LED蓝宝石长晶工艺方法
led晶片生产工艺
led晶片生产工艺LED（Light Emitting Diode），即发光二极管，是一种能够将电能转化为光能的半导体器件。
在LED的制造过程中，晶片生产工艺是至关重要的环节，它决定了LED器件最终的性能和质量。
下面我们来介绍LED晶片的生产工艺。
1. 基片生长：LED的基片是由单晶或多晶蓝宝石材料制成，一般直径为2英寸、4英寸或6英寸。
基片生长分为液相外延法和金属有机化学气相沉积法（MOCVD）两种主要方法。
液相外延法通过将原料溶解在熔融的硼酸盐溶液中，然后逐渐降温，将蓝宝石晶体逐渐生长。
MOCVD方法则是通过化学气相沉积，在高温下将有机金属分子和气体反应生成LED晶片。
2. 背面粗糙化：为了增加光的提取效率，LED晶片的背面会进行粗糙化处理。
常见的方法包括化学腐蚀、机械刮擦和干法刻蚀等。
粗糙化处理可以增加晶片与外界环境的接触面积，从而提高光的反射和漫射效果。
3. 硅胶封装：LED晶片通过硅胶进行封装，可以保护晶片不受外界环境的损害，并提供良好的光线散射效果。
硅胶封装一般包括涂胶、压胶和固化等步骤。
通过合适的工艺参数，使得硅胶封装完全覆盖LED晶片，并能够固定晶片在基板上。
4. 金属电极制作：LED晶片上需要制作金属电极，以供电信号输入和光信号输出。
电极制作一般分为光刻、金属蒸镀和脱胶等步骤。
光刻是利用光硬化胶进行图案转移，使得金属沉积后只留下需要的电极图案。
金属蒸镀是通过高温蒸镀的方法，在晶片表面沉积金属材料，形成电极。
脱胶则是利用化学或物理方法将光刻胶脱除，形成裸露的电极结构。
5. 检测和分选：LED晶片生产完成后需要进行检测和分选，以保证管芯发光性能的一致性和质量。
检测常用的参数包括光通量、色温、色坐标、漏电流等。
分选则是根据检测结果，将相似的晶片分到一起，形成批次。
LED晶片生产工艺是一个复杂的过程，需要精良的设备和专业的技术人员进行控制和操作。
只有严格控制每个环节的工艺参数和质量要求，才能生产出性能优良、质量稳定的LED器件。
LED蓝宝石长晶普及知识6
在人造蓝宝石结晶原料的准备方面的一些工艺性建议1.准备工序将炉料准备车间一个作业班次一个生产批次所需数量的生产原料从仓库提出并运至炉料准备车间。
原料从仓库提出后在运送过程中采用供货厂家的原包装。
将一个生产批次的原料分为几个工序批次。
打开第一个工序批次的包装，将其送至检验工序。
2.检验工序从仓库提出有裂缝的晶体原料、机械加工废料及有缺陷的晶体原料，用肉眼查看并用抹布蘸取酒精/汽油混合物擦去标识工具留下的标记。
如晶体表面有附着物或大的金属颗粒，可以在热冲击工序之前，用“保加利亚女人”牌角磨机（带金刚石磨片）尽量将其敲掉或磨掉。
接下来，原料进入下一道工序——热冲击工序。
3.热冲击工序开裂的晶体原料表面经清理后，将晶体放入马弗炉（加热至1000~1100度）内，在启动炉子之前可以将第一个批次的原料放入炉内。
打开炉门，用坩埚钳将晶体放入作业空间内并使之均匀分布在炉底上。
注：严禁在没有防热辐射保护的条件下空手将晶体送入炉内或从炉内取出。
在炉内的保留时间为2小时。
向铝制容器内注入蒸馏水并将容器放在马弗炉旁边。
加热结束后，打开炉门，用簸箕和火钩子将经加热的晶体从炉内取出，放入装有蒸馏水的容器内，此时晶体会开裂，变成小块。
晶体冷却后，就进入下一道工序——破碎工序。
4.破碎工序原料经热冲击工序后，将少量原料放入铝制研钵内，在研钵内用铝制杵将其捣碎。
必要时，可挑出较大的原料块再次进行热冲击处理和破碎。
5.筛选工序为了对炉料进行分类，就需要设置一道筛选工序。
经破碎工序后，用簸箕分小批次将原料放到工作台上，通过肉眼检测，按如下特征对炉料进行分类：—挑出含有可见固体杂质的颗粒；—挑出带颜色和不透明的颗粒。
挑出含有上述缺陷的原料，单独放入容器内，称重并标号。
挑选出可用于结晶的炉料用于下一道工序——化学浸蚀。
6.化学浸蚀工序为了除去晶体表面在热冲击工序中残留下来的污垢，就必须进行化学浸蚀。
在一个开启强制排风的通风柜里，在装有混合浓酸（HNO3:HCl配比为3:1）的玻璃或塑料容器内进行浸蚀，搁置时间为24小时。
目前LED用蓝宝石长晶方法主要包括提拉法
目前LED用蓝宝石长晶方法主要包括提拉法、热交换法、泡生法、垂直水平梯度结晶法(VHGF)和先进热控法。
国内的天通股份、东晶电子、三安光电均采用泡生法生产蓝宝石衬底，但在尺寸和厚度变大时，使用这种方法的生产良率会明显降低，因而不适合生产苹果手机Home键乃至将来潜在的蓝宝石盖板玻璃，只适合生产LED外延用的蓝宝石衬底，东芝与普瑞光电合作的硅基板LED芯片预计将于今年10月量产，由于硅基板成本较低且容易获得大尺寸，一旦硅基板LED良率和性能达到与蓝宝石基板LED相媲美的程度，蓝宝石基板将面临更为严峻的挑战。
在国内两岸三地各大LED巨头火力血拼的沃土上，存在着三个不得不让人提起的男人——三安光电董事长林秀成、德豪润达董事长王冬雷、晶元光电董事长李秉杰璨圆光电芯片光电收购广镓、隆达合并威力盟、三安光电入股璨圆等案市场需求不够强劲，加上LED供过于求的情况尚未解决，继今年一连串的整并与入股事件后，2013年LED磊晶制造商预计将再掀起一波整并潮，以扩大营运规模。
佘庆威分析，今年芯片光电收购广镓、隆达合并威力盟、三安光电入股璨圆等案例晶电、亿光、璨圆、西安中为光电科技公司4条紫外LED芯西安中为光电科技有限公司总经理杨建科陕西光电科技有限公司副总经理于浩内蒙古晶环电子材料有限公司内蒙古晶环由浙江晶盛机电股份有限公司和天津中环半导体股份有限公司重庆最大的集生产和研发为一体的LED基地重庆超硅LED芯片项目将正式在两江新区水土高新产业园竣工投产。
该项目于2010年10月正式签约，2011年4月正式开工建设。
投产后，每个月LED芯片产量将在30万片左右，最终将形成月产60万片左右的规模。
上海超硅半导体有限公司是目前国内唯一拥有8英寸硅片抛光生产线和大尺寸蓝宝石长晶技术工艺生产线的企业，产品包括半导体硅材料、LED用蓝宝石材料、复合德豪润达公告，全资子公司大连德豪光电近日收到大连金洲新区财政局600万元人民币政府补贴，用于大连德豪光电LED芯片产业化专案建设。
蓝宝石LED衬底工艺流程
热导
衬底作为芯片散热的主要 通道，将芯片产生的热量 传导至外部。
光学特性
衬底对芯片的光学性能有 影响，如光的吸收、反射 和折射等。
LED衬底材料的种类
蓝宝石
常用作LED衬底材料，具有较高的硬度、化学稳定 性和高热导率。
硅
具有高热导率、低成本和成熟的半导体制造工艺。
碳化硅
具有高热导率、高硬度、高化学稳定性和高抗腐 蚀性。
蓝宝石LED衬底工艺流程
• 引言 • LED衬底概述 • 蓝宝石LED衬底制备工艺流程 • 工艺流程中的关键技术 • 工艺流程中的问题与解决方案 • 结论
01
引言
主题简介
01
蓝宝石LED衬底是LED产业中的重 要组成部分，其工艺流程涉及多 个环节和关键技术。
02
蓝宝石LED衬底具有优异的光学 、热学和机械性能，广泛应用于 照明、显示、背光等领域。
晶体切割
将晶体切割成适当的大小 和形状，以满足后续加工 需求。
切割与研磨的关键技术
切片
抛光
使用刀片或激光将衬底切成适当的大 小。
通过抛光剂和抛光盘对衬底表面进行 抛光，以提高表面光洁度和平整度。
研磨
通过研磨剂和研磨盘对衬底表面进行 研磨，以去除切割痕迹和表面缺陷。
抛光处理的关键技术
选择性抛光
根据衬底表面的不同区域选择不 同的抛光参数，以实现局部抛光。
研究更精确的光刻技术
随着LED芯片尺寸的不断减小，需要更精确的光刻技术来制作更精细 的图案。
发展新型蓝宝石衬底材料
为了满足LED行业的发展需求，需要研究和发展新型蓝宝石衬底材料， 提高其性能和稳定性。
深入研究退火处理技术
退火处理对蓝宝石衬底的性能有很大影响，需要进一步深入研究退火 处理技术，优化退火工艺参数，提高蓝宝石衬底的性能。
浅析蓝宝石晶体生长工艺及设备
浅析蓝宝石晶体生长工艺及设备蓝宝石是贵重材料，作为人工合成晶体中的一种，其机械以及光学层面的性能极优，所以应用极广。
近年半导体照明行业规模急剧膨胀，使得对蓝宝石衬底材料需求越来越大，尤其是MOCVD外延衬底方面，超过整体产量的80%。
半导体照明产业规模不断的扩张，使得其对蓝宝石的需求与日俱增，此种情况下，相关行业面临极大的发展机遇，产品具有极高的效益，市场空间比较大，使得资金源源不断的进入该行业。
本文对蓝宝石单晶所具有的性质和使用进行充分说明，尤其是单晶生长工艺方面，一种为泡生法，另一种为VHGF 法，同时分析了其制备设备，探求相关发展大势。
标签：蓝宝石；单晶；生长；工艺；设备1 蓝宝石的性质及用途蓝宝石本质是纯净氧化铝所存在的单晶形态，由Al2O3组成。
其莫氏硬度可以达到9，排名在金刚石其后。
在25℃温度的时候，其电阻率具体为1×1011Ω·cm，同时其具有极好的电绝缘性能。
其光透性极好，在机械层面的性能极好，同时具有极好的热传导性。
应用广泛，在耐磨元件以及窗口材料方面用处极大，同时在电子器件方面应用价值极高。
从电子层面来看，主要在GaN基蓝绿光LED有着极大的应用，除此之外就是射频器件，后者面向手机智造产业（主要涉及技术为蓝宝石上硅SOS）。
在2009年的时候，蓝宝石衬底约为900万片，一年后达到惊人的2700万片。
2 蓝宝石单晶生长工艺及设备2.1 焰熔法维尔纳叶（Verneuil）作为法国闻名遐迩的研究人员，在1902年提出改法，向世人展示，可以视其为蓝宝石单晶工业生长的开端。
原料选用纯净度极高的Al2O3粉末，加热使用氢氧焰，将Al2O3粉末由上到下散落，经过氢氧焰处理，被熔融，然后掉在籽晶顶部，形成蓝宝石晶体。
改法对设备的要求不高，生长极快，不过在完整性方面存在比较大的问题，应力比较大，晶体通常位错密度范围从105一直到106cm2。
适用于制造价格便宜的仪表轴承或者耐磨元件。
各种蓝宝石长晶方法汇整
热交换法(HEM)
坩埚下降法
该方法的创始人是P.W.Bridgman，论文发表于1925年。 D.C.Stockbarger曾对这种方法的发展作出了重要的推 动，因此这种方法也可以叫做布里奇曼－斯托克巴杰 方法,简称B-S方法。
该方法的特点是使熔体在坩埚中冷却而凝固。坩埚可 以垂直放置，也可以水平放置(使用“舟”形坩埚)， 如下图所示。生长时，将原料放入具有特殊形状的坩 埚里，加热使之熔化。通过下降装置使坩埚在具有一 定温度梯度的结晶炉内缓缓下降，经过温度梯度最大 的区域时，熔体便会在坩埚内自下由上地结晶为整块 晶体。
1) 由于可以把原料密封在坩埚里，减少了挥发造成的 泄漏和污染，使晶体的成分容易控制
2) 操作简单，可以生长大尺寸的晶体。可生长的晶体 品种也很多，且易实现程序化生长
3) 由于每一个坩埚中的熔体都可以单独成核，这样可 以在一个结晶炉中同时放入若干个坩埚，或者在一个 大坩埚里放入一个多孔的柱形坩埚，每个孔都可以生 长一块晶体，而它们则共用一个圆锥底部进行几何淘 汰，这样可以大大提高成品率和工作效率
2) 晶体直径的控制 提拉法生长的晶体直径的控制 方法很多，有人工直接用眼睛观察进行控制，也有自 动控制。自动控制的方法目前一般有利用弯月面的光 反射、晶体外形成像法、称重等法
提拉法生长晶体的优点
1) 在生长过程中，可以直接观察晶体的生长状况，这 为控制晶体外形提供了有利条件
蓝宝石长晶
一、蓝宝石生长1.1 蓝宝石生长方法1.1.1 焰熔法Verneuil (flame fusion)最早是1885年由弗雷米（E. Fremy）、弗尔（E. Feil）和乌泽（Wyse）一起，利用氢氧火焰熔化天然的红宝石粉末与重铬酸钾而制成了当时轰动一时的“ 日内瓦红宝石”。
后来于1902年弗雷米的助手法国的化学家维尔纳叶（Verneuil）改进并发展这一技术使之能进行商业化生产。
因此，这种方法又被称为维尔纳叶法。
1）基本原理焰熔法是从熔体中生长单晶体的方法。
其原料的粉末在通过高温的氢氧火焰后熔化，熔滴在下落过程中冷却并在种晶上固结逐渐生长形成晶体。
2）合成装置与条件、过程焰熔法的粗略的说是利用氢及氧气在燃烧过程中产生高温，使一种疏松的原料粉末通过氢氧焰撒下焰融，并落在一个冷却的结晶杆上结成单晶。
下图是焰熔生长原料及设备简图。
这个方法可以简述如下。
图中锤打机构的小锤7按一定频率敲打料筒，产生振动，使料筒中疏松的粉料不断通过筛网6，同时，由进气口送进的氧气，也帮助往下送粉料。
氢经入口流进，在喷口和氧气一起混合燃烧。
粉料在经过高温火焰被熔融而落在一个温度较低的结晶杆2上结成晶体了。
炉体4设有观察窗。
可由望远镜8观看结晶状况。
为保持晶体的结晶层在炉内先后维持同一水平，在生长较长晶体的结晶过程中，同时设置下降机构1，把结晶杆2缓缓下移。
焰熔法合成装置由供料系统、燃烧系统和生长系统组成，合成过程是在维尔纳叶炉中进行的。
A.供料系统原料：成分因合成品的不同而变化。
原料的粉末经过充分拌匀，放入料筒。
如果合成红宝石，则需要Al2O粉末和少量的 Cr2O3参杂，Cr2O3用作致色剂，添加量为 1-3%。
三氧化3二铝可由铝铵矾加热获得。
料筒：圆筒，用来装原料，底部有筛孔。
料筒中部贯通有一根震动装置使粉末少量、等量、周期性地从筛孔漏出。
震荡器：驱动震动棒震动，使料筒不断抖动，以便原料的粉末能从筛孔漏出。
B.燃烧系统氧气管：从料筒一侧释放，与原料粉末一同下降；氢气管：在火焰上方喷嘴处与氧气混合燃烧。
蓝宝石晶体的生产工艺流程
蓝宝石晶体的生产工艺流程
蓝宝石晶体的生产工艺流程通常包括以下几个关键步骤：原材料准备、切割和打磨、表面处理、热处理、品质检验和包装。
首先，原材料准备是蓝宝石生产的第一步。
蓝宝石的原材料通常是自然的蓝宝石矿石，这些矿石经过挖掘、清洗和破碎等处理后，得到可用于后续加工的蓝宝石原石。
接下来是切割和打磨步骤。
蓝宝石原石经过精确的切割和打磨，使其具备良好的光学特性和外观。
这一步骤通常使用金刚石工具和磨料进行，需要高度熟练的技术和经验，才能够得到高质量的蓝宝石晶体。
完成切割和打磨后，需要对蓝宝石晶体进行表面处理。
表面处理可以包括激光刻字、打孔、贴合等步骤，以满足不同的需求。
激光刻字通常用于在蓝宝石上刻上文字或者图案，打孔用于制作首饰等，而贴合则是将蓝宝石与其他材料结合在一起。
接下来是热处理步骤。
蓝宝石晶体在热处理过程中，会暴露在高温的环境下，以改善其颜色和透明度。
这一步骤通常使用特殊的炉子和控制系统进行。
完成热处理后，需要对蓝宝石晶体进行品质检验。
品质检验通常包括对蓝宝石的颜色、透明度、切割质量等方面进行评估。
根据检验结果，可以对蓝宝石进行分
类和分级，以便于后续的销售和应用。
最后，蓝宝石晶体通常会被包装好，以保护其表面免受划痕和磨损。
包装通常使用透明的塑料盒或者包装纸等材料。
总体而言，蓝宝石晶体的生产工艺流程是一个严格的、多环节的过程。
通过原材料准备、切割和打磨、表面处理、热处理、品质检验和包装等步骤，可以得到高质量的蓝宝石晶体，并最终用于各种领域的应用。
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提拉法生长晶体的缺 提拉法生长晶体的缺点
1) 一般要用坩埚作容器，导致熔体有不同程度的污染 一般要用坩埚作容器， 当熔体中含有易挥发物时， 2) 当熔体中含有易挥发物时，则存在控制组分的困难 适用范围有一定的限制。例如， 3) 适用范围有一定的限制。例如，它不适于生长冷却 过程中存在固态相变的材料， 过程中存在固态相变的材料，也不适用于生长反应性 较强或熔点极高的材料， 较强或熔点极高的材料，因为难以找到合适的坩埚来 盛装它们 总之，提拉法生长的晶体完整性很高， 总之，提拉法生长的晶体完整性很高，面其生长速率 和晶体尺寸也是令人满意的。设计合理的生长系统、 和晶体尺寸也是令人满意的。设计合理的生长系统、 精确面稳定的温度控制、 精确面稳定的温度控制、熟练的操作技术是获得高质 量晶体的重要前提条件
提拉法生长方式示意图
坩埚上方有一根可以旋转和升降的 提拉杆，杆的下端有一个夹头， 提拉杆，杆的下端有一个夹头，其上装有 一根籽晶。降低提拉杆， 一根籽晶。降低提拉杆，使籽晶插入熔体 中，只要熔体的温度适中，籽晶既不熔解， 只要熔体的温度适中，籽晶既不熔解， 也不长大，然后缓慢向上提拉和转动籽晶 也不长大， 杆，同时缓慢降低加热功率，籽晶逐渐长 同时缓慢降低加热功率，
为了充分利用几何淘汰规律， 为了充分利用几何淘汰规律，提高成 品率，人们设计了各种各样的坩埚。 品率，人们设计了各种各样的坩埚。 图所示。 如左图所示。其目的是让坩埚底部通 过温度梯度最大的区域时， 过温度梯度最大的区域时，在底部形 成尽可能少的几个晶 成尽可能少的几个晶核，而这几个晶 核再经过几何淘汰， 核再经过几何淘汰，剩下只有取向优 异的单核发展成晶体。经验表明， 异的单核发展成晶体。经验表明，坩 埚底部的形状也因晶体类型不同而有 所差异。 所差异。
提拉法(CZ) 提拉法(CZ)
柴氏拉晶法(Czochralski method),简称CZ法.先将原 柴氏拉晶法 料加热至熔点后熔化形成熔汤，再利用一单晶晶种接触 到熔汤表面，在晶种与熔汤的固液界面上因温度差而形 成过冷。于是熔汤开始在晶种表面凝固并生长和晶种相 同晶体结构的单晶。晶种同时以极缓慢的速度往上拉升， 并伴随以一定的转速旋转，随着晶种的向上拉升，熔汤 逐渐凝固于晶种的液固界面上，进而形成一轴对称的单 晶晶锭.
坩埚下降法示意图
坩埚下降法原理
下降法一般采用自发成核生长晶体，其获得单晶体的 下降法一般采用自发成核生长晶体， 依据就是晶体生长中的几何淘汰规律，原理如下 依据就是晶体生长中的几何淘汰规律，原理如下图所 在一根管状容器底部有三个方位不同的晶核A 示。在一根管状容器底部有三个方位不同的晶核A、B、 其生长速度因方位不同而不同。假设晶核B C，其生长速度因方位不同而不同。假设晶核B的最大 生长速度方向与管壁平行，晶核A 则与管壁斜交。 生长速度方向与管壁平行，晶核A和C则与管壁斜交。 由图中可以看到，在生长过程中，A核和C核的成长空 由图中可以看到，在生长过程中， 核和C 间因受到B核的排挤而不断缩小， 间因受到B核的排挤而不断缩小，在成长一段时间以后 终于完全被B核所湮没，最终只剩下取向良好的B 终于完全被B核所湮没，最终只剩下取向良好的B核占 据整个熔体而发展成单晶体，这一现象即为几何淘汰 据整个熔体而发展成单晶体，这一现象即为几何淘汰 规律
温度梯度法 (TGT)
是以定向籽晶诱导的熔体单结晶方法。包括放置在简单 钟罩式真空电阻炉内的坩埚、发热体和屏蔽装置，下图 是装置简图。本装置采用镅坩埚、石墨发热体。坩埚底 部中心有一籽晶槽，避免耔晶在化料时被熔化掉。为了 增加坩埚稳定性，籽晶槽固定在定位棒的圆形凹槽内。 温场由石墨发热体和冷却装置共同提供。发热体为被上 下槽割成矩形波状的板条通电回路的圆筒，整个圆筒安 装在与水冷电极相连的石墨电极板上。板条上半部按一 定规律打孔，以调节发热电阻使其通电后白上而下造成 近乎线性温差。而发热体下半部温差通过石墨发热体与 水冷电极板的传导来创造。籽晶附近的温场还要依靠与 水冷坩埚杆的热传导共同提供
坩埚下降法
该方法的创始人是P.W.Bridgman，论文发表于1925年。 该方法的创始人是P.W.Bridgman，论文发表于1925年 P.W.Bridgman 1925 D.C.Stockbarger曾对这种方法的发展作出了重要的推 D.C.Stockbarger曾对这种方法的发展作出了重要的推 因此这种方法也可以叫做布里奇曼－ 动，因此这种方法也可以叫做布里奇曼－斯托克巴杰 方法,简称B 方法。 方法,简称B-S方法。 该方法的特点是使熔体在坩埚中冷却而凝固。 该方法的特点是使熔体在坩埚中冷却而凝固。坩埚可 以垂直放置，也可以水平放置(使用“ 形坩埚) 以垂直放置，也可以水平放置(使用“舟”形坩埚)， 下图所示 生长时， 所示。 如下图所示。生长时，将原料放入具有特殊形状的坩 埚里，加热使之熔化。 埚里，加热使之熔化。通过下降装置使坩埚在具有一 定温度梯度的结晶炉内缓缓下降， 定温度梯度的结晶炉内缓缓下降，经过温度梯度最大 的区域时，熔体便会在坩埚内自下由 的区域时，熔体便会在坩埚内自下由上地结晶为整块 晶体。 晶体。
泡生法生长方式示意图
将晶体原料放入耐高温的坩埚中加 热熔化 ,调整炉内温度场 ,使熔体 上部处于稍高于熔点的状态;使籽 晶杆上的籽晶接触熔融液面 ,待其 表面稍熔后 ,降低表面温度至熔 点 ,提拉并转动籽晶杆 ,使熔体顶 部处于过冷状态而结晶于籽晶上 , 在不断提拉的过程中 ,生长出圆柱 状晶体
蓝宝石晶体不同工艺优缺点比较
热交换法的 热交换法的缺点
1) 2) 3) 4) 不適於生長強烈腐蝕坩堝的材料 生產過程會引入較大內應力 氦氣價格昂貴 氣流的流量難以精確控制
泡生法 KY) 泡生法(KY)
泡生法 Kyropoulos method 由美国Kyropouls 发明 , 这种方法是将一根受冷的籽晶与熔体接触，如果界面的 温度低于凝固点，则籽晶开始生长，为了使晶体不断长 大，就需要逐渐降低熔体的温度，同时旋转晶体，以改 善熔体的温度分布。也可以缓慢的（或分阶段的）上提 晶体，以扩大散热面。晶体在生长过程中或生长结束时 不与坩埚壁接触，这就大大减少了 晶体的应力。不过， 当晶体与剩余的熔体脱离时，通常会产生较大的热冲击， 其产出晶体缺陷密度远低于提拉法生长的晶体
坩埚下降法的 坩埚下降法的缺点
1) 不适宜生长在冷却时体积增大的晶体 由于晶体在整个生长过程中直接与坩埚接触， 2) 由于晶体在整个生长过程中直接与坩埚接触，往往会在 晶体中引入较大的内应力和较多的杂质 在晶体生长过程中难于直接观察， 3) 在晶体生长过程中难于直接观察，生长周期也比较长 若在下降法中采用籽晶法生长， 4) 若在下降法中采用籽晶法生长，如何使籽晶在高温区既 不完全熔融，又必须使它有部分熔融以进行完全生长，是 不完全熔融，又必须使它有部分熔融以进行完全生长， 一个比较难控制的技术问题 总之， 总之，B－S法的最大优点是能够制造大直径的晶体(直径达 法的最大优点是能够制造大直径的晶体( 200mm)， 200mm)，其主要缺点是晶体和坩埚壁接触容易产生应力或 寄生成核。 寄生成核。它主要用于生长碱金属和碱土金属的卤族化合 例如CaF2 LiF、NaI等 CaF2、 物(例如CaF2、LiF、NaI等)以及一些半导体化合物 (例如 AgGaSe2、AgGaS2、CdZnTe等 AgGaSe2、A长程序
1)先加熱熔化坩堝內的原料,使熔 體溫度保持略高於熔點5~10℃ 2)堝底的晶種部分被熔化,爐溫緩 慢下降 3)開通He氣冷卻 4)熔體就被未熔化晶種為核心,逐 漸生長出充滿整個坩堝的大塊單晶
热交换法炉体示意图
热交换法的优点 热交换法的优点
1) 固/液界面位於坩堝內，且沒有拉伸的動作，不易 液界面位於坩堝內，且沒有拉伸的動作， 受到外力干擾 2) 藉由改變坩堝的外形就能改變晶體的形狀 3) 能夠分別控制熔區及固化區之溫度梯度 4) 可減少浮力對流之影響 5) 可直接在爐內進行退火減少晶體內之熱應力 6) 易於生長大尺寸晶體
热交换法(HEM) 热交换法(HEM)
热交换法 Heat exchange method (HEM) 1947年美國 開始使用熱交換器法來生產大直徑藍寶石單晶
基本原理如下 利用熱交換器來帶走熱量，使得晶體生長區內形成 一 下冷上熱縱向溫度梯度 藉由控制熱交換器內氣體流量的大小及改變加熱功率的 大小來控制此一溫度梯度，藉此達成坩堝內溶液由下慢 慢向上凝固成晶體的目的
坩埚下降法的优点 坩埚下降法的优点
1) 由于可以把原料密封在坩埚里，减少了挥发造成的 于可以把原料密封在坩埚里， 泄漏和污染， 泄漏和污染，使晶体的成分容易控制 操作简单，可以生长大尺寸的晶体。 2) 操作简单，可以生长大尺寸的晶体。可生长的晶体 品种也很多，且易实现程序化生长 品种也很多， 由于每一个坩埚中的熔体都可以单独成核， 3) 由于每一个坩埚中的熔体都可以单独成核，这样可 以在一个结晶炉中同时放入若干个坩埚， 以在一个结晶炉中同时放入若干个坩埚，或者在一个 大坩埚里放入一个多孔的柱形坩埚， 大坩埚里放入一个多孔的柱形坩埚，每个孔都可以生 长一块晶体， 长一块晶体，而它们则共用一个圆锥底部进行几何淘 汰，这样可以大大提高成品率和工作效率
提拉法生长晶体的优点
1) 在生长过程中，可以直接观察晶体的生长状况，这 生长过程中，可以直接观察晶体的生长状况， 为控制晶体外形提供了有利条件 2) 晶体在熔体的自内表面处生长，而不与坩埚相接触， 晶体在熔体的自内表面处生长，而不与坩埚相接触， 能够显著减小晶体的应力并防止坩埚壁上的寄生成核 3) 可以方便地使用定向籽晶的和“缩颈”工艺，得到 可以方便地使用定向籽晶的和“缩颈”工艺， 不同取向的单晶体，降低晶体中的位错密度， 不同取向的单晶体，降低晶体中的位错密度，减少镶 嵌结构， 嵌结构，提高晶体的完整性 提拉法的最大优点在于能够以较快的速率生长较高质 量的晶体。例如， 量的晶体。例如，提拉法生长的红宝石与焰熔法生长 的红宝石相比，具有效低的位错密度， 的红宝石相比，具有效低的位错密度，较高的光学均 匀性，也没有镶嵌结构。 匀性，也没有镶嵌结构。