康 森,魯雅榮,石天虎,滕 斌,寬 軍,李 璐,郝文娟,段斌斌

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0 引 言

藍寶石作為一種品質(zhì)優(yōu)異的單晶材料，其具有優(yōu)良的光、電、力、熱學(xué)性能，是Mini/Micro LED、UV-LED、大規(guī)模集成電路SOI(silicon-on-insulator)和SOS(silicon-on-sapphire)及超導(dǎo)納米結(jié)構(gòu)薄膜等理想的半導(dǎo)體襯底材料，也是優(yōu)良的光學(xué)窗口材料和耐磨的結(jié)構(gòu)材料，屬于國家重點支持和鼓勵發(fā)展的光電子基礎(chǔ)材料。

市場需求不斷帶動藍寶石晶體生長和加工技術(shù)的發(fā)展[1]，當(dāng)前業(yè)內(nèi)已經(jīng)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(dǎo)體和航天航空領(lǐng)域的不斷發(fā)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(zhì)、低成本、大尺寸藍寶石晶體是當(dāng)前迫切發(fā)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(dǎo)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(wěn)定可控、晶體尺寸大、晶體內(nèi)部缺陷少、晶體生長成本低等技術(shù)優(yōu)勢，是當(dāng)前業(yè)內(nèi)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(xué)窗口晶片，也只能通過改良泡生法和導(dǎo)模法生長，且改良泡生法產(chǎn)出晶體的品質(zhì)更高。

本文采用改良泡生法生長出無色透明、品質(zhì)優(yōu)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(chǎn)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(yīng)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(shè)備的智能控溫系統(tǒng)將溶液溫度控制在固液相變轉(zhuǎn)換溫度點附近，控制籽晶的提拉系統(tǒng)按照所設(shè)定參數(shù)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(yīng)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(tǒng)逐步控制爐內(nèi)溫度下降，形成結(jié)晶動力，使晶核逐步的長大形成完整晶體[9-11]。

本實驗產(chǎn)出的藍寶石晶體，是采用自主研發(fā)的全自動改良泡生法晶體生長爐產(chǎn)出。將純度為99.995%(質(zhì)量分數(shù))的高純氧化鋁原料投入到坩堝中，加熱融化，通過設(shè)備的自動控制，完成調(diào)溫、引晶、長晶、降溫等工序。一個合適的溫場環(huán)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(zhì)量藍寶石晶體的必要條件，可有效控制晶體生長的熱應(yīng)力和內(nèi)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(chǎn)生，降低剩余應(yīng)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(nèi)溫度，降低其晶體的殘余應(yīng)力，防止晶體開裂。

經(jīng)過多次對各階段工藝參數(shù)的優(yōu)化改進試驗，實現(xiàn)了720 kg級超大尺寸藍寶石晶體的產(chǎn)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(chǎn)出的720 kg級晶體沿c向進行線切加工，可以產(chǎn)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(guī)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(jié)果與討論

為評估產(chǎn)出晶體的品質(zhì)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(jié)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(jié)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(jié)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(jié)晶質(zhì)量較高。

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

表1 藍寶石晶體半高寬檢測數(shù)據(jù)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(zhì)，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(tài)KOH溶液中，在360 ℃下保溫15 min，用光學(xué)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(xué)腐蝕形貌圖，使用光學(xué)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(jié)構(gòu)排列所致，其中氧原子之間結(jié)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(jié)合所測試的半高寬數(shù)據(jù)和位錯數(shù)據(jù)分析，得出所設(shè)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(yīng)力和張應(yīng)力，降低了晶體中的內(nèi)應(yīng)力，有效控制了藍寶石晶體開裂和晶體內(nèi)部的微缺陷。

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

2.2 晶體光學(xué)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(jié) 論

本文通過改良泡生法生產(chǎn)出高品質(zhì)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(xué)晶片，可應(yīng)用于航空航天光電窗口、軍工窗口及紅外軍事裝置等領(lǐng)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(jié)晶質(zhì)量優(yōu)良，有較高的光學(xué)透過率。