藍(lán)寶石晶體介紹

1、藍(lán)寶石晶體介紹 =|*mWu7 1、藍(lán)寶石晶體介紹 :$+aPBkF N- Q* y+ R5 P* C藍(lán)寶石的組成為氧化鋁(Al2O3)，是由三個(gè)氧原子和兩個(gè)鋁原子以共價(jià)鍵型式結(jié)合而成,其晶體結(jié)構(gòu)為六方晶格結(jié)構(gòu).它常被應(yīng)用的切面有A-Plane,C-Plane及R-Plane.由于藍(lán)寶石的光學(xué)穿透帶很寬,從近紫外光(190nm)到中紅外線都具有很好的透光性.因此被大量用在光學(xué)元件、紅外裝置、高強(qiáng)度鐳射鏡片材料及光罩材料上，它具有高聲速、耐高溫、抗腐蝕、高硬度、高透光性、熔點(diǎn)高（2045）等特點(diǎn)，它是一種相當(dāng)難加工的材料，因此常被用來作為光電元件的材料。目前超高亮度白/藍(lán)光LED的品質(zhì)取決于氮化

2、鎵磊晶(GaN)的材料品質(zhì)，而氮化鎵磊晶品質(zhì)則與所使用的藍(lán)寶石基板表面加工品質(zhì)息息相關(guān)，藍(lán)寶石(單晶Al2O3 )C面與-和-族沉積薄膜之間的晶格常數(shù)失配率小，同時(shí)符合GaN 磊晶制程中耐高溫的要求，使得藍(lán)寶石晶片成為制作白/藍(lán)/綠光LED的關(guān)鍵材料.4 C% ?) j9 V0 |. W2 B% y5 w2 C2zTxP#:G 0 H1 f f9 h. z7 s 3l2dKR 2、藍(lán)寶石晶體的生長方法常用的有兩種: iZR.% $ 2 c: c7 N: x0 H3 1:柴氏拉晶法(Czochralski method),簡稱CZ法.先將原料加熱至熔點(diǎn)后熔化形成熔湯，再利用一單晶晶種接觸到熔湯表

3、面，在晶種與熔湯的固液界面上因溫度差而形成過冷。于是熔湯開始在晶種表面凝固并生長和晶種相同晶體結(jié)構(gòu)的單晶。晶種同時(shí)以極緩慢的速度往上拉升，并伴隨以一定的轉(zhuǎn)速旋轉(zhuǎn)，隨著晶種的向上拉升，熔湯逐漸凝固于晶種的液固界面上，進(jìn)而形成一軸對(duì)稱的單晶晶錠. 2 p/ f1 ?8 x5 J0 9 T3 k ysv moq 2:凱氏長晶法(Kyropoulos method),簡稱KY法,大陸稱之為泡生法.其原理與柴氏拉晶法(Czochralskimethod)類似，先將原料加熱至熔點(diǎn)后熔化形成熔湯，再以單晶之晶種(SeedCrystal，又稱籽晶棒)接觸到熔湯表面，在晶種與熔湯的固液界面上開始生長和晶種相同晶

4、體結(jié)構(gòu)的單晶，晶種以極緩慢的速度往上拉升，但在晶種往上拉晶一段時(shí)間以形成晶頸，待熔湯與晶種界面的凝固速率穩(wěn)定后，晶種便不再拉升，也沒有作旋轉(zhuǎn)，僅以控制冷卻速率方式來使單晶從上方逐漸往下凝固，最后凝固成一整個(gè)單晶晶碇. jHePg& V . J+ K6 Y% m$ 0 m uBD*G:=d 0 f4 c5 v, k. h- U2 O: c ; h- h6 w# N0 U+ l l!B4(dT( , N2 h5 J6 E# l G7 k 3n* 藍(lán)寶石基片的原材料是晶棒,晶棒由藍(lán)寶石晶體加工而成# h5 % W5 a! _1 I7 a( H =Dze2; 淘股吧 UCnPe C7 _7 b( +

5、f( C7 Wn廣大外延片廠家使用的藍(lán)寶石基片分為三種:, p, O, N* 2 K# N2 M (Sh4XJm - O5 I2 hS2 q2 h6 ?: x %fp %)kEs 1:C-Plane藍(lán)寶石基板5 c, H( p6 J0 3 T RN_M1Jf 這是廣大廠家普遍使用的供GaN生長的藍(lán)寶石基板面.這主要是因?yàn)樗{(lán)寶石晶體沿C軸生長的工藝成熟、成本相對(duì)較低、物化性能穩(wěn)定,在C面進(jìn)行磊晶的技術(shù)成熟穩(wěn)定. OX:Z T 9 X2 j6 G z* i# Y sEr$H_ &*HykgQ - c5 F8 c% i6 o5 b- Q5 V藍(lán)寶石（a-Al2O3）又稱白寶石，是世界上硬度僅次于金剛

6、石的晶體材料。其結(jié)構(gòu)中的氧原子以接近HCP（hexagonal closedpacked）的方式排列，其中氧原子間的八面體配位約有2/3的空隙是由鋁原子所填充，由此使它具有強(qiáng)度、硬度高(莫氏硬度9)，耐高溫(熔點(diǎn)達(dá)2050)、耐磨擦、耐腐蝕能力強(qiáng)，化學(xué)性質(zhì)穩(wěn)定，一般不溶于水，不受酸腐蝕，只有在高溫下(3000C以上)才能為氫氟酸(HF)、磷酸(H2PO4)以及熔化的苛性鉀(KOH)所侵蝕；且具有同氮化鎵等半導(dǎo)體材料結(jié)合匹配性好、光透性能、電絕緣性能優(yōu)良等一系列特性。7 S4 g1 QM8 x2 M T$yJPZ2E 淘股吧 f+) -_M : A; F7 S ?) f6 h 1 e 藍(lán)寶石單晶

7、首先是作為紅外窗口材料而提出。因其具有優(yōu)良的光學(xué)、機(jī)械、化學(xué)和電性能，特別是具有中波紅外透過率高等特性，從0.190m至5.5m波段均具有很高的光學(xué)透過率，因此被廣泛用作微波電子管介質(zhì)材料，超聲波傳導(dǎo)元件，延遲線，波導(dǎo)激光器腔體及精密儀器軸承，天平刀口等光學(xué)元件以及紅外軍事裝置、空間飛行器、高強(qiáng)度激光器的窗口材料。以白寶石單晶片為絕緣襯底材料的SOS器件則具有高集成度、高速度、低功耗和抗輻射能力強(qiáng)等優(yōu)點(diǎn)。近年來民用手表的表面大量使用白藍(lán)寶石，其特點(diǎn)是光潔度高、硬度高、耐磨損。表1給出了藍(lán)寶石單晶的基本性能。. F) d+ e a) v/ W3 |# tK +kqNZ|8fX 表1藍(lán)寶石單晶材料

8、基本性能 y4;BsJH $ . l1 v7 U % M0 b2 D( P 晶體性能 e& G - g. _- a5 # / I4 K( n) k; n$ 化學(xué)式 a-Al2O3 Zsv01Q 2 7 |$ C6 b2 w$ s- S+ p* e 式量 101.9612 O9% R+M; ; e j F1 O$ _6 D% ?+ l+ W: P! 晶系 六方晶系 v35VP; ( s+ s! e+ N( l4 y6 ( A: n; w8 P 晶格常數(shù)及方向 a=4.758(0001)，c=12.991 pfV5/:* P$ M B+ n( N5 g/ q. y 空間群 R3c- 9 Y! *

9、s! s; k1 P# Y Uh!vYtDk 單位晶胞中的分子數(shù) 2 m&_02 ; T. T: w0 K J) A6 b% H7 |. | 光學(xué)性能+ 3 g3 K( p5 O qQ%Z&T 透過波段/mm 0.14-6% d7 E* g, A, ?* m n =/)E 折射系數(shù)n 3mm 1.713, |( l1 y( j8 Y( |6 e# _T eRTa2E% 4mm 1.677 Y? S32i - $ c/ L) v+ W9 a$ G5mm 1.627 nzc6K?XbL : D9 z$ T2 j: ?5 I( i 吸收系數(shù)a 3mm 0.0006 M0*ey+kNB $ P J-

10、K4 _5 x8 | L0 f4mm 0.055 so oDX gY$ Z, W* k& H 5mm 0.925 G, w A$ 9 Q. f7 a Y! q, g We1nm. 毫米波特性2 Y( 2 1 x1 2 P; B y /f*-LCg 折射系數(shù)n 34GHz 3.0568 b az0aa 1 4 X! m0 d0 i2 F! D94GHZ 3.0568 n5 N# u! t, : RGiHnR 吸收系數(shù)a 34GHz 0.009/ U/ U6 X7 m, T ij&IIV;3 94GHZ 0.029 !dC/2 U - K: 4 H3 Z+ wa ) y# F 損耗角正切tgd 3

11、4GHz 0.0004 d) m _/ N) Z5 h4 j8 D4 u nZeuA 94GHZ 0.0005 wmwA 9 S2 d ?: a* o. k; |4 機(jī)械和熱學(xué)性能 Ij!k 2 D! ( U, - L4 Q 熱導(dǎo)率/W.m-1.K-1 24, I- x8 V y+ $ G3 M7 g$ T ztH0JW 熱膨脹系數(shù)/10-6.-1 8.8 u) H+ r9 i4 E0 B4 r; K 2pM8XSIr 比熱(J/g) 0.782 Wo/8l( / e K$ w0 T, W* j, J. e5 j1 k 熱容(J/mol.K) 77, k! h. C6 o4 k J% j- O

12、5 E! i/ |% l r,u f#U 泊松比 0.27-0.29 ;)g:D 7 n: / w( I- w/ K6 k$ ? 抗熱沖擊品質(zhì)因子 2.10 =sLIB q4 J* T: g4 | 電阻率(W.cm) 1014 p $zIXQ( g # I2 e 8 H, i3 eS, L3 B 藍(lán)寶石單晶作為一種優(yōu)良透波材料，在紫外、可見光、紅外波段、微波都具有良好的透過率，可以滿足多模式復(fù)合制導(dǎo)（電視、紅外成像、雷達(dá)等）的要求，在軍事工業(yè)等領(lǐng)域被用作窗口材料及整流罩部件，在光電通訊領(lǐng)域作為重要的窗口材料使用。 vVRijV* 5 I Y% & F& & s2 o5 nL 藍(lán)寶石材料可以生長

13、制備大尺寸的單晶，其內(nèi)部缺陷很少，沒有晶界、孔隙等散射源，強(qiáng)度的損失很小，透波率很高，是目前透波部件的首選材料；此外，由于藍(lán)寶石電絕緣、透明、易導(dǎo)熱、硬度高，因此可以用來作為集成電路的襯底材料，可廣泛用于發(fā)光二極管（LED）及微電子電路，從而替代高價(jià)的氮化硅襯底，制作超高速集成電路；可以做成光學(xué)傳感器以及其它一些光學(xué)通信和光波導(dǎo)器件。如高溫高壓或真空容器的觀察窗、液晶顯示投影儀的散熱板、有害氣體檢測儀和火災(zāi)監(jiān)測儀的窗口、光纖通訊接頭盒等。 (c 1TfX* ( h/ Z$ c6 b* l; q# G4 - B: t/ , k 藍(lán)寶石單晶制備的研究開始于19世紀(jì)末，1904年，法國人用熔焰法最先

14、獲得了較大尺寸的藍(lán)寶石晶體，經(jīng)過近百年的發(fā)展，制備藍(lán)寶石單晶的技術(shù)日趨完善。目前已有提拉法（Czochrolski）、熔焰法（Vernuil）坩鍋移動(dòng)法（Bridgman-Stockbarger)、溫度梯度法（TGT）、導(dǎo)模法（EFG）、熱交換法 (HEM)、水平定向凝固法（GHK）、泡生法（GOI）等多種制備方法，而適于生長大尺寸藍(lán)寶石單晶的技術(shù)主要有：熱交換法、水平定向凝固法、泡生法及溫度梯度法、及本項(xiàng)目所采用的冷心放肩微量提拉法等。/ Y+ ; 1 R6 P# x1 3 aJ( X !Ye!, R 300mm的藍(lán)寶石晶體。烏克蘭的單晶研究所（Institute for Single Cr

15、ystal）采用定向凝固法制備了大尺寸板狀晶體35020035mm，該工藝采用保護(hù)性氣氛代替了晶體生長時(shí)的高真空環(huán)境，并且用廉價(jià)的碳材料代替熱交換器用的昂貴金屬材料，極大的降低了生產(chǎn)成本。 ?H)UNNC 5 C6 t( v; g+ H! H, v 我國在大尺寸藍(lán)寶石單晶的合成方面與國外有較大的差距，尤其在藍(lán)寶石晶體的生長技術(shù)、生長裝備及加工技術(shù)方面，至今不少單位仍然使用較為傳統(tǒng)的提拉法、熔焰法生長氧化物單晶材料，由于機(jī)械傳動(dòng)過程中震動(dòng)很大，電器自動(dòng)控制精度低，溫度場設(shè)計(jì)不合理等問題，很難滿足晶體生長的基本條件。制備的晶體質(zhì)量、成本很難滿足使用要求，成為困擾相關(guān)產(chǎn)業(yè)發(fā)展的技術(shù)難題。我國在藍(lán)寶石

16、晶體材料的加工技術(shù)方面和國際先進(jìn)水平存在明顯差距，主要是晶體材料利用率低、加工表面質(zhì)量差、表面損傷層大、加工后襯底材料定向精度難以滿足使用要求，國內(nèi)規(guī)?；a(chǎn)LED用高品質(zhì)藍(lán)寶石襯底材料目前尚屬空白。( n* j: c$ K7 k( s0 Z |1 A HzxZQph 國內(nèi)在九十年代后期，針對(duì)大尺寸藍(lán)寶石單晶體的生長技術(shù)取得了一定的進(jìn)展，中國科學(xué)院上海光學(xué)精密機(jī)械研究所采用導(dǎo)向溫梯法（與熱交換法類似），生長出國內(nèi)最大尺寸的120mm80mm藍(lán)寶石晶體，用于國家“氧碘強(qiáng)激光工程”窗口材料，這是目前為止我國的最好水平；1999年四川師范大學(xué)固體物理所采用提拉法生長出了直徑大于40mm的藍(lán)寶石單晶；

17、2000年北京人工晶體研究所采用坩堝下降法生長8090mm藍(lán)寶石單晶。 yMJod - ie h5 j! q) O 我國藍(lán)寶石晶體的產(chǎn)業(yè)化屬起步階段，目前主要產(chǎn)品為中低檔產(chǎn)品，如用火焰法和提拉法制備直徑范圍在80mm以下的藍(lán)寶石晶體，晶體質(zhì)量只有少部分能達(dá)到光學(xué)級(jí)水平，如：云南玉溪藍(lán)晶晶體有限公司、南京恒煉藍(lán)寶石表面有限公司、大連淡寧光電技術(shù)有限公司等企業(yè)；上海光學(xué)精密機(jī)械研究所導(dǎo)向溫梯法的產(chǎn)業(yè)化工作尚在起步階段，據(jù)報(bào)道能加工制造5英寸（125mm）以下的藍(lán)寶石晶體，由于受生長方向的限制，可加工基片直徑尺寸小于100mm,材料利用率較低。 zwZ#Zbxut ) Q+ X3 g. ?* t*

18、i$ q b4 k* D 在國際上能夠通過產(chǎn)業(yè)化生產(chǎn)制造直徑超過150mm大尺寸藍(lán)寶石晶體的國家只有美國和前蘇聯(lián)，有代表性的公司有：俄羅斯的Atlas公司、Monocrystal公司和Tydex等公司，生長出晶體尺寸最大為300mm，工藝方法為泡生法；美國的Crystal System Inc.是世界上最高水平的晶體制造公司，可生產(chǎn)300mm的大尺寸藍(lán)寶石單晶體，采用的工藝方法為熱交換法，其工藝成本較高。 !U53=WUQ . D6 X* q/ w- T7 P* U 我國晶體生長有悠久的歷史,但現(xiàn)代人工晶體的系統(tǒng)研發(fā)起步較晚。經(jīng)近半個(gè)世紀(jì)的發(fā)展，已可生產(chǎn)制備直徑150mm的藍(lán)寶石晶體，由一個(gè)基

19、本上是空白的領(lǐng)域上升到在國際上占有一席之地，來之不易。我國在晶體材料方面取得了大量研究成果，但大尺寸藍(lán)寶石晶體材料的生長技術(shù)，高利用率、低成本的晶體材料成型及機(jī)械加工技術(shù)開發(fā)應(yīng)用尚處于研制水平較低階段，對(duì)大多需求很難提供配套，更談不上批量生產(chǎn)，難以滿足供貨量和貨期的要求；大大的制約了相關(guān)領(lǐng)域的發(fā)展。* z t% n/ W* p7 L o1?BY v 高品質(zhì)、低成本的晶體材料生長技術(shù)是世界各國關(guān)注的難點(diǎn)和重點(diǎn)。從目前的技術(shù)水平來看，國際上能夠產(chǎn)業(yè)化制造直徑大于200以上高品質(zhì)藍(lán)寶石襯底材料的只有俄羅斯、美國等三家公司，由于藍(lán)寶石材料有著較強(qiáng)的軍工應(yīng)用背景需求，因此各國均將該項(xiàng)技術(shù)列為高度機(jī)密內(nèi)容

20、，相關(guān)研究報(bào)道僅僅局限在工藝角度，針對(duì)藍(lán)寶石的特點(diǎn)和用途開發(fā)的專用設(shè)備及與之相配套的成型及機(jī)械加工技術(shù)的報(bào)道僅僅限于原理角度，我國在該方面的研究屬剛剛起步，在基礎(chǔ)理論、工藝、設(shè)備選配等方面的基礎(chǔ)和經(jīng)驗(yàn)幾乎為零。 vS!XA(ed 4 |( E7 h. H/ c9 v% A8 x8 k2 F A 目前國內(nèi)現(xiàn)有的用于藍(lán)寶石晶體生長設(shè)備，是基于傳統(tǒng)方法和技術(shù)開發(fā)建設(shè)的實(shí)驗(yàn)室級(jí)產(chǎn)品，無論從晶體質(zhì)量、成本、工藝控制精度、工藝重現(xiàn)性、晶體尺寸、生產(chǎn)效率等方面均難以滿足產(chǎn)業(yè)化的需求。 Q)e,*( _. / z9 s 5 E 2 C 從工藝角度，大尺寸藍(lán)寶石晶體生長周期長，工藝復(fù)雜。原材料純度、處理狀態(tài)、制

21、備工藝參數(shù)等對(duì)晶體質(zhì)量影響較大，需要針對(duì)不同工藝參數(shù)生長出晶體進(jìn)行詳細(xì)的性能測試和微觀組織結(jié)構(gòu)分析，在此基礎(chǔ)上給出進(jìn)一步改進(jìn)的工藝參數(shù)和技術(shù)措施，才能開始下一輪次的晶體生長，達(dá)到不斷優(yōu)化工藝，獲得高質(zhì)量晶體材料的目的。然而大尺寸藍(lán)寶石晶體生長周期大大拖延了研究周期。 x152_#=P 2 F5 e3 ) , t4 E L g$ S- r* Z 藍(lán)寶石晶體的硬度僅次于金剛石、為莫氏硬度9級(jí)，由于其脆性較大，很難加工，對(duì)于航空航天光電窗口而言，除了要求其表面光潔度較高（Ralt;0.3nm）外，關(guān)鍵要求其晶面軸線的方向必須與C軸沿M軸方向的偏差U 6 3 l) ; b! l0 Q% Q; e$ M

22、 7Dpf/ 5 Z. T% C* V- n8 R* g9 G . Jc ;7ae $ V x4 j6 l8 v( _; b2 k y Q?n l)A,U 困擾我國航空航天用高品質(zhì)藍(lán)寶石窗口部件產(chǎn)業(yè)化的主要問題集中在以下幾個(gè)方面： /MLP%.MR/ 4 A3 x1 L* R) X1 a5 g 淘股吧 odNkG:R. M0 Y& 6 , n+ h. , p2 d% p 技術(shù)及裝備落后。與美國、俄羅斯、烏克蘭等國相比，我國用來生長晶體的單晶爐大多技術(shù)原理方法落后，設(shè)備自動(dòng)化程度低，晶體尺寸小，質(zhì)量難以達(dá)到光學(xué)級(jí)水平，材料利用率低，成本高。產(chǎn)品市場競爭力弱。1 SC% 3 F4 M% G k 8

23、#Q0 藍(lán)寶石材料在LED應(yīng)用領(lǐng)域一直處于供不應(yīng)求的狀況，臺(tái)灣新竹工業(yè)園（臺(tái)灣主要LED生產(chǎn)園區(qū)，產(chǎn)能占世界總產(chǎn)能近32%）2007年度的產(chǎn)業(yè)發(fā)展報(bào)告很清楚的說明了這一點(diǎn)?！芭_(tái)灣市場目前2英寸晶棒月供應(yīng)量為120K/M, 90%以上依賴Rubicon供應(yīng)材料，數(shù)量約為100K/M, 臺(tái)灣市場目前可供應(yīng)磊晶的2英寸藍(lán)寶石拋光片基板約為220K/M pcs, 臺(tái)灣市場目前磊晶需求的拋光片約為400K/M pcs。需求遠(yuǎn)遠(yuǎn)大于生產(chǎn)能力”。 ?k*WT,xam 2 n. C# ?5 x8 e( F) O 目前國際各家大的藍(lán)寶石生產(chǎn)廠紛紛將生產(chǎn)重心轉(zhuǎn)向利潤率更高的3-6英寸晶棒，使得2英寸晶棒價(jià)格由20

24、06年底的8.2$/mm,上漲到4月中旬的9.1$/mm，上漲幅度大于10%，該價(jià)格由于產(chǎn)能的嚴(yán)重不足將在高位維持很長一段時(shí)間。表2是全球主要藍(lán)寶石供應(yīng)商的供應(yīng)能力情況1 e5 G3 n. , f0 B- R :65 =)Jqb 表2 全球主要藍(lán)寶石供應(yīng)商的供應(yīng)能力情況 #V_YpF $ ) # ?/ % R0 E+ u/ Q 供貨商名稱 所在地 晶棒產(chǎn)能(mm/m) 主要供應(yīng)地區(qū)及規(guī)模. M; / O) 2 T, U5 h nWxss Monocrystal 俄羅斯 150K (2”) 歐、美、日本（3” 、4” 、6”）為主 9B6wmWK / f/ C( 8 w+ Y2 V) a Rub

25、icon 美國 150K (2”) 臺(tái)灣（”）、歐、美、日本（3” 、4” 、6”） 332moev/ - U( E: a9 p3 Y7 1 w8 I Kyocera 日本 200K (2”) 自給自足 ,N2$;dTK 9 u4 Oj5 X$ r/ O! q Atlas等 俄羅斯 50K (2”)、 歐、美 R6O?Tu7 1 1 s0 / B D9 s) G STC 韓國 15K(2”) 韓國、臺(tái)灣4 uN# P; n1 ?3 x YDMp# 隨著對(duì)降低成本的要求，該部分市場的競爭會(huì)趨于白熱化，高技術(shù)、低成本將成為該類產(chǎn)品發(fā)展的主題。美系太陽能長晶爐大廠GT Solar收購藍(lán)寶石單晶生產(chǎn)商

26、Crystal Syst環(huán)球光伏網(wǎng) F5vcss%P 美系太陽能長晶爐大廠GT Solar已正式收購藍(lán)寶石單晶(Sapphire)生產(chǎn)商Crystal Systems公司，GT Solar市場營銷總監(jiān)Jeffrey Nestel-Patt表示，伴隨著LED產(chǎn)業(yè)起飛，上游的藍(lán)寶石單晶需求暢旺，公司除了針對(duì)Crystal Systems既有的產(chǎn)能持續(xù)進(jìn)行擴(kuò)充外，自2011年4月起將開始對(duì)外量產(chǎn)藍(lán)寶石長晶爐，預(yù)期至2012年時(shí)，相關(guān)設(shè)備的營收貢獻(xiàn)將可達(dá)1億美元。 ,-Q%BKZ $)r F 在收購Crystal Systems后，GT Solar正式切入藍(lán)寶石單晶產(chǎn)業(yè)。原本Crystal Systems所設(shè)計(jì)的設(shè)備僅供自家使用，不過，未來GT S