[发明专利]制造电阻加热的蓝宝石单晶锭的方法

说明书

技术领域

本公开涉及一种电阻加热的蓝宝石单晶锭生长器、一种制造电阻加热的蓝宝石单晶锭的方法、一种蓝宝石单晶锭以及一种蓝宝石晶片。

背景技术

对于使用氮化物半导体(例如氮化镓(GaN))的发光二极管(LED)的基板的蓝宝石晶片的需求正在增长，并且与其他基板相比由于蓝宝石晶片的大批量生产力，蓝宝石晶片引起关注。

根据常规技术，将装有高纯度氧化铝(Al₂O₃)原材料的生长炉加热到约2100℃或更高以熔化该原材料，然后通过使用例如Czochralski方法(下文中，被称作“CZ方法”)、泡生法(Kyropoulos method)、导膜法(EFG)以及垂直水平温度梯度冷却(VHGF)法的各种方法在生长为单晶的晶锭上进行一系列的研磨和抛光处理(例如晶体偏析、研磨、切片、滚磨(lapping)、热处理以及抛光) 来制造蓝宝石晶片。

目前，具有相对优良的LED光转换效率特性的大规模生产中的蓝宝石基板的晶向为C-轴，并且，尽管存在蓝宝石基板的晶向在将来可被改变的可能，但是利用根据晶锭的生长方法生长的单晶在产率中的差异并没有改变。产率上的差异将取决于蓝宝石单晶的物理和化学性质以及根据晶体生长方法的特性。

同时，相对于蓝宝石晶锭的生长，CZ方法就单晶的产率而言是优良的方法，其中，使用的基板的晶向与晶体的生长取向相同。

图1为示出了使用常规感应加热的CZ方法制造蓝宝石单晶锭IG的方法的示意图。

通过感应加热的常规CZ方法的蓝宝石晶锭生长器10包括：RF-线环30、铱(Ir)坩埚20和坩埚支架(未示出)。

RF-线环30在Ir-坩埚20的表面上产生感应电流，而高压电流的方向以无线电频率改变。

Ir-坩埚20产生由于感应电流方向上的改变而通过坩埚表面上的应力导致的热，并且Ir-坩埚20可被用作含有高温熔融氧化铝(Al₂O₃)的熔融槽。

然而，相对于通过使用常规感应加热的CZ方法生长c-轴蓝宝石单晶锭的方法，首先，在常规感应加热的CZ方法中使用Ir-坩埚，蓝宝石单晶的质量会劣化；其次，在常规感应加热的CZ方法中使用Ir-坩埚可能难以生产出较大尺寸和较大比例的蓝宝石单晶锭，并且限制因素可能大大影响绝缘材料的使用，并且可能并不能利用外场源。

首先，下文将根据常规感应加热的CZ方法中的Ir-坩埚的使用，描述蓝宝石单晶的质量劣化中的限制。

在常规感应加热的CZ方法中，由于Ir-坩埚直接产生热，可能难以控制高温熔融氧化铝的温度分布，并且由于局部的加热可能产生气泡。

同样，在常规感应加热的CZ方法中，由于如图1所示自然对流(FC)环很强，所以可能不会促进产生的气泡平稳排出。

常规感应加热的CZ方法中，由于压力会产生在c-轴蓝宝石单晶刻面表面 (facet surface)的生长界面和熔融物之间，而生长界面通过FC-环、高温氧化铝的结晶特性和潜热效应而向下凸起，可产生晶体缺陷，例如核刻面(core facet)、杂质、位错蚀坑(EPD)以及条纹(striation)。

同样，由于感应加热引起的自然对流环(FC-环)可呈现出非常复杂的湍流特性(被称为“瑞利-贝纳尔对流”)行为，在使用感应加热的常规CZ方法中难以在生长界面产生恒热和质量传递。因此，位错密度可能非常高，并且完美无气泡的单晶的生长可能是困难的。

常规CZ方法中，由于用作加热元件的Ir-坩埚并不能旋转或上升，因此可能不能诱导高温氧化铝熔融物的对流环上的变化。

此外，常规感应加热的CZ方法中，由于FC-环，生长界面的凝固潜热效应可使生长界面朝向熔融物凸出。因此，当生长晶锭强烈旋转时，根据生长界面和熔融物的高粘度的摩擦力施加的大剪切力可引起晶体缺陷。

其次，下文将根据常规感应加热的CZ方法中Ir-坩埚的使用，描述在得到较大尺寸和较大比例的蓝宝石单晶锭的困难中的限制，以及相对于使用绝缘材料的限制因素以及不能利用外场源的限制。

例如，用于Ir-坩埚的原材料铱是非常有限的材料，并且难以得到用于生长具有150mm直径的单晶的较大尺寸和较大比例的Ir。

同样，根据RF-线圈的应用，常规感应加热的CZ方法在RF-线圈的维修成本中受限，电成本可能较高，且RF-线圈的制造可能很难，以及需要高成本。

此外，常规感应加热的CZ方法中，由于除了坩埚外，在磁场线圈中也产生感应电流，所以可能不会利用外场源，例如磁场和电磁场。