[发明专利]一种热场可调的泡生法晶体生长炉

说明书

技术领域

本发明涉及LED衬底级蓝宝石晶体生长炉制造技术领域，特别是一种带热场可调的泡生法晶体生长炉结构。

背景技术

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钼热屏构成。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，钨钼热屏依靠热辐射来达到保温效果，热惯性差；且钨钼材料形状和表面状况直接影响保温效果，钨钼材料高温易变形，炉内挥发物附着在钨钼表面，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。

发明内容

本发明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。

本发明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(1)、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(1)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(1)连接，其位置在距坩埚上缘位置0-100mm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1-5mm厚的耐高温金属板制成，其下连接有5-20层厚度0.3-2.0mm不等的钨钼保温层，底层为一块厚度在2-20mm的钼片或钨片，各层耐高温金属或钨钼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。