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藍寶石晶體生長方法研究
摘 要 藍寶石單晶由于其優(yōu)良的綜合性能而成為當前重要的技術晶體材料之一，在各個領域都具有廣泛的應用。本文簡述了藍寶石單晶的主要性能，主要介紹了幾種重要的藍寶石單晶生長方法，并分析了各種方法的特點，最后概括了藍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。目前使用熱交換法生長藍寶石，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，從而降低生產成本，在未來贏得更多更大的市場。
關鍵詞 大尺寸藍寶石單晶；提拉法；泡生法；導模法；熱交換法
中圖分類號：TB321 文獻標識碼：A 文章編號：1671-7597（2013）18-0069-02
藍寶石又稱為剛玉，是一種氧化鋁的單晶，這種晶體的機械、光學性能和抗化學穩(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)異的力學和熱血性能，這些都源于藍寶石獨特的晶格結構。幾年來，藍寶石市場不斷地被開發(fā)，已經覆蓋了國防、科技和民用工業(yè)等很多新的領域，特別是作為現在最理想的襯底材料被應用在半導體二極管的生產中，成為一種重要的高新技術晶體。
目前國內已有多家生長藍寶石晶體的公司，生長的藍寶石最大可以重達130 kg，直徑達400 mm以上（如圖1）。但這些技術都不太成熟，隨之科學技術的發(fā)展，藍寶石市場對晶體材料的重量、形狀等要求也日益苛刻。而且由于在實際生長和加工過程的難度很大，對設備、人員的要求也很大，所需要的藍寶石晶坯的規(guī)格也越來越多，所以能夠低成本、高質量地生長藍寶石單晶成為目前藍寶石上游商家的主要發(fā)展方向，如果技術成熟可以極大的滿足當前對大尺寸藍寶石晶體的需求。
1 藍寶石生長方法
從最早的火焰法生長藍寶石到如今的熱交換法，已經有無數的生長方法被不斷的研究及改進，但總體來說只有一個目的，能夠得到低成本、高質量的大尺寸藍寶石單晶。
整體看來，大部分的藍寶石晶體都是采用熔體生長的方式。因為采用這種方式生長出來的晶體具有生長速度快、完整型好和晶體純度高的特點，能夠制備較大尺寸或者根據坩堝生長特定形狀的晶體。目前國內使用熔體生長方式生產藍寶石單晶的方法主要有導模法、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晶方法。
1.1 提拉法
提拉法又稱CZ法，它的原理很簡單，利用溫場控制使原料熔化然后從溶液中提拉出單晶。原料熔化之后，控制長晶爐內的溫度分布，使得溶液和籽晶之間有一定的溫度梯度，當二者接觸時，在固液界面上就會發(fā)生原子或分子的重新組合，并隨著不斷的提拉和轉動籽晶桿，使原子重排的過程不斷發(fā)生，逐漸凝固生長出單晶體。
提拉法晶體生長速度快，在生長過程中可以直接進行觀察與測試，利用定向籽晶技術可以有效減少晶體缺陷。由于在生長過程中要求在固液界面處保持熔點溫度，從而保證籽晶周圍的熔體有一定的溫度梯度，使生長界面不斷地向原理凝固點等溫面的方向移動，所以對熔體的溫度控制很關鍵，需要很高的精度。另外，由于需要對籽晶桿不斷地進行提拉和旋轉，所造成的流體和裝置的振動以及溫度的波動都會影響晶體的質量，所以一定要有非常合適的提拉和旋轉速度�？傊�，對提拉法而言，適當的溫度控制和提拉旋轉速度是長出高質量晶體的關鍵步驟。
1.2 泡生法
泡生法簡稱KY法，是從俄羅斯引進的生長藍寶石晶體的高新技術，最早應用氫氧化物和碳酸鹽等晶體的制備和研發(fā)，自上世紀六七十年代改進后才開始應用在藍寶石生長中。泡生法生長的藍寶石晶體形狀如圖2所示，一般為梨形，目前國內普遍生產45 kg的晶體，85 kg以及100 kg以上的晶體也有研發(fā)成功的，但是對設備要求高，而且良率太低，還沒有得到大批量的生產。
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，通過控制溫場所產生的溫度梯度，不斷的提拉和旋轉籽晶來使晶體長大。但泡生法只拉出晶頸，晶身部分仍處于熔體包圍之內，減少了熔體表面溫度波動和機械振動對晶體生長界面的影響，這是泡生法與提拉法最大的差異之處。在晶體生長過程中，晶體仍處于熱區(qū)內部，通過精確控制冷卻速度使生長界面不斷下移，從而驅動晶體的生長，這樣有利于減小晶體內部的熱應力。但由于仍需要對籽晶的提拉和旋轉速度精確的控制，而這些大部分都是靠人工控制操作，所以對技術人員的要求很高，而且受人為影響的因素將會很大。
1.3 導模法
導模法生長藍寶石晶體生長速度快，而且由于模具的原因生長出定型的單晶材料，便于加工，成本低，是一種很有應用潛力的藍寶石生長方法。導模法的原理是，首先將原料熔化，然后在坩堝中間放置一個具有毛細管狹縫的模具，讓溶液通過毛細作用上升到模具的上表面，形成一層向四周擴散的薄膜，之后放下籽晶和薄膜接觸，誘導其結晶，就在籽晶的斷面上長成藍寶石單晶，并隨著籽晶的連續(xù)移動而長大。由于模具的邊緣可以控制晶體以一定的幾何形狀產出，可以按照模具生長出各種各樣的所需要的形狀。
1.4 熱交換法
熱交換法（簡稱HEM 法）主要在美國得到應用和發(fā)展，該工藝為美國GT公司的專利技術，近幾年才被引入國內，很快就被市場和同行認可，因為該方法是一種為了生長大尺寸藍寶石而發(fā)明的晶體生長技術，代表了當前的最主要的需求對象和發(fā)展趨勢。
其原理是利用熱交換器來帶走爐內的熱量，由于熱交換器處于爐體的底部，所以在爐體內部形成一個自上而下溫度逐漸降低的縱向溫度梯度，而且這個上熱下冷的溫場可以通過控制熱交換器內He流量或者改變加熱器功率的大小來調整，以達到最佳的效果，從而使熔料能夠從底部緩慢生長成晶體。圖3為該方法的設備原理示意圖。由于結晶是從上而下，從中間到四周，所以使用熱交換法生長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的。在晶體生長過程中，所有的部件均不能移動，所以消除了機械振動對晶體生長界面的影響，生長的晶體均勻性好，內部缺陷也較少。而且在長晶過程結束后，可以控制He流量是溫場內溫度逐漸降低，可以達到原位退火的目的，從而減少了晶體的熱應力和內部的位錯缺陷。但是，這種方法對設備的精度要求非常高，而且整個生長周期很長，工藝也比較復雜，還需要大量的He來冷卻設備，再加上一次性的坩堝，生產成本很高。當前國內已經有不少公司在使用這種方法生產藍寶石晶體，所生產的晶體重量和尺寸也隨著技術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成本，在藍寶石市場上的影響力也不斷提高。 2 總結
總體來看，高品質、低成本的藍寶石晶體材料生長技術是世界各國關注的難點和重點，而大尺寸的藍寶石則是未來晶體發(fā)展的主流方向。這里有兩個關鍵的地方。
2.1 穩(wěn)定工藝是提高質量和降低成本的基礎
藍寶石企業(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行業(yè)就遇到市場的低谷期，基本上都要承受較大的虧損。在各種壓力下，這些新興的藍寶石企業(yè)，往往采取盲目“改進”技術、拼命增加晶體尺寸等激流勇進的方法，希望能夠在短時間內降低生產成本，早日盈利。雖然冒險精神值得鼓勵，但是所走彎路造成的損失很難挽回。
藍寶石晶體的生長是非常精密和敏感的，對環(huán)境、技術人員、操作工人的要求非常高。新興的藍寶石企業(yè)，不論是購買國外進口設備，還是國內生產的設備，普遍的都遇到過技術不穩(wěn)定，工藝不穩(wěn)定的問題。長晶是一個復雜的過程，需要和設備廠商保持緊密的合作，保證設備和環(huán)境的最佳狀態(tài)，工藝中的每一個步驟和微小的細節(jié)都對晶體的生長有著關鍵性的影響。生長一爐好晶錠沒有問題，但是如何長期持續(xù)大量的生長好晶錠，是我們所面對的挑戰(zhàn)。企業(yè)應該把穩(wěn)定工藝和技術作為第一要務，踏踏實實的把當前最合適重量晶錠的生長穩(wěn)定下來，努力長好每一個晶錠，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單的，只需要在長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。但是事實上，晶體尺寸增大并不一定帶來成品率的提高。除了導模法以外，采用其他方法生長出來的晶體，都需要將晶錠剖開，按客戶需求再做進一步的加工，最終制造成不同規(guī)格的產品。晶錠的大小、幾何形狀以及內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，這個也基本上決定了后續(xù)加工過程的成品率。不考慮其他因素，僅增大晶體的尺寸，對設備和工藝的要求就會提高，可用區(qū)域可能會減少。
但并不是說增加晶體的尺寸是不可取的。通過工藝的改進，結合預期生長出來的晶錠大小來計算晶體的利用率，在增大晶體尺寸的同時進一步增加成品率，實現更大尺寸晶錠生長的工藝和技術的穩(wěn)定性。在這種情況下，就可以降低成品的成本，進而贏得未來大尺寸藍寶石襯底的市場。綜合這幾種長晶方法來看，最有可能提早到達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和探索的地方。
參考文獻
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