[發(fā)明專利]單晶長晶裝置及長晶方法

無效

• 申請?zhí)枺?/td>: 201210482584.1
• 申請日: 2012-11-23
• 公開（公告）號: CN103710741A
• 公開（公告）日: 2014-04-09
• 發(fā)明（設(shè)計）人: 樸鐘仁;李鐘贊;金玹洙;洪榮坤
• 申請（專利權(quán)）人: BIAM株式會社
• 主分類號: C30B11/00
• 分類號: C30B11/00;C30B29/20
• 代理公司: 上海申新律師事務(wù)所 31272
• 代理人: 吳俊

技術(shù)領(lǐng)域

本發(fā)明涉及單晶長晶裝置及長晶方法，尤其涉及穩(wěn)定控制坩堝內(nèi)部溫度梯度，利用熱交換法培養(yǎng)藍寶石單晶成長時，讓其長度方向上的殘留應(yīng)力最小化，防止出現(xiàn)裂縫或破裂，讓單晶成長得更大，并提高單晶長度方向上的成長速度的單晶長晶裝置及長晶方法。

背景技術(shù)

隨著電子技術(shù)的日新月異，顯示器領(lǐng)域?qū)鈱W(xué)、物理性能優(yōu)秀的藍寶石單晶的需求急劇增長。以氧化鋁單晶為主成分的藍寶石單晶，其透光性和散熱性優(yōu)秀，是對這兩項指標要求很高的背投電視或LCD模塊基板的核心素材，還作為藍色LED基板應(yīng)用廣泛。但藍寶石在晶體結(jié)構(gòu)上具有異相性，在長晶時容易發(fā)生裂紋，存在一些技術(shù)難關(guān)。為了得到大小和質(zhì)量滿足要求的藍寶石單晶，業(yè)界對各種長晶方法進行不斷研究。

現(xiàn)有的長晶方法有焰熔法(Verneuil?Method)，布里奇曼法(Bridgman)，定邊膜喂法(EFG；Edge-Defined?Film-Feed?Growth)，喬克拉爾斯基法(Czochralski?Method)，熱交換法(HEM，Heat?Exchange?Method)。

焰熔法讓氧化鋁粉末經(jīng)過氧氣-氫氣火焰，使之熔化，把溶液滴到籽晶(Seed)上，并讓結(jié)晶旋轉(zhuǎn)下降，獲得結(jié)晶。這一方法可以讓結(jié)晶容易成長，其成本也很低廉，但結(jié)晶成長過程中所受熱沖擊非常高，容易發(fā)生裂紋，從質(zhì)量和大小方面只適合于手表玻璃和裝飾用途，很難他用。

喬克拉爾斯基法(Czochralski?Method)具有可以自由調(diào)節(jié)直徑，長度長，生產(chǎn)效率高等優(yōu)點，但對于藍寶石單晶等脆弱的材料來說，長晶過程中的高溫度梯度、結(jié)晶旋轉(zhuǎn)上升時拉單晶機產(chǎn)生的震動、芯部的應(yīng)力集中，直接限制單晶的直徑，其成長軸方向被限制。

定邊膜喂法(EFG；Edge-Defined?Film-Feed?Growth)與喬克拉爾斯基法類似，雖然可以有效地按所愿形狀長晶，但結(jié)晶的表面存在很多缺陷，結(jié)晶生產(chǎn)效率不高。而從原理層面，降低缺陷對于該工藝來說幾乎不可能。

熱交換法(HEM，Heat?Exchange?Method)在溫度均勻的高溫部下端部分、設(shè)置熱交換器、精密控制溫度。因此，在長晶的過程中溫度梯度非常穩(wěn)定，而且沒必要為了固化、移動結(jié)晶本身。

因此，與其他制造方法相比，熱交換法是在直徑和質(zhì)量方面可以獲得最好效果的長晶方式。

圖1是適用熱交換法的藍寶石單晶長晶裝置概略示意圖。如圖1所示，適用熱交換法的藍寶石單晶長晶裝置100包括單晶長晶爐110及設(shè)置在其下方的熱交換器120。

這里，單晶長晶爐110包括具有可開閉的門的真空腔111，位于真空腔111內(nèi)側(cè)、底面放有籽晶(seed)130的坩堝，位于真空腔111內(nèi)側(cè)、用于安裝坩堝112的絕緣材料護板113，結(jié)合在真空腔111下部、與護板113結(jié)合、上端與籽晶130相接、冷卻籽晶130的冷卻棒114及設(shè)置在坩堝112周圍的加熱器115。

在冷卻棒114的內(nèi)側(cè)，形成有可引入及排出氦氣(He)及冷卻水的管路。

為了單晶長晶爐110的隔熱，還可以在真空腔111的內(nèi)側(cè)設(shè)置石墨氈(graphite?felt，圖略)等，還可以設(shè)置真空泵、使之與真空腔111結(jié)合、為真空腔形成真空氛圍。這里，也可以根據(jù)需要與真空腔111內(nèi)側(cè)連通地設(shè)置氣體注入閥，注入非活性氣體氬(Ar)、氮(N2)等，形成非活性氣體氛圍。

另外，所述熱交換器120可以包括向冷卻棒114內(nèi)側(cè)引入排出氦氣(He)及冷卻水、按一定溫度控制冷卻棒114溫度的熱交換回路。

這種長晶裝置可以控制加熱器115的發(fā)熱溫度以及通過向冷卻棒114內(nèi)側(cè)引入及排出氦氣He及冷卻水、控制冷卻棒114和與之相接的籽晶130冷卻溫度，形成一定的溫度梯度。即，藍寶石單晶由位于坩堝112內(nèi)部的熔融藍寶石原料通過反復(fù)收縮和膨脹成長，而成長的藍寶石單晶在C軸(長度方向上的軸)的平行及垂直方向上發(fā)生熱應(yīng)力(Thermal?stress)。

從而藍寶石單晶成長越大，其固液界面(solid-liquid?interface)的距離越遠，不容易控制溫度梯度，容易發(fā)生由熱應(yīng)力引發(fā)的裂縫(crack)或破裂，藍寶石成長大小存在限制。

另外，只通過加熱器115和籽晶130形成藍寶石熔融液的溫度梯度，單晶越向上成長、固液界面越遠離籽晶，很難控制單晶長度的平行及垂直方向上的溫度梯度，致使容易發(fā)生裂縫及破裂，還會降低單晶的成長速度。