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泡生法蓝宝石晶体生长工艺及晶体设备技术分析

  添加时间2014-10-14 13:30:33 文章点击数2804 作者< 天宇稀有金属 >
摘要:LED产业的高速发展推动了对衬底级蓝宝石晶体的巨量需求,从而促进了对蓝宝石晶体生长设备的需求,2010年初以来,国内先后有十多家企业涉足蓝宝石晶体生长和晶体设备开发,投资规模从数千万到数十亿元不等,所选择的技术方案基本都是泡生法晶体生长工艺。宝鸡市天宇稀有金属有限公司生产的蓝宝石晶体生长炉用钨坩埚托盘系列涵盖了目前泡生法常用的30公斤、60公斤、85公斤、120公斤晶体重量等级。
 LED发光二极管具有体积小、光效高、寿命长、制造过程无污染等优点,是一种真正意义上的节能环保型光源,随着LED光效的进一步提高和生产成本的进一步下降加上全球范围内对节能技术的大力推广,LED正以前所未有的速度迅猛发展,预计在未来几年内将逐步取代传统光源(极少数特殊应用除外)。
 
 LED是由掺杂的氮化镓系晶体构成,但直接制备氮化镓晶体非常困难,现行的LED芯片是通过外延技术将构成氮化镓成分的材料变成气态,一层层沉积在某种预制的衬底上形成不同掺杂的氮化镓系晶体,再通过进一步处理后制成发光二极管。目前大规模商业化使用的LED衬底材料有三氧化二铝晶体(俗称蓝宝石)和碳化硅晶体,虽然碳化硅在晶格失配度、热膨胀系数、导热系数方面优于蓝宝石,但蓝宝石具有更好的化学稳定性、不吸收可见光、机械强度高、加工性能好、器件稳定、制造技术相对成熟,尤其是其制造成本仅仅是碳化硅的数十分之一,所以,目前市场占比最大的LED衬底材料当首推蓝宝石晶体。
 
 LED产业的高速发展推动了对衬底级蓝宝石晶体的巨量需求,从而促进了对蓝宝石晶体生长设备的需求,2010年初以来,国内先后有十多家企业涉足蓝宝石晶体生长和晶体设备开发,投资规模从数千万到数十亿元不等,所选择的技术方案基本都是泡生法晶体生长工艺。
 
 泡生法晶体生长炉的核心技术在于热场设计,通过对炉内加热体、热防护层、上部籽晶热交换器、下部坩埚支撑体四大热场形成要素的材料、形状、结构、尺寸、分布等综合设计,使坩埚内高纯三氧化二铝原料熔化后呈现上部温度低下部温度高、径向上轴心温度低外侧温度高的分布模式,晶体生长时,从熔体上表面中心(冷心)引入预选的高品质籽晶(晶种),使熔体以籽晶为核心由埚心到埚壁从上至下顺序生长,直至熔体完全消耗形成单晶。
 
 蓝宝石晶体生长炉相关系列主要包括:钨坩埚, 钨筒, 钨发热体, 钼侧屏, 钼上屏, 钨下屏, 钨底屏, 钨坩埚盖, 钨立柱(钨支柱), 钨托盘, 钨底托, 钼底盘, 钼籽晶夹。
 

 在形成泡生炉热场的四大要素中,坩埚支撑座的设计至关重要,是影响热场能否形成单晶生长所需要的顺序温度梯度的关键之一。


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