，以留有間隙方式配設(參照第1圖)。

依此構成，產生從凸周部21至支持部材3之熱移動(支持部材3的吸熱作用)。由是產生以圓環狀冷卻坩堝20所定外周位置(本實施形態中為凸周部21的形成位置)的作用。

此外，從凸周部21移動至支持部材3之熱，再由支持部材3移動至驅動軸4。這些熱移動作用之發生，乃由於圓筒加熱器14使熱區18內產生溫度傾斜，坩堝20之溫度相對提高，支持部材3的溫度較低於坩堝20的溫度，加以驅動軸4的溫度較低於支持部材3的溫度所致。

再者，本實施形態中的藍寶石單結晶之製造裝置1，其構成中具有冷卻驅動軸4用的冷卻部材。

在一實施形態中，冷卻部材為內部具有循環管路51的軸狀部材，也是該管路中流通冷媒(例如冷卻水)以進行冷卻之冷卻軸5。冷卻軸5之上端部固定有驅動軸4。

藉做為冷卻部材的冷卻軸5，產生對驅動軸4的吸熱作用，可減低驅動軸4的溫度。由是可以促進從支持部材3向驅動軸4的熱移動作用。也就是促進支持部材3的冷卻，結果，促進從凸周部21至支持部材3的熱移動，冷卻機構的冷卻作用獲得加強。

加之，藉流通於循環管路51內之冷媒溫度控制，獲得容易控制該冷卻作用之效果。

此外，以圓環狀冷卻坩堝20所定外周位置的冷卻機構，並非限定於上揭實施例，例如即使坩堝20不具備凸周部21的杯狀，但以圓環狀冷卻坩堝20外周位置，或底面20a之周緣部的構成，也有能得到同樣效果的場合。做為具體構成例者，有將支持部材3牴接於該處的構造(未圖示)。

如上揭情形，依本實施形態的藍寶石單結晶之製造裝置1，可冷卻坩堝20所定外周位置，藉此防止在結晶外周部發生小傾角境界等缺陷，而得到高品質之藍寶石單結晶。關於此點，下文中將加以詳細說明。

於說明上揭效果之際，首先說明本案發明人等所查明之發生小傾角境界原因。做為一例者，藉藍寶石單結晶之製造裝置101(參照第6圖)所製造之藍寶石單結晶之照片(第8(a)圖、第8(b)圖)之觀察，其中央部有白色化之凸狀圓弧曲線。這是種子結晶與所育成結晶間之界面。又，向外周追蹤該凸狀圓弧曲線，在曲線終點部分，即結晶之下端部，而且是周緣部位置，發現有白色化部分(第8(a)圖及第8(b)圖中B部)。亦即在該B部產生與種子結晶方位不同的結晶。可推想是因以該異方結晶為基盤，在其上方進行結晶之育成，以致發生小傾角境界(第8(a)圖及第8(b)圖中A部)。尤其是在結晶之下端部而且又是周緣部上所生白色化部分(第8(a)圖及第8(b)圖中B部)，乃種子結晶在熔融過程(參照第7(b)圖)中，因外周部熔融而浸入該種子結晶下端部，致使種子結晶發生傾斜，業經查明為其原因。同時種子結晶與所育成結晶間之界面(凸狀圓弧曲線)，於達到種子結晶下端部及其近傍之場合，發生浸入現象，亦經查明。此由於種子結晶傾斜所發生之方位偏差，將成為育成結晶龜裂的原因。

由是於種子結晶熔融過程中，為了防止因外周部熔融而進入該種子結晶之下端部，就應防止種子結晶與所育成結晶間之界面(凸狀圓弧曲線)達到種子結晶下端部及其近傍，此事亦業經查明。可想到的具體方法為加大種子結晶(向C軸方向延長)，減少坩堝在加熱器內上昇之量。

然而該方法需有較大的種子結晶，則發生成本大而所育成之結晶量變小之問題。

另一方面，如將藍寶石單結晶之製造裝置101(坩堝120近傍)的溫度分佈以等溫線圖(濃色上方為高溫處)表示時，則有如第9圖之凸形狀，經查明此乃規約著種子結晶與所育成結晶間界面(凸狀圓弧曲線)之形狀。

亦即防止種子結晶與所育成結晶間界面(凸狀圓弧曲線)達到種子結晶下端部及其近傍的方法而言，如能實現將種子結晶與所育成結晶間之界面(凸狀圓弧曲線)之形狀，做成更為平坦的形狀而非凸狀的方法，亦可免予採用加大種子結晶，並減少坩堝在加熱器內上昇之量的方法，即可防止種子結晶與所育成結晶間之界面(凸狀圓弧曲線)到達種子結晶下端部及其近傍。

關於此點，依照本實施形態之藍寶石單結晶之製造裝置1，可以冷卻坩堝20之所定外周位置(在此為凸周部21之形成位置)。亦即可以將該外周位置(凸周部21形成位置)之坩堝20內溫度分佈形成更為平坦的形狀，而非凸狀。以實際模擬算出之藍寶石單結晶之製造裝置1(坩堝20近傍)的溫度分佈(等溫線圖)表示如第5圖(濃色上方為高溫處)。

由是，如設定凸周部21形成位置在圓筒加熱器14內上昇之坩堝20溫度達到藍寶石熔點溫度以上之領域(軸方向)最下位置，亦即使種子結晶熔融位置(軸方向)與凸周部21形成位置(軸方向)略為一致，即可使種子結晶與所育成結晶間之界面(凸狀圓弧曲線)形狀，成為更為平坦形狀，而非凸狀。

由是，於種子結晶熔融過程中，可防止外周部熔融進入該種子結晶下端部，致使該種子結晶傾斜，其結果，可防止在結晶之下端部而且又是周緣部位置產生白色化部分，亦即與種子結晶方位不同之結晶。最後，亦可防止以結晶下端部而且是周緣部位置所生白色化部分為基盤，在周緣部向上方成長之小傾角境界。同時又可防止發生起因於種子結晶傾斜的龜裂。

做為一例者，茲將藉藍寶石單結晶之製造裝置1所製造之藍寶石單結晶的照片(X光形貌照片)表示於第4(a)圖及第4(b)圖。由此照片可明瞭，與第8(a)圖及第8(b)圖之照片所示藍寶石單結晶相較，小傾角境界的發生，已被顯著的抑制。

如以上的說明，依照所揭示藍寶石單結晶之製造裝置之應用，可防止起因於結晶方位之偏差所發生之結晶缺陷(小傾角境界、龜裂等)，而得以製造高品質之藍寶石單結晶。

又，本發明並不限定於以上所說明之實施例，但在不脫離本發明之範圍下可做種種變更，自不待言。尤其上揭文中係以垂直布力茲曼法做了說明，但亦可利用與垂直布力茲曼法相同之單方向凝固法的垂直溫度傾斜凝固法(VGF法)，進行結晶化、退火處理而製得藍寶石單結晶。此場合下，係使坩堝在圓筒加熱器內上昇，並置於圓筒加熱器的均熱區內進行退火處理。

又，結晶的成長軸在上揭實施形態中係採c軸，但亦可以a軸為成長軸，又可以與r面垂直的方向做為成長軸。

又，本製造裝置適合於藍寶石單結晶的製造，當然亦可適用於其他單結晶之製造。

1‧‧‧藍寶石單結晶之製造裝置

3‧‧‧支持部材

4‧‧‧驅動軸

5‧‧‧冷卻軸

10‧‧‧育成爐

12‧‧‧筒狀被套

13‧‧‧底座

14‧‧‧圓筒加熱器

16‧‧‧斷熱部材

18‧‧‧熱區

20‧‧‧坩堝

21‧‧‧凸周部

51‧‧‧循環管路

20a、21a‧‧‧下面

3a‧‧‧上端面

101‧‧‧藍寶石單結晶之製造裝置

104‧‧‧驅動軸

110‧‧‧育成爐

112‧‧‧筒狀被套

113‧‧‧基座

114‧‧‧圓筒加熱器

116‧‧‧斷熱部材

118‧‧‧熱區

120‧‧‧坩堝

124‧‧‧種子結晶

126‧‧‧原料

128‧‧‧均熱區

A‧‧‧藍寶石單結晶中小傾角境界的結晶境界

B‧‧‧藍寶石單結晶中與種子結晶方位不同的結晶

第1圖為本發明之實施形態中表示藍寶石單結晶之製造裝置一例之概略圖(正面斷面圖)。

第2(a)及2(b)圖為表示第1圖之藍寶石單結晶之製造裝置中坩堝一例之概略圖。

第3(a)及3(b)圖為表示第1圖之藍寶石單結晶之製造裝置中支持部材一例之概略圖。

第4(a)及4(b)圖為藉第1圖所示藍寶石單結晶之製造裝置所製造藍寶石單結晶的X光形貌照片。

第5圖為表示在第1圖之藍寶石單結晶之製造裝置中坩堝部分溫度分佈的等溫線圖。

第6圖為本發明試作與檢討的藍寶石單結晶之製造裝置構造的概略圖(正面斷面圖)。

第7(a)～7(f)圖為說明藉布力茲曼法的藍寶石單結晶之製造過程的說明圖。

第8(a)及8(b)圖為藉第6圖之藍寶石單結晶之製造裝置所製造藍寶石單結晶的X光形貌照片。

第9圖為表示第6圖之藍寶石單結晶之製造裝置的坩堝部分溫度分佈之等溫線圖。

1．．．藍寶石單結晶之製造裝置

3．．．支持部材

4．．．驅動軸

5．．．冷卻軸

10．．．育成爐

12．．．筒狀被套

13．．．底座

14．．．圓筒加熱器

16．．．斷熱部材

18．．．熱區

20．．．坩鍋

21．．．凸周部

51．．．循環管路

Claims (7)

1. 一種藍寶石單結晶之製造裝置，其係以支持部材所支持的坩堝內收容種子結晶及原料，將該坩堝配置於育成爐內之筒狀加熱器內，而以該筒狀加熱器加熱，使原料及種子結晶之一部分熔解而結晶化，該製造裝置具備有一冷卻機構，用來以圓環狀冷卻杯狀之該坩堝所定外周位置；其中所述坩堝係由熱傳導性材料製成，在外周面所定位置具有放射狀凸出之凸周部；該支持部材係由熱傳導性材料製成，具有對該坩堝之凸周部以圓環狀做面接觸以支持該坩堝之支持面；該冷卻機構，其構成中具有該凸周部與該支持部材。
2. 如申請專利範圍第1項之藍寶石單結晶之製造裝置，其中所述製造裝置為一種使該筒狀加熱器形成上高下低之溫度傾斜，因而將熔液順次結晶化之單方向凝固法製成藍寶石單結晶之製造裝置；而該坩堝設置該凸周部之位置，在該坩堝溫度達到高於藍寶石熔點溫度以上領域之最下位置。
3. 如申請專利範圍第1項或第2項之藍寶石單結晶之製造裝置，其中所述支持部材係形成杯狀，而其上端面對該凸周部下面做面接觸。
4. 如申請專利範圍第1項之藍寶石單結晶之製造裝 置，其中所述坩堝之下面與該支持部之間留有間隙。
5. 如申請專利範圍第1項之藍寶石單結晶之製造裝置，其中所述製造裝置具有該支持部材固定於其先端之驅動軸及用以冷卻該驅動軸之冷卻部材。
6. 如申請專利範圍第5項之藍寶石單結晶之製造裝置，其中所述冷卻部材為一種內部具有循環管路的軸狀部材，而該循環管路為通以冷媒而進行冷卻之冷卻軸。
7. 如申請專利範圍第1項之藍寶石單結晶之製造裝置，其中所述冷卻機構，藉冷卻該坩堝底面之周緣部，而以圓環狀冷卻該坩堝之所定外周位置。