化学腐蚀法研究蓝宝石单晶中的位错缺陷
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。
第二章 化学腐蚀法检测晶体缺陷
而许多空位聚集成团，当它蹋蹦时形成位错圈时，可以 用化学腐蚀法或透射电子显微镜观察。
2、填隙原子（自间隙原子）：晶体中的原子由于热运动或 辐射离开平衡位置跑到晶格的空隙中，这样的原子称为填隙 原子。如图所示：
图 2-3-2 弗仑克尔缺陷
填隙原子存在的方式： （1）与空位结合而消失。 （2）聚集成团形成间隙性位错圈。 （3）在生长界面附近凝聚形成微缺陷。
图 2-3-12 位错的攀移
6、位错的显示：通过化学腐蚀法显示晶体的位错，不同的 晶面上缺陷的腐蚀坑不同。如图所示：
（111）晶面
（110）晶面 图 2-3-12 刃位错的腐蚀坑图 像
3、半导体晶体的电化学腐蚀机理:
利用半导体晶体在各种酸或碱性电解质溶液中，表面构成了 微电池，由于微电池的电化学作用使晶体表面受到腐蚀，其 实质是一种氧化还原反应。
（1）在HNO3和HF溶液电解质溶液中的腐蚀 负极：
Si 2 H 2O 2 p SiO2 4 H 2e SiO2 6 HF H 2 SiF6 2 H 2O
正极：
HNO3 3H NO 2H2O 3 p
总反应：
3Si 4HNO3 18HF 3H2 SiF6 4NO 8H2O
无氧化剂时，发生析氢反应，反应速度较慢 正极：
2H 2e H 2
注：用CrO3或铬酸加在HF中也可以提高腐蚀速度
（2）在NaOH和KOH溶液电解质溶液中的腐蚀 负极：
第2章 化学腐蚀法检测晶体缺陷
2.1 半导体晶体的电化学腐蚀机理及常用 腐蚀剂 2.2 半导体单晶体的缺陷 2.3 硅单晶位错的检测 2.4 单晶硅中漩涡缺陷的检测 2.5 化学工艺中的安全知识 2.6 金相显微镜简介
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
不同腐蚀工艺对单晶Ge位错密度与微观形貌的影响
电子显微学报Journal of Chinese Electron Microscopy Society第 40 卷 第 1 期2021 年 2 月Vol. 40,No. 12021-02文章编号：1000-6281（2021）01-0045-05不同腐蚀工艺对单晶Ge 位错密度与微观形貌的影响李金乐，李珊**,杨晓京，马一鸣，张逸飞收稿日期：2019-11-13；修订日期：2020-01-17基金项目：国家自然科学基金资助项目（No.51765027）.作者简介：李金乐（1992-）,男（汉族），河南人,硕士. E-mail ： *******************通讯作者：李珊（1965-）,女（汉族），云南人，副教授.E-mail ： ****************（昆明理工大学机电工程学院，云南昆明650500）摘 要 为提高单晶Ge 位错腐蚀工艺的准确度，采用金相腐蚀观察法计算了单晶Ge 的位错密度，分析了腐蚀 时间、抛光条件、腐蚀温度对位错微观形貌的影响。
结果表明：腐蚀时间过长或过短,位错腐蚀坑形貌无法正常观测，腐蚀时间10 min 时，位错腐蚀坑形貌观测效果最佳；机械抛光会产生划痕和污渍，化学抛光可以得到更光洁的材料表面，腐蚀后更易观测位错腐蚀坑形貌;相同腐蚀时间和抛光条件下，温度越高腐蚀速率越快，通过增加腐蚀温度可以有效提高腐蚀效率。
关键词 单晶Ge ；位错密度;金相腐蚀观察法;微观形貌中图分类号：O772；TN304. 053；TQ134. 2 文献标识码：B doi ： 10. 3969/j.issn.l000-6281. 2021. 01. 009单晶Ge 作为一种重要的红外光学材料，近年来受到许多研究者的关注⑴。
位错是单晶Ge 常见缺陷，位错的存在对材料的电学性质和器件的参数有很大影响［2-3］。
位错使晶格畸变，改变能带的位置，影响载流子的复合过程⑷。
不均匀的位错甚至会改变器件的参数，最严重的可导致器件局部击 穿。
太阳能电池材料试题复习
复习大纲1. 铝背场的作用：①减少少数载流子在背面复合的概率；②作为背面的金属电极；③提高电池的开路电压；④提高太阳电池的收集效率；⑤降低电池的反向饱和暗电流和背表面复合速率；⑥制作良好的欧姆接触。
2. 简述晶体硅的制备工艺过程答：晶体硅太阳电池的制备工艺：p型硅片-清洗制绒-扩散制结（p-n结）-去周边层-去PSG（磷硅玻璃）-镀减反射膜-印刷电极-高温烧结-检测-分选-入库包装。
3.太阳能的利用形式：光化学转化、太阳能光热转化和太阳能光电转化。
4.太阳能电池理论效率最高为75% 。
5.太阳常数：是指大气层外垂直于太阳光线的平面上，单位时间、单位面积内所接受的太阳能辐射。
也就是说，在日地平均距离的条件下，在地球大气上界，垂直于光线1Ｃ㎡的面积上，在１分内所接受的太阳能辐射能量；为（１３６７＋｜－７）Ｗ/㎡。
６．太阳能能量转换方式主要分为光化学转化、太阳能光热转化和太阳能光电转化三种方式。
７．P-N结的形成原理。
答：⑴Ｐ型和Ｎ型半导体都呈电中性；⑵Ｐ型半导体的多子是空穴；Ｎ型半导体的多子是电子；⑶当Ｐ型半导体与Ｎ型半导体连接在一起时，由于ＰＮ结中不同区域的载流子分布存在浓度梯度，Ｐ型半导体材料中过剩的空穴通过扩散作用流动至Ｎ型半导体材料；同理，Ｎ型半导体材料中过剩的电子通过扩散作用流动至Ｐ型半导体材料。
电子或空穴离开杂质原子后，该固定在晶格内的杂质原子被电离，因此在结区周围建立起了一个电场，以阻止电子或空穴的上述扩散流动，该电场所在的区域及耗尽区或者空间电荷区，故而称为ＰＮ结。
如图所示：在交界面，由于扩散运动，经过复合,出现空间电荷区。
８．P-N结半导体光生伏特效应的原理。
答：在半导体被光照射、产生光传导现象时，如果由光产生的载流子在不同位置具有不均一性，或者由于PN结产生了内部载流子的话，就因扩散或者漂移效应而引起电子和空穴密度分布不平衡，从而产生电力，这一现象称为光生伏特效应（photovoltaic effect）.9.太阳能电池的主要参数是短路电流、开路电压、填充因子和光电转换效率。
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。
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文献综述调研报告课题名称：蓝宝石晶体生产方法的研究涉及的检索词：中文:方法蓝宝石生产原料晶体检索词间的逻辑关系（逻辑式，可以有多个）：中文：（蓝宝石+晶体）*（原料+生产）＊方法需要的文献类型:期刊文章学位论文年代范围：1979-2010选用的数据库：知网数据库、维普数据库、万方数据库检索方法（用截图方式表现)：检索结果：知网数据库：［1］韩杰才, 左洪波，孟松鹤, 张明福, 姚泰, 李长青，许承海, 汪桂根。
泡生法制备大尺寸蓝宝石单晶体［j]. 人工晶体学报， 2005，(01）摘要：为了研究工艺参数对泡生法蓝宝石晶体生长过程及其晶体质量的影响,在自行研制的泡生法蓝宝石晶体生长炉上进行了试验。
调整籽晶热交换器水流量及进水温度,并在等径生长期间采用不同的维持功率下降速度,结果表明：热交换器冷却强度对引晶及放肩阶段晶体生长有显著影响,并逐步减弱;维持功率下降速度直接影响等径生长阶段的晶体生长速度和晶体质量,下降太快将导致晶体缺陷密度增加,严重时形成多晶.在晶体生长过程中,合理调节籽晶热交换器的冷却强度,谨慎操控维持功率下降速度是蓝宝石单晶生长成败的关键。
[2] 姚泰，左洪波,韩杰才,张明福,孟松鹤,姚秀荣，李常青，汪贵根，许承海。
蓝宝石单晶生长过程中应力分布的数值模拟［j］哈尔滨理工大学学报 , 2006,（05)摘要：晶体生长过程中所产生的残余热弹性应力是影响晶体质量的重要因素之一。
用ansys软件为平台,以改进的kyropoulos法制备φ230x200mm大尺寸蓝宝石单晶为例，对所生长单晶体的热应力分布进行了数值模拟.建立了不同外形（放肩角）条件下晶体生长过程中热弹性应力的分布模型。
讨论了不同放肩角对晶体热应力的影响.结果表明，通过改变晶体的外形可以改善热应力的分布,从而在晶体中获得更多的低应力区域.模拟结果和试验结果吻合较好.[3］孙广年,于旭东,沈才卿。
泡生法生长高质量蓝宝石的原理和应用［j]。
LED蓝宝石图形化衬底制备工艺研讨
LED蓝宝石图形化衬底制备工艺研讨摘要：随着社会经济的不断发展，能源的需求量不断增加，为了能够将有效降低能源的损耗，实现能源的可持续发展目标，我国对于节能环保事业的发展尤为的关注。
基于科学技术的发展，我国在照明领域开展的环保事业发展取得了一定的成就。
例如LED的研发和应用，其在使用的过程中不仅节能环保，同时也体积比较小，且功能时效时间比较长，与普通的照明源对比来讲更具有发展前景。
经过技术研发人员的不懈努力，找到了一种能够有效提升LED出光率的新技术，即通过蓝宝石图形化衬底实现LED高出光率的目标，为LED广泛应用于多个领域地奠定了坚实的基础。
本文通过对蓝宝石图形化衬底提升LED出光率的机理、表面微结构对LED发光率的影响进行了分析，并探讨了LED蓝宝石图形化衬底的制作过程。
关键词：LED；蓝宝石图形衬底；制备工艺引言：随着物质生活水平的提升，社会群众对于环保节能产业的发展也越发地关注，只有合理控制能源的消耗，才能够有效地提升能源和生态环境可持续发展的潜力。
环保节能在各行各业的发展中都是非常重要战略目标。
在照明领域最显著的发展便是LED的发展与应用，因为其具备良好的性能，尤其在环保节能方面表现出来的优势得到了社会群众的认可，所以被推广到很多的领域的实际应用当中，例如用于一般的照明、LCD背光源等。
随着蓝宝石图形化衬底制备工艺的不断发展，让LED制备白光逐渐成了现实，对于LED的进一步推广和应用有着非常显著的作用。
值得一提的是，LED虽然作为一种特别的固态光源与当前的社会环境倡导节能减排的理念具有极高的契合度，但是在LED实际的发展与应用中还是存在着一些问题，只有技术研发人员加强对LED的创新和优化，才能够为LED的广泛应用，在照明领域代替当前的所使用的传统光源。
为环保节能社会的建设提供良好的支持。
1.LED蓝宝石图形化衬底提高GaN基LED出光率的作用机理1.1降低GaN外延层位错密度在LED衬底材料中蓝宝石所具备的机械性能、可靠性以及易控制特性远超过其他的衬底材料，如单晶硅、单晶碳化硅等。
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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，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）０４－００４８－０４Ｓｔｕｄｙ ｏｎ ｔｈｅ ｄｉｓｌｏｃａｔｉｏｎ ｏｆ ｔｈｅ ｓａｐｐｈｉｒｅ ｃｒｙｓｔａｌｗｉｔｈ ｃｈｅｍｉｃａｌ ｅｔｃｈｉｎｇＬü Ｈａｉ－ｔａｏ１， ＺＨＡＮＧ Ｗｅｉ－ｌｉａｎ１， ＺＵＯ Ｙａｎ１， ＢＵ Ｙｕｎ－ｙｉｎｇ２（１． Ｈｅｂｅｉ Ｕｎｉｖｅｒｓｉｔｙ ｏｆ Ｔｅｃｈｎｏｌｏｇｙ， Ｔｉａｎｊｉｎ ３００１３０， Ｃｈｉｎａ；Ｔｉａｎｊｉｎ ＳｅｍｉｃｏｎｄｕｃｔｏｒＴｅｃｈｎｏｌｏｇｙ Ｉｎｓｔｉｔｕｔｅ，Ｔｉａｎｊｉｎ ３０００５１，Ｃｈｉｎａ）Ａｂｓｔｒａｃｔ： Ｄｉｓｌｏｃａｔｉｏｎ ｉｎ ＣＺ Φ５０ｍｍ ｓａｐｐｈｉｒｅ ｃｒｙｓｔａｌ ｈａｄ ｂｅｅｎ ｏｂｓｅｒｖｅｄ ｂｙ ｃｈｅｍｉｃａｌ ｅｔｃｈｉｎｇ－ｍｅｔａｌｌｏｇｒａｐｈ ａｎｄ ＳＥＭ ｍｅｔｈｏｄｓ． Ｆｒｏｍ ｔｈｅ ｒｅｓｕｌｔｓ ｗｅ ｆｏｕｎｄ ｄｉｓｌｏｃａｔｉｏｎ ｄｅｎｓｉｔｙ ｗａｓ ｌｏｗ ｏｎ ｔｈｅ ｃｅｎｔｅｒ，ｗｈｉｌｅ ｉｔ ｗａｓ ｈｉｇｈ ａｔ ｔｈｅ ｅｄｇｅ ｏｆ ｔｈｅ ｓａｍｐｌｅ． Ｏｎ ｔｈｅ ｗｈｏｌｅ， ｄｉｓｌｏｃａｔｉｏｎ ｄｅｎｓｉｔｙ ｗａｓ ａｂｏｕｔ １０４￣１０５ｃｍ－２．Ｉｎａｄｄｉｔｉｏｎ， ｃｏｍｐａｒｅｄ ｔｈｅ ｒｅｓｕｌｔｓ ｗｈｉｃｈ ｗｅｒｅ ｏｂｔａｉｎｅｄ ｗｈｅｎ ｔｈｅ ｅｎｃｈａｎｔｓ ａｎｄ ｔｅｍｐｅｒａｔｕｒｅ ａｎｄ ｔｉｍｅｖａｒｉｅｄ． Ｗｅ ｌｅａｒｎ ｔｈｅ ｄｉｓｌｏｃａｔｉｏｎ ｗａｓ ｄｉｓｐｌａｙｅｄ ｖｅｒｙ ｃｌｅａｒｌｙ ａｎｄ ａｃｃｕｒａｔｅｌｙ ｗｈｅｎ ｗｅ ｅｔｃｈ ｗｉｔｈ ＫＯＨ ａｔ２９０℃ ｆｏｒ ｆｉｆｔｅｅｎ ｍｉｎｕｔｅｓ． Ｗｈｉｃｈ ｗａｓ ｔｈｅ ｂｅｓｔ ｃｏｎｄｉｔｉｏｎ．Ｋｅｙ ｗｏｒｄｓ ： ｓａｐｐｈｉｒｅ ｃｒｙｓｔａｌ；ｄｉｓｌｏｃａｔｉｏｎ；ｃｈｅｍｉｃａｌ ｅｔｃｈ支撑技术半导体技术第２９卷第４期二ＯＯ四年四月48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（Ａｌ２Ｏ３），晶型为ａ－Ａｌ２Ｏ３，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（ＩＦＵＳ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。
（ａ） ＫＯＨ腐蚀１０ｍｉｎ （ｂ） ＫＯＨ腐蚀１５ｍｉｎ（ｃ） ＫＯＨ腐蚀２０ｍｉｎ图１ 在２９０℃不同时间下腐蚀形貌的金相显微镜观察结果图２ ＳＥＭ下观察的腐蚀坑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。
表１ 蓝宝石单晶化学腐蚀腐蚀温度／℃腐蚀时间／ｍｉｎ位错密度／ｃｍ－２２９０１００．８×１０４２９０１５１．８×１０４２９０２０ ——支撑技术Semiconductor Technology Vol. 29 No. 4 April 200449半导体技术第２９卷第４期二ＯＯ四年四月50２．３ 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。
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，熔体内就会出图３ ３２０℃下ＮａＯＨ腐蚀３０ｍｉｎ（ａ）（０００１）晶面腐蚀图 （ｂ）（１１2０）晶面腐蚀图图４ 金相显微镜观察到的缺陷形貌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●：O 2 - 〇： Al 3+图５ 蓝宝石晶体结构与腐蚀坑形状外，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。
支撑技术Semiconductor Technology Vol. 29 No. 4April 200451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）表示GbrZ T b N c τβ−⋅=d d D （１）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）GbrZ T b c τβ≤⋅d d （２）径向温度梯度引起位错的条件可用式（３）表示GblZ T b N c τβ−⋅=d d D （３）式中ｌ晶体长度。
径向温度梯度不引起位错产生的条件为GblZ T b c τβ≤⋅d d （４）在实际的晶体生长中，由于Ａｌ２Ｏ３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Ф５０ｍｍ晶体使用Ф８０ｍｍ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。