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人造藍寶石製造

2014 年 12 月 12 日 by Willy Chen

人造藍寶石製造

人工生長的藍寶石(Al2O3)優點為生產技術成熟、元件品質較好,可耐高溫、耐化學侵蝕,且其硬度高,故易於處理與清洗。其缺點如藍寶石屬絕緣體,其導電與導熱性不佳,做為LED用基板不利於LED元件散熱,另外,藍寶石硬度非常高,對於切割製程設備相對需較高投資。

人工藍寶石的製作流程:準備原料→填充原料及架設晶種→爐體抽真空→爐體加熱(爐體加入鉬隔熱屏和鎢隔熱屏)→原料熔化→熔接晶種→晶頸生長→晶體生長→晶體與坩堝分離(這裡面的坩堝大多是耐高溫的。)→冷卻→取出晶體。

人工藍寶石基片的製作流程:

人工藍寶石基片的製作流程

晶體常見生長方法:

提拉法:提拉法是將構成晶體的原料放在坩堝中加熱熔化,在熔體表面接籽晶提拉熔體,在受控條件下,使籽晶和熔體在交界面上不斷進行原子或分子的重新排列,隨降溫逐漸凝固而生長出單晶體。提拉法的生長技術首先將待生長的晶體的原料放在耐高溫的坩堝中加熱熔化,調整爐內溫度場,使熔體上部處於過冷狀態;然後在籽晶桿上安放一粒籽晶,讓籽晶接觸熔體表面,待籽晶表面稍熔后,提拉並轉動籽晶桿,使熔體處於過冷狀態而結晶於籽晶上,在不斷提拉和旋轉過程中,生長出圓柱狀晶體。

泡生法:泡生法的原理與提拉法類似。首先原料熔融,再將一根籽晶與熔體接觸,如果界面的溫度低於凝固點,則籽晶開始生長。為了使晶體不斷長大,就需要逐漸降低熔體的溫度,同時旋轉晶體,以改善熔體的溫度分布。也可以緩慢地(或分階段地)上提晶體,以擴大散熱面。放肩階段與提拉法類似,停止或保持旋轉,以調整各方向均勻生長,降低拉速使晶體長到預期的直徑,然後保持或停止拉速,由於結晶過程的自身特點,在合適的溫度梯度下,晶體能自行完成等徑生長。晶體在生長過程中或生長結束時不與坩堝壁接觸,這就大大減少了晶體的應力,不過,當晶體與剩餘的熔體脫離時,通常會產生較大的熱衝擊。

熱交換法:利用熱交換器來帶走熱量,使得晶體生長區內形成一下冷上熱的縱向溫 度梯度,同時再藉由控制熱交換器內氣體流量(He冷卻源)的大小以及改變加熱功率的高低來控制此溫度梯度,藉此達成坩堝內熔湯由下慢慢向上凝固成晶體之目的。

晶體生長方法 柴氏拉晶法(Czochralski method)
提拉法(CZ)
凱氏長晶法(Kyropoulos method)
泡生法(KY)

熱交換法(HEM)

晶體形狀 棒狀 梨狀 梨狀
晶體尺吋 受尺寸限制,目前直徑及有效長均小於150mm 較大尺寸,目前一般為35-90kg 大尺寸,目前一般為65-100kg
晶體質量 較好
優點 1.生長情況便於觀察,尺寸易控制
2.晶體外觀整齊
1.晶體質量較好
2.成本低
1.晶體尺寸體積大
2.質量較好
缺點 1.位錯密度較大
2.需要銥金坩鍋,成本高
1.操作複雜,一致性不高,成品率較低
2.不易生長C軸晶體
1.熱場不易均勻
2.需要大量氦氣做冷卻劑,成本高

資料來源:網路彙整

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