單晶長晶裝置及長晶方法
【專利摘要】本發(fā)明的目的在于提供一種單晶長晶裝置及長晶方法，對坩堝內(nèi)部溫度梯度更加準(zhǔn)確、主動(dòng)地控制，通過強(qiáng)化真空腔的結(jié)構(gòu)、防止其長期使用時(shí)發(fā)生變形，最大限度地降低單晶成長時(shí)的長度方向上的殘留應(yīng)力、防止出現(xiàn)裂縫或破裂，增大單晶成長直徑。為了達(dá)到上述目的，本發(fā)明的單晶長晶裝置包括可上下移動(dòng)地設(shè)置在腔體10內(nèi)部的坩堝30，設(shè)置在坩堝30側(cè)部的側(cè)部加熱器22，設(shè)置在坩堝30下部的下部加熱器24，貫穿腔體10和下部加熱器24到達(dá)坩堝30、可上下移動(dòng)地設(shè)置的冷卻棒40，驅(qū)動(dòng)冷卻棒40的驅(qū)動(dòng)單元50，對側(cè)部加熱器22和下部加熱器24各自加熱條件、冷卻棒40的上下運(yùn)動(dòng)條件分別進(jìn)行控制的配電設(shè)備。
【專利說明】單晶長晶裝置及長晶方法
【技術(shù)領(lǐng)域】
[0001]本發(fā)明涉及單晶長晶裝置及長晶方法，尤其涉及穩(wěn)定控制坩堝內(nèi)部溫度梯度，利用熱交換法培養(yǎng)藍(lán)寶石單晶成長時(shí)，讓其長度方向上的殘留應(yīng)力最小化，防止出現(xiàn)裂縫或破裂，讓單晶成長得更大，并提高單晶長度方向上的成長速度的單晶長晶裝置及長晶方法。
【背景技術(shù)】
[0002]隨著電子技術(shù)的日新月異，顯示器領(lǐng)域?qū)鈱W(xué)、物理性能優(yōu)秀的藍(lán)寶石單晶的需求急劇增長。以氧化鋁單晶為主成分的藍(lán)寶石單晶，其透光性和散熱性優(yōu)秀，是對這兩項(xiàng)指標(biāo)要求很高的背投電視或LCD模炔基板的核心素材，還作為藍(lán)色LED基板應(yīng)用廣泛。但藍(lán)寶石在晶體結(jié)構(gòu)上具有異相性，在長晶時(shí)容易發(fā)生裂紋，存在一些技術(shù)難關(guān)。為了得到大小和質(zhì)量滿足要求的藍(lán)寶石單晶，業(yè)界對各種長晶方法進(jìn)行不斷研究。
[0003]現(xiàn)有的長晶方法有焰熔法(Verneuil Method),布里奇曼法(Bridgman),定邊膜喂法(EFG ;Edge_Defined Film-Feed Growth)，喬克拉爾斯基法(Czochralski Method),熱交換法(HEM, Heat Exchange Method)。
[0004]焰熔法讓氧化鋁粉末經(jīng)過氧氣-氫氣火焰，使之熔化，把溶液滴到籽晶(Seed)上，并讓結(jié)晶旋轉(zhuǎn)下降，獲得結(jié)晶。這一方法可以讓結(jié)晶容易成長，其成本也很低廉，但結(jié)晶成長過程中所受熱沖擊非常高，容易發(fā)生裂紋，從質(zhì)量和大小方面只適合于手表玻璃和裝飾用途，很難他用。
[0005]喬克拉爾斯基法(Czochralski Method)具有可以自由調(diào)節(jié)直徑,長度長,生產(chǎn)效率高等優(yōu)點(diǎn)，但對于藍(lán)寶石單晶等脆弱的材料來說，長晶過程中的高溫度梯度、結(jié)晶旋轉(zhuǎn)上升時(shí)拉單晶機(jī)產(chǎn)生的震動(dòng)、芯部的應(yīng)力集中，直接限制單晶的直徑，其成長軸方向被限制。
`[0006]定邊膜喂法(EFG ;Edge_Defined Film-Feed Growth)與喬克拉爾斯基法類似,雖然可以有效地按所愿形狀長晶，但結(jié)晶的表面存在很多缺陷，結(jié)晶生產(chǎn)效率不高。而從原理層面，降低缺陷對于該工藝來說幾乎不可能。
[0007]熱交換法(HEM,Heat Exchange Method)在溫度均勻的高溫部下端部分、設(shè)置熱交換器、精密控制溫度。因此，在長晶的過程中溫度梯度非常穩(wěn)定，而且沒必要為了固化、移動(dòng)結(jié)晶本身。
[0008]因此，與其他制造方法相比，熱交換法是在直徑和質(zhì)量方面可以獲得最好效果的長晶方式。
[0009]圖1是適用熱交換法的藍(lán)寶石單晶長晶裝置概略示意圖。如圖1所示，適用熱交換法的藍(lán)寶石單晶長晶裝置100包括單晶長晶爐110及設(shè)置在其下方的熱交換器120。
[0010]這里，單晶長晶爐110包括具有可開閉的門的真空腔111，位于真空腔111內(nèi)側(cè)、底面放有籽晶(seed) 130的坩堝，位于真空腔111內(nèi)側(cè)、用于安裝坩堝112的絕緣材料護(hù)板113，結(jié)合在真空腔111下部、與護(hù)板113結(jié)合、上端與籽晶130相接、冷卻籽晶130的冷卻棒114及設(shè)置在坩堝112周圍的加熱器115。
[0011]在冷卻棒114的內(nèi)側(cè)，形成有可引入及排出氦氣(He)及冷卻水的管路。[0012]為了單晶長晶爐110的隔熱，還可以在真空腔111的內(nèi)側(cè)設(shè)置石墨氈(graphitefelt，圖略)等，還可以設(shè)置真空泵、使之與真空腔111結(jié)合、為真空腔形成真空氛圍。這里，也可以根據(jù)需要與真空腔111內(nèi)側(cè)連通地設(shè)置氣體注入閥，注入非活性氣體氬(Ar)、氮(N2)等，形成非活性氣體氛圍。
[0013]另外，所述熱交換器120可以包括向冷卻棒114內(nèi)側(cè)引入排出氦氣(He)及冷卻水、按一定溫度控制冷卻棒114溫度的熱交換回路。
[0014]這種長晶裝置可以控制加熱器115的發(fā)熱溫度以及通過向冷卻棒114內(nèi)側(cè)引入及排出氦氣He及冷卻水、控制冷卻棒114和與之相接的籽晶130冷卻溫度，形成一定的溫度梯度。即，藍(lán)寶石單晶由位于坩堝112內(nèi)部的熔融藍(lán)寶石原料通過反復(fù)收縮和膨脹成長，而成長的藍(lán)寶石單晶在C軸(長度方向上的軸)的平行及垂直方向上發(fā)生熱應(yīng)力(Thermalstress)。
[0015]從而藍(lán)寶石單晶成長越大，其固液界面(solid-liquid interface)的距離越遠(yuǎn)，不容易控制溫度梯度，容易發(fā)生由熱應(yīng)力引發(fā)的裂縫(crack)或破裂，藍(lán)寶石成長大小存在限制。
[0016]另外，只通過加熱器115和籽晶130形成藍(lán)寶石熔融液的溫度梯度，單晶越向上成長、固液界面越遠(yuǎn)離籽晶，很難控制單晶長度的平行及垂直方向上的溫度梯度，致使容易發(fā)生裂縫及破裂，還會(huì)降低單晶的成長速度。
[0017]現(xiàn)有技術(shù)中，通過加熱器115加熱坩堝112的同時(shí)，利用護(hù)板113控制坩堝112的溫度梯度的方式，在溫度梯度控制方面存在局限性，致使單晶成長過程中容易發(fā)生裂縫或破裂。而且，隨著反復(fù)進(jìn)行藍(lán)寶石單晶成長流程，與單晶長晶爐110的高溫環(huán)境相隨的熱遲滯(Thermal Hysteresis)現(xiàn)象導(dǎo)致真空腔111的變形，而這種變形引發(fā)無法按一定溫度維持長晶爐110內(nèi)部溫度的問題，為了提供藍(lán)寶石單晶成長所需最佳溫度、每一循環(huán)做不同的控制，很難維持產(chǎn)品的質(zhì)量穩(wěn)定性。

【發(fā)明內(nèi)容】

`[0018]本發(fā)明是鑒于如上所述現(xiàn)有技術(shù)的問題而提出的，其目的在于提供一種單晶長晶裝置及長晶方法，對坩堝內(nèi)部溫度梯度更加準(zhǔn)確、主動(dòng)地控制，通過強(qiáng)化真空腔的結(jié)構(gòu)、防止其長期使用時(shí)發(fā)生變形，最大限度地降低單晶成長時(shí)的長度方向上的殘留應(yīng)力、防止出現(xiàn)裂縫或破裂，增大單晶成長直徑。
[0019]本發(fā)明的另一目的在于對坩堝內(nèi)部溫度梯度穩(wěn)定地進(jìn)行控制并讓坩堝具有最佳形狀，以此讓單晶成長時(shí)的熱應(yīng)力最小化、提高長度方向上的成長速度，通過固液界面的平坦化提聞單晶收率。
[0020]本發(fā)明的另一目的在于通過加強(qiáng)單晶長晶爐的下部護(hù)板的結(jié)構(gòu)，防止由與生產(chǎn)流程的長期反復(fù)相隨的熱遲滯引起的長晶爐變形，提高藍(lán)寶石單晶的質(zhì)量，并提高其質(zhì)量穩(wěn)定性。
[0021]為了達(dá)到如上所述的目的，本發(fā)明的單晶長晶裝置，其特征在于:包括真空或非活性氛圍腔體；位于腔體內(nèi)部，為了培養(yǎng)籽晶成長可按上下移動(dòng)地設(shè)置的坩堝；相對于坩堝側(cè)面整個(gè)周圍、固定地設(shè)置的側(cè)部加熱器；相對于坩堝下部、固定地設(shè)置的下部加熱器；依次貫穿腔體和下部加熱器到達(dá)坩堝，可上下移動(dòng)地設(shè)置的冷卻棒。[0022]所述腔體包括上部護(hù)板，下部護(hù)板及一體地結(jié)合在上部護(hù)板和下部護(hù)板之間的圓筒狀側(cè)部護(hù)板；內(nèi)部裝放有坩堝，側(cè)部加熱器及下部加熱器；所述下部護(hù)板具有從下面向外一體地突出形成，可防止由高溫?zé)徇t滯引發(fā)的變形的形狀維持用支撐條。
[0023]本發(fā)明單晶長晶裝置還包括驅(qū)動(dòng)冷卻棒，讓坩堝按上下方向做往返運(yùn)動(dòng)的驅(qū)動(dòng)單元；對側(cè)部加熱器和下部加熱器各自的加熱條件，被驅(qū)動(dòng)單元上下移動(dòng)的冷卻棒上下方向運(yùn)動(dòng)條件進(jìn)行控制的配件設(shè)備。[0024]所述冷卻棒在內(nèi)部具有可讓熱交換媒介循環(huán)的通路，向腔體下部突出地設(shè)置；所述坩堝的中央部位形成有用于裝放所述冷卻棒的上部，向下突出、具有結(jié)合凹槽的結(jié)合部。
[0025]所述坩堝的底面與內(nèi)側(cè)壁面形成鈍角。所述坩堝的下面與結(jié)合部相接的內(nèi)側(cè)部分形成曲面。
[0026]本發(fā)明單晶長晶方法，以單晶長晶爐及結(jié)合在其下部的熱交換器，通過熱交換法培養(yǎng)藍(lán)寶石單晶成長，其特征在于:包括在位于單晶長晶爐內(nèi)的腔體內(nèi)，通過下部護(hù)板把坩堝的結(jié)合部結(jié)合在冷卻棒的上部，把籽晶安放在坩堝下面后，把藍(lán)寶石原料投放到坩堝內(nèi)部的準(zhǔn)備階段；讓設(shè)置在腔體內(nèi)坩堝側(cè)部整個(gè)周圍的側(cè)部加熱器與設(shè)置在坩堝下部的下部加熱器進(jìn)行加熱，熔融藍(lán)寶石原料的同時(shí)，通過冷卻棒與熔融的藍(lán)寶石原料進(jìn)行熱交換，并讓坩堝與冷卻棒上下往返運(yùn)動(dòng)，以熔融的藍(lán)寶石原料培養(yǎng)藍(lán)寶石單晶成長的長晶階段。
[0027]所述長晶階段包括在單晶長晶過程中進(jìn)行的對側(cè)部加熱器和下部加熱器的個(gè)別加熱條件進(jìn)行控制的階段及對以驅(qū)動(dòng)單元讓冷卻棒上下運(yùn)動(dòng)的運(yùn)動(dòng)條件進(jìn)行控制的階段。
[0028]本發(fā)明的有益效果是在培養(yǎng)藍(lán)寶石單晶成長時(shí)可讓長度方向上的殘留應(yīng)力最小化，通過此可防止單晶發(fā)生裂縫或破裂，可得到直徑更大的單晶。因?yàn)楸景l(fā)明在長晶爐內(nèi)部以側(cè)部加熱器和下部加熱器同時(shí)向坩堝提供熱源，同時(shí)讓冷卻棒與坩堝上下移動(dòng)，可以更穩(wěn)定地控制坩堝內(nèi)部的溫度梯度。
[0029]另外，本發(fā)明通過加強(qiáng)腔體的結(jié)構(gòu)，可以防止由長期反復(fù)進(jìn)行藍(lán)寶石長晶生產(chǎn)流程帶來的與高溫環(huán)境相隨的熱遲滯引發(fā)腔體的變形，可以最大限度地降低坩堝內(nèi)部溫度梯度變化，可以進(jìn)一步提聞單晶長晶速度。
[0030]與現(xiàn)有技術(shù)的以絕緣護(hù)板通過絕緣方式對溫度進(jìn)行被動(dòng)控制的情況相比，本發(fā)明利用側(cè)部加熱器和另一向坩堝提供熱源的下部加熱器，對溫度條件可以更加定量、主動(dòng)地控制，而且利用配電設(shè)備對側(cè)部加熱器和下部加熱器分別進(jìn)行超精密控制，可以得到質(zhì)量更好的產(chǎn)品。
[0031]本發(fā)明通過坩堝形狀的最佳化，最大限度地減小單晶成長時(shí)的熱應(yīng)力，可以提高長晶速度的同時(shí)形成穩(wěn)定、平坦化的固液界面，不僅可以提供優(yōu)秀質(zhì)量的藍(lán)寶石單晶，還可以通過固液界面的平坦化，大大提高單晶的收率。
【專利附圖】

【附圖說明】
[0032]圖1為適用普通熱交換法的藍(lán)寶石單晶長晶裝置概略示意圖。
[0033]圖2為圖1的坩堝詳細(xì)示意圖。
[0034]圖3為本發(fā)明實(shí)施例的單晶長晶裝置主要結(jié)構(gòu)示意圖。
[0035]圖4為圖3的單晶長晶爐結(jié)構(gòu)狀態(tài)剖面示意圖。
[0036]圖5為圖4的下部護(hù)板正面示意圖及下面示意圖。[0037]圖6為圖4的坩堝冷卻棒分解示意圖。
[0038]圖7為現(xiàn)有技術(shù)的藍(lán)寶石單晶長晶時(shí)的溫度分布示意圖。
[0039]圖8為本發(fā)明藍(lán)寶石單晶長晶時(shí)的溫度分布示意圖。
[0040]*符號說明*
[0041]1:單晶長晶爐 3:主框架
[0042]5:電源設(shè)備7:配電設(shè)備
[0043]10:腔體12:上部護(hù)板
[0044]14:下部護(hù)板 14a:支撐條
[0045]14b:貫穿孔16:側(cè)部護(hù)板
[0046]20:加熱器22:側(cè)部加熱器
[0047]24:下部加熱器 24a:裝放孔
[0048]30:坩堝32:底面
[0049]34:結(jié)合部34a:結(jié)合凹槽
[0050]36:內(nèi)側(cè)壁面 38:曲面
[0051]40:冷卻棒42:主體部
[0052]44:頭部
【具體實(shí)施方式】
[0053]在此，參照附圖，對本發(fā)明的實(shí)施例進(jìn)行詳細(xì)說明。
[0054]如圖3所示，本發(fā)明實(shí)施例的單晶長晶裝置包括培養(yǎng)藍(lán)寶石單晶成長的單晶長晶爐I ;安裝單晶長晶爐1，具有為單晶的成長提供必要熱交換功能的熱交換器等的主框架3 ;為單晶長晶路I提供電源，使之為單晶的成長形成適當(dāng)?shù)母邷胤諊碾娫丛O(shè)備5;具有控制面板和顯示器的配電設(shè)備7。上述控制面板分別適當(dāng)控制上述主框架3和電源設(shè)備5的動(dòng)作、讓單晶長晶路I內(nèi)部溫度梯度處于適合于單晶成長條件的狀態(tài)，上述顯示器把目前的進(jìn)行狀況等各種信息向外顯示。
[0055]位于所述主框架3的熱交換器是適用普通熱交換法的單晶長晶裝置的熱交換器。該熱交換器可以在設(shè)置于單晶長晶爐I的冷卻棒(圖4所示)內(nèi)部，形成可讓氦氣(He)或冷卻水等熱交換媒體流入及流出、進(jìn)行循環(huán)的熱交換回路，也可以單獨(dú)使用深冷器(Chiller)等其他冷卻裝置，進(jìn)一步提高冷媒的冷卻效果，并讓溫度調(diào)節(jié)更加容易，增加所生產(chǎn)的藍(lán)寶石晶錠長度。
[0056]如圖4所示，所述單晶長晶爐I包括腔體10，加熱器20，坩堝30，冷卻棒40及驅(qū)動(dòng)單元50。
[0057]所述腔體10包括上部護(hù)板12、下部護(hù)板14、與上部護(hù)板12及下部護(hù)板14 一體地結(jié)合的圓筒狀側(cè)部護(hù)板16，把加熱器20和坩堝30裝放在內(nèi)部。該腔體10具有可開閉的門(圖略)，還具有注入氬氣(Ar)或氮?dú)?N2)等非活性氣體的注入管、閥門及泵等相關(guān)設(shè)備(圖略)，可在內(nèi)部空間形成真空氛圍或非活性氛圍。該腔體10在內(nèi)部設(shè)有隔熱部件(圖略)，形成與外部的熱絕緣狀態(tài)。
[0058]如圖5所示，在下部護(hù)板14的下面，向外一體地突出形成有形狀維持用支撐條14a,防止由高溫?zé)徇t滯(Thermal Hysteresis)引發(fā)部件的變形。該形狀維持用支撐條14a是一種防變形突起。即，該支撐條14a抑制與反復(fù)進(jìn)行藍(lán)寶石單晶長晶生產(chǎn)流程的過程相伴的長晶爐的變形。由于防止長晶爐的變形，因此可以讓腔體10內(nèi)部溫度分布特性維持原狀，可讓所生產(chǎn)的單晶質(zhì)量穩(wěn)定。在下部護(hù)板14的中央部位，形成有設(shè)置冷卻棒40所需貫穿孔14b。
[0059]所述形狀維持用支撐條14a的數(shù)量至少是一個(gè)，形成在下部護(hù)板14下面的相向部位。該形狀維持用支撐條14a以條形形狀長長地形成在下部護(hù)板14的下面。該形狀維持用支撐條14a以與下部護(hù)板14外周面切線方向平行的方向延伸形成。該形狀維持用支撐條14a的自由端部分別與相鄰的其他形狀維持用支撐條14a自由端部相隔開。即，該形狀維持用支撐條14a的數(shù)量為至少一個(gè)以上，以與外周面切線方向平行的方向，以條形形狀長長地延伸，各自的自由端部與相鄰另一支撐條的自由端部相隔一定間距。 [0060]如圖4所示，所述加熱器20按配電設(shè)備7的控制從電源設(shè)備5接通電源，對坩堝30進(jìn)行加熱。該加熱器20設(shè)置在坩堝30周圍。本發(fā)明的實(shí)施例中，加熱器20由位于腔體10內(nèi)、以固定方式設(shè)置在坩堝30側(cè)部整個(gè)周圍的側(cè)部加熱器22，位于腔體10內(nèi)、以固定方式設(shè)置在坩堝30下部的下部加熱器24構(gòu)成。
[0061]這一情況下，側(cè)部加熱器22和下部加熱器24的溫度調(diào)節(jié)可以由配電設(shè)備7分別獨(dú)立地進(jìn)行。由于側(cè)部加熱器22和下部加熱器24被配電設(shè)備7分別獨(dú)立地控制，可以為單晶成長過程提供高精密溫度控制，可大幅提高單晶成長速度。
[0062]與通過起絕緣體作用的護(hù)板、被動(dòng)地對設(shè)置在坩堝30下部的下部加熱器24進(jìn)行溫度調(diào)節(jié)的現(xiàn)有技術(shù)相比，本發(fā)明通過配電設(shè)備7主動(dòng)地進(jìn)行溫度調(diào)節(jié)，可以提供更好的藍(lán)寶石單晶環(huán)境。即，與現(xiàn)有技術(shù)相比，本發(fā)明對單晶成長過程中的坩堝溫度調(diào)節(jié)更加準(zhǔn)確，而這種功能對單晶的成長速度的增加貢獻(xiàn)很大。
[0063]如圖6所示，坩堝30用鑰、鎢、銥等材料制作，設(shè)置在腔體10內(nèi)，具有底部密閉結(jié)構(gòu)，可在內(nèi)部裝放單晶原料——藍(lán)寶石顆粒。該坩堝30在底面32中央部位向下突出地形成可插入到下部加熱器24的結(jié)合部34。
[0064]在該結(jié)合部34的內(nèi)側(cè)，形成有可放入冷卻棒40的結(jié)合凹槽34a。在與該結(jié)合凹槽34a相向的坩堝30底面32上，防止籽晶A。冷卻棒40通過結(jié)合凹槽34a插入到坩堝30的結(jié)合部34，隔著底面32，與籽晶A的底面部位結(jié)合。
[0065]這里，結(jié)合部34的外徑遠(yuǎn)小于形成在下部加熱器24中央部位的裝放孔24a的直徑，坩堝30在冷卻棒40的驅(qū)動(dòng)作用下按上下方向移動(dòng)時(shí)、結(jié)合部34與裝放孔24a不會(huì)發(fā)生任何沖突,并可以最大限度地減少由下部加熱器24傳達(dá)到冷卻棒40的熱量。
[0066]而坩堝30的底面32與內(nèi)側(cè)壁面36之間形成鈍角為宜，其角度范圍為90°~135°，更好是90°~120°，最好是95°~115°。即，如果假設(shè)坩堝30的內(nèi)側(cè)壁面36為垂直狀態(tài)，則底面32相對于水平面a向下傾斜，其傾斜角(Θ )為0°~45°，更好是0°~30°，最好是5°~25°。
[0067]以這種結(jié)構(gòu)讓底面32與內(nèi)側(cè)壁面36之間形成鈍角時(shí)，坩堝30具有最佳形狀，可最大限度地減小藍(lán)寶石單晶成長時(shí)殘留于底面32與內(nèi)側(cè)壁面36相接部位的熱應(yīng)力，可以防止單晶外部輪廓領(lǐng)域發(fā)生裂縫或破裂。
[0068]由于可以防止藍(lán)寶石單晶外部輪廓領(lǐng)域的裂縫或破裂，可以增加藍(lán)寶石單晶的大小。具體地，培養(yǎng)6英寸~12英寸大尺寸藍(lán)寶石單晶時(shí)，也最大限度地降低因單晶殘留應(yīng)力，防止出現(xiàn)裂縫或破裂，與現(xiàn)有技術(shù)相比，可大大提高產(chǎn)品收率。
[0069]另外，在底面32與結(jié)合部34相接的內(nèi)側(cè)部分，形成有具彎曲形狀的曲面38。該曲面38的曲率半徑為5mm至50mm為宜。即，藍(lán)寶石單晶成長時(shí)，如坩堝30內(nèi)部的溫度梯度(溫度分布)過大，則熱應(yīng)力也會(huì)很大，從而發(fā)生轉(zhuǎn)位(Dislocation)。因此通過降低最初從與籽晶A相鄰的領(lǐng)域成長的單晶熱應(yīng)力，可以提高藍(lán)寶石單晶的質(zhì)量。
[0070]從而，本發(fā)明通過在底面32與結(jié)合部34相接的內(nèi)側(cè)部位形成曲面38，讓坩堝具有最佳形狀，可以獲得最小的溫度梯度，最大限度地降低熱應(yīng)力，可以生產(chǎn)高質(zhì)量單晶。
[0071]如圖4、圖6所示，所述冷卻棒40用鎢等材料制造。在該冷卻棒40的內(nèi)部形成有可讓從熱交換器流入及流出的氦氣或冷卻水等冷媒循環(huán)的通路，并向腔體10下部突出。
[0072]所述冷卻棒40可分為主體部42和頭部44。該主體部42的外徑遠(yuǎn)小于形成在下部加熱器24的裝放孔24a的直徑。從而，冷卻棒40被驅(qū)動(dòng)單元50驅(qū)動(dòng)、進(jìn)行上下移動(dòng)時(shí)，不會(huì)與下部加熱器24的裝放孔24a發(fā)生任何沖突，可以最大限度地降低由下部加熱器24傳達(dá)到冷卻棒40的熱量。
[0073]另外，所述頭部44插入在坩堝30的結(jié)合凹槽34a。為此，頭部44的直徑稍微小于主體部42的直徑。即，設(shè)置坩堝30時(shí)，冷卻棒40的頭部44插入到結(jié)合凹槽34a，安裝坩堝30的底面32后，在藍(lán)寶石單晶成長時(shí)，由于加熱器20的加熱，結(jié)合部34與頭部44 一體地結(jié)合。通過此，冷卻棒40上下往返運(yùn)動(dòng)時(shí)，坩堝30也與之一起聯(lián)動(dòng)，按上下方向進(jìn)行往返運(yùn)動(dòng)。
[0074]所述驅(qū)動(dòng)單元50可以是步進(jìn)電機(jī)(Stepping Motor)或DC (直流)電機(jī)等各種驅(qū)動(dòng)裝置。該驅(qū)動(dòng)單元50結(jié)合在冷卻棒40的主體部42，在配電設(shè)備7的控制下，讓冷卻棒40按上下方向進(jìn)行往返運(yùn)動(dòng)。這里，對冷卻棒40事先設(shè)定某一基準(zhǔn)位置時(shí)，向上在IlOmm范圍內(nèi)驅(qū)動(dòng)為宜。冷卻棒40上·下方向上的運(yùn)動(dòng)周期可根據(jù)與坩堝30內(nèi)的熔融液M的凝固程度相關(guān)的藍(lán)寶石單晶固液界面S適當(dāng)調(diào)節(jié)。
[0075]如上所述，冷卻棒40在驅(qū)動(dòng)單元50的作用下，在設(shè)定的驅(qū)動(dòng)范圍內(nèi)，按一定周期進(jìn)行上下運(yùn)動(dòng)，讓坩堝30內(nèi)部的藍(lán)寶石原料熔融液M按垂直方向流動(dòng)，可提高單晶的成長速度。另外，由于坩堝30按上下方向運(yùn)動(dòng)，可以更加容易地控制垂直方向上的溫度梯度，可生產(chǎn)出質(zhì)量更加穩(wěn)定的藍(lán)寶石單晶。
[0076]總之，通過加熱器20的加熱以及對籽晶A的冷卻控制、坩堝30與冷卻棒40的上下運(yùn)動(dòng)，可以對坩堝30內(nèi)的藍(lán)寶石單晶熔融液M溫度梯度更加準(zhǔn)確、主動(dòng)地進(jìn)行控制，與現(xiàn)有技術(shù)中只依靠加熱器20和對籽晶A的冷卻對溫度梯度進(jìn)行控制的情況相比，可以得到質(zhì)量更穩(wěn)定的產(chǎn)品，并讓單晶成長速度更快、可以顯著提高生產(chǎn)效率。
[0077]本發(fā)明對環(huán)抱坩堝30周圍的側(cè)部加熱器22和位于坩堝30下部的下部加熱器24分別進(jìn)行溫度控制，并通過驅(qū)動(dòng)單元50讓坩堝30與冷卻棒40上下移動(dòng)，讓坩堝30內(nèi)的溫度梯度更小，進(jìn)行更加穩(wěn)定的溫度控制，通過此讓發(fā)生在藍(lán)寶石單晶水平方向上的殘留應(yīng)力最小化，防止其發(fā)生裂縫或破裂，可以大幅提高單晶的生產(chǎn)直徑。
[0078]本發(fā)明不僅對加熱器20進(jìn)行溫度控制，還通過一體地形成在下部護(hù)板14的形狀維持用支撐條14a，加強(qiáng)腔體10的結(jié)構(gòu)、防止其發(fā)生變形，防止由于反復(fù)進(jìn)行生產(chǎn)工序、高溫(約2040°C)下的熱遲滯引發(fā)的長晶爐彎曲等變形，通過此可以提高藍(lán)寶石單晶質(zhì)量以及質(zhì)量穩(wěn)定性。[0079]即，長期反復(fù)生產(chǎn)時(shí)所述腔體10由于高溫?zé)徇t滯現(xiàn)象會(huì)出現(xiàn)變形，因此不能按一定值維持內(nèi)部溫度。結(jié)果，藍(lán)寶石成長所需的最佳溫度控制數(shù)據(jù)在每回生產(chǎn)周期都會(huì)有所不同，導(dǎo)致出現(xiàn)裂縫或破裂等問題，給質(zhì)量帶來惡劣影響。本發(fā)明通過一體地形成在下部護(hù)板14的支撐條14a，加強(qiáng)結(jié)構(gòu)，解決了這一問題。
[0080]下面，對利用本發(fā)明實(shí)施例的單晶長晶裝置，培養(yǎng)單晶成長的長晶方法進(jìn)行說明。
[0081]圖4為圖3的單晶長晶爐結(jié)構(gòu)狀態(tài)剖面示意圖。圖6為圖4的坩堝冷卻棒分解示意圖。如圖所示，在單晶長晶爐I內(nèi)的腔體10內(nèi)，分別設(shè)置加熱器20和坩堝30。從腔體10的下部，讓冷卻棒40依次貫穿腔體10的下部護(hù)板14和下部加熱器24，結(jié)合在坩堝30下部。這里，假設(shè)事先設(shè)置好流入、流出冷卻棒40內(nèi)部的氦氣或冷卻水壓力，加熱器20的發(fā)熱溫度，驅(qū)動(dòng)單元50的上下方向上的驅(qū)動(dòng)范圍及周期等。
[0082]首先，讓從坩堝30底面32向下突出的結(jié)合部34結(jié)合凹槽34a與冷卻棒40的頭部44結(jié)合。在坩堝30的底面32、安放籽晶A，讓籽晶A隔著底面32與頭部44的上端部結(jié)合。之后在坩堝30內(nèi)部作為藍(lán)寶石原料裝放藍(lán)寶石碎屑。
[0083]接下來，關(guān)閉腔體10的開閉門，向內(nèi)部注入氬氣，形成非活性氛圍。之后，在配電設(shè)備7的控制下，讓加熱器20加熱，讓坩堝30內(nèi)的藍(lán)寶石碎屑熔化。這時(shí)通過與冷卻棒40相結(jié)合的籽晶A，熔融狀態(tài)的藍(lán)寶石碎屑會(huì)成長為單晶。
[0084]這時(shí)，在驅(qū)動(dòng)單元50的作用下，冷卻棒40按已設(shè)定的周期，以上下方向進(jìn)行往返運(yùn)動(dòng)。隨之坩堝30也與之聯(lián)動(dòng)，按上下方向進(jìn)行往返運(yùn)動(dòng)，使熔融狀態(tài)的藍(lán)寶石碎屑也按垂直方向流動(dòng)。在這一過程中，可以通過控制加熱器20的發(fā)熱量，在坩堝30內(nèi)部形成讓藍(lán)寶石碎屑熔化的一定溫度 梯度。
[0085]從而，在加熱器20的發(fā)熱作用，冷卻棒40對籽晶A的冷卻作用、通過冷卻棒40與坩堝30往返運(yùn)動(dòng)進(jìn)行的穩(wěn)定溫度梯度控制作用下，熔融的藍(lán)寶石單晶在熱應(yīng)力最小的狀態(tài)下按長度方向成長。
[0086]總之，完全成長的藍(lán)寶石單晶由于殘留應(yīng)力大幅減小，很少會(huì)發(fā)生裂縫或破裂，其質(zhì)量穩(wěn)定性大幅提高，特別是可以成長到6英寸~12英寸大尺寸狀態(tài)。另外，通過對坩堝30內(nèi)部的溫度梯度穩(wěn)定地進(jìn)行控制，可以大幅提高藍(lán)寶石單晶長度方向上的成長速度。與此同時(shí)，讓與之一起成長的單晶固液界面S更加平坦化，可以大幅提高晶釘?shù)氖章省?br> [0087]圖7和圖8的左側(cè)圖為藍(lán)寶石單晶的橫剖面示意圖，右側(cè)圖相當(dāng)于藍(lán)寶石單晶頂面示意圖。如圖所示，圖8的溫度分布與圖7相比更加均勻，可以看出與現(xiàn)有技術(shù)相比，本發(fā)明中熱傳導(dǎo)引發(fā)的固液界面在坩堝內(nèi)部形成得更加均勻。
[0088]上面，參照附圖對本發(fā)明的最佳實(shí)施例進(jìn)行了詳細(xì)說明。但本發(fā)明不受限于上面的實(shí)施例，對于具有本行業(yè)所述基本知識的人員來講，可以在本發(fā)明的權(quán)利要求范圍內(nèi)進(jìn)行很多修改或變更。
【權(quán)利要求】
1.一種單晶長晶裝置，其特征在于:包括真空或非活性氛圍腔體10 ;位于腔體10內(nèi)部，為了培養(yǎng)籽晶A成長可按上下移動(dòng)地設(shè)置的坩堝30 ;相對于坩堝30側(cè)面整個(gè)周圍、固定地設(shè)置的側(cè)部加熱器22 ;相對于坩堝30下部、固定地設(shè)置的下部加熱器24 ;依次貫穿腔體10和下部加熱器24到達(dá)坩堝30，可上下移動(dòng)地設(shè)置的冷卻棒40。
2.根據(jù)權(quán)利要求1所述的單晶長晶裝置，其特征在于: 所述腔體10包括上部護(hù)板12，下部護(hù)板14及一體地結(jié)合在上部護(hù)板12和下部護(hù)板之間的圓筒狀側(cè)部護(hù)板16，內(nèi)部裝放有坩堝，側(cè)部加熱器22及下部加熱器24 ;所述下部護(hù)板14具有從下面向外一體地突出形成，可防止由高溫?zé)徇t滯引發(fā)的變形的形狀維持用支撐條14a。
3.根據(jù)權(quán)利要求2所述的單晶長晶裝置，其特征在于: 所述形狀維持用支撐條14a的數(shù)量至少是一個(gè)以上，位于下部護(hù)板14下面的相向的部 位。
4.根據(jù)權(quán)利要求3所述的單晶長晶裝置，其特征在于: 所述形狀維持用支撐條14a以長條形狀長長地形成在下部護(hù)板14的下面。
5.根據(jù)權(quán)利要求3所述的單晶長晶裝置，其特征在于: 所述形狀維持用支撐條14a以與下部護(hù)板14外周面切線方向平行的方向延伸形成。
6.根據(jù)權(quán)利要求3至5的任意一項(xiàng)所述的單晶長晶裝置，其特征在于: 所述形狀維持用支撐條14a的自由端部分別與相鄰的其他形狀維持用支撐條14a自由端部相隔開。
7.根據(jù)權(quán)利要求1至5的任意一項(xiàng)所述的單晶長晶裝置，其特征在于: 還包括驅(qū)動(dòng)冷卻棒40，讓坩堝30按上下方向做往返運(yùn)動(dòng)的驅(qū)動(dòng)單元50 ;對側(cè)部加熱器22和下部加熱器24各自的加熱條件，被驅(qū)動(dòng)單元50上下移動(dòng)的冷卻棒40上下方向運(yùn)動(dòng)條件進(jìn)行控制的配電設(shè)備7。
8.根據(jù)權(quán)利要求1所述的單晶長晶裝置，其特征在于: 所述冷卻棒40在內(nèi)部具有可讓熱交換媒介循環(huán)的通路，向腔體10下部突出地設(shè)置；所述坩堝30的中央部位形成有用于裝放所述冷卻棒40的上部，向下突出、具有結(jié)合凹槽34a的結(jié)合部34。
9.根據(jù)權(quán)利要求8所述的單晶長晶裝置，其特征在于: 所述坩堝30的底面32與內(nèi)側(cè)壁面36形成鈍角。
10.根據(jù)權(quán)利要求9所述的單晶長晶裝置，其特征在于: 所述底面32與所述內(nèi)側(cè)壁面36形成的角度為90°至135°。
11.根據(jù)權(quán)利要求9所述的單晶長晶裝置，其特征在于: 所述坩堝30的底面32與結(jié)合部34相接的內(nèi)側(cè)部分形成曲面38。
12.根據(jù)權(quán)利要求11所述的單晶長晶裝置，其特征在于: 所述曲面38的曲率半徑為5mm至50mm。
13.一種單晶長晶方法，以單晶長晶爐I及結(jié)合在其下部的熱交換器，通過熱交換法培養(yǎng)藍(lán)寶石單晶成長，其特征在于:包括 在位于單晶長晶爐I內(nèi)的腔體10內(nèi)，通過下部護(hù)板14把坩堝30的結(jié)合部34結(jié)合在冷卻棒40的上部，把籽晶A安放在坩堝30底面32后，把藍(lán)寶石原料投放到坩堝30內(nèi)部的準(zhǔn)備階段； 讓設(shè)置在腔體10內(nèi)坩堝30側(cè)部整個(gè)周圍的側(cè)部加熱器22與設(shè)置在坩堝30下部的下部加熱器24進(jìn)行加熱，熔融藍(lán)寶石原料的同時(shí)，通過冷卻棒40與熔融的藍(lán)寶石原料進(jìn)行熱交換，并讓坩堝20與冷卻棒40上下往返運(yùn)動(dòng)，以熔融的藍(lán)寶石原料培養(yǎng)藍(lán)寶石單晶成長的長晶階段。
14.根據(jù)權(quán)利要求13所述的單晶長晶方法，其特征在于: 所述長晶階段包括在單晶長晶過程中進(jìn)行的對側(cè)部加熱器22和下部加熱器24的個(gè)別加熱條件進(jìn)行控制的階段及對以驅(qū)動(dòng)單元50讓冷卻棒40上下運(yùn)動(dòng)的運(yùn)動(dòng)條件進(jìn)行控制的 階段。
【文檔編號】C30B29/20GK103710741SQ201210482584
【公開日】2014年4月9日 申請日期:2012年11月23日 優(yōu)先權(quán)日:2012年10月5日
【發(fā)明者】樸鐘仁, 李鐘贊, 金玹洙, 洪榮坤 申請人:Biam 株式會(huì)社