蓝宝石缺陷产生机理及改进方法研究
山东蓝宝石_刚玉_热处理改善研究
3300 -
无损测
分析者 :北京大学地学系红外光谱室
3 高温热处理改善机理探讨
3. 1 高温环境下通过缺陷的传递使晶格中 Fe2 + →Fe3 + 对于纯净的刚玉晶体 ,颜色为无色 ,而蓝宝石主要是由于刚玉晶体中存在 Fe2 + 、Ti4 + 离
72 地 球 学 报 ———中国地质科学院院报 1998 年
子取代 Al3 + ,并位于相邻的八面体空隙的情况下而呈蓝色的 (当然也有其他次要呈色因 子) ,因此蓝宝石的呈色 、改善机理可以从晶体缺陷角度进行讨论 。
P Ⅰ1050
/ / C 轴 :蓝紫色 带褐黄色色斑 ; ⊥C 轴 :淡绿色
空气 + 氧化铝粉末 , 1873/ 72
/ / C 轴:蓝色 ,色斑 消失 ; ⊥C :淡绿色
注 : P Ⅱ0022 和 P Ⅰ0022 为经预处理未经热处理的样品 。 样品编号说明如下 : (1) 前缀“P”表示经过药剂预处理过 “, U”表示未经过药剂预处理过 ; (2) 罗马字 Ⅰ～ Ⅳ表示样品所属
径变化率的两倍 ;
(3) 降温速率极限为 :φ=
RSf ( r2
T)
; (4) 改善后蓝宝石总带灰色色调的主要原因
是 Fe2 + - Fe3 + 荷移加强和纳米级包裹体数量增加所致 。
关键词 热处理实验 热处理改善机理 蓝宝石 山东
纵观宝石改善史发现 : 人们在实验操作上做得较多 ,而对实验中发生的变化及改善理 论依据的探讨显得较少 ;除了 Nassau 博士和 Emmett 等极少数人作了一些探讨外 ,没有人 专门对其进行理论的探讨 ,特别是对热处理中各参数的关系及其设计上就显得更少 ;其中也 有由于改善涉及到商业价值而不愿公开的原因 。本文在对山东蓝宝石 (刚玉) 进行高温热处 理改善实验的基础上 ,试图从缺陷扩散 、固相反应 、无机材料高温性能等方面对其进行探讨 , 以获得这方面的理论依据 。并希望能起到抛砖引玉的作用 。
蓝宝石缺陷产生机理及改进方法研究
蓝宝石缺陷产生机理及改进方法研究作者：杨琳来源：《科技创新与应用》2018年第03期摘要：在蓝宝石晶体的制备过程中，常见的晶体缺陷主要有晶体开裂、气泡与空腔、杂质及色心、位错等，缺陷的产生极大影响了晶体的使用性能。
文章从几种缺陷的产生机理着手，提出了有效降低晶体中缺陷率的措施，对生长大尺寸、高质量的蓝宝石晶体具有重要意义。
关键词：蓝宝石单晶；晶体缺陷；产生机理；改进方法中图分类号：O782 文献标志码：A 文章编号：2095-2945（2018）03-0074-02Abstract： In the process of sapphire crystal preparation， the common crystal defects mainly include crystal crack， bubble and cavity， impurity and color center， dislocation， and so on. Based on the mechanism of several defects， this paper puts forward effective measures to reduce the defect rate in crystals， which is of great significance for the growth of large-size and high-quality sapphire crystals.Keywords： sapphire single crystal； crystal defect； generation mechanism； improving method1 概述蓝宝石（Sapphire），又称白宝石或刚玉。
蓝宝石晶体的热学性能以及光学性能优良，化学性质稳定，广泛应用于光学和微电子领域，尤其是用作高亮度GaN基发光二极管（LED）的外延基片材料。
关于低品质蓝宝石高温扩散法工艺改善的相关探究
增加袁宝石的整体颜色获得了改善遥
揖参考文献铱 咱员暂张培强袁马宇.山东蓝宝石的主要致色因素[J].地质找矿论丛袁2006袁21渊06冤. 咱圆暂张蓓莉袁等.系统宝石学[M].2 版.北京院地质出版社袁2006. 咱猿暂高运明袁曾智袁潘金华.氧化铁在硼砂熔盐中溶解度研究[J].武汉科技大学学 报:自然科学版袁2006袁29渊06冤.
低品质蓝宝石原石样品表面会有大量的泥沙附着在上面袁可以采 用水洗的方法清楚遥 等到样品完全干燥之后袁将样品的信息记录下来袁 进行编号遥 圆援圆 样品酸洗
将低品质蓝宝石样品浸泡在浓度 10%的盐酸中袁 经过 48 小时的 酸洗后袁可以将样品表面以及微裂缝中所存留的杂质清除遥 经过盐酸 浸泡后的样品袁会产生一些气泡袁这就说明有金属附着在样品的表面遥 初步判断袁很有可能是铁元素遥 圆援猿 样品试剂处理
揖参考文献铱 咱员暂刘定明援影响人工林培育质量的非技术因素初步研究[J]援山地农业生物学报袁 2010渊11冤院112援 咱圆暂王树君袁王晓丹袁林继武袁等袁林业营林方法及管理措施的探讨[J]援科技创新导 刊袁2011渊34冤院216援
咱责任编辑院刘帅]
渊上接第 263 页冤处理袁随后成品遥
6 结语
综上所述袁经过高温扩散法工艺改善后的低品质蓝宝石呈现出黑 蓝色袁光泽效果良好遥 这就可以获得很大的启示袁即蓝宝石呈现黑色的 原因在于其中铁元素含量增多遥 在高温的作用下袁致色离子扩散到晶 体内部袁使蓝宝石的改变了颜色袁而颜色扩散的程度与所添加的助溶 剂液相的流动性有关遥 只有当致色离子顺着裂理侵入到蓝宝石的内部 时袁在高温的作用下才会产生内容扩散袁随着反应面积的增大袁速率的
低品质蓝宝石热处理对比试验结果如下院 样品 A-1袁 处于 1500益温度下袁 开放气氛下袁 加入 Fe2O3尧Ti02尧 AI2O3尧Na2CO3尧硼砂高温助剂袁所获得的实验结果院表面呈均匀的黑色袁 光泽透明袁切开后袁裂缝有黑色呈现袁边缘处虽然有黑色扩散层袁但是 很薄遥 样品 A-2袁处于 1500益温度下袁强氧化气氛下袁加入 Fe2O3尧Ti02尧 AI2O3尧Nn3O4 高温助剂袁所获得的实验结果院表面呈均匀的黑色袁但是 有明显的破裂遥 表面还有大量的黑色颗粒粉剂黏着袁但是没有呈现出 光泽遥 样品 B-1袁 处于 1900益温度下袁 开放气氛下袁 加入 Fe2O3尧Ti02尧 AI2O3尧Na2CO3尧硼砂高温助剂袁所获得的实验结果院表面呈均匀的黑色袁 具有较强的光泽袁切开后袁内部基本变黑袁边缘处虽然有黑色扩散层袁 但不明显袁颜色主要集中于裂缝中遥 样品 B-2袁处于 1900益温度下袁还原气氛下袁加入 Fe2O3尧Ti02尧AI2O3 高温助剂袁所获得的实验结果院表面的裂缝处呈现出黑色袁表面颜色略 微加深袁但是光泽度和透明度都没有出现明显的变化遥 样品预处理均为酸洗曰预处理时间为 24 小时遥
蓝宝石衬底表面缺陷成因分析与改进措施
蓝宝石衬底表面缺陷成因分析与改进措施作者：刘建飞周志豪吴丽琼黄建烽来源：《工业技术创新》2020年第03期摘要：蓝宝石衬底在实际量产中，约10%～15%会产生表面缺陷，导致成品返工或报废，经济损失较大。
分析实际量产作业中设备与工艺过程，探究和比较刮伤、坑洞、气泡、颗粒、崩角、色差共6种表面缺陷的失效模式，提出了技術和工艺改善措施。
在检测方式上，对比了接触式及非接触式检测工具与原理，探讨了各自的分辨率与呈现方式，为得到更有效的改善技术和工艺奠定了基础。
过程改进后，量产作业表面缺陷占比降低至5%～8%。
若要实现更低的表面缺陷占比，需进一步改良工艺过程和机台硬件配置。
关键词：蓝宝石衬底;表面缺陷;量产;失效模式;接触式检测;非接触式检测引言蓝宝石（α-Al2O3）作为发光二极管（LED）中常见的一种衬底材料，具有硬度高、熔点高、光透性好、热稳定性好和化学性质稳定等特性，至今已发展至6寸以上尺寸且具备量产的工艺能力。
衬底表面质量对后续的图形化处理（PSS）与GaN外延层的生长有很大的影响，因此需要优异的衬底加工工艺，以获取高质量衬底基片[1]。
蓝宝石衬底制备过程中，常见的外观缺陷主要有刮伤（Scratch）、坑洞（Pits）、气泡（Bubbles）、颗粒（Particle）、色差（Color defect）以及崩角（Chipping）等。
李强[2]详述了硅衬底表面缺陷的产生原因及改善措施，从而在量产条件下提升了硅衬底制备能力及表面质量。
而目前对于蓝宝石衬底表面缺陷的研究，多处于检测与分析阶段。
实际量产中，约10%～15%会产生蓝宝石衬底表面缺陷，导致成品返工或报废，造成严重经济损失，故需深入讨论缺陷的失效模式，以改善衬底表面质量，提高成品率。
本文使用KLA-Tencor Candela CS20R以及SEM SU8010等检测设备，对蓝宝石衬底量产时常见的表面缺陷进行检测、分类和分析，并结合现有条件提出有效的改善措施，从而提升量产能力，改善成品表面质量。
蓝宝石单晶中的位错缺陷
化学腐蚀法研究蓝宝石单晶中的位错缺陷吕海涛1，张维连1，左燕1，步云英2(1.河北工业大学,天津300130；2.天津半导体技术研究所，天津300051)摘要：采用化学腐蚀-金相显微镜法和SEM法观察了CZ法生长的直径50mm的蓝宝石单晶中的位错缺陷。
发现位错分布状况为中心较低、边缘较高，密度大约为104-105cm-2。
在不同温度不同的试剂以及不同的腐蚀时间进行对比结果发现，用KOH腐蚀剂在290℃下腐蚀15min时，显示的位错最为清晰、准确，效果最佳。
关键词：蓝宝石单晶：位错：化学腐蚀中图分类号：TN304．21；077+2 文献标识码：A 文章编号：1003-353X(2004)04-0048-041 引言近年来宽禁带(Eg＞2．3V)半导体材料发展十分迅速，称为第三代电子材料。
主要包括SiC、金刚石、GaN等。
同第一、二代电子材料相比，第三代电子材料具有禁带宽度大，电子漂移饱和速度高、介电常数小、导热性能好等特点，非常适用于制作抗辐射、高频、大功率和高密度集成的电子器件。
利用其特有的禁带宽度，还可以制作蓝绿光和紫外光的发光器件和光探测器件。
其中GaN 是一种商业化前景最好的光电子材料，它具有某些其他材料无可比拟的优越性。
因此许多大公司、实验室、高等院校和科研所都投入大量人力物力开发这种新型光电子器件，但是第三代半导体材料的晶体生长都比较困难。
GaN的熔点高，很难采用常规的方法直接生长GaN体单晶。
因此为了满足制作器件的需要，各种外延技术仍是获得高质量、大尺寸单晶片的主要方法。
制备外延GaN薄膜，目前主要的衬底材料有：蓝宝石、SiC、硅等衬底材料。
综合多方面考虑，蓝宝石是目前最广泛使用的衬底[1]。
蓝宝石是刚玉类宝石中的一个品种。
天然蓝宝石无色透明，多数是罕见的星光宝石。
由于天然蓝宝石稀少，化学成分不纯和成本高，不能作为工业材料使用。
人造蓝宝石具有许多热学、光学、电学和力学的优良性能，使它成为一种特殊的材料，有着重要的用途，吸引着人们在蓝宝石的研制和应用等方面作了大量的工作。
1-7 山东蓝宝石的成色机理及改善
山东蓝宝石的成色机理及改善余晓艳 吴国忠 何雪梅(中国地质大学珠宝学院,北京 100083)蓝宝石是指除中等浅红色到暗红色至紫红色以外的宝石级刚玉品种,它同钻石、祖母绿、红宝石一起,并称“四大宝石”。
天然优质蓝宝石在国际贸易中一直占据着重要地位,其价格极其昂贵。
我国近年来相继发现了一些蓝宝石矿床,尤其是山东蓝宝石储量丰富,粒度大,出品率高,引起了宝石地质工作者的极大关注。
但不足之处是颜色太深,不经改善处理可以直接进行加工的原料仅占15%左右,自1987年开采以来,很大部分原料销往海外,造成我国本不丰富的宝石资源流失它乡的局面。
因此,为了充分利用有限的宝石资源,使原料出口变成半成品或成品,为国家换取更多的外汇,国内许多科研机构及大专院校均投入了一定的人力、物力作这方面的研究工作。
山东蓝宝石改善的研究意义:①,提高其经济价值和美学价值;②通过改善蓝宝石的实验,从理论上和实践上探讨蓝宝石的成色机制及改色机理。
1 山东蓝宝石的化学成分表1 山东蓝宝石的化学成分(%)样号颜色Si O2T i O2A l2O3T FeO M nO C r2O3N i O CaO K2O N a2O Fe2O3①FeO①致色离子总和1浅黄0165981340,81010100105011101040150013401852棕色015597162117901020103113501521187浅棕0163011597114116801050109011501121118015821203浅黄017897155113501290105019301481170蓝色0164010397167113301050118010601050192014711654蓝绿01680109971451168010401030104110601671186 5浅蓝014701079814401940102010401030144015211116深蓝0178011097176113101010104014801851143蓝色0171010797193111401040111018501381131浅蓝0149010898128110701090176013611207黄色014598114112301130106019501341142红棕014997177114901080106010401040105P2O5113201251171黄褐014997196113301010114010401041116012511568黄色014898118111001010114010601030101019801191132深蓝0106010698136019801150117010801021136平均值015601049719111280103010201080102010501011145 ①中的FeO、Fe2O3含量是经化学式计算得出的;由中国地质大学(北京)电子探针室测试1996年M I N ERAL D EPO S IT S第15卷 增刊 451矿 床 地 质1996年 经电子探针分析(表1),山东蓝宝石的化学组成主要是A l2O3,含量变化在,97%～99%之间,次要成分为FeO、Si O2,总含量小于2%。
蓝宝石错位来源
蓝宝石晶体中的位错来源主要在以下方面：
1.从籽晶继承下来的位错，在籽晶中纯在位错，可以延伸到生长的晶体中，即为位错的继承作用。
籽晶中的位错和在引晶过程中由于应力作用而产生的位错和在引晶过程中受到热冲击而产生的位错。
2.热弹性应力场中的位错成核与增值，生长大尺寸雷纳堡市晶体主要是通过控制系统内热量输运来控制整个晶体的生长过程，为了保证晶体能够稳定的生长，热场设计必须要具有适当的轴向和径向温度梯度。
即保证适当的相变过冷度和热量输运条件，温度梯度的存在必然会使得晶体内部产生热应力，如果热应力值超过晶体材料的临界应力，错位将成核、增殖和延伸。
3.渗透力作用下的位错成核与增殖：在高温下蓝宝石晶体的空位浓度很高，随着温度的下降，点缺陷的平衡浓度呈现出指数率迅速下降，如果晶体没有足够的点缺陷尾闾，或是降温速度太快，就在晶体内形成过饱和的空位。
过饱和的点空位有聚集成片降低系统吉布斯自由能的趋势。
当晶体中的空位片足够大的时候，两边的晶体塌陷下来，在周围形成位错环。
4.在生长大尺寸蓝宝石晶体过程中，固液界面浸没与熔体之中，各晶面受到的约束比较松弛，外界的轻微热波动或机械波动都会引起结晶过程中原子的错误排列，造成晶格畸变，形成位错源。
蓝宝石各种问题总结(合集3篇)
蓝宝石各种问题总结第1篇蓝宝石的晶体,往往不是一次长成,而是长长停停、停停长长。
在不同阶段,介质环境会出现某些显著差异,特别是铁、钛、钒离子等致色元素的含量变化,致使同一晶体不同阶段形成的各部份之间的颜色浓淡不同,并在晶体中留下每一阶段生长的痕迹,这就是色带。
我个人觉得，只要色带不影响美观，那就不要太过在意。
对处在自然环境中的蓝宝石而言，环境稳定不是常态，从它开始生长到被开采出矿，大多会伴随地质演变，不停的适应环境，这也就是绝大部分蓝宝石会有色带的原因。
5）主流拍卖市场最喜爱哪个产地的蓝宝石以下是2017年佳士得香港秋拍的蓝宝石产地信息数据。
克什米尔矿区已经绝矿，所以一旦市面上出现这个产地的优质蓝宝，买家都会争相竞价。
蓝宝石各种问题总结第2篇蓝血（BlueBlood），是一种社会地位的象征，人们常用来蓝色血液代表欧洲贵族和名门出身者。
“蓝血贵族”源自西班牙王室。
古老的西班牙人认为贵族身上流着古老的卡斯蒂利亚贵族的血液，因此宣称自己的血统最为高贵、纯正。
贵族常自豪地挽起袖管，展示自己雪白小臂上清晰可见的蓝色静脉血管，称之为蓝血。
这与肤色黝黑的摩尔人大不相同。
因为不从事体力劳动所以肤白如雪，贵族由此显示自己与“劳动者”的根本区别。
其实造成“蓝血”的真正原因和贵族的生活习惯也有密切的关系，比如银器。
欧洲贵族十分喜欢用各种银器，餐具、盛水器皿、盥洗用具、宗教礼器等，因为白银本身杀毒消菌的作用，使人皮肤十分白皙、细嫩，导致静脉血管都依稀可见，看上去像是蓝色的血。
英国，这个对贵族分封要求最为严格的国家，贵族血脉的纯正性自然备受关注，所以它是“蓝血贵族”最坚定的拥护者。
也许就是从这时候开始，蓝色，在英国人的眼中就成为了高贵的象征。
1.影响一颗蓝宝石价格的因素有哪些?2.关于蓝宝石的颜色皇家蓝和矢车菊3.蓝宝石晶体好具体指的是什么？4.如何看待蓝宝石的色带以及蓝宝石色带的成因？5.主流拍卖市场最喜爱哪个产地的蓝宝石？6.马达加斯加蓝宝石成为投资黑马的原因7.多大以上的蓝宝石有收藏价值？8.关于蓝宝石的“烧”9.市面上常见蓝宝石的证书解析1）影响一颗蓝宝石价格的因素有哪些？颜色，重量，产地，晶体的通透性，净度，还有是否具有特殊光学效应，以及处理状况等，具体每个参数我们会在下面举例解释。
关于低品质蓝宝石高温扩散法工艺改善的相关探究
宝石及其稀有 ， 低品质蓝 宝石又被作为废料 处理 ， 造成 了大量 资源浪 费。 随着科 学技 术的进步 ， 可以对低 品质蓝 宝石进行二 次热 处理 ． 主要是利 用 高温 扩 散 原 理 改 善 工 艺 流 程 。 本 文 主要 探 究低 品质 蓝 宝石 高 温扩 散 法 工 艺 改善 。
Ｓ ｃ ｉ ｅ ｎ ｃ ｅ＆ Ｔｅ ｃ ｈ ｎ ｏｌ ｏ ｇ ｙ Ｖｉ ｓ ｉ ｏ ｎ
科 技 视 界 科技・ 探索 争鸣 关 于 低品 质 蓝 宝 石 高 温 扩 散 法 工艺 改 善的 相 关 探 究
秦宏 字 （ 长春 工 程学 院 ， 吉 林 长春 １ ３ ０ ０ ２ １ ）
１ 低 品质 蓝 宝 石 样 品选 择
低品质蓝宝石样品一般透明度较差 ． 颜 色灰暗 要使低品质蓝宝 石达到 宝石级 水准 ． 即纯正 的颜色 和高透 明度 ． 就要进行工艺处 理 以 改善蓝宝石品质 。随着蓝宝石矿产开发频繁 ． 宝石级蓝宝石产量相对 减少 改善并利用低 品质蓝宝石成为了宝石学的重点研究课 题。 本次试验所选择的原料为灰黑色蓝宝石样 品 ． 切 开后内部呈现 出 不透 明的灰蓝色 。 用肉眼观察 ， 可见部分 晶形分别 为桶状和柱状 ， 少量 呈块 状 、 片状 ， 粒径 普遍为 １ ～ ２ 厘米 ， 也有 可以达到 ５ 厘米粒径 的颗 粒 。低 品质蓝宝石产量很高 ． 价格低廉 ． 采用传统工艺改善后 ， 成 品为 ４ 结 果 讨 论 黑色 比试验所获得的结果 参数设置分另 耐
【 关键词 】 低品质蓝 宝石 ； 高温扩散法 ； 工艺改善
不同方法生长的蓝宝石晶体位错缺陷
收稿日期：２０１９－０４－２２ 基金项目：国家自然科学基金项目 （１１８４７１２２）；河南省科技攻关计划项目（１８２１０２３１０８９５，１９２１０２２１００２７） 作者简介：王娇（１９８５—），女，河南三门峡人，讲师，博士，主要研究方向为功能材料。 通信作者：刘少辉（１９８６—），男，河南洛阳人，副教授，主要研究方向为功能材料，Ｅｍａｉｌ：ｑｑｌｉｕｓｈａｏｈｕｉ＠１６３．ｃｏｍ。
Ｒｅｓｅａｒｃｈｏｆｄｉｓｌｏｃａｔｉｏｎｄｅｆｅｃｔｃｈａｒａｃｔｅｒｉｚａｔｉｏｎ ｏｆｔｈｅｓａｐｐｈｉｒｅｖｉａｄｉｆｆｅｒｅｎｔｍｅｔｈｏｄ
ＷＡＮＧ Ｊｉａｏ，ＬＩＵＳｈａｏｈｕｉ，ＺＨＡＯ Ｌｉｍｉｎ，ＨＡＯ Ｈａｏｓｈａｎ，ＣＨＥＮＧ Ｚｅｙｕ （ＣｏｌｌｅｇｅｏｆＳｃｉｅｎｃｅｓ，ＨｅｎａｎＵｎｉｖｅｒｓｉｔｙｏｆＥｎｇｉｎｅｅｒｉｎｇ，Ｚｈｅｎｇｚｈｏｕ４５１１９１，Ｃｈｉｎａ）
以硅和砷化镓为代表的传统半导体材料大大推动了电子信息技术的发展，给人们的生活带来了巨大的 变化。氮化镓（ＧａＮ）半导体材料具有禁带宽度大、介电常数小、热稳定性好、导热性能好、击穿电场高等优 点［４］，被人们广泛应用于航空航天、通信卫星、新型光源、探测仪器等领域。但 ＧａＮ与 Ｓｉ衬底之间存在着巨 大的晶格失配和热失配，很难在 Ｓｉ衬底上形成高质量的 ＧａＮ材料。蓝宝石晶体衬底与 ＧａＮ晶体具有同样 的结构，目前已经在蓝宝石外延出高质量的 ＧａＮ晶体材料，而 Ｃ面（０００１）的蓝宝石晶片成为最理想的 ＧａＮ 生长的衬底材料［５］。
第 ４期
王 娇，等：不同方法生长的蓝宝石晶体位错缺陷
·５１·
方法均存在一定的缺点和局限，难以满足生长大尺寸、高质量、低成本蓝宝石晶体的需求。随着科学技术的 高速发展，市场对蓝宝石晶体材料的尺寸、性能也提出了新的要求。然而，从熔体中生长的晶体往往含有各 种类型的微观或宏观缺陷。本课题主要针对不同方法生长的蓝宝石晶体位错缺陷进行研究，探讨晶体位错 缺陷密度、分布与晶体生长工艺之间的关系，并对相关机制进行阐述。
冷心放肩微量提拉法生长蓝宝石位错分析
冷心放肩微量提拉法生长蓝宝石位错分析冷心放肩微量提拉法生长蓝宝石位错分析1、简介蓝宝石（Al2O3）是一种很重要的单晶，因其出众的物理和化学特性，有很广泛的应用。
大尺寸、高质量蓝宝石在军事窗口材料领域占有优势。
然而，众所周知，位错是蓝宝石中非常重要且很常见的一种缺陷，会对蓝宝石的生长，特性和塑性形变产生重要的影响。
迄今为止，只有少数几种方法如热交换法（HEM），温度梯度法（TGT）等能够生产出大尺寸的蓝宝石。
然而，这些方法都因其生长方式而具有固有的位错特性，在本文中，我们基于直拉法和泡生法，发明出一种新的长晶方法：冷心放肩微量提拉法（SAPMAC），并通过化学蚀刻，电子显微镜扫描和伯格- 巴雷特X射线形貌探测等方法来研究蓝宝石的位错。
2、实验2.1 SAPMAC法生长蓝宝石单晶SAPMAC法是基于直拉法和泡生法而发明的一种生长大尺寸蓝宝石单晶的方法，通过使用一种Ikal-200改进型单晶生长炉，其中包含钼制坩锅，钨发热体和钼制隔热屏等。
钨发热体设计成鸟笼状，顶端焊接在具有水冷的铜电极上，通过调整发热体的电阻和水冷系统来建立合适的温度梯度。
在长晶开始前，需要先把钼坩埚空烧至1800°数个小时，用以排除坩埚表面杂质，从而减少污染。
把准备好的氧化铝颗粒块（纯度至少99.995％）装入坩埚中，把具有一定晶相的籽晶通过籽晶夹安装在热交换器底部。
把炉内抽真空至小于1.0×10-4Pa。
加热至熔化氧化铝原料并保持恒温数个小时。
缓慢降低溶液温度，旋转并下降籽晶至其几何中心接触溶液的冷心位置，进行引晶。
引晶结束后，通过微量提拉籽晶和降温来完成晶体生长过程中的扩肩、等径、退火等过程。
一些技术参数参见Table1。
2.2 样品制备蓝宝石单晶通过SAPMAC法生长，从晶锭不同的方位垂直的截取（0001）晶相的蓝宝石样品（10mm×10mm×2mm），所有的样品表面都经机械化学抛光（CMP）处理过。
《蓝宝石的应变率效应和破坏模式研究》范文
《蓝宝石的应变率效应和破坏模式研究》篇一一、引言蓝宝石作为一种重要的光学材料，在众多领域如激光、光学仪器、航空航天等有着广泛的应用。
然而，其在实际应用中常常面临复杂的应力环境，这导致了其可能产生形变甚至破坏。
因此，对蓝宝石的应变率效应和破坏模式的研究，不仅有助于理解其力学行为，也有助于提升其在实际应用中的可靠性和安全性。
二、蓝宝石的应变率效应应变率是指材料在受到外力作用时，其形变速度的度量。
蓝宝石的应变率效应主要体现在其力学性能随应变率的变化而变化。
这种变化主要受到蓝宝石内部的晶体结构、杂质含量、温度等因素的影响。
研究表明，蓝宝石的硬度、弹性模量和强度等力学性能均随应变率的增加而发生变化。
在高应变率下，蓝宝石的硬度会增大，同时其弹性模量和强度也会提高，表现出更强的抵抗形变的能力。
然而，这并不意味着蓝宝石可以完全抵抗形变，当应变率达到一定程度时，蓝宝石仍然会发生破坏。
三、蓝宝石的破坏模式蓝宝石的破坏模式主要包括脆性断裂和塑性形变两种。
脆性断裂是指蓝宝石在受到外力作用时，由于内部应力超过其强度极限而发生的突然断裂。
这种断裂通常发生在蓝宝石的表面或内部缺陷处，形成明显的裂纹。
而塑性形变则是指蓝宝石在受到外力作用时，通过改变内部结构来吸收能量，从而避免断裂。
这种形变通常在蓝宝石内部发生，不易被察觉。
四、实验研究为了研究蓝宝石的应变率效应和破坏模式，我们进行了系列的实验研究。
首先，我们使用高速冲击设备对蓝宝石进行不同应变率下的冲击实验，观察其形变和破坏过程。
其次，我们利用扫描电子显微镜观察了蓝宝石的断裂面和内部结构，分析了其破坏模式和内部形变机制。
最后，我们还对蓝宝石的力学性能进行了测试，包括硬度、弹性模量和强度等。
五、结果与讨论通过实验研究，我们发现蓝宝石的应变率效应和破坏模式受到多种因素的影响。
首先，随着应变率的增加，蓝宝石的硬度、弹性模量和强度都会有所提高。
其次，蓝宝石的破坏模式主要取决于其内部结构和外部应力环境。
《蓝宝石的应变率效应和破坏模式研究》
《蓝宝石的应变率效应和破坏模式研究》篇一一、引言蓝宝石作为一种重要的光学材料，在高科技领域有着广泛的应用。
然而，其在实际应用中常常会受到各种应力的作用，从而导致其发生形变或破坏。
因此，对蓝宝石的应变率效应及破坏模式进行研究具有重要的科学和实际意义。
本文将通过理论分析、实验测试以及模拟研究的方法，探讨蓝宝石的应变率效应和破坏模式。
二、蓝宝石的应变率效应1. 理论分析蓝宝石的应变率效应主要与其内部晶格结构和力学性能有关。
在受到外力作用时，蓝宝石内部的原子会发生移动，从而导致晶格形变。
而应变率则是描述形变速度的物理量，即单位时间内形变量的变化率。
不同的应变率会导致蓝宝石的力学响应产生差异。
2. 实验测试为了研究蓝宝石的应变率效应，我们采用高速拉伸试验机进行实验测试。
通过改变加载速度，我们可以得到不同应变率下的蓝宝石试样的力学性能数据。
实验结果表明，随着应变率的增加，蓝宝石的屈服强度和抗拉强度均有所提高。
这表明，在高应变率下，蓝宝石的抵抗外力作用的能力得到了增强。
三、蓝宝石的破坏模式1. 观察与分析蓝宝石的破坏模式主要表现为裂纹扩展和断裂。
通过光学显微镜和电子显微镜观察，我们发现蓝宝石在受到外力作用时，首先会在内部产生微裂纹。
随着外力的继续作用，微裂纹逐渐扩展、连接，最终导致蓝宝石的断裂。
此外，蓝宝石的破坏模式还与其内部杂质、缺陷等因素有关。
2. 模拟研究为了更深入地研究蓝宝石的破坏模式，我们采用有限元分析方法进行模拟研究。
通过建立蓝宝石的有限元模型，并施加不同的外力条件，我们可以观察到蓝宝石内部的应力分布和裂纹扩展情况。
模拟结果表明，蓝宝石的破坏模式具有明显的各向异性特点，即在不同方向上受到外力作用时，其破坏模式会有所不同。
四、结论通过对蓝宝石的应变率效应和破坏模式进行研究，我们得到了以下结论：1. 蓝宝石的应变率效应与其内部晶格结构和力学性能密切相关。
高应变率下，蓝宝石的抵抗外力作用的能力得到了增强。
蓝宝石衬底退火中“亮点”缺陷的形成机理
第33卷第1期㊀㊀㊀㊀㊀㊀㊀㊀㊀㊀㊀㊀超㊀硬㊀材㊀料㊀工㊀程V o l.33 2021年2月S U P E R HA R D MA T E R I A LE N G I N E E R I N G F e b.2021ʏʏʏʏʏʏʏʏʏʏʏʏʏʏʏʏʏʏʏʏʏʏʏʏʏʏʏʏʏʏʏʏʏʏʏʏʏʏʏʏʏʏʏʏʏʏʏʏʏʏʏ蓝宝石衬底退火中 亮点 缺陷的形成机理谢斌晖1,胡中伟2,陈铭欣1,李㊀论2,余学志1,萧尊贺1(1.福建晶安光电有限公司,福建泉州㊀362411;2.华侨大学制造工程研究院,福建厦门㊀361021)摘㊀要:针对蓝宝石衬底退火过程中所产生的 亮点 缺陷,采用扫描电子显微镜(S E M)和能谱仪(E D S)对亮点 区域的表面形貌及元素含量进行观察与检测,并根据对蓝宝石化学性质的理论分析,揭示出了蓝宝石衬底退火过程中表面 亮点 缺陷的形成机理,即 亮点 缺陷的形成主要是由于清洗过程中在蓝宝石衬底表面有碱性物质的残留,在退火过程中碱性物质在高温条件下与蓝宝石发生反应,生成了偏铝酸盐,熔融的偏铝酸盐填充蓝宝石衬底表面的微裂纹缝隙,形成所谓的 亮点 缺陷㊂通过揭示 亮点 缺陷的形成机理,可以减少甚至避免退火过程中蓝宝石衬底表面 亮点 缺陷的形成,提高产品的良品率,降低生产成本㊂关键词:蓝宝石衬底;退火; 亮点 缺陷;形成机理中图分类号:T N305;T S933㊀㊀文献标识码:A㊀㊀文章编号:1673-1433(2021)01-0061-04F o r m a t i o nm e c h a n i s ma n a l y s i s o f"b r i g h t s p o t"d e f e c t i n s a p p h i r e s u b s t r a t e a n n e a l i n gX I EP i n h u i1,HUZ h o n g w e i2,C H E N M i n g x i n1,L IL u n2,Y U X u e z h i1,X I A OZ u n h e1(1.F u j i a nJ i n g'A nO p t o.E l e c t r o n i c sC o.,L t d,Q u a n z h o u,362411,C h i n a;2.I n s t i t u t e o f M a n u f a c t u r i n g E n g i n e e r i n g,H u a q i a oU n i v e r s i t y,X i a m e n,361021,C h i n a)A b s t r a c t:T h e s u r f a c em o r p h o l o g y a n de l e m e n t c o n t e n to f t h e"b r i g h t s p o t"a r e aa r eo b-s e r v e d a n dd e t e c t e db y s c a n n i n g e l e c t r o n m i c r o s c o p y(S E M)a n de n e r g y d i s p e r s i v e s p e c-t r o m e t e r(E D S)f o r t h e"b r i g h t s p o t"d e f e c t s i n t h e s a p p h i r e s u b s t r a t e a n n e a l i n gp r o c e s s.A c c o r d i n g t ot h et h e o r e t i c a la n a l y s i so fc h e m i c a l p r o p e r t i e so fs a p p h i r e,t h ef o r m a t i o nm e c h a n i s m o f"b r i g h ts p o t"d e f e c to fs a p p h i r es u b s t r a t ea n n e a l i n g s u r f a c e i sr e v e a l e d.T h e f o r m a t i o no f"b r i g h t s p o t"i sm a i n l y d u e t o t h e r e s i d u a l o f a l k a l i n e s u b s t a n c eo n t h es a p p h i r e s u b s t r a t e s u r f a c e d u r i n g t h e c l e a n i n gp r o c e s s.D u r i n g t h e a n n e a l i n gp r o c e s s,t h ea l k a l i n e s ub s t a nc e r e a c t sw i t ht h es a p p h i r eu nde rh i g ht e m p e r a t u r ec o n d i t i o nt o p r o d u c em e t a a l u m i n a t e,a n d t h em o l t e nm e t a a l u m i n a t e i s f i l l e dw i t h t h em i c r o c r a c ko n t h e s u r f a c eo f t h es a p p h i r es u b s t r a t e t of o r m as o-c a l l e d"b r i g h t s p o t".B y r e v e a l i n g t h e f o r m a t i o nm e c h a n i s mo f"b r i g h t s p o t"d e f e c t,i t i s p o s s i b l e t o r e d u c e o r e v e n a v o i d t h e f o r m a t i o no f"b r i g h t s p o t"d e f e c t o n t h e s a p p h i r e s u b s t r a t e s u r f a c ed u r i n g t h e a n n e a l i n gp r o c e s s.T h eg o o d p r o d u c t r a t e c a nb e i m p r o v e d a n d t h e p r o d u c t i o n c o s t c a nb e r e d u c e d.K e y w o r d s:s a p p h i r e s u b s t r a t e,a n n e a l i n g,"b r i g h t s p o t"d e f e c t,f o r m a t i o nm e c h a n i s m收稿日期:2020-12-10基金项目:福建省区域发展项目(2019H4014);国家自然科学基金资助项目(51675192)通讯作者:胡中伟,男,副教授,博士,主要从事硬脆性材料精密磨削/研磨加工机理与工艺的研究,E-m a i l:h u z h o n g w e i@h q u.e d u.c n㊂引文格式:谢斌晖,胡中伟,陈铭欣,等.蓝宝石衬底退火中 亮点 缺陷的形成机理[J].超硬材料工程,2021,33(1):61-64.㊀㊀发光二极管(L i g h tE m i t t i n g D i o d e,L E D)是一种能将电能转化为光能的电子元件,具有节能环保,低功耗㊁高寿命等优点,被称为第四代光源[1]㊂目前被广泛运用于指示灯㊁照明㊁显示板等领域,也可用作电视机采光装饰㊁显示器和各种特种用途光源,展现出了十分美好的应用前景[2-5]㊂而蓝宝石由于其优良的机械性能㊁介电性能和化学稳定性,成为制备L E D 衬底的最佳材料,目前蓝宝石占整个L E D衬底的80%以上[6]㊂在蓝宝石衬底制备过程中,退火作为一道重要的工序,其主要目的是消除研磨加工过程中在衬底表面所产生的残余应力,避免后续单面铜抛和单面C M P加工后由于单面残余应力使得衬底出现严重的变形,进而使得蓝宝石衬底的面形精度难以满足要求㊂然而,由于蓝宝石衬底在退火过程中很容易产生一些表面缺陷,因此严重影响了退火工艺产品的成品率,增加了生产成本㊂ 亮点 是退火过程中最容易出现的缺陷之一,是退火过程中在蓝宝石衬底表面形成的一些直径在几至十几甚至上百微米的透光小区域㊂ 亮点 缺陷的存在会对后续L E D芯片制备中的光刻质量产生严重的影响[7]㊂所有出现 亮点 缺陷的衬底必须进行重新加工或报废,这大大降低了产品的良品率,增加了生产成本㊂因此,为了减少或避免退火过程中蓝宝石表面产生 亮点 缺陷,本文将对 亮点 缺陷的特征以及 亮点 的形成机理进行研究㊂1㊀退火设备及工艺1.1㊀退火原理及设备蓝宝石衬底的退火过程就是将蓝宝石衬底放入高温退火炉中,以一定速度加热,当温度达到一定值后,保温一段时间,然后以适当的速度进行冷却,直到炉内温度降低至室温㊂为了避免高温退火过程中蓝宝石衬底表面有残留物而造成表面污染,蓝宝石衬底在退火前需要进行清洗㊂在清洗过程中,先把衬底放入清洗槽中,然后加入一定浓度的碱性药液进行清洗㊂清洗完成后,用旋干机将衬底片旋干㊂最后把衬底片放入马沸炉的匣钵中间,进行退火㊂蓝宝石衬底退火采用的是箱式马沸炉[8],如图1所示㊂炉体部分采用双层炉壳,壳体表面温度小于45ħ,两侧均匀分布U型加热元件,升温速度快,且炉内温度分布均匀㊂采用数字式P I D控制器,根据需要可调节升温曲线㊁保温温度和保温时间㊂1.2㊀退火工艺蓝宝石衬底退火工艺分三个阶段:升温阶段㊁保温阶段和降温阶段,如图2所示㊂蓝宝石衬底堆装放图1㊀退火炉F i g.1㊀A n n e a l i n g f u r n a ce图2㊀退火工艺曲线图F i g.2㊀A n n e a l i n gp r o c e s s c u r v e入退火炉后,退火炉加热,在升温阶段以5ħ/m i n的速度快速升高至1400ħ,然后进入恒温阶段,保持炉内温度不变,恒温时间为4小时㊂最后进入降温阶段㊂降温阶段主要包括炉冷和空冷两步,第一步为炉冷,关闭电源停止加热,使炉中温度从1400ħ逐渐缓冷至600ħ;第二步为空冷,将蓝宝石衬底移出炉外空气中,使其温度从600ħ降至室温㊂2㊀ 亮点 缺陷区形貌观察与元素含量分析为了能够更好地了解 亮点 缺陷的特征,揭示 亮点 缺陷的形成机理,有必要对 亮点 区域的表面形貌进行观测并对 亮点 区域的元素含量进分析㊂首先采用扫描电子显微镜(S c a n n i n g E l e c t r o n M i-c r o s c o p e,S E M)对 亮点 区域和非 亮点 区域形貌进行观察,对比分析 亮点 区域与非 亮点 区域的形貌差异,其次,采用能谱分析仪(E n e r g y D i s p e r s i v e S p e c t r o s c o p y,E D S)对 亮点 区域和非 亮点 区域的元素含量进行检测,并对 亮点 区域与非 亮点 区域26超硬材料工程㊀㊀㊀㊀㊀㊀㊀㊀㊀㊀㊀㊀㊀㊀㊀㊀㊀㊀2021年2月元素成分及含量差异进行比较分析㊂2.1㊀亮点 缺陷的形貌特征为了观察 亮点 缺陷区域表面形貌的特征,选取已产生 亮点 缺陷的蓝宝石衬底,并标记 亮点 缺陷的位置,采用S E M 对 亮点 区和非 亮点 区域的表面形貌进行对比观察㊂通过扫描电镜观察可以发现亮点 区域的形貌与非 亮点 区域的形貌存在明显的不同,如图3所示, 亮点 缺陷的直径通常在几十微米至几百微米㊂为了更好地对比 亮点 区与非 亮点 区形貌特征的差异,采用S E M 分别在1000倍㊁3000倍和5000倍下分别对 亮点 区和非 亮点 区的表面形貌进行观察,如图4所示㊂通过对比观察发现,亮点区形貌和非亮点区形貌存在明显的不同,非 亮点 区域表面存在很多由于研磨加工引起的表面裂纹,且表面碎片棱角尖锐,表面较为粗糙;而 亮点 区表面裂纹较少,且表面碎片棱角较为圆润和光滑㊂根据 亮点 区表面透光的现象及 亮点 区与非 亮点区表面形貌的图3㊀S E M100倍观察到的亮点 形貌F i g .3㊀T h e "b r i g h t s p o t "m o r p h o l o g y ob s e r v e d b y SE Ma t 100t i m e s 对比可以判定, 亮点 区在高温退火过程中发生了化学反应,且化学反应生成了一种熔融的物质,这种熔融物质填充了蓝宝石衬底表面的裂纹缝隙,因此,通过扫描电子显微镜观察到的 亮点 区域表面裂纹较少,且表面更加光滑㊂图4㊀ 亮点 区与非 亮点 区域的S E M 形貌图F i g .4㊀S E Mi m a g e o f "b r i g h t s p o t "a r e a a n d"n o n -b r i g h t s po t "a r e a 2.2㊀亮点 缺陷区元素含量分析通过对 亮点 缺陷区域的表面形貌观察可以初步判定,在高温退火过程中, 亮点 区域发生了化学反应㊂为了进一步证实 亮点 区所发生的化学反应,对 亮点 区与非 亮点 区进行能谱分析,比较 亮点 区与非 亮点 区元素成分及其含量的差异㊂图5所示为非 亮点 区域的能谱图,在非亮点区主要含有三种元素,铝(A l )㊁氧(O )和铯(S e ),其中铝的质量百分比为50.8%,氧的质量百分比为47.2%,而铯的质量百分比为2%,如表1所示㊂而蓝宝石是一种单晶氧化铝,即A l 2O 3,其中A l 的质量百分比为52.9%,O 的质量百分比为47.05%,可以推断非亮点区的主要36第33卷㊀第1期㊀㊀㊀㊀㊀㊀㊀㊀㊀㊀谢斌晖等:蓝宝石衬底退火中 亮点 缺陷的形成机理成分还是A l 2O 3㊂至于S e 元素,是在研磨过程中,研磨液中的含S e 元素的物质黏附在蓝宝石衬底片的表面,而在后续清洗阶段未清洗干净而造成的[9]㊂图5㊀非 亮点 区能谱图F i g .5㊀E n e r g y s p e c t r u mo f "n o n -b r i g h t s po t "a r e a 图6所示是 亮点 区域的能谱图,从图中可以看出, 亮点 区域的元素主要也是铝(A l )㊁氧(O )和铯(S e)三种,但这三种元素所占的质量百分比与非亮点区却不一样㊂其中,铝(A l )的质量百分比为43.8%,氧(O )的质量百分比为54.5%,铯(S e )的质量百分比为1.8%,如表2所示㊂这与蓝宝石(A l 2O 3)中铝和氧的质量百分比存在明显的不同,尤其是氧的质量百分比明显偏高㊂这能进一步说明 亮点 区发生了化学反应,改变了铝和氧的质量百分比含量的比例㊂然而,蓝宝石(A l 2O 3)是一种中性物质,即可以跟酸反应,也可以跟碱反应,反应后容易生产偏铝酸盐,而在A l O -2中,A l 的质量百分比为45.76%,O 的质量百分比为54.2%,与 亮点 区中A l 元素和O 元素的含量基本一致,因此,可以推断 亮点 区发生化学反应生成了A l O -2㊂表1㊀非 亮点 区各元素质量百分比T a b l e 1㊀M a s s p e r c e n t a ge of e a c he l e m e n t i n"n o n -b r igh t s po t "a r e a 元素编号元素符号元素名称原子浓度/%误差/%13A l A l u m i n i u m 50.80.68OO x y ge n 47.25.334S e S e l e n i u m 2.00.1图6㊀ 亮点 区的能谱图F i g .6㊀E n e r g y s p e c t r u mo f "b r i g h t s po t "a r e a 表2㊀ 亮点 区各元素质量百分比T a b l e2㊀M a s s p e r c e n t a g e o f e a c h e l e m e n t i n "b r i g h t s po t "a r e a 元素编号元素符号元素名称原子浓度/%误差/%13A l A l u m i n i u m 43.80.48OO x y ge n 54.57.134S e S e l e n i u m 1.80.1㊀㊀为了避免结果的偶然性,对不同蓝宝石衬底上的 亮点 区和非 亮点 区进行了多次的能谱检测,所测得的元素及其质量百分比含量基本一致,统计结果如图7所示㊂ 亮点 区域,氧(O )元素的含量比(A l)元素含量要高,元素含量占比与A l O -2基本一致,可以推断在 亮点 区发生化学反应主要生成了A l O -2㊂而在非 亮点 区,铝(A l )元素的含量高于氧(O )元素,元素含量占比与A l 2O 3基本一致,可以推断非 亮点 区未发生化学反应,其主要成分还是A l 2O 3㊂图7㊀ 亮点 区和非 亮点 区元素及其含量对比F i g .7㊀C o m p a r i s o no f t h e e l e m e n t c o n t e n t s i n"b r i g h t s po t "a n d"n o n -b r i g h t s po t "a r e a s 2.3㊀亮点 形成机理分析通过对 亮点 区与非 亮点 区的表面形貌及元素成分含量的对比分析,可以确定在蓝宝石衬底退火过程中, 亮点 区发生了化学反应㊂根据文献[10]可知,蓝宝石即单晶氧化铝在高温(1000ħ~1200ħ)条件下,可与熔融状态下的碱发生化学反应,以氢氧化钾为例,其化学反应方程如式(1)所示,蓝宝石会与熔融的氢氧化钾发生反应,生成偏铝酸钾和水,水以气体的形式挥发㊂另外蓝宝石也可与熔融的碳酸钾反应,反应方程如式(2)所示,生成偏铝酸钾和二氧化碳㊂㊀㊀为了避免蓝宝石衬底表面残留的污物在高温退火的过程中造成衬底表面的污染,在蓝宝石衬底进行46超硬材料工程㊀㊀㊀㊀㊀㊀㊀㊀㊀㊀㊀㊀㊀㊀㊀㊀㊀㊀2021年2月高温退火前需进行清洗㊂为了更好地清洗衬底表面的污物,往往需要加入一定浓度的碱性溶液来进行清洗,而这些碱性溶液中含有一定量的氢氧化钾和碳酸钾㊂若在清洗过程中,这些碱性物质残留在蓝宝石衬底表面,在退火过程中就会跟蓝宝石发生化学反应㊂因为蓝宝石衬底的退火温度是在1200ħ~1500ħ,而氢氧化钾的熔点为380ħ,碳酸钾的熔点为891ħ㊂由此可知,在高温退火的过程中,残留在蓝宝石衬底片表面的氢氧化钾与碳酸钾都是熔融状态,这种熔融状态的氢氧化钾和碳酸钾会与蓝宝石发生化学反应,生成偏铝酸钾㊂这种化学反应使得蓝宝石衬底表面在研磨加工过程形成的脆裂尖角被腐蚀,形成比较圆润的表面,同时偏铝酸钾在熔融状态下填充了研磨过程中所产生的裂纹缝隙,使得反应区域表面光滑且透光,形成所谓的 亮点 区域㊂因此,为了减少或避免蓝宝石衬底在退火过程中形成 亮点 缺陷,应减少或消除碱性物质在蓝宝石衬底表面的残留㊂3㊀结论通过对蓝宝石衬底退火过程中所产生的 亮点 缺陷进行表面形貌观察和成分元素含量检测,并结合蓝宝石化学性质的理论分析,揭示了 亮点 缺陷的形成机理,具体结论如下:(1) 亮点 区域与非 亮点 区域形貌存在明显的不同, 亮点 区域表面形貌更为光滑,且呈现熔融层形貌,证明 亮点 区域发生了化学反应㊂(2) 亮点 区域与非 亮点 区域氧元素和铝元素的含量发生了变化, 亮点 区域氧元素含量较高,而铝元素相对较低,而在非 亮点 区域氧元素较低,而铝元素则较高㊂(3) 亮点 缺陷的形成主要是由于在清洗过程中有碱性物质残留在蓝宝石衬底表面,在高温退火过程中,碱性物质与蓝宝石发生化学反应,产生熔融透明的偏铝酸盐,熔融的偏铝酸盐填充蓝宝石衬底表面的微裂纹缝隙,形成了所谓的 亮点 缺陷㊂参考文献:[1]㊀文益华.探析L E D 产业发展现状及发展展望[J ].科技㊁经济㊁市场,2016(11):93-94.[2]㊀H a d i s M A ,C o o p e rP R ,M i l w a r d M R ,e ta l .D e v e l o pm e n t a n d a p p l i c a t i o no fL E Da r r a y s f o ru s e i n p h o t o t h e r a p y r e s e a r c h [J ].J o u r n a l o f B i o p h o t o n i c s ,2017.[3]㊀L IG ,WA N G W ,Y A N G W ,e t a l .E p i t a x i a l g r o w t ho f g r o u pI I I -n i t r i d e f i l m sb yp u l s e d l a s e rd e p o s i t i o na n dt h e i ru s e i nt h e d e v e l o p m e n to f L E D d e v i c e s [J ].S u r f a c e S c i e n c e R e po r t s ,2015,70(3):380-423.[4]㊀S a n t a n aM RD ,G a r c i aRG ,N a a s IDA ,e t a l .L i g h t e m i t t i n gd i o de (L E D )u s e i n a r t if i c i a l l igh ti n gf o r b r o i l e r c h i c k e n p r o d u c -t i o n [J ].E ng e nh a ri aA g r íc o l a ,2014,34343(3):422-427422.[5]㊀P i m p u t k a rS ,S p e c kJS ,D e n B a a r sSP ,e ta l .P r o s p e c t sf o r L E D l i g h t i n g [J ].N a t u r e p h o t o n i c s ,2009,3(4):180-182.[6]㊀卓志国,周海,徐晓明,等.L E D 用蓝宝石衬底抛光技术进展[J ].机械设计与制造,2013(4):249-251.[7]㊀李刚.半导体照明发光二极管(L E D )芯片制造技术及相关物理问题[J ].物理,2005,34(11):58-64.[8]㊀庄敏杰.蓝宝石衬底面形特征对退火工艺的影响研究[D ].华侨大学,2016.[9]㊀周海,杭寅,姚绍峰.蓝宝石晶片表面净化技术研究[C ]//机械电子学学术会议,2005:42-45.[10]㊀陈寿椿.重要无机化学反应[M ].上海科学技术出版社,1982(2):211-255.ʏʏʏʏʏʏʏʏʏʏʏʏʏʏʏʏʏʏʏʏʏʏʏʏʏʏʏʏʏʏʏʏʏʏʏʏʏʏʏʏʏʏʏʏʏʏʏʏʏʏʏ北大在碳晶体管,哈工大在金刚石芯片均取得进展前段时间,以彭练矛为首的北大科研团队传出喜讯,在以石墨烯为基础的碳基领域取得了突破,不仅掌握了整套碳基C MO S 集成电路无掺杂的制备技术,而且还制作出了栅长达5n m 工艺的碳晶体管,尺寸方面比肩市场上主流的硅基晶体管㊂这无疑是一项中国式 奇迹 ,因为中科院的8英寸石墨烯已经让我们领跑全球了,如今的碳基技术更是展开了碳基芯片的蓝图,其他各国只能望其项背㊂近日国内再次传出好消息,韩杰才院士带领的哈尔滨工业大学科研团队,与香港城市大学㊁麻省理工学院等单位合作后,在金刚石芯片领域取得了新进展㊂金刚石芯片被誉为新型半导体材料的终极形态,除了大家理解的耐用性之外,整体性能远超目前主流的硅基芯片㊂在台积电实现5n m 工艺芯片的量产之后,有关硅基芯片即将达到物理极限的话题就不止一次地被提及,受硅材料性能的限制,再进一步的工艺,比如3n m ㊁2n m 的研发,不仅需要夸张的成本,而且所制成芯片的稳定性也难以保证㊂但必须要知道,衡量一个国家半导体产业是否发达,在于这些先进的技术能否变现成商业价值,绝非仅仅是纸面上的理论层次㊂在新型半导体材料这个领域,我国科研机构已经努力了十多年,时至今日,虽然有多项巨大的成果,但依然不能实现量产和商用,实际应用中还有太多的问题需要改进㊂根据I CI n s i gh t s 的报告,未来3~5年内,硅基芯片仍是半导体市场的主力军,甚至中低端40n m 及以上工艺水平的芯片仍据占着约37%的市场㊂所以现在谈论弯道超车还为时过早㊂㊀(百度新闻)56第33卷㊀第1期㊀㊀㊀㊀㊀㊀㊀㊀㊀㊀谢斌晖等:蓝宝石衬底退火中 亮点 缺陷的形成机理。
马达加斯加低品质蓝宝石颜色成因及改善工艺研究
ｃ ｏ ｌ ｏ ｒ ａ ｔ ｉ ｏ ｎ ｍｅ ｃ ｈ ａ ｎ ｉ ｓ ｍ ｗｉ ｔ ｈ ｕ ｌ ｔ ｒ ａ ｖ ｉ ｏ ｌ ｅ ｔ — ｖ ｉ ｓ ｉ ｂ ｌ ｅ ａ ｂ ｓ ｏ ｒ ｐ ｔ ｉ ｏ ｎ ｓ ｐ ｅ ｃ ｔ ｒ ｕ ｍ ａ ｎ ｄ Ｘ— ｒ ａ ｙ ｌ ｆ ｕ ｏ ｒ ｅ ｓ ｃ ｅ ｎ ｃ ｅ（ Ｘ Ｒ Ｆ ） ａ ｎ ｄ ｔ ０ ｅ ｘ ｐ ｌ ｏ ｒ ｅ
１ ６ ０ ０℃ ｆ ｏ ｒ １ ２ ～ ２ ０ ｈ ｉ ｎ ｔ ｈ ｅ ａ ｉ ｒ ， ｍｏ ｓ ｔ ｏ ｆ ｔ ｈ ｅ ｓ ａ ｍｐ ｌ ｅ ｓ ｂ ｅ ｃ ｏ ｍｅ ｌ ｉ ｇ ｈ ｔ ｏ ｎ ｅ ｓ ｗｉ ｔ ｈ ｗｅ ａ ｋ ｅ ｒ Ｆｅ 厂 Ｉ ＇ ｒ ．ｃ ｈ ａ ｒ ｇ ｅ ｔ ｒ ａ ｎ ｓ ｆ ｅ ｒ ， ａ ｎ ｄ ｓ ｏ ｍｅ
ｔ ｈｅ ｈｅａ ｔ ｔ ｒ ｅ ａ ｔ ｍｅ ｎｔ ｐｒ ｏｃｅ ｓ ｓ ｏｆ ｌ ｏ ｗ ｑ ｕａｌ ｉ ｔ ｙ ｓ ａｐｐｈ ｉ ｒ ｅ ｓ ｆ ｒ ｏ ｍ Ｍａ ｄａｇ ａｓ ｃ ａ ｒ ． ｔ ｈｅ ｓ ａ ｐｐｈｉ ｒ ｅ ｓ ａ ｍ ｐｌ ｅ ｓ ａ ｒ ｅ ｔ ｒ ｅ ａ ｔ ｅ ｄ ａ ｔ １ ３００ ℃ ～
蓝宝石长晶缺陷概论
线缺陷-线缺陷--位错 --位错
位错（ 位错（Dislocation）是原子的一种特殊组态，是一种具有特 ）是原子的一种特殊组态， 殊结构的晶格缺陷，也称为线缺陷 线缺陷。 殊结构的晶格缺陷，也称为线缺陷。 实际晶体在结晶时受到外界环境或应力的影响，使晶体内部 实际晶体在结晶时受到外界环境或应力的影响，使晶体内部 质点排列变形、原子行列间相互滑移，不再符合理想晶格的 质点排列变形、原子行列间相互滑移， 有秩序的排列而形成线状的缺陷，称为位错。 有秩序的排列而形成线状的缺陷，称为位错。 位错概念的提出用于解释晶体的塑性变形。 位错概念的提出用于解释晶体的塑性变形。
点缺陷分类
根据其对理想晶格偏离的几何位置及成分可划分如下 根据其对理想晶格偏离的几何位置及成分可划分如下 A)间隙原子 间隙原子 B)空位 空位 C)杂质原子 杂质原子 根据产生缺陷的原因可划分如下 根据产生缺陷的原因可划分如下 A)热缺陷 热缺陷 B)杂质缺陷 杂质缺陷 C)非化学计量结构缺陷 非化学计量结构缺陷
螺旋形的晶体生长台阶
混合型位错 混合型位错
如果局部滑移从晶体的一角 开始， 开始，然后逐渐扩大滑移范 围，滑移区和未滑移区的交 界为曲线AB。 界为曲线 。在A处，位错 处 线和滑移方向平行， 线和滑移方向平行，是纯螺 型位错； 型位错；在B处，位错线和滑 处 方向垂直， 纯刃型位错。 方向垂直，是纯刃型位错。 其他AB上的各点 上的各点， 其他 上的各点，曲线和滑 移方向既不垂直又不平行， 移方向既不垂直又不平行， 原子排列介于螺型和刃型位 错之间，所以称为混合型位 错之间，所以称为混合型位 错。
杂质缺陷
由于外来质点进入晶体而产生 的缺陷。 的缺陷。 虽然杂质掺杂量一般较小（ 虽然杂质掺杂量一般较小（~ 0.1%），进入晶体后无论位 ），进入晶体后无论位 ）， 于何处， 于何处，均因杂质质点和原有 的质点性质不同， 的质点性质不同，不仅破坏了 质点有规则的排列， 质点有规则的排列，而且在杂 质质点周围的周期势场引起改 因此形成一种缺陷。 变，因此形成一种缺陷。 晶体中杂质含量在未超过其固 溶度时， 溶度时，杂质缺陷的浓度与温 度无关，这与热缺陷是不同的。 度无关，这与热缺陷是不同的。
热交换法生长蓝宝石晶体的位错研究
626
人工晶体学报
[ 6]
第 38 卷
声 电子学器件及半导体器件热导等性能有着明显的影响 。目前国内关于蓝宝石单晶低位错方面的报道 [ 1, 7 ] 仍只见于提拉法、 温梯法、 泡生法等 。本文对热交换法生长蓝宝石晶体的位错缺陷进行了研究。
楠
( 北京有色金属研究总院 , 北京国晶辉红外光学科技有限公司 , 北京 100088 )
160 mm, 重 10 kg 的低位错蓝宝 石晶体 , 并采用化学腐蚀 金
相显微镜法观测了 ( 0001) 晶面的位错形貌。结果显示 : ( 0001) 晶面的位错 腐蚀坑呈三角形 , 分布较均匀和分 散 , 图 103 P its/ c m 2; 热交换 系统保温效果好 , 能独立控制 熔体和晶体的温度梯 度 , 温 场起伏小 , 具有良好的稳定性和可控性 , 适合用来生长大直径低位错的蓝宝石晶体。 关键词 : 蓝宝石单晶 ; 热交换法 ; 晶体生长 ; 位错 中图分类号 : O 77 文献标识码 : A 文章编号 : 1000 985X ( 2009) 03 0625 04
第 38 卷 第 3 期 2009 年 6 月
人
工
晶
体
学
报
JOURNAL O F SYNTH ET IC CRYSTALS
V o.l 38 N o . 3 June , 2009
热交换法生长蓝宝石晶体的位错研究
柯利峰, 黎建明, 苏小平, 那木吉拉图, 李
摘要 : 本文用热交换法生长出 a 向 , 尺寸为 像清晰 , 平均位错密度较低 , 为 2. 1 150 mm
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蓝宝石缺陷产生机理及改进方法研究
在蓝宝石晶体的制备过程中，常见的晶体缺陷主要有晶体开裂、气泡与空腔、杂质及色心、位错等，缺陷的产生极大影响了晶体的使用性能。
文章从几种缺陷的产生机理着手，提出了有效降低晶体中缺陷率的措施，对生长大尺寸、高质量的蓝宝石晶体具有重要意义。
标签：蓝宝石单晶；晶体缺陷；产生机理；改进方法
Abstract：In the process of sapphire crystal preparation，the common crystal defects mainly include crystal crack，bubble and cavity，impurity and color center，dislocation，and so on. Based on the mechanism of several defects，this paper puts forward effective measures to reduce the defect rate in crystals，which is of great significance for the growth of large-size and high-quality sapphire crystals.
Keywords：sapphire single crystal；crystal defect；generation mechanism；improving method
1 概述
蓝宝石（Sapphire），又称白宝石或刚玉。
蓝宝石晶体的热学性能以及光学性能优良，化学性质稳定，广泛应用于光学和微电子领域，尤其是用作高亮度GaN 基发光二极管（LED）的外延基片材料。
LED市场的迅猛发展，要求生长出大尺寸、高质量、性能稳定的蓝宝石晶体，这就对蓝宝石生长技术提出了更高要求。
但在蓝宝石单晶的生长过程中，往往会产生一些显著影响蓝宝石性能的缺陷，比如位错、杂质及色心、气泡、晶体裂纹等。
2 几种常见的晶体缺陷产生机理
2.1 晶体裂纹
在生长过程中晶体内部各种应力的产生将引起应变，当应变大于晶体本身的塑性极限时，晶体将产生裂纹。
晶体中的应力主要包括以下三种：
（1）热应力：热应力是由于晶体受热不均匀而存在温度差异，导致晶体各处膨胀或收缩变形不一致，晶体各部分间相互约束而产生的一种内应力。
因此只要晶体内存在温度梯度，就会存在热应力。
（2）化学应力：晶体中各种组分不均匀分布造成的。
（3）机械应力：晶体生长过程中的机械振动造成的。
在蓝宝石单晶生长过程中，热应力是所有应力中最重要的一种形式，导致晶
体中热应力过大的主要原因包括以下几方面：
（1）生长速率过快。
（2）温场不合理，温度梯度过大。
（3）冷却速率过快。
（4）晶体取向。
（5）晶体大小。
2.2 气泡和空腔
由于蓝宝石晶体的生长温度高达2300K，因此晶体中的空位浓度极高，随着晶体的生长，温度会逐渐减小，平衡浓度随之降低，导致晶体中的空位浓度超过了平衡浓度，达到过饱和状态。
若晶体缓慢降温，这些过饱和的空位可以向晶界和表面扩散或被吸收；若降温过快，这些空位无法及时扩散，从而导致此处空位不断聚集，形成空位团[1]。
2.3 位错
位错（Dislocation）是一种具有特殊结构的晶格缺陷，实际晶体在结晶时受到外界环境或内部各种应力的作用，晶体内部的质点排列发生变形，不再有序排列成理想晶格状态，导致晶体中出现一种线性缺陷，称为位错[2]。
蓝宝石晶体中出现的位错源头，主要包括以下三方面：
（1）原生位錯：若选用的籽晶中存在位错，可以通过生长延伸到新晶体中。
籽晶中的位错包括籽晶自带的位错，加工过程中应力过大而产生的位错以及在引晶过程中热冲击产生的位错。
（2）晶体生长过程中产生位错。
其主要来源有：
a.界面附近晶体轴向和径向温度梯度产生热应力，二者均超过临界值。
b.组分偏析引起晶格常数的变化：熔体中由于杂质原子的存在，在凝固过程中会导致晶体先后凝固，从而存在成分差异，可能形成位错。
c.点缺陷（空位与填隙）引起局部应力集中。
d.机械振动的影响，导致晶体偏转或弯曲，在相邻晶块之间出现位相差，从而形成位错。
（3）晶体内部的孪晶、晶界等界面和微裂纹的附近，容易出现应力集中，如若此应力超过滑移应力时，该区域晶体发生滑移时，则会在此区域产生位错。
2.4 杂质原子及色心
由于蓝宝石晶体的生长温度极高，其所使用的坩埚或者热屏等都含有钨、钼等金属，在高温的条件金属杂质挥发，析出Mo3+、Ti3+、Cr3+等金属离子。
而这些离子具有光谱选择性，因此，由于所含金属离子类别的差异以及含量的不同，所长出的蓝宝石晶体会显现出不同的颜色。
在生长过程中，由于物理和化学条件不断变化，造成晶格中的某些位置离子排列状态变化，产生结构缺陷（如离子空位、空位聚集等），导致晶体的吸光和发光性质发生改变，这一变化中心称为色心。
3 改善晶体缺陷的方法
蓝宝石晶体生长过程中产生缺陷的原因，主要包含以下两个方面原因：一是晶体生长的物质条件，另一个方面为晶体生长的工艺条件。
3.1 改善晶体生长的物质条件
物质条件主要包括生长设备、原料和籽晶等方面。
为有效抑制物质因素对晶体生长的不利影响，可以从以下方面改进：提高生长装置热场控制系统的精度，提高原料的纯度和选用优秀的籽晶等方法。
例如：为了避免晶体生长的坩埚、加热体及热屏等在高温下挥发出Wu和Mu原子，在填装原料之前，应该仔细清洁炉体内部，并将整个系统（坩埚，热屏，加热单元）加热数小时，使污染物尽可能挥发。
3.2 改善晶体生长的工艺条件
工艺条件主要表现在晶体生长的热场分布、固液界面的形状、生长速度和晶体冷却等方面。
工艺条件对晶体生长的影响较复杂。
一个合适的热场是生长大尺寸、高质量蓝宝石晶体的必要条件。
蓝宝石生长过程中的温场分布一般是下高上低、两边高中间低，从而沿轴线形成了三个区域：高温区、梯度区及低温区，高温区保证原料融化温度；梯度区提供晶体生长动力；低温区用于控制热量在晶体中的输运速度及方向。
若温度梯度过大，可能导致晶体中的热应力增加，超过晶体的容许应力，从而造成晶体开裂。
在实际生产中。
往往为晶体不同的生长阶段配备相应合理的温度梯度[4]。
一般而言，不引起位错的轴向温度梯度应满足：
而不引起位错的径向温度梯度应满足：
其中，G是切变模量，σc表晶体材料的临界应力，Φ为晶体半径，l为晶体长度，？琢是材料的热膨胀系数，b是柏格斯矢量的绝对值。
一个平坦略凸且稳定的固液界面是制备高质量晶体的必要条件。
例如，晶体
以凸界面生长时，晶体的界面稳定性好，且凸界面的推移能够逐渐淘汰原有位错。
但是，过凸的界面生长也会导致小面生长的情况出现，极易在晶体轴心或边缘的小面区域形成位错高密度区及杂质高浓度区，反而导致晶体的有效利用率下降。
晶体的生长及冷却速率对晶体质量具有重要影响。
若晶体生长或后期冷却过快，固液界面则容易将气泡及杂质原子包进晶体中，因此，在实际生产中，选用与各个生长阶段相适应的生长及冷却速率是很重要的。
若晶体中温度梯度恒定，则晶体生长时存在一极限生长速率Vmax，即[5]：
其中，ρs为晶体密度，Ks为固态晶体的热传导系数，ΔH为材料的凝固凝热。
实际生产中要求晶体的实际生长速率不高于此极限生长速率，否则过大的晶体生长速率将会导致晶体裂纹出现。
而对于晶体冷却的处理，一般先把生长出的蓝宝石晶体重新放置于一个分布均匀的高温温度场中（多为1800-1900℃），并恒温数十小时，通过分子热运动以消除原先的弹性形变，随后使晶体缓慢冷却，有利于消除晶体中的熱应变。
4 结束语
综上所述，通过改善晶体生长的物质条件及工艺条件，是降低晶体中各种缺陷出现的有效方法。
但是工艺条件是一把双刃剑，因此，必须深入分析晶体各生长阶段的不同特点以及各工艺参数与晶体缺陷之间的直接关系，从而为生长高质量、大尺寸的蓝宝石晶体提供正确的理论指导。
参考文献：
[1]蔡迅，黎建明，刘春雷，等.改进热交换法生长蓝宝石晶体的气泡研究[J].人工晶体学报，2012，41（1）：42-45.
[2]许承海.SAPMAC法大尺寸蓝宝石晶体生长的模拟分析与应用研究[D].哈尔滨：哈尔滨工业大学，2007.
[3]张晓军，周新民.泡生法制备蓝宝石缺陷产生机理及改进方法分析[J].绿色科技，2013，9：214-216.
[4]闵乃本.晶体生长的物理基础[M].上海：上海科学技术出版社，1982：468-470.
[5]周常龙.提拉旋转系统在蓝宝石晶体生长过程中的应用[J].科技创新与应用，2016（13）：176.。