LED藍(lán)寶石基板生長方法介紹

藍(lán)寶石是制作芯片的重要原料，占LED芯片原料費(fèi)的10%。藍(lán)寶石是指非紅色的氧化鋁(Al2O3)。含有雜質(zhì)的藍(lán)寶石很早以前就被作為寶石，由于其具有多種光學(xué)、機(jī)械、電氣、熱以及化學(xué)特性，因此還被廣泛應(yīng)用于工業(yè)等多種領(lǐng)域，而且應(yīng)用范圍仍在不斷擴(kuò)大之中。其中，能夠合成制造出藍(lán)寶石更是意義重大。藍(lán)寶石的主要用途包括led和LED底板。

　　藍(lán)寶石芯材(Core)和坯料(Blank)由商品變身為“戰(zhàn)略性材料”，大量的藍(lán)寶石生產(chǎn)商時(shí)隔數(shù)年又重新掌握了定價(jià)的主導(dǎo)權(quán)。而且，他們可以將價(jià)格設(shè)定為能夠最大限度獲取利潤的水平。其結(jié)果是，藍(lán)寶石晶圓的美國國內(nèi)售價(jià)超出我們的預(yù)想，上漲到了30美元，現(xiàn)金交易市場上的價(jià)格更是超過了30 美元。很多加工藍(lán)寶石的企業(yè)和LED廠商為確保產(chǎn)能已經(jīng)預(yù)付了貨款，目的是防止生產(chǎn)線停工。

　　生產(chǎn)藍(lán)寶石晶棒的工藝主要有泡生法(KY法、凱氏長晶法)、提拉法(CZ法、柴氏拉晶法)、溫度梯度法(TGT法)等，其中泡生法為主流工藝，生產(chǎn)的藍(lán)寶石晶體約占70%，鉆取率約30%。

　　藍(lán)寶石晶體原材料為氧化鋁碎晶，生產(chǎn)利用率大于97%，已經(jīng)完全國產(chǎn)化。藍(lán)寶石單晶產(chǎn)品即為藍(lán)寶石坯料，可直接出售，不合格品可直接作為原材料再次加工。其他消耗材料如鎢鉬材料、金剛石刀具、傳感器、儀表等均國產(chǎn)化。預(yù)計(jì)由藍(lán)寶石生產(chǎn)藍(lán)寶石晶棒的原材料、耗材均可由國內(nèi)充分供應(yīng)，此環(huán)節(jié)的短板主要在于長晶爐依賴進(jìn)口。

　　國內(nèi)主要的藍(lán)寶石晶體爐廠家都是高校研究機(jī)構(gòu)，包括西安理工大學(xué)、哈爾濱工業(yè)大學(xué)以及重慶第二十六研究所等。但國內(nèi)目前的生產(chǎn)技術(shù)只能生產(chǎn)2英寸以下的藍(lán)寶石晶棒，長成的晶體與氮化鎵(GaN)的晶格錯(cuò)位較大，無法用于LED的藍(lán)寶石襯底領(lǐng)域，大多用于手表表面外殼等。

　　藍(lán)寶石晶棒的供應(yīng)商有美國的Rubicon、HoneywELl，俄羅斯的 Monocrystal、ATLAS，韓國STC 及國內(nèi)合晶光電、越峰(臺聚轉(zhuǎn)投資)、尚志(大同轉(zhuǎn)投資)及鑫晶鉆(奇美、鴻海轉(zhuǎn)投資)。

　　藍(lán)寶石基板的供應(yīng)商有美國的Rubicon、Honeywell、Crystal Systems、Saint-Gobain，俄羅斯的Monocrystal、ATLAS Sapphire，日本的京都陶瓷(Kyocera)、Namiki、Mahk，及國內(nèi)兆遠(yuǎn)、兆晶(奇美轉(zhuǎn)投資)、晶美、合晶及中美晶等公司。

　　目前，GaN基襯底包括藍(lán)寶石、SiC、GaN、Zno等，商業(yè)化的只有藍(lán)寶石、SiC襯底，除CREE外，基本都使用藍(lán)寶石襯底。

　對于新增設(shè)備，安裝需要3～6個(gè)月的時(shí)間。從工藝角度而言，大尺寸藍(lán)寶石晶體生產(chǎn)周期需10天左右，準(zhǔn)備和后處理需要7天左右，試件加工需要7天左右，質(zhì)量檢測、微觀結(jié)構(gòu)及光電性能需要30天左右，工藝分析、模擬需要7天左右。前后就耗去6～8個(gè)月的時(shí)間。

　　藍(lán)寶石晶體的生長方法常用的有兩種：

　　1:柴氏拉晶法(Czochralski method)，簡稱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冷。于是熔湯開始在晶種表面凝固并生長和晶種相同晶體結(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)而形成一軸對稱的單晶晶錠。

　　2:凱氏長晶法(Kyropoulos method)，簡稱KY法，大陸稱之為泡生法。其原理與柴氏拉晶法(Czochralskimethod)類似，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，又稱籽晶棒)接觸到熔湯表面，在晶種與熔湯的固液界面上開始生長和晶種相同晶體結(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，也沒有作旋轉(zhuǎn)，僅以控制冷卻速率方式來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。

　　晶體提拉法

　　晶體提拉法(crystal pulling method) 由J 。Czochral ski 于1918 年發(fā)明，故又稱“丘克拉斯基法”，簡稱CZ 提拉法，是利用籽晶從熔體中提拉生長出晶體的方法，能在短期內(nèi)生長出高質(zhì)量的單晶。這是從熔體中生長晶體最常用的方法之一。其優(yōu)點(diǎn)是: (1) 在生長的過程中，可方便地觀察晶體生長的狀況; (2) 晶體在熔體表面處生長，不與坩堝接觸，能顯著地減小晶體的應(yīng)力，防止坩堝壁的寄生成核; (3) 可以方便地運(yùn)用定向籽晶和“縮頸”工藝，使“縮頸”后籽晶的位錯(cuò)大大減少，降低擴(kuò)肩后生長晶體的位錯(cuò)密度，從而提高晶體的完整性 。其主要缺點(diǎn)是晶體較小，直徑最多達(dá)約51～76 mm。。

　　泡生法

　　泡生法( Kyropoulos method) 于1926 年由Kyropoul s 發(fā)明，經(jīng)過科研工作者幾十年的不斷改造和完善，目前是解決晶體提拉法不能生產(chǎn)大晶體的好方法之一。其晶體生長的原理和技術(shù)特點(diǎn)是:將晶體原料放入耐高溫的坩堝中加熱熔化，調(diào)整爐內(nèi)溫度場，使熔體上部處于稍高于熔點(diǎn)的狀態(tài);使籽晶桿上的籽晶接觸熔融液面，待其表面稍熔后，降低表面溫度至熔點(diǎn)，提拉并轉(zhuǎn)動(dòng)籽晶桿，使熔體頂部處于過冷狀態(tài)而結(jié)晶于籽晶上，在不斷提拉的過程中，生長出圓柱狀晶體。

　　泡生法與提拉法生長晶體在技術(shù)上的區(qū)別是: (1) 晶體直徑　在擴(kuò)肩時(shí)前者的晶體直徑較大，可生長出100 mm 以上直徑的藍(lán)寶石晶體，而后者則有些難度; (2) 晶體方向　前者對生長大尺寸、有方向性的藍(lán)寶石晶體擁有更大的優(yōu)勢;(3) 晶體質(zhì)量　泡生法生長系統(tǒng)擁有適合藍(lán)寶石晶體生長的最佳溫度梯度。在生長的過程中或結(jié)束時(shí)，晶體不與坩堝接觸，大大減少了其應(yīng)力，可獲得高質(zhì)量的大晶體， 其缺陷密度遠(yuǎn)低于提拉法生長的晶體，且兩者生長晶體的形狀也不同。