【正文】 (連續(xù)工作時(shí)間達(dá)幾萬(wàn)小時(shí) )、固體化、低工作電壓 (2—4V)、低功耗 (10—100mW)、響應(yīng)速率快 (1μs) 、驅(qū)動(dòng)電路簡(jiǎn)單等優(yōu)點(diǎn)，使其應(yīng)用涉及多個(gè)行業(yè)，如景觀、裝飾、照明光源及通訊光源等。 藍(lán)寶石襯底 藍(lán)寶石襯底有許多的 優(yōu)點(diǎn)： （ 1） 藍(lán)寶石襯底的生產(chǎn)技術(shù)成熟、器件質(zhì)量較好； （ 2）藍(lán)寶石的穩(wěn)定性很好，能夠運(yùn)用在高溫生長(zhǎng)過程中； （ 3）藍(lán)寶石的機(jī)械強(qiáng)度高，易于處理和清洗。為了克服以上困難，很多人試圖將 GaN光電器件直接生長(zhǎng)在硅襯底上，從而改善導(dǎo)熱和導(dǎo)電性能。還有各種杯具器皿、透明燈具及護(hù)目鏡片等。籽晶同時(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)，隨著籽晶的向上拉升，熔體逐漸凝固于籽晶的液固界面上，進(jìn)而形成一軸對(duì)稱的單晶晶棒。主要缺點(diǎn)為：晶體與坩堝轉(zhuǎn)動(dòng)引起的強(qiáng)制對(duì)流和重力作用引起的自然對(duì)流相互作用，導(dǎo)致復(fù)雜的液流作用，從而容易在晶體中產(chǎn)生缺陷。 泡生法生長(zhǎng)裝置示意圖（ 體 ） 泡生法主要優(yōu)點(diǎn)： （ 1）結(jié)合了傳統(tǒng)提拉法的優(yōu)點(diǎn)，生長(zhǎng)速度較快（ —25mm/h）； （ 2）在整個(gè)晶體生長(zhǎng)過程中，晶體不被提出坩堝，仍處于熱區(qū)。因此需要從晶體生長(zhǎng)質(zhì)量與經(jīng)濟(jì)性之間有所側(cè)重并折中考慮，方能獲得最優(yōu)化效果。 。 填充原料及架設(shè)籽晶 以電子秤量取固定重量之原料并裝填到坩堝內(nèi)，由塊料與粉料依預(yù)定之比例組合而成。 爐體抽真空 將爐體上蓋緊密蓋于爐體上方并轉(zhuǎn)緊密封螺栓，啟動(dòng)電源，使機(jī)器運(yùn)轉(zhuǎn)并開始抽真空。圖 7則為爐體加熱時(shí)由窺視窗觀察爐體內(nèi)部的情況，可看見未熔化之塊狀原料與架設(shè)好之籽晶。 在下籽晶前，必須先作凈化籽晶的動(dòng)作，凈化籽晶是將籽晶底端熔化一部分，使預(yù)定生長(zhǎng)晶體之籽晶表面更干凈，以提高晶體生長(zhǎng)的質(zhì)量 熔體表面有凝固浮島的照片 （ a）多邊形（ b）長(zhǎng)條形 下籽晶照片 縮頸生長(zhǎng) 當(dāng)籽晶接觸到熔體時(shí)，此時(shí)將產(chǎn)生一固液接口，晶頸便從籽晶接觸到熔體的固液接口處開始生長(zhǎng)。由縮頸的速度來(lái)調(diào)整溫度，使晶體生長(zhǎng)溫度達(dá)到最適化。 退火 晶體生長(zhǎng)完畢又完成與坩堝脫離程序后，必須讓晶體在爐體內(nèi)緩慢的降溫冷卻，利用冷卻過程來(lái)使晶體進(jìn)行退火，以消除晶體在生長(zhǎng)時(shí)期內(nèi)部所累積的內(nèi)應(yīng)力，避免所殘留的內(nèi)部應(yīng)力，造成晶體在降溫時(shí)因釋放應(yīng)力而產(chǎn)生龜裂。接著從側(cè)面選擇 C平面 (C軸 )位置鉆取晶圓棒，切取晶圓片，再針對(duì)晶圓片進(jìn)行微觀缺陷檢測(cè)，并計(jì)算單位面積所含之差排密度。 直徑 240mm，長(zhǎng) 210mm藍(lán)寶石晶體 直徑 300mm ，長(zhǎng) 270mm藍(lán)寶石晶體 導(dǎo)膜法 (Edgedefined Filmfed Growth， EFG) 該方法亦稱“邊緣限定薄膜供料生長(zhǎng)”技術(shù)，簡(jiǎn)稱“ EFG”法，最早與 20世紀(jì) 60年代由英國(guó)的 Harold LaBella及蘇聯(lián)的 Stepanov獨(dú)自發(fā)明。 的條件下，使得熔體在毛細(xì)管作用（虹吸現(xiàn)象）下能上升到模具的頂部，并能在頂部的模具截面上擴(kuò)展到模具的邊緣而形成一個(gè)薄膜熔體層，晶體的截面形狀和尺寸則嚴(yán)格地為模具頂部邊緣的形狀和尺寸所決定，而不是由毛細(xì)管狹縫決定。 導(dǎo)膜法生長(zhǎng)晶體的工藝過程 將晶體材料在高溫坩鍋中加熱熔化，并將能被熔體所潤(rùn)濕的材料支撐帶有毛細(xì)管的模具放置在熔體中，熔體沿著毛細(xì)管涌升至模具頂端。 隨后，再進(jìn)行提拉，可使晶體進(jìn)入等徑生長(zhǎng)階段。上升的高度可用下式表示： dr gh ?? c os2?式中 λ — 表面張力 /( 105N/cm)； d— 熔體密度 /（ g/cm3）； r— 毛細(xì)管半徑 /cm； g— 重力加速度 /（ cm/s2）； θ — 潤(rùn)濕角。 當(dāng)毛細(xì)管孔徑為 ， Al2O3熔體的爬升高度可達(dá) 11cm。而晶體提拉法只能獲得圓柱狀的晶體。坩堝的上方裝有籽晶桿和籽晶，有一組反射器和后熱器對(duì)熔體和晶體進(jìn)行保溫。 模具的選擇 選擇原則為： ①熔點(diǎn)高于晶體的熔點(diǎn)； ②能被熔體潤(rùn)濕； ③與熔體相互之間不發(fā)生化學(xué)反應(yīng)。 在實(shí)驗(yàn)開始前必須徹底檢查爐體內(nèi)部是否有異物或雜質(zhì)，因?yàn)樵诰w生長(zhǎng)過程中，爐體內(nèi)的雜質(zhì)或異物會(huì)因高溫而造成晶體受到污染，而影響晶體的質(zhì)量，因此在實(shí)驗(yàn)開始之前，必須將爐體清理干凈，降低雜質(zhì)析出的可能性 . 關(guān)閉生長(zhǎng)設(shè)備的放氣口，打開機(jī)械泵抽氣并升溫加熱，再?zèng)_入 Ar氣。升溫要逐級(jí)進(jìn)行。 籽晶與熔體充分熔接，使其成為一體，即完成了引晶過程。在縮頸過程中，任何非軸向的位錯(cuò)都可以被逐步排除掉。擴(kuò)肩使晶體沿著籽晶從模具中間向兩邊緩慢生長(zhǎng)，擴(kuò)肩時(shí)允許中部有少量低溫，但不可太低否則會(huì)引起晶體炸裂，溫度太高會(huì)拖長(zhǎng)生產(chǎn)時(shí)間，拉速由慢而快。低溫時(shí)，晶片出現(xiàn)玻璃碎片狀的條紋，嚴(yán)重時(shí)，在晶體長(zhǎng)到一定長(zhǎng)度后，會(huì)在低溫處斷裂。在生長(zhǎng)過程中，要不時(shí)地調(diào)節(jié)溫度的變化，并要求溫度的調(diào)節(jié)與拉速的調(diào)節(jié)要相匹配。降溫要按先慢后快。 %， 拋光前 拋光后 導(dǎo)膜法生長(zhǎng)某些寶石晶體的工藝條件 晶體名稱 坩堝與模具材料 熔點(diǎn)/℃ 生長(zhǎng)方向 溫度梯度/(℃/mm) 生長(zhǎng)速度/(mm/h) 釓鎵石榴石（ GGG） 尖晶石（ MgAl2O4） 金綠寶石（ Be Al2O4） 釔鋁石榴石（ YAG） 紅寶石（ Al2O3） 無(wú)色藍(lán)寶石（ Al2O3） 鉭鈮酸鋰（ LTN） 銥 銥 鉬 銥 鉬 鉬 鉑 1825 2105 1900 1950 2050 2050 — [110] [211] [110] [001] [111] [0001] [0001] Z軸 500 — 5— 7 — — 20— 50 60 60 約 120 15— 20 5 8— 60 20— 140 — 導(dǎo)膜法生長(zhǎng)出的晶體具有以下幾個(gè)特點(diǎn)： （ 1）生長(zhǎng)速度快，可降低功耗； （ 2）能夠直接從熔體中拉制出絲、管、桿、片、板以及其他各種特殊形狀、大面積的晶體。 ②存在籽晶及其缺陷 因?yàn)槿垠w導(dǎo)膜法與提拉法一樣使用了籽晶，所以生長(zhǎng)出的晶體必然有籽晶的痕跡，并且籽晶的缺陷也可能進(jìn)入到晶體中。 穩(wěn)定狀態(tài)，從而增加對(duì)氣泡的捕獲作用。所用坩堝的材料是根據(jù)生長(zhǎng)單晶材料性質(zhì)決定。 熱交換法的主要缺點(diǎn)是： （ 1）鉬坩堝與藍(lán)寶石單晶的熱膨脹系數(shù)不一致，使得坩堝邊緣處易產(chǎn)生熱應(yīng)力，即生長(zhǎng)出的藍(lán)寶石單晶外部易開裂； （ 2）如果晶體生長(zhǎng)速率過大，則易形成過冷結(jié)構(gòu)，從而導(dǎo)致晶體中出現(xiàn)氣泡、雜志坑及散射中心等缺陷。這樣熔體表面的溫度擾動(dòng)和機(jī)械擾動(dòng)在到達(dá)固 —液界面以前可被熔體減小以致消除。 (b)坩堝下降后，熔體較少，晶體較多 優(yōu)點(diǎn)： （ 1）適合大尺寸，多數(shù)量晶體的生長(zhǎng)， （ 2）晶體的形狀額可以隨坩堝的形狀而定，適合異形晶體的生長(zhǎng)， （ 3）可加籽晶定向生長(zhǎng)單晶，也可以自然成核，依據(jù)幾何淘汰的原理生長(zhǎng)單晶， （ 4）可采用全封閉或半封閉的坩堝進(jìn)行生長(zhǎng)，防止熔體、摻雜物質(zhì)的揮發(fā)，造成組分偏離和摻雜濃度的下降，并且可以避免有害物質(zhì)對(duì)周圍環(huán)境的污染， （ 5）操作工藝比較簡(jiǎn)單，易于實(shí)現(xiàn)程序化，自動(dòng)化。 焰熔法 (FlameFusion Growth Method) 焰熔法 (Verneuil method)之原理示意圖 五、藍(lán)寶石缺陷及原因分析 藍(lán)寶石晶體的內(nèi)部缺陷形態(tài)分為宏觀缺陷和微觀缺陷。高溫時(shí)基面滑移最容易開動(dòng)，低溫時(shí)柱面滑移優(yōu)先開動(dòng)。不在同一滑移面上的位錯(cuò)，由于它們之間的應(yīng)力場(chǎng)的交互作用，使得它們終止在平衡位置，最后排成一列而形成小角晶界。 的方位差異。熔體法生長(zhǎng)藍(lán)寶石晶體中較常見的一類缺陷是晶體生長(zhǎng)過程中極易產(chǎn)生散射點(diǎn)以及氣泡、包裹體等。此種包裹物尺寸較小，主要與氧化鋁原料的純度、坩堝材料的純度及坩堝的致密度等有關(guān)。在實(shí)驗(yàn)中通過提高晶體生長(zhǎng)裝置的機(jī)械傳動(dòng)系統(tǒng)、溫度控制系統(tǒng)的精度，選用高純度的原料和取向高度完整的籽晶即可有效抑制物質(zhì)條件對(duì)晶體生長(zhǎng)的不利影響。 晶圓片上的腐蝕坑的分布情況 （ 1）長(zhǎng)晶：利用晶體生長(zhǎng)爐生長(zhǎng)出尺寸大且高品質(zhì)的單晶藍(lán)寶石晶體 （ 2）定向：確保藍(lán)寶石晶體在掏棒機(jī)臺(tái)上的正確位置，便于掏棒加工 （ 3）掏棒：以特定方式從藍(lán)寶石晶體中掏取出藍(lán)寶石晶棒 （ 4）滾磨：用外圓磨床進(jìn)行晶棒的外圓磨削，得到精確的外圓尺寸精度 （ 5）品檢：確保晶棒品質(zhì)以及掏取而后的晶棒尺寸與方位是否符合要求 六、藍(lán)寶石加工 90公斤級(jí)晶體取芯 幾何上來(lái)說可獲得 6英寸芯棒 420mm和 2英寸芯棒 645mm 可保證直徑 6英寸 360mm可用于 LED 90公斤晶體取芯 幾何上來(lái)說可獲得直徑 2英寸的芯棒 4635mm 能保證 4000mm用于 LED （ 1）定向：在切片機(jī)上準(zhǔn)確定位藍(lán)寶石晶棒的位置，以便于精確切片加工 （ 2）切片：將藍(lán)寶石晶棒切成薄片 （ 3）研磨：卻出切片時(shí)造成的晶片切割損傷層及改善晶片的平坦度 （ 4）倒角：將晶片邊緣修整成圓弧狀，改善薄片邊緣的機(jī)械強(qiáng)度，避免應(yīng)力集中造成缺陷 （ 5）拋光：改善晶片粗糙度，使其表面達(dá)到外延片磊晶級(jí)的精度 （ 6）清洗：清楚晶片表面的污染物（如：微塵顆粒、金屬、有機(jī)污染物等） （ 7）品檢：以高精密檢測(cè)儀器檢驗(yàn)晶片品質(zhì)（平坦度、表面微塵顆粒等），以符合要求。在進(jìn)行鏡面拋光之前，可采用此研磨方式先行加工，以有效改善晶圓的平坦度等。 7 清潔 拋光后的晶圓，經(jīng)過濕式滑雪洗凈法（ wet chemical cleaning）清除表面的污染源后，再予以