藍(lán)寶石介紹
藍(lán)寶石的組成為氧化鋁(Al2O3)，是由三個(gè)氧原子和兩個(gè)鋁原子以共價(jià)鍵型式結(jié)合而成,其晶體結(jié)構(gòu)為六方晶格結(jié)構(gòu).它常被應(yīng)用的切面有A-Plane,C-Plane及R-Plane.由于藍(lán)寶石的光學(xué)穿透帶很寬,從近紫外光(190nm)到中紅外線(xiàn)都具有很好的透光性.因此被大量用在光學(xué)元件、紅外裝置、高強(qiáng)度鐳射鏡片材料及光罩材料上，它具有高聲速、耐高溫、抗腐蝕、高硬度、高透光性、熔點(diǎn)高（2045℃）等特點(diǎn)，它是一種相當(dāng)難加工的材料，因此常被用來(lái)作為光電元件的材料。目前超高亮度白/藍(lán)光LED的品質(zhì)取決于氮化鎵磊晶(GaN)的材料品質(zhì)，而氮化鎵磊晶品質(zhì)則與所使用的藍(lán)寶石基板表面加工品質(zhì)息息相關(guān)，藍(lán)寶石(單晶Al2O3 )C面與Ⅲ-Ⅴ和Ⅱ-Ⅵ族沉積薄膜之間的晶格常數(shù)失配率小，同時(shí)符合GaN 磊晶制程中耐高溫的要求，使得藍(lán)寶石晶片成為制作白/藍(lán)/綠光LED的關(guān)鍵材料.
藍(lán)寶石晶體的生長(zhǎng)方法常用的有兩種:
1:柴氏拉晶法(Czochralski method),簡(jiǎn)稱(chēng)CZ法.先將原料加熱至熔點(diǎn)后熔化形成熔湯，再利用一單晶晶種接觸到熔湯表面，在晶種與熔湯的固液界面上因溫度差而形成過(guò)冷。
于是熔湯開(kāi)始在晶種表面凝固并生長(zhǎng)和晶種相同晶體結(jié)構(gòu)的單晶。晶種同時(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)，隨著晶種的向上拉升，熔湯逐漸凝固于晶種的液固界面上，進(jìn)而形成一軸對(duì)稱(chēng)的單晶晶錠.
2:凱氏長(zhǎng)晶法(Kyropoulos method),簡(jiǎn)稱(chēng)KY法,大陸稱(chēng)之為泡生法.其原理與柴氏拉晶法(Czochralskimethod)類(lèi)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
(SeedCrystal，又稱(chēng)籽晶棒)接觸到熔湯表面，在晶種與熔湯的固液界面上開(kāi)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(méi)有作旋轉(zhuǎn)，僅以控制冷卻速率方式來(lái)使單晶從上方逐漸往下凝固，最后凝固成一整個(gè)單晶晶碇.
藍(lán)寶石基片的原材料是晶棒,晶棒由藍(lán)寶石晶體加工而成.
廣大外延片廠家使用的藍(lán)寶石基片分為三種:
1:C-Plane藍(lán)寶石基板
這是廣大廠家普遍使用的供GaN生長(zhǎng)的藍(lán)寶石基板面.這主要是因?yàn)樗{(lán)寶石晶體沿C軸生長(zhǎng)的工藝成熟、成本相對(duì)較低、物化性能穩(wěn)定,在C面進(jìn)行磊晶的技術(shù)成熟穩(wěn)定.
2:R-Plane或M-Plane藍(lán)寶石基板
主要用來(lái)生長(zhǎng)非極性/半極性面GaN外延薄膜,以提高發(fā)光效率.通常在藍(lán)寶石基板上制備的GaN外延膜是沿c軸生長(zhǎng)的，而c軸是GaN的極性軸，導(dǎo)致GaN基器件有源層量子阱中出現(xiàn)很強(qiáng)的內(nèi)建電場(chǎng)，發(fā)光效率會(huì)因此降低，發(fā)展非極性面GaN外延，克服這一物理現(xiàn)象，使發(fā)光效率提高。
3:圖案化藍(lán)寶石基板(Pattern Sapphire Substrate簡(jiǎn)稱(chēng)PSS)
以成長(zhǎng)(Growth)或蝕刻(Etching)的方式,在藍(lán)寶石基板上設(shè)計(jì)制作出納米級(jí)特定規(guī)則的微結(jié)構(gòu)圖案藉以控制LED之輸出光形式，并可同時(shí)減少生長(zhǎng)在藍(lán)寶石基板上GaN之間的差排缺陷，改善磊晶質(zhì)量，并提升LED內(nèi)部量子效率、增加光萃取效率。
C-Plane藍(lán)寶石基板是普遍使用的藍(lán)寶石基板.1993年日本的赤崎勇教授與當(dāng)時(shí)在日亞化學(xué)的中村修二博士等人，突破了InGaN 與藍(lán)寶石基板晶格不匹配（緩沖層）、p 型材料活化等等問(wèn)題后，終于在1993 年底日亞化學(xué)得以首先開(kāi)發(fā)出藍(lán)光LED.以后的幾年里日亞化學(xué)以藍(lán)寶石為基板,使用InGaN材料,通過(guò)MOCVD 技術(shù)并不斷加以改進(jìn)藍(lán)寶石基板與磊晶技術(shù),提高藍(lán)光的發(fā)光效率,同時(shí)1997年開(kāi)發(fā)出紫外LED，1999年藍(lán)紫色LED樣品開(kāi)始出貨，2001年開(kāi)始提供白光LED。從而奠定了日亞化學(xué)在LED領(lǐng)域的先頭地位.
臺(tái)灣緊緊跟隨日本的LED技術(shù),臺(tái)灣LED的發(fā)展先是從日本購(gòu)買(mǎi)外延片加工,進(jìn)而買(mǎi)來(lái)MOCVD機(jī)臺(tái)和藍(lán)寶石基板來(lái)進(jìn)行磊晶,之后臺(tái)灣本土廠商又對(duì)藍(lán)寶石晶體的生長(zhǎng)和加工技術(shù)進(jìn)行研究生產(chǎn),通過(guò)自主研發(fā),取得LED專(zhuān)利授權(quán)等方式從而實(shí)現(xiàn)藍(lán)寶石晶體,基板,外延片的生產(chǎn),外延片的加工等等自主的生產(chǎn)技術(shù)能力,一步一步奠定了臺(tái)灣在LED上游業(yè)務(wù)中的重要地位.
目前大部分的藍(lán)光/綠光/白光LED產(chǎn)品都是以日本臺(tái)灣為代表的使用藍(lán)寶石基板進(jìn)行MOCVD磊晶生產(chǎn)的產(chǎn)品.使得藍(lán)寶石基板有很大的普遍性,以美國(guó)Cree公司使用SiC為基板為代表的LED產(chǎn)品則跟隨其后.
以蝕刻(在藍(lán)寶石C面干式蝕刻/濕式蝕刻)的方式,在藍(lán)寶石基板上設(shè)計(jì)制作出微米級(jí)或納米級(jí)的具有微結(jié)構(gòu)特定規(guī)則的圖案,藉以控制LED之輸出光形式(藍(lán)寶石基板上的凹凸圖案會(huì)產(chǎn)生光散射或折射的效果增加光的取出率),同時(shí)GaN薄膜成長(zhǎng)于圖案化藍(lán)寶石基板上會(huì)產(chǎn)生橫向磊晶的效果,減少生長(zhǎng)在藍(lán)寶石基板強(qiáng)度。最新消息據(jù)稱(chēng)非極性LED能使白光的發(fā)光效率提高兩倍.
由于無(wú)極性ＧａＮ具有比傳統(tǒng)c軸ＧａＮ更具有潛力來(lái)制作高效率元件,而許多國(guó)際大廠與研究單位都加大了對(duì)此類(lèi)磊晶技術(shù)的研究與生產(chǎn).因此對(duì)于R-plane 或M-Plane 藍(lán)寶石基板的需求與要求也是相應(yīng)地增加.
外延片廠家因?yàn)榧夹g(shù)及工藝的不同,對(duì)藍(lán)寶石基板的要求也不同,比如厚度,晶向等.
下面列出幾個(gè)廠家生產(chǎn)的藍(lán)寶石基板的一些基礎(chǔ)技術(shù)參數(shù)(以成熟的C面2英寸藍(lán)寶石基板為例子).更多的則是外延片廠家根據(jù)自身的技術(shù)特點(diǎn)以及所生產(chǎn)的外延片質(zhì)量要求來(lái)向藍(lán)寶石基板廠家定制合乎自身使用要求的藍(lán)寶石基板.即客戶(hù)定制化.
分別為: A:臺(tái)灣桃園兆晶科技股份有限公司
B:臺(tái)灣新竹中美矽晶制品制品股份有限公司 C:美國(guó) Crystal systems 公司 D:俄羅斯 Cradley Crystals公司
藍(lán)寶石（?-Al2O3）又稱(chēng)白寶石，是世界上硬度僅次于金剛石的晶體材料。其結(jié)構(gòu)中的氧原子以接近HCP（hexagonal closed packed）的方式排列，其中氧原子間的八面體配位約有2/3的空隙是由鋁原子所填充，由此使它具有強(qiáng)度、硬度高(莫氏硬度9)，耐高溫(熔點(diǎn)達(dá)2050℃)、耐磨擦、耐腐蝕能力強(qiáng)，化學(xué)性質(zhì)穩(wěn)定，一般不溶于水，不受酸腐蝕，只有在高溫下(3000C以上)才能為氫氟酸(HF)、磷酸(H2PO4)以及熔化的苛性鉀(KOH)所侵蝕；且具有同氮化鎵等半導(dǎo)體材料結(jié)合匹配性好、光透性能、電絕緣性能優(yōu)良等一系列特性。
藍(lán)寶石單晶首先是作為紅外窗口材料而提出。因其具有優(yōu)良的光學(xué)、機(jī)械、化學(xué)和電性能，特別是具有中波紅外透過(guò)率高等特性，從0.190μm至5.5μm波段均具有很高的光學(xué)透過(guò)率，因此被廣泛用作微波電子管介質(zhì)材料，超聲波傳導(dǎo)元件，延遲線(xiàn)，波導(dǎo)激光器腔體及精密儀器軸承，天平刀口等光學(xué)元件以及紅外軍事裝置、空間飛行器、高強(qiáng)度激光器的窗口材料。以白寶石單晶片為絕緣襯底材料的SOS器件則具有高集成度、高速度、低功耗和抗輻射能力強(qiáng)等優(yōu)點(diǎn)。近年來(lái)民用手表的表面大量使用白藍(lán)寶石，其特點(diǎn)是光潔度高、硬度高、耐磨損。
藍(lán)寶石單晶作為一種優(yōu)良透波材料，在紫外、可見(jiàn)光、紅外波段、微波都具有良好的透過(guò)率，可以滿(mǎn)足多模式復(fù)合制導(dǎo)（電視、紅外成像、雷達(dá)等）的要求，在軍事工業(yè)等領(lǐng)域被用作窗口材料及整流罩部件，在光電通訊領(lǐng)域作為重要的窗口材料使用。
藍(lán)寶石材料可以生長(zhǎng)制備大尺寸的單晶，其內(nèi)部缺陷很少，沒(méi)有晶界、孔隙等散射源，強(qiáng)度的損失很小，透波率很高，是目前透波部件的首選材料；此外，由于藍(lán)寶石電絕緣、透明、易導(dǎo)熱、硬度高，因此可以用來(lái)作為集成電路的襯底材料，可廣泛用于發(fā)光二極管（LED）及微電子電路，從而替代高價(jià)的氮化硅襯底，制作超高速集成電路；可以做成光學(xué)傳感器以及其它一些光學(xué)通信和光波導(dǎo)器件。如高溫高壓或真空容器的觀察窗、液晶顯示投影儀的散熱板、有害氣體檢測(cè)儀和火災(zāi)監(jiān)測(cè)儀的窗口、光纖通訊接頭盒等。
藍(lán)寶石單晶制備的研究開(kāi)始于19世紀(jì)末，1904年，法國(guó)人用熔焰法最先獲得了較大尺寸的藍(lán)寶石晶體，經(jīng)過(guò)近百年的發(fā)展，制備藍(lán)寶石單晶的技術(shù)日趨完善。目前已有提拉法
（Czochrolski）、熔焰法（Vernuil）坩鍋移動(dòng)法（Bridgman-Stockbarger)、溫度梯度法（TGT）、導(dǎo)模法（EFG）、熱交換法 (HEM)、水平定向凝固法（GHK）、泡生法（GOI）等多種制備方法，而適于生長(zhǎng)大尺寸藍(lán)寶石單晶的技術(shù)主要有：熱交換法、水平定向凝固法、泡生法及溫度梯度法、及本項(xiàng)目所采用的冷心放肩微量提拉法等。
1993年，俄羅斯的S.I.Vavilov State Optical Institute研究所報(bào)道了采用GOI法合成φ300mm的藍(lán)寶石晶體。烏克蘭的單晶研究所（Institute for Single Crystal）采用定向凝固法制備了大我國(guó)藍(lán)寶石晶體的產(chǎn)業(yè)化屬起步階段，目前主要產(chǎn)品為中低檔產(chǎn)品，如用火焰法和提拉法制備直徑范圍在80mm以下的藍(lán)寶石晶體，晶體質(zhì)量只有少部分能達(dá)到光學(xué)級(jí)水平，如：云南玉溪藍(lán)晶晶體有限公司、南京恒煉藍(lán)寶石表面有限公司、大連淡寧光電技術(shù)有限公司等企業(yè)；上海光學(xué)精密機(jī)械研究所導(dǎo)向溫梯法的產(chǎn)業(yè)化工作尚在起步階段，據(jù)報(bào)道能加工制造5英寸（125mm）以下的藍(lán)寶石晶體，由于受生長(zhǎng)方向的限制，可加工基片直徑尺寸小于100mm,材料利用率較低。
在國(guó)際上能夠通過(guò)產(chǎn)業(yè)化生產(chǎn)制造直徑超過(guò)150mm大尺寸藍(lán)寶石晶體的國(guó)家只有美國(guó)和前蘇聯(lián)，有代表性的公司有：俄羅斯的Atlas公司、Monocrystal公司和Tydex等公司，生長(zhǎng)出晶體尺寸最大為300mm，工藝方法為泡生法；美國(guó)的Crystal System Inc.是世界上最高水平的晶體制造公司，可生產(chǎn)φ300mm的大尺寸藍(lán)寶石單晶體，采用的工藝方法為熱交換法，其工藝成本較高。
我國(guó)晶體生長(zhǎng)有悠久的歷史,但現(xiàn)代人工晶體的系統(tǒng)研發(fā)起步較晚。經(jīng)近半個(gè)世紀(jì)的發(fā)展，已可生產(chǎn)制備直徑150mm的藍(lán)寶石晶體，由一個(gè)基本上是空白的領(lǐng)域上升到在國(guó)際上占有一席之地，來(lái)之不易。我國(guó)在晶體材料方面取得了大量研究成果，但大
尺寸藍(lán)寶石晶體材料的生長(zhǎng)技術(shù)，高利用率、低成本的晶體材料成型及機(jī)械加工技術(shù)開(kāi)發(fā)應(yīng)用尚處于研制水平較低階段，對(duì)大多需求很難提供配套，更談不上批量生產(chǎn)，難以滿(mǎn)足供貨量和貨期的要求；大大的制約了相關(guān)領(lǐng)域的發(fā)展。
高品質(zhì)、低成本的晶體材料生長(zhǎng)技術(shù)是世界各國(guó)關(guān)注的難點(diǎn)和重點(diǎn)。從目前的技術(shù)水平來(lái)看，國(guó)際上能夠產(chǎn)業(yè)化制造直徑大于Φ200以上高品質(zhì)藍(lán)寶石襯底材料的只有俄羅斯、美國(guó)等三家公司，由于藍(lán)寶石材料有著較強(qiáng)的軍工應(yīng)用背景需求，因此各國(guó)均將該項(xiàng)技術(shù)列為高度機(jī)密內(nèi)容，相關(guān)研究報(bào)道僅僅局限在工藝角度，針對(duì)藍(lán)寶石的特點(diǎn)和用途開(kāi)發(fā)的專(zhuān)用設(shè)備及與之相配套的成型及機(jī)械加工技術(shù)的報(bào)道僅僅限于原理角度，我國(guó)在該方面的研究屬剛剛起步，在基礎(chǔ)理論、工藝、設(shè)備選配等方面的基礎(chǔ)和經(jīng)驗(yàn)幾乎為零。
目前國(guó)內(nèi)現(xiàn)有的用于藍(lán)寶石晶體生長(zhǎng)設(shè)備，是基于傳統(tǒng)方法和技術(shù)開(kāi)發(fā)建設(shè)的實(shí)驗(yàn)室級(jí)產(chǎn)品，無(wú)論從晶體質(zhì)量、成本、工藝控制精度、工藝重現(xiàn)性、晶體尺寸、生產(chǎn)效率等方面均難以滿(mǎn)足產(chǎn)業(yè)化的需求。
從工藝角度，大尺寸藍(lán)寶石晶體生長(zhǎng)周期長(zhǎng)，工藝復(fù)雜。原材料純度、處理狀態(tài)、制備工藝參數(shù)等對(duì)晶體質(zhì)量影響較大，需要針對(duì)不同工藝參數(shù)生長(zhǎng)出晶體進(jìn)行詳細(xì)的性能測(cè)試和微觀組織結(jié)構(gòu)分析，在此基礎(chǔ)上給出進(jìn)一步改進(jìn)的工藝參數(shù)和技術(shù)措施，才能開(kāi)始下一輪次的晶體生長(zhǎng)，達(dá)到不斷優(yōu)化工藝，獲得高質(zhì)量晶體材料的目的。然而大尺寸藍(lán)寶石晶體生長(zhǎng)周期大大拖延了研究周期。
藍(lán)寶石晶體的硬度僅次于金剛石、為莫氏硬度9級(jí)，由于其脆性較大，很難加工，對(duì)于航空航天光電窗口而言，除了要求其表面光潔度較高（Ralt;0.3nm）外，關(guān)鍵要求其晶面軸線(xiàn)的方向必須與C軸沿M軸方向的偏差<0.2度，對(duì)定向精度要求極高，目前國(guó)際上產(chǎn)業(yè)化規(guī)模較大的企業(yè)采用的是高精度定向設(shè)備，配合相應(yīng)的加工技術(shù)如：高速研磨、化學(xué)機(jī)械拋光、腐蝕研磨等技術(shù)，國(guó)內(nèi)在藍(lán)寶石材料的高利用率、低成本加工技術(shù)方面尚屬剛剛起步，無(wú)成功經(jīng)驗(yàn)可以借鑒，是困擾我國(guó)藍(lán)寶石材料技術(shù)發(fā)展的技術(shù)難題和瓶頸。
困擾我國(guó)航空航天用高品質(zhì)藍(lán)寶石窗口部件產(chǎn)業(yè)化的主要問(wèn)題集中在以下幾個(gè)方面：
1.技術(shù)及裝備落后。
與美國(guó)、俄羅斯、烏克蘭等國(guó)相比，我國(guó)用來(lái)生長(zhǎng)晶體的單晶爐大多技術(shù)原理方法落后，設(shè)備自動(dòng)化程度低，晶體尺寸小，質(zhì)量難以達(dá)到光學(xué)級(jí)水平，材料利用率低，成本高。產(chǎn)品市場(chǎng)競(jìng)爭(zhēng)力弱。
2.藍(lán)寶石材料的低成本、高利用率成型及機(jī)械加工是技術(shù)瓶頸。
藍(lán)寶石材料硬度高、脆性大，半導(dǎo)體襯底材料加工需要定向精度在0.2度以?xún)?nèi)，并且晶軸的偏轉(zhuǎn)方向是固定的，國(guó)內(nèi)傳統(tǒng)的藍(lán)寶石加工技術(shù)是采用切割后再滾圓，很難達(dá)到國(guó)際標(biāo)準(zhǔn)要求的定向、表面損傷層厚度的要求，目前國(guó)內(nèi)的小批量加工技術(shù)問(wèn)題較多，產(chǎn)品質(zhì)量穩(wěn)定性、一致性差，并且質(zhì)量檢驗(yàn)標(biāo)準(zhǔn)與國(guó)際公認(rèn)標(biāo)準(zhǔn)有明顯距離，產(chǎn)能、技術(shù)保障等的局限難以爭(zhēng)取長(zhǎng)久的大用戶(hù)。
3.成果轉(zhuǎn)化及規(guī)模生產(chǎn)不足。
我國(guó)在晶體材料方面雖取得了一定的研究成果，但這些成果大多只能提供樣品，不能批量生產(chǎn)，難以創(chuàng)造更高經(jīng)濟(jì)效益。即使能夠批量生產(chǎn)的產(chǎn)品，但加工尺寸及精度與國(guó)外相比均有較大差距，規(guī)模化生產(chǎn)不足，對(duì)來(lái)自國(guó)內(nèi)外的大訂單，一般難以滿(mǎn)足供貨量和貨期的要求。困擾我國(guó)航空航天用高品質(zhì)藍(lán)寶石窗口部件產(chǎn)業(yè)化的主要問(wèn)題集中在以下幾個(gè)方面：
1.技術(shù)及裝備落后。
與美國(guó)、俄羅斯、烏克蘭等國(guó)相比，我國(guó)用來(lái)生長(zhǎng)晶體的單晶爐大多技術(shù)原理方法落后，設(shè)備自動(dòng)化程度低，晶體尺寸小，質(zhì)量難以達(dá)到光學(xué)級(jí)水平，材料利用率低，成本高。產(chǎn)品市場(chǎng)競(jìng)爭(zhēng)力弱。
2.藍(lán)寶石材料的低成本、高利用率成型及機(jī)械加工是技術(shù)瓶頸。藍(lán)寶石材料硬度高、脆性大，半導(dǎo)體襯底材料加工需要定向精度在0.2度以?xún)?nèi)，并且晶軸的偏轉(zhuǎn)方向是固定的，國(guó)內(nèi)傳統(tǒng)的藍(lán)寶石加工技術(shù)是采用切割后再滾圓，很難達(dá)到國(guó)際標(biāo)準(zhǔn)要求的定向、表面損傷層厚度的要求，目前國(guó)內(nèi)的小批量加工技術(shù)問(wèn)題較多，產(chǎn)品質(zhì)量穩(wěn)定性、一致性差，并且質(zhì)量檢驗(yàn)標(biāo)準(zhǔn)與國(guó)際公認(rèn)標(biāo)準(zhǔn)有明顯距離，產(chǎn)能、技術(shù)保障等的局限難以爭(zhēng)取長(zhǎng)久的大用戶(hù)。
3.成果轉(zhuǎn)化及規(guī)模生產(chǎn)不足。
我國(guó)在晶體材料方面雖取得了一定的研究成果，但這些成果大多只能提供樣品，不能批量生產(chǎn)，難以創(chuàng)造更高經(jīng)濟(jì)效益。即使能夠批量生產(chǎn)的產(chǎn)品，但加工尺寸及精度與國(guó)外相
供貨商名稱(chēng) 所在地 晶棒產(chǎn)能(mm/m) 主要供應(yīng)地區(qū)及規(guī)模
Monocrystal 俄羅斯 150K (2”) 歐、美、日本（3” 、4” 、6”）為主
Rubicon 美國(guó) 150K (2”) 臺(tái)灣（２”）、歐、美、日本（3” 、4” 、6”）
Kyocera 日本 200K (2”) 自給自足 Atlas等 俄羅斯 50K (2”)、 歐、美
STC 韓國(guó) 15K(2”) 韓國(guó)、臺(tái)灣
隨著對(duì)降低成本的要求，該部分市場(chǎng)的競(jìng)爭(zhēng)會(huì)趨于白熱化，高技術(shù)、低成本將成為該類(lèi)產(chǎn)品發(fā)展的主題。（文章來(lái)源：藍(lán)寶石應(yīng)用）
