c取向藍寶石單晶的生產方法及設備的製作方法

2023-11-12 03:12:07 2

專利名稱：c取向藍寶石單晶的生產方法及設備的製作方法
技術領域：
本發明涉及一種藍寶石單晶的生長方法，尤其涉及一種快速生長c取向藍寶石單晶的方法及設備。
背景技術：
c面藍寶石襯底在製作GaN基LED方面有著廣泛的應用。目前多採用泡生法生長 a軸圓柱狀藍寶石晶錠，沿側面掏棒可以獲得c向晶棒，切片加工後獲得c面藍寶石襯底，但該法藍寶石利用率較低；生長c取向藍寶石可以從晶錠頂端掏棒，這大大提高了出棒率，但由於藍寶石沿c向生長時固液界面處塑性區易發生滑移而產生大量位錯，因此c向生長較a向生長速度慢且缺陷密度高。目前c向藍寶石晶錠多採用提拉法進行c向生長，日本的Kyocera公司、臺灣地區的中美矽晶製品股份有限公司、重慶四聯藍寶石有限公司均實現了 4英寸藍寶石的提拉法生長，但位錯密度高達104/cm-2，而且進一步增大尺寸較為困難。韓國STC公司採用VHGF法，a向生長長方體藍寶石然後進行c向掏棒，目前只能做到6英寸，由於該方法對熱場要求較為特殊，熱場設計是生長更大尺寸藍寶石的瓶頸。雲南藍晶科技有限公司採用坩堝下降法已實現了 6英寸c向藍寶石的生長，但該法無法克服c向生長藍寶石存在的困難。美國ARCEnergy公司也採用了類似的方法，其坩堝底部採用氦氣冷卻，這樣可以防止坩堝底部的籽晶熔化，同時改變熔體內的溫場，使晶體生長時的固液界面凸向熔體，此時固液界面處的塑性區所受的是沿固液界面的切應力，而此時固液界面已不再是c面，因此不易發生滑移，此方法較單純的坩堝下降法可以獲得更高的晶體質量。但生長速度緩慢，且對固液界面與c面所成角度的可調範圍較小。

發明內容
本發明的目的旨在針對現有技術中的不足提供一種c取向藍寶石單晶的生產方法及設備，從而實現高質量c取向藍寶石單晶的快速生長。為實現上述發明目的，本發明採用了如下技術方案一種c取向藍寶石單晶的生產方法為將c向籽晶和純度在99. 999wt%以上的高純氧化鋁原料在真空環境中加熱，使高純氧化鋁原料開始熔化，並使籽晶部分熔化，其後以
0.1°C 2V /h的速率緩慢降溫，將固液界面控制為曲面形態，且使曲面的頂點到達自由液面，而後提高降溫速率至0.2°C 5°C /h，使生長好的具有曲面結構的芯逐漸側向生長，至熔體結晶結束，最後將生長好的晶體冷卻至室溫，取出晶體。優選的，所述真空環境是指氣壓在5Pa以下的封閉環境。尤為優選的，該方法中，在對c向籽晶和高純氧化鋁原料加熱的過程中，還同時對c向籽晶進行冷卻，使籽晶保持部分熔化的狀態。所述曲面結構優選為圓錐面、球冠形面或橢球冠形面，但不限於此。優選的，所述圓錐面的母線與c面的夾角為10° 80°。
尤為優選的，所述圓錐面的母線與c面的夾角為40° 80°。
作為優選的實施方案之一,所述籽晶為圓柱體結構,其直徑為20mm 60mm,高度為 10mm 50mm ；或者，所述籽晶為桶狀結構，其外徑為40mm 150mm,內徑為20mm 130mm,深度為10mm 500mm,高度為20mm 600臟。作為可實施例的方案之一，所述高純氧化鋁原料優選自Al2O3粉料、Al2O3餅料、粒狀Al2O3及藍寶石碎晶中的任意一種或兩種以上的組合，但不限於此。又及，該方法中在熔體結晶結束後，優選以4°C 100°C /h的降溫速率將生長好的晶體冷卻至室溫。一種c取向藍寶石單晶的生產設備，包括加熱腔體、環繞加熱腔體設置的加熱元件以及與加熱腔體連通的真空系統，其中所述加熱元件內壁底端至頂端與加熱腔體外壁之間的水平距離逐漸增大；和/或，所述加熱腔體外壁上對應於c向籽晶的裝載位置處與冷卻系統連接；和/或，所述加熱腔體上方還對稱分布有複數傾斜設置的熱屏，且所述熱屏於水平面上的正投影至少部分與加熱腔體重合。作為一種優選實施方案，所述加熱腔體為上端開口的筒形結構，所述加熱元件具有倒梯形橫截面。作為又一種優選實施方案，所述熱屏下端低於加熱腔體上端面，其上端沿徑向向內傾斜。優選的，所述加熱腔體外壁上對應於c向籽晶的裝載位置設有凹槽結構，所述槽型結構與冷卻系統連接。尤為優選的，所述加熱腔體外壁上對應於c向籽晶的裝載位置處內凹，形成底部凸入加熱腔體內部的槽型結構，所述槽型結構與冷卻系統連接。作為一種優選方案，所述冷卻系統包括與冷卻流體供給裝置連通的至少一冷卻流體輸送管，所述冷卻流體輸送管一端抵近加熱腔體外壁上對應於c向籽晶的裝載位置的區域。作為又一種優選方案，所述冷卻系統包括與冷卻流體供給裝置連通的至少一冷卻流體輸送管,所述冷卻流體輸送管一端插設於所述凹槽接口中。


圖I是米用本發明方法生長藍寶石的不意圖，其中，圖Ia芯部生長，圖Ib側向生長;圖2是加熱器對固液界面的影響示意圖，其中，圖2a是採用豎直加熱器時的固液界面，圖2b是採用傾斜加熱器時的固液界面；圖3是本發明實施例3中所採用坩堝的結構示意圖，其中，圖3a為放入籽晶時的坩堝示意圖，圖3(b)為籽晶熔化時固液界面示意圖；圖4是本發明實施例4採用的熱場結構示意圖；以上各圖中的組件及其附圖標記分別為豎直加熱器11，傾斜加熱器12，坩堝2、2』，籽晶3,氦氣管4,熱屏5。
具體實施例方式如前所述，針對現有技術的諸多缺陷，本案發明人旨在提出一種快速生長高質量c取向藍寶石單晶的生長方法及設備，該生長設備為類似於熱交換法的設備，該方法主要包括放置籽晶(將籽晶放入坩堝底部)、裝料、抽真空、啟動氦氣、加熱化料、芯部生長、側向生長、降溫退火及出爐等工序。更具體的講，前述工藝過程如下(I)放置籽晶將c向籽晶放置在坩堝的籽晶槽內。(2)裝料將聞純氧化招(> 99. 999wt% )原料放入樹禍內，關閉爐蓋；(3)抽真空啟動真空系統，優選將爐腔壓力抽至0. 015torr以下。
(4)加熱化料啟動加熱系統升溫，直至氧化鋁開始熔化，用鎢探針探測固液界面的位置，控制升溫速率使籽晶部分熔化。(5)芯部生長逐步提高氦氣(當然也可以為其它冷卻流體)流量配合緩慢降溫，將固液界面控制為一圓錐面，圓錐母線與c面的夾角為10 80°範圍，尤其優選為40 80°範圍，直至圓錐頂端到達自由液面，或者將固液界面控制為一球冠形、橢球冠形及其他類似的曲面，且使曲面的最高點到達自由液面；(6)側向生長提高降溫速率，使生長好的圓錐芯逐漸向側向生長，直至熔體結晶結束。該側向生長是指固液界面在保持角度不變的情況下逐漸向坩堝壁方向推進，直到晶體生長結束。(7)降溫退火逐步提高降溫速率使晶體冷卻至室溫；(8)出爐待溫度降至室溫後打開爐蓋取出晶體。在前述步驟(4)中，還優選採用氦氣冷卻系統防止化料過程籽晶完全熔化。而在前述步驟(7)中，亦可採用氦氣冷卻系統加速晶體的冷卻。具體而言，前述坩堝可選自但不限於鎢坩堝、鑰坩堝、鎢鑰合金坩堝、銥坩堝等，坩堝底部形態可選自但不限於直角、圓角、倒角形式。前述原料可選自但不限於Al2O3粉料、Al2O3餅料、粒狀Al2O3及藍寶石碎晶等。前述籽晶的形狀可以為圓柱體，直徑為20mm 60mm,高度為IOmm 50mm ;也可以為桶狀，桶外徑為40mm 150mm,桶內徑為20mm 130mm,桶深度為IOmm 500mm,桶高度為 20mm 600mm。前述坩堝的材料可選自但不限於鎢、鑰、鎢鑰合金、銥。前述高純Al2O3原料可選自但不限於Al2O3粉料、Al2O3餅料、粒狀Al2O3及藍寶石碎晶。前述熱屏(反射屏)的材料可選自但不限於鎢、鑰、鎢鑰合金、銥。前述氦氣冷卻系統優選採用氦氣壓縮機為循環動力，氦氣採用冷卻水進行冷卻。當然，本領域技術人員亦可根據實際應用之需要而採用其它習見的各種冷卻裝置或冷卻結構，其只要能達成能夠對籽晶的溫度進行控制的目的即可。前述加熱器(發熱元件)的材料可以選自但不限於石墨、鎢，形式可選自但不限於片狀、棒狀和網狀，空間上的分布可以為豎直或傾斜狀。本發明的核心設計思想在於，通過減小坩堝內物料的軸向溫度梯度，從而實現對固液界面形狀的控制，進而獲得聞品質的目標廣物。為了實現該目的，本案發明採用了調節工藝參數、對坩堝、加熱器等形態進行調整，對長晶爐結構進行調整等方案中的一個或多個的組合。以圖2b所示的加熱器為例，其使坩堝下半部分到上半部分與加熱器的距離逐漸增加，這樣可以減小軸向溫度梯度，從而使固液界面形狀達到我們的需求。又以圖3所示的坩堝結構為例，氦氣冷卻深入熔體，這樣增加了徑向溫度梯度，從而獲得所需的固液界面形狀。與現有技術相比，本發明的優點在於(I)生長的c向晶錠較a向晶錠可以大大提高晶錠的材料利用率；(2)採用該法較傳統的c向晶錠生長方法可以在提高生長速率的同 時提聞晶澱的晶體質量。以下結合若干較佳實施例對本發明的技術方案作進一步的說明。實施例I採用豎直加熱器和圖I所示的坩堝，其工藝過程為(I)放置籽晶將c向籽晶放置在坩堝的籽晶槽內。(2)裝料將20 IOOKg高純氧化鋁(> 99. 999wt% )原料放入坩堝內，關閉爐
蓋，啟動冷卻水循環系統。(3)抽真空啟動真空系統，將爐腔壓力抽至2Pa。(4)啟動氦氣冷卻系統設置流量為40 IOOslm防止化料過程籽晶完全熔化。(5)加熱化料啟動加熱系統升溫，直至氧化鋁開始熔化，用鎢探針探測固液界面的位置，控制升溫速率(0. 5 500°C /h)使籽晶部分熔化。(6)芯部生長逐步提高氦氣流量至配合緩慢降溫(0. I 2 V /h)，將固液界面控制為一圓錐面，圓錐母線與c面的夾角為10 80°範圍，直至圓錐頂端到達自由液面；或者將固液界面控制為一球冠形、橢球冠形及其他類似的曲面，曲面的最高點到達自由液面。(7)側向生長提高降溫速率0. 2°C 5°C /h，使生長好的圓錐芯逐漸向側向生長，直至熔體結晶結束。(8)降溫退火逐步提高降溫速率使晶體冷卻至室溫，在合適溫度通入氬氣提高降溫速率(4°C 100°C /h)。(9)出爐待溫度降至室溫後打開爐蓋取出晶體。所獲晶體經測試c面EPD 99. 999wt% )原料放入坩堝內，關閉爐
蓋，啟動冷卻水循環系統。(3)抽真空啟動真空系統，將爐腔壓力抽至2Pa。(4)啟動氦氣冷卻系統設置流量為40 IOOslm防止化料過程籽晶完全熔化。(5)加熱化料啟動加熱系統升溫，直至氧化鋁開始熔化，用鎢探針探測固液界面的位置，控制升溫速率(0. 5 500°C /h)使籽晶部分熔化。(6)芯部生長逐步提高氦氣流量至配合緩慢降溫(0. I 2V /h)，將固液界面控制為一圓錐面，圓錐母線與c面的夾角為10 80°範圍，直至圓錐頂端到達自由液面；或者將固液界面控制為一球冠形、橢球冠形及其他類似的曲面，曲面的最高點到達自由液面。(7)側向生長提高降溫速率0. 2°C 5°C /h，使生長好的圓錐芯逐漸向側向生長，直至熔體結晶結束。(8)降溫退火逐步提高降溫速率使晶體冷卻至室溫，在合適溫度通入氬氣提高降溫速率(4°C 100°C /h)。(9)出爐待溫度降至室溫後打開爐蓋取出晶體。所獲晶體經測試c面EPD 99. 999wt% )原料放入坩堝內，關閉爐
蓋，啟動冷卻水循環系統。(3)抽真空啟動真空系統，將爐腔壓力抽至2Pa。(4)啟動氦氣冷卻系統設置流量為40 IOOslm防止化料過程籽晶完全熔化。(5)加熱化料啟動加熱系統升溫，直至氧化鋁開始熔化，用鎢探針探測固液界面的位置，控制升溫速率(0. 5 500°C /h)使籽晶部分熔化。(6)芯部生長逐步提高氦氣流量至配合緩慢降溫(0. I 2 V /h)，將固液界面控制為一圓錐面，圓錐母線與c面的夾角為10 80°範圍，直至圓錐頂端到達自由液面；或者將固液界面控制為一球冠形、橢球冠形及其他類似的曲面，曲面的最高點到達自由液面。(7)側向生長提高降溫速率0. 2°C 5°C /h，使生長好的圓錐芯逐漸向側向生長，直至熔體結晶結束。(8)降溫退火逐步提高降溫速率使晶體冷卻至室溫，在合適溫度通入氬氣提高降溫速率(4°C 100°C /h)。(9)出爐待溫度降至室溫後打開爐蓋取出晶體。所獲晶體經測試c面EPD 99. 999wt% )原料放入坩堝內，關閉爐
蓋，啟動冷卻水循環系統。(3)抽真空啟動真空系統，將爐腔壓力抽至2Pa。(4)啟動氦氣冷卻系統設置流量為40 IOOslm防止化料過程籽晶完全熔化。(5)加熱化料啟動加熱系統升溫，直至氧化鋁開始熔化，用鎢探針探測固液界面的位置，控制升溫速率(0. 5 500°C /h)使籽晶部分熔化。(6)芯部生長逐步提高氦氣流量至配合緩慢降溫(0. I 2V /h)，將固液界面控制為一圓錐面，圓錐母線與c面的夾角為10 80°範圍，直至圓錐頂端到達自由液面；或者將固液界面控制為一球冠形、橢球冠形及其他類似的曲面，曲面的最高點到達自由液面。(7)側向生長提高降溫速率0. 2°C 5°C/h，使生長好的圓錐芯逐漸向側向生長，直至熔體結晶結束。(8)降溫退火逐步提高降溫速率使晶體冷卻至室溫，在合適溫度通入氬氣提高降溫速率(4°C 100°C /h)。(9)出爐待溫度降至室溫後打開爐蓋取出晶體。所獲晶體經測試c面EPD < 1000/cm2。
以上僅是本發明的具 體應用範例，對本發明的保護範圍不構成任何限制。凡採用等同變換或者等效替換而形成的技術方案，均落在本發明權利保護範圍之內。
權利要求
1.一種C取向藍寶石單晶的生產方法，其特徵在於，該方法為將C向籽晶和純度在.99. 999wt%以上的高純氧化鋁原料在真空環境中加熱，使高純氧化鋁原料開始熔化，並使籽晶部分熔化，其後以0. rc 2V /h的速率緩慢降溫，將固液界面控制為曲面形態，且使曲面的頂點到達自由液面，而後提高降溫速率至0. 2°C 5°C /h,使生長好的具有曲面結構的芯逐漸側向生長，至熔體結晶結束，最後將生長好的晶體以4°c 100°C /h的降溫速率冷卻至室溫，取出晶體。
2.根據權利要求I所述c取向藍寶石單晶的生產方法，其特徵在於，所述真空環境是指氣壓在5Pa以下的封閉環境。
3.根據權利要求I所述c取向藍寶石單晶的生產方法，其特徵在於，該方法中，在對c向籽晶和高純氧化鋁原料加熱的過程中，還同時對c向籽晶進行冷卻，使籽晶保持部分熔化的狀態。
4.根據權利要求I或2所述c取向藍寶石單晶的生產方法，其特徵在於，所述曲面結構優選為圓錐面、球冠形面或橢球冠形面。
5.根據權利要求4所述c取向藍寶石單晶的生產方法，其特徵在於，所述圓錐面的母線與c面的夾角為10° 80°。
6.根據權利要求I或3所述c取向藍寶石單晶的生產方法，其特徵在於 所述籽晶為圓柱體結構，其直徑為20mm 60mm,高度為IOmm 50mm 或者，所述籽晶為桶狀結構，其外徑為40mm 150mm,內徑為20mm 130mm,深度為.10mm 500mm,高度為20mm 600臟。
7.根據權利要求I或3所述c取向藍寶石單晶的生產方法，其特徵在於，所述高純氧化鋁原料優選自A1203粉料、A1203餅料、粒狀A1203及藍寶石碎晶中的任意一種或兩種以上的組合。
8.一種c取向藍寶石單晶的生產設備，包括加熱腔體、環繞加熱腔體設置的加熱元件以及與加熱腔體連通的真空系統，其特徵在於 所述加熱元件內壁底端至頂端與加熱腔體外壁之間的水平距離逐漸增大； 和/或，所述加熱腔體外壁上對應於c向籽晶的裝載位置形成槽型結構，所述槽型結構與冷卻系統連接； 和/或，所述加熱腔體上方還對稱分布有複數傾斜設置的熱屏，且所述熱屏於水平面上的正投影至少部分與加熱腔體重合。
9.根據權利要求8所述的c取向藍寶石單晶的生產設備，其特徵在於，所述加熱腔體為上端開口的筒形結構，所述加熱元件具有倒梯形橫截面。
10.根據權利要求8或9所述的c取向藍寶石單晶的生產設備，其特徵在於，所述熱屏下端低於加熱腔體上端面，其上端沿徑向向內傾斜。
全文摘要
本發明公開了一種c取向藍寶石單晶的生產方法及設備。該方法包含放籽晶、裝料、抽真空、化料、芯部生長、側向生長、出爐等工序。該設備包括加熱腔體、與加熱腔體配合的密封件、環繞加熱腔體設置的加熱元件以及與加熱腔體連通的真空系統等組件。本發明通過提高氦氣冷卻能力、改變加熱器形狀和尺寸、改變坩堝形狀和尺寸、在坩堝頂端加蓋特定的熱屏等方式改變熔體內的熱場分布，使藍寶石生長時首先呈圓錐狀、球冠狀及其他類似曲面生長，其次在圓錐錐面、球冠曲面及其他類似曲面上側向生長，這樣可以使固液界面與c面呈較大角度，有效避免了基面滑移，從而提高了藍寶石單晶的晶體質量和生長速率。
文檔編號C30B29/20GK102644113SQ20121014784
公開日2012年8月22日 申請日期2012年5月14日 優先權日2012年5月14日
發明者劉海濱, 周虹, 方建雄, 董新義, 金啟源, 金鎬辰 申請人:蘇州海鉑晶體有限公司