多重蓝宝石单晶生长装置及生长方法与流程

本发明涉及到多重蓝宝石单晶生长装置及生长方法，具体涉及一种制作优质蓝宝石单晶的生长装置及利用此装置的蓝宝石单晶生长方法。

背景技术：

最近，随着led产业的不断创新，在全球范围内带来了照明和显示器产业重组。以gan半导体材料为基础的led，因其具有用其它材料半导体无法实现的高能隙，不仅能够显示出青色和紫色色域，也可实现高亮度，因此在高能设备上得以有效应用。因此现代led产业中几乎大部分都采用gan半导体用于生长薄膜状gan半导体的基板，原则上需要采用gan单晶。但是gan单晶的生长条件非常苛刻，难于实现大型单晶的生长，其经济性也不高，因此到目前为止仅局限于在特定用途中进行实用化的阶段中。

最近的产业技术在蓝宝石晶片上生长薄膜状gan单晶的方式制造蓝色led后，将此进行实用化、高效化方面取得了成功。因此目前为制造全色域高亮度led，普遍采用在蓝宝石(al2o3)单晶圆上生长gan薄膜的方式。另外，在批量生产的基础上，以采用更加经济实惠的led照明器具的方式实现了价格优势，从而在几乎所有的照明上均可适用led，对此的需求也在不断增加中。

以往的蓝宝石单晶生长技术有：韦尔讷伊单晶培育法、水热法、切克劳斯基法、换热法、基罗波洛斯法、efg法等较多。但如想迎合最新led产业步骤，满足不断增加的市场需求，实现低价和量产，必须对结晶生长方法进行改善。

能够批量生产用于led产业的高质量大型蓝宝石的方法有切克劳斯基法、换热法和基罗波洛斯法等(分别参考图1a-1c，在a向生长后，再获得具有a面的有效晶体，其最大使用率分别为30％、32-34％及70％)。在以往的蓝宝石生长法中，为实现批量生产和提高产能，必须对结晶进行大型化。为生长大型结晶，不可避免地拉长结晶的生长和冷却时间。因此如想实现结晶的大型化，其产能很难满足所需速度，更是为保证结晶质量，需要进行更多的高难度技术开发等，存在不少困难。

为克服上述问题，以提高蓝宝石结晶生长产能，可以生长四角形结晶后，大量提高对此的利用率。为了进一步地提高产能，不应对已经相当规模地实现大型化的结晶尺寸进行一步地大型化，而是将多个晶体同时生长的方法是不可或缺的。

大韩民国注册专利第10-1136143号中，使用长坩埚，并改造暖炉的宽度和厚度，以获得必要的水平方向和垂直方向的温度梯度，但如使用长条状大型籽晶时，存在根据其籽晶长度难于保持温度均匀的问题。特别是，如坩埚长度过长时，更是包括坩埚两端和中间部分温度在内，不仅难于保持水平方向的温度均匀，而且在2000℃以上温度下根据保温材料的使用次数或使用年限随之发生变化，因此即使调整暖炉的宽度和厚度使其更加均匀，但随着使用次数和使用年限的增加，其温度也会随之发生变化。如水平方向的温度不均匀，特别是当使用长条状籽晶时，位于长度方向坩埚底部中间的籽晶将被融化，或出现装入原料无法熔融等现象。如发生这种现象，不仅很难生长单晶，而且即使籽晶没有完全被融化，其外观未能均匀融化，导致生长后的结晶质量下降等问题。

为解决上述问题，在大韩民国注册专利第10-1229984号中，提供了一种为保持生长时的内部水平方向温度均匀，在坩埚外部布置多重分体发热体后，以各自单独运行为特点的蓝宝石单晶生长装置。当采用多重分体暖炉和独立温度调节系统时，对各自部位设置温度可以一定程度上加以控制。但是因为各自温度传感器存在测定误差，很难实现温度均匀，加上受到来自周围发热体的干扰，很难进行稳定的动作。即，各自温度调节器为减少由自控发热体感应温度的各自温度传感器测定温度和预置值之间的温差，用pid控制方式构成参数后，向电力控制部发送信号。此时，由电力控制部控制的发热体温度除了受到向自己施加的电力影响以外，还要从相邻发热体受到影响，因此难于避免瞬间发生的电力波动现象。这样，各自分体区段越小，电力波动现象越大，这就难以满足生长高品质单晶所需的没有温度变动的精确温度控制。

另外，根据大韩民国专利第10-1196445号，如将多只坩埚设置于单一保温体内时，可以切断坩埚直接从发热体受到的辐射热，在一定程度上能够确保长度方向温度的均匀性，长条状单一坩埚内发生的温差可以分离为与其更小的坩埚，因此可以有效防止坩埚内温差，可以实现比较优质的多晶体的生长。

即使使用上述方法，多重分体的独立温度调节系统中仍然存在测定温度误差问题，这会导致电力控制偏差，并向相邻发热体的测温造成一定影响，难于进行稳定的控制，也就是因为这些原因，生长过程中难于避免内部发生根本上的温差。即，根据各自温度传感器，将从相邻测温发热体受到影响，这一实事说明通过温度传感器和温度调节器以及电力控制装置对发热体的电力进行控制的闭环回路(closedloop)将从外部受到影响，从而导致动作不够稳定，由此将阻碍稳定的温度控制动作。另外，即使系统构建的很完美，但因温度传感器存在不确定因素，所测定温差同样发生变化，因此生长过程中位于内部的各坩埚之间会发生温差，这种温差根据单晶位置基结晶生长速度各不相同，这样不仅难于保证优质结晶生长，并且在各自结晶会发生质量分散。

在本发明中，包括用于减少采用多只坩埚的蓝宝石单晶生长炉内温度变化和各坩埚之间温差而适用的测温及电力控制方法在内，将提供有效的温度控制系统，这一系统不仅能够保证优质蓝宝石单晶生长，也可在各自坩埚生长具有均匀质量的单晶，从而实现批量生产蓝宝石单晶，以提供单晶生长装置和生长方法。

技术实现要素：

在本发明中，研究了使用多重分体发热体和用于均匀温度控制的温度传感器、温度调节器以及对电力控制装置的有效布置及控制方法，和在单晶生长中必不可少的温度稳定性及在多个晶体同时生长中必须条件的温度均匀性等，以此来实现了具有均匀质量的多个晶体的生长。

本发明在制备由6只坩埚排成一列的蓝宝石单晶生长装置后，布置3个分体发热体和位于炉内两端的辅助发热体一对，并为通过供应均匀和稳定的电力获得均匀温度，并利用经研究的温度控制系统实施了蓝宝石单晶生长。结果在蓝宝石单晶生长时几乎没有发生控制电力变化，因此在生长炉内几乎没有温度变化的情况下，非常稳定地保持了温度，生长炉内的温度同样保持均匀，从而有效促进了优质多数的相同蓝宝石单晶生长。

因此，本发明在某一观点上，包括：加热后为保持内部温度上升到结晶原料熔融温度以上而与周围隔热的生长炉；位于所述生长炉内部且用于原料被熔融的同时从籽晶生长单晶的多只坩埚；为熔融所述原料，在其外部布置的多重分体发热体；为从所述发热体获得必要温度而提供电力的用作温度传感器的高温计和温度调节器，以及包括电力控制装置在内的温度控制系统；在多只所述坩埚内为实时测定原料被熔融后单晶生长的高度而在炉体上部安装的多重高度测定装置；及为防止所述籽晶的完全被熔融，在形成适当上下温度梯度后，为进行顺利结晶生长而在所述坩埚的底部安装的冷却机构等；在包括上述各项的单晶生长装置中，多只所述坩埚由2-20只坩埚排成一列，所述冷却机构在每只所述坩埚布置为特点的单晶生长装置底部。

本发明中，所述坩埚是用于熔融原料后生长籽晶的，这里可以利用在高温下无法熔融的反应性不高的高熔点金属，将四角形坩埚排成一列时从温度调节及结晶生长层面上更加容易而且经济性也高。上述坩埚主要是一次性使用的，因此为节约费用在选择薄片金属板后焊接使用，其在高温下难于维持自身形状，因此使用加固体以在结晶生长期内保持形状，并可保持内部熔融物安全。上述加固体可以选用高温下强度良好的石墨，但加固体和坩埚可能引起反应和熔融，因此加固体和坩埚之间要采取措施保持一定间距。

还有，所述坩埚为防止原料未熔融或所述籽晶完全被熔融，安装所述籽晶的坩埚底部优先地向内凹进或向外凸出的方式形成。

本发明的蓝宝石单晶生长装置要使用非单一坩埚的多只坩埚，具体讲，将以包括2-20只坩埚为特点。每只所述坩埚尺寸为w(60-300㎜)×h(80-300㎜)×l(100-400㎜)。

根据本发明，如在单晶生长装置使用非单一坩埚的多只坩埚时，在相同保持结晶生长和冷却所需的时间的同时，可以增加单次生产单晶的数量，以提高产能。

所述发热体的作用是为熔融在所述坩埚内部填充的蓝宝石原料而供应热量，可以选用通常情况下使用的利用电阻的高熔点金属发热体或石墨发热体。分体的所述发热体宽度虽没有特别限制，但采用5-50㎝范围最好。所述发热体宽度如不足5㎝时，发热体及发热体温度控制配件数量随之增加，导致装置变得复杂，增加费用。反而超过50㎝时难于均匀地保持水平方向温度。所述发热体数量根据向生长炉内装入的坩埚数量而定。

以往的发明中，所述发热体为保持生长炉内部温度均匀，在所述坩埚外部布置多重分体后，各自独立地受到温度传感器、温度调节器、电力控制装置等的控制。但是因在测温中使用的温度传感器存在差异，不可避免地出现测定温度上出现差异，并向各发热体供应电力也是不同。还有，各发热体无法回避来自邻近发热体的影响，因此根据邻近发热体的温度变化发生变化，就因为这种间接干扰现象，温度控制将会变得非常不稳定。

在本发明中，为实现多晶体同时生长，在布置多只坩埚的长形生长炉中，为获得非常稳定而均匀的温度，将提供控制多重分体发热体的方法。

即，为消除各温度传感器之间因误差导致的不均匀性，只使用单一温度传感器。还有，选用用于向各发热体供电进行控制的各自电力控制装置，以向各发热体供应相同的电力。如因各种原因在炉内部发生温差时，以调整向相关发热体供电量的方式，可以克服温度不均匀的现象。

上述方法与在通常情况下使用的单晶生长炉中的温度控制方式完全不同。即，通常方法是在炉内使用单一温度传感器和单一电力控制装置，并采用将各发热体串联或并联后进行控制的方法。世界上的几乎所有发热体根据温度变化其阻抗哪怕是一小部分也会发生变化，事实上串联或并联分叉的电力始终保持一定程度是不可能的。另外，如选择以往的温度控制方式，特别是在本发明特点之一的布置多只坩埚的长形结晶生长炉中，获得炉内均匀的温度分布是非常困难。

还有，在蓝宝石生长炉内高温状态下长时间运行，加上原料氧化铝的挥发，发热体将很快受损，并根据受损程度发热体之间出现阻抗差异，在向各发热体分叉的电力随着时间的流失也要发生变化，最终发生炉内温度不均匀的现象。

如适用本发明中提供的电力控制系统时，可以回避上述问题，也可以人为调节向各发热体的供电比率，可以解决生长炉内部温度不均匀现象等，具有非常大的优点。即，在温度控制环节虽安装和运行单一温度传感器，但通过根据需要测定生长炉各部分温度的方式，可以掌握炉内温度分布情况，加上测定在各自坩埚生长的结晶高度，可以详细掌控生长炉内部的温度分布。如根据位置发生温差时，可通过电力控制器对各发热体供电比率进行调节，因此很容易地获得均匀的炉内温度分布，在实施多晶体生长中非常有利。

本发明中，所述冷却机构为保证坩埚的水平方向温度均匀，以在各自坩埚下部布置为特点。

所述冷却机构有直接或间接方法，并以液体或气体作为介质进行冷却，也可采用高温环境下与坩埚不会反应的钼、钨、钽及其合金或石墨等进行加工的冷却板等。

采用本发明的单晶生长装置时，将使用各自多重分体发热体和各自电力控制装置，并通过单一温度调节器进行控制，从而不仅保证坩埚内温度均匀，也可保持各坩埚间的温度均匀。另外，必要时对两端的辅助发热体利用其它温度传感器和其它温度调节器进行单独控制。

根据本发明的蓝宝石单晶生长方法，包括由以往技术中蓝宝石原料的熔融阶段和从位于坩埚下端的籽晶的结晶生长阶段构成。

即，在蓝宝石原料的熔融阶段，在生长炉内水平方向安排的多只坩埚的底部安排籽晶，并向各自坩埚填充蓝宝石原料。之后，为防止所述籽晶完全被熔融，通过安装于坩埚的底下的冷却机构进行冷却的同时，利用电阻发热体进行加热，进而从常温上升至蓝宝石原料的熔融温度以上温度水平后，对蓝宝石原料进行熔融。

如上蓝宝石原料全部被熔融后，在从籽晶的结晶生长阶段，继续通过在坩埚的底下安装的冷却机构进行冷却的同时，慢慢地将发热体温度进行冷却后，结晶从籽晶得到生长。

在上述熔融阶段及结晶生长阶段，为使各坩埚温度保持均匀，利用本发明的温度控制方法将控制向发热体供应的电力。

如上，生长炉内的温度保持非常稳定，同时水平方向的温度同样保持均匀。使用多只坩埚后，坩埚内的温度保持一定水平，各坩埚间的温度保持均匀，从而实现其形状和质量均匀，同时获得大量优质蓝宝石单晶。

本发明中，也可额外包括实施退火(annealing)的阶段。其方法是在所述蓝宝石结晶生长结束并用室温进行冷却之前先切断冷却，以控制结晶上下部的温差。

在所述退火阶段，可将坩埚内部温度保持1700-2000℃及1小时以上。

通常情况下蓝宝石原料在2100℃以上才可熔融，结晶的生长约在1920-2100℃中实现。因为蓝宝石的熔融温度为2045℃，因此熔融起始温度和结晶生长温度应该为2045℃，但因测定温度的部位和坩埚内结晶生长的原料融化位置之间存在差异，所以会出现此类温差，该温度范围如改变测温位置和方法时会发生变化。

本发明中，所述冷却机构为防止位于坩埚的底部的籽晶完全被熔融，做为降温措施可以选用通常情况下使用的手段，可选用对气体或液体进行强制冷却的钨或钼冷却板等。因此，所述冷却机构如为冷却板时，根据其冷却板的上下运动，或根据坩埚的上下运动，将以从坩埚分离冷却板的方式切断冷却。

通过上述技术方案，如适用根据本发明布置温度控制系统的蓝宝石单晶生长装置时，不仅能够在生长炉内部进行稳定而精确的温度控制，而且能够保证生长炉内部整体温度的均匀性，从而使多只坩埚内的各自结晶质量分散度下降，可在短时间内获得具有均匀质量的大量蓝宝石单晶。

附图说明

为了更清楚地说明本发明实施例或现有技术中的技术方案，下面将对实施例或现有技术描述中所需要使用的附图作简单地介绍。

图1a-1c分别为现有技术的切克劳斯基法、换热法、基罗波洛斯法获得的单晶最大使用率示意图；

图2为本发明实施例所公开的蓝宝石单晶生长装置俯视结构示意图；

图3为本发明实施例所公开的蓝宝石单晶生长装置侧视截面示意图；

图4为本发明实施例所公开的控制多重分体发热体的方法示意图；

图5为本发明实施例所公开的具有8个独立温度控制系统的蓝宝石单晶生长装置示意图；

图6为本发明实施例所公开的对多重分体发热体进行串联的蓝宝石单晶生长装置示意图。

图中数字表示：

10.生长炉20.坩埚21.加固体

30.保温体40.发热体41.辅助发热体

42.侧部发热体43.连接发热体44.电极

50.冷却机构60.结晶62.籽晶

70.高温计80.测温管90.测高装置

具体实施方式

下面将结合本发明实施例中的附图，对本发明实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述。

特别是，其它蓝宝石单晶生长装置的具体构成的结构，因与已被公告的先行技术类似，因此这时将省略表述，下面对于如上方式构成的本发明的具体实施例加以说明。

实施例1：具备独立温度控制系统的蓝宝石单晶生长装置

蓝宝石单晶生长装置规格及用材如下表1：

如图2-3所示，具有保温体30的生长炉10内排成一列的6只坩埚20、对应坩埚20的加固体21、6只分体发热体40和左右两端的2只辅助发热体41、对应的侧部发热体42及连接发热体43、对应侧部发热体42的电极44、各自温度传感器(测温管80及高温计70)、对应坩埚20底部的冷却机构50、设置在坩埚20内的籽晶62及对应的生长结晶60，以及对应坩埚20内结晶60的测高装置90。

如图5所示，利用具有8个独立温度控制系统的蓝宝石单晶生长装置，实现了蓝宝石单晶生长。首先，粉碎蓝宝石碎片共102kg后，向各6只坩埚20填充，并从常温到2110℃升温共15小时后，保持2小时。结晶60生长在发热体40的温度以0.2-5℃/hr速度上升至1920℃后，进行缓冷。之后20小时内在常温进行缓冷。

在具备各自独立温度控制系统的蓝宝石生长装置中，即使在最佳的控制算法及控制常数下，向各发热体40施加的电力不可避免地发生变化。即，在各发热体40具备独立的温度控制系统时，来自邻近发热体40的辐射热会对温度造成影响，这是因为来自控制环外部的影响所致的，因此确认了导致非常不稳定的动作。另外，向各发热体40施加的电力平均发生2-10％的差异，这种现象判断为温度传感器各自误差所引起的。另外，根据位置的温度没有对峙性，无法回避瞬间发生1℃以上发生变化的现象。如生长大口径蓝宝石的单晶时，按照长区间需要每小时0.5℃以内的冷却速度进行降温，但是如上所述，用温度瞬间上升1℃以上发生变化的装置，生长高品质大口径蓝宝石单晶是不太适合的。

生长后的蓝宝石单晶没有气泡和裂缝(crack)等缺陷，但用晶片(wafer)加工后在300℃的koh溶液中蚀刻后对epd(etchpitdensity)进行测定结果，各部位与晶片存在差异，但其程度为平均500-1000个/cm2程度。

这与利用以往的技术使用的晶片进行对比(平均500-1000个/cm2)，表现出几乎相同水平的质量。但是各结晶60间的质量偏差较大，加上根据结晶60位置出现了质量分散现象。另外，结晶60左右高度存在差异，难于实现没有质量分散的均匀的结晶60生长。因此，在具备分体发热体40和独立温度控制系统的生长装置中，在结晶60间出现质量差异后，在改变生长条件后试图改善质量时，难于缩小质量偏差。

实施例2：使用单一温度传感器，并在多重分体发热体40使用各自电力控制装置的蓝宝石生长装置

如图4所示，利用实施例1的蓝宝石单晶生长装置、单一温度传感器和单一温度调节器，构建了与多重独立电力控制装置对应的向发热体40施加电力的系统。如实施例1所示方法，进行了结晶60生长和冷却过程。

与实施例1中所示不同，没有观测到向各自分体发热体40之间施加的电力差异，其动作非常稳定。在实施例1中，即使非常精确地进行了校准，无法向各发热体40进行均匀地供电，无法回避向各自分体发热体40供应的电力瞬间发生变化的现象，与此相反，可以确认在长时间内非常稳定而再现性良好的控制性能。因此，能够确保了批量生产蓝宝石单晶所需的精度、设备运转的安全性和再现性等，生长后的结晶60电位密度同样表现出平均200-300个/cm2程度，可以说是非常优秀，也没观测到各结晶60之间的质量偏差。

实施例3：对多重分体发热体40进行串联的蓝宝石生长装置

利用实施例1、2中的蓝宝石单晶生长装置，构建了如图6所示使用单一温度传感器和单一温度调节器，再使用单一电力控制装置，并将3个发热体40串联后施加电力的系统。另外，对两端的辅助发热体40实施了独立温度调节。

本实施例中使用的石墨发热体40在1900℃以内随着温度上升阻抗也同时上升，但在其以上温度下，具有随着温度上升阻抗反而下降的倾向。因此，在约2100℃程度的结晶60生长开始温度下，串联的各发热体40之间如发生各自温度差异时，低温发热体40相比周围发热体40具备相对的阻抗，因此施加更大电压使其发热量增大(因电流相同，施加更大电力)。因此，低温发热体40的发热量在增大的同时温度也上升，最终将具备温度趋于相同的性质。相反，高温发热体40的施加电压减小的同时发热量也减少，最终具备温度下降趋势，各自分体发热体40温度趋于保持均匀。

结晶60生长时，实际上向发热体40施加的电力之差难于观察的程度，观测到停留于误差范围内。另外，即使在这种情况下，向各发热体40施加的电力比较稳定，再现性也优秀。通过上述方法生长的结晶60的电位密度同样如实施例2，平均为300-400个/cm2程度，较优秀，也没有观测到各结晶60之间的质量偏差。

但是蓝宝石单晶生长炉10要长时间保持高温状态，加上熔融物的挥发，不可避免地发生发热体40受损。根据使用次数发热体40受损，加上根据生长炉10内的位置其受损程度也不同，因此随着使用次数的增加，不可避免地发生了发热体40之间的电流和电压发生变化。即，根据发热体40的受损程度的不同，发热体40的阻抗也变得不同，随之自动决定发热体40之间分叉的电力，很难找出从外部难于控制的方法，因此，如想长期重复使用时，受到了制约。实际上考虑到生长后结晶60质量时，使用限度最好限制约3次以内。

另外，在以石墨构成的发热体40和炉内构成物中包括杂物，因此随着使用时间的推进，开始高纯度进程，使用时间越长生长可对单晶质量造成积极影响，如寿命短频繁更换，对质量造成不利影响。因此，根据实施例3所示的方法，判断难于进行具有经济优势的蓝宝石的产业化生产；实施例2所示的本发明的效果是非常突出的，判断在实际产业现场中，可以有效利用。

在上面没有详细说明的布置或作用及条件，与事前公开的先行技术类似，所以这里省略了具体说明和图示。

如上详细记述了本发明内容的特定部分，对于本行业具备通常知识的人，这种技术只是优先实施的一种情况而已，并非是对本发明的范围进行限制是很明白的。因此，本发明的实质范围应与附件权利要求和其等价物来定义。