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藍(lán)寶石晶體生長方法研究
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，在各個領(lǐng)域都具有廣泛的應(yīng)用。本文簡述了藍(lán)寶石單晶的主要性能，主要介紹了幾種重要的藍(lán)寶石單晶生長方法，并分析了各種方法的特點，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，在未來贏得更多更大的市場。
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：TB321 文獻(xiàn)標(biāo)識碼：A 文章編號：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)寶石獨特的晶格結(jié)構(gòu)。幾年來，藍(lán)寶石市場不斷地被開發(fā)，已經(jīng)覆蓋了國防、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。
目前國內(nèi)已有多家生長藍(lán)寶石晶體的公司，生長的藍(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(shè)備、人員的要求也很大，所需要的藍(lán)寶石晶坯的規(guī)格也越來越多，所以能夠低成本、高質(zhì)量地生長藍(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)前對大尺寸藍(lán)寶石晶體的需求。
1 藍(lán)寶石生長方法
從最早的火焰法生長藍(lán)寶石到如今的熱交換法，已經(jīng)有無數(shù)的生長方法被不斷的研究及改進(jìn)，但總體來說只有一個目的，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，大部分的藍(lán)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(jù)坩堝生長特定形狀的晶體。目前國內(nèi)使用熔體生長方式生產(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(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，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(zhuǎn)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(jìn)行觀察與測試，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(guān)鍵，需要很高的精度。另外，由于需要對籽晶桿不斷地進(jìn)行提拉和旋轉(zhuǎn)，所造成的流體和裝置的振動以及溫度的波動都會影響晶體的質(zhì)量，所以一定要有非常合適的提拉和旋轉(zhuǎn)速度�？傊�，對提拉法而言，適當(dāng)?shù)臏囟瓤刂坪吞崂D(zhuǎn)速度是長出高質(zhì)量晶體的關(guān)鍵步驟。
1.2 泡生法
泡生法簡稱KY法，是從俄羅斯引進(jìn)的生長藍(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)后才開始應(yīng)用在藍(lán)寶石生長中。泡生法生長的藍(lán)寶石晶體形狀如圖2所示，一般為梨形，目前國內(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，但是對設(shè)備要求高，而且良率太低，還沒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，通過控制溫場所產(chǎn)生的溫度梯度，不斷的提拉和旋轉(zhuǎn)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(nèi)，減少了熔體表面溫度波動和機(jī)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(nèi)部，通過精確控制冷卻速度使生長界面不斷下移，從而驅(qū)動晶體的生長，這樣有利于減小晶體內(nèi)部的熱應(yīng)力。但由于仍需要對籽晶的提拉和旋轉(zhuǎn)速度精確的控制，而這些大部分都是靠人工控制操作，所以對技術(shù)人員的要求很高，而且受人為影響的因素將會很大。
1.3 導(dǎo)模法
導(dǎo)模法生長藍(lán)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(yīng)用潛力的藍(lán)寶石生長方法。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具有毛細(xì)管狹縫的模具，讓溶液通過毛細(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成藍(lán)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(chǎn)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(yīng)用和發(fā)展，該工藝為美國GT公司的專利技術(shù)，近幾年才被引入國內(nèi)，很快就被市場和同行認(rèn)可，因為該方法是一種為了生長大尺寸藍(lán)寶石而發(fā)明的晶體生長技術(shù)，代表了當(dāng)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(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(nèi)He流量或者改變加熱器功率的大小來調(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。在晶體生長過程中，所有的部件均不能移動，所以消除了機(jī)械振動對晶體生長界面的影響，生長的晶體均勻性好，內(nèi)部缺陷也較少。而且在長晶過程結(jié)束后，可以控制He流量是溫場內(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)部的位錯缺陷。但是，這種方法對設(shè)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(fù)雜，還需要大量的He來冷卻設(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)寶石市場上的影響力也不斷提高。 2 總結(jié)
總體來看，高品質(zhì)、低成本的藍(lán)寶石晶體材料生長技術(shù)是世界各國關(guān)注的難點和重點，而大尺寸的藍(lán)寶石則是未來晶體發(fā)展的主流方向。這里有兩個關(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(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，希望能夠在短時間內(nèi)降低生產(chǎn)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(lán)寶石晶體的生長是非常精密和敏感的，對環(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)，不論是購買國外進(jìn)口設(shè)備，還是國內(nèi)生產(chǎn)的設(shè)備，普遍的都遇到過技術(shù)不穩(wěn)定，工藝不穩(wěn)定的問題。長晶是一個復(fù)雜的過程，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)，工藝中的每一個步驟和微小的細(xì)節(jié)都對晶體的生長有著關(guān)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(yīng)該把穩(wěn)定工藝和技術(shù)作為第一要務(wù)，踏踏實實的把當(dāng)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(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(dǎo)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(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(shè)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(jìn)，結(jié)合預(yù)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(jìn)一步增加成品率，實現(xiàn)更大尺寸晶錠生長的工藝和技術(shù)的穩(wěn)定性。在這種情況下，就可以降低成品的成本，進(jìn)而贏得未來大尺寸藍(lán)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(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。
參考文獻(xiàn)
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