[发明专利]一种多次籽晶可替换的导膜法蓝宝石晶体生长炉

说明书

本发明提供了一种多次籽晶可替换的导膜法蓝宝石晶体生长炉，从下到上依次设置有基座、晶体生长炉腔体、坩埚、籽晶杆、密封阀、籽晶备用舱腔体、籽晶替换盘、升降机，通过改进坩埚供料系统、籽晶替换盘、籽晶杆及备用籽晶仓的一系列结构，能够进行一锅晶体生长完成后设备不降温，采用机械传动方式取出晶体并更换籽晶，再次下种，重复晶体生长过程，与早前的籽晶替换方案相比，本发明不受籽晶备用舱中籽晶数量的限制，可多次开启籽晶备用舱取出晶体并替换备用籽晶。在坩埚熔体充足的前提下，可持续生长10‑20次，极大的提高蓝宝石晶体的生长效率。

技术领域

本发明属于晶体生长领域，特别涉及一种多次籽晶可替换的导膜法蓝宝石晶体生长炉。

背景技术

蓝宝石(Sapphire)是一种氧化铝(α-Al₂O₃)的单晶，又称刚玉，是一种具有集优良光学、物理和化学性能的独特结合体。作为最硬的氧化物晶体，人造蓝宝石由于其光学和物理特性而被运用于各种要求苛刻的领域，可在高温下保持其高强度、优良的热属性和透过率，有着很好的热特性，极好的电气特性和介电特性，且防化学腐蚀。随着科学技术的迅猛发展，人造蓝宝石(Al₂O₃)晶体已成为现代工业，尤其是微电子及光电子产业极为重要的基础材料，被广泛的应用于红外军事装置、卫星空间技术、高强度激光的窗口材料。其独特的晶格结构、优异的力学性能、良好的热学性能使蓝宝石晶体成为实际应用的半导体GaN/Al₂O₃发光二极管(LED)，大规模集成电路SOI和SOS及超导纳米结构薄膜等最为理想的衬底材料。

伴随光学革命的到来，人造蓝宝石作为新材料的领军代表，其光学、理化、机械等性能十分优异，在航天、军工、衬底、医疗器械、精密机械、奢侈品等领域应用十分广泛，其市场正在迅速爆发。LED行业的最大利润和当前市场需求集中在人造蓝宝石衬底片上，促使世界范围内的产能集中转移到衬底领域。目前奢侈品人造蓝宝石概念和医疗器械的发展也正在迅速推动人造蓝宝石的需求。

人造蓝宝石晶体生长方法主要采用KY法(Kyropoulos method,泡生法)、HEM法(Heat Exchanger Method，热交换法)、EFG法(Edge-defined Film-fed Growth，导模法)、CZ法(Czochralski method，提拉法)等，技术均有数十年历史较为成熟。其中导模法是从熔体人工制取单晶材料的方法之一，即“边缘限定薄膜供料生长”技术，简称EFG法，主要用于生长特定形状的晶体，实际上它是提拉法的一种变形。导模法的工作原理是将原料放入坩埚中加热融化，熔体沿一模具在毛细作用下上升至模具顶端，在模具顶部液面上接籽晶提拉熔体，使籽晶和熔体的交界面上不断进行原子或分子的重新排列，随降温逐渐凝固而生长出与模具边缘形状相同的单晶体。导模法生长晶体的优点在于生长过程可以方便地观察晶体的生长状况，生长速率快，能够通过设计模具形状定型生长，并且加热方式采用感应石墨加热，其坩埚/模具材料一般为石墨，加工简单，成本低，适合生长各种氧化物晶体材料。

导模法具有生长时间短、耗电量低、可定向/定形生长、晶体加工简单等优势，可以预测导模法将逐渐取代泡生法成为蓝宝石晶体主流生长方式。目前，只有俄罗斯、美国和日本等少数国家掌握此技术，而国内目前导模法研究水平底下，仅能实现单片、双片等厚片生长，同时国外进口装备存在产品一致性差、人工依赖性高、交货周期长、价格昂贵等问题，严重影响我国蓝宝石导模法长晶技术的发展。

传统工艺下，EFG法晶体生长过程可以简单归纳为1.升温熔料，包括原料熔化，熔体进入模具后，根据毛细现象由狭缝爬料至模具口；2.下种，包括籽晶烤种，接触模具口熔体；3.引晶放肩，包括从熔体中提拉出晶体，缓慢扩大晶体直至与模具相同尺寸为止；4.匀速提拉。这一阶段需要密切关注晶体质量变化，设备功率和温度梯度基本保持不变，维持温场大致稳定；5.拉脱降温，这一阶段晶体生长工作已经完成，坩埚内熔体液面下降，对于有掺杂激活离子的熔体来说，由于分凝作用的存在，熔体内组分显著漂移，无法保证晶体持续生长。晶体与熔体分离后，需注意降温速率，保证晶体完整。在此过程中，设备逐渐降低功率至关停电源，晶体逐渐降温。