ISS9010型蓝宝石晶体生长炉的研制
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作者: 张国华
【摘 要】本文主要介绍一种采用独特的LSG工艺技术生长大尺寸高质量蓝宝石晶体的新型设备的设计思路以及工作原理，结合晶体生长的特殊工艺要求，分析了其主要结构和特点。
【关键词】蓝宝石；KY泡生法；晶体生长炉
0.引言
蓝宝石由于其具有多种优良的光学、机械、电气、热以及化学特性综合性能，被广泛应用于半导体、光电子技术，航天航空，光学窗口等领域，并且随着蓝宝石生长技术的快速发展与不断成熟，其成本不断降低，其应用范围正处于快速的扩大之中。
目前市场上蓝宝石晶体的生长主要以泡生法为主. 泡生法创始人为Kyropoulos（英文缩写为Ky）. 这种方法是将一根受冷的籽晶与熔体接触，如果界面的温度低于凝固点，则籽晶开始生长，为了使晶体不断长大，就需要逐渐降低熔体的温度，同时旋转晶体，以改善熔体的温度分布。也可以缓慢的（或分阶段的）上提晶体，以扩大散热面。晶体在生长过程中或生长结束时不与坩埚壁接触，这就大大减少了晶体的应力。该法缺点对长晶人员的依赖性大，自动化程度低，一致性较差。而我们设计的ISS9010型蓝宝石晶体生长炉是对泡生法改进基础上发展而来的用于生长大尺寸蓝宝石晶体的方法（LSG改良泡生法）。
ISS9010型蓝宝石晶体生长原理，从提高温场稳定性以及降低工艺人员技术水平对晶体质量的影响以及实现全自动控制等方面出发，对温场以及控制系统等进行了重新设计。是在高真空（6.7×10-3Pa以下）环境中，用钨电阻加热器把填充在坩埚内的原料熔化，籽晶从熔液上方浸入熔液表面开始引晶。引晶后通过籽晶轴极其缓慢的提拉，将在坩埚中自然生长的蓝宝石单晶提拉脱离坩埚底部，降温后完成蓝宝石单晶生长。晶体生长工艺主要分为高真空、化料、安定、引晶、晶体生长、退火、冷却七个过程。晶体生长过程中均匀缓慢的提拉晶体，晶体不与坩埚壁接触，避免了晶体生长过程中的寄生成核。
1.主要技术规范
（1）炉腔体：800mmX1117mm。
（2）熔料量：90kg
（3）晶体直径：≤330mm。
（4）晶升速度： 0.06-4200mm/h。
（5）晶转速度：0.1-30r/min。
（6）籽晶行程：735mm。
（7）加热器电源功率：100kw。
（8）最高加热温度2150℃。
（9）电源：3相380V交流。
（10）输出工作电流：0-10000ADC。
（11）输出工作电压：0-12VDC。
（12）进出水压力：0.2MPa。
（13）进出水温度：15-20℃。
（14）小盖行程：180mm。
（15）小盖升降速度：600mm/min。
（16）主泵极限真空度：5*10-3Pa。
（17）辅泵极限真空度：≤0.1Pa。
（18）称重传感器数量为2pcs，称重为120kg。
2.主机结构组成
生长炉主要由腔体部件，机架部件，籽晶旋转和提升部件，真空管路部件，冷却水路部件，电气部件，热场部件，小盖提升部件，水冷隔离阀部件等组成。
3.机械结构特点
（1）机架部件机架主要由机架、立柱、旋转支架等部件构成。立柱和机架连接成整体，提高了其稳定性。旋转支架便于装料和取出生长完成的蓝宝石。
（2）腔体部件主要由小盖、大盖、腔体、炉底板构成，这些全部是双层水冷结构，以防止在晶体生长阶段高温对炉室的损害；小盖上面开有观察孔和测温孔，以便于对炉内的情况观察和测量坩埚内液面的温度并反馈给PLC进行控制；大盖上面主要装有水冷电极，加热器所需电力就由此引入；腔体和炉底板主要是放置热场部件，同时在炉底板上装有测温仪，测量坩埚底部温度并反馈给PLC进行控制。
（3）热场部件主要由钨电阻加热器、坩埚支架、坩埚托盘、隔热屏等组成。钨电阻加热器通电发热，热量通过辐射传到坩埚上使坩埚内的原料熔化，从而进行晶体生长。坩埚支架和坩埚托盘是为了将坩埚固定在热场的适当位置。隔热屏起到保温的作用，使热场更稳定，以利于生长出高质量的蓝宝石。
（4）真空管路部件主要由两级真空泵和真空计以及一些真空管件组成。前级泵是旋片真空泵（2X-15D型直连旋片真空泵），次级泵是油扩散泵（采用VSH-4型扩散泵）。高低真空度由MKS品牌真空计获得。
（5）冷却水路部件由输入和输出汇水排组成，在输入水排上装有压力表，温度、压力传感器，输出汇水排上安装有温度、流量传感器和温度开关，能即时检测冷却水的各个参数指标。
（6）水冷隔离阀部件是为了提高排除故障效率而设计的结构。在蓝宝石生长阶段由于籽晶出现问题，导致必须降温，拆炉的情况时有发生。大大减少了排除故障所需的时间，并且节省了再次升温的能源消耗。
（7）小盖提升部件由伺服电机、行星减速机、齿轮齿条等部件组成，这些零部件的组合能够实现小盖打开，晶体从小盖口很顺利的取出。
（8）籽晶旋转机构有伺服电机、行星减速机、籽晶轴密封装置、支承座、籽晶轴等主要部件。行星减速机能实现蓝宝石生长所需要的非常低的旋转速度。空心轴密封装置（磁流体密封）有效地将籽晶轴的进出冷却水分隔、密封并与外界大气密封。
籽晶提升机构由伺服电机、行星减速机、精密丝杠、直线导轨副组成，这些零部件的组合能够实现蓝宝石生长所需要的极低的提拉速度。
4.电器控制
设备的电器控制系统控制系统由速度控制、温度控制、炉内压力控制，晶体生长重量、冷却水压力及温度监测等部分组成，其中硬件包括工业计算机（含液晶触摸屏）、驱动器、AD采集卡及变换电路、高精度DC电源等。其中DC电源是根据此晶体炉加热器的特点专门设计的，它采用高可靠、多闭环控制技术，具有高输出功率精度、高输出功率分辨率、高稳定可靠性、高率输入功率因数、高转换效率、低电网污染、功率冗余等特点。另外为了应对瞬间停电的情况，控制系统配备了单相工频UPS装置，以保护由于外部停电而造成的电脑和程序损坏，及设备各项措施的自动实现，减少了操作人员在特殊情况下的应急工作强度和时间。
5.结束语
ISS9010型蓝宝石晶体生长炉经过认真科学的设计，严格细致的加工及品质控制，安装调试，各项技术指标都达到了设计要求。其机械电器性能稳定可靠，通过工艺试验调整与长晶试验，连续长出90kg左右的合格晶体，达到了蓝宝石晶体生长工艺的要求。目前ISS9010型蓝宝石晶体生长炉已经在多个公司投产，运行状况良好，操作简单，性能稳定，综合性能达到了国内领先水平。很好的满足了国内蓝宝石晶体生长的需要。该设备的研制成功标志着我国蓝宝石晶体技术的又一重大突破，对我国LED产业的快速发展具有十分重要的意义。该设备于2014年由昀丰集团公司荣获2014年（第五届）高工金球奖。
【参考文献】
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[3]于旭东，孙广年，张会选等.200mm蓝宝石晶体生长工艺研究[J].人工晶体学报，2006，35（1）：0201-05.
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