【摘 要】本文主要介紹一種采用獨特的LSG工藝技術(shù)生長大尺寸高質(zhì)量藍寶石晶體的新型設(shè)備的設(shè)計思路以及工作原理，結(jié)合晶體生長的特殊工藝要求，分析了其主要結(jié)構(gòu)和特點。

【關(guān)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(yōu)良的光學(xué)、機械、電氣、熱以及化學(xué)特性綜合性能，被廣泛應(yīng)用于半導(dǎo)體、光電子技術(shù)，航天航空，光學(xué)窗口等領(lǐng)域，并且隨著藍寶石生長技術(shù)的快速發(fā)展與不斷成熟，其成本不斷降低，其應(yīng)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(chuàng)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(zhuǎn)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(jié)束時不與坩堝壁接觸，這就大大減少了晶體的應(yīng)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(shè)計的ISS9010型藍寶石晶體生長爐是對泡生法改進基礎(chǔ)上發(fā)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(wěn)定性以及降低工藝人員技術(shù)水平對晶體質(zhì)量的影響以及實現(xiàn)全自動控制等方面出發(fā)，對溫場以及控制系統(tǒng)等進行了重新設(shè)計。是在高真空（6.7×10-3Pa以下）環(huán)境中，用鎢電阻加熱器把填充在坩堝內(nèi)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(shù)規(guī)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(zhuǎn)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(shù)量為2pcs，稱重為120kg。

2.主機結(jié)構(gòu)組成

生長爐主要由腔體部件，機架部件，籽晶旋轉(zhuǎn)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(jié)構(gòu)特點

（1）機架部件機架主要由機架、立柱、旋轉(zhuǎn)支架等部件構(gòu)成。立柱和機架連接成整體，提高了其穩(wěn)定性。旋轉(zhuǎn)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(gòu)成，這些全部是雙層水冷結(jié)構(gòu)，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(nèi)的情況觀察和測量坩堝內(nèi)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(fā)熱，熱量通過輻射傳到坩堝上使坩堝內(nèi)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(dāng)位置。隔熱屏起到保溫的作用，使熱場更穩(wěn)定，以利于生長出高質(zhì)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(guān)，能即時檢測冷卻水的各個參數(shù)指標。

（6）水冷隔離閥部件是為了提高排除故障效率而設(shè)計的結(jié)構(gòu)。在藍寶石生長階段由于籽晶出現(xiàn)問題，導(dǎo)致必須降溫，拆爐的情況時有發(fā)生。大大減少了排除故障所需的時間，并且節(jié)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?qū)崿F(xiàn)小蓋打開，晶體從小蓋口很順利的取出。

（8）籽晶旋轉(zhuǎn)機構(gòu)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(xiàn)藍寶石生長所需要的非常低的旋轉(zhuǎn)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(gòu)由伺服電機、行星減速機、精密絲杠、直線導(dǎo)軌副組成，這些零部件的組合能夠?qū)崿F(xiàn)藍寶石生長所需要的極低的提拉速度。

4.電器控制

設(shè)備的電器控制系統(tǒng)控制系統(tǒng)由速度控制、溫度控制、爐內(nèi)壓力控制，晶體生長重量、冷卻水壓力及溫度監(jiān)測等部分組成，其中硬件包括工業(yè)計算機（含液晶觸摸屏）、驅(qū)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(jù)此晶體爐加熱器的特點專門設(shè)計的，它采用高可靠、多閉環(huán)控制技術(shù)，具有高輸出功率精度、高輸出功率分辨率、高穩(wěn)定可靠性、高率輸入功率因數(shù)、高轉(zhuǎn)換效率、低電網(wǎng)污染、功率冗余等特點。另外為了應(yīng)對瞬間停電的情況，控制系統(tǒng)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(shè)備各項措施的自動實現(xiàn)，減少了操作人員在特殊情況下的應(yīng)急工作強度和時間。

5.結(jié)束語

ISS9010型藍寶石晶體生長爐經(jīng)過認真科學(xué)的設(shè)計，嚴格細致的加工及品質(zhì)控制，安裝調(diào)試，各項技術(shù)指標都達到了設(shè)計要求。其機械電器性能穩(wěn)定可靠，通過工藝試驗調(diào)整與長晶試驗，連續(xù)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(jīng)在多個公司投產(chǎn)，運行狀況良好，操作簡單，性能穩(wěn)定，綜合性能達到了國內(nèi)領(lǐng)先水平。很好的滿足了國內(nèi)藍寶石晶體生長的需要。該設(shè)備的研制成功標志著我國藍寶石晶體技術(shù)的又一重大突破，對我國LED產(chǎn)業(yè)的快速發(fā)展具有十分重要的意義。該設(shè)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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