[发明专利]蓝宝石单晶生长装置用坩埚、蓝宝石单晶生长装置及方法

说明书

本发明的蓝宝石单晶生长装置用坩埚为通过投入氧化铝原料来使蓝宝石单晶沿着垂直方向生长的坩埚，上部的内部面积大于安装单晶种子的下部的内部面积，从而使单晶种子的使用量最小化，并缩短蓝宝石单晶生长时间。

技术领域

本发明涉及通过投入氧化铝原料来进行蓝宝石单晶生长的蓝宝石单晶生长装置用坩埚、利用其的蓝宝石单晶生长装置及其方法。

背景技术

蓝宝石单晶为通过在规定温度条件下使作为铝(Al)和氧(O)相结合的形态的化合物的氧化铝(Al₂O₃)熔融之后在凝固的过程中以呈六方晶系统(Hexagonal system)的结晶结构向一个方向凝固的物质。

蓝宝石单晶为硬度排在钻石之后的材料，与石英相比，耐磨损性、耐蚀性约高10倍左右，绝缘特性及透过性优秀，从而，不仅用于合成宝石、表玻璃，而且广泛适用于IT用、工业用、军事用、LED用基板等的尖端材料领域。尤其，作为IT设备的触摸屏(touch window)用材料来受到瞩目，用在军事用红外探测导弹，以及被用作战斗机、侦察机等的窗户用材料。

蓝宝石单晶生长法大体分为如下方法，即，将种子(Seed)放置于坩埚上侧并使结晶朝向下方生长的上部播种法(upper seeding method)和将种子放置于坩埚的内部底部并使结晶朝向上方生长的下部播种法(lower seeding method)。

上部播种法包括直拉法(Czochralski)、泡生法(Kyropoulos)、导模法(EFG)等。

直拉法为将高纯度氧化铝(Al₂O₃)放置于铱坩埚并熔融之后，将种子(Seed)放置于溶液后通过旋转及提拉来进行生长的生长方法。可自由调节结晶的直径且长度较长，因而生产率高，因此，广泛用于硅酮等的半导体单晶生长。

但是，直拉法在陶瓷结晶等的脆性大的结晶培养中很容易因高温度梯度导致龟裂，由此，可培养的结晶的直径受到很大限制，不仅如此，产生移位等的结晶内缺陷的概率高。

泡生法为在使氧化铝材料熔融之后使种子与溶液表面相接触并通过逐渐降低溶液温度的方式使结晶生长的生长方法。

在这种泡生法中将不产生因旋转及提拉而引起的移动，从而，与直拉法相比，具有缺陷密度低、可生长大型锭的优点，但是，很难控制结晶的大小和形态，因此，当用作发光二极管(LED)基板时，从锭形成基板的成品率低。

导模法为在使氧化铝材料熔融并使熔融液通过板状的毛细管上升之后使种子与熔融液的上方相接触，之后通过逐渐提拉来生长板状的锭并有效地培养薄板或截面复杂的结晶的方法。

但是，导模法很难避免在结晶表面形成很多气泡，因而需要通过磨碎等的方法去除表面的50％左右的气泡，因此，生产率并不高。

下部播种法包括热交换法(HEM，Heat Exchange Method)、垂直水平温度梯度冷却法(VHGF，Vertical Horizontal Gradient Freezing)等。

热交换法为在坩埚的底部固定种子并填充氧化铝材料之后，逐渐降低腔室内部的温度并生长结晶的方法。

这种热交换法存在低缺陷密度和可实现大锭生长的优点，但是，所生长的结晶的直径与长度的比例为被限制为1:1，在培养剖面积大的大型结晶的情况下，结晶的生长时间过长，从而导致生产率的降低。

垂直水平温度梯度冷却法为在坩埚的底部固定种子并在坩埚的内部填充氧化铝材料来熔融之后，调节腔室内部的垂直方向温度分布及水平方向温度分布来从发热器(Heat sink)方向进行具有方向性的凝固来生长结晶的方法。

这种垂直水平温度梯度冷却法的缺陷密度低且向垂直水平方向同时附加温度梯度来去除对于结晶形状的限制并可大幅度缩短生长时间。