蓝宝石晶体技术工艺发展趋势分析

第一节 产品技术发展现状

继美国、加拿大所用的提拉法和热交换法生长晶体后，上海光机所又独创“导向温梯法”生长２英寸至４英寸优质蓝宝石晶体，突破了国际公认的蓝宝石晶体生长的技术难关。

导向温梯法采用钼坩埚，代替提拉法所采用的、价格昂贵的铱坩埚作为发热装置，并用燃烧氮气代替热交换法所用的昂贵的氦气，从而降低了晶体生长的成本，而且可以生长出零双折射方向的蓝宝石晶体，“温梯法”是目前国际上生长这种方向大尺寸蓝宝石晶体的主要方法。

经美国加州理工学院综合测试，导向温梯法生长的大尺寸蓝宝石晶体４个测试晶体性能的技术指标均超过美国热交换法生长的蓝宝石晶体，达到国际水平。

第二节 产品工艺特点或流程

一、蓝宝石晶体的生长方法及特点

迄今人工生长蓝宝石的研究已有100多年的历史。在此期间，为了适应科学技术的发展和工业生产对于蓝宝石晶体质量、尺寸、形状的特殊要求，为了提高蓝宝石晶体的成品率、利用率以及降低成本，对蓝宝石的生长方法及其相关理论进行了大量的研究，成果显著。至今已发明了多种生长方法，如焰熔法、悬浮区熔法、提拉法、导模法、坩埚移动法、温度梯度法、热交换法、泡生法和冷心放肩微量提拉法等，其中尤以实用价值大、发展前景好的，如提拉法、温度梯度法、热交换法、泡生法和冷心放肩微量提拉法等发展更为迅速。

1、提拉法(CZ)

从熔体中提拉生长晶体的方法为Czochralski于1918年首创，自1964年Poladino和Rotter首先应用到蓝宝石单晶的生长中，成功生长出质量较高的蓝宝石晶体。

该方法主要特点：

1）在晶体生长过程中，可以方便的观察晶体的生长情况；

2）晶体在自由液面生长，不受坩埚的强制作用，可降低晶体的应力；

3）可以方便的使用所需取向籽晶和“缩颈”工艺，有助于以比较快的速率生长较高质量的晶体，晶体完整性较好；

4）晶体、坩埚转动引起的强制对流和重力作用引起的自然对流相互作用，使复杂液流作用不可克服，易产生晶体缺陷；

5）机械扰动在生长大直径晶体时容易使晶体产生缺陷。

2、温度梯度法(TGT)

温度梯度法是由我国周永宗等人于1980年首先实现的一种以定向籽晶诱导单晶生长的垂直温度梯度法。

该方法主要特点：

1）晶体生长时温度梯度与重力方向相反，并且坩埚、晶体和加热体都不移动，晶体生长界面稳定、无机械扰动、浮力对流小；

2）晶体生长以后，由熔体包围，仍处于热区，可精确控制其冷却速率，减小热应力；

3）晶体生长时，固液界面处于熔体包围之中，热扰动在到达固液界面之前可以被减小乃至排除，界面上可获得均匀的温度梯度；

4）生长更大尺寸的晶体时，难于创造良好的温场环境，晶体易炸裂；

5）晶体坯料需要分别进行高温氧化、还原气氛的退火处理，坯料的后续处理工艺比较复杂。

3、热交换法(HEM)

热交换法是一种为了生长大尺寸蓝宝石而发明的晶体生长技术。1970年Schmid和Viechnicki首先运用热交换法生长出大块的蓝宝石晶体。

该方法主要特点：

1）温度梯度分布与重力场相反，坩埚、晶体和热交换器皆不移动，晶体生长界面稳定、无机械扰动、浮力对流小；

2）晶体生长后仍保持在热区，控制氦气流量可使温度由结晶温度缓慢均匀降低，实现原位退火

3）固液界面处在熔体包裹中，热扰动在到达固液界面之前可以被减小乃至排除，界面上可获得均匀的温度梯度；

4）热交换法最适合生长各种形状和尺寸的蓝宝石晶体；

5）晶体生长周期长、需要大量氦气作冷却剂，成本高。

热交换法主要在美国得到应用和发展，美国Crystal Systems公司用热交换法生长蓝宝石晶体已有30多年的历史，代表了国际最高水平。

4、泡生法(Kyropoulos)

泡生法是Kyropoulos于1926年首先提出并用于晶体的生长，此后相当长的一段时间内，该方法都是用于大尺寸卤族晶体、氢氧化物和碳酸盐等晶体的制备与研究。上世纪六七十年代，经前苏联的Musatov改进，将此方法应用于蓝宝石单晶的制备。该方法生长的单晶，外型通常为梨形，晶体直径可以生长到比坩锅内径小10～30mm的尺寸。

该方法主要特点：

1）在整个晶体生长过程中，晶体不被提出坩埚，仍处于热区。这样就可以精确控制它的冷却速度，减小热应力；

2）晶体生长时，固液界面处于熔体包围之中。这样熔体表面的温度扰动和机械扰动在到达固液界面以前可被熔体减小以致消除；

3）选用软水作为热交换器内的工作流体，相对于利用氦气作冷却剂的热交换法可以有效降低实验成本；

4）晶体生长过程中存在晶体的移动和转动，容易受到机械振动影响。

泡生法主要在俄罗斯得到广泛的应用和发展。

5、冷心放肩微量提拉法(SAPMAC)

冷心放肩微量提拉法(Sapphire growth technique with micro-pulling and shoulder-expanding at cooled center，SAPMAC)是哈尔滨工业大学复合材料与结构研究所在对泡生法和提拉法改进的基础上发展而来的用于生长大尺寸蓝宝石晶体的方法。晶体生长系统主要包括控制系统、真空系统、加热体、冷却系统和热防护系统等。SAPMAC法生长的单晶，外型通常为梨形，晶体直径可以生长到比坩锅内径小10～30mm的尺寸。籽晶被加工成劈形，利用籽晶夹固定在热交换器底部。热交换器可以完成籽晶的固定、晶体的转动和提拉，以及热交换器、晶体和熔体之间热量的交换作用。加热体、冷却系统和热防护系统协同作用，为晶体生长提供一个均匀、稳定、可控的温场。根据晶体生长所处的引晶、放肩、等径和退火及冷却阶段的特点，通过调节热交换器中工作流体的温度、流量，加热温度(加热体所能提供的坩埚外壁环境温度)可以精确控制晶体/熔体中温度梯度，热量传输，完成晶体生长。

该方法主要特点：

1）通过冷心放肩，保证了大尺寸晶体生长，整个结晶过程晶向遗传特性良好，晶体品质优良；

2）通过高精度的能量控制配合微量提拉，使得在整个晶体生长过程中无明显的热扰动，缺陷可能萌生的几率较其它方法明显降低；

3）由于只是微量提拉，减少了温场扰动，使温场更均匀，从而保证了晶体生长的成品率；

4）在整个晶体生长过程中，晶体不被提出坩埚，仍处于热区。可以精确控制它的冷却速度，减少热应力；

5）适合生长大尺寸晶体，材料综合利用率是泡生法的1.2倍以上；

6）选用水作为热交换器内的工作流体，晶体可以实现原位退火，较其它方法能够缩短试验周期、降低成本。

综上所述，蓝宝石晶体的生长方法不仅几乎覆盖了全部的晶体生长技术，而且其中HEM、TGT及SAPMAC等晶体生长方法主要是针对蓝宝石晶体而发明的，均具有各自的独到之处。CZ法以生长3英寸蓝宝石晶体为主，HEM、TGT、Kyropoulos、SAPMAC法以生长4英寸以上圆柱状晶体为主，其晶体生长特点如表所示。

蓝宝石晶体生长方法特点比较

二、蓝宝石晶体基片的抛光液的研制及加工工艺

1、工艺特点：

Al2O3晶体基片由于硬度高及本身结构的原因，以及引进加工设备所附带工艺的影响，基本是以物理研磨为主的加工工艺，各种磨料是进口的。

物理抛光工艺即是从颗粒较大的金刚石研磨料开始研磨，经多次研磨，每次都递减金刚石的颗粒度，直至到合适于工艺要求的微粒金刚石粉，将蓝宝石晶体基片加工成符合工艺要求的衬底晶片来。

使用国产设备和国产磨料，Al2O3晶体基片加工工艺采用物理研磨和化学抛光的加工工艺方法，全部国产化，从而降低了加工成本。其特点是：前半部工艺为物理研磨工艺（分别为粗磨和精磨），而后半部工艺为化学抛光工艺（分别为粗抛和精抛）。

2、工艺流程：

Al2O3的本身结构、性质及硬度，根据国内设备及研磨材料，以及在此基础上研制的白宝石晶体基片抛光液的本身特点，蓝宝石晶体基片的加工工艺流程如下：

以上工艺视Al2O3晶体基片本身的情况，可减少研磨工序的次数，加工时间大致8小时。研磨5小时，每道研磨工序大致1小时左右。粗磨时可减少时间。精磨时，可适当增加时间。抛光3小时，其中：粗抛光工序2小时，精抛光工序1小时。

3、工艺效果：

利用该工艺进行Al2O3晶体基片加工，Al2O3晶体基片表面光亮、疏水性好，无划痕，无凹坑、无云雾状、无弧坑、波纹和桔皮。在400倍显微镜下观察，晶片衬底良好，达到了工艺要求。

在国产的设备上，采用国产研磨抛光材料来加工Al2O3晶体基片是国内一些加工Al2O3晶体基片厂家的要求。该工艺提供了这方面要求的一个可行工艺流程，并得到了初步的认可。

第三节 国内外技术未来发展趋势分析

符合成本效益的大直径蓝宝石外延片产品的实用性很强，并且，LED的生产制造设备也能制造出大直径的蓝宝石外延片产品，使得LED制造商可提高其产品的生产量和芯片产量，从而降低芯片成本的总值。目前，蓝宝石晶体的生长技术正在向着制造大尺寸外延片的巨型蓝宝石晶体方向发展。

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