改良泡生法生長720 kg級大尺寸藍寶石晶體

康 森,魯雅榮,石天虎,滕 斌,寬 軍,李 璐,郝文娟,段斌斌

(1.天通銀廈新材料有限公司，銀川 750021;2.天通控股股份有限公司，海寧 314412)

0 引 言

藍寶石作為一種品質優異的單晶材料，其具有優良的光、電、力、熱學性能，是Mini/Micro LED、UV-LED、大規模集成電路SOI(silicon-on-insulator)和SOS(silicon-on-sapphire)及超導納米結構薄膜等理想的半導體襯底材料，也是優良的光學窗口材料和耐磨的結構材料，屬于國家重點支持和鼓勵發展的光電子基礎材料。

市場需求不斷帶動藍寶石晶體生長和加工技術的發展[1]，當前業內已經報道采用泡生法生長450 kg級的藍寶石晶體[2]。但是隨著半導體和航天航空領域的不斷發展，對更大尺寸藍寶石材料需求也急劇增加。另外，藍寶石晶體尺寸越大，其材料利用率越大，單位成本也越低。因此生長高品質、低成本、大尺寸藍寶石晶體是當前迫切發展的趨勢。

藍寶石的生長方法主要有泡生法[2]、改良泡生法[3-5]、熱交換法[6]、導模法[7]、提拉法[8]及溫度梯度法等。其中，改良泡生法生長藍寶石晶體材料具有過程穩定可控、晶體尺寸大、晶體內部缺陷少、晶體生長成本低等技術優勢，是當前業內生長大尺藍寶石晶體的主要方法。另外，針對直徑大于400 mm的大尺寸光學窗口晶片，也只能通過改良泡生法和導模法生長，且改良泡生法產出晶體的品質更高。

本文采用改良泡生法生長出無色透明、品質優良的720 kg級超大尺寸藍寶石晶體。利用該晶體可加工2～25英寸(1英寸=2.54 cm)的藍寶石襯底產品和直徑640 mm的大尺寸藍寶石窗口片，能夠同時滿足新型襯底、航空、航天、特殊光電窗口的應用需求。

1 晶體生長

改良泡生法生長的藍寶石單晶外形通常為“梨形”，將高純氧化鋁原料加熱到2 050 ℃以上融化形成溶液，通過設備的智能控溫系統將溶液溫度控制在固液相變轉換溫度點附近，控制籽晶的提拉系統按照所設定參數自動下降籽晶到液面。然后，籽晶通過所吸熱量將籽晶前端的表面缺陷和應力予以消除，形成完整晶核，以降低所成核的位錯缺陷。同時通過自動控溫系統逐步控制爐內溫度下降，形成結晶動力，使晶核逐步的長大形成完整晶體[9-11]。

本實驗產出的藍寶石晶體，是采用自主研發的全自動改良泡生法晶體生長爐產出。將純度為99.995%(質量分數)的高純氧化鋁原料投入到坩堝中，加熱融化，通過設備的自動控制，完成調溫、引晶、長晶、降溫等工序。一個合適的溫場環境，即固液界面徑向和軸向的溫度梯度的控制是生長大尺寸、高質量藍寶石晶體的必要條件，可有效控制晶體生長的熱應力和內部的微缺陷。本文通過精確的功率控制，在晶體的放肩、育晶和收尾階段配備合適的溫度梯度，減少位錯的產生，降低剩余應力。同時，通過減小縱向的溫度梯度，控制長晶后期和降溫階段爐內溫度，降低其晶體的殘余應力，防止晶體開裂。

經過多次對各階段工藝參數的優化改進試驗，實現了720 kg級超大尺寸藍寶石晶體的產出，其晶體尺寸為φ640 mm×720 mm(高)，晶體的外觀圖如圖1(a)所示，從圖中可以看到晶體形狀呈“梨形”，外觀透亮且肩面無熔蝕坑。圖1(b)給出了晶體的俯視圖，可以看到晶體沿c面處對稱6邊，晶棱均勻分布且可以明顯判斷晶體的肩面無多晶線、氣泡等缺陷。

圖1 藍寶石晶體外觀圖Fig.1 Appearance images of sapphire crystal

將產出的720 kg級晶體沿c向進行線切加工，可以產出直徑為640 mm的c向大尺寸藍寶石窗口片，如圖2(a)所示。圖2(b)給出了拋光后晶片的錐光干涉圖，從圖中可以看出樣片的干涉圖樣規則，無扭曲，明暗條紋間距均勻，表明藍寶石具有理想的晶格排列，無小角度晶界存在。

圖2 (a)φ640 mm×20 mm藍寶石晶片；(b)藍寶石晶片的錐光干涉圖Fig.2 (a) φ640 mm×20 mm sapphire crystal wafer; (b) interference of convergent polarized light of sapphire panel

2 結果與討論

為評估產出晶體的品質情況，選取720 kg級藍寶石晶體上、中、下不同部位各切取1個樣品進行雙拋精加工，樣品選取方式如圖3所示。

圖3 取樣檢測示意圖Fig.3 Schematic diagram of sampling and testing

2.1 晶體結晶性能檢測

2.1.1 X射線雙晶搖擺曲線半高寬檢測

測量了3個藍寶石樣品的X射線雙晶搖擺曲線半高寬，每個樣品上檢測3點，總共9點。檢測結果如表1 所示，可以看到所有X射線搖擺曲線半高寬值小于0.004 6°。圖4為晶體中部X射線雙晶搖擺曲線半高寬檢測結果，如圖所示，搖擺曲線峰為單峰，峰型尖銳、對稱性高，半高寬為0.004 0°。表明晶體樣品晶格完整，結晶質量較高。

圖4 藍寶石X射線雙晶搖擺曲線測試結果Fig.4 X-ray rocking curve result of sapphire crystal

表1 藍寶石晶體半高寬檢測數據Table 1 FWHM detection data of sapphire crystal

2.1.2 位錯密度檢測

為了進一步檢測藍寶石晶體品質，本文通過腐蝕法檢測晶體的位錯密度。在晶體上、中、下部位各切割1片晶片樣品，把晶片樣品放在熔融態KOH溶液中，在360 ℃下保溫15 min，用光學顯微鏡在面積為0.04 cm2的視場下檢測腐蝕后的晶體樣品，每片檢測9點，具體如圖5所示。

圖5 腐蝕晶片位錯檢測點示意圖Fig.5 Schematic diagram of dislocation detect points of etched wafer

圖6為晶片化學腐蝕形貌圖，使用光學顯微鏡對腐蝕后晶片做表面位錯形貌觀察，從圖中可以看出位錯形貌為典型的三角形形貌，這是由c面原子結構排列所致，其中氧原子之間結合鍵作用較小，在高溫腐蝕下更易斷開，形成如圖6所示的三角形形貌腐蝕坑。

對腐蝕晶片位錯觀察可知，位錯腐蝕坑大小均勻，由表2可知，晶體的位錯密度分布在225～475 cm-2之間，位錯密度較低，且分布較均勻。結合所測試的半高寬數據和位錯數據分析，得出所設計的晶體生長熱場梯度和晶體的生長工藝比較合理，有效地控制了晶體生長過程中的壓應力和張應力，降低了晶體中的內應力，有效控制了藍寶石晶體開裂和晶體內部的微缺陷。

表2 藍寶石晶體上中下晶片位錯檢測數據Table 2 Dislocation detection data of the upper, middle and lower wafers of sapphire crystal

2.2 晶體光學性能檢測

圖7給出了720 kg晶體上、中、下位置和100 kg晶體厚度為20 mm的藍寶石晶片的透過率曲線。可以看出晶體樣品在可見光、近紅外、中紅外波段的透過率達到83%以上，具有良好的透過率。對比100 kg晶體的透過率曲線，720 kg晶體在紫外波段(250～400 nm)的透過率偏低，可能是由于晶體中的氧缺陷含量偏高，色心吸收較為明顯。

圖7 晶體的透過率曲線Fig.7 Transmission curves of the crystal

3 結 論

本文通過改良泡生法生產出高品質超大尺寸720 kg級的藍寶石晶體，該晶體可加工成直徑φ640 mm，無氣泡、散射顆粒的大尺寸光學晶片，可應用于航空航天光電窗口、軍工窗口及紅外軍事裝置等領域。藍寶石晶體的位錯密度范圍在225～475 cm-2之間，X射線雙晶搖擺曲線半高寬為0.003 8°～0.004 6°，20 mm厚度的晶體在400～4 000 nm波段的透過率大于83%，表明藍寶石晶體結晶質量優良，有較高的光學透過率。