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藍(lán)寶石晶體生長(zhǎng)方法研究
摘 要 藍(lán)寶石單晶由于其優(yōu)良的綜合性能而成為當(dāng)前重要的技術(shù)晶體材料之一，在各個(gè)領(lǐng)域都具有廣泛的應(yīng)用。本文簡(jiǎn)述了藍(lán)寶石單晶的主要性能，主要介紹了幾種重要的藍(lán)寶石單晶生長(zhǎng)方法，并分析了各種方法的特點(diǎn)，最后概括了藍(lán)寶石單晶目前及今后的主要發(fā)展方向，指出穩(wěn)定工藝才是企業(yè)成熟的基礎(chǔ)。目前使用熱交換法生長(zhǎng)藍(lán)寶石，最有可能在不斷地增加晶體直徑的情況下保持甚至提高晶錠的利用率，從而降低生產(chǎn)成本，在未來(lái)贏得更多更大的市場(chǎng)。
關(guān)鍵詞 大尺寸藍(lán)寶石單晶；提拉法；泡生法；導(dǎo)模法；熱交換法
中圖分類號(hào)：TB321 文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼：A 文章編號(hào)：1671-7597（2013）18-0069-02
藍(lán)寶石又稱為剛玉，是一種氧化鋁的單晶，這種晶體的機(jī)械、光學(xué)性能和抗化學(xué)穩(wěn)定性都很穩(wěn)定，而且可以在接近2000℃的溫度下使用，并保持其優(yōu)異的力學(xué)和熱血性能，這些都源于藍(lán)寶石獨(dú)特的晶格結(jié)構(gòu)。幾年來(lái)，藍(lán)寶石市場(chǎng)不斷地被開(kāi)發(fā)，已經(jīng)覆蓋了國(guó)防、科技和民用工業(yè)等很多新的領(lǐng)域，特別是作為現(xiàn)在最理想的襯底材料被應(yīng)用在半導(dǎo)體二極管的生產(chǎn)中，成為一種重要的高新技術(shù)晶體。
目前國(guó)內(nèi)已有多家生長(zhǎng)藍(lán)寶石晶體的公司，生長(zhǎng)的藍(lán)寶石最大可以重達(dá)130 kg，直徑達(dá)400 mm以上（如圖1）。但這些技術(shù)都不太成熟，隨之科學(xué)技術(shù)的發(fā)展，藍(lán)寶石市場(chǎng)對(duì)晶體材料的重量、形狀等要求也日益苛刻。而且由于在實(shí)際生長(zhǎng)和加工過(guò)程的難度很大，對(duì)設(shè)備、人員的要求也很大，所需要的藍(lán)寶石晶坯的規(guī)格也越來(lái)越多，所以能夠低成本、高質(zhì)量地生長(zhǎng)藍(lán)寶石單晶成為目前藍(lán)寶石上游商家的主要發(fā)展方向，如果技術(shù)成熟可以極大的滿足當(dāng)前對(duì)大尺寸藍(lán)寶石晶體的需求。
1 藍(lán)寶石生長(zhǎng)方法
從最早的火焰法生長(zhǎng)藍(lán)寶石到如今的熱交換法，已經(jīng)有無(wú)數(shù)的生長(zhǎng)方法被不斷的研究及改進(jìn)，但總體來(lái)說(shuō)只有一個(gè)目的，能夠得到低成本、高質(zhì)量的大尺寸藍(lán)寶石單晶。
整體看來(lái)，大部分的藍(lán)寶石晶體都是采用熔體生長(zhǎng)的方式。因?yàn)椴捎眠@種方式生長(zhǎng)出來(lái)的晶體具有生長(zhǎng)速度快、完整型好和晶體純度高的特點(diǎn)，能夠制備較大尺寸或者根據(jù)坩堝生長(zhǎng)特定形狀的晶體。目前國(guó)內(nèi)使用熔體生長(zhǎng)方式生產(chǎn)藍(lán)寶石單晶的方法主要有導(dǎo)模法、提拉法、泡生法、溫梯法和熱交換法等幾種，本文將介紹幾種主要的長(zhǎng)晶方法。
1.1 提拉法
提拉法又稱CZ法，它的原理很簡(jiǎn)單，利用溫場(chǎng)控制使原料熔化然后從溶液中提拉出單晶。原料熔化之后，控制長(zhǎng)晶爐內(nèi)的溫度分布，使得溶液和籽晶之間有一定的溫度梯度，當(dāng)二者接觸時(shí)，在固液界面上就會(huì)發(fā)生原子或分子的重新組合，并隨著不斷的提拉和轉(zhuǎn)動(dòng)籽晶桿，使原子重排的過(guò)程不斷發(fā)生，逐漸凝固生長(zhǎng)出單晶體。
提拉法晶體生長(zhǎng)速度快，在生長(zhǎng)過(guò)程中可以直接進(jìn)行觀察與測(cè)試，利用定向籽晶技術(shù)可以有效減少晶體缺陷。由于在生長(zhǎng)過(guò)程中要求在固液界面處保持熔點(diǎn)溫度，從而保證籽晶周圍的熔體有一定的溫度梯度，使生長(zhǎng)界面不斷地向原理凝固點(diǎn)等溫面的方向移動(dòng)，所以對(duì)熔體的溫度控制很關(guān)鍵，需要很高的精度。另外，由于需要對(duì)籽晶桿不斷地進(jìn)行提拉和旋轉(zhuǎn)，所造成的流體和裝置的振動(dòng)以及溫度的波動(dòng)都會(huì)影響晶體的質(zhì)量，所以一定要有非常合適的提拉和旋轉(zhuǎn)速度。總之，對(duì)提拉法而言，適當(dāng)?shù)臏囟瓤刂坪吞崂D(zhuǎn)速度是長(zhǎng)出高質(zhì)量晶體的關(guān)鍵步驟。
1.2 泡生法
泡生法簡(jiǎn)稱KY法，是從俄羅斯引進(jìn)的生長(zhǎng)藍(lán)寶石晶體的高新技術(shù)，最早應(yīng)用氫氧化物和碳酸鹽等晶體的制備和研發(fā)，自上世紀(jì)六七十年代改進(jìn)后才開(kāi)始應(yīng)用在藍(lán)寶石生長(zhǎng)中。泡生法生長(zhǎng)的藍(lán)寶石晶體形狀如圖2所示，一般為梨形，目前國(guó)內(nèi)普遍生產(chǎn)45 kg的晶體，85 kg以及100 kg以上的晶體也有研發(fā)成功的，但是對(duì)設(shè)備要求高，而且良率太低，還沒(méi)有得到大批量的生產(chǎn)。
泡生法的原理和提拉法類似，都是先將原料熔化，然后讓籽晶和熔體接觸，通過(guò)控制溫場(chǎng)所產(chǎn)生的溫度梯度，不斷的提拉和旋轉(zhuǎn)籽晶來(lái)使晶體長(zhǎng)大。但泡生法只拉出晶頸，晶身部分仍處于熔體包圍之內(nèi)，減少了熔體表面溫度波動(dòng)和機(jī)械振動(dòng)對(duì)晶體生長(zhǎng)界面的影響，這是泡生法與提拉法最大的差異之處。在晶體生長(zhǎng)過(guò)程中，晶體仍處于熱區(qū)內(nèi)部，通過(guò)精確控制冷卻速度使生長(zhǎng)界面不斷下移，從而驅(qū)動(dòng)晶體的生長(zhǎng)，這樣有利于減小晶體內(nèi)部的熱應(yīng)力。但由于仍需要對(duì)籽晶的提拉和旋轉(zhuǎn)速度精確的控制，而這些大部分都是靠人工控制操作，所以對(duì)技術(shù)人員的要求很高，而且受人為影響的因素將會(huì)很大。
1.3 導(dǎo)模法
導(dǎo)模法生長(zhǎng)藍(lán)寶石晶體生長(zhǎng)速度快，而且由于模具的原因生長(zhǎng)出定型的單晶材料，便于加工，成本低，是一種很有應(yīng)用潛力的藍(lán)寶石生長(zhǎng)方法。導(dǎo)模法的原理是，首先將原料熔化，然后在坩堝中間放置一個(gè)具有毛細(xì)管狹縫的模具，讓溶液通過(guò)毛細(xì)作用上升到模具的上表面，形成一層向四周擴(kuò)散的薄膜，之后放下籽晶和薄膜接觸，誘導(dǎo)其結(jié)晶，就在籽晶的斷面上長(zhǎng)成藍(lán)寶石單晶，并隨著籽晶的連續(xù)移動(dòng)而長(zhǎng)大。由于模具的邊緣可以控制晶體以一定的幾何形狀產(chǎn)出，可以按照模具生長(zhǎng)出各種各樣的所需要的形狀。
1.4 熱交換法
熱交換法（簡(jiǎn)稱HEM 法）主要在美國(guó)得到應(yīng)用和發(fā)展，該工藝為美國(guó)GT公司的專利技術(shù)，近幾年才被引入國(guó)內(nèi)，很快就被市場(chǎng)和同行認(rèn)可，因?yàn)樵摲椒ㄊ且环N為了生長(zhǎng)大尺寸藍(lán)寶石而發(fā)明的晶體生長(zhǎng)技術(shù)，代表了當(dāng)前的最主要的需求對(duì)象和發(fā)展趨勢(shì)。
其原理是利用熱交換器來(lái)帶走爐內(nèi)的熱量，由于熱交換器處于爐體的底部，所以在爐體內(nèi)部形成一個(gè)自上而下溫度逐漸降低的縱向溫度梯度，而且這個(gè)上熱下冷的溫場(chǎng)可以通過(guò)控制熱交換器內(nèi)He流量或者改變加熱器功率的大小來(lái)調(diào)整，以達(dá)到最佳的效果，從而使熔料能夠從底部緩慢生長(zhǎng)成晶體。圖3為該方法的設(shè)備原理示意圖。由于結(jié)晶是從上而下，從中間到四周，所以使用熱交換法生長(zhǎng)的晶體一般為圓柱形，圖1照片中的晶錠就是采用熱交換法生產(chǎn)的。在晶體生長(zhǎng)過(guò)程中，所有的部件均不能移動(dòng)，所以消除了機(jī)械振動(dòng)對(duì)晶體生長(zhǎng)界面的影響，生長(zhǎng)的晶體均勻性好，內(nèi)部缺陷也較少。而且在長(zhǎng)晶過(guò)程結(jié)束后，可以控制He流量是溫場(chǎng)內(nèi)溫度逐漸降低，可以達(dá)到原位退火的目的，從而減少了晶體的熱應(yīng)力和內(nèi)部的位錯(cuò)缺陷。但是，這種方法對(duì)設(shè)備的精度要求非常高，而且整個(gè)生長(zhǎng)周期很長(zhǎng)，工藝也比較復(fù)雜，還需要大量的He來(lái)冷卻設(shè)備，再加上一次性的坩堝，生產(chǎn)成本很高。當(dāng)前國(guó)內(nèi)已經(jīng)有不少公司在使用這種方法生產(chǎn)藍(lán)寶石晶體，所生產(chǎn)的晶體重量和尺寸也隨著技術(shù)水平的日益提高而不斷增大，從而在一定程度上降低了生產(chǎn)成本，在藍(lán)寶石市場(chǎng)上的影響力也不斷提高。 2 總結(jié)
總體來(lái)看，高品質(zhì)、低成本的藍(lán)寶石晶體材料生長(zhǎng)技術(shù)是世界各國(guó)關(guān)注的難點(diǎn)和重點(diǎn)，而大尺寸的藍(lán)寶石則是未來(lái)晶體發(fā)展的主流方向。這里有兩個(gè)關(guān)鍵的地方。
2.1 穩(wěn)定工藝是提高質(zhì)量和降低成本的基礎(chǔ)
藍(lán)寶石企業(yè)的建立往往需要大規(guī)模的投資，大量的新興廠商剛剛加入這個(gè)行業(yè)就遇到市場(chǎng)的低谷期，基本上都要承受較大的虧損。在各種壓力下，這些新興的藍(lán)寶石企業(yè)，往往采取盲目“改進(jìn)”技術(shù)、拼命增加晶體尺寸等激流勇進(jìn)的方法，希望能夠在短時(shí)間內(nèi)降低生產(chǎn)成本，早日盈利。雖然冒險(xiǎn)精神值得鼓勵(lì)，但是所走彎路造成的損失很難挽回。
藍(lán)寶石晶體的生長(zhǎng)是非常精密和敏感的，對(duì)環(huán)境、技術(shù)人員、操作工人的要求非常高。新興的藍(lán)寶石企業(yè)，不論是購(gòu)買國(guó)外進(jìn)口設(shè)備，還是國(guó)內(nèi)生產(chǎn)的設(shè)備，普遍的都遇到過(guò)技術(shù)不穩(wěn)定，工藝不穩(wěn)定的問(wèn)題。長(zhǎng)晶是一個(gè)復(fù)雜的過(guò)程，需要和設(shè)備廠商保持緊密的合作，保證設(shè)備和環(huán)境的最佳狀態(tài)，工藝中的每一個(gè)步驟和微小的細(xì)節(jié)都對(duì)晶體的生長(zhǎng)有著關(guān)鍵性的影響。生長(zhǎng)一爐好晶錠沒(méi)有問(wèn)題，但是如何長(zhǎng)期持續(xù)大量的生長(zhǎng)好晶錠，是我們所面對(duì)的挑戰(zhàn)。企業(yè)應(yīng)該把穩(wěn)定工藝和技術(shù)作為第一要?jiǎng)?wù)，踏踏實(shí)實(shí)的把當(dāng)前最合適重量晶錠的生長(zhǎng)穩(wěn)定下來(lái)，努力長(zhǎng)好每一個(gè)晶錠，之后再去高重量大尺寸的晶體，走穩(wěn)每一步。
2.2 增大晶體尺寸不是最終目的
增大晶體的尺寸并不是藍(lán)寶石企業(yè)發(fā)展的最終目的。僅僅追求增大晶體的尺寸是非常簡(jiǎn)單的，只需要在長(zhǎng)晶的坩堝中投入更多的氧化鋁原料，或者是裝滿原料后繼續(xù)填滿縫隙。但是事實(shí)上，晶體尺寸增大并不一定帶來(lái)成品率的提高。除了導(dǎo)模法以外，采用其他方法生長(zhǎng)出來(lái)的晶體，都需要將晶錠剖開(kāi)，按客戶需求再做進(jìn)一步的加工，最終制造成不同規(guī)格的產(chǎn)品。晶錠的大小、幾何形狀以及內(nèi)部可用的符合客戶要求的晶體區(qū)域面積最終決定了晶錠的利用率，這個(gè)也基本上決定了后續(xù)加工過(guò)程的成品率。不考慮其他因素，僅增大晶體的尺寸，對(duì)設(shè)備和工藝的要求就會(huì)提高，可用區(qū)域可能會(huì)減少。
但并不是說(shuō)增加晶體的尺寸是不可取的。通過(guò)工藝的改進(jìn)，結(jié)合預(yù)期生長(zhǎng)出來(lái)的晶錠大小來(lái)計(jì)算晶體的利用率，在增大晶體尺寸的同時(shí)進(jìn)一步增加成品率，實(shí)現(xiàn)更大尺寸晶錠生長(zhǎng)的工藝和技術(shù)的穩(wěn)定性。在這種情況下，就可以降低成品的成本，進(jìn)而贏得未來(lái)大尺寸藍(lán)寶石襯底的市場(chǎng)。綜合這幾種長(zhǎng)晶方法來(lái)看，最有可能提早到達(dá)這一步的就是熱交換法，但鑒于其成本太高，仍舊有很多值得改進(jìn)和探索的地方。
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