【正文】 須精確控制氦氣流速來控制晶體生長速率，設(shè)備條件要求苛刻，運(yùn)行成本較高。 美國 Crystal Systems Inc公司 熱交換法 直徑 380mm，高 132mm，重量 84kg 2022年 6月 28日，江蘇吉星新材料有限公司 采用 “ 原位生長、原位退火 ” 的改良熱交換法 直徑 360mm，高 260mm，質(zhì)量 導(dǎo)向溫梯法 (Temperature gradient technique) 導(dǎo)向溫梯法是一種與重力加速度方向相反的溫場和熔體相對系統(tǒng)靜止，即以定向籽晶誘導(dǎo)的熔體結(jié)晶方法。 裝置主要包括：裝置在簡單鐘罩式真空電阻爐內(nèi)的鉬坩堝、石墨發(fā)熱體和屏蔽裝置 導(dǎo)向溫梯法的優(yōu)點是： （ 1）晶體生長時，溫度梯度（裝置自上而下，溫度由高到低）與重力方向相反，且坩堝、晶體和發(fā)熱體都不移動，這就避免了熱對流和機(jī)械運(yùn)動產(chǎn)生的熔體渦流； （ 2）晶體生長時，固 —液界面處于熔體包圍之中。這樣熔體表面的溫度擾動和機(jī)械擾動在到達(dá)固 —液界面以前可被熔體減小以致消除。這對生長高質(zhì)量的晶體起很重要的作用； （ 3）生長的晶體被熔體包圍，仍處于熱區(qū)，這樣就可以控制其冷卻速度，減少熱應(yīng)力。 缺點： （ 1）石墨發(fā)熱體在加熱過程中，石墨存在一定程度的揮發(fā)性，導(dǎo)致實際生長氣氛為弱還原氣氛，原料中的過渡性金屬雜質(zhì)離子在這種氣氛中往往以低價態(tài)形式如 Cr3+和 Ti3+存在于藍(lán)寶石單晶中，使所生長的藍(lán)寶石單晶顏色不純，一般上部為淺紅色，尾部為淺黃綠色，為提高其完整性、光學(xué)透過率及均勻性等，則需要進(jìn)一步進(jìn)行脫碳去色的退火處理； （ 2）生長周期長，能量損耗大。 直徑 110mm，高 80mm 坩堝下降法 (Vertical Gradient Freeze method) 以移動坩堝的方式，使熔體內(nèi)產(chǎn)生溫度梯度，進(jìn)而開始生長晶體 (a)坩堝下降前，熔體較多，晶體較少。 (b)坩堝下降后，熔體較少，晶體較多 優(yōu)點： （ 1）適合大尺寸，多數(shù)量晶體的生長， （ 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， （ 3）可加籽晶定向生長單晶，也可以自然成核，依據(jù)幾何淘汰的原理生長單晶， （ 4）可采用全封閉或半封閉的坩堝進(jìn)行生長，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)對周圍環(huán)境的污染， （ 5）操作工藝比較簡單，易于實現(xiàn)程序化，自動化。 缺點 ： （ 1）晶體生長全過程都在坩堝內(nèi)進(jìn)行，不便于直接觀察晶體的生長情況 （ 2）不同種類的晶體對坩堝材料的物理、化學(xué)性能有特定的要求（特別是坩堝與結(jié)晶材料的熱膨脹系數(shù)的匹配） （ 3）晶體在坩堝內(nèi)結(jié)晶過程中與產(chǎn)生坩堝對晶體的壓應(yīng)力和寄生成核，所以對坩堝表面的光潔度要求較高 （ 4）坩堝下降法生長晶體時，坩堝在下降過程中一般不旋轉(zhuǎn)，因此生長出來的晶體均勻性往往不如提拉法生長出來的晶體好 利用氫氧氣所形成的火焰，將氧化鋁粉末加熱熔化后，吹向一支氧化鋁棒 (單晶籽晶 )的頂端，使熔融的氧化鋁在氧化鋁棒頂端形成單晶液滴，單晶液滴逐漸成長為一單晶頸 (Neck)。 藉由控制氧化鋁粉末的供給量與調(diào)整氫氧氣火焰，可使單晶頸之直徑逐漸增大，進(jìn)而增長成為長條圓柱形的單晶棒。 雖然制作成本很低，但生長的藍(lán)寶石單晶不能滿足所需尺寸和形狀，且達(dá)不到光電應(yīng)用高的要求。 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。宏觀缺陷一般分為微氣孔及夾雜物。微觀缺陷，一般包括位錯和位錯線。 藍(lán)寶石晶柱中的夾雜物 （ a）晶體中的微氣孔（ b）放大照片 C平面晶圓上的位錯照片，（ a）氧化鋁原子排列圖（ b）位錯坑 位錯線照片 藍(lán)寶石晶體主要缺陷：小角晶界、氣泡、包裹體以及裂紋等 （ 1）小角晶界 藍(lán)寶石屬于六方晶系，存有三個滑移體系 (0001)面沿 [1120]晶向的基面滑移系、 (1120)面沿 [1100]晶向的棱柱面滑移系和 (1011)面沿 [1101]晶向的錐面滑移系。高溫時基面滑移最容易開動，低溫時柱面滑移優(yōu)先開動。滑移最易沿原子密度大的晶向發(fā)生，因此晶體生長界面與 (0001)面交角小時，由于底面滑移，易產(chǎn)生大量晶界；當(dāng)滑移比較嚴(yán)重時，則可能產(chǎn)生滑移帶，形成孿晶。相反，則不易產(chǎn)生滑移，晶界不易生成。 小角晶界形成的原因是，在晶體冷卻或退火過程中，晶體中的位錯受熱應(yīng)力或表面張力的作用獲得了足夠的能量而發(fā)生移動。不在同一滑移面上的位錯，由于它們之間的應(yīng)力場的交互作用，使得它們終止在平衡位置，最后排成一列而形成小角晶界。 另一方面，在熔融結(jié)晶過程中可能出現(xiàn)的一種所謂系屬結(jié)構(gòu)。這種系屬結(jié)構(gòu)由一些大體上與生長方向平行的條紋組成，而相鄰條紋就橫切面上的晶體學(xué)取向來看，存在有 176。 4176。 的方位差異。當(dāng)結(jié)晶過程形成系屬結(jié)構(gòu)時，則隨著晶體長大就會形成與固液界面垂直的小角晶界 —―W‖狀結(jié)構(gòu)。 因此根據(jù)建立起來的溫場梯度選擇藍(lán)寶石晶體的生長方向是生長高質(zhì)量藍(lán)寶石晶體的關(guān)鍵，然后在此基礎(chǔ)上根據(jù)確定的晶體生長方向?qū)貓鲞M(jìn)行優(yōu)化設(shè)計。 （ 2）氣泡、包裹體 藍(lán)寶石熔點 2040℃ ，高熔點使其所存在的晶體生長環(huán)境中不可避免的存在熱系統(tǒng)以及坩堝等的揮發(fā)物。熔體法生長藍(lán)寶石晶體中較常見的一類缺陷是晶體生長過程中極易產(chǎn)生散射點以及氣泡、包裹體等。 對晶體質(zhì)量影響比較大。晶體中常見的包裹體有來源于原料及坩堝材料中的雜質(zhì)元素和作為坩堝、加熱體及保溫裝置的鎢、鉬等材料的碎片。 包裹物產(chǎn)生的原因之一是在生長晶體的過程中有排雜現(xiàn)象，原料中雜質(zhì)向邊緣排放，坩堝中的雜質(zhì)由邊緣向中心擴(kuò)散，當(dāng)雜質(zhì)濃度達(dá)到或超過雜質(zhì)在熔體中的飽和濃度時即析出，形成中心夾雜物少，邊緣部分夾雜物多的放射型雜質(zhì)群。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)。 （ 3）裂紋 晶體中的存在的應(yīng)力將引起應(yīng)變，當(dāng)應(yīng)變超過了晶體材料本身塑性形變的屈服極限時，晶體將發(fā)生開裂。 藍(lán)寶石晶體在生長過程中之所以會產(chǎn)生缺陷，大體上可歸結(jié)為以下兩個方面的因素： 一個方面是晶體生長的物質(zhì)條件，另一個方面即為晶體生長的工藝條件。 物質(zhì)條件主要表現(xiàn)在晶體生長設(shè)備精度、有害雜質(zhì)等方面。在實驗中通過提高晶體生長裝置的機(jī)械傳動系統(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)條件對晶體生長的不利影響。 工藝條件主要表現(xiàn)在晶體生長的溫場設(shè)計、固液界面形態(tài)與穩(wěn)定性、生長速率和冷卻速率等方面。工藝條件對晶體生長的影響情況比較復(fù)雜，在晶體生長的不同階段，影響趨勢也不盡相同。 缺陷密度檢測 將晶圓片經(jīng)過研磨、拋光及腐蝕后，觀察其腐蝕坑分布情況并統(tǒng)計單位面積所含的數(shù)量，再計算出其密度。 晶圓片上的腐蝕坑的分布情況 （ 1）長晶：利用晶體生長爐生長出尺寸大且高品質(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公斤級晶體取芯 幾何上來說可獲得 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：以高精密檢測儀器檢驗晶片品質(zhì)（平坦度、表面微塵顆粒等），以符合要求。 1 晶體生長 利用晶體生長爐生長出尺寸大且高品質(zhì)的單晶藍(lán)寶石晶體 2 晶棒端面切割與外徑研磨 單晶的兩端依據(jù)需要的徑向切斷，去除直徑不足的晶冠和晶尾，并利用研磨機(jī)以及滾輪磨削的方式來修正晶棒的外徑，以達(dá)到所需要的尺寸與邊緣形狀 藍(lán)寶石基片制作流程 3 切片 將滾圓后的晶棒利用覆蓋有漿料的鋼線切割成具有準(zhǔn)確幾何尺寸的薄晶片。在切片過程中，晶片的厚度變異，撓曲度及損傷層得深度等都會對接下來的加工精度產(chǎn)生影響。 4 倒角圓邊 將晶圓外圓打圓是為了避免晶圓在接下來的制造過程中發(fā)生邊緣的破裂、崩角等情形 5 雙面研磨 已經(jīng)切片完成的晶片若在平坦度、繞曲度、厚度上無法達(dá)到要求規(guī)格時，就必須進(jìn)行雙面研磨。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。 6 鏡面拋光 在切片、研磨、圓邊之后進(jìn)行鏡面拋光處理。拋光好的鏡面回復(fù)到單晶本身的也行。殘留在晶體表面的晶體缺陷或制造過程中引入的缺陷均會對元件性能有損傷。 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，再予以烘干。 8 檢驗 檢驗晶圓的各種數(shù)值，如：繞曲度、崩角、微顆粒污染或其他表面微缺陷，以確定符合要求。最后在充氮潔凈包裝即可。