藍(lán)寶石晶體生長及退火工藝

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

低成本、高質(zhì)量地生長大尺寸藍(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)寶石晶體生長方式可劃分為溶液生長、熔體生長、氣相生長三種，其中熔體生長方式因具有生長速率快，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方式。目前可用來以熔體生長方式人工生長藍(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，由于晶體生長技術(shù)的保密性，其多數(shù)晶體生長設(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，此后相當(dāng)長的一段時(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。該方法生長的單晶，外型通常為梨形，晶體直徑可以生長到比坩鍋內(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，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)到合適的長晶溫度范圍，讓生長速度達(dá)到理想化，因而長出品質(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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