[发明专利]一种方形蓝宝石晶体的生长方法及设备

说明书

技术领域

本发明属于晶体生长技术领域，涉及一种晶体生长方法，尤其涉及一种方形蓝宝石晶体的生长方法；同时，本发明还涉及一种方形蓝宝石晶体的生长设备。 

背景技术

蓝宝石的组成为氧化铝(Al₂O₃)，是由三个氧原子和两个铝原子以共价键型式结合而成，其晶体结构为六方晶格结构。由于蓝宝石具有高声速、耐高温、抗腐蚀、高硬度、高透光性、熔点高（2045℃）等特点，因此常被用来作为光电元件的材料。目前超高亮度白/蓝光LED的品质取决于氮化镓(GaN)外延层的材料品质，而氮化镓外延层品质则与所使用的蓝宝石衬底表面加工品质息息相关。由于蓝宝石(单晶Al₂O₃)c面与Ⅲ-Ⅴ和Ⅱ-Ⅵ族沉积薄膜之间的晶格常数失配率小，同时能够耐高温，使得蓝宝石晶片成为制作白/蓝/绿光LED的关键材料。 

蓝宝石晶体材料的生长方法目前已有很多种方法，主要有：泡生法（即Kyropolos法，简称Ky法）、导模法（即edge defined film-fed growth techniques法，简称EFG法，属于TPS方法的一种）、热交换法（即heat exchange method法，简称HEM法）、布里奇曼法（即Bridgman法，或坩埚下降法）、提拉法（即Czochralski，简称Cz法）等。但不同的晶体生长方法针对蓝宝石的不同用途而设计。目前，用于LED领域的蓝宝石的晶体生长方法上述蓝宝石晶体的生长方法常用的有两种： 

1、凯氏长晶法(Kyropoulos method)，简称KY法，亦称泡生法。其原理与柴氏拉晶法(Czochralski method)类似，先将原料加热至熔点后熔化形成熔体，再以单晶的籽晶接触到熔体表面，在籽晶与熔体的固液界面上开始生长和籽晶相同晶体结构的单晶，籽晶以极缓慢的速度往上拉升，但在籽晶往上拉晶一段时间以形成晶颈，待熔体与籽晶界面的凝固速率稳定后，籽晶便不再拉升，也没有作旋转，仅以控制冷却速率方式来使单晶从上方逐渐往下凝固，最后凝固成一整个单晶晶锭。然后进行掏棒加工，沿垂直轴向掏制标准LED用的晶棒。其有效利用率较 低，一般在30%左右，造成LED的成本相对较高。 

2、导模法（也称边缘限定薄膜喂料法），它也是TPS方法的一种，主要用于生长薄板材料。它利用了毛细原理，将熔体导入模具的顶部，然后用籽晶将这部分熔体提拉生成单晶片。然后利用掏片加工，掏制出LED用的毛片。由于长晶过程中，薄板的双面均有大面积的气泡，所以板材的厚度大于标准LED用的衬底厚度，导致晶片加工过程中的去除量大，直接增加了晶片加工成本。同时由于导膜法长晶速度较快，造成晶体边缘甚至内部杂质较多，晶体质量不高。 

有鉴于此，迫切需要一种既能保证晶体具有较高质量，又可以提高晶体使用效率的长晶方法。 

发明内容

本发明所要解决的技术问题是：提供一种方形蓝宝石晶体的生长方法，可在保证晶体质量的前提下有效提高蓝宝石晶体的利用率。 

此外，本发明还提供一种方形蓝宝石晶体的生长设备，可在保证晶体质量的前提下有效提高蓝宝石晶体的利用率。 

为解决上述技术问题，本发明采用如下技术方案： 

一种方形蓝宝石晶体的生长方法，所述方法包括如下步骤： 

步骤S1：将设定重量的高纯氧化铝块料或粉料装入方形坩埚中，然后将方形坩埚置于晶体生长炉内； 

步骤S2：将晶体生长炉抽真空，使晶体生长炉内的真空度低于6×10^-3Pa； 

步骤S3：通过加热器控制晶体生长炉升温至2000-2100℃，待氧化铝原料熔化为熔体； 

步骤S4：选用定向籽晶，将定向籽晶固定在坩埚的中心位置，保证定向籽晶c面平行于坩埚长边对应的平面，确定温度合适后引晶； 

步骤S5：引晶结束后，以0.1~3mm/h的速度向上提拉籽晶，开始晶体生长； 

步骤S6：长晶结束后，以10~50℃/h的速度缓慢降温； 

步骤S7：炉内温度降至室温后，取出方形晶体，切割并加工成所需尺寸的晶片。 

作为本发明的一种优选方案，所述步骤S4中选用的定向籽晶为m向或a向。 

作为本发明的一种优选方案，所述方形坩埚为正方形坩埚，步骤S4中，保证定向籽晶c面平行于坩埚任意一边对应的平面。 

作为本发明的一种优选方案，所述方法进一步包括，根据需要调节坩埚、加热器的形状，用以调节晶体横截面的形状。