蓝宝石项目晶体生长技术研究报告[受控]精要.doc

1. 背景 2 2. 蓝宝石晶体的应用 2 2.1 透红外窗口材料 5 2.2 微电子领域的衬底基片 7 2.2.1 半导体GaN的外延衬底基片 7 2.2.2 SOS微电子电路 8 2.2.3 ZnO、InN及其它外延膜衬底基片 8 2.3 激光基质、光学元件及其它用途 10 3. 蓝宝石单晶的生长方法 10 3.1 凯氏长晶法(Kyropoulos method) 11 3.2 柴氏拉晶法(Czochralski method) 13 3.3 定边膜喂法(Edge-defined Film-fed Growth, EFG) 14 3.4 热交换法(Heat Exchanger Method) 15 3.5 温度梯度法、坩埚下降法以及垂直水平温度梯度冷却法 16 3.5.1 温度梯度法(Temperature gradient technique, TGT) 16 3.5.2 坩埚下降法(Vertical Gradient Freeze method, VGF) 18 3.5.3 垂直水平温度梯度冷却法 19 3.6 冷心放肩微量提拉法(SAPMAC) 20 3.7 蓝宝石晶体生长技术比较 22 4. 原料、设备与生产流程 23 4.1 原料 23 4.1.1 蓝宝石级高纯氧化铝 23 4.1.2 坩埚和保护气氛 28 4.2 蓝宝石晶体生长炉 30 4.2.1 乌克兰欧米茄公司(Omega Crystals) 30 4.2.2 乌克兰国有企业中央设计机械局“顿涅茨”公司 31 4.2.3 乌克兰Pryroda LTD (大自然公司) 33 4.2.4 台湾通益蓝宝石科技公司(Tronic Technocrystal) 34 4.2.5 香港科瑞斯特公司(CrystalTech) 34 4.2.6 美国GT Solar 35 4.2.7 俄罗斯VNIISIMS 37 4.2.8 江苏华盛天龙光电设备股份有限公司 38 4.2.9 江苏常州市祺科机械制造有限公司 38 4.2.10 中国科学院上海光学精密机械研究所 39 4.2.11 光谷光电 40 4.2.12 日本住金 40 4.2.13 日本第一机电 40 4.3 生产流程 40 4.4 总结 41 5. 国外蓝宝石衬底企业现状与发展 41 5.1 国外 41 5.2 国内 44 5.2.1 国内(含台湾)蓝宝石衬底基片生产厂家名单 44 5.2.2 国内(含台湾)蓝宝石衬底基片正在上马的厂家名单 45 蓝宝石项目晶体生长技术研究报告 1. 背景 蓝宝石(Sapphire)是一种氧化铝(α-Al2O3)的单晶，又称为刚玉，蓝宝石晶体具有优异的光学性能、机械性能和化学稳定性，强度高、硬度大、耐冲刷，可在接近2000℃高温的恶劣条件下工作，因而被广泛的应用于红外军事装置、卫星空间技术、高强度激光的窗口材料。其独特的晶格结构、优异的力学性能、良好的热学性能使蓝宝石晶体成为实际应用的半导体GaN/Al2O3发光二极管(LED)，大规模集成电路SOI和SOS及超导纳米结构薄膜等最为理想的衬底材料。近年来，随着现代科学技术的发展，对蓝宝石晶体材料的尺寸、质量不断提出新的要求。例如，美国国家自然科学基金委员会作为LIGO(Laser Interferometer Gravitational Wave Observatory)计划中分光透镜用的蓝宝石晶体，晶体尺寸：350×120mm，光学均匀性：△n2×10-7，弱光吸收系数(1064nm)：10-6/cm；红外成像探测设备的窗口材料，最小口径为150mm，工作波段透过率80%。另外，基于实际加工过程中加工余量和透波方向的考虑，蓝宝石单晶坯体必须具有一定的外形尺寸方可满足上述要求，所以低成本、高质量地生长大尺寸蓝宝石单晶已成为当前面临的迫切任务。蓝宝石的为氧化铝(α-Al2O3)是由三个氧原子和两个铝原子以共价键型式结合而成，其晶体结构为六方晶格结构，如图所示。就颜色而言，单纯的氧化铝结晶是呈现透明无色的，因不同显色元素离子渗透于生长中的蓝宝石，因而使蓝宝石显出不同的颜色。在自然界中当蓝宝石在生长时，晶体内含有钛离子Ti3+)与铁离子Fe3+)时，会使晶体呈现蓝色，而成为蓝色蓝宝石Blue Sapphire)。当晶体内含有铬离子(Cr3+)时，会使晶体呈现红色，而成为红宝石(Ruby)。又当晶体内含有镍离子(Ni3+)时，会使晶体呈现黄色，而成为黄色蓝宝石。表1所列为蓝宝石之特性表。蓝宝石晶体化学性质非常稳定，一般不溶于水和不受酸、碱腐蚀，只有在较高下(300℃)可为氢氟酸、磷酸和熔化的氢氧化钾所侵蚀。蓝宝石晶体硬度很高，为莫氏硬度9级，仅次于最硬的金刚石。它具有很好的透光性，热传导性和电气绝缘性，力学机械性能好，并且具有耐磨和抗风