本申請(qǐng)為國際申請(qǐng)pct/us2010/047506于2012年3月2日進(jìn)入中國國家階段、申請(qǐng)?zhí)枮?01080039231.3、發(fā)明名稱為“在經(jīng)調(diào)節(jié)壓力下使用氦的高溫工藝改進(jìn)”的分案申請(qǐng)。

本發(fā)明一般地涉及在高溫操作環(huán)境中的材料處理。更加具體地，本發(fā)明涉及在高溫真空熔爐中生產(chǎn)結(jié)晶材料。

背景技術(shù)：

雖然以下討論涉及在高溫真空熔爐中生產(chǎn)晶體，但是將會(huì)清楚，在這里所公開的方法和設(shè)備能夠被應(yīng)用于被用于生產(chǎn)各種產(chǎn)品包括但是不限于生產(chǎn)各種玻璃、無定形材料、多晶晶塊諸如硅晶塊和薄膜的任何高溫操作環(huán)境。

用于諸如在高溫真空熔爐中存在的環(huán)境中生產(chǎn)晶體的工藝能夠產(chǎn)生任何或者所有的、三種一般類別的、能夠影響最終晶體質(zhì)量的、多余的輔助或者二級(jí)反應(yīng)。它們是：(1)高溫化學(xué)反應(yīng)、(2)不穩(wěn)定化合物的分解，和(3)某些元素的升華或者蒸發(fā)。

高溫化學(xué)反應(yīng)通常牽涉碳或者難熔金屬，諸如經(jīng)常在高溫熔爐的構(gòu)造中使用的鉬和鎢。如果這種反應(yīng)發(fā)生，則它們能夠使得熔爐劣化。牽涉包含石墨的熔爐的反應(yīng)的實(shí)例包括：

c(s)+2mo(s)→mo2c(1)

和

h2o(g)+c(s)→co+h2(g)(2)

一氧化碳然后能夠與任何難熔金屬反應(yīng)并且由此形成碳化物和揮發(fā)性物質(zhì)。

在真空中在高溫下鉬坩堝也通過類似的反應(yīng)與al2o3反應(yīng)以形成：

al2o3(s)+mo(s)→moo2(g)+alo(g)+al(g)(3)

以及其它化合物。

在1412℃的熔化溫度下和在低于10托的壓力下操作的、在二氧化硅坩堝中的硅通過以下反應(yīng)發(fā)生反應(yīng)以形成氣態(tài)sio：

sio2(s)+si(s)→2sio(g)(4)。

在約1400℃下，氣態(tài)sio在低于10托的壓力下與碳反應(yīng)以產(chǎn)生高度反應(yīng)性的一氧化碳(co)和sic。即：

2c(s)+sio(g)→sic(s)+co(g)(5)

碳化硅能夠嚴(yán)重地劣化從熔體生長的硅的質(zhì)量。

而且，co根據(jù)下式在低于10托的壓力下與硅反應(yīng)以形成碳和一氧化硅。

co(s)+si(s)→c(s)+sio(g)(6)

這種反應(yīng)能夠?qū)е聅io氣體到熔爐的較低溫區(qū)域中的表面上的、多余的沉積。另外，碳化硅能夠嚴(yán)重地劣化從熔體生長的硅的質(zhì)量。

在升高的操作溫度下，某些化合物變得不穩(wěn)定并且分解。例如：

2mgo(g)→2mg(s)+o2(g)(7)

由此自由氧能夠與在熔爐自身中使用的材料和與正在熔爐中被處理的材料這兩者反應(yīng)以形成氧化物。

作為另一個(gè)實(shí)例，尖晶石根據(jù)下式分解成氧化鎂和氧化鋁，

mgal2o4(s)→mgo(g)+al2o3(s)(8)

其中mgo如上所述地發(fā)生反應(yīng)。

當(dāng)某些元素或者化合物被升高到高溫時(shí)，發(fā)生升華或者蒸發(fā)。如已知的那樣，所有的金屬和某些難熔材料傾向于在高溫下蒸發(fā)或者升華。石墨將在高溫下升華成碳蒸氣。例如，石墨將在2200℃以上升華成碳蒸氣。碳蒸氣能夠與坩堝反應(yīng)并且污染坩堝內(nèi)含物。

在晶體制造工藝中，輔助反應(yīng)諸如以上的反應(yīng)(1)和升華能夠產(chǎn)生氣態(tài)物質(zhì)。如已知的那樣，這種氣體能夠在正被處理的材料中被捕捉，從而使得晶體具有例如瑕疵諸如夾雜或物者氣泡，這產(chǎn)生了不理想的光散射。

在高溫環(huán)境中，加熱元件也易于受到“熱斑”或者“冷斑”的存在所影響，熱斑是由于加熱元件中的電阻率的變化或者電源變化而引起的，冷斑是例如由于絕緣泄露引起的。在處理期間，熱斑和冷斑能夠?qū)е路蔷鶆蚧蛘叻菍?duì)稱的晶體生長。在晶體生長和冷卻期間，熱斑和/或冷斑在晶體中產(chǎn)生熱應(yīng)力梯度，這能夠引起應(yīng)力缺陷，包括引起晶格畸變和/或破裂的位錯(cuò)。如已知的那樣，在熱區(qū)內(nèi)側(cè)反應(yīng)的、以前的反應(yīng)物或者熔爐構(gòu)造材料諸如石墨氈或者濕氣的細(xì)微顆粒的存在能夠劣化熔爐性能并且甚至使得通過視口觀察變得模糊。

所需要的是這樣一種工藝及其控制，其將在高溫環(huán)境處理期間多余的輔助反應(yīng)和多余的溫度梯度減至最少。

技術(shù)實(shí)現(xiàn)要素：

根據(jù)本發(fā)明的一個(gè)方面，公開了生產(chǎn)結(jié)晶材料的方法，該方法包括以下步驟：a)將具有熔體原料和任選的籽晶的坩堝裝載進(jìn)熔爐的熱區(qū)中；b)將熔爐的熱區(qū)抽空至操作壓力值；c)加熱熔爐的熱區(qū)以至少部分地熔化熔體原料；d)進(jìn)一步將熔爐的熱區(qū)加熱至最大溫度以完全地熔化熔體原料以及任選部分地熔化籽晶；e)通過冷卻熱區(qū)而從完全熔化的熔體原料并且任選地進(jìn)一步從部分熔化的籽晶生長結(jié)晶材料；和f)從熔爐移除結(jié)晶材料。該方法進(jìn)一步包括以下步驟：建立至少一種非反應(yīng)性氣體進(jìn)入熔爐的熱區(qū)中的流率，隨后建立在熔爐的熱區(qū)中的至少一種非反應(yīng)性氣體的壓力高于操作壓力，該步驟在生長結(jié)晶材料的步驟之前發(fā)生。

根據(jù)本發(fā)明的另一個(gè)方面，公開了一種用于生產(chǎn)結(jié)晶材料的熔爐，該熔爐包括熱區(qū)；維持熱區(qū)中的真空并被連接到熔爐的真空泵組件；向熱區(qū)提供熱量并圍繞熱區(qū)的至少一個(gè)加熱器；將至少一種非反應(yīng)性氣體供應(yīng)到熱區(qū)中并被連接到熔爐的非反應(yīng)性氣體系統(tǒng)；和在熱區(qū)中建立并且維持非反應(yīng)性氣體的流率和壓力并被連接到熔爐和真空泵組件的非反應(yīng)性氣體調(diào)節(jié)系統(tǒng)。該熔爐可以進(jìn)一步包括熱交換器。

根據(jù)本發(fā)明的另一個(gè)方面，公開了一種用于穩(wěn)定在用于生產(chǎn)晶體或者晶塊的高溫真空熔爐中的環(huán)境的方法，其中該生產(chǎn)經(jīng)歷至少一個(gè)多余的溫度和壓力依賴性輔助反應(yīng)，所述方法包括：a)為該至少一個(gè)輔助反應(yīng)中的每一個(gè)反應(yīng)建立依賴于反應(yīng)蒸氣壓力的反應(yīng)壓力值，b)引導(dǎo)氣體通過熱區(qū)，其中氣體具有在熱區(qū)環(huán)境中是非反應(yīng)性的和具有小分子尺寸、高比熱和高導(dǎo)熱率的特性，和c)在所建立的反應(yīng)壓力值下調(diào)節(jié)熱區(qū)中的非反應(yīng)性氣體的壓力。

附圖說明

權(quán)利要求特別地指出并且清楚地要求保護(hù)本發(fā)明的主題。通過與附圖相結(jié)合閱讀以下詳細(xì)說明，本發(fā)明的、不同的目的、優(yōu)點(diǎn)和新穎的特征將是更加充分地清楚的，并且在附圖中：

圖1是描繪本發(fā)明到第一類型的熔爐的應(yīng)用的框圖；

圖2是描繪本發(fā)明到第二類型的熔爐的應(yīng)用的框圖；

圖3是概述能夠被應(yīng)用于包括在圖1和2中的那些的各種熔爐的、用于根據(jù)本發(fā)明的工藝控制的方法的基本流程圖；

圖4使用第一對(duì)照工藝給出晶體質(zhì)量分析；

圖5使用第二對(duì)照工藝給出晶體質(zhì)量分析；

圖6是用于生產(chǎn)藍(lán)寶石晶體的、用于結(jié)合本發(fā)明的工藝控制方法的基本流程圖；并且

圖7給出通過使用本發(fā)明實(shí)現(xiàn)的藍(lán)寶石晶體的質(zhì)量分析。

具體實(shí)施方式

詳細(xì)描述的兩個(gè)特殊熔爐是圖1中的材料處理熔爐和圖2中的熱交換器方法(hem)熔爐。然而，將會(huì)清楚，本發(fā)明還能夠適合于在bridgman、stockbarger、thermalgradientfreeze、topseededkyropolous、thermalgradienttechnique和其它熔爐中通過定向固化或者晶體來生長晶塊，在所述的熔爐中，溫度穩(wěn)定性和均勻性以及控制是重要的。

材料處理熔爐

現(xiàn)在參考圖1，根據(jù)本發(fā)明適合于處理材料的熔爐系統(tǒng)10包括真空密閉熔爐腔室11。真空泵組件12抽空熔爐腔室11的內(nèi)部并且被圖示為包括真空泵12p、用于為真空控制器提供測量的主真空計(jì)12g和真空閥12v。在本技術(shù)領(lǐng)域中這種真空系統(tǒng)是已知的。

在該實(shí)施例中，在熔爐腔室11中的絕緣體15形成被絕緣的熱區(qū)16。絕緣體15能夠由石墨基材料諸如石墨氈或者其它難熔材料構(gòu)成。能夠利用在各種熔爐設(shè)計(jì)中使用的多種已知手段或者結(jié)構(gòu)中的任何一種形成熱區(qū)16。

在圖1中的熱區(qū)16包括石墨電阻加熱器17，石墨電阻加熱器17帶有延伸到熔爐操縱室21中的電源的導(dǎo)線20。至少一個(gè)高溫計(jì)22通過窗口和端口諸如窗口23a和端口23b測量工藝溫度，以提供用于工藝控制的溫度輸入信號(hào)。在該實(shí)施例中，位于熱區(qū)16中的、經(jīng)適當(dāng)?shù)卣{(diào)節(jié)的坩堝25包含構(gòu)成熔體原料的材料的混合物。電阻加熱器17圍繞坩堝25。在本技術(shù)領(lǐng)域中這種加熱器和控制是已知的。

在該實(shí)施例中，熔爐系統(tǒng)10適于結(jié)合非反應(yīng)性氣體系統(tǒng)30。氣體系統(tǒng)30將非反應(yīng)性氣體供應(yīng)到由包括熱區(qū)16的熔爐腔室11限定的空間中。氣體系統(tǒng)30包括供應(yīng)罐31或者其它的供應(yīng)源。流量控制器32包括流量監(jiān)視器33并且控制進(jìn)入熔爐腔室11中的氣體流率。傳統(tǒng)的流量控制系統(tǒng)能夠適于執(zhí)行這個(gè)功能。

氣體系統(tǒng)30在真空閥42關(guān)閉時(shí)優(yōu)選地通過在熔爐腔室11的基部處的端口40將非反應(yīng)性氣體供應(yīng)到熱區(qū)16中。壓力調(diào)節(jié)器41通過以受控方式通過真空管線43將氣體排放到真空泵組件而控制熔爐腔室11中的氣體壓力。如將描述地，在操作期間的某個(gè)點(diǎn)并且根據(jù)本發(fā)明，主真空閥12v關(guān)閉并且閥42打開以提供從真空腔室11到真空泵12的、壓力得到調(diào)整的排氣路徑。結(jié)果，在熱區(qū)16中的壓力被允許增加至并且此后被維持在預(yù)定壓力。在本技術(shù)領(lǐng)域中用于以可變流率并且在預(yù)定壓力下提供氣體的系統(tǒng)是已知的。

熱交換器方法(hem)熔爐

圖2描繪hem(熱交換器方法)熔爐50。在美國專利no.3,653,432、3,898,052、4,256,530、4,840,699和7,344,596中描述了這種熔爐的變體。在圖2中，熔爐系統(tǒng)50包括真空密閉熔爐腔室51。真空泵組件52抽空熔爐腔室51的內(nèi)部并且如在本技術(shù)領(lǐng)域中已知的那樣被示為包括真空泵52p、用于為真空控制提供測量的真空計(jì)52g和主真空閥52v。在熔爐腔室51中的絕緣體55限定能夠根據(jù)任何數(shù)目的型式構(gòu)造的熱區(qū)56。

熱區(qū)56由帶有導(dǎo)線60的石墨電阻加熱器57界定，導(dǎo)線60延伸到通常與熔爐操縱室61相關(guān)聯(lián)的電源。至少一個(gè)高溫計(jì)62通過窗口和端口諸如窗口63a和端口63b測量工藝溫度，以提供用于工藝控制的溫度輸入信號(hào)。熱交換器64能夠包括帶有內(nèi)部管子的閉端難熔金屬管子，該內(nèi)部管子用于以受控的速率注射冷卻劑氣體，特別是氦氣，以從坩堝的底部中心提取熱量。熱交換器64支撐被電阻加熱器57包圍的、經(jīng)適當(dāng)?shù)卣{(diào)節(jié)的坩堝65。坩堝65包含將產(chǎn)生最終晶體的熔體原材料的混合物。

在圖2中，熱交換器64通過利用氦供應(yīng)罐71或者其它供應(yīng)源連接到氦冷卻系統(tǒng)70而提供選擇性冷卻。氦再循環(huán)泵72將氦氣泵送到質(zhì)量流量控制器73或者控制進(jìn)入熱交換器64中的氣體流率的閥門。加熱器57的可變溫度控制和到熱交換器64的可變氦流量控制的組合使得能夠定向地從在坩堝的底部中的籽晶和熔體提取熱量從而實(shí)現(xiàn)良好的定向固化或者晶體生長。即，通過增加氦流量從而以受控方式降低熱交換器溫度以產(chǎn)生所希望的固-液界面形狀和生長速率，熱交換器64在籽晶處在坩堝的底部中心內(nèi)產(chǎn)生用于單晶生長的溫度。單晶生長由此在高度受控的液體和固體溫度梯度下發(fā)生，隨著固-液界面的前進(jìn)，這有效率地將雜質(zhì)隔離到液體中。其中晶體從坩堝底部生長的晶體生長方法例如bridgman、stockbarger和其中晶體生長在坩堝內(nèi)側(cè)發(fā)生的其它晶體生長和晶塊生長方法將得益于使用熱交換器64或者其它等效裝置，所述裝置帶有經(jīng)調(diào)整的氦流量以實(shí)現(xiàn)用于每一種類型的熔爐和/或正被處理的材料的最佳工藝條件。

在該實(shí)施例中，熔爐系統(tǒng)50適于結(jié)合氦氣或者其它非反應(yīng)性氣體系統(tǒng)80。氣體系統(tǒng)80包括供應(yīng)罐81或者其它供應(yīng)源。質(zhì)量流量控制器82和流量監(jiān)視器83控制使得氣體流過導(dǎo)管84從而優(yōu)選地在底部處被容許進(jìn)入熔爐腔室51中的速率。

類似于圖1中的設(shè)備，熔爐系統(tǒng)50在起初當(dāng)真空系統(tǒng)52通過真空閥52v抽空熱區(qū)56時(shí)所建立的真空下操作。通過控制閥84和壓力調(diào)節(jié)器85提供了通過閥門86排氣進(jìn)入真空泵系統(tǒng)52中的第二抽空路徑。在操作期間的某個(gè)點(diǎn)并且根據(jù)本發(fā)明，主真空閥52v關(guān)閉并且閥84打開以在熱區(qū)56內(nèi)提供可控氣體壓力。

工藝控制

根據(jù)本發(fā)明的一個(gè)方面，公開了一種生產(chǎn)結(jié)晶材料的方法，該方法包括以下步驟：將具有熔體原料的坩堝提供進(jìn)入熔爐的熱區(qū)中并且將熔爐的熱區(qū)抽空至通常小于1托的操作壓力值。任選地，該坩堝還可以包含籽晶。在這種方法中，熔爐的熱區(qū)被加熱以至少部分地熔化熔體原料并且然后進(jìn)一步被加熱至最大溫度以完全地熔化熔體原料以及任選部分地熔化籽晶，如果使用籽晶的話。該方法進(jìn)一步包括通過冷卻熱區(qū)而從完全熔化的熔體原料和任選地進(jìn)一步從部分熔化的籽晶生長結(jié)晶材料的步驟。然后能夠從熔爐移除結(jié)晶材料。

本發(fā)明的方法進(jìn)一步包括以下步驟：建立至少一種非反應(yīng)性氣體進(jìn)入熔爐的熱區(qū)中的流率，隨后建立在熔爐的熱區(qū)中的至少一種非反應(yīng)性氣體的壓力高于操作壓力，該步驟在生長結(jié)晶材料的步驟之前發(fā)生，包括在熔化熔體原料的步驟之前發(fā)生。根據(jù)本發(fā)明并且如在前討論地，通過使用氦或者在熔爐環(huán)境中是非反應(yīng)性的并且具有小分子尺寸、高比熱和高導(dǎo)熱率的任何其它氣體實(shí)現(xiàn)了工藝控制。作為根據(jù)本發(fā)明使用的候選氣體的非反應(yīng)性氣體包括氬氣、氦氣和氮?dú)猓驮跓o氧環(huán)境中的氫氣。

在一個(gè)優(yōu)選實(shí)施例中，選擇氦是因?yàn)樗哂酗@著的優(yōu)點(diǎn)。它并不在高溫下反應(yīng)。它具有比氬和氮更好的導(dǎo)熱性和更高的比熱，并且因此它提供更好的溫度穩(wěn)定性。它具有比氬更小的分子尺寸和更好的流動(dòng)性。這使得能夠在真空中實(shí)現(xiàn)良好的對(duì)流熱傳遞并且提供更好的、氣體從材料的向外擴(kuò)散。雖然氫具有比氦更好的導(dǎo)熱性和更小的分子尺寸，但它是一種還原氣體并且特別地在高操作溫度和這些工藝的條件下當(dāng)與氧接觸時(shí)是爆炸性的，并且不能被用于處理大多數(shù)材料。因此，以下工藝控制是根據(jù)氦氣的使用而得以闡述的。然而，如現(xiàn)在將清楚地，氬或者氮能夠被用于某些工藝，在該工藝中，熱流和/或溫度均勻性不是那么關(guān)鍵性的，從而相對(duì)于氦提供類似的效果。

如以上更加詳細(xì)地討論地，用于在高溫真空熔爐中生產(chǎn)晶體的工藝能夠產(chǎn)生能夠影響最終晶體質(zhì)量的、各種多余的輔助或者二級(jí)反應(yīng)。每一個(gè)多余的輔助反應(yīng)均具有兩個(gè)性質(zhì)，即：(1)反應(yīng)溫度，和(2)能夠是氣體或者固體的反應(yīng)蒸氣產(chǎn)物。反應(yīng)溫度是使得多余的輔助反應(yīng)發(fā)生的最小溫度。如果反應(yīng)產(chǎn)物是氣態(tài)的，則反應(yīng)蒸氣壓力或者反應(yīng)壓力是輔助反應(yīng)在高于該壓力時(shí)受到抑制的那個(gè)壓力。對(duì)于在以上指出的和其它的熔爐系統(tǒng)中遇到的不同的反應(yīng)而言，關(guān)于反應(yīng)溫度和蒸氣壓力的具體值是已知的。

能夠經(jīng)常地通過施加大于或者等于分解產(chǎn)物的總蒸氣壓力的惰性氣體壓力而抑制分解反應(yīng)。例如，即使當(dāng)co2的局部壓力小于平衡點(diǎn)時(shí)，也僅當(dāng)co2的分解蒸氣壓力大于總壓力時(shí)，碳酸鹽分解反應(yīng)才以顯著的速率進(jìn)行。類似地，如果大于si3n4的蒸氣壓力的總壓力得以維持，則si3n4的分解能夠受到抑制。

如果涉及僅僅一個(gè)多余的輔助反應(yīng)，則能夠關(guān)于用于該多余的輔助反應(yīng)的反應(yīng)溫度和蒸氣壓力建立反應(yīng)閥值。如果涉及多個(gè)多余的輔助反應(yīng)并且如果操作溫度高于閥值反應(yīng)溫度，則壓力應(yīng)該高于每一個(gè)所涉及到的輔助反應(yīng)的蒸氣壓力。見schmid的originofsicimpuritiesinsiliconcrystalsgrownfromthemeltinvacuum，j.electrochem.soc.126(1)，935(1979)。

蒸氣壓力閥值被選擇為高于反應(yīng)蒸氣壓力的最大值并且建立了最小氦流率以沖除雜質(zhì)和污染物。如本領(lǐng)域普通技術(shù)人員將會(huì)清楚地，反應(yīng)溫度和壓力閥值包括動(dòng)力學(xué)行為并且是通過關(guān)于任何具體反應(yīng)的熱化學(xué)計(jì)算、經(jīng)驗(yàn)和試驗(yàn)確定的。在以下討論中，可能的多余輔助反應(yīng)的分析將產(chǎn)生被用作工藝關(guān)鍵值的、所建立的反應(yīng)溫度值和所建立的反應(yīng)壓力值。

現(xiàn)在參考圖3，本發(fā)明的工藝100始于典型的、在本技術(shù)領(lǐng)域中已知的一系列初步步驟101到104。在這個(gè)具體實(shí)施例中，步驟101代表凈化熔爐以確保它清潔的過程。在步驟102結(jié)束時(shí)，坩堝處于熔爐的熱區(qū)中并且包含將被處理的材料。步驟103代表用于移除任何揮發(fā)性雜質(zhì)的熱區(qū)抽空和烘干溫度。在步驟104中的調(diào)節(jié)之后，在熱區(qū)中的溫度開始上升以處理坩堝中的內(nèi)含物。

當(dāng)在步驟105中確定溫度已經(jīng)升至所建立的反應(yīng)溫度時(shí)，在步驟106中引發(fā)氦氣流動(dòng)以使得在熱區(qū)內(nèi)的壓力達(dá)到所建立的流率和反應(yīng)壓力以使氣體放出減至最低。氦氣流率足以維持精確的經(jīng)調(diào)整壓力并且沖除能夠污染熱區(qū)和在熱區(qū)中被處理的材料的污染物。根據(jù)所被處理的材料，通常真空熔爐在5托到250托氦氣的范圍中操作。利用進(jìn)出熔爐腔室地流動(dòng)的氦氣，在這個(gè)范圍中維持壓力易于利用傳統(tǒng)的系統(tǒng)實(shí)現(xiàn)。

流率應(yīng)該確保當(dāng)它從熔爐腔室的底部進(jìn)入熱區(qū)時(shí)氦被充分地加熱。如已知的那樣，從較熱區(qū)域到較冷區(qū)域的、在熱區(qū)中的增加的熱傳遞將增加以減小溫度梯度，因此在熱區(qū)中實(shí)現(xiàn)更高的溫度均勻性。從熔爐腔室的熱區(qū)到較冷部分的總體熱傳遞也將增加。如將會(huì)清楚地，熱傳遞的、任何的這種增加都將要求加熱器控制供應(yīng)更多的功率。具有它的良好的導(dǎo)熱性和良好的流動(dòng)特性的氦增強(qiáng)了在熱區(qū)中的熱傳遞并且增加了通過絕緣體到腔室的內(nèi)側(cè)壁的熱流。這依次地要求更高的功率。熱流能夠隨著壓力的增加或者降低而增加或者降低。對(duì)于任何給定的工藝，均應(yīng)該選擇最小壓力以在熱區(qū)中提供良好的熱均勻性同時(shí)最小化功率要求并且確保流率足以掃除熱區(qū)的雜質(zhì)。良好的流動(dòng)特性引起氦通過開口從熱區(qū)內(nèi)側(cè)流動(dòng)到外側(cè)。減小熱區(qū)以外的開口是重要的，因?yàn)殚_口用作煙囪，并且這增加了要求功率并且引起溫度變化。理想地，任何開口均應(yīng)該被減小并且在熱區(qū)中是對(duì)稱的。

一旦氣體流在步驟107中達(dá)到它的建立參數(shù)，熱區(qū)溫度便在利用調(diào)節(jié)器控制氦壓力時(shí)增加，該調(diào)節(jié)器調(diào)節(jié)到達(dá)真空系統(tǒng)的氦流。

步驟110代表延續(xù)的、用于在維持氦壓力和流率時(shí)生長晶體的操作。在圖1和2中的壓力調(diào)節(jié)器41和85和/或帶有相關(guān)控制的壓力傳感器提供必要的壓力控制。

在步驟110期間，作為一個(gè)實(shí)例，在石墨電阻熔爐腔室中存在強(qiáng)還原潛力。如果存在氧氣泄漏，則碳蒸氣能夠與氧反應(yīng)以形成一氧化碳。一氧化碳然后能夠與在坩堝中正被處理的內(nèi)含物反應(yīng)并且將其還原。

在涉及氧化鋁的某些工藝中，坩堝可以由鉬構(gòu)成。這將引起氧化鋁還原成低價(jià)氧化物并且形成氧化鉬。根據(jù)本發(fā)明施加的氦壓力減輕了氧化鋁的還原并且減輕了在所得晶體中的光散射。

認(rèn)為氦氣氛還抑制了在高溫下金屬、難熔材料、石墨或者碳的蒸發(fā)。這些蒸氣能夠反應(yīng)以使得熔爐構(gòu)件劣化、污染和/或還原正被處理的材料?？雌饋砭S持氦壓力通過使得作為位錯(cuò)和晶格畸變?cè)虻臏囟忍荻群筒▌?dòng)減至最低而穩(wěn)定了熱區(qū)溫度。

在步驟111中當(dāng)確定生長已經(jīng)完成時(shí)，在步驟112中引發(fā)冷卻。根據(jù)本發(fā)明，通常地通過增加氦壓力高于在步驟110期間使用的氦壓力(即，所建立的反應(yīng)壓力值)，這個(gè)冷卻在增加的氦壓力下發(fā)生。增加壓力通過減少熱斑和冷斑而穩(wěn)定了熱區(qū)中的溫度。還已經(jīng)發(fā)現(xiàn)，增加氦或者其它氣體的壓力對(duì)于熔爐的水-冷卻腔室增加了熱損失。這通過使得熱區(qū)中的梯度減至最小而減少了步驟113的冷卻時(shí)間，這增加了成功退火的可能性并且可以減少總體循環(huán)時(shí)間。

根據(jù)對(duì)于如上所述的本發(fā)明的工藝的理解，通過公開未得益于本發(fā)明的、用于生長藍(lán)寶石晶體的工藝的兩個(gè)具體實(shí)例并且然后公開結(jié)合本發(fā)明的工藝和由此生產(chǎn)的晶體的具體實(shí)例，這將有助于描述本發(fā)明的益處。

如已知的那樣，作為在生產(chǎn)發(fā)光二極管時(shí)的基板，藍(lán)寶石晶體是有用的。如還已知的那樣，為此目的使用的藍(lán)寶石晶體必然具有低于預(yù)定水平的由高位錯(cuò)密度和光散射區(qū)密度導(dǎo)致的晶格畸變。

圖4是在具有圖2所示類型但是不帶非反應(yīng)性氣體的現(xiàn)有技術(shù)真空熔爐中生產(chǎn)的藍(lán)寶石晶碇的對(duì)照實(shí)例。這產(chǎn)生了如在圖4中所示的藍(lán)寶石晶碇，圖4基于沿著晶碇的c軸線的截面。圖4的用網(wǎng)紋線畫出的陰影部分描繪了該晶碇的、滿足關(guān)于發(fā)光二極管應(yīng)用的晶格畸變和散射區(qū)要求的小部分。

圖5是通過試驗(yàn)生產(chǎn)的藍(lán)寶石晶碇的另一個(gè)對(duì)照實(shí)例，在該試驗(yàn)中，通過將氦添加到熔爐中但是不帶壓力控制地修改了用于生產(chǎn)圖4的晶碇的工藝。用網(wǎng)紋線畫出的陰影區(qū)域代表晶碇的、的確滿足晶格畸變和散射區(qū)規(guī)格并且因此能夠在發(fā)光二極管的制造中使用的那個(gè)部分。通過檢查，這是晶碇總體積的一個(gè)小的百分比。還發(fā)現(xiàn)用于這個(gè)晶碇的生產(chǎn)的工藝循環(huán)比用于圖4中的晶碇的工藝循環(huán)更長。

圖6是根據(jù)本發(fā)明用于從氧化鋁生產(chǎn)藍(lán)寶石晶體的工藝的流程圖。步驟201代表關(guān)于(i)將籽晶置于坩堝內(nèi)的中心從而使它保持到位、(ii)將坩堝置于熔爐中，和(iii)將氧化鋁熔體原料添加到坩堝的實(shí)際要求。

步驟202是涉及熔爐的抽空和初始加熱從而能夠利用真空移除任何主要雜質(zhì)的初始階段。同時(shí)地，使得冷卻氣體諸如氦流過熱交換器諸如圖2中的熱交換器64。接著，在步驟203，在熱區(qū)中的溫度繼續(xù)上升，觀察到了熔化。能夠利用任何數(shù)目的已知工藝確定和控制所述溫度上升。

在這個(gè)具體實(shí)例中，這個(gè)確定是通過從坩堝的頂部監(jiān)視發(fā)射率而作出的。當(dāng)熔化發(fā)生時(shí)，發(fā)射率改變。發(fā)射率變化探測裝置在本技術(shù)領(lǐng)域中是已知的并且它們提供多樣性并且它們以各種方式通知熔化的發(fā)生。當(dāng)熔化發(fā)生時(shí)，該工藝轉(zhuǎn)變到熔化階段中。

在熔化階段中的步驟205，通過熔爐的氦氣流在規(guī)定的速率下開始，同時(shí)主真空閥諸如圖2中的主真空閥52v打開以凈化或者沖洗熱區(qū)。這個(gè)操作持續(xù)足夠的時(shí)間以完成雜質(zhì)的沖洗。

當(dāng)步驟205的操作完成時(shí)，在步驟206中，主真空閥關(guān)閉。然后現(xiàn)在通過控制熱區(qū)中的壓力的真空比例閥移除流入熱區(qū)中的氦。壓力處于5-50托、優(yōu)選地10-30托的范圍中，并且流率不高于1.0scfh，諸如0.05scfh到1.0scfh，包括0.1scfh到0.5scfh。根據(jù)本發(fā)明并且如在步驟207中所示，貫穿該循環(huán)的其余部分，這個(gè)氦壓力和流率受到控制。認(rèn)為控制這個(gè)壓力和流率保證了多余的輔助反應(yīng)受到抑制并且雜質(zhì)被從熱區(qū)沖除。

在步驟206中，溫度增加到最大數(shù)值(例如“種晶溫度”)，在該溫度，熔化的氧化鋁透過籽晶。在這個(gè)最大溫度值下的溫度增加速率和工藝持續(xù)時(shí)間依賴于多個(gè)因素和經(jīng)驗(yàn)。

在步驟211，通過以受控方式降低溫度，生長階段開始。具體地，通過熱交換器(圖2中的64)的氦流量增加，由此從坩堝及其熔融內(nèi)含物除熱。在熱交換器中的氦流量的最佳變化速率是通過試驗(yàn)確定的，但是一旦得以確定，便對(duì)于給定熔爐保持是基本可再現(xiàn)的。這種除熱使得定向固化能夠發(fā)生，由此生產(chǎn)最終晶體，并且繼續(xù)直至熱區(qū)中的溫度達(dá)到退火點(diǎn)溫度。當(dāng)已經(jīng)在步驟212中達(dá)到退火溫度時(shí)，晶體被退火。在步驟213中，熔爐被隔離并且氦繼續(xù)流動(dòng)以回填熱區(qū)。此后所得晶體能夠被移除。

實(shí)施例

圖7是沿著使用圖6的工藝生產(chǎn)的晶碇的c軸線的截面。帶有線條的區(qū)域代表晶碇的、滿足最小晶格畸變和散射區(qū)規(guī)格并且因此能夠在發(fā)光二極管的制造中使用的那個(gè)部分。與圖4和圖5所示的相比，可用體積存在顯著的增加。而且在這個(gè)晶碇中的可用體積超過晶格畸變和散射區(qū)要求這兩者。用于這個(gè)改進(jìn)產(chǎn)物的循環(huán)時(shí)間約與用于圖4的工藝循環(huán)的循環(huán)時(shí)間相同。

根據(jù)經(jīng)驗(yàn)已知的是，不同的熔爐可以具有不同的特性。那些特性中的某些特性能夠在生長階段期間引起改變并且能夠不利地影響最終晶體的質(zhì)量。當(dāng)在生長階段期間確定這種條件存在并且能夠通過修改熱傳遞的恒定性而得以克服時(shí)，能夠作出溫度校正而不改變電源設(shè)置。具體地，已經(jīng)發(fā)現(xiàn)改變熱區(qū)中的氦壓力具有帶有非常良好的控制地改變熱區(qū)中的溫度的效果。因此雖然通常情況下所建立的氦壓力可以是恒定的，但是能夠根據(jù)需要特意地改變?cè)搲毫σ詫?shí)現(xiàn)這種變化，同時(shí)仍然實(shí)現(xiàn)本發(fā)明的益處，特別是在生長階段期間。

如現(xiàn)在將會(huì)清楚地，通過使得能夠在真空熔爐中生產(chǎn)晶體諸如藍(lán)寶石晶體，由此所生長的晶體的、相當(dāng)大的部分能夠滿足或者超過關(guān)于晶體中的晶格畸變和散射的要求，本發(fā)明提供很多優(yōu)點(diǎn)。結(jié)合本發(fā)明的熔爐提供將通常在高溫環(huán)境中所遭遇的、多余的反應(yīng)諸如多余的反應(yīng)、分解、升華和蒸發(fā)減至最小的惰性環(huán)境。本發(fā)明的使用使得高溫工藝能夠帶有在熱區(qū)中的更加均勻的溫度地在更高溫度下操作。通過最小化由熔爐中的熱斑和冷斑引起的溫度梯度，非反應(yīng)性氣體的更高壓力提供用于晶體退火和用于更快冷卻的、更好的熱傳遞。減少熱斑能夠通過增加在熱區(qū)內(nèi)的氦壓力以改進(jìn)熱流而得以實(shí)現(xiàn)。維持非反應(yīng)性流率也減少了在熱區(qū)中余留的反應(yīng)產(chǎn)物。

已經(jīng)結(jié)合某些實(shí)施例公開了本發(fā)明。將會(huì)清楚，在不偏離本發(fā)明的情況下，能夠?qū)τ谒_的設(shè)備和工藝步驟作出很多修改。因此，權(quán)利要求意在涵蓋落入本發(fā)明的精神和范圍內(nèi)的、所有的這種變化和修改。