连续蓝宝石生长的制作方法
【专利摘要】本发明涉及连续蓝宝石生长。本发明公开了用于连续蓝宝石生长的系统和方法。一个实施方式可以采取方法的形式，该方法包括：将基体材料供给到位于生长腔室内的坩埚中；加热坩埚以熔融基体材料并且开始熔融基体材料中的晶体生长，以产生晶体结构。另外，该方法包括将晶体结构拉离坩埚并且将晶体结构供给到生长腔室外部。
【专利说明】连续蓝宝石生长
【技术领域】
[0001]本申请涉及蓝宝石生长，更具体地讲，涉及用于连续蓝宝石生长的系统和方法。
【背景技术】
[0002]刚玉是氧化铝是晶体形式并且发现刚玉具有各种不同颜色，除了通常被称为红宝石的红色刚玉和被称为莲花刚玉的橘红色刚玉之外，所有颜色的刚玉通常被统称为蓝宝石。透明形式的刚玉被视为宝石或珍宝。一般来说，刚玉非常硬，纯刚玉被限定为具有9.0的莫氏硬度，如此纯刚玉能够划破几乎所有其它矿物。
[0003]如可以理解的，由于刚玉的某些特性，包括硬度和透明特性等，导致刚玉可用于各种不同的应用。然而，对于特定应用有益的相同特性通常增加了成本并提高了加工和制备用于那些应用的蓝宝石的难度。如此，除与它成为宝石相关的成本之外，制备用于特定用途的刚玉的成本常常过高。例如，当实现传统的加工技术时，蓝宝石的硬度使得切割和抛光材料既困难又耗时。另外，传统的加工工具例如切割机当在刚玉上使用时经受相对较快的磨损。
【发明内容】
[0004]本发明公开了用于连续蓝宝石生长的系统和方法。一个实施方式可以采取方法的形式，该方法包括:将基体材料供给到位于生长腔室内的坩埚；加热坩埚以熔融基体材料并且开始熔融基体材料中的晶体生长，以产生晶体结构。另外，该方法包括将晶体结构拉离坩埚并且将晶体结构供给到生长腔室外部。
`[0005]另一个实施方式可以采取用于连续蓝宝石生长的系统的形式，该系统包括垂直生长腔室和位于生长腔室内的坩埚。坩埚包括成套模具并且被构造用于容纳熔融氧化铝。该系统还包括被构造用于加热坩埚的加热器和用于将氧化铝连续供给到坩埚中的供给系统。提供拉动系统并且拉动系统被构造用于使种晶接触成套模具顶部的熔融氧化铝并且将晶带向上拉出生长腔室。
[0006]虽然公开了多个实施方式，但从下面的详细描述中，本发明的其它实施方式对于本领域技术人员将变得显而易见。如将认识到的，实施方式能够在各个方面进行修改，所有这些修改都不脱离实施方式的精神和范围。因此，附图和详细描述将被视为本质是示例性的而非限制性的。
【专利附图】
【附图说明】
[0007]图1示出根据示例实施例的示例连续晶体生长系统。
[0008]图2是图1的连续生长系统的坩埚的自上而下的视图，示出了用于连续供给氧化铝的入口。
[0009]图3示出连续生长系统的放大视图，其中，晶带退出生长腔室。
[0010]图4是示出力与晶带长度之间关系的图。[0011]图5示出根据可供选择示例实施例的一体拉动系统。
[0012]图6示出针对连续晶体生长系统的切割系统和测试系统。
[0013]图7示出具有缺陷的晶带的一部分。
[0014]图8是示出连续蓝宝石生长方法的示例流程图。
【具体实施方式】
[0015]一般来说，所有蓝宝石生长方法本质上都是分批的。在每次生长周期的开始，至少，将精确取向的种晶安置在生长腔室内并且使之接触熔融的氧化铝以使晶体生长蔓延。常常，将生长炉冷却并且在每次新生长周期之前用氧化铝重新填充坩埚。
[0016]通过消除除初始添加晶种操作之外的其余操作，并且消除对冷却和重新加热坩埚的需要，本连续生长技术有助于避免与分批方法相关的停工时间(down time)。设备工作时间(up time)可以大大延长，因为将只出现用于替换磨损组件(通常直到许多生长周期之后才出现的事件)的停工时间。通过去除和/或减少传统分批加工技术的冷却和加热周期，可以降低其它能量成本。
[0017]本连续生长方法是基 于EFG (限边馈膜生长)工艺。在这个工艺中，蓝宝石的“晶带”是通过拉动它们穿过成套模具来生长的，成套模具限定固化晶体的形状。因为通过生长晶带的长度达到生长腔室所允许的最大值或者通过晶体生长排空坩埚，所以这个工艺通常是分批工艺。
[0018]为了将这个工艺转换成连续工艺，可以将氧化铝连续供给到坩埚中并且生长腔室可以被构造用于打开以允许蓝宝石晶带穿过。这引发了众多新问题。具体地讲，通常在生长期间用惰性气体填充生长腔室。顶部打开将允许气体逸出。另外，热将往往会从腔室顶部逸出，从而使效率降低。另外，通常借助固定种晶的制动器拉动蓝宝石晶带，并且这样将不能够继续向上无限拉动。
[0019]为了解决这些问题，可以实现众多机制。第一，可以将精密辊的组引入到炉顶部附近，以取代在制动器进行初始拉动之后拉动连续蓝宝石晶带。第二，除辊之外，密封机构可以闭合晶带周围和其间的间隙，以使热和气体损耗最少。另外，通过使炉高，热损耗的效应可以与热区和结晶点明显分离，以使效应降到最低。这还将允许晶带在腔室内有足够时间缓慢冷却，而不产生明显的热感应应力。第三，可以通过连续输入惰性气体来补偿气体从密封件的缓慢泄露。另外，通过将密封件设置在辊上方，来自密封件的任何摩擦效应将通过辊与生长点分离，从而使它们的效应降到最低。
[0020]转到图1，示出了连续蓝宝石生长系统100。生长系统100可以通常被构造用于根据EFG工艺生长蓝宝石。然而，应该理解，这个示例实施方式的一些方面可以在其它蓝宝石生长工艺中实现，以实现连续或几乎连续的蓝宝石生长。
[0021]连续蓝宝石生长系统100包括生长腔室102，生长腔室102容纳有助于蓝宝石生长的组件部分。具体地讲，腔室102容纳坩埚104、成套模具106、加热器108和绝缘体110。坩埚104被构造用于容纳熔融的氧化铝。可以由加热器108将坩埚104加热至超过氧化铝熔点的温度，使得氧化铝保持在熔融状态。加热器108可以通常采用任何合适的形式，并且在一个实施方式中可以米取一个或多个电加热器的形式。在一些实施方式中，可以实现预加热系统(未示出)，以有助于在加热器108将温度升至氧化铝熔点以上之前使坩埚104和/或生长腔室102的温度达到第一温度水平。
[0022]通常，成套模具106可以包括多组平行板112。每组平行板112形成隙缝114，隙缝114通过毛细管作用将熔融氧化铝向上引导。每组平行板112包括位于板112顶部的模具顶端116。模具顶端116确定由被引上平行板112的隙缝114的熔融氧化铝形成的晶体的形状。
[0023]提供拉动系统120，拉动系统120被构造用于将晶体从模具顶端116拉出。在一些实施方式中，拉动系统120可以被构造用于在生长腔室102内移动，而在其它实施方式中，拉动系统被固定在生长腔室顶部或在其附近。在其它实施方式中，拉动系统可以位于生长腔室内的坩埚104上方的某点。在其它实施方式中，拉动系统或拉动系统的一些部分可以位于生长腔室102外部。
[0024]在图1中，拉动系统120可以被构造用于在生长腔室120内垂直移动。支承构件122可以连接到拉动系统122并且被构造用于垂直移动拉动系统。拉动系统120可以包括多个拉动机构，每个拉动机构对应于成套模具的模具顶端。每个拉动机构可以初始地支承种晶。拉动系统120可以被降低，使得种晶接触模具顶端的熔融氧化铝，以致晶体生长蔓延。一旦晶体生长启动，拉动系统120就被拉离坩埚并且晶带124被向上拉离成套模具。
[0025]随着晶带124被向上拉动，坩埚中的熔融氧化铝用尽。通过以对应于晶体生长速率的速率将氧化铝供给到坩埚104中来补充熔融氧化铝。箭头130示出氧化铝供给到坩埚104中。氧化铝通常以固体形式被供给到坩埚中。如可以理解的，将固体氧化铝供给到熔融氧化铝中将对熔融氧化铝产生略微冷却效应。在一个实施方式中，在位于距离坩埚周界周围等距离的多个位置，将氧化铝供给到坩埚104。因此，冷却效应被平均分配。图2是示出入口点132的坩埚104的自上而下视图，其中，氧化铝被均匀分配在坩埚周界周围。在其它实施方式中，可以提供更多或更少的入口 132。另外，在一些实施方式中，入口 132可以位于除了坩埚104周界周围之外的位置。例如，一个或多个入口可以位于距离坩埚104周界更向内和/或靠近坩埚104中心。
[0026]返回图1，系统100可以包括控制器156，控制器156被构造用于控制系统100的各种操作。例如，控制器156可以控制拉动系统120的速度、将氧化铝供给到坩埚104中的速率、以及坩埚和/或生长腔室102的温度。另外，控制器156可以控制填充生长腔室102的惰性气体的供应。通常，用惰性气体如氩气填充生长腔室。因为一些惰性气体在通过当前工艺时将有损耗，所以可以提供惰性气体的供应以保持生长腔室102内的正确状况。通常，控制器156可以包括与存储器连接的处理器，其具有使控制器能够根据一组所需操作参数自发地控制系统100的一个或多 个操作的输入和输出。在一些实施方式中，控制器156可以采取台式计算机、膝上型计算机或其它这种计算装置的形式。在这类实施方式中，控制器156可以被构造用于允许进行用户输入，以有助于修改操作参数。另外，控制器可以记录系统100的操作并且向用户提供报告。在其它实施方式中，控制器156可以采取专用集成电路或芯片器件上系统的形式。
[0027]参照图3，拉动系统120被示出为已达到生长腔室102的顶部。在图示实施方式中，生长腔室102可以具有可转换顶部140，可转换顶部140被构造用于打开以允许晶带124经过。如图所示，可转换顶部140可以采取铰链门142的形式，铰链门142打开以允许晶带124经过。在其它实施方式中，可转换顶部140可以采取其它形式。例如，可转换顶部140可以包括打开顶部140的一个或多个滑动构件。通常，可以实现任何打开顶部140以允许晶带124经过的合适机制。
[0028]可以提供一个或多个绝缘特征144或密封件以有助于提供拉动系统120和生长腔室102的顶部140之间的热和/或气体密封。绝缘特征144可以采取垫圈形式，其可以要么附于生长腔室102的拉动系统120要么附于生长腔室102的顶部140内面。然而，绝缘特征144可以采取其它合适形式。另外，可以与晶带124相邻地设置额外的绝缘特征或密封件，以有助于在晶带退出时防止气体和/或热从生长腔室102逸出。
[0029]在一些实施方式中，拉动系统120可以包括用于每个晶带124的一组或多组辊150，用于在拉动系统已到达生长腔室102的顶部140之后移动晶带。辊150可以被构造用于接合导管152，导管152可以初始地支承种晶。辊150因此可以被构造用于帮助降低种晶以接触熔融氧化铝。另外，一旦拉动系统120到达生长腔室102的顶部140以从坩埚104拉动晶带124并且将它们拉出生长腔室，辊150就可以操作。可供选择地，辊150可以被构造用于在拉动系统120到达生长腔室102的顶部140之后接合蓝宝石晶带124。也就是说，辊150可以不接触导管152和/或晶带124，直到拉动系统120到达生长腔室102的顶部140为止。如此，辊150可以从静止位置活动连接到接合位置。可以通过任何合适的技术实现活动连接。另外，因为导管152和晶带124可能具有不同尺寸，所以辊150可以被构造用于移动和/或以其它方式调节成不同大小。例如，辊150可以是弹簧支承的。
[0030]辊150可以由可调谐电机(未示出)驱动。另外，辊150可以包括扭矩传感器154，扭矩传感器154被构造用于感测辊上的扭矩和/或施加到晶带124的力量。一般来说，期望的是保持拉动晶带124以有助于避免破裂的相对恒定力量。另外，恒定的力有助于保持晶带的所需厚度和/或生 长速率，以有助于减少或消除晶带中缺陷的产生。如此，每组辊150可以包括一个或多个传感器154，传感器154被构造用于感测可能导致缺陷生长的力和/或扰动。传感器154可以与图1的控制器156进行通信。控制器156可以进而控制辊150的操作(例如，速度)。
[0031]辊150可以被调谐，以尝试保持晶带124的一致生长速率或均匀横截面。图4示出力与长度的关系曲线160，其中垂直轴上是力并且水平轴上是长度。曲线160只是示例性的并且如此，长度和力值是任意的。如所示出的，曲线160通常遵循直线。曲线160表现出相对直线的微小偏离，偏离可以表明过大或过小的力被施加在晶带124上，而过大或过小的力是受到由温度驱使的固化速率的影响。如此，因为力曲线160表明相对直线的偏离，所以辊150的速度可以要么增大要么减小，使得施加的是所需力量。一般来说，拉动晶带124所需的力可以随着晶带长度的增加而增大。然而，一旦晶带124的长度达到阈值水平(例如，一旦晶带达到使其伸出生长腔室102的长度并且正由其它机构支承和/或正被切割)，曲线可以变平，如所示出的。
[0032]在162示出可能导致破裂的示例力扰动。通常，可以通过单独精细控制辊150来避免这类扰动，以保持恒定或线性的曲线。预期的是，坩埚104的温度可能有些变化，例如，由于氧化铝的供给导致的变化，一些晶带124可能生长得比其它晶带快或慢。如此，通过单独控制成组的辊150，为各个晶带的生长速率提供了灵活度，以有助于防止破裂事件和/或缺陷晶体生长。
[0033]图5示出根据可供选择实施方式的拉动系统170。拉动系统170与生长腔室102一体化。拉动系统170被构造用于用辊150降低导管152，使其接触熔融氧化铝并且蔓延晶体生长。辊150接着开始将晶带124向上拉离坩埚104并且拉出生长腔室102。如同之前描述的实施方式，可以提供传感器154来感测施加到晶带124的力，并且可以控制辊150施加所需水平的力，以有助于避免晶带破裂和/或缺陷生长模式。
[0034]一体化拉动系统170可以有利地减少与以上讨论的可转换顶部实施方式相关的热和气体损耗量。另外，可以对拉动速率进行更精确的控制，因为在整个生长工艺中，始终可以单独控制每组辊150。如此，与具有单个力反馈和控制的更常用拉动系统相比，可能出现更少的缺陷和/或破裂事件。
[0035]可以提供多组辊150来有助于在晶带被拉动时稳定和定位晶带。在一些实施方式中，可以包括一组辊150作为拉动系统的一部分并且可以在生长腔室102和拉动系统外部提供第二(或多个)组。例如，如图6中所示，可以在生长腔室102外部提供一组辊180。辊180可以具有它们自身的电机，但是可以按与辊150的速度大体相同的速度驱动。辊180在一些实施方式中可以包括它们自身的传感器，并且可以根据与辊150相同的力曲线进行控制。在其它实施方式中，辊180可以不被驱动，而只是随着晶带124在辊之间滚动而旋转。
[0036]辊180可以有助于将晶带124的生长与切割过程分离。切割系统可以通常采用激光切割器184的形式，激光切割器184被构造用于在晶带124正移动时切割它们。如此，切割器184可以被构造用于随着晶带移动以实现笔直切割或者可供选择地可以仅仅相对于晶带的移动而横向移动并且实现晶带的对角切割。在其它实施方式中，切割器184可以采取可根据划线和切断技术 进行操作的机械装置的形式，其中，晶带的表面被划线，接着施加压力或热梯度以造成晶带沿着划线断裂。在切割过程中，晶带124可以被切割成离散的部分，这些部分可以至少逼近用于(例如)电子器件中的蓝宝石部分的尺寸和形状。
[0037]在一些实施方式中，可以提供视觉测试系统182以在切割晶带之前扫描晶带124的缺陷。视觉测试系统182可以通常采取基于光的系统的形式，基于光的系统将某范围波长内的电磁能量或光向着晶带124引导并且基于被反射的光图案或者穿过晶带的光图案来检测缺陷。在一些实施方式中，视觉测试系统可以采取红外或紫外传感器的形式。在其它实施方式中，可以实现除了基于光的传感器之外的传感器。
[0038]图7示出晶带124，在晶带上具有离散部分图案190。一般来说，晶带124靠近中心的部分适于使用。然而，偶尔地，在这个区域中可以发现气泡192或其它缺陷。用视觉测试系统182，可以发现这类缺陷192并且可以切割晶带124使得这类缺陷没有变得一体化到部分中。具体地讲，可以沿着虚线进行切割，以避免缺陷一体化到部分中。因此，视觉测试系统182有助于实现对生长的蓝宝石的有效使用并且减少生长的晶体的浪费。
[0039]图8是示出根据示例实施方式的连续蓝宝石生长的示例方法200的流程图。一般来说，该方法可以开始于将氧化铝加载到坩埚中(框202)并且加热坩埚(框204)。坩埚升温超过氧化铝的熔点。将种晶降低到接触模具顶端，以开始熔融氧化铝的结晶(框206)。一旦晶体蔓延开始，就将种晶垂直取回(框208)。通过在坩埚中连续供给氧化铝来连续补充坩埚(框210)。另外，可以将惰性气体如氩气供给到腔室中，以补充在整个工艺中逸出腔室的任何气体。切割过程然后将晶带修整成生长腔室顶部上方的有限长度(框218)。
[0040]虽然以上讨论已经提出特定实施方式，但本领域的技术人员将认识到，在不脱离实施方式的精神和范围的情况下，可以进行形式和细节上的变化。因此，本文描述的【具体实施方式】应该被理解为是例子并且不限制`其范围。
【权利要求】
1.一种方法，包括: 将基体材料供给到位于生长腔室内的坩埚中； 加热所述坩埚以熔融所述基体材料； 开始熔融的所述基体材料中的晶体生长，以产生晶体结构； 将所述晶体结构拉离所述坩埚；以及 将所述晶体结构供给到所述生长腔室外部。
2.根据权利要求1所述的方法，其中将所述晶体结构供给到所述生长腔室外部的步骤包括: 打开所述生长腔室的顶部；以及 接合辊，以将所述晶体结构推到所述生长腔室外部。
3.根据权利要求1所述的方法，其中将所述晶体结构供给到所述生长腔室外部的步骤包括驱动位于所述生长腔室顶部的辊。
4.根据权利要求1所述的方法，还包括: 感测拉动所述晶体结构的辊上的扭矩；以及 基于感测到的扭矩，调节拉动所述晶体结构并且将其供给到所述生长腔室外部的速度。
5.根据权利要求1所述的方法，还包括在将所述晶体结构供给到所述生长腔室外部之后切割所述晶体结构。
6.根据权利要求5所述的方法，其中切割步骤包括划线和切断工艺。
7.根据权利要求5所述的方法，其中切割工艺包括激光切割工艺。
8.根据权利要求5所述的方法，其中切割工艺包括: 检测所述晶体结构以找寻缺陷；以及 切除缺陷部分。
9.根据权利要求1所述的方法，其中开始晶体生长的步骤包括在所述生长腔室内降低种晶以接触所述基体材料。
10.根据权利要求1所述的方法，还包括将惰性气体供应到所述生长腔室中。
11.一种用于连续蓝宝石生长的系统，包括: 垂直生长腔室； 坩埚，其被设置在所述生长腔室内，所述坩埚包括成套模具并且被构造用于容纳熔融氧化铝； 加热器，其被构造用于加热所述坩埚； 供给系统，其用于将氧化铝连续供给到所述坩埚中；以及 拉动系统，其被构造用于使种晶接触所述成套模具顶部的熔融氧化铝并且将晶带向上拉出所述生长腔室。
12.根据权利要求11所述的系统，其中所述生长腔室包括可转换顶部，所述可转换顶部打开以允许所述晶带退出所述生长腔室。
13.根据权利要求12所述的系统，其中拉动系统包括基底，所述基底被构造用于在所述生长腔室内移动，其中所述基底包括将所述晶带供给到所述生长腔室外部的多个辊。
14.根据权利要求13所述的系统，还包括一个或多个密封构件，所述密封构件用于当所述可转换顶部打开时在所述基底和所述生长腔室之间形成密封。
15.根据权利要求11所述的系统，其中所述拉动系统位于所述生长腔室的顶部。
16.根据权利要求15所述的系统，其中所述拉动系统包括多个辊，所述多个辊用于将所述晶带从所述坩埚向上拉动并且拉出所述生长腔室。
17.根据权利要求16所述的系统，其中所述多个辊中的一个或多个包括扭矩感测器。
18.根据权利要求11所述的系统，还包括所述生长腔室外侧的检测单元，其中所述检测单元被构造用于检测所述晶带中的缺陷。
19.根据权利要求18所述的系统，其中所述检测系统包括基于光的检测系统。
20.根据权利要求18所述的系统，还包括切割机构，其中所述切割机构包括机械切割器或激光 切割器之一。
【文档编号】C30B29/20GK103710743SQ201310330345
【公开日】2014年4月9日 申请日期:2013年8月1日 优先权日:2012年9月28日
【发明者】D·N·梅默林, S·A·梅尔斯 申请人:苹果公司