蓝宝石晶体生长技术.ppt
《蓝宝石晶体生长技术.ppt》由会员分享,可在线阅读,更多相关《蓝宝石晶体生长技术.ppt(102页珍藏版)》请在三一办公上搜索。
1、蓝宝石晶体生长技术,蓝宝石英文名称为Sapphire,源于拉丁文Spphins,意思是蓝色;属于刚玉族矿物,三方晶系。宝石界将红宝石之外的各色宝石级刚玉都称为蓝宝石。蓝宝石主要成分是氧化铝(Al2O3)。刚玉中因含有铁(Fe)和钛(Ti)等微量元素,而呈现蓝、天蓝、淡蓝等颜色,其中以鲜艳的天蓝色者为最好。,一、蓝宝石,天然蓝宝石可以分为蓝色蓝宝石和艳色(非蓝色)蓝宝石。宝石市场上把深蓝色和带有紫色的蓝宝石称为“男性蓝宝石”,浅色蓝宝石称为“女性蓝宝石”。国际宝石界把蓝宝石定为“九月生辰石”,象征忠诚与坚贞。据说蓝宝石能保护国土和君王免受伤害,有“帝王石”之称。,世界七大蓝宝石产地:1.印度克什
2、米尔 2.缅甸抹谷 3.斯里兰卡 4.泰国 5.中国(山东昌乐)6.澳大利亚 7.柬埔寨马德望,蓝宝石的组成为氧化铝(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,就颜色而言,单纯的氧化铝结晶是呈现透明无色的,因不同颜色元素离子渗透与生长中的蓝宝石,因而使蓝宝石显现出不同的颜色。在自然界中蓝宝石晶体内含有钛离子(Ti3+)与铁离子(Fe3+)时,会使晶体呈现而成为蓝色蓝宝石(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。
3、蓝宝石晶体在晶体的对称分类中属于中级晶族,三方晶系。,基本结构,二、蓝宝石,Al2O3分子结构,蓝宝石晶体结构图(其中黑点为氧离子,白点为铝离子),蓝宝石单晶是一种简单配位型氧化物晶体,呈各向异性,属六方晶系,晶格参数a=b=0.4758nm,c=1.299 1 nm,=90,=120。蓝宝石单晶的透光范围为0.14-6.0m,覆盖真空紫外、可见、近红外到中红外波段,且在3-5m波段具有很高的光学透过率;具有高硬度(仅次于金刚石)、高强度、高热导率、高抗热冲击品质因子的力学及热学性能;具有耐雨水、沙尘、盐雾等腐蚀的稳定化学性能;具有高表面平滑度、高电阻率及高介电性能。这些优良的光学、力学、热学
4、、化学及电学性能决定了它在军事及民用领域中的重要地位和作用。,基本性质,(1)化学稳定性:蓝宝石具有高度的化学稳定性,在绝大多数化学反应过程中不会被腐蚀。(2)机械特性:蓝宝石单晶因其高硬度和高强度,可以在温度范围从超低温至1500高温之间的不同环境中保持高强度、耐磨耗与高度的稳定性。同时是目前已知的硬度最高的氧化物晶体材料,仅次于金刚石达莫氏9级。(3)光学透过率:蓝宝石单晶材料的穿透波长范围为0.19nm-5.5nm,加之其优异的化学稳定性,抗磨损,高硬度和耐高温等特性,使蓝宝石制作的窗口片和传感器光学零件广泛应用于高真空系统、高温炉及其他苛刻的环境。,(4)热力学特性:2050左右的熔点
5、,加之优越的化学、机械及光学特性,使蓝宝石晶体广泛应用于许多苛刻的加工环境中。(5)耐磨损性:由于具有很高的硬度和透明度,是蓝宝石晶体常用于制作耐磨损窗口或其他精密机械零件。(6)介电性能:有电介质绝缘、恒定的介电常数。(7)蓝宝石还具有高拉伸强度、抗冲刷性、热导性、显著的抗热冲击性等性能。,蓝宝石晶胞(R面、A面、C面),常用来做GaN衬底的是不具有极性的C面(0001),因此GaN的极性由制作过程决定a)从C轴俯看;b)从C轴侧面看,三、蓝宝石的应用,蓝宝石以其综合性能最好,成为使用最广泛的氧化物衬底材料(substrate materials),主要用作半导体薄膜衬底材料、大规模集成电路
6、衬底等。蓝宝石晶体还是红外军用装置、导弹、潜艇、卫星空间技术、探测和高功率强激光(laser)等的优良窗口材料(window materials),优质光学材料,耐磨轴承材料等,尤其在导弹整流罩、潜艇窗口和原子钟等军品中具有不可替代的作用。在其它民用方面,蓝宝石还可用作透明电子材料、灯管及视窗、半导体晶圆承载装置、热绝缘体、热电偶、紫外红外光学窗口以及重力波探测仪器。,光学窗口和整流罩,综合性能优良的红外光学窗口及整流罩是高速飞行器系统中的关键部件,其材料必须具备在使用波段的高透过、低散射、高硬度、高强度、低弹性模量,高熔点、高热导率、高抗热冲击品质因子、低热辐射,耐喷气燃料、冰雹、雨水、海水
7、、盐雾及砂粒的冲刷和腐蚀,耐强光辐照等一系列优良的综合性能。,金刚石虽有最理想的光学、力学和热学性能,但因体金刚石用作独立的红外光学窗口和整流罩尚存在一些技术瓶颈而离实际应用还有一段距离。氟化镁(MgF2)虽有良好的光学性能及成熟用蓝宝石单晶做成的红外光学窗口和整流罩,的制备技术,但其机械强度很低。氮氧化铝(AlON)虽有较高的机械强度,但其截止波长较短,且其透过率随温度变化明显。尖晶石(MgAl2O4)虽有较高的熔点及良好的化学稳定性,但其抗弯强度不高。,蓝宝石单晶制作的整流罩已广泛用于机载、星载、舰载以及潜基、陆基光电设备,尤其在高马赫数导弹整流罩、透明装甲、潜艇窗口以及高功率强激光等军用
8、设备中的地位和作用不可替代。如:美国海军战区防御系统截击导弹、斯普林特防御拦截弹(HEDI)、美国第五代近距空对空导弹(AM9X)、以色列新一代近战空对空导弹(Python5)以及已安装于美、德、韩和希腊等国军舰上的导弹(RM116RAM)等都使用了蓝宝石整流罩。,掺钛蓝宝石激光器及其应用,掺钛蓝宝石单晶(Ti3+:Al2O3)的激光应用最早于1982年被发现后,对其研究不断深入,以Ti:Al2O3作为工作物质的各类激光器也迅速发展。Ti3+:Al2O3激光器为科学研究提供了便利和灵活的研究工具。与其他具有竞争优势的激光材料相比,其主要特点是:(1)光谱输出范围从超窄单一频率到宽的带宽,覆盖几
9、百纳米,可提供超快脉冲(仅为电场的几个振荡);(2)宽的可调谐范围,可达400nm;(3)高功率。如对于全固态可调谐Ti3+:Al2O3激光器,天津大学和中国科学院物理研究所已分别实现6W(其转换率为22.2%)和6.44W(其转换率为40.25%)的激光输出。,目前,Ti:Al2O3激光器已实现脉冲、准连续、连续、锁模运转,已涉及激光器研究领域的各个方面,包括:提高输出功率、扩大调谐范围、压缩线宽、稳频以及提高光束质量等。Ti:Al2O3激光器在基础学科(如物理学、生物学和化学)研究方面已取得广泛应用。因Ti:Al2O3激光器的使用,研究化学反应(如:化学键形成与断裂、分子间能量传递、分子重
10、新构建等所需的时间范围)超快时间表(ultrafast timescales)的飞秒化学取得了巨大进展;用于超快脉冲放大及光谱相位控制的设备性能也得到了很大提高。Ti:Al2O3激光器还应用于非线性物理、太赫兹产生、时间分辨光谱学、频标计量学、多光子显微镜及生物医学成像等基础研究方面。Ti:Al2O3激光器在军事与工程方面也应用广泛。如激光测距、光电干扰、红外对抗、致盲武器等军事领域,以及激光通信、海洋探测、大气环境监测、激光手术及微加工等诸多领域。,掺杂蓝宝石单晶热(光)释光材料及其应用,-Al2O3:C晶体用于制造热释光探测器主要有以下特点:(1)热释光灵敏度高,为常用热释光晶体LiF:(
11、Mg,Ti)的4060倍;187附近的发光峰型单一,有效原子序数相对较低(10.2);(2)低本底剂量响应临界值(10-6Gy),辐射剂量响应为线性亚线性,线性响应范围宽(10-610Gy);(3)-Al2O3:C晶体420nm处的发射峰正好处于光电倍增管响应的最佳峰值,在低剂量条件下,-Al2O3:C晶体探测器可重复使用且无需退火处理。,蓝宝石单晶最早于20世纪50年代被美国Wisconsin大学的Daniels发现具有优良的热释光(thermoluminescence,TL)性能,但它对射线的热释光灵敏度很低。为改善蓝宝石单晶的热释光性能,相继研制了一系列掺杂的蓝宝石单晶热释光材料,如-A
12、l2O3:(Mg,Ti,Y)、-Al2O3:Cr和-Al2O3:(Si,Ti)。1990年,Akselrod等采用提拉法生长了一种优良的新型热释光材料-Al2O3:C晶体。1995年,Markey等首次研究了-Al2O3:C晶体的光释光(optical stimulated luminescence,OSL)性能。目前,美国Landauer公司研制生产的-Al2O3:C热释光剂量计已被欧美国家广泛使用。国内关于-Al2O3:C晶体生长以及-Al2O3:C剂量计的研制起步较晚。2008年,中国科学院上海硅酸盐研究所杨新波等采用导向温梯法和导模法分别生长了可用于制造高灵敏度热释光探测器、热释光和光
13、释光探测器的-Al2O3:C晶体。,蓝宝石光纤传感器及其应用,蓝宝石单晶光纤传感器因其在可见至近红外波段具有良好的光学传输特性及蓝宝石单晶的耐高温特性,使得蓝宝石光纤可应用于高温传感和生物医学领域的近红外激光传输。蓝宝石单晶光纤温度传感器除了具有普通光纤温度传感器的动态范围大、灵敏度高、响应快、抗电磁干扰等优点外,还可以实现大范围(室温2000)、高精度(0.2%,1000时)、高信噪比(1106dB,1000时)、大带宽(10kHz)的温度测量,并广泛应用于等离子体沉积、高频电加热炉及高温热气流等领域。蓝宝石光纤传感器除了用于测量温度及近红外激光传输外,还可以连续监测高达1600高温环境中系
14、统的运行情况,如:结构性能、材料劣化,以及测量诸如压强、应力、应变和化学物质浓度等物化参数。,蓝宝石基片和衬底,蓝宝石单晶因其优良的机械性能、介电性能(适中的介电常数和较低的介电损耗)、化学稳定性以及高表面平滑度而成为制备高温超导薄膜、红外光学材料、微电子器件等的最优质基片和衬底材料,具体包括:(1)高温超导薄膜的衬底,如Tl系薄膜TlBa2Ca2Cu3Oy、Tl2Ba2CaCu2O8;(2)红外光学材料的衬底,如近红外材料的碲镉汞晶体(HgCdTe),-族化合物的砷化镓(GaAs)、磷化镓(GaP)、氮化镓(GaN),-族化合物的硫化锌(ZnS)、硒化锌(ZnSe)、碲化镉(CdTe)、氧化
15、锌(ZnO)、SiO2及金刚石等;(3)大规模集成电路元件及微电子器件的基片,如高亮蓝光LED等。,LED因具有高效率、长寿命(连续工作时间达几万小时)、固体化、低工作电压(24V)、低功耗(10100mW)、响应速率快(1s)、驱动电路简单等优点,使其应用涉及多个行业,如景观、装饰、照明光源及通讯光源等。随着LED的主要材料GaN外延生长技术,金属有机化合物气相淀积(metal organicchemical vapor deposition,MOCVD)技术的不断改进,以及器件制作工艺的日益成熟,目前已形成了从红外、可见光及少量紫外多个波段的固体光源。,蓝白光发光二极体(LED)(a)外观
16、(b)内部结构示意图,衬底材料要求(1)衬底与外延膜的结构匹配:外延材料与衬底材料的晶体结构相同或相近、晶格常数失配小、结晶性能好、缺陷密度低;(2)衬底与外延膜的热膨胀系数匹配:热膨胀系数的匹配非常重要,外延膜与衬底材料在热膨胀系数上相差过大不仅可能使外延膜质量下降,还会在器件工作过程中,由于发热而造成器件的损坏;(3)衬底与外延膜的化学稳定性匹配:衬底材料要有好的化学稳定性,在外延生长的温度和气氛中不易分解和腐蚀,不能因为与外延膜的化学反应使外延膜质量下降;(4)材料制备的难易程度及成本的高低:考虑到产业化发展的需要,衬底材料的制备要求简洁,成本不宜很高。衬底尺寸一般不小于2英寸。,蓝宝石
17、衬底 蓝宝石衬底有许多的优点:(1)蓝宝石衬底的生产技术成熟、器件质量较好;(2)蓝宝石的稳定性很好,能够运用在高温生长过程中;(3)蓝宝石的机械强度高,易于处理和清洗。蓝宝石衬底缺点:(1)晶格失配和热应力失配,这会在外延层中产生大量缺陷,同时给后续的器件加工工艺造成困难;(2)蓝宝石是一种绝缘体,常温下的电阻率大于1011cm,在这种情况下无法制作垂直结构的器件;通常只在外延层上表面制作n型和p型电极;,蓝宝石外延层上表面制作的n型和p型电极,(3)蓝宝石的硬度非常高,在自然材料中其硬度仅次于金刚石,但是在LED器件的制作过程中却需要对它进行减薄和切割(从400nm减到100nm左右)。添
18、置完成减薄和切割工艺的设备又要增加一笔较大的投资;(4)蓝宝石的导热性能不是很好(在100约为25W/(mK)。因此在使用LED器件时,会传导出大量的热量;特别是对面积较大的大功率器件,导热性能是一个非常重要的考虑因素。为了克服以上困难,很多人试图将GaN光电器件直接生长在硅衬底上,从而改善导热和导电性能。,光学元件、探测窗口及其它应用,蓝宝石单晶因其理想的光学性能及机械性能,可制作成实验用的光学元件,如透镜、棱镜及反射镜;以及科学研究用的探测仪器,如重力波探测仪等。蓝宝石单晶因具有宽透过波段、高透过、高强度、耐高温、耐磨损、耐腐蚀,而可用作在各种高温、高压等恶劣环境下工作的设备及仪器的观察窗
19、口和探测窗口,如:耐高温的热电偶及锅炉水位计,耐磨损的商品条码扫描仪窗口,耐腐蚀的煤、气、油井探测用的传感器及探测器窗口等。在其它民用方面,蓝宝石还可用作医用手术刀具、精密仪表壳体、精密机械轴承及高档钟表、首饰。还有各种杯具器皿、透明灯具及护目镜片等。,四、蓝宝石晶体生长,世界上主要的熔体生长方法包括晶体提拉法、导模法、热交换法、泡生法。,提拉法(Czochralski method),先将原料加热至熔点后熔化形成熔体,再利用一单晶籽晶接触到熔体表面,在籽晶与熔体的固液界面上因温度差而形成过冷。于是熔体开始在籽晶表面凝固并生长和籽晶相同晶体结构的单晶。籽晶同时以极缓慢的速度往上拉升,并伴随以一
20、定的转速旋转,随着籽晶的向上拉升,熔体逐渐凝固于籽晶的液固界面上,进而形成一轴对称的单晶晶棒。,提拉法(Czochralski method)原理示意图,提拉法的主要优点:(1)在生长过程中可以方便地观察晶体的生长情况(2)通过调整发热体、坩埚、后热器(或保温罩)的几何条件,可以方便的控制温度梯度(3)通过改变转速或加入阻流器也可以调节液流(4)晶体在熔体表面处生长,而不与坩埚相接触,这样能显著地减小晶体的应力,并且防止坩埚壁的寄生成核(5)可以方便地使用定向籽晶和“缩颈”工艺,缩颈后面的籽晶,其位错可大大减少,这样可使放大后生长出来的晶体位错密度降低,获得所需取向的晶体。,提拉法的缺点:(1
21、)在高温下,坩埚及其他材料对晶体的污染不可避免;(2)熔体中复杂的液流作用对晶体的影响难以克服(3)机械传动转置的振动和温度的波动,会在一定程度上影响晶体的质量。,提拉法生长蓝宝石单晶的主要优点:(1)晶体的生长速度快,周期短;(2)在晶体生长过程中可方便观察到单晶的生长情况,即可控制晶体的尺寸;(3)单晶在熔体自由表面生长,不与坩埚接触,可防止坩埚壁的寄生成核;(4)可降低位错密度,提高单晶的完整性。主要缺点为:晶体与坩埚转动引起的强制对流和重力作用引起的自然对流相互作用,导致复杂的液流作用,从而容易在晶体中产生缺陷。,利用提拉法生长高质量蓝宝石单晶的必要条件:(1)原料纯度不小于99.99
22、6%的Al2O3粉体或者块料;(2)加热炉内温度恒定;(3)理想的提拉速率3.54.5mm/h,转速为4255r/min;(4)加热前,炉内真空度应保持1.3310-34.0010-2Pa,然后充入纯度为99.99%以上的氩气保护气氛。,浙江巨兴光学材料有限公司已采用提拉法生长出200mm180mm的大尺寸蓝宝石单晶。,泡生法(Kyropoulos method),先将原料加热至熔点后熔化形成熔体,再以单晶的籽晶(Seed Crystal,又称籽晶棒)接触到熔体表面,在籽晶与熔体的固液界面上开始生长和籽晶相同晶体结构的单晶,籽晶以极缓慢的速度往上拉升,但在籽晶往上拉晶一段时间以形成晶颈,待熔体
23、与籽晶界面的凝固速率稳定后,籽晶便不再拉升,也没有作旋转,仅以控制冷却速率方式来使单晶从上方逐渐往下凝固,最后凝固成一整个单晶晶碇,泡生法(Kyropoulos method)原理示意图,泡生法是利用温度控制来生长晶体,它与提拉法相比,泡生法虽然在晶体生长初期存在部分提拉和放肩过程,但在等径生长时,晶身部分是靠着不断降温形成结晶动力来生长,不使用提拉技术,并在拉晶颈的同时,调整加热电压,使熔融的原料达到最合适的长晶温度范围,让生长速度达到最理想化,因而长出质量最理想的蓝宝石单晶。,泡生法生长装置示意图(1.运转的金属杆 2.籽晶杆 3.加热线圈 4.籽晶 5.熔体 6.耐高温材料 7.上保温层
24、),泡生法主要优点:(1)结合了传统提拉法的优点,生长速度较快(0.125mm/h);(2)在整个晶体生长过程中,晶体不被提出坩埚,仍处于热区。这样就可以精确控制它的冷却速度,减小热应力,避免坩埚污染;(3)晶体生长时,固液界面处于熔体包围之中。这样熔体表面的温度扰动和机械扰动在到达固液界面以前可被熔体减小以致消除;(4)选用软水作为热交换器内的工作流体,相对于利用氦气作冷却剂的热交换法可以有效降低成本;(5)晶体生长过程中存在晶体的移动和转动,容易受到机械振动影响;(6)可生长大尺寸、高质量蓝宝石单晶。,泡生法主要缺点是:为获得高质量的蓝宝石单晶,需提高炉腔中坩埚外壁的环境温度(即炉腔中的温
25、度),而该温度受加热元件的形态及加在加热器上的电压和电流等因素影响,因而提高温度必将造成生长设备的严重损耗。因此需要从晶体生长质量与经济性之间有所侧重并折中考虑,方能获得最优化效果。,采用泡生法生长的蓝宝石单晶具有以下的优点:1.高质量(光学等级)。2.低缺陷密度。3.大尺寸。4.较快的生长率。5.高产能。6.较佳的成本效益。,泡生法生长晶体的一般步骤:,1、前置作业 在实验开始前必须彻底检查炉体内部是否有异物或杂质,因为在晶体生长过程中,炉体内的杂质或异物会因高温而造成晶体受到污染,而影响晶体的质量,因此在实验开始之前,必须将炉体清理干净,降低杂质析出的可能性。,2、填充原料及架设籽晶 以电
- 配套讲稿:
如PPT文件的首页显示word图标,表示该PPT已包含配套word讲稿。双击word图标可打开word文档。
- 特殊限制:
部分文档作品中含有的国旗、国徽等图片,仅作为作品整体效果示例展示,禁止商用。设计者仅对作品中独创性部分享有著作权。
- 关 键 词:
- 蓝宝石 晶体生长 技术
链接地址:https://www.31ppt.com/p-2912294.html