蓝宝石单晶中的位错缺陷
《MOCVD-GaN-蓝宝石衬底高温预处理减少GaN单晶位错的研究》范文
《MOCVD-GaN-蓝宝石衬底高温预处理减少GaN单晶位错的研究》篇一MOCVD-GaN-蓝宝石衬底高温预处理减少GaN单晶位错的研究MOCVD-GaN/蓝宝石衬底高温预处理对减少GaN单晶位错的研究一、引言随着半导体技术的飞速发展，GaN（氮化镓）材料因其独特的物理和化学性质，在光电子器件、电力电子器件等领域中获得了广泛应用。
然而，GaN单晶生长过程中常出现位错问题，这不仅影响材料的性能，也对器件的稳定性和可靠性造成了一定的挑战。
近年来，为了有效解决这一问题，许多研究者采用了不同的生长技术来制备高质量的GaN单晶。
其中，MOCVD（金属有机化学气相沉积）技术因其高生长速率和良好的可重复性而备受关注。
本文将重点探讨在MOCVD生长GaN/蓝宝石衬底时，高温预处理对减少GaN单晶位错的影响。
二、研究背景GaN作为第三代半导体材料，具有宽带隙、高电子饱和速度和高热导率等优点，是制作高性能光电子和电力电子器件的理想材料。
然而，在GaN单晶的生长过程中，由于衬底与GaN之间的热膨胀系数和晶格常数差异较大，常常会出现位错等缺陷。
这些缺陷不仅会降低材料的性能，还会影响器件的稳定性和可靠性。
为了解决这一问题，研究者们尝试了多种方法，其中高温预处理技术被认为是一种有效的手段。
三、实验方法本研究采用MOCVD技术，以蓝宝石为衬底，通过高温预处理来优化GaN单晶的生长。
首先，将蓝宝石衬底置于高温炉中加热至预定温度进行预处理；然后，在预处理后的衬底上生长GaN 单晶；最后，对生长的GaN单晶进行性能测试和位错分析。
四、高温预处理对GaN单晶生长的影响1. 蓝宝石衬底的高温预处理：高温预处理可以有效改善蓝宝石衬底的表面质量和结晶性能，使其与GaN的晶格匹配度更高，从而降低位错产生的几率。
2. 优化GaN生长条件：通过高温预处理，可以调整蓝宝石衬底的表面化学状态和物理性质，为GaN的生长提供更好的条件。
例如，预处理可以去除衬底表面的杂质和缺陷，提高表面的平整度和均匀性，从而有利于GaN单晶的生长。
蓝宝石单晶位错密度测量方法
国家标准《蓝宝石单晶位错密度测量方法》（送审稿）编制说明一、 工作简况 1、方法简况蓝宝石是世界上硬度仅次于金刚石的晶体材料，其结构中的氧原子以接近六方晶系的方式排列，其中氧原子间的八面体配位约有2/3的空隙是由铝原子所填充，因此具有强度、硬度高(莫氏硬度9)，耐高温(熔点达2050℃)、耐磨擦、耐腐蚀能力强，化学性质稳定，一般不溶于水，不受酸腐蚀，只有在高温下(3000℃以上)才能为氢氟酸(HF)、磷酸(H2PO4)以及熔化的苛性钾(KOH)所侵蚀等诸多优良特性。
蓝宝石单晶可以满足多模式复合制导（电视、红外成像、雷达等）的要求，在军事工业等领域被用作窗口材料及整流罩部件。
大尺寸蓝宝石单晶，其内部缺陷很少，没有晶界、孔隙等散射源，强度的损失很小，透波率很高，是目前透波部件的首选材料。
此外，蓝宝石可广泛用于发光二极管（LED ）及微电子电路。
由于蓝宝石单晶衬底在用于LED 、电子器件等的制备时，对位错密度有较高的要求，因此位错密度是评估蓝宝石单晶衬底产品的重要指标之一。
本标准采用择优化学腐蚀技术显示位错。
晶体中位错线周围的晶格发生畸变，当用化学腐蚀剂腐蚀晶体表面时，在晶体表面上的位错线露头处，腐蚀速度较快，因而容易形成由某些低指数面组成带棱角的具有特定形状的腐蚀坑。
于是用单位面积上的腐蚀坑数目标识位错密度Nd(cm-2)。
S nN d (1)式中：S —视场面积，单位为平方厘米（cm2）； n —穿过视场面积S 的位错线数目。
2、 任务来源根据国家标准化管理委员会下发的国标委综合[2012]50号“国家标准委关于下达2012年第一批国家标准制修订计划的通知”的要求，由江苏协鑫软控设备科技发展有限公司、中国科学院上海光学精密机械研究所负责起草、编制本标准，提供蓝宝石单晶位错密度的测量方法，计划编号20120280-T-469。
3、编制和协作单位江苏协鑫软控设备科技发展有限公司是由香港上市公司保利协鑫（HK3800）全资控股的公司，专业从事新能源行业设备、软件和成套设备的研发、设计与制造，公司于2011年5月在江苏省徐州市高新经济技术开发区成立，总投资7000万元。
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。
2.3化学蚀刻和位错坑观察在熔化的KOH（320°）中进行化学蚀刻，蚀刻坑的数量通过光学显微镜来计算，位错坑通过SEM（S-3400N, Hitachi)来计算。
泡生法制备蓝宝石缺陷产生机理及改进方法分析
３ 几 种 常 见 的晶体 缺 陷产 生 机 理
中图 分 类 号 ： ０７ ８ ２
文献标识码 ： Ａ
文章编号 ： １ ６ ７ ４ — ９ ９ ４ ４ （ ２ ０ １ ３ ） ０ ９ — ０ ２ １ ４ — ０ ３
１ 引 言
ａ — Ａ１ 。 ０。 单 晶又称蓝 宝石 ， 是 一 种 简 单 配 位 型 氧
生 的应 力 作用 ， 或 由于 晶体 受 到 打 击 、 切削 、 研 磨 等 机 械
２ ０ １ ３ 年９ 月
Ｊ ｏ ｕ ｒ ｎ ａ ｌ ｏ ｆ Ｇ ｒ ｅ ｅ ｎ Ｓ ｃ ｉ ｅ ｎ ｃ ｅ ａ ｎ ｄ Ｔ ｅ ｃ ｈ ｎ ｏ ｌ ｏ ｇ ｙ
绿 色科 技
第 ９期
泡生法制备蓝宝石缺 陷产生机理及改进方法分析
张晓军， 周新民
（ 西 南林业 大 学， 云 南 昆明 ６ ５ ０ ２ ２ ４ ）
应力的作用 ， 使 晶体 内 部 质 点 排 列 变 形 ， 原 子 行 列 相 互 滑移 ， 而 不再 符 合 理 想 晶 体 的有 秩 序 的 排 列 ， 形 成 线 状 缺陷 ， 称 为 位 错 。泡 生 法 制 备 的 蓝 宝 石 单 晶 ， 主要 存
在 以下 三 种 形 式 的 位 错 ： 继承 位错 、 应力 位错 、 界 面 位 错 。继 承 位错 主要 来 源 于 籽 晶 ， 一 方 面在 籽 晶 的加 工 过 程 中产 生 的位 错 能 够 延 伸 到 新 生长 的 晶体 中 ， 另 一 方 面 在 引 晶 的 过程 中产 生 的 热 冲击 也 可 产 生 继 承 位 错 。应 力 位 错 的 产生 主要 归 因 于 晶体 生 长 过 程 中 产 生 的 热 应 力作用 ， 在蓝 宝 石 单 晶 的 制 备 过 程 中 ， 单 晶 炉 内 的 温 场 分 布 在 轴 向 和径 向均 存 在 一 定 范 围 内 的温 度 梯 度 ， 温 度 梯 度 的 存 在必 然 会 引 起 热 应 力 的产 生 ， 当热 应 力 的值 超
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 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。
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。
一种蓝宝石晶片c面生长位错密度的检测方法[发明专利]
![一种蓝宝石晶片c面生长位错密度的检测方法[发明专利]](https://img.taocdn.com/s3/m/5f3464bccd22bcd126fff705cc17552706225e43.png)
(19)中华人民共和国国家知识产权局(12)发明专利申请(10)申请公布号 (43)申请公布日 (21)申请号 202011456880.5(22)申请日 2020.12.10(71)申请人 北方民族大学地址 750021 宁夏回族自治区银川市西夏区文昌北街204号(72)发明人 韩凤兰 王振越 李宁 (74)专利代理机构 北京高沃律师事务所 11569代理人 王术娜(51)Int.Cl.G01N 1/06(2006.01)G01N 1/32(2006.01)G01N 21/84(2006.01)(54)发明名称一种蓝宝石晶片c面生长位错密度的检测方法(57)摘要本发明提供了一种蓝宝石晶片c面生长位错密度的检测方法，属于半导体材料缺陷腐蚀检测技术领域。
本发明将蓝宝石切片与强碱在360～400℃的高温条件下每腐蚀5～10min检测一次位错密度，确定合适的腐蚀条件，能够尽可能的将蓝宝石切片中的位错缺陷显现出来，同时在金相显微镜下观察腐蚀坑时选择深色正三角形作为位错腐蚀坑，能够将点位错产生的空心三角腐蚀坑排除，进而有效排除了蓝宝石表面加工过程中产生的微划痕对原蓝宝石晶块位错密度计数造成的影响，提高了准确性。
实验结果表明，采用本发明提供的检测方法检测A公司生产蓝宝石的平均位错密度为438个/cm 2。
权利要求书1页 说明书7页 附图5页CN 112504724 A 2021.03.16C N 112504724A1.一种蓝宝石晶片c面生长位错密度的检测方法，包括以下步骤：(1)将蓝宝石晶片切割成小片，得到蓝宝石切片；(2)将所述步骤(1)得到的蓝宝石切片与强碱混合，在360～400℃条件下进行腐蚀5～10min，得到切片试样；(3)在金相显微镜下观察所述步骤(2)得到的切片试样的腐蚀坑，选择深色正三角形腐蚀坑个数作为位错腐蚀坑个数，计算得到位错密度；(4)将所述步骤(3)观察后的切片试样依次重复步骤(2)和(3)的操作，直至位错密度呈现出下降趋势，计算得到的多个位错密度中的最大值即为蓝宝石晶片c面生长位错密度。
泡生法生长蓝宝石
泡生法生长蓝宝石晶体1 引言无色蓝宝石(α- Al2O3)属六方晶系,最高工作温度可以达到1900 ℃。
目前以其特殊的物理化学性质、价格优势和晶体尺寸而成为光电子和微电子产业中用量最大的无机氧化物晶体材料,尤其是在本世纪的固体光源革命中,以蓝宝石为衬底的GaN基蓝绿光LED产业的大力发展,不断推动着对蓝宝石生长技术和晶体质量的研究。
此外,由于蓝宝石晶体易于获得大尺寸单晶,而且其热噪音仅为石英玻璃的1.9倍,模式因子Q比石英玻璃高两个数量级,故以蓝宝石晶体作为干涉仪光学介质将极大地提高光学灵敏度。
蓝宝石晶体已经被美国国家自然科学基金委员会作为L IGO (Laser Interferometer Gravitational Wave Observatory)计划中首选的光学材料。
因此高光学质量和大尺寸蓝宝石晶体生长技术仍然是产业界探索和研究的热点内容之一。
2 蓝宝石晶体的生长技术蓝宝石晶体的合成方法主要有焰熔法、助熔剂法和熔体法, 其中熔体法又可分为几种。
焰熔法生长的宝石晶体尺寸较小, 具有大量的镶嵌结构, 质量欠佳；助熔剂法生长的宝石晶体也很小, 且含有助熔剂阳离子, 质量也不太好；而熔体法生长的宝石晶体具有较高的纯度和完整性, 尺寸较大。
其基本原理是将晶体原料放入耐高温坩埚中加热熔化, 然后在受控条件下通过降温使熔体过冷却, 从而生长晶体。
由于降温的受控条件不同, 因此, 从熔体中生长宝石晶体的方法也稍有不同。
目前, 世界上主要的熔体法生长技术有4种晶体提拉法、导模法、热交换法和泡生法。
本文着重报道的是利用泡生法生长无色蓝宝石晶体。
2.1 晶体提拉法晶体提拉法( cr ystal pulling metho d) 由J.Czochralski 于1918 年发明, 故又称 丘克拉斯基法 , 简称Cz 提拉法, 是利用籽晶从熔体中提拉生长出晶体的方法, 能在短期内生长出高质量的单晶。
这是从熔体中生长晶体最常用的方法之一。
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。
如何用光学显微镜观测蓝宝石位错
热场设计必须要具有适当的纵向和径向温度梯度和适当的坩埚与晶体直径比例，即保证 适当的过冷度条件。只要存在径向温度梯度和纵向温度梯度，熔体内就会出现热运动，造成 固液界面处晶体存在着热应力，超过晶体材料的临界应力，在晶体中就会产生位错。
晶体中的位错来源有二：一是在力场中通过成核和增殖产生的，二是籽晶遗传的；不管 位错是后天产生的，还是先天遗传的。只要位错与生长界面相交，在生长过程中随界面推移， 位错必然延伸，这是由伯格斯矢量守恒所决定的。
因此在化学试剂作用下缺陷处晶格原子首先与化学试剂发生作用释放出能量以达到平衡态从而形成某种特定形状的腐蚀图显微镜观测蓝宝石表面显微镜观测蓝宝石表面显微镜观测蓝宝石表面显微镜观测蓝宝石表面全国独家全国独家全国独家全国独家wdi显微镜显微镜显微镜显微镜合能阳光采用我们自己研发的成熟工艺对蓝宝石表面进行腐蚀
表面凹坑都可清晰可见。
X100
X200
腐蚀后的表面，100 及 200 倍观测。抛光划痕，位错清晰可见。1.边缘抛光度相对优于 内部.2.边缘划痕严重，而内部位错严重。
X500
利用显微镜配备的软件，对表面位错密度进行了大概计算。备注：仅针对蓝宝某一特定 位置来说明，WDI 显微镜可以清晰观测位错和计算蓝宝石位错密度。
WDI 效果完全可媲美进口的 Olympus！但是 WDI 显微镜性价比更高！ 备注：视场颜色由微分干涉调节波段决定。可根据环境变化调节到不同的观测效果，观测者 可以自己决定最佳效果。
六、 总结
蓝宝石的表面缺陷及位错严重影响后续磊晶层的长晶品质，从而影响到 LED 的发光效 率与寿命。是蓝宝石抛光片不可逃避的关键检测项目。
位错线具有特殊的拓扑性质：它要么构成闭合的圈圈，要么延伸到晶体表面，绝不可能 中断在晶体之中。位错线也可以分岔开来，分岔后的的两根位错线也必须遵守伯格斯矢量守 恒和位错线特殊的拓扑性质。
热交换法生长蓝宝石晶体的位错研究
人工晶体学报第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哺３。
目前国内关于蓝宝石单晶低位错方面的报道仍只见于提拉法、温梯法、泡生法等‘１’７１。
本文对热交换法生长蓝宝石晶体的位错缺陷进行了研究。
２晶体生长工艺与条件２．１生长设备实验生长设备为自行设计的ＢＳ００４氧化物单晶炉，采用的加热器为的圆筒型石墨加热器，坩埚材料为钨钼合金，保温系统为碳碳复合结构保温层。
晶体生长过程中加热功率和热交换器中的氦气流量分别由可编程自动控制系统独立控制。
２．２工艺条件实验采用纯度≥９９．９９９％的ｄ—Ａ１：Ｏ，块状原料，自行加工的ａ向籽晶，装料１５ｋｇ，充人约一个大气压的氩气作为保护气。
晶体生长过程具体分为以下几个阶段为：（１）熔料，保持初始氦气流量不变，增大加热器功率，使光电高温计温度达到２３２３Ｋ，完成化料；（２）引晶，下摇籽晶使其与熔体接触处获得良好的固液界面；（３）以一定速率持续增加氦气流量，促使晶体生长；（４）保持氦气流量，开始降温。
实验中加热器功率和氦气流量分别由高精度仪器执行程序完成，其控温曲线和氦气流量变化曲线分别如图１、图２所示。
ＴＩｍｅ，Ｉｌ图１温度随时间变化示意图Ｆｉｇ．１ｓｃｈｅｍｆｉｃｏｆｔｅｍｐｅｍｔｕ弛ｖ８．ｔｉｍｅ３位错腐蚀实验与观测３．１样品的制备Ｔｉｍｅ，ＩＩ图２氦气流量随时间变化示意图Ｆｉｇ．２ｓｃｈｅｍＢｔｉｃｏｆｈｅｌｉ岫ｎ呱ｖ８．ｔｉｍｅ图３热交换法生长的蓝宝石晶体幽４监主幽圳劫片Ｆｉｇ．３ＴｈｅｐｈｏｔｏｇｒａｐｈｙｏｆｔｌＩｅ蛆ｐＰｌＩｉ托ｃｒｙｓｔａｌ乎ｏｗｎｂｙＦｉｇ．４ｈｅｈｉｏｎｏｆＢ印ｐｌｌｉ聆ｃｒｙｓｔａｌｈ眦－ｅｘｃｈ哪ｅｍ削（咖１５０咖×１６０衄）热交换法生长的蓝宝石晶体如图３所示。
用劳埃法和ｘ射线定向仪对该晶锭定向，加工获得＜０００ｌ＞晶向的圆柱形晶棒，从该晶棒中间部位和边沿部位分别切取３片、２片厚度均为Ｏ．５咖的（０００１）晶片（如图４），进行机械抛光，然后化学机械抛光，获得一个光亮平整的表面。
大尺寸蓝宝石晶体的优势
采用大尺寸蓝宝石衬底是降低LED芯片成本的主要因素之一。
“大尺寸衬底可以在每个MOCVD轮次中制作更多的芯片。
由于LED芯片存在边缘无效区，所以直径越大，芯片数量比与直径比优势越明显，以6英寸为例，表面积是2英寸的9倍，芯片数量确是2英寸的10.9倍，衬底尺寸越大，芯片数量优势越明显。
”
据公司介绍， 150kg蓝宝石晶体的材料利用率高，掏取4英寸晶棒超过50%，位错密度低600pit/cm2，且晶体质量好，气泡缺陷少。
“150kg晶体可掏取5英寸手机面板方棒2430mm，材料利用率达到62.8%，重量是90kg的1.66倍，得棒数量却是90kg晶体的1.97倍。
”
**TKY-3法长晶技术突破瓶颈**。
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。
蓝宝石衬底缺点晶格失配和热应力失配
（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。
（4）热力学特性：2050℃左右的熔点，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。
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8.8×10-6 0.782 77 0.27—0.29 1014 11.5（∥c），9.3（⊥c）
蓝宝石晶胞（R面、A面、C面）
蓝宝石晶片加工表面质量检测方法综述_王吉翠
了解该晶片是否满足产品要求 ， 还可以通过分析晶片 加工时产生的各种 缺 陷 ， 改 进 晶 片 的 加 工 方 法， 获得 更高的加工质量 ， 进而促进蓝宝石晶片加工技术的发 展。 目前 ， 关于蓝宝石晶片加工方法的文献较多， 但 是关于蓝 宝 石 质 量 检 测 方 法 的 文 献 还 是 比 较 少 的 。 本文对蓝宝石晶片的质量检测技术展开研究 ， 就蓝宝 石晶片在 实 际 加 工 中 常 见 的 缺 陷 （ 如 位 错、 孪 晶、 应 变、 表面残余应力 、 细小划痕等 ） 的检测方法进行了分 析阐述 。
第２ ３ 卷 第 ５ 期 ２ ０ １ １年１ ０月
超 硬 材 料 工 程
Ｖ ｏ ｌ ． ２ ３ Ｏ ｃ ｔ ． ２ ０ １ １
Ｓ Ｕ Ｐ Ｅ ＲＨＡ Ｒ Ｄ ＭＡ Ｔ Ｅ Ｒ Ｉ Ａ Ｌ Ｅ ＮＧ Ｉ Ｎ Ｅ Ｅ Ｒ Ｉ ＮＧ
６］ 。 通过对蓝宝石晶片的检测 ， 的关键问题 ［ 不仅可以
２ 蓝宝石晶片质量检测方法
２． １ 光学显微镜 ， 光学显微镜 （ 是利用光 Ｏ ｔ ｉ ｃ ａ ｌ Ｍ ｉ ｃ ｒ ｏ ｓ ｃ ｏ ｅ ＯＭ） ｐ ｐ 学原理 ， 将所要观测的部分放大成像 。 利用光学显微 镜检测蓝宝石晶片 表 面 质 量 是 一 种 最 为 简 单 直 接 的 方法 。 设置不同的放大倍数 ， 就可以观测到不同加工 条件下的 加 工 表 面 痕 迹 ， 比如加工工程中产生的塌 边、 划痕以及晶片 表 层 的 麻 点 、 桔 皮 等。 该 方 法 可 以 定性了解加工后的 表 面 质 量 以 及 对 加 工 方 法 进 行 定 不能得到表面 性评价 。 但是光学显微镜的景深较小 ，
０ 引言
蓝宝石单晶位错密度测量方法
国家标准《蓝宝石单晶位错密度测量方法》（送审稿）编制说明一、 工作简况 1、方法简况蓝宝石是世界上硬度仅次于金刚石的晶体材料，其结构中的氧原子以接近六方晶系的方式排列，其中氧原子间的八面体配位约有2/3的空隙是由铝原子所填充，因此具有强度、硬度高(莫氏硬度9)，耐高温(熔点达2050℃)、耐磨擦、耐腐蚀能力强，化学性质稳定，一般不溶于水，不受酸腐蚀，只有在高温下(3000℃以上)才能为氢氟酸(HF)、磷酸(H2PO4)以及熔化的苛性钾(KOH)所侵蚀等诸多优良特性。
蓝宝石单晶可以满足多模式复合制导（电视、红外成像、雷达等）的要求，在军事工业等领域被用作窗口材料及整流罩部件。
大尺寸蓝宝石单晶，其内部缺陷很少，没有晶界、孔隙等散射源，强度的损失很小，透波率很高，是目前透波部件的首选材料。
此外，蓝宝石可广泛用于发光二极管（LED ）及微电子电路。
由于蓝宝石单晶衬底在用于LED 、电子器件等的制备时，对位错密度有较高的要求，因此位错密度是评估蓝宝石单晶衬底产品的重要指标之一。
本标准采用择优化学腐蚀技术显示位错。
晶体中位错线周围的晶格发生畸变，当用化学腐蚀剂腐蚀晶体表面时，在晶体表面上的位错线露头处，腐蚀速度较快，因而容易形成由某些低指数面组成带棱角的具有特定形状的腐蚀坑。
于是用单位面积上的腐蚀坑数目标识位错密度Nd(cm-2)。
S nN d (1)式中：S —视场面积，单位为平方厘米（cm2）； n —穿过视场面积S 的位错线数目。
2、 任务来源根据国家标准化管理委员会下发的国标委综合[2012]50号“国家标准委关于下达2012年第一批国家标准制修订计划的通知”的要求，由江苏协鑫软控设备科技发展有限公司、中国科学院上海光学精密机械研究所负责起草、编制本标准，提供蓝宝石单晶位错密度的测量方法，计划编号20120280-T-469。
3、编制和协作单位江苏协鑫软控设备科技发展有限公司是由香港上市公司保利协鑫（HK3800）全资控股的公司，专业从事新能源行业设备、软件和成套设备的研发、设计与制造，公司于2011年5月在江苏省徐州市高新经济技术开发区成立，总投资7000万元。
泡生法蓝宝石位错产生原因
泡生法蓝宝石位错产生原因
2011-08-07 19:41
泡生法生长的蓝宝石晶体位错密度在7. 6 × 101 ～8. 0 × 102 cm － 2 范围内，在晶体顶部(放肩位置)密度较大，在等径部位密度相对较小. 泡生法生长的蓝宝石晶体中的位错形成原因为:
1) 从籽晶继承下来的位错:在籽晶中存在的位错，可以延伸到生长的晶体中，即为位错的继承作用. 籽晶中的位错包括籽晶本身的位错，在籽晶加工时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殖:SAPMAC 大尺寸蓝宝石晶体生长技术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地生长，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，位错将成核、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，点缺陷的平衡浓度按指数律迅速下降. 如果晶体中没有足够的点缺陷尾闾，或是降温速率太快，就在晶体内形成过饱和点空位. 过饱和的点空位有聚集成片以降低系统吉布斯自由能的趋势. 当晶体中的空位片足够大时，两边晶体塌陷下来，在周围形成位错环.
4) 在SAPMAC法生长大尺寸蓝宝石晶体过程中，固液界面浸没于熔体之中，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.。
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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)04-0048-04
1 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。
蓝宝石的主要化学成分是三氧化二铝(A12O3)，晶型为a-A12O3，分子量为101．94。
在20℃时的
密度为3．98g／cm3。
其化学性能非常稳定，一般不溶于水，不受酸、碱腐蚀。
蓝宝石的硬度很高，为莫氏硬度9级，仅次于最硬的金刚石。
它具有很好的透光性、热传导性和电气绝缘性，力学机械性能好，并且具有耐磨和抗风蚀的特点。
其熔点为2050℃，沸点为3500℃，最高工作温度为1900℃[2]。
为了适应工业化的需求目前采用人工方法制备蓝宝石晶体则成为获得大直径、高完整性和按要求晶面生长单晶的主要方法。
蓝宝石晶体的生长方法主要有：熔焰法Verneuil、提拉法(CZ法)、导膜法(EFG法)、感应温场上移法(1FUS法)、动态凝固法(DGSM法)、温梯法(TGT法)、热交换法(HEM法)等[3，4]。
半导体晶体的内在质量、晶体缺陷、杂质浓度等直接关系到外延层和器件的质量及成品率。
准确地显示出晶体缺陷、研究其形成机理和控制及消除技术对制备高质量晶体是非常重要的。
本文主要研究了用化学腐蚀的方法显示蓝宝石单晶的位错缺陷的条件，为提高晶体质量提供基础数据。
2 实验
选取俄罗斯、瑞士和国内CZ法生长的蓝宝石单晶样片，采用不同的化学腐蚀方法进行实验，对比国内外晶体完整性方面的优劣。
2．1 用KOH进行化学腐蚀
蓝宝石性质稳定，常温条件下难与酸、碱反应。
但在高温条件下用熔融的KOH会对蓝宝石单晶产生化学腐蚀。
不同腐蚀时间的腐蚀结果见表1和图1。
从图1(a)，(b)，(c)可发现，腐蚀10min时，腐蚀坑比较少，也比较模糊；20min时，腐蚀“过”了，也没有清晰的显示缺陷：在290℃，15min时腐蚀图像清晰，比较准确地显示了缺陷。
用扫描电镜(SEM)观察腐蚀坑的缺陷形貌如图2。
2．2 用NaOH进行化学腐蚀
NaOH的熔点是318．4℃，价格相对KOH便宜。
选取NaOH对同一蓝宝石样片进行腐蚀研究。
温度选取290-340℃，时间为10-40min，结果发现在320℃腐蚀30min时得到较清晰的腐蚀形貌，如图3。
2．3 对不同晶向的蓝宝石单晶进行化学腐蚀
我们选择了(0001)和(1120)晶向的蓝宝石单晶，用熔融的KOH在290℃腐蚀15min，金相显微镜观察到的缺陷形貌如图4a，4b。
3 结果与讨论
蓝宝石晶体(0001)面和(1120)面的位错腐蚀坑呈现不同的形状是由晶体所属的点群和晶体结构所决定的。
化学腐蚀剂的作用就是破坏晶体内部分子或原子间相互作用键，键合力较小的首先被破坏。
而在晶体生长过程中位错也主要产生在相互键合较弱的分子或原子间。
晶体生长时如果外界条件(如生长速度的波动、热振动、机械振动、结晶时固态-液态原子密度差异、结晶冷却应力产生的晶格滑移等)发生变化就容易造成晶格排列错位。
晶体缺陷是处于能量较高的不稳定的非平衡状态。
因此在化学试剂作用下，缺陷处晶格原子首先与化学试剂发生作用，释放出能量以达到平衡态，从而形成某种特定形状的腐蚀图像。
腐蚀时间较短，反应不完全，较弱的化学键未被完全破坏，位错缺陷显示的不够清晰、准确；腐蚀时间过长，除缺陷外，完整的晶格也会受到化学试剂的浸蚀，因而使：缺陷的显示被掩盖或部分掩盖，影响观察效果。
蓝宝石晶体结构如图5所示，其中a为蓝宝石形貌晶胞示意图；b为(0001)面的腐蚀斑；c为(1120)或(1100)面的腐蚀斑。
在(0001)面上相邻O2-原子间作用力较弱，易被腐蚀，如图中所示。
在(1120)面上，图中菱形四边形上各离子间相互作用最小，易被断开，因此呈现菱形的形状[5]。
从以上实验可知，用熔融KOH进行化学腐蚀比用NaOH腐蚀效果好，得到的腐蚀图像清晰、准确。
且最佳条件为熔融KOH在290℃腐蚀15min。
同时对比实验发现国内外样片在晶体完整性方面差异不大。
影响晶体完整性的因素是很多的。
一般说来，晶体生长速率是各向异性的。
通常所说的晶体生长速率指的是在单位时间晶面沿法线方向向外平行推移的距离，称为线性生长速率。
晶体生长的驱动力来源于生长环境相的过饱和度或过冷度。
人工生长单晶时，在保证晶体生长质量的前提下，总希望提高生长速率。
由于微观生长速率的变化，往往导致晶体缺陷的产生。
为保证CZ法能稳定地生长晶体，热场设计必须要具有适当的纵向和径向温度梯度和适当的坩埚与晶体直径比例，即保证适当的过冷度条件。
只要存在径向温度梯度和纵向温度梯度，熔体内就会出现热运动，造成固液界面处晶体存在着热应力，超过晶体材料的临界应力，在晶体中就会产生位错。
纵向温度梯度引起的位错密度可用式(1)表
式中β：热膨胀系数；b：柏矢量；G：切变模量；τ：临界应力：r：晶体半径
可见，纵向温度梯度不引起位错的条件应为式(2)
径向温度梯度引起位错的条件可用式(3)表示
式中l晶体长度。
径向温度梯度不引起位错产生的条件为
在实际的晶体生长中，由于A1203材料熔点很高，为了获得足够的化料温度和维持较高的正常的晶体生长温度，热场设计的都比较紧凑，外界条件的波动往往造成温度梯度的不稳定变化。
同时，实际生长晶体中坩埚与晶体的直径比例一般都不太合理(如生长Φ50mm晶体使用Φ80mm坩埚)，这样也造成了大的温度梯度。
同时由于熔体中不规则热对流的存在，造成了晶体生长速率的微观起伏，从而也影响晶体的完整性。
所以目前国内外还都没有像硅单晶那样能制备出无位错的蓝宝石单晶。
为了降低晶体缺陷和有利于杂质的挥发(较大的熔体自由表面)适当加大坩埚直径，控制比较合理的坩埚与晶体直径比是至关重要的。
为此，应当在现有基础上改进热场设计，以期降低位错密度。
结果发现，用熔融的KOH在290℃腐蚀15min效果最佳。