[发明专利]一种泡生法蓝宝石晶体生长的工艺机器人系统

说明书

技术领域

本发明涉及蓝宝石晶体（氧化铝单晶）生长技术领域，尤其是一种泡生法蓝宝石晶体生长的工艺机器人系统。

 

背景技术

蓝宝石晶体的组成为氧化铝(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。蓝宝石晶体具有高声速、耐高温、抗腐蚀、高硬度、高透光性、熔点高（2045℃）等特点，是一种用途相当广泛的光电材料。由于蓝宝石晶体的光学穿透带很宽，从近紫外光(190nm)到中红外线都具有很好的透光性，因此被大量用在光学元件、红外装置、高强度激光镜片材料及掩模材料上。蓝宝石的另一个重要用途是氮化镓外延（GaN）的衬底材料，因为蓝宝石（单晶Al₂O₃）C面Ⅲ-Ⅴ和Ⅱ-Ⅵ族沉积薄膜之间的晶格常数失配率小，同时符合GaN 外延工艺中耐高温的要求，使得蓝宝石晶片成为制作白/蓝/绿光LED的关键材料。但是用于光学及LED衬底的蓝宝石晶体其应力和缺陷要求极高，尽管半个多世纪以来陆续出现了提拉法、热交换法、布里奇曼法以及倒模法等蓝宝石生长技术，目前最成熟的生长大尺寸低应力无缺陷蓝宝石晶体的技术仍然还是泡生法或KY法。

泡生法生长蓝宝石的一般工艺是将一根受冷的籽晶与熔体接触，如果界面的温度低于凝固点，则籽晶开始生长，为了使晶体不断长大，就需要逐渐降低熔体的温度，同时旋转晶体，以改善熔体的温度分布。也可以缓慢的（或分阶段的）上提晶体，以扩大散热面。晶体在生长过程中或生长结束时不与坩埚壁接触，这就大大减少了晶体的应力。

因为泡生法生长蓝宝石的温度高达2100摄氏度，而温度梯度又较小，目前的测温方法都难以达到其要求。而判断熔体温度是引晶的基本要求，通过肉眼观察并经由大量的经验，可以对蓝宝石晶体过程进行判断，由此产生了基于肉眼判断的纯经验晶体生长方式。由于缺乏足够的由经验的晶体生长的工程师，泡生法的成品率以及产能都受到了严重的制约。本发明提供了一种可替代人工生长的泡生法蓝宝石工艺机器人系统，能根据生长情况随时对参数进行调整，并能自动判断晶体生长进程的质量。这将有效的提高目前泡生法生长蓝宝石晶体的成品率及产能。

 

发明内容

（一）要解决的技术问题

有鉴于此，本发明的主要目的在于提供一种泡生法蓝宝石晶体生长的工艺机器人系统，不仅可以实现自动引晶，还可以自动优化工艺参数，以达到大规模生产条件下的蓝宝石晶体自动引晶过程成功率的最大化。

 

（二）技术方案

为达到上述目的，本发明提供了一种泡生法蓝宝石晶体生长的工艺机器人系统，设置四个组成部分：工艺参数采集系统、工艺进程模拟系统、工艺可靠性分析系统及工艺参数改进系统。

所述的工艺参数采集系统是检测传感器的数据，形成反应晶体生长状态的工艺参数，所述的传感器包括检测晶体质量的重量传感器、检测晶体位置的位置传感器和检测冷却水温度的水温传感器。

所述的工艺进程模拟系统设置晶体生长理论所形成的长晶核心算法，所述的长晶核心算法根据所述的工艺参数采集系统获得的工艺参数再现晶体生长的状态。

所述的工艺可靠性分析系统是基于晶体生长的状态和工艺参数，判断整个工艺完成情况的系统。

所述的工艺参数改进系统则是基于所述的工艺可靠性分析系统的结果，对所述的工艺参数进行即时调整的程序。

 

（三）有益效果

从上述技术方案可以看出，本发明具有以下有益效果：

1、本发明提供的泡生法蓝宝石晶体生长的工艺机器人系统，集成了通过晶体生长理论及实验验证过的有效算法，因此可以基于获得的晶体生长参数对生长过程进行有效的模拟，解决泡生法晶体生长过程无法监测的问题，从而提高晶体的成品率。

2、本发明提供的泡生法蓝宝石晶体生长的工艺机器人系统，集成了晶体生长的可靠性判据，并且该判据会根据晶体生长的结果进行调整，使得系统具有了一定的学习能力，从而给予晶体生长过程更加准确的控制，从而不断优化晶体生长的质量。

附图说明

图1是蓝宝石晶体生长炉的示意图；

图2是工艺机器人系统的系统框图。

 

具体实施方式

为使本发明的目的、技术方案和优点更加清楚明白，以下结合具体实施例，并参照附图，对本发明进一步详细说明。