一种热场可调的泡生法晶体生长炉制造技术

本发明专利技术提供一种热场可调的泡生法晶体生长炉，属于晶体生长设备技术领域。本发明专利技术通过将上保温层连接到上保温层升降装置，借助升降装置可调整上保温层的位置，从而调整坩埚及物料所处的散热边界条件，进而对热场进行及时有效的调节。此外，结合冷却水量调节，籽晶杆提拉与旋转，降温等手段，系统调控热场的能力大大加强，可针对晶体生长不同阶段对热场的不同需求，不同设备、同一设备不同炉次以及同炉次不同工艺过程间的差异以及其它诸如投料量、环境条件等发生改变的情况作出灵活有效的调整，可大大提高晶体质量和成品率，同时，有效地提高了工艺的稳定性及重复性，特别适合大尺寸蓝宝石晶体产业化生产。

【技术实现步骤摘要】

本专利技术涉及LED衬底级蓝宝石晶体生长炉制造
，特别是一种带热场可调的泡生法晶体生长炉结构。
技术介绍
发光二极管(Light Emitting Diode, LED)具有寿命长、耗能少、体积小、响应快、抗震抗低温、污染小等突出的优点，其应用领域极为广阔，市场潜力巨大，被称为“人类照明史上的又一次革命”。LED衬底材料对其性能与成本有重要关系，因蓝宝石晶体具有独特的晶格结构、优异的力学性能、热学性能、光学性能、机械性能和化学稳定性，成为实际应用的GaN半导体发光二极管等最为理想的衬底材料，占衬底市场90%以上。此外，蓝宝石晶体因其优良的综合性能被广泛应用于科学技术、国防与民用工业的许多领域。目前，蓝宝石晶体的生长方法主要有提拉法，导模法，温梯法，热交换法和泡生法等，其中泡生法以其尺寸大，质量高，晶体完整性好，成本低，可原位退火等众多优势成为衬底级蓝宝石晶体的主流生长方法，占70%以上。泡生法生长晶体步骤主要包括熔料、安定、下种、放肩、等径生长、收尾、退火冷却等过程，其中下种和放肩阶段是最重要和关键的步骤，将直接决定晶体质量、完整性和成品率，但泡生法特有的小温度梯度导致这两步骤非常困难，此外，该法生长周期长，直径难于控制，仅生长初期长晶过程可视等不利之处，因而，对泡生法设备稳定性和重复性要求较高。常规的泡生法晶体生长炉大都采用俄罗斯、乌克兰技术，热场由鼠笼式钨发热体和钨钥热屏构成。这一特点具有炉内环境洁净，不易污染晶体，易达到很高的真空等优点，钨钥热屏依靠热辐射来达到保温效果，热惯性差；且钨钥材料形状和表面状况直接影响保温效果，钨钥材料高温易变形，炉内挥发物附着在钨钥表面，直接影响保温效果，造成热场重复性稳定性较差。不同泡生法晶体生长炉之间，就是同一泡生法晶体生长炉不同炉次之间热场均发生变化，使工艺尤其是下种和放肩阶段变得很复杂，工艺一致性比较差，对人的依赖性非常大，容易出现各种问题，直接影响成品率。在泡生法晶体生长过程中，随着结晶的不断进行，晶体重量增加，熔体重量减少，其热场的边界条件不断发生变化，不同阶段对热场的要求不同，常规泡生法晶体生长炉无法及时满足不同阶段的结晶热场的要求，影响结晶条件，因此，晶体质量、尺寸和成品率均大受影响。此外，不同的原料密度不同，如碎晶掺入比例不同、装料方式不同等因素常造成同一坩埚不同炉次的装料量发生变化，因而熔化后液面位置发生变化，晶体结晶所需的热场环境随之发生变化，相应的接种、放肩等工艺需要做出相应的调整。目前的泡生法晶体生长炉热场调控的手段主要有冷却水量调节、籽晶提拉与旋转、降温等手段，这些手段调节可调范围很窄，只能被动适应热场，而无法主动及时地调整热场，调整相对滞后，对于上述复杂多变的环境变化不能及时应对，成品率较低，很难适应 产业化要求。
技术实现思路
本专利技术的目的是针对现有泡生法晶体生长炉调控手段有限的不足之处，提供一种能够灵活调整热场的泡生法晶体生长炉。本专利技术一种热场可调的泡生法晶体生长炉，主要包含上保温层升降装置(I)、炉体(2)、水冷电极(3)、真空管道(4)、发热体(5)、坩埚(6)、坩埚支撑系统(9)、下保温层(10)、侧保温层(11)、上保温层(13)观察孔(15)等。上保温层升降装置(I)与上保温层(13)相连，发热体(5)在坩埚(6)外侧且位于下保温层(10)、侧保温层(11)、上保温层(13)的内部，坩埚(6)位于坩埚支撑系统(9)上，炉体(2)设有观察孔(15)便于观察晶体(7)、熔体(8)、籽晶(12)、籽晶杆(14)，籽晶杆(14)通过旋转及提拉装置(16)可上下升降和旋转。上保温层(13)通过固定在炉体上的上保温层升降装置(I)连接，其位置在距坩埚上缘位置 O-IOOmm高度范围内位置及速度均可连续可调，使得坩埚及物料所处的散边界条件发生改变，从而实现热场可调。上保温层(13)顶层是由一层1-5_厚的耐高温金属板制成，其下连接有5-20层厚度0. 3-2. Omm不等的钨钥保温层，底层为一块厚度在2_20mm的钥片或钨片，各层耐高温金属或钨钥片均开有相互错开的细缝以减少高温变形。通过调整上保温层(13)位置高度和升降速度的不同，从而使得坩埚及物料所处的散热边界条件发生改变，从而可以对热场进行有效的调整。通过上保温层的移动，结合原有的冷却水量调节，籽晶杆的提拉与旋转，降温等手段，系统调控热场的能力大大加强，可针对不同设备、同一设备不同炉次、以及同一炉次不同工艺过程之间的差异做出灵活迅速而有效的调整，大大提高成品率，工艺的稳定性及重复性，有利于大尺寸，特别是大尺寸蓝宝石晶体的产业化生产。附图说明图I是本专利技术上保温层处于最低位置时的结构示意图；图2是本专利技术上保温层距坩埚上沿一定高度时的结构示意图。其中I.上保温层升降装置2.炉体3.水冷电极4.真空管道5.发热体6.坩埚7.晶体8.熔体9.坩埚支撑系统10.下保温层11.侧保温层12.籽晶13.上保温层14.籽晶杆15.观察孔16.旋转及提拉装置具体实施例方式下面结合蓝宝石晶体生长的具体过程说明如下将称好重量的高纯氧化铝原料装入坩埚(6)内，安装籽晶(12)完毕后，盖好上保温层(13)，通过旋转及提拉装置(16)把籽晶(12)下降到上保温层中部左右后，对炉体(2)抽真空，达到预定真空度6 X IO-3Pa后开始升温到2100°C，待原料熔化完全后，缓慢减低温度到氧化铝熔点附近，进入熔液安定阶段，通过观察孔(15)观察炉内状态，待表面液流呈现向中心流动的轮辐状时，可多次缓慢下降籽晶(12)，以防籽晶(12)受到太大热冲击，之后按照常规工艺进行引晶，放肩，等径和冷却退火操作。通过调整上保温层高度及其升降速度，此外还可通过调节冷却水、籽晶杆及夹头提拉旋转、降温等手段进行热场调节，热场可调性更好，调节范围更大，响应更及时。在晶体生长的不同阶段，针对其不同阶段的热场需求，一种实施方式可以但不限于是在熔料阶段上保温层位置最低以便于减少能耗；在接种、放肩阶段可以稍稍提高上保温层位置，以便于提高温度梯度，减少关键过程的难度，有利于提高成品率和质量；在等径过程前半过程保持上保温层位置不变，可保证晶体质量；在等径过程后半段结晶动力减小，单纯靠降温来增加驱动力会导致晶体生长速度太快不受控，此时通过以一定速度提升上保温层到一定高度，可以克服这一缺点，大大提高尾部晶体质量，同时由于驱动力增加，可以生长大尺寸晶体；在退火阶段和冷却前期，上保温层放置在最低位置可加强退火效果，且降低能耗；在冷却后期上保温层放在最高位置以加快冷却，缩短生长周期。综上所述，在一个完整的晶体生长过程中，通过调整上保温层的不同位置和升降速度，可有效地满足晶体不同生长阶段所需的不同热场，可大大提高晶体质量和成品率，同时，有效提高了工艺的 稳定性及重复性，特别适合大尺寸蓝宝石晶体的产业化生产。针对不同设备、同设备不同炉次间以及加料量不同造成的热场差异，结合对生长参数，不同阶段炉内现象和出炉晶体质量情况等经验总结分析，可根据热场差异的不同确定上保温层的不同高度位置和高度调整方式，可减小个体之间的热场变化程度，简化工艺方案，有利于维护与提高热场的稳定性和重复性，特别适合大尺寸蓝宝石晶体产业化生产。本文档来自技高网...

【技术保护点】

【技术特征摘要】
1.一种热场可调的泡生法晶体生长炉，主要包括上保温屏升降装置(I)、炉体(2)、水冷电极(3)、真空管道(4)、发热体(5)、坩埚(6)、坩埚支撑系统(9)、下保温层(10)、侧保温层(11)、上保温层(13)和旋转及提拉装置(16)等，其特征在于上保温屏升降装置(I)与上保温层(13)相连，发热体(5)在坩埚(6)外侧且位于下保温层(10)、侧保温层(11)、上保温层(13)的内部，坩埚(6)位于坩埚支撑系统(9)上，炉体⑵设有观察孔(15)便于观察晶体(7)、熔体(8)、籽晶(12)、籽晶杆(14)，籽晶杆(14)通过旋转及提拉装置(16)可上下升降和旋转。2.根据权利要求I所述的一种热场可调的泡生法晶体生长炉，其特征在于，上保温层(13...

【专利技术属性】
技术研发人员：廖永建，徐炜，沈禹，孙矿，
申请(专利权)人：上海晨安电炉制造有限公司，
类型：发明
国别省市：