ISS9010型藍寶石晶體生長爐的研制

【摘 要】本文主要介紹一種采用獨特的LSG工藝技術生長大尺寸高質量藍寶石晶體的新型設備的設計思路以及工作原理，結合晶體生長的特殊工藝要求，分析了其主要結構和特點。

【關鍵詞】藍寶石；KY泡生法；晶體生長爐

0.引言

藍寶石由于其具有多種優良的光學、機械、電氣、熱以及化學特性綜合性能，被廣泛應用于半導體、光電子技術，航天航空，光學窗口等領域，并且隨著藍寶石生長技術的快速發展與不斷成熟，其成本不斷降低，其應用范圍正處于快速的擴大之中。

目前市場上藍寶石晶體的生長主要以泡生法為主. 泡生法創始人為Kyropoulos（英文縮寫為Ky）. 這種方法是將一根受冷的籽晶與熔體接觸，如果界面的溫度低于凝固點，則籽晶開始生長，為了使晶體不斷長大，就需要逐漸降低熔體的溫度，同時旋轉晶體，以改善熔體的溫度分布。也可以緩慢的（或分階段的）上提晶體，以擴大散熱面。晶體在生長過程中或生長結束時不與坩堝壁接觸，這就大大減少了晶體的應力。該法缺點對長晶人員的依賴性大，自動化程度低，一致性較差。而我們設計的ISS9010型藍寶石晶體生長爐是對泡生法改進基礎上發展而來的用于生長大尺寸藍寶石晶體的方法（LSG改良泡生法）。

ISS9010型藍寶石晶體生長原理，從提高溫場穩定性以及降低工藝人員技術水平對晶體質量的影響以及實現全自動控制等方面出發，對溫場以及控制系統等進行了重新設計。是在高真空（6.7×10-3Pa以下）環境中，用鎢電阻加熱器把填充在坩堝內的原料熔化，籽晶從熔液上方浸入熔液表面開始引晶。引晶后通過籽晶軸極其緩慢的提拉，將在坩堝中自然生長的藍寶石單晶提拉脫離坩堝底部，降溫后完成藍寶石單晶生長。晶體生長工藝主要分為高真空、化料、安定、引晶、晶體生長、退火、冷卻七個過程。晶體生長過程中均勻緩慢的提拉晶體，晶體不與坩堝壁接觸，避免了晶體生長過程中的寄生成核。

1.主要技術規范

（1）爐腔體：800mmX1117mm。

（2）熔料量：90kg

（3）晶體直徑：≤330mm。

（4）晶升速度： 0.06-4200mm/h。

（5）晶轉速度：0.1-30r/min。

（6）籽晶行程：735mm。

（7）加熱器電源功率：100kw。

（8）最高加熱溫度2150℃。

（9）電源：3相380V交流。

（10）輸出工作電流：0-10000ADC。

（11）輸出工作電壓：0-12VDC。

（12）進出水壓力：0.2MPa。

（13）進出水溫度：15-20℃。

（14）小蓋行程：180mm。

（15）小蓋升降速度：600mm/min。

（16）主泵極限真空度：5*10-3Pa。

（17）輔泵極限真空度：≤0.1Pa。

（18）稱重傳感器數量為2pcs，稱重為120kg。

2.主機結構組成

生長爐主要由腔體部件，機架部件，籽晶旋轉和提升部件，真空管路部件，冷卻水路部件，電氣部件，熱場部件，小蓋提升部件，水冷隔離閥部件等組成。

3.機械結構特點

（1）機架部件機架主要由機架、立柱、旋轉支架等部件構成。立柱和機架連接成整體，提高了其穩定性。旋轉支架便于裝料和取出生長完成的藍寶石。

（2）腔體部件主要由小蓋、大蓋、腔體、爐底板構成，這些全部是雙層水冷結構，以防止在晶體生長階段高溫對爐室的損害；小蓋上面開有觀察孔和測溫孔，以便于對爐內的情況觀察和測量坩堝內液面的溫度并反饋給PLC進行控制；大蓋上面主要裝有水冷電極，加熱器所需電力就由此引入；腔體和爐底板主要是放置熱場部件，同時在爐底板上裝有測溫儀，測量坩堝底部溫度并反饋給PLC進行控制。

（3）熱場部件主要由鎢電阻加熱器、坩堝支架、坩堝托盤、隔熱屏等組成。鎢電阻加熱器通電發熱，熱量通過輻射傳到坩堝上使坩堝內的原料熔化，從而進行晶體生長。坩堝支架和坩堝托盤是為了將坩堝固定在熱場的適當位置。隔熱屏起到保溫的作用，使熱場更穩定，以利于生長出高質量的藍寶石。

（4）真空管路部件主要由兩級真空泵和真空計以及一些真空管件組成。前級泵是旋片真空泵（2X-15D型直連旋片真空泵），次級泵是油擴散泵（采用VSH-4型擴散泵）。高低真空度由MKS品牌真空計獲得。

（5）冷卻水路部件由輸入和輸出匯水排組成，在輸入水排上裝有壓力表，溫度、壓力傳感器，輸出匯水排上安裝有溫度、流量傳感器和溫度開關，能即時檢測冷卻水的各個參數指標。

（6）水冷隔離閥部件是為了提高排除故障效率而設計的結構。在藍寶石生長階段由于籽晶出現問題，導致必須降溫，拆爐的情況時有發生。大大減少了排除故障所需的時間，并且節省了再次升溫的能源消耗。

（7）小蓋提升部件由伺服電機、行星減速機、齒輪齒條等部件組成，這些零部件的組合能夠實現小蓋打開，晶體從小蓋口很順利的取出。

（8）籽晶旋轉機構有伺服電機、行星減速機、籽晶軸密封裝置、支承座、籽晶軸等主要部件。行星減速機能實現藍寶石生長所需要的非常低的旋轉速度。空心軸密封裝置（磁流體密封）有效地將籽晶軸的進出冷卻水分隔、密封并與外界大氣密封。

籽晶提升機構由伺服電機、行星減速機、精密絲杠、直線導軌副組成，這些零部件的組合能夠實現藍寶石生長所需要的極低的提拉速度。

4.電器控制

設備的電器控制系統控制系統由速度控制、溫度控制、爐內壓力控制，晶體生長重量、冷卻水壓力及溫度監測等部分組成，其中硬件包括工業計算機（含液晶觸摸屏）、驅動器、AD采集卡及變換電路、高精度DC電源等。其中DC電源是根據此晶體爐加熱器的特點專門設計的，它采用高可靠、多閉環控制技術，具有高輸出功率精度、高輸出功率分辨率、高穩定可靠性、高率輸入功率因數、高轉換效率、低電網污染、功率冗余等特點。另外為了應對瞬間停電的情況，控制系統配備了單相工頻UPS裝置，以保護由于外部停電而造成的電腦和程序損壞，及設備各項措施的自動實現，減少了操作人員在特殊情況下的應急工作強度和時間。

5.結束語

ISS9010型藍寶石晶體生長爐經過認真科學的設計，嚴格細致的加工及品質控制，安裝調試，各項技術指標都達到了設計要求。其機械電器性能穩定可靠，通過工藝試驗調整與長晶試驗，連續長出90kg左右的合格晶體，達到了藍寶石晶體生長工藝的要求。目前ISS9010型藍寶石晶體生長爐已經在多個公司投產，運行狀況良好，操作簡單，性能穩定，綜合性能達到了國內領先水平。很好的滿足了國內藍寶石晶體生長的需要。該設備的研制成功標志著我國藍寶石晶體技術的又一重大突破，對我國LED產業的快速發展具有十分重要的意義。該設備于2014年由昀豐集團公司榮獲2014年（第五屆）高工金球獎。

【參考文獻】

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