生长蓝宝石单晶的方法和设备技术

本发明专利技术涉及一种生长蓝宝石单晶的方法和设备，更具体地涉及一种在采用长的矩形坩埚和沿c轴方向延伸的长籽晶时能够在短时间内获得高质量的、长的单晶的生长蓝宝石单晶的方法和设备。即使采用矩形的坩埚，采用本发明专利技术的生长蓝宝石单晶的方法和设备仍能够在所述坩埚的内部均匀地维持水平温度，由此获得高质量的单晶并且降低单晶生长失败的可能性。

【技术实现步骤摘要】
【国外来华专利技术】
本专利技术涉及生长蓝宝石单晶的方法和设备，更具体地，本专利技术涉及能够使用长的矩形坩埚和沿C轴方向延伸的长籽晶在短时间内获得高质量的长单晶的生长蓝宝石单晶的方法和设备。
技术介绍
为了制造目前专利技术的蓝色或白色的LED，采用GaN半导体。采用CVD方法生长作为 GaN半导体的衬底，GaN单晶晶圆是基本所需。然而，GaN单晶难以生长，还没有研发出能够投入实际应用的GaN单晶生长方法。其中，日本人Nakamura已经通过在蓝宝石晶圆上生长GaN单晶，生产出蓝色的 LED，并且已经成功将蓝色的LED投入实际的应用。在过去的20来年中，许多晶体学家致力于生长GaN单晶，但是没能研发出具有经济效益的生长方法。因此，自然就认为应使用蓝宝石(Al2O3)单晶晶圆来制作蓝色的或白色的LED，并且对于蓝宝石单晶晶圆的需求在迅猛地增长。能够通过诸如维尔纳叶(Berneuil)工艺、水热工艺、丘克拉斯基工艺 (Czochralski process)、热交换法、KY 法(Kyropoulos method)、EFG 工艺等的各种生长方法生长蓝宝石单晶。而其中适于生长具有足以用作LED衬底的高质量和尺寸的蓝宝石单晶的方法可以包括热交换法和KY法。此外，用c面蓝宝石晶圆制作LED。就产率而言，为了制造c面蓝宝石晶圆，优选的是制造沿c轴具有长圆柱形的蓝宝石。丘克拉斯基工艺对于圆柱形单晶的生长是理想的。但是，由于蓝宝石单晶难以在c 轴方向上生长，如图Ia所示，通过丘克拉斯基工艺生长的晶锭主要是在a轴方向上生长并且对该晶锭垂直地进行芯钻取以在c轴方向上形成圆柱形。随后，将成芯的圆柱形的晶锭切片以制得晶圆，因此导致产率大大降低(最高产率至30% )。因此，为了提高产率，采用能够获得具有短厚的圆柱形而非细长的圆柱形的晶锭的KY法。此外，认为通过此方法生长的晶体质量优于通过丘克拉斯基方法生长的晶体质量。然而，随着目前蓝宝石晶圆的直径的增大，例如从2英寸到4英寸，通过此KY法生长的单晶的产率不超过32%左右。而且，如果采用更大的晶圆则产生难以实施KY法的问题。作为涉及使用热交换器法生长蓝宝石单晶的原始专利，美国专利 No. 3，898，051 (1975年8月5日授权)公开了长成如图Ib所示的短圆柱形的晶体，所述方法具有与KY法相似的产率(32-34% )。然而已知当采用如图Ic所示的正方形坩埚时，能够大大提高晶体的产率(大约70%)。但是，如果坩埚的形状变成诸如矩形的长形时，可能产生不易均勻地维持坩埚的内部温度的问题。原因在于在围绕坩埚的外壁安装加热器的情况下，最低的温度在坩埚的中心并且温度从坩埚的中心朝向坩埚的边缘逐渐上升。换言之， 籽晶在其两端具有比籽晶中心部分更高的温度。为了处理并解决上述问题，韩国专利No. 0似8699(申请号10-2001-0011553)提出了一种方法，该方法通过采用长的坩埚以及改变加热器的宽度和厚度能够提供理想的垂直水平梯度冷却(VHGF)。但是在使用长棒状的籽晶的情况下，导致不能均勻地维持沿籽晶的长度方向上的温度的问题。尤其，如果坩埚的长度增加，将更难以均勻地维持坩埚的水平方向上的温度，包括坩埚的两端和中心部分的温度。此外，导致这样的问题，即由于绝热体的状态根据在高于2000°C的温度下的使用频率和使用时间而改变，尽管通过调整加热器的宽度和厚度均勻地维持坩埚的内部温度，坩埚的内部温度随使用时间和使用频率的增加而改变。在此方法中，如果没有均勻地维持在坩埚的水平方向上的温度，尤其是在使用长棒状籽晶的情况下，根据籽晶在坩埚的长度方向上的位置，放置在坩埚的底部中心的籽晶可能熔化，或者放进坩埚中的原材料可能不会熔化。如果发生这种现象，则无法使单晶生长。此外， 所述籽晶未完全熔化，不具有均勻的形状，从而使长成的晶体的质量变劣。于是，本专利技术人发现(1)在独立地操作被分割开地设置在坩埚外部的多个加热器的情况下，能够均勻地维持在坩埚内部的水平温度，(2)在使用包括横向的加热元件和连接加热元件的加热器的情况下，能够获得垂直温度梯度并且能够减少电极的数量，(3)在坩埚的底部形成为向内凹或向外凸的情况下，能够防止蓝宝石碎片不熔化或籽晶的完全熔化， 以及(4)在完成晶体生长之后执行退火步骤的情况下，能够提高单晶的质量，从而完成本专利技术。
技术实现思路
本专利技术的目的在于提供一种生长蓝宝石单晶的方法和设备，其中使用长的矩形坩埚在短时间内能够获得高质量的c轴方向上的长的单晶。本专利技术的另一目的在于提供一种生长蓝宝石单晶的方法和设备，其中能够容易地获得垂直温度梯度并且能够减少电极的数量。本专利技术的又一目的在于提供一种生长蓝宝石单晶的方法和设备，其中能够在坩埚内部均勻地维持水平温度以及即使坩埚的内部温度维持得有些不均勻，依然能够获得高质量的单晶。为了实现上述目的，本专利技术提供一种生长蓝宝石单晶的设备，包括熔炉、坩埚、加热器以及冷却装置，所述熔炉设置为被加热并且与周围空气热绝缘，以使所述熔炉的内部温度上升至高于蓝宝石碎片的熔化温度；所述坩埚设置在所述熔炉内，以使所述蓝宝石碎片能够在所述坩埚中熔化，并且能够在所述坩埚中从籽晶生长长的单晶；所述加热器设置在所述坩埚的外部，以熔化所述蓝宝石碎片；所述冷却装置设置在所述坩埚的底部，以防止所述籽晶完全熔化，其中所述加热器以分开成多个的方式设置在所述坩埚的外部，以均勻地维持所述坩埚的水平温度，并且所述加热器是独立地操作的。此外，本专利技术提供一种使用所述蓝宝石单晶生长设备生长蓝宝石单晶的方法，所述方法包括在用设置在所述坩埚外部的多个加热器调整所述坩埚的内部温度的同时，熔化蓝宝石碎片并且从籽晶生长单晶的步骤。此外，本专利技术提供一种生长蓝宝石单晶的设备，包括熔炉、坩埚、加热器以及冷却装置，所述熔炉设置为被加热并且与周围空气热绝缘，以使所述熔炉的内部温度上升至高于蓝宝石碎片的熔化温度；所述坩埚设置在所述熔炉内，以使所述蓝宝石碎片能够在所述坩埚中熔化，并且能够在所述坩埚中从籽晶生长长的单晶；所述加热器设置在所述坩埚的外部，以熔化所述蓝宝石碎片；所述冷却装置设置在所述坩埚的底部，以防止所述籽晶完全熔化，其中所述坩埚中放置所述籽晶的底部形成为向内凹或向外凸，以防止所述蓝宝石碎片的不熔化或所述籽晶的完全熔化。此外，本专利技术提供一种使用所述蓝宝石单晶生长设备生长蓝宝石单晶的方法，所述方法包括熔化蓝宝石碎片并且从籽晶生长单晶的步骤。此外，本专利技术提供一种生长蓝宝石单晶的设备，包括熔炉、坩埚、加热器以及冷却装置，所述熔炉设置为被加热并且与周围空气热绝缘，以使所述熔炉的内部温度上升至高于蓝宝石碎片的熔化温度；所述坩埚设置在所述熔炉内，以使所述蓝宝石碎片能够在所述坩埚中熔化，并且能够在所述坩埚中从籽晶生长长的单晶；所述加热器设置在所述坩埚的外部，以熔化所述蓝宝石碎片；所述冷却装置设置在所述坩埚的底部，以防止所述籽晶完全熔化，其中所述加热器包括一对侧面加热元件以及连接加热元件，所述侧面加热元件以邻近所述坩埚的外壁的方式设置在所述坩埚的两侧，并且每个所述侧面加热元件都连接各自电极，所述连接加热元件设置在所述侧面加热元件的顶部，用于互连所述侧面加热元件，以获得垂直温度梯度并减少电极的数量。进一步地，本专利技术提供一种使用蓝宝石单晶生长设备生长蓝宝石单晶的本文档来自技高网...

【技术保护点】

【技术特征摘要】
【国外来华专利技术】...

【专利技术属性】
技术研发人员：安俊泰，
申请(专利权)人：科里斯科技有限公司，
类型：发明
国别省市：