藍(lán)寶石(Sapphire)是一種氧化鋁(α-Al2O3)的單晶,，又稱為剛玉,。藍(lán)寶石晶體具有優(yōu)異的光學(xué)性能,、機(jī)械性能和化學(xué)穩(wěn)定性,，強(qiáng)度高,、硬度大,、耐沖刷，可在接近2000℃高溫的惡劣條件下工作，因而被廣泛的應(yīng)用于紅外軍事裝置,、衛(wèi)星空間技術(shù),、高強(qiáng)度激光的窗口材料。其*的晶格結(jié)構(gòu),、優(yōu)異的力學(xué)性能,、良好的熱學(xué)性能使藍(lán)寶石晶體成為實(shí)際應(yīng)用的半導(dǎo)體GaN/Al2O3發(fā)光二極管(LED)，大規(guī)模集成電路SOI和SOS及超導(dǎo)納米結(jié)構(gòu)薄膜等為理想的襯底材料,。近年來,，隨著現(xiàn)代科學(xué)技術(shù)的發(fā)展，對(duì)藍(lán)寶石晶體材料的尺寸,、質(zhì)量不斷提出新的要求,。

一、藍(lán)寶石晶體生長(zhǎng)

低成本,、高質(zhì)量地生長(zhǎng)大尺寸藍(lán)寶石單晶已成為當(dāng)前面臨的迫切任務(wù),。總體說來,，藍(lán)寶石晶體生長(zhǎng)方式可劃分為溶液生長(zhǎng),、熔體生長(zhǎng)、氣相生長(zhǎng)三種,，其中熔體生長(zhǎng)方式因具有生長(zhǎng)速率快,，純度高和晶體完整性好等特點(diǎn)，而成為是制備大尺寸和特定形狀晶體的常用的晶體生長(zhǎng)方式,。目前可用來以熔體生長(zhǎng)方式人工生長(zhǎng)藍(lán)寶石晶體的方法主要有焰熔法,、提拉法、區(qū)熔法,、導(dǎo)模法,、坩堝移動(dòng)法、熱交換法,、溫度梯度法,、泡生法等。而泡生法工藝生長(zhǎng)的藍(lán)寶石晶體約為目前*的70%,。LED藍(lán)寶石襯底晶體技術(shù)正屬于一個(gè)處于正在發(fā)展階段,，由于晶體生長(zhǎng)技術(shù)的保密性，其多數(shù)晶體生長(zhǎng)設(shè)備都是根據(jù)客戶要求按照工藝特點(diǎn)定做,，或者采用其他晶體生長(zhǎng)設(shè)備改造而成,。

泡生法是Kyropoulos于1926年首先提出并用于晶體的生長(zhǎng)，此后相當(dāng)長(zhǎng)的一段時(shí)間內(nèi),，該方法都是用于大尺寸鹵族晶體,、氫氧化物和碳酸鹽等晶體的制備與研究,。上世紀(jì)六七十年代，經(jīng)前蘇聯(lián)的Musatov改進(jìn),，將此方法應(yīng)用于藍(lán)寶石單晶的制備,。該方法生長(zhǎng)的單晶，外型通常為梨形,，晶體直徑可以生長(zhǎng)到比坩鍋內(nèi)徑小10～30mm的尺寸,。其原理與柴氏拉晶法(Czochralski method)類似，先將原料加熱至熔點(diǎn)后熔化形成熔湯,，再以單晶之晶種(Seed Crystal,，又稱籽晶棒)接觸到熔湯表面，在晶種與熔湯的固液界面上開始生長(zhǎng)和晶種相同晶體結(jié)構(gòu)的單晶,，晶種以極緩慢的速度往上拉升,，但在晶種往上拉晶一段時(shí)間以形成晶頸，待熔湯與晶種界面的凝固速率穩(wěn)定后,，晶種便不再拉升,，也沒有作旋轉(zhuǎn)，僅以控制冷卻速率方式來使單晶從上方逐漸往下凝固,，后凝固成一整個(gè)單晶晶碇,，下圖即為泡生法(Kyropoulos method)的原理示意圖。泡生法是利用溫度控制來生長(zhǎng)晶體,，它與柴氏拉晶法大的差異是只拉出晶頸，晶身部分是靠著溫度變化來生長(zhǎng),，少了拉升及旋轉(zhuǎn)的干擾,，比較好控制制程，并在拉晶頸的同時(shí),，調(diào)整加熱器功率,，使熔融的原料達(dá)到合適的長(zhǎng)晶溫度范圍，讓生長(zhǎng)速度達(dá)到理想化,，因而長(zhǎng)出品質(zhì)理想的藍(lán)寶石單晶,。

該方法主要特點(diǎn)：

1、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)。這樣就可以控制它的冷卻速度,，減小熱應(yīng)力,；

2、晶體生長(zhǎng)時(shí),，固液界面處于熔體包圍之中,。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,；

3、選用軟水作為熱交換器內(nèi)的工作流體,，相對(duì)于利用氦氣作冷卻劑的熱交換法可以有效降低實(shí)驗(yàn)成本,；

4、晶體生長(zhǎng)過程中存在晶體的移動(dòng)和轉(zhuǎn)動(dòng),，容易受到機(jī)械振動(dòng)影響,。

泡生法(Kyropoulos method)之原理示意圖

二、熱應(yīng)力對(duì)藍(lán)寶石晶體加工的影響

藍(lán)寶石晶體(Al2O3)是超高亮度的藍(lán),、白光LED發(fā)光材料GaN常用的襯底材料,， 而GaN磊晶的晶體質(zhì)量與所使用的監(jiān)寶石襯底(基板)表面加工質(zhì)量密切相關(guān)，尤其是圖形化襯底(PSS)與晶片的表面形貌,、翹曲程度聯(lián)系密切,，同時(shí)，晶片的翹曲程度過大,，會(huì)在平片做GaN磊晶時(shí),，平片與外延薄膜脫落，PSS難以聚焦,，影響外延品質(zhì),。在藍(lán)寶石襯底的切割、雙面研磨以及單面研磨,、拋光過程中,，盡管部分的加工應(yīng)力會(huì)在下一道加工工序釋放，但是這種應(yīng)力釋放是無序釋放,，同時(shí)未釋放的加工應(yīng)力會(huì)在晶片表面集聚,，影響藍(lán)寶石晶片的翹曲程度，嚴(yán)重的翹曲會(huì)在后道加工過程產(chǎn)生破片,，影響整個(gè)加工循環(huán)的晶片質(zhì)量,。藍(lán)寶石襯底在加工過程中，必須經(jīng)過退火處理以降低加工應(yīng)力,。

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