[发明专利]多支成形蓝宝石长晶装置及其长晶方法

说明书

技术领域

本发明涉及一种多支成形蓝宝石长晶装置，还涉及一种采用该多支成形蓝宝石长晶装置制造蓝宝石的长晶方法。

背景技术

蓝宝石的组成为氧化铝(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。由于蓝宝石具有高声速、耐高温、抗腐蚀、高硬度、高透光性、熔点高（2045℃）等特点，因此常被用来作为光电元件的材料。目前超高亮度白/蓝光LED的品质取决于氮化镓外延层(GaN)的材料品质，而氮化镓外延层品质则与所使用的蓝宝石衬底表面加工品质息息相关。由于蓝宝石(单晶Al₂O₃) c面与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外延制程中耐高温的要求，使得蓝宝石晶片成为制作白/蓝/绿光LED的关键材料。

蓝宝石晶体材料的生长方法目前已有很多种方法，主要有：导模法（即edge defined film-fed growth techniques法，简称EFG法）、布里奇曼法（即Bridgman法，或坩埚下降法）、泡生法（即Kyropolos法，简称Ky法）、热交换法（即heat exchange method 法，简称HEM法）、提拉法（即Czochralski，简称Cz法）等。 

导模法（也称边缘限定薄膜喂料法），它利用了毛细原理，将熔体导入模具的顶部，用籽晶将这部分熔体提拉生成晶体。也有利用非浸润模具的方法，即Stepanov法，是利用模具的内表面或外表面限定熔体的形状，利用籽晶将这部分熔体提拉成成形晶体。它们的共同特点是晶体的尺寸和形状由模具的表面形状限定，可以长出各种尺寸和形状的晶体：纤维直径0.02mm；管状直径0.9-85mm；板材480×315×10mm。长出的晶体为“近净形”，可以减少加工时间，节省人力和原材料。另外的优势在于无论长晶的形状和尺寸的大小，都能在一个坩埚里同时生长出多支晶体，这无疑可以大幅度降低生产成本，因为在不增加长晶时间的同时可以把生产效率提高数倍，单位成本大幅下降。但生长多支大尺寸晶体（如直径大于50mm）时会遇到一个问题，即由于晶体尺寸较大，坩埚和加热室尺寸就要更大，加热室的中心部分将形成冷心，模具表面靠近加热室中心部位和靠近坩埚壁侧的温度差会影响所生长的晶体尺寸，晶体尺寸越大，模具表面的温差越大，没有均匀的温度梯度，不利于晶体的生长速度和质量。

有鉴于此，如今迫切需要设计一种新的蓝宝石的长晶方法及装置，以克服现有方法的上述缺陷。

发明内容

本发明要解决的技术问题是提供一种多支成形蓝宝石长晶装置，还提供一种采用该多支成形蓝宝石长晶装置制造蓝宝石的长晶方法。

为解决上述技术问题，本发明的技术方案为：一种多支成形蓝宝石长晶装置，其创新点在于：主要包括晶体生长炉、环形坩埚、加热机构和模具，坩埚位于晶体生长炉内，其包括环形底部以及分别位于环形底部内、外圈的内筒和外筒，所述外筒、内筒与环形底部形成一体构成一个具有环形槽的坩埚；加热机构包括若干水平设置的“弓”字形加热单元，所述加热单元以“弓”字形的中间凸起以坩埚的轴线为中心呈环形阵列分布，“弓”字形的中间凸起部分位于坩埚的轴线上，“弓”字形加热单元的边侧部分均布于坩埚的外侧；模具有若干个，在坩埚的环形槽上方以坩埚的轴线为中心呈环形阵列分布。

进一步的，所述坩埚环形槽的横截面直径在50~100mm之间，坩埚的高度在100~300mm之间，壁厚5~10mm之间；所述模具的直径大于30mm，小于坩埚环形槽的横截面直径。

进一步的，所述坩埚还配备有用于托住坩埚的坩埚托盘，以及设置坩埚托盘底部的坩埚支撑杆，坩埚托盘为一个直径小于坩埚外径且具有若干支撑柱的盘体；所述 “弓”字形加热单元的边侧与中间凸起之间的连接部从相邻支承柱之间的间隙穿过。

进一步的，所述加热单元还包括连接各“弓”字形加热单元边侧的弧形或环形加热单元。