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藍(lán)寶石晶體生長及退火工藝

更新更新時間:2022-04-28點(diǎn)擊次數(shù):7507

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)??傮w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,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,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;

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和轉(zhuǎn)動,容易受到機(jī)械振動影響。

 

 

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,晶片的翹曲程度過大,會在平片做GaN磊晶時,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,同時未釋放的加工應(yīng)力會在晶片表面集聚,影響藍(lán)寶石晶片的翹曲程度,嚴(yán)重的翹曲會在后道加工過程產(chǎn)生破片,影響整個加工循環(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。

 

 

皓越科技 電子半導(dǎo)體相關(guān)裝備

1、硅晶體及第三代半導(dǎo)體晶體生長設(shè)備

   用于半導(dǎo)體Si晶體、SiC晶體、GaN晶體、AlN晶體和LED基體藍(lán)寶石晶體生長,以及其在基體材料上進(jìn)行外延生長。

2、晶體熱處理和快速退火設(shè)備

   用于半導(dǎo)體行業(yè)晶體生產(chǎn)過程熱處理工藝,芯片生產(chǎn)氧化及擴(kuò)散工藝,離子注入后快速退火工藝。

3、設(shè)備及周邊產(chǎn)品的售后服務(wù)

   提供設(shè)備的安裝調(diào)試、維修保養(yǎng),以及周邊零部件的*工作。

藍(lán)寶石晶棒高溫有氧退火爐

 

 

高溫有氧退火爐適用于藍(lán)寶石晶棒退火,具有以下優(yōu)勢:

  • 使用溫度高:高1800℃,常用1750℃,寶石脫色和消除內(nèi)應(yīng)力效果好;
  • 溫度均勻:溫度均勻性可達(dá)±5℃,退火產(chǎn)品良品率高;
  • 溫控先進(jìn):采用自主研發(fā)的多組PID智能溫控系統(tǒng),升溫過程電流穩(wěn)定,溫度跟隨性好,使藍(lán)寶石在退火過程中*處于一個均勻的溫場中,并且通過對溫控系統(tǒng)編程嚴(yán)格控制電爐升降溫速率,避免藍(lán)寶石因溫差過大或者升降溫過快產(chǎn)生新的內(nèi)應(yīng)力而出現(xiàn)邊角迸裂;
  • 節(jié)能*:采用全纖維爐膛保溫材料,隔熱保溫性能優(yōu)良,節(jié)能*,大大降低客戶寶石退火成本,對于競爭日益加劇的藍(lán)寶石行業(yè)意義重大。

藍(lán)寶石襯底高溫有氧退火爐

 

 

高溫有氧退火爐適用于藍(lán)寶石襯底或晶片退火,具有以下優(yōu)勢:

  • 使用溫度高:高1600℃,常用1500℃,寶石脫色和消除內(nèi)應(yīng)力效果好;
  • 溫度均勻:溫度均勻性可達(dá)±5℃,退火產(chǎn)品良品率高;
  • 溫控先進(jìn):采用自主研發(fā)的多組PID智能溫控系統(tǒng),升溫過程電流穩(wěn)定,溫度跟隨性好,使藍(lán)寶石在退火過程中*處于一個均勻的溫場中,并且通過對溫控系統(tǒng)編程嚴(yán)格控制電爐升降溫速率,避免藍(lán)寶石因溫差過大或者升降溫過快產(chǎn)生新的內(nèi)應(yīng)力而出現(xiàn)邊角迸裂;
  • 節(jié)能*:采用全纖維爐膛保溫材料,隔熱保溫性能優(yōu)良,節(jié)能*,大大降低客戶寶石退火成本,對于競爭日益加劇的藍(lán)寶石行業(yè)意義重大。

皓越科技是一家集研發(fā)、生產(chǎn)、銷售電爐為一體的高新技術(shù)企業(yè)。公司一直專注于半導(dǎo)體材料、碳材料、先進(jìn)陶瓷與復(fù)合材料和鋰電材料四大行業(yè),擁有豐富的行業(yè)經(jīng)驗(yàn)和專業(yè)技術(shù),竭誠服務(wù)于客戶,提供完善的一體化產(chǎn)業(yè)解決方案。

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