[发明专利]一种大尺寸蓝宝石晶体生长方法

说明书

技术领域

    本发明属涉及一种蓝宝石晶体生长方法，具体为自动引晶和生长的大尺寸蓝宝石晶体生长方法。

背景技术

蓝宝石是三氧化二铝的α相单晶，具有硬度高（莫氏9）、耐高温、那腐蚀，透光性优良。蓝宝石晶体广泛应用于半导体衬底、特种窗口等领域。特别是高亮度白光LED作为下一代通用照明器件，具有绿色节能等优点。蓝宝石衬底是氮化镓基白光LED的最主要衬底，市场的需求量巨大。

蓝宝石晶体一般采用熔液中生长的方式制作，最主要的生长方式有泡生法、提拉法和坩埚下降法。以上方法生长的蓝宝石晶体一般由于气泡以及尺寸影响，在大尺寸蓝宝石衬底取料存在困难。对于蓝宝石晶体质量较优的泡生法，引晶难度非常大,对于人员依赖度大。同时晶体生长自动化水平较高的提拉法生产的晶体质量很难达到大尺寸蓝宝石衬底的要求。

发明内容

针对现有蓝宝石生长技术上的缺点，本发明的目的是提供一种具有较高自动化水平的大尺寸蓝宝石晶体生长方法。在蓝宝石晶体生长时，实现引晶和生长过程的自动化。

本发明解决技术问题所采取的技术方案是：

一种大尺寸蓝宝石晶体生长方法，工艺过程包括装料、热场组装、加热融化、引晶和生长、切离和降温，其特征在于，采用以重量变化率控制的功率调节系统，通过检测籽晶重量变化来控制加热系统输出功率，实现引晶和生长过程自动化。

所述的以重量变化率控制的功率调节系统，采用精度≤1g的称重系统并具有100W以下精确功率调节能力。

所述的引晶和生长过程依次包括如下步骤：

⑴ 在熔液温度稳定达到5小时以上，以1~5mm/min的速度下降籽晶，在籽晶碰触液面后，所述称重系统进行“置零”操作，然后每10~30min检测一次籽晶重量增加量，并按照特定算法控制加热系统输出功率以100~500W/h的变化率增加，直至籽晶重量不再增加；

⑵ 保持加热系统输出功率不变，由于热惯性的存在，熔液表面温度将缓慢增加，籽晶重量将缓慢下降，所述称重系统检测籽晶重量，直至籽晶重量从新回到“零”位；

⑶ 控制加热系统输出功率以100~500W/h的变化率减小，同时籽晶以1~5mm/h的速度下降，籽晶重量将缓慢下降，所述称重系统检测籽晶重量，直至籽晶重量由下降变为增加； 

⑷ 控制籽晶以1~5mm/h的速度提升，所述称重系统检测籽晶重量变化率，功率调节系统按照重量变化率调整加热系统输出功率，控制重量增加在30~50g/h，提升籽晶距离为30~50mm；

⑸ 控制籽晶以0.1~1mm/h的速度提升，所述称重系统检测籽晶重量变化率，功率调节系统按照重量变化率调整加热系统输出功率，控制重量以150~450g/mm增加，直到晶体重量达到预定目标。

本发明大尺寸蓝宝石晶体生长方法具体工艺过程依次如下：

Ⅰ 装料：将高纯度氧化铝原料放入真空环境中的钨、钼、铱坩埚中；

Ⅱ 热场组装：以钨金属电阻组成加热系统，并设置以重量变化率控制的功率调节系统；坩埚外采用钨钼薄板屏为保温系统；

Ⅲ 加热融化：加热系统对坩埚进行加热，经24h左右，坩埚内温度到2050℃以上，高纯氧化铝原料被融化为高温熔液；通过红外测温测试熔液表面温度，人工调整加热系统输出功率，控制熔液表面温度在2040℃~2060℃，并控制功率输出恒定以维持熔液表面温度；

Ⅳ 引晶和生长：在熔液温度稳定达到5h以上时，全系统进入自动运行；

⑴ 以1~5mm/min的速度下降籽晶，在籽晶碰触液面后，所述称重系统进行“置零”操作，然后每10~30分钟检测一次籽晶重量增加量，并按照特定算法控制加热系统输出功率以100~500W/h的变化率增加，直至籽晶重量不再增加；

⑵ 保持加热系统输出功率不变，由于热惯性的存在，熔液表面温度将缓慢增加，籽晶重量将缓慢下降，所述称重系统检测籽晶重量，直至籽晶重量从新回到“零”位；

⑶ 控制加热系统输出功率以100~500W/h的变化率减小，同时籽晶以1~5mm/h的速度下降，籽晶重量将缓慢下降，所述称重系统检测籽晶重量，直至籽晶重量由下降变为增加； 

⑷ 控制籽晶以1~5mm/h的速度提升，所述称重系统检测籽晶重量变化率，功率调节系统按照重量变化率调整加热系统输出功率，控制重量增加在30~50g/h，提升籽晶距离为30~50mm；